JP4888133B2

JP4888133B2 - 触媒劣化検知センサ、触媒劣化検知方法および触媒交換報知装置

Info

Publication number: JP4888133B2
Application number: JP2007015954A
Authority: JP
Inventors: 大貴西嶋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: JP2008180195A

Description

本発明は、触媒劣化検知センサ、触媒劣化検知方法および触媒劣化報知装置、特に排ガス浄化触媒劣化を検知可能な触媒劣化検知センサおよび触媒劣化検知方法、並びに触媒劣化を報知する触媒交換報知装置に関する。

自動車等の内燃機関からの排ガス浄化のために触媒コンバータが用いられている。この触媒コンバータ中の触媒の劣化診断は、従来、例えば、診断される触媒コアの前後に理論空燃点のみを検出できる空燃比センサがそれぞれ１個ずつ取り付けられ、排ガス中の酸素濃度、または未燃ガスである一酸化炭素、ハイドロカーボン等の濃度を検出し、触媒コアの前後に取り付けられた２個の空燃比センサの出力値の変化を比較することによって触媒の劣化度合いを求めていた。

上述した２個の空燃比センサを用いた触媒劣化診断の場合、２個の空燃比センサが診断期間中に同時に同様な変化をすることを前提としている。しかしながら、実際は２個の空燃比センサは異なる取り付け環境から同時に同じように変化するとは限らず、空燃比センサの劣化も個々にあるため、２個の空燃比センサの出力値の変化量に基づく触媒劣化診断は信頼性がやや劣る可能性があった。

そこで、特許文献１には、１個の酸素センサ（空燃比センサを含む）を用い、該酸素センサを構成する例えば白金などからなる電極を有するジルコニア固体電解質の隔壁の一方面に触媒コアの上流側ガスを、また他方面には触媒コアの下流側ガスを導入し、両電極間に生じる起電力から所定の条件のもとで、両方の排ガスの酸素濃度比を、予め求められている初期値と比較して、触媒診断を行う酸素センサが提案されている。

なお、特許文献２，３にガスセンサの構成が例示されている。

特開平７−１１６４６９号公報特開２００２−７１６３０号公報特開２００２−７１６３１号公報

上記特許文献１の触媒診断を行う酸素センサでは、触媒コアの上流側ガスと触媒コアの下流側ガスの排ガスの酸素濃度比を用いており、排ガスの酸素濃度の相対値しか分からず、触媒劣化度合いの絶対値が分からず、触媒劣化診断精度は今一歩であった。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、排ガス浄化触媒の劣化度合いの絶対値を推定し触媒劣化を検知する触媒劣化検知センサおよび触媒劣化検知方法、並びに触媒劣化を報知する触媒交換報知装置を提供する。

上記目的を達成するために、本発明の触媒劣化検知センサ、触媒劣化検知方法および触媒劣化報知装置は以下の特徴を有する。

（１）酸素イオン導電性を有する固体電解質と、前記固体電解質を加熱する加熱手段と、前記固体電解質の外表面に形成され、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させる酸化能力を有する被劣化測定触媒と同一成分の触媒が塗布された第１電極部と、前記固体電解質の外表面に形成され前記被劣化測定触媒が未塗布の第２電極部と、前記固体電解質の内表面に形成された基準電極部と、前記第１電極部と基準電極部との間の電位差Ｖ₁と前記第２電極部と基準電極部との電位差Ｖ₂とを比較し、被劣化測定触媒の劣化を検出する触媒劣化検出手段と、を有する触媒劣化検知センサである。

排ガス浄化触媒の劣化度合いの絶対値を推定することができるので、触媒劣化をより正確に検知することができる。

（２）上記（１）に記載の触媒劣化検知センサにおいて、前記触媒劣化検出手段は、一定時間における電位差Ｖ₁ の推移と電位差Ｖ₂ の推移とを比較し被劣化測定触媒の劣化を検出する触媒劣化検知センサである。

一定時間における電位差の推移を比較することによって、より精度の高い触媒劣化見地を行うことができる。

（３）上記（１）に記載の触媒劣化検知センサにおいて、前記被劣化測定触媒は、貴金属を含む触媒劣化検知センサである。

（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の触媒劣化検知センサを、排ガス配管であって少なくとも前記被劣化測定触媒と同一成分の触媒を有する排ガス浄化触媒の上流側に少なくとも１個以上設置し、前記触媒劣化検知センサからの出力に応じ触媒劣化を検知する触媒劣化検知方法である。

少なくとも１個以上の触媒劣化検知センサからの出力により、排ガス浄化触媒の劣化度合いの絶対値を推定することができるので、触媒劣化をより正確に検知することができる。

（５）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の触媒劣化検知センサと、前記触媒劣化検知センサからの出力に応じて触媒交換を報知する報知手段と、を有する触媒交換報知装置である。

上記構成により、触媒が劣化したことを認知でき、触媒交換を行えば所定の排ガス浄化を維持できる。

本発明によれば、触媒の劣化をより正確に検知できる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

［触媒劣化検知センサおよび触媒劣化検知方法］
本実施の形態における触媒劣化検知センサの一例を図１に示す。図１に示すように、本実施の形態の触媒劣化検知センサ１００（以下「センサ１００」という）は、酸素イオン導電性を有する固体電解質４０と、固体電解質４０を加熱する加熱手段であるヒータ４２と、固体電解質４０の外表面に形成され被劣化測定触媒と同一成分の触媒２２が塗布された第１電極部２０と、固体電解質４０の外表面に形成され触媒が未塗布の第２電極部３０と、固体電解質４０の内表面に形成された基準電極部１０と、第１電極部２０と基準電極部１０との間の電位差Ｖ₁と第２電極部３０と基準電極部１０との電位差Ｖ₂とを比較し被劣化測定触媒の劣化を検出する触媒劣化検出手段と、を有する。さらに、上記触媒劣化検出手段は、基準電極部１０と第１電極部２０と第２電極部３０に電気的に接続され、第１電極部２０と基準電極部１０との間の電位差Ｖ₁と第２電極部３０と基準電極部１０との電位差Ｖ₂を検出する電位差検出部５０と、電位差検出部５０から出力される電位差Ｖ₁と電位差Ｖ₂とを比較し触媒劣化度合いを検出する制御部５２とからなる。さらに、制御部５２は、電位差を検出する際に、ヒータ４２を加熱するように制御している。また、制御部５２において検出された触媒劣化度合いに応じて、制御部５２より報知部５４に劣化信号が出力される。

また、基準電極部１０は、例えば白金電極からなる。一方、図２に示すように、第１電極部２０は、固体電解質４０の外表面に白金からなる電極と、この白金電極の上に被劣化測定触媒と同一成分の触媒２２が被覆されている。また、第２電極部３０は、固体電解質４０の外表面に白金等の貴金属からなる電極と、この白金電極の上にＡｌ₂Ｏ₃等のセラミックス３２で被覆されている。

また、触媒２２は、貴金属を含み、被劣化測定触媒と同一成分の触媒、例えば白金、ロジウム、パラジウム等の貴金属を含む。また、固体電解質４０は、セリア、ジルコニウムなどのセラミックスから選択される。

また、制御部５２によりヒータ４２を約５００℃〜８００℃に加熱することにより、基準基準電極部１０では、以下に示す電極反応が生じ、平衡を保っている。
Ｏａｄ＋２ｅ^-←→Ｏ₂ ^- …（１）
ここでＯａｄは基準電極部１０の表面に吸着した酸素原子である。

また、同様に、ヒータ４２を約５００℃〜８００℃に加熱することにより、固体電解質４０の外表面に形成された第１電極部２０では、被劣化測定触媒と同一成分の触媒２２により、一酸化炭素が二酸化炭素に酸化され、一酸化炭素が第１電極部２０に到達しないため、上記（１）式に示した電極反応のみが生じる。一方、固体電解質４０の外表面に形成された第２電極部３０では、被劣化測定触媒と同一成分の触媒２２が塗布されてないので、一酸化炭素が第２電極部３０では、以下の電極反応が生じている。
ＣＯ＋Ｏａｄ→ＣＯ₂ …（２）

排ガス中のＨ₂は、排ガス中のその他の成分に関して、拡散が速い。そのため、理論空燃比に対しセンサの特性はリッチ側にずれる。しかし、第１電極部２０では、触媒２２によりＨ₂ガスは平衡化され、Ｈ₂の拡散差の影響を受けにくくなるため、理論空燃比に近いセンサ特性を示す。一方、第２電極部３０では、Ｈ₂の拡散の影響を受け、センサ特性がリッチ側へずれるため、第１電極部２０からのセンサ特性と異なるセンサ挙動を示す。触媒コンバータ６０が劣化すると、同様に触媒２２が劣化する。触媒２２が劣化することにより、触媒２２でＨ₂のガス平衡化がしにくくなり、第１電極部２０は、第２電極部３０と同様に、Ｈ₂の影響を受けリッチ側にずれる。これにより、触媒コンバータ６０の劣化を検出する。

したがって、電位差検出部５０では、センサ１００の初期使用時、第１電極部２０における触媒２２は、排ガス浄化能力を有するため、第１電極部２０と基準電極部１０との電位差Ｖ₁は、一定時間で図４に示す細実線（触媒塗布電極部（初期））のように推移し、第２電極部３０と基準電極部１０との電位差Ｖ₂は、一定時間で図４に示す太実線（触媒未塗布電極部（初期））のように推移し、両者の電位差の推移は大きく異なる。一方、センサ１００を経過使用後には、図３に示す触媒コンバータ６０の触媒劣化と呼応して、第１電極部２０の触媒２２が劣化し、排ガス浄化能力を失うため、第１電極部２０と基準電極部１０との電位差Ｖ₁は、一定時間で図４に示す細波線（触媒塗布電極部（使用後））のように推移し、第２電極部３０と基準電極部１０との電位差Ｖ₂は、一定時間で図４に示す太波線（触媒未塗布電極部（使用後））のように推移し、両者の電位差の推移はほぼ同じになる。この電位差Ｖ₁，Ｖ₂の推移は、電位差検出部５０から制御部５２に出力され、制御部５２において電位差Ｖ₁，Ｖ₂の推移が比較されて、図３に示す触媒コンバータ６０の触媒の劣化度合いの絶対値を把握することができる。

また、本実施の形態のセンサ１００は、図３に示すように、排ガス配管７０であって少なくとも排ガス浄化用の触媒コンバータ６０の上流側に少なくとも１個以上設置されている。また、本実施の形態のセンサ１００を触媒コンバータ６０内の排ガス入り口付近に設置してもよい。また、１個以上設置する場合、排ガス配管７０の配管円周上に設置することが望ましい。これにより、複数センサからの出力により、触媒コンバータ６０における触媒劣化度合いの判定がより正確になる。

本実施の形態の他のセンサ１００について説明する。触媒２２およびセラミックス３２の気孔率をより低くし、基準電極部１０と第１電極部２０、第２電極部３０の各々の電極間に電圧を印加すると、排ガス中の酸素濃度により、各々の電極間には電流が流れる。また、排ガスは、気孔率の低い触媒２２およびセラミックス３２により律速されるため、電極間を流れる電流値はある一定の値に収束する。前述のＨ₂ガス拡散差による特性ずれは、この場合にも同様に発生する。第１電極部２０では触媒２２により、Ｈ₂ガスは平衡化されるが、第２電極部１０はＨ₂のガス拡散差の影響を受け、センサ特性はリッチ側へずれる。したがって、図１の電位差検出部５０の代わりに、第１電極部２０、第２電極部３０と基準電極部１０との電極間の各々の電流値を検出する手段を設け、この各々の電流値を検出して、図６に示すようにセンサ出力（電流値）の推移を監視することで、図３に示す触媒コンバータ６０の触媒劣化度合いの絶対値を把握することができる。

なお、本実施の形態におけるセンサ１００の第１電極部２０を被覆している触媒２２は、触媒コンバータ６０の触媒と同じ触媒を用いているが、これに限るものではなく、他の触媒を用いてもよい。かかる場合には、被覆する触媒２２と触媒コンバータ６０の触媒との劣化度合いを予め測定してマップとして制御部５２に格納し、劣化度合いの判定の際にマップを参照してもよい。

［触媒交換報知装置］
本実施の形態の触媒交換報知装置は、図１に示すように、上述した触媒劣化検知センサ１００と、触媒劣化検知センサ１００の制御部５２からの出力に応じて触媒交換を報知する報知手段である報知部５４と、を有する。

次に、図１，図５を用いて、本実施の形態の触媒交換報知装置の動作について説明する。まず、制御部５２によりヒータ４２を加熱する。次いで、電位差検出部５０により一定時間、電位差Ｖ₁，Ｖ₂の推移を検出する（Ｓ２００）。次に、検出された電位差Ｖ₁，Ｖ₂の推移が制御部５２に送信され、制御部５２では、検出された電位差Ｖ₁，Ｖ₂の差の絶対値と既定電位差Ｖ₀とが比較され（Ｓ２０２）、電位差Ｖ₁，Ｖ₂の差の絶対値が既定電位差Ｖ₀とより大きい場合には、排ガス浄化触媒が正常であると判断される（Ｓ２０４）。一方、電位差Ｖ₁，Ｖ₂の差の絶対値が既定電位差Ｖ₀以下の場合には、例えばエンジンチェックランプを点灯させて触媒コンバータ内の触媒の劣化を告知させる（Ｓ２０６）。この告知により、触媒コンバータの触媒を交換する（Ｓ２０８）。ここで、センサ１００における電位差検出時のみヒータ４２を加熱し、それ以外ではヒータ４２の加熱をオフしておく。これにより触媒２２のセンサヒータによる劣化を抑制し、センサ１００の寿命を長寿命化させることもできる。また、上述した他の実施の形態のセンサのように、電位差検出部５０の代わりに電流値を検出する手段を設け、この検出手段において、経時における各々の電極間の電流値の推移を検出し、各々の電極間の電流値の推移を制御部５２に送信して、上記同様に、触媒交換報知を行ってもよい。

本発明の触媒劣化検知センサ、触媒劣化検知方法および触媒劣化報知装置は、自動車等の内燃機関からの排ガス浄化のために触媒コンバータ内の触媒劣化を診断する用途に好適である。

本発明の触媒劣化検知センサの一例の構成を説明する構成図である。本発明の触媒劣化検知センサの第１電極部と第２電極部の設置部分を拡大図である。本発明における触媒劣化検知センサの設置の一例を説明する図である。本発明の触媒劣化検知センサの使用前、使用後の電位差Ｖ₁，Ｖ₂を説明するための時間−電位差のグラフである。本発明の触媒劣化報知装置の動作の一例を説明するフローチャートである。本発明の触媒劣化検知センサの使用前、使用後の電流値の推移を説明するための時間−電流値のグラフである。

符号の説明

１０基準電極部、２０第１電極部、２２触媒、３０第２電極部、３２セラミックス、４０固体電解質、４２ヒータ、５０電位差検出部、５２制御部、５４制御部、６０触媒コンバータ、１００触媒劣化検知センサ。

Claims

酸素イオン導電性を有する固体電解質と、
前記固体電解質を加熱する加熱手段と、
前記固体電解質の外表面に形成され、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させる酸化能力を有する被劣化測定触媒と同一成分の触媒が塗布された第１電極部と、
前記固体電解質の外表面に形成され前記被劣化測定触媒が未塗布の第２電極部と、
前記固体電解質の内表面に形成された基準電極部と、
前記第１電極部と基準電極部との間の電位差Ｖ₁と前記第２電極部と基準電極部との電位差Ｖ₂とを比較し、被劣化測定触媒の劣化を検出する触媒劣化検出手段と、を有することを特徴とする触媒劣化検知センサ。
請求項１に記載の触媒劣化検知センサにおいて、
前記触媒劣化検出手段は、一定時間における電位差Ｖ₁ の推移と電位差Ｖ₂ の推移とを比較し被劣化測定触媒の劣化を検出することを特徴とする触媒劣化検知センサ。
請求項１に記載の触媒劣化検知センサにおいて、
前記被劣化測定触媒は、貴金属を含むことを特徴とする触媒劣化検知センサ。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の触媒劣化検知センサを、排ガス配管であって少なくとも前記被劣化測定触媒と同一成分の触媒を有する排ガス浄化触媒の上流側に少なくとも１個以上設置し、前記触媒劣化検知センサからの出力に応じ触媒劣化を検知することを特徴とする触媒劣化検知方法。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の触媒劣化検知センサと、
前記触媒劣化検知センサからの出力に応じて触媒交換を報知する報知手段と、を有することを特徴とする触媒交換報知装置。