JP4729518B2

JP4729518B2 - ＮＯｘ触媒の劣化診断装置

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Publication number: JP4729518B2
Application number: JP2007057674A
Authority: JP
Inventors: 裕澤田; 靖志岩▲崎▼; 徹木所; 晋一郎今村
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2027-03-07
Also published as: US20100083637A1; CN101627191A; EP2119882A4; JP2008215315A; US9021789B2; EP2119882A1; WO2008108499A1; EP2119882B1; CN101627191B

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、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）のときには排気ガス中の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。

一方、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、即ち触媒が吸蔵し得るＮＯｘ量が低下する。よってＮＯｘ触媒劣化検出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。

関連技術として、例えば特許文献１には、ＮＯｘ触媒の下流位置にＮＯｘ濃度センサを設け、このＮＯｘ濃度センサの実際のＮＯｘ濃度によるＮＯｘ排出量を所定時間積分し、この積分値によりＮＯｘ触媒の故障の有無を診断することが開示されている。また、特許文献２には、ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸収剤）からＮＯｘを放出すべく還元剤を供給したときに、ＮＯｘの放出に使用されなかった余剰の還元剤がアンモニアの形でＮＯｘ触媒下流に排出されるのを利用して、ＮＯｘ触媒の劣化度合を検出することが開示されている。これにおいて、ＮＯｘ触媒下流のアンモニア濃度が検出されると共に、このアンモニア濃度の変化から余剰の還元剤量を表す代表値が求められ、この代表値に基づいてＮＯｘ触媒の劣化度合が検出される。ＮＯｘ触媒下流のアンモニア濃度は、排気ガス中のＮＯｘ濃度及びアンモニア濃度を両方検出可能なセンサで検出される。

特許第３３１６０６６号明細書特許第３５８９１７９号明細書

ところで、自動車の排ガス規制が非常に厳しくなりつつある現在、ＮＯｘエミッション規制値が非常に小さな値となっている一方で、ＮＯｘ触媒を劣化と判定すべきＮＯｘエミッションの値即ちＯＢＤ規制値も非常に小さな値となっている。特に、米国ＳＵＬＥＶ（Super Ultra Low Emission Vehicle）では、欧州ＳＴＥＰIV等と比べ、エミッション規制値が厳しいだけでなく、ＯＢＤ規制値がエミッション規制値の１．７５倍と非常に厳しい。つまり、エミッション規制値からＯＢＤ規制値までのエミッションレベル及び触媒劣化度の差が小さく、その小さい差を見分けなければならない。そのため、ＮＯｘ触媒の劣化診断についてもより高い診断精度が求められてきている。

例えば特許文献１に記載の技術だと、ＮＯｘ触媒下流のＮＯｘ濃度センサの出力値に基づくＮＯｘ排出量を積分し、この積分値によりＮＯｘ触媒の故障の有無を診断する。しかし、ここでいうＮＯｘ排出量とは、ＮＯｘ触媒で何等処理されずにＮＯｘ触媒を単に通過したＮＯｘ（すり抜けＮＯｘと称す）の排出量であり、ＮＯｘ濃度センサの出力値自体微小である。一般にセンサ出力値が小さいほど誤差割合が大きくなるので、センサの誤差をも考慮すると、誤差分を多く含んだ値が積分されて故障診断に用いられている可能性があり、高い診断精度を確保するという点では必ずしも十分ではない。

また、特許文献２に記載の技術では、ＮＯｘ触媒に供給された還元剤量のうち余剰の還元剤量が減じられ、ＮＯｘ触媒からのＮＯｘ放出に必要十分な過不足の無い還元剤量が計算される。そしてこの適量の還元剤量が所定値を下回ったとき、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能が十分低下したとみなして、ＮＯｘ触媒が劣化と判定される（段落００６５〜００６８、図９参照）。つまり特許文献２に記載の技術は、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していることになる。

この技術の場合、適量の還元剤量の計算に余剰の還元剤量が用いられ、適量の還元剤量が多い場合であっても少ない場合であっても（即ち、ＮＯｘ吸蔵能が高い場合であっても低い場合であっても）、常に還元剤量が適量になるようにフィードバック制御される。よって必然的に、余剰の還元剤量が比較的頻繁に発生することになるが、還元剤量が過剰になることは即ち燃費の悪化に繋がる。

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しかも燃費悪化を引き起こすことなく検出することができる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触媒に吸蔵ＮＯｘを放出させるための還元剤を供給するリッチスパイクを実行するリッチスパイク手段と、
前記ＮＯｘ触媒の下流側に設けられたＮＯｘセンサと、
前記ＮＯｘ触媒に、劣化と正常の境目であるクライテリア触媒が吸蔵し得るＮＯｘ量に相応した量の還元剤が供給されたときの前記ＮＯｘセンサの出力に基づいて、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触媒に、クライテリア触媒が吸蔵し得るＮＯｘ量に相応した量の還元剤が供給されたときのＮＯｘセンサの出力に基づいて、ＮＯｘ触媒の劣化が判定される。正常触媒の場合、かかる還元剤量が供給されても小さなＮＯｘセンサ出力しか得られないが、逆に劣化触媒の場合だと、かかる還元剤量が供給されたときにＮＯｘセンサの出力が大きくなる。この特性を利用して、ＮＯｘセンサ出力の大小のみでＮＯｘ触媒の劣化を判定できる。

本発明の第１の形態は、特許文献１に記載の技術のように誤差分を多く含む微小なＮＯｘセンサ出力値をさらに積分し、誤差分が拡大された積分値を用いて劣化診断をするのではなく、比較的大きいセンサ出力値でもって劣化診断を行う。よってセンサ誤差の影響を少なくし、高い診断精度を確保することができ、触媒劣化度の小さい差を見分けることが可能になる。また、車両上における劣化診断はＮＯｘ触媒が新品（正常）の状態から徐々に劣化する方向で行われるが、正常触媒の場合だと劣化診断の度に、触媒自身の持つＮＯｘ吸蔵能より少ないクライテリア相当のＮＯｘ量しか吸蔵されず、またこれに相応したクライテリア相当の還元剤量しか供給されない。よって劣化診断時に過剰に還元剤が供給されることがない。過剰に還元剤が供給されるのは触媒が劣化したときだけである。しかも触媒が劣化したことが検知されれば、ユーザに警告がなされ、触媒は交換されるであろう。よって通常は触媒のライフサイクルを通して、劣化診断時における過剰な還元剤の供給が防止され、燃費の悪化を防止することができる。

本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記ＮＯｘセンサが、排気ガス中のアンモニアを検出可能である
ことを特徴とする。

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触媒に供給されたＮＯｘ量を算出する算出手段が備えられ、
前記算出手段により前記クライテリア触媒が吸蔵し得るＮＯｘ量と等しい量の供給ＮＯｘ量が算出されたときに、前記リッチスパイク手段が、前記クライテリア触媒が吸蔵し得るＮＯｘ量に相応した量の還元剤を供給する
ことを特徴とする。

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、
前記劣化判定手段が、前記ＮＯｘセンサの出力値が所定の劣化判定値以上となったときに前記ＮＯｘ触媒を劣化と判定する
ことを特徴とする。

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触媒に吸蔵ＮＯｘを放出させるための還元剤を供給するリッチスパイクを実行するリッチスパイク手段と、
前記ＮＯｘ触媒の下流側に設けられたＮＯｘセンサと、
前記ＮＯｘ触媒に供給されたＮＯｘ量を算出する算出手段と、
前記ＮＯｘ触媒の劣化を判定する劣化判定手段と
を備え、
前記算出手段によって算出された供給ＮＯｘ量が所定値に達したときに前記リッチスパイク手段によりその供給ＮＯｘ量に相応した量の還元剤を供給し、これら供給ＮＯｘ量と供給還元剤量とを段階的に増加させていってその都度前記ＮＯｘセンサの最大出力値を取得し、この取得されたＮＯｘセンサ最大出力値の少なくとも一つに対応する供給ＮＯｘ量に基づいて、前記劣化判定手段により前記ＮＯｘ触媒の劣化を判定する
ことを特徴とするＮＯｘ触媒の劣化診断装置が提供される。

本発明の第６の形態は、前記第５の形態において、
前記劣化判定手段が、所定のしきい値以上となっているＮＯｘセンサ最大出力値に対応する供給ＮＯｘ量の最小値を所定の劣化判定値と比較して前記ＮＯｘ触媒の劣化を判定する
ことを特徴とする。

本発明の第７の形態は、前記第５の形態において、
前記劣化判定手段が、所定のしきい値以上となっているＮＯｘセンサ最大出力値について供給ＮＯｘ量との関係を表す回帰直線を決定し、該回帰直線上で前記しきい値に対応する供給ＮＯｘ量を決定すると共に、この決定された供給ＮＯｘ量を所定の劣化判定値と比較して前記ＮＯｘ触媒の劣化を判定する
ことを特徴とする。

本発明の第８の形態は、前記第６又は第７の形態において、
前記所定の劣化判定値が、劣化と正常の境目であるクライテリア触媒が吸蔵し得るＮＯｘ量に等しい値である
ことを特徴とする。

本発明によれば、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の劣化を高精度でしかも燃費悪化を引き起こすことなく検出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。三元触媒１１は必ずしも必須ではなく、省略も可能である。例えばディーゼルエンジンの場合、三元触媒を設けない例が多い。

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１７が設置されている。また、ＮＯｘ触媒１６の下流側に、排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサ、即ち触媒後ＮＯｘセンサ１８が設置されている。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電流信号を出力する。但しこれに限らず、空燃比センサ１７は、理論空燃比（ストイキ）を境に出力電圧が急変する所謂Ｏ_２センサからなってもよい。

触媒後ＮＯｘセンサ１８は、排気ガスのＮＯｘ濃度に比例した電流信号を出力する。特に触媒後ＮＯｘセンサ１８は、排気ガス中のＮＯｘだけでなく、排気ガス中のアンモニア（ＮＨ_３）も検出可能なものであり、所謂限界電流式ＮＯｘセンサである。この種のＮＯｘセンサは特許文献２等に開示されている。触媒後ＮＯｘセンサ１８は、その内部で排気ガス中のＮＯｘ（特にＮＯ）をＮ_２とＯ_２に分解し、そのＯ_２に基づく酸素イオンの電極間移動により酸素イオン量に比例した電流出力を発生する。その一方で、触媒後ＮＯｘセンサ１８は、その内部で排気ガス中のＮＨ_３をＮＯとＨ_２Ｏに分解し、さらにそのＮＯをＮ_２とＯ_２に分解し、あとはＮＯｘの場合と同様の原理で電流出力を発生する。触媒後ＮＯｘセンサ１８は、ＮＯｘ濃度とアンモニア濃度との合計濃度に比例した出力を発するものであり、ＮＯｘ濃度とアンモニア濃度とを区別して出力を発することはできない。

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、空燃比センサ１７、触媒後ＮＯｘ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。触媒後ＮＯｘセンサ１８にはヒータ付きのものが採用され、触媒後ＮＯｘセンサ１８の温度制御（ヒータ制御）がＥＣＵ２０によって実行される。クランク角センサ１４の出力はエンジン回転速度Ｎｅの検出にも用いられる。

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（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、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、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、エンジンから排出される排気ガスの空燃比が、三元触媒１１でのＮＯｘ浄化を実質的に不可能とするほどにリーンな値とされる場合がある。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。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の吸収を行う。一方、ＮＯｘ触媒１６がＮＯｘを飽和状態即ち満杯まで吸蔵すると、ＮＯｘ触媒１６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１６に還元剤を供給するリッチスパイクが実行される。なお、このようにＮＯｘ触媒１６から吸蔵ＮＯｘを放出してＮＯｘ触媒１６のＮＯｘ吸蔵能力を回復させることをＮＯｘ再生と称する。ＮＯｘ触媒から放出（脱離）されたＮＯｘは、周囲の還元剤（例、Ｈ_２，ＣＯ）と反応して還元され、Ｎ_２となって触媒下流に排出される。

リッチスパイクは本実施形態では以下のリッチスパイク制御によって実現される。即ち、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。排気ガスの実際の空燃比と理論空燃比との差分が瞬時的な還元剤量に相当する。

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。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が可能である。

リッチスパイクによってＮＯｘ触媒１６に還元剤を供給した場合、ＮＯｘ触媒１６内で還元剤（例、Ｈ_２，ＣＯ）と排気ガス中のＮ_２が反応してアンモニアＮＨ_３が生成される。そしてこのアンモニアＮＨ_３が、ＮＯｘ触媒１６から脱離されたＮＯｘと反応し、この結果ＮＯｘが還元されてＮ_２となる。その一方で、過剰の還元剤が供給されると、ＮＯｘ触媒１６に吸蔵されたＮＯｘは全て放出還元されるものの、ＮＯｘの放出還元に使用されなかった還元剤（Ｈ_２，ＣＯ）からアンモニアＮＨ_３が生成され、ＮＯｘ触媒１６の下流側に排出されることとなる。

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（触媒床温）が検出又は推定される。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１６の劣化診断について説明する。

概して、ここで述べる劣化診断の第１の形態の特徴は、ＮＯｘ触媒１６に、劣化と正常の境目であるクライテリア触媒が吸蔵し得るＮＯｘ量に相応した量の還元剤を供給し、このときの触媒後ＮＯｘセンサ１８の出力に基づいて、ＮＯｘ触媒１６の劣化を判定する点にある。

ここで「クライテリア触媒」について説明すると、ＮＯｘ触媒は、それが劣化していくほど吸蔵可能なＮＯｘ量、即ちＮＯｘ吸蔵能が低下していく。そして吸蔵可能なＮＯｘ量が所定値（典型的には前述のＯＢＤ規制値相当）を下回った時点でＮＯｘ触媒は劣化と判定しなければならない。この所定値に等しいＮＯｘ吸蔵能を有するＮＯｘ触媒がクライテリア触媒である。クライテリア触媒と等しいかそれより高いＮＯｘ吸蔵能を有するＮＯｘ触媒は正常と判定されなければならず、逆に、クライテリア触媒より低いＮＯｘ吸蔵能を有するＮＯｘ触媒は劣化と判定されなければならない。

このようなクライテリア触媒が吸蔵し得るＮＯｘ量（クライテリアＮＯｘ量と称す）は、予め実機試験等を通じて把握される。また、クライテリアＮＯｘ量に相応した還元剤量（クライテリア還元剤量と称す）、即ちＮＯｘ触媒に吸蔵されたクライテリアＮＯｘ量のＮＯｘを放出還元するのに必要十分な過不足の無い還元剤量も、予め実機試験等を通じて把握される。

ＮＯｘ触媒１６がクライテリアＮＯｘ量以上のＮＯｘを吸蔵しており、且つリッチスパイクによってＮＯｘ触媒１６にクライテリア還元剤量を供給した場合、還元剤量は不足か適量となり、ＮＯｘ触媒下流側には余剰の還元剤から生成されるアンモニアが排出されない。よってＮＯｘ触媒下流側で触媒後ＮＯｘセンサ１８によってアンモニアが検出されることが無く、このことを以てＮＯｘ触媒１６は正常と判断できる。

他方、ＮＯｘ触媒１６がクライテリアＮＯｘ量のＮＯｘを吸蔵できず、満杯状態でクライテリアＮＯｘ量より少ないＮＯｘしか吸蔵していないと、ＮＯｘ触媒１６にクライテリア還元剤量を供給しても、還元剤量が過剰となり、余剰の還元剤から生成されるアンモニアがＮＯｘ触媒１６の下流側に排出される。よってこのアンモニアを触媒後ＮＯｘセンサ１８で検出することで、ＮＯｘ触媒１６が劣化であることを判断できる。

図２は、リーンバーン運転とリッチスパイクとを交互に繰り返したときの触媒後ＮＯｘセンサ１８の出力変化の様子を示す。（Ａ）が空燃比センサ１７の出力（空燃比Ａ／Ｆへの換算値）であり、ＮＯｘ触媒１６に供給される排気ガスの空燃比を示す。（Ｂ）が、ＮＯｘ触媒１６が正常触媒である場合の触媒後ＮＯｘセンサ１８の出力（ＮＯｘ濃度Ｃｒへの換算値、以下同様）、（Ｃ）が、ＮＯｘ触媒１６がクライテリア触媒である場合の触媒後ＮＯｘセンサ１８の出力、（Ｄ）が、ＮＯｘ触媒１６が劣化触媒である場合の触媒後ＮＯｘセンサ１８の出力をそれぞれ示す。ここで、リーンバーン運転時にＮＯｘ触媒１６にクライテリアＮＯｘ量のＮＯｘが供給され、リッチスパイク時にクライテリア還元剤量の還元剤がＮＯｘ触媒１６に供給されているものとする。

（Ｂ）に示されるように、ＮＯｘ触媒１６が正常触媒である場合、触媒後ＮＯｘセンサ１８の出力値は常にゼロ付近であり、ＮＯｘもアンモニアも検出されていない。これは、リーンバーン運転時には排気ガス中のＮＯｘがＮＯｘ触媒１６に吸蔵されており、リッチスパイク時には吸蔵ＮＯｘ量に対し過不足の無い還元剤が供給され、余剰のアンモニアが発生しないからである。

これに対し、ＮＯｘ触媒１６が劣化していくと、これに応じてリッチスパイク終了時付近の触媒後ＮＯｘセンサ１８の最大出力値（ピーク値）Ｃｒｍａｘが次第に大きくなる。この触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘの上昇は、余剰のアンモニアが次第に多く排出されようになるからと考えられる。そこでこの特性を利用し、クライテリア触媒における触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値を予め実機試験等を通じて把握しておき、これを劣化判定値Ｃｒｓとして設定して、実際に検出された触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘを劣化判定値Ｃｒｓと比較する。そして、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘが劣化判定値Ｃｒｓ未満ならＮＯｘ触媒１６は正常、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘが劣化判定値Ｃｒｓ以上ならＮＯｘ触媒１６は劣化と判定する。

一方、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘを劣化判定値Ｃｒｓと比較する方法のほかに、代替的に、触媒後ＮＯｘセンサの出力値Ｃｒ自体を劣化判定値Ｃｒｓと比較する方法がある。即ち、触媒後ＮＯｘセンサの出力値Ｃｒが最大出力値Ｃｒｍａｘに達する前の時点で、触媒後ＮＯｘセンサの出力値Ｃｒが劣化判定値Ｃｒｓ以上となったらＮＯｘ触媒１６を劣化と判定する。

このＮＯｘ触媒劣化診断の手法によれば、触媒後ＮＯｘセンサ出力値Ｃｒの大小のみでＮＯｘ触媒１６の劣化を判定でき、より具体的には触媒後ＮＯｘセンサ出力値Ｃｒと所定の劣化判定値Ｃｒｓとの比較によりＮＯｘ触媒１６の劣化を判定できる。よって、特許文献１に記載の技術のように、元々誤差分を多く含む微小なＮＯｘセンサ出力値をさらに積分し、誤差分が拡大された積分値を用いて劣化診断をするのではない。本手法では比較的大きいセンサ出力値でもって劣化診断を行う。よってセンサ誤差の影響を少なくし、高い診断精度を確保することができる。そして触媒劣化度の小さい差を見分けることが可能になる。

また、車両上における劣化診断はＮＯｘ触媒が新品の状態から徐々に劣化する方向で行われるが、劣化診断の度にクライテリアＮＯｘ量の供給とクライテリア還元剤量の供給しか行われず、少なくともＮＯｘ触媒がクライテリア状態に達するまでは、ＮＯｘ触媒にはその能力より少ないＮＯｘ量と還元剤量しか供給されない。よって劣化診断時に余剰アンモニアの排出はない。ＮＯｘ触媒がクライテリア状態を超えて劣化したときに初めて過剰に還元剤が供給され、余剰のアンモニアが発生する。もっともＮＯｘ触媒が劣化したことが検知されれば、ユーザに警告がなされ、触媒は交換されるであろう。よって通常は触媒のライフサイクルを通して、劣化診断時における過剰な還元剤の供給が防止され、燃費の悪化を防止することができる。

次に、このＮＯｘ触媒劣化診断の具体例を図３を用いて説明する。

図３には、エンジン始動後における各値の変化を示す。（Ａ）がＥＣＵ２０にて推定される触媒温度Ｔｃ、（Ｂ）が触媒後ＮＯｘセンサ１８の温度Ｔｓ（以下、単にセンサ温度ともいう）、（Ｃ）が供給ＮＯｘ量Ｇ、（Ｄ）が空燃比センサ１７の出力（空燃比Ａ／Ｆへの換算値）、（Ｅ）が触媒後ＮＯｘセンサ１８の出力（ＮＯｘ濃度Ｃｒへの換算値）を示す。時刻ｔ０がエンジン始動完了時刻である。（Ｂ）に関して、触媒後ＮＯｘセンサ１８の温度ＴｓはＥＣＵ２０によって検出且つ制御されている。より具体的には、ＥＣＵ２０によって触媒後ＮＯｘセンサ１８の素子インピーダンスが検出されており、この素子インピーダンスがセンサ活性時相当の所定値になるように触媒後ＮＯｘセンサ１８のヒータが制御される。

（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、エンジンが始動されると、触媒温度Ｔｃ及びセンサ温度Ｔｓが次第に上昇し、やがて触媒温度Ｔｃが下限温度Ｔｃｍｉｎ（例えば約３００℃）を上回って作動温度域に入り（時刻ｔ１）、センサ温度Ｔｓも下限温度Ｔｓｍｉｎ（例えば約７５０℃）を上回って活性温度域に入る（時刻ｔ２）。センサ温度Ｔｓはその後下限温度Ｔｓｍｉｎより若干高い値に維持される。なお触媒作動温度域の上限温度Ｔｃｍａｘは例えば約５５０℃である。

（Ｄ）に示されるように、これら時刻ｔ１，ｔ２付近から空燃比制御がストイキ制御からリーンバーン制御に移行され、空燃比が理論空燃比（ストイキ）より高い値（例えば１６〜１８程度）に維持される。このときの空燃比は三元触媒１１でＮＯｘを浄化できないような高い空燃比である。よってエンジンから排出されたＮＯｘは三元触媒１１を素通りし、後段のＮＯｘ触媒１６でトラップ、吸蔵される。従って（Ｅ）に示されるようにＮＯｘ触媒１６の下流側ではＮＯｘが検出されない。

一方、（Ｃ）に示されるように、リーンバーン運転中にＮＯｘ触媒１６に供給されるＮＯｘ量が順次積算され、供給ＮＯｘ量Ｇが計算されている。具体的には、１演算周期において、エンジン１０から排出される排気ガスのＮＯｘ濃度（触媒前推定ＮＯｘ濃度と称す）Ｃｅがエンジン１０の運転状態に基づき推定され、この触媒前推定ＮＯｘ濃度Ｃｅに、排気ガス量の代用値としての吸入空気量Ｇａの値が乗じられ、その結果瞬時値としての供給ＮＯｘ量ｄＧが算出される。そしてこの瞬時値としての供給ＮＯｘ量ｄＧが演算周期毎に積算され、供給ＮＯｘ量Ｇが算出される。触媒前推定ＮＯｘ濃度Ｃｅは、例えば、エンジン回転速度Ｎｅ及び吸入空気量Ｇａの検出値から求められる負荷率（＝Ｇａ／Ｎｅ）と、空燃比センサ１７で検出される空燃比Ａ／Ｆとに基づき、所定のマップ等に従って算出される。なお、触媒前推定ＮＯｘ濃度の代わりに、ＮＯｘ触媒１６の上流側に設けられたＮＯｘセンサ即ち触媒前ＮＯｘセンサ（図示せず）の検出値（触媒前検出ＮＯｘ濃度と称す）を直接用いてもよい。

リーンバーン運転を継続すると供給ＮＯｘ量Ｇが次第に増加していく。そしてこの供給ＮＯｘ量Ｇが予め定められたクライテリアＮＯｘ量Ｇｓ（例えば２００ｍｇ）に達したと同時に、吸蔵ＮＯｘを放出還元すべく、（Ｄ）に符号ａで示されるようにリッチスパイクが実行される。具体的には、混合気ひいては排気ガスの空燃比が理論空燃比より低いリッチな値に制御される。このときの空燃比は三元触媒１１でＨＣ，ＣＯ等の還元成分（特にＨＣ）が浄化されないほどの低い空燃比である。よってエンジンから排出された還元成分は三元触媒１１を素通りして後段のＮＯｘ触媒１６に供給される。なお供給ＮＯｘ量Ｇの値は次回リーンバーン運転が開始されるまでクライテリアＮＯｘ量Ｇｓにホールドされ、次回リーンバーン運転開始と同時にゼロにリセットされる。

リッチスパイク時に供給される還元成分の量即ち還元剤量は、例えば次のようにして算出することができる。まず、１演算周期における瞬時値としての還元剤量ｄＨが次式により計算される。
ｄＨ＝（１／（Ａ／Ｆ）−１／１４．６）×Ｇａ
Ａ／Ｆは空燃比センサ１７で検出される実際の空燃比、１４．６は本実施形態におけるストイキ空燃比、Ｇａはエアフローメータ５で検出される吸入空気量である。そしてこの瞬時値としての還元剤量ｄＨが演算周期毎に積算され、リッチスパイク開始時からある時点までに供給された還元剤量Ｈが計算される。

こうして順次計算されていく還元剤量Ｈが、クライテリアＮＯｘ量Ｇｓに相応するクライテリア還元剤量Ｈｓに達したら、リッチスパイクが終了される。なお（Ｄ）にハッチングで示される領域の面積がクライテリア還元剤量Ｈｓを表す。

（Ｅ）に示されるように、リッチスパイクの終了時付近を除けば、触媒後ＮＯｘセンサ１８の出力値Ｃｒはほぼゼロである。その理由は、リーンバーン運転中にはＮＯｘ触媒１６に供給されるＮＯｘがＮＯｘ触媒１６に吸蔵され、リッチスパイク中にはその終了時付近を除き、ＮＯｘ触媒１６から脱離したＮＯｘが還元剤によって還元され、ＮＯｘの排出もアンモニアの排出もないからである。一方、リッチスパイクの終了時付近では、触媒正常時（破線で示す）には触媒後ＮＯｘセンサ出力値Ｃｒが僅かに増加するだけであるが、触媒劣化時（実線で示す）には触媒後ＮＯｘセンサ出力値Ｃｒが著しく増加する。触媒劣化時に触媒後ＮＯｘセンサ出力値Ｃｒが著しく増加する理由は、リーンバーン運転中にクライテリアＮＯｘ量ＧｓのＮＯｘをＮＯｘ触媒１６に供給したものの、その全量が吸蔵されておらず、よってクライテリア還元剤量Ｈｓの還元剤を供給してもその全量が消費されず、余剰の還元剤がアンモニアの形で触媒下流に排出され、このアンモニアが触媒後ＮＯｘセンサ１８で検知されているからである。

そこで、この触媒後ＮＯｘセンサ出力値Ｃｒ、好ましくは触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘが、クライテリア触媒相当の劣化判定値Ｃｒｓより大きいか小さいかによって、ＮＯｘ触媒１６が劣化しているか正常であるかを判定することができる。

図示例では、以上の工程が繰り返されて劣化検出が複数回実行されている。これにより劣化診断の精度と信頼性とを向上することが可能である。

なお、とりわけ劣化触媒の場合において、リッチスパイク終了時付近で触媒後ＮＯｘセンサ出力値Ｃｒが増加する理由として次のようなものも考えられる。還元剤供給により吸蔵ＮＯｘがＮＯｘ触媒から脱離はするものの、触媒の活性点の減少劣化に伴って、脱離ＮＯｘが還元剤と十分反応せず、脱離ＮＯｘが未反応のまま触媒下流に排出され（これを吐き出しＮＯｘと称す）、この吐き出しＮＯｘが触媒後ＮＯｘセンサ１８で検知されている、という考え方がある。触媒後ＮＯｘセンサ１８はＮＯｘとアンモニアの区別ができないので、吐き出しＮＯｘによっても出力値が増加する。しかし、様々な研究結果から鑑みて、リッチスパイク終了時付近の触媒後ＮＯｘセンサ出力値は吐き出しＮＯｘよりもむしろ余剰アンモニアの量を反映していると考えるのが妥当である。また検知されているのが吐き出しＮＯｘであるか余剰アンモニアであるかによらず、触媒劣化度に関連したＮＯｘセンサ出力値の挙動は予め実機試験等で得られた上述のようなものである。よって吐き出しＮＯｘと余剰アンモニアの区別を敢えてしなくても、上述の方法で好適に劣化診断を実行することが可能である。

次に、ここで説明した劣化診断を実行するための具体的処理を図４を参照して説明する。図示される処理はＥＣＵ２０により所定の演算周期毎に繰り返し実行される。

最初のステップＳ１０１では、推定触媒温度Ｔｃが前述の作動温度域にあるか否か、即ち、推定触媒温度Ｔｃが下限温度Ｔｃｍｉｎ以上で且つ上限温度Ｔｃｍａｘ以下であるか否かが判断される。

触媒温度Ｔｃが作動温度域にない場合、本処理が終了される。なおこの場合に、触媒温度Ｔｃが作動温度域に入るように触媒温度Ｔｃを制御してもよい。例えば空燃比をよりリッチ側に変化させれば触媒温度Ｔｃが上昇し、空燃比をよりリーン側に変化させれば触媒温度Ｔｃが下降する。

他方、触媒温度Ｔｃが作動温度域にある場合、ステップＳ１０２において触媒後ＮＯｘセンサ１８が活性状態にあるか否か、即ち触媒後ＮＯｘセンサ１８の温度Ｔｓが活性温度域の下限温度Ｔｓｍｉｎより高いか否かが判断される。

触媒後ＮＯｘセンサ１８が活性状態にない場合、本処理が終了され、触媒後ＮＯｘセンサ１８が活性状態にある場合、ステップＳ１０３にてリーンバーン運転中か否かが判断される。具体的には、空燃比センサ１７で検出される空燃比Ａ／Ｆが所定のリーン空燃比より大きいか否かが判断される。

リーンバーン運転中でない場合、本処理が終了される。他方、リーンバーン運転中である場合、ステップＳ１０４にて今回ＮＯｘ量ｄＧが前述の如く算出され、ステップＳ１０５にて供給ＮＯｘ量Ｇが前述の如く積算される。

次のステップＳ１０６では、供給ＮＯｘ量Ｇが所定のクライテリアＮＯｘ量Ｇｓに達したか否か、具体的には供給ＮＯｘ量ＧがクライテリアＮＯｘ量Ｇｓ以上であるか否かが判断される。供給ＮＯｘ量ＧがクライテリアＮＯｘ量Ｇｓに達していない場合、本処理が終了され、供給ＮＯｘ量ＧがクライテリアＮＯｘ量Ｇｓに達している場合、ステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７ではリッチスパイクが実行される。このリッチスパイクは、前述したように、積算値としての還元剤量Ｈが所定のクライテリア還元剤量Ｈｓに達するまで実行される。

次に、ステップＳ１０８では、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘが取得されたか否かが判断される。触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘが取得されていない場合は本処理が終了される。他方、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘが取得された場合は、ステップＳ１０９で、この触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘがクライテリア相当の所定の劣化判定値Ｃｒｓと比較される。

触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘが劣化判定値Ｃｒｓより小さい場合、ステップＳ１１０でＮＯｘ触媒１６は正常と判定され、他方、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘが劣化判定値Ｃｒｓ以上の場合、ステップＳ１１１でＮＯｘ触媒１６は劣化と判定される。以上で本処理が終了される。

次に、ＮＯｘ触媒劣化診断の第２の形態を説明する。

概して、この第２の形態では、ＮＯｘ触媒１６に供給されたＮＯｘ量が所定値に達したときにその供給ＮＯｘ量に相応した量の還元剤が供給される。そして、これら供給ＮＯｘ量と供給還元剤量とが段階的に増加され、その都度、触媒後ＮＯｘセンサ１８の最大出力値が取得される。この取得された触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値の少なくとも一つに対応する供給ＮＯｘ量に基づいて、ＮＯｘ触媒の劣化が判定される。

これを具体的に図５を用いて説明する。図は、ＮＯｘ触媒１６に供給したＮＯｘ量即ち供給ＮＯｘ量Ｇ（ｍｇ）と、この供給ＮＯｘ量に相応した過不足のない量の還元剤をＮＯｘ触媒１６に供給したときに得られる触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘ（ｐｐｍ）との関係を示す試験結果である。白丸は正常触媒の場合、黒丸は劣化触媒の場合である。

図示されるように、正常触媒の場合、ＮＯｘ触媒１６への供給ＮＯｘ量Ｇを１００ｍｇ、２００ｍｇ、３００ｍｇと増加していっても触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘはほぼゼロである。この理由は、正常触媒の吸蔵可能なＮＯｘ量が３００ｍｇよりも多く、３００ｍｇ以下のＮＯｘを供給したときにその全量がＮＯｘ触媒に吸蔵され、且つ供給ＮＯｘ量に相応する還元剤量を供給したとき全還元剤量が過不足無く吸蔵ＮＯｘの還元に使用されるからである。

これに対し、供給ＮＯｘ量Ｇを４００ｍｇに増やした場合、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘはゼロより大きくなる。供給ＮＯｘ量Ｇをさらに５００ｍｇに増やすと、さらに大きい触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘが得られている。この理由は、ＮＯｘ触媒の吸蔵可能なＮＯｘ量が４００ｍｇよりも少なく、４００ｍｇ以上のＮＯｘを供給してもその全量を吸蔵することができず、且つ供給ＮＯｘ量に相応する還元剤量を供給しても全てが吸蔵ＮＯｘの還元に使用されず、還元剤量が過剰となり、余剰のアンモニアが触媒後ＮＯｘセンサ１８で検出されるからである。ＮＯｘ触媒が４００ｍｇよりも少ない一定量のＮＯｘしか吸蔵できないので、当然、還元剤量を４００ｍｇ相当から増やしていけば、余剰の還元剤量も増えていき、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘも増加していく。

この傾向から、図示例の正常触媒の吸蔵可能なＮＯｘ量は、３００ｍｇよりも多く４００ｍｇよりも少ないことが分かる。

一方、劣化触媒の場合だと、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘがほぼゼロとなるのは供給ＮＯｘ量Ｇが１００ｍｇのときだけで、供給ＮＯｘ量Ｇを２００ｍｇ、３００ｍｇ、４００ｍｇ、５００ｍｇと増加するにつれ触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘも比例的に増加していく。この傾向から、図示例の劣化触媒の吸蔵可能なＮＯｘ量は、１００ｍｇよりも多いが２００ｍｇよりも少ないことが分かる。

そこで、このような関係を利用してＮＯｘ触媒の劣化診断を実行する。具体的に、第１の態様としては、クライテリア触媒が吸蔵し得るＮＯｘ量を予め実機試験等によって把握しておき、このクライテリアＮＯｘ量を劣化判定値Ｇｓとして設定する。そして、ＮＯｘ触媒１６に供給するＮＯｘ量Ｇを、劣化判定値Ｇｓより小さい値から大きい値へと段階的に増加していき、各供給ＮＯｘ量Ｇに相応する還元剤量Ｈを供給する度に、その都度触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘを取得する。そしてこのうち、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘがクライテリア相当の所定値Ｃｒｓ（ここではゼロより若干大きい値、但し便宜上はゼロと考えて差し支えない）を超えているサンプル点（サンプルデータ、図中の白丸又は黒丸）を取得し、そのサンプル点に対応した供給ＮＯｘ量Ｇのうち最小の値Ｇｍｉｎを劣化判定値Ｇｓと比較する。そして、供給ＮＯｘ量最小値Ｇｍｉｎが劣化判定値Ｇｓ以上のときはＮＯｘ触媒を正常と判定し、供給ＮＯｘ量最小値Ｇｍｉｎが劣化判定値Ｇｓ未満のときはＮＯｘ触媒を劣化と判定する。

図５に示す例では劣化判定値Ｇｓが３２０ｍｇに設定されている。そして正常触媒の場合、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘが所定値Ｃｒｓを超えているサンプル点はＧ＝４００ｍｇ、５００ｍｇのサンプル点であり、これらのサンプル点に対応した供給ＮＯｘ量Ｇのうち最小値Ｇｍｉｎは４００ｍｇである。４００ｍｇ＞３２０ｍｇなので、ＮＯｘ触媒は正常と判定される。他方、劣化触媒の場合、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘが所定値Ｃｒｓを超えているサンプル点はＧ＝２００ｍｇ、３００ｍｇ、４００ｍｇ、５００ｍｇのサンプル点であり、これらのサンプル点に対応した供給ＮＯｘ量Ｇのうち最小値Ｇｍｉｎは２００ｍｇである。２００ｍｇ＜３２０ｍｇなので、ＮＯｘ触媒は劣化と判定される。

この第１の態様によると、劣化判定値Ｇｓとの比較対象である供給ＮＯｘ量最小値Ｇｍｉｎが１００ｍｇ刻みで段階的にしか得られないため、簡便ではあるが、やや精度に欠ける問題がある。そこで以下に述べる第２の態様ではより精度の高い手法を採用する。

即ち、図５を参照して、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘが所定値Ｃｒｓを超えているサンプル点について、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘと供給ＮＯｘ量Ｇとの関係を表す回帰直線Ｌを決定する。この回帰直線Ｌは図示されるように一定の傾きを持つ直線となる。そして、この回帰直線Ｌ上で、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘが所定値Ｃｒｓとなっている点即ち被判定点ｘを決定すると共に、この被判定点ｘに対応する供給ＮＯｘ量Ｇｘを取得する。そして、この取得された供給ＮＯｘ量Ｇｘを劣化判定値Ｇｓと比較し、供給ＮＯｘ量Ｇｘが劣化判定値Ｇｓ以上のときはＮＯｘ触媒を正常と判定し、供給ＮＯｘ量Ｇｘが劣化判定値Ｇｓ未満のときはＮＯｘ触媒を劣化と判定する。

この第２の態様によれば、劣化判定値Ｇｓとの比較対象である供給ＮＯｘ量Ｇｘが１００ｍｇ刻みでなく、連続的に得られるため、第１の態様よりも高い精度を得ることができる。以下、この第２の態様について、ＥＣＵ２０で行われる具体的処理を図６に基づいて説明する。

本処理の前提として、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘの取得回数ｎの初期値は０、供給ＮＯｘ量の目標値Ｇｔ（ｎ）の初期値（Ｇｔ（０））は０と定められる。

まず、ステップＳ２０１では触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘの取得回数ｎが１だけカウントアップされる。そしてステップＳ２０２では、今回の供給ＮＯｘ量目標値Ｇｔ（ｎ）が、前回の供給ＮＯｘ量目標値Ｇｔ（ｎ−１）に所定のステップ量ΔＧを加算して求められる。ステップ量ΔＧは例えば図５の例に倣って１００ｍｇである。

次いで、ステップＳ２０３で、リーンバーン運転中の供給ＮＯｘ量Ｇが目標値Ｇｔ（ｎ）に達したか否か、即ち供給ＮＯｘ量Ｇが目標値Ｇｔ（ｎ）以上になったか否かが判断される。供給ＮＯｘ量Ｇが目標値Ｇｔ（ｎ）に達していなければ、達するまでステップＳ２０３が実行される。他方、供給ＮＯｘ量Ｇが目標値Ｇｔ（ｎ）に達したならば、ステップＳ２０４にて、その供給ＮＯｘ量目標値Ｇｔ（ｎ）に相応する量の還元剤を供給するリッチスパイクが実行される。

次いで、ステップＳ２０５にて、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘ（ｎ）が取得される。この後ステップＳ２０６にて、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘの取得回数ｎが所定値ｍ以上になったか否かが判定される。所定値ｍは例えば図５の例に倣って５である。

取得回数ｎが所定値ｍ未満の場合、ステップＳ２０１〜Ｓ２０５が繰り返し実行される。他方、取得回数ｎが所定値ｍ以上の場合、つまりｎ＝５に達した場合、ステップＳ２０７に進む。これにより、ＮＯｘ触媒１６に１００ｍｇ〜５００ｍｇまでのＮＯｘが１００ｍｇ刻みで順次供給され、各々の供給ＮＯｘ量に対し相応の還元剤量が供給され、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘが取得される。つまり、図５に示されるような５つのサンプル点がこれで得られることになる。

ステップＳ２０７では、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘが所定値Ｃｒｓを超えているサンプル点を用いて、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘと供給ＮＯｘ量Ｇとの関係を表す回帰直線Ｌが決定される。そして、ステップＳ２０８では、この回帰直線Ｌ上で、触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値Ｃｒｍａｘが所定値Ｃｒｓとなっている点ｘが決定される。

ステップＳ２０９では、その点ｘに対応する供給ＮＯｘ量Ｇｘが取得されると共に、この取得された供給ＮＯｘ量Ｇｘが所定の劣化判定値Ｇｓと比較される。そして、供給ＮＯｘ量Ｇｘが劣化判定値Ｇｓ以上のときはステップＳ２１０でＮＯｘ触媒が正常と判定され、供給ＮＯｘ量Ｇｘが劣化判定値Ｇｓ未満のときはステップＳ２１１でＮＯｘ触媒が劣化と判定される。

このＮＯｘ触媒劣化診断の第２の形態によれば、供給ＮＯｘ量Ｇが、クライテリア相当の劣化判定値Ｇｓより少ない値から段階的に増加される。正常触媒の場合だと、診断初期の段階では、供給ＮＯｘ量Ｇが触媒の吸蔵可能なＮＯｘ量より少ないので、相応の還元剤を供給しても還元剤が過剰とならず、燃費悪化が抑制される。過剰な還元剤量が供給されるのは、触媒の吸蔵可能なＮＯｘ量より多くのＮＯｘが供給されたときだけで、数回程度である。よって正常触媒のうちは劣化診断を行っても燃費の悪化が最小限に抑制される。他方、劣化触媒の場合だと、診断初期の段階から還元剤が過剰となるが、この場合は触媒が劣化と判定されてユーザに警告が発せられ、触媒は交換されるであろう。よって触媒のライフサイクルを通して、劣化診断時の燃費の悪化が防止される。

次に、劣化診断の第３の形態を図７を参照しつつ説明する。この第３の形態では、最初に述べた第１の形態と同様に、リーンバーン運転中にクライテリアＮＯｘ量Ｇｓと等しいＮＯｘ量がＮＯｘ触媒１６に供給される。そしてこの供給終了と同時にリッチスパイクが実行され、クライテリアＮＯｘ量Ｇｓに相応する還元剤量Ｈｓが供給される。その一方で、リッチスパイク開始時点ｔ１１から所定時間（例えば１０秒）経過後の所定時点ｔ１２まで、触媒後ＮＯｘセンサ出力値Ｃｒの値が積算され、その積算値ΣＣｒが求められる。所定時点ｔ１２は少なくともリッチスパイク終了時点より後となるように定められる。他方、実機試験等を通じて、クライテリア触媒の場合における触媒後ＮＯｘセンサ出力積算値ΣＣｒｓを予め把握しておき、これを劣化判定値として設定する。そして、実際に得られた触媒後ＮＯｘセンサ出力積算値ΣＣｒを劣化判定値ΣＣｒｓと比較し、ΣＣｒがΣＣｒｓ未満なら触媒正常、ΣＣｒがΣＣｒｓ以上なら触媒劣化と判定する。つまりこの手法は、センサ出力値に基づいて劣化判定を行うものの、その値の大きさや最大値ではなく積算値を用いて劣化判定するやり方である。

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、前記実施形態では触媒後ＮＯｘセンサ出力値に関する値としてＮＯｘ濃度への換算値を用いたが、触媒後ＮＯｘセンサから出力される電流値そのものを用いてもよい。

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。

本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。リーンバーン運転とリッチスパイクとを交互に繰り返したときの触媒後ＮＯｘセンサの出力変化の様子を示す図である。ＮＯｘ触媒劣化診断の第１の形態の具体例を説明するためのタイムチャートである。第１の形態の処理内容を示すフローチャートである。ＮＯｘ触媒劣化診断の第２の形態を説明するためのグラフである。第の形態の処理内容を示すフローチャートである。ＮＯｘ触媒劣化診断の第３の形態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エアフローメータ
６排気管
１２インジェクタ
１６ＮＯｘ触媒
１７空燃比センサ
１８触媒後ＮＯｘ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
Ｇ供給ＮＯｘ量
ＧｓクライテリアＮＯｘ量
Ｈ還元剤量
Ｈｓクライテリア還元剤量
Ｃｒ触媒後ＮＯｘセンサ出力
Ｃｒｍａｘ触媒後ＮＯｘセンサ最大出力値

Claims

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触媒に吸蔵ＮＯｘを放出させるために、劣化と正常の境目であるクライテリア触媒が吸蔵し得るＮＯｘ量に相応した量の還元剤を供給するリッチスパイクを実行するリッチスパイク手段と、
前記ＮＯｘ触媒の下流側に設けられたＮＯｘセンサと、
前記リッチスパイク手段によりリッチスパイクが実行されたときの前記ＮＯｘセンサの出力に基づいて、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。
前記ＮＯｘセンサが、排気ガス中のアンモニアを検出可能である
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。
前記ＮＯｘ触媒に供給されたＮＯｘ量を算出する算出手段が備えられ、
前記算出手段により前記クライテリア触媒が吸蔵し得るＮＯｘ量と等しい量の供給ＮＯｘ量が算出されたときに、前記リッチスパイク手段が、前記クライテリア触媒が吸蔵し得るＮＯｘ量に相応した量の還元剤を供給する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のＮＯｘ触媒の劣化診断装置。
前記劣化判定手段が、前記ＮＯｘセンサの出力値が所定の劣化判定値以上となったときに前記ＮＯｘ触媒を劣化と判定する
ことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のＮＯｘ触媒の劣化診断装置。
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触媒に吸蔵ＮＯｘを放出させるための還元剤を供給するリッチスパイクを実行するリッチスパイク手段と、
前記ＮＯｘ触媒の下流側に設けられたＮＯｘセンサと、
前記ＮＯｘ触媒に供給されたＮＯｘ量を算出する算出手段と、
前記ＮＯｘ触媒の劣化を判定する劣化判定手段と
を備え、
前記算出手段によって算出された供給ＮＯｘ量が所定値に達したときに前記リッチスパイク手段によりその供給ＮＯｘ量に相応した量の還元剤を供給し、これら供給ＮＯｘ量と供給還元剤量とを段階的に増加させていってその都度前記ＮＯｘセンサの最大出力値を取得し、この取得されたＮＯｘセンサ最大出力値の少なくとも一つに対応する供給ＮＯｘ量に基づいて、前記劣化判定手段により前記ＮＯｘ触媒の劣化を判定する
ことを特徴とするＮＯｘ触媒の劣化診断装置。
前記劣化判定手段が、所定のしきい値以上となっているＮＯｘセンサ最大出力値に対応する供給ＮＯｘ量の最小値を所定の劣化判定値と比較して前記ＮＯｘ触媒の劣化を判定する
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。
前記劣化判定手段が、所定のしきい値以上となっているＮＯｘセンサ最大出力値について供給ＮＯｘ量との関係を表す回帰直線を決定し、該回帰直線上で前記しきい値に対応する供給ＮＯｘ量を決定すると共に、この決定された供給ＮＯｘ量を所定の劣化判定値と比較して前記ＮＯｘ触媒の劣化を判定する
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。
前記所定の劣化判定値が、劣化と正常の境目であるクライテリア触媒が吸蔵し得るＮＯｘ量に等しい値である
ことを特徴とする請求項６又は７に記載のＮＯｘ触媒の劣化診断装置。