JP2004301103A - 排気ガス浄化触媒の劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘトラップ触媒の劣化度合を適切に診断する。
【解決手段】リッチスパイク運転中に、入口Ｏ２センサの出力値ＶＯ２_Ｆが所定値ＶＯ２_Ｆに達し、出口Ｏ２センサの出力値ＶＯ２_Ｒが入口Ｏ２センサの出力値ＶＯ２_Ｆよりも低くなっているときに、入口Ｏ２センサの出力値ＶＯ２_Ｆと出口Ｏ２センサの出力値ＶＯ２_Ｒとの差ＶＯＢＤ_Ｏ２を演算し、この差ＶＯＢＤ_Ｏ２に基づいてＮＯｘトラップ触媒の劣化を診断する。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガス浄化触媒の劣化診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から排気改善のため、排気ガス浄化触媒の劣化状態を診断することが知られている。
【０００３】
特許文献１には、内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘトラップ触媒と、このＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘ吸収能力を再生させるべく排気ガスの空燃比をリッチにさせる吸放出制御手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置であって、ＮＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比を一時的にＮＯｘトラップ能力を再生させる場合よりリッチにさせ、その際にＮＯｘトラップ触媒から流出する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比を示す時間に基づいてＮＯｘトラップ触媒の劣化を診断することが開示されている。
【０００４】
また特許文献２には、内燃機関の排気系に、三元触媒、二値型Ｏ２センサ、ＮＯｘ浄化装置、及び二値型Ｏ２センサがこの順序で配置されている。そして、空燃比をリッチ化した場合における、上流側のＯ２センサの出力変化時点から下流側のＯ２センサの出力変化時点までのタイマ計測値ｔｍＭＯＮ２と、空燃比をリーンに戻した場合における、上流側のＯ２センサの出力変化時点から下流側のＯ２センサの出力変化時点までのタイマ計測値ｔｍＭＯＮ３とに基づいて、補正タイマ計測値ｔｍＭＯＮ２Ｃが算出され、ＮＯｘ浄化装置の劣化が診断されることが開示されている。
【０００５】
また特許文献３には、ＮＯｘトラップ触媒の固有の特性をチェックするために、排気ガスの空燃比をリーンからリッチに切換え、かつＮＯｘの完全な脱着のために必要な時間を越えて、少なくともリッチ状態の排気ガスがちょうど触媒を通過するまでリッチ段階を延長し、かつ第１の切換えとリッチな排気ガスの突破までの間に生じる時間間隔Δｔ１、及び再びリッチからリーン運転に切換えた後に、第２の切換えと触媒を通る酸素の通過との間に生じる時間間隔Δｔ２を測定し、かつ触媒の酸素トラップ機能とＮＯｘトラップ機能との分離した評価のために時間差Δｔ１及びΔｔ２を使用することが開示されている。
【０００６】
また特許文献４には、ＮＯｘトラップ触媒からＮＯｘを放出するべく燃焼室内における平均空燃比をリーンからリッチへ切換えたときに機関の出力トルクが変化しないようにするため、ＮＯｘトラップ触媒からのＮＯｘ放出時にはＥＧＲ制御弁を開弁し、又は吸気制御弁の開度を減少させて吸入空気量を減少させ、これと同時に機関出力トルクが変化しないように燃料噴射量を増量することが開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−３８９２９号公報
【特許文献２】
特開２００１−７３７４７号公報
【特許文献３】
特開平１１−３２４６５４号公報
【特許文献４】
特開平７−２７９７１８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の装置では、劣化診断の精度という点で問題があった。すなわち、リッチスパイク運転時における空燃比制御にばらつきが生じた場合、空燃比の出力値に時間変化が生じるため、誤った劣化診断がされてしまうという問題があった。
【０００９】
ここで、リッチスパイク制御の空燃比制御精度の改善は、もとより重要であるが、せいぜい数秒間のリッチスパイク運転時に、排気ガス雰囲気を検知するセンサ（例えば、空燃比センサ）によるフィードバックでの制御精度向上にはおのずと限界があり、常に所定量の空燃比制御誤差があることを前提に、触媒の劣化を診断する必要があった。
【００１０】
本発明はこのような問題に鑑み、排気ガス浄化触媒の劣化度合を適切に診断することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そのため本発明では、リッチスパイク制御時に、第１の排気ガス雰囲気検知手段により排気ガス浄化触媒の上流から流入する排気ガス中の酸化剤と還元剤との比率に関連するパラメータを検出し、第２の排気ガス雰囲気検知手段により排気ガス浄化触媒を通過した排気ガス中の酸化剤と還元剤との比率に関連するパラメータを検出する一方、第１の排気ガス雰囲気検知手段の出力値が所定値に達しているときに、第１の排気ガス雰囲気検知手段の出力値と第２の排気ガス雰囲気検知手段の出力値との差を演算し、この差に基づいて排気ガス浄化触媒の劣化を診断する。
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、第１及び第２の排気ガス雰囲気検知手段の出力値の差を診断パラメータとして用いているため、リッチスパイク制御における空燃比のばらつきが生じても、排気ガス浄化触媒の劣化を適切に診断することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。
図１は、排気ガス浄化触媒を備える内燃機関（ディーゼルエンジン）の構成図である。
【００１４】
エンジン１の吸気系には、吸気通路２の上流にエアクリーナ３が配置されており、その下流に、エアフロメータ４、過給機５の吸気コンプレッサ６、インタークーラ７、吸気絞り弁８、及びコレクタ９の順に配置されている。
【００１５】
エンジン１には、インジェクタ１４及びグロープラグ１５が配置されている。インジェクタ１４は、コモンレール１６、噴射ポンプ１７などで構成された電子制御式の燃料噴射装置に取り付けられ、燃料噴射時期及び燃料噴射量などを制御することにより、吸気絞り弁８との共働で、排気ガス中の酸化剤（Ｏ_２）と還元剤（ＨＣ、ＣＯ）との比率に関連するパラメータ（酸素濃度、空燃比）を変化させることができ、リッチスパイク制御も可能である。リッチスパイク制御方法については、特許文献１などで公知であり詳しくは述べないが、例えば吸気絞り弁の開度を減少させ、且つ燃料噴射量を増大させる方法がある。
【００１６】
また排気通路１１には、過給機５の排気タービン１２が設けられ、その上流より排気ガスの一部を吸気通路２に還流させるＥＧＲ管２０が導出されている。ＥＧＲ管２０には、ＥＧＲガス量を制御するＥＧＲ弁２１が設けられている。
【００１７】
更に排気タービン１２の下流には、排気ガスを浄化するため、排気ガス浄化触媒としてのＮＯｘトラップ触媒１３が配置されている。
ＮＯｘトラップ触媒１３は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘをトラップし、空燃比がリッチのときにトラップしたＮＯｘを還元浄化する機能を有するもので、また、貴金属を担持させて酸化機能を持たせてあり、酸素ストレージ機能を有している。
【００１８】
そして、ＮＯｘトラップ触媒１３に流入する排気ガスの空燃比及び触媒１３を通過した排気ガス中の酸化剤と還元剤との比率に関連するパラメータ（酸素濃度、空燃比）を検出するため、入口雰囲気センサ１８及び出口雰囲気センサ１９がそれぞれ配置されている。雰囲気センサ１８，１９は、排気ガス中の空燃比に応じた信号（電圧）を出力する。なお、雰囲気センサ１８，１９としては、Ｏ２センサ、広域空燃比センサ、またはＮＯｘセンサなどを用いることが好ましい。
【００１９】
そして、エンジン制御装置（図示しない）には、エアフロメータ４、入口雰囲気センサ１８、及び出口雰囲気センサ１９などからの信号が入力され、これらの信号に基づいて、吸気絞り弁８の開閉、噴射ポンプ１７（インジェクタ１４の燃料噴射時期及び燃料噴射量）、及びＥＧＲ弁２１などの制御を行う。
【００２０】
ここで、ＮＯｘトラップ触媒の再生の必要性及び従来の触媒劣化度合の診断方法について説明する。
従来から、自動車等に搭載される内燃機関、特にリーン（酸素過剰状態）の混合気を燃焼可能な希薄燃焼式内燃機関（ディーゼルエンジン）では、排気ガスの空燃比がリーンのときのＮＯｘ（窒素酸化物）を処理する技術として、内燃機関の排気通路にＮＯｘトラップ触媒が配置された排気ガス浄化装置が知られている。
【００２１】
ＮＯｘトラップ触媒は、排気ガスの空燃比がリーンのときのＮＯｘを処理する技術として、内燃機関の排気通路に排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘをトラップし、排気ガスの空燃比がリッチのときにトラップしたＮＯｘを放出し浄化する機能を有する。
【００２２】
ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ能力には限りがあるので、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘ吸収能力が飽和する前に、適当なタイミングでＮＯｘトラップ触媒にトラップされているＮＯｘを放出及び還元させる必要がある。
【００２３】
そこで従来から、排気ガス浄化装置では、ＮＯｘトラップ触媒１３より上流の排気ガス中に適当なタイミングで短周期的に還元剤を供給してＮＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比を一時的に低下させ、ＮＯｘトラップ触媒にトラップされていたＮＯｘを放出及び還元させる、いわゆるリッチスパイク制御が実行されている。
【００２４】
一方、従来技術として述べたような排気ガス浄化装置では、高い排気ガス浄化効率が得られるので、ＮＯｘトラップ触媒の異常を精度良く検出することが従来に増して重要となってきている。
【００２５】
このような要求に対し、特許文献１〜３に示されているように、ＮＯｘトラップ触媒にトラップされるＮＯｘを放出浄化せしめるリッチスパイク制御時に、この触媒から流出する排気ガスの空燃比を測定し、測定された空燃比が理論空燃比近傍に維持されている時間に基づいてＮＯｘトラップ触媒の劣化を診断する方法が提案されている。
【００２６】
図２は、従来の排気ガス浄化装置におけるＮＯｘトラップ触媒の劣化診断を示す図であり、同一劣化状態のＮＯｘトラップ触媒へのリッチスパイク運転時における空燃比を変化させた場合の、理論空燃比近傍に維持されている時間（秒）の変化の様子を示す図である。図中のλ_Ｆ０はリッチスパイク制御時の目標リッチ空燃比、λ_Ｆは触媒の入口（上流側）空燃比、λ_Ｒは触媒の出口（下流側）空燃比をそれぞれ示している。なお図２の（イ）はリッチスパイク制御時の目標リッチ空燃比λ_Ｆ０が基準よりリッチの場合、（ロ）は基準の場合、（ハ）は基準よりもリーンの場合をそれぞれ示している。
【００２７】
図示の通り、所定のリッチスパイク時の空燃比に対して、実際の空燃比がリッチ側にシフトすると理論空燃比近傍に維持されている時間は短くなり、反対にリーン側にシフトすると長くなる性質がある。従来はこの性質を利用して、理論空燃比近傍に維持されている時間に基づいて、ＮＯｘトラップ触媒の劣化を診断していた。
【００２８】
しかしながら、リッチスパイク運転時の目標リッチ空燃比の制御がばらつくと理論空燃比近傍に維持されている時間が変化するため、所定の時間を設定し、劣化を判断する従来の技術では、同程度の劣化の触媒でも劣化していると誤って診断してしまうという問題があった。
【００２９】
リッチスパイク運転時の目標リッチ空燃比の制御精度の改善は、もとより重要であるが、せいぜい数秒間のリッチスパイク運転時に、排気ガス雰囲気を検知するセンサ（例えば、酸素センサ、空燃比センサ）によるフィードバックでの制御精度向上にはおのずと限界があり、常に所定量の空燃比制御誤差があることを前提に、触媒の劣化を診断する必要があった。
【００３０】
そこで本発明では、ＮＯｘトラップ触媒１３の酸素ストレージ機能を用いて、この触媒１３の劣化状態を診断することにした。
図３は、本発明の第１の実施形態における触媒の劣化診断を行う場合の、リーン運転及びリッチスパイク運転を行っている場合の時間（秒）と、雰囲気センサの出力電圧とを示す図である。図３に示す細線ＶＯ２_Ｆは入口雰囲気センサの出力電圧、太線ＶＯ２_Ｒは出口雰囲気センサの出力電圧をそれぞれ示している。
【００３１】
本発明の第１の実施形態では、ＮＯｘトラップ触媒１３の上流及び下流に、入口雰囲気センサとして入口Ｏ２センサ１８、出口雰囲気センサとして出口Ｏ２センサ１９をそれぞれ配設している。
【００３２】
ここで、入口Ｏ２センサ１８の出力電圧ＶＯ２_Ｆと、出口Ｏ２センサ１９の出力電圧ＶＯ２_Ｒとの変化について説明する。
通常運転時にはエンジン１に供給される空気量が多くなるため、排気ガス中の空燃比はリーンになっている。この状態から、ＮＯｘトラップ触媒１３に流入する排気ガスの空燃比がリッチ側の所定値ＶＯ２_Ｆ０となるようにリッチスパイク制御を行うため、入口Ｏ２センサ１８の出力電圧ＶＯ２_Ｆが所定値ＶＯ２_Ｆ０となる（図３の時間ａ〜ｃ）。
【００３３】
この際、出口Ｏ２センサ１９の出力電圧ＶＯ２_Ｒが、ＮＯｘトラップ触媒１３の劣化状態に応じて所定時間、ストイキ（理論空燃比）における出力電圧となる（図３の時間ａ〜ｂ）。これは、ＮＯｘトラップ触媒１３に流入する空燃比がリッチ状態、すなわち排気ガス中の還元剤（ＨＣ、ＣＯ）の割合が酸化剤（Ｏ_２）の割合より多い状態であっても、還元剤が、排気ガス中の気相酸素及び触媒１３にストレージされた酸素と燃焼反応するためである。
【００３４】
そして、触媒１３にストレージされた酸素が全て消費された後に、触媒１３に流入する気相酸素（酸化剤）が還元剤との反応することで、さらに酸素量が減少するため、出口Ｏ２センサ１９の出力電圧ＶＯ２_Ｒが入口Ｏ２センサ１８の出力電圧ＶＯ２_Ｆより低下する（図３の時間ｂ〜ｃ）。
【００３５】
この際、ＮＯｘトラップ触媒１３の劣化している場合には、触媒１３の酸素ストレージ機能が低下しており、排気ガス中の還元剤と気相酸素との反応性が低下するため、出口Ｏ２センサ１９の出力電圧ＶＯ２_Ｒが入口Ｏ２センサ１８の出力電圧ＶＯ２_Ｆに近づく性質がある。そして、この時（図３の時間ｂ〜ｃ）の出力電圧差ＶＯＢＤ_Ｏ２を演算して、この差ＶＯＢＤ_Ｏ２に基づいて触媒１３の劣化度合を診断する。このため、リッチスパイク制御を行う際の目標出力電圧（ＶＯ２_Ｆ０）にばらつきがあっても、入口Ｏ２センサ１８の出力電圧ＶＯ２_Ｆと出口Ｏ２センサ１９の出力電圧ＶＯ２_Ｒとの出力電圧差ＶＯＢＤ_Ｏ２＝ＶＯ２_Ｆ−ＶＯ２_Ｒに基づいて、触媒１３が劣化上限を超えているか否かを診断可能である。
【００３６】
次に、ＮＯｘトラップ触媒１３の劣化診断の処理について、図４のフローチャートを用いて説明する。
ステップ１（図においては「Ｓ１」と示す。以下同様）では、リッチスパイクの演算フラグＦ_ｒｉｃｈの真偽を調べ、リッチスパイク運転中か否かを判断する。これは、リッチスパイク運転を行っている間に、ＮＯｘトラップ触媒１３の劣化状態を診断するためである。演算フラグＦ_ｒｉｃｈが真（Ｆ_ｒｉｃｈ＝Ｔｒｕｅ）、すなわちリッチスパイク運転中である場合には、ステップ２へ進む。一方、演算フラグＦ_ｒｉｃｈが偽（Ｆ_ｒｉｃｈ≠Ｔｒｕｅ）である場合には、ステップ１４へ進み、排気ガス処理診断中フラグＦ＿ＯＢＤ＿ＡＴＳを偽（Ｆ＿ＯＢＤ＿ＡＴＳ＝Ｆａｌｓｅ）にして、処理を終了する。
【００３７】
ステップ２では、入口Ｏ２センサ１８の出力電圧ＶＯ２_Ｆが空燃比リッチ側の所定値ＶＯ２_Ｆ０に達しているか否かを判断する（図３のＶＯ２_Ｆ０参照）。電圧ＶＯ２_Ｆが所定値ＶＯ２_Ｆ０に達している場合（ＶＯ２_Ｆ＝ＶＯ２_Ｆ０）には、ステップ３へ進む。なお、この所定値ＶＯ２_Ｆ０は、リッチスパイクを行う際にＮＯｘトラップ触媒１３に流入する排気ガス中の空燃比の目標値であり、実験などにより予め定めた値を用いることが好ましい。一方、出力電圧ＶＯ２_Ｆが所定値ＶＯ２_Ｆ０に達していない場合（ＶＯ２_Ｆ≠ＶＯ２_Ｆ０）には、前述のステップ１４へ進む。
【００３８】
ステップ３では、出口Ｏ２センサ１９の出力電圧ＶＯ２_Ｒが空燃比リッチ側の所定値ＶＯ２_Ｒ０未満（ＶＯ２_Ｒ＜ＶＯ２_Ｒ０）であるか否か、すなわちＮＯｘトラップ触媒１３を通過した後の排気ガスがリッチになっているか否かを判断する。そして、出力電圧ＶＯ２_Ｒが所定値ＶＯ２_Ｒ０未満（ＶＯ２_Ｒ＜ＶＯ２_Ｒ０）である場合には、ステップ４へ進む。一方、出力電圧ＶＯ２_Ｒが所定値ＶＯ２_Ｒ０以上（ＶＯ２_Ｒ≧ＶＯ２_Ｒ０）である場合には、前述のステップ１４へ進む。これは、出口Ｏ２センサ１９の出力電圧ＶＯ２_Ｒがリッチである場合に、触媒１３の劣化状態を診断するためである。なお所定値ＶＯ２_Ｒは、実験などにより予め定めた値を用いることが好ましい。
【００３９】
ステップ４では、排気ガス処理診断中フラグＦ＿ＯＢＤ＿ＡＴＳを真とする（Ｆ＿ＯＢＤ＿ＡＴＳ＝Ｔｒｕｅ）。
ステップ５では、入口Ｏ２センサ１８及び出口Ｏ２センサ１９の出力電圧ＶＯ２_Ｆ、ＶＯ２_Ｒの差ＶＯＢＤ_Ｏ２＝ＶＯ２_Ｆ−ＶＯ２_Ｒを演算する（図３の時間ｂ〜ｃ参照）。
【００４０】
ステップ６では、Ｏ２センサ１８，１９の出力電圧差ＶＯＢＤ_Ｏ２が正の値（＋）であるか否か、すなわちＮＯｘトラップ触媒１３がリッチ運転時に流入する還元剤によってＨ_２のような他の還元剤を生成できる状態にあるか否かを調べる。出力電圧差ＶＯＢＤ_Ｏ２が正の値（＋）である場合には、ステップ７へ進む。一方、出力電圧差ＶＯＢＤ_Ｏ２が負の値（−）である場合には、ステップ１３へ進み、排気ガス処理診断フラグＦ＿ＡＴＳ＿ＮＧを前回の診断結果Ｆ＿ＡＴＳ＿ＮＧ_ｎ−１と同一にして（Ｆ＿ＡＴＳ＿ＮＧ＝Ｆ＿ＡＴＳ＿ＮＧ_ｎ−１）、処理を終了する。
【００４１】
ステップ７では、Ｏ２センサ１８，１９の出力電圧差ＶＯＢＤ_Ｏ２が所定値ＶＯＢＤ_Ｏ２０を超えているか否か（ＶＯＢＤ_Ｏ２＞ＶＯＢＤ_Ｏ２０）を判断する。出力電圧差ＶＯＢＤ_Ｏ２が所定値ＶＯＢＤ_Ｏ２０を超えている場合（ＶＯＢＤ_Ｏ２＞ＶＯＢＤ_Ｏ２０）には、ステップ８へ進む。一方、Ｏ２センサ１８，１９の出力電圧差ＶＯＢＤ_Ｏ２が所定値ＶＯＢＤ_Ｏ２０以下である場合（ＶＯＢＤ_Ｏ２≦ＶＯＢＤ_Ｏ２０）には、前述のステップ１３へ進む。
【００４２】
ステップ８では、最終出力電圧差ＶＯＢＤ_Ｆを出力電圧差ＶＯＢＤ_Ｏ２と同じ値にする（ＶＯＢＤ_Ｆ＝ＶＯＢＤ_Ｏ２）。これによりＯ２センサ１８，１９の最終的な出力電圧差ＶＯＢＤ_Ｆを確定する。
【００４３】
ステップ９では、Ｏ２センサ１８，１９の出力電圧差ＶＯＢＤ_Ｏ２をクリアする（ＶＯＢＤ_Ｏ２＝０）。
ステップ１０では、最終出力電圧差ＶＯＢＤ_Ｆが触媒１３の劣化診断閾値ＶＯＢＤ_ＦＳＬより大きいか否か（ＶＯＢＤ_Ｆ＞ＶＯＢＤ_ＦＳＬ）を判断する。これにより、ＮＯｘトラップ触媒１３が劣化上限を超えているか否かを診断する。最終出力電圧差ＶＯＢＤ_Ｆが劣化診断閾値ＶＯＢＤ_ＦＳＬより大きい（ＶＯＢＤ_Ｆ＞ＶＯＢＤ_ＦＳＬ）場合には、触媒１３の劣化が上限に達していないと診断し、ステップ１１へ進む。一方、ＶＯＢＤ_Ｆが劣化診断閾値ＶＯＢＤ_ＦＳＬ以下（ＶＯＢＤ_Ｆ≦ＶＯＢＤ_ＦＳＬ）である場合には、ステップ１２へ進み、触媒１３の劣化が上限を超えていると診断し、排気ガス処理診断フラグＦ＿ＡＴＳ＿ＮＧを真にして（Ｆ＿ＡＴＳ＿ＮＧ＝Ｔｒｕｅ）、処理を終了する。
【００４４】
ステップ１１では、ＮＯｘトラップ触媒１３の劣化が上限の範囲内にあると診断し、排気ガス処理診断フラグＦ＿ＡＴＳ＿ＮＧを偽にして（Ｆ＿ＡＴＳ＿ＮＧ＝Ｆａｌｓｅ）、処理を終了する。
【００４５】
本実施形態によれば、排気ガス浄化触媒（ＮＯｘトラップ触媒）１３の上流に配置され触媒１３に流入する排気ガス中の酸化剤（Ｏ_２）と還元剤（ＨＣ、ＣＯ）との比率に関連するパラメータ（酸素濃度）を検出する第１の排気ガス雰囲気検知手段（入口Ｏ２センサ）１８と、排気ガス浄化触媒１３の下流に配置され触媒１３を通過した排気ガス中の酸化剤と還元剤との比率に関連するパラメータ（酸素濃度）を検出する第２の排気ガス雰囲気検知手段（出口Ｏ２センサ）１９と、第１の排気ガス雰囲気検知手段１８の出力値（出力電圧）ＶＯ２_Ｆが所定値ＶＯ２_Ｆ０に達しているときに（ステップ２）、第１の排気ガス雰囲気検知手段１８の出力値ＶＯ２_Ｆと第２の排気ガス雰囲気検知手段１９の出力値ＶＯ２_Ｒとの差ＶＯＢＤ_Ｏ２を演算し（ステップ５）、この差ＶＯＢＤ_Ｏ２に基づいて排気ガス浄化触媒１３の劣化を診断する診断手段（ステップ１０）と、を設けた。このため、入口Ｏ２センサ１８の出力値ＶＯ２_Ｆと、出口Ｏ２センサ１９の出力値ＶＯ２_Ｒとの差ＶＯＢＤ_Ｏ２を診断パラメータとして用いることができ、リッチスパイク制御における目標リッチ空燃比ＶＯ２_Ｆ０のばらつきが生じても、ＮＯｘトラップ触媒１３の劣化を適切に診断することができる。
【００４６】
また本実施形態によれば、診断手段は、第１の排気ガス雰囲気検知手段（入口Ｏ２センサ）１８の出力値ＶＯ２_Ｆが所定値ＶＯ２_Ｆ０に達し（ステップ２）、第２の排気ガス雰囲気検知手段（出口Ｏ２センサ）１９の出力値ＶＯ２_Ｒが第１の排気ガス雰囲気検知手段１８の出力値ＶＯ２_Ｆよりも低くなっているときに（ステップ６）、第１の排気ガス雰囲気検知手段１８の出力値ＶＯ２_Ｆと第２の排気ガス雰囲気検知手段１９の出力値ＶＯ２_Ｒとの差ＶＯＢＤ_Ｏ２を演算し（ステップ５）、この差ＶＯＢＤ_Ｏ２に基づいて排気ガス浄化触媒１３の劣化を診断する（ステップ１０）。このため、出口Ｏ２センサ１９の出力値ＶＯ２_Ｒが入口Ｏ２センサ１８の出力値ＶＯ２_Ｆよりも低くなっているときに、排気ガス中に酸素がほとんどない状態で、ＮＯｘトラップ触媒１３が還元剤（ＨＣ、ＣＯ）から水素（Ｈ_２）のような検出出力に対して影響を与える還元剤を生成していると考えられ、触媒１３の持つ反応の能力を触媒１３の前後の出力値（酸化剤と還元剤との比率）の差ＶＯＢＤ_Ｏ２という形で診断のパラメータとして用いることにより触媒１３の劣化を診断することができる。
【００４７】
また本実施形態によれば、第１及び第２の排気ガス雰囲気検知手段は、排気ガス中の酸素濃度を検出する手段（入口Ｏ２センサ１８、出口Ｏ２センサ１９）である。このため、ＮＯｘトラップ触媒１３での酸素放出と、酸素放出終了後の触媒１３での還元剤（ＨＣ、ＣＯ）の生成を検出することができ、触媒１３の劣化を診断できる。そして、排気ガスの空燃比をストイキとすることなく、ＮＯｘトラップ触媒１３でＮＯｘを浄化するための使い方のままで、触媒１３の劣化状態を診断できる。
【００４８】
また、図５は、第２の実施形態に係る排気ガス浄化触媒１３の劣化診断処理を示すフローチャートである。本実施形態では、ＮＯｘトラップ触媒１３の上流及び下流に、入口雰囲気センサとして入口空燃比センサ１８、出口雰囲気センサとして出口空燃比センサ１９をそれぞれ配設して、空燃比（空気過剰率）の差ＶＯＢＤλを求め、これに基づいて触媒１３の劣化を診断する。図３には、細線で入口空燃比（入口空気過剰率）λ_Ｆ、太線で出口空燃比（出口空気過剰率）λ_Ｒをそれぞれ示している。
【００４９】
また図６は、空燃比センサ１８，１９による空燃比λ_Ｆ、λ_Ｒの演算処理を示すフローチャートである。これらのセンサ１８，１９の演算処理は同一である。
図６のステップ２１では、空燃比センサ１８，１９のポンプ電流値を読込む。
【００５０】
ステップ２２では、図７に示す空燃比センサ１８，１９のポンプ電流と実空燃比Ｒｌａｍｂ０とのテーブル、または演算によりそれぞれの実空燃比Ｒｌａｍｂ０を求める。
【００５１】
ステップ２３では、触媒１３の上流及び下流において実空燃比Ｒｌａｍｂ０の加重平均処理を行い、入口空燃比λ_Ｆ及び出口空燃比λ_Ｒをそれぞれ算出する。
そして、これらの空燃比λ_Ｆ、λ_Ｒに基づいて、図５のフローチャートによる触媒１３の劣化診断処理を行う。
【００５２】
図５のステップ１では、リッチスパイクの演算フラグＦ_ｒｉｃｈの真偽を調べ、リッチスパイク運転中か否かを判断する。演算フラグＦ_ｒｉｃｈが真（Ｆ_ｒｉｃｈ＝Ｔｒｕｅ）ステップ２へ進む。一方、演算フラグＦ_ｒｉｃｈが偽（Ｆ_ｒｉｃｈ≠Ｔｒｕｅ）である場合には、ステップ１４へ進み、排気ガス処理診断中フラグＦ＿ＯＢＤ＿ＡＴＳを偽（Ｆ＿ＯＢＤ＿ＡＴＳ＝Ｆａｌｓｅ）にして、処理を終了する。
【００５３】
ステップ２では、入口空燃比λ_Ｆが空燃比リッチ側の所定値λ_Ｆ０に達しているか否かを判断する（図３のλ_Ｆ０参照）。入口空燃比λ_Ｆが所定値λ_Ｆ０に達している場合（λ_Ｆ＝λ_Ｆ０）には、ステップ３へ進む。一方、所定値λ_Ｆ０に達していない場合（λ_Ｆ≠λ_Ｆ０）には、前述のステップ１４へ進む。
【００５４】
ステップ３では、出口空燃比λ_Ｒが空燃比リッチ側の所定値λ_Ｒ０未満（λ_Ｒ＜λ_Ｒ０）であるか否かを判断する。所定値λ_Ｒ０未満（λ_Ｒ＜λ_Ｒ０）である場合には、ステップ４へ進む。一方、所定値λ_Ｒ０以上（λ_Ｒ≧λ_Ｒ０）である場合には、前述のステップ１４へ進む。
【００５５】
ステップ４では、排気ガス処理診断中フラグＦ＿ＯＢＤ＿ＡＴＳを真とする（Ｆ＿ＯＢＤ＿ＡＴＳ＝Ｔｒｕｅ）。
ステップ５では、入口空燃比λ_Ｆと出口空燃比λ_Ｒとの差ＶＯＢＤλ＝λ_Ｆ−λ_Ｒを演算する（図３の時間ｂ〜ｃ参照）。
【００５６】
ステップ６では、空燃比の差ＶＯＢＤλが正の値（＋）であるか否かを判断する。空燃比の差ＶＯＢＤλが正の値（＋）である場合には、ステップ７へ進む。一方、負の値（−）である場合には、ステップ１３へ進み、排気ガス処理診断フラグＦ＿ＡＴＳ＿ＮＧを前回の診断結果Ｆ＿ＡＴＳ＿ＮＧ_ｎ−１と同一にして（Ｆ＿ＡＴＳ＿ＮＧ＝Ｆ＿ＡＴＳ＿ＮＧ_ｎ−１）、処理を終了する。
【００５７】
ステップ７では、空燃比の差ＶＯＢＤλが所定値ＶＯＢＤλ_０を超えているか否か（ＶＯＢＤλ＞ＶＯＢＤλ_０）を判断する。所定値ＶＯＢＤλ_０を超えている場合（ＶＯＢＤλ＞ＶＯＢＤλ_０）には、ステップ８へ進む。一方、所定値ＶＯＢＤλ_０以下の場合（ＶＯＢＤλ≦ＶＯＢＤλ_０）には、前述のステップ１３へ進む。
【００５８】
ステップ８では、最終的な空燃比の差ＶＯＢＤ_Ｆλとして空燃比の差ＶＯＢＤλの値を代入する（ＶＯＢＤ_Ｆλ＝ＶＯＢＤλ）。
ステップ９では、空燃比の差ＶＯＢＤλを０にする（ＶＯＢＤλ＝０）。
【００５９】
ステップ１０では、最終空燃比の差ＶＯＢＤ_Ｆλが触媒１３の劣化診断閾値ＶＯＢＤλ_ＦＳＬより大きいか否か（ＶＯＢＤ_Ｆλ＞ＶＯＢＤλ_ＦＳＬ）を判断する。これにより、ＮＯｘトラップ触媒１３が劣化上限を超えているか否かを診断する。最終空燃比の差ＶＯＢＤ_Ｆλが触媒１３の劣化診断閾値ＶＯＢＤλ_ＦＳＬより大きい（ＶＯＢＤ_Ｆλ＞ＶＯＢＤλ_ＦＳＬ）場合には、触媒１３の劣化が上限に達していないと診断し、ステップ１１へ進む。一方、ＶＯＢＤ_Ｆλが劣化診断閾値ＶＯＢＤλ_ＦＳＬ以下（ＶＯＢＤ_Ｆλ≦ＶＯＢＤλ_ＦＳＬ）である場合には、ステップ１２へ進み、触媒１３の劣化が上限を超えていると診断し、排気ガス処理診断フラグＦ＿ＡＴＳ＿ＮＧを真にして（Ｆ＿ＡＴＳ＿ＮＧ＝Ｔｒｕｅ）、処理を終了する。
【００６０】
ステップ１１では、排気ガス処理診断フラグＦ＿ＡＴＳ＿ＮＧを偽にして（Ｆ＿ＡＴＳ＿ＮＧ＝Ｆａｌｓｅ）、処理を終了する。
本実施形態によれば、排気ガス浄化触媒（ＮＯｘトラップ触媒）１３の上流に配置され触媒１３に流入する排気ガス中の酸化剤（Ｏ_２）と還元剤（ＨＣ、ＣＯ）との比率に関連するパラメータ（空燃比）を検出する第１の排気ガス雰囲気検知手段（入口空燃比センサ）１８と、排気ガス浄化触媒１３の下流に配置され触媒１３を通過した排気ガス中の酸化剤と還元剤との比率に関連するパラメータ（空燃比）を検出する第２の排気ガス雰囲気検知手段（出口空燃比センサ）１９と、第１の排気ガス雰囲気検知手段１８の出力値λ_Ｆが所定値λ_Ｆ０に達しているときに（ステップ２）、第１の排気ガス雰囲気検知手段１８の出力値λ_Ｆと第２の排気ガス雰囲気検知手段１９の出力値λ_Ｒとの差ＶＯＢＤλを演算し（ステップ５）、この差ＶＯＢＤλに基づいて排気ガス浄化触媒１３の劣化を診断する診断手段（ステップ１０）と、を設けた。このため、入口空燃比センサ１８の出力値λ_Ｆと、出口空燃比センサ１９の出力値λ_Ｒとの差ＶＯＢＤλを診断パラメータとして用いることができ、リッチスパイク制御における目標リッチ空燃比λ_Ｆ０のばらつきが生じても、ＮＯｘトラップ触媒１３の劣化を適切に診断することができる。
【００６１】
また本実施形態によれば、第１及び第２の排気ガス雰囲気検知手段は、排気ガス中の空燃比λ_Ｆ、λ_Ｒを検出する手段（入口空燃比センサ１８、出口空燃比センサ１９）である。このため、ＮＯｘトラップ触媒１３での酸素（Ｏ_２）の放出と、酸素放出終了後の触媒１３での還元剤（ＨＣ、ＣＯ）の生成を空燃比の差ＶＯＢＤλとして見積もることができ、これに基づいて触媒１３の劣化を適切に診断できる。
【００６２】
なお、以上の実施形態では、排気ガス浄化触媒として酸素ストレージ機能を有するＮＯｘトラップ触媒１３を備える場合に、その触媒１３の劣化診断を行っているが、図８に示すように、ＮＯｘトラップ触媒１３の下流側に排気微粒子補集用のディーゼルパティキュレートフィルタ（図には「ＤＰＦ」と示している）２４などを配設して、さらに排気ガスを浄化するようにしてもよい。
【００６３】
さらに、図９に示す通り、ＮＯｘトラップ触媒１３から酸化触媒２３を分離させて、上流側に配置するようにし、酸化触媒２３に流入する排気ガスの空燃比を入口空燃比センサ１８により検出し、ＮＯｘトラップ触媒１３を通過した排気ガスの空燃比を出口空燃比センサ１９により検出してもよい。この場合、ＮＯｘトラップ触媒１３に酸素ストレージ機能がなくとも、酸化触媒２３が酸素のストレージ及び供給をするため、前述の処理と同様に、入口空燃比センサ１８の出力値λ_Ｆと出口空燃比センサ１９の出力値λ_Ｒとの差ＶＯＢＤλに基づいてＮＯｘトラップ触媒１３の劣化状態を診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】排気ガス浄化触媒を備える内燃機関の構成図
【図２】従来のＮＯｘトラップ触媒の劣化診断を示す図
【図３】時間と、入口雰囲気センサ及び出口雰囲気センサの出力値とを示す図
【図４】Ｏ２センサによる触媒劣化診断処理を示すフローチャート
【図５】空燃比センサによる触媒劣化診断処理を示すフローチャート
【図６】空燃比センサの加重平均処理を示すフローチャート
【図７】空燃比センサのポンプ電流と実空燃比とを示すテーブル
【図８】ＮＯｘトラップ触媒の下流にＤＰＦを配置した図
【図９】ＮＯｘトラップ触媒の上流に酸化触媒、下流にＤＰＦを配置した図
【符号の説明】
１ エンジン
２ 吸気通路
５ 過給機
８ 吸気絞り弁
１１ 排気通路
１３ ＮＯｘトラップ触媒
１４ インジェクタ
１７ 噴射ポンプ
１８ 入口雰囲気センサ（Ｏ２センサ、空燃比センサ）
１９ 出口雰囲気センサ（Ｏ２センサ、空燃比センサ）
２１ ＥＧＲ弁

Claims (4)

1. 内燃機関から排出される排気ガス雰囲気の酸化剤と還元剤との比率を変化させる排気ガス雰囲気可変手段と、前記排気ガス雰囲気可変手段により変化する排気ガス雰囲気により排気ガス中の窒素酸化物を吸着または還元し排気ガスを浄化する機能を有する排気ガス浄化触媒と、を具備した排気ガス浄化装置において、
   前記排気ガス浄化触媒の上流に配置され前記触媒に流入する排気ガス中の酸化剤と還元剤との比率に関連するパラメータを検出する第１の排気ガス雰囲気検知手段と、
   前記排気ガス浄化触媒の下流に配置され前記触媒を通過した排気ガス中の酸化剤と還元剤との比率に関連するパラメータを検出する第２の排気ガス雰囲気検知手段と、
   前記第１の排気ガス雰囲気検知手段の出力値が所定値に達しているときに、前記第１の排気ガス雰囲気検知手段の出力値と前記第２の排気ガス雰囲気検知手段の出力値との差を演算し、この差に基づいて前記排気ガス浄化触媒の劣化を診断する診断手段と、
   を設けたことを特徴とする排気ガス浄化触媒の劣化診断装置。
2. 前記診断手段は、前記第１の排気ガス雰囲気検知手段の出力値が所定値に達し、前記第２の排気ガス雰囲気検知手段の出力値が前記第１の排気ガス雰囲気検知手段の出力値よりも低くなっているときに、前記第１の排気ガス雰囲気検知手段の出力値と前記第２の排気ガス雰囲気検知手段の出力値との差を演算し、この差に基づいて前記排気ガス浄化触媒の劣化を診断することを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化触媒の劣化診断装置。
3. 前記第１及び第２の排気ガス雰囲気検知手段は、排気ガス中の酸素濃度を検出する手段であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の排気ガス浄化触媒の劣化診断装置。
4. 前記第１及び第２の排気ガス雰囲気検知手段は、排気ガス中の空燃比を検出する手段であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の排気ガス浄化触媒の劣化診断装置。

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