JP3858267B2 - 排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置に関し、詳細には、エンジン等の排気からＮＯｘ（窒素酸化物）を除去する排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リーンバーンによる運転を行う自動車等の排気浄化装置として、排気ガス中の酸素濃度が高い状態でＮＯｘを吸着し、排気ガス中の酸素濃度が低くなると吸着していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着触媒を備えた装置が知られている。ＮＯｘ吸着触媒のＮＯｘ吸着量には限界があるので、このような装置では、ＮＯｘ吸着触媒が飽和量までＮＯｘを吸着すると、リーンバーンによる運転状態から、理論空燃比近傍でエンジンを運転状態に移行する等して排気ガス中の酸素濃度を低下させて、ＮＯｘ吸着触媒からＮＯｘを放出させるとともに、これを還元して浄化する処理が行われる。
【０００３】
また、この処理の際、ＮＯｘ吸着触媒の下流側に設けたＮＯｘセンサによって下流側のＮＯｘ量を検出し、この検出結果に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒の劣化状態を診断するＮＯｘ吸着触媒の劣化状態を診断する装置が知られている（特開２０００−３３７１３１）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本件発明の発明者は、上記装置等で劣化状態が診断されている酸素濃度の領域では、ＮＯｘセンサによるＮＯｘ検出が適切に行われず、その結果、上記診断が不正確になることを見出した。そして、この問題について検討した結果、ＮＯｘを検出する検出子を保護するために設けられた金属カバーに含まれる金属が、この酸素濃度の領域で触媒として作用し、検出すべきＮＯｘをＣＯ、Ｈ２、ＨＣ等の還元ガスと反応させてしまい、検出子に到達するＮＯｘが減少すること等が原因であることを見出した。
【０００５】
本発明はこのような状況においてなされたものであり、ＮＯｘ吸着触媒の劣化診断を正確に行うことができる排気浄化装置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】
本件出願の発明によれば、排気通路に配置され、排気ガス中の酸素濃度に応じてＮＯｘを吸着または放出するＮＯｘ吸着触媒と、該ＮＯｘ吸着触媒の下流側に配置され金属のカバーを有するＮＯｘセンサと、前記ＮＯｘ吸着触媒のＮＯｘ吸着量が所定量に達したとき、前記酸素濃度を制御して前記ＮＯｘ吸着触媒からＮＯｘを放出させる酸素濃度制御手段と、前記ＮＯｘ放出時に前記ＮＯｘセンサからの出力に基いて前記ＮＯｘ吸着触媒からのＮＯｘ放出状態を検出し、これに基づいて前記ＮＯｘ吸着触媒の劣化診断を行う診断手段と、を備え、前記酸素濃度制御手段は、前記劣化診断中は前記酸素濃度を０％に制御し、さらに、前記劣化診断終了後の所定期間、前記酸素濃度を０．１ないし０．６％の範囲に制御する、ことを特徴とする排気浄化装置が提供される。
【０００７】
このような構成を有する排気浄化装置によれば、劣化診断中、排気ガス中の酸素濃度が、金属カバーに含まれる金属による触媒作用が生じにくい範囲に設定されるので、ＮＯｘセンサがＮＯｘ触媒の下流側のＮＯｘ濃度を正確に測定することができる。この結果、このＮＯｘ吸着触媒センサの出力に基づいたＮＯｘ吸着触媒の劣化診断も正確に行われる。
更に、劣化診断終了後は、燃費を重視した運転状態に移行することになる。
【０００９】
本発明のもう一つの好ましい態様によれば、前記ＮＯｘ吸着触媒は、酸素濃度が高い状態でＮＯｘを吸着し酸素濃度が低い状態で吸着していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着材と、該ＮＯｘ吸着材から放出されたＮＯｘを浄化させる触媒金属とを備え、前記診断手段は、前記ＮＯｘ吸着材および触媒金属の少なくとも一方の劣化を診断する。
【００１２】
本発明のもう一つの好ましい態様によれば、前記酸素濃度制御手段は、前記診断手段による診断結果に基づいて、前記酸素濃度制御の内容を変更する。このような構成によれば、ＮＯｘ吸着触媒の劣化の程度に応じて、ＮＯｘ放出量が制御されるので、排気系外に排出される排気ガス中のＮＯｘ量を抑えることができる。
【００１３】
本発明のもう一つの態様によれば、エンジンの排気通路に配置され、排気ガス中の酸素濃度に応じてＮＯｘを吸着または放出するＮＯｘ吸着触媒と、該ＮＯｘ吸着触媒の下流側に配置され金属のカバーを有するＮＯｘセンサと、前記ＮＯｘ吸着触媒のＮＯｘ吸着量が所定量に達したとき、前記酸素濃度を制御して前記ＮＯｘ吸着触媒からＮＯｘを放出させる酸素濃度制御手段と、前記ＮＯｘ放出時に前記ＮＯｘセンサからの出力に基いて前記ＮＯｘ吸着触媒からのＮＯｘ放出状態を検出し、これに基づいて前記ＮＯｘ吸着触媒の劣化診断を行う診断手段と、を備え、前記酸素濃度制御手段は、前記診断手段による劣化診断中は、前記金属がＮＯｘに対する触媒作用を生じさせない第１の値に前記酸素濃度を制御し、その後一定時間、前記酸素濃度を前記第１の値より高い第２の値に制御する、ことを特徴とする排気浄化装置が提供される。
【００１４】
このような構成によれば、ＮＯｘ吸着触媒の劣化診断中は、ＮＯｘセンサのカバーを構成する金属が触媒作用を起こしにくくなり、ＮＯｘセンサが排気ガス中のＮＯｘを正確に計測することができる。
【００１５】
本発明の好ましい態様によれば、前記第２の値は、０．１ないし０．６％の範囲である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の好ましい実施形態のエンジンの排気浄化装置を備えた自動車用火花点火式のエンジンシステム１００の構成を概略的に示す図面である。
【００１７】
エンジンシステム１００は、エンジン本体１を備えている。このエンジンシステムでは、所定の運転状態で、空燃比が１４．７より高く設定されるリーンバーン運転が行なわれる。エンジン本体１は、複数の気筒２（１本のみを図示する）と、この気筒２内に往復動可能に配置されたピストン３とを備え、気筒２とピストン３とによって燃焼室４が形成されている。燃焼室４の上部には、点火回路５に接続された点火プラグ６が燃焼室４に臨むように取付けられ、さらに、燃焼室４に燃料を直接噴射するインジェクタ７が取り付けられている。
【００１８】
このインジェクタ７には、高圧燃料ポンプ、プレッシャレギュレータ等を有する燃料供給回路が接続されている。この燃料供給回路によって燃料タンクからの燃料が適正な圧力に調整されてインジェクタ７に供給される。また、燃料供給回路には、燃料圧力を検出する燃圧センサ８が取付けられている。
【００１９】
燃焼室４は、吸気弁９が設けられた吸気ポートを介して吸気通路１０に連通している。この吸気通路１０には、その上流側から順に、吸気を濾過するエアクリーナ１１と、吸入空気量を検出するエアフローメータ１２と、吸気通路１０を絞る電気式スロットル弁１３と、サージタンク１４とが設けられている。電気式スロットル弁１３は、モータ１５により開閉駆動されるように構成されている。さらに、電気式スロットル弁１３の近傍には、その開度を検出するスロットル開度センサ１６が配置され、また、サージタンク１４には、吸気圧を検出する吸気圧センサ１７が取付けられている。
【００２０】
吸気通路１０は、サージタンク１４より下流の部分が、気筒毎に分岐した独立通路とされている。各独立通路の下流端部は、２つに分割され、それぞれが同一気筒の吸気ポートに連結され、その一方にスワール弁１８が設けられている。このスワール弁１８は、アクチュエータ１９によって駆動される。スワール弁１８が閉じると、吸気は他方の分岐通路のみから燃焼室４に供給され、燃焼室４内に強い吸気スワールが生成される。また、スワール弁１８の近傍には、スワール弁１８の開度を検出するスワール弁開度センサ２０が設けられている。
【００２１】
燃焼室４には、排気弁２１が設けられた排気ポートを介して排気通路２２が接続され、各気筒からの排気通路２２は下流側で合流している。合流した排気通路２２には、上流側から順に、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（Ｏ2センサ）２４と、ＮＯｘを吸着するＮＯｘ吸着触媒２５、ＮＯｘセンサ２６とが設けられている。ＮＯｘ吸着触媒２５は、リーンバーン運転などの排気ガス中の酸素濃度が高い状態でＮＯｘを吸着し、酸素濃度が低い状態になると吸着していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着材と、ＮＯｘ吸着材から放出されたＮＯｘを還元浄化させる触媒金属（貴金属）とを備えたＮＯｘ吸収還元タイプのＮＯｘトラップ触媒である。
【００２２】
ＮＯｘ吸着触媒２５は、コージェライト製のハニカム構造の担体を備え、この担体に形成された各貫通孔の壁面には、内側触媒層がコーティングされ、内側触媒層上に外側触媒層がコーティングされている。
【００２３】
ＮＯｘ吸収触媒機能を備える内側触媒層では、白金等の貴金属とＢａ等のＮＯｘ吸収材とが、多孔質材料であるアルミナ、セリア等のサポート材に担持されている。また、ＮＯｘ還元機能を備える外側触媒層には、白金、ロジウム等の触媒金属と、場合によっては、Ｂａ等のＮＯｘ吸収材とが、多孔質材料であるゼオライト等のサポート材に担持されている。
【００２４】
このＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量には限界がある。本実施形態は、ＮＯｘセンサ２６による排気ガス中のＮＯｘ検出値が所定のしきい値を越えると、ＮＯｘ吸着触媒のＮＯｘ吸着が飽和に達したと判定し、排気ガス中の酸素濃度を高めてＮＯｘ吸着材からＮＯｘを放出させる処理（リッチスパイク処理）を行うように構成されている。
【００２５】
図２は、ＮＯｘセンサ２６の構造を示す概略的な断面図である。図２に示されているように、ＮＯｘセンサ２６は、第１カバー２６ａおよび第２カバー２６ｂに覆われた検出子２６ｃを備えている。検出子２６ｃは、排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じた出力を生じさせる。第１カバー２６ａと第２カバー２６ｂは、検出子を熱衝撃、排気ガス中の不純物から保護する機能を有し、ＳＵＳなどのステンレス鋼で構成されている。また、第１カバー２６ａと第２カバー２６ｂとのそれぞれには、相互にオフセットした開口部２６ｄ、２６ｅが形成され、矢印Ａで示されるように、検出子２６ｃに排気ガスが導入されるように構成されている。
【００２６】
排気通路２２には、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ通路２７の上流端が、酸素濃度センサ２４の上流側位置に接続されている。ＥＧＲ通路２７の下流端は、スロットル弁１３とサージタンク１４との間で吸気通路１０に接続されている。また、ＥＧＲ通路２７には、開度が電気的に調整可能であるＥＧＲ弁２８と、ＥＧＲ弁２８のリフト量を検出するリフトセンサ２９とが設けられ、これらにより排気還流手段が構成されている。
【００２７】
更に、排気通路２２には、吸気の一部を、吸気通路１０からＮＯｘ吸着触媒２５の上流側位置に送り込む２次エア供給通路３０が接続されている。この２次エア供給通路３０には、制御可能な流量調整弁３１が設けられている。
【００２８】
エンジンシステム１００は、さらに、システム全体の制御を行うＥＣＵ（電子制御ユニット）３２を備えている。このＥＣＵ３４には、エアフローセンサ１２、スロットル開度センサ１６、吸気圧センサ１７、スワール制御弁開度センサ２０、酸素濃度センサ２４、ＥＧＲ弁２８のリフトセンサ２９からの信号が入力される。ＥＣＵ３２には、さらに、エンジン本体１の冷却水温度を検出する水温センサ３３、吸気温度を検出する吸気温度センサ３４、大気圧を検出する大気圧センサ３５、エンジン回転数を検出する回転数センサ３６、および、アクセルペダルの開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ３７からの信号等も入力される。
【００２９】
ＥＣＵ３２は、エンジンの運転状態に応じてインジェクタ７から噴射される燃料の噴射状態を制御する燃料噴射制御、点火プラグ６による混合気の点火時期を制御する点火時期制御、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量が所定量に達すると排気ガス中の酸素濃度を制御して、ＮＯｘ吸着触媒２５からＮＯｘを放出させるリッチスパイク制御、このリッチスパイク時のＮＯｘ放出状態からＮＯｘ吸着触媒２５の劣化度合いを診断する劣化診断制御等を行う。
【００３０】
燃料噴射制御では、エンジンの運転状態に応じて燃料噴射を制御するように構成されている。本実施形態では、低負荷低回転から中回転中負荷の運転領域では、インジェクタ７から圧縮行程の所定時期に燃料を一括噴射して点火プラグ６の近傍に混合気を偏在させた状態で燃焼させ、燃焼室４内における混合気の空燃比を３０程度のリーン状態とする成層燃焼モード用の燃焼制御が実行される。また、この成層燃焼モードの領域より高負荷側の領域では、吸気行程と圧縮行程との２回の燃料噴射でλ＝１付近の空燃比とした燃焼モード用の燃焼制御が実行される。さらに、高負荷高回転の運転領域では、インジェクタ７から吸気行程で燃料を一括噴射させ燃焼室４内の空燃比をリッチ状態とした均一燃焼モード用の燃焼制御が行われる。
【００３１】
リーン状態の燃焼で多く発生するＮＯｘは、下流側に設けられたＮＯｘ吸着触媒２５によって吸着される。本実施形態では、ＮＯｘセンサ２６の出力信号に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量を推定し、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着が飽和したと判断されると、空燃比制御等を実行することによって排気ガス中の酸素濃度を例えば０．３％以下に減少させ、ＮＯｘ吸着触媒２５からＮＯｘを放出させる制御（リッチスパイク制御）を行う。さらに、このときのＮＯｘセンサ２６からの出力信号に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化判定を併せて行う。本実施形態では、ＮＯｘ吸着触媒２５が劣化していたと診断されたとき、これを乗員に知らせる警告灯等を含む表示手段４１が設けられている。
【００３２】
次に、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化診断制御の前提となるリッチスパイク処理の際、ＥＣＵ３２が行うエンジン制御の処理を、図３のフローチャートに沿って説明する。この制御は、上述した燃焼状態のうち、リーンバーンによる燃焼において行われる。
【００３３】
まず、ステップＳ１において、エアフローセンサ１２、酸素濃度センサ２４、ＮＯｘセンサ２６、水温センサ３３、吸気温センサ３４、大気圧センサ３５、回転数センサ３６およびアクセル開度センサ３７等の出力信号が入力される。
【００３４】
次いで、ステップＳ２で、ＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘが、所定のしきい値ＮＯｅｘｏより大きいか否かが判定される。このしきい値ＮＯｅｘｏは、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量が飽和しているか否かを判定するための値である。ステップＳ２でＹＥＳのときには、ＮＯｘセンサ２６が飽和量までＮＯｘを吸着しており、ＮＯｘを放出させる処理を行う必要があることを示しているので、ＮＯｘを放出させるリッチスパイク処理を開始する。
【００３５】
まず、ステップＳ３に進みタイマの値Ｔに１を加えた後、ステップＳ４で進み、スロットルバルブ開度Ｔｖをリッチスパイク制御用のスロットルバルブ開度Ｔｖλに設定する。リッチスパイク制御では、リッチ状態での燃焼とし、排気ガス中の酸素濃度を低下させる制御であるので、リッチスパイク制御用のスロットルバルブ開度Ｔｖλは、リーンバーンによる燃焼時より小さい値となる。
【００３６】
次いで、ステップＳ５で、リッチスパイク制御用のスロットルバルブ開度Ｔｖλとなるようにスロットル弁を駆動させる。ステップＳ６で、タイマの値ＴがＴ１を未満であるか否かが判定される。タイマの値ＴがＴ１を未満であるときには、ステップＳ７に進み、リッチスパイク用の燃料噴射量、燃料噴射時期、点火タイミングが設定される。本実施形態では、リッチスパイク制御時には、燃料を吸気行程と圧縮行程の２回に分けて噴射する分割噴射が行われる。従って、燃料噴射量として、吸気行程での噴射量Ｑλｓ１と、圧縮行程での噴射量Ｑλｓ２が設定される。また、燃料噴射時期として、吸気行程での噴射時期Ｉλｓ１と、圧縮行程での噴射時期Ｉλｓ２が設定される。さらに、点火時期として、θλｓが設定される。
【００３７】
このとき、本実施形態では、排気ガス中の酸素濃度が０．３％以下になるような１４．５以下の空燃比に対応する総噴射量すなわち噴射量Ｑλｓ１とＱλｓ２との和が設定される。また、排気ガス中の酸素濃度が０．１％以下になるような１４．３以下の空燃比に対応する燃料噴射量が設定されるのが好ましく、排気ガス中の酸素濃度が略０．１％以下になるような１４．３以下の空燃比に対応する燃料噴射量が設定されるのがより好ましい。尚、Ｑλｓ１とＱλｓ２とは等しい値に設定されるのが好ましい。
【００３８】
次いで、ステップＳ８に進み、ステップＳ７で設定された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期に基づいて、燃料噴射、点火が実行される。この結果、リーンバーンであった燃焼がリッチ側の燃焼に移行し、排気ガス中の酸素濃度が大きく低下する。この結果、ＮＯｘ吸着触媒２５からＮＯｘが放出される。後述するように、本実施形態では、このＮＯｘ放出状態に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化診断が行われる。
【００３９】
ＳＵＳ等のステンレス鋼で作られたカバーを備えた本実施形態のＮＯｘセンサ２６では、図４に示されているように、排気ガス中のＮＯｘ濃度が同一であっても、酸素濃度によって出力値が変動する。ＮＯｘセンサの出力値は、酸素濃度が０％（空燃比１４．０程度の場合の排気ガスに相当）ないし０．６％（空燃比１４．８程度の場合の排気ガスに相当）の間で低下しており、酸素濃度０．４％（空燃比１４．６程度の排気ガスに相当）近傍で最も低くなる。
【００４０】
上述したように、本実施形態では、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化診断が行われるリッチスパイク制御時には、排気ガス中の酸素濃度が０．３％以下、好ましくは０．１％以下、より好ましくは０％になるように燃料の総噴射量が設定される。この結果、ＮＯｘセンサ２６の出力値がＮＯｘセンサの金属製カバーの影響を受けない範囲まで、排気ガス中の酸素濃度が低下するので、ＮＯｘセンサ２６の出力値に基づいたＮＯｘ吸着触媒２５の劣化診断が正確に行われることになる。
【００４１】
ステップＳ６でＹＥＳ、即ち、ステップＳ７、ステップＳ８の処理が所定期間Ｔ１中、継続されていたときには、ステップＳ９に進み、タイマの値Ｔが、第１の所定期間Ｔ１より長い第２の所定期間Ｔ２未満であるであるか否かが判定される。ステップＳ９でＹＥＳ即ち所定期間Ｔ１は経過したが所定期間Ｔ２は経過していないときには、ステップＳ１０に進み、空燃比１４．７（λ＝１）用の燃料噴射量、燃料噴射時期、点火タイミングが設定される。本実施形態では、リッチスパイク制御中のλ＝１の燃焼においても、燃料を吸気行程と圧縮行程の２回に分けて噴射する分割噴射が行われる。従って、燃料噴射量として、吸気行程での噴射量Ｑλ１と、圧縮行程での噴射量Ｑλ２が設定される。また、燃料噴射時期としては、吸気行程での噴射時期Ｉλ１と、圧縮行程での噴射時期Ｉλ２が設定される。さらに、点火時期として、θλが設定される。本実施形態では、この制御時には、空燃比が１４．６ないし１４．８になるように、好ましくは１４．７になるように、１サイクル当たりの総噴射量すなわち噴射量Ｑλ１とＱλ２との和が設定される。また、Ｑλ１とＱλ２とは等しい値に設定されるのが好ましい。この空燃比１４．６であれば排気ガス中の酸素濃度は０．４％程度、空燃比１４．７であれば排気ガス中の酸素濃度は０．５％程度、空燃比１４．８であれば排気ガス中の酸素濃度は０．６％程度になる。また、排気ガス中の酸素濃度が、０．１ないし０．６％となるように、空燃比を設定してもよい。
【００４２】
次いで、ステップＳ８に進み、ステップＳ１０で設定された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期に基づいて、燃料噴射、点火が実行される。この結果、空燃比１４．７（λ＝１）近傍での燃焼が行われ、排気ガス中の酸素濃度は、リーン運転時より低い状態となる。ＮＯｘ吸着触媒２５からは、ＮＯｘが放出され続けることになる。ステップＳ２でＮＯのときには、ステップＳ１１に進み、タイマがカウント中であるか否かを判定し、ＹＥＳのときには、ステップＳ３に進む。ステップＳ１１でＮＯのときには、ステップＳ１２に進み、スロットルバルブ開度Ｔｖをリーンバーン用のスロットルバルブ開度Ｔｖに設定し、ステップＳ１３で設定されたスロットルバルブ開度Ｔｖに基づいてスロットルバルブを駆動させる。
【００４３】
次いで、ステップＳ１４に進み、リーンバーン用の燃料噴射量Ｑ、燃料噴射時期Ｉ、点火タイミングθが設定される。尚、本実施形態では、リーンバーン制御時には、圧縮行程での一括噴射で成層リーン燃焼が行われる。次いで、ステップＳ８に進み、ステップＳ１４で設定された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期に基づいて、燃料噴射、点火が実行される。
【００４４】
以上のように、リーンバーンの運転中に、ＮＯｘセンサ２６の出力値がＮＯｘｅｘｏを越えたことによって、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量が飽和量に達したと判定されると（図５（ａ））、第１の所定期間Ｔ１の間は、空燃比を１４．５よりリッチ側の値（好ましくは、１４．３近傍）に設定し、第１の所定期間Ｔ１終了後且つ第２の所定期間Ｔ２前までは、空燃比を１４．７近傍の値に設定する制御が行われる（図５（ｂ））。本実施形態では、この第１の所定期間Ｔ１のＮＯｘ放出状態に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化状態を診断する。
【００４５】
次に、ＥＣＵ３２が行うＮＯｘ吸着触媒２５の劣化診断の内容を、図６のフローチャートに沿って説明する。
【００４６】
まず、ステップＳ２１で、ＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘが、所定のしきい値ＮＯｘｅｘｏより大きいか否かが判定される。ステップＳ２１でＹＥＳのときには、上述したようなＮＯｘを放出させるリッチスパイク制御が開始される。次いで、ステップＳ２２に進み、上記ステップＳ３で設定されたタイマの値Ｔが、所定期間Ｔ１未満であるか否かが判定される。
【００４７】
ステップＳ２２でＹＥＳ、即ち、ＴがＴ１未満であるときには、ステップＳ２３に進み、ＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘを記憶してリターンする。ステップＳ２２でＮＯ、即ち、タイマの値ＴがＴ１以上であるときには、ステップＳ２４に進み、記憶されているＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘ（１、．．．、ｎ）の最大値ＮＯｘｍａｘを抽出する。さらに、ステップＳ２５で、ＮＯｘｅｘ（１、．．．、ｎ）の積算値ＮＯｘαを算出する。
【００４８】
次いで、ステップＳ２６に進み、ＮＯｘ吸着触媒２５のＢａ等のＮＯｘ吸着材の劣化判定用しきい値であるとＮＯｘｍａｘ０、ＮＯｘ吸着触媒２５の内側触媒層の貴金属の劣化判定用しきい値であるＮＯｘβとを設定する。ＮＯｘ吸着触媒２５からのＮＯｘの放出状態は排気ガスの流量等の影響を受けるので、これらのしきい値は、運転状態に応じて設定される。本実施形態では、吸着空気量Ｃｅまたはエンジン回転数Ｎｅが大きいほど、ＮＯｘβとＮＯｘｍａｘ０とが大きくなる図７のマップに従って、ＮＯｘβとＮＯｘｍａｘ０が設定される。
【００４９】
次いで、ステップＳ２７で、ステップＳ２５で算出されたＮＯｘαが、ＮＯｘ吸着触媒２５に含まれる貴金属の劣化診断用のしきい値ＮＯｘβより大きいか否かを判定する。ステップＳ２７でＹＥＳのときには、ＮＯｘ吸着触媒の含まれている貴金属が劣化していると診断され、ステップＳ２８に進み、警告灯などの表示手段４１による警告が行われ処理を終了する。
【００５０】
また、ステップＳ２７でＮＯのときにはステップＳ２９に進み、ステップＳ２４で抽出されたＮＯｘ放出量の最大値ＮＯｘｍａｘが、Ｂａ等のＮＯｘ吸着材の劣化診断用のしきい値ＮＯｘｍａｘ０より大きいか否かを判定する。ステップＳ２９でＹＥＳのときには、Ｂａ等のＮＯｘ吸着材が劣化していると診断され、ステップＳ２８に進み、警告灯などの表示手段４１による警告が行われ処理を終了する。
【００５１】
また、ステップＳ２９でＮＯのときには、ＮＯｘ吸着触媒２５は劣化していないと診断され、ＮＯｘｍａｘ、ＮＯｘα、ＮＯｘｅｘ（１，…、ｎ）等の記憶されていた値がクリアし、リターンされる。
【００５２】
又、ステップＳ２１でＮＯのときには、ステップＳ３１に進み、タイマがカウント中であるか否かを判定し、ＹＥＳのときにはステップＳ２２に進み、ＮＯのときにはリターンする。
【００５３】
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された技術事項の範囲内で種々の変更又は変形が可能である。
また、上記劣化診断の結果に基づいて、リッチスパイク制御の期間、例えば、Ｔ２の終了時期を変更する制御を行うように構成しても良い。
【００５４】
上記実施形態では、リッチスパイク制御の際に、空燃比を変更して排気ガス中の酸素濃度を低下させる構成であったが、他の手法、例えば、膨張行程における後噴射によって、排気ガス中の酸素濃度を低下させる構成でも良い。
【００５５】
上記実施形態では、リッチスパイク時の初期の所定期間Ｔ１におけるＮＯｘｅｘに基づいてＮＯｘ吸着触媒の劣化診断を行ったが、Ｔ１経過後のλ＝１燃焼時、所定期間Ｔ２全体、または、その後のリーン運転期間におけるＮＯｘｅｘに基づいてＮＯｘ吸着触媒の劣化診断を行う構成でもよい。
【００５６】
また、ＮＯｘ吸着触媒の種類によっては、リッチスパイク時に上記実施形態のように空燃比１４．３以下に制御しても、制御開始後、ＮＯｘ吸着触媒の下流側の酸素濃度が所望の領域まで直ちに低下せず、排気ガス中の酸素濃度が０．３から０．５％程度である期間が生じる場合がある。このため、リッチスパイク制御が開始され、且つ、排気ガス中の酸素濃度が、例えば０．３から０．５％の領域より低くなったときをＴ１の起算時とし、且つ、この時点でタイマのカウントを開始してもよい。
【００５７】
更に、上記実施形態では、ＮＯｘ吸着触媒のＮＯｘ吸着触媒と貴金属の両者の劣化を診断する装置であったが、何れか一方を診断する装置でもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように、本件発明によれば、ＮＯｘ吸着触媒の劣化診断を正確に行うことができる排気浄化装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好ましい実施形態の排気浄化装置を備えたエンジンシステムの概略構成図である。
【図２】 本発明の実施形態のＮＯｘセンサの構成を示す断面図である。
【図３】 リッチスパイク制御の際にＥＣＵで行われるエンジン制御の処理内容を示すフローチャートである。
【図４】 同一のＮＯｘ濃度における、酸素濃度とＮＯｘセンサの出力値との関係を示すグラフである。
【図５】 排気ガス中の酸素濃度と、ＮＯｘ吸着触媒からのＮＯｘ放出量の関係を示すタイムチャートである。
【図６】 ＮＯｘ吸着触媒の劣化診断制御の際にＥＣＵで行われる処理の内容を示すフローチャートである。
【図７】 劣化判定用のしきい値設定用のマップの一例である。
【符号の説明】
１：エンジン本体
２４：酸素濃度センサ
２５：ＮＯｘ吸着触媒
２６：ＮＯｘセンサ
３２：ＥＣＵ
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置に関し、詳細には、エンジン等の排気からＮＯｘ（窒素酸化物）を除去する排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リーンバーンによる運転を行う自動車等の排気浄化装置として、排気ガス中の酸素濃度が高い状態でＮＯｘを吸着し、排気ガス中の酸素濃度が低くなると吸着していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着触媒を備えた装置が知られている。ＮＯｘ吸着触媒のＮＯｘ吸着量には限界があるので、このような装置では、ＮＯｘ吸着触媒が飽和量までＮＯｘを吸着すると、リーンバーンによる運転状態から、理論空燃比近傍でエンジンを運転状態に移行する等して排気ガス中の酸素濃度を低下させて、ＮＯｘ吸着触媒からＮＯｘを放出させるとともに、これを還元して浄化する処理が行われる。
【０００３】
また、この処理の際、ＮＯｘ吸着触媒の下流側に設けたＮＯｘセンサによって下流側のＮＯｘ量を検出し、この検出結果に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒の劣化状態を診断するＮＯｘ吸着触媒の劣化状態を診断する装置が知られている（特開２０００−３３７１３１）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本件発明の発明者は、上記装置等で劣化状態が診断されている酸素濃度の領域では、ＮＯｘセンサによるＮＯｘ検出が適切に行われず、その結果、上記診断が不正確になることを見出した。そして、この問題について検討した結果、ＮＯｘを検出する検出子を保護するために設けられた金属カバーに含まれる金属が、この酸素濃度の領域で触媒として作用し、検出すべきＮＯｘをＣＯ、Ｈ２、ＨＣ等の還元ガスと反応させてしまい、検出子に到達するＮＯｘが減少すること等が原因であることを見出した。
【０００５】
本発明はこのような状況においてなされたものであり、ＮＯｘ吸着触媒の劣化診断を正確に行うことができる排気浄化装置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】
本件出願の発明によれば、排気通路に配置され、排気ガス中の酸素濃度に応じてＮＯｘを吸着または放出するＮＯｘ吸着触媒と、該ＮＯｘ吸着触媒の下流側に配置され金属のカバーを有するＮＯｘセンサと、前記ＮＯｘ吸着触媒のＮＯｘ吸着量が所定量に達したとき、前記酸素濃度を制御して前記ＮＯｘ吸着触媒からＮＯｘを放出させる酸素濃度制御手段と、前記ＮＯｘ放出時に前記ＮＯｘセンサからの出力に基いて前記ＮＯｘ吸着触媒からのＮＯｘ放出状態を検出し、これに基づいて前記ＮＯｘ吸着触媒の劣化診断を行う診断手段と、を備え、前記酸素濃度制御手段は、前記劣化診断中は前記酸素濃度を０％に制御し、さらに、前記劣化診断終了後の所定期間、前記酸素濃度を０．１ないし０．６％の範囲に制御する、ことを特徴とする排気浄化装置が提供される。
【０００７】
このような構成を有する排気浄化装置によれば、劣化診断中、排気ガス中の酸素濃度が、金属カバーに含まれる金属による触媒作用が生じにくい範囲に設定されるので、ＮＯｘセンサがＮＯｘ触媒の下流側のＮＯｘ濃度を正確に測定することができる。この結果、このＮＯｘ吸着触媒センサの出力に基づいたＮＯｘ吸着触媒の劣化診断も正確に行われる。
更に、劣化診断終了後は、燃費を重視した運転状態に移行することになる。
【０００９】
本発明のもう一つの好ましい態様によれば、前記ＮＯｘ吸着触媒は、酸素濃度が高い状態でＮＯｘを吸着し酸素濃度が低い状態で吸着していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着材と、該ＮＯｘ吸着材から放出されたＮＯｘを浄化させる触媒金属とを備え、前記診断手段は、前記ＮＯｘ吸着材および触媒金属の少なくとも一方の劣化を診断する。
【００１２】
本発明のもう一つの好ましい態様によれば、前記酸素濃度制御手段は、前記診断手段による診断結果に基づいて、前記酸素濃度制御の内容を変更する。このような構成によれば、ＮＯｘ吸着触媒の劣化の程度に応じて、ＮＯｘ放出量が制御されるので、排気系外に排出される排気ガス中のＮＯｘ量を抑えることができる。
【００１３】
本発明のもう一つの態様によれば、エンジンの排気通路に配置され、排気ガス中の酸素濃度に応じてＮＯｘを吸着または放出するＮＯｘ吸着触媒と、該ＮＯｘ吸着触媒の下流側に配置され金属のカバーを有するＮＯｘセンサと、前記ＮＯｘ吸着触媒のＮＯｘ吸着量が所定量に達したとき、前記酸素濃度を制御して前記ＮＯｘ吸着触媒からＮＯｘを放出させる酸素濃度制御手段と、前記ＮＯｘ放出時に前記ＮＯｘセンサからの出力に基いて前記ＮＯｘ吸着触媒からのＮＯｘ放出状態を検出し、これに基づいて前記ＮＯｘ吸着触媒の劣化診断を行う診断手段と、を備え、前記酸素濃度制御手段は、前記診断手段による劣化診断中は、前記金属がＮＯｘに対する触媒作用を生じさせない第１の値に前記酸素濃度を制御し、その後一定時間、前記酸素濃度を前記第１の値より高い第２の値に制御する、ことを特徴とする排気浄化装置が提供される。
【００１４】
このような構成によれば、ＮＯｘ吸着触媒の劣化診断中は、ＮＯｘセンサのカバーを構成する金属が触媒作用を起こしにくくなり、ＮＯｘセンサが排気ガス中のＮＯｘを正確に計測することができる。
【００１５】
本発明の好ましい態様によれば、前記第２の値は、０．１ないし０．６％の範囲である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の好ましい実施形態のエンジンの排気浄化装置を備えた自動車用火花点火式のエンジンシステム１００の構成を概略的に示す図面である。
【００１７】
エンジンシステム１００は、エンジン本体１を備えている。このエンジンシステムでは、所定の運転状態で、空燃比が１４．７より高く設定されるリーンバーン運転が行なわれる。エンジン本体１は、複数の気筒２（１本のみを図示する）と、この気筒２内に往復動可能に配置されたピストン３とを備え、気筒２とピストン３とによって燃焼室４が形成されている。燃焼室４の上部には、点火回路５に接続された点火プラグ６が燃焼室４に臨むように取付けられ、さらに、燃焼室４に燃料を直接噴射するインジェクタ７が取り付けられている。
【００１８】
このインジェクタ７には、高圧燃料ポンプ、プレッシャレギュレータ等を有する燃料供給回路が接続されている。この燃料供給回路によって燃料タンクからの燃料が適正な圧力に調整されてインジェクタ７に供給される。また、燃料供給回路には、燃料圧力を検出する燃圧センサ８が取付けられている。
【００１９】
燃焼室４は、吸気弁９が設けられた吸気ポートを介して吸気通路１０に連通している。この吸気通路１０には、その上流側から順に、吸気を濾過するエアクリーナ１１と、吸入空気量を検出するエアフローメータ１２と、吸気通路１０を絞る電気式スロットル弁１３と、サージタンク１４とが設けられている。電気式スロットル弁１３は、モータ１５により開閉駆動されるように構成されている。さらに、電気式スロットル弁１３の近傍には、その開度を検出するスロットル開度センサ１６が配置され、また、サージタンク１４には、吸気圧を検出する吸気圧センサ１７が取付けられている。
【００２０】
吸気通路１０は、サージタンク１４より下流の部分が、気筒毎に分岐した独立通路とされている。各独立通路の下流端部は、２つに分割され、それぞれが同一気筒の吸気ポートに連結され、その一方にスワール弁１８が設けられている。このスワール弁１８は、アクチュエータ１９によって駆動される。スワール弁１８が閉じると、吸気は他方の分岐通路のみから燃焼室４に供給され、燃焼室４内に強い吸気スワールが生成される。また、スワール弁１８の近傍には、スワール弁１８の開度を検出するスワール弁開度センサ２０が設けられている。
【００２１】
燃焼室４には、排気弁２１が設けられた排気ポートを介して排気通路２２が接続され、各気筒からの排気通路２２は下流側で合流している。合流した排気通路２２には、上流側から順に、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（Ｏ2センサ）２４と、ＮＯｘを吸着するＮＯｘ吸着触媒２５、ＮＯｘセンサ２６とが設けられている。ＮＯｘ吸着触媒２５は、リーンバーン運転などの排気ガス中の酸素濃度が高い状態でＮＯｘを吸着し、酸素濃度が低い状態になると吸着していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着材と、ＮＯｘ吸着材から放出されたＮＯｘを還元浄化させる触媒金属（貴金属）とを備えたＮＯｘ吸収還元タイプのＮＯｘトラップ触媒である。
【００２２】
ＮＯｘ吸着触媒２５は、コージェライト製のハニカム構造の担体を備え、この担体に形成された各貫通孔の壁面には、内側触媒層がコーティングされ、内側触媒層上に外側触媒層がコーティングされている。
【００２３】
ＮＯｘ吸収触媒機能を備える内側触媒層では、白金等の貴金属とＢａ等のＮＯｘ吸収材とが、多孔質材料であるアルミナ、セリア等のサポート材に担持されている。また、ＮＯｘ還元機能を備える外側触媒層には、白金、ロジウム等の触媒金属と、場合によっては、Ｂａ等のＮＯｘ吸収材とが、多孔質材料であるゼオライト等のサポート材に担持されている。
【００２４】
このＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量には限界がある。本実施形態は、ＮＯｘセンサ２６による排気ガス中のＮＯｘ検出値が所定のしきい値を越えると、ＮＯｘ吸着触媒のＮＯｘ吸着が飽和に達したと判定し、排気ガス中の酸素濃度を高めてＮＯｘ吸着材からＮＯｘを放出させる処理（リッチスパイク処理）を行うように構成されている。
【００２５】
図２は、ＮＯｘセンサ２６の構造を示す概略的な断面図である。図２に示されているように、ＮＯｘセンサ２６は、第１カバー２６ａおよび第２カバー２６ｂに覆われた検出子２６ｃを備えている。検出子２６ｃは、排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じた出力を生じさせる。第１カバー２６ａと第２カバー２６ｂは、検出子を熱衝撃、排気ガス中の不純物から保護する機能を有し、ＳＵＳなどのステンレス鋼で構成されている。また、第１カバー２６ａと第２カバー２６ｂとのそれぞれには、相互にオフセットした開口部２６ｄ、２６ｅが形成され、矢印Ａで示されるように、検出子２６ｃに排気ガスが導入されるように構成されている。
【００２６】
排気通路２２には、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ通路２７の上流端が、酸素濃度センサ２４の上流側位置に接続されている。ＥＧＲ通路２７の下流端は、スロットル弁１３とサージタンク１４との間で吸気通路１０に接続されている。また、ＥＧＲ通路２７には、開度が電気的に調整可能であるＥＧＲ弁２８と、ＥＧＲ弁２８のリフト量を検出するリフトセンサ２９とが設けられ、これらにより排気還流手段が構成されている。
【００２７】
更に、排気通路２２には、吸気の一部を、吸気通路１０からＮＯｘ吸着触媒２５の上流側位置に送り込む２次エア供給通路３０が接続されている。この２次エア供給通路３０には、制御可能な流量調整弁３１が設けられている。
【００２８】
エンジンシステム１００は、さらに、システム全体の制御を行うＥＣＵ（電子制御ユニット）３２を備えている。このＥＣＵ３４には、エアフローセンサ１２、スロットル開度センサ１６、吸気圧センサ１７、スワール制御弁開度センサ２０、酸素濃度センサ２４、ＥＧＲ弁２８のリフトセンサ２９からの信号が入力される。ＥＣＵ３２には、さらに、エンジン本体１の冷却水温度を検出する水温センサ３３、吸気温度を検出する吸気温度センサ３４、大気圧を検出する大気圧センサ３５、エンジン回転数を検出する回転数センサ３６、および、アクセルペダルの開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ３７からの信号等も入力される。
【００２９】
ＥＣＵ３２は、エンジンの運転状態に応じてインジェクタ７から噴射される燃料の噴射状態を制御する燃料噴射制御、点火プラグ６による混合気の点火時期を制御する点火時期制御、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量が所定量に達すると排気ガス中の酸素濃度を制御して、ＮＯｘ吸着触媒２５からＮＯｘを放出させるリッチスパイク制御、このリッチスパイク時のＮＯｘ放出状態からＮＯｘ吸着触媒２５の劣化度合いを診断する劣化診断制御等を行う。
【００３０】
燃料噴射制御では、エンジンの運転状態に応じて燃料噴射を制御するように構成されている。本実施形態では、低負荷低回転から中回転中負荷の運転領域では、インジェクタ７から圧縮行程の所定時期に燃料を一括噴射して点火プラグ６の近傍に混合気を偏在させた状態で燃焼させ、燃焼室４内における混合気の空燃比を３０程度のリーン状態とする成層燃焼モード用の燃焼制御が実行される。また、この成層燃焼モードの領域より高負荷側の領域では、吸気行程と圧縮行程との２回の燃料噴射でλ＝１付近の空燃比とした燃焼モード用の燃焼制御が実行される。さらに、高負荷高回転の運転領域では、インジェクタ７から吸気行程で燃料を一括噴射させ燃焼室４内の空燃比をリッチ状態とした均一燃焼モード用の燃焼制御が行われる。
【００３１】
リーン状態の燃焼で多く発生するＮＯｘは、下流側に設けられたＮＯｘ吸着触媒２５によって吸着される。本実施形態では、ＮＯｘセンサ２６の出力信号に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量を推定し、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着が飽和したと判断されると、空燃比制御等を実行することによって排気ガス中の酸素濃度を例えば０．３％以下に減少させ、ＮＯｘ吸着触媒２５からＮＯｘを放出させる制御（リッチスパイク制御）を行う。さらに、このときのＮＯｘセンサ２６からの出力信号に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化判定を併せて行う。本実施形態では、ＮＯｘ吸着触媒２５が劣化していたと診断されたとき、これを乗員に知らせる警告灯等を含む表示手段４１が設けられている。
【００３２】
次に、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化診断制御の前提となるリッチスパイク処理の際、ＥＣＵ３２が行うエンジン制御の処理を、図３のフローチャートに沿って説明する。この制御は、上述した燃焼状態のうち、リーンバーンによる燃焼において行われる。
【００３３】
まず、ステップＳ１において、エアフローセンサ１２、酸素濃度センサ２４、ＮＯｘセンサ２６、水温センサ３３、吸気温センサ３４、大気圧センサ３５、回転数センサ３６およびアクセル開度センサ３７等の出力信号が入力される。
【００３４】
次いで、ステップＳ２で、ＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘが、所定のしきい値ＮＯｅｘｏより大きいか否かが判定される。このしきい値ＮＯｅｘｏは、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量が飽和しているか否かを判定するための値である。ステップＳ２でＹＥＳのときには、ＮＯｘセンサ２６が飽和量までＮＯｘを吸着しており、ＮＯｘを放出させる処理を行う必要があることを示しているので、ＮＯｘを放出させるリッチスパイク処理を開始する。
【００３５】
まず、ステップＳ３に進みタイマの値Ｔに１を加えた後、ステップＳ４で進み、スロットルバルブ開度Ｔｖをリッチスパイク制御用のスロットルバルブ開度Ｔｖλに設定する。リッチスパイク制御では、リッチ状態での燃焼とし、排気ガス中の酸素濃度を低下させる制御であるので、リッチスパイク制御用のスロットルバルブ開度Ｔｖλは、リーンバーンによる燃焼時より小さい値となる。
【００３６】
次いで、ステップＳ５で、リッチスパイク制御用のスロットルバルブ開度Ｔｖλとなるようにスロットル弁を駆動させる。ステップＳ６で、タイマの値ＴがＴ１を未満であるか否かが判定される。タイマの値ＴがＴ１を未満であるときには、ステップＳ７に進み、リッチスパイク用の燃料噴射量、燃料噴射時期、点火タイミングが設定される。本実施形態では、リッチスパイク制御時には、燃料を吸気行程と圧縮行程の２回に分けて噴射する分割噴射が行われる。従って、燃料噴射量として、吸気行程での噴射量Ｑλｓ１と、圧縮行程での噴射量Ｑλｓ２が設定される。また、燃料噴射時期として、吸気行程での噴射時期Ｉλｓ１と、圧縮行程での噴射時期Ｉλｓ２が設定される。さらに、点火時期として、θλｓが設定される。
【００３７】
このとき、本実施形態では、排気ガス中の酸素濃度が０．３％以下になるような１４．５以下の空燃比に対応する総噴射量すなわち噴射量Ｑλｓ１とＱλｓ２との和が設定される。また、排気ガス中の酸素濃度が０．１％以下になるような１４．３以下の空燃比に対応する燃料噴射量が設定されるのが好ましく、排気ガス中の酸素濃度が略０．１％以下になるような１４．３以下の空燃比に対応する燃料噴射量が設定されるのがより好ましい。尚、Ｑλｓ１とＱλｓ２とは等しい値に設定されるのが好ましい。
【００３８】
次いで、ステップＳ８に進み、ステップＳ７で設定された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期に基づいて、燃料噴射、点火が実行される。この結果、リーンバーンであった燃焼がリッチ側の燃焼に移行し、排気ガス中の酸素濃度が大きく低下する。この結果、ＮＯｘ吸着触媒２５からＮＯｘが放出される。後述するように、本実施形態では、このＮＯｘ放出状態に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化診断が行われる。
【００３９】
ＳＵＳ等のステンレス鋼で作られたカバーを備えた本実施形態のＮＯｘセンサ２６では、図４に示されているように、排気ガス中のＮＯｘ濃度が同一であっても、酸素濃度によって出力値が変動する。ＮＯｘセンサの出力値は、酸素濃度が０％（空燃比１４．０程度の場合の排気ガスに相当）ないし０．６％（空燃比１４．８程度の場合の排気ガスに相当）の間で低下しており、酸素濃度０．４％（空燃比１４．６程度の排気ガスに相当）近傍で最も低くなる。
【００４０】
上述したように、本実施形態では、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化診断が行われるリッチスパイク制御時には、排気ガス中の酸素濃度が０．３％以下、好ましくは０．１％以下、より好ましくは０％になるように燃料の総噴射量が設定される。この結果、ＮＯｘセンサ２６の出力値がＮＯｘセンサの金属製カバーの影響を受けない範囲まで、排気ガス中の酸素濃度が低下するので、ＮＯｘセンサ２６の出力値に基づいたＮＯｘ吸着触媒２５の劣化診断が正確に行われることになる。
【００４１】
ステップＳ６でＹＥＳ、即ち、ステップＳ７、ステップＳ８の処理が所定期間Ｔ１中、継続されていたときには、ステップＳ９に進み、タイマの値Ｔが、第１の所定期間Ｔ１より長い第２の所定期間Ｔ２未満であるであるか否かが判定される。ステップＳ９でＹＥＳ即ち所定期間Ｔ１は経過したが所定期間Ｔ２は経過していないときには、ステップＳ１０に進み、空燃比１４．７（λ＝１）用の燃料噴射量、燃料噴射時期、点火タイミングが設定される。本実施形態では、リッチスパイク制御中のλ＝１の燃焼においても、燃料を吸気行程と圧縮行程の２回に分けて噴射する分割噴射が行われる。従って、燃料噴射量として、吸気行程での噴射量Ｑλ１と、圧縮行程での噴射量Ｑλ２が設定される。また、燃料噴射時期としては、吸気行程での噴射時期Ｉλ１と、圧縮行程での噴射時期Ｉλ２が設定される。さらに、点火時期として、θλが設定される。本実施形態では、この制御時には、空燃比が１４．６ないし１４．８になるように、好ましくは１４．７になるように、１サイクル当たりの総噴射量すなわち噴射量Ｑλ１とＱλ２との和が設定される。また、Ｑλ１とＱλ２とは等しい値に設定されるのが好ましい。この空燃比１４．６であれば排気ガス中の酸素濃度は０．４％程度、空燃比１４．７であれば排気ガス中の酸素濃度は０．５％程度、空燃比１４．８であれば排気ガス中の酸素濃度は０．６％程度になる。また、排気ガス中の酸素濃度が、０．１ないし０．６％となるように、空燃比を設定してもよい。
【００４２】
次いで、ステップＳ８に進み、ステップＳ１０で設定された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期に基づいて、燃料噴射、点火が実行される。この結果、空燃比１４．７（λ＝１）近傍での燃焼が行われ、排気ガス中の酸素濃度は、リーン運転時より低い状態となる。ＮＯｘ吸着触媒２５からは、ＮＯｘが放出され続けることになる。ステップＳ２でＮＯのときには、ステップＳ１１に進み、タイマがカウント中であるか否かを判定し、ＹＥＳのときには、ステップＳ３に進む。ステップＳ１１でＮＯのときには、ステップＳ１２に進み、スロットルバルブ開度Ｔｖをリーンバーン用のスロットルバルブ開度Ｔｖに設定し、ステップＳ１３で設定されたスロットルバルブ開度Ｔｖに基づいてスロットルバルブを駆動させる。
【００４３】
次いで、ステップＳ１４に進み、リーンバーン用の燃料噴射量Ｑ、燃料噴射時期Ｉ、点火タイミングθが設定される。尚、本実施形態では、リーンバーン制御時には、圧縮行程での一括噴射で成層リーン燃焼が行われる。次いで、ステップＳ８に進み、ステップＳ１４で設定された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期に基づいて、燃料噴射、点火が実行される。
【００４４】
以上のように、リーンバーンの運転中に、ＮＯｘセンサ２６の出力値がＮＯｘｅｘｏを越えたことによって、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量が飽和量に達したと判定されると（図５（ａ））、第１の所定期間Ｔ１の間は、空燃比を１４．５よりリッチ側の値（好ましくは、１４．３近傍）に設定し、第１の所定期間Ｔ１終了後且つ第２の所定期間Ｔ２前までは、空燃比を１４．７近傍の値に設定する制御が行われる（図５（ｂ））。本実施形態では、この第１の所定期間Ｔ１のＮＯｘ放出状態に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化状態を診断する。
【００４５】
次に、ＥＣＵ３２が行うＮＯｘ吸着触媒２５の劣化診断の内容を、図６のフローチャートに沿って説明する。
【００４６】
まず、ステップＳ２１で、ＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘが、所定のしきい値ＮＯｘｅｘｏより大きいか否かが判定される。ステップＳ２１でＹＥＳのときには、上述したようなＮＯｘを放出させるリッチスパイク制御が開始される。次いで、ステップＳ２２に進み、上記ステップＳ３で設定されたタイマの値Ｔが、所定期間Ｔ１未満であるか否かが判定される。
【００４７】
ステップＳ２２でＹＥＳ、即ち、ＴがＴ１未満であるときには、ステップＳ２３に進み、ＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘを記憶してリターンする。ステップＳ２２でＮＯ、即ち、タイマの値ＴがＴ１以上であるときには、ステップＳ２４に進み、記憶されているＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘ（１、．．．、ｎ）の最大値ＮＯｘｍａｘを抽出する。さらに、ステップＳ２５で、ＮＯｘｅｘ（１、．．．、ｎ）の積算値ＮＯｘαを算出する。
【００４８】
次いで、ステップＳ２６に進み、ＮＯｘ吸着触媒２５のＢａ等のＮＯｘ吸着材の劣化判定用しきい値であるとＮＯｘｍａｘ０、ＮＯｘ吸着触媒２５の内側触媒層の貴金属の劣化判定用しきい値であるＮＯｘβとを設定する。ＮＯｘ吸着触媒２５からのＮＯｘの放出状態は排気ガスの流量等の影響を受けるので、これらのしきい値は、運転状態に応じて設定される。本実施形態では、吸着空気量Ｃｅまたはエンジン回転数Ｎｅが大きいほど、ＮＯｘβとＮＯｘｍａｘ０とが大きくなる図７のマップに従って、ＮＯｘβとＮＯｘｍａｘ０が設定される。
【００４９】
次いで、ステップＳ２７で、ステップＳ２５で算出されたＮＯｘαが、ＮＯｘ吸着触媒２５に含まれる貴金属の劣化診断用のしきい値ＮＯｘβより大きいか否かを判定する。ステップＳ２７でＹＥＳのときには、ＮＯｘ吸着触媒の含まれている貴金属が劣化していると診断され、ステップＳ２８に進み、警告灯などの表示手段４１による警告が行われ処理を終了する。
【００５０】
また、ステップＳ２７でＮＯのときにはステップＳ２９に進み、ステップＳ２４で抽出されたＮＯｘ放出量の最大値ＮＯｘｍａｘが、Ｂａ等のＮＯｘ吸着材の劣化診断用のしきい値ＮＯｘｍａｘ０より大きいか否かを判定する。ステップＳ２９でＹＥＳのときには、Ｂａ等のＮＯｘ吸着材が劣化していると診断され、ステップＳ２８に進み、警告灯などの表示手段４１による警告が行われ処理を終了する。
【００５１】
また、ステップＳ２９でＮＯのときには、ＮＯｘ吸着触媒２５は劣化していないと診断され、ＮＯｘｍａｘ、ＮＯｘα、ＮＯｘｅｘ（１，…、ｎ）等の記憶されていた値がクリアし、リターンされる。
【００５２】
又、ステップＳ２１でＮＯのときには、ステップＳ３１に進み、タイマがカウント中であるか否かを判定し、ＹＥＳのときにはステップＳ２２に進み、ＮＯのときにはリターンする。
【００５３】
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された技術事項の範囲内で種々の変更又は変形が可能である。
また、上記劣化診断の結果に基づいて、リッチスパイク制御の期間、例えば、Ｔ２の終了時期を変更する制御を行うように構成しても良い。
【００５４】
上記実施形態では、リッチスパイク制御の際に、空燃比を変更して排気ガス中の酸素濃度を低下させる構成であったが、他の手法、例えば、膨張行程における後噴射によって、排気ガス中の酸素濃度を低下させる構成でも良い。
【００５５】
上記実施形態では、リッチスパイク時の初期の所定期間Ｔ１におけるＮＯｘｅｘに基づいてＮＯｘ吸着触媒の劣化診断を行ったが、Ｔ１経過後のλ＝１燃焼時、所定期間Ｔ２全体、または、その後のリーン運転期間におけるＮＯｘｅｘに基づいてＮＯｘ吸着触媒の劣化診断を行う構成でもよい。
【００５６】
また、ＮＯｘ吸着触媒の種類によっては、リッチスパイク時に上記実施形態のように空燃比１４．３以下に制御しても、制御開始後、ＮＯｘ吸着触媒の下流側の酸素濃度が所望の領域まで直ちに低下せず、排気ガス中の酸素濃度が０．３から０．５％程度である期間が生じる場合がある。このため、リッチスパイク制御が開始され、且つ、排気ガス中の酸素濃度が、例えば０．３から０．５％の領域より低くなったときをＴ１の起算時とし、且つ、この時点でタイマのカウントを開始してもよい。
【００５７】
更に、上記実施形態では、ＮＯｘ吸着触媒のＮＯｘ吸着触媒と貴金属の両者の劣化を診断する装置であったが、何れか一方を診断する装置でもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように、本件発明によれば、ＮＯｘ吸着触媒の劣化診断を正確に行うことができる排気浄化装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好ましい実施形態の排気浄化装置を備えたエンジンシステムの概略構成図である。
【図２】 本発明の実施形態のＮＯｘセンサの構成を示す断面図である。
【図３】 リッチスパイク制御の際にＥＣＵで行われるエンジン制御の処理内容を示すフローチャートである。
【図４】 同一のＮＯｘ濃度における、酸素濃度とＮＯｘセンサの出力値との関係を示すグラフである。
【図５】 排気ガス中の酸素濃度と、ＮＯｘ吸着触媒からのＮＯｘ放出量の関係を示すタイムチャートである。
【図６】 ＮＯｘ吸着触媒の劣化診断制御の際にＥＣＵで行われる処理の内容を示すフローチャートである。
【図７】 劣化判定用のしきい値設定用のマップの一例である。
【符号の説明】
１：エンジン本体
２４：酸素濃度センサ
２５：ＮＯｘ吸着触媒
２６：ＮＯｘセンサ
３２：ＥＣＵ
Claims (5)
- 排気通路に配置され、排気ガス中の酸素濃度に応じてＮＯｘを吸着または放出するＮＯｘ吸着触媒と、
該ＮＯｘ吸着触媒の下流側に配置され金属のカバーを有するＮＯｘセンサと、 前記ＮＯｘ吸着触媒のＮＯｘ吸着量が所定量に達したとき、前記酸素濃度を制御して前記ＮＯｘ吸着触媒からＮＯｘを放出させる酸素濃度制御手段と、
前記ＮＯｘ放出時に前記ＮＯｘセンサからの出力に基いて前記ＮＯｘ吸着触媒からのＮＯｘ放出状態を検出し、これに基づいて前記ＮＯｘ吸着触媒の劣化診断を行う診断手段と、を備え、
前記酸素濃度制御手段は、前記劣化診断中は前記酸素濃度を０％に制御し、さらに、前記劣化診断終了後の所定期間、前記酸素濃度を０．１ないし０．６％の範囲に制御する、
ことを特徴とする排気浄化装置。 - 前記ＮＯｘ吸着触媒は、酸素濃度が高い状態でＮＯｘを吸着し酸素濃度が低い状態で吸着していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着材と、該ＮＯｘ吸着材から放出されたＮＯｘを浄化させる触媒金属とを備え、
前記診断手段は、前記ＮＯｘ吸着材および触媒金属の少なくとも一方の劣化を診断する、
請求項１に記載の排気浄化装置。 - 前記酸素濃度制御手段は、前記診断手段による診断結果に基づいて、前記酸素濃度制御の内容を変更する、
請求項１または２に記載の排気浄化装置。 - エンジンの排気通路に配置され、排気ガス中の酸素濃度に応じてＮＯｘを吸着または放出するＮＯｘ吸着触媒と、
該ＮＯｘ吸着触媒の下流側に配置され金属のカバーを有するＮＯｘセンサと、 前記ＮＯｘ吸着触媒のＮＯｘ吸着量が所定量に達したとき、前記酸素濃度を制御して前記ＮＯｘ吸着触媒からＮＯｘを放出させる酸素濃度制御手段と、
前記ＮＯｘ放出時に前記ＮＯｘセンサからの出力に基いて前記ＮＯｘ吸着触媒からのＮＯｘ放出状態を検出し、これに基づいて前記ＮＯｘ吸着触媒の劣化診断を行う診断手段と、を備え、
前記酸素濃度制御手段は、前記診断手段による劣化診断中は、前記金属がＮＯｘに対する触媒作用を生じさせない第１の値に前記酸素濃度を制御し、その後一定時間、前記酸素濃度を前記第１の値より高い第２の値に制御する、
ことを特徴とする排気浄化装置。 - 前記第２の値は、０．１ないし０．６％の範囲である、
請求項４に記載の排気浄化装置。
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