JP2001323812A - 排気浄化触媒の劣化検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 排気浄化触媒の劣化検出装置において、触媒
の劣化状態を高精度に検出可能とする。 【解決手段】 吸蔵型ＮＯｘ触媒２５より下流側のＯ₂
センサ２８にて、排気側となる外側電極３６を酸化能力
の無いまたは劣る材料として排気ガスの酸素濃度に対応
した値を出力可能とし、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が暖機完
了状態で且つ排気ガスが還元雰囲気のとき、このＯ₂ セ
ンサ２８が検出した排気ガスの酸素濃度が所定値以上で
あれば、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の酸化能力が低下して吸
蔵型ＮＯｘ触媒２５が劣化したと判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気系
に設けられた少なくとも酸化機能を有する排気浄化触媒
の劣化状態を検出する排気浄化触媒の劣化検出装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、酸化機能を備えた排気浄化触媒と
して、白金（Ｐｔ）等の貴金属を有する三元触媒や酸化
触媒の他、リーン空燃比で運転中に排ガス中のＮＯｘを
吸蔵または吸着（以下、単に吸蔵と称する。）し、理論
空燃比（ストイキオ）またはリッチ空燃比で運転中に吸
蔵されたＮＯｘを放出還元する吸蔵型ＮＯｘ触媒（ＮＯ
をＮＯ₂ に酸化して吸蔵する特性を有するため酸化機能
を備えた触媒）などが実用化されている。

【０００３】そして、このような排気触媒が劣化し、排
気浄化能力が低下した場合には、計器盤のエンジンチェ
ックランプを点灯する等により運転者に認識させ、整備
工場等で触媒交換等の措置をとる必要がある。

【０００４】排気浄化触媒の劣化状態を検出する技術と
して、例えば、特開平３−７４５４０号公報、特開平１
１−２２９８５４号公報等に開示されたものがある。

【０００５】この特開平３−７４５４０号公報に開示さ
れた「内燃機関の空燃比制御装置」は、触媒の上流側に
設けられたＯ₂ センサの出力に基づいて燃料供給量を補
正して空燃比をフィードバック制御すると共に、触媒の
下流側に設けられたリニアＯ ₂ センサの出力が理論空燃
比より所定値以上相違した場合に触媒の劣化を判定する
ものである。また、特開平１１−２２９８５４号公報に
開示された「内燃機関の触媒劣化検出装置」は、酸化還
元作用の小さい金属を電極として有する酸素濃度センサ
を触媒の下流側の排気通路に設け、この酸素濃度センサ
の出力特性がＺ特性に変化する時点を検出し、その時点
における触媒温度を触媒活性開始温度とし、その触媒活
性開始温度が所定値よりも高いときに触媒の劣化を判定
するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、特開平３−
７４５４０号公報の「内燃機関の空燃比制御装置」は、
フィードバック制御により触媒の上流側の酸素濃度を理
論空燃比を中心に変動させても、触媒が正常であれば下
流側の酸素濃度は大きく変動しないが、触媒が劣化する
と上流側の酸素濃度変化に追従して触媒下流側の酸素濃
度も大きく変動する現象に着目したものである。この現
象は触媒の有する酸素ストレージ機能に起因するもので
あり、十分な酸素ストレージ機能が維持されている状態
では、酸化雰囲気で酸素を吸着して還元雰囲気で酸素を
放出するため、触媒の正常時は酸素ストレージ機能によ
り下流側の酸素濃度の変動は少ないが、触媒が劣化して
酸素ストレージ機能が低下すると、酸素の吸着反応及び
放出反応が低下するため、排気に連動して下流側の酸素
濃度の変動が大きくなる。

【０００７】即ち、この従来技術では、触媒において主
にセリア等の添加剤の劣化による酸素ストレージ機能の
低下を検出することで、間接的に触媒の劣化を判定して
いることとなるが、この酸素ストレージ機能の低下は、
触媒による浄化作用を補助するセリア等の添加剤の劣化
によるものでしかないため、触媒自体の劣化による浄化
作用の低下を的確に判定することはできない。

【０００８】また、特開平１１−２２９８５４号公報の
「内燃機関の触媒劣化検出装置」は、酸素濃度センサの
出力特性が急変する時点、即ち、触媒が不活性状態から
活性状態へ変化する時点の触媒温度に基づいて触媒の劣
化を判定している。この触媒が不活性状態から活性状態
へ変化する時点とは、触媒の暖機が終了する瞬間の時点
であり、触媒の劣化を判定する機会はこのときに限られ
る。このように触媒劣化の判定機会が少ないと、誤判定
を招きやすく、余裕を見込んだ判定値を採用すると、十
分な判定精度を確保することができない。また、触媒劣
化の十分な判定精度を確保するために複数回の検出結果
を利用しようとすると、判定に時間がかかってしまい、
結果的に劣化判定が遅れてしまう。更に、酸素濃度セン
サの他に、触媒温度を検出するセンサ等の余分なデバイ
スも必要となる。

【０００９】本発明はこのような問題を解決するもので
あって、触媒の劣化状態を高精度に検出可能とした排気
浄化触媒の劣化検出装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに本発明の排気浄化触媒の劣化検出装置では、内燃機
関の排気通路に少なくとも酸化機能を有する排気浄化触
媒を設け、この排気浄化触媒が暖機完了状態にあること
を検出または推定する暖機完了検知手段と、排気浄化触
媒に流入する排気が還元雰囲気であることを検出または
推定する流入排気状態検知手段と、排気浄化触媒の下流
で排気中の酸素濃度あるいは還元剤濃度に相関する指標
を検出する排気成分検出手段とを設け、排気浄化触媒が
暖機完了状態で排気が還元雰囲気のとき、劣化判定手段
は排気中の酸素濃度あるいは還元剤濃度に相関する指標
が所定値よりも酸素濃度あるいは還元剤濃度が高い側で
あると排気浄化触媒の劣化を判定するようにしている。

【００１１】排気浄化触媒は、酸化能力が低下すると酸
素が消費される浄化反応が低下して酸素消費が減少する
ため、排気浄化触媒の下流側では酸素濃度や還元剤濃度
が増加する。従って、本発明では、排気中の酸素濃度あ
るいは還元剤濃度に相関する指標が所定値よりも酸素濃
度あるいは還元剤濃度が高い側（増加）になると、排気
浄化触媒の劣化を判定することができ、触媒の排気浄化
能力に直接関連する触媒の酸化能力の低下を的確に判定
して触媒の劣化を的確に判定することができる。また、
暖機完了後に触媒の劣化判定を行うことで、判定機会を
十分に確保して高精度の劣化判定が可能となる。

【００１２】なお、好ましい態様として、排気成分検出
手段は、酸素濃度センサあるいは還元剤濃度を検出する
還元剤濃度検出センサ、即ち、ＨＣセンサ、ＣＯセン
サ、Ｈ ₂ センサ等を用いればよい。酸素濃度センサの場
合は、外側電極としては酸化能力がないまたは劣る材質
として、融点が８００℃以上で導電性のある金属または
合金等酸化能力のある貴金属を被毒（鉛、硫黄、酸素）
させたもの、あるいはロジウム等酸化能力の低い貴金属
を用いたＯ₂ センサとすれば、比較的安価なセンサで排
気成分を精度良く検出できる。また、触媒の劣化判定時
期としては、筒内噴射式内燃機関の場合、圧縮行程で燃
料を噴射した圧縮ストイキ運転時や圧縮リッチ運転時で
行うとよい。この圧縮ストイキ運転時や圧縮リッチ運転
時には、圧縮行程で燃料が噴射されるために、吸気行程
噴射における運転時に比べて同一の空燃比であっても、
排気に未反応物としてのＯ₂ 、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂ 等が多
く含まれることとなり、酸素濃度や還元剤濃度の増減傾
向が顕著となって検出値を明確に表すことができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施形態を詳細に説明する。

【００１４】図１に本発明の第１実施形態に係る排気浄
化触媒の劣化検出装置を適用した内燃機関の排気浄化装
置の概略構成、図２に酸素濃度センサの要部断面、図３
に本実施形態の排気浄化触媒の劣化検出装置による劣化
検出制御を表すフローチャート、図４に空燃比に対する
酸素濃度センサの出力電圧を表すグラフを示す。

【００１５】本実施形態の内燃機関（以下、エンジンと
称する。）は、例えば、燃料噴射モード（運転モード）
を切換えることで、吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴
射モード）または圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射
モード）を実施可能な筒内噴射型火花点火式直列４気筒
ガソリンエンジンである。そして、この筒内噴射型のエ
ンジン１１は、容易にして理論空燃比（ストイキオ）で
の運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の
他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現
可能となっており、特に圧縮行程噴射モードでは、超リ
ーン空燃比での運転が可能となっている。

【００１６】本実施形態において、図１に示すように、
エンジン１１のシリンダヘッド１２には、各気筒毎に点
火プラグ１３と共に電磁式の燃料噴射弁１４が取付けら
れており、この燃料噴射弁１４によって燃焼室１５内に
燃料を直接噴射可能となっている。この燃料噴射弁１４
には、図示しない燃料パイプを介して燃料供給装置（燃
料ポンプ）が接続されており、燃料タンク内の燃料が高
燃圧で供給され、この燃料を燃料噴射弁１４から燃焼室
１５内に向けて所定の燃圧で噴射する。この際、燃料噴
射量は燃料ポンプの燃料吐出圧と燃料噴射弁１４の開弁
時間（燃料噴射時間）とから決定される。

【００１７】シリンダヘッド１２には、各気筒毎に略直
立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと
連通するようにして吸気マニホールド１６の一端がそれ
ぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１６の
他端にはドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）方式の電動スロ
ットル弁１７が接続されており、図示しないアクセルペ
ダルにはアクセル開度θthを検出するアクセル開度セン
サが設けられている。また、シリンダヘッド１２には、
各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、
各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１
９の一端がそれぞれ接続されている。

【００１８】そして、エンジン１１には、クランク角を
検出するクランク角センサ２０が設けられており、この
クランク角センサ２０はエンジン回転速度Ｎｅを検出可
能となっている。なお、上述した筒内噴射型エンジン１
１は既に公知のものであり、その構成の詳細については
ここでは説明を省略する。

【００１９】また、エンジン１１の排気マニホールド１
９には排気管（排気通路）２１が接続されており、この
排気管２１にはエンジン１１に近接した小型の三元触媒
２２及び排気浄化触媒装置２３を介して図示しないマフ
ラーが接続されている。そして、この排気管２１におけ
る近接三元触媒２２と排気浄化触媒装置２３との間の部
分には、排気浄化触媒装置２３の直上流、即ち、後述す
る吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のに直上流に位置して排気温度
を検出する高温センサ（暖機完了検知手段）２４が設け
られている。

【００２０】この排気浄化触媒装置２３は、排気空燃比
がリーン空燃比のときに排気ガス中にＮＯｘを吸蔵する
ＮＯｘ低減機能と、排気空燃比が理論空燃比近傍のとき
に排気ガス中の有害物質（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ）を浄化
する三元機能とをもたせるために、吸蔵型ＮＯｘ触媒２
５と三元触媒２６との２つの触媒を有して構成されてお
り、三元触媒２６の方が吸蔵型ＮＯｘ触媒２５よりも下
流側に配設されている。この三元触媒２６は吸蔵型ＮＯ
ｘ触媒２５から吸蔵されたＮＯｘが放出された際に吸蔵
型ＮＯｘ触媒２５自身で還元しきれなかったＮＯｘを還
元する役目も行っている。

【００２１】なお、この排気浄化触媒装置２３は、吸蔵
型ＮＯｘ触媒２５がＮＯｘを還元し、ＨＣとＣＯを酸化
する三元触媒の機能（ここでは、三元機能と称する。）
を十分有している場合には、この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５
だけとして吸蔵型ＮＯｘ触媒と三元触媒の一体型として
もよい。この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸化雰囲気にお
いてＮＯｘを一旦吸蔵させ（ＮＯｘ低減機能）、主とし
てＣＯの存在する還元雰囲気中においてＮＯｘを放出し
てＮ₂ （窒素）等に還元させる還元機能を持つものであ
る。詳しくは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、貴金属として
白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等を有した触媒とし
て構成されており、吸蔵材としてはバリウム（Ｂａ）等
のアルカリ金属、アルカリ土類金属が採用されている。

【００２２】そして、近接三元触媒２２の下流側で且つ
吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の上流側に位置してＯ₂ センサ
（流入排気状態検知手段）２７が設けられると共に、吸
蔵型ＮＯｘ触媒２５の下流側で且つ三元触媒２６の上流
側に位置してＯ₂ センサ（排気成分検出手段）２８が設
けられ、近接三元触媒２２の上流側にはＯ₂ センサ２９
が設けられている。これら各Ｏ₂ センサ２７，２８，２
９は排気中の酸素濃度を検出するものであり、酸素量が
多いときには小さな値を出力するように構成されてい
る。つまり、Ｏ₂ センサ２７，２９の出力特性は、酸素
がほとんど存在せずに還元剤のＣＯ、ＨＣ、Ｈ₂ 等が多
く存在するリッチ空燃比雰囲気で大きく、ストイキ雰囲
気で特性が切り替わり、酸素過剰状態にあるリーン空燃
比雰囲気では小さくなるようにされている。Ｏ₂ センサ
２９はエンジン１１から排出される排気ガスの酸素濃度
を検出し、空燃比を理論空燃比にフィードバック制御す
る際に使用される。また、Ｏ₂ センサ２７により吸蔵型
ＮＯｘ触媒２５に流入する排気ガスの酸素濃度を検出
し、Ｏ₂ センサ２８により吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の下流
側の酸素濃度を検出することで、後述するように、吸蔵
型ＮＯｘ触媒２５のの劣化を判定している。なお、Ｏ₂
センサ２８の出力特性については後述する。

【００２３】更に、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、Ｒ
ＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、
タイマカウンタ等を有するＥＣＵ（電子コントロールユ
ニット）３１が設けられており、このＥＣＵ３１により
エンジン１１を含めた本実施形態の排気浄化装置の総合
的な制御が行われる。即ち、ＥＣＵ３１の入力側には、
上述した高温センサ２４やＯ₂ センサ２７，２８，２９
等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類か
らの検出情報が入力する。一方、ＥＣＵ３１の出力側に
は、点火コイルを介して上述した点火プラグ１３や燃料
噴射弁１４等が接続されており、これら点火コイル、燃
料噴射弁１４等には、各種センサ類からの検出情報に基
づき演算された燃料噴射量や点火時期等の最適値がそれ
ぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁１４から適正
量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ１
３によって適正なタイミングで点火が実施される。

【００２４】実際に、ＥＣＵ３１では、図示しないアク
セル開度センサからのアクセル開度情報θthとクランク
角センサ２０からのエンジン回転速度情報Ｎｅとに基づ
いてエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち目標平均
有効圧Ｐｅを求めるようにされており、更に、この目標
平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて
マップ（図示せず）より燃料噴射モードを設定するよう
にされている。例えば、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン
回転速度Ｎｅとが共に小さいときには、燃料噴射モード
は圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射さ
れ、一方、目標平均有効圧Ｐｅが大きくなり、あるいは
エンジン回転速度Ｎｅが大きくなると燃料噴射モードは
吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射され
る。

【００２５】そして、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回
転速度Ｎｅとから制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／
Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆ
に基づいて決定される。また、高温センサ２４により検
出された排気温度情報からは触媒温度Ｔcat が推定され
る。詳しくは、高温センサ２４と吸蔵型ＮＯｘ触媒２５
とが多少なりとも離れて配置されていることに起因する
誤差を補正するために、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン
回転速度情報Ｎｅとに応じて温度差マップが予め実験等
により設定されており、触媒温度Ｔcat は、目標平均有
効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとが決まると一義
に推定されるようにされている。

【００２６】従って、このように構成された本実施形態
の内燃機関の排気浄化装置にて、排気浄化触媒装置２３
の吸蔵型ＮＯｘ触媒２５では、リーンモードにおける超
リーン燃焼運転時のような酸素濃度過剰雰囲気で、排気
中のＮＯｘが硝酸塩として吸蔵されて排気の浄化が行わ
れる。一方、酸素濃度が低下した雰囲気では、吸蔵型Ｎ
Ｏｘ触媒２５に吸蔵した硝酸塩と排気中のＣＯとが反応
して炭酸塩が生成されると共にＮＯｘが放出される。従
って、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５へのＮＯｘの吸蔵が進む
と、空燃比のリッチ化あるいは追加の燃料噴射を行うな
どして酸素濃度を低下させてＣＯを供給し、吸蔵型ＮＯ
ｘ触媒２５からＮＯｘを放出させて機能を再生する（Ｎ
Ｏｘパージ）。

【００２７】また、燃料中にはイオウ（Ｓ）成分が含ま
れており、このＳ成分は酸素と反応して硫黄酸化物（Ｓ
Ｏｘ）となり、このＳＯｘがＮＯｘの代わりに硫酸塩と
して硝酸塩の代わりに吸蔵型ＮＯｘ触媒に吸蔵されてし
まい、触媒のＮＯｘ浄化効率が低下する。吸蔵型ＮＯｘ
触媒に吸蔵された硫酸塩は硝酸塩より安定であるために
ＮＯｘ触媒２５へのＳＯｘの吸蔵量が進むと、吸蔵型Ｎ
Ｏｘ触媒を高温とした状態で空燃比を一時的にリッチ化
してＳＯｘを放出することで、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の
機能を再生する（ＳＯｘパージ）。

【００２８】また、このような吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の
吸蔵能力は、空燃比のリッチ化を行うなどしてＮＯｘや
ＳＯｘを放出させる活性化処理を定期的に行っても、経
時的に劣化してしまう。特に触媒が高温となったときに
劣化しやすい（熱劣化）。そこで、経時的に変化するこ
の吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の吸蔵能力を把握しながら、そ
の吸蔵能力に応じた内燃機関を燃焼制御を実行して排気
ガス特性を向上する必要がある。

【００２９】そこで、本実施形態にあっては、高温セン
サ２４が検出した排気温度から吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が
暖機完了状態（触媒活性温度）にあることを検出し、Ｏ
₂ センサ２７が検出した酸素濃度から排気ガスが還元
（リッチまたはストイキ）雰囲気であることを検出し、
吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が暖機完了状態で排気ガスが還元
雰囲気のとき、Ｏ₂ センサ２８が検出した酸素濃度（あ
るいは酸素濃度に相関する指標）が流入する排気ガスの
酸素濃度による定まる所定値よりも高い側であると吸蔵
型ＮＯｘ触媒２５の劣化を判定するようにしている。

【００３０】即ち、一般に触媒は、酸化能力が低下する
と酸素が消費される浄化反応が低下して酸素消費が減少
するため、触媒の下流側では酸素濃度が増加する。吸蔵
型ＮＯｘ触媒の場合、ＮＯｘを吸蔵する際、Ｐｔ，Ｐｄ
等の触媒貴金属が有する酸化機能によりＮＯをＮＯ₂ に
酸化して吸蔵する特性を有するが、この酸化機能が低下
すると、やはり、酸素消費が減少するために吸蔵型ＮＯ
ｘ触媒の下流側では酸素濃度が増加する。本実施形態で
は、この点から、排気ガス中の酸素濃度が所定値よりも
高濃度側になると、酸化能力が低下して吸蔵型ＮＯｘ触
媒２５のＮＯｘ吸蔵能力が劣化したと判定している。こ
のように触媒の排気浄化能力に直接関連する触媒の酸化
能力の低下を的確に判定することで、触媒の劣化を的確
に判定することができる。

【００３１】そして、エンジン１１からの排気ガスには
ストイキあるいはリッチ空燃比であっても酸素とＨＣ、
ＣＯ、Ｈ₂ 等の還元剤が完全には反応せずに共存した状
態で存在しており、通常のＯ₂ センサではリッチ空燃比
の排気ガス中でも少量含まれる酸素を排気側の白金電極
により酸化して酸素を消費して酸素濃度をほぼ０に近い
値にまで低下させ、スイッチング特性（Ｚ特性）が出る
ようになっている。そこで、本実施形態では、Ｏ₂ セン
サ２８の排気側の電極を酸化能力の無いまたは劣る材料
を用いて酸素濃度に対応した出力が得られるようにして
いる。触媒の上流側では、酸素と還元剤が共存状態であ
っても、触媒により酸素は還元剤酸化のために消費され
るが、この触媒が劣化して酸化能力が低下すると、この
酸素や還元剤が触媒の下流側に漏れ出てくる。従って、
この濃度を測定することで触媒の酸化能力の低下、即
ち、劣化を判定することができる。

【００３２】従って、排気浄化触媒装置２３の下流側の
酸素濃度を測定するＯ₂ センサ２８は、図２に示すよう
に、ハウジング３１内にコップ型の検出素子３２が取付
けられ、この検出素子３２の周囲に素子カバー３３が取
付けられている。この検出素子３２は、ジルコニア固体
電解質３４の内側に内側電極（大気側Ｐｔ電極）３５が
装着され、外側に外側電極（排気側電極）３６が装着さ
れると共に、この外側電極３６の外側に電極保護層（セ
ラミック等のコーティング）３７が付与されて構成され
ている。従って、内側電極３５に高酸素濃度の大気を導
入し、外側電極３６に低酸素濃度の排気ガスを導入する
と、ジルコニア固定電解質３４が内外面の酸素濃度差に
応じて起電力を発生し、この起電力に基づいて酸素濃度
を検出することができる。

【００３３】そして、本実施形態では、このＯ₂ センサ
２８にて、排気側となる外側電極３６を酸化能力の無い
または劣る材料とするために、白金（Ｐｔ）を燃料やエ
ンジンオイルに浸漬させて鉛（Ｐｂ）により被毒させて
ある。なお、被毒成分としては、鉛（Ｐｂ）の他に硫黄
（Ｓ）、酸素（Ｏ₂ ）等を用いてもよく、その他にリン
（Ｐ）、亜鉛（Ｚｎ）、カルシウム（Ｃａ）などでもよ
い。その他に外側電極３６の材料としては、貴金属の中
でも酸化能力の低いロジウム（Ｒｈ）が好適である。更
に、外側電極３６の材料としては、融点が８００℃以上
（排気ガスで溶融しない温度）で導電性を有する金属や
合金であればよく、例えば、ステンレス（Ｆｅ）、タン
グステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、イリジウム（Ｉ
ｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）などがあ
る。

【００３４】ここで、本実施形態の排気浄化触媒の劣化
検出装置による制御を図３に示すフローチャートに基づ
いて詳細に説明する。図３に示すように、まず、ステッ
プＳ１では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の暖機が完了したか
どうか判定する。この暖機完了は、高温センサ２４が検
出した排気温度から吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度を
推定し、この触媒温度が触媒活性温度（例えば、２００
〜３００℃）以上であるかどうかで判定する。触媒温度
が触媒活性温度より低ければそのままリターンし、触媒
温度が触媒活性温度以上であれば、ステップＳ２に移行
する。このステップＳ２では、空燃比がストイキまたは
リッチ空燃比かどうかを判定する。この空燃比の判定
は、Ｏ₂ センサ２７が検出した酸素濃度から検出し、排
気ガスの空燃比が酸化（リーン）雰囲気であればそのま
まリターンし、ストイキまたはリッチ空燃比であれば、
ステップＳ３に移行する。

【００３５】そして、このステップＳ３では、吸蔵型Ｎ
Ｏｘ触媒２５が暖機完了状態で且つ排気ガスが還元雰囲
気のとき、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５（排気浄化触媒装置２
３）より下流側にてＯ₂ センサ２８が検出した排気ガス
の酸素濃度が所定値（所定値は、上流側のＯ₂ センサ２
７の出力に応じて設定するか、あるいはエンジン負荷と
エンジン回転数とから排気状態に対応する値がマップ検
索される）以上であるかどうかを判定する。即ち、前述
したように、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の上流側の排気ガス
にはストイキあるいはリッチ空燃比であってもＨＣ、Ｃ
Ｏ、Ｈ₂ 等の還元剤の他に少量のＯ₂ が存在しており、
吸蔵型ＮＯｘ触媒２５により酸素は還元剤酸化のために
消費されるが、この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が劣化すると
酸化能力が低下し、Ｏ₂ 、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂ がその下流
側に漏れ出てくる。従って、Ｏ₂センサ２８がこの吸蔵
型ＮＯｘ触媒２５から漏れ出たＯ₂ を検出し、そのＯ₂
濃度が所定値より低ければ吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は劣化
していないと判定してそのままリターンし、所定値以上
であれば、ステップＳ４で吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の劣化
を判定し、ステップＳ５にて、計器盤のエンジンチェッ
クランプを点灯する等により運転者に認識できるように
すればよい。これにより運転者は整備工場等で劣化触媒
の交換等の措置をとることができる。

【００３６】このステップＳ３において、Ｏ₂ センサ２
８が検出した排気ガスの酸素濃度による吸蔵型ＮＯｘ触
媒２５の劣化判定について説明すると、Ｏ₂ センサ２８
は、内側電極３５側の高酸素濃度の大気と外側電極３６
側の低酸素濃度の排気ガスとの酸素濃度差に応じて起電
力を発生するものであり、排気ガスの酸素濃度が低いほ
ど大きな起電力を発生するようになっている。そして、
本実施形態では、Ｏ₂センサ２８における排気側となる
外側電極３６を酸化能力の無いまたは劣る材料（例え
ば、白金を鉛被毒）としてあるため、Ｏ₂ センサ２８の
出力（起電力）は排気ガスの酸素濃度に対応したものと
なっている。

【００３７】従って、図４に示すように、吸蔵型ＮＯｘ
触媒２５が正常な状態では、排気ガス中のＯ₂ が吸蔵型
ＮＯｘ触媒２５で還元剤酸化のために消費されるため、
ストイキを基準としてリッチ空燃比側で酸素濃度が低く
なり、Ｏ₂ センサ２８の出力電圧（起電力）が大きいも
のとなっている。そして、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が劣化
してくると、排気ガス中のＯ₂ が吸蔵型ＮＯｘ触媒２５
で還元剤酸化のために消費されなくなって下流側へ漏れ
だすため、リッチ空燃比側で酸素濃度が高くなり、出力
電力がＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅと小さくなっていく。この場
合、例えば、判定条件を流入する排気の空燃比がリッチ
空燃比がＸ₁ のときとし、触媒劣化条件を出力電力がＹ
₁ 以下とすると、ステップＳ３でＯ₂ センサ２８の出力
電圧がＹ ₁ 以下になると、触媒下流の酸素濃度が高いと
いうことで触媒劣化と判定する。即ち、出力電圧がＹ₁
以下になると、触媒酸化能力、つまり、触媒浄化能力が
低下し、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害物
質が所定値以上含有していると判断する。

【００３８】このように本実施形態の内燃機関の排気浄
化装置では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５より下流側のＯ₂ セ
ンサ２８にて、排気側となる外側電極３６を酸化能力の
無いまたは劣る材料として排気ガスの酸素濃度に対応し
た値を出力可能とし、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が暖機完了
状態で且つ排気ガスが還元雰囲気のとき、このＯ₂ セン
サ２８が検出した排気ガスの酸素濃度が所定値以上であ
れば、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の劣化を判定し、エンジン
チェックランプを点灯する等により運転者に認識させる
ようにしている。このように吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の排
気浄化能力に直接関連する酸化能力の低下を的確に判定
して吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の劣化を的確に判定すること
ができ、また、暖機完了後に触媒の劣化判定を行うこと
で、判定機会を十分に確保して高精度の劣化判定が可能
となる。

【００３９】図５に本発明の第２実施形態に係る排気浄
化触媒の劣化検出装置による劣化検出制御を表すフロー
チャートを示す。なお、前述した実施形態で説明したも
のと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重
複する説明は省略する。

【００４０】図５に示すように、まず、ステップＳ１１
では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の暖気が完了したかどうか
判定し、高温センサ２４が検出した排気温度から推定し
た吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度が触媒活性温度（例
えば、２００〜３００℃）より低ければそのままリター
ンし、触媒温度が触媒活性温度以上であれば、ステップ
Ｓ１２に移行する。このステップＳ１２では、吸蔵型Ｎ
Ｏｘ触媒２５の劣化診断条件が成立したかどうか判定す
る。この劣化診断条件が成立は、エンジン１１の燃料噴
射モードが圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程
で噴射され、空燃比がストイキあるいはリッチ空燃比に
なっているかどうかを判定する。この圧縮ストイキ運転
あるいは圧縮リッチ運転は触媒劣化診断のために所定期
間ごと、例えば、所定走行距離ごてに行うようにしても
よい。この圧縮ストイキ運転時や圧縮リッチ運転時に
は、圧縮行程で燃料が噴射されるために、吸気行程噴射
における運転時に比べて同一の空燃比であっても、排気
に未反応物としてのＯ₂ 、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂ 等が多く含
まれることとなり、酸素濃度や還元剤濃度の増減傾向が
顕著となって検出値を明確に表すことができる。そし
て、このステップＳ１２にて、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の
劣化診断条件が成立していなければ、そのままリターン
し、成立していれば、ステップＳ１３にてそのまま圧縮
ストイキまたは圧縮リッチ運転を行う。

【００４１】そして、ステップＳ１４では、吸蔵型ＮＯ
ｘ触媒２５（排気浄化触媒装置２３）より下流側にてＯ
₂ センサ２８が検出した排気ガスの酸素濃度が所定値以
上であるかどうかを判定する。前述の実施形態と同様
に、Ｏ₂ センサ２８がこの吸蔵型ＮＯｘ触媒２５から漏
れ出たＯ₂ を検出し、そのＯ₂ 濃度が所定値より低けれ
ば吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は劣化していないと判定してそ
のままリターンし、所定値以上であれば、ステップＳ１
５で吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の劣化を判定し、ステップＳ
１６にて、計器盤のエンジンチェックランプを点灯する
等により運転者に認識できるようにすればよい。これに
より運転者は整備工場等で劣化触媒の交換等の措置をと
ることができる。

【００４２】このように本実施形態の内燃機関の排気浄
化装置では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の劣化診断条件とし
てエンジン１１の圧縮ストイキあるいは圧縮リッチ運転
を判定し、判定に最適な運転状態である圧縮ストイキあ
るいは圧縮リッチ運転のときだけＯ₂ センサ２８が検出
した排気ガスの酸素濃度に基づいて吸蔵型ＮＯｘ触媒２
５の劣化を判定するようにしている。従って、排気にＯ
₂ （あるいはＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂ 等の還元剤）が多く含ま
れる圧縮ストイキあるいは圧縮リッチ運転時に吸蔵型Ｎ
Ｏｘ触媒２５の劣化判定を行うことで、酸化能力の低下
を的確に判定して吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の劣化を的確に
判定することができる。

【００４３】なお、上述した実施形態では、吸蔵型ＮＯ
ｘ触媒２５より下流側にＯ₂ センサ２８を設けて排気ガ
スの酸素濃度を検出したが、Ｏ₂ センサ２８に代えてリ
ニアＡ／Ｆセンサを用いてもよい。リニアＡ／Ｆセンサ
を用いる場合においても、センサの外側電極は酸化能力
がないまたは劣る材料とすることが望ましい。また、吸
蔵型ＮＯｘ触媒２５より下流側のＯ₂ センサ２８が検出
した排気ガスの酸素濃度が所定値以上であるときに、吸
蔵型ＮＯｘ触媒２５が劣化したと判定したが、前述した
ように、排気ガスにはストイキあるいはリッチ空燃比で
あっても酸素以外にＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂ 等の還元剤が存在
しており、触媒が劣化して酸化能力が低下すると還元剤
を酸化できずに触媒の下流側に漏れ出てくる。従って、
この還元剤の濃度をＨＣセンサ、ＣＯセンサ、Ｈ₂ セン
サ等の還元剤センサにより測定し、この還元剤濃度が所
定値以上であるときに、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の酸化能
力の低下、即ち、劣化を判定してもよい。

【００４４】また、上述の実施形態では、吸蔵型ＮＯｘ
触媒２５に流入する排気ガス中の酸素濃度をＯ₂ センサ
２７により検出したが、Ｏ₂ センサ２７に代えてリニア
Ａ／Ｆセンサを使用してもよいし、Ｏ₂ センサ２７を廃
止してエンジンの運転状態に基づいて吸蔵型ＮＯｘ触媒
２５に流入する排気の状態を推定してもよい。更に、上
述の実施形態では、触媒が暖機状態であることを高温セ
ンサ２４の出力に基づいて検出するものとしたが、水温
等のエンジンの運転状態に基づいて推定しても良いし、
Ｏ₂ センサの活性判定で代用できれば代用してもよい。
更には、エンジン始動後から期間に基づいて推定しても
よい。

【００４５】また、ここでは、酸化能力の低下により触
媒の劣化を判定しているが、酸化能力と還元能力の劣化
については相関があり、酸化能力が低下している場合は
還元能力も低下していると判断できるので、三元触媒等
において、酸化能力が低下している場合は還元能力も含
めた触媒能力全体が低下していると判断できる。

【００４６】また、上述の実施形態では、吸蔵型ＮＯｘ
触媒を有する排気浄化装置について説明したが、本発明
の排気浄化触媒は吸蔵型ＮＯｘ触媒に限定するものでは
なく、ＮＯｘを吸着して還元剤により直接接触還元する
ＮＯｘ吸着触媒や選択還元型ＮＯｘ触媒や三元触媒に適
用してもよい。更に、エンジンについても、上述の実施
形態にような筒内噴射型エンジンに限らず、吸気管噴射
型リーンバーンエンジンでもよいし、リーンバーンエン
ジンでなくてもよく、ディーゼルエンジンにも適用でき
る。

【００４７】特に、上述の実施形態において、近接三元
触媒２２の劣化を検出する場合はＯ ₂ センサ２７，２９
を、三元触媒２６の劣化を検出する場合はＯ₂ センサ２
８と三元触媒２６の下流に設けたセンサＯ₂ ３０（図１
参照）を、排気浄化触媒装置２３の劣化を検出する場合
はＯ₂ センサ２７，３０を、触媒システム全体の劣化を
検出する場合はＯ₂ センサ２９，３０を使用すればよ
く、これらの場合は、センサはＯ₂ センサに限らず、リ
ニアＡ／Ｆセンサ、ＨＣセンサ、ＣＯセンサ、Ｈ ₂ セン
サでもよい。また、上流側のセンサは使用せずに流入す
る排気ガスの状態でエンジン運転状態を推定してもよ
い。そして、下流側にＯ₂ センサあるいはリニアＡ／Ｆ
センサを使用した場合は、外側電極を酸化能力のないま
たは劣る材料とすればよい。また、触媒の上下流にセン
サを装着した場合は、上下流の酸素濃度あるいは還元剤
濃度の差が小さいとき、触媒の酸化能力が低下してると
判断し、触媒劣化と判定してもよい。このとき、Ｏ₂ セ
ンサあるいはリニアＡ／Ｆセンサを用いた場合は、下流
側センサのみならず上流センサも外側電極を酸化能力の
ないまたは劣る材料としてもよい。

【００４８】

【発明の効果】以上、実施形態において詳細に説明した
ように本発明の排気浄化触媒の劣化検出装置によれば、
排気中の酸素濃度あるいは還元剤濃度に相関する指標が
所定値よりも酸素濃度あるいは還元剤濃度が高い側にな
ると、排気浄化触媒の劣化を判定するようにしたので、
触媒の排気浄化能力に直接関連する触媒の酸化能力の低
下を的確に判定することで触媒の劣化を的確に判定する
ことができ、また、暖機完了後に触媒の劣化判定を行う
ことで、判定機会を十分に確保して高精度の劣化判定を
可能とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る排気浄化触媒の劣
化検出装置を適用した内燃機関の排気浄化装置の概略構
成図である。

【図２】酸素濃度センサの要部断面図である。

【図３】第１実施形態の排気浄化触媒の劣化検出装置に
よる劣化検出制御を表すフローチャートである。

【図４】空燃比に対する酸素濃度センサの出力電圧を表
すグラフである。

【図５】本発明の第２実施形態に係る排気浄化触媒の劣
化検出装置による劣化検出制御を表すフローチャートで
ある。

【符号の説明】

１１ エンジン ２１ 排気管（排気通路） ２２ 三元触媒 ２３ 排気浄化触媒装置 ２４ 高温センサ（暖機完了検知手段） ２５ 吸蔵型ＮＯｘ触媒 ２６ 三元触媒 ２７ Ｏ₂ センサ（流入排気状態検知手段） ２８ Ｏ₂ センサ（排気成分検出手段） ２９ Ｏ₂ センサ ３１ 電子コントロールユニット，ＥＣＵ（劣化判定手
段）

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G084 DA27 FA00 FA20 FA29 3G091 AA02 AA12 AA17 AA18 AA23 AA24 AA28 AB03 AB05 AB06 BA11 BA14 BA15 BA19 BA27 BA32 BA33 BA34 CB02 CB03 CB05 CB07 DB06 DB10 EA01 EA03 EA07 EA16 EA17 EA31 EA33 EA34 EA38 FB10 FB11 FB12 FC02 GB02Y GB03Y GB05W GB06W GB07W HA03 HA36 HA37 HA38 HA42 HA47

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気通路に設けられて少なく
   とも酸化機能を有する排気浄化触媒と、該排気浄化触媒
   が暖機完了状態にあることを検出または推定する暖機完
   了検知手段と、前記排気浄化触媒に流入する排気が還元
   雰囲気であることを検出または推定する流入排気状態検
   知手段と、前記排気浄化触媒の下流で排気中の酸素濃度
   あるいは還元剤濃度に相関する指標を検出する排気成分
   検出手段と、前記排気浄化触媒が暖機完了状態にあり且
   つ前記排気浄化触媒に流入する排気が還元雰囲気のとき
   に前記排気成分検出手段が検出した指標が所定値よりも
   酸素濃度あるいは還元剤濃度が高い側であると前記排気
   浄化触媒の劣化を判定する劣化判定手段とを具えたこと
   を特徴とする排気浄化触媒の劣化検出装置。