JP2008064075A - 触媒劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、触媒劣化診断装置に関し、内燃機関の排気通路に配置された吸蔵還元型のＮＯｘ触媒の劣化を精度良く診断することのできる触媒劣化診断装置を提供することを目的とする。
【解決手段】内燃機関１０の排気通路１２に吸蔵還元型のＮＯｘ触媒１８が配置されている。ＮＯｘ触媒１８の上流側には、ＮＯｘセンサ２４が配置されている。ＮＯｘセンサ２４の出力を積算することにより、ＮＯｘ触媒１８へ流入したＮＯｘの量である入りＮＯｘ量を算出する。リッチスパイクの実行中、下流側Ｏ_２センサ２６の出力に基づいて、ＮＯｘ触媒１８に吸蔵されていた酸素の量とＮＯｘの量との和を表す値であるトータル吸蔵量を算出する。入りＮＯｘ量とトータル吸蔵量とに基づいて、ＮＯｘ触媒１８の劣化を診断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、触媒劣化診断装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に配置された吸蔵還元型のＮＯｘ触媒の劣化を診断する触媒劣化診断装置に関する。

従来より、内燃機関の排気ガスを浄化するための三元触媒が広く用いられている。三元触媒には、酸素を吸蔵する機能を有する酸素吸蔵材が備えられている。そして、三元触媒は、酸素を吸蔵したり放出したりすることで、触媒内を理論空燃比に維持することにより、排気ガスを高い効率で浄化することができるようになっている。

しかしながら、三元触媒は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比の近傍にないと、高い浄化率が得られない。このため、理論空燃比より希薄な空燃比（リーン空燃比）で運転可能な内燃機関の場合には、ＮＯｘを吸蔵する機能を有するＮＯｘ吸蔵材を備えたＮＯｘ吸蔵還元型の触媒（以下「ＮＯｘ触媒」という）を排気通路に設けることが行われている。

ＮＯｘ触媒を設けることにより、リーン空燃比で内燃機関が運転されているとき、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ触媒に吸蔵させることができる。そして、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを浄化する際には、空燃比を一時的にリーンからリッチまたは理論空燃比に切り換えるリッチスパイクが実施される。リッチスパイクを実施することにより、ＨＣ、ＣＯ等を含んだ排気ガスがＮＯｘ触媒に流入する。このＨＣ、ＣＯ等が還元剤として作用することにより、吸蔵されたＮＯｘをＮ_２に還元浄化して放出することができる。

一方、希薄燃焼を行う内燃機関であっても、運転領域によっては、理論空燃比で運転される。理論空燃比運転中には、ＮＯｘ触媒は、三元触媒として用いられることが普通である。このため、ＮＯｘ触媒には、ＮＯｘ吸蔵材だけでなく、酸素吸蔵材も備えられている。リーン空燃比で内燃機関が運転されている場合には、ＮＯｘ触媒中の酸素吸蔵材には、酸素が一杯に吸蔵された状態になる。

特許２８２７９５４号公報には、リッチスパイクを２回連続して実行することにより、ＮＯｘ触媒の酸素吸蔵量とＮＯｘ吸蔵量とを別々に検出できるようにした装置が開示されている。図１６は、この従来の装置の動作を説明するための図である。

上記従来の装置においては、ＮＯｘ触媒の上流側に空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）が、下流側に酸素センサ（Ｏ_２センサ）が、それぞれ配置されている。１回目のリッチスパイクが実行され、ＮＯｘ触媒にＨＣ、ＣＯ等の還元剤が流入すると、ＮＯｘ触媒に吸蔵されていた酸素およびＮＯｘは、それらの還元剤と反応することにより、消費されていく。そして、吸蔵されていた酸素およびＮＯｘが全部消費されると、還元剤がＮＯｘ触媒の下流に吹き抜けることにより、下流の酸素センサがリーン出力からリッチ出力へ切り換わる。よって、その酸素センサの出力がリッチ出力になった時点までにＮＯｘ触媒に流入した還元剤量（図１６中の「還元剤量Ｉ」）は、ＮＯｘ触媒に吸蔵されていた酸素量とＮＯｘ量との和に対応していることになる。よって、上流の空燃比センサの出力に基づいて算出される還元剤量Ｉに基づいて、ＮＯｘ触媒の酸素吸蔵量とＮＯｘ吸蔵量との和（以下「トータル吸蔵量」という）を算出することができる。

上記１回目のリッチスパイクが終了したら、ＮＯｘ触媒の酸素吸蔵材に酸素が一杯に吸蔵されるまで、空燃比がリーンに維持される。その後、２回目のリッチスパイクが実行される。この２回目のリッチスパイクについても、上記と同様に、下流の酸素センサの出力がリッチ出力になった時点までに流入した還元剤量（図１６中の「還元剤量II」）が上流の空燃比センサの出力に基づいて算出される。

ここで、ＮＯｘ触媒の酸素吸蔵材に酸素が一杯に吸蔵されるまでに要する時間は、極めて短い（例えば１〜２秒間）。すなわち、１回目のリッチスパイクと２回目のリッチスパイクとの間の、リーン空燃比が維持される時間は極めて短い。このため、この間にＮＯｘ触媒にはＮＯｘはほとんど吸蔵されない。つまり、２回目のリッチスパイクの開始時、ＮＯｘ触媒には、酸素が一杯に吸蔵されている一方で、ＮＯｘ吸蔵量はゼロであるとみなすことができる。このため、２回目のリッチスパイクにおける還元剤量IIは、ＮＯｘ触媒の酸素吸蔵量に対応していることになる。よって、還元剤量IIから酸素吸蔵量を算出することができる。そして、その酸素吸蔵量を上記トータル吸蔵量から減算した残りが、１回目のリッチスパイク前におけるＮＯｘ吸蔵量に相当することになる。

特許２８２７９５４号公報 特許３０８２５２３号公報 特許３３１６０６６号公報 特開２００４−１６２６９４号公報 特開２００２−１８８４３３号公報

従来の触媒劣化診断装置では、上述のようにして検出されたＮＯｘ吸蔵量に基づいて、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力を次のように診断している。従来の触媒劣化診断装置では、定常運転時に内燃機関から単位時間当たりに排出されるＮＯｘの量が負荷および回転数毎に実験的に求められており、その実験データがＥＣＵに記憶されている。リーン空燃比運転中は、その実験データから求めた時間当たりのＮＯｘ排出量を積算していくことにより、ＮＯｘ触媒に流入したＮＯｘの量（以下「入りＮＯｘ量」という）を推定する。上記１回目のリッチスパイクは、その入りＮＯｘ量が所定値に達した時点で開始される。そして、その所定値、すなわちリッチスパイク開始時までの入りＮＯｘ量と、上記ＮＯｘ吸蔵量とを比較すれば、ＮＯｘ触媒に流入したＮＯｘのうち、どれだけの割合がＮＯｘ触媒で捕捉されたかを知ることができる。よって、その割合が所定の判定値より高ければ、ＮＯｘ吸蔵能力は正常であり、その割合がその判定値より低ければ、ＮＯｘ吸蔵能力が劣化していると判定することができる。

しかしながら、上述のような従来の触媒劣化診断装置で用いている入りＮＯｘ量は、予め記憶された実験データに基づいて推定した推定値である。その推定の基礎とされる実験データは、既述した通り定常運転時のものである。一方、推定時の実際の運転状態は時々刻々変化する。このため、推定入りＮＯｘ量には、多少の誤差が生ずるのが普通である。また、内燃機関の個体差や経時変化により、実際のＮＯｘ排出特性と上記実験データとにズレが生じていることも考えられる。このことも、推定入りＮＯｘ量に誤差を生じさせる。

このように、従来の触媒劣化診断装置では、推定入りＮＯｘ量に、ある程度の誤差が生ずることが避けられない。このため、触媒の劣化を十分な精度で診断できない場合がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒の劣化を精度良く診断することのできる触媒劣化診断装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気通路に配置された吸蔵還元型のＮＯｘ触媒の劣化を診断する装置であって、
前記ＮＯｘ触媒の上流側に配置され、排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じた出力を発するＮＯｘ検出手段と、
前記ＮＯｘ触媒の下流側に配置され、排気ガスの空燃比に応じた出力を発する下流側排気ガスセンサと、
前記ＮＯｘ検出手段の出力を積算することにより、前記ＮＯｘ触媒へ流入したＮＯｘの量である入りＮＯｘ量を算出する入りＮＯｘ量算出手段と、
前記内燃機関の排気ガスの空燃比をリーンからリッチまたは理論空燃比に一時的に切り換えるリッチスパイクを行うリッチスパイク手段と、
リッチスパイク実行中の前記下流側排気ガスセンサの出力に基づいて、当該リッチスパイクの開始前に前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されていた酸素の量とＮＯｘの量との和を表す値であるトータル吸蔵量を算出するトータル吸蔵量算出手段と、
前記入りＮＯｘ量と前記トータル吸蔵量とに基づいて、前記ＮＯｘ触媒の劣化を診断する診断手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記診断手段は、
前記入りＮＯｘ量と前記トータル吸蔵量とに基づいて、前記トータル吸蔵量のうちの酸素吸蔵量を算出する酸素吸蔵量算出手段と、
前記酸素吸蔵量に基づいて、前記ＮＯｘ触媒の酸素吸蔵能力を判定する酸素吸蔵能力判定手段と、
を含むことを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
相異なる複数のリッチスパイク実行条件を設定する実行条件設定手段を更に備え、
前記酸素吸蔵量算出手段は、少なくとも二つのリッチスパイク実行条件の下で実行されたリッチスパイクについての、前記入りＮＯｘ量と前記トータル吸蔵量との関係に基づいて、前記酸素吸蔵量を算出することを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記酸素吸蔵量算出手段は、前記入りＮＯｘ量が少なくとも二つの水準の下で実行されたリッチスパイクについての、前記入りＮＯｘ量と前記トータル吸蔵量との関係を外挿することにより、前記入りＮＯｘ量がゼロである場合の前記トータル吸蔵量に相当する値を算出し、その値を前記酸素吸蔵量とすることを特徴とする。

また、第５の発明は、第２乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記診断手段は、
前記トータル吸蔵量から前記酸素吸蔵量を減算することにより、ＮＯｘ吸蔵量を算出するＮＯｘ吸蔵量算出手段と、
前記算出されたＮＯｘ吸蔵量に基づいて、前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力を判定するＮＯｘ吸蔵能力判定手段と、
を含むことを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、
前記ＮＯｘ検出手段は、排気ガスの空燃比を検出する機能も有しており、
前記トータル吸蔵量算出手段は、前記下流側排気ガスセンサの出力と、前記ＮＯｘ検出手段により検出される空燃比とに基づいて、前記トータル吸蔵量を算出することを特徴とする。

また、第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れかにおいて、
前記ＮＯｘ検出手段は、排気ガスの空燃比を検出する機能も有しており、
前記入りＮＯｘ量算出手段は、リッチスパイク終了後、前記ＮＯｘ検出手段により検出される空燃比がリッチからリーンへ変化したときから、前記ＮＯｘ検出手段の出力の積算を開始することを特徴とする。

第１の発明によれば、内燃機関の排気通路に配置された吸蔵還元型のＮＯｘ触媒の上流側に配置されたＮＯｘ検出手段の出力を積算することにより、ＮＯｘ触媒への入りＮＯｘ量を求めることができる。そして、その入りＮＯｘ量と、リッチスパイクの実施時に検出したＮＯｘ触媒のトータル吸蔵量とに基づいて、ＮＯｘ触媒の劣化を診断することができる。第１の発明によれば、ＮＯｘ検出手段を設けたことにより、入りＮＯｘ量を実測することができるので、入りＮＯｘ量を精度良く求めることができる。このため、入りＮＯｘ量を機関運転状態から推定して求める場合と比べて、ＮＯｘ触媒の劣化をより高い精度で診断することができる。また、第１の発明によれば、ＮＯｘ触媒の下流側にはＮＯｘ検出手段を設置することなしに、高い診断精度が得られる。このため、ＮＯｘ触媒の上流側と下流側との双方にＮＯｘ検出手段を設置するようなシステムと比べて、高価なＮＯｘ検出手段の使用個数を減らすことができるので、製造コストの低減に寄与する。

第２の発明によれば、入りＮＯｘ量とトータル吸蔵量とに基づいて、トータル吸蔵量のうちの酸素吸蔵量を算出し、その酸素吸蔵量に基づいて、ＮＯｘ触媒の酸素吸蔵能力を判定することができる。よって、ＮＯｘ触媒の劣化を、酸素吸蔵能力の面から、高い精度で診断することができる。

第３の発明によれば、相異なる複数のリッチスパイク実行条件を設定し、少なくとも二つのリッチスパイク実行条件の下で実行されたリッチスパイクについての、入りＮＯｘ量とトータル吸蔵量との関係に基づいて、酸素吸蔵量を算出することができる。このため、ＮＯｘ触媒の酸素吸蔵量をより高い精度で求めることができる。

第４の発明によれば、入りＮＯｘ量が少なくとも二つの水準の下で実行されたリッチスパイクについての、入りＮＯｘ量とトータル吸蔵量との関係を外挿することにより、入りＮＯｘ量がゼロである場合のトータル吸蔵量に相当する値を算出し、その値を前記酸素吸蔵量とすることができる。このため、ＮＯｘ触媒の酸素吸蔵量を容易且つ高精度に求めることができる。

第５の発明によれば、トータル吸蔵量から酸素吸蔵量を減算することによりＮＯｘ吸蔵量を算出し、そのＮＯｘ吸蔵量に基づいてＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力を判定することができる。このため、ＮＯｘ触媒の劣化を、ＮＯｘ吸蔵能力の面から、高い精度で診断することができる。

第６の発明によれば、ＮＯｘ検出手段は、排気ガスの空燃比を検出する機能も有しており、トータル吸蔵量算出手段は、下流側排気ガスセンサの出力と、ＮＯｘ検出手段により検出される空燃比とに基づいて、トータル吸蔵量を算出することができる。これにより、ＮＯｘ検出手段を空燃比センサとしても兼用することができるので、製造コストを更に低減することができる。

第７の発明によれば、ＮＯｘ検出手段は、排気ガスの空燃比を検出する機能も有しており、リッチスパイク終了後、ＮＯｘ検出手段により検出される空燃比がリッチからリーンへ変化したときから、ＮＯｘ検出手段の出力の積算を開始することにより、ＮＯｘ触媒への入りＮＯｘ量を求めることができる。これにより、入りＮＯｘ量を求めるに際し、ＮＯｘ検出手段の出力の積算を最適なタイミングで開始することができる。このため、入りＮＯｘ量をより高い精度で求めることができるので、ＮＯｘ触媒の劣化を更に高い精度で診断することができる。また、ＮＯｘ検出手段を空燃比センサとしても兼用することができるので、製造コストを更に低減することができる。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、内燃機関１０を備えている。図示の内燃機関１０は、＃１〜＃４の４つの気筒を備えた直列４気筒型のものであるが、本発明では、気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。

内燃機関１０は、理論空燃比より希薄な空燃比（以下「リーン空燃比」という）で燃料を燃焼させて運転することが可能なものである。内燃機関１０は、燃料を吸気ポート内に噴射するポート噴射式のもの、燃料を筒内に直接噴射する筒内直接噴射式のもの、ポート噴射と筒内直接噴射とを併用するもの、の何れでもよい。

内燃機関１０の排気通路１２の途中には、二つのスタート触媒（上流触媒）１４，１６と、一つのＮＯｘ触媒（ＮＳＲ）１８とが配置されている。スタート触媒１４には、＃１気筒および＃４気筒からの排気ガスが流入し、スタート触媒１６には、＃２気筒および＃３気筒からの排気ガスが流入する。そして、スタート触媒１４を通過した排気ガスと、スタート触媒１６を通過した排気ガスとが合流して、ＮＯｘ触媒１８に流入する。

スタート触媒１４，１６は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍にあるときに酸素の吸蔵・脱離を伴ってＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘを同時に浄化可能な三元触媒としての機能を有している。

ＮＯｘ触媒１８は、流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにはＮＯｘを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比がリッチであるときには吸蔵したＮＯｘをＮ_２に還元浄化して放出する、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒としての機能を有している。また、このＮＯｘ触媒１８は、酸素を吸蔵する能力も有している。そして、ＮＯｘ触媒１８は、内燃機関１０が理論空燃比で運転されているときには、三元触媒として機能することができる。

排気通路１２には、スタート触媒１４の上流側にＯ_２センサ２０が、スタート触媒１６の上流側にＯ_２センサ２２が、ＮＯｘ触媒１８の上流側にＮＯｘセンサ２４が、ＮＯｘ触媒１８の下流側に下流側Ｏ_２センサ２６が、それぞれ配置されている。

Ｏ_２センサ２０，２２，２６は、それぞれ、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチであるかリーンであるかに応じて急変する出力を発する酸素センサである。なお、Ｏ_２センサ２０，２２，２６に代えて、排気ガスの空燃比に応じたリニアな出力を発するＡ／Ｆセンサが設置されていてもよい。

ＮＯｘセンサ２４は、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する機能を有するセンサである。このＮＯｘセンサ２４については、後に詳しく説明する。

ＮＯｘ触媒１８には、その温度（床温）TCATを検出する温度センサ２８が設置されている。なお、本発明では、ＮＯｘ触媒１８の温度TCATを温度センサ２８によって直接検出するのではなく、ＮＯｘ触媒１８の上流または下流に設けた排気温センサで検出された排気温度からＮＯｘ触媒１８の温度TCATを推定するようにしてもよい。あるいは、内燃機関１０の運転状態に基づいてＮＯｘ触媒１８の温度TCATを推定するようにしてもよい。

また、内燃機関１０には、空気を吸入し、各気筒に分配する吸気系（図示せず）が接続されている。

実施の形態１のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０を備えている。ＥＣＵ３０には、上述した各センサのほか、機関回転数NE、吸気圧PM、吸入空気量GA、スロットル開度THなどを検出する各種のセンサや、燃料インジェクタ、点火プラグ、スロットル弁などの各種のアクチュエータが電気的に接続されている。

図２は、図１に示すシステムが備えるＮＯｘセンサ２４のセンサ部の構成を示す断面図である。以下に説明するとおり、本実施形態におけるＮＯｘセンサ２４は、限界電流式のＮＯｘセンサである。図２に示すように、ＮＯｘセンサ２４のセンサ部は互いに積層された６つの酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなり、これらの６つの固体電解質層を以下、上から順に第１層Ｌ_１、第２層Ｌ_２、第３層Ｌ_３、第４層Ｌ_４、第５層Ｌ_５、第６層Ｌ_６と称する。

第１層Ｌ_１と第３層Ｌ_３との間に例えば多孔質の第１の拡散律速部材５０と第２の拡散律速部材５１とが配置されており、これら拡散律速部材５０と５１との間には第１室５２が、第２の拡散律速部材５１と第２層Ｌ_２との間には第２室５３が形成されている。また、第３層Ｌ_３と第５層Ｌ_５との間には外気に連通している大気室５４が形成されている。一方、第１の拡散律速部材５０の外端面は排気ガスと接触している。従って排気ガスは第１の拡散律速部材５０を介して第１室５２内に流入し、斯くして第１室５２内は排気ガスで満たされている。

一方、第１室５２に面する第１層Ｌ_１の内周面上には陰極側第１ポンプ電極５５が形成されており、第１層Ｌ_１の外周面上には陽極側第１ポンプ電極５６が形成されており、これら第１ポンプ電極５５，５６間には第１ポンプ電圧源５７により電圧が印加される。第１ポンプ電極５５，５６間に電圧が印加されると第１室５２内の排気ガス中に含まれる酸素が陰極側第１ポンプ電極５５と接触して酸素イオンとなり、この酸素イオンは第１層Ｌ_１内を陽極側第１ポンプ電極５６に向けて流れる。従って第１室５２内の排気ガス中に含まれる酸素は第１層Ｌ_１内を移動して外部に汲み出されることになり、このとき外部に汲み出される酸素量は第１ポンプ電圧源５７の電圧が高くなるほど多くなる。

一方、大気室５４に面する第３層Ｌ_３の内周面上には基準電極５８が形成されている。ところで酸素イオン伝導性固体電解質では固体電解質層の両側において酸素濃度に差があると酸素濃度の高い側から酸素濃度の低い側に向けて固体電解質層内を酸素イオンが移動する。図２に示す例では大気室５４内の酸素濃度の方が第１室５２内の酸素濃度よりも高いので大気室５４内の酸素は基準電極５８と接触することにより電荷を受け取って酸素イオンとなり、この酸素イオンは第３層Ｌ_３、第２層Ｌ_２および第１層Ｌ_１内を移動し、陰極側第１ポンプ電極５５において電荷を放出する。その結果、基準電極５８と陰極側第１ポンプ電極５５間に符号５９で示す電圧Ｖ_０が発生する。この電圧Ｖ_０は大気圧室５４内と第１室５２内の酸素濃度差に比例する。

図２に示される例ではこの電圧Ｖ_０が、第１室５２内の酸素濃度が１p.p.m.のときに生ずる電圧に一致するように第１ポンプ電圧源５７の電圧がフィードバック制御される。すなわち、第１室５２内の酸素は第１室５２内の酸素濃度が１p.p.m.となるように第１層Ｌ_１を通って汲み出され、それによって第１室５２内の酸素濃度が１p.p.m.に維持される。

なお、陰極側第１ポンプ電極５５はＮＯｘに対しては還元性の低い材料、例えば金Ａｕと白金Ｐｔとの合金から形成されており、従って排気ガス中に含まれるＮＯｘは第１室５２内ではほとんど還元されない。従ってこのＮＯｘは第２の拡散律速部材５１を通って第２室５３内に流入する。一方、第２室５３に面する第１層Ｌ_１の内周面上には陰極側第２ポンプ電極６０が形成されており、この陰極側第２ポンプ電極６０と陽極側第１ポンプ電極５６との間には第２ポンプ電圧源６１により電圧が印加される。これらポンプ電極６０，５６間に電圧が印加されると第２室５３内の排気ガス中に含まれる酸素が陰極側第２ポンプ電極６０と接触して酸素イオンとなり、この酸素イオンは第１層Ｌ_１内を陽極側第１ポンプ電極５６に向けて流れる。従って第２室５３内の排気ガス中に含まれる酸素は第１層Ｌ_１内を移動して外部に汲み出されることになり、このとき外部に汲み出される酸素量は第２ポンプ電圧源６１の電圧が高くなるほど多くなる。

一方、前述したように酸素イオン伝導性固体電解質では固体電解質層の両側において酸素濃度に差があると酸素濃度の高い側から酸素濃度の低い側に向けて固体電解質層内を酸素イオンが移動する。図２に示す例では大気室５４内の酸素濃度の方が第２室５３内の酸素濃度よりも高いので大気室５４内の酸素は基準電極５８と接触することにより電荷を受け取って酸素イオンとなり、この酸素イオンは第３層Ｌ_３、第２層Ｌ_２および第１層Ｌ_１内を移動し、陰極側第２ポンプ電極６０において電荷を放出する。その結果、基準電極５８と陰極側第２ポンプ電極６０間に符号６２で示す電圧Ｖ_１が発生する。この電圧Ｖ_１は大気圧室５４内と第２室５３内の酸素濃度差に比例する。

図２に示される例ではこの電圧Ｖ_１が、第２室５３内の酸素濃度が０．０１p.p.m.のときに生ずる電圧に一致するように第２ポンプ電圧源６１の電圧がフィードバック制御される。すなわち、第２室５３内の酸素は第２室５３内の酸素濃度が１．０１p.p.m.となるように第１層Ｌ_１を通って汲み出され、それによって第２室５３内の酸素濃度が０．０１p.p.m.に維持される。

なお、陰極側第２ポンプ電極６０もＮＯｘに対しては還元性の低い材料、例えば金Ａｕと白金Ｐｔとの合金から形成されており、従って排気ガス中に含まれるＮＯｘは陰極側第２ポンプ電極６０と接触してもほとんど還元されない。一方、第２室５３に面する第３層Ｌ_３の内周面上にはＮＯｘ検出用の陰極側ポンプ電極６３が形成されている。この陰極側ポンプ電極６３はＮＯｘに対して強い還元性を有する材料、例えばロジウムＲｈや白金Ｐｔから形成されている。従って第２室５３内のＮＯｘ、実際には大部分を占めるＮＯが陰極側ポンプ電極６３上においてＮ_２とＯ_２に分解される。この陰極側ポンプ電極６３と基準電極５８間には一定電圧６４が印加されており、従って陰極側ポンプ電極６３上において分解生成されたＯ_２は酸素イオンとなって第３層Ｌ_３内を基準電極５８に向けて移動する。このとき陰極側ポンプ電極６３と基準電極５８間にはこの酸素イオン量に比例した符号６５で示す電流Ｉ_１が流れる。

前述したように第１室５２内ではＮＯｘはほとんど還元されず、また第２室５３内には酸素はほとんど存在しない。従って電流Ｉ_１は排気ガス中に含まれるＮＯｘ濃度に比例することになり、斯くして電流Ｉ_１から排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出することになる。以下、この電流Ｉ_１を「ＮＯｘセンサ２４の出力」と称する。

一方、排気ガス中の酸素濃度が高いほど、すなわち空燃比がリーンであるほど第１室５２から外部に汲み出される酸素量が多くなり、符号６６で示す電流Ｉ_２が増大する。従ってこの電流Ｉ_２から排気ガスの空燃比を検出することができる。このように、本実施形態のＮＯｘセンサ２４は、空燃比を検出するＡ／Ｆセンサとしての機能をも兼ね備えている。以下、ＮＯｘセンサ２４が発する空燃比出力である電流Ｉ_２を「ＮＯｘセンサ２４のＡ／Ｆ出力」と称する。

なお、第５層Ｌ_５と第６層Ｌ_６との間にはＮＯｘセンサ２４のセンサ部を加熱するための電気ヒータ６７が配置されており、この電気ヒータ６７によってＮＯｘセンサ２４のセンサ部は７００℃から８００℃に加熱される。

なお、本発明で用いるＮＯｘセンサは、上述したような限界電流式センサに限定されるものではなく、例えば混成電位型センサなどの他の方式のものであってもよい。また、本発明で用いるＮＯｘセンサは、Ａ／Ｆセンサ機能を兼ね備えないものであってもよい。その場合には、Ｏ_２センサ２０，２２に代えてＡ／Ｆセンサを設けることで、ＮＯｘ触媒２４に流入する排気ガスの空燃比を検出するようにすればよい。あるいは、エアフロメータ（図示せず）により検出される吸入空気量GAと燃料噴射量とから、ＮＯｘ触媒２４に流入する排気ガスの空燃比を算出するようにしてもよい。

［実施の形態１の動作］
内燃機関１０は、所定の運転領域においては、リーン空燃比で燃料を燃焼させて運転される。リーン空燃比での運転中は、スタート触媒１４，１６ではＮＯｘを浄化できないため、ＮＯｘはＮＯｘ触媒１８に一時吸蔵される。そして、ＮＯｘ触媒１８にＮＯｘが貯まると、ＥＣＵ３０は、内燃機関１０の燃焼空燃比を一時的にリーンからリッチまたは理論空燃比に切り換えるリッチスパイクを実施する。

図３は、実施の形態１の動作を説明するためのタイミングチャートである。以下、図３を参照して、実施の形態１の動作について説明する。図３の横軸の時間は、前回のリッチスパイクが終了し、内燃機関１０の燃焼空燃比がリーン空燃比に戻されてからの経過時間を示している。そして、図３中には、その後に実施される３回のリッチスパイクを含む動作が示されている。この３回のリッチスパイクの動作は何れも同様であるので、以下では、図３中の１回目のリッチスパイクの動作について説明する。

図３（ａ）中の実線は、ＮＯｘ触媒１８に流入したＮＯｘの量（以下「入りＮＯｘ量」という）を、ＮＯｘセンサ２４の出力に基づいて実測した値（以下、符号「NOXIN」で表す）を示す。ＥＣＵ３０は、ＮＯｘセンサ２４の出力（ＮＯｘ濃度）に、ＮＯｘ触媒１８への流入排気ガス量を乗じて積算していくことにより、このNOXINを算出する。なお、ＮＯｘ触媒１８への流入排気ガス量は、エアフロメータ（図示せず）により検出される吸入空気量GAなどに基づいて算出することができる。ＥＣＵ３０は、内燃機関１０が理論空燃比よりも濃いリッチ空燃比、あるいは理論空燃比で運転された場合には、その後、入りＮＯｘ量NOXINをリセットする。

一方、図３（ａ）中の破線は、入りＮＯｘ量を、内燃機関１０の運転状態に基づく推定で求めたとした場合の値（以下「推定入りＮＯｘ量」という）を示している。この推定入りＮＯｘ量については、後述する。

図３（ｃ）は、ＮＯｘ触媒１８の下流に位置する下流側Ｏ_２センサ２６の出力を表すグラフである。また、図３（ｄ）は、ＮＯｘセンサ２４のＡ／Ｆ出力を表すグラフである。すなわち、図３（ｄ）は、ＮＯｘ触媒１８に流入する排気ガスの空燃比を表している。リーン空燃比運転中は、排気通路１２にリーン空燃比の排気ガスが流通する。このため、リーン空燃比運転中、下流側Ｏ_２センサ２６の出力はリーン出力になっており、ＮＯｘセンサ２４のＡ／Ｆ出力は内燃機関１０のリーン目標空燃比に応じた出力になっている。

図３（ａ）に示すように、リーン空燃比運転中、入りＮＯｘ量NOXINは、単調に増加する。そして、NOXINが所定値Ａに達すると、リッチスパイクが開始される（時刻t1）。図３（ｂ）は、リッチスパイク実行フラグFRのグラフである。リッチスパイク実行フラグFRは、リッチスパイクの実行中には１とされ、そうでないときには０とされる。

リッチスパイクが開始されると、内燃機関１０の燃焼空燃比がリーンからリッチへ切り換えられる。このため、ＨＣ，ＣＯ等の還元剤を多く含んだリッチ空燃比の排気ガスがまずスタート触媒１４，１６に流入する。そして、スタート触媒１４，１６に吸蔵されていた酸素が使い尽くされると、リッチ空燃比の排気ガスがスタート触媒１４，１６の下流側へ吹き抜け始める。これにより、図３（ｄ）に示すように、ＮＯｘセンサ２４のＡ／Ｆ出力はリーンからリッチへと切り換わる。

リーン空燃比運転が行われると、ＮＯｘ触媒１８の酸素吸蔵材には、すぐに容量一杯の酸素が吸蔵されてしまう。このため、リッチスパイクの開始時において、ＮＯｘ触媒１８には、酸素吸蔵容量OSC（Oxygen Storage Capacity）一杯の酸素が吸蔵されている。

一方、リッチスパイク開始条件である入りＮＯｘ量NOXINの値（上記所定値Ａ）は、ＮＯｘ触媒１８に吸蔵されたＮＯｘがＮＯｘ吸蔵容量NSC（NOx Storage Capacity）に達しないうちにリッチスパイクが開始されるように設定されている。よって、リッチスパイクの開始時においては、ＮＯｘ触媒１８には、ＮＯｘ吸蔵容量NSC未満のＮＯｘが吸蔵されている。

リッチ空燃比の排気ガスがスタート触媒１４，１６の下流側へ吹き抜け始めて、ＨＣ、ＣＯ等の還元剤を含んだ排気ガスがＮＯｘ触媒１８に流入すると、ＮＯｘ触媒１８に吸蔵されていた酸素およびＮＯｘは、それらの還元剤と反応することにより、消費されていく。この間は、下流側Ｏ_２センサ２６の出力はリーン出力に維持される。そして、ＮＯｘ触媒１８に吸蔵されていた酸素およびＮＯｘが全部消費されると、還元剤を含んだリッチな排気ガスがＮＯｘ触媒１８の下流に吹き抜け始める。これにより、下流側Ｏ_２センサ２６の出力がリーン出力からリッチ出力へ切り換わる（時刻t2）。この時点で、今回のリッチスパイクが終了される。

このように、リッチスパイク開始後、下流側Ｏ_２センサ２６の出力がリーン出力からリッチ出力に切り換わるまでの間にＮＯｘ触媒１８に流入した還元剤の量は、リッチスパイク開始前にＮＯｘ触媒１８に吸蔵されていた酸素の量（以下「酸素吸蔵量OSA」という）、および、リッチスパイク開始前にＮＯｘ触媒１８に吸蔵されていたＮＯｘの量（以下「ＮＯｘ吸蔵量NSA」という）の双方と相関を有している。本実施形態では、酸素吸蔵量OSAとＮＯｘ吸蔵量NSAとの和に相当する値を、以下に説明するトータル吸蔵量TSAで表すことにする。

トータル吸蔵量TSAは、ＮＯｘ吸蔵量NSAを酸素に換算した値と、酸素吸蔵量OSAとの和である。本実施形態のシステムにおいて、トータル吸蔵量TSAは、次のようにして、ＮＯｘ触媒１８に流入した還元剤量に基づいて求めることができる。

図４は、ＥＣＵ３０がトータル吸蔵量TSAを算出する方法を説明するための図である。図４中の左側は、図３（ｃ）および（ｄ）のリッチスパイク実行時の部分を拡大して示す図である。ＮＯｘ触媒１８に流入する還元剤は、排気ガス中の未燃焼の燃料である。このため、ＮＯｘ触媒１８に流入する還元剤量は、図４のＮＯｘセンサ２４のＡ／Ｆ出力のグラフの斜線部分に基づいて算出することができる。よって、トータル吸蔵量TSAは、図４中の右側の（１）式を用いて算出することができる。（１）式中、「GA」は、内燃機関１０の吸入空気量であり、「A/F」はＮＯｘ触媒１８に流入する排気ガスの空燃比であり、「１４．６」は理論空燃比である。「GA」は、例えばエアフロメータの出力に基づいて求めることができる。また、「A/F」は、ＮＯｘセンサ２４のＡ／Ｆ出力に基づいて求めることができる。あるいは、吸入空気量GAと燃料噴射量とから「A/F」を求めるようにしてもよい。

ＥＣＵ３０は、所定の計算ルーチンが実行される毎に、（１）式の演算を行う。（１）式により算出されるTSAは、その１実行周期中にＮＯｘ触媒１８に流入した還元剤量と対応する酸素量を表している。そして、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘセンサ２４のＡ／Ｆ出力がリーン出力からリッチ出力へと切り換わった時点以降、（１）式により算出されるTSAを積算していく。このTSA積算値は、その時点までにＮＯｘ触媒１８に流入した還元剤量に対応する酸素量を表している。図３（ｅ）は、このTSA積算値を示すグラフである。

前述したように、下流側Ｏ_２センサ２６の出力がリーン出力からリッチ出力へ切り換わった時点（時刻t2）で、ＮＯｘ触媒１８に吸蔵されていた酸素およびＮＯｘが無くなったと判断することができる。よって、この時点でのTSA積算値がトータル吸蔵量TSAに相当することになる。つまり、図３に示す例では、時刻t2におけるTSA積算値がこの回のリッチスパイク開始前におけるトータル吸蔵量TSAと相当する。また、下流側Ｏ_２センサ２６の出力がリーン出力からリッチ出力へ切り換わると、リッチスパイクは終了される。リッチスパイクが終了されると、入りＮＯｘ量NOXINおよびTSA積算値がリセットされる。

以上、図３中の１回目のリッチスパイクについて説明した。リッチスパイクの終了後は、内燃機関１０の燃焼空燃比がリーン目標空燃比に戻される。すると、入りＮＯｘ量NOXINは、再び増加していく。そして、NOXINが所定値Ａに達すると、リッチスパイクが再度実行される（時刻t3）。

図５は、上述のようにして検出されたトータル吸蔵量TSAに基づいてＮＯｘ触媒１８の劣化を診断するための判定値と、リッチスパイク開始時の入りＮＯｘ量NOXINとの関係を示す図である。図５に示すように、この判定値は、入りＮＯｘ量が多いほど、大きくなるように設定されている。その理由は、次のとおりである。

前述したように、リーン空燃比運転が行われると、ＮＯｘ触媒１８には、すぐに、容量一杯の酸素が吸蔵される。このため、リッチスパイク開始時において、ＮＯｘ触媒１８には、常に、酸素吸蔵容量OSC一杯の酸素が吸蔵されている。従って、トータル吸蔵量TSAのうちの酸素吸蔵量OSAは、リッチスパイク開始時の入りＮＯｘ量NOXINにかかわらず、酸素吸蔵容量OSCに等しいと考えられる。

一方、ＮＯｘ触媒１８は、流入したＮＯｘのうち、ほぼ一定の割合でＮＯｘを捕捉すると考えられる。このため、リッチスパイク開始時の入りＮＯｘ量NOXINが多くなるほど、トータル吸蔵量TSAのうちのＮＯｘ吸蔵量NSAは、それにほぼ比例して大きくなると考えられる。このことを考慮して、劣化診断のための判定値は、入りＮＯｘ量が多いほど、大きくなるように設定されている。

図３に示す例では、前述したように、入りＮＯｘ量NOXINが所定値Ａに達した時点でリッチスパイクを開始している。よって、この場合の判定値は、図５に示す関係から、Ｂであると求めることができる。すなわち、図３に示す例では、検出されたトータル吸蔵量TSAがＢ以上である場合には、ＮＯｘ触媒１８の能力は正常であり、劣化していないと判定することができる。

一方、検出されたトータル吸蔵量TSAがＢ未満である場合には、トータル吸蔵量TSAのうちの酸素吸蔵量OSA（＝酸素吸蔵容量OSC）が低下していたり、ＮＯｘ吸蔵量NSAが低下していたりすると判断できる。酸素吸蔵容量OSCの低下は、ＮＯｘ触媒１８の酸素吸蔵能力の劣化であると判断できる。また、ＮＯｘ吸蔵量NSAの低下は、ＮＯｘ触媒１８のＮＯｘ捕捉割合の低下を意味するため、ＮＯｘ吸蔵能力の劣化であると判断できる。よって、トータル吸蔵量TSAがＢ未満である場合には、ＮＯｘ触媒１８の能力は異常であり、劣化していると判定することができる。

このように、ＮＯｘ触媒１８の劣化を診断するための判定値は、リッチスパイク開始時の入りＮＯｘ量NOXINによって異なる。このため、高い精度で診断を行うためには、入りＮＯｘ量NOXINが正確であることが重要である。本発明によれば、ＮＯｘ触媒１８の上流側にＮＯｘセンサ２４を設けたことにより、入りＮＯｘ量NOXINを実測することができるので、正確な入りＮＯｘ量NOXIN求めることができる。よって、ＮＯｘ触媒１８の劣化診断を高い精度で行うことができる。

（比較例）
ここで、本発明の効果を分かり易く説明するため、以下、比較例の劣化診断方法について説明する。比較例の劣化診断方法では、内燃機関１０の運転状態から入りＮＯｘ量を推定する。すなわち、この比較例では、内燃機関１０から単位時間当たりに排出されるＮＯｘの量が負荷および回転数毎に予め実験的に求めてあり、その実験データがＥＣＵ３０に記憶されているものとする。そして、ＥＣＵ３０は、現在の負荷および回転数から、その実験データに基づいて、時間毎にＮＯｘ発生量（推定値）を算出し、積算する。その積算値が、推定入りＮＯｘ量となる。

入りＮＯｘ量推定の基礎とされる上記実験データは、定常運転時のものである。一方、推定時の実際の負荷および回転数は時々刻々変化する。この影響で、推定入りＮＯｘ量には、多少の誤差が生ずる。また、内燃機関１０の個体差や経時変化により、実際のＮＯｘ排出特性と上記実験データとにズレが生じていることも考えられる。この影響によっても、推定入りＮＯｘ量に誤差が生ずる。このため、図３（ａ）中の破線で示すように、推定入りＮＯｘ量は、実際の入りＮＯｘ量NOXINより多くなったり、少なくなったりする。

比較例では、推定入りＮＯｘ量が所定値Ａに達した時点で、リッチスパイクが開始される。しかしながら、この時点で、実際の入りＮＯｘ量は、上記の誤差のため、所定値Ａよりも大きかったり小さかったりする。図６は、比較例におけるリッチスパイク開始時の実際の入りＮＯｘ量を高応答ＮＯｘ分析計を用いて計測した結果を横軸に、トータル吸蔵量TSAの検出値を縦軸にとって示す図である。図６に示す実験結果から明らかなように、比較例の場合には、推定入りＮＯｘ量の誤差のため、リッチスパイク開始時の実際の入りＮＯｘ量は、所定値Ａを中心に、ある程度の範囲にばらついてしまう。

前述したように、トータル吸蔵量TSAが図６中の判定値ラインより上側にある場合にはＮＯｘ触媒１８は正常であり、判定値ラインより下側にある場合にはＮＯｘ触媒１８は異常である。よって、検出結果が図６中の（Ｉ）で示す点である場合にはＮＯｘ触媒１８は異常であり、（II）で示す点である場合にはＮＯｘ触媒１８は正常である。

しかしながら、比較例の方法でＥＣＵ３０が実際に劣化診断を行う際には、実際の入りＮＯｘ量は分からないため、図６中の各点の入りＮＯｘ量はすべて所定値Ａであるとみなされる。図７は、図６中の各点を、入りＮＯｘ量＝Ａの直線上に投影した図である。図７中（Ｉ）および（II）の点は、図６中の（Ｉ）および（II）に対応している。比較例の場合には、この図７に示されるような検出結果に基づいて劣化診断が行われることとなる。つまり、図７中で、トータル吸蔵量TSAがＢ以上であればＮＯｘ触媒１８は正常であり、Ｂ未満であればＮＯｘ触媒１８は異常であると判定される。このため、図６中（Ｉ）で示される本来は異常の場合が、誤って正常と判定されたり（誤正常判定）、図６中（II）で示される本来は正常の場合が、誤って異常と判定されたり（誤異常判定）する場合がある。このように、比較例では、推定入りＮＯｘ量の誤差が原因となって、ＮＯｘ触媒１８の劣化状態を誤判定する場合がある。

これに対し、本発明では、ＮＯｘ触媒１８の上流側にＮＯｘセンサ２４を設けたことにより、入りＮＯｘ量を実測することができるので、正確な入りＮＯｘ量を求めることができる。このため、上記のような誤判定を生ずることがなく、ＮＯｘ触媒１８の劣化診断を高い精度で行うことができる。

また、本発明では、ＮＯｘ触媒１８の下流側にはＮＯｘセンサ２４を設置する必要はなく、ＮＯｘ触媒１８の上流側にのみＮＯｘセンサ２４を設けるだけで、高精度な触媒劣化診断を行うことができる。このため、ＮＯｘ触媒１８の上流側と下流側との両方にＮＯｘセンサを設置するシステムと比べて、高価なＮＯｘセンサの本数を減らすことができるので、製造コストを低減することができる。特に、本実施形態では、ＮＯｘセンサ２４をＡ／Ｆセンサとしても兼用しているので、製造コストを更に低減することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図８は、上述した手法によってＮＯｘ触媒１８の劣化を診断するために本実施形態においてＥＣＵ３０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行されるものとする。

図８に示すルーチンによれば、まず、ＮＯｘセンサ２４の出力に基づいて算出されている入りＮＯｘ量NOXINの値が読み込まれる（ステップ１００）。次いで、入りＮＯｘ量NOXINが所定値Ａに達したか否かが判別される（ステップ１０２）。入りＮＯｘ量NOXINが所定値Ａに未だ達していない場合には、ＮＯｘセンサ２４の出力を積算することにより、入りＮＯｘ量NOXINの値が更新され（ステップ１０４）、今回の処理サイクルが終了される。

一方、上記ステップ１０２で、入りＮＯｘ量NOXINが所定値Ａに達していると判別された場合には、今回の入りＮＯｘ量NOXINの積算が終了され（ステップ１０６）、リッチスパイクが開始される（ステップ１０８）。

リッチスパイクが開始されると、下流側Ｏ_２センサ２６の出力がリッチ出力になったか否かが判別される（ステップ１１０）。下流側Ｏ_２センサ２６の出力が未だリッチ出力になっていない場合には、次に、TSA積算値が更新（積算）される（ステップ１１８）。TSA積算値の算出方法は、図４を参照して説明した通りである。次いで、ＮＯｘ触媒１８の劣化判定を実行可能な条件が成立しているか否かが判別される（ステップ１２０）。この判定実行条件としては、具体的には以下の各条件の成否が判断される。
（１）リッチスパイクが終了していること。
（２）リッチスパイク実行時の運転条件（機関回転数NE、スロットル開度TH、吸入空気量GA等）が所定の範囲内にあること。
（３）リッチスパイク実行時のＮＯｘ触媒１８の温度TCATが所定の範囲内にあること。

上記（２）の条件は、誤判定を確実に防止するため、急加減速等のない所定の運転条件下でリッチスパイクが実施された場合のデータのみを触媒劣化判定の基礎とするために設けられた条件である。上記（３）の条件は、ＮＯｘ触媒１８の温度の影響による誤判定を防止するための条件である。すなわち、ＮＯｘ触媒１８の能力は、その温度によって変化する。そこで、ＮＯｘ触媒１８の能力が一定であるとみなせるような温度域でリッチスパイクが実施された場合のデータのみを触媒劣化判定の基礎とするため、上記（３）の条件を設けたものである。

下流側Ｏ_２センサ２６の出力が未だリッチ出力になっていない場合には、リッチスパイクは未だ継続されている。よって、この場合には、上記（１）の条件が不成立であるので、上記ステップ１２０の判断が否定される。ステップ１２０の判断が否定されると、今回の処理サイクルがそのまま終了される。

リッチスパイクが継続していくと、いずれ、下流側Ｏ_２センサ２６の出力がリッチ出力へ変化するので、上記ステップ１１０の判断が肯定される。そうすると、今回のリッチスパイクが終了される（ステップ１１２）。リッチスパイクが終了したら、次に、ＮＯｘセンサ２４により検出される空燃比AFNOXがリーンになったか否か、すなわちAFNOX＞１４．６の成否が判別される（ステップ１１４）。そして、AFNOX＞１４．６の成立が認められた場合には、次回のリッチスパイク開始時期を判定するための入りＮＯｘ量NOXINの積算が開始される（ステップ１１６）。

続いて、TSA積算値が更新（積算）される（ステップ１１８）。前述したとおり、このリッチスパイク終了時のTSA積算値が、トータル吸蔵量TSAに相当する。次いで、上述した判定実行条件の成否が判別される（ステップ１２０）。判定実行条件の成立が認められた場合には、ＮＯｘ触媒１８の劣化の判定が実行される。すなわち、図５を参照して説明したとおり、上記トータル吸蔵量TSAと判定値Ｂとが比較される（ステップ１２２）。そして、TSA＜Ｂである場合には、ＮＯｘ触媒１８が劣化していると判定され（ステップ１２４）、TSA≧Ｂである場合には、ＮＯｘ触媒１８は正常であると判定される（ステップ１２６）。

上述した実施の形態１においては、ＮＯｘ触媒１８が前記第１および第６の発明における「ＮＯｘ触媒」に、ＮＯｘセンサ２４が前記第１の発明における「ＮＯｘ検出手段」に、下流側Ｏ_２センサ２６が前記第１の発明における「下流側排気ガスセンサ」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１００，１０４，１０６および１１６の処理を実行することにより前記第１の発明における「入りＮＯｘ量算出手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「リッチスパイク手段」が、上記ステップ１１８の処理を実行することにより前記第１および第６の発明における「トータル吸蔵量算出手段」が、上記ステップ１２２，１２４および１２６の処理を実行することにより前記第１の発明における「診断手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図９乃至図１５を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。本実施形態は、実施の形態１と同様のハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ３０に、後述する図１５のルーチンを実行させることにより、実現することができる。

図９は、実施の形態２の動作を説明するためのタイミングチャートである。図９（ａ）中の１回目のリッチスパイクは、入りＮＯｘ量NOXINが所定値Ａ₁に達したことを条件に開始される（時刻t1）。これに対し、図９（ａ）中の２回目のリッチスパイクは、入りＮＯｘ量NOXINがＡ_１≠Ａ_２（図示の例ではＡ_１＜Ａ_２）なる所定値Ａ₂に達したことを条件に開始される（時刻t3）。

図９（ｅ）に示すように、各リッチスパイクの実施時には、実施の形態１と同様にして、トータル吸蔵量TSA_１、TSA_２が算出される。すなわち、図９に示す動作によれば、入りＮＯｘ量がＡ_１である場合のトータル吸蔵量TSA_１と、入りＮＯｘ量がＡ_２であるときのトータル吸蔵量TSA_２とをそれぞれ検出することができる。

このようにして、本実施形態では、ＮＯｘ触媒１８への入りＮＯｘ量を複数の水準に設定して、その水準毎にトータル吸蔵量TSAを検出する。図１０は、そのようにして、入りＮＯｘ量の値を変えてトータル吸蔵量TSAを複数回検出した場合の各回の実験結果を、横軸を入りＮＯｘ量、縦軸をトータル吸蔵量TSAとした座標上にプロットした図である。なお、各回のリッチスパイクは、ほぼ同一の運転条件の下で実施されたものとする。図１０から分かるように、それら各回のリッチスパイクにおける入りＮＯｘ量およびトータル吸蔵量TSAを表す各点は、ほぼ一直線上に乗っている。これは、前述したように、入りＮＯｘ量が多くなるほど、トータル吸蔵量TSAのうちのＮＯｘ吸蔵量NSAがそれにほぼ比例して増加するためである。

また、前述した通り、リーン空燃比運転が行われると、ＮＯｘ触媒１８には、すぐに容量一杯の酸素が吸蔵されてしまう。このため、リッチスパイクの開始時において、ＮＯｘ触媒１８には、常に、酸素吸蔵容量OSC一杯の酸素が吸蔵されている。従って、トータル吸蔵量TSAのうちの酸素吸蔵量OSAは、入りＮＯｘ量にかかわらず、酸素吸蔵容量OSCと等しい。

入りＮＯｘ量をゼロとした場合には、ＮＯｘ吸蔵量NSAは当然にゼロとなると考えられるから、この場合のトータル吸蔵量TSAは、その全部が酸素吸蔵量OSAに相当すると言える。その値、すなわち、入りＮＯｘ量をゼロとした場合のトータル吸蔵量TSAの値は、図１０から分かるとおり、入りＮＯｘ量とトータル吸蔵量TSAとの関係を表す直線（図１０中の直線）を外挿することにより、その切片として求めることができる。そして、上記の考え方によれば、この値は、ＮＯｘ触媒１８の酸素吸蔵量OSAに等しく、よってＮＯｘ触媒１８の酸素吸蔵容量OSCに等しい。

上述したとおり、ＮＯｘ触媒１８のトータル吸蔵量TSAに基づいて求めた酸素吸蔵量OSAの値と、ＮＯｘ触媒１８の酸素吸蔵容量OSCの値とは等しいので、以下の説明では、便宜上、その値を単に「酸素吸蔵容量OSC」と表記する。

図１１は、前述した図９に示す２回のリッチスパイクの際の入りＮＯｘ量Ａ_１，Ａ_２と、トータル吸蔵量TSA_１，TSA_２とを図１０と同様の座標上にプロットした図である。図１１に示すように、本実施形態では、相異なる少なくとも二つの水準の入りＮＯｘ量において、それぞれ、トータル吸蔵量TSAが少なくとも１回検出されていれば、両者の関係を表す直線が引けるので、酸素吸蔵容量OSCの推定が可能となる。

一方、本実施形態では、相異なる三つ以上の水準の入りＮＯｘ量において検出されたトータル吸蔵量TSAに基づいて酸素吸蔵容量OSCを推定するようにしてもよい。また、各水準の入りＮＯｘ量においてそれぞれ２回以上リッチスパイクを実行し、それら各回のトータル吸蔵量TSAに基づいて酸素吸蔵容量OSCを推定するようにしてもよい。図１２は、三つの水準の入りＮＯｘ量（Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３）において、それぞれ３回のリッチスパイクを実行してトータル吸蔵量TSAの検出を行った場合の、計９個の点を図１０と同様の座標上にプロットした図である。

図１２に示すように、２個以上の点がある場合には、それらの点に対して例えば最小二乗法等の線形近似を実施することにより、入りＮＯｘ量とトータル吸蔵量TSAとの関係を表す直線を求め、その直線を外挿することとすれば、酸素吸蔵容量OSCを求めることができる。このような場合には、酸素吸蔵容量OSCをより高い精度で推定することができる。

このようにして、本実施形態によれば、リッチスパイクを２回連続して実施することなしに、ＮＯｘ触媒１８の酸素吸蔵容量OSCを精度良く推定することができる。ＮＯｘ触媒１８を理論空燃比下で使用する場合の性能は、その酸素吸蔵能力によって判断することができる。そして、ＮＯｘ触媒１８が劣化するに従い、その酸素吸蔵能力は低下していく。酸素吸蔵能力の大小は、酸素吸蔵容量OSCの値で判断することができる。

よって、例えばＮＯｘ触媒１８の酸素吸蔵能力を判定するための所定の判定値を設けておき、上記のようにして推定された酸素吸蔵容量OSCとその判定値とを比較することにより、ＮＯｘ触媒１８の酸素吸蔵能力が正常（許容範囲内）であるか否かを正確に判定することができる。

また、図１０乃至図１２においては、入りＮＯｘ量とトータル吸蔵量TSAとの関係を表す直線の傾きが大きいほど、ＮＯｘ触媒１８によるＮＯｘ捕捉割合が高いことになる。つまり、この直線の傾きは、ＮＯｘ触媒１８のＮＯｘ吸蔵能力（ＮＯｘ触媒１８をリーン空燃比下で使用する場合の性能）を表していると言える。

よって、例えばＮＯｘ触媒１８のＮＯｘ吸蔵能力を判定するための所定の判定値を設けておき、入りＮＯｘ量とトータル吸蔵量TSAとの関係を表す直線の傾きと、その判定値とを比較することにより、ＮＯｘ触媒１８のＮＯｘ吸蔵能力が正常（許容範囲内）であるか否かを正確に判定することができる。

図１３は、図１２の実験で対象としたＮＯｘ触媒１８よりも劣化が進行したＮＯｘ触媒１８を対象として、同様の実験を行って得られた結果をプロットした図である。すなわち、図１３のＮＯｘ触媒１８は、図１２のＮＯｘ触媒１８より劣化度合いが高いものである。このため、図１３の直線は、その傾き（すなわちＮＯｘ吸蔵能力）、切片（すなわち酸素吸蔵容量OSC）共に、図１２の直線より小さくなっていることが分かる。

図１４は、横軸を入りＮＯｘ量とし、縦軸をＮＯｘ吸蔵量NSAとした座標上に、図１２に示す９点の実験結果についてのＮＯｘ吸蔵量NSAを黒三角の点で、図１３に示す９点の実験結果についてのＮＯｘ吸蔵量NSAを白三角の点で、それぞれプロットした図である。

なお、ＮＯｘ吸蔵量NSAは、トータル吸蔵量TSAおよび酸素吸蔵容量OSCに基づいて、次式により算出することができる。
NSA＝（TSA−OSC）×４６／３２ …（２）
ただし、上記（２）式中、「４６／３２」は、Ｏ_２からＮＯ_２への換算係数である。

図１４中の傾斜した直線のように判定値を設定するようにすると、劣化していない図１２のＮＯｘ触媒１８についての９点のＮＯｘ吸蔵量NSAはすべてその直線より上側にあり、その一方、劣化した図１３のＮＯｘ触媒１８についての９点のＮＯｘ吸蔵量NSAはすべてその直線より下側にある。このように、ＮＯｘ吸蔵量NSAは、劣化度合いと正確に相関していることが分かる。

よって、本実施形態では、図１４中の傾斜した直線のような判定値を予め設定しておき、検出された入りＮＯｘ量およびＮＯｘ吸蔵量NSAをその判定値と比較する方法によっても、ＮＯｘ触媒１８のＮＯｘ吸蔵能力が正常（許容範囲内）であるか否かを正確に判定することができる。すなわち、入りＮＯｘ量とトータル吸蔵量TSAとの関係を表す直線の傾きによってＮＯｘ吸蔵能力を判定する手法に代えて、この方法によってＮＯｘ吸蔵能力を判定するようにしてもよい。

［実施の形態２における具体的処理］
図１５は、上述した手法によってＮＯｘ触媒１８の劣化を判定（診断）するために本実施形態においてＥＣＵ３０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行されるものとする。

なお、本実施形態では、図１５に示すルーチン以外に、図８とほぼ同様のルーチンを実行しており、そのルーチンの処理により、少なくとも二つ以上の水準の入りＮＯｘ量Ａ_１，Ａ_２，…においてそれぞれリッチスパイクを実行し、トータル吸蔵量TSA_１，TSA_２，…を検出しているものとする。

図１５に示すルーチンによれば、まず、触媒劣化判定を実行する条件が成立しているか否かが判別される（ステップ１３０）。具体的には、少なくとも二つの水準の入りＮＯｘ量Ａ_１，Ａ_２，…において実行されたリッチスパイクについてのトータル吸蔵量TSAのデータTSA_１，TSA_２，…が格納されているか否かが判別される。すなわち、図１１を参照して説明したように、酸素吸蔵容量OSCを算出するのに必要な少なくとも２点のデータが格納されている場合には、判定実行条件が成立しているものと判別される。また、図１２のように、３点以上の所定数のデータに基づいて酸素吸蔵容量OSCを算出することとしている場合には、その所定数のデータが揃っている場合に、判定実行条件が成立しているものと判別される。

上記ステップ１３０で、判定実行条件が成立していないと判別された場合には、今回の処理サイクルがそのまま終了される。一方、上記ステップ１３０で、判定実行条件が成立していると判別された場合には、次に、格納されたデータに基づいて、酸素吸蔵容量OSCが算出される（ステップ１３２）。すなわち、図１１あるいは図１２を参照して既述した方法により、酸素吸蔵容量OSCが算出される。続いて、上記（２）式に基づいて、ＮＯｘ吸蔵容量NSAが算出される（ステップ１３４）。

次に、上記ステップ１３２で算出された酸素吸蔵容量OSCと、所定の判定値とが比較される（ステップ１３６）。そして、酸素吸蔵容量OSCが上記判定値未満である場合には、ＮＯｘ触媒１８の酸素吸蔵能力が劣化していると判定される（ステップ１３８）。一方、酸素吸蔵容量OSCが上記判定値以上である場合には、ＮＯｘ触媒１８の酸素吸蔵能力は正常であると判定される（ステップ１４０）。

続いて、上記ステップ１３４で算出されたＮＯｘ吸蔵容量NSAと、所定の判定値とが比較される（ステップ１４２）。この判定値は、図１４を参照して既述した通り、入りＮＯｘ量に応じて算出される。そして、ステップ１４２において、ＮＯｘ吸蔵容量NSAが上記判定値未満である場合には、ＮＯｘ触媒１８のＮＯｘ吸蔵能力が劣化していると判定される（ステップ１４４）。一方、ＮＯｘ吸蔵容量NSAが上記判定値以上である場合には、ＮＯｘ触媒１８のＮＯｘ吸蔵能力は正常であると判定される（ステップ１４６）。

なお、上記ステップ１４２でのＮＯｘ吸蔵能力の判定は、前述したように、入りＮＯｘ量とトータル吸蔵量TSAとの関係を表す直線の傾きに基づいて行うようにしてもよい。

以上説明した実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、ＮＯｘ触媒１８の上流側にＮＯｘセンサ２４を設けたことにより、正確な入りＮＯｘ量を求めることができる。このため、ＮＯｘ触媒１８の劣化診断を高い精度で行うことができる。

更に、本実施形態では、図１５に示すルーチンの処理により、ＮＯｘ触媒１８のトータル吸蔵量TSAの内訳、すなわち酸素吸蔵容量OSC（酸素吸蔵量OSA）と、ＮＯｘ吸蔵量NSAとをそれぞれ算出することができる。そして、その各々の値を利用して、ＮＯｘ触媒１８を理論空燃比下で使用する場合の能力の指標となる酸素吸蔵能力と、ＮＯｘ触媒１８をリーン空燃比下で使用する場合の能力の指標となるＮＯｘ吸蔵能力とを、それぞれ別々に判定することができる。このため、ＮＯｘ触媒１８の劣化状態をより正確に診断することができる。

特に、本実施形態では、上記効果を得るに当たり、リッチスパイクを短い間隔（ＮＯｘがＮＯｘ触媒１８にほとんど吸蔵されないような間隔）で連続して実行する必要がない。すなわち、通常のリッチスパイクの実行間隔に近い間隔でリッチスパイクを実行することで、上記効果を得ることができる。よって、リッチスパイクの実行頻度が高くなることを回避することができる。このため、リッチスパイクの実行頻度が高くなることに伴う弊害、例えば、燃費やエミッションが悪化したり、トルクショックが発生し易くなったりすることを確実に防止することができる。

ただし、本発明では、図１６を参照して既述した方法、すなわちリッチスパイクを２回連続して実施することにより、ＮＯｘ触媒１８の酸素吸蔵容量OSC（酸素吸蔵量OSA）を求めて、ＮＯｘ触媒１８の劣化を診断するようにしてもよい。

上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１３２の処理を実行することにより前記第２、第３および第４の発明における「酸素吸蔵量算出手段」が、上記ステップ１３６，１３８および１４０の処理を実行することにより前記第２の発明における「酸素吸蔵能力判定手段」が、リッチスパイク開始条件とする入りＮＯｘ量のレベルを少なくとも二つ以上の水準Ａ_１，Ａ_２，…に設定することにより前記第３の発明における「実行条件設定手段」が、上記ステップ１３４の処理を実行することにより前記第５の発明における「ＮＯｘ吸蔵量算出手段」が、上記ステップ１４２，１４４および１４６の処理を実行することにより前記第５の発明における「ＮＯｘ吸蔵能力判定手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 図１に示すシステムが備えるＮＯｘセンサのセンサ部の構成を示す断面図である。 実施の形態１の動作を説明するためのタイミングチャートである。 トータル吸蔵量TSAを算出する方法を説明するための図である。 ＮＯｘ触媒の劣化を診断するための判定値と、リッチスパイク開始時の入りＮＯｘ量NOXINとの関係を示す図である。 ＮＯｘ触媒への入りＮＯｘ量と、トータル吸蔵量TSAとの関係を示す図（比較例）である。 ＮＯｘ触媒への入りＮＯｘ量と、トータル吸蔵量TSAとの関係を示す図（比較例）である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 実施の形態２の動作を説明するためのタイミングチャートである。 ＮＯｘ触媒への入りＮＯｘ量と、トータル吸蔵量TSAとの関係を示す図である。 ＮＯｘ触媒への入りＮＯｘ量と、トータル吸蔵量TSAとの関係を示す図である。 ＮＯｘ触媒への入りＮＯｘ量と、トータル吸蔵量TSAとの関係を示す図である。 ＮＯｘ触媒への入りＮＯｘ量と、トータル吸蔵量TSAとの関係を示す図である。 ＮＯｘ触媒への入りＮＯｘ量と、ＮＯｘ吸蔵量NSAとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。 従来の装置の動作を説明するための図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ 排気通路
１４，１６ スタート触媒
１８ ＮＯｘ触媒
２０，２２ Ｏ_２センサ
２４ ＮＯｘセンサ
２６ 下流側Ｏ_２センサ
２８ 温度センサ
３０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路に配置された吸蔵還元型のＮＯｘ触媒の劣化を診断する装置であって、
   前記ＮＯｘ触媒の上流側に配置され、排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じた出力を発するＮＯｘ検出手段と、
   前記ＮＯｘ触媒の下流側に配置され、排気ガスの空燃比に応じた出力を発する下流側排気ガスセンサと、
   前記ＮＯｘ検出手段の出力を積算することにより、前記ＮＯｘ触媒へ流入したＮＯｘの量である入りＮＯｘ量を算出する入りＮＯｘ量算出手段と、
   前記内燃機関の排気ガスの空燃比をリーンからリッチまたは理論空燃比に一時的に切り換えるリッチスパイクを行うリッチスパイク手段と、
   リッチスパイク実行中の前記下流側排気ガスセンサの出力に基づいて、当該リッチスパイクの開始前に前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されていた酸素の量とＮＯｘの量との和を表す値であるトータル吸蔵量を算出するトータル吸蔵量算出手段と、
   前記入りＮＯｘ量と前記トータル吸蔵量とに基づいて、前記ＮＯｘ触媒の劣化を診断する診断手段と、
   を備えることを特徴とする触媒劣化診断装置。
2. 前記診断手段は、
   前記入りＮＯｘ量と前記トータル吸蔵量とに基づいて、前記トータル吸蔵量のうちの酸素吸蔵量を算出する酸素吸蔵量算出手段と、
   前記酸素吸蔵量に基づいて、前記ＮＯｘ触媒の酸素吸蔵能力を判定する酸素吸蔵能力判定手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１記載の触媒劣化診断装置。
3. 相異なる複数のリッチスパイク実行条件を設定する実行条件設定手段を更に備え、
   前記酸素吸蔵量算出手段は、少なくとも二つのリッチスパイク実行条件の下で実行されたリッチスパイクについての、前記入りＮＯｘ量と前記トータル吸蔵量との関係に基づいて、前記酸素吸蔵量を算出することを特徴とする請求項２記載の触媒劣化診断装置。
4. 前記酸素吸蔵量算出手段は、前記入りＮＯｘ量が少なくとも二つの水準の下で実行されたリッチスパイクについての、前記入りＮＯｘ量と前記トータル吸蔵量との関係を外挿することにより、前記入りＮＯｘ量がゼロである場合の前記トータル吸蔵量に相当する値を算出し、その値を前記酸素吸蔵量とすることを特徴とする請求項３記載の触媒劣化診断装置。
5. 前記診断手段は、
   前記トータル吸蔵量から前記酸素吸蔵量を減算することにより、ＮＯｘ吸蔵量を算出するＮＯｘ吸蔵量算出手段と、
   前記算出されたＮＯｘ吸蔵量に基づいて、前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力を判定するＮＯｘ吸蔵能力判定手段と、
   を含むことを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項記載の触媒劣化診断装置。
6. 前記ＮＯｘ検出手段は、排気ガスの空燃比を検出する機能も有しており、
   前記トータル吸蔵量算出手段は、前記下流側排気ガスセンサの出力と、前記ＮＯｘ検出手段により検出される空燃比とに基づいて、前記トータル吸蔵量を算出することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の触媒劣化診断装置。
7. 前記ＮＯｘ検出手段は、排気ガスの空燃比を検出する機能も有しており、
   前記入りＮＯｘ量算出手段は、リッチスパイク終了後、前記ＮＯｘ検出手段により検出される空燃比がリッチからリーンへ変化したときから、前記ＮＯｘ検出手段の出力の積算を開始することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の触媒劣化診断装置。

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