(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置された触媒と、前記触媒の上流側と下流側とに配置された排気検出器と、前記排気検出器の出力値に基づいて前記触媒の劣化を判定する劣化判定手段とを備え、前記触媒は、早期に劣化が始まる早期劣化部と、前記早期劣化部よりも後から劣化が始まる非早期劣化部とに区分され、前記下流側の排気検出器の検出部は、前記早期劣化部から流出する排気ガスを検出するよう配置され、前記排気通路は、前記触媒を保持する触媒保持部と、排気の流れる方向において前記触媒保持部の上流側に接続された上流側排気通路部と、前記触媒保持部より小径であって前記触媒保持部の下流側に接続された下流側排気通路部と、前記触媒保持部と前記下流側排気通路部との間に排気の下流方向へ向けて徐々に縮径する縮径部とにより形成され、前記検出部は、前記触媒の非早期劣化部と早期劣化部との境界面を前記下流側排気通路部に接するまで延ばすことで描出される仮想境界面と、前記早期劣化部の下流側に位置する前記下流側排気通路部の内周面部分を前記早期劣化部の後端に接するまで延ばすことで描出される仮想内周面と、前記早期劣化部の下流側に位置する前記縮径部の前記仮想境界面及び前記仮想内周面と対向する縮径部内周面と、前記早期劣化部の下流側に位置する前記触媒保持部の前記仮想境界面及び前記仮想内周面と対向する保持部内周面と、前記早期劣化部の後端であって前記仮想境界面と前記仮想内周面と前記保持部内周面とにより区画される後端区画面と、で囲まれた検出空間に配置されたことを特徴とする内燃機関の触媒劣化判定装置。
【請求項２】
内燃機関の排気通路に配置された触媒と、前記触媒の上流側と下流側とに配置された排気検出器と、前記排気検出器の出力値に基づいて前記触媒の劣化を判定する劣化判定手段とを備え、前記触媒は、早期に劣化が始まる早期劣化部と、前記早期劣化部よりも後から劣化が始まる非早期劣化部とに区分され、前記下流側の排気検出器の検出部は、前記早期劣化部から流出する排気ガスを検出するよう配置され、前記排気通路は、前記触媒を保持する触媒保持部と、排気の流れる方向において前記触媒保持部の上流側に接続された上流側排気通路部と、前記触媒保持部より小径であって前記触媒保持部の下流側に接続された下流側排気通路部と、前記触媒保持部と前記下流側排気通路部との間に排気の下流方向へ向けて徐々に縮径する縮径部とにより形成され、前記検出部は、前記触媒の非早期劣化部と早期劣化部との境界面を前記下流側排気通路部に接するまで延ばすことで描出される仮想境界面と、前記早期劣化部の下流側に位置する前記下流側排気通路部の内周面部分を前記早期劣化部の後端に接するまで延ばすことで描出される仮想内周面と、前記早期劣化部の下流側に位置する前記縮径部の前記仮想境界面及び前記仮想内周面と対向する縮径部内周面と、前記早期劣化部の下流側に位置する前記触媒保持部の前記仮想境界面及び前記仮想内周面と対向する保持部内周面と、前記早期劣化部の後端であって前記仮想境界面と前記仮想内周面と前記保持部内周面とにより区画される後端区画面と、で囲まれた検出空間に配置され、前記検出空間は、前記早期劣化部の後端と前記縮径部の前端との間に設けられた前側検出空間と、前記縮径部の前端より後方に形成された後側検出空間とで構成され、前記下流側の排気検出器の検出部は、前記前側検出空間に配置されたことを特徴とする内燃機関の触媒劣化判定装置。
【請求項３】
内燃機関の排気通路に配置された触媒と、前記触媒の上流側と下流側とに配置された排気検出器と、前記排気検出器の出力値に基づいて前記触媒の劣化を判定する劣化判定手段とを備え、前記触媒は、早期に劣化が始まる早期劣化部と、前記早期劣化部よりも後から劣化が始まる非早期劣化部とに区分され、前記下流側の排気検出器の検出部は、前記早期劣化部から流出する排気ガスを検出するよう配置され、前記排気通路は、前記触媒を保持する触媒保持部と、排気の流れる方向において前記触媒保持部の上流側に接続された上流側排気通路部と、前記触媒保持部より小径であって前記触媒保持部の下流側に接続された下流側排気通路部と、前記触媒保持部と前記下流側排気通路部との間に排気の下流方向へ向けて徐々に縮径する縮径部とにより形成され、前記検出部は、前記触媒の非早期劣化部と早期劣化部との境界面を前記下流側排気通路部に接するまで延ばすことで描出される仮想境界面と、前記早期劣化部の下流側に位置する前記下流側排気通路部の内周面部分を前記早期劣化部の後端に接するまで延ばすことで描出される仮想内周面と、前記早期劣化部の下流側に位置する前記縮径部の前記仮想境界面及び前記仮想内周面と対向する縮径部内周面と、前記早期劣化部の下流側に位置する前記触媒保持部の前記仮想境界面及び前記仮想内周面と対向する保持部内周面と、前記早期劣化部の後端であって前記仮想境界面と前記仮想内周面と前記保持部内周面とにより区画される後端区画面と、で囲まれた検出空間に配置され、前記検出空間は、前記早期劣化部の後端と前記縮径部の前端との間に設けられた前側検出空間と、前記縮径部の前端より後方に形成された後側検出空間とで構成され、前記下流側の排気検出器の検出部は、前記後側検出空間に配置されたことを特徴とする内燃機関の触媒劣化判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は内燃機関の触媒劣化判定装置に係り、特に、排気を浄化する触媒の劣化を早い時期に判定することができる内燃機関の触媒劣化判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気を浄化する触媒の劣化判定は、触媒に含まれるＯＳＣ材（酸素吸蔵材；Ｏｘｙｇｅｎ  Ｓｔｒａｇｅ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）のＯＳＣ能力を、触媒の上流側と下流側とに配置した排気検出器で検知することによって行っている。触媒の劣化と触媒のＯＳＣ能力の低下には相関関係があり、ＯＳＣ能力の低下＝触媒劣化として判断している。
従来、内燃機関の触媒劣化判定装置には、例えば特許文献１に示されるように、排気通路に設けられた触媒の上流側と下流側とに空燃比センサ（排気検出器）を配置し、触媒に流入する排気の空燃比相当量の検出信号と触媒から流出する排気の空燃比相当量の検出信号とを比較して、この比較結果に基づき触媒の劣化を判定する触媒劣化検出装置が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３２１６４２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、内燃機関の排気装置に用いられる触媒は、図８に示すとおり、触媒の使用初期では緩やかに劣化（触媒劣化指標の減少に対するＮＯｘ排出量の増加が緩やか）し、その後一定量触媒を使用すると急激に劣化が進行（触媒劣化指標の減少に対するＮＯｘ排出量の増加が急激）する特性がある。なお、触媒劣化指標は、触媒の使用量（酸素通過量）であり、下流側の空燃比センサの電圧出力値を時間で積分して得られる。
しかし、ＥＵＲＯ５＋、ＥＵＲＯ６などの強化された規制では、従来よりも判定レベルが下げられ、ＨＣ、ＮＯｘなどの排気成分規制値が低いレベル、触媒の劣化が従来より進行していないレベルで、触媒劣化を診断しなければならず、従来の触媒劣化判定方法では触媒の劣化を診断できないという問題がある。また、診断できたとしても、ＯＳＣ判定レベルの正常・異常の差異が非常に小さいことから、誤判定となる危険性が極めて高くなる。（図８の判定ゾーン参照）
【０００５】
この発明は、上記の問題に鑑みて成されたものであり、触媒の使用初期段階であっても確実に劣化の判定をすることができる内燃機関の触媒劣化判定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、内燃機関の排気通路に配置された触媒と、前記触媒の上流側と下流側とに配置された排気検出器と、前記排気検出器の出力値に基づいて前記触媒の劣化を判定する劣化判定手段とを備え、前記触媒は、早期に劣化が始まる早期劣化部と、前記早期劣化部よりも後から劣化が始まる非早期劣化部とに区分され、前記下流側の排気検出器の検出部は、前記早期劣化部から流出する排気ガスを検出するよう配置され、前記排気通路は、前記触媒を保持する触媒保持部と、排気の流れる方向において前記触媒保持部の上流側に接続された上流側排気通路部と、前記触媒保持部より小径であって前記触媒保持部の下流側に接続された下流側排気通路部と、前記触媒保持部と前記下流側排気通路部との間に排気の下流方向へ向けて徐々に縮径する縮径部とにより形成され、前記検出部は、前記触媒の非早期劣化部と早期劣化部との境界面を前記下流側排気通路部に接するまで延ばすことで描出される仮想境界面と、前記早期劣化部の下流側に位置する前記下流側排気通路部の内周面部分を前記早期劣化部の後端に接するまで延ばすことで描出される仮想内周面と、前記早期劣化部の下流側に位置する前記縮径部の前記仮想境界面及び前記仮想内周面と対向する縮径部内周面と、前記早期劣化部の下流側に位置する前記触媒保持部の前記仮想境界面及び前記仮想内周面と対向する保持部内周面と、前記早期劣化部の後端であって前記仮想境界面と前記仮想内周面と前記保持部内周面とにより区画される後端区画面と、で囲まれた検出空間に配置されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明は、触媒が早期劣化部と非早期劣化部とに区分されているので、熱耐久性が低く早期に劣化が始まる早期劣化部は、熱耐久性が高く早期劣化部よりも後から劣化が始まる非早期劣化部と比較して、高温状態に維持される時間が長くなるため、酸化速度が速くなり早期に劣化することとなる。従って、この発明は、非早期劣化部が有害物質を排出しない状態にあっても、早期劣化部は既に劣化時期を迎え有害物質を排出し始めるため、排気検出器がこの有害物質を確実に検出でき、触媒の使用開始から早い時期に確実に劣化を判定することができる。なお、主要な排気は、非早期劣化部を通過するため、大気中に排出される排気ガスの有害成分値が、基準値を越えることは無い。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は内燃機関の触媒劣化判定装置のシステム図である。（実施例１）
【図２】図２はＮＯｘ排出量による触媒劣化指標の判定ゾーンを示す触媒劣化判定のグラフである。（実施例１）
【図３】図３は前側検出空間に排気検出器を配置した触媒保持部の断面図である。（実施例１）
【図４】図４は高耐熱部と低耐熱部とを備える触媒を配置した触媒保持部の斜視図である。（実施例１）
【図５】図５は後側検出空間に排気検出器を配置した触媒保持部の拡大断面図である。（実施例２）
【図６】図６は後側検出空間に排気検出器を配置した触媒保持部の断面図である。（実施例２）
【図７】図７は低耐熱部の上流側の部分に酸素吸蔵材を使用した触媒保持部の断面図である。（変形例）
【図８】図８はＮＯｘ排出量による触媒劣化指標の判定ゾーンを示す触媒劣化判定のグラフである。（従来例）
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面に基づいて、この発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１〜図４は、実施例１を示すものである。図１において、１は内燃機関、２は排気マニホルド、３は触媒コンバータ、４は排気管である。内燃機関１の排出する排気は、排気マニホルド２、触媒コンバータ３、排気管４により形成される排気通路５を流れる間に、触媒コンバータ３内に配置した触媒６により有害成分を除去され、排気管４により外部に導かれる。
前記触媒６の劣化を判定する触媒劣化判定装置７は、排気通路５に配置した触媒６の上流側と下流側とにそれぞれ排気検出器８・９を配置している。上流側の排気検出器８は、検出部１０を備え、触媒６に流入する排気の空燃比相当量の検出信号を出力する。下流側の排気検出器９は、検出部１１を備え、触媒６から流出する排気の空燃比相当量の検出信号を出力する。上流側の排気検出器８と下流側の排気検出器９とは、劣化判定手段１２に接続されている。劣化判定手段１２は、上流側の排気検出器８が出力する検出信号と下流側の排気検出器９が出力する検出信号とを比較して、この比較結果に基づき触媒６の劣化を判定する。
前記触媒６は、熱耐久性が高い高耐熱部１３と、この高耐熱部１３より熱耐久性が低い低耐熱部１４とを備えている。高耐熱部１３は、耐熱性の高いＯＳＣ材（酸素吸蔵材；０ｘｙｇｅｎ  Ｓｔｒａｇｅ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を含んでいる。低耐熱部１４は、耐熱性の低いＯＳＣ材を含んでいる。高耐熱部１３と低耐熱部１４とは、排気の流れる方向に沿うように径方向において区画され、高耐熱部１３の断面積を低耐熱部１４に対して大きく設定している。高耐熱部１３は、大部分の主要な排気を通過させて有害物質を除去する。低耐熱部１４の下流側には、前記下流側の排気検出器９を配置している。
このように、内燃機関１の触媒劣化判定装置７は、触媒６が高耐熱部１３と低耐熱部１４とを備えているので、熱耐久性が低い低耐熱部１４は、熱耐久性が高い高耐熱部１３と比較して、高温状態に維持される時間が長くなるため、酸化速度が速くなり早期に劣化することとなる。
従って、触媒劣化判定装置７は、高耐熱部１３が有害物質を排出しない状態にあっても、低耐熱部１４は既に劣化時期を迎え有害物質を排出し始めることになるため、低耐熱部１４の下流側に配置した排気検出器９がこの有害物質を確実に検出できる。このため、触媒劣化判定装置７は、触媒６の使用開始から早い時期に確実に触媒６の劣化を判定することができ、図２に示すように、判定ゾーンを触媒劣化指標の大きい側（１００％側）に引き上げて、従来よりも下げられた規制強化後の判定レベルにおいて、触媒６の劣化を判定することができる。なお、主要な排気は、高耐熱部１３を通過するため、大気中に排出される排気の有害成分値が、基準値を越えることは無い。
【００１１】
前記内燃機関１の排気通路５は、図３に示すように、触媒６を保持する触媒保持部１５と、この触媒保持部１５より小径であって排気の流れる方向において触媒保持部１５の上流側に接続された上流側排気通路部１６と、前記触媒保持部１５と上流側排気通路部１６との間に排気の下流方向へ向けて徐々に拡径する拡径部１７と、前記触媒保持部１５より小径であって触媒保持部１５の下流側に接続された下流側排気通路部１８と、前記触媒保持部１５と前記下流側排気通路部１８との間に排気の下流方向へ向けて徐々に縮径する縮径部１９とにより形成されている。
前記下流側の排気検出器９の検出部１１は、図４に示すように、検出空間２０に配置している。検出空間２０は、仮想境界面２１と、仮想内周面２２と、縮径部内周面２３と、保持部内周面２４と、後端区画面２５とで囲まれている。
前記仮想境界面２１は、触媒６の高耐熱部１３と低耐熱部１４との境界面２６を、下流側排気通路部１８に接するまで延ばすことで描出される。前記仮想内周面２２は、この仮想境界面２１により区画された低耐熱部１４の下流側に位置する下流側排気通路部１８の内周面部分２７を、低耐熱部１４の後端に接するまで延ばすことで描出される。
前記縮径部内周面２３は、低耐熱部１４の下流側に位置する縮径部１７の、仮想境界面２１及び仮想内周面２２と対向する部分である。前記保持部内周面２４は、低耐熱部１４の下流側に位置する触媒保持部１５の、仮想境界面２１及び仮想内周面２２と対向する部分である。前記後端区画面２４は、低耐熱部１４の後端であって仮想境界面２１と仮想内周面２２と保持部内周面２４とにより区画される部分である。
この触媒劣化判定装置７は、触媒保持部１５の後部であって、触媒６の低耐熱部１４の後端より後方へ延長して略半円筒先窄まり形状の検出空間２０を形成している。従って、この検出空間２０は、触媒保持部１５の内径と同じ直径に形成されるため、触媒６の高耐熱部１３と低耐熱部１４とから排出された排気は混ざり合う事無く後方へと流れる。
よって、触媒劣化判定装置７は、触媒６の低耐熱部１４の後端より後方へ延長して形成した検出空間２０に下流側の排気検出器９を配置することで、低耐熱部１４から排出された排気の成分値のみを確実に検出できる。この結果、触媒劣化判定装置７は、確実に劣化の判定をすることができる。
【００１２】
この触媒劣化判定装置７は、検出空間２０を、低耐熱部１４の後端と縮径部１９の前端との間に設けられた前側検出空間２８と、縮径部１９の前端より後方に形成された後側検出空間２９とで構成している。下流側の排気検出器９は、検出部１１を前側検出空間２８に配置している。
このように、触媒劣化判定装置７は、触媒保持部１５の後部であって、触媒６の低耐熱部１４の後端より後方へ延長して前側検出空間２８を形成している。従って、この前側検出空間２８は、縮径部１９や径が細い下流側排気通路部１８とは異なり、排気中に含まれる不純物（例えばススなど）が巻き上がりにくい構造である。
よって、この触媒劣化判定装置７の下流側の排気検出器９は、ススなどの不純物が付着しにくく、検出精度が低下することを防止できる。このため、触媒劣化判定装置７は、確実に触媒６の劣化の判定をすることができる。
【実施例２】
【００１３】
図５、図６は、実施例２を示すものである。実施例２の触媒劣化判定装置７は、前述実施例１と同様に、前記触媒保持部１５と上流側排気通路部１６と拡径部１７と下流側排気通路部１８と縮径部１９とにより排気通路５を形成し、排気通路５に配置した触媒６の上流側と下流側にそれぞれ排気検出器８・９を配置している。前記触媒６は、熱耐久性が高い高耐熱部１３と、この高耐熱部１３より熱耐久性が低い低耐熱部１４とを備えている。
前記下流側の排気検出器９の検出部１１は、仮想境界面２１と、仮想内周面２２と、縮径部内周面２３と、保持部内周面２４と、後端区画面２５とで囲まれる検出空間２０に配置している。検出空間２０は、低耐熱部１４の後端と縮径部１９の前端との間に設けられた前側検出空間２８と、縮径部１９の前端より後方に形成された後側検出空間２９とで構成される。
実施例２の触媒劣化判定装置７は、図５に示すように、前側検出空間２８と後側検出空間２９とで構成される検出空間２０の後側検出空間２９に、下流側の排気検出器９の検出部１１を配置している。
この触媒劣化判定装置７は、図６に示すように、低耐熱部１４から排出された排気Ａ１が後側検出空間２９へ流れ込むと、縮径部１９の傾斜する縮径部内周面２３と衝突し排気通路５の中央側（径方向内側）へ向きＡ２を変える。このとき、低耐熱部１４から排出されて向きを変えた排気Ａ２は、高耐熱部１３から排出された排気Ｂ１を中央側へ押し戻すＢ２ため、後側検出空間２９は低耐熱部１４から排出された排気のみに保たれる。
従って、触媒劣化判定装置７の下流側の排気検出器９は、低耐熱部１４から排出された排気のみを確実に検出できる。このため、触媒劣化判定装置７は、確実に触媒６の劣化の判定をすることができる。
【００１４】
なお、上述実施例においては、触媒６を、耐熱性の高いＯＳＣ材を含む高耐熱部１３と、耐熱性の低いＯＳＣ材を含む低耐熱部１４とで構成したが、触媒６全体で同じＯＳＣ材を使用し、排気検出器９の上流側に相当する部分にのみＯＳＣ材の使用量を低減（例えば、７０％減）することで、高耐熱部１３と低耐熱部１４とに構成することもできる。
また、触媒６の劣化は、主に触媒６の履歴する温度と相関性があることから、図７に示すように、下流側の排気検出器９の上流側に相当する触媒６の部分（低耐熱部１４）であって、触媒６が高温になりやすい上流側の部分１４−１（例えば、入口から３０ｍｍ以降６０ｍｍ以内）にＯＳＣ材を使用し、前記高温になりやすい上流側の部分１４−１以外の下流側の部分１４−２にＯＳＣ材を使用しないことで、触媒６の劣化をより感度良く検出することができる。なお、下流側の排気検出器９の上流側に相当する部分（低耐熱部１４）以外の部分（高耐熱部１３）については、通常の量のＯＳＣ材を使用することで、触媒６全体として高い排気浄化性能を維持させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
この発明は、ガソリンを燃料とする内燃機関の三元触媒に対して適用する技術であるが、ディーゼル内燃機関用の酸化触媒（ＤＯＣ）においても、ＯＳＣ能力によって触媒劣化を検出する場合に転用することができる。
【符号の説明】
【００１６】
１  内燃機関
５  排気通路
６  触媒
７  触媒劣化判定装置
８  上流側の排気検出器
９  下流側の排気検出器
１２  劣化判定手段
１３  高耐熱部
１４  低耐熱部
１５  触媒保持部
１６  上流側排気通路部
１７  拡径部
１８  下流側排気通路部
１９  縮径部
２０  検出空間
２１  仮想境界面
２２  仮想内周面
２３  縮径部内周面
２４  保持部内周面
２５  後端区画面
２８  前側検出空間
２９  後側検出空間
【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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【図７】
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【図８】
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