(57)【要約】【課題】  ＮＯX触媒装置の下流側に配置されたＮＯX濃度センサにより、再生処理時の追加燃料の異常減量を判断可能とする内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】  ＮＯX触媒装置と、再生処理に際してＮＯX触媒装置へ流入する既燃ガス中に追加燃料を供給する燃料供給手段と、ＮＯX触媒装置の排気下流側に配置されたＮＯX濃度センサとを具備し、今回の再生処理中にＮＯX濃度センサにより検出されたＮＯX濃度が設定濃度以下である時（ステップ１０４）には、ＮＯX濃度センサを利用して次回の再生処理までの間における設定期間においてＮＯX触媒装置へ吸蔵された吸蔵ＮＯX量を推定し（ステップ１０５）、吸蔵ＮＯX量が設定量より少ない時（ステップ１０６）には、今回の再生処理において追加燃料の異常減量が発生していたと判断する（ステップ１０９）。【選択図】      図３
2007100606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＮＯX触媒装置と、再生処理に際して前記ＮＯX触媒装置へ流入する既燃ガス中に追加燃料を供給する燃料供給手段と、前記ＮＯX触媒装置の排気下流側に配置されたＮＯX濃度センサとを具備し、今回の再生処理中に前記ＮＯX濃度センサにより検出されたＮＯX濃度が設定濃度以下である時には、前記ＮＯX濃度センサを利用して次回の再生処理までの間における設定期間において前記ＮＯX触媒装置へ吸蔵された吸蔵ＮＯX量を推定し、前記吸蔵ＮＯX量が設定量より少ない時には、今回の再生処理において追加燃料の異常減量が発生していたと判断することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記吸蔵ＮＯX量が前記設定量以上である時には、今回の再生処理において適当量より多い追加燃料が供給されていたと判断することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記設定量は、前記ＮＯX触媒装置の劣化状態に応じて可変とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リーン空燃比での燃焼を実施する内燃機関が公知であり、このような内燃機関の排気通路には、ＮＯXを浄化するためのＮＯX触媒装置が配置されている。ＮＯX触媒装置は、酸素濃度の高いリーン空燃比の排気ガスからＮＯXを良好に吸蔵するものであるが、無制限にＮＯXを吸蔵することはできない。それにより、ＮＯX触媒装置のＮＯX吸蔵量が飽和する以前に、ＮＯX触媒装置へ流入する既燃ガス中の酸素濃度を低下させることにより吸蔵されたＮＯXを放出させ、放出させたＮＯXを既燃ガス中の未燃ＨＣ及びＣＯ等の還元物質により還元浄化させるＮＯX触媒装置の再生処理が必要となる。
【０００３】
再生処理においては、リーン空燃比の既燃ガス中に気筒内又は排気通路において追加燃料（ＨＣ）を混入させてＮＯX触媒装置へ供給することとなる。こうしてＮＯX触媒装置へ供給された追加燃料の一部は、ＮＯX触媒装置に担持された酸化触媒によって既燃ガス中の酸素を消費して燃焼（酸化）させられ、ＮＯX触媒装置内の既燃ガス中の酸素濃度を低下させる。また、追加燃料の残りは、酸素濃度の低下によりＮＯX触媒装置から放出されたＮＯXを還元浄化するのに使用される。
【０００４】
こうして、適当量の追加燃料がＮＯX触媒装置に供給されれば、ＮＯX触媒装置において既燃ガス中の酸素の多くを消費して酸素濃度を十分に低下させ、ＮＯX触媒装置から放出させたＮＯXを良好に還元浄化することができると共に、ＮＯX触媒装置を単に通過するだけの燃料量を十分に低減することができる。
【０００５】
これに対して、適当量より多くの追加燃料がＮＯX触媒装置に供給されると、ＮＯX触媒装置において燃焼されず、また、放出されたＮＯXの還元浄化にも使用されない燃料量、すなわち、ＮＯX触媒装置を単に通過するだけの燃料量を増加させることとなる。こうして、ＮＯX触媒装置を単に通過するだけの燃料量が増加すれば、燃料消費だけでなく排気エミッションも悪化させることとなる。
【０００６】
ＮＯX触媒装置の下流側にＮＯX濃度センサを配置して、再生処理時にＮＯX触媒装置から流出するＮＯXの濃度を検出する内燃機関の排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この排気浄化装置において、検出されたＮＯX濃度が設定範囲内を超えて下回っていれば、ＮＯX触媒装置内の既燃ガス中の酸素濃度は十分に低下させられて十分に放出されたＮＯXを十二分に還元浄化させたこととなる。それにより、この時には、適当量より多い追加燃料が供給されており、ＮＯX触媒装置を単に通過するだけの燃料量が比較的多くなるために、次回の再生処理の追加燃料量が減少させられる。また、ＮＯX濃度が設定範囲内を超えて上回っていれば、ＮＯX触媒装置内の既燃ガス中の酸素濃度は十分に低下させられてＮＯXが十分に放出されたが、このＮＯXを十分に還元浄化させることができなかったことになる。それにより、適当量より少ない追加燃料しか供給されていないとして、次回の再生処理の追加燃料量を増加させられる。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１１３１１６
【特許文献２】特開２００４−２５１１３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述の排気浄化装置において、再生処理時にＮＯX触媒装置から流出するＮＯXの濃度が設定範囲内を超えて下回る時には、燃料供給装置の不具合により追加燃料の異常減量が発生して、既燃ガス中の酸素濃度が十分に低下させられずにＮＯXの放出が不十分となったとも考えられ、このような異常減量の場合に、次回の再生処理において追加燃料量を減少させても意味がない。
【０００９】
従って、本発明の目的は、ＮＯX触媒装置の下流側に配置されたＮＯX濃度センサにより、再生処理時の追加燃料の異常減量を判断可能とする内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯX触媒装置と、再生処理に際して前記ＮＯX触媒装置へ流入する既燃ガス中に追加燃料を供給する燃料供給手段と、前記ＮＯX触媒装置の排気下流側に配置されたＮＯX濃度センサとを具備し、今回の再生処理中に前記ＮＯX濃度センサにより検出されたＮＯX濃度が設定濃度以下である時には、前記ＮＯX濃度センサを利用して次回の再生処理までの間における設定期間において前記ＮＯX触媒装置へ吸蔵された吸蔵ＮＯX量を推定し、前記吸蔵ＮＯX量が設定量より少ない時には、今回の再生処理において追加燃料の異常減量が発生していたと判断することを特徴とする。
【００１１】
本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記吸蔵ＮＯX量が前記設定量以上である時には、今回の再生処理において適当量より多い追加燃料が供給されていたと判断することを特徴とする。
【００１２】
本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記設定量は、前記ＮＯX触媒装置の劣化状態に応じて可変とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、今回の再生処理中にＮＯX濃度センサにより検出されたＮＯX触媒装置の排気下流側でのＮＯX濃度が設定濃度以下である時には、ＮＯX濃度センサを利用して次回の再生処理までの間における設定期間においてＮＯX触媒装置へ吸蔵された吸蔵ＮＯX量を推定し、推定された吸蔵ＮＯX量が設定量より少ない時には、今回の再生処理において十分にＮＯXが放出されていないこととなり、今回の再生処理において追加燃料の異常減量が発生していたと判断するようにしている。
【００１４】
本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、推定された吸蔵ＮＯX量が設定量以上である時には、今回の再生処理において十分にＮＯXが放出されたこととなり、適当量より多い追加燃料が供給されていたと判断するようにしている。
【００１５】
本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯX触媒装置の劣化程度が進行するほど、再生処理において十分にＮＯXが放出されても次回の再生処理までの間における設定期間において吸蔵されるＮＯX量が減少するために、設定量はＮＯX触媒装置の劣化状態に応じて可変としている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。同図において、１０は排気通路に配置されたＮＯX触媒装置である。２０はＮＯX触媒装置１０から流出するＮＯXの濃度を検出するためにＮＯX触媒装置１０の直下流側に配置されたＮＯX濃度センサである。また、ＮＯX触媒装置１０の排気上流側には、ＮＯX触媒装置１０へ流入する既燃ガスへ燃料を供給するための燃料供給装置３０が配置されている。本実施形態の内燃機関は、希薄燃焼を実施する内燃機関（例えばディーゼルエンジン）であり、排気ガス中には比較的多くのＮＯXが含まれている。
【００１７】
ＮＯX触媒装置１０は、アルミナ等を使用して以下に説明するＮＯX吸蔵触媒と白金Ｐｔのような貴金属触媒とが担持されたモノリス担体又はペレット担体を有するものである。また、ＮＯX触媒装置１０は、排気ガスがコージライトのような多孔質材料から形成された隔壁を通過するようにしたパティキュレートフィルタの隔壁表面及び細孔内にＮＯX吸蔵触媒と貴金属触媒を担持させたものとしても良い。
【００１８】
ＮＯX吸蔵触媒は、例えば、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。このＮＯX吸蔵触媒は、流入する既燃ガスの空燃比がリーンの時、すなわち、酸素濃度が高い時にはＮＯXを吸蔵し、空燃比が理論空燃比又はリッチになると、すなわち、酸素濃度が低下すると、吸蔵したＮＯXを放出するＮＯXの吸放出作用を行う。このＮＯXの吸放出に際して、活性酸素が放出され、この活性酸素は輝炎を発生させることなくパティキュレートを酸化除去することができるために、ＮＯX触媒装置１０をパティキュレートフィルタとすれば、捕集されたパティキュレートは自動的に酸化除去される。
【００１９】
ところで、ＮＯX触媒装置１０は、無制限にＮＯXを吸蔵することはできず、ＮＯXの放出作用を利用して、ＮＯX触媒装置１０のＮＯX吸蔵量が飽和する以前に、流入する既燃ガスの空燃比をリッチにして、吸蔵されたＮＯXを放出させて還元浄化するＮＯX触媒装置１０の再生処理を実施することが必要となる。例えば、機関運転状態毎の単位時間当たりのＮＯX排出量を予めマップ化しておき、各機関運転状態のＮＯX排出量をＮＯX触媒装置１０へ流入するＮＯX量とし、ＮＯX濃度センサ２０により検出されるＮＯX濃度に基づき算出されるＮＯX触媒装置１０から流出する単位時間当たりのＮＯX量との差が単位時間当たりのＮＯX吸蔵量となるために、この積算値をＮＯX触媒装置１０のＮＯX吸蔵量とすることができる。もちろん、ＮＯX触媒装置１０の排気上流側にもＮＯX濃度センサを配置して、ＮＯX触媒装置１０へ流入する単位時間当たりのＮＯX量を算出するようにしても良い。このようにして算出されたＮＯX吸蔵量が設定値に達した時にＮＯX触媒装置１０の再生時期と判断することができる。また、このように再生時期を判断することなく、設定車両走行時間毎又は設定車両走行距離毎に再生時期として再生処理を実施するようにしても良い。
【００２０】
再生処理においては、理論空燃比よりリーンな空燃比の既燃ガスに燃料供給装置３０により適当量の追加燃料を供給して、ＮＯX触媒装置１０へ流入する既燃ガスの空燃比を、所望リッチ空燃比とすることとなる。燃料供給装置３０が設けられていない場合には、気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁により、膨張行程又は排気行程において気筒内のリーン空燃比の既燃ガスへ追加燃料を噴射して、ＮＯX触媒装置１０へ流入する既燃ガスの空燃比を所望リッチ空燃比としても良い。
【００２１】
こうして、適当量の追加燃料が混入されると共に比較的多量の酸素を含む既燃ガスがＮＯX触媒装置１０へ流入すると、追加燃料の一部は、ＮＯX触媒装置１０に担持された酸化触媒によって既燃ガス中の酸素を消費して燃焼（酸化）させられ、既燃ガス中の酸素濃度を低下させる。それにより、ＮＯX触媒装置１０からＮＯXが放出されると、放出されたＮＯXは追加燃料の残りによって還元浄化され、燃焼せずにＮＯXの還元浄化にも使用されないＮＯX触媒装置１０を単に通過する燃料は僅かな量となる。
【００２２】
これに対して、適当量より多くの追加燃料がＮＯX触媒装置に供給されると、より多くの燃料がＮＯX触媒装置において燃焼することとなるが、ＮＯX触媒装置を単に通過するだけの燃料量も増加し、燃料消費だけでなく排気エミッションも悪化させることとなる。
【００２３】
また、適当量より少ない追加燃料しかＮＯX触媒装置に供給されないと、追加燃料の殆どが燃焼させられて、放出されたＮＯXが十分に還元浄化されることなく大気中へ放出されることとなる。
【００２４】
こうして、再生処理における追加燃料の適当量は、既燃ガスの空燃比がリーンであるほど、吸気量（排気ガス量）が多いほど、また、ＮＯX触媒装置１０の酸化能力が高いほど、多くなるように設定されて、燃料供給装置２０の作動時間が制御される。しかしながら、燃料供給装置２０の燃料供給特性のばらつき及び経時変化等によって、適当量に対応する作動時間だけ燃料供給装置を制御しても、実際に適当量の追加燃料が供給されるとは限らない。それによって、適当量より多くの追加燃料が供給されたり、適当量より少ない追加燃料が供給されたりすれば、前述の問題が発生することとなる。本実施形態は、図３に示すフローチャートによって再生処理において適当量の追加燃料が供給されるようにしている。
【００２５】
先ず、ステップ１０１において、再生時期であるか否かが判断される。この判断が否定される時にはそのまま終了するが、この肯定される時にはステップ１０２において、燃料量供給装置３０により追加燃料が供給されて再生処理が実施される。追加燃料量の決定に際しては、再生処理直前の既燃ガスの空燃比（燃焼空燃比）及び再生処理直前の吸気量等が考慮される。
【００２６】
次いで、ステップ１０３において、再生処理中にＮＯX濃度センサ２０により検出されるＮＯX触媒装置１０から流出するＮＯX濃度（例えば、ＮＯX濃度のピーク値）Ｎｏｕｔが第二設定濃度Ｃ２以上であるか否かが判断される。この判断が否定される時には、ステップ１０４において、ＮＯX濃度Ｎｏｕｔが第一設定濃度Ｃ１以下であるか否かが判断される。
【００２７】
図２は、特定の定常機関運転状態におけるＮＯX濃度センサにより検出されるＮＯX濃度の変化を示すタイムチャートである。ここで、Ｃ０は、ＮＯX触媒装置１０へ流入するＮＯXの濃度である。時刻ｔ１において再生処理が開始されると、ＮＯX触媒装置１０から放出されたＮＯXの一部は還元浄化されずにＮＯX触媒装置から流出するために、ＮＯX触媒装置１０の下流側のＮＯX濃度は、ＮＯX触媒装置１０へ流入するＮＯX濃度Ｃ０より高くなる。
【００２８】
実線で示すように、時刻ｔ１からｔ２の間の再生処理中において、ＮＯX触媒装置１０の下流側のＮＯX濃度のピーク値が第一設定濃度Ｃ１と第二設定濃度Ｃ２との間の範囲内であれば、再生処理において適当量の追加燃料が供給されており問題はない。しかしながら、点線で示すように、ＮＯX触媒装置１０の下流側のＮＯX濃度のピーク値が第二設定濃度Ｃ２以上となっていれば、この理由として、ＮＯX触媒装置１０から放出されたＮＯXを十分に還元浄化する燃料が不足していたと考えられる。
【００２９】
一方、一点鎖線で示すように、ＮＯX触媒装置１０の下流側のＮＯX濃度のピーク値が第一設定濃度Ｃ１以下となっていれば、この理由として、ＮＯX触媒装置１０から放出させたＮＯXを十二分に還元浄化したと考えられ、又は、ＮＯX触媒装置１０から僅かなＮＯXしか放出されず、これが還元浄化もされなかったとも考えられる。
【００３０】
それにより、ＮＯX触媒装置の下流側のＮＯX濃度Ｎｏｕｔが第二設定濃度Ｃ２以上となってステップ１０３の判断が肯定される時には、ステップ１０７において、今回の再生処理では追加燃料の供給が不足していたと判断される。こうして、今回の再生処理では、適当量より少ない追加燃料しか供給されておらず、例えば、ＮＯX触媒装置１０へ流入した既燃ガスの空燃比は理論空燃比近傍までしかリッチ側とされておらず、ＮＯX触媒装置からＮＯXは放出されたが、放出されたＮＯXは十分に還元浄化されずにＮＯX触媒装置から流出したと考えられる。それにより、ステップ１０８では、次回の再生処理においては、燃料供給装置３０の作動時間を増加させて、追加燃料を増量するようにしている。
【００３１】
一方、ＮＯX触媒装置の下流側のＮＯX濃度Ｎｏｕｔが第一設定濃度Ｃ１以下となってステップ１０４の判断が肯定される時には、前述した二つの理由が考えられるために、ステップ１０６において、今回の再生処理完了後のＮＯX吸蔵量ＡＮが設定量Ｂ以上であるか否かが判断される。このＮＯX吸蔵量は、今回の再生処理の完了時刻ｔ２から次回の再生処理の開始時刻ｔ３までの間にＮＯX触媒装置１０へ吸蔵されるＮＯX量としても良いが、時刻ｔ２からｔ３までの間における任意の設定期間の吸蔵量としても良い。この設定期間は時刻ｔ２から開始することが好ましい。
【００３２】
ＮＯX吸蔵量は、前述したように、ＮＯX触媒装置１０へ流入するＮＯXの濃度（例えばＣ０）とＮＯX触媒装置１０から流出するＮＯXの濃度との差に基づき単位時間当たりの排気ガス量を考慮して推定することができる。ＮＯX触媒装置１０へ流入するＮＯXの濃度は、設定期間の運転状態が定常であれば、一定となるが、定常でなければ、単位時間毎に変化するために、単位時間毎のＮＯX吸蔵量を算出して積算することとなる。
【００３３】
図２に実線で示すように、ＮＯX触媒装置１０へ流入するＮＯXの濃度とＮＯX触媒装置１０から流出するＮＯXの濃度との差が大きく、算出された設定期間のＮＯX吸蔵量ＡＮが設定量Ｂ以上となれば、今回の再生処理においてはＮＯX触媒装置１０からＮＯXが十分に放出されていたこととなり、ステップ１０６の判断が肯定されてステップ１１０に進み、今回の再生処理では追加燃料の供給が過剰であったと判断される。こうして、今回の再生処理では、例えば、ＮＯX触媒装置１０へ流入した既燃ガスの空燃比は所望リッチ空燃比よりリッチ側であり、ＮＯX触媒装置から放出されたＮＯXを十二分に還元浄化したが、そのためには、適当量より多い追加燃料が供給されて、ＮＯX触媒装置１０を単に通過する燃料量も増加していたと考えられる。それにより、ステップ１１１では、次回の再生処理においては、燃料供給装置３０の作動時間を減少させて、追加燃料を減量するようにしている。
【００３４】
一方、図２に一点鎖線で示すように、ＮＯX触媒装置１０へ流入するＮＯXの濃度とＮＯX触媒装置１０から流出するＮＯXの濃度との差が小さく、算出された設定期間のＮＯX吸蔵量ＡＮが設定量Ｂより少なければ、今回の再生処理においてはＮＯX触媒装置１０からＮＯXが十分に放出されていなかったこととなり、ステップ１０６の判断が否定されてステップ１０９に進み、今回の再生処理においては、燃料供給装置３０の燃料供給口の詰まり等のような不具合によって、追加燃料が異常に減量されていたと判断される。こうして、今回の再生処理では、追加燃料が殆ど供給されておらず、又は、適当量に対して僅かな量の追加燃料しか供給されておらず、例えば、ＮＯX触媒装置１０へ流入した既燃ガスの空燃比は僅かにリッチ側とされても依然としてリーンであり、ＮＯX触媒装置から僅かなＮＯXが放出されても、還元浄化されずにＮＯX触媒装置１０から流出されていたこととなる。このような追加燃料の異常減量が判断されれば、運転者に警告して燃料供給装置の不具合を修理することとなる。
【００３５】
設定期間のＮＯX吸蔵量ＡＮのための閾値である設定量Ｂは、設定期間の長さが長いほど大きくされる。また、設定量Ｂは、ＮＯX触媒装置１０の使用期間が長いほどＮＯX触媒装置１０の劣化が進行してＮＯX触媒装置１０にＮＯXが吸蔵され難くなるために、小さくされることが好ましい。また、設定期間を非常に短時間、例えば、瞬間としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。
【図２】ＮＯX触媒装置の下流側のＮＯX濃度の変化を示すタイムチャートである。
【図３】再生処理に際して追加燃料の異常減量等を判断するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３７】
１０    ＮＯX触媒装置
２０    ＮＯX濃度センサ
３０    燃料供給装置
【図１】
2007100606.tif 000003
【図２】
2007100606.tif 000004
【図３】
2007100606.tif 000005