JP5680104B2 - 還元剤容器における還元剤の状態を特定するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、還元剤容器における還元剤の状態を特定するための方法に関する。この方法において還元剤は、内燃機関によって生成される排ガスを後処理するために使用可能である。

自動車からの窒素酸化物の放出を減じるために、先行技術において排ガス後処理ユニットが公知になっている。この排ガス後処理ユニットにおいて、還元剤容器に蓄えられている還元剤（尿素水溶液）が、内燃機関の排ガスラインに供給される。まさにディーゼル燃料によって運転される自動車は、窒素酸化物（ＮＯｘ）の高められた放出をもたらす。この放出は、排ガスラインへの還元剤注入により減じることができる。窒素酸化物の放出を減じるために、いわゆる選択触媒還元（ＳＣＲ）法が使用される。還元剤は、ＳＣＲ触媒の領域における内燃機関の排ガスラインへの注入により、長期的な展望に亘っては消費し尽くされるので、ときおり新鮮な還元剤を還元剤容器に補充する必要がある。窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元は、尿素水溶液が十分に高い品質を有している場合にのみ可能である。還元剤は、上記関係において通常、所定の品質を備えた、つまり尿素と水との所定の混合比率を備えた尿素水溶液である。尿素水溶液は、商品名ＡｄＢｌｕｅ、Ｕｒｅａ、Ｄｅｎｏｘｉｕｍ及びＡＵＳ３２において公知である。

つまり、窒素酸化物の十分な還元は、還元剤溶液が十分に高い品質を有している場合にのみ可能である。これに対して、還元剤容器を低質の還元剤溶液でもって充填する場合、内燃機関の排ガス中の窒素酸化物を還元することは十分に保証されていない。法的な規則に基づき、最新型の車両は、車両の排ガス関連システム全体を監視する車載診断ユニット（ＯＢＤ２）を有する必要がある。還元剤容器に低質の還元剤溶液が充填されると、車載診断ユニットにより排ガス後処理ユニットの共通のディフェクトが検知される。しかしこのディフェクトは、種々異なる原因を有していることがあり、例えば診断システムにおける構成要素が故障しているとか、ＳＣＲ触媒が劣化しているとか、窒素酸化物センサドリフトがあるとか、又はまさに正しくない又は低質の還元剤が補充された場合に生じることがある。様々な国の法律に規定されている、ディフェクトを正確に明示するという要求は、共通のディフェクトメッセージでは満たすことができない。したがって本発明の目的は、使用される還元剤の品質に関する正確なメッセージを発することができる方法を提供することである。

本発明により上記目的は、独立請求項１が対象とする構成により達成される。有利な構成を従属請求項、明細書及び図面に記載する。

冒頭で述べた形式の方法に対して、本発明は上記課題を以下の方法ステップ、つまり：
−還元剤の充填量及び還元剤容器からの還元剤の取出量を、排ガス後処理ユニットの全寿命に亘って、充填度センサによって特定しかつ記録する方法ステップ、
−還元剤容器における還元剤の温度を、排ガス後処理ユニットの全寿命に亘って、少なくとも１つの温度センサによって特定しかつ記録する方法ステップ、
−還元剤における超音波の拡散速度を、超音波発信器及び超音波受信器によって特定しかつ記録する方法ステップ、
−上記値から制御機器において還元剤の状態を特定する方法ステップ、
により達成する。

排ガス後処理ユニットの全寿命周期に亘って、還元剤に関する特性値を記録することにより、還元剤の品質を正確に特定することが常に可能である。したがって効果的な排ガス後処理が保証され、ひいては環境保護に寄与する。

この構成により、付加的に還元剤の導電率は導電率センサによって特定され、メモリに記録される。還元剤の導電率も、還元剤品質を評価するための重要な根拠である。

別の構成によれば、付加的には補充される還元剤の導電率は、還元剤容器の充填管片内に配置されている導電率センサによって特定され、メモリに記録される。車両の使用者により無茶に又は過失により、還元剤容器の誤った補給が行われることがあるので、まさに補充された還元剤の導電率は、還元剤品質を評価するための重要な根拠である。この誤った補給は、充填管片の領域において特に効果的に認識することができる。

さらに別の構成によれば、内燃機関の排ガス中のＮＯｘ濃度は、少なくとも１つのＮＯｘセンサによって付加的に特定され、所定のメモリに保存される。排ガス中のＮＯｘ濃度は、ＳＣＲ触媒における排ガス浄化の効果に対する直接的な基準であり、ひいては還元剤の品質に対する直接的な基準でもある。このために、例えばＳＣＲ触媒の上流側にＮＯｘセンサを位置決めすること、ＮＯｘセンサをＳＣＲ触媒の下流側に位置決めすること、及び２つのＮＯｘセンサの特定値を比較することが可能である。上記比較の結果は、ＳＣＲ触媒における還元剤での排ガス浄化の質に関し、直接的な情報を提供する。さらに、排ガス中のＮＯｘ濃度を完全に分解するために理論的に必要な還元剤の量を、排ガス中のＮＯｘ濃度を完全に分解するために実際に必要な還元剤の量でもって、少なくとも１つのＮＯｘセンサにより特定することができ、メモリに記録することができる。

さらに別の構成において、いつ及び／又はどのくらいの期間、還元剤が固体の凝集状態にあった、液状の凝集状態にあった又は部分的に液状の凝集状態にあったかを特定し、かつメモリに記録する。まさに還元剤の凍結は、還元剤の品質に影響を与えることがあり、このことは確実に認識されることが望まれる。

排ガスラインを備えた内燃機関を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

図１に、排ガスライン７を備えた内燃機関６を示す。内燃機関、特にディーゼルエンジンは、環境に対して有害な少なくない量の窒素酸化物ＮＯｘを生成する。窒素酸化物ＮＯｘを還元するために排ガスラインに適切な措置が講じられていないと、内燃機関６から排出された窒素酸化物ＮＯｘは、排ガス２３と共に排ガスライン７を介して環境に放出される。

排ガス浄化のために排ガスラインは、触媒及び他の構成部材（以下に記載する）を含む排ガス後処理ユニットを有する。まず、酸化触媒８が設けられている。この酸化触媒８は、排ガス中に含まれる窒素酸化物ＮＯｘを分解するための、いわゆるＳＣＲ触媒に対して前置される。ＳＣＲとは、Selective Catalytic Reduction（選択触媒還元）の略語である。ＳＣＲ触媒９において、窒素酸化物ＮＯｘの無害な窒素Ｎ_２及び水Ｈ_２Ｏへの変換が起こる。このためにノズル１０を介して、還元剤２とも称呼される尿素水溶液がＳＣＲ触媒９に噴射される。次いで還元剤２は窒素酸化物ＮＯｘと反応して、無害な成分Ｈ_２Ｏ及びＮ_２を生成する。

ＮＯｘと尿素水溶液との最適な反応のために、排ガス２３中のＮＯｘ濃度に適合した尿素量をノズル１０を介してＳＣＲ触媒９に注入する必要がある。このために、水と尿素を含む還元剤２の正確な組成を知ることが重要である。少量の還元剤２だけをＳＣＲ触媒に注入しなければならず、かつ還元剤２を自動車に頻繁に補充することは回避したいので、長期に亘って所定の量の還元剤２が還元剤容器１には残っている。還元剤容器１において、還元剤２は時間と共に変質することがある。例えば還元剤２において有機物質が沈殿するか、又は還元剤が低温（−１１℃より下）に基づき一時的に凍り、場合によってはこれにより還元剤の組成及び品質が変化する。高温によって還元剤２が劣化することもあり、特に還元剤２からの水の蒸発は、尿素と水との混合率の変化に繋がる。さらに、尿素は酸素の作用下で結晶化し、結晶性の沈殿物として還元剤容器１に堆積することがある。さらに還元剤容器１に、意図的に又は過失で低質の還元剤２が充填されるか、又はそれどころか純水が充填されることが想定され得る。還元剤２の品質が、上記結果に基づき低下すると、さらに排ガス２３の最適な浄化を行うことができるように、還元剤２を確認する必要がある。還元剤２における尿素濃度が低下する場合、例えば高められた量の還元剤２をＳＣＲ触媒９内に注入する必要がある。還元剤容器１が不正確に完全に補充されることにより、ＮＯｘを排ガス２３から効果的に浄化することはもはや可能でない場合、運転者のコックピットにおいてディフェクトを示す相応の信号を表示する必要がある、かつ／又は相応の入力を、車載診断ユニット（ＯＢＤ）のディフェクトメモリに蓄積する必要がある。

図１に還元剤の品質を監視するための複数のセンサを示す。還元剤容器は、例えば充填管片３に、充填された還元剤２の品質を充填過程中に特定することができる導電率センサ２２を有する。さらに充填管片３にタンクカバー５を認識することができる。このタンクカバー５の開口における導電率特定は、充填管片３における導電率センサ２２でもって始めることができる。還元剤容器１においても、導電率センサ２２並びに温度センサ１７及び充填度センサ２１が形成されている。導電率センサ２２によって、還元剤容器１内にある還元剤２の導電率を常時検知することができる。温度センサ１７によって、還元剤容器１内の還元剤２の温度を常に検知することができる。特に温度センサ１７によって、還元剤容器１内の還元剤２が凍結しているか、液状の状態にあるか又は過度に熱くなっているかを確認することができる。充填度センサ２１により、排ガス後処理ユニットの全寿命に亘って、還元剤容器１内の還元剤２の充填度を特定することができる。還元剤２の状態に関して検知された全データは、電子的なメモリ２５に保存される。

さらに還元剤容器１に超音波発信器／受信器が看取可能である。この超音波発信器／受信器によって、還元剤容器１にある還元剤２の所定の周波数の超音波の音速を特定することができる。さらに、反射鏡面２７を超音波発信器２０に対して予め規定された間隔ｄを置いて組付けることが有利である。超音波発信器と受信器２０との間隔ｄが既知であり、超音波発信器２０から発信された超音波パルスの波長も既知であるので、還元剤２における超音波パルスの音速を特定することができる。還元剤２における超音波速度によって、還元剤容器１における還元剤２の品質、特に組成を推定することができる。純水における所定の周波数を有する超音波パルスの超音波速度は、２０％、５０％又は９０％の還元剤溶液における所定の周波数を備えた超音波の超音波速度とは明らかに異なる。

さらに還元剤容器１に取出管４が看取可能である。この取出管４は管２４でもってフィルタ及びポンプ１３に通じている。このポンプ１３は還元剤容器１から還元剤２を、ＳＣＲ弁１１を介してＳＣＲ触媒におけるＳＣＲノズル１０に供給する。注入される還元剤２の量をＳＣＲ弁１１によって調整することができる。そのために、ＳＣＲ弁１１はＳＣＲ制御ユニット１５と電気的に接続されている。したがってＳＣＲ制御ユニット１５は、ＳＣＲ弁１１を制御する。このために、ＳＣＲ制御ユニット１５は、以下のセンサから複数の信号を受信する。
−ＮＯｘセンサ１８：このＮＯｘセンサ１８は、排ガスライン７において内燃機関６の直ぐ下流側、又は酸化触媒８とＳＣＲ触媒９との間、及び／又は排ガスライン７の出口においてＳＣＲ触媒９の下流側に配置されている。
−温度センサ１７：この温度センサ１７自体は内燃機関６の直ぐ下流側、及び／又は酸化触媒８の下流側、及び／又はＳＣＲ触媒９内に及び／又はＳＣＲ触媒９の下流側、及び／又は戻り管路２９内に配置されている。
−導電率センサ：この導電率センサは充填管片３内、及び／又は還元剤容器１内、及び／又は還元剤２をポンプ１３に搬送するための管２４内に配置されている。
−超音波発信器・受信器２０：この超音波発信器／受信器２０は還元剤容器１内に又は還元剤容器１に配置されている。
−（複数の）充填度センサ２１：この（これらの）充填度センサ２１は還元剤容器１内に配置されている。

排ガス後処理ユニットに戻り管路２９を備えることが可能でもある。この戻り管路２９は、還元剤２の過度に圧送された量を還元剤容器１内に戻し案内する。このために逆止弁２８が設けられている。この逆止弁２８によって戻し圧送される還元剤２の量を、ＳＣＲ制御ユニット１５によって調節することができる。戻り管路２９に、同様に温度センサ１７が配置されていてよい。この温度センサ１７は、戻し圧送される還元剤２の温度を、排ガス後処理ユニットの全寿命に亘って特定する。

上記全てのセンサは、各々の信号をＳＣＲ制御ユニット１５に供給する。このＳＣＲ制御ユニット１５自体は電子的なメモリ２５を有している。この電子的なメモリ２５には、送信される全ての信号が排ガス後処理ユニットの全寿命に亘って記録される。電子的なメモリ２５に記録されたセンサのデータでもって、還元剤容器１における還元剤２の品質に関して長期の分析を行うことができる。これによっていつでも還元剤２の品質が既知であり、排ガス浄化を還元剤２の品質に適合させることができる。さらに内燃機関の制御機器１６は、ＳＣＲ制御ユニット１５の情報も受け取る。ＳＣＲ制御ユニット１５によって、内燃機関を、還元剤品質に応じて制御することができる。例えば、還元剤容器１へ純水を補充した後に、排ガス後処理及びＮＯｘの適切な還元を、もはや十分に保証することができない程度に還元剤２の品質が低下させられているということが考慮され得る。この状態において、車両の車載診断ユニットのディフェクトメモリにおいて入力が行われる一方で、内燃機関６を、この内燃機関の制御ユニット１６を介して、可能な限り少ないＮＯｘしか生成されない運転状態において運転することができる。内燃機関の出力損失により運転者には、還元剤容器１において十分な品質を備えた還元剤２を提供する相応の修理工場を探すことが余儀なくされることがあるので、可能な限り少ないＮＯｘしか生成されない運転状態において運転することにより、内燃機関６の最大可能出力を抑えることができるということは、可能な限り所望の結果である。したがって排ガスライン７における排ガス２３の、環境に適した後処理がいつでも保証されるようになっている。

Claims (6)

1. 還元剤容器（１）における還元剤（２）の状態を特定するための方法において、前記還元剤（２）を、内燃機関（６）によって生成される排ガス（２３）を排ガス後処理するために使用し、前記方法は、
   −前記還元剤（２）の充填量及び前記還元剤容器（１）からの前記還元剤（２）の取出量を、排ガス後処理ユニットの全寿命に亘って、充填度センサ（２１）によって特定しかつ記録する方法ステップを有し、
   −前記還元剤容器（１）における前記還元剤（２）の温度を、前記排ガス後処理ユニットの全寿命に亘って、少なくとも１つの温度センサ（１７）によって特定しかつ記録する方法ステップを有し、
   −前記還元剤（２）における超音波（２６）の拡散速度を、超音波発信器（２０）及び超音波受信器（２０）によって特定しかつ記録する方法ステップを有し、
   −上記値から制御機器（１５）において、前記還元剤（２）の状態を特定する方法ステップを有する
   ことを特徴とする、還元剤容器における還元剤の状態を特定するための方法。
2. 付加的に前記還元剤（２）の導電率を導電率センサ（２２）によって特定し、かつメモリ（２５）に記録することを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 付加的に、補充される還元剤（２）の導電率を前記還元剤容器（１）の充填管片（３）に配置されている導電率センサ（２２）によって特定し、かつメモリ（２５）に記録することを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
4. 付加的に前記内燃機関の排ガス（２３）中のＮＯｘ濃度を、少なくとも１つのＮＯｘセンサ（１８）によって特定し、かつメモリ（２５）に記録することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項記載の方法。
5. 前記排ガス（２３）中のＮＯｘ濃度を完全に分解するために理論的に必要な前記還元剤（２）の量を、前記排ガス（２３）中のＮＯｘ濃度を完全に分解するために実際に必要とされている前記還元剤（２）の量でもってＮＯｘセンサ（１８）により特定し、メモリ（２５）に記録することを特徴とする、請求項４記載の方法。
6. 前記還元剤（２）が、いつ及び／又はどのくらいの期間、固体の凝集状態、液状の凝集状態又は部分的に液状の凝集状態であったかを特定し、前記メモリ（２５）に記録することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項記載の方法。

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