JP2984312B2 - 空燃比センサによる触媒の浄化率測定方法及びその劣化時期検知方法 - Google Patents
空燃比センサによる触媒の浄化率測定方法及びその劣化時期検知方法Info
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- Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、空燃比センサによる触媒の浄化率測定方法
及びその劣化時期検出方法に関し、特に第１発明はHC/C
O/NOx成分の平均浄化率を、第２発明はNOx成分の浄化率
を、第３発明はHC/CO成分の平均浄化率を測定する方法
に関する。本発明は、触媒の劣化程度延いてはその劣化
時期、交換時期の判断に利用される。
及びその劣化時期検出方法に関し、特に第１発明はHC/C
O/NOx成分の平均浄化率を、第２発明はNOx成分の浄化率
を、第３発明はHC/CO成分の平均浄化率を測定する方法
に関する。本発明は、触媒の劣化程度延いてはその劣化
時期、交換時期の判断に利用される。
従来の触媒の劣化時期検知方法としては、上流側及び
下流側に酸素センサを各々配設して、この各出力電圧の
極大値の差により劣化時期を検知するものが知られてい
る（特開昭63−231252号公報）。更に、触媒が劣化した
場合にも確実に空燃比を適正に制御でき、前記と同様に
２本の空燃比センサを用いた空燃比制御装置も知られて
いる（特開昭63−205441号公報）。
下流側に酸素センサを各々配設して、この各出力電圧の
極大値の差により劣化時期を検知するものが知られてい
る（特開昭63−231252号公報）。更に、触媒が劣化した
場合にも確実に空燃比を適正に制御でき、前記と同様に
２本の空燃比センサを用いた空燃比制御装置も知られて
いる（特開昭63−205441号公報）。
空燃比センサは、λ＝１近辺で出力特性が急激な立ち
上がりを示すので、主として第12図に示すように、リー
ン側とリッチ側で交互に振れる出力波形を示すにすぎ
ず、その中間値に相等する波形は示さない。従って、前
記２本の空燃比センサを用いた触媒の劣化時期検知方法
は、両波形を比較して行うシステム処理が煩雑であり、
しかも、第13図に示すように、浄化率が70％以下におい
ては十分な精度をもって検出することが困難である。
上がりを示すので、主として第12図に示すように、リー
ン側とリッチ側で交互に振れる出力波形を示すにすぎ
ず、その中間値に相等する波形は示さない。従って、前
記２本の空燃比センサを用いた触媒の劣化時期検知方法
は、両波形を比較して行うシステム処理が煩雑であり、
しかも、第13図に示すように、浄化率が70％以下におい
ては十分な精度をもって検出することが困難である。
また、各排気ガス成分（HC、CO、NOx）、特にNOx成分
を直接、分析計で測定することもできるが、この装置は
高価であり、且つ使用する測定器及び測定方法が大規模
となる。
を直接、分析計で測定することもできるが、この装置は
高価であり、且つ使用する測定器及び測定方法が大規模
となる。
本発明は、前記観点に鑑みてなされたものであり、浄
化率測定範囲が大変広く、且つ精度よく測定できる触媒
の浄化率測定方法及びその劣化時期検知方法を提供する
ことを目的とする。
化率測定範囲が大変広く、且つ精度よく測定できる触媒
の浄化率測定方法及びその劣化時期検知方法を提供する
ことを目的とする。
更に、本発明は、出力幅をリーン側及びリッチ側の双
方若しくはその一方とするだけで、前記三成分のみなら
ず、NOx成分又はHC/CO成分の各浄化率をも簡単に測定で
きる。
方若しくはその一方とするだけで、前記三成分のみなら
ず、NOx成分又はHC/CO成分の各浄化率をも簡単に測定で
きる。
本第１発明の空燃比センサによる触媒の浄化率測定方
法、排気ガス中の有害成分を浄化する触媒の上流側に上
流側空燃比センサを、下流側に下流側空燃比センサを各
々配設し、前記上流側空燃比センサの出力幅に対する下
流側空燃比センサの出力幅の減少率を得、該減少率と排
気ガス中の炭化水素（HC）、一酸化炭素（CO）及び窒素
酸化物（NOx）の三成分の平均浄化率との関係により、
触媒の該平均浄化率を測定することを特徴とする。
法、排気ガス中の有害成分を浄化する触媒の上流側に上
流側空燃比センサを、下流側に下流側空燃比センサを各
々配設し、前記上流側空燃比センサの出力幅に対する下
流側空燃比センサの出力幅の減少率を得、該減少率と排
気ガス中の炭化水素（HC）、一酸化炭素（CO）及び窒素
酸化物（NOx）の三成分の平均浄化率との関係により、
触媒の該平均浄化率を測定することを特徴とする。
本第２発明の前記浄化率測定方法は、前記上流側空燃
比センサのリーン側出力幅に対する下流側空燃比センサ
のリーン側出力幅の減少率を得ることにより、触媒のNO
x成分の浄化率を測定することを特徴とする。
比センサのリーン側出力幅に対する下流側空燃比センサ
のリーン側出力幅の減少率を得ることにより、触媒のNO
x成分の浄化率を測定することを特徴とする。
本第３発明の前記浄化率測定方法は、前記上流側空燃
比センサのリッチ側出力幅に対する下流側空燃比センサ
のリッチ側出力幅の減少率を得ることにより、触媒のHC
/CO成分の平均浄化率を測定することを特徴とする。
比センサのリッチ側出力幅に対する下流側空燃比センサ
のリッチ側出力幅の減少率を得ることにより、触媒のHC
/CO成分の平均浄化率を測定することを特徴とする。
本第４発明は触媒の劣化時期検知方法に関するもので
あり、前記上流側空燃比センサの出力幅に対する下流側
空燃比センサの出力幅の減少率が所定値を下回った時点
で前記触媒の劣化時期を検知することを特徴とする。
あり、前記上流側空燃比センサの出力幅に対する下流側
空燃比センサの出力幅の減少率が所定値を下回った時点
で前記触媒の劣化時期を検知することを特徴とする。
触媒の上流側及び下流側に空燃比センサを配設し、こ
のセンサは、第11図に示すように、空燃比と出力特性の
関係が所定のカーブ曲線を示し、従来の酸素センサのよ
うに、A/F＝14.6での急な立ち上がりもない。従って、
例えば、第２図に示す上流側センサの波形Ａにおける出
力幅（a1）に対して、劣化の程度に応じて下流側センサ
の出力幅（b1）は、このa1幅よりも小さな種々の値に減
少する。例えば、第３図に示すように、波形Ｂにおける
b1幅、完全に浄化される場合の波形（この場合は実質
上、直線）Ｃにおける幅（＝０）等、種々の値をとる。
のセンサは、第11図に示すように、空燃比と出力特性の
関係が所定のカーブ曲線を示し、従来の酸素センサのよ
うに、A/F＝14.6での急な立ち上がりもない。従って、
例えば、第２図に示す上流側センサの波形Ａにおける出
力幅（a1）に対して、劣化の程度に応じて下流側センサ
の出力幅（b1）は、このa1幅よりも小さな種々の値に減
少する。例えば、第３図に示すように、波形Ｂにおける
b1幅、完全に浄化される場合の波形（この場合は実質
上、直線）Ｃにおける幅（＝０）等、種々の値をとる。
従って、両出力幅の減少率と触媒のHC/CO/NOx平均浄
化率は例えば、第７図に示すように、ほぼ直線の関係を
示し、全ての浄化率において良好な関係を示す。尚、こ
こで、減少率とは、（ａ−ｂ）/a×100（％）で求めら
れる。
化率は例えば、第７図に示すように、ほぼ直線の関係を
示し、全ての浄化率において良好な関係を示す。尚、こ
こで、減少率とは、（ａ−ｂ）/a×100（％）で求めら
れる。
更に、排気ガス成分組成は、リーン側ではNOx量が支
配的となる。従ってリーン側では、第２図に示す出力幅
a2に対して第３図のb2の減少率を求めると、前記と同様
の直線関係が得られる。
配的となる。従ってリーン側では、第２図に示す出力幅
a2に対して第３図のb2の減少率を求めると、前記と同様
の直線関係が得られる。
更に、リッチ側ではHC/CO成分の合計量が支配的とな
るので、リッチ側における、第２図に示す出力幅a3に対
して第３図のb3の減少率を求めると、前記と同様の直線
関係が得られる。
るので、リッチ側における、第２図に示す出力幅a3に対
して第３図のb3の減少率を求めると、前記と同様の直線
関係が得られる。
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
（１）浄化用測定装置の概要 第１図は本実施例の空燃比センサによる触媒の浄化率
測定方法及び劣化時期検知方法を実施しうる内燃エンジ
ンの空燃比測定装置の概略構成図、及び第４図は試験の
ためのセンサ配置場所等を示す装置の説明図を示す。
測定方法及び劣化時期検知方法を実施しうる内燃エンジ
ンの空燃比測定装置の概略構成図、及び第４図は試験の
ためのセンサ配置場所等を示す装置の説明図を示す。
これらの図に示すように、内燃エンジン１の排気通路
２には、三元触媒３が取付られており、この三元触媒３
の上流側及び下流側の排気通路には、各々空燃比センサ
４、５が取付けられている。これらの空燃比センサ４、
５は、センサ制御装置６、７に各々電気的に接続され、
センサ出力をこれらから得る。尚、10は制御λセンサを
示す。また、比較例としては、前記空燃比センサ４、５
とほぼ同位置に酸素センサ８、９を取付けた。
２には、三元触媒３が取付られており、この三元触媒３
の上流側及び下流側の排気通路には、各々空燃比センサ
４、５が取付けられている。これらの空燃比センサ４、
５は、センサ制御装置６、７に各々電気的に接続され、
センサ出力をこれらから得る。尚、10は制御λセンサを
示す。また、比較例としては、前記空燃比センサ４、５
とほぼ同位置に酸素センサ８、９を取付けた。
この空燃比センサ4.5は、公知のものを用いることが
できる。例えば、その原理を第10図に基づいて簡単に説
明すれば、以下の通りである。まず、Ipセル41とVs/Icp
セル42との間に形成された拡散室43に流入した排気ガス
中の酸素分圧が、一定になるようにポンプアップをす
る。そして、この拡散室43内の酸素分圧と酸素基準室44
内との酸素分圧比に起因して生じる電圧（例えば450m
V）を一定とするための出力電流値（又は電圧値）を読
み取るものである。尚、45はヒータを示す。
できる。例えば、その原理を第10図に基づいて簡単に説
明すれば、以下の通りである。まず、Ipセル41とVs/Icp
セル42との間に形成された拡散室43に流入した排気ガス
中の酸素分圧が、一定になるようにポンプアップをす
る。そして、この拡散室43内の酸素分圧と酸素基準室44
内との酸素分圧比に起因して生じる電圧（例えば450m
V）を一定とするための出力電流値（又は電圧値）を読
み取るものである。尚、45はヒータを示す。
（２）HC/CO/NOx平均浄化率の測定及び劣化時期の検知 この装置を用いて、上流側センサ４の出力幅（a1）に
対する下流側センサの出力幅（b1）の前記減少率を種々
の浄化率のもとで求めておき、検量線用とする。
対する下流側センサの出力幅（b1）の前記減少率を種々
の浄化率のもとで求めておき、検量線用とする。
この減少率を求めるための出力波形の、一例を示せ
ば、エンジン運転条件（2.0L×４気筒、エンジン回転数
＝2400rpm、ブースト圧＝−200mmHg）にて、新品触媒を
用いた場合、第５図に示すように、上流側センサ４では
所定の波形Ｃを示し、下流側センサ５では、ほぼ完全に
浄化されているのでほぼ直線Ｄとなった。また、劣化触
媒を用いた場合、第６図に示すように、下流側センサ５
では、新品触媒の場合と異なり上流側の波形Ｃと近似す
るが、それよりも出力幅の小さな波形Ｅを示した。尚、
両図ともに下流側の波形Ｄ、Ｅは上流側の波形Ｃと比べ
て2.5倍の感度を持って出力させている。
ば、エンジン運転条件（2.0L×４気筒、エンジン回転数
＝2400rpm、ブースト圧＝−200mmHg）にて、新品触媒を
用いた場合、第５図に示すように、上流側センサ４では
所定の波形Ｃを示し、下流側センサ５では、ほぼ完全に
浄化されているのでほぼ直線Ｄとなった。また、劣化触
媒を用いた場合、第６図に示すように、下流側センサ５
では、新品触媒の場合と異なり上流側の波形Ｃと近似す
るが、それよりも出力幅の小さな波形Ｅを示した。尚、
両図ともに下流側の波形Ｄ、Ｅは上流側の波形Ｃと比べ
て2.5倍の感度を持って出力させている。
この各減少率を示す時の浄化率は、第４図に示す２か
所の位置にて各排気ガスをサンプリングして、その各成
分（HC、CO、NOx）量を各分析計にて測定して求めたも
のである。この様にして得られた浄化率と出力幅減少率
の関係を第７図に示す。
所の位置にて各排気ガスをサンプリングして、その各成
分（HC、CO、NOx）量を各分析計にて測定して求めたも
のである。この様にして得られた浄化率と出力幅減少率
の関係を第７図に示す。
以上より、第７図に示すように、出力減少率と平均浄
化率とに良好な直線関係が、ほぼ全浄化率範囲において
得られたので、減少率が判れば、その触媒の浄化率が判
ることとなる。特に、全ての浄化率範囲において、精度
良く触媒浄化率が判る。
化率とに良好な直線関係が、ほぼ全浄化率範囲において
得られたので、減少率が判れば、その触媒の浄化率が判
ることとなる。特に、全ての浄化率範囲において、精度
良く触媒浄化率が判る。
更に、前記出力幅減少率の所定値をもって劣化時期と
すれば、容易に且つ精度よく、この劣化時期を検知する
ことができる。尚、この劣化時期の目安となる出力幅減
少率は、目的等により種々設定される。
すれば、容易に且つ精度よく、この劣化時期を検知する
ことができる。尚、この劣化時期の目安となる出力幅減
少率は、目的等により種々設定される。
一方、比較例の従来の酸素センサにおいては、触媒下
流側センサの出力幅と浄化率との関係を求めると、第13
図に示すように、70％以下においては浄化率を精度よく
求めることができなかった。
流側センサの出力幅と浄化率との関係を求めると、第13
図に示すように、70％以下においては浄化率を精度よく
求めることができなかった。
（３）NOx浄化率の測定及び劣化時期の検知 排気ガス成分組成は、リーン側では一般に有害成分と
しては、NOx量が支配的となる。
しては、NOx量が支配的となる。
従って、前記と同様に、第２図に示すように、出力波
形のリーン側の上流側センサの出力電圧幅（a2）に対す
る下流側センサの出力幅（b2）の減少率と、種々の浄化
率の関係を求めると、第８図に示すように、NOxの平均
浄化率が約50％以上においては良好な直線関係を示し
た。
形のリーン側の上流側センサの出力電圧幅（a2）に対す
る下流側センサの出力幅（b2）の減少率と、種々の浄化
率の関係を求めると、第８図に示すように、NOxの平均
浄化率が約50％以上においては良好な直線関係を示し
た。
そのため、浄化率50％以上においては、触媒のNOx浄
化率を精度良く、簡単に求めることができる。また、こ
の出力電圧幅減少率の所定値をもって劣化時期とすれ
ば、これによっても特に、NOxにおける触媒の劣化時期
を検知できる。
化率を精度良く、簡単に求めることができる。また、こ
の出力電圧幅減少率の所定値をもって劣化時期とすれ
ば、これによっても特に、NOxにおける触媒の劣化時期
を検知できる。
（４）HC/CO浄化率の測定及び劣化時期の検知 また、排気ガス成分組成は、リッチ側ではHC及びCO量
が支配的となる。従って、第２図に示すように、出力波
形のリッチ側の上流側センサの出力幅（a3）に対する下
流側センサの出力幅（b3）の減少率と、種々のHC/CO浄
化率の関係を求めると、第９図に示すように、HC/COの
平均浄化率がほぼ全範囲において良好な直線関係を示し
た。
が支配的となる。従って、第２図に示すように、出力波
形のリッチ側の上流側センサの出力幅（a3）に対する下
流側センサの出力幅（b3）の減少率と、種々のHC/CO浄
化率の関係を求めると、第９図に示すように、HC/COの
平均浄化率がほぼ全範囲において良好な直線関係を示し
た。
そのため、全浄化率範囲においては、触媒のHC/COの
平均浄化率を精度良く、簡単に求めることができる。ま
た、この場合も、前記と同様に、特にHC/CO成分におけ
る触媒の劣化時期を検知できる。
平均浄化率を精度良く、簡単に求めることができる。ま
た、この場合も、前記と同様に、特にHC/CO成分におけ
る触媒の劣化時期を検知できる。
尚、本発明においては、前記具体的実施例に示すもの
に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々
変更した実施例とすることができる。
に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々
変更した実施例とすることができる。
本発明の浄化率測定方法は、前記作用を有するので、
簡便に、精度よく、安価に且つ大規模な装置も必要とせ
ずに、触媒の浄化率を測定できる。また、本測定方法に
よれば、従来の２本の酸素センサの場合のように測定範
囲が限定されることもなく、70％以下の浄化率において
も精度よく測定できる。
簡便に、精度よく、安価に且つ大規模な装置も必要とせ
ずに、触媒の浄化率を測定できる。また、本測定方法に
よれば、従来の２本の酸素センサの場合のように測定範
囲が限定されることもなく、70％以下の浄化率において
も精度よく測定できる。
更に、本測定方法によれば、HC/CO/NOxの三元成分の
平均浄化率のみならず、NOxの浄化率、更にはHC/COの平
均浄化率も同時に測定でき、特にNOxも同時に測定でき
る点、大変有用である。
平均浄化率のみならず、NOxの浄化率、更にはHC/COの平
均浄化率も同時に測定でき、特にNOxも同時に測定でき
る点、大変有用である。
また、本発明の劣化時期検知方法によれば、容易に且
つ精度よく、この劣化時期を検知することができるし、
また三成分に対する劣化時期のみならず、NOx成分又はC
O/HC成分の劣化時期をも、容易に検知できる。特に、本
検知方法によれば、劣化程度も十分に判る点において、
従来になく大変有用である。
つ精度よく、この劣化時期を検知することができるし、
また三成分に対する劣化時期のみならず、NOx成分又はC
O/HC成分の劣化時期をも、容易に検知できる。特に、本
検知方法によれば、劣化程度も十分に判る点において、
従来になく大変有用である。
第１図は実施例で用いた浄化率測定及び劣化時期検知装
置の概略構成図、第２図は上流側空燃比センサにおける
出力波形を示すグラフ、第３図は下流側空燃比センサに
おける出力波形を示すグラフ、第４図は実施例で用いた
浄化率測定及び劣化時期検知装置の説明図、第５図は実
施例において新品触媒を用いた場合の出力波形を示すグ
ラフ、第６図は実施例において劣化触媒を用いた場合の
出力波形を示すグラフ、第７図は実施例において出力幅
減少率とHC/CO/NOxの平均浄化率との関係を示すグラ
フ、 第８図は実施例において出力幅減少率とNOx浄化率との
関係を示すグラフ、第９図は実施例において出力幅減少
率とHC/COの平均浄化率との関係を示すグラフ、第10図
は実施例で用いた空燃比センサの原理を示す説明図、第
11図は第10図図示の空燃比センサにおいて空燃比とセン
サ出力特性の関係を示すグラフ、第12図は酸素センサに
おける出力波形を示すグラフ、第13図は酸素センサを用
いた場合のセンサ出力幅と平均浄化率との関係を示すグ
ラフである。 1;エンジン、2;排気通路、3;三元触媒、４、5;空燃比セ
ンサ、41;拡散室、42;Ipセル、43;Vs/Icpセル、44;比較
酸素室、45;ヒータ、６、7;センサ制御回路、８、9;酸
素センサ、10;制御λセンサ。
置の概略構成図、第２図は上流側空燃比センサにおける
出力波形を示すグラフ、第３図は下流側空燃比センサに
おける出力波形を示すグラフ、第４図は実施例で用いた
浄化率測定及び劣化時期検知装置の説明図、第５図は実
施例において新品触媒を用いた場合の出力波形を示すグ
ラフ、第６図は実施例において劣化触媒を用いた場合の
出力波形を示すグラフ、第７図は実施例において出力幅
減少率とHC/CO/NOxの平均浄化率との関係を示すグラ
フ、 第８図は実施例において出力幅減少率とNOx浄化率との
関係を示すグラフ、第９図は実施例において出力幅減少
率とHC/COの平均浄化率との関係を示すグラフ、第10図
は実施例で用いた空燃比センサの原理を示す説明図、第
11図は第10図図示の空燃比センサにおいて空燃比とセン
サ出力特性の関係を示すグラフ、第12図は酸素センサに
おける出力波形を示すグラフ、第13図は酸素センサを用
いた場合のセンサ出力幅と平均浄化率との関係を示すグ
ラフである。 1;エンジン、2;排気通路、3;三元触媒、４、5;空燃比セ
ンサ、41;拡散室、42;Ipセル、43;Vs/Icpセル、44;比較
酸素室、45;ヒータ、６、7;センサ制御回路、８、9;酸
素センサ、10;制御λセンサ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−231252（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−45913（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−31756（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−293548（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−128221（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F01N 3/20 F02D 45/00 314 G01N 27/00 B01D 53/94
Claims (4)
- 【請求項１】排気ガス中の有害成分を浄化する触媒の上
流側に上流側空燃比センサを、下流側に下流側空燃比セ
ンサを各々配設し、前記上流側空燃比センサの出力幅に
対する下流側空燃比センサの出力幅の減少率を得、該減
少率と排気ガス中の炭化水素（HC）、一酸化炭素（CO）
及び窒素酸化物（NOx）の三成分の平均浄化率との関係
により、触媒の該平均浄化率を測定することを特徴とす
る空燃比センサによる触媒の浄化率測定方法。 - 【請求項２】排気ガス中の有害成分を浄化する触媒の上
流側に上流側空燃比センサを、下流側に下流側空燃比セ
ンサを各々配設し、前記上流側空燃比センサのリーン側
出力幅に対する下流側空燃比センサのリーン側出力幅の
減少率を得、該減少率と排気ガス中の窒素酸化物（NO
x）成分の浄化率との関係により、触媒のNOx成分の浄化
率を測定することを特徴とする空燃比センサによる触媒
の浄化率測定方法。 - 【請求項３】排気ガス中の有害成分を浄化する触媒の上
流側に上流側空燃比センサを、下流側に下流側空燃比セ
ンサを各々配設し、前記上流側空燃比センサのリッチ側
出力幅に対する下流側空燃比センサのリッチ側出力幅の
減少率を得、該減少率と排気ガス中のHC成分及びCO成分
の平均浄化率との関係により、触媒のHC成分及びCO成分
の平均浄化率を測定することを特徴とする空燃比センサ
による触媒の浄化率測定方法。 - 【請求項４】排気ガス中の有害成分を浄化する触媒の上
流側に上流側空燃比センサを、下流側に下流側空燃比セ
ンサを各々配設し、前記上流側空燃比センサの出力幅ａ
に対する下流側空燃比センサの出力幅ｂの減少率（ａ−
ｂ）/aが所定値を下回った時点で前記触媒の劣化時期を
検知することを特徴とする空燃比センサによる触媒の劣
化時期検知方法。
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