JP2006322389A - 触媒劣化防止装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 空燃比センサに備わる触媒層の劣化を効果的に防止する。
【解決手段】 空燃比センサ２２１にはセンサ素子２２１ａ、触媒層２２１ｆ及びヒータ２２１ｇが備わっている。ヒータ２２１ｇは、ＥＣＵ１００によって通電量がデューティ制御されている。ＥＣＵ１００は燃料カットを実行する条件が満たされた場合に、センサ素子２２１ａの温度が触媒層２２１ｆの劣化開始温度以上であるか否かを判別し、当該劣化開始温度以上である場合には、所定の下限温度までセンサ素子２２１ａの温度が低下するようにヒータ２２１ｇへの通電量を制御する。係る制御によってセンサ素子２２１ａの温度が劣化開始温度未満まで低下した場合に、ＥＣＵ１００は燃料カットを実行する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、空燃比センサに備わる触媒の劣化を防止するための触媒劣化防止装置の技術分野に関する。

触媒を備える空燃比センサとして、ヒータを設けたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されたガスエンジンの空燃比制御装置（以下、「従来の技術」と称する）によれば、ヒータによってセンサにおける排気ガス側電極の表面を６００℃以上に保つことにより、水素が自発燃焼して除去され、センサの出力ずれを防ぎ、適正な空燃比制御が可能であるとされている。

尚、排気ガス浄化用の触媒コンバータ内における触媒の劣化を防止する技術としては、高温時の燃料カットを禁止するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

尚、燃料カット運転実行時に、運転履歴を考慮してヒータ通電を制御する技術も提案されている（例えば、特許文献３参照）。

また、リーンセンサのヒータを、リーンセンサが排気ガスによって加熱されることを考慮して運転状態に応じて制御する技術も提案されている（例えば、特許文献４参照）。

また、運転パラメータにより決定される排気温度に応じてヒータ通電を制御する技術も提案されている（例えば、特許文献５参照）。

特開平１１−３０１４１号公報 特開平８−１４４８１４号公報 特許第２８１６５３１号公報 特許第２８８７３５１号公報 特開平６−１９４３３８号公報

内燃機関においては、燃料を効率的に利用する観点から、燃料の供給停止（燃料カット）が行われることがある。燃料カットが行われた場合、排気管内はリーン雰囲気になるため、従来の技術の如く、排気ガス側電極の表面を６００℃以上に保つ場合、燃料の供給カットに伴い、空燃比センサに備わる触媒は、高温且つリーンな雰囲気に晒されることとなる。一方で、係る触媒は、高温且つリーン雰囲気中では劣化が促進されるから、結果的に、燃料の供給カットが行われた場合に高い確率で触媒の劣化が促進されてしまう。反面、高温時の燃料カットを禁止すると、触媒の劣化をある程度は防止できても経済性が犠牲になりかねない。即ち、従来の技術には、空燃比センサにおいて触媒の劣化を効果的に防止することが困難であるという技術的な問題点がある。

本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものであり、触媒を備える空燃比センサにおいて触媒の劣化を効果的に防止し得る触媒劣化防止装置を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る触媒の劣化防止装置は、内燃機関の排気系に設置され、（i）該排気系に含まれる水素を除去するための触媒、（ii）前記内燃機関の空燃比を検出するためのセンサ素子及び（iii）該センサ素子を暖めるヒータを備える空燃比センサ並びに前記内燃機関に対し燃料の供給を行う供給手段を有する車両において前記触媒の劣化を防止する触媒劣化防止装置であって、前記センサ素子の温度を特定する特定手段と、前記燃料の供給が行われるように前記供給手段を制御すると共に、前記燃料の供給を停止すべき条件として予め定められる所定の供給停止条件が満たされる場合に前記燃料の供給が停止されるように前記供給手段を制御する供給制御手段と、前記センサ素子の温度が所定の活性温度Ｔ_１となるように前記ヒータを制御すると共に、前記供給停止条件が満たされ且つ前記センサ素子の温度が、前記触媒の劣化開始温度Ｔ_２（Ｔ_２＜Ｔ_１）以上である場合に、前記センサ素子の温度が低下するように前記ヒータを制御するヒータ制御手段とを具備することを特徴とする。

本発明において、「内燃機関」とは、燃料の燃焼によって生じるガスを直接利用して作動する機関を包括する概念であり、好適にはガソリン、軽油、ＬＰＧ等を燃料とするエンジンなどを指す。また、本発明における「排気系」とは、シリンダ（気筒）内から排気バルブを介してガスを排気するための機構を包括する概念であり、典型的には、排気管（エキゾーストマニホールド）上、特に、排気されたガス中のＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）及びＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化する触媒コンバータなどの触媒装置の前段（シリンダ側）を指すが、上記概念が担保される限りにおいてこれに限定されない。

本発明における「空燃比センサ」とは、内燃機関における空燃比を検出するために、少なくとも排気系を流れるガス（以下、適宜「排気ガス」と称する）における酸素濃度に対応する物理量を出力することが可能な手段を包括する概念であり、例えば、リニア空燃比センサや、O２センサなどであってもよい。尚、酸素濃度に対応する物理量とは、例えば、電流値や電圧値であってもよい。この場合、センサ出力たる電流値又は電圧値などの物理量と空燃比との対応関係が予め定められていてもよいし、係る物理量と酸素濃度との対応関係が予め定められていてもよい。更には、このような予め定められた対応関係に基づいて、ＥＣＵ（Electronic Controlling Unit：電子制御ユニット）などによって空燃比が特定されてもよい。

本発明に係る空燃比センサには、センサ素子、ヒータ及び触媒が備わる。

ここで、「センサ素子」とは、排気系を流れるガス（以下、適宜「排気ガス」と称する）における酸素濃度の変化に応じて、センサ素子本体の或いはセンサ素子から適宜電極などを介して取り出される何らかの物理量を変化させ得る素子を包括する概念であり、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ_２）又はそれにＣａＯなどを安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体などを指す。この場合、センサ素子の両端における酸素濃度差に応じて酸素イオンの移動が生じるため、この酸素イオンの移動に起因して生じる電圧又は電流などの物理量を、酸素濃度に対応する物理量として出力することにより、排気ガス中の酸素濃度の検出が可能となる。尚、センサ素子の形状は、酸素濃度の検出を可能とする限りにおいて何ら限定されない。例えば、有底円筒形状を有していてもよいし、平板状であってもよい。

センサ素子には、センサ素子の物理的特性に基づいて活性温度が規定される。センサ素子は、この活性温度の範囲内で、比較的良好に酸素イオン伝導特性が発揮される。空燃比センサの実使用時においては、このセンサ素子を係る活性温度に相当する温度範囲に属する温度まで加熱する必要がある。この活性温度は、例えば、７００℃〜８００℃の温度範囲に属し、例えば、センサ素子がジルコニアである場合には、概ね７５０℃程度の温度である。

本発明に係る「ヒータ」とは、このようにセンサ素子を加熱するための手段を包括する概念であり、例えば、センサ素子に近接して配置されたセラミック製の棒状の発熱体を指す。但し、センサ素子を加熱することが可能である限りにおいて、ヒータの態様は何ら限定されない。

一方、排気ガス中に水素が存在すると、センサ素子による酸素濃度の検出精度に影響を与えることが知られている。このため、本発明に係る空燃比センサには、水素を除去するための触媒が備わる。ここで、「水素を除去するための触媒」とは、何らこのような触媒が設けられない場合と比較して、水素がセンサ素子に与える影響を幾らかなりとも低減し得る手段を包括する概念であり、係る概念が担保される限りにおいて、水素以外の他の物質による影響を低減することが可能なものであってもよい。例えば、このような触媒とは触媒担体としてのアルミナ等の多孔質層に白金、ロジウムなどの触媒成分を担持させたものであってもよい。尚、触媒は、センサ素子に対する水素の影響を低減可能な限りにおいてどのような位置に設置されていてもよいが、好適には、センサ素子と一体に形成される触媒層などの形態を採る。

尚、空燃比センサには、上記センサ素子、ヒータ及び触媒の他に、酸素濃度に対応する物理量を出力するための各種手段を有する。例えば、センサ素子を挟むように形成された大気側電極及び排気側電極、排気側電極を覆う拡散抵抗層、被毒物質からセンサ素子を保護するためのトラップ層又は空燃比センサの機械的強度を維持するためのハウジング部材などが、空燃比センサの態様に応じて適宜備わってもよい。

一方、本発明に係る「供給手段」とは、内燃機関に対し燃料の供給を行うための機械的、物理的、又は電気的な機構を包括する概念であり、例えば、燃料噴射装置（インジェクタ）などを指す。

本発明に係る触媒劣化防止装置によれば、その動作時には、特定手段によって、センサ素子の温度が特定される。

ここで、「特定される」とは、温度センサなどを介して対象物の温度を直接的に測定することに限らず、対象物において温度に対応して変化する物理量を検出して、その対応関係に基づいて対象物の温度が間接的に、例えば、推測又は推定されることを含む概念である。このような物理量とは、例えば、インピーダンスやアドミッタンスなど対象物の電気的な抵抗と相関する値であってもよい。

尚、このような特定を行う特定手段とは、上述した如くセンサ素子の温度やそれと置換し得る物理量を検出するための、物理的、電気的又は化学的な機構を含んでもよいし、そのような機構を介して出力される物理量を単にデータとして受け取って温度の特定を行うコントローラのようなものであってもよい。このような場合には、温度又はそれと置換し得る物理量を検出するための機構は、空燃比センサに備わっていてもよい。

ヒータ制御手段は、この特定されたセンサ素子の温度に基づいて、センサ素子の温度が所定の活性温度Ｔ_１となるようにヒータを制御する。

ここで、活性温度Ｔ_１とは、センサ素子がセンサ素子両端の酸素濃度差に応じて酸素イオンを伝導させ得る、即ち、酸素濃度に応じてリニアな特性を発揮する温度を包括する概念である。係る概念が担保される限りにおいて、活性温度Ｔ_１の値は自由に設定されてよい趣旨である。また、ヒータ制御手段は、センサ素子の温度を活性温度Ｔ_１となるように制御するが、必ずしも、センサ素子の温度自体は、活性温度Ｔ_１に維持される必要はなく、適宜増減してもよい。更に、このような制御目標値としての活性温度は、適当な温度範囲として規定されていてもよい。その場合、制御目標値としての活性温度は、必要に応じて係る温度範囲内で比較的自由に変更されてもよい。

供給手段は、供給制御手段によってその動作が制御されている。供給手段は、典型的にはインジェクタなどの燃料噴射装置であり、従って、供給制御手段は、例えば、ＥＣＵなどの制御ユニットであってもよい。通常、供給制御手段は、機関回転数やスロットルバルブ開度などに応じた所定量の燃料が吸気管（吸気ポート）或いはシリンダ内に噴射されるように供給手段を制御している。この際、燃料は、好適には空燃比センサの出力値から特定される内燃機関の空燃比に基づいて、例えば、空燃比をストイキ近傍に保つように噴射される。

一方で、供給手段は、燃料の供給を停止すべき条件として予め定められる所定の供給停止条件が満たされる場合に、燃料の供給が停止されるように供給手段を制御する。ここで、「供給停止条件」とは、車両の動作を阻害せず、且つ燃料の供給を停止した方が合理的である限りにおいてどのような条件であってもよく、例えば、機関回転数が所定値以上の運転領域でアクセルペダルが操作（踏下）されていない場合などであってもよい。

ここで特に、燃料の供給が停止される（以降、適宜「燃料カットが行われる」と称する）と、排気ガス中の燃料成分が減少するから、必然的に空燃比は大きく、即ち、燃焼状態がリーンになる。ところが、空燃比センサに備わる触媒は、高温且つリーンな雰囲気に晒されると、劣化が促進されてしまうから、燃料カットが行われるに伴って、空燃比センサの劣化が促進される事態が生じ得る。

そこで、本発明に係る触媒劣化防止装置では、ヒータ制御手段が以下の如くヒータを制御することによって、係る問題を解決している。

即ち、ヒータ制御手段は、供給停止条件が満たされ且つセンサ素子の温度が、触媒の劣化開始温度Ｔ_２（Ｔ_２＜Ｔ_１）以上である場合に、センサ素子の温度が低下するようにヒータを制御する。

ここで、「劣化開始温度」とは、リーン雰囲気中で触媒の劣化が促進され易い温度範囲の下限値を包括する概念である。この際、触媒の劣化とは、定性的に規定されてもよいし、定量的に規定されてもよい。従って、劣化開始温度は、触媒毎に、或いは触媒の種類毎に、予め実験的に、経験的に、或いはシミュレーションなどに基づいて設定されていてもよい。

このように、ヒータ制御手段によってセンサ素子の温度が低下するようにヒータが制御される結果、必然的に空燃比センサ内に備わる触媒の温度も低下する。従って、触媒の劣化が防止される。センサ素子の温度が低下することによって、空燃比センサによる酸素濃度の検出精度は低下するが、このように供給停止条件が満たされる場合には燃料カットが行われるのであるから、通常時に較べると酸素濃度の検出精度は要求されない。即ち、本発明に係る触媒劣化防止装置によれば、触媒の劣化を効果的に防止することが可能となるのである。

尚、ヒータ制御手段がヒータを如何に制御するかについては、何ら限定されない。好適には、通電時間を制御することによって供給電力を制御する所謂「デューティ制御」によって、ヒータは制御される。この場合、センサ素子の温度は、デューティ比を低下させることによって比較的簡便に制御される。

尚、特定手段は、センサ素子の温度を特定する手段であり、特定手段によって特定される温度は、触媒温度とは必ずしも一致しない。しかしながら、センサ素子の温度が低下するようにヒータが制御されることによって、少なくとも触媒の温度も低下するのであり、本発明に係る効果は何ら阻害されない。また、センサ素子が触媒を、例えば触媒層などの形態で有している場合には、センサ素子の温度は触媒の温度として等価的に扱われてもよい。また、センサ素子を暖めるヒータによって副次的に触媒が暖められる場合には、センサ素子の温度は高い確率で触媒温度よりも高いのであり、センサ素子の温度を触媒温度として扱ったとしても、問題となる程度の影響は生じない。尚、触媒の劣化開始温度Ｔ_２が、真の劣化開始温度に対し何らかの補正が行われることによって、触媒の劣化が促進されると考え得るセンサ素子の温度として予め設定されている場合には、比較的正確に触媒劣化開始温度を規定することが可能である。

また、「供給停止条件が満たされ」とは、ヒータ制御手段がヒータの制御を実行するタイミングと、同じく供給停止条件が満たされる場合に行われる燃料カットの実行タイミングとの時間軸上の関係が、このようなヒータ制御が実行されない場合と比較して幾らかなりとも触媒の劣化を防止可能である限りにおいて何ら限定されないことを表す概念である。従って、燃料カットが行われるのと同時にヒータ制御が実行されてもよいし、燃料カットに先立ってこのようなヒータ制御が実行されてもよい。

本発明に係る触媒の劣化防止装置の一の態様では、前記供給制御手段は、前記供給停止条件が満たされ且つ前記センサ素子の温度が前記劣化開始温度Ｔ_２未満である場合に前記燃料の供給が停止されるように前記供給手段を制御する。

この態様によれば、供給制御手段は、センサ素子の温度が触媒の劣化開始温度未満となった場合に燃料カットを行う。従って、供給停止条件が満たされた時点で燃料カットを行うのと較べて、触媒の劣化が一層防止され得る。このような制御態様は、センサ素子の温度が触媒の劣化開始温度に対して十分に大きい温度であって、劣化開始温度まで温度が低下するのに要する時間が無視し得ない場合には特に効果的である。

本発明に係る触媒の劣化防止装置の他の態様では、前記ヒータ制御手段は、前記供給停止条件が満たされ且つ前記センサ素子の温度が前記劣化開始温度Ｔ_２以上である場合に、前記センサ素子の温度が所定の下限温度Ｔ_３（Ｔ_３＜Ｔ_２）まで低下するように前記ヒータを制御する。

ここで、「下限温度」とは、センサ素子の目標温度であり、ヒータ制御手段の制御目標値である。下限温度を劣化開始温度未満に設定することにより、センサ素子の温度を比較的短時間で劣化開始温度未満に低下させることができる。尚、このような下限温度は、予め実験的に、経験的に、或いはシミュレーションなどに基づいて定められていてもよい。

本発明に係る触媒の劣化防止装置の他の態様では、前記供給制御手段は、前記燃料の供給を再開すべき条件として予め定められる所定の供給再開条件が満たされる場合に、前記燃料の供給が再開されるように前記供給手段を制御し、前記ヒータ制御手段は、前記供給再開条件が満たされる場合に、前記センサ素子の温度が前記活性温度Ｔ_１となるように前記ヒータを制御する。

上述した如く燃料カットが行われる一方で、所定の供給再開条件が満たされた場合には、供給制御手段は燃料の供給を再開する。燃料の供給再開は、供給を停止する場合と較べると即時性を要求される処理であり、センサ素子や触媒の温度とは無関係に実行されるべき処理である。従って、センサ素子の温度が活性温度未満である場合には、速やかに活性温度まで復帰させる必要がある。この態様によれば、供給再開条件が満たされた場合に、ヒータ制御手段が、センサ素子の温度が活性温度となるようにヒータを制御するため、触媒の劣化を防止するに伴う燃料効率の低下が防止される。即ち、効果的に触媒の劣化が防止される。

尚、この態様において、前記供給制御手段は、前記供給再開条件が満たされ、且つ前記センサ素子の温度が前記センサ素子の半活性温度Ｔ_４（Ｔ_４＜Ｔ_１）未満である場合に、前記ヒータの熱量が、前記センサ素子の温度が前記半活性温度Ｔ_４以上である場合の該熱量と較べて相対的に大きくなるように前記ヒータを制御してもよい。

ここで、センサ素子の半活性温度とは、活性状態よりは信頼性が低いながらも、酸素濃度の検出精度が一定のレベルを超える閾値としての温度を包括する概念であり、明確に物理的な指標に基づいて規定されていてもよいし、触媒劣化防止装置に要求される性能などに応じて適宜実験的に、経験的に、或いはシミュレーションなどに基づいて決定されてもよい趣旨である。

センサ素子が半活性温度未満である場合には、空燃比センサによる酸素濃度の検出精度が低いため、内燃機関の動作に影響を与える可能性がある。この場合、このようにセンサ素子の温度が半活性温度に達するまでヒータの熱量を相対的に大きくすることによって、検出される酸素濃度の信頼性を大きく損ねずに済む。即ち、触媒の劣化防止に伴って内燃機関の動作が阻害されることが防止される。尚、ヒータの熱量とは、ヒータが前述した如くデューティ制御される場合には、デューティ比と等価に扱われてよい。

本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施形態から明らかにされる。

＜発明の実施形態＞
以下、適宜図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。

＜１．実施形態の構成＞
＜１−１．エンジンシステム１０の構成＞
始めに、図１を参照して、本発明の実施形態に係るエンジンシステムの構成について説明する。ここに、図１はエンジンシステム１０の模式図である。

図１において、エンジンシステム１０は、図示せぬ車両に搭載されると共に、ＥＣＵ１００及びエンジン２００を備える。

ＥＣＵ１００は、エンジン２００の動作を制御する電子制御ユニットであり、本発明に係る触媒劣化防止装置の一例として機能するように構成されている。

エンジン２００は、シリンダ２０１内において点火プラグ２０２により混合気を爆発させると共に、爆発力に応じて生じるピストン２０３の往復運動を、コネクションロッド２０４を介してクランクシャフト２０５の回転運動に変換することが可能に構成された、本発明に係る「内燃機関」の一例である。以下に、エンジン２００の要部構成をその動作と共に説明する。

＜１−２．エンジン２００の構成＞
シリンダ２０１内における燃料の燃焼に際し、外部から吸入された空気は吸気管２０６を通過し、インジェクタ２０７（本発明に係る「供給手段」の一例）から噴射された燃料と混合されて前述の混合気となる。インジェクタ２０７には、図示せぬ燃料タンクから燃料（ガソリン）が供給されており、インジェクタ２０７は、この供給される燃料を、ＥＣＵ１００の制御に従って吸気管２０６内に噴射することが可能に構成されている。

シリンダ２０１内部と吸気管２０６とは、吸気バルブ２０８の開閉によって連通状態が制御されている。シリンダ２０１内部で燃焼した混合気は排気ガスとなり吸気バルブ２０８の開閉に連動して開閉する排気バルブ２０９を通過して排気管２１０（即ち、本発明に係る「排気系」の一例）を介して排気される。

吸気管２０６上には、クリーナ２１１が配設されており、外部から吸入される空気が浄化される。クリーナ２１１の下流側（シリンダ側）には、エアフローメータ２１２が配設されている。エアフローメータ２１２は、ホットワイヤー式と称される形態を有しており、吸入された空気の質量流量を直接測定することが可能に構成されている。吸気管２０６には更に、吸入空気の温度を検出するための吸気温センサ２１３が設置されている。

吸気管２０６におけるエアフローメータ２１２の下流側には、シリンダ２０１内部への吸入空気量を調節するスロットルバルブ２１４が配設されている。このスロットルバルブ２１４にはスロットルバルブモータ２１７とスロットルポジションセンサ２１５が配設されている。一方、アクセルペダル２２３の踏込み量は、アクセルポジションセンサ２１６を介しＥＣＵ１００に入力されており、アクセルポジションセンサ２１６の出力に対応するスロットルバルブ開度を示す信号がＥＣＵ１００からスロットルバルブモータ２１７に出力され、吸入空気量が制御されている。

クランクシャフト２０５近傍には、クランクシャフト２０５の回転位置を検出するクランクポジションセンサ２１８が設置されている。クランクポジションセンサ２１８は、クランクシャフト２０５の位置を検出することが可能に構成されたセンサであり、ＥＣＵ１００は、クランクポジションセンサ２１８の出力信号に基づいてピストン２０３の位置及びエンジン２００の回転数などを取得することが可能に構成されている。このピストン２０３の位置は、前述した点火プラグ２０２における点火時期の制御などに使用される。点火プラグ２０２における点火時期は、例えば、ピストン２０３の位置に対応付けられて予め設定される基本値に対し遅角又は進角制御される。

また、シリンダ２０１を収容するシリンダブロックには、エンジン２００のノック強度を測定することが可能なノックセンサ２１９が配設されており、係るシリンダブロック内のウォータージャケット内には、エンジン２００の冷却水温度を検出するための水温センサ２２０が配設されている。

排気管２１０には、三元触媒２２２が設置されている。三元触媒２２２は、エンジン２００から排出されるＣＯ（一酸化炭素）及びＨＣ（炭化水素）を酸化すると共に、ＮＯｘ（窒素酸化物）を還元することによって排気ガスを浄化することが可能に構成されている。排気管２１０における三元触媒２２２の上流側には、空燃比センサ２２１が配設されている。空燃比センサ２２１は、排気管２１０から排出される排気ガスの酸素濃度を検出し、係る酸素濃度に対応する電流をセンサ信号としてＥＣＵ１００に出力することが可能に構成された、本発明に係る「空燃比センサ」の一例である。尚、ＥＣＵ１００は、空燃比センサ２２１から入力される電流値に基づいて、エンジン２００の空燃比を取得することが可能に構成されている。

＜１−３．空燃比センサ２２１の構成＞
次に、図２を参照して、空燃比センサ２２１の詳細な構成について説明する。ここに、図２は、図１における空燃比センサ２２１付近の模式的な拡大断面図である。尚、同図において、図１と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。

図２において、空燃比センサ２２１は、一部が排気管２１０内部に露出しており、この露出した部分において排気管２１０内部を図示排気方向に流れる排気ガス中の酸素濃度を検出し、当該酸素濃度を規定する信号をＥＣＵ１００へセンサ出力として出力することが可能に構成されている。

ここで、図３を参照して、空燃比センサ２２１の更なる詳細について説明する。ここに、図３は、図２におけるＡ−Ａ’線視断面図である。尚、同図において、図２と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。

図３において、センサ素子２２１ａは、酸化ジルコニウム（ジルコニア）からなる固体電解質であり、本発明に係る「センサ素子」の一例を構成している。センサ素子２２１ａの両端面の一部には、夫々白金など触媒活性の高い金属材料で構成された大気側電極２２１ｂ及び排気側電極２２１ｃが形成されており、夫々、大気及び排気ガスと接することが可能に構成されている。また、両電極の表面には多孔質化学メッキが施されている。更に、両電極間には、不図示の電源供給ラインを介して所定のバイアス電圧が付与されている。この電源供給ラインの一部からは、検出用の端子（不図示）が取り出され、電極間の酸素濃度差に応じて生じる酸素イオンの移動に起因するセンサ電流が検出される構成となっている。検出された電流は、ＥＣＵ１００に前述したセンサ出力として出力される。尚、ＥＣＵ１００は、この電源供給ラインを上位に制御しており、電源供給ラインを制御する過程で、センサ素子２２１ａのインピーダンスを特定することが可能に構成されている。センサ素子２２１ａのインピーダンスは、後述するセンサ素子２２１ａの温度特定に利用される。

排気側電極２２１ｃにおけるセンサ素子２２１ａと反対側の端部には、該端部を覆うようにアルミナなどの耐熱性無機材料からなる拡散抵抗層２２１ｄが形成され、排気側電極２２１ｃの形成されていない部分においてセンサ素子２２１ａをも覆っている。更に、拡散抵抗層２２１ｄの表面には、多孔質セラミックなどを構成材料とし、センサ素子２２１ａを排気ガス中における鉛などの被毒物質から保護するためのトラップ層２２１ｅが隣接して形成されている。

トラップ層２２１ｅの表面には、排気ガス中に存在する水素の影響を低減するための触媒層２２１ｆ（即ち、本発明に係る「触媒」の一例）が形成されている。触媒層２２１ｆは、触媒担体としてのアルミナ等の多孔質層に白金、ロジウムなどの触媒成分が担持された構成となっている。

一方、大気側電極２２１ｂにおけるセンサ素子２２１ａと反対側の端部は、大気雰囲気を保った空間を介して伝熱体２２１ｈに覆われている。伝熱体２２１ｈは、大気側電極２２１ｂと対面する部分以外において、センサ素子２２１ａをも覆うように構成されている。

伝熱体２２１ｂ内部には、ヒータ２２１ｇが形成されており、図示せぬ電力供給ラインを介して電力が供給されている。ヒータ２２１ｇは、この供給された電力に応じて発熱し、伝熱体２２１ｈを介してセンサ素子２２１aを暖めることが可能に構成されている。尚、ヒータ２２１ｇに供給される電力は、図示せぬ制御ラインを介してＥＣＵ１００に制御されている。

保護カバー２２１ｉは、耐熱性のハウジング部材であり、センサ素子２２１ａを含んで一対に形成されたセンサ部分の機械的強度を担保している。また、保護カバー２２１ｉの表面には、適宜通気孔２２１ｊが形成されており、保護カバー２２１ｉ内外を相互に連通させている。空燃比センサ２２１は、排気管２１０を流れる排気ガスが、この通気孔２２１ｉを通過して最終的にセンサ素子２２１ａに到達するように構成されている。

ここで、図４を参照して、空燃比センサ２２１による空燃比検出の原理について説明する。ここに、図４は、空燃比センサ２２１の出力であるセンサ電流ＩＬと、エンジン２００の空燃比との相関図である。

図４において、横軸及び縦軸には、夫々エンジン２００の空燃比及びセンサ電流ＩＬの値が表される。センサ電流ＩＬの値は、エンジン２００の空燃比がリッチ（即ち、排気管中の酸素濃度が低い）である程小さく、空燃比がリーン（即ち、排気管中の酸素濃度が高い）である程大きくなるように変化する。このようなセンサ電流と空燃比との対応関係は、予めＥＣＵ１００内のＲＯＭなどに、空燃比制御用のマップとして格納されており、ＥＣＵ１００は、検出されるセンサ電流ＩＬの値を係るマップと適合させ、現時点におけるエンジン２００の空燃比を特定する。

＜２．実施形態の動作＞
本実施形態に係るエンジンシステム１０では、経済性を向上させる目的から、エンジン２００の動作中に燃料の供給カット（燃料カット）が行われる。一方、空燃比センサ２２１は、センサ素子２２１ａにおいて酸素濃度に対しリニアに酸素イオンの移動を生じさせるために、センサ素子２２１ａの活性温度（７５０℃）付近（概ね７００℃〜８００℃の温度範囲）で駆動される。

燃料カットが行われる場合、排気管２１０内の雰囲気はリーンとなるが、活性温度付近の高温雰囲気中で排気ガスがリーン状態となると、センサ素子２２１ａを水素の影響から保護するための触媒層２２１ｆが劣化してしまう。そこで、ＥＣＵ１００は、以下に説明する燃料カット処理によって触媒層の劣化を防止しつつ燃料カットを実行し、燃料カット復帰処理によって効果的に燃料の供給を再開することが可能に構成されている。

＜２−１．燃料カット処理の詳細＞
ここで、図５を参照して、燃料カット処理の詳細について説明する。ここに、図５は、燃料カット処理のフローチャートである。

図５において、ＥＣＵ１００は、エンジン２００の動作条件が、予め定められた燃料カット条件を満たすか否かを判別する（ステップＡ１０）。

ここで、本実施形態において、燃料カット条件は、エンジン２００の機関回転数が２０００回転以上の運転領域においてアクセルペダル２２３が操作されていない状態と定められている。即ち、ＥＣＵ１００は、クランクポジションセンサ２１８の出力に基づいて算出される機関回転数と、アクセルポジションセンサ２１６によって検出されるアクセルペダル２２３のポジションとに基づいて、係る判別を実行する。

燃料カット条件が満たされない場合（ステップＡ１０：ＮＯ）、ＥＣＵ１００は、ステップＡ１０を繰り返し、燃料カット条件が満たされるまで通常の燃料噴射が実行されるようにインジェクタ２０７を制御する。尚、通常、ＥＣＵ１００は、空燃比センサ２２１から出力されるセンサ電流に基づいて絶えずエンジン２００の空燃比を特定しており、係る空燃比がストイキ（理論空燃比）付近の値となるように燃料の噴射量を制御する、所謂空燃比フィードバック制御を実行している。

一方、燃料カット条件が満たされた場合（ステップＡ１０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００はセンサ素子２２１ａの温度（以下、適宜「素子温度」と称する）が、触媒層２２１ｆの劣化開始温度以上であるか否かを判別する（ステップＡ１１）。

ここで、図６を参照して、素子温度の検出の詳細について説明する。ここに、図６は、センサ素子２２１ａの抵抗値と素子温度との相関図である。

図６において、横軸並びに縦軸には、夫々素子温度並びに抵抗値としてのインピーダンス及びアドミッタンスが表される。センサ素子２２１ａのインピーダンスは、素子温度によって図示の如く変化する。ＥＣＵ１００に備わるＲＯＭなどの記憶手段には、図６に相当するマップが素子温度特定用のマップとして予め格納されており、ＥＣＵ１００は、空燃比センサ２２１を介して取得されるセンサ素子２２１ａのインピーダンスから、センサ素子２２１ａのアドミッタンスを算出し、係るアドミッタンスの値に対応する温度値を素子温度として特定する。尚、アドミッタンスはインピーダンスの逆数であり、何れを使用して素子温度が特定されてもよいが、素子温度の制御領域（図示点線枠）における変化範囲を勘案すると、少なくとも素子温度の制御領域（図示点線枠）においてはアドミッタンスが使用されるのが好適である。

図５に戻り、本実施形態において、触媒層の劣化開始温度とは、リーン雰囲気において触媒層２２１ｆの劣化が比較的激しく進行することが、予め予測、推測又は推定される温度範囲の下限を規定する温度であり、予め、実験的に、経験的に、或いはシミュレーションなどに基づいて決定されている。本実施形態における劣化開始温度は、６００℃に設定されている。

一方で、通常、ＥＣＵ１００は、素子温度が前述した活性温度（７５０℃）となるようにヒータ２２１ｇを制御しているから、通常、ステップＡ１１による判別は「ＹＥＳ」となる。尚、ＥＣＵ１００は、ヒータ２２１ｇへの供給電力をデューティ制御しており、通常、デューティ比０．７（７０％デューティ）を上限としてヒータに通電している。これ以降、係るデューティ比０．７を上限とした通電制御を「通常デューティ」と称することとする。

素子温度が劣化開始温度未満である場合（ステップＡ１１：ＮＯ）、例えば、エンジン２００の始動直後などの場合には、燃料カットに伴う触媒層２２１ｆの劣化の可能性は低いため、ＥＣＵ１００は、そのまま燃料カットを実行する（ステップＡ１４）。

一方、素子温度が劣化開始温度以上である場合（ステップＡ１１：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、素子温度が予め設定される下限温度となるようにヒータ２２１ｇを制御する（ステップＡ１２）。ここで、下限温度は、劣化開始温度未満の温度範囲で比較的自由に設定されてよい。但し、活性温度との切り替えが比較的迅速に行える程度の温度であるのが望ましい。更に、素子温度が必ずしも触媒層２２１ｆの温度と一致しないことを勘案して、劣化開始温度に対しある程度のマージンを持った温度であるのが一層好ましい。このような条件を満たす温度として、本実施形態に係る下限温度は、５００℃に設定されている。尚、ステップＡ１２に係る処理において、ＥＣＵ１００は、素子温度が速やかに下限温度まで低下するように、ヒータ２２１ｇへの通電を遮断する。

ヒータ２２１ｇへの通電を遮断すると、ＥＣＵ１００は、一定のタイミング毎に素子温度が劣化開始温度未満となったか否かを判別する（ステップＡ１３）。素子温度が未だ劣化開始温度以上である場合（ステップＡ１３：ＮＯ）、ＥＣＵ１００は、ステップＡ１３を繰り返すと共に、素子温度が劣化開始温度未満となった場合（ステップＡ１３：ＹＥＳ）、燃料カットを実行する（ステップＡ１４）。

このように、本実施形態に係る燃料カット処理によれば、燃料カットが実行される際に、空燃比センサ２２１の触媒層２２１ｆが、触媒層の劣化が開始される温度未満に制御されるため、高温且つリーンな雰囲気に晒されることがない。即ち、効果的に触媒の劣化を防止することが可能となるのである。

＜２−２．燃料カット復帰処理の詳細＞
次に、図７を参照して、図５の燃料カット処理から復帰して燃料の供給を再開するための燃料カット復帰処理の詳細について説明する。ここに、図７は、燃料カット復帰処理のフローチャートである。

図７において、ＥＣＵ１００は、エンジン２００の動作状態が強制復帰条件を満たすか否かを判別する（ステップＢ１０）。燃料カットは、経済性を追及する事情から行われるのであり、比較的即時性を要求されない処理であるが、燃料カットからの復帰は、エンジン２００の失火を防止する見地から即時性の要求される処理である。

燃料カット処理からの復帰条件としては、エンジン回転数の自然的な低下に伴うものと、例えば、エンジン２００に対し出力要求を行うための操作（例えば、アクセルペダル２２３の踏下など）に伴うものがある。ステップＢ１０における強制復帰条件とは、後者に属する条件である。

強制復帰条件が満たされる場合（ステップＢ１０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、素子温度がセンサ素子２２１ａの半活性温度未満であるか否かを判別する（ステップＢ１５）。ここで、センサ素子２２１ａの半活性温度とは、空燃比センサ２２１において両電極における酸素濃度の差に応じて排気中の酸素濃度を検出することが最低限可能な温度を表す。従って、検出精度は活性温度にあるセンサ素子２２１ａと較べると劣化する。但し、酸素濃度に応じた出力信号を取り出すことは可能であり、その意味では、燃料を供給する際の前述した空燃比フィードバックはある程度可能な温度である。

素子温度が半活性温度以上である場合（ステップＢ１５：ＮＯ）、ＥＣＵ１００は、空燃比フィードバックを伴う燃料供給を開始し（ステップＢ１９）、素子温度の目標値を活性温度である７５０℃とした通常デューティのヒータ通電を実行する（ステップＢ２０）。

一方、素子温度が活性温度未満である場合（ステップＢ１５：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、空燃比センサ２２１の信頼性が担保されないことを勘案して空燃比フィードバックを行わず、単にエンジン回転数やスロットルバルブ開度に応じた燃料の供給を実行する（ステップＢ１６）。また、この際、素子温度の早期の活性化を図るために、拡大デューティのヒータ通電を実行する（ステップＢ１７）。ここで、本実施形態に係る「拡大デューティ」とは、前述した通常デューティと異なり、デューティ比１．０（即ち、１００％デューティ）を上限とする通電を指す。従って、ヒータの発熱量は通常デューティの場合と比べて大きく、素子温度の上昇速度は相対的に高くなる。拡大デューティによるヒータ通電を実行している期間、ＥＣＵ１００は、所定のタイミング毎に素子温度が半活性温度以上であるか否かを判別する（ステップＢ１８）。素子温度が未だ半活性温度未満である場合には（ステップＢ１８：ＮＯ）、係る判別処理は繰り返され、素子温度が半活性温度以上となると、ステップＢ１９において空燃比フィードバックに基づいた燃料供給が開始される。そして、ステップＢ２０において、ヒータの制御態様が拡大デューティから通常デューティへ変更される。

ステップＢ１０において、エンジン２００の動作条件が強制復帰条件を満たさない場合（ステップＢ１０：ＮＯ）、ＥＣＵ１００は、エンジン回転数が復帰回転数にマージン回転数Ｎｍを加えた回転数未満であるか否かを判別する（ステップＢ１１）。

ここで、復帰回転数は、燃料カットからの自然な復帰を規定する回転数であり、本実施形態では、燃料カット条件を規定する毎分２０００回転が、そのまま復帰回転数として設定されている。尚、復帰回転数は、燃料カット条件を規定する回転数と異なっていてもよい。一方、マージン回転数Ｎｍとは、復帰回転数を一定割合又は一定量かさ上げするための値であり、予め実験的に、経験的に、或いはシミュレーションなどに基づいて、適当な値に設定されている。本実施形態では、毎分５００回転として設定されており、従って、ステップＢ１３では、エンジン回転数が毎分２５００回転未満であるか否かが判別される。

エンジン回転数が、未だ復帰回転数にマージン回転数分をかさ上げした回転数以上である場合には（ステップＢ１１：ＮＯ）、如何なる復帰条件も満たされないものとして、ＥＣＵ１００は処理をステップＢ１０に戻し、エンジン２００において復帰条件が満たされるか否かの監視を継続する。

エンジン回転数が、復帰回転数にマージン回転数を加えた回転数未満となった場合（ステップＢ１１：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、間もなく自然な復帰条件が満たされるものと推測して、ヒータ２２１ｇに対し、拡大デューティに基づいた通電を行い、センサ素子２２１ａを急速に加熱する（ステップＢ１２）。尚、この際の素子温度の目標値は、活性温度である７５０℃である。

拡大デューティでヒータに通電中、ＥＣＵ１００は、エンジン回転数が復帰回転数未満であるか否かを判別する（ステップＢ１３）。復帰回転数以上である場合には（ステップＢ１３：ＮＯ）、ＥＣＵ１００は、ステップＢ１３を繰り返し、未だ復帰条件は満たされないものとして、単に拡大デューティに基づいたヒータ通電のみを実行する。一方で、エンジン回転数が復帰回転数未満である場合（ステップＢ１３：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、素子温度が半活性温度以上であるか否かを判別する（ステップＢ１４）。

素子温度がセンサ素子２２１ａの半活性温度未満である場合（ステップＢ１４：ＮＯ）、ＥＣＵ１００は、既に述べたように空燃比フィードバックを行わずに燃料の供給を開始し（ステップＢ１６）、素子温度が半活性温度以上である場合（ステップＢ１４：ＹＥＳ）、空燃比フィードバックに基づいた燃料供給を実行する。

このように、エンジンシステム１０では、燃料カットから復帰して燃料の供給を再開する場合であっても、ヒータ２２１ｇの通電制御によって、素子温度が低下している（例えば、半活性温度を下回っている）ことに起因する悪影響（空燃比フィードバック不能など）を軽微に留めることが可能となっている。即ち、効果的に触媒層２２１ｆの劣化を防止することが可能となっているのである。

本発明は、上述した実施例に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う触媒劣化防止装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本発明の実施形態に係るエンジンシステムの模式図である。 図１のエンジンシステムにおける空燃比センサの模式的な拡大断面図である。 図２におけるＡ−Ａ’線視断面図である。 図１のエンジンシステムにおける空燃比センサのセンサ電流とエンジンの空燃比との相関図である。 図１のエンジンシステムにおいてＥＣＵが実行する燃料カット処理のフローチャートである。 図１のエンジンシステムにおける空燃比センサの抵抗値とセンサ素子の温度との相関図である。 図１のエンジンシステムにおいてＥＣＵが実行する燃料カット復帰処理のフローチャートである。

符号の説明

１０…エンジンシステム、１００…ＥＣＵ、２００…エンジン、２１０…排気管、２２１…空燃比センサ、２２１ａ…センサ素子、２２１ｆ…触媒層、２２１ｇ…ヒータ。

Claims (5)

1. 内燃機関の排気系に設置され、（i）該排気系に含まれる水素を除去するための触媒、（ii）前記内燃機関の空燃比を検出するためのセンサ素子及び（iii）該センサ素子を暖めるヒータを備える空燃比センサ並びに前記内燃機関に対し燃料の供給を行う供給手段を有する車両において前記触媒の劣化を防止する触媒劣化防止装置であって、
   前記センサ素子の温度を特定する特定手段と、
   前記燃料の供給が行われるように前記供給手段を制御すると共に、前記燃料の供給を停止すべき条件として予め定められる所定の供給停止条件が満たされる場合に前記燃料の供給が停止されるように前記供給手段を制御する供給制御手段と、
   前記センサ素子の温度が所定の活性温度Ｔ_１となるように前記ヒータを制御すると共に、前記供給停止条件が満たされ且つ前記センサ素子の温度が、前記触媒の劣化開始温度Ｔ_２（Ｔ_２＜Ｔ_１）以上である場合に、前記センサ素子の温度が低下するように前記ヒータを制御するヒータ制御手段と
   を具備することを特徴とする触媒劣化防止装置。
2. 前記供給制御手段は、前記供給停止条件が満たされ且つ前記センサ素子の温度が前記劣化開始温度Ｔ_２未満である場合に前記燃料の供給が停止されるように前記供給手段を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の触媒劣化防止装置。
3. 前記ヒータ制御手段は、前記供給停止条件が満たされ且つ前記センサ素子の温度が前記劣化開始温度Ｔ_２以上である場合に、前記センサ素子の温度が所定の下限温度Ｔ_３（Ｔ_３＜Ｔ_２）まで低下するように前記ヒータを制御する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の触媒劣化防止装置。
4. 前記供給制御手段は、前記燃料の供給を再開すべき条件として予め定められる所定の供給再開条件が満たされる場合に、前記燃料の供給が再開されるように前記供給手段を制御し、
   前記ヒータ制御手段は、前記供給再開条件が満たされる場合に、前記センサ素子の温度が前記活性温度Ｔ_１となるように前記ヒータを制御する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の触媒劣化防止装置。
5. 前記供給制御手段は、前記供給再開条件が満たされ、且つ前記センサ素子の温度が前記センサ素子の半活性温度Ｔ_４（Ｔ_４＜Ｔ_１）未満である場合に、前記ヒータの熱量が、前記センサ素子の温度が前記半活性温度Ｔ_４以上である場合の該熱量と較べて相対的に大きくなるように前記ヒータを制御する
   ことを特徴とする請求項４に記載の触媒劣化防止装置。

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