(57)【要約】【課題】上流のマニホールド触媒にかかわらず、下流の床下触媒の劣化判定を正確に行うことができる内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定装置及び触媒劣化判定方法を提供する。【解決手段】内燃機関１０の排気通路３０に設けられる第１触媒３１と、第１触媒３１よりも排気通路３０の下流に設けられる第２触媒３２と、第１触媒３１の劣化状態を検出する第１触媒状態検出手段（Ｓ１０，Ｓ２０）と、検出した第１触媒の劣化状態に基づいて、第２触媒の劣化基準値を設定する劣化基準値設定手段（Ｓ５０）と、第２触媒３２の劣化状態を検出する第２触媒状態検出手段（Ｓ６０）と、検出した第２触媒の劣化状態と、設定した第２触媒の劣化基準値とを比較して、第２触媒の劣化を判定する第２触媒劣化判定手段（Ｓ７０）とを備える。【選択図】図３
2007009889.tif 000002
【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る第１の触媒と、
前記第１の触媒よりも排気通路の下流に設けられる第２の触媒と、
前記第１の触媒の劣化状態を検出する第１触媒状態検出手段と、
検出した第１の触媒の劣化状態に基づいて、前記第２の触媒の劣化基準値を設定する劣化基準値設定手段と、
前記第２の触媒の劣化状態を検出する第２触媒状態検出手段と、
検出した第２の触媒の劣化状態と、設定した第２の触媒の劣化基準値とに基づいて、前記第２の触媒の劣化を判定する第２触媒劣化判定手段と、
を備える内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定装置。
【請求項２】
前記劣化基準値設定手段は、前記第１の触媒が劣化しているほど、第２の触媒の劣化を判定しにくくなるように劣化基準値を設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定装置。
【請求項３】
前記第１の触媒の上流に配置され、第１の触媒に流入する排ガスの空燃比を検出する第１空燃比センサと、
前記第１の触媒と第２の触媒の間に配置され、第１の触媒から流出し第２の触媒に流入する排ガスの空燃比を検出する第２空燃比センサと、
前記第２の触媒の下流に配置され、第２の触媒から流出する排ガスの空燃比を検出する第３空燃比センサと、
を備え、
前記第１触媒状態検出手段は、前記第１空燃比センサ及び第２空燃比センサに基づいて、前記第１の触媒の劣化状態を検出し、
前記第２触媒状態検出手段は、前記第２空燃比センサ及び第３空燃比センサに基づいて、前記第２の触媒の劣化状態を検出する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定装置。
【請求項４】
前記第２の触媒の内部温度を検出する第２触媒温度検出手段を備え、
前記劣化基準値設定手段は、前記第２の触媒の内部温度が高いほど、第２の触媒の劣化を判定しやすくなるように劣化基準値を設定する、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定装置。
【請求項５】
内燃機関の排気通路に設けられる第１の触媒の劣化状態を検出する第１触媒状態検出工程と、
検出した第１の触媒の劣化状態に基づいて、その第１の触媒よりも排気通路の下流に設けられる第２の触媒の劣化基準値を設定する劣化基準値設定工程と、
前記第２の触媒の劣化状態を検出する第２触媒状態検出工程と、
検出した第２の触媒の劣化状態と、設定した第２の触媒の劣化基準値とに基づいて、前記第２の触媒の劣化を判定する第２触媒劣化判定工程と、
を備える内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用排気浄化システムの触媒の劣化を判定する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気浄化性能を向上させるために、排気通路に２つの触媒（マニホールド触媒及び床下触媒）を配置する排気浄化装置がある。このような排気浄化装置では、マニホールド触媒の上流に第１空燃比センサを配し、マニホールド触媒及び床下触媒の間に第２空燃比センサを配し、床下触媒の下流に第３空燃比センサを配する。そして、第１空燃比センサ及び第２空燃比センサの出力に基づいてマニホールド触媒の劣化度合を検出し、第１空燃比センサ及び第３空燃比センサの出力に基づいてマニホールド触媒及び床下触媒の劣化度合を検出し、両検出に基づいて床下触媒の劣化度合を推定していた（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平８−２１８８５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、前述した従来の排気浄化装置では、床下触媒の劣化度合の推定は、マニホールド触媒の劣化の影響を受けるので、正確に推定することができなかった。
【０００４】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、上流のマニホールド触媒にかかわらず、下流の床下触媒の劣化判定を正確に行うことができる内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定装置及び触媒劣化判定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００６】
本発明は、内燃機関（１０）の排気通路（３０）に設けられる第１の触媒（３１）と、前記第１の触媒（３１）よりも排気通路（３０）の下流に設けられる第２の触媒（３２）と、前記第１の触媒（３１）の劣化状態を検出する第１触媒状態検出手段（ステップＳ１０，Ｓ２０）と、検出した第１の触媒の劣化状態に基づいて、前記第２の触媒の劣化基準値を設定する劣化基準値設定手段（ステップＳ５０）と、前記第２の触媒（３２）の劣化状態を検出する第２触媒状態検出手段（ステップＳ６０）と、検出した第２の触媒の劣化状態と、設定した第２の触媒の劣化基準値とを比較して、前記第２の触媒の劣化を判定する第２触媒劣化判定手段（ステップＳ７０）とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、上流側の第１の触媒の劣化状態に基づいて、下流側の第２の触媒の劣化基準値を設定するようにしたので、第２の触媒が劣化しているか否かを正確に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定装置の第１実施形態を示す概略構成図である。
【０００９】
エンジン１０の吸気通路２０には、スロットル弁２１と燃料噴射弁２２とが設けられ、排気通路３０には、マニホールド触媒３１と、床下触媒３２とが設けられる。エンジン１０はコントローラ５０によって制御される。コントローラ５０はクランク角センサ（ポジションセンサ１２と位相センサ１３からなる）の信号、エアフローメータ２３の吸入空気流量の信号、水温センサ１４の信号を入力し、これらの信号に基づいて燃料噴射弁２２の燃料噴射量及び噴射時期を制御し、また点火プラグ１１による火花点火の時期を制御する。
【００１０】
コントローラ５０は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ５０を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。
【００１１】
マニホールド触媒３１は、触媒担体がセリア等の酸素貯蔵材で被覆されており、流入する排気の空燃比に応じて酸素を吸収又は放出する機能（以下「酸素ストレージ機能」という）を有するとともに、触媒雰囲気が理論空燃比付近のときに窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を同時に浄化する酸素ストレージタイプの三元触媒である。
【００１２】
マニホールド触媒３１は、酸素ストレージ量が飽和量に達したり、逆に酸素を全く保持しない状態になるとＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯの浄化効率が低下する。そこで、コントローラ５０は、マニホールド触媒３１の上流のフロント広域空燃比センサ（以下「フロントＡ／Ｆセンサ」という）４１の出力と、下流のリアＯ2センサ４２の出力とに基づいてマニホールド触媒３１の酸素ストレージ量を演算し、マニホールド触媒３１の酸素ストレージ量を一定にすることでマニホールド触媒３１の転換効率が最大となるようにエンジンの空燃比を制御する。
【００１３】
床下触媒３２は、触媒温度が低いときにＨＣを吸着（トラップ）し高くなったらＨＣを脱離するＨＣ吸着材と、触媒温度が高くなったら活性化してＨＣを酸化する三元触媒とを組み合わせたＨＣトラップ触媒である。ＨＣトラップ触媒は、触媒温度が低いときはＨＣをトラップし、触媒温度が高くなって活性化したらトラップしているＨＣを脱離しながらＣＯ2、Ｈ2Ｏに酸化する。床下触媒３２の内部温度は温度センサ４４で検出される。
【００１４】
ところで、マニホールド触媒３１及び床下触媒３２が劣化すると、排気を浄化できなくなるので、劣化度合に応じて交換しなければならない。
【００１５】
そこでコントローラ５０は、マニホールド触媒３１及び床下触媒３２の劣化を検出したら、警告ランプを点灯し、ドライバに触媒交換を促す。
【００１６】
フロントＡ／Ｆセンサ４１及びリアＯ2センサ４２の出力に基づいて、酸素ストレージタイプの三元触媒（マニホールド触媒３１）の劣化を判定する方法は公知であるが、概略次のようにして行う（詳細は例えば特表2003-524110号参照）。なお以下では酸素ストレージタイプの三元触媒を単に三元触媒という。
【００１７】
三元触媒がストレージ可能な最大酸素量（最大酸素貯蔵量）が多ければ触媒は劣化していないが、最大酸素貯蔵量が判定基準値を下回ったときは触媒は劣化したと判定する。
【００１８】
三元触媒の最大酸素貯蔵量を直接検出することはできない。そこでエアフロメータ２３、フロントＡ／Ｆセンサ４１及びリアＯ2センサ４２の出力に基づいて算出する。そこで算出方法の理解を容易にするために、まず酸素ストレージタイプの三元触媒の特性について説明する。
【００１９】
三元触媒は、酸素を迅速に貯蔵／放出する貴金属（Ｐｔ、Ｒｈ、ＰＤ等）と、酸素を緩やかに貯蔵／放出する酸素貯蔵材（セリア等）とで構成される。酸素貯蔵材は貴金属に比べて貯蔵／放出速度は遅いが、多量の酸素を貯蔵／放出することができる。
【００２０】
三元触媒で貯蔵／放出される酸素量のうち、貴金属で貯蔵／放出される酸素量を高速成分量ＨＯ２とし、酸素貯蔵材で貯蔵／放出される酸素量を低速成分量ＬＯ２として説明する。
【００２１】
三元触媒が酸素を貯蔵するときは、優先的に貴金属で行われる。すなわち、高速成分量ＨＯ２が飽和量に達するまでは低速成分量ＬＯ２はほぼゼロであり、高速成分量ＨＯ２のみが触媒に流入する排気の空燃比に応じて増加する。そして高速成分量ＨＯ２が飽和量に達した後は、酸素は酸素貯蔵材で貯蔵され、低速成分量ＬＯ２が触媒に流入する排気の空燃比に応じて増加する。
【００２２】
三元触媒が酸素を放出するときも、優先的に貴金属で行われる。すなわち、高速成分量ＨＯ２に対する低速成分量ＬＯ２の比率（ＬＯ２／ＨＯ２）が所定値に達するまでは、高速成分量ＨＯ２が触媒に流入する排気の空燃比に応じて減少する。そしてＬＯ２／ＨＯ２が所定値に達した後は、酸素は貴金属及び酸素貯蔵材から放出され、ＬＯ２／ＨＯ２が一定のまま、高速成分量ＨＯ２及び低速成分量ＬＯ２の両方が減少する。
【００２３】
三元触媒は、このような特性を有するので、コントローラは、触媒をリッチ雰囲気にして、触媒の酸素貯蔵量をゼロにする。このときリアＯ2センサ４２はリッチを出力する。次に排気空燃比をリーンにする。そしてリアＯ2センサ４２の出力がリッチからリーンに反転するまでに、触媒に流入し高速成分量ＨＯ２及び低速成分量ＬＯ２として触媒に貯蔵される酸素量をエアフロメータ２３及びフロントＡ／Ｆセンサ４１の出力に基づいて積算することで最大酸素貯蔵量を算出することができる。この最大酸素貯蔵量が判定基準値を下回るときは、三元触媒が劣化していると判定する。
【００２４】
またリアＯ2センサ４２及びサードＯ2センサ４３の出力に基づいて、触媒（床下触媒３２）の劣化の判定方法も公知であるが、概略次のようにして行う。この判定方法について図２を参照して説明する。
【００２５】
リアＯ2センサ４２の出力電圧がリッチ側スライスレベルに到達してから、リーン側スライスレベルに到達するまでの時間(ｔ３−ｔ１)を計測する。
【００２６】
またリアＯ2センサ４２の出力電圧がリッチ側スライスレベルに到達して以降であって、サードＯ2センサ４３の出力電圧がリッチ側スライスレベルに到達してから、リーン側スライスレベルに到達するまでの時間(ｔ４−ｔ２)を計測する。
【００２７】
そこで劣化判定パラメータHCCATNG#として以下を算出する。
【００２８】
【数１】
2007009889.tif 000003
【００２９】
この劣化判定パラメータHCCATNG#が判定基準値HCCATNGを下回るときは、触媒（床下触媒３２）が劣化していると判定する。
【００３０】
続いてコントローラ５０の具体的な制御ロジックについてフローチャートに沿って説明する。
【００３１】
図３は、第１実施形態の触媒劣化判定装置の動作を説明するフローチャートである。
【００３２】
コントローラ５０は、フロントＡ／Ｆセンサ４１、リアＯ2センサ４２及びサードＯ2センサ４３が活性化したことを検出したら、以下の制御を開始する。なお活性化したか否かは、エンジン始動後の時間に基づいて、又はセンサの出力電圧に基づいて判定する。またコントローラ５０は、キーオン状態でかつ、フロントＡ／Ｆセンサ４１、リアＯ2センサ４２及びサードＯ2センサ４３が活性化している間は、例えば１０ミリ秒ごとに繰り返し本制御を実行する。
【００３３】
ステップＳ１０では、コントローラ５０は、マニホールド触媒３１の最大酸素貯蔵量(劣化判定パラメータ)MANIAGE#を算出する。
【００３４】
ステップＳ２０では、コントローラ５０は、最大酸素貯蔵量MANIAGE#に基づいてマニホールド触媒３１の劣化レベルを分類する。具体的には図４に基づいて劣化レベルを１〜８までの８段階に分類する。
【００３５】
ステップＳ３０では、コントローラ５０は、マニホールド触媒３１の劣化レベルが劣化レベル８であるか否かを判定する。劣化レベル８であるときにはステップＳ４０へ進んでからステップＳ５０へ進み、劣化レベル８以外であればステップＳ４０へ進むことなくステップＳ５０へ進む。
【００３６】
ステップＳ４０では、コントローラ５０は、マニホールド触媒劣化警告ランプを点灯する。
【００３７】
ステップＳ５０では、マニホールド触媒３１の劣化レベルに基づいて床下触媒劣化基準値(HCCATNG)を設定する。具体的には図４に基づいて劣化レベルに応じて床下触媒劣化基準値(HCCATNG)を設定する。図４について補足説明すると、マニホールド触媒３１がほとんど劣化していないにもかかわらず（例えば劣化レベル１）、床下触媒３２の劣化が検出されるときには床下触媒３２自体が劣化している。そこで床下触媒３２の劣化パラメータHCCATNG#の変動を早めに検出できるように、床下触媒劣化基準値(HCCATNG)を小さめに設定する。一方、マニホールド触媒３１の劣化レベルが進んでいるときには（例えば劣化レベル７）、本来床下触媒３２は劣化していないにもかかわらず、床下触媒３２の劣化パラメータHCCATNG#の変動が生じている可能性がある。そこで床下触媒３２の劣化パラメータHCCATNG#の変動検出が早すぎてしまうことを防止するために、床下触媒劣化基準値(HCCATNG)を大きめに設定する。
【００３８】
ステップＳ６０では、コントローラ５０は、床下触媒３２の劣化パラメータHCCATNG#を算出する。具体的には上述の式(１)に基づいて算出する。
【００３９】
ステップＳ７０では、コントローラ５０は、劣化パラメータHCCATNG#が劣化判定値HCCATNGを上回っているか否かを判定する。下回ったらステップＳ８０へ進む。
【００４０】
ステップＳ８０では、コントローラ５０は、床下触媒劣化警告ランプを点灯する。
【００４１】
本実施形態によれば、床下触媒３２の劣化判定値(HCCATNG)を、マニホールド触媒３１の劣化レベルに基づいて変更するようにした。したがって床下触媒３２が劣化しているか否かを正確に検出することができ、床下触媒の交換タイミングを正しく判定することができる。
【００４２】
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態の触媒劣化判定装置の動作を説明するフローチャートである。
【００４３】
なお以下では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００４４】
本実施形態では、ステップＳ５０で、マニホールド触媒３１の劣化レベルに基づいて床下触媒劣化基準値(HCCATNG)を設定した後、ステップＳ５１で床下触媒３２の内部温度CATBED#を検出する。そしてステップＳ５２で図６の特性図に基づいて補正係数NGTHOS#を求め、ステップＳ５３でそのNGTHOS#で床下触媒劣化基準値(HCCATNG)を補正する。なお補正係数NGTHOS#を求める際の内部温度は、診断中の平均値を使用するとよい。
【００４５】
本実施形態によれば、床下触媒３２の内部温度CATBED#をも考慮するようにしたので、床下触媒３２が劣化しているか否かを一層正確に検出することができる。
【００４６】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【００４７】
例えば上記実施形態では床下触媒としてＨＣトラップ触媒を例示して説明したが、触媒の種類はそれに限られず、ＮＯｘトラップ触媒などのその他の触媒であってもよい。
【００４８】
また上記実施形態では、マニホールド触媒３１の劣化判定は、マニホールド触媒３１の上流のフロントＡ／Ｆセンサ４１と、下流のリアＯ2センサ４２とに基づいて行っているが、床下触媒３２の劣化判定と同様に、マニホールド触媒３１の上下流ともにＯ2センサを配置し、それらのＯ2センサの出力変化に基づいてマニホールド触媒３１の劣化を判定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明による内燃機関用排気浄化システムの触媒劣化判定装置の第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】リアＯ2センサ及びサードＯ2センサの出力に基づく床下触媒の劣化の判定方法を説明する図である。
【図３】第１実施形態の触媒劣化判定装置の動作を説明するフローチャートである。
【図４】マニホールド触媒の劣化レベルと、床下触媒劣化基準値HCCATNGとの関係を示す図である。
【図５】第２実施形態の触媒劣化判定装置の動作を説明するフローチャートである。
【図６】床下触媒の内部温度CATBED#と、補正係数NGTHOS#との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  エンジン（内燃機関）
１２  ポジションセンサ（クランク角センサ）
１３  位相センサ（クランク角センサ）
１４  水温センサ
２０  吸気通路
２３  エアフローメータ
３０  排気通路
３１  マニホールド触媒（第１の触媒）
３２  床下触媒（第２の触媒）
４１  フロント広域空燃比センサ（第１空燃比センサ）
４２  リアＯ2センサ（第２空燃比センサ）
４３  サードＯ2センサ（第３空燃比センサ）
４４  温度センサ（第２触媒温度検出手段）
５０  コントローラ
ステップＳ１０，Ｓ２０  第１触媒状態検出手段／第１触媒状態検出工程
ステップＳ５０  劣化基準値設定手段／劣化基準値設定工程
ステップＳ６０  第２触媒状態検出手段／第２触媒状態検出工程
ステップＳ７０  第２触媒劣化判定手段／第２触媒劣化判定工程
【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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