JP6250256B1

JP6250256B1 - 触媒劣化検出システム及び触媒劣化検出方法

Info

Publication number: JP6250256B1
Application number: JP2017553197A
Authority: JP
Inventors: 直樹宗形; 克真堀井; 中原　祐之輔; 祐之輔中原
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2037-07-26
Also published as: JPWO2018025729A1

Abstract

本発明のシステム（９）は、内燃機関（１１）の排気経路（１２）に設けられた触媒８の劣化を検出するシステムであって、触媒（８）よりも上流側の排気の温度を検出する手段（５）と、触媒（８）よりも下流側の排気の温度を検出する手段（６）とを備え、触媒（８）の上流及び下流のそれぞれにおいて、加速運転時においては、降温又は一定温度から昇温へと変わる変化点を認識し、減速運転時には昇温又は一定温度から降温へと変わる変化点を認識する認識部（１０）と、上流及び下流における変化点の差（△Ｔ又は△Ｔ’）が所定時間以上となった場合に、触媒（８）が劣化したと判断する判断部（１０）とを有する。

Description

本発明は内燃機関の触媒劣化検出システム及び触媒劣化検出方法に関する。

自動車やバイク（鞍乗型車両ともいう）等のガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中にはＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等の有害成分が含まれている。従来、これらの有害成分を浄化して無害化する目的で三元触媒が用いられている。このような三元触媒として、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の貴金属とアルミナ、セリア、ジルコニア又はこれらの複合酸化物とを任意に組み合わせたものが使用されている。

また排出ガス規制として、１９９０年頃から、米国において、排気ガス浄化用触媒（以下、単に「触媒」ともいう）の劣化等を検出し、これらの異常をＯＢＤ（Ｏｎｂｏａｒｄｄｉａｇｎｏｓｉｓ）が検出した場合は、インパネ上の警告灯を点灯させ運転者に知らせると共に、その故障コードを記憶して、標準規格化されたスキャンツールで読み出せるシステムを車両に取り付けることを義務付けるＯＢＤ−II規制が導入されるようになった。同様の規制は欧州や日本などにおいても導入されており、触媒の劣化を安価に汎用的に検出できるシステムが求められている。

従来、触媒劣化検出システムとしては、特許文献１及び２に示されるように、触媒の上流側と下流側にそれぞれＯ_２センサを用いて、Ｏ_２センサの出力の変動に基づいて、触媒の劣化の有無を判定するものが一般的である。一方、特許文献３及び４には、Ｏ_２センサを用いずに、内燃機関の排気経路における触媒の上流及び下流にそれぞれ温度検出手段を設け、両者の検出温度の温度差に基づいて劣化を検出する技術が記載されている。

特開平８−３０３２８０号公報特開２００４−１７６６１５号公報特開２０１４−６２５１０号公報ＵＳ２００２／１９７７２１Ａ１

しかしながら、通常、Ｏ_２センサは白金コートされたジルコニア電解質を用いており高価であるため、特許文献１及び２の記載とは異なり、Ｏ_２センサを用いない低コストの触媒劣化検出システムが望まれていた。また特許文献３及び４には、上述した通り、Ｏ_２センサを用いずに触媒劣化を検出するシステムが記載されているものの、触媒の上流と下流との温度差を用いることが記載されているにすぎず、また、アクセルやブレーキが多用される実際の運転環境に必ずしも適したものとは言い難かった。

本発明の課題は、前述した従来技術が有する種々の欠点を解消し得る触媒劣化検出システム及び触媒劣化検出方法を提供することにある。

本発明は、内燃機関の排気経路に設けられた触媒の劣化を検出するシステムであって、
前記触媒よりも上流側の排気の温度を検出する上流側温度検出手段と、
前記触媒よりも下流側の排気の温度を検出する下流側温度検出手段とを備え、更に、
（Ａ）加速運転時において、前記上流側温度検出手段が検出する、降温又は一定温度から昇温へと変わる変化点（Ｔ１）と、前記下流側温度検出手段が検出する、降温又は一定温度から昇温へと変わる温度の変化点（Ｔ２）とを認識する認識部と、当該変化点の差（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１）が所定時間以上となった場合に、触媒が劣化したと判断する判断部とを備えるか、或いは、
（Ｂ）減速運転時において、前記上流側温度検出手段が検出する、昇温又は一定温度から降温へと変わる変化点（Ｔ１’）と、前記下流側温度検出手段が検出する、昇温又は一定温度から降温へと変わる温度の変化点（Ｔ２’）とを認識する認識部と、当該変化点の差（ΔＴ’＝Ｔ２’−Ｔ１’）が所定時間以上となった場合に、触媒が劣化したと判断する判断部とを備える、触媒劣化検出システムを提供するものである。

また、本発明は、内燃機関の排気経路に設けられた触媒の劣化を検出する方法であって、
前記触媒よりも上流側の排気の温度を検出する上流側温度検出手段と、
前記触媒よりも下流側の排気の温度を検出する下流側温度検出手段とを用い、
（ａ）加速運転時において、前記上流側の温度検出手段が検出する、降温又は一定温度から昇温へと変わる変化点（Ｔ１）と、前記下流側温度検出手段が検出する、降温又は一定温度から昇温へと変わる温度の変化点（Ｔ２）とを認識し、当該変化点の差（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１）が所定時間以上となった場合に、触媒が劣化したと判断するか、或いは、
（ｂ）減速運転時において、前記上流側温度検出手段が検出する、昇温又は一定温度から降温へと変わる変化点（Ｔ１’）と、前記下流側温度検出手段が検出する、昇温又は一定温度から降温へと変わる温度の変化点（Ｔ２’）とを認識し、当該変化点の差（ΔＴ’＝Ｔ２’−Ｔ１’）が所定時間以上となった場合に、触媒が劣化したと判断する、触媒劣化検出方法を提供するものである。

図１は、内燃機関の制御システムの全体構成の一例を示す概略図である。図２は、本発明の触媒劣化検出システムを搭載した車両の加速運転時における車速の変化と、各温度検出手段の検出温度の変化とをプロットしたグラフの一例である。図３は、本発明の触媒劣化検出システムを搭載した車両の減速運転時における車速の変化と、各温度検出手段の検出温度の変化とをプロットしたグラフの一例である。図４は、本発明の触媒劣化検出システム及び触媒劣化検出方法による処理の一例を示すフローチャートである。図５（ａ）は実施例の評価に用いた劣化触媒のＣＯの排出量であり、図５（ｂ）は当該劣化触媒のＨＣの排出量であり、図５（ｃ）は当該劣化触媒のＮＯｘの排出量である。図６（ａ）及び（ｂ）は、実施例において劣化触媒を用いた場合の変化点の差ΔＴを示すグラフである。図６（ａ）は０ｋｍ／ｈから３２ｋｍ／ｈに加速した場合のグラフであり、図６（ｂ）は０ｋｍ／ｈから５０ｋｍ／ｈに加速した場合のグラフである。図７は、実施例における触媒劣化検出回数を示すグラフである。

以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき説明する。
図１には本実施形態の触媒劣化検出システム９を搭載した内燃機関の制御システム５０を示す。この制御システム５０としては例えば車両のエンジンの制御システムが挙げられる。図１に示す制御システム５０は、エンジン１１とエンジン１１の排気ガスを外部に導く排気管１２とを有しており、触媒８がその排気管１２の途中に設置されている。排気管１２の形状は限定されないが、図１に示すように、触媒８の設置箇所より上流の位置に、触媒８に向かって拡径になる部分を有するように設けられていてもよい。触媒８は、エンジン１１の排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）を酸化して二酸化炭素と水に浄化する酸化触媒であり、好ましくはこれらの酸化と、ＮＯｘの窒素への還元を同時に行う三元触媒である。触媒としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の貴金属とアルミナ、セリア、ジルコニア、又はこれらの複合酸化物を組み合わせた粉体が挙げられる。この粉体は、通常、触媒支持体上に担持されている触媒層として用いられている。この触媒支持体は、例えば、セラミックス又は金属材料からなる。また、触媒支持体の形状は、特に限定されるものではないが、一般的にはハニカム形状、板、ペレット、ＤＰＦ、ＧＰＦ等の形状であり、好ましくはハニカム、ＤＰＦ又はＧＰＦである。また、このような触媒支持体の材質としては、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３−２ＳｉＯ_２）、コージェライト（２ＭｇＯ−２Ａｌ_２Ｏ_３−５ＳｉＯ_２）、チタン酸アルミニウム（Ａｌ_２ＴｉＯ_５）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のセラミックスや、ステンレス等の金属材料を挙げることができる。

図１に示す本実施形態の触媒劣化検出システム９は、排気経路（図１に示す例では排気管１２）における触媒８の上流側の温度を検出する上流側温度検出手段５と、排気経路（図１に示す例では排気管１２）における触媒８の下流側の温度を検出する下流側温度検出手段６と、上流側温度検出手段５で検出された温度の変化点Ｔ１及びＴ１’並びに下流側温度検出手段６で検出された温度の変化点Ｔ２及びＴ２’を認識し、これらの変化点に基づき触媒の劣化を判断するＥＣＵ（ＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１０とを有している。上流側温度検出手段５及び下流側温度検出手段６としては、温度センサを用いることができる。温度センサの具体例としては、熱電対、測温抵抗体が挙げられる。図１において上流側温度検出手段５は排気管１２における触媒８の上流側に設置され、下流側温度検出手段６は、排気管１２における触媒８の下流側に設置されている。上流側温度検出手段５及び下流側温度検出手段６は、排気管１２をその長手方向と直交する断面としたときに、その断面の略中央部分の温度を検出可能に設置されることが望ましい。断面の略中央部分とは、前記断面における、排気管の中心から排気管内面までの距離のうち、３分の２以内、好ましくは３分の１以内の範囲であればよい。前記断面における排気管の中心とは、排気管の前記断面が円形の場合は該円の中心であり、円形以外の場合は、当該断面の内部に描ける円のうち最も大きい円の中心である。なお、以下排気管１２の断面と記載する場合、特に断らない限り、排気管１２の長手方向と直交する断面を指す。

図１のエンジン制御システム５０において、エンジンの吸気圧、エンジン回転数、スロットル開度及び、空燃比はそれぞれ、Ｐｂセンサ１、Ｎｅセンサ２、Ｔｈセンサ３、Ｏ_２センサ４により検知され、ＥＣＵ（ＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１０により制御される。図１に示すように、これらＰｂセンサ１、Ｎｅセンサ２、Ｔｈセンサ３、Ｏ_２センサ４も触媒劣化検出システム９に含むことができる。

本実施形態の触媒劣化検出システム９は、図１に示す内燃機関の制御システム５０の一部として、内燃機関を有する車両、航空機、船舶等の輸送手段や発電機等の装置に設けられる。触媒劣化検出システム９は、内燃機関の加速運転時又は減速運転時における、触媒８の上流及び下流における検出温度の傾きが反転した時間の間隔に基づき、触媒劣化を検出する。なおここでいう反転としては、傾きがプラスからマイナスに転じた場合、及び、マイナスからプラスに転じた場合が挙げられるほか、ゼロからプラス又はマイナスに転じた場合も含まれる。車両等の輸送手段の加速運転（例えば輸送手段の移動速度（ｋｍ／ｈ）の増加）時には、内燃機関の加速運転（例えばエンジンシャフトの回転速度（ｒｐｍ）の増加）が起こる。同様に車両の減速運転（例えば輸送手段の移動速度（ｋｍ／ｈ）の減少）時には、内燃機関の減速運転（例えばエンジンシャフトの回転速度（ｒｐｍ）の減少）が起こる。このため、本実施形態の触媒劣化検出システム９は、車両等の輸送手段に搭載された場合、輸送手段の加速運転時又は減速運転時における、上流側温度検出手段５及び下流側温度検出手段６の検出温度の傾きが反転した時間の間隔に基づき、触媒劣化を検出することができる。輸送手段の加速運転とは、例えば車両であれば、加速度０．５２ｍ／ｓｅｃ^２以上の加速、又は加速前と加速後の速度差が３０ｋｍ／ｈ以上の加速が好ましい。また輸送手段の減速運転とは、例えば車両であれば、減速度０．５２ｍ／ｓｅｃ^２以上の減速、又は減速前と減速後の速度差が２０ｋｍ／ｈ以上の減速が好ましい。

図２に、本実施形態の触媒劣化検出システム９（及びこれを含む内燃機関の制御システム５０）を搭載した輸送手段の加速運転時における、車速の変化と、上流側温度検出手段５及び下流側温度検出手段６の検出温度の変化をプロットした例を示す。図２に示すように、輸送手段の加速運転時には、内燃機関の加速運転に伴い、排気ガスの温度が高くなるため、上流側温度検出手段５の検出温度は直ちに降温又は一定温度から昇温へと変化し、降温又は一定温度から昇温への変化点Ｔ１を与える。一方下流側温度検出手段６の検出温度は、上流側温度検出手段に比べて遅れて降温又は一定温度から昇温に変化し、変化点Ｔ２ａ又はＴ２ｂを与える。この遅れは、エンジン１１と下流側温度検出手段６との距離のみならず、触媒８が排気ガスに接触することにより、触媒８による酸化反応が起こり、それが発熱反応であることを反映したものとなる。本発明者は、触媒劣化の程度が大きいほど下流側温度検出手段６の降温又は一定温度から昇温への変化が遅く起こること、及びこれを利用することにより触媒の劣化を検出できることを知見した。これは、触媒の劣化が進行しているほど、触媒によるＨＣやＣＯの酸化反応が遅れることによるものと考えられる。

同様に、輸送手段の減速運転時においても、内燃機関の減速運転が起こり、上流側温度検出手段５及び下流側温度検出手段６の昇温又は一定温度からの降温が起こる。図３に、本実施形態の触媒劣化検出システム９（及びこれを含む内燃機関の制御システム５０）を搭載した輸送手段の減速運転時における車両の車速の変化と、各温度検出手段の検出温度の変化とをプロットした例を示す。図３に示すように、輸送手段の減速運転時には、内燃機関の減速運転に伴い、排気ガスの温度が低くなるため、上流側温度検出手段５は、昇温又は一定温度から降温への変化点Ｔ１’を検出する。一方、下流側温度検出手段６は、上流側温度検出手段に比べて遅れて昇温又は一定温度から降温への変化点Ｔ２’ａ又はＴ２’ｂを検出する。この際に、触媒８の劣化の程度が大きいほど、下流側温度検出手段６の昇温又は一定温度からの降温の変化は、上流側温度検出手段５の昇温又は一定温度からの降温の変化に対して遅れる。このため、加速運転時と同様に、変化点Ｔ１’及びＴ２’の差△Ｔ’を利用して、触媒の劣化を検出できる。

本実施形態による劣化検出の例を図４のフローチャートに基づいて説明する。
図４に示すように、ステップ１で、内燃機関又はこれを搭載する輸送手段等の加速運転又は減速運転が行われているか否かを判断する。この判断は例えば、エンジンシャフトの回転速度をＮｅセンサ２で検出し、その情報に基づいてＥＣＵ１０により行われる。ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ及びメモリ等の演算処理手段からなる。ＹＥＳの場合はステップ２に進み、触媒８の温度を測定し、ＥＣＵ１０により触媒８の温度が所定範囲内であるか否か判断する。触媒８の温度が一定以上であると、排気ガスとの接触時に酸化反応が十分に起こり、△Ｔの判定を容易とすることができる。このステップ２において所定範囲として設定する触媒８の温度範囲とは、３００℃以上６００℃以下であることが好ましく、４００℃以上５００℃以下であることがより好ましい。触媒８の温度の測定は、下流側温度検出手段６により行ってもよく、或いは、触媒８中に挿入した別の温度検出手段により行ってもよい。このように、本発明における認識部と判断部は同一の制御装置であって問題ない。

なお、前記のように一定温度に触媒８が加温した状態においてステップ１で内燃機関及びこれを搭載する輸送手段等を加速運転する場面とは、例えば内燃機関が車のエンジンである場合には、一定速度で走行した状態から車速を加速する場合や、アイドリング状態又は車速の減速状態から車速を加速する場面が挙げられる。また一定温度に触媒８が加温した状態においてステップ１で内燃機関及びこれを搭載する輸送手段等を減速する場面とは、例えば内燃機関が車のエンジンである場合には、一定速度で走行した状態又は車速を昇温した状態から車速を減速する場合が挙げられる。

ステップ２の判断がＹＥＳの場合はステップ３に進み、ステップ１で加速運転と判断された場合は、ＥＣＵ１０が、上流側温度検出手段５の検出温度の変化点Ｔ１及び下流側温度検出手段６の検出温度の変化点Ｔ２を認識し、△Ｔ（＝Ｔ２−Ｔ１）を算出する。一方、ステップ２で減速運転と判断された場合は、上流側温度検出手段５の検出温度の変化点Ｔ１’及び下流側温度検出手段６の検出温度の変化点Ｔ２’を認識し、△Ｔ’（＝Ｔ２’−Ｔ１’）を算出する。

降温又は一定温度から昇温への変化の有無の認識の条件は、劣化検出が効率よく行われるものに適宜設定することができる。降温又は一定温度から昇温への変化点の認識は例えば、計測周期を０．１秒間隔とした際に、上流側温度検出手段５の直前の温度計測履歴より計測温度が０．１℃以上プラスに３回連続で移行した点を変化点Ｔ１と認識し、下流側温度検出手段６も同様に直前の温度計測履歴より、計測温度が０．１℃以上プラスに３回連続で移行した点を変化点Ｔ２と認識するようにしてなされる。また昇温又は一定温度から降温への変化点の認識も同様に、例えば計測周期を０．１秒間隔とした際に、上流側温度検出手段５の直前の温度計測履歴より、計測温度が０．１℃以下マイナスに３回連続で移行した点を変化点Ｔ１’と認識し、下流側温度検出手段６も同様に直前の温度計測履歴より、計測温度が０．１℃以下マイナスに３回連続で移行した点を変化点Ｔ２’と認識するようにしてなされる。

次いでステップ４で、ＥＣＵ１０が、ステップ３で算出された△Ｔ又は△Ｔ’が所定値以上であるか否かを判断し、ＹＥＳの場合は、ステップ５においてＥＣＵ１０が、モニター７上に警報を表示させるための信号を出力する。なお、ステップ１、ステップ２、ステップ４でＮＯであった場合は、フローを終了し、所定時間経過後に再度同じフローを開始する。判断基準となる所定値は、システムの具体的構成に適した値を任意に設定すればよい。

図２に戻り更に本実施形態の触媒劣化検出システム及び触媒劣化検出方法を説明する。本発明者は、上記の△Ｔを用いた触媒劣化検出時における劣化検出感度を高める方法を検討し、上流側温度検出手段及び下流側温度検出手段の時定数を異ならせることに到達した。時定数は、周辺環境の昇温又は降温に対する温度検出手段の応答速度の指標である。本発明者は、図２のように、上流側温度検出手段５に比べて時定数が小さい（時定数の絶対値が小さい）下流側温度検出手段６は、降温又は一定温度から昇温への変化（変化点Ｔ２ｂ）が、上流側温度検出手段５と時定数が同じである場合の当該変化（変化点Ｔ２ａ）に比べて遅くなり、これにより△Ｔを長くできることを確認した。更に検討したところ、実際に、上流側温度検出手段５と下流側温度検出手段６との時定数を異ならせたことで、触媒劣化の検出効率を効果的に高めることができることを確認した。なお、上流側温度検出手段の時定数よりも下流側温度検出手段の時定数を小さくさせた方が、変化点の変化が大きくなり、△Ｔを長くさせることができる観点からより好ましい。

図３に示すように減速運転の場合も同様であり、上流側温度検出手段５に比べて時定数が小さい（時定数の絶対値が小さい）下流側温度検出手段６は、昇温又は一定温度から降温への変化（変化点Ｔ２’ｂ）が、上流側温度検出手段５と時定数が同じである場合の当該変化（変化点Ｔ２’ａ）に比べて遅くなり、これにより△Ｔ’を長くできる。

本実施形態において、上流側温度検出手段５及び下流側温度検出手段６に係る時定数は、それぞれ周辺環境の昇温時と降温時で異なり、以下の様にして測定できる。
昇温時の時定数については、各温度検出手段を、検出温度２５℃の状態から、４５０℃の排気ガスが流速５Ｌ／secで流れる断面積２１．０６ｃｍ^２、長さ２４５ｍｍのステンレス製の排気管の長手方向の中央部分に、排気管断面の中央の温度を検知するように設置した時の該温度検出手段の温度変化を０．１秒ごとに４０５℃までプロットしてグラフを得る。このグラフを一次関数に回帰させ、得られた一次関数直線における傾き（単位：℃／sec）を、昇温時の時定数とする。
一方、降温時の時定数については、各温度検出手段を、検出温度４５０℃の排気ガスが流速５Ｌ／secで流れる断面積２１．０６ｃｍ^２、長さ２４５ｍｍのステンレス製の排気管の長手方向の中央部分に設置した状態から、２５℃の大気中で風速が１６．７ｍ／secの大気中に設置した時の該温度検出手段の温度変化を０．１秒ごとに３０℃までプロットしてグラフを得る。このグラフを一次関数に回帰させ、得られた一次関数直線における傾き（単位：℃／sec）を、降温時の時定数とする。また時定数の測定に用いる排気ガスとしては、実施例で時定数の測定に用いたものを用いる。

昇温時における上流側温度検出手段５の時定数（以下「時定数ｔ_α−ｒ」ともいう）と、昇温時における下流側温度検出手段６の時定数（以下「時定数ｔ_β−ｒ」ともいう）の比ｔ_β−ｒ／ｔ_α−ｒは、一定以上であることにより、劣化検出感度をより一層高めることができ、一定以下であることにより、上流側温度検出手段５及び下流側温度検出手段６両方における変化点の抽出容易性を確保しやすくなる。これらの点から、ｔ_β−ｒ／ｔ_α−ｒは０．１５以上０．８５以下であることが好ましく、０．２５以上０．８０以下がより好ましく、０．２５以上０．５０以下がさらに好ましい。また、昇温時における上流側温度検出手段５の時定数ｔ_α−ｒは２０．０℃／sec以上であることが好ましく、２７．０℃／sec以上がより好ましい。昇温時における下流側温度検出手段６の時定数ｔ_β−ｒは５．０℃／sec以上１１．５℃／sec以下であることが好ましく、７．０℃／sec以上７．５℃／sec以下がより好ましい。

降温時における上流側温度検出手段５の時定数（以下「時定数ｔ_α−ｌ」ともいう）と、降温時における下流側温度検出手段６の時定数（以下「時定数ｔ_β−ｌ」ともいう）の比ｔ_β−ｌ／ｔ_α−ｌは、一定以上であることにより、劣化検出感度をより一層高めることができ、一定以下であることにより、上流側温度検出手段５及び下流側温度検出手段６両方における変化点の抽出容易性を確保しやすくなる。これらの点から、ｔ_β−ｌ／ｔ_α−ｌは０．０５以上０．７０以下であることが好ましく、０．２５以上０．６５以下であることがより好ましく、０．２５以上０．４５以下がさらに好ましい。降温時における上流側温度検出手段５の時定数ｔ_α−ｌは−１６．０℃／sec以下であることが好ましく、−２６．０℃／sec以下であることがより好ましい。降温時における下流側温度検出手段６の時定数ｔ_β−ｌは−９．０℃／sec以上−２．０℃／sec以下であることが好ましく、−７．７℃／sec以上−７．２℃／sec以下であることがより好ましい。
更に検出頻度を高くする観点から、昇温時及び降温時の時定数の絶対値が何れも２．０〜２５．０の範囲内にあることが好ましく、５．０〜２０．０の範囲内にあることがより好ましく、特に５．５〜８．５の範囲内にあることが、△Ｔの検出頻度を最も高くさせる観点から好ましい。

上流側温度検出手段５と下流側温度検出手段６とで時定数を異ならせる方法としては、例えば上流側温度検出手段５と下流側温度検出手段６としてシース熱電対を用い、これらのシース熱電対の素材を異ならせる方法、シース径を異ならせる方法や当該シース熱電対の外周に当該シース熱電対の熱伝導率とは異なる熱伝導率を有する障壁材を取り付ける方法等が挙げられる。この方法であると、上流側温度検出手段５と下流側温度検出手段６について、異なる時定数の検出手段を容易に得られるため、劣化検出感度が高く低コストで汎用性が高い触媒劣化検出システムを容易に得ることができる。

シース熱電対としては、種類の異なる二本の素線を先端で互いに接続し、２つの接続部間に温度差が生じたとき閉回路に熱起電力が発生し、回路に電流が流れるゼーペック効果を利用して温度を測定するものが知られている。測温側の接続部を測温接点という。シース熱電対は、保護管であるシース内に熱電対素線を納め、絶縁物で充填密封して一体化したものである。

シース熱電対は、ＪＩＳ規格熱電対であってもよく、ＪＩＳ規格外の熱電対であってもよいが、内燃機関の２００℃〜８００℃程度の排気温度に対応可能なものが好ましく、例えばクロメルーアルメル（Ｋ）熱電対、白金―白金／ロジウム（Ｒ）熱電対、ナイクロシル―ナイシル（Ｎ）熱電対等が好ましく挙げられる。またシースの材質としては、金属が好ましく、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３４７）、クロム・ニッケル合金（ＮＣＦ６００）等が挙げられる。無機絶縁物の材質としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等が挙げられる。シース熱電対の長さは限定されないが、例えば０．１５ｍ以上０．５ｍ以下のものが一般的である。上流側及び下流側の温度検出手段としてシース熱電対を用いる場合、これらの種類や材質等は同じであってもよく、異なっていてもよい。

シース径とは、シースの、その長手方向における測温接点部分における断面（シース長手方向に直交する断面）が円形である場合、その測温接点部分の外径（外側の直径）をいう。また、該断面が円形以外の形状である場合、該断面におけるシースの外形の内側に存在する部分（シースの肉厚部分を含む）の面積を円換算した径をいう。なお、シースの肉厚は特に限定されないが、シース径に応じて設定され、シース径が異なる２種のシース熱電対では、シース径が大きい熱電対の方がシースの肉厚も大きくなる場合が多い。

シース熱電対のシース径を異ならせる場合は、上流側温度検出手段５として用いるシース熱電対のシース径よりも、下流側温度検出手段６として用いるシース熱電対のシース径を大きくすることが、触媒劣化の検出感度を効果的に高める点から好ましい。具体的には、上流側温度検出手段５として用いるシース熱電対のシース径をφ１とし、下流側温度検出手段６として用いるシース熱電対のシース径をφ２としたときに、φ１とφ２との比φ２／φ１が１より大きいことが好ましく、４．５以下であることが好ましく、２．０以上４．０以下であることが検出感度を特に高める観点からより好ましい。

シース熱電対のシース径については、上記の好ましい時定数を有するものであれば特に限定はしないものの、例えばシース径φ１が１．６ｍｍ以上であると、腐食などの耐久性を防止できる点から好ましく、２．３ｍｍ以下であると、△Ｔを大きくしやすいため、劣化検出感度を高めやすい点から好ましい。一方、シース径φ２が２．３ｍｍ以上であると、△Ｔを大きくしやすいため、劣化検出感度を高めやすい点や腐食などの耐久性の点から好ましく、シース径φ２が４．８ｍｍ以下であると、Ｔ２を検知しやすいため、劣化検出感度を高めやすい点から好ましい。

エンジン１１の排気経路（排気管１２）において、触媒８の入口側端部８ａと上流側温度検出手段５の温度検出位置との距離Ｌ１（図１参照）と、触媒８の出口側端部８ｂと下流側温度検出手段６の温度検出位置との距離Ｌ２（図１参照）との比率Ｌ２／Ｌ１は、０．１８以上であることが、△Ｔ（又は△Ｔ’）を一定以上とすることができ劣化検出感度を高めやすい点やレイアウトの自由度の点から好ましく、５．００以下であることが、Ｔ２（又はＴ２’）を検知しやすい点やレイアウトの自由度の点から好ましい。この点から、Ｌ２／Ｌ１は０．１８以上５．００以下であることが好ましく、０．５以上３．０以下であることがより好ましい。入口側とは、排気経路１２の排気の入口側を意味し、出口側とは、排気経路１２における排気の出口側を意味する。

内燃機関の種類や触媒の種類（用いる貴金属の配置・比率、触媒材料、触媒の長さ・直径等）にもよるが、Ｌ１は好ましくは２０ｍｍ以上４００ｍｍ以下であり、より好ましくは２０ｍｍ以上１１０ｍｍ以下であることが排気熱によるＴ１（Ｔ１’）の正確な検知や触媒劣化検出感度を高める点から好ましい。またＬ２は好ましくは２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、より好ましくは２０ｍｍ以上７０ｍｍ以下であることが、触媒劣化検出感度を高める点や、Ｔ２（Ｔ２’）の正確な検知の点等から好ましい。

内燃機関としては、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ハイブリッドエンジンのほか、天然ガス、エタノール、ジメチルエーテル等を燃料として用いるエンジン等を用いることができる。中でもガソリンエンジンであることが、排気ガスの熱量が大きいことから、△Ｔ（又は△Ｔ’）に基づく劣化検出の判断が容易であるため好ましい。

以上の本実施形態の触媒劣化検出システム及び触媒劣化検出方法は、低コスト、汎用性や劣化検出感度を生かして、自動車やバイク（鞍乗型車両）等のエンジンから排出される排気ガスを浄化するための排気ガス浄化用触媒の劣化を検出するために好適に用いることができる。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。

〔参考例１〜６：時定数の測定〕
下記表１に記載のシース径を有するシース熱電対（いずれもニッカトー社製）を用いた。４５０℃の排気ガスが流速５Ｌ／secで流れる断面積２１．０６ｃｍ^２のステンレス（ＳＵＳ３０４）製の排気管（長さ２４５ｍｍ）の長手方向の中心に、２５℃のシース熱電対を、排気管の断面中央の温度を検出するように挿入し、４０５℃まで、熱電対の検出温度を０．１秒ごとにプロットした。また、２５℃の大気中で風速１６．７ｍ／secの環境下に、４５０℃のシース熱電対を設置し、３０℃まで、熱電対の検出温度を０．１秒ごとにプロットした。
上記の各参考例において得られた時間−温度のグラフを、計算ソフト(Excel ver.２０１０)により一次関数に回帰させた。この一次関数の傾きを、時定数として表１に示す。排気ガスとしては、体積基準において以下の組成のものを用いた。ＣＯ１００ｐｐｍ、ＣＯ_２１５．０％、ＴＨＣ５０ｐｐｍ、Ｏ_２０．０１％以下、ＮＯ_Ｘ５０ｐｐｍ、Ｎ_２ｂａｌａｎｃｅ

〔参考例７：劣化触媒の調製〕
試験用触媒８として、三元触媒（三井金属鉱業社製）を、３０時間、６５時間又は１００時間、エンジンベンチに配置して触媒温度を９００℃以上にして劣化させる処理を施したものをそれぞれ用意した。劣化処理の時間（以下、劣化耐久時間ともいう）が異なるこれらの各劣化触媒を、車両のガソリンエンジン下流の排気管における触媒設置箇所に取り付けた状態で試験走行させ、排気管の排気口から排出されたＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘのそれぞれの排出量（ｇ／ｋｍ）を測定した。ＣＯの測定には堀場製作所社製ＡＩＡ−７２０を用い、ＨＣの測定には堀場製作所社製ＦＩＡ−７２０を用い、ＮＯｘの測定には堀場製作所社製ＣＬＡ−７２０Ａを用いた。触媒の劣化耐久時間に対するＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘのそれぞれの排出量を図５に示す。

〔実施例１〕
ガソリンエンジンを搭載した鞍乗型車両に、本実施形態の触媒劣化検出システム９を含むエンジン制御システム５０を触媒の劣化検出用として設置した。劣化耐久時間が異なる前記の各劣化触媒（参考例７において排気ガス量測定後のもの）をこのシステム５０に触媒８として搭載した。上流側温度検出手段５及び下流側温度検出手段６として参考例１で用いた、シース径１．６ｍｍのシース熱電対を用いた。上流側温度検出手段５を、その温度検出位置が、排気管における、触媒８の入口側端部８ａから２０ｍｍ上流側に離間した位置となるように設置した。また、下流側温度検出手段６を、その温度検出位置が、触媒８の出口側端部８ｂから６０ｍｍ下流側に離間した位置となるように設置した。

〔実施例２〜６〕
下流側温度検出手段６として、シース径が直径２．３ｍｍ、３．２ｍｍ、４．８ｍｍ、６．４ｍｍ又は８．０ｍｍであるもの（参考例２〜６で用いたもの）を用いたこと以外は実施例１と同様にして、劣化耐久時間が異なる３種の劣化触媒を用いたシステムを用意した。各実施例と下流側温度検出手段６のシース径との対応は図６（ａ）及び（ｂ）に記載の通りである。

〔評価１−１〕
各実施例の触媒劣化検出システムについて、これを搭載した鞍乗型車両を６０ｋｍ／ｈで１５分間走行させた後、２０秒かけて０ｋｍ／ｈまで減速させてアイドリング状態で１分間停止し、次いで１２秒かけて０ｋｍ／ｈから３２ｋｍ／ｈまで、又は、２６秒かけて０ｋｍ／ｈから５０ｋｍ／ｈまで加速した。この加速時における降温から昇温へと変わる変化点Ｔ１と降温から昇温へと変わる変化点Ｔ２とを抽出し、変化点の差（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１）を測定した。各劣化触媒の劣化耐久時間に対して、変化点の差ΔＴをプロットしたグラフを図６に示す。

図６の記載から明らかなように、各実施例においては、劣化耐久時間が大きくなるにつれて、△Ｔが大きくなっている。このように、本発明のシステムは、劣化の進行に応じた△Ｔを検出でき、触媒の劣化検出に有用であることが判る。更に図６の記載から、下流側温度検出手段におけるシース径（時定数）が上流側温度検出手段と同じ場合よりも、上流側温度検出手段に比して、下流側温度検出手段の時定数の絶対値を小さく（シース径を大きく）した場合の方が、劣化耐久時間が長くて検出が容易であり、またＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ排出量に示される劣化の程度が△Ｔに反映されやすいことが判る。

〔評価１−２〕
劣化耐久時間が３０、６５又は１００時間である前記の各劣化触媒を用い、前記評価１−１と同様の加速試験をそれぞれ１２回繰り返した（０ｋｍ／ｈから３２ｋｍ／ｈまでの加速を６回、０ｋｍ／ｈから５０ｋｍ／ｈまでの加速を６回）。計１２回の試験のうち、初期の暖気部分に相当する加速試験の初回（０ｋｍ／ｈから３２ｋｍ／ｈまでの加速の１回目、０ｋｍ／ｈから５０ｋｍ／ｈまでの加速の１回目）に関しては立ち上がり段階で検知性能が安定しにくいため、これらを除いた計１０回における、触媒劣化程度に対応する△Ｔの検知回数を求めた。得られたグラフを図７に示す。触媒劣化程度に対応する△Ｔが確認できたか否かの判断は、具体的には、加速運転に入った直後の上流温度データ及び下流温度データより、それぞれ昇温に変化した変化点以降の秒数（試験時の累積時間）を記録し、その時間差として△Ｔを求め、この時間差△Ｔが劣化耐久時間に応じて長くなることを確認して行った。

図７の記載から、特に、シース径が直径３．２ｍｍ〜６．４ｍｍのものが、触媒劣化程度に応じた△Ｔの検出頻度が最も高いことが判る。
なお、上記評価１−２について、初期の暖気部分に相当する加速試験の初回（０ｋｍ／ｈから３２ｋｍ／ｈまでの加速の１回目、０ｋｍ／ｈから５０ｋｍ／ｈまでの加速の１回目）を含めて同様に△Tに応じた検知回数を求めると、実施例１が６回、実施例２が６回、実施例３が６回、実施例４が１０回、実施例５が６回、実施例６が５回となった。従って検知性能が安定しにくい初回を含めたとしても、本発明のシステムにより△Tの検出が十分可能であることも示された。

〔評価１−３〕
図６に示すように、上記評価１−１において、実施例１は触媒８の入口側端部８ａと下流側温度検出手段６の温度検出位置との距離Ｌ２が６０ｍｍの場合には、△Ｔが０という結果になった。しかしながら実施例１について、触媒８の出口側端部８ｂと下流側温度検出手段６の温度検出位置との距離Ｌ２を２０ｍｍに変更して前記の評価１−１と同様の評価を行ったところ、劣化耐久時間に対する△Ｔは以下表２の結果となった。このように本発明の触媒劣化検出システムは、下流側温度検出手段におけるシース径（時定数）が上流側温度検出手段と同じ場合であっても、Ｌ２を調整すれば十分に触媒の劣化を検出可能である。

〔評価２〕
上述した実施例３の触媒劣化検出システムに関し、評価１−１〜１−３とは逆に、減速試験での△Ｔ検知評価を行なった。即ち、劣化耐久時間が３０、６５又は１００時間である前記の各劣化触媒を用い、減速試験をそれぞれ５回繰り返した（７０ｋｍ／ｈから５０ｋｍ／ｈまでの減速を５回）。このうち、減速の初回及び２回目に関しては、初期の暖気部分に相当するため、これを除いた計３回の試験において触媒劣化程度に対応する△Ｔの確認有無を評価した。結果として、３回のいずれにおいても△Ｔを検知することができた。

本発明によれば、Ｏ_２センサを使用することなく簡便に触媒の劣化を検出でき、汎用性が高く、低コストの触媒劣化検出システム及び触媒劣化検出方法が提供される。

１Ｐｂセンサ
２Ｎｅセンサ
３Ｔｈセンサ
４Ｏ_２センサ
５上流側温度検出手段
６下流側温度検出手段
７モニター
８触媒
８ａ入口側端部
８ｂ出口側端部
９触媒劣化検出システム
１０ Engine Control Unit(ECU)
１１エンジン
１２排気管
５０エンジン制御システム

Claims

内燃機関の排気経路に設けられた触媒の劣化を検出するシステムであって、
前記触媒よりも上流側の排気の温度を検出する上流側温度検出手段と、
前記触媒よりも下流側の排気の温度を検出する下流側温度検出手段とを備え、更に、
（Ａ）加速運転時において、前記上流側温度検出手段が検出する、降温又は一定温度から昇温へと変わる変化点（Ｔ１）と、前記下流側温度検出手段が検出する、降温又は一定温度から昇温へと変わる温度の変化点（Ｔ２）とを認識する認識部と、当該変化点の差（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１）が所定時間以上となった場合に、触媒が劣化したと判断する判断部とを備えるか、或いは、
（Ｂ）減速運転時において、前記上流側温度検出手段が検出する、昇温又は一定温度から降温へと変わる変化点（Ｔ１’）と、前記下流側温度検出手段が検出する、昇温又は一定温度から降温へと変わる温度の変化点（Ｔ２’）とを認識する認識部と、当該変化点の差（ΔＴ’＝Ｔ２’−Ｔ１’）が所定時間以上となった場合に、触媒が劣化したと判断する判断部とを備える、触媒劣化検出システム。
加速運転時において、前記上流側温度検出手段が検出する、降温から昇温へと変わる変化点（Ｔ１）と、前記下流側温度検出手段が検出する、降温から昇温へと変わる温度の変化点（Ｔ２）とを認識する認識部と、当該変化点の差（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１）が所定時間以上となった場合に、触媒が劣化したと判断する判断部とを備える、請求項１に記載の触媒劣化検出システム。
前記上流側温度検出手段と前記下流側温度検出手段とは、時定数が異なる、請求項１又は２に記載の触媒劣化検出システム。
前記上流側温度検出手段と前記下流側温度検出手段とはいずれもシース熱電対からなり、前記上流側温度検出手段として用いるシース熱電対のシース径と、前記下流側温度検出手段として用いるシース熱電対のシース径とが異なる、請求項１〜３の何れか一項に記載の触媒劣化検出システム。
前記触媒入口側端部から前記上流側温度検出手段の温度検出位置までの距離Ｌ１と、前記触媒出口側端部から前記下流側温度検出手段の温度検出位置までの距離Ｌ２との比（Ｌ２／Ｌ１）は、０．１８以上５．００以下である、請求項１〜４の何れか一項に記載の触媒劣化検出システム。
内燃機関がガソリンエンジンである、請求項１〜５の何れか１項に記載の触媒劣化検出システム。
内燃機関の排気経路に設けられた触媒の劣化を検出する方法であって、
前記触媒よりも上流側の排気の温度を検出する上流側温度検出手段と、
前記触媒よりも下流側の排気の温度を検出する下流側温度検出手段とを用い、
（ａ）加速運転時において、前記上流側の温度検出手段が検出する、降温又は一定温度から昇温へと変わる変化点（Ｔ１）と、前記下流側温度検出手段が検出する、降温又は一定温度から昇温へと変わる温度の変化点（Ｔ２）とを認識し、当該変化点の差（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１）が所定時間以上となった場合に、触媒が劣化したと判断するか、或いは、
（ｂ）減速運転時において、前記上流側温度検出手段が検出する、昇温又は一定温度から降温へと変わる変化点（Ｔ１’）と、前記下流側温度検出手段が検出する、昇温又は一定温度から降温へと変わる温度の変化点（Ｔ２’）とを認識し、当該変化点の差（ΔＴ’＝Ｔ２’−Ｔ１’）が所定時間以上となった場合に、触媒が劣化したと判断する、触媒劣化検出方法。