(57)【要約】【課題】内燃機関の排気ガスを後処理するための、電気的に加熱可能な既知のＥ触媒の構造を簡単にすることが可能な触媒の操作方法を提供し、更に、Ｅ触媒の熱的過負荷の危険性が回避され、したがってＥ触媒の損傷が回避され、他方で加熱において電気エネルギー蓄積装置からできるだけ少ないエネルギーが消費される触媒の操作方法を提供する。また、この方法を実行するための排気ガスの後処理装置が提供される。【解決手段】内燃機関の排気ガスを後処理するための電気加熱式の触媒（１４）の操作方法において、内燃機関の始動時における触媒温度（ＴＫＡＴ（ｔａｂｓｔ））が限界温度（ＴＫＲＩＴ）を超えているとき、内燃機関の始動時に触媒（１４）が非活性化され、ないしは活性化されず、触媒温度（ＴＫＡＴ（ｔａｂｓｔ））が温度モデルを介して評価される。【選択図】    図１
2004211577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の始動時における触媒温度（ＴＫＡＴ（ｔａｂｓｔ））が限界温度（ＴＫＲＩＴ）を超えているとき、内燃機関の始動時に触媒（１４）が非活性化され、ないしは活性化されず、触媒温度（ＴＫＡＴ（ｔａｂｓｔ））が温度モデルを介して評価される、内燃機関の排気ガスを後処理するための電気加熱式の触媒（１４）の操作方法。
【請求項２】
前記温度モデルが、内燃機関の始動時における触媒温度（ＴＫＡＴ（ｔａｂｓｔ））を、停止時間の関数として決定することを特徴とする請求項１に記載の操作方法。
【請求項３】
前記温度モデルが、内燃機関の始動時における触媒温度（ＴＫＡＴ（ｔａｂｓｔ））を、次の関係式
【数１】
2004211577.tif 000023
により決定し、ここで、ＴＫＡＴ（ｔａｂｓｔ）は、内燃機関の停止時点ｔ＝０からカウントされた停止時間ｔａｂｓｔ後における触媒温度であり、ＴＫＡＴ（０）は、内燃機関の停止時点における触媒温度であり、ＴＵは周囲温度であり、ｒは熱伝達抵抗であり、ｃは熱的比例定数であることを特徴とする請求項２に記載の操作方法。
【請求項４】
停止時間（ｔａｂｓｔ）が複合計器を介して読み込まれ、および／または内燃機関の冷却特性モデルから決定されることを特徴とする請求項３に記載の操作方法。
【請求項５】
前記周囲温度が、内燃機関吸気の吸気温度から決定されることを特徴とする請求項３または４に記載の操作方法。
【請求項６】
前記周囲温度に対して、一定の補償値が使用されることを特徴とする請求項３または４に記載の操作方法。
【請求項７】
停止時点における触媒（１４）の温度が、排気ガス温度モデルから導かれることを特徴とする請求項３ないし６のいずれかに記載の操作方法。
【請求項８】
停止時点における触媒温度に対して、一定の補償値が使用されることを特徴とする請求項３ないし７のいずれかに記載の操作方法。
【請求項９】
触媒（１４）が必要な加熱時間（ｔｅｋａｔ）後に非活性化され、必要な加熱経過および／または必要な加熱時間（ｔｅｋａｔ）が、内燃機関の始動時における触媒温度（ＴＫＡＴ（ｔａｂｓｔ））および周囲温度（ＴＵ）の関数として決定される、特に請求項１ないし８のいずれかに記載の内燃機関の排気ガスを後処理するための電気加熱式の触媒（１４）の操作方法。
【請求項１０】
加熱経過および／または必要な加熱時間（ｔｅｋａｔ）が、温度モデルから導かれることを特徴とする請求項９に記載の操作方法。
【請求項１１】
温度モデルが、必要な加熱時間（ｔｅｋａｔ）を、次の関係式
【数２】
2004211577.tif 000024
により決定し、ここで、ＴＫＡＴＡＢ（ｔｅｋａｔ）は、必要な加熱時間（ｔｅｋａｔ）後における触媒（１４）のスイッチ・オフ温度であり、ＴＫＡＴ（０）は、内燃機関の停止時点における触媒（１４）の温度であり、ｑｚｕは、電気加熱電力に基づく触媒（１４）の流入熱流量であり、ＴＵは周囲温度であり、ｒは熱伝達抵抗であり、ｃは熱的比例定数であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
流入熱流量（ｑｚｕ）が、触媒（１４）の加熱電圧および／または加熱電流の測定により決定されることを特徴とする請求項１０または１１に記載の操作方法。
【請求項１３】
流入熱流量（ｑｚｕ）に対して、一定の補償値が使用されることを特徴とする請求項１０または１１に記載の操作方法。
【請求項１４】
必要なスイッチ・オフ温度（ＴＫＡＴＡＢ）に到達するまでに必要な加熱時間（ｔｅｋａｔ）が、次の関係式
【数３】
2004211577.tif 000025
により決定されることを特徴とする請求項１０ないし１３のいずれかに記載の操作方法。
【請求項１５】
必要なスイッチ・オフ温度ＴＫＡＴＡＢに到達するまでに必要な加熱時間（ｔｅｋａｔ）が、実際に経過した加熱時間（ｔ）による触媒温度（ＴＫＡＴ）の連続計算と、それに続いて行われる計算結果とスイッチ・オフ温度（ＴＫＡＴＡＢ）との比較により決定されることを特徴とする請求項１０ないし１３のいずれかに記載の操作方法。
【請求項１６】
診断方法が、特に触媒（１４）へのリード線内にエラーを検出したとき、触媒（１４）が非活性化され、ないし活性化されないことを特徴とする請求項１０ないし１５のいずれかに記載の操作方法。
【請求項１７】
周囲温度が低いために、触媒（１４）が凍結する危険性があるとき、触媒（１４）が非活性化され、ないし活性化されないことを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載の操作方法。
【請求項１８】
内燃機関が触媒（１４）の加熱過程の間に停止したとき、触媒（１４）が非活性化され、ないし活性化されないことを特徴とする請求項１ないし１７のいずれかに記載の操作方法。
【請求項１９】
排気系統（１２）と、排気系統（１２）内に配置されたＥ触媒（１４）と、請求項１ないし１８のいずれかに記載の方法を実行するための制御装置（１６）とを備えた内燃機関の排気ガス後処理装置（１０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガスを後処理するための、電気加熱式触媒の操作方法、およびこの方法を実行するための排気ガスの後処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
厳しい排気ガス規制を満たすために、始動後短時間の間に触媒がその作動温度に到達し、ないしスイッチ・オフ温度しきい値を超え、これにより排気ガスの転化を開始することが必要である。この加熱過程を加速するために、以下においてＥ触媒と呼ばれる電気加熱式の触媒が使用されることがある。このＥ触媒は、５ｋＷを超える通常の加熱電力を有し、且つ５００℃の範囲内の担体温度を達成する。Ｅ触媒の温度を決定するために、既知のＥ触媒においては、温度センサが設けられ、温度センサはＥ触媒の作動温度を制御装置に伝送する。このとき、Ｅ触媒の操作は、測定されたＥ触媒温度の関数として行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
既知のＥ触媒の構造を簡単にすることが可能な方法を提供することが本発明の課題である。特に、一方でＥ触媒の熱的過負荷の危険性が回避され、したがってＥ触媒の損傷が回避され、他方で加熱において電気エネルギー蓄積装置からできるだけ少ないエネルギーが消費されるべきである。さらに、この方法を実行するための排気ガス後処理装置が提供されるべきである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によるＥ触媒の操作および／または制御方法は、Ｅ触媒の操作にＥ触媒において直接測定された温度が使用されないという利点を有している。詳細には、Ｅ触媒内またはＥ触媒上に温度センサが設けられることなく、Ｅ触媒温度は物理的状態変数により決定される。それにもかかわらず、本発明により、Ｅ触媒の熱的過負荷が回避され、および／またはＥ触媒の加熱において電気エネルギー蓄積装置から必要なだけのエネルギーが消費されるにすぎない。即ち、本発明は、Ｅ触媒内で温度センサを使用しなくても、Ｅ触媒制御のこの不便さが追加の物理的状態変数の使用により解消され得るという利点を有している。
【０００５】
このために、制御過程に合計３つの異なる係合手段が利用される。最も優れた係合手段は、なお温度が高い状態にあるときにはＥ触媒を非活性化し、ないしは活性化しないことにあり、これによりＥ触媒の損傷が防止される。
【０００６】
加熱時間を要求必要量に適切に適合可能とすることにより、電気エネルギーを節約し且つＥ触媒の構成部分の劣化を防止することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明による方法は、図面に関して以下に記載のＥ触媒操作の制御過程に対して種々の係合可能性を有している。
（ａ）内燃機関の始動時における状態の関数としてＥ触媒を非活性化
構成部分の保護の理由から、始動時におけるＥ触媒温度ＴＫＡＴ（ｔａｂｓｔ）が既に限界温度ＴＫＲＩＴを超えているとき、Ｅ触媒の非活性化が行われる。このために、温度ＴＫＡＴ（ｔａｂｓｔ）は、次のモデル（この誘導は後に説明する）を介して評価することができる。
【０００８】
【数４】
2004211577.tif 000003
2004211577.tif 000004
この評価のために、内燃機関の最終停止時点から再始動までの実際の停止時間ｔａｂｓｔ、周囲温度ＴＵ、並びに停止時点におけるＥ触媒温度ＴＫＡＴ（０）が既知でなければならない。
【０００９】
停止時間ｔａｂｓｔは、複合計器を介して読み込まれても、またはその代わりに機関の冷却特性モデルから決定されてもよい。
周囲温度ＴＵは、吸気温度から評価することができる。最悪ケースにおける評価の意味で、周囲温度ＴＵに対して一定の補償値が使用されてもよい。
【００１０】
停止時点における触媒温度ＴＫＡＴ（０）は排気ガス温度モデルから導かれる。最悪ケースにおける評価の意味で、ＴＫＡＴ（０）に対する典型的な最大作動温度が使用されてもよい。
【００１１】
要約すると、係合可能性（ａ）に対しては、図１に示した機能性が得られる。始動時におけるＥ触媒温度ＴＫＡＴ（ｔａｂｓｔ）が既に限界温度ＴＫＲＩＴを超えているとき、Ｅ触媒は活性化されない。始動時におけるＥ触媒温度ＴＫＡＴ（ｔａｂｓｔ）が限界温度ＴＫＲＩＴを下回っているとき、Ｅ触媒は活性化される。値ＴＫＡＴ（０）および／またはＴＵは、一定値により置き換えられてもよい。このとき、これらの値は可変変数でなくてもよい。
（ｂ）Ｅ触媒の加熱時間の最適化ないし短縮化
Ｅ触媒は常に一定加熱電力で作動されるにもかかわらず、加熱経過はスタート温度および周囲温度の関数として著しく異なってくることがある。構造部分の保護およびエネルギーの節約の理由から、加熱時間はスタートごとに適合されるべきである。
【００１２】
温度情報が利用できない場合、加熱経過したがって必要な加熱時間は温度モデルから導くことができる。加熱中の温度経過に対して、次の関係式が得られる。
【００１３】
【数５】
2004211577.tif 000005
2004211577.tif 000006
既に方法（ａ）に記載の、始動時における物理的状態変数即ち周囲温度ＴＵおよびＥ触媒温度ＴＫＡＴ（０）のほかに、ここではさらに流入熱流量ｑｚｕが必要となる。
【００１４】
流入熱流量ｑｚｕは、本質的に電気加熱電力から得られる。電気加熱電力は、加熱電圧および加熱電流の測定により決定され、またはその代わりに一定値として評価されてもよい。
【００１５】
必要なスイッチ・オフ温度ＴＫＡＴＡＢに到達するまでに必要な加熱時間ｔｅｋａｔは、制御装置において、前記数式の明示的な解により決定され、または引数ｔとしての実際の経過加熱時間によるＴＫＡＴの連続計算、およびそれに続いて行われる計算結果とスイッチ・オフ温度ＴＫＡＴＡＢとの比較により決定されてもよい。
【００１６】
明示的な解は次の加熱時間を与える。
【００１７】
【数６】
2004211577.tif 000007
2004211577.tif 000008
（ｃ）誤作動におけるＥ触媒の急速なスイッチ・オフ
所定の条件下においては、安全性の理由から、Ｅ触媒の操作の活性化が開始されず、ないし存在するＥ触媒の操作が一時終了される。これに対しては、次の条件が挙げられる。
【００１８】
エラーの検出。Ｅ触媒へのリード線の診断がエラーを検出した場合、始動時にＥ触媒の活性化が開始されてはならない。
周囲温度。きわめて低い周囲温度においては、Ｅ触媒の凍結の危険性が存在する。この条件下においては、同様に始動時にＥ触媒の活性化が開始されてはならない。
【００１９】
機関運転。Ｅ触媒の加熱過程の間に機関が停止した場合、Ｅ触媒は予めスイッチ・オフされることが有利である。
使用されるモデルを以下に詳細に説明するが、この場合、ここで、以下の説明をわかりやすくするために、モデルの説明内で使用される変数を再度列記しておく。
【００２０】
2004211577.tif 000009
触媒温度と熱量との関係：
Ｅ触媒温度ＴＫＡＴ（ｔ）は、１次近似において内部熱量ＱＫＡＴ（ｔ）に比例している。熱的比例定数ｃを使用することにより次の関係式が得られる。
【００２１】
【数７】
2004211577.tif 000010
供給熱流量：
始動時におけるＥ触媒への流入熱流量ｑｚｕ（ｔ）はＥ触媒の電気加熱電力並びに排気ガス質量流量の熱流量から得られる。Ｅ触媒は常にそれ自身の電力で作動され且つ始動後における排気ガス質量流量の熱流量はアイドリング中に概して発生可能なので、次のようにｑｚｕ（ｔ）は一定とみなされる。
【００２２】
【数８】
2004211577.tif 000011
流出熱流量：
触媒内の温度ＴＫＡＴ（ｔ）と周囲温度ＴＵとの間の熱落差に基づいて、Ｅ触媒内に蓄積された熱量の一部は熱流量ｑａｂ（ｔ）の形でＥ触媒から流出する。
【００２３】
【数９】
2004211577.tif 000012
特性微分方程式の形成：
Ｅ触媒内の内部熱量ＱＫＡＴ（ｔ）の変化は、存在する熱流量の流入および流出のみにより行われる。
【００２４】
【数１０】
2004211577.tif 000013
2004211577.tif 000014
ここで、ｑａｂ（ｔ）は（Ａ３）から（Ａ４）に代入される。
【００２５】
【数１１】
2004211577.tif 000015
2004211577.tif 000016
ここで、ＴＫＡＴ（ｔ）は（Ａ１）から（Ａ５）に代入される。
【００２６】
【数１２】
2004211577.tif 000017
2004211577.tif 000018
解として次式が得られる。
【００２７】
【数１３】
2004211577.tif 000019
2004211577.tif 000020
および
【００２８】
【数１４】
2004211577.tif 000021
2004211577.tif 000022
ここで、ＴＫＡＴ（０）は、時間カウントの開始時、即ちｔ＝０におけるＥ触媒内の温度である。
【００２９】
図２のブロック回路図は、上記のＥ触媒の熱的モデルを表わす。
図３に排気ガスＡを流動させるための排気系統１２を有する内燃機関の本発明による排気ガスの後処理装置１０が示され、この場合、排気系統１２内にＥ触媒１４が配置されている。Ｅ触媒１４は、本発明による方法を実行するための制御装置１６により操作される。
【００３０】
明細書、特許請求の範囲および図面に示されているすべての特徴は個々においてのみならず相互の任意の組み合わせにおいてもまた本発明の本質をなすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による温度モデルの機能図である。
【図２】Ｅ触媒の温度モデルのブロック回路図である。
【図３】本発明による排気ガスの後処理装置を示した図である。
【符号の説明】
１０  排気ガスの後処理装置
１２  排気系統
１４  Ｅ触媒
１６  制御装置
Ａ  排気ガス
ｃ  熱的比例定数
ＱＫＡＴ（ｔ）  Ｅ触媒内の熱量
ｑａｂ（ｔ）  流出熱流量
ｑｚｕ（ｔ）  流入熱流量
ｒ  熱伝達抵抗
ＴＫＡＴ（ｔ）  触媒温度
ＴＫＡＴ（ｔａｂｓｔ）  （内燃機関の始動時における）触媒温度
ＴＫＡＴ（０）  （内燃機関の停止時点における）触媒温度
ＴＫＡＴＡＢ  スイッチ・オフ温度
ＴＫＡＴＡＢ（ｔｅｋａｔ）  （必要な加熱時間後における）スイッチ・オフ温度
ＴＫＲＩＴ  触媒限界温度
ＴＵ  周囲温度
ｔａｂｓｔ  内燃機関の停止時間
ｔｅｋａｔ  必要な加熱時間
【図１】
2004211577.tif 000026
【図２】
2004211577.tif 000027
【図３】
2004211577.tif 000028