(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、
該排気浄化触媒の上流側に位置して前記排気通路に設けられると共に濃度検出部の周囲に酸化能力が付与されて該酸化能力が前記排気浄化触媒と相関して劣化する第１酸素濃度センサと、
前記排気浄化触媒の上流側に位置して前記排気通路に設けられると共に濃度検出部の周囲に酸化能力が付与されていないかあるいは該酸化能力が前記第１酸素濃度センサとは異なる第２酸素濃度センサと、
前記第１酸素濃度センサの出力と前記第２酸素濃度センサの出力とに基づいて前記排気浄化触媒の劣化を判定する劣化判定手段とを具えた
ことを特徴とする排気浄化触媒の劣化検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気系に設けられた少なくとも酸化機能を有する排気浄化触媒の劣化状態を検出する排気浄化触媒の劣化検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、酸化機能を備えた排気浄化触媒として、白金（Ｐｔ）等の貴金属を有する三元触媒や酸化触媒の他、リーン空燃比で運転中に排ガス中のＮＯｘを吸蔵または吸着（以下、単に吸蔵と称する。）し、理論空燃比（ストイキ）またはリッチ空燃比での運転中に吸蔵されたＮＯｘを還元浄化する吸蔵型ＮＯｘ触媒（ＮＯをＮＯ2 に酸化して吸蔵する特性を有するために酸化機能を備えた触媒）などが実用化されている。そして、このような触媒が劣化して排気浄化能力が低下した場合には、計器盤のエンジンチェックランプを点灯する等により運転者に認識させ、整備工場等で触媒交換等の措置をとる必要がある。
【０００３】
このような排気浄化触媒の劣化状態を検出する技術として、例えば、特開平３−７４５４０号公報に開示されたものがある。この公報に開示された「内燃機関の空燃比制御装置」は、触媒の上流側に設けたＯ2 センサの出力に基づいて燃料供給量を補正して空燃比を理論空燃比にフィードバック制御すると共に、触媒の下流側に設けたリニアＯ2 センサの出力をモニタし、この出力が理論空燃比から所定値以上相違した場合に触媒の劣化を判定するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この従来の「内燃機関の空燃比制御装置」は、フィードバック制御により触媒の上流側の酸素濃度を理論空燃比を中心に変動させても、触媒が正常であれば下流側の酸素濃度は大きく変動しないが、触媒が劣化すると上流側の酸素濃度変化に追従して触媒下流側の酸素濃度も大きく変動する現象に着目したものである。この現象は触媒の有する酸素ストレージ機能に起因するものであり、十分な酸素ストレージ機能が維持されている状態では、酸化雰囲気で酸素を吸着して還元雰囲気で酸素を放出するため、触媒の正常時は酸素ストレージ機能により下流側の酸素濃度の変動は少ないが、触媒が劣化して酸素ストレージ機能が低下すると、酸素の吸着反応及び放出反応が低下するため、排気に連動して下流側の酸素濃度の変動が大きくなる。
【０００５】
即ち、この従来技術では、触媒において主にセリア等の添加剤の劣化による酸素ストレージ機能の低下を検出することで、間接的に触媒の劣化を判定しているが、各種の触媒の中にはこの酸素ストレージ機能をほとんど有しないものがあり、この触媒に対しては劣化判定を行うことができない。例えば、エンジンに近接して排気通路に配設された三元触媒にあっては、その下流側に設けた吸蔵型ＮＯｘ触媒の還元時に還元剤としてのＣＯが酸化されるのを防止するために、酸素ストレージ機能が低くなるようにセリア等の添加剤の含有量が抑制あるいは除去されている。そのため、このような酸素ストレージ機能を有していない三元触媒に対しては適正な劣化判定を行うことができないという問題がある。
【０００６】
なお、例えば、特開平３−７０８４９号公報の「内燃機関の排気浄化装置」には、排気通路に三元触媒を設け、その下流側に酸素濃度に応じた起電力を出力する２個の検出素子を有する診断センサを設け、一方の検出素子にのみ窒素酸化物還元触媒層を設け、２個の検出素子の起電力の差に基づいて窒素酸化物排出量の異常を検出する技術が開示されている。しかしながら、この技術は、排気浄化触媒の劣化を検出するものではなく、窒素酸化物排出量の異常を検出したときに、排気還流量を制御するものでしかない。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するものであって、触媒の種類に拘らず劣化状態を高精度に検出可能とした排気浄化触媒の劣化検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために請求項１の発明の排気浄化触媒の劣化検出装置では、内燃機関の排気通路に排気浄化触媒を設け、この排気浄化触媒の上流側に、濃度検出部の周囲に酸化能力が付与されて酸化能力が排気浄化触媒と相関して劣化する第１酸素濃度センサと、濃度検出部の周囲に酸化能力が付与されていないかあるいは酸化能力が第１酸素濃度センサとは異なる第２酸素濃度センサとを設け、劣化判定手段が第１酸素濃度センサの出力と第２酸素濃度センサの出力とに基づいて排気浄化触媒の劣化を判定するようにしている。
【０００９】
従って、酸素濃度センサの濃度検出部の周囲に酸化能力を付与すると、水素の存在下でセンサ出力特性が酸素希薄（酸素濃度が低い）側にシフトする現象を抑制することができるが、上記した第１酸素濃度センサと第２酸素濃度センサとでは濃度検出部の周囲の酸化能力が異なるため、両センサのシフト抑制量は異なってセンサ出力特性に差が生じる。しかしながら、第１酸素濃度センサの濃度検出部の周囲に付与された酸化能力が劣化すると、両センサの出力特性の差が変化する。そして、このような状況を発生させる酸化能力の劣化は排気浄化触媒の劣化と相関しているため、第１、第２酸素濃度センサの出力に基づいて排気浄化触媒の劣化を精度良く検出することができる。また、排気浄化触媒の酸素ストレージ能力の低下を検出して劣化検出するものではないため、酸素ストレージ能力ほとんど有していない排気浄化触媒に対しても、有効に劣化を検出することができる。
【００１０】
なお、好ましい態様として、劣化判定手段は、排気浄化触媒に流入する排気が還元雰囲気、例えば、排気中の水素濃度が高い特定運転状態であるときに劣化判定を実行することで、的確に触媒劣化を判定できる。また、第２酸素濃度センサは、濃度検出部の周囲に酸化能力が付与されていないかあるいは酸化能力が第１酸素濃度センサに対して劣るもので、劣化判定手段が両センサの出力特性差が所定の基準値より小さくなったときに排気浄化触媒が劣化したと判定することで、的確に触媒劣化を判定できる。
【００１１】
更に、第１酸素濃度センサの出力に基づいて内燃機関のフィードバック制御を行う手段を有すると共に、第２酸素濃度センサは濃度検出部の周囲に酸化能力が付与されていないものとすることで、ストイキ点の検出が容易な第１酸素濃度センサの出力に基づいて高精度なフィードバック制御が可能となるし、触媒劣化の検出用として追加される第２酸素濃度センサには酸化能力を付与する必要がないため、安価なものとしてコストの上昇を抑制できる。また、第１酸素濃度センサは濃度検出部の周囲に排気浄化触媒と同様の触媒を設けて酸化能力を付与することにより、排気浄化触媒と第１酸素濃度センサに設けられた触媒との劣化を完全に相関させることが可能となり、精度良く排気浄化触媒の劣化を検出できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１６】
図１に本発明の第１実施形態に係る排気浄化触媒の劣化検出装置を適用した内燃機関の排気浄化装置の概略構成、図２に第１Ｏ2 センサの要部断面、図３に第２Ｏ2 センサの要部断面、図４に本実施形態の排気浄化触媒の劣化検出装置による劣化検出制御を表すフローチャート、図５に空燃比に対するＯ2 センサの出力電圧を表すグラフを示す。
【００１７】
本実施形態の内燃機関（以下、エンジンと称する。）は、例えば、燃料噴射モード（運転モード）を切換えることで、吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）または圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実施可能な筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンである。そして、この筒内噴射型のエンジン１１は、容易にして理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能となっており、特に圧縮行程噴射モードでは、超リーン空燃比での運転が可能となっている。
【００１８】
本実施形態において、図１に示すように、エンジン１１のシリンダヘッド１２には、各気筒毎に点火プラグ１３と共に電磁式の燃料噴射弁１４が取付けられており、この燃料噴射弁１４によって燃焼室１５内に燃料を直接噴射可能となっている。この燃料噴射弁１４には、図示しない燃料パイプを介して燃料供給装置（燃料ポンプ）が接続されており、燃料タンク内の燃料が高燃圧で供給され、この燃料を燃料噴射弁１４から燃焼室１５内に向けて所定の燃圧で噴射する。この際、燃料噴射量は燃料ポンプの燃料吐出圧と燃料噴射弁１４の開弁時間（燃料噴射時間）とから決定される。
【００１９】
シリンダヘッド１２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１６の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１６の他端にはドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）方式の電動スロットル弁１７が接続されており、図示しないアクセルペダルにはアクセル開度θthを検出するアクセル開度センサが設けられている。また、シリンダヘッド１２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１９の一端がそれぞれ接続されている。
【００２０】
そして、エンジン１１には、クランク角を検出するクランク角センサ２０が設けられており、このクランク角センサ２０はエンジン回転速度Ｎｅを検出可能となっている。なお、上述した筒内噴射型エンジン１１は既に公知のものであり、その構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
【００２１】
また、エンジン１１の排気マニホールド１９には排気管（排気通路）２１が接続されており、この排気管２１にはエンジン１１に近接した小型の三元触媒２２及び排気浄化触媒装置２３を介して図示しないマフラーが接続されている。そして、この排気管２１における近接三元触媒２２と排気浄化触媒装置２３との間の部分には、排気浄化触媒装置２３の直上流、即ち、後述する吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の直上流に排気温度を検出する高温センサ２４が設けられている。
【００２２】
この近接三元触媒２２は、エンジン１１の冷態始動時に排気ガスによって加熱して早期に活性化させると共に、排気空燃比が理論空燃比近傍のときに排気ガス中の有害物質（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ）を浄化するものであり、貴金属として白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等を有した触媒となっている。そして、この近接三元触媒２２は、その下流側に設けた吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の放出還元時に還元剤としてのＣＯが酸化されるのを防止するため、酸素ストレージ機能が低くなるようにセリア等の添加剤の含有量が抑制されている。
【００２３】
また、排気浄化触媒装置２３は、排気空燃比がリーン空燃比のときに排気ガス中にＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ低減機能と、排気空燃比が理論空燃比近傍のときに排気ガス中の有害物質（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ）を浄化する三元機能とをもたせるために、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５と三元触媒２６との２つの触媒を有して構成されており、三元触媒２６の方が吸蔵型ＮＯｘ触媒２５よりも下流側に配設されている。この三元触媒２６は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５から吸蔵されたＮＯｘが放出された際に吸蔵型ＮＯｘ触媒２５自身で還元しきれなかったＮＯｘを還元する役目も行っている。
【００２４】
なお、この排気浄化触媒装置２３は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がＮＯｘを還元し、ＨＣとＣＯを酸化する三元触媒の機能（ここでは、三元機能と称する。）を十分有している場合には、この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５だけとして吸蔵型ＮＯｘ触媒と三元触媒の一体型としてもよい。この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸化雰囲気においてＮＯｘを一旦吸蔵させ（ＮＯｘ低減機能）、主としてＣＯの存在する還元雰囲気中においてＮＯｘを放出してＮ2 （窒素）等に還元させる還元機能を持つものである。詳しくは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、貴金属として白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等を有した触媒として構成されており、吸蔵材としてはバリウム（Ｂａ）等のアルカリ金属、アルカリ土類金属が採用されている。
【００２５】
そして、近接三元触媒２２の上流側に位置して第１Ｏ2 センサ（第１酸素濃度センサ）２７と第２Ｏ2 センサ（第２酸素濃度センサ）２８が設けられている。これら各Ｏ2 センサ２７，２８は排気中の酸素濃度を検出するものであり、酸素量が多いときには小さな電圧値を出力するように構成されている。つまり、各Ｏ2 センサ２７，２８の出力特性は、酸素がほとんど存在せずに還元剤のＣＯ、ＨＣ、Ｈ2 等が多く存在するリッチ空燃比雰囲気で大きく、ストイキ雰囲気で特性が切り替わり、酸素過剰状態にあるリーン空燃比雰囲気では小さくなるようにされている。そして、後述するが、第１Ｏ2 センサ２７は濃度検出部の周囲に酸化能力が付与され、その酸化能力が三元触媒２２と相関して劣化する特性を有する一方、第２Ｏ2 センサ２８は濃度検出部の周囲に酸化能力が付与されておらず、酸化能力が第１Ｏ2 センサ２７とは異なる特性となっている。この場合、第１Ｏ2 センサ２７はエンジン１１から排出される排気ガスの酸素濃度を検出し、空燃比を理論空燃比にフィードバック制御する際に使用される。
【００２６】
更に、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を有するＥＣＵ（電子コントロールユニット）２９が設けられており、このＥＣＵ２９によりエンジン１１を含めた本実施形態の排気浄化装置の総合的な制御が行われる。即ち、ＥＣＵ２９の入力側には、上述した高温センサ２４や第１、第２Ｏ2 センサ２７，２８等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。一方、ＥＣＵ２９の出力側には、点火コイルを介して上述した点火プラグ１３や燃料噴射弁１４等が接続されており、これら点火コイル、燃料噴射弁１４等には、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量や点火時期等の最適値がそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁１４から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ１３によって適正なタイミングで点火が実施される。
【００２７】
実際に、ＥＣＵ２９では、図示しないアクセル開度センサからのアクセル開度情報θthとクランク角センサ２０からのエンジン回転速度情報Ｎｅとに基づいてエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち目標平均有効圧Ｐｅを求めるようにされており、更に、この目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射モードを設定するようにされている。例えば、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとが共に小さいときには、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Ｐｅが大きくなり、あるいはエンジン回転速度Ｎｅが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。
【００２８】
そして、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとから制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。また、高温センサ２４により検出された排気温度情報からは触媒温度Ｔcat が推定される。詳しくは、高温センサ２４と吸蔵型ＮＯｘ触媒２５とが多少なりとも離れて配置されていることに起因する誤差を補正するために、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて温度差マップが予め実験等により設定されており、触媒温度Ｔcat は、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとが決まると一義に推定されるようにされている。
【００２９】
従って、このように構成された本実施形態の内燃機関の排気浄化装置にて、排気浄化触媒装置２３の吸蔵型ＮＯｘ触媒２５では、リーンモードにおける超リーン燃焼運転時のような酸素濃度過剰雰囲気で、排気中のＮＯｘが硝酸塩として吸蔵されて排気の浄化が行われる。一方、酸素濃度が低下した雰囲気では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵した硝酸塩と排気中のＣＯとが反応して炭酸塩が生成されると共にＮＯｘが放出される。従って、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５へのＮＯｘの吸蔵が進むと、空燃比のリッチ化あるいは追加の燃料噴射を行うなどして酸素濃度を低下させてＣＯを供給し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出させて機能を再生する（ＮＯｘパージ）。
【００３０】
また、燃料中にはイオウ（Ｓ）成分が含まれており、このＳ成分は酸素と反応して硫黄酸化物（ＳＯｘ）となり、このＳＯｘがＮＯｘの代わりに硫酸塩として硝酸塩の代わりに吸蔵型ＮＯｘ触媒に吸蔵されてしまい、触媒のＮＯｘ浄化効率が低下する。吸蔵型ＮＯｘ触媒に吸蔵された硫酸塩は硝酸塩より安定であるためにＮＯｘ触媒２５へのＳＯｘの吸蔵量が進むと、吸蔵型ＮＯｘ触媒を高温とした状態で空燃比を一時的にリッチ化してＳＯｘを放出することで、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の機能を再生する（ＳＯｘパージ）。
【００３１】
一方、三元触媒２２は排気ガス中の有害物質（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ）を浄化するものであるが、経時的に劣化してしたり、触媒が高温となったときに劣化することがある。そこで、経時的に変化するこの三元触媒２２の処理能力を把握しながら、その処理能力に応じた内燃機関を燃焼制御を実行して排気ガス特性を向上する必要がある。
【００３２】
そこで、本実施形態にあっては、前述したように、第１Ｏ2 センサ２７の濃度検出部の周囲に酸化能力を付与する一方、第２Ｏ2 センサ２８の濃度検出部の周囲には酸化能力を付与せず、両センサ２７，２８が異なる出力特性となるように構成し、第１Ｏ2 センサ２７が検出した酸素濃度から排気ガスが還元（リッチまたはストイキ）雰囲気であることを検出し、ＥＣＵ２９は、第１、第２Ｏ2 センサ２７，２８の出力特性の差が所定の基準値より小さくなったときに、三元触媒２２の劣化を判定（劣化判定手段）するようにしている。
【００３３】
即ち、Ｏ2 センサは排気ガスに含まれる酸素量を測定するものであるが、ストイキあるいはリッチ空燃比でのエンジン１１の運転中には、排気ガス中に酸素以外に水素が存在している。水素は酸素より分子が小さく、Ｏ2 センサの電極保護層を拡散する速度が速いため、水素は酸素より早く多量にこの電極保護層に到達してＯ2 センサの出力特性は酸素希薄（酸素濃度が低い）側にシフトする。そこで、このＯ2 センサの電極保護層の表面に酸化能力を有する触媒層を設けると、水素がこの触媒層により酸化されるため、センサ出力特性が酸素希薄側にシフトする現象を抑制することができる。
【００３４】
そして、本実施形態のように、第１Ｏ2 センサ２７の濃度検出部のみに触媒層（酸化能力）を付与すると、第２Ｏ2 センサ２８とのシフト量が異なってセンサ出力特性に差が生じる。しかしながら、時間の経過に伴って、第１Ｏ2 センサ２７の触媒層が劣化すると、両センサ２７，２８の出力特性の差が減少する。この場合、第１Ｏ2 センサ２７の触媒層は三元触媒２２と相関して劣化する特性を有するものであるため、このような状況を発生させる触媒層の劣化は三元触媒２２の劣化を表すものであり、この第１、第２Ｏ2 センサ２７，２８の出力に基づいて三元触媒２２の劣化を精度良く検出することができる。
【００３５】
ここで、第１、第２Ｏ2 センサ２７，２８の構造を詳細に説明する。第１Ｏ2 センサ２７は、図２に示すように、ハウジング３１内にコップ型の検出素子３２が取付けられ、この検出素子３２の周囲に素子カバー３３が取付けられている。この検出素子３２は、ジルコニア固体電解質３４の内側に内側電極（大気側Ｐｔ電極）３５が装着され、外側に外側電極（排気側電極）３６が装着されると共に、この外側電極３６の外側に電極保護層（セラミック等のコーティング）３７が付与され、更にこの電極保護層３７の外側に三元触媒２２と相関して劣化する特性を有する触媒層（酸化能力）３８が付与されて構成されており、具体的には、三元触媒２２と同様の触媒が使用される。従って、内側電極３５に高酸素濃度の大気を導入し、触媒層３８に低酸素濃度の排気ガスを導入すると、ジルコニア固定電解質３４が内外面の酸素濃度差に応じて起電力を発生し、この起電力に基づいて酸素濃度を検出するが、排気ガス中に水素が含有していると触媒層３８にて酸化される。
【００３６】
一方、第２Ｏ2 センサ２８は触媒層３８が設けられていない点以外は第１Ｏ2 センサ２７とほぼ同様の構成をなし、図３に示すように、ハウジング３１内にコップ型の検出素子３２が取付けられ、この検出素子３２の周囲に素子カバー３３が取付けられている。この検出素子３２は、ジルコニア固体電解質３４の内側に内側電極３５が装着され、外側に外側電極３６が装着され、この外側電極３６の外側に電極保護層３７が付与されて構成されている。従って、内側電極３５に高酸素濃度の大気を導入し、外側電極３６に低酸素濃度の排気ガスを導入すると、ジルコニア固定電解質３４が内外面の酸素濃度差に応じて起電力を発生して酸素濃度を検出する。
【００３７】
ここで、本実施形態の排気浄化触媒の劣化検出装置による制御を図４に示すフローチャートに基づいて詳細に説明する。図４に示すように、まず、ステップＳ１では、第１、第２Ｏ2 センサ２７，２８の出力値を読み込み、ステップＳ２では、空燃比がストイキまたはリッチ空燃比かどうかを判定する。この空燃比の判定は、第１Ｏ2 センサ２７が検出した出力値、つまり、酸素濃度から検出し、排気ガスの空燃比が酸化（リーン）雰囲気であればそのままリターンし、ストイキまたはリッチ空燃比であれば、ステップＳ３に移行する。なお、この空燃比制御にて、第１Ｏ2 センサ２７が故障した場合には、第２Ｏ2 センサ２８が検出した出力値を用いる。
【００３８】
そして、このステップＳ３では、触媒層３８が付与された第１Ｏ2 センサ２７と触媒層のない第２Ｏ2 センサ２８とのセンサ出力値の差が所定値以下であるかどうかを判定する。即ち、前述したように、エンジン１１から排出された排気ガスにはストイキあるいはリッチ空燃比にて酸素と共に水素等の還元剤が存在している。図５に示すように、第１Ｏ2 センサ２７は触媒層３８が付与されているため、水素がこの触媒層３８にて酸化され、ジルコニア固定電解質３４は内外面の酸素濃度差に応じて適正な起電力を発生し、精度良く酸素濃度を検出できる。一方、第２Ｏ2 センサ２８は触媒層が付与されていないため、水素が酸素より早く電極保護層３７に付着し、適正な起電力を発生することができず、酸素濃度は希薄側にシフトし、各Ｏ2 センサ２７，２８のセンサ出力特性に差が生じる。
【００３９】
この場合、第１Ｏ2 センサ２７の触媒層３８は三元触媒２２と相関して劣化する特性を有しているため、ステップＳ３にて、第１Ｏ2 センサ２７と第２Ｏ2 センサ２８とのセンサ出力値の差が所定値より大きければ、第１Ｏ2 センサ２７の触媒層３８、つまり、三元触媒２２は劣化していないと判定してそのままリターンする。
【００４０】
しかしながら、第１Ｏ2 センサ２７の触媒層３８が劣化すると、この触媒層３８が水素を酸化することができず、第１Ｏ2 センサ２７の出力特性が第２Ｏ2 センサ２８の出力特性に近似し、両センサ２７，２８の出力特性の差が減少する。従って、ステップＳ３では、各Ｏ2 センサ２７，２８のセンサ出力値の差が所定値以下であれば、ステップＳ４にて、第１Ｏ2 センサ２７の触媒層３８の劣化、つまり、三元触媒２２の劣化を判定し、ステップＳ５にて、計器盤のエンジンチェックランプ３０を点灯することにより運転者に認識させる。これにより運転者は整備工場等で劣化触媒の交換等の措置をとることができる。
【００４１】
このように本実施形態の内燃機関の排気浄化装置では、排気管２１に三元触媒２２より上流側に位置して第１、第２Ｏ2 センサ２７，２８を設け、第１Ｏ2 センサ２７の濃度検出部の周囲に三元触媒２２の劣化と相関して劣化する触媒層（酸化能力）３８を付与しており、排気ガスが還元雰囲気のとき、この各Ｏ2 センサ２７，２８の出力特性の差が所定値以下となれば、三元触媒２２の劣化を判定し、エンジンチェックランプ３０を点灯して運転者に認識させるようにしている。このように触媒層３８を有する第１Ｏ2 センサ２７の検出値の変化に基づいて、三元触媒２２の排気浄化能力の低下を的確に判定することができる。
【００４２】
図６に本発明の第２実施形態に係る排気浄化触媒の劣化検出装置を適用した内燃機関の排気浄化装置の概略構成、図７に本実施形態の排気浄化触媒の劣化検出装置による劣化検出制御を表すフローチャート、図８に空燃比に対するＯ2 センサの出力電圧を表すグラフを示す。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００４３】
本実施形態において、図６に示すように、近接三元触媒２２の下流側であって吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の上流側に位置して第１Ｏ2 センサ２７と第２Ｏ2 センサ２８が設けられている。そして、第１Ｏ2 センサ２７は濃度検出部の周囲に触媒層（酸化能力）が付与される一方、第２Ｏ2 センサ２８は濃度検出部の周囲に酸化能力が付与されておらず、酸化能力が第１Ｏ2 センサ２７とは異なる特性となっている。従って、第１Ｏ2 センサ２７が検出した酸素濃度から排気ガスが還元（リッチまたはストイキ）雰囲気であることを検出し、第１、第２Ｏ2 センサ２７，２８の出力特性の差が所定の基準値より大きくなったときに、三元触媒２２の劣化を判定するようにしている。なお、この第１Ｏ2 センサ２７に付与する触媒層は三元触媒２２との劣化度合の相関は低くてもよく、この三元触媒２２より劣化しにくい触媒のほうが第２Ｏ2 センサ２８との酸素濃度出力の差がより大きく出るので好ましい。また、第１Ｏ2 センサ２７は排気ガスの酸素濃度を検出し、空燃比を理論空燃比にフィードバック制御する際に使用される。
【００４４】
即ち、ストイキあるいはリッチ空燃比でのエンジン１１の運転中には、排気ガス中に水素が存在しており、Ｏ2 センサの出力特性は酸素希薄側にシフトするが、このＯ2 センサの電極保護層の表面に酸化能力を有する触媒層を設けると、水素がこの触媒層により酸化されるため、センサ出力特性が酸素希薄側にシフトする現象を抑制することができる。しかしながら、本実施形態のように、第１Ｏ2 センサ２７の濃度検出部のみに触媒層（酸化能力）３８を付与しても、この第１、第２Ｏ2 センサ２７，２８の上流側に酸化能力を有する三元触媒２２が設けられていると、この三元触媒２２が正常に排気ガス（水素などの酸化対象成分）を処理していれば、各Ｏ2 センサ２７，２８にはこの水素が到来しないので、２つのＯ2 センサ２７，２８の出力特性の差はほとんど生じない。
【００４５】
これに対して時間の経過に伴って、三元触媒２２の酸化能力が低下すると、第１、第２Ｏ2 センサ２７，２８に多くの水素が到達することとなり、２つのＯ2 センサ２７，２８の出力特性に差が発生する。そのため、第１、第２Ｏ2 センサ２７，２８の出力に基づいてこのような状況を判定することで、三元触媒２２のの劣化を精度良く検出することができる。
【００４６】
ここで、本実施形態の排気浄化触媒の劣化検出装置による制御を図７に示すフローチャートに基づいて詳細に説明する。図７に示すように、まず、ステップＳ１１では、第１、第２Ｏ2 センサ２７，２８の出力値を読み込み、ステップＳ１２では、第１Ｏ2 センサ２７が検出した出力値に基づいて空燃比がストイキまたはリッチ空燃比かどうかを判定し、空燃比がストイキまたはリッチ空燃比であれば、ステップＳ１３に移行する。
【００４７】
このステップＳ１３では、触媒層が付与された第１Ｏ2 センサ２７と触媒層のない第２Ｏ2 センサ２８とのセンサ出力値の差が所定値以上であるかどうかを判定する。即ち、エンジン１１から排出された排気ガスにはストイキあるいはリッチ空燃比にて酸素と共に水素等の還元剤が存在している。しかし、第１、第２Ｏ2 センサ２７，２８の上流側に三元触媒２２が設けられているため、図８に示すように、水素がこの三元触媒２２にて酸化され、第１、第２Ｏ2 センサ２７，２８は適正な起電力を発生し、精度良く酸素濃度を検出できる。従って、ステップＳ１３にて、第１、第２Ｏ2 センサ２７，２８とのセンサ出力値の差が所定値より小さければ、三元触媒２２は劣化していないと判定してそのままリターンする。
【００４８】
しかしながら、三元触媒２２が劣化すると水素を酸化することができず、三元触媒２２を通過した水素が各Ｏ2 センサ２７，２８に到達する。このとき、第１Ｏ2 センサ２７は触媒層が水素を酸化して適正な起電力を発生し、精度良く酸素濃度を検出できる。一方、第２Ｏ2 センサ２８は触媒層が付与されていないため、水素が酸素より早く電極保護層に付着し、適正な起電力を発生することができず、酸素濃度は希薄側にシフトし、第１Ｏ2 センサ２７の出力特性と第２Ｏ2 センサ２８の出力特性とに差が生じる。従って、ステップＳ１３では、各Ｏ2 センサ２７，２８のセンサ出力値の差が所定値以上であれば、ステップＳ１４にて、三元触媒２２の劣化を判定し、ステップＳ１５にて、計器盤のエンジンチェックランプ３０を点灯することにより運転者に認識させる。これにより運転者は整備工場等で劣化触媒の交換等の措置をとることができる。
【００４９】
このように本実施形態の内燃機関の排気浄化装置では、排気管２１に三元触媒２２により下流側に位置して第１、第２Ｏ2 センサ２７，２８を設け、第１Ｏ2 センサ２７の濃度検出部の周囲に触媒層（酸化能力）を付与しており、排気ガスが還元雰囲気のとき、この各Ｏ2 センサ２７，２８の出力特性の差が所定値以上となれば、三元触媒２２の劣化を判定し、エンジンチェックランプ３０を点灯して運転者に認識させるようにしている。このように触媒層のない第２Ｏ2 センサ２８の検出値の変化に基づいて、三元触媒２２の排気浄化能力の低下を的確に判定することができる。
【００５０】
なお、上述した各実施形態では、三元触媒２２の劣化判定を空燃比がストイキまたはリッチ空燃比のときに行ったが、水素が発生する運転状態であれば三元触媒２２の劣化判定を行うことができるものであり、例えば、空燃比がリーン空燃比である酸化雰囲気でもよい。また、エンジン１１の始動時には、燃焼が不完全燃焼状態となり、水素が発生しやすくＯ2 センサのセンサ出力特性が酸素希薄側にシフトする現象となるため、このような運転状態のときに劣化判定を行ってもよい。
【００５１】
また、上述した各実施形態では、三元触媒２２の上流側あるいは下流側に第１、第２Ｏ2 センサ２７，２８を設けて排気ガスの酸素濃度を検出したが、Ｏ2 センサに代えてリニアＡ／Ｆセンサを用いてもよい。また、第１、第２Ｏ2 センサ２７，２８が検出した排気ガスの酸素濃度の差に基づいて三元触媒２２の劣化を判定したが、両Ｏ2 センサ２７，２８が検出した排気ガスの酸素濃度の比に基づいて三元触媒２２の劣化を判定してもよい。そして、２つのＯ2 センサ２７，２８の相対的な装着位置も両Ｏ2 センサ２７，２８が三元触媒２２の上流側あるいは下流側の一方に配設されていればよく、排気ガスの流れる方向に対して上下流方向に並設しても、平行に配設してもよい。
【００５２】
更に、上述の各実施形態では、三元触媒２２の上流側あるいは下流側に第１、第２Ｏ2 センサ２７，２８を設けて排気ガスの酸素濃度に基づいてこの三元触媒２２の劣化を判定したが、三元触媒２２に拘らず、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）イリジウム（Ｉｒ）など多少であっても酸化能力を有する触媒であれば対応することができ、例えば、酸化触媒、吸蔵型ＮＯｘ触媒、吸着型ＮＯｘ触媒、選択還元型ＮＯｘ触媒などに適用して劣化を適正に判定することができる。また、セリア等の添加剤による酸素ストレージ機能を有しない三元触媒２２に対して劣化判定を行うように構成したが、もちろん、この添加剤が添加されて酸素ストレージ機能を有する触媒に対して適用することもできる。
【００５３】
また、上述の各実施形態では、酸化能力が付与されていない第２Ｏ2 センサを設けたが、第１Ｏ2 センサと特性が異なるものであれば、酸化能力が付与された第２Ｏ2 センサを使用してもよい。また、エンジンについても、上述の実施形態にような筒内噴射型エンジンに限らず、吸気管噴射型リーンバーンエンジンでもよいし、リーンバーンエンジンでなくてもよく、ディーゼルエンジンにも適用できる。
【００５４】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明の排気浄化触媒の劣化検出装置によれば、排気浄化触媒の上流側に、濃度検出部の周囲に酸化能力が付与されて酸化能力が排気浄化触媒と相関して劣化する第１酸素濃度センサと、濃度検出部の周囲に酸化能力が付与されていないかあるいは酸化能力が第１酸素濃度センサとは異なる第２酸素濃度センサとを設け、劣化判定手段が各酸素濃度センサの出力に基づいて排気浄化触媒の劣化を判定するようにしたので、第１酸素濃度センサは酸化能力により出力特性が酸素希薄側にシフトする現象を抑制することができるために第２酸素濃度センサの出力特性との間に差が生じるが、第１酸素濃度センサの酸化能力が劣化すると、両センサの出力特性の差が変化するため、この状況に基づいて排気浄化触媒の劣化を精度良く検出することができ、この場合、排気浄化触媒の酸素ストレージ能力の低下を検出して劣化検出するものではないため、酸素ストレージ能力ほとんど有していない排気浄化触媒に対しても、有効に劣化を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る排気浄化触媒の劣化検出装置を適用した内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】第１Ｏ2 センサの要部断面図である。
【図３】第２Ｏ2 センサの要部断面図である。
【図４】第１実施形態の排気浄化触媒の劣化検出装置による劣化検出制御を表すフローチャートである。
【図５】第１実施形態における空燃比に対するＯ2 センサの出力電圧を表すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態に係る排気浄化触媒の劣化検出装置を適用した内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図７】第２実施形態の排気浄化触媒の劣化検出装置による劣化検出制御を表すフローチャートである。
【図８】第２実施形態における空燃比に対するＯ2 センサの出力電圧を表すグラフである。
【符号の説明】
１１  エンジン
２１  排気管（排気通路）
２２  三元触媒（排気浄化触媒）
２３  排気浄化触媒装置
２５  吸蔵型ＮＯｘ触媒
２７  第１Ｏ2 センサ（第１酸素濃度センサ）
２８  第２Ｏ2 センサ（第２酸素濃度センサ）
２９  電子コントロールユニット，ＥＣＵ（劣化判定手段）
３０  エンジンチェックランプ
３８  触媒層（酸化能力）
【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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