JP4940153B2 - 内燃機関の排気管内に配置された触媒器の老化の程度を診断する方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念中に記載の特徴を有する、内燃機関の排気管内に配置された触媒器の老化の程度を診断する方法に関する。

立法機関は、車両の有害物質の放出が少なくなること常に要求している。これに関連して、触媒器が、排気の限界値を維持するために必要な変換性能をまだ有しているかどうかについて、車両の排気ガス装置の性能が常に監視される必要がある。車両内のいわゆる車載式故障診断（ＯＢＤ）が、特に有害物質に対する変換性能に関する排気ガス装置の機能を監視する。

この従来の技術の場合、排ガス性能が、直接に有害物質を測定することによって検査され得ない。それ故にこの検査は、触媒器の酸素貯蔵能（Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｃａｐａｃｉｔｙ−ＯＳＣ）を測定することによって代わりに実施される。触媒器の変換性能が、酸素貯蔵能によって示される。したがって、触媒器の酸素貯蔵能を測定する方法が、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４２１１１１６号明細書，ドイツ連邦共和国特許第１９９５３６０１号明細書，ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８０１６２６号明細書及びドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３０５４５２号明細書から公知である。この方法の場合、排気ガスセンサが、排気ガス触媒器の前後に１つずつ配置されている。この排気ガスセンサは、評価装置、例えばエンジン制御装置に接続されている。触媒器の酸素貯蔵量を算出するため、組成の異なる空気／燃料混合物が、内燃機関に周期的に変化して供給される。その結果、酸素過剰（リーン混合組成）の排気ガス及び酸素欠乏（リッチ混合組成）の排気ガスが、触媒器に供給される。エンジンが、リーンモード（λ＞１）で運転される場合、化学量論より高いＯ_２濃度が、排気ガス中に存在する。触媒器のワッシュコート中のセリウムが、この酸素過剰によって酸化数＋３から＋４に酸化され、対応するＯ_２量が、酸化セリウムの格子内に挿入される。したがって酸素が、リーン段階の間に蓄積される。

リッチ運転（λ＜１）では、過剰なＣＯ及び炭化水素（ＨＣ）が、排気ガス中に存在する。今度は、特にＣＯが、貴金属面に吸着されることによって、蓄積されたＯ_２の逆反応が起り、この逆反応からワッシュコートの表面上で反応するＣｅ^４＋に拡散し（スピルオーバー）、ここで蓄積された酸素原子と反応してＣＯ_２になる。セリウムは、酸化数＋３に維持される。

触媒器の酸素貯蔵能を算定するため、リッチ混合供給とリーン混合供給との間の急激な切り替えが、エンジン制御装置によって実施される。これらの急激な切り替えは、触媒器の前後に配置された排気ガスセンサ（λセンサ）によって監視される。触媒器は、リッチからリーンへの移行時に酸素を蓄積する、つまりリーンからリッチへの移行時にＯ_２を放出し、この場合にリッチ排気ガス中の過剰なＣＯ／ＨＣを分解するので、触媒器の後方の応答が、後続接続された排気ガスセンサによって時間遅延して記録される。Ｏ_２貯蔵器が完全に充填されるまで、Ｏ_２が蓄積される、つまりＯ_２貯蔵器が完全に空になるまで、Ｏ_２が放出される。したがって触媒器の後方の急激な切り替え応答の遅延時間は、触媒器の酸素貯蔵（ＯＳＣ）に対する目安である。この切り替え時点を確認するため、特にその都度のセンサ電圧のλ＝１の通過が使用される。車両電子機器が、酸素貯蔵能の所定値までの低下を、触媒器の許容できない破損として及び通報すべきエラーとして評価する。
この方法が、触媒の実際の状態の精度に関して誤差源を含むことが、説明した従来の技術に応じて触媒器の酸素貯蔵能を算出する場合の欠点である。すなわち、触媒器の老化が、貴金属の活動を低下させるものの、酸素貯蔵能を低下させないことが起こりうる。したがって、場合によっては発生する有害物質の限界値を越えたことが、確認されないままにあって、エラーメッセージが発せられない。

他方の側面では、触媒器が、確かに酸素貯蔵能を大幅に失っているものの、それにもかかわらず引き続き十分に変換することが、触媒器に在りうる。この場合、車載式故障診断によって通報されたエラーが、問題のない触媒器の交換を招く。このことは、不経済である。

貯蔵触媒器の老化が認識され得る方法が、ドイツ連邦共和国特許第１０１３７１３４号明細書から公知である。この場合、内燃機関の部分負荷動作点内で、触媒器の老化を認識する診断が、検出された温度に応じて実施される。この温度は、触媒器の中及び／又は触媒器の後方で測定される。この場合、温度又はこの温度から算出された温度上昇が、触媒器の老化に応じて変化する。触媒器の変換性能が、老化に起因して低いほど、温度上昇が僅かである。これによって、触媒器の老化状態が、この温度上昇から推測される。

同様に、触媒器の温度に応じたこの触媒器の老化の算定に大きい誤差が含まれていることが、この方法の場合の欠点である。触媒器の正確な老化の程度及び早すぎる時期の老化に関する逆推論が、この方法によって実現できない。しかも、触媒器の正確な温度測定を実施することが困難である。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４２１１１１６号明細書 ドイツ連邦共和国特許第１９９５３６０１号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８０１６２６号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３０５４５２号明細書 ドイツ連邦共和国特許第１０１３７１３４号明細書

本発明の課題は、内燃機関の排気管内に配置された触媒器の老化の程度を算定する方法を提供することにある。この方法の場合、触媒器の老化の程度が、僅かな測定経費で正確にかつ確実に評価され得る。

この課題は、本発明により、触媒器の貴金属の焼結の程度及び触媒器のワッシュコート構造の破損状態の程度が、前記触媒器のその都度算出された酸素貯蔵能から算出され、この触媒器の老化の程度が、これらの両値を結合することによって解決される。
触媒器の貴金属の焼結の程度を触媒器のワッシュコート構造の破損状態の程度に結合することによって、触媒器の老化の程度の信頼性の高い値が、僅かな測定経費で算定できる。これらの程度はそれぞれ、触媒器の酸素貯蔵能から算出される。これによって、触媒器の有害物質限界値を越えたことを認識しないことに関する誤差源又は触媒器の実際の老化の程度の謝った解釈に関する誤差源が回避される。

以下に、本発明を実施の形態に基づいて詳しく説明する。

触媒器の酸素貯蔵能の算定（ＯＳＣ算定）は、内燃機関に供給された空気／燃料の比が、リッチからリーンに移行する時及びリーンからリッチに移行する時に、触媒器の前後に配置された排気ガスセンサ（λセンサ）の評価に基づいて実施される。この場合、触媒器の老化の過程のＯ_２の蓄積とＯ_２の解放とに対する触媒器の異なるメカニズムに起因して、リーンからリッチへのＯＳＣが、リッチからリーンへのＯＳＣより遙かに激しく減少することが分かっている。

Ｏ_２貯蔵器は、リッチからリーンへのＯＳＣの場合に境界面であるガス相／ワッシュコートを通じて直接充填されるので、貴金属が、いわゆる焼結によって変換性能を既にほとんど失っている場合でも、リッチからリーンへのＯＳＣは、老化に対して適切に安定している、すなわちリッチからリーンへのＯＳＣは、ほぼ一定である。高温が、ワッシュコート構造を破損する場合だけ、リッチからリーンへのＯＳＣも低下する。

これに対してリーンからリッチへのＯＳＣの場合、ＣＯと蓄積された酸素（Ｏ^２−）との反応速度は、貴金属からワッシュコートの全体にわたって分布したＣｅ^４＋にかけた拡散過程によって主に決定される。この拡散を達成する必要がある平均距離は、貴金属粒子間の平均距離に比例する。貴金属の総量が、より僅かでかつより大きい粒子で濃縮されているので、これらの貴金属粒子が、老化に起因して激しく焼結されている場合、これらの金属粒子間の平均距離は明らかに大きい。このため、貴金属粒子からワッシュコートの全面に蓄積された酸素にかけたＣＯの拡散が、より長く持続し、反応ＣＯ＋２Ｃｅ^４＋＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２Ｃｅ^３＋はより緩やかである。ＣＯ濃度が、このＣＯ反応の減速によって触媒器の後方で予測される「本当のＯＳＣ」にしたがうよりも迅速に上昇する。したがって、Ｏ_２貯蔵器が完全に空になる前に、λ＝１の地点が、リーンからリッチの移行後に既に得られる。その次のリッチからリーンへの移行が実施される前に、残っている酸素が、緩やかに反応して消滅する。このリッチからリーンへの移行後に、Ｏ_２貯蔵器が再び完全に充填され、完全なリッチからリーンへのＯＳＣが測定される。

説明した状況は、リーンからリッチへのＯＳＣが貴金属の焼結と触媒器の破損とに対する直接的な目安である。しかし酸素貯蔵能は、温度の関数でもあるので、リーンからリッチへのＯＳＣの絶対値が、車載式故障診断に対して直接使用され得ない。

本発明によれば、触媒器の貴金属の焼結の程度が、リーン混合組成からリッチ混合組成への急激な切り替え時の触媒器の実際の酸素貯蔵能とリッチ混合組成からリーン混合組成への急激な切り替え時の触媒器の実際の酸素貯蔵能との除算から算出される。この除算Ｒ_{ＥｍＫａｔ}は、触媒器の「残りの」変換性能の目安として得られる：

老化された触媒器の活動損失の原因である貴金属の焼結の程度は、この目安によって
Ｅ_{ｍｓＫａｔ}＝１−Ｒ_{ＥｍＫａｔ}
として明確に示される。

触媒器を交換しなければならないＲ_{ＥｍＫａｔ}の限界値がどこにあるかは、触媒器の種類及び車両の全体に依存する。したがってこの限界値は、持続して実施される長期間の研究で算出される必要がある。

リッチからリーンへのＯＳＣを同様に低下させるワッシュコートの破損も、特定の状況下で発生しうるので、ワッシュコート構造の破損状態が、さらなる基準として算出される。この破損状態は、リッチ混合組成からリーン混合組成への急激な切り替え時の触媒器の実際の酸素貯蔵能とリッチ混合組成からリーン混合組成への急激な切り替え時の老化していない触媒器の酸素貯蔵能との除算から算出される。この除算Ｒ_{ＯＳＣＫａｔ}は、触媒器の「残りの」ＯＳＣの目安として得られる。

ワッシュコートの破損の程度は、この目安によって
Ｗｃｓ_Ｋａｔ＝１−Ｒ_{ＯＳＣＫａｔ}
として明確に示される。

この場合、酸素がまだ通過していなくて、まだ完全な変換性能を有する新しい触媒器のときに、リッチ混合組成からリーン混合組成への急激な切り替え時の触媒器の酸素貯蔵能が、公知のＯＳＣ方法を用いて算出される。この値は、制御装置、特に内燃機関のエンジン制御装置内に記憶され、ワッシュコートの破損状態の実際の程度及び触媒器の老化の程度のそれぞれを算出するために呼び出されて適切に使用される。

触媒器の老化の程度を算定するため、触媒器の貴金属の焼結の算出された程度が、ＯＲ論理又は任意のその他の論理関係若しくは数学的な関係を用いて触媒器のワッシュコートの破損状態の算出された程度に結合される。触媒器の老化の程度を算定するためには、触媒器の貴金属の焼結の程度とワッシュコートの破損状態の算出された程度との適切な和又は積を作ることが、特に好ましいと証明されている。触媒器の老化の程度（Ａｌｔ_Ｋａｔ）は、例えば：
式１：Ａｌｔ_Ｋａｔ＝Ｅ_{ｍｓＫａｔ}＋Ｗｃｓ_Ｋａｔ
式２：Ａｌｔ_Ｋａｔ＝１−Ｒ_{ＥｍＫａｔ} ×Ｒ_{ＯＳＣＫａｔ}
として得られる。
省略しない場合は：

として得られる。

酸素がまだ通過していなくて、まだ完全な変換性能を有する新しい触媒器の場合、Ａｌｔ_Ｋａｔ≒０であり、貴金属の焼結時及びワッシュコートの破損時の双方で運転出力によって増大する。

各触媒器に対して許容できる触媒器の老化の程度の一般的な閾値が、公知の方法で長期間の研究によって算出されて制御装置の記憶器内に記憶される。触媒器の実際に算出された老化の程度が、記憶された閾値と比較される。この場合、許容できる閾値を越えたことが、必要な触媒の交換に対する目安として使用される。触媒器の実際に算出された老化の程度が、制御装置によって計器盤上のディスプレイを通じて表示され得る。

こうして算出された老化の程度は、従来の技術で説明されている方法よりも遙かに信頼性の高い値を提供する。本発明の解決手段のもう１つの利点は、高い測定経費が老化状態を算出するために必要にならない点である。

Claims (9)

1. 内燃機関の排気管内に配置された触媒器の老化の程度を診断する方法であって、前記内燃機関に供給された空気／燃料のリッチ混合組成とリーン混合組成との比を急激に切り替える時に、前記触媒器の酸素貯蔵能が、前記触媒器の前後に配置された排気ガスセンサの信号によって算出される方法において、
   前記触媒器の貴金属の焼結の程度及び前記触媒器のワッシュコート構造の破損状態の程度が、前記触媒器のその都度算出された酸素貯蔵能から算出され、この触媒器の老化の程度が、これらの両値を結合することによって算定されることを特徴とする方法。
2. 前記触媒器の前記貴金属の前記焼結の程度は、リーン混合組成からリッチ混合組成への急激な切り替え時の前記触媒器の実際の酸素貯蔵能とリッチ混合組成からリーン混合組成への急激な切り替え時の前記触媒器の実際の酸素貯蔵能との除算を１から減算して算出されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記触媒器の前記ワッシュコート構造の前記破損状態の程度が、リッチ混合組成からリーン混合組成への急激な切り替え時の前記触媒器の実際の酸素貯蔵能とリッチ混合組成からリーン混合組成への急激な切り替え時の老化していない触媒器の酸素貯蔵能との除算を１から減算して算出されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記触媒器の前記老化の程度（Ａｌｔ_Ｋａｔ）は、式
   

   

   にしたがって、前記触媒器の前記貴金属の焼結の程度と前記触媒器の前記ワッシュコート構造の破損状態の程度との和から算出されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記触媒器の前記老化の程度（Ａｌｔ_Ｋａｔ）は、式
   

   

   にしたがって、リーン混合組成からリッチ混合組成への急激な切り替え時の前記触媒器の実際の酸素貯蔵能とリッチ混合組成からリーン混合組成への急激な切り替え時の前記触媒器の実際の酸素貯蔵能との除算と、リッチ混合組成からリーン混合組成への急激な切り替え時の前記触媒器の実際の酸素貯蔵能とリッチ混合組成からリーン混合組成への急激な切り替え時の老化していない触媒器の酸素貯蔵能との除算との積を１から減算して算出されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記触媒器の前記老化の程度の閾値を越えたことが、必要な触媒の交換に対する目安として使用されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. リッチ混合組成からリーン混合組成への急激な切り替え時の前記触媒器の前記酸素貯蔵能が、新たに使用される触媒器に対して算出され、前記ワッシュコート構造の前記破損状態の程度と前記触媒器の前記老化の程度とのそれぞれを算出する制御装置内に記憶されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記触媒器の前記貴金属の焼結の程度が、ＯＲ論理又は任意のその他の論理関係若しくは数学的な関係を用いて前記触媒器の前記ワッシュコート構造の前記破損状態の程度に結合されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記触媒器の前記老化の程度が、前記制御装置によって表示されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。