説明

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、下流側に配置されたNOX触媒装置のS被毒回復処理が実施されても、比較的長い期間の間に排気通路を通過したSOXの積算量を検出可能とする。
【解決手段】排気通路1を通過する排気ガス中のSOXを保持可能な保持部を具備し、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4であって、排気通路には、排気ガス中のNOX及びSOXを保持するNOX触媒装置2が配置され、NOX触媒装置を設定温度に昇温してNOX触媒装置から保持したSOXを放出させるNOX触媒装置の回復処理中において保持部からは保持したSOXが放出されないようになっている。

【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SOXを硫酸塩として保持する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。
【0005】
ところで、排気通路には、排気ガス中のNOXを硝酸塩として保持するNOX触媒装置が配置されている。このようなNOX触媒装置は、無制限にNOXを保持することはできず、NOX保持可能量を有している。NOX触媒装置のNOX保持量がNOX保持可能量に達する前に、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とする再生処理が実施され、それにより、NOX触媒装置に保持されたNOXを放出及び還元浄化させることができる。NOX触媒装置は、排気ガス中のSOXをNOXと同様なメカニズムによって硫酸塩として保持し、硫酸塩は硝酸塩に比較して安定な物質であるために、再生処理によってはSOXを放出させることはできず、SOX保持量は増加する一方となり、SOX保持量が増加するほどNOX保持可能量を減少させてしまう(S被毒)。
【0006】
前述の硫黄成分検出装置をNOX触媒装置の上流側に配置して、一定期間の間に排気通路を通過したSOXの積算量を検出すれば、NOX触媒装置のSOX保持量を検出することができる。こうして、NOX触媒装置のSOX保持量が設定量に達するときに、S被毒回復処理として、NOX触媒装置へ流入する排気ガス温度を高めてNOX触媒装置を設定温度へ昇温し、その直後に、NOX触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることにより、NOX触媒装置に硫酸塩として保持されているSOXを放出させてNOX保持可能量を回復させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2008−175623
【特許文献2】特開2010−019092
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、このようなNOX触媒装置のS被毒回復処理を実施すると、硫黄成分検出装置のSOX保持部からもSOXが意図せずに放出されることがあり、硫黄成分検出装置によって比較的長い期間の間に排気通路を通過したSOXの積算量を検出することができなくなってしまう。
【0009】
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、下流側に配置されたNOX触媒装置のS被毒回復処理が実施されても、比較的長い期間の間に排気通路を通過したSOXの積算量を検出可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明による請求項1に記載の硫黄成分検出装置は、排気通路を通過する排気ガス中のSOXを保持可能な保持部を具備し、前記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であって、前記排気通路には、排気ガス中のNOX及びSOXを保持するNOX触媒装置が配置され、前記NOX触媒装置を設定温度に昇温して前記NOX触媒装置から保持したSOXを放出させる前記NOX触媒装置の回復処理中において前記保持部からは保持したSOXが放出されないようになっていることを特徴とする。
【0011】
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、前記保持部に担持されてSOXを保持するSOX保持材と、前記NOX触媒装置に担持されてNOX及びSOXを保持するNOX保持材とは異なる物質とされ、前記保持部のSOX保持材は、前記NOX触媒装置の前記回復処理の前記設定温度より高い温度に昇温させない限り保持したSOXを放出しないものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
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、排気通路を通過する排気ガス中のSOXを保持可能な保持部を具備し、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であって、排気通路には、排気ガス中のNOX及びSOXを保持するNOX触媒装置が配置され、NOX触媒装置を設定温度に昇温してNOX触媒装置から保持したSOXを放出させるNOX触媒装置の回復処理中において保持部からは保持したSOXが放出されないようになっているために、NOX触媒装置の回復処理が実施されても、硫黄成分検出装置の保持部のSOXの積算量がリセットされることはなく、硫黄成分検出装置によって比較的長い期間の間に排気通路を通過したSOXの積算量を検出することができる。
【0013】
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、保持部に担持されてSOXを保持するSOX保持材と、NOX触媒装置に担持されてNOX及びSOXを保持するNOX保持材とは異なる物質とされ、保持部のSOX保持材は、NOX触媒装置の回復処理の設定温度より高い温度に昇温させない限り保持したSOXを放出しないものとされており、それにより、NOX触媒装置の回復処理が実施されても、容易に硫黄成分検出装置の保持部のSOXの積算量がリセットされないようにすることができ、硫黄成分検出装置によって比較的長い期間の間に排気通路を通過したSOXの積算量を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【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。
【発明を実施するための形態】
【0015】
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。
【0016】
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、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又は、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。
【0017】
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。
【0018】
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保持可能量が低下してしまう(S被毒)。それにより、NOX触媒装置2のSOX保持量が設定量に達した時には、例えば、NOX触媒装置2へ流入する排気ガスの温度を設定温度へ高めてNOX触媒装置2を設定温度へ昇温し、次いで、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比として、排気ガス中の酸素濃度を低下させる回復処理を実施することにより、NOX触媒装置2からSOXを放出させるようになっている。
【0019】
一定期間の間に排気通路1を通過したSOXの積算量を検出可能とする硫黄成分検出装置4をNOX触媒装置2の上流側に配置することにより、NOX触媒装置2のSOX保持量としてNOX触媒装置2へ流入したSOX量の積算値を検出することができる。
【0020】
3は硫黄成分検出装置4の上流側に配置された酸化機能を有する触媒装置(酸化触媒装置又は三元触媒装置)である。内燃機関の希薄燃焼時の多量に酸素を含む排気ガスと燃料とを触媒装置4へ流入させる(排気ガスの空燃比としてはリーン)と、燃料は触媒装置4において排気ガス中の酸素を使用して良好に燃焼し、その燃焼熱によりNOX触媒装置2へ流入する排気ガス温度を設定温度へ昇温させることができる。触媒装置4において燃焼させる燃料は、触媒装置4の上流側の排気通路1へ供給しても、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給しても良い。
【0021】
図2は、本発明による硫黄成分検出装置4の実施形態を示す概略縦断面図である。同図において、10は排気ガス通路1の外壁である。41は硫黄成分検出装置4の基板である。基板1の一方側(好ましくは排気上流側)には熱電対等の温度センサ42が配置されている。また、基板1の他方側には電気ヒータ43が配置されている。44は温度センサ42の感温部を覆うように配置されたNOX及びSOXの保持部である。45は、このように構成された硫黄成分検出装置4を取り囲んで排気ガス通路1の外壁10を貫通する円筒状のケースである。
【0022】
ケース45には複数の開口穴45aが形成され、開口穴45aを介して排気通路1を通過する排気ガスがケース45内へ流入するようになっている。46はケース45内の保持部44近傍へ酸素(例えば大気中の酸素)を供給するための酸素ポンプであり、一体的な温度センサ42、基板41、及び電気ヒータ43の回りに位置してケース45内の保持部44回りの空間と大気室とを分離する。酸素ポンプ46は、ジルコニア等から形成され、ジルコニア式酸素濃度センサとは逆に電圧が印加されることにより、大気中の酸素をケース45内の保持部44近傍へ移動させることができる。
【0023】
保持部44は、排気ガス中のSOXを保持するものであり、例えば、SOX保持材として前述したNOX保持材と、白金Ptのような貴金属触媒とを温度センサ42の感温部に塗布することにより形成することができる。
【0024】
SOX保持材を担持する保持部44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ことができる。保持部44のSOX保持可能量は、SOX保持材の担持量に対応して定めることができる。また、保持部44は、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44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。
【0025】
こうして、保持部44の現在のNOX保持量を検出すれば、SOX保持可能量に基づき、これまでに硫黄成分検出装置4に保持された現在のSOX保持量を推定することができ、推定されたSOX保持量は、一定期間の間に硫黄成分検出装置4の位置において排気通路1を通過したSOXの積算量の一定割合と考えることができる。
【0026】
保持部44の現在のNOX保持量を検出するためには、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)として排気ガス中の酸素濃度を低下させれば良く、それにより、保持部44から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】
こうして、1molの放出NOに対して約490kJの発熱が発生する。それにより、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とした前後の保持部44の温度上昇値、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44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44の温度との差(温度上昇値)を温度センサ42により検出することにより、保持部44から放出された全NOX量を保持部44の現在のNOX保持量として検出することができる。
【0028】
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ても、触媒装置3の上流側の排気通路1へ追加燃料を供給するようにしても良い。
【0029】
ところで、硫黄成分検出装置の保持部44に担持されたSOX保持材と、NOX触媒装置に担持されたNOX保持材とを同じ物質とした場合においては、NOX触媒装置2からSOXを放出させる回復処理を実施するために、NOX触媒装置2へ流入する排気ガスの温度を設定温度へ高めて、次いで、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とすると、硫黄成分検出装置の保持部44も設定温度(回復処理温度)へ高められて周囲の酸素濃度が低下するために保持部44からもSOXが放出されてしまう。それにより、保持部44におけるSOXの積算量が意図せずにリセットされてしまうために、硫黄成分検出装置4によって比較的長い期間の間に排気通路を通過したSOXの積算量を検出することができなくなる。
【0030】
本実施形態においては、硫黄成分検出装置の保持部44に担持されたSOX保持材と、NOX触媒装置に担持されたNOX保持材とを異なる物質としており、保持部44のSOX保持材は、NOX触媒装置の回復処理の設定温度より高い温度に昇温させない限り保持したSOXを放出しないものとされている。
【0031】
例えば、硫黄成分検出装置の保持部44に担持されたSOX保持材は、アルカリ金属のうちで塩基性が特に高いカリウムKとして、NOX触媒装置に担持されたNOX保持材は、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としている。
【0032】
それにより、NOX触媒装置に担持されたNOX保持材は、回復処理の設定温度として約650°Cとされて周囲の酸素濃度を低下させると、保持しているSOXを放出するが、硫黄成分検出装置の保持部44に担持されたSOX保持材としてのカリウムKは、約700°Cとされて周囲の酸素濃度を低下させない限り、保持しているSOXを放出しない。
【0033】
こうして、下流側に配置されたNOX触媒装置2のS被毒回復処理が実施されても、保持部44におけるSOXの積算量がリセットされることはなく、硫黄成分検出装置4によって比較的長い期間の間に排気通路を通過したSOXの積算量を検出することができる。
【0034】
また、硫黄成分検出装置の保持部44に担持されたSOX保持材を、回復処理の設定温度が650°C以上のアルカリ金属として、NOX触媒装置に担持されたNOX保持材を、回復処理の設定温度が約600°Cのアルカリ土類金属としても良い。
【0035】
また、NOX触媒装置として、コージュライト又はメタルの基体上に、NOX保持材として、ゼオライト、アルミナ、ジルコニア、又はチタニア等の層に鉄Fe又は銀Agを担持させたものとすれば、このようなNOX触媒装置は、回復処理の設定温度として約500°Cとされれば、保持されているSOXを放出するために、硫黄成分検出装置の保持部44に担持されたSOX保持材は、回復処理の設定温度が600°C以上となるカリウム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とすることができる。
【0036】
また、硫黄成分検出装置4の保持部44は、NOX触媒装置2を設定温度に昇温してNOX触媒装置2から保持したSOXを放出させるNOX触媒装置の回復処理中において、保持したSOXが放出されないようになっていれば良く、例えば、保持部44に担持されてSOXを保持するSOX保持材と、NOX触媒装置2に担持されてNOX及びSOXを保持するNOX保持材とが同じ物質であっても、NOX触媒装置の回復処理中において保持部44を冷却する冷却手段(空気噴出手段又は冷却水循環手段等)が設けられていれば、保持部44は回復処理の設定温度へ昇温されないようにすることができ、周囲の酸素濃度が低下してもSOXを放出しないようにすることができる。
【0037】
こうして、NOX触媒装置2の回復処理が実施されても、硫黄成分検出装置4の保持部44からSOXが放出されないようにすると、硫黄成分検出装置4の保持部44のSOX保持量は、NOX触媒装置2のSOX保持量に対応しなくなるために、保持部44のSOX保持量に設定係数を乗算してもNOX触媒装置2のSOX保持量とすることはできなくなる。
【0038】
しかしながら、NOX触媒装置2の回復処理が実施されてNOX触媒装置2から全てのSOXが放出された時に、硫黄成分検出装置4の保持部44のSOX保持量M0を検出すれば、現在の保持部44のSOX保持量M1からM0を減算した値に設定係数を乗算すれば、NOX触媒装置2の現在のSOX保持量とすることができる。
【0039】
また、硫黄成分検出装置4の保持部44のSOX保持量をリセットすることが必要となれば、保持部44のための回復処理の設定温度へ保持部44を昇温して周囲の酸素濃度を低下させることにより、保持部44からSOXを放出させることができる。
【0040】
ところで、硫黄成分検出装置4の保持部44が排気ガス中のNOXを硝酸塩として保持する場合には、保持部44近傍に酸素が供給されると、排気ガス中のNOは、供給された酸素によりNO2に酸化され、次いで、硝酸塩として保持部44に保持され易くなる。機関運転状態によっては、ケース45内へ流入する排気ガスの酸素濃度が比較的低くなることがあるために、保持部44からのNOXの放出処理等のように意図的に排気ガスの空燃比がリッチにされる間を除いて、酸素ポンプ46を作動させて、保持部44近傍へ酸素を供給して排気ガス中のNOが保持部44に保持され易くすることが好ましく、特に、保持部44近傍の排気ガスの空燃比を約40以上とすることが好ましい。また、保持部44が低温であると排気ガス中のSOXを十分に保持しないために、機関始動直後には電気ヒータ43により保持部44を暖機することが好ましい。
【符号の説明】
【0041】
1 排気通路
2 NOX触媒装置
3 触媒装置
4 硫黄成分検出装置

【特許請求の範囲】
【請求項1】
排気通路を通過する排気ガス中のSOXを保持可能な保持部を具備し、前記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であって、前記排気通路には、排気ガス中のNOX及びSOXを保持するNOX触媒装置が配置され、前記NOX触媒装置を設定温度に昇温して前記NOX触媒装置から保持したSOXを放出させる前記NOX触媒装置の回復処理中において前記保持部からは保持したSOXが放出されないようになっていることを特徴とする硫黄成分検出装置。
【請求項2】
前記保持部に担持されてSOXを保持するSOX保持材と、前記NOX触媒装置に担持されてNOX及びSOXを保持するNOX保持材とは異なる物質とされ、前記保持部のSOX保持材は、前記NOX触媒装置の前記回復処理の前記設定温度より高い温度に昇温させない限り保持したSOXを放出しないものであ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】
image rotate

【図2】
image rotate


【公開番号】特開2011−242236(P2011−242236A)
【公開日】平成23年12月1日(2011.12.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−114111(P2010−114111)
【出願日】平成22年5月18日(2010.5.18)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】