JP2004060518A

JP2004060518A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2004060518A
Application number: JP2002219634A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Yoshioka; 吉岡　浩見; Hiroshi Tokushige; 徳重　大志; Takuo Hirano; 平野　拓男; Kunikimi Minamitani; 南谷　邦公
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-07-29
Also published as: JP4178864B2

Abstract

【課題】エンジン１の排気通路３４にＮＯｘ触媒３８を備えた排気浄化装置において、この触媒の劣化したことのみならず、その原因をも自動的に特定して、その劣化原因に対応する適切な対処を可能とする。
【解決手段】ＮＯｘ触媒３８よりも下流の排気通路４３にＮＯｘ濃度センサ４３を配設する。エンジン１の運転状態がＮＯｘパージモードから成層燃焼モードに移行して、ＮＯｘ触媒３８が排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、ＮＯｘ濃度センサ４３からの信号に基づいて触媒３８の劣化を検出する（ＳＣ４）。ＮＯｘ濃度センサ４３により検出されるＮＯｘ濃度の時間変化率に基づいて、ＮＯｘ触媒３８の劣化が主に熱劣化によるものか或いは硫黄被毒によるものかを判定する（ＳＣ５）。硫黄被毒による劣化であればＳパージを行う（ＳＣ６）。熱劣化であればそのことを車両の乗員に報知する。
【選択図】　　　図７

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスの空燃比状態が理論空燃比に対応する状態よりもリーンな状態のときにＮＯｘを吸蔵する一方、その吸蔵したＮＯｘを空燃比状態のリッチ化に応じて放出し且つ還元浄化するＮＯｘ吸蔵タイプの触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、前記触媒の劣化に適切に対処するための制御技術の分野に属する。尚、ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒については既に種々の構成のものが公知であり、それらはＮＯｘ吸収タイプ或いはＮＯｘ吸着タイプ等と呼ばれることもあるが、この明細書においてＮＯｘ吸蔵タイプの触媒というときには、前記いずれの呼称のものをも含むものとする。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の排気浄化装置として、例えば特許第２８８８１２４号公報に開示されるように、内燃機関の排気通路にＮＯｘ吸蔵タイプの触媒を配置し、この触媒の下流側に配設したＮＯｘ濃度センサからの信号に基づいて、触媒の劣化を検出するようにしたものが知られている。すなわち、ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒は、内燃機関が理論空燃比よりもリーンな空燃比で運転されて（以下、リーン運転ともいう）、排気の空燃比状態が理論空燃比に対応する状態よりもリーンな状態のときにＮＯｘを吸蔵する一方、内燃機関の運転空燃比が理論空燃比乃至それよりもリッチになって（以下、リッチ運転ともいう）、排気の空燃比状態が理論空燃比乃至それよりもリッチな状態（以下、単にリッチ状態ともいう）になれば、吸蔵したＮＯｘを放出して還元浄化するという機能を有する。
【０００３】
そして、前記従来例の排気浄化装置では、内燃機関のリッチ運転によって触媒が吸蔵したＮＯｘの放出を完了し、その後、当該内燃機関がリーン運転に切り換わって、触媒が排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、その時点から触媒下流のＮＯｘ濃度が所定値になるまでの時間が短ければ、触媒の劣化によってＮＯｘの吸蔵能が低下していると判定し、例えば警報の作動により車両の乗員者に触媒の劣化を報知して、この触媒の交換を促すようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒としては、担体に酸化バリウム等のＮＯｘ吸蔵材と白金やパラジウム等の貴金属とを担持させたものが用いられており、このような触媒の劣化状態としては、内燃機関からの高温の排気に曝されて前記貴金属やＮＯｘ吸蔵材の機能が低下すること（熱劣化）や、排気ガスに含まれる硫黄成分がＮＯｘ吸蔵材と強く結びついて、ＮＯｘの吸蔵能を阻害すること（硫黄被毒）等が知られている。
【０００５】
そして、触媒が前記硫黄被毒の状態にあるときには、排気ガスの空燃比状態をリッチ状態に保ちながら、例えばガソリン機関ならば点火時期のリタード等によって排気温度を高くして、触媒の温度状態を所定以上に維持することにより、この触媒のＮＯｘ吸蔵材から硫黄成分を離脱させることができ、これによりＮＯｘの吸蔵能を回復することができる。
【０００６】
しかしながら、前記従来例の排気浄化装置では単に触媒の劣化を検出して、車両の乗員に警報を発するようにしているだけなので、上述の如く触媒の機能を回復可能な硫黄被毒の場合であっても乗員への警報が行われることになり、この警報が極めて煩雑なものとなる。
【０００７】
斯かる問題点に鑑み、本願の発明者らは、ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒の劣化原因の特定について鋭意、研究を重ねた結果、触媒が一旦、吸蔵したＮＯｘの放出を完了して、その後、排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、該触媒下流側のＮＯｘ濃度の変化の様子いが熱劣化の場合と硫黄被毒の場合とで大きく異なることを見出して、発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本願発明の目的とするところは、内燃機関の排気通路にＮＯｘ吸蔵タイプの触媒を備えた排気浄化装置において、この触媒の劣化したことのみならず、その原因をも自動的に特定して、それぞれ適切な対処を可能とすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の解決手段では、触媒下流側の排気通路にＮＯｘ濃度センサを配設し、触媒の劣化が検出された場合には、その触媒が吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、前記ＮＯｘ濃度センサにより検出されるＮＯｘ濃度の時間変化率に基づいて、触媒の劣化原因を判定するようにした。
【００１０】
具体的に、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に配設され、排気ガスの空燃比状態が理論空燃比に対応する状態よりもリーンな状態のときにＮＯｘを吸蔵する一方、吸蔵したＮＯｘを空燃比状態のリッチ化に応じて放出し且つ還元浄化するＮＯｘ吸蔵タイプの触媒と、該触媒よりも下流側の排気通路で排気ガス中の所定ガス成分の濃度を検出するガス成分濃度検出手段と、少なくとも前記ガス成分濃度検出手段による検出値に基づいて、触媒の劣化を検出する触媒劣化検出手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置を前提とする。そして、前記触媒よりも下流側の排気通路に配設されて排気ガス中のＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘ濃度センサと、前記触媒劣化検出手段により触媒の劣化が検出された場合に、その触媒が吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、前記ＮＯｘ濃度センサにより検出されるＮＯｘ濃度の時間変化率を求めて、この時間変化率が予め設定した基準値以上であれば、触媒の劣化原因における硫黄被毒の影響が大であると判定する劣化原因判定手段とを備える構成とする。
【００１１】
前記の構成により、まず、内燃機関がリーン運転されて、排気ガスの空燃比状態が理論空燃比よりもリーンな状態になると、酸素過剰雰囲気の排気ガス中のＮＯｘがＮＯｘ吸蔵タイプの触媒によって吸蔵される。一方、内燃機関がリッチ運転されると排気の空燃比状態もリッチ状態になり、このときには前記触媒において吸蔵されているＮＯｘが放出されて、還元浄化されることになる。
【００１２】
ここで、前記触媒が劣化するとそのＮＯｘ吸蔵能が低下するため、例えば前記内燃機関のリッチ運転によって触媒が一旦、吸蔵したＮＯｘを全て放出したとしても、その後、内燃機関がリーン運転に切り換わって触媒による排気ガス中のＮＯｘの吸蔵が再開したときに、該触媒下流のＮＯｘの濃度は相対的に早く増大するようになる。また、この際、触媒が熱劣化している場合にはＮＯｘ濃度の増大変化の立ち上がりが比較的緩やかなものとなり、一方、硫黄被毒の場合にはＮＯｘ濃度の増大変化の立ち上がりが比較的急峻なものとなる。
【００１３】
そこで、この発明では、前記触媒が吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、該触媒の下流のＮＯｘ濃度センサにより検出されるＮＯｘ濃度の時間変化率を求めて、この時間変化率が予め設定した基準値以上であれば、触媒の劣化原因における硫黄被毒の影響が大であると判定するようにした。このことで、触媒の劣化が熱劣化によるものか或いは硫黄被毒によるものかを正確に判定することができ、この判定結果に基づいて、劣化の状態に応じた適切な対処を行うことが可能になる。
【００１４】
具体的には、請求項２の発明のように、劣化原因判定手段により触媒の劣化原因における硫黄被毒の影響が大であると判定されたとき、触媒から硫黄成分の離脱を促進するように内燃機関の運転状態を制御する劣化時制御手段を備えることが好ましい。
【００１５】
こうすれば、触媒の劣化原因における硫黄被毒の影響が大であるときには、劣化時制御手段により、例えば排気ガスの空燃比状態がリッチになり且つ排気ガスの温度状態が所定以上に高くなるように内燃機関の運転状態が制御される。これにより、ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒から硫黄成分の離脱が促進されて、当該触媒によるＮＯｘの吸蔵能が回復する。
【００１６】
請求項３の発明では、請求項２の発明における劣化原因判定手段を、触媒が吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、ＮＯｘ濃度センサにより検出されるＮＯｘ濃度の時間変化率が設定基準値よりも小さければ、触媒の劣化原因における硫黄被毒の影響が小であると判定するものとし、さらに、触媒劣化検出手段により触媒の劣化が検出され、且つ前記劣化原因判定手段により硫黄被毒の影響が小であると判定されたときに、該触媒の劣化を報知する報知手段を備えるものとする。
【００１７】
このことで、触媒の劣化が検出され、且つその劣化原因における硫黄被毒の影響が小であると判定されたときには、この触媒は熱劣化していてＮＯｘ吸蔵能を回復させることはできないから、報知手段により触媒の劣化が報知される。そして、触媒が速やかに交換されることで、排気状態の悪化が未然に防止される。一方、硫黄被毒の影響が大であると判定されたときには直ちに報知が行われることはなく、従って、報知の煩雑さが解消される。
【００１８】
請求項４の発明では、請求項３の発明における報知手段を、劣化時制御手段による内燃機関の制御が行われた後も、触媒劣化検出手段により触媒の劣化が検出されるときには、劣化原因判定手段による判定の結果によらず触媒の劣化を報知するものとする。
【００１９】
このことで、仮に、劣化原因判定手段により誤って、触媒の劣化原因が硫黄被毒によるものであると判定されたとしても、その後、さらに触媒の劣化が検出されるときには触媒の劣化が報知されるので、この触媒を速やかに交換して、排気状態の悪化を未然に防止することができる。
【００２０】
請求項５の発明では、触媒が吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、ＮＯｘ濃度センサにより検出されるＮＯｘ濃度の時間変化率が設定基準値よりも大きい別の設定値以上であれば、触媒から硫黄成分の離脱を促進するように内燃機関の運転状態を制御する硫黄被毒軽減制御手段を備えるものとする。
【００２１】
すなわち、ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒が排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、ＮＯｘ濃度センサにより検出されるＮＯｘ濃度の時間変化率が大きいということは、当該触媒のＮＯｘ吸蔵能が低下しているということであるから、このときには触媒劣化検出手段により触媒の劣化が検出されていなくても、該触媒からの硫黄成分の離脱が促進されるように、硫黄被毒軽減制御手により内燃機関の運転状態を制御する。これにより、触媒によるＮＯｘ吸蔵能の回復が図られる。
【００２２】
請求項６の発明では、ＮＯｘ濃度センサをガス成分濃度検出手段とし、触媒劣化検出手段は、触媒が吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、前記ＮＯｘ濃度センサからの信号に基づいて触媒の劣化を検出するものとする。
【００２３】
このことで、従来例（特許第２８８８１２４号）のものと同様に、触媒が吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、ＮＯｘ濃度センサからの信号に基づいて触媒の劣化を検出することができる。
【００２４】
請求項７の発明では、ガス成分濃度検出手段として触媒よりも下流側の排気通路に酸素濃度センサを配設するとともに、該触媒よりも上流側の排気通路にも酸素濃度センサを配設し、触媒劣化検出手段は、前記触媒の上流側及び下流側の酸素濃度センサからの信号に基づいて、触媒の劣化を検出するものとする。
【００２５】
すなわち、例えば、ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒において排気ガス中のＮＯｘが吸蔵されるときには、その排気ガス中の酸素が消費されて酸素濃度が低下することになるし、反対に、触媒からＮＯｘが放出されて還元されるときには、排気ガス中の酸素濃度が増大することになる。このため、内燃機関の運転空燃比がリーンな状態とリッチな状態との間で変化するときには、前記触媒によるＮＯｘの吸蔵又は放出によって触媒上流側の酸素濃度センサの出力と下流側の酸素濃度センサの出力との間にずれが生じ、このずれの大きさが触媒のＮＯｘ吸蔵能によって変化することになる。従って、該上流側及び下流側酸素濃度センサからの信号に基づいて触媒の劣化を検出することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００２７】
図１は、本発明に係る排気浄化装置を適用した筒内直噴式ガソリンエンジン１（内燃機関）の全体的な構成を示す。同図においてエンジン１は、複数の気筒２，２，…（１つのみ図示する）が直列に設けられたシリンダブロック３と、このシリンダブロック３上に配置されたシリンダヘッド４とを有し、各気筒２内にはそれぞれピストン５が往復動可能に嵌挿されていて、そのピストン５の冠面とシリンダヘッド４の下面との間の気筒２内に燃焼室６が区画形成されている。ピストン５の往復動はコネクティングロッド７を介してクランク軸８の回転運動に変換され、このクランク軸８により出力される。また、前記シリンダブロック３には、クランク軸８の一端側においてその回転角度を検出する電磁式のクランク角センサ９と、各気筒２毎の燃焼圧の変動に基づいてノッキングを検出するためのノックセンサ１０と、図示しないウオータジャケットの内部に臨んで冷却水の温度（エンジン水温）を検出するエンジン水温センサ１１とがそれぞれ配設されている。
【００２８】
前記シリンダヘッド４には、各気筒２毎に燃焼室６の天井面に臨んで開口するように吸気ポート１２及び排気ポート１３が２つずつ開口していて、その各ポート開口部に吸気及び排気弁１４，１５が配置されている。これら吸気弁１４及び排気弁１５は、それぞれシリンダヘッド４の内部に軸支された吸気側及び排気側カム軸（図示せず）によって、前記クランク軸８の回転に同期して開作動されるようになっている。また、吸気側のカム軸には、その回転角度を検出するための電磁式のカム角センサ１６が付設されている。また、各気筒２毎に前記シリンダヘッド４を上下方向に貫通し且つ吸排気弁１４，１５に取り囲まれるようにして、点火プラグ１７が配設されている。この点火プラグ１７の先端の電極は燃焼室６の天井面から所定距離だけ下方に突出している。また、点火プラグ１７の基端部は、ヘッドカバーを貫通するように配設された点火回路１８（イグナイタ）に接続されている。
【００２９】
前記燃焼室６の底部となるピストン５の冠面は、外周側の部位が燃焼室６の天井面と略平行な形状とされる一方、ピストン５冠面の略中央部には平面視で概略レモン形状の凹部が設けられている。また、燃焼室６の吸気側の周縁部に噴口を臨ませてインジェクタ（燃料噴射弁）２０が配設されている。このインジェクタ２０は、例えば、燃焼室６に臨む先端部の噴口から燃料を旋回流として噴出させて、軸心の延びる方向に沿うようにホローコーン状に噴射する公知のスワールインジェクタとすればよいが、これに限るものではなく、スリットタイプや多噴口タイプのインジェクタとしてもよく、或いは芯弁を圧電素子によって動作させる構成のものを用いてもよい。
【００３０】
前記インジェクタ２０の基端側は全気筒２，２，…に共通の燃料分配管２１に接続されていて、この燃料分配管２１により高圧燃料ポンプ２２から吐出される燃料が各気筒２毎のインジェクタ２０に分配されるようになっている。そして、そのインジェクタ２０により気筒２の圧縮行程で燃料が噴射されると、この燃料噴霧は燃焼室６内の吸気流動によって減速されて、適度な濃度状態の混合気塊を点火プラグ１７周りに形成する。尚、前記燃料分配管２１には、インジェクタ２０から噴射される燃料の圧力状態（燃料噴射圧）を測定するための燃圧センサ２３が配設されている。
【００３１】
エンジン１の一側面（図の右側の側面）には、各気筒２毎の吸気ポート１２に連通するように吸気通路２５が接続されている。この吸気通路２５は、エンジン１の燃焼室６に対してエアクリーナ２６で濾過した吸気を供給するものであり、その上流側から下流側に向かって順に、エンジン１への吸入空気量を検出するホットワイヤ式エアフローセンサ２７と、吸気通路２５の断面積を変更する電気式スロットル弁２８及びその位置を検出するスロットルセンサ２９と、サージタンク３０とが配設されている。前記スロットル弁２８は、図外のアクセルペダルに対して機械的には連結されておらず、図示しない電動モータにより開閉されるようになっている。また、サージタンク３０には、スロットル弁２８よりも下流の吸気通路２５の圧力を検出するブーストセンサ３１が配設されている。
【００３２】
また、前記サージタンク３０よりも下流側の吸気通路２５は、各気筒２毎に分岐する独立通路とされ、該各独立通路の下流端部はさらに２つに分岐してそれぞれ吸気ポート１２に個別に連通する分岐路となっている。この分岐路乃至独立通路には、燃焼室６内の吸気流動の強さ調節するための絞り弁３２（Ｔｕｎｂｌｅ　ＳｗｉｒｌＣｏｎｒｏｌ　Ｖａｌｖｅ：以下、ＴＳＣＶという）が配設されていて、例えばステッピングモータ等によって開閉作動される。このＴＳＣＶ３２の弁体には一部に切り欠きが形成されており、全閉状態ではその切り欠き部のみから下流側に流れる吸気が燃焼室６において強い筒内流動を生成する。一方、ＴＳＣＶ３２が開かれるに従い、吸気は切り欠き部以外からも流通するようになって、筒内流動の強さは徐々に低下するようになる。
【００３３】
エンジン１の他側面（図の左側の側面）には、気筒２内の燃焼室６から既燃ガス（排気ガス）を排出するための排気通路３４が接続されている。この排気通路３４の上流端側は、各気筒２毎の排気ポート１３に繋がる排気マニホルド３５により構成され、該排気マニホルド３５よりも下流側の排気通路３４には、排気ガス中の有害成分である炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための２つの触媒コンバータ３６，３７が直列に配設されている。
【００３４】
前記上流側の触媒コンバータ３６は、詳細は図示しないが、ケーシング内にハニカム構造の担体を収容したもので、この担体の各貫通孔の壁面にいわゆる三元触媒の触媒層が形成されている。この三元触媒（以下、上流側三元触媒３６ともいう）は、従来より周知の通り、排気ガスの空燃比状態が略理論空燃比を含む所定の状態にあるときに、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを略完全に浄化可能なものである。
【００３５】
また、下流側の触媒コンバータ３７は、１つのケーシング内に２つの担体を直列に収容し、そのうちの上流側の担体の各貫通孔壁面にいわゆるＮＯｘ吸蔵タイプの触媒層を形成して、上流側ＮＯｘ触媒３８を構成するとともに、下流側の担体にも同様にＮＯｘ吸蔵タイプの触媒層を形成して、下流側ＮＯｘ触媒３９を構成したものである。ここで、前記ＮＯｘ触媒３８，３９は、例えばゼオライト等のベースコートに酸化バリウム等のＮＯｘ吸蔵材と白金やパラジウム等の貴金属とを担持させてなり、排気ガスの空燃比状態が理論空燃比に対応する状態よりもリーンな状態のときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵する一方、そのようにして吸蔵したＮＯｘを空燃比状態のリッチ化に応じて放出し、且つ還元浄化するという機能を有する。
【００３６】
詳しくは、前記ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒により排気ガス中のＮＯｘが吸蔵され、或いは放出されるメカニズムは、以下のようなものであると考えられている。すなわち、図２（ａ）に模式的に示すように、排気ガスの空燃比状態がリーンな状態のときには、酸素過剰雰囲気の排気ガス中のＮＯｘ（図例ではＮＯ）が触媒金属（図例ではＰｔ）上で酸素Ｏ２と反応して、その一部がバリウムと結合しながら、硝酸塩ＮＯ３として吸蔵される。一方、排気ガスの空燃比状態が略理論空燃比乃至それよりもリッチな状態であれば、前記とは反対の向きに反応が進行し、バリウムから離れたＮＯ２が排気ガス中のＨＣ，ＣＯと反応して（還元反応）、窒素Ｎ２と酸素Ｏ２とに分解される。
【００３７】
前記エンジン１の排気マニホルド３５の集合部付近には排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ４０が配設されており、主にこの酸素濃度センサ４０からの信号に基づいてエンジン１の空燃比フィードバック制御が行われるようになっている。また、前記２つの触媒コンバータ３６，３７の中間には上流側の三元触媒３６の劣化状態を判定するための酸素濃度センサ４１と、ＮＯｘ触媒３８へ流入する排気ガスの温度を検出する排気温度センサ４２とが配設され、さらに、２つのＮＯｘ触媒３８，３９の中間には、排気ガス中のＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘ濃度センサ４３が配設されている。このＮＯｘ濃度センサ４３は、排気通路３４を流れる排気ガスの一部を閉空間に取り込んで、そこから酸素ポンプにより酸素濃度が殆ど零（例えば１０^−３ｐｐｍ以下）になるまで酸素を汲み出し、これにより排気ガス中のＮＯｘの分解を促進するとともに、そのＮＯｘの分解によって新たに得られた酸素の濃度を測定することにより、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するものである。
【００３８】
また、前記排気マニホルド３５よりも下流側の排気通路３４には、そこから分岐するようにして排気ガスの一部を吸気通路２５に還流させる排気還流通路４５（以下、ＥＧＲ通路という）の上流端が連通している。このＥＧＲ通路４５の下流端は前記サージタンク３０の内部に臨んで開口していて、該下流端近傍のＥＧＲ通路４５にはデューティソレノイド弁からなるＥＧＲ弁４６が配設されている。このＥＧＲ弁４６によってＥＧＲ通路４５における排気の還流量が調節されるようになっている。尚、符号４７は、各気筒２の燃焼室６から漏れ出るブローバイガスをサージタンク３０まで導くパージ通路である。
【００３９】
上述した点火回路１８、インジェクタ２０、高圧燃料ポンプ２２、スロットル弁２８、ＴＳＣＶ３２、ＥＧＲ弁４６等は、いずれもエンジンコントロールユニット５０（以下、ＥＣＵという）によって作動制御される。一方、このＥＣＵ５０には、少なくとも、前記クランク角センサ９、ノックセンサ１０、水温センサ１１、エアフローセンサ２７、スロットルセンサ２９，２つの酸素濃度センサ４０，４１、排気温度センサ４２、ＮＯｘ濃度センサ４３等からの出力信号がそれぞれ入力され、さらに、アクセルペダルの操作量（以下、アクセル開度という）を検出するアクセル開度センサ５１からの出力信号と、エンジン回転速度（クランク軸８の回転速度）を検出する回転速度センサ５２からの出力信号と、車速センサ５３からの出力信号とが入力されるようになっている。
【００４０】
すなわち、ＥＣＵ５０は、前記各センサから入力される信号に基づいてエンジン１への吸入空気量や各気筒２毎の燃料噴射量、噴射時期及び点火時期を制御し、さらに、気筒２内の吸気流動の強さや排気の還流割り合い等を制御する。具体的には、例えば図３に制御マップの一例を示すように、エンジン１の温間の全運転領域のうち低速低負荷側には予め成層燃焼領域（Ｓ）が設定されていて、ここでは、インジェクタ２０により気筒２の圧縮行程で燃料を噴射させて、点火プラグ１７の電極の周りに層状に偏在させた混合気を燃焼させる成層燃焼モードになる。この際、スロットル弁２８は大きく開いてポンプ損失を低減するようにしており、この結果、各気筒２の燃焼室６における平均的な空燃比は理論空燃比よりも大幅にリーンな状態（例えばＡ／Ｆ＞３０）になる。
【００４１】
一方、前記成層燃焼領域（Ｓ）以外はいわゆる均一燃焼領域（Ｈ）であり、ここではインジェクタ２０により主に気筒２の吸気行程で燃料を噴射させて、燃焼室６内で吸気と燃料とを十分に混合し、該燃焼室６全体に概ね均一な混合気を形成した上で燃焼させる均一燃焼モードになる。この均一燃焼領域（Ｈ）のうちの大部分の領域では、燃料噴射量やスロットル弁２８の開度等を、混合気の空燃比が略理論空燃比（Ａ／Ｆ≒１４．７）になるように制御するが、特に全負荷付近では理論空燃比よりもリッチな状態（例えばＡ／Ｆ＝１２〜１４）になるように制御して、高負荷に対応した大出力を得られるようにする。
【００４２】
つまり、この実施形態のエンジン１は、基本的に負荷状態（目標トルク）やエンジン回転速度に応じて、成層燃焼モード、即ち混合気の空燃比が理論空燃比よりも大幅にリーンな状態で運転するリーン運転の状態と、均一燃焼モード、即ち略理論空燃比乃至それよりもリッチな状態で運転するリッチ運転の状態とに切換えられるようになっている。
【００４３】
また、そのような基本的な運転制御の外に、ＮＯｘ触媒３８によるＮＯｘ吸蔵能を所定以上のレベルに維持するために、エンジン１のリーン運転がある程度以上、継続して、ＮＯｘ触媒３８によるＮＯｘの吸蔵量が多くなったときには、一時的にリッチ運転に切換えてＮＯｘ触媒３８からＮＯｘを放出させ、且つこれを還元浄化するようにしている（いわゆるＮＯｘパージ）。すなわち、まず、エンジン１がリッチ運転からリーン運転に切り換わって、ＮＯｘ触媒３８に流入する排気ガスの空燃比状態がリッチな状態からリーンな状態に変化したとき、排気通路３４から大気中に放出される排気ガス中のＮＯｘの濃度は、図４に一例を示すように、ＮＯｘ触媒３８におけるＮＯｘ吸蔵量の増大と共に徐々に増大する。これは、ＮＯｘ触媒３８のＮＯｘ吸蔵量が少ない間は、排気ガス中のＮＯｘの略全てがＮＯｘ触媒３８により吸蔵されるが、ＮＯｘの吸蔵量がある程度多くなると、それ以降は新たなＮＯｘの吸蔵が制限されるからである。そして、ＮＯｘ吸蔵量がＮＯｘ触媒３８の容量等によって決まる最大吸増量に達すると、それ以上、新たにＮＯｘを吸蔵することはできなくなってしまう。
【００４４】
そこで、斯かるＮＯｘ触媒３８の特性を考慮して、この実施形態では、触媒下流に設けたＮＯｘ濃度センサ４３からの信号に基づいて、排気ガス中のＮＯｘ濃度が所定以上に高くなったときにＮＯｘパージを行い、これにより、ＮＯｘ触媒３８から吸蔵したＮＯｘを放出させ且つ還元浄化して、そのＮＯｘ吸蔵能を回復させるようにしている。
【００４５】
ところで、上述の如き構成のＮＯｘ触媒３８では、排気ガスに含まれる僅かな硫黄成分（例えば硫黄酸化物Ｓ０ｘ）がＮＯｘと同様のメカニズムによって徐々にバリウムに吸蔵されることになり、このバリウムとＳＯｘとの結びつきがバリウムとＮＯｘとの結びつきよりも強いことから、ＮＯｘ触媒３８における硫黄成分の吸蔵量が時間の経過とともに徐々に増大し、これによりＮＯｘ吸蔵能が低下するという現象が起きる（硫黄被毒）。
【００４６】
これに対し、ＮＯｘ触媒３８をリッチ雰囲気下で所定以上の高温状態に維持すると、この触媒のバリウムからＳＯｘを離脱させて、ＮＯｘの場合と同様に排気ガス中のＨＣ，ＣＯによって還元できることは知られており、このようにしてＮＯｘ触媒３８から硫黄成分を離脱させれば、ＮＯｘ触媒３８によるＮＯｘ吸蔵能を回復することができる（いわゆる硫黄パージ、以下、Ｓパージともいう）。
【００４７】
一方、ＮＯｘ触媒３８は、高温の排気ガスに曝されて徐々にＮＯｘ吸蔵能が低下するいわゆる熱劣化を起こすが、この場合には前記硫黄被毒の場合のようにＮＯｘ吸蔵能を回復させることはできないので、劣化の程度が大きくなれば新しいものに交換する必要がある。
【００４８】
そこで、この実施形態では、エンジン１の運転中に、ＮＯｘ触媒３８よりも下流の排気通路３４に配設したＮＯｘ濃度センサ４３からの信号に基づいて、ＮＯｘ触媒３８の劣化の状態を判定し、該触媒３８の劣化が主に硫黄被毒に因るものである場合にはＳパージを行って触媒３８のＮＯｘ吸蔵能を回復させるようにし、また、ＮＯｘ吸蔵触媒３８が主に熱劣化を起こしているときにはそのことを報知して、触媒３８の交換を促すようにしている。
【００４９】
以下、前記ＥＣＵ５０によるエンジン１の具体的な制御手順について、図５〜図９に示すフローチャート図に基づいて説明する。
【００５０】
まず、図５に示すメインフローにおいてスタート後のステップＳＡ１では、クランク角センサ９、水温センサ１１、カム角センサ１６、エアフローセンサ２７、酸素濃度センサ４０、アクセル開度センサ５１、回転速度センサ５２等からの出力信号を入力し、さらにＥＣＵ５０のＲＡＭに一時的に保存されているデータを読み込む。続いて、ステップＳＡ２において、エンジン１の目標トルクとエンジン回転速度とに基づいて、図３の如き制御マップからエンジン１の現在の運転モードを決定する。尚、目標トルクは、エンジン１の負荷状態に対応するものであり、例えば、回転速度センサ５２により検出されたエンジン回転速度とアクセル開度センサ５１により検出されたアクセル開度とに基づいて、予め実験的に設定したマップから読み出すようにすればよい。
【００５１】
続いて、ステップＳＡ３において成層燃焼モードかどうか判定する。この判定がＮＯで均一燃焼モードであればステップＳＡ４に進んで、エンジン１が均一燃焼状態になるようにインジェクタ２０やスロットル弁２８等を制御し、しかる後にリターンする一方、判定がＹＥＳで成層燃焼モードであれば、ステップＳＡ５に進み、今度は、ＮＯｘパージモードとする条件が成立したかどうか判定する。この判定は、例えば、ＮＯｘ濃度センサ４３により検出されるＮＯｘ濃度が設定値を超えたときに、その後の所定時間、エンジン１が継続してリッチ運転されるまでの間、ＮＯｘパージモード条件が成立しているとすればよい。
【００５２】
そして、ＮＯｘパージモード条件が成立でＹＥＳであれば、ステップＳＡ６に進んで、エンジン１が理論空燃比又はそれよりもリッチな空燃比（例えばＡ／Ｆ＝１２．０〜１４．７）で均一燃焼状態になるように、インジェクタ２０やスロットル弁２８等を制御することによってＮＯｘパージを行い、しかる後に、リターンする。一方、前記ステップＳＡ５においてＮＯｘパージモード条件が不成立でＮＯと判定すれば、ステップＳＡ７に進む。
【００５３】
ステップＳＡ７では、Ｓパージモードとする条件が成立したかどうか判定する。この判定の具体的な内容については後述するが、Ｓパージモード条件成立でＹＥＳと判定すればステップＳＡ８に進んで、エンジン１が均一燃焼状態になるようにインジェクタ２０やスロットル弁２８等を制御するとともに、混合気の空燃比を理論空燃比又はそれよりもリッチにし且つ点火時期を大幅にリタードさせて、排気ガスの空燃比状態をリッチ化しながらその温度を大幅に高めて（Ｓパージ実行）、しかる後に、リターンする。このことで、ＮＯｘ触媒３８の温度が所定以上の高温に維持され、リッチ雰囲気下でバリウムからのＳＯｘの離脱が促進される。
【００５４】
一方、前記ステップＳＡ７においてＳパージモード条件が不成立でＮＯと判定すれば、ステップＳＡ９に進んで、エンジン１が成層燃焼状態になるようにインジェクタ２０やスロットル弁２８等を制御し、しかる後にリターンする。
【００５５】
（ＮＯｘ触媒の劣化状態の判定）
次に、前記メインフローのステップＳＡ７におけるＳパージモードの実行条件について説明する。まず、図６に示すフローは、ＮＯｘ触媒３８の硫黄被毒の判定を正確に行うための条件を判定するものであって、スタート後のステップＳＢ１では、エンジン１がＮＯｘパージモードから成層燃焼モードへ移行してから所定の期間内であるかどうか判定する。すなわち、この実施形態では、ＮＯｘ触媒３８が吸蔵したＮＯｘの放出を完了して、排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときにのみ、該ＮＯｘ触媒３８の硫黄被毒を判定するようにしている。
【００５６】
前記ステップＳＢ１における判定がＮＯであれば、硫黄被毒の判定の条件が成立していないとういうことで、ステッップＳＢ８に進み、硫黄被毒の判定条件成立を示すフラグＦ１をオフにする（Ｆ１←０）。一方、ステップＳＢ１における判定がＹＥＳならばステップＳＢ２に進んで、今度はエンジン水温が所定値以上であるかどうか判定する。これはエンジン１の暖機を確認するためのものであり、例えばエンジン水温が４５°Ｃ以下であれば（判定がＮＯ）前記ステップＳＢ８に進む一方、それよりもエンジン水温が高ければステップＳＢ３に進む。
【００５７】
ステップＳＢ３では、エンジン回転速度が所定値以下であるかどうか判定し、この判定がＮＯであれば前記ステッップＳＢ８に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＢ４に進んで、エンジン１の目標トルクが所定値以下であるかどうか判定する。この判定がＮＯであれば前記ステッップＳＢ８に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＢ５に進む。すなわち、エンジン１の目標トルク又は回転速度の少なくとも一方が所定以上に高くて、排気ガスの流量がある程度以上、多いときには、ＮＯｘ濃度センサ４３による検出値の精度がやや低くなると考えられるので、このときには硫黄被毒の判定は行わない。
【００５８】
ステップＳＢ５では、排気温度センサ４２からの出力に基づいて、ＮＯｘ触媒３８の温度が活性の高い所定の温度範囲にあるかどうか判定し、この判定がＮＯであれば前記ステッップＳＢ８に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＢ６に進んで、今度はエンジン１が加速運転以外かどうか判定する。この判定がＮＯであれば前記ステッップＳＢ８に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＢ７に進んで、硫黄被毒の判定条件が成立したとして、前記フラグＦ１をオンにする（Ｆ１←１）。尚、加速運転時に判定を行わないようにするのは、エンジン１の運転状態が大きく変化するときには、排気ガスの流量やその内部のガス成分濃度も過渡的に大きく変動し、ＮＯｘ濃度センサ４３による検出値の精度がやや低くなると考えられるからである。
【００５９】
次に、図７に示すフローは、前記の硫黄被毒判定条件の成立を前提として、実際にＮＯｘ触媒３８の硫黄被毒の状況を判定する手順を示すものであり、まず、スタート後のステップＳＣ１において、前記フラグＦ１の値を読み込んで、硫黄被毒判定条件の成立を判定する。そして、フラグＦ１がオフ（Ｆ１＝０）でＮＯであればステップＳＣ８に進み、ＮＯｘ触媒３８の硫黄被毒を示すフラグＦ２をオフにして（Ｆ２←０）、しかる後にリターンする。一方、前記ステップＳＣ１の判定がＹＥＳならば、ステップＳＣ２に進んでＮＯｘ濃度センサ４３の出力を読み込み、続くステップＳＣ３において該ＮＯｘ濃度センサ４３の出力値の時間変化率（ＮＯｘ濃度の時間変化率）を演算する。具体的にはセンサ出力の今回値から前回値を減算すればよい。
【００６０】
続いて、ステップＳＣ４において、ＮＯｘ濃度センサ４３からの出力に基づいてＮＯｘ触媒３８の劣化を判定する。すなわち、エンジン１がＮＯｘパージモードから成層燃焼モードに移行してから、その後、最初にＮＯｘ濃度センサ４３の検出値が所定値を超えるまでの時間を測定し、この測定時間が予め設定した時間よりも短いときに、ＮＯｘ触媒３８が劣化していると判定する（ＹＥＳ）。そして、このときにはステップＳＣ５に進んで、今度は、前記ステップＳＣ３にて演算したＮＯｘ濃度の時間変化率が予め設定した第１基準値（設定基準値）以上かどうか判定する。この判定がＮＯであれば前記ステップＳＣ８に進む一方、判定がＹＥＳならば、ステップＳＣ６に進んで前記フラグＦ２をオンにして（Ｆ２←１）、しかる後にリターンする。
【００６１】
すなわち、ＮＯｘ触媒３８が劣化した場合、図１０に一例を示すように、エンジン１の運転状態がリッチ運転からリーン運転に切り換わって、ＮＯｘ触媒３８が排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、その後、該触媒３８の下流でＮＯｘ濃度が増大し始めるまでの時間が短くなる。この際、図に破線で示す熱劣化の場合と一点差線で示す硫黄被毒の場合とを比較すると、いずれも新品の触媒（図に実線で示す）よりも早くＮＯｘ濃度が増大しているものの、その増大変化の様子は明らかに異なっていて、硫黄被毒の場合のＮＯｘ濃度の立ち上がりが熱劣化の場合と比べて急峻なものとなる。
【００６２】
言い換えると、ＮＯｘ触媒３８が吸蔵したＮＯｘの放出を完了して、排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、触媒下流の排気ガス中のＮＯｘ濃度の時間変化率は、硫黄被毒の場合の方が熱劣化の場合よりも明確に大きくなるから、この実施形態では、両者を区別できるように第１基準値を設定して、前記ステップＳＣ３の如くＮＯｘ濃度の時間変化率が第１基準値以上のときには触媒３８の劣化原因が主に硫黄被毒によると判定し、一方、ＮＯｘ濃度の時間変化率が第１基準値よりも小さいときには硫黄被毒ではない（熱劣化である）と判定するようにしている。
【００６３】
これに対し、前記ステップＳＣ４において、ＮＯｘ触媒３８が劣化していないＮＯと判定すれば、ステップＳＣ７に進んで、前記ステップＳＣ３にて演算したＮＯｘ濃度の時間変化率が前記第１基準値（ステップＳＣ５）よりも大きな第２基準値（別の設定値）以上かどうか判定する。この判定がＮＯであれば前記ステップＳＣ８に進む一方、判定がＹＥＳならば前記ステップＳＣ７に進む。すなわち、ＮＯｘ触媒３８の劣化が判定されないときであっても、該ＮＯｘ触媒３８がＮＯｘパージの後に排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、その触媒下流のＮＯｘ濃度の時間変化率が非常に大きいときには、ＮＯｘ触媒３８の硫黄被毒を判定して、後述の如くＳパージを行うようにしている。
【００６４】
次に、図８に示すフローは、エンジン１がＳパージを実行可能な状態にあるかどうか判定する手順を示し、スタート後のステップＳＤ１では、エンジン水温が所定値以上であるかどうか判定する。この判定がＮＯであればステッップＳＤ６に進んで、Ｓパージの実行条件の成立を示すフラグＦ３をオフにし（Ｆ３←０）、しかる後にリターンする一方、判定がＹＥＳならばステップＳＤ２に進んで、エンジン回転速度が所定値以上であるかどうか判定する。この判定がＮＯであれば前記ステッップＳＤ６に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＤ３に進む。
【００６５】
ステップＳＤ３では、エンジン１の目標トルクが所定値以上であるかどうか判定し、この判定がＮＯであれば前記ステッップＳＤ６に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＤ４に進んで、今度は車速が所定値以上であるかどうか判定する。そして、その判定がＮＯであれば前記ステッップＳＤ６に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＤ５に進んで、Ｓパージの実行条件が成立したとして、前記フラグＦ３をオンにし（Ｆ３←１）、しかる後にリターンする。
【００６６】
つまり、エンジン１が完全に暖機されていて（例えばエンジン水温が８０°Ｃ以上）ＮＯｘ触媒３８の温度が比較的高く、且つエンジン１の目標トルク乃至エンジン回転速度が高くて排気ガスの流量が比較的多い状態であり、さらに、比較的車速の高い状態のときに、Ｓパージの実行が可能であると判定する。
【００６７】
そして、前記図７に示すフローにおいてＮＯｘ触媒３８の硫黄被毒が判定されて、フラグＦ２がオンになり（Ｆ２←１）、しかも、図８に示すフローにおいてＳパージを実行可能と判定されて、フラグＦ３もオンになれば（Ｆ３←１）、このときに前記図５のメインフローのステップＳＡ７においてＳパージモード条件が成立（ＹＥＳ）と判定して、エンジン１をＳパージモードで運転することになり、これによりＮＯｘ触媒３８の硫黄被毒が軽減乃至解消されて、ＮＯｘ吸蔵能が回復する。
【００６８】
次に、図９に示すフローは、ＮＯｘ触媒３８の劣化を検出して、これに応じて車両の乗員に報知を行う手順を示し、スタート後のステップＳＥ１では、前記図７に示すフローのステップＳＣ４と同様にしてＮＯｘ触媒３８の劣化を判定する。この判定がＮＯであればステッップＳＥ５に進み、乗員への報知を行わないでリターンする。この報知の方法としては、例えば車両のインストルメントパネルに配設した劣化報知ランプ（図示せず）を点灯させるようにすればよい。
【００６９】
一方、前記ステップＳＥ１においてＮＯｘ触媒３８の劣化を判定したときには（判定がＹＥＳ）、続くステッップＳＥ２においてＮＯｘ触媒３８の硫黄被毒を判定する。この判定は、前記図７に示すフローのステップＳＣ６やＳＣ８において設定されるフラグＦ２の値に基づいて行われ、フラグＦ２がオフ（Ｆ２＝０）で判定がＹＥＳであればステップＳＥ３に進んで、報知を行い（例えば劣化報知ランプを点灯させる）、しかる後にリターンする。また、前記ステップＳＥ２においてフラグＦ２がオン（Ｆ２＝１）で判定がＮＯであればステッップＳＥ４に進んで、今度は、前回の制御サイクルにおいてＳパージモードの制御を行ったかどうか判定する。この判定がＮＯであれば前記ステッップＳＥ５に進む一方、判定がＹＥＳであれば前記ステップＳＥ３に進んで乗員への報知を行い、しかる後にリターンする。
【００７０】
つまり、ＮＯｘ触媒３８の劣化が検出され、且つその主原因が硫黄被毒ではないと判定されたときには、ＮＯｘ触媒３８は熱劣化していて、ＮＯｘ吸蔵能を回復させることは難しいから、そのことを車両の乗員に報知して、ＮＯｘ触媒３８の交換を促すようにする。一方、ＮＯｘ触媒３８の劣化が主に硫黄被毒によると判定すれば直ちに報知を行うことはないが、そのときでもＳパージを行った後にさらに触媒の劣化が検出されたときには、報知を行う。
【００７１】
上述した図５〜図９のフローチャートの制御手順は、ＥＣＵ５０のメモリに電子的に格納されている複数のプログラムがそれぞれＣＰＵにより実行されることによって実現されるものであり、このことで、前記ＥＣＵ５０は、以下の発明の構成要件をソフトウエア的に備えている。
【００７２】
すなわち、図７に示すフローのステップＳＣ４と、図９に示すフローのステップＳＥ１とによって、それぞれ、ＮＯｘ触媒３８が吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、ＮＯｘ濃度センサ４３からの信号に基づいて当該ＮＯｘ触媒３８の劣化を検出する触媒劣化検出手段５０ａが構成されている。
【００７３】
また、前記図７のフローのステップＳＣ５によって、前記の如くＮＯｘ触媒３８の劣化が検出された場合に、その触媒３８が吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、ＮＯｘ濃度センサ４３により検出されるＮＯｘ濃度の時間変化率を求めて、この時間変化率が予め設定した第１基準値以上であれば、触媒３８が硫黄被毒している（ＮＯｘ触媒３８の劣化原因における硫黄被毒の影響が大である）と判定する劣化原因判定手段５０ｂが構成されている。この劣化原因判定手段５０ｂは、ＮＯｘ濃度の時間変化率が前記第１基準値よりも小さければ、ＮＯｘ触媒３８は硫黄被毒していない（ＮＯｘ触媒３８の劣化原因における硫黄被毒の影響が小である）と判定するものである。
【００７４】
また、図５に示すフローのステップＳＡ７，ＳＡ８によって、ＮＯｘ触媒３８が硫黄被毒により劣化していると判定されたときに、当該ＮＯｘ触媒３８から硫黄成分（ＳＯｘ）の離脱を促進するようにエンジン１をＳパージモードで運転する劣化時制御手段５０ｃが構成されている。また、そのステップＳＡ７，ＳＡ８は、ＮＯｘ触媒３８が吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、ＮＯｘ濃度センサ４３により検出されるＮＯｘ濃度の時間変化率が第１基準値よりも大きい第２基準値（別の設定値）以上であれば、ＮＯｘ触媒３８からＳＯｘの離脱を促進するようにエンジン１をＳパージモードで運転する硫黄被毒軽減制御手段５０ｄをも構成している。
【００７５】
さらに、図９に示すフローのステップＳＥ３と例えば車両の劣化報知ランプとによって、ＮＯｘ触媒３８の劣化が判定され、且つ該触媒３８が硫黄被毒ではない（硫黄被毒の影響が小である）と判定されたときに、当該ＮＯｘ触媒３８の劣化を車両の乗員に報知する報知手段５０ｅが構成されている。そして、この報知手段５０ｅによれば、Ｓパージが行われてもＮＯｘ触媒３８の劣化が検出されるときには、前記劣化原因判定手段５０ｂによる判定の結果によらず、ＮＯｘ触媒３８の劣化を報知するようになっている。
【００７６】
したがって、この実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置によると、まず、エンジン１が低速低負荷側の成層燃焼領域（Ｓ）にあって、各気筒２の燃焼室６の平均的な空燃比が理論空燃比よりも大幅にリーンな状態になると、排気ガスの空燃比状態もリーン状態になり、この排気ガス中のＮＯｘがＮＯｘ触媒３８によって吸蔵される。一方、エンジン１が均一燃焼領域（Ｈ）にあって各気筒２の燃焼室６の平均的な空燃比が略理論空燃比乃至それよりもリッチな状態になると、排気ガスの空燃比状態もリッチ状態になり、このときには前記ＮＯｘ触媒３８において吸蔵されているＮＯｘが放出され、且つ還元浄化される。
【００７７】
また、エンジン１の前記成層燃焼領域（Ｓ）でのリーン運転が継続して、ＮＯｘ触媒３８におけるＮＯｘ吸蔵量が増大すると、このＮＯｘ吸蔵量の増大に応じてＮＯｘ触媒によるＮＯｘ吸蔵能が低下し、大気中へ排出される排気ガスのＮＯｘ濃度が徐々に高くなるが、ＮＯｘ濃度センサ４３による検出値が所定値以上になれば、ＮＯｘパージが行われて、ＮＯｘ触媒３８によるＮＯｘ吸蔵能の回復が図られる。
【００７８】
さらに、前記ＮＯｘパージが終了して、エンジン１がＮＯｘパージモードでのリッチ運転から成層燃焼モードでのリーン運転に移行したとき、ＮＯｘ触媒３８は吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開することになるが、このとき、所定の条件が成立していることを前提として、ＮＯｘ濃度センサ４３からの信号に基づいてＮＯｘ触媒３８の劣化が判定され、さらに、ＮＯｘ濃度の時間変化率に基づいて、ＮＯｘ触媒３８の劣化原因が主に硫黄被毒によるものか、或いは熱劣化によるものかの判定がなされる。
【００７９】
そうして、劣化の原因が主に硫黄被毒によると判定されると、所定の条件の成立を前提としてエンジン１の運転モードがＳパージモードに切換えられ、ＮＯｘ触媒３８からのＳＯｘの離脱が促進されて、当該ＮＯｘ触媒３８によるＮＯｘ吸蔵能の回復が図られる。一方、ＮＯｘ触媒３８の熱劣化が判定されると、このことが車両の乗員に報知され、ＮＯｘ触媒３８が速やかに交換されることで、排気状態の悪化が未然に防止される。
【００８０】
つまり、ＮＯｘ触媒３８の劣化を検出したときに、熱劣化であれば直ちに乗員への報知を行う一方、硫黄被毒による劣化であれば乗員への報知は行わずに、ＳパージによってＮＯｘ吸蔵能の回復を図る、というように劣化の状態に応じた適切な対処を行うようにしており、このことで、報知の煩雑さが解消される。
【００８１】
しかも、仮に、誤って熱劣化を硫黄被毒による劣化であると判定したとしても、Ｓパージの後にさらにＮＯｘ触媒３８の劣化を検出したときには直ちに報知を行うようにしているので、誤判定に起因して排気状態の悪化を招くこともない。
【００８２】
尚、本発明の構成は前記実施形態のものに限定されることはなく、その他の種々の構成をも包含するものである。一例を挙げれば、前記実施形態においてはＮＯｘ触媒３８の下流にガス成分濃度検出手段としてＮＯｘ濃度センサ４３を設け、このセンサ４３からの出力のみに基づいてＮＯｘ触媒３８の劣化を検出するようにしているが（図７のＳＣ４を参照）、これに限るものではない。すなわち、例えば、前記ＮＯｘ濃度センサ４３とは別にＮＯｘ触媒３８及び下流側三元触媒３９の間に酸素濃度センサを配設し、この酸素濃度センサとＮＯｘ触媒３８の上流の酸素濃度センサ４１とからそれぞれ出力される信号に基づいて、ＮＯｘ触媒３８の劣化を検出するようにしてもよい。
【００８３】
具体的に、排気ガスのがリーン状態で、ＮＯｘ触媒３８によりＮＯｘが吸蔵されるときには、そのために酸素が消費されることになり、反対に、リッチ状態でＮＯｘ触媒３８からＮＯｘが放出されて還元されるときには、排気ガス中の酸素濃度が増大することになる。従って、例えば、エンジン１がリーン運転とリッチ運転との間で移行したときに、ＮＯｘ触媒３８によるＮＯｘの吸蔵又は放出に伴い該触媒３８の上流側の酸素濃度センサ４１の出力と下流側の酸素濃度センサの出力との間にずれが生じる。そして、ぞのずれの大きさはＮＯｘ触媒３８によるＮＯｘ吸蔵能が大きいほど大きくなるから、前記両酸素濃度センサからの信号に基づいて、ＮＯｘ触媒３８の劣化を検出することができる。
【００８４】
また、前記実施形態では、２つのＮＯｘ触媒３８，３９を一のケーシング内に収容して、下流側の触媒コンバータ３７を構成しているが、このような構成とせずに、例えばそれぞれ別のケーシングに収容するようにしてもよいことはいうまでもない。
【００８５】
また、本願発明は、前記実施形態のような直噴ガソリンエンジン以外にも適用可能であることはいうまでもなく、気筒の平均的な空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン運転の状態と略理論空燃比乃至それよりもリッチなリッチ運転の状態とに切換えられるような内燃機関であれば、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンを問わず、前記と同様の作用効果を得ることができる。
【００８６】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置によると、ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒よりも下流側の排気通路にＮＯｘ濃度センサを配設し、触媒の劣化が検出された場合には、その触媒が吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、前記ＮＯｘ濃度センサにより検出されるＮＯｘ濃度の時間変化率に基づいて、触媒の劣化原因を判定することで、当該触媒の劣化のみならず、その劣化が熱劣化によるものか或いは硫黄被毒によるものかを判定することができる。この判定結果に基づいて、触媒の劣化状態に応じた適切な対処を行うことができる。
【００８７】
請求項２の発明によると、触媒の劣化原因における硫黄被毒の影響が大であると判定したときには、触媒から硫黄成分の離脱を促進するように内燃機関の運転状態を制御することで、触媒によるＮＯｘの吸蔵能を回復することができる。
【００８８】
請求項３の発明によると、触媒の熱劣化を判定したときにはこのことを報知して、触媒の交換により排気状態の悪化を未然に防止できる。一方、硫黄被毒による劣化を判定したときには報知を行わないことで、報知の煩雑さを解消できる。
【００８９】
請求項４の発明によると、仮に、硫黄被毒による劣化と誤判定したとしても、さらに触媒の劣化を検出したときには報知を行うことによって、誤判定に起因する排気状態の悪化を防止できる。
【００９０】
請求項５の発明によると、触媒の劣化が検出されないときであっても、該触媒の硫黄被毒が判定されれば、触媒からの硫黄成分の離脱を促進するように内燃機関の運転状態を制御して、触媒のＮＯｘ吸蔵能を回復することができる。
【００９１】
請求項６の発明によると、触媒の下流に配設したＮＯｘ濃度センサからの信号に基づいて、触媒の劣化を検出することができる。
【００９２】
請求項７の発明によると、触媒の上流側及び下流側にそれぞれ配設した酸素濃度センサからの信号に基づいて、触媒の劣化を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関の制御システムの全体構成を示す図である。
【図２】ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの吸蔵、放出のメカニズムの説明図である。
【図３】エンジンを成層燃焼状態又は均一燃焼状態とする運転領域をそれぞれ設定した制御マップの一例を示す図である。
【図４】排気ガスがリッチ状態からリーン状態に切り換わった後、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量とその下流のＮＯｘ濃度との変化を対応付けて示した説明図である。
【図５】エンジン制御の概要を示すメインフローのフローチャート図である。
【図６】硫黄被毒の判定条件の成立を判定する制御のフローチャート図である。
【図７】硫黄被毒を判定する制御のフローチャート図である。
【図８】Ｓパージの実行条件を判定する制御のフローチャート図である。
【図９】ＮＯｘ触媒の劣化を報知する制御のフローチャート図である。
【図１０】ＮＯｘ触媒が吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、その下流のＮＯｘ濃度が変化する様子を、熱劣化の場合と硫黄被毒の場合とで対比して示した説明図である。
【符号の説明】
１　　　エンジン（内燃機関）
３４　　排気通路
３８　　ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒）
４１　　酸素濃度センサ
４３　　ＮＯｘ濃度センサ
５０　　ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
５０ａ　触媒劣化検出手段
５０ｂ　劣化原因判定手段
５０ｃ　劣化時制御手段
５０ｄ　硫黄被毒軽減制御手段
５０ｅ　報知手段

Claims

内燃機関の排気通路に配設され、排気ガスの空燃比状態が理論空燃比に対応する状態よりもリーンな状態のときにＮＯｘを吸蔵する一方、吸蔵したＮＯｘを空燃比状態のリッチ化に応じて放出し且つ還元浄化するＮＯｘ吸蔵タイプの触媒と、
前記触媒よりも下流側の排気通路で排気ガス中の所定ガス成分の濃度を検出するガス成分濃度検出手段と、
少なくとも前記ガス成分濃度検出手段による検出値に基づいて、触媒の劣化を検出する触媒劣化検出手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記触媒よりも下流側の排気通路に配設されて、排気ガス中のＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘ濃度センサと、
前記触媒劣化検出手段により触媒の劣化が検出された場合に、その触媒が吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、前記ＮＯｘ濃度センサにより検出されるＮＯｘ濃度の時間変化率を求めて、この時間変化率が予め設定した基準値以上であれば、触媒の劣化原因における硫黄被毒の影響が大であると判定する劣化原因判定手段とを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１において、
劣化原因判定手段により触媒の劣化原因における硫黄被毒の影響が大であると判定されたとき、触媒から硫黄成分の離脱を促進するように内燃機関の運転状態を制御する劣化時制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項２において、
劣化原因判定手段は、触媒が吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、ＮＯｘ濃度センサにより検出されるＮＯｘ濃度の時間変化率が設定基準値よりも小さければ、触媒の劣化原因における硫黄被毒の影響が小であると判定するものであり、
触媒劣化検出手段により触媒の劣化が検出され、且つ前記劣化原因判定手段により硫黄被毒の影響が小であると判定されたときに、該触媒の劣化を報知する報知手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項３において、
報知手段は、劣化時制御手段による内燃機関の制御が行われた後も、触媒劣化検出手段により触媒の劣化が検出されるときには、劣化原因判定手段による判定の結果によらず触媒の劣化を報知するように構成されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１において、
触媒が吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、ＮＯｘ濃度センサにより検出されるＮＯｘ濃度の時間変化率が設定基準値よりも大きい別の設定値以上であれば、触媒から硫黄成分の離脱を促進するように内燃機関の運転状態を制御する硫黄被毒軽減制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１において、
ＮＯｘ濃度センサがガス成分濃度検出手段であり、
触媒劣化検出手段は、触媒が吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、前記ＮＯｘ濃度センサからの信号に基づいて触媒の劣化を検出するように構成されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１において、
ガス成分濃度検出手段は、触媒よりも下流側の排気通路に配設された酸素濃度センサであり、
前記触媒よりも上流側の排気通路にも酸素濃度センサが配設され、
触媒劣化検出手段は、前記触媒の上流側及び下流側の酸素濃度センサからの信号に基づいて、触媒の劣化を検出するように構成されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。