(57)【要約】      （修正有）【課題】内燃機関の排ガスを浄化する方法。【解決手段】窒素酸化物触媒１６の手前の排ガス通路１３へパルス状に調量注入される炭化水素によって排ガス中の窒素酸化物が変換される。窒素酸化物触媒１６の後の排ガス流で炭化水素センサ１７により排ガス中の炭化水素の濃度または濃度を表す尺度が判定され、炭化水素センサ１７により判定された、窒素酸化物触媒１６を通り抜ける炭化水素の濃度に基づき、または濃度を表す尺度に基づき、窒素酸化物触媒１６を通る炭化水素の通り抜けがちょうど回避されるように、炭化水素の調量が調節される。さらに、この方法を実施する装置に関する。本装置および本方法は、内燃機関１０の排ガスへの炭化水素の調量供給を、一方では窒素酸化物を取り除くときの浄化作用が使用量に対して最善に活用されるが、他方では使われない炭化水素の通り抜けを回避できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１０）の排ガスを浄化する方法であって、窒素酸化物触媒（１６）の手前の排ガス通路（１３）へパルス状に調量注入される炭化水素によって排ガス中の窒素酸化物が変換される、そのような方法において、
窒素酸化物触媒（１６）の後の排ガス流で炭化水素センサ（１７）により排ガス中の炭化水素の濃度または濃度を表す尺度が判定され、炭化水素センサ（１７）により判定された、窒素酸化物触媒（１６）を通り抜ける炭化水素の濃度に基づき、または濃度を表す尺度に基づき、窒素酸化物触媒（１６）を通る炭化水素の通り抜けがちょうど回避されるように、炭化水素の調量が調節されることを特徴とする方法。
【請求項２】
パルス状に投入される炭化水素の調量は、窒素酸化物触媒（１６）を通り抜ける炭化水素濃度が、または炭化水素濃度を表す尺度が、所定の限界値を超えないように調整されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
炭化水素の濃度を表す尺度として炭化水素の質量流量または質量が利用されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
通り抜ける炭化水素濃度は１つのパルスごとに、および／または複数のパルスの時間的な平均で判定されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
所定の限界値は触媒温度および／または排ガス質量流量に依存して設定されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
窒素酸化物触媒（１６）と、炭化水素センサ（１７）と、制御ロジックを含む付属の制御器（１２）と、窒素酸化物触媒（１６）の手前での炭化水素の調量ユニット（１５）とを有する閉ループの制御回路の中で調量がコントロールされることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
窒素酸化物触媒（１６）として窒素酸化物吸蔵触媒が用いられることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
炭化水素の調量と、窒素酸化物触媒（１６）を通り抜ける炭化水素の量とから窒素酸化物触媒（１６）の経年劣化が推定されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
窒素酸化物触媒（１６）の経年劣化を評価するために、炭化水素濃度の測定に加えて、窒素酸化物触媒（１６）の前後における排ガスのラムダ値も考慮されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
内燃機関（１０）の排ガスを浄化する装置であって、窒素酸化物を変換するための窒素酸化物触媒（１６）が設けられており、窒素酸化物触媒（１６）の手前の排ガス通路（１３）には炭化水素をパルス状に調量供給するための調量ユニット（１５）が設けられている、そのような装置において、窒素酸化物触媒（１６）の後の排ガス通路（１３）に炭化水素センサ（１７）が設けられており、その出力信号が制御部（１２）に供給され、該制御部は、窒素酸化物触媒（１６）を通る炭化水素の通り抜けについての上限を遵守したうえで調量供給を設定するための回路またはプログラムフローを含んでいることを特徴とする装置。
【請求項１１】
炭化水素センサは、ディーゼル粒子フィルタ（ＤＰＦ）の下流の窒素酸化物触媒の後に配置されていることを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排ガスを浄化する方法に関するものであり、窒素酸化物触媒の手前の排ガス通路へパルス状に調量注入される炭化水素によって排ガス中の窒素酸化物が変換される。
【０００２】
さらに本発明は、内燃機関の排ガスを浄化する装置に関するものであり、窒素酸化物を変換するための窒素酸化物触媒が設けられており、窒素酸化物触媒の手前の排ガス通路には炭化水素をパルス状に調量供給するための調量ユニットが設けられている。
【背景技術】
【０００３】
内燃機関の望ましくない排ガス成分のエミッションを削減するために、今日、排ガス後処理システムには、さまざまな触媒やフィルタが設けられている。たとえばディーゼルエンジンには、炭化水素や一酸化炭素を酸化させるための酸化触媒のほか、ディーゼル粒子フィルタやＮＯｘ吸蔵触媒が設けられていてよい。
【０００４】
粒子フィルタは、粒子エミッションを削減するために利用される。排ガスが粒子フィルタを通るように案内され、排ガス中にある固体粒子を粒子フィルタが分離して、これをフィルタ物質に抑留する。フィルタ物質中に蓄積するすすの塊によって粒子フィルタは時間とともに詰まっていき、蓄積されたすすの塊を再生プロセスで時おり燃焼しなければならない。
【０００５】
ＮＯｘ吸蔵触媒（ＮＳＣ：NOx Storage Catalyst）は、内燃機関の窒素酸化物（ＮＯｘ−）エミッションを削減する役目を果たす。内燃機関が作動するときに、ＮＯ２がＮＯｘ吸蔵触媒に蓄積される。このときＮＯが吸蔵触媒そのものの上で、またはこれに前置された酸化触媒で、酸化されてＮＯ２になる。窒素酸化物吸蔵触媒のＮＯ２吸蔵限界に達すると、これを再生しなければならない。そのために必要な一酸化炭素を提供するために、排ガスはラムダ≦１を有していなくてはならない。そのためには、一般に、内燃機関が再生動作へ切り換えられなくてはならず、すなわち、再生に必要な排ガス組成と排ガス温度を実現するために、エンジンのパラメータが程度の差こそあれ大幅に変更されなくてはならない。その際には、数分の短い時間間隔で必要となるこのような方策によって、車両の操作者が走行挙動の変化に気づかないように留意しなければならない。一般に、このような方策によって燃料消費量が増えることや、潤滑オイルの希釈が起こる場合があることも欠点となる。さらに、リッチな排ガス混合気を調整するためのエンジン動作の調節は、一般に、エンジンの動作領域の一部分でしか可能でない。リーン動作のディーゼルエンジンでは、排ガス通路への燃料の噴射はＮＯｘ吸蔵触媒の直前で意図されていてよい。
【０００６】
燃料の調量供給を数秒の短いインターバルで行うことが意図されていてもよい。特許文献１および特許文献２は、高い動作温度でＮＯｘ触媒の浄化作用を改善する方法を記載している。このとき浄化は２通りの方式で行われる。動作温度が高いときには、燃料の形態の炭化水素が短いインターバルでＮＯｘ触媒の手前の排ガス流に調量供給され、同文献に詳細に記載されているメカニズムによってＮＯｘが変換される。触媒動作温度が低いときは、吸蔵方式が採用される。
【０００７】
燃料の形態の炭化水素が、リーンな空気・燃料混合気で作動している内燃機関の排ガス流へ調量供給されると、炭化水素の一部が排ガス中の余剰の酸素により、および触媒に堆積している酸素により酸化される。残った量の炭化水素だけが、ＮＯｘの変換に寄与する。したがって、たとえば１パルス当たり６０から２５０ミリグラムのできるだけ噴射量の多いパルスとして、たとえば１０から６０ミリ秒の短いパルスで炭化水素を投入するのが好ましい。その場合、炭化水素を実際に使用することができ、使われないまま触媒から出ていくことがないように留意しなければならない。このことは、排ガス中の望ましくない物質の放出や、燃料の消費量増加を意味することになる。このように記述される調量供給の限界量は、スリップ限界値と呼ばれる。スリップ限界値は、特に、触媒の温度と排ガス質量流量に依存して決まる。
【０００８】
特許文献３は、排ガス後処理装置を含む排ガス領域で、内燃機関および／または排ガス後処理装置が所定の動作状態になったときに試薬が投入される、内燃機関を作動させる方法を記載している。この方法は、排ガス領域に投入されるべき試薬量を規定する試薬信号の修正量が判定され、所定の目標量を表す尺度に基づいて投入された、排ガス領域における試薬の実際量を表す尺度と、目標量を表す尺度との比較を用いて、修正量が規定されることを特徴としている。そのために同文献は、排ガス領域で測定されるラムダ値から実際量を判定することを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２４０２５７１Ａ１号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第２４０２５７２Ａ１号明細書
【特許文献３】ドイツ特許出願公開第１０２００５０４９７７０Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで本発明の課題は、窒素酸化物触媒の手前における内燃機関の排ガス通路への炭化水素の適切な調量を判定する方法を提供することにある。
さらに本発明の課題は、この方法を実施する装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
方法に関わる本発明の課題は、窒素酸化物触媒の後の排ガス流で炭化水素センサにより排ガス中の炭化水素の濃度または濃度を表す尺度が判定され、炭化水素センサにより判定された、窒素酸化物触媒を通り抜ける炭化水素の濃度に基づき、または濃度を表す尺度に基づき、窒素酸化物触媒を通る炭化水素の通り抜けがちょうど回避されるように、炭化水素の調量が調節されることによって解決される。燃料の形態の炭化水素が、リーンな空気・燃料混合気で作動している内燃機関の排ガスに調量注入されると、過剰な化学量論上の酸素が炭化水素の一部を酸化させ、残りの部分だけしか、窒素酸化物触媒における水蒸気と窒素と二酸化炭素への窒素酸化物の分解に寄与しない。したがって、炭化水素をできる限り高い、ただし短いパルスで調量注入するのが好ましい。
【００１２】
その一方で、有意な量の炭化水素が窒素酸化物触媒の後で排ガス中に残り、排ガス流とともに装置から出ていくほどに調量供給が多くてはいけない。そのような炭化水素の通り抜けは、内燃機関の燃料消費量だけでなく、望ましくないエミッションも不必要に増やすことになる。したがって、調量供給がちょうど炭化水素の通り抜けを引き起こさないが、窒素酸化物をできる限り完全に変換する、いわゆるスリップ限界値のちょうど下側で装置が作動するように、調量供給を調整するのが好ましい。現実問題としては、６０から２５０ミリグラムの炭化水素の調量供給がなされる、１０から６０ミリ秒の長さのパルスが好適であることが判明している。
【００１３】
パルス状に投入される炭化水素の調量が調整されて、窒素酸化物触媒を通り抜ける炭化水素濃度が、または炭化水素濃度を表す尺度が、所定の限界値を超えないようにされていれば、調量供給される燃料による窒素酸化物の変換にあたって、最大限可能な効率を実現することができる。それと同時に、許容される窒素酸化物のエミッションに関する規定だけでなく、炭化水素に関わる規定も遵守することができる。
【００１４】
本方法の１つの実施形態は、炭化水素の濃度を表す尺度として、炭化水素の質量流量または質量が利用されることを意図している。このようにして、窒素酸化物触媒の後の排ガス流において、排ガスの容積流に対して、または全量に対して、炭化水素の設定可能な限界値を遵守することができる。
【００１５】
通過する炭化水素濃度が１つのパルスごとに、および／または複数のパルスの時間的平均で判定されることによって、調量供給のコントロールを特別に好適に設計することができる。このようにして、一方では非常に短時間で対応をとることができ、他方では、短期の障害を回避するとともに、長期的な傾向を認識して制御することができる。複数のパルスの時間的平均の形成は、移動平均の形成によって行うことができる。
【００１６】
本方法の１つの実施形態は、所定の限界値が触媒温度および／または排ガス質量流量に依存して設定されることを意図している。
【００１７】
本発明によると、窒素酸化物触媒と、炭化水素センサと、制御ロジックを含む付属の制御器と、窒素酸化物触媒の手前での炭化水素の調量ユニットとを有する閉ループの制御回路の中で調量がコントロールされることが意図される。それにより、調量精度、触媒の経年劣化、および温度や排ガス質量流量の影響に関する相違を考慮して、補正することができる。
【００１８】
窒素酸化物触媒として窒素酸化物吸蔵触媒が用いられると、２００℃から４５０℃の間の中程度の温度範囲でも、排ガス中の窒素酸化物量が少ない段階で燃料を少ししか使わずに、排ガス浄化を実現することができる。
【００１９】
炭化水素の調量と、窒素酸化物触媒を通り抜ける炭化水素の量とから、触媒の経年劣化が推定されることによって、損傷や経年劣化に関わる排ガス浄化装置のコンポーネントの診断が可能である。そのようにして、排ガス浄化装置からの個々のコンポーネントの故障も検知することができる。
【００２０】
排ガス浄化装置を診断する方法の１つの発展例は、窒素酸化物触媒の経年劣化を評価するために、炭化水素濃度の測定に加えて、窒素酸化物触媒の前後における排ガスのラムダ値も考慮され、それにより、噴射装置の変化を触媒挙動の変化から区別することを意図している。
【００２１】
装置に関わる本発明の課題は、窒素酸化物触媒の後の排ガス通路に炭化水素センサが設けられており、その出力信号が制御部に供給され、該制御部は、窒素酸化物触媒を通る炭化水素の通り抜けについての上限を遵守したうえで調量供給を設定するための回路またはプログラムフローを含んでいることによって解決される。このような装置により、排ガスにおける浄化作用を基準として、燃料量の最善の利用を実現することができる。
【００２２】
本装置の１つの実施形態は、炭化水素センサが、ディーゼル粒子フィルタ（ＤＰＦ）の下流の窒素酸化物触媒後に配置されることを意図している。
【００２３】
次に、図面に示された実施例を参照しながら、本発明について詳しく説明する。図面は次のものを示している：
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】排ガス浄化装置を備える内燃機関である。
【図２】炭化水素濃度の時間的な推移である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、空気供給部１１と、排ガス通路１３とを備える内燃機関１０を示している。内燃機関１０から出る排ガスは、排ガス通路１３の中で、ディーゼル粒子フィルタが一体化された窒素酸化物触媒１６により窒素酸化物が浄化され、それは、調量ユニット１５により炭化水素がパルス状に排ガスに調量供給されることによって行われる。炭化水素は、窒素酸化物触媒１６の中で窒素酸化物と触媒反応して水蒸気と二酸化炭素と窒素に変換され、これらが排ガス出口１９を介して導出される。しかしながら本発明は、ディーゼル粒子フィルタのないシステムにも適用可能である。制御器１２が、調量ユニット１５および炭化水素センサ１７と接続されている。炭化水素センサ１７の出力信号により、制御ユニット１２でのプログラムフローを通じて、調量ユニット１５によって投入される調量がコントロールされて、窒素酸化物触媒１６の後で炭化水素の通り抜けがちょうど発生しないようになっている。
【００２６】
このとき炭化水素の濃度を表す尺度として炭化水素の質量流量または質量が利用されてもよい。また、通り抜ける炭化水素濃度は１つのパルスごとに、および／または複数のパルスの時間的な平均で判定されてもよい。
【００２７】
さらに制御ユニット１２には、第１のガスセンサ１４および第２のガスセンサ１８の出力信号が供給され、これらの出力信号を用いて窒素酸化物触媒の前後における排ガスのラムダ値が算定され、それにより、内燃機関１０に供給される空気・燃料混合気を動作の必要性に即して調整することができる。第１および第２のガスセンサ１４，１８の出力信号は、窒素酸化物触媒１６の経年劣化を評価するときにも援用される。
【００２８】
図２は、排ガス通路１３へ調量供給されたときの炭化水素濃度のパルス状の推移を時間グラフ２０で示している。時間軸２５と濃度軸２１に沿って、パルス状の濃度推移２２が示されている。さらに、第１の限界値２３と第２の限界値２４が図示されている。内燃機関１０にリーンの空気・燃料混合気が供給され、排ガス通路に炭化水素が調量供給されると、炭化水素の一部はまず過度の化学当量で存在する酸素によって酸化される。このことは、時間グラフでは第２の限界値２４によって図示されており、こうして酸化する炭化水素の量はこれよりも下側に位置している。これをさらに超える濃度値が、窒素酸化物の変換に貢献する。したがって、十分に高い濃度でパルス状に調量注入をするのが好ましい。濃度推移２２が第１の限界値２３を超過すると、窒素酸化物触媒１６で利用できる時間内に炭化水素の全体量を変換することができなくなり、炭化水素の通り抜けが発生する。このように、調量ユニット１５により調量供給される量に対して炭化水素のスリップが発生するが、これは内燃機関の燃費ならびにそのエミッションを増加させるので、回避されなければならない。すなわち窒素酸化物の変換にあたって有効なのは、第２の限界値２４と第１の限界値２３の間の濃度範囲にある炭化水素だけである。
【００２９】
このときの第１の限界値２３および／または第２の限界値２４は、触媒温度および／または排ガス質量流量に依存して設定されるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３０】
１０  内燃機関
１１  空気供給部
１２  制御ユニット
１３  排ガス通路
１４  第１のガスセンサ
１５  調量ユニット
１６  窒素酸化物触媒
１７  炭化水素センサ
１８  第２のガスセンサ
１９  排ガス出口
２０  炭化水素濃度の時間的な推移を示すグラフ
２１  濃度軸
２２  パルス状の濃度推移
２３  第１の限界値
２４  第２の限界値
２５  時間軸
【図１】
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【図２】
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