JP2001124730A

JP2001124730A - 水素濃度検出装置及び内燃機関の触媒劣化検出装置

Info

Publication number: JP2001124730A
Application number: JP30307099A
Authority: JP
Inventors: Kojiro Okada; 公二郎岡田; Yasuki Tamura; 保樹田村
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1999-10-25
Filing date: 1999-10-25
Publication date: 2001-05-11

Abstract

(57)【要約】【課題】水素濃度検出装置に関し、コスト増を招くこ
となく排気ガス中の水素濃度を検出できるようにする。【解決手段】排ガス中の酸素濃度に応じてその出力が
リニアに変化する空燃比センサ２８を内燃機関１の排気
通路４中に設け、リッチ運転状態検出手段３２により内
燃機関１がリッチ運転状態にあることが検出されたとき
には、空燃比センサ２８の出力に基づいて、水素濃度導
出手段３４により排気ガスの水素濃度を導出する。な
お、好ましくは、空燃比センサ２８に設けられ排気ガス
が導入される測定ガス室と排気通路とを連通する拡散律
速孔の大きさを、Ｈ₂分子が拡散し易くＣＯ分子が拡散
し難い大きさに設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排ガス中の水素濃
度を検出する水素濃度検出装置、及び、排ガス中の水素
濃度に基づき排気浄化用触媒の劣化を判定する内燃機関
の触媒劣化検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車等の内燃機関においては、排ガス
中の成分を検出するセンサとしてＯ₂センサが一般に使
用されており、その検出出力に基づいて空燃比制御等が
行なわれている。このＯ₂センサとしては、理論空燃比
（ストイキオ）前後で出力がステップ状に変化すること
により空燃比がリッチかリーンか検出するタイプの空燃
比センサの他、特開昭６２−１４８８４９号公報に開示
されているＯ₂センサのように、コストは上昇するもの
の、排気ガスの酸素濃度をリニアに検出することが可能
なリニア空燃比センサも実用化されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、排気ガスに
対しては酸素以外の成分の濃度を検出することもしばし
ば要求されるが、そのような場合、通常は専用のセンサ
を設けるのが一般的である。そして、排気ガスのクリー
ン化がより強く望まれている昨今では、排気ガス中の水
素濃度の検出が求められることがあるが、水素濃度を効
率よく検出するセンサは未だに実用化されておらず、仮
に実用化されたとしても上述のリニア空燃比センサが装
着される車両においてはリニア空燃比センサとは別に水
素濃度検出専用のセンサが装着されることになり、セン
サ数が増加してコストが増大してしまう。

【０００４】また、排気ガスの成分を検出するセンサは
排気浄化用触媒の劣化を検出するための手段としても利
用価値があり、例えば、特開昭６４−４５９１３号公報
には、触媒の上流及び下流にリニア空燃比センサを設
け、上流側のセンサの出力変化と下流側のセンサの出力
変化との差が所定値以下になると触媒が劣化したと判定
する技術が開示されている。

【０００５】しかしながら、この従来技術はストイキオ
フィードバック中における触媒の酸素貯蔵効果に関連す
る触媒の劣化を診断するものであり、リッチ条件下での
触媒の反応に関連する劣化までは検出できない。また、
ストイキオフィードバック中は、空燃比はストイキオを
中心として変動しているため、上流側のセンサの出力も
下流側のセンサの出力も共に変動しており、ストイキオ
フィードバックに伴う出力の変動幅に対して劣化判定の
基準となる差が微妙な場合には誤判定の虞もある。

【０００６】本発明は、このような課題に鑑み創案され
たもので、コスト増を招くことなく排気ガス中の水素濃
度を検出できるようにした、水素濃度検出装置を提供す
ることを目的とする。また、リッチ運転状態において触
媒の劣化を検出できるようにした、内燃機関の触媒劣化
検出装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の水素
濃度検出装置では、排ガス中の酸素濃度に応じてその出
力がリニアに変化する空燃比センサを内燃機関の排気通
路中に設け、リッチ運転状態検出手段により内燃機関が
リッチ運転状態にあることが検出されたときには、空燃
比センサの出力に基づいて、水素濃度導出手段により排
気ガスの水素濃度を導出する。

【０００８】なお、好ましくは、空燃比センサに設けら
れ排気ガスが導入される測定ガス室と排気通路とを連通
する拡散律速孔の大きさを、Ｈ₂分子が拡散し易くＣＯ
分子が拡散し難い大きさに設定する。より好ましくは、
空燃比センサを触媒下流に設置し、リッチ運転中に含ま
れる水素濃度が所定値以上の場合には触媒の劣化と判定
する内燃機関の触媒劣化検出装置として構成してもよ
い。

【０００９】また、本発明の内燃機関の触媒劣化検出装
置では、排気ガスの酸素濃度に応じてその出力がリニア
に変化する一対の空燃比センサを内燃機関の排気通路中
に配置された触媒の上流及び下流にそれぞれ設け、リッ
チ運転状態検出手段により内燃機関がリッチ運転状態に
あることが検出されたときに一対の空燃比センサの出力
差又は出力比が所定値以下であることを検出すると、触
媒劣化判定手段により触媒が劣化したと判定する。

【００１０】

【発明の実施形態】以下、図面により、本発明の実施の
形態について説明する。図１〜図４は本発明の第１実施
形態としての内燃機関の触媒劣化検出装置について示す
ものであり、図１には本内燃機関の触媒劣化検出装置を
希薄燃焼内燃機関に適用した場合の構成について示して
いる。

【００１１】本触媒劣化検出装置が適用される希薄燃焼
内燃機関は、燃焼室内に燃料を直接噴射可能なガソリン
筒内噴射式内燃機関であり、燃料噴射の態様として、吸
気行程中に燃料噴射を行ない予混合燃焼によるストイキ
オ運転を実現するストイキオモードと、理論空燃比より
も過濃な空燃比で運転を行なうエンリッチモードと、、
吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行ない予
混合燃焼によるリーン運転を実現する前期リーン噴射モ
ードと、圧縮行程中で燃料噴射を行ない層状燃焼による
リーン運転を実現する後期リーン噴射モードとが設けら
れている。

【００１２】図１に示すように、エンジン（希薄燃焼内
燃機関）１は、燃焼室２の上部側縁に高圧噴射弁（イン
ジェクタ）７をそなえ、燃焼室２内に燃料を直接噴射す
る筒内噴射型内燃機関（筒内噴射エンジン）として構成
されている。燃焼室２の上部には中央に点火プラグ５が
設けられるとともに、吸気通路３および排気通路４が連
通している。吸気通路３には、上流側から順に図示しな
いエアクリーナ，電子制御式スロットル弁が設けられて
おり、排気通路４には、その上流側から順に排ガス浄化
用の排気浄化装置６および図示しないマフラが設けられ
ている。

【００１３】排気浄化装置６は、ＮＯｘ触媒（吸蔵型或
いは選択還元型）６Ａ，三元触媒６Ｂ及び近接三元触媒
６Ｃを組み合わせたものになっており、エキゾーストマ
ニホールドの近傍（或いはエキゾーストマニホールドと
一体）に近接三元触媒６Ｃを配置し、その下流にＮＯｘ
触媒６Ａと三元触媒６Ｂとを配置している。このような
配置構成により、始動直後のようにＮＯｘ触媒６Ａ，三
元触媒６Ｂが十分に機能するまで暖まっていない間は、
エンジン１に近く暖まりやすい近接三元触媒６Ｃにより
排気ガスの浄化を行ない、暖機後の理論空燃比下では三
元触媒６Ｂにより排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘを浄
化するようになっている。また、リーン運転時に発生す
るＮＯｘは、酸化雰囲気（即ち、酸素過剰雰囲気）で機
能するＮＯｘ触媒６Ａにより吸蔵し、吸蔵したＮＯｘは
還元雰囲気でＮＯｘ触媒６Ａから放出して三元触媒６Ｂ
により還元するようになっている。

【００１４】このエンジン１を制御するために、制御装
置２０と、種々のセンサ類とが設けられている。ここで
は、近接三元触媒６Ｃの上流、ＮＯｘ触媒６Ａの上流、
ＮＯｘ触媒６Ａと三元触媒６Ｂとの間、三元触媒６Ｂの
下流にそれぞれリニア空燃比センサ（酸素センサ）８を
そなえている。なお、以降において各リニア空燃比セン
サ８を区別するときには、上流側から順に８Ａ，８Ｂ，
８Ｃ，８Ｄと表記するものとし、区別しない場合には単
にリニア空燃比センサ８と表記するものとする。

【００１５】図２は、一般的なリニア空燃比センサ８の
構成を示す模式図である。図２に示すように、リニア空
燃比センサ８は、酸素濃淡電池素子１０と酸素ポンプ素
子１１と拡散律速孔１３をそなえた測定ガス室１２とを
そなえている。酸素濃淡電池素子１０は、ジルコニア等
の固体電解質板１４と、その表裏の対向する面にそれぞ
れ積層された多孔質電極１５ａ，１５ｂとから構成さ
れ、外側の多孔質電極１５ａには内部基準酸素源１６が
接触している。一方、酸素ポンプ素子１１は、固体電解
質板１７と、その表裏の対向する面にそれぞれ積層され
た多孔質電極１８ａ，１８ｂとから構成されている。そ
して、測定ガス室１２はこれら酸素濃淡電池素子１０，
酸素ポンプ素子１１間にスペーサ１９を挟装することに
より構成され、拡散律速孔１３はこのスペーサ１９の一
部を切り欠くことにより（或いは、一部を多孔質材によ
り置き換えることにより）形成されている。

【００１６】このような構成により、多孔質電極１５
ａ，１５ｂ間には内部基準酸素源１６の酸素ガス分圧と
測定ガス室１２の酸素ガス分圧との比に応じて起電力Ｖ
ｓが生じるが、リニア空燃比センサ８では、この起電力
Ｖｓが一定となるように、即ち、測定ガス室１２内の空
燃比が一定となるように、測定ガス室１２内の酸素（Ｏ
^2-）を汲み出し或いは測定ガス室１２内に汲み入れるべ
く、起電力Ｖｓと所定の基準電圧Ｖｃとを比較してその
差に応じた電圧により酸素ポンプ素子１１に電流（ポン
プ電流）Ｉｐを流すようになっている。図２に示す場合
では、測定ガス室１２内の空燃比がリーンのときには測
定ガス室１２内から酸素（Ｏ^2-）を汲み出すようにポン
プ電流Ｉｐは矢印Ａ側に流れ（Ｉｐ＞０）、リッチのと
きには逆に酸素（Ｏ^2-）を汲み入れるように矢印Ｂ側に
流れ（Ｉｐ＜０）、理論空燃比のときにはポンプ電流Ｉ
ｐは０になる。リニア空燃比センサ８では、このポンプ
電流Ｉｐを空燃比信号として出力するようになってい
る。

【００１７】次に、制御装置２０の機能について説明す
ると、制御装置２０は、図１に示すように、その機能要
素として運転モード選択手段２１とリッチ運転状態検出
手段２２と触媒劣化判定手段２３とをそなえている。な
お、制御装置２０はＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭ，Ｉ／Ｏ等
の要素からなる電子制御ユニット（ＥＣＵ）として構成
されており、上記機能手段２１〜２３はこれらの要素の
協働によって実現されるようになっている。

【００１８】運転モード選択手段２１は、エンジン回転
速度Ｎｅやエンジン負荷（平均有効圧力）Ｐｅからエン
ジン１の運転状態を把握し、エンジン１の運転状態に応
じて上述した各運転モードの中から適宜のモードを選択
する手段である。制御装置２０では、運転モード選択手
段２１で選択された運転モードに応じた燃料噴射制御マ
ップや点火時期制御マップを選択し、インジェクタ７か
らの燃料噴射量や燃料噴射時期、及び、点火プラグ５の
点火時期を制御するようになっている。

【００１９】リッチ運転状態検出手段２２は、エンジン
１の運転状態がリッチ運転状態にあることを検出する手
段である。ここでは、運転モード選択手段２１により運
転モードとしてエンリッチモードが選択されたときにエ
ンジン１がリッチ運転状態にあるものと判断するように
なっている。そして、触媒劣化判定手段２３は、排気通
路４に設けられた各触媒６Ａ，６Ｂ，６Ｃの劣化を判定
する手段であり、リッチ運転状態検出手段２２によりエ
ンジン１がリッチ運転状態にあることが検出されたとき
のリニア空燃比センサ８の出力に基づき劣化を判定する
ようになっている。以下、本実施形態における触媒劣化
判定手段２３の触媒の劣化判定方法について説明する。
ここで、図３（ａ）はエンジン１の運転状態をリーン運
転とリッチ運転との間で変化させたときのＯ₂濃度の時
間変化を示す図、図３（ｂ）はそのときのリニア空燃比
センサ８の出力の時間変化を時間軸を対応させて示す図
であり、共に、触媒の上流における値と下流における値
とをあわせて示している。

【００２０】ここでは、図３（ａ）に示すようにＯ₂濃
度についてはリーン運転状態でもリッチ運転状態でも触
媒の上流と下流とで差がないものとする。特に、触媒劣
化判定手段２３が劣化判定を実行するリッチ運転状態で
は、排気ガス中のＯ₂濃度は極めて小さいため、例え触
媒の上流と下流とで差が生じたとしてもそれによりリニ
ア空燃比センサ８の出力に差が生じることはない。した
がって、少なくともリッチ運転状態では、Ｏ₂濃度は触
媒の上流と下流とでは同濃度とみなすことができる。

【００２１】ところが、実際には、図３（ｂ）に示すよ
うに、Ｏ₂濃度が触媒の上流と下流とでは同濃度である
のにかかわらず、リニア空燃比センサ８の出力は触媒の
上流と下流とでは差が生じ、触媒の下流側においてより
小さくなっている。すなわち、空燃比が上流側よりもリ
ッチであることを示している。リッチ運転状態のときに
は、排気ガス中のＯ₂濃度が低下するかわりにＨＣ，Ｃ
Ｏ，Ｈ₂の濃度が相対的に大きくなる。ここで、排気ガ
ス中のＣＯ，Ｈ₂がリニア空燃比センサ８の測定ガス室
１２内に流れ込むと、ＣＯ，Ｈ₂は測定ガス室１２のＯ₂
を消費する。

【００２２】Ｈ₂＋Ｏ₂／２ → Ｈ₂ＯＣＯ＋Ｏ₂／２ → ＣＯ₂ このＯ₂の消費に伴い、測定ガス室１２のＯ₂濃度が低下
して多孔質電極１５ａ，１５ｂ間には電位差が生じ、多
孔質電極１５ａ側の電位が低くなり、起電力Ｖｓは低下
する。このため、リニア空燃比センサ８では、起電力Ｖ
ｓの低下を補うべくポンプ電流Ｉｐを図２中矢印Ｂ方向
に流し、酸素ポンプ素子１７から測定ガス室１２にＯ₂
を汲み入れる。このとき図２中矢印Ｂ方向に流れるポン
プ電流Ｉｐの大きさは、測定ガス室１２のＣＯ，Ｈ₂の
量が多いほど、すなわち、排気ガス中のＣＯ，Ｈ₂の濃
度が高いほど大きくなり、リニア空燃比センサ８の出力
は、排気ガス中のＣＯ，Ｈ₂の濃度が低い場合よりもリ
ッチ側を示すことになる。

【００２３】このように、エンジン１がリッチ運転状態
のときには、リニア空燃比センサ８の出力は排気ガス中
のＣＯ，Ｈ₂の濃度に左右されることになるが、ＣＯよ
りもＨ₂の方が分子サイズが小さく拡散速度が速いた
め、リニア空燃比センサ８の出力に対してはＨ₂の濃度
の方が支配的になる。したがって、Ｈ₂の濃度が高いほ
ど、ＣＯの濃度にかかわらずリニア空燃比センサ８の出
力はリッチ側を示すことになる。

【００２４】ここで、触媒の上流側と下流側とでＨ₂の
濃度を比較すると、リッチ運転状態においては、触媒で
は以下に示すような反応が起こってＨ₂が生成されるた
め、下流側の方がＨ₂濃度は高くなる。Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ → Ｈ₂＋ＣＯ₂ この触媒の上流側と下流側とにおけるＨ₂濃度の差が、
図３（ｂ）に示す触媒の上流側と下流側とのリニア空燃
比センサ８の出力差として現れているのである。上式の
反応（水性ガスシフト反応）は触媒によるＣＯの酸化機
能を表しており、酸化機能が十分に機能しているほど生
成されるＨ₂の濃度が高くなり、触媒の上流側と下流側
とにおけるリニア空燃比センサ８の出力差は大きくな
る。逆に、酸化機能が十分に機能していない場合、すな
わち、触媒が劣化した場合には、図３（ｂ）中の２点鎖
線で示すように、触媒の下流側におけるリニア空燃比セ
ンサ８の出力の低下は小さくなり、触媒の上流側におけ
るリニア空燃比センサ８の出力との差は小さくなる。

【００２５】以上のように、リッチ運転状態下におい
て、触媒の上流側と下流側とおけるリニア空燃比センサ
８の出力差を求めることにより、触媒の劣化度合いを判
定することが可能であり、触媒劣化判定手段２３ではこ
の原理を用いて触媒の劣化判定を行なうようになってい
る。具体的には、近接三元触媒６Ｃの劣化判定について
はその上下流のリニア空燃比センサ８Ａ，８Ｂの出力差
を検出し、ＮＯｘ触媒６Ａの劣化判定においてはリニア
空燃比センサ８Ｂ，８Ｃの出力差を検出し、三元触媒６
Ｂの劣化判定においてはリニア空燃比センサ８Ｃ，８Ｄ
の出力差を検出して、それぞれ所定の判定基準値と比較
するようになっている。そして、検出した出力差が判定
基準値以下の場合には、その触媒については劣化したも
のと判定するようになっている。

【００２６】なお、生成されるＨ₂の濃度は、各触媒６
Ａ，６Ｂ，６Ｃ毎に、また、エンジン１の運転領域毎に
異なるため、上記の判定基準値は、各触媒６Ａ，６Ｂ，
６Ｃ毎に負荷と回転速度とをパラメータとして設定する
ようにする。そして、設定した判定基準値はマップに記
憶しておき、負荷と回転速度とに応じてマップから読み
出すようになっている。

【００２７】触媒劣化判定手段２３によりいずれかの触
媒６Ａ，６Ｂ，６Ｃの劣化が判定されると、ＥＣＵ２０
は、計器盤のランプ２５を点灯させる等して、ドライバ
に触媒の劣化を知らせるようになっている。勿論、各触
媒６Ａ，６Ｂ，６Ｃ毎に対応するランプを設けて、どの
触媒が劣化したかを知らせるようにすることも可能であ
る。

【００２８】また、ＮＯｘ触媒６Ａの劣化が判定された
ときには、運転モード選択手段２１は、ＮＯｘが浄化さ
れないまま大気中に放出されることを防止するため、リ
ーン運転モード（前期リーン噴射モード，後期リーン噴
射モード）が選択される運転領域を狭めるようになって
いる。或いは、リーン運転モードの選択自体を禁止する
ようにしてもよい。

【００２９】次に、上述のごとく構成された本発明の第
１実施形態としての内燃機関の触媒劣化検出装置の動作
について、図４のフローチャート（ステップＡ１００〜
Ａ１７０）を用いて説明する。まず、ステップＡ１００
において、エンジン１の運転状態がリッチ運転状態にあ
るか否か判定する。そして、リッチ運転状態検出手段２
２によりエンジン１がリッチ運転状態にあることが検出
されたとき、ステップＡ１１０以降の触媒の劣化判定を
開始する。

【００３０】ステップＡ１１０では、排気通路４に設置
された各リニア空燃比センサ８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄか
らの出力（空燃比信号）を取り込み、触媒劣化判定手段
２３に入力する。そして、各触媒６Ａ，６Ｂ，６Ｃにつ
いてその上下流のリニア空燃比センサ８の出力差を算出
する（ステップＡ１２０）。次に、そのときのエンジン
負荷と回転速度とをパラメータとしてマップから各触媒
６Ａ，６Ｂ，６Ｃに判定基準値を読み出し（ステップＡ
１３０）、読み出した判定基準値とステップＡ１２０で
算出した上下流のリニア空燃比センサ８の出力差とを比
較する（ステップＡ１４０）。

【００３１】そして、いずれかの触媒６Ａ，６Ｂ，６Ｃ
において上下流のリニア空燃比センサ８の出力差が判定
基準値以下になったときには、計器盤のランプ２５を点
灯する（ステップＡ１５０）。また、ＮＯｘ触媒６Ａが
劣化したか否か判定し（ステップＡ１６０）、ＮＯｘ触
媒６Ａの劣化が判定されたときには、運転モード選択手
段２１においてリーン運転モードが選択される運転領域
を狭めるようにする（ステップＡ１７０）。

【００３２】このように、本内燃機関の触媒劣化検出装
置によれば、リッチ運転状態下でも触媒６Ａ，６Ｂ，６
Ｃの劣化を判定することができるという利点があり、さ
らに、リッチ運転状態下ではリニア空燃比センサ８の出
力は安定しており、判定対象となる触媒６Ａ，６Ｂ，６
Ｃの上流及び下流のリニア空燃比センサ８の出力差の変
動が少ないので、誤判定の虞が極めて低いという利点も
ある。

【００３３】次に、本発明の第２実施形態としての内燃
機関の触媒劣化検出装置について説明する。本実施形態
の内燃機関の触媒劣化検出装置も、上述の第１実施形態
と同様にＨ₂濃度に基づき触媒の劣化判定を行なうもの
であるが、第１実施形態では触媒の上流のリニア空燃比
センサの出力と下流のリニア空燃比センサの出力との出
力差を用いて触媒の劣化判定を行なうのに対し、本実施
形態では、さらにＨ₂濃度自体を検出して触媒の劣化判
定を行なうようにしたものである。

【００３４】図５は本実施形態の内燃機関の触媒劣化検
出装置を第１実施形態と同様に希薄燃焼内燃機関に適用
した場合の構成について示したものである。第１実施形
態と同一の部位については同一の符号で示し説明は省略
するものとし、ここでは、第１実施形態と異なる部分に
ついてのみ説明するものとする。図５に示すように、本
実施形態では、最下流の三元触媒６Ｂの下流側にリニア
空燃比センサ２８を設置している。

【００３５】本実施形態にかかるリニア空燃比センサ２
８の構造は、基本的には図２に示す第１実施形態にかか
るリニア空燃比センサ８の構造と同一である。本実施形
態では、スペーサ１９に形成された拡散律速孔１３の大
きさ、すなわち、スペーサ１９の一部を切り欠いて拡散
律速孔１３を形成した場合にはスリットの大きさ、スペ
ーサ１９の一部を多孔質材に置き換えて拡散律速孔１３
を形成した場合には多孔質材の孔の大きさを所定の範囲
に限定している。上述したようにＨ₂の分子サイズより
もＣＯの分子サイズの方が大きいので、Ｈ₂分子に比較
してＣＯ分子の拡散速度の方が遅いが、適切な範囲に拡
散律速孔１３の大きさを設定することにより、ＣＯ分子
の拡散をさらに抑制しようとしたものである。ただし、
拡散律速孔１３を小さくしすぎるとＨ₂分子の拡散も抑
制されてしまうので、最小値を設定している。

【００３６】このようにリニア空燃比センサ２８を構成
することにより、リッチ運転状態下ではリニア空燃比セ
ンサ２８の出力に対してＨ₂濃度がさらに支配的にな
り、リニア空燃比センサ２８の出力はＨ₂濃度を示して
いるとみなすことができる。したがって、第１実施形態
のように上流のリニア空燃比センサ８の出力と下流のリ
ニア空燃比センサ８の出力との出力差からＨ₂濃度の変
化を近似する必用がなく、触媒の下流に設置したリニア
空燃比センサ２８の出力のみから触媒の劣化を判定する
ことが可能になる。

【００３７】そこで、本実施形態にかかる制御装置３０
は、図５に示すように、その機能要素として運転モード
選択手段３１とリッチ運転状態検出手段３２と水素濃度
導出手段３４と触媒劣化判定手段３３とをそなえてい
る。このうち運転モード選択手段３１とリッチ運転状態
検出手段３２とは第１実施形態の運転モード選択手段２
１とリッチ運転状態検出手段２２と同機能であるので説
明を省略する。また、リニア空燃比センサ２８と、リッ
チ運転状態検出手段３２と、水素濃度導出手段３４とか
ら、本実施形態にかかる水素濃度検出装置が構成され
る。

【００３８】水素濃度導出手段３４は、排気ガス中のＨ
₂濃度を検出する手段であり、リッチ運転状態下におけ
るリニア空燃比センサ２８の出力に基づいて排気ガス中
のＨ ₂濃度を導出するようになっている。ここでは、リ
ニア空燃比センサ２８は三元触媒６Ｂの下流側に設置さ
れているので、三元触媒６Ｂの下流側におけるＨ₂濃度
が検出される。

【００３９】触媒劣化判定手段３３は、水素濃度導出手
段３４により導出されたＨ₂濃度に基づき触媒の劣化を
判定する手段である。第１実施形態で説明したように、
リッチ運転状態下では触媒の反応によりＨ₂が生成され
るが、その生成量は触媒が劣化するにつれ減少してい
き、触媒の下流側の水素濃度も触媒の劣化度合に応じて
低下していく。そこで、触媒劣化判定手段３３では、検
出されたＨ₂濃度を所定の判定基準値と比較し、検出さ
れたＨ₂濃度が判定基準値以下の場合には、触媒が劣化
したものと判定するようになっている。

【００４０】なお、ここで検出される触媒の劣化は、触
媒６Ａ，６Ｂ，６Ｃ全体としての劣化であり、個々の触
媒６Ａ，６Ｂ，６Ｃの劣化を検出するものではない。個
々の触媒６Ａ，６Ｂ，６Ｃの劣化について検出するため
には、各触媒６Ａ，６Ｂ，６Ｃの下流側にリニア空燃比
センサ２８を配設する必用があり、この場合、最上流の
近接三元触媒６Ｃ以外の触媒６Ａ，６Ｂについては、上
流の触媒の影響を除去するため、第１実施形態と同様に
その触媒の上流及び下流のリニア空燃比センサ２８の出
力差、すなわち、Ｈ₂濃度差に基づき劣化を判定する必
用がある。

【００４１】また、触媒６Ａ，６Ｂ，６Ｃにおいて生成
されるＨ₂の濃度は、エンジン１の運転領域毎に異なる
ため、上記の判定基準値は、負荷と回転速度とをパラメ
ータとして設定するようにする。そして、設定した判定
基準値はマップに記憶しておき、負荷と回転速度とに応
じてマップから読み出すようになっている。触媒劣化判
定手段３３により触媒の劣化が判定された後の処理につ
いては、第１実施形態と同様であり、ここでは説明を省
略する。

【００４２】本発明の第２実施形態としての内燃機関の
触媒劣化検出装置は上述のように構成されているので、
第１実施形態と同様にリッチ運転状態下でも触媒６Ａ，
６Ｂ，６Ｃの劣化を判定することができるという利点が
あり、さらに、リッチ運転状態下ではリニア空燃比セン
サ２８の出力は安定しており、誤判定の虞が極めて低い
という利点もある。

【００４３】また、上記の利点に加えて本実施形態で
は、リッチ運転状態下における排気ガス中のＨ₂濃度を
直接検出することができるので、触媒６Ａ，６Ｂ，６Ｃ
全体の劣化や最上流の触媒６Ｃの劣化を検出する場合に
は、その下流側にリニア空燃比センサ２８を一つだけそ
なえれば良く、コストの増加を防止することができると
いう利点もある。

【００４４】以上、本発明の２つの実施形態について説
明したが、本発明の実施の形態はこれらに限定されるも
のではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形
して実施することができる。例えば、上述の第１実施形
態では、上流のリニア空燃比センサ８の出力と下流のリ
ニア空燃比センサ８の出力との出力差を判定基準値と比
較して触媒の劣化を判定しているが、さらに、上流のリ
ニア空燃比センサ８の出力に対する出力差の比（出力
比）を所定の判定基準値と比較し、出力比が判定基準値
以下のときに触媒が劣化したものと判定するようにして
もよい。

【００４５】また、上述の各実施形態では、運転モード
選択手段２１（３１）により選択された運転モードに基
づきエンジン１がリッチ運転状態にあることを検出する
ようにしているが、実際のリニア空燃比センサ８（２
８）の出力に基づきエンジン１がリッチ運転状態にある
ことを検出してもよい。また、上述の各実施形態では、
判定基準値を負荷と回転速度とをパラメータとして設定
するようになっているが、判定基準値は固定にして特定
の運転条件（負荷，回転速度）のもとでのみ劣化判定を
行なうようにしてもよい。

【００４６】さらに、上述の第１実施形態では、各触媒
６Ａ，６Ｂ，６Ｃに対応してリニア空燃比センサ８を設
置しているが、このように全ての触媒６Ａ，６Ｂ，６Ｃ
に対応してリニア空燃比センサ８を配置する必用はな
く、劣化を検出したい触媒のみ或いは劣化しやすい触媒
のみに対応して設置してもよい。また、第１実施形態に
おいて触媒６Ａ，６Ｂ，６Ｃ全体の劣化を検出したい場
合には、最上流のリニア空燃比センサ８Ａと最下流のリ
ニア空燃比センサ８Ｄのみを設置すればよい。

【００４７】また、排気通路４への触媒の配置も図１や
図５に示すものに限定されず、図６に示すように種々の
配置が可能である。例えば、図６（ａ）は、ＮＯｘ触媒
６Ａを２個直列に配置した場合を示しており、図６
（ｂ）は、ＮＯｘ触媒６Ａと三元触媒６Ｂとの代わりに
三元触媒一体型ＮＯｘ触媒６Ｄを配置した場合を示して
おり、図６（ｃ）は近接三元触媒６ＣをやめてＮＯｘ触
媒６Ａの直近に三元触媒６Ｅを配置した場合について示
している。このような配置においてもリニア空燃比セン
サを所要の位置に設置することにより触媒の劣化の検出
が可能となる。なお、図６においては第１実施形態のリ
ニア空燃比センサ８を用いて各触媒の劣化を判定する場
合の配置を示している。

【００４８】また、上述の各実施形態では、本発明の内
燃機関の触媒劣化検出装置を希薄燃焼内燃機関に適用し
た場合について説明したが、これに限定されるものでは
なく、種々の内燃機関に適用することができる。さら
に、上述の第２実施形態において説明した排気ガス中の
Ｈ₂濃度の検出にかかる装置および方法は、触媒の劣化
判定にのみに用途が限定されるものではなく種々の用途
に利用することができ、何れの用途に用いる場合でも専
用のセンサ等によるコスト増を招くことなく排気ガス中
の水素濃度を検出することができる利点がある。

【００４９】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１記載の本
発明の水素濃度検出装置によれば、空燃比センサの出力
がリッチ運転状態では水素濃度の影響を大きく受けるこ
とを利用するので、専用のセンサ等によるコスト増を招
くことなく排気ガス中の水素濃度を検出することができ
るという利点がある。

【００５０】また、請求項２記載の本発明の内燃機関の
触媒劣化検出装置によれば、リッチ運転状態下でも触媒
の劣化を判定することができるという利点があり、さら
に、リッチ運転状態下では空燃比センサの出力は安定し
ており、判定対象となる触媒の上流及び下流の一対の空
燃比センサの出力差又は出力比の変動が少ないので、誤
判定の虞が極めて低く、正確な劣化判定が可能になると
いう利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態としての内燃機関の触媒
劣化検出装置にかかる希薄燃焼内燃機関の全体構成図で
ある。

【図２】本発明の第１実施形態としての内燃機関の触媒
劣化検出装置にかかるリニア空燃比センサの構成を示す
要部断面図である。

【図３】本発明の第１実施形態としての内燃機関の触媒
劣化検出装置にかかるリニア空燃比センサの出力特性を
示す図であり、（ａ）はＯ₂濃度の時間変化を示す図で
あり、（ｂ）はそのときのリニア空燃比センサの出力の
時間変化を時間軸を対応させて示す図である。

【図４】本発明の第１実施形態としての内燃機関の触媒
劣化検出装置にかかる触媒の劣化の検出方法を示すフロ
ーチャートである。

【図５】本発明の第２実施形態としての内燃機関の触媒
劣化検出装置にかかる希薄燃焼内燃機関の全体構成図で
ある。

【図６】触媒の配置例を示す図である。

【符号の説明】

１エンジン（内燃機関）４排気通路６ＡＮＯｘ触媒（排気浄化用触媒）６Ｂ三元触媒（排気浄化用触媒）６Ｃ近接三元触媒（排気浄化用触媒）８，８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ，２８リニア空燃比セン
サ（空燃比センサ）１２測定ガス室１３拡散律速孔２２，３２リッチ運転状態検出手段３２，３４触媒劣化判定手段３４水素濃度導出手段

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｇ０１Ｎ 27/419 Ｇ０１Ｎ 27/46 ３２７ＡＦターム(参考） 3G084 DA00 DA27 EA11 EB08 EB22 FA18 FA21 FA26 FA28 FA29 FA30 FA33 3G091 AB03 AB05 BA00 BA33 DB07 DB09 DB11 EA01 EA03 EA33 EA34 HA36 HA37 HA38 3G301 JA00 JB09 NC02 PC02Z PD01Z PD02Z PD08Z PD09Z PE01Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気通路中に設けられ排ガス
中の酸素濃度に応じてその出力がリニアに変化する空燃
比センサと、上記内燃機関がリッチ運転状態にあることを検出するリ
ッチ運転状態検出手段と、上記リッチ運転状態検出手段により上記内燃機関がリッ
チ運転状態にあることが検出されたときに上記空燃比セ
ンサの出力に基づいて排気ガスの水素濃度を導出する水
素濃度導出手段とをそなえたことを特徴とする、水素濃
度検出装置。
【請求項２】内燃機関の排気通路中に配置された排気
浄化用触媒の上流及び下流にそれぞれ設けられ排気ガス
の酸素濃度に応じてその出力がリニアに変化する一対の
空燃比センサと、上記内燃機関がリッチ運転状態にあることを検出するリ
ッチ運転状態検出手段と、上記リッチ運転状態検出手段により上記内燃機関がリッ
チ運転状態にあることが検出されたときに上記一対の空
燃比センサの出力差又は出力比が所定値以下であること
を検出すると上記触媒が劣化したと判定する触媒劣化判
定手段とをそなえたことを特徴とする、内燃機関の触媒
劣化検出装置。