JP4760289B2 - 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。

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。

しかしながら、意図するように追加燃料がＮＯ_X触媒装置に供給されなかったり、また、ＮＯ_X触媒装置の酸化触媒が劣化していたりすると、良好な再生処理が実施されないことがある。これを放置すると、排気ガス中のＮＯ_XはＮＯ_X触媒装置に吸蔵されることなく大気中へ放出されてしまう。

それにより、良好な再生処理が実施されたか否かを正確に判断することが必要であり、良好な再生処置が実施されかなった時には、例えば、これを運転者に警告して異常個所の交換又は修理を促すことが必要である。ところで、ＮＯ_X触媒装置の下流側にＨＣ濃度センサを配置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２００４−３２４５６６

例えば、再生処理時において、ＨＣ濃度センサにより検出されるＨＣ濃度が設定濃度より高ければ、ＮＯ_X触媒装置へ供給された追加燃料が燃焼及びＮＯ_Xの還元浄化により十分に消費されていないこととなり、良好な再生処理が実施されなかったと判断することができる。しかしながら、検出されるＨＣ濃度が設定濃度より低くても、ＮＯ_X触媒装置へ意図するように追加燃料が供給されていないことも考えられ、良好な再生処理が実施されたと判断することができない。

従って、本発明の目的は、ＮＯ_X触媒装置の再生処理が良好に実施されたか否かを簡単且つ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、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、前記ＮＯ_X触媒装置の下流側に配置されたＣＯ₂濃度センサとを具備し、再生処理中に前記ＣＯ₂濃度センサにより検出されたＣＯ₂濃度に基づき、追加燃料が前記ＮＯ_X触媒装置において十分に消費されて良好な再生処理が実施されたか否かを判断し、前記ＣＯ ₂ 濃度センサにより検出された再生処理中のＣＯ ₂ 濃度の上昇値が設定値以上であった場合には、良好な再生処理が実施された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、さらに、前記ＮＯ_X触媒装置の下流側に配置されたＨＣ濃度センサを具備し、前記ＣＯ₂濃度に基づき追加燃料が前記ＮＯ_X触媒装置において十分に消費されず良好な再生処理が実施されていないと判断された時には、再生処置中に前記ＨＣ濃度センサにより検出されたＨＣ濃度に基づき、前記ＮＯ_X触媒装置をすり抜けた追加燃料量が多くて前記ＮＯ_X触媒装置の酸化能力が低下していたか、又は、前記ＮＯ_X触媒装置をすり抜けた追加燃料量が少なくて意図するように追加燃料が前記ＮＯ_X触媒装置へ供給されなかったかを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、ＮＯ_X触媒装置の下流側に配置されたＣＯ₂濃度センサを具備し、再生処理中にＣＯ₂濃度センサにより検出されたＣＯ₂濃度に基づき、追加燃料がＮＯ_X触媒装置において十分に消費されて良好な再生処理が実施されたか否かを判断し、ＣＯ ₂ 濃度センサにより検出された再生処理中のＣＯ ₂ 濃度の上昇値が設定値以上であった場合には、良好な再生処理が実施されたと判断するようになっている。再生処理中のＮＯ_X触媒装置下流側のＣＯ₂濃度は、気筒内から排出されるＣＯ₂の濃度と追加燃料がＮＯ_X触媒装置において酸化及びＮＯ_Xの還元浄化により消費されて生成されるＣＯ₂の濃度との和である。ＣＯ ₂ 濃度センサにより検出された再生処理中のＣＯ ₂ 濃度の上昇値は、ＮＯ _X 触媒装置において実際に消費された追加燃料量に対応しており、これが設定値以上である場合には、追加燃料がＮＯ _X 触媒装置において十分に消費されて良好な再生処理が実施されたこととなる。それにより、ＮＯ_X触媒装置の下流側に配置されたＣＯ₂濃度センサにより再生処置中のＣＯ₂濃度を検出するだけで、追加燃料がＮＯ_X触媒装置において十分に消費された良好な再生処理が実施されたか否かを簡単且つ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、さらに、ＮＯ_X触媒装置の下流側に配置されたＨＣ濃度センサを具備し、ＣＯ₂濃度センサにより検出されたＣＯ₂濃度に基づき追加燃料がＮＯ_X触媒装置において十分に消費されずに良好な再生処理が実施されていないと判断された時には、再生処置中にＨＣ濃度センサにより検出されたＨＣ濃度に基づき、ＮＯ_X触媒装置をすり抜けた追加燃料量が多くてＮＯ_X触媒装置の酸化能力が低下していたか、又は、ＮＯ_X触媒装置をすり抜けた追加燃料量が少なくて意図するように追加燃料がＮＯ_X触媒装置へ供給されなかったかを判断するようになっている。再生処置中において、燃焼空燃比はリーンであるために、気筒内から排出される未燃燃料量は僅かであり、ＨＣ濃度センサにより検出されるＨＣ濃度は、ＮＯ_X触媒装置をすり抜けた追加燃料量に対応している。こうして、ＮＯ_X触媒装置の下流側に配置されたＨＣ濃度センサにより再生処置中のＨＣ濃度を検出すれば、良好な再生処理が実施されていない場合に、その原因として、ＮＯ_X触媒装置の酸化能力が低下していたか、又は、意図するように追加燃料がＮＯ_X触媒装置へ供給されなかったかを判断することができる。

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。２０はＮＯ_X触媒装置１０の排気直下流側に配置されたＣＯ₂濃度センサであり、３０はＮＯ_X触媒装置１０の排気直下流側に配置されたＨＣ濃度センサである。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４０が配置されている。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４０により適当量の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、例えば、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４０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、適当量の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、燃焼せずにＮＯ_Xの還元浄化にも使用されないＮＯ_X触媒装置１０を単に通過する燃料は僅かな量となり、良好な再生処理が実現される。

しかしながら、燃料供給装置４０の噴孔の詰まり等によって、燃料供給装置４０へ追加燃料の供給指令が発せられても、燃料供給装置４０から追加燃料が全く供給されないか、又は、僅かな追加燃料しか供給されないことがあり、また、燃料供給装置４０とＮＯ_X触媒装置１０とが比較的離れている場合において、燃料供給装置４０から適当量の追加燃料が供給されても、適当量の追加燃料が途中の排気通路に付着する等してＮＯ_X触媒装置１０へ供給されないこともある。また、適当量の追加燃料がＮＯ_X触媒装置１０へ供給されても、ＮＯ_X触媒装置１０が担持する酸化触媒の酸化能力が劣化等により低下していることもある。

これらの場合には、追加燃料をＮＯ_X触媒装置において良好に燃焼させ、既燃ガス中の酸素濃度を十分に低下させてＮＯ_Xを放出させることができないために、良好な再生処理は実施されず、これを放置すると、排気ガス中のＮＯ_XはＮＯ_X触媒装置１０へ吸蔵されずに大気中へ放出されてしまう。それにより、良好な再生処理が実施されなかったことを正確に判断して運転者に警告し、異常個所の修理又は交換を促し、早期に良好な再生処理が実現されるようにすることが必要である。

図２は、良好な再生処理が実施されたか否かを判断するための第一フローチャートである。先ず、ステップ１０１において、再生時期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そのまま終了するが、この肯定される時にはステップ１０２において、ＣＯ₂濃度センサ２０により再生処理中に検出されたＣＯ₂濃度に基づき算出される追加燃料に対するＣＯ₂濃度上昇値ΔＣ１が設定ＣＯ₂濃度Ａ以上であるか否かが判断される。

ＣＯ₂濃度センサ２０のより検出されるＣＯ₂濃度は図３に示すように変化し、時刻ｔ１においては、燃料供給装置４０から供給された追加燃料がＮＯ_X触媒装置１０へ到達を開始している。それにより、ＣＯ₂濃度センサ２０のより検出されるＣＯ₂濃度は、再生処理時において気筒内から排出されるＣＯ₂の濃度Ｃ０に、ＮＯ_X触媒装置１０において追加燃料が燃焼及び放出ＮＯ_Xの還元浄化に使用される際に生成されるＣＯ₂の濃度が加わって、ピーク値がＣ１（又はＣ１’）となる。こうして、追加燃料に対するＣＯ₂濃度上昇値ΔＣ１はＣ１−Ｃ０により算出される。

図３に実線で示すように、ＣＯ₂濃度上昇値ΔＣ１が比較的大きな設定ＣＯ₂濃度Ａ以上である場合には、確実に所望量の追加燃料がＮＯ_X触媒装置１０に供給されて、その多くがＮＯ_X触媒装置１０において燃焼及び放出ＮＯ_Xの還元浄化に使用されたこととなる。この時には、ステップ１０２の判断が肯定され、ステップ１０６において、良好な再生処理が実施されたと判断される。

しかしながら、ＣＯ₂濃度センサ２０のより検出されるＣＯ₂濃度のピーク値Ｃ１’が、図３に点線で示すように低い場合には、僅かな追加燃料しかＮＯ_X触媒装置１０において燃焼及び放出ＮＯ_Xの還元浄化に使用されておらず、この時には、ＣＯ₂濃度上昇値ΔＣ１（Ｃ１’−Ｃ０）は設定ＣＯ₂濃度Ａより小さくなるために、ステップ１０２の判断が否定され、良好な再生処理が実施されなかったと判断することができる。

図２に示すフローチャートでは、良好な再生処理が実施されなかった原因を明らかにするために、ステップ１０２の判断が否定される時には、ステップ１０３において、ＨＣ濃度センサ３０により再生処理中に検出されたＨＣ濃度のピーク値が設定ＨＣ濃度Ｂ以上であるか否かが判断される。

ＨＣ濃度センサ３０のより検出されるＨＣ濃度は図４に示すように変化し、時刻ｔ１においては、燃料供給装置４０から供給された追加燃料がＮＯ_X触媒装置１０へ到達を開始している。再生処理時において燃焼空燃比はリーンであり、気筒内からは殆どＨＣは排出されないために、時刻ｔ１以前において、ＨＣ濃度センサ３０のより検出されるＨＣ濃度は、ほぼ０である。しかしながら、時刻ｔ１以降においては、ＮＯ_X触媒装置１０へ到達した追加燃料の少なくとも一部がＮＯ_X触媒装置１０をすり抜けるために、ＨＣ濃度のピーク値Ｃ２（又はＣ２’）が検出される。

図４に実線で示すように、ＨＣ濃度のピーク値Ｃ２が比較的大きな設定ＨＣ濃度Ｂ以上である場合には、確実に所望量の追加燃料がＮＯ_X触媒装置１０に供給されているが、その多くがＮＯ_X触媒装置１０をすり抜けたこととなり、この時にはステップ１０３の判断が肯定され、ステップ１０４において、ＮＯ_X触媒装置１０が担持する酸化触媒の酸化能力が劣化等により低下していると判断する。それにより、運転者にはＮＯ_X触媒装置１０の交換を促すことができる。

一方、ＨＣ濃度センサ３０のより検出されるＨＣ濃度のピーク値Ｃ２’が、図４に点線で示すように低い場合には、僅かな追加燃料しかＮＯ_X触媒装置１０に供給されていないこととなる。この時には、ＨＣ濃度のピーク値Ｃ２’は設定ＨＣ濃度Ｂより小さくなり、ステップ１０３の判断が否定され、ステップ１０５において、適当量の追加燃料がＮＯ_X触媒装置１０へ供給されていないと判断する。それにより、運転者には燃料供給装置４０の点検等を促すことができる。

図５は、良好な再生処理が実施されたか否かを判断するための第二フローチャートである。第一フローチャートとの違いについてのみ以下に説明する。第二フローチャートでは、ステップ２０２において、ＣＯ₂濃度センサ２０により検出されたＣＯ₂濃度に基づき算出される再生処理中の追加燃料に対して増加するＣＯ₂濃度と、エアフローメータ（図示せず）により検出される再生処理中の吸入空気量とに基づき、ＮＯ_X触媒装置１０において酸化及び放出ＮＯ_Xの還元浄化に使用された追加燃料量Ｆ１を算出し、この使用された追加燃料量Ｆ１と、燃料供給装置４０から供給されたはずの追加燃料量Ｆ２との比が第一設定比Ｒ以上であるか否かが判断される。

ステップ２０２の判断が肯定される時には、供給されたはずの追加燃料量Ｆ２に対して実際に多くの追加燃料量がＮＯ_X触媒装置１０において酸化及びＮＯ_Xの還元浄化に使用されており、ステップ２０６において、良好な再生処理が実施されたと判断される。しかしながら、ステップ２０２の判断が否定される時には、供給されたはずの追加燃料量Ｆ２に対して実際には僅かな追加燃料量しかＮＯ_X触媒装置１０において酸化及びＮＯ_Xの還元浄化に使用されておらず、良好な再生処置は実施されなかったと判断することができる。

その原因を明らかにするために、ステップ２０３では、ＨＣ濃度センサ３０により検出された再生処理中のＨＣ濃度と、エアフローメータ（図示せず）により検出される再生処理中の吸入空気量とに基づき、ＮＯ_X触媒装置１０からすり抜けた追加燃料量Ｆ３を算出し、このすり抜け追加燃料量Ｆ３と、燃料供給装置４０から供給されたはずの追加燃料量Ｆ２との比が第二設定比Ｓ以上であるか否かが判断される。

ステップ２０３の判断が肯定される時には、供給されたはずの追加燃料量Ｆ２に対して実際に多くの追加燃料量がＮＯ_X触媒装置１０からすり抜けており、ステップ２０４において、ＮＯ_X触媒装置１０が担持する酸化触媒の酸化能力が劣化等により低下していると判断することができる。

一方、ステップ２０３の判断が否定される時には、供給されたはずの追加燃料量Ｆ２に対して実際には僅かな追加燃料量しかＮＯ_X触媒装置１０をすり抜けておらず、しかしながら、この時には、供給されたはずの追加燃料量Ｆ２に対して実際に僅かな追加燃料量Ｆ１しかＮＯ_X触媒装置１０において酸化及びＮＯ_Xの還元浄化に使用されておらず、すなわち、供給されたはずの追加燃料量Ｆ２が実際にはＮＯ_X触媒装置１０へ供給されていないこととなる。それにより、ステップ２０５において、適当量の追加燃料がＮＯ_X触媒装置１０へ供給されていないと判断することができる。

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。 良好な再生処理が実施されたか否かを判断するための第一フローチャートである。 ＣＯ₂濃度センサにより検出されるＣＯ₂濃度の変化を示すタイムチャートである。 ＨＣ濃度センサにより検出されるＨＣ濃度の変化を示すタイムチャートである。 良好な再生処理が実施されたか否かを判断するための第二フローチャートである。

符号の説明

１０ ＮＯ_X触媒装置
２０ ＣＯ₂濃度センサ
３０ ＨＣ濃度センサ
４０ 燃料供給装置

Claims (2)

1. ＮＯ_X触媒装置と、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、前記ＮＯ_X触媒装置の下流側に配置されたＣＯ₂濃度センサとを具備し、再生処理中に前記ＣＯ₂濃度センサにより検出されたＣＯ₂濃度に基づき、追加燃料が前記ＮＯ_X触媒装置において十分に消費されて良好な再生処理が実施されたか否かを判断し、前記ＣＯ ₂ 濃度センサにより検出された再生処理中のＣＯ ₂ 濃度の上昇値が設定値以上であった場合には、良好な再生処理が実施されたと判断することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. さらに、前記ＮＯ_X触媒装置の下流側に配置されたＨＣ濃度センサを具備し、前記ＣＯ₂濃度に基づき追加燃料が前記ＮＯ_X触媒装置において十分に消費されず良好な再生処理が実施されていないと判断された時には、再生処置中に前記ＨＣ濃度センサにより検出されたＨＣ濃度に基づき、前記ＮＯ_X触媒装置をすり抜けた追加燃料量が多くて前記ＮＯ_X触媒装置の酸化能力が低下していたか、又は、前記ＮＯ_X触媒装置をすり抜けた追加燃料量が少なくて意図するように追加燃料が前記ＮＯ_X触媒装置へ供給されなかったかを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。

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