JP2008169842A - Ｎｏｘ吸蔵触媒コンバータの吸蔵状態推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低減された技術支出にてＮＯ_Ｘ吸蔵量の信頼性のある測定を可能とするＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの吸蔵状態推定装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気ガスに含有される窒素酸化物を吸蔵するＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの吸蔵状態推定装置であって、上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの上流の上記排気ガス中に存在する酸素濃度と、上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの下流の上記排気ガス中に存在する酸素濃度との間の酸素濃度の差分を測定するための測定装置、及び、上記酸素濃度の差分に基づいて、上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの上記吸蔵状態を推定するための推定装置、を有する装置100。
【選択図】図1

Description

本発明はＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの吸蔵状態推定装置に関連する。

ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータは、特にリーン・バーン・モードにあるディーゼル・エンジンによって排出される窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を吸収し貯蔵する働きをする。

もしＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータが窒素酸化物分子で飽和するならば、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータを再生するために、一般的に数秒間の間、リッチな空燃比での運転フェーズが必要とされる。

ここで、吸蔵された窒素酸化物分子は放出され、そして無害な成分（具体的には窒素、二酸化炭素及び水蒸気）に変換される。

この種の再生が行われるべき頻度は、内燃機関（エンジン）の窒素酸化物の排出量、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの吸蔵能力及び内燃機関の排気ガス温度に依存する。

ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの再生が必要とされる適切なタイミングを判定するための公知の方法は、ＮＯ_Ｘ排出量とＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの吸蔵能力に応じたＮＯ_Ｘ吸蔵量の推定を含む。

ここで、内燃機関のＮＯ_Ｘ排出量は、ＮＯ_Ｘセンサによって直接的に測定されたもの、または、モデルを用いて推定されたものの何れかである。

この種のＮＯ_Ｘモデルにおいては、内燃機関の排気ガスで測定されるＮＯ_Ｘ濃度が、内燃機関の運転状態（すなわちエンジン速度及びエンジン負荷）に応じてリスト化され、そして冷却液温度及び再循環される排気ガスの組成に応じて補正されるのが一般的である
ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの吸蔵能力は、測定又は推定される触媒コンバータ温度及び推定されるＮＯ_Ｘ吸蔵量に応じてリスト化される。

再生フェーズの終了のための適切なタイミングは、一般的に、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの下流に配置されるラムダセンサ（Ｏ₂センサ）を使用して判定される。

他の取り組みによれば、ＮＯ_Ｘ変換率を判定するためのモデルを使用し、計算された吸蔵量が所定の閾値を下回るときに再生フェーズを終了させることもまた可能である。

オンボード診断（ＯＢＤ）の機能を実現するために、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータより下流に配置されるＮＯ_Ｘセンサが、ＮＯ_Ｘ排出量が所定の基準値を超えたときを知らせるために使用される。

幾つかの刊行物（例えば特許文献1や非特許文献1）が、ＮＯ_Ｘ測定のために使用され得る電気化学的なガス・センサを開示し、そのガス・センサは、図3に（単に概略的に）図示される形式のガス・センサ1の構造によれば、拡散隔壁層3を通って延びるダクトを介して第一チャンバ2と連結される第二チャンバ4を有する。

ポンプ電極5を用いて酸素を供給及び排出することによって、一定の所定酸素分圧が第一チャンバ2内に生成される。

第二チャンバ4のダクトを介して供給されるガスは電極6によって還元され、そのうち第二チャンバ4内に配置される電極は窒素と酸素を生成するために触媒物質を有し、その結果ＮＯ_Ｘ濃度に比例するポンプ電圧が取り出される。

加えて、より効率的な動作のために、第一及び第二チャンバ又はポンプ電極の温度を約600℃乃至700℃まで上昇させるための加熱装置7が設けられ、そして、その加熱装置は、例えば酸化アルミニウム(Al₂O₃)の絶縁層によって覆われ得る。
米国特許第6,645,361号明細書 Ｎ．Ｋａｔｏ他,ＳＡＥ刊行物「酸化ジルコニウム厚膜ＮＯＸセンサ(Thick Film ZrO2 NOX Sensor)」,米国自動車技術会(the Society of Automotive Engineers, Inc)の刊行物番号：960334号,電子エンジン制御1996(SP-1149)の増刷,国際会議及び展示会,デトロイト（ミシガン）,1996年2月26〜29日

ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータのＮＯ_Ｘ吸蔵量を判定するために、一方がＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの上流に配置され、他方がＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの下流に配置される、二つのＮＯ_Ｘセンサを使用することが知られているが、それは、必要とされる対応する吸蔵状態監視装置の準備に関して、相当な装置コスト及び付随コストを伴う。

上述の背景に対し、本発明の目的は、低減された技術支出にてＮＯ_Ｘ吸蔵量の信頼性のある測定を可能とするＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの吸蔵状態推定装置を提供することである。

上述の目的は特許請求の範囲の独立請求項1の特徴により達成される。

ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの吸蔵状態推定装置は、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータより上流の排気ガス中に含まれる酸素濃度と、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータより下流の排気ガス中に含まれる酸素濃度との間の酸素濃度の差分を測定するための測定装置と、酸素濃度の差分に基づいて、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの吸蔵状態を推定するための推定装置と、を有する。

本発明によれば、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの吸蔵状態の推定が、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータより上流の排気ガス中に含まれる酸素濃度と、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータより下流の排気ガス中に含まれる酸素濃度との間の酸素濃度の差分に基づいて直接的に行なわれることを考えれば、装置を作動させる（具体的には、加熱する）ためや伝送される信号を処理及び評価するための装置コストが、酸素濃度の絶対値を測定する二つのセンサにとっては必要とされず、従来の場合のように単一モジュールに限定されるので、装置コスト及び付随コストの顕著な低減が得られる。

加えて、差分測定の場合に得られる測定誤差が、絶対値測定の場合の測定誤差に比して顕著な低減となる結果、酸素濃度の差分に基づく直接的なＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの吸蔵状態の推定は、測定上の利点を有する。

本発明の更なる実施形態は、本明細書及び特許請求の範囲の従属請求項から推測され得る。

図1によれば、本発明に従った、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータ（不図示）の吸蔵状態を監視するための装置100が、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータより上流の排気導管5に連結されるチャンバ10と、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータより下流の排気導管5に連結される更なるチャンバ20とを備える。

チャンバ10及び20には、規定の拡散隔壁又は所定の拡散抵抗を介して、特にＮＯ_Ｘ及びＯ₂を含有する排気ガスが供給される。

チャンバ10及び20は各々、少なくとも一つの内部ポンプ電極を備えた電気化学的ポンプ・セルを一つ有し、それにより、各チャンバ10及び20内でのＮＯ_Ｘ変換が未だ行なわれない状態で、各々のチャンバ10又は20内にある排気ガスの酸素含有量が所定レベル（典型的には1000ｐｐｍ（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ））まで低減される。

この一定の酸素レベルを設定するために、例えば、150ｍＶのポンプ電圧をチャンバ10，20に加えることが出来る。

チャンバ10及び20の各々は、いずれも更なるチャンバ30又は40に連結され、チャンバ30，40には、チャンバ10及び20内における酸素含有量低減後の排気ガスが、同様に規定の拡散隔壁又は所定の拡散抵抗を介して、供給される。

いずれも所定の拡散抵抗によって互いに連結されるチャンバ10，30及び20，40の実現は、例えばいずれの場合も、その中においてチャンバ10，30及び20，40が、隣接する酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）層間の内部空洞又は穴として形成される、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）多層構造内で起こり得る。

酸化ジルコニウム多層構造の適切な構成は、例えば非特許文献1の序論（ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）において、図3に示される概略的な配置を参照して言及されているように、基本的に知られている。

チャンバ10乃至40用のポンプ電極は、例えば白金（Ｐｔ）又はロジウム（Ｒｈ）から作られ、一般的に10μmの厚みを有する多孔性電極として形成され得る。

加えて、いずれの場合にも、酸化アルミニウム(Ａｌ₂Ｏ₃)の絶縁層によって包まれ得る加熱装置が一つ設けられ、それによってチャンバ又はポンプ電極の温度が、より効率的な動作のために、約600℃乃至700℃まで上昇され得る。

チャンバ30，40において、各々のチャンバ30又は40内に位置するガスの酸素含有量は更に低減され、ここで大体0.0001ｐｐｍのレベルに設定される場合がある。

この一定の酸素レベルを設定するために、例えば、450ｍＶのポンプ電圧をチャンバ30，40に加える場合がある。

その結果、チャンバ30及び40内において、下記反応方程式（式（1））に従って行なわれる窒素及び酸素への反応によって、各チャンバ30，40内に位置する排気ガスのＮＯ_Ｘ含有量は低減される。
ＮＯ→1/2＊Ｎ₂＋1/2＊Ｏ₂ …（1）

このチャンバ30，40内に、例えばロジウム（Ｒｈ）のような触媒物質からポンプ電極を形成することによって、ＮＯ_Ｘ還元は更に促進され得る。

このチャンバ30及び40内の酸素分圧又は酸素濃度が当該チャンバにおけるＮＯ_Ｘ濃度に比例するので、チャンバ30内の酸素分圧は、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータより上流の排気導管5内のＮＯ_Ｘ濃度の間接的な指標であって、そして、チャンバ40における酸素分圧は、同様に、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータより下流の排気導管5内のＮＯ_Ｘ濃度の指標である。

ここで本発明は、チャンバ30及び40の間の酸素分圧又は酸素濃度の差分は、上流のＮＯ_Ｘ濃度と下流のＮＯ_Ｘ濃度との差分の指標を構成するという事実を利用する。

下式（2）の関係を適用して内部に起電力Ｅ_Ｆが生成されるネルンスト・セル50が、二つのチャンバ30及び40の間に置かれる。
Ｅ_Ｆ＝Ｉｎ（Ｐ02，30／Ｐ02,40）…（2）

ここで、Ｐ02，30はチャンバ30内の酸素分圧を示し、Ｐ02,40はチャンバ40内の酸素分圧を示す。

センサ（図1においては図示せず）は、ネルンスト・セル50内に生成される起電力Ｅ_Ｆを測定し、そして、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの上流のＮＯ_Ｘ濃度とＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの下流のＮＯ_Ｘ濃度との差分の指標となる、対応する出力信号を出力する。

更なる工程において、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータのＮＯ_Ｘ吸蔵量Ｌｏａｄｉｎｇ（ＮＯ_Ｘ）が下記式（３）によって推定される。
Ｌｏａｄｉｎｇ（ＮＯ_Ｘ）＝∫（Δ（ＮＯ_Ｘ）−Ｕ（ＮＯ_Ｘ））…（3）

ここで、Δ（ＮＯ_Ｘ）はＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの上流のＮＯ_Ｘ濃度とＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの下流のＮＯ_Ｘ濃度との差分を示し、Ｕ（ＮＯ_Ｘ）はＮＯ_Ｘ変換率を示す。

このＮＯ_Ｘ変換率Ｕ（ＮＯ_Ｘ）は、それ自体はある程度知られているが、吸蔵されたＮＯ_Ｘ濃度、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの温度、排気ガスにおける空燃比（リッチ度合い）、及び、排気ガスの質量流量に応じ、モデルを介在した方法にて計算される。

以上のように、図1に示された本発明に従う配置は、理解され得るように、装置（特に加熱装置）を作動させるためや伝達される信号を処理及び評価するための技術的費用が、酸素濃度の絶対値を測定する二つのセンサには不要なので、単一モジュールに限定されるが、大抵の場合、技術支出及び付随するコストの顕著な低減が得られる。装置を作動させる（具体的には、加熱する）ためや伝送される信号を処理及び評価するための技術支出が、酸素濃度の絶対値を測定する二つのセンサには必要とされず、従来構造のように単一のモジュールに限定され得るので、技術的費用及び付随する原価の顕著な低減という利点を有する。

図1において、第一チャンバ30は第三チャンバ10よりも下流側に設けられ、第二チャンバ40は第四チャンバ20よりも下流側に設けられる。このように構成することによって、ネルンスト・セル50において生成される起電力Ｅ_Ｆを、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの上流のＮＯ_Ｘ濃度とＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの下流のＮＯ_Ｘ濃度との差分をより正確に示すものとすることが可能となる。

代替実施形態によれば、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの上流の排気導管5におけるＮＯ_Ｘ濃度とＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの下流の排気導管5におけるＮＯ_Ｘ濃度との差分に比例する電流信号が生成されて、酸素（Ｏ₂）の電気化学的なポンピングがチャンバ40からチャンバ30へ、或いは、その反対方向に生じる場合もある。

図2において概略的に示される更なる実施形態によれば、図1に示される装置100の変形において、チャンバ10及び20を省略することが可能である。

ここで、図1と比較すると、機能的に実質同一の要素は、100ずつ増大された対応する参照記号によって示される。

図2に示される装置200において、電気化学的なポンピングがチャンバ130及び140の間にて行なわれる。

ここで、チャンバ130及び140における酸素分圧又は酸素濃度の差分に比例する電流信号が生成され、従って、前述の実施形態と同様に、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの上流のＮＯ_Ｘ濃度とＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの下流のＮＯ_Ｘ濃度との差分の指標を構成する。

このため、本発明によれば、ＮＯ_Ｘ濃度の絶対値（又はそれらに独自の酸素分圧）の直接的な測定の代わりに、チャンバ130及び140における酸素分圧又は酸素濃度の差分（従って、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの上流のＮＯ_Ｘ濃度とＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの下流のＮＯ_Ｘ濃度との差分Δ（ＮＯ_Ｘ））が、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの吸蔵状態を監視するために判定される。

本発明に従った第一実施形態による、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの吸蔵状態の監視装置の構成の概略図である。 本発明の更なる実施形態の概略図である。 先行技術としての、電気化学的なＮＯ_Ｘセンサ構成の概略図である。

符号の説明

5，105 排気導管
10，20，30，40，130，140 チャンバ
50，150 ネルンスト・セル

Claims (8)

1. 内燃機関の排気ガスに含有される窒素酸化物を吸蔵するＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの吸蔵状態推定装置であって、
   上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの上流の上記排気ガス中の酸素濃度と、上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの下流の上記排気ガス中の酸素濃度との間の酸素濃度の差分を測定するための測定装置、及び、
   上記酸素濃度の差分に基づいて、上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの上記吸蔵状態を推定するための推定装置、を有する装置。
2. 請求項1に記載の装置であって、
   上記測定装置が、上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの上流にある排気導管（5，105）の一部に設けられる第一チャンバ（30，130）内の第一酸素濃度と、上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの下流にある排気導管（5，105）の一部に設けられる第二チャンバ（40，140）内の第二酸素濃度との間の上記酸素濃度の差分を測定するように設計され、
   上記第一チャンバ（30，130）及び上記第二チャンバ（40，140）がいずれも、窒素及び酸素を生成すべく窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を還元するための還元手段を有する、装置。
3. 請求項1又は2に記載の装置であって、
   上記酸素濃度の差分を測定する測定装置が、上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの上流にある排気導管（5）の一部と、上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの下流にある排気導管（5）の一部との間に設けられるネルンスト・セル（50）を有する、装置。
4. 請求項2に記載の装置であって、
   上記酸素濃度の差分を測定する測定装置は、上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの上流にある排気導管（5）の一部と、上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの下流にある排気導管（5）の一部との間に設けられるネルンスト・セル（50）を有し、
   上記ネルンスト・セル（50）は、一端にて上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの上流にある排気導管（5）の一部に設けられる上記第一チャンバ（30）に連結され、他端にて上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの下流にある排気導管（5）の一部に設けられる上記第二チャンバ（40）に連結される、装置
5. 請求項2に記載の装置であって、
   上記第一チャンバ（130）と上記第二チャンバ（140）との間で酸素の電気化学的なポンピングを行うポンピング手段が設けられる、装置。
6. 請求項2乃至5のいずれか一つに記載の装置であって、
   上記第一チャンバ（30）は上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの上流にある排気導管（5）の一部に設けられる第三チャンバ（10）に連結され、
   上記第二チャンバ（40）は上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの下流にある排気導管（5）の一部に設けられる第四チャンバ（20）に連結され、
   上記第三チャンバ（10）及び上記第四チャンバ（20）はいずれも、酸素濃度を所定レベルに低減するための手段を有する、装置。
7. 請求項1乃至6のいずれか一つに記載の装置であって、
   上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの上記吸蔵状態を推定するための推定装置は、そこにおいて、関係式
   Ｌｏａｄｉｎｇ（ＮＯ_Ｘ）＝∫（Δ（ＮＯ_Ｘ） − Ｕ（ＮＯ_Ｘ））
   に基づいて吸蔵状態Ｌｏａｄｉｎｇ（ＮＯ_Ｘ）の推定を実行し、
   ここにおいて、Δ（ＮＯ_Ｘ）は、酸素濃度の差分から計算される、上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの上流のＮＯ_Ｘ濃度と、上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータの下流のＮＯ_Ｘ濃度との間のＮＯ_Ｘ濃度の差分を示し、Ｕ（ＮＯ_Ｘ）は、上記ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒コンバータにおけるＮＯ_Ｘ変換率を示す、装置。
8. 請求項6に記載の装置であって、
   上記第一チャンバ（30）は上記第三チャンバ（10）よりも下流側に設けられ、
   上記第二チャンバ（40）は上記第四チャンバ（20）よりも下流側に設けられる、装置。

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