(57)【要約】【課題】ＳＯX保持部に保持されているＳＯX保持量を推定する硫黄成分検出装置において、比較的正確にＳＯX保持量を推定可能とする。【解決手段】排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時に排気通路を通過する排気ガス中のＳＯXをＳＯX保持可能量まで保持可能な保持部３２と、保持部の温度を測定する温度センサ３１と、保持部回りに配置された酸化触媒とを有し、保持部の現在のＳＯX保持量を推定する際には、排気ガスの空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりリッチにし、保持部からＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量との差に対応して保持されたＮＯXを放出させて還元物質により還元させて温度センサにより保持部の温度上昇値を検出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時に排気通路を通過する排気ガス中のＳＯXをＳＯX保持可能量まで保持可能な保持部と、前記保持部の温度を測定する温度センサと、前記保持部回りに配置された酸化触媒を有し、前記保持部の現在のＳＯX保持量を推定する際には、排気ガスの空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりリッチにし、前記保持部から前記ＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量との差に対応して保持されたＮＯXを放出させて還元物質により還元させて前記温度センサにより前記保持部の温度上昇値を検出することを特徴とする硫黄成分検出装置。
【請求項２】
さらに、前記酸化触媒を加熱するためのヒータを有し、前記保持部の現在のＳＯX保持量を推定する際に前記酸化触媒の温度が設定温度未満である時には、前記ヒータを作動させて前記酸化触媒の温度を前記設定温度以上に昇温させ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硫黄成分検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、排気ガス中のＳＯX濃度が低くても、一定期間の間に排気通路を通過したＳＯXの積算量を比較的正確に検出することができる硫黄成分検出装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
この硫黄成分検出装置は、排気ガス中の酸素濃度が高い時に排気ガス中に含まれるＳＯXを保持するＳＯX保持部を有し、ＳＯX保持部に保持されたＳＯX保持量に基づき一定期間の間に排気通路を通過したＳＯXの積算量を検出するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１７５６２３
【特許文献２】特開２００７−１８３２４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の硫黄成分検出装置において、ＳＯX保持部は、ＳＯX保持可能量までＳＯXを硫酸塩として保持することができ、ＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量との差に対応して排気ガス中のＮＯXを硝酸塩として保持する。硝酸塩は硫酸塩に比較して不安定な物質であり、排気ガスの空燃比をリッチにして排気ガス中の酸素濃度を低下させれば、ＳＯX保持部に保持されているＮＯXだけをＳＯX保持部から放出させて排気ガス中のＣＯにより還元させることができる。
【０００７】
それにより、ＮＯXの還元の際の発熱量に基づきＳＯX保持部に保持されていたＮＯX保持量を推定し、ＳＯX保持部のＳＯX保持可能量とＮＯX保持量とに基づきＳＯX保持部の現在のＳＯX保持量を推定することが考えられる。しかしながら、排気ガス中には還元物質としてＣＯだけでなくＨＣも含まれており、ＨＣによりＮＯXの一部が還元されると、ＣＯとＨＣとでＮＯXの還元の際の発熱量が異なるために、全てのＮＯXがＣＯにより還元されたとして発熱量に基づきＮＯX保持量を推定したのでは、正確なＮＯX保持量の推定が困難となり、ＳＯX保持量を正確に推定することができないことがある。
【０００８】
従って、本発明の目的は、ＳＯX保持部に保持されているＳＯX保持量を推定する硫黄成分検出装置において、比較的正確にＳＯX保持量を推定可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による請求項１に記載の硫黄成分検出装置は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時に排気通路を通過する排気ガス中のＳＯXをＳＯX保持可能量まで保持可能な保持部と、前記保持部の温度を測定する温度センサと、前記保持部回りに配置された酸化触媒を有し、前記保持部の現在のＳＯX保持量を推定する際には、排気ガスの空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりリッチにし、前記保持部から前記ＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量との差に対応して保持されたＮＯXを放出させて還元物質により還元させて前記温度センサにより前記保持部の温度上昇値を検出することを特徴とする。
【００１０】
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、さらに、前記酸化触媒を加熱するためのヒータを有し、前記保持部の現在のＳＯX保持量を推定する際に前記酸化触媒の温度が設定温度未満である時には、前記ヒータを作動させて前記酸化触媒の温度を前記設定温度以上に昇温させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
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、保持部回りに配置された酸化触媒を有し、保持部の現在のＳＯX保持量を推定する際には、排気ガスの空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりリッチにし、保持部からＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量との差に対応して保持されたＮＯXを放出させて還元物質により還元させて温度センサにより保持部の温度上昇値を検出するようになっており、理論空燃比又は理論空燃比よりリッチな空燃比の排気ガス中に含まれるＨＣは、酸化触媒において排気ガス中の僅かな酸素を使用して酸化させられ、保持部へ到達するＨＣをかなり低減させることができる。それにより、保持部から放出される大部分のＮＯXは、排気ガス中のＣＯにより還元され、保持部の温度上昇値に基づき保持部の現在のＮＯX保持量を比較的正確に推定することができ、その結果、保持部の現在のＳＯX保持量を比較的正確に推定することが可能となる。
【００１２】
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、さらに、酸化触媒を加熱するためのヒータを有し、保持部の現在のＳＯX保持量を推定する際に酸化触媒の温度が設定温度未満である時には、ヒータを作動させて酸化触媒の温度を設定温度以上に昇温させるようになっている。それにより、理論空燃比又は理論空燃比よりリッチな空燃比の排気ガス中に含まれる殆どのＨＣを、設定温度以上の十分に活性化した酸化触媒において排気ガス中の僅かな酸素を使用して酸化させ、保持部へは殆どＨＣが到達しないようにすることができる。こうして、保持部から放出される殆どのＮＯXは、排気ガス中のＣＯにより還元され、保持部の温度上昇値に基づき保持部の現在のＮＯX保持量をさらに正確に推定することができ、その結果、保持部の現在のＳＯX保持量をさらに正確に推定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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る。
【図２】本発明による硫黄成分検出装置の実施形態を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は本発明によるＮＯX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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、排気ガス中のＳＯXを吸蔵するＳトラップ装置（図示せず）を配置すれば、ＮＯX触媒装置２のＳ被毒を抑制することができる。このようなＳトラップ装置が配置されても配置されなくても、ＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値がＮＯX触媒装置のＳ被毒程度に対応するために、ＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値を検出可能な硫黄成分検出装置３がＮＯX触媒装置２の上流側に配置されている。
【００１８】
図２は、本発明による硫黄成分検出装置３の実施形態を示す概略断面図である。同図において、１０は排気通路１の外壁である。３１は硫黄成分検出装置３を構成する熱電対等の温度センサである。３２は温度センサ３１の感温部を覆うように配置された保持部である。３３は保持部３１を取り囲む円筒状のケースである。
【００１９】
ケース３３は、例えば、金属板により形成され、円筒側面には多数の開口穴３３ａが形成されている。ケース３３の円筒側面の外側は、白金Ｐｔ等の酸化触媒を担持する多孔質材料３４により覆われている。また、ケース３３の円筒側面の内側には、ケース３３の軸線方向に延在する幾つかの細長い電気ヒータ３５が配置されている。
【００２０】
保持部３２は、排気ガス中の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３１の感温部に塗布することにより形成することができる。
【００２１】
このように構成された硫黄成分検出装置３は、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とした前後において温度センサ３１により検出される保持部３２の温度を電子制御装置へ入力することにより、これまでに硫黄成分検出装置３に保持されたＳＯX保持量を推定することができ、推定されたＳＯX保持量に基づき、例えば、ＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値を推定することができる。
【００２２】
ＮＯX保持材により形成された保持部３２は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時に、すなわち、排気ガスの酸素濃度が高い時に、排気ガス中のＳＯXを貴金属触媒により酸化させて硫酸塩としてＳＯX保持可能量まで保持することができる。また、ＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量との差に対応して排気ガス中のＮＯXを貴金属触媒により酸化させて硝酸塩として保持する。保持部３２において、硫酸塩は硝酸塩に比較して安定な物質であり、硝酸塩に置き換わって硫酸塩は増加し、ＳＯXの保持は進行する。
【００２３】
保持部３２に保持されたＮＯX保持量が検出されれば、保持部３２のＳＯX保持可能量とＮＯX保持量とに基づき現在のＳＯX保持量を推定することができる。こうして、硫黄成分検出装置３の現在のＳＯX保持量が推定されれば、現在のＳＯX保持量は、硫黄成分検出装置３にＳＯXが保持されていなかった時、すなわち、ＳＯX保持量がゼロであった時（硫黄成分検出装置３の新品時又は硫黄成分検出装置３からＳＯXが完全に放出された時）から現在までの間に硫黄成分検出装置３の位置において排気通路を通過した排気ガス中のＳＯX量の所定割合が硫黄成分検出装置３の近傍を通過して保持部３２に保持されたものと考えることができ、現在のＳＯX保持量に基づきＳＯX保持量がゼロであった時から現在までの間に硫黄成分検出装置３の位置において排気通路を通過した排気ガス中のＳＯX量の積算値、すなわち、ＮＯX保触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値を推定することができる。
【００２４】
このように、ＳＯX保持量がゼロであった時から現在までの間に硫黄成分検出装置３の位置において排気通路を通過した排気ガス中のＳＯX量の積算値を比較的正確に推定するためには、硫黄成分検出装置３の近傍を通過するＳＯXを保持部３２に確実に保持することが必要となる。そのためには、通常運転時のリーン空燃比の排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯが保持部３２の貴金属触媒に付着して貴金属触媒のＳＯXの酸化機能を低下させないようにしなければならず、図２に示す硫黄成分検出装置３においては、保持部３２を取り囲むケース３３の側面の外側が多孔質材料３４により覆われ、多孔質材料３４を通過して保持部３２近傍に達するＳＯXを含む排気ガス中のＨＣ及びＣＯは、多孔質材料３４に担持された酸化触媒によって排気ガス中に多量に含まれる酸素を使用して酸化除去されるようになっており、保持部３２の貴金属触媒にＨＣ及びＣＯが付着することを十分に抑制することができる。
【００２５】
多孔質材料３４に担持された酸化触媒の温度が低い時には、ケース３３の側面の内側に配置された電気ヒータ３５を作動させることにより、酸化触媒の温度を活性化温度（例えば２００°Ｃ以上）として排気ガス中のＨＣ及びＣＯを十分に酸化除去可能とすることが好ましい。
【００２６】
ところで、保持部３２に保持されたＮＯX保持量を検出するためには、排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチ（又は理論空燃比）として酸素濃度を低下させ、保持部３２からＮＯXだけを放出させて排気ガス中のＣＯにより還元させる。
1/2Ｂａ（ＮＯ3)2→1/2ＢａＯ＋ＮＯ＋3/4Ｏ2−309.6kJ/mol
ＣＯ＋ＮＯ→1/2Ｎ2＋2ＣＯ2＋373.2kJ/mol
3/2ＣＯ+3/4Ｏ2→3/2ＣＯ2＋424.5kJ/mol
【００２７】
こうして、１molのＮＯに対して約490kJの発熱が発生する。それにより、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とした前後の保持部３２の温度上昇値、すなわち、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とした後の保持部３２最高温度と、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比する前の保持部３２の温度との差を温度センサ３１により検出することにより、保持部３２から放出された全ＮＯX量を保持部３２の現在のＮＯX保持量として検出することができる。次いで、検出されたＮＯX保持量と保持部３２のＳＯX保持可能量とに基づき、保持部３２の現在のＳＯX保持量を推定することができる。
【００２８】
排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とするには、膨張行程初期に気筒内へ追加燃料を噴射して気筒内から排出される排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とすることが好ましい。それにより、追加燃料を気筒内において不完全燃焼させ、気筒内から排出される排気ガス中には、保持部３２から放出されたＮＯXを還元するための十分な量のＣＯが含まれるようにすることができる。
【００２９】
しかしながら、排気ガス中にはＨＣも含まれており、保持部３２から放出されたＮＯXの一部がＨＣ（例えばエチレン）により還元されると、以下に示すように発熱する。
1/2Ｂａ（ＮＯ3)2→1/2ＢａＯ＋ＮＯ＋3/4Ｏ2−309.6kJ/mol
ＮＯ＋2/14Ｃ2Ｈ4＋2/14ＣＯ→1/2Ｎ2＋6/14ＣＯ2＋4/14Ｈ2Ｏ＋319.8kJ/mol
3/4Ｏ2＋3/14Ｃ2Ｈ4＋3/14ＣＯ→9/14ＣＯ2＋6/14Ｈ2Ｏ＋344.2kJ/mol
こうして、エチレンＣ2Ｈ4により還元される場合には１molのＮＯに対して約354kJの発熱が発生し、前述のＣＯにより還元される場合（１molのＮＯに対して約490kJの発熱）とはＮＯの１モル当たりの発熱量が異なってしまう。
【００３０】
それにより、保持部３２から放出された全てのＮＯXがＣＯにより還元されたとして発熱量に基づきＮＯX保持量を推定すると、正確なＮＯX保持量を推定することができずに、その後のＳＯX保持量の推定が不正確となるために、現在のＳＯX保持量の推定時においては、排気ガス中のＨＣは保持部３２へ殆ど到達しないようにし、保持部３２から放出される殆どのＮＯXはＣＯにより還元されるようにすることが好ましい。
【００３１】
そのために、本実施形態の硫黄成分検出装置３では、保持部３２の現在のＳＯX保持量を推定する際にケース３３の側面外側に配置された多孔質材料３４に担持された酸化触媒の温度が設定温度未満であると推定される時には、ケース３３の側面内側に配置された電気ヒータ３５を作動させて酸化触媒の温度を設定温度以上に昇温させ、こうして、多孔質材料３４の酸化触媒を十分に活性化させるようにし、排気ガス中に含まれるＨＣをリッチ空燃比の排気ガス中に含まれる僅かな酸素を使用して確実に酸化除去されるようにする。この際に、排気ガス中のＣＯも酸化触媒により酸化させられるが、そのための酸素はリッチ空燃比の排気ガス中には僅かしか含まれておらず、十分な量のＣＯを保持部３２へ到達させることができる。
【００３２】
こうして、保持部３２から放出される殆どのＮＯXは、排気ガス中のＣＯにより還元され、保持部３２の温度上昇値に基づき保持部の現在のＮＯX保持量を比較的正確に推定することができ、その結果、保持部の現在のＳＯX保持量を比較的正確に推定することが可能となる。
【００３３】
ケース３３の側面内側に配置された電気ヒータ３５は必ずしも必要ではなく、保持部３２の現在のＳＯX保持量を推定する際に酸化触媒を昇温させなくても、酸化触媒は排気ガス中のＨＣの少なくとも一部を酸化除去して、保持部３２へ到達するＨＣを低減させることができ、それにより、保持部３２から放出されてＨＣにより還元されるＮＯX量が少なくなれば、保持部３２から放出されたＮＯXの全てが排気ガス中のＣＯにより還元されたとしても、保持部３２の温度上昇値に基づき保持部の現在のＮＯX保持量を従来に比較して正確に推定することができるようになる。また、排気ガス温度が十分に高い運転状態の時に、保持部３２の現在のＳＯX保持量を推定するようにすれば、保持部３２へ到達するＨＣを十分に低減させることができる。
【００３４】
酸化触媒の温度は、例えば、現在の排気ガス温度に基づき推定することができ、又は、温度センサにより直接的に測定するようにしても良い。現在の排気ガス温度は、現在の機関運転状態（機関回転数及び機関負荷）に基づき推定することができ、また、温度センサにより直接的に測定するようにしても良い。
【符号の説明】
【００３５】
１    排気通路
２    ＮＯX触媒装置
３    硫黄成分検出装置
３１    温度センサ
３２    保持部
３３    ケース
３４    多孔質材料
【図１】
2011149769.tif 000003
【図２】
2011149769.tif 000004