JPH07116469A - 触媒の診断方法及び該方法に用いる酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 自動車の排気浄化のための触媒の劣化度の診
断を１個の酸素センサ（又は広域空燃比センサ）で行い
検出精度を向上せしめ、また、安価な触媒の診断方法を
提供する。 【構成】 排ガス管の触媒コア前後の排ガスを各々電極
を有する１個のジルコニア濃淡電池（酸素センサ）の隔
壁の両側面に導入し、所定の条件下で各々の排ガスの酸
素濃度比を発生する起電力をもとに初期値と比較するこ
とにより触媒の劣化度を診断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は触媒の診断方法及び該方
法に用いる酸素センサに関し、特に内燃機関の排ガス浄
化のために用いられる、触媒を用いた浄化装置（以下、
触媒コンバータという）に用いられる触媒の活性度を診
断するための改良された診断方法及び該診断方法に有効
に寄与できる酸素センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の自動車等の内燃機関からの排ガス
浄化のために用いられる触媒コンバータ中の触媒の診断
は、例えば特開平３−２９３５４４号公報に示されるよ
うに診断すべき触媒コアの前後に理論空燃点のみを検出
できる空燃比センサをそれぞれ１個づつ取付け、排ガス
中の酸素濃度、又は、未燃ガスである一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）、ハイドロカーボン（ＨＣ）等の濃度を検出し、両
者の出力をマイクロコンピュータに取り込み、それらの
値の変化から触媒劣化の度合いを診断する方式であっ
た。また、前記のような空燃比センサに代えて、広域空
燃比センサを２個用いて触媒の診断を行う方法、それら
を組み合わせて用いる方法も考えられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術では触媒の
診断に用いられる空燃比センサあるいは広域空燃比セン
サ（以下、本明細書において「酸素センサ」という）が
長時間耐久で劣化し、それぞれ出力特性が図１１に示す
ようにａからｂ，ｃのように変化することにより診断精
度を低下せしめることについては配慮がなされていなか
った。即ち、酸素センサの検出部の拡散膜が経時的に劣
化し、主に過酷な冷熱サイクルのもとで使用された時、
拡散膜や多孔質な電極にクラックが生じ、出力に有効に
寄与するための固体電解質、白金電極、排ガスで構成さ
れる三層界面が減少し、酸素センサの出力が減少する方
向に変化する場合がある。また、燃料の濃い状態で長期
に渡って使用された場合には多孔質な拡散膜や電極のガ
スの拡散に寄与する微細孔の一部が目づまりを起こして
ガスが拡散しにくくなり、酸素センサの出力特性が減少
する方向に変化する場合がある。そして、このような酸
素センサの特性の変化は、触媒を診断する目的で取り付
けられた２個のセンサが、それぞれの取付部の周囲の状
況の違いから、それぞれ同じように変化することは有り
えず、それぞれの変化量は異なるのが普通である。

【０００４】従来の触媒の診断の方式では、触媒コアの
前後のそれぞれの酸素センサが使用中に変化しないか、
変化しても殆ど同じように変化することが前提条件とさ
れている。従って、前述の如く２個の酸素センサが経時
的に異なった変化をした場合には信頼性のある触媒診断
の機能が失われるという課題があった。このことは、前
記のように理論空燃点のみを検出できる空燃比センサを
２個用いて触媒の診断を行う場合のみならず、広域空燃
比センサを２個用いて触媒の診断を行う場合あるいは両
者を組み合わせて用いる場合にも同様であった。

【０００５】本発明は、上記のような従来の触媒の診断
方法の持つ不都合を解消することを目的としており、よ
り具体的には、自動車等の内燃機関からの排ガス浄化に
用いられる触媒の劣化度を高い精度でかつ低コストで検
出することのできる診断方法を提供することを目的とし
ている。また、本発明の他の目的は、特別な温度センサ
を用いることなく触媒コアの温度を測定することのでき
る触媒の診断方法を提供することにある。さらに、本発
明の目的はそのような触媒の診断方法に有効に用いられ
る酸素センサを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決しかつ
目的を達成するための本発明の診断方法は、従来の酸素
センサ（即ち、理論空燃点のみを検出できる空燃比セン
サ又は広域空燃比センサなど）を２個用いる方式に対し
て、１個の酸素センサを用い、該酸素センサを構成する
例えは白金などからなる電極を有するジルコニア固体電
解質の隔壁の一方の面には触媒コアの上流側のガスを、
また他方の面には触媒コアの下流側のガスを導入し、両
電極間に生じる起電力から所定の条件のもとで両方の排
ガスの酸素濃度比を予め、それを予め求められた初期値
と比較することによって、触媒の診断を行うものであ
る。

【０００７】即ち、予め経験的あるいは理論的に求めら
れた触媒の劣化度と起電力の関係をマイクロコンピュー
タなどにメモリ（記憶）しておき、検出した出力値を常
時マイクロコンピュータのメモリ値と比較し、触媒の劣
化度をリアルタイムで診断する。それにより、２個のセ
ンサが異なった特性変化を示すことによる測定誤差は回
避でき、診断の精度が向上する。

【０００８】本発明による触媒の診断方法の好ましい一
態様においてはジルコニア濃淡電池からなる一個の酸素
センサが用いられる。酸素センサはデスク状のジルコニ
ア固体電解質を持つものであってもよく、袋管状のジル
コニア固体電解質を持つものであってもよい。酸素セン
サの取り付け位置も任意であり、触媒コアの上流端部、
中央部、下流端部、あるいは触媒コアを収容するケーシ
ングの上流側内部、下流側内部であってよい。

【０００９】デスク形のジルコニア固体電解質を持つ酸
素センサを用いる場合には、電極面を直接上流側排ガス
及び下流側排ガスに曝すようにしてもよく、また、酸素
センサの電極面に近接して一端を開放し他端を触媒コア
に形成した細管の側面に開口する管路を少なくとも１個
設け、前記双方の開口部間の静圧差で生ずる排ガスの流
れによって前記電極面に排ガスを案内するようにしても
よい。

【００１０】袋管状のジルコニア固体電解質を用いる場
合には、その内側及び外側にそれぞれ電極を設けるとと
もに、該酸素センサを触媒コアの上流側（又は、下流
側）に取り付け、外側電極を触媒コアの上流側（又は、
下流側）のガスに直接曝されるようにする。一方、触媒
コアを収容するケーシングの下流側（又は、上流側）に
一端を開放し他端を触媒コアに形成した細管の側面に開
口する管路を形成してその途中に内側電極が位置するよ
うにし、前記双方の開口部間の静圧差で生ずる排ガスの
流れにより、内側電極に触媒コアの下流側（又は、上流
側）の排ガスを導くようにする。

【００１１】上記の構成において、さらに前記管路の途
中に３方弁を介して、前記内側電極に、排ガスと大気と
を選択的に導入するようにすることも好ましい態様であ
る。それにより、同じ酸素センサを触媒の診断センサと
エンジン制御用のセンサの双方の目的に使用することが
可能となる。また、本発明において有効に用いられる酸
素センサは、特に限定されないが、内側電極及び外側電
極を持つ袋管状のジルコニア濃淡電池の内部空間は密封
状態とされており、該内部空間に先端が開口しかつ少な
くとも先端部がセラミックであるパイプが袋管セル長さ
方向に沿いその内底部近傍まで延出して挿入されてお
り、さらに、ジルコニア濃淡電池の外側は電極上にマグ
ネシアスピネルなどからなる保護膜又はガスの拡散律速
膜が形成されている。適宜の配管を介して、前記パイプ
から袋管状のジルコニア濃淡電池の内部空間に上流側あ
るいは下流側の一方の排ガスが導入され、外側電極は直
接他方の排ガスに曝される。

【００１２】また、本発明は自動車の排ガス管に取り付
けた触媒コンバータの触媒の診断方法であって、酸素セ
ンサとしてチタニア素子対を用い、かつ診断すべき触媒
コアの上流側の排ガス及び下流側の排ガスの一方を該酸
素センサの一方の素子に、他方の排ガスを他方の素子
に、それぞれ導入し、発生するこれらの抵抗値差の変化
を予め定めた初期値と比較することにより当該触媒の劣
化度を診断することを特徴とする酸素センサを用いた触
媒の診断方法をも開示する。さらに、本発明はそれらの
酸素センサからの種々の出力信号を必要に応じて時分割
で読み込みかつ組合せて、触媒の診断やエンジン制御に
必要な情報を得ることを特徴とする制御システムをも開
示する。

【００１３】

【作用】触媒コンバータ前後の排ガス中の酸素濃度は一
般に触媒コア前が濃く、触媒コア後の酸素濃度は触媒コ
ンバータ内で一酸化炭素やハイドロカーボンとの酸化反
応又は酸化窒素などとの還元反応のため消費され薄くな
る（なお、これらの反応は触媒コンバータ内の白金、パ
ラジュウム、ロジュウム、セリュウムなどの触媒作用に
よって促進される）。

【００１４】本発明の一態様においては、１個の酸素セ
ンサの両電極のそれぞれに上流側の排ガスと下流側の排
ガスとが導入される。導入方法はガス拡散など任意の方
法により行い得るが、好ましくは次のようにして行う。
即ち、自動車の密閉された排ガス管内の流れに流れの連
続の法則を当てはめて考える（配管内のガスの流れによ
って生ずる圧力損失分は除いて考える）と、触媒コアの
前後の断面積の大きいところは流速が小さいが静圧が高
い、また、触媒コア内に形成された細管部は比較的断面
積が小さいため流速が大きく静圧が低い。本発明の診断
方法の好ましい態様においては、この原理を利用してお
り、前述のように１個の酸素センサの両電極のそれぞれ
に触媒コアの上流側及び下流側の排ガスを導入される。

【００１５】そして、酸素センサの隔壁の両側あるいは
素子対のそれそれに導かれた排ガス中の所定の条件下に
おける酸素濃度比の初期値に対する変化から触媒コンバ
ータの浄化の度合いを知ることができる。

【００１６】

【実施例】以下、実施例により本発明をより詳細に説明
する。図１は本発明による触媒の診断方法及び該方法に
用いる酸素センサを自動車用エンジン等の内燃機関の排
ガス通路に適用した場合の第１の実施例を示している。
触媒コンバータ１ａは両端に排気管ａ₁ 、ａ₂ への取り
付けフランジを持つケーシング１と、該ケーシング１の
中央部に取り付けられた多数のガス通路２’を持つモノ
リス型の触媒コア２とを有する。なお、以下においては
説明の都合上、内燃機関からの排気ガスは図に矢印で示
すように右側から左側に向けて流れるものとし、排気管
ａ₁ 側を上流側、排気管ａ₂ 側を下流側と称することと
する。

【００１７】この実施例において、両側面に電極を形成
したデスク形のジルコニア固体電解質からなるデスク形
酸素センサＳが、触媒コア２に形成した細管状の触媒が
担持されないガス通路２’の一部を塞ぐ形で触媒コア２
の下流端部３に固定される。触媒コアの酸素センサＳの
上流側とはならない細管状通路の側壁にはすべて触媒が
担持されている。即ち、酸素センサＳは図１ｂにより詳
細に示すように、ジルコニア固体電解質６の隔壁の内側
及び外側に内側電極４及び外側電極５を有している。そ
して、該酸素センサＳは金属の弾性体及び耐熱接着剤な
どと組合せ固定金具７を用いて触媒コア２の下流端部３
に、前記内側電極４を下流側として固定される。また、
外側電極５が触媒コア２と対向する面と触媒コア２との
間にはわずかな空間８が形成されており、該空間８は図
示しない通路を介して触媒コンバータ１ａの下流側空間
と連通している。さらに、内側電極４及び外側電極５は
ジルコニア固体電解質６の表面上を適宜端面まで延長し
ており、その部分にリード線１０、１０’を導電性の接
着剤１１，１１’などで固定している。

【００１８】この触媒コンバータ１ａにおいて、外側電
極５には上流側の排ガスが、また内側電極４には下流側
排ガスがそれでれ接触する。即ち、外側電極５にはガス
通路２’を介して触媒コア上流側の排ガスが直接当接
し、内側電極４には触媒コアの下流側のガスがガス拡散
により直接当接する。なお、外側電極５と触媒コア２と
の間に形成した空間Ａは必ずしも必須でなく設けなくて
もよい。

【００１９】酸素センサＳの内側電極４及び外側電極５
に接触する上流側及び下流側の排ガスの酸素濃度の違い
に応じて起電力が生じ、前記リード線１０、１０’から
電気的信号として引き出される。図２は本発明による触
媒の診断方法及び該方法に用いる酸素センサを内燃機関
の排ガス通路に適用した場合の第２の実施例を示してい
る。

【００２０】この実施例においては、第１の実施例に用
いたと同様のデスク形酸素センサＳが同様な手段により
触媒コア２のガス通路１２’の一部を塞ぐ形で触媒コア
２の上流端部１３に固定される。そして、触媒コア２に
形成された少なくとも１個の細管通路１２''には、その
側面に一端を開放し他端はジルコニア固体電解質６の下
流側電極に向けて延出し所定距離をおいて開口する配管
１５が設けられている。

【００２１】この実施例において、酸素センサＳを形成
するジルコニア固体電解質の上流側電極１４には排ガス
は乱流となって到達し、また、下流側電極１８には、触
媒コンバータ１ａ内を排ガスが流れることによって生じ
る、ジルコニア固体電解質の下流側電極１８付近の高い
静圧に対する細管通路２''内の低い静圧の圧力差によ
り、触媒コンバータの下流側のガスの一部１７が下流電
極面１８まで呼びこまれる。それにより、触媒コンバー
タ１ａの上流側排ガス及び下流側排ガスの酸素濃度差の
検出が酸素センサに誘起される起電力によって可能にな
る。なお、図２に示すように、下流側電極１８よりも下
流側の触媒コア部分を拡管部１６とすることにより、よ
り精度の高い計測値を得ることができる。

【００２２】図３は本発明による触媒の診断方法及び該
方法に用いる酸素センサを内燃機関の排ガス通路に適用
した場合の第３の実施例を示している。この実施例にお
いては、第１の実施例の場合と同様にデスク形酸素セン
サＳが触媒コア２の下流端部３に固定される。そして、
第２の実施例の場合と同様に、触媒コア２の少なくとも
１個の細管通路１２''には、その側面に一端を開放し他
端はジルコニア固体電解質６の上流側電極１９に向けて
延出し所定距離をおいて開口する配管２０が設けられて
いる。

【００２３】この実施例においても、実施例２の場合と
同様に、触媒コンバータ１ａ内を排ガスが流れることに
よって、酸素センサＳがはめこまれた行き止まりのガス
通路１２’に発生する静圧に対する前記細管通路２''内
の静圧の圧力差により触媒コアの上流側の排ガス上流側
電極面１９まで呼びこまれる。また、触媒コア下流側の
ガスは乱流となってジルコニア固体電解質の下流側電極
に達する。それにより、触媒コンバータ１ａの上流側排
ガス及び下流側排ガスの酸素濃度差の検出が酸素センサ
に誘起される起電力によって可能になる。なお、図３に
示すように、上流側電極１９よりも上流側の触媒コア部
分を拡管部とすることにより、より精度の高い計測値を
得ることができる。

【００２４】図４は本発明による触媒の診断方法及び該
方法に用いる酸素センサを内燃機関の排ガス通路に適用
した場合の第４の実施例を示している。この実施例にお
いては、触媒コア２に形成した細管状通路１２’の一部
を塞ぐ形でその長さ方向中央部に、ジルコニア固体電解
質６の両側面に電極を有するデスク形酸素センサＳを固
定する。そして、触媒コア２に形成した少なくとも１個
の細管通路１２''a の側面に一端を開口し他端は前記ジ
ルコニア固体電解質の下流側電極に向けて延出し所定距
離をおいて開口する配管２２を設けるとともに、さらに
他の少なくとも１個の細管通路１２''ｂの側面に一端を
開口し他端は前記ジルコニア固体電解質の上流側電極に
向けて延出し所定距離をおいて開口した配管２２’を設
けている。

【００２５】それにより、触媒コンバータ１ａ内を排ガ
スが流れることによって、酸素センサＳがはめこまれた
下流側電極付近を含む下流側に発生する静圧に対する細
管通路１２''ａ内の静圧の圧力差により触媒コア２の下
流側のガスが酸素センサＳの下流電極面まで呼びこま
れ、一方、上流側は、酸素センサＳがはめこまれた上流
側電極付近を含む上流側に発生する静圧に対する細管通
路１２''ｂ内の静圧の圧力差により触媒コアの上流側の
ガスが上流電極面まで呼びこまれる。それにより、触媒
コンバータ１ａの上流側排ガス及び下流側排ガスの酸素
濃度差の検出が酸素センサＳに誘起される起電力によっ
て可能になる。なお、図４に示すように、電極が配置さ
れるガス通路の上流側及び下流側を拡管部２３、２４と
し拡管部の内側には触媒が担持されないようにすること
により精度の高い計測値を得ることができる。

【００２６】図５は、本発明による触媒の診断方法に用
いることのできる酸素センサの他の実施例を示してい
る。この酸素センサＳＳは袋管状酸素センサであり、ジ
ルコニア固体電解質を袋管状セル２５とし、その内側に
は内側電極２６を形成し、更にその内側には袋管状セル
２５の上端に気密状に固定された固定用のフランジ２７
を介してパイプ２８を取り付ける。前記パイプ固定用の
フランジ２７の下方部位には前記パイプ２８よりも大径
の凹孔２９が形成され、この凹孔２９内はパイプ２８を
介して外部に連通している。また、フランジ２７の上部
にも同様な凹穴３１が形成され、そこに接着剤を充填す
ることによりパイプ２８を固定している。

【００２７】袋管状セル２５の外側には外側電極３３が
形成され、内側電極２６及び外側電極３３は袋管状セル
２５の端部３４に引き出され、そこにリード線３５、３
５’が接続され、そこから所定の信号が引き出される。
なお、パイプ２８は数十ミリメートルの長さであり、そ
の先端部にヒータパターンを形成して電解質活性化のた
めの加熱作用を有するようにしてもよく、その場合に
は、図示のようにパイプ２８の先端３２近傍に設けたリ
ード３６、３６’によって加熱のための電力を供給す
る。

【００２８】この酸素センサＳＳにおいて、ジルコニア
固体電解質の袋管状セル２５の内側への排ガスの導入は
前記パイプ２８の上部３２に導入用配管を接続すること
により行われる。導入された排ガスはパイプ２８の中を
通りジルコニア固体電解質の袋管状セル２５の底部に達
し、更に、内側電極２６とパイプ２８の間を上昇しフラ
ンジ２７に取り付けたパイプ３０をから外部に引き出さ
れる。一方、外側電極３３は酸素センサＳＳの取り付け
部における排ガスに直接に曝される。

【００２９】ここでは省略してあるが通常、外側電極３
３の上には電極の保護膜又はガスの律速のための拡散膜
と称される膜がマグネシアスピネル等によって形成され
る。この酸素センサＳＳは図示しない適宜の固定用の金
具を用い金属のパッキングなどを介して測定箇所、例え
ば触媒コンバータのケーシング壁などに固定される。ま
た、排ガスの直撃を避けるため検出部（主に、袋管状セ
ル２５及び外側電極３３）は外周に複数の小孔を有する
保護管（図示せず）によってカバーされる。

【００３０】図６は、上記の酸素センサＳＳを用いて内
燃機関の排ガス通路に設けられた触媒コンバータ内の触
媒を診断する一実施例を示している。触媒コンバータ１
ａは酸素センサの部分を除き前記図１から図４に基づき
説明したものと同じであるので、同一の部材には同一の
符号を付すことにより説明は省略する。この例におい
て、酸素センサＳＳは触媒コンバータ１ａのケーシング
１の上流側壁部に気密状態に取り付けられている。

【００３１】即ち、図示されるように、酸素センサＳＳ
をケーシング１の上流側に形成した開口に対して耐熱性
気密シール材５０を用いて少なくともその検出部（主
に、前記袋管状セル２５及び外側電極３３）がケーシン
グ１の上流側空間に位置するように取り付ける。そし
て、酸素センサＳＳの前記パイプ２８の上部３２と、触
媒コンバータ１ａのケーシング１の下流側空間３８に開
口するパイプ３９とをパイプ４０によって連結するとと
もに、触媒コア２に形成した細管状通路１２''の好まし
くは上流側に一端を開口するパイプ４２の他端に一端を
接続したパイプ４１の他端を酸素センサＳＳの固定用フ
ランジ２７に取り付けた前記パイプ３０に接続する。

【００３２】触媒コンバータ１ａ内を排ガスが流れるこ
とによって、酸素センサＳＳの外側電極３３は直接上流
側の排ガスに曝される。一方、触媒コア２に形成した細
管状通路１２’内の静圧とケーシング１の下流側空間３
８内の静圧との圧力差により、触媒コンバータ１ａの下
流の排ガスはパイプ３９及びパイプ４０を通って酸素セ
ンサＳＳの内側電極即ちジルコニア固体電解質２５の内
側電極２６上に呼び込まれ、さらに、前記のように内側
電極２６とパイプ２８の間を上昇しフランジ２７に取り
付けたパイプ３０を通り、パイプ４１及びパイプ４２を
通って触媒コア２に形成した細管状通路１２''の上流側
に放出される。

【００３３】このようにしてジルコニア固体電解質２５
の隔壁の両側の電極には、触媒コンバータ１ａの上流側
及び下流側の排ガスが供給されるため、１個の酸素セン
サＳＳで触媒の診断が可能となる。図７は、上記の酸素
センサＳＳを用いて内燃機関の排ガス通路に設けられた
触媒コンバータ内の触媒を診断する場合の他の実施例を
示している。この例においては、酸素センサＳＳの内側
電極側即ちジルコニア固体電解質の内側に導入する下流
側のガスの導入路４０の途中に３方電磁弁４５を設けて
いる点で、前記した図６に示したものと異なっている。
即ち、３方電磁弁４５は２つの入口ポート６１、６２と
一つの出口ポート６３を持ち、第１の入口ポート６１と
第２の入口ポート６２とは電磁弁６４により切替え可能
となっている。そして、第１の入口ポート６１側は大気
と連通しており、第２の入口ポート６２は前記したパイ
プ４０に接続している。出口ポート６３はパイプ４６を
介して前記酸素センサＳＳのパイプ２８と接続してい
る。

【００３４】この実施例においては、図示しない制御装
置からの外部信号に基づき、弁６４を操作することによ
り、ジルコニア固体電解質の内側に大気を導入して大気
を基準にした酸素センサの信号を、又は、触媒コンバー
タ１ａの上流側排ガス及び下流側排ガスの酸素濃度差に
基づく信号を、時分割で得ることができるため、触媒の
診断の他にエンジン制御の信号も合わせて取り出すこと
ができる。

【００３５】図８は酸素センサＳＳを用いて内燃機関の
排ガス通路に設けられた触媒の診断を行うための他の実
施例を示している。この実施例において、酸素センサＳ
Ｓは触媒コンバータ１ａのケーシング１の下流側壁部に
気密状態に取り付けられている。そして、酸素センサＳ
Ｓの前記パイプ２８の上部３２と、触媒コンバータ１ａ
のケーシング１の上流側空間４４に開口するパイプ４３
とをパイプ４０によって連結するとともに、触媒コア２
に形成した細管状通路１２''の好ましくは上流側に開口
するパイプ４２に一端を接続したパイプ４０’の他端を
酸素センサＳＳのフランジ２７に取り付けた前記パイプ
３０に接続している。その他の点は図６に誌示したもの
と同様である。

【００３６】この実施例においては、触媒コンバータ１
ａ内を排ガスが流れることによって、酸素センサＳＳの
外側電極３３が直接下流側の排ガスに曝される。一方、
触媒コア２に形成した細管状通路１２’内の静圧とケー
シング１の上流側空間４４内の静圧との圧力差により、
触媒コンバータ１ａの上流の排ガスはパイプ４３及びパ
イプ４０を通って酸素センサＳＳの内側電極即ちジルコ
ニア固体電解質２５の内側電極２６上に呼び込まれ、さ
らに、前記のように内側電極２６とパイプ２８の間を上
昇しフランジ２７に取り付けたパイプ３０を通り、パイ
プ４０’及びパイプ４２を通って触媒コア２に形成した
細管状通路１２''の上流側に放出される。

【００３７】このようにして、この実施例の場合であっ
てもジルコニア固体電解質２５の隔壁の両側の電極に
は、触媒コンバータ１ａの上流側及び下流側の排ガスが
供給されるため、１個の酸素センサＳＳで触媒の診断が
可能となる。なお、上記したいずれの実施例において
も、酸素センサからの出力信号は図９に示すように、酸
素センサが触媒コアの前（上流側）にあっても後（下流
側）にあっても信号の大きさは変わらず（極性は変わ
る）、触媒の劣化が少ない時は図９（１）のように大き
く、触媒の劣化が少し進むと図９（２）のように低下
し、触媒が完全に劣化してしまうと図９（３）のように
さらに小さい信号になることから、それを予め定めた初
期値と比較することにより当該触媒の劣化度を診断する
ことが可能となる。そして、この際に酸素センサは１個
を用いるのみなので、従来のように複数のセンサが異な
った経時的に変化をすることにともなう誤差を回避する
ことができる。

【００３８】本発明による触媒の診断方法において、触
媒診断用のセンサの構成を常時電流を流し排気ガスによ
って加熱されたジルコニア固体電解質の内部抵抗を測定
するようにすることにより、印加した電圧に対応する電
流の関係から（図１０のａの傾斜）ガスの温度が推定で
き、触媒コアの内部の温度の測定が可能になる。また、
前記図７に示した実施例のように触媒コア下流側の排ガ
スが内側電極に向かう管路中に３方弁を入れて電磁弁を
操作することにより内側電極に大気を導入できるように
したものにあっては、空燃比を常に理論空燃比点に保つ
エンジン制御用酸素センサとしても有効に動作させるこ
とが可能である。また、内側電極側に大気を導入する場
合に、電流を両電極間に双方向に流すコントロールユニ
ットを設けることによって図１０のような限界電流特性
を利用した広域空燃比センサとしても作用でき、エンジ
ンのリーンバーン制御に有効であり、必要に応じてこれ
らの信号の使い分けができる。

【００３９】なお、上記の説明において、酸素センサと
して両側面に電極を有するジルコニア固体電解質からな
る酸素センサを用いる場合を説明したが、同様にして図
１２に示すように、一方のチタニア素子７０とサーミス
タ７１を触媒コアの上流側の排ガスに曝しかつ他方のチ
タニア素子７２とサーミスタ７３を下流側の排ガスに曝
すように、それぞれの素子を絶縁材の隔壁７４で互いに
隔離して支持するとともに、それぞれのサーミスタ及び
それぞれのチタニア素子からの信号引出し用のリード
（７５、７６等）を設けることによって、上流側のチタ
ニア素子と下流側のチタニア素子の間に発生する触媒の
浄化率に対応した抵抗値差を検出することができる。こ
の抵抗値差を予め初期値として求められた値と比較する
ことにより、触媒の劣化度の診断が可能になる。なお、
それぞれのサーミスタはそれぞれのチタニア素子の温度
を補償するために対で用いられる。

【００４０】

【発明の効果】本発明の実施例によれば次の効果を得る
ことができる。 １．一個の酸素センサの隔壁の前後に触媒コア前後の排
ガスをそれぞれ導入し、初期値との比較により触媒の診
断ができるので触媒の診断精度が向上し信頼性を高める
ことができる。

【００４１】２．一個の酸素センサにより、触媒の診断
ができるので触媒診断に要する費用が少なくて安価にで
きる。 ３．酸素センサに強制的に電流を流し、排気ガスによっ
て加熱されたジルコニア固体電解質の内部抵抗を測定す
ることにより、触媒の温度が測定できるので酸素センサ
の付加価値を高めることができる。

【００４２】４．さらに上流側に取り付けられた酸素セ
ンサについてはジルコニア固体電解質の内側に導入する
下流側のガスの導入路の途中に３方電磁弁を介在させ外
部信号に基づき、弁を操作することにより、ジルコニア
固体電解質の内側に大気を導入し、大気を基準にした酸
素センサの信号、又は、広域空燃比センサとしての信号
を時分割で得ることができるため、触媒の診断の他にエ
ンジン制御の信号も合わせて取り出すことができ付加価
値が向上する。本発明によれば安価で付加価値の高い信
頼性のある触媒の診断方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】触媒コンバータの下流側にデスク形酸素センサ
を固定した触媒診断方法の説明図。

【図２】触媒コンバータの上流側にデスク形酸素センサ
を固定しガスの強制循環を行わしめる触媒診断方法の説
明図。

【図３】触媒コンバータの下流側にデスク形酸素センサ
を固定しガスの強制循環を行わしめる触媒診断方法の説
明図。

【図４】触媒コンバータの中央部にデスク形酸素センサ
を固定しガスの強制循環を行わしめる触媒診断方法の説
明図。

【図５】袋管状ジルコニア濃淡電池とガスの強制循環用
のパイプを組み合わせた酸素センサの断面構造説明図。

【図６】触媒コンバータの上流側に袋管状酸素センサを
固定しガスの強制循環を行わしめる触媒診断方法の説明
図。

【図７】触媒コンバータの上流に袋管状酸素センサ（空
燃比センサ）を固定しガスの強制循環の帰路を電磁弁で
切り替える触媒診断方法の説明図。

【図８】触媒コンバータの下流側に袋管状酸素センサを
固定しガスの強制循環を行わしめる触媒診断方法の説明
図。

【図９】触媒の劣化に対応したセンサ信号の変化の説明
用のグラフ。

【図１０】触媒診断用広域空燃比センサの印加電圧と出
力電流を示すグラフ。

【図１１】触媒の劣化に伴うセンサの起電力の変化の状
況を説明すグラフ。

【図１２】酸素センサとしてチタニア素子対を用いる場
合の説明図。

【符号の説明】

１ａ…触媒コンバータ、１…ケーシング、２…触媒コ
ア、２’…細管状通路、３…触媒コアの下流端部、Ｓ…
酸素センサ、４…内側電極、５…外側電極 ６…デスク
形ジルコニア固体電解質、７…固定金具、１０，１０’
…リードセン、１１，１１’…導電性接着剤、１３…触
媒コアの上流端部、

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｎ 27/409 9218−2Ｊ Ｇ０１Ｎ 27/58 Ｂ (72)発明者 上野 定寧 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所自動車機器事業部内

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自動車の排ガス管に取り付けた触媒コン
   バータの触媒の診断方法であって、１つの酸素センサを
   用い、かつ診断すべき触媒コアの上流側の排ガス及び下
   流側の排ガスの一方を該酸素センサの一方の電極側に、
   他方の排ガスを他方の電極側に、それぞれ導入し、発生
   する起電力を予め定めた初期値と比較することにより当
   該触媒の劣化度を診断することを特徴とする酸素センサ
   を用いた触媒の診断方法。
2. 【請求項２】 用いる酸素センサがジルコニア濃淡電池
   である、請求項１記載の診断方法。
3. 【請求項３】 用いる酸素センサが袋管状のジルコニア
   固体電解質と内側電極及び外側電極とを有するとジルコ
   ニア濃淡電池である、請求項２記載の診断方法。
4. 【請求項４】 酸素センサを触媒コアの上流端部に取り
   付けて診断することを特徴とする請求項１記載の診断方
   法。
5. 【請求項５】 酸素センサを触媒コアの下流端部に取り
   付けて診断することを特徴とする請求項１記載の診断方
   法。
6. 【請求項６】 酸素センサを触媒コア内に取り付けて診
   断することを特徴とする請求項１記載の診断方法。
7. 【請求項７】 酸素センサの電極面に近接して一端を開
   放し他端を触媒コアに形成した細管状通路の側面に開口
   する管路を少なくとも１個有し、前記双方の開口部間の
   静圧差で生ずる排ガスの流れによって前記電極面に排ガ
   スを案内するように構成したことを特徴とする請求項４
   ないし６記載の診断方法。
8. 【請求項８】 酸素センサを触媒コアを収容するケーシ
   ングの上流側内部に取り付けて診断することを特徴とす
   る請求項３記載の診断方法。
9. 【請求項９】 酸素センサを触媒コアを収容するケーシ
   ングの下流側内部に取り付けて診断することを特徴とす
   る請求項３記載の診断方法。
10. 【請求項１０】 酸素センサを触媒コアを収容するケー
    シング外に取り付け、診断すべき触媒コアの前後の排ガ
    スの一方を酸素センサの一方の電極側に、他方の排ガス
    を他方の電極側に、それぞれ配管を介して導入して診断
    することを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の
    診断方法。
11. 【請求項１１】 酸素センサであるジルコニア濃淡電池
    に、外部制御回路から強制的に電流を流してジルコニア
    濃淡電池の内部抵抗を測定し、ジルコニア濃淡電池に達
    する触媒コンバータ内のガス温度を類推し触媒コンバー
    タの発熱状態を監視することをさらに含むことを特徴と
    する請求項２記載の診断方法。
12. 【請求項１２】 酸素センサを触媒コアを収容するケー
    シングの上流側内部に配置し、前記酸素センサの外側電
    極は触媒コアの上流側の排ガスに直接曝すとともに、内
    側電極は、触媒コアを収容するケーシングの下流側に一
    端を開放し他端を触媒コアに形成した細管状通路の側面
    に開口する管路の途中に位置するようにし、前記双方の
    開口部間の静圧差で生ずる排ガスの流れによって内側電
    極は触媒コアの下流側の排ガスに曝されるように構成し
    たことを特徴とする請求項８記載の診断方法。
13. 【請求項１３】 酸素センサを触媒コアを収容するケー
    シングの下流側内部に配置し、前記酸素センサの外側電
    極は触媒コアの下流側の排ガスに直接曝すとともに、内
    側電極は、触媒コアを収容するケーシングの上流側に一
    端を開放し他端を触媒コアに形成した細管の側面に開口
    する管路の途中に位置するようにし、前記双方の開口部
    間の静圧差で生ずる排ガスの流れによって内側電極は触
    媒コアの上流側の排ガスに曝されるように構成したこと
    を特徴とする請求項９記載の診断方法。
14. 【請求項１４】 前記管路の途中に３方弁を配置して、
    前記内側電極に、排ガスと大気とを選択的に導入するよ
    うにしたことを特徴とする請求項１２又は１３記載の診
    断方法。
15. 【請求項１５】 排ガスに曝される外側電極上にはマグ
    ネシアスピネルなどからなるガスの拡散律速膜を形成す
    るとともに、内側電極及び外側電極のそれぞれからリー
    ドを引出し外部に準備された電子制御回路によってジル
    コニア濃淡電池に電流を流し、それにより空燃比に対応
    したリニアな出力電圧が得られることを特徴とする請求
    項１４記載の診断方法。
16. 【請求項１６】 内側電極及び外側電極を持つ袋管状の
    ジルコニア濃淡電池の内部空間は密封状態とされてお
    り、該内部空間に先端が開口しかつ少なくとも先端部が
    セラミックであるパイプが袋管状セルの長さ方向に沿い
    その内底部近傍まで延出して挿入されており、さらに、
    ジルコニア濃淡電池の外側は電極上にマグネシアスピネ
    ルなどからなるガスの拡散律速膜を形成していることを
    特徴とする酸素センサ。
17. 【請求項１７】 １個のジルコニア濃淡電池を持つ酸素
    センサを用い、マイクロコンピュータ等からなる該酸素
    センサ制御回路を介して、該酸素センサからの出力信号
    に基づく、触媒コアの上流側及び下流側の排ガス中の酸
    素濃度比によって発生する起電力、触媒コアの温度、該
    酸素センサの内側に電磁弁操作により大気を導入するこ
    とによって触媒コア上流のＯ₂ センサとしての起電力、
    及び広域空燃比センサとしての出力、などを必要に応じ
    て時分割で読み込みかつ組合せて、触媒の診断やエンジ
    ン制御に必要な情報を得ることを特徴とする、制御シス
    テム。
18. 【請求項１８】 自動車の排ガス管に取り付けた触媒コ
    ンバータの触媒の診断方法であって、酸素センサとして
    チタニア素子対を用い、かつ診断すべき触媒コアの上流
    側の排ガス及び下流側の排ガスの一方を該酸素センサの
    一方の素子に、他方の排ガスを他方の素子に、それぞれ
    導入し、発生する抵抗値の変化を予め定めた初期値と比
    較することにより当該触媒の劣化度を診断することを特
    徴とする酸素センサを用いた触媒の診断方法。
19. 【請求項１９】 触媒コンバータの触媒の診断方法であ
    って、１つの酸素センサを用い、かつ診断すべき触媒コ
    アの上流側のガス及び下流側のガスの一方を該酸素セン
    サの一方の電極側に、他方のガスを他方の電極側に、そ
    れぞれ導入し、発生する起電力を予め定めた初期値と比
    較することにより当該触媒の劣化度を診断することを特
    徴とする酸素センサを用いた触媒の診断方法。