JP3899945B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気を浄化する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動車等に搭載される内燃機関では、排気エミッションの向上が要求されてきている。特に、軽油を燃料とする圧縮着火式の内燃機関(ディーゼル機関)では、排気中に含まれる煤やSOF(Soluble Organic Fraction)などの微粒子(PM:Particulate Matter)と窒素酸化物(NOx)の浄化に対する要求が高まっている。
【0003】
このような要求に対し、排気中の窒素酸化物(NOx)を浄化するNOx触媒、排気中のPMを捕集するパティキュレートフィルタ、或いはNOx触媒とパティキュレートフィルタを組み合わせたもの等を内燃機関の排気系に配置し、内燃機関の排気エミッションを向上させようとする技術が種々提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内燃機関の排気エミッションを向上させる上では、NOx触媒の劣化を検出することも重要となる。
【0005】
本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、NOx触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置において、NOx触媒の劣化を検出することができる技術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】
本発明は、上記した課題を解決するために以下のような手段を採用した。
すなわち、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ、酸素貯蔵能力を有するNOx触媒と、
前記NOx触媒より下流の排気通路に設けられ、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、
前記NOx触媒へ流入する排気が一定時間以上連続してリッチとされた後にリーンへ切り換えられた時点から前記酸素濃度センサの検出値が理論空燃比に対応した値を示す時点までの時間を計測する計測手段と、
前記計測手段により計測された時間が所定時間未満であるときに、前記NOx触媒が劣化していると判定する劣化判定手段と、
を備えるようにした。
【0007】
この発明は、内燃機関の排気通路に配置されたNOx触媒と、そのNOx触媒より下流の排気通路に配置された酸素濃度センサとを備えた内燃機関の排気浄化装置において、酸素濃度センサとNOx触媒の酸素貯蔵能力とを利用してNOx触媒の劣化を検出することを最大の特徴としている。
【0008】
尚、ここでいう理論空燃比に対応した酸素濃度とは、理論空燃比で運転される内燃機関から排出される排気の酸素濃度に相当するものである。NOx触媒に流入する排気をリッチにするとは、内燃機関をリッチ空燃比で運転又はNOx触媒より上流の排気通路において排気中に燃料や還元剤等を添加することにより、排気の酸素濃度を理論空燃比対応の酸素濃度より低くすることである。NOx触媒に流入する排気をリーンにするとは、内燃機関をリーン空燃比で運転又はNOx触媒より上流の排気通路において排気中に二次空気等を添加することにより、排気の酸素濃度を理論空燃比対応の酸素濃度より高くすることである。
【0009】
かかる内燃機関の排気浄化装置では、NOx触媒に流入する排気が一定時間以上連続してリッチとされた後にリーンへ切り換えられると、計測手段が計時を開始する。その後、酸素濃度センサの検出値が理論空燃比に対応した値を示した時点で計測手段が計時を終了する。
【0010】
つまり、計測手段は、NOx触媒に流入する排気が一定時間以上連続してリッチとされた後にリーンへ切り換えられた時点から酸素濃度センサの検出値が理論空燃比に対応した値を示す時点までの時間(以下、ストイキ到達時間と称する)を計測することになる。
【0011】
ここで、NOx触媒に流入する排気が一定時間以上連続してリッチにされると、NOx触媒の酸素貯蔵能力によって該NOx触媒に吸蔵されていた酸素の全てが放出されることとなる。
【0012】
NOx触媒に吸蔵されていた全ての酸素が放出された後にNOx触媒に流入する排気がリッチからリーンへ切り換えられると、NOx触媒が排気中の酸素を吸蔵することになるため、NOx触媒より下流における排気の酸素濃度は、理論空燃比より低い空燃比(リッチ空燃比)に対応した酸素濃度となる。この状態は、NOx触媒の酸素貯蔵能力が飽和するまで継続される。
【0013】
NOx触媒の酸素貯蔵能力が飽和した後は、NOx触媒下流における排気の酸素濃度は、理論空燃比に対応した酸素濃度となり、次いで理論空燃比より高い空燃比(リーン空燃比)に対応した酸素濃度となる。
【0014】
ところで、NOx触媒の浄化能力と酸素貯蔵能力との間には相関があるため、NOx触媒の浄化能力が劣化するとそれに応じて酸素貯蔵能力が低下する。NOx触媒の酸素貯蔵能力が低下した場合には、該NOx触媒が吸蔵可能な酸素量が減少し、上記したストイキ到達時間が正常時に比して短くなる。
【0015】
この結果、上記したストイキ到達時間が所定時間より短くなった場合には、NOx触媒の浄化能力が劣化していると言える。尚、上記した所定時間は、NOx触媒の浄化能力が許容限界にあるときのストイキ到達時間に基づいて定められることが好適である。
【0016】
従って、本発明において、劣化判定手段は、計測手段により計測されたストイキ到達時間が所定時間以上である場合にはNOx触媒が正常であると判定する一方、ストイキ到達時間が所定時間未満である場合にはNOx触媒が劣化していると判定することができる。
【0017】
また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、NOx触媒に流入する排気が一定時間以上連続してリッチとされる場合としては、NOx触媒の硫黄被毒回復処理が実行される場合を例示することができる。この場合には、計測手段は、NOx触媒の硫黄被毒回復処理が実行された後のNOx触媒へ流入する排気がリッチからリーンへ切り換えられた時点から酸素濃度センサの検出値が理論空燃比に対応した値を示す時点までの時間を計測するようにすればよい。
【0018】
また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置におけるNOx触媒としては、流入排気の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物を吸蔵し、流入排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していた窒素酸化物を放出しつつ還元する吸蔵還元型NOx触媒を例示することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【0020】
図1は、本発明に係る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【0021】
図1に示す内燃機関1は、4つの気筒2を有する圧縮着火式のディーゼル機関である。この内燃機関1には、各気筒2の燃焼室内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁3と、該内燃機関1の機関出力軸たるクランクシャフトが所定の角度(例えば、15°)回転する度にパルス信号を出力するクランクポジションセンサ4と、該内燃機関1の図示しないウォータージャケットを流れる冷却水の温度に対応した電気信号を出力する水温センサ5とが取り付けられている。
【0022】
前記した燃料噴射弁3は、燃料パイプ6を介して蓄圧室(コモンレール)7と接続されている。前記コモンレール7は、燃料タンク8に取り付けられた燃料ポンプ9と燃料パイプ10を介して接続されるとともに、リターンパイプ11を介して燃料タンク8と接続されている。
【0023】
前記コモンレール7におけるリターンパイプ11の接続部位には、該コモンレール7内の燃料圧力が予め設定された最大圧力より低いときは閉弁してコモンレール7とリターンパイプ11との導通を遮断し、コモンレール7内の燃料圧力が前記最大圧力以上となったときは開弁してコモンレール7とリターンパイプ11との導通を許容する圧力調整弁12が設けられている。
【0024】
前記コモンレール7には、該コモンレール7内の燃料圧力に応じた電気信号を出力する燃料圧センサ13が取り付けられている。
【0025】
このように構成された燃料系では、燃料ポンプ9が燃料タンク8内に貯蔵された燃料を汲み上げ、汲み上げた燃料を燃料パイプ10を介して前記コモンレール7へ圧送する。その際、燃料ポンプ9の燃料吐出量は、前記した燃料圧センサ13の出力信号値に基づいてフィードバック制御される。
【0026】
燃料ポンプ9からコモンレール7へ供給された燃料は、該燃料の圧力が所望の目標圧力に達するまで蓄圧される。コモンレール7において目標圧力まで蓄圧された燃料は、燃料パイプ6を介して各気筒2の燃料噴射弁3へ分配される。各燃料噴射弁3は、駆動電流が印加されたときに開弁して、前記コモンレール7から供給された目標圧力の燃料を各気筒2の燃焼室内へ噴射する。
【0027】
尚、前記した燃料系では、コモンレール7内の燃料圧力が最大圧力より高くなると、圧力調整弁12が開弁する。この場合、コモンレール7内に蓄えられた燃料の一部がリターンパイプ11を介して燃料タンク8へ戻され、コモンレール7内の燃料圧力が減圧されることになる。
【0028】
次に、内燃機関1には、複数の枝管が一本の集合管に合流するよう形成された吸気枝管14が連結されている。前記吸気枝管14の各枝管は、図示しない吸気ポートを介して各気筒2の燃焼室と連通している。前記吸気枝管14の集合管は、吸気管15と接続され、吸気管15は、エアクリーナボックス16と接続されている。
【0029】
前記吸気管15において前記エアクリーナボックス16の直下流の部位には、該吸気管15内を流れる吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ17と、該吸気管15内を流れる吸気の温度に対応した電気信号を出力する吸気温度センサ18とが取り付けられている。
【0030】
前記吸気管15において前記エアフローメータ17より下流の部位には、内燃機関1から排出される排気の熱エネルギを駆動源として作動する遠心過給機(ターボチャージャ)19のコンプレッサハウジング19aが設けられている。
【0031】
前記吸気管15において前記コンプレッサハウジング19aより下流の部位には、前記コンプレッサハウジング19a内で圧縮されて高温となった新気を冷却するためのインタークーラ20が設けられている。
【0032】
前記吸気管15において前記インタークーラ20より下流の部位には、該吸気管15内を流れる吸気の流量を調節する吸気絞り弁21が設けられている。この吸気絞り弁21には、該吸気絞り弁21を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ21aと、前記吸気絞り弁21の開度に応じた電気信号を出力する吸気絞り弁開度センサ21bとが取り付けられている。
【0033】
このように構成された吸気系では、エアクリーナボックス16に流入した新気は、該エアクリーナボックス16内の図示しないフィルタによって新気中の塵や埃等が除去された後、吸気管15を介して遠心過給機19のコンプレッサハウジング19aに流入する。
【0034】
コンプレッサハウジング19aに流入した新気は、該コンプレッサハウジング19aに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング19a内で圧縮されて高温となった新気は、インタークーラ20にて冷却される。
【0035】
インタークーラ20によって冷却された新気は、必要に応じて吸気絞り弁21によって流量を調節されて吸気枝管14に導かれる。吸気枝管14に導かれた新気は、該吸気枝管14の集合管から各枝管へ分配されて各気筒2の燃焼室へ導かれる。
【0036】
各気筒2の燃焼室へ分配された新気は、図示しないピストンによって圧縮され、燃料噴射弁3から噴射された燃料を着火源として燃焼する。
【0037】
次に、内燃機関1には、複数の枝管が一本の集合管に合流するよう形成された排気枝管24が連結されている。前記排気枝管24の各枝管は、図示しない排気ポートを介して各気筒2の燃焼室と連通している。前記排気枝管24の集合管は、遠心過給機19のタービンハウジング19bを介して排気管25aに接続されている。
【0038】
前記排気枝管24において前記タービンハウジング19bの直上流に位置する部位と前記排気管25aにおいて前記タービンハウジング19bの直下流に位置する部位とは、前記タービンハウジング19bを迂回するタービンバイパス通路26によって接続されている。
【0039】
前記タービンバイパス通路26には、該タービンバイパス通路26を開閉する弁体27aと、弁体27aを開閉駆動するアクチュエータ27bとからなるウェストゲートバルブ27が取り付けられている。
【0040】
前記アクチュエータ27bは、コンプレッサハウジング19aの直下流に位置する吸気管15と作動圧通路28を介して接続されており、コンプレッサハウジング19a直下流の吸気管15内を流れる新気の圧力、言い換えれば、コンプレッサハウジング19aにおいて圧縮された新気の圧力(過給圧)を利用して前記弁体27aを開閉駆動する。
【0041】
前記排気管25aは、排気中の有害ガス成分、特に窒素酸化物(NOx)を浄化する排気浄化機構29に接続されている。前記排気浄化機構29は排気管25bに接続され、排気管25bは下流にて図示しないマフラーに接続されている。以下では、排気浄化機構29より上流の排気管25aを上流側排気管25aと称し、排気浄化機構29より下流の排気管25bを下流側排気管25bと称するものとする。
【0042】
前記排気浄化機構29は、本発明に係るNOx触媒の一実施態様であり、該排気浄化機構29に流入する排気の酸素濃度が高い時は排気中の窒素酸化物(NOx)を吸蔵し、該排気浄化機構29に流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤(例えば、炭化水素(HC))が存在する時は吸蔵していた窒素酸化物(NOx)を放出しつつ窒素(N2)等に還元する吸蔵還元型NOx触媒である。この排気浄化機構29は、該排気浄化機構29に流入する排気の酸素濃度が高い時は排気中の酸素を吸蔵し、該排気浄化機構29に流入する排気の酸素濃度が低下した時は吸蔵していた酸素を放出する酸素貯蔵能力を有している。以下では、排気浄化機構29を吸蔵還元型NOx触媒29と称するものとする。
【0043】
前記下流側排気管25bには、該下流側排気管25bを流れる排気中の酸素濃度に対応した電気信号を出力する酸素濃度センサ38が取り付けられている。更に、前記下流側排気管25bには、該下流側排気管25b内を流れる排気の流量を調節する排気絞り弁33が取り付けられている。この排気絞り弁33には、該排気絞り弁33を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ34が取り付けられている。
【0044】
このように構成された排気系では、内燃機関1の各気筒2の燃焼室で燃焼された既燃ガスは、各気筒2の排気ポートを介して排気枝管24へ排出され、次いで排気枝管24の各枝管から集合管を通って遠心過給機19のタービンハウジング19b内に流入する。
【0045】
遠心過給機19のタービンハウジング19b内に排気が流入すると、排気の熱エネルギが前記タービンハウジング19b内に回転自在に支持されたタービンホイールの回転エネルギに変換される。タービンホイールの回転エネルギは、前述のコンプレッサハウジング19aのコンプレッサホイールへ伝達され、コンプレッサホイールは、前記タービンホイールから伝達された回転エネルギによって新気を圧縮する。
【0046】
その際、コンプレッサハウジング19a内で圧縮された新気の圧力(過給圧)が所定圧以上まで上昇すると、その過給圧が作動圧通路28を介してウェストゲートバルブ27のアクチュエータ27bへ印加され、アクチュエータ27bが弁体27aを開弁駆動することになる。
【0047】
ウェストゲートバルブ27の弁体27aが開弁されると、排気枝管24を流れる排気の一部がタービンバイパス通路26を介して上流側排気管25aへ流れるため、タービンハウジング19bに流入する排気の流量が減少し、タービンハウジング19b内に流入する排気の熱エネルギ、言い換えれば、タービンハウジング19bにおいてタービンホイールの回転エネルギに変換される熱エネルギが減少する。この結果、タービンホイールからコンプレッサホイールへ伝達される回転エネルギが減少し、過給圧の過剰な上昇が抑制される。
【0048】
前記タービンハウジング19bから上流側排気管25aへ排出された排気、及び、タービンバイパス通路26から上流側排気管25aへ導かれた排気は、上流側排気管25aから吸蔵還元型NOx触媒29へ流入する。その際、排気の酸素濃度が高ければ排気中の窒素酸化物(NOx)が吸蔵還元型NOx触媒29に吸蔵され、排気の酸素濃度が低く且つ還元剤が存在する時には吸蔵還元型NOx触媒29に吸蔵されていた窒素酸化物(NOx)が放出及び還元される。吸蔵還元型NOx触媒29において窒素酸化物(NOx)を除去又は浄化された排気は、該吸蔵還元型NOx触媒29から下流側排気管25bへ排出され、必要に応じて排気絞り弁33により流量を絞られた後に大気中に放出される。
【0049】
また、排気枝管24には、排気再循環通路(EGR通路)100が接続され、このEGR通路100は、前記吸気枝管14に接続されている。前記EGR通路100と前記吸気枝管14との接続部位には、前記吸気枝管14における前記EGR通路100の開口端を開閉するEGR弁101が設けられている。前記EGR弁101は、電磁弁などで構成され、印加電力の大きさに応じて開度を変更することが可能となっている。
【0050】
前記EGR通路100の途中には、該EGR通路100内を流れる排気(以下、EGRガスと称する)を冷却するためのEGRクーラ103が設けられている。
【0051】
前記EGRクーラ103には、2本の配管104、105が接続され、これら2本の配管104、105は、内燃機関1の冷却水が持つ熱を大気中に放熱するためのラジエター106と接続されている。
【0052】
前記した2本の配管104、105のうちの一方の配管104は、前記ラジエター106において冷却された冷却水の一部を前記EGRクーラ103へ導くための配管であり、もう一方の配管105は、前記EGRクーラ103内を循環した後の冷却水を前記ラジエター106へ導くための配管である。尚、以下では、前記配管104を冷却水導入管104と称し、前記配管105を冷却水導出管105と称するものとする。
【0053】
前記冷却水導出管105の途中には、該冷却水導出管105内の流路を開閉する開閉弁107が設けられている。この開閉弁107は、駆動電力が印加されたときに開弁する電磁駆動弁などで構成されている。
【0054】
このように構成された排気再循環機構(EGR機構)では、EGR弁101が開弁されるとEGR通路100が導通状態となり、排気枝管24内を流れる排気の一部が前記EGR通路100を通って吸気枝管14へ導かれる。
【0055】
その際、開閉弁107が開弁状態にあると、ラジエター106と冷却水導入管104とEGRクーラ103と冷却水導出管105とを結ぶ循環経路が導通状態となり、ラジエター106で冷却された冷却水がEGRクーラ103を循環することになる。その結果、EGRクーラ103では、EGR通路100内を流れるEGRガスとEGRクーラ103内を循環する冷却水との間で熱交換が行われ、EGRガスが冷却される。
【0056】
EGR通路100を介して排気枝管24から吸気枝管14へ還流されたEGRガスは、吸気枝管14の上流から流れてきた新気と混ざり合いつつ各気筒2の燃焼室へ導かれ、前記燃料噴射弁3から噴射される燃料を着火源として燃焼される。
【0057】
ここで、EGRガスには、水(H2O)や二酸化炭素(CO2)などの不活性ガス成分が含まれているため、EGRガスが混合気中に含有されると、混合気の燃焼温度が低められ、以て窒素酸化物(NOx)の発生量が抑制される。
【0058】
更に、EGRクーラ103においてEGRガスが冷却された場合は、EGRガス自体の温度が低下するとともにEGRガスの体積が縮小されるため、EGRガスが燃焼室内に供給されたときに該燃焼室内の雰囲気温度が不要に上昇することがなくなるとともに、燃焼室内に供給される新気の量(新気の体積)が不要に減少することがない。
【0059】
上述したように構成された内燃機関1には、該内燃機関1を制御するための電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)35が併設されている。このECU35は、内燃機関1の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関1の運転状態を制御するユニットである。
【0060】
ECU35には、クランクポジションセンサ4、水温センサ5、燃料圧センサ13、エアフローメータ17、吸気温度センサ18、吸気絞り弁開度センサ21b、酸素濃度センサ38に加えて、車両の室内に設けられたアクセルペダル36の操作量(アクセル開度)に対応した電気信号を出力するアクセルポジションセンサ37等が電気的に接続され、上記した各センサの出力信号がECU35に入力されるようになっている。
【0061】
一方、ECU35には、燃料噴射弁3、燃料ポンプ9、吸気絞り用アクチュエータ21a、排気絞り用アクチュエータ34、EGR弁101、開閉弁107等が電気的に接続され、ECU35が上記した各部を制御することが可能になっている。
【0062】
ここで、ECU35は、図2に示すように、双方向性バス40によって相互に接続された、CPU41と、ROM42と、RAM43と、バックアップRAM44と、入力ポート45と、出力ポート46とを備えるとともに、前記入力ポート45に接続されたA/Dコンバータ(A/D)47を備えている。
【0063】
前記入力ポート45は、クランクポジションセンサ4のようにデジタル信号形式の信号を出力するセンサの出力信号を入力し、それらの出力信号を双方向性バス40を介してCPU41やRAM43へ送信する。
【0064】
前記入力ポート45は、水温センサ5、燃料圧センサ13、エアフローメータ17、吸気温度センサ18、吸気絞り弁開度センサ21b、アクセルポジションセンサ37、酸素濃度センサ38等のように、アナログ信号形式の信号を出力するセンサの出力信号をA/D47を介して入力し、それらの出力信号を双方向性バス40を介してCPU41やRAM43へ送信する。
【0065】
前記出力ポート46は、燃料噴射弁3、燃料ポンプ9、吸気絞り用アクチュエータ21a、排気絞り用アクチュエータ34、EGR弁101、開閉弁107等と図示しない駆動回路を介して電気的に接続され、CPU41から出力される制御信号を前記した各部へ送信する。
【0066】
前記ROM42は、燃料噴射制御ルーチン、吸気絞り制御ルーチン、排気絞り制御ルーチン、EGR制御ルーチン、リッチスパイク制御ルーチン、SOx被毒回復制御ルーチンなどの各種アプリケーションプログラムを記憶するとともに、種々の制御マップを記憶している。
【0067】
前記RAM43は、各センサからの出力信号やCPU41の演算結果等を格納する。前記演算結果は、例えば、クランクポジションセンサ4がパルス信号を出力する時間的な間隔に基づいて算出される機関回転数である。これらのデータは、クランクポジションセンサ4がパルス信号を出力する都度、最新のデータに書き換えられる。
【0068】
前記バックアップRAM44は、内燃機関1の運転停止後もデータを記憶可能な不揮発性のメモリである。
【0069】
前記CPU41は、前記ROM42に記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作して、燃料噴射制御、吸気絞り制御、排気絞り制御、EGR制御、リッチスパイク制御、SOx被毒回復制御などの周知の制御に加え、本発明の要旨となる吸蔵還元型NOx触媒29の劣化を検出するための触媒劣化検出制御を実行する。
【0070】
一般に、酸素貯蔵能力を有した吸蔵還元型NOx触媒29は、該吸蔵還元型NOx触媒29に流入する排気の酸素濃度がリッチ空燃比に対応した酸素濃度(すなわち、リッチ空燃比で運転されている時の内燃機関1から排出される排気の酸素濃度と同一の酸素濃度、以下ではリッチ対応濃度と称する)である時には、吸蔵還元型NOx触媒29に吸蔵されていた酸素が放出される。このような状態が一定時間以上継続されると、吸蔵還元型NOx触媒29に吸蔵されていた全ての酸素が放出されることになる。
【0071】
例えば、吸蔵還元型NOx触媒29のNOx吸蔵能力を再生、又は吸蔵還元型NOx触媒29の硫黄酸化物(SOx)による被毒(SOx被毒)を回復すべく、吸蔵還元型NOx触媒29に流入する排気の酸素濃度(上流側酸素濃度)が所望の目標リッチ対応濃度に制御されると、図3に示されるように、吸蔵還元型NOx触媒29に吸蔵されていた酸素が該吸蔵還元型NOx触媒29から放出されるとともに、排気中に含まれる炭化水素(HC)などの還元成分が窒素酸化物(NOx)およびまたは硫黄酸化物(SOx)の還元に消費されるため、吸蔵還元型NOx触媒29から流出した排気の酸素濃度(下流側酸素濃度)は、目標リッチ対応酸素濃度まで低下せずに理論空燃比に対応した酸素濃度(すなわち、理論空燃比で運転されている時の内燃機関1から排出される酸素濃度と同一の酸素濃度、以下ではストイキ対応濃度と称する)と略等しい濃度となる(図3中の時間:t1〜t2までの期間)。
【0072】
吸蔵還元型NOx触媒29に吸蔵されていた全ての酸素が放出されるとともに、吸蔵還元型NOx触媒29に吸蔵されていた全ての窒素酸化物(NOx)およびまたは硫黄酸化物(SOx)が放出・還元されると、吸蔵還元型NOx触媒29から排気中へ酸素が付加されなくなるとともに窒素酸化物(NOx)や硫黄酸化物(SOx)の還元に消費される炭化水素(HC)量が減少するため、下流側酸素濃度は、目標リッチ対応濃度まで低下する(図3中の時間:t2〜t3までの期間)。
【0073】
このように酸素、窒素酸化物(NOx)、及び硫黄酸化物(SOx)が吸蔵還元型NOx触媒29に吸蔵されていない状況下で上流側酸素濃度が目標リッチ対応濃度からリーン対応濃度へ切り換えられると(図3中の時間:t3)、排気中の酸素が吸蔵還元型NOx触媒29に吸蔵されることになるため、下流側酸素濃度はストイキ対応酸素濃度より低い濃度となる(図3中の時間:t3〜t4までの期間)。
【0074】
その後、吸蔵還元型NOx触媒29の酸素貯蔵能力が飽和すると(図3中の時間:t4)、排気中の酸素が吸蔵還元型NOx触媒29に吸蔵されなくなるため、下流側酸素濃度は、ストイキ対応濃度となった後にリーン対応濃度まで上昇する(図3中の時間:t4以降の期間)。
【0075】
ところで、吸蔵還元型NOx触媒29の浄化能力と酸素貯蔵能力との間には相関があるため、浄化能力が劣化するとそれに伴って酸素貯蔵能力が低下することになる。そして、吸蔵還元型NOx触媒29の浄化能力の劣化に伴って酸素貯蔵能力が低下すると、吸蔵還元型NOx触媒29が吸蔵することができる酸素量が減少する。
【0076】
ここで、吸蔵還元型NOx触媒29の上流側酸素濃度が一定時間(この場合は、吸蔵還元型NOx触媒29に吸蔵されていた全ての酸素が放出されるまでに要する時間)以上連続してリッチ対応酸素濃度とされた後の上流側酸素濃度がリッチ対応酸素濃度からリーン対応酸素濃度へ切り換えられた時点から下流側酸素濃度がストイキ対応濃度に達するまでの時間(以下、ストイキ到達時間と称する)は、吸蔵還元型NOx触媒29の酸素貯蔵能力に依存するため、吸蔵還元型NOx触媒29の酸素貯蔵能力が低下するほど、ストイキ到達時間が短くなることになる。
【0077】
従って、図4に示されるように、吸蔵還元型NOx触媒29の浄化能力が劣化すると、その劣化度合いに応じてストイキ到達時間が短くなる。
【0078】
そこで、本実施の形態に係る触媒劣化検出制御では、CPU41は、吸蔵還元型NOx触媒29の上流側酸素濃度が一定時間以上連続してリッチ対応酸素濃度とされた後にリーン対応濃度へ切り換えられた場合に、上流側酸素濃度がリッチ対応濃度からリーン対応濃度へ切り換えられた時点から酸素濃度センサ38の出力信号値(下流側酸素濃度)がストイキ対応濃度に到達するまでの時間を計測し、その計測時間が所定時間未満であれば、吸蔵還元型NOx触媒29の浄化能力が劣化していると判定するようにした。前記した所定時間は、吸蔵還元型NOx触媒29の浄化能力が許容限界にあるときのストイキ到達時間に基づいて定められる時間である。
【0079】
但し、吸蔵還元型NOx触媒29がSOx被毒している場合も酸素貯蔵能力が低下するため、吸蔵還元型NOx触媒29がSOx被毒している状態で触媒劣化検出制御が実行されると、酸素貯蔵能力の低下がSOx被毒に因るものか或いは劣化に因るものかを判別することが困難となる。これに対し、本実施の形態では、SOx被毒回復制御実行直後に触媒劣化検出制御が実行されるようにした。
【0080】
以下、本実施の形態に係る触媒劣化検出制御について図5に沿って具体的に説明する。
図5は、触媒劣化検出制御ルーチンを示すフローチャート図である。触媒劣化検出制御ルーチンは、予めROM42に記憶されているルーチンであり、CPU41によって一定時間毎(例えば、クランクポジションセンサ4がパルス信号を出力する度)に繰り返し実行されるルーチンである。
【0081】
触媒劣化検出制御ルーチンでは、CPU41は、先ずS501において、劣化検出条件が成立しているか否かを判別する。前記した劣化検出条件としては、SOx被毒回復制御が実行中であることを例示することができる。
【0082】
前記S501において劣化検出条件が成立していないと判定された場合には、CPU41は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【0083】
一方、前記S501において劣化検出条件が成立していると判定された場合には、CPU41は、S502へ進み、上流側酸素濃度がリッチ対応濃度からリーン対応濃度へ切り換えられたか否かを判別する。
【0084】
前記S502において上流側酸素濃度がリッチ対応濃度からリーン対応濃度へ切り換えられていないと判定された場合は、CPU41は、SOx被毒回復制御の実行が終了していないとみなし、前述したS501以降の処理を再度実行する。
【0085】
前記S502において上流側酸素濃度がリッチ対応濃度からリーン対応濃度へ切り換えられたと判定された場合は、CPU41は、SOx被毒回復制御の実行が終了したとみなし、S503へ進む。
【0086】
S503では、CPU41は、ストイキ到達時間計時カウンタ:Cを起動する。このストイキ到達時間計時カウンタ:Cは、SOx被毒回復制御実行直後において上流側酸素濃度がリッチ対応濃度からリーン対応濃度へ切り換えられた時点から酸素濃度センサ38の出力信号値がストイキ対応濃度に達した時点までの時間を計測するカウンタであり、例えば、CPU41に内蔵されたレジスタなどで構成されている。
【0087】
S504では、CPU41は、酸素濃度センサ38の出力信号値:OXを入力する。
【0088】
S505では、CPU41は、前記S504で入力された酸素濃度センサ38の出力信号値:OXがストイキ対応濃度以上であるか否かを判別する。
【0089】
前記S505において酸素濃度センサ38の出力信号値:OXがストイキ対応濃度未満であると判定された場合は、CPU41は、前述したS504以降の処理を再度実行する。
【0090】
前記S505において酸素濃度センサ38の出力信号値:OXがストイキ対応濃度以上であると判定された場合は、CPU41は、S506へ進み、ストイキ到達時間計時カウンタ:Cを停止する。
【0091】
S507では、CPU41は、前記ストイキ到達時間計時カウンタ:Cのカウンタ値(ストイキ到達時間):Cが所定時間:T未満であるか否かを判別する。
【0092】
前記S507において前記ストイキ到達時間計時カウンタ:Cのカウンタ値(ストイキ到達時間):Cが所定時間:T未満であると判定された場合は、CPU41は、S508へ進み、吸蔵還元型NOx触媒29の酸素貯蔵能力が許容限界を下回っており、それに応じて吸蔵還元型NOx触媒29の浄化能力の劣化度合いが許容限界を超えていると判定する。この場合、車室内に予め警告灯などを設けておき、CPU41が前記警告灯を点灯させることにより、車両の運転者に対して吸蔵還元型NOx触媒29の劣化を通知するようにしてもよい。
【0093】
一方、前記S507において前記ストイキ到達時間計時カウンタ:Cのカウンタ値(ストイキ到達時間):Cが所定時間:T以上であると判定された場合は、CPU41は、S509へ進み、吸蔵還元型NOx触媒29の酸素貯蔵能力が許容限界より高く、それに応じて吸蔵還元型NOx触媒29の浄化能力の劣化度合いが許容範囲内にあると判定する。
【0094】
前記S508又は前記S509の処理を実行し終えたCPU41は、S510へ進み、ストイキ到達時間計時カウンタ:Cのカウンタ値をリセットして本ルーチンの実行を終了する。
【0095】
このようにCPU41が触媒劣化検出制御ルーチンを実行することにより、本発明に係る計測手段及び劣化判定手段が実現されることになる。
【0096】
従って、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関の排気系に吸蔵還元型NOx触媒が設けられている場合に、吸蔵還元型NOx触媒の劣化を検出することが可能となる。
【0097】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、NOx触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置において、NOx触媒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】 本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図
【図2】 ECUの内部構成を示すブロック図
【図3】 吸蔵還元型NOx触媒の上流側と下流側とにおける酸素濃度の挙動を示す図
【図4】 吸蔵還元型NOx触媒の酸素貯蔵能力の劣化度合いとストイキ到達時間との関係を示す図
【図5】 触媒劣化検出制御ルーチンを示すフローチャート図
【符号の説明】
1・・・・内燃機関
29・・・吸蔵還元型NOx触媒(NOx触媒)
35・・・ECU
38・・・酸素濃度センサ
41・・・CPU
Claims (3)
- 内燃機関の排気通路に設けられ、酸素貯蔵能力を有するNOx触媒と、
前記NOx触媒より下流の排気通路に設けられ、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、
前記NOx触媒へ流入する排気が該NO x 触媒に吸蔵されている全ての酸素を放出するまでに要する時間以上連続してリッチとされた後に該NO x 触媒に酸素を吸蔵させるべくリーンへ切り換えられた時点から前記酸素濃度センサの検出値が理論空燃比に対応した値を示す時点までの時間を計測する計測手段と、
前記計測手段により計測された時間が所定時間未満であるときに、前記NOx触媒が劣化していると判定する劣化判定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記計測手段は、前記NOx触媒の硫黄被毒回復処理が行われた後の前記NOx触媒へ流入する排気がリッチからリーンへ切り換えられた時点から前記酸素濃度センサの検出値が理論空燃比に対応した値を示す時点までの時間を計測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。
- 前記NOx触媒は、流入排気の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物を吸蔵し、流入排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していた窒素酸化物を放出しつつ還元する吸蔵還元型NOx触媒であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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