KR20040031605A

KR20040031605A - 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치

Info

Publication number: KR20040031605A
Application number: KR1020030068544A
Authority: KR
Inventors: 오까다고오지로; 다무라야스끼; 이와찌도긴이찌; 나까야마오사무
Original assignee: 미쯔비시 지도샤 고교 가부시끼가이샤
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2004-04-13
Also published as: DE10345405B4; US6892528B2; JP2004124870A; JP3918706B2; KR100549767B1; US20040128983A1; DE10345405A1

Abstract

산소 흡장제로서 세리아(CeO₂)를 포함하는 촉매에 대해, 촉매 온도 검출 수단에 의해 촉매의 온도를 검출하고, 검출된 촉매 온도가 촉매의 활성 온도 이상이며 촉매의 NO_X정화 효율이 저하되는 특정한 온도 영역(열화 검출 온도 영역)에 있을 때에, 열화 검출 수단에 의해 촉매의 열화 검출을 행한다.

Description

내연 기관의 촉매 열화 검출 장치 {CATALYST DEGRADATION DETECTION DEVICE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 차량 등의 내연 기관의 배기 통로에 설치되는 촉매 중, 특히 산소 흡장제로서 세리아를 포함하여 NO_X정화 능력을 갖는 촉매의 열화 검출 기술에 관한 것이다.

내연 기관(이하, 엔진이라 함)의 배기 통로에는, 배기 가스를 정화하여 무해 화하기 위한 촉매가 설치되어 있다. 최근에는 촉매의 연구가 진행되어, 보다 높은 정화 성능을 갖는 촉매가 여러 가지 개발되고 있지만, 촉매의 정화 성능은 영구적으로 지속되는 것은 아니며 사용에 의해 열화되어 간다. 따라서, 환경 오염 방지의 관점으로부터는 높은 정화 성능을 갖는 촉매의 개발과 마찬가지로, 촉매의 열화를 정확히 검출하는 기술의 개발도 중요하다.

종래의 촉매 열화 검출 기술 중 하나로, 특허 문헌 1에 개시된 기술이 존재한다. 특허 문헌 1의 기술에서는 촉매의 열화 정도에 관계되는 촉매의 산소 흡장능력(OSC)은 촉매의 온도에 따라 변화하고, 신품의 촉매 및 신품은 아니지만 양품의 촉매, 열화된 촉매에서는 촉매의 온도 변화, 특히 300 내지 550 ℃의 온도 영역에서의 온도 변화에 대한 촉매의 산소 흡장 능력의 변화 특성이 다른 점에 착안하여, 촉매의 열화 판정을 위한 판정치를 일정치로 하는 것이 아니며, 촉매의 온도에 따라서 변화 가능하게 설정하는 것을 제안하고 있다.

[특허 문헌 1]

일본 특허 공개 평5-248227호 공보(도10)

그러나, 상기한 종래 기술이 착안하고 있는 300 내지 550 ℃의 온도 영역은 촉매가 충분히 활성화되는 온도 영역보다도 낮은 온도 영역, 혹은 촉매가 아직 부분적으로밖에 활성화되지 않아 정화 효율이 낮은 온도 영역이다. 최근에는 촉매의 워밍업 기술도 향상되어 있고, 특히 엔진의 인접 부근에 배치된 근접 촉매에서는 냉각 상태 시동시에서도 조기에 활성화 온도까지 승온시키는 것이 가능해지고 있고, 또한 엔진에 가깝기 때문에 근접 촉매는 항상 고온의 온도 영역으로 유지된다. 이로 인해, 통상의 운전에서는 촉매 온도가 상기와 같은 온도 영역에 있는 기간은 매우 짧은 것으로 생각되어, 현실적으로는 촉매가 충분히 활성화되어 있는 것보다 고온의 온도 영역에서의 열화 판정이 요구된다.

그런데, 특허 문헌 1의 도10에 도시한 바와 같이, 550 ℃ 이상의 고온 영역에는 신품의 촉매와 신품이 아닌 양품의 촉매에서는 산소 흡장 능력의 차는 작고, 보다 높은 배기 가스 성능을 요구하여 열화의 기준을 보다 높게 설정한 경우에는,상기한 종래 기술에서는 정확한 판정이 곤란해질 우려가 있다.

본 발명은 이러한 과제에 비추어 이루어진 것으로, 촉매 열화의 기준을 엄하게 설정한 경우라도, 정확히 촉매의 열화 판정을 행할 수 있도록 한 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도1은 산소 흡장제로서 세리아를 포함하는 촉매에 있어서의 NOx 정화 효율의 온도 특성과 세리아의 산소 저장 방출량의 온도 특성을 아울러 나타내는 그래프.

도2는 산소 흡장제로서 세리아를 포함하는 촉매에 있어서의 NOx 정화 효율의 온도 특성을 열화 전후에서 비교하여 나타내는 그래프.

도3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 촉매 열화 검출 장치의 시스템 구성을 도시하는 개략도.

도4는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 열화 판정 처리의 흐름도.

도5는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 촉매 열화 검출 장치의 시스템 구성을 도시하는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 엔진

3 : 근접 촉매

4 : 바닥 촉매

10, 20 : 차량 적재 진단 장치

11, 12 : O₂센서

13 : 온도 센서

14 : NO_X센서

15 : OBD 모니터

16, 17 : 선형 A/F 센서

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치는 산소 흡장제로서 세리아(CeO₂)를 포함하는 촉매에 대해, 촉매 온도 검출 수단에 의해 촉매의 온도를 검출하고, 검출된 촉매 온도가 촉매의 활성 온도 이상이며 촉매의 NO_X정화 효율이 저하되는 특정한 온도 영역에 있을 때에, 열화 검출 수단에 의해 촉매의 열화 검출을 행하는 것을 특징으로 한다.

상기 특정 온도 영역은 세리아의 형태가 변화하는 온도 영역, 혹은 600 ℃ 이상 800 ℃ 이하의 온도 영역으로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 700 ℃ 부근의 온도 영역으로 한다.

상기 촉매 온도 검출 수단으로서는 촉매의 내부 온도 그 자체를 직접 검출하지만 그 외, 내연 기관의 운전 상태로부터 촉매 온도를 추정하는 것이라도 좋고, 촉매에 공급되는 배기 가스 온도로부터 촉매 온도를 추정하는 것이라도 좋다.

상기 열화 검출 수단으로서는 이하의 형태가 바람직하다. 하나의 바람직한 형태는 촉매의 하류에 배치된 NOx 센서를 구비하고, 특정 온도 영역에서의 NO_X센서의 출력치를 기초로 하여 촉매의 열화를 검출하는 것이다. 다른 바람직한 형태는,촉매의 상하류에 배치된 한 쌍의 산소 농도 센서를 구비하고, 특정 온도 영역에서의 상류의 산소 농도 센서의 출력 신호와 하류의 산소 농도 센서의 출력 신호와의 비교에 의해 촉매의 열화를 검출하는 것이다. 또 다른 바람직한 형태는 촉매의 하류에 배치된 산소 농도 센서를 구비하고, 특정 온도 영역에서 공연비를 강제 변조시켰을 때의 공연비의 변조 신호와 산소 농도 센서의 출력 신호와의 비교에 의해 촉매의 열화를 검출하는 것이다.

(A) 세리아를 포함하는 촉매의 NO_X정화 효율의 온도 특성

도1의 그래프는, 본 발명의 창안 과정에 있어서의 실험에 의해 발명자가 발견한, 산소 흡장제(OSC)로서 세리아(CeO₂)를 포함하는 촉매에 있어서의 NO_X정화 효율의 온도 특성을 나타내고 있다. 도1의 횡축은 촉매 베드 온도(촉매 중심 온도)를 나타내고, 좌측 종축은 NO_X정화 효율(소정 시간 내에서의 평균 정화 효율)을 나타내고 있다. 촉매 베드 온도는 촉매 자체의 온도와 대략 같다고 생각해도 좋다.

도1에 도시한 바와 같이, 촉매의 NO_X정화 효율은 온도 상승에 의한 활성화에 수반하여 상승하고, 촉매 베드 온도가 500 ℃ 부근에서 대략 100 ％에 도달한다. 그런데, 촉매 베드 온도가 더 상승하면, 촉매의 NO_X정화 효율은 서서히 저하되어 가고, 700 ℃ 부근을 바닥으로 다시 상승해 가는 온도 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 이와 같이 촉매 베드 온도가 700 ℃ 부근에서 촉매의 NO_X정화 효율이 저하되는 이유에 대해서는, 아직 명확하게 되어 있지는 않지만, 대략 다음의 이유에 의한 것으로 추정된다.

금회의 실험에서 이용한 촉매에는, 촉매 작용을 갖는 귀금속 외에 산소 흡장제로서 세리아가 첨가되어 있고, 세리아로부터 귀금속으로 공급되는 O₂의 산화 작용에 의해 배기 가스 중의 CO가 CO₂로 산화되고, 귀금속의 CO 피독이 억제되어 촉매의 정화 능력이 유지되도록 되어 있다고 추정된다. 세리아가 귀금속으로 O₂를 공급하는 방법(메커니즘)에는 다음 두 가지의 방법을 생각할 수 있다.

하나의 방법(메커니즘)은 표면 흡착에 의한 O₂의 저장 및 방출에 의한 것이다. 도1(우측 종축에 대응)에 나타낸 바와 같이 표면 흡착에 의한 O₂의 저장 및 방출량은 촉매 베드 온도의 상승, 즉 촉매 온도의 상승에 수반하여 증대하고, 촉매의 NO_X정화 효율이 대략 100 ％가 되는 500 내지 550 ℃ 부근에서 피크가 된다. 그리고, 또한 촉매 베드 온도가 상승하면, 표면 흡착에 의한 O₂의 저장 및 방출량은 점차 감소해 간다.

또 하나의 방법(메커니즘)은 세리아의 형태 변화에 의한 것이며, 세리아의 구조 속에 유지되어 있던 O₂가, 하기의 반응식 1에 나타내는 세리아의 형태 변화에 따라 방출된다.

Ce₂O₃+ O₂/2

이 세리아의 형태 변화는 700 ℃ 전후의 온도 영역에서 일어나는 것이 알려져 있고, 도1에 나타낸 바와 같이 세리아의 형태 변화에 의한 O₂방출량은 촉매 온도의 상승에 따라 600 ℃ 전으로부터 증대하기 시작하고, 700 ℃ 부근에서 피크에 도달한다. 또한 촉매 베드 온도가 상승하면, 세리아의 형태 변화에 의한 O₂방출량은 점차 감소해 간다.

이와 같이, 세리아가 귀금속에 O₂를 공급하는 방법은 촉매 온도에 의해 변화하고, 촉매 온도가 상승함에 따라서 표면 흡착에 의한 저장 및 방출로부터, 세리아의 형태 변화에 의한 방출로 절환된다. 2개의 방법을 비교하면, 전자에서는 O₂는 세리아의 표면에 약한 힘으로 흡착되어 있을 뿐이므로, 빠른 속도로 O₂의 저장 및 방출이 가능한 데 반해, 후자에서는 O₂는 세리아의 형태 변화라는 세리아 전체의 큰 반응 속에서 방출되는 것이므로, 전자와 비교하여 O₂의 방출 속도는 느리다.

따라서, 후자에 의한 O₂의 공급이 지배적이 되는 600 내지 800 ℃의 온도 영역에서는 세리아로부터 귀금속으로 공급되는 O₂의 공급 속도가 저하되고, 귀금속은 O₂부족이 된다. O₂가 부족하면 배기 가스 중의 CO의 산화 능력이 저하되어 버리므로 산화되지 않는 나머지 CO에 의해 귀금속이 피독하게 된다. 귀금속의 CO 피독은 귀금속 촉매로서의 능력을 저하시켜, 촉매의 NO_X정화 효율을 저하시키게 된다.

이상의 것으로부터, 촉매 베드 온도가 700 ℃ 부근일 때에 촉매의 NO_X정화 효율이 저하되는 이유는 세리아로부터 귀금속으로의 O₂의 공급 방법이 표면 흡착에 의한 저장 및 방출로부터 형태 변화에 의한 방출로 변화함에 따른, 세리아의 O₂의 공급 능력(이하, O₂스토리지 능력이라 함)의 저하가 주된 이유라고 추정할 수 있다.

이러한 NO_X정화 효율의 온도 특성을 갖는 촉매에 대해, 발명자는 다음 두 가지의 열화 검출 방법을 생각해 내었다.

제1 열화 검출 방법은 세리아의 형태 변화에 의한 O₂스토리지 능력의 저하에 착안한 것이다. 촉매의 열화는 즉 세리아의 열화이며, 세리아가 열화되면 상기 반응식 1에 나타내는 형태 변화가 행해지지 않게 된다. 이로 인해, 세리아의 형태 변화에 의한 O₂공급이 지배적이 되는 600 내지 800 ℃의 온도 영역에서는 열화된 촉매일수록 O₂스토리지 능력의 저하가 현저해지고, 특히 세리아의 형태 변화가 가장 잘 진행되는 700 ℃ 부근에 있어서 열화 전후의 O₂스토리지 능력의 차가 최대가 된다고 생각된다.

O₂스토리지 능력의 저하의 정도는 O₂센서나 선형 A/F 센서 등의 산소 농도 센서를 이용하여 검출할 수 있다. 예를 들어, 촉매의 상하류에 한 쌍의 산소 농도 센서를 배치했을 때, 촉매의 O₂스토리지 능력의 영향에 의해 산소 농도 센서 사이의 출력 신호의 차는 촉매의 열화 전후에서 변화한다. 보다 구체적으로는, 연료 분사량의 피드백 제어 등에 의해, 배기 공연비를 변화시켜 배기 산소 농도 변화에 파터베이션을 부여했을 때, 촉매가 열화되지 않고 O₂스토리지 능력이 충분히 있을 때에는, 촉매 상류의 산소 농도 센서 출력 신호에 비교하여 촉매 하류의 산소 농도 센서 출력 신호의 주파수, 반전 주기, 진폭은 작지만, 촉매가 열화되어 O₂스토리지 능력이 저하됨에 따라서, 촉매 하류의 산소 농도 센서 출력 신호는 촉매 상류의 산소 농도 센서 출력 신호에 근접하는 방향으로 변화한다. 그 변화 정도는 촉매가 열화되어 O₂스토리지 능력의 저하가 진행될수록 커진다. 또한, 촉매의 하류에 산소 농도 센서를 배치하여 공연비를 강제적으로 변조시켰을 때, 공연비의 변조 신호와 산소 농도 센서의 출력 신호의 차는 촉매의 열화 전후에서 변화하고, 그 변화 정도는 촉매가 열화되어 O₂스토리지 능력의 저하가 진행될수록 커진다. 상기의 각 변화 정도는 모두 열화 전후의 O₂스토리지 능력의 차가 최대가 되는 700 ℃ 부근에 있어서 최대가 되므로, 촉매 베드 온도가 700 ℃ 부근에 있을 때에 상기의 어느 한 변화 정도를 검출하여 소정의 기준치와 비교함으로써, 촉매의 열화를 정확하면서 또한 용이하게 검출할 수 있다.

제2 열화 검출 방법은 O₂스토리지 능력이 저하된 결과로서의 NO_X정화 효율의 저하에 착안한 것이다. 상술한 바와 같이 세리아의 형태 변화에 의한 O₂의 공급이 지배적이 되는 600 내지 800 ℃의 온도 영역에서는 O₂스토리지 능력의 저하에의한 귀금속으로의 O₂공급 부족에 의해, 배기 가스 중의 CO의 산화 능력이 저하되어 나머지 CO에 의한 귀금속의 CO 피독이 발생한다. 귀금속의 CO 피독은 촉매의 NO_X정화 효율을 저하시키지만, CO 피독은 세리아의 열화에 의한 O₂스토리지 능력의 저하가 주요인이라 생각되므로, O₂스토리지 능력의 저하가 클수록 CO 피독은 진행되고 NO_X정화 효율은 저하한다.

도2는 열화 전의 촉매의 NO_X정화 효율의 온도 특성(점선)과, 열화 후의 촉매의 NO_X정화 효율의 온도 특성(실선)을 비교한 그래프이다. 도2에 나타낸 바와 같이, 촉매의 활성화 후로부터 550 ℃ 부근까지는 열화 전후에서 NO_X정화 효율에 차가 없는 데 반해, 600 내지 800 ℃의 온도 영역에서는 NO_X정화 효율에 차가 생기고, 특히 세리아의 형태 변화가 가장 잘 진행되는 700 ℃ 부근에 있어서 열화 전후의 NO_X정화 효율의 차는 최대가 된다.

따라서, 600 내지 800 ℃의 온도 영역, 바람직하게는 도2에 나타낸 바와 같이 700 ℃ 부근을 열화 검출 온도 영역으로 하고, 이 열화 검출 온도 영역 내에서의 NO_X정화 효율을 판정 기준인 기준 정화 효율(일점 쇄선)과 비교함으로써, 열화 전의 촉매와 열화 후의 촉매를 명확하게 구별할 수 있어, 촉매의 열화를 정확하면서 또한 용이하게 검출할 수 있다. 이것에는, NO_X정화 효율은 NO_X센서의 출력치,즉 NO_X농도에 대응하고 있으므로, 촉매 베드 온도가 열화 검출 온도 영역에 있을 때의 NO_X센서의 출력치를 검출하여 소정의 기준치(상기 기준 정화 효율에 대응)와 비교하면 좋다.

이하, 본 발명의 제1 실시 형태로서 상기한 제1 열화 검출 방법을 실시하기 위한 촉매 열화 검출 장치의 구성을 설명하고, 본 발명의 제2 실시 형태로서 상기한 제2 열화 검출 방법을 실시하기 위한 촉매 열화 검출 장치의 구성을 설명한다.

(B) 제1 실시 형태

도3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 촉매 열화 검출 장치의 시스템 구성을 도시하는 도면이다. 도3에 도시한 바와 같이, 엔진(1)의 배기 통로(2)에는 차량의 바닥에 배치되는 바닥 촉매(4)와 엔진(1)의 인접 부근에 배치되는 근접 촉매(3)가 있다. 이 중 근접 촉매(3)는 엔진(1)에 가깝기 때문에 바닥 촉매(4)보다도 빠르게 고온(700 내지 900 ℃)이 되기 쉽고, 산소 흡장제로서 세리아를 포함하는 촉매의 경우에는, 도1에 나타낸 NO_X정화 효율의 온도 특성을 나타내게 된다. 본 실시 형태에서는 근접 촉매(3)를 산소 흡장제로서 세리아를 포함하는 삼원 촉매로 하고, 이 근접 촉매(3)의 열화를 검출하는 촉매 열화 검출 장치로서 차량 적재 진단 장치(OBD)(10)를 구비하고 있다.

배기 통로(2)의 근접 촉매(3)의 상류와 하류에는, 각각 O₂센서(11, 12)가 부착되어 있다. 이 O₂센서(11, 12)는 이론 공연비를 경계로 하여 그 출력치가 크게변화하는 방식의 산소 농도 센서이다. 또한, 근접 촉매(3)를 지지하는 케이싱(5)에는 근접 촉매(3)의 온도(엄밀하게는 베드 온도)를 측정하는 촉매 온도 검출 수단으로서의 온도 센서(13)가 부착되어 있다. 차량 적재 진단 장치의(10) 입력측에는 이들 O₂센서(11, 12)와 온도 센서(13)가 접속되고, 각 센서(11, 12, 13)로부터의 출력 신호가 입력되게 되어 있다. 또한, 차량 적재 진단 장치(10)의 출력측에는 운전실 내에 배치된 OBD 모니터(15)가 접속되어 있다.

차량 적재 진단 장치(10)는 본 발명에 관한 열화 검출 수단으로서의 기능을 구비하고 있고, O₂센서(11, 12) 및 온도 센서(13)로부터의 출력 신호를 이용하여, 도4의 흐름도에 따라서 근접 촉매(3)의 열화 판정을 행하고 있다. 이하, 차량 적재 진단 장치(10)에 의한 열화 판정 처리에 대해, 도4의 흐름도의 순으로 설명한다.

우선, 스텝 S10으로서, 차량 적재 진단 장치(10)는 온도 센서(13)에 의해 검출되는 촉매 온도가 소정의 열화 검출 온도 영역 내인지 여부를 판정한다. 열화 검출 온도 영역은 700 ℃ 부근(700 ℃ ±α)의 온도 영역으로 설정되어 있다.

촉매 온도가 열화 검출 온도 영역 내에 있는 것이 판정되면, 스텝 S20으로서 차량 적재 진단 장치(10)는 전방 O₂센서(11)의 출력 신호와 후방 O₂센서(12)의 출력 신호를 비교하여 열화 판정을 행한다. 구체적으로는, 전방 O₂센서(11)의 출력 신호가 소정의 주파수로 변화하도록 연료 분사량의 피드백 제어를 행하였을 때, 근접 촉매(3)가 열화되지 않고 O₂스토리지 능력이 충분할 때에는, O₂가 일단 근접 촉매(3)에 저장되기 때문에, 근접 촉매(3)의 하류에서는 O₂농도의 변화도 둔해지므로, 후방 O₂센서(12)의 출력 신호로서는 거의 변화하지 않아 주파수는 작아진다. 한편, 근접 촉매(3)가 열화되어 O₂스토리지 능력이 저하되었을 때에는, 상술한 작용도 저하되므로 후방 O₂센서(12)의 출력 신호의 주파수는 커지고, 후방 O₂센서(12)의 출력 신호도 전방 O₂센서(11)의 출력 신호와 거의 동일한 주파수로 변화하게 된다. 이와 같이 근접 촉매(3)의 O₂스토리지 능력이 저하된 경우에는, 그 저하도에 따라서 출력 신호의 주파수의 차도 변화한다. 그래서, 차량 적재 진단 장치(10)는 후방 O₂센서(12)의 출력 신호의 주파수와 전방 O₂센서(11)의 출력 신호의 주파수와의 차가 소정의 기준치 이하가 되었을 때, 즉 후방 O₂센서(12)의 출력 신호의 주파수가 전방 O₂센서(11)의 출력 신호의 주파수에 근접했을 때에는 근접 촉매(3)가 열화된 것으로 판정한다.

상기한 스텝 S10 및 스텝 S20의 판정은 모두 성립하기까지 반복 행해진다. 그리고, 스텝 S10이 성립되어 촉매 온도가 700 ℃ 부근에 있을 때에, 또한 스텝 S20이 성립되어 근접 촉매(3)의 열화가 검출되면, 스텝 S30으로서 차량 적재 진단 장치(10)는 OBD 모니터(15)에 신호를 출력하여 OBD 모니터(15)를 점등시키고, 드라이버에 근접 촉매(3)가 열화된 것을 주의한다.

후방 O₂센서(12)의 출력 신호의 주파수와 전방 O₂센서(11)의 출력 신호의 주파수와의 차는 근접 촉매(3)의 열화 전후에서 변화하고, 그 변화 정도는 근접 촉매(3)가 열화되어 O₂스토리지 능력의 저하가 진행될수록 커지고, 촉매 온도가 700 ℃ 부근에 있을 때에 최대가 된다. 즉, 근접 촉매(3)가 열화되어 O₂스토리지 능력의 저하가 진행될수록, 후방 O₂센서(12)의 출력 신호의 주파수는 전방 O₂센서(11)의 출력 신호의 주파수에 근접한다. 따라서, 본 실시 형태의 차량 적재 진단 장치(10)에 따르면, 상기한 바와 같이 700 ℃ 부근의 온도 영역에서 후방 O₂센서(12)의 출력 신호와 전방 O₂센서(11)의 출력 신호를 비교함으로써, 열화되지 않은 촉매와 열화되어 있는 촉매를 명확히 구별할 수 있기 때문에, 근접 촉매(3)의 열화 검출을 정확히 행할 수 있다.

또, 도3에 도시한 시스템에서는 근접 촉매(3)의 상하류에 2개의 O₂센서(11, 12)를 구비하고 있지만, 후방 O₂센서(12)만을 구비한 시스템의 경우에는 공연비를 강제 변조시킬 때의 변조 신호와 후방 O₂센서(12)의 출력 신호를 비교하면 좋다. 구체적으로는, 엔진(1)을 제어하는 도시하지 않은 엔진 제어 장치에, 연료 분사량의 오픈 루프 제어에 의해 공연비를 강제적으로 변조시키는 공연비 제어 기능을 구비해 둔다. 그리고, 엔진 제어 장치가 공연비를 강제 변조시키고 있을 때에, 그 변조 신호를 차량 적재 진단 장치(10)에 도입한다. 변조 신호의 주파수가 동일해도 근접 촉매(3)의 O₂스토리지 능력이 저하되었을 때에는, 그 저하도에 따라서 후방 O₂센서(12)의 출력 신호의 주파수가 변화한다. 따라서, 소정의 주파수의 변조 신호가 입력되어 있을 때에, 차량 적재 진단 장치(10)에 의해 후방 O₂센서(12)의 출력 신호의 주파수를 소정의 기준치와 비교함으로써, 근접 촉매(3)의 열화를 정확히 검출할 수 있다. 물론, 이 경우도 열화 판정은 온도 센서(13)에서 검출되는 촉매 온도(촉매 베드 온도)가 상기의 열화 검출 온도 영역 내에 있을 때에 실시한다.

또, 여기서는 전방 O₂센서(11)의 출력 신호의 주파수와 후방 O₂센서(12)의 출력 신호의 주파수를 비교하고 있지만, 출력 신호의 반전 주기나 출력 신호의 진폭을 비교해도 좋다.

또한, 여기서는 산소 농도 센서로서 O₂센서를 이용하고 있지만, 도1 중의 O₂센서 대신에, 선형 A/F 센서(16, 17), 즉 공연비를 선형으로 검출할 수 있는 센서를 이용해도 좋다.

(C) 제2 실시 형태

도5는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 촉매 열화 검출 장치의 시스템 구성을 도시하는 도면이다. 도5 중, 제1 실시 형태와 동일한 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 부여하고 있다. 본 실시 형태도 제1 실시 형태와 같이, 근접 촉매(3)의 열화를 검출하는 촉매 열화 검출 장치로서 차량 적재 진단 장치(OBD)(20)를 구비하고 있다. 또한, 본 실시 형태에서는 배기 통로(2)의 근접촉매(3)의 하류에 NO_X센서(14)가 부착되어 있다. NO_X센서(14)는 배기 가스 중의 NO_X농도를 검출하는 기능을 갖고 있다. 차량 적재 진단 장치의(20) 입력측에는 NO_X센서(14)와 온도 센서(13)가 접속되고, 각 센서(14, 13)로부터의 출력 신호가 입력되도록 되어 있다. 또한, 차량 적재 진단 장치(20)의 출력측에는 OBD 모니터 (15)가 접속되어 있다.

차량 적재 진단 장치(20)는 본 발명에 관한 열화 검출 수단으로서의 기능을 구비하고 있고, NO_X센서(14) 및 온도 센서(13)로부터의 출력 신호를 이용하여, 근접 촉매(3)의 열화 판정을 행하고 있다. 차량 적재 진단 장치(20)에 있어서의 열화 판정 처리의 흐름은 제1 실시 형태와 같이 도4의 흐름도로 나타내고, 우선 온도 센서(13)에 의해 검출되는 촉매 온도가 소정의 열화 검출 온도 영역 내인지 여부를 판정한다.

그리고, 촉매 온도가 열화 검출 온도 영역 내에 있는 것이 판정되면, 차량 적재 진단 장치(20)는 NO_X센서(14)의 출력치를 소정의 기준치(기준 출력치)와 비교하여 열화 판정을 행한다. NO_X센서(14)의 출력치는 NO_X정화 효율에 대응하고 있고, 근접 촉매(3)의 NOx 정화 효율이 저하될수록 출력치는 커진다. 상기의 기준치는 열화된 촉매와 열화되지 않은 촉매와의 판정 경계가 되는 NO_X정화 효율에 대응한 NO_X센서(14)의 출력치이다. 차량 적재 진단 장치(20)는 NO_X센서(14)의 출력치가 기준치를 넘을 때에는 근접 촉매(3)가 열화된 것으로 판정하고, OBD 모니터(15)에 신호를 출력하여 OBD 모니터(15)를 점등시켜, 드라이버에 근접 촉매(3)가 열화된 것을 주의한다.

NO_X센서(14)의 출력치는 근접 촉매(3)의 열화 전후에서 변화하고, 근접 촉매(3)가 열화되어 O₂스토리지 능력의 저하가 진행될수록 열화되지 않은 신품의 촉매와의 출력치 차는 커져, 촉매 온도가 700 ℃ 부근에 있을 때에 최대가 된다. 따라서, 본 실시 형태의 차량 적재 진단 장치(20)에 따르면, 상기한 바와 같이 700 ℃ 부근의 온도 영역에서 NO_X센서(14)의 출력치를 기준치와 비교함으로써, 열화되지 않은 촉매와 열화되어 있는 촉매를 명확히 구별할 수 있으므로, 근접 촉매(3)의 열화 검출을 정확히 행할 수 있다.

또, 여기서는 NO_X센서(14)의 출력치를 기준치와 직접 비교하고 있지만, 열화 전후에서의 NO_X센서(14)의 출력치의 변화량을 구하여, 이 변화량을 기준치(기준 변화량)와 비교하도록 해도 좋다. 열화된 촉매일수록 신품의 촉매에 대한 NO_X센서(14)의 출력치의 변화량은 커지기 때문에, 이와 같이 변화량과 기준치를 비교하는 것이라도, 근접 촉매(3)의 열화 검출을 정확히 행할 수 있다.

(D) 기타

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변경하여 실시할 수 있는 것이다. 예를 들어, 상술한 각 실시 형태에서는 차량 적재진단 장치(10)는 근접 촉매(3)의 열화를 검출하도록 하고 있지만, 바닥 촉매(4)가 산소 흡장제로서 세리아를 포함하는 촉매인 경우에는, 바닥 촉매(4)에도 상술한 각 실시 형태와 같이 센서(11, 12, 13, 14)를 설치함으로써, 바닥 촉매(4)의 열화를 검출하도록 구성할 수도 있다.

또한, 상술한 각 실시 형태에서는 열화 검출 온도 영역을 700 ℃ 부근(700 ℃ ±α)의 온도 영역으로 설정하고 있지만, 700 ℃ 부근이 아니라도 촉매 내의 세리아의 형태가 변화하는 온도 영역, 즉 600 ℃ 이상 800 ℃ 이하의 온도 영역이라면 좋다. 이 온도 영역이면, 다른 온도 영역에 비해 열화 전후의 O₂스토리지 능력에 차가 생기기 때문이다. 이와 같이, 700 ℃ 부근 이외에서 열화 검출을 행하는 경우에는, 검출 방법에 의해 열화 검출 온도에 따라서 적절하게 열화 판정을 위한 기준치를 변경할 필요가 있다.

단, 본 발명에 의한 효과를 최대한으로 얻기 위해서는, 열화 전후의 O₂스토리지 능력의 차가 가장 커지는 700 ℃ 부근으로 설정하는 것이 가장 좋다.

또한, 촉매의 온도를 검출하는 방법으로서, 상술한 실시 형태에서는 온도 센서(13)에 의해 촉매를 지지하는 베드부의 온도를 검출하고 있지만, 배기 통로에 온도 센서(13)를 설치하여 배기 통로 내의 배기 가스 온도를 검출하여, 배기 가스 온도로부터 촉매의 온도를 추정해도 좋다. 또한, 차량 적재 진단 장치(10, 20)에 있어서, 운전 개시로부터의 엔진 토크나 엔진 회전 속도의 이력을 기초로 하여 촉매의 온도를 추정해도 좋다.

이상 상세하게 서술한 바와 같이, 본 발명의 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치에 따르면, 열화 전후에서의 촉매의 O₂스토리지 능력의 차가 커진다고 생각되는 온도 영역, 즉 촉매 온도가 촉매의 활성 온도 이상이며 촉매의 NO_X정화 효율이 저하되는 특정한 온도 영역에 있을 때에 촉매의 열화 검출을 행하기 때문에, 열화되지 않은 촉매와 열화되어 있는 촉매를 오인하는 일 없이 정확히 촉매의 열화 판정을 행할 수 있다.

Claims

내연 기관의 배기 통로에 설치되어 산소 흡장제로서 세리아를 포함하는 촉매(3, 4)와,

상기 촉매의 온도를 검출하는 촉매 온도 검출 수단(10, 13, 20)과,

상기 촉매 온도 검출 수단으로 검출되는 촉매 온도가 상기 촉매의 활성 온도 이상이며, 상기 촉매의 NO_X정화 효율이 저하되는 특정한 온도 영역에 있을 때에, 상기 촉매의 열화 검출을 행하는 열화 검출 수단(10, 20)을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 특정 온도 영역이 상기 세리아의 형태가 변화되는 온도 영역인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 특정 온도 영역이 600 ℃ 이상 800 ℃ 이하의 온도 영역인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치.
제3항에 있어서, 상기 특정 온도 영역이 700 ℃ 부근의 온도 영역인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 촉매 온도 검출 수단(10, 20)은 상기 내연 기관의 운전 상태로부터 상기 촉매 온도를 추정하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 촉매 온도 검출 수단(13)은 상기 촉매에 공급되는 배기 가스 온도로부터 상기 촉매 온도를 추정하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 열화 검출 수단(20)은 상기 촉매의 하류에 배치된 NOx 센서(14)를 구비하고, 상기 특정 온도 영역에서의 상기 NO_X센서(14)의 출력치를 기초로 하여 상기 촉매의 열화를 검출하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치.
제7항에 있어서, 상기 열화 검출 수단(20)은 상기 특정 온도 영역에서의 상기 NO_X센서(14)의 출력치의 변화량을 기초로 하여 상기 촉매의 열화를 검출하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 열화 검출 수단(10)은 상기 촉매의 상하류에 배치된 한 쌍의 산소 농도 센서(11, 12)를 구비하고, 상기 특정 온도 영역에서의 상류의산소 농도 센서(11)의 출력 신호와 하류의 산소 농도 센서(12)의 출력 신호와의 비교에 의해 상기 촉매의 열화를 검출하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치.
제9항에 있어서, 상기 열화 검출 수단(10)은 상기 특정 온도 영역에서의 상류 및 하류의 산소 농도 센서(11, 12)의 출력 신호의 주파수, 또는 출력 신호의 반전 주기, 또는 출력 신호의 진폭과의 비교에 의해 상기 촉매의 열화를 검출하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 열화 검출 수단(10)은 상기 촉매의 하류에 배치된 산소 농도 센서(12)를 구비하고, 상기 특정 온도 영역에서 공연비를 강제 변조시켰을 때의 공연비의 변조 신호와 상기 산소 농도 센서(12)의 출력 신호와의 비교에 의해 상기 촉매의 열화를 검출하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치.
제11항에 있어서, 상기 열화 검출 수단(10)은 상기 특정 온도 영역에 있어서의 공연비를 강제 변조시켰을 때의 공연비의 변조 신호 및 산소 농도 센서의 출력 신호의 주파수, 또는 반전 주기, 또는 진폭과의 비교에 의해 상기 촉매의 열화를 검출하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 열화 검출 수단(10)은 상기 촉매의 상하류에 배치된 한 쌍의 선형 A/F 센서(16, 17)를 구비하고, 상기 특정 온도 영역에서의 상류의 선형 A/F 센서의 출력 신호와 하류의 선형 A/F 센서(16, 17)의 출력 신호와의 비교에 의해 상기 촉매의 열화를 검출하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치.
제13항에 있어서, 상기 열화 검출 수단(10)은 상기 특정 온도 영역에서의 상류 및 하류의 선형 A/F 센서(16, 17)의 출력 신호의 주파수, 또는 출력 신호의 반전 주기, 또는 출력 신호의 진폭과의 비교에 의해 상기 촉매의 열화를 검출하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 열화 검출 수단(10)은 상기 촉매의 하류에 배치된 선형 A/F 센서(17)를 구비하고, 상기 특정 온도 영역에서 공연비를 강제 변조시켰을 때의 공연비의 변조 신호와 상기 선형 A/F 센서(17)의 출력 신호와의 비교에 의해 상기 촉매의 열화를 검출하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치.
제15항에 있어서, 상기 열화 검출 수단(10)은 상기 특정 온도 영역에 있어서의 공연비를 강제 변조시켰을 때의 공연비의 변조 신호 및 선형 A/F 센서(17)의 출력 신호의 주파수, 또는 반전 주기, 또는 진폭과의 비교에 의해 상기 촉매의 열화를 검출하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 특정 온도 영역이 상기 촉매의 O₂스토리지 능력이 저하되는 특정한 온도 영역인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 촉매 열화 검출 장치.