JP4640062B2

JP4640062B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4640062B2
Application number: JP2005263945A
Authority: JP
Inventors: 俊祐利岡; 信也広田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2025-09-12
Also published as: JP2007077827A

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

リーン空燃比での燃焼を実施する内燃機関が公知であり、このような内燃機関の排気通路には、ＮＯ_Xを浄化するためのＮＯ_X触媒装置が配置されている。ＮＯ_X触媒装置は、酸素濃度の高いリーン空燃比の排気ガスからＮＯ_Xを良好に吸蔵するものであるが、無制限にＮＯ_Xを吸蔵することはできない。それにより、ＮＯ_X触媒装置のＮＯ_X吸蔵量が飽和する以前に、ＮＯ_X触媒装置へ流入する既燃ガス中の酸素濃度を低下させることにより吸蔵されたＮＯ_Xを放出させ、放出させたＮＯ_Xを既燃ガス中の未燃ＨＣ及びＣＯ等の還元物質により還元浄化させるＮＯ_X触媒装置の再生処理が必要となる。

再生処理においては、リーン空燃比の既燃ガス中に気筒内又は排気通路において追加燃料（ＨＣ）を混入させてＮＯ_X触媒装置へ供給することとなる。こうしてＮＯ_X触媒装置へ供給された追加燃料の一部は、ＮＯ_X触媒装置に担持された酸化触媒によって既燃ガス中の酸素を消費して燃焼（酸化）させられ、既燃ガス中の酸素濃度を低下させる。また、追加燃料の残りは、酸素濃度の低下によりＮＯ_X触媒装置から放出されたＮＯ_Xを還元浄化するのに使用される。

ＮＯ_X触媒装置の下流側にＨＣ濃度センサを配置し、ＮＯ_X触媒装置の再生処理中において、ＨＣ濃度センサによりＮＯ_X触媒装置をすり抜けたすり抜け燃料量を測定し、ＮＯ_X触媒装置に供給された追加燃料量に対してのすり抜け燃料量の割合が多ければ、ＮＯ_X触媒装置の酸化能力が異常低下していると判断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１１−８１９９４特開２００３−１７６７１４特開平１０−２５９７１３実用新案第２５８２３０７号

ところで、再生処理において所望の追加燃料量に対して僅かな量しかＮＯ_X触媒装置へ供給されない追加燃料の異常減量が発生することがある。これを判断するために、例えば、再生処理中のＮＯ_X触媒装置の温度上昇値を単に測定するようにしても意味はない。すなわち、測定された温度上昇値が設定値を超えていれば、追加燃料の異常減量は発生していないと判断することができるが、測定された温度上昇値が設定値を下回っていても、ＮＯ_X触媒装置の酸化能力が異常低下している場合があるために、追加燃料の異常減量が発生していると判断することはできない。

従って、本発明の目的は、ＮＯ_X触媒装置の再生処理に際して追加燃料の異常減量の発生を正確に判断可能とす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、ＮＯ_X触媒装置と、前記ＮＯ_X触媒装置の排気下流側に配置されたＨＣ濃度センサと、再生処理に際して前記ＮＯ_X触媒装置へ流入する既燃ガス中に追加燃料を供給する燃料供給手段と、再生処理中の前記ＮＯ_X触媒装置の温度上昇値を直接的又は間接的に測定する温度上昇測定手段とを具備し、前記温度上昇測定手段により測定された前記温度上昇値が設定値以下である時に、前記ＨＣ濃度センサにより測定される再生処理中のすり抜け燃料量が設定量以下であれば、前記追加燃料の異常減量が発生していると判断することを特徴とする。

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、前記温度上昇測定手段により測定された前記温度上昇値が設定値以下である時に、前記ＨＣ濃度センサにより測定される再生処理中の前記すり抜け燃料量が前記設定量より多ければ、前記ＮＯ_X触媒装置の酸化能力が異常低下していると判断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、温度上昇測定手段により測定された再生処理中のＮＯ_X触媒装置の温度上昇値が設定値以下である時には、追加燃料の異常減量が発生している場合だけでなく、ＮＯ_X触媒装置の酸化能力の異常低下が発生している場合も考えられるために、ＨＣ濃度センサにより検出される再生処理中のすり抜け燃料量が設定量以下である時に限り、追加燃料の異常減量が発生していると判断するようにしている。それにより、ＮＯ_X触媒装置の再生処理に際して追加燃料の異常減量の発生を正確に判断することができる。

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、温度上昇測定手段により測定された温度上昇値が設定値以下である時に、ＨＣ濃度センサにより検出される再生処理中のすり抜け燃料量が設定量より多ければ、追加燃料の異常減量ではなく、ＮＯ_X触媒装置の酸化能力が異常低下していると判断するようにしている。

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、１０は排気通路に配置されたＮＯ_X触媒装置である。ＮＯ_X触媒装置１０の排気下流側には、ＮＯ_X触媒装置１０から流出する既燃ガスのＨＣ濃度を検出するためのＨＣ濃度センサ２０が配置されている。また、ＮＯ_X触媒装置１０の排気上流側には、ＮＯ_X触媒装置１０へ流入する既燃ガスへ燃料を供給するための燃料供給装置３０が配置されている。４０はＮＯ_X触媒装置１０の温度を直接的に測定するためにＮＯ_X触媒装置１０に取り付けられた温度センサである。ＮＯ_X触媒装置１０の温度を間接的に測定するために温度センサ４０をＮＯ_X触媒装置１０の直下流に配置して、ＮＯ_X触媒装置１０から流出した直後の既燃ガス温度を測定してＮＯ_X触媒装置１０の温度を推定するようにしても良い。本実施形態の内燃機関は、希薄燃焼を実施する内燃機関（例えばディーゼルエンジン）であり、排気ガス中には比較的多くのＮＯ_Xが含まれている。

ＮＯ_X触媒装置１０は、アルミナ等を使用して以下に説明するＮＯ_X吸蔵触媒と白金Ｐｔのような貴金属触媒とが担持されたモノリス担体又はペレット担体を有するものである。また、ＮＯ_X触媒装置１０は、排気ガスがコージライトのような多孔質材料から形成された隔壁を通過するようにしたパティキュレートフィルタの隔壁表面及び細孔内にＮＯ_X吸蔵触媒と貴金属触媒を担持させたものとしても良い。

ＮＯ_X吸蔵触媒は、例えば、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。このＮＯ_X吸蔵触媒は、流入する既燃ガスの空燃比がリーンの時、すなわち、酸素濃度が高い時にはＮＯ_Xを吸蔵し、空燃比が理論空燃比又はリッチになると、すなわち、酸素濃度が低下すると、吸蔵したＮＯ_Xを放出するＮＯ_Xの吸放出作用を行う。このＮＯ_Xの吸放出に際して、活性酸素が放出され、この活性酸素は輝炎を発生させることなくパティキュレートを酸化除去することができるために、ＮＯ_X触媒装置１０をパティキュレートフィルタとすれば、捕集されたパティキュレートは自動的に酸化除去される。

ところで、ＮＯ_X触媒装置１０は、無制限にＮＯ_Xを吸蔵することはできず、ＮＯ_Xの放出作用を利用して、ＮＯ_X触媒装置１０のＮＯ_X吸蔵量が飽和する以前に、流入する既燃ガスの空燃比をリッチにして、吸蔵されたＮＯ_Xを放出させて還元浄化するＮＯ_X触媒装置１０の再生処理を実施することが必要となる。例えば、機関運転状態毎の単位時間当たりのＮＯ_X排出量を予めマップ化しておき、各機関運転状態においてＮＯ_X排出量を積算すれば、この積算値をＮＯ_X触媒装置１０のＮＯ_X吸蔵量とすることができる。このＮＯ_X吸蔵量が設定値に達した時にＮＯ_X触媒装置１０の再生時期と判断することができる。このように再生時期を判断することなく、設定車両走行時間毎又は設定車両走行距離毎に再生時期として再生処理を実施するようにしても良い。

再生処理においては、理論空燃比よりリーンな空燃比の既燃ガスに燃料供給装置３０により追加燃料を供給して、ＮＯ_X触媒装置１０へ流入する既燃ガスの空燃比を所望リッチ空燃比（又は理論空燃比）とすることとなる。燃料供給装置３０が設けられていない場合には、気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁により、膨張行程又は排気行程において気筒内のリーン空燃比の既燃ガスへ追加燃料を噴射して、ＮＯ_X触媒装置１０へ流入する既燃ガスの空燃比を所望リッチ空燃比としても良い。

こうして、追加燃料が混入されると共に比較的多量の酸素を含む既燃ガスがＮＯ_X触媒装置１０へ流入すると、追加燃料の一部は、ＮＯ_X触媒装置１０に担持された酸化触媒によって既燃ガス中の酸素を消費して燃焼（酸化）させられ、既燃ガス中の酸素濃度が低下する。それにより、ＮＯ_X触媒装置１０からＮＯ_Xが放出されると、放出されたＮＯ_Xは追加燃料の残りによって還元浄化される。

燃料供給装置３０によって意図するように追加燃料が供給されてＮＯ_X触媒装置１０へ流入する既燃ガスの空燃比が所望リッチ空燃比とされ、また、ＮＯ_X触媒装置１０の酸化能力が正常であれば、前述したように良好な再生処理が実現される。しかしながら、燃料噴射装置３０の噴孔が異物により狭められて燃料供給装置３０により供給される追加燃料が所望量に対して僅かな量となったり、又は、劣化又は液状燃料付着等によってＮＯ_X触媒装置１０の酸化能力がかなり低下したりしていると、良好な再生処理が実現されず、それ以降は、ＮＯ_X触媒装置１０によって大気中へ放出されるＮＯ_X量を十分に低減することができなくなる。それにより、このような追加燃料の異常減量及び酸化能力の異常低下をそれぞれに正確に判断して、燃料供給装置３０の交換又は修理や、ＮＯ_X触媒装置１０の交換又は液状燃料除去等を迅速に行うことが必要である。

本排気浄化装置は、図２に示すフローチャートによって、追加燃料の異常減量やＮＯ_X触媒装置１０の酸化能力の異常低下を判断するようになっている。先ず、ステップ１０１において、再生時期となって再生処理が実施されるか否かが判断される。この判断が否定される時にはそのまま終了するが、燃料噴射弁３０により追加燃料が供給されて再生処理が実施される時には、ステップ１０２へ進む。ステップ１０２では、温度センサ４０により再生処理中のＮＯ_X触媒装置１０の温度上昇値ΔＴが測定され、この温度上昇値ΔＴの最大値ΔＴｍａｘが設定値Ｔ１以下であるか否かが判断される。

再生処理中のＮＯ_X触媒装置１０の温度上昇値ΔＴは、図３のタイムチャートに示すように変化する。燃料供給装置３０により供給された追加燃料は、時刻ｔ１から時刻ｔ３の間においてＮＯ_X触媒装置１０へ到達して貴金属触媒により酸化させられる。ＮＯ_X触媒装置１０へ到達する単位時間当たりの燃料量は、時刻ｔ１から徐々に増加し、時刻ｔ２において最多となって、その後、徐々に減少する。それにより、時刻ｔ２においては、単位時間当たりの最多の燃料が燃焼し、また、同時に、放出されたＮＯ_Xの還元浄化も活発に行われ、このＮＯ_Xの還元浄化の発熱も加わって、ＮＯ_X触媒装置１０の温度上昇値ΔＴは最大値ΔＴｍａｘとなる。

こうして、再生処理において、燃料供給装置３０が所望量の追加燃料を供給し、また、ＮＯ_X触媒装置１０の酸化能力が正常であれば、ＮＯ_X触媒装置１０の時刻ｔ２における温度上昇の最大値ΔＴｍａｘは、図３の実線で示すように、設定値Ｔ１より大きくなる。すなわち、ステップ１０２の判断が否定される時には、追加燃料の異常減量及び酸化能力の異常低下はいずれも発生しておらず、そのまま終了する。

しかしながら、図３の点線で示すように、ＮＯ_X触媒装置１０の時刻ｔ２における温度上昇の最大値ΔＴｍａｘが設定値Ｔ１以下である時には、追加燃料の異常減量及び酸化能力の異常低下のいずれかが発生していることとなる。この時には、ステップ１０２の判断は肯定され、ステップ１０３において、ＨＣ濃度センサ２０のより検出されるＨＣ濃度Ｃの最大値Ｃｍａｘが設定濃度Ｃ１以下であるか否かが判断される。追加燃料の異常減量及び酸化能力の異常低下がいずれも発生していない場合において、単位時間当たりの最多の燃料がＮＯ_X触媒装置１０へ到達する時刻ｔ２の近傍において、ある程度の燃料がＮＯ_X触媒装置１０をすり抜けるために、図３に実線で示すように、ＨＣ濃度Ｃが最大値Ｃｍａｘとなる。燃料供給装置３０のより供給される追加燃料量を減少させれば、すり抜け燃料を減少させることができるが、これでは、放出されたＮＯ_Xを十分に還元浄化させることができなくなる。

追加燃料の異常減量及び酸化能力の異常低下のいずれかが発生している場合において、時刻ｔ２近傍のすり抜け燃料によるＨＣ濃度Ｃの最大値Ｃｍａｘが設定値Ｃ１以下であるならば、ステップ１０３の判断が肯定され、この時には、燃料供給装置３０により供給された追加燃料量が異常に少ないために、ＮＯ_X触媒装置１０の温度上昇値ΔＴが小さくなっており、ステップ１０４において、追加燃料の異常減量と判断される。

一方、時刻ｔ２近傍のすり抜け燃料によるＨＣ濃度Ｃの最大値Ｃｍａｘが設定値Ｃ１より大きければ、ステップ１０３の判断が否定され、この時には、燃料供給装置３０により供給された追加燃料量は正常であるが、ＮＯ_X触媒装置１０の酸化能力が異常低下しているために、ＮＯ_X触媒装置１０の温度上昇値ΔＴが小さくなっており、ステップ１０５において、酸化能力の異常低下と判断される。

図２に示すフローチャートにおいて、ステップ１０２の判断では、ＮＯ_X触媒装置１０の温度上昇の最大値ΔＴｍａｘを閾値Ｔ１と比較するようになっている。ここで、再生処理の開始時におけるＮＯ_X触媒装置１０の温度が高いほどＮＯ_X触媒装置の酸化能力が高まって燃料を良好に燃焼させるはずであるために、再生処理の開始時におけるＮＯ_X触媒装置１０の温度が高いほど閾値Ｔ１を高くするようにしても良い。

また、ステップ１０３の判断では、ＮＯ_X触媒装置１０から流出する既燃ガス中のＨＣ濃度の最大値Ｃｍａｘを閾値Ｃ１と比較するようになっている。これは、再生処理中に燃料供給装置１０により供給された追加燃料量に対してＮＯ_X触媒装置をすり抜けた燃料量の割合が大きいか小さいかを判断するのと同等である。再生処理時に燃料供給装置３０から単位時間当たりに供給される追加燃料量は、前述したように、ＮＯ_X触媒装置１０へ流入する既燃ガスの空燃比を所望リッチ空燃比とするように設定され、一般的に、吸入空気量が多いほど多くなり、機関回転数が高いほど多くなる。

さらに、再生処理毎の燃焼空燃比が一定ではなく異なる可能性がある場合には、燃焼空燃比がリーン側であるほど燃料供給装置３０により単位時間当たりに供給される追加燃料量は多くなり、ＮＯ_X触媒装置の酸化能力が正常であってもＮＯ_X触媒装置１０をすり抜ける燃料量は多くなり、結果として、ＨＣ濃度は高くなる。それにより、再生処理時の燃焼空燃比がリーンであるほど、ステップ１０３の閾値Ｃ１を大きく設定することが好ましい。また、再生処置中においてＨＣ濃度センサにより検出されるＨＣ濃度に基づきＮＯ_X触媒装置１０をすり抜けた積算燃料量（又は、単位時間当たりの最大すり抜け燃料量）を、再生処理中に燃料供給装置１０により供給される追加燃料量に基づき設定される閾値と比較するようにして、再生処理中に燃料供給装置１０により供給された追加燃料量に対してＮＯ_X触媒装置をすり抜けた燃料量の割合が大きいか小さいかを判断するようにしても良い。本実施形態において、追加燃料の異常減量は、再生処理時に燃料供給装置３０から全く追加燃料が供給されない場合も含んでいる。

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。再生処理時の追加燃料の異常減量及びＮＯ_X触媒装置の酸化能力の異常低下を判断するためのフローチャートである。ＮＯ_X触媒装置の温度上昇値及びＮＯ_X触媒装置から流出する既燃ガス中のＨＣ濃度の変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

１０ＮＯ_X触媒装置
２０ＨＣ濃度センサ
３０燃料供給装置
４０温度センサ

Claims

ＮＯ_X触媒装置と、前記ＮＯ_X触媒装置の排気下流側に配置されたＨＣ濃度センサと、再生処理に際して前記ＮＯ_X触媒装置へ流入する既燃ガス中に追加燃料を供給する燃料供給手段と、再生処理中の前記ＮＯ_X触媒装置の温度上昇値を直接的又は間接的に測定する温度上昇測定手段とを具備し、前記温度上昇測定手段により測定された前記温度上昇値が設定値以下である時に、前記ＨＣ濃度センサにより測定される再生処理中のすり抜け燃料量が設定量以下であれば、前記追加燃料の異常減量が発生していると判断することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記温度上昇測定手段により測定された前記温度上昇値が設定値以下である時に、前記ＨＣ濃度センサにより測定される再生処理中の前記すり抜け燃料量が前記設定量より多ければ、前記ＮＯ_X触媒装置の酸化能力が異常低下していると判断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。