JP2008286052A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】NOx吸蔵還元触媒の硫黄被毒の進行をより簡易且つ的確に検出することのできる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】排気のNOx成分を吸蔵して還元浄化するNOx吸蔵還元触媒4の硫黄被毒が進行すると、排気中の硫黄成分を十分に吸蔵し切ることができなくなり、NOx吸蔵還元触媒4の排気下流に硫黄成分が排出される。そしてその排出された硫黄成分が、NOx吸蔵還元触媒4の排気下流に設置された酸素濃度センサ5の検出子に付着して、そのセンサ特性が変化するようになる。そこでそうした酸素濃度センサ5の特性変化からNOx吸蔵還元触媒4の硫黄被毒の進行を検出することとした。
【選択図】図1

Description

本発明は、排気のNOx成分を吸蔵して還元浄化するNOx吸蔵還元触媒を排気浄化装置として備える内燃機関の制御装置に関する。
希薄燃焼を行う内燃機関の排気浄化装置として、排気の酸化窒素成分(NOx)を浄化するNOx吸蔵還元触媒が知られている。NOx吸蔵還元触媒は、従来の三元触媒にNOx吸蔵剤としてアルカリ性の物質を加えたもので、モノリス担体にアルミナをコートして、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、及びアルカリ類、バリウム(Ba)などのアルカリ土類、希土類酸化物を担持したものとなっている。
こうしたNOx吸蔵還元触媒でのNOx浄化は、次の態様で行なわれる。酸化雰囲気では、排気中のNOxは、触媒の貴金属上で酸化され、それに隣接するNOx吸蔵物質と結合して硝酸塩を形成して触媒中に吸蔵される。一方、当量点及び還元雰囲気では、触媒中に吸蔵された硝酸塩が分解して、貴金属上で炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)などの還元性ガスと反応して窒素に還元される。そこでNOx吸蔵触媒を排気浄化装置として備える希薄燃焼内燃機関では、通常の希薄燃焼運転中に排気中のNOxを触媒中に吸蔵し、排気空燃比をリッチとして触媒中に吸蔵されたNOxを還元浄化するNOx還元制御を間欠的に行うことで、吸蔵と還元を繰り返してNOxを浄化するようにしている。
ところで、NOx吸蔵触媒は、酸化雰囲気では、NOxと同様に排気中の酸化硫黄成分(SOx)も吸蔵してしまう。触媒中に硫化塩として吸蔵されたSOxは、NOx還元制御時の触媒床温(250℃程度)では放出されないため、次第に触媒中に堆積されてしまい、触媒のNOx吸蔵能力を劣化させてしまう。これが、NOx吸蔵還元触媒の硫黄被毒と呼ばれる現象である。こうした触媒の硫黄被毒を解消するには、硫黄分を放出可能となる温度(600℃以上)まで触媒を昇温させた状態で、還元剤となる未燃燃料を排気に添加して、触媒に堆積した硫黄分を放出させる硫黄被毒再生制御を定期的に行うことが必要となる。
こうした硫黄被毒再生制御は、特許文献1に見られるように、硫黄被毒の進行を、内燃機関の搭載される車両の走行距離から判断して実施されている。すなわち、従来においては、予め定められた一定の走行距離毎に、硫黄被毒再生制御を実施するようにしている。ただし、硫黄被毒の進行速度は、内燃機関の運転パターンにより、大きく異っている。例えば、SOxの排出量が増大する高負荷運転が高い頻度で行われた場合、硫黄被毒の進行は早くなる。そのため、単純に一定の車両走行距離毎に硫黄被毒再生制御を実施した場合には、硫黄被毒再生制御の実施頻度に過不足が生じる虞がある。
そこで従来、特許文献2には、機関回転速度や燃料噴射量から単位時間当たりの硫黄堆積量を求め、その積算値からNOx吸蔵還元触媒の硫黄被毒の進行状況を推定して、硫黄被毒再生制御の実施時期を決定する技術が提案されている。
ちなみに、特許文献3には、リッチスパイク運転時の触媒上流の排気空燃比の変化と触媒下流の排気空燃比の変化とを比較してNOx吸蔵還元触媒の劣化を検出する技術が記載されている。ただし、ここで検出の対象となっているNOx吸蔵還元触媒の劣化とは、NOx吸蔵還元触媒のNOx還元浄化性能の低下であって、硫黄被毒の進行までは検出することができないものとなっている。
特開2001−303937号公報 特開2003−293748号公報 特開2004−308455号公報
上記文献2に記載の手法によれば、内燃機関の運転パターンによる硫黄被毒の進行速度の高低に応じて、硫黄被毒再生制御の実施間隔が適宜に調整されるようにはなる。しかしながら、こうした手法では、硫黄被毒の進行を検出するために、内燃機関のその時どきの運転状況から単位時間当りの硫黄堆積量を推定する処理を、機関運転中は終始に亘って実施しなければならず、制御系に多大な演算負荷を要するものとなっている。そのため、NOx吸蔵還元触媒の硫黄被毒の進行を、より簡単且つ的確に検出する技術の確立が要望されている。
本発明は、こうした実状に鑑みてなされたものであって、その解決しようとする課題は、NOx吸蔵還元触媒の硫黄被毒の進行をより簡易且つ的確に検出することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果を記載する。
請求項1に記載の発明は、排気のNOx成分を吸蔵して還元浄化するNOx吸蔵還元触媒を排気浄化装置として備える内燃機関の制御装置において、前記NOx吸蔵還元触媒の下流における排気の酸素濃度を検出するセンサの特性変化に基づいて前記NOx吸蔵還元触媒の硫黄被毒の進行を検出することをその要旨としている。
NOx吸蔵還元触媒の硫黄被毒が進行すると、NOx吸蔵還元触媒は排気の硫黄成分を吸着し切れなくなり、触媒下流に硫黄成分が排出されるようになる。こうして硫黄成分が触媒から排出されると、触媒下流の排気の酸素濃度を検出するセンサに排気の硫黄成分が到達するようになり、センサに硫黄成分が付着して、センサの特性が変化するようになる。そのため、NOx吸蔵還元触媒の下流における排気の酸素濃度を検出するセンサの特性変化に基づいて、NOx吸蔵還元触媒の硫黄被毒の進行を検出することができる。こうした態様での硫黄被毒の進行の検出は、上記センサの特性の変化の有無を定期的に確認するだけで行うことができる。したがって上記構成によれば、NOx吸蔵還元触媒の硫黄被毒の進行をより簡易且つ的確に検出することができるようになる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の内燃機関の制御装置において、前記硫黄被毒の進行は、前記センサの応答遅れの増加により検出されることをその要旨としている。
上記のような硫黄の付着の影響は、上記センサの応答性の低下、すなわち応答遅れの増加として表われる。そのため、センサの応答遅れの増加から、硫黄被毒の進行を検出することができる。なお、硫黄付着の影響は、応答性以外のセンサ特性にも変化を与えることが考えられる。そうした硫黄付着の影響による応答性以外のセンサの特性変化があれば、その特性変化から硫黄被毒の進行を検出するようにすることも可能である。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の内燃機関の制御装置において、前記硫黄被毒の進行の検出結果に基いて硫黄被毒再生制御の実施時期を決定することをその要旨としている。
また請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関の制御装置において、前記硫黄被毒の進行の検出結果に基いて硫黄被毒再生制御の実施間隔を決定することをその要旨としている。
上記のようなセンサ特性の変化に基づく硫黄被毒の進行の検出結果は、硫黄被毒再生制御の実施時期や実施間隔の決定に用いることができる。こうして硫黄被毒再生制御の実施時期や実施間隔を決定すれば、内燃機関の運転パターンによる硫黄被毒の進行速度の差異に拘らず、適切なタイミングで硫黄被毒再生制御を実施することができるようになる。なお、硫黄被毒再生制御の実施間隔は、例えば経年時間や内燃機関の稼働時間、車両の走行距離、内燃機関の始動/停止の回数などにより規定することができる。
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の内燃機関の制御装置において、前記NOx吸蔵還元触媒の使用期間の長期化に応じて前記決定された硫黄被毒再生制御の実施間隔を短縮することをその要旨としている。
硫黄被毒再生制御を適切に実施しても、経時劣化により、NOx吸蔵還元触媒のNOx、SOxの吸蔵能力は次第に低下していくようになる。そのため、NOx吸蔵還元触媒の使用期間の長期化に応じて硫黄被毒再生制御の実施間隔を短くすれば、NOx吸蔵還元触媒の経時劣化によるNOx、SOxの吸蔵能力の低下に拘らず、適切なタイミングで硫黄被毒再生制御を実施することができるようになる。
以下、本発明の内燃機関の制御装置を具体化した一実施形態を、図1〜図4を参照して詳細に説明する。
本実施形態では、NOx吸蔵還元触媒の硫黄被毒の進行を、同触媒の排気下流側の排気の酸素濃度を検出する酸素濃度センサの特性変化に基づいて検出するようにしている。こうした硫黄被毒検出の原理は、次の通りである。すなわち、NOx吸蔵還元触媒の硫黄被毒が進行すると、触媒は排気の硫黄成分を十分に吸着し切れなくなり、触媒下流に硫黄成分が排出されるようになる。こうして硫黄成分が触媒から排出されると、触媒の排気下流に設けられた酸素濃度センサに排気の硫黄成分が到達するようになり、ジルコニア素子等からなる同センサの検出子に硫黄成分が付着するようになる。そして硫黄成分の付着により、酸素濃度センサの特性が変化するようになる。そのため、酸素濃度センサの特性変化を見ることで、NOx吸蔵還元触媒の硫黄被毒の進行を検出することができる。
図1は、こうした本実施形態の全体構成を示している。同図に示すように、内燃機関1の排気通路2には、その上流部に燃料添加ノズル3が配置され、その下流にNOx吸蔵還元触媒4が設置されている。燃料添加ノズル3は、NOx吸蔵還元触媒4の硫黄被毒再生制御などのため、排気に未燃燃料を添加する。NOx吸蔵還元触媒4の下流には、酸素濃度センサ5が設置されている。酸素濃度センサ5は、ジルコニア素子等からなる検出子を備え、NOx吸蔵還元触媒4を通過した排気の酸素濃度を検出する。酸素濃度センサ5の出力は、エンジン制御を司る電子制御装置6に入力されている。
電子制御装置6には、酸素濃度センサ5の出力以外にも、吸入空気量や機関回転速度、アクセル操作量などの内燃機関1の運転状態を検出する種々のセンサ出力が入力されている。そして電子制御装置6は、それらセンサ出力に基いて、燃料噴射量制御や燃料噴射時期制御などの内燃機関1の各種制御を実施する。また電子制御装置6は、硫黄被毒再生制御などに際しては、燃料添加ノズル3を制御して、排気への燃料添加を実施させるようにしている。
さて本実施形態では、上述したように、酸素濃度センサ5の特性変化からNOx吸蔵還元触媒4の硫黄被毒の進行を検出するようにしている。次にこうした硫黄被毒検出の詳細について説明する。
本実施形態では、硫黄被毒の進行を、空燃比の変化に対する酸素濃度センサ5の出力の応答時間TRLの測定結果に基いて検出するようにしている。図2は、こうした応答時間TDLの測定態様を示している。同図に示すように、ここでの応答時間TRLは、空燃比A/Fを「14」から「15」に変更した時点から、酸素濃度センサ5の出力が測定基準値Vtに達するまでに要した時間(ミリ秒)として測定されている。測定基準値Vtは、下式(1)にて算出される値に設定されている。なお、下式の「V14」は、空燃比A/Fが「14」のときの酸素濃度センサ5の出力(A/F14出力値)を、「V15」は、空燃比A/Fが「15」のときの酸素濃度センサ5の出力(A/F15出力値)を、それぞれ示している。
[数1]

Vt=V14+(V15−V14)×0.632 …(1)

ところで、同図には、上記のような空燃比A/Fの変更後における内燃機関1の初期状態でのセンサ出力の推移と硫黄被毒進行時のセンサ出力の推移とが併せ示されている。同図に示されるように、硫黄被毒が進行すると、上述したような酸素濃度センサ5の検出子の硫黄付着のため、センサ出力の応答性が低下、すなわちセンサ出力の応答遅れが増加して、上記応答時間TRLが長くなるようになる。そこで本実施形態では、応答時間TRLが被毒判定値α以上となることをもって硫黄被毒の進行を検出するようにしている。
なお本実施形態では、内燃機関1の使用開始から初めて応答時間TRLが被毒判定値α以上となったときに硫黄被毒再生制御を実施するようにしている。また初めて応答時間TRLが被毒判定値α以上となったときの車両の総走行距離Dnに基づいて、以後における硫黄被毒再生制御の実施間隔を決定するようにもしている。詳しくは、前回の硫黄被毒再生制御の実施後の車両走行距離が、初めて応答時間TRLが被毒判定値α以上となったときの車両の総走行距離Dnに達する毎に硫黄被毒再生制御を実施するようにしている。
図3は、こうした本実施形態において硫黄被毒再生制御の実施タイミングを決定するために実行される「再生制御実施判定ルーチン」のフローチャートである。本ルーチンの処理は、電子制御装置6によって定期的に、例えば機関始動毎に1回ずつといった様に、実行されている。
さて本ルーチンが開始されると、電子制御装置6はまずステップS301において、再生制御実施履歴フラグFsがセットされているか否かを確認する。再生制御実施履歴フラグFsは、内燃機関1において以前に1度でも硫黄被毒再生制御が実施されたことがあるか否かを示すフラグである。
ここで再生制御実施履歴フラグFsが未だセットされていなければ(S301:NO)、電子制御装置6はステップS302において、上述した態様で応答時間TRLの測定を行う。そして電子制御装置6は、続くステップS303において、測定した応答時間TRLが上記被毒判定値α以上となっているか否かを確認する。ここで応答時間TRLが被毒判定値αに満たず、未だ硫黄被毒が進行していないと判定されたときには(S303:NO)、電子制御装置6はそのまま今回の本ルーチンの処理を一旦終了する。一方、応答時間TRLが被毒判定値α以上となっており、硫黄被毒が進行していると判定されるときには(S303:YES)、電子制御装置6は、ステップS304において、現在の車両の総走行距離Dnを再生制御実施間隔Tsに設定し、続くステップS305において硫黄被毒再生制御を実施する。そしてステップS306において再生制御実施履歴フラグFsをセットした上で今回の本ルーチンの処理を終了する。
こうして初めての硫黄被毒再生制御が実施された後に本ルーチンが実行されたときには、再生制御実施履歴フラグFsが既にセットされているため(S301:YES)、電子制御装置6は、ステップS307の処理を実行する。電子制御装置6は、このステップS307において、車両の走行距離から硫黄被毒再生制御の実施の可否を判定する。ここでは、硫黄被毒再生制御を前回実施した時点からの車両走行距離Dsnが、上記ステップS304にて設定された再生生後実施間隔Ts以上となっているか否かにより、硫黄被毒再生制御を実施するか否かを判定する。なお上記車両走行距離Dsnは、現在の車両の総走行距離Dnから硫黄被毒再生制御の前回の実施時における車両の総走行距離Dsを減算して求められている(Dsn=Dn−Ds)。そして電子制御装置6は、ここで上記車両走行距離Dsnが上記再生制御実施間隔Ts以上であれば(S307:YES)、処理を上記ステップS305に移行して硫黄被毒再生制御を実施し、そうでなければ(S307:NO)、そのまま今回の本ルーチンの処理を終了する。
このように本実施形態では、上述したような酸素濃度センサ5の特性変化に基づいた硫黄被毒進行の検出結果から、初回の硫黄被毒再生制御の実施時期を決定するようにしている。そのため、内燃機関1の運転パターンに応じた硫黄被毒の進行速度の差異に拘らず、適切なタイミングで硫黄被毒再生制御を実施することができる。また硫黄被毒の進行が最初に検出されたときの車両の総走行距離Dnに基づいて硫黄被毒再生制御の実施間隔(再生制御実施間隔Ts)を決定しているため、内燃機関1の運転パターンに余り変化が無いことを前提として、初回以降も適切なタイミングで硫黄被毒再生制御を実施することができる。
(経時による再生制御実施間隔の短縮)
ところで、NOx吸蔵還元触媒4は、こうして硫黄被毒再生制御が適正に実施されていても、経時劣化により、そのNOx、SOxの吸蔵能力が次第に低下するようになる。そのため、単純に一定の間隔で硫黄被毒再生制御を実施しているだけでは、使用期間が長くなると、硫黄被毒再生制御の実施タイミングが妥当ではなくなってしまうようになる。
こうした問題には、硫黄被毒再生制御の実施間隔を経時に応じて短縮することで対応することができる。図4は、こうした経時に応じた硫黄被毒再生制御の実施間隔の短縮を実施するための「実施間隔短縮ルーチン」のフローチャートである。本ルーチンの処理も、電子制御装置6によって定期的に、例えば機関始動毎に1回ずつといった様に、実行されている。
さて本ルーチンが開始されると、電子制御装置6はまずステップS401において、短縮実施フラグFnがセットされているか否かを確認する。短縮実施フラグFnは、実行間隔の短縮が既に行われているか否かを示すフラグである。ここで短縮実施フラグFnがセットされていれば(S401:YES)、電子制御装置6はそのまま今回の本ルーチンの処理を終了する。
一方、短縮実施フラグFnがセットされていなければ(S401:NO)、電子制御装置6は、ステップS402において、現在の総走行距離Dnが劣化判定値β以上であるか否かを確認する。劣化判定値βには、上記のようなNOx吸蔵還元触媒4の劣化が生じると想定される車両の総走行距離がその値に設定されている。ここで現在の車両の総走行距離Dnが劣化判定値β未満であれば(S402:NO)、電子制御装置6はそのまま今回の本ルーチンの処理を終了する。
一方、現在の車両の総走行距離Dnが劣化判定値β以上となっていれば(S402:YES)、電子制御装置6は、ステップS403にて、再生制御実施間隔Tsを短縮する。例えば同図では、それまでの再生制御実施間隔Tsに「0.8」を乗算した値を、以後における再生制御実施間隔Tsに設定する。そして電子制御装置6は続くステップS404において、上記短縮実施フラグFnをセットした後、本ルーチンの処理を終了する。
なお、以上の実施間隔短縮ルーチンによれば、再生制御実施間隔Tsの短縮は、1回に限り実施されるようになっている。勿論、必要であれば、再生制御実施間隔Tsを複数回に亘って段階的に短縮するようにするようにしても良い。
以上説明した本実施形態の内燃機関の制御装置によれば、次の効果を奏することができる。
(1)本実施形態では、NOx吸蔵還元触媒4の硫黄被毒の進行を、同触媒4の排気下流に設置された酸素濃度センサ5の特性変化から検出するようにしている。より具体的には、硫黄付着による酸素濃度センサ5の応答遅れの増加により、硫黄被毒の進行を検出するようにしている。そのため、NOx吸蔵還元触媒4の硫黄被毒の進行を、より簡易且つ的確に検出することができるようになる。
(2)本実施形態では、上記酸素濃度センサ5の特性変化による硫黄被毒進行の検出結果に応じて、硫黄被毒再生制御の実施時期や実施間隔を決定するようにしている。そのため、内燃機関の運転パターンによる硫黄被毒の進行速度の差異に拘らず、適切なタイミングで硫黄被毒再生制御を実施することができるようになる。
(3)本実施形態では、NOx吸蔵還元触媒4の使用期間の長期化に応じて、上記検出結果より決定された硫黄被毒再生制御の実施間隔(再生制御実施間隔Ts)を短縮するようにしている。そのため、NOx吸蔵還元触媒の経時劣化によるNOx、SOxの吸蔵能力の低下に拘らず、適切なタイミングで硫黄被毒再生制御を実施することができるようになる。
なお上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、NOx吸蔵還元触媒4の使用期間の長期化に応じて再生制御実施間隔Tsを短縮するようにしていたが、NOx吸蔵還元触媒4の経時劣化の影響があまり問題とならない場合には、そうした再生制御実施間隔Tsの短縮を省略するようにしても良い。
・上記実施形態では、再生制御実施間隔Tsを車両の走行距離にて規定するようにしていたが、例えば経年時間や内燃機関1の稼働時間、内燃機関1の始動/停止の回数などの他のパラメータにより硫黄被毒再生制御の実施間隔を規定するようにするこもできる。
・上記実施形態では、酸素濃度センサ5の応答性の低下、すなわち応答遅れの増加から硫黄被毒の進行を検出するようにしていた。ただし、酸素濃度センサ5の検出子への硫黄付着の影響は、応答性以外のセンサ特性にも変化を与えることが考えられる。そうした硫黄付着の影響による応答性以外のセンサ特性の変化があれば、その特性変化から硫黄被毒の進行を検出するようにすることが可能である。
・上記実施形態では、酸素濃度センサ5の特性変化による硫黄被毒進行の検出結果を、硫黄被毒再生制御の実施時期や実施間隔の決定に利用するようにしていたが、その検出結果をそれら以外の用途に用いるようにすることもできる。
本発明の一実施形態についてその全体構成を示す模式図。 同実施形態での酸素濃度センサの応答時間の計測態様を示すタイムチャート。 同実施形態に採用される再生制御実施判定ルーチンの処理手順を示すフローチャート。 同実施形態に採用される実施間隔短縮ルーチンの処理手順を示すフローチャート。
符号の説明
1…内燃機関、2…排気通路、3…燃料添加ノズル、4…NOx吸蔵還元触媒、5…酸素濃度センサ、6…電子制御装置。

Claims (5)

  1. 排気のNOx成分を吸蔵して還元浄化するNOx吸蔵還元触媒を排気浄化装置として備える内燃機関の制御装置において、
    前記NOx吸蔵還元触媒の下流における排気の酸素濃度を検出するセンサの特性変化に基づいて前記NOx吸蔵還元触媒の硫黄被毒の進行を検出する
    ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記硫黄被毒の進行は、前記センサの応答遅れの増加により検出される
    請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記硫黄被毒の進行の検出結果に基いて硫黄被毒再生制御の実施時期を決定する
    請求項1又は2に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記硫黄被毒の進行の検出結果に基いて硫黄被毒再生制御の実施間隔を決定する
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記NOx吸蔵還元触媒の使用期間の長期化に応じて前記決定された硫黄被毒再生制御の実施間隔を短縮する
    請求項4に記載の内燃機関の制御装置。
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