JP4710864B2 - 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し、特に、ＮＯｘ吸蔵能力を有する触媒を備えた排気浄化装置に関する。

内燃機関、特に、リーンバーン運転を行う内燃機関には、リーン雰囲気下において排気ガス中のＮＯｘを吸蔵することのできる触媒（ＮＯｘ吸蔵還元触媒）が備えられている。この触媒が有するＮＯｘ吸蔵能力は、使用に伴う経時変化によって次第に低下することが知られている。ＮＯｘ吸蔵能力の高低は排気浄化装置全体としてのＮＯｘの浄化性能を左右するため、ＮＯｘ吸蔵能力の低下が検出された場合には、その原因に応じた適切な処置を施すことが求められる。

触媒のＮＯｘ吸蔵能力が低下する原因には、触媒が高温雰囲気に晒されることによる熱劣化と、排気ガスに含まれる硫黄成分が触媒に吸着されることによる被毒とがある。熱劣化によって低下したＮＯｘ吸蔵能力を回復することは難しく、基準レベル以上のＮＯｘ浄化性能を維持するためには、熱劣化した触媒は新品に交換する必要がある。これに対し、硫黄被毒によって低下した触媒のＮＯｘ吸蔵能力は、しかるべき再生処理、例えば触媒床温を昇温しつつ内部をリッチ雰囲気にして硫黄成分を酸化除去することで回復することができる。このように、触媒のＮＯｘ吸蔵能力の低下原因が熱劣化か硫黄被毒かによって、取るべき処置は異なったものになる。

特許文献１には、触媒のＮＯｘ吸蔵能力の低下原因を特定するための技術が開示されている。触媒がＮＯｘの放出を完了し、その後、排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したとき、触媒下流におけるＮＯｘ濃度の時間変化は熱劣化の場合と硫黄被毒の場合とで大きく異なっている。特許文献１に記載の技術はこの点に着目したものであり、触媒の下流にＮＯｘ濃度センサを配置し、それにより検出されるＮＯｘ濃度の時間変化率からＮＯｘ吸蔵能力の低下原因を特定するようにしている。
特開２００４−６０５１８号公報 特開２００５−１０５８７１号公報 特開２００３−８３１４５号公報

しかしながら、現時点におけるＮＯｘ濃度センサの信頼性は十分とは言い難い。このため、ＮＯｘ濃度センサの出力値に基づいた判定方法では、ＮＯｘ濃度センサの出力特性の経時変化によって判定結果にばらつきが生じるおそれがある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、信頼性の高いシステムを用いて触媒のＮＯｘ吸蔵能力の低下原因を正確に特定できるようにした内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気浄化装置であって、
内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスの空燃比がストイキよりもリーンな状態において排気ガス中のＮＯｘを吸蔵する触媒と、
前記触媒の下流に配置された感受性の異なる２つの酸素センサと、
排気ガスの空燃比をストイキ或いはリッチに変更して前記触媒からＮＯｘを放出させ、ＮＯｘの放出が完了したら排気ガスの空燃比を再びリーンに変更する空燃比制御手段と、
排気ガスの空燃比がリーンに変更された後、前記２つの酸素センサの一方の出力値が所定値以下になってから前記２つの酸素センサのもう一方の出力値が所定値以下になるまでの時間差を計測する時間差計測手段と、
前記時間差が所定の基準時間差未満であれば、前記触媒が硫黄に被毒していると判定する硫黄被毒判定手段と、
を備えたことをとしている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記触媒のＮＯｘの吸蔵量を推定するＮＯｘ吸蔵量推定手段と、
前記時間差が所定の基準時間差以上であり、且つ、ＮＯｘの推定吸蔵量が所定の基準量未満であれば、前記触媒が熱劣化していると判定する熱劣化判定手段と、
をさらに備えたことを特徴としている。

また、第３の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気浄化装置であって、
内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスの空燃比がストイキよりもリーンな状態において排気ガス中のＮＯｘを吸蔵する触媒と、
前記触媒の下流に配置された感受性の異なる２つの酸素センサと、
排気ガスの空燃比をストイキ或いはリッチに変更して前記触媒からＮＯｘを放出させ、ＮＯｘの放出が完了したら排気ガスの空燃比を再びリーンに変更する空燃比制御手段と、
排気ガスの空燃比がリーンに変更された後、前記２つの酸素センサの一方の出力値が所定値以下になってから前記２つの酸素センサのもう一方の出力値が所定値以下になるまでの時間差を計測する時間差計測手段と、
前記触媒のＮＯｘの吸蔵量を推定するＮＯｘ吸蔵量推定手段と、
前記時間差が所定の基準時間差以上であり、且つ、ＮＯｘの推定吸蔵量が所定の基準量未満であれば、前記触媒が熱劣化していると判定する熱劣化判定手段と、
を備えたことを特徴としている。

第１の発明によれば、触媒の硫黄被毒を信頼性の高い酸素センサを用いて検出することが可能であり、硫黄被毒を原因とする触媒のＮＯｘ吸蔵能力の低下に対して適切な処置を施すことができる。しかも、硫黄被毒の判定は感受性の異なる２つの酸素センサの出力挙動差に基づいた判定であるので、酸素センサの出力特性の経時変化が判定結果に与える影響を抑えることができる。

さらに、第２の発明によれば、触媒のＮＯｘ吸蔵能力の低下原因が触媒の硫黄被毒であるのか熱劣化であるのかを精度よく判定することが可能であり、ＮＯｘ吸蔵能力の低下原因に応じた適切な処置を施すことができる。

第３の発明によれば、触媒の熱劣化を信頼性の高い酸素センサを用いて検出することが可能であり、熱劣化を原因とする触媒のＮＯｘ吸蔵能力の低下に対して適切な処置を施すことができる。しかも、熱劣化の判定は感受性の異なる２つの酸素センサの出力挙動差に基づいた判定であるので、酸素センサの出力特性の経時変化が判定結果に与える影響を抑えることができる。

図１は本発明が適用される内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。本実施の形態にかかる内燃機関２は、ストイキよりもリーンな空燃比での運転（リーンバーン運転）が可能な内燃機関である。内燃機関２には排気通路４が接続されている。排気通路４には排気ガス中のＮＯｘを浄化するためのＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、触媒という）６が配置されている。この触媒６はリーン雰囲気下で排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、ストイキ或いはリッチ雰囲気下で吸蔵ＮＯｘを放出、還元する特性を有している。

排気通路４における触媒６の下流には、感受性に差がある２つの酸素センサ８，１０が配置されている。酸素センサの感受性はセンサ素子を覆うカバーの形状を変えることで高めたり低めたりすることができる。例えば、カバーに開けられている換気孔の個数を減らすか孔径を小さくすれば、カバー内の換気が進まなくなる。その結果、排気通路４を流れる排気ガスの組成の変化に対するセンサ素子の出力の応答性は低下することになる。つまり、酸素センサの感受性は低くなる。ここでは酸素センサ８を感受性が高いほうとし、酸素センサ１０を感受性が低いほうとする。２つの酸素センサ８，１０は、触媒６からほぼ等距離に配置されている。

内燃機関２の運転はＥＣＵ（Electronic Control Unit）１２によって制御されている。このＥＣＵ１２には、酸素センサ８，１０の出力値に基づいて触媒６の劣化を判定する機能が具備されている。以下、本実施の形態で実行される触媒６の劣化判定の方法について説明する。

図２は触媒６の下流におけるＮＯｘ濃度の時間変化を示した図である。この図では、リッチスパイク、すなわち、排気ガスの空燃比を一時的にリッチして触媒６から吸蔵ＮＯｘを放出させる処理を実行した後のＮＯｘ濃度の変化を示している。図に示すように、リーンバーン運転の再開から暫く経つと触媒６の下流におけるＮＯｘ濃度が増大し始める。このときのＮＯｘ濃度の変化の様子は、触媒６が新品の場合と、触媒６が熱劣化した場合と、触媒６が硫黄被毒した場合とで異なっている。

触媒６の新品時には、図中に実線で示すように、触媒６の下流におけるＮＯｘ濃度は時間の経過とともに緩やかに増大していく。触媒６が熱劣化している場合は、図中に破線で示すように、新品時に比較してＮＯｘ濃度は高めであるが、その変化は新品時と同様に比較的緩やかなものとなる。これに対し、触媒６が硫黄被毒している場合は、図中に一点鎖線で示すように、ＮＯｘ濃度の変化の立ち上がりは急激であり、熱劣化している場合とは全く異なった変化の様相を示す。

触媒６の下流におけるＮＯｘ濃度の変化は、触媒６の下流に配置された２つの酸素センサ８，１０の出力値にも影響する。図３、図４は各酸素センサ８，１０の出力値の変化をＮＯｘ濃度の変化と対応させて示す図である。図３は、触媒６の新品時における各酸素センサ８，１０の出力値の変化と、触媒６の熱劣化時における各酸素センサ８，１０の出力値の変化とを対比させて示している。図４は、触媒６の新品時における各酸素センサ８，１０の出力値の変化と、触媒６の硫黄被毒時における各酸素センサ８，１０の出力値の変化とを対比させて示している。

各図のＮＯｘ濃度の変化を示すグラフにおいて、実線で示す縦軸の基準線は、感受性の低い酸素センサ１０が応答するＮＯｘ濃度である。また、各図の出力値の変化を示すグラフにおいて、実線は感受性の低い酸素センサ１０の出力値の変化を示している。触媒６の下流におけるＮＯｘ濃度が実線で示す基準線を超えるタイミングで、酸素センサ１０の出力値はリッチ出力からリーン出力へと反転する。つまり、縦軸に点線で示す基準出力値（例えば０．５Ｖ）を下回る。

各図のＮＯｘ濃度の変化を示すグラフにおいて、破線で示す縦軸の基準線は、感受性の高い酸素センサ８が応答するＮＯｘ濃度である。また、各図の出力値の変化を示すグラフにおいて、破線は感受性の高い酸素センサ８の出力値の変化を示している。触媒６の下流におけるＮＯｘ濃度が破線で示す基準線を超えるタイミングで、酸素センサ８の出力値はリッチ出力からリーン出力へと反転する。

各図に示すように、感受性の違いによって２つの酸素センサ８，１０の応答タイミング（出力値の反転タイミング）には時間差Ｔ１がある。この応答時間差Ｔ１は、触媒６が新品の場合と、触媒６が熱劣化した場合と、触媒６が硫黄被毒した場合とでその大きさに違いがある。図３に示すように、触媒６が新品の場合と触媒６が熱劣化した場合とでは、応答時間差Ｔ１に大きな差はない。これに対し、触媒６が新品の場合と触媒６が硫黄被毒した場合とでは、応答時間差Ｔ１には大きな差が生じる。触媒６が硫黄被毒した場合の応答時間差Ｔ１は、触媒６が新品の場合や熱劣化の場合と比較して極めて小さい。

以上のことから、２つの酸素センサ８，１０の応答時間差Ｔ１を測定することで、触媒６が硫黄被毒した場合と、その他の場合（触媒６が新品の場合及び熱劣化した場合）とを明確に判別することができる。

触媒６が硫黄被毒してない場合、触媒６は新品か若しくは熱劣化していることになる。その判別は触媒６のＮＯｘ吸蔵量に基づいて行うことができる。触媒６が熱劣化しているならば、そのＮＯｘ吸蔵量は新品時に比較して大きく低下するためである。したがって、触媒６のＮＯｘ吸蔵量が低下したとき、２つの酸素センサ８，１０の応答時間差Ｔ１があまり小さくなっていなければ、その低下原因は触媒６の熱劣化であり、応答時間差Ｔ１が小さくなっていれば、その低下原因は触媒６の硫黄被毒であると判定することができる。なお、触媒６のＮＯｘ吸蔵量を推定計算する方法としては、従来、種々の方法が提案されている。本実施の形態ではＮＯｘ吸蔵量の推定計算の方法に限定はない。例えば、酸素センサ８，１０の応答タイミングから凡そのＮＯｘ吸蔵量を推定計算することもできる。リッチスパイク後の酸素センサ８，１０の応答タイミングが早くなるほど、触媒６のＮＯｘ吸蔵量は低下しているものと推定できるからである。

ＥＣＵ１２は、上記方法で判定した触媒６の劣化状態に基づいて内燃機関２を制御する。図５は、触媒６の劣化判定とその判定結果に基づいた内燃機関２の制御のルーチンを示すフローチャートである。

図５に示すルーチンの最初のステップＳ２では、２つの酸素センサ８，１０の応答時間差Ｔ１が読み込まれる。次のステップＳ４では、応答時間差Ｔ１が所定の基準時間差ｔ未満であるか否か判定される。この基準時間差ｔは触媒６の硫黄被毒とその他の場合（触媒６が新品の場合及び熱劣化した場合）とを判別する閾値であり、実験結果から決定される。そして、応答時間差Ｔ１が基準時間差ｔ未満であれば、触媒６は硫黄被毒していると判定される。

触媒６が硫黄被毒している場合には、ステップＳ６の処理が実施される。ステップＳ６では、まず、硫黄被毒回復制御が行われる。この硫黄被毒回復制御では、触媒６を高温且つリッチ雰囲気にさらすことで、触媒６から硫黄成分を脱離させることが行われる。硫黄被毒回復制御の終了後は、続いて硫黄被毒影響回避制御が行われる。硫黄被毒によってＮＯｘ吸蔵量が低下すると、リーンバーン運転時にＮＯｘの吹き抜けが起きるおそれがある。そこで、硫黄被毒影響回避制御では、空燃比制御におけるリーンの頻度を少なくすることが行われる。この硫黄被毒影響回避制御は、後述するステップＳ１６の処理が実行されるまで継続して行われる。

ステップＳ６の判定の結果、応答時間差Ｔ１が基準時間差ｔ以上のときには、続いてステップＳ８の判定が行われる。ステップＳ８では、触媒６のＮＯｘ吸蔵量が所定の基準量以下か否か判定される。ＮＯｘ吸蔵量が基準量以下になっていれば、触媒６は熱劣化していると判定される。その場合には、ステップＳ１８に進み、触媒６の異常を報知する信号が出力される。

ステップＳ８の判定の結果、触媒６のＮＯｘ吸蔵量が基準量を超えている場合には、ステップＳ１０の処理が実行される。ステップＳ１０では、硫黄被毒影響回避制御が実行されているか否か判定される。硫黄被毒影響回避制御が実行されていれば、さらに、ステップＳ１２の処理が実行される。ステップＳ１２では、硫黄被毒影響回避制御の継続時間が所定の基準時間Ｔｓを超えているか否か判定される。継続時間が基準時間Ｔｓを超えていれば、さらに、ステップＳ１４の処理が実行される。ステップＳ１４では、前述の応答時間差Ｔ１が基準時間差ｔを超えた時点からの経過時間、すなわち、硫黄被毒の影響がなくなってからの経過時間が所定の基準時間Ｔ０を超えているか否か判定される。この経過時間が基準時間Ｔ０を超えた場合にはステップＳ１６に進み、硫黄被毒影響回避制御が解除される。

以上説明したように、本実施の形態の排気浄化装置によれば、触媒６のＮＯｘ吸蔵能力の低下原因が触媒６の硫黄被毒であるのか熱劣化であるのかを信頼性の高い酸素センサ８，１０を用いて精度よく判定し、ＮＯｘ吸蔵能力の低下原因に応じた適切な処置を施すことができる。しかも、硫黄被毒か熱劣化かの判定は感受性の異なる２つの酸素センサ８，１０の出力挙動差に基づいた判定であるので、酸素センサ８，１０の出力特性の経時変化が判定結果に与える影響を抑えることができるという利点もある。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明が適用される内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。 触媒の下流におけるＮＯｘ濃度の時間変化を示した図である。 触媒の新品時における各酸素センサの出力値の変化と、触媒の熱劣化時における各酸素センサの出力値の変化とを対比させて示す図である。 触媒の新品時における各酸素センサの出力値の変化と、触媒の硫黄被毒時における各酸素センサの出力値の変化とを対比させて示す図である。 本発明の実施の形態にて実行される触媒の劣化判定とその判定結果に基づいた内燃機関の制御のルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

２ 内燃機関
４ 排気通路
６ 触媒
８ 酸素センサ（感受性低）
１０ 酸素センサ（感受性高）
１２ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスの空燃比がストイキよりもリーンな状態において排気ガス中のＮＯｘを吸蔵する触媒と、
   前記触媒の下流に配置された感受性の異なる２つの酸素センサと、
   排気ガスの空燃比をストイキ或いはリッチに変更して前記触媒からＮＯｘを放出させ、ＮＯｘの放出が完了したら排気ガスの空燃比を再びリーンに変更する空燃比制御手段と、
   排気ガスの空燃比がリーンに変更された後、前記２つの酸素センサの一方の出力値が所定値以下になってから前記２つの酸素センサのもう一方の出力値が所定値以下になるまでの時間差を計測する時間差計測手段と、
   前記時間差が所定の基準時間差未満であれば、前記触媒が硫黄に被毒していると判定する硫黄被毒判定手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記触媒のＮＯｘの吸蔵量を推定するＮＯｘ吸蔵量推定手段と、
   前記時間差が所定の基準時間差以上であり、且つ、ＮＯｘの推定吸蔵量が所定の基準量未満であれば、前記触媒が熱劣化していると判定する熱劣化判定手段と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスの空燃比がストイキよりもリーンな状態において排気ガス中のＮＯｘを吸蔵する触媒と、
   前記触媒の下流に配置された感受性の異なる２つの酸素センサと、
   排気ガスの空燃比をストイキ或いはリッチに変更して前記触媒からＮＯｘを放出させ、ＮＯｘの放出が完了したら排気ガスの空燃比を再びリーンに変更する空燃比制御手段と、
   排気ガスの空燃比がリーンに変更された後、前記２つの酸素センサの一方の出力値が所定値以下になってから前記２つの酸素センサのもう一方の出力値が所定値以下になるまでの時間差を計測する時間差計測手段と、
   前記触媒のＮＯｘの吸蔵量を推定するＮＯｘ吸蔵量推定手段と、
   前記時間差が所定の基準時間差以上であり、且つ、ＮＯｘの推定吸蔵量が所定の基準量未満であれば、前記触媒が熱劣化していると判定する熱劣化判定手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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