(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に介装される排気浄化触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
前記触媒の温度が該触媒の形態が安定している所定温度領域のときに、該触媒の性能回復不能な永久劣化を検出する永久劣化検出手段と、
前記触媒の温度が、該触媒への被毒物質の蓄積により該触媒の性能回復可能な一時劣化を生じる設定温度領域の状態で、前記一時劣化判定用の設定時間運転した後に検出した該触媒の一時劣化と、前記検出した永久劣化とに基づいて前記排気浄化触媒への被毒物質の蓄積量を推定する被毒物質蓄積量推定手段と、
前記推定された被毒物質の蓄積量に基づいて機関に供給される混合気の空燃比を過渡的に補正して触媒基材に蓄積された被毒物質の脱離を行わせる被毒物質脱離手段と、
を含んで構成したことを特徴とする内燃機関における排気浄化触媒の性能回復装置。
【請求項２】
前記被毒物質脱離手段は、前記推定された被毒物質の蓄積量に基づいて、前記補正空燃比を設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関における排気浄化触媒の性能回復装置。
【請求項３】
前記被毒物質脱離手段は、前記推定された被毒物質の蓄積量に基づいて補正空燃比に維持する時間を設定し、機関に供給される混合気の空燃比を前記設定時間だけ前記補正空燃比に補正して触媒基材に蓄積された被毒物質の脱離を行わせることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関における排気浄化触媒の性能回復装置。
【請求項４】
前記被毒物質脱離手段は、前記推定された被毒物質の蓄積量に基づいて、前記補正空燃比を設定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関における排気浄化触媒の性能回復装置。
【請求項５】
前記被毒物質脱離手段は、前記空燃比補正を行いつつ補正後の被毒物質の蓄積量を検出し、被毒物質の蓄積量が所定レベルとなるまで前記空燃比補正を繰り返す動作を行うものであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関における排気浄化触媒の性能回復装置。
【請求項６】
前記被毒物質蓄積量推定手段における被毒物質の蓄積量の推定は、前記排気浄化触媒の上流側に備えたＯ２センサの出力値に基づいて補正前の空燃比に制御するフィードバック制御を行い、該上流側のＯ２センサと触媒下流側に備えたＯ２センサとの出力値が反転する周期の比に基づいて検出するものであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関における排気浄化触媒の性能回復装置。
【請求項７】
前記被毒物質脱離手段は、空燃比のリッチ化による触媒のメタル化傾向の小さい温度領域では空燃比をリッチ化して被毒物質の脱離を促進させ、前記触媒のメタル化傾向の大きい温度領域では空燃比をリーン化して該メタル化を抑制するものであることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関における排気浄化触媒の性能回復装置。
【請求項８】
前記所定温度領域は４５０°Ｃ以下であり、前記設定温度領域は５５０°Ｃ以上であることを特徴とする請求項1〜請求項７のいずれか１つに記載の内燃機関における排気浄化触媒の性能回復装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化触媒に堆積するＳ (硫黄) 等の被毒物質を除去し、性能を回復させる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、前記のような被毒物質に対する性能回復の装置は存在せず、劣化検出についても触媒上流と下流とに設けたＯ2 センサの出力値に基づいて通常の意味での触媒の劣化を判定する方式が知られるのみであり (特開平４−１１６２３９号公報参照) 、被毒物質による劣化を分離して検出できるものはない。
【０００３】
即ち、上記従来の触媒劣化検出は、触媒での酸素吸着能若しくは酸素使用に伴う残存Ｏ2 量の低下に依存する触媒前後に装着されたＯ2 センサの出力の違いから (具体的にはリッチ・リーン周期の違い) 触媒の劣化判定を行ったものであり、触媒の永久劣化部分 (熱履歴等により触媒機能が回復不能な劣化：所謂耐久劣化部分) の大きさの判定に用いられたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来装置にあっては、回復不能な永久劣化の判定のみを行っており、Ｓ等の被毒物質堆積による可逆性を有した一過性の劣化を検出するものではなく、堆積された被毒物質を脱離して元の状態に戻す機能がないため、例えばＰｄ (パラジウム) を主原料とする触媒のように前記一過性の劣化を受けやすい触媒を、特にＳ含有量の多い燃料を使用する地域で使用する場合には、触媒容量、貴金属担持量を増加させる等のコストが嵩む方式をとるか、場合によっては該触媒の使用を制限する等の対策が必要であった。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたもので、排気燃料中の被毒物質、特にＳによる一過性の性能劣化を使用中に解消できるようにした内燃機関における排気浄化触媒の性能回復装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１の発明は、図１に示すように、
内燃機関の排気系に介装される排気浄化触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
前記触媒の温度が該触媒の形態が安定している所定温度領域のときに、該触媒の性能回復不能な永久劣化を検出する永久劣化検出手段と、
前記触媒の温度が、該触媒への被毒物質の蓄積により該触媒の性能回復可能な一時劣化を生じる設定温度領域の状態で、前記一時劣化判定用の設定時間運転した後に検出した該触媒の一時劣化と、前記検出した永久劣化とに基づいて前記排気浄化触媒への被毒物質の蓄積量を推定する被毒物質蓄積量推定手段と、
前記推定された被毒物質の蓄積量に基づいて機関に供給される混合気の空燃比を過渡的に補正して触媒基材に蓄積された被毒物質の脱離を行わせる被毒物質脱離手段と、
を含んで構成したことを特徴とする。
【００１１】
請求項１の発明によれば、所定の温度状態では触媒の形態が安定し、一時的な被毒物質の蓄積が無いので、該温度状態にて触媒の性能回復不能な永久劣化による被毒物質の蓄積量を検出でき、該永久劣化分と前記設定温度領域における設定時間内の触媒性能低下に基づいて推定された被毒物質の蓄積量とから性能回復可能な一時劣化による被毒物質の蓄積量を推定することができる。
【００１２】
一方、空燃比を補正することで被毒物質を脱離できるので、過渡的に空燃比を補正することにより、前記推定された性能回復可能なつまり脱離可能な被毒物質の蓄積量に応じた被毒物質が効率良く脱離処理されて触媒の性能を回復させることができる。
【００１６】
【実施例】
以下に本発明の実施例を図に基づいて説明する。
一実施例の構成を示す図２において、内燃機関１の排気通路２にはＰｄ (パラジウム) を主成分とする排気浄化触媒３が介装され、該排気浄化触媒３の上流側及び下流側に排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出するＯ2 センサ４，５が装着されている。
【００１７】
また、前記排気浄化触媒３には、触媒の温度を検出する温度センサ６が装着されている。尚、触媒温度を直接検出する代わりに触媒近傍の排気温度を検出してもよい。前記Ｏ2 センサ４，５及び温度センサ６の信号は、マイクロコンピュータを内蔵したコントロールユニット７に出力される。
一方、機関１の吸気通路８には、燃料噴射弁９が装着され、前記コントロールユニット７は、前記上流側のＯ2 センサ４で検出された空燃比を基本とし、下流側のＯ2 センサ５で検出された空燃比による修正制御等を行って目標空燃比に近傍に維持するように前記燃料噴射弁９からの燃料噴射量を制御している。
【００１８】
図３は、前記コントロールユニット７による制御ブロック図を示す。概要を説明すると、Ｏ2センサ４，５の出力値の反転周期比を検出する反転周期比検出部Ａと、温度センサ６の出力から触媒温度を検出する触媒温度検出部Ｂと、これら排気浄化触媒３の上流及び下流の空燃比の反転周期の比と排気浄化触媒３の温度(又は排気温度) とに基づいて、永久劣化と排気浄化触媒３のＳ (硫黄) 蓄積による一時的劣化とを区別して判定する劣化判定部Ｃと、該劣化判定結果に基づいて機関に供給する燃料量のフィードバック補正係数の制御定数の変更、ここでは通常のＰＩ制御定数を変更することにより空燃比の制御中心値をリッチ或いはリーンへと切り換えて過渡的に補正される空燃比を設定すると共に該空燃比に滞留する時間を設定する脱離条件決定部Ｄと、決定された脱離条件にしたがって前記過渡的に空燃比を補正して被毒物質の脱離を行わせる脱離処理部Ｅと、からなる。ここで、前記過渡的な空燃比補正を行いつつ前記劣化判定部によりＳ蓄積による劣化判定を行い、Ｓ蓄積が無くなるまで過渡的な空燃比補正による脱離処理を繰り返し、Ｓ蓄積による劣化が見られず永久劣化部分のみになったことが検出された後は、元の空燃比 (理論空燃比) に戻すべく元のＰＩ制御定数に戻す。
【００１９】
次に本発明を実施するに当り、考慮すべき点について説明する。
高濃度のＳを含有する燃料で機関を運転した場合 (ここで高濃度といっているのは、例えば北米等で使用されるもので３００ｐｐｍ程度の燃料が珍しくない) 、排気中のＳＯ2 ，Ｈ2 Ｓ濃度が高くなり、このような条件以下で触媒を使用した場合、Ｓは触媒内の基材に蓄積し、触媒作用を阻害する。
【００２０】
Ｐｄ系触媒はこの影響が大きく、そのために低温活性が優れているにも関わらず、使用が制限を受けると共に、拡大採用への大きな課題の一つとなっている (触媒が燃料を選ぶという点) 。
先に述べた影響とは、低温時の触媒のエミッション転換効率 (Ｔ５０；50°Ｃでの転換効率) の低下もさることながら、高温排気下、例えば５５０°Ｃ以上の排気下でのエミッション転換性能の低下 (排気への暴露時間の経過とともに性能が低下する傾向) が顕著となり、排気性能を著しく低下させるということである。そして、この性能劣化の程度に関しては触媒内へのＳ蓄積量に比例する。
【００２１】
この５５０°Ｃ以上の領域での排気への長時間暴露は、例えば基材へのＳ蓄積のないＰｄ触媒でも性能の低下がある。即ち、時間経過とともに触媒内Ｐｄが酸化形態から金属Ｐｄに変化するにつれてこの傾向は強まっていくため、時間経過当りの性能低下傾向が激しくなる。
更に、前述の“触媒内へのＳ蓄積量に比例する”とは、この現象が基材へのＳ蓄積により、更に顕著になると共に、性能低下傾向が基材内Ｓ蓄積量に比例して悪化することを指している。
【００２２】
また、触媒内Ｓ蓄積量については、排気中のＳ量に比例するばかりでなく、他の排気条件 (排気空燃比，温度) 、排気への暴露時間により異なり、例えば、リッチよりリーンが、また高温より中間温が、更には時間経過が長いほど、触媒内へのＳ蓄積量が増加する。逆に、蓄積したＳ量を脱離 (飽和条件の変更) するためにはリーンよりリッチが、中間温域より高温域が適している (尚、特に地域によっては燃料毎にＳの含有量に大きなばらつきがあるため、Ｓを含有していない燃料下で上記指定の領域を設定しておいてこまめに劣化検出を行いながら脱離を繰り返すようにすることが好ましい) 。
【００２３】
本発明は、これらのことを考慮したものであり、Ａ．現状の触媒内Ｓ蓄積量を知ってそれ以上の蓄積を避けると共に、Ｂ．脱離しやすい条件で基材内Ｓの脱離を実施するようにしたものである。つまり、先に述べた例えば５５０°Ｃ以上での排気下でのエミッション転換性能の低下 (排気への暴露時間の経過とともに性能が低下《熱一時劣化》する) から、触媒内へのＳ蓄積量を推定し、この量に応じて蓄積Ｓの脱離処理条件、脱離に要する時間を算出するようにしたものである。
【００２４】
勿論先に述べたように、この領域における性能低下はＳ蓄積に比例する《Ｓ蓄積による性能の熱一時劣化》だけではなく、一般的に劣化と呼ばれている、所謂回復しない《永久劣化》によっても助長されるため、この２種の現象の分離が必要であり、それによって、Ｓ蓄積分による熱一時劣化部分を知って基材内Ｓ蓄積量を算出し、それを基に脱離条件、時間を設定する。
【００２５】
現象の分離に当たっては、これもＰｄ触媒の特徴の一つである酸化Ｐｄの形態でほぼ安定している４５０°Ｃ以下の排気温度状態において、一般的に使用されているデュアル・Ｏ2 センサ方式による触媒性能低下 (永久劣化) 量の判定を行い、これによって予め永久劣化により想定される熱一時劣化分を知って、この量からの低下分を基材内Ｓ蓄積による性能低下分として扱う。
【００２６】
例えば、エミッション転換性能に関し、高温排気に触媒が曝された場合の、新品時のＳ蓄積がない触媒の性能▲１▼、走行距離８万Ｋｍ耐久に相当する場合のＳ蓄積と性能低下の傾向 (▲２▼〜▲５▼) を示したものを図４に示す。但し、本図は模式的に示したものであり、運転条件等により異なる。
このように、Ｓ蓄積量の増加に伴い性能の低下が見られる。更に、この変化は一過性であり、後に示すＳ脱離方法を採用して脱離を行い、それにより基材内Ｓ蓄積量が低下すると、各々▲５▼〜▲４▼、▲４▼〜▲３▼、▲３▼〜▲２▼へと性能が回復する。
【００２７】
また、ここでいう新品▲１▼と▲２▼の差が永久劣化による部分であり、この部分に関しては、先に述べたデュアル・Ｏ2 センサ方式、つまり触媒前後に設けたＯ2 センサの信号を基に触媒の劣化を知る。
これは、触媒下流のＯ2 センサの信号が触媒の転換性能が高いほど、触媒上流端部に設けたＯ2 センサ信号に比較して、リッチ・リーン周期が低下 (触媒の酸素吸着能による) することを利用したものである。
【００２８】
この情報を基に、永久劣化部分を検出する一方、設定温度域以上の積算時間が設定時間に達した時に再度デュアル・Ｏ2 センサ方式で触媒性能 (劣化代) の測定を実施する。
そして、前記検出された永久劣化部分と設定時間後に再度検出された触媒性能の劣化代とを基に推定されたＳ蓄積量に対して過渡的な空燃比の補正量と、該補正空燃比での滞留時間とを設定して脱離処理を行い性能回復を図る。前記滞留時間経過後に当初の空燃比に戻して再度前記同様の触媒前後に設けたＯ2 センサの信号を基に触媒の劣化判定を行い、前記脱離処理により一時的な劣化によるＳ蓄積量が無くなっているかを調べて、無くなっていなければ再び劣化代に応じて過渡的な空燃比の補正量と滞留時間とを設定して脱離処理を行い、一時劣化によるＳ蓄積量が無くなるまでかかる脱離処理を繰り返す。
【００２９】
このようにして一時劣化によるＳ蓄積量が無くなり永久劣化分のみになった後は、空燃比を定常的に元の空燃比に戻す。
図５は、かかる処理の具体的な実施例のフローチャートを示す。
ステップ１では、一時劣化判定に基づく脱離動作中であるか否かを判定し、脱離動作中と判定されたときは該脱離動作が終了するのを待ってから、また、脱離動作中でないと判定された場合は、そのままステップ３へ進む。
【００３０】
ステップ３では、前記温度センサ６によって検出される触媒温度が設定温度 (５５０°Ｃ) 以上であるかを判定する。そして設定温度以上と判定された場合は、ステップ６へ進み該設定温度以上である時間を積算する。ここで、検出された触媒温度のレベルに応じて重みを付けて (高温であるほど重み付けを大とする) 積算すれば精度が向上するので望ましい。
【００３１】
また、ステップ３で設定温度未満と判定されたときはステップ４へ進み、一時的に蓄積されたＳが脱離されて性能回復する温度 (４００°Ｃ) 以下に低下したか否かを判定し、低下したと判定された場合はステップ５へ進んで前記設定温度以上にある時間の積算値をクリアし再度最初から積算を行う。これは、この温度域を通っている間に劣化が回復するためである。
【００３２】
ステップ７では、前記ステップ６で積算された設定温度以上ある積算時間が設定時間 (例えば１０分) に達したか否かを判定する。そして、設定時間に達したときにステップ８へ進み、触媒の劣化検出を行う。具体的には、図６に示したフローチャートにより、常時行われている劣化判定の中の一時劣化判定の結果を読み込む。
【００３３】
図６に従って説明すると、ステップ21では、上流側のＯ2 センサ４の出力値 (リッチ，リーン) が反転する周期ＴF を算出し、ステップ22では同様に下流側のＯ2 センサ５の出力値が反転する周期ＴR を算出する。
ステップ23で触媒温度が４５０°Ｃ以下であるか否かを判定し、４５０°Ｃ以下と判定されたときは、ステップ24へ進んで前記触媒の永久劣化部分を判定する。具体的には、前記上流側のＯ2 センサ４の反転周期ＴF と下流側のＯ2 センサ５の反転周期ＴR との比 (＝ＴR ／ＴF ) によって該永久劣化部分を例えば走行距離１万Ｋｍ相当、３万Ｋｍ相当、５万Ｋｍ相当、１０万Ｋｍ相当の値に類別する。具体的には、図７に示したように反転周期比ＴR ／ＴF に応じて永久劣化分相当の走行距離を予め定めたマップから検索して求める。
【００３４】
また、ステップ23で触媒温度が４５０°Ｃより高いと判定された場合は、ステップ25へ進み一時劣化判定を行う。
そして、前記図５のステップ８へ進んだときに、前記設定時間経過前にステップ23で判定された永久劣化分と設定時間後におけるステップ25での一時劣化の判定結果 (＝ＴR ／ＴF ) とを読み込み、ステップ９で該一時劣化の判定結果によって推定されるＳ蓄積量が永久劣化分 (走行距離相当値) より増大して脱離処理が必要か否かを判定する。
【００３５】
一時劣化によりＳ蓄積量が増大して脱離が必要と判定されたときは、ステップ10へ進んで脱離処理条件を設定して脱離処理を行わせる。
以下、具体的な脱離処理条件の設定について説明する。
基本的には排気のリッチ化により基材内に蓄積されたＳが脱離することを利用するが、リッチ化は一方でＰｄのメタル化を促進して性能低下をもたらすため、これらを加味して、以下の制御を行う。まず、５００°Ｃ以下の条件においてはＳ蓄積量に応じて現行設定空燃比を１％〜５％程度までリッチ化する。この領域はＰｄのメタル化傾向が少ない領域であるため、リッチ化を行っても性能低下が少なく、効果的にＳ脱離処理を行えるためである。前記空燃比のリッチ化 (％) の設定は、前記ステップ24で求めた永久劣化分 (走行距離相当値) と一時劣化の判定結果 (＝ＴR ／ＴF ) とに基づいて例えば図８に示したようなマップからの検索により行う。尚、図示しないが後述するように該温度領域ではリッチ化の設定と共に滞留時間を同時に設定する。
【００３６】
これに比べて５００°Ｃ以上〜６００°Ｃ以下の領域においては、Ｐｄのメタル化傾向が強く、リッチ化させて還元雰囲気中のＨ2 によりＨ2 Ｓに化学変化させて脱離処理を行うよりもむしろリーン化することにより、酸素の量を多くすることでＰｄＯがＰｄに化学変化することを阻止してメタル化傾向の加速傾向を鈍らす方が得策であるので、制御もＳ蓄積量に応じて更にリーン化する。これもＳ蓄積量に応じて１％〜５％程度であり前記同様にして設定されたリーン化のマップ (図示せず) からの検索により行う。
【００３７】
更に、６００°Ｃ以上の条件では、リッチ化による性能回復が比較的短時間で行え、リッチ化によるＰｄのメタル化の加速よりも、Ｓ脱離量の増加による性能回復が勝っており、先の場合と違って５００°Ｃ以下同様にリッチ化を行う。これもＳ蓄積量に応じて１％〜５％程度であり、滞留時間と共にマップからの検索により設定する。
【００３８】
これらリッチ化に維持する滞留時間は各々の温度範囲、例えば４００°Ｃ〜５００°Ｃの領域においては実時間で、１％：１０分〜５％：１５分まで決定する。
また、６００°Ｃ以上の領域においては実時間を１／２倍し、１％：５分〜５％：８分まで決定する。
【００３９】
これら設定時間が経過したときは、当初の空燃比に戻し先と同様な動作をもって、再度Ｓ蓄積量の検出を行い、まだ、脱離が必要であるときは検出されたＳ蓄積量に応じて前記の脱離処理を繰り返す。尚、検出時に空燃比を当初の値に戻すのはＯ2 センサの反転周期比による検出を正確に行うためには理論空燃比で実行する必要があるためである。
【００４０】
このようにして、永久劣化分のみになるまで脱離処理を繰り返して触媒性能を回復させる。その後はステップ７で脱離処理が不要と判定されて、ステップ９へ進み、空燃比を元の値 (理論空燃比) に戻し、前記積算時間をクリアする。
この後は同様にして再度設定温度域 (５５０°Ｃ以上) に設定時間以上留まる毎にＳ蓄積量の検出を行い必要に応じて脱離処理を行う。
【００４１】
このように、一時劣化により蓄積されるＳ分を検出して脱離を行い、触媒性能を回復させることができるので、該Ｐｄ系の触媒の使用の制限を回避でき、貴金属担持量を増加させる必要もなくコスト性も維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成・機能を示すブロック図。
【図２】本発明の一実施例のシステム構成を示す図。
【図３】同上実施例の制御ブロック図。
【図４】Ｓ蓄積量と熱一時劣化の傾向を示す図。
【図５】同上実施例の脱離条件を設定するルーチンのフローチャート。
【図６】同じく劣化判定ルーチンのフローチャート。
【図７】同上実施例で使用する永久劣化分検出用のマップ。
【図８】同じく総合劣化検出用のマップ。
【符号の説明】
１    内燃機関
２    排気通路
３    排気浄化用触媒
４    上流側のＯ2 センサ
５    下流側のＯ2 センサ
６    温度センサ
７    コントロールユニット
９    燃料噴射弁
【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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