JP4220082B2 - 触媒機能の検定方法、空燃比センサの検定方法、及び空燃比制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒機能の検定方法、空燃比センサの検定方法、及び空燃比制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車には、環境浄化の目的で、エンジンから排出された排ガスを除去する触媒を備えた浄化装置が排気管に配置されている。この浄化装置に用いられる触媒としては、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯx）を吸着除去するＮＯx吸蔵触媒が知られている。
【０００３】
前記ＮＯx吸蔵触媒は、触媒内にＮＯxを吸着して、ＮＯxを外界に排出しないようにするものであるので、所定期間使用すると、硫黄等による触媒の被毒のために、その能力が低下してしまう。
この対策として、エンジンに供給する燃料混合気を一時的にリッチ（燃料の増加）にしてやることにより、触媒に対して排ガス中のＨ2やＨＣをＮ2とともに作用させて（ＮＨ3として作用させて）、触媒のＮＯx吸着能力を回復させることが可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、例えばＮＯx吸蔵触媒を長期間使用すると、上述した被毒の程度が大きくなり、燃料混合気をリッチにする方法により触媒能力の回復を行っても、十分にＮＯx吸着能力が回復しないことがあった。
【０００５】
従って、触媒の機能が低下した状態で自動車を走行させると、排ガス中のＮＯx成分がそのまま排出されてしまい、環境の悪化をもたらす恐れがあった。
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、その主要な目的は、ＮＯxを除去する触媒の機能が十分であるかどうかの検定を、窒素酸化物濃度を測定可能なガスセンサを利用して行う触媒機能の検定方法を提供することにある。
【０００６】
また、他の目的は、前記窒素酸化物濃度を測定可能なガスセンサを利用した空燃比センサの検定方法及び空燃比制御方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
まず、本発明にかかわる基本的な作用について説明する。
▲１▼本発明で使用する窒素酸化物濃度を測定可能なガスセンサ（いわゆるＮＯxセンサ）は、２室タイプのガスセンサであり、このガスセンサは、通常、第１室の酸素分圧が一定になるように第１ポンプセルの電流（第１ポンプ電流）を制御して、その時の第２ポンプセルの電流（第２ポンプ電流）からＮＯxを検出するように作動する。従って、第１室の酸素分圧が変動すると、第２ポンプ電流のオフセット電流が変化するため、ＮＯx濃度が正確に測定できないという特性がある。
【０００８】
また、このガスセンサを用い、第１ポンプ電流を固定した状態にて、酸素濃度測定セルの出力電圧で空燃比を制御すると、この出力電圧は変動するので、図６に示す様に、内燃機関の燃料混合気の空燃比は、あるリーンの空燃比を中心にして、その前後を揺れ動くように変化する。
【０００９】
ところで、このガスセンサの第１ポンプ電流は、排ガス中の酸素濃度を比較的正確に表しているので、第１ポンプ電流を用いて空燃比を検出することができる。しかし、第１ポンプ電流は、空燃比に対して直線的に変化するので、広い範囲にわたり空燃比を測定できる反面、ガスセンサ側では、第１室の酸素濃度の変動を抑制する制御の回路が必要であり、それを検出するＥＣＵ側では、連続的に変化する電圧を検出できるようにＡＤコンバータ等が必要になる上に、センサ出力がばらつくために、センサ出力を補正する手段が必要になり、システムとしては複雑になる。
【００１０】
▲２▼また、従来の空燃比制御では、λ＝１（ストイキ）を中心に、リッチ側とリーン側で０−１Ｖの出力を有する濃淡電池型の酸素センサが使われるが、ストイキ近傍における空燃比制御においては、僅かの空燃比の変動で排ガス中の有害成分が大きく変化する。従って、濃淡電池型の酸素センサを用いた場合と、上記のような直線的な出力の出る酸素センサを用いた場合では、直線的な出力の出る酸素センサの方が、排ガスをよりクリーンな状態にすることができた。
【００１１】
一方、λ＞１（リーン）の領域で、所定の空燃比になるように内燃機関を制御する場合には、多少の空燃比の変動では排ガス中の有害成分は変化しないので、必ずしも常時正確な空燃比を検出しなくとも問題はない。つまり、その場合には、所定の空燃比の前後でその出力がステップ的に変化する酸素センサで十分である。
【００１２】
従って、前述のようなシステム的な構成の複雑さを考えると、むしろ、出力がステップ的に変化する酸素センサの方が望ましいことになる。
▲３▼そこで、本発明者らは、第１ポンプ電流を所定値に固定した状態にて、酸素濃淡電池の出力を検出することで、前述のようなシンプルな出力特性の酸素センサを得て、簡単にリーン領域での空燃比制御を行うことを考え、更に研究を続けることにより、本発明を完成した。
【００１３】
つまり、上述したガスセンサにおいて、第１ポンプ電流を固定して使用した場合には、第１室の酸素濃度が一定でなくなり、第２ポンプ電流のオフセットが変動して、結果としてＮＯx濃度を正確に検出できないが、本発明に用いるガスセンサでは、酸素濃度測定セルの出力が所定値（目標値）になるように空燃比制御をする一方で、酸素濃度測定セルの出力が所定値になったときの第２ポンプ電流を検出することで、正確にＮＯx濃度を検出することができる。
【００１４】
即ち、酸素濃度測定セルの出力が所定値になったときの第２ポンプ電流を検出すれば、第１室の酸素濃度の変動の影響を回避できるので、正確にＮＯx濃度を検出することができる。
以下、各請求項毎に説明する。
【００１５】
（１）請求項１の発明は、
内燃機関の上流側に燃料混合気の空燃比を調節する空燃比調節手段（例えばインジェクタやスロットルバルブ）を備えたシステムに対し、前記燃料混合気の空燃比を制御する空燃比制御方法であって、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素のポンピングを行う第１ポンプセルと、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素濃度の測定を行う酸素濃度測定セルとを有し、第１連通路を介して被測定ガス空間に連通された第１室と、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素のポンピングを行う第２ポンプセルを有し、第２連通路を介して前記第１室と連通された第２室と、を備えた窒素酸化物濃度を測定可能なガスセンサを、前記内燃機関の下流側に配置し、前記第１ポンプセルに所定値の電流を流して前記第１室から酸素を汲み出すとともに、前記酸素濃度測定セルの出力電圧が目標値となるように前記空燃比調節手段を制御して空燃比を調節することを特徴とする空燃比制御方法を要旨とする。
【００１６】
本発明では、上述した構成を有するガスセンサを内燃機関の下流側に配置し、このガスセンサにおいて、第１ポンプセルに所定値の電流（第１ポンプ電流）を流して第１室から酸素を汲み出すとともに、酸素濃度測定セルの出力電圧が目標値となるように空燃比調節手段を制御して空燃比を調節する。例えば吸入空気量を調節したり、燃料噴射量を調節したりして、燃料混合気の空燃比を調節する。
【００１７】
つまり、第１ポンプ電流を固定にして作動させた場合には、被測定ガスの空燃比（即ち酸素濃度）に応じて、酸素濃度測定セルの電圧（Ｖｓ）が出力されることになる。従って、本発明では、逆に、Ｖｓを一定にする様に、例えば吸入空気量や燃料噴射量を調節することにより、空燃比を制御する。
【００１８】
（２）請求項２の発明は、
内燃機関の上流側に燃料混合気の空燃比を調節する空燃比調節手段を備え、該内燃機関の下流側に排ガス中の窒素酸化物を除去する触媒を備え、更に該触媒の下流側に窒素酸化物濃度を測定可能なガスセンサを備えたシステムに対し、前記触媒の機能を検定する触媒機能の検定方法であって、前記ガスセンサとして、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素のポンピングを行う第１ポンプセルと、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素濃度の測定を行う酸素濃度測定セルとを有し、第１連通路を介して被測定ガス空間に連通された第１室と、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素のポンピングを行う第２ポンプセルを有し、第２連通路を介して前記第１室と連通された第２室と、を備えたガスセンサを用い、前記第１ポンプセルに所定値の電流を流して前記第１室から酸素を汲み出すとともに、前記酸素濃度測定セルの出力電圧が目標値となるように前記空燃比調節手段を制御して空燃比を調節し、このときに、前記第２ポンプセルに前記第２室から酸素を汲み出す方向に一定電圧を印加し、前記酸素濃度測定セルの出力電圧が前記目標値のときに該第２ポンプセルに流れる電流から被測定ガス中の窒素酸化物濃度を検出し、該検出結果に基づいて、前記触媒の機能を検定することを特徴とする触媒機能の検定方法を要旨とする。
【００１９】
本発明では、上述した構成を有する窒素酸化物濃度を測定可能なガスセンサを触媒の下流側に配置し、このガスセンサにおいて、第１ポンプセルに所定値の電流を流して第１室から酸素を汲み出すとともに、酸素濃度測定セルの出力電圧が目標値となるように空燃比調節手段を制御して空燃比を調節する。例えば吸入空気量を調節したり、燃料噴射量を調節したりして、燃料混合気の空燃比を調節する。
【００２０】
そして、このときに、第２ポンプセルに第２室から酸素を汲み出す方向に一定電圧を印加し、酸素濃度測定セルの出力電圧が前記目標値のときに第２ポンプセルに流れる電流から、被測定ガス中の窒素酸化物濃度を正確に検出する。
つまり、空燃比を変化させて、排ガスに含まれる窒素酸化物濃度を変化させた場合であっても、触媒の窒素酸化物を除去する機能が正常であれば、触媒の下流側に配置されたガスセンサで検出される窒素酸化物濃度の変化は少ないはずである。従って、このガスセンサによる検出結果（検出した窒素酸化物濃度）に基づいて、触媒の機能を検定することができる。
【００２１】
例えば空燃比の変化に対応して、窒素酸化物濃度の変化が大きければ、触媒が劣化していると判定できる。また、空燃比の変化に対応して、窒素酸化物濃度の変化が小さければ、触媒が劣化していないと判定できる。
（３）請求項３の発明は、
前記触媒機能の検定に先立ち、一旦空燃比をリッチ側（排気ガス中にＨＣやＣＯが多くなる側）に設定して触媒機能を回復させ、その後リーン側（排気ガス中にＮＯxが多くなる側）に設定し、該リーン側に設定した場合における前記窒素酸化物濃度の検出結果に基づいて、前記触媒の機能を検定することを特徴とする請求項１に記載の触媒機能の検定方法を要旨とする。
【００２２】
本発明では、触媒機能の検定に先立ち、一旦空燃比をリッチ側に設定している。この操作により、仮に触媒機能が劣化している場合には、触媒機能を回復させることができる。
つまり、上述した様に、燃料混合気を一時的にリッチにしてやることにより、排気ガス中のＨ2やＨＣがＮ2とともに作用して（ＮＨ3として作用して）、ＮＯxを吸着する能力を回復することが可能である。よって、通常であれば、この様な操作により、触媒機能を回復させることができる。
【００２３】
本発明では、その後、空燃比をリーン側に設定し、その際のガスセンサによる窒素酸化物濃度の検出結果から、触媒機能を検定を行っている。
つまり、通常であれば、上述した操作により、触媒機能が回復しているはずであるが、何等かの原因により、触媒機能が回復していない場合には、当然ながら、触媒にて窒素酸化物の吸着が行われず、触媒からそのまま窒素酸化物が排出され、ガスセンサにて高い窒素酸化物濃度が検出されるので、ガスセンサの検出結果から、触媒機能の回復状態を知ることができるのである。
【００２４】
（４）請求項４の発明は、
一旦空燃比をリッチ側に設定した際に、前記第２ポンプセルに流れる電流の最小値と、その後に再び空燃比をリーン側で制御した際に、前記酸素濃度測定セルの出力電圧が前記目標値のときの前記第２ポンプセルに流れる電流と、の差に基づいて、前記触媒の機能を検定することを特徴とする請求項３に記載の触媒機能の検定方法を要旨とする。
【００２５】
本発明は、上述したガスセンサ（ＮＯxセンサ）の出力の不安定性を補償して、正確にＮＯxを検出するようにしたものである。
ＮＯxセンサは、現在、暖気直後の出力ドリフトによってゼロ点が大きく変化するので、ＮＯxセンサを起動した後しばらくは、正確にＮＯx濃度ゼロの補正ができないという状況にある。
【００２６】
しかし、空燃比がリッチの場合には、排ガス中のＮＯx濃度は殆どゼロになるので、その時点での第２ポンプ電流は、基本的にＮＯx濃度がゼロの値を示す。一方、リーン側に制御した場合は、前記リッチの場合の第２ポンプ電流と酸素濃度測定セルの出力が目標値の場合の第２ポンプ電流との差は、基本的にリーン制御時における排ガス中のＮＯx濃度を反映したものとなる。そこで、この電流値の差を用いることで、触媒能力を回復した直後における触媒の下流側でのＮＯxの漏洩を正確に検出し、それにより、触媒能力の劣化の検出を行うことができる。
【００２７】
（５）請求項５の発明は、
内燃機関の上流側に燃料混合気の空燃比を調節する空燃比調節手段（例えばインジェクタやスロットルバルブ）を備えるとともに、前記内燃機関の下流側に前記燃料混合気の空燃比を検出する空燃比センサを備えたシステムに対し、前記空燃比センサの機能を検定する空燃比センサの検定方法であって、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素のポンピングを行う第１ポンプセルと、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素濃度の測定を行う酸素濃度測定セルとを有し、第１連通路を介して被測定ガス空間に連通された第１室と、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素のポンピングを行う第２ポンプセルを有し、第２連通路を介して前記第１室と連通された第２室と、を備えた窒素酸化物濃度を測定可能なガスセンサを、前記内燃機関の下流側に配置し、前記第１ポンプセルに所定値の電流を流して前記第１室から酸素を汲み出すとともに、前記酸素濃度測定セルの出力電圧が目標値となるように前記空燃比調節手段を制御して空燃比を調節し、このときの前記空燃比センサの出力に基づいて、該空燃比センサの機能を検定することを特徴とする空燃比センサの検定方法を要旨とする。
【００２８】
本発明では、上述した構成を有するガスセンサを内燃機関の下流側に配置し、このガスセンサにおいて、第１ポンプセルに所定値の電流（第１ポンプ電流）を流して第１室から酸素を汲み出すとともに、酸素濃度測定セルの出力電圧が目標値となるように空燃比調節手段を制御して空燃比を調節する。例えば吸入空気量を調節したり、燃料噴射量を調節したりして、燃料混合気の空燃比を調節する。
【００２９】
そして、このときの空燃比センサの出力に基づいて、空燃比センサの機能を検定する。
つまり、第１ポンプ電流を固定にして作動させた場合には、被測定ガスの空燃比（即ち酸素濃度）に応じて、酸素濃度測定セルの電圧（Ｖｓ）が出力されることになる。従って、逆に、Ｖｓを一定にする様に、例えば吸入空気量や燃料噴射量を調節することにより、空燃比を制御することが可能である。
【００３０】
従って、このガスセンサを用いて空燃比を制御した場合に、例えば、触媒上流のもう一つの空燃比センサの出力が、このガスセンサで制御している空燃比に一致しない場合には、触媒上流の空燃比センサが劣化したと判断することができる。
【００３１】
尚、前記第１，２ポンプセル及び酸素濃度測定セルとは、例えばジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の多孔質電極を配置したものである。従って、例えば各ポンプセルの電極間に電圧を印加することにより、一方の電極側から他方の電極側に酸素を移動させることができる。また、酸素濃度測定セルの両電極間に酸素濃度の違いがある場合には、両電極間に起電力が発生するので、その起電力に基づいて酸素濃度を測定することができる。
【００３２】
また、前記第１，２連通路としては、拡散律速を行う構成を採用できる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の触媒機能の検定方法、空燃比センサの検定方法、及び空燃比制御方法の実施の形態の例（実施例）を、図面に基づいて説明する。
（実施例１）
本実施例は、ＮＯx吸蔵触媒の触媒機能の検定方法を示すものである。
【００３４】
ａ）まず、触媒が配置されたシステムの全体構成について説明する。
このシステムは、自動車に搭載されているシステムであり、図１に示す様に、内燃機関（ガソリンエンジン）２の吸気管４には、その上流側から、吸入空気量を調節するスロットルバルブ６と燃料を噴射するインジェクタ８とが配置されている。一方、排気管１０には、その上流側から、空燃比を検出する全領域空燃比センサ１２と、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯx）を吸着して除去するＮＯx吸蔵触媒（以下触媒と記す）１４と、ＮＯx濃度を測定する窒素酸化物濃度センサ（以下ＮＯxセンサと記す）１６が配置されている。
【００３５】
尚、触媒としては、例えば、ＮＯx吸蔵物質である炭酸バリウムを通常のセラミック製のハニカム担体に担持させたものを用いることができる。この場合、炭酸バリウムにはロジウムや白金等の触媒を更に担持させる事で、ＮＯをＮＯ2に変換し炭酸バリウムと反応させて硝酸バリウムにして、触媒中に吸蔵させる。
【００３６】
そして、全領域空燃比センサ１２からの信号は、マイクロコンピュータとして構成されている電子制御装置（ＥＣＵ）１８に入力し、ＥＣＵ１８からは、スロットルバルブ６及びインジェクタ８の駆動を制御する制御信号が出力される。
特にＮＯxセンサ１６は、ＮＯx濃度の測定のための制御回路２０を介してＥＣＵ１８に接続されており、制御回路２０により、ＮＯxセンサ１６の制御やＮＯxセンサ１６の出力の処理がなされる。
【００３７】
ｂ）次に、ＮＯxセンサ１６の構成について説明する。
図２に示す如く、ＮＯxセンサ１６は、第１ポンプセル２４，酸素濃度測定セル（以下Ｖｓセルと記す）２６，第２ポンプセル２８，及びこれら各セルを加熱する左右一対のヒータ（図示せず）を備える。
【００３８】
第１ポンプセル２４は、薄板状ジルコニアセラミックスからなる固体電解質層２４ａの両側に、それぞれ矩形状の多孔質電極２４ｂ，２４ｃを備えたものである。
また、Ｖｓセル２６は、第１ポンプセル２４の固体電解質層２４ａと同様な固体電解質層２６ａの両側に、それぞれ円形状の多孔質電極２６ｂ，２６ｃを形成し、更に、多孔質電極２６ｂ，２６ｃの中心部分を貫通するように固体電解質層２６ａに丸孔を穿設して、その丸孔に、例えばアルミナ等からなる多孔質の充填材を詰めることにより、拡散律速層２６ｄを形成したものである。
【００３９】
このように形成された第１ポンプセル２４及びＶｓセル２６は、上記各固体電解質層２４ａ，２６ａと同様な固体電解質層３０を介して積層される。そして、この固体電解質層３０の各多孔質電極２４ｃ，２６ｂとの対向位置には、多孔質電極２４ｃよりも大きな矩形状の孔が穿設されており、この孔が第１室３２として機能する。
【００４０】
またＶｓセル２６の多孔質電極２６ｃ側にも、上記各固体電解質層２４ａ，２６ａと同形状の固体電解質層３４が積層される。そして、この固体電解質層３４には、Ｖｓセル２６の拡散律速層２６ｄと同位置に同寸法の丸孔を穿設して、その丸孔に、アルミナ等からなる多孔質の充填材を詰めることにより、拡散律速層３４ｄが形成されている。
【００４１】
一方、第２ポンプセル２８は、第１ポンプセル２４と同様、板状に形成された固体電解質層２８ａの両側に、夫々、矩形状の多孔質電極２８ｂ，２８ｃを形成したものである。そして、この第２ポンプセル２８は、その内側にて、固体電解質層３０とほぼ同様な形状の固体電解質層３６を介して、Ｖｓセル２６に積層された固体電解質層３４に積層され、その外側には、固体電解質層２８ａと同様な固体電解質層３８が積層される。この結果、固体電解質層３６に穿設された矩形状の孔が第２室４０として機能することになる。
【００４２】
また、このように積層される第１ポンプセル２４，Ｖｓセル２６，第２ポンプセル２８の積層体の両側、つまり、第１ポンプセル２４と第２ポンプセル２８の外側には、図示しないが、それぞれスペーサにより所定間隔を開けてヒータが積層される。
【００４３】
ｃ）次に、前記構成のＮＯxセンサ２を用いてＮＯx濃度を測定する基本的な方法について説明する。
被測定ガスは、外界（被測定ガス空間）から第１室３２内に導入される。このとき、第１室３２の開口部３２ａにより被測定ガスの拡散律速が行われる。
【００４４】
次に、第１ポンプセル２４に電圧を印加して酸素のポンピングを行う。つまり、第１室３２内の被測定ガス中の酸素を被測定ガス空間に排出する。
同時に、Ｖｓセルの出力電圧（Ｖｓ）をモニターし、第１室３２内の酸素ガス濃度を測定する。そして、酸素ガス濃度が殆ど０になるまで、前記第１ポンプセル２４によるポンピングを行う。
【００４５】
この状態で、被測定ガスは、拡散律速層２６ｄ，３４ｄを通って、第２室４０内に導入される。尚、第１ポンプセル２４による酸素のポンピングにより、この第２室導入された被測定ガス中には、酸素ガスは殆ど含まれていない。
従って、第２ポンプセル２８に電圧を印加して、第２室４０から多孔質電極２８ｃ側に設けられた基準酸素源側に酸素をポンピングする。つまり、第２室４０側の多孔質電極２８ｂにて、ＮＯx（実質的にはＮＯ）を窒素と酸素に分解して、そのうちの酸素をポンピングする。
【００４６】
従って、このポンピングによる電流（第２ポンプ電流Ｉp2）からＮＯの量（即ちＮＯx濃度）を測定することができる。
ｄ）次に、本実施例の要部である触媒機能の検定方法について説明する。
▲１▼まず、触媒の機能を回復させるために、いわゆるリッチスパイクを打つという制御を行う。
【００４７】
すなわち、ＮＯxを吸蔵するタイプの触媒の場合は、仮にその触媒が被毒により機能が劣化したときでも、通常では、Ｈ2やＨＣ成分の多い（リッチの）燃料混合気を触媒に供給すると、触媒の機能が回復するので、ここでは、一旦空燃比をリッチ（Ｒ）側に振る制御を行う。
【００４８】
例えばスロットルバルブ６を閉じたり、インジェクタ８により燃料を供給することにより、一時的に空燃比をリッチ側に設定する。
具体的には、第１ポンプセル２４に流れる電流（第１ポンプ電流Ｉp1）と空燃比との間には、図３に示す関係があるので、第１ポンプ電流Ｉp1を図３のマイナス側、即ち酸素を第１室３２内に汲み入れる側に設定することにより、空燃比をリッチ側とすることができる。つまり、これにより、図４の実線で示す様に、空燃比を所望の空燃比（リッチ）とすることができる。
【００４９】
▲２▼その後、空燃比をリーン側に制御する。
具体的には、第１ポンプセル２４に流れる電流（第１ポンプ電流Ｉp1）を図３のプラス側、即ち酸素を第１室３２から汲み出す側の所定値に固定するとともに、Ｖｓセル２６の出力電圧Ｖｓを２５０〜４５０ｍＶの範囲の例えば３５０ｍＶ（目標値）となる様に、例えばスロットルバルブ６を制御して、空燃比を調節する。
【００５０】
これにより、図４の破線で示す様に、空燃比を所望の空燃比（リーン）とすることができる。尚、正確には多少の空燃比の変動がある。
▲３▼そして、この空燃比をリーン側に制御した場合において、Ｖｓセル２６の出力電圧Ｖｓが目標値である３５０ｍＶとなった際の第２ポンプ電流Ｉp2を求め、この第２ポンプ電流Ｉp2の値に基づいてＮＯx濃度を検出する。
【００５１】
具体的には、（予め実験等により求められて記憶された）第２ポンプ電流Ｉp2の値とＮＯx濃度との関係を示すマップを参照し、測定された第２ポンプ電流Ｉp2の値からＮＯx濃度を求める。
ここで、ＮＯx濃度が、通常のエンジン２の作動時の濃度の様に、十分に低い場合には、触媒機能が回復したと見なすことができる。一方、前記リッチスパイクを打って触媒機能を回復させる処理を行ったにもかかわらず、ＮＯx濃度が、通常のエンジン２の作動時の濃度よりも高い場合には、触媒機能が回復していないと見なすことができる。
【００５２】
つまり、図５に示す様に、空燃比をリッチ（Ｈ2，ＨＣ，ＣＯが多い状態）からリーン（ＮＯx，Ｏ2が多い状態）に切り替えた場合には、排ガス中にＮＯxが多くなるので、同図の実線で示す様に、ＮＯx濃度が低い状態のままの場合には、触媒機能が回復していると判断できる。一方、同図の破線で示す様に、ＮＯx濃度が増加する場合には、触媒１４にて十分にＮＯxの吸着が行われていない状態、即ち触媒劣化の状態であると判断することができる。
【００５３】
この様に、本実施例では、エンジン２に、スロットルバルブ６，インジェクタ８の空燃比調節手段を備えるとともに、空燃比センサ１２，触媒１４，ＮＯxセンサ１６を備えたシステムにおいて、一旦空燃比をリッチに設定して触媒機能の回復を図った後に、空燃比をリッチからリーンに切り替えて、その際のＮＯx濃度の変化の状態から、触媒１４の劣化の状態を判断することができる。
【００５４】
つまり、本実施例では、簡単な操作により、容易に且つ確実に触媒機能の検定（例えば触媒劣化の判定）を行うことができる。
（実施例２）
次に、実施例２について説明する。
【００５５】
尚、前記実施例１と同様な箇所は、その説明を省略又は簡略化する。
本実施例は、上述したＮＯxセンサ１６を使用して、触媒１４の劣化を検出する方法であり、本実施例では、特に起動直後におけるＮＯxセンサ１６の不安定性を補償して、より正確に触媒１４の劣化を検出する。
【００５６】
本実施例では、前記図１に示すシステムにおいて、基本的な動作として、第１ポンプセル２４に所定値の電流（第１ポンプ電流Ｉp1）を流して第１室３２から酸素を汲み出すとともに、Ｖｓセル２６の出力電圧Ｖｓが目標値（例えば３５０ｍＶ）となるように空燃比調節手段を制御して空燃比を調節する。
【００５７】
そして、本実施例では、まず、空燃比を一旦リッチ側に設定し（リッチスパイク）、その際の第２ポンプ電流Ｉp2の最小値Ｉp2minを検出する。
次に、空燃比を再度リーン側に制御し、その際のＶｓセル２６の出力電圧Ｖｓが前記目標値のときの第２ポンプ電流Ｉp2を求める。
【００５８】
そして、前記リッチの際の第２ポンプ電流の最小値Ｉp2minと、リーンの際の第２ポンプ電流Ｉp2の差ΔＩを求める。
つまり、既に詳述した原理により、前記電流値の差ΔＩがリーン制御時における排ガス中のＮＯx濃度を反映しているので、この電流値の差ΔＩに基づいて、ＮＯx濃度を正確に検出することができる。
【００５９】
よって、前記リッチスパイクにより触媒能力を回復した直後の触媒１４の下流にて、ＮＯx濃度を測定し、その漏洩の状態を判定することにより、触媒１４の劣化を正確に検出することができる。
つまり、リッチスパイクにより触媒能力を回復した処理を行ったにもかかわらず、触媒１４の下流側にてＮＯxが基準以上に検出された場合には、触媒１４が劣化したと判断することができる。この場合、劣化が硫黄による劣化であるならば、触媒温度を更に高めた状態（７００℃）でリッチスパイクを打つことで、硫黄を硫化水素にして排出し、再び触媒を復元することができる。
【００６０】
本実施例では、特に、リッチの際の第２ポンプ電流の最小値Ｉp2minと、リーンの際の第２ポンプ電流Ｉp2の差ΔＩに基づいて、触媒１４の劣化を判定しているので、ＮＯxセンサを起動した直後であっても、正確に触媒１４の劣化の判定を行うことができるという利点がある。
（実施例３）
次に、実施例３について説明する。
【００６１】
尚、前記実施例１と同様な箇所は、その説明を省略又は簡略化する。
本実施例は、上述したＮＯxセンサ１６を使用して、全領域空燃比センサ１２の機能を検定する方法である。
例えば前記図１に示すシステムにおいて、第１ポンプセル２４に所定値の電流（第１ポンプ電流Ｉp1）を流して第１室３２から酸素を汲み出すとともに、Ｖｓセル２６の出力電圧Ｖｓが目標値となるように空燃比調節手段を制御して空燃比を調節する。
【００６２】
つまり、第１ポンプ電流Ｉp1を固定し、且つＶｓセル２４の出力電圧Ｖｓを目標値に制御することにより、例えば前記図４に示した様に、それに対応した空燃比に設定することができる。
従って、このとき、全領域空燃比センサ１２の出力をモニターし、このモニターした空燃比と、前記ＮＯxセンサにより設定した空燃比とを比較することにより、全領域空燃比センサ１２の機能を検定することができる。
【００６３】
例えば、全領域空燃比センサ１２により得られた空燃比と、ＮＯxセンサにより設定した空燃比とが大きく違っている場合には、全領域空燃比センサ１２の機能が劣化したと判断することができる。
（実施例４）
次に、実施例４について説明する。
【００６４】
尚、前記実施例１と同様な箇所は、その説明を省略又は簡略化する。
本実施例は、上述したＮＯxセンサ１６を使用して、空燃比の制御を行う方法である。
例えば前記図１に示すシステムにおいて、全領域空燃比センサ１２に代えて、周知のλセンサを用いたシステムを構成する。このλセンサとは、燃料混合気の理論空燃比点にてその出力が急変するセンサである。
【００６５】
このシステムにおいては、既に述べた様に、第１ポンプセル２４に所定値の電流（第１ポンプ電流Ｉp1）を流して第１室３２から酸素を汲み出すとともに、Ｖｓセル２６の出力電圧Ｖｓが目標値となるように空燃比調節手段を制御して空燃比を調節することができる。
【００６６】
従って、λセンサだけでは、全領域にわたる空燃比制御が困難であるが、上述したＮＯxセンサ１６を用いることにより、高価な全領域空燃比センサ１２を用いることなく、精密な空燃比制御を行うことができる。
尚、本発明は、前記実施例に限定されることなく、本発明の範囲内にて各種の態様で実施できることは勿論である。
【００６７】
（１）例えば実施例３，４においては、ＮＯx吸蔵触媒のないシステムにも適用可能である。
（２）また、ＮＯxセンサを使用すれば、全領域空燃比センサやλセンサがない場合でも、空燃比の制御が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１のシステム全体を示す説明図である。
【図２】 実施例１のＮＯxセンサ及び制御回路を示す説明図である。
【図３】 実施例１の第１ポンプ電流と空燃比との関係を示すグラフである。
【図４】 実施例１の空燃比の変化を示すグラフである。
【図５】 実施例１のＮＯxの変化を示すグラフである。
【図６】 空燃比の変動を示すグラフである。
【符号の説明】
２…内燃機関（エンジン）
６…スロットルバルブ
８…インジェクタ
１２…全領域空燃比センサ
１４…ＮＯx吸蔵触媒（触媒）
１６…ＮＯxセンサ（窒素酸化物濃度センサ）
１８…電子制御装置（ＥＣＵ）
２４…第１ポンプセル
２４ａ，２６ａ，２８ａ，３０，３４，３６，３８…固体電解質層
２４ｂ，２４ｃ，２６ｂ，２６ｃ，２８ｂ，２８ｃ…多孔質電極
２６…Ｖｓセル（酸素濃度測定セル）
２６ｄ，３４ｄ…拡散律速層
２８…第２ポンプセル
３２…第１室
４０…第２室
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒機能の検定方法、空燃比センサの検定方法、及び空燃比制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車には、環境浄化の目的で、エンジンから排出された排ガスを除去する触媒を備えた浄化装置が排気管に配置されている。この浄化装置に用いられる触媒としては、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯx）を吸着除去するＮＯx吸蔵触媒が知られている。
【０００３】
前記ＮＯx吸蔵触媒は、触媒内にＮＯxを吸着して、ＮＯxを外界に排出しないようにするものであるので、所定期間使用すると、硫黄等による触媒の被毒のために、その能力が低下してしまう。
この対策として、エンジンに供給する燃料混合気を一時的にリッチ（燃料の増加）にしてやることにより、触媒に対して排ガス中のＨ2やＨＣをＮ2とともに作用させて（ＮＨ3として作用させて）、触媒のＮＯx吸着能力を回復させることが可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、例えばＮＯx吸蔵触媒を長期間使用すると、上述した被毒の程度が大きくなり、燃料混合気をリッチにする方法により触媒能力の回復を行っても、十分にＮＯx吸着能力が回復しないことがあった。
【０００５】
従って、触媒の機能が低下した状態で自動車を走行させると、排ガス中のＮＯx成分がそのまま排出されてしまい、環境の悪化をもたらす恐れがあった。
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、その主要な目的は、ＮＯxを除去する触媒の機能が十分であるかどうかの検定を、窒素酸化物濃度を測定可能なガスセンサを利用して行う触媒機能の検定方法を提供することにある。
【０００６】
また、他の目的は、前記窒素酸化物濃度を測定可能なガスセンサを利用した空燃比センサの検定方法及び空燃比制御方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
まず、本発明にかかわる基本的な作用について説明する。
▲１▼本発明で使用する窒素酸化物濃度を測定可能なガスセンサ（いわゆるＮＯxセンサ）は、２室タイプのガスセンサであり、このガスセンサは、通常、第１室の酸素分圧が一定になるように第１ポンプセルの電流（第１ポンプ電流）を制御して、その時の第２ポンプセルの電流（第２ポンプ電流）からＮＯxを検出するように作動する。従って、第１室の酸素分圧が変動すると、第２ポンプ電流のオフセット電流が変化するため、ＮＯx濃度が正確に測定できないという特性がある。
【０００８】
また、このガスセンサを用い、第１ポンプ電流を固定した状態にて、酸素濃度測定セルの出力電圧で空燃比を制御すると、この出力電圧は変動するので、図６に示す様に、内燃機関の燃料混合気の空燃比は、あるリーンの空燃比を中心にして、その前後を揺れ動くように変化する。
【０００９】
ところで、このガスセンサの第１ポンプ電流は、排ガス中の酸素濃度を比較的正確に表しているので、第１ポンプ電流を用いて空燃比を検出することができる。しかし、第１ポンプ電流は、空燃比に対して直線的に変化するので、広い範囲にわたり空燃比を測定できる反面、ガスセンサ側では、第１室の酸素濃度の変動を抑制する制御の回路が必要であり、それを検出するＥＣＵ側では、連続的に変化する電圧を検出できるようにＡＤコンバータ等が必要になる上に、センサ出力がばらつくために、センサ出力を補正する手段が必要になり、システムとしては複雑になる。
【００１０】
▲２▼また、従来の空燃比制御では、λ＝１（ストイキ）を中心に、リッチ側とリーン側で０−１Ｖの出力を有する濃淡電池型の酸素センサが使われるが、ストイキ近傍における空燃比制御においては、僅かの空燃比の変動で排ガス中の有害成分が大きく変化する。従って、濃淡電池型の酸素センサを用いた場合と、上記のような直線的な出力の出る酸素センサを用いた場合では、直線的な出力の出る酸素センサの方が、排ガスをよりクリーンな状態にすることができた。
【００１１】
一方、λ＞１（リーン）の領域で、所定の空燃比になるように内燃機関を制御する場合には、多少の空燃比の変動では排ガス中の有害成分は変化しないので、必ずしも常時正確な空燃比を検出しなくとも問題はない。つまり、その場合には、所定の空燃比の前後でその出力がステップ的に変化する酸素センサで十分である。
【００１２】
従って、前述のようなシステム的な構成の複雑さを考えると、むしろ、出力がステップ的に変化する酸素センサの方が望ましいことになる。
▲３▼そこで、本発明者らは、第１ポンプ電流を所定値に固定した状態にて、酸素濃淡電池の出力を検出することで、前述のようなシンプルな出力特性の酸素センサを得て、簡単にリーン領域での空燃比制御を行うことを考え、更に研究を続けることにより、本発明を完成した。
【００１３】
つまり、上述したガスセンサにおいて、第１ポンプ電流を固定して使用した場合には、第１室の酸素濃度が一定でなくなり、第２ポンプ電流のオフセットが変動して、結果としてＮＯx濃度を正確に検出できないが、本発明に用いるガスセンサでは、酸素濃度測定セルの出力が所定値（目標値）になるように空燃比制御をする一方で、酸素濃度測定セルの出力が所定値になったときの第２ポンプ電流を検出することで、正確にＮＯx濃度を検出することができる。
【００１４】
即ち、酸素濃度測定セルの出力が所定値になったときの第２ポンプ電流を検出すれば、第１室の酸素濃度の変動の影響を回避できるので、正確にＮＯx濃度を検出することができる。
以下、各請求項毎に説明する。
【００１５】
（１）請求項１の発明は、
内燃機関の上流側に燃料混合気の空燃比を調節する空燃比調節手段（例えばインジェクタやスロットルバルブ）を備えたシステムに対し、前記燃料混合気の空燃比を制御する空燃比制御方法であって、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素のポンピングを行う第１ポンプセルと、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素濃度の測定を行う酸素濃度測定セルとを有し、第１連通路を介して被測定ガス空間に連通された第１室と、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素のポンピングを行う第２ポンプセルを有し、第２連通路を介して前記第１室と連通された第２室と、を備えた窒素酸化物濃度を測定可能なガスセンサを、前記内燃機関の下流側に配置し、前記第１ポンプセルに所定値の電流を流して前記第１室から酸素を汲み出すとともに、前記酸素濃度測定セルの出力電圧が目標値となるように前記空燃比調節手段を制御して空燃比を調節することを特徴とする空燃比制御方法を要旨とする。
【００１６】
本発明では、上述した構成を有するガスセンサを内燃機関の下流側に配置し、このガスセンサにおいて、第１ポンプセルに所定値の電流（第１ポンプ電流）を流して第１室から酸素を汲み出すとともに、酸素濃度測定セルの出力電圧が目標値となるように空燃比調節手段を制御して空燃比を調節する。例えば吸入空気量を調節したり、燃料噴射量を調節したりして、燃料混合気の空燃比を調節する。
【００１７】
つまり、第１ポンプ電流を固定にして作動させた場合には、被測定ガスの空燃比（即ち酸素濃度）に応じて、酸素濃度測定セルの電圧（Ｖｓ）が出力されることになる。従って、本発明では、逆に、Ｖｓを一定にする様に、例えば吸入空気量や燃料噴射量を調節することにより、空燃比を制御する。
【００１８】
（２）請求項２の発明は、
内燃機関の上流側に燃料混合気の空燃比を調節する空燃比調節手段を備え、該内燃機関の下流側に排ガス中の窒素酸化物を除去する触媒を備え、更に該触媒の下流側に窒素酸化物濃度を測定可能なガスセンサを備えたシステムに対し、前記触媒の機能を検定する触媒機能の検定方法であって、前記ガスセンサとして、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素のポンピングを行う第１ポンプセルと、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素濃度の測定を行う酸素濃度測定セルとを有し、第１連通路を介して被測定ガス空間に連通された第１室と、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素のポンピングを行う第２ポンプセルを有し、第２連通路を介して前記第１室と連通された第２室と、を備えたガスセンサを用い、前記第１ポンプセルに所定値の電流を流して前記第１室から酸素を汲み出すとともに、前記酸素濃度測定セルの出力電圧が目標値となるように前記空燃比調節手段を制御して空燃比を調節し、このときに、前記第２ポンプセルに前記第２室から酸素を汲み出す方向に一定電圧を印加し、前記酸素濃度測定セルの出力電圧が前記目標値のときに該第２ポンプセルに流れる電流から被測定ガス中の窒素酸化物濃度を検出し、該検出結果に基づいて、前記触媒の機能を検定することを特徴とする触媒機能の検定方法を要旨とする。
【００１９】
本発明では、上述した構成を有する窒素酸化物濃度を測定可能なガスセンサを触媒の下流側に配置し、このガスセンサにおいて、第１ポンプセルに所定値の電流を流して第１室から酸素を汲み出すとともに、酸素濃度測定セルの出力電圧が目標値となるように空燃比調節手段を制御して空燃比を調節する。例えば吸入空気量を調節したり、燃料噴射量を調節したりして、燃料混合気の空燃比を調節する。
【００２０】
そして、このときに、第２ポンプセルに第２室から酸素を汲み出す方向に一定電圧を印加し、酸素濃度測定セルの出力電圧が前記目標値のときに第２ポンプセルに流れる電流から、被測定ガス中の窒素酸化物濃度を正確に検出する。
つまり、空燃比を変化させて、排ガスに含まれる窒素酸化物濃度を変化させた場合であっても、触媒の窒素酸化物を除去する機能が正常であれば、触媒の下流側に配置されたガスセンサで検出される窒素酸化物濃度の変化は少ないはずである。従って、このガスセンサによる検出結果（検出した窒素酸化物濃度）に基づいて、触媒の機能を検定することができる。
【００２１】
例えば空燃比の変化に対応して、窒素酸化物濃度の変化が大きければ、触媒が劣化していると判定できる。また、空燃比の変化に対応して、窒素酸化物濃度の変化が小さければ、触媒が劣化していないと判定できる。
（３）請求項３の発明は、
前記触媒機能の検定に先立ち、一旦空燃比をリッチ側（排気ガス中にＨＣやＣＯが多くなる側）に設定して触媒機能を回復させ、その後リーン側（排気ガス中にＮＯxが多くなる側）に設定し、該リーン側に設定した場合における前記窒素酸化物濃度の検出結果に基づいて、前記触媒の機能を検定することを特徴とする請求項１に記載の触媒機能の検定方法を要旨とする。
【００２２】
本発明では、触媒機能の検定に先立ち、一旦空燃比をリッチ側に設定している。この操作により、仮に触媒機能が劣化している場合には、触媒機能を回復させることができる。
つまり、上述した様に、燃料混合気を一時的にリッチにしてやることにより、排気ガス中のＨ2やＨＣがＮ2とともに作用して（ＮＨ3として作用して）、ＮＯxを吸着する能力を回復することが可能である。よって、通常であれば、この様な操作により、触媒機能を回復させることができる。
【００２３】
本発明では、その後、空燃比をリーン側に設定し、その際のガスセンサによる窒素酸化物濃度の検出結果から、触媒機能を検定を行っている。
つまり、通常であれば、上述した操作により、触媒機能が回復しているはずであるが、何等かの原因により、触媒機能が回復していない場合には、当然ながら、触媒にて窒素酸化物の吸着が行われず、触媒からそのまま窒素酸化物が排出され、ガスセンサにて高い窒素酸化物濃度が検出されるので、ガスセンサの検出結果から、触媒機能の回復状態を知ることができるのである。
【００２４】
（４）請求項４の発明は、
一旦空燃比をリッチ側に設定した際に、前記第２ポンプセルに流れる電流の最小値と、その後に再び空燃比をリーン側で制御した際に、前記酸素濃度測定セルの出力電圧が前記目標値のときの前記第２ポンプセルに流れる電流と、の差に基づいて、前記触媒の機能を検定することを特徴とする請求項３に記載の触媒機能の検定方法を要旨とする。
【００２５】
本発明は、上述したガスセンサ（ＮＯxセンサ）の出力の不安定性を補償して、正確にＮＯxを検出するようにしたものである。
ＮＯxセンサは、現在、暖気直後の出力ドリフトによってゼロ点が大きく変化するので、ＮＯxセンサを起動した後しばらくは、正確にＮＯx濃度ゼロの補正ができないという状況にある。
【００２６】
しかし、空燃比がリッチの場合には、排ガス中のＮＯx濃度は殆どゼロになるので、その時点での第２ポンプ電流は、基本的にＮＯx濃度がゼロの値を示す。一方、リーン側に制御した場合は、前記リッチの場合の第２ポンプ電流と酸素濃度測定セルの出力が目標値の場合の第２ポンプ電流との差は、基本的にリーン制御時における排ガス中のＮＯx濃度を反映したものとなる。そこで、この電流値の差を用いることで、触媒能力を回復した直後における触媒の下流側でのＮＯxの漏洩を正確に検出し、それにより、触媒能力の劣化の検出を行うことができる。
【００２７】
（５）請求項５の発明は、
内燃機関の上流側に燃料混合気の空燃比を調節する空燃比調節手段（例えばインジェクタやスロットルバルブ）を備えるとともに、前記内燃機関の下流側に前記燃料混合気の空燃比を検出する空燃比センサを備えたシステムに対し、前記空燃比センサの機能を検定する空燃比センサの検定方法であって、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素のポンピングを行う第１ポンプセルと、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素濃度の測定を行う酸素濃度測定セルとを有し、第１連通路を介して被測定ガス空間に連通された第１室と、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素のポンピングを行う第２ポンプセルを有し、第２連通路を介して前記第１室と連通された第２室と、を備えた窒素酸化物濃度を測定可能なガスセンサを、前記内燃機関の下流側に配置し、前記第１ポンプセルに所定値の電流を流して前記第１室から酸素を汲み出すとともに、前記酸素濃度測定セルの出力電圧が目標値となるように前記空燃比調節手段を制御して空燃比を調節し、このときの前記空燃比センサの出力に基づいて、該空燃比センサの機能を検定することを特徴とする空燃比センサの検定方法を要旨とする。
【００２８】
本発明では、上述した構成を有するガスセンサを内燃機関の下流側に配置し、このガスセンサにおいて、第１ポンプセルに所定値の電流（第１ポンプ電流）を流して第１室から酸素を汲み出すとともに、酸素濃度測定セルの出力電圧が目標値となるように空燃比調節手段を制御して空燃比を調節する。例えば吸入空気量を調節したり、燃料噴射量を調節したりして、燃料混合気の空燃比を調節する。
【００２９】
そして、このときの空燃比センサの出力に基づいて、空燃比センサの機能を検定する。
つまり、第１ポンプ電流を固定にして作動させた場合には、被測定ガスの空燃比（即ち酸素濃度）に応じて、酸素濃度測定セルの電圧（Ｖｓ）が出力されることになる。従って、逆に、Ｖｓを一定にする様に、例えば吸入空気量や燃料噴射量を調節することにより、空燃比を制御することが可能である。
【００３０】
従って、このガスセンサを用いて空燃比を制御した場合に、例えば、触媒上流のもう一つの空燃比センサの出力が、このガスセンサで制御している空燃比に一致しない場合には、触媒上流の空燃比センサが劣化したと判断することができる。
【００３１】
尚、前記第１，２ポンプセル及び酸素濃度測定セルとは、例えばジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の多孔質電極を配置したものである。従って、例えば各ポンプセルの電極間に電圧を印加することにより、一方の電極側から他方の電極側に酸素を移動させることができる。また、酸素濃度測定セルの両電極間に酸素濃度の違いがある場合には、両電極間に起電力が発生するので、その起電力に基づいて酸素濃度を測定することができる。
【００３２】
また、前記第１，２連通路としては、拡散律速を行う構成を採用できる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の触媒機能の検定方法、空燃比センサの検定方法、及び空燃比制御方法の実施の形態の例（実施例）を、図面に基づいて説明する。
（実施例１）
本実施例は、ＮＯx吸蔵触媒の触媒機能の検定方法を示すものである。
【００３４】
ａ）まず、触媒が配置されたシステムの全体構成について説明する。
このシステムは、自動車に搭載されているシステムであり、図１に示す様に、内燃機関（ガソリンエンジン）２の吸気管４には、その上流側から、吸入空気量を調節するスロットルバルブ６と燃料を噴射するインジェクタ８とが配置されている。一方、排気管１０には、その上流側から、空燃比を検出する全領域空燃比センサ１２と、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯx）を吸着して除去するＮＯx吸蔵触媒（以下触媒と記す）１４と、ＮＯx濃度を測定する窒素酸化物濃度センサ（以下ＮＯxセンサと記す）１６が配置されている。
【００３５】
尚、触媒としては、例えば、ＮＯx吸蔵物質である炭酸バリウムを通常のセラミック製のハニカム担体に担持させたものを用いることができる。この場合、炭酸バリウムにはロジウムや白金等の触媒を更に担持させる事で、ＮＯをＮＯ2に変換し炭酸バリウムと反応させて硝酸バリウムにして、触媒中に吸蔵させる。
【００３６】
そして、全領域空燃比センサ１２からの信号は、マイクロコンピュータとして構成されている電子制御装置（ＥＣＵ）１８に入力し、ＥＣＵ１８からは、スロットルバルブ６及びインジェクタ８の駆動を制御する制御信号が出力される。
特にＮＯxセンサ１６は、ＮＯx濃度の測定のための制御回路２０を介してＥＣＵ１８に接続されており、制御回路２０により、ＮＯxセンサ１６の制御やＮＯxセンサ１６の出力の処理がなされる。
【００３７】
ｂ）次に、ＮＯxセンサ１６の構成について説明する。
図２に示す如く、ＮＯxセンサ１６は、第１ポンプセル２４，酸素濃度測定セル（以下Ｖｓセルと記す）２６，第２ポンプセル２８，及びこれら各セルを加熱する左右一対のヒータ（図示せず）を備える。
【００３８】
第１ポンプセル２４は、薄板状ジルコニアセラミックスからなる固体電解質層２４ａの両側に、それぞれ矩形状の多孔質電極２４ｂ，２４ｃを備えたものである。
また、Ｖｓセル２６は、第１ポンプセル２４の固体電解質層２４ａと同様な固体電解質層２６ａの両側に、それぞれ円形状の多孔質電極２６ｂ，２６ｃを形成し、更に、多孔質電極２６ｂ，２６ｃの中心部分を貫通するように固体電解質層２６ａに丸孔を穿設して、その丸孔に、例えばアルミナ等からなる多孔質の充填材を詰めることにより、拡散律速層２６ｄを形成したものである。
【００３９】
このように形成された第１ポンプセル２４及びＶｓセル２６は、上記各固体電解質層２４ａ，２６ａと同様な固体電解質層３０を介して積層される。そして、この固体電解質層３０の各多孔質電極２４ｃ，２６ｂとの対向位置には、多孔質電極２４ｃよりも大きな矩形状の孔が穿設されており、この孔が第１室３２として機能する。
【００４０】
またＶｓセル２６の多孔質電極２６ｃ側にも、上記各固体電解質層２４ａ，２６ａと同形状の固体電解質層３４が積層される。そして、この固体電解質層３４には、Ｖｓセル２６の拡散律速層２６ｄと同位置に同寸法の丸孔を穿設して、その丸孔に、アルミナ等からなる多孔質の充填材を詰めることにより、拡散律速層３４ｄが形成されている。
【００４１】
一方、第２ポンプセル２８は、第１ポンプセル２４と同様、板状に形成された固体電解質層２８ａの両側に、夫々、矩形状の多孔質電極２８ｂ，２８ｃを形成したものである。そして、この第２ポンプセル２８は、その内側にて、固体電解質層３０とほぼ同様な形状の固体電解質層３６を介して、Ｖｓセル２６に積層された固体電解質層３４に積層され、その外側には、固体電解質層２８ａと同様な固体電解質層３８が積層される。この結果、固体電解質層３６に穿設された矩形状の孔が第２室４０として機能することになる。
【００４２】
また、このように積層される第１ポンプセル２４，Ｖｓセル２６，第２ポンプセル２８の積層体の両側、つまり、第１ポンプセル２４と第２ポンプセル２８の外側には、図示しないが、それぞれスペーサにより所定間隔を開けてヒータが積層される。
【００４３】
ｃ）次に、前記構成のＮＯxセンサ２を用いてＮＯx濃度を測定する基本的な方法について説明する。
被測定ガスは、外界（被測定ガス空間）から第１室３２内に導入される。このとき、第１室３２の開口部３２ａにより被測定ガスの拡散律速が行われる。
【００４４】
次に、第１ポンプセル２４に電圧を印加して酸素のポンピングを行う。つまり、第１室３２内の被測定ガス中の酸素を被測定ガス空間に排出する。
同時に、Ｖｓセルの出力電圧（Ｖｓ）をモニターし、第１室３２内の酸素ガス濃度を測定する。そして、酸素ガス濃度が殆ど０になるまで、前記第１ポンプセル２４によるポンピングを行う。
【００４５】
この状態で、被測定ガスは、拡散律速層２６ｄ，３４ｄを通って、第２室４０内に導入される。尚、第１ポンプセル２４による酸素のポンピングにより、この第２室導入された被測定ガス中には、酸素ガスは殆ど含まれていない。
従って、第２ポンプセル２８に電圧を印加して、第２室４０から多孔質電極２８ｃ側に設けられた基準酸素源側に酸素をポンピングする。つまり、第２室４０側の多孔質電極２８ｂにて、ＮＯx（実質的にはＮＯ）を窒素と酸素に分解して、そのうちの酸素をポンピングする。
【００４６】
従って、このポンピングによる電流（第２ポンプ電流Ｉp2）からＮＯの量（即ちＮＯx濃度）を測定することができる。
ｄ）次に、本実施例の要部である触媒機能の検定方法について説明する。
▲１▼まず、触媒の機能を回復させるために、いわゆるリッチスパイクを打つという制御を行う。
【００４７】
すなわち、ＮＯxを吸蔵するタイプの触媒の場合は、仮にその触媒が被毒により機能が劣化したときでも、通常では、Ｈ2やＨＣ成分の多い（リッチの）燃料混合気を触媒に供給すると、触媒の機能が回復するので、ここでは、一旦空燃比をリッチ（Ｒ）側に振る制御を行う。
【００４８】
例えばスロットルバルブ６を閉じたり、インジェクタ８により燃料を供給することにより、一時的に空燃比をリッチ側に設定する。
具体的には、第１ポンプセル２４に流れる電流（第１ポンプ電流Ｉp1）と空燃比との間には、図３に示す関係があるので、第１ポンプ電流Ｉp1を図３のマイナス側、即ち酸素を第１室３２内に汲み入れる側に設定することにより、空燃比をリッチ側とすることができる。つまり、これにより、図４の実線で示す様に、空燃比を所望の空燃比（リッチ）とすることができる。
【００４９】
▲２▼その後、空燃比をリーン側に制御する。
具体的には、第１ポンプセル２４に流れる電流（第１ポンプ電流Ｉp1）を図３のプラス側、即ち酸素を第１室３２から汲み出す側の所定値に固定するとともに、Ｖｓセル２６の出力電圧Ｖｓを２５０〜４５０ｍＶの範囲の例えば３５０ｍＶ（目標値）となる様に、例えばスロットルバルブ６を制御して、空燃比を調節する。
【００５０】
これにより、図４の破線で示す様に、空燃比を所望の空燃比（リーン）とすることができる。尚、正確には多少の空燃比の変動がある。
▲３▼そして、この空燃比をリーン側に制御した場合において、Ｖｓセル２６の出力電圧Ｖｓが目標値である３５０ｍＶとなった際の第２ポンプ電流Ｉp2を求め、この第２ポンプ電流Ｉp2の値に基づいてＮＯx濃度を検出する。
【００５１】
具体的には、（予め実験等により求められて記憶された）第２ポンプ電流Ｉp2の値とＮＯx濃度との関係を示すマップを参照し、測定された第２ポンプ電流Ｉp2の値からＮＯx濃度を求める。
ここで、ＮＯx濃度が、通常のエンジン２の作動時の濃度の様に、十分に低い場合には、触媒機能が回復したと見なすことができる。一方、前記リッチスパイクを打って触媒機能を回復させる処理を行ったにもかかわらず、ＮＯx濃度が、通常のエンジン２の作動時の濃度よりも高い場合には、触媒機能が回復していないと見なすことができる。
【００５２】
つまり、図５に示す様に、空燃比をリッチ（Ｈ2，ＨＣ，ＣＯが多い状態）からリーン（ＮＯx，Ｏ2が多い状態）に切り替えた場合には、排ガス中にＮＯxが多くなるので、同図の実線で示す様に、ＮＯx濃度が低い状態のままの場合には、触媒機能が回復していると判断できる。一方、同図の破線で示す様に、ＮＯx濃度が増加する場合には、触媒１４にて十分にＮＯxの吸着が行われていない状態、即ち触媒劣化の状態であると判断することができる。
【００５３】
この様に、本実施例では、エンジン２に、スロットルバルブ６，インジェクタ８の空燃比調節手段を備えるとともに、空燃比センサ１２，触媒１４，ＮＯxセンサ１６を備えたシステムにおいて、一旦空燃比をリッチに設定して触媒機能の回復を図った後に、空燃比をリッチからリーンに切り替えて、その際のＮＯx濃度の変化の状態から、触媒１４の劣化の状態を判断することができる。
【００５４】
つまり、本実施例では、簡単な操作により、容易に且つ確実に触媒機能の検定（例えば触媒劣化の判定）を行うことができる。
（実施例２）
次に、実施例２について説明する。
【００５５】
尚、前記実施例１と同様な箇所は、その説明を省略又は簡略化する。
本実施例は、上述したＮＯxセンサ１６を使用して、触媒１４の劣化を検出する方法であり、本実施例では、特に起動直後におけるＮＯxセンサ１６の不安定性を補償して、より正確に触媒１４の劣化を検出する。
【００５６】
本実施例では、前記図１に示すシステムにおいて、基本的な動作として、第１ポンプセル２４に所定値の電流（第１ポンプ電流Ｉp1）を流して第１室３２から酸素を汲み出すとともに、Ｖｓセル２６の出力電圧Ｖｓが目標値（例えば３５０ｍＶ）となるように空燃比調節手段を制御して空燃比を調節する。
【００５７】
そして、本実施例では、まず、空燃比を一旦リッチ側に設定し（リッチスパイク）、その際の第２ポンプ電流Ｉp2の最小値Ｉp2minを検出する。
次に、空燃比を再度リーン側に制御し、その際のＶｓセル２６の出力電圧Ｖｓが前記目標値のときの第２ポンプ電流Ｉp2を求める。
【００５８】
そして、前記リッチの際の第２ポンプ電流の最小値Ｉp2minと、リーンの際の第２ポンプ電流Ｉp2の差ΔＩを求める。
つまり、既に詳述した原理により、前記電流値の差ΔＩがリーン制御時における排ガス中のＮＯx濃度を反映しているので、この電流値の差ΔＩに基づいて、ＮＯx濃度を正確に検出することができる。
【００５９】
よって、前記リッチスパイクにより触媒能力を回復した直後の触媒１４の下流にて、ＮＯx濃度を測定し、その漏洩の状態を判定することにより、触媒１４の劣化を正確に検出することができる。
つまり、リッチスパイクにより触媒能力を回復した処理を行ったにもかかわらず、触媒１４の下流側にてＮＯxが基準以上に検出された場合には、触媒１４が劣化したと判断することができる。この場合、劣化が硫黄による劣化であるならば、触媒温度を更に高めた状態（７００℃）でリッチスパイクを打つことで、硫黄を硫化水素にして排出し、再び触媒を復元することができる。
【００６０】
本実施例では、特に、リッチの際の第２ポンプ電流の最小値Ｉp2minと、リーンの際の第２ポンプ電流Ｉp2の差ΔＩに基づいて、触媒１４の劣化を判定しているので、ＮＯxセンサを起動した直後であっても、正確に触媒１４の劣化の判定を行うことができるという利点がある。
（実施例３）
次に、実施例３について説明する。
【００６１】
尚、前記実施例１と同様な箇所は、その説明を省略又は簡略化する。
本実施例は、上述したＮＯxセンサ１６を使用して、全領域空燃比センサ１２の機能を検定する方法である。
例えば前記図１に示すシステムにおいて、第１ポンプセル２４に所定値の電流（第１ポンプ電流Ｉp1）を流して第１室３２から酸素を汲み出すとともに、Ｖｓセル２６の出力電圧Ｖｓが目標値となるように空燃比調節手段を制御して空燃比を調節する。
【００６２】
つまり、第１ポンプ電流Ｉp1を固定し、且つＶｓセル２４の出力電圧Ｖｓを目標値に制御することにより、例えば前記図４に示した様に、それに対応した空燃比に設定することができる。
従って、このとき、全領域空燃比センサ１２の出力をモニターし、このモニターした空燃比と、前記ＮＯxセンサにより設定した空燃比とを比較することにより、全領域空燃比センサ１２の機能を検定することができる。
【００６３】
例えば、全領域空燃比センサ１２により得られた空燃比と、ＮＯxセンサにより設定した空燃比とが大きく違っている場合には、全領域空燃比センサ１２の機能が劣化したと判断することができる。
（実施例４）
次に、実施例４について説明する。
【００６４】
尚、前記実施例１と同様な箇所は、その説明を省略又は簡略化する。
本実施例は、上述したＮＯxセンサ１６を使用して、空燃比の制御を行う方法である。
例えば前記図１に示すシステムにおいて、全領域空燃比センサ１２に代えて、周知のλセンサを用いたシステムを構成する。このλセンサとは、燃料混合気の理論空燃比点にてその出力が急変するセンサである。
【００６５】
このシステムにおいては、既に述べた様に、第１ポンプセル２４に所定値の電流（第１ポンプ電流Ｉp1）を流して第１室３２から酸素を汲み出すとともに、Ｖｓセル２６の出力電圧Ｖｓが目標値となるように空燃比調節手段を制御して空燃比を調節することができる。
【００６６】
従って、λセンサだけでは、全領域にわたる空燃比制御が困難であるが、上述したＮＯxセンサ１６を用いることにより、高価な全領域空燃比センサ１２を用いることなく、精密な空燃比制御を行うことができる。
尚、本発明は、前記実施例に限定されることなく、本発明の範囲内にて各種の態様で実施できることは勿論である。
【００６７】
（１）例えば実施例３，４においては、ＮＯx吸蔵触媒のないシステムにも適用可能である。
（２）また、ＮＯxセンサを使用すれば、全領域空燃比センサやλセンサがない場合でも、空燃比の制御が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１のシステム全体を示す説明図である。
【図２】 実施例１のＮＯxセンサ及び制御回路を示す説明図である。
【図３】 実施例１の第１ポンプ電流と空燃比との関係を示すグラフである。
【図４】 実施例１の空燃比の変化を示すグラフである。
【図５】 実施例１のＮＯxの変化を示すグラフである。
【図６】 空燃比の変動を示すグラフである。
【符号の説明】
２…内燃機関（エンジン）
６…スロットルバルブ
８…インジェクタ
１２…全領域空燃比センサ
１４…ＮＯx吸蔵触媒（触媒）
１６…ＮＯxセンサ（窒素酸化物濃度センサ）
１８…電子制御装置（ＥＣＵ）
２４…第１ポンプセル
２４ａ，２６ａ，２８ａ，３０，３４，３６，３８…固体電解質層
２４ｂ，２４ｃ，２６ｂ，２６ｃ，２８ｂ，２８ｃ…多孔質電極
２６…Ｖｓセル（酸素濃度測定セル）
２６ｄ，３４ｄ…拡散律速層
２８…第２ポンプセル
３２…第１室
４０…第２室
Claims (5)
- 内燃機関の上流側に燃料混合気の空燃比を調節する空燃比調節手段を備えたシステムに対し、前記燃料混合気の空燃比を制御する空燃比制御方法であって、
固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素のポンピングを行う第１ポンプセルと、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素濃度の測定を行う酸素濃度測定セルとを有し、第１連通路を介して被測定ガス空間に連通された第１室と、
固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素のポンピングを行う第２ポンプセルを有し、第２連通路を介して前記第１室と連通された第２室と、
を備えた窒素酸化物濃度を測定可能なガスセンサを、前記内燃機関の下流側に配置し、
前記第１ポンプセルに所定値の電流を流して前記第１室から酸素を汲み出すとともに、前記酸素濃度測定セルの出力電圧が目標値となるように前記空燃比調節手段を制御して空燃比を調節することを特徴とする空燃比制御方法。 - 内燃機関の上流側に燃料混合気の空燃比を調節する空燃比調節手段を備え、該内燃機関の下流側に排ガス中の窒素酸化物を除去する触媒を備え、更に該触媒の下流側に窒素酸化物濃度を測定可能なガスセンサを備えたシステムに対し、前記触媒の機能を検定する触媒機能の検定方法であって、
前記ガスセンサとして、
固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素のポンピングを行う第１ポンプセルと、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素濃度の測定を行う酸素濃度測定セルとを有し、第１連通路を介して被測定ガス空間に連通された第１室と、
固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素のポンピングを行う第２ポンプセルを有し、第２連通路を介して前記第１室と連通された第２室と、
を備えたガスセンサを用い、
前記第１ポンプセルに所定値の電流を流して前記第１室から酸素を汲み出すとともに、前記酸素濃度測定セルの出力電圧が目標値となるように前記空燃比調節手段を制御して空燃比を調節し、このときに、前記第２ポンプセルに前記第２室から酸素を汲み出す方向に一定電圧を印加し、前記酸素濃度測定セルの出力電圧が前記目標値のときに該第２ポンプセルに流れる電流から被測定ガス中の窒素酸化物濃度を検出し、該検出結果に基づいて、前記触媒の機能を検定することを特徴とする触媒機能の検定方法。 - 前記触媒機能の検定に先立ち、一旦空燃比をリッチ側に設定して触媒機能を回復させ、その後リーン側に設定し、該リーン側に設定した場合における前記窒素酸化物濃度の検出結果に基づいて、前記触媒の機能を検定することを特徴とする請求項２に記載の触媒機能の検定方法。
- 一旦空燃比をリッチ側に設定した際に、前記第２ポンプセルに流れる電流の最小値と、
その後に再び空燃比をリーン側で制御した際に、前記酸素濃度測定セルの出力電圧が前記目標値のときの前記第２ポンプセルに流れる電流と、
の差に基づいて、前記触媒の機能を検定することを特徴とする請求項３に記載の触媒機能の検定方法。 - 内燃機関の上流側に燃料混合気の空燃比を調節する空燃比調節手段を備えるとともに、前記内燃機関の下流側に前記燃料混合気の空燃比を検出する空燃比センサを備えたシステムに対し、前記空燃比センサの機能を検定する空燃比センサの検定方法であって、
固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素のポンピングを行う第１ポンプセルと、固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素濃度の測定を行う酸素濃度測定セルとを有し、第１連通路を介して被測定ガス空間に連通された第１室と、
固体電解質体及び多孔質電極からなり酸素のポンピングを行う第２ポンプセルを有し、第２連通路を介して前記第１室と連通された第２室と、
を備えた窒素酸化物濃度を測定可能なガスセンサを、前記内燃機関の下流側に配置し、
前記第１ポンプセルに所定値の電流を流して前記第１室から酸素を汲み出すとともに、前記酸素濃度測定セルの出力電圧が目標値となるように前記空燃比調節手段を制御して空燃比を調節し、このときの前記空燃比センサの出力に基づいて、該空燃比センサの機能を検定することを特徴とする空燃比センサの検定方法。
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