JP2004019594A

JP2004019594A - ＮＯｘ検出装置及びＮＯｘ検出方法

Info

Publication number: JP2004019594A
Application number: JP2002177552A
Authority: JP
Inventors: Seiji Miyoshi; 三好　誠治; Akihide Takami; 高見　明秀; Keiji Yamada; 山田　啓司; Masayuki Kuroki; 黒木　雅之
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】ＮＯｘを正確に検出することができるＮＯｘ検出装置およびＮＯｘ検出方法を提供する。
【解決手段】排気通路に配置され排気ガス中のＮＯｘを検出するＮＯｘ検出装置２６であって、ＮＯｘ検出素子２６ｃと、該ＮＯｘ検出素子を覆うカバー２６ａ、２６ｂと、前記カバーの上流側に設けられパラジウムを含む酸化触媒２６ｆと、を備えていることを特徴とする。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＮＯｘ検出装置及びＮＯｘ検出方法に関し、詳細には、エンジン等の排気中のＮＯｘを検出するＮＯｘ検出装置及びＮＯｘ検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リーンバーンによる運転を行う自動車等の排気浄化装置として、排気ガス中の酸素濃度が高い状態でＮＯｘ（窒素酸化物）を吸着し、排気ガス中の酸素濃度が低くなると吸着していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着触媒を備えた装置が知られている。ＮＯｘ吸着触媒のＮＯｘ吸着量には限界があるので、このような装置では、ＮＯｘ吸着触媒が飽和量までＮＯｘを吸着すると、リーンバーンによる運転状態から、理論空燃比近傍でエンジンを運転状態に移行する等して排気ガス中の酸素濃度を例えば、０．５％程度まで低下させて、ＮＯｘ吸着触媒からＮＯｘを放出させるとともに、これを還元して浄化する処理が行われる。
【０００３】
また、この処理の際、ＮＯｘ吸着触媒の下流側に設けたＮＯｘ検出装置によって下流側のＮＯｘ量を検出し、この検出結果に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒の劣化状態を診断するＮＯｘ吸着触媒の劣化状態を診断する装置が知られている（特開２０００−３３７１３１号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本件発明の発明者は、上記装置等で劣化状態が診断されている酸素濃度の領域では、図５に示されているように、ＮＯｘ検出装置からの出力が低下し、ＮＯｘの検出精度が低下し、その結果、上記診断が不正確になることを見出した。そして、この問題について検討した結果、ＮＯｘを検出する検出素子を保護するために設けられた金属カバーに含まれる金属が、この酸素濃度の領域で触媒として作用し、検出すべきＮＯｘをＣＯ、Ｈ_２、ＨＣ等の還元ガスと反応させてしまい、検出素子に到達するＮＯｘが減少すること等が原因であることを見出した。
【０００５】
本発明はこのような状況においてなされたものであり、ＮＯｘを正確に検出することができるＮＯｘ検出装置およびＮＯｘ検出方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願発明によれば、排気通路に配置され排気ガス中のＮＯｘを検出するＮＯｘ検出装置であって、ＮＯｘ検出素子と、該ＮＯｘ検出素子を覆うカバーと、前記カバーの上流側に設けられパラジウムを含む酸化触媒とを備えていることを特徴とするＮＯｘ検出装置が提供される。
【０００７】
このような構成によれば、ＮＯｘ検出素子を覆うカバーの上流側にパラジウムを含み酸化触媒が配置されているので、排気ガス中のＨＣ等の還元成分は、カバーと接触する前に酸化されてしまう。このように、カバーに含まれる金属の触媒作用で、これら還元成分がＮＯｘを還元することが抑制され、排気ガス中のＮＯｘは、還元されることなく、ＮＯｘ検出素子に達する。この結果、カバーによる触媒作用に起因する、ＮＯｘ検出装置の検出精度の低下が抑制される。
【０００８】
本発明の好ましい態様によれば、前記酸化触媒が、前記カバーの表面に設けられている。また、本発明の他の好ましい態様によれば、前記酸化触媒が、前記カバーの外表面に設けられている。
【０００９】
本発明の別の好ましい態様によれば、前記酸化触媒が、前記ＮＯｘ検出装置の上流側に設けられたＮＯｘ吸着触媒と、前記カバーとの間に配置されている。本発明のもう一つの好ましい態様によれば、前記酸化触媒が、前記ＮＯｘ検出装置の上流側に設けられたＮＯｘ吸着触媒内に配置されている。
【００１０】
本発明の好ましい態様においては、前記排気ガスは、ＮＯｘに対する還元成分を含む。また、本発明の好ましい態様においては、前記排気ガスは、温度が摂氏１００°以上である。
【００１１】
本願のもう一つの発明によれば、還元成分を含む排気ガス中のＮＯｘを検出するＮＯｘ検出方法であって、前記排気ガス中の還元成分を酸化触媒が介在した酸化によって減少させ、該排気ガスをＮＯｘ検出装置のＮＯｘ検出素子に導き、前記ＮＯｘ検出素子によって、前記排気ガス中のＮＯｘを検出する、ことを特徴とするＮＯｘ検出方法が提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態のＮＯｘセンサ（ＮＯｘ検出装置）が取付けられる自動車用火花点火式のエンジンシステム１００の構成を概略的に示す図面である。
【００１３】
エンジンシステム１００は、エンジン本体１を備えている。このエンジンシステムでは、所定の運転状態で、空燃比が１４．７より高く設定されるリーンバーン運転が行なわれる。エンジン本体１は、複数の気筒２（１本のみを図示する）と、この気筒２内に往復動可能に配置されたピストン３とを備え、気筒２とピストン３とによって燃焼室４が形成されている。燃焼室４の上部には、点火回路５に接続された点火プラグ６が燃焼室４に臨むように取付けられ、さらに、燃焼室４に燃料を直接噴射するインジェクタ７が取り付けられている。
【００１４】
このインジェクタ７には、高圧燃料ポンプ、プレッシャレギュレータ等を有する燃料供給回路が接続されている。この燃料供給回路によって燃料タンクからの燃料が適正な圧力に調整されてインジェクタ７に供給される。また、燃料供給回路には、燃料圧力を検出する燃圧センサ８が取付けられている。
【００１５】
燃焼室４は、吸気弁９が設けられた吸気ポートを介して吸気通路１０に連通している。この吸気通路１０には、その上流側から順に、吸気を濾過するエアクリーナ１１と、吸入空気量を検出するエアフローメータ１２と、吸気通路１０を絞る電気式スロットル弁１３と、サージタンク１４とが設けられている。電気式スロットル弁１３は、モータ１５により開閉駆動されるように構成されている。さらに、電気式スロットル弁１３の近傍には、その開度を検出するスロットル開度センサ１６が配置され、また、サージタンク１４には、吸気圧を検出する吸気圧センサ１７が取付けられている。
【００１６】
吸気通路１０は、サージタンク１４より下流の部分が、気筒毎に分岐した独立通路とされている。各独立通路の下流端部は、２つに分割され、それぞれが同一気筒の吸気ポートに連結され、その一方にスワール弁１８が設けられている。このスワール弁１８は、アクチュエータ１９によって駆動される。スワール弁１８が閉じると、吸気は他方の分岐通路のみから燃焼室４に供給され、燃焼室４内に強い吸気スワールが生成される。また、スワール弁１８の近傍には、スワール弁１８の開度を検出するスワール弁開度センサ２０が設けられている。
【００１７】
燃焼室４には、排気弁２１が設けられた排気ポートを介して排気通路２２が接続され、各気筒からの排気通路２２は下流側で合流している。合流した排気通路２２には、上流側から順に、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（Ｏ_２センサ）２４と、ＮＯｘを吸着するＮＯｘ吸着触媒２５、ＮＯｘセンサ２６とが設けられている。排気通路２２中には、摂氏１００°以上の排気ガスが流れることになる。ＮＯｘ吸着触媒２５は、リーンバーン運転などの排気ガス中の酸素濃度が高い状態でＮＯｘを吸着し、酸素濃度が低い状態になると吸着していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着材と、ＮＯｘ吸着材から放出されたＮＯｘを還元浄化させる触媒金属（貴金属）とを備えたＮＯｘ吸収還元タイプのＮＯｘトラップ触媒である。
【００１８】
ＮＯｘ吸着触媒２５は、コージェライト製のハニカム構造の担体を備え、この担体に形成された各貫通孔の壁面には、内側触媒層がコーティングされ、内側触媒層上に外側触媒層がコーティングされている。
【００１９】
ＮＯｘ吸収触媒機能を備える内側触媒層では、白金等の貴金属とＢａ等のＮＯｘ吸収材とが、多孔質材料であるアルミナ、セリア等のサポート材に担持されている。また、ＮＯｘ還元機能を備える外側触媒層には、白金、ロジウム等の触媒金属と、場合によっては、Ｂａ等のＮＯｘ吸収材とが、多孔質材料であるゼオライト等のサポート材に担持されている。
【００２０】
このＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量には限界がある。エンジンシステム１００は、ＮＯｘセンサ２６による排気ガス中のＮＯｘ検出値が所定のしきい値を越えると、ＮＯｘ吸着触媒のＮＯｘ吸着が飽和に達したと判定し、排気中の酸素濃度を高めてＮＯｘ吸着材からＮＯｘを放出させる処理（リッチスパイク処理）を行うように構成されている。
【００２１】
図２は、本発明の第１実施形態のＮＯｘセンサ２６の構造を示す概略的な断面図である。図２に示されているように、ＮＯｘセンサ２６は、第１カバー２６ａと、その内側の第２カバー２６ｂと、第２カバー２６ｂに覆われた検出素子２６ｃとを備えている。検出素子２６ｃは、排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じた出力を生じさせる。第１カバー２６ａと第２カバー２６ｂは、検出素子を熱衝撃、排気ガス中の不純物から保護する機能を有している。第１カバー２６ａと第２カバー２６ｂとのそれぞれには、相互にオフセットした開口部２６ｄ、２６ｅが形成され、矢印Ａで示されるように、検出素子２６ｃに排気ガスが導入されるように構成されている。第１の実施形態では、第１カバー２６ａ及び第２カバー２６ｂは、ＳＵＳ等のステンレス鋼または他の金属材料で形成されている。第１カバーの本体２６ａ及び第２カバーの本体２６ｂの表面全体には、酸化触媒層２６ｆが形成されている。酸化触媒層２６ｆは、多孔質のアルミナにパラジウムを担持させることによって形成されており、排気ガス中のＨＣがＯ２等によって酸化される際に触媒として作用する。
【００２２】
酸化触媒層には、更に、白金を含ませても良い。また、パラジウムまたは白金を、各カバー２６ａ、２６ｂに蒸着して形成された酸化触媒層でもよい。さらに、第１カバー２６ａ及び第２カバー２６ｂの外側面にのみ、このような酸化触媒層を形成した構成でも良い。
【００２３】
これらの構成によれば、排気ガスがＨＣ、ＣＯ等の還元成分を含有し、さらに、酸素量が少ない状態、または、リッチ雰囲気であっても、酸化触媒層２６ｆに含まれるパラジウム等が酸化触媒として機能し、これら還元成分が酸化される反応を促進するので、還元成分がＮＯｘを還元する反応が抑制される。この結果、排気ガス中のＮＯｘが還元されることなく検出素子２６ｃに到達する。
【００２４】
排気通路２２には、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ通路２７の上流端が、酸素濃度センサ２４の上流側位置に接続されている。ＥＧＲ通路２７の下流端は、スロットル弁１３とサージタンク１４との間で吸気通路１０に接続されている。また、ＥＧＲ通路２７には、開度が電気的に調整可能であるＥＧＲ弁２８と、ＥＧＲ弁２８のリフト量を検出するリフトセンサ２９とが設けられ、これらにより排気還流手段が構成されている。
【００２５】
更に、排気通路２２には、吸気の一部を、吸気通路１０からＮＯｘ吸着触媒２５の上流側位置に送り込む２次エア供給通路３０が接続されている。この２次エア供給通路３０には、制御可能な流量調整弁３１が設けられている。
【００２６】
エンジンシステム１００は、さらに、システム全体の制御を行うＥＣＵ（電子制御ユニット）３２を備えている。このＥＣＵ３２には、エアフローセンサ１２、スロットル開度センサ１６、吸気圧センサ１７、スワール制御弁開度センサ２０、酸素濃度センサ２４、ＥＧＲ弁２８のリフトセンサ２９からの信号が入力される。ＥＣＵ３２には、さらに、エンジン本体１の冷却水温度を検出する水温センサ３３、吸気温度を検出する吸気温度センサ３４、大気圧を検出する大気圧センサ３５、エンジン回転数を検出する回転数センサ３６、および、アクセルペダルの開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ３７からの信号等も入力される。
【００２７】
ＥＣＵ３２は、エンジンの運転状態に応じてインジェクタ７から噴射される燃料の噴射状態を制御する燃料噴射制御、点火プラグ６による混合気の点火時期を制御する点火時期制御、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量が所定量に達すると排気ガス中の酸素濃度を制御して、ＮＯｘ吸着触媒２５からＮＯｘを放出させるリッチスパイク制御、このリッチスパイク時のＮＯｘ放出状態からＮＯｘ吸着触媒２５の劣化度合いを診断する劣化診断制御等を行う。
【００２８】
燃料噴射制御では、エンジンの運転状態に応じて燃料噴射を制御するように構成されている。本実施形態では、低負荷低回転から中回転中負荷の運転領域では、インジェクタ７から圧縮行程の所定時期に燃料を一括噴射して点火プラグ６の近傍に混合気を偏在させた状態で燃焼させ、燃焼室４内における混合気の空燃比を３０程度のリーン状態とする成層燃焼モード用の燃焼制御が実行される。また、この成層燃焼モードの領域より高負荷側の領域では、吸気行程と圧縮行程との２回の燃料噴射でλ＝１付近の空燃比とした燃焼モード用の燃焼制御が実行される。さらに、高負荷高回転の運転領域では、インジェクタ７から吸気行程で燃料を一括噴射させ燃焼室４内の空燃比をリッチ状態とした均一燃焼モード用の燃焼制御が行われる。
【００２９】
リーン状態の燃焼で多く発生するＮＯｘは、下流側に設けられたＮＯｘ吸着触媒２５によって吸着される。本実施形態では、ＮＯｘセンサ２６の出力信号に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量を推定し、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着が飽和したと判断されると、空燃比をリッチ側に移行させる空燃比制御等を実行することによって排気中の酸素濃度を減少させ、ＮＯｘ吸着触媒２５からＮＯｘを放出させる制御（リッチスパイク制御）を行う。さらに、このときのＮＯｘセンサ２６からの出力信号に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化判定を併せて行う。本実施形態では、ＮＯｘ吸着触媒２５が劣化していたと診断されたとき、これを乗員に知らせる警告灯等を含む表示手段４１が設けられている。
【００３０】
上述したＮＯｘセンサでは、カバーの表面に設けられた酸化触媒層に含まれるパラジウム等の触媒作用によって、排気ガス中のＨＣ等の還元成分の酸化が促進されるので、これら還元成分がＮＯｘと反応することが抑制され、排気ガス中のＮＯｘが検出素子に到達して、排気ガス中のＮＯｘが精度良く検出される。
【００３１】
次に、図３に沿って、本発明の第２実施形態のＮＯｘセンサ（ＮＯｘ検出装置）を説明する。図３は、本発明の第２実施態様のＮＯｘセンサ５０の構成を模式的に示す図面である。ＮＯｘセンサ５０も、第１実施形態のＮＯｘセンサ２６が取付けられるエンジンシステム１００と同様のエンジンシステムに取付けられるように構成されている。ＮＯｘセンサ５０は、酸化触媒５１を備えている。酸化触媒５１は、排気通路２２に取付けられたＮＯｘ吸着触媒２５の矢印Ｂで示す排気ガス流の下流側に配置されている。酸化触媒５１の下流側に、ＮＯｘ検出素子５２とＮＯｘ検出素子５２を覆うカバー５３とが配置されている。
【００３２】
酸化触媒５１は、パラジウムをアルミナ担体に担持させた構成を有し、排気ガス中のＨＣ等の還元成分がＯ_２等と反応を起こす際に触媒として機能し、ＨＣ等が酸化される反応を促進する。
【００３３】
従って、第２の実施態様のＮＯｘセンサ５０においても、排気ガス中のＨＣ等の還元成分の酸化が促進されるので、これら還元成分がＮＯｘと反応することが抑制され、排気ガス中のＮＯｘが検出素子５２に到達して、排気ガス中のＮＯｘが精度良く検出される。
【００３４】
次に、図４に沿って、本発明の第３実施形態のＮＯｘセンサ（ＮＯｘ検出装置）を説明する。図４は、本発明の第３実施態様のＮＯｘセンサの酸化触媒を説明する、ＮＯｘ吸着触媒の一部分を拡大した断面図である。第３実施形態のＮＯｘセンサも、第１実施形態のＮＯｘセンサ２６が取付けられるエンジンシステム１００と同様のエンジンシステムに取付けられるように構成されている。
【００３５】
第３実施形態のＮＯｘセンサの酸化触媒６０は、ＮＯｘ検出素子とＮＯｘ検出素子を覆うカバーの上流側に配置されるＮＯｘ吸着触媒内に配置されている。詳細には、酸化触媒６０は、上記他の実施形態と同様にてパラジウムを含む酸化触媒であり、図４に示されているように、ＮＯｘ吸着触媒のハニカム担体６１上に配置された内側および外側触媒層６２の上に配置されている。酸化触媒６０は、上記第２実施態様と同様に、パラジウム、白金等をアルミナ担体に担持させた構成を有しているのが好ましい。変型例として、内側および外側触媒層内に、酸化触媒を混入させてもよい。
【００３６】
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された技術事項の範囲内で種々の変更又は変形が可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ＮＯｘを正確に検出することができるＮＯｘ検出装置およびＮＯｘ検出方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施形態のＮＯｘ検出装置が取付けられるエンジンシステムの概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態のＮＯｘセンサの構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態のＮＯｘセンサの構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態のＮＯｘセンサの構成を示す、排気通路の長手方向に沿った断面図である。
【図５】排気中の酸素濃度と従来のＮＯｘ検出装置の出力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
２６：ＮＯｘセンサ
２６ａ：第１カバー
２６ｂ：第２カバー
２６ｃ：検出素子
２６ｆ：酸化触媒

Claims

排気通路に配置され排気ガス中のＮＯｘを検出するＮＯｘ検出装置であって、
ＮＯｘ検出素子と、該ＮＯｘ検出素子を覆うカバーと、前記カバーの上流側に設けられパラジウムを含む酸化触媒と、を備えている、
ことを特徴とするＮＯｘ検出装置。
前記酸化触媒が、前記カバーの表面に設けられている、
請求項１に記載のＮＯｘ検出装置。
前記酸化触媒が、前記カバーの外表面に設けられている、
請求項１に記載のＮＯｘ検出装置。
前記酸化触媒が、前記ＮＯｘ検出装置の上流側に設けられたＮＯｘ吸着触媒と、前記カバーとの間に配置されている、
請求項１に記載のＮＯｘ検出装置。
前記酸化触媒が、前記ＮＯｘ検出装置の上流側に設けられたＮＯｘ吸着触媒内に配置されている、
請求項１に記載のＮＯｘ検出装置。
前記排気ガスは、ＮＯｘに対する還元成分を含む、
請求項１ないし５の何れか１項に記載のＮＯｘ検出装置。
前記排気ガスは、温度が摂氏１００°以上である、
請求項１ないし６の何れか１項に記載のＮＯｘ検出装置。
還元成分を含む排気ガス中のＮＯｘを検出するＮＯｘ検出方法であって、
前記排気ガス中の還元成分を酸化触媒が介在した酸化によって減少させ、
該排気ガスをＮＯｘ検出装置のＮＯｘ検出素子に導き、
前記ＮＯｘ検出素子によって、前記排気ガス中のＮＯｘを検出する、
ことを特徴とするＮＯｘ検出方法。