(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンから排出される排気ガスを浄化する触媒コンバータ内の触媒の劣化を検知する触媒の劣化検知装置であって、
前記触媒の領域を通過した排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段の出力信号に基づいて触媒の劣化度合を判定する判定値を設定する判定値設定手段と、前記温度検出手段の出力信号及び前記判定値設定手段の出力信号に基づいて触媒の劣化を判別する劣化判別手段とを有し、
前記温度検出手段が、電極間に生じる温度差により熱起電力を発生する熱電素子を用いるものであり、
前記劣化判別手段が、前記温度検出手段の出力信号及び前記判定値設定手段の出力信号に基づいて触媒の劣化を判別するに当たり、前記温度検出手段の電極間に生じる温度差により熱起電力を発生する熱電素子が検出する排ガスの温度（Ｔｃａｔ）と、前記判定値設定手段が設定する劣化判定値（Ｔｍｐｎｇ）とがＴｃａｔ＞Ｔｍｐｎｇのときに触媒が劣化していると判別する、ことを特徴とする触媒の劣化検知装置。
【請求項２】
前記触媒の領域を通過する前の排気ガスの温度を検出する他の温度検出手段を更に有し、
前記他の温度検出手段が、電極間に生じる温度差により熱起電力を発生する熱電素子を用いるものであり、
前記温度検出手段の電極間に生じる温度差により熱起電力を発生する熱電素子が検出する排ガスの温度（Ｔｃａｔ）と、前記他の温度検出手段の電極間に生じる温度差により熱起電力を発生する熱電素子が検出する排ガスの温度とを検出し、その差に応じて、触媒の劣化を判別する、ことを特徴とする請求項１記載の触媒の劣化検知装置。
【請求項３】
前記熱電素子の一方の電極上に触媒の活性成分を設けることを特徴とする請求項１又は２記載の触媒の劣化検知装置。
【請求項４】
前記触媒の活性成分は、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈのうちの少なくとも１成分を含むことを特徴とする請求項３記載の触媒の劣化検知装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンから排出される排気ガスを浄化する触媒コンバータにおける触媒の劣化を検知する触媒の劣化検知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、公害規制の見地から、内燃エンジンを搭載した自動車に対する有害な排出ガス低減への要求レベルも高くなってきている。従って、触媒コンバータにおいても、触媒の劣化による浄化機能の低下を検知する技術の向上が望まれている。
【０００３】
従来において、触媒の劣化検知装置としては、例えば、特開昭６３−９７８５２号公報等に記載されたものがある。これらの装置は、酸素センサの出力信号を用いるもので、その出力信号値が所定の値以上になると、スイッチングモジュールにより警報信号を発生して警報灯を点滅させ、運転者に触媒の異常を知らせるというものであり、その後、運転者は、異常に対する処置をとることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような酸素センサの出力値を用いた触媒の劣化検知装置においては、酸素センサのフィードバック信号の変化により触媒の劣化を検知するため、エンジンが理論空燃比近傍で燃焼していなくてはならない。
【０００５】
近年、排気ガス中のＣＯ２を削減するため、又、燃費を向上させるため、燃料が少ない状態、すなわちリーン状態でエンジンを燃焼させるリーンバーンエンジンの開発が進められており、このようにリーンの状態が長く続くエンジンシステムにおいては、酸素センサのフィードバック信号の変化を利用した触媒の劣化検知は困難になる。従って、リーン走行が長時間続くエンジンシステムにおいても触媒の劣化を検出できる装置の開発が望まれる。
【０００６】
本発明は、上述の如き課題に鑑みて達成されたものであり、その目的とするところは、燃料が希薄なリーンバーンの状態が続くエンジンシステムにおいても、触媒コンバータにおける触媒の劣化を確実に検知することのできる触媒の劣化検知装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、劣化した触媒の領域を通過した排気ガス中には未燃のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ，Ｏ２が含まれていることに着目し、未燃成分の量を比較することにより、触媒の劣化を検知できることを見い出だした。
【０００８】
すなわち、本発明の請求項１に係る触媒の劣化検知装置は、エンジンから排出される排気ガスを浄化する触媒コンバータ内の触媒の劣化を検知する触媒の劣化検知装置であって、前記触媒の領域を通過した排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段の出力信号に基づいて触媒の劣化度合を判定する判定値を設定する判定値設定手段と、前記温度検出手段の出力信号及び前記判定値設定手段の出力信号に基づいて触媒の劣化を判別する劣化判別手段とを有し、前記温度検出手段が、電極間に生じる温度差により熱起電力を発生する熱電素子を用いるものであり、前記劣化判別手段が、前記温度検出手段の出力信号及び前記判定値設定手段の出力信号に基づいて触媒の劣化を判別するに当たり、前記温度検出手段の電極間に生じる温度差により熱起電力を発生する熱電素子が検出する排ガスの温度（Ｔｃａｔ）と、前記判定値設定手段が設定する劣化判定値（Ｔｍｐｎｇ）とがＴｃａｔ＞Ｔｍｐｎｇのときに触媒が劣化していると判別する構成となっている。
【０００９】
本発明の請求項２に係る触媒の劣化検知装置は、前記触媒の領域を通過する前の排気ガスの温度を検出する他の温度検出手段を更に有し、前記他の温度検出手段が、電極間に生じる温度差により熱起電力を発生する熱電素子を用いるものであり、前記温度検出手段の電極間に生じる温度差により熱起電力を発生する熱電素子が検出する排ガスの温度（Ｔｃａｔ）と、前記他の温度検出手段の電極間に生じる温度差により熱起電力を発生する熱電素子が検出する排ガスの温度とを検出し、その差に応じて、触媒の劣化を判別する構成となっている。
【００１０】
本発明の請求項３に係る触媒の劣化検知装置は、前記熱電素子の一方の電極上に触媒の活性成分を設ける構成となっている。
【００１１】
本発明の請求項４に係る触媒の劣化検知装置は、前記触媒の活性成分が、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈのうちの少なくとも１成分を含む構成となっている。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係る触媒の劣化検知装置によれば、電極間に生じる温度差により熱起電力を発生する熱電素子を用いる温度検出手段により触媒領域を通過した排気ガスの未燃成分が温度として検出され、一方、劣化した触媒の領域を通過した排気ガス中には未燃成分の量が多いという事実から、エンジンの運転状態に基づいて判定値設定手段により触媒の劣化度合を判定する判定値（判定温度）が設定され、劣化判別手段によりこの判定値と検出された排気ガスの温度とが比較されて触媒の劣化が判断される。
【００１３】
このように、エンジンの燃焼状態がリーンバーンか否かに関係なく、触媒の劣化を確実に検知することができる。また、温度検出手段の設置の自由度が増し、かつ、コンパクトに設置できるため装置全体としての小型化を達成することができる。
【００１４】
本発明の請求項２に係る触媒の劣化検知装置によれば、触媒の劣化を検知する精度が向上するというメリットがある。
【００１５】
本発明の請求項３に係る触媒の劣化検知装置によれば、熱電素子の一方の電極上に触媒の活性成分を設けることで、排気ガス中の未燃成分とこの触媒の活性成分とが反応し、この反応熱により両電極間に大きな温度差が生じる。一方、未燃成分の量と排気ガスの温度とには一定の対応関係があることから、確実に未燃成分の量を検知でき、これより、結果的に触媒の劣化を検知することができる。
【００１６】
本発明の請求項４に係る触媒の劣化検知装置によれば、熱電素子の一方の電極上に設ける触媒の活性成分としてＰｔ，Ｐｄ，Ｒｈのうち少なくとも１成分を用いることで、より確実に未燃成分の量を検知でき、これにより、結果的に触媒の劣化を検知することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係る劣化検知装置の概略構成を示すブロック図である。この装置は、図１に示すように、触媒の領域を通過した排気ガスの未燃成分を温度として検出する温度検出手段と、エンジンの運転状態、すなわち、吸入空気量，エンジン回転数，冷却水温度，空燃比等を検出する運転状態検出手段と、運転状態検出手段の出力信号に基づいて触媒の劣化度合を判定する判定値を設定する判定値設定手段と、温度検出手段の出力信号及び判定値設定手段の出力信号に基づいて触媒の劣化を判別する劣化判別手段とにより構成されている。
【００１９】
図２は、本発明に係る触媒の劣化検知装置の具体的構成を示す図であり、図示するように、触媒コンバータ１０はエンジンの排気管９の途中に設置されており、この触媒コンバータ１０を形成するケーシング１１の内部には触媒１２が配置され、排気管９内を導かれた排気ガスは、上流部１３から触媒１２の領域を通過して下流部１４に流れ、再び排気管９に導かれるようになっている。
【００２０】
ここで、触媒１２としては、三元触媒をはじめとして、リーン雰囲気下でＮＯｘを浄化できるリーンＮＯｘ触媒、リーン雰囲気下で一時的にＮＯｘを吸着し、ストイキ雰囲気下で脱離浄化させるＮＯｘ吸収（吸蔵）型三元触媒等が適用可能である。
【００２１】
また、触媒コンバータ１０の下流部１４には、排気ガスの温度を検出する温度検出手段としての温度センサ１５が設けられている。この温度センサ１５としては、例えば、図３に示すような熱電素子３０を用いることができる。
【００２２】
この熱電素子３０は、Ｐ型及びＮ型の熱電半導体素子３１を一対の電極３２，３２で挾持するように接続したものを基本構成とし、両電極間に温度差が生じるとゼーベック効果により起電力を発生するものである。本実施例では、両電極３２，３２の外側に絶縁層３３，３３を設け、さらに一方の絶縁層３３上、すなわち一方の電極３２上に触媒成分を含む触媒層３４を設けた構成となっている。
【００２３】
このような触媒層３４を設けることで、排気ガス中に未燃成分が含まれている場合は、この触媒層３４上で未燃成分が反応し、この反応熱により両電極間により大きな温度差が発生することになる。
【００２４】
触媒層３４としては、γ−アルミナを主体とする微粒の耐火性セラミック粒子に、少なくともＰｔ，Ｐｄ，Ｒｈのうちいずれかの活性成分（触媒の活性金属）の微粒子を付着させたものを用いる。ここで、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ等の触媒活性金属は、γ−アルミナ担体に対して１重量％以上存在することが望ましい。
【００２５】
上述の温度センサ１５は、図２に示すように、増幅器１６を介して、判別回路１７に接続されており、又、この判別回路１７には、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段１８が接続されている。
【００２６】
この運転状態検出手段１８は、エンジンの運転状態として、吸入空気量、エンジン回転数、冷却水温度、空燃比等を検出し、この検出信号を判別回路に出力する。
【００２７】
判別回路１７は、上述の運転状態検出手段１８の出力信号に基づいて触媒の劣化度合を判定する判定値を設定する判定値設定手段及び前述の温度センサ１５の出力信号と判定値設定手段との出力信号に基づいて触媒の劣化を判別する劣化判別手段としての機能を有し、例えば、マイクロコンピュータにより構成される。
【００２８】
さらに、この判別回路１７には、警報灯１９が接続されており、内部メモリに格納されているプログラムに従って、触媒の劣化判別に必要な演算処理を行い、触媒１２が劣化していると判断したときは、警報信号を出力して警報灯１９を点灯させ、運転者に触媒１２の劣化を警告する。
【００２９】
次に、本装置の動作について説明する。
【００３０】
エンジンから排出された排気ガスは、排気管９を通して触媒コンバータ１０に導かれ、触媒１２による酸化、還元反応により有害ガスが低減され、その後、再び排気管９を通して大気中に排出される。ここで、排気ガス中の未燃ガスの量は、排気ガスの温度として温度センサ１５により検出され、温度センサ１５の出力信号と運転状態検出手段１８の出力信号は判別回路１７に入力されて、この判別回路１７において触媒の劣化判定値が設定されて、触媒の劣化が判別されることになるが、これは図４に示すプログラムにより実行される。図４は触媒の劣化判断を行うプログラムのフローチャートであり、本プログラムは所定時間毎に一度の割合で実行される。
【００３１】
図４に示すように、ステップＳ１からステップＳ６まではエンジンの運転状態を判別し、劣化判別に適切な状態であるか否かを判別する。まず、ステップＳ１では、エンジンの始動後所定時間以上が経過したか否かを判別する。この判別は、例えばエンジンのイグニッションキースイッチがＯＮとなってからの時間を判別回路１７におけるマイクロコンピュータのカウンターで計測することにより行う。始動後所定時間以上が経過しているときにはステップＳ２に進み、経過していないときは今回のルーチンを終了する。
【００３２】
ステップＳ２では、冷却水の温度Ｔｗが所定の温度範囲にあるか否かを判別する。この温度範囲は、例えば８０℃＜Ｔｗ＜１００℃であり、冷却水の温度がこの温度範囲内であればエンジンは冷却時でなく、かつ、オーバーヒート状態でもないことになる。冷却水の温度Ｔｗが上記温度範囲内にあるときはステップＳ３に進み、上記温度範囲内にないときは今回のルーチンを終了する。
【００３３】
ステップＳ３では、定常運転であるか否かを判別する。この判別は、エンジンの回転数及び負荷等の運転状態が所定範囲内にあるか否かで行う。定常運転であればステップＳ４に進み、定常運転になければ今回のルーチンを終了する。
【００３４】
ステップＳ４では、定常運転が所定時間以上続いたか否かを判別する。この判別は、例えば定常運転状態に入ってからの時間を判別回路１７におけるマイクロコンピュータのカウンターで計測することにより行う。定常運転が所定時間以上継続している時はステップＳ５に進み、所定時間以上継続していなければ今回のルーチンを終了する。
【００３５】
ステップＳ５では、劣化判断を行う運転領域にあるか否かを判別する。この運転領域は、判別回路１７におけるメモリに、例えば図５に示すようなテーブルマップの形で記憶されており、この判別は、エンジンの回転数及び負荷が図４に示す判別領域にあるか否かで行う。判別領域にあれば、ステップＳ６において図４のテーブルマップからその時の触媒の劣化判定値Ｔｍｐｎｇをルップアップし、判別領域内になければ今回のルーチンを終了する。
【００３６】
ここで、触媒の劣化と温度センサ１５により検出される排気ガス温度の関係を図６に基づいて説明する。図６は、触媒の劣化度合と、排気ガス中の未燃成分量と、温度センサ１５の出力との関係を示す図である。
【００３７】
触媒が劣化していない場合は、未燃成分は触媒上で酸化還元反応により浄化されるので、触媒の下流部１４では未燃成分がほとんどなく、温度センサ１５の両電極３２，３２間に熱起電力は発生しない。一方、触媒が劣化するにつれて触媒の下流部１４での未燃成分が増加し、温度センサ１５の両電極３２，３２間に熱起電力が発生するようになる。したがって、温度センサ１５により触媒の下流部１４における排気ガス中の未燃成分の量を温度として測定することにより、触媒の劣化を判別することができる。
【００３８】
そこで、本実施例では、運転条件に応じて触媒の下流部１４に設けられた温度センサ１５に発生する熱起電力を予め実験により求め、これを劣化判定値Ｔｍｐｎｇとして例えば図５に示すテーブルマップの形で判別回路１７におけるメモリに格納し、温度センサ１５により検出される触媒の下流部１４における実際の排気ガス温度Ｔｃａｔを劣化判定値Ｔｍｐｎｇと比較することで、触媒の劣化を容易に判別可能としている。
【００３９】
すなわち、ステップＳ７において、触媒の下流部１４における実際の排気ガス温度Ｔｃａｔを劣化判定値Ｔｍｐｎｇと比較し、Ｔｃａｔ≦Ｔｍｐｎｇのときは触媒１２が劣化していないと判断してルーチンを終了する。一方、Ｔｃａｔ＞Ｔｍｐｎｇのときは劣化していると判断して、ステップＳ８において警報灯１９を点灯して運転者に警告する。
【００４０】
これにより、運転者は触媒１２の劣化を直接的に知ることができ、その後に適切な処置、例えば、整備工場で触媒コンバータ１０の交換を直ちに行う等の対策を採ることができる。その結果、触媒１２の異常に伴う悪影響を最小限とすることができ、運転性の向上、公害防止に大きく寄与する。
【００４１】
次に、本発明に係る触媒の劣化検知装置の他の実施例について説明する。図７は、本実施例に係る装置の具体的構成を示す図であり、図示するように、前述実施例と同様にしてエンジンの排気管９の途中に設置された触媒コンバータ１０を形成するケーシング１１の内部には触媒１２が配置され、排気管９を通過してきた排気ガスは、触媒コンバータ１０の上流部１３から触媒１２の領域を通過して下流部１４に流れ、再び排気管９を通って大気に排出されるようになっている。
【００４２】
ここで、触媒１２としては、前述実施例と同様に、三元触媒、リーンＮＯｘ触媒、ＮＯｘ吸収（吸蔵）型三元触媒等が適用できる。
【００４３】
また、触媒コンバータ１０の上流部１３と下流部１４には、それぞれ排気ガスの温度を検出する温度センサ２５，１５が設けられている。これら温度センサ２５，１５としては、前述実施例同様の熱電素子３０を用いることができる。
【００４４】
上述の温度センサ２５，１５は、それぞれ増幅器２６，１６に接続されており、さらに、これらの増幅器２６，１６は判別回路１７に接続されている。また、この判別回路１７には、前述実施例同様、エンジンの運転状態、すなわち吸入空気量、エンジン回転数、冷却水温度、空燃比等を検出する運転状態検出手段１８が接続されている。
【００４５】
さらに、この判別回路１７には、警報灯１９が接続されており、内部メモリに格納されているプログラムに従って、触媒の劣化判別に必要な演算処理を行い、触媒１２が劣化していると判断したときには、警報信号を出力して警報灯１９を点灯させ、運転者に触媒１２の劣化を警告する構成となっている。
【００４６】
本実施例では、上述の如く２つの温度センサ２５，１５を設けて、排気ガスの温度を２ケ所で測定するようになっている。排気ガス中の未燃成分は、エンジン特性のばらつき等により差異を生じるため、触媒の下流部１４のみの測定では、劣化の判別にばらつきが生じる可能性もある。そこで、本実施例の如く、触媒の上流部１３における未燃成分のばらつきの影響を排除する観点から、上流部１３と下流部１４とにおける排気ガスの温度を検出し、その検出値の差に応じて、触媒１２の劣化を判別することとする。
【００４７】
これによれば、触媒の劣化を検知する精度が向上するというメリットがある。
【００４８】
以上述べた両実施例においては、少なくとも触媒の下流部１４における未燃成分の量を排気ガスの温度として検出し、その検出温度とエンジンの運転状態に基づいて設定される触媒の劣化判定値とにより、触媒の劣化を判別するようになっているため、触媒の劣化を直接的に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る触媒の劣化検知装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】  本発明に係る触媒の劣化検知装置の一実施例を示す概略構成図である。
【図３】  本発明に係る触媒の劣化検知装置の一部をなす温度検出手段の一実施例を示す構成断面図である。
【図４】  本発明に係る触媒の劣化検知装置の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。
【図５】  触媒の劣化判断を行う際のエンジンの運転領域をテーブルマップとして示した図である。
【図６】  触媒の劣化度合と、排気ガス中の未燃成分量と、温度センサ出力との関係を示す図である。
【図７】  本発明に係る触媒の劣化検知装置の他の実施例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
９  排気管
１０  触媒コンバータ
１１  ケーシング
１２  触媒
１３  上流部
１４  下流部
１５  温度センサ
１６  増幅器
１７  判別回路
１８  運転状態検出手段
１９  警報灯
２５  温度センサ
２６  増幅器
３０  熱電素子
３１  熱電半導体素子
３２  電極
３３  絶縁層
３４  触媒層
【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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