(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主としてリーン条件で運転される内燃機関の排気系に設けられたリーン雰囲気下で窒素酸化物を吸着しうる窒素酸化物還元触媒と、少なくとも前記窒素酸化物還元触媒の下流に設けられた窒素酸化物センサと、を含むエンジン排ガス系の制御方法であって、
前記窒素酸化物センサとして、酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体と、前記基体の内外に配設される内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極からなる電気化学的ポンプセルを有し、且つ外部空間から導入された被測定ガスに含まれる酸素を、前記内側ポンプ電極と前記外側ポンプ電極の間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段と、前記主ポンプ手段でポンピング処理された後の被測定ガスが導入される側にその一方が設けられた一対の検出電極を有し、前記主ポンプ手段でポンピング処理された後の被測定ガスに含まれる、ＮＯｘの分解または還元により発生する酸素の量に応じた電気信号を発生する電気信号変換手段と、を備えたものを用い、
前記被測定ガスに含まれるＮＯｘの量に対応する前記窒素酸化物センサの出力値が所定値に達した段階で、前記内燃機関の運転条件を一時的に化学量論組成またはリッチ組成にして、前記窒素酸化物還元触媒に吸着されていた窒素酸化物を脱着または分解し、
前記被測定ガスに含まれる酸素の量に対応する前記主ポンプ手段で測定されるポンプ電流値に基づいて、再び前記内燃機関をリーン条件で運転するエンジン排ガス系の制御方法。
【請求項２】
主としてリーン条件で運転される内燃機関の排気系に設けられたリーン雰囲気下で窒素酸化物を吸着しうる窒素酸化物還元触媒と、少なくとも前記窒素酸化物還元触媒の下流に設けられた窒素酸化物センサ、とを含むエンジン排ガス系の制御方法であって、
前記窒素酸化物センサとして、酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体と、前記基体の内外に配設される内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極からなる電気化学的ポンプセルを有し、且つ外部空間から導入された被測定ガスに含まれる酸素を、前記内側ポンプ電極と前記外側ポンプ電極の間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段と、前記主ポンプ手段でポンピング処理された後の被測定ガスが導入される側にその一方が設けられた一対の検出電極を有し、前記主ポンプ手段でポンピング処理された後の被測定ガスに含まれる、ＮＯｘの分解または還元により発生する酸素の量に応じた電気信号を発生する電気信号変換手段と、を備えたものを用い、
前記被測定ガスに含まれるＮＯｘの量に対応する前記窒素酸化物センサの出力値が所定値に達した段階で、前記窒素酸化物還元触媒の上流に燃料を注入して、前記窒素酸化物還元触媒に吸着されていた窒素酸化物を脱着または分解し、
前記被測定ガスに含まれる酸素の量に対応する前記主ポンプ手段で測定されるポンプ電流値に基づいて、再び前記内燃機関をリーン条件で運転するエンジン排ガス系の制御方法。
【請求項３】
前記窒素酸化物センサを、前記窒素酸化物還元触媒の上流及び下流に設ける請求項１又は２に記載のエンジン排ガス系の制御方法。
【請求項４】
主としてリーン条件で運転される内燃機関の排気系に設けられたリーン雰囲気下で窒素酸化物を吸着しうる吸着手段と、前記吸着手段の下流に、または前記吸着手段と一体的に設けられた窒素酸化物還元触媒と、少なくとも前記吸着手段の下流に設けられた窒素酸化物センサと、を含むエンジン排ガス系の制御方法であって、
前記窒素酸化物センサとして、酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体と、前記基体の内外に配設される内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極からなる電気化学的ポンプセルを有し、且つ外部空間から導入された被測定ガスに含まれる酸素を、前記内側ポンプ電極と前記外側ポンプ電極の間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段と、前記主ポンプ手段でポンピング処理された後の被測定ガスが導入される側にその一方が設けられた一対の検出電極を有し、前記主ポンプ手段でポンピング処理された後の被測定ガスに含まれる、ＮＯｘの分解または還元により発生する酸素の量に応じた電気信号を発生する電気信号変換手段と、を備えたものを用い、
前記被測定ガスに含まれるＮＯｘの量に対応する前記窒素酸化物センサの出力値が所定値に達した段階で、前記内燃機関の運転条件を一時的に化学量論組成またはリッチ組成にして、前記吸着手段に吸着されていた窒素酸化物を脱着または分解し、
前記被測定ガスに含まれる酸素の量に対応する前記主ポンプ手段で測定されるポンプ電流値に基づいて、再び前記内燃機関をリーン条件で運転するエンジン排ガス系の制御方法。
【請求項５】
主としてリーン条件で運転される内燃機関の排気系に設けられたリーン雰囲気下で窒素酸化物を吸着しうる吸着手段と、前記吸着手段の下流に、または前記吸着手段と一体的に設けられた窒素酸化物還元触媒と、少なくとも前記吸着手段の下流に設けられた窒素酸化物センサと、を含むエンジン排ガス系の制御方法であって、
前記窒素酸化物センサとして、酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体と、前記基体の内外に配設される内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極からなる電気化学的ポンプセルを有し、且つ外部空間から導入された被測定ガスに含まれる酸素を、前記内側ポンプ電極と前記外側ポンプ電極の間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段と、前記主ポンプ手段でポンピング処理された後の被測定ガスが導入される側にその一方が設けられた一対の検出電極を有し、前記主ポンプ手段でポンピング処理された後の被測定ガスに含まれる、ＮＯｘの分解または還元により発生する酸素の量に応じた電気信号を発生する電気信号変換手段と、を備えたものを用い、
前記被測定ガスに含まれるＮＯｘの量に対応する前記窒素酸化物センサの出力値が所定値に達した段階で、前記吸着手段の上流に燃料を注入して、前記吸着手段に吸着されていた窒素酸化物を脱着または分解し、
前記被測定ガスに含まれる酸素の量に対応する前記主ポンプ手段で測定されるポンプ電流値に基づいて、再び前記内燃機関をリーン条件で運転するエンジン排ガス系の制御方法。
【請求項６】
前記窒素酸化物センサを、前記吸着手段の上流及び下流に設ける請求項４又は５に記載のエンジン排ガス系の制御方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンジン排ガス系の制御方法において、
前記窒素酸化物センサの出力値、リーンの継続時間、またはリーンとリッチの繰り返し周期に基づいて、前記窒素酸化物還元触媒または前記吸着手段の劣化を検出する触媒／吸着手段の劣化検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の排気ガス中に含まれる窒素酸化物を処理するにあたり、窒素酸化物センサと窒素酸化物吸着手段とを用いて効率良くリーンバーンエンジン排気ガス中の窒素酸化物を除去できるエンジン排ガス系の制御方法、およびその方法に用いる触媒、吸着手段の劣化を検出する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、リーンバーンエンジンにおいて、排気系に設けた三元触媒に窒素酸化物（以下ＮＯｘと言う）を吸着させ、これに間欠的に化学量論組成またはリッチ組成の排気ガスを流すことによりＮＯｘを処理する方法が、例えば非特許文献１に記載されている。
【０００３】
【非特許文献１】米国自動車技術者協会技術論文（ＳＡＥペーパー）９５２４９０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このシステムでは化学量論組成またはリッチ組成とするか、あるいは燃料を注入するタイミングおよび注入量は、運転条件に対応した設定値であるため、実際のＮＯｘの吸着量に対して、注入のタイミングが早すぎたり、遅すぎたり、あるいは量が多すぎたり、少なすぎたりすると言う不正確さが避けられなかった。このため、注入のタイミングが早すぎると、燃費が低下し、遅すぎるとＮＯｘが多量に排出されるという不都合があった。更に、ＮＯｘ触媒が劣化すると、多量のＮＯｘが排出されることになるにもかかわらず、その劣化を検出する信頼性の高い方法も無かった。
【０００５】
本発明はこれら従来の方法の欠点を解決するものであって、内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物を効率よく低濃度に処理することができるエンジン排ガス系の制御方法と、それに用いる触媒の劣化を的確に検出することができる劣化検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、主としてリーン条件で運転される内燃機関の排気系に設けられたリーン雰囲気下で窒素酸化物を吸着しうる窒素酸化物還元触媒と、少なくとも前記窒素酸化物還元触媒の下流に設けられた窒素酸化物センサと、を含むエンジン排ガス系の制御方法であって、前記窒素酸化物センサとして、酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体と、前記基体の内外に配設される内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極からなる電気化学的ポンプセルを有し、且つ外部空間から導入された被測定ガスに含まれる酸素を、前記内側ポンプ電極と前記外側ポンプ電極の間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段と、前記主ポンプ手段でポンピング処理された後の被測定ガスが導入される側にその一方が設けられた一対の検出電極を有し、前記主ポンプ手段でポンピング処理された後の被測定ガスに含まれる、ＮＯｘの分解または還元により発生する酸素の量に応じた電気信号を発生する電気信号変換手段と、を備えたものを用い、前記被測定ガスに含まれるＮＯｘの量に対応する前記窒素酸化物センサの出力値が所定値に達した段階で、前記内燃機関の運転条件を一時的に化学量論組成またはリッチ組成にして、前記窒素酸化物還元触媒に吸着されていた窒素酸化物を脱着または分解し、前記被測定ガスに含まれる酸素の量に対応する前記主ポンプ手段で測定されるポンプ電流値に基づいて、再び前記内燃機関をリーン条件で運転するエンジン排ガス系の制御方法が提供される。ここで、窒素酸化物還元触媒とは、窒素酸化物を吸着し、吸着した触媒表面部分でＮＯｘガスをＮ２とＯ２に還元もしくは分解する触媒をいう。
【０００７】
また、本発明によれば、主としてリーン条件で運転される内燃機関の排気系に設けられたリーン雰囲気下で窒素酸化物を吸着しうる窒素酸化物還元触媒と、少なくとも前記窒素酸化物還元触媒の下流に設けられた窒素酸化物センサ、とを含むエンジン排ガス系の制御方法であって、前記窒素酸化物センサとして、酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体と、前記基体の内外に配設される内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極からなる電気化学的ポンプセルを有し、且つ外部空間から導入された被測定ガスに含まれる酸素を、前記内側ポンプ電極と前記外側ポンプ電極の間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段と、前記主ポンプ手段でポンピング処理された後の被測定ガスが導入される側にその一方が設けられた一対の検出電極を有し、前記主ポンプ手段でポンピング処理された後の被測定ガスに含まれる、ＮＯｘの分解または還元により発生する酸素の量に応じた電気信号を発生する電気信号変換手段と、を備えたものを用い、前記被測定ガスに含まれるＮＯｘの量に対応する前記窒素酸化物センサの出力値が所定値に達した段階で、前記窒素酸化物還元触媒の上流に燃料を注入して、前記窒素酸化物還元触媒に吸着されていた窒素酸化物を脱着または分解し、前記被測定ガスに含まれる酸素の量に対応する前記主ポンプ手段で測定されるポンプ電流値に基づいて、再び前記内燃機関をリーン条件で運転するエンジン排ガス系の制御方法が提供される。
【０００８】
さらに本発明によれば、主としてリーン条件で運転される内燃機関の排気系に設けられたリーン雰囲気下で窒素酸化物を吸着しうる吸着手段と、前記吸着手段の下流に、または前記吸着手段と一体的に設けられた窒素酸化物還元触媒と、少なくとも前記吸着手段の下流に設けられた窒素酸化物センサと、を含むエンジン排ガス系の制御方法であって、前記窒素酸化物センサとして、酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体と、前記基体の内外に配設される内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極からなる電気化学的ポンプセルを有し、且つ外部空間から導入された被測定ガスに含まれる酸素を、前記内側ポンプ電極と前記外側ポンプ電極の間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段と、前記主ポンプ手段でポンピング処理された後の被測定ガスが導入される側にその一方が設けられた一対の検出電極を有し、前記主ポンプ手段でポンピング処理された後の被測定ガスに含まれる、ＮＯｘの分解または還元により発生する酸素の量に応じた電気信号を発生する電気信号変換手段と、を備えたものを用い、前記被測定ガスに含まれるＮＯｘの量に対応する前記窒素酸化物センサの出力値が所定値に達した段階で、前記内燃機関の運転条件を一時的に化学量論組成またはリッチ組成にして、前記吸着手段に吸着されていた窒素酸化物を脱着または分解し、前記被測定ガスに含まれる酸素の量に対応する前記主ポンプ手段で測定されるポンプ電流値に基づいて、再び前記内燃機関をリーン条件で運転するエンジン排ガス系の制御方法が提供される。
【０００９】
さらにまた、本発明によれば、主としてリーン条件で運転される内燃機関の排気系に設けられたリーン雰囲気下で窒素酸化物を吸着しうる吸着手段と、前記吸着手段の下流に、または前記吸着手段と一体的に設けられた窒素酸化物還元触媒と、少なくとも前記吸着手段の下流に設けられた窒素酸化物センサと、を含むエンジン排ガス系の制御方法であって、前記窒素酸化物センサとして、酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体と、前記基体の内外に配設される内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極からなる電気化学的ポンプセルを有し、且つ外部空間から導入された被測定ガスに含まれる酸素を、前記内側ポンプ電極と前記外側ポンプ電極の間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段と、前記主ポンプ手段でポンピング処理された後の被測定ガスが導入される側にその一方が設けられた一対の検出電極を有し、前記主ポンプ手段でポンピング処理された後の被測定ガスに含まれる、ＮＯｘの分解または還元により発生する酸素の量に応じた電気信号を発生する電気信号変換手段と、を備えたものを用い、前記被測定ガスに含まれるＮＯｘの量に対応する前記窒素酸化物センサの出力値が所定値に達した段階で、前記吸着手段の上流に燃料を注入して、前記吸着手段に吸着されていた窒素酸化物を脱着または分解し、前記被測定ガスに含まれる酸素の量に対応する前記主ポンプ手段で測定されるポンプ電流値に基づいて、再び前記内燃機関をリーン条件で運転するエンジン排ガス系の制御方法が提供される。
【００１０】
更に、本発明によれば、上記したエンジン排ガス系の制御方法において、前記窒素酸化物センサの出力値、リーンの継続時間、またはリーンとリッチの繰り返し周期に基づいて、前記窒素酸化物還元触媒または前記吸着手段の劣化を検出する触媒／吸着手段の劣化検出方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の方法によれば、ＮＯｘ還元触媒、ＮＯｘ吸着体の能力を有効に利用することにより、内燃機関排気ガス中のＮＯｘを極めて低い濃度に処理することが可能であり、更にＮＯｘ還元触媒、ＮＯｘ吸着体の劣化を的確に検出することも可能であり、産業上極めて有用である。
【００１２】
この劣化検出方法によれば、窒素酸化物還元触媒の性能のばらつきや使用中の経時変化があっても、エンジン排気ガスを化学量論組成またはリッチ組成とするタイミング、およびリーン組成に戻すタイミングを正確に検出することにより、上記制御方法をより効率に優れ且つＮＯｘ排出量を正確に制御した状態で運転し、更に触媒の劣化をも正確に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１〜図３は、本発明のエンジン排ガス系の制御方法の実施例を示す説明図である。
【００１４】
図１において、２０はエンジンであり、主としてリーン条件で運転されている。エンジン２０の排ガス系には、リーン雰囲気下で窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸着しうるＮＯｘ還元触媒３０と、ＮＯｘ還元触媒３０の下流にはＮＯｘセンサ４０が設けられている。このエンジン排ガス系において、空気／燃料比（Ａ／Ｆ）制御回路部５０が、ＮＯｘ排出濃度に対応するＮＯｘセンサ４０の出力値を検知して所定値と比較し、当該出力値が所定の値に達した段階で、Ａ／Ｆ制御回路部５０からの信号に基づいて燃料注入量制御部６０により、エンジン２０に供給する空気／燃料比（Ａ／Ｆ）が化学量論組成またはリッチ組成となるように燃料注入量を制御する。このようにエンジン２０に供給する空気／燃料比（Ａ／Ｆ）を化学量論組成またはリッチ組成とする制御を行うことにより、ＮＯｘ還元触媒３０に吸着されていたＮＯｘを脱着あるいは分解せしめ、再びエンジン２０をリーン条件で運転させることができる。
【００１５】
図２は、間欠的に燃料を注入する制御方法を示す実施例であり、注入・解除時期判断部７０が、ＮＯｘ排出濃度に対応するＮＯｘセンサ４０の出力値を検知して所定値と比較し、当該出力値が所定の値に達した段階で、注入・解除時期判断部７０からの信号に基づいて注入手段８０により、ＮＯｘ還元触媒３０の上流に燃料を注入する。このようにＮＯｘ還元触媒３０の上流に燃料を注入することにより、ＮＯｘ還元触媒３０に吸着されていたＮＯｘを脱着あるいは分解せしめ、再びエンジン２０をリーン条件で運転させることができる。
【００１６】
なお、図３の実施例は、図１におけるＮＯｘ還元触媒３０の代わりに、窒素酸化物吸着体（ＮＯｘ吸着体）３１とその下流にＮＯｘ触媒３２を配置し、ＮＯｘの吸着と分解を別の部分で行わせるようにしたものである。
【００１７】
ここで、ＮＯｘセンサとしては、内燃機関の排気ガス中に共存する酸素、水素、一酸化炭素、炭化水素、水蒸気、炭酸ガス等の影響の少ないセンサ、例えば図１０に示す特願平７−４８５５１号に記載のものがＮＯｘの測定値の精度、応答速度に優れている。
【００１８】
また、ＮＯｘ吸着体とは、リーン雰囲気で窒素酸化物を吸着させ、リッチ雰囲気でＮＯｘを脱着するものをいう。
【００１９】
図１０は本発明に用いる特願平７−４８５５１号に記載のＮＯｘセンサの基本的な構成を示す。
【００２０】
図１０において、ジルコニア磁器等の酸素イオン伝導性固体電解質からなる隔壁１の両面に白金等の内側ポンプ電極２及び外側ポンプ電極３が設けられ、電気化学的ポンプセル４を構成する。電気化学的ポンプセル４の内側ポンプ電極２及び外側ポンプ電極３間には、電気回路１６が設けられて電源８から制御電圧が印加されるように主ポンプ手段１７を構成している。この構成において、第一の拡散抵抗部５を介して被測定ガス空間６に連通する第一の内部空所７の雰囲気は、内側ポンプ電極２，外側ポンプ電極３間へ印加される電源８からの制御電圧による第一のポンプ電流によって、ＮＯが実質的に分解されない範囲の所定の低い酸素分圧に制御される。
【００２１】
この酸素分圧を一定値に制御されたガスは、第二の拡散抵抗部９を介して、第二の内部空所１０に導かれる。第二の内部空所１０には、隔壁１の両面に検出電極１１，基準電極１２が設けられてなる電気化学的ポンプセル１３を有し、かつ検出電極１１，基準電極１２間に電気回路１９が設けられて電気信号変換手段１８を構成している。また、検出電極１１上には、ＮＯｘの分解を促進する触媒１４が備えられている。
【００２２】
そこで、第二の拡散抵抗部９を通って第二の内部空所１０に拡散してきたガス中のＮＯｘは、この触媒１４により窒素と酸素とに分解され、その反応で生成した酸素は、検出電極１１から基準電極１２を経て基準ガス存在空間６’に汲み出され、その際流れる電流（第二のポンプ電流）として電流検出手段１５で測定される。
【００２３】
図４は、図１の制御方法に基づいてＮＯｘ排出濃度を制御する場合のＮＯｘ排出濃度、Ａ／Ｆ制御値、および排気ガス中の残留酸素量、すなわち図１０に示すＮＯｘセンサを用いた場合の電気化学的ポンプセル４の第一のポンプ電流の時間との関係を示す。
【００２４】
すなわち、時点ＡではＡ／Ｆ制御値はリーンであり、ＮＯｘ吸着体へのＮＯｘの吸着が進行するにつれて吸着能力が低下するため、ＮＯｘ排出濃度は徐々に増加する。ＮＯｘ排出濃度が所定の値に達した時点ＢでＡ／Ｆ制御値を化学量論比またはリッチに切り換える。時点Ｃでは排気ガス中の炭化水素や一酸化炭素が増加するため、吸着されていたＮＯｘが分解され、且つエンジンからのＮＯｘも減少するので、ＮＯｘ排出濃度は急激に減少する。また、時点Ｂの直後では吸着されていたＮＯｘと炭化水素や一酸化炭素が反応し排気ガス中の残存酸素量は比較的多く、第一のポンプ電流は多い。しかし、吸着されていたＮＯｘが反応により消費されるに従い、炭化水素や一酸化炭素が残留酸素と反応する割合が多くなり、残留酸素量は次第に減少し、ポンプ電流もこれにつれて減少する。ポンプ電流の減少が飽和するか、電流値が所定の値になった時点が吸着されていたＮＯｘがほぼ分解され尽くしたと判断でき、このポンプ電流値を用いるか、またはＮＯｘ排出濃度そのものを閾値として用いるか、あるいはエンジン回転数、燃料噴射量等の函数として予め設定された時間を用いて、時点Ｄで再びＡ／Ｆ制御値をリーンとする。
【００２５】
図５は、図２の制御システムに基づいてＮＯｘ排出濃度を制御する場合のＮＯｘ排出濃度、燃料注入量、および排気ガス中の残留酸素量、すなわち図１０のＮＯｘセンサを用いた場合の電気化学的ポンプセル４の第一のポンプ電流の時間との関係を示す。
【００２６】
すなわち、時点ＡではＡ／Ｆ制御値はリーンであり、ＮＯｘ吸着体へのＮＯｘの吸着が進行するにつれて吸着能力が低下するため、ＮＯｘ排出濃度は徐々に増加する。ＮＯｘ排出濃度が所定の値に達した時点Ｂで燃料の注入を開始する。時点Ｃでは注入した燃料により、吸着されていたＮＯｘが分解され、且つエンジンからのＮＯｘも減少するので、ＮＯｘ排出濃度は急激に減少する。また、時点Ｂの直後では吸着されていたＮＯｘと燃料とが反応するため排気ガス中の残存酸素量は比較的多く、ポンプ電流は多い。しかし、吸着されていたＮＯｘが反応により消費されるに従い、排気ガス中の炭化水素や一酸化炭素が残留酸素と反応する割合が多くなり、残留酸素量は次第に減少し、ポンプ電流もこれにつれて減少する。ポンプ電流の減少が飽和するか、電流値が所定の値になった時点が吸着されていたＮＯｘがほぼ分解され尽くしたと判断でき、このポンプ電流値を用いるか、あるいはＮＯｘ排出濃度そのものを閾値として、時点Ｄで再び燃料の注入を停止する。なお、本発明で、燃料としてはガソリン、軽油、一酸化炭素、水素、ＬＰＧ、アルコール等の可燃物や、アンモニア（ＮＨ３）などのＮＯｘ還元性を有するガスを用いることができる。
【００２７】
次に、本発明の更に具体的な制御方法の実施例について説明する。
【００２８】
図６は、図２に示す制御方法の変形例である。ＮＯｘ触媒３０の上流側と下流側とにそれぞれ図１０に示すＮＯｘセンサ４０，４１を設けたもので、下流側のＮＯｘセンサ４０と上流側のＮＯｘセンサ４１のＮＯｘ出力値を比較することにより、燃料の注入を制御する。ＮＯｘ出力値の比較は指示値比、指示値偏差等で行う。なお、図６では、燃料の注入を制御しているが、図１に示すような、化学量論比またはリッチへの切り換えにも、同様に適用することができる。
【００２９】
上流側のＮＯｘセンサ４１の電気化学的ポンプセル４のポンプ電流をＩｐ１とすると、この値は燃焼排ガス中の酸素濃度から炭化水素、一酸化炭素の燃焼に要した酸素量を差し引いた残量に対応した値となる。一方、下流側のＮＯｘセンサ４０の電気化学的ポンプセル４のポンプ電流をＩｐ２とすると、この値は、炭化水素、一酸化炭素がＮＯｘ触媒に吸着されたＮＯｘと反応することにより酸素との反応量が削減されるため、前記のＩｐ１の値に較べ、ＮＯｘ触媒３０に吸着されたＮＯｘによって供給される酸素量の分だけ大きくなる。このポンプ電流の比率Ｉｐ１／Ｉｐ２またはポンプ電流の差Ｉｐ１−Ｉｐ２が所定の値となった時点で吸着されていたＮＯｘがほぼ消費され尽くしたものと判断し、Ａ／Ｆをリーンに復帰させたり、燃料の注入を停止するものである。この方法は復帰時期の検出精度が高いという特徴がある。
【００３０】
燃料の注入時やＡ／Ｆを化学量論組成とする期間は、ＮＯｘが減少する期間でもあり、ＮＯｘを測定する必要がないので、ＮＯｘセンサの電気化学的ポンプセルへの通電を一時中止して酸素濃淡電池として機能させ、この電気化学的ポンプセルの起電力を計測することにより下流側のＡ／Ｆを測定し、このＡ／Ｆ値でリーンへの切替えを開始させることもできる。勿論、電気化学的ポンプセルへ通電したままで酸素濃淡電池の起電力を測定してもよく、この場合はポンプ電流に応じてポンプのインピーダンスによる電圧降下分を補正するのがよい。
【００３１】
図７は、ＮＯｘ触媒３０の上流側に酸素センサ４２あるいは拡散限界電流式Ａ／Ｆセンサ４３を設けた場合を示す。上流側に酸素センサ４２を用いた場合は、酸素センサ４２で制御されるＡ／Ｆ値は一定の値であるから、この値と、下流側に設けたＮＯｘセンサ４０によるＡ／Ｆ計測値とを比較する。この際、ＮＯｘセンサ４０の電気化学的ポンプセル１３への通電を一時中止し、且つ、ＮＯｘセンサ４０の第一の内部空所７の酸素分圧をＮＯｘが分解する値に制御してその際のポンプ電流値からＡ／Ｆを求めるのが良い。これとは別に、下流側のＮＯｘセンサ４０の電気化学的ポンプセル１３への通電を中止して酸素濃淡電池として作動させることも可能であり、その場合は上流側の酸素センサ４２の起電力をＶ１とし、下流側の酸素センサの起電力をＶ２とすると、Ｖ１＝Ｖ２の時点が吸着されたＮＯｘの還元が終了した時であり、Ｖ１とＶ２との差または比率が所定値を越えた場合に燃料の注入を停止したり、Ａ／Ｆをリーンに戻す。
【００３２】
一方、上流側に拡散限界電流式Ａ／Ｆセンサを用いた場合は、Ａ／Ｆセンサ４３の出力値と、下流側に設けたＮＯｘセンサ４０の第一の内部空所７のポンプ電流値によるＡ／Ｆ計測値とを比較する。この場合もＮＯｘセンサ４０の電気化学的ポンプセル１３への通電を一時中止し、且つ、ＮＯｘセンサ４０の第一の内部空所７の酸素分圧をＮＯｘが分解する値に制御するのが良い。
【００３３】
リーンへの切替え時期の判断は、この他、Ａ／Ｆ変化速度（ＮＯｘセンサ４０の電気化学的ポンプセル４のポンプ電流の変化速度）を用いることができる。即ち、ＮＯｘセンサ４０の電気化学的ポンプセル４のポンプ電流は、各燃料注入量に対し図８に示すような減衰曲線で変化するので、所定の注入量に対し、減衰速度が遅くなり、所定の値を越えた時点でリーンへの切替え時期と判断することができる。
【００３４】
更に、上流側Ａ／Ｆセンサ４３の指示値は排気ガス中の酸素と燃料が反応した残留酸素濃度に対応した値であり、一方、ＮＯｘセンサ４０の電気化学的ポンプセル４のポンプ電流は酸素と燃料、吸着ＮＯｘが反応した残留酸素濃度を表し、その差は吸着ＮＯｘの分解量を表すことから、ＮＯｘセンサ４０の電気化学的ポンプセル４のポンプ電流値と上流側Ａ／Ｆセンサ４３の指示値から与えられる目標ポンプ電流値との差（即ち吸着ＮＯｘの分解量）と排気ガス流量からＮＯｘ分解量を求め、これを積分して、この値が所定値になった時点をリーンへの切替え時期と判断することもできる。また、この積分値をＮＯｘの重量値に換算して用いることもできる。
【００３５】
リーンから化学量論比組成，リッチまたは燃料注入への切替え時期の判断は、ＮＯｘセンサ出力の積分値で行っても良く、微分値で行っても良い。内燃機関がリーンで運転されている期間では、運転条件が多少変化してもＮＯｘ濃度は殆ど影響を受けないので、ＮＯｘの吸着が飽和することによるＮＯｘ濃度の急増は比較的容易に検出できるので、ＮＯｘセンサ出力の微分値でも十分判定ができる。
【００３６】
また、ＮＯｘ濃度の情報に排気ガス流量、走行距離の情報を加味し、ＮＯｘ排出量（グラム／マイル）の情報に変換し、この値あるいはその積分値が所定の値になった時点でこれらの切替えを行うことが排気ガス規制に適合する上で好ましい。
【００３７】
次に、本発明における触媒の劣化検出方法について説明する。
【００３８】
この検出方法は、前記のＮＯｘセンサを含むエンジン排ガス系において、ＮＯｘの吸着、脱着または分解に要する時間、あるいはこれらの繰り返しの周期がＮＯｘ還元触媒の吸着容量に依存することを応用し、リーンの期間、リッチまたは化学量論組成の期間、あるいはこれらの周期が所定の時間を下回った時点で、ＮＯｘ還元触媒の劣化と判断するものである。
【００３９】
すなわち、ＮＯｘ還元触媒の吸着容量が減少すると、リーン期間に内燃機関から排出されるＮＯｘは短時間でＮＯｘ還元触媒への吸着が飽和し、ＮＯｘ還元触媒の下流側へ流出してくるＮＯｘが早く増加しはじめる。このため、リーンからリッチまたは化学量論組成への切替えが早くなる。従って、リーン期間をモニターし、所定時間以下となった時点でＮＯｘ還元触媒の劣化と判断する。
【００４０】
上記の切替え時間やその周期は、内燃機関の運転条件、例えば回転数、Ａ／Ｆ値により排気ガス流量やＮＯｘ濃度が変化するため、これらの情報を加えて標準化する必要がある。例えば、図９に示すように、内燃機関の運転条件を基にリーンになってからのＮＯｘ排出量を算出し、その値に対応したリーン期間の下限値を設定し、実際のリーン期間と比較する。また、内燃機関の運転条件を基にリーンになってからのＮＯｘ排出量を積分して総排出量を求め、所定の総排出量となるに要する切替え時間を予め定めた標準時間と比較することもできる。
【００４１】
リッチ、化学量論組成、または燃料注入の期間も吸着されたＮＯｘ量を代表する値であり、この時間でＮＯｘ還元触媒の吸着容量の劣化を判断することができる。この場合も、前記のリーンの場合と同様、内燃機関の運転条件を基にＮＯｘの排出量や総排出量に対応した時間を予め設定し、実際の期間とを比較すれば良い。
【００４２】
ＮＯｘセンサをＮＯｘ還元触媒の上流側と下流側の両方に設けた場合は、上流側ＮＯｘセンサの出力と下流側ＮＯｘセンサの出力との差とガス流量の情報からＮＯｘ還元触媒に吸着されたＮＯｘ量を求め、この吸着量について、リーン切替え直後または所定時間後の値が所定値以下であった場合を劣化と判断することもできる。また、吸着量の代わりに、ＮＯｘ還元触媒の上流側と下流側とのＮＯｘ濃度の比（上流側のＮＯｘ濃度／下流側のＮＯｘ濃度）が所定値以下となった場合を劣化としてもよい。
【００４３】
なお、以上はＮＯｘ還元触媒について説明したが、ＮＯｘ吸着体についても同様に適用することができ、ＮＯｘ吸着体の劣化も検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上の説明により明らかな通り、本発明の方法によれば、ＮＯｘ還元触媒、ＮＯｘ吸着体の能力を有効に利用することにより、内燃機関排気ガス中のＮＯｘを極めて低い濃度に処理することが可能であり、更にＮＯｘ還元触媒、ＮＯｘ吸着体の劣化を的確に検出することも可能であり、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明のエンジン排ガス系の制御方法の一実施例を示す説明図である。
【図２】本発明のエンジン排ガス系の制御方法の他の実施例を示す説明図である。
【図３】本発明のエンジン排ガス系の制御方法のさらに他の実施例を示す説明図である。
【図４】図１に示す本発明の制御方法におけるＮＯｘ排出濃度、Ａ／Ｆ制御値、および第一のポンプ電流の時間との関係を示すグラフである。
【図５】図２に示す本発明の制御方法におけるＮＯｘ排出濃度、燃料注入量、および第一のポンプ電流の時間との関係を示すグラフである。
【図６】本発明のエンジン排ガス系の制御方法のさらに他の実施例を示す説明図である。
【図７】本発明のエンジン排ガス系の制御方法のさらに別の実施例を示す説明図である。
【図８】燃料注入量に対する第一のポンプ電流の変化速度を示すグラフである。
【図９】ＮＯｘ総排出量と基準リーン時間との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明に用いるＮＯｘセンサの一例の基本的な構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
１：固体電解質からなる隔壁、２：電極、３：電極、４：電気化学的ポンプセル、５：第一の拡散抵抗部、６：被測定ガス空間、７：第一の内部空所、８：電源、９：第二の拡散抵抗部、１０：第二の内部空所、１１：電極、１２：電極、１３：電気化学的ポンプセル、１４：触媒、１５：電流検出手段、２０：エンジン、３０：ＮＯｘ還元触媒、３１：ＮＯｘ吸着体、３２：ＮＯｘ触媒、４０：ＮＯｘセンサ、５０：Ａ／Ｆ制御回路部、６０：燃料注入量制御部、７０：注入・解除時期判断部、８０：注入手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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