(57)【要約】【課題】ＮＯX触媒装置の劣化程度を比較的正確に推定することができる触媒劣化推定装置を提供する。【解決手段】本触媒劣化推定装置は、ＮＯX触媒装置の下流側に配置されたＮＯX保持部３２を有し、連続的又は間欠的に酸素濃度低下手段により設定時間の間だけＮＯX保持部回りの酸素濃度を低下させ、温度センサにより検出した設定時間の終了時のＮＯX保持部の第二温度と設定時間の開始時のＮＯX保持部の第一温度との差に基づきＮＯX触媒装置から流出したＮＯX流出量を算出し、ＮＯX触媒装置へ流入したＮＯX量に基づき推定されるＮＯX触媒装置の現在の推定ＮＯX保持量からＮＯX流出量を減算した値がＮＯX触媒装置の現在のＮＯX保持可能量であるとし、現在のＮＯX保持可能量とＮＯX触媒装置の当初のＮＯX保持可能量とを比較してＮＯX触媒装置の劣化程度を推定する。【選択図】図２
2011127547.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気系において、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ガス中のＮＯXを保持し、酸素濃度を低下させると保持したＮＯXを放出するＮＯX触媒装置の下流側に配置されたＮＯX保持部と、前記ＮＯX保持部の温度を測定する温度センサと、前記ＮＯX保持部の回りの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下手段とを有し、前記ＮＯX保持部は、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ガス中のＮＯXを保持し、排気ガス中の酸素濃度を低下させると保持したＮＯXを放出して還元物質により還元するものであり、連続的又は間欠的に前記酸素濃度低下手段により設定時間の間だけ前記ＮＯX保持部回りの酸素濃度を低下させ、前記温度センサにより、前記設定時間の開始時の前記ＮＯX保持部の温度が第一温度として検出されると共に、前記設定時間の終了時の前記ＮＯX保持部の温度が第二温度として検出され、前記第二温度が前記第一温度より設定値を超えて大きくなる時には、前記ＮＯX触媒装置からＮＯXが流出しているとし、前記第二温度と前記第一温度との差に基づき前記ＮＯX触媒装置から流出したＮＯX流出量を算出し、前記ＮＯX触媒装置へ流入したＮＯX量に基づき推定される前記ＮＯX触媒装置の現在の推定ＮＯX保持量から前記ＮＯX流出量を減算した値が前記ＮＯX触媒装置の現在のＮＯX保持可能量であるとし、前記現在のＮＯX保持可能量と前記ＮＯX触媒装置の当初のＮＯX保持可能量とを比較することにより前記ＮＯX触媒装置の劣化程度を推定することを特徴とする触媒劣化推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒劣化推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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ガス中のＮＯXを保持し、酸素濃度が低下すると保持したＮＯXを放出するＮＯX触媒装置の直下流側にＮＯX濃度センサを配置し、ＮＯX濃度センサによりＮＯX触媒装置をすり抜けるＮＯX量を検出してＮＯX触媒装置の劣化程度を推定することが提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２２９８５９
【特許文献２】特開平０７−２０８１５１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的なＮＯX濃度センサは、排気ガス中の瞬時のＮＯX濃度を検出するものであり、このような瞬時のＮＯX濃度を検出するＮＯX濃度センサは、ＮＯX触媒装置の下流側のように排気ガス中のＮＯX濃度が低いと正確なＮＯX濃度を検出することが難しく、検出されたＮＯX濃度に基づきＮＯX触媒装置の正確な劣化程度を推定することは困難である。また、瞬時のＮＯX濃度を検出するＮＯX濃度センサは比較的高価である。
【０００５】
従って、本発明の目的は、このようなＮＯX濃度センサを使用することなく、ＮＯX触媒装置の劣化程度を比較的正確に推定することができる触媒劣化推定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による請求項１に記載の触媒劣化推定装置は、機関排気系において、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ガス中のＮＯXを保持し、酸素濃度を低下させると保持したＮＯXを放出するＮＯX触媒装置の下流側に配置されたＮＯX保持部と、前記ＮＯX保持部の温度を測定する温度センサと、前記ＮＯX保持部の回りの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下手段とを有し、前記ＮＯX保持部は、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ガス中のＮＯXを保持し、排気ガス中の酸素濃度を低下させると保持したＮＯXを放出して還元物質により還元するものであり、連続的又は間欠的に前記酸素濃度低下手段により設定時間の間だけ前記ＮＯX保持部回りの酸素濃度を低下させ、前記温度センサにより、前記設定時間の開始時の前記ＮＯX保持部の温度が第一温度として検出されると共に、前記設定時間の終了時の前記ＮＯX保持部の温度が第二温度として検出され、前記第二温度が前記第一温度より設定値を超えて大きくなる時には、前記ＮＯX触媒装置からＮＯXが流出しているとし、前記第二温度と前記第一温度との差に基づき前記ＮＯX触媒装置から流出したＮＯX流出量を算出し、前記ＮＯX触媒装置へ流入したＮＯX量に基づき推定される前記ＮＯX触媒装置の現在の推定ＮＯX保持量から前記ＮＯX流出量を減算した値が前記ＮＯX触媒装置の現在のＮＯX保持可能量であるとし、前記現在のＮＯX保持可能量と前記ＮＯX触媒装置の当初のＮＯX保持可能量とを比較することにより前記ＮＯX触媒装置の劣化程度を推定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明による請求項１に記載の触媒劣化推定装置は、機関排気系において、ＮＯX触媒装置の下流側に配置されたＮＯX保持部と、ＮＯX保持部の温度を測定する温度センサと、ＮＯX保持部の回りの酸素濃度を低下させる酸素濃度低下手段とを有し、ＮＯX保持部は、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ガス中のＮＯXを保持し、排気ガス中の酸素濃度を低下させると保持したＮＯXを放出して還元物質により還元するものである。ＮＯX触媒装置はＮＯX保持可能量を有し、現在のＮＯX保持量が当初のＮＯX保持時可能量に達する前に再生処理が実施されて保持されたＮＯXは還元浄化され、ＮＯX触媒装置が劣化していなければ、ＮＯX触媒装置から殆どＮＯXが流出することはない。
【０００８】
しかしながら、連続的又は間欠的に酸素濃度低下手段により設定時間の間だけＮＯX保持部回りの酸素濃度を低下させ、温度センサにより、設定時間の開始時のＮＯX保持部の温度が第一温度として検出されると共に、設定時間の終了時のＮＯX保持部の温度が第二温度として検出され、第二温度が第一温度より設定値を超えて大きくなる時には、酸素濃度低下手段によりＮＯX保持部回りの酸素濃度を低下させたことにより、ＮＯX保持部からＮＯXが放出されて還元発熱反応が起こったこととなり、ＮＯX触媒装置からＮＯXが流出していることとなる。
【０００９】
第二温度と第一温度との差はＮＯX保持部に保持されていて放出されたＮＯX量に対応するために、この差に基づきＮＯX触媒装置から流出したＮＯX流出量を算出することができ、ＮＯX触媒装置へ流入したＮＯX量に基づき推定されるＮＯX触媒装置の現在の推定ＮＯX保持量は、再生処理が実施されていないために、当初のＮＯX保持可能量に達していないが、現在のＮＯX保持可能量を越えており、現在の推定ＮＯX保持量からＮＯX流出量を減算した値がＮＯX触媒装置の現在のＮＯX保持可能量となり、現在のＮＯX保持可能量とＮＯX触媒装置の当初のＮＯX保持可能量とを比較することによりＮＯX触媒装置の劣化程度を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による触媒劣化推定装置が配置された機関排気系を示す概略図である。
【図２】本発明による触媒劣化推定装置の実施形態を示す概略断面図である。
【図３】本発明による触媒劣化推定装置によりＮＯX触媒装置の劣化程度を推定するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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保持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トラップ装置を配置して、ＮＯX触媒装置２のＳ被毒を抑制するようにしても良い。
【００１５】
ＮＯX触媒装置２の再生処理は、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とするために燃料消費を悪化させる。それにより、再生処理は必要最小限に実施されることが好ましい。そのために、運転状態毎に単位時間当たりＮＯX触媒装置２へ保持されるＮＯX量が予め定められており、このＮＯX量を積算することによりＮＯX触媒装置２に保持されているＮＯX保持量を推定し、現在のＮＯX保持量がＮＯX保持可能量より僅かに少なく設定された再生処理ＮＯX量に達する時に、再生処理を実施するようになっている。
【００１６】
こうして、ＮＯX触媒装置２の当初のＮＯX保持可能量が低下しなければ、ＮＯX保持量がＮＯX保持可能量に達する前に再生処理が実施され、ＮＯX触媒装置２を殆どＮＯXが通過することはない。しかしながら、ＮＯX触媒装置２の劣化及びＳ被毒によってＮＯX保持可能量が低下すると、推定されたＮＯX保持量が現在のＮＯX保持可能量を超えても再生処理ＮＯX量に達していないために再生処理が実施されず、ＮＯX触媒装置２からＮＯXが流出してしまう。
【００１７】
本実施形態の触媒劣化推定装置３は、ＮＯX触媒装置２の直下流側に配置されて、ＮＯX触媒装置２の劣化程度を推定し、例えば、劣化程度がＮＯX触媒装置の現在のＮＯX保持可能量と当初のＮＯX保持可能量との比とされる場合には、劣化程度が設定値を超えて小さくなる時にＮＯX触媒装置２を交換するようにしても良い。
【００１８】
図２は、本発明による触媒劣化推定装置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ＮＯX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ＮＯX保持部である。３３はＮＯX保持部３１を取り囲んで排気通路１の外壁１０を貫通する円筒状のケースである。
【００１９】
ケース３３には複数の開口穴３３ａが形成され、開口穴３３ａを介して排気通路１を通過する排気ガスがケース３３内へ流入するようになっている。３４はケース３３内のＮＯX保持部３２回りの酸素濃度を低下させる酸素ポンプであり、温度センサ３１の回りに位置してケース３３内のＮＯX保持部３２回りの空間と低酸素室３５とを分離する。酸素ポンプ３４は、ジルコニア等から形成され、ジルコニア式酸素濃度センサとは逆に電圧が印加されることにより、ケース３３内から低酸素室３５へ酸素を移動させる。それにより、ケース３３内のＮＯX保持部３２回りの酸素濃度を低下させることができる。
【００２０】
ＮＯX保持部３２は、排気ガス中のＮＯX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ＮＯX検出装置３は、図３に示すフローチャートに従って、電子制御装置（図示せず）により酸素ポンプ３４を作動させると共に、温度センサ３１により検出したＮＯX保持部３２の温度を電子制御装置へ入力することによりＮＯX触媒装置２の劣化程度を推定する。
【００２２】
先ず、ステップ１０１において、ＮＯX触媒装置２から流出するＮＯX流出量の検出時期であるか否かが判断される。ステップ１０１の判断が否定される時はそのまま終了する。一方、ステップ１０１の判断が肯定される時には、ステップ１０２において、触媒劣化推定装置４の温度センサ３１によってＮＯX保持部３２の温度が第一温度Ｔ１として検出される。
【００２３】
次いで、ステップ１０３において、酸素濃度低下処理として、酸素ポンプ３４によりケース３３内のＮＯX保持部３２回りの酸素濃度を低下させる。次いで、ステップ１０４において、酸素濃度低下処理を開始してからの経過時間ｔが設定時間ｔ１（例えば０．５秒）となったか否かが判断され、この判断が肯定されるまで酸素濃度低下処理が実施される。ステップ１０４の判断が肯定されると、ステップ１０５において、温度センサ３１によりＮＯX保持部３２の温度が第二温度Ｔ２として検出される。
【００２４】
もし、ＮＯX触媒装置２からＮＯXが流出していれば、流出ＮＯXの一部は触媒劣化推定装置３のＮＯX保持部３２に保持される。こうしてＮＯX保持部３２にＮＯXが保持されていれば、酸素濃度低下処理によってＮＯX保持部３２回りの酸素濃度が設定時間ｔ１だけ低下されると、ＮＯX保持部３２に保持されているＮＯXは全て放出されると同時にＮＯX保持部３２回りの排気ガス中のＨＣ及びＣＯ等の還元物質を使用して還元される。
Ｂａ（ＮＯ3)2＋ＣＯ→ＢａＣＯ3＋Ｎ2＋2Ｏ2＋発熱
【００２５】
それにより、ＮＯX保持部３２は、保持したＮＯX量に対応する還元反応熱によって温度上昇し、ステップ１０５において、設定時間ｔ１の終了時に検出されたＮＯX保持部３２の第二温度Ｔ２は、ステップ１０２において、設定時間ｔ１の開始時に検出されたＮＯX保持部３２の第一温度Ｔ１に比較して顕著に上昇することとなる。
【００２６】
それにより、ステップ１０６において、第二温度Ｔ２と第一温度Ｔ１との差ΔＴ（Ｔ２−Ｔ１）が設定値ａ以上であるか否かが判断され、この判断が否定される時には、触媒劣化推定装置３のＮＯX保持部３２には殆どＮＯXが保持されておらず、すなわち、ＮＯX触媒装置２から殆どＮＯXは流出していないために、ＮＯX触媒装置２は劣化していないか、又は、劣化していても僅かな劣化であり、劣化程度を推定することなくそのまま終了する。
【００２７】
一方、ステップ１０６の判断が肯定される時には、触媒劣化推定装置３のＮＯX保持部３２には無視できないほどのＮＯXが保持され、これらのＮＯXが放出された際の還元反応熱によりＮＯX保持部３２の温度が上昇したこととなる。それにより、ステップ１０７において、ＮＯX保持部３２の温度上昇値ΔＴはＮＯX保持部３２に保持されていたＮＯX量、すなわち、設定時間ｔ１の間にＮＯX保持部３２から放出されたＮＯX放出量Ａに対応することに基づき、このＮＯX放出量Ａを算出する。
【００２８】
次いで、ステップ１０８において、ＮＯX保持部３２からのＮＯX放出量Ａは、ＮＯX触媒装置２から流出したＮＯX流出量Ｂに例えば実験的に設定可能なＮＯX保持割合を乗算した値となるために、ＮＯX保持部３２からのＮＯX放出量Ａに基づき、ＮＯX触媒装置２から流出したＮＯX流出量Ｂを逆算する。
【００２９】
現在（厳密には酸素濃度低下処理を開始した時）において、ＮＯX触媒装置２には、運転状態毎の単位時間当たりＮＯX触媒装置２へ保持されるＮＯX量を積算した推定ＮＯX量ＥのＮＯXが保持されているはずであるが、実際には、ＮＯX流出量ＢだけＮＯX触媒装置２からＮＯXが流出している。これは、ＮＯX触媒装置２の現在のＮＯX保持可能量Ｃが推定ＮＯX量ＥからＮＯX流出量Ｂを減算した値（Ｅ−Ｂ）へ減少したことを意味している。これに基づき、ステップ１０９において、ＮＯX触媒装置２の現在のＮＯX保持可能量Ｃを算出する。
【００３０】
次いで、ステップ１１０において、当初のＮＯX保持可能量ＣＦは現在のＮＯX保持可能量Ｃへ減少しており、現在のＮＯX触媒装置２の劣化程度Ｄを現在のＮＯX保持可能量Ｃと当初のＮＯX保持可能量ＣＦとの比（Ｃ／ＣＦ）として推定する。この劣化程度Ｄは、劣化が進行するほど小さくなる値であり、例えば、設定値を超えて小さくなる時にＮＯX触媒装置２は交換を必要とするほど非常に劣化したと判断することができる。
【００３１】
こうして、現在のＮＯX触媒装置２の劣化程度Ｄが推定された時には、ＮＯX触媒装置２には現在のＮＯX保持可能量ＣのＮＯXが保持されていて、これ以上のＮＯXを保持することができなくなっているために、ステップ１１１において、ＮＯX触媒装置２の再生処理を実施すると共に、第一設定温度Ｔ１、第二設定温度Ｔ２、ＮＯX放出量Ａ、ＮＯX流出量Ｂ、現在のＮＯX保持可能量Ｃ、及び、現在の劣化程度Ｄを全てクリアして終了する。ＮＯX触媒装置２の再生処理が実施されると、理論空燃比又はリッチ空燃比の排気ガスが触媒劣化推定装置３のＮＯX保持部３２回りにも流入するために、ＮＯX保持部３２に僅かなＮＯXが保持されていてもＮＯX保持部３２からＮＯXは完全に放出される。
【００３２】
また、ステップ１０９において現在のＮＯX保持可能量Ｃが算出された時には、再生処理を実施するための再生処理ＮＯX量を、現在のＮＯX保持可能量Ｃより僅かに少なく設定し直すことが好ましい。それにより、ＮＯX触媒装置２は、推定ＮＯX量Ｅが現在のＮＯX保持可能量Ｃに達する前に再生処理が実施され、暫くの間は、ＮＯX触媒装置２からＮＯXが流出することはない。しかしながら、さらにＮＯX触媒装置２の劣化が進行すると、ステップ１０６の判断が肯定されて、ステップ１０８において、ＮＯX触媒装置２からの新たなＮＯX流出量Ｂが算出される。この時には、ステップ１０９において、再び、ＮＯX触媒装置２に保持されているはずの現在の推定ＮＯX量Ｅから新たなＮＯX流出量Ｂが減算されて、現在の新たなＮＯX保持可能量Ｃが算出され、ステップ１１０においては新たな劣化程度Ｄが推定されることとなる。
【００３３】
ところで、設定時間ｔ１において、ＮＯX保持部３２から放出させたＮＯXを還元させるために排気ガス中の還元物質を利用するとしたが、この還元を良好にするために、設定時間ｔ１の間においてケース３３内のＮＯX保持部３２近傍にＨＣ（燃料）等の還元剤を供給するようにしても良い。
【００３４】
ところで、ＮＯX触媒装置２から流出するＮＯX流出量の検出（ステップ１０１）は、設定機関運転時間毎（又は設定走行距離毎）に定期的に実施するようにしたり、不定期に実施するようにしたり、また、連続的に実施するようにしても良い。
【００３５】
ところで、本実施形態の触媒劣化推定装置３のＮＯX保持部３２は、ＮＯX触媒装置２に担持されているＮＯX保持材及び貴金属触媒により形成されているために、前述したように、排気ガス中のＳＯXも硫酸塩として保持してしまう。硫酸塩は、硝酸塩に比較して安定な物質であり、酸素濃度を低下させただけではＮＯX保持部から放出されない。それにより、ＮＯX保持部３２のＳＯX保持量は増加する一方であり、ＮＯX保持部３２のＮＯX又はＳＯXの保持可能量は一定であるために、ＮＯX保持部３２においてＳＯX保持量が増加すると、ＮＯX保持可能量が減少することとなる。
【００３６】
これを利用することにより、現在においてＮＯX保持部３２に最大限にＮＯXを保持させて、ＮＯX保持部３２から全てのＮＯXを放出させてＮＯX保持部３２に保持されていた最大限のＮＯX量が検出されれば、ＮＯX保持部３２のＳＯX保持量を算出することができる。このＳＯX保持量は、内燃機関を最初に始動してから現在までの一定期間においてＮＯX保持部に保持されたＳＯX量であり、この一定期間の間に触媒劣化推定装置３の位置において排気通路１を通過したＳＯX量に例えば実験的に設定可能なＳＯX保持割合を乗算した値に一致するために、この一定期間の間に触媒劣化推定装置３の位置において排気通路１を通過したＳＯX量を推定することができ、また、この一定期間の間に触媒劣化推定装置３の位置において排気通路１を通過したＳＯX量の平均値又はこの一定期間の間に触媒劣化推定装置３の位置において排気通路１を通過した平均ＳＯX濃度等も推定することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１    排気通路
２    ＮＯX触媒装置
３    触媒劣化推定装置
３１    温度センサ
３２    ＮＯX保持部
３３    ケース
３４    酸素ポンプ
【図１】
2011127547.tif 000003
【図２】
2011127547.tif 000004
【図３】
2011127547.tif 000005