JPH0373839A

JPH0373839A - 触媒の劣化検出装置

Info

Publication number: JPH0373839A
Application number: JP1211158A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Iwakiri; 保憲岩切
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1989-08-15
Filing date: 1989-08-15
Publication date: 1991-03-28
Anticipated expiration: 2011-05-29
Also published as: JP2501643B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、触媒の劣化検出装置に係り、詳しくはＮＯ，
ｌセンサを用いて三元触媒の劣化を検出する装置に関す
る。

（従来の技術）近時、エンジンへの要求が高度化しており、有害な排出
ガスの低減が強く求められている。そのため、排気中の
有害成分を触媒コンバータを通して清浄化し、無害成分
として大気に放出する装置が取り付けられており、その
うちＮＯｘを還元作用によって処理する還元触媒コンバ
ータが主流になりつつある。

このような触媒の劣化を検知する従来の装置としては、
例えば実開昭６２−４１８１５号公報に記載のものがあ
る。この装置では、触媒前後の排気温度を検出し、その
温度差が設定値より少ないとき触媒が劣化していると判
断している。

また、他の従来の装置としては、例えば特開昭６４−４
５９１３号公報に記載のものがあり、この装置では触媒
前後に設置したリニア０２センサの出力を比較すること
により、触媒内の酸化還元反応と関係のある酸素貯蔵効
果を検知し、これから間接的に触媒の劣化を判定してい
る。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、このような従来の触媒の劣化検出装置に
あっては、前者の場合、触媒の劣化を触媒の反応による
発熱の減少という間接的な方法で検出する構成であるた
め、劣化度合の定量的な検出が難しく、触媒のタイプや
容量が変わると、温度差の変化と劣化度合の関係を新た
に求めなければならず、多くの工数を要するため、触媒
劣化度合の定量的な評価検出方法が要求され、正確かつ
簡単に劣化検出ができないという問題点があった。

また、温度検出前の運転状態により触媒自体の蓄熱量が
変化し、検出値に影響を与えて正確な劣化判定が難しい
。

一方、後者の場合も同様に劣化検出前の運転状態の変化
によって劣化判定が左右されるという問題点の他に、や
はり同様に０２センサの出力に基づいて間接的な方法で
検出するために正確な判定が難しいという問題点があっ
た。

（発明の目的）そこで本発明は、検出前の運転状態に拘らず触媒のＮｏ
工転換能力を適切に評価して触媒の劣化を正確に検出で
きる触媒の劣化検出装置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）請求項１記載の発明による触媒の劣化検出装置は上記目
的を達成するため、その基本概念図を第１図に示すよう
に、排気系に排気浄化触媒を有するエンジンの運転状態
を検出する運転状態検出手段ａと、それぞれ酸素イオン
伝導性の固体電解室を挟んで電極を配設したセンシング
セルとポンピングセルを所定の間隙をもって積層し、か
つこの間隙に排出ガスの導かれる拡散室を形成したセン
サ本体と、拡散室内のガスが常に理論空燃比相当になる
ように、ポンピングセルへの流し込み電流を制御する回
路とから構成される広域空燃比センサであって、排出ガ
ス中のＮＯｘに感応しないものと感応するものとを排出
ガス中に設ける一方で、各センサについて酸素成分に対
する感度係数を予め設定する手段と、これら感度係数と
前記流し込み電流とを用いてＮｏｘｔｌ度を算出する手
段とを備え、触媒後流のＮ　Ｏｘ濃度を検出力するＮＯ
ｘ濃度検出手段すと、エンジンが予め設定された所定の
運転状態にあるとき、ＮｏＸＦｉ度検出手段すの出力に
基づいて排気浄化触媒の劣化を判別する劣化判定手段Ｃ
と、を備えている。

また、請求項２記載の発明による触媒の劣化検出装置は
上記目的を達成するため、その基本概念図を同じく第１
図と同様に示すように、排気系に排気浄化触媒を有する
エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段ａと、
酸素イオン伝導性の固体電解質と、これに接して設けら
れた電極からなる電気化学的セルに導かれたガスの酸素
分圧を測定する手段を有し、高低２つの分圧に対する電
極間電流の差から触媒後流のＮ　Ｏｘ　濃度を検出する
Ｎ　Ｏｘ　７１度検出手段すと、エンジンが予め設定さ
れた所定の運転状態にあるとき、ＮＯｘ？ｍ度検出手段
すの出力に基づいて排気浄化触媒の劣化を判別する劣化
判定手段Ｃと、を備えている。

（作用）本発明では、エンジンが予め設定された運転状態になっ
たとき、触媒通過後のＮＯｘ濃度が検出され、その検出
値に基づいて（例えば該検出値が所定値より大きいとき
）触媒の劣化が判定される。

したがって、触媒のＮＯｘ転換能力が直接的に評価され
、触媒の劣化度合が簡単かつ正確に検出される。

（実施例）以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２図は本発明に係る触媒の劣化検出装置を適用したエ
ンジンの全体構成図である。第２図において、ｌはＶ型
のエンジンであり、吸入空気は矢印で示すようにエアク
リーナ２より吸気管３を通して各気筒に供給され、燃料
は噴射信号Ｓｉに基づきインジェクタ４により噴射され
る。各気筒には点火プラグ５が装着されており、点火プ
ラグ５はパワートランジスタユニット６からの高圧パル
スＰｉに基づき気筒内の混合気を爆発させる。燃焼後の
排気は排気管７を通して三元触媒を備えた触媒コンバー
タ８に導入され、触媒コンバータ８内で排気中の有害成
分を清浄化した後、マフラ９から大気に排出される。

吸入空気の流ｉｌ　Ｑ　ａはエアフローメータ１０によ
り検出され、吸気管３内のスロソトルバルブ■１によっ
て制御される。また、吸気管３内の吸入負圧（ブースト
）は吸気圧センサ１２により検出され、エンジン１の回
転数Ｎはクランク角センサ１３により検出される。ウォ
ータジャケソトを流れる冷却水の温度ＴＷは水温センサ
１４により検出される。

また、排気中の酸素濃度は酸素センサ１５により検出サ
レ、Ｎ０１ｌ′ａ度ハＮＯ，ｔセンサ１６、Ｎ　ＯＸ　
７１１％度検出装置１７およびセンサ加熱手段１８から
なるＮＯｘ？７４度検出手段１９により検出される。Ｎ
　Ｏｘ　？ｍ度検出手段１９は本出願人が先に提案して
いるもので（特願昭６３−１２２７０７号参照）、新規
技術であるから後に詳述する。なお、センサ加熱手段１
８はＮＯ，センサ１６が適温となるようにヒータ等で加
熱するものである。

上記エアフロメータｌＯ１吸気圧センサ１２、クランク
角センサ１３、水温センサ１４および酸素センサ１５は
運転状態検出手段２０を構成しており、運転状態検出手
段２０およびＮｏＸ濃度検出装置１７からの出力はコン
トロールユニット２１に入力される。コントロールユニ
ット２１は劣化判定手段としての機能を有し、主にマイ
クロコンピュータにより構成され、内部のメモリに書き
込まれているプログラムに従ってエンジン１の燃焼状態
を制御する処理値や触媒コンバータ８の劣化判定に必要
な処理値を演算し、触媒コンバータ８の劣化を判定する
警報信号を警報装置２２に出力する。警報装置２２は、
例えばＬＥＤからなり、警報信号が人力すると点灯して
触媒コンバータ８の劣化を運転者に知らせる。

ここで、本実施例のもととなった窒素酸化物の計測理論
を第３図ないし第９図を参照して説明する。

なお、センサの基本的構成は従来の広域空燃比センサ（
以下センサでも略称する）に負うところが大きい。ここ
に、広域空燃比センサの基本的な動作原理、基本特性等
については、論文（「広域空燃比センサを用いた小型高
応答空燃比計の開発」、自動車技術Ｖｏ１．４１．　Ｎ
Ｏｘ１２．１９８７．　　第１４１４頁ないし１４１８
頁）に詳しい。このため、以下には一酸化窒素Ｎｏを中
心にして話を進めるのであるが、その際に関係する部分
についてこの論文を適宜引用するものとする。

（ｉ）センサの動作原理センサ本体１１１の構造とセンサ制御回路１２５とを第
３図に示すと、酸素イオン伝導性の固体電解質（０□を
選択的に透過する特性を有するジルコニア）１１３を挟
んで一対のリング状電極１１４．１１５を配設した電気
化学的セル（ポンピングセルともいう）１１２が層状に
形成され、固体電解質１１３の中央において上下方向に
孔１１７壱貫通させることで、拡散室１１６を上部のセ
ル外側と連通させている。ここに、被測定ガス（排出ガ
ス）はこの導入孔１１７を介してポンピングセル１１２
の一方の電極１１４に導かれるのであり、導入１１７が
所定のガス拡散抵抗を有する拡散律速部として構成され
ている。

１２６はポンピングセル１１２の画電極１１４．１１５
間に電流を流し込む手段（電流供給手段）で、この電流
値（センサ出力ともいう）■、にて電極１１４近傍の酸
素分圧を自由に設定することができる。たとえば、理論
空燃比の酸素分圧とするためには、希薄燃焼時（過剰０
２が存在する）に、電流を実線矢印の方向に流すことに
より、過剰の０２をセル外側に汲み出し、この逆に過濃
燃焼時（可熱成分Ｃｏ、Ｈ，が存在する）には、破線矢
印の方向に電流を流すことにより、セル外側の排出ガス
中から過剰燃料部の０２を拡散室１１６内燃機関に汲み
入れる（主にＣＯ２を還元して得られる）ことができる
からである。

ここに、ネルンストの式によれば電極１１４近傍の酸素
分圧に応して次式で示す起電力（Ｅ）が発生することが
知られている。

Ｅ＝（ＲＴ／４　Ｆ）ｆ　ｎ　（（基準極の酸素分圧）
／（測定極の酸素分圧）〕・・・・・・（１）ただし、Ｒは気体定数、Ｆはファラデ一定数、Ｔは素子
の絶対温度、ｊ２ｎは自然対数である。

開式（１）によれば基準極と測定極との酸素分圧比に応
じた出力が得られることを意味する。たとえば、基準極
の酸素分圧を大気中の酸素分圧（はぼ０．２０９気圧）
、温度を１０７３　Ｋにとると、測定極の酸素分圧に対
する起電力Ｅの関係は第４図に示すところとなり、同図
によれば測定極の酸素分圧が起電力已に変換されること
が分かる。

このため、同じく酸素イオン伝導性の固体電解ｉ　１２
０を挟んで一対の電極１２１．１２２を配設した層状の
第２の電気化学的セル（センシングセルともいう）１１
９を前記電気化学的セル１１２と積層して形成する一方
で、電極１２１を電極１１４の近傍に設け、大気導入室
１２３に大気を導入すれば、一方の電極１２１が測定極
、他方の電極１２２が基準極となり、ここに第２の電気
化学的セル１１９とこの電気化学的セルの流量電極１２
１１２２間の電圧（Ｖ、）を測定する手段とから酸素分
圧測定手段が構成される。

次に、センサ出力■、の絶対値（図では単にＩ２で示す
）と電圧■、との間には、第５図に示す関係が得られる
。この場合、電極１１４の近傍に存在する被測定ガス中
の酸素分圧が低い領域ではＮＯを分解し、この逆に酸素
分圧が高い領域ではＮＯを分解しなくなる特性を有する
触媒１１８を電極１１４に近接して設けておくと、電極
１１４近傍のＮｏ１度が増すほどＩ、が増大する。つま
り、Ｎ。

濃度と■、とが対応するのである。

なお、Ｎｏを分解する触媒は公知の白金（Ｐｔ）やロジ
ウム（Ｒｈ）があり、白金のように電極材を兼ねる触媒
であれば、電極１１４あるいは１２１を白金で形成すれ
ば良く、改めて触媒を設ける必要はない。

いま、■３として、酸素分圧が低い領域での値（たとえ
ば０．４Ｖ）と、酸素分圧が高い領域での値（たとえば
０．ＩＶ）を選び、Ｎｏ濃度を横軸として描き直せば、
第６図に示す関係が得られる。

同図より、Ｖ、＝　０．４Ｖの場合は、１．がＮｏ濃度
に比例して大きくなるのに対して、Ｖｓ　＝　Ｏ，ｔ■
の場合にはＮｏ濃度に関係なく横軸に平行な直線となる
。後者の場合にＮｏ濃度に対して反応しなくなる理由は
、触媒が周囲の酸素分圧によってＮｏを分解（つまりＮ
Ｏを還元）できなくなるためで、白金であれば、第７図
に示すように、ｌｏ−２程度（Ｖｓ　＝　０．ＩＶに相
当する）を越える高い酸素分圧になると、還元効率が零
となっている。なお、１０−Ｉ′〜１０−９程度の低い
酸素分圧がＶ、　＝　０．４Ｖに相当する。

したがって、第５図と第６図より分かることは、ｖｓが
０．４Ｖ（一定値）を維持するようにＩＰを変化させる
と、平衡状態でのＩ、の値がＮ０４度に比例するという
ことである。なお、一定値として選択する値は、第５図
において■、が変化してもｌ、が殆ど変化しない領域で
あれば良く、０．４Ｖに限定される訳ではない。

ここに、■３を一定値に保つには、一定値制御系を構成
すれば良く、第３図においては、維持すべき一定値を基
準電圧（ＶＥ　）として、このＶＥと■、と比較器とし
ての差動アンプ１２７に入力し、■、と■、の差を電流
供給手段１２６にフィードバンクしてＩ、を増減させる
ことで、■、が■、と一致するように制御される。そし
て、平衡値に落ち着いたＩ、が電流測定手段１２８にて
測定される。

一方、センサ出力Ｉ２とガス成分濃度との関係を、ネル
ンストの式を用いて表せば、次式（２）となる。

ＩＰ　＝（ｎ　Ｆ　／　ＲＴ）　Ｐ−Ｄ　・（Ａ／　ｊ
ｌりＸ・・・（２）ここで、ｎは電極反応おける電荷の
数、Ｐはガス圧力、Ａは拡散室１１Ｇの拡散有効断面積
、ｉは拡散室１１６の拡散有効距離、Ｄは導入孔１１７
にて定まる燃焼成分の拡散係数、Ｘはガス成分の濃度で
ある。なお、Ｆ、Ｒ，Ｔの意味は式（１）と同じである
。

この式（２）によってもセンサ出力■、がガス成分濃度
（Ｘ）に比例する特性をもって動作することがわかる。

つまり、第６図はガス成分としてＮＯを選んだ場合の特
性であった。

（ｉｉ）排出ガス組成とセンサ出力特性エンジンの排出
ガス組成は、理論上は燃料の組成が定まれば燃焼反応式
（水性ガス反応を含む）で求められる。ここに、燃焼反
応式で求められる成分のモデルガスを用いて、ガス成分
（Ｏｘ、Ｃ０１１ｚ　、ＮＯｘＨＣ）の濃度とセンサ出
力の関係を実験すると、センサ出力１．（正しくは絶対
値）は、第８図に示すように、それぞれのガス濃度に比
例した出力として得られる（温度、圧カ一定）。

なお、（Ｎｏ）　Ａ、（Ｎｏ）ｍはそれぞれＶＥ−〇、
１■、０．４■とした場合の特性である。

ここに、各ガス成分濃度に対するセンサ出力Ｉ、の傾き
（この傾きを以下「感度係数」と称す）は、旧式（２）
に基づくガス成分固有の値を持つことになる。たとえば
、（Ｎｏｄｓに対しては０□のほぼ１／２の出力が得ら
れている。なお、感度係数は、単位濃度当たりの電流出
力の形で示し、ｍＡ／％の単位を用いる。

また、計算で求められる上記以外のガス成分（Ｎｚ　、
　　ＣＯｚ　、　　ｔｌｚ　Ｏ）については、旧式（２
）においてｎ（電極反応における電荷の数）が零である
ため、センサ出力に関与しない。この結果から、センサ
出力は、排出ガス組成（希薄空燃比領域では、０２．Ｈ
Ｃ，Ｎｏ濃度、過濃領域ではＣＯ，Ｈ，、ＨＣ，Ｎｏ濃
度）と一定の関係があることが分かる。

以上、センサの基本特性から、センサ出力■。

は空燃比の全域にわたり次式（３）で表すことができる
。

Ｉ　ｐ　　（Ａｌ　　＝　Ｔ　ｏｚＸｏｚ　＋　Ｔ　ｃ
ｏＸｃ。

＋Ｔ、ｌ２ＸＨ□＋γＨｃＸＨｃ＋ＴＮｏＸ）Ｉｏ＋α　　・・・・・・（３）ここで、
Ｘ　ＯＺ　＋　Ｘ　Ｃｏ　＋　Ｘ　ＨＺ　＋　　Ｘ　Ｈ
ｃ　＋　　Ｘ　Ｎ　Ｏは各ガス成分（０２，Ｃｏ、Ｉ２
．ＨＣ，Ｎｏ）の濃度（％）、γ０２＋　　Ｔ　ｃｏｌ
Ｔ　Ｈ２＋　　γＨｃＩＴＮｏは各ガス成分（０２，Ｃ
ｏ、Ｈ，、ＨＣ，Ｎｏ）に対する感度係数（ｍＡ／％）
、αは各ガス成分がゼロの場合のセンサ出力（このセン
サ出力を以下「ゼロ出力」という）である。なお、この
旧式（３）はＶＥ　＝　０．４Ｖとした場合の式であり
、Ｖ、−０，ＩＶとした場合には第５項目はない。

（ｉｊ）ＮＯ濃度の算出第３図おいて、Ｖえを０．ＩＶに設定したセンサと、０
．４Ｖに設定した一対のセンサを用意する。

この場合に、一対のセンサを区別するため改めてセンー
リーＡ、センザＢど略称することにし、各センサ出力に
は添字Ａ、Ｂを付して区別すると、センサＡ　（ＶｔＡ
＝　０．ＩＶＯもの）についてのセンサ出力（Ｉ　Ｐ　
ｔＡ）　）は次式（４）で与えられる。

ＩＰ（＾）　＝ＴＯ！（＾）ＸＯＺ＋γｃｏＴＡＩ　　
Ｘｃ。

＋　γ　Ｉ２（Ａ）　　　　Ｘｗｚ　　＋　　ｒ　　Ｈ
Ｃ（Ａ）　　　　Ｘ＋＋ｃ　　十　α　（１）・・・（
４）ここで、Ｘ　ｏｚ＋　　Ｘ　Ｃｏ、Ｘ　Ｈ！ｔ　　Ｘ　
Ｈｃは排出ガス中の各ガス成分（０，、ＣＯ，Ｈ，、Ｈ
Ｃ）の濃度（％）、γ。Ｚ（Ａ）、　Ｔ　Ｃｏ（Ａｌｌ
　Ｔ　）＋２（Ａ）、　Ｔ　Ｈｅ（Ａ）　　はガス成分
に対応するセンサＡについての感度係数（ｍＡ／％）、
α。、はセンサＡについてのゼロ出力である。

同様にして、センサＢ　（ＶＥｌ＝　０．４Ｖのもの）
についてのセンサ出力（Ｉ□ａ））は次式（５）で写え
られる。

Ｉｚ＋ｎ＝Ｔｏｚ＋ｇ＋　　Ｘｏｚ＋Ｔｃｏ＋ｓ＋　　
Ｘｃ。

＋　７１１２（１）　　Ｘｕｚ　＋Ｔ　ｏｃｔａ＋　　
Ｘｏｃ＋７Ｈ６゜＋ＸＮＯ＋α（１・・・（５）ここで
％　　Ｔ　０２（Ｒ）、　Ｔ　Ｃ１’１ｆＲ）＋γ＋１
２　（８１＋　Ｔ　ｌｌｃ　ｆＲ）　ＩＩ８゜□　番よ
各ガスＪ戊分（０２，Ｃｏ、Ｈ□、　　Ｉｆじ。

Ｎｏ）に対応するセンサＢについての感度係数（ｍＡ／
％）、α、、はセンサＢについてのゼロ出力である。ま
た、Ｘ８゜はＮｏ濃度（％）である。

ここに、式（４）　、（５）の相違は式（５）にはＸＳ
Ｏの項（第５項目）がある点とゼロ出力値（α。、とα
、＞）である。ただ、α。、とα。、については予め求
めておけば良い。

したがって、式（４）　、（５）の差をとれば、Ｎ。

濃度（ＸＳＯ）が定量されるように見える。ところが、
各センサＡ、Ｂの０２．ｃｏ、Ｈ，、ＨＣ。

Ｎｏに対する感度係数は概ね第９図に示すレベルである
ため、Ｎｏに対する感度係数（Ｔ　Ｎｏ　（Ｍｌ　）は
小さく、かつ排出ガス中のＮｏ濃度もＯ，、Ｃ０、Ｈ２
などに比して低い（数百〜数千ｐｐｍ）ので、実際に得
られる電流レベルはセンサ毎のバラツキの中に入ってし
まう。このため、単なるセンサ出力差（Ｉ　Ｐ　（Ｂ、
Ｉ　Ｐ　（Ａ）　）では、Ｎｏ濃度を定量することがで
きない。

しかしながら、次に示す理論に基づけば、ＮＯに対する
感度係数を測定しなくとも、両センサ出力を用いて、Ｎ
ｏ濃度を計測することができる。

この理論を述べると、センサＡ、Ｂの特仕として、次式
（６Ａ）〜（６Ｃ）の関係があることが分かっている。

ただし、間代において、ηは各ガス成分（Ｃｏ、Ｈ，、
ＨＣ）に対する感度係数と０□に対する感度係数との比
で、無名数である。

Ｔ　　Ｃ０（Ａ）　　　／　　Ｔ　　０２（Ａ）　　　
＝　　Ｔ　　Ｃｏ（１）　　　／　　Ｔ　　０２（ＩＩ
１−丁ｃｏ（一定値）・・・（６Ａ）Ｔ　ｎｚ＋ａ＋　／　Ｔ　０Ｚ（Ａｌ　　−γＮ！＋Ｍ
ｌ　／　Ｔ　０Ｘ（１１＝Ｔｌｌｚ（一定値）・　（６
Ｂ）ＴＨＣ（＾）ＩＩ０２（Ａ）　　＝　ｒ　ＨＣ（Ｍｌ　
／　Ｔ　ＯＸ　ｆａｔ＝Ｔ□。（一定値）・・・（６Ｃ
）そこで、これらの式を旧式（４）　、（５）に代入する
と、Ｉ　　Ｐ　　（Ａ）　　−γ　ＯＸ　　（Ａ）　　（Ｘ
　　ｏｚ　＋　　Ｘ　　ｃｏ　　η　ｃｏ＋ＸＨ２ηｏ
十ＸＨｃηｏｃ）十α、。・・・（７）Ｉ　Ｐ（１）　
＝　Ｔ　ｏｚｔｓ＋　ＣＸｏｚ　＋Ｘｃｏ７７ｃｏ＋Ｘ
ｎｚηＨ２＋ＸＨ（ηＨＣ）＋Ｘ、１ｏＴＨｏ＋αイ。・・・（８）となるので、Ｋ＝Ｘｏｚ＋Ｘｃｏηｃｏ＋ＸＨｚ７７ｏｚ＋Ｘｎｃ７
７ｏｃと置くと、次式（９）　、（１０）が得られる。

Ｉ　Ｐ　（Ａｌ　＝γ。２．Ａ、・Ｋ＋α。、・・・（
１９）Ｉ　Ｐ　＋Ｉ＋１　＝γｏｚ　＋１）　Ｋ　＋　
Ｘ　ＮｏγＨＯ＋α、、）　°（１０）式（９）　、（
１０）よりＫを消去して、Ｘ　！ｌ（ｌについて整理す
る。

ＸＮｏ＝　（（Ｉ　Ｐ（ｍｌ−α＋ａ＋）Ｄ　ｏｚｕｎ
／γ。２、。

Ｘ（ＩＰ（Ａ）−α（Ａｌ）　ｌ　／　Ｔ　ｓｏ　　・
・−（１１）ここでも、 γＮｏ（。ＩＩ０２゜、＝ηＮｏ　（一定値）・・−（
１２）であることを考慮して、これを弐（１１）に代入
すると、次式（１３）が最終的に得られる。

χＮ０−（（ＩＰＬｌｌ、−α（１１（Ｔ　Ｏｆ　（Ｂ
ｌ　／　Ｔ　０２　（Ａ）Ｘ（ＩＰ（Ａ）−α、Ａｌ）
）／ηＮＯ’Ｔ（１ｍ（ＩＩ、・・・（１３）式（１３）は、センサＡ、Ｂについて０２に対する感度
係数（γ。Ｚ（Ａ）ｌＴＯ２゜、）とゼロ出力（α（Ａ
ｌα。、）を予め求めておけば（なお、ηＮｏは回行の
値）、センサＡ、Ｂで実際に測定されるＩ　ｌ’　ｆＡ
）Ｉ　Ｐ　（ＩＩ）を用いて、ＸＳＯつまりＮｏ濃度が
計算で求められることを示している。したがって、この
弐（１３）によれば、Ｎｏ濃度のような微量成分（数千
ｐｐｍ）であっても確実に計測することができる。しか
も、感度係数も各センサに対し０２についてだけ予め求
めておくだけで良く、極めて簡単である。

なお、センサＢは低い酸素分圧（１０−Ｒ−１０−９気
圧）であるため、センサＢについてのゼロ出力（α、８
．）は理論的にはほぼゼロであり、α（Ｂ）−〇として
も良い。

これで、理論的な説明を終え、次にＮｏＸｅＡ度検出手
段の実施例を説明する。この場合、実施例としては、最
終的に■、＾〉と■１．．が得られる構戒であれば良い
ので、様々なタイプが考え得るが、以下には３つの実施
例を挙げるに止どめる。

第１Ｏ図〜第１３図は請求項１記載の発明に係るＮｏｘ
Ｉ度検出手段１９の第１実施例である。第１１図と第１
２図は、一対のセンサ本体１１１Ａ、　　ＩＩＩＢの構
造を示し、触媒の特性以外はぼ特性の揃ったものを用意
している。触媒については、一方のセンナ１４２Ｂにつ
いて測定極の酸素分圧が低い領域でＮｏを分解する特性
を有するものであるのに対し、他方のセンサ１４２Ａに
ついては測定極の酸素分圧に関係なくＮｏを分解しない
ものとしている。つまり、第３図のところで説明したよ
うに、酸素分圧が低い領域でＮｏを分解する触媒１１８
を一対のセンサ１４２の双方とも設けておき、そのうち
−方のセンサＡについての基準雷圧ＶＥＡを高くするこ
とでＮＯｅ、度に感応させないようにするのではなく、
この実施例では触媒自体のほうでＮＯ４度に感応させな
いようにするのである。言い替えると、一方のセンサＡ
については酸素分圧測定手段にて測定される酸素分圧を
所定値にするものであるともいえる。

具体的には一方のセンサ１４２Ｂについての電極１２１
　Ｂを白金で形成するのに対し、他方のセンサ１４２Ａ
の電極１２１Ａについては測定極の酸素分圧に関係なく
Ｎｏを分解しない電極材を採用する。

このような電極材には、公知のペロブスカイト型複合酸
化物（たとえばランタンストロンチウム鉄酸化物Ｌａ、
−ｘｓｒｘＦｅｏ３）やホタル石型酸化物（たとえばセ
リア系（ＣｅＯｚ）。、ａ（ＬａＯ２，、）。、４）な
どがある。

この結果、センサ１４２Ａについての基準電圧■、Ａは
センサ１４２Ｂの基準電圧ＶＥＩ（０，４Ｖ）と同しで
良いことになる。よって前述のごとく、この場合両セン
サとも低い酸素分圧であるため、ゼロ出力（α、Ａ、、
α（。）は弐（１３）において、α、Ａ、−〇、α。。

＝Ｏとしても良い。

なお、一対のセンサ本体１１１Ａ、　　ＩＩＩＢは第２
図のＮＯｘセンサ１６を構威し、第１０図示すように排
気管７に対して連続して設けられる。また、第１１．１
２図に示すように１３１　Ａ　、　１３１　Ｂはヒータ
ー１３２Ａ、　　１３２Ｂはヒーター用電源であり、第
２図のセンサ加熱手段１８を構成する。上記センサ制御
回路１２５Ａ、１２５Ｂ、センサ感度設定器１４３Ａ　
、　１４３Ｂ、演算装置１４５、出力装置１４６、ゼロ
出力設定器１４４　Ａ　、　１４４　ＢはＮＯｘ濃度検
出装置１７を構成している。また、Ｎｏやセンサ１６お
よびＮＯｘ４度検出装置１７はＮＯｘ濃度検出手段１９
を構成している。

第１０図において１４３Ａ、１４３Ｂはセンサ感度設定
器で、各センサ１４２Ａ、１４２Ｂについて予め求めた
Ｔ　ＯＸ　（Ａｌ　、　Ｔ　ｏｚ　ｕ＋　を設定する。

また、１４４Ａ、１４４Ｂはゼロ出力設定器で、各セン
サ１４２　Ａ　、　１４２　Ｂ　ニついて予め求めたα
、Ａ１．α（！＋１を設定する。センサ感度設定器１４
３Ａ、１４３Ｂからの信号と、一対のセンサ１４２Ａ、
１４２Ｂからの■、。ｌ＋　　ＩＰ＋８１とをマイクロ
コンピュータからなる演算装置１４５に入力させ、演算
装置１４５において、第１３図に示す動作を行なわセて
ＸＮＯを計算さセる。求めたＸＮｏは出力装置１４６に
てアナグロ表示部（またはデジタル表示器）に出力させ
る。

この例によれば、予め設定すべきは０２に対する感度係
数およびゼロ出力だけあり、いかなる感度係数およびゼ
ロ出力を持つ一対のセンサ１４’２Ａ。

１４２Ｂ間においても、触媒以外の特性が揃っていれば
、予め設定したセンサ枚の感度係数（７ｏｚｔＡ＋。

γ。Ｚ（Ｉｌｌ　）およびゼロ出力（α。５．α３３．
〉　と各センサ出力（Ｉ　Ｐ＋Ａｌ、　　Ｉ　Ｐ（ｍｌ
）とを使って演算することで、ＮＯ濃度が精度良く定量
され表示される（ステップ１５１〜１５６）。

この場合に、全体の構成は、第１０図に示す通り一対の
センサ１４２Ａ、１４２Ｂとセンサ１４２Ａ、１４２Ｂ
からの信号を処理する装置（センサ感度設定器１４３Ａ
、１４３Ｂ、ゼロ出力設定器１４４Ａ、１４４Ｂ、演算
装置１４５Ａ　、　１４５　Ｂ　、出力装置１４６）と
からなるのみであり、装置全体が可搬性を有してコンパ
クトにまとまり、前記実施例と同様にかつ極めて安価な
ものとすることができる。

また、第１１図、第１２図に示すセンサ本体構造とする
のであれば、電極１２１　Ａ　、　１２１　Ｂ部分の変
更をするだけで済み、後は従来の広域空燃比センサを製
造するのと同じ工程で製作することがてきる。

つまり、従来の広域空燃比センサを殆ど変更することな
く用いることで、Ｎｏを計測することができるので、コ
ストアップを招かずに済む。

さらに、一方のセンサ本体１１１Ａについてはその電極
１２１Ａに高価な白金触媒を採用しないで済むので、コ
スト低減を図ることができる。

また、酸素分圧が両方ともより安定な低い酸素分布で良
く、計測精度の向上が図れる。

次に、作用を説明する。

第１４図は触媒劣化検出のプログラムを示すフローチャ
ートであり、本プログラムは所定時間毎に一度実行され
る。まず、Ｐｌで冷却水の温度Ｔｗ、エンジン回転数Ｎ
および吸入負圧Ｐを読み込み、Ｐ２〜Ｐ４の各ステップ
で次の判別を行う。

Ｐ　ｚ　：　Ｔ　ｗ　＞７５°ＣかＰｓ　：２４０Ｏｒｐｍ　＜Ｎ＜２６００ｒｐａ＋かＰ
　ａ　　：　　２４０　ｍｍＨｇ＞　Ｐ　＞　−２６Ｏ
ｎ＋ｍＨｇか全てＹＥＳであるときはエンジン１がＮＯ
ｘ検出に適した一定の運転状態にあり、第１５図に示す
ようなＮｏＸ検出区間に該当すると判断し、Ｐ５でＮＯ
，ｅＡ度検出手段１９の動作を開始する。ＮｏＸ検出区
間は、例えば車速か４０ｋｍ／ｈに相当し、ブースト、
回転数共に安定しているような状態である。次いで、Ｐ
６でＮＯｘ濃度Ａ　ｐｐｌｍを検出し、Ｐ７でこの検出
値Ａ９９．を運転状態に応じて予め定められた所定値α
Ａ０と比較する。Ａ≦αＡ。

のときは触媒コンバータ８が正常に作動していると判断
してルーチンを終了し、Ａ〉αＡ０のときは触媒コンバ
ータ８のＮＯｘ転換能力が低下して劣化していると判断
し、Ｐａで警報信号を出力して警報装置２２を作動させ
、運転者に警告する。これにより、運転者は触媒コンバ
ータ８の修理、交換等の適切な処理を採ることができる
。

このように、本実施例では触媒の劣化を排気のＮＯ８濃
度から直接的に判定しているので、劣化度合の定量的な
検出が容易で触媒のＮＯｘ転換能力を適切に評価して正
確に検出することができる。

例えば、触媒のタイプや容量が変わった場合には所定値
αＡ０を適切に設定すればよい。また、定の運転状態の
ときのみ判定しているので、触媒自体の蒸着量等が変化
せず、また、劣化検出前の運転状態によって劣化判定が
左右されるということがなく、極めて正確な劣化判定を
行うことができる。

次に、第１６図ないし第２０図は請求項２記載の発明に
係るＮＯｘ：ａ度検出手段１９の第２実施例である。第
１６図は一対のセンサ本体の構成図、第１７図は一対の
センサ本体を構成する各部の上下に離して示した斜視図
、第１８図は一対のセンサ本体に対応するセンサ制御回
路の構成図、第１９図は演算装置の構成図である。

この例は、第１６図、第１７図に示すように一対のセン
サ本体１１１Ａ、ＩＩＩＢを１つのアルξす基板１５■
上に一体に構成したものである。一対のセンサ本体１１
１Ａ、ＩＩＩＢを別個に設ける構成であると、同じよう
な特性のものを揃えていても、センサ本体の晒される雰
囲気温度や、被測定ガスの温度、圧力、流速などがセン
サ出力に大きく影響するため、これらの条件が同一でな
い場合に計測精度が低下することがあるからである。例
えば、被測定ガス温度を相違させた場合の測定極近傍の
酸素分布と起電力Ｅの関係を第２０図に示すと、特に酸
素分布が高い領域においてガス温度に対する変化が大き
く、これによって高い酸素分圧のときのセンサ出力ＩＰ
がＮｏｆｉ度に関係なく変化している。

つまり、一対のセンサ本体の晒されるガス温度が違えば
両者の酸素分圧にずれが生し、このずれ分が計測精度の
誤差となるのである。

これに対して、一対のセンサ本体１１１Ａ、１１１Ｂを
第１６図に示すように一体に構成すれば、センサ本体の
特性を揃えることができるばかりか、被測定ガスについ
ての条件をほぼ同じにすることができるので、ＭＯ濃度
の計測精度をさらに高めることができるのである。また
、第１実施例よりも装置を小型化することができる。

なお、この例では第１実施例と相違して、一対のセンサ
本体の各電極１２１　Ａ　、　１２１　Ｂとも測定極の
酸素分圧が低い領域でＮｏを分解する電極材（白金）を
用いている。したがって、第１８図では一方のセンサに
ついての基準電圧■、に高い電圧（０，４Ｖ）を与えて
いるのに対し、他方のセンサについての基準電圧ＶＥＡ
には低い電圧（０，ＩＶ）を与えている。なお、周基準
電圧ＶＺＡ、ＶＥＲの向きが第１実施例と相違するが、
要は基準電圧が差動アンプ１２７　Ａ　、　１２７　Ｂ
にマイナス入力として入れば構わない。

また、この例では、第１８図に示すように、各検出抵抗
（Ｒ１）とこの抵抗間の電圧を測定する手段１５５Ａ、
１５５Ｂとから一対の電流測定手段を構威し、ＩＰＩＡ
）、　　ＩＰ＋１１の代わりに電圧値Ｖ　ｉＡ＋　　Ｖ
ｉａとして扱っている。第１７図において、１３１はヒ
ーター　１５２は大気導入板、１５３はスペーサーであ
る。

また、酸素分圧を一定に保つ手段としては、（イ）排気
温度が２００〜９００°Ｃと変化してもヒータ１３１へ
の供給電圧を制御してセンサ本体温度を一定に保つ、（
ロ）センサ包帯温度を測定し、測定したセンサ本体温度
に応じて基準電圧を変化させるなどが考えられる。

次に、第２１図、第２２図は請求項２記載の発明に係る
ＮＯｘｉｆｆ度検出手段１９の第３実施例である。

この例はセンサ本体１１１およびセンサ制御回路を１づ
つしか設けていなくとも、２つのセンサ出力ＩＦ＋。＋
　　ＩＰ（１１が得られるようにしたものである。

例えば、第２１図に示すように、２つの基準電圧ＶＥＡ
　（０，ｌＶ）とＶＥ！＋　（０，４Ｖ）をそれぞれ設
定する設定器１６１．１６２と、ＣＰＵ１６７からの信
号にて駆動され所定時間毎に切換えられるスイッチ１６
３とを設けておくと、切換スイッチ１６３が図示の位置
にある場合にＩ、（１）力咄力ぎれ、スイッチ１６３が
切換えられることによりＩ、（１が出力されることにな
る。この様子を第２２図に示す。

つまり、この例は時分割方式であり、この例によればセ
ンサ本体１１１、センサ制御回路が各１個でよく、セン
サ本体１１１の固体差に基づ＜　ＩＰ（Ａ）。

ＩＦ（。への影響が低減されるので、第１実施例や第２
実施例よりも計測精度がさらに高まる。また、センサ本
体１１１についての小型化の程度は第２実施例の場合よ
りも大きい。

ただし、応答性の点では、ＩＦ（。、　　Ｉｐｔ＋ｎヲ
連続して検出する第１実施例や第２実施例のほうが優る
。センサ出力は正確には第２２図に示すように１次の応
答遅れ曲線で立ち上がるものだからである。なお、セン
サ出力が平衡値に達するまでの時間は、エンジン負荷と
エンジン回転数に応じて変化するので、切換時間（たと
えばｔｌやｔｚ）を負荷と回転数に応して可変とするこ
ともできる。

第２１図において、１６５は電流電圧変換器、１６６は
Ａ／Ｄ変換器、１６８は感度計数設定器、１６９はゼロ
出力設定器、１７０は発光ダイオードを用いた表示器、
１７１はＤ／Ａ変換器である。

ここでは、−例としてＮＯを挙げて説明したが、他の窒
素酸化物（ＮＯ２，ＮＯ３等）についても触媒を相違さ
せることで同様に適用することができる。

（効果）本発明によれば、触媒のＮＯｘ転換能力を一定条件で直
接的に評価して劣化度合を定量的に判定しているので、
触媒の劣化を簡単かつ正確に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念図、第２図は本発明に係る触
媒の劣化検出装置を適用したエンジンの全体構成図、第
３〜９図は窒素酸化物の計測理論を説明するための図で
あり、第３図はそのセンサの作動原理を説明するための
概略図、第４図はその測定極の酸素分圧に対する起電力
Ｅの特性図、第５図はその測定極で測定される電圧Ｖ、
に対するセンサ出力■、の特性図、第６図はそのＮｏｉ
ＸＩｌｆ度に対するセンサ出力■、の特性図、第７図は
その白金についてのＮｏ還元効率を示す特性図、第８図
はその各ガス成分濃度に対するセンサ出力Ｉ、の特性図
、第９図はその各ガス成分に対する感度係数の実測値の
一例を示す表図、第１０〜１３図は請求項１記載の発明
に係るＮＯｘ濃度検出手段の第１実施例を示す図であり
、第１０図はその装置全体図、第一１１図と第１２図は
その一対のセンサ本体の構造とセンサ制御回路を示す概
略図、第１３図はその制御動作を説明するための流れ図
、第１４図は触媒劣化検出のプログラムを示すフローチ
ャート、第１５図は触媒劣化検出の作用を説明するタイ
ミングチャート、第１６〜２０図は請求項２記載の発明
に係るＮｏｘｆａ度検出手段の第２実施例を示す図であ
り、第１６図はそのセンサ本体の構造を示す概略図、第
１７図はそのセンサ本体を構成する各部を離して示した
斜視図、第１８図はそのセンサ制御回路を示す概略図、
第１９図はその演算装置を示すブロフク図、第２０図は
そのガス温度を相違させた場合の起電力Ｅの特性図、第
２１．２２図は請求項２記載の発明に係るＮｏｘｆａ”
度検出手段の第３実施例を示す図であり、第２１図はそ
の装置全体図、第２２図はその作用を説明するための波
形図である。１・・・・・・エンジン、７・・・・・・排気管、８・・・・・・触媒コンバータ、ｌＯ・・・・・・エアフロメータ、１２・・・・・・吸気圧センサ、１３・・・・・・クランク角センサ、Ｉ４・・・・・・水温センサ、１５・・・・・・酸素センサ、１Ｇ・・・・・・Ｎ０１ｌセンサ、１７・・・・・・ＮｏＸ濃度検出装置、１８・・・・・
・センサ加熱手段、１９・・・・・・Ｎ　Ｏｘ　濃度検出手段、２０・・・
・・・運転状態検出手段、２１・・・・・・コントロールユニット２２・・・・・
・警報装置。（劣化判定手段）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ａ）排気系に排気浄化触媒を有するエンジンの運
転状態を検出する運転状態検出手段と、ｂ）それぞれ酸素イオン伝導性の固体電解質を挟んで電
極を配設したセンシングセルとポンピングセルを所定の
間隙をもって積層し、かつこの間隙に排出ガスの導かれ
る拡散室を形成したセンサ本体と、拡散室内のガスが常
に理論空燃比相当になるように、ポンピングセルへの流
し込み電流を制御する回路とから構成される広域空燃比
センサであって、排出ガス中のＮＯｘに感応しないもの
と感応するものとを排出ガス中に設ける一方で、各セン
サについて酸素成分に対する感度係数を予め設定する手
段と、これら感度係数と前記流し込み電流とを用いてＮ
Ｏｘ濃度を算出する手段とを備え、触媒後流のＮＯｘ濃
度を検出力するＮＯｘ濃度検出手段と、ｃ）エンジンが予め設定された所定の運転状態にあると
き、ＮＯｘ濃度検出手段の出力に基づいて排気浄化触媒
の劣化を判別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検出装置。
（２）ａ）排気系に排気浄化触媒を有するエンジンの運
転状態を検出する運転状態検出手段と、ｂ）酸素イオン伝導性の固体電解質と、これに接して設
けられた電極からなる電気化学的セルに導かれたガスの
酸素分圧を測定する手段を有し、高低２つの分圧に対す
る電極間電流の差から触媒後流のＮＯｘ濃度を検出する
ＮＯｘ濃度検出手段と、ｃ）エンジンが予め設定された所定の運転状態にあると
き、ＮＯｘ濃度検出手段の出力に基づいて排気浄化触媒
の劣化を判別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検出装置。