JP5261889B2 - NOxセンサ - Google Patents

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本発明は、内燃機関の排気通路におけるNOXトラップ触媒の下流に備えられ、排気中のNOX等の成分を検出するNOxセンサに関するものである。
従来より、特に、自動車用の内燃機関(以下、エンジンとも言う)を中心に、エンジンから排出される排気中の有害成分を低減し、排気を浄化することを目的として、種々の排気浄化触媒が排気通路に搭載されている。
通常、リーン運転を行なわないMPI(Multi Point Injection)エンジン等においては、排気中のNOX,O2を酸化剤、CO,HC,H2を還元剤として反応させる三元触媒のみを搭載すればよいが、燃費低減に有利なリーン運転も行なう直噴リーンバーンエンジンでは、三元触媒以外にNOXトラップ触媒を搭載することが必要になる。
NOXトラップ触媒の場合、エンジンのリーン運転状態においてNOXをNOXトラップ剤(以下、単にトラップ剤ともいう)に吸蔵させ、ストイキ運転状態やリッチ運転状態となったときに、そのNOXを還元浄化するものである。トラップ剤は酸化雰囲気でNOXを硝酸塩の形で吸蔵(トラップ)し、排気中に未燃燃料(HC)や一酸化炭素(CO)が存在する還元雰囲気でHCやCOとNOxとを化学的に反応させ、還元浄化し放出する。
トラップ剤としては、例えば、プラチナ(Pt)やパラジウム(Pd)等の貴金属触媒が適用できるが、吸蔵(トラップ)能力の点で、アルカリ金属、あるいはアルカリ土類金属の中の一もしくは複数の金属を担持したNOXトラップ剤がより優れており、NOXの浄化効率を向上させうることが知られている。
ところで、排気浄化触媒は使用環境下で劣化するため、触媒の劣化を検出して管理することが必要になる。排気通路に三元触媒のみを搭載したMPIエンジンでは、三元触媒前後に装着するO2センサにより排気の空燃比をモニタして劣化検出を行うが、排気通路にNOXトラップ触媒を更に備えた直噴リーンバーンエンジンでは、NOXトラップ触媒下流にNOXセンサを装着してNOX排出量をモニタして劣化検出を行う。
このNOXセンサには、混成電位型センサや限界電流式センサなど種々のものがある。また、NOXを吸着する貯蔵材料によりセンサの感応性素子を形成するものも提案されている(特許文献1)。
特表2000−517426号公報
ところで、上記トラップ剤としては、アルカリ金属、あるいはアルカリ土類金属の中でも、特に高温域でのNOXトラップ性能に優れるカリウム(K)を使用すると、大幅なNOX浄化性能の向上が得られることが知られている。
しかしながら、カリウムは高温に晒されるとNOXトラップ触媒から飛散しやすい特性を有しているため、NOXトラップ触媒から飛散したカリウムが、NOXトラップ触媒下流のNOXセンサのセンサ素子に付着した場合には、センサ素子の表面が付着したカリウムにより覆われてしまい、センサ素子表面へのNOXの接触が阻害されるため、正確なNOX排出量の検出は困難となり、NOXトラップ触媒の劣化診断精度の低下を招くという課題がある。
なお、このような課題は、NOXトラップ剤としてのカリウム以外のアルカリ金属やアルカリ土類金属を用いた場合も想定できる。つまり、NOXトラップ剤を担持したNOXトラップ触媒からNOXトラップ剤が飛散して下流のNOxセンサに付着した場合について、広く考えられるものである。
本発明は、このような課題に鑑み案出されたもので、NOXトラップ剤を担持したNOXトラップ触媒の下流にそなえられたNOxセンサにおいて、NOXトラップ触媒からNOXトラップ剤が飛散してNOxセンサ部分に流下した場合のNOxセンサの劣化を抑制し、より正確な排気検出を行なうことができるようにした、NOxセンサを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の排気センサ(請求項1)は、内燃機関の排気通路にNOxトラップ剤としての金属を担持したNOxトラップ触媒をそなえ、該排気通路の該NOxトラップ触媒の下流に配置されるNOxセンサにおいて、該排気通路に露出するセンサ素子を有し、該センサ素子の表面が、該金属を捕捉し、且つ、該排気成分が通過しうる細孔径の細孔を有する酸性物質により被覆されていることを特徴としている。
また、本発明のNOxセンサ(請求項2)は、内燃機関の排気通路にNOxトラップ剤としての金属を担持したNOxトラップ触媒をそなえ、該排気通路の該NOxトラップ触媒の下流に配置されるNOxセンサにおいて、該排気通路に露出するセンサ素子を有し、該センサ素子を覆い、且つ、該排気成分の通過を妨げない孔を有する保護部材をそなえ、該保護部材の表面が、該金属を捕捉する酸性物質により被覆されていることを特徴としている。
また、本発明の請求項1,2のNOxセンサにおいて、該酸性物質は、Y型ゼオライトであることが好ましい(請求項3)。
あるいは、本発明の請求項2のNOxセンサにおいて、該酸性物質を、チタニアとしてもよい(請求項4)。
また、該金属はカリウム(K)であることが好ましい(請求項5)。なお、該金属はカリウムに限られるものではなく、アルカリ金属、あるいはアルカリ土類金属の中の一もしくは複数の金属としても良い。例えば、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)が挙げられる。
また、検出する排気成分は、NOXであることが好ましい(請求項6)
本発明のNOxセンサ(請求項1)によれば、排気通路の上流側のNOXトラップ触媒からトラップ剤の金属が飛散して、下流側のNOxセンサに流下してきた場合、この金属をセンサ素子の表面を被覆する酸性物質が捕捉するので、センサ素子が飛散した金属で直接覆われてしまうことを防ぎ、NOxセンサの劣化を抑制することができるようになる。
また、本発明のNOxセンサ(請求項2)によれば、排気通路の上流側のNOXトラップ触媒からトラップ剤の金属が飛散して、下流側のNOxセンサに流下してきた場合、この金属を保護部材の表面を被覆する酸性物質が捕捉するので、かかる金属は保護部材の表面に吸着されて、センサ素子に到達し難くなるので、NOxセンサの劣化を抑制することができるようになる。
また、本発明のNOxセンサ(請求項3)によれば、Y型ゼオライトは耐熱性に優れているので、高温域となる排気通路内であっても、センサ素子あるいは保護部材の表面を被覆した状態を維持し易く、NOxセンサの劣化を長期に亘って確実に抑制することができるようになる。また、Y型ゼオライトの場合、細孔を有し、しかも細孔径が比較的大きいため、センサ素子の表面をY型ゼオライトにより、全て被覆したとしても排気成分は細孔を通過でき、センサ素子表面への排気成分の接触を阻害することはない。さらに、Y型ゼオライトがNOXトラップ触媒から飛散した金属を捕捉すると、捕捉した金属分だけY型ゼオライトの細孔径が縮小することが考えられるが、Y型ゼオライトの場合、金属を捕捉しても排気成分が通過しうるだけの十分な細孔径を確保できるものを選定することができ、NOxセンサの本来の性能を確保しうる。
また、本発明のNOxセンサ(請求項4)によれば、チタニアは細孔がないため、センサ素子の表面に直接被覆することはできないが、チタニアを保護部材の表面に被覆することで、NOXトラップ触媒から飛散した金属をセンサ素子の表面へ進入する前に捕捉できるため、飛散した金属のセンサ素子への到達を十分に低減させることができる。
また、本発明のNOxセンサ(請求項5)によれば、カリウムは高温域でのNOXトラップ性能に優れるので、高温となる排気通路に設けるNOXトラップ触媒に適しているが、この反面、カリウムは高温下でNOXトラップ触媒から飛散して下流のNOxセンサに付着しては、NOxセンサの検出特性能を低下させてしまうが、飛散したカリウムをセンサ素子あるいは保護部材の表面を被覆する酸性物質が捕捉するので、NOxセンサの劣化を抑制することができるようになる。
また、NOXセンサによりNOXをモニタして、上流側のNOXトラップ触媒の劣化を判定しようとする場合、NOXトラップ触媒からトラップ剤の金属が飛散して劣化すると、この飛散した金属によってNOXトラップ触媒の劣化に応じてNOXセンサ自体も異常を生じ易くなるが、本発明のNOxセンサ(請求項6)によれば、このような事態が防止されて、NOXトラップ触媒の劣化を精度良く判定することができるようになる。
以下、図面により、本発明の実施形態について説明する。
(第1実施形態)
図1〜図4は本発明の第1実施形態に係るNOxセンサを示すもので、図1はNOXセンサの断面を模式的に示す断面図、図2はNOXセンサが設置される排気通路の模式図、図3はY型ゼオライトの骨格構造図、図4はNOXセンサをY型ゼオライトで被覆した場合の効果を説明するグラフである。
本実施形態を、まず、NOXセンサ1の配設される内燃機関(エンジン)の排気系について説明する。
図2に示すように、エンジン11には、排気通路12が接続され、この排気通路12の壁部12aには、上流側から三元触媒13,NOXトラップ触媒14がこの順で介装されている。NOXセンサ1は、NOXトラップ触媒14の下流側にセンサ素子2を突出させて装着されて、エンジン11から排出され触媒13,14を経た排気の中のNOX成分を検出するようになっている。
三元触媒13は、例えばコーディエライト,メタル等からなるハニカム状の担体の表面に、アルミナと、プラチナ,ロジウム,パラジウム等の触媒貴金属の微粒子とを装備されており、排気中のNOX,O2を酸化剤、CO,HC,H2を還元剤として反応させることにより、排気中のNOXとCO,HCとを低減させる。
また、NOXトラップ触媒14は、NOXトラップ剤としての金属を用いて、エンジン11のリーン運転状態においてNOXを吸蔵し、ストイキ運転状態やリッチ運転状態となったときに、そのNOXを還元浄化し放出するものである。このため、トラップ剤は酸化雰囲気でNOXを硝酸塩の形で吸蔵(トラップ)し、排気中に未燃燃料(HC)や一酸化炭素(CO)が存在する還元雰囲気でHCやCOとNOXとを化学的に反応させ、還元浄化し放出させる性質を有している。このトラップ剤としての金属には、吸蔵能力の優れたアルカリ金属やアルカリ土類金属の中の一もしくは複数の金属を組み合わせて使用することが好ましく、本実施形態では、トラップ剤としてアルカリ金属のカリウム(K)を用いている。
なお、トラップ剤のNOX吸蔵及び還元浄化能力は、一般には、担持層に担持されているトラップ剤の担持量に応じたものとなり、トラップ剤の担持量が減少すればそれだけNOX吸蔵及び還元浄化能力が低くなる。特に、カリウムの場合、高温域でのNOXトラップ性能に優れるので、高温となる排気通路に設けるNOXトラップ触媒に適しているが、この反面、カリウムは高温下でNOXトラップ触媒から飛散してしまう特性がある。
次に、本実施形態のNOXセンサ1について説明する。図1に示すように、NOXセンサ1は、センサ素子2と、このセンサ素子2に対して一定の間隔をおいて配置されてセンサ素子2を覆うさや3(保護部材)とをそなえており、センサ素子2には、出力の引き出しや電圧の印加等を行うためのリード線5が接続されている。また、さや3は、センサ素子2を保護するために設けられているものであり、さや3の表面には排気の通過を妨げない孔4があいている。なお、図1の孔4は、実際には微小なものであるが便宜上、実際の大きさより大幅に拡大して模式的に描いている。つまり、NOXセンサ1のセンサ素子2は、周囲をさや3により覆われてはいるが、排気中のNOX成分の検出が可能なように排気流の中に露出させて装着される。
そして、センサ素子2の表面には酸性物質6が被覆されている。本実施形態では、酸性物質としてY型ゼオライト6Aを用いている。
次に、Y型ゼオライトの特性について説明する。Y型ゼオライトは、図3に示すような骨格構造をなしており、分子を構成する原子間に細孔を有している。ゼオライトには、Y型の他にA型,X型等があり、Y型ゼオライトに限らず、ゼオライトの骨格は通常、規則的な細孔をそなえた網目構造を構成している。ゼオライトの細孔径の大きさは、その構成要素の比であるSiO2/Al23比に依存することが知られており、Y型ゼオライトは、A型,X型ゼオライトといった他の各種ゼオライトと比べて、SiO2/Al23比が高く、これによりY型ゼオライトは、比較的細孔径が大きいという特性がある。また、一般に、細孔径が大きい程、比表面積も大きくなるため、Y型ゼオライトは、A型,X型ゼオライト等と比べて比表面積が大きいという特性も有し、カリウムを捕捉する上で効率が良い。また、Y型ゼオライトは高い耐熱性を有しており、この耐熱性の面からも車両の排気通路12に設置されるNOXセンサのセンサ素子2に被覆する材料としては好適なものである。
ここで、NOXセンサのセンサ端子をY型ゼオライトで被覆する効果を検証するための実験結果について、図4(a),(b)を参照して説明する。
この実験は、排気通路において、カリウムを担持したNOXトラップ触媒の下流側に、三元触媒層の表層にSiO2/Al23比の異なるゼオライトを塗布した三元触媒を配置し、摂氏800℃の状況下で、リーン運転状態及びリッチ運転状態を交互に周期的に切替え、40時間の未燃燃料(HC)浄化実験を実施して、HC浄化効率の変化からY型ゼオライトのSiO2/Al23比の影響を調べた。
図4(a),(b)では、横軸をSiO2/Al23比、縦軸をHC浄化効率とする。Y型ゼオライトには、種々のSiO2/Al23比のものがあるが、図4(a)に示すように、Y型ゼオライトのSiO2/Al23比の増加に伴い、HC浄化効率が上昇することがわかる。また、図4(a)の特性から得られた図4(b)に示すように、SiO2/Al23比が200付近まで増加するとHC浄化効率が急上昇し、400付近からはSiO2/Al23比の増大に応じて次第にHC浄化効率が低下する傾向が確認された。
この結果から、一定以上の浄化効率を得るためには、SiO2/Al23比は200〜600の範囲であることが好まく、より好ましくはSiO2/Al23比は300〜500の範囲であることが好ましい。
本発明の第1実施形態に係るNOXセンサは上述のように構成されているので、排気通路12の上流側のNOXトラップ触媒14からトラップ剤のカリウムが飛散して、下流側のNOXセンサ1に流下してきた場合、このカリウムをセンサ素子2の表面を被覆する酸性物質6であるY型ゼオライト6Aが捕捉するので、センサ素子2が飛散したカリウムで直接覆われてしまうことを防ぎ、NOXセンサ1の劣化を抑制することができる。
また、Y型ゼオライト6Aは耐熱性に優れているので、高温域となる排気通路内であっても、センサ素子2の表面を被覆した状態を維持し易く、NOXセンサ1の劣化を長期に亘って確実に抑制することができるようになる。また、Y型ゼオライト6Aの場合、細孔径が比較的大きいため、センサ素子2の表面をY型ゼオライト6Aにより全て被覆したとしても排気成分は細孔を通過でき、センサ素子2表面への排気成分の接触を妨げることはない。
さらに、Y型ゼオライト6AがNOXトラップ触媒14から飛散したカリウムを捕捉すると、捕捉したカリウム分だけ細孔径が縮小することが考えられるが、Y型ゼオライト6Aの場合、上述のように細孔径が比較的大きく、このような場合にも排気成分が通過しうるように、細孔径に余裕のあるものを選定することができ、NOXセンサ1の本来の性能を確保しうるものと考えられる。
また、カリウムは高温域でのNOXトラップ性能に優れるので、高温となる排気通路12に設けるNOXトラップ触媒14に適しているが、この反面、カリウムは高温下でNOXトラップ触媒14から飛散して下流のNOXセンサ1に付着しては、NOXセンサ1の検出特性能を低下させてしまうが、飛散したカリウムをY型ゼオライト6Aが捕捉するので、NOXセンサ1の劣化を抑制することができるようになる利点がある。
また、NOXセンサ1によりNOXをモニタして、上流側のNOXトラップ触媒14の劣化を判定しようとする場合、NOXトラップ触媒14からトラップ剤のカリウムが飛散して劣化すると、この飛散したカリウムによってNOXトラップ触媒14の劣化に応じてNOXセンサ1自体も異常を生じ易くなるが、本実施形態では、このような事態が防止されて、NOXトラップ触媒14の劣化を精度良く判定することができるようになる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明すると、図5は、本発明の第2実施形態に係るNOXセンサの断面を模式的に示す断面図である。本実施形態のNOXセンサは、第1実施形態に対して、NOXトラップ触媒から飛散するカリウムを捕捉する酸性物質6が被覆する箇所が異なるもので、この酸性物質6の被覆箇所を除いて第1実施形態と同様に構成される。なお、図5において、図1と同一の構成要素については同一の符号を用いており、これらのものについては説明を省略又は簡略化する。
図5に示すように、本実施形態のNOXセンサは、センサ素子2を覆うさや3の表面が、酸性物質6により被覆されている。また、本実施形態では、酸性物質6として、Y型ゼオライト6Aあるいはチタニア(酸化チタン)6Bを用いている。本実施形態では、センサ素子2の表面を被覆する第1実施形態とは異なり、さや3の表面を被覆する酸性物質6は、Y型ゼオライト6Aのような細孔を有する多孔質の酸性物質6である必要はなく、NOXトラップ触媒から飛散するカリウムを捕捉することのできる酸性物質6であれば、チタニア6Bのような多孔質ではない酸性物質6を用いても良い。
本発明の第2実施形態に係るNOXセンサは上述のように構成されているので、排気通路12の上流側のNOXトラップ触媒14からトラップ剤のカリウムが飛散して、下流側のNOXセンサ1に流下してきた場合、このカリウムをさや3の表面を被覆するY型ゼオライト6Aあるいはチタニア6Bが捕捉するので、かかるカリウムはさや3の表面に吸着されて、センサ素子2に到達し難くなるので、NOXセンサ1の劣化を抑制することができるようになる。
また、Y型ゼオライト6Aは耐熱性に優れているので、高温域となる排気通路内であっても、さや3の表面を被覆した状態を維持し易く、NOXセンサ1の劣化を長期に亘って確実に抑制することができるようになる。
また、チタニア6Bは細孔がないため、センサ素子2の表面に直接被覆することはできないが、チタニア6Bをさや3の表面に被覆することで、NOXトラップ触媒14から飛散したカリウムをセンサ素子2の表面へ進入する前に捕捉できるため、飛散したカリウムのセンサ素子2への到達を十分に低減させることができる。
なお、本発明は、上述のような実施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適用することができる。
例えば、発明は、第1,2実施形態以外にも、NOXトラップ剤としてのカリウム以外のアルカリ金属やアルカリ土類金属を用いた場合にも広く適用可能である。
また、本発明の第1,2実施形態を併用した構成も考えられる。つまり、センサ素子の表面にY型ゼオライトを被覆するとともに、さやの表面にもY型ゼオライトあるいはチタニアを被覆するNOxセンサであっても良い。
また、本発明は、リーン運転状態およびリッチ運転状態を行うエンジンの排気通路に適用した例について説明したが、これに限定されることなく、排気通路にNOxトラップを適用したもの、例えばディーゼルエンジンの排気通路にも適用することが出来る。
本発明の第1実施形態としてのNOXセンサの断面を示す断面図である。 本発明の第1実施形態としてのNOXセンサが設置される排気通路を示す模式図である。 Y型ゼオライトの骨格構造図である。 NOXセンサのセンサ端子をY型ゼオライトで被覆した場合の効果を説明する実験結果を示すグラフであり、(a)は、未燃燃料(HC)浄化効率とSiO2/Al23比との関係を表す棒グラフ、(b)は未燃燃料(HC)浄化効率とSiO2/Al23比との関係を表す線グラフである。 本発明の第2実施形態としてのNOXセンサの断面を示す断面図である。
符号の説明
1 NOXセンサ
2 センサ素子
3 保護部材
4 孔
5 リード線
6 酸性物質
6A Y型ゼオライト
6B チタニア
11 エンジン
12 排気通路
12a 排気通路12の壁部
13 三元触媒
14 NOXトラップ触媒

Claims (6)

  1. 内燃機関の排気通路にNOxトラップ剤としての金属を担持したNOxトラップ触媒をそなえ、該排気通路の該NOxトラップ触媒の下流に配置されるNOxセンサにおいて、
    該排気通路に露出するセンサ素子を有し、
    該センサ素子の表面が、該金属を捕捉し、且つ、該排気成分が通過しうる細孔径の細孔を有する酸性物質により被覆されている
    ことを特徴とする、NOxセンサ。
  2. 内燃機関の排気通路にNOxトラップ剤としての金属を担持したNOxトラップ触媒をそなえ、該排気通路の該NOxトラップ触媒の下流に配置されるNOxセンサにおいて、
    該排気通路に露出するセンサ素子を有し、
    該センサ素子を覆い、且つ、該排気成分の通過を妨げない孔を有する保護部材をそなえ、
    該保護部材の表面が、該金属を捕捉する酸性物質により被覆されている
    ことを特徴とする、NOxセンサ。
  3. 該酸性物質は、Y型ゼオライトである
    ことを特徴とする、請求項1又は2記載のNOxセンサ。
  4. 該酸性物質は、チタニアである
    ことを特徴とする、請求項2記載のNOxセンサ。
  5. 該金属はカリウムである
    ことを特徴とする、請求項1〜4の何れか1項に記載のNOxセンサ。
  6. 検出する排気成分は、NOxである
    ことを特徴とする、請求項1〜5の何れか1項に記載のNOxセンサ。
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