(57)【要約】【課題】本発明は、１個の酸素センサを用いて触媒の劣化度合いを精度よく検出することができる排気ガス浄化用触媒の劣化検出方法を提供することを課題とする。【解決手段】本発明の排ガス浄化用触媒の劣化検出方法は、固体電解質を挟んで配設された排気ガスに接する検知電極と基準ガスに接する基準電極とを有する１個の酸素センサを用い、混合気の空燃比をストイキ領域を通過するように強制的に変化させた時の排気ガスを、排気ガス浄化用触媒の触媒層またはこの触媒層と同一成分の触媒材を介して該酸素センサの検知電極側に連続的に導入して、空燃比の変化に対するセンサ出力の応答性波形を取得し、ストイキ点を含むストイキ近傍領域における経過時間に対する該センサ出力の変化割合を検出することを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両用エンジンからの排気ガスを浄化する排気ガス浄化用触媒の触媒劣化検出方法であって、
固体電解質を挟んで配設された排気ガスに接する検知電極と基準ガスに接する基準電極とを有する１個の酸素センサを用い、
混合気の空燃比をストイキ領域を通過するように強制的に変化させた時の排気ガスを、前記排気ガス浄化用触媒の触媒層または該触媒層と同一成分の触媒材を介して該酸素センサの該検知電極側に連続的に導入して、該空燃比の変化に対するセンサ出力の応答性波形を取得し、前記ストイキ点を含むストイキ近傍領域における経過時間に対する該センサ出力の変化割合を検出することを特徴とする排気ガス浄化用触媒の劣化検出方法。
【請求項２】
前記酸素センサは、前記排気ガス浄化用触媒よりも上流側の前記排気ガスを導入する排気ガス導入口を有し、該排気ガス導入口に前記触媒材が配設されている請求項１に記載の排気ガス浄化触媒の劣化検知方法。
【請求項３】
前記酸素センサの一部が前記排気ガス浄化用触媒に埋設され、前記排気ガスが該排気ガス浄化用触媒の前記触媒層を介して前記検知電極側に導入される請求項１に記載の排気ガス浄化用触媒の劣化検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス浄化用触媒の劣化を検出する触媒劣化検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車エンジンなど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においては、従来、例えば、診断される触媒コアの前後にそれぞれ１個ずつ取り付けられた理論空燃比のみを検出できる空燃比センサを用いて、排ガス中の酸素濃度、又は未燃焼ガスである一酸化炭素、ハイドロカーボンなどの濃度を検出し、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。
【０００３】
このような２個の空燃比センサを用いた触媒診断では、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、実際には２個の空燃比センサは取り付け環境が異なるので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度合いも個々に異なる。このため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。
【０００４】
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）を用いた触媒診断が提案されている。この触媒診断では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下で両方の排ガスの酸素濃度比を求め、これ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。
【特許文献１】特開平７−１１６４６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながらかかる酸素センサでは、触媒コアの上流側ガスと触媒コアの下流側ガスの酸素濃度比を用いて触媒診断を行うようにしているので、排ガスの酸素濃度の相対値しか分からなかった。このため触媒劣化の診断精度は必ずしも満足できるものではなかった。また、構造が複雑であるのでコストが嵩むという問題もあった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、１個の酸素センサを用いて触媒の劣化度合いを精度よく検出することができる排気ガス浄化用触媒の劣化検出方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の排気ガス浄化用触媒の劣化検出方法は以下の特徴を有する。
【０００８】
本発明の排ガス浄化用触媒の劣化検出方法は、車両用エンジンからの排気ガスを浄化する排ガス浄化用触媒の劣化検出方法であって、固体電解質を挟んで配設された排気ガスに接する検知電極と基準ガスに接する基準電極とを有する１個の酸素センサを用い、混合気の空燃比をストイキ領域を通過するように強制的に変化させた時の排気ガスを、排気ガス浄化用触媒の触媒層またはこの触媒層と同一成分の触媒材を介して該酸素センサの検知電極側に連続的に導入して空燃比の変化に対するセンサ出力の応答性波形を取得し、ストイキ点を含むストイキ近傍領域における経過時間に対する該センサ出力の変化割合を検出することを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、触媒性能と相関のある触媒の酸素吸蔵能をセンサ出力応答性波形のストイキ領域における変化として把握することができる。触媒が新しくて酸素吸蔵能が大きければ、触媒はストイキ領域において多量の酸素を放出（又は吸蔵）することができる。よってストイキ領域では経過時間に対するセンサ出力の変化割合は小さくなる。一方、触媒が劣化してその酸素貯蔵能が小さくなった場合には、触媒はストイキ領域において少量の酸素しか放出（又は吸蔵）することができない。これ故空燃比の変化と同様にストイキ領域における経過時間に対するセンサ出力の変化割合は大きくなる。従って、この経過時間に対するセンサ出力の変化割合（勾配の絶対値）を求めることで診断すべき排気ガス浄化触媒の劣化の度合いを検出することができる。
【００１０】
本発明によれば、１個の酸素センサによって触媒劣化の検出が可能であるから、２個の酸素センサを用いる従来の方法に比べて劣化検出の精度が高い。また、従来の酸素センサを利用することができるので簡便で低コストである。
【００１１】
本発明の好適な態様では、酸素センサは、診断すべき排気ガス浄化用触媒よりも上流側の排気ガスを導入する排気ガス導入口を有し、この排気ガス導入口に前記触媒材が配設されていることが望ましい。
【００１２】
本態様によれば、診断すべき排気ガス浄化用触媒の触媒層と同一成分の触媒材を介した排気ガスを検知電極側に導入できるので、診断すべき触媒の劣化を正確に把握することができる。また、配設された触媒と検知電極とが近接しているので、触媒の酸素貯蔵能の変化を高精度に検出することができる。
【００１３】
また、本発明の他の好適な態様では、酸素センサの一部が排気ガス浄化用触媒に埋設され、排気ガスが排ガス浄化用触媒の触媒層を介して検知電極側に導入されるようにしてもよい。
【００１４】
本態様によれば、酸素センサは診断すべき排ガス浄化用触媒の触媒層を介して排気ガスが検知電極側に導入されるように配設されているので、当該触媒の劣化度合いを正確に把握することができる。また、触媒層と検知電極とが近接しているので、触媒層における酸素貯蔵能の変化を高精度に検出することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、診断すべき排気ガス浄化用触媒の劣化度合いをより正確に検出することができる。また、周知の積層型の限界電流式酸素センサを利用することができるので、簡素でかつ安価に実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下本発明の好適な一実施の形態について図１〜６を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
本実施形態においては、自動車エンジンなどの各種車両用内燃機関の排気管に設置して排気ガス中の酸素濃度を検出し、排気ガスフィードバックシステムに使用する空燃比センサあるいは酸素センサを利用することができる。
【００１７】
図１に示すように酸素センサ１は、センサ素子１０と、このセンサ素子１０の外周を覆うように設けられたカバー５を備えている。センサ素子１０とカバー５はいずれも酸素センサ１のハウジング６に固定されている。
【００１８】
センサ素子１０の縦断面を模式的に図２に示す。センサ素子１０は、酸素イオン導電性を有する固体電解質１２と、固体電解質１２を加熱する加熱手段であるヒータ１４と、固体電解質１２の一表面に形成された検知電極１６と固体電解質１２の他表面に形成された基準電極１８とを有する。センサ素子１０においては、固体電解質１２の一面側に被測定ガス導入口２０が形成され、固体電解質１２の他面側には基準ガス導入口２２が形成されている。検知電極１６は被測定ガス導入孔２０に面しており、排ガス導入口２０ａ（以後、単に導入口２０ａという）から導入される被測定ガス（排気ガス）と接触するように配置されている。また、基準電極１８は基準ガス導入孔２２に面しており、大気などの基準ガスと接触するように配置されている。
【００１９】
検知電極１６と基準電極１８とは、例えば白金電極からなり、固体電解質１２は、セリア、ジルコニアなどのセラミックスからなる。そして、検知電極１６と基準電極１８との間に電圧を印可することにより被測定ガス中の酸素濃度により変化する電流に基づいて検出部３０でセンサ出力の変化を知るようになっている。なお、４０は後述する報知部である。
【００２０】
以上は従来周知の積層タイプの限界電流式酸素センサの基本構成であるが、本実施形態におけるセンサ素子１０では、被測定ガス導入孔２０の導入口２０ａを閉塞するように触媒材２４が塗布されている。触媒材２４は、白金、ロジウム、パラジウムなどの貴金属を含み、劣化診断を行う排気ガス浄化用触媒の触媒層と同一の成分からなっている。  
【００２１】
本実施形態における排気ガス浄化用触媒としては、酸素吸蔵能を有する三元触媒が用いられる。この三元触媒は、セリア（ＣｅＯ２）等の成分を有し、排気ガス中の酸素を吸蔵・放出する性質を有している。そして、その酸素吸蔵放出機能は、混合気の空燃比がリーンになると排ガス中に存在する過剰酸素を吸着保持し、空燃比がリッチになると吸着された酸素を放出するものである。
【００２２】
よってこの三元触媒によれば、混合気がリーンになったときには過剰な酸素が触媒に吸着保持される。一方、混合気がリッチになったときには触媒に吸着保持された酸素が放出され、窒素酸化物ＮＯｘとあわせ、一酸化炭素ＣＯや炭化水素ＨＣをともに浄化することができる。
【００２３】
かかる三元触媒を被測定ガス導入孔２０の導入口２０ａに塗布した酸素センサ１０のセンサ出力は、混合気の空燃比をストイキ領域を通過するように強制的に変化させることで、空燃比の変化に対応して図３に示すようにして変化する。
【００２４】
図３は、混合気の空燃比をリーンからリッチに変化させた場合の経過時間（横軸）に対するセンサ出力（縦軸）の変化を示す応答性波形の一例である。ここで、破線は触媒材２４が未使用（新品）である触媒材Ａの場合、鎖線は所定時間使用後の触媒材Ｂの場合、実線は交換直前の触媒材Ｃの場合のものである。なお、ｖｓは混合気の空燃比が理論空燃比に一致するストイキ領域におけるセンサ出力である。
【００２５】
混合気の空燃比（以後、単に空燃比ともいう）の変化に伴うセンサ出力Ｖの変化（応答性曲線）について図３を参照しながら説明する。
【００２６】
空燃比が理論空燃比よりも高いリーンの場合には、センサ素子１０に導入される排気ガス（以後、被測定ガスともいう）は多量の酸素を含有している。従って、酸素センサ１は高い出力ｖ１を示している。この空燃比がリーンである状態の時刻ｔ１で空燃比を直線的にリッチ側（空燃比が小さい）に変化させると、空燃比の直線的な低下に伴って被測定ガスの酸素濃度も低下する。従ってセンサ出力Ｖも空燃比の低下に追随して経過時間ｔに対して大きな割合で直線的に低下する（Ｉ）。
【００２７】
しかし、触媒材２４に未使用の触媒材Ａを用いた場合には、空燃比がストイキ領域近傍まで低下した経過時刻ｔ２からは、触媒材Ａに吸着保持されていた酸素が被測定ガス中の酸素分圧を維持するように被測定ガス導入孔２０内に放出される。このため経過時間ｔに対するセンサ出力Ｖの低下割合（勾配Ｋａ＝|ΔＶ／Δｔ|））は小さくなる（ＩＩ）。
【００２８】
そして、触媒材Ａが吸蔵していた酸素を被測定ガス中に放出し尽くしてしまう時刻ｔ３以降は、被測定ガス中の酸素濃度は空燃比の変化に追随して変化することになり、センサ出力Ｖの経過時間ｔに対する低下割合は増加する（ＩＩＩ）。
【００２９】
また、所定時間使用後の触媒材Ｂでは、センサ出力Ｖの変化は時刻ｔ２（ストイキ近傍領域）までは触媒材Ａと同様の推移をたどるが、以降の経過時間ｔに対するセンサ出力Ｖの低下割合（勾配Ｋｂ）は触媒材Ａに比べて大きくなる。これは所定時間使用後の触媒材Ｂは未使用の触媒材Ａに比べて酸素貯蔵能が低下しており、従って触媒材Ａに比べて放出できる酸素量が少ないからである。
【００３０】
さらに触媒材２４が酸素貯蔵能をほとんど消失した交換直前の触媒材Ｃの場合には、空燃比がストイキ近傍領域となっても、経過時間に対するセンサ出力Ｖの低下割合はほとんど変化しない。これは、触媒材Ｃは酸素貯蔵能をほとんど消失しているために被測定ガス中の酸素濃度が低下しても放出できる酸素をほとんど保持していないからである。従って、ストイキ近傍領域における経過時間に対するセンサ出力Ｖの低下割合（勾配Ｋｃ）は触媒材Ｂよりもさらに大きく、空燃比の低下にほとんど追随するように低下する。
【００３１】
上記のようにセンサ出力の応答性曲線のストイキ近傍領域における勾配（経過時間に対するセンサ出力Ｖの低下割合）は触媒材２４の酸素吸蔵能の大きさによって変化する。従って触媒材２４について適宜の間隔でセンサ出力Ｖの応答性線図を取得し、ストイキ近傍領域の変曲部における接線Ｌ（例えば、Ｌａ）の勾配（絶対値）Ｋ（例えば、Ｋａ）を求め、得られた勾配Ｋと予め求めてある図４に示される劣化度合い検出用マップから、排気ガス浄化用触媒の劣化度合いを検出することができる。
【００３２】
例えば、運転開始時、又は運転中の適宜の時に、混合気の空燃比を強制的に変化させて、前記の手順に従って触媒の劣化診断を行う。得られた勾配Ｋ（絶対値）が規定値未満であれば、排気ガス浄化用触媒（被測定触媒ともいう）は正常であると判断して今まで通りの使用を継続する。また、測定された勾配Ｋが規定値以上である場合には、エンジンチェックランプなどの報知部４０を介して運転者に触媒劣化の警告を発し、被測定触媒の交換を促す。
【００３３】
本実施形態の酸素センサ１は、図５に示すように、排気ガス配管５０であって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個配置されている。１個以上設置する場合には、排ガス配管５０の同一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における被測定触媒の劣化度合いの判定がより正確になる。なお、酸素センサ１を触媒コンバータ６０の下流側に配設した場合には、酸素センサ１に導入される排気ガス濃度組成が触媒コンバータ６０における被測定触媒により変化するため、酸素センサ１で検出した触媒材２４の劣化度合いが被測定触媒の劣化の傾向と異なることがあるので適当ではない。
（第２の実施形態）
本実施形態は、従来の限界電流式酸素センサ１個を用い被測定触媒である排気ガス浄化用触媒の劣化を検出する方法である。本実施形態における酸素センサ２のセンサ素子１０の導入口２０ａには触媒材２４は塗布されていない。
【００３４】
図６に示すように、本実施形態においては酸素センサ２の一部が被測定触媒７０中へ直接埋設されている。そして、部分断面で示すように、排気ガスＧを導入する酸素センサ２の導入口２０ａが被測定触媒７０の触媒層７０ａに接するように配置されている。これにより排気ガスＧを触媒層７０ａを介して被測定ガス導入孔２０内へ導入することができる。なお、これら以外は第１の実施形態と同様である。従って前記の手順と同様にしてセンサ出力の応答性曲線を取得し、その勾配Ｋから被測定触媒７０の劣化度合いを検出することができる。
【００３５】
本実施形態によれば、酸素センサ２はその導入口２０ａが被測定触媒７０の触媒層７０ａに接するように配設されているので、当該触媒７０の劣化度合いを正確に把握することができる。また、触媒層７０ａと検知電極１６とが近接しているので、触媒層７０ａにおける酸素貯蔵能の変化を高精度に検出することができる。
【００３６】
また、第１の実施形態と同様に報知部４０を備えることにより、本実施形態もまたエンジンチェックランプを点灯するなどして運転者に触媒劣化の警告を発し、被測定触媒の交換を促すことができる。
【００３７】
以上のように本発明によれば、１個の酸素センサを用いて排気ガス浄化用触媒の劣化度合いを精度よく検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、自動車などの触媒コンバータ内の排気ガス浄化用触媒の劣化度合いを検出する検出方法として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施形態に用いられる酸素センサの部分断面側面図である。
【図２】センサ素子の断面模式図である。
【図３】経過時間によるセンサ出力の変化を示す応答性線図である。
【図４】勾配Ｋと触媒の劣化度合いとの関係を示す劣化検出用マップである。
【図５】第１の実施形態の酸素センサの配置の一例を説明する図である。
【図６】第２の実施形態の酸素センサの配置の一例を説明する図である。
【符号の説明】
【００４０】
１，２：酸素センサ  １０：センサ素子  １２：固体電解質  １４：ヒータ  １６：検知電極  １８：基準電極  ２０：被測定ガス導入孔  ２０ａ：導入口  ２４：触媒材  ３０：検出部  ４０：報知部  ５０：排ガス配管  ６０：触媒コンバータ  ７０：被測定触媒（排気ガス浄化用触媒）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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