JPH06509644A - 排気ガスセンサを使用した触媒監視方法 - Google Patents

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】 排気ガスセンサを使用した触媒監視方法本発明は、排気ガス（ＥＧＯ）センサを 使用して触媒故障を検出するための方法に関連し、そのような触媒は、自動車の 機関の放出物質を非有害ガス及び水蒸気に変換する覆式のものである。

アメリカ合衆国における空気の品質を改善するために、触媒のような放出に関連 する構成要素はとのような不良をも決定するために車中で監視されなければなら ないという関心事か増大しつつある。触媒の監視は、放出に関連する構成要素の 概念上及び実際上の双方につき殆ど理解されていない。

排気ガスセンサは、過去においては、触媒を監視するために二つ一組になって使 用されてきた。一つのセンサは、触媒の上流に置かれ、そして他の一つは触媒の 下流に置かれていた。そして、そのようなセンサの各々からの信号は、触媒か劣 化したことを表す何らかの差を決定するために評価される。適当に作動する触媒 は、制限サイクルの空燃比フィードバック制御から生ずる或いは排気流内に意図 的に発生される周期的なりッチーリーン工程を減衰させ得るということそして現 実の変換活動及び／又は酸素貯蔵活動における損失を通して触媒性能の実質的な 損失が触媒のこの減衰能力における減少に終わるということが、そのような従来 技術により推定される。この触媒監視に対する一般化された手引きは、両装置か らの複雑な信号特徴を比較し、これら両装置の各々は、異なる環境において配置 されそして異なる排気ガス位置に晒され、そしてさらに、触媒酸素貯蔵、感知さ れた信号の特徴及び触媒性能の間に相互５Ｉ係があると推定される。しばしば、 そのような相互関係はない。しかしながら、各センサは、マイクロ触媒（ｍｉｃ ｒｏｃａｔａｌｙｓｔ）として作用する触媒コーティングを含んで、同様の構成 を使用しているので、放出物質を変換するための主たる触媒の無能に基づく故障 は隠され或いはそのセンサ自身によりマスクされ得る。

二つのセンサ触媒監視システムの特許された変形は、利用され或いは電圧振幅、 位相ずれそして周波数比けｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒａｔｉｏｉｎｇ）を含む多くの センサ信号特性と比較された。いくつかの場合においては、センサ信号における 人工的な変化か、望ましくは、触媒の劣化の立ち上がりをより明らかに示すであ ろう機関の空燃比の調整により創造される。不幸にも、そのような従来技術の手 引きのすへてか少なくとも次の共通の特性をもつ。即ち、それらはセンサの電極 を異なる放出ガスに晒し、そのセンサは許容範囲及びエージングにおける構造変 化を本来的にもち、そして触媒劣化に関する決定が人工的な参照（ｒｅｆｅｒｅ ｎｃｅ）に対する比較なしてはなされ得ない。そのような従来技術のセンサシス テムの手引きはそのようなセンサの差に起因して不正確であるだけでなく平衡し た或いは平衡しない酸素変換或いは燃焼の間における差を感知し得ない。

必要とされることは、触媒劣化或いは不十分な機関燃焼をより信頼性よく監視す るシステムである。

本発明は、特に排気ガスセンサの迅速な能力を配備して化学的な平衡からのガス 混合物の差を検出しそして主たる触媒の酸素貯蔵容量か最初に検出されねばなら ないということを推定することによりそのような能力をマスクしないようにする 。これは、従来技術により使用される論理の重要な転換である。

本発明は、ここに、従来技術とは異なる手引きを使用して触媒不良或いは機関失 火を検出する。本発明は、機関或いは触媒の各々かガス混合物平衡装置であるこ とを認識する。即ち、適当に機能する触媒或いは機関が、燃え易い吸気或いは流 体をほぼ化学的平衡まで燃やす。しかし、標準の排気ガスセンサもまた平衡装置 である。それは、触媒電極及びコーティングを使用してより十分に燃やし或いは 機関或いは触媒の排気ガスを「平衡」させてその化学量論的な（ｓｔｏｆｃｈｉ ｏｍｅｔｒｉｃ）制御点感知精度を改善する。もしも感知されたガスか既に平衡 或いはほぼ平衡となっているならば、触媒電極或いはコーティングの活動は必要 ではなくそして機能しない。それは余計である。

この発明の論理は制御される単一の要素の変化に基づく。それは以下の通りであ る。殆と同一の排気ガスセンサ対を造る。これらセンサ対は、他のセンサかその 電極或いはコーティングにて減少され或いは無触媒の活動を有するにもかがわら ず、−センサは十分に触媒作用を及ぼす対内において異なる。そのようなほぼ同 一のセンサ対を機関或いは触媒の下流にて共通の作動の流れ及びガス環境の中に 置く。もしも感知されたガスか平衡或いはほぼ平衡にあれは、センサの触媒活動 は必要とされないので、それぞれのセンサ出力の間で差はない。もしも感知され たガスか（触媒劣化或いは機関不調のため）平衡或いはほぼ平衡でなければ、− センサの触媒活動か必要とされそして失われているので、センサの出力の間で差 かある。一対内て−センサの失う触媒活動かガスを平衡にするために現実に必要 とされるので、その差か生ずる。

かくして、本発明は、機関から出る排気ガス或いは触媒から出る排気ガス内に差 動的に触媒作用を及はす酸素センサの電極を置き、そしてそれからその電極の各 々により発生される信号を比較しそして、もしも所定の差か存在すれば、それぞ れ機関不調或いは触媒劣化を表示する。自動車に搭載中、監視か−或いはそれ以 上の触媒性能、機関失火そして燃焼品質のために実行され得る。自動車は内燃機 関を存し、この機関はその機関の有害放出物質を変換するための触媒を備えてい る。

触媒は三元触媒或いは酸化触媒であり得る。そのセンサはＥＧＯ，ＨＥＧ○或い はＵＥＧＯ型である。そのセンサは対において使用され、第１の対は実質的に直 接的に触媒の上流に置かれそして第２の対は実質的に直接的に触媒の下流に置か れ、一対の排気ガスセンサは機関燃料制御システムの閉ループフィードバックｔ ＩＩ？Ｂ内に合体される。双方の振幅比較、周波数変化或いは位相ずれ比較か、 センサを通る平衡及び非平衡のガスにおける差の検出において使用され得る。

この発明は、閉ループ制置下で機関を作動させるとき、最初はフィードバック制 御における一対の一センサと共にそしてそれから短い監視期間、即ち２０秒以下 の間他のセンサと共に使用され得る。フィードバック信号の変化か観察されて触 媒劣化の決定を得る。−センサから他のセンサへの変化は、繰り返し周波数にて 周期的に制御されてシステムの信頼性を高める。相関性はスイッチング周波数を 伴う信号において結果的に生ずる変化の間でなされる。

本発明のもう一つの局面は、対電極を有する単一のセンサ体の構成であり、−電 極は高度に触媒作用を及ぼしそしてその他は低乃至無触媒である。その構成は境 界及び二対の白金ｔｒｉの使用により二つのセンサのためにゾーン形成される共 通の固体電解質をもつことかでき、その対の一つは空気基準セルに晒されそして その池の対か排気ガスに晒される。一対は、ポーラスな白金の薄い保護膜の使用 により高度に触媒作用を及はす排気ガスに晒された電極を育し、そして他の一対 は、そのようなコーティングの全くない或いは鉛或いは銀により不活性化された 排気に晒された電極を存し低乃至無触媒！極を造る。簡単にし廉価にするために 、空気の基準は構造及びゾーン形成されてない電解質の反対側上に置かれた差動 的に触媒作用を及ばす１極から除去されて、これにより全体の装置を排気ガス内 に浸す。

本発明は添付図面との関連にて、例を介し、さらに述べられるであろう。そこに おいて、 第１図は、本発明の方法の本質的なステップのブロック図である。

第２図は、かなり異なる触媒活動をもつ電極を伴う本発明のセンサの一使用の図 式的な例示であり、ここにおける使用は、フィードバック空気／燃料制御のため の上流及び下流制御センサ（触媒との関連で）をもつ閉ループフィードバンク機 関制御における触媒監視に対してである。

第３図は、異なる触媒活動をもつ電極を伴うが、一対か触媒監視を提供する間、 フィードバック空気／燃料制御のための下流の高度に触媒作用を及はす電極セン サのみを使用するセンサのもう一つの使用の図式的例示である。

第４図は、第３図におけるそれと同様の代わりのシステムであるが、フィードバ ック空気／燃料制御のだめの独立の上流センサを使用する間、開ループにて下流 センサ対を使用する。

第５図は異なる触媒活動を有する電極を伴うセンサのさらなるもう一つの使用で あるか、一対か機関失火或いは緩やかな或いは遅い燃焼検出を提供する間、フィ ードバック空気／燃料制御のための上流側の高度に触媒作用を及はす電極センサ を使用する。

第６図は、異なる触媒活動をもつ電極を伴うセンサのさらなるもう一つの使用の 図式的例示で、ここにおける使用は、二対のセンサの使用により機関失火／燃焼 不調及び触媒劣化の双方を監視するためである。

第７図は、時間の関数としての排気ガス信号電圧のグラフ的例示の合成であり、 図の第１の列は、それぞれ、上流の排気ガスに晒された高度に触媒作用を及はす ！極、下流の排気ガスに晒された高度に触媒作用を及ぼすセンサ七して下流の排 気ガスに晒された低乃至無触媒電極に対してであり、上側のホックスグループの 信号図は良好な主たる触媒の効果を示しそして下側のホックスグループの信号図 は悪い主たる触媒の効果を示す。

第８図は、空気／燃料信号の関数としてプロットされた酸素センサ電圧のグラフ 的例示である。

第９図は、空気／燃料信号の関数としてプロットされた主たる触媒変換効率のグ ラフ的例示である。

第１０図は、空気／炉材信号の関数としてプロットされた前置触媒ガスの種含有 量（ｓｐｅｃｉｅｓ　ｃｏｎｔｅｎｔ）のグラフ的例示である。

第１１図はＰ−Ｉコントローラに先立って取られる電圧信号のプロットであり、 そのような信号は高度に触媒作用を及ぼす電極並びに良好な及び悪い触媒の双方 に晒された低乃至無触媒！極の双方に対する時間の関数としてプロットされてい る。

第１２図は、高度に触媒作用を及はす電極及び低乃至無触媒電極の双方に対する 時間の関数としての空気／燃料信号のプロットである。

第１３図及び第１４図は、高度に触媒作用を及はす電極及び低乃至無触媒電極の 双方に対する時間の関数としての電圧信号（ＬＡＭＢＳＥ）のそれぞれのプロッ トであり、そのプロットは失火か作意的に起きたときを示すようにマークされて いる。

第１５図は、触媒変換効率の関数としての空気／燃料の移動のグラフ的例示であ り、三触媒の下流に置かれた触媒及び無触媒のセンサの間の既知だが変化した触 媒効率の空気／燃料信号における差かプロットされた。

第１６図は、二つの酸素センサ構成の合成の概略図であり、一つは、排気ガスに 晒された高度に触媒作用を及ぼす電極を伴い、そしてその他はそのように晒され た低乃至無触媒ｔｔｉｊｓを伴う。

第１７図は、本質的に二つの分離した酸素センサを一装置内に提供する一体化さ れた酸素センサ構成の概略図であり、一つは高度に触媒作用を及はしそしてその 他は及はさない。

第１８図は差動的に触媒作用を及はす電極を伴う酸素センサであるか、空気基準 をもたず、双方の電極は排気ガスに晒されている。

第」９図は第」７図に類似した図であるか、さらにもう一つのセンサ構成を示す 。

酸素センサは触媒の酸素貯蔵容量における変化を検出してこれにより触媒効率を 推定的に検出し得るであろうということか、その技術においてありふれた知識で ある。この知識を実施する企ては、主たる触媒の下流に置がれたありふれた酸素 センサを使用した。しかし、それはまた、排気ガスに晒されるその電極かありふ れた構造に応じて高度に触媒作用を及ぼすので、触媒、より正確にはマイクロ触 媒として機能する。主たる触媒か劣化するときそれは周期的には酸素を貯蔵でき ないということか理論付けされている。かくして、排気ガスセンサは、周波数に おいて増加され及び／又は振幅において増加されるスイッチング信号を提供する であるもしかしなから、現実の信号は、基準信号或いは主たる触媒が劣化するか どうかを判定するための基準信号の収集（ｌｉｂｒａｒｙ）と比較されねばなら ない。基準信号を適当に整合することは、そのシステム内の変わり易い瞬時の状 態のため、誤った結果の原因となり得る。振幅変化は、そのような変化が触媒の 酸素貯蔵における変化により引き起こされ、必ずしもその変換効率における変化 によらないので、触媒の劣化の尺度としては信頼できない。また、センサ出力に おけるある変化はセンサ自体の応答における変化により引き起こされ得る。

周波数変化は上に与えられた同じ理由のために劣化した触媒の尺度ではない。

基準信号に対する必要性を避けるためには、人工的な燃料パルスか主たる触媒の 貯蔵容量を超えるように使用されるということもまた、理論付けされた。即ち、 感知された信号の解析は、そのパルスの前後で、基準信号に対する必要性を伴う ことなく、劣化した触媒をより一層明確に示そうとする。この手引きは、閉ルー プ機関制御にて下流センサを使用することに対する必要性故に実行困難であり、 そして主たる触媒変換効率の空燃比最適条件の所望の窓内に排気ガスを維持する のか困難である。

ここに、本発明は、主たる触媒の酸素貯蔵とその効率との間における相互関係上 のとのような信頼をも避ける。より好ましい実施例においては、二つの差動的に 触媒作用を及ばす排気ガスセンサ電極か、−共通電極に沿い積分されようと或い は別々の電極構造において使用されようと、主たる触媒の下流におけるありふれ た排気ガスセンサに代用される。そのような電極の各々から現実の信号の同時か つ瞬時の比較か、主たる触媒の効率に関し、非常に信頼性ある証拠を提供する。

信頼できない基準信号か避けられ、機関制御システムか触媒監視を調節するのに 妨害されず、そして、酸素を貯蔵するための触媒の能力上の信頼からの誤りの決 定か避けられる。

本質的には、この発明の方法は、二つのステップからなる。第１のステップは、 酸素感知システムの差動的に触媒作用を及はす電極を機関（そのようなすへての 排気ガスを変換するように設計された主たる触媒の上流或いは下流の双方）から の排気ガスに本質的に晒すことである。第２のステップは、機関の失火、燃焼欠 失或いは主たる触媒劣化との関連で、具体的な不良の指示に対するそのような電 極からの信号出力を比較する（第１図をみよ）。

システム使用 この発明の第１の局面は、排気ガスに晒された差動的に触媒作用を及ぼす電極か 触媒監視システムにおいてな０何に使用されるかに関する。第２図にて示される ように、閉ループフィードバック制御か主要なフィードバックループ１０（ａ） 及び強化フィートパックループ１０（ｂ）を有して使用され得る。主要なフィー トハフ・クループにおいては、ありふれた排気ガスセンサＩＩは、機関１３（触 媒の上流）からの放出流１２内に配置され、排気ガスセンサ１１からの信号は、 制御情報を搭載コンピュータ或いは基本燃料計算手段１６に順に供給するフィー トバンクコントローラ１４に接続されている。手段１６は、コマンド信号を燃料 噴射器駆動装置１７に伝送し、そのコマンド信号は、噴射器駆動装置のパルス幅 変換器を制御する。機関の燃焼シリンダの各々を調節するためのいくつかの噴射 器駆動装置かあり得、その燃焼シリンダの各々は、燃料パルスを受けて機関に供 給される吸気１８との関連にて機関内におけるその燃焼を実行しなければならな い。

第１の排気ガスセンサ１１からの信号は、電圧ホロワ（比較器）＋５により調整 され、二の電圧ホロワ１５は、その信号を、正弦に似た波から本質的に矩形波に 波形整形し、これにより、センサ出力の非常の高いインピーダンスを軽減する。

フィートハック制画ループを強化するためには、それは、フィードバックシステ ムか十分に速く応答することかできない動的状態中において空燃比のより精度の よい計算を提供するために適応性のあるテーブル２０をさらに含み得る。搭載コ ンピュータ或いは学科計算手段１６もまた装置１９から質量空気流の情報を受け る。コントローラ１４は、好ましくは、制御アルゴリズムの比例−積分項の係数 か異なるゲインに調整される比例積分型である。ゲインは信号入力（本質的には その強度）に対する信号出力の傾きである。センサから直接に出力される信号の ゲインはスイッチ点にて極度に高い、そしてかくして、もしもそのような信号が そのゲインに関して修正されなかったならば、不安定な調整となる。

強化されたフィードバック制御及び触媒監視を提供するために、第２の制御ルー プ１０（ｂ）は、排気ガスに晒される高度に触媒作用を及ぼす電極３０（ａ）を 有する第２の排気ガスセンサ３０、及び排気ガスに晒される低乃至無接触（ｌｏ ｗ−ｔｏ−ｎｏｎｃａｔａｌｙｔ　ｉｃ）の電極３１（ａ）を有する第３の排気 ガスセンサ３１を配備する。センサ３０及び３１はフィードバックコントローラ １４に対する交互の接続のために配列されている。排気ガスに晒される第２及び 第３の排気ガスセンサ電極は、その監視を実行するために触媒の後ろに配置され る単一の分割センサ構造として結合され得る。そのような分割排気ガスセンサは 現実には一体となった二つの排気ガスセンサである。その排気ガスセンサの一つ は、高度に触媒作用を及ぼすコーティングを存しそしてその他は触媒作用を及は さないか殆と及はさないコーティングをを有する。

第２及び第３のセンサ電極３０（ａ）及び３１（ａ）からの各信号は、別々の電 圧ホロワ或いは比較器３２．３３によりそれぞれ修正される。電圧ホロワは、そ のセンサ自体から出る信号か非常に高いインピーダンスを存するため、有用であ る。そのホロワからの信号は、その他に、低ゲインの変更子（ｍｏｄｉｆ　１ｅ ｒ）３４或いは積分器に引き渡される。従って、その信号は、一定の割合にて時 間とともに増加する或いは一定の割合にて減少して閉ループ方法における空燃比 コントローラのパルス幅を変化させる出力にてあられされる。

低ゲイン増幅器は、増加しつつある傾斜からその減少しつつある傾斜へ切り替わ りそしてニレベルのいずれか一方であり得るホロワ或いは比較器の出力に応答し て再び元へ切り替わる。比較器は、酸素センサの波形電圧か比較器への基準電圧 入力を超える点にてレベルを変化させ或いは切り替える。比較器への基準電圧入 力は、むしろ、センサ波形かエイジ（ａｇｅ）する状態でさえも一様な結果を提 供する電圧であると知られている。

信号は、さらに、バイアス調整３５により修正される。そのバイアス調整は、セ ンサの化学量論的な（ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ）点におけるときでさえも 、酸素の部分圧の遅い変化に起因して空燃比信号のずれをリーン側に補償するの に有益である。このバイアス調整は、空燃比を適当な窓へ戻す。

強化されたフィードバックシステムは正常なモートにて高度に触媒作用を及ぼす 電極３０（ａ）（或いは第２のセンサ）を使用して強化されたフィートバンク制 御を提供する。低乃至無触媒の電極３１（ａ）（或いは第３のセンサ）は、強化 されたフィードバックシステム制御に交互に切り替えられ、そして比較か、その ような差動的に触媒作用を及ぼす電極（センサ）からの信号の間でなされる。

スイッチ３６は、むしろ比較器３２．３３の後ろにて強化されたフィードバック ループ内に介装されている。スイッチ３６は、センサとコントローラとの間で信 号接続内の他の位置にて配置され得るか、それは、余分な構成要素の使用を最小 限にするので、この位置において望ましい。比較は、コントローラ１４（空気／ 燃料信号−ＬＡＭＢＳＥを感知する））の信号出力に接続された検出器３８の使 用により実行され、コントローラ１４の信号出力は、順次、インジケータブロッ ク３９により解釈されて駆動装置に触媒の所望の不良を警報する。コントローラ からの信号出力の比較は、後に議論されるように触媒の劣化の程度のより一層正 確な決定を許容するので、育利である。

酸素センサの差動的に触媒作用を及はす電極に対する交互の使用計画か第３図乃 至第６図にて示されている。第３図においては、主たるフィードバック制御を提 供するための上流センサの使用か（検出テスト中或いはすへての機関作動中のい ずれても）除外される。下流分割センサ（或いは一対のセンサ）の高度に触媒作 用を及ばず電極４０は、フィードバック空気／燃料制御に対する正常なモートと して使用され得そして低乃至無触媒の電極４１か、触媒の疑問中にのみ使用され る。（丁度、一度スイツチングしたというよりもむしろ）ある適当な周波数にて 高度に触媒作用を及ぼしそして無触媒作用を及ぼすセンサ電極の間にて前後に周 期的に切り替わることか望ましく、フィートバンク空気／燃料信号において結果 として生ずる変化かスイッチング信号周波数と互いに関連する。これは、周期的 なスイッチングを進展させる中継装置（ｒｅｐｅａｔｅｒ　ｄｅｖｉｃｅ）４２ の使用によりなされ得る。そのようなスイッチングは、丁度、一度スイツチング する信号というよりはむしろ（触媒テスト間隔中）二つの値の間で交互に現れる 触媒監視信号を得るためになされる。こうすることにおける潜在的な利益は、そ の処理か不完全な触媒を限界すれすれて確認することにおけるより一層の信頼性 を提供する。周期的なスイッチング作動は、約２０秒の間のような指示された触 媒監視間隔中にのみ実行される。触媒監視かなされていないとき、（低乃至無触 媒を鯨いはセンサ４１というよりはむしろ）高度に触媒作用を及ぼす電極或いは センサ４０かフィードバック空気／燃料制御或いはフィードバックトリミング強 化において使用されて最高の空気／燃料制ｉ１１精度を提供する。空気／燃料制 御信号を修正する他の要素は、第２図におけると同様であり或いは第３図にて示 すように簡単化され得る。信号の差の検出は、ここで、低ゲイン調整３４及びバ イアス調整３５に先立ってなされる。検出は、ブロック４４を経由され、このブ ロック４４は、センサ４０及び４１からの出力の間の差を簡単に比較しそしてそ の差か悪い触媒に対応するプリセット値よりも大きいとき不良インジケータ４５ への不良表示信号を発生する。プリセット値は速度及びトルクの関数である。

第４図にて示すように、差動的に触媒作用を及はす電極（或いはセンサ）４６及 び４７は、閉ループにて作動する上流センサ４８と共に、開ループにおける触媒 の下流に配置されて、空気／燃料制御のための酸素感知情報をフィードバックす る。スイッチング装置４９は、示されている中継器により周期的に制御され得る 。不良の検出及び表示は第３図と同様になされる。

この発明の広い概念は、差動的に触媒を及はす電極（センサ）の上流にある燃焼 装置の型式には依存しない。その概念は、不適当な機関燃焼に寄与するシリンダ の各々の失火及び緩やかな或いは遅れた燃焼を検出するために使用され得る。

その不適当な燃焼は、主たる触媒コンバータを損傷し得る。二つのセンサ或いは 一つの分割センサ装置は、機関１３の機関排気マニホールドの下流ではなく主た る触媒コンバータ２１の上流に配置され得る。（−形式の触媒電極のみを存する ）−排気ガスセンサは、排気流における位置とはかかわりなく、不適当な燃焼を 容易には検出てきない。しかし、本発明の差動的に触媒作用を及はすセンサ（電 極）は非常に容易に検出し得る。低乃至無触媒センサ（を極）か、屯火での失火 かある（即ち、無触媒センサか失火の割合に対応する高い周波数構成要素を汀す る出力信号を発生する）とき、周波数における決定された変化を表す。低乃至無 触媒センサ（電極）もまた緩やかな或いは遅い燃焼か生ずるとき振幅において変 化を表す。

第５図に示すように、高度に触媒作用を及はす電極を有するセンサ５０、及び低 乃至無触媒電極を有するセンサ５１か、触媒２１の下流ではなく機関１３の下流 に置かれている。センサ５０は、機関の閉ループフィートバンク空気／燃料制御 にて、通常、接続されている。セ〉すの各々からの信号は、検出ブロック５２に 供給され、この検出ブロック５２は、不良インジケータ５３に失火或いは緩やか な或いは遅い燃焼を警報するために周波数或いは振幅において十分な差かあると きを決定するのに有効である。

差動的に触媒作用を及はすセンサ（１極）の使用は、適当な機能（第６図参照） に対する主たる触媒の疑問を提供するのみならず失火及び燃焼不調の双方を検出 するために使用される。この実施例において、高度に触媒作用を及ぼす電極（セ ンサ）５５は、閉ループのフィードバック空気／燃料制御のだめの正常な酸素感 知を提供するために作用する。低乃至無触媒センサ（を極）５６は、検出ブロッ ク５７を経由して継続的に比較されて、もしも正当化されれば、不良インジケー タ５８をトリガーする。

下流の差動的に触媒作用を及ぼすセンサ（７！Ｌ極）５９及び６０は、第２図の 実施例におけると同様に使用されてその効率に関して主たる触媒２１に周期的に 検問する。中継装置６１は、センサ（を極）５９及び６０の各々の間で切り替わ り比較をするように利用され得る。検出器６２及び不良インジケータ６３は受け そして低ゲインブロック３４及びバイアス調整３５の上流で受領した信号上で作 動する。

信号を比較すること この発明は差動的に触媒作用を及はす電極（センサ）を使用し、これら！極は、 温度及び流れ感度を除去しそして単一の装置からの絶対測定における固有のゆか み及び干渉を除去している間、監視システムか、（機関により或いは触媒により 実行されようと）燃焼に特有であることを許容する。

触媒監視に対しては、主たる触媒の排気流の下流に晒される高度に触媒作用を及 ぼす電極を伴う標準の酸素センサは、信号電圧を現すことかでき、この電圧信号 は、主たる触媒か悪い（第７図を見よ）ときに、高度に触媒作用を及はす電極を 伴う上流センサにより感知される信号からの小さな変化を示す。各センサは、同 じ形式の変化しない排気ガスを本質的に見つつ、そして各センサは本質的に同じ ような方法でそのようなガスを平衡させる。しかしなから、触媒か良好であれば 、高度に触媒作用を及ぼす上流及び下流のセンサの間で信号において実質的に差 かある。信号におけるこの実質的な変化は、そのようなガスを見る下流センサに 先立って良好な主たる触媒か十分に排気ガスを平衡させるという事実に寄与し得 る。しかしながら、主たる触媒か良好か慝いかどうかに依存して高度に触媒作用 を及はすとき、下流における信号において決定された変化かある。

高度に触媒作用を及はすセンサ（を極）特性は無触媒センサ（′！Ｌ極）（第９ 図を見よ）と比へてリッチに移動されるという事実かさらにより明らかになる。

ここにおけるリッチ移動は、触媒センサか同じような出力電圧を発生するために 無触媒センサに要求される空燃比よりもよりリッチである空燃比にて成る中間範 囲の出力電圧を発生するということを意味する。空気／燃料の移動の量は、主た る触媒の触媒活動（即ち、変換効率）に依存する。この発明の目的は、フィート バック制御において最初に−センサと共にそしてそれからフィートバック制御に おいて他のセンサと共に閉ループ下で機関を作動させ、そしてそうしている間に 機関空気／燃料フィードバック信号（ＬＡＳＭＢＳＥ）における変化を観察する 。

二つのセンサは異なる空気／燃料の値にて同し出力電圧を発生するから、制鋪下 にあるセンサに依存して機関の空気７／燃料のフィードバック信号における差か ある（第９図を見よ）。触媒作用を及ぼす或いは低乃至無触媒電極か使用される かどうかに依存して空気／燃料における移動かある理由は、第１０図への言及に より最も良く理解され得る。しかし、主たる触媒の下流に冒かれた低乃至無触媒 センサは、良好及び悪い触媒の間の信号において小さな振幅変化を現すてあろう 。

排気ガスは、良好な触媒の場合に平衡された主たる触媒を通過するが、悪い触媒 の場合には本質的に変換されない。しかし、センサはそね自体ガスを平衡させる ことはてきないので、センサの飽和かありそしてその信号か、調整空気／燃料信 号の異なる平均空気／燃料に起因して可能ならば異なるレベルにて、良好な触媒 信号の拡張された形どして現れる。かくして、センサかそれ自身を平衡させると き、それは、より大きな信号の振幅及び／又は周波数を現す。従って、二つのセ ンサ特性の間の差か触媒変換効率の関数であるから、−センサから他のセンサに 切り替わるときに生ずる空気／燃料フィードバック信号（ＬＡＭＢＳＥ）におけ る変化の大きさか、触媒状態のインジケータとして使用され得る。

本発明は、閉ループの回路に沿ってとこでも差動的に触媒作用を及ぼす電極（セ ンサ）の信号を検出することを内包するが、空燃比フィードバック信号（ＬＡＭ ＢＳＥ）を検出することかより好まれる。この好みは、第１２図及び第１３図に 対する言及により理解され得る。

高度に触媒作用を及はすセンサ（を極）の使用中、第１１図にて線６０の左に示 されるように、電圧信号は所定の水平域（ｐｌａｔｅａｕ）６１にて相対的に安 定している。低乃至無触媒電極（センサ）かスイッチングにより作動的にされる とき、（線６０の右に対する）電圧信号が、もしも主たる触媒が悪ければ差を現 す。その電圧は新しい水平域６２に急激に上昇しそして空気／燃料コントローラ か空燃比を再調整するにつれて、その元の水平域に徐々に退く。第１１図の電圧 データを使用して、信号における決定された差を見るために、比較が、電圧かそ の急激な変化故に不正確につなかる鋭い動きをしたときにはむしろ速く瞬時にな されねはならない。もしもその比較か、余りに緩やかに、即ち、約ｌＯ乃至１５ 秒なされるならば、電圧は退きそして小さな差か残るであろう。さらに、水平域 ６２は、成る値以下の変換効率をもつ全触媒に対する成る制限値にて飽和するで あろう。

第１２図においては、より好ましい信号比較か例示されている。空気／燃料フィ ードバック信号か感知される。これは、第３図にて示すように位置６４にて電圧 信号を取ることに対抗するように、第２図にて示すごとく、位１１６３（上気／ 燃料フィートバゾク信号）にて信号を取ることにより達成され得る。第１２図に て示すｄ゛うに、低乃至無触媒ｔｉを使用するフィードバンク信号か、もしも主 たる触媒か悪ければ、５乃至１０秒の期間に亘り新たな水平域６５に徐々に上昇 する。良好な触媒の場合には、空気／燃料フィードバック信号か、高度に触媒作 用を及はすセンサ（を極）に対してと本質的に同様に、元の水平域６６にて実質 的に留まる。これは疑問計画を可能とし、これにより、高度に触媒作用を及ぼす 電極か低乃至無触媒電極に切り替えられる時間から約５乃至１０秒後に、明確な 有限の信号比較か、不正確から免れてなされ得る。

検出のために空気／燃料フィードバック信号を使用する（即ち、６３にて取られ る）付加的な価値は、それか、不調の程度或いは効率の決定を許容することであ る。空気／燃料の移動（或いはΔＡ／Ｆ）の量は、主たる触媒の炭化水素変換効 率劣化の程度を表す。機関／動力計テストか、第２図のシステムを使用して実行 された。明確には、閉ループ空気／燃料測定が、最初は高度に触媒作用を及ぼす センサそしてそれから制御における無触媒排気ガスセンサと共になされた。そし て、各立場に対する閉ループ空気／燃料の間の差が決定された。そのテストは、 異なる触媒を使用して繰り返されそしてその結果か第１５図にて示すように炭化 水素変換効率の関数としてプロットされた。第１５図にて示される結果の審査は 、その発明概念か試験された触媒に対して予期されたように働くということを証 明する。

しかしながら、位ｆｔ６４にて取られるような電圧信号を使用するとき、振幅或 いは周波数は、触媒の効率の程度に関して手かかりを与えない。

上流に置かれ使用されて燃焼不調の失火を検出するときセンサから得られる電圧 信号は、第１３図及び第１４図に例示される。第１３図にて示されるように、高 度に触媒作用を及はす電極（センサ）は、電圧変化を現し、この電圧変化は、そ れぞれ、正常な燃焼及びシリンダの失火の状態中にて双方の信号６７及び６８に 対して（正常な制限サイクル作動に対して）おおよそ正弦的である。しかし７な から、低乃至無触媒電極（センサ）か活性化されるとき、電圧変化７０．７１は 、第１５図にて示すように、（線６９の左に対し）正常な燃焼及び（線６９の右 に対し）ノリ〉ダの失火からかなり異なる。その周波数は、失火か起二るときお おいに増加される。緩やかな或いは遅い燃焼（池の燃焼不調）か低乃至無触媒セ ンサ（電極）の電圧信号における振幅変化を生しさせる。

センサ構成 第」６図は、左手側＋６（ａ）上及び右手側＋６（ｂ）上の双方の高度に触媒作 用を及ぼすセンサ構成の合併図を示し、センサ構成は排気ガスに晒される低乃至 無触媒電極を有する。第１６（ａ）図の構成は、機関の排気システムにて配置さ れるシンプルのような構造をもつ。マニホールドからの排気ガス７０は、酸素に 加え、未燃炭化水素、窒素の酸化物そして炭素を含んで、酸素センサの（−ｊ近 に通される。酸素センサ７９は、絶縁ヘース７２内に配置された基準ボート７１ を有し、絶縁ベース７２は、本質的に７９％の窒素及び０２の形態の２１％の酸 素からなる周囲の大気ガスを受ける。酸素センサ７９は、さらに、Ｚ　ｒ　Ｏ２ の固体電解質酸素イオン導体７３或いはある貴金属、好ましくは白金の内側電極 ７４を有する類似の物を含む。固体電解［７３の外側表面上には、描かれた点＜ ｐａｉｎｔｅｄ　ｄａｔ）のポーラス白金７５（ａ）と共に、白金のような貴金 属固体片から好ましくはなる高度に触媒作用を及はす電極７５かある。保護酸化 物被覆７６は、Ｎ丁ｇｏ、Ａｌ１０３スピネルのポーラスコーティングのより好 ましい形態で、センサ７０の全外側の活性表面に被さる。すべてのＩＷ７３／７ ４／７５／７６は酸素の分子或いはイオンに対してポーラスであり、二つの白金 伝導＠７４／７５及びターミナル７７／７８はそれぞれ電子流の収集のためにそ れらに相互に連結されている。

理論的には、そのような酸素センサの作動は、電極７４の表面にて４つの電子の 付ＩＪＯてもって酸素イオンになる０２分子により生ずる。酸素イオンは、その 時には、固体電解質７３内に拡散する。酸素の部分圧は表面７６上よりも表面７ ４上の力か高いので、正味の酸素イオンは外側触媒電極７５へ固体電解質を通し て自由に移動する。この点において、酸素イオンは電子をあきらめそしてもう一 度０２分子を形成すへく結合する。正味の電圧は、かくして、排気ガス及び周囲 の大気の間の０．の部分圧の差に応答してｔｆｆｉ７４及びｔ極７５の間に生ず る。電子間の部分圧における差を増加することは、規定とおりに、引き起、：さ れた電圧を増加する。一般的には、約１０　２２の大気圧（リッチの空気／燃料 混合物に対応）の排気ガスにおける０２の正味の部分圧は、■、０ボルトのオー ダにおける電圧をそのセンサに出力させる。酸素の正味の圧力か増加するとき、 そのセンサ出力電圧か減少し、排気ガスにおける０！の新たな部分圧か１０−２ 大気圧或いはそれ以−ト（リーンの空気／燃料混合物に対応）であるとき、Ｏ， Ｉ乃至０．２ボルト以下になる。

第１６（ｂ）図における構造に等価な薄い白金被覆層７５（ａ）を伴わないセン サは悪い三元触媒の後ろの排気ガスを平衡させることかできないし、センサは本 質的には低乃至無触媒電極センサである。そのような構成は、単に、長くて厚い 白金片の形態において外側の白金電極９９を存するだけであるが、薄いポーラス な白金被覆層に欠（プる。高い触媒活動を促進するのが白金被覆層である。

統合された閉ループセンサ構成か改善された或いは代わりの実施例として第１７ 図にて示されている。本発明の方法を満たすために二つの別々の排気ガスセンサ を使用すると、差か、センサの位置、局部的な流れ、異なるヒータ一温度等に起 因して午する。これらの差か注意深く計画することにより最小にされ得るが、第 １７図にて示すように単一の基体上に二つのセンサを構成することにより大幅に 除去される。これは、二つのセンサを使用して実行した監視の正確さを高めるで あろう。第１７図の提案された装置は、単一の酸素伝導基体８ｏ上に二つのセン サを合体させる。両装置は、そのときには、はぼ同一の位置、流れ、温度及び二 −ンング状態の影響を受け、これらの干渉要素故に出力差を低下させる。電解質 は素材８４により二つの部分８０（ａ）及び８０（ｂ）に分離されてクロストー ク（二つのセンサ間の０２移動）を阻止する。アルミナ（Ａｌ２Ｏ，）はそのよ うな絶縁素材８７として使用される。高度に触媒作用を及ぼす平衡を実行するセ ンサの部分は、電解質の高度に触媒作用を及ぼす保護膜により伴われる薄い白金 片からなるπ極８１を有する。複式セ：ノサの一部を完成するために、電極８３ は、その構成の空気基準内部の影響を受け易い高度に触媒作用を及はす或いは無 触媒の素材のいずれかから形成される。その構成の他側には、低乃至無触媒電極 ８２かあり、これは、排気ガスに晒されそして空気基準側の影響を受け易いその 他の電極８４により伴われ、そのｔ極は触媒作用を及はすか及ぼさないかのいず れかである。その装置の正確さを改善するために、加熱素子８５か空気基準温度 を高められた１ノベルにて維持するように配置され得る。リード線は、第４８図 にて示されるように、電極の各々に接続されそしてそれぞれＧ１、Ｖｌ、、Ｇ２ 及びｖ２と名称を付されている。双方の空気基準側電極は、同一・の材質からな る。双方の装置は、触媒監視のみのために使用される装置の場合には本質的では ないか、ヒーターを含むハウジングの内側に実装される。

絶縁層８７　（Ａ１．Ｏ，’）は、もしも第１９図のその代わりの構成か利用さ れれば、除去され得る。（第１７図の）電極８３及び８４は、共通の内側電極８ ８として形成される。二つの差動的に触媒作用を及ぼす電極（第１７図の８１． ８２）は横方向に移動されて電極８６．８９となり、クロストークか最小にされ る。

この構成は、Ａ１．０３が、　（クランキングに帰し得る）ＺｒＯｚとは異なる 熱膨張係数をもち得る。

この発明の概念内のさらにもう一つの代わりの実施例は（第１８図にて示すよう に）簡単化された開ループ壓のセンサ９０であり、このセンサは、空気基準を除 去しそして高度に触媒作用を及ぼす電極９３及び低乃至無触媒電極９２の間の１ １１気ガスの差測定を提供する。それは、Ｚｒ０ｚ電解質の単一のブロック或い はピース９１からなり、同電解質は、ありふれた白金片／白金被覆層結合を利用 することにより高度に触媒作用を及ぼす電極を受けるべ（適用される一側９４を 有し、その白金被覆層は高い触媒活動を提供するために必要なポーラスフィルム を提供する。その反対側９５は低乃至無触媒的に作動する白金の狭い固体片のみ を含む。代わりとして、薄い銀層は固体白金片にとって代わり無触媒電極として 作動する。その装置は、全体の構造を、ありふれた排気ガスセンサよりもより簡 単でより廉価にする排気ガス中に完全に浸される。中央の穴９７は、その能力を 完全にして全体の電解質を排気ガス中に浸す。この型式のセンサは、平衡ガスと 非平衡ガスどの間の部分圧か電圧における差を促進するために機能する。主たる 触媒か適当に作動しないどきには、電圧におけるこの差はたやすく明らかになる 。

しかし、主たる触媒か適当に作動しているときには、電圧におけるその差は相対 的に少ない。この型式のセンサは化学量論に関しスイッチ型としては作動しない ので、それは、触媒監視としてふるまうのに加えて、閉ループ燃料制御システム にて使用され得ない。

１３．５　１４　１４．５　Ｉ５　１５，５空燃比 △Ａ／Ｆ ＨＣＴＷＣ変換効率（％） 国際調査報告 １−１１−１ａｌ１＾−−＋−−ＩＩｍ＋ＰＣＴ／ＥＰ　９２１０１７２８国際 調査報告 ：ｒ；；＋＊＋：＊：に；、−：晶二：：″′ニア：＝；＝；二ｊ二ｌ；Ｌ１＊ 　烏、１”、＊、＊二七〒；：：ｅ＋＋Ｎ　ｅｌｌｅｄ　ｌ磨@＋−−””５７ ｆｆ’７’２°°１°＋＋＋ｌ　＋ｔｓｒｅＴｈ　−２ＴｈｅｌＵｍｆｉ＠Ｐｍ ｌｅｄｍｌｌｃ＊ｌ＋Ｉ＋ｔＭ＋Ｈ１ｌｊｍ＠ｌａｌ請伊１ｍｍ１ｍ＋＋＋ｖｗ ＋ｔｋｂｌｆｆｉ−鴫ｍｙ會−１ｏ嘯撃求魔狽戟{１−１ａｍ１ＭｌｅｒＭｊ１ −１ａフロントページの続き （５１）　Ｉｎｔ、　Ｃ１，５識別記号　庁内整理番号ＧＯＩＮ　２７／４０９ Ｉ

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. １．（ａ）ガス混合物平衡装置から出るガスの共通の流れ内に一対の実質的に同 一の酸素センサをおき、前記センサが、一つが、そのような流れに晒され、その ような流れに晒されるその他の一つよりも実質的により触媒作用を及ぼすという ことにおいてのみ異なり、そして （ｂ）前記センサの信号間に所定の差があるかどうかを決定し、かくして前記セ ンサの一つが前記流れのより一層の平衡をもたらし得たことを示し、前記差は主 たる平衡装置の不良或いは劣化と相関するようにした各ステップからなる主たる ガス混合物平衡装置の不良或いは劣化を検出する方法。
2. ２．（ｉ）前記ガス混合物平衡装置が内燃機関であり、（ｉｉ）前記信号差が周 波数に基づき、そして（ｉｉｉ）前記検出不良が前記機関の失火であるようにし た請求項１に記載の方法。
3. ３．（ｉ）前記ガス混合物平衡装置が機関の排気ガスのための主たる触媒コンバ ータであり、（ｉｉ）前記信号差が振幅、周波数或いは双方における変化であり 、そして（ｉｉｉ）前記検出不良が前記主たる触媒コンバータの劣化であるよう にした請求項１に記載の方法。
4. ４．機関から或いは主たる変換触媒からの平衡及び非平衡の排気ガスの間の酸素 部分圧における差を検出する方法であって、（ａ）酸素センサの差動的に触媒作 用を及ぼす電極を、前記機関から出る同じ排気ガス或いは前記触媒から出る同じ 排気ガスのいずれか内におき、そして（ｂ）前記センサの各々により発生される 信号を比較し、そしてもしも所定の差があるならば、機関不調或いは触媒劣化の 表示をそれぞれすることからなるようにした方法。
5. ５．少なくとも前記センサのより触媒作用を及ぼす電極が前記機関のための空燃 比の閉ループ制御において酸素センサの一部として使用されるようにした請求項 ４に記載の方法。
6. ６．前記高度に触媒作用を及ぼす電極が前記主たる変換触媒の上流に配置される ようにした請求項５に記載の方法。
7. ７．前記高度に触媒作用を及ぼす電極が前記主たる変換触媒の下流に配置される ようにした請求項５に記載の方法。
8. ８．前記差動的に触媒作用を及ぼす電極の二対が配備され、一対が前記主たる変 換触媒の上流にありそしてその他の一対が前記主たる変換触媒の下流にあり、前 記各一対の前記高度に触媒作用を及ぼす電極の一つ或いは双方が前記機関のフィ ードバック制御のための酸素センサの一部として使用されるようにした請求項５ に記載の方法。
9. ９．双方の前記差動的に触媒作用を及ぼす電極が前記主たる変換触媒の上流に置 かれて前記機関の燃焼不調を検出し、或いは双方が前記主たる変換触媒の下流に おかれて主たる触媒の劣化を検出するようにした請求項４に記載の方法。
10. １０．前記差動的に触媒作用を及ぼす電極が、ガスを実質的に平衡させるために 有効である一つであって前記ガスに晒されるもの及びそのようなガスを平衡させ るために効果のないその他の一つによって特徴づけられるようにした請求項４に 記載の方法。
11. １１．前記センサが加熱されるようにした請求項６に記載の方法。
12. １２．前記センサが化学量論にて電圧を切り替える型式のものであるようにした 請求項４に記載の方法。
13. １３．前記センサが、どのような空燃比にても酸素との直線的な関係を提供する 型式であるようにした請求項４に記載の方法。
14. １４．前記比較ステップ中において、前記電極が所定の周波数にて空気／燃料の フィードバック制御内に継続的にそして繰り返し置かれて高度に触媒作用を及ぼ しそして低乃至無触媒にする電圧信号のための繰り返しのパターンを設立するよ うにした請求項４に記載の方法。
15. １５．双方の前記電極が本質的に同じ位置にて同じ排気ガス内に置かれて温度及 び流れの差を除去するようにした請求項４に記載の方法。
16. １６．（ｉ）前記センサの双方の電極が前記主たる変換触媒の下流に置かれそし て前記機関に対する閉ループフィードバック制御に交互に切り替えられ、そして （ｉｉ）前記空気／燃料フィードバック信号がステップ（ｂ）にて比較されるよ うにした請求項４に記載の方法。
17. １７．比較か前記信号の振幅に関してであるようにした請求項１６に記載の方法 。
18. １８．前記比較が触媒劣化の程度を表すのに有効であるようにした請求項１６に 記載の方法。
19. １９．（ｉ）前記センサの双方の電極か前記主たる変換触媒の下流に配置されそ して前記機関のための閉ループフィードバック制御に交互に切り替えられ、そし て（ｉｉ）前記電圧信号が、高インピーダンスに打ち勝つための前記信号の波形 整形に先立ち或いはその後に、ステップ（ｂ）にて比較されるようにした請求項 ４に記載の方法。
20. ２０．比較が振幅、周波数そして前記信号変化の積分領域から選択された電圧特 性に関してであるようにした請求項１９に記載の方法。
21. ２１．（ｉ）双方の電極か非変換燃焼ガス内にて前記主たる変換触媒の上流に置 かれ、そして（ｉｉ）前記電極の各々からの電圧信号の周波数特性が機関の失火 或いは緩やかな或いは遅い機関燃焼を検出するために比較されるようにした請求 項４に記載の方法。
22. ２２．自動車に搭載中に、一つ或いはそれ以上の触媒性能、機関失火そして燃焼 品質を監視する方法であって、前記自動車が前記機関の有害放出物質を変換する ための触媒を備えた内燃機関を有し、（ａ）前記触媒から出る実質的に同じ放出 物質に少なくとも第１の対の排気ガスセンサを晒し、前記第１の対の排気ガスセ ンサの一つが、高度に触媒作用を及ぼす電極を有し、そしてその他のセンサが低 乃至無触媒の電極を有し、及び／又は少なくとも第２の対の排気ガスセンサを、 前記触媒に入る実質的に同じ放出物質に晒し、前記第２の対の一つが高度に触媒 作用を及ぼす電極を有しそしてその他のセンサは低乃至無触媒の電極を有し、そ して（ｂ）−センサの出力を各対のその他のセンサと連続的に迅速に比較して前 記触媒の上流に配置された第２の対のセンサの場合に失火或いは貧弱な触媒効率 を示すための十分な差かあるかどうかを決定し、そして前記触媒の下流に前置さ れた第１の対のセンサの場合に貧弱な触媒効率を示すようにした各ステップから なる方法。
23. ２３．前記触媒が酸化或いは三元の触媒のいずれかであるようにした請求項２２ に記載の方法。
24. ２４．前記晒すステップが、前記機関から出るガス或いは前記主たる触媒から出 るガス内に双方の差動的触媒作用を及ぼす電極を浸すことにより実行されるよう にした請求項２２に記載の方法。