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JP4710871B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
従来より排気ガス中のＳＯX濃度を検出するために機関排気通路内に配置されたＳＯX濃度センサが公知である。これら公知のＳＯX濃度センサは通常固体電解質を用いており、ＳＯXが硫酸イオンに変化することにより生ずる起電力を計測して排気ガス中のＳＯX濃度を検出するようにしている（例えば特許文献１を参照）。
特開２００４−２３９７０６号公報
しかしながらこのようなＳＯX濃度センサを用いた従来のＳＯX検出装置は高温のもとでしか作動せず、装置が大掛かりとなり、特にＳＯX濃度が低いときにはＳＯX濃度を検出しえないという大きな問題がある。このＳＯX濃度センサのように従来では排気ガス中のＳＯX濃度を瞬時に直接検出することばかりに目が向けられており、このように排気ガス中のＳＯX濃度を瞬時に直接検出しようとしている限りは上述した如き種々の問題が必然的に生ずる。
そこで本発明者は発想を転換し、瞬時のＳＯX濃度を検出するのではなくて、長い期間に亘る硫黄Ｓの積算量を検出することに目を向けたのである。そしてこのような発想の転換を行うと排気ガス中のＳＯX濃度を直接検出しなくても排気ガス中のＳＯX量を容易に推定しうることが判明したのである。
そこで本発明では、機関排気通路内に排気ガス浄化用触媒を配置した内燃機関において、燃焼室内に供給される燃料量よりも少量でこの燃料量に比例する燃料により硫黄検出用のサンプルガスを生成し、このサンプルガス中に含まれる硫黄を捕獲するセンサ部を有すると共にセンサ部に捕獲された硫黄の量をセンサ部の物性変化から検出可能なＳＯXセンサを具備しており、このＳＯXセンサの出力値から触媒に流入したＳＯX量を推定するようにしている。
触媒に流入したＳＯX量を容易に検出することができる。
図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルド、６は燃料タンクを夫々示す。排気マニホルド５は排気管７を介して排気浄化用触媒８に連結される。図１に示される実施例ではこの触媒８は触媒８の下流に配置された触媒にＳＯXが流入しないように排気ガス中に含まれるＳＯXを捕獲するＳＯXトラップ触媒からなる。
燃料タンク６には燃料供給ポンプ９が取付けられており、燃料供給ポンプ９から吐出された燃料は燃料分流器１０において噴射用燃料とサンプル用燃料に分流される。噴射用燃料は燃料供給管１１を介して各燃料噴射弁３に燃料を分配するためのコモンレール１２に連結され、サンプル用燃料は燃料供給管１３を介して排気管７の周りに形成されたサンプルガス生成室１４に連結される。このサンプルガス生成室１４内に供給されるサンプル燃料は燃焼室２内に供給される噴射用燃料よりも極めて少量でかつ噴射量燃料に比例している。
図１に示されるようにサンプルガス生成室１４内に空気を供給するためのエアポンプ１５が設けられており、燃料供給管１３から供給される燃料とエアポンプ１５から供給される空気によってサンプルガス生成室１４内には硫黄検出用のサンプルガスが生成される。また、サンプルガス生成室１４内にはサンプルガス中の硫黄を検出するためのＳＯXセンサ１６が配置されている。
電子制御ユニット２０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス２１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２４、入力ポート２５および出力ポート２６を具備する。ＳＯXセンサ１６の出力は検出回路２９において較正され、較正された出力が対応するＡＤ変換器２７を介して入力ポート２５に入力される。また、アクセルペダル３０にはアクセルペダル３０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ３１が接続され、負荷センサ３１の出力電圧は対応するＡＤ変換器２７を介して入力ポート２５に入力される。更に入力ポート２５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ３２が接続される。一方、出力ポート２６は対応する駆動回路２８を介して燃料噴射弁３、燃料供給ポンプ９およびエアポンプ１５に接続される。
図２はＳＯXセンサ１６による硫黄の検出原理を示している。ＳＯXセンサ１６のセンサ部はサンプルガス中の硫黄を捕獲しうる金属又は金属化合物から形成されており、図２（Ａ）はＳＯXセンサ１６のセンサ部を形成しているこの金属又は金属化合物を符号４０で模式的に示している。図２（Ａ）に示される金属又は金属化合物４０は硫黄を含まない金属又は金属化合物からなる。本発明による実施例ではこの金属又は金属化合物４０はアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、貴金属又はそれら金属の化合物からなる。
次にこの金属又は金属化合物４０としてアルカリ土類金属の一つであるバリウムＢａ又はその化合物を用いた場合を例にとって硫黄の検出方法について説明する。
バリウムＢａは大気中では酸化バリウムＢａＯとなっている。この酸化バリウムＢａＯは排気ガス中に置かれると排気ガス中に含まれるＣＯやＣＯ2によってただちに炭酸バリウムＢａＣＯ3に変化せしめられる。更にこの炭酸バリウムＢａＣＯ3は排気ガス中に含まれるＮＯXによって硝酸バリウムＢａ（ＮＯ3）2に変化せしめられる。
即ち、バリウムＢａが用いられた場合には図２（Ａ）に示される金属又は金属化合物４０は酸化バリウムＢａＯか炭酸バリウムＢａＣＯ3か又は硝酸バリウムＢａ（ＮＯ3）2であり、この金属又は金属化合物４０が排気ガス中に置かれた場合には硝酸バリウムＢａ（ＮＯ3）2となる。本発明による実施例では図２（Ａ）に示される金属又は金属化合物４０は酸化バリウムＢａＯからなる。
一方、燃料内には硫黄が含まれており、従ってサンプルガス中には硫黄が含まれている。この硫黄ＳはＳＯXの形で金属又は金属化合物４０に捕獲されて図２（Ａ）に示される硫黄を含む金属化合物４１に変化する。バリウムＢａが用いられた場合にはこの硫黄を含む金属化合物４１は硫酸バリウムＢａＳＯ4である。従って金属又は金属化合物４０がサンプルガス中に置かれている場合には図２（Ｂ）に示されるように酸化バリウムＢａＯからなる金属化合物４０の一部の酸化バリウムＢａＯが硫酸バリウムＢａＳＯ4に変化する。一般的に表現すると酸化物の一部が硫酸塩に変化する。この場合、金属化合物４１における硫酸塩の場合は時間が経過するにつれて、即ち捕獲される硫黄の量が増大するほど高くなる。
なお、サンプルガスの空燃比がリーンであり、即ちサンプルガス中に十分な酸素が存在し、サンプルガスの温度が３００℃程度よりも高いとサンプルガス中の硫黄がＳＯXの形で金属又は金属化合物４０、即ちＳＯXセンサ１６のセンサ部に捕獲されやすくなる。従って図１に示される実施例ではサンプルガスの空燃比がリーンとなるようにエアポンプ１５が制御され、ＳＯXセンサ１６のセンサ部の温度を硫黄がＳＯXの形で捕獲されやすい温度にするためにサンプルガスの温度を高めるべくサンプルガス生成室１４が排気管７の周りに形成されている。無論、サンプルガスの温度を高めるために電気ヒータ等の他の昇温手段を用いることができる。
一方、図２（Ｃ）は金属又は金属化合物４０が貴金属又はその化合物からなる場合を示している。この貴金属としてはパラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ或いは白金Ｐｔを用いることができ、図２（Ｃ）は一例としてパラジウムＰｄを用いた場合を示している。この場合には硫黄が捕獲されると金属酸化物ＰｄＯが硫化物ＰｄＳに変化する。
酸化物が硫酸塩に変化すると、或いは金属酸化物が硫化物に変化すると物性が変化し、従ってこの物性の変化から捕獲された硫黄の量を検出することができる。一方、前述したようにサンプルガス生成室１４に供給される燃料量は燃焼室２内に供給される燃料噴射量に比例しており、従ってサンプルガス中の硫黄の量がわかると排気ガス中の硫黄の量、即ち触媒８に流入するＳＯX量がわかることになる。
そこで本発明では、サンプルガス中に含まれる硫黄を捕獲するセンサ部を有すると共にセンサ部に捕獲された硫黄の量をセンサ部の物性変化から検出可能なＳＯXセンサ１６を設け、このＳＯXセンサ１６の出力値から触媒８に流入したＳＯX量を推定するようにしている。
次に図３から図６を参照しつつ計測すべき物性と、計測すべき物性に応じた検出方法の代表例について説明する。なお、これら図３から図６については図２（Ｂ）に示される如く酸化物が硫酸塩に変化する場合を例にとって説明する。
図３は計測される物性が電気的物性であり、計測される電気的物性が電気抵抗である場合を示している。
図３（Ａ）は硫黄Ｓの捕獲量と電気抵抗値Ｒとの関係を示している。図３（Ａ）に示されるように硫黄Ｓの捕獲量が増大するほど、即ち酸化物から硫酸塩への変化量が多いほど電気抵抗値Ｒが増大する。従って電気抵抗値Ｒから硫黄Ｓの捕獲量、即ち触媒８に流入したＳＯX量の積算値を求めることができる。
図３（Ｂ）は図１に示されるＳＯXセンサ１６の検出部を示している。図３（Ｂ）に示されるようにサンプルガス生成室１４内に配置されているＳＯXセンサ１６の検出部は一対の端子５０により支持された金属化合物片からなる検出用センサ部５１と一対の端子５２により支持された金属化合物片からなる参照用センサ部５３から構成される。検出用センサ部５１は酸化物から形成されており、参照用センサ部５３は硫酸塩から形成されている。サンプルガスが流通すると参照用センサ部５３は変化しないが検出用センサ部５１は酸化物が少しずつ硫酸塩に変化する。斯くして検出用センサ部５１の電気抵抗値Ｒは次第に増大していくことになる。
検出用センサ部５１の電気抵抗値Ｒは周囲の温度が高くなると高くなる。従ってこのような温度変化が電気抵抗値Ｒに与える影響を除去するために参照用センサ部５３が設けられており、例えば図３（Ｃ）に示されるようなホイーストンブリッジからなる検出回路２９（図１）を用いて検出用センサ部５１の電気抵抗値と参照用センサ部５３の電気抵抗値との差から硫黄Ｓの捕獲量を求めるようにしている。図３（Ｃ）に示すようなホイーストンブリッジを用いたときに電圧計５４に現われる電圧Ｖは図３（Ｄ）に示されるように硫黄Ｓの捕集量が増大するにつれて低下する。この電圧ＶがＡＤ変換器２７を介して入力ポート２５に入力される。
図４から図６は計測される物性が熱的物性であり、計測される熱的物性が熱容量および熱伝導性である場合を示している。
図４（Ａ）に示されるように硫黄Ｓの捕獲量が増大するほど金属化合物片からなるセンサ部の熱容量は減少する。従って図４（Ｂ）に示されるようにセンサ部の周囲の温度が上昇したときにセンサ部の中心温度の上昇率は硫黄Ｓの捕獲量が増大するほど高くなる。
図５（Ａ）はＳＯXセンサ１６の検出部を示している。図５（Ａ）に示される例では一対のリード線６０を有するサーミスタ素子６１と、一対のリード線６２を有するサーミスタ素子６３とが設けられている。更にこの例ではサーミスタ素子６１の周囲を金属化合物３０により包囲することによって検出用センサ部６５が形成されており、サーミスタ素子６３の周囲を金属化合物６６により包囲することによって参照用センサ部６７が形成されている。
この例では検出用センサ部６５周りの温度が変化したときのサーミスタ素子６１の抵抗値の変化の応答性から金属化合物６４の熱容量が推定され、参照用センサ部６７周りの温度が変化したときのサーミスタ素子６３の抵抗値の変化の応答性から金属化合物６３の熱容量が推定され、これら熱容量の差から硫黄Ｓの捕集量が求められる。
即ち、具体的に言うと図５（Ｂ）に示されるようなホイーストンブリッジを用いてサーミスタ素子６１の抵抗値とサーミスタ素子６３の抵抗値との差が電圧の形で求められる。この場合、この抵抗値の差を現わしている電圧計６８の電圧Ｖは図５（Ｃ）に示されるように検出用センサ部６５に捕獲される硫黄Ｓが増大するほど低下する。
図６に示される例では検出用センサ部６５と参照用センサ部６７とを夫々加熱するためのヒータ６９，７０が設けられている。この例では周囲の温度が変化しない場合でもこれらヒータ６９，７０を発熱させることによって金属化合物６４と金属化合物６６との熱容量の差を求めることができる。
また、検出用センサ部６５を高温にすると金属化合物６４から捕獲されているＳＯXが放出され、検出用センサ部６５が再生される。従ってこの例ではヒータ６９を発熱することによって検出用センサ部６５の温度を上昇させ、それによって検出用センサ部６５を再生することができる。なお、この場合、サンプルガスの空燃比を一時的にリッチにしても検出用センサ部６５を再生することができる。
図１に示される実施例ではＳＯXトラップ触媒８に流入したＳＯXはＳＯXトラップ触媒８に捕獲される。従ってＳＯXセンサ１６の出力値からＳＯXトラップ触媒８のＳＯX被毒量を推定することができる。図７はＳＯXトラップ触媒８のＳＯX被毒量を検出するためのルーチンを示している。
図７を参照するとまず初めにステップ８０において機関の運転状態に応じて算出されている燃料噴射量が読込まれる。この燃料噴射量からサンプルガス生成室１４に供給される燃料量がわかる。次いでステップ８１ではサンプルガスの空燃比を目標リーン空燃比とするのに必要な目標空気供給量が算出される。次いでステップ８２ではサンプルガス生成室１４内に供給される空気量がこの目標空気供給量となるようにエアポンプ１５が制御される。次いでステップ８３では例えば図３（Ｄ）においてＶで示されるＳＯXセンサ１６の出力値が読込まれ、ステップ８４ではこの出力値ＶからＳＯXトラップ触媒８のＳＯX被毒量が推定される。
圧縮着火式内燃機関を示す図である。 硫黄の検出原理を説明するための図である。 硫黄の検出方法を説明するための図である。 硫黄の検出方法を説明するための図である。 硫黄の検出方法を説明するための図である。 別の実施例を示すＳＯXセンサのセンサ部周りの側面断面図である。 ＳＯX被毒量を検出するためのフローチャートである。
符号の説明
２ 燃焼室
３ 燃料噴射弁
５ 排気マニホルド
７ 排気管
８ 触媒
９ 燃料供給ポンプ
１１，１３ 燃料供給管
１４ サンプルガス生成室
１５ エアポンプ
１６ ＳＯXセンサ

Claims (8)

  1. 機関排気通路内に排気ガス浄化用触媒を配置した内燃機関において、燃焼室内に供給される燃料量よりも少量で該燃料量に比例する燃料により硫黄検出用のサンプルガスを生成し、該サンプルガス中に含まれる硫黄を捕獲するセンサ部を有すると共に該センサ部に捕獲された硫黄の量を該センサ部の物性変化から検出可能なＳＯXセンサを具備しており、該ＳＯXセンサの出力値から上記触媒に流入したＳＯX量を推定するようにした内燃機関の排気浄化装置。
  2. 該サンプルガスの空燃比がリーンに維持される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 上記センサ部の温度を硫黄がＳＯXの形で捕獲されやすい温度にするためにサンプルガスの温度が高められる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 上記センサ部は、硫黄を捕獲したときに硫酸塩に変化する金属化合物からなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 上記金属化合物はアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属又は貴金属の化合物からなる請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 捕獲された硫黄の量により変化する上記センサ部の物性が、電気抵抗で代表される電気的物性又は熱容量および熱伝導性で代表される熱的物性である請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 上記センサ部が、硫黄を捕獲したときに硫酸塩に変化する検出用センサ部と、もともと硫酸塩とされている参照用センサ部からなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  8. 上記ＳＯXセンサの出力値から上記触媒のＳＯX被毒量が推定される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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