JP4915256B2 - 触媒の劣化診断装置及び劣化診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を診断する装置及び方法に関する。

一般に、内燃機関では排気ガスを浄化するために排気通路に触媒が配置されている。例えば火花点火式エンジンに搭載される三元触媒は、触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも大きくなると、即ちリーンになると排気ガス中に存在する過剰酸素を吸収し、触媒流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも小さくなると、即ちリッチになると吸収した酸素を放出するＯ_２ストレージ機能を有する。従って、内燃機関の通常運転時、理論空燃比を中心として運転条件により混合気がリッチ側又はリーン側に振れてしまっても、触媒表面は理論空燃比に保たれ、三元触媒のもつＯ_２ストレージ機能により、混合気がリーンになったときには過剰な酸素が触媒に吸着保持されるために窒素酸化物（ＮＯｘ）が還元され、混合気がリッチになったときには触媒に吸着保持された酸素が放出されるために炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）が酸化され、これによりＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化できることになる。

三元触媒が劣化すると排気ガス浄化率が低下する。三元触媒の劣化度とＯ_２ストレージ機能の低下度との間にはともに貴金属を介する反応であるため相関関係がある。よって、三元触媒のＯ_２ストレージ機能の低下度合いを検出することで触媒の劣化を検出することが多く行われている。

この方法の他に、特許文献１に開示されたものでは、三元触媒の上流側及び下流側に排気ガス中のＨＣ濃度を検出する二つのＨＣセンサを設け、これらＨＣセンサの出力を比較することで三元触媒の劣化を検出するようにしている。

特許２７０５０３６号明細書

ところで、近年では自動車の排ガス規制の強化に伴って劣化と判定すべき触媒の浄化率も高くなりつつある。触媒の劣化度が比較的小さい段階で触媒を劣化と判定しなければならない。このため、触媒に流入する排気ガスの各浄化成分（ＮＯｘ，ＨＣ，ＣＯ）の濃度（即ち、触媒前の濃度）と、触媒から流出される排気ガスの各浄化成分の濃度（即ち、触媒後の濃度）との差は大きくなってきている。

浄化成分がＨＣである場合、触媒前のＨＣ濃度が１０００ｐｐｍ以上であるのに対し、触媒後のＨＣ濃度は数１０ｐｐｍレベルである。触媒前と触媒後とで２桁もの違いが存在し、ＨＣ浄化率で見ると９０数％の値となる。

こうした状況の中で、特許文献１に記載の技術を採用すると次のような問題がある。即ち、特許文献１に記載の技術では、単に触媒前と触媒後のＨＣ濃度を比較しているが、ここでいうＨＣ濃度とは、ＨＣを構成する複数の成分の合計濃度である。即ち、前述の触媒前の１０００ｐｐｍ以上のＨＣ濃度と、触媒後の数１０ｐｐｍのＨＣ濃度である。触媒の正常時と劣化時とでは触媒後のＨＣ濃度が数１０ｐｐｍ程度しか変わらず、ＨＣ浄化率も数％程度しか変わらない。一方、触媒前後で同一のＨＣセンサを用いた場合、ＨＣセンサとして触媒前ＨＣ濃度に対応する１０００ｐｐｍ以上の広範な計測レンジを持つものを使用しなければならず、このＨＣセンサで同時に数１０ｐｐｍもの小さい触媒後ＨＣ濃度を計測しなければならない。こうなると触媒後ＨＣ濃度の計測誤差が大きくなり、算出されるＨＣ浄化率も誤差を多く含んだ値となる。この誤差を多く含むＨＣ浄化率の数％程度の変化によって触媒の正常・劣化を判断するのでは結果的に高い診断精度を確保することができない。

そこで、本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、その目的は、触媒の劣化を高精度で診断可能な触媒の劣化診断装置及び劣化診断方法を提供することにある。

本発明の第１の形態によれば、
内燃機関の排気通路に設けられ、流入される排気ガス中の少なくとも炭化水素を浄化可能な触媒と、
前記触媒に流入する排気ガス中の炭化水素を構成する複数の成分のうちの一部の成分の濃度を検出又は推定する触媒前検出手段と、
前記触媒から流出する排気ガス中の前記一部の成分の濃度を検出する触媒後検出手段と、
前記触媒前検出手段によって検出又は推定された前記一部の成分の濃度と、前記触媒後検出手段によって検出された前記一部の成分の濃度とに基づいて、前記触媒の劣化を判定する劣化判定手段と
を備えたことを特徴とする触媒の劣化診断装置が提供される。

排気ガス中の炭化水素には多様な複数の成分が含まれている。前述の特許文献１に記載の技術だと、これら全成分の合計濃度を検出するため、全成分の合計濃度に対応する広範な計測レンジを持つセンサを使用し、その上で触媒後の小さい炭化水素濃度について大小を識別し、劣化判定をしなければならなかった。このために高い検出精度ひいては診断精度を得られないという問題があった。しかし、本発明の第１の形態によれば、対象成分が炭化水素の一部の成分というように予め限定されている。よって触媒前の成分濃度を減少すると共に、必要な計測レンジを減少することができ、触媒後の小さい濃度の違いをより高精度で識別できるようになる。そして結果的に高い診断精度を確保することが可能となる。

本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記一部の成分がメタン、エタン及びプロパンのうちの少なくとも一つからなる
ことを特徴とする。

排気中炭化水素の構成成分は炭素数の多いものほど不安定であり、触媒に流入する炭化水素の各構成成分においても、触媒との反応により、炭素数の多いものから早く分解して酸化反応を起こし浄化（消失）するものと考えられる。逆に、炭素数の少ないものほど安定であり、触媒を通過しても浄化しづらいと考えられる。より言えば、炭素数の少ないものについては、その浄化率が触媒の劣化度に依存しやすく、触媒の新品時と劣化時とで浄化率の違いが明確に現れる傾向が強くなる。よって、本発明の第２の形態のように、対象とする炭化水素成分としてメタン、エタン及びプロパンのうちの少なくとも一つといった炭素数の少ないものを選択することにより、触媒の劣化度を好適に評価できるようになる。

本発明の第３の形態は、前記第１の形態において、
前記一部の成分がメタンである
ことを特徴とする。

排気中炭化水素の構成成分のうち、メタンは炭素数最小で最も安定しており、その浄化率が触媒の劣化度を最も大きく反映する。よって本発明の第３の形態のように対象とする炭化水素成分をメタンに限定することによって、高い精度で劣化診断を行うことが可能となる。

本発明の第４の形態は、前記第３の形態において、
前記触媒前検出手段が、機関運転状態に基づいて前記触媒に流入する排気ガスのメタン濃度を推定するメタン濃度推定手段からなり、
前記触媒後検出手段がメタンセンサを含む
ことを特徴とする。

本発明の第５の形態は、前記第３の形態において、
前記触媒前検出手段及び前記触媒後検出手段がメタンセンサを含む
ことを特徴とする。

本発明の第６の形態は、前記第１乃至第５のいずれかの形態において、
前記劣化判定手段が、前記触媒前検出手段によって検出又は推定された前記一部の成分の濃度と、前記触媒後検出手段によって検出された前記一部の成分の濃度とに基づいて、前記触媒における前記一部の成分の浄化率を算出し、当該浄化率に基づいて前記触媒の劣化を判定する
ことを特徴とする。

本発明の第７の形態は、前記第１乃至第６のいずれかの形態において、
前記触媒前検出手段及び前記触媒後検出手段によって前記一部の成分の濃度を検出又は推定する際に、前記触媒に流入する排気ガスの空燃比を所定空燃比に制御する空燃比制御手段が備えられる
ことを特徴とする。

本発明の第８の形態は、前記第７の形態において、
前記所定空燃比が、理論空燃比よりリーン側の所定値を基準値としてリッチ側及びリーン側に幅を持つ所定範囲の中から選択される値である
ことを特徴とする。

本発明の第９の形態は、前記第７の形態において、
前記所定空燃比が、理論空燃比よりリーン側の値である
ことを特徴とする。

本発明の第１０の形態は、前記第７乃至第９のいずれかの形態において、
前記触媒の下流側に設けられ、流入される排気ガス中の少なくともＮＯｘを浄化可能な下流触媒が備えられ、
前記空燃比制御手段が、前記下流触媒がＮＯｘを浄化可能な状態となっていることを条件に前記空燃比制御を実行する
ことを特徴とする。

本発明の第１１の形態は、前記第１乃至第１０のいずれかの形態において、
前記触媒が三元触媒である
ことを特徴とする。

本発明の第１２の形態によれば、
内燃機関の排気通路に設けられ、流入される排気ガス中の少なくとも炭化水素を浄化可能な触媒の劣化を診断する方法であって、
（ａ）前記触媒に流入する排気ガス中の炭化水素を構成する複数の成分のうちの一部の成分の濃度を検出又は推定するステップと、
（ｂ）前記触媒から流出する排気ガス中の前記一部の成分の濃度を検出するステップと、
（ｃ）前記ステップ（ａ）で検出又は推定された前記一部の成分の濃度と、前記ステップ（ｂ）で検出された前記一部の成分の濃度とに基づいて、前記触媒の劣化を判定するステップと
を備えたことを特徴とする触媒の劣化診断方法が提供される。

本発明の第１３の形態は、前記第１２の形態において、
前記一部の成分がメタン、エタン及びプロパンのうちの少なくとも一つからなる
ことを特徴とする。

本発明の第１４の形態は、前記第１２の形態において、
前記一部の成分がメタンである
ことを特徴とする。

本発明の第１５の形態は、前記第１４の形態において、
前記ステップ（ａ）が、機関運転状態に基づいて前記触媒に流入する排気ガスのメタン濃度を推定することからなり、
前記ステップ（ｂ）が、メタンセンサによって前記触媒から流出する排気ガスのメタン濃度を検出することからなる
ことを特徴とする。

本発明の第１６の形態は、前記第１４の形態において、
前記ステップ（ａ）が、メタンセンサによって前記触媒に流入する排気ガスのメタン濃度を検出することからなり、
前記ステップ（ｂ）が、メタンセンサによって前記触媒から流出する排気ガスのメタン濃度を検出することからなる
ことを特徴とする。

本発明の第１７の形態は、前記第１２乃至第１６のいずれかの形態において、
前記ステップ（ｃ）が、前記ステップ（ａ）で検出又は推定された前記一部の成分の濃度と、前記ステップ（ｂ）で検出された前記一部の成分の濃度とに基づいて、前記触媒における前記一部の成分の浄化率を算出し、当該浄化率に基づいて前記触媒の劣化を判定することを含む
ことを特徴とする。

本発明の第１８の形態は、前記第１２乃至第１７のいずれかの形態において、
（ｄ）前記ステップ（ａ）及び前記ステップ（ｂ）で前記一部の成分の濃度を検出又は推定する際に、前記触媒に流入する排気ガスの空燃比を所定空燃比に制御するステップ
を備えることを特徴とする。

本発明の第１９の形態は、前記第１８の形態において、
前記所定空燃比が、理論空燃比よりリーン側の所定値を基準値としてリッチ側及びリーン側に幅を持つ所定範囲の中から選択される値である
ことを特徴とする。

本発明の第２０の形態は、前記第１８の形態において、
前記所定空燃比が、理論空燃比よりリーン側の値である
ことを特徴とする。

本発明の第２１の形態は、前記第１８乃至第２０のいずれかの形態において、
（ｅ）前記触媒の下流側に、流入される排気ガス中の少なくともＮＯｘを浄化可能な下流触媒を設けるステップ
を備え、
前記ステップ（ｄ）において、前記下流触媒がＮＯｘを浄化可能な状態となっていることを条件に前記空燃比制御が実行される
ことを特徴とする。

本発明の第２２の形態は、前記第１２乃至第２１のいずれかの形態において、
前記触媒が三元触媒である
ことを特徴とする。

本発明によれば、触媒の劣化を高精度で診断可能な触媒の劣化診断装置及び劣化診断方法を提供することができるという、優れた効果が発揮される。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。図示されるように、内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生する。内燃機関１は車両用多気筒エンジン（１気筒のみ図示）であり、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。

内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが気筒ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは図示しないカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。さらにシリンダヘッドにはインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設され、燃焼室３内に直接燃料噴射するようになっている。ピストン４はいわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には凹部４ａが形成されている。そして内燃機関１では、燃焼室３内に空気を吸入させた状態で、インジェクタ１２からピストン４の凹部４ａに向けて燃料が直接噴射される。これにより点火プラグ７の近傍に、燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）され、安定した成層燃焼が実行される。

各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介して吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気集合通路をなす吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５と、電子制御式スロットルバルブ１０とが組み込まれている。なお吸気ポート、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。

一方、各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気集合通路をなす排気管６に接続されている。これら排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。排気管６には、その上流側と下流側とに、前述のＯ_２ストレージ機能を有して排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘを同時に浄化可能な三元触媒１１，１６が設けられている。以下、これら三元触媒１１，１６を上流触媒及び下流触媒ともいう。上流触媒１１の上流側と下流側とにそれぞれ排気空燃比を検出するための空燃比センサ、即ち触媒前空燃比センサ及び触媒後空燃比センサ１７，１８が設置されている。触媒前空燃比センサ１７は所謂広域空燃比センサからなり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能で、その空燃比に比例した電流信号を出力する。他方、触媒後空燃比センサ１８は所謂Ｏ_２センサからなり、理論空燃比を境に出力電圧が急変する特性を持つ。なお触媒後空燃比センサ１８は上流触媒１１及び下流触媒１６の間に設置されている。

また、上流触媒１１の下流側には、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）を構成する複数の成分のうちの一部の成分であるメタン（ＣＨ_４）の濃度を検出するメタンセンサ、即ち触媒後メタンセンサ２１が設置されている。なお触媒後メタンセンサ２１も上流触媒１１及び下流触媒１６の間に設置されている。

上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０及びインジェクタ１２等は、制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。またＥＣＵ２０には、図示されるように、前述のエアフローメータ５、触媒前空燃比センサ１７、触媒後空燃比センサ１８、触媒後メタンセンサ２１のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、内燃機関１の冷却水温を検出する水温センサ１９、その他の図示されない各種センサがＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。

上流触媒１１及び下流触媒１６は、各々に流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比（ストイキ、例えばＡ／Ｆ＝１４．６）のときにＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。そしてこれに対応して、ＥＣＵ２０は、混合気ひいては排気ガスの空燃比が理論空燃比に等しくなるように空燃比を制御する（所謂ストイキ制御）。具体的にはＥＣＵ２０は、理論空燃比に等しい目標空燃比を設定すると共に、触媒前空燃比センサ１７により検出される空燃比が目標空燃比に一致するように、インジェクタ１２から噴射される燃料噴射量をフィードバック制御する。これにより触媒１１，１６に供給される排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍に保たれ、触媒１１，１６において最大の浄化性能が発揮されるようになる。

触媒後メタンセンサ２１は、例えば特開平１１−１１８７５８号公報に開示されたものが使用可能である。同センサは、内蔵のヒータを第一の設定温度（例えば５００℃）に設定したときメタン以外のＨＣ成分の濃度に対応した酸素ポンプ電流を出力する。そしてヒータを第二の設定温度（例えば６５０℃）に設定したとき全ＨＣ成分の濃度に対応した酸素ポンプ電流を出力する。そしてこれら濃度差からＥＣＵ２０によりメタン濃度が算出される。

ここで上流触媒１１及び下流触媒１６をなす三元触媒についてより詳細に説明する。図２に示すように、触媒においては、担体基材３３の表面にコート材３１が被覆され、このコート材３１に微粒子状の触媒成分３２が多数分散配置された状態で保持され、触媒内部で露出されている。触媒成分３２は主にＰｔ，Ｐｄ等の貴金属からなり、ＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯといった排ガス成分を反応させる際の活性点となる。他方、コート材３１は、排気ガスと触媒成分３２との界面における反応を促進させる助触媒の役割を担うと共に、雰囲気ガスの空燃比に応じて酸素を吸収放出可能な酸素吸蔵成分を含む。酸素吸蔵成分は例えば二酸化セリウムＣｅＯ_２からなる。例えば、触媒成分３２及びコート材３１の雰囲気ガスが理論空燃比よりリッチであると、触媒成分３２の周囲に存在する酸素吸蔵成分に吸蔵されていた酸素が放出され、この結果、放出された酸素によりＨＣおよびＣＯといった未燃成分が酸化され、浄化される。逆に、触媒成分３２及びコート材３１の雰囲気ガスが理論空燃比よりリーンであると、触媒成分３２の周囲に存在する酸素吸蔵成分が雰囲気ガスから酸素を吸収し、この結果ＮＯｘが還元浄化される。

このような酸素吸放出作用により、通常の空燃比制御の際に排気空燃比が理論空燃比に対し多少ばらついたとしても、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯといった三つの排気ガス成分を同時浄化することができる。よって排気空燃比を敢えて理論空燃比を中心に微小振動させ、酸素の吸放出を繰り返させることにより排ガス浄化を行うことも可能である。

なお、触媒が劣化してくると一部の触媒成分３２に消失が見られるほか、触媒成分３２同士が排気熱で焼き固まって焼結状態になるものがある（図の破線参照）。こうなると排気ガスと触媒成分３２との接触確率の低下を引き起こし、浄化率を落としめる原因となる。そしてこのほかに、触媒成分３２の周囲に存在するコート材３１の量、即ち酸素吸蔵成分の量が減少し、酸素吸蔵能自体が低下する。このように触媒の劣化度と酸素吸蔵能との間に相関関係があるので、このことを利用し、触媒の劣化診断を行う場合がある。具体的には触媒の酸素吸蔵能、即ち現状の触媒が吸蔵し得る最大酸素量としての酸素吸蔵容量（ＯＳＣ；O_２ Strage Capacity、単位はｇ）を計測し、この酸素吸蔵容量の値が所定の劣化判定値より大きいか小さいかによって触媒が正常か劣化かを判定する方法がある。この方法はＣｍａｘ法などと称され、三元触媒の一般的な劣化診断方法として知られている。本発明はこのＣｍａｘ法とは異なる、触媒のＨＣ浄化能に着目した劣化診断方法を提供するものである。

次に、本発明に係る触媒の劣化診断について説明する。ここで劣化診断の対象となるのは上流触媒１１及び下流触媒１６のうち上流触媒１１の方である。

概して、本発明に係る劣化診断においては、上流触媒１１に流入する排気ガス中のＨＣを構成する複数の成分のうちの一部の成分（以下、「触媒前一部成分」という）の濃度が検出又は推定される。また同様に、上流触媒１１から流出する排気ガス中の前記一部の成分（以下、「触媒後一部成分」という）の濃度が検出される。そして、これら触媒前一部成分と触媒後一部成分とに基づいて、上流触媒１１の劣化が判定される。

排気ガス中のＨＣには多様な複数の成分が含まれており、その中にはメタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）、ベンゼン（Ｃ_６Ｈ_６）、トルエン（Ｃ_７Ｈ_８）、キシレン（Ｃ_８Ｈ_１０）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）といった代表的な炭化水素の他、より炭素数の多い成分や各種中間体などが含まれる。前述の特許文献１に記載の技術だと、これら全成分の合計濃度をＨＣセンサで検出するため、１０００ｐｐｍ以上といった広範な計測レンジを持つセンサを使用し、その上で触媒下流の数１０ｐｐｍという小さいＨＣ濃度について大小を識別しなければならなかった。このために高い検出精度ひいては診断精度を得られないという問題があった。

しかし、本発明に係る劣化診断によれば、対象成分がＨＣ中の一部の成分というように予め限定されている。よって触媒前の成分濃度を減少すると共に、必要な計測レンジを減少することができ、触媒後の小さい濃度の違いをより高精度で識別できるようになる。そして結果的に高い診断精度を確保することが可能となる。

前記一部の成分は、メタン、エタン及びプロパンのうちの少なくとも一つからなるのが好ましい。ＨＣの構成成分は炭素数の多いものほど不安定であり、触媒に流入するＨＣの各構成成分においても、触媒との反応により、炭素数の多いものから早く分解して酸化反応を起こし浄化（消失）するものと考えられる。逆に、炭素数の少ないものほど安定であり、触媒を通過しても浄化しづらいと考えられる。より言えば、炭素数の少ないものについては、その浄化率が触媒の劣化度に依存しやすく、触媒の新品時と劣化時とで浄化率の違いが明確に現れる傾向が強くなる。よって、一部成分としてメタン、エタン及びプロパンのうちの少なくとも一つといった炭素数の少ないものを選択することにより、触媒の劣化度を好適に評価できるようになる。なお、一部成分の濃度とは、メタン、エタン及びプロパンのうち一つを選択した場合にはその選択した成分のみの濃度をいい、メタン、エタン及びプロパンのうち二つ又は三つを選択した場合にはその選択した成分の合計濃度をいう。当然ながら、触媒前一部成分と触媒後一部成分とは同一である必要がある。

前記一部の成分は、メタンであるのがより好ましい。メタンが炭素数最小で最も安定しているので、その浄化率が触媒の劣化度を最も大きく反映するからである。

ここで、図３を用い、正常触媒の場合と劣化触媒の場合とで排気ガス中のＨＣ成分の濃度を比較した試験結果を説明する。この試験では、触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．６）に対しリーン又はリッチに強制的に切り替えるアクティブ空燃比制御を行い、そのときの触媒下流の排気ガス中のメタン、エタン及びプロパンの各濃度を正常触媒の場合と劣化触媒の場合とで調べた。メタン、エタン及びプロパンの各濃度の計測はガス分析計（ＦＴＩＲ）で行った。実線が正常触媒の場合、破線が劣化触媒の場合である。

図３（Ａ）に示されるように、触媒に流入する排気ガスの空燃比は理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．６）を中心としてリーン側及びリッチ側に交互に且つ強制的に切り替えられる。振幅はリーン側及びリッチ側で等しく０．５であり、リーン側空燃比は１５．１、リッチ側空燃比は１４．１である。切替間隔即ち反転周期は劣化触媒の方が正常触媒より結果的に短くなっている。これは、リーン時には触媒での酸素吸蔵、リッチ時には触媒での酸素放出がなされ、触媒の酸素吸蔵容量一杯まで酸素の吸蔵又は放出がなされる度に空燃比が切り替えられるからである。正常触媒より劣化触媒の方が酸素吸蔵容量が小さいので、正常触媒より劣化触媒の方が反転周期が短くなる。このようなアクティブ空燃比制御はＣｍａｘ法において通常行われる。

図３（Ｂ）に示されるように、触媒から流出する排気ガスのメタン濃度については、正常触媒の場合２０ｐｐｍ程度、劣化触媒の場合４０ｐｐｍ程度であり、両者に２０ｐｐｍ程度の差がある。また、図３（Ｃ）に示されるように、触媒から流出する排気ガスのエタン濃度については、正常触媒の場合と劣化触媒の場合ともに１０ｐｐｍ以下であり、両者の差は１０ｐｐｍ未満である。一方、図３（Ｄ）に示されるように、触媒から流出する排気ガスのプロパン濃度については、正常触媒の場合と劣化触媒の場合とのいずれもほぼ０ｐｐｍで違いが見られなかった。一方、図７に示すが、触媒に流入する排気ガスのメタン濃度は、排気ガスの空燃比に応じて変化するが約１００ｐｐｍ以下のオーダーである。

この結果から、炭素数の少ないＨＣ成分ほど、正常触媒の場合と劣化触媒の場合とで触媒後濃度の違いが大きい、つまり浄化率が変化することが分かる。特に、対象のＨＣ成分をメタンに限定すると、約１００ｐｐｍ以下のオーダーの触媒前メタン濃度に対し２０ｐｐｍ程度の違いを得られ、浄化率にして２０％程度の違いを得ることができる。一方、エタンについても、メタンほどではないが同様のことがいえる。プロパンについては本試験結果では正常触媒の場合と劣化触媒の場合とで違いが見られなかったが、本試験はアクティブ空燃比制御を実施したときの結果であり、試験条件即ち排ガス条件が変われば違いが出てくる可能性もある。よってプロパンについてもメタンやエタンと同様のことがいえる可能性がある。

この試験結果を考慮して、本実施形態では対象のＨＣ成分を、触媒の正常時と劣化時とで最も濃度差が現れるメタンに限定している。しかしながら、メタンの代わりにエタン又はプロパンを採用しても、またこれら三つのうち二つ以上の組み合わせを採用してもよい。二つ以上の組み合わせとしては、１）メタン及びエタンの組み合わせ、２）メタン及びプロパンの組み合わせ、３）エタン及びプロパンの組み合わせ、４）メタン、エタン及びプロパンの組み合わせの四つがある。これら組み合わせ例の中では１）が最も炭素数が少なく好適である。

次に、ここで説明した劣化診断を実行するための処理を図４を参照して説明する。図示される処理はＥＣＵ２０により所定の演算周期毎に繰り返し実行される。

最初のステップＳ１０１では、触媒劣化診断実行許可フラグがオンであり、且つ、触媒劣化診断終了フラグがオフであるか否かが判断される。触媒劣化診断実行許可フラグは、触媒劣化診断に適した所定の条件が満たされたときにオンされる。例えば、１）水温センサ１９で検出された冷却水温Ｔｗが所定値以上である（即ち暖機終了）、２）機関運転状態が定常状態である、３）上流触媒１１が所定の活性温度域にある、の全てが満たされたとき条件成立となる。なお、２）の条件は例えばエアフローメータ５で検出された吸入空気量Ｇａの値が所定の変動幅以内に入っているときに満たされる。本実施形態では上流触媒１１の温度Ｔｃを検出又は推定する触媒温度検出手段が設けられ、具体的には、上流触媒１１の温度Ｔｃが機関運転状態（例えば回転速度Ｎｅ及び吸入空気量Ｇａ）に基づき所定のマップ又は関数に従って推定される。この推定温度が所定の活性温度域にあるときに３）の条件が満たされる。なお、上流触媒１１の位置に設けた温度センサで上流触媒１１の温度Ｔｃを直接検出してもよく、或いは、上流触媒１１の上流側に設けた温度センサで排気温を検出し、この排気温から上流触媒１１の温度Ｔｃを推定してもよい。

ステップＳ１０１の判断結果がノーのときには本処理が終了され、ステップＳ１０１の判断結果がイエスのときにはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、内燃機関１から排出され上流触媒１１に流入する排気ガスのメタン濃度（以下、「触媒前メタン濃度」という）Ｃｆが推定される。この推定は、機関運転状態（例えば回転速度Ｎｅ、吸入空気量Ｇａ及び冷却水温Ｔｗ）に基づき、予め試験等を通じて作製されたマップ又は関数に従い、ＥＣＵ２０によりなされる。このように本実施形態では触媒前メタン濃度Ｃｆを推定しているが、代替的に、上流触媒１１の上流側に別途メタンセンサを設け、このメタンセンサで触媒前メタン濃度Ｃｆを直接検出するようにしてもよい。本実施形態のように推定することとした場合には触媒前のメタンセンサが不要となり、コスト的に有利である。また別途メタンセンサを設ける場合はコスト的には不利であるものの、触媒前メタン濃度Ｃｆが最大１００ｐｐｍ程度なので、触媒後のメタンセンサ１８と同じものを使用でき、増加コストを抑制できる利点がある。しかも触媒前後のメタンセンサを同じとしても触媒前メタン濃度Ｃｆは勿論のこと、触媒後メタン濃度Ｃｒをも高精度で検出できる。

次のステップＳ１０３では、上流触媒１１から流出する排気ガスのメタン濃度（以下、「触媒後メタン濃度」という）Ｃｒがメタンセンサ１８により検出される。触媒後メタン濃度Ｃｒは前述したように数十ｐｐｍのオーダーであり、これを１００ｐｐｍ程度の計測レンジを持つメタンセンサ１８で検出すればよいので、触媒の正常時と劣化時とのメタン濃度の違いを精度良く検出でき、ひいては診断精度が高められ、誤診断を未然に防止できる。

この後、ステップＳ１０４では、前述の触媒前メタン濃度Ｃｆと触媒後メタン濃度Ｃｒとに基づき、上流触媒１１におけるメタン浄化率Ｒが算出される。このメタン浄化率Ｒの算出は次式により行われる。
Ｒ＝（１−Ｃｒ／Ｃｆ）×１００ （％）
次に、この得られたメタン浄化率Ｒが所定の劣化判定値Ｒｓと比較される。ここで劣化判定値Ｒｓは上流触媒１１の温度Ｔｃとの関数とされ、図５に示すような所定のマップから上流触媒温度Ｔｃに基づいて算出される。上流触媒温度Ｔｃが高いほど劣化判定値Ｒｓは大きくなる。これは上流触媒温度Ｔｃが高くなるほどメタン浄化率Ｒが高くなることに対応している。

メタン浄化率Ｒが劣化判定値Ｒｓより大きい場合、ステップＳ１０６にて上流触媒１１は正常と判定される。他方、メタン浄化率Ｒが劣化判定値Ｒｓ以下の場合、ステップＳ１０７にて上流触媒１１は劣化と判定される。

最後に、ステップＳ１０８で触媒劣化診断終了フラグがオン、触媒劣化診断実行許可フラグがオフとされ、本処理が終了される。

次に、本発明の別の実施形態を説明する。この別の実施形態は前記実施形態とほぼ同様であり、以下相違点を中心に説明を行う。この別の実施形態は主に触媒前メタン濃度Ｃｆと触媒後メタン濃度Ｃｒとの推定及び検出の際に、上流触媒１１に流入する排気ガスの空燃比を所定空燃比に制御する空燃比制御が実行される点に特徴がある。

まず、構成上の違いとしては、図６に示すように、下流触媒１６の下流側に空燃比センサ２２が追加して設けられている。以下この空燃比センサ２２を下流触媒後空燃比センサという。この下流触媒後空燃比センサ２２は、触媒前空燃比センサ１７と同様の広域空燃比センサでも触媒後空燃比センサ１８と同様のＯ_２センサでもよいが、本実施形態ではＯ_２センサとしている。

図７に、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆを変化させた場合のメタン濃度の変化を調べた試験結果を示す。太い破線が触媒前メタン濃度、黒塗り四角が正常触媒の場合の触媒後メタン濃度、白抜き四角が劣化触媒の場合の触媒後メタン濃度をそれぞれ示す。

見られるように、空燃比Ａ／Ｆが大きくなるほど（リーンになるほど）ＨＣが少なくなるので触媒前、触媒後メタン濃度ともに減少する傾向にある。そして三元触媒の浄化ウィンドウである理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．６）付近で触媒後メタン濃度は極端に減少する（即ち、メタン浄化率は増大する）。ところで、触媒後メタン濃度が最小となる空燃比、および正常触媒の場合と劣化触媒の場合とで触媒後メタン濃度差が最大となる空燃比は、理論空燃比ではなく、むしろ理論空燃比より若干リーン側にずれた値である。当該試験結果によればその値は１４．７である。この理由は、メタンの浄化（酸化）には酸素が必要であり、空燃比が理論空燃比よりリーンのときには触媒付近に余剰酸素が存在するからである。また、三元触媒は理論空燃比のときに最大の浄化効率を有するので、あまりにリーン側にずれると浄化効率が低下する。この余剰酸素量と触媒浄化効率とのバランスから、理論空燃比より若干リーン側にずれた１４．７という値でメタン浄化率が最大となり、正常触媒と劣化触媒とで触媒後メタン濃度差が最大となっていると考えられる。

この試験結果に鑑み、触媒前メタン濃度Ｃｆと触媒後メタン濃度Ｃｒとの推定及び検出に際しては、上流触媒１１に流入する排気ガスの空燃比を、正常触媒の場合と劣化触媒の場合とで触媒後メタン濃度Ｃｒに大きく差が出るような所定空燃比Ａ／Ｆｍに制御するのが好ましい。このような所定空燃比Ａ／Ｆｍとしては、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．６）よりリーン側の所定値を基準値としてリッチ側及びリーン側に幅を持つ所定範囲の中から選択される値であるのが好ましい。上記試験結果に鑑みれば、Ａ／Ｆ＝１４．７を基準値としてここからリッチ側及びリーン側に幅を持つ所定範囲、即ち、１４．４≦Ａ／Ｆ≦１４．９の中から所定空燃比Ａ／Ｆｍが選択されるのが好ましい。より好ましくは、所定空燃比Ａ／Ｆｍは理論空燃比よりリーン側の値とされ（１４．６＜Ａ／Ｆｍ）、１４．６＜Ａ／Ｆ≦１４．８の範囲の中から選択されるのが好ましく、Ａ／Ｆｍ＝１４．７とされるのがより好ましい。本実施形態では所定空燃比Ａ／Ｆｍが１４．７とされている。

かかる空燃比制御を併せて実行することにより、正常触媒の場合と劣化触媒の場合とで触媒後メタン濃度に関して大きな差を得ることが可能になり、劣化診断精度を向上させることが可能になる。

なお、触媒の浄化効率が触媒温度に依存するので、触媒温度が低下すると触媒後メタン濃度が上がり、図７における触媒後メタン濃度の各線図が触媒前メタン濃度の線図に近づくようになる。そしてこれに伴って正常・劣化触媒間の触媒後メタン濃度差も小さくなる。

この別の実施形態に係る劣化診断処理を図８を参照して説明する。図示される処理はＥＣＵ２０により所定の演算周期毎に繰り返し実行される。

最初のステップＳ２０１では前記ステップＳ１０１と同様に、触媒劣化診断実行許可フラグがオンであり、且つ、触媒劣化診断終了フラグがオフであるか否かが判断される。この判断結果がノーのときには本処理が終了され、判断結果がイエスのときにはステップＳ２０２に進む。

ステップＳ２０２では、下流触媒１６がＮＯｘを浄化可能な状態になっているか否かが判断される。即ち、次のステップＳ２０３で排気空燃比が理論空燃比よりリーンの所定空燃比Ａ／Ｆｍに制御されるが、こうすると上流触媒１１からＮＯｘが流出し易くなる。そこで下流触媒１６がＮＯｘを浄化可能な状態になっていることを条件に排気空燃比を所定空燃比Ａ／Ｆｍに制御すれば、上流触媒１１から流出したＮＯｘを下流触媒１６で浄化でき、ＮＯｘの大気への放出を防止できる。

ステップＳ２０２では、具体的には、下流触媒後空燃比センサ２２が、理論空燃比よりもリーンな空燃比に相当する出力を出していないか否かが判断される。下流触媒後空燃比センサ２２がリーン空燃比相当の出力を出していなければ、下流触媒１６からリーンガスが流出しておらず、下流触媒１６は酸素を吸蔵可能な状態になっていると考えられるからである。よってこのときに下流触媒１６にＮＯｘを流入させるとＮＯｘを還元浄化することができる。なお、下流触媒後空燃比センサ２２がリーン空燃比相当の出力を出していないという条件に代わって、下流触媒１６の推定酸素吸蔵量が所定値（例えば満杯相当以下の所定値）より少ないという条件を採用してもよい。

ステップＳ２０２において、下流触媒１６がＮＯｘを浄化可能な状態になっていないと判断された場合には本処理が終了され、下流触媒１６がＮＯｘを浄化可能な状態になっていると判断された場合にはステップＳ２０３に進む。ステップＳ２０３では、前述したように、内燃機関１から排出され上流触媒１１に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンの所定空燃比Ａ／Ｆｍに制御される。

後は前記実施形態のステップＳ１０２〜Ｓ１０８と同様に、ステップＳ２０４で触媒前メタン濃度Ｃｆが推定され、ステップＳ２０５で触媒後メタン濃度Ｃｒが検出され、ステップＳ２０６でメタン浄化率Ｒが算出される。そしてステップＳ２０７でメタン浄化率Ｒが所定の劣化判定値Ｒｓと比較され、メタン浄化率Ｒが劣化判定値Ｒｓより大きければステップＳ２０８で上流触媒１１は正常と判定され、メタン浄化率Ｒが劣化判定値Ｒｓ以下ならステップＳ２０９で上流触媒１１は劣化と判定される。最後にステップＳ２１０で触媒劣化診断終了フラグがオン、触媒劣化診断実行許可フラグがオフされ、さらに空燃比を所定空燃比Ａ／Ｆｍにする空燃比制御が終了されて、本処理が終了される。

本発明に係る劣化診断の手法によれば、一般的なＣｍａｘ法に対して次のような利点がある。即ち、近年では触媒に用いられる貴金属量が減少する傾向にある。貴金属量が減少すると触媒の反応速度が低下し、触媒にリーンガス／リッチガスを供給して酸素の吸放出を行わせても、触媒側でその吸放出が完全に行えず、その結果触媒の酸素吸蔵容量ＯＳＣとして真の値より少ない値が計測されてしまうことがある。しかし、本発明に係る劣化診断の手法は、触媒に酸素を吸放出させるものではなく、また触媒の貴金属量が減少しても触媒前濃度と触媒後濃度との差が小さくなる（浄化率が低下する）だけで、上記のような誤計測や誤検出の問題は生じない。よって本発明に係る劣化診断の手法は触媒の貴金属量に依存することなく精度の高い診断が可能で、近年の触媒貴金属量減少という傾向にも十分対応し得るという点で、Ｃｍａｘ法より有利である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、前記実施形態では診断対象の触媒として三元触媒を用いたが、本発明は排気ガス中の少なくともＨＣを浄化可能なあらゆる触媒に適用可能である。例えば、排気ガス中の未燃成分であるＨＣ及びＣＯを浄化可能な酸化触媒にも本発明を適用できる。前記実施形態では触媒の劣化度を表す指標値として浄化率を算出し、この浄化率を所定の劣化判定値と比較して劣化判定を行ったが、これに限らず、例えば触媒前後の濃度差や濃度比を劣化判定値と比較して劣化判定を行ってもよい。前記実施形態では下流触媒として三元触媒を用いたが、下流触媒は排気ガス中の少なくともＮＯｘを浄化可能な触媒であればいかなる触媒であってもよく、例えば吸蔵還元型、選択還元型等のＮＯｘ触媒が使用可能である。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。 触媒の構成を示す概略断面図である。 正常触媒の場合と劣化触媒の場合とで排気ガス中のＨＣ成分の濃度を比較した試験結果を示す。 本発明の一実施形態の劣化診断処理を示すフローチャートである。 劣化判定値算出マップを示す。 本発明の別の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。 空燃比を変化させた場合のメタン濃度の変化を調べた試験結果を示す。 本発明の別の実施形態の劣化診断処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
５ エアフローメータ
６ 排気管
１１ 上流触媒
１２ インジェクタ
１６ 下流触媒
１７ 触媒前空燃比センサ
１８ 触媒後空燃比センサ
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２１ 触媒後メタンセンサ
２２ 下流触媒後空燃比センサ
Ｃｆ 触媒前メタン濃度
Ｃｒ 触媒後メタン濃度
Ｒ メタン浄化率
Ｒｓ 劣化判定値
Ａ／Ｆｍ 所定空燃比

Claims (12)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、流入される排気ガス中の少なくとも炭化水素を浄化可能な触媒と、
   前記触媒に流入する排気ガス中の炭化水素を構成する複数の成分のうちメタンの濃度を検出又は推定する触媒前検出手段と、
   前記触媒から流出する排気ガス中の前記メタンの濃度を検出する触媒後検出手段と、
   前記触媒前検出手段によって検出又は推定された前記メタンの濃度と、前記触媒後検出手段によって検出された前記メタンの濃度とに基づいて、前記触媒の恒久的劣化を判定する劣化判定手段と、
   前記触媒前検出手段及び前記触媒後検出手段によって前記メタンの濃度を検出又は推定する際に、前記触媒に流入する排気ガスの空燃比を、前記メタンの浄化率が最大となるような理論空燃比よりリーン側の所定空燃比に制御する空燃比制御手段と、
   を備えたことを特徴とする触媒の劣化診断装置。
2. 前記触媒前検出手段が、機関運転状態に基づいて前記触媒に流入する排気ガスのメタン濃度を推定するメタン濃度推定手段からなり、
   前記触媒後検出手段がメタンセンサを含む
   ことを特徴とする請求項１記載の触媒の劣化診断装置。
3. 前記触媒前検出手段及び前記触媒後検出手段がメタンセンサを含む
   ことを特徴とする請求項１記載の触媒の劣化診断装置。
4. 前記劣化判定手段が、前記触媒前検出手段によって検出又は推定された前記メタンの濃度と、前記触媒後検出手段によって検出された前記メタンの濃度とに基づいて、前記触媒における前記メタンの浄化率を算出し、当該浄化率に基づいて前記触媒の劣化を判定する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の触媒の劣化診断装置。
5. 前記触媒の下流側に設けられ、流入される排気ガス中の少なくともＮＯｘを浄化可能な下流触媒が備えられ、
   前記空燃比制御手段が、前記下流触媒がＮＯｘを浄化可能な状態となっていることを条件に前記空燃比制御を実行する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の触媒の劣化診断装置。
6. 前記触媒が三元触媒である
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の触媒の劣化診断装置。
7. 内燃機関の排気通路に設けられ、流入される排気ガス中の少なくとも炭化水素を浄化可能な触媒の劣化を診断する方法であって、
   （ａ）前記触媒に流入する排気ガス中の炭化水素を構成する複数の成分のうちメタンの濃度を検出又は推定するステップと、
   （ｂ）前記触媒から流出する排気ガス中の前記メタンの濃度を検出するステップと、
   （ｃ）前記ステップ（ａ）で検出又は推定された前記メタンの濃度と、前記ステップ（ｂ）で検出された前記メタンの濃度とに基づいて、前記触媒の恒久的劣化を判定するステップと、
   （ｄ）前記ステップ（ａ）及び前記ステップ（ｂ）で前記メタンの濃度を検出又は推定する際に、前記触媒に流入する排気ガスの空燃比を、前記メタンの浄化率が最大となるような理論空燃比よりリーン側の所定空燃比に制御するステップと、
   を備えたことを特徴とする触媒の劣化診断方法。
8. 前記ステップ（ａ）が、機関運転状態に基づいて前記触媒に流入する排気ガスのメタン濃度を推定することからなり、
   前記ステップ（ｂ）が、メタンセンサによって前記触媒から流出する排気ガスのメタン濃度を検出することからなる
   ことを特徴とする請求項７記載の触媒の劣化診断方法。
9. 前記ステップ（ａ）が、メタンセンサによって前記触媒に流入する排気ガスのメタン濃度を検出することからなり、
   前記ステップ（ｂ）が、メタンセンサによって前記触媒から流出する排気ガスのメタン濃度を検出することからなる
   ことを特徴とする請求項７記載の触媒の劣化診断方法。
10. 前記ステップ（ｃ）が、前記ステップ（ａ）で検出又は推定された前記メタンの濃度と、前記ステップ（ｂ）で検出された前記メタンの濃度とに基づいて、前記触媒における前記メタンの浄化率を算出し、当該浄化率に基づいて前記触媒の劣化を判定することを含む
    ことを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の触媒の劣化診断方法。
11. （ｅ）前記触媒の下流側に、流入される排気ガス中の少なくともＮＯｘを浄化可能な下流触媒を設けるステップ
    を備え、
    前記ステップ（ｄ）において、前記下流触媒がＮＯｘを浄化可能な状態となっていることを条件に前記空燃比制御が実行される
    ことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の触媒の劣化診断方法。
12. 前記触媒が三元触媒である
    ことを特徴とする請求項７乃至１１のいずれかに記載の触媒の劣化診断方法。

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