(57)【要約】【課題】必要最低限の空燃比の調整によって、精度よく触媒の劣化を検知できる触媒劣化検知装置を提供する。【解決手段】本開示は、内燃機関の排気ガスの流路に設けられた触媒よりも下流に配置されると共に排気ガス中の酸素濃度を検出するラムダセンサの出力に基づいて、触媒の劣化を検知する触媒劣化検知装置である。触媒劣化検知装置は、触媒の劣化を判定するように構成された判定部を備える。判定部は、内燃機関の理論空燃比に対する相対空燃比が０．９９５である時のラムダセンサの出力に基づく値を基準値とし、相対空燃比が０．９６以上０．９９以下の範囲におけるラムダセンサの少なくとも１つの出力に基づく少なくとも１つの値を判定値としたときに、少なくとも１つの判定値に、基準値よりも小さく、かつ基準値との差が予め定めた閾値以上である値が含まれる場合に、触媒が劣化したと判定する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガスの流路に設けられた触媒よりも下流に配置されると共に前記排気ガス中の酸素濃度を検出するラムダセンサの出力に基づいて、前記触媒の劣化を検知する触媒劣化検知装置であって、
前記触媒の劣化を判定するように構成された判定部を備え、
前記判定部は、
前記内燃機関の理論空燃比に対する相対空燃比が０．９９５である時の前記ラムダセンサの出力に基づく値を基準値とし、
前記相対空燃比が０．９６以上０．９９以下の範囲における前記ラムダセンサの少なくとも１つの出力に基づく少なくとも１つの値を判定値としたときに、
前記少なくとも１つの判定値に、前記基準値よりも小さく、かつ前記基準値との差が予め定めた閾値以上である値が含まれる場合に、前記触媒が劣化したと判定する、触媒劣化検知装置。
【請求項２】
前記判定部は、
前記相対空燃比が０．９９未満となった時に前記ラムダセンサの温度を空燃比測定時よりも低い判定用温度に制御すると共に、前記判定用温度での前記相対空燃比が０．９６以上０．９９以下の範囲における前記ラムダセンサの少なくとも１つの出力に基づく少なくとも１つの値を前記判定値とし、
前記判定用温度において前記相対空燃比が０．９９未満から０．９９５になった時の前記ラムダセンサの出力に基づく値を前記基準値とする、請求項１に記載の触媒劣化検知装置。
【請求項３】
内燃機関の排気ガスの流路に設けられた触媒よりも下流に配置されると共に前記排気ガス中の酸素濃度を検出するラムダセンサを用いて前記触媒の劣化を検知する触媒劣化検知方法であって、
前記内燃機関の理論空燃比に対する相対空燃比が０．９９５である時の前記ラムダセンサの出力に基づく値を基準値として取得する工程と、
前記相対空燃比が０．９６以上０．９９以下の範囲における前記ラムダセンサの少なくとも１つの出力に基づく少なくとも１つの値を判定値として取得する工程と、
前記少なくとも１つの判定値に、前記基準値よりも小さく、かつ前記基準値との差が予め定めた閾値以上である値が含まれる場合に、前記触媒が劣化したと判定する工程と、
を備える、触媒劣化検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、触媒劣化検知装置及び触媒劣化検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に搭載された内燃機関の排気ガスの流路には、排気ガスを浄化するための触媒が配置される。この触媒は、酸素吸蔵能力を有し、内燃機関の空燃比に関わらず、未燃成分や窒素酸化物を浄化することができる。
【０００３】
上記触媒は、燃料中に含まれる成分や加熱によって劣化し、酸素吸蔵能力（Ｏｘｙｇｅｎ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｃａｐａｃｉｔｙ）が低下する。そこで、内燃機関における空燃比を調整し、触媒の下流に配置された空燃比を検知するガスセンサを用いて触媒の劣化を検知する検知装置が考案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２７５００７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の触媒劣化検知装置では、触媒内に吸蔵されている酸素を一時的にゼロにするため、触媒内を比較的長い時間リッチ雰囲気に曝す必要がある。そのため、内燃機関の燃費が悪化するおそれがある。また、触媒劣化検知の精度には向上の余地がある。
【０００６】
本開示の一局面は、必要最低限の空燃比の調整によって、精度よく触媒の劣化を検知できる触媒劣化検知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】
【０００７】
本発明者らは、鋭意検討した結果、空燃比が理論空燃比よりも低い一定のリッチ雰囲気においてラムダセンサの出力が大きく低下することに着目し、特定の出力との比較を行うことで、触媒の劣化を精度よく検知できることを見出した。
【０００８】
この知見に基づいた本開示の一態様は、内燃機関の排気ガスの流路に設けられた触媒よりも下流に配置されると共に排気ガス中の酸素濃度を検出するラムダセンサの出力に基づいて、触媒の劣化を検知する触媒劣化検知装置である。触媒劣化検知装置は、触媒の劣化を判定するように構成された判定部を備える。判定部は、内燃機関の理論空燃比に対する相対空燃比が０．９９５である時のラムダセンサの出力に基づく値を基準値とし、相対空燃比が０．９６以上０．９９以下の範囲におけるラムダセンサの少なくとも１つの出力に基づく少なくとも１つの値を判定値としたときに、少なくとも１つの判定値に、基準値よりも小さく、かつ基準値との差が予め定めた閾値以上である値が含まれる場合に、触媒が劣化したと判定する。
【０００９】
このような構成によれば、一定のリッチ雰囲気において基準値と判定値とを取得し、これらを比較することで、容易かつ確実に触媒の劣化を検知できる。つまり、内燃機関における空燃比の調整を厳密に行うことなく、精度よく触媒の劣化を検知できる。その結果、有毒な排気ガスが触媒の下流に漏れ出していることを検知できる。
【００１０】
本開示の一態様では、判定部は、相対空燃比が０．９９未満となった時にラムダセンサの温度を空燃比測定時よりも低い判定用温度に制御すると共に、判定用温度での相対空燃比が０．９６以上０．９９以下の範囲におけるラムダセンサの少なくとも１つの出力に基づく少なくとも１つの値を判定値とし、判定用温度において相対空燃比が０．９９未満から０．９９５になった時のラムダセンサの出力に基づく値を基準値としてもよい。このような構成によれば、基準値と判定値との差が増大するので、触媒の劣化の検知精度をより高めることができる。
【００１１】
本開示の別の態様は、内燃機関の排気ガスの流路に設けられた触媒よりも下流に配置されると共に排気ガス中の酸素濃度を検出するラムダセンサを用いて触媒の劣化を検知する触媒劣化検知方法である。触媒劣化検知方法は、内燃機関の理論空燃比に対する相対空燃比が０．９９５である時のラムダセンサの出力に基づく値を基準値として取得する工程と、相対空燃比が０．９６以上０．９９以下の範囲におけるラムダセンサの少なくとも１つの出力に基づく少なくとも１つの値を判定値として取得する工程と、少なくとも１つの判定値に、基準値よりも小さく、かつ基準値との差が予め定めた閾値以上である値が含まれる場合に、触媒が劣化したと判定する工程と、を備える。
【００１２】
このような構成によれば、上述したように、内燃機関における空燃比の調整を厳密に行うことなく、精度よく触媒の劣化を検知できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態の触媒劣化検知装置を示す模式的な構成図である。
【図２】ラムダセンサの出力特性を示すグラフである。
【図３】ラムダセンサのセンサ素子温度と、電圧差との関係を示すグラフである。
【図４】図１の触媒劣化検知装置の判定部が実行する処理のフローチャートである。
【図５】実施形態の触媒劣化検知方法のフローチャートである。
【図６】図４とは異なる実施形態における触媒劣化検知装置の判定部が実行する処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示す触媒劣化検知装置１は、内燃機関１０の排気ガスＥの流路１２に設けられた触媒１３の劣化を検知する。内燃機関１０は、空気供給路１１から供給される空気Ａを燃料と共に燃焼し、発生する排気ガスＥを流路１２から排出する。
【００１５】
触媒劣化検知装置１は、自動車、農機、建機、船舶、試験場、工場等で用いられる内燃機関１０に対して使用される。特に、触媒劣化検知装置１は、自動車のガソリンエンジンの排気路に設けられた三元触媒の劣化検知に有効である。
【００１６】
流路１２には、上流ラムダセンサ２と、下流ラムダセンサ３とが取り付けられている。触媒劣化検知装置１は、上流ラムダセンサ２及び下流ラムダセンサ３の出力に基づいて、触媒１３の劣化を判定する。
【００１７】
＜上流ラムダセンサ＞
上流ラムダセンサ２は、流路１２の触媒１３よりも上流に配置されている。上流ラムダセンサ２は、排気ガスＥの酸素濃度により、内燃機関１０の相対空燃比（λ）を検出する。相対空燃比とは、理論空燃比を１とした、理論空燃比に対する空燃比の割合である。
【００１８】
上流ラムダセンサ２は、内燃機関１０の空燃比に応じた（例えば、空燃比とリニアの関係を有する）電流又はこの電流に応じた電圧を出力するように構成された公知の酸素センサである。
【００１９】
＜下流ラムダセンサ＞
下流ラムダセンサ３は、流路１２の触媒１３よりも下流に配置されている。下流ラムダセンサ３は、排気ガスＥ中の酸素濃度を検出する。
【００２０】
下流ラムダセンサ３は、排気ガスＥ中の酸素濃度に応じた電流又はこの電流に応じた電圧を出力するように構成された公知の酸素センサである。なお、下流ラムダセンサ３の出力は、必ずしも酸素濃度とリニアの関係である必要はない。
【００２１】
＜触媒劣化検知装置＞
触媒劣化検知装置１は、図１に示すように、触媒１３の劣化を判定するように構成された判定部１Ａを備える。
【００２２】
判定部１Ａは、マイクロプロセッサ及びＲＡＭ、ＲＯＭ等の記憶媒体を内蔵している。判定部１Ａは、予め記憶されたプログラムを実行することで、上流ラムダセンサ２及び下流ラムダセンサ３の出力に基づいて、触媒１３の劣化を判定する。また、判定部１Ａは、内燃機関１０の制御を行うＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）３０に接続されている。
【００２３】
具体的には、判定部１Ａは、内燃機関１０の相対空燃比が０．９９５である時の下流ラムダセンサ３の出力に基づく値を基準値とする。ここで、基準値は、下流ラムダセンサ３の出力そのものであってもよいし、下流ラムダセンサ３の出力を変換した値であってもよい。
【００２４】
また、判定部１Ａは、相対空燃比が０．９６以上０．９９以下の範囲における下流ラムダセンサ３の少なくとも１つの出力に基づく少なくとも１つの値を判定値とする。ここで、判定値は、下流ラムダセンサ３の出力そのものであってもよいし、下流ラムダセンサ３の出力を変換した値であってもよい。
【００２５】
なお、判定値を取得する相対空燃比は、任意に設定でき、必ずしも下流ラムダセンサ３の出力が最小となる相対空燃比における判定値は必要ない。また、下流ラムダセンサ３の出力が最小となる相対空燃比が予め判明している又は予測できる場合は、その相対空燃比における１つの判定値のみを用いてもよい。
【００２６】
さらに、判定部１Ａは、少なくとも１つの判定値に、基準値よりも小さく、かつ、基準値との差が予め定めた閾値以上である値が含まれる場合に、触媒１３が劣化したと判定する。
【００２７】
判定部１Ａの上記判定の根拠について以下に説明する。図２は、内燃機関１０の相対空燃比（横軸）と、下流ラムダセンサ３の出力電圧（縦軸）との関係を、触媒１３の劣化の有無及び下流ラムダセンサ３のセンサ素子の温度ごとに示したグラフである。
【００２８】
このグラフが示すように、触媒１３が劣化していると、相対空燃比が０．９９５のである時の出力（以下、「第１出力」ともいう。）に比べて相対空燃比が０．９６以上０．９９以下の範囲における出力（以下、「第２出力」ともいう。）が、大きく低下する。
【００２９】
一方、触媒１３が正常の時は、図２の破線で示すように、第１出力と、第２出力との差異は小さい。したがって、第１出力と第２出力との差の大きさを指標として、触媒１３の劣化を判定することができる。
【００３０】
また、図２では、センサ温度が低いほど、第２出力が小さくなっている。すなわち、図３に示すように、下流ラムダセンサ３のセンサ素子の温度（横軸）が低いほど、下流ラムダセンサ３における第１出力から第２出力のうち最小値を引いた電圧差（縦軸）が大きくなる。なお、図３は、相対空燃比を０．９８に固定した状態でセンサ温度を変更した際の電圧差の変化を示している。
【００３１】
センサ素子の温度とセンサ出力との関係について、空燃比測定温度（つまり、下流ラムダセンサ３の通常使用温度）よりも低い温度では、センサ素子の電極の表面に存在する貴金属の触媒作用が低下する。そのため、一定のリッチガス雰囲気（つまり、相対空燃比が０．９６以上０．９９以下の雰囲気）において、触媒１３から漏れ出してくるＮＯ、ＣＯ、ＴＨＣ等を多く含むガスの電極上での反応速度が遅くなり、下流ラムダセンサ３の第２出力が低下するものと推測される。
【００３２】
そこで、本実施形態では、判定部１Ａは、相対空燃比が０．９９未満となった時に下流ラムダセンサ３の温度を空燃比測定時よりも低い判定用温度に制御すると共に、判定用温度での相対空燃比が０．９６以上０．９９以下の範囲における下流ラムダセンサ３の少なくとも１つの出力に基づく少なくとも１つの値を判定値とする。
【００３３】
また、判定部１Ａは、判定用温度において相対空燃比が０．９９未満から０．９９５になった時の下流ラムダセンサ３の出力に基づく値を基準値とし、これらの判定値と基準値とを比較して判定を行う。
【００３４】
例えば、図２及び図３の特性を有する下流ラムダセンサ３では、空燃比測定温度が７００℃であるため、判定用温度は、７００℃未満とする必要があり、６４０℃以下が好ましい。また、例えば判定用温度が６００℃の場合は、図３に示すように、閾値を例えば８０ｍＶとすることで、精度よく触媒１３の劣化を判定できる。
【００３５】
なお、判定部１Ａは、例えば一定時刻の経過等の条件による判定部１Ａ自身の判断によって触媒劣化の検知を開始してもよいし、ＥＣＵ３０からの指令に基づいて触媒劣化の検知を開始してもよい。
【００３６】
また、検知開始時に相対空燃比が０．９９以上である時は、判定部１Ａは、相対空燃比が０．９９未満となるようにＥＣＵ３０に指令を出す。相対空燃比が０．９９未満となった後、判定部１Ａは、相対空燃比が理論空燃比（つまり１）に向かって上昇する際に下流ラムダセンサ３が出力する値を判定値及び基準値とする。
【００３７】
［１−２．処理］
以下、図４のフロー図を参照しつつ、触媒劣化検知装置１の判定部１Ａが実行する判定処理について説明する。
【００３８】
まず、判定部１Ａは、上流ラムダセンサ２の出力から取得した相対空燃比が０．９９以上か判定する（ステップＳ１０）。相対空燃比が０．９９以上の場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、判定部１Ａは、相対空燃比が０．９９未満になるように空燃比を下げる（つまり燃料リッチとなる）ようにＥＣＵ３０に指令を出す（ステップＳ２０）。指令を受けたＥＣＵ３０は、内燃機関１０の空燃比を調整する。
【００３９】
相対空燃比が０．９９未満の場合（Ｓ１０：ＮＯ）、判定部１Ａは、下流ラムダセンサ３におけるセンサ素子の温度制御を行う（ステップＳ３０）。具体的には、上述のように、下流ラムダセンサ３のセンサ素子の温度を空燃比測定時よりも低い判定用温度に低下させる。
【００４０】
センサ素子の温度制御後、判定部１Ａは、判定用温度下において、相対空燃比ごとの下流ラムダセンサ３の出力に基づいて基準値及び少なくとも１つの判定値を取得する（ステップＳ４０）。
【００４１】
基準値及び判定値の取得後、下流ラムダセンサ３は、基準値から判定値を引いた差が閾値以上か判定する（ステップＳ５０）。この判定は、取得した全ての判定値に対して行われる。
【００４２】
上記差が閾値以上となる判定値が１つでも存在する場合（Ｓ５０：ＹＥＳ）、判定部１Ａは、触媒１３が劣化したと判定する（ステップＳ６０）。一方、全ての判定値で上記差が閾値未満の場合（Ｓ５０：ＮＯ）、判定部１Ａは、触媒１３が劣化していない正常の状態であると判定する（ステップＳ７０）。
【００４３】
［１−３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）一定のリッチ雰囲気において基準値と判定値とを取得し、これらを比較することで、容易かつ確実に触媒１３の劣化を検知できる。つまり、内燃機関１０における空燃比の調整を厳密に行うことなく、精度よく触媒１３の劣化を検知できる。その結果、有毒な排気ガスが触媒１３の下流に漏れ出していることを検知できる。
【００４４】
（１ｂ）下流ラムダセンサ３の温度を判定用温度に制御することによって、基準値と判定値との差を増大させることができる。その結果、触媒１３の劣化の検知精度をより高めることができる。
【００４５】
［２．第２実施形態］
［２−１．構成］
図５に示す触媒劣化検知方法は、図１の下流ラムダセンサ３を用いて、内燃機関１０の排気ガスＥの流路１２に設けられた触媒１３の劣化を検知する方法である。
【００４６】
本実施形態の触媒劣化検知方法は、空燃比測定工程Ｓ１１０と、温度制御工程Ｓ１２０と、基準値取得工程Ｓ１３０と、判定値取得工程Ｓ１４０と、判定工程Ｓ１５０とを備える。
【００４７】
本実施形態の触媒劣化検知方法は、図１の触媒劣化検知装置１を使用する。ただし、必ずしも触媒劣化検知装置１が用いられる必要はなく、触媒劣化検知方法の各工程は手動で行われてもよい。
【００４８】
（空燃比測定工程）
本工程では、上流ラムダセンサ２によって内燃機関１０の空燃比を測定し、触媒１３の劣化検知が可能か判断する。相対空燃比が０．９９以上の場合、相対空燃比が０．９９未満となるように空燃比を制御する。本工程は、図４の判定部１Ａの判定処理におけるステップＳ１０及びステップＳ２０に対応する。
【００４９】
（温度制御工程）
本工程では、相対空燃比が０．９９未満となった時に下流ラムダセンサ３の温度を空燃比測定時よりも低い判定用温度に制御する。本工程は、図４の判定部１Ａの判定処理におけるステップＳ３０に対応する。
【００５０】
（基準値取得工程）
本工程では、判定用温度において相対空燃比が０．９９未満から０．９９５になった時の下流ラムダセンサ３の出力に基づく値を基準値として取得する。
【００５１】
（判定値取得工程）
本工程では、判定用温度での相対空燃比が０．９６以上０．９９以下の範囲における下流ラムダセンサ３の少なくとも１つの出力に基づく少なくとも１つの値を判定値として取得する。なお、基準値取得工程Ｓ１３０及び判定値取得工程Ｓ１４０は、図４の判定部１Ａの判定処理におけるステップＳ４０に対応する。
【００５２】
（判定工程）
本工程では、少なくとも１つの判定値に、基準値よりも小さく、かつ基準値との差が予め定めた閾値以上である値が含まれる場合に、触媒１３が劣化したと判定する。本工程は、図４の判定部１Ａの判定処理におけるステップＳ５０、ステップＳ６０及びステップＳ７０に対応する。
【００５３】
［２−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（２ａ）一定のリッチ雰囲気において基準値と判定値とを取得し、これらを比較することで、容易かつ確実に触媒１３の劣化を検知できる。つまり、内燃機関１０における空燃比の調整を厳密に行うことなく、精度よく触媒１３の劣化を検知できる。
【００５４】
［３．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
【００５５】
（３ａ）上記実施形態の触媒劣化検知装置１において、判定部１Ａは、相対空燃比が０．９９未満となる前に下流ラムダセンサ３の温度を判定用温度に制御してもよい。つまり、図６に示すように、判定部１Ａは、ステップＳ１１において、相対空燃比が０．９９５以下となった場合にセンサ素子温度の制御を開始してもよい。この場合、判定部１Ａは、相対空燃比が０．９９５から低下していく間に複数の判定値を順次取得してもよい。
【００５６】
同様に、上記実施形態の触媒劣化検知方法の温度制御工程Ｓ１２０において、相対空燃比が０．９９５以下となった場合に下流ラムダセンサ３の温度を判定用温度に制御するようにしてもよい。
【００５７】
（３ｂ）上記実施形態の触媒劣化検知装置１において、判定部１Ａは、必ずしも下流ラムダセンサ３の温度を空燃比測定時よりも低い判定用温度に制御しなくてもよい。同様に、上記実施形態の触媒劣化検知方法は、必ずしも温度制御工程Ｓ１２０を備えなくてもよい。
【００５８】
（３ｃ）上記実施形態の触媒劣化検知装置１は、上流ラムダセンサ２以外の装置によって内燃機関１０の空燃比を取得してもよい。なお、上流ラムダセンサ２及び下流ラムダセンサ３は、触媒劣化検知装置１の一部であってもよいし、排気ガスＥの流路１２に設けられた既存のセンサであってもよい。
【００５９】
（３ｄ）上記実施形態の触媒劣化検知装置１において、基準値、判定値及び閾値は、それぞれ判定部１Ａに記憶されてもよいし、基準値、判定値及び閾値の一部、又は計算結果のみが判定部１Ａに記憶されてもよい。また、基準値と判定値との差の算出及びこの差と閾値との比較演算の一部又は全部が判定部１Ａの外部の回路等で行われてもよい。
【００６０】
（３ｅ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
【符号の説明】
【００６１】
１…触媒劣化検知装置、１Ａ…判定部、２…上流ラムダセンサ、
３…下流ラムダセンサ、１０…内燃機関、１１…空気供給路、１２…流路、
１３…触媒、３０…ＥＣＵ。
【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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