JP2004092607A - 排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＮＯｘ浄化装置の機能状態を、精度良く診断することが出来る排気浄化装置を提供すること。
【解決手段】燃焼手段から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路２２に、ＮＯｘ浄化手段２５と、ＮＯｘ浄化手段２５の下流側に排気ガス中のＮＯｘを検出する検出素子と検出素子を覆う金属製のカバーからなるＮＯｘセンサ２６が配置され、ＮＯｘセンサ２６の出力値に基づいて、ＮＯｘ浄化手段２５の機能状態を診断する診断手段が備えられたもので、ＮＯｘ浄化手段２５の下流側に、酸素濃度検出手段２４が備えられ、酸素濃度検出手段２４により検出される酸素濃度が少なくとも０．２ないし０．５％の所定範囲内にある時のＮＯｘ浄化手段２５の機能状態が、酸素濃度が上記所定範囲外にある時のＮＯｘセンサ２６の出力値に基づいて診断されることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】燃焼手段から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路２２に、ＮＯｘ浄化手段２５と、ＮＯｘ浄化手段２５の下流側に排気ガス中のＮＯｘを検出する検出素子と検出素子を覆う金属製のカバーからなるＮＯｘセンサ２６が配置され、ＮＯｘセンサ２６の出力値に基づいて、ＮＯｘ浄化手段２５の機能状態を診断する診断手段が備えられたもので、ＮＯｘ浄化手段２５の下流側に、酸素濃度検出手段２４が備えられ、酸素濃度検出手段２４により検出される酸素濃度が少なくとも０．２ないし０．５％の所定範囲内にある時のＮＯｘ浄化手段２５の機能状態が、酸素濃度が上記所定範囲外にある時のＮＯｘセンサ２６の出力値に基づいて診断されることを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン等の燃焼手段から排出される排気ガスからＮＯｘ（窒素酸化物）を除去するための排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
排気ガス中のＮＯｘを低減する方法として、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス再循環（ＥＧＲ）制御や点火時期を遅角させる点火時期制御等のＮＯｘ量制御手段による方法のほかに、排気ガス中の酸素濃度が高い状態で排気ガス中のＮＯｘを吸着し、排気ガス中の酸素濃度が低くなると吸着していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着触媒などのＮＯｘ浄化手段による方法が知られている。
このうち、ＮＯｘ吸着触媒などのＮＯｘ浄化手段には、ＮＯｘ吸着量に限界があり、ＮＯｘ浄化手段が飽和量までＮＯｘを吸着すると、エンジンをリーンバーンによる運転状態から、理論空燃比近傍での運転状態に移行する等して排気ガス中の酸素濃度を低下させ、ＮＯｘ浄化手段からＮＯｘを放出させるとともに、これを還元して浄化する処理が行われるとともに、ＮＯｘ浄化手段の下流側に設けられたＮＯｘセンサによって下流側のＮＯｘ量を検出し、この検出結果に基づいて、ＮＯｘ浄化手段の劣化状態を診断する装置が知られている（特開２０００−３３７１３１）。
【０００３】
しかし、理論空燃比近傍の酸素濃度の領域では、ＮＯｘセンサに設けられたＮＯｘを検出する検出素子を保護するための金属カバーに含まれる金属が、触媒として作用し、検出すべきＮＯｘを排気ガス中に含まれるＣＯ、Ｈ２、ＨＣ等の還元剤と反応させてしまい、上記検出素子に到達するＮＯｘが減少すること等により、ＮＯｘセンサによるＮＯｘ検出の精度が低下し、延いては上記浄化手段の劣化や故障といった機能状態の診断の精度が低下するという問題があった。
【０００４】
上記問題を解消するため、本出願人らは、上記ＮＯｘセンサによりＮＯｘ浄化手段の劣化を診断する場合には、ＮＯｘ検出の精度が高い、理論空燃比よりもリッチ状態の空燃比へ移行させて劣化診断を実施する排気浄化装置を提案している（特願２００２−１７３９８４号参照）。
【０００５】
しかし、上記提案によれば、吸着したＮＯｘを放出するため、リーンバーンによる運転状態から、上記劣化診断のための酸素濃度領域へ移行する際、ＮＯｘ検出の精度が低下する理論空燃比近傍での運転状態を経由するため、この運転状態においてＮＯｘの検出精度が低下し、その結果、上記劣化診断の精度が低下することとなり、この点でさらなる改善が要求されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような状況においてなされたものであり、ＮＯｘ浄化装置の機能状態を、精度良く診断することが出来る排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第１の構成による排気浄化装置は、燃焼手段から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路と、該排気ガス通路に配置され、排気ガス中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化手段と、該ＮＯｘ浄化手段の下流側に配置され、上記排気ガス中のＮＯｘを検出する検出素子と該検出素子を覆う金属製のカバーからなるＮＯｘセンサと、該ＮＯｘセンサの出力値に基づいて、上記ＮＯｘ浄化手段の機能状態を診断する診断手段と、を備えた排気浄化装置であって、上記ＮＯｘ浄化手段の下流側で、上記ＮＯｘセンサに到達する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段が備えられ、該酸素濃度検出手段により検出される上記酸素濃度が少なくとも０．２ないし０．５％の所定範囲内にある時の上記ＮＯｘ浄化手段の機能状態が、上記酸素濃度が上記所定範囲外にある時の上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて診断されるものである。
【０００８】
上記構成によれば、ＮＯｘ浄化手段からＮＯｘを放出させるとともに、劣化等の機能状態を診断するため、エンジンをリーンバーンによる運転状態から、劣化診断のための酸素濃度領域へ移行させる際、ＮＯｘセンサによるＮＯｘ検出の精度が低下する理論空燃比近傍の酸素濃度が０．２％ないし０．５％の所定範囲内にある時のＮＯｘセンサの出力値は用いず、ＮＯｘ検出の精度が高い上記所定範囲外のＮＯｘセンサの出力値に基づいて、上記ＮＯｘ浄化手段の劣化などの機能状態が診断されることとなるので、ＮＯｘ浄化手段の機能状態を、精度良く診断することが出来る。
【０００９】
本発明の第２の構成による排気浄化装置は、上記ＮＯｘ浄化手段が、排気ガス中の酸素濃度に応じてＮＯｘを吸着または放出するＮＯｘ吸着触媒であるとともに、上記排気ガス中の酸素濃度又は還元剤濃度を制御する、還元剤制御手段が備えられ、該還元剤制御手段により、上記ＮＯｘ吸着触媒に吸着されたＮＯｘが排気ガス中に放出されるよう、排気ガス中の酸素濃度を減少、又は還元剤濃度を増量された後、上記酸素濃度検出手段により検出される排気ガス中の酸素濃度が上記所定範囲の下限値である０．２％以下にある時の上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて上記ＮＯｘ吸着触媒の機能状態が診断されるものである。
【００１０】
上記構成によれば、燃料を増量して、リーンバーン運転状態からリッチ状態の運転状態へ移行するリッチスパイク制御などの還元剤制御手段により、排気ガス中の酸素濃度を減少、又はＨＣなどの還元剤濃度を増量しても、ＮＯｘセンサ取付け部の酸素濃度が、直ちに、所望の領域まで低下せず、ＮＯｘ検出精度が低い所定範囲内に留まる時間にばらつきがあるＮＯｘ吸着触媒に対しても、酸素濃度が上記所定範囲の下限値以下となってからＮＯｘセンサの出力値が計測されるため、ばらつきの影響を受けることなく、ＮＯｘ吸着触媒の機能状態を、簡単な制御で、精度良く診断することが出来る。
【００１１】
本発明の第３の構成による排気浄化装置は、燃焼手段から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路と、該排気ガス通路に配置され、上記排気ガス中のＮＯｘを検出する検出素子と該検出素子を覆う金属製のカバーからなるＮＯｘセンサと、上記燃焼手段から排出される排気ガス中のＮＯｘ量を制御するＮＯｘ量制御手段と、上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて、上記ＮＯｘ量制御手段の機能状態を診断する診断手段と、を備えた排気浄化装置であって、上記ＮＯｘセンサに到達する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段が備えられ、該酸素濃度検出手段により検出される上記酸素濃度が所定範囲内にある時の上記ＮＯｘ量制御手段の機能状態が、上記酸素濃度が上記所定範囲外にある時の上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて診断されるものである。
【００１２】
上記構成によれば、排気ガス中の酸素濃度が、ＮＯｘセンサの検出精度が高い上記所定範囲外にある時のＮＯｘセンサの出力値に基づいて、排気ガス中のＮＯｘ量を制御する点火時期制御手段、ＥＧＲ制御手段等のＮＯｘ量制御手段の故障などの機能状態が、診断されることとなるので、ＮＯｘ量制御手段の機能状態を、精度良く診断することが出来る。
【００１３】
本発明の第４の構成による排気浄化装置は、上記排気ガス中の酸素濃度の所定範囲内が、０．２％ないし０．５％であるものとされている。
【００１４】
上記構成によれば、排気ガス中の酸素濃度が、ＮＯｘセンサの金属カバーに含まれる金属による触媒作用を生じない範囲にある時のＮＯｘセンサの出力値に基づいて、ＮＯｘ量制御手段の機能状態が、診断されることとなるので、ＮＯｘ量制御手段の機能状態を、精度良く診断することが出来る。
【００１５】
本発明の第５の構成による排気浄化装置は、上記排気ガス中の酸素濃度の所定範囲内が、０．２％以上、又は０．１％以上、又は０％以上、のいずれかであるものとされている。
【００１６】
上記構成によれば、排気ガス中の酸素濃度が、ＮＯｘセンサの金属カバーに含まれる金属による触媒作用を生じない範囲にある時のＮＯｘセンサの出力値に基づいて、ＮＯｘ量制御手段の機能状態が、診断されることとなるので、ＮＯｘ量制御手段の機能状態を、精度良く診断することが出来るとともに、上記所定範囲の判定が、下限値のみによって実施されるので制御を簡単化することが出来る。
【００１７】
本発明の第６の構成による排気浄化装置は、上記排気ガス中の酸素濃度の所定範囲内が、０．５％以下、又は０．６％以下、のいずれかであるものとされている。
【００１８】
上記構成によれば、排気ガス中の酸素濃度が、ＮＯｘセンサの金属カバーに含まれる金属による触媒作用を生じない範囲にある時のＮＯｘセンサの出力値に基づいて、ＮＯｘ量制御手段の機能状態が、診断されることとなるので、ＮＯｘ量制御手段の機能状態を、精度良く診断することが出来るとともに、上記所定範囲の判定が、上限値のみによって実施されるので制御を簡単化することが出来る。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ＮＯｘ浄化装置の機能状態を、精度良く診断することが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をＮＯｘ浄化手段の劣化診断に適用した場合の第１の実施形態について、添付図面に基づいて説明する。
【００２１】
エンジンシステム１００は、本発明に係る実施形態の排気浄化装置を備えたエンジンシステムの概略構成図である図１に示されるように、燃焼手段であるエンジン本体１を備えている。このエンジンシステムでは、所定の運転状態で、空燃比が１４．７より高く設定されるリーンバーン運転が行なわれる。エンジン本体１は、複数の気筒２（１本のみを図示する）と、この気筒２内に往復動可能に配置されたピストン３とを備え、気筒２とピストン３とによって燃焼室４が形成されている。燃焼室４の上部には、点火回路５に接続された点火プラグ６が燃焼室４に臨むように取付けられ、さらに、燃焼室４に燃料を直接噴射するインジェクタ７が取り付けられている。
【００２２】
このインジェクタ７には、高圧燃料ポンプ、プレッシャレギュレータ等を有する燃料供給回路が接続されている。この燃料供給回路によって燃料タンクからの燃料が適正な圧力に調整されてインジェクタ７に供給される。また、燃料供給回路には、燃料圧力を検出する燃圧センサ８が取付けられている。
【００２３】
燃焼室４は、吸気弁９が設けられた吸気ポートを介して吸気通路１０に連通している。この吸気通路１０には、その上流側から順に、吸気を濾過するエアクリーナ１１と、吸入空気量を検出するエアフローメータ１２と、吸気通路１０を絞る電気式スロットル弁１３と、サージタンク１４とが設けられている。電気式スロットル弁１３は、モータ１５により開閉駆動されるように構成されている。さらに、電気式スロットル弁１３の近傍には、その開度を検出するスロットル開度センサ１６が配置され、また、サージタンク１４には、吸気圧を検出する吸気圧センサ１７が取付けられている。
【００２４】
吸気通路１０は、サージタンク１４より下流の部分が、気筒毎に分岐した独立通路とされている。各独立通路の下流端部は、２つに分割され、それぞれが同一気筒の吸気ポートに連結され、その一方にスワール弁１８が設けられている。このスワール弁１８は、アクチュエータ１９によって駆動される。スワール弁１８が閉じると、吸気は他方の分岐通路のみから燃焼室４に供給され、燃焼室４内に強い吸気スワールが生成される。また、スワール弁１８の近傍には、スワール弁１８の開度を検出するスワール弁開度センサ２０が設けられている。
【００２５】
燃焼室４には、排気弁２１が設けられた排気ポートを介して排気通路２２が接続され、各気筒からの排気通路２２は下流側で合流している。合流した排気通路２２には、上流側から順に、排気ガス中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化手段２５と、ＮＯｘセンサ２６と、ＮＯｘセンサ２６取付け部の排気ガス中の酸素濃度を検出する、例えば酸素濃度センサ（Ｏ２センサ）のような酸素濃度検出手段２４が設けられている。なお、酸素濃度検出手段２４は、直接、酸素濃度を検出する酸素濃度センサにかえて、各種検出信号から酸素濃度を推定するものであっても良い。
【００２６】
このうち、ＮＯｘ浄化手段２５は、ＮＯｘ吸着触媒、又は三元触媒、又は吸着剤のいずれかからなり、例えば、ＮＯｘ吸着触媒は、リーンバーン運転などの排気ガス中の酸素濃度が高い状態でＮＯｘを吸着し、酸素濃度が低い状態になると吸着していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着材と、ＮＯｘ吸着材から放出されたＮＯｘを還元浄化させる触媒金属（貴金属）とを備えたＮＯｘ吸収還元タイプのＮＯｘトラップ触媒である。
【００２７】
また、ＮＯｘ吸着触媒は、コージェライト製のハニカム構造の担体を備え、この担体に形成された各貫通孔の壁面には、内側触媒層がコーティングされ、内側触媒層上に外側触媒層がコーティングされている。
【００２８】
ＮＯｘ吸収機能を備える内側触媒層では、白金等の貴金属とＢａ等のＮＯｘ吸収材とが、多孔質材料であるアルミナ、セリア等のサポート材に担持されている。また、ＮＯｘ還元機能を備える外側触媒層には、白金、ロジウム等の触媒金属と、場合によっては、Ｂａ等のＮＯｘ吸収材とが、多孔質材料であるゼオライト等のサポート材に担持されている。
【００２９】
このＮＯｘ吸着触媒のようなＮＯｘ浄化手段２５のＮＯｘ吸着量には限界がある。本実施形態によれば、ＮＯｘセンサ２６による排気ガス中のＮＯｘ検出値が所定のしきい値を越えると、ＮＯｘ浄化手段２５のＮＯｘ吸着が飽和に達したと判定し、排気ガス中の酸素濃度を低下させＮＯｘ吸着材からＮＯｘを放出させる還元剤制御手段による処理（リッチスパイク処理）を行うように構成されている。
【００３０】
ＮＯｘセンサ２６は、本発明に係る実施形態のＮＯｘセンサの構成を示す断面図である、図２に示されるように、第１カバー２６ａおよび第２カバー２６ｂに覆われた検出素子２６ｃを備えている。検出素子２６ｃは、排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じた出力を生じさせる。第１カバー２６ａと第２カバー２６ｂは、検出素子を熱衝撃、排気ガス中の不純物から保護する機能を有し、Ｆｅ等を含む金属で構成されている。また、第１カバー２６ａと第２カバー２６ｂとのそれぞれには、相互にオフセットした開口部２６ｄ、２６ｅが形成され、矢印Ａで示されるように、検出素子２６ｃに排気ガスが導入されるように構成されている。
【００３１】
そして、Ｆｅ等を含む金属で作られたカバーを備えたＮＯｘセンサ２６では、本発明に係る同一のＮＯｘ濃度における、酸素濃度とＮＯｘセンサの出力値との関係を示す図である、図４に示されるように、排気ガス中のＮＯｘ濃度が同一であっても、酸素濃度が所定範囲内にある時には、排気ガス中にあるＮＯｘと還元剤であるＨＣ等が反応し、Ｎ２やＯ２に化学変化するため、ＮＯｘセンサ２６の出力値が変動する。
ＮＯｘセンサの出力値は、酸素濃度が０％（空燃比１４．０程度の場合の排気ガスに相当）ないし０．６％（空燃比１４．８程度の場合の排気ガスに相当）の間で低下しており、酸素濃度０．４％（空燃比１４．６程度の排気ガスに相当）近傍で最も低くなる。
【００３２】
排気通路２２には、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ通路２７の上流端が、ＮＯｘ浄化手段２５の上流側位置に接続されている。ＥＧＲ通路２７の下流端は、スロットル弁１３とサージタンク１４との間で吸気通路１０に接続されている。また、ＥＧＲ通路２７には、開度が電気的に調整可能であるＥＧＲ弁２８と、ＥＧＲ弁２８のリフト量を検出するリフトセンサ２９とが設けられ、これらにより排気還流手段が構成されている。
【００３３】
更に、排気通路２２には、吸気の一部を、吸気通路１０からＮＯｘ浄化手段２５の上流側位置に送り込む２次エア供給通路３０が接続されている。この２次エア供給通路３０には、制御可能な流量調整弁３１が設けられている。
【００３４】
エンジンシステム１００は、さらに、システム全体の制御を行うＥＣＵ（電子制御ユニット）３２を備えている。このＥＣＵ３２には、エアフローセンサ１２、スロットル開度センサ１６、吸気圧センサ１７、スワール制御弁開度センサ２０、酸素濃度センサ２４、ＥＧＲ弁２８のリフトセンサ２９からの信号が入力される。ＥＣＵ３２には、さらに、エンジン本体１の冷却水温度を検出する水温センサ３３、吸気温度を検出する吸気温度センサ３４、大気圧を検出する大気圧センサ３５、エンジン回転数を検出する回転数センサ３６、および、アクセルペダルの開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ３７からの信号等も入力される。
【００３５】
ＥＣＵ３２は、エンジンの運転状態に応じてインジェクタ７から噴射される燃料の噴射状態を制御する燃料噴射制御、点火プラグ６による混合気の点火時期を制御する点火時期制御、ＮＯｘ浄化手段２５のＮＯｘ吸着量が所定量に達すると排気ガス中の酸素濃度又は還元剤濃度を制御して、ＮＯｘ浄化手段２５からＮＯｘを放出させる還元剤制御手段の一つであるリッチスパイク制御、このリッチスパイク時のＮＯｘ放出状態からＮＯｘ浄化手段２５の劣化度合いを診断する劣化診断制御等を行う。
【００３６】
燃料噴射制御では、エンジンの運転状態に応じて燃料噴射を制御するように構成されている。本実施形態では、低負荷低回転から中回転中負荷の運転領域では、インジェクタ７から圧縮行程の所定時期に燃料を一括噴射して点火プラグ６の近傍に混合気を偏在させた状態で燃焼させ、燃焼室４内における混合気の空燃比を３０．０程度のリーン状態とする成層燃焼モード用の燃焼制御が実行される。また、この成層燃焼モードの領域より高負荷側の領域では、吸気行程と圧縮行程との２回の燃料噴射で理論空燃比付近の空燃比とした燃焼モード用の燃焼制御が実行される。さらに、高負荷高回転の運転領域では、インジェクタ７から吸気行程で燃料を一括噴射させ燃焼室４内の空燃比をリッチ状態とした均一燃焼モード用の燃焼制御が行われる。
【００３７】
リーン状態の燃焼で発生するＮＯｘは、下流側に設けられたＮＯｘ浄化手段２５によって吸着される。本実施形態では、ＮＯｘセンサ２６の出力信号に基づいて、ＮＯｘ浄化手段２５のＮＯｘ吸着量を推定し、ＮＯｘ浄化手段２５のＮＯｘ吸着が飽和したと判断されると、空燃比を、例えば１３．０ないし１４．０とすることによって、排気ガス中の酸素濃度を、０％に減少させ、ＮＯｘ浄化手段２５からＮＯｘを放出させる制御（リッチスパイク制御）を行う。さらに、このときのＮＯｘセンサ２６からの出力信号に基づいて、ＮＯｘ浄化手段２５の劣化判定を併せて行う。本実施形態では、ＮＯｘ浄化手段２５が劣化していたと診断されたとき、これを乗員に知らせる警告灯等を含む表示手段４１が設けられている。
【００３８】
次に、ＮＯｘ浄化手段２５の劣化診断制御の前提となるリッチスパイク処理の際、ＥＣＵ３２で行われるエンジン制御の処理を、本発明に係る第１実施形態によるリッチスパイク処理の処理内容を示すフローチャートである図３に沿って説明する。この制御は、上述した燃焼状態のうち、リーンバーンによる燃焼において行われる。
【００３９】
まず、ステップＳ１において、エアフローセンサ１２、酸素濃度検出手段２４、ＮＯｘセンサ２６、水温センサ３３、吸気温センサ３４、大気圧センサ３５、回転数センサ３６およびアクセル開度センサ３７等の信号が入力される。
【００４０】
次いで、ステップＳ２で、ＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘが、所定のしきい値ＮＯｘｅｘｏより大きいか否かが判定される。このしきい値ＮＯｘｅｘｏは、ＮＯｘ浄化手段２５のＮＯｘ吸着量が飽和しているか否かを判定するための値である。ステップＳ２でＹＥＳのときには、ＮＯｘ浄化手段２５が飽和量までＮＯｘを吸着しており、ＮＯｘを放出させる処理を行う必要があることを示しているので、ＮＯｘを放出させるリッチスパイク処理を開始する。
【００４１】
まず、ステップＳ３に進みタイマの値Ｔに１を加えた後、ステップＳ４へ進み、スロットルバルブ開度Ｔｖをリッチスパイク制御用のスロットルバルブ開度Ｔｖλに設定する。リッチスパイク制御では、リッチ状態での燃焼とし、排気ガス中の酸素濃度を低下させる制御であるので、リッチスパイク制御用のスロットルバルブ開度Ｔｖλは、リーンバーンによる燃焼時より小さい値となる。
【００４２】
次いで、ステップＳ５で、リッチスパイク制御用のスロットルバルブ開度Ｔｖλとなるようにスロットル弁を駆動させる。ステップＳ６で、タイマの値ＴがＴ１未満であるか否かが判定される。タイマの値ＴがＴ１未満であるときには、ステップＳ７に進み、リッチスパイク用の燃料噴射量、燃料噴射時期、点火タイミングが設定される。本実施形態では、リッチスパイク制御時には、燃料を吸気行程と圧縮行程の２回に分けて噴射する分割噴射が行われる。従って、燃料噴射量として、吸気行程での噴射量Ｑλｓ１と、圧縮行程での噴射量Ｑλｓ２が設
定される。また、燃料噴射時期として、吸気行程での噴射時期Ｉλｓ１と、圧縮行程での噴射時期Ｉλｓ２が設定される。さらに、点火時期として、θλｓが設定される。
【００４３】
このとき、本実施形態では、空燃比が１３．０ないし１４．０になるように、１サイクル当たりの総噴射量すなわち噴射量Ｑλ１とＱλ２との和が設定される。また、Ｑλ１とＱλ２とは等しい値に設定されるのが好ましい。この空燃比が１３．０ないし１４．０であれば排気ガス中の酸素濃度は０％程度になる。
【００４４】
次いで、ステップＳ８に進み、ステップＳ７で設定された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期に基づいて、燃料噴射、点火が実行される。この結果、リーンバーンであった燃焼がリッチ側の燃焼に移行し、排気ガス中の酸素濃度が大きく低下する。この結果、ＮＯｘ浄化手段２５からＮＯｘが放出される。後述するように、本実施形態では、このＮＯｘ放出状態に基づいて、ＮＯｘ浄化手段２５の劣化診断が行われる。
【００４５】
一方、ステップＳ６でＮＯ、即ち、ステップＳ７、ステップＳ８の処理が所定期間Ｔ１中、継続されていたときには、ＮＯｘ浄化手段２５に吸着されていたＮＯｘは、放出されたものとして、リッチスパイク処理を終了させ、リーンバーンの運転状態とするため、ステップＳ１５に進み、タイマの値Ｔをリセットした後、ステップＳ１２に進み、スロットルバルブ開度Ｔｖをリーンバーン用のスロットルバルブ開度Ｔｖに設定し、ステップＳ１３で、設定されたスロットルバルブ開度Ｔｖに基づいてスロットルバルブを駆動させる。
【００４６】
次いで、ステップＳ１４に進み、リーンバーン用の燃料噴射量Ｑ、燃料噴射時期Ｉ、点火タイミングθが設定される。尚、本実施形態では、リーンバーン制御時には、圧縮行程での一括噴射で成層リーン燃焼が行われるものとしているが、各々の燃料噴射量Ｑ１、Ｑ２、各々の燃料噴射時期Ｉ１、Ｉ２の分割噴射としても良い。
次いで、ステップＳ８に進み、ステップＳ１４で設定された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期に基づいて、燃料噴射、点火が実行される。
【００４７】
一方、ステップＳ２でＮＯのときには、ステップＳ１１に進み、タイマがカウント中であるか否かを判定し、ＹＥＳのときには、リッチスパイク処理が実行中であるとしてステップＳ３に進む。
ステップＳ１１でＮＯのときには、ＮＯｘ浄化手段２５が飽和量までＮＯｘを吸着していないため、ＮＯｘを放出させる処理を行う必要がないうえ、リッチスパイク処理も実行中でないとして、ステップＳ１２に進み、上述したリーンバーンの運転状態とするための処理であるステップＳ１２、ステップＳ１３、ステップＳ１４、ステップＳ８の各処理が継続される。
【００４８】
以上のように、本発明に係る第１実施形態による、排気ガス中の酸素濃度と、ＮＯｘ浄化手段からのＮＯｘ放出量の関係を示すタイムチャートである図５に示されるように、リーンバーンの運転中に、ＮＯｘセンサ２６の出力値がＮＯｘｅｘｏを越えたことによって、ＮＯｘ浄化手段２５のＮＯｘ吸着量が飽和量に達したと判定されると（図５（ｄ））、所定期間Ｔ１の間は、空燃比を１３．０ないし１４．０の値に設定する制御が行われる（図５（ａ））。
【００４９】
次に、ＥＣＵ３２で行われるＮＯｘ浄化手段２５の劣化診断の内容を、本発明に係る第１実施形態によるＮＯｘ浄化手段の劣化診断の処理内容を示すフローチャートである図６に沿って説明する。
【００５０】
まず、ステップＳ２１において、上述した図３に示されるエンジン制御の処理により、リッチスパイク処理中にカウントされるタイマＴが、カウント中であるか否かを判定し、ＹＥＳのときには、リッチスパイク処理が実行中であるとしてステップＳ２２に進み、ＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘを、その時のタイマ値Ｔｉに対応する出力値ＮＯｘｅｘ（ｉ）として記憶した後、ステップＳ２３に進み、酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘも同様に、その時のタイマ値Ｔｉに対応する出力値Ｏ２ｅｘ（ｉ）として記憶し、リターンする。
ステップＳ２１でＮＯ、即ち、タイマＴがカウント中でないときには、ステップＳ２４に進み、前回の処理において、タイマＴが、カウント中であったか判定し、ＹＥＳのときには、リッチスパイク処理の終了直後であるとしてステップＳ２５へ進み、以降のＮＯｘ浄化手段２５の劣化診断処理がおこなわれ、ＮＯのときには、リッチスパイク処理の終了直後ではないとして、リターンする。
【００５１】
ステップＳ２１でＮＯ、かつステップＳ２４でＹＥＳであるときには、リッチスパイク処理の終了直後であるとして、ステップＳ２５に進み、タイマＴがカウント中にステップＳ２３において記憶された、例えばｎ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（１）、Ｏ２ｅｘ（２）、Ｏ２ｅｘ（３）、・・・・、Ｏ２ｅｘ（ｎ）のなかから、Ｏ２ｅｘｏ１≧Ｏ２ｅｘ（ｉ）、又はＯ２ｅｘｏ２≦Ｏ２ｅｘ（ｉ）を満足する、例えばｍ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（２）、Ｏ２ｅｘ（５）、・・・・、Ｏ２ｅｘ（ｋ）が抽出される。
なお、上述の酸素濃度のしきい値Ｏ２ｅｘｏ１、Ｏ２ｅｘｏ２は、排気ガス中の酸素濃度が、ＮＯｘセンサ２６の金属カバーに含まれる金属による触媒作用を生じず、ＮＯｘセンサ２６の出力値が精度の高いものであるか否かを判定するためのもので、図４に示されるように、例えば、酸素濃度のしきい値Ｏ２ｅｘｏ１は、０．２％、好ましくは０．１％、より好ましくは０％に設定され、しきい値Ｏ２ｅｘｏ２は、０．５％、好ましくは０．６％に設定される。
【００５２】
次いで、ステップＳ２６に進み、ステップＳ２２において記憶されたｎ個のＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘ（１）、ＮＯｘｅｘ（２）、ＮＯｘｅｘ（３）、・・・・、ＮＯｘｅｘ（ｎ）のなかから、ステップＳ２５で抽出されたＯ２ｅｘ（２）、Ｏ２ｅｘ（５）、・・・・、Ｏ２ｅｘ（ｋ）と同一のタイミングで検出され、記憶されたｍ個のＮＯｘｅｘ（２）、ＮＯｘｅｘ（５）、・・・・、ＮＯｘｅｘ（ｋ）が抽出された後、加算され、積算値ΣＮＯｘｅｘ（２、５、・・、ｋ）が算出される。
【００５３】
そして、ステップＳ２７で、ステップＳ２６において算出された積算値ΣＮＯｘｅｘ（２、５、・・、ｋ）が、その抽出個数ｍによって割り算されて平均化され、その平均化処理された値Ｄが、ステップＳ２８において、ＮＯｘ浄化手段２５の劣化判定用しきい値である所定値αと比較される。
なお、劣化判定用しきい値である上述の所定値αは、ＮＯｘ浄化手段２５からのＮＯｘの放出状態が排気ガスの流量等の影響を受けることより、運転状態に応じて設定されることとしてもよく、例えば、エンジン負荷に対応する充填率Ｃｅまたはエンジン回転数Ｎｅが大きいほど、大きな値とされてもよい。
【００５４】
ステップＳ２８で、ＹＥＳのときには、ＮＯｘ浄化手段２５が劣化していると診断され、ステップＳ２９に進み、警告灯などの表示手段４１による警告が行われ処理を終了する。
また、ステップＳ２８でＮＯのときには、ＮＯｘ浄化手段２５は劣化していないと診断され、ＮＯｘｅｘ、Ｏ２ｅｘ、Ｄ等の記憶されていた値がクリアされ、リターンされる。
【００５５】
以上のように、リーンバーンの運転中に、ＮＯｘセンサ２６の出力値がＮＯｘｅｘｏを越え、ＮＯｘ浄化手段２５に吸着されたＮＯｘを放出するリッチスパイク制御が実施されると、図５（ｃ）に示されるように、酸素濃度は低下を開始し、途中、ＮＯｘセンサの検出精度が低下するＯ２ｅｘｏ２からＯ２ｅｘｏ１、例えば、０．５％から０．２％の所定範囲内を通過する。この所定範囲内においては、本来、排気ガス中のＮＯｘは、図５（ｄ）の破線で示されるものであるのに対し、ＮＯｘセンサ２６の出力値は、図中、実線で示されるものとなる。
このため、図中、斜線で示されるＮＯｘセンサの検出精度が高い上記所定範囲外のＮＯｘセンサ出力値で、ＮＯｘ浄化手段２５の機能状態の診断が行われる。
【００５６】
なお、上記第１実施形態では、排気ガス中の酸素濃度又は還元剤濃度を制御する還元剤制御手段として、リッチスパイク制御により空燃比を変更して、排気ガス中の酸素濃度を低下させる構成であったが、他の手法、例えば、膨張行程における後噴射、スロットル弁開度制御等によって、排気ガス中の酸素濃度を低下させる構成でも良い。
【００５７】
また、上記劣化診断の結果に基づいて、リッチスパイク制御の期間、例えば、Ｔ１の終了時期を変更する制御を行うように構成しても良い。
【００５８】
さらに、ＮＯｘ浄化手段の一つであるＮＯｘ吸着触媒の種類によっては、リッチスパイク時に上記実施形態のように空燃比を１３．０ないし１４．０に制御しても、制御開始後、ＮＯｘ吸着触媒の下流側の酸素濃度が所望の領域まで直ちに低下せず、ＮＯｘセンサの検出精度が低下する上記所定範囲内に留まる期間にばらつきが生じる場合がある。
このため、リッチスパイク制御が開始され、且つ、排気ガス中の酸素濃度が、上記所定範囲の下限値、例えば０．２％以下となったときをＴ１の起算時とし、且つ、この時点でタイマのカウントを開始するように構成しても良い。
【００５９】
本発明は、上述の第１の実施形態に示されるリーンバーン運転状態におけるリッチスパイク処理を伴うＮＯｘ浄化手段２５の劣化診断に限定されるものではなく、空燃比が理論空燃比近傍において排気ガス中のＮＯｘ量を制御する、点火時期制御手段、ＥＧＲ制御手段、スワール制御手段、などの、ＮＯｘ量制御手段の機能状態の診断にも適用可能である。
【００６０】
本発明をＮＯｘ量制御手段として、例えば、点火時期制御手段に適用した場合の第２の実施形態について、添付図面に基づいて説明する。
【００６１】
第２の実施形態によるエンジンシステムの概略構成図は、図１に示されるものに対して、排気通路２２に設けられるＮＯｘセンサ２６と、ＮＯｘセンサ２６取付け部の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段２４の配置位置が、ＮＯｘ浄化手段２５よりも上流側である点のみが相違し、これにより、燃焼室４から排出される排気ガス中のＮＯｘ量が、直接検出され、ＮＯｘ量制御手段である点火時期制御手段の故障などの機能状態の診断がおこなわれる。
なお、図１に示されるように、ＮＯｘセンサ２６、及び酸素濃度検出手段２４をＮＯｘ浄化手段２５よりも下流側に取付けることとしてもよく、下流側に取付けられた場合には、点火時期制御手段とＮＯｘ浄化手段２５の、２つの機能状態の診断が同時におこなわれることとなる。
【００６２】
次に、ＮＯｘ量制御手段である点火時期制御手段の機能診断の前提となる、ＥＣＵ３２で行われるエンジン制御の処理を、本発明に係る第２実施形態によるエンジン制御の処理内容を示すフローチャートである図７に沿って説明する。
【００６３】
まず、ステップＳ４０において、エアフローセンサ１２、酸素濃度検出手段２４、ＮＯｘセンサ２６、水温センサ３３、吸気温センサ３４、大気圧センサ３５、回転数センサ３６およびアクセル開度センサ３７等の信号が入力される。
【００６４】
次いで、ステップＳ４１で、回転数センサ３６によって検出されたエンジン回転数Ｎｅと、エアフローセンサ１２によって検出された吸入空気量から算出されるエンジン負荷に応じた充填率Ｃｅから、予めＥＣＵ３２内のメモリにエンジン回転数Ｎｅと充填率Ｃｅに対応して記憶された燃料噴射量のマップデータから、目標噴射量Ｑｂが算出されてセットされる。
【００６５】
そして、ステップＳ４２に進み、回転数センサ３６によって検出されたエンジン回転数Ｎｅと、エアフローセンサ１２によって検出された吸入空気量から算出されるエンジン負荷に応じた充填率Ｃｅから、予めＥＣＵ３２内のメモリにエンジン回転数Ｎｅと充填率Ｃｅに対応して記憶された点火時期のマップデータから、目標点火時期θｂが算出されてセットされる。
【００６６】
その後、ステップＳ４３に進み、ステップＳ４１においてセットされた目標噴射量Ｑｂに基づいて、インジェクタ７により燃料噴射が実行されるとともに、ステップＳ４４に進み、ステップＳ４２においてセットされた目標点火時期θｂに基づいて、点火回路５と点火プラグ６により点火が実行される。
なお、ステップＳ４２においてセットされる目標点火時期θｂは、後述の点火時期制御手段の機能診断における処理において、さらに補正の要否が判定され、補正の要の場合には、補正された点火時期が目標点火時期θｂとして再セットされる。
【００６７】
次に、ＥＣＵ３２で行われるＮＯｘ量制御手段である点火時期制御手段の機能診断の内容を、本発明に係る第２実施形態による点火時期制御の機能診断の処理内容を示すフローチャートである図８に沿って説明する。
【００６８】
まず、ステップＳ５０において、エンジン回転数変化率、又はスロットル開度変化率、又は吸入空気量変化率が小の定常状態で、診断条件が成立しているか、判定され、ＹＥＳの場合は、ステップＳ５１に進み、ＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘを、その時のタイマ値Ｔｉに対応する出力値ＮＯｘｅｘ（ｉ）として記憶した後、ステップＳ５２に進み、酸素濃度検出手段２４の出力値Ｏ２ｅｘも同様に、その時のタイマ値Ｔｉに対応する出力値Ｏ２ｅｘ（ｉ）として記憶した後、ステップＳ５３に進み、タイマの値Ｔに１を加えた後、さらにステップＳ５４に進み、タイマの値Ｔが所定時間Ｔ０以上経過したか判定される。
ステップＳ５４において、ＮＯの場合には、計測時間が短く、記憶したＮＯｘｅｘ（ｉ）、Ｏ２ｅｘ（ｉ）が少ないとしてリターンする。
【００６９】
一方、ステップＳ５４において、ＹＥＳの場合には、ステップＳ５５に進み、タイマＴがカウント中にステップＳ５２において記憶した、例えばｎ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（１）、Ｏ２ｅｘ（２）、Ｏ２ｅｘ（３）、・・・・、Ｏ２ｅｘ（ｎ）のなかから、Ｏ２ｅｘｏ１≧Ｏ２ｅｘ（ｉ）、又はＯ２ｅｘｏ２≦Ｏ２ｅｘ（ｉ）を満足する、例えばｍ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（２）、Ｏ２ｅｘ（５）、・・・・、Ｏ２ｅｘ（ｋ）が抽出される。
なお、酸素濃度のしきい値Ｏ２ｅｘｏ１、Ｏ２ｅｘｏ２は、上述の第１実施形態において述べたものと同様であり、例えば、酸素濃度のしきい値Ｏ２ｅｘｏ１は、０．２％、好ましくは０．１％、より好ましくは０％に設定され、しきい値Ｏ２ｅｘｏ２は、０．５％、好ましくは０．６％に設定される。
また、上記酸素濃度のしきい値との比較は、いずれか一方のみ実施することとしても良い。
【００７０】
次いで、ステップＳ５６に進み、ステップＳ５１において記憶されたｎ個のＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘ（１）、ＮＯｘｅｘ（２）、ＮＯｘｅｘ（３）、・・・・、ＮＯｘｅｘ（ｎ）のなかから、ステップＳ５５で抽出されたＯ２ｅｘ（２）、Ｏ２ｅｘ（５）、・・・・、Ｏ２ｅｘ（ｋ）と同一のタイミングで検出され、記憶されたｍ個のＮＯｘｅｘ（２）、ＮＯｘｅｘ（５）、・・・・、ＮＯｘｅｘ（ｋ）が抽出された後、加算され、積算値ΣＮＯｘｅｘ（２、５、・・、ｋ）が算出される。
【００７１】
そして、ステップＳ５７で、ステップＳ５６において算出された積算値ΣＮＯｘｅｘ（２、５、・・、ｋ）が、その抽出個数ｍによって割り算されて平均化され、その平均化処理された値（ΣＮＯｘｅｘ（２、５、・・、ｋ））／ｍが、点火時期制御手段の機能状態の異常判定用しきい値α１と比較され、ＹＥＳの場合には、燃焼室４から排出される排気ガス中のＮＯｘ量が多く異常であると診断され、ステップＳ５８に進み、警告灯などの表示手段４１による警告が行われ、さらに、ステップＳ５９において、点火時期を上述のエンジン制御の処理における図７のステップＳ４２においてセットされた基本の目標点火時期θｂに戻してセットされ、リターンする。
【００７２】
一方、ステップＳ５７でＮＯの場合には、ステップＳ６０へ進み、上述の平均化処理された値（ΣＮＯｘｅｘ（２、５、・・、ｋ））／ｍが、上述の異常判定用しきい値α１よりも小さい遅角補正用しきい値α２と比較され、平均化処理された値（ΣＮＯｘｅｘ（２、５、・・、ｋ））／ｍが、遅角補正用しきい値α２よりも大きいＹＥＳの場合には、異常ではないが、排気ガス中のＮＯｘ量がやや多いとされて、ＮＯｘ量を減らすべく、ステップＳ６１において、目標点火時期θｂに対し、夫々遅角補正された点火時期が、目標点火時期θｂとしてセットされる。
【００７３】
一方、ステップＳ６０でＮＯの場合には、ステップＳ６２へ進み、上述の平均化処理された値（ΣＮＯｘｅｘ（２、５、・・、ｋ））／ｍが、上述の遅角補正用しきい値α２よりも、さらに小さい進角補正用しきい値α３と比較され、平均化処理された値（ΣＮＯｘｅｘ（２、５、・・、ｋ））／ｍが、進角補正用しきい値α３よりも小さいＹＥＳの場合には、排気ガス中のＮＯｘ量が非常に小さいとされて、エンジントルクを増加させるべく、ステップＳ６３において、目標点火時期θｂに対し、夫々進角補正された点火時期が、目標点火時期θｂとしてセットされる。
【００７４】
そして、ステップＳ６１において遅角補正された点火時期、あるいは、ステップＳ６３において進角補正された点火時期が、上下限値を超えて、過進角又は過遅角することがないよう、ステップＳ６４においてガード処理がおこなわれ、上下限値を超えている場合には、上下限値が目標点火時期θｂとして再セットされ、上下限値を超えていない場合には、ステップＳ６１またはステップＳ６３においてセットされた目標点火時期θｂが、そのまま目標点火時期θｂとされる。
【００７５】
なお、上述の異常判定用しきい値α１、遅角補正用しきい値α２、進角補正用しきい値α３は、燃焼室からの排気ガス流量等の影響を受けるので、運転状態に応じて設定されることとしてもよく、本発明に係る第２実施形態におけるしきい値の設定例である図９に示されるように、エンジン負荷に対応する充填率Ｃｅ、またはエンジン回転数Ｎｅが大きいほど、大きな値としてもよい。
【００７６】
また、上記第２実施形態では、ＮＯｘ量制御手段として、点火時期制御手段の機能状態の診断について述べたが、ＥＧＲ制御手段の機能状態の診断についても、同様に実施可能であり、例えば、空燃比が、理論空燃比近傍にフィードバック制御される際に機能するＥＧＲ制御手段の機能状態の診断を、ＮＯｘセンサ取付け部の酸素濃度が、上記所定範囲外にある時の、ＮＯｘセンサの精度の高い出力値によって実施する構成としても良い。
【００７７】
また、上記機能状態の診断結果に基づいて、ＮＯｘ、酸素濃度の検出期間、例えば、Ｔ０の終了時期を変更する制御を行うように構成しても良い。
【００７８】
以上のことより、排気ガス中の酸素濃度が所定範囲内にある時で、ＮＯｘセンサによる排気ガス中のＮＯｘ量の検出精度が低下する時の、ＮＯｘ浄化手段やＮＯｘ量制御手段の劣化や故障といった機能状態が、排気ガス中の酸素濃度が所定範囲外にある時で、ＮＯｘセンサの出力値がＮＯｘセンサの金属製カバーの影響を受けることがなく、ＮＯｘ量の検出精度が高い時のＮＯｘセンサの出力値に基づいて診断されるので、上記機能状態の診断の精度を向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の排気浄化装置を備えたエンジンシステムの概略構成図。
【図２】本発明に係る実施形態のＮＯｘセンサの構成を示す断面図。
【図３】本発明に係る第１実施形態によるリッチスパイク処理の処理内容を示すフローチャート。
【図４】本発明に係る同一のＮＯｘ濃度における、酸素濃度とＮＯｘセンサの出力値との関係を示す図。
【図５】本発明に係る第１実施形態による排気ガス中の酸素濃度と、ＮＯｘ浄化手段からのＮＯｘ放出量の関係を示すタイムチャート。
【図６】本発明に係る第１実施形態によるＮＯｘ浄化手段の劣化診断の処理内容を示すフローチャート。
【図７】本発明に係る第２実施形態によるエンジン制御の処理内容を示すフローチャート。
【図８】本発明に係る第２実施形態による点火時期制御の機能診断の処理内容を示すフローチャート。
【図９】本発明に係る第２実施形態におけるしきい値の設定例。
【符号の説明】
１…エンジン本体（燃焼手段）
４…燃焼室
２２…排気ガス通路
２４…酸素濃度検出手段（酸素濃度センサ）
２５…ＮＯｘ浄化手段（ＮＯｘ吸着触媒）
２６…ＮＯｘセンサ
２６ａ、２６ｂ…第１カバー、第２カバー（金属製のカバー）
２６ｃ…検出素子
３２…ＥＣＵ
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン等の燃焼手段から排出される排気ガスからＮＯｘ（窒素酸化物）を除去するための排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
排気ガス中のＮＯｘを低減する方法として、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス再循環（ＥＧＲ）制御や点火時期を遅角させる点火時期制御等のＮＯｘ量制御手段による方法のほかに、排気ガス中の酸素濃度が高い状態で排気ガス中のＮＯｘを吸着し、排気ガス中の酸素濃度が低くなると吸着していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着触媒などのＮＯｘ浄化手段による方法が知られている。
このうち、ＮＯｘ吸着触媒などのＮＯｘ浄化手段には、ＮＯｘ吸着量に限界があり、ＮＯｘ浄化手段が飽和量までＮＯｘを吸着すると、エンジンをリーンバーンによる運転状態から、理論空燃比近傍での運転状態に移行する等して排気ガス中の酸素濃度を低下させ、ＮＯｘ浄化手段からＮＯｘを放出させるとともに、これを還元して浄化する処理が行われるとともに、ＮＯｘ浄化手段の下流側に設けられたＮＯｘセンサによって下流側のＮＯｘ量を検出し、この検出結果に基づいて、ＮＯｘ浄化手段の劣化状態を診断する装置が知られている（特開２０００−３３７１３１）。
【０００３】
しかし、理論空燃比近傍の酸素濃度の領域では、ＮＯｘセンサに設けられたＮＯｘを検出する検出素子を保護するための金属カバーに含まれる金属が、触媒として作用し、検出すべきＮＯｘを排気ガス中に含まれるＣＯ、Ｈ２、ＨＣ等の還元剤と反応させてしまい、上記検出素子に到達するＮＯｘが減少すること等により、ＮＯｘセンサによるＮＯｘ検出の精度が低下し、延いては上記浄化手段の劣化や故障といった機能状態の診断の精度が低下するという問題があった。
【０００４】
上記問題を解消するため、本出願人らは、上記ＮＯｘセンサによりＮＯｘ浄化手段の劣化を診断する場合には、ＮＯｘ検出の精度が高い、理論空燃比よりもリッチ状態の空燃比へ移行させて劣化診断を実施する排気浄化装置を提案している（特願２００２−１７３９８４号参照）。
【０００５】
しかし、上記提案によれば、吸着したＮＯｘを放出するため、リーンバーンによる運転状態から、上記劣化診断のための酸素濃度領域へ移行する際、ＮＯｘ検出の精度が低下する理論空燃比近傍での運転状態を経由するため、この運転状態においてＮＯｘの検出精度が低下し、その結果、上記劣化診断の精度が低下することとなり、この点でさらなる改善が要求されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような状況においてなされたものであり、ＮＯｘ浄化装置の機能状態を、精度良く診断することが出来る排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第１の構成による排気浄化装置は、燃焼手段から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路と、該排気ガス通路に配置され、排気ガス中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化手段と、該ＮＯｘ浄化手段の下流側に配置され、上記排気ガス中のＮＯｘを検出する検出素子と該検出素子を覆う金属製のカバーからなるＮＯｘセンサと、該ＮＯｘセンサの出力値に基づいて、上記ＮＯｘ浄化手段の機能状態を診断する診断手段と、を備えた排気浄化装置であって、上記ＮＯｘ浄化手段の下流側で、上記ＮＯｘセンサに到達する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段が備えられ、該酸素濃度検出手段により検出される上記酸素濃度が少なくとも０．２ないし０．５％の所定範囲内にある時の上記ＮＯｘ浄化手段の機能状態が、上記酸素濃度が上記所定範囲外にある時の上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて診断されるものである。
【０００８】
上記構成によれば、ＮＯｘ浄化手段からＮＯｘを放出させるとともに、劣化等の機能状態を診断するため、エンジンをリーンバーンによる運転状態から、劣化診断のための酸素濃度領域へ移行させる際、ＮＯｘセンサによるＮＯｘ検出の精度が低下する理論空燃比近傍の酸素濃度が０．２％ないし０．５％の所定範囲内にある時のＮＯｘセンサの出力値は用いず、ＮＯｘ検出の精度が高い上記所定範囲外のＮＯｘセンサの出力値に基づいて、上記ＮＯｘ浄化手段の劣化などの機能状態が診断されることとなるので、ＮＯｘ浄化手段の機能状態を、精度良く診断することが出来る。
【０００９】
本発明の第２の構成による排気浄化装置は、上記ＮＯｘ浄化手段が、排気ガス中の酸素濃度に応じてＮＯｘを吸着または放出するＮＯｘ吸着触媒であるとともに、上記排気ガス中の酸素濃度又は還元剤濃度を制御する、還元剤制御手段が備えられ、該還元剤制御手段により、上記ＮＯｘ吸着触媒に吸着されたＮＯｘが排気ガス中に放出されるよう、排気ガス中の酸素濃度を減少、又は還元剤濃度を増量された後、上記酸素濃度検出手段により検出される排気ガス中の酸素濃度が上記所定範囲の下限値である０．２％以下にある時の上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて上記ＮＯｘ吸着触媒の機能状態が診断されるものである。
【００１０】
上記構成によれば、燃料を増量して、リーンバーン運転状態からリッチ状態の運転状態へ移行するリッチスパイク制御などの還元剤制御手段により、排気ガス中の酸素濃度を減少、又はＨＣなどの還元剤濃度を増量しても、ＮＯｘセンサ取付け部の酸素濃度が、直ちに、所望の領域まで低下せず、ＮＯｘ検出精度が低い所定範囲内に留まる時間にばらつきがあるＮＯｘ吸着触媒に対しても、酸素濃度が上記所定範囲の下限値以下となってからＮＯｘセンサの出力値が計測されるため、ばらつきの影響を受けることなく、ＮＯｘ吸着触媒の機能状態を、簡単な制御で、精度良く診断することが出来る。
【００１１】
本発明の第３の構成による排気浄化装置は、燃焼手段から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路と、該排気ガス通路に配置され、上記排気ガス中のＮＯｘを検出する検出素子と該検出素子を覆う金属製のカバーからなるＮＯｘセンサと、上記燃焼手段から排出される排気ガス中のＮＯｘ量を制御するＮＯｘ量制御手段と、上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて、上記ＮＯｘ量制御手段の機能状態を診断する診断手段と、を備えた排気浄化装置であって、上記ＮＯｘセンサに到達する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段が備えられ、該酸素濃度検出手段により検出される上記酸素濃度が所定範囲内にある時の上記ＮＯｘ量制御手段の機能状態が、上記酸素濃度が上記所定範囲外にある時の上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて診断されるものである。
【００１２】
上記構成によれば、排気ガス中の酸素濃度が、ＮＯｘセンサの検出精度が高い上記所定範囲外にある時のＮＯｘセンサの出力値に基づいて、排気ガス中のＮＯｘ量を制御する点火時期制御手段、ＥＧＲ制御手段等のＮＯｘ量制御手段の故障などの機能状態が、診断されることとなるので、ＮＯｘ量制御手段の機能状態を、精度良く診断することが出来る。
【００１３】
本発明の第４の構成による排気浄化装置は、上記排気ガス中の酸素濃度の所定範囲内が、０．２％ないし０．５％であるものとされている。
【００１４】
上記構成によれば、排気ガス中の酸素濃度が、ＮＯｘセンサの金属カバーに含まれる金属による触媒作用を生じない範囲にある時のＮＯｘセンサの出力値に基づいて、ＮＯｘ量制御手段の機能状態が、診断されることとなるので、ＮＯｘ量制御手段の機能状態を、精度良く診断することが出来る。
【００１５】
本発明の第５の構成による排気浄化装置は、上記排気ガス中の酸素濃度の所定範囲内が、０．２％以上、又は０．１％以上、又は０％以上、のいずれかであるものとされている。
【００１６】
上記構成によれば、排気ガス中の酸素濃度が、ＮＯｘセンサの金属カバーに含まれる金属による触媒作用を生じない範囲にある時のＮＯｘセンサの出力値に基づいて、ＮＯｘ量制御手段の機能状態が、診断されることとなるので、ＮＯｘ量制御手段の機能状態を、精度良く診断することが出来るとともに、上記所定範囲の判定が、下限値のみによって実施されるので制御を簡単化することが出来る。
【００１７】
本発明の第６の構成による排気浄化装置は、上記排気ガス中の酸素濃度の所定範囲内が、０．５％以下、又は０．６％以下、のいずれかであるものとされている。
【００１８】
上記構成によれば、排気ガス中の酸素濃度が、ＮＯｘセンサの金属カバーに含まれる金属による触媒作用を生じない範囲にある時のＮＯｘセンサの出力値に基づいて、ＮＯｘ量制御手段の機能状態が、診断されることとなるので、ＮＯｘ量制御手段の機能状態を、精度良く診断することが出来るとともに、上記所定範囲の判定が、上限値のみによって実施されるので制御を簡単化することが出来る。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ＮＯｘ浄化装置の機能状態を、精度良く診断することが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をＮＯｘ浄化手段の劣化診断に適用した場合の第１の実施形態について、添付図面に基づいて説明する。
【００２１】
エンジンシステム１００は、本発明に係る実施形態の排気浄化装置を備えたエンジンシステムの概略構成図である図１に示されるように、燃焼手段であるエンジン本体１を備えている。このエンジンシステムでは、所定の運転状態で、空燃比が１４．７より高く設定されるリーンバーン運転が行なわれる。エンジン本体１は、複数の気筒２（１本のみを図示する）と、この気筒２内に往復動可能に配置されたピストン３とを備え、気筒２とピストン３とによって燃焼室４が形成されている。燃焼室４の上部には、点火回路５に接続された点火プラグ６が燃焼室４に臨むように取付けられ、さらに、燃焼室４に燃料を直接噴射するインジェクタ７が取り付けられている。
【００２２】
このインジェクタ７には、高圧燃料ポンプ、プレッシャレギュレータ等を有する燃料供給回路が接続されている。この燃料供給回路によって燃料タンクからの燃料が適正な圧力に調整されてインジェクタ７に供給される。また、燃料供給回路には、燃料圧力を検出する燃圧センサ８が取付けられている。
【００２３】
燃焼室４は、吸気弁９が設けられた吸気ポートを介して吸気通路１０に連通している。この吸気通路１０には、その上流側から順に、吸気を濾過するエアクリーナ１１と、吸入空気量を検出するエアフローメータ１２と、吸気通路１０を絞る電気式スロットル弁１３と、サージタンク１４とが設けられている。電気式スロットル弁１３は、モータ１５により開閉駆動されるように構成されている。さらに、電気式スロットル弁１３の近傍には、その開度を検出するスロットル開度センサ１６が配置され、また、サージタンク１４には、吸気圧を検出する吸気圧センサ１７が取付けられている。
【００２４】
吸気通路１０は、サージタンク１４より下流の部分が、気筒毎に分岐した独立通路とされている。各独立通路の下流端部は、２つに分割され、それぞれが同一気筒の吸気ポートに連結され、その一方にスワール弁１８が設けられている。このスワール弁１８は、アクチュエータ１９によって駆動される。スワール弁１８が閉じると、吸気は他方の分岐通路のみから燃焼室４に供給され、燃焼室４内に強い吸気スワールが生成される。また、スワール弁１８の近傍には、スワール弁１８の開度を検出するスワール弁開度センサ２０が設けられている。
【００２５】
燃焼室４には、排気弁２１が設けられた排気ポートを介して排気通路２２が接続され、各気筒からの排気通路２２は下流側で合流している。合流した排気通路２２には、上流側から順に、排気ガス中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化手段２５と、ＮＯｘセンサ２６と、ＮＯｘセンサ２６取付け部の排気ガス中の酸素濃度を検出する、例えば酸素濃度センサ（Ｏ２センサ）のような酸素濃度検出手段２４が設けられている。なお、酸素濃度検出手段２４は、直接、酸素濃度を検出する酸素濃度センサにかえて、各種検出信号から酸素濃度を推定するものであっても良い。
【００２６】
このうち、ＮＯｘ浄化手段２５は、ＮＯｘ吸着触媒、又は三元触媒、又は吸着剤のいずれかからなり、例えば、ＮＯｘ吸着触媒は、リーンバーン運転などの排気ガス中の酸素濃度が高い状態でＮＯｘを吸着し、酸素濃度が低い状態になると吸着していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着材と、ＮＯｘ吸着材から放出されたＮＯｘを還元浄化させる触媒金属（貴金属）とを備えたＮＯｘ吸収還元タイプのＮＯｘトラップ触媒である。
【００２７】
また、ＮＯｘ吸着触媒は、コージェライト製のハニカム構造の担体を備え、この担体に形成された各貫通孔の壁面には、内側触媒層がコーティングされ、内側触媒層上に外側触媒層がコーティングされている。
【００２８】
ＮＯｘ吸収機能を備える内側触媒層では、白金等の貴金属とＢａ等のＮＯｘ吸収材とが、多孔質材料であるアルミナ、セリア等のサポート材に担持されている。また、ＮＯｘ還元機能を備える外側触媒層には、白金、ロジウム等の触媒金属と、場合によっては、Ｂａ等のＮＯｘ吸収材とが、多孔質材料であるゼオライト等のサポート材に担持されている。
【００２９】
このＮＯｘ吸着触媒のようなＮＯｘ浄化手段２５のＮＯｘ吸着量には限界がある。本実施形態によれば、ＮＯｘセンサ２６による排気ガス中のＮＯｘ検出値が所定のしきい値を越えると、ＮＯｘ浄化手段２５のＮＯｘ吸着が飽和に達したと判定し、排気ガス中の酸素濃度を低下させＮＯｘ吸着材からＮＯｘを放出させる還元剤制御手段による処理（リッチスパイク処理）を行うように構成されている。
【００３０】
ＮＯｘセンサ２６は、本発明に係る実施形態のＮＯｘセンサの構成を示す断面図である、図２に示されるように、第１カバー２６ａおよび第２カバー２６ｂに覆われた検出素子２６ｃを備えている。検出素子２６ｃは、排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じた出力を生じさせる。第１カバー２６ａと第２カバー２６ｂは、検出素子を熱衝撃、排気ガス中の不純物から保護する機能を有し、Ｆｅ等を含む金属で構成されている。また、第１カバー２６ａと第２カバー２６ｂとのそれぞれには、相互にオフセットした開口部２６ｄ、２６ｅが形成され、矢印Ａで示されるように、検出素子２６ｃに排気ガスが導入されるように構成されている。
【００３１】
そして、Ｆｅ等を含む金属で作られたカバーを備えたＮＯｘセンサ２６では、本発明に係る同一のＮＯｘ濃度における、酸素濃度とＮＯｘセンサの出力値との関係を示す図である、図４に示されるように、排気ガス中のＮＯｘ濃度が同一であっても、酸素濃度が所定範囲内にある時には、排気ガス中にあるＮＯｘと還元剤であるＨＣ等が反応し、Ｎ２やＯ２に化学変化するため、ＮＯｘセンサ２６の出力値が変動する。
ＮＯｘセンサの出力値は、酸素濃度が０％（空燃比１４．０程度の場合の排気ガスに相当）ないし０．６％（空燃比１４．８程度の場合の排気ガスに相当）の間で低下しており、酸素濃度０．４％（空燃比１４．６程度の排気ガスに相当）近傍で最も低くなる。
【００３２】
排気通路２２には、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ通路２７の上流端が、ＮＯｘ浄化手段２５の上流側位置に接続されている。ＥＧＲ通路２７の下流端は、スロットル弁１３とサージタンク１４との間で吸気通路１０に接続されている。また、ＥＧＲ通路２７には、開度が電気的に調整可能であるＥＧＲ弁２８と、ＥＧＲ弁２８のリフト量を検出するリフトセンサ２９とが設けられ、これらにより排気還流手段が構成されている。
【００３３】
更に、排気通路２２には、吸気の一部を、吸気通路１０からＮＯｘ浄化手段２５の上流側位置に送り込む２次エア供給通路３０が接続されている。この２次エア供給通路３０には、制御可能な流量調整弁３１が設けられている。
【００３４】
エンジンシステム１００は、さらに、システム全体の制御を行うＥＣＵ（電子制御ユニット）３２を備えている。このＥＣＵ３２には、エアフローセンサ１２、スロットル開度センサ１６、吸気圧センサ１７、スワール制御弁開度センサ２０、酸素濃度センサ２４、ＥＧＲ弁２８のリフトセンサ２９からの信号が入力される。ＥＣＵ３２には、さらに、エンジン本体１の冷却水温度を検出する水温センサ３３、吸気温度を検出する吸気温度センサ３４、大気圧を検出する大気圧センサ３５、エンジン回転数を検出する回転数センサ３６、および、アクセルペダルの開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ３７からの信号等も入力される。
【００３５】
ＥＣＵ３２は、エンジンの運転状態に応じてインジェクタ７から噴射される燃料の噴射状態を制御する燃料噴射制御、点火プラグ６による混合気の点火時期を制御する点火時期制御、ＮＯｘ浄化手段２５のＮＯｘ吸着量が所定量に達すると排気ガス中の酸素濃度又は還元剤濃度を制御して、ＮＯｘ浄化手段２５からＮＯｘを放出させる還元剤制御手段の一つであるリッチスパイク制御、このリッチスパイク時のＮＯｘ放出状態からＮＯｘ浄化手段２５の劣化度合いを診断する劣化診断制御等を行う。
【００３６】
燃料噴射制御では、エンジンの運転状態に応じて燃料噴射を制御するように構成されている。本実施形態では、低負荷低回転から中回転中負荷の運転領域では、インジェクタ７から圧縮行程の所定時期に燃料を一括噴射して点火プラグ６の近傍に混合気を偏在させた状態で燃焼させ、燃焼室４内における混合気の空燃比を３０．０程度のリーン状態とする成層燃焼モード用の燃焼制御が実行される。また、この成層燃焼モードの領域より高負荷側の領域では、吸気行程と圧縮行程との２回の燃料噴射で理論空燃比付近の空燃比とした燃焼モード用の燃焼制御が実行される。さらに、高負荷高回転の運転領域では、インジェクタ７から吸気行程で燃料を一括噴射させ燃焼室４内の空燃比をリッチ状態とした均一燃焼モード用の燃焼制御が行われる。
【００３７】
リーン状態の燃焼で発生するＮＯｘは、下流側に設けられたＮＯｘ浄化手段２５によって吸着される。本実施形態では、ＮＯｘセンサ２６の出力信号に基づいて、ＮＯｘ浄化手段２５のＮＯｘ吸着量を推定し、ＮＯｘ浄化手段２５のＮＯｘ吸着が飽和したと判断されると、空燃比を、例えば１３．０ないし１４．０とすることによって、排気ガス中の酸素濃度を、０％に減少させ、ＮＯｘ浄化手段２５からＮＯｘを放出させる制御（リッチスパイク制御）を行う。さらに、このときのＮＯｘセンサ２６からの出力信号に基づいて、ＮＯｘ浄化手段２５の劣化判定を併せて行う。本実施形態では、ＮＯｘ浄化手段２５が劣化していたと診断されたとき、これを乗員に知らせる警告灯等を含む表示手段４１が設けられている。
【００３８】
次に、ＮＯｘ浄化手段２５の劣化診断制御の前提となるリッチスパイク処理の際、ＥＣＵ３２で行われるエンジン制御の処理を、本発明に係る第１実施形態によるリッチスパイク処理の処理内容を示すフローチャートである図３に沿って説明する。この制御は、上述した燃焼状態のうち、リーンバーンによる燃焼において行われる。
【００３９】
まず、ステップＳ１において、エアフローセンサ１２、酸素濃度検出手段２４、ＮＯｘセンサ２６、水温センサ３３、吸気温センサ３４、大気圧センサ３５、回転数センサ３６およびアクセル開度センサ３７等の信号が入力される。
【００４０】
次いで、ステップＳ２で、ＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘが、所定のしきい値ＮＯｘｅｘｏより大きいか否かが判定される。このしきい値ＮＯｘｅｘｏは、ＮＯｘ浄化手段２５のＮＯｘ吸着量が飽和しているか否かを判定するための値である。ステップＳ２でＹＥＳのときには、ＮＯｘ浄化手段２５が飽和量までＮＯｘを吸着しており、ＮＯｘを放出させる処理を行う必要があることを示しているので、ＮＯｘを放出させるリッチスパイク処理を開始する。
【００４１】
まず、ステップＳ３に進みタイマの値Ｔに１を加えた後、ステップＳ４へ進み、スロットルバルブ開度Ｔｖをリッチスパイク制御用のスロットルバルブ開度Ｔｖλに設定する。リッチスパイク制御では、リッチ状態での燃焼とし、排気ガス中の酸素濃度を低下させる制御であるので、リッチスパイク制御用のスロットルバルブ開度Ｔｖλは、リーンバーンによる燃焼時より小さい値となる。
【００４２】
次いで、ステップＳ５で、リッチスパイク制御用のスロットルバルブ開度Ｔｖλとなるようにスロットル弁を駆動させる。ステップＳ６で、タイマの値ＴがＴ１未満であるか否かが判定される。タイマの値ＴがＴ１未満であるときには、ステップＳ７に進み、リッチスパイク用の燃料噴射量、燃料噴射時期、点火タイミングが設定される。本実施形態では、リッチスパイク制御時には、燃料を吸気行程と圧縮行程の２回に分けて噴射する分割噴射が行われる。従って、燃料噴射量として、吸気行程での噴射量Ｑλｓ１と、圧縮行程での噴射量Ｑλｓ２が設
定される。また、燃料噴射時期として、吸気行程での噴射時期Ｉλｓ１と、圧縮行程での噴射時期Ｉλｓ２が設定される。さらに、点火時期として、θλｓが設定される。
【００４３】
このとき、本実施形態では、空燃比が１３．０ないし１４．０になるように、１サイクル当たりの総噴射量すなわち噴射量Ｑλ１とＱλ２との和が設定される。また、Ｑλ１とＱλ２とは等しい値に設定されるのが好ましい。この空燃比が１３．０ないし１４．０であれば排気ガス中の酸素濃度は０％程度になる。
【００４４】
次いで、ステップＳ８に進み、ステップＳ７で設定された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期に基づいて、燃料噴射、点火が実行される。この結果、リーンバーンであった燃焼がリッチ側の燃焼に移行し、排気ガス中の酸素濃度が大きく低下する。この結果、ＮＯｘ浄化手段２５からＮＯｘが放出される。後述するように、本実施形態では、このＮＯｘ放出状態に基づいて、ＮＯｘ浄化手段２５の劣化診断が行われる。
【００４５】
一方、ステップＳ６でＮＯ、即ち、ステップＳ７、ステップＳ８の処理が所定期間Ｔ１中、継続されていたときには、ＮＯｘ浄化手段２５に吸着されていたＮＯｘは、放出されたものとして、リッチスパイク処理を終了させ、リーンバーンの運転状態とするため、ステップＳ１５に進み、タイマの値Ｔをリセットした後、ステップＳ１２に進み、スロットルバルブ開度Ｔｖをリーンバーン用のスロットルバルブ開度Ｔｖに設定し、ステップＳ１３で、設定されたスロットルバルブ開度Ｔｖに基づいてスロットルバルブを駆動させる。
【００４６】
次いで、ステップＳ１４に進み、リーンバーン用の燃料噴射量Ｑ、燃料噴射時期Ｉ、点火タイミングθが設定される。尚、本実施形態では、リーンバーン制御時には、圧縮行程での一括噴射で成層リーン燃焼が行われるものとしているが、各々の燃料噴射量Ｑ１、Ｑ２、各々の燃料噴射時期Ｉ１、Ｉ２の分割噴射としても良い。
次いで、ステップＳ８に進み、ステップＳ１４で設定された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期に基づいて、燃料噴射、点火が実行される。
【００４７】
一方、ステップＳ２でＮＯのときには、ステップＳ１１に進み、タイマがカウント中であるか否かを判定し、ＹＥＳのときには、リッチスパイク処理が実行中であるとしてステップＳ３に進む。
ステップＳ１１でＮＯのときには、ＮＯｘ浄化手段２５が飽和量までＮＯｘを吸着していないため、ＮＯｘを放出させる処理を行う必要がないうえ、リッチスパイク処理も実行中でないとして、ステップＳ１２に進み、上述したリーンバーンの運転状態とするための処理であるステップＳ１２、ステップＳ１３、ステップＳ１４、ステップＳ８の各処理が継続される。
【００４８】
以上のように、本発明に係る第１実施形態による、排気ガス中の酸素濃度と、ＮＯｘ浄化手段からのＮＯｘ放出量の関係を示すタイムチャートである図５に示されるように、リーンバーンの運転中に、ＮＯｘセンサ２６の出力値がＮＯｘｅｘｏを越えたことによって、ＮＯｘ浄化手段２５のＮＯｘ吸着量が飽和量に達したと判定されると（図５（ｄ））、所定期間Ｔ１の間は、空燃比を１３．０ないし１４．０の値に設定する制御が行われる（図５（ａ））。
【００４９】
次に、ＥＣＵ３２で行われるＮＯｘ浄化手段２５の劣化診断の内容を、本発明に係る第１実施形態によるＮＯｘ浄化手段の劣化診断の処理内容を示すフローチャートである図６に沿って説明する。
【００５０】
まず、ステップＳ２１において、上述した図３に示されるエンジン制御の処理により、リッチスパイク処理中にカウントされるタイマＴが、カウント中であるか否かを判定し、ＹＥＳのときには、リッチスパイク処理が実行中であるとしてステップＳ２２に進み、ＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘを、その時のタイマ値Ｔｉに対応する出力値ＮＯｘｅｘ（ｉ）として記憶した後、ステップＳ２３に進み、酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘも同様に、その時のタイマ値Ｔｉに対応する出力値Ｏ２ｅｘ（ｉ）として記憶し、リターンする。
ステップＳ２１でＮＯ、即ち、タイマＴがカウント中でないときには、ステップＳ２４に進み、前回の処理において、タイマＴが、カウント中であったか判定し、ＹＥＳのときには、リッチスパイク処理の終了直後であるとしてステップＳ２５へ進み、以降のＮＯｘ浄化手段２５の劣化診断処理がおこなわれ、ＮＯのときには、リッチスパイク処理の終了直後ではないとして、リターンする。
【００５１】
ステップＳ２１でＮＯ、かつステップＳ２４でＹＥＳであるときには、リッチスパイク処理の終了直後であるとして、ステップＳ２５に進み、タイマＴがカウント中にステップＳ２３において記憶された、例えばｎ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（１）、Ｏ２ｅｘ（２）、Ｏ２ｅｘ（３）、・・・・、Ｏ２ｅｘ（ｎ）のなかから、Ｏ２ｅｘｏ１≧Ｏ２ｅｘ（ｉ）、又はＯ２ｅｘｏ２≦Ｏ２ｅｘ（ｉ）を満足する、例えばｍ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（２）、Ｏ２ｅｘ（５）、・・・・、Ｏ２ｅｘ（ｋ）が抽出される。
なお、上述の酸素濃度のしきい値Ｏ２ｅｘｏ１、Ｏ２ｅｘｏ２は、排気ガス中の酸素濃度が、ＮＯｘセンサ２６の金属カバーに含まれる金属による触媒作用を生じず、ＮＯｘセンサ２６の出力値が精度の高いものであるか否かを判定するためのもので、図４に示されるように、例えば、酸素濃度のしきい値Ｏ２ｅｘｏ１は、０．２％、好ましくは０．１％、より好ましくは０％に設定され、しきい値Ｏ２ｅｘｏ２は、０．５％、好ましくは０．６％に設定される。
【００５２】
次いで、ステップＳ２６に進み、ステップＳ２２において記憶されたｎ個のＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘ（１）、ＮＯｘｅｘ（２）、ＮＯｘｅｘ（３）、・・・・、ＮＯｘｅｘ（ｎ）のなかから、ステップＳ２５で抽出されたＯ２ｅｘ（２）、Ｏ２ｅｘ（５）、・・・・、Ｏ２ｅｘ（ｋ）と同一のタイミングで検出され、記憶されたｍ個のＮＯｘｅｘ（２）、ＮＯｘｅｘ（５）、・・・・、ＮＯｘｅｘ（ｋ）が抽出された後、加算され、積算値ΣＮＯｘｅｘ（２、５、・・、ｋ）が算出される。
【００５３】
そして、ステップＳ２７で、ステップＳ２６において算出された積算値ΣＮＯｘｅｘ（２、５、・・、ｋ）が、その抽出個数ｍによって割り算されて平均化され、その平均化処理された値Ｄが、ステップＳ２８において、ＮＯｘ浄化手段２５の劣化判定用しきい値である所定値αと比較される。
なお、劣化判定用しきい値である上述の所定値αは、ＮＯｘ浄化手段２５からのＮＯｘの放出状態が排気ガスの流量等の影響を受けることより、運転状態に応じて設定されることとしてもよく、例えば、エンジン負荷に対応する充填率Ｃｅまたはエンジン回転数Ｎｅが大きいほど、大きな値とされてもよい。
【００５４】
ステップＳ２８で、ＹＥＳのときには、ＮＯｘ浄化手段２５が劣化していると診断され、ステップＳ２９に進み、警告灯などの表示手段４１による警告が行われ処理を終了する。
また、ステップＳ２８でＮＯのときには、ＮＯｘ浄化手段２５は劣化していないと診断され、ＮＯｘｅｘ、Ｏ２ｅｘ、Ｄ等の記憶されていた値がクリアされ、リターンされる。
【００５５】
以上のように、リーンバーンの運転中に、ＮＯｘセンサ２６の出力値がＮＯｘｅｘｏを越え、ＮＯｘ浄化手段２５に吸着されたＮＯｘを放出するリッチスパイク制御が実施されると、図５（ｃ）に示されるように、酸素濃度は低下を開始し、途中、ＮＯｘセンサの検出精度が低下するＯ２ｅｘｏ２からＯ２ｅｘｏ１、例えば、０．５％から０．２％の所定範囲内を通過する。この所定範囲内においては、本来、排気ガス中のＮＯｘは、図５（ｄ）の破線で示されるものであるのに対し、ＮＯｘセンサ２６の出力値は、図中、実線で示されるものとなる。
このため、図中、斜線で示されるＮＯｘセンサの検出精度が高い上記所定範囲外のＮＯｘセンサ出力値で、ＮＯｘ浄化手段２５の機能状態の診断が行われる。
【００５６】
なお、上記第１実施形態では、排気ガス中の酸素濃度又は還元剤濃度を制御する還元剤制御手段として、リッチスパイク制御により空燃比を変更して、排気ガス中の酸素濃度を低下させる構成であったが、他の手法、例えば、膨張行程における後噴射、スロットル弁開度制御等によって、排気ガス中の酸素濃度を低下させる構成でも良い。
【００５７】
また、上記劣化診断の結果に基づいて、リッチスパイク制御の期間、例えば、Ｔ１の終了時期を変更する制御を行うように構成しても良い。
【００５８】
さらに、ＮＯｘ浄化手段の一つであるＮＯｘ吸着触媒の種類によっては、リッチスパイク時に上記実施形態のように空燃比を１３．０ないし１４．０に制御しても、制御開始後、ＮＯｘ吸着触媒の下流側の酸素濃度が所望の領域まで直ちに低下せず、ＮＯｘセンサの検出精度が低下する上記所定範囲内に留まる期間にばらつきが生じる場合がある。
このため、リッチスパイク制御が開始され、且つ、排気ガス中の酸素濃度が、上記所定範囲の下限値、例えば０．２％以下となったときをＴ１の起算時とし、且つ、この時点でタイマのカウントを開始するように構成しても良い。
【００５９】
本発明は、上述の第１の実施形態に示されるリーンバーン運転状態におけるリッチスパイク処理を伴うＮＯｘ浄化手段２５の劣化診断に限定されるものではなく、空燃比が理論空燃比近傍において排気ガス中のＮＯｘ量を制御する、点火時期制御手段、ＥＧＲ制御手段、スワール制御手段、などの、ＮＯｘ量制御手段の機能状態の診断にも適用可能である。
【００６０】
本発明をＮＯｘ量制御手段として、例えば、点火時期制御手段に適用した場合の第２の実施形態について、添付図面に基づいて説明する。
【００６１】
第２の実施形態によるエンジンシステムの概略構成図は、図１に示されるものに対して、排気通路２２に設けられるＮＯｘセンサ２６と、ＮＯｘセンサ２６取付け部の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段２４の配置位置が、ＮＯｘ浄化手段２５よりも上流側である点のみが相違し、これにより、燃焼室４から排出される排気ガス中のＮＯｘ量が、直接検出され、ＮＯｘ量制御手段である点火時期制御手段の故障などの機能状態の診断がおこなわれる。
なお、図１に示されるように、ＮＯｘセンサ２６、及び酸素濃度検出手段２４をＮＯｘ浄化手段２５よりも下流側に取付けることとしてもよく、下流側に取付けられた場合には、点火時期制御手段とＮＯｘ浄化手段２５の、２つの機能状態の診断が同時におこなわれることとなる。
【００６２】
次に、ＮＯｘ量制御手段である点火時期制御手段の機能診断の前提となる、ＥＣＵ３２で行われるエンジン制御の処理を、本発明に係る第２実施形態によるエンジン制御の処理内容を示すフローチャートである図７に沿って説明する。
【００６３】
まず、ステップＳ４０において、エアフローセンサ１２、酸素濃度検出手段２４、ＮＯｘセンサ２６、水温センサ３３、吸気温センサ３４、大気圧センサ３５、回転数センサ３６およびアクセル開度センサ３７等の信号が入力される。
【００６４】
次いで、ステップＳ４１で、回転数センサ３６によって検出されたエンジン回転数Ｎｅと、エアフローセンサ１２によって検出された吸入空気量から算出されるエンジン負荷に応じた充填率Ｃｅから、予めＥＣＵ３２内のメモリにエンジン回転数Ｎｅと充填率Ｃｅに対応して記憶された燃料噴射量のマップデータから、目標噴射量Ｑｂが算出されてセットされる。
【００６５】
そして、ステップＳ４２に進み、回転数センサ３６によって検出されたエンジン回転数Ｎｅと、エアフローセンサ１２によって検出された吸入空気量から算出されるエンジン負荷に応じた充填率Ｃｅから、予めＥＣＵ３２内のメモリにエンジン回転数Ｎｅと充填率Ｃｅに対応して記憶された点火時期のマップデータから、目標点火時期θｂが算出されてセットされる。
【００６６】
その後、ステップＳ４３に進み、ステップＳ４１においてセットされた目標噴射量Ｑｂに基づいて、インジェクタ７により燃料噴射が実行されるとともに、ステップＳ４４に進み、ステップＳ４２においてセットされた目標点火時期θｂに基づいて、点火回路５と点火プラグ６により点火が実行される。
なお、ステップＳ４２においてセットされる目標点火時期θｂは、後述の点火時期制御手段の機能診断における処理において、さらに補正の要否が判定され、補正の要の場合には、補正された点火時期が目標点火時期θｂとして再セットされる。
【００６７】
次に、ＥＣＵ３２で行われるＮＯｘ量制御手段である点火時期制御手段の機能診断の内容を、本発明に係る第２実施形態による点火時期制御の機能診断の処理内容を示すフローチャートである図８に沿って説明する。
【００６８】
まず、ステップＳ５０において、エンジン回転数変化率、又はスロットル開度変化率、又は吸入空気量変化率が小の定常状態で、診断条件が成立しているか、判定され、ＹＥＳの場合は、ステップＳ５１に進み、ＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘを、その時のタイマ値Ｔｉに対応する出力値ＮＯｘｅｘ（ｉ）として記憶した後、ステップＳ５２に進み、酸素濃度検出手段２４の出力値Ｏ２ｅｘも同様に、その時のタイマ値Ｔｉに対応する出力値Ｏ２ｅｘ（ｉ）として記憶した後、ステップＳ５３に進み、タイマの値Ｔに１を加えた後、さらにステップＳ５４に進み、タイマの値Ｔが所定時間Ｔ０以上経過したか判定される。
ステップＳ５４において、ＮＯの場合には、計測時間が短く、記憶したＮＯｘｅｘ（ｉ）、Ｏ２ｅｘ（ｉ）が少ないとしてリターンする。
【００６９】
一方、ステップＳ５４において、ＹＥＳの場合には、ステップＳ５５に進み、タイマＴがカウント中にステップＳ５２において記憶した、例えばｎ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（１）、Ｏ２ｅｘ（２）、Ｏ２ｅｘ（３）、・・・・、Ｏ２ｅｘ（ｎ）のなかから、Ｏ２ｅｘｏ１≧Ｏ２ｅｘ（ｉ）、又はＯ２ｅｘｏ２≦Ｏ２ｅｘ（ｉ）を満足する、例えばｍ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（２）、Ｏ２ｅｘ（５）、・・・・、Ｏ２ｅｘ（ｋ）が抽出される。
なお、酸素濃度のしきい値Ｏ２ｅｘｏ１、Ｏ２ｅｘｏ２は、上述の第１実施形態において述べたものと同様であり、例えば、酸素濃度のしきい値Ｏ２ｅｘｏ１は、０．２％、好ましくは０．１％、より好ましくは０％に設定され、しきい値Ｏ２ｅｘｏ２は、０．５％、好ましくは０．６％に設定される。
また、上記酸素濃度のしきい値との比較は、いずれか一方のみ実施することとしても良い。
【００７０】
次いで、ステップＳ５６に進み、ステップＳ５１において記憶されたｎ個のＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘ（１）、ＮＯｘｅｘ（２）、ＮＯｘｅｘ（３）、・・・・、ＮＯｘｅｘ（ｎ）のなかから、ステップＳ５５で抽出されたＯ２ｅｘ（２）、Ｏ２ｅｘ（５）、・・・・、Ｏ２ｅｘ（ｋ）と同一のタイミングで検出され、記憶されたｍ個のＮＯｘｅｘ（２）、ＮＯｘｅｘ（５）、・・・・、ＮＯｘｅｘ（ｋ）が抽出された後、加算され、積算値ΣＮＯｘｅｘ（２、５、・・、ｋ）が算出される。
【００７１】
そして、ステップＳ５７で、ステップＳ５６において算出された積算値ΣＮＯｘｅｘ（２、５、・・、ｋ）が、その抽出個数ｍによって割り算されて平均化され、その平均化処理された値（ΣＮＯｘｅｘ（２、５、・・、ｋ））／ｍが、点火時期制御手段の機能状態の異常判定用しきい値α１と比較され、ＹＥＳの場合には、燃焼室４から排出される排気ガス中のＮＯｘ量が多く異常であると診断され、ステップＳ５８に進み、警告灯などの表示手段４１による警告が行われ、さらに、ステップＳ５９において、点火時期を上述のエンジン制御の処理における図７のステップＳ４２においてセットされた基本の目標点火時期θｂに戻してセットされ、リターンする。
【００７２】
一方、ステップＳ５７でＮＯの場合には、ステップＳ６０へ進み、上述の平均化処理された値（ΣＮＯｘｅｘ（２、５、・・、ｋ））／ｍが、上述の異常判定用しきい値α１よりも小さい遅角補正用しきい値α２と比較され、平均化処理された値（ΣＮＯｘｅｘ（２、５、・・、ｋ））／ｍが、遅角補正用しきい値α２よりも大きいＹＥＳの場合には、異常ではないが、排気ガス中のＮＯｘ量がやや多いとされて、ＮＯｘ量を減らすべく、ステップＳ６１において、目標点火時期θｂに対し、夫々遅角補正された点火時期が、目標点火時期θｂとしてセットされる。
【００７３】
一方、ステップＳ６０でＮＯの場合には、ステップＳ６２へ進み、上述の平均化処理された値（ΣＮＯｘｅｘ（２、５、・・、ｋ））／ｍが、上述の遅角補正用しきい値α２よりも、さらに小さい進角補正用しきい値α３と比較され、平均化処理された値（ΣＮＯｘｅｘ（２、５、・・、ｋ））／ｍが、進角補正用しきい値α３よりも小さいＹＥＳの場合には、排気ガス中のＮＯｘ量が非常に小さいとされて、エンジントルクを増加させるべく、ステップＳ６３において、目標点火時期θｂに対し、夫々進角補正された点火時期が、目標点火時期θｂとしてセットされる。
【００７４】
そして、ステップＳ６１において遅角補正された点火時期、あるいは、ステップＳ６３において進角補正された点火時期が、上下限値を超えて、過進角又は過遅角することがないよう、ステップＳ６４においてガード処理がおこなわれ、上下限値を超えている場合には、上下限値が目標点火時期θｂとして再セットされ、上下限値を超えていない場合には、ステップＳ６１またはステップＳ６３においてセットされた目標点火時期θｂが、そのまま目標点火時期θｂとされる。
【００７５】
なお、上述の異常判定用しきい値α１、遅角補正用しきい値α２、進角補正用しきい値α３は、燃焼室からの排気ガス流量等の影響を受けるので、運転状態に応じて設定されることとしてもよく、本発明に係る第２実施形態におけるしきい値の設定例である図９に示されるように、エンジン負荷に対応する充填率Ｃｅ、またはエンジン回転数Ｎｅが大きいほど、大きな値としてもよい。
【００７６】
また、上記第２実施形態では、ＮＯｘ量制御手段として、点火時期制御手段の機能状態の診断について述べたが、ＥＧＲ制御手段の機能状態の診断についても、同様に実施可能であり、例えば、空燃比が、理論空燃比近傍にフィードバック制御される際に機能するＥＧＲ制御手段の機能状態の診断を、ＮＯｘセンサ取付け部の酸素濃度が、上記所定範囲外にある時の、ＮＯｘセンサの精度の高い出力値によって実施する構成としても良い。
【００７７】
また、上記機能状態の診断結果に基づいて、ＮＯｘ、酸素濃度の検出期間、例えば、Ｔ０の終了時期を変更する制御を行うように構成しても良い。
【００７８】
以上のことより、排気ガス中の酸素濃度が所定範囲内にある時で、ＮＯｘセンサによる排気ガス中のＮＯｘ量の検出精度が低下する時の、ＮＯｘ浄化手段やＮＯｘ量制御手段の劣化や故障といった機能状態が、排気ガス中の酸素濃度が所定範囲外にある時で、ＮＯｘセンサの出力値がＮＯｘセンサの金属製カバーの影響を受けることがなく、ＮＯｘ量の検出精度が高い時のＮＯｘセンサの出力値に基づいて診断されるので、上記機能状態の診断の精度を向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の排気浄化装置を備えたエンジンシステムの概略構成図。
【図２】本発明に係る実施形態のＮＯｘセンサの構成を示す断面図。
【図３】本発明に係る第１実施形態によるリッチスパイク処理の処理内容を示すフローチャート。
【図４】本発明に係る同一のＮＯｘ濃度における、酸素濃度とＮＯｘセンサの出力値との関係を示す図。
【図５】本発明に係る第１実施形態による排気ガス中の酸素濃度と、ＮＯｘ浄化手段からのＮＯｘ放出量の関係を示すタイムチャート。
【図６】本発明に係る第１実施形態によるＮＯｘ浄化手段の劣化診断の処理内容を示すフローチャート。
【図７】本発明に係る第２実施形態によるエンジン制御の処理内容を示すフローチャート。
【図８】本発明に係る第２実施形態による点火時期制御の機能診断の処理内容を示すフローチャート。
【図９】本発明に係る第２実施形態におけるしきい値の設定例。
【符号の説明】
１…エンジン本体（燃焼手段）
４…燃焼室
２２…排気ガス通路
２４…酸素濃度検出手段（酸素濃度センサ）
２５…ＮＯｘ浄化手段（ＮＯｘ吸着触媒）
２６…ＮＯｘセンサ
２６ａ、２６ｂ…第１カバー、第２カバー（金属製のカバー）
２６ｃ…検出素子
３２…ＥＣＵ
Claims (6)
- 燃焼手段から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路と、
該排気ガス通路に配置され、排気ガス中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化手段と、
該ＮＯｘ浄化手段の下流側に配置され、上記排気ガス中のＮＯｘを検出する検出素子と該検出素子を覆う金属製のカバーからなるＮＯｘセンサと、
該ＮＯｘセンサの出力値に基づいて、上記ＮＯｘ浄化手段の機能状態を診断する診断手段と、を備えた排気浄化装置であって、
上記ＮＯｘ浄化手段の下流側で、上記ＮＯｘセンサに到達する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段が備えられ、
該酸素濃度検出手段により検出される上記酸素濃度が少なくとも０．２ないし０．５％の所定範囲内にある時の上記ＮＯｘ浄化手段の機能状態が、上記酸素濃度が上記所定範囲外にある時の上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて診断される排気浄化装置。 - 上記ＮＯｘ浄化手段が、排気ガス中の酸素濃度に応じてＮＯｘを吸着または放出するＮＯｘ吸着触媒であるとともに、
上記排気ガス中の酸素濃度又は還元剤濃度を制御する、還元剤制御手段が備えられ、
該還元剤制御手段により、上記ＮＯｘ吸着触媒に吸着されたＮＯｘが排気ガス中に放出されるよう、排気ガス中の酸素濃度を減少、又は還元剤濃度を増量された後、
上記酸素濃度検出手段により検出される排気ガス中の酸素濃度が上記所定範囲の下限値である０．２％以下にある時の上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて上記ＮＯｘ吸着触媒の機能状態が診断される請求項１に記載の排気浄化装置。 - 燃焼手段から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路と、
該排気ガス通路に配置され、上記排気ガス中のＮＯｘを検出する検出素子と該検出素子を覆う金属製のカバーからなるＮＯｘセンサと、
上記燃焼手段から排出される排気ガス中のＮＯｘ量を制御するＮＯｘ量制御手段と、
上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて、上記ＮＯｘ量制御手段の機能状態を診断する診断手段と、を備えた排気浄化装置であって、
上記ＮＯｘセンサに到達する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段が備えられ、
該酸素濃度検出手段により検出される上記酸素濃度が所定範囲内にある時の上記ＮＯｘ量制御手段の機能状態が、上記酸素濃度が上記所定範囲外にある時の上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて診断される排気浄化装置。 - 上記排気ガス中の酸素濃度の所定範囲内が、０．２％ないし０．５％である請求項３に記載の排気浄化装置。
- 上記排気ガス中の酸素濃度の所定範囲内が、０．２％以上、又は０．１％以上、又は０％以上、のいずれかである請求項３に記載の排気浄化装置。
- 上記排気ガス中の酸素濃度の所定範囲内が、０．５％以下、又は０．６％以下、のいずれかである請求項３に記載の排気浄化装置。
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