JP7265449B2 - 触媒劣化診断方法 - Google Patents

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Description

本発明は、触媒の劣化度合いを診断するシステムおよび方法に関し、特に、車両に搭載された内燃機関からの排ガスが導入される触媒のための診断システムおよび診断方法に関するものである。
車両(典型的には自動車)に搭載されてなるガソリンエンジンからは、その運転時、有害物質であるNOx(窒素酸化物)、THC(全炭化水素:Total Hydrocarbon)およびCO(一酸化炭素)を含有する排ガスが排出される。これらのガス種は排出規制の対象とされており、それゆえ、多くのガソリンエンジン車両には、これら3つの含有物を一括して除去する(浄化する)触媒、すなわち三元触媒(TWC:Three Way Catalyst)が、搭載されている。
三元触媒は、Pd(パラジウム)、Pt(白金)、およびRh(ロジウム)等の貴金属からなり、主たる触媒作用を担う部分と、CeO(セリア)を主としたセラミックスからなる、助触媒と位置付けられる部分とを有している。PdおよびPtには、排ガス中のHCおよびCOを酸化してCO(二酸化炭素)およびHO(水)を生成させる作用がある。また、PdおよびRhには、排ガス中のNOxを還元してN(窒素)を生成させる作用がある。セリアには、O(酸素)を吸着・脱離させる作用があり、TWCにおいては、HCおよびCOが酸化される際には必要な酸素がセリアから放出され、NOxが還元される際には生じた酸素がセリアに吸蔵(貯蔵)されるようになっている。
ガソリンエンジンは、空燃比(A/F)が理論空燃比に等しいかあるいはその近傍の値となっており、エンジンシリンダ内へ導入される燃料が完全燃焼するストイキオメトリ(ストイキ)状態を中心としつつも、車両の状況によっては、A/Fがストイキ状態よりも高いリーン状態、あるいは、A/Fがストイキ状態よりも低いリッチ状態にも、適宜に移行しつつ運転される。そして、TWCは、このうちのストイキ状態において、HCおよびCOと、NOxとを全て、高い浄化率にて浄化できるようになっている。
より具体的には、TWCにおけるNOxについての浄化率は、リッチ運転時(還元雰囲気)およびストイキ運転時では相対的に高く、リーン運転時(酸素過剰雰囲気)では相対的に低い。逆に、TWCにおけるHCおよびCOについての浄化率は、リーン運転時およびストイキ運転時では相対的に高く、リッチ運転時では相対的に低い。これは、リッチ運転時は排ガスの酸素含有量が低いのでNOxを還元させやく、リーン運転時は排ガスの酸素含有量が高いので、HCおよびCOを酸化させやすいからである。
換言すれば、リッチ運転時の排気を浄化したTWCからは、HCおよびCOが排出されやすく、リーン運転時の排ガスを浄化したTWCからは、NOxが排出されやすいという傾向がある。なお、前者からは、ガソリンエンジンそのものからは排出されないNHも排出される。
TWCは、長期的に使用を継続するうちに劣化していく。劣化の仕方には、さまざまな場合があるが、主たる劣化モードは、リッチおよびリーン時の全体的な浄化効率低下、リーン時の浄化効率低下、リッチ時の浄化効率低下などである。
一方で、近年、自動車に関しては、法令上の要請により、OBD(車載故障診断:On-Board Diagnostics)の実施が義務づけられており、TWCもその対象である。
TWCのOBDは、例えば、OSC(酸素貯蔵能力:Oxygen Storage Capacity)法によって行われ得る。これは、セリアにおける酸素吸蔵能(酸素貯蔵量)が高いほど、三元触媒の浄化能力が高く、TWCの劣化は、セリアにおける酸素吸蔵能(酸素貯蔵量)の劣化として現れる、という前提に基づいている。
OSC法の一態様としてのCmax法がすでに公知である(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。
特開2006-17078号公報 特許第5835478号公報
しかしながら、Cmax法を初めとするOSC法ではあくまで、TWCに備わるセリアの酸素吸蔵能の劣化度合いを評価しているに過ぎず、浄化に直接に関わる酸化や還元を担う貴金属部分の劣化挙動を直接に把握することはできない。
また、TWCに備わるセリアの酸素吸蔵量は、エンジンからの排ガスに含まれるHC、CO、NOx等のガス成分との相関が小さいという問題もある。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、TWCの貴金属成分の劣化の度合いを好適に診断することができるシステムおよび方法を提供することを目的とする。
本発明の第の態様は、車両に搭載された内燃機関から排出された排ガスを浄化する触媒の、劣化度合いを診断する方法であって、前記触媒が貴金属部分とセラミックス部分とを有しており、前記排ガスの排気経路において前記触媒よりも下流側にNOxセンサが設けられおり、診断閾値を設定する閾値設定工程と、前記NOxセンサからの出力に応じた診断対象値と、あらかじめ定められた前記診断閾値とを比較することにより、前記触媒の劣化の度合いを診断する診断工程と、を備え、前記閾値設定工程においては、前記車両が一定の閾値設定用条件のもとで走行させられたときの、前記診断対象値と前記触媒を経た前記排ガス中のNOxとTHCとの総重量値との相関関係に基づいて、前記診断閾値が定められ、前記診断工程においては、前記車両が診断可能な条件のもとで走行する間に得られる前記診断対象値が、前記診断閾値を超える場合に、前記触媒の前記貴金属部分に劣化が生じていると診断する、ことを特徴とする。
本発明の第の態様は、第の態様に係る触媒劣化診断方法であって、前記閾値設定工程においては、前記診断閾値が、前記車両が前記一定の閾値設定用条件として定められた一の走行モードで走行した際の前記診断対象値と前記総重量値との相関関係に基づいて定められ、前記診断工程においては、前記車両が前記一の走行モードで走行するときに、前記触媒の劣化の度合いを診断する、ことを特徴とする。
本発明の第の態様は、第の態様に係る触媒劣化診断方法であって、前記閾値設定工程においては、前記診断閾値が、前記車両が前記一定の閾値設定用条件として定められた相異なる複数の走行モードのそれぞれで走行した際の、全ての前記診断対象値と全ての前記総重量値との間の一の相関関係に基づいて定められる、ことを特徴とする。
本発明の第1ないし第の態様によれば、触媒下流に設けたNOxセンサにおける検出値に基づき、触媒の貴金属成分の劣化度合いについて、NOxの排出量のみを診断対象とする場合よりも好適に、診断することができる。


車両(システム)1000の構成を概略的に示す図である。 NOxセンサ703の構成の一例を概略的に示す図である。 劣化診断の基本的考え方を説明するための図である。 TWC601の後方において排気に含まれるNHとTHCとを測定した結果を示す図である。 実施例1について、NOx+THCの単位走行距離あたりの総重量値を、単位走行距離あたりのNOx重量換算値に対してプロットした図である。 実施例2について、NOx+THCの単位走行距離あたりの総重量値を、単位走行距離あたりの規格化NOx重量換算値に対してプロットした図である。 実施例1において得られたデータ全てを対象に回帰分析を行った結果を示す図である。 実施例2において得られたデータ全てを対象に回帰分析を行った結果を示す図である。 比較例1について、NOxの単位走行距離あたりの重量値を、単位走行距離あたりのNOx重量換算値に対してプロットした図である。 比較例2について、NOxの単位走行距離あたりの重量値を、酸素吸蔵量に対してプロットした図である。 比較例2について、THCの単位走行距離あたりの重量値を、酸素吸蔵量に対してプロットした図である。
<システムの構成>
図1は、本実施の形態における車両(システム)1000の構成を概略的に示す図である。本実施の形態において、車両1000は、運転者DRによって運転される自動車である。
車両1000は、内燃機関の一種であって動力源であるガソリンエンジン(以下、単にエンジンと称する)500と、エンジン500の内部(燃焼室)に燃料を噴射する燃料噴射装置501と、エンジン500に対して空気を供給する吸気部401と、エンジン500から排出される排ガスを浄化するTWC(三元触媒)601と、車両1000の各部の動作を制御するECU(電子制御装置)100と、運転者DRに対して車両1000に関する種々の情報を提示するためのインパネ(インストルメントパネル)その他の表示部200と、車両1000を動作させるに際し運転者DRによって操作される種々の操作部の一つであるアクセルペダル300と、を主として備える。なお、操作部としては他に、ハンドルや、トランスミッション用のシフトレバー(セレクトレバー)や、ブレーキペダル(いずれも図示省略)などが例示される。
吸気部401とTWC601とはそれぞれ、エンジン500と相異なる配管Pによって接続されてなる。以降においては、吸気部401からエンジン500に至るガスの経路を供給側あるいは吸気経路と称し、エンジン500からTWC601に向かう側のガスの経路を排気側あるいは排気経路と称する。また、エンジン500から排出されてTWC601に導入され、さらにTWC601から排出されるという排ガスの流れに基づき、TWC601からエンジン500に向かう側を上流側と称し、その反対側を下流側と称する。
車両1000においては概略、吸気部401を通じて外部から取り込まれた空気(吸気)と燃料噴射装置501から噴射された燃料との混合気を、エンジン500の内部で圧縮し、係る圧縮された混合気をスパークプラグ(図示省略)で点火することで爆発・燃焼させて膨張させ、その際に生じる圧力でピストン(図示省略)を移動させることで、動力を発生させるようになっている。そして係る動力発生後のガスが排ガスとして排気経路に排出され、TWC601により浄化されるようになっている。
排ガスには、有害物質であるNOx(窒素酸化物)、THC(全炭化水素:Total Hydrocarbon)およびCO(一酸化炭素)が含まれる。TWC601は、これら3つの含有物を、それぞれに高い浄化率にて一括して浄化する(除去する)能力を有してなる。
TWC601は、Pd(パラジウム)、Pt(白金)、およびRh(ロジウム)等の貴金属からなり、主たる触媒作用を担う部分と、CeO(セリア)を主としたセラミックスからなる、助触媒と位置付けられる部分とを有している。PdおよびPtには、排ガス中のHCおよびCOを酸化してCO(二酸化炭素)およびHO(水)を生成させる作用がある。PdおよびRhには、排ガス中のNOxを還元してN(窒素)を生成させる作用がある。セリアには、O(酸素)を吸着・脱離させる作用があり、TWC601においては、HCおよびCOが酸化される際には必要な酸素がセリアから放出され、NOxが還元される際には生じた酸素がセリアに吸蔵(貯蔵)されるようになっている。
本実施の形態において、TWC601は、劣化していない正常な状態で、エンジン500がストイキ状態(排ガスの空燃比がストイキ値(約14.7)の状態)あるいはリッチ状態(排ガスの空燃比がストイキ値よりも小さい状態)にあるときにNOxを90%以上の高い浄化率にて浄化(Nに還元)し、エンジン500がストイキ状態あるいはリーン状態(排ガスの空燃比がストイキ値よりも大きい状態)にあるときにHCおよびCOを90%以上の高い浄化率にて浄化(HOやCOへと酸化)する能力を、有してなるものとする。
車両1000はさらに、TWC601よりも上流側であってエンジン500との間を接続する配管Pに設けられた上流側空燃比検出手段701と、TWC601よりも下流側の配管Pに設けられた下流側空燃比検出手段702およびNOxセンサ703とを備える。なお、図1においては下流側空燃比検出手段702とNOxセンサ703とを別体にて示しているが、両者は一体に構成されていてもよく、さらにはNOxセンサ703が両者における検出を並行して行える態様であってもよい。
上流側空燃比検出手段701および下流側空燃比検出手段702はそれぞれ、TWC601の上流側および下流側における排ガスの空燃比を測定するために配置されている。NOxセンサ703は、TWC601の下流側における排ガス中のNOxの濃度を測定するために配置されている。これらの検出手段からの出力は、車両1000の運転制御のために用いられる。また、これに加えて、NOxセンサ703は、TWC601の劣化度合いを診断する際にも用いられる。
具体的には、本実施の形態においては、NOxセンサ703と、ECU100とを、主たる構成要素として、TWC601の劣化度合いを診断する触媒劣化診断システムDS1が構成されている。NOxセンサ703の詳細な構成、および、触媒劣化診断システムDS1による診断の詳細については後述する。
ECU100は、少なくとも1つのIC(集積回路)を含む電子回路によって構成される。電子回路は少なくとも1つのプロセッサ(図示せず)を含む。ECU100が有する各機能は、プロセッサがソフトウェアを実行することによって実現され得る。ソフトウェアは、プログラムとして記述され、メモリ(図示せず)に格納される。プログラムを格納するためのメモリは、ECU100に含まれていてよく、例えば、不揮発性または揮発性の半導体メモリである。
ECU100は、機能的構成要素として、上流側空燃比取得部110Aと、下流側空燃比取得部110Bと、燃料噴射制御部120と、吸気制御部130と、統括制御部140と、NOxセンサ出力処理部150と、診断部160と、記憶部170とを備える。
上流側空燃比取得部110Aと下流側空燃比取得部110Bとはそれぞれ、上流側空燃比検出手段701と下流側空燃比検出手段702からの空燃比信号を取得する。空燃比信号は必ずしも空燃比そのものとして取得される必要はなく、当該空燃比に応じた電圧値や電流値として取得される態様であってもよい。
燃料噴射制御部120は、運転者DRによるアクセルペダル300の操作状態などに応じた統括制御部140からの制御指示のもと、燃料噴射装置501からの燃料の噴射を制御する。
吸気制御部130は、運転者DRによるアクセルペダル300の操作状態などに応じた統括制御部140からの制御指示のもと、吸気部401からの吸気を制御する。
統括制御部140は、運転者DRによりなされる、アクセルペダル300その他の操作部に対する操作の状態に応じて、ECU100の各制御部に対し制御指示を与えることにより、運転・走行を含む車両1000全体の動作を統括的に制御する。
NOxセンサ出力処理部150は、NOxセンサ703から出力される信号値(NOxセンサ検出値)を取得するとともに、取得したNOxセンサ検出値を、触媒劣化診断システムDS1による劣化診断の際に使用される、所定の形式の値(診断対象値)に変換する処理を担う。NOxセンサ検出値は必ずしも、検出されるNOxの濃度値そのものである必要はなく、後述するように、当該濃度値を与える電流値(NOx電流値)であってもよい。
具体的な診断対象値としては、単位走行距離あたりに検出されるNOxを重量値に換算した(単位走行距離あたりの)NOx重量換算値や、係るNOx重量換算値をさらに使用される燃料の量により規格化した値(規格化NOx重量換算値)などが例示される。
診断部160は、NOxセンサ出力処理部150において生成される診断対象値に基づいて、TWC601の劣化の度合いについて診断する。診断部160における劣化診断処理の詳細については後述する。
記憶部170は、車両1000の運転に際して必要な種々のプログラムやデータ、劣化診断の際の運転条件や診断閾値など、種々の情報を記憶する。
車両1000においては、下流側空燃比検出手段702およびNOxセンサ703のさらに下流側に、追加触媒602が設けられていてもよい。追加触媒602は例えば、もう一つのTWC、GPF(ガソリン・パティキュレート・フィルター:Gasoline Particulate Filter)、またはSCR(選択還元触媒:Selective Catalytic Reduction)などである。係る場合、エンジン500からの排ガスが、より好適に浄化される。
<NOxセンサの概要>
次に、NOxセンサ703の概略構成について説明する。図2は、センサ素子703sの長手方向に沿った垂直断面図を含む、NOxセンサ703の構成の一例を概略的に示す図である。本実施の形態において、NOxセンサ703は、センサ素子703sによってNOxを検知し、その濃度を測定する、限界電流型のセンサである。また、NOxセンサ703は、各部の動作を制御するとともに、センサ素子703sを流れるNOx電流に基づいてNOx濃度を特定するコントローラ703cをさらに備える。NOxセンサ703としては、公知のものを適用可能である。
センサ素子703sは、それぞれが酸素イオン伝導性固体電解質であるジルコニア(ZrO)からなる(例えばイットリウム安定化ジルコニア(YSZ)などからなる)、第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6との6つの固体電解質層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する、平板状の(長尺板状の)素子である。また、これら6つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。なお、以降においては、図2におけるこれら6つの層のそれぞれの上側の面を単に上面、下側の面を単に下面と称することがある。また、センサ素子703sのうち固体電解質からなる部分全体を基体部と総称する。
係るセンサ素子703sは、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。
センサ素子703sの一先端部であって、第2固体電解質層6の下面と第1固体電解質層4の上面との間には、ガス導入口10と、第1拡散律速部11と、緩衝空間12と、第2拡散律速部13と、第1内部空所20と、第3拡散律速部30と、第2内部空所40とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。
ガス導入口10と、緩衝空間12と、第1内部空所20と、第2内部空所40とは、スペーサ層5をくり抜いた態様にて設けられた上部を第2固体電解質層6の下面で、下部を第1固体電解質層4の上面で、側部をスペーサ層5の側面で区画されたセンサ素子703s内部の空間である。
第1拡散律速部11と、第2拡散律速部13と、第3拡散律速部30とはいずれも、2本の横長の(図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する)スリットとして設けられる。なお、ガス導入口10から第2内部空所40に至る部位をガス流通部とも称する。
また、ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第3基板層3の上面と、スペーサ層5の下面との間であって、側部を第1固体電解質層4の側面で区画される位置に基準ガス導入空間43が設けられている。基準ガス導入空間43には、NOx濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。
大気導入層48は、多孔質アルミナからなる層であって、大気導入層48には基準ガス導入空間43を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層48は、基準電極42を被覆するように形成されている。
基準電極42は、第3基板層3の上面と第1固体電解質層4とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間43につながる大気導入層48が設けられている。
ガス流通部において、ガス導入口10は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口10を通じて外部空間からセンサ素子703s内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。
第1拡散律速部11は、ガス導入口10から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
緩衝空間12は、第1拡散律速部11より導入された被測定ガスを第2拡散律速部13へと導くために設けられた空間である。緩衝空間12は、排気圧の脈動がNOxセンサ703における測定に影響を与えないようにするために設けられてなる。
第2拡散律速部13は、緩衝空間12から第1内部空所20に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
第1内部空所20は、第2拡散律速部13を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル21が作動することによって調整される。
主ポンプセル21は、第1内部空所20に面する内側ポンプ電極22(22a、22b)と、第2固体電解質層6の上面(センサ素子703sの一方主面)に外部空間に露出する態様にて設けられた外側(空所外)ポンプ電極23と、これらの電極に挟まれた第2固体電解質層6とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。
内側ポンプ電極22は、Au-Pt合金とZrOとの多孔質サーメット電極として、平面視矩形状に形成される。
一方、外側ポンプ電極23は、例えばPtあるいはその合金とZrOとの多孔質サーメット電極として、平面視矩形状に形成される。
主ポンプセル21においては、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に可変電源24によって所望のポンプ電圧Vp0を印加して、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に正方向あるいは負方向に主ポンプ電流Ip0を流すことにより、第1内部空所20内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第1内部空所20に汲み入れることが可能となっている。なお、主ポンプセル21において内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に印加されるポンプ電圧Vp0を、主ポンプ電圧Vp0とも称する。
また、第1内部空所20における雰囲気中の酸素濃度(酸素分圧)を検出するために、内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、基準電極42によって、電気化学的なセンサセルである主センサセル80が構成されている。
主センサセル80における起電力V0を測定することで第1内部空所20内の酸素濃度(酸素分圧)がわかるようになっている。
さらに、コントローラ703cが、起電力V0が一定となるように主ポンプ電圧Vp0をフィードバック制御することで、主ポンプ電流Ip0が制御されている。これにより、第1内部空所内20内の酸素濃度は所定の一定値に保たれるようになっている。
第3拡散律速部30は、第1内部空所20で主ポンプセル21の動作により酸素濃度(酸素分圧)が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第2内部空所40に導く部位である。
第2内部空所40は、第3拡散律速部30を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。NOx濃度の測定は、主として、補助ポンプセル50により酸素濃度が調整された第2内部空所40において、さらに、測定ポンプセル41が動作することによりなされる。
第2内部空所40では、あらかじめ第1内部空所20において酸素濃度(酸素分圧)が調整された後、第3拡散律速部30を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル50による酸素分圧の調整が行われるようになっている。
補助ポンプセル50は、第2内部空所40に面して設けられた補助ポンプ電極51(51a、51b)と、外側ポンプ電極23と、第2固体電解質層6とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。
なお、補助ポンプ電極51についても、内側ポンプ電極22と同様に、Au-Pt合金とZrOとの多孔質サーメット電極として、平面視矩形状に形成される。
補助ポンプセル50においては、コントローラ703cによる制御のもと、補助ポンプ電極51と外側ポンプ電極23との間に所望の電圧Vp1を印加することにより、第2内部空所40内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第2内部空所40内に汲み入れることが可能となっている。
また、第2内部空所40内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極51と、基準電極42と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3とによって電気化学的なセンサセルである補助センサセル81が構成されている。
この補助センサセル81にて検出される、第2内部空所40内の酸素分圧に応じた起電力V1に基づいて電圧制御される可変電源52にて、補助ポンプセル50がポンピングを行う。これにより第2内部空所40内の雰囲気中の酸素分圧は、NOxの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。
また、これとともに、その補助ポンプ電流Ip1が、主センサセル80の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、補助ポンプ電流Ip1は、制御信号として主センサセル80に入力され、その起電力V0が制御されることにより、第3拡散律速部30から第2内部空所40内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。NOxセンサとして使用する際は、主ポンプセル21と補助ポンプセル50との働きによって、第2内部空所40内での酸素濃度は約0.001ppm程度の一定の値に保たれる。
測定ポンプセル41は、第2内部空所40内において、被測定ガス中のNOx濃度の測定を行う。測定ポンプセル41は、第2内部空所40に面する第1固体電解質層4の上面であって第3拡散律速部30から離間した位置に設けられた測定電極44と、外側ポンプ電極23と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4とによって構成された電気化学的ポンプセルである。
測定電極44は、Ptあるいはその合金とZrOとのサーメット電極として形成される。測定電極44は、第2内部空所40内の雰囲気中に存在するNOxを還元するNOx還元触媒としても機能する。さらに、測定電極44は、第4拡散律速部45によって被覆されてなる。
第4拡散律速部45は、アルミナ(Al)を主成分とする多孔体にて構成される膜である。第4拡散律速部45は、測定電極44に流入するNOxの量を制限する役割を担うとともに、測定電極44の保護膜としても機能する。
測定ポンプセル41においては、コントローラ703cによる制御のもと、測定電極44の周囲の雰囲気中におけるNOxの分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ip2として検出することができる。
また、測定電極44の周囲の酸素分圧を検出するために、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、測定電極44と、基準電極42とによって電気化学的なセンサセルである測定センサセル82が構成されている。測定センサセル82にて検出される、測定電極44の周囲の酸素分圧に応じた起電力V2に基づいて、可変電源46が制御される。
第2内部空所40内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第4拡散律速部45を通じて測定電極44に到達することとなる。測定電極44の周囲の被測定ガス中のNOxは還元されて(2NO→N+O)酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定ポンプセル41によってポンピングされることとなるが、その際、測定センサセル82にて検出された起電力V2が一定となるように可変電源46の電圧Vp2が制御される。測定電極44の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中のNOxの濃度に比例するものであるから、測定ポンプセル41におけるポンプ電流Ip2を用いて被測定ガス中のNOx濃度が算出されることとなる。以降、係るポンプ電流Ip2のことを、NOx電流Ip2とも称する。
また、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、外側ポンプ電極23と、基準電極42とから電気化学的なセンサセル83が構成されており、このセンサセル83によって得られる起電力Vrefによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。
センサ素子703sは、さらに、基体部を構成する固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子703sを加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部70を備えている。
ヒータ部70においては、センサ素子703sの外部に備わるヒータ電源から、通電経路であるヒータ電極71、スルーホール73、およびヒータリード72aを通じて給電することより、ヒータエレメント(抵抗発熱体)72を発熱させることで、センサ素子703sの各部を所定の温度に加熱、保温することができるようになっている。ヒータエレメント72は、Ptにて、あるいはPtを主成分として、形成されてなる。係る加熱によって、センサ素子703sにおいて基体部を構成する固体電解質の酸素イオン伝導性が高められる。なお、NOxセンサ703が使用される際の(センサ素子703sが駆動される際の)ヒータエレメント72による加熱温度を、センサ素子駆動温度と称する。
以上のような構成を有するNOxセンサ703においては、主ポンプセル21さらには補助ポンプセル50を作動させることによって被測定ガスに含まれる酸素を汲み出し、酸素分圧がNOxの測定に実質的に影響がない程度(例えば0.0001ppm~1ppm)にまで十分に低められた被測定ガスが、測定電極44に到達する。測定電極44においては、到達した被測定ガス中のNOxが還元されることによって、酸素が発生する。係る酸素は、測定ポンプセル41より汲み出されるが、係る汲み出しの際に流れるNOx電流Ip2は、被測定ガス中のNOxの濃度と一定の関数関係(以下、感度特性と称する)を有する。
係る感度特性は、NOxセンサ703を実使用するに先立ってあらかじめ、NOx濃度が既知の複数種類のモデルガスを用いて特定され、そのデータがコントローラ703cに記憶される。そして、NOxセンサ703の実使用時には、被測定ガスにおけるNOx濃度に応じて流れるNOx電流Ip2の値を表す信号がコントローラ703cに時々刻々と与えられる。コントローラ703cにおいては、その値と特定した感度特性とに基づいて、NOx濃度が次々と演算され、NOxセンサ検出値としてECU100のNOxセンサ出力処理部150に対し出力される。これにより、ECU100においては、被測定ガス中のNOx濃度をほぼリアルタイムで把握することができるようになっている。
あるいは、ECU100が例えば記憶部170において直接に感度特性のデータを保持しており、劣化診断に際しては、NOxセンサ703において測定されるNOx電流Ip2の値が直接にNOxセンサ検出値としてNOxセンサ出力処理部150に対し出力され、NOxセンサ出力処理部150が取得したNOx電流Ip2の値を診断対象値に変換する、という態様であってもよい。
<劣化診断>
次に、本実施の形態において行う、TWC601の劣化度合いを診断する処理(劣化診断)について説明する。
本実施の形態においては、上述のように、NOxセンサ703から出力されるNOxセンサ検出値に基づいて、NOxセンサ出力処理部150が生成する診断対象値を、当該劣化診断に用いる。概略、診断対象値が、あらかじめ定められ記憶部170に記憶されている診断閾値と比較され、その結果に基づいて、TWC601の劣化度合いが診断される。
図3は、本実施の形態において行う劣化診断の基本的考え方を説明するための図である。図3には、劣化状態の相異なるTWC601について順次に、ある車両1000に搭載し当該車両をある運転条件にて運転し、それぞれの場合におけるTWC601からの排気(排出ガス)についてNOxセンサ703による測定とFID分析計を用いた分析とを並行して行った場合に、当該測定および分析について想定される結果を、示している。
具体的には、NOxセンサ検出値から算出されるであろうNOx重量換算値と、FID分析計から得られるであろうNOxの分析値(排出ガスに含まれるNOxの重量値)との個々のデータセットが、「○」(白丸印)にてプロットされている。
なお、上述したように、NOx重量換算値は診断対象値の1つであり、排気の流量、圧力、温度が既知である場合、NOxの分子量をNOの分子量である30とすれば、状態方程式(PV=nRT、n=w/M)を用いて算出することが可能である。
ともに排出ガス中のNOxを対象としていることから、上述のような状況で得られるNOxの分析値とNOx重量換算値とは、当然ながら、強い正の相関を有する。本発明の発明者は、具体的な事例について実際に、係る相関関係の存在を確認している。なお、一般に、貴金属成分の劣化が進行したTWC601ほどNOxに対する浄化能は低く、それゆえより多くのNOxを下流側へと排出することから、劣化が進行しているTWC601ほど、図3におけるNOx重量換算値は大きいことになる。
一方で、図3においては、NOxの分析値に対し、上述の運転に際してNOxとともに検出されるであろうTHCの分析値を足し合わせた場合に得られることになるNOx+THCの合計分析値と、NOx重量換算値とのデータセットについても、「●」(黒丸印)にてプロットされている。なお、THCの濃度値はNOxの濃度値と概ね同程度あるいはそれよりも大きいものとする。
本発明の発明者が、具体的な事例について鋭意検討したところ、係るNOx+THCの総重量値についても、NOxのみの場合と同様、図3に示すようにNOx重量換算値に対して強い正の相関があるとの知見が得られた。しかも係る場合の相関係数(あるいはその二乗である決定係数)の値は、NOxのみの分析値を対象とする場合と同等、あるいは、1により近いことも、確認された。
一般に、貴金属部分の劣化が進行したTWC601ほど、NOxに加えてTHCの浄化能も低下するが、上記の知見は、NOxの浄化能とTHCの浄化能に応じた、NOxセンサ703からの出力値(NOxセンサ検出値)の大小に基づいて、TWC601の貴金属部分の劣化度合いを、総合的に診断可能であることを示唆している。
本実施の形態においては、以上の点に基づき、NOxセンサ検出値に基づいて算出される診断対象値と、あらかじめ定められ、記憶部170に記憶されている診断閾値とを比較することにより、TWC601の貴金属部分の劣化度合いについて、診断を行う。
診断閾値は、それぞれの劣化状態が相異なりかつ既知であるTWC601を順次に車両1000に搭載し、あらかじめ定められた閾値設定用条件に即した所定の運転モードで(例えばシャシー試験などで)試験的に運転した場合に得られる診断対象値と、その際に分析計にて測定されるNOx+THCの総重量値との間の線型関係を示す式に基づいて特定されればよい。特定された診断閾値は、診断対象値の形式に応じた形式および値にて、記憶部170に記述される。
そして、実際に車両1000に搭載されたTWC601を診断する場合においては、診断閾値を適用可能な運転条件で(例えば診断閾値設定時と同じ運転モードで)車両1000を運転し、その際に得られる診断対象値が閾値を超えていれば、TWC601の貴金属成分には許容限度を超えた劣化が生じていると診断し、診断対象値が閾値以下であれば、TWC601の貴金属成分には許容限度を超えた劣化は生じていないと診断する。
あるいは、閾値が段階的に設定され、それぞれの閾値とNOx濃度値とが比較されることで、診断対象たるTWC601における貴金属成分の劣化の度合いを、段階的に診断する態様であってもよい。
なお、NOxのみを対象とする場合よりも、NOx+THCを対象とする場合の方が、NOxセンサ703の診断対象値との間に優れた相関がみられる理由は、必ずしも明確ではない。推察されるとすれば、上述した構成を有するNOxセンサ703には、測定電極44においてNOxのみならずNHも分解される、いわゆるNH干渉性があることから、NOxセンサ703においてNOx電流として検知されている電流の一部は、NHの分解により生じている可能性があること、および、TWC601からのNHの排出は、HCと同様、リーン運転時の排ガスが浄化されたタイミングで生じることから、NHの排出挙動とTHCの排出挙動とが類似していること、などが挙げられる。
図4は、ある車両1000をFTP-75とRTS-95という2通りの走行モードで走行させた状態で、TWC601の後方において排気に含まれるNHとTHCとを測定した結果を示す図である。横軸xには、FT-IRにて測定したNHの単位走行距離あたりの重量値(単位:g/km)をとり、縦軸yには、FID計を用いて測定したTHCの単位走行距離あたりの重量値(単位:g/km)を取っている。
両走行モードについて、近似直線の式と決定係数Rの値はそれぞれ、次のようになった。
FTP-75:y=0.6797x+0.0004 R=0.98;
RTS-95:y=1.0113x+0.0109 R=0.9795。
これらの結果は、TWC601からのNHの排出とHCの排出との間に正の相関があることを示唆している。すなわち、上記の推察の妥当性を裏付けているものと考えられる。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、TWCの貴金属成分の劣化度合いについて、NOxの排出量のみを診断対象とする場合よりも好適に、診断することができる。
(実施例1)
本実施例では、劣化の度合いが異なる4つのTWC601を用意し、それぞれを実際の車両1000に搭載した状態で、所定の走行モードにて車両1000による走行を行った。その際には、配管PにおいてTWC60およびNOxセンサ703よりも下流側にてサンプリングバッグにより排気(排出ガス)を捕集し、その中に含まれるNOxとTHCの重量値をそれぞれ、CLD分析計とFID分析計を用いて求めるとともに、その際にNOxセンサ703から出力されるNOxセンサ検出値に基づき診断対象値を算出した。
車両1000としては、排気量1.4Lのガソリン車を使用した。TWC601としては、新品(以下、freshもしくはfresh品とも称する)と、程度の異なる劣化状態を模擬的に実現するべく、fresh品に対し1000℃でそれぞれ1時間、2時間、10時間水熱エージングした3つの水熱エージング品とを用意した。水熱エージング時間の長いTWC601ほど、劣化の度合いが顕著なものに相当する。なお、水熱エージングは、Oを2%、HOを10%含み、残余がNである雰囲気で行った。また、走行モードとしては、FTP-75とRTS-95とを採用した。
そして、TWC601と走行モードとの組み合わせが異なる全8通りの場合について、NOxセンサ703から出力されるNOxセンサ検出値(NOx電流値)に基づいて車両1000の単位走行距離あたりのNOx重量換算値(単位:g/km)を算出するとともに、走行中にサンプリングバッグにて捕集した排出ガスに含まれるNOx+THCの、単位走行距離あたりの総重量値(単位:g/km)を算出した。図5は、前者の値を横軸xとし、後者の値を縦軸yとして、プロットした図である。
FTP-75とRTS-95のそれぞれにつき、得られた4水準のデータを用いて個別に回帰分析を行い、図5において点線にて示す近似直線の式を求めるとともに、決定係数Rを算出した。
図5にも示しているが、両走行モードについて、近似直線の式と決定係数Rの値はそれぞれ、次のようになった。
FTP-75:y=4.7415x-0.0242 R=0.9919;
RTS-95:y=4.8743x+0.0021 R=0.9780。
係る結果からは、両走行モードのいずれの場合においても、NOxセンサ検出値から求まるNOx重量換算値と、NOx+THCの単位走行距離あたりの総重量値との間には強い正の相関があることが、確認される。
これはすなわち、劣化度合いがあらかじめ特定された複数のTWC601を用いて本実施例のように所定の走行モードにて車両1000を走行させ、図5に示すような近似直線を作成し、当該近似直線に基づいて診断閾値を定めておくようにすれば、劣化度合いが未知であるTWC601について、これを搭載した車両1000を当該走行モードで走行させたときの単位走行距離あたりのNOx重量換算値を、診断閾値と比較することにより、当該TWC601の劣化診断が可能であることを、示唆している。
(実施例2)
本実施例では、実施例1における診断対象値である単位走行距離あたりのNOx重量換算値を、車両1000の走行に使用した燃料の量により規格化した値(規格化NOx重量換算値)に換算したうえで、実施例1と同様の評価を行った。図6は、図5における横軸xの値を規格化NOx重量換算値に換算したうえで、改めてプロットを行った図である。なお、規格化は、THCが全てCであると仮定し、かつ、FID分析計を用いて特定された排ガス中のTHCについての重量値と、NDIR分析計を用いて特定された排ガス中のCO+COの重量値との総和を、燃料の量とすることにより、行った。
本実施例においても、実施例1と同様に、FTP-75とRTS-95のそれぞれにつき、得られた4水準のデータを用いて個別に回帰分析を行い、図6において点線にて示す近似直線の式を求めるとともに、決定係数Rを算出した。
図6にも示しているが、両走行モードについて、近似直線の式と決定係数Rの値はそれぞれ、次のようになった。
FTP-75:y=7295.6x-0.1082 R=0.9996;
RTS-95:y=3934.8x+0.0003 R=0.9912。
すなわち、いずれの走行モードにおいても、図5に示した場合よりも決定係数Rが1に近づいている。係る結果はすなわち、規格化NOx重量換算値を診断対象値とすることで、より精度良く劣化診断を行える可能性があることを、示唆している。
(実施例3)
実施例1および実施例2はいずれも、個別の走行モードごとに、NOxセンサ703からの出力に由来する診断対象値とNOx+THCの総重量値に相関関係があることを示しているに過ぎない。それゆえ、これらの相関関係に基づいて劣化診断を行う場合、診断閾値の設定時と同じ走行モードで走行することが必要となる。
本実施例では、実施例1および実施例2のそれぞれにおいて2つの走行モードで得られた8水準のデータ全てを対象に回帰分析を行い、近似直線の式を求めるとともに、決定係数Rを算出した。図7は、実施例1の図5と同じデータのプロットに、当該回帰分析にて得られた近似直線を示す図である。また、図8は、実施例2の図6と同じデータのプロットに、当該回帰分析にて得られた近似直線を示す図である。
図7にも示しているが、実施例1の8水準のデータ全てを対象とした近似直線の式と決定係数Rの値はそれぞれ、次のようになった。
y=5.6843x-0.036 R=0.9224。
また、図8にも示しているが、実施例2の8水準のデータ全てを対象とした近似直線の式と決定係数Rの値はそれぞれ、次のようになった。
y=5339x-0.056 R=0.9566。
いずれも、個別の走行モードごとに求めた近似直線に比べ、決定係数の値は小さいが、それでも十分に、xとyの間に強い相関があることを示している。このことは、診断閾値の設定に際しては相異なる複数の走行モードにて走行を行い、その結果に基づき適宜の診断対象値について設定を行いつつも、実際の劣化診断に際しては、走行モードを特段限定することなく走行を行い、その結果を診断閾値と比較可能であることを、示唆している。
(比較例1)
捕集した排出ガスに含まれるNOxのみを評価の対象とするほかは、実施例1と同様に、評価を行った。
図9は、図5における縦軸yの値を、走行中にサンプリングバッグにて捕集した排出ガスに含まれるNOxの、単位走行距離あたりの重量値(単位:g/km)として、プロットを行った図である。
FTP-75とRTS-95のそれぞれにつき、実施例1と同様に回帰分析を行い、図9において点線にて示す近似直線の式を求めるとともに、決定係数Rを算出した。
図9にも示しているが、両走行モードについて、近似直線の式と決定係数Rの値はそれぞれ、次のようになった。
FTP-75:y=2.7608x-0.0105 R=0.9778;
RTS-95:y=4.0853x-0.0552 R=0.9028。
いずれの場合も、決定係数Rは0.9を超えており、xとyの間に強い相関があることは認められるが、実施例1と比べると、値は下回っている。係る結果と実施例1の結果は、NOxセンサ703から出力されるNOxセンサ検出値をTWC601の貴金属成分の劣化度合いを判断する指標に用い、かつ、TWC601におけるNOxとTHCに対する総合的な浄化能に基づいて診断閾値を定めることが、妥当であることを指し示している。
(比較例2)
実施例1で使用した4つのTWC601について、実施例1にて使用した車両1000に搭載し、当該車両1000をFTP-75とRTS-95のそれぞれの走行モードで走行させたときの酸素吸蔵量を、公知のCmax法を適用することにより求めた。
図10は、TWC601と走行モードとの組み合わせが異なる全8通りの場合について、Cmax法により得られた酸素吸蔵量(単位:g)を横軸xとし、縦軸yを走行中にサンプリングバッグにて捕集した排出ガスに含まれるNOxの、単位走行距離あたりの重量値(単位:g/km)として、プロットを行った図である。また、図11は、横軸xは図10と同じとし、縦軸yを排出ガスに含まれるTHCの、単位走行距離あたりの重量値(単位:g/km)として、プロットを行った図である。
また、FTP-75とRTS-95のそれぞれにつき、得られた4水準のデータを用いて個別に回帰分析を行い、図10および図11において点線にて示す近似直線の式を求めるとともに、決定係数Rを算出した。
図10にも示しているが、NOxの場合について、近似直線の式と決定係数Rの値はそれぞれ、次のようになった。
FTP-75:y=-0.1418x+0.1167 R=0.5813;
RTS-95:y=-0.1349x+0.1356 R=0.8721。
また、図11にも示しているが、THCの場合について、近似直線の式と決定係数Rの値はそれぞれ、次のようになった。
FTP-75:y=-0.0906x+0.0731 R=0.4661;
RTS-95:y=-0.0269x+0.0986 R=0.2786。
図10に示すNOxの場合も、図11に示すTHCの場合も、酸素吸蔵量との間に十分な相関は得られなかった。係る結果は、酸素吸蔵量をTWC601におけるNOxとTHCの浄化能に対する直接的な診断指標とすることは、妥当ではないことを示している。
10 ガス導入口
20 第1内部空所
21 主ポンプセル
22 内側ポンプ電極
23 外側(空所外)ポンプ電極
40 第2内部空所
41 測定ポンプセル
42 基準電極
44 測定電極
50 補助ポンプセル
51 補助ポンプ電極
70 ヒータ部
72 ヒータエレメント
80 主センサセル
81 補助センサセル
82 測定センサセル
83 センサセル
300 アクセルペダル
401 吸気部
500 エンジン
501 燃料噴射装置
601 TWC
703 NOxセンサ
703s センサ素子
1000 車両
DR 運転者
DS1 触媒劣化診断システム
P 配管

Claims (3)

  1. 車両に搭載された内燃機関から排出された排ガスを浄化する触媒の、劣化度合いを診断する方法であって、
    前記触媒が貴金属部分とセラミックス部分とを有しており、
    前記排ガスの排気経路において前記触媒よりも下流側にNOxセンサが設けられおり、
    診断閾値を設定する閾値設定工程と、
    前記NOxセンサからの出力に応じた診断対象値と、あらかじめ定められた前記診断閾値とを比較することにより、前記触媒の劣化の度合いを診断する診断工程と、
    を備え、
    前記閾値設定工程においては、前記車両が一定の閾値設定用条件のもとで走行させられたときの、前記診断対象値と前記触媒を経た前記排ガス中のNOxとTHCとの総重量値との相関関係に基づいて、前記診断閾値が定められ、
    前記診断工程においては、前記車両が診断可能な条件のもとで走行する間に得られる前記診断対象値が、前記診断閾値を超える場合に、前記触媒の前記貴金属部分に劣化が生じていると診断する、
    ことを特徴とする触媒劣化診断方法。
  2. 請求項に記載の触媒劣化診断方法であって、
    前記閾値設定工程においては、前記診断閾値が、前記車両が前記一定の閾値設定用条件として定められた一の走行モードで走行した際の前記診断対象値と前記総重量値との相関関係に基づいて定められ、
    前記診断工程においては、前記車両が前記一の走行モードで走行するときに、前記触媒の劣化の度合いを診断する、
    ことを特徴とする触媒劣化診断方法。
  3. 請求項に記載の触媒劣化診断方法であって、
    前記閾値設定工程においては、前記診断閾値が、前記車両が前記一定の閾値設定用条件として定められた相異なる複数の走行モードのそれぞれで走行した際の、全ての前記診断対象値と全ての前記総重量値との間の一の相関関係に基づいて定められる、
    ことを特徴とする触媒劣化診断方法。
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