JP2020169579A - 排気浄化装置の劣化診断装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】脱硫制御を極力行わずに排気浄化装置の劣化診断を行う。【解決手段】排気浄化装置の劣化診断装置は、内燃機関から排出される排ガスの排気通路に配置され、吸蔵還元型NOx触媒により構成され、ベース部分と前記ベース部分よりも性能が低い低性能部分とを有する排気浄化装置を通過した排ガスに含まれるNOx量を検出するNOx量検出手段から、前記低性能部分の破綻が検出されるまでの第1の時間と、前記ベース部分の破綻が検出されるまでの第2の時間とを取得し(S2)、前記第1の時間に基づいて前記排気浄化装置が劣化しているかどうかの診断を行い(S5)、前記第1の時間の、初期値からの変化量と、前記第2の時間の、初期値からの変化量との比に基づいて前記排気浄化装置の劣化原因の診断を行う(S6〜S8)。【選択図】図5
Description
本発明は、排気浄化装置の劣化原因を診断する劣化診断装置に関する。
吸蔵還元型NOx触媒は、排気空燃比が希薄(リーン)のときに排気中のNOx(窒素酸化物)を吸収し、排気空燃比が過濃(リッチ)のときに吸蔵したNOxを放出還元するNOx触媒である。特許文献1には、NOx吸蔵触媒の熱劣化の影響を考慮して、硫黄成分を離脱するための制御の開始タイミングを適切に設定でき、排気浄化性能の悪化や燃費悪化を抑制可能な内燃機関の排気浄化装置が記載されている。
本発明は、脱硫制御を極力行わずに排気浄化装置の劣化診断を行うことを目的とする。
本発明に係る排気浄化装置の劣化診断装置は、上記課題を解決するため、内燃機関から排出される排ガスの排気通路に配置され、吸蔵還元型NOx触媒により構成され、ベース部分と前記ベース部分よりも性能が低い低性能部分とを有する排気浄化装置を通過した排ガスに含まれるNOx量を検出するNOx量検出手段から、前記低性能部分の破綻が検出されるまでの第1の時間と、前記ベース部分の破綻が検出されるまでの第2の時間とを取得し、前記第1の時間に基づいて前記排気浄化装置が劣化しているかどうかの診断を行い、前記第1の時間の、初期値からの変化量と、前記第2の時間の、初期値からの変化量との比に基づいて前記排気浄化装置の劣化原因の診断を行う。
本発明によれば、脱硫制御を極力行わずに排気浄化装置の劣化診断を行うことができる。
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。
図1に、内燃機関の排気管等の排ガス通路に設置された排気浄化装置1を示す。排気管等の排ガス通路2には、途中に拡径された拡大部3が設けられており、この拡大部3に略円柱形状の排気浄化装置1が設けられている。排気浄化装置1は、その軸方向が排ガス流れ方向と平行になるように配置されている。
排気浄化装置1は、吸蔵還元型NOx触媒(以後、NOx吸蔵触媒とも呼ぶ)4を用いたもので、このNOx吸蔵触媒4の、排ガス流れに直交する面(端面)のうち一部の入口から出口にかけて、単位容積あたりの飽和吸蔵量が相対的に低い別のNOx吸蔵触媒(低性能NOx吸蔵触媒)5に置き換えた構造とする。大部分はベースのNOx吸蔵触媒4とする。6は、排気浄化装置1の排ガス流れ方向後方に設けられたNOx量検出手段としてのNOxセンサである。前記吸蔵還元型NOx触媒4は、複数のセルから構成されるハニカム構造体で構成され、一部の集合セルの単位容積あたりのNOx飽和吸蔵量が、その他のセルより小さくなるようにして低性能部分5を構成し、性能破綻後のNOx濃度がNOx量検出手段6の検出下限以上になるように低性能部分5の吸蔵能力を設定してある。
このように、排気浄化装置1は、吸蔵還元型NOx触媒により構成され、ベース部分と前記ベース部分よりも性能が低い低性能部分とを有する。
ベースのNOx吸蔵触媒4の一部に低性能NOx吸蔵触媒を用いた低性能部分5を設ける方法としては、以下の方法が考えられる。
(i)ベースのNOx吸蔵触媒4を軸方向に沿って一定の径で円筒状に、くり抜くなどして切除した箇所に、くり抜いたものと同形状の低性能NOx吸蔵触媒を用いた低性能部分5を設置する(図1参照)。この低性能NOx吸蔵触媒を用いた低性能部分5の径は必要に応じて設定すればよい。
(ii)また、低性能NOx吸蔵触媒5は、ベースのNOx吸蔵触媒4よりもNOx吸蔵材や貴金属の担持量を低くすることで得られる。
(iii)あるいは、ベースのNOx吸蔵触媒4を800〜900℃程度の高温で処理することで低性能NOx吸蔵触媒が得られる。
(i)ベースのNOx吸蔵触媒4を軸方向に沿って一定の径で円筒状に、くり抜くなどして切除した箇所に、くり抜いたものと同形状の低性能NOx吸蔵触媒を用いた低性能部分5を設置する(図1参照)。この低性能NOx吸蔵触媒を用いた低性能部分5の径は必要に応じて設定すればよい。
(ii)また、低性能NOx吸蔵触媒5は、ベースのNOx吸蔵触媒4よりもNOx吸蔵材や貴金属の担持量を低くすることで得られる。
(iii)あるいは、ベースのNOx吸蔵触媒4を800〜900℃程度の高温で処理することで低性能NOx吸蔵触媒が得られる。
劣化していない、使用開始直後の排気浄化装置1を通過したリーン排ガス中のNOx濃度は、図2の波形Xで示すように変化する。第1の閾濃度はNOxセンサ6の検出下限以上の値に設定され、第2の閾濃度は第1の閾濃度よりも大きい値に設定されている。t1initialよりも前の時点において、NOx濃度は第1の閾濃度に満たない。t=t1=t1initialにおいて、当初は一定であってt=t1initialの少し前から増加を始めたNOx濃度が第1の閾濃度に達する。この濃度増加は、排気浄化装置1の低性能部分の性能破綻によるものである。NOx濃度が濃度C1に達すると増加が止まり、その後は暫くNOx濃度が濃度C1のまま一定である。そして、t=t2=t2initialにおいて、その少し前から増加を始めたNOx濃度が第2の閾濃度に達する。この濃度増加は、排気浄化装置1のベース部分の性能破綻によるものである。NOx濃度が濃度C2に達すると増加が止まり、その後はNOx濃度が濃度C2のまま一定である。
図2並びに後述する図3及び図4における時間的な起点は、リーン運転開始時点である。その例として、NOxパージや脱硫制御の際に行われるリッチ運転(混合気がリッチな状態における運転)からリーン運転(混合気がリーンな状態における運転)に切り替わった時点が挙げられる。また、ストイキ運転(空燃比が理論空燃比(ストイキオメトリー)である状態における運転)からリーン運転に切り替わった時点もリーン運転開始時点の一つである。
このように、排気浄化装置1においては、低性能部分がまず破綻し、その後、ベース部分が破綻するという、二段階の破綻が起こる。つまりベース部分が破綻する前に触媒下流側のNOxセンサ6でNOxを検出できる。したがって例えば、リッチパージを開始すべき最適なタイミングであるt=tcで低性能NOx吸蔵触媒を用いた低性能部分5が破綻するように調整すれば、電子制御ユニットECUはNOxセンサ6によってリッチパージを開始すべき最適なタイミングを正確に把握出来る。
なお低性能NOx吸蔵触媒を用いた低性能部分5が触媒全体の端面面積に占める割合Rと、低性能NOx吸蔵触媒5の単位容積あたりの飽和吸蔵量Qによって、1回目の破綻後のNOx濃度C1と、1回目の破綻が検出されるまでの時間(第1の時間)t1を決めることが出来る。
低性能NOx吸蔵触媒を用いた低性能部分5が触媒全体の端面面積に占める割合Rについて具体的に記述する。C1はRと入りガスのNOx濃度の積に比例する。C1はNOxセンサ6の検出下限L2をわずかに上回る程度に設定されるべきであり、NOxセンサ6の検出性能によって決定されるべきであるが、一般的には50〜60ppm程度が適当である。入りガスのNOx濃度L1はガソリンエンジンかディーゼルエンジンかによっても大きく異なり、またエンジンの運転状態によっても異なるため、対象とするエンジンまたは運転状態によるが、一般的にガソリンエンジンの場合1000ppm程度、ディーセルエンジンの場合500ppm程度を想定することが適当である。したがって一般的にRは、ガソリンエンジンの場合5〜6%程度、ディーゼルエンジンの場合10〜12%程度が適当となる。ただし前述したとおり、NOxセンサ6の検出性能や対象とするエンジンの排ガス性状等に応じてRは決定されなければならないので、この範囲に限られない。
次に低性能NOx吸蔵触媒を用いた低性能部分5の単位容積あたりの飽和吸蔵量Qついて具体的に記述する。t1はQに、2回目の破綻が検出されるまでの時間(第2の時間)t2はベースのNOx吸蔵触媒4の単位容積あたりの飽和吸蔵量に、それぞれ比例する。リッチパージ初期の未浄化NOxスパイク状排出量を抑えつつ、リッチパージ頻度を減らし燃費悪化を最小限とするには、t1はt2の8〜9割程度とすることが適当である。なおQを小さくするほどNOx排出量を減らすことができ、Qを大きくするほど燃費悪化を減らすことができる。したがってQは、ベースのNOx吸蔵触媒4の性能や排ガス規制値等に応じて決定されなければならない。
実際の車載状態において、劣化による触媒の性能低下は避けられない。さらに、何らかの理由によって、通常使用における性能低下の程度を超えて大幅に性能が低下することも有る。このように想定以上に触媒の性能低下が進行した場合であっても、排ガスが未浄化のまま環境中に排出されることを避けなければならない。このためOBD(On-Board Diagnostics、車載故障診断)システムは触媒の劣化状態を診断し、必要であれば運転者に触媒の修理・交換を促している。NOx吸蔵触媒においても車載状態での劣化診断は必要である。例えば前回NOxパージから吸蔵性能の破綻が検出されるまでに要した時間(破綻時間)tをモニタし、tが所定の閾値以下となったことを以てNOx吸蔵触媒の性能が低下したと判定することが出来る。
NOx吸蔵触媒の性能低下の原因は主に、高温に曝されることによる熱劣化と、燃料やエンジンオイルに含まれる硫黄分が付着することによる硫黄被毒の2種類が有る。熱劣化は不可逆劣化であり性能を回復させることは不可能である。そのため、触媒が熱劣化した場合、OBDシステムはMIL(Malfunction Indication Lamp、警告ランプ)点灯等により速やかに運転者に通知し、触媒の交換を促さなければならない。その一方で、硫黄被毒は可逆劣化であり、触媒に付着した硫黄を取り除けば浄化性能は回復する。したがってOBDシステムは、単にNOx吸蔵触媒の性能低下を検出するのみならず、性能低下の主たる原因が熱劣化か(つまり回復不能か)、硫黄被毒か(つまり回復可能か)を正しく判別する必要が有る。
正しく判別できない場合の不具合を例示すると、実際には硫黄被毒が主たる原因であるのに、熱劣化が主たる原因であると誤判別する場合がある。このような場合、本来は不要な触媒交換を行うことになる。また、熱劣化が主たる原因であるのに硫黄被毒が主たる原因と誤判別した場合、脱硫制御を行うことになる。しかし、脱硫制御が行われても触媒性能は回復しないため、環境中にNOxを排出し続けることになる。また、脱硫制御は、燃料を余剰に消費することによって、高温リッチの排ガスを触媒に供給する処理である。脱硫制御を行うと燃費は悪化し、エンジンの騒音や振動も増える。かかる脱硫制御が高頻度で繰り返し行われると、燃費が著しく悪化するとともに、騒音や振動による不快感を運転者や周囲の環境に長時間与え続けることになる。
図3の波形Yは、排気浄化装置1の性能が低下し、その性能低下の主たる原因が硫黄被毒である場合のNOx濃度の時間的変化を示している。波形Yにおいて、t=t1=t1aは1回目の破綻が検出されるまでの時間であり、t=t2=t2aは2回目の破綻が検出されるまでの時間である。硫黄被毒は、排ガス流れ方向の触媒両端部のうち、上流に位置する端部から下流に位置する端部に向かって徐々に進行する。低性能部分は、ベース部分に比べて硫黄被毒が早く進む。1回目の破綻が検出されるまでの時間t1は、劣化前がt1initialであるのに対し劣化後がt1aと、劣化前に比べて短くなる。2回目の破綻が検出されるまでの時間t2は、劣化前がt2initialであるのに対し劣化後がt2aと、劣化前に比べて短くなる。1回目の破綻が検出されるまでの時間における劣化前後の変化量|Δt1|=|t1−t1initial|=|t1a−t1initial|は、2回目の破綻が検出されるまでの時間における劣化前後の変化量|Δt2|=|t2−t2initial|=|t2a−t2initial|よりも大きい。
図4の符号Zの波形は、排気浄化装置1の性能が低下し、その性能低下の主たる原因が熱劣化である場合のNOx濃度の時間的変化を示している。波形Zにおいて、t=t1=t1bは1回目の破綻が検出されるまでの時間であり、t=t2=t2bは2回目の破綻が検出されるまでの時間である。高活性であるほど反応熱による発熱が大きいため、性能が高いほど熱劣化の程度は大きくなる。そのため、高性能であるベース部分の性能低下の方が、低性能部分の性能低下よりも大きい。熱劣化が進行すると、最終的には、ベース部分の性能と低性能部分の性能とが同程度になる。1回目の破綻が検出されるまでの時間t1は、劣化前がt1initialであるのに対し劣化後がt1bと、劣化前に比べて短くなる。2回目の破綻が検出されるまでの時間t2は、劣化前がt2initialであるのに対し劣化後がt2bと、劣化前に比べて短くなる。1回目の破綻が検出されるまでの時間における劣化前後の変化量|Δt1|=|t1−t1initial|=|t1b−t1initial|は、2回目の破綻が検出されるまでの時間における劣化前後の変化量|Δt2|=|t2−t2initial|=|t2b−t2initial|よりも小さい。
上述のとおり、|Δt1|は、t1の、初期値t1initialからの変化量であり、|Δt2|は、t2の、初期値t2initialからの変化量である。例えば、t1が所定値t1dを下回る等によりNOx吸蔵触媒が性能低下したと判断した後、変化量の比Δt1/Δt2が変化量の比の閾値(例えば、1)よりも小さいか、大きいかによって、性能低下の主たる原因が熱劣化であるか、硫黄被毒であるかを判別することができる。
NOx吸蔵触媒の劣化の進行によって、触媒性能が低下すると、t1とt2はそれぞれ初期値よりも減少する。ただし、性能低下の主たる原因が熱劣化であるか、硫黄被毒であるかによって、変化量|Δt1|と変化量|Δt2|との大小関係が異なる。主たる原因が熱劣化の場合、|Δt1|<|Δt2|となるため、|Δt1|/|Δt2|<1となる。他方、主たる原因が硫黄被毒の場合、|Δt1|>|Δt2|となるため、|Δt1|/|Δt2|>1となる。このように、変化量|Δt1|と変化量|Δt2|との比から、性能低下の主たる原因が硫黄被毒であるのか、熱劣化であるのかを判別することができる。
[第1実施形態]
図5に、ベース部分と低性能成分とを有する排気浄化装置1を対象とした劣化診断方法のフローを示す。本方法は、NOx吸蔵触媒の性能低下の主たる原因が熱劣化であるのか硫黄被毒であるかを、精度良く、かつ脱硫制御を極力行わずに判別するものである。
図5に、ベース部分と低性能成分とを有する排気浄化装置1を対象とした劣化診断方法のフローを示す。本方法は、NOx吸蔵触媒の性能低下の主たる原因が熱劣化であるのか硫黄被毒であるかを、精度良く、かつ脱硫制御を極力行わずに判別するものである。
本方法は、劣化診断装置(不図示)により行われる。この劣化診断装置は、そのハードウェア構成として、劣化診断の機能を実行するように動作可能なプログラム及びデータを格納するメモリと、演算処理を行うプロセッサと、他の装置とのインタフェースとを備えている。劣化診断装置は、このインタフェースにより、NOxセンサ及び触媒温度を計測する温度センサといった他の装置と通信する。劣化診断装置を電子制御ユニット(ECU)内に組み込むことも可能である。
まずステップS1において、劣化診断装置は、診断条件が成立しているかどうかを判定する。例えば、内燃機関の暖機が完了しており、かつ周囲の環境が特殊な環境ではないことを診断条件とすることができる。内燃機関の暖機については、例えばエンジン水温から判断可能である。周囲の環境については、吸気温度や大気圧、またはGPSの位置情報から判断可能である。劣化診断が行われる環境としては、外気温が0℃から30℃かつ標高700m以下であることが望ましい。外気温が−7℃未満又は35℃超、あるいは標高1300m超等の特殊な環境条件では、劣化診断の実行を避けるべきである。
ステップS2において、劣化診断装置は、排気浄化装置1の1回目の破綻が検出されるまでの時間t1と、排気浄化装置1の2回目の破綻が検出されるまでの時間t2とをNOxセンサから取得する。同ステップにおいてさらに、劣化診断装置は、変化量|Δt1|=|t1−t1initial|と、変化量|Δt2|=|t2−t2initial|とを算出する。
初期値t1initial及びt2initialは、事前に取得され、劣化診断装置内のメモリに保存されている。両初期値の取得は、当該内燃機関が搭載された車両の使用開始からの累積走行距離が所定値に達するまでの間に行われる。あるいは、開発時のデータを基に、設計時に所定の両初期値を指定しておいても良い。なお、両初期値は、触媒容量や排ガス適合などの設計要件によって変わる。
上記累積走行距離の所定値は、特に仕向地の燃料中の硫黄濃度に応じて設定され、硫黄濃度が高いほど小さくすべきである。また、この所定値が小さいほど硫黄被毒の影響を受けないため望ましい。例としては、日本、北米、欧州のような地域では燃料中の硫黄濃度が10ppm以下程度で、脱硫制御は1000km走行毎に1回行われる程度であるため、所定値は200km程度になる。
ステップS3において、劣化診断装置は、当該内燃機関のドライビングサイクル(過去所定期間内の運転履歴)に関する情報を電子制御ユニット(ECU)から取得する。
ステップS4において、劣化診断装置は、ステップS3にて取得されたドライビングサイクルに基づいて閾値を決定する。閾値は1を標準的な値とするが、別の値への変更も可能である。
エンジンや車両の直近の状態によっては、熱劣化の可能性が高い(つまり硫黄被毒の可能性が低い)場合や、逆に硫黄被毒の可能性が高い(つまり熱劣化の可能性が低い)場合が有る。このような場合、熱劣化か硫黄被毒かを判別するための閾値を1よりも大きい値に変更したり、逆に1よりも小さい値に変更したりすることにより、判別の精度をより高めることが出来る。
例えば事前に失火が検出されている場合、触媒が高温になりやすいため熱劣化の可能性が高く、また高温により蓄積していた硫黄が放出されるため硫黄被毒の可能性は低い。したがって、閾値を1よりも大きい値(例えば、1.1)に変更すると良い。
また、直前の平均車速が速い場合(例えば直近500kmの平均車速が50km/h以上)や、前回の脱硫制御からの走行距離が短い場合(例えば500km以下)も、硫黄被毒の可能性は低い。そのため、閾値を1よりも大きい値に変更すると良い。
他方、直前の平均車速が遅い場合(例えば直近500kmの平均車速が30km/h以下)、低負荷運転の割合が高く触媒が高温になりにくいため、熱劣化の可能性は低く、硫黄被毒の可能性が高い。したがって、閾値を1よりも小さい値(例えば、0.9)のように変更すると良い。
以上のように、ステップS4においては、ステップS3にて取得されたドライビングサイクルに基づいて閾値が決定される。閾値は1を標準的な値として、触媒高温状態の場合は閾値を1よりも大きい値に設定され、触媒低温状態の場合は閾値を1よりも小さい値に設定される。触媒が高温状態か低温状態かは、ドライビングサイクルに基づいて判定される。触媒温度を計測する温度センサを設ける必要はない。
ステップS5において、劣化診断装置は、排気浄化装置1の1回目の破綻が検出されるまでの時間t1をNOxセンサから取得し、その時間t1を適合値t1dと比較する。t1がt1dを下回る場合は、排気浄化装置1が劣化しているとして、劣化原因を見いだすべくステップS6が行われる。その一方で、t1がt1d以上であれば、排気浄化装置1は劣化していないとして、本処理は終了する。
適合値t1dは、排気浄化装置1が劣化しているかどうかの判断基準となる値であり、仕向地の排ガスや燃費の規制等に適合させて決定される。ただし、適合値t1dは少なくとも初期値t1iの3〜4割以上である必要がある。時間t1が小さくなるほど、NOxパージの頻度が増え燃費が悪化していき、特に時間t1が初期値t1iの3割程度となるとリーン運転による燃費メリットがほぼ無くなるためである。排ガスや燃費の規制が厳しいほど、適合値t1dの値を大きくすればよい。
ステップS6において、劣化診断装置は、ステップS2にて算出された変化量|Δt1|及び|Δt2|を用いて比|Δt1|/|Δt2|を算出する。劣化診断装置はさらに、この比を、ステップS4に算出された閾値と比較する。この比が閾値を下回る場合はステップS7が行われ、この比が閾値以上であればステップS8が行われる。
ステップS7において、劣化診断装置は、性能低下の主たる原因が熱劣化であるとして、当該内燃機関が搭載された車両に設けられたMIL(警告ランプ)を点灯させる。その後、本処理は終了する。
ステップS8では、劣化診断装置は、性能低下の主たる原因が硫黄被毒であるとして、脱硫制御を行う。その後、本処理は終了する。
本実施形態において、比|Δt1|/|Δt2|は、排気浄化装置1の下流にあるNOxセンサ6の出力から求められる時間t1及びt2から直接的に算出される値であるため、従来のモデルに基づく予測値によって判別する場合よりも判別精度が高く、演算量も少なくて済む。また、燃費の悪化や騒音、振動をもたらす脱硫制御は、ステップS8において、硫黄被毒が原因であると診断された後に行われるのみであって、診断そのものを行うに際しては不要である。つまり、脱硫制御を行わずに排気浄化装置の劣化診断を行うことができる。
一般的に行われる劣化診断の方法として酸素吸蔵量に基づいた劣化診断がある。このような酸素吸蔵量を演算する際、内燃機関の燃焼状態から得られる酸素供給量から酸素吸蔵量を積算する。これに対し、本実施形態では比|Δt1|/|Δt2|を参照することにより、演算負荷を小さくすることができる。
[その他]
低性能部分は、NOx吸蔵材又は貴金属の担持量が前記ベース部分よりも少ない吸蔵還元型NOx触媒がコートされた部分とすることができる。あるいは、低性能部分は、吸蔵還元型NOx触媒における単位容積あたりの総表面積又は比表面積が前記ベース部分よりも小さいものとすることができる。このように、ベース部分と低性能部分とで触媒性能を異ならせることにより、第1の時間と第2の時間との差分時間をより明確に検出することが可能となる。これにより、熱劣化又は硫黄被毒であるかをより正確に判別することが可能となり、好適な排気浄化装置の劣化診断が可能である。
低性能部分は、NOx吸蔵材又は貴金属の担持量が前記ベース部分よりも少ない吸蔵還元型NOx触媒がコートされた部分とすることができる。あるいは、低性能部分は、吸蔵還元型NOx触媒における単位容積あたりの総表面積又は比表面積が前記ベース部分よりも小さいものとすることができる。このように、ベース部分と低性能部分とで触媒性能を異ならせることにより、第1の時間と第2の時間との差分時間をより明確に検出することが可能となる。これにより、熱劣化又は硫黄被毒であるかをより正確に判別することが可能となり、好適な排気浄化装置の劣化診断が可能である。
これまでに述べたとおり、比の値によって、NOx吸蔵触媒の性能低下の主たる原因が熱劣化であるか硫黄被毒であるかを判別することが出来る。以下に述べる各触媒構成についても同様の判別方法が適用できる。
[触媒構成その1]
触媒構成として、低性能部分は、ベース部分よりもNOx吸蔵材もしくは貴金属の担持量を少なくしたNOx吸蔵触媒がコートされたものが考えられる。
まず、ベース部分よりもNOx吸蔵材の担持量を少なくすることで低性能部分を構成する場合について説明する。
触媒構成として、低性能部分は、ベース部分よりもNOx吸蔵材もしくは貴金属の担持量を少なくしたNOx吸蔵触媒がコートされたものが考えられる。
まず、ベース部分よりもNOx吸蔵材の担持量を少なくすることで低性能部分を構成する場合について説明する。
主たる原因が熱劣化の場合、高温の排ガスに曝されることにより、NOx吸蔵材、貴金属活性種はそれぞれシンタリングし、それぞれの表面積が減少することでNOx吸蔵性能が低下する。このとき流入する排ガスの温度は低性能部分とベース部分で同等のため、表面積[m2/g]の低下率は両者でほぼ同等となる。つまり単位容積あたりのNOx吸蔵材の総表面積[m2/m3]の初期値が大きいベース部分ほど性能低下の速度は速く、t2の減少速度はt1よりも速い(Δt1<Δt2)。
主たる原因が硫黄被毒の場合、硫黄がNOx吸蔵材に吸着し、NOxの吸蔵を妨げることでNOx吸蔵性能が低下する。硫黄はNOx吸蔵材に対して非常に吸着しやすいため、通常、硫黄被毒はNOx吸蔵触媒の上流側から下流側に向けて進展していく。
このとき硫黄被毒していない下流側の吸蔵性能を触媒全体の吸蔵性能とみなすことができ、硫黄被毒していない下流側部分の排ガス流れ方向の長さが短いほど吸蔵性能が低い。低性能部分とベース部分には、単位断面積あたり同等の量の硫黄が流入してくるため、吸蔵材の少ない低性能部分ほど硫黄被毒が下流側に進展する速度は速く、つまり低性能部分の方が性能低下の速度が速く、つまりt1の減少速度はt2よりも速い(Δt1>Δt2)。さらに硫黄被毒の初期、硫黄被毒していない下流側の長さが十分に有るため、一定期間ではあるが性能の低下が無い期間が有り、この性能の低下が無い期間はベース部分の方が長い。
このとき硫黄被毒していない下流側の吸蔵性能を触媒全体の吸蔵性能とみなすことができ、硫黄被毒していない下流側部分の排ガス流れ方向の長さが短いほど吸蔵性能が低い。低性能部分とベース部分には、単位断面積あたり同等の量の硫黄が流入してくるため、吸蔵材の少ない低性能部分ほど硫黄被毒が下流側に進展する速度は速く、つまり低性能部分の方が性能低下の速度が速く、つまりt1の減少速度はt2よりも速い(Δt1>Δt2)。さらに硫黄被毒の初期、硫黄被毒していない下流側の長さが十分に有るため、一定期間ではあるが性能の低下が無い期間が有り、この性能の低下が無い期間はベース部分の方が長い。
[触媒構成その2]
次に、ベース部分よりも貴金属の担持量を少なくすることで低性能部分を作り出す場合について説明する。
主たる原因が熱劣化の場合、高温の排ガスに曝されることにより、NOx吸蔵材、貴金属活性種はそれぞれシンタリングし、それぞれの表面積が減少することでNOx吸蔵性能が低下する。このとき流入する排ガスの温度は低性能部分とベース部分で同等のため、表面積[m2/g]の低下率は両者でほぼ同等となり、つまり単位容積あたりの貴金属活性種の総表面積[m2/m3]の初期値が大きいベース部分ほど性能低下の速度は速く、つまりt2の減少速度はt1よりも速い(Δt1<Δt2)。
主たる原因が硫黄被毒の場合、硫黄がNOx吸蔵材に吸着し、NOxの吸蔵を妨げることでNOx吸蔵性能が低下する。
ただしNOx吸蔵材に吸着した硫黄の一部はNOxパージの際に脱離する。脱離量は排ガス中に水素(H2)が多く含まれるほど多く、高活性な触媒ほど水性シフト反応や転化反応により多くのH2を生成する。したがってベース部分ほどNOxパージの際の硫黄の脱離量が多く、したがって硫黄被毒の進行は遅くなる(Δt1>Δt2)。
次に、ベース部分よりも貴金属の担持量を少なくすることで低性能部分を作り出す場合について説明する。
主たる原因が熱劣化の場合、高温の排ガスに曝されることにより、NOx吸蔵材、貴金属活性種はそれぞれシンタリングし、それぞれの表面積が減少することでNOx吸蔵性能が低下する。このとき流入する排ガスの温度は低性能部分とベース部分で同等のため、表面積[m2/g]の低下率は両者でほぼ同等となり、つまり単位容積あたりの貴金属活性種の総表面積[m2/m3]の初期値が大きいベース部分ほど性能低下の速度は速く、つまりt2の減少速度はt1よりも速い(Δt1<Δt2)。
主たる原因が硫黄被毒の場合、硫黄がNOx吸蔵材に吸着し、NOxの吸蔵を妨げることでNOx吸蔵性能が低下する。
ただしNOx吸蔵材に吸着した硫黄の一部はNOxパージの際に脱離する。脱離量は排ガス中に水素(H2)が多く含まれるほど多く、高活性な触媒ほど水性シフト反応や転化反応により多くのH2を生成する。したがってベース部分ほどNOxパージの際の硫黄の脱離量が多く、したがって硫黄被毒の進行は遅くなる(Δt1>Δt2)。
[触媒構成その3]
低性能部分が、ベース部分よりも高温で処理されたNOx吸蔵触媒がコートされている場合について説明する。
この場合、上記触媒構成その1の挙動と、上記触媒構成その2の挙動が強め合うかたちで複合することになる。Δt1/Δt2の変化がより大きく現れるため、熱劣化と硫黄被毒の判別精度がさらに高い。
前もって高温で処理することにより、NOx吸蔵材および、貴金属活性種のそれぞれの単位容積あたりの総表面積[m2/m3]を低下させている。逆に言うと、NOx吸蔵材の単位容積あたりの総表面積[m2/m3]、貴金属活性種の単位容積あたりの総表面積[m2/m3]のいずれともベース部分の方が大きい。
したがって主たる原因が熱劣化の場合t2の減少速度はt1よりも速いが(Δt1<Δt2)、効果が重なり合うため、t1とt2の減少速度の差(つまりΔtの変化)は触媒構成その1及びその2よりも大きくなる。
また主たる原因が硫黄被毒の場合も同様でt1の減少速度はt2よりも速いが(Δt1>Δt2)、効果が重なり合うため、t1とt2の減少速度の差は触媒構成その1及びその2よりも大きくなる。
低性能部分が、ベース部分よりも高温で処理されたNOx吸蔵触媒がコートされている場合について説明する。
この場合、上記触媒構成その1の挙動と、上記触媒構成その2の挙動が強め合うかたちで複合することになる。Δt1/Δt2の変化がより大きく現れるため、熱劣化と硫黄被毒の判別精度がさらに高い。
前もって高温で処理することにより、NOx吸蔵材および、貴金属活性種のそれぞれの単位容積あたりの総表面積[m2/m3]を低下させている。逆に言うと、NOx吸蔵材の単位容積あたりの総表面積[m2/m3]、貴金属活性種の単位容積あたりの総表面積[m2/m3]のいずれともベース部分の方が大きい。
したがって主たる原因が熱劣化の場合t2の減少速度はt1よりも速いが(Δt1<Δt2)、効果が重なり合うため、t1とt2の減少速度の差(つまりΔtの変化)は触媒構成その1及びその2よりも大きくなる。
また主たる原因が硫黄被毒の場合も同様でt1の減少速度はt2よりも速いが(Δt1>Δt2)、効果が重なり合うため、t1とt2の減少速度の差は触媒構成その1及びその2よりも大きくなる。
[触媒構成その4]
低性能部分が、ベース部分よりもNOx吸蔵触媒のコート量が少ない場合について説明する。
この場合、触媒構成その3と同様に、触媒構成その1及びその2の挙動が強め合うかたちで複合することになる。Δt1/Δt2の変化がより強く現れるため、熱劣化と硫黄被毒の判別精度がさらに高い。
本構成ではNOx吸蔵材含むNOx吸蔵触媒のコート量自体を減らすことにより、NOx吸蔵材および、貴金属活性種のそれぞれの単位容積あたりの総表面積[m2/m3]を低下させており、Δt1/Δt2は同様の挙動を示す。
低性能部分が、ベース部分よりもNOx吸蔵触媒のコート量が少ない場合について説明する。
この場合、触媒構成その3と同様に、触媒構成その1及びその2の挙動が強め合うかたちで複合することになる。Δt1/Δt2の変化がより強く現れるため、熱劣化と硫黄被毒の判別精度がさらに高い。
本構成ではNOx吸蔵材含むNOx吸蔵触媒のコート量自体を減らすことにより、NOx吸蔵材および、貴金属活性種のそれぞれの単位容積あたりの総表面積[m2/m3]を低下させており、Δt1/Δt2は同様の挙動を示す。
[触媒構成その5]
低性能部分において、ハニカム構造体の長さがベース部分よりも短い場合について説明する。
この場合、触媒構成その3と同様に、触媒構成その1の挙動と、触媒構成その2の挙動が強め合うかたちで複合することになる。Δt1/Δt2の変化がより強く現れるため、熱劣化と硫黄被毒の判別精度がさらに高い。
低性能部分でハニカム構造体の無い部分を、ハニカム構造体が有ると仮定してNOx吸蔵材および、貴金属活性種のそれぞれの単位容積あたりの総表面積[m2/m3]を算出する。低性能部分においてNOx吸蔵材含むNOx吸蔵触媒のコート量自体を減らすことにより、NOx吸蔵材および、貴金属活性種のそれぞれの単位容積あたりの総表面積[m2/m3]を低下させているとみなせる。つまり、触媒構成その4と同様とみなせ、したがってΔt1/Δt2は同様の挙動を示す。
低性能部分において、ハニカム構造体の長さがベース部分よりも短い場合について説明する。
この場合、触媒構成その3と同様に、触媒構成その1の挙動と、触媒構成その2の挙動が強め合うかたちで複合することになる。Δt1/Δt2の変化がより強く現れるため、熱劣化と硫黄被毒の判別精度がさらに高い。
低性能部分でハニカム構造体の無い部分を、ハニカム構造体が有ると仮定してNOx吸蔵材および、貴金属活性種のそれぞれの単位容積あたりの総表面積[m2/m3]を算出する。低性能部分においてNOx吸蔵材含むNOx吸蔵触媒のコート量自体を減らすことにより、NOx吸蔵材および、貴金属活性種のそれぞれの単位容積あたりの総表面積[m2/m3]を低下させているとみなせる。つまり、触媒構成その4と同様とみなせ、したがってΔt1/Δt2は同様の挙動を示す。
[触媒構成その6]
低性能部分が、ベース部分と同様の触媒層の上層にNOx吸蔵材を含まない拡散阻害層が追加で設けられている場合を説明する。
触媒構成その3と同様に、触媒構成その1の挙動と、触媒構成その2の挙動が強め合うかたちで複合することになるΔt1/Δt2の変化がより強く現れるため、熱劣化と硫黄被毒の判別精度がさらに高い。
低性能部分では、排ガスとNOx吸蔵材、および貴金属活性種との接触効率を拡散阻害層によって低下させている。あたかも、低性能部分においてNOx吸蔵材含むNOx吸蔵触媒のコート量自体を減らすことにより、NOx吸蔵材および、貴金属活性種のそれぞれの単位容積あたりの総表面積[m2/m3]を低下させた状態であるようにみなすことが出来る。つまり触媒構成その4と同様とみなせ、したがってΔt1/Δt2は同様の挙動を示す。
低性能部分が、ベース部分と同様の触媒層の上層にNOx吸蔵材を含まない拡散阻害層が追加で設けられている場合を説明する。
触媒構成その3と同様に、触媒構成その1の挙動と、触媒構成その2の挙動が強め合うかたちで複合することになるΔt1/Δt2の変化がより強く現れるため、熱劣化と硫黄被毒の判別精度がさらに高い。
低性能部分では、排ガスとNOx吸蔵材、および貴金属活性種との接触効率を拡散阻害層によって低下させている。あたかも、低性能部分においてNOx吸蔵材含むNOx吸蔵触媒のコート量自体を減らすことにより、NOx吸蔵材および、貴金属活性種のそれぞれの単位容積あたりの総表面積[m2/m3]を低下させた状態であるようにみなすことが出来る。つまり触媒構成その4と同様とみなせ、したがってΔt1/Δt2は同様の挙動を示す。
[触媒構成その7]
低性能部分が、ベース部分に対してハニカム構造体のセル密度が小さい場合について説明する。
この場合、触媒構成その3と同様に、触媒構成その1の挙動と、触媒構成その2の挙動が強め合うかたちで複合することになる。Δt1/Δt2の変化がより強く現れるため、熱劣化と硫黄被毒の判別精度がさらに高い。
低性能部分は、単位容積あたりの幾何学的な表面積がベース部分よりも小さいため、排ガスとNOx吸蔵材、および貴金属活性種との接触効率がベース部分よりも低下している。触媒構成その5と同様とみなせ、したがってΔt1/Δt2は同様の挙動を示す。
低性能部分が、ベース部分に対してハニカム構造体のセル密度が小さい場合について説明する。
この場合、触媒構成その3と同様に、触媒構成その1の挙動と、触媒構成その2の挙動が強め合うかたちで複合することになる。Δt1/Δt2の変化がより強く現れるため、熱劣化と硫黄被毒の判別精度がさらに高い。
低性能部分は、単位容積あたりの幾何学的な表面積がベース部分よりも小さいため、排ガスとNOx吸蔵材、および貴金属活性種との接触効率がベース部分よりも低下している。触媒構成その5と同様とみなせ、したがってΔt1/Δt2は同様の挙動を示す。
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
1 排気浄化装置
2 排ガス通路
3 拡大部
4 NOx吸蔵触媒
5 低性能NOx吸蔵触媒(低性能部分)
6 NOx量検出手段(NOxセンサ)
2 排ガス通路
3 拡大部
4 NOx吸蔵触媒
5 低性能NOx吸蔵触媒(低性能部分)
6 NOx量検出手段(NOxセンサ)
Claims (7)
- 内燃機関から排出される排ガスの排気通路に配置され、吸蔵還元型NOx触媒により構成され、ベース部分と前記ベース部分よりも性能が低い低性能部分とを有する排気浄化装置の劣化診断装置であって、
前記排気浄化装置を通過した排ガスに含まれるNOx量を検出するNOx量検出手段から、前記低性能部分の破綻が検出されるまでの第1の時間と、前記ベース部分の破綻が検出されるまでの第2の時間とを取得し、
前記第1の時間に基づいて前記排気浄化装置が劣化しているかどうかの診断を行い、
前記第1の時間の、初期値からの変化量と、前記第2の時間の、初期値からの変化量との比に基づいて前記排気浄化装置の劣化原因の診断を行う劣化診断装置。 - 前記第1の時間の、初期値からの変化量を、前記第2の時間の、初期値からの変化量で除して得られる値が閾値より小さい場合は、劣化原因が熱劣化であると診断し、
前記値が前記閾値以上の場合は、劣化原因が硫黄被毒であると診断する請求項1に記載の劣化診断装置。 - 前記吸蔵還元型NOx触媒が触媒高温状態の場合は、前記閾値が1よりも大きい値である、請求項2に記載の劣化診断装置。
- 前記吸蔵還元型NOx触媒が触媒低温状態の場合は、前記閾値が1よりも小さい値である、請求項2又は3に記載の劣化診断装置。
- 前記触媒高温状態及び前記触媒低温状態は、前記内燃機関の過去所定期間内の運転履歴に基づいて決定される、請求項3又は4に記載の劣化診断装置。
- 前記低性能部分には、NOx吸蔵材又は貴金属の担持量が前記ベース部分よりも少ない吸蔵還元型NOx触媒がコートされている、請求項1〜5のいずれか一項に記載の劣化診断装置。
- 前記低性能部分は、吸蔵還元型NOx触媒における単位容積あたりの総表面積又は比表面積が前記ベース部分よりも小さい、請求項1〜5のいずれか一項に記載の劣化診断装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019069934A JP2020169579A (ja) | 2019-04-01 | 2019-04-01 | 排気浄化装置の劣化診断装置 |
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-
2019
- 2019-04-01 JP JP2019069934A patent/JP2020169579A/ja active Pending
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