JP2011127547A

JP2011127547A - 触媒劣化検出装置

Info

Publication number: JP2011127547A
Application number: JP2009287962A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Otsuki; 寛大月; Hiromasa Nishioka; 寛真西岡; Katsuhiko Oshikawa; 克彦押川; Yoshihisa Tsukamoto; 佳久塚本; Junichi Matsuo; 潤一松尾
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2011-06-30

Abstract

【課題】ＮＯ_X触媒装置の劣化程度を比較的正確に推定することができる触媒劣化推定装置を提供する。
【解決手段】本触媒劣化推定装置は、ＮＯ_X触媒装置の下流側に配置されたＮＯ_X保持部３２を有し、連続的又は間欠的に酸素濃度低下手段により設定時間の間だけＮＯ_X保持部回りの酸素濃度を低下させ、温度センサにより検出した設定時間の終了時のＮＯ_X保持部の第二温度と設定時間の開始時のＮＯ_X保持部の第一温度との差に基づきＮＯ_X触媒装置から流出したＮＯ_X流出量を算出し、ＮＯ_X触媒装置へ流入したＮＯ_X量に基づき推定されるＮＯ_X触媒装置の現在の推定ＮＯ_X保持量からＮＯ_X流出量を減算した値がＮＯ_X触媒装置の現在のＮＯ_X保持可能量であるとし、現在のＮＯ_X保持可能量とＮＯ_X触媒装置の当初のＮＯ_X保持可能量とを比較してＮＯ_X触媒装置の劣化程度を推定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、触媒劣化推定装置に関する。

排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時に排気ガス中のＮＯ_Xを保持し、酸素濃度が低下すると保持したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X触媒装置の直下流側にＮＯ_X濃度センサを配置し、ＮＯ_X濃度センサによりＮＯ_X触媒装置をすり抜けるＮＯ_X量を検出してＮＯ_X触媒装置の劣化程度を推定することが提案されている（特許文献１参照）。

特開平１１−２２９８５９特開平０７−２０８１５１

一般的なＮＯ_X濃度センサは、排気ガス中の瞬時のＮＯ_X濃度を検出するものであり、このような瞬時のＮＯ_X濃度を検出するＮＯ_X濃度センサは、ＮＯ_X触媒装置の下流側のように排気ガス中のＮＯ_X濃度が低いと正確なＮＯ_X濃度を検出することが難しく、検出されたＮＯ_X濃度に基づきＮＯ_X触媒装置の正確な劣化程度を推定することは困難である。また、瞬時のＮＯ_X濃度を検出するＮＯ_X濃度センサは比較的高価である。

従って、本発明の目的は、このようなＮＯ_X濃度センサを使用することなく、ＮＯ_X触媒装置の劣化程度を比較的正確に推定することができる触媒劣化推定装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載の触媒劣化推定装置は、機関排気系において、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時に排気ガス中のＮＯ_Xを保持し、酸素濃度を低下させると保持したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X触媒装置の下流側に配置されたＮＯ_X保持部と、前記ＮＯ_X保持部の温度を測定する温度センサと、前記ＮＯ_X保持部の回りの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下手段とを有し、前記ＮＯ_X保持部は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時に排気ガス中のＮＯ_Xを保持し、排気ガス中の酸素濃度を低下させると保持したＮＯ_Xを放出して還元物質により還元するものであり、連続的又は間欠的に前記酸素濃度低下手段により設定時間の間だけ前記ＮＯ_X保持部回りの酸素濃度を低下させ、前記温度センサにより、前記設定時間の開始時の前記ＮＯ_X保持部の温度が第一温度として検出されると共に、前記設定時間の終了時の前記ＮＯ_X保持部の温度が第二温度として検出され、前記第二温度が前記第一温度より設定値を超えて大きくなる時には、前記ＮＯ_X触媒装置からＮＯ_Xが流出しているとし、前記第二温度と前記第一温度との差に基づき前記ＮＯ_X触媒装置から流出したＮＯ_X流出量を算出し、前記ＮＯ_X触媒装置へ流入したＮＯ_X量に基づき推定される前記ＮＯ_X触媒装置の現在の推定ＮＯ_X保持量から前記ＮＯ_X流出量を減算した値が前記ＮＯ_X触媒装置の現在のＮＯ_X保持可能量であるとし、前記現在のＮＯ_X保持可能量と前記ＮＯ_X触媒装置の当初のＮＯ_X保持可能量とを比較することにより前記ＮＯ_X触媒装置の劣化程度を推定することを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の触媒劣化推定装置は、機関排気系において、ＮＯ_X触媒装置の下流側に配置されたＮＯ_X保持部と、ＮＯ_X保持部の温度を測定する温度センサと、ＮＯ_X保持部の回りの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下手段とを有し、ＮＯ_X保持部は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時に排気ガス中のＮＯ_Xを保持し、排気ガス中の酸素濃度を低下させると保持したＮＯ_Xを放出して還元物質により還元するものである。ＮＯ_X触媒装置はＮＯ_X保持可能量を有し、現在のＮＯ_X保持量が当初のＮＯ_X保持時可能量に達する前に再生処理が実施されて保持されたＮＯ_Xは還元浄化され、ＮＯ_X触媒装置が劣化していなければ、ＮＯ_X触媒装置から殆どＮＯ_Xが流出することはない。

しかしながら、連続的又は間欠的に酸素濃度低下手段により設定時間の間だけＮＯ_X保持部回りの酸素濃度を低下させ、温度センサにより、設定時間の開始時のＮＯ_X保持部の温度が第一温度として検出されると共に、設定時間の終了時のＮＯ_X保持部の温度が第二温度として検出され、第二温度が第一温度より設定値を超えて大きくなる時には、酸素濃度低下手段によりＮＯ_X保持部回りの酸素濃度を低下させたことにより、ＮＯ_X保持部からＮＯ_Xが放出されて還元発熱反応が起こったこととなり、ＮＯ_X触媒装置からＮＯ_Xが流出していることとなる。

第二温度と第一温度との差はＮＯ_X保持部に保持されていて放出されたＮＯ_X量に対応するために、この差に基づきＮＯ_X触媒装置から流出したＮＯ_X流出量を算出することができ、ＮＯ_X触媒装置へ流入したＮＯ_X量に基づき推定されるＮＯ_X触媒装置の現在の推定ＮＯ_X保持量は、再生処理が実施されていないために、当初のＮＯ_X保持可能量に達していないが、現在のＮＯ_X保持可能量を越えており、現在の推定ＮＯ_X保持量からＮＯ_X流出量を減算した値がＮＯ_X触媒装置の現在のＮＯ_X保持可能量となり、現在のＮＯ_X保持可能量とＮＯ_X触媒装置の当初のＮＯ_X保持可能量とを比較することによりＮＯ_X触媒装置の劣化程度を推定することができる。

本発明による触媒劣化推定装置が配置された機関排気系を示す概略図である。本発明による触媒劣化推定装置の実施形態を示す概略断面図である。本発明による触媒劣化推定装置によりＮＯ_X触媒装置の劣化程度を推定するためのフローチャートである。

図１は本発明によるＮＯ_X検出装置が配置された機関排気系を示す概略図であり、同図において、１は内燃機関の排気通路である。内燃機関は、ディーゼルエンジン又は筒内噴射式火花点火内燃機関のような希薄燃焼を実施する内燃機関である。このような内燃機関の排気ガス中には、比較的多くのＮＯ_Xが含まれるために、排気通路１には、ＮＯ_Xを浄化するためのＮＯ_X触媒装置２が配置されている。

ＮＯ_X触媒装置２には、ＮＯ_X保持材と白金Ｐｔのような貴金属触媒とが担持されている。ＮＯ_X保持材は、カリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、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金属、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である。

ＮＯ_X触媒装置２は、排気ガスがリーン空燃比である時、すなわち、排気ガス中の酸素濃度が高い時に、排気ガス中のＮＯ_Xを良好に保持し、すなわち、硝酸塩として良好に吸収したり、ＮＯ₂として良好に吸着したりする。しかしながら、無制限にＮＯ_Xを保持することはできず、ＮＯ_X保持量がＮＯ_X保持可能量に達してさらにＮＯ_Xを保持することができなくなる前に、再生処理として、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とし、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させる。それにより、保持ＮＯ_Xは離脱され、すなわち、吸収ＮＯ_Xは放出され、また、吸着ＮＯ₂は脱離され、これら離脱ＮＯ_Xは排気ガス中の還元物質によりＮ₂へ還元浄化される。

このようなＮＯ_X触媒装置２が排気ガス中のＳＯ_Xを硫酸塩として吸蔵してしまうと、硫酸塩は硝酸塩に比較して安定な物質であるために再生処理では放出させることができず、ＮＯ_X保持可能量が低下してしまう（Ｓ被毒）。それにより、排気通路１のＮＯ_X触媒装置２の上流側には、排気ガス中のＳＯ_Xを吸蔵するＳトラップ装置を配置して、ＮＯ_X触媒装置２のＳ被毒を抑制するようにしても良い。

ＮＯ_X触媒装置２の再生処理は、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とするために燃料消費を悪化させる。それにより、再生処理は必要最小限に実施されることが好ましい。そのために、運転状態毎に単位時間当たりＮＯ_X触媒装置２へ保持されるＮＯ_X量が予め定められており、このＮＯ_X量を積算することによりＮＯ_X触媒装置２に保持されているＮＯ_X保持量を推定し、現在のＮＯ_X保持量がＮＯ_X保持可能量より僅かに少なく設定された再生処理ＮＯ_X量に達する時に、再生処理を実施するようになっている。

こうして、ＮＯ_X触媒装置２の当初のＮＯ_X保持可能量が低下しなければ、ＮＯ_X保持量がＮＯ_X保持可能量に達する前に再生処理が実施され、ＮＯ_X触媒装置２を殆どＮＯ_Xが通過することはない。しかしながら、ＮＯ_X触媒装置２の劣化及びＳ被毒によってＮＯ_X保持可能量が低下すると、推定されたＮＯ_X保持量が現在のＮＯ_X保持可能量を超えても再生処理ＮＯ_X量に達していないために再生処理が実施されず、ＮＯ_X触媒装置２からＮＯ_Xが流出してしまう。

本実施形態の触媒劣化推定装置３は、ＮＯ_X触媒装置２の直下流側に配置されて、ＮＯ_X触媒装置２の劣化程度を推定し、例えば、劣化程度がＮＯ_X触媒装置の現在のＮＯ_X保持可能量と当初のＮＯ_X保持可能量との比とされる場合には、劣化程度が設定値を超えて小さくなる時にＮＯ_X触媒装置２を交換するようにしても良い。

図２は、本発明による触媒劣化推定装置３の実施形態を示す概略断面図である。同図において、１０は排気通路１の外壁である。３１はＮＯ_X検出装置３を構成する熱電対等の温度センサである。３２は温度センサ３１の感温部を覆うように配置されたＮＯ_X保持部である。３３はＮＯ_X保持部３１を取り囲んで排気通路１の外壁１０を貫通する円筒状のケースである。

ケース３３には複数の開口穴３３ａが形成され、開口穴３３ａを介して排気通路１を通過する排気ガスがケース３３内へ流入するようになっている。３４はケース３３内のＮＯ_X保持部３２回りの酸素濃度を低下させる酸素ポンプであり、温度センサ３１の回りに位置してケース３３内のＮＯ_X保持部３２回りの空間と低酸素室３５とを分離する。酸素ポンプ３４は、ジルコニア等から形成され、ジルコニア式酸素濃度センサとは逆に電圧が印加されることにより、ケース３３内から低酸素室３５へ酸素を移動させる。それにより、ケース３３内のＮＯ_X保持部３２回りの酸素濃度を低下させることができる。

ＮＯ_X保持部３２は、排気ガス中のＮＯ_Xを保持するものであり、例えば、前述したＮＯ_X保持材と白金Ｐｔのような貴金属触媒とを温度センサ３１の感温部に塗布することにより形成することができる。

このように構成されたＮＯ_X検出装置３は、図３に示すフローチャートに従って、電子制御装置（図示せず）により酸素ポンプ３４を作動させると共に、温度センサ３１により検出したＮＯ_X保持部３２の温度を電子制御装置へ入力することによりＮＯ_X触媒装置２の劣化程度を推定する。

先ず、ステップ１０１において、ＮＯ_X触媒装置２から流出するＮＯ_X流出量の検出時期であるか否かが判断される。ステップ１０１の判断が否定される時はそのまま終了する。一方、ステップ１０１の判断が肯定される時には、ステップ１０２において、触媒劣化推定装置４の温度センサ３１によってＮＯ_X保持部３２の温度が第一温度Ｔ１として検出される。

次いで、ステップ１０３において、酸素濃度低下処理として、酸素ポンプ３４によりケース３３内のＮＯ_X保持部３２回りの酸素濃度を低下させる。次いで、ステップ１０４において、酸素濃度低下処理を開始してからの経過時間ｔが設定時間ｔ１（例えば０．５秒）となったか否かが判断され、この判断が肯定されるまで酸素濃度低下処理が実施される。ステップ１０４の判断が肯定されると、ステップ１０５において、温度センサ３１によりＮＯ_X保持部３２の温度が第二温度Ｔ２として検出される。

もし、ＮＯ_X触媒装置２からＮＯ_Xが流出していれば、流出ＮＯ_Xの一部は触媒劣化推定装置３のＮＯ_X保持部３２に保持される。こうしてＮＯ_X保持部３２にＮＯ_Xが保持されていれば、酸素濃度低下処理によってＮＯ_X保持部３２回りの酸素濃度が設定時間ｔ１だけ低下されると、ＮＯ_X保持部３２に保持されているＮＯ_Xは全て放出されると同時にＮＯ_X保持部３２回りの排気ガス中のＨＣ及びＣＯ等の還元物質を使用して還元される。
Ｂａ（ＮＯ₃)₂＋ＣＯ→ＢａＣＯ₃＋Ｎ₂＋2Ｏ₂＋発熱

それにより、ＮＯ_X保持部３２は、保持したＮＯ_X量に対応する還元反応熱によって温度上昇し、ステップ１０５において、設定時間ｔ１の終了時に検出されたＮＯ_X保持部３２の第二温度Ｔ２は、ステップ１０２において、設定時間ｔ１の開始時に検出されたＮＯ_X保持部３２の第一温度Ｔ１に比較して顕著に上昇することとなる。

それにより、ステップ１０６において、第二温度Ｔ２と第一温度Ｔ１との差ΔＴ（Ｔ２−Ｔ１）が設定値ａ以上であるか否かが判断され、この判断が否定される時には、触媒劣化推定装置３のＮＯ_X保持部３２には殆どＮＯ_Xが保持されておらず、すなわち、ＮＯ_X触媒装置２から殆どＮＯ_Xは流出していないために、ＮＯ_X触媒装置２は劣化していないか、又は、劣化していても僅かな劣化であり、劣化程度を推定することなくそのまま終了する。

一方、ステップ１０６の判断が肯定される時には、触媒劣化推定装置３のＮＯ_X保持部３２には無視できないほどのＮＯ_Xが保持され、これらのＮＯ_Xが放出された際の還元反応熱によりＮＯ_X保持部３２の温度が上昇したこととなる。それにより、ステップ１０７において、ＮＯ_X保持部３２の温度上昇値ΔＴはＮＯ_X保持部３２に保持されていたＮＯ_X量、すなわち、設定時間ｔ１の間にＮＯ_X保持部３２から放出されたＮＯ_X放出量Ａに対応することに基づき、このＮＯ_X放出量Ａを算出する。

次いで、ステップ１０８において、ＮＯ_X保持部３２からのＮＯ_X放出量Ａは、ＮＯ_X触媒装置２から流出したＮＯ_X流出量Ｂに例えば実験的に設定可能なＮＯ_X保持割合を乗算した値となるために、ＮＯ_X保持部３２からのＮＯ_X放出量Ａに基づき、ＮＯ_X触媒装置２から流出したＮＯ_X流出量Ｂを逆算する。

現在（厳密には酸素濃度低下処理を開始した時）において、ＮＯ_X触媒装置２には、運転状態毎の単位時間当たりＮＯ_X触媒装置２へ保持されるＮＯ_X量を積算した推定ＮＯ_X量ＥのＮＯ_Xが保持されているはずであるが、実際には、ＮＯ_X流出量ＢだけＮＯ_X触媒装置２からＮＯ_Xが流出している。これは、ＮＯ_X触媒装置２の現在のＮＯ_X保持可能量Ｃが推定ＮＯ_X量ＥからＮＯ_X流出量Ｂを減算した値（Ｅ−Ｂ）へ減少したことを意味している。これに基づき、ステップ１０９において、ＮＯ_X触媒装置２の現在のＮＯ_X保持可能量Ｃを算出する。

次いで、ステップ１１０において、当初のＮＯ_X保持可能量ＣＦは現在のＮＯ_X保持可能量Ｃへ減少しており、現在のＮＯ_X触媒装置２の劣化程度Ｄを現在のＮＯ_X保持可能量Ｃと当初のＮＯ_X保持可能量ＣＦとの比（Ｃ／ＣＦ）として推定する。この劣化程度Ｄは、劣化が進行するほど小さくなる値であり、例えば、設定値を超えて小さくなる時にＮＯ_X触媒装置２は交換を必要とするほど非常に劣化したと判断することができる。

こうして、現在のＮＯ_X触媒装置２の劣化程度Ｄが推定された時には、ＮＯ_X触媒装置２には現在のＮＯ_X保持可能量ＣのＮＯ_Xが保持されていて、これ以上のＮＯ_Xを保持することができなくなっているために、ステップ１１１において、ＮＯ_X触媒装置２の再生処理を実施すると共に、第一設定温度Ｔ１、第二設定温度Ｔ２、ＮＯ_X放出量Ａ、ＮＯ_X流出量Ｂ、現在のＮＯ_X保持可能量Ｃ、及び、現在の劣化程度Ｄを全てクリアして終了する。ＮＯ_X触媒装置２の再生処理が実施されると、理論空燃比又はリッチ空燃比の排気ガスが触媒劣化推定装置３のＮＯ_X保持部３２回りにも流入するために、ＮＯ_X保持部３２に僅かなＮＯ_Xが保持されていてもＮＯ_X保持部３２からＮＯ_Xは完全に放出される。

また、ステップ１０９において現在のＮＯ_X保持可能量Ｃが算出された時には、再生処理を実施するための再生処理ＮＯ_X量を、現在のＮＯ_X保持可能量Ｃより僅かに少なく設定し直すことが好ましい。それにより、ＮＯ_X触媒装置２は、推定ＮＯ_X量Ｅが現在のＮＯ_X保持可能量Ｃに達する前に再生処理が実施され、暫くの間は、ＮＯ_X触媒装置２からＮＯ_Xが流出することはない。しかしながら、さらにＮＯ_X触媒装置２の劣化が進行すると、ステップ１０６の判断が肯定されて、ステップ１０８において、ＮＯ_X触媒装置２からの新たなＮＯ_X流出量Ｂが算出される。この時には、ステップ１０９において、再び、ＮＯ_X触媒装置２に保持されているはずの現在の推定ＮＯ_X量Ｅから新たなＮＯ_X流出量Ｂが減算されて、現在の新たなＮＯ_X保持可能量Ｃが算出され、ステップ１１０においては新たな劣化程度Ｄが推定されることとなる。

ところで、設定時間ｔ１において、ＮＯ_X保持部３２から放出させたＮＯ_Xを還元させるために排気ガス中の還元物質を利用するとしたが、この還元を良好にするために、設定時間ｔ１の間においてケース３３内のＮＯ_X保持部３２近傍にＨＣ（燃料）等の還元剤を供給するようにしても良い。

ところで、ＮＯ_X触媒装置２から流出するＮＯ_X流出量の検出（ステップ１０１）は、設定機関運転時間毎（又は設定走行距離毎）に定期的に実施するようにしたり、不定期に実施するようにしたり、また、連続的に実施するようにしても良い。

ところで、本実施形態の触媒劣化推定装置３のＮＯ_X保持部３２は、ＮＯ_X触媒装置２に担持されているＮＯ_X保持材及び貴金属触媒により形成されているために、前述したように、排気ガス中のＳＯ_Xも硫酸塩として保持してしまう。硫酸塩は、硝酸塩に比較して安定な物質であり、酸素濃度を低下させただけではＮＯ_X保持部から放出されない。それにより、ＮＯ_X保持部３２のＳＯ_X保持量は増加する一方であり、ＮＯ_X保持部３２のＮＯ_X又はＳＯ_Xの保持可能量は一定であるために、ＮＯ_X保持部３２においてＳＯ_X保持量が増加すると、ＮＯ_X保持可能量が減少することとなる。

これを利用することにより、現在においてＮＯ_X保持部３２に最大限にＮＯ_Xを保持させて、ＮＯ_X保持部３２から全てのＮＯ_Xを放出させてＮＯ_X保持部３２に保持されていた最大限のＮＯ_X量が検出されれば、ＮＯ_X保持部３２のＳＯ_X保持量を算出することができる。このＳＯ_X保持量は、内燃機関を最初に始動してから現在までの一定期間においてＮＯ_X保持部に保持されたＳＯ_X量であり、この一定期間の間に触媒劣化推定装置３の位置において排気通路１を通過したＳＯ_X量に例えば実験的に設定可能なＳＯ_X保持割合を乗算した値に一致するために、この一定期間の間に触媒劣化推定装置３の位置において排気通路１を通過したＳＯ_X量を推定することができ、また、この一定期間の間に触媒劣化推定装置３の位置において排気通路１を通過したＳＯ_X量の平均値又はこの一定期間の間に触媒劣化推定装置３の位置において排気通路１を通過した平均ＳＯ_X濃度等も推定することができる。

１排気通路
２ＮＯ_X触媒装置
３触媒劣化推定装置
３１温度センサ
３２ＮＯ_X保持部
３３ケース
３４酸素ポンプ

Claims

機関排気系において、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時に排気ガス中のＮＯ_Xを保持し、酸素濃度を低下させると保持したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X触媒装置の下流側に配置されたＮＯ_X保持部と、前記ＮＯ_X保持部の温度を測定する温度センサと、前記ＮＯ_X保持部の回りの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下手段とを有し、前記ＮＯ_X保持部は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時に排気ガス中のＮＯ_Xを保持し、排気ガス中の酸素濃度を低下させると保持したＮＯ_Xを放出して還元物質により還元するものであり、連続的又は間欠的に前記酸素濃度低下手段により設定時間の間だけ前記ＮＯ_X保持部回りの酸素濃度を低下させ、前記温度センサにより、前記設定時間の開始時の前記ＮＯ_X保持部の温度が第一温度として検出されると共に、前記設定時間の終了時の前記ＮＯ_X保持部の温度が第二温度として検出され、前記第二温度が前記第一温度より設定値を超えて大きくなる時には、前記ＮＯ_X触媒装置からＮＯ_Xが流出しているとし、前記第二温度と前記第一温度との差に基づき前記ＮＯ_X触媒装置から流出したＮＯ_X流出量を算出し、前記ＮＯ_X触媒装置へ流入したＮＯ_X量に基づき推定される前記ＮＯ_X触媒装置の現在の推定ＮＯ_X保持量から前記ＮＯ_X流出量を減算した値が前記ＮＯ_X触媒装置の現在のＮＯ_X保持可能量であるとし、前記現在のＮＯ_X保持可能量と前記ＮＯ_X触媒装置の当初のＮＯ_X保持可能量とを比較することにより前記ＮＯ_X触媒装置の劣化程度を推定することを特徴とする触媒劣化推定装置。