(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスが第１の過程において第２の過程においてよりも多量のＮＯｘを含むように調節され、排気ガスが第２の過程において還元剤を含むように調節され、第１の過程から第２の過程への反復切換が行われる、ＮＯｘ貯蔵触媒の流れ方向後方に配置されたＮＯｘセンサによる、燃焼過程から排気ガスが供給されるＮＯｘ貯蔵触媒の機能性の判定方法において、ＮＯｘ触媒の機能性がＮＯｘセンサ信号に基づいて判定されることと、機関と触媒の運転パラメータから、触媒の窒素酸化物による充填状態がモデル化されることと、モデル化された充填状態から触媒後方のＮＯｘ濃度に対する期待値が形成され、かつ触媒後方において測定されたＮＯｘ濃度と比較されることと、期待値と測定値との間の少なくとも１つの偏差がしきい値を超えたとき、触媒が劣化していると評価されることと、を特徴とするＮＯｘ貯蔵触媒の機能性の判定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は触媒の流れ方向後方に配置されたＮＯｘセンサによるＮＯｘ貯蔵触媒の診断に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＮＯｘ貯蔵触媒は、リーンな燃料／空気混合物（λ＞１）の燃焼範囲内の燃焼過程における有害物質転化のために使用される。この範囲においては、三元触媒は、排気ガス品質に対する要求をもはや満たしていない。この場合、ガソリン機関においてのみならずディーゼル機関においてもまたリーンな機関運転において放出される窒素酸化物を貯蔵するＮＯｘ貯蔵触媒が使用される。機関をリッチな範囲（λ＜１）において運転することにより、貯蔵された硝酸塩が、放出されかつ窒素に還元される。
【０００３】
ＮＯｘ貯蔵触媒が満タンになるまで、すなわちさらに窒素酸化物をもはや貯蔵できなくなるまで、機関が第１の過程においてリーンで運転されることが理想的である。それに続いて、ＮＯｘ貯蔵触媒の再生のために必要とされる時間の間リッチな運転を有する第２の過程が行われることが理想的である。
【０００４】
ＮＯｘ貯蔵触媒の経時劣化により、活性貯蔵場所は損傷される。したがって、ＮＯｘ触媒の貯蔵能力は経時劣化の進行と共に連続的に低下する。
ドイツ特許公開第１９６３５９７７号は、そのときの充填度をモニタリングしてＮＯｘ貯蔵触媒をモニタリングすることを提案する。そのときの充填度、すなわちＮＯｘ貯蔵触媒の窒素酸化物による充満度のデータが制御の目的に使用される。そのときの貯蔵充填度の測定が貯蔵能力の満タンを指示したとき、リッチ化パルスが発生され、すなわち貯蔵触媒の再生のためのリッチ混合物を用いた機関運転が開始される。
【０００５】
ＳＡＥ  Ｐａｐｅｒ  ９６０３３４からほぼ直線的な信号特性を有するＮＯｘセンサが既知である。
法規制による要求は、有害物質エミッションに関連する触媒のような自動車構成部品のオンボード診断を規定している。
【０００６】
劣化したときＮＯｘ貯蔵触媒の活性貯蔵場所が損傷され、これによりＮＯｘ触媒の貯蔵特性および放出特性が低下される。熱による劣化のほかに、たとえば硫黄の取込みによる被毒現象が発生する。このとき、触媒は、フレッシュ状態においてよりも少ない硝酸塩を貯蔵することになる。したがって、触媒後方エミッションは上昇し、同じ平均転化能力を維持するためには頻繁に再生が行われなければならない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＮＯｘ貯蔵触媒の機能性の判定方法を提供することが本発明の課題である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、排気ガスが第１の過程において第２の過程においてよりも多量のＮＯｘを含むように調節され、排気ガスが第２の過程において還元剤を含むように調節され、第１の過程から第２の過程への反復切換が行われる、ＮＯｘ貯蔵触媒の流れ方向後方に配置されたＮＯｘセンサによる、燃焼過程から排気ガスが供給されるＮＯｘ貯蔵触媒の機能性の判定方法において、ＮＯｘ触媒の機能性がＮＯｘセンサ信号に基づいて判定されることを特徴とする本発明のＮＯｘ貯蔵触媒の機能性の判定方法により解決される。
【０００９】
本発明は、ＮＯｘ貯蔵触媒の機能性の低下が触媒後方において測定可能なＮＯｘ濃度の時間線図内に表わされるという知見に基づいている。
所定のＮＯｘ供給質量取込量ｍｎｏ１において、劣化により機能性が低下したとき、触媒後方窒素酸化物エミッションｍｎｏ２が上昇する。この関係を診断に利用することができる。
【００１０】
たとえば、貯蔵過程において、触媒後方の測定可能なＮＯｘ濃度は、触媒の劣化の進行と共にますます急速に上昇する。再生過程においては、触媒後方の測定可能なＮＯｘ濃度は、触媒の劣化の進行と共にますます急速に低下する。言い換えると、触媒後方において測定されたＮＯｘ濃度の勾配は触媒の劣化の進行と共により急になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面により説明する。
図１は詳細には触媒２、排気ガスセンサ３、ＮＯｘセンサ４、制御装置５、燃料供給手段６、ならびに負荷Ｌおよび回転速度ｎならびに場合により温度、絞り弁位置等のような内燃機関の他の運転パラメータのための種々のセンサ７、８、９、ならびにたとえばエラーの指示手段および／または記憶手段としてのエラーランプ１０を備えた内燃機関１を示す。
【００１２】
前記の入力信号場合によりその他の入力信号から、制御装置５は、とくに燃料供給手段６を操作する燃料供給信号を形成する。燃料供給手段６は、いわゆる吸気管噴射としてのみでなく個々のシリンダの燃焼室内へのガソリンまたはディーゼルの直接噴射として形成されてもよい。混合物組成の変化は、燃料供給手段６を操作する噴射パルス幅の変化により行ってもよい。
【００１３】
本発明による方法の本質は、この環境においてまず第１に、制御装置５と触媒の後方に配置されたＮＯｘセンサ４との協働に関するものである。
図２は、触媒の後方に配置されたＮＯｘセンサ４の信号特性線図（図２の（Ａ））と、触媒の前方に配置された排気ガスセンサ３により測定される付属の空燃比λ（図２の（Ｂ））とによる過程の切換を示している。
【００１４】
時点ｔ＝０においてＮＯｘ貯蔵触媒は空であると仮定する。それに続く第１の過程Ｐｈ１において内燃機関はリーンな混合物（λ＞１）で運転される。これが図３のステップ３．１に対応する。この場合に放出される窒素酸化物は、貯蔵触媒内に貯蔵される。貯蔵過程とも呼ばれる第１の過程（リーン過程）は貯蔵触媒２ａが満タンになったときに終了されることが理想的である。
【００１５】
この場合、ＮＯｘセンサ信号がたとえば上限しきい値ＵＬに到達したとき、貯蔵触媒は満タンであるとみなされる。図３のステップ３．２参照。
この第１の過程に第２の過程Ｐｈ２が続き、この第２の過程Ｐｈ２において貯蔵触媒が再生され、これが図３のステップ３．３により表わされる。第２の過程は再生過程とも呼ばれる。この実施形態においては、再生は、過程Ｐｈ２におけるλ値が１より小さいリッチな機関運転により行われる。この場合、燃料がリッチな混合物で運転する内燃機関は、還元剤として未燃のＨＣおよびＣＯを放出する。触媒の作用の下で、還元剤は、貯蔵されている窒素酸化物と反応して水、ＣＯ2およびＮ2を生成し、水、ＣＯ2およびＮ2は排気ガスと共に排出される。これにより貯蔵触媒は新たに窒素酸化物を受入可能となり、すなわち再生される。再生の間、貯蔵触媒後方の排気ガスのＮＯｘ含有量は次第に低下する。ＮＯｘセンサ信号が下限しきい値ＬＬに到達すると直ちに、リーン運転への移行および貯蔵触媒内へのＮＯｘの新たな貯蔵が行われる。図３のステップ３．４参照。過程Ｐｈ１およびＰｈ２の間で制御装置５により連続的に切換が行われる。
【００１６】
劣化により、貯蔵時間および再生時間は短くなる。これが図２において周期の短縮により略図で示されている。実際にはこの短縮はきわめてゆっくり行われる。これに対し、上限しきい値および下限しきい値の位置は一定のままである。
【００１７】
貯蔵触媒後方のＮＯｘ濃度の定常的な上昇および低下は、既知のＮＯｘ貯蔵触媒の特性を表わしている。ＮＯｘの貯蔵速度は、充填度の増加と共に連続的に低下するので、貯蔵触媒後方で測定可能な排気ガス中のＮＯｘ濃度は充填度の増加と共に増大する。
【００１８】
診断の考え方は、ＮＯｘセンサによる触媒後方のＮＯｘエミッションの測定に基づいている。
第１の実施形態においては、フレッシュ状態における図２に示す曲線線図の測定、この曲線線図の記憶、後の時点における曲線線図の測定、および後に得られた曲線線図と記憶されている曲線線図との比較が行われる。偏差が所定の尺度を超えた場合、触媒は劣化しているとみなされる。
【００１９】
図２に示す曲線線図は、たとえば所定の時点におけるＮＯｘ濃度の一対の所定特性値から再構成することができる。一対の特性値は、たとえば図２における信号線図の反転点Ｏ１，Ｏ２，…，Ｕ１，Ｕ２，…により表わされる。
【００２０】
曲線の多数の個々の点の比較の代わりに、たとえば曲線の勾配、すなわち２つのＮＯｘ値の差とこれらの値が測定された時間間隔との商が評価されてもよい。たとえば、放出過程すなわち再生過程における勾配Ｇは、Ｇ＝（ＬＬ−ＵＬ）／（ｔ２−ｔ１）により計算することができる。図４のステップ４．１および４．２参照。
【００２１】
ステップ４．３において、勾配が所定の限界値Ｇ＿Ｓｃｈｗｅｌｌと比較される。この限界値を超えた場合、ステップ４．４において場合により統計的検定が行われた後に警報ランプＭＩＬ（図１の参照番号１０）によりエラー指示が行われる。
【００２２】
限界値はたとえば以下のように決定することができる。新しい触媒において初期勾配Ｇ０が決定される。限界値は、オフセット、またはたとえば初期勾配の１．５倍という係数として決定される。
【００２３】
初期の曲線線図を記憶する代わりに、曲線線図がモデル化されてもよい。機能性を有する触媒を基礎とする場合、負荷、回転速度、λ、触媒前方のλ値の線図のような機関の運転パラメータから触媒後方のＮＯｘ濃度に対する期待値を形成することができる。実際に測定されたＮＯｘ濃度がモデル化された線図から許容できないほど大きく異なっている場合、これが劣化している触媒に対する兆候として評価される。
【００２４】
勾配は、貯蔵過程および再生過程に対し別々に決定かつ評価されてもよく、または貯蔵および再生の１つまたは複数の周期にわたる両方の過程における勾配の平均値として決定されてもよい。
【００２５】
同様に、勾配に対する尺度として、１つまたは複数の貯蔵過程または再生過程の長さ、貯蔵／再生サイクルの周期時間、または周期的なＮＯｘ濃度振動の周波数が使用されてもよい。
【００２６】
たとえば、再生過程の長さが貯蔵触媒の放出可能性により共に決定される。この場合、λが１以下の再生の間にＮＯｘ濃度が特性時間線図に従って低下することから出発される。これにより、最大許容再生時間を定義することができる。ＮＯｘ濃度がしきい値を下回ることなく再生時間が所定の許容再生時間を超えたとき、触媒は劣化しているとみなされる。
【００２７】
他の実施形態は、触媒後方の瞬間ＮＯｘ質量流量または積分ＮＯｘ質量流量の形成に基づいている。触媒後方のＮＯｘ質量流量ｍｎｏ２は、場合により吸気質量流量（センサ７）または負荷信号および／または回転速度信号を同時に使用することにより触媒後方において測定されたＮＯｘ濃度に基づいて評価することができる。
【００２８】
触媒内への供給質量取込量ｍｎｏ１はモデルにより評価することができる。したがって、ベンチテストにより、１つのモデルシリーズの機関に対し排気ガス後処理手段を用いることなく機関の窒素酸化物供給エミッションを決定し、特性曲線群内に記憶しかつこのモデルシリーズの他の機関の後の運転においてモデル化のために使用することができる。
【００２９】
商ｍｎｏ２／ｍｎｏ１ないしこれらの値の積分の商が、劣化の関数である触媒の貯蔵能力に対する尺度である。貯蔵触媒が健全なとき、この商は理想的には０に等しい。劣化が進行するにつれて、この商は値１に近づき、この値１において入口エミッションおよび出口エミッションは等しくなり、これが転化能力の完全な低下を示している。法規制を満たすために決定された所定の限界値により、健全な触媒と劣化した触媒とを区別することができる。
【００３０】
値の計算は成層運転においてのみ行われるが、その他は運転点とは無関係である。成層運転とはシリンダ内に成層充填を有する運転である。これは、シリンダ内の空間的に不均一な燃料／空気混合物組成と理解される。たとえば、点火プラグの領域内の混合物は確実な点火を保証するためにリッチであり、他の領域においては燃料消費を低減するためにリーンである。平均として、成層運転においては混合物はリーン（１＜λ＜約３）である。たとえば高い出力を出す均質混合物分配を有する運転はこれとは区別される。
【００３１】
積分形成は、外乱たとえばセンサ信号変化またはＮＯｘ供給質量変化に関して感度がきわめて小さいという利点を伴い、したがって外乱の影響を受けない有利な方法を示している。さらに、ＮＯｘの触媒内への供給質量取込量を制限することによりモデル形成が少なくされ、これが同様にこの方法が外乱の影響を受けないようにしている。
【００３２】
さらに、触媒が機能性を有することを前提として、供給質量取込量から充填量すなわち充填度を計算することができる。上記のように、貯蔵能力は充填量の増大と共に低下する。したがって、触媒後方のＮＯｘエミッションは、充填量の増加と共に上昇する。計算された充填量と触媒後方の測定されたＮＯｘ濃度との間の妥当性比較は同様に診断に使用可能である。
【００３３】
ＮＯｘ濃度がたとえば計算された充填量に関して妥当な尺度を超えたとき、触媒は劣化している。
すべての例において、診断のために触媒後方にＮＯｘセンサが使用されることは共通である。ＮＯｘセンサの信号から、触媒後方のＮＯｘ濃度の特性値が導かれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の作用を示す技術的周辺図である。
【図２】（Ａ）は触媒の種々の経時劣化状態における触媒後方に配置されたＮＯｘセンサの信号時間線図であり、（Ｂ）は触媒の前方に配置された排気ガスセンサにより測定される付属の空燃比λの時間線図である。
【図３】ＮＯｘ貯蔵触媒の機能に適合される混合物制御方式の一例を示す流れ図である。
【図４】本発明による方法の過程を示す一実施形態の流れ図である。
【符号の説明】
１  内燃機関
１ａ  燃焼室
２  触媒
２ａ  触媒の第１の部分（ＮＯｘ貯蔵触媒）
２ｂ  触媒の第２の部分
３  排気ガスセンサ
４  ＮＯｘセンサ
５  制御装置
６  燃料供給手段
７、８、９  センサ
１０  エラーランプ（警報ランプ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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