JP5196015B2 - 硫黄成分検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、硫黄成分検出装置に関する。
排気ガス中のＳＯＸ濃度を検出するためのＳＯＸ濃度センサが公知である。一般的なＳＯＸ濃度センサは、固体電解質においてＳＯＸが硫酸イオンに変化することにより生じる起電力を測定し、排気ガス中のＳＯＸ濃度を検出するようにしている。しかしながら、このような瞬時のＳＯＸ濃度を検出するＳＯＸ濃度センサでは、排気ガス中のＳＯＸ濃度が低いと、正確なＳＯＸ濃度を検出することが難しくなる。
このような瞬時の排気ガス中のＳＯＸ濃度を検出することはできないが、一定期間の間に排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量を検出することができる硫黄成分検出装置が提案されている（特許文献１参照）。
この硫黄成分検出装置は、排気ガス中に含まれるＳＯＸを保持するＳＯＸ保持材を有し、ＳＯＸ保持材に保持されたＳＯＸ量の増大に伴って変化するＳＯＸ保持材の電気抵抗、体積、又は、熱容量等の特性を計測し、計測された特性から一定期間の間に排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量を検出するようにしている。
このような瞬時の排気ガス中のＳＯＸ濃度を検出することはできないが、一定期間の間に排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量を検出することができる硫黄成分検出装置が提案されている（特許文献１参照）。
この硫黄成分検出装置は、排気ガス中に含まれるＳＯＸを保持するＳＯＸ保持材を有し、ＳＯＸ保持材に保持されたＳＯＸ量の増大に伴って変化するＳＯＸ保持材の電気抵抗、体積、又は、熱容量等の特性を計測し、計測された特性から一定期間の間に排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量を検出するようにしている。
電気抵抗、体積、又は、熱容量等の特性変化を正確に計測することは困難であり、前述の硫黄成分検出装置では、一定期間の間に排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量を正確に検出することができないことがある。
従って、本発明の目的は、一定期間の間に排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量又はこの積算量に基づく値を比較的正確に検出することができる硫黄成分検出装置を提供することである。
従って、本発明の目的は、一定期間の間に排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量又はこの積算量に基づく値を比較的正確に検出することができる硫黄成分検出装置を提供することである。
本発明による請求項１に記載の硫黄成分検出装置は、排気ガス通路を通過する排気ガス中のＳＯＸ及びＮＯＸを保持する保持部と、前記保持部の温度を測定する温度センサとを有し、前記保持部は、ＳＯＸ保持量が増加するほどＮＯＸ保持量が減少し、設定温度となるとＳＯＸを放出することなくＮＯＸを放出するものであり、前記保持部が加熱されて前記設定温度となった時からの前記保持部の加熱パターンと前記温度センサにより検出される前記保持部の温度変化との関係に基づき前記ＳＯＸ保持量を推定し、一定期間の間に前記排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量又は前記積算量に基づく値を検出することを特徴とする。
本発明による請求項２に記載の硫黄成分検出装置は、請求項１に記載の硫黄成分検出装置において、前記加熱パターンはＮＯＸが保持されていない時の前記保持部の温度を単位時間当たり一定温度だけ上昇させるものであり、前記保持部にＮＯＸが保持されている間は、前記加熱パターンに対して前記保持部の温度が単位時間当たり前記一定温度より小さな温度しか上昇しないようになり、前記保持部が単位時間当たりに前記一定温度より小さな温度しか上昇しない期間においてＮＯＸが放出されているとして前記保持部からのＮＯＸの全放出量を推定し、ＮＯＸの前記全放出量に基づき前記ＳＯＸ保持量を推定することを特徴とする。
本発明による請求項３に記載の硫黄成分検出装置は、請求項１又は２に記載の硫黄成分検出装置において、前記保持部は排気ガスによる加熱により前記設定温度以上となり、前記排気ガスによる前記加熱パターンに基づき前記ＳＯＸ保持量が推定されることを特徴とする。
本発明による請求項４に記載の硫黄成分検出装置は、請求項１又は２に記載の硫黄成分検出装置において、前記保持部を加熱する電気ヒータが設けられ、前記保持部は前記電気ヒータによる加熱により前記設定温度以上となり、前記電気ヒータによる前記加熱パターンに基づき前記ＳＯＸ保持量が推定されることを特徴とする。
本発明による請求項５に記載の硫黄成分検出装置は、請求項１から４のいずれか一項に記載の硫黄成分検出装置において、前記保持部は、排気ガス中の酸素濃度が低下されると、保持しているＮＯＸを放出すると共に放出させたＮＯＸを排気ガス中の還元物質により還元するものであり、ＮＯＸの還元により発生する熱により前記保持部の温度が上昇することを利用して、必要に応じて、排気ガス中の酸素濃度を低下させてから前記温度センサにより検出される前記保持部の温度上昇値に基づき前記ＳＯＸ保持量を推定し、一定期間の間に前記排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量又は前記積算量に基づく値を検出することを特徴とする。
本発明による請求項２に記載の硫黄成分検出装置は、請求項１に記載の硫黄成分検出装置において、前記加熱パターンはＮＯＸが保持されていない時の前記保持部の温度を単位時間当たり一定温度だけ上昇させるものであり、前記保持部にＮＯＸが保持されている間は、前記加熱パターンに対して前記保持部の温度が単位時間当たり前記一定温度より小さな温度しか上昇しないようになり、前記保持部が単位時間当たりに前記一定温度より小さな温度しか上昇しない期間においてＮＯＸが放出されているとして前記保持部からのＮＯＸの全放出量を推定し、ＮＯＸの前記全放出量に基づき前記ＳＯＸ保持量を推定することを特徴とする。
本発明による請求項３に記載の硫黄成分検出装置は、請求項１又は２に記載の硫黄成分検出装置において、前記保持部は排気ガスによる加熱により前記設定温度以上となり、前記排気ガスによる前記加熱パターンに基づき前記ＳＯＸ保持量が推定されることを特徴とする。
本発明による請求項４に記載の硫黄成分検出装置は、請求項１又は２に記載の硫黄成分検出装置において、前記保持部を加熱する電気ヒータが設けられ、前記保持部は前記電気ヒータによる加熱により前記設定温度以上となり、前記電気ヒータによる前記加熱パターンに基づき前記ＳＯＸ保持量が推定されることを特徴とする。
本発明による請求項５に記載の硫黄成分検出装置は、請求項１から４のいずれか一項に記載の硫黄成分検出装置において、前記保持部は、排気ガス中の酸素濃度が低下されると、保持しているＮＯＸを放出すると共に放出させたＮＯＸを排気ガス中の還元物質により還元するものであり、ＮＯＸの還元により発生する熱により前記保持部の温度が上昇することを利用して、必要に応じて、排気ガス中の酸素濃度を低下させてから前記温度センサにより検出される前記保持部の温度上昇値に基づき前記ＳＯＸ保持量を推定し、一定期間の間に前記排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量又は前記積算量に基づく値を検出することを特徴とする。
本発明による請求項１に記載の硫黄成分検出装置によれば、保持部は、ＳＯＸ保持量が増加するほどＮＯＸ保持量が減少し、設定温度となるとＳＯＸを放出することなくＮＯＸを放出するものであり、保持部が加熱されて設定温度となった時からの保持部の加熱パターンと温度センサにより検出される保持部の温度変化との関係に基づき、保持部に保持されていたＮＯＸ保持量が推定可能であり、ＮＯＸ保持量が多いほど保持部に保持されているＳＯＸ保持量は少なくなるために、ＳＯＸ保持量を推定することができる。排気ガス通路を通過するＳＯＸ量の一定割合が硫黄成分検出装置の保持部に保持されるために、保持部に保持されているＳＯＸ保持量に基づき、一定期間の間に排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量又は積算量に基づく値を比較的正確に検出することができる。
本発明による請求項２に記載の硫黄成分検出装置によれば、請求項１に記載の硫黄成分検出装置において、保持部の加熱パターンはＮＯＸが保持されていない時の保持部の温度を単位時間当たり一定温度だけ上昇させるものであり、保持部にＮＯＸが保持されている間は、加熱パターンに対して保持部の温度が単位時間当たり一定温度より小さな温度しか上昇しないようになり、保持部が単位時間当たりに一定温度より小さな温度しか上昇しない期間においてＮＯＸが放出されているとして保持部からのＮＯＸの全放出量を推定し、ＮＯＸの全放出量に基づき保持部に保持されているＳＯＸ保持量を推定することができ、一定期間の間に排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量又は積算量に基づく値を比較的正確に検出することができる。
本発明による請求項３に記載の硫黄成分検出装置によれば、請求項１又は２に記載の硫黄成分検出装置において、保持部は排気ガスによる加熱により設定温度以上となり、排気ガスによる保持部の加熱パターンに基づき、この時に保持部に保持されているＳＯＸ保持量が推定され、一定期間の間に排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量又は積算量に基づく値を比較的正確に検出することができる。
本発明による請求項４に記載の硫黄成分検出装置によれば、請求項１又は２に記載の硫黄成分検出装置において、保持部を加熱する電気ヒータが設けられ、保持部は電気ヒータによる加熱により設定温度以上となり、電気ヒータによる保持部の加熱パターンに基づき、この時に保持部に保持されているＳＯＸ保持量が推定され、一定期間の間に排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量又は積算量に基づく値を比較的正確に検出することができる。
本発明による請求項５に記載の硫黄成分検出装置によれば、請求項１から４のいずれか一項に記載の硫黄成分検出装置において、保持部は、排気ガス中の酸素濃度が低下されると、保持しているＮＯＸを放出すると共に放出させたＮＯＸを排気ガス中の還元物質により還元するものであり、ＮＯＸの還元により発生する熱により保持部の温度が上昇することを利用して、必要に応じて、排気ガス中の酸素濃度を低下させてから温度センサにより検出される保持部の温度上昇値に基づき、保持部に保持されていたＮＯＸ保持量が推定可能であり、ＮＯＸ保持量が多いほど保持部に保持されているＳＯＸ保持量は少なくなるために、ＳＯＸ保持量を推定することができる。排気ガス通路を通過するＳＯＸ量の一定割合が硫黄成分検出装置の保持部に保持されるために、保持部に保持されているＳＯＸ保持量に基づき、一定期間の間に排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量又は積算量に基づく値を比較的正確に検出することができる。
本発明による請求項２に記載の硫黄成分検出装置によれば、請求項１に記載の硫黄成分検出装置において、保持部の加熱パターンはＮＯＸが保持されていない時の保持部の温度を単位時間当たり一定温度だけ上昇させるものであり、保持部にＮＯＸが保持されている間は、加熱パターンに対して保持部の温度が単位時間当たり一定温度より小さな温度しか上昇しないようになり、保持部が単位時間当たりに一定温度より小さな温度しか上昇しない期間においてＮＯＸが放出されているとして保持部からのＮＯＸの全放出量を推定し、ＮＯＸの全放出量に基づき保持部に保持されているＳＯＸ保持量を推定することができ、一定期間の間に排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量又は積算量に基づく値を比較的正確に検出することができる。
本発明による請求項３に記載の硫黄成分検出装置によれば、請求項１又は２に記載の硫黄成分検出装置において、保持部は排気ガスによる加熱により設定温度以上となり、排気ガスによる保持部の加熱パターンに基づき、この時に保持部に保持されているＳＯＸ保持量が推定され、一定期間の間に排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量又は積算量に基づく値を比較的正確に検出することができる。
本発明による請求項４に記載の硫黄成分検出装置によれば、請求項１又は２に記載の硫黄成分検出装置において、保持部を加熱する電気ヒータが設けられ、保持部は電気ヒータによる加熱により設定温度以上となり、電気ヒータによる保持部の加熱パターンに基づき、この時に保持部に保持されているＳＯＸ保持量が推定され、一定期間の間に排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量又は積算量に基づく値を比較的正確に検出することができる。
本発明による請求項５に記載の硫黄成分検出装置によれば、請求項１から４のいずれか一項に記載の硫黄成分検出装置において、保持部は、排気ガス中の酸素濃度が低下されると、保持しているＮＯＸを放出すると共に放出させたＮＯＸを排気ガス中の還元物質により還元するものであり、ＮＯＸの還元により発生する熱により保持部の温度が上昇することを利用して、必要に応じて、排気ガス中の酸素濃度を低下させてから温度センサにより検出される保持部の温度上昇値に基づき、保持部に保持されていたＮＯＸ保持量が推定可能であり、ＮＯＸ保持量が多いほど保持部に保持されているＳＯＸ保持量は少なくなるために、ＳＯＸ保持量を推定することができる。排気ガス通路を通過するＳＯＸ量の一定割合が硫黄成分検出装置の保持部に保持されるために、保持部に保持されているＳＯＸ保持量に基づき、一定期間の間に排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量又は積算量に基づく値を比較的正確に検出することができる。
図１は本発明による硫黄成分検出装置が配置された機関排気系を示す概略図であり、同図において、１は内燃機関の排気通路である。内燃機関は、ディーゼルエンジン又は筒内噴射式火花点火内燃機関のような希薄燃焼を実施する内燃機関である。このような内燃機関の排気ガス中には、比較的多くのＮＯＸが含まれるために、排気通路１には、ＮＯＸを浄化するためのＮＯＸ触媒装置２が配置されている。
ＮＯＸ触媒装置２には、ＮＯＸ保持材と白金Ｐｔのような貴金属触媒とが担持されている。ＮＯＸ保持材は、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。
ＮＯＸ触媒装置２は、排気ガスがリーン空燃比である時、すなわち、排気ガス中の酸素濃度が高い時に、排気ガス中のＮＯＸを良好に保持し、すなわち、硝酸塩として良好に吸収したり、ＮＯ２として良好に吸着したりする。しかしながら、無制限にＮＯＸを保持することはできず、ＮＯＸ保持量がＮＯＸ保持可能量に達してさらにＮＯＸを保持することができなくなる前に、再生処理として、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とし、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させる。それにより、保持ＮＯＸは離脱され、すなわち、吸収ＮＯＸは放出され、また、吸着ＮＯ２は脱離され、これら離脱ＮＯＸは排気ガス中の還元物質によりＮ２へ還元浄化される。
このようなＮＯＸ触媒装置２が排気ガス中のＳＯＸを硫酸塩として吸蔵してしまうと、硫酸塩は硝酸塩に比較して安定な物質であるために再生処理では放出させることができず、ＮＯＸ吸蔵可能量が低下してしまう（Ｓ被毒）。それにより、排気通路１のＮＯＸ触媒装置２の上流側には、排気ガス中のＳＯＸを吸蔵するＳトラップ装置３が配置され、ＮＯＸ触媒装置２のＳ被毒を抑制している。
本発明による硫黄成分検出装置４は、例えば、Ｓトラップ装置３とＮＯＸ触媒装置２との間に配置されて、Ｓトラップ装置３をすり抜けるＳＯＸの積算量を検出し、この積算量が設定値に達した時にはＳトラップ装置３の交換時期と判断することができる。
図２は、本発明による硫黄成分検出装置４の実施形態を示す概略断面図である。同図において、１０は基板であり、２０は基板１０に配置された熱電対等の温度センサである。３０は温度センサ２０の感温部を覆うように配置されたＮＯＸ及びＳＯＸ保持部である。４０は基板１０の温度センサ２０とは反対側に配置された電気ヒータである。ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０は、排気ガス中のＮＯＸ及びＳＯＸを保持するものであり、例えば、前述したＮＯＸ保持材と白金Ｐｔのような貴金属触媒とを温度センサ２０の感温部に塗布することにより形成することができる。
このようなＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０は、前述したように、排気ガス中のＮＯＸを硝酸塩として吸蔵し、排気ガス中のＳＯＸを硫酸塩として吸蔵する。ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０において、ＮＯＸ保持可能量とＳＯＸ保持可能量との合計は一定である。硝酸塩に比較して硫酸塩は安定な物質であるために、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０において、ＳＯＸ保持量は増加する一方であり、ＳＯＸ保持量が増加するほど、ＮＯＸ保持可能量は減少することとなる。
それにより、現在において、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０に、最大限にＮＯＸを保持させた時のＮＯＸ保持量を知ることができれば、このＮＯＸ保持量が少ないほどＳＯＸ保持量は多いこととなり、現在のＳＯＸ保持量を推定することができる。排気ガス通路１の硫黄成分検出装置４の配置位置を通過するＳＯＸ量の一定割合が硫黄成分検出装置４のＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０に保持されるために、現在のＳＯＸ保持量に基づき、最初に内燃機関を運転してから現在までの一定期間の間に排気ガス通路１の硫黄成分検出装置４の配置位置を通過したＳＯＸの積算量を比較的正確に検出することができる。
また、ＳＯＸの積算量に基づく値として、一定期間の間の排気ガス通路１の硫黄成分検出装置４の配置位置を通過した排気ガス中のＳＯＸ濃度の平均値を検出することもでき、また、一定期間の間の排気ガス通路１の硫黄成分検出装置４の配置位置を通過した排気ガス中の平均ＳＯＸ量を検出することもできる。
本実施形態の硫黄成分検出装置４では、以下に説明するように、電子制御装置によって、電気ヒータ４０を作動させる共に温度センサ２０の出力に基づき現在のＳＯＸ保持量を推定する。
ＮＯＸ保持材を使用したＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０は、例えば、設定温度Ｔ１（例えば５００°Ｃ）となると、排気ガスの酸素濃度を低下させなくても、ＳＯＸを放出することなくＮＯＸを放出する。
先ずは、硫黄成分検出装置４のＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の現在のＳＯＸ保持量を推定する際に、暫くの間において、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度が設定温度Ｔ１より十分に低い温度（例えば３００°Ｃ）であり、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０のＮＯＸ保持材及び貴金属触媒が十分に活性化していて、排気ガス中に比較的多量のＮＯＸが含まれる内燃機関の希薄燃焼が実施されていることが確認される。これが確認されれば、現在においてＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０には現在のＳＯＸ保持量に対して最大限にＮＯＸが保持されていることとなる。
次いで、図３に示すように、電気ヒータ４０を通電により発熱させてＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０を加熱し、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度を設定温度Ｔ１とする。この時ｔ０から電気ヒータ４０への通電量を制御して、ＮＯＸが全く保持されていなければ、一点鎖線で示すように、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度が単位時間ｄｔ当たりに一定温度ｄＴだけ上昇するような加熱パターンによりＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０を加熱する。
このような加熱パターンに対して、実際には、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度が設定温度Ｔ１となった時ｔ０からＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０に保持されているＮＯＸの放出が開始される。例えば、ＮＯＸが保持材としてバリウムＢａが使用されている場合には、
Ｂａ（ＮＯ３）２→ＢａＯ＋２ＮＯ＋３／２Ｏ２−６１９ｋＪ／ｍｏｌのような吸熱反応が起こる。
こうして、ＮＯＸが放出されている間は、ＮＯＸの放出に熱が必要とされるために、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度は、実線で示すように、単位時間ｄｔ当たり一定温度ｄＴより低い温度しか上昇しない。時刻ｔ１において、全てのＮＯＸが放出されると、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度は、実線で示すように、単位時間ｄｔ当たり一定温度ｄＴだけ上昇するようになる。
ここで、加熱パターンの一定温度ｄＴが高いほどＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０から単位時間当たりに放出されるＮＯＸ量が多くなり、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間においてＮＯＸが放出されているために、加熱パターンと時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間とに基づきＮＯＸの全放出量、すなわち、時刻ｔ０においてＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０に保持されていたＮＯＸ保持量を推定することができ、それにより、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の現在のＳＯＸ保持量を推定することができる。
ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０のＳＯＸ保持量がさらに増加して、ＮＯＸ保持可能量がさらに少なくなれば、ＮＯＸが全く保持されていないＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度を単位時間ｄｔ当たりに一定温度ｄＴだけ上昇させる同じ加熱パターンに対して、時刻ｔ１より早く全てのＮＯＸが放出されるために、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度は、点線で示すように、時刻ｔ１より早い時刻ｔ２において、単位時間ｄｔ当たり一定温度ｄＴだけ上昇するようになる。
ここで、ＮＯＸの全放出量は、簡単には、加熱パターンの一定温度ｄＴ毎に設定された単位時間当たりに放出されるＮＯＸ量に放出時間（ｔ０からｔ１又はｔ０からｔ２）を乗算することにより算出することができる。しかしながら、厳密には、単位時間当たりに放出されるＮＯＸ量は、加熱パターンの一定温度ｄＴだけでなく、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の各時刻の温度が高いほど多くなり、また、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０に各時刻において保持されているＮＯＸ量が多いほど多くなる。それにより、これらを考慮して、前述のように算出されたＮＯＸの全放出量を補正することが好ましい。
また、時刻ｔ０から時刻ｔ１（又はｔ２）までの間にＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０へ与えられた熱量と、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度を設定温度Ｔ１から時刻ｔ１（又はｔ２）における温度とするのに必要な熱量との差が、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０から全てのＮＯＸを放出するために使用された熱量となり、この熱量差が大きいほど放出されたＮＯＸ量が多いこととなるために、この熱量差に基づき時刻ｔ０においてＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０に保持されていたＮＯＸ保持量を推定するようにしても良い。厳密には、各時刻において、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度と周囲温度との差に基づく放熱が発生するために、各時刻の放熱量もＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０へ与えられた熱量から減算することが好ましい。
また、加熱パターンは、ＮＯＸが全く保持されていないＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度を単位時間ｄｔ当たりに一定温度ｄＴだけ上昇させるものに限定されず、単位時間ｄｔ当たりの温度上昇値が二段階に又は多段階に変化するものでも良い。いずれにしても、加熱パターンが明確となっていれば、加熱パターンとＮＯＸが放出されている時間（ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度が設定温度Ｔ１となってからＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の単位時間当たりの温度上昇値がその時のＮＯＸが全て放出されたことを示す予め設定された温度上昇値と一致するまでの時間）とに基づき、例えば前述の熱量差の考え方を利用して、ＮＯＸの全放出量を推定することができ、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の現在のＳＯＸ保持量を推定することができる。
本実施形態の硫黄成分検出装置４は、電気ヒータ４０によりＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０を加熱するようにしたが、これは本発明を限定するものではない。例えば、排気ガス温度が設定温度Ｔ１以上となる特定の定常運転状態が実施される時に、硫黄成分検出装置４のＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の現在のＳＯＸ保持量を推定することができる。
特定の定常運転状態においては、機関回転数及び機関負荷（高負荷）が一定であり、排気ガス流量が一定となり、排気ガス温度も設定温度Ｔ１以上の一定となる。この時には、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０は排気ガスにより加熱されて設定温度Ｔ１となり、その後の排気ガスによるＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の加熱パターンは、実験等により予め知ることができる。それにより、加熱パターンとＮＯＸが放出されている時間（ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度が設定温度Ｔ１となってからＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の単位時間当たりの温度上昇値がその時のＮＯＸが全て放出されたことを示す予め設定された温度上昇値と一致するまでの時間）とに基づき、例えば前述の熱量差の考え方を利用して、ＮＯＸの全放出量を推定することができ、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の現在のＳＯＸ保持量を推定することができる。
ところで、本実施形態の硫黄成分検出装置４は、排気ガス中の酸素濃度が低下すると、ＮＯＸ触媒装置２と同様に、保持しているＮＯＸを放出すると共に放出させたＮＯＸを排気ガス中の還元物質により還元する。このＮＯＸの還元により発生する熱によりＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度が上昇する。それにより、排気ガス中の酸素濃度を低下させてから全てのＮＯＸが放出及び還元された時のＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度上昇値、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させた時のＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度とその後のＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０のピーク温度との差を温度センサ２０により検出すれば、温度上昇値が高いほどＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０から放出されて還元されたＮＯＸ量が多いこととなり、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０に保持されていたＮＯＸ保持量を推定することができる。それにより、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の現在のＳＯＸ保持量を推定することができる。
例えば、ＮＯＸ触媒装置２の再生処理時においては、前述したように、排気ガスの空燃比がリッチとされて酸素濃度が低下される。この時にＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度を監視すれば、特に、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０を加熱することなく、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の現在のＳＯＸ保持量を推定することができる。
ここで、排気ガス中の酸素濃度を低下させた時に排気ガス中に含まれる酸素の一部は、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０において排気ガス中の還元物質を還元して発熱するために、この発熱量によるＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度上昇分は、測定されたＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度上昇値より減算されることが好ましい。それにより、排気ガス中の酸素濃度を低下させた時に排気ガス中に含まれる酸素量を予め推定又は測定しておき、この酸素量の特定割合がＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０において排気ガス中の還元物質を還元して発熱するとして、測定されたＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度上昇値より減算する温度上昇分を予め設定しておくことが好ましい。
ＮＯＸ触媒装置２には、ＮＯＸ保持材と白金Ｐｔのような貴金属触媒とが担持されている。ＮＯＸ保持材は、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。
ＮＯＸ触媒装置２は、排気ガスがリーン空燃比である時、すなわち、排気ガス中の酸素濃度が高い時に、排気ガス中のＮＯＸを良好に保持し、すなわち、硝酸塩として良好に吸収したり、ＮＯ２として良好に吸着したりする。しかしながら、無制限にＮＯＸを保持することはできず、ＮＯＸ保持量がＮＯＸ保持可能量に達してさらにＮＯＸを保持することができなくなる前に、再生処理として、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とし、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させる。それにより、保持ＮＯＸは離脱され、すなわち、吸収ＮＯＸは放出され、また、吸着ＮＯ２は脱離され、これら離脱ＮＯＸは排気ガス中の還元物質によりＮ２へ還元浄化される。
このようなＮＯＸ触媒装置２が排気ガス中のＳＯＸを硫酸塩として吸蔵してしまうと、硫酸塩は硝酸塩に比較して安定な物質であるために再生処理では放出させることができず、ＮＯＸ吸蔵可能量が低下してしまう（Ｓ被毒）。それにより、排気通路１のＮＯＸ触媒装置２の上流側には、排気ガス中のＳＯＸを吸蔵するＳトラップ装置３が配置され、ＮＯＸ触媒装置２のＳ被毒を抑制している。
本発明による硫黄成分検出装置４は、例えば、Ｓトラップ装置３とＮＯＸ触媒装置２との間に配置されて、Ｓトラップ装置３をすり抜けるＳＯＸの積算量を検出し、この積算量が設定値に達した時にはＳトラップ装置３の交換時期と判断することができる。
図２は、本発明による硫黄成分検出装置４の実施形態を示す概略断面図である。同図において、１０は基板であり、２０は基板１０に配置された熱電対等の温度センサである。３０は温度センサ２０の感温部を覆うように配置されたＮＯＸ及びＳＯＸ保持部である。４０は基板１０の温度センサ２０とは反対側に配置された電気ヒータである。ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０は、排気ガス中のＮＯＸ及びＳＯＸを保持するものであり、例えば、前述したＮＯＸ保持材と白金Ｐｔのような貴金属触媒とを温度センサ２０の感温部に塗布することにより形成することができる。
このようなＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０は、前述したように、排気ガス中のＮＯＸを硝酸塩として吸蔵し、排気ガス中のＳＯＸを硫酸塩として吸蔵する。ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０において、ＮＯＸ保持可能量とＳＯＸ保持可能量との合計は一定である。硝酸塩に比較して硫酸塩は安定な物質であるために、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０において、ＳＯＸ保持量は増加する一方であり、ＳＯＸ保持量が増加するほど、ＮＯＸ保持可能量は減少することとなる。
それにより、現在において、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０に、最大限にＮＯＸを保持させた時のＮＯＸ保持量を知ることができれば、このＮＯＸ保持量が少ないほどＳＯＸ保持量は多いこととなり、現在のＳＯＸ保持量を推定することができる。排気ガス通路１の硫黄成分検出装置４の配置位置を通過するＳＯＸ量の一定割合が硫黄成分検出装置４のＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０に保持されるために、現在のＳＯＸ保持量に基づき、最初に内燃機関を運転してから現在までの一定期間の間に排気ガス通路１の硫黄成分検出装置４の配置位置を通過したＳＯＸの積算量を比較的正確に検出することができる。
また、ＳＯＸの積算量に基づく値として、一定期間の間の排気ガス通路１の硫黄成分検出装置４の配置位置を通過した排気ガス中のＳＯＸ濃度の平均値を検出することもでき、また、一定期間の間の排気ガス通路１の硫黄成分検出装置４の配置位置を通過した排気ガス中の平均ＳＯＸ量を検出することもできる。
本実施形態の硫黄成分検出装置４では、以下に説明するように、電子制御装置によって、電気ヒータ４０を作動させる共に温度センサ２０の出力に基づき現在のＳＯＸ保持量を推定する。
ＮＯＸ保持材を使用したＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０は、例えば、設定温度Ｔ１（例えば５００°Ｃ）となると、排気ガスの酸素濃度を低下させなくても、ＳＯＸを放出することなくＮＯＸを放出する。
先ずは、硫黄成分検出装置４のＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の現在のＳＯＸ保持量を推定する際に、暫くの間において、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度が設定温度Ｔ１より十分に低い温度（例えば３００°Ｃ）であり、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０のＮＯＸ保持材及び貴金属触媒が十分に活性化していて、排気ガス中に比較的多量のＮＯＸが含まれる内燃機関の希薄燃焼が実施されていることが確認される。これが確認されれば、現在においてＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０には現在のＳＯＸ保持量に対して最大限にＮＯＸが保持されていることとなる。
次いで、図３に示すように、電気ヒータ４０を通電により発熱させてＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０を加熱し、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度を設定温度Ｔ１とする。この時ｔ０から電気ヒータ４０への通電量を制御して、ＮＯＸが全く保持されていなければ、一点鎖線で示すように、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度が単位時間ｄｔ当たりに一定温度ｄＴだけ上昇するような加熱パターンによりＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０を加熱する。
このような加熱パターンに対して、実際には、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度が設定温度Ｔ１となった時ｔ０からＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０に保持されているＮＯＸの放出が開始される。例えば、ＮＯＸが保持材としてバリウムＢａが使用されている場合には、
Ｂａ（ＮＯ３）２→ＢａＯ＋２ＮＯ＋３／２Ｏ２−６１９ｋＪ／ｍｏｌのような吸熱反応が起こる。
こうして、ＮＯＸが放出されている間は、ＮＯＸの放出に熱が必要とされるために、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度は、実線で示すように、単位時間ｄｔ当たり一定温度ｄＴより低い温度しか上昇しない。時刻ｔ１において、全てのＮＯＸが放出されると、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度は、実線で示すように、単位時間ｄｔ当たり一定温度ｄＴだけ上昇するようになる。
ここで、加熱パターンの一定温度ｄＴが高いほどＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０から単位時間当たりに放出されるＮＯＸ量が多くなり、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間においてＮＯＸが放出されているために、加熱パターンと時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間とに基づきＮＯＸの全放出量、すなわち、時刻ｔ０においてＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０に保持されていたＮＯＸ保持量を推定することができ、それにより、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の現在のＳＯＸ保持量を推定することができる。
ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０のＳＯＸ保持量がさらに増加して、ＮＯＸ保持可能量がさらに少なくなれば、ＮＯＸが全く保持されていないＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度を単位時間ｄｔ当たりに一定温度ｄＴだけ上昇させる同じ加熱パターンに対して、時刻ｔ１より早く全てのＮＯＸが放出されるために、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度は、点線で示すように、時刻ｔ１より早い時刻ｔ２において、単位時間ｄｔ当たり一定温度ｄＴだけ上昇するようになる。
ここで、ＮＯＸの全放出量は、簡単には、加熱パターンの一定温度ｄＴ毎に設定された単位時間当たりに放出されるＮＯＸ量に放出時間（ｔ０からｔ１又はｔ０からｔ２）を乗算することにより算出することができる。しかしながら、厳密には、単位時間当たりに放出されるＮＯＸ量は、加熱パターンの一定温度ｄＴだけでなく、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の各時刻の温度が高いほど多くなり、また、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０に各時刻において保持されているＮＯＸ量が多いほど多くなる。それにより、これらを考慮して、前述のように算出されたＮＯＸの全放出量を補正することが好ましい。
また、時刻ｔ０から時刻ｔ１（又はｔ２）までの間にＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０へ与えられた熱量と、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度を設定温度Ｔ１から時刻ｔ１（又はｔ２）における温度とするのに必要な熱量との差が、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０から全てのＮＯＸを放出するために使用された熱量となり、この熱量差が大きいほど放出されたＮＯＸ量が多いこととなるために、この熱量差に基づき時刻ｔ０においてＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０に保持されていたＮＯＸ保持量を推定するようにしても良い。厳密には、各時刻において、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度と周囲温度との差に基づく放熱が発生するために、各時刻の放熱量もＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０へ与えられた熱量から減算することが好ましい。
また、加熱パターンは、ＮＯＸが全く保持されていないＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度を単位時間ｄｔ当たりに一定温度ｄＴだけ上昇させるものに限定されず、単位時間ｄｔ当たりの温度上昇値が二段階に又は多段階に変化するものでも良い。いずれにしても、加熱パターンが明確となっていれば、加熱パターンとＮＯＸが放出されている時間（ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度が設定温度Ｔ１となってからＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の単位時間当たりの温度上昇値がその時のＮＯＸが全て放出されたことを示す予め設定された温度上昇値と一致するまでの時間）とに基づき、例えば前述の熱量差の考え方を利用して、ＮＯＸの全放出量を推定することができ、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の現在のＳＯＸ保持量を推定することができる。
本実施形態の硫黄成分検出装置４は、電気ヒータ４０によりＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０を加熱するようにしたが、これは本発明を限定するものではない。例えば、排気ガス温度が設定温度Ｔ１以上となる特定の定常運転状態が実施される時に、硫黄成分検出装置４のＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の現在のＳＯＸ保持量を推定することができる。
特定の定常運転状態においては、機関回転数及び機関負荷（高負荷）が一定であり、排気ガス流量が一定となり、排気ガス温度も設定温度Ｔ１以上の一定となる。この時には、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０は排気ガスにより加熱されて設定温度Ｔ１となり、その後の排気ガスによるＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の加熱パターンは、実験等により予め知ることができる。それにより、加熱パターンとＮＯＸが放出されている時間（ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度が設定温度Ｔ１となってからＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の単位時間当たりの温度上昇値がその時のＮＯＸが全て放出されたことを示す予め設定された温度上昇値と一致するまでの時間）とに基づき、例えば前述の熱量差の考え方を利用して、ＮＯＸの全放出量を推定することができ、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の現在のＳＯＸ保持量を推定することができる。
ところで、本実施形態の硫黄成分検出装置４は、排気ガス中の酸素濃度が低下すると、ＮＯＸ触媒装置２と同様に、保持しているＮＯＸを放出すると共に放出させたＮＯＸを排気ガス中の還元物質により還元する。このＮＯＸの還元により発生する熱によりＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度が上昇する。それにより、排気ガス中の酸素濃度を低下させてから全てのＮＯＸが放出及び還元された時のＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度上昇値、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させた時のＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度とその後のＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０のピーク温度との差を温度センサ２０により検出すれば、温度上昇値が高いほどＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０から放出されて還元されたＮＯＸ量が多いこととなり、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０に保持されていたＮＯＸ保持量を推定することができる。それにより、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の現在のＳＯＸ保持量を推定することができる。
例えば、ＮＯＸ触媒装置２の再生処理時においては、前述したように、排気ガスの空燃比がリッチとされて酸素濃度が低下される。この時にＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度を監視すれば、特に、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０を加熱することなく、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の現在のＳＯＸ保持量を推定することができる。
ここで、排気ガス中の酸素濃度を低下させた時に排気ガス中に含まれる酸素の一部は、ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０において排気ガス中の還元物質を還元して発熱するために、この発熱量によるＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度上昇分は、測定されたＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度上昇値より減算されることが好ましい。それにより、排気ガス中の酸素濃度を低下させた時に排気ガス中に含まれる酸素量を予め推定又は測定しておき、この酸素量の特定割合がＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０において排気ガス中の還元物質を還元して発熱するとして、測定されたＮＯＸ及びＳＯＸ保持部３０の温度上昇値より減算する温度上昇分を予め設定しておくことが好ましい。
１ 排気ガス通路
２ ＮＯＸ触媒装置
３ Ｓトラップ装置
４ 硫黄成分検出装置
２０ 温度センサ
３０ ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部
４０ 電気ヒータ
２ ＮＯＸ触媒装置
３ Ｓトラップ装置
４ 硫黄成分検出装置
２０ 温度センサ
３０ ＮＯＸ及びＳＯＸ保持部
４０ 電気ヒータ
Claims (5)
- 排気ガス通路を通過する排気ガス中のＳＯＸ及びＮＯＸを保持する保持部と、前記保持部の温度を測定する温度センサとを有し、前記保持部は、ＳＯＸ保持量が増加するほどＮＯＸ保持量が減少し、設定温度となるとＳＯＸを放出することなくＮＯＸを放出するものであり、前記保持部が加熱されて前記設定温度となった時からの前記保持部の加熱パターンと前記温度センサにより検出される前記保持部の温度変化との関係に基づき前記ＳＯＸ保持量を推定し、一定期間の間に前記排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量又は前記積算量に基づく値を検出することを特徴とする硫黄成分検出装置。
- 前記加熱パターンはＮＯＸが保持されていない時の前記保持部の温度を単位時間当たり一定温度だけ上昇させるものであり、前記保持部にＮＯＸが保持されている間は、前記加熱パターンに対して前記保持部の温度が単位時間当たり前記一定温度より小さな温度しか上昇しないようになり、前記保持部が単位時間当たりに前記一定温度より小さな温度しか上昇しない期間においてＮＯＸが放出されているとして前記保持部からのＮＯＸの全放出量を推定し、ＮＯＸの前記全放出量に基づき前記ＳＯＸ保持量を推定することを特徴とする請求項１に記載の硫黄成分検出装置。
- 前記保持部は排気ガスによる加熱により前記設定温度以上となり、前記排気ガスによる前記加熱パターンに基づき前記ＳＯＸ保持量が推定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の硫黄成分検出装置。
- 前記保持部を加熱する電気ヒータが設けられ、前記保持部は前記電気ヒータによる加熱により前記設定温度以上となり、前記電気ヒータによる前記加熱パターンに基づき前記ＳＯＸ保持量が推定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の硫黄成分検出装置。
- 前記保持部は、排気ガス中の酸素濃度が低下されると、保持しているＮＯＸを放出すると共に放出させたＮＯＸを排気ガス中の還元物質により還元するものであり、ＮＯＸの還元により発生する熱により前記保持部の温度が上昇することを利用して、必要に応じて、排気ガス中の酸素濃度を低下させてから前記温度センサにより検出される前記保持部の温度上昇値に基づき前記ＳＯＸ保持量を推定し、一定期間の間に前記排気ガス通路を通過したＳＯＸの積算量又は前記積算量に基づく値を検出することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の硫黄成分検出装置。
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