JP2009046994A - ＮＯｘ触媒の劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒温度変化に起因する吸蔵ＮＯｘ量算出値の誤差を解消する。
【解決手段】空燃比をリーンに制御してＮＯｘ触媒にＮＯｘ及び酸素を吸蔵させ、第１リッチスパイクを実行して吸蔵ＮＯｘ及び吸蔵酸素の合計量を計測する。その後空燃比をリーンに制御してＮＯｘ触媒に酸素を吸蔵させ、第２リッチスパイクを実行して吸蔵酸素量を計測する。合計量から吸蔵酸素量を減じて吸蔵ＮＯｘ量を算出する。そして合計量と吸蔵酸素量との触媒温度条件が等しくなるように吸蔵酸素量を補正する。吸蔵酸素量を、合計量計測値のうちの吸蔵酸素量と同等の値に補正し、第１リッチスパイク時と第２リッチスパイク時の間の触媒温度変化に起因する吸蔵ＮＯｘ量算出値の誤差を解消できる。
【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、排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の劣化を診断のための装置に関する。

一般に、ディーゼルエンジンやリーンバーンガソリン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、これに供給される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）のときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、供給される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）のときに吸蔵したＮＯｘを放出しＮ₂に還元するという、ＮＯｘの吸放出作用を有する。

また吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘに加えて排気ガス中の酸素Ｏ₂をも吸放出する能力を有している。即ちＮＯｘ吸放出のときと同様に、ＮＯｘ触媒は、これに供給される排気ガスの空燃比が所定値よりリーンのときに排気ガス中の酸素を吸蔵し、供給される排気ガスの空燃比が所定値よりリッチのときに吸蔵した酸素を放出する。

ところで、例えば自動車に搭載されたエンジンの場合、排ガスが悪化した状態での走行を未然に防止するため、車載状態（オンボード）で触媒の劣化を診断すること（OBD; On-Board Diagnosis）が各国法規等からも要請されている。そのため、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒についてもその劣化を診断するための様々な従来技術が存在する。

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、即ち触媒が吸蔵可能なＮＯｘ量が低下する。よってＮＯｘ触媒劣化診断の代表的手法として、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能を計測してこれを所定の劣化判定値と比較する方法がある。なおＮＯｘ触媒が劣化すると触媒が酸素を吸蔵する能力、即ち触媒が吸蔵可能な酸素量も低下する。

例えば特許文献１には、空燃比をリーンに制御してＮＯｘ触媒に飽和状態までＮＯｘ及び酸素を吸蔵させた後、空燃比をリッチに制御して（第１リッチスパイクを実行して）吸蔵ＮＯｘ及び吸蔵酸素の合計量を計測し、その後空燃比を一旦リーンに制御してＮＯｘ触媒に飽和状態まで酸素を吸蔵させた後、空燃比をリッチに制御して（第２リッチスパイクを実行して）吸蔵酸素量を計測し、前記合計量計測値から前記吸蔵酸素量計測値を減じて吸蔵ＮＯｘ量を算出することが開示されている。第１リッチスパイクの実行時にはＮＯｘ及び酸素の合計吸蔵量しか計測できないため、このままではＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能を評価することができない。そこで第２リッチスパイクを実行して別途吸蔵酸素量のみを計測し、合計吸蔵量の計測値から吸蔵酸素量の計測値を減じることで吸蔵ＮＯｘ量を算出することができる。この吸蔵ＮＯｘ量を所定の劣化判定値と比較してＮＯｘ触媒の正常・劣化を判定することができる。

特許第２８２７９５４号明細書

ところで、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸蔵能及び酸素吸蔵能は触媒温度に対して個別に変化する特性を有している。従って第１リッチスパイク時と第２リッチスパイク時との間で触媒温度が変化した場合、第１リッチスパイク時に吸蔵された酸素量と第２リッチスパイク時に吸蔵された酸素量とは等しくならない。例えば自動車用エンジンでは運転状態が時々刻々と変化しているため、第１リッチスパイク時と第２リッチスパイク時とで必ずしも同じ触媒温度とならない。また第１リッチスパイク時に供給された還元剤がＮＯｘ触媒中で反応して反応熱が起こるため、第２リッチスパイク時の方が第１リッチスパイク時より触媒温度が高くなる傾向にある。よって、第１リッチスパイク時の合計吸蔵量から第２リッチスパイク時の吸蔵酸素量を減算しても、その合計吸蔵量に含まれる吸蔵酸素量が第２リッチスパイク時の吸蔵酸素量と必ずしも等しくならず、最終的に算出される吸蔵ＮＯｘ量にも触媒温度変化に起因する誤差を生じることがある。

そこで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、第１リッチスパイク時と第２リッチスパイク時の間の触媒温度変化に起因する吸蔵ＮＯｘ量算出値の誤差を解消することができる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触媒の劣化を診断する装置であって、
空燃比をリーンに制御してＮＯｘ触媒に飽和状態までＮＯｘ及び酸素を吸蔵させた後、第１リッチスパイクを実行して吸蔵ＮＯｘ及び吸蔵酸素の合計量を計測し、その後空燃比を一旦リーンに制御してＮＯｘ触媒に飽和状態まで酸素を吸蔵させた後、第２リッチスパイクを実行して吸蔵酸素量を計測し、前記合計量計測値から前記吸蔵酸素量計測値を減じて吸蔵ＮＯｘ量を算出する吸蔵ＮＯｘ量算出手段と、
前記ＮＯｘ触媒の温度を計測する触媒温度計測手段と、
前記合計量計測値と前記吸蔵酸素量計測値との触媒温度条件が等しくなるように、少なくとも、前記第２リッチスパイク時に計測された触媒温度に基づいて前記吸蔵酸素量計測値を補正する補正手段と
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。

これによれば、第２リッチスパイク時の吸蔵酸素量計測値を、第１リッチスパイク時の合計量計測値のうちの吸蔵酸素量と同等の値に補正できる。よって補正後の吸蔵酸素量計測値を合計量計測値から減算して正確な吸蔵ＮＯｘ量を得、第１リッチスパイク時と第２リッチスパイク時の間の触媒温度変化に起因する吸蔵ＮＯｘ量算出値の誤差を解消し、正確な劣化診断を行うことができる。

本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記補正手段は、少なくとも、前記第２リッチスパイク時に計測された触媒温度と前記第１リッチスパイク時に計測された触媒温度との温度差に基づいて、前記吸蔵酸素量計測値を前記第１リッチスパイク時の触媒温度相当の値に補正する
ことを特徴とする。

これによれば、最も単純な手法で、吸蔵酸素量計測値を、第１リッチスパイク時の合計量計測値のうちの吸蔵酸素量と同等の値に補正できる。

本発明の第３の形態は、前記第１の形態において、
前記補正手段は、前記第１リッチスパイク時に計測された触媒温度と所定の基準温度との第１温度差に基づいて、前記合計量計測値を前記基準温度相当の値に補正すると共に、前記第２リッチスパイク時に計測された触媒温度と前記基準温度との第２温度差に基づいて、前記吸蔵酸素量計測値を前記基準温度相当の値に補正する
ことを特徴とする。

これによれば、合計量計測値と吸蔵酸素量計測値との両者を基準触媒温度相当の値に補正するので、個々の診断時や計測時の触媒温度条件に拘わらず、一定の劣化判定値を用いて正確な劣化診断を行える。

本発明の第４の形態は、前記第１乃至第３のいずれかの形態において、
前記補正手段は、前記合計量計測値に応じて少なくとも前記吸蔵酸素量計測値の補正度合いを変更する
ことを特徴とする。

ＮＯｘ触媒の劣化が進むと合計量計測値が減少すると共に、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ及び酸素の吸蔵特性が変化する。この第４の形態によれば、かかる触媒劣化度に応じた吸蔵特性変化を考慮して最適に補正を行うことができる。

本発明によれば、第１リッチスパイク時と第２リッチスパイク時の間の触媒温度変化に起因する吸蔵ＮＯｘ量算出値の誤差を解消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、本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。図示されるように、内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生する。内燃機関１は車両用多気筒エンジン（１気筒のみ図示）であり、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。但し、本発明が適用される内燃機関は火花点火式内燃機関に限られず、例えば圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであってもよい。

内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが気筒ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは図示しないカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。さらにシリンダヘッドにはインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設され、燃焼室３内に直接燃料噴射するようになっている。ピストン４はいわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には凹部４ａが形成されている。そして内燃機関１では、燃焼室３内に空気を吸入させた状態で、インジェクタ１２からピストン４の凹部４ａに向けて燃料が直接噴射される。これにより点火プラグ７の近傍に、燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）され、安定した成層燃焼が実行される。

各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介して吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気集合通路をなす吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５と、電子制御式スロットルバルブ１０とが組み込まれている。なお吸気ポート、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。

一方、各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気集合通路をなす排気管６に接続されている。これら排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。排気管６には、その上流側に、排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘを同時に浄化可能な三元触媒１１が設けられ、その下流側に、排気ガス中のＮＯｘを浄化可能なＮＯｘ触媒１６が設けられている。本実施形態では、三元触媒１１とＮＯｘ触媒１６を同一のケーシングに収容してなるＣＣＬ触媒ユニット（CCL: Catalytic Converter Lean）が用いられているが、これに限らず、三元触媒１１とＮＯｘ触媒１６を別々のケーシングに収容して個別に配置してもよい。なおディーゼルエンジンの場合だと、三元触媒の代わりに酸化触媒及びパティキュレートフィルタが典型的に設けられる。

三元触媒１１の上流側に、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を検出するための空燃比センサ即ち触媒前空燃比センサ１７が設置されている。触媒前空燃比センサ１７は所謂広域空燃比センサからなり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能で、その空燃比に比例した信号を出力する。但しこれに限らず、触媒前空燃比センサ１７は、理論空燃比（ストイキ）を境に出力値が急変する所謂Ｏ₂センサからなってもよい。

三元触媒１１とＮＯｘ触媒１６の間には別の空燃比センサである触媒間空燃比センサ１９が設置されている。この触媒間空燃比センサ１９も広域空燃比センサからなっているが、Ｏ₂センサからなってもよい。

ＮＯｘ触媒１６の下流側にはさらに別の空燃比センサである触媒後空燃比センサ１８が設置されている。この触媒後空燃比センサ１８はＯ₂センサからなっているが、広域空燃比センサからなってもよい。

上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０及びインジェクタ１２等は、制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されない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。またＥＣＵ２０には、図示されるように、前述のエアフローメータ５、触媒前空燃比センサ１７、触媒間空燃比センサ１９及び触媒後空燃比センサ１８のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、ＮＯｘ触媒１６の上下流側にそれぞれ設置された排気温センサ即ち触媒前排気温センサ２１及び触媒後排気温センサ２２、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。なお触媒前排気温センサ２１は三元触媒１１とＮＯｘ触媒１６の間の位置に設置される。クランク角センサ１４の出力はエンジン回転速度Ｎｅの検出に用いられる。

三元触媒１１は、これに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比（ストイキ、例えばＡ／Ｆ＝１４．６）付近のときにＣＯ，ＨＣ及びＮＯｘを同時に浄化する。この三者を同時に高効率で浄化できる空燃比の幅（ウィンドウ）は比較的狭い。よって三元触媒１１を有効に機能させるため、空燃比制御の一態様として、三元触媒１１に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比付近となるように混合気の空燃比が制御される。これをストイキ制御といい、ストイキ制御が実行されているときのエンジンの運転態様をストイキ運転という。このストイキ制御では目標空燃比が理論空燃比と等しく設定され、触媒前空燃比センサ１７により検出された空燃比が目標空燃比と等しくなるように、インジェクタ１２から噴射される燃料噴射量ひいては空燃比がフィードバック制御される。

他方、燃費低減等の観点から、空燃比制御の別の態様として、目標空燃比が理論空燃比より高い値即ちリーンな値に設定される場合がある。これをリーンバーン制御といい、リーンバーン制御が実行されているときのエンジンの運転態様をリーンバーン運転という。なおリーンバーン制御時もストイキ制御時と同様、触媒前空燃比センサ１７により検出された空燃比が目標空燃比と等しくなるように燃料噴射量ひいては空燃比がフィードバック制御される。リーンバーン制御時には、エンジンから比較的多量のＮＯｘが排出されると共に、制御空燃比は三元触媒１１でのＮＯｘ浄化率を極端に低下させるほどにリーンな値とされることが多い。この場合に三元触媒１１をすり抜けたＮＯｘを浄化すべく、三元触媒１１の下流側にＮＯｘ触媒１６が設けられている。

ＮＯｘ触媒１６には吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（NSR: NOx Storage Reduction）が用いられている。この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、アルミナＡｌ₂Ｏ₃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、セリウムＣｅ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１６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排気ガス中の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。また吸蔵還元型ＮＯｘ触媒１６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排気ガス中の酸素Ｏ₂を吸蔵し、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酸素を放出するという、酸素の吸放出作用を行う。この酸素吸放出能は特にＮＯｘ吸収成分としてセリウムＣｅが用いられた場合に顕著となる。

リーンバーン運転中では、排気空燃比が理論空燃比よりリーンであり、ＮＯｘ触媒１６は排気中のＮＯｘ及び酸素の吸蔵を行う。一方、ＮＯｘ触媒１６がＮＯｘ及び酸素を飽和状態（満杯）まで吸蔵すると、ＮＯｘ触媒１６がそれ以上ＮＯｘ及び酸素を吸蔵できなくなることから、ＮＯｘ触媒から吸蔵ＮＯｘ及び吸蔵酸素を放出させるべく、ＮＯｘ触媒１６に一時的に還元剤を供給するリッチスパイク或いはリッチスパイク制御が実行される。このリッチスパイク制御では目標空燃比が一時的に理論空燃比又はそれよりリッチな値に設定され、混合気ひいては排気ガスの空燃比が理論空燃比又はそれより低いリッチな値に制御される。このリッチな排気ガスに含まれる還元成分（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂）が、ＮＯｘ触媒から吸蔵ＮＯｘ及び吸蔵酸素を放出させ、特に放出ＮＯｘと反応して放出ＮＯｘを還元浄化する還元剤として機能する。このように、ＮＯｘ触媒１６から吸蔵ＮＯｘ及び吸蔵酸素を放出してＮＯｘ触媒１６のＮＯｘ吸蔵能及び酸素吸蔵能を回復させることをＮＯｘ再生と称する。

なお、リッチスパイクについてはこれ以外にも様々な方法がある。例えば、ＮＯｘ触媒上流側に還元剤供給弁を別途設け、還元剤供給弁を開弁制御して排気中に還元剤を供給する方法がある。還元剤としては、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。好ましくはエンジンの燃料であるガソリンが使用される。代替的に、インジェクタ１２から燃焼室３に膨張行程後期又は排気行程で燃料を噴射し、未燃燃料を排気中に多く含ませるいわゆるポスト噴射を行う方法が可能である。

ＮＯｘ触媒１６のＮＯｘ吸放出作用はＮＯｘ触媒１６が所定の作動温度域（例えば２８０〜５５０℃）にないと実質的に行えない。そこで本実施形態ではＮＯｘ触媒１６の温度（触媒温度、具体的には触媒床温）を計測し、リーンバーン運転の実行の可否を判断するようにしている。ＮＯｘ触媒１６の温度は、ＮＯｘ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、ＥＣＵ２０が、触媒前排気温センサ２１及び触媒後排気温センサ２２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。

次に、ＮＯｘ触媒の劣化診断について説明する。

図２にかかる劣化診断に際しての各値の変化の様子を示す。（Ａ）はＮＯｘ触媒１６に供給される排気ガスの空燃比（供給Ａ／Ｆ）を示す。この値は触媒間空燃比センサ１９によって検出される触媒間空燃比に等しい。（Ｂ）は触媒温度Ｔｃを示す。

時刻ｔ１以前では、リーンバーン運転によって空燃比がストイキよりも著しくリーンの値に制御されており（例えばＡ／Ｆ＝２０）、このときエンジンから排出されるＮＯｘはＮＯｘ触媒１６に吸蔵或いはトラップされる。またこのとき、排気ガス中の酸素もＮＯｘ触媒１６に吸蔵或いはトラップされる。そしてこれらＮＯｘ及び酸素が飽和状態まで吸蔵されると、１回目のリッチスパイク即ち第１リッチスパイクＲＳ１が実行され（時刻ｔ１）、空燃比はストイキよりもリッチに制御される（例えばＡ／Ｆ＝１１）。

なおこのリッチスパイクの開始タイミングｔ１については、例えば、ＮＯｘ触媒にＮＯｘが飽和状態まで吸蔵されるとＮＯｘがＮＯｘ触媒を素通りして下流側に流出し、触媒後空燃比センサ１８の出力がリーン側に反転することから、このリーン側への反転タイミングを以てリッチスパイクの開始タイミングとすることができる。或いは、エンジンから排出される微小時間毎のＮＯｘ量をエンジン運転状態に基づいて推定すると共にこれを積算し、この積算値が、新品触媒において吸蔵ＮＯｘが満杯となるような所定値に達した時を以てリッチスパイクの開始タイミングとすることができる。

第１リッチスパイクの間、ＮＯｘ触媒１６には還元剤が供給され、ＮＯｘ触媒１６から吸蔵ＮＯｘと吸蔵酸素とが放出されていく。特に放出ＮＯｘは還元剤と反応して還元浄化される。図中の斜線領域Ｉ１が第１リッチスパイクによって供給される還元剤量を示す。リッチスパイクによって供給される還元剤量Ｉは、実際のリッチ空燃比とストイキとの差、及びリッチスパイク実行時間（ｔ１〜ｔ２）の積に比例する。この第１リッチスパイクの間、微小時間毎の供給還元剤量（例えば実際のリッチ空燃比とストイキとの差）が順次積算されていく。

なお、ここでは簡単のため、リーン制御時の空燃比を著しくリーンな値とし、エンジンから排出されたＮＯｘが三元触媒１１で還元されず全量ＮＯｘ触媒１６に吸蔵されるものとする。もっとも、より厳密にＮＯｘ触媒１６の吸蔵ＮＯｘ量を把握したい場合は、空燃比に対する三元触媒１１のＮＯｘ還元率を考慮してエンジンから排出されたＮＯｘ量のうちの所定割合を吸蔵ＮＯｘ量とすればよい。同様に、ここではリッチスパイク時に還元剤の全量がＮＯｘ触媒１６に供給されるものとするが、より厳密に還元剤供給量を把握したい場合は、空燃比に対する三元触媒１１のＨＣ，ＣＯ浄化率を考慮し、エンジンから排出された還元剤量のうちの所定割合をＮＯｘ触媒１６への還元剤供給量とすればよい。

第１リッチスパイクによって吸蔵ＮＯｘと吸蔵酸素とがＮＯｘ触媒１６から放出され尽くすと、還元剤がＮＯｘ触媒を素通りして下流側に流出し、触媒後空燃比センサ１８の出力がリッチ側に反転する。このリッチ側への反転タイミングｔ２で第１リッチスパイクは終了され、供給還元剤量の積算（第１還元剤量Ｉ１の計測）が終了されると共に、空燃比は一旦リーンに切り替えられる。

このリーン制御の期間ｔｋは予め定められた極短い期間（１〜２秒）である。この間、ＮＯｘ触媒１６に対してＮＯｘは殆ど吸蔵されないが、酸素は飽和状態まで吸蔵される。この中間のリーン制御期間ｔｋを終えると、空燃比は再びリッチに切り替えられ、吸蔵酸素を放出させるための２回目のリッチスパイク即ち第２リッチスパイクＲＳ１が実行される（時刻ｔ３）。

第２リッチスパイクの間にもＮＯｘ触媒１６に還元剤が供給され、ＮＯｘ触媒１６から吸蔵酸素が放出されていく。放出酸素は還元剤と反応して還元剤の酸化に利用される。図中の斜線領域Ｉ２が第２リッチスパイクによって供給される還元剤量を示す。この第２リッチスパイクの間にも微小時間毎の供給還元剤量が順次積算されていく。

第２リッチスパイクによって吸蔵酸素がＮＯｘ触媒１６から放出され尽くすと、還元剤がＮＯｘ触媒を素通りして下流側に流出し、触媒後空燃比センサ１８の出力がリッチ側に反転する。このリッチ側への反転タイミングｔ４で第２リッチスパイクは終了され、供給還元剤量の積算（第２還元剤量Ｉ２の計測）が終了されると共に、空燃比はリーンに切り替えられて通常のリーンバーン運転に移行する。

第１リッチスパイク時に計測された第１還元剤量Ｉ１は、現状のＮＯｘ触媒１６が吸蔵可能な最大値としての吸蔵ＮＯｘ量Ｍｎ及び吸蔵酸素量Ｍｏの合計量Ｍｎｏを表す指標値である。また第２リッチスパイク時に計測された第２還元剤量Ｉ２は、現状のＮＯｘ触媒１６が吸蔵可能な最大値としての吸蔵酸素量Ｍｏを表す指標値である。よって第１還元剤量Ｉ１から第２還元剤量Ｉ２を減算して得られる値ΔＩ＝Ｉ２−Ｉ１は、合計量Ｍｎｏから吸蔵酸素量Ｍｏを減じてなる吸蔵ＮＯｘ量Ｍｎを表す指標値となる。よってその減算値ΔＩを所定の劣化判定値ΔＩｓと比較することで、ＮＯｘ触媒１６の正常・劣化を判定することができる。

ところで、図２（Ｂ）に示すように、第１リッチスパイク及び第２リッチスパイクを実行している最中にも触媒温度Ｔｃは変化している。特に、リッチスパイクを行うと供給還元剤がＮＯｘ触媒中で反応して反応熱が起こるので、第２リッチスパイク時の方が第１リッチスパイク時より触媒温度が高くなる傾向にある。一方、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸蔵能及び酸素吸蔵能は触媒温度に対して個別に変化する特性を有する。よって第１リッチスパイク時と第２リッチスパイク時との間で触媒温度が変化した場合、たとえ同一の満杯状態までの吸蔵であっても、実際に吸蔵された酸素量は第１リッチスパイク時と第２リッチスパイク時とで等しくならない。

図３にはＮＯｘ触媒におけるＮＯｘと酸素の吸蔵特性をそれぞれ示す。横軸には触媒温度Ｔｃがとってあり、縦軸にはＮＯｘ触媒が吸蔵し得る吸蔵量がとってある。実線で示すように、吸蔵ＮＯｘ量はある触媒温度Ｔｃｘのときに極大となり、この触媒温度（ピーク温度）Ｔｃｘから触媒温度が離れるにつれ吸蔵ＮＯｘ量は徐々に減少する。そしてＮＯｘを吸蔵可能な触媒温度範囲が限られている。例えば、ピーク温度Ｔｃｘは約４００℃であり、ＮＯｘを吸蔵可能な触媒温度範囲は２８０〜５５０℃である。また一点鎖線で示すように、吸蔵酸素量は、触媒温度Ｔｃの増加につれほぼ比例的に増大する。酸素を吸蔵可能な高温側の触媒温度限界はＮＯｘの場合より高く、例えば８００℃付近である。

ここで例えば第１リッチスパイク時に触媒温度がＴｃ１であったものが、第２リッチスパイク時になると触媒温度が上昇してＴｃ２になったものとする。この場合、第１リッチスパイク時の吸蔵酸素量（第１吸蔵酸素量）はＭｏ１であるが、第２リッチスパイク時の吸蔵酸素量（第２吸蔵酸素量）はそれより多いＭｏ２となる。よって、合計量Ｍｎｏから第２吸蔵酸素量Ｍｏ２を減じて得られる吸蔵ＮＯｘ量Ｍｎは、吸蔵酸素量の増加分（Ｍｏ２−Ｍｏ１）だけ真の値より少なくなり、ここに触媒温度変化に起因する誤差が生じることとなる。

よってこの誤差を解消するため、本実施形態では、第１リッチスパイク時の合計量Ｍｎｏと第２リッチスパイク時の吸蔵酸素量Ｍｏとの触媒温度条件が等しくなるように、少なくとも第２リッチスパイク時の触媒温度Ｔｃ２に基づいて吸蔵酸素量Ｍｏを補正する。こうすれば第１吸蔵酸素量Ｍｏ１と同等の第２吸蔵酸素量Ｍｏ２を得られ、この第２吸蔵酸素量Ｍｏ２を合計量Ｍｎｏから減算して吸蔵ＮＯｘ量Ｍｎを算出することにより、正確な吸蔵ＮＯｘ量Ｍｎを得、正確な劣化診断を行うことができる。

例えば図３に示すように、第１リッチスパイク時の触媒温度（第１触媒温度）Ｔｃ１と第２リッチスパイク時の触媒温度（第２触媒温度）との差（Ｔｃ２−Ｔｃ１）に応じて、第２吸蔵酸素量Ｍｏ２を、第１吸蔵酸素量Ｍｏ１に等しくするよう補正する方法がある。この方法によれば最も単純に両者の触媒温度条件を等しくすることができる。この場合温度差（Ｔｃ２−Ｔｃ１）と、補正量である補正係数Ｋとの関係を予め規定したマップ（関数でもよい、以下同様）をＥＣＵ２０に記憶しておき、このマップを利用して、実際の温度差（Ｔｃ２−Ｔｃ１）に対応する補正係数Ｋを得るようにする。そしてこの補正係数Ｋを実際の第２吸蔵酸素量計測値Ｍｏ２に乗じて第２吸蔵酸素量計測値Ｍｏ２を補正する。なおこの補正後の第２吸蔵酸素量計測値Ｍｏ２’を合計量計測値Ｍｎｏから減じて吸蔵ＮＯｘ量Ｍｎを算出する。温度差（Ｔｃ２−Ｔｃ１）≧０のとき、温度差が大きくなるほど補正係数Ｋは１に対してより小さくなる（但しＫ＞０）。よって温度差が大きくなるほど第２吸蔵酸素量計測値Ｍｏ２はより小さくなるように補正される。なお温度差（Ｔｃ２−Ｔｃ１）＜０のとき、温度差が小さくなるほど補正係数Ｋは１に対してより大きくなり、第２吸蔵酸素量計測値Ｍｏ２はより大きくなるように補正される。

ここでは第２吸蔵酸素量Ｍｏ２に補正係数Ｋを乗じて補正を行ったが、第２吸蔵酸素量Ｍｏ２に補正量を加減算して補正を行ってもよい。

一方、本実施形態では、第１リッチスパイク時の合計量計測値Ｍｎｏと第２リッチスパイク時の吸蔵酸素量計測値Ｍｏとを、所定の基準触媒温度相当の値に補正し、これにより両者の触媒温度条件を等しくする。即ち図３に示すように、両者は、基準触媒温度としてのピーク温度Ｔｃｘ相当の値（（Ｍｎｘ＋Ｍｏｘ），Ｍｏｘ）に補正される。吸蔵酸素量のみならず吸蔵ＮＯｘ量も触媒温度に応じて変化するので、両者を基準触媒温度相当の値に補正することで、個々の診断時や計測時の触媒温度条件に拘わらず、一定の劣化判定値を用いて正確な劣化診断を行える。なお、基準触媒温度についてはピーク温度Ｔｃｘ以外の温度に設定することも可能である。この補正には、第２リッチスパイク時の吸蔵酸素量計測値Ｍｏを第１リッチスパイク時の触媒温度相当の値にする補正が含まれる。

かかる補正を行う場合、例えば、第１リッチスパイク時に計測された触媒温度Ｔｃ１とピーク温度Ｔｃｘとの差即ち第１温度差ΔＴｃ１（＝Ｔｃ１−Ｔｃｘ）に対応した第１補正係数Ｋ１を所定の第１補正マップから算出し、第１補正係数Ｋ１を合計量計測値Ｍｎｏに乗じて合計量計測値Ｍｎｏを基準触媒温度相当の値Ｍｎｏ’に補正する。また、第２リッチスパイク時に計測された触媒温度Ｔｃ２とピーク温度Ｔｃｘとの差即ち第２温度差ΔＴｃ２（＝Ｔｃ２−Ｔｃｘ）に対応した第２補正係数Ｋ２を所定の第２補正マップから算出し、第２補正係数Ｋ２を吸蔵酸素量計測値Ｍｏに乗じて吸蔵酸素量計測値Ｍｏを基準触媒温度相当の値Ｍｏ’に補正する。なお、補正後の合計量計測値Ｍｎｏ’から補正後の吸蔵酸素量計測値Ｍｏ’を減じて吸蔵ＮＯｘ量Ｍｎを算出する。

ところで、ＮＯｘ触媒の劣化が進むと、ＮＯｘ及び酸素の吸蔵特性が図４に示す如く変化し、ＮＯｘ触媒が吸蔵し得るＮＯｘ量及び酸素量がともに減少していく。そしてＮＯｘを吸蔵可能な触媒温度範囲も次第に狭くなっていき、他方、触媒温度に対する吸蔵酸素量の増大率が減少していく（即ちグラフの傾きが小さくなる）。なお触媒劣化の進行に対する吸蔵量の減少度合いはＮＯｘに比べ酸素の方が格段に少ない。

この触媒劣化に関する特性をも考慮して、少なくとも吸蔵酸素量計測値Ｍｏの補正度合い、好ましくは合計量計測値Ｍｎｏと吸蔵酸素量計測値Ｍｏとの両方の補正度合いを、ＮＯｘ触媒の劣化度に応じて変更するのが好ましい。特に吸蔵酸素量については、触媒が劣化するほど吸蔵酸素量増大率が減少していくことから、これに対応して、触媒が劣化するほど補正度合いを少なくするのが好ましい。具体的には触媒が劣化するほど、同一の第２温度差ΔＴｃ２に対する補正係数Ｋ２を１により近づけるようにする。このような補正度合いの変更は、触媒劣化度に応じて前記補正マップを変更、更新したり、切り替えたりすることで行うことができる。

ＮＯｘ触媒の劣化度については、第１リッチスパイク時に計測された合計量計測値Ｍｎｏがその指標値となる。触媒の劣化が進むほど合計量計測値Ｍｎｏが小さくなるからである。よってこの合計量計測値Ｍｎｏに応じて補正度合いを変更するのが好ましい。

次に、具体的な診断処理の手順を図５を参照して説明する。図示される処理はＥＣＵ２０により実行される。なお前提としてリッチスパイク時以外は前述のようなリーンバーン運転がなされているものとする。

最初のステップＳ１０１では、所定の第１診断条件が成立しているか否かが判断される。この第１診断条件は、ＮＯｘ触媒１６に飽和状態までＮＯｘ及び酸素が吸蔵され、触媒温度計測値Ｔｃが前述の作動温度域（２８０〜５５０℃）にあり、各空燃比センサ１７，１９，１８が活性化しているときに成立となる。このほか、第１リッチスパイクが未実施であること、診断が未終了であることなどを条件に含めてもよい。

条件不成立のときは処理が即座に終了となる。他方、条件成立のときは、ステップＳ１０２に進んで第１リッチスパイクが実行され、ステップＳ１０３において、吸蔵ＮＯｘ及び吸蔵酸素の合計量Ｍｎｏの指標値である第１還元剤量Ｉ１が計測される。

次に、ステップＳ１０４において第１還元剤量計測値Ｉ１が補正される。即ち、第１リッチスパイク時の触媒温度Ｔｃ１とピーク温度Ｔｃｘとの差即ち第１温度差ΔＴｃ１（＝Ｔｃ１−Ｔｃｘ）に対応した第１補正係数Ｋ１を所定の第１補正マップから算出し、第１補正係数Ｋ１を第１還元剤量計測値Ｉ１に乗じて第１還元剤量計測値Ｉ１をピーク温度相当の値Ｉ１’に補正する。第１リッチスパイク時の触媒温度Ｔｃ１については、例えば第１リッチスパイク実行期間中（図２のｔ１〜ｔ２）の平均触媒温度としてもよいし、第１リッチスパイク開始時（図２のｔ１）の触媒温度としてもよい。

次に、ステップＳ１０５において、所定の第２診断条件が成立しているか否かが判断される。この第２診断条件は、第１リッチスパイクの終了時から所定のリーン制御期間ｔｋが経過しており、触媒温度計測値Ｔｃが作動温度域にあり、各空燃比センサ１７，１９，１８が活性化しているときに成立となる。このほか、第２リッチスパイクが未実施であること、診断が未終了であることなどを条件に含めてもよい。

条件不成立のときは処理が即座に終了となる。他方、条件成立のときは、ステップＳ１０６に進んで第２リッチスパイクが実行され、ステップＳ１０７において、吸蔵酸素量Ｍｏの指標値である第２還元剤量Ｉ２が計測される。

次に、ステップＳ１０８において第２還元剤量計測値Ｉ２が補正される。即ち、第２リッチスパイク時の触媒温度Ｔｃ２とピーク温度Ｔｃｘとの差即ち第２温度差ΔＴｃ２（＝Ｔｃ２−Ｔｃｘ）に対応した第２補正係数Ｋ２を所定の第２補正マップから算出し、第２補正係数Ｋ２を第２還元剤量計測値Ｉ２に乗じて第２還元剤量計測値Ｉ２をピーク温度相当の値Ｉ２’に補正する。第２リッチスパイク時の触媒温度Ｔｃ２については、例えば第２リッチスパイク実行期間中（図２のｔ３〜ｔ４）の平均触媒温度としてもよいし、第２リッチスパイク開始時（図２のｔ３）の触媒温度としてもよい。

こうして補正後の第１還元剤量Ｉ１’と補正後の第２還元剤量Ｉ２’とが算出されたならば、次にステップＳ１０９において、補正後の第１還元剤量Ｉ１’から補正後の第２還元剤量Ｉ２’を減算し、第１リッチスパイク時における吸蔵ＮＯｘ量Ｍｎの指標値である減算値ΔＩを算出する。

次いでステップＳ１１０において、減算値ΔＩが所定の劣化判定値ΔＩｓと比較される。減算値ΔＩが劣化判定値ΔＩｓ以上であればステップＳ１１１でＮＯｘ触媒１６は正常と判定され、減算値ΔＩが劣化判定値ΔＩｓ未満であればステップＳ１１２でＮＯｘ触媒１６は劣化と判定される。最後に、ステップＳ１１３で所定の診断終了設定を行って本処理を終える。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、前記実施形態では第１リッチスパイク時の合計量計測値Ｍｎｏと第２リッチスパイク時の吸蔵酸素量計測値Ｍｏとを各リッチスパイク時の触媒温度に基づき補正したが、この補正を行う代わりに、触媒温度に応じて劣化判定値を補正してもよい。触媒温度がピーク温度からずれるとＮＯｘ吸蔵量が低下するので、誤判定を避けるために劣化判定値を減少補正するのが好ましい。

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。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。 劣化診断時の各値の変化の様子を示すタイムチャートである。 ＮＯｘ触媒のＮＯｘ及び酸素吸蔵特性を示すグラフである。 触媒劣化による吸蔵特性の変化を示すグラフである。 劣化診断処理の内容を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
６ 排気管
１１ 三元触媒
１２ インジェクタ
１６ ＮＯｘ触媒
１７ 触媒前空燃比センサ
１８ 触媒後空燃比センサ
１９ 触媒間空燃比センサ
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２１ 触媒前排気温センサ
２２ 触媒後排気温センサ
Ｍｎ 吸蔵ＸＯｘ量
Ｍｏ 吸蔵酸素量
Ｍｎｏ 合計量
Ｔｃ 触媒温度
ΔＴｃ１ 第１温度差
ΔＴｃ２ 第２温度差
Ｔｃｘ ピーク温度（基準温度）

Claims (4)

1. 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であって、
   空燃比をリーンに制御してＮＯｘ触媒に飽和状態までＮＯｘ及び酸素を吸蔵させた後、第１リッチスパイクを実行して吸蔵ＮＯｘ及び吸蔵酸素の合計量を計測し、その後空燃比を一旦リーンに制御してＮＯｘ触媒に飽和状態まで酸素を吸蔵させた後、第２リッチスパイクを実行して吸蔵酸素量を計測し、前記合計量計測値から前記吸蔵酸素量計測値を減じて吸蔵ＮＯｘ量を算出する吸蔵ＮＯｘ量算出手段と、
   前記ＮＯｘ触媒の温度を計測する触媒温度計測手段と、
   前記合計量計測値と前記吸蔵酸素量計測値との触媒温度条件が等しくなるように、少なくとも、前記第２リッチスパイク時に計測された触媒温度に基づいて前記吸蔵酸素量計測値を補正する補正手段と
   を備えたことを特徴とするＮＯｘ触媒の劣化診断装置。
2. 前記補正手段は、少なくとも、前記第２リッチスパイク時に計測された触媒温度と前記第１リッチスパイク時に計測された触媒温度との温度差に基づいて、前記吸蔵酸素量計測値を前記第１リッチスパイク時の触媒温度相当の値に補正する
   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. 前記補正手段は、前記第１リッチスパイク時に計測された触媒温度と所定の基準温度との第１温度差に基づいて、前記合計量計測値を前記基準温度相当の値に補正すると共に、前記第２リッチスパイク時に計測された触媒温度と前記基準温度との第２温度差に基づいて、前記吸蔵酸素量計測値を前記基準温度相当の値に補正する
   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。
4. 前記補正手段は、前記合計量計測値に応じて少なくとも前記吸蔵酸素量計測値の補正度合いを変更する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＮＯｘ触媒の劣化診断装置。

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