硫黄成分検出装置
【課題】ＳＯX保持部に保持されているＳＯX保持量を推定する硫黄成分検出装置において、比較的正確にＳＯX保持量を推定可能とする。
【解決手段】排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時に排気通路を通過する排気ガス中のＳＯXをＳＯX保持可能量まで保持可能な保持部と、保持部の温度を測定する温度センサとを有し、保持部の現在のＳＯX保持量ＡＳを推定する（ステップ１０９）際には、排気ガス流量が設定量より少ない時（ステップ１０５）に排気ガスの空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりリッチにし（ステップ１０６）、保持部からＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量との差に対応して保持されたＮＯXを放出させると共に還元物質により還元させて温度センサにより保持部の温度上昇値ΔＴを検出する（ステップ１０７）。
【解決手段】排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時に排気通路を通過する排気ガス中のＳＯXをＳＯX保持可能量まで保持可能な保持部と、保持部の温度を測定する温度センサとを有し、保持部の現在のＳＯX保持量ＡＳを推定する（ステップ１０９）際には、排気ガス流量が設定量より少ない時（ステップ１０５）に排気ガスの空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりリッチにし（ステップ１０６）、保持部からＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量との差に対応して保持されたＮＯXを放出させると共に還元物質により還元させて温度センサにより保持部の温度上昇値ΔＴを検出する（ステップ１０７）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硫黄成分検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス中のＳＯX濃度を検出するためのＳＯX濃度センサが公知である。一般的なＳＯX濃度センサは、固体電解質においてＳＯXが硫酸イオンに変化することにより生じる起電力を測定し、排気ガス中のＳＯX濃度を検出するようにしている。しかしながら、このような瞬時のＳＯX濃度を検出するＳＯX濃度センサでは、排気ガス中のＳＯX濃度が低いと、正確なＳＯX濃度を検出することが難しくなる。
【０００３】
このような瞬時の排気ガス中のＳＯX濃度を検出することはできないが、排気ガス中のＳＯX濃度が低くても、一定期間の間に排気通路を通過したＳＯXの積算量を比較的正確に検出することができる硫黄成分検出装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
この硫黄成分検出装置は、排気ガス中の酸素濃度が高い時に排気ガス中に含まれるＳＯXを保持するＳＯX保持部を有し、ＳＯX保持部に保持されたＳＯX保持量に基づき一定期間の間に排気通路を通過したＳＯXの積算量を検出するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１７５６２３
【特許文献２】特開２００７−１８３２４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の硫黄成分検出装置において、ＳＯX保持部は、ＳＯX保持可能量までＳＯXを硫酸塩として保持することができ、ＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量との差に対応して排気ガス中のＮＯXを硝酸塩として保持する。硝酸塩は硫酸塩に比較して不安定な物質であり、排気ガスの空燃比をリッチにして排気ガス中の酸素濃度を低下させれば、ＳＯX保持部に保持されているＮＯXだけをＳＯX保持部から放出させて排気ガス中の還元物質により還元させることができる。
【０００７】
それにより、ＮＯXの還元の際の発熱量に基づきＳＯX保持部に保持されていたＮＯX保持量を推定し、ＳＯX保持部のＳＯX保持可能量とＮＯX保持量とに基づきＳＯX保持部の現在のＳＯX保持量を推定することが考えられる。このようなＳＯX保持量の推定において、ＮＯXの還元の際の発熱量を正確に測定することができずに、ＳＯX保持量の推定が不正確となることがある。
【０００８】
従って、本発明の目的は、ＳＯX保持部に保持されているＳＯX保持量を推定する硫黄成分検出装置において、比較的正確にＳＯX保持量を推定可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による請求項１に記載の硫黄成分検出装置は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時に排気通路を通過する排気ガス中のＳＯXをＳＯX保持可能量まで保持可能な保持部と、前記保持部の温度を測定する温度センサとを有し、前記保持部の現在のＳＯX保持量を推定する際には、排気ガス流量が設定量より少ない時に排気ガスの空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりリッチにし、前記保持部から前記ＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量との差に対応して保持されたＮＯXを放出させると共に還元物質により還元させて前記温度センサにより前記保持部の温度上昇値を検出することを特徴とする。
【００１０】
本発明による請求項２に記載の硫黄成分検出装置は、請求項１に記載の硫黄成分検出装置において、さらに前記保持部を加熱するためのヒータを有し、前記保持部の温度が設定温度以下の時には前記ヒータを作動することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による請求項１に記載の硫黄成分検出装置によれば、保持部の現在のＳＯX保持量を推定する際には、排気ガス流量が設定量より少ない時に排気ガスの空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりリッチにし、保持部からＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量との差に対応して保持されたＮＯXを放出させると共に還元物質により還元させて温度センサにより保持部の温度上昇値を検出するようになっており、保持部から放出されたＮＯXを還元させた際に発生する熱は、排気ガス流量が設定量より少ないために排気ガスによって殆ど奪いさられることなく保持部の温度を上昇させ、保持部の温度上昇値に基づき保持部の現在のＮＯX保持量を比較的正確に推定することができ、その結果、保持部の現在のＳＯX保持量を比較的正確に推定することが可能となる。
【００１２】
本発明による請求項２に記載の硫黄成分検出装置によれば、請求項１に記載の硫黄成分検出装置において、さらに保持部を加熱するためのヒータを有し、保持部の温度が設定温度以下の時にはヒータを作動させるようになっており、それにより、保持部の温度が低いために保持部への排気ガス中のＳＯXの保持割合が低下することが抑制され、一定の保持割合で排気ガス中のＳＯXが保持部に保持されたとして保持部の現在のＳＯX保持量に基づき一定期間の間に排気通路を通過したＳＯXの積算量を検出する場合に、ＳＯXの積算量を比較的正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による硫黄成分検出装置が配置された機関排気系を示す概略図である。
【図２】本発明による硫黄成分検出装置の実施形態を示す概略断面図である。
【図３】本発明による硫黄成分検出装置によりＳＯXの積算量を検出するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は本発明によるＮＯX検出装置が配置された機関排気系を示す概略図であり、同図において、１は内燃機関の排気通路である。内燃機関は、ディーゼルエンジン又は筒内噴射式火花点火内燃機関のような希薄燃焼を実施する内燃機関である。このような内燃機関の排気ガス中には、比較的多くのＮＯXが含まれるために、排気通路１には、ＮＯXを浄化するためのＮＯX触媒装置２が配置されている。
【００１５】
ＮＯX触媒装置２には、ＮＯX保持材と白金Ｐｔのような貴金属触媒とが担持されている。ＮＯX保持材は、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。
【００１６】
ＮＯX触媒装置２は、排気ガスがリーン空燃比である時、すなわち、排気ガス中の酸素濃度が高い時に、排気ガス中のＮＯXを良好に保持し、すなわち、硝酸塩として良好に吸収したり、ＮＯ2として良好に吸着したりする。しかしながら、無制限にＮＯXを保持することはできず、ＮＯX保持量がＮＯX保持可能量に達してさらにＮＯXを保持することができなくなる前に、再生処理として、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とし、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させる。それにより、保持ＮＯXは離脱され、すなわち、吸収ＮＯXは放出され、また、吸着ＮＯ2は脱離され、これら離脱ＮＯXは排気ガス中の還元物質によりＮ2へ還元浄化される。
【００１７】
このようなＮＯX触媒装置２が排気ガス中のＳＯXを硫酸塩として吸蔵してしまうと、硫酸塩は硝酸塩に比較して安定な物質であるために再生処理では放出させることができず、ＮＯX吸蔵可能量が低下してしまう（Ｓ被毒）。それにより、排気通路１のＮＯX触媒装置２の上流側に、排気ガス中のＳＯXを吸蔵するＳトラップ装置（図示せず）を配置すれば、ＮＯX触媒装置２のＳ被毒を抑制することができる。このようなＳトラップ装置が配置されても配置されなくても、ＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値がＮＯX触媒装置のＳ被毒程度に対応するために、ＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値を検出可能な硫黄成分検出装置３がＮＯX触媒装置２の上流側に配置されている。
【００１８】
図２は、本発明による硫黄成分検出装置３の実施形態を示す概略断面図である。同図において、３１は硫黄成分検出装置３を構成する熱電対等の温度センサである。３２は温度センサ３１の感温部を覆うように配置された保持部である。３３は保持部３２を加熱するための電気ヒータである。
【００１９】
保持部３２は、排気通路１を通過する排気ガス中のＳＯXを保持するものであり、例えば、前述したＮＯX保持材と白金Ｐｔのような貴金属触媒とを温度センサ３１の感温部に塗布することにより形成することができる。
【００２０】
このように構成された硫黄成分検出装置３は、電子制御装置を使用して図３に示すフローチャートによりＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値を検出する。図３に示すフローチャートは、イグニッションスイッチのオンと同時に開始されるものである。先ずは、ステップ１０１において、温度センサ３１によって保持部３２の現在の温度Ｔを測定し、この温度Ｔが設定温度Ｔ’以下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１０２において電気ヒータ３３を停止させてステップ１０４へ進むが、ステップ１０１の判断が肯定され、すなわち、保持部３２の温度Ｔが設定温度Ｔ’以下の時には、ステップ１０３において電気ヒータ３３を作動させてステップ１０４へ進む。こうして、保持部３２は、その温度が設定温度Ｔ’以下の時に電気ヒータ３３によって加熱されるようになっている。
【００２１】
本硫黄成分検出装置３は、単位時間当たりの排気ガス中に含まれるＳＯX量の一定割合のＳＯXが単位時間当たり保持部３１に保持されるとして、保持部３２に保持されているＳＯX保持量に基づきＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値を検出するものである。従って、保持部３２の温度が低いと、ＮＯX保持材により形成された保持部３２が十分に活性化せずに、保持部３２への排気ガス中のＳＯXの保持割合が一定割合より小さくなってしまうために、もし、長期間、保持部３２の温度が低いままとされると、保持部のＳＯX保持量が保持されているべきＳＯX保持量（実際にＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値に対応するＳＯX保持量）より明らかに少なくなってＳＯX保持量に基づき検出されるＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値が実際より無視できないほど少なくなってしまう。
【００２２】
機関始動直後において保持部３２の温度Ｔは設定温度Ｔ’以下となっていることが多い。機関始動直後は、排気ガス量も少なく、排気ガス中には僅かしかＳＯXが含まれていないために、機関始動直後において本実施形態のように電気ヒータ３３により保持部３２の温度Ｔを設定温度Ｔ’まで高めて、早期に保持部３２へ一定割合のＳＯXが保持されるようにすれば、保持部３２のＳＯX保持量と保持されているべきＳＯX保持量との差を十分に小さくすることができ、ＳＯX保持量に基づきＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値を比較的正確に検出することが可能となる。もちろん、機関始動直後以外においても、保持部３２の温度Ｔが設定温度Ｔ’以下となれば、電気ヒータ３３は作動されて保持部３２は昇温され、早期に保持部３２へ一定割合のＳＯXが保持されるようになっている。
【００２３】
ステップ１０４以降は、ＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値ＳＩを検出するためのステップである。ステップ１０４において、積算値ＳＩを検出する時期であるか否かが判断される。例えば、積算値ＳＩの検出時期を定期的に設定することができる。この判断が否定される時にはそのまま終了する。ステップ１０４の判断が肯定される時には、ステップ１０５において、アクセルペダルの踏み込み量Ｌがほぼ０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、積算値ＳＩの検出時期であっても積算値ＳＩの検出を断念してそのまま終了する。
【００２４】
ステップ１０５の判断が肯定される時には、アクセルペダルは踏み込まれておらず、アイドル運転時又は機関減速時であり、排気ガス量が非常に少なくなる。この時には、積算値ＳＩを検出するために、ステップ１０６において、排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチ（又は理論空燃比）にするためのリッチ化制御を実施する。
【００２５】
ＮＯX保持材により形成された保持部３２は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時に、すなわち、排気ガスの酸素濃度が高い時に、排気ガス中のＳＯXを貴金属触媒により酸化させて硫酸塩としてＳＯX保持可能量まで保持する。また、ＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量との差に対応して排気ガス中のＮＯXを貴金属触媒により酸化させて硝酸塩として保持する。保持部３２において、硫酸塩は硝酸塩に比較して安定な物質であり、硝酸塩に置き換わって硫酸塩は増加し、ＳＯXの保持は進行する。
【００２６】
こうして、ステップ１０６において、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチにされると、排気ガス中の酸素濃度が低下し、保持部３２からはＮＯXだけが放出されて排気ガス中の還元物質により還元させられる。
1/2Ｂａ（ＮＯ3)2→1/2ＢａＯ＋ＮＯ＋3/4Ｏ2−309.6kJ/mol
ＣＯ＋ＮＯ→1/2Ｎ2＋2ＣＯ2＋373.2kJ/mol
3/2ＣＯ+3/4Ｏ2→3/2ＣＯ2＋424.5kJ/mol
【００２７】
次いで、ステップ１０７において、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とした前後の保持部３２の温度上昇値ΔＴ、すなわち、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とした後の保持部３２の最高温度と、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比する前の保持部３２の温度との差ΔＴを温度センサ３１により検出する。前述したように、１molのＮＯの還元により約490kJの発熱が発生する。それにより、ステップ１０８において、ステップ１０７において検出された温度上昇値ΔＴに基づき保持部３２から放出されて還元されたＮＯX量を算出することができ、これを保持部３２の現在のＮＯX保持量ＡＮとして推定する。
【００２８】
次いで、ステップ１０９において、推定されたＮＯX保持量ＡＮと保持部３２のＳＯX保持可能量とに基づき、保持部３２の現在のＳＯX保持量ＡＳを推定する。こうして推定された保持部３２の現在のＳＯX保持量ＡＳは、硫黄成分検出装置３の保持部３２にＳＯXが保持されていなかった時、すなわち、ＳＯX保持量がゼロであった時（硫黄成分検出装置３の新品時又は硫黄成分検出装置３からＳＯXが完全に放出された時）から現在までの間に硫黄成分検出装置３の位置において排気通路１を通過した排気ガス中のＳＯX量の一定割合が硫黄成分検出装置３の保持部３２に保持されたものと考えることができ、ステップ１１０において、現在のＳＯX保持量ＡＳに基づきＳＯX保持量がゼロであった時から現在までの間に硫黄成分検出装置３の位置において排気通路１を通過した排気ガス中のＳＯX量の積算値ＳＩ、すなわち、ＮＯX保触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値を検出する。
【００２９】
このように、ＮＯX保触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値ＳＩを検出するために、保持部３２の現在のＳＯX保持量ＡＳを推定する際には、アイドル運転時又は機関減速時のような排気ガス流量が設定量より少ない時に排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチにし、保持部３２からＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量ＡＳとの差に対応して保持されたＮＯXを放出させると共に還元物質により還元させて温度センサにより保持部の温度上昇値ΔＴを検出するようになっている。
【００３０】
それにより、保持部３２から放出されたＮＯXを還元させた際に発生する熱は、排気ガス流量が設定量より少ないために排気ガスによって殆ど奪いさられることなく保持部３２の温度を上昇させるために、保持部の温度上昇値ΔＴに基づき保持部３２の現在のＮＯX保持量ＡＮを比較的正確に推定することができ、その結果、保持部３２の現在のＳＯX保持量ＡＳを比較的正確に推定することが可能となる。
【００３１】
ここで、保持部３２の現在のＳＯX保持量ＡＳの推定を実施するか否かを判断する排気ガスの設定量は、アイドル運転時又は機関減速時の排気ガス流量に限定されることなく、保持部３２から放出されたＮＯXを還元させた際に発生する熱が、排気ガスによって殆ど奪いさられることなく保持部３２の温度を上昇させるように設定されれば良い。それにより、例えばエアフローメータにより吸気流量を現在の排気ガス流量として測定し、現在の排気ガス流量が設定量以下である時に、保持部３２の現在のＳＯX保持量ＡＳの推定を実施するようにしても良い。また、現在の機関運転状態（機関負荷及び機関回転数）に基づき現在の排気ガス流量を推定し又はマップ化しておき、現在の排気ガス流量が設定量以下である時に、保持部３２の現在のＳＯX保持量ＡＳの推定を実施するようにしても良い。
【００３２】
排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とするには、膨張行程又は排気行程において気筒内へ追加燃料を噴射したり、又は、硫黄成分検出装置３の上流側において排気通路１へ追加燃料を供給したりすれば良い。こうして、未燃燃料を多く含む排気ガスが硫黄成分検出装置３の保持部３２近傍に到達すると、排気ガス中の未燃燃料は保持部３２に担持された酸化触媒によって排気ガス中の酸素を使用して酸化させられ、排気ガス中の酸素濃度が低下する。
【符号の説明】
【００３３】
１ 排気通路
２ ＮＯX触媒装置
３ 硫黄成分検出装置
３１ 温度センサ
３２ 保持部
３３ 電気ヒータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硫黄成分検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス中のＳＯX濃度を検出するためのＳＯX濃度センサが公知である。一般的なＳＯX濃度センサは、固体電解質においてＳＯXが硫酸イオンに変化することにより生じる起電力を測定し、排気ガス中のＳＯX濃度を検出するようにしている。しかしながら、このような瞬時のＳＯX濃度を検出するＳＯX濃度センサでは、排気ガス中のＳＯX濃度が低いと、正確なＳＯX濃度を検出することが難しくなる。
【０００３】
このような瞬時の排気ガス中のＳＯX濃度を検出することはできないが、排気ガス中のＳＯX濃度が低くても、一定期間の間に排気通路を通過したＳＯXの積算量を比較的正確に検出することができる硫黄成分検出装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
この硫黄成分検出装置は、排気ガス中の酸素濃度が高い時に排気ガス中に含まれるＳＯXを保持するＳＯX保持部を有し、ＳＯX保持部に保持されたＳＯX保持量に基づき一定期間の間に排気通路を通過したＳＯXの積算量を検出するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１７５６２３
【特許文献２】特開２００７−１８３２４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の硫黄成分検出装置において、ＳＯX保持部は、ＳＯX保持可能量までＳＯXを硫酸塩として保持することができ、ＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量との差に対応して排気ガス中のＮＯXを硝酸塩として保持する。硝酸塩は硫酸塩に比較して不安定な物質であり、排気ガスの空燃比をリッチにして排気ガス中の酸素濃度を低下させれば、ＳＯX保持部に保持されているＮＯXだけをＳＯX保持部から放出させて排気ガス中の還元物質により還元させることができる。
【０００７】
それにより、ＮＯXの還元の際の発熱量に基づきＳＯX保持部に保持されていたＮＯX保持量を推定し、ＳＯX保持部のＳＯX保持可能量とＮＯX保持量とに基づきＳＯX保持部の現在のＳＯX保持量を推定することが考えられる。このようなＳＯX保持量の推定において、ＮＯXの還元の際の発熱量を正確に測定することができずに、ＳＯX保持量の推定が不正確となることがある。
【０００８】
従って、本発明の目的は、ＳＯX保持部に保持されているＳＯX保持量を推定する硫黄成分検出装置において、比較的正確にＳＯX保持量を推定可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による請求項１に記載の硫黄成分検出装置は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時に排気通路を通過する排気ガス中のＳＯXをＳＯX保持可能量まで保持可能な保持部と、前記保持部の温度を測定する温度センサとを有し、前記保持部の現在のＳＯX保持量を推定する際には、排気ガス流量が設定量より少ない時に排気ガスの空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりリッチにし、前記保持部から前記ＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量との差に対応して保持されたＮＯXを放出させると共に還元物質により還元させて前記温度センサにより前記保持部の温度上昇値を検出することを特徴とする。
【００１０】
本発明による請求項２に記載の硫黄成分検出装置は、請求項１に記載の硫黄成分検出装置において、さらに前記保持部を加熱するためのヒータを有し、前記保持部の温度が設定温度以下の時には前記ヒータを作動することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による請求項１に記載の硫黄成分検出装置によれば、保持部の現在のＳＯX保持量を推定する際には、排気ガス流量が設定量より少ない時に排気ガスの空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりリッチにし、保持部からＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量との差に対応して保持されたＮＯXを放出させると共に還元物質により還元させて温度センサにより保持部の温度上昇値を検出するようになっており、保持部から放出されたＮＯXを還元させた際に発生する熱は、排気ガス流量が設定量より少ないために排気ガスによって殆ど奪いさられることなく保持部の温度を上昇させ、保持部の温度上昇値に基づき保持部の現在のＮＯX保持量を比較的正確に推定することができ、その結果、保持部の現在のＳＯX保持量を比較的正確に推定することが可能となる。
【００１２】
本発明による請求項２に記載の硫黄成分検出装置によれば、請求項１に記載の硫黄成分検出装置において、さらに保持部を加熱するためのヒータを有し、保持部の温度が設定温度以下の時にはヒータを作動させるようになっており、それにより、保持部の温度が低いために保持部への排気ガス中のＳＯXの保持割合が低下することが抑制され、一定の保持割合で排気ガス中のＳＯXが保持部に保持されたとして保持部の現在のＳＯX保持量に基づき一定期間の間に排気通路を通過したＳＯXの積算量を検出する場合に、ＳＯXの積算量を比較的正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による硫黄成分検出装置が配置された機関排気系を示す概略図である。
【図２】本発明による硫黄成分検出装置の実施形態を示す概略断面図である。
【図３】本発明による硫黄成分検出装置によりＳＯXの積算量を検出するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は本発明によるＮＯX検出装置が配置された機関排気系を示す概略図であり、同図において、１は内燃機関の排気通路である。内燃機関は、ディーゼルエンジン又は筒内噴射式火花点火内燃機関のような希薄燃焼を実施する内燃機関である。このような内燃機関の排気ガス中には、比較的多くのＮＯXが含まれるために、排気通路１には、ＮＯXを浄化するためのＮＯX触媒装置２が配置されている。
【００１５】
ＮＯX触媒装置２には、ＮＯX保持材と白金Ｐｔのような貴金属触媒とが担持されている。ＮＯX保持材は、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。
【００１６】
ＮＯX触媒装置２は、排気ガスがリーン空燃比である時、すなわち、排気ガス中の酸素濃度が高い時に、排気ガス中のＮＯXを良好に保持し、すなわち、硝酸塩として良好に吸収したり、ＮＯ2として良好に吸着したりする。しかしながら、無制限にＮＯXを保持することはできず、ＮＯX保持量がＮＯX保持可能量に達してさらにＮＯXを保持することができなくなる前に、再生処理として、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とし、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させる。それにより、保持ＮＯXは離脱され、すなわち、吸収ＮＯXは放出され、また、吸着ＮＯ2は脱離され、これら離脱ＮＯXは排気ガス中の還元物質によりＮ2へ還元浄化される。
【００１７】
このようなＮＯX触媒装置２が排気ガス中のＳＯXを硫酸塩として吸蔵してしまうと、硫酸塩は硝酸塩に比較して安定な物質であるために再生処理では放出させることができず、ＮＯX吸蔵可能量が低下してしまう（Ｓ被毒）。それにより、排気通路１のＮＯX触媒装置２の上流側に、排気ガス中のＳＯXを吸蔵するＳトラップ装置（図示せず）を配置すれば、ＮＯX触媒装置２のＳ被毒を抑制することができる。このようなＳトラップ装置が配置されても配置されなくても、ＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値がＮＯX触媒装置のＳ被毒程度に対応するために、ＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値を検出可能な硫黄成分検出装置３がＮＯX触媒装置２の上流側に配置されている。
【００１８】
図２は、本発明による硫黄成分検出装置３の実施形態を示す概略断面図である。同図において、３１は硫黄成分検出装置３を構成する熱電対等の温度センサである。３２は温度センサ３１の感温部を覆うように配置された保持部である。３３は保持部３２を加熱するための電気ヒータである。
【００１９】
保持部３２は、排気通路１を通過する排気ガス中のＳＯXを保持するものであり、例えば、前述したＮＯX保持材と白金Ｐｔのような貴金属触媒とを温度センサ３１の感温部に塗布することにより形成することができる。
【００２０】
このように構成された硫黄成分検出装置３は、電子制御装置を使用して図３に示すフローチャートによりＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値を検出する。図３に示すフローチャートは、イグニッションスイッチのオンと同時に開始されるものである。先ずは、ステップ１０１において、温度センサ３１によって保持部３２の現在の温度Ｔを測定し、この温度Ｔが設定温度Ｔ’以下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１０２において電気ヒータ３３を停止させてステップ１０４へ進むが、ステップ１０１の判断が肯定され、すなわち、保持部３２の温度Ｔが設定温度Ｔ’以下の時には、ステップ１０３において電気ヒータ３３を作動させてステップ１０４へ進む。こうして、保持部３２は、その温度が設定温度Ｔ’以下の時に電気ヒータ３３によって加熱されるようになっている。
【００２１】
本硫黄成分検出装置３は、単位時間当たりの排気ガス中に含まれるＳＯX量の一定割合のＳＯXが単位時間当たり保持部３１に保持されるとして、保持部３２に保持されているＳＯX保持量に基づきＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値を検出するものである。従って、保持部３２の温度が低いと、ＮＯX保持材により形成された保持部３２が十分に活性化せずに、保持部３２への排気ガス中のＳＯXの保持割合が一定割合より小さくなってしまうために、もし、長期間、保持部３２の温度が低いままとされると、保持部のＳＯX保持量が保持されているべきＳＯX保持量（実際にＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値に対応するＳＯX保持量）より明らかに少なくなってＳＯX保持量に基づき検出されるＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値が実際より無視できないほど少なくなってしまう。
【００２２】
機関始動直後において保持部３２の温度Ｔは設定温度Ｔ’以下となっていることが多い。機関始動直後は、排気ガス量も少なく、排気ガス中には僅かしかＳＯXが含まれていないために、機関始動直後において本実施形態のように電気ヒータ３３により保持部３２の温度Ｔを設定温度Ｔ’まで高めて、早期に保持部３２へ一定割合のＳＯXが保持されるようにすれば、保持部３２のＳＯX保持量と保持されているべきＳＯX保持量との差を十分に小さくすることができ、ＳＯX保持量に基づきＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値を比較的正確に検出することが可能となる。もちろん、機関始動直後以外においても、保持部３２の温度Ｔが設定温度Ｔ’以下となれば、電気ヒータ３３は作動されて保持部３２は昇温され、早期に保持部３２へ一定割合のＳＯXが保持されるようになっている。
【００２３】
ステップ１０４以降は、ＮＯX触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値ＳＩを検出するためのステップである。ステップ１０４において、積算値ＳＩを検出する時期であるか否かが判断される。例えば、積算値ＳＩの検出時期を定期的に設定することができる。この判断が否定される時にはそのまま終了する。ステップ１０４の判断が肯定される時には、ステップ１０５において、アクセルペダルの踏み込み量Ｌがほぼ０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、積算値ＳＩの検出時期であっても積算値ＳＩの検出を断念してそのまま終了する。
【００２４】
ステップ１０５の判断が肯定される時には、アクセルペダルは踏み込まれておらず、アイドル運転時又は機関減速時であり、排気ガス量が非常に少なくなる。この時には、積算値ＳＩを検出するために、ステップ１０６において、排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチ（又は理論空燃比）にするためのリッチ化制御を実施する。
【００２５】
ＮＯX保持材により形成された保持部３２は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時に、すなわち、排気ガスの酸素濃度が高い時に、排気ガス中のＳＯXを貴金属触媒により酸化させて硫酸塩としてＳＯX保持可能量まで保持する。また、ＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量との差に対応して排気ガス中のＮＯXを貴金属触媒により酸化させて硝酸塩として保持する。保持部３２において、硫酸塩は硝酸塩に比較して安定な物質であり、硝酸塩に置き換わって硫酸塩は増加し、ＳＯXの保持は進行する。
【００２６】
こうして、ステップ１０６において、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチにされると、排気ガス中の酸素濃度が低下し、保持部３２からはＮＯXだけが放出されて排気ガス中の還元物質により還元させられる。
1/2Ｂａ（ＮＯ3)2→1/2ＢａＯ＋ＮＯ＋3/4Ｏ2−309.6kJ/mol
ＣＯ＋ＮＯ→1/2Ｎ2＋2ＣＯ2＋373.2kJ/mol
3/2ＣＯ+3/4Ｏ2→3/2ＣＯ2＋424.5kJ/mol
【００２７】
次いで、ステップ１０７において、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とした前後の保持部３２の温度上昇値ΔＴ、すなわち、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とした後の保持部３２の最高温度と、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比する前の保持部３２の温度との差ΔＴを温度センサ３１により検出する。前述したように、１molのＮＯの還元により約490kJの発熱が発生する。それにより、ステップ１０８において、ステップ１０７において検出された温度上昇値ΔＴに基づき保持部３２から放出されて還元されたＮＯX量を算出することができ、これを保持部３２の現在のＮＯX保持量ＡＮとして推定する。
【００２８】
次いで、ステップ１０９において、推定されたＮＯX保持量ＡＮと保持部３２のＳＯX保持可能量とに基づき、保持部３２の現在のＳＯX保持量ＡＳを推定する。こうして推定された保持部３２の現在のＳＯX保持量ＡＳは、硫黄成分検出装置３の保持部３２にＳＯXが保持されていなかった時、すなわち、ＳＯX保持量がゼロであった時（硫黄成分検出装置３の新品時又は硫黄成分検出装置３からＳＯXが完全に放出された時）から現在までの間に硫黄成分検出装置３の位置において排気通路１を通過した排気ガス中のＳＯX量の一定割合が硫黄成分検出装置３の保持部３２に保持されたものと考えることができ、ステップ１１０において、現在のＳＯX保持量ＡＳに基づきＳＯX保持量がゼロであった時から現在までの間に硫黄成分検出装置３の位置において排気通路１を通過した排気ガス中のＳＯX量の積算値ＳＩ、すなわち、ＮＯX保触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値を検出する。
【００２９】
このように、ＮＯX保触媒装置２へ流入したＳＯX量の積算値ＳＩを検出するために、保持部３２の現在のＳＯX保持量ＡＳを推定する際には、アイドル運転時又は機関減速時のような排気ガス流量が設定量より少ない時に排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチにし、保持部３２からＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量ＡＳとの差に対応して保持されたＮＯXを放出させると共に還元物質により還元させて温度センサにより保持部の温度上昇値ΔＴを検出するようになっている。
【００３０】
それにより、保持部３２から放出されたＮＯXを還元させた際に発生する熱は、排気ガス流量が設定量より少ないために排気ガスによって殆ど奪いさられることなく保持部３２の温度を上昇させるために、保持部の温度上昇値ΔＴに基づき保持部３２の現在のＮＯX保持量ＡＮを比較的正確に推定することができ、その結果、保持部３２の現在のＳＯX保持量ＡＳを比較的正確に推定することが可能となる。
【００３１】
ここで、保持部３２の現在のＳＯX保持量ＡＳの推定を実施するか否かを判断する排気ガスの設定量は、アイドル運転時又は機関減速時の排気ガス流量に限定されることなく、保持部３２から放出されたＮＯXを還元させた際に発生する熱が、排気ガスによって殆ど奪いさられることなく保持部３２の温度を上昇させるように設定されれば良い。それにより、例えばエアフローメータにより吸気流量を現在の排気ガス流量として測定し、現在の排気ガス流量が設定量以下である時に、保持部３２の現在のＳＯX保持量ＡＳの推定を実施するようにしても良い。また、現在の機関運転状態（機関負荷及び機関回転数）に基づき現在の排気ガス流量を推定し又はマップ化しておき、現在の排気ガス流量が設定量以下である時に、保持部３２の現在のＳＯX保持量ＡＳの推定を実施するようにしても良い。
【００３２】
排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とするには、膨張行程又は排気行程において気筒内へ追加燃料を噴射したり、又は、硫黄成分検出装置３の上流側において排気通路１へ追加燃料を供給したりすれば良い。こうして、未燃燃料を多く含む排気ガスが硫黄成分検出装置３の保持部３２近傍に到達すると、排気ガス中の未燃燃料は保持部３２に担持された酸化触媒によって排気ガス中の酸素を使用して酸化させられ、排気ガス中の酸素濃度が低下する。
【符号の説明】
【００３３】
１ 排気通路
２ ＮＯX触媒装置
３ 硫黄成分検出装置
３１ 温度センサ
３２ 保持部
３３ 電気ヒータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時に排気通路を通過する排気ガス中のＳＯXをＳＯX保持可能量まで保持可能な保持部と、前記保持部の温度を測定する温度センサとを有し、前記保持部の現在のＳＯX保持量を推定する際には、排気ガス流量が設定量より少ない時に排気ガスの空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりリッチにし、前記保持部から前記ＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量との差に対応して保持されたＮＯXを放出させると共に還元物質により還元させて前記温度センサにより前記保持部の温度上昇値を検出することを特徴とする硫黄成分検出装置。
【請求項２】
さらに前記保持部を加熱するためのヒータを有し、前記保持部の温度が設定温度以下の時には前記ヒータを作動することを特徴とする請求項１に記載の硫黄成分検出装置。
【請求項１】
排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時に排気通路を通過する排気ガス中のＳＯXをＳＯX保持可能量まで保持可能な保持部と、前記保持部の温度を測定する温度センサとを有し、前記保持部の現在のＳＯX保持量を推定する際には、排気ガス流量が設定量より少ない時に排気ガスの空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりリッチにし、前記保持部から前記ＳＯX保持可能量と現在のＳＯX保持量との差に対応して保持されたＮＯXを放出させると共に還元物質により還元させて前記温度センサにより前記保持部の温度上昇値を検出することを特徴とする硫黄成分検出装置。
【請求項２】
さらに前記保持部を加熱するためのヒータを有し、前記保持部の温度が設定温度以下の時には前記ヒータを作動することを特徴とする請求項１に記載の硫黄成分検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１５８２９７（Ｐ２０１１−１５８２９７Ａ）
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８６１４（Ｐ２０１０−１８６１４）
【出願日】平成２２年１月２９日（２０１０．１．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２９日（２０１０．１．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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