JP2009270438A - 内燃機関のＳＯｘ検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス中のＳＯ_x量を推定する。
【解決手段】機関排気通路内に、機関排気通路の断面よりも小さな断面を有すると共に機関排気通路内を流れる排気ガスの一部が流入する小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６が配置される。小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６をＮＯ_x吸蔵触媒から構成してＮＯ_x吸蔵触媒のＮＯ_x吸蔵能力を検出し、この検出されたＮＯ_x吸蔵量から排気ガス中に含まれるＳＯ_x量が推定される。
【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関のＳＯ_x検出装置に関する。

従来より排気ガス中のＳＯ_x濃度を検出するためのＳＯ_x濃度センサが公知である。これら公知のＳＯ_x濃度センサは通常固体電解質を用いており、ＳＯ_xが硫酸イオンに変化することにより生ずる起電力を計測して排気ガス中のＳＯ_x濃度を検出するようにしている（例えば特許文献１を参照）。
特開２００４−２３９７０６号公報

しかしながらこのようなＳＯ_x濃度センサを用いた従来のＳＯ_x検出装置は高温のもとでしか作動せず、装置が大掛かりとなり、特にＳＯ_x濃度が低いときにはＳＯ_x濃度を検出しえないという大きな問題がある。このＳＯ_x濃度センサのように従来ではＳＯ_x濃度を瞬時に検出することばかりに目が向けられており、このようにＳＯ_x濃度を瞬時に検出しようとしている限りは上述した如き種々の問題が必然的に生ずる。

そこで本発明者は発想を転換し、瞬時のＳＯ_x濃度を検出するのではなくて、或る短い期間に亘って排出されたＳＯ_x量を検出することに目を向けたのである。そしてこのように発想の転換を行うと或る短い期間に亘って排出されたＳＯ_x量ではあるが排気ガス中のＳＯ_x量を容易に検出しうることが判明したのである。

即ち、本発明によれば、機関排気通路内に、機関排気通路の断面積よりも小さな断面積を有すると共に機関排気通路内を流れる排気ガスの一部が流入する小型ＳＯ_x吸蔵触媒を配置し、小型ＳＯ_x吸蔵触媒のＳＯ_x吸蔵量を検出するためのＳＯ_x吸蔵量検出手段を具備しており、このＳＯ_x吸蔵量検出手段により検出された小型ＳＯ_x吸蔵触媒のＳＯ_x吸蔵量から排気ガス中に含まれるＳＯ_xの量を推定するようにしている。

排気ガス中のＳＯ_x量を容易に検出することができる。

図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量を検出するためのエアフローメータ８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口はＳＯ_xトラップ触媒１２の入口に連結される。また、ＳＯ_xトラップ触媒１２の出口は排気管１３を介して排気浄化触媒１４に連結される。

図２（Ａ）は図１に示される排気管１３の拡大図を示しており、図２（Ｂ）は図２（Ａ）においてＢ−Ｂ線に沿ってみた断面図を示している。図２（Ａ），（Ｂ）に示される実施例では排気管１３内に排気管１３内の排気通路の断面積よりも小さな断面積を有すると共に排気管１３内を流れる排気ガスの一部が流入する排気流通管１５が配置され、この排気流通管１５内には小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６が配置される。従ってこの小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６も排気管１３内の排気通路の断面積よりも小さな断面積を有すると共に小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６には排気管１３の排気通路内を流れる排気ガスの一部が流入することになる。

図２（Ａ），（Ｂ）に示される実施例では排気流通管１５は排気管１３内の中央において排気ガスの流れ方向に延びる筒状をなしており、この排気流通管１５は複数のステー１７によって排気管１３内に支持されている。小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６下流の排気流通管１５内にはセンサ１８が配置される。図１および図２に示される第１実施例ではこのセンサ１８は小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６から流出した排気ガス中のＮＯ_x濃度を検出するＮＯ_xセンサからなる。また、排気通路管１５上流の排気管１３内には燃料供給弁１９が配置される。この燃料供給弁１９から噴射された大部分の燃料は排気浄化触媒１４に供給され、一部の噴射燃料が小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６内に流入する。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２０を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２０内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２１が配置される。また、ＥＧＲ通路２０周りにはＥＧＲ通路２０内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２２が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２２内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２３を介してコモンレール２４に連結される。このコモンレール２４内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２５から燃料が供給され、コモンレール２４内に供給された燃料は各燃料供給管２３を介して燃料噴射弁３に供給される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。センサ１８およびエアフローメータ８の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０駆動用ステップモータ、燃料供給弁１９、ＥＧＲ制御弁２１および燃料ポンプ２５に接続される。

図１および図２に示される第１実施例では排気浄化触媒１４がＮＯ_x吸蔵触媒からなり、小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６もＮＯ_x吸蔵触媒からなる。そこでまず初めにＮＯ_x吸蔵触媒について説明すると、これらＮＯ_x吸蔵触媒の基体上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図３はこの触媒担体４５の表面部分の断面を図解的に示している。図３に示されるように触媒担体４５の表面上には貴金属触媒４６が分散して担持されており、更に触媒担体４５の表面上にはＮＯ_x吸収剤４７の層が形成されている。

本発明による実施例では貴金属触媒４６として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯ_x吸収剤４７を構成する成分としては例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。

機関吸気通路、燃焼室２および排気浄化触媒１４、即ちＮＯ_x吸蔵触媒１４上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯ_x吸収剤４７は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯ_xを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ_xを放出するＮＯ_xの吸放出作用を行う。

即ち、ＮＯ_x吸収剤４７を構成する成分としてバリウムＢａを用いた場合を例にとって説明すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき、即ち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれるＮＯは図３に示されるように白金Ｐｔ４６上において酸化されてＮＯ₂となり、次いでＮＯ_x吸収剤４７内に吸収されて炭酸バリウムＢａＣＯ₃と結合しながら硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形でＮＯ_x吸収剤４７内に拡散する。このようにしてＮＯ_xがＮＯ_x吸収剤４７内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ４６の表面でＮＯ₂が生成され、ＮＯ_x吸収剤４７のＮＯ_x吸収能力が飽和しない限りＮＯ₂がＮＯ_x吸収剤４７内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

これに対し、燃料供給弁１９から燃料を供給することによって排気ガスの空燃比をリッチ或いは理論空燃比にすると排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂）に進み、斯くしてＮＯ_x吸収剤４７内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形でＮＯ_x吸収剤４７から放出される。次いで放出されたＮＯ_xは排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ，ＣＯによって還元される。

このように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、即ちリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中のＮＯ_xがＮＯ_x吸収剤４７内に吸収される。しかしながらリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間にＮＯ_x吸収剤４７のＮＯ_x吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯ_x吸収剤４７によりＮＯ_xを吸収できなくなってしまう。そこで本発明による実施例ではＮＯ_x吸収剤４７の吸収能力が飽和する前に燃料供給弁１９から燃料を供給することによって排気ガスの空燃比を一時的にリッチにし、それによってＮＯ_x吸収剤４７からＮＯ_xを放出させるようにしている。なお、この場合燃焼室２内に追加の燃料を供給することによって排気ガスの空燃比を一時的にリッチにすることもできる。この場合には燃料供給弁１９を設ける必要がなくなる。

ところで排気ガス中にはＳＯ_x、即ちＳＯ₂が含まれており、このＳＯ₂が排気浄化触媒１４、即ちＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入するとこのＳＯ₂は白金Ｐｔ４６において酸化されてＳＯ₃となる。次いでこのＳＯ₃はＮＯ_x吸収剤４７内に吸収されて炭酸バリウムＢａＣＯ₃と結合しながら、硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形でＮＯ_x吸収剤４７内に拡散し、安定した硫酸塩ＢａＳＯ₄を生成する。しかしながらＮＯ_x吸収剤４７が強い塩基性を有するためにこの硫酸塩ＢａＳＯ₄は安定していて分解しづらく、排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけでは硫酸塩ＢａＳＯ₄は分解されずにそのまま残る。従ってＮＯ_x吸収剤４７内には時間が経過するにつれて硫酸塩ＢａＳＯ₄が増大することになり、斯くして時間が経過するにつれてＮＯ_x吸収剤４７が吸収しうるＮＯ_x量が低下することになる。

ところでこの場合、ＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度を６００℃以上のＳＯ_x放出温度まで上昇させた状態でＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとＮＯ_x吸収剤４７からＳＯ_xが放出される。ただし、この場合ＮＯ_x吸収剤４７からは少しずつしかＳＯ_xが放出されない。従ってＮＯ_x吸収剤４７から全ての吸収ＳＯ_xを放出させるには長時間に亘って空燃比をリッチにしなければならず、斯くして多量の燃料が必要になるという問題がある。また、ＳＯ_x吸収剤４７から放出されたＳＯ_xは大気中に排出されることになり、このことも好ましいことではない。

そこで本発明では排気浄化触媒１４、即ちＮＯ_x吸蔵触媒１４の上流にＳＯ_xトラップ触媒１２を配置してこのＳＯ_xトラップ触媒１２により排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲し、それによって排気浄化触媒１４、即ちＮＯ_x吸蔵触媒１４にＳＯ_xが流入しないようにしている。次にこのＳＯ_xトラップ触媒１２について説明する。

このＳＯ_xトラップ触媒１２は例えばハニカム構造のモノリス触媒からなり、ＳＯ_xトラップ触媒１２の軸線方向にまっすぐに延びる多数の排気ガス流通孔を有する。このようにＳＯ_xトラップ触媒１２をハニカム構造のモノリス触媒から形成した場合には、各排気ガス流通孔の内周壁面上に例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図４はこの触媒担体５０の表面部分の断面を図解的に示している。図４に示されるように触媒担体５０の表面上にはコート層５１が形成されており、このコート層５１の表面上には貴金属触媒５２が分散して担持されている。

本発明による実施例では貴金属触媒５２として白金が用いられており、コート層５１を構成する成分としては例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。即ち、ＳＯ_xトラップ触媒１１のコート層５１は強塩基性を呈している。

さて、排気ガス中に含まれるＳＯ_x、即ちＳＯ₂は図４に示されるように白金Ｐｔ５２において酸化され、次いでコート層５１内に捕獲される。即ち、ＳＯ₂は硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形でコート層５１内に拡散し、硫酸塩を形成する。なお、上述したようにコート層５１は強塩基性を呈しており、従って図４に示されるように排気ガス中に含まれるＳＯ₂の一部は直接コート層５１内に捕獲される。

図４においてコート層５１内における濃淡は捕獲されたＳＯ_xの濃度を示している。図４からわかるようにコート層５１内におけるＳＯ_x濃度はコート層５１の表面近傍が最も高く、奥部に行くに従って次第に低くなっていく。コート層５１の表面近傍におけるＳＯ_x濃度が高くなるとコート層５１の表面の塩基性が弱まり、ＳＯ_xの捕獲能力が弱まる。このとき排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒１２の温度が上昇せしめられるとＳＯ_xトラップ率が回復する。

即ち、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒１２の温度が上昇せしめられるとコート層５１内の表面近傍に集中的に存在するＳＯ_xはコート層５１内におけるＳＯ_x濃度が均一となるようにコート層５１の奥部に向けて拡散していく。即ち、コート層５１内に生成されている硝酸塩はコート層５１の表面近傍に集中している不安定な状態からコート層５１内の全体に亘って均一に分散した安定した状態に変化する。コート層５１内の表面近傍に存在するＳＯ_xがコート層５１の奥部に向けて拡散するとコート層５１の表面近傍のＳＯ_x濃度が低下し、斯くしてＳＯ_xトラップ触媒１２のＳＯ_xトラップ率が回復することになる。

さて、ＳＯ_xトラップ触媒１２は排気ガス中に含まれる全てのＳＯ_xを捕獲するために設けられている。しかしながらＳＯ_xトラップ触媒１２が長期間に亘って使用されると少量ではあるがＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xが流出しはじめる。これを放置しておくと排気浄化触媒１４、即ちＮＯ_x吸蔵触媒１４のＮＯ_x吸蔵能力が次第に低下してしまう。従ってＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xが流出しはじめたらこのＳＯ_xの流出をできる限り早期に検出する必要がある。

そのために本発明では、小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６のＳＯ_x吸蔵量を検出するためのＳＯ_x吸蔵量検出手段を具備しており、このＳＯ_x吸蔵量検出手段により検出された小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６のＳＯ_x吸蔵量から排気ガス中に含まれるＳＯ_xの量を推定するようにしている。

即ち、小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６は排気浄化触媒１４、即ちＮＯ_x吸蔵触媒１４に比べて容積が小さいために吸蔵したＳＯ_xの影響が顕著に現れる。例えば第１実施例におけるように排気浄化触媒１４および小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６が共にＮＯ_x吸蔵触媒からなる場合について説明すると、ＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xが流出しはじめてから暫らくすると排気浄化触媒１４は上流側部分のみのＮＯ_x吸蔵能力が低下するが全体的なＮＯ_x吸蔵能力はさほど低下しない。これに対し、このとき小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６は全体的にＮＯ_x吸蔵能力が低下する。

従ってＳＯ_xの影響が小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６に早期に表れることになる。そこで本発明による第１実施例では小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６の、即ちＮＯ_x吸蔵触媒１６のＮＯ_x吸蔵能力の低下量からＳＯ_x吸蔵量を求めるようにしている。

次に図５を参照しつつこのＳＯ_x吸蔵量の具体的な求め方の一例について説明する。図５にはＮＯ_x吸蔵触媒からなる小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６への吸蔵ＳＯ_x量と、ＮＯ_x吸蔵触媒からなる排気浄化触媒１４からＮＯ_xを放出させるためのＮＯ_x放出処理と、小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６の流入、流出ＮＯ_x量、即ち流入ＮＯ_x量ＮＯＸ１、流出ＮＯ_x量ＮＯＸ２とが示されている。なお、図５におけるＮＯ_x放出処理は、燃料供給弁１９から燃料を噴射することによって或いは燃焼室２に追加の燃料を供給することによって排気浄化触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることにより行われる。

図５に示されるようにＮＯ_x放出処理が行われると、例えば燃料供給弁１９から燃料が供給されると小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６からもＮＯ_xが放出されて還元され、このとき一時的に小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６から流出する排気ガス中のＮＯ_x量ＮＯＸ２は低下する。次いで小型吸蔵触媒１６へのＮＯ_xの吸蔵作用が行われている間、流出ＮＯ_x量ＮＯＸ２は徐々に増大し、ＮＯ_xの吸蔵能力が飽和状態になると流出ＮＯ_x量ＮＯＸ２は流入ＮＯ_x量ＮＯＸ１と同じになる。このとき図５においてハッチングで示される流入ＮＯ_x量ＮＯＸ１と流出ＮＯ_x量ＮＯＸ２との差が吸蔵されたＮＯ_x量を表している。

図５からわかるようにこの吸蔵されたＮＯ_x量は吸蔵ＳＯ_x量が増大するにつれて減少し、従って吸蔵されたＮＯ_x量から吸蔵ＳＯ_x量が推定できることになる。なお、流入ＮＯ_x量ＮＯＸ１は実際には機関の運転状態に応じて変化する。本発明では機関から単位時間当り排出されるＮＯ_x量ＮＯＸＡが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図６に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、このＮＯ_x量ＮＯＸＡから単位時間当り小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６に流入するＮＯ_x量ＮＯＸ１が算出される。

一方、流出ＮＯ_x量ＮＯＸ２はＮＯ_xセンサ１８により検出されたＮＯ_x濃度に排気ガス量、即ち吸入空気量を乗算することによって算出される。即ち、第１実施例では、小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６から流出する排気ガス中のＮＯ_x濃度を検出するためにＮＯ_xセンサ１８が設けられており、このＮＯ_xセンサ１８により検出されたＮＯ_x濃度に基づいて小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６のＮＯ_x吸蔵能力の低下量が求められる。

このように本発明による第１実施例では図５からわかるように小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６に流入する排気ガスの空燃比をリッチにして小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６からＮＯ_xを放出させ、小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６からのＮＯ_xの放出作用が完了した後に吸蔵しうるＮＯ_x量から小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６のＮＯ_x吸蔵能力の低下量が求められる。このとき、この第１実施例では燃料噴射弁１９から燃料を噴射することによって小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされる。

図７はＮＯ_x吸蔵触媒からなる排気浄化触媒１４に対する排気浄化処理ルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図７を参照するとまず初めにステップ６０において図６に示すマップから単位時間当り排出されるＮＯ_x量ＮＯＸＡが算出される。次いでステップ６１ではこのＮＯＸＡがＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵されているＮＯ_x量ΣＮＯＸに加算される。次いでステップ６２では吸蔵ＮＯ_x量ΣＮＯＸが許容値ＭＡＸを越えたか否かが判別され、ΣＮＯＸ＞ＭＡＸとなったときにはステップ６３に進んで燃料供給弁１９から供給された燃料によってＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリーンからリッチに切換えるリッチ処理が行われる。次いでステップ６４ではΣＮＯＸがクリアされる。

図８は排気ガス中のＳＯ_x量を推定するためのルーチンを示しており、このルーチンも一定時間毎の割込みによって実行される。
図８を参照するとまず初めにステップ７０において図７のステップ６３におけるＮＯ_x放出処理が実行されたか否かが判別される。ＮＯ_x放出処理の実行中でないときにはステップ７３に進んでＮＯ_xセンサ１８の出力値が読込まれる。次いでステップ７４ではＮＯ_xセンサ１８の出力値と吸入空気量から流出ＮＯ_x量ＮＯＸ２が算出される。次いでステップ７５では図６に示されるマップから求められた排出ＮＯ_x量ＮＯＸＡに排気管１３の断面積に対する排気流通管１５の断面積の比を乗算することによって流入ＮＯ量ＮＯＸ１が算出される。次いでステップ７６では流入ＮＯ_x量ＮＯＸ１と流出ＮＯ_x量ＮＯＸ２との差（ＮＯＸ１−ＮＯＸ２）が吸蔵ＮＯ_x量ＮＩに加算される。

一方、ステップ７０においてＮＯ_x放出処理が実行されたと判断されたときにはステップ７１に進んで小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６が吸蔵しうる最大ＮＯ_x吸蔵量ＮＩ_maxから吸蔵ＮＯ_x量ＮＩを減算することによって吸蔵ＳＯ_x量ＳＩが算出される。次いでステップ７２では吸蔵ＮＯ_x量ＮＩがクリアされる。ＳＯ_xトラップ触媒１２から流出する排気ガス中に含まれるＳＯ_x量の積算値は吸蔵ＳＯ_x量ＳＩに比例する。従ってこの吸蔵ＳＯ_x量ＳＩから排気ガス中に含まれるＳＯ_x量を推定することができることになる。

図９（Ａ），（Ｂ）に夫々第１実施例の変形例を示す。図９（Ａ），（Ｂ）に示される変形例ではＮＯ_x吸蔵触媒１４からＮＯ_xを放出するための燃料供給弁１９が排気流通管１５の下流に配置されており、従ってこれらの変形例では小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６からＮＯ_xを放出するために燃料供給弁１９とは別個のＮＯ_x放出手段が設けられている。図９（Ａ）に示される変形例ではこのＮＯ_x放出手段は小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６上流の排気流通管１５内に設けられた補助燃料供給弁２６からなる。

一方、ＮＯ_x吸蔵触媒からなる小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６からは排気ガスの空燃比がリーンのもとで触媒温度を例えば６００°以上に上昇するとＮＯ_xが放出される。従って小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６に流入する排気ガスの温度を上昇させて小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６からＮＯ_xを放出させるようにしたＮＯ_x放出手段を用いることもできる。図９（Ｂ）はこのようなＮＯ_x放出手段を示しており、図９（Ｂ）に示される変形例ではＮＯ_x放出手段は小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６上流の排気流通管１５内に配置された電気ヒータ２７からなる。

図９（Ａ），（Ｂ）に示される変形例では例えば図１０のＮＯ_x放出制御ルーチンに示されるようにステップ８０において一定時間が経過したと判断されるとステップ８１に進んで小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６からのＮＯ_x放出処理が行われる。即ち、図９（Ａ）に示される変形例では補助燃料供給弁２６から燃料を噴射して小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることにより小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６からＮＯ_xが放出され、図９（Ｂ）に示される変形例ではヒータ２７を発熱させることにより小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６に流入する排気ガスの温度を上昇させ、それにより小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６からＮＯ_xが放出される。

次に、小型ＳＯ_x吸蔵触媒１６としてＳＯ_xが吸蔵すると酸素の保持量が減少する酸素保持触媒を用いた第２実施例について説明する。この酸素保持触媒１６としては例えばセリウムＣｅを担持した触媒を用いることができる。このセリウムＣｅは排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガスの酸素を取込んでセリアＣｅＯ₂となり、排気ガスの空燃比がリッチになると再びセリウムＣｅとなる。即ち、この酸素保持触媒１６は酸素をセリアＣｅＯ₂の形で保持する機能を有する。

ところで排気ガス中にＳＯ_xが含まれているとセリアＣｅＯ₂はＳＯ_xを取込んで硫酸セリアＣｅＳＯ₄となり、この硫酸セリアＣｅＳＯ₄は排気ガスの空燃比がリッチにされても硫酸セリアＣｅＳＯ₄のまま維持される。従って取込まれて吸蔵されたＳＯ_x量が増大するとセリアＣｅＯ₂の量、即ち酸素保持能力が低下することになる。そこでこの第２実施例では酸素保持触媒１６の酸素保持能力の低下量からＳＯ_x吸蔵量を求めるようにしている。

次に図１１を参照しつつこの酸素保持能力の検出方法について説明する。この図１１には酸素保持触媒１６への吸蔵ＳＯ_x量と、酸素保持触媒１６に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするリッチ制御と、酸素保持触媒１６から流出する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆの変化を示している。

酸素保持触媒１６に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされるとセリアＣｅＯ₂を構成している酸素が排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯによって消費され、図１１のΔｔで示されるようにこの間、酸素保持触媒１６から流出する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆはほぼ理論空燃比に維持される。次いで全てのセリアＣｅＯ₂がセリウムＣｅに変化すると流出排気ガスの空燃比Ａ／Ｆはリッチとなる。この場合、流出排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがほぼ理論空燃比Ａ／Ｆに維持される時間ΔｔはセリアＣｅＯ₂の量に比例しており、従ってこの時間Δｔの変化から酸素保持能力を検出できることになる。

この第２実施例では酸素素保持触媒１６から流出する排気ガスの空燃比を検出するためにセンサ１８として空燃比センサが用いられており、この空燃比センサ１８により検出された排気ガスの空燃比に基づいて酸素保持触媒１６の酸素保持能力の低下量が求められる。この場合、図１１に示されるように酸素保持触媒１６に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切換えられたときに、酸素保持触媒１６に保持されている酸素を消費するのに要する時間Δｔから酸素保持触媒１６の酸素保持能力が求められる。

吸蔵ＳＯ_x量が増大すると酸素保持能力は低下し、従って酸素保持能力の低下量から吸蔵ＳＯ_x量を推定することができる。なお、排気浄化触媒１４としては例えば排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを用いることもできる。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 図１に示される排気管１３の拡大図である。 ＮＯ_x吸蔵触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。 ＳＯ_xトラップ触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。 ＮＯ_x吸蔵量の検出方法を説明するための図である。 排出ＮＯ_x量ＮＯＸＡのマップを示す図である。 排気浄化処理を行うためのフローチャートである。 排気ガス中のＳＯ_x量を推定するためのフローチャートである。 変形例を示す図である。 ＮＯ_x放出制御を行うためのフローチャートである。 酸素保持能力の検出方法を説明するための図である。

符号の説明

４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
７ 排気ターボチャージャ
１２ ＳＯ_xトラップ触媒
１４ 排気浄化触媒
１５ 排気流通管
１６ 小型ＳＯ_x吸蔵触媒
１８ センサ
１９，２６ 燃料供給弁

Claims (12)

1. 機関排気通路内に、該機関排気通路の断面積よりも小さな断面積を有すると共に該機関排気通路内を流れる排気ガスの一部が流入する小型ＳＯ_x吸蔵触媒を配置し、該小型ＳＯ_x吸蔵触媒のＳＯ_x吸蔵量を検出するためのＳＯ_x吸蔵量検出手段を具備しており、このＳＯ_x吸蔵量検出手段により検出された小型ＳＯ_x吸蔵触媒のＳＯ_x吸蔵量から排気ガス中に含まれるＳＯ_xの量を推定するようにした内燃機関のＳＯ_x検出装置。
2. 上記小型ＳＯ_x吸蔵触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_xを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸蔵したＮＯ_xを放出するＮＯ_x吸蔵触媒からなり、上記ＳＯ_x吸蔵量検出手段は該ＮＯ_x吸蔵触媒のＮＯ_x吸蔵能力の低下量からＳＯ_x吸蔵量を求める請求項１に記載の内燃機関のＳＯ_x検出装置。
3. 上記ＳＯ_x吸蔵量検出手段は該ＮＯ_x吸蔵触媒から流出する排気ガス中のＮＯ_x濃度を検出するためのＮＯ_xセンサを具備しており、該ＮＯ_xセンサにより検出されたＮＯ_x濃度に基づいてＮＯ_x吸蔵触媒のＮＯ_x吸蔵能力の低下量を求めるようにした請求項２に記載の内燃機関のＳＯ_x検出装置。
4. 上記ＮＯ_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしてＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出させるＮＯ_x放出手段を具備しており、上記ＳＯ_x吸蔵量検出手段はＮＯ_x吸蔵触媒からのＮＯ_xの放出作用が完了した後に吸蔵しうるＮＯ_x量からＮＯ_x吸蔵触媒のＮＯ_x吸蔵能力の低下量を求めるようにした請求項２に記載の内燃機関のＳＯ_x検出装置。
5. 上記ＮＯ_x放出手段は、ＮＯ_x吸蔵触媒の上流に配置された燃料噴射弁から燃料を噴射することによって或いは燃焼室内に追加の燃料を供給することによってＮＯ_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにした請求項４に記載の内燃機関のＳＯ_x検出装置。
6. 上記ＮＯ_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの温度を上昇させてＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出させるＮＯ_x放出手段を具備しており、上記ＳＯ_x吸蔵量検出手段はＮＯ_x吸蔵触媒からのＮＯ_xの放出作用が完了した後に吸蔵しうるＮＯ_x量からＮＯ_x吸蔵触媒のＮＯ_x吸蔵能力の低下量を求めるようにした請求項２に記載の内燃機関のＳＯ_x検出装置。
7. 上記ＮＯ_x放出手段はＮＯ_x吸蔵触媒の上流に配置されたヒータからなり、該ヒータを発熱させることによりＮＯ_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの温度を上昇させるようにした請求項６に記載の内燃機関のＳＯ_x検出装置。
8. 上記小型ＳＯ_x吸蔵触媒は、ＳＯ_xが吸蔵すると酸素の保持量が減少する酸素保持触媒からなり、上記ＳＯ_x吸蔵量検出手段は該酸素保持触媒の酸素保持能力の低下量からＳＯ_x吸蔵量を求めるようにした請求項１に記載の内燃機関のＳＯ_x検出装置。
9. 上記ＳＯ_x吸蔵量検出手段は該酸素保持触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサを具備しており、該空燃比センサにより検出された排気ガスの空燃比に基づいて酸素保持触媒の酸素保持能力の低下量を求めるようにした請求項８に記載の内燃機関のＳＯ_x検出装置。
10. 上記酸素保持触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンからリッチに切換えて酸素保持触媒に保持されている酸素を消費させる酸素消費手段を具備しており、上記ＳＯ_x吸蔵量検出手段は該酸素を消費するのに要する時間から酸素保持触媒の酸素保持能力の低下量を求めるようにした請求項８に記載の内燃機関のＳＯ_x検出装置。
11. 上記小型ＳＯ_x吸蔵触媒上流の機関排気通路内に排気ガス中のＳＯ_xを捕獲しうるＳＯ_xトラップ触媒が配置されている請求項１に記載の内燃機関のＳＯ_x検出装置。
12. 上記小型ＳＯ_x吸蔵触媒下流の機関排気通路内にＮＯ_x吸蔵触媒又はパティキュレートフィルタが配置されている請求項１に記載の内燃機関のＳＯ_x検出装置。

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