JP2888124B2

JP2888124B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2888124B2
Application number: JP6007744A
Authority: JP
Inventors: 健治加藤; 哲郎木原; 孝充浅沼; 哲井口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-01-27
Filing date: 1994-01-27
Publication date: 1999-05-10
Anticipated expiration: 2014-05-10
Also published as: JPH07208151A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流入する排気の空燃比
がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを吸収し、排気酸素濃
度が低下したときに吸収したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸
収剤を用いた内燃機関の排気浄化装置に関し、詳細には
上記ＮＯ_X吸収剤の劣化を正確に検出することのできる
内燃機関の排気浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のＮＯ_X吸収剤を用いた内燃機関
の排気浄化装置としては、国際公開公報第ＷＯ９３−７
３６３号に記載されたものがある。上記の排気浄化装置
では、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中の
ＮＯ_Xを吸収し、流入する排気中の酸素濃度が低下した
ときに吸収したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸収剤を内燃機
関の排気通路に配置し、通常は内燃機関をリーン空燃比
で運転して上記ＮＯ_X吸収剤に排気中のＮＯ_Xを吸収さ
せる。また、ＮＯ_X吸収剤のＮＯ_X吸収量が増大すると
ＮＯ_X吸収剤のＮＯ_X吸収能力が低下するため、リーン
空燃比運転が一定の時間続き、ＮＯ_X吸収剤の吸収した
ＮＯ_X量が増大した場合には、内燃機関の運転空燃比を
短時間リーン空燃比からリッチ又は理論空燃比に切り換
えて排気中の酸素濃度を低下させ、ＮＯ_X吸収剤から吸
収したＮＯ_Xを放出させるとともに、この放出されたＮ
Ｏ_Xを排気中の未燃ＨＣ、ＣＯ等の成分により還元浄化
するようにしている（本明細書では、上記ＮＯ_X吸収剤
からのＮＯ_Xの放出と還元、浄化の操作を、「ＮＯ_X吸
収剤の再生」と呼ぶ）。このように一定時間毎にＮＯ _X
吸収剤の再生を行うことにより、ＮＯ_X吸収剤のＮＯ_X
吸収能力が回復してＮＯ_Xの浄化能力が高く維持され
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、ＮＯ_X
吸収剤は排気空燃比に応じて流入する排気中のＮＯ_Xの
吸収と放出、還元を交互に行い、排気中のＮＯ_Xを浄化
する。しかし、上記のＮＯ_X吸収剤は排気通路に配置さ
れ高温の排気に曝される等過酷な条件で使用されるため
使用中に劣化が生じる場合がある。例えば、後述するよ
うにＮＯ_X吸収剤中の触媒（白金Ｐｔ等）の劣化や、吸
収材（例えば酸化バリウムＢａＯ等）の硫黄被毒や熱劣
化などによりＮＯ_X吸収剤に劣化を生じると、ＮＯ_X吸
収剤の浄化能力が低下するため、排気中のＮＯ_Xが浄化
されないまま大気に放出されるようになる。このため、
ＮＯ_X吸収剤の劣化の有無を判定して劣化したＮＯ_X吸
収剤を早期に交換、被毒回復等の処置をとることが必要
とされる。

【０００４】ところで、ＮＯ_X吸収剤と同様に排気通路
に配置され、同様に排気の浄化を行うものとしては従来
より三元触媒が知られている。また、三元触媒も、使用
中に同様に劣化するため三元触媒の劣化の検出方法が種
々考案されている。これらの劣化検出方法は三元触媒の
Ｏ₂ストレージ作用の低下を検出することにより触媒の
劣化を判定している（例えば、特開平３−３３１８１０
号参照）。

【０００５】ところが、ＮＯ_X吸収剤は三元触媒とはＮ
Ｏ_Xの浄化のメカニズムが異なり、また三元触媒のよう
なＯ₂ストレージ効果を有していないため、三元触媒の
劣化検出と同様な方法ではＮＯ_X吸収剤の劣化を検出す
ることはできず、正確にＮＯ _X吸収剤の劣化を検出する
ことは困難であった。本発明は、上記問題に鑑みＮＯ_X
吸収剤の劣化の有無を正確に判定することが可能な手段
を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
によれば、内燃機関の排気通路に配置された、流入する
排気空燃比がリーンのときにＮＯ_Xを吸収し、流入する
排気の酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯ_Xを放出
するＮＯ_X吸収剤と、前記ＮＯ_X吸収剤下流側の排気通
路に配置され、排気中のＮＯ_X濃度を検出するＮＯ_Xセ
ンサと、前記ＮＯ_X吸収剤が吸収したＮＯ_Xの放出を終
了してＮＯ_X吸収を再開した後の、ＮＯ _X吸収剤下流側
ＮＯ_X濃度の時間的変化に基づいて前記ＮＯ_X吸収剤の
劣化の有無を判定する劣化検出手段とを備えた内燃機関
の排気浄化装置が提供される。

【０００７】また、請求項２に記載の本発明によれば、
前記劣化検出手段は、前記ＮＯ_X吸収剤のＮＯ_X吸収再
開後に前記ＮＯ_X濃度が所定値以上になるまでの時間が
予め定められた所定時間以下である場合に、前記ＮＯ_X
吸収剤が劣化したと判定する。また、請求項３に記載の
本発明によれば、請求項１の前記劣化検出手段は、前記
ＮＯ_X吸収剤下流側のＮＯ_X濃度増加速度の変化率を検
出する手段を備え、前記ＮＯ_X吸収再開後に前記ＮＯ_X
濃度が所定値以上で、かつ前記ＮＯ_X濃度の増加速度変
化率が負になるまでの時間が予め定められた所定時間以
下である場合に前記ＮＯ_X吸収剤が劣化したと判定す
る。

【０００８】また、請求項４に記載の本発明によれば、
内燃機関の排気通路に配置された、流入する排気空燃比
がリーンのときにＮＯ_Xを吸収し、流入する排気の酸素
濃度が低下したときに吸収したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X
吸収剤と、前記ＮＯ_X吸収剤下流側の排気通路に配置さ
れ、排気中のＮＯ_X濃度を検出する下流側ＮＯ_Xセンサ
と、前記ＮＯ_X吸収剤上流側の排気中のＮＯ_X濃度を検
出する上流側ＮＯ_X濃度検出手段と、前記ＮＯ_X吸収剤
が吸収したＮＯ_Xの放出を終了してＮＯ_X吸収を再開し
た後の、ＮＯ_X吸収剤下流側ＮＯ_X濃度とＮＯ_X吸収剤
上流側ＮＯ_X濃度との関係の時間的変化に基づいて前記
ＮＯ_X吸収剤の劣化の有無を判定する劣化検出手段とを
備えた内燃機関の排気浄化装置が提供される。

【０００９】さらに、請求項５に記載の本発明では、請
求項４の前記劣化検出手段は、前記上流側ＮＯ_X濃度と
前記下流側ＮＯ_X濃度との差を演算する手段を備え、前
記ＮＯ_X吸収再開後に前記ＮＯ_X濃度の差が所定値以下
になるまでの時間が予め定められた所定時間以下である
場合に前記ＮＯ_X吸収剤が劣化したと判定する。また、
請求項６に記載の本発明では、請求項４の前記劣化検出
手段は、前記下流側ＮＯ_X濃度と前記上流側ＮＯ_X濃度
との比を演算する手段を備え、前記ＮＯ _X吸収再開後に
前記ＮＯ_X濃度の比が所定値以上になるまでの時間が予
め定められた所定時間以下である場合に前記ＮＯ_X吸収
剤が劣化したと判定する。

【００１０】また、請求項７に記載の本発明では、請求
項４から６のいずれかに記載した排気浄化装置におい
て、前記上流側ＮＯ_X濃度検出手段は、前記ＮＯ_X吸収
剤上流側の排気通路に設けられたＮＯ_Xセンサからなっ
ている。さらに、請求項８に記載の本発明では、請求項
４から６のいずれかに記載した排気浄化装置において、
前記上流側ＮＯ_X濃度検出手段は、前記機関の運転状態
を検出する手段と、検出された運転状態に基づいて、予
め定められた関係から上流側ＮＯ_X濃度を演算する手段
とを備えている。

【００１１】

【作用】以下、図１を用いて本発明の作用を説明する。
図１(A) から(C) において、各図の横軸は時間を示し、
図１(A) は内燃機関の空燃比の変化を、図１(B) はＮＯ
_X吸収剤に流入する排気（ＮＯ_X吸収剤上流側排気）中
のＮＯ_X濃度を、図１(C) はＮＯ_X吸収剤を通過した排
気（ＮＯ_X吸収剤下流側排気）中のＮＯ_X濃度をそれぞ
れ示している。

【００１２】図１は、前述の国際公開公報第ＷＯ９３−
７３６３号に記載された排気浄化装置と同様のＮＯ_X吸
収剤再生操作を行う場合を示し、通常時はリーン空燃比
（例えば空燃比２３程度）の運転を行い、一定期間毎に
短時間機関空燃比をリッチに切換えてＮＯ_X吸収剤の再
生を行う（図１(A) 参照）。また、図１は説明のため、
運転条件が一定に保たれた場合について示している。

【００１３】このように空燃比を変化させた場合、図１
(B) に示すように、ＮＯ_X吸収剤上流側の排気ＮＯ_X濃
度は機関空燃比がリッチに切換えられた時（図１区間I
I）に短時間増大するが、リーン空燃比運転が行われて
いる期間では略一定の値になる。また、図１(C) は上記
のように機関空燃比を変化させた場合のＮＯ_X吸収剤下
流側の排気ＮＯ_X濃度変化のＮＯ_X吸収剤の劣化の有無
による相違を示しており、図１(C) の実線はＮＯ_X吸収
剤が正常な場合を、点線はＮＯ_X吸収剤が劣化した場合
をそれぞれ示している。

【００１４】ＮＯ_X吸収剤は後述するメカニズムにより
排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを吸収し、
排気空燃比がリッチ（排気酸素濃度が低下）したときに
吸収したＮＯ_Xを放出する。また、ＮＯ_X吸収剤の再生
（図１区間II）終了後はＮＯ _X吸収剤に吸収されたＮＯ
_Xが放出されたためにＮＯ_X吸収剤のＮＯ_X吸収能力は
高くなっており、ＮＯ_X吸収剤に流入する排気中のＮＯ
_Xの殆どがＮＯ_X吸収剤に吸収されて下流側排気のＮＯ
_X濃度（図１(C) ）は上流側（図１(B) ）に較べて大幅
に低くなる。

【００１５】しかし、ＮＯ_X吸収剤中に吸収されたＮＯ
_X量が増大してＮＯ_X吸収剤の吸収可能な最大ＮＯ_X量
（飽和量）に近づくにつれてＮＯ_X吸収剤のＮＯ_X吸収
能力が低下するため、流入する排気中のＮＯ_XのうちＮ
Ｏ_X吸収剤に吸収されずに下流側に流出するＮＯ_X量が
増大し、再生終了後ある程度の時間が経過すると下流側
排気中のＮＯ_X濃度は上昇を始め、上流側排気中のＮＯ
_X濃度に漸近するようになる。

【００１６】ところが、ＮＯ_X吸収剤が劣化すると、Ｎ
Ｏ_X吸収剤の飽和量が低下してくるため、ＮＯ_X吸収剤
が正常な場合に較べて少ないＮＯ_X吸収量でＮＯ_X吸収
剤の吸収能力が低下するようになる。このため、ＮＯ_X
吸収剤劣化時（図１(C) 点線）には、正常時（図１(C)
実線）に較べて再生終了後に下流側排気中のＮＯ_X濃度
が増大するまでの時間が短くなる。

【００１７】本発明は、このＮＯ_X吸収剤の劣化の有無
による下流側排気中のＮＯ_X濃度の時間的変化の相違を
検出することにより、ＮＯ_X吸収剤の劣化の判定を行う
ものである。すなわち、本発明では、劣化検出手段によ
りＮＯ_X吸収剤下流側にＮＯ_Xセンサを配置して、ＮＯ
_X吸収剤再生（区間II）終了後のＮＯ_X濃度の変化を監
視し、下流側排気のＮＯ_X濃度変化が図１(C) の点線の
ような変化を示した場合にＮＯ_X吸収剤が劣化したと判
定する。

【００１８】また、上記のように下流側排気中のＮＯ_X
濃度変化が図１(C) に点線で示したような状態になった
ことを客観的に判断するため、劣化検出手段は、例えば
ＮＯ _X吸収剤の再生（区間II）終了後、ＮＯ_X吸収剤下
流側排気中のＮＯ_X濃度が所定値（図１(C) のＮ₁）に
達するまでの時間ｔ₁（図１(C) ）、または再生終了
後、下流側ＮＯ_X濃度の増加速度の変化率が正から負に
変化する変曲点（図１(C) のＡ点）に到達するまでの時
間ｔ₂（図１(C) ）をＮＯ_X吸収剤劣化を表すパラメー
タとして用いて、ｔ₁またはｔ₂が予め定めた所定の基
準時間以下になった時にＮＯ_X吸収剤が劣化したと判断
する。

【００１９】また、運転条件の変化等によりＮＯ_X吸収
剤に流入する排気中のＮＯ_X濃度が変化すると、ＮＯ_X
吸収剤の状態が同一であっても下流側の排気中のＮＯ_X
濃度は変動する。このため、ＮＯ_X吸収剤下流側排気の
ＮＯ_X濃度の変化だけでなく、上流側排気のＮＯ_X濃度
の変化をも考慮することにより更に正確にＮＯ_X吸収剤
の劣化を判定することができる。

【００２０】請求項４から８に記載の本発明では、下流
側ＮＯ_Xセンサに加えてＮＯ_X吸収剤上流側排気中のＮ
Ｏ_X濃度を検出する手段を設け、再生終了後のＮＯ_X吸
収剤の下流側ＮＯ_X濃度と上流側ＮＯ_X濃度との関係の
時間的変化に基づいてＮＯ_X吸収剤の劣化を検出する。
すなわち、ＮＯ_X吸収剤の吸収能力は、流入する排気中
のＮＯ_XのうちどれだけのＮＯ_Xを吸収できるかで表さ
れるため、再生後の上流側ＮＯ_X濃度と下流側ＮＯ_X濃
度との関係の時間的変化からＮＯ_X吸収剤の吸収能力を
求め、ＮＯ_X吸収剤の吸収能力が一定の値より低下する
までの時間によりＮＯ_X吸収剤の劣化の有無を検出する
ようにしている。

【００２１】例えば、上流側排気中のＮＯ_X濃度と下流
側排気中のＮＯ_X濃度との差が所定値以下になるまでの
時間、または下流側排気中のＮＯ_X濃度と上流側排気中
のＮＯ_X濃度との比が所定値以上になるまでの時間をＮ
Ｏ_X吸収剤の劣化を表すパラメータとして用いて、この
時間が予め定めた基準時間以下になったときにＮＯ_X吸
収剤が劣化したと判断される。

【００２２】また、ＮＯ_X吸収剤上流側排気中のＮＯ_X
濃度は、すなわち機関から排出される排気のＮＯ_X濃度
であるため機関の回転数、負荷等の機関運転条件に依存
する。このため、ＮＯ_X吸収剤上流側排気中のＮＯ_X濃
度を、ＮＯ_X吸収剤上流側排気通路にＮＯ_Xセンサを設
けて直接検出する他、予め実測などにより機関の各運転
条件における排気中のＮＯ_X濃度を求めておき、機関の
運転条件から間接的に求めることができる。

【００２３】

【実施例】以下添付図面を用いて本発明の実施例につい
て説明する。図２は本発明の排気浄化装置を適用した内
燃機関の全体図である。図２において１はリーン空燃比
の燃焼を行うガソリンエンジン等の内燃機関、３は機関
１の燃焼室、６は機関の吸気ポート、８は排気ポートを
示す。各吸気ポート６は吸気枝管９を介してサージタン
ク１０に接続されるとともに、各枝管９にはそれぞれの
吸気ポート６に燃料を噴射する燃料噴射弁１１が配置さ
れている。

【００２４】また、サージタンク１０は吸気通路１２を
介してエアクリーナ１３に接続され、吸気通路１２内に
は運転者のアクセルペダル（図示せず）の操作に応じた
開度をとるスロットル弁１４が配置されている。また、
サージタンク１０にはサージタンク１０内の絶対圧力に
比例した出力電圧を発生する吸気圧センサ１５が設けら
れている。

【００２５】一方、機関１の排気ポート８は排気マニホ
ルド１６を介して排気通路１７に接続されており、排気
通路１７には後述するＮＯ_X吸収剤１８を内蔵したケー
シング１９が接続されている。また、図２に２０で示す
のは、ＮＯ_X吸収剤１８の下流側の排気通路に設けられ
た、排気中のＮＯ_X濃度を検出するＮＯ_Xセンサであ
る。

【００２６】図２に３０で示すのは、機関１の電子制御
回路である。電子制御回路３０はＲＯＭ（リードオンリ
メモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３
３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３
５、出力ポート３６をそれぞれ双方向性バス３１で接続
した、公知の構成のディジタルコンピュータからなり、
機関１の燃料噴射量制御、点火時期制御等の機関の基本
制御を行うほか、本実施例ではＮＯ_X吸収剤１８の劣化
を検出する劣化検出手段としての役割を果たしている。

【００２７】上記目的のため、制御回路３０の入力ポー
ト３５には、吸気圧センサ１５からの吸気圧力に応じた
電圧信号と、ＮＯ_Xセンサ２０からＮＯ_X吸収剤下流側
排気中のＮＯ_X濃度を表す電圧信号がそれぞれＡＤ変換
器３７を介して入力されている他、機関のディストリビ
ュータ（図示せず）に設けられた機関回転数センサ２１
から機関回転数を表すパルス信号が入力されている。

【００２８】また、制御回路３０の出力ポート３６は、
それぞれ対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁１１
と点火プラグ４とに接続され、燃料噴射弁１１からの燃
料噴射と機関の点火時期とを制御している。ケーシング
１９に内蔵されたＮＯ_X吸収剤１８は、例えばアルミナ
等の担体を使用し、この担体上に例えばカリウム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、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と、白金Ｐt のような
貴金属とが担持された構成とされる。このＮＯ_X吸収剤
１８は流入する排気の空燃比がリーンの場合にはＮＯ_X
を吸収し、酸素濃度が低下するとＮＯ_Xを放出するＮＯ
_Xの吸放出作用を行う。

【００２９】なお、上述の排気空燃比とは、ここではＮ
Ｏ_X吸収剤１８の上流側の排気通路や機関燃焼室、吸気
通路等にそれぞれ供給された空気量の合計と燃料の合計
との比を意味するものとする。従って、ＮＯ_X吸収剤１
８の上流側排気通路に燃料または空気が供給されない場
合には、排気空燃比は機関の空燃比（機関燃焼室内の燃
焼における空燃比）と等しくなる。

【００３０】本実施例ではリーン空燃比の燃焼を行う機
関が使用されているため、通常運転時の排気空燃比はリ
ーンであり、ＮＯ_X吸収剤１８は排気中のＮＯ_Xの吸収
を行う。また、機関の空燃比がリーン空燃比からリッチ
又は理論空燃比に切り換えられて排気中の酸素濃度が低
下すると、ＮＯ_X吸収剤１８は吸収したＮＯ_Xの放出を
行う。

【００３１】この吸放出作用の詳細なメカニズムについ
ては明らかでない部分もある。しかし、この吸放出作用
は図３に示すようなメカニズムで行われているものと考
えられる。次にこのメカニズムについて担体上に白金Ｐ
t およびバリウムＢa を担持させた場合を例にとって説
明するが、他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、
希土類を用いても同様なメカニズムとなる。

【００３２】すなわち、流入排気がかなりリーンになる
と流入排気中の酸素濃度が大巾に増大し、図３(A) に示
されるようにこれら酸素Ｏ₂がＯ₂ ^-またはＯ^2-の形で
白金Ｐt の表面に付着する。一方、機関からはＮＯ_Xは
大部分がＮＯの形で排出されるが、ＮＯ_X吸収剤に流入
する排気中のＮＯは白金Ｐt の表面上でこのＯ₂ ^-また
はＯ^2-と反応し、ＮＯ₂となる（２ＮＯ＋Ｏ₂→２ＮＯ
₂ ) 。次いで生成されたＮＯ₂の一部は白金Ｐｔ上で酸
化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと
結合しながら、図３(A) に示されるように硝酸イオンＮ
Ｏ₃ ^-の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてＮＯ
_XがＮＯ_X吸収剤１８内に吸収される。

【００３３】従って、流入排気中の酸素濃度が高い限り
白金Ｐt の表面でＮＯ₂が生成され、吸収剤のＮＯ_X吸
収能力が飽和しない限りＮＯ₂が吸収剤内に吸収されて
硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。これに対して機関１
の空燃比がリッチ又は理論空燃比に切り換えられると、
流入排気中の酸素濃度が低下してＮＯ₂の生成量が減少
する。これにより反応は逆方向（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂）に
進み、吸収剤内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形で吸
収剤から放出される。

【００３４】一方、流入排気中に未燃ＨＣ、ＣＯ等の成
分が存在すると、これらの成分は白金Ｐt 上の酸素Ｏ₂
^-またはＯ^2-と反応して酸化され、白金Ｐt 上の酸素を
消費する。また、ＮＯ_X吸収剤１８から放出されたＮＯ
₂は図３(B) に示すようにＨＣ、ＣＯと反応して還元さ
れる。このようにして白金Ｐt の表面上にＮＯ₂が存在
しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ₂が放出され
る。

【００３５】すなわち、流入排気中のＨＣ、ＣＯは、ま
ず白金Ｐt 上のＯ₂ ^-またはＯ^2-とただちに反応して酸
化され、次いで白金Ｐt 上のＯ₂ ^-またはＯ^2-が消費さ
れてもまだＨＣ、ＣＯが残っていればこのＨＣ、ＣＯに
よって吸収剤から放出されたＮＯ_X、および排気ととも
に流入するＮＯ_Xが還元される。本実施例では、制御回
路３０は前述の国際公開公報第ＷＯ９３−７３６３号と
同様に、リーン空燃比運転が一定期間継続してＮＯ_X吸
収剤１８のＮＯ_X吸収量が増大したときに燃料噴射量を
増量して、短時間機関空燃比をリッチ空燃比に切り換え
ることにより排気中の酸素濃度を低下させるとともに排
気中の未燃ＨＣ、ＣＯ成分を増加させて上記ＮＯ_X吸収
剤からのＮＯ_Xの放出と還元浄化とを行っている。

【００３６】ところが、ＮＯ_X吸収剤が種々の原因で劣
化すると上記のＮＯ_Xの吸放出作用が低下するため、浄
化されずにＮＯ_X吸収剤下流側に流出するＮＯ_X量が増
大するようになる。ＮＯ_X吸収剤の劣化は、上記白金Ｐ
ｔ等の触媒作用の低下と、吸収剤ＢａＯ等のＮＯ_X吸収
容量の低下により生じる。例えば、白金Ｐｔの触媒作用
の低下は熱劣化などにより生じ、触媒作用が低下すると
流入する排気中のＮＯの酸化反応（２ＮＯ＋Ｏ₂→２Ｎ
Ｏ₂ ) が低下してＮＯ₂が生成されなくなる。この場
合、ＮＯはそのままでは吸収剤ＢａＯに吸収されないた
め、ＮＯ_X吸収剤をそのまま通過して下流側に流出す
る。このため、白金Ｐｔが劣化すると正常な場合に較べ
てＮＯ_X吸収剤下流側排気中のＮＯ濃度が増大すること
になる。

【００３７】また、吸収剤ＢａＯの吸収容量の低下は例
えば熱劣化、硫黄被毒などにより生じる。例えば、機関
排気中には微量の硫黄酸化物（ＳＯ_X）が含まれるが、
排気中のＳＯ_Xは上述のＮＯ_Xの吸収と同じメカニズム
でＮＯ_X吸収剤に吸収されるため、ＮＯ_X吸収剤に吸収
されたＳＯ_XによりＮＯ_X吸収剤の硫黄被毒が生じる場
合がある。すなわち、排気空燃比がリーンのとき排気中
のＳＯ_X（例えばＳＯ ₂）は白金Ｐｔ上で酸化されてＳ
Ｏ₃ ^-、ＳＯ₄ ^-となり、酸化バリウムＢａＯと結合し
てＢａＳＯ₄を形成する。ところが、ＢａＳＯ₄は比較
的安定であり、また、結晶が粗大化しやすいため一旦生
成されると分解放出されにくい。このため、吸収された
ＳＯ_Xは通常のＮＯ_X吸収剤の再生操作では放出されず
にＮＯ_X吸収剤内に蓄積される傾向がある。このように
ＮＯ_X吸収剤中のＢａＳＯ₄の生成量が増大するとＮＯ
_Xの吸収に関与できるＢａＯの量が減少してしまい、Ｎ
Ｏ _Xの吸収容量が低下してしまう、いわゆる硫黄被毒
（またはＳＯ_X被毒）が生じるのである。また、ＮＯ_X
吸収剤を長時間使用して高温により吸収剤ＢａＯ自体が
劣化したような場合にも上記の硫黄被毒と同様に吸収容
量が低下する場合がある。

【００３８】このようにＮＯ_X吸収剤のＮＯ_X吸収容量
が低下したような場合、白金Ｐｔが正常であれば流入す
る排気中のＮＯの酸化反応（２ＮＯ＋Ｏ₂→２ＮＯ₂ )
は正常に行われるものの、ＮＯ_X吸収剤がすぐにＮＯ_X
で飽和してしまい、生成したＮＯ₂を吸収できなくなる
ため白金Ｐｔ上で生成したＮＯ₂は吸収剤に吸収されな
いまま下流側に流出するようになり、この場合もＮＯ_X
吸収剤下流側排気中のＮＯ₂濃度が増大するようにな
る。

【００３９】従って、ＮＯ_X吸収剤が劣化するといずれ
の場合も再生終了後短時間でＮＯ_X吸収剤下流側排気中
のＮＯ_X（ＮＯまたはＮＯ₂）が増大するようになるた
め、前述のように再生終了後のＮＯ_X吸収剤下流側での
排気ＮＯ_X濃度の変化を監視することによりＮＯ_X吸収
剤の劣化を検出することができる。本実施例では、ＮＯ
_X吸収剤１８下流側排気通路に設けたＮＯ_Xセンサ２０
により下流側排気中のＮＯ_X濃度を監視し、ＮＯ_X吸収
剤１８の劣化の有無を判定している。

【００４０】排気中のＮＯ_X成分濃度を検出するＮＯ_X
センサとしては種々のタイプがあるが、本実施例では、
排気中のＮＯ_X成分濃度をリアルタイムで検出しＮＯ_X
成分濃度に応じた電気信号を発生することが可能なタイ
プのＮＯ_Xセンサであれば使用することができる。この
種のＮＯ_Xセンサとしては、例えばチタニア（酸化チタ
ン）を主成分とするＮ型酸化物半導体セラミックスを検
出素子として用いたセンサがある。この半導体型センサ
は、排気中のＮＯ_X（ＮＯまたはＮＯ₂）がセンサ表面
に吸着される際に素子セラミックス中の電子を捕捉する
ことにより生じる電気抵抗値の変化から排気中のＮＯ_X
濃度を検出するタイプのものである次に、上記ＮＯ_Xセ
ンサ２０の出力を用いたＮＯ_X吸収剤１８の劣化判定操
作について説明する。

【００４１】図４は制御回路３０により一定時間毎に実
行されるＮＯ_X吸収剤劣化判定ルーチンのフローチャー
トの一例を示す。前述のように、ＮＯ_X吸収剤が劣化す
るとＮＯ_X吸収剤再生終了後短時間で下流側排気のＮＯ
_X濃度が増大するようになる。本実施例では、再生終了
後下流側排気のＮＯ_X濃度が一定レベルに上昇するまで
の時間によりＮＯ_X吸収剤の劣化の有無を判定してい
る。

【００４２】図４においてルーチンがスタートすると、
ステップ４０１では現在ＮＯ_X吸収剤１８の再生操作が
実行中か否かが判定され、再生操作が実行中であればス
テップ４０３に進みカウンタＣをクリアしてルーチンを
終了する。また、ステップ４０１てで再生操作実行中で
ない場合にはステップ４０５に進みカウンタＣの値をプ
ラス１カウントアップする。本ルーチンは一定時間間隔
で実行されるため、これによりカウンタＣの値は、ＮＯ
_X吸収剤１８の再生操作終了時からの経過時間に対応し
た値となる。

【００４３】次いで、ステップ４０７ではＮＯ_Xセンサ
２０からＮＯ_X吸収剤１８下流側排気のＮＯ_X濃度ＮＲ
が読み込まれ、ステップ４０９では上記ＮＯ_X濃度ＮＲ
が所定値Ｎ₁（図１(C) 参照）以上であるか否かが判定
され、ＮＲ＜Ｎ₁の場合はそのままルーチンを終了す
る。また、ステップ４０９でＮＲ≧Ｎ₁の場合には、さ
らにステップ４１１でカウンタＣの値が所定値Ｃ₁以下
か否かが判定される。

【００４４】ステップ４１１でＣ≦Ｃ₁の場合には、Ｎ
Ｏ_X吸収剤再生終了後短時間で下流側ＮＯ_X濃度がＮ₁
まで上昇しており、ＮＯ_X吸収剤が劣化したと考えられ
るため、ステップ４１３に進みアラームフラグＡＬＭの
値を１にセットしてルーチンを終了する。また、ステッ
プ４１１でＣ＞Ｃ₁の場合には下流側ＮＯ_X濃度の上昇
が遅く、ＮＯ_X吸収剤は正常に機能していると考えられ
るため、アラームフラグＡＬＭの値はそのままにしてル
ーチンを終了する。

【００４５】なお、アラームフラグＡＬＭの値が１にセ
ットされると、別途制御回路３０により実行される図示
しないルーチンにより、例えば警報が作動され運転者に
ＮＯ _X吸収剤の劣化が報知される。また、図２には図示
していないが、制御回路３０にメインスイッチを切って
も記憶保持可能なバックアップＲＡＭを設け、点検、修
理のためにこのバックアップＲＡＭにフラグＡＬＭの値
を記憶するようにしても良い。なお、上記所定値Ｎ₁及
びＣ₁の値は、ＮＯ_X吸収剤の種類、サイズ等により異
なってくるため、実験等により決定することが好まし
い。

【００４６】図５はＮＯ_X吸収剤の劣化判定ルーチンの
別の実施例を示す。本ルーチンも制御回路３０により一
定時間毎に実行される。図４の実施例では、ＮＯ_X吸収
剤再生終了後に下流側ＮＯ_X濃度が所定値Ｎ₁に上昇す
るまでの時間により劣化の有無を判定していたが、本実
施例ではＮＯ_X吸収剤再生終了後の下流側ＮＯ_X濃度の
増加曲線が変曲点に到達するまでの時間を検出すること
によりＮＯ_X吸収剤の劣化を判定している。

【００４７】図１(C) に示したように、再生終了後のＮ
Ｏ_X吸収剤下流側のＮＯ_X濃度は、ある時点から上昇を
始め、ＮＯ_X吸収剤のＮＯ_X吸収量が飽和に近づくにつ
れて一定値に漸近するようになる。このため、再生終了
後の下流側ＮＯ_X濃度の増大速度は最初は大きく、次い
で小さくなるため下流側ＮＯ_X濃度の変化曲線には変曲
点（図１(C) のＡ点）が存在する。そこで、本実施例で
は再生終了後、下流側ＮＯ_X濃度の増加速度が負になっ
て、且つ下流側ＮＯ_X濃度が所定値以上である状態が生
じるまでの時間により、ＮＯ_X吸収剤１８の劣化の有無
を判定している。

【００４８】図５において、ルーチンがスタートする
と、ステップ５０１から５０５では、図４、ステップ４
０１から４０３と同様にカウンタＣの操作が行われる。
また、ステップ５０７から５１３では、下流側ＮＯ_X濃
度の増加速度の変化率が演算される。すなわち、ステッ
プ５０７ではＮＯ_Xセンサ２０からＮＯ_X濃度ＮＲが読
み込まれ、ステップ５０９では前回ルーチン実行時のＮ
Ｏ_X濃度ＮＲ_i-1を用いて、ＮＯ_X濃度の増加速度ＤＮ
Ｒが、ＤＮＲ＝ＮＲ−ＮＲ_i-1として計算される。

【００４９】また、ステップ５０９では、ステップ５０
７で算出した増加速度ＤＮＲと、前回ルーチン実行時の
増加速度ＤＮＲ_i-1とを用いて、ＮＯ_X濃度増加速度の
変化率Ｄ２ＮＲが、Ｄ２ＮＲ＝ＤＮＲ−ＤＮＲ_i-1とし
て計算され、ステップ５１３では、次回のルーチン実行
に備えてＮＲ_i-1とＤＮＲ_i-1の値が更新される。次い
で、ステップ５１５から５１９では、ＮＯ_X濃度ＮＲと
上記により計算したＤ２ＮＲとの値からＮＯ_X吸収剤１
８の劣化の有無が判定される。すなわち、Ｄ２ＮＲがゼ
ロまたは負（ステップ５１５）、ＮＲが所定値Ｎ₁以上
（ステップ５１７）となったときに再生終了からの経過
時間がＣ₁以下の場合にＮＯ_X吸収剤１８が劣化したと
判定され、ステップ５２１でアラームフラグＡＬＭがセ
ット（＝１）される。他の操作は図４と同様であるので
ここでは説明を省略する。

【００５０】ところで、上記実施例では、ＮＯ_X吸収剤
再生終了後の下流側ＮＯ_X濃度変化のみに基づいてＮＯ
_X吸収剤の劣化の有無を検出していたが、ＮＯ_X吸収剤
下流側のＮＯ_X濃度は、ＮＯ_X吸収剤の劣化の状態が同
じであっても、ＮＯ_X吸収剤に流入する排気のＮＯ_X濃
度が変化すれば、それに応じて変動する。すなわち、機
関運転条件の変化などにより、ＮＯ_X吸収剤に流入する
排気のＮＯ_X濃度が増減すれば下流側のＮＯ_X濃度もそ
れに応じて増減することになる。このため、下流側のＮ
Ｏ_X濃度のみに基づいてＮＯ_X吸収剤の劣化の有無を判
定したのでは、機関運転条件の変化などにより誤判断を
生じるおそれがある。そこで、以下に説明する実施例で
は、下流側ＮＯ_X濃度に加えてＮＯ_X吸収剤上流側ＮＯ
_X濃度をも検出し、これらのＮＯ_X濃度の関係の変化に
基づいてＮＯ_X吸収剤の劣化の有無を判定している。

【００５１】図６は、ＮＯ_X吸収剤の上流側と下流側の
ＮＯ_X濃度に基づくＮＯ_X吸収剤劣化判定を行う排気浄
化装置の構成の一例を示す、図２と同様な図である。図
６において、図２と同様な要素は同一の参照符号で示し
ている。図６の実施例では、ＮＯ_X吸収剤１８の上流側
の排気通路に、下流側のＮＯ_Xセンサ２０と同様なＮＯ
_Xセンサ２５が設けられている点が図２の実施例と相違
している。また、図７は図６の排気浄化装置のＮＯ_X
吸収剤劣化判定ルーチンの一例を示す。本ルーチンは制
御回路３０により一定時間毎に実行される。

【００５２】図７のルーチンでは、再生終了後のＮＯ_X
吸収剤上流側ＮＯ_X濃度と下流側ＮＯ_X濃度との差が所
定値以下になるまでの時間に基づいてＮＯ_X吸収剤１８
の劣化の有無を判定する。ＮＯ_X吸収剤の上流側ＮＯ_X
濃度と下流側ＮＯ_X濃度との差は、すなわちＮＯ_X吸収
剤に実際に吸収されたＮＯ_X量を表すためＮＯ_X吸収剤
上流側と下流側のＮＯ_X濃度差を監視することにより、
上流側のＮＯ_X濃度の変動にかかわらずＮＯ_X吸収剤の
吸収能力の変化を検出することができる。

【００５３】図７においてルーチンがスタートすると、
ステップ７０１から７０５では図４、ステップ４０１か
ら４０５と同様なカウンタＣの操作が行われる。次い
で、ステップ７０７と７０９では下流側ＮＯ_Xセンサ２
０と上流側ＮＯ_Xセンサ２５とから、それぞれ下流側Ｎ
Ｏ_X濃度ＮＲＤと上流側ＮＯ_X濃度ＮＲＵとが読み込ま
れ、ステップ７１１では上記により読み込んだＮＲＤと
ＮＲＵとの差ΔＮＲが計算される。

【００５４】次いでステップ７１３ではΔＮＲが所定値
ΔＮＲ₁以下か否かが判定される。ΔＮＲ＞ΔＮＲ₁で
ある場合、すなわち下流側ＮＯ_X濃度が上流側ＮＯ_X濃
度に較べて充分に低い場合はＮＯ_X吸収剤１８の吸収能
力がまだ低下していないため、そのままルーチンを終了
する。一方、ΔＮＲ≦ΔＮＲ₁である場合にはＮＯ_X吸
収剤１８のＮＯ_X吸収能力が所定値以下に低下している
ため、ステップ７１５でカウンタＣの値がＣ₁以下か否
かを判定する。また、ステップ７１５でＣ≦Ｃ ₁の場合
は、ＮＯ_X吸収剤の吸収能力の低下が短時間で生じてお
り、ＮＯ_X吸収剤１８が劣化したと考えられるため、ス
テップ７１７に進みアラームフラグＡＬＭをセット（＝
１）してルーチンを終了する。なお、上記所定値ΔＮＲ
₁及びＣ ₁の値はＮＯ_X吸収剤の種類、サイズ等により
異なり、実験等により決定することが好ましい。また、
図７の他の操作は図４のルーチンと略同様なので、ここ
では説明を省略する。

【００５５】上記実施例では、上流側ＮＯ_X濃度と下流
側ＮＯ_X濃度との差ΔＮＲを監視することにより、ＮＯ
_X吸収剤の吸収能力を判定しているが、濃度の差ΔＮＲ
以外のパラメータを用いてＮＯ_X吸収剤の吸収能力を判
定することも可能である。例えば、下流側ＮＯ_X濃度Ｎ
ＲＤと上流側ＮＯ_X濃度ＮＲＵとの比ＲＮＲ＝ＮＲＤ／
ＮＲＵによりＮＯ_X吸収剤の吸収能力を判定することも
可能である。すなわち、上記濃度比ＲＮＲは、流入する
排気中のＮＯ_Xのうち吸収されずに下流側に流出するＮ
Ｏ_Xの割合を表すため、濃度比ＲＮＲが増大した場合は
ＮＯ_X吸収剤の吸収能力が低下したことを意味してい
る。そこで、濃度の差ΔＮＲが所定値以下になるまでの
時間を検出する代わりに、上記濃度比ＲＮＲが所定値Ｒ
ＮＲ₁（例えば０．８程度）以上になるまでの時間を検
出することによりＮＯ_X吸収剤の劣化の有無を判定して
もよい。

【００５６】図８は濃度比ＲＮＲによるＮＯ_X吸収剤劣
化判定ルーチンのフローチャートを示す。図８のルーチ
ンでは、ＮＯ_X吸収剤下流側と上流側のＮＯ_X濃度の比
ＲＮＲを計算し（ステップ８１１）、ＲＮＲが所定値Ｒ
ＮＲ₁以上（ステップ８１３）になったときに再生終了
時からの経過時間Ｃが所定値Ｃ₀以下である場合に（ス
テップ８１５）、ＮＯ_X吸収剤１８が劣化したと判定し
てアラームフラグＡＬＭをセット（＝１）している。な
お、図８の他のステップは図７のルーチンと略同様であ
るためここでは詳細な説明は省略する。

【００５７】ところで、図６から図８の実施例ではＮＯ
_X吸収剤１８の上流側排気通路に設置した上流側ＮＯ_X
センサ２５により、ＮＯ_X吸収剤１８の上流側のＮＯ_X
濃度を検出していたが、ＮＯ_X吸収剤の上流側ＮＯ_X濃
度は、すなわち機関から排出される排気ガス中のＮＯ_X
濃度である。また、機関から排出される排気ガスのＮＯ
_X濃度は機関負荷と吸入空気量などの機関運転条件によ
り決定される。そこで、上記のようにＮＯ_X吸収剤１８
上流側にＮＯ_Xセンサ２５を設けずに機関運転条件から
ＮＯ_X吸収剤上流側のＮＯ_X濃度を算出することも可能
である。

【００５８】この場合、予め機関吸気圧力ＰＭ（すなわ
ち機関負荷）と回転数Ｎ（すなわち吸入空気量）とを変
えた条件下で機関の排気中のＮＯ_X濃度ＲＮＵを実測し
て、吸気圧力ＰＭと回転数Ｎとの関数として、ＮＯ_X濃
度ＲＮＵを図９に示すような形式の数値テーブルの形で
制御回路３０のＲＯＭ３２に格納しておき、図７ステッ
プ７０９と図８ステップ８０９では、ＮＯ_Xセンサ２５
からＮＯ_X吸収剤１８上流側ＮＯ_X濃度を読み込む代わ
りに、吸気圧センサ１５と回転数センサ２１とから、そ
れぞれ機関吸気圧ＰＭと機関回転数Ｎとを読み込んで、
ＲＯＭ３２に格納した図９の数値テーブルから上流側Ｎ
Ｏ_X濃度ＲＮＵを読み出すようにすれば良い。

【００５９】このように、機関運転条件からＮＯ_X吸収
剤上流側のＮＯ_X濃度を算出するようにすることによ
り、ＮＯ_X吸収剤上流側のＮＯ_Xセンサ２５を省略して
装置を簡素化することが可能となる。

【００６０】

【発明の効果】請求項１から３に記載の本発明によれ
ば、再生終了後のＮＯ_X吸収剤下流側排気中のＮＯ_X濃
度の変化を監視することにより、従来困難であったＮＯ
_X吸収剤の劣化検出を容易に行うことが可能となる。ま
た、請求項４から８に記載の本発明によれば、再生終了
後のＮＯ_X吸収剤上流側と下流側の排気中のＮＯ_X濃度
を監視することにより、機関運転条件の変化にかかわら
ず正確にＮＯ_X吸収剤の劣化を検出することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＮＯ_X吸収剤の劣化検出方法を説明す
る図である。

【図２】本発明の排気浄化装置を適用する内燃機関の一
実施例の概略図である。

【図３】ＮＯ_X吸収剤のＮＯ_Xの吸放出作用を説明する
図である。

【図４】図２の実施例のＮＯ_X吸収剤の劣化検出操作の
一例を示すフローチャートである。

【図５】図２の実施例のＮＯ_X吸収剤の劣化検出操作の
一例を示すフローチャートである。

【図６】本発明の排気浄化装置を適用する内燃機関の他
の実施例の概略図である。

【図７】図６の実施例のＮＯ_X吸収剤の劣化検出操作の
一例を示すフローチャートである。

【図８】図６の実施例のＮＯ_X吸収剤の劣化検出操作の
一例を示すフローチャートである。

【図９】機関排気中のＮＯ_X濃度を表す数値テーブルの
形式を示す図である。

【符号の説明】

１…内燃機関１７…排気通路１８…ＮＯ_X吸収剤２０、２５…ＮＯ_Xセンサ３０…制御回路

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＧ０１Ｍ 15/00 Ｇ０１Ｍ 15/00 Ｚ (72)発明者井口哲愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (56)参考文献特開平５−302508（ＪＰ，Ａ) 特開平２−207159（ＪＰ，Ａ) 特開平５−312109（ＪＰ，Ａ) 特開平６−93843（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01N 3/08 - 3/20 F02B 77/08 F02D 45/00 368 G01M 15/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気通路に配置された、流入
する排気空燃比がリーンのときにＮＯ_Xを吸収し、流入
する排気の酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯ_Xを
放出するＮＯ_X吸収剤と、前記ＮＯ_X吸収剤下流側の排気通路に配置され、排気中
のＮＯ_X濃度を検出するＮＯ_Xセンサと、前記ＮＯ_X吸収剤が吸収したＮＯ_Xの放出を終了してＮ
Ｏ_X吸収を再開した後のＮＯ_X吸収剤下流側ＮＯ_X濃度
の時間的変化に基づいて、前記ＮＯ_X吸収剤の劣化の有
無を判定する劣化検出手段とを備えた内燃機関の排気浄
化装置。
【請求項２】前記劣化検出手段は、前記ＮＯ_X吸収剤
の前記ＮＯ_X吸収再開後に前記ＮＯ_X濃度が所定値以上
になるまでの時間が予め定められた所定時間以下である
場合に、前記ＮＯ_X吸収剤が劣化したと判定する請求項
１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】前記劣化検出手段は、前記ＮＯ_X吸収剤
下流側のＮＯ_X濃度の増加速度の変化率を検出する手段
を備え、前記ＮＯ_X吸収再開後に前記ＮＯ_X濃度が所定
値以上で、かつ前記ＮＯ_X濃度増加速度の変化率が負に
なるまでの時間が予め定められた所定時間以下である場
合に前記ＮＯ_X吸収剤が劣化したと判定する請求項１に
記載の排気浄化装置。
【請求項４】内燃機関の排気通路に配置された、流入
する排気空燃比がリーンのときにＮＯ_Xを吸収し、流入
する排気の酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯ_Xを
放出するＮＯ_X吸収剤と、前記ＮＯ_X吸収剤下流側の排気通路に配置され、排気中
のＮＯ_X濃度を検出する下流側ＮＯ_Xセンサと、前記ＮＯ_X吸収剤上流側の排気中のＮＯ_X濃度を検出す
る上流側ＮＯ_X濃度検出手段と、前記ＮＯ_X吸収剤が吸収したＮＯ_Xの放出を終了してＮ
Ｏ_X吸収を再開した後のＮＯ_X吸収剤下流側ＮＯ_X濃度
とＮＯ_X吸収剤上流側ＮＯ_X濃度との関係の時間的変化
に基づいて、前記ＮＯ_X吸収剤の劣化の有無を判定する
劣化検出手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】前記劣化検出手段は、前記上流側ＮＯ_X
濃度と前記下流側ＮＯ_X濃度との差を演算する手段を備
え、前記ＮＯ_X吸収再開後に前記ＮＯ_X濃度の差が所定
値以下になるまでの時間が予め定められた所定時間以下
である場合に前記ＮＯ_X吸収剤が劣化したと判定する請
求項４に記載の排気浄化装置。
【請求項６】前記劣化検出手段は、前記下流側ＮＯ_X
濃度と前記上流側ＮＯ_X濃度との比を演算する手段を備
え、前記ＮＯ_X吸収再開後に前記ＮＯ_X濃度の比が所定
値以上になるまでの時間が予め定められた所定時間以下
である場合に前記ＮＯ_X吸収剤が劣化したと判定する請
求項４に記載の排気浄化装置。
【請求項７】前記上流側ＮＯ_X濃度検出手段は、前記
ＮＯ_X吸収剤上流側の排気通路に設けられたＮＯ_Xセン
サからなる請求項４から６のいずれか１項に記載の排気
浄化装置。
【請求項８】前記上流側ＮＯ_X濃度検出手段は、前記
機関の運転状態を検出する手段と、検出された運転状態
に基づいて、予め定められた関係から上流側ＮＯ_X濃度
を演算する手段とを備えた請求項４から６のいずれか１
項に記載の排気浄化装置。