JP4371114B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関排気系の触媒装置の上流側に酸素濃度センサを配置して、酸素濃度センサにより検出される排気ガス中の酸素濃度に基づき燃焼空燃比を推定することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−３０７２７１ 特開２０００−１６１１０７ 特開２００３−１２０３８３ 特開２００３−２７９２４

燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンである時には、排気ガス中の酸素濃度は、燃焼空燃比がリーンであるほど（燃焼空燃比が大きくなるほど）顕著に高くなり、比較的正確に燃焼空燃比を推定することができる。しかしながら、燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチとなると、排気ガス中の酸素濃度はゼロ近傍となり、燃焼空燃比の変化に対して顕著に変化しないために、正確に燃焼空燃比を推定することが困難となる。

従って、本発明の目的は、燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチとなる時に、燃焼空燃比を比較的正確に推定することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系の触媒装置の上流側に上流側水素濃度センサを配置し、前記上流側水素濃度センサにより検出される排気ガス中の水素濃度に基づき理論空燃比よりリッチの時の燃焼空燃比を推定し、機関排気系の触媒装置の上流側に酸素濃度センサを配置し、前記酸素濃度センサにより検出される排気ガス中の酸素濃度に基づき理論空燃比よりリーンの時の燃焼空燃比を推定することを特徴する。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒装置は三元触媒装置であり、前記三元触媒装置の下流側には下流側水素濃度センサが配置され、前記三元触媒装置の測定温度又は推定温度が設定温度未満である時に、前記下流側水素濃度センサにより検出される下流側水素濃度と前記上流側水素濃度センサにより検出される上流側水素濃度との差に基づき、前記三元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３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒装置は三元触媒装置であり、前記三元触媒装置の下流側には下流側水素濃度センサが配置され、前記三元触媒装置の測定温度又は推定温度が設定温度以上であり、前記三元触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比である時に、前記下流側水素濃度センサにより検出される下流側水素濃度と前記上流側水素濃度センサにより検出される上流側水素濃度との差に基づき、前記三元触媒装置が硫黄被毒しているか否かを判断する。

本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記三元触媒装置が硫黄被毒していると判断されている時には前記三元触媒装置の測定温度又は推定温度が設定温度未満とならないようにし、前記三元触媒装置へ流入する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ことを特徴とする。

本発明による請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記三元触媒装置が硫黄被毒していると判断されている場合に、前記三元触媒装置の測定温度又は推定温度が設定温度以上のまま車両停止してアイドル状態となった時には、前記三元触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリーンとすることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒装置の上流側の排気ガス中の水素濃度は、燃焼空燃比がリッチであるほど（燃焼空燃比が小さいほど）顕著に高くなるために、機関排気系の触媒装置の上流側に配置された上流側水素濃度センサにより排気ガス中の水素濃度を検出すれば、燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチになる時において、比較的正確に燃焼空燃比を推定することができる。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、触媒装置は三元触媒装置であり、三元触媒装置の下流側には下流側水素濃度センサが配置されている。三元触媒装置においては、水蒸気改質反応により排気ガス中のＨＣと水蒸気とが反応し、また、水性ガスシフト反応により排気ガス中のＣＯと水蒸気とが反応して、水素が生成される。それにより、三元触媒装置の測定温度又は推定温度が設定温度未満である時に、下流側水素濃度センサにより検出される下流側水素濃度と上流側水素濃度センサにより検出される上流側水素濃度との差を検出すれば、前述の水蒸気改質反応と水性ガスシフト反応とが起きた程度を把握することができる。これらの反応が不活発になるほど三元触媒装置が劣化していることになり、こうして、三元触媒装置の劣化程度を推定することができる。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、触媒装置は三元触媒装置であり、三元触媒装置の下流側には下流側水素濃度センサが配置されている。三元触媒装置の測定温度又は推定温度が設定温度以上であり、三元触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比であると、三元触媒装置にＳＯ_Xが吸蔵されている場合には、このＳＯ_Xが放出され、排気ガス中の水素と反応して硫化水素が生成される。それにより、三元触媒装置においては、前述の水蒸気改質反応と水性ガスシフト反応とにより水素が生成されると共に、硫化水素の生成により一部の水素は消費されることとなる。こうして、下流側水素濃度センサにより検出される下流側水素濃度と上流側水素濃度センサにより検出される上流側水素濃度との差を検出すれば、水素が硫化水素の生成により消費されたか否かを推定することができる。硫化水素の生成により水素が消費されているのであれば、三元触媒装置からＳＯ_Xが放出されており、三元触媒装置は硫黄被毒していると判断することができる。

本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置よれば、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置において、三元触媒装置が硫黄被毒していると判断されている時には三元触媒装置の測定温度又は推定温度が設定温度未満とならないようにし、三元触媒装置へ流入する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ようになっている。それにより、三元触媒装置に吸蔵されているＳＯ_Xを全て放出させることができれば、三元触媒装置において硫化水素の生成に水素が消費されなくなり、三元触媒装置は硫黄被毒していないと判断されるようになる。

本発明による請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置において、三元触媒装置が硫黄被毒していると判断されている場合に、三元触媒装置の測定温度又は推定温度が設定温度以上のまま車両停止してアイドル状態となると、前述したように、依然として三元触媒装置からはＳＯ_Xが放出され、これが水素と反応して硫化水素が大気中へ放出されて異臭を発生することがあるために、三元触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリーンとして、三元触媒装置にＳＯ_Xが吸蔵されていてもＳＯ_Xの放出を抑制している。

図１は本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。同図において、１は機関排気系に配置された三元触媒装置であり、２は三元触媒装置１の上流側に配置された上流側水素濃度センサであり、３は三元触媒装置１の下流側に配置された下流側水素濃度センサである。

本実施形態において、内燃機関は、主に理論空燃比の均質燃焼を実施するものであり、三元触媒装置１は、この理論空燃比の排気ガスを良好に浄化することができる。しかしながら、高負荷又は高速運転時には、機関出力を高めるために、燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチ側としたり、また、低負荷運転時には、燃焼消費を低減するために、燃焼空燃比を理論空燃比よりリーン側としたりすることもあり、このような時には、三元触媒装置１のＯ₂ストレージ能力によって、三元触媒装置１内の排気ガスの空燃比は理論空燃比近傍とされる。

一般的には、機関排気系には酸素濃度センサが配置され、酸素濃度センサにより検出される排気ガス中の酸素濃度に基づき燃焼空燃比を推定するようになっているが、酸素濃度は、燃焼空燃比が理論空燃比（ストイキ）よりリッチとなる時には、ほぼゼロであるために、燃焼空燃比の変化に対する酸素濃度の変化は僅かとなるために、正確に燃焼空燃比を推定することができない。

図２の実線は、燃焼空燃比と水素濃度との関係を示すグラフであり、このように、燃焼空燃比がストイキよりリッチである時に、水素濃度は、燃焼空燃比がリッチであるほど（燃焼空燃比が小さいほど）顕著に高くなるために、燃焼空燃比の変化に対すると水素濃度の変化は大きくなる。それにより、本実施形態においては、上流側水素濃度センサ２により検出される排気ガス中の水素濃度に基づき燃焼空燃比を推定するようになっており、特に、燃焼空燃比がリッチである時には、正確に燃焼空燃比を推定することができる。正確に燃焼空燃比が推定されれば、所望燃焼空燃比が実現されるように燃料噴射量を制御することができる。

この一方で、燃焼空燃比がリーンである時には、燃焼空燃比の変化に対する水素濃度の変化は僅かである。それにより、燃焼空燃比がリーンである時にも、上流側水素濃度センサ２により検出される水素濃度に基づき燃焼空燃比を推定することは可能であるが、三元触媒装置１の上流側に、上流側水素濃度センサ２と共に酸素濃度センサを配置して、排気ガス中の酸素濃度を検出するようにすれば、酸素濃度は、燃焼空燃比がリーンであるほど（燃焼空燃比が大きいほど）顕著に高くなって、燃焼空燃比の変化に対すると水素濃度の変化は大きくなるために、燃焼空燃比がリーンである時には、酸素濃度センサにより検出される酸素濃度に基づき燃焼空燃比を推定するようにしても良い。

ところで、排気ガスが三元触媒装置又はＮＯ_X吸蔵還元触媒装置のような酸化機能を有する触媒装置を通過すると、水蒸気改質反応として、次式（１）に示すように排気ガス中のＨＣが水蒸気と反応して水素は生成され、また、水性ガスシフト反応として、次式（２）に示すように排気ガス中のＣＯが水蒸気と反応して水素が生成される。
ＣＨ₂＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋２Ｈ₂ （１）
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ （２）

それにより、上流側水素濃度センサ２により水素濃度を検出する排気ガスは触媒装置を通過していないことが好ましく、本実施形態において、上流側水素濃度センサ２の上流側には触媒装置は配置されていない。

また、排気ガス中のＳＯ_Xが三元触媒装置１に担持されているバリウム又はカリウム等と反応して三元触媒装置１に吸蔵されると（以下、硫黄被毒と称する）、三元触媒装置１に担持されている貴金属触媒の機能を低下させて活性化温度を高めたり、また、三元触媒装置１に担持されているセリアのＯ₂ストレージ能力を低下させたりする。

三元触媒装置１に吸蔵されたＳＯ_Xは、三元触媒装置１の温度が設定温度以上の高温となると共に三元触媒装置１内の酸素濃度が低下すれば、三元触媒装置１から放出される。例えば、車両の高負荷走行又は高速走行時等には、高温の排気ガスにより三元触媒装置１の温度が設定温度以上となり、また、この時の燃焼空燃比は理論空燃比又はリッチ空燃比とされて、排気ガス中の酸素濃度が低下するために、三元触媒装置１から自動的にＳＯ_Xが放出される。

本実施形態においては、上流側水素濃度センサ２と下流側水素濃度センサ３とを使用して、図３に示すフローチャートにより、三元触媒装置１の劣化を判断したり、硫黄被毒を解消したりするようになっている。

先ず、ステップ１０１において、三元触媒装置１の測定温度Ｔ（又は推定温度）が設定温度Ｔ１以上であるか否かが判断される。この判断が否定される時には、三元触媒装置１からはＳＯ_Xが放出されることはない。この時には、ステップ１０２において、下流側水素濃度センサ３により検出される下流側水素濃度Ｃ２と上流側水素濃度センサ２により検出される上流側水素濃度Ｃ１との差Ｃが算出される。この差Ｃは、前述の水蒸気改質反応及び水性ガスシフト反応により生成された水素量に基づくものとなる。

これらの反応が活発であれば三元触媒装置１は劣化しておらず、これらの反応が不活発となれば三元触媒装置１は劣化していると判断することができる。それにより、ステップ１０３において、下流側水素濃度Ｃ２と上流側水素濃度Ｃ１との差Ｃを補正係数ｋにより補正した値が設定濃度Ｄ以下であるか否かが判断される。ここで、三元触媒装置１の劣化程度が一定である時において、排気ガスの空燃比に基づき推定される排気ガス中に含まれる炭化水素（ＣＨ₂）及び一酸化炭素（ＣＯ）が多いほど、また、三元触媒装置１の温度が高いほど、水蒸気改質反応及び水性ガスシフト反応が活発となるために、補正係数ｋは小さくされる。図２の点線は、燃焼空燃比とＣＯ濃度との関係を示している。

それにより、補正係数ｋにより補正された差Ｃは、現在の排気ガス中に含まれる炭化水素及び一酸化炭素の量及び現在の三元触媒装置１の温度に係わらずに、現在の三元触媒装置１の劣化程度に反比例する値となる。こうして、ステップ１０３の判断が肯定される時には、三元触媒装置１は十分に劣化していると判断することができる。例えば、ステップ１０３の判断が複数回連続して肯定されるようになった時に、三元触媒装置１は十分に劣化していると判断するようにしても良い。

本フローチャートでは、三元触媒装置１において起こる酸化還元反応である水蒸気改質反応及び水性ガスシフト反応により三元触媒装置１の劣化を直接的に判断するようになっており、Ｏ₂ストレージ能力の低下等により間接的に三元触媒装置１の劣化を判断する場合より劣化判断が正確となる。

一方、ステップ１０１の判断が肯定される時には、ステップ１０５において、ステップ１０２と同様に、下流側水素濃度Ｃ２と上流側水素濃度Ｃ１との差Ｃが算出される。この時には、車両の高負荷走行又は高速走行等により三元触媒装置１が高温度とされ、燃焼空燃比は理論空燃比又はリッチ空燃比とされているために、三元触媒装置１が硫黄被毒していれば、三元触媒装置１からはＳＯ_Xが放出される。

放出されたＳＯ_Xは、次式（３）に示すように水素と反応して硫化水素が生成される。
ＳＯ₂＋３Ｈ₂→Ｈ₂Ｓ＋２Ｈ₂Ｏ （３）
それにより、ステップ１０５において算出された下流側水素濃度Ｃ２と上流側水素濃度Ｃ１との差Ｃが、現在の排気ガス中に含まれる炭化水素及び一酸化炭素の量と、現在の三元触媒装置１の温度と、現在の三元触媒装置１の劣化程度とを考慮して推定された水蒸気改質反応及び水性ガスシフト反応により生成された水素量に基づく水素濃度Ｃ’とほぼ等しいか否かがステップ１０６において判断され、この判断が肯定される時には、硫化水素の生成によって水素が消費されておらず、すなわち、三元触媒装置１からはＳＯ_Xが放出されていないこととなる。

この時には、三元触媒装置１は硫黄被毒していないと判断されてそのまま終了する。それにより、以下に説明するように、燃焼空燃比をリッチ又はリーンとする必要がなく、三元触媒装置１のＯ₂ストレージ能力により吸蔵されている酸素量が過剰に増減することはない。

しかしながら、ステップ１０６の判断が否定される時には、水素が消費されて硫化水素が生成されていることとなり、三元触媒装置１からはＳＯ_Xが放出され、三元触媒装置１は硫黄被毒していると判断される。本フローチャートでは、次いで、ステップ１０７において、車両が停止したか否かが判断される。この判断が否定され、すなわち、車両が走行している時には、ステップ１０８において、燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにし、三元触媒装置１からＳＯ_Xを放出させ続ける。この時には、硫化水素が生成されるが、車両走行中には、生成された硫化水素が車内へ流入するようなことはない。

しかしながら、高負荷走行又は高速走行直後に車両停止した時には、三元触媒装置１からのＳＯ_Xの放出により硫化水素が生成されると、車内へ流入して運転者等が異臭を感じることとなるために、ステップ１０７の判断が肯定される時には、ステップ１０９において、燃焼空燃比をリーンにして、ＳＯ_Xの放出を抑制することにより、硫化水素が生成され難くしている。

本フローチャートにおいて、ステップ１０２及び１０５において、上流側水素濃度センサ２により三元触媒装置１の上流側水素濃度Ｃ１を検出するようにしたが、例えば、酸素濃度センサ等により燃焼空燃比が推定されれば、この推定燃焼空燃比に基づき上流側水素濃度Ｃ１を推定するようにしても良い。

本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。 燃焼空燃比に対する水素濃度及び一酸化炭素濃度の変化を示すグラフである。 本発明による内燃機関の排気浄化装置の制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 三元触媒装置
２ 上流側水素濃度センサ
３ 下流側水素濃度センサ

Claims (5)

1. 機関排気系の触媒装置の上流側に上流側水素濃度センサを配置し、前記上流側水素濃度センサにより検出される排気ガス中の水素濃度に基づき理論空燃比よりリッチの時の燃焼空燃比を推定し、機関排気系の触媒装置の上流側に酸素濃度センサを配置し、前記酸素濃度センサにより検出される排気ガス中の酸素濃度に基づき理論空燃比よりリーンの時の燃焼空燃比を推定することを特徴する内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記触媒装置は三元触媒装置であり、前記三元触媒装置の下流側には下流側水素濃度センサが配置され、前記三元触媒装置の測定温度又は推定温度が設定温度未満である時に、前記下流側水素濃度センサにより検出される下流側水素濃度と前記上流側水素濃度センサにより検出される上流側水素濃度との差に基づき、前記三元触媒装置の劣化程度を推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記触媒装置は三元触媒装置であり、前記三元触媒装置の下流側には下流側水素濃度センサが配置され、前記三元触媒装置の測定温度又は推定温度が設定温度以上であり、前記三元触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比である時に、前記下流側水素濃度センサにより検出される下流側水素濃度と前記上流側水素濃度センサにより検出される上流側水素濃度との差に基づき、前記三元触媒装置が硫黄被毒しているか否かを判断する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記三元触媒装置が硫黄被毒していると判断されている時には前記三元触媒装置の測定温度又は推定温度が設定温度未満とならないようにし、前記三元触媒装置へ流入する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ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記三元触媒装置が硫黄被毒していると判断されている場合に、前記三元触媒装置の測定温度又は推定温度が設定温度以上のまま車両停止してアイドル状態となった時には、前記三元触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリーンとすることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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