JP4737010B2 - 触媒劣化診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、触媒劣化診断装置に関する。

環境保全の観点から、自動車に対し、有害物質排出量を規制するエミッション規制が従来より行われている。更に、排気浄化装置の故障や劣化を車両上で自動的に診断するＯＢＤシステム(On-Board Diagnostic System)の搭載を義務付けるＯＢＤ規制も行われている。

周知のように、三元触媒は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである場合には、ＮＯｘを十分に浄化することができない。このため、理論空燃比より希薄な空燃比で運転可能なリーンバーンエンジンに対しては、排気空燃比がリーンである場合にＮＯｘを吸蔵可能なＮＯｘ触媒を排気通路に設置することが行われている。

リーンバーンエンジンのＯＢＤシステムとして、特許３３１６０６６号公報には、ＮＯｘ触媒の下流にＮＯｘセンサを設け、このＮＯｘセンサにより検出された実際のＮＯｘ濃度に基づくＮＯｘ排出量を所定時間積分し、その積分値に基づいてリーンＮＯｘ触媒の故障の有無を診断する排気ガス浄化装置の故障診断装置が開示されている。

特許３３１６０６６号公報 特許３０８２５２３号公報 特許２８２７９５４号公報 特開２００４−１６２６９４号公報

周知のとおり、リーンバーンエンジンにおいては、ＮＯｘ触媒に溜まったＮＯｘを還元浄化するため、排気空燃比を一時的にリッチまたは理論空燃比とするリッチスパイクが周期的に実行される。このため、リーンバーンエンジンの場合、大気中へ排出されるＮＯｘには、リーンバーン運転時のすり抜けＮＯｘと、リッチスパイク時の吐き出しＮＯｘとがある。リーンバーン運転時のすり抜けＮＯｘとは、エンジンから排出されたＮＯｘのうち、ＮＯｘ触媒で捕捉されずに、ＮＯｘ触媒をすり抜けて排出されるＮＯｘである。リッチスパイク時の吐き出しＮＯｘとは、ＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＮＯｘのうち、リッチスパイク時に還元しきれなかった分のＮＯｘがＮＯｘ触媒から吐き出される形で排出されるものである。

ところで、現在実用化されている限界電流式のＮＯｘセンサは、原理上、ＮＯｘだけでなく、ＮＨ_３にも感応してしまうという特性を持っている。そして、排気空燃比がリッチなときには、還元剤（未燃燃料）と窒素ガスとが触媒で反応することにより、ＮＨ_３が生成される。よって、排気空燃比がリッチなとき（リッチスパイク時）には、ＮＯｘセンサが排気ガス中のＮＨ_３にも感応してしまうため、ＮＯｘだけの濃度を検出することができない。このため、ＮＯｘセンサでは、リッチスパイク時の吐き出しＮＯｘの排出量を検出することはできない。このようなことから、上記従来の故障診断装置を含め、ＮＯｘセンサを備えた従来のＯＢＤシステムでは、排気ガス中にＮＨ_３の含まれないリーンバーン運転時にのみ、ＮＯｘセンサでＮＯｘ濃度を検出するようにしている（特許３３１６０６６号公報の段落００１８および００１９参照）。

しかしながら、最近の厳しい規制の下では、リーンバーン運転時のすり抜けＮＯｘを検出するだけでは、ＮＯｘ触媒の劣化検出が困難となる場合がある。この点について、以下に説明する。

図１２および１３に、欧州ＳＴＥＰIVと、米国ＳＵＬＥＶ(Super Ultra Low Emission Vehicle)における、ＮＯｘのエミッション規制値およびＯＢＤ規制値を示す。図１３に示すように、米国ＳＵＬＥＶでは、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倍と極めて厳しい。つまり、劣化検出巾が極めて小さく、ＮＯｘ触媒の劣化を極めて高い精度で診断することが求められている。

図１４は、リーンバーンエンジンシステムから排出されるＮＯｘの実験データを、横軸に時間、縦軸にＮＯｘ排出量をとって示す図であり、（ａ）が欧州ＳＴＥＰIV用のＮＯｘ触媒を用いた場合、（ｂ）が米国ＳＵＬＥＶ用のＮＯｘ触媒を用いた場合である。図１４（ａ）および（ｂ）中、実線のグラフは、エミッション規制値相当の触媒、すなわち劣化していない触媒を用いた場合のデータである。一方、破線のグラフは、ＯＢＤ規制値相当の触媒、すなわち、ＯＢＤ規制上、劣化を検出しなければならないレベルまで劣化した触媒を用いた場合のデータである。つまり、欧州ＳＴＥＰIVのＯＢＤ規制をクリアするには、ＮＯｘ排出量が図１４（ａ）中の破線のレベルにまで増加したら、これを検出しなければならない。一方、米国ＳＵＬＥＶのＯＢＤ規制をクリアするには、ＮＯｘ排出量が図１４（ｂ）中の破線のレベルにまで増加した場合には、これを検出しなければならない。

図１４（ａ）から分かるとおり、欧州ＳＴＥＰIVの場合には、エミッション規制値相当の触媒と、ＯＢＤ規制値相当の触媒とでは、リーンバーン運転時のすり抜けＮＯｘの排出量に比較的大きな差が認められる。このため、欧州ＳＴＥＰIVのＯＢＤ規制の場合には、リーンバーン運転時のすり抜けＮＯｘの排出量をＮＯｘセンサによって検出し、その検出値を所定の判定値と比較することで、劣化判定を行うことが可能である。

一方、図１４（ｂ）から分かるとおり、更に厳しい米国ＳＵＬＥＶの場合には、エミッション規制値相当の触媒と、ＯＢＤ規制値相当の触媒との何れも、リーンバーン運転時のすり抜けＮＯｘ排出量がほぼゼロに近いため、両者には僅かな差しかない。このため、米国ＳＵＬＥＶの場合には、リーンバーン運転時のすり抜けＮＯｘの排出量をＮＯｘセンサによって検出しても、劣化判定を行うことが困難である。一方、リッチスパイク時の吐き出しＮＯｘ排出量については、エミッション規制値相当の触媒、ＯＢＤ規制値相当の触媒とで比較的大きな差がある。しかしながら、上述したように、リッチ空燃比のときには、ＮＯｘセンサでは、ＮＯｘ濃度を正確に検出することができない。このため、リッチスパイク時の吐き出しＮＯｘの排出量の差で、触媒劣化を判定することもできない。

このように、ＯＢＤ規制が厳しくなってくると、排気ガス中のＮＯｘ濃度をＮＯｘセンサによって検出する手法では、触媒劣化の判定が困難であるという問題がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関の排気通路に配置された吸蔵還元型のＮＯｘ触媒の劣化を高い精度で診断することのできる触媒劣化診断装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気通路に配置された吸蔵還元型のＮＯｘ触媒の劣化を診断する装置であって、
前記ＮＯｘ触媒の下流側に配置されたＮＯｘセンサと、
前記内燃機関のリーン空燃比運転中に排気ガスの空燃比を一時的にリッチまたは理論空燃比とするリッチスパイクを行うリッチスパイク手段と、
前記ＮＯｘセンサの出力を、リッチスパイク終了時付近の期間を含む期間において積算することによりＮＯｘセンサ出力積算値を算出する算出手段と、
前記ＮＯｘセンサ出力積算値に基づいて、前記ＮＯｘ触媒の劣化を診断する診断手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記ＮＯｘセンサは、ＮＨ_３を検出する機能を併有するものであることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記ＮＯｘセンサは、限界電流式ＮＯｘセンサであることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記リッチスパイク終了時付近の期間は、前記ＮＯｘセンサの出力が一時的に急増する期間であることを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記リッチスパイクにより前記ＮＯｘ触媒へ流入した還元剤量を算出する還元剤量算出手段を更に備え、
前記リッチスパイク手段は、前記還元剤量が所定量に達したら、リッチスパイクを終了することを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記リッチスパイクにより前記ＮＯｘ触媒に流入した還元剤量を算出する還元剤量算出手段を更に備え、
前記診断手段は、前記ＮＯｘセンサ出力積算値と、前記還元剤量とに基づいて、前記ＮＯｘ触媒の劣化を診断することを特徴とする。

また、第７の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記リッチスパイクによる還元時間を計時する還元時間計時手段を更に備え、
前記診断手段は、前記ＮＯｘセンサ出力積算値と、前記還元時間とに基づいて、前記ＮＯｘ触媒の劣化を診断することを特徴とする。

第１の発明によれば、ＮＯｘ触媒の下流側に配置されたＮＯｘセンサの出力を、リッチスパイク終了時付近の期間を含む期間において積算することによりＮＯｘセンサ出力積算値を算出し、そのＮＯｘセンサ出力積算値に基づいて、ＮＯｘ触媒の劣化を診断することができる。本発明者らの知見によれば、リッチスパイク終了時付近の期間におけるＮＯｘセンサの出力は、その大部分がＮＯｘ触媒の下流にすり抜けたアンモニアＮＨ_３に起因するものである。そして、ＮＯｘ触媒の下流にすり抜けたアンモニアＮＨ_３の量は、リッチスパイク時の吐き出しＮＯｘの量と深い相関を有している。よって、上記ＮＯｘセンサ出力積算値は、リッチスパイク時の吐き出しＮＯｘの量と深い相関を有していることになる。ところで、ＮＯｘ触媒の劣化度合いが小さい場合には、リーンバーン運転時のすり抜けＮＯｘの量にはほとんど差が現れない場合が多い。これに対し、第１の発明によれば、リッチスパイク時の吐き出しＮＯｘの量と深く相関する上記ＮＯｘセンサ出力積算値に基づいて劣化を診断することができるため、劣化度合いの小さいＮＯｘ触媒であっても、その劣化を確実に検出することができる。このため、第１の発明によれば、ＮＯｘ触媒の劣化を高い精度で診断することができる。

第２の発明によれば、ＮＯｘセンサにより、ＮＯｘ触媒の下流にすり抜けたアンモニアＮＨ_３を精度良く検出することができる。ＮＯｘ触媒の下流にすり抜けたアンモニアＮＨ_３の量は、ＮＯｘ触媒の還元効率と深い相関を有している。このため、第２の発明によれば、ＮＯｘ触媒の劣化をより高い精度で診断することができる。

第３の発明によれば、ＮＯｘセンサが限界電流式ＮＯｘセンサであるので、排気ガス中のアンモニアＮＨ_３を精度良く検出することができる。このため、ＮＯｘ触媒の劣化をより高い精度で診断することができる。

第４の発明によれば、リッチスパイク終了時付近でＮＯｘセンサ出力が一時的に急増する期間を含む期間のＮＯｘセンサ出力を積算することにより、ＮＯｘセンサ出力積算値を算出することができる。リッチスパイク終了時付近でＮＯｘセンサ出力が一時的に急増する期間では、ＮＯｘセンサ出力の大部分がアンモニアＮＨ_３によるものであると判断できる。よって、そのような期間を含む期間のＮＯｘセンサ出力を積算してＮＯｘセンサ出力積算値を算出することにより、ＮＯｘ触媒の下流にすり抜けたアンモニアＮＨ_３の量と精度良く相関するＮＯｘセンサ出力積算値を求めることができる。そして、ＮＯｘ触媒の下流にすり抜けたアンモニアＮＨ_３の量は、ＮＯｘ触媒の還元効率と深い相関を有している。このようなことから、第４の発明によれば、ＮＯｘ触媒の劣化をより高い精度で診断することができる。

第５の発明によれば、リッチスパイク時に供給される還元剤の総量を毎回一定とすることができる。還元剤量が一定であると、アンモニアＮＨ_３の生成量も一定にすることができる。アンモニアＮＨ_３の生成量が一定であると、ＮＯｘ触媒の下流に流れたアンモニアＮＨ_３の量、すなわちＮＯｘセンサ出力積算値を、吐き出しＮＯｘの量、すなわち還元効率により正確に相関させることができる。このため、第５の発明によれば、ＮＯｘ触媒の劣化をより高い精度で診断することができる。

第６の発明によれば、ＮＯｘセンサ出力積算値と、リッチスパイクによりＮＯｘ触媒に流入した還元剤量とに基づいて、ＮＯｘ触媒の劣化を診断することができる。ＮＯｘセンサ出力積算値をＮＯｘ触媒への流入還元剤量で除した値は、ＮＯｘ触媒の還元効率をより的確に表す値となる。よって、第６の発明によれば、ＮＯｘ触媒の劣化をより高い精度で診断することができる。

第７の発明によれば、ＮＯｘセンサ出力積算値と、リッチスパイクによる還元時間とに基づいて、ＮＯｘ触媒の劣化を診断することができる。ＮＯｘセンサ出力積算値を還元時間で除した値は、ＮＯｘ触媒の還元効率をより的確に表す値となる。よって、第７の発明によれば、ＮＯｘ触媒の劣化をより高い精度で診断することができる。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、内燃機関１０を備えている。図示の内燃機関１０は、＃１〜＃４の４つの気筒を備えた直列４気筒型のものであるが、本発明では、気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。

内燃機関１０は、理論空燃比より希薄な空燃比（以下「リーン空燃比」という）で燃料を燃焼させて運転することが可能なものである。内燃機関１０は、燃料を吸気ポート内に噴射するポート噴射式のもの、燃料を筒内に直接噴射する筒内直接噴射式のもの、ポート噴射と筒内直接噴射とを併用するもの、の何れでもよい。

また、本実施形態では、内燃機関１０は火花点火式であるものとするが、本発明は、圧縮着火式内燃機関の触媒劣化診断装置にも適用可能である。

内燃機関１０の排気通路１２の途中には、二つのスタート触媒（上流触媒）１４，１６と、一つのＮＯｘ触媒（ＮＳＲ）１８とが配置されている。スタート触媒１４には、＃１気筒および＃４気筒からの排気ガスが流入し、スタート触媒１６には、＃２気筒および＃３気筒からの排気ガスが流入する。そして、スタート触媒１４を通過した排気ガスと、スタート触媒１６を通過した排気ガスとが合流して、ＮＯｘ触媒１８に流入する。

スタート触媒１４，１６は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍にあるときに酸素の吸蔵・脱離を伴ってＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘを同時に浄化可能な三元触媒としての機能を有している。

ＮＯｘ触媒１８は、流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにはＮＯｘを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比がリッチまたは理論空燃比であるときには吸蔵したＮＯｘをＮ_２に還元浄化して放出する、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒としての機能を有している。また、このＮＯｘ触媒１８は、酸素を吸蔵する能力も有している。そして、ＮＯｘ触媒１８は、内燃機関１０が理論空燃比で運転されているときには、三元触媒として機能することができる。

本実施形態のＮＯｘ触媒１８は、厳しい排出ガス規制に対応可能な高性能のＮＯｘ触媒であるものとする。

排気通路１２には、スタート触媒１４の上流側にＡ／Ｆセンサ２０が、スタート触媒１６の上流側にＡ／Ｆセンサ２２が、ＮＯｘ触媒１８の上流側にＡ／Ｆセンサ２４が、ＮＯｘ触媒１８の下流側にＮＯｘセンサ２５およびＯ_２センサ２６が、それぞれ配置されている。

なお、Ａ／Ｆセンサ２０，２２，２４は、それぞれ、排気ガスの空燃比に応じたリニアな出力を発する空燃比センサである。Ｏ_２センサ２６は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチであるかリーンであるかに応じて急変する出力を発する酸素センサである。

ＮＯｘセンサ２５は、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する機能を有しているとともに、排気ガス中のＮＨ_３（アンモニア）の濃度を検出する機能も有している。このＮＯｘセンサ２５については、後に詳しく説明する。

ＮＯｘ触媒１８には、その温度（床温）TCATを検出する温度センサ２８が設置されている。なお、本発明では、ＮＯｘ触媒１８の温度TCATを温度センサ２８によって直接検出するのではなく、ＮＯｘ触媒１８の上流または下流に設けた排気温センサで検出された排気温度からＮＯｘ触媒１８の温度TCATを推定するようにしてもよい。あるいは、内燃機関１０の運転状態に基づいてＮＯｘ触媒１８の温度TCATを推定するようにしてもよい。

また、内燃機関１０には、空気を吸入し、各気筒に分配する吸気系（図示せず）が接続されている。

実施の形態１のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０を備えている。ＥＣＵ３０には、上述した各センサのほか、機関回転数NE、吸気圧PM、吸入空気量GA、スロットル開度THなどを検出する各種のセンサや、燃料インジェクタ、点火プラグ、スロットル弁などの各種のアクチュエータが電気的に接続されている。

本システムの内燃機関１０は、所定の運転領域において、リーン空燃比燃焼による運転（以下「リーンバーン運転」という）を行う。リーンバーン運転中は、スタート触媒１４，１６ではＮＯｘを浄化できないため、ＮＯｘはＮＯｘ触媒１８に一時吸蔵される。そして、ＮＯｘ触媒１８にＮＯｘが貯まると、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘ触媒１８に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリーンからリッチまたは理論空燃比に切り換えるリッチスパイクを実施する。これにより、ＮＯｘ触媒１８に吸蔵されたＮＯｘを離脱させ、還元浄化して放出することができる。

ＮＯｘ触媒１８に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチまたは理論空燃比にする方法としては、内燃機関１０の燃焼空燃比をリッチまたは理論空燃比にする方法、膨張行程後半または排気行程において筒内インジェクタから追加の燃料を噴射する方法、ＮＯｘ触媒１８の上流側の排気通路１２内に燃料を噴射する方法、の何れの方法でもよい。本実施形態では、内燃機関１０の燃焼空燃比をリッチまたは理論空燃比にする方法により、リッチスパイクを実施するものとする。

図２は、図１に示すシステムが備えるＮＯｘセンサ２５のセンサ部の構成を示す断面図である。以下に説明するとおり、本実施形態におけるＮＯｘセンサ２５は、限界電流式のＮＯｘセンサである。図２に示すように、ＮＯｘセンサ２５のセンサ部は互いに積層された６つの酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなり、これらの６つの固体電解質層を以下、上から順に第１層Ｌ_１、第２層Ｌ_２、第３層Ｌ_３、第４層Ｌ_４、第５層Ｌ_５、第６層Ｌ_６と称する。

第１層Ｌ_１と第３層Ｌ_３との間に例えば多孔質の第１の拡散律速部材５０と第２の拡散律速部材５１とが配置されており、これら拡散律速部材５０と５１との間には第１室５２が、第２の拡散律速部材５１と第２層Ｌ_２との間には第２室５３が形成されている。また、第３層Ｌ_３と第５層Ｌ_５との間には外気に連通している大気室５４が形成されている。一方、第１の拡散律速部材５０の外端面は排気ガスと接触している。従って排気ガスは第１の拡散律速部材５０を介して第１室５２内に流入し、斯くして第１室５２内は排気ガスで満たされている。

一方、第１室５２に面する第１層Ｌ_１の内周面上には陰極側第１ポンプ電極５５が形成されており、第１層Ｌ_１の外周面上には陽極側第１ポンプ電極５６が形成されており、これら第１ポンプ電極５５，５６間には第１ポンプ電圧源５７により電圧が印加される。第１ポンプ電極５５，５６間に電圧が印加されると第１室５２内の排気ガス中に含まれる酸素が陰極側第１ポンプ電極５５と接触して酸素イオンとなり、この酸素イオンは第１層Ｌ_１内を陽極側第１ポンプ電極５６に向けて流れる。従って第１室５２内の排気ガス中に含まれる酸素は第１層Ｌ_１内を移動して外部に汲み出されることになり、このとき外部に汲み出される酸素量は第１ポンプ電圧源５７の電圧が高くなるほど多くなる。

一方、大気室５４に面する第３層Ｌ_３の内周面上には基準電極５８が形成されている。ところで酸素イオン伝導性固体電解質では固体電解質層の両側において酸素濃度に差があると酸素濃度の高い側から酸素濃度の低い側に向けて固体電解質層内を酸素イオンが移動する。図２に示す例では大気室５４内の酸素濃度の方が第１室５２内の酸素濃度よりも高いので大気室５４内の酸素は基準電極５８と接触することにより電荷を受け取って酸素イオンとなり、この酸素イオンは第３層Ｌ_３、第２層Ｌ_２および第１層Ｌ_１内を移動し、陰極側第１ポンプ電極５５において電荷を放出する。その結果、基準電極５８と陰極側第１ポンプ電極５５間に符号５９で示す電圧Ｖ_０が発生する。この電圧Ｖ_０は大気圧室５４内と第１室５２内の酸素濃度差に比例する。

図２に示される例ではこの電圧Ｖ_０が、第１室５２内の酸素濃度が１p.p.m.のときに生ずる電圧に一致するように第１ポンプ電圧源５７の電圧がフィードバック制御される。すなわち、第１室５２内の酸素は第１室５２内の酸素濃度が１p.p.m.となるように第１層Ｌ_１を通って汲み出され、それによって第１室５２内の酸素濃度が１p.p.m.に維持される。

なお、陰極側第１ポンプ電極５５はＮＯｘに対しては還元性の低い材料、例えば金Ａｕと白金Ｐｔとの合金から形成されており、従って排気ガス中に含まれるＮＯｘは第１室５２内ではほとんど還元されない。従ってこのＮＯｘは第２の拡散律速部材５１を通って第２室５３内に流入する。一方、第２室５３に面する第１層Ｌ_１の内周面上には陰極側第２ポンプ電極６０が形成されており、この陰極側第２ポンプ電極６０と陽極側第１ポンプ電極５６との間には第２ポンプ電圧源６１により電圧が印加される。これらポンプ電極６０，５６間に電圧が印加されると第２室５３内の排気ガス中に含まれる酸素が陰極側第２ポンプ電極６０と接触して酸素イオンとなり、この酸素イオンは第１層Ｌ_１内を陽極側第１ポンプ電極５６に向けて流れる。従って第２室５３内の排気ガス中に含まれる酸素は第１層Ｌ_１内を移動して外部に汲み出されることになり、このとき外部に汲み出される酸素量は第２ポンプ電圧源６１の電圧が高くなるほど多くなる。

一方、前述したように酸素イオン伝導性固体電解質では固体電解質層の両側において酸素濃度に差があると酸素濃度の高い側から酸素濃度の低い側に向けて固体電解質層内を酸素イオンが移動する。図２に示す例では大気室５４内の酸素濃度の方が第２室５３内の酸素濃度よりも高いので大気室５４内の酸素は基準電極５８と接触することにより電荷を受け取って酸素イオンとなり、この酸素イオンは第３層Ｌ_３、第２層Ｌ_２および第１層Ｌ_１内を移動し、陰極側第２ポンプ電極６０において電荷を放出する。その結果、基準電極５８と陰極側第２ポンプ電極６０間に符号６２で示す電圧Ｖ_１が発生する。この電圧Ｖ_１は大気圧室５４内と第２室５３内の酸素濃度差に比例する。

図２に示される例ではこの電圧Ｖ_１が、第２室５３内の酸素濃度が０．０１p.p.m.のときに生ずる電圧に一致するように第２ポンプ電圧源６１の電圧がフィードバック制御される。すなわち、第２室５３内の酸素は第２室５３内の酸素濃度が１．０１p.p.m.となるように第１層Ｌ_１を通って汲み出され、それによって第２室５３内の酸素濃度が０．０１p.p.m.に維持される。

なお、陰極側第２ポンプ電極６０もＮＯｘに対しては還元性の低い材料、例えば金Ａｕと白金Ｐｔとの合金から形成されており、従って排気ガス中に含まれるＮＯｘは陰極側第２ポンプ電極６０と接触してもほとんど還元されない。一方、第２室５３に面する第３層Ｌ_３の内周面上にはＮＯｘ検出用の陰極側ポンプ電極６３が形成されている。この陰極側ポンプ電極６３はＮＯｘに対して強い還元性を有する材料、例えばロジウムＲｈや白金Ｐｔから形成されている。従って第２室５３内のＮＯｘ、実際には大部分を占めるＮＯが陰極側ポンプ電極６３上においてＮ_２とＯ_２に分解される。この陰極側ポンプ電極６３と基準電極５８間には一定電圧６４が印加されており、従って陰極側ポンプ電極６３上において分解生成されたＯ_２は酸素イオンとなって第３層Ｌ_３内を基準電極５８に向けて移動する。このとき陰極側ポンプ電極６３と基準電極５８間にはこの酸素イオン量に比例した符号６５で示す電流Ｉ_１が流れる。

前述したように第１室５２内ではＮＯｘはほとんど還元されず、また第２室５３内には酸素はほとんど存在しない。従って電流Ｉ_１は排気ガス中に含まれるＮＯｘ濃度に比例することになり、斯くして電流Ｉ_１から排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出することになる。

一方、排気ガス中に含まれるアンモニアＮＨ_３は、第１室５２内においてＮＯとＨ_２Ｏに分解され（４ＮＨ_３＋５Ｏ_２→４ＮＯ＋６Ｈ_２Ｏ）、この分解されたＮＯは第２の拡散律速部材５１を通って第２室５３内に流入する。このＮＯは陰極側ポンプ電極６３上においてＮ_２とＯ_２に分解され、分解組成されたＯ_２は酸素イオンとなって第３層Ｌ_３内を基準電極５８に向けて移動する。このときにも電流Ｉ_１は排気ガス中に含まれるＮＨ_３濃度に比例し、斯くして電流Ｉ_１から排気ガス中のＮＨ_３濃度を検出できることになる。

このように、本実施形態におけるＮＯｘセンサ２５は、その原理上、排気ガス中のＮＯｘを検出するだけでなく、ＮＨ_３をも同時に検出することとなる。このため、排気ガス中にＮＨ_３が存在する場合には、ＮＯｘセンサ２５の電流Ｉ_１（以下単に「ＮＯｘセンサ２５の出力」と称する）は、ＮＯｘによる出力と、ＮＨ_３による出力とが合わさった値となる。

一方、排気ガス中の酸素濃度が高いほど、すなわち空燃比がリーンであるほど第１室５２から外部に汲み出される酸素量が多くなり、符号６６で示す電流Ｉ_２が増大する。従ってこの電流Ｉ_２から排気ガスの空燃比を検出することができる。

なお、第５層Ｌ_５と第６層Ｌ_６との間にはＮＯｘセンサ２５のセンサ部を加熱するための電気ヒータ６７が配置されており、この電気ヒータ６７によってＮＯｘセンサ２５のセンサ部は７００℃から８００℃に加熱される。

次に、排気ガス中のアンモニアの濃度について、図３を参照して説明する。図３は、タイミングチャートであり、（ａ）がＡ／Ｆセンサ２４の出力、（ｂ）がＮＯｘ触媒１８の下流のＮＯｘ濃度、（ｃ）がＮＯｘセンサ２５の出力、をそれぞれ示す。

図３中、時刻t1以前は、内燃機関１０のリーンバーン運転中である。空燃比がリーンのとき、すなわち酸化雰囲気のときにはアンモニアＮＨ_３はほとんど発生しない。また、前述したように、リーンバーン運転中にＮＯｘ触媒１８の下流にすり抜けるＮＯｘは極めて少ない（図３（ｂ）参照）。このため、リーンバーン運転中は、ＮＯｘ触媒１８の下流に、ＮＯｘおよびアンモニアＮＨ_３のいずれもがほとんど流通しないので、ＮＯｘセンサ２５の出力はほぼゼロとなる。

ところが、リッチスパイクの実行により、排気空燃比がリッチになると、すなわち還元雰囲気になると、排気ガス中の窒素Ｎ_２がスタート触媒１４，１６において炭化水素ＨＣにより還元され、アンモニアＮＨ_３が生成される。しかしながら、排気空燃比がリッチになると、ＮＯｘ触媒１８からＮＯｘが放出され、生成されたアンモニアＮＨ_３はこのＮＯｘを還元するために使用される。このため、ＮＯｘ触媒１８からＮＯｘが放出されている間は、より正確にはアンモニアＮＨ_３がＮＯｘの放出および還元のために使用されている間は、ＮＯｘ触媒１８からアンモニアＮＨ_３はほとんど排出されない。よって、図３（ｃ）に示すように、リッチスパイク開始時以降（時刻t1以降）も、しばらく、ＮＯｘセンサ２５の出力は、ほぼゼロを維持する。

これに対してＮＯｘ触媒１８からのＮＯｘの放出が完了した後も空燃比がリッチにされていると、アンモニアＮＨ_３はもはやＮＯｘの還元のために消費されることがなくなり、斯くしてこのときにはＮＯｘ触媒１８からアンモニアＮＨ_３が排出されることになる。

なお、上記の現象は、ＮＯｘ触媒１８の上流にスタート触媒１４，１６が設けられていない場合でも同様である。すなわち、ＮＯｘ触媒１８も還元機能を有する白金Ｐｔ等の触媒を具えているので、空燃比がリッチになるとＮＯｘ触媒１８においてアンモニアＮＨ_３が生成される可能性がある。しかしながら、たとえアンモニアＮＨ_３が生成されたとしても、このアンモニアＮＨ_３はＮＯｘ触媒１８から放出されたＮＯｘを還元するために使用されるために、ＮＯｘ触媒１８からはアンモニアＮＨ_３がほとんど排出されない。ところがＮＯｘ触媒１８からのＮＯｘの放出が完了した後も空燃比がリッチにされていると、アンモニアＮＨ_３はもはやＮＯｘの還元のために消費されることがなくなり、斯くしてこのときにもＮＯｘ触媒１８からアンモニアＮＨ_３が排出されることになる。

上記のような事情から、リッチスパイク終了時（時刻t2）の付近では、ＮＯｘ触媒１８の下流にアンモニアＮＨ_３が流れる。このアンモニアＮＨ_３が、排気ガスの移送遅れにより、やや遅れて、ＮＯｘセンサ２５に検出される。このため、図３（ｃ）に示すように、リッチスパイク終了時の付近で、ＮＯｘセンサ２５の出力が一時的に急に大きくなる。図３（ｂ）に示すように、リッチスパイク終了時の付近では、前述した吐き出しＮＯｘの影響で、ＮＯｘ濃度も上昇する。しかしながら、このときのＮＯｘ濃度の上昇の仕方は、ＮＯｘセンサ２５の出力の上昇の仕方に比して、小さい。つまり、リッチスパイク終了時の付近におけるＮＯｘセンサ２５の出力のうち、ＮＯｘ（吐き出しＮＯｘ）による出力が占める割合は小さく、その大部分はアンモニアＮＨ_３による出力であると言える。

前述したように、厳しいＯＢＤ規制の下では、未劣化のＮＯｘ触媒１８と、ＯＢＤ規制値相当に劣化したＮＯｘ触媒１８（以下単に「劣化したＮＯｘ触媒１８」と称する）とで、リーンバーン運転時のすり抜けＮＯｘの量の差が極めて少ない。このため、すり抜けＮＯｘをＮＯｘセンサ１８で検出しても、ＮＯｘ触媒１８の劣化を検出することが困難である。よって、リッチスパイク時の吐き出しＮＯｘの量の差から、ＮＯｘ触媒１８の劣化を検出することが必要となる。しかしながら、上述したとおり、リッチスパイクに伴ってＮＯｘ触媒１８の下流にアンモニアＮＨ_３が流れるため、ＮＯｘセンサ２５の出力からは、吐き出しＮＯｘの排出量を求めることができない。

本発明者らは、このような問題を解決するべく鋭意研究を重ねた結果、リッチスパイク終了時の付近のＮＯｘセンサ２５の出力を積算した値（以下「ＮＯｘセンサ出力積算値」という）に基づいて、ＮＯｘ触媒１８の劣化を精度良く診断することができることを見出した。

ＮＯｘ触媒１８が劣化するほど、吐き出しＮＯｘが多くなるが、これは、還元効率の低下によるものである。前述したように、排気ガス中に生成したアンモニアＮＨ_３は、ＮＯｘ触媒１８から放出されたＮＯｘの還元のために消費されている限りは、ＮＯｘ触媒１８の下流に流れることはない。逆に言えば、還元効率の低下により、アンモニアＮＨ_３がＮＯｘの還元に消費されにくくなるほど、より多くのアンモニアＮＨ_３がＮＯｘ触媒１８の下流に流れることになる。よって、ＮＯｘ触媒１８の下流に流れるアンモニアＮＨ_３の量が多いほど、吐き出しＮＯｘの量も多いと言える。前述したように、リッチスパイク終了時付近におけるＮＯｘセンサ２５の出力は、その大部分がアンモニアＮＨ_３によるものであるから、ＮＯｘ触媒１８の下流に流れるアンモニアＮＨ_３の量は、リッチスパイク終了時付近におけるＮＯｘセンサ出力積算値と相関している。よって、リッチスパイク終了時付近におけるＮＯｘセンサ出力積算値が大きいほど、吐き出しＮＯｘ量が多いと推定することができる。

このように、本実施形態によれば、リッチスパイク時の吐き出しＮＯｘの量と深く相関するＮＯｘセンサ出力積算値に基づいてＮＯｘ触媒１８の劣化を診断することができるため、より高い精度での劣化診断が可能となる。

［実施の形態１における具体的処理］

図４は、上述した思想に基づいてＮＯｘ触媒１８の劣化を診断するために本実施形態においてＥＣＵ３０が実行するルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行されるものとする。図５は、実施の形態１の動作を説明するためのタイミングチャートである。図５中には、３回のリッチスパイクを含む動作が示されている。

図４に示すルーチンによれば、まず、ＮＯｘ触媒１８に流入するＮＯｘの量を積算するカウンタNOxINの値が読み込まれる（ステップ１００）。図５（ａ）は、このNOxINを示す。本実施形態では、内燃機関１０の負荷および回転数と、時間当たりのＮＯｘ発生量との関係が実験により予め調査されており、その関係がＥＣＵ３０に予め記憶されているものとする。そして、ＥＣＵ３０は、その関係に基づいて、内燃機関１０の現在の負荷および回転数における時間当たりのＮＯｘ発生量を算出し、その時間当たりＮＯｘ発生量の積算値をNOxINとして算出している。

図５（ｂ）は、リッチスパイク実行フラグFRを示す。リッチスパイクの実行中はFR＝１とされ、リッチスパイクの非実行中はFR＝０とされる。NOxINは、リッチスパイクの実行により、ＮＯｘ触媒１８に吸蔵されたＮＯｘが放出された場合には、その後リセットされる。つまり、NOxINは、前回のリッチスパイクの終了後から現在までにＮＯｘ触媒１８に流入したＮＯｘの量（の推定値）を表している。

なお、本発明では、NOxINを算出する方法は、内燃機関１０の運転状態から推定する方法に限定されるものではない。すなわち、ＮＯｘ触媒１８の上流に、ＮＯｘ濃度を検出可能なＮＯｘセンサを配置し、そのＮＯｘセンサの出力に基づいてNOxINを算出するようにしてもよい。

本実施形態では、ＮＯｘ触媒１８に流入したＮＯｘの量NOxINが所定値Ａに達した時点から、リッチスパイクを開始することとしている。そこで、上記ステップ１００でNOxINを読み込んだら、そのNOxINが所定値Ａ以上になったか否かが判別される（ステップ１０２）。ステップ１０２で、NOxINが所定値Ａに未だ達していない場合には、次に、今回の処理サイクルで検出されたＮＯｘセンサ２５の出力NOxSが積算され、ＮＯｘセンサ出力積算値NOxSCNTが更新される（ステップ１０４）。その後、今回の処理サイクルが終了される。

図５（ｆ）はＮＯｘセンサ２５の出力NOxSを、図５（ｇ）はＮＯｘセンサ出力積算値NOxSCNTを、それぞれ示す。図５（ｇ）に示すように、本実施形態では、リッチスパイクの開始時から次回のリッチスパイクの開始時までの間、ＮＯｘセンサ出力NOxSを積算して、ＮＯｘセンサ出力積算値NOxSCNTを算出するようにしている。そこで、上記ステップ１０２で、NOxINが所定値Ａに達したと判別された場合には、まず、先回のNOxSの積算が終了される（ステップ１０６）。

また、図５（ｇ）に示すように、本実施形態では、ＮＯｘセンサ出力積算値NOxSCNTが、NOxSCNT_RとNOxSCNT_Lとに分離される。NOxSCNT_Rは、ＮＯｘセンサ出力NOxSの大部分が、リッチスパイク時に生成されたアンモニアＮＨ_３に起因するものであるような期間のＮＯｘセンサ出力NOxSを積算した値である。一方、NOxSCNT_Lは、ＮＯｘセンサ出力NOxSの大部分が、リーン運転時のすり抜けＮＯｘに起因するものであるような期間のＮＯｘセンサ出力NOxSを積算した値である。上記ステップ１０６では、このNOxSCNT_Rを算出する処理も実行される。具体的には、図５（ｇ）に示すように、ＮＯｘセンサ出力NOxSが一時的に急増している期間は、ＮＯｘセンサ出力NOxSの大部分がアンモニアＮＨ_３に起因するものであると判断できる。そこで、そのような期間内におけるＮＯｘセンサ出力NOxSの積算値がNOxSCNT_Rとされ、それ以外の期間内におけるＮＯｘセンサ出力NOxSの積算値がNOxSCNT_Lとされる。

NOxINが所定値Ａに達した場合には、上記ステップ１０６の処理に続いて、今回のリッチスパイクが開始され（ステップ１０８）、更に、今回のＮＯｘセンサ出力NOxSの積算が開始される（ステップ１１０）。

図５（ｃ）は、ＮＯｘ触媒１８の下流のＯ_２センサ２６の出力O2Sを示す。本実施形態では、Ｏ_２センサ２６の出力O2Sがリッチ出力となった時点で、リッチスパイクを終了することとしている。そこで、リッチスパイクの実行中は、Ｏ_２センサ２６の出力O2Sがリッチ出力になったか否かが判別され（ステップ１１２）、Ｏ_２センサ２６の出力O2Sがリッチ出力になったことが認められると、今回のリッチスパイクが終了される（ステップ１１４）。

リッチスパイクが終了されると、次に、ＮＯｘ触媒１８の劣化判定を実行すべき条件の成否が判別される（ステップ１１６）。この劣化判定実行条件は、具体的には以下の二つの条件である。
（１）リッチスパイク実行時の運転条件（機関回転数NE、スロットル開度TH、吸入空気量GA等）が所定の範囲内にあること。
（２）リッチスパイク実行時のＮＯｘ触媒１８の温度TCATが所定の範囲内にあること。

上記（１）の条件は、NOxIN等の演算誤差による誤判定を防止するため、急加減速等のない所定の運転条件下でリッチスパイクが実施された場合のデータのみを触媒劣化判定の基礎とするために設けられた条件である。上記（２）の条件は、ＮＯｘ触媒１８の温度の影響による誤判定を防止するための条件である。すなわち、ＮＯｘ触媒１８の能力は、その温度によって変化する。そこで、ＮＯｘ触媒１８の能力が一定であるとみなせるような温度域でリッチスパイクが実施された場合のデータのみを触媒劣化判定の基礎とするため、上記（２）の条件を設けたものである。

上記ステップ１１６で、劣化判定実行条件が成立していないと判別された場合には、触媒劣化判定を実施するべきでないと判断できる。このため、この場合には、今回の処理サイクルがそのまま終了される。一方、上記ステップ１１６で、劣化判定実行条件が成立していると判別された場合には、次のようにして、触媒劣化判定が実行される。まず、上記ステップ１０６で算出されたNOxSCNT_Rと、所定の基準判定値Ｂとが比較される（ステップ１１８）。前述したように、リッチスパイクの終了時付近においてＮＯｘセンサ出力NOxSを積算したNOxSCNT_Rが大きいほど、ＮＯｘ触媒１８の下流に流れたアンモニアＮＨ_３が多いと判断でき、また、ＮＯｘ触媒１８の下流に流れたアンモニアＮＨ_３が多いほど、リッチスパイク時の吐き出しＮＯｘ量が多いと判断できる。よって、上記ステップ１０６において、NOxSCNT_Rが基準判定値Ｂを超えている場合には、ＮＯｘ触媒１８が劣化していると判定される（ステップ１２０）。一方、NOxSCNT_Rが基準判定値Ｂ以下である場合には、ＮＯｘ触媒１８は正常である（劣化していない）と判定される（ステップ１２２）。

次に、上記基準判定値Ｂについて説明する。図６は、横軸にＮＯｘ触媒１８の温度TCAT、縦軸にNOxSCNT_Rをとった座標上に、複数回の実験データをプロットした図である。図６中、黒い正方形の点は、ＮＯｘ排出量レベルがエミッション規制値相当であるようなＮＯｘ触媒１８（以下、「正常な触媒(1)」という）を用いた場合の実験データである。これに対し、菱形（◆）の点は、ＮＯｘ排出量レベルがＯＢＤ規制値相当であるようなＮＯｘ触媒１８（以下、「劣化した触媒(2)」という）を用いた場合の実験データである。図６から分かるように、基準判定値Ｂを同図中の直線で示すような値に設定することにより、正常な触媒(1)と劣化した触媒(2)とを確実に判別することができる。

このように、本実施形態によれば、リッチスパイク時の吐き出しＮＯｘ量と相関するＮＯｘセンサ出力積算値NOxSCNT_Rに基づいてＮＯｘ触媒１８の劣化を診断することにより、極めて高い診断精度が得られる。

なお、図６に示す例では、基準判定値ＢがＮＯｘ触媒１８の温度TCATにかかわらず一定となっているが、基準判定値ＢをTCATに応じて変化させるべき傾向が認められる場合には、基準判定値ＢをTCATに応じて変化させるようにしてもよい。また、基準判定値Ｂを内燃機関１０の他の運転条件に応じて変化させるようにしてもよい。

また、図４に示すルーチンでＮＯｘセンサ出力積算値NOxSCNTをNOxSCNT_RとNOxSCNT_Lとに分離して、NOxSCNT_Rを基礎として触媒劣化判定を行っているが、このような判定手法に限定されるものではない。すなわち、NOxSCNT_Lは、NOxSCNT_Rに比して値が小さく、その影響は少ないため、分離前のＮＯｘセンサ出力積算値NOxSCNTを基礎として触媒劣化判定を行ってもよい。また、初めからNOxSCNT_Rのみを算出するようにしてもよい。すなわち、本発明では、触媒劣化判定の基礎とするＮＯｘセンサ出力NOxSの積算期間に、リッチスパイク終了時付近でＮＯｘセンサ２５の出力がアンモニアＮＨ_３の影響によって一時的に急増する期間が含まれていればよい。

また、上述した実施の形態１では、ＮＯｘセンサ出力NOxSをそのまま積算してＮＯｘセンサ出力積算値NOxSCNTを算出するようにしているが、ＮＯｘセンサ出力積算値NOxSCNTの算出方法はこれに限定されるものではない。例えば、ＮＯｘセンサ出力NOxSに、ＮＯｘ触媒１８への流入空気量（流入ガス量）に相当する重みを乗じた値を積算してＮＯｘセンサ出力積算値NOxSCNTを算出するようにしてもよい。なお、ＮＯｘ触媒１８への流入空気量は、例えば、エアフロメータにより検出される吸入空気量GA、燃料噴射量、Ａ／Ｆセンサ２４の出力などに基づいて算出することができる。

また、上述した実施の形態１では、ＮＯｘ触媒１８の下流のＯ_２センサ２６の出力がリッチ出力になった時点で、リッチスパイクを終了することとしている。これに対し、ＮＯｘセンサ２５のＯ_２センサ機能あるいはＡ／Ｆセンサ機能を利用して、リッチスパイクの終了を判定するようにしてもよい。例えば、本実施形態のＮＯｘセンサ２５の場合には、図２を参照して説明したように、ＮＯｘセンサ２５の電流Ｉ_２から、排気ガスの空燃比を検出することができる。よって、この電流Ｉ_２がリッチ出力になった時点で、リッチスパイクを終了するようにしてもよい。この場合には、ＮＯｘ触媒１８の下流のＯ_２センサ２６を設置する必要がなくなるので、コストの低減が図れる。

次に、実施の形態１の更に他の変形例について説明する。上述した図４に示すルーチンの処理では、ＮＯｘ触媒１８の下流のＯ_２センサ２６の出力がリッチ出力になった時点で、リッチスパイクを終了することとしている。これに対し、本変形例では、リッチスパイク開始時からＮＯｘ触媒１８へ流入した還元剤の量が所定値Ｃに達した時点で、リッチスパイクを終了する。

ＮＯｘ触媒１８へ流入した還元剤の量を算出する方法は、特に限定されないが、例えば次のようにして算出することができる。図７は、還元剤量積算値RFCNTの算出方法を説明するためのタイミングチャートである。具体的には、図７（ａ）は、還元剤量積算値RFCNTの変化を示し、図７（ｂ）は、Ａ／Ｆセンサ２４の出力AFS_2、すなわちＮＯｘ触媒１８へ流入する排気ガスの空燃比AFS_2を示している。

還元剤量積算値RFCNTは、リッチスパイクによってＮＯｘ触媒１８に流入した還元剤の量を示す値であり、次式により算出される。
RFCNT＝Σ（単位時間当たりの還元剤量×ＥＣＵ３０の演算周期） ・・・（１）

リッチスパイク時にＮＯｘ触媒１８に流入した燃料のうち、理論空燃比（ここでは１４．６とする）とするのに必要な量を超える分の燃料（余剰燃料）が、還元剤として作用する。このため、単位時間当たりの還元剤量は次式により算出することができる。
還元剤量＝（ＮＯｘ触媒１８への流入燃料量
−ＮＯｘ触媒１８への流入空気量／１４．６）
＝（１／AFS_2−１／１４．６）×ＮＯｘ触媒１８への流入空気量
・・・（２）

ＥＣＵ３０は、リッチスパイクの実行中、上記（１）および（２）式に基づいて、還元剤量積算値RFCNTを逐次算出することができる。そして、本変形例では、上記のようにして算出される還元剤量積算値RFCNTが所定値Ｃに達した時点で、リッチスパイクを終了するものとする。これにより、リッチスパイク時に供給される還元剤の総量を毎回一定とすることができる。

一方、ＮＯｘ触媒１８の下流のＯ_２センサ２６がリッチ出力になった時点でリッチスパイクを終了するようにした場合は、ＮＯｘ触媒１８の劣化レベルによって、還元剤量が変化する場合がある。例えば、ＮＯｘ触媒１８の劣化レベルが極めて大きく、ＮＯｘ吸蔵量が極めて少ないような場合には、吸蔵されたＮＯｘの還元がすぐに完了してＯ_２センサ２６がすぐにリッチ出力となるので、リッチスパイクがすぐに終了してしまい、還元剤量が極めて少なくなる。還元剤量が少ないと、アンモニアＮＨ_３の生成量も少ないので、上記のような場合には、ＮＯｘ触媒１８の劣化レベルが極めて大きいにもかかわらず、ＮＯｘセンサ出力積算値NOxSCNTが小さく算出されてしまい、ＮＯｘ触媒１８が正常であると誤判定される可能性がある。

これに対し、本変形例によれば、リッチスパイク時の還元剤量を一定にすることができるので、アンモニアＮＨ_３の生成量も一定にすることができる。アンモニアＮＨ_３の生成量が一定であると、ＮＯｘ触媒１８の下流に流れたアンモニアＮＨ_３の量、すなわちＮＯｘセンサ出力積算値NOxSCNTを、吐き出しＮＯｘの量、すなわち還元効率により正確に相関させることができる。このため、本変形例によれば、上述したような誤判定をより確実に防止することができるので、ＮＯｘ触媒１８の劣化をより高い精度で診断することができる。

また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０８および１１４の処理を実行することにより前記第１の発明における「リッチスパイク手段」が、上記ステップ１０４，１０６および１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「算出手段」が、上記ステップ１１８，１２０および１２２の処理を実行することにより前記第１の発明における「診断手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１の変形例においては、還元剤量積算値RFCNTが前記第５の発明における「還元剤量」に相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記（１）および（２）式に基づいて還元剤量積算値RFCNTを算出することにより前記第５の発明における「還元剤量算出手段」が、還元剤量積算値RFCNTが所定値Ｃに達した時点でリッチスパイクを終了することにより前記第５の発明における「リッチスパイク手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

前述した実施の形態１では、ＮＯｘセンサ出力積算値NOxSCNT_Rを基準判定値Ｂとを比較することにより、ＮＯｘ触媒１８の劣化を判定している（図４のルーチンのステップ１１８）。これに対し、本実施形態では、ＮＯｘセンサ出力積算値NOxSCNT_Rを、ＮＯｘ触媒１８への流入還元剤量（還元剤量積算値RFCNT）で除した値NOxSCNT_R／RFCNTを基準判定値と比較することにより、ＮＯｘ触媒１８の劣化を判定することとした。

図８は、横軸にＮＯｘ触媒１８の温度TCAT、縦軸にNOxSCNT_R／RFCNTをとった座標上に、図６と同じ触媒を用いた実験データをプロットした図である。すなわち、図８中、黒い正方形の点は、正常な触媒(1)の実験データであり、菱形（◆）の点は、劣化した触媒(2)の実験データである。なお、リッチスパイクの終了条件は、ＮＯｘ触媒１８の下流のＯ_２センサ２６がリッチ出力になった時点とした。図８から分かるように、本実施形態では、基準判定値を同図中の傾斜した直線のように設定することにより、正常な触媒(1)と劣化した触媒(2)とを確実に判別することができる。

NOxSCNT_R／RFCNTは、ＮＯｘ触媒１８に流入した還元剤のうち、ＮＯｘ触媒１８から放出されたＮＯｘの還元に消費されずにＮＯｘ触媒１８をすり抜けた還元剤の割合を示す値となっている。このため、NOxSCNT_R／RFCNTは、ＮＯｘ触媒１８の還元効率をより的確に表す値となっていると言える。よって、本実施形態によれば、NOxSCNT_R／RFCNTの値を基準判定値と比較してＮＯｘ触媒１８の劣化を診断することにより、より高い診断精度が得られる。

なお、図８では、リッチスパイク時のＮＯｘ触媒１８の温度TCATが高いほど、基準判定値が低くなっている。これは、次のような理由によるものであると考えられる。ＮＯｘ触媒１８の温度TCATが高い状況は、高負荷運転時であると考えられる。高負荷運転時は吸入空気量GAが多いので、ＮＯｘ触媒１８をすり抜けたアンモニアＮＨ_３の量が同じであっても、その濃度は低くなる。よって、ＮＯｘセンサ出力NOxSが小さくなるので、ＮＯｘセンサ出力積算値NOxSCNT_Rも小さくなる。このため、ＮＯｘ触媒１８の温度TCATが高いほど、基準判定値が低くなるものと考えられる。

ただし、上述したような傾向が実験結果に認められない場合には、ＮＯｘ触媒１８の温度TCATにかかわらず、基準判定値を一定の値としてもよい。

本実施形態における具体的処理は、次のとおりである。ＥＣＵ３０は、上述した実施の形態１の変形例と同様の手法により、リッチスパイクの実行中、還元剤量積算値RFCNTを逐次算出するものとする。そして、前述した図４のルーチンのステップ１１８においては、まず、ＮＯｘセンサ出力積算値NOxSCNT_Rをリッチスパイク終了時の還元剤量積算値RFCNTで除することにより、NOxSCNT_R／RFCNTを算出する。次いで、ＮＯｘ触媒１８の温度TCATに基づき、図８に示す関係に従って、基準判定値を取得する。そして、その基準判定値と、NOxSCNT_R／RFCNTとが比較される。その結果、NOxSCNT_R／RFCNTが基準判定値を超えていれば、ＮＯｘ触媒１８が劣化していると判定され（ステップ１２０）、NOxSCNT_R／RFCNTが基準判定値以下であれば、ＮＯｘ触媒１８は正常であると判定される（ステップ１２２）。

本実施形態は、上記の点以外は、実施の形態１と同様であるので、これ以上の説明は省略する。上述した実施の形態２においては、還元剤量積算値RFCNTが前記第６の発明における「還元剤量」に相当している。また、ＥＣＵ５０が、還元剤量積算値RFCNTを算出することにより前記第６の発明における「還元剤量算出手段」が、NOxSCNT_R／RFCNTを基準判定値と比較してＮＯｘ触媒１８の劣化を診断することにより前記第６の発明における「診断手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態３．
次に、図９を参照して、本発明の実施の形態３について説明するが、上述した実施の形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

本実施形態では、実施の形態２とほぼ同様の考え方に基づき、ＮＯｘセンサ出力積算値NOxSCNT_Rを、リッチスパイクによる還元時間Ｔ_RSで除した値NOxSCNT_R／Ｔ_RSを基準判定値と比較することにより、ＮＯｘ触媒１８の劣化を判定することとした。

還元時間Ｔ_RSは、本実施形態では、図５（ｂ）に示すように、リッチスパイクの継続時間であるものとするが、これに限定されるものではない。例えば、ＮＯｘ触媒１８の上流のＡ／Ｆセンサ２４の出力がリッチ出力を維持した時間を還元時間Ｔ_RSとしてもよい。

図９は、横軸にＮＯｘ触媒１８の温度TCAT、縦軸にNOxSCNT_R／Ｔ_RSをとった座標上に、図６と同じ触媒を用いた実験データをプロットした図である。すなわち、図９中、黒い正方形の点は、正常な触媒(1)の実験データであり、菱形（◆）の点は、劣化した触媒(2)の実験データである。なお、リッチスパイクの終了条件は、ＮＯｘ触媒１８の下流のＯ_２センサ２６がリッチ出力になった時点とした。図９から分かるように、本実施形態では、基準判定値を同図中の傾斜した直線のように設定することにより、正常な触媒(1)と劣化した触媒(2)とを確実に判別することができる。

通常、還元時間Ｔ_RSが長いほど、ＮＯｘ触媒１８へ流入する還元剤量（還元剤量積算値RFCNT）も多くなると言える。よって、NOxSCNT_R／Ｔ_RSは、実施の形態２のNOxSCNT_R／RFCNTと同様の指標として用いることができる。このため、本実施形態によれば、実施の形態２と同様に、より高い診断精度を得ることができる。

本実施形態における具体的処理は、次のとおりである。ＥＣＵ３０は、リッチスパイクの実行時、還元時間Ｔ_RSを計時するものとする。そして、前述した図４のルーチンのステップ１１８においては、まず、ＮＯｘセンサ出力積算値NOxSCNT_Rを還元時間Ｔ_RSで除することにより、NOxSCNT_R／Ｔ_RSを算出する。次いで、ＮＯｘ触媒１８の温度TCATに基づき、図９に示す関係に従って、基準判定値を取得する。そして、その基準判定値と、NOxSCNT_R／Ｔ_RSとが比較される。その結果、NOxSCNT_R／Ｔ_RSが基準判定値を超えていれば、ＮＯｘ触媒１８が劣化していると判定され（ステップ１２０）、NOxSCNT_R／Ｔ_RSが基準判定値以下であれば、ＮＯｘ触媒１８は正常であると判定される（ステップ１２２）。

本実施形態は、上記の点以外は、実施の形態１と同様であるので、これ以上の説明は省略する。上述した実施の形態３においては、ＥＣＵ５０が、還元時間Ｔ_RSを計時することにより前記第７の発明における「還元時間計時手段」が、NOxSCNT_R／Ｔ_RSを基準判定値と比較してＮＯｘ触媒１８の劣化を診断することにより前記第７の発明における「診断手段」が、それぞれ実現されている。

（変形例）
上述した各実施の形態においては、ＮＯｘ触媒１８の上流にＡ／Ｆセンサ２４が設置され、ＮＯｘ触媒１８の下流にＯ_２センサ２６が設置されたシステムを例に説明したが、本発明におけるシステム構成はこれに限定されるものではない。例えば、以下に説明するように変形することも可能である。

図１０は、本変形例のシステム構成を説明するための図である。図１０に示すシステムでは、ＮＯｘ触媒１８の上流側に、Ａ／Ｆセンサ２４に代えて、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチであるかリーンであるかに応じて急変する出力を発するＯ_２センサ２７が配置されている。図１０に示すシステムは、上記の点以外は、図１のシステムと同様である。以下、説明の便宜上、ＮＯｘ触媒１８の上流のＯ_２センサ２７を上流Ｏ_２センサ２７と呼び、ＮＯｘ触媒１８の下流のＯ_２センサ２６を下流Ｏ_２センサ２６と呼ぶ。

図１１は、本変形例において還元剤量積算値RFCNTおよび還元時間Ｔ_RSを求める方法を説明するためのタイミングチャートである。図１１中、（ａ）は下流Ｏ_２センサ２６の出力（以下「下流Ｏ_２センサ出力」という）を示し、（ｂ）は上流Ｏ_２センサ２７の出力（以下「上流Ｏ_２センサ出力」という）を示す。また、図１１中の（ｃ）は、スタート触媒１４，１６の上流に配置されたＡ／Ｆセンサ２０，２２の何れか一方の出力、または両方の出力を平均化した出力を示す（以下「Ａ／Ｆセンサ出力」という）。

図１１に示すように、リッチスパイクが開始され、内燃機関１０からリッチ空燃比の排気ガスが排出され始めると、まず、Ａ／Ｆセンサ出力がリーンからリッチに切り換わる（時刻t1）。そして、スタート触媒１４，１６に流入する還元剤によって、スタート触媒１４，１６に吸蔵されていた酸素が使い尽くされると、リッチ空燃比の排気ガスがスタート触媒１４，１６の下流側へ吹き抜け始める。これにより、上流Ｏ_２センサ出力はリーンからリッチへと切り換わる（時刻t2）。

時刻t2からは、ＮＯｘ触媒１８に還元剤が流入し始める。そして、ＮＯｘ触媒１８に吸蔵されていた酸素およびＮＯｘが還元剤によって使い尽くされると、リッチ空燃比の排気ガスがＮＯｘ触媒１８の下流に吹き抜け始める。これにより、下流Ｏ_２センサ２６の出力がリーンからリッチへ切り換わる（時刻t3）。

本変形例では、時刻t2からt3までのＡ／Ｆセンサ出力に基づいて、ＮＯｘ触媒１８に流入した還元剤の量（還元剤量積算値RFCNT）を算出することができる（図１１（ｃ）中のハッチング部分）。また、時刻t2からt3までを計時することにより、還元時間Ｔ_RSを求めることができる。

本発明では、更に他の変形例として、次のようにしてもよい。還元剤量積算値RFCNTからは、ＮＯｘ触媒１８の酸素やＮＯｘの吸蔵量を算出することができる。本発明では、その吸蔵量の値に基づいて行ったＮＯｘ触媒１８の劣化判定結果を、上述したＮＯｘセンサ２５を利用した劣化判定結果と組み合わせて、より精度の高い劣化判定を行うようにしてもよい。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 図１に示すシステムが備えるＮＯｘセンサのセンサ部の構成を示す断面図である。 （ａ）がＡ／Ｆセンサの出力、（ｂ）がＮＯｘ触媒の下流のＮＯｘ濃度、（ｃ）がＮＯｘセンサの出力、をそれぞれ示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１における基準判定値を説明するための図である。 還元剤量積算値RFCNTの算出方法を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２における基準判定値を説明するための図である。 本発明の実施の形態３における基準判定値を説明するための図である。 本発明の実施の形態の変形例のシステム構成を説明するための図である。 変形例において還元剤量積算値RFCNTおよび還元時間Ｔ_RSを求める方法を説明するためのタイミングチャートである。 欧州ＳＴＥＰIVと、米国ＳＵＬＥＶにおける、ＮＯｘのエミッション規制値およびＯＢＤ規制値を示す図である。 欧州ＳＴＥＰIVと、米国ＳＵＬＥＶにおける、ＮＯｘのエミッション規制値およびＯＢＤ規制値を示す図である。 リーンバーンエンジンシステムのＮＯｘ排出量の実験データを、横軸に時間、縦軸にＮＯｘ排出量をとって示す図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ 排気通路
１４，１６ スタート触媒
１８ ＮＯｘ触媒
２０，２２，２４ Ａ／Ｆセンサ
２５ ＮＯｘセンサ
２６ Ｏ_２センサ
２７ 上流Ｏ_２センサ
２８ 温度センサ
３０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に配置された吸蔵還元型のＮＯｘ触媒の劣化を診断する装置であって、
   前記ＮＯｘ触媒の下流側に配置されたＮＯｘセンサと、
   前記内燃機関のリーン空燃比運転中に排気ガスの空燃比を一時的にリッチまたは理論空燃比とするリッチスパイクを行うリッチスパイク手段と、
   前記ＮＯｘセンサの出力を、リッチスパイク終了時を含む期間において積算することによりＮＯｘセンサ出力積算値を算出する算出手段と、
   前記ＮＯｘセンサ出力積算値に基づいて、前記ＮＯｘ触媒の劣化を診断する診断手段と、
   前記リッチスパイクにより前記ＮＯｘ触媒に流入した還元剤量を算出する還元剤量算出手段と、
   を備え、
   前記診断手段は、前記ＮＯｘセンサ出力積算値と、前記還元剤量とに基づいて、前記ＮＯｘ触媒の劣化を診断することを特徴とする触媒劣化診断装置。
2. 内燃機関の排気通路に配置された吸蔵還元型のＮＯｘ触媒の劣化を診断する装置であって、
   前記ＮＯｘ触媒の下流側に配置されたＮＯｘセンサと、
   前記内燃機関のリーン空燃比運転中に排気ガスの空燃比を一時的にリッチまたは理論空燃比とするリッチスパイクを行うリッチスパイク手段と、
   前記ＮＯｘセンサの出力を、リッチスパイク終了時を含む期間において積算することによりＮＯｘセンサ出力積算値を算出する算出手段と、
   前記ＮＯｘセンサ出力積算値に基づいて、前記ＮＯｘ触媒の劣化を診断する診断手段と、
   前記リッチスパイクによる還元時間を計時する還元時間計時手段と、
   を備え、
   前記診断手段は、前記ＮＯｘセンサ出力積算値と、前記還元時間とに基づいて、前記ＮＯｘ触媒の劣化を診断することを特徴とする触媒劣化診断装置。
3. 前記ＮＯｘセンサは、ＮＨ_３を検出する機能を併有するものであることを特徴とする請求項１または２記載の触媒劣化診断装置。
4. 前記ＮＯｘセンサは、限界電流式ＮＯｘセンサであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の触媒劣化診断装置。
5. 前記期間は、前記ＮＯｘセンサの出力が一時的に急増する期間を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の触媒劣化診断装置。
6. 前記リッチスパイクにより前記ＮＯｘ触媒へ流入した還元剤量を算出する還元剤量算出手段を更に備え、
   前記リッチスパイク手段は、前記還元剤量が所定量に達したら、リッチスパイクを終了することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の触媒劣化診断装置。

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