JP2009138605A - ＮＯｘ触媒の劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】劣化診断時における排ガスエミッションの悪化を防止する。
【解決手段】内燃機関１の排気通路６に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒１６を設けると共にその下流側にＮＯｘセンサ３４を設ける。リッチスパイク実行後のリーン制御開始時から、ＮＯｘセンサ３４によって検出されたＮＯｘ濃度が所定値に達するまでの間の、ＮＯｘ触媒１６における吸蔵ＮＯｘ量を計測し、この計測値に基づいてＮＯｘ触媒１６の劣化を診断する。ＮＯｘセンサ３４の下流側に別のＮＯｘ触媒１８を設け、劣化診断時にＮＯｘ触媒１６から流出したＮＯｘを別のＮＯｘ触媒１８により浄化処理する。
【選択図】図１

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触媒の劣化を診断する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に還元浄化するという、ＮＯｘの吸放出作用を有する。

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のＮＯｘ吸蔵能、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。

例えば特許文献１に記載された内燃機関の排気浄化装置では、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘ吸蔵量を推定し、このＮＯｘ吸蔵量がリッチスパイク実行判定値以上になると排気空燃比を一時的にリッチにするリッチスパイクを実行し、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出させ還元処理するようにしている。そして、リッチスパイク完了時点から、ＮＯｘ触媒を通過した排気中のＮＯｘ濃度の増加が検出された時点までの内燃機関の排気中のＮＯｘ流量状態に基づいて、当該期間内における総ＮＯｘ量を求め、この総ＮＯｘ量をＮＯｘ吸蔵量としてリッチスパイク実行判定値を更新するようにしている。

特開２００４−８４６１７号公報

この特許文献１に記載の技術によれば、リッチスパイク完了時点から、ＮＯｘ触媒を通過した排気中のＮＯｘ濃度の増加が検出された時点までのＮＯｘ吸蔵量が求められる。リッチスパイク完了時点ではＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸蔵量がゼロであるが、暫くしてＮＯｘ触媒がその吸蔵容量一杯までＮＯｘを吸蔵するとＮＯｘが触媒を素通りしてその下流側に流出し、ＮＯｘ触媒下流側の排気中のＮＯｘ濃度が増加する。よって、求められたＮＯｘ吸蔵量はＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能、即ち劣化状態の指標値といえるものであり、これを利用することでＮＯｘ触媒の劣化を診断することが可能である。

しかし、この手法によると、ＮＯｘ触媒からのＮＯｘの流出を検出してＮＯｘ吸蔵量を求めるため、その流出ＮＯｘがそのまま大気に排出され、排ガスエミッションを悪化させてしまうという問題がある。

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、劣化診断時における排ガスエミッションの悪化を防止することができるＮＯｘ触媒の劣化診断装置を提供することにある。

本発明の一形態によれば、
内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を設けると共にその下流側にＮＯｘセンサを設け、リッチスパイク実行後に空燃比をリーンに制御して前記ＮＯｘ触媒にＮＯｘを吸蔵させ、当該リーン制御の開始時から、前記ＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度が所定値に達するまでの間の、前記ＮＯｘ触媒における吸蔵ＮＯｘ量を計測し、この計測された吸蔵ＮＯｘ量に基づいて前記ＮＯｘ触媒の劣化を診断する装置であって、前記ＮＯｘセンサの下流側に別のＮＯｘ触媒を設け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、劣化診断時にＮＯｘ触媒から流出したＮＯｘを別のＮＯｘ触媒により浄化処理することができ、排ガスエミッションの悪化を防止することができる。

好ましくは、前記別のＮＯｘ触媒がＮＯｘ浄化処理可能な状態になっているか否かを判定するための判定手段が設けられ、前記劣化診断装置は、前記判定手段により前記別のＮＯｘ触媒がＮＯｘ浄化処理可能な状態になっていると判定されたときに診断を実行する。

ＮＯｘ触媒の下流側に別のＮＯｘ触媒を設けた場合、別のＮＯｘ触媒がＮＯｘ浄化処理可能な状態になっていなければ、上流側のＮＯｘ触媒から排出されたＮＯｘを浄化処理することができない。そこでこの好ましい形態では、別のＮＯｘ触媒がＮＯｘ浄化処理可能な状態になっているか否かを判定し、そのような状態になっていると判定したときに診断を実行する。これにより確実に排ガスエミッションの悪化を防止することができる。

好ましくは、前記判定手段が、前記別のＮＯｘ触媒の下流側に設けられた空燃比センサを含み、該空燃比センサがリッチ出力を発していることを、前記別のＮＯｘ触媒がＮＯｘ浄化処理可能な状態になっていると判定するための条件に含む。

好ましくは、前記吸蔵ＮＯｘ量が、エンジン運転状態に基づいて推定された、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気ガスの入ガスＮＯｘ濃度と、前記ＮＯｘセンサによって検出された、前記ＮＯｘ触媒から流出した排気ガスの出ガスＮＯｘ濃度とに基づいて計測され、
前記劣化診断装置は、前記ＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度が所定値に達した後に前記リーン制御を継続し、前記出ガスＮＯｘ濃度が飽和した時点における前記入ガスＮＯｘ濃度と前記出ガスＮＯｘ濃度の差に基づき、前記吸蔵ＮＯｘ量の計測値を補正する。

吸蔵ＮＯｘ量の計測を入ガスＮＯｘ濃度の推定値に基づいて行う場合、推定値の真の値からのズレが懸念される。しかしながら、この好ましい形態によれば、検出した出ガスＮＯｘ濃度が飽和した時点、即ち実際の入ガスＮＯｘ濃度と実際の出ガスＮＯｘ濃度とが等しくなった時点で、両者の推定値及び計測値の差が算出される。この差は推定値のズレを表しており、その差に基づいて推定ズレを無くすよう吸蔵ＮＯｘ量計測値が補正される。これにより推定ズレの影響を無くして正確な吸蔵ＮＯｘ量計測値を得ることが可能になる。

好ましくは、前記別のＮＯｘ触媒が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒からなる。

本発明の他の形態によれば、
内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を設けると共にその中間部にＮＯｘセンサを設け、リッチスパイク実行後に空燃比をリーンに制御して前記ＮＯｘ触媒の上流部にＮＯｘを吸蔵させ、当該リーン制御の開始時から、前記ＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度が所定値に達するまでの間の、前記ＮＯｘ触媒の上流部における吸蔵ＮＯｘ量を計測し、この計測された吸蔵ＮＯｘ量に基づいて前記ＮＯｘ触媒の劣化を診断することを特徴とするＮＯｘ触媒の劣化診断装置が提供される。

この場合、ＮＯｘセンサの上流側に位置するＮＯｘ触媒の上流部が、前記一形態のＮＯｘ触媒全体に置き換わり、ＮＯｘセンサの下流側に位置するＮＯｘ触媒の下流部が、前記一形態の別のＮＯｘ触媒全体に置き換わる。この他の形態によっても、前記一形態と同様の原理で劣化診断等をすることが可能であり、前記一形態と同様の作用効果を発揮できる。とりわけ、別のＮＯｘ触媒を省略できる点で前記一形態より有利である。

好ましくは、前記ＮＯｘ触媒の下流部がＮＯｘ浄化処理可能な状態になっているか否かを判定するための判定手段が設けられ、前記劣化診断装置が、前記判定手段により前記ＮＯｘ触媒の下流部がＮＯｘ浄化処理可能な状態になっていると判定されたときに診断を実行する。

好ましくは、前記判定手段が、前記ＮＯｘ触媒の下流側に設けられた空燃比センサを含み、該空燃比センサがリッチ出力を発していることを、前記ＮＯｘ触媒の下流部がＮＯｘ浄化処理可能な状態になっていると判定するための条件に含む。

好ましくは、前記吸蔵ＮＯｘ量が、エンジン運転状態に基づいて推定された、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気ガスの入ガスＮＯｘ濃度と、前記ＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度とに基づいて計測され、
前記劣化診断装置が、前記ＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度が所定値に達した後に前記リーン制御を継続し、前記検出ＮＯｘ濃度が飽和した時点における前記入ガスＮＯｘ濃度と前記検出ＮＯｘ濃度の差に基づき、前記吸蔵ＮＯｘ量の計測値を補正する。

本発明によれば、劣化診断時における排ガスエミッションの悪化を防止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を還元浄化可能なＮＯｘ触媒１６が直列に設けられている。このＮＯｘ触媒１６は後に詳しく述べる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒からなり、本実施形態において劣化診断の対象となる触媒である。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の上流側ないし直前位置に、燃焼室３から排出され三元触媒１１に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を検出するための空燃比センサ即ち第１空燃比センサ３１が設置されている。第１空燃比センサ３１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出力を発する。但しこれに限らず、第１空燃比センサ３１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の下流側ないし直後位置に、三元触媒１１から流出した排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ即ち第２空燃比センサ３２が設置されている。第２空燃比センサ３２はＯ₂センサからなるが、広域空燃比センサからなってもよい。

三元触媒１１の下流側で且つＮＯｘ触媒１６の上流側ないし直前位置に、ＮＯｘ触媒１６に流入する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ即ち第３空燃比センサ３３が設置されている。第３空燃比センサ３３は広域空燃比センサからなるが、Ｏ₂センサからなってもよい。

ＮＯｘ触媒１６の下流側ないし直後位置に、ＮＯｘ触媒１６から流出した排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサ３４が設置されている。ＮＯｘセンサ３４は排気ガスのＮＯｘ濃度に比例した出力を発する。

これらに加え、ＮＯｘセンサ３４の下流側には別のＮＯｘ触媒１８が直列に設けられている。以下、上流側のＮＯｘ触媒１６を上流ＮＯｘ触媒、下流側のＮＯｘ触媒１８を下流ＮＯｘ触媒と称す。下流ＮＯｘ触媒１８は上流ＮＯｘ触媒１６と同様の吸蔵還元型ＮＯｘ触媒からなる。但し、下流ＮＯｘ触媒１８は他の型式のＮＯｘ触媒からなってもよく、例えば尿素等の還元剤の添加を伴ってＮＯｘを還元処理する選択還元型ＮＯｘ触媒からなってもよい。

下流ＮＯｘ触媒１８の下流側ないし直後位置に、下流ＮＯｘ触媒１８から流出した排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ即ち第４空燃比センサ３５が設置されている。第４空燃比センサ３５はＯ₂センサからなるが、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、第１〜第４空燃比センサ３１〜３３，３５及びＮＯｘセンサ３４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の下流側に設置された排気温センサ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、第１空燃比センサ３１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。なお、第２空燃比センサ３２により検出された空燃比が理論空燃比と等しくなるように空燃比をフィードバック制御する補助空燃比制御も行われる。補助空燃比制御は第１空燃比センサ３１の劣化等により起こる制御空燃比のズレを補正する目的で行われる。

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リーンな値に設定され、理論空燃比よりリーンな混合気が燃焼（希薄燃焼）させられる場合がある。これをリーンバーン制御或いはリーン制御といい、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或いはリーン運転という。なおリーンバーン制御時もストイキ制御時と同様、第１空燃比センサ３１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。

三元触媒１１は、担体基材の表面上に、酸化セリウムＣｅＯ₂やジルコニア等の酸素吸蔵成分を含むコート材を被覆し、このコート材表面に、Ｐｔ、Ｌｄ等の貴金属微粒子を多数分散配置させて構成されている。三元触媒１１は酸素吸蔵能を有し、これに供給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理論空燃比よりリッチのときに吸蔵した酸素を放出する。

一方、前述したように、上流側及び下流側のＮＯｘ触媒１６，１８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触媒はＮＯｘ吸蔵能を有し、これに供給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、これに供給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。この放出されたＮＯｘは触媒中の貴金属を介して理論空燃比又はそれよりリッチの排気ガス（リッチガス）と反応し、Ｎ₂に還元処理される。

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触媒は排気中のＮＯｘの吸蔵を行う。一方、ＮＯｘ触媒がＮＯｘを飽和状態（満杯）まで吸蔵すると、ＮＯｘ触媒がそれ以上ＮＯｘを吸蔵できなくなることから、ＮＯｘ触媒から吸蔵ＮＯｘを放出させるべく、ＮＯｘ触媒に一時的に還元剤を供給するリッチスパイクないしリッチスパイク制御が実行される。このリッチスパイク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を放出させ、この放出ＮＯｘと反応して放出ＮＯｘを還元する。このように、ＮＯｘ触媒から吸蔵ＮＯｘを放出してＮＯｘ触媒のＮＯｘ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触媒のＮＯｘ吸放出作用はＮＯｘ触媒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、特に上流ＮＯｘ触媒１６の触媒温度（具体的には触媒床温）を計測し、ＮＯｘ触媒１６の状態を監視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、触媒後の排気温センサ２２により検出された排気温に基づき、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ず、下流ＮＯｘ触媒１８の触媒温度を併せて計測するようにしてもよい。

次に、ＮＯｘ触媒の劣化診断について説明する。前述したように、ここで診断対象となるのは上流ＮＯｘ触媒１６の方である。

図２に、診断時における各値の推移を示す。（Ａ）は上流ＮＯｘ触媒１６に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）、（Ｂ）は上流ＮＯｘ触媒１６に吸蔵された吸蔵ＮＯｘ量Ｍ、（Ｃ）はＮＯｘセンサ３４で検出されたＮＯｘ濃度（即ち上流ＮＯｘ触媒１６から流出した排気ガスのＮＯｘ濃度）Ｃ２、（Ｄ）は排気管６の末端のテールパイプから大気に排出される排気ガスのＮＯｘ濃度Ｃｚをそれぞれ示す。（Ａ）において、Ｓはストイキ、Ｌはリーン、Ｒはリッチを意味する。

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いる（例えばＡ／Ｆ＝２８）。このときエンジンから排出されるＮＯｘはＮＯｘ触媒１６に吸蔵される。そしてＮＯｘ触媒１６においてＮＯｘが所定量吸蔵されると、リッチスパイクＲＳが実行され、空燃比はストイキよりもリッチな値（例えばＡ／Ｆ＝１１〜１２）に切替制御される（時刻ｔ１）。

ここでＮＯｘ触媒１６における吸蔵ＮＯｘ量の計測方法について説明する。この計測は所定の演算周期毎にＥＣＵ２０によって次のように実行される。まず、ＮＯｘ触媒１６に流入する排気ガスのＮＯｘ濃度（入ガスＮＯｘ濃度Ｃ１）が、エンジン運転状態を表す検出値（例えば回転速度とアクセル開度）に基づいて所定のマップ等により推定される。また、ＮＯｘ触媒１６から流出した排気ガスのＮＯｘ濃度（出ガスＮＯｘ濃度Ｃ２）がＮＯｘセンサ３４によって検出される。入ガスＮＯｘ濃度Ｃ１の推定値から出ガスＮＯｘ濃度Ｃ２の検出値を減じて得られる差に、ＮＯｘ触媒１６を通過した排気ガス量（ここではエアフローメータ５で検出された吸入空気量Ｇａで代用）を乗じて、１演算周期における吸蔵ＮＯｘ量ｄＭが算出される。この１演算周期における吸蔵ＮＯｘ量ｄＭを演算周期毎に順次積算し、最終的な計測値としての吸蔵ＮＯｘ量Ｍが算出される。なお、この計測された吸蔵ＮＯｘ量Ｍが予め設定されたリッチスパイク開始値Ｍｒｓに達した時にリッチスパイクが開始されることとなる。このリッチスパイク開始値Ｍｒｓは本実施形態ではＮＯｘ排出を確実に防止する観点から、現状のＮＯｘ触媒１６が吸蔵可能なＮＯｘ量より少ない値に設定されている。他方、入ガスＮＯｘ濃度Ｃ１は、上記のような推定ではなく、ＮＯｘ触媒１６の上流側に別のＮＯｘセンサを設けて直接検出してもよい。

リッチスパイクＲＳが実行されるとＮＯｘ触媒１６には還元剤を含むリッチガスが供給され、ＮＯｘ触媒１６から吸蔵ＮＯｘが放出される。放出されたＮＯｘは触媒中でリッチガスと反応し還元処理される。

ＮＯｘ触媒１６から吸蔵ＮＯｘが全て放出されるような所定時刻ｔ２において、リッチスパイクＲＳが終了され、同時に再度リーンバーン制御（リーン制御）が開始される。このリーンバーン制御の開始と同時に、劣化診断のための吸蔵ＮＯｘ量Ｍの計測が開始される。この計測中、吸蔵ＮＯｘ量Ｍが前述の方法で順次積算され、増加していく。そして暫くするとＮＯｘ触媒１６にＮＯｘが満杯付近まで溜まるようになり、ＮＯｘ触媒１６からこれを素通りしたＮＯｘが流出し始め、ＮＯｘセンサ３４で検出される出ガスＮＯｘ濃度Ｃ２が次第に増加していく。この出ガスＮＯｘ濃度Ｃ２がほぼ満杯相当の所定値Ｃ２ｓに達した時点ｔ３で、吸蔵ＮＯｘ量Ｍの計測が終了し、当該時点ｔ３での吸蔵ＮＯｘ量Ｍが今回診断時における計測値として取得される。

基本的には、この取得された吸蔵ＮＯｘ量Ｍを所定の劣化判定値Ｍｓと比較し、その大小に応じてＮＯｘ触媒１６の正常・劣化を判定できる。しかしながら、本実施形態では診断精度をより向上させるため、吸蔵ＮＯｘ量Ｍに対して必要に応じて次のような補正を行った後に劣化判定値Ｍｓと比較するようにしている。

即ち、出ガスＮＯｘ濃度Ｃ２が所定値Ｃ２ｓに達した後にもリーンバーン制御が継続される。するとＮＯｘセンサ３４で検出される出ガスＮＯｘ濃度Ｃ２が次第に増加しなくなり、一定値に収束する飽和状態に達する。このとき、ＮＯｘ触媒１６における吸蔵ＮＯｘは完全な満杯状態となっており、ＮＯｘ触媒１６に流入した全ＮＯｘがそのまま素通りしてＮＯｘ触媒１６から流出する。よって実際の入ガスＮＯｘ濃度Ｃ１と実際の出ガスＮＯｘ濃度Ｃ２とは等しい状態となっている。ここで仮に、入ガスＮＯｘ濃度Ｃ１の推定値が真の値からずれていたとすると、この推定値を用いて計測された吸蔵ＮＯｘ量Ｍも真の値からずれていることになる。そこでこの推定ズレを補正すべく、出ガスＮＯｘ濃度Ｃ２の検出値を真の値とみなし、飽和状態に達した時点での入ガスＮＯｘ濃度Ｃ１の推定値と出ガスＮＯｘ濃度Ｃ２の検出値の差に基づき、吸蔵ＮＯｘ量Ｍの計測値が補正される。具体的には、当該飽和状態に達するような、時刻ｔ３から所定時間経過時点ｔ４での入ガスＮＯｘ濃度Ｃ１の推定値と出ガスＮＯｘ濃度Ｃ２の検出値が取得され、これらの差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２に基づき所定のマップ等から補正係数Ｋが算出され、この補正係数Ｋが吸蔵ＮＯｘ量計測値Ｍに乗じられて補正後の吸蔵ＮＯｘ量計測値Ｍ’（＝Ｋ×Ｍ）が算出される。例えばΔＣが正の所定値より大きい場合、入ガスＮＯｘ濃度Ｃ１の推定値が真の値より大きいことを意味し、真の値より大きい吸蔵ＮＯｘ量Ｍが計測されてしまうので、この吸蔵ＮＯｘ量Ｍを減少補正すべく、１より小さい補正係数Ｋが算出されることになる。

こうして補正後の吸蔵ＮＯｘ量Ｍ’が得られたならば、この値が所定の劣化判定値Ｍｓと比較され、Ｍ’≧ＭｓならＮＯｘ触媒１６は正常、Ｍ’＜ＭｓならＮＯｘ触媒１６は劣化と判定される。なお、劣化判定時にはその旨をユーザに知らせるためチェックランプ等の警告装置がオンされる。また、診断終了と同時にリッチスパイクを実行し、ＮＯｘ再生を実行するのが好ましい。

さて、この劣化診断によれば、吸蔵ＮＯｘ量Ｍの計測終了直前と計測終了後のリーン制御継続中において、上流ＮＯｘ触媒１６からＮＯｘが排出される。この排出ＮＯｘを何等処理せずに大気中に放出してしまうことは当然の事ながら好ましくない。そこで本実施形態では、上流ＮＯｘ触媒１６及びＮＯｘセンサ３４の下流側に下流ＮＯｘ触媒１８を設け、この下流ＮＯｘ触媒１８により、上流ＮＯｘ触媒１６から排出されたＮＯｘを吸蔵し浄化することとしている。これにより当該排出ＮＯｘの大気への放出を防止し（図２（Ｄ）の実線参照）、劣化診断時における排ガスエミッションの悪化を防止することができる。

ところで、下流ＮＯｘ触媒１８を設けた場合にあっても、下流ＮＯｘ触媒１８がＮＯｘ浄化処理可能な状態になっていなければ上流ＮＯｘ触媒１６から排出されたＮＯｘを浄化処理することができない（図２（Ｄ）の仮想線参照）。そこで本実施形態では、下流ＮＯｘ触媒１８がＮＯｘ浄化処理可能な状態になっているか否かを判定し、そのような状態になっていると判定したときに診断を実行するようにしている。

具体的には、下流ＮＯｘ触媒１８がＮＯｘ浄化処理可能な状態になっていると判定するための条件に、第４空燃比センサ３５が理論空燃比よりリッチな空燃比に相当するリッチ出力を発していることが含まれる。第４空燃比センサ３５がリッチ出力を発しているということは、下流ＮＯｘ触媒１８から少なくともリーンガスが流出しておらず、下流ＮＯｘ触媒１８のＮＯｘ吸蔵能に余裕がある、即ち下流ＮＯｘ触媒１８がＮＯｘ吸蔵可能な状態になっていることを意味する。よって第４空燃比センサ３５がリッチ出力を発していることを条件とすることにより、上流ＮＯｘ触媒１６から排出されたＮＯｘを下流ＮＯｘ触媒１８により確実に吸蔵即ち浄化処理することができ、排ガスエミッションの悪化を防止することができる。

加えて、下流ＮＯｘ触媒１８は所定の作動温度域（例えば２８０〜５５０℃）にないとＮＯｘ吸蔵を行えないことから、下流ＮＯｘ触媒１８の温度を計測（検出又は推定）し、その計測温度が当該作動温度域にあることを、下流ＮＯｘ触媒１８がＮＯｘ浄化処理可能な状態になっていると判定するための条件に含んでもよい。

次に、ＥＣＵ２０により実行される具体的な劣化診断処理の手順を図３を参照して説明する。

まず、ステップＳ１０１では、劣化診断をするのに適した所定条件が成立しているか否かが判断される。この所定条件には、上流ＮＯｘ触媒１６の推定触媒温度が所定の作動温度域（２８０〜５５０℃）にあること、各空燃比センサ３１，３２，３３，３５が活性化していること、ＮＯｘセンサ３４が活性化していることを含み、さらに、第４空燃比センサ３５がリッチ出力を発していることを含む。このほか、現トリップ中の診断が未終了であることを含めてもよく、下流ＮＯｘ触媒１８の触媒温度を計測する手段がある場合にはその計測された触媒温度が所定の作動温度域にあることを含めてもよい。

所定条件不成立のときは成立するまで待機状態となり、所定条件成立のときはステップＳ１０２に進んでリッチスパイクが実行される。そしてこのリッチスパイクが終了すると、同時にステップＳ１０３においてリーン制御が実行、開始される。

このリーン制御中、ステップＳ１０４において上流ＮＯｘ触媒１６の吸蔵ＮＯｘ量Ｍの計測、積算が実行され、同時にステップＳ１０５において、ＮＯｘセンサ３４で検出された出ガスＮＯｘ濃度Ｃ２が所定値Ｃ２ｓ以上に到達したか否かが判断される。到達していなければステップＳ１０３のリーン制御及びステップＳ１０４の吸蔵ＮＯｘ量積算が続行され、到達した場合にはその時点で積算終了となり、ステップＳ１０６にて積算値が最終的な吸蔵ＮＯｘ量Ｍの計測値として取得される。なお、この後も引き続きリーン制御が継続される。

次にステップＳ１０７で、到達時点から所定時間が経過したか否かが判断され、経過していなければ待機状態となる。他方、経過していればステップＳ１０８に進み、その経過時点での入ガスＮＯｘ濃度Ｃ１の推定値と出ガスＮＯｘ濃度Ｃ２の検出値が取得される。そして、これら濃度差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２が算出され、濃度差ΔＣの絶対値が所定の閾値ΔＣｓ（＞０）と比較される。

濃度差ΔＣの絶対値が閾値ΔＣｓより大きい場合には、入ガスＮＯｘ濃度Ｃ１の推定値に推定ズレがあるとみなし、ステップＳ１０９に進んで吸蔵ＮＯｘ量計測値Ｍが補正された後、ステップＳ１１０に至る。なお便宜上、補正後の吸蔵ＮＯｘ量計測値もＭで表す。他方、濃度差ΔＣの絶対値が閾値ΔＣｓ以下の場合には、入ガスＮＯｘ濃度Ｃ１の推定値がほぼ正確であるとみなし、ステップＳ１０９をスキップしてステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、吸蔵ＮＯｘ量計測値Ｍ（補正済みの値若しくは未補正の値）が所定の劣化判定値Ｍｓと比較され、Ｍ≧ＭｓならばステップＳ１１１で上流ＮＯｘ触媒１６は正常と判定され、Ｍ＜ＭｓならばステップＳ１１２で上流ＮＯｘ触媒１６は劣化と判定される。

次に、他の実施形態を説明する。この他の実施形態は大略前記実施形態と同様であり、以下相違点を中心に説明する。

図４に示すように、この他の実施形態は排気系の構成が異なっており、ＮＯｘセンサ３４が上流ＮＯｘ触媒１６の下流側ではなく、上流ＮＯｘ触媒１６の中間部に設けられている。そして下流ＮＯｘ触媒１８は省略され、第４空燃比センサ３５は上流ＮＯｘ触媒１６の下流側ないし直後位置に設けられている。

詳しくは、上流ＮＯｘ触媒１６内の複数のガス流路（セル）の上流端と下流端の間の位置に、ＮＯｘセンサ３４の検出部が一部のガス流路を横切るようにして配置されている。このセンサ検出部の位置を境に、当該位置より上流側の上流ＮＯｘ触媒１６の部分を上流部１６Ａとし、当該位置より下流側の上流ＮＯｘ触媒１６の部分を下流部１６Ｂとする。

この場合、上流部１６Ａが前記実施形態の上流ＮＯｘ触媒１６全体に置き換わり、下流部１６Ｂが前記実施形態の下流ＮＯｘ触媒１８全体に置き換わる。そしてこの他の実施形態においても、前記実施形態と同様の原理で劣化診断等をすることが可能であり、前記実施形態と同様の作用効果を発揮できる。とりわけ、下流側ＮＯｘ触媒１８を省略できる点で前記実施形態より有利である。

上流ＮＯｘ触媒１６にリーンガスを流入させると、ＮＯｘは上流ＮＯｘ触媒１６の上流端から次第に下流端側に向けて吸蔵されていく。初期の頃は上流部１６ＡでＮＯｘが十分に吸蔵されるので、ＮＯｘセンサ３４にＮＯｘが至らないが、暫くすると上流部１６ＡがＮＯｘ満杯状態となり、ＮＯｘセンサ３４にＮＯｘが供給される。従ってリーン制御開始時から、ＮＯｘセンサ３４の検出ＮＯｘ濃度Ｃ２が所定値Ｃ２ｓに達する時までの間の上流部１６Ａにおける吸蔵ＮＯｘ量を計測し、これを劣化判定値と比較することで、上流部１６Ａの劣化、ひいては上流ＮＯｘ触媒１６全体の劣化を診断することが可能である。吸蔵ＮＯｘ量の計測終了時付近で上流部１６Ａを素通りしたＮＯｘを下流部１６Ｂで吸蔵し、浄化処理できるので、排ガスエミッションの悪化を防止できる。

また、第４空燃比センサ３５がリッチ出力を発しているときには下流部１６ＢのＮＯｘ吸蔵能に余力があるとみなせるから、下流部１６ＢがＮＯｘ浄化処理可能な状態になっていると判定し、劣化診断が実行される。上流部１６Ａの吸蔵ＮＯｘ量計測値の補正も、前記実施形態と同様に実行される。

なお、この他の実施形態を実施するに当たっては、ここで説明した劣化診断等が好適に行えるよう、ＮＯｘ触媒の大きさやＮＯｘセンサの設置位置等を適切に設定するのが望ましい。例えば、ＮＯｘ触媒の全長（即ちその内部のガス流路の全長）を長くしたり、ＮＯｘセンサの検出部の設置位置をガス流路の丁度中間よりやや下流側に設置したりするのが好適である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記以外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ＮＯｘ触媒の上流側に三元触媒を配置した例を示したが、三元触媒のない実施形態や、ＮＯｘ触媒の下流側に三元触媒を配置した実施形態も可能である。また前記実施形態では吸蔵ＮＯｘ量の計測終了タイミングを検出ＮＯｘ濃度がほぼ満杯相当の値に達するタイミングに設定したが、それより早いタイミングに設定してもよく、例えば検出ＮＯｘ濃度が増加開始する付近のタイミングに設定してもよい。

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推移を示すタイムチャートである。 劣化診断処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。

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 上流ＮＯｘ触媒
１６Ａ 上流部
１６Ｂ 下流部
１８ 下流ＮＯｘ触媒
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２２ 排気温センサ
３１ 第１空燃比センサ
３２ 第２空燃比センサ
３３ 第３空燃比センサ
３４ ＮＯｘセンサ
３５ 第４空燃比センサ
Ｍ 吸蔵ＮＯｘ量
Ｃ１ 入ガスＮＯｘ濃度
Ｃ２ 出ガスＮＯｘ濃度
ΔＣ 濃度差
Ｋ 補正係数

Claims (9)

1. 内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を設けると共にその下流側にＮＯｘセンサを設け、リッチスパイク実行後に空燃比をリーンに制御して前記ＮＯｘ触媒にＮＯｘを吸蔵させ、当該リーン制御の開始時から、前記ＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度が所定値に達するまでの間の、前記ＮＯｘ触媒における吸蔵ＮＯｘ量を計測し、この計測された吸蔵ＮＯｘ量に基づいて前記ＮＯｘ触媒の劣化を診断する装置であって、前記ＮＯｘセンサの下流側に別のＮＯｘ触媒を設けたことを特徴とするＮＯｘ触媒の劣化診断装置。
2. 前記別のＮＯｘ触媒がＮＯｘ浄化処理可能な状態になっているか否かを判定するための判定手段が設けられ、該判定手段により前記別のＮＯｘ触媒がＮＯｘ浄化処理可能な状態になっていると判定されたときに診断を実行する
   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. 前記判定手段が、前記別のＮＯｘ触媒の下流側に設けられた空燃比センサを含み、該空燃比センサがリッチ出力を発していることを、前記別のＮＯｘ触媒がＮＯｘ浄化処理可能な状態になっていると判定するための条件に含む
   ことを特徴とする請求項２記載のＮＯｘ触媒の劣化診断装置。
4. 前記吸蔵ＮＯｘ量が、エンジン運転状態に基づいて推定された、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気ガスの入ガスＮＯｘ濃度と、前記ＮＯｘセンサによって検出された、前記ＮＯｘ触媒から流出した排気ガスの出ガスＮＯｘ濃度とに基づいて計測され、
   前記ＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度が所定値に達した後に前記リーン制御を継続し、前記出ガスＮＯｘ濃度が飽和した時点における前記入ガスＮＯｘ濃度と前記出ガスＮＯｘ濃度の差に基づき、前記吸蔵ＮＯｘ量の計測値を補正する
   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。
5. 前記別のＮＯｘ触媒が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒からなる
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＮＯｘ触媒の劣化診断装置。
6. 内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を設けると共にその中間部にＮＯｘセンサを設け、リッチスパイク実行後に空燃比をリーンに制御して前記ＮＯｘ触媒の上流部にＮＯｘを吸蔵させ、当該リーン制御の開始時から、前記ＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度が所定値に達するまでの間の、前記ＮＯｘ触媒の上流部における吸蔵ＮＯｘ量を計測し、この計測された吸蔵ＮＯｘ量に基づいて前記ＮＯｘ触媒の劣化を診断することを特徴とするＮＯｘ触媒の劣化診断装置。
7. 前記ＮＯｘ触媒の下流部がＮＯｘ浄化処理可能な状態になっているか否かを判定するための判定手段が設けられ、該判定手段により前記ＮＯｘ触媒の下流部がＮＯｘ浄化処理可能な状態になっていると判定されたときに診断を実行する
   ことを特徴とする請求項６記載のＮＯｘ触媒の劣化診断装置。
8. 前記判定手段が、前記ＮＯｘ触媒の下流側に設けられた空燃比センサを含み、該空燃比センサがリッチ出力を発していることを、前記ＮＯｘ触媒の下流部がＮＯｘ浄化処理可能な状態になっていると判定するための条件に含む
   ことを特徴とする請求項７記載のＮＯｘ触媒の劣化診断装置。
9. 前記吸蔵ＮＯｘ量が、エンジン運転状態に基づいて推定された、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気ガスの入ガスＮＯｘ濃度と、前記ＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度とに基づいて計測され、
   前記ＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度が所定値に達した後に前記リーン制御を継続し、前記検出ＮＯｘ濃度が飽和した時点における前記入ガスＮＯｘ濃度と前記検出ＮＯｘ濃度の差に基づき、前記吸蔵ＮＯｘ量の計測値を補正する
   ことを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載のＮＯｘ触媒の劣化診断装置。

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