JP2001020728A

JP2001020728A - 排ガス浄化装置

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Publication number: JP2001020728A
Application number: JP2000192653A
Authority: JP
Inventors: Minoru Osuga; 大須賀　　稔; Mamoru Fujieda; 藤枝　　護; Nobuo Kurihara; 伸夫栗原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-06-22
Filing date: 2000-06-22
Publication date: 2001-01-23
Anticipated expiration: 2019-11-10
Also published as: JP3587137B2

Abstract

(57)【要約】【課題】内燃機関の触媒の長年の運転における劣化によ
る効率低下を防止するために、効率の低下を検出し、高
い効率を維持できるようにエンジン制御する。【解決手段】エンジン１の排気管２に触媒３が設置され
ている。触媒３の前後に排気ガス状態を検出するセンサ
７，８を設けている。このセンサ７，８は例えばλ＝１
でステップ的に出力が変化する酸素センサや、空燃比に
比例して出力が変化するセンサでもよい。この両者のセ
ンサの検出値をコントロールユニット９に取り込み、そ
の比較結果により触媒の浄化効率，劣化度を推定し、効
率が最適になるようにエンジン制御する。【効果】本発明によれば、長年の運転による触媒の効率
低下を正確に検出し、効率の低下を回避するようにエン
ジン制御するので、高い排気浄化特性を維持できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関の排気系に
設けたＮＯｘ浄化触媒の評価方法及びその評価装置及び
その触媒効率制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来提案されているＮＯｘ浄化触媒の効
率低下や劣化を推定する方法としては、特開平4−26541
4 号公報にみられるように、自動車の走行距離をパラメ
ータとし、走行距離がある値以上になるとＮＯｘ浄化触
媒の効率が充分低下したと見なしていた。

【０００３】また、ＮＯｘ浄化触媒に使用されるＨＣの
量が不足している時にＨＣの量を増加する方法が特開平
3−229914 号公報で提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術では走行距離等で触媒の評価を行っているため正確
な評価ができないといった問題がある。また、異なる特
性の触媒の双方の診断を正しく評価することについての
配慮がなされていない。

【０００５】また、ＨＣの量の不足に関しては触媒の評
価と関係なくＨＣの量を制御していたので、これも正確
な状態でＨＣの量の制御ができないという問題があっ
た。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題は、内燃機関の
排気系に設けられ、排気ガス成分を浄化するＮＯｘ触媒
と、三元触媒又は酸化触媒の少なくともいずれか２つの
組合せによりなる複合触媒を有し、前記複合触媒の上
流，下流および前記複合触媒の間に配設された排気ガス
特定成分を検出するセンサ出力のいずれか２つの組合せ
に基づいて前記複合触媒を構成する触媒の評価を行う触
媒の評価方法において、前記ＮＯｘ触媒と前記三元触媒
又は酸化触媒の診断のための運転域を異なるものとした
ことを特徴とする触媒の評価方法により解決される。

【０００７】また、他の課題は、内燃機関の排気系に設
けられ、排気ガス中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒
を備えたものにおいて、前記ＮＯｘ浄化触媒の評価を行
い、その結果、浄化効率が低下していると判断されたと
き、アシストエア噴射弁のアシストエア量、又は、スワ
ール通路流量の少なくともいずれかを制御することによ
り、前記ＮＯｘ触媒へ供給されるＨＣの量を増加するよ
うにしたことを特徴とする触媒効率制御方法により解決
される。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１に本発明の全体システムの一
実施例を示す。エンジン１の排気管２に触媒３が設置さ
れている。触媒３はリーン空燃比でのＮＯｘを浄化する
リーンＮＯｘ触媒４と理論空燃比でＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣ
を浄化する三元触媒又は酸化触媒５が配置されている。
この両者を切換弁６で運転状態により使いわけるように
構成する。リーンＮＯｘ触媒としては例えば、銅−ゼオ
ライト系に金属を担持したものが考えられる。この触媒
は一般的に高温，リッチ空燃比で劣化するという特性を
持っている。このため、出力運転域，始動暖機時等では
リーンＮＯｘ触媒をバイパスした方が良い場合がある。
このため切換弁６を設けている。リーン運転域では、切
換弁６を閉じて排気ガスをリーンＮＯｘ触媒に供給する
ようにする。また、混合気が濃くなるエンジンの出力運
転域，始動暖機時には切換弁６を開いて、排気ガスを後
流の三元触媒あるいは酸化触媒に供給するようにする。
このリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘの転換効率を検出するた
めに、例えば触媒３の前後に排気ガス状態を検出するセ
ンサ７，８を設けている。このセンサ７，８は例えば空
気過剰率λ＝１でステップ的に出力が変化する酸素セン
サや、空気過剰率に比例して出力が変化する空燃比セン
サでもよい。この両者のセンサの検出値はコントロール
ユニット９に取り込まれて、その比較結果により触媒の
浄化効率あるいは劣化度を推定する。エアクリーナ１０
から流入する空気はその量を空気量センサ１１により測
定されたあと、電動モータ１２で駆動されるスロットル
１３を介してコレクター１４に流入する。その後独立吸
気管１５を通りエンジン１に吸入される。吸気ポート部
１６には、スワール生成のためのバイパス通路１７と分
流弁１８が設けられている。リーン運転領域では、燃焼
室内に旋回流つまりスワールを形成し燃焼を改善する必
要がある。このため、このようなときは分流弁１８を閉
じて空気をバイパス通路１７を通るようにする。空気に
偏流が起こるので結果的に燃焼室内にスワールが生成さ
れる。燃料は燃料噴射弁１９から供給される。混合気へ
の点火は点火プラグ２０で行われる。エンジンの回転数
検出のためのクランク角検出器２１がクランク軸２２に
設けられている。

【０００９】図２にリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘのＮ₂ へ
の転換効率を示した。図２（Ａ）は触媒温度と転換効率
の関係を示したものである。この触媒はある温度範囲で
高い効率を示す。しかし、この高い効率を示す温度は触
媒が劣化すると高温側に移行するという特性がある。こ
の様子を図２（Ｂ）に示す。最高効率を示す温度が走行
距離が多くなるつまり劣化するに従って高くなっている
のがわかる。また、図３（Ａ）に排気ガス内のＨＣ量と
転換効率の関係を示す。ある量のＮＯｘに対してはＨＣ
量に最適な値があり、この点になるようにＨＣ量を制御
する方が高い浄化率が得られる。しかし、この最高転換
率を示すＨＣ量も図３（Ｂ）に示すように劣化すると変
化してしまう。このことから劣化を検出してＨＣ量をそ
れに応じて変化させる必要がある。

【００１０】次に、触媒の転換効率，劣化度を検出する
方法について説明する。図４（Ａ）に示したように、排
気管３内に設置されたリーンＮＯｘ触媒４のエンジン側
３０の排気ガス成分は、ＮＯｘ還元に関するもののみを
あげるとＮＯｘ，ＨＣ，Ｏ₂となる。図４（Ｂ）にガス
の分子を模式的に示した。窒素はＮ，未燃炭化水素はＨ
Ｃ，酸素は○印で示した。触媒上では、ＨＣと酸素が反
応して、中間生成物（四角で囲んだＨＣで表示。）とな
りこれがＮＯｘに作用してＮ₂ に分解する。このため、
触媒の下流３１の排気ガスはＮ₂，Ｈ₂Ｏ，ＣＯ₂ とな
り、ＮＯｘは還元されていることがわかる。この場合図
４（Ｂ）に示したように、触媒の前後で酸素の濃度が変
化する。したがって転換効率の変化を検出する検出法の
一例としては、このリーンＮＯｘ触媒前後の酸素濃度を
検出する方法が考えられる。

【００１１】図５に検出の原理を示す。図５（Ａ）に示
したように酸素濃度を検出するセンサ７，８を触媒の前
後に装着する。センサ７，８の構成は、例えばジルコニ
アの固体電解質３２の両側に白金電極３３ａ，３３ｂが
設けられている。この電極のうちの排気ガス側の電極３
３ａの排気側にガスの拡散を律する拡散抵抗体３４が形
成されている。電極３３ａを接地側として排気管３等の
筺体に接続する構成とする。この場合、もう一方の電極
に所定の電位を印加するとこの時の電流値が排気ガス側
の酸素濃度に比例するようになる。つまり電流値を検出
することによって酸素濃度を測定できる。センサ８の構
成，動作原理もセンサ７と同じである。

【００１２】図５（Ｂ）に排気ガス組成の模式図を示し
た。（イ）のように反応前には窒素，ＨＣ，酸素が共存
している。しかし、センサ７の電極３３ａ上では、白金
の触媒作用でＨＣがほぼ完全に酸化される、このため
（ロ）に示したように検出される酸素濃度は、反応した
酸素が少なくなっている一点鎖線で囲んだ量となる。一
方触媒４の後流では（ハ）に示したように、ＨＣはほぼ
完全に反応し、なおかつＮＯｘの還元により分解した酸
素があるために、検出される酸素濃度は一点鎖線で囲ん
だ量となるので（ロ）の状態よりは多くなっている。こ
のため（ロ）(ハ)の一点鎖線で囲んだ酸素量を比較する
とわかるように、触媒４の前後で検出される酸素量が異
なっている。図５（Ｃ）に示したように酸素量を検出す
るセンサの信号は、異なった値を示すようになる。

【００１３】図６に劣化度あるいは転換効率の検出の原
理を示す。図６（Ａ）は装置の概略である。センサ７，
８の電極３３ｂに所定の電圧Ｖを印加する、この時固定
抵抗Ｒ₁，Ｒ₂に流れた電流の電圧降下分をＶ₁，Ｖ₂ と
して差動増幅器３６，３７で検出する。このＶ₁，Ｖ₂
がそれぞれのセンサ７，８の固体電解質３２に流れる電
流値すなわち検出される酸素濃度である。このＶ₁，Ｖ₂
の差を再び差動増幅器３９で検出する。この差Ｖ₂−Ｖ₁
が劣化度に関連する値である。このセンサは、図６
（Ｂ）に示したように、酸素濃度によって出力が変化す
るものなので、触媒４の前後の酸素濃度の差が検出でき
る。その様子を図６（Ｃ），図６(Ｄ)に示す。Ｖ₂の方
が酸素濃度が多い分だけ高い出力となっている。ここ
で、触媒前のセンサ７の出力Ｖ₁は空燃比制御に用いる
ことができる。もちろん、触媒後センサ８の出力Ｖ₂を
も併せ空燃比制御に用いてもよい。またここでは、Ｖ₁
とＶ₂の差を差動増幅器３９で検出しているが、Ｖ₁，Ｖ
₂ をアナログ−ディジタル変換器で変換しマイクロコン
ピュータに取り込んで、その差分を演算処理により求め
てもよい。その場合のフローチャートを説明する。まず
初めに図７は空燃比制御する場合のフローチャートであ
る。まずステップ１００でＶ₁を測定し、ステップ１１
０で図７（Ｂ）に示したような目標空燃比（Ａ／Ｆ）に
対するセンサの目標出力Ｖref を、エンジン回転数Ｎと
負荷のマップから検索してくる。ステップ１２０でＶ₁
とＶrefを比較し、Ｖ₁が大きければ現在の空燃比が目標
よりリーン側になっていると判断して、ステップ１３０
で燃料噴射量Ｔｉを増加して空燃比をリッチ側に移行す
る。また、Ｖ₁が小さい場合は、現在の空燃比がリッチ
側になっていると判断しステップ１４０でＴｉを減少す
る。以上のようにＴを決定してステップ１５０で燃料噴
射弁１９に出力する。このようにして、転換効率あるい
は劣化を検出するセンサを用いて空燃比制御が実現でき
る。

【００１４】次に図８に触媒の劣化を検出するためのフ
ローを示す。ステップ２１０でＶ₁，Ｖ₂を測定し両者の
差を演算する。次にステップ２２０でこの差が所定値以
下の場合、ステップ２３０に進み触媒によるＮ₂ の還元
作用による酸素の増加分が少なかったと判断し触媒が劣
化したと推測する。つまり、劣化と判断しその劣化度を
表示する。触媒前後の酸素濃度差、つまりＶ₁，Ｖ₂の差
が大きい方が触媒の還元作用が強く、劣化していないこ
とになる。

【００１５】図９に精度を向上した劣化判定法を示す。
ステップ３００でＶ₁，Ｖ₂の差を計算し、ステップ３１
０で触媒温度Ｔｃまたは排気ガス温度がある範囲内にな
っているかを判定する。これは、図２に示すように、触
媒の転換効率は温度に依存するので温度が変わった場合
効率の低下と判断する可能性があるためである。このた
め、いつも所定の温度範囲内にある場合のみ劣化判定を
実現するようにする。またこのことは、センサの温度特
性を無視できるという意味においても有効である。温度
がある範囲内にあると判断した後の劣化判定は図８と同
じである。つまり、ステップ３２０でＶ₂−Ｖ₁の差が基
準値以下であればステップ３３０で劣化と判定し、更に
ステップ３４０でこの差に対応した劣化度を表示する。

【００１６】次に図１０に別の検出法を示す。ここで用
いるセンサは図１０（Ｂ）に示すように酸素濃度（空燃
比）に対して非線形な出力特性を持つ酸素センサであ
る。このようなセンサの場合は、センサ７，８の排気側
の電極４０ａ上に設けられた拡散膜４２は簡単なもので
十分である。具体的には図５の拡散膜３４より薄い層で
よい。図１０（Ａ）に示した装置では、このような出力
が２値形の酸素センサを用いている。このようなセンサ
では排気側の電極４０ａを接地し、もう一方の電極４０
ｂに発生する電圧（起電力）Ｖ₁，Ｖ₂ を検出する。こ
の両者のセンサの電圧の差を基に劣化度を検出する。よ
り具体的には図１０（Ｂ）にあるように排気ガスが理論
空燃比よりうすい時のＶ₁，Ｖ₂ を測定し、差動増幅器
４４で出力値の差を検出するようになっている。しか
し、前述したように、マイクロコンピュータに取り込ん
で両者の差を演算で求めてもよい。この差により触媒の
劣化度を推定する。図１０（Ｃ），図１０（Ｄ）に
Ｖ₁，Ｖ₂ の出力例を示す。触媒後の出力は図１０
（Ｄ）に示したように、ガス中に酸素が相対的に多く含
まれているので、図１０（Ｃ）に示した出力値より小さ
くなっている。このＶ₁，Ｖ₂ の差が劣化度に関連した
指標となる。

【００１７】図１１に更に別の実施例を示す。この場合
は前置触媒５３と後流の後置触媒５４を直列に配置した
構成のもので、センサ５０，５１，５２をそれぞれ３個
配置した。前置触媒５３の効率および劣化はセンサ５
０，５１で前述した方法で検出する。また、後置触媒５
４の効率および劣化はセンサ５１，５２でまたは、セン
サ５０，５２で検出するようにする。このような配置に
することにより、複合触媒システムの劣化診断が可能に
なる。触媒の種類としては前置触媒５３をNOx還元触媒
として後置触媒５４を三元触媒または酸化触媒とする。
この場合、NOx還元触媒５３の劣化を判断する方法は前
述したようにセンサ５０，５１の検出出力を比較するこ
とにより行う。また、後置触媒５４の劣化判断にはセン
サ５１，５２の信号を使用するか、またはセンサ５０，
５２を用いて後置触媒５４の診断をしてもよい。センサ
５０，５１，５２の信号はマイクロコンピュータ９に取
り込まれ、演算処理される。この場合の制御フローチャ
ートを図１２に示す。NOx還元触媒５４はリーン運転域
でＮＯｘ浄化の触媒作用を示すので、ステップ400でリ
ーン運転域を判断してリーン運転域の場合は診断モード
を開始する。つまりステップ４１０で触媒５３の前後の
センサ５０，５１の信号Ｖ₁，Ｖ₂ を測定しステップ４
２０で劣化度を診断する。この診断は図８，図９のフロ
ーチャートを用いる。その後該当触媒の劣化度をステッ
プ４３０で表示する。また、後置触媒の場合はステップ
４４０で空気過剰率λ＝１での運転時に劣化を判断す
る。この運転状態の時にはステップ４５０でセンサ５
０，５２の出力Ｖ₁，Ｖ₃ を測定し、その信号を基にス
テップ４６０で劣化を診断する。またこの場合、センサ
５１，５２の出力Ｖ₂，Ｖ₃ を測定して同様に劣化を判
断してもよい。以上のように、複数の触媒を用いる複合
触媒システムでは、それぞれの触媒が作用する領域の時
にその触媒の効率または劣化を診断する方法がよい。

【００１８】図１３に更に別の実施例を示した。この場
合は、複数の触媒が並列に配置されている。触媒５５，
５６は並列に配置されており、負荷や電動で動作するア
クチュエータ５８で駆動される切換弁５７で運転状態に
応じて選択的にガスを流す触媒を選択する。例えば、触
媒５６に排気ガスが流れるように切換弁５７Ａが開かれ
ていると、触媒５５には排気ガスが流れないように切換
弁５７Ｂが閉じている。この場合は、触媒５６が動作す
べき運転状態の時に、センサ５８，５９の信号を基に触
媒５６の効率や劣化を判断する。また、切換弁５７Ａ，
５８Ｂを回転することにより、触媒５５にガスが流れる
ようにした場合は、触媒５６にはガスが流れなくなる。
この場合は、触媒５５の動作すべき運転状態の時にセン
サ５８，５９の信号を基に触媒５５の効率や劣化を判断
する。アクチュエータ５８の動作、センサ５８，５９の
信号の取り込み、演算はマイクロコンピュータ９で行
う。

【００１９】その場合のフローチャートを図１４に示
す。図１３の触媒の一方をＮＯｘ還元触媒、もう一方を
三元触媒あるいは酸化触媒とした場合について説明す
る。まずステップ５００でリーン運転域かどうかを判断
し、リーン運転域の場合はステップ５１０で切換弁５７
Ａを動作させＮＯｘ還元触媒に排ガスを供給する。その
後条件が成立したらステップ５２０でセンサ５８，５９
の信号を測定してステップ５３０でＮＯｘ触媒用の劣化
診断を行いステップ５４０で診断結果を表示する。

【００２０】また、リーン運転以外の場合はステップ５
５０で切換弁５７Ａを閉じ、逆に切換弁５７Ｂを開くよ
うに切り換えて三元触媒に排気ガスを流すようにする。
その後、ステップ５６０で理論空燃比λ＝１の運転状態
であるかどうかを判断し、λ＝１の場合はステップ５７
０でセンサ５８，５９の信号を測定してステップ580で
三元触媒用の劣化診断を行い、その後ステップ５４０で
診断結果を表示する。

【００２１】図１５に更に別の方法を示した。センサ６
１の一方に触媒６０の上流のガスを導き、もう一方の面
に触媒下流のガスを導くように構成し、一個のセンサで
触媒前後のガス中の酸素濃度の差を検出するようにして
いる。ここで、排気管３のガスのほとんどは触媒に流れ
る。しかし、その一部は通路６２を流れてセンサ６１の
一方側に設けられたチャンバ６３に導かれる。そのガス
は、触媒の前流に設けたベンチュリ６５の吸引作用で、
通路６２，チャンバ６３，通路６４と流れる。

【００２２】一方センサ６１の排気管側には、触媒６０
の後流のガスが導かれる。このセンサ６１の構造を図１
５（Ｂ）に示す。センサの左側には触媒上流のガスが導
かれ、右側には触媒後流のガスが導かれるようにする。
このセンサはジルコニアの固体電解質６６の両側に白金
の電極６７ａ，６７ｂが設けられており、さらにその外
側には多孔質の保護膜６８ａ，６８ｂが設けられてい
る。固体電解質６６の両側とも触媒作用があり、ＨＣを
酸化させることができる。このようにすることにより、
固体電解質６６では酸化した後の残存酸素を検出するこ
とになる。この場合両側の酸素濃度の差を検出すればよ
いので、酸素濃淡電池である固体電解質は好都合であ
る。更に、一方側の電極６７ｂを接地し、もう一方の電
極６７ａの電位を測定すれは、その検出値は酸素の濃度
差を示すことになる。この測定した電位はマイクロコン
ピュータ９に取り込んで処理される。

【００２３】センサ６１の更に具体的構成を図１６に示
す。保護管７０の中にセンサが配置されている。触媒後
流の排気ガス側の電極６７ｂは絶縁材７１にプリントさ
れた導線を介して保護管７０により接地される。また、
もう一方の触媒前流の排気ガス側の電極６７ａはコネク
タ部６９から外部に導かれる。センサ本体は排気管７２
に固定的に捩じ込まれる。このような構成にすることに
より、触媒前後の排気ガスをセンサのそれぞれの面に導
くことができる。このセンサは酸素濃淡電池なのでセン
サの両側の酸素濃度の差によって、図１６（Ｂ）のよう
な特性を示す。センサが劣化しない場合は、図５に示し
たようにＮＯｘの酸素が還元されるので、触媒後流の排
ガス中の酸素濃度が大きくなる。センサの両側の酸素濃
度差が大きい場合は、（イ）のようにセンサの出力は低
くなる。一方、両側の酸素濃度差が小さい場合は、固体
電解質６６に起電力が発生し（ロ）のように出力は大き
くなる。このため、図１６（Ｃ）に示したように経過時
間がたつにつれて、センサの出力は大きくなる。これを
検出すれば、触媒の劣化を検出できる。このように、一
個のセンサで検出すると、検出面が温度的に同一になっ
ているので検出の温度依存性が少なくなり、検出精度が
向上する。

【００２４】図１７に検出のフローチャートを示す。ま
ずステップ６００でリーン運転域かどうか判断し、さら
にリーン運転の場合はステップ６１０で排気ガス温度Ｔ
ｇがある所定値内にあるかどうかを判断する。温度があ
る所定値の範囲内になっている場合はセンサも活性化さ
れているし、触媒の温度依存性を回避することができ
る。このようにセンサが活性化する温度のみを選ぶこと
によりセンサにヒータを設ける必要がなくなる。その
後、ステップ６２０でセンサの出力を測定し、ステップ
６３０で劣化度を判定する。この判定法は、検出したセ
ンサの出力値がある基準値以上かあるいは以下かを判定
することで行える。そしてステップ６４０で劣化度を判
定してその度合い表示する。

【００２５】図１８に更に別の実施例を示す。リーン運
転時には、切換弁６を閉じることにより排気ガスはＮＯ
ｘ還元触媒４に流れ、その後流にある三元触媒５に流れ
る。

【００２６】この時、切換弁６を多少ガスが漏れるよう
に作っておき、図１６（Ａ）に示すようなセンサ７３に
触媒４に上流のガスが流れるようにする。また、センサ
７３のもう一方の面には触媒４を通ったガスが流れるよ
うになっている。センサの信号はマイクロコンピュータ
９に取り込まれて演算処理される。また、切換弁６を開
くと排気ガスはＮＯｘ還元触媒４には流れずに三元触媒
にのみ流れるようになる。

【００２７】図１９に別の実施例を示す。ここでは、切
換弁６の上流に図１６（Ａ）に示すようなセンサ７３を
配置する。この切換弁６は、マイクロコンピュータ９の
指令により駆動装置７４を介して駆動される。センサ７
３には触媒前後のガスが導かれるようになる。切換弁６
の位置をセンサ７３の後流に持ってきたのは、センサ７
３の触媒前流側の面に触媒４後流のガスが流れ込まない
ようにするためである。

【００２８】図２０に更に別の実施例を示した。リーン
運転時は切換弁７５を開いて排気ガスをＮＯｘ還元触媒
４に流す。この場合、センサ７８の触媒４の後流の排気
ガス面には触媒後流のガスが流れるようになる。しか
し、切換弁７５からはガスが少し排気管７６の方に流れ
るので、センサ７８の触媒４の前流排気ガス面には触媒
上流のガスが流れるようになっている。リーン運転以外
の運転状態では切換弁７５を点線のように切り換えて排
気ガスを排気管７６の方に流す。排気管７６には三元触
媒５が配置されている。このような構成でも一個のセン
サで触媒の劣化を検出できる。

【００２９】次に触媒の劣化および効率を検出した後に
効率を向上させるためのエンジン制御法について説明す
る。図２１はそのシステムの全体面である。触媒４の前
後にセンサ７，８が取り付けられている。また、ガスの
温度を検出するセンサ８０が排気管に取り付けられてい
る。触媒の劣化をセンサ７，８の出力から判断したあと
に、図２で示したように、効率が最高となる温度，ＨＣ
濃度に制御する必要がある。このための方法について説
明する。温度を制御する方法としては、一つとしてエン
ジン１の冷却水８６の循環を制御する方法がある。制御
弁８７により冷却水の循環量を少なくするとエンジン１
の燃焼温度が上がって排気温度が上昇する。つまり触媒
４が劣化したと判断されたら冷却水の循環を制御して排
気ガス温度を上昇させ、効率の低下を防止する。また、
温度を制御する別の方法は、点火装置８４，点火プラグ
２０による点火時期を制御することが考えられる。点火
時期を遅らせると排気温度は上昇する。つまり、触媒が
劣化したら点火時期を多少遅らせて排気温度を上昇させ
効率の低下を防止する。また、劣化により要求ＨＣ量が
変化するので、劣化した場合はＨＣ量を増加しなければ
ならない。その方法を次に説明する。噴射弁１９の燃料
噴射タイミングを変化させるとＨＣ排出量が変化するの
で、劣化した場合はコントローラ９により設定燃料噴射
タイミングを変化させる。さらに、噴射弁１９が気流に
より燃料を微粒化するエアアシスト噴射弁の場合は、ア
シストエアを減量するか停止すると燃料の微粒化が悪く
なるので、ＨＣ排出量が増加する。また、分流弁１８が
閉じてスワール通路１７を吸気を通すようにすると燃焼
室内に旋回流が生成され燃料が改善される。このため、
分流弁１８を半開きにすることにより、スワール通路１
７以外を通る空気を増加させることにより、燃焼を悪化
させる。このことによりＨＣ排出量が増大する。

【００３０】さらに、冷却水の循環量を多くしエンジン
を冷却するとＨＣ排出量が増加する。また、点火時期を
早めてもＨＣ排出量は増加するので、触媒が劣化したら
その劣化の度合いに応じて点火時期を早めてもよい。ま
た、排気側でも触媒温度，ＨＣ排出量を増大することが
できる。燃料タンク８２内の上部に溜っている燃料の気
化分をポンプ８３などで触媒上流の排気管に供給する。
気化燃料はＨＣなので、触媒に供給することで触媒の効
率を向上することができる。さらに、気化燃料は軽質の
ＨＣなので燃焼しやすく、燃焼することによって触媒温
度が上昇する。

【００３１】温度を上昇させる別の方法として、触媒を
電気ヒータ８８で加熱する方法がある。コントローラ９
からの信号により駆動回路８１でヒータに電気を供給す
る。ヒータが加熱され、触媒温度は上昇し効率は向上す
る。このヒータは触媒の担体を導電性の材料で作って、
電気を流すようにしてもよい。

【００３２】図２２に触媒の温度を変える別の方法を示
した。これは排気管３に燃焼器を設けた構成を採用して
いるもので、点火装置のための駆動回路９０からの電圧
で点火プラグ９１で火花が形成される。燃料噴射弁９２
から燃料が燃焼器９３内に噴射される。また、燃焼器９
３にはポンプ９４で空気を供給する。チャンバ９３に噴
射された燃料は、点火プラグ９１により着火されて触媒
前の排気管内に火炎が形成される。この火炎により触媒
の温度が上昇する。また、図中には電気ヒータ８８の構
成も示されている。触媒４の外側を包むようにして電気
ヒータ８８を構成することにより触媒を加熱することが
できる。尚、それぞれの方法は、組み合わせてもよいが
それぞれ独立でもよい。つまり、どれか一つの方法のみ
でも成立する。

【００３３】図２３に制御のフローチャートを示す。ス
テップ７１０で触媒の劣化度を検出したら、ステップ７
２０でその劣化度に応じてＨＣの増減が必要かを判断す
る。必要と判断された場合はステップ７３０で劣化度に
応じてＨＣの増減量を決定する。その後、ステップ７４
０で図２１，図２２に示したＨＣ増減手段のどれか一つ
またはいくつかを組み合わせて触媒へのＨＣ供給量を増
減する。一般的にNOx還元触媒が劣化した場合は、その
効率を確保するために触媒へのＨＣ供給量は増加させる
必要がある。尚、ステップ７１０で、触媒の劣化度を検
出したら、ステップ７５０でその劣化度を表示する。

【００３４】図２４に触媒の温度を変更させるための制
御フローを示す。ステップ８００で触媒の劣化度を検出
したら劣化度を表示するとともに、ステップ８１０で触
媒動作温度を変更する必要があるかどうか判断する。必
要と判断するとステップ820で温度変化量を決定した
ら、ステップ８３０で図２１，図２２に示した温度変更
手段のどちらか一つまたはいくつかを組み合わせて触媒
の温度を変更する。その後、ステップ８４０で所定温度
になったかどうかを判断し、所定温度になったらフロー
を終わる。

【００３５】図２５に触媒の転換効率が常に最高の状態
になるように制御する方法のフローを示す。まずステッ
プ９００でリーン運転域かどうかを判断し、リーン運転
の場合は次にステップ９１０で定常運転かどうかを判断
する。リーン運転中で定常運転の場合は、ステップ９２
０で触媒の効率を測定するセンサの信号をリードし、ス
テップ９３０で触媒の転換効率を見積もる。次にステッ
プ９４０で効率が低くなっている場合は、ステップ９５
０で触媒温度，ＨＣ供給量をかえる効率変更変手段によ
りそれぞれのパラメータを制御する。その後、ステップ
９６０で効率が向上したかどうか判断し、向上した場合
はパラメータを変更したままにして終了し、また、効率
が向上しなかったら、ステップ９７０でパラメータを変
更しないまえの状態に戻して終わる。このようにするこ
とにより、常に転換効率のよい状態でエンジンを運転す
ることができる。

【００３６】図２６に効率，劣化度の別の検出法を示
す。図２６（Ａ）において触媒４前後のセンサ７，８の
出力信号の変動幅ΔＶを比較するものである。図２６
（Ｂ），図２６（Ｃ）に示すように触媒４の上流の酸素
濃度が変動している場合、その変動の状況はセンサ７の
変動幅ΔＶ₁ の大きさでわかる。触媒が新しい場合は、
ＮＯｘ還元の反応が活発なために触媒４後流の酸素濃度
も大きく変動する。しかし、触媒が劣化してくるとＮＯ
ｘの還元作用が鈍くなるので、酸素濃度の変化はあまり
なくなる。そこで、触媒４後流のセンサ８の出力信号の
変動幅ΔＶ₂ が小さくなる。この変動幅の変化を検出し
て、触媒の劣化度を検出する。そのフローチャートを図
２７に示す。ステップ１０００でリーン運転域でかどう
か判定し、リーン運転域で触媒が所定温度域であるとス
テップ１０１０で判定すると、ステップ１０２０でΔＶ
₁，ΔＶ₂ を検出して計算する。その後ステップ１０３
０でΔＶ₂／ΔＶ₁ を計算する。次にステップ１０４０
でこの値が所定値以下の場合は効率が低下したと判断
し、ステップ１０５０で劣化度表示を行うと共にステッ
プ１０６０で効率向上手段を動作させる。尚、効率を判
断する場合は、効率向上手段の制御を省略することがで
きる。

【００３７】図２８に更に別の劣化度，効率の検出手段
を示す。図２８（Ａ）においてエンジン１に供給される
空燃比を、燃料噴射弁１９の噴射量，スロットル開度を
故意に変えることにより変化させて、その時の触媒４の
前後のセンサ７，８の信号の挙動の差から触媒の劣化度
を検出する。図２８（Ｂ）に示したように、空燃比をス
テップ的に変化させた場合、センサ７，８の出力もステ
ップ的に変化する。しかし、触媒が劣化している場合に
は、触媒前後のセンサ７，８の応答の違いが、劣化して
いない場合に比べ変化して来る。例えば、図中の実線は
空燃比に対して線形な出力を示すセンサの挙動を示した
ものであるが、応答の時定数τの違いが劣化すると大き
くなる。また、点線は通常の酸素センサの出力の挙動を
示したものであるが、ここでも応答の時定数τの違いが
劣化すると大きくなる。図２８（Ｃ）は供給側の空燃比
をランダムもしくはある規則に従って変化させる。この
時のセンサ７，８の信号の変化の相関性から触媒の劣化
度を検出する。センサ８の信号がセンサ７の信号に比べ
て大きく崩れて（鈍って）いる場合は、触媒が劣化して
いると判断できる。その時のフローチュートを図２９に
示す。ステップ１１００でリーン運転域及び定常運転と
判断すると、ステップ１１１０で触媒が所定温度域か判
断する。次にこれを満足するとステップ１１２０でエン
ジンへの供給空燃比を変更する。次にステップ１１３０
でこの時の触媒前後のセンサの信号Ｖ₁，Ｖ₂ の変化時
間τの挙動の違いから、図２８に示した方法で触媒の劣
化度を検出する。ステップ１１４０で劣化している場合
は、ステップ１１５０で劣化度を表示し、次にステップ
１１６０で図２１，図２２に示した効率を向上する手段
を動作させる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、各触媒に対して使用動
作環境に適した的確な診断が可能となる。また効率の低
下を回避するようにエンジン制御を実行することがで
き、高い排気浄化特性を維持できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】全体のシステム図。

【図２】触媒の転換効率の特性図。

【図３】触媒の転換効率の特性図。

【図４】触媒浄化の原理を説明する図。

【図５】本発明の劣化検出の原理を説明する図。

【図６】本発明の検出方法の概要図。

【図７】本発明のフローチャート。

【図８】本発明のフローチャート。

【図９】本発明のフローチャート。

【図１０】本発明の他の検出方法の概要図。

【図１１】本発明の他の検出装置の概要図。

【図１２】図１１の制御のフローチャート。

【図１３】本発明の他の検出装置の概要図。

【図１４】図１３の制御のフローチャート。

【図１５】本発明の他の検出方法の概要図。

【図１６】図１５の検出用センサの構成図。

【図１７】図１５の制御のフローチャート。

【図１８】本発明の他の検出方法の概要図。

【図１９】本発明の他の検出方法の概要図。

【図２０】本発明の他の検出方法の概要図。

【図２１】全体のシスシム図。

【図２２】全体のシスシム図。

【図２３】図２１，図２２の制御のフローチャート。

【図２４】図２１，図２２の制御のフローチャート。

【図２５】図２１，図２２の制御のフローチャート。

【図２６】本発明の他の検出方法の概要図。

【図２７】図２６の制御のフローチャート。

【図２８】本発明の他の検出方法の概要図。

【図２９】図２８の制御のフローチャート。

【符号の説明】

４…ＮＯｘ還元触媒または三元触媒、５…三元または酸
化触媒、７，８…センサ、９…コントロールユニット、
１７…スワール生成通路、３２…固体電解質、３４…拡
散抵抗体、５０，５１，５２…センサ、５７…排気切換
弁、８２…燃料タンク、８８…ヒータ、９１…点火プラ
グ、９２…燃料噴射弁。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年７月２１日（２０００．７．２
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】排ガス浄化装置

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題は、リーン内燃
機関の排ガスダクトに設けられリーン燃焼時にＮＯｘを
浄化する触媒と、該内燃機関がリーン運転中であるかど
うかを判断する手段と、リーン運転中であると判断され
たときに触媒評価を開始する手段と、空燃比を変化さ
せ、センサを用いて該触媒が作用する領域における該触
媒の効率又は劣化を診断する手段とを備えることを特徴
とする排ガス浄化装置によっても解決される。また上記
課題は、リーン内燃機関の排ガスダクトに設けられリー
ン燃焼時に排ガス中のＮＯｘを浄化する触媒と、内燃機
関がリーン運転中であるかどうかを判断する手段と、リ
ーン運転中であると判断されたときに触媒の評価を開始
する手段と、リーン運転時に空燃比を変化させ、酸素セ
ンサ又は空燃比センサを用いて該触媒が作用する領域に
おける触媒の効率又は劣化を診断する手段とを備えるこ
とを特徴とする排ガス浄化装置によっても解決される。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】また上記課題は、リーン内燃機関の排ガス
ダクトに設けられ、リーン空燃比でＮＯｘを浄化する触
媒と、リーン燃焼内燃機関の排ガス浄化触媒を評価する
装置を備えた排ガス浄化装置であって、内燃機関がリー
ン運転であるかどうかを判断する手段と、リーン運転で
あると判断したときに触媒の評価を開始する手段と、セ
ンサを用いて該触媒の下流における排ガス中の酸素の濃
度が該ＮＯｘ触媒に入るガス中の酸素濃度よりも大きい
ことを検出して、該触媒の劣化を診断する手段を備える
ことを特徴とする排ガス浄化装置によっても解決され
る。また上記課題は、リーン内燃機関の排ガスダクトに
設けられ、リーン空燃比でＮＯｘを浄化する触媒を含む
複合触媒システムと、リーン燃焼内燃機関の排ガス浄化
触媒を評価する装置を備えた排ガス浄化装置であって、
内燃機関がリーン運転であるかどうかを判断する手段
と、リーン運転であると判断したときに触媒の評価を開
始する手段と、センサを用いて該触媒の下流における排
ガス中の酸素の濃度が該ＮＯｘ触媒に入るガス中の酸素
濃度よりも大きいことを検出して、該触媒の劣化を診断
する手段を備えることを特徴とする排ガス浄化装置によ
っても解決される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｄ 45/00 ３１４Ｆ０２Ｄ 45/00 ３１４ＺＦ０２Ｍ 69/00 ３１０Ｆ０２Ｍ 69/00 ３１０Ｅ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気系に設けられ、排気ガス成
分を浄化するＮＯｘ触媒と、三元触媒又は酸化触媒の少
なくともいずれか２つの組合せによりなる複合触媒を有
し、前記複合触媒の上流，下流および前記複合触媒の間
に配設された排気ガス特定成分を検出するセンサ出力の
いずれか２つの組合せに基づいて前記複合触媒を構成す
る触媒の評価を行う触媒の評価方法において、前記ＮＯｘ触媒と前記三元触媒又は酸化触媒の診断のた
めの運転域を異なるものとしたことを特徴とする触媒の
評価方法。
【請求項２】請求項１に記載の触媒の評価方法におい
て、前記ＮＯｘ触媒の診断のための運転域はリーン運転域で
あり、前記三元触媒又は酸化触媒の診断のための運転域
は空気過剰率λ＝１の運転域であることを特徴とする触
媒の評価方法。
【請求項３】内燃機関の排気系に設けられ、排気ガス中
のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒を備えたものにおい
て、前記ＮＯｘ浄化触媒の評価を行い、その結果、浄化効率
が低下していると判断されたとき、アシストエア噴射弁
のアシストエア量、又は、スワール通路流量の少なくと
もいずれかを制御することにより、前記ＮＯｘ触媒へ供
給されるＨＣの量を増加するようにしたことを特徴とす
る触媒効率制御方法。