JP3592579B2

JP3592579B2 - 内燃機関の排気ガス浄化装置

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Publication number: JP3592579B2
Application number: JP13534499A
Authority: JP
Inventors: 伸明高岡; 弘志大野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2019-05-17
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関し、特に三元触媒と、窒素酸化物を浄化する窒素酸化物浄化装置とを備え、窒素酸化物浄化装置の劣化判定機能を有する排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定する（いわゆるリーン運転を実行する）と、窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という）の排出量が増加する傾向があるため、機関の排気系にＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収剤を内蔵するＮＯｘ浄化装置を設け、排気ガスの浄化を行う技術が従来より知られている。このＮＯｘ吸収剤は、空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い（ＮＯｘが多い）状態（以下「排気ガスリーン状態」という）においては、ＮＯｘを吸収する一方、逆に空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が比較的低い状態（以下「排気ガスリッチ状態」という）においては、吸収したＮＯｘを放出する特性を有する。このＮＯｘ吸収剤を内蔵するＮＯｘ浄化装置は、排気ガスリッチ状態においては、ＮＯｘ吸収剤から放出されるＮＯｘはＨＣ、ＣＯにより還元されて、窒素ガスとして排出され、またＨＣ、ＣＯは酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排出されるように構成されている。
【０００３】
上記ＮＯｘ吸収剤が、吸収できるＮＯｘ量には当然限界があり、この限界値は、ＮＯｘ吸収剤が劣化すると小さくなる傾向を示す。そのため、ＮＯｘ浄化装置の上流側及び下流側に酸素濃度センサを配置し、ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘを放出させるための空燃比リッチ化を実行し、前記上流側酸素濃度センサがリッチ空燃比を示す値に変化した時点から、前記下流側酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値に変化する時点までの遅れ時間により、ＮＯｘ吸収剤の劣化度合を判定する手法が、従来より知られている（特開平１０−２９９４６０号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
内燃機関のリーン運転を行う場合でも、常にリーン運転を行うわけではなく、機関運転状態によっては、空燃比を理論空燃比に設定するストイキ運転や、理論空燃比よりリッチ側の空燃比に設定するリッチ運転も行うので、通常はＮＯｘ浄化装置だけでなく、酸化還元作用を有する三元触媒も併用される。その場合に、三元触媒は機関の始動後できるだけ早期に活性化する必要があることから、機関の燃焼室に近い位置に配置される一方、ＮＯｘ吸収剤は耐熱性が低いので、ＮＯｘ浄化装置は三元触媒より下流側に配置される。そのため、上記従来の手法では、以下のような問題があった。
【０００５】
すなわち、三元触媒が劣化してくると、空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に変更したときに、三元触媒下流側において酸素濃度が低下するタイミングが早くなり、かつ還元作用を有するＨＣ、ＣＯの濃度も大きくなるため、ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘ量が同じであってもその還元に要する時間が変化し、ＮＯｘ浄化装置の劣化を正確に判定できない場合があった。
【０００６】
本発明はこの点に着目してなされたものであり、ＮＯｘ浄化装置が三元触媒の下流側に配置される場合でも、その劣化度合を正確に判定することができるようにした排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気系に設けられ、排気ガスリーン状態において排気ガス中の窒素酸化物を吸収する窒素酸化物浄化手段と、該窒素酸化物浄化手段の上流側に設けられた三元触媒とを備えた排気ガス浄化装置において、前記窒素酸化物浄化手段と前記三元触媒との間に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する第１の酸素濃度センサと、前記窒素酸化物浄化手段の下流側に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する第２の酸素濃度センサと、前記三元触媒の劣化度合を判定する第１の劣化判定手段と、前記機関に供給する混合気の空燃比をリッチ化することにより排気ガスリーン状態を排気ガスリッチ状態へ移行させた後、前記第１の酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値に変化した時点から、前記第２の酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値となる時点までの第１の判定時間と、前記三元触媒の劣化度合とに基づいて、前記窒素酸化物浄化手段の劣化を判定する第２の劣化判定手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、機関に供給する混合気の空燃比をリッチ化することにより排気ガスリーン状態から排気ガスリッチ状態へ移行させた後、第１の酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値に変化した時点から、第２の酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値となる時点までの第１の判定時間と、窒素酸化物浄化手段の上流側に配置された三元触媒の劣化度合とに基づいて、窒素酸化物浄化手段の劣化が判定されるので、三元触媒の劣化度合に拘わらず正確な窒素酸化物浄化手段の劣化判定を行うことができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記三元触媒の上流側に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する第３の酸素濃度センサを備え、前記第１の劣化判定手段は、前記空燃比のリッチ化後、前記第３の酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値に変化した時点から、前記第１の酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値となる時点までの第２の判定時間により、前記三元触媒の劣化度合を判定することを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、空燃比のリッチ化後、第３の酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値に変化した時点から、第１の酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値となる時点までの第２の判定時間により、三元触媒の劣化度合が判定されるので、窒素酸化物浄化手段の劣化判定だけでなく三元触媒の劣化判定も同時に行うことができる。
【００１１】
前記第２の劣化判定手段は、前記三元触媒の劣化度合が大きいほど前記第１の判定時間が増加するように補正し、該補正後の第１の判定時間が判定基準時間より短いときに前記窒素酸化物浄化手段が劣化していると判定することが望ましい。あるいは、前記第２の劣化判定手段は、前記三元触媒の劣化度合が大きいほど判定基準時間が減少するように補正し、前記第１の判定時間が補正後の判定基準時間より短いときに前記窒素酸化物浄化手段が劣化していると判定するようにしてもよい。ここで、判定基準時間は、例えば前記窒素酸化物浄化手段の浄化能力が新品の５０％程度まで低下した場合に対応する時間に設定する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の一形態にかかる排気ガス浄化装置を含む、内燃機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置の全体構成図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度（θＴＨ）センサ４が連結されており、当該スロットル弁３の開度に応じた電気信号を出力してエンジン制御用電子コントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給する。
【００１３】
燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。
【００１４】
一方、スロットル弁３の直ぐ下流には負荷検出手段としての吸気管内絶対圧（ＰＢＡ）センサ８が設けられており、この絶対圧センサ８により電気信号に変換された絶対圧信号は前記ＥＣＵ５に供給される。また、その下流には吸気温（ＴＡ）センサ９が取付けられており、吸気温ＴＡを検出して対応する電気信号を出力してＥＣＵ５に供給する。
【００１５】
エンジン１の本体に装着されたエンジン水温（ＴＷ）センサ１０はサーミスタ等から成り、エンジン水温（冷却水温）ＴＷを検出して対応する温度信号を出力してＥＣＵ５に供給する。
エンジン１の図示しないカム軸周囲又はクランク軸周囲には、エンジン回転数（ＮＥ）センサ１１及び気筒判別（ＣＹＬ）センサ１２が取り付けられている。エンジン回転数センサ１１は、エンジン１の各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０゜毎に）ＴＤＣ信号パルスを出力し、気筒判別センサ１２は、特定の気筒の所定クランク角度位置で気筒判別信号パルスを出力するものであり、これらの各信号パルスはＥＣＵ５に供給される。
【００１６】
排気管１３には三元触媒１４と、窒素酸化物浄化手段としてのＮＯｘ浄化装置１５とが上流側からこの順序で設けられている。
三元触媒は、酸素蓄積能力を有し、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い排気ガスリーン状態では、排気ガス中の酸素を蓄積し、逆にエンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が低く、ＨＣ、ＣＯ成分が多い排気ガスリッチ状態では、蓄積した酸素により排気ガス中のＨＣ，ＣＯを酸化する機能を有する。
【００１７】
ＮＯｘ浄化装置１５は、ＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収剤及び酸化、還元を促進するための触媒を内蔵する。ＮＯｘ吸収剤としては、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い（ＮＯｘが多い）排気ガスリーン状態においては、ＮＯｘを吸蔵する一方、逆にエンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比近傍または理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が比較的低い排気ガスリッチ状態においては、吸蔵したＮＯｘを放出する特性を有する吸蔵式のもの、あるいは排気ガスリーン状態においてはＮＯｘを吸着し、排気ガスリッチ状態において還元する吸着式のものを使用する。ＮＯｘ浄化装置１５は、排気ガスリーン状態においては、ＮＯｘ吸収剤にＮＯｘを吸収させる一方、排気ガスリッチ状態においては、ＮＯｘ吸収剤から放出されるＮＯｘがＨＣ、ＣＯにより還元されて、窒素ガスとして排出され、またＨＣ、ＣＯは酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排出されるように構成されている。吸蔵式のＮＯｘ吸収剤としては、例えば酸化バリウム（Ｂａ０）が使用され、吸着式のＮＯｘ吸収剤としては、例えばナトリウム（Ｎａ）とチタン（Ｔｉ）またはストロンチウム（Ｓｒ）とチタン（Ｔｉ）が使用され、触媒としては吸蔵式及び吸着式のいずれにおいても、例えばロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）などの貴金属が使用される。
【００１８】
ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収能力の限界、すなわち最大ＮＯｘ吸収量まで、ＮＯｘを吸収すると、それ以上ＮＯｘを吸収できなくなるので、適時ＮＯｘを放出させて還元するために空燃比のリッチ化、すなわち還元リッチ化を実行する。
三元触媒１４の上流位置には、比例型空燃比センサ１７（以下「ＬＡＦセンサ１７」という）が装着されており、このＬＡＦセンサ１６は排気ガス中の酸素濃度（空燃比）にほぼ比例した電気信号を出力し、ＥＣＵ５に供給する。
【００１９】
三元触媒１４とＮＯｘ浄化装置１５との間及びＮＯｘ浄化装置１５の下流位置には、それぞれ二値型酸素濃度センサ（以下「Ｏ２センサ」という）１８，１９が装着されており、これらのセンサの検出信号はＥＣＵ５に供給される。このＯ２センサ１８，１９は、その出力が理論空燃比の前後において急激に変化する特性を有し、その出力は理論空燃比よりリッチ側で高レベルとなり、リーン側で低レベルとなる。
【００２０】
エンジン１は、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを、エンジンの高速回転領域に適した高速バルブタイミングと、低速回転領域に適した低速バルブタイミングとの２段階に切換可能なバルブタイミング切換機構３０を有する。このバルブタイミングの切換は、弁リフト量の切換も含み、さらに低速バルブタイミング選択時は２つに吸気弁のうちの一方を休止させて、空燃比を理論空燃比よりリーン化する場合においても安定した燃焼を確保するようにしている。
【００２１】
バルブタイミング切換機構３０は、バルブタイミングの切換を油圧を介して行うものであり、この油圧切換を行う電磁弁及び油圧センサがＥＣＵ５に接続されている。油圧センサの検出信号はＥＣＵ５に供給され、ＥＣＵ５は電磁弁を制御してエンジン１の運転状態に応じたバルブタイミングの切換制御を行う。
【００２２】
ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路５ａ、中央演算処理回路（以下「ＣＰＵ」という）５ｂ、ＣＰＵ５ｂで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶手段５ｃ、前記燃料噴射弁６に駆動信号を供給する出力回路５ｄ等から構成される。
【００２３】
ＣＰＵ５ｂは、上述の各種エンジンパラメータ信号に基づいて、種々のエンジン運転状態を判別するとともに、該判別されたエンジン運転状態に応じて、次式（１）に基づき、前記ＴＤＣ信号パルスに同期して開弁作動する燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＯＵＴを演算する。
ＴＯＵＴ＝ＴｉＭ×ＫＣＭＤ×ＫＬＡＦ×Ｋ１＋Ｋ２…（１）
ここに、ＴｉＭは基本燃料量、具体的には燃料噴射弁６の基本燃料噴射時間であり、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて設定されたＴｉマップを検索して決定される。Ｔｉマップは、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに対応する運転状態において、エンジンに供給する混合気の空燃比がほぼ理論空燃比になるように設定されている。
【００２４】
ＫＣＭＤは目標空燃比係数であり、エンジン回転数ＮＥ、スロットル弁開度θＴＨ、エンジン水温ＴＷ等のエンジン運転パラメータに応じて設定される。目標空燃比係数ＫＣＭＤは、空燃比Ａ／Ｆの逆数、すなわち燃空比Ｆ／Ａに比例し、理論空燃比のとき値１．０をとるので、目標当量比ともいう。また目標空燃比係数ＫＣＭＤは、後述するように還元リッチ化を実行するときは、空燃比をリッチ化するリッチ化所定値ＫＣＭＤＲに設定される。
【００２５】
ＫＬＡＦは、フィードバック制御の実行条件が成立するときは、ＬＡＦセンサ１７の検出値から算出される検出当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤに一致するようにＰＩＤ制御により算出される空燃比補正係数である。
Ｋ１及びＫ２は夫々各種エンジンパラメータ信号に応じて演算される他の補正係数および補正変数であり、エンジン運転状態に応じた燃費特性、エンジン加速特性等の諸特性の最適化が図れるような所定値に決定される。
ＣＰＵ５ｂは上述のようにして求めた燃料噴射時間ＴＯＵＴに基づいて燃料噴射弁６を開弁させる駆動信号を出力回路５ｄを介して燃料噴射弁６に供給する。
【００２６】
図２は、前記式（１）に適用される目標空燃比係数ＫＣＭＤを算出する処理のフローチャートである。本処理は一定時間毎にＣＰＵ５ｂで実行される。
ステップＳ２１では、リーン運転中か否か、すなわち通常制御時に後述するステップＳ２８で記憶された目標空燃比係数ＫＣＭＤの記憶値ＫＣＭＤＢが「１．０」より小さいか否かを判別する。その結果、ＫＣＭＤＢ≧１．０であってリーン運転中でないときは、直ちにステップＳ２５に進み、還元リッチ化実行中であることを「１」で示すリッチ化フラグＦＲＲＯＫを「０」に設定し、さらに後述するステップＳ３２で参照するダウンカウントタイマｔｍＲＲに還元リッチ化時間ＴＲＲ（例えば５〜１０秒）をセットしてスタートさせる（ステップＳ２６）。次いで、通常制御、すなわちエンジン運転状態に応じて目標空燃比係数ＫＣＭＤの設定を行う（ステップＳ２７）。目標空燃比係数ＫＣＭＤは、基本的には、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて算出し、エンジン水温ＴＷの低温状態や所定の高負荷運転状態では、それらの運転状態に応じた値に変更される。次いでステップＳ２７で算出した目標空燃比係数ＫＣＭＤを記憶値ＫＣＭＤＢとして記憶して（ステップＳ２８）、本処理を終了する。
【００２７】
ステップＳ２１でＫＣＭＤＢ＜１．０であってリーン運転中であるときは、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて、次のステップＳ２３で使用する増分値ＡＤＤＮＯｘを決定する（ステップＳ２２）。増分値ＡＤＤＮＯｘは、リーン運転中に単位時間当たりに排出されるＮＯｘ量に対応するパラメータであり、エンジン回転数ＮＥが増加するほど、また吸気管内絶対圧ＰＢＡが増加するほど、増加するように設定されている。
【００２８】
ステップＳ２３では、下記式にステップＳ２２で決定した増分値ＡＤＤＮＯｘを適用し、ＮＯｘ量カウンタＣＮＯｘをインクリメントする。これによりＮＯｘ排出量、すなわちＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘ量に相当するカウント値が得られる。
ＣＮＯｘ＝ＣＮＯｘ＋ＡＤＤＮＯｘ
【００２９】
続くステップＳ２４では、ＮＯｘ量カウンタＣＮＯｘの値が、許容値ＣＮＯｘＲＥＦを越えたか否かを判別する。この答が否定（ＮＯ）であるときは、前記ステップＳ２５に進み、通常制御、すなわちエンジン運転状態に応じた目標空燃比係数ＫＣＭＤの設定を行う。許容値ＣＮＯｘＲＥＦは、ＮＯｘ吸収剤の最大ＮＯｘ吸収量より若干小さいＮＯｘ量に対応する値に設定される。
【００３０】
ステップＳ２４で、ＣＮＯｘ＞ＣＮＯｘＲＥＦとなると、リッチ化フラグＦＲＲＯＫを「１」に設定し（ステップＳ３０）、目標空燃比係数ＫＣＭＤを空燃比１４．０相当程度の値に対応するリッチ化所定値ＫＣＭＤＲに設定し、還元リッチ化を実行する（ステップＳ３１）。そして、タイマｔｍＲＲの値が「０」か否かを判別し（ステップＳ３２）、ｔｍＲＲ＞０である間は直ちに本処理を終了し、ｔｍＲＲ＝０となるとリッチ化フラグＦＲＲＯＫを「０」に設定するとともにＮＯｘ量カウンタＣＮＯｘの値を「０」にリセットする（ステップＳ３３）。これにより、次回からはステップＳ２４の答が否定（ＮＯ）となるので、通常制御に移行する。
【００３１】
図２の処理によれば、リーン運転可能なエンジン運転状態においては、図３に示すように間欠的に（時刻ｔ１〜ｔ２，ｔ３〜ｔ４及びｔ５〜ｔ６の期間）還元リッチ化が実行され、ＮＯｘ浄化装置１５のＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘが適宜放出される。
【００３２】
図４及び５は、三元触媒１４及びＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定を行う処理のフローチャートである。本処理は、所定時間（例えば８０ｍｓｅｃ）毎に実行される。
ステップＳ４１では、この劣化判定が終了したことを「１」で示す終了フラグＦＮＯＸＭＥＮＤが「１」か否かを判別し、ＦＮＯＸＭＥＮＤ＝１であって既に劣化判定が終了しているときは、ステップＳ４５に進む。またＦＮＯＸＭＥＮＤ＝０であって劣化判定が終了していないときは、リーン運転の実行条件成立後、所定時間ＴＬＢＣＮＴが経過したか否かを判別し（ステップＳ４２）、経過していないときはステップＳ４５に進み、経過しているときはリッチ化フラグＦＲＲＯＫが「１」か否かを判別する（ステップＳ４３）。ＦＲＲＯＫ＝０であって還元リッチ化が実行されないときは、ステップＳ４５に進み、劣化モニタフラグＦＣＡＴＭＯＮを「０」に設定し、次いで劣化判定用の第１のアップカウントタイマｔｍＭＯＮ１及び第２のアップカウントタイマｔｍＭＯＮ２を「０」に設定するとともに、これらのタイマｔｍＭＯＮ１及びｔｍＭＯＮ２による計測が開始されたことを「１」で示す第１のタイマ作動フラグＦＴＭＲ１及び第２のタイマ作動フラグＦＴＭＲ２、並びにこれらのタイマによる計測が終了したことを「１」で示す検出完了フラグＦＴＭＲ３を「０」に設定して（ステップＳ４７）、本処理を終了する。
【００３３】
ステップＳ４３でＦＲＲＯＫ＝１であって還元リッチ化が実行されているときは、劣化モニタフラグＦＣＡＴＭＯＮを「１」に設定し（ステップＳ４４）、ＬＡＦセンサ１７の出力ＶＬＡＦが所定出力値ＶＬＡＦＲＥＦ（例えば理論空燃比相当の値）より高い（空燃比リッチを示す）か否かを判別する（ステップＳ４６）。ＶＬＡＦ≦ＶＬＡＦＲＥＦである間は前記ステップＳ４７に進み、ＶＬＡＦ＞ＶＬＡＦＲＥＦとなるとステップＳ４８に進んで、第１のタイマ作動フラグＦＴＭＲ１が「１」か否かを判別する。最初はＦＴＭＲ１＝０であるので、第１のタイマｔｍＭＯＮ１をスタートさせるとともに、第１のタイマ作動フラグＦＴＭＲ１を「１」に設定して（ステップＳ４９）、ステップＳ５０に進む。その後は、ＦＴＭＲ１＝１となるのでステップＳ４８から直ちにステップＳ５０に進む。
【００３４】
ステップＳ５０では、Ｏ２センサ１８の出力ＳＶＯ２が理論空燃比相当の値より若干高い所定出力値ＳＶＯ２ＲＥＦより高いか否かを判別する。最初は、空燃比リッチ化の影響が三元触媒１４の下流側には表れないのでＳＶＯ２≦ＳＶＯ２ＲＥＦであり、直ちにステップＳ６２に進み、検出完了フラグＦＴＭＲ３が「１」か否かを判別する。ＳＶＯ２≦ＳＶＯ２ＲＥＦである間は、検出完了フラグＦＴＭＲ３＝０であり、ステップＳ６２の答は否定（ＮＯ）となるので、直ちに本処理を終了する。
【００３５】
ステップＳ５０で、ＳＶＯ２＞ＳＶＯ２ＲＥＦとなると、タイマｔｍＭＯＮ１を停止させ（ステップＳ５１）、第２のタイマ作動フラグＦＴＭＲ２が「１」であるか否かを判別する。最初はＦＴＭＲ２＝０であるので、第２のタイマｔｍＭＯＮ２をスタートさせるとともに、第２のタイマ作動フラグＦＴＭＲ２を「１」に設定して（ステップＳ５３）、ステップＳ５４に進む。その後は、ＦＴＭＲ２＝１となるのでステップＳ５２から直ちにステップＳ５４に進む。
【００３６】
ステップＳ５４では、Ｏ２センサ１９の出力ＴＶＯ２が理論空燃比相当の値より若干高い所定出力値ＴＶＯ２ＲＥＦより高いか否かを判別する。最初は、空燃比リッチ化の影響がＮＯｘ浄化装置１５の下流側には表れないのでＴＶＯ２≦ＴＶＯ２ＲＥＦであり、直ちにステップＳ６２に進み、検出完了フラグＦＴＭＲ３が「１」であるか否かを判別する。ＴＶＯ２≦ＴＶＯ２ＲＥＦである間は、検出完了フラグＦＴＭＲ３＝０であり、ステップＳ６２の答は否定（ＮＯ）となるので、直ちに本処理を終了する。
【００３７】
ステップＳ５４で、ＴＶＯ２＞ＴＶＯ２ＲＥＦとなると、タイマｔｍＭＯＮ２を停止させ、検出完了フラグＦＴＭＲ３を「１」に設定して（ステップＳ５５）、ステップＳ６２に進む。このときは、ステップＳ６２の答は肯定（ＹＥＳ）となるので、ステップＳ６３に進んで、第１のタイマｔｍＭＯＮ１の値が第１の判定基準時間ＴＷＣＲＥＦより小さいか否かを判別する。タイマｔｍＭＯＮ１の値は、その値が小さいほど三元触媒１４が劣化していること、すなわち三元触媒１４の劣化度合を示すので、ｔｍＭＯＮ１＞ＴＷＣＲＥＦであるときは、三元触媒１４は正常と判定し（ステップＳ６５）、ｔｍＭＯＮ１≦ＴＷＣＲＥＦであるときは、三元触媒１４が劣化していると判定し（ステップＳ６４）、ステップＳ６６に進む。
【００３８】
ステップＳ６６では、第１のタイマｔｍＭＯＮ１の値に応じて図６に示すＫＭＯＮ２テーブルを検索し、補正係数ＫＭＯＮ２を算出する。ＫＭＯＮ２テーブルは、第１のタイマｔｍＭＯＮ１の値が小さくなるほど、すなわち三元触媒１４の劣化度合が大きくなるほど、補正係数ＫＭＯＮ２が増加するように設定されている。続くステップＳ６７では、第２のタイマｔｍＭＯＮ２の値に補正係数ＫＭＯＮ２を乗算することより補正し、補正タイマ値ｔｍＭＯＮ２Ｃを算出する。そして、補正タイマ値ｔｍＭＯＮ２Ｃが第２の判定基準時間ＴＮＯＸＲＥＦより小さいか否かを判別する（ステップＳ６８）。
【００３９】
第２のタイマｔｍＭＯＮ２の値は、その値が小さいほどＮＯｘ浄化装置１５が劣化していることを示すので、ｔｍＭＯＮ２Ｃ＞ＴＮＯＸＲＥＦであるときは、ＮＯｘ浄化装置１５は正常と判定し（ステップＳ７０）、ｔｍＭＯＮ２Ｃ≦ＴＮＯＸＲＥＦであるときは、ＮＯｘ浄化装置１５が劣化していると判定する（ステップＳ６９）、次いで終了フラグＦＮＯＸＭＥＮＤを「１」に設定して（ステップＳ７１）、本処理を終了する。
【００４０】
第１の判定基準時間ＴＷＣＲＥＦは、例えば三元触媒１４の酸素蓄積能力が新品の５０％程度となったときの遅れ時間に対応するように実験により決定され、第２の判定基準時間ＴＮＯＸＲＥＦは、例えばＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収能力が新品の５０％程度となったときの遅れ時間に対応するように実験により決定される。
【００４１】
図４，５の処理によれば、リーン運転が継続し所定時間ＴＬＢＣＮＴ経過して、ＮＯｘ吸収剤に劣化検出が可能な量までＮＯｘを吸収させた後において還元リッチ化が実行されるときに、図７に示すように、三元触媒１４の上流側に設けられたＬＡＦセンサ１７の出力ＬＡＦが所定出力値ＶＬＡＦＲＥＦを越えた時点ｔ１１から、三元触媒１４の下流側に設けられたＯ２センサ１８の出力ＳＶＯ２が所定出力値ＳＶＯ２ＲＥＦを越える時点ｔ１２までの第１の遅れ時間ＴＭＯＮ１が第１のタイマｔｍＭＯＮ１により計測される。さらに、Ｏ２センサ１８の出力ＳＶＯ２が所定出力値ＳＶＯ２ＲＥＦを越えた時点ｔ１２から、ＮＯｘ浄化装置１５の下流側に設けられたＯ２センサ１９の出力ＴＶＯ２が所定出力値ＴＶＯ２ＲＥＦを越える時点ｔ１３までの第２の遅れ時間ＴＭＯＮ２が第２のタイマｔｍＭＯＮ２により計測される。なお、ＮＯｘ吸収剤の劣化検出が可能なＮＯｘ量とは、例えば劣化判定の基準を新品の５０％の吸収能力に設定する場合には、その新品の吸収能力（最大吸収量）の５０％を越えるＮＯｘ量である。
【００４２】
第１の遅れ時間ＴＭＯＮ１は、三元触媒１４の劣化度合を示すパラメータである。また、第２の遅れ時間ＴＭＯＮ２は、ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘが全て放出されるの要する時間に対応しており、ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収能力を示している。すなわち、第２の遅れ時間ＴＭＯＮ２が短いほど、ＮＯｘ吸収能力が低下していることを示すので、これを用いてＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定を行うことができる。ただし、本実施形態では、ＮＯｘ浄化装置１５の上流側に配置される三元触媒１４の劣化度合によって第２の遅れ時間ＴＭＯＮ２が変化すること、より具体的には、三元触媒１４の劣化度合が大きいほど、その下流側において酸素濃度が低下するタイミングが早くなり、かつ還元作用を有するＨＣ、ＣＯの濃度も大きくなることにより、ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘ量が同じであってもその還元に要する時間、すなわちが第２の遅れ時間ＴＭＯＮ２が短くなることを考慮し、補正係数ＫＭＯＮ２よりタイマ値ｔｍＭＯＮ２（＝第２の遅れ時間ＴＭＯＮ２）を補正し、補正タイマ値ｔｍＭＯＮ２Ｃが、が判定基準時間ＴＮＯＸＲＥＦより低下したとき、ＮＯｘ吸収剤の劣化と判定するようにしている。これにより、三元触媒１４の劣化度合に拘わらず、ＮＯｘ浄化装置１５の劣化判定を正確に行うことができる。
【００４３】
このように本実施形態では、排気ガス浄化装置１５の上流側に配置された三元触媒１４の劣化度合に応じて、第２の遅れ時間ＴＭＯＮ２を補正し、補正後の遅れ時間によりＮＯｘ浄化装置１５の劣化を判定するようにしたので、三元触媒１４の劣化度合の影響を受けることなく、正確な劣化判定を行うことができる。
【００４４】
本実施形態では、Ｏ２センサ１８，１９がそれぞれ第１及び第２の酸素濃度センサに相当し、ＬＡＦセンサ１７が第３の酸素濃度センサに相当する。また、図４のステップＳ４６〜Ｓ５１が第１の劣化判定手段に相当し、図４のステップＳ５０，Ｓ５２〜Ｓ５５及び図５のステップＳ６６〜Ｓ７０が第２の劣化判定手段に相当する。また、第２の遅れ時間ＴＭＯＮ２が、請求項１の第１の判定時間に対応し、第１の遅れ時間ＴＭＯＮ１が、請求項２の第２の判定時間に対応する。
【００４５】
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、第１及び第２の遅れ時間ＴＭＯＮ１、ＴＭＯＮ２の１回の計測値を用いて劣化判定を行うようにしたが、例えば１０回程度の複数回第１及び第２の遅れ時間ＴＭＯＮ１，ＴＭＯＮ２の計測を行い、その平均値を用いて判定することが望ましい。
【００４６】
また三元触媒１４の劣化度合を判定する手法は、例えば特開平６−２１２９５５号公報に示されるような他の公知の手法を使用するようにしてもよい。
また上述した実施形態では、三元触媒１４の劣化度合に応じて第２の遅れ時間ＴＭＯＮ２（ｔｍＭＯＮ２）を補正するようにしたが、これに代えて第２の判定基準時間ＴＮＯＸＲＥＦを三元触媒１４の劣化度合に応じて補正するようにしてもよい。その場合には、三元触媒の劣化度合が大きくなるほど判定基準時間ＴＮＯＸＲＥＦが減少するように補正する。
【００４７】
また還元リッチ化を実行するときのリッチ化所定値ＫＣＭＤＲをエンジン運転状態に応じて変更する場合には、遅れ時間ＴＭＯＮ１，ＴＭＯＮ２は、ＫＣＭＤＲ値の影響を受けるので、劣化判定に使用する判定基準時間ＴＷＣＲＥＦ及びＴＮＯＸＲＥＦをＫＣＭＤＲ値が増加するほど、小さな値に設定することが望ましい。
【００４８】
また上述した実施形態では、三元触媒１４の上流側に比例型空燃比センサ（酸素濃度センサ）１７を設け、ＮＯｘ浄化装置１５の上流側及び下流側に二値型の酸素濃度センサ１８及び１９を設けるようにしたが、酸素濃度センサのタイプ及び配置はどのような組み合わせを採用してもよい。例えばすべての酸素濃度センサを比例型あるいは二値型としてもよい。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項１に記載の発明によれば、機関に供給する混合気の空燃比をリッチ化することにより排気ガスリーン状態から排気ガスリッチ状態へ移行させた後、第１の酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値に変化した時点から、第２の酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値となる時点までの第１の判定時間と、窒素酸化物浄化手段の上流側に配置された三元触媒の劣化度合とに基づいて、窒素酸化物浄化手段の劣化が判定されるので、三元触媒の劣化度合に拘わらず正確な窒素酸化物浄化手段の劣化判定を行うことができる。
【００５０】
また請求項２に記載の発明によれば、空燃比のリッチ化後、第３の酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値に変化した時点から、第１の酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値となる時点までの第２の判定時間により、三元触媒の劣化度合が判定されるので、窒素酸化物浄化手段の劣化判定だけでなく三元触媒の劣化判定も同時に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図２】目標空燃比係数（ＫＣＭＤ）を算出する処理のフローチャートである。
【図３】リーン運転中における目標空燃比係数の設定を説明するためのタイムチャートである。
【図４】三元触媒及びＮＯｘ浄化装置の劣化判定を行う処理のフローチャートである。
【図５】三元触媒及びＮＯｘ浄化装置の劣化判定を行う処理のフローチャートである。
【図６】図５の処理で使用するテーブルを示す図である。
【図７】酸素濃度センサの出力値の推移と遅れ時間（ＴＭＯＮ１，ＴＭＯＮ２）を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
１内燃機関
５電子コントロールユニット（第１の劣化判定手段、第２の劣化判定手段）
６燃料噴射弁
１３排気管
１４三元触媒
１５ＮＯｘ浄化装置（窒素酸化物浄化手段）
１７比例型空燃比センサ（第３の酸素濃度センサ）
１８二値型Ｏ２センサ（第１の酸素濃度センサ）
１９二値型Ｏ２センサ（第２の酸素濃度センサ）

Claims

内燃機関の排気系に設けられ、排気ガスリーン状態において排気ガス中の窒素酸化物を吸収する窒素酸化物浄化手段と、該窒素酸化物浄化手段の上流側に設けられた三元触媒とを備えた排気ガス浄化装置において、
前記窒素酸化物浄化手段と前記三元触媒との間に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する第１の酸素濃度センサと、
前記窒素酸化物浄化手段の下流側に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する第２の酸素濃度センサと、
前記三元触媒の劣化度合を判定する第１の劣化判定手段と、
前記機関に供給する混合気の空燃比をリッチ化することにより排気ガスリーン状態を排気ガスリッチ状態へ移行させた後、前記第１の酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値に変化した時点から、前記第２の酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値となる時点までの第１の判定時間と、前記三元触媒の劣化度合とに基づいて、前記窒素酸化物浄化手段の劣化を判定する第２の劣化判定手段とを備えることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記三元触媒の上流側に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する第３の酸素濃度センサを備え、前記第１の劣化判定手段は、前記空燃比のリッチ化後、前記第３の酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値に変化した時点から、前記第１の酸素濃度センサの出力値がリッチ空燃比を示す値となる時点までの第２の判定時間により、前記三元触媒の劣化度合を判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。