JP2004124737A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コスト増大を抑制しつつ、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の浄化能力を精度良く判定する。
【解決手段】機関１の排気通路３に、排気切換弁５を介してループ状排気通路４を接続し、排気切換弁５を切り換えることにより、ループ状排気通路４を流れる排気の流れ方向を逆転可能とする。ループ状排気通路上にはＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７と、単一のＮＯ_Ｘセンサ９を配置する。機関運転中に排気切換弁により排気流れ方向を切り換えることにより、単一のＮＯ_Ｘセンサを用いて装置コストの増大を抑制しながら触媒７上流側と下流側の排気中のＮＯ_Ｘ濃度を検出することが可能となり、触媒の入口と出口のＮＯ_Ｘ濃度を用いた触媒浄化能力判定を精度良く行うことが可能となる。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気中のＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）濃度を検出するＮＯ_Ｘセンサを用いて、排気浄化触媒の劣化程度の判定を行ったり、ＮＯ_Ｘの排出量が少なくなるように機関の運転を制御する技術が知られている。
【０００３】
ＮＯ_Ｘセンサのこの種の利用方法の例としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。
【０００４】
同文献では、排気中のＮＯ_Ｘを浄化するＮＯ_Ｘ浄化触媒の上流側と下流側の排気通路にそれぞれＮＯ_Ｘセンサを配置し、これらのセンサの検出結果に基づいてＮＯ_Ｘ浄化触媒のＮＯ_Ｘ浄化率を算出し、このＮＯ_Ｘ浄化率の変化に基づいてＮＯ_Ｘ浄化触媒の劣化の程度を判定している。
【０００５】
すなわち、同文献ではＮＯ_Ｘ浄化触媒の入口での排気ＮＯ_Ｘ濃度と出口での排気ＮＯ_Ｘ濃度とを測定することにより、触媒に流入する排気中のＮＯ_Ｘのうち触媒により浄化されたＮＯ_Ｘ量（すなわち触媒の浄化能力）を算出し、更にこの浄化能力の低下の程度に基づいて触媒の劣化程度を判定している。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−９３６４７号公報
【特許文献２】
特開２０００−７３７４１号公報
【特許文献３】
特開平２−２０４６１３号公報
【特許文献４】
特開２０００−２８２９５８号公報
【特許文献５】
特開２０００−１０４５３３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１の装置のようにＮＯ_Ｘセンサを用いてＮＯ_Ｘ浄化触媒の上流側（入口側）と下流側（出口側）の排気中のＮＯ_Ｘ濃度を検出することにより、精度の良い浄化能力の判定と劣化程度判定を行うことができる。しかし、同文献の装置では、触媒入口側排気中のＮＯ_Ｘ濃度と出口側排気中のＮＯ_Ｘ濃度との両方を検出するために触媒の上流側（入口側）と下流側（出口側）との両方にＮＯ_Ｘセンサを配置している。
ところが、ＮＯ_Ｘセンサはそれ自体がかなり高価格であるため、触媒入口側と出口側との両方にＮＯ_Ｘセンサを配置すると装置価格が大幅に増大する問題が請じる。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑み、ＮＯ_Ｘセンサ等の排気センサを用いて触媒の浄化能力や劣化の判定を精度よく行いながら装置価格の増大を最小に抑制することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の排気通路に配置した排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒内を流れる排気の流れ方向を第１の方向と、該第１の方向とは反対の第２の方向とに切換える切換手段と、排気中の特定成分濃度を検出する排気センサとを備え、該排気センサは前記切換手段により排気流れ方向が前記第１の方向に切り換えられたときは前記触媒に流入する排気と接触するとともに、排気流れ方向が前記第２の方向に切り換えられたときは前記触媒から流出する排気と接触する位置に配置されている内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、前記排気センサは、前記特定成分として排気中のＮＯ_Ｘ濃度を検出するＮＯ_Ｘセンサである、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１１】
すなわち、請求項１と２の発明では、切換手段により触媒内を流れる排気の流れ方向を切り換えることにより単一のセンサで触媒入口の排気と出口排気との両方の排気中の特定成分濃度を検出することが可能となる。これにより、例えば排気センサとしてＮＯ_Ｘセンサを使用した場合も、触媒の入口側排気と出口側排気との両方の特定成分濃度を単一のＮＯ_Ｘセンサで検出することが可能となる。従って、この場合にはＮＯ_Ｘセンサを用いて精度良く触媒の性能劣化等を判定しながら、ＮＯ_Ｘセンサの個数を減らし装置価格の上昇を抑制することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、更に、前記ＮＯ_Ｘセンサの出力に基づいて少なくとも前記機関の制御状態を含む機関状態の複数の種類の判定対象を判定する判定手段を備え、該判定手段は前記切換手段により判定対象に応じて定まる方向に前記排気流れ方向を切り換える、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１３】
すなわち、請求項３に記載の発明では、機関状態の複数種類の判定対象を判定するに際して、判定対象に応じて排気流れ方向を切り換えることにより、触媒入口側と出口側のＮＯ_Ｘ濃度のうち判定に必要とされるいずれか一方もしくは両方を単一のＮＯ_Ｘセンサで検出することが出来る。
【００１４】
請求項４に記載の発明によれば、前記判定手段は、排気流れが前記第１の方向に切換えられた状態での前記ＮＯ_Ｘセンサ出力に基づいて前記機関制御状態を判定する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１５】
すなわち、請求項４の発明では排気流れを第１の方向に切り換えた状態でのＮＯ_Ｘセンサ出力、つまり触媒入口側でのＮＯ_Ｘ濃度に基づいて機関制御状態を判定する。触媒入口側でのＮＯ_Ｘ濃度は機関出口でのＮＯ_Ｘ濃度に等しい。このため、機関出口でのＮＯ_Ｘ濃度を検出することにより、機関の燃焼状態（燃焼に関する制御の状態）を判定することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、前記判定手段は、前記機関制御状態として、機関のＥＧＲガス量と燃料噴射時期または点火時期のうち少なくとも１つを判定する、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１７】
すなわち、請求項５の発明では排気中のＮＯ_Ｘ量に大きな影響があるＥＧＲガス量、燃料噴射時期（ディーゼル機関の場合）、または点火時期（ガソリン機関の場合）が適切に制御されているか否かが、触媒上流側でのＮＯ_Ｘ濃度に基づいて判定される。
【００１８】
請求項６に記載の発明によれば、前記排気浄化触媒は、排気中のＮＯ_Ｘ成分を浄化するＮＯ_Ｘ浄化触媒である、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１９】
すなわち、請求項６の発明では、排気浄化触媒としてＮＯ_Ｘ浄化触媒が使用される。このように、ＮＯ_Ｘセンサを用いてＮＯ_Ｘ浄化触媒の入口側と出口側の排気中のＮＯ_Ｘ濃度を検出することにより、ＮＯ_Ｘ浄化触媒の状態を判定することが可能となる。
【００２０】
請求項７に記載の発明によれば、前記判定対象は、前記ＮＯ_Ｘ浄化触媒にリッチ空燃比の排気を供給するリッチスパイク操作を開始すべきか否かの判定を含み、前記判定手段は、排気流れが前記第２の方向に切り換えられた状態での前記ＮＯ_Ｘセンサ出力に基づいて前記リッチスパイク操作を開始すべきか否かを判定する、請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２１】
すなわち、請求項７の発明ではＮＯ_Ｘ浄化触媒に短時間リッチ空燃比の排気を供給するリッチスパイク操作が行われる。例えば、ＮＯ_Ｘ浄化触媒としてリーン空燃比の排気中のＮＯ_Ｘを吸着、吸収またはその両方にて選択的に保持（吸蔵）し、排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になったときに吸蔵したＮＯ_Ｘを排気中のＨＣ、ＣＯ等を用いて還元浄化するＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が使用された場合には、触媒に吸蔵したＮＯ_Ｘを還元浄化するために、リーン空燃比運転中に短時間機関をリッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作を行う必要がある。
【００２２】
リッチスパイク操作は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量が増大してＮＯ_Ｘ浄化能力が低下したときに実行する。本発明では判定手段は排気流れを第２の方向に切り換えることにより、ＮＯ_Ｘ浄化触媒下流側の排気中のＮＯ_Ｘ濃度に基づいてリッチスパイクが必要か否かを判定する。
【００２３】
例えば、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量が増大してＮＯ_Ｘ浄化能力が低下すると触媒下流側の排気中のＮＯ_Ｘ濃度が増大し、上流側の排気ＮＯ_Ｘ濃度に近づくようになる。従って、排気流れを第２の方向に切り換えてＮＯ_Ｘ浄化触媒下流側の排気中のＮＯ_Ｘ濃度を検出することによりＮＯ_Ｘ浄化触媒のＮＯ_Ｘ浄化能力の低下、すなわちリッチスパイク操作が必要か否かを判定することができる。
【００２４】
請求項８に記載の発明によれば、前記ＮＯ_Ｘセンサは、更に特定成分として排気中の酸素濃度をも検出し、前記判定対象は更に、実行中の前記リッチスパイク操作を終了すべきか否かの判定を含み、前記判定手段は、排気流れが前記第２の方向に切り換えられた状態での前記ＮＯ_Ｘセンサ出力に基づいて前記リッチスパイク操作を終了すべきか否かを判定する、請求項７に記載の内燃機関排気浄化装置が提供される。
【００２５】
すなわち、請求項８の発明ではＮＯ_Ｘセンサとして、ＮＯ_Ｘ濃度に加えて排気中の酸素濃度をも検出することができるものが使用される。
リッチスパイク操作実行中は後述するように、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_Ｘが還元されている間は触媒下流側排気の空燃比は理論空燃比近傍になり、吸蔵したＮＯ_Ｘが全て還元されると下流側排気の空燃比はリッチ空燃比に移行する。従って、排気流れを第２の方向に切り換えるとともに、ＮＯ_Ｘセンサを用いて触媒下流側の排気酸素濃度を監視し、酸素濃度の変化から排気空燃比を判定することにより、触媒に吸蔵されたＮＯ_Ｘの還元浄化が完了した時期、すなわちリッチスパイク操作を終了すべき時期を判断することができる。
【００２６】
請求項９に記載の発明によれば、前記判定対象は、前記ＮＯ_Ｘ浄化触媒の劣化の程度を含み、前記判定手段は、前記切換手段を用いて排気流れ方向を前記第１の方向と前記第２の方向との間で切り換えて、前記ＮＯ_Ｘ濃度センサで検出した排気中のＮＯ_Ｘ濃度に基づいて前記ＮＯ_Ｘ浄化触媒の劣化状態を判定する、請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２７】
すなわち、請求項９の発明では排気流れ方向を第１と第２の方向に切り換えて触媒上流側と下流側の排気ＮＯ_Ｘ濃度を検出することにより、触媒に流入する排気中のＮＯ_Ｘのうち触媒で浄化されずに下流側に通過するＮＯ_Ｘ量を知ることができる。これにより、ＮＯ_Ｘ浄化触媒のＮＯ_Ｘ浄化能力を知ることができるため、ＮＯ_Ｘ浄化触媒の浄化能力の低下に基づいて触媒の劣化度合いを判定することができる。
【００２８】
請求項１０に記載の発明によれば、前記判定対象は、更に前記ＮＯ_Ｘセンサの劣化の程度を含み、前記判定手段は、前記切換手段を用いて排気流れ方向を前記第１の方向と前記第２の方向との間で切り換えて、切換前後にそれぞれの流れ方向において前記ＮＯ_Ｘセンサで検出した排気中のＮＯ_Ｘ濃度に基づいて前記ＮＯ_Ｘセンサの劣化程度を判定する、請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２９】
すなわち、請求項１０の発明ではＮＯ_Ｘ浄化触媒の上流側と下流側の排気中のＮＯ_Ｘ濃度を単一のＮＯ_Ｘセンサで検出することにより、ＮＯ_Ｘセンサの劣化の程度を判定する。ＮＯ_Ｘ浄化触媒が正常であった場合には、触媒の上流側に較べて下流側では排気中のＮＯ_Ｘ濃度が大幅に低くなっており、排気流れ方向の切り換え前後でＮＯ_Ｘセンサ出力は急激に変化する。従って、ＮＯ_Ｘセンサで検出した排気流れ方向の切換前後のＮＯ_Ｘ濃度が大きく変化しないような場合にはＮＯ_Ｘセンサの劣化によりセンサ出力に異常が生じていると判定することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を自動車用内燃機関に適用した実施形態の概略構成を模式的に示す図である。
【００３１】
図１において、１は内燃機関本体、３は機関１の排気が流れる排気管、３１は排気管３を機関１の各気筒の排気ポートに接続する排気マニホルドを、それぞれ示している。
【００３２】
図１に４で示すのは、両端が排気通路３に接続されたループ状排気通路である。ループ状排気通路４は、それぞれ一端が排気通路３に接続される通路４ａと４ｂとからなり、ループ状排気通路４のそれぞれの通路４ａ、４ｂと排気通路３との接続部には排気の流れ方向を切り換える切換弁５が設けられている。また、本実施形態では通路４ａ、４ｂにはＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７が配置されており、通路４ａ、４ｂとＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７とにより排気通路３から出て排気通路３に戻るループ状の連続した排気通路４が構成される。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７は、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Ｘを吸着、吸収またはその両方にて選択的に保持し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となったときに、吸蔵したＮＯ_Ｘを排気中のＨＣ、ＣＯ等の成分を用いて還元浄化するものである。
【００３３】
本実施形態では、切換弁５を切り換えることにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７を通る排気の流れ方向を逆転させることが可能となっている。すなわち、切換弁５を図１に実線で示した第１の位置に切り換えると、機関１の排気は排気通路３から切換弁５によりループ排気通路４の通路４ａに流入し、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７を図１に実線の矢印で示す第１の方向に流れ、通路４ｂから切換弁５を通って下流側排気通路３ａに流入する。
【００３４】
また、切換弁５を図１に点線で示した第２の方向に切り換えると、機関１の排気は排気通路３から通路４ｂに流入し、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７を点線の矢印で示す第２の方向に流れ、通路４ａから切換弁５を通って下流側排気通路３ａに流入するようになる。
【００３５】
本実施形態では、ループ状排気通路４の通路４ａ、４ｂのいずれか一方には、後述するＮＯ_Ｘセンサ９が配置されている（図１では通路４ａ上にＮＯ_Ｘセンサ９を配置した場合を示す）。ＮＯ_Ｘセンサ９は排気中のＮＯ_Ｘ成分濃度に応じた電圧信号を発生するセンサである。上記から判るように、ＮＯ_Ｘセンサ９は触媒７を通る排気が第１の流れ方向（実線）に切り換えられると、触媒７に流入する排気（触媒上流側排気）と接触し、第２の流れ方向（点線）に切り換えられると、触媒７から流出する排気（触媒下流側排気）と接触するようになる。
【００３６】
すなわち、本実施形態では切換弁５を第１の位置と第２の位置との間で切り換えることにより、通路４ａに設けた単一のＮＯ_Ｘセンサ９でＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７の上流側排気と下流側排気との両方の排気中のＮＯ_Ｘ成分濃度を検出することが可能となっている。
【００３７】
図１に３０で示すのは、機関１の燃料噴射制御、点火時期制御等の基本制御を行う電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。ＥＣＵ３０は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、中央演算装置（ＣＰＵ）を双方向性バスで互いに接続した公知の形式のマイクロコンピュータとして構成され、本実施形態では上記基本制御の他に、切換弁５により排気流れ方向を第１と第２の方向に切り換えてＮＯ_Ｘセンサ９で検出したＮＯ_Ｘ成分濃度等により後述する種々の制御操作を行う。
【００３８】
これらの制御のため、ＥＣＵ３０の入力ポートには機関１の吸気量、回転数、冷却水温度、等の運転状態を表すパラメータがそれぞれ図示しないセンサから入力されている他、ループ状排気通路４上のＮＯ_Ｘセンサ９の出力が入力されている。また、ＥＣＵ３０の出力ポートは燃料噴射弁や点火プラグ（図示せず）に接続されている他、上述の排気切換弁５のアクチュエータ（図示せず）に接続され、切換弁５の動作を制御している。
【００３９】
なお、図１の例ではループ状排気通路４を設けて単一の切換弁５により排気流れ方向を切り換えているが、図２に示すように２つの切換弁５ａ、５ｂにより触媒７のハウジング内で触媒内の排気流れ方向を切り換えることも可能である。
図２において、７１はハウジング、７２はハウジング７１内に収容されたＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７の担体、７２ａは触媒担体７２内に設けられた多数の排気流路（セル）を示している。本実施形態では、セル７２ａは上流側排気通路３と下流側排気通路３ａとに略直角をなす方向に配置されており、各セルの両端はそれぞれハウジング７１内に形成されたヘッダー７３と７５とに接続されている。
【００４０】
図２に７３ａ、７５ａで示すのは、上流側排気通路３とハウジング７１内のヘッダー７３、７５をそれぞれ接続する排気入口通路、７３ｂ、７５ｂで示すのはそれぞれヘッダー７３、７５を下流側排気通路３ａに接続する排気出口通路である。また、排気入口通路７３ａ、７５ａと上流側排気通路３との接続部には排気通路３からの排気を入口通路７３ａ、７５ａのいずれか一方に導く入口排気切換弁５ａが、また排気出口通路７３ｂ、７５ｂと下流側排気通路３ａとの接続部には出口通路７３ｂ、７５ｂのいずれか一方を下流側排気通路に接続する出口側排気切換弁５ｂが設けられている。
【００４１】
また、本実施形態ではＮＯ_Ｘセンサ９は排気入口通路７３ａ、７５ａ、排気出口通路７３ｂ、７５ｂ、ヘッダー７３、７５のいずれか１つの上に配置される（図２は排気出口通路７５ｂ上にＮＯ_Ｘセンサ９を配置した場合を示す）。
本実施形態においても、図１の場合と同様に切換弁５ａ、５ｂの操作により触媒７上流側と下流側の排気中のＮＯ_Ｘ成分濃度を単一のＮＯ_Ｘセンサ９を用いて検出することができる。
【００４２】
すなわち、切換弁５ａ、５ｂを図２に実線で示す第１の位置に切り換えると、排気は排気通路３から入口切換弁５ａにより排気入口通路７５ａに導かれ、ヘッダー７５から触媒７のセル７２ａを図２に実線の矢印で示す第１の方向に流れ、ヘッダー７３から排気出口通路７５ｂを通って下流側排気通路３ａに流れるようになる。
【００４３】
また、切換弁５ａ、５ｂを図２に点線で示す第２の位置に切り換えると、排気は入口排気通路７３ａからヘッダー７３に流入し、触媒７のセル７２ａを点線の矢印で示す第２の方向に流れ、ヘッダー７５、排気出口通路７５ｂから下流側排気通路３ａに流れるようになる。
【００４４】
なお切換弁５ａ、５ｂが第１の位置（実線）にあるときは排気入口通路７３ａと出口通路７３ｂは、それぞれ排気通路３と下流側排気通路３ａから遮断され、切換弁５ａ、５ｂが第２の位置（点線）にあるときは排気入口通路７５ａと出口通路７５ｂは、それぞれ排気通路３と下流側排気通路３ａから遮断される。
【００４５】
次に、上記実施形態で使用するＮＯ_Ｘセンサ９について説明する。
図３は、ＮＯ_Ｘセンサの一般的な構造を模式的に示す断面図である。
図３において、ＮＯ_Ｘセンサ９は、ジルコニア（ＺｒＯ_２）等の固体電界質３３１からなり、固体電解質内には、拡散律速部３３５を介して排気通路に連通する第１反応室３４０、第１反応室３４０と拡散律速部３３７を介して連通する第２反応室３５０及び、標準気体としての大気が導入される大気室３６０を備えている。拡散律速部３３５、３３７はそれぞれ第１反応室３４０、第２反応室３５０への酸素成分の拡散による流入を抑制し、排気通路内の排気と第１反応室、第１反応室と第２反応室との間の酸素濃度差を維持可能とするものである。
【００４６】
図３に３４１で示すのは第１反応室３４０内に配置された白金電極（陰極）、３４２で示すのは陰極３４１と固体電解質３３１を挟んでセンサ９外部に設けられた同様な白金電極（陽極）である。また、第２反応室３５０内には同様な白金電極３５０とＮＯ_Ｘ検出用のロジウム（Ｒｈ）電極３５３が、大気室３６０内には参照用の白金電極３６１が、それぞれ配置されている。図に３７０で示すのは固体電解質加熱用の電気ヒータである。
【００４７】
第１反応室３４０の電極３４１と外部電極３４２、及び第２反応室の電極３５１と外部電極３４２とは、それぞれ第１反応室３４０と第２反応室３５０内の排気中の酸素を外部に排出する酸素ポンプとして機能する。固体電解質３３１が一定の温度以上のときに電極３４１と３４２、及び電極３５１と３４２との間に電圧を印加すると陰極３４１、３５１上では排気中の酸素分子がイオン化され、イオン化した酸素分子が固体電解質３３１内を陽極３４２に向かって移動して陽極３４２上で再び酸素分子になる。このため、第１反応室３４０、第２反応室３５０内の排気中の酸素が外部に排出される。また、酸素イオンの移動に伴って、電極３４２と３４１及び３５１との間には単位時間に移動した酸素分子の量に比例する電流が流れる。このため、この電流を制御することにより各反応室から排出される酸素量を制御することができる。
【００４８】
また、本実施形態では大気室３６０の電極３６１と各反応室内の電極３４１、３５１との間には酸素電池が形成される。第１と第２反応室内の排気は酸素濃度が大気に較べて低いため、大気室３６０内の大気と各反応室内の排気との間には酸素の濃度差が生じている。大気室３６０と各反応室３４０、３５０とを隔てる固体電解質の温度がある温度以上になると、外部から電極間に電圧を印加しない状態では酸素濃度差により大気室３６０内から固体電解質３３１を通って反応室３４０、３５０に酸素が移動するようになる。
【００４９】
すなわち、大気室３６０内の大気中の酸素分子は電極３６１上でイオン化し、固体電解質３３１内を移動して酸素濃度の低い反応室３４０、３５０の電極３４１、３５１上で再び酸素分子になる。このため、電極３６１と各電極３４１、３５１との間には大気の酸素濃度と各反応室内の酸素濃度との差に応じた電圧が発生する。大気の酸素濃度は一定であるため、電極３６１と各電極３４１、３５１との電位差Ｖ０、Ｖ１（図３）はそれぞれ第１反応室３４０と第２反応室３５１内の排気の酸素濃度を表すようになる。
【００５０】
本実施形態では、前述したように、各反応室から酸素を外部に排出する酸素ポンプ（電極３４１と３４２、電極３５１と３４２）が備えられており、それぞれの酸素ポンプの酸素排出速度はそれぞれの電極間のポンプ電流Ｉｐ０、Ｉｐ１（図３）を調節することにより、各反応室内の排気の酸素濃度（すなわち、電圧Ｖ０、Ｖ１）が所定の一定値になるように制御される。本実施形態では第１反応室３４０内の酸素濃度は例えば１ｐｐｍ程度に、また、第２の反応室３５０内の酸素濃度は例えば０．０１ｐｐｍ程度になるようにポンプ電流Ｉｐ０、Ｉｐ１が制御されている。
【００５１】
このため、第２反応室３５０内は極めて酸素濃度の低い還元雰囲気に維持される。一方、排気中のＮＯ_Ｘ（ＮＯ、ＮＯ_２）は酸素ポンプによっては外部に排出されないため第１、第２反応室中の排気のＮＯ_Ｘ濃度は外部の排気と同一に維持される。ところが、第２反応室のＮＯ_Ｘ検出電極３５３はロジウム（Ｒｈ）であるため還元触媒として機能し、還元雰囲気下でＮＯ_Ｘ（ＮＯ、ＮＯ_２）を還元する。また、大気室３６０の参照電極３６１とＮＯ_Ｘ検出用電極３５３との間には電圧が印加されているため、ＮＯ_Ｘ検出用電極３５３上では、ＮＯ→（１／２）Ｎ_２＋（１／２）Ｏ_２、またはＮＯ_２→（１／２）Ｎ_２＋Ｏ_２の反応が生じＮＯ_Ｘの還元により酸素が発生するようになる。この酸素は、電極３５３上でイオン化して大気室３６０の参照電極３６１に向かって固体電解質３３１中を移動し、参照電極３６１上で酸素分子を形成する。
【００５２】
第２反応室３５０内の酸素濃度は極めて低いため、参照電極３６１に向かって固体電解質中を流れる酸素イオンはその全量が排気中のＮＯ_Ｘの還元により生じたことになる。すなわち、固体電解質中を単位時間あたりに流れる酸素イオンの量は、第２反応室内のＮＯ_Ｘ濃度（排気通路内の排気のＮＯ_Ｘ濃度）に応じた量になる。従って、この酸素イオンの移動に伴って発生する電流値（図３、Ｉｐ２）を計測することにより排気通路内の排気のＮＯ_Ｘ濃度を検出することができる。本実施形態のＮＯ_Ｘセンサ９は、上記電流値Ｉｐ２を電圧信号に変換し、排気中のＮＯ_Ｘ濃度に応じた電圧信号を出力するものである。
【００５３】
更に、ＮＯ_Ｘセンサは電極３４１と３４２、或いは３４０と３６１とを酸素ポンプとして使用することにより、排気と大気との酸素濃度の差、すなわち排気の酸素濃度を検出することができる。すなわち、図３に示したＮＯ_Ｘセンサを用いることにより、排気中のＮＯ_Ｘ成分濃度だけでなく酸素濃度をも検出することが可能となる。
【００５４】
上述したように、図１、図２の実施形態では排気切換弁５（または５ａ、５ｂ）の切り換え操作を行うことにより単一のＮＯ_Ｘセンサ９を用いてＮＯ_Ｘ浄化触媒７の上流側と下流側の排気のＮＯ_Ｘ濃度や更には酸素濃度をも検出することが可能となる。
【００５５】
このように、ＮＯ_Ｘ浄化触媒７の上流側と下流側の排気中の特定成分濃度を検出可能としたことにより、本実施形態では、例えば以下の制御を行うことが可能となっている。
【００５６】
（１）機関のＥＧＲ（排気再循環）ガス量、点火時期（火花着火機関）、燃料噴射時期（圧縮着火機関）の最適化。
（２）ＮＯ_Ｘ浄化触媒７のリッチスパイク開始時期の判定。
（３）ＮＯ_Ｘ浄化触媒７のリッチスパイク実行時のリッチスパイク終了時期判定。
（４）ＮＯ_Ｘ浄化触媒７の劣化程度の判定。
（５）ＮＯ_Ｘセンサ９自体の劣化判定。
以下、それぞれについて説明する。
【００５７】
（１）ＥＧＲガス量等の制御。
本実施形態では、排気切換弁５（または５ａ、５ｂ）を第１の位置に切り換えることにより、ＮＯ_Ｘセンサ９により触媒７上流側の排気中のＮＯ_Ｘ濃度、すなわち触媒によって浄化される前の機関のＮＯ_Ｘ排出量を検出することができる。
【００５８】
内燃機関では、排気中のＮＯ_Ｘ量は種々の機関の制御状態に応じて変化する。しかし、一般に排気中のＮＯ_Ｘ濃度は機関のＥＧＲガス量及び火花点火機関にあっては点火時期、圧縮着火機関にあっては燃料噴射時期により最も大きな影響を受ける。
このため、ＮＯ_Ｘセンサ９で検出した排気中のＮＯ_Ｘ濃度が予め定めた基準値以上にならないように機関のＥＧＲガス量や点火時期または燃料噴射時期をフィードバック制御することにより、機関の燃焼状態を最適に維持することが可能となる。
【００５９】
この場合、例えばＮＯ_Ｘセンサ９で検出した触媒上流側の排気中のＮＯ_Ｘ濃度が基準値より高い場合には、ＥＣＵ３０は、例えばＥＧＲ制御弁（図示せず）の開度を増大することにより、機関燃焼室に供給するＥＧＲガス量を増大して機関の燃焼温度を低下させるとともに、火花点火機関にあっては点火時期を遅角し、圧縮着火機関にあっては、燃料噴射時期を遅角する。これにより、機関のＮＯ_Ｘ発生量が低下し、ＮＯ_Ｘ排出量が基準値を越えないように機関燃焼状態を最適に維持することが可能となる。
【００６０】
（２）ＮＯ_Ｘ浄化触媒のリッチスパイク開始時期の判定
ＮＯ_Ｘ浄化触媒は排気中のＨＣ、ＣＯ成分を用いてＮＯ_Ｘ成分を還元するため、ＮＯ_Ｘ浄化触媒にはＮＯ_Ｘの浄化のためにＨＣ、ＣＯや還元成分を供給する必要がある。
例えば、本実施形態ではＮＯ_Ｘ浄化触媒としてリーン空燃比の排気中のＮＯ_Ｘを吸着、吸収またはその両方にて選択的に保持（吸蔵）し、排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になったときに吸蔵したＮＯ_Ｘを排気中のＨＣ、ＣＯ等を用いて還元浄化するＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が使用されるが、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒はＮＯ_Ｘ吸蔵量が増大するにつれてＮＯ_Ｘ吸蔵能力が低下し、排気中のＮＯ_Ｘのうち触媒に吸蔵されずに通過してしまうものの量が増大する。このため、排気性状を良好に維持するためには、例えばリーン空燃比運転が続きＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量がある程度増大した場合には、短時間機関をリッチ空燃比で運転してＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒にリッチ空燃比のＨＣ、ＣＯ成分を多く含む排気を供給してＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が吸蔵しているＮＯ_Ｘを還元浄化する必要がある。
【００６１】
本明細書では、リーン空燃比運転中に機関を短時間リッチ空燃比で運転してＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_Ｘを還元浄化する上記の操作をリッチスパイクと称している。
リッチスパイクが行われると、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量は低下し、排気中のＮＯ_Ｘを吸蔵する能力（すなわち排気浄化能力）が回復する。
上述のように、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒ではＮＯ_Ｘ吸蔵量がある程度増大したときにリッチスパイク操作を開始してＮＯ_Ｘ浄化能力を回復させる必要がある。ところが、リッチスパイク操作を開始するタイミングが早すぎると、触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量が少ない状態でリッチスパイク操作を行うことになりリッチスパイク操作の実行頻度が増大するため、燃費の悪化などの問題を生じるおそれがある。
【００６２】
また、逆にリッチスパイク操作を開始するタイミングが遅すぎると、ＮＯ_Ｘ吸蔵量の増大によりＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ浄化能力が低下した状態で機関を運転する時間が長くなり、排気性状が悪化するおそれがある。
従って、リッチスパイク開始タイミングを適切に設定するためにはＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量を知る必要があるが、実際にはＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量を直接検出することは困難である。
そこで、本実施形態ではＮＯ_Ｘセンサ９を用いてＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７の下流側排気のＮＯ_Ｘ濃度を検出することによりリッチスパイク開始タイミングを判定するようにしている。
【００６３】
すなわち、前述したようにＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７のＮＯ_Ｘ吸蔵量が増大すると、それに応じて触媒に吸蔵されずに下流側に流出するＮＯ_Ｘ量が増大する。本実施形態では、触媒下流側排気中のＮＯ_Ｘ濃度が増大して予め定めた判定値に到達したときにＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量が許容値を越えて増大したと判断してリッチスパイクを開始するようにする。
【００６４】
具体的には、ＥＣＵ３０は機関のリーン空燃比運転中切換弁５（または５ａ、５ｂ）を第２の位置に切り換えてＮＯ_Ｘセンサ９によりＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７下流側の排気のＮＯ_Ｘ濃度を検出する。そして、このＮＯ_Ｘ濃度が予め定めた判定値以上になった場合にはリッチスパイク操作を行う。
本実施形態によれば、上記によりＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７のリッチスパイク操作を開始すべきタイミングを適切に判定することが可能となり、常にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７のＮＯ_Ｘ浄化能力を適切に維持することができる。
【００６５】
（３）ＮＯ_Ｘ浄化触媒７のリッチスパイク実行時のリッチスパイク終了時期判定。
リッチスパイク開始タイミングの判定について上記に説明したが、次に開始後リッチスパイク操作を終了するタイミングの判定について説明する。
リッチスパイク操作は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７が吸蔵したＮＯ_Ｘを還元浄化するために実施するものであるので、吸蔵したＮＯ_Ｘの全量が還元浄化するのに充分な時間実行する必要がある。
【００６６】
リッチスパイク操作の終了タイミングが早すぎるとＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７は吸蔵したＮＯ_Ｘ量がゼロにならない状態で再度ＮＯ_Ｘの吸蔵を開始することになり、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵能力を効率的に利用することができなくなる。一方、リッチスパイク操作の終了タイミングが遅すぎると、触媒に吸蔵したＮＯ_Ｘが完全に還元浄化された後も必要のないリッチ空燃比運転が行われることとなり、機関燃費の悪化などの問題が生じる。
本実施形態では、ＮＯ_Ｘセンサ９の酸素濃度センサとしての機能を利用してリッチスパイク操作の終了時期を正確に判定するようにしている。
【００６７】
次に、本実施形態のリッチスパイク終了時期の判定原理について説明する。
排気空燃比がリッチ空燃比になると、排気中の酸素濃度が大幅に低下するとともに、排気中の未燃ＨＣ、ＣＯ等の濃度が急激に増大する。このリッチ空燃比の排気がＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入すると、触媒に吸蔵されたＮＯ_Ｘは、排気中の未燃ＨＣ、ＣＯ成分等と反応してＮ_２に還元されるとともに、ＨＣ、ＣＯ成分はＮＯ_Ｘとの反応により酸化されてＨ_２ＯとＣＯ_２とになる。このことは、排気組成を全体として見るとリッチ空燃比の排気にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７から酸素が供給されてＨＣ、ＣＯ成分が酸化されたことと同等であり、排気中のＨＣ、ＣＯ成分の全量がＮＯ_Ｘにより酸化されてＨ_２ＯとＣＯ_２とになった場合には、触媒上流側の空燃比はリッチ空燃比であっても触媒下流側の空燃比は理論空燃比となる。
【００６８】
すなわち、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵したＮＯ_Ｘが排気中のＨＣ、ＣＯにより還元されている間は、リッチスパイク操作中であっても触媒下流側の酸素濃度は理論空燃比に対応した値となっている。一方、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵したＮＯ_Ｘの全量が還元されると、排気中のＨＣ、ＣＯは酸化されることなくＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を通過するようになるため、触媒下流側の排気酸素濃度は大幅に低下してリッチ空燃比に対応した値となる。従って、リッチスパイク実行中に触媒下流側の排気酸素濃度が理論空燃比相当の値からリッチ空燃比相当の値に急激に低下した場合には、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵したＮＯ_Ｘの全量が還元浄化されており、リッチスパイクを終了すべきタイミングであると判断することができる。
【００６９】
本実施形態では、ＥＣＵ３０はリッチスパイクが開始されると切換弁５（または５ａ、５ｂ）を引き続き第２の位置に保持するとともに、ＮＯ_Ｘセンサ９を酸素濃度センサとして用いて触媒下流側排気の酸素濃度を監視する。そして、この酸素濃度が大幅に低下してリッチ空燃比相当の値になったとときにリッチスパイク操作を終了するようにしている。
上述のように、本実施形態によればＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のリッチスパイクを終了すべき時期を正確に判定することができるため、機関の燃費の悪化が生じることを防止しつつＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ浄化能力を常に高く維持することが可能となる。
【００７０】
（４）ＮＯ_Ｘ浄化触媒の劣化程度の判定。
次に、ＮＯ_Ｘ浄化触媒の劣化程度の判定について説明する。
本実施形態では、ＮＯ_Ｘ浄化触媒としてＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７が使用されている。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒はリーン空燃比の排気中のＮＯ_Ｘを吸蔵することにより排気中のＮＯ_Ｘを除去するが、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が劣化すると吸蔵可能な最大ＮＯ_Ｘ量が低下する。従って、前述のように定期的にリッチスパイク操作を行った場合でも、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が劣化するにつれて実際にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されるＮＯ_Ｘの量は低下して行く。
【００７１】
本実施形態では、リーン空燃比運転中にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に実際に吸蔵されたＮＯ_Ｘの量を算出し、このＮＯ_Ｘ吸蔵量に基づいてＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７の劣化程度を判定するようにしている。
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７に吸蔵されるＮＯ_Ｘの量は、触媒７に流入するＮＯ_Ｘ量から触媒７に吸蔵されずに下流側に流出するＮＯ_Ｘ量を差し引いた量に等しい。
一方、単位時間当たりに触媒７に流入するＮＯ_Ｘ量は排気流量に触媒７上流側の排気のＮＯ_Ｘ濃度を乗じた量に等しく、触媒７から流出するＮＯ_Ｘ量は排気流量に触媒７下流側の排気ＮＯ_Ｘ濃度を乗じた量に等しい。従って、触媒７上流側排気中のＮＯ_Ｘ濃度と下流側排気中のＮＯ_Ｘ濃度とを検出することにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_Ｘ量を算出することができる。
【００７２】
図４は本実施形態におけるＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量算出操作を説明するタイミング図である。
本実施形態では、機関がリーン空燃比で定常運転されているときにまず、切換弁５（５ａ、５ｂ）を第１の位置に切り換えてＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７上流側の排気ＮＯ_Ｘ濃度を一定期間測定し、期間内の平均濃度を算出する。また、同様に機関の吸入空気量（すなわち排気流量）を一定期間測定し、期間内の平均排気流量を算出する（図４、区間Ｉ）。
【００７３】
そして、上記平均濃度と排気流量とを算出後、それまでにＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_Ｘを全部還元浄化してＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量を一旦ゼロにするためにリッチスパイクを行う（図４、区間ＩＩ）。また、このときには切換弁５（５ａ、５ｂ）を第２の位置に切り換えるとともに、ＮＯ_Ｘセンサ９を酸素濃度センサとして用いてリッチスパイクの終了タイミングを判定する。
そして、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７にリッチスパイク終了後、リッチスパイク開始前と同じリーン空燃比の定常状態で機関を運転し、ＮＯ_Ｘセンサ９によりＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７下流側排気中のＮＯ_Ｘ濃度を検出する（図４、区間ＩＩＩ）。
【００７４】
本実施形態では、ＮＯ_Ｘ吸蔵量算出中は定常運転が行われている。このため、区間ＩＩＩで触媒７下流側ＮＯ_Ｘ濃度計測中の触媒７上流側の排気流量及びＮＯ_Ｘ濃度は図４、区間Ｉで算出した平均排気流量とＮＯ_Ｘ濃度に等しいと仮定することができる。
従って、区間ＩＩＩにおいて単位時間当たりにＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７に吸蔵されるＮＯ_Ｘ量は、（区間Ｉで計測した上流側平均ＮＯ_Ｘ濃度−区間ＩＩＩにおける各時点の下流側ＮＯ_Ｘ濃度）×（区間Ｉで計測した平均排気流量（吸入空気量））となる。
【００７５】
従って、上記単位時間当たりの吸蔵ＮＯ_Ｘ量を区間ＩＩＩにわたって積算することにより、区間ＩＩＩ内にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_Ｘ量（図４に斜線で示す面積に対応する量）が算出される。
本実施形態では、計測時間（区間ＩＩＩ）は予め定めた一定時間とされる。区間ＩＩＩ内にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_Ｘ量は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７の現在のＮＯ_Ｘ吸蔵能力に相当する値となり、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の劣化が進行するほど小さな値になる。
本実施形態では、上記吸蔵ＮＯ_Ｘ量が予め定めた判定値以下になった場合には触媒が劣化したと判定するようにしている。
【００７６】
図５は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量算出操作の図４とは別の実施形態を示す図４と同様なタイミング図である。
図４の例では、上流側排気のＮＯ_Ｘ濃度計測と下流側排気のＮＯ_Ｘ濃度計測との間にリッチスパイク（図４、区間ＩＩ）が入るため、上流側と下流側との排気ＮＯ_Ｘ濃度計測時の機関運転状態が完全に同一になっていない場合が生じ得る。
図５の例では、この点を考慮して、上流側と下流側との排気ＮＯ_Ｘ濃度計測は、ともにリッチスパイク後の同じリーン空燃比運転サイクル中に行う。
【００７７】
本実施形態では通常のリッチスパイク操作（図５、区間Ｉ）終了後、直ちに切換弁を第２の位置から第１の位置に切り換えて所定時間の間ＮＯ_Ｘセンサ９により触媒７上流側の排気ＮＯ_Ｘ濃度を検出し、この期間のＮＯ_Ｘ濃度を時間平均して上流側の平均ＮＯ_Ｘ濃度を算出する（図５、区間ＩＩ）。また、同時にこの期間での機関吸入空気量の平均値を算出する。
上流側平均ＮＯ_Ｘ濃度と平均吸入空気量を算出後、切換弁５（５ａ、５ｂ）は直ちに第２の位置に切り換えられ、ＮＯ_Ｘセンサ９により触媒下流側の排気ＮＯ_Ｘ濃度の検出を開始する。
【００７８】
本実施形態では、図４の例と同様に、区間ＩＩで算出した平均ＮＯ_Ｘ濃度と区間ＩＩＩで検出した各時点における下流側ＮＯ_Ｘ濃度との差に基づいて触媒７のＮＯ_Ｘ吸蔵量を算出する。この場合、区間ＩＩにおける下流側のＮＯ_Ｘ濃度、はゼロであると仮定する。
【００７９】
区間ＩＩは、リッチスパイク（区間Ｉ）終了直後の比較的短い時間であり、この期間では下流側に触媒７の劣化が進行していても触媒７に流入する排気中のＮＯ_Ｘは、ほぼその全量が触媒７に吸蔵される。このため、区間ＩＩの触媒７下流側の排気ＮＯ_Ｘ濃度をゼロと仮定しても大きな誤差は生じない。
本実施形態においても、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７のＮＯ_Ｘ吸蔵量は、図５の斜線部分面積に対応する量として算出される。
【００８０】
上述のように、図５の例では触媒７上流側の排気ＮＯ_Ｘ濃度計測時と下流側排気ＮＯ_Ｘ濃度計測時とで機関運転状態が変化しないため、より正確に触媒７のＮＯ_Ｘ吸蔵量を算出することができ、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７の正確な劣化判定を行うことができる。
【００８１】
（５）ＮＯ_Ｘセンサの劣化判定
次に本実施形態におけるＮＯ_Ｘセンサ９の劣化判定について説明する。
ＮＯ_Ｘセンサは、劣化により出力に誤差が発生する場合がある。特に、実際のＮＯ_Ｘセンサでは、排気ガスを細径の導入孔（ピンホール）を通じてセンサー部に導いているため、このピンホールの詰まりなどにより出力が大きく変化してしまう場合がある。
【００８２】
このように、ＮＯ_Ｘセンサに劣化が生じて検出値に誤差が含まれるようになると、前述の各制御を適切に行うことが出来なくなり、排気性状の悪化や機関燃費の増大が生じる場合がある。本実施形態では、定期的にＮＯ_Ｘセンサ９の劣化の有無を判定し、劣化が生じている場合には運転者にその旨を報知して修理を促すことにより、劣化したセンサを用いて制御が継続されることを防止している。
【００８３】
本実施形態では、機関がリーン空燃比で定常運転されているときに切換弁を第１の位置から第２の位置、または第２の位置から第１の位置に切り換えて、切り換え前後のＮＯ_Ｘセンサ出力の変化に基づいてＮＯ_Ｘセンサ９の劣化の有無について判断する。
図６は、機関がリーン空燃比で定常運転されているときに切換弁５（５ａ、５ｂ）を第２の位置から第１の位置に切り換えた場合の正常な（劣化を生じていない）ＮＯ_Ｘセンサの出力の変化を示す図である。
【００８４】
図６はリッチスパイク直後にＮＯ_Ｘセンサ劣化の有無を判定する場合を示している。前述したように、リッチスパイク操作時にはＮＯ_Ｘセンサによりリッチスパイク開始タイミングと終了タイミングとを判定するために、切換弁５（５ａ、５ｂ）は第２の位置に切り換えられておりＮＯ_Ｘセンサ９はＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７の下流側排気を検出中である。このため、図６では切換弁５（５ａ、５ｂ）を第２の位置から第１の位置に切り換えたときのＮＯ_Ｘセンサ９出力の変化を検出することにより、ＮＯ_Ｘセンサの劣化の有無を判定する。
【００８５】
図６に示すように、時点Ｓで切換弁が第２の位置（下流側）から第１の位置（上流側）に切り換えられた場合、時点Ｓ以前ではＮＯ_Ｘセンサ９は触媒７下流側の排気のＮＯ_Ｘ濃度を検出している。リッチスパイク直後はＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７のＮＯ_Ｘ吸蔵能力が高いため、触媒下流側の排気ＮＯ_Ｘ濃度はほぼゼロであり、時点Ｓ以前ではＮＯ_Ｘセンサの出力もこれに対応して低い値Ｖ_１になっている。
一方、機関がリーン空燃比で定常運転されている場合にはＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７上流側の排気のＮＯ_Ｘ濃度は比較的高いため、時点Ｓで切換弁５（５ａ、５ｂ）が第１の位置に切り換えられるとＮＯ_Ｘセンサ９の出力は急激に上昇し、最終的に上流側ＮＯ_Ｘ濃度に対応した比較的大きな値Ｖ_２に収束する。
【００８６】
しかし、ＮＯ_Ｘセンサ９が劣化すると、図６に点線で示すように、時点Ｓで切換弁を切り換え後のＮＯ_Ｘセンサ９の出力上昇速度が低下して最終出力Ｖ_２′に到達するまでの時間が長くなる。
本実施形態では、切換弁切り換え後のＮＯ_Ｘセンサの出力変化速度が大幅に低下した場合にＮＯ_Ｘセンサ９が劣化したと判定する。
【００８７】
すなわち、ＥＣＵ３０はリッチスパイク操作終了後切換弁５（５ａ、５ｂ）を第２の位置から第１の位置に切り換えるとともに、一定時間毎に時刻とともにＮＯ_Ｘセンサ９の出力をＲＡＭに記憶する。
そして、ＮＯ_Ｘセンサ出力が最終到達値に収束した後（すなわち、ＮＯ_Ｘセンサ出力が変化しなくなったあと）、切り換え後の最終到達出力と切り換え前の出力との差に比例する幅の出力変化に要する時間Ｔｒｅｓを算出する。
【００８８】
すなわち、図６に示すように、切り換え前のＮＯ_Ｘセンサ出力がＶ_１、切り換え後の最終到達出力かＶ_２であった場合、ＥＣＵ３０はＶ_１とＶ_２とから、一定の係数αとβ（１＞β＞α）とを用いて、ＶＡ＝Ｖ_１＋（Ｖ_２−Ｖ_１）×α、ＶＢ＝Ｖ_１＋（Ｖ_２−Ｖ_１）×β、の計算式により出力値ＶＡ、ＶＢを算出する。
【００８９】
更に、ＥＣＵ３０はＲＡＭに記憶したＮＯ_Ｘセンサ９の出力変化履歴から、センサ出力がＶＡからＶＢに変化するのに要した時間Ｔｒｅｓを算出し、この時間が予め定めた判定値Ｔｒｅｓ０より大きくなった場合にはＮＯ_Ｘセンサ９が劣化したと判定するようにしている。
【００９０】
なお、本実施形態ではリッチスパイク後に切換弁を第２の位置（下流側排気ＮＯ_Ｘ濃度検出）から第１の位置（上流側排気ＮＯ_Ｘ濃度検出）に切り換えることによりＮＯ_Ｘセンサの劣化の有無を判定している。これは、リッチスパイク後には触媒下流側排気のＮＯ_Ｘ濃度は略ゼロになるため、上流側排気ＮＯ_Ｘ濃度と下流側排気ＮＯ_Ｘ濃度の差が大きくなり、ＮＯ_Ｘセンサ劣化の有無を判定しやすくなるためである。しかし、ある程度触媒の上流側と下流側の排気のＮＯ_Ｘ濃度が大きければＮＯ_Ｘセンサの劣化の有無を判定することはできるため、リッチスパイク後でないときに、まず触媒上流側のＮＯ_Ｘ濃度を検出し、次に下流側のＮＯ_Ｘ濃度を検出することによっても全く同様なＮＯ_Ｘセンサ劣化判定が可能となる。
【００９１】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、単一の排気センサを用いながら触媒上流側と下流側との両方の排気中の特定成分濃度を検出することが可能となるため、装置コストの増大を防止しながら触媒の浄化能力や劣化判定を精度良く行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を自動車用内燃機関に適用した実施形態の概略構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の、図１とは別の実施形態の主要部の構成を模式的に示す図である。
【図３】ＮＯ_Ｘセンサの一般的な構造を模式的に示す断面図である。
【図４】ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量算出操作の一実施形態を説明するタイミング図である。
【図５】ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量算出操作の、図４とは別の実施形態を説明するタイミング図である。
【図６】ＮＯ_Ｘセンサの劣化検出原理を説明する図である。
【符号の説明】
１…内燃機関本体
３…吸気通路
５、５ａ、５ｂ…排気切換弁
７…ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒
９…ＮＯ_Ｘセンサ
３０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (10)

1. 内燃機関の排気通路に配置した排気浄化触媒と、
   前記排気浄化触媒内を流れる排気の流れ方向を第１の方向と、該第１の方向とは反対の第２の方向とに切換える切換手段と、
   排気中の特定成分濃度を検出する排気センサとを備え、
   該排気センサは前記切換手段により排気流れ方向が前記第１の方向に切り換えられたときは前記触媒に流入する排気と接触するとともに、排気流れ方向が前記第２の方向に切り換えられたときは前記触媒から流出する排気と接触する位置に配置されている内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記排気センサは、前記特定成分として排気中のＮＯ_Ｘ濃度を検出するＮＯ_Ｘセンサである、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 更に、前記ＮＯ_Ｘセンサの出力に基づいて少なくとも前記機関の制御状態を含む機関状態の複数の種類の判定対象を判定する判定手段を備え、該判定手段は前記切換手段により判定対象に応じて定まる方向に前記排気流れ方向を切り換える、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記判定手段は、排気流れが前記第１の方向に切換えられた状態での前記ＮＯ_Ｘセンサ出力に基づいて前記機関制御状態を判定する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記判定手段は、前記機関制御状態として、機関のＥＧＲガス量と燃料噴射時期または点火時期のうち少なくとも１つを判定する、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記排気浄化触媒は、排気中のＮＯ_Ｘ成分を浄化するＮＯ_Ｘ浄化触媒である、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記判定対象は、前記ＮＯ_Ｘ浄化触媒にリッチ空燃比の排気を供給するリッチスパイク操作を開始すべきか否かの判定を含み、前記判定手段は、排気流れが前記第２の方向に切り換えられた状態での前記ＮＯ_Ｘセンサ出力に基づいて前記リッチスパイク操作を開始すべきか否かを判定する、請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記ＮＯ_Ｘセンサは、更に特定成分として排気中の酸素濃度をも検出し、前記判定対象は更に、実行中の前記リッチスパイク操作を終了すべきか否かの判定を含み、前記判定手段は、排気流れが前記第２の方向に切り換えられた状態での前記ＮＯ_Ｘセンサ出力に基づいて前記リッチスパイク操作を終了すべきか否かを判定する、請求項７に記載の内燃機関排気浄化装置。
9. 前記判定対象は、前記ＮＯ_Ｘ浄化触媒の劣化の程度を含み、前記判定手段は、前記切換手段を用いて排気流れ方向を前記第１の方向と前記第２の方向との間で切り換えて、それぞれの流れ方向において前記ＮＯ_Ｘ濃度センサで検出した排気中のＮＯ_Ｘ濃度に基づいて前記ＮＯ_Ｘ浄化触媒の劣化状態を判定する、請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 前記判定対象は、更に前記ＮＯ_Ｘセンサの劣化の程度を含み、前記判定手段は、前記切換手段を用いて排気流れ方向を前記第１の方向と前記第２の方向との間で切り換えて、切換前後にそれぞれの流れ方向において前記ＮＯ_Ｘセンサで検出した排気中のＮＯ_Ｘ濃度に基づいて前記ＮＯ_Ｘセンサの劣化程度を判定する、請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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