JP5660945B2 - 内燃機関の触媒劣化判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等の排気通路に配置され、排気ガスを浄化するための触媒が劣化しているか否かを判定する内燃機関の触媒劣化判定装置に関するものである。

従来、自動車などに搭載される内燃機関にあっては、排気ガスを浄化するために、その排気通路に触媒を備えるものである。この触媒は、空燃比がほぼ理論空燃比に維持されている場合に、最も高い排気ガス浄化性能を発揮する。このため、このような触媒を備える内燃機関にあっては、触媒の上流と下流とにそれぞれＯ₂センサを配置し、各Ｏ₂センサにより得られる情報に基づいて空燃比をフィードバック制御するようにしている。

このような構成において、上流側のＯ₂センサが検出した情報と、下流側のＯ₂センサが検出した情報とに基づいて、触媒が劣化しているか否かを判定することが行われている。例えば特許文献１のものでは、下流側のＯ₂センサの出力レベルの変化周期又は変化頻度を検出し、検出した変化周期が短くなるにつれて又は変化頻度が高くなるにつれて触媒の劣化が進行していると判断するものである。触媒の劣化は、その酸素ストレージ能力が低下することにより顕在化するものである。

ところで、近年の触媒にあっては、酸素ストレージ能力の低下が少ないタイプが普及してきている。このようなタイプの触媒にあっては、酸素ストレージ能力の低下により劣化判定を行う特許文献１のものでは、触媒の劣化判定をできない場合が生じた。又、酸素ストレージ能力を持つ材料は、触媒の劣化を判定するために一定量が必要になり、製造コストや重量の観点から設計の自由度が制限されるものとなる。

特公平７‐２６５２８号公報

そこで本発明は以上の点に着目し、各種型式の触媒の劣化を精度よく判定することができる触媒劣化判定装置を提供することを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の触媒劣化判定装置は、排気ガスを浄化する触媒と、触媒から排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、酸素濃度検出手段の出力に応じて空燃比をフィードバック制御するフィードバック制御手段とを備える内燃機関において、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな値に設定する目標空燃比設定手段と、目標空燃比設定手段により理論空燃比よりもリッチな値に目標空燃比を設定した後触媒内の吸蔵酸素が放出されて酸素濃度検出手段の出力が理論空燃比よりもリッチであることを示す信号レベルに変化した時点での当該出力と、その時点から所定時間が経過した時点での酸素濃度検出手段の出力との間で、一定値以上の変化が生じている場合に触媒の貴金属が劣化したと判断する劣化判定手段とを備える。

このような構成によれば、触媒内の吸蔵酸素がなくなって所定時間経過する間、触媒の劣化に起因する排気ガス浄化能力の低下により触媒内の空燃比が変化する。そして所定時間が経過した後に、吸蔵酸素を放出した時点の酸素濃度検出手段の出力から所定時間経過後の出力が一定値以上変化している場合に、触媒の貴金属が劣化したことを判断する。これによって、酸素濃度検出手段の出力周期に変化が見られない型式の触媒の劣化についても、触媒の劣化つまり触媒の貴金属の劣化を判断することが可能になる。

本発明は、以上説明したような構成であり、酸素ストレージ能力が劣化しにくい型式の触媒においても、触媒の劣化、ひいては触媒における貴金属の劣化を判断することができる。

本発明の実施形態のエンジンの構成を示す図。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。 同実施形態の作用説明図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に、一気筒の構成を概略的に示すこの実施形態における内燃機関１００は、例えば自動車に搭載される火花点火式のものである。内燃機関１００の吸気系１には、アクセルペダルの踏み込み量に応じて作動するスロットル弁１１を設けており、スロットル弁１１の下流にはサージタンク１３を有する吸気マニホルド１２を取り付けている。サージタンク１３には吸気管圧力を検出するための圧力センサ７１を配している。サージタンク１３より下流の吸気系１には、吸気ポートに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁３が取り付けてある。燃料噴射弁３は、後述する電子制御装置４により開閉を制御される。

排気系５には、排気マニホルド５１を取り付け、排気ガス浄化用の三元触媒５２を装着している。三元触媒５２は特に、酸素ストレージ能力を有するもので、そのための材料として、劣化しにくい材料であるセリア（酸化セリウム、セリア‐ジルコニア系など）を少なくとも用いるものである。そして、三元触媒５２の上流位置にフロント空燃比センサ５３を、またその下流位置にはリアＯ₂センサ５４をそれぞれ配置している。フロント空燃比センサ５３及びリアＯ₂センサ５４は、排気ガスに接触して反応することにより、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力する。

シリンダ２上部に形成される燃焼室の天井部には、吸気バルブ２１、排気バルブ２２及び点火プラグ２３が配置される。

電子制御装置４は、内燃機関の運転を制御するもので、中央演算装置４４１、記憶装置４２、入力インターフェース４３、出力インターフェースなどを有するコンピュータシステムである。

入力インターフェース４３には、圧力センサ７１から出力される吸気圧信号ａ、エンジン回転数を検出するための回転数センサ７２から出力される回転数信号ｂ、車速を検出するための車速センサ７３から出力される車速信号ｃ、スロットルバルブの開度を検出するためのスロットルセンサ７４から出力されるスロットル開度信号ｄ、冷却水の温度を検出するための水温センサ７６から出力される水温信号ｆ、フロント空燃比センサ５３から出力される上流側空燃比信号ｇ、リアＯ₂センサ５４から出力される下流側空燃比信号ｈなどが入力される。一方、出力インターフェース４４からは、インジェクタ３に対して燃料噴射信号ｎ、点火プラグ８に対して点火信号ｍなどが出力される。したがって、リアＯ₂センサ５４と電子制御装置４とにより酸素濃度検出手段が構成される。

中央演算装置４１は、記憶装置４２にあらかじめ格納されているプログラムを実行し、運転に必要な各種情報を上記の各センサから取得し、燃料噴射量や点火時期などを制御する。そのような制御において、フロント空燃比センサ５３及びリアＯ₂センサ５４から出力する上流側及び下流側空燃比信号ｇ、ｈを用いて、従来と同様に空燃比のフィードバック制御を実行する。したがって、電子制御装置４は、フィードバック制御手段を構成する。又、中央演算装置４１は、三元触媒５２の劣化を判定するために、記憶装置４２に格納されている、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな値に設定し、理論空燃比よりもリッチな値に目標空燃比を設定した後において、三元触媒５２内の吸蔵酸素を放出してから所定時間経過後にリアＯ₂センサ５４が吸蔵酸素の放出時点における出力から一定値以上変化している場合に、三元触媒５２の貴金属が劣化したと判断する劣化判定プログラムを実行する。

図２により、三元触媒５２の劣化判定の手順を説明する。なお、劣化判定プログラムは例えば、エンジン１００が始動される毎に停止されるまでにアイドル運転などにおいて一度実行する。実行に際しては、フロント空燃比センサ５３及びリアＯ₂センサ５４による空燃比フィードバック制御は、一時的に中止する。そして、以下のように劣化判定プログラムを実行することにより、電子制御装置４は、目標空燃比設定手段及び劣化判定手段を実現するものである。

ステップＳ１では、この劣化判定プログラムの実行までのフィードバック制御における目標空燃比の如何にかかわらず、空燃比が強制的にリッチになるように目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな値に設定する。このように目標空燃比を設定することにより、一時的に三元触媒５２内の空燃比を理論空燃比よりも低いリッチ側に変化させる。このように目標空燃比を設定して、空燃比が目標空燃比になるように燃料噴射量を制御する。

ステップＳ２では、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に変化させたことで、三元触媒５２内に吸蔵されていた酸素が放出されたか否かを判定する。すなわち、理論空燃比よりリッチな実空燃比の雰囲気内では、排気ガス中の一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物と酸化還元反応により、吸蔵していた酸素を放出する。吸蔵されていた酸素を放出している間は、リアＯ₂センサ５４の下流側空燃比信号ｈは、酸素が吸蔵されていたことにより空燃比が理論空燃比である場合の信号レベルとほぼ同じであり、酸素を放出しきった時点で空燃比がリッチであることを示す信号レベルに変化する（図３に、点線で示す）。したがって、下流側空燃比信号ｈが反転した時点で、吸蔵されていた酸素が放出されたと判定するものである。そして反転した下流側空燃比信号ｈの値を、記憶しておく。

図３において、最も上に位置する一点鎖線は劣化していない新しい三元触媒（以下、新触と称する）の場合のリアＯ₂センサ５４の出力値、点線は劣化している三元触媒の場合のリアＯ₂センサ５４の出力値、二点鎖線は、フロント空燃比センサ５３により検出した空燃比、同図中最も下に位置する破線は劣化していない新触の場合の、三元触媒の下流に設置したリア空燃比センサにより検出した空燃比、実線は劣化している三元触媒の場合のリア空燃比センサにより検出した空燃比である。

ステップＳ３では、吸蔵酸素の放出後から経過時間を計測し、計測した経過時間が所定時間以上となったか否かを判定する。所定時間は、後述する一定値と関連するもので、下流側空燃比信号ｈの変化が一定値以上にまで低下するに十分な時間により設定する。この所定時間は、吸蔵酸素の放出後、下流側空燃比信号ｈの変化量が安定するまでの時間に基づいて、つまり下流側空燃比信号ｈの微分値に基づいて安定を判断して設定するものであってもよい。

ステップＳ４では、リアＯ₂センサ５４が出力する下流側空燃比信号ｈが、吸蔵酸素を放出した時点における下流側空燃比信号ｈから一定値以上変化したか否かを判定する。下流側空燃比信号ｈは、劣化した三元触媒５２から排出される排出ガスにより、空燃比がリッチを示す信号レベルからフロント空燃比センサ５３の示す値に向かって変化する。一定値は、新触の場合にステップＳ１からステップＳ３を実行した際にリアＯ₂センサ５４が出力する空燃比信号より、劣化した三元触媒の場合の空燃比信号が時間の経過とともに変化することに基づいて設定される。

ステップＳ５では、下流側空燃比信号の変化が一定値以上であると判定したことにより、三元触媒５２中の白金などの貴金属が劣化したと判断する。

このような構成において、三元触媒５２が劣化している場合、三元触媒５２内部で起こる水性ガスシフト反応が鈍る。すなわち、排気ガス中に含まれる一酸化炭素が排気ガス中の水蒸気と反応しにくくなり、二酸化炭素及び水素の生成量が減少する。この時、図３に示すように、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな値に設定して（ステップＳ１）、実際の空燃比をそのリッチな空燃比にすると、その後、吸蔵酸素が存在する間は、リアＯ₂センサ５４が出力する下流側空燃比信号ｈは理論空燃比とほぼ同じとなる。その後、吸蔵酸素がほぼ完全に放出されると（ステップＳ２、「Ｙｅｓ」）、下流側空燃比信号ｈが反転して、リッチに対応するものとなる。

そして、吸蔵酸素が放出された時点で、水性ガスシフト反応が進行し、三元触媒５２から排出される排気ガスの空燃比が、図３に実線で示すように、リッチな空燃比から漸次フロント空燃比センサ５３の位置における空燃比（又は目標空燃比）の値に向かって変化する。このような空燃比の変化は、新触では起こらない。このため、吸蔵酸素の放出を判断してから計測する所定時間が経過した時点で、水性ガスシフト反応の鈍化により変化した下流側空燃比信号ｈの変化が一定値以上となった時点で、三元触媒５２の劣化、特には貴金属の劣化を判断する（ステップＳ３〜５）。

ここで、水性ガスシフト反応が鈍化して、生成される水素量が減少すると下流側空燃比信号ｈが変化することについて説明する。理論空燃比よりもリッチ側にある空燃比を検出する場合では、Ｏ₂センサに接触する排気ガス中の一酸化炭素、水素あるいは炭化水素の還元物を酸化するのに必要な酸素をＯ₂センサ内で発生するために使用するポンピング電流に基づいて空燃比を検出している。

空燃比がリッチ側にある場合に検出する成分である水素と一酸化炭素とでは、それぞれの分子量は大きく異なる。そのため、両者の拡散速度が異なる。分子量の小さい水素は、一酸化炭素よりも速く拡散し、Ｏ₂センサの電極表面に早く到達する。そのため、排気ガス中で両者が同一濃度である場合、一酸化炭素よりも水素の方が早く電極表面に到達する。このことから、電極で水素を酸化するのに、水素が一酸化炭素に比べて約４倍ものポンピング電流を必要とする。すなわち、還元物の濃度として約４倍も濃度が高いとして、信号を出力してしまうことになる。

よって、水性ガスシフト反応が行われているとリアＯ₂センサ５４では、水性ガスシフト反応による水素の増加に伴って実空燃比よりもリッチであるような出力、つまり三元触媒５２の上流における空燃比よりも増加した分だけリッチな空燃比となる下流側空燃比信号ｈが生じる。これに対して、水性ガスシフト反応が触媒劣化とともに鈍化して、生成される水素が減少すると、ポンピング電流が小さくなり、下流側空燃比信号ｈは上流側空燃比信号ｇに近似するようになる。ただし、空燃比がリーンからリッチに反転した直後は、水性ガスシフト反応による水素が発生し易いため、一時的に下流側空燃比信号ｈは空燃比がリッチであることを示すものとなる。

水性ガスシフト反応は、貴金属粒子径が小さいほど起こりやすいものである。しかしながら、劣化した三元触媒５２は貴金属粒子径が大きくなってしまい、水素が発生しにくくなる。なお、貴金属の表面が被毒していない、つまり貴金属が化学反応における触媒として活性している状態では、水素を発生しやすい状態であるので、上述したように、目標空燃比をリッチな値に設定して後は、貴金属が触媒として機能して水性ガスシフト反応が進行する。この後、排気ガスの空燃比を目標空燃比に固定する、つまり三元触媒５２の内部の空燃比をリッチ側に固定することで、徐々に貴金属表面が被毒され、水素が発生しにくくなる。

このように、貴金属に起因して下流側空燃比信号ｈが変化することから、三元触媒５２の劣化を判定することができる。したがって、各種型式の三元触媒に対して劣化の判断ができ、触媒劣化を判断するために必要な酸素ストレージ能力を発揮させるための材料を考慮する必要がなくなる。その結果、三元触媒の設計の自由度を高くすることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

リアＯ₂センサ５４に代えて、空燃比の変化に対して空燃比信号が直線的に変化する、言い換えれば空燃比の変化に比例して空燃比信号を出力する空燃比センサを用いるものであってもよい。この場合、劣化した三元触媒の下流にて空燃比を検出すると、図３において実線で示した空燃比に対応する空燃比信号を出力する。したがって、上記実施形態の制御手順により、三元触媒の劣化を判断することができる。

又、上記実施形態におけるステップＳ５において、貴金属の劣化の度合いを判定するものであってもよい。具体的には、所定時間が経過する間にリアＯ₂センサ５４の出力である下流側空燃比信号ｈの変化が一定値以上になるまでの経過時間を計測し、計測した時間が短いほど劣化度合いが大きい、つまり劣化が進行していると判定する。この構成により、より精度よく貴金属の劣化、ひいては三元触媒５２の劣化を判断することができ、その交換時期などを設定することができる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の活用例として、負荷状態が刻々と変化するガソリンエンジンやディーゼルエンジンに適用することが挙げられる。

４…電子制御装置
４１…中央演算装置
４２…記憶装置
４３…入力インターフェース
４４…出力インターフェース
５２…三元触媒
５４…リアＯ₂センサ

Claims (1)

1. 排気ガスを浄化する触媒と、
   触媒から排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
   酸素濃度検出手段の出力に応じて空燃比をフィードバック制御するフィードバック制御手段とを備える内燃機関において、
   目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな値に設定する目標空燃比設定手段と、
   目標空燃比設定手段により理論空燃比よりもリッチな値に目標空燃比を設定した後、触媒内の吸蔵酸素が放出されて酸素濃度検出手段の出力が理論空燃比よりもリッチであることを示す信号レベルに変化した時点での当該出力と、その時点から所定時間が経過した時点での酸素濃度検出手段の出力との間で、一定値以上の変化が生じている場合に触媒の貴金属が劣化したと判断する劣化判定手段と
   を備える内燃機関の触媒劣化判定装置。

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