JP2008190507A - ＮＯｘ触媒の劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の劣化を高精度で診断する。
【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能Ｇを計測し、この計測されたＮＯｘ吸蔵能に基づきＮＯｘ吸蔵能の変化率を算出し、ＮＯｘ吸蔵能とＮＯｘ吸蔵能変化率とに基づきＮＯｘ触媒の劣化を判定するＮＯｘ触媒の劣化診断装置が提供される。ＮＯｘ吸蔵能の変化率は使用燃料の硫黄濃度に応じた一定値となるが、ＮＯｘ触媒に急激な熱劣化が発生するとＮＯｘ吸蔵能の変化率が大きく変化する。よってＮＯｘ吸蔵能の変化率をも考慮することでＮＯｘ触媒の急激な熱劣化を検知することができ、ＮＯｘ触媒の劣化診断精度を向上することが可能になる。
【選択図】図３

Description

本発明はＮＯｘ触媒の劣化診断装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の劣化を診断する装置に関する。

一般に、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気系に配置される排気浄化装置として、排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するためのＮＯｘ触媒が知られている。このＮＯｘ触媒としては様々なタイプのものが知られているが、その中で、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵して除去する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（NSR: NOx Storage Reduction）が公知である。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、供給排気ガスの空燃比が所定値（典型的には理論空燃比）よりリーン（即ち、酸素過剰雰囲気）のときには排気ガス中のＮＯｘを硝酸塩の形で吸蔵し、供給排気ガスの空燃比が所定値よりリッチ（即ち、酸素不足雰囲気）のときには吸蔵したＮＯｘを放出しＮ_２に還元するという、ＮＯｘの吸放出作用を有する。

吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が劣化すると触媒がＮＯｘを吸蔵する能力、即ちＮＯｘ吸蔵能が低下する。よって、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能を計測し、所定値と比較することで、ＮＯｘ触媒が劣化したか否かを判断することができる。

また、燃料に含まれる硫黄（Ｓ）分に起因して、ＮＯｘ触媒が排ガス中の硫黄成分をＢａＳＯ_４などの硫酸塩として吸蔵してしまい、ＮＯｘ触媒が硫黄被毒（Ｓ被毒）されることがあり得る。ＮＯｘ触媒に吸蔵された硫酸塩は硝酸塩に比べて安定なため、排気空燃比を単にリッチにしただけではＮＯｘ触媒から脱離されない。ＮＯｘ触媒のＳ被毒の度合いが大きくなるほどＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能は低下する。一方、Ｓ被毒されたＮＯｘ触媒を高温且つリッチ雰囲気（還元雰囲気）におくことで、吸蔵された硫酸塩を硫黄酸化物（ＳＯｘ）に分解してＮＯｘ触媒から脱離させ、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能を回復させることができる。このようにＮＯｘ触媒のＳ被毒は回復可能或いは可逆的な一時的劣化であるため、ＮＯｘ触媒の劣化として診断すべき回復不能或いは不可逆的な恒久的劣化と区別する必要がある。なおＮＯｘ触媒の恒久的劣化は通常ＮＯｘ触媒が長期に亘って排気熱を受けることによって生ずる自然劣化からなる。

特許文献１には、Ｓ被毒再生直後のＮＯｘ触媒の劣化状態を表す複数の点を結んで不可逆の自然劣化を表す線を作成することが開示されている。また、特許文献２には、Ｓ被毒回復処理後のＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能と基準となるＮＯｘ吸蔵能とを比較してＮＯｘ触媒の劣化度合い（即ち、恒久的劣化状態）を判定することが開示されている。

特開２００３−５１９３１９号公報 特開２００５−４２７３４号公報

これら特許文献１及び２に開示された技術は、いずれも、ＮＯｘ触媒に対しＳ被毒再生を実施してＳ被毒の影響を排除した上で、その直後にＮＯｘ吸蔵能を計測し、この計測したＮＯｘ吸蔵能に基づいてＮＯｘ触媒の恒久的劣化を判定しようとするものである。

しかしながら、ＮＯｘ触媒の恒久的劣化は、自然劣化のほか、何等かの原因で内燃機関に失火が発生しＮＯｘ触媒が急激に熱劣化した場合にも起こり得る。上記の特許文献１及び２に開示の技術ではこの急激な熱劣化を自然劣化と区別することはできず、診断精度を十分に向上することができない。

本発明は以上の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の劣化を高精度で診断することができるＮＯｘ触媒の劣化診断装置を提供することにある。

本発明の第１の形態によれば、
内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能を計測する計測手段と、
前記計測手段により計測されたＮＯｘ吸蔵能に基づきＮＯｘ吸蔵能の変化率を算出する変化率算出手段と、
前記計測手段により計測されたＮＯｘ吸蔵能と、前記変化率算出手段により算出されたＮＯｘ吸蔵能変化率とに基づき、前記ＮＯｘ触媒の劣化を判定する劣化判定手段と
を備えたことを特徴とするＮＯｘ触媒の劣化診断装置が提供される。

この本発明の第１の形態によれば、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能だけでなく、ＮＯｘ吸蔵能の変化率にも基づいてＮＯｘ触媒の劣化が判定される。ＮＯｘ吸蔵能の変化率は使用燃料の硫黄濃度に応じた一定の値となるが、ＮＯｘ触媒に急激な熱劣化が発生すると、ＮＯｘ吸蔵能の変化率が大きく変化する。よってＮＯｘ吸蔵能の変化率をも考慮することでＮＯｘ触媒の急激な熱劣化を検知することができ、ＮＯｘ触媒の劣化診断精度を向上することが可能になる。

本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記劣化判定手段は、前記ＮＯｘ吸蔵能が所定値より小さく且つ前記ＮＯｘ吸蔵能変化率が急変したとき、前記ＮＯｘ触媒を劣化と判定する
ことを特徴とする。

ＮＯｘ吸蔵能が所定値より小さくなり、且つＮＯｘ吸蔵能変化率が急変した場合、ＮＯｘ触媒には急激な熱劣化が生じ、そのことが原因でＮＯｘ吸蔵能が所定値を下回ったものと考えられる。よってこのような場合にＮＯｘ触媒を劣化と判定することで、急激な熱劣化の影響を考慮した好適な診断が可能となる。

本発明の第３の形態は、前記第１又は第２の形態において、
前記ＮＯｘ触媒を硫黄被毒から再生させるための硫黄被毒再生制御を実行する硫黄被毒再生制御手段を備え、
前記硫黄被毒再生制御手段は、前記ＮＯｘ吸蔵能が所定値より小さく且つ前記ＮＯｘ吸蔵能変化率が急変していないとき、追加の硫黄被毒再生制御を所定回数実行する
ことを特徴とする。

ＮＯｘ吸蔵能が所定値より小さくなり、且つＮＯｘ吸蔵能変化率が急変していない場合、ＮＯｘ触媒には急激な熱劣化が生じておらず、ＮＯｘ吸蔵能が所定値より小さくなった原因は硫黄被毒再生不良等により単に一時的に硫黄被毒劣化している可能性がある。よってこのような場合に追加の硫黄被毒再生制御を実行することで、一時的な硫黄被毒劣化状態を解消し、硫黄影響を無くした上で劣化判定を行うことができる。これにより正常でありながら硫黄影響で一時的に劣化した触媒を劣化と誤判定することを防止でき、診断の精度や信頼性を向上することができる。

本発明の第４の形態は、前記第３の形態において、
前記劣化判定手段は、前記追加の硫黄被毒再生制御が所定回数実行された後に前記ＮＯｘ吸蔵能が所定値より小さく且つ前記ＮＯｘ吸蔵能変化率が急変していないとき、前記ＮＯｘ触媒を劣化と判定する
ことを特徴とする。

追加の硫黄被毒再生制御を実行してもなおＮＯｘ吸蔵能が所定値より小さく、且つＮＯｘ吸蔵能変化率が急変していない場合、ＮＯｘ触媒の急激な熱劣化はないものの、硫黄影響が取り除かれた後の結果であるため真にＮＯｘ触媒が自然劣化したものと考えられる。よってその場合にＮＯｘ触媒を劣化と判定することで、実際の触媒状態に即した正確な劣化診断を行うことができる。

本発明の第５の形態によれば、
内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能を所定のタイミング毎に計測する計測手段と、
前記ＮＯｘ触媒を硫黄被毒から再生させるための硫黄被毒再生制御を実行する硫黄被毒再生制御手段と、
前記硫黄被毒再生制御の終了時から所定の計測タイミングまでのＮＯｘ吸蔵能の平均変化率を算出する平均変化率算出手段と、
前記硫黄被毒再生制御の実行後に最初に計測された基本ＮＯｘ吸蔵能と、前記平均変化率算出手段により算出されたＮＯｘ吸蔵能平均変化率とに基づき、燃料の硫黄濃度を算出する硫黄濃度算出手段と
を備えたことを特徴とするＮＯｘ触媒の劣化診断装置が提供される。

ＮＯｘ吸蔵能の変化率は燃料の硫黄濃度に応じて変化するが、このほかに、硫黄被毒再生制御の実行後に最初に計測された基本ＮＯｘ吸蔵能、即ちＮＯｘ触媒の劣化度に応じてもＮＯｘ吸蔵能の変化率は変化する。この本発明の第５の形態によれば、ＮＯｘ吸蔵能の平均変化率のほかに基本ＮＯｘ吸蔵能にも基づいて燃料の硫黄濃度を算出するため、硫黄濃度を精度良く算出することが可能である。そしてこの算出された硫黄濃度を利用して所定の計測タイミングで計測されたＮＯｘ吸蔵能を好適に補正し、正確な劣化診断を行うことができる。

本発明の第６の形態は、前記第５の形態において、
前記硫黄濃度算出手段により算出された硫黄濃度に基づき、前記所定の計測タイミングで計測されたＮＯｘ吸蔵能を、前記硫黄被毒再生制御終了時点のＮＯｘ吸蔵能に補正する補正手段を備えた
ことを特徴とする。

硫黄被毒再生制御終了時点のＮＯｘ吸蔵能は、硫黄影響が最大限除去され且つＮＯｘ触媒が現状有し得る最大のＮＯｘ吸蔵能である。よって硫黄濃度に基づいて所定の計測タイミングにおけるＮＯｘ吸蔵能を硫黄被毒再生制御終了時点のＮＯｘ吸蔵能に補正することで、硫黄影響が無い状態でＮＯｘ触媒の劣化を判定することができる。

本発明の第７の形態によれば、
内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能を所定のタイミング毎に計測する計測手段と、
前記ＮＯｘ吸蔵能の計測タイミング毎に、前回タイミングから今回タイミングまでの間のＮＯｘ吸蔵能の変化率である今回変化率を算出する今回変化率算出手段と、
前記ＮＯｘ触媒を硫黄被毒から再生させるための硫黄被毒再生制御を実行する硫黄被毒再生制御手段と、
前記硫黄被毒再生制御の終了時から前記前回タイミングまでの間のＮＯｘ吸蔵能の平均変化率である前回平均変化率を算出する前回平均変化率算出手段と、
前記今回変化率算出手段によって算出された今回変化率と、前記前回平均変化率算出手段によって算出された前回平均変化率とに基づき、ＮＯｘ吸蔵能の変化率が急変したか否かを判定する急変判定手段と、
前記急変判定手段によりＮＯｘ吸蔵能変化率が急変していないと判定されたとき、前記硫黄被毒再生制御の実行後に最初に計測された基本ＮＯｘ吸蔵能から今回タイミングのＮＯｘ吸蔵能を減じて補正量を算出する一方、前記急変判定手段によりＮＯｘ吸蔵能変化率が急変したと判定されたとき、前記基本ＮＯｘ吸蔵能から前回タイミングのＮＯｘ吸蔵能を減じて補正量を算出する補正量算出手段と、
前記補正量算出手段により算出された補正量を今回タイミングのＮＯｘ吸蔵能に加算して補正後のＮＯｘ吸蔵能を算出するＮＯｘ吸蔵能補正手段と
を備えたことを特徴とするＮＯｘ触媒の劣化診断装置が提供される。

この本発明の第７の形態によれば、特に、ＮＯｘ吸蔵能変化率が急変したと判定されたとき、基本ＮＯｘ吸蔵能から前回タイミングのＮＯｘ吸蔵能を減じて補正量が算出され、この補正量を今回タイミングのＮＯｘ吸蔵能に加算して補正後のＮＯｘ吸蔵能が算出される。この結果、補正後のＮＯｘ吸蔵能は、急激な熱劣化相当分を差し引いた硫黄被毒再生制御直後の値にほぼ戻される。よってこの補正後のＮＯｘ吸蔵能に基づいて劣化判定を行うことで、急激な熱劣化の影響を考慮しつつ、硫黄被毒の影響を排除した状態で好適に劣化判定を行うことができる。

本発明の第８の形態によれば、
内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能を所定のタイミング毎に計測する計測手段と、
前記ＮＯｘ触媒を硫黄被毒から再生させるための硫黄被毒再生制御を実行する硫黄被毒再生制御手段と、
前記硫黄被毒再生制御の終了時から所定の計測タイミングまでのＮＯｘ吸蔵能の平均変化率を算出する平均変化率算出手段と、
前記硫黄被毒再生制御の実行後に最初に計測された基本ＮＯｘ吸蔵能と、前記平均変化率算出手段により算出されたＮＯｘ吸蔵能平均変化率とに基づき、燃料の硫黄濃度を算出する硫黄濃度算出手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関における使用燃料の硫黄濃度検出装置が提供される。

前記第５の形態に係る硫黄濃度算出のための構成はそれ自体単独の発明として認識し得る。この本発明の第８の形態は当該構成を硫黄濃度検出装置として具現化したものである。この硫黄濃度検出装置によれば、別途硫黄濃度センサを設けることなく、内燃機関における使用燃料の硫黄濃度を好適に検出することができる。そしてこの硫黄濃度検出装置はＮＯｘ触媒の劣化診断装置だけでなく様々な用途に適用可能である。

本発明によれば、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の劣化を高精度で診断することができるという、優れた効果が発揮される。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明が適用される内燃機関の概略的なシステム図である。図中、１０は、自動車用の圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、１１は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、１２は排気ポートに連通されている排気マニフォルド、１３は燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ１７に供給された燃料が、高圧ポンプ１７によりコモンレール１８に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール１８内の高圧燃料がインジェクタ１４から燃焼室１３内に直接噴射供給される。エンジン１０からの排気ガスは、排気マニフォルド１２からターボチャージャ１９を経た後にその下流の排気通路１５に流され、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。なお、ディーゼルエンジンの形態としてはこのようなコモンレール式燃料噴射装置を備えたものに限らない。またＥＧＲ装置などの他の排気浄化デバイスを含むことも任意である。

他方、エアクリーナ２０から吸気通路２１内に導入された吸入空気は、エアフローメータ２２、ターボチャージャ１９、インタークーラ２３、スロットルバルブ２４を順に通過して吸気マニフォルド１１に至る。エアフローメータ２２は吸入空気量を検出するためのセンサであり、具体的には吸入空気の流量に応じた信号を出力する。スロットルバルブ２４には電子制御式のものが採用されている。

排気通路１５には、排気ガス中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒、特に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒３０が設けられている。また、任意ではあるが、ＮＯｘ触媒３０の上流側には排気ガス中の未燃成分（特にＨＣ）を酸化して浄化する酸化触媒３２が設けられ、ＮＯｘ触媒３０の下流側には排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集して燃焼除去するＤＰＲ（Diesel Particulate Reduction）触媒３４が設けられている。

ＮＯｘ触媒３０の上流側、より具体的には酸化触媒３２の上流側の排気通路１５に、後述のリッチスパイクを行うに際して還元剤としての燃料を噴射する還元剤供給弁４０が設けられている。

また、エンジン全体の制御を司る制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）１００が設けられている。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ１００は、各種センサ類の検出値等に基づいて、所望のエンジン制御が実行されるように、インジェクタ１４、高圧ポンプ１７、スロットルバルブ２４等を制御する。またＥＣＵ１００は、リッチスパイク用の燃料噴射量を制御すべく、還元剤供給弁４０を制御する。ＥＣＵ１００に接続されるセンサ類としては、前述のエアフローメータ２２の他、ＮＯｘ触媒３０の上流側と下流側にそれぞれ設けられたＮＯｘセンサ即ち触媒前ＮＯｘセンサ５０及び触媒後ＮＯｘセンサ５２と、ＮＯｘ触媒３０の上流側と下流側にそれぞれ設けられた排気温センサ即ち触媒前排気温センサ５４及び触媒後排気温センサ５６が含まれる。なお図示例ではＤＰＲ触媒３４の下流側にも排気温センサ５８が設けられている。前記ＮＯｘセンサ５０，５２は、それら設置位置における排気ガスのＮＯｘ濃度に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。前記排気温センサ５４，５６，５８は、それら設置位置における排気ガスの温度に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。なお触媒前ＮＯｘセンサ５０及び触媒前排気温センサ５２は酸化触媒３２の下流側に設置され、触媒後ＮＯｘセンサ５２及び触媒後排気温センサ５６はＤＰＲ触媒３４の上流側に設置される。

また他のセンサ類として、クランク角センサ２６及びアクセル開度センサ２７がＥＣＵ１００に接続されている。クランク角センサ２６はクランク角の回転時にクランクパルス信号をＥＣＵ１００に出力し、ＥＣＵ１００はそのクランクパルス信号に基づきエンジン１０のクランク角を検出すると共に、エンジン１０の回転速度を計算する。アクセル開度センサ２７は、ユーザによって操作されるアクセルペダルの開度（アクセル開度）に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。

吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（NSR: NOx Storage Reduction）３０は、アルミナＡｌ_２Ｏ_３等の酸化物からなる基材表面に、触媒成分としての白金Ｐｔのような貴金属と、ＮＯｘ吸収成分とが担持されて構成されている。ＮＯｘ吸収成分は、例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ，リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つから成る。

吸蔵還元型ＮＯｘ触媒３０は、これに流入される排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンのときにはＮＯｘを硝酸塩の形で吸蔵し、これに流入される排気ガスの空燃比が理論空燃比又はそれよりリッチのときには吸蔵したＮＯｘを放出するという、ＮＯｘの吸放出作用を行う。本実施形態のようなディーゼルエンジンの場合、通常時の排気空燃比は理論空燃比よりリーンであり、ＮＯｘ触媒３０は排気中のＮＯｘの吸収を行う。一方、ＮＯｘ触媒３０の上流側にて還元剤が供給され、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比又はそれよりリッチになると、ＮＯｘ触媒３０は吸収したＮＯｘの放出を行う。そしてこの放出されたＮＯｘは還元剤と反応して還元浄化される。

還元剤に関しては、排気中で炭化水素ＨＣや一酸化炭素ＣＯ等の還元成分を発生するものであれば良く、水素、一酸化炭素等の気体、プロパン、プロピレン、ブタン等の液体又は気体の炭化水素、ガソリン、軽油、灯油等の液体燃料等が使用できる。本実施形態では貯蔵、補給等の際の煩雑さを避けるためディーゼルエンジンの燃料である軽油を使用している。本実施形態では還元剤を供給する還元剤供給弁４０が別途設けられているが、これに代えて或いはこれに加えて、インジェクタ１４から燃焼室１３に膨張行程後期又は排気行程で軽油を噴射するいわゆるポスト噴射を行うことが可能である。

ＮＯｘ触媒３０から全ての吸蔵ＮＯｘを放出し、ＮＯｘ触媒３０のＮＯｘ吸蔵能力を回復させることをＮＯｘ再生と称し、このＮＯｘ再生のために還元剤を供給することをＮＯｘ再生用リッチスパイクと称する。また、ＮＯｘ再生用リッチスパイクの実行のために還元剤供給弁４０に対して行う制御をＮＯｘ再生用リッチスパイク制御と称する。

ＮＯｘ触媒３０のＮＯｘ吸放出作用はＮＯｘ触媒３０が所定の活性温度域にないと行えない。そこで本実施形態ではＮＯｘ触媒３０の温度が検出又は推定される。ＮＯｘ触媒３０の温度は、触媒に埋設した温度センサにより直接検出することもできるが、本実施形態ではそれを推定することとしている。具体的には、ＥＣＵ１００が、触媒前排気温センサ５４及び触媒後排気温センサ５６によりそれぞれ検出された触媒前排気温及び触媒後排気温に基づき、触媒温度を推定する。なお推定方法はこのような例に限られない。

一方、前述したように、ＮＯｘ触媒３０では、燃料中に含まれる硫黄（Ｓ）分に起因してＮＯｘ触媒が排ガス中の硫黄分をＢａＳＯ_４などの硫酸塩として吸蔵してしまい、ＮＯｘ触媒が硫黄被毒（Ｓ被毒）されることがあり得る。ＮＯｘ触媒に吸蔵された硫酸塩は、ＮＯｘ吸蔵時に生成される硝酸塩に比べて安定性が高いため、単にリッチスパイクを実行しただけではＮＯｘ触媒から放出されない。この硫酸塩を放出するためには、より高温な温度条件下（例えば４００℃以上）でリッチスパイクを実行する必要がある。

ＮＯｘ触媒３０から全ての硫黄分を放出し、ＮＯｘ触媒３０が本来有するＮＯｘ吸蔵能力を回復させることを硫黄（Ｓ）被毒再生と称し、このＳ被毒再生のために還元剤を供給することをＳ被毒再生用リッチスパイクと称する。また、Ｓ被毒再生用リッチスパイクの実行のために還元剤供給弁４０に対して行う制御をＳ被毒再生用リッチスパイク制御と称する。Ｓ被毒再生には、ＮＯｘ触媒が元々高温となっている状態でＳ被毒再生用リッチスパイクを実行する場合のほか、ＮＯｘ触媒が高温となっていない状態でＳ被毒再生用リッチスパイクを実行し、還元剤の触媒位置での燃焼により触媒温度を上昇させて硫酸塩を脱離させる場合との両方が含まれる。

なお、補足すると、ＮＯｘ触媒３０から硫酸塩が脱離可能となる例えば４００℃以上という排気温度は、ガソリンエンジンの場合だと比較的容易に到達できる温度であるが、本実施形態のようなディーゼルエンジンの場合だと元々排気温度が低く、比較的到達し難い温度である。これに対し、ＮＯｘ触媒において吸蔵ＮＯｘが放出還元可能となる温度は、硫酸塩が脱離可能な温度よりも低く、例えば２００〜３００℃程度である。硫酸塩が脱離可能となる排気温度は触媒の材料や構造等に応じて異なり、例えば５００℃以上の場合もある。このようにＳ被毒再生はＮＯｘ再生よりも温度条件が厳しく、Ｓ被毒再生によって同時にＮＯｘ再生が可能であるが、逆は不可である。

次に、ＮＯｘ触媒３０の劣化診断について説明する。

図２は、ＮＯｘ触媒３０のＮＯｘ吸蔵能Ｇの経時的な変化を示す。横軸は積算燃料量Ｑを示す。これはインジェクタ１４から噴射される燃料量を順次積算した値であり、概して時間と同じと考えて差し支えない。実線Ａは十分なＮＯｘ吸蔵能を有する正常触媒の場合であって、且つ低硫黄濃度の燃料を用いた場合を示す。破線Ｂは正常触媒の場合であるが、高硫黄濃度の燃料を用いた場合を示す。実線ＣはＮＯｘ吸蔵能が低下した劣化触媒の場合であって、且つ低硫黄濃度の燃料を用いた場合を示す。白丸で表される各点は、所定のタイミング毎に繰り返し行われるＮＯｘ再生直後のＮＯｘ吸蔵能を示す。つまり、ＮＯｘ再生直後のＮＯｘ吸蔵能を表す点を結んだ線が各線Ａ〜Ｃである。

まず実線Ａで示すように、正常触媒で且つ低硫黄濃度燃料使用時の場合、ＮＯｘ吸蔵能は時間の経過とともに次第に低下していく。これは燃料中の硫黄成分によってＮＯｘ触媒が次第にＳ被毒されていくからである。ＮＯｘ再生を行ってもＮＯｘは放出されるものの、硫黄分は放出されない。よって硫黄分が蓄積されていく結果、その分ＮＯｘ吸蔵能が低下していくのである。

一方、縦線Ａ１で示すように、Ｓ被毒再生を実行すると、ＮＯｘ触媒に蓄積された硫黄分が除去され、ＮＯｘ触媒は現状有する最大のＮＯｘ吸蔵能に復帰する。その後硫黄分の蓄積と共にＮＯｘ吸蔵能が次第に低下していき、再度Ｓ被毒再生を実行するとＮＯｘ触媒が最大のＮＯｘ吸蔵能に復帰するという過程を繰り返す。

これに対し、破線Ｂで示すように、正常触媒で且つ高硫黄濃度燃料使用時の場合だと、ＮＯｘ吸蔵能の低下度合いが大きくなる。これは同一時間（同一の積算燃料量の期間）中にＮＯｘ触媒に蓄積する硫黄量が多くなるからである。しかしながら、縦線Ｂ１で示すように、Ｓ被毒再生を実行すると、ＮＯｘ触媒に蓄積された硫黄分が除去される結果、Ｓ被毒再生直後のＮＯｘ吸蔵能は低硫黄濃度燃料使用時の場合と変わらなくなる。つまり、同一触媒の場合、燃料の硫黄濃度が低いとＮＯｘ吸蔵能の低下度合いが小さく、逆に燃料の硫黄濃度が高いとＮＯｘ吸蔵能の低下度合いが大きいという傾向がある。

このように、燃料の硫黄濃度（ひいては排気ガスの硫黄濃度）とＮＯｘ吸蔵能の低下度合いとの間には相関関係がある。ここで、ＮＯｘ吸蔵能の低下度合いはＮＯｘ吸蔵能の変化率ということができる。二つのＳ被毒再生間において、積算燃料量Ｑ１のときのＮＯｘ吸蔵能をＧ１、積算燃料量Ｑ２のときのＮＯｘ吸蔵能をＧ２とすると（但しＱ１＜Ｑ２、Ｇ１＞Ｇ２）、ＮＯｘ吸蔵能変化率は（Ｇ１−Ｇ２）／（Ｑ２−Ｑ１）で表される。以下、便宜上、この変化率のことを「勾配」という。

一方、実線Ｃを実線Ａと見比べれば分かるように、同じ低硫黄濃度燃料使用時の場合でも劣化触媒の場合は正常触媒の場合に比べ、ＮＯｘ吸蔵能が低下することもさることながら、ＮＯｘ吸蔵能の低下度合い即ち勾配が小さくなる。このように、ＮＯｘ触媒の劣化度とＮＯｘ吸蔵能の勾配との間にも相関関係がある。

ここで図から分かるように、ＮＯｘ再生周期はＳ被毒再生周期より短い。例えば、ＮＯｘ再生が内燃機関の１トリップ（１回の始動から停止までの期間）中に比較的頻繁に、例えば３０秒程度の間隔で実行されるのに対し、Ｓ被毒再生は内燃機関の１〜数トリップ中に１〜数回実行される程度である。詳しくは後述するが、ＮＯｘ再生は、ＮＯｘ触媒が飽和状態（満杯状態）までＮＯｘを吸蔵し尽くしたときに実行され、また、ＮＯｘ吸蔵能はＮＯｘ再生が行われる度に計測される。ＮＯｘ吸蔵能は内燃機関の１トリップ中に少なくとも１回計測される。他方、Ｓ被毒再生は、例えば積算燃料量が所定量になる度に実行され、数トリップで１回実行されることもあり得る。

ところで、例えばインジェクタ１４の故障等により噴射タイミングがずれて失火が発生すると、未燃ガスがＮＯｘ触媒の位置で燃焼してしまってＮＯｘ触媒が部分的に焼損する場合がある。このような急激な熱劣化（急熱劣化という）が起こった場合、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能の変化は図３に示す如くなる。即ち、勾配Ａ２、Ｂ２で示すように、急熱劣化発生以前の勾配に比べ、勾配は急激に大きくなる。従って、この勾配の急変を検知することにより急熱劣化の発生を検知することができる。

急熱劣化が発生するとＮＯｘ吸蔵能が著しく低下する。急熱劣化は回復不能な恒久的劣化なので、急熱劣化発生直後のＮＯｘ吸蔵能が所定の劣化判定値を下回った場合、ＮＯｘ触媒は劣化と判定すべきである。一方、急熱劣化の発生無しに、単にＮＯｘ吸蔵能が所定の劣化判定値を下回った場合、直ちにＮＯｘ触媒を劣化と判定すべきではない。元々、ＮＯｘ吸蔵能が劣化判定値を僅かに上回るような劣化直前の正常触媒の場合、Ｓ被毒の影響で劣化判定値を一時的に下回っているだけで、Ｓ被毒再生を実行すれば劣化判定値を上回り正常に回復する場合もあるからである。

そこで本発明に係る劣化診断装置では、Ｓ被毒による一時的劣化のほか、失火等を原因とする急熱劣化をも考慮して、以下のようにＮＯｘ触媒の劣化を高精度で診断することとしている。

図４は、ＥＣＵ１００によって実行される第１の劣化診断処理の内容を示すフローチャートである。また図５は、当該劣化診断処理の内容の理解を容易化すべく図２の要部を拡大した参考図である。

まず劣化診断処理の概要を説明すると、図５に示すように、積算燃料量Ｑの値は、Ｓ被毒再生制御の終了と同時に０にリセットされる。そしてその時から積算燃料量Ｑの積算が開始される。Ｓ被毒再生制御の終了と同時にＮＯｘ触媒３０からは硫黄分及びＮＯｘが全て放出され、ＮＯｘ触媒３０は現状有し得る最大のＮＯｘ吸蔵能を有するようになる。暫くしてＮＯｘ触媒３０がＮＯｘを満杯まで吸蔵すると、ＮＯｘ再生制御が実行され、同時に第１回目（ｎ＝１）のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_１が計測される。この第１回目のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_１は、Ｓ被毒再生制御終了時点における最大ＮＯｘ吸蔵能とほぼ等しいレベルにある。以下、この第１回目のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_１を「基本ＮＯｘ吸蔵能」と称する。

その後、ＮＯｘ触媒３０の吸蔵ＮＯｘが満杯になる度に、ＮＯｘ再生制御が実行され、ＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎが計測される。これと同時に、前回の計測タイミングから今回の計測タイミングまでの勾配即ち今回勾配ＡＧ_ｎと、Ｓ被毒再生制御の終了時点から今回の計測タイミングまでの勾配即ち平均勾配ＢＧ_ｎとが算出される。これらＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ、今回勾配ＡＧ_ｎ及び平均勾配ＢＧ_ｎの各値を用いてＮＯｘ触媒の劣化の有無が判定される。なお、各値のデータはＥＣＵ１００内の不揮発性メモリに適宜記憶され、Ｓ被毒再生間でトリップを跨っても後側のトリップで演算処理が実行できるようにしてある。

図４を参照して、最初のステップＳ１０１では、ＮＯｘ吸蔵能計測のための前提条件が成立しているか否かが判断される。この前提条件成立には、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が満杯になっていることが必須である。このほか、例えば、１）ＮＯｘ触媒の温度（推定温度）が所定の活性温度域にあること、２）エンジン回転速度、吸入空気量及びアクセル開度の各検出値が所定範囲内にあること（即ち、エンジンが定常運転状態にあること）の２条件を満たすこととするのが好ましい。このように、ＮＯｘ吸蔵能の計測ひいてはＮＯｘ触媒の劣化判定はＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が満杯になるタイミング毎に実行される。

前提条件が成立していない場合には本処理が終了される。他方、前提条件が成立している場合には、ステップＳ１０２で、Ｓ被毒再生後のＮＯｘ吸蔵能計測回数をカウントするカウンタの値ｎが１だけカウントアップされる。なお、カウンタ値の初期値は０であり、１回目の計測時にはカウンタ値ｎはｎ＝０＋１＝１となる。カウンタ値ｎは、後述の追加のＳ被毒再生制御を除く通常のＳ被毒再生制御が実行されたときに初期値に戻される。

次に、ステップＳ１０３で、Ｓ被毒再生後のｎ回目（今回）におけるＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎが計測ないし推定される。

ここで、ステップＳ１０１におけるＮＯｘ吸蔵量が満杯か否かの判断と、ステップＳ１０３におけるＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎの計測との方法を説明する。まず、ＮＯｘ触媒に供給されるＮＯｘ量を順次積算する。即ち、触媒前ＮＯｘセンサ５０により検出されるＮＯｘ濃度と、排気ガス量の代用値としての吸入空気量Ｇａの検出値との積（瞬間ＮＯｘ量）を、ＮＯｘ再生制御終了時点（ＮＯｘ触媒がＮＯｘ未吸蔵の状態になった時点）から順次積算する。この積算中、ＮＯｘ触媒には瞬間ＮＯｘ量に等しい量のＮＯｘが順次吸蔵されている。そして、ＮＯｘ触媒の下流側にＮＯｘが漏れ出した時点、即ち触媒後ＮＯｘセンサ５２により検出されるＮＯｘ濃度が所定値以上になった時点で、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸蔵量が満杯になったと判断し、同時に積算を終了する。こうして得られる最終的な積算ＮＯｘ量がＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎの値となる。このようにＮＯｘ吸蔵能を表す指標値として積算ＮＯｘ量が用いられる。積算ＮＯｘ量が多いほどＮＯｘ吸蔵能は高いということがいえる。

ステップＳ１０４では、ＮＯｘ吸蔵能計測回数カウンタ値ｎが１か否か、即ち今回の計測が初回か否かが判断される。初回（ｎ＝１）であるときには、ステップＳ１１６に進んで、ステップＳ１０３で計測された初回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_１の値（即ち基本ＮＯｘ吸蔵能の値）が後述の平均勾配ＢＧ_１の値とされ、本処理が終了される。

他方、初回でないとき即ち２回目以降（ｎ≧２）であるときには、ステップＳ１０５に進んで、今回勾配ＡＧ_ｎの値が算出される（図５参照）。今回勾配ＡＧ_ｎは次式で表される。
ＡＧ_ｎ＝（Ｇ_ｎ−１−Ｇ_ｎ）／（Ｑ_ｎ−Ｑ_ｎ−１）

ステップＳ１０６では、今回の平均勾配ＢＧ_ｎの値が算出される（図５参照）。今回の平均勾配ＢＧ_ｎは次式で表される。
ＢＧ_ｎ＝ＢＧ_ｎ−１・（Ｑ_ｎ−１／Ｑ_ｎ）＋ＡＧ_ｎ・（（Ｑ_ｎ−Ｑ_ｎ−１）／Ｑ_ｎ）
この式の意味するところは、前回の平均勾配ＢＧ_ｎ−１に今回勾配ＡＧ_ｎの影響を加えて今回の平均勾配ＢＧ_ｎを逐次的に更新していくことにほかならない。このやり方は一般に行われている所謂なまし処理と同様の手法である。前回の平均勾配ＢＧ_ｎ−１及びこれに対応した積算燃料量割合（Ｑ_ｎ−１／Ｑ_ｎ）の積に、今回勾配ＡＧ_ｎ及びこれに対応した積算燃料量割合（（Ｑ_ｎ−Ｑ_ｎ−１）／Ｑ_ｎ）の積を加え、今回の平均勾配ＢＧ_ｎを求める。

次に、ステップＳ１０７では、勾配に急変があったか否かを判断するための指標値として、判定用勾配ＪＧ_ｎなる値が算出される。判定用勾配ＪＧ_ｎは次式で表される。
ＪＧ_ｎ＝ＡＧ_ｎ−ＢＧ_ｎ−１

即ち、判定用勾配ＪＧ_ｎは、今回勾配ＡＧ_ｎと前回の平均勾配ＢＧ_ｎ−１との差として求められる。仮に前回と今回の間でＮＯｘ触媒に急熱劣化が生じたとすると、図５に黒丸Ｘで示すように、今回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎは前回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ−１から著しく低下し、今回勾配ＡＧ_ｎは前回の平均勾配ＢＧ_ｎ−１から急変する。今回勾配ＡＧ_ｎから前回の平均勾配ＢＧ_ｎ−１を減じて得られる判定用勾配ＪＧ_ｎは大きな正の値を有するようになる。そこでこの判定用勾配ＪＧ_ｎを所定の急熱劣化判定値ＪＧｓと比較することで、失火等に起因する急熱劣化の発生の有無を検知することができる。

さて、判定用勾配ＪＧ_ｎの算出を終えたら、次にステップＳ１０８において、今回の積算燃料量Ｑ_ｎが所定のしきい値Ｑｓより大きいか否かが判断される。しきい値Ｑｓは比較的小さい値である。積算燃料量Ｑが過度に少ない時点、即ちＳ被毒再生終了からまだ十分な時間が経過していない時点で劣化診断を行うのを避けるためにこのような判断が行われる。今回の積算燃料量Ｑ_ｎがしきい値Ｑｓ以下の場合は本処理が終了され、他方、今回の積算燃料量Ｑ_ｎがしきい値Ｑｓを超えている場合はステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０９では、今回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎが所定の劣化判定値Ｇｓより小さいか否かが判断される。劣化判定値Ｇｓは、例えば、ＮＯｘエミッションが規制値の１．７５倍となるようなＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能に等しい値に設定される。今回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎが劣化判定値Ｇｓ以上の場合、ステップＳ１１５においてＮＯｘ触媒は正常と判断され、本処理が終了される。

他方、今回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎが劣化判定値Ｇｓより小さい場合、ＮＯｘ触媒が劣化していることが一応推認される。しかしながら、ここでは直ちに劣化とは判定せず、ステップＳ１１０に進んで、判定用勾配ＪＧ_ｎが急熱劣化判定値ＪＧｓより大きいか否かが判断される。

判定用勾配ＪＧ_ｎが急熱劣化判定値ＪＧｓより大きい場合、勾配が急変したとみなされ、ステップＳ１１１に進んでＮＯｘ触媒は劣化と判定され、本処理が終了される。即ちこの場合、ＮＯｘ触媒に急熱劣化が発生し、これに起因してＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎが劣化判定値Ｇｓよりも低下したとみなし、ＮＯｘ触媒を最終的に劣化と判定する。

他方、判定用勾配ＪＧ_ｎが急熱劣化判定値ＪＧｓ以下となる場合もある。即ち、ＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎが劣化判定値Ｇｓより低下しているものの、勾配に急変はなく、ＮＯｘ触媒に急熱劣化が発生していない場合である。

この場合、以前行われたＳ被毒再生制御が完全でなかったり、単にＳ被毒再生制御の実行タイミングが遅れただけの可能性もあるので、直ちに劣化とは判定せず、ステップＳ１１２〜Ｓ１１３において所定回数、追加のＳ被毒再生制御が実行される。これにより不完全であった以前のＳ被毒再生を補填し、或いは遅れていたＳ被毒再生を直ちに実行し、ＮＯｘ吸蔵能を再度高めて正常判定に持ち込むことができる。

まずステップＳ１１２では、追加のＳ被毒再生回数をカウントするカウンタの値ｍが所定値ｍｓを超えているか否かが判断される。所定値ｍｓは例えば１であり、この場合、後に理解されるが、追加のＳ被毒再生制御は２回実行される。同様に、所定値ｍｓを０に設定すれば追加のＳ被毒再生制御を１回だけ実行することができる。なおカウンタ値ｍの初期値は０である。

カウンタ値ｍが所定値ｍｓを超えている場合（即ち、ｍ＝２の場合）、ステップＳ１１１に進んでＮＯｘ触媒は劣化と判定される。即ち、追加のＳ被毒再生を２回行ったがなお今回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎが劣化判定値Ｇｓ以上に復帰しない場合に相当するので、真にＮＯｘ触媒が劣化したものとみなしてＮＯｘ触媒を最終的に劣化と判定する。

他方、カウンタ値ｍが所定値ｍｓ以下の場合（即ち、ｍ＝０又は１の場合）、ステップＳ１１３に進んで追加のＳ被毒再生制御が実行される。そしてステップＳ１１４において、カウンタ値ｍが１だけカウントアップされ、本処理が終了される。

ここで述べた第１の劣化診断処理を実施した場合、ＮＯｘ触媒の劣化判定の様子は図６及び図７に示したようになる。

まず、図６の例において、線図Ａ１１，Ａ１２はそれぞれ低硫黄濃度燃料使用時におけるＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能Ｇの変化を示す。線図Ａ１１で示されるように、今回勾配ＡＧ_ｎが前回の平均勾配ＢＧ_ｎ−１から急変した場合であっても、今回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎが劣化判定値Ｇｓを下回っていなければ、触媒は正常と判定される。これに対し、線図Ａ１２で示されるように、今回勾配ＡＧ_ｎが前回の平均勾配ＢＧ_ｎ−１から急変し、且つ今回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎが劣化判定値Ｇｓを下回っていれば、触媒は劣化と判定される。

同様のことが高硫黄濃度燃料使用時にもいえる。即ち、線図Ｂ１１で示されるように、今回勾配ＡＧ_ｎが前回の平均勾配ＢＧ_ｎ−１から急変した場合であっても、今回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎが劣化判定値Ｇｓを下回っていなければ、触媒は正常と判定される。また、線図Ｂ１２で示されるように、今回勾配ＡＧ_ｎが前回の平均勾配ＢＧ_ｎ−１から急変し、且つ今回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎが劣化判定値Ｇｓを下回っていれば、触媒は劣化と判定される。

低硫黄濃度燃料使用時と高硫黄濃度燃料使用時では勾配急変前の平均勾配（前回平均勾配）が異なり、高硫黄濃度燃料使用時の平均勾配は低硫黄濃度燃料使用時の平均勾配より大きい。しかしながら、今回勾配の前回平均勾配からの相対差である判定用勾配により勾配の急変、即ち急熱劣化の発生を判断するので、勾配急変前の平均勾配の大きさ、即ち燃料の硫黄濃度の大きさに拘わらず、急熱劣化の発生の有無を好適に判断することができる。急熱劣化による急勾配と高硫黄濃度燃料の使用による急勾配とを誤認することなく、区別して判定することができる。

次に図７の例では、線図Ａ１３，Ｂ１３のいずれも勾配が急変しておらず、ＮＯｘ触媒に急熱劣化は発生していない。線図Ａ１３は低硫黄濃度燃料使用時の場合、線図Ｂ１３は高硫黄濃度燃料使用時の場合である。

線図Ａ１３又はＢ１３で示されるように、今回勾配が急変しないままＮＯｘ吸蔵能が劣化判定値Ｇｓを下回った場合（点Ｐ_１）、追加のＳ被毒再生が実行される。その後、なお今回勾配が急変しないでＮＯｘ吸蔵能が劣化判定値Ｇｓを超えない場合（点Ｐ_２）、さらに追加のＳ被毒再生が実行される。図示例ではこの２回目のＳ被毒再生によってＮＯｘ吸蔵能が劣化判定値Ｇｓを超えている。その後、今回勾配が急変しないでＮＯｘ吸蔵能が劣化判定値Ｇｓを超えていれば（点Ｐ_３）、触媒は正常と判定される。なお図示しないが、点Ｐ_３が劣化判定値Ｇｓ以下となっていれば、触媒は劣化と判定される。

先にも述べたように、今回勾配が急変しないままＮＯｘ吸蔵能が劣化判定値Ｇｓを下回った場合、ＮＯｘ触媒に急熱劣化といったダメージはなく、単に以前行われたＳ被毒再生が不完全であったりＳ被毒再生タイミングが遅れただけの可能性もある。よってこの場合には直ちに追加のＳ被毒再生を実施して硫黄影響を排除した上で劣化判定を行う。これにより正常でありながら硫黄影響で一時的に劣化した触媒を劣化と誤判定することを防止でき、診断の精度や信頼性を向上することができる。

次に、図８を参照して、第２の劣化診断処理の内容を説明する。この図示される処理もＥＣＵ１００により実行される。

ステップＳ２０１〜Ｓ２０８，Ｓ２１７は第１の劣化診断処理のステップＳ１０１〜Ｓ１０８，Ｓ１１６と同様である。ステップＳ２０８の判定がＹＥＳの場合、ステップＳ２０９にて前記ステップＳ１１０と同様に、判定用勾配ＪＧ_ｎが所定の急熱劣化判定値ＪＧｓより大きいか否かが判断される。

判定用勾配ＪＧ_ｎが急熱劣化判定値ＪＧｓより大きい場合、勾配が急変した即ちＮＯｘ触媒に急熱劣化が発生したとみなされ、本処理が終了される。このように本処理ではＮＯｘ触媒の急熱劣化が検出されたときにはＮＯｘ触媒の正常・劣化が判定されない。

判定用勾配ＪＧ_ｎが急熱劣化判定値ＪＧｓ以下の場合、勾配が急変しておらずＮＯｘ触媒の急熱劣化は発生していないとみなされ、ステップＳ２１０に進む。ステップＳ２１０では、ステップＳ２０６で得られた今回の平均勾配ＢＧ_ｎと、Ｓ被毒再生後に最初に計測された初回のＮＯｘ吸蔵能、即ち基本ＮＯｘ吸蔵能Ｇ_１とに基づき、燃料の硫黄濃度Ｃｓ_ｎが算出される。

この硫黄濃度ＣＳ_ｎの算出に際しては図９に示されるような予め作製されたマップ（硫黄濃度算出マップ）が使用される。当該マップによれば、平均勾配ＢＧが大きいほど高い硫黄濃度Ｃｓが得られる。これは、図２で説明したように、燃料の硫黄濃度が高いほど平均勾配が大きくなることに対応している。また、当該マップによれば、同一の平均勾配ＢＧで比較した場合、基本ＮＯｘ吸蔵能Ｇ_１が小さいほど高い硫黄濃度Ｃｓが得られる。これは、図２で説明したように、燃料の硫黄濃度が同一の場合、基本ＮＯｘ吸蔵能Ｇ_１が小さいほど（即ち触媒の劣化度が大きいほど）、平均勾配が小さくなることに対応している。

このように、ＮＯｘ吸蔵能の平均勾配と、Ｓ被毒再生後に最初に計測されたＮＯｘ吸蔵能とに基づき、燃料の硫黄濃度を算出することができる。特に、硫黄濃度はＮＯｘ吸蔵能の平均勾配だけでなく、触媒の劣化度即ち基本ＮＯｘ吸蔵能にも相関する。よって基本ＮＯｘ吸蔵能をも考慮して硫黄濃度を算出することによって硫黄濃度を精度良く算出することが可能となる。

なお、この硫黄濃度算出方法を利用して単独の硫黄濃度検出装置を構成することもできる。この場合、別途硫黄濃度センサを設けることなく、内燃機関における使用燃料の硫黄濃度を好適に検出することができる。この硫黄濃度検出装置はＮＯｘ触媒の劣化診断装置だけでなく様々な用途に適用可能である。

こうして硫黄濃度が算出されたら、次にステップＳ２１１において、今回の時点でＮＯｘ触媒に吸蔵されている硫黄量即ち吸蔵硫黄量Ｍｓ_ｎが算出される。即ち、ステップＳ２１０で算出された硫黄濃度Ｃｓ_ｎに今回時点での積算燃料量Ｑ_ｎを乗じて吸蔵硫黄量Ｍｓ_ｎ（＝Ｃｓ_ｎ・Ｑ_ｎ）算出される。

次に、ステップＳ２１２では、この算出された吸蔵硫黄量Ｍｓ_ｎが、ＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎを補正するための補正量ΔＧ_ｎに換算される。この補正に際しては図１０に示されるような予め作製されたマップ（補正量算出マップ）が使用される。当該マップによれば、吸蔵硫黄量Ｍｓが多いほど大きな補正量ΔＧが得られる。そして、ステップＳ２１３において、今回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎに補正量ΔＧ_ｎを加算して補正後のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ’ （＝Ｇ_ｎ＋ΔＧ_ｎ）が算出される。

この補正の意味するところは次の通りである。図５に示したように、Ｓ被毒再生終了時点ではＮＯｘ触媒に硫黄分が吸蔵されていないが、それ以降ＮＯｘ触媒が使用されるにつれ、ＮＯｘ触媒には次第に硫黄分が吸蔵されていき、ＮＯｘ吸蔵能が低下していく。しかし、その硫黄吸蔵がある状態でのＮＯｘ吸蔵能に基づき劣化判定を行うのは好ましくないことから、硫黄吸蔵がない状態、つまりＳ被毒再生終了時点でのＮＯｘ吸蔵能に戻すよう、ＮＯｘ吸蔵能が補正される。Ｓ被毒再生終了時点からの積算燃料量Ｑが増加するほど、また燃料の硫黄濃度Ｃｓが高いほど、吸蔵硫黄量Ｍｓは増加する。よって当該補正では、吸蔵硫黄量Ｍｓと補正量ΔＧとの関係を予め定めておき、今回時点でのＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎに補正量ΔＧ_ｎを加算して、Ｓ被毒再生終了時点におけるＮＯｘ吸蔵能に補正するようにしている。

この補正後のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ’は、Ｓ被毒再生直後に最初に計測された基本ＮＯｘ吸蔵能Ｇ_１と大差はない。しかしながら、Ｓ被毒再生終了時点から初回計測時点までの間でも微量ではあるが硫黄分の吸蔵が発生する。本実施形態の補正は、初回計測時点ではなく、Ｓ被毒再生終了時点でのＮＯｘ吸蔵能に補正することに優位性が存在する。硫黄が完全に脱離された状態での最大のＮＯｘ吸蔵能を得て、これを劣化判定値と比較することにより、診断精度を向上することができる。

さて、ステップＳ２１３で算出された補正後のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ’はステップＳ２１４において所定の劣化判定値Ｇｓと比較される。そして、補正後のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ’が劣化判定値Ｇｓ以上であればステップＳ２１６でＮＯｘ触媒は正常と判定され、補正後のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ’が劣化判定値Ｇｓ未満であればステップＳ２１５でＮＯｘ触媒は劣化と判定される。

なお、補正方法として、今回時点でのＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎに補正量ΔＧ_ｎを加算する方法のほかに、今回時点でのＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎに補正係数Ｋ_ｎを乗算する方法もある。図１１には補正係数算出マップの一例を示す。当該マップによれば、吸蔵硫黄量Ｍｓが０から増えるにつれ、補正係数Ｋが１から増大される。補正後のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ’はＧ_ｎ’＝Ｇ_ｎ・Ｋ_ｎで表される。

次に、図１２を参照して、第３の劣化診断処理の内容を説明する。この図示される処理もＥＣＵ１００により実行される。

ステップＳ３０１〜Ｓ３０８，Ｓ３１６は第１の劣化診断処理のステップＳ１０１〜Ｓ１０８，Ｓ１１６と同様である。ステップＳ３０８の判断結果がＹＥＳの場合、ステップＳ３０９にて判定用勾配ＪＧ_ｎが所定の急熱劣化判定値ＪＧｓより大きいか否かが判断される。

判定用勾配ＪＧ_ｎが急熱劣化判定値ＪＧｓより大きい場合、勾配が急変した即ちＮＯｘ触媒に急熱劣化が発生したとみなされ、ステップＳ３１０において、補正量ΔＧ_ｎが式：ΔＧ_ｎ＝Ｇ_１−Ｇ_ｎ−１より求められる。即ち、Ｓ被毒再生直後の初回の基本ＮＯｘ吸蔵能Ｇ_１から、勾配急変前の前回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ−１を減じて、補正量ΔＧ_ｎが算出される。

他方、判定用勾配ＪＧ_ｎが急熱劣化判定値ＪＧｓ以下の場合、勾配が急変しておらずＮＯｘ触媒の急熱劣化は発生していないとみなされ、ステップＳ３１１において、補正量ΔＧ_ｎが式：ΔＧ_ｎ＝Ｇ_１−Ｇ_ｎより求められる。即ち、Ｓ被毒再生直後の初回の基本ＮＯｘ吸蔵能Ｇ_１から今回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎを減じて、補正量ΔＧ_ｎが算出される。

次に、ステップＳ３１２では、今回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎに補正量ΔＧ_ｎを加算して補正後のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ’ （＝Ｇ_ｎ＋ΔＧ_ｎ）が算出される。そしてステップＳ３１３で補正後のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ’が所定の劣化判定値Ｇｓと比較され、補正後のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ’が劣化判定値Ｇｓ以上であればステップＳ３１５でＮＯｘ触媒は正常、補正後のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ’が劣化判定値Ｇｓ未満であればステップＳ３１４でＮＯｘ触媒は劣化と判定される。

ここでの補正では次のような処理が実行されている。まず、触媒に急熱劣化が発生していない場合（ステップＳ３０９：ＮＯ）、基本ＮＯｘ吸蔵能Ｇ_１と今回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎとの差が補正量ΔＧ_ｎ（これを図５にΔＧ_ｎ１で表示する）として算出され、この補正量ΔＧ_ｎが今回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎに加算されて補正後のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ’が算出される。この結果、補正後のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ’は基本ＮＯｘ吸蔵能Ｇ_１と等しい値になる。この補正後のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ’に基づいて劣化判定を行うことにより、実質的に硫黄被毒のない状態で劣化判定を行え、劣化診断を好適に行うことができる。

他方、触媒に急熱劣化が発生した場合（ステップＳ３０９：ＹＥＳ）、基本ＮＯｘ吸蔵能Ｇ_１と前回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ−１との差が補正量ΔＧ_ｎ（これを図５にΔＧ_ｎ２で表示する）として算出され、この補正量ΔＧ_ｎが今回のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎに加算されて補正後のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ’が算出される。この結果、補正後のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ’は、図５に黒丸Ｘ’で示すように、急熱劣化相当分を差し引いた初回のＮＯｘ吸蔵能相当の値にほぼ戻される。この補正後のＮＯｘ吸蔵能Ｇ_ｎ’に基づいて劣化判定を行うことにより、急熱劣化の影響を考慮しつつ、硫黄被毒の影響を排除した状態で劣化判定を行え、劣化診断を好適に行うことができる。

ところで、本実施形態については次のような変形例も可能である。例えば、触媒前ＮＯｘセンサ５０を省略することができる。この場合、ＮＯｘ吸蔵能Ｇの計測に関しては、エンジン運転状態に関するパラメータ（例えばエンジン回転速度とアクセル開度）に基づいて排気ガス中のＮＯｘ濃度を所定のマップ等を用いて求め、このＮＯｘ濃度と触媒通過ガス量（吸入空気量Ｇａで代用可）との積（瞬間ＮＯｘ量）を、ＮＯｘ再生終了時点から触媒後ＮＯｘセンサ５２が所定値以上のＮＯｘ濃度を検出する時点まで、順次積算し、ＮＯｘ吸蔵能Ｇを計測する。この場合、最終的な積算ＮＯｘ量がＮＯｘ吸蔵能Ｇを表す指標値となる。

触媒前ＮＯｘセンサ５０及び触媒後ＮＯｘセンサ５２は、それぞれ触媒前空燃比センサ及び触媒後空燃比センサで置換することができる。ここで空燃比センサとは空燃比を検出可能なあらゆるセンサをいい、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能なセンサ（所謂Ａ／Ｆセンサ）や、理論空燃比を境に出力が急変するセンサ（所謂Ｏ_２センサ）を含む。この場合、エンジン運転状態に関するパラメータに基づいて排気ガス中のＮＯｘ濃度を所定のマップ等を用いて求め、このＮＯｘ濃度と触媒通過ガス量との積（瞬間ＮＯｘ量）を、所定の積算量になるまで積算する。所定の積算量は、新品触媒で吸蔵ＮＯｘが必ず満杯になるような値に設定される。積算値が所定の積算量に達したら、触媒前空燃比センサが理論空燃比又はそれよりリッチな値を示すように、ＮＯｘ再生用リッチスパイクを実行する。そして触媒後空燃比センサの出力が理論空燃比又はそれよりリッチな値を示したら、吸蔵ＮＯｘは全て放出されたとみなし、ＮＯｘ再生用リッチスパイクを終了する。そしてＮＯｘ再生用リッチスパイクの間に供給された還元剤量をＮＯｘ吸蔵能Ｇの指標値として計測する。

本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば、前記実施形態では勾配の横軸として積算燃料量を用いたが、これは、吸入空気量の積算値である積算空気量や、単純に時間で置き換えることも可能である。

本発明が適用可能な内燃機関は前述のような圧縮着火式内燃機関に限られない。例えば、火花点火式内燃機関、とりわけ直噴リーンバーンガソリンエンジンにも本発明は適用可能である。図１３及び図１４は直噴リーンバーンガソリンエンジンの排気系の例を示す。図１３の例において、排気通路１１５には、上流側に三元触媒１３６が、下流側にＮＯｘ触媒１３０が設けられ、三元触媒１３６の前後に触媒前空燃比センサ１５０及び触媒後空燃比センサ１５２が設けられ、ＮＯｘ触媒１３０の後にＮＯｘ触媒後空燃比センサ１５８が設けられている。またＮＯｘ触媒１３０の前後に触媒前排気温センサ１５４及び触媒後排気温センサ１５６が設けられている。触媒前空燃比センサ１５０及び触媒後空燃比センサ１５２はいずれか一方のみでもよい。

図１４の例では、図１３の例における触媒後空燃比センサ１５２がＮＯｘ触媒前ＮＯｘセンサ１６０に置き換えられている。また、ＮＯｘ触媒１３０の後にＮＯｘ触媒後ＮＯｘセンサ１６２が追加して設けられている。なお、ＮＯｘ触媒前ＮＯｘセンサ１６０とＮＯｘ触媒後空燃比センサ１５８との少なくとも一方は省略が可能である。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本発明が適用される内燃機関の概略的なシステム図である。 ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能の経時的な変化を示すグラフである。 急熱劣化が発生した場合のＮＯｘ吸蔵能の経時的な変化を示すグラフである。 第１の劣化診断処理の内容を示すフローチャートである。 劣化診断処理の内容の理解を容易化すべく図２の要部を拡大した参考図である。 第１の劣化診断処理を実施した場合の劣化判定の様子を示すグラフである。 第１の劣化診断処理を実施した場合の劣化判定の様子を示すグラフである。 第２の劣化診断処理の内容を示すフローチャートである。 硫黄濃度算出マップを示す。 補正量算出マップを示す。 補正係数算出マップを示す。 第３の劣化診断処理の内容を示すフローチャートである。 本発明が適用可能な直噴リーンバーンガソリンエンジンの排気系の例を示す。 本発明が適用可能な直噴リーンバーンガソリンエンジンの排気系の例を示す。

符号の説明

１０ エンジン
１４ インジェクタ
１５、１１５ 排気通路
２２ エアフローメータ
２６ クランク角センサ
２７ アクセル開度センサ
３０、１３０ ＮＯｘ触媒
４０ 還元剤供給弁
５０ 触媒前ＮＯｘセンサ
６２ 触媒後ＮＯｘセンサ
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ｇ_ｎ ＮＯｘ吸蔵能
Ｇ_１ 基本ＮＯｘ吸蔵能
Ｑ 積算燃料量
ＡＧ_ｎ ＮＯｘ吸蔵能の今回変化率（今回勾配）
ＢＧ_ｎ ＮＯｘ吸蔵能の平均変化率（平均勾配）
ＪＧ_ｎ 判定用変化率（判定用勾配）
Ｇｓ 劣化判定値
ＪＧｓ 急熱劣化判定値
ΔＧ 補正量

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能を計測する計測手段と、
   前記計測手段により計測されたＮＯｘ吸蔵能に基づきＮＯｘ吸蔵能の変化率を算出する変化率算出手段と、
   前記計測手段により計測されたＮＯｘ吸蔵能と、前記変化率算出手段により算出されたＮＯｘ吸蔵能変化率とに基づき、前記ＮＯｘ触媒の劣化を判定する劣化判定手段と
   を備えたことを特徴とするＮＯｘ触媒の劣化診断装置。
2. 前記劣化判定手段は、前記ＮＯｘ吸蔵能が所定値より小さく且つ前記ＮＯｘ吸蔵能変化率が急変したとき、前記ＮＯｘ触媒を劣化と判定する
   ことを特徴とする請求項１記載のＮＯｘ触媒の劣化診断装置。
3. 前記ＮＯｘ触媒を硫黄被毒から再生させるための硫黄被毒再生制御を実行する硫黄被毒再生制御手段を備え、
   前記硫黄被毒再生制御手段は、前記ＮＯｘ吸蔵能が所定値より小さく且つ前記ＮＯｘ吸蔵能変化率が急変していないとき、追加の硫黄被毒再生制御を所定回数実行する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のＮＯｘ触媒の劣化診断装置。
4. 前記劣化判定手段は、前記追加の硫黄被毒再生制御が所定回数実行された後に前記ＮＯｘ吸蔵能が所定値より小さく且つ前記ＮＯｘ吸蔵能変化率が急変していないとき、前記ＮＯｘ触媒を劣化と判定する
   ことを特徴とする請求項３記載のＮＯｘ触媒の劣化診断装置。
5. 内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能を所定のタイミング毎に計測する計測手段と、
   前記ＮＯｘ触媒を硫黄被毒から再生させるための硫黄被毒再生制御を実行する硫黄被毒再生制御手段と、
   前記硫黄被毒再生制御の終了時から所定の計測タイミングまでのＮＯｘ吸蔵能の平均変化率を算出する平均変化率算出手段と、
   前記硫黄被毒再生制御の実行後に最初に計測された基本ＮＯｘ吸蔵能と、前記平均変化率算出手段により算出されたＮＯｘ吸蔵能平均変化率とに基づき、燃料の硫黄濃度を算出する硫黄濃度算出手段と
   を備えたことを特徴とするＮＯｘ触媒の劣化診断装置。
6. 前記硫黄濃度算出手段により算出された硫黄濃度に基づき、前記所定の計測タイミングで計測されたＮＯｘ吸蔵能を、前記硫黄被毒再生制御終了時点のＮＯｘ吸蔵能に補正する補正手段を備えた
   ことを特徴とする請求項５記載のＮＯｘ触媒の劣化診断装置。
7. 内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能を所定のタイミング毎に計測する計測手段と、
   前記ＮＯｘ吸蔵能の計測タイミング毎に、前回タイミングから今回タイミングまでの間のＮＯｘ吸蔵能の変化率である今回変化率を算出する今回変化率算出手段と、
   前記ＮＯｘ触媒を硫黄被毒から再生させるための硫黄被毒再生制御を実行する硫黄被毒再生制御手段と、
   前記硫黄被毒再生制御の終了時から前記前回タイミングまでの間のＮＯｘ吸蔵能の平均変化率である前回平均変化率を算出する前回平均変化率算出手段と、
   前記今回変化率算出手段によって算出された今回変化率と、前記前回平均変化率算出手段によって算出された前回平均変化率とに基づき、ＮＯｘ吸蔵能の変化率が急変したか否かを判定する急変判定手段と、
   前記急変判定手段によりＮＯｘ吸蔵能変化率が急変していないと判定されたとき、前記硫黄被毒再生制御の実行後に最初に計測された基本ＮＯｘ吸蔵能から今回タイミングのＮＯｘ吸蔵能を減じて補正量を算出する一方、前記急変判定手段によりＮＯｘ吸蔵能変化率が急変したと判定されたとき、前記基本ＮＯｘ吸蔵能から前回タイミングのＮＯｘ吸蔵能を減じて補正量を算出する補正量算出手段と、
   前記補正量算出手段により算出された補正量を今回タイミングのＮＯｘ吸蔵能に加算して補正後のＮＯｘ吸蔵能を算出するＮＯｘ吸蔵能補正手段と
   を備えたことを特徴とするＮＯｘ触媒の劣化診断装置。
8. 内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能を所定のタイミング毎に計測する計測手段と、
   前記ＮＯｘ触媒を硫黄被毒から再生させるための硫黄被毒再生制御を実行する硫黄被毒再生制御手段と、
   前記硫黄被毒再生制御の終了時から所定の計測タイミングまでのＮＯｘ吸蔵能の平均変化率を算出する平均変化率算出手段と、
   前記硫黄被毒再生制御の実行後に最初に計測された基本ＮＯｘ吸蔵能と、前記平均変化率算出手段により算出されたＮＯｘ吸蔵能平均変化率とに基づき、燃料の硫黄濃度を算出する硫黄濃度算出手段と
   を備えたことを特徴とする内燃機関における使用燃料の硫黄濃度検出装置。

Images