JP5229628B2 - 触媒劣化診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、触媒の劣化を診断するための装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を診断するための装置に関する。

例えば車両用の内燃機関において、その排気系には排気ガスを浄化するための触媒が設置されている。この触媒の中には酸素吸蔵能（Ｏ_２ストレージ能）を有するものがあり、これは、触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比（ストイキ）よりも大きくなると、即ちリーンになると排気ガス中に存在する過剰酸素を吸着保持し、触媒流入排気ガスの空燃比がストイキよりも小さくなると、即ちリッチになると吸着保持された酸素を放出する。例えばガソリンエンジンでは触媒に流入する排気ガスがストイキ近傍となるよう空燃比制御が行われるが、酸素吸蔵能を有する三元触媒を使用すると、運転条件により実際の空燃比がストイキから多少振れてしまっても、三元触媒による酸素の吸蔵・放出作用により、かかる空燃比ずれを吸収することができる。

ところで、触媒が劣化すると触媒の浄化効率が低下する。一方、触媒の劣化度と酸素吸蔵能の低下度との間にはともに貴金属を介する反応であるため相関関係がある。よって、酸素吸蔵能が低下したことを検出することで触媒が劣化したことを検出することができる。一般的には、触媒上流側の空燃比をリッチ及びリーンに交互に切り替えるアクティブ空燃比制御を行い、このアクティブ空燃比制御の実行に伴って触媒の酸素吸蔵容量を計測し、触媒の劣化を診断する方法（所謂Ｃｍａｘ法）が採用される。

例えば特許文献１には、Ｃｍａｘ法を利用した触媒劣化判定装置であって、計測された酸素吸蔵容量と酸素吸蔵容量の算出回数とに基づいて触媒の劣化度合いを判定する装置が開示されている。

特開２００４−１７６６１１号公報

ところで、使用地域等によっては燃料中に硫黄（Ｓ）が比較的高濃度で含まれていることがある。このような燃料が給油された場合、硫黄成分が触媒に蓄積して触媒の性能が低下する被毒（Ｓ被毒）が発生する。Ｓ被毒が発生すると、触媒の酸素吸放出反応が妨げられて触媒の見掛け上の酸素吸蔵容量が低下する。しかしながら、硫黄濃度の低い燃料が再給油されると被毒状態はやがて解消される。Ｓ被毒による触媒の性能低下は一時的なものである。よって触媒の劣化診断においては、かかるＳ被毒による一時的劣化を、本来診断すべき熱劣化等の恒久的劣化ないし異常であると誤って診断しないようにする必要がある。とりわけ、正常と劣化との境目（クライテリア）付近にありながらなお正常である触媒について、誤って劣化と誤診断してしまわないようにする必要がある。

かかる誤診断を防止するためには、燃料性状を判別すること、特に燃料の硫黄濃度を検出することが好適である。かかる判別ないし検出を行えば、燃料が高硫黄濃度であると検出したときに必要な措置を執ることができ、誤診断を未然に防止できるからである。

そこで、本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、その一の目的は、燃料の硫黄濃度を検出可能な触媒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配置された触媒の劣化を診断する装置であって、
前記触媒の下流側に配置されて排気ガスの空燃比を検出する触媒後センサと、
前記触媒後センサの出力が反転するのに応じて触媒上流側の空燃比をリッチ及びリーンに交互に切り替えるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
前記アクティブ空燃比制御の実行に伴って前記触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
前記酸素吸蔵容量の計測値に基づき前記触媒の劣化を判定する判定手段と、
前記触媒と前記触媒後センサの間に配置された比較的小容量の吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒の下流側に配置されて排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサと、
前記触媒上流側空燃比のリーン制御中における前記ＮＯｘセンサの出力に基づき、燃料の硫黄濃度を検出する硫黄濃度検出手段と、
を備えたことを特徴とする触媒劣化診断装置が提供される。

触媒上流側空燃比のリーン制御中には、触媒にリーンな排気ガスが供給されているが、このリーンな排気ガスは、触媒の酸素吸蔵量が飽和状態に近づくにつれ徐々に触媒から漏れ出してくる。この漏出量の増加につれ、触媒から漏れ出てくるＮＯｘ量も徐々に増加する。かかる漏出ＮＯｘは、ＮＯｘ触媒が正常な状態であればＮＯｘ触媒により吸蔵され、ＮＯｘ触媒から排出されない。即ち、硫黄濃度の低い燃料が使用されていれば、ＮＯｘ触媒はＳ被毒しないので、漏出ＮＯｘを吸蔵しこれを排出しない。それ故ＮＯｘセンサの出力は低い値に維持される。

ところが、硫黄濃度の高い燃料が使用されると、ＮＯｘ触媒がＳ被毒し、その本来有するＮＯｘ吸蔵能が低下する。よってＮＯｘ触媒に供給された漏出ＮＯｘは比較的早い段階からＮＯｘ触媒から漏れ出し、これに応答してＮＯｘセンサの出力が変化する。このように燃料の硫黄濃度に応じてリーン制御中におけるＮＯｘセンサの出力挙動が相違するので、この特性を利用して燃料の硫黄濃度が検出される。

好ましくは、前記硫黄濃度検出手段は、前記リーン制御の開始時から、前記ＮＯｘセンサの出力が所定値に達するまでの時間を計測し、当該計測された時間が所定値以下であるとき、燃料の硫黄濃度が高いことを検出する。

これは、高硫黄燃料使用時には低硫黄燃料使用時に比べ早期にＮＯｘ触媒からＮＯｘが漏れ始め、ＮＯｘセンサ出力が立ち上がることを利用するものである。

好ましくは、前記硫黄濃度検出手段は、前記リーン制御中にＮＯｘセンサ出力に基づく面積又は軌跡長を計測し、当該計測された面積又は軌跡長が所定値以上であるとき、燃料の硫黄濃度が高いことを検出する。

これは、高硫黄燃料使用時には低硫黄燃料使用時に比べＮＯｘセンサ出力が大きく変化することを利用するものである。

好ましくは、前記判定手段が、前記酸素吸蔵容量計測値を所定の劣化判定値と比較して前記触媒の劣化を判定するものであり、前記触媒劣化診断装置が、前記硫黄濃度検出手段により燃料の硫黄濃度が高いことが検出されたとき、前記酸素吸蔵容量計測値又は前記劣化判定値を補正する補正手段をさらに備える。

かかる補正により、触媒のＳ被毒による酸素吸蔵容量計測値の減少の影響を抑制して誤診断を未然に防止することができる。

本発明によれば、燃料の硫黄濃度を検出可能な触媒劣化診断装置を提供することができるという、優れた効果が発揮される。

本発明の実施形態の構成を示す概略図である。 触媒の構成を示す概略断面図である。 触媒劣化診断時におけるアクティブ空燃比制御の内容を説明するためのタイムチャートである。 図３と同様のタイムチャートであり、酸素吸蔵容量の計測方法を説明するための図である。 触媒前センサ及び触媒後センサの出力特性を示すグラフである。 触媒劣化診断時および硫黄濃度検出時における各値の変化を示すタイムチャートである。 硫黄濃度検出の第１の態様を含む触媒劣化診断処理のフローチャートである。 補正係数を算出するためのマップを示す。 補正係数を算出するためのマップを示す。 ＮＯｘセンサ出力に基づく面積を説明するためのタイムチャートである。 硫黄濃度検出の第２の態様を含む触媒劣化診断処理のフローチャートである。 補正係数を算出するためのマップを示す。 ＮＯｘセンサ出力に基づく軌跡長を説明するためのタイムチャートである。 硫黄濃度検出の第３の態様を含む触媒劣化診断処理のフローチャートである。 補正係数を算出するためのマップを示す。 上流触媒とＮＯｘ触媒の変形例を示す概略図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づき説明する。

図１は、本実施形態の構成を示す概略図である。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。

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。

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（内燃機関に流入する空気量）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。

吸気通路、特に吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設される。インジェクタ１２から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁Ｖｉの開弁時に燃焼室３に吸入され、ピストン４で圧縮され、点火プラグ７で点火燃焼させられる。

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、上流側から順に、酸素吸蔵能を有する三元触媒からなる触媒即ち上流触媒１１と、比較的小容量の吸蔵還元型ＮＯｘ触媒２１と、酸素吸蔵能を有する三元触媒からなる触媒即ち下流触媒１９とが、直列に設けられている。上流触媒１１の上流側には、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ即ち触媒前センサ１７が設けられている。また、ＮＯｘ触媒２１及び下流触媒１９の間には、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ即ち触媒後センサ１８と、排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサ２２とが設けられている。なおこれにより、ＮＯｘ触媒２１は上流触媒１１と触媒後センサ１８の間に配置されることとなる。触媒前センサ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値の信号を出力する。他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ_２センサからなり、理論空燃比を境に出力値が急変する特性（Ｚ特性）を持つ。これら触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８の出力特性を図５に示す。

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、触媒前センサ１７、触媒後センサ１８およびＮＯｘセンサ２２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、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。

ＥＣＵ２０は、触媒前センサ１７により検出された空燃比即ち触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致するように、燃焼室３に供給される混合気の空燃比をフィードバック制御する。一方、触媒１１，１９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／Ｆｓ＝１４．６）のときにＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯを同時に高効率で浄化する。よってＥＣＵ２０は、内燃機関の通常運転時、理論空燃比に等しい目標空燃比Ａ／Ｆｔを設定し、触媒前センサ１７により検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが理論空燃比に一致するようにインジェクタ１２から噴射される燃料噴射量をフィードバック制御する。これにより触媒１１に流入する排気ガスの空燃比は理論空燃比近傍に保たれ、触媒１１において最大の浄化性能が発揮されるようになる。

ここで、劣化診断の対象となる上流触媒１１についてより詳細に説明する。なお下流触媒１９も上流触媒１１と同様に構成されている。図２に示すように、触媒１１においては、図示しない担体基材の表面上にコート材３１が被覆され、このコート材３１に微粒子状の触媒成分３２が多数分散配置された状態で保持され、触媒１１内部で露出されている。触媒成分３２は主にＰｔ，Ｐｄ等の貴金属からなり、ＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯといった排ガス成分を反応させる際の活性点となる。他方、コート材３１は、排気ガスと触媒成分３２との界面における反応を促進させる助触媒の役割を担うと共に、雰囲気ガスの空燃比に応じて酸素を吸収放出可能な酸素吸蔵成分を含む。酸素吸蔵成分は例えば二酸化セリウムＣｅＯ_２やジルコニアからなる。例えば、触媒成分３２及びコート材３１の雰囲気ガスが理論空燃比よりリッチであると、触媒成分３２の周囲に存在する酸素吸蔵成分に吸蔵されていた酸素が放出され、この結果、放出された酸素によりＨＣおよびＣＯといった未燃成分が酸化され、浄化される。逆に、触媒成分３２及びコート材３１の雰囲気ガスが理論空燃比よりリーンであると、触媒成分３２の周囲に存在する酸素吸蔵成分が雰囲気ガスから酸素を吸収し、この結果ＮＯｘが還元浄化される。

このような酸素吸放出作用により、通常の空燃比制御の際に触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが理論空燃比に対し多少ばらついたとしても、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯといった三つの排気ガス成分を同時浄化することができる。よって通常の空燃比制御において、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆを敢えて理論空燃比を中心に微小振動させ、酸素の吸放出を繰り返させることにより排ガス浄化を行うことも可能である。

ところで、新品状態の触媒１１では前述したように細かい粒子状の触媒成分３２が多数均等に分散配置されており、排気ガスと触媒成分３２との接触確率が高い状態に維持されている。しかしながら、触媒１１が劣化してくると、一部の触媒成分３２に消失が見られるほか、触媒成分３２同士が排気熱で焼き固まって焼結状態になるものがある（図の破線参照）。こうなると排気ガスと触媒成分３２との接触確率の低下を引き起こし、浄化率を落としめる原因となる。そしてこのほかに、触媒成分３２の周囲に存在するコート材３１の量、即ち酸素吸蔵成分の量が減少し、酸素吸蔵能自体が低下する。

このように、触媒１１の劣化度と触媒１１の持つ酸素吸蔵能の低下度とは相関関係にある。そこで本実施形態では、特にエミッションへの影響が大きい上流触媒１１の酸素吸蔵能を検出することにより、上流触媒１１の劣化度を検出することとしている。ここで、触媒１１の酸素吸蔵能は、現状の触媒１１が吸蔵し得る最大酸素量である酸素吸蔵容量（ＯＳＣ；O_２ Storage Capacity、単位はｇ）の大きさによって表される。

本実施形態の触媒劣化診断は前述のＣｍａｘ法によるものを基本とする。そして触媒１１の劣化診断に際しては、ＥＣＵ２０によりアクティブ空燃比制御が実行される。アクティブ空燃比制御において、触媒１１の上流側の空燃比、即ち燃焼室３内の混合気の空燃比ひいては触媒１１に供給される排気ガスの空燃比は、所定の中心空燃比Ａ／Ｆｃを境にリッチ側及びリーン側にアクティブに（強制的に）交互に切り替えられる。なおリッチ側に切り替えられているときの空燃比をリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ、リーン側に切り替えられているときの空燃比をリーン空燃比Ａ／Ｆｌと称す。このアクティブ空燃比制御によって触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがリッチ及びリーンの一方に制御されている間に触媒の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測される。

触媒１１の劣化診断は、内燃機関１の定常運転時で且つ触媒１１が活性温度域にあるときに実行される。触媒１１の温度（触媒床温）の計測については、温度センサを用いて直接検出してもよいが、本実施形態の場合内燃機関の運転状態から推定することとしている。例えばＥＣＵ２０は、エアフローメータ５によって検出される吸入空気量Ｇａに基づいて、予め設定されたマップを利用し、触媒１１の温度Ｔｃを推定する。なお、吸入空気量Ｇａ以外のパラメータ、例えばエンジン回転速度Ｎｅ（ｒｐｍ）などを触媒温度推定に用いるパラメータに含めてもよい。

以下、図３及び図４を用いて、上流触媒１１の酸素吸蔵容量の計測方法を説明する。なおここでは上流触媒１１の下流側に設けられたＮＯｘ触媒２１は無いものとする。図３（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、アクティブ空燃比制御を実行したときの、触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８の出力挙動を実線で示す。また、図３（Ａ）には、ＥＣＵ２０内部で発生される目標空燃比Ａ／Ｆｔを破線で示す。図３（Ａ）に示される触媒前センサ１７の出力値は触媒前空燃比Ａ／Ｆｆに換算した値である。また図３（Ｂ）に示される触媒後センサ１８の出力値はその出力値自体、即ち出力電圧Ｖｒの値である。

図３（Ａ）に示されるように、目標空燃比Ａ／Ｆｔは、中心空燃比としての理論空燃比Ａ／Ｆｓを中心として、そこからリッチ側に所定の振幅（リッチ振幅Ａｒ、Ａｒ＞０）だけ離れた空燃比（リッチ空燃比Ａ／Ｆｒ）と、そこからリーン側に所定の振幅（リーン振幅Ａｌ、Ａｌ＞０）だけ離れた空燃比（リーン空燃比Ａ／Ｆｌ）とに強制的に、且つ交互に切り替えられる。そしてこの目標空燃比Ａ／Ｆｔの切り替えに追従して、実際値としての触媒前空燃比Ａ／Ｆｆも、目標空燃比Ａ／Ｆｔに対し僅かな時間遅れを伴って切り替わる。このことから目標空燃比Ａ／Ｆｔと触媒前空燃比Ａ／Ｆｆとは時間遅れがあること以外等価であることが理解されよう。

図示例においてリッチ振幅Ａｒとリーン振幅Ａｌとは等しい。例えばリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ＝１４．１、リーン空燃比Ａ／Ｆｌ＝１５．１、リッチ振幅Ａｒ＝リーン振幅Ａｌ＝０．５とされる。通常の空燃比制御の場合に比べ、アクティブ空燃比制御の場合は空燃比の振り幅が大きく、即ちリッチ振幅Ａｒとリーン振幅Ａｌとの値は大きい。

目標空燃比Ａ／Ｆｔは、触媒後センサ１８の出力が反転するのに応じて切り替えられる。即ち、目標空燃比Ａ／Ｆｔが切り替えられる時期ないしタイミングは、触媒後センサ１８の出力がリッチからリーンに、又はリーンからリッチに切り替わるタイミングと同時である。なお実際に供給される混合気の空燃比も目標空燃比Ａ／Ｆｔと同時に切り替えられる。図示されるように、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒは理論空燃比Ａ／Ｆｓを境に急変する。そして当該出力電圧Ｖｒの反転時期、即ち当該出力電圧Ｖｒがリッチ側に反転した時期及びリーン側に反転した時期を定めるため、当該出力電圧Ｖｒに関する二つの反転しきい値ＶＲ，ＶＬが予め定められている。ここでＶＲをリッチ判定値、ＶＬをリーン判定値という。ＶＲ＞ＶＬであり、例えばＶＲ＝０．５９（Ｖ）、ＶＬ＝０．２１（Ｖ）とされる。出力電圧Ｖｒがリーン側即ち減少方向に変化してリーン判定値ＶＬに達した時、出力電圧Ｖｒはリーン側に反転したとみなされ、触媒後センサ１８によって検出された触媒後空燃比Ａ／Ｆｒは少なくとも理論空燃比よりリーンであると判断される。他方、出力電圧Ｖｒがリッチ側即ち増大方向に変化してリッチ判定値ＶＲに達した時、出力電圧Ｖｒはリッチ側に反転したとみなされ、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒは少なくとも理論空燃比よりリッチであると判断される。図５に示すように、リッチ判定値ＶＲはストイキ相当値Ｖｓｔよりも大きな（リッチ側の）値であり、リーン判定値ＶＬはストイキ相当値Ｖｓｔよりも小さな（リーン側の）値である。リッチ判定値ＶＲとリーン判定値ＶＬとにそれぞれ対応する空燃比の間の狭い領域Ｙ（これを遷移領域という）に理論空燃比が含まれている。基本的に、出力電圧Ｖｒからは触媒後空燃比Ａ／Ｆｒが理論空燃比よりもリッチかリーンかを検出できるのみで、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒの絶対値まで検出するのは困難である。

図３（Ａ），（Ｂ）に示されるように、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒがリッチ側の値からリーン側に変化してリーン判定値ＶＬに等しくなった時（時刻ｔ１）、目標空燃比Ａ／Ｆｔはリーン空燃比Ａ／Ｆｌからリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられる。その後、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒがリーン側の値からリッチ側に変化してリッチ判定値ＶＲに等しくなった時（時刻ｔ２）、目標空燃比Ａ／Ｆｔはリッチ空燃比Ａ／Ｆｒからリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられる。このように、触媒後センサ１８の出力がリーン側又はリッチ側に反転する毎に空燃比がリッチ側又はリーン側にアクティブに切替制御される。

このアクティブ空燃比制御を実行しつつ、次のようにして触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測され、触媒１１の劣化が判定される。

図３を参照して、時刻ｔ１より前では目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌとされ、触媒１１にはリーンガスが流入されている。このとき触媒１１では酸素を吸収し続けているが、一杯に酸素を吸収した時点でそれ以上酸素を吸収できなくなり、リーンガスが触媒１１を通り抜けて触媒１１の下流側に流れ出す。こうなると触媒後空燃比Ａ／Ｆｒがリーン側に変化し、触媒後センサ１８の出力電圧がリーン判定値ＶＬに達した時点（ｔ１）で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられ、或いは反転される。

そして今度は触媒１１にリッチガスが流入されることとなる。このとき触媒１１では、それまで吸蔵されていた酸素が放出され続ける。よって触媒１１の下流側にはほぼ理論空燃比Ａ／Ｆｓの排気ガスが流出し、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒがリッチにならないことから、触媒後センサ１８の出力は反転しない。触媒１１から酸素が放出され続けるとやがて触媒１１からは全ての吸蔵酸素が放出され尽くし、その時点でそれ以上酸素を放出できなくなり、リッチガスが触媒１１を通り抜けて触媒１１の下流側に流れ出す。こうなると触媒後空燃比Ａ／Ｆｒがリッチ側に変化し、触媒後センサ１８の出力電圧がリッチ判定値ＶＲに達した時点（ｔ２）で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられる。

酸素吸蔵容量ＯＳＣが大きいほど、酸素を吸収或いは放出し続けることのできる時間が長くなる。つまり、触媒が劣化していない場合は目標空燃比Ａ／Ｆｔの反転周期（例えばｔ１からｔ２までの時間）が長くなり、触媒の劣化が進むほど目標空燃比Ａ／Ｆｔの反転周期は短くなる。

そこで、このことを利用して酸素吸蔵容量ＯＳＣが以下のようにして計測される。図４に示すように、時刻ｔ１で目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられた直後、僅かに遅れて実際値としての触媒前空燃比Ａ／Ｆｆがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替わる。そして触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが理論空燃比Ａ／Ｆｓに達した時点ｔ１１から、次に目標空燃比Ａ／Ｆｔが反転する時点ｔ２まで、次式（１）により、所定の微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣ（酸素吸蔵容量の瞬時値）が算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが時刻ｔ１１から時刻ｔ２まで積算される。こうしてこのリッチ制御中或いは酸素放出サイクルにおいて、最終積算値としての酸素吸蔵容量ＯＳＣ、即ち放出酸素量（図４のＯＳＣ１）が計測される。

ここで、Ｑは燃料噴射量であり、空燃比差ΔＡ／Ｆに燃料噴射量Ｑを乗じるとストイキに対し不足又は過剰分の空気量を算出できる。Ｋは空気に含まれる酸素割合（約０．２３）を表す定数である。

目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン側となっているリーン制御中或いは酸素吸蔵サイクルでも同様に酸素吸蔵容量（この場合吸蔵酸素量）が計測される。そして目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ・リーンと交互に切り替えられ、リッチ制御とリーン制御が交互に行われる度に、酸素吸蔵容量が計測される。そして得られた複数の酸素吸蔵容量計測値の平均値ＯＳＣａｖが算出され、当該平均値ＯＳＣａｖが最終的な酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣとされる。

なお、リーン制御中或いは酸素吸蔵サイクルにおける酸素吸蔵容量（吸蔵酸素量）の計測については、図４に示すように、時刻ｔ２で目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられた後、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが理論空燃比Ａ／Ｆｓに達した時点ｔ２１から、次に目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ側に反転する時点ｔ３まで、前式（１）により微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＯＳＣが積算される。こうしてこの酸素吸蔵サイクルにおける酸素吸蔵容量（図４のＯＳＣ２）が計測される。酸素放出サイクルの酸素吸蔵容量ＯＳＣ１と酸素吸蔵サイクルの酸素吸蔵容量ＯＳＣ２とはほぼ等しい値となるのが理想的である。

次に、最終的な酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣに基づき触媒の劣化判定がなされる。即ち、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較され、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓより大きければ触媒は正常、酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが劣化判定値ＯＳＣｓ以下ならば触媒は劣化と判定される。なお、触媒が劣化と判定された場合、その事実をユーザに知らせるため、チェックランプ等の警告装置を起動させるのが好ましい。

ところで、前述したように、高硫黄濃度の燃料が使用されると上流触媒１１（及び下流触媒１９）がＳ被毒し、排気浄化性能が悪化するだけでなく、劣化診断時に本来より少ない酸素吸蔵容量の値が計測されてしまって誤診断する可能性がある。そこで本実施形態ではこれを防止すべく、燃料の硫黄濃度を検出可能としている。

この硫黄濃度検出には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒２１とＮＯｘセンサ２２とが用いられる。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（NSR: NOx Storage Reduction）２１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、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２１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と反応し、Ｎ_２に還元処理される。こうして吸蔵ＮＯｘを放出させることで、ＮＯｘ触媒２１は本来のＮＯｘ吸蔵能を取り戻し、再生される（これをＮＯｘ再生という）。

なお、ＮＯｘ触媒２１のＮＯｘ吸放出作用はＮＯｘ触媒２１が活性状態にあるとき、即ち所定の活性温度域（例えば２８０〜５５０℃）にあるときに限り可能である。本実施形態では、例えば上流触媒１１の推定温度に基づき、ＮＯｘ触媒２１の温度を推定し、ＮＯｘ触媒２１が活性状態にあるか否かを判断するようにしている。

特に、ＮＯｘ触媒２１は比較的小容量のものが使用される。その理由は、詳しくは後述するが、本実施形態ではＮＯｘ触媒２１のＳ被毒の有無を利用して燃料の硫黄濃度を検出しており、より詳しくは、ＮＯｘ触媒２１のＳ被毒によるＮＯｘ吸蔵容量の減少によりＮＯｘ触媒２１から漏れ出したＮＯｘをＮＯｘセンサ２２で検出して燃料の硫黄濃度が高いことを検出するからである。従って、ＮＯｘ触媒２１は、Ｓ被毒があると短時間のうちにＮＯｘが漏れ出すような程度の容量しか有さないのが好ましい。ＮＯｘ触媒２１は、排気ガス中のＮＯｘを実用上十分に吸蔵できるほどの大きな容量を有する必要はない。ＮＯｘ触媒２１の容量は、例えば、上流触媒１１の容量の１／２よりも少なくされ、例えば上流触媒１１の容量の１／３などとされる。

図６には、触媒劣化診断時および硫黄濃度検出時における各値の変化を示す。（Ａ）は目標空燃比Ａ／Ｆｔを示し、（Ｂ）は触媒後センサ出力Ｖｒを示す。（Ｃ）は、上流触媒１１とＮＯｘ触媒２１の間の位置における排気ガスのＮＯｘ濃度、即ち、上流触媒１１から排出されＮＯｘ触媒２１に供給される排気ガスのＮＯｘ濃度を示す。（Ｄ）は、低硫黄濃度の燃料（低硫黄燃料）使用時のＮＯｘセンサ出力Ｉを示し、（Ｅ）は、高硫黄濃度の燃料（高硫黄燃料）使用時のＮＯｘセンサ出力Ｉを示す。なおＮＯｘセンサ出力ＩはＮＯｘ濃度が高いほど大きな値となる。

以下、目標空燃比Ａ／Ｆｔが、リッチ及びリーンの一方に切り替えられた時から再び同一方向に切り替えられる時までの期間をアクティブ空燃比制御の１周期という。また目標空燃比Ａ／Ｆｔが、リッチ及びリーンの一方に切り替えられた時から次に反対方向に切り替えられる時までの期間をアクティブ空燃比制御の半周期という。そして目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチに切り替えられた時から開始する半周期をリッチ半周期といい、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーンに切り替えられた時から開始する半周期をリーン半周期という。図示例では、例えばｔ０からｔ１までの期間がリーン半周期、ｔ１からｔ２までの期間がリッチ半周期、ｔ０からｔ２までの期間が１周期である。なおリッチ半周期及びリーン半周期をそれぞれリッチ制御時及びリーン制御時ともいい、半周期を単に「山」ともいう。

まず図示例における触媒劣化診断を概説する。時刻ｔ０でアクティブ空燃比制御が開始され、最初の半周期（リーン半周期）が開始されるが、この半周期では酸素吸蔵容量が計測されない。その理由は、開始前の空燃比がアクティブ空燃比制御実行中と異なってストイキとなっており、前条件が相違するからである。最初の半周期は捨て山とされる。

次に、時刻ｔ１で目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチに切り替えられ、１回目のリッチ半周期が開始される。このリッチ半周期では前述の方法により酸素吸蔵容量が計測（積算）される。時刻ｔ２で触媒後センサ出力Ｖｒがリッチに反転したのと同時に、１回目のリッチ半周期における酸素吸蔵容量計測が終了され、同時に目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーンに切り替えられる。

以降同様に、時刻ｔ２，ｔ３，・・・で目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン、リッチ、・・・と交互に切り替えられる度に、リーン半周期、リッチ半周期、・・・での酸素吸蔵容量が順次計測される。そしてＮ周期分（本実施形態ではＮ＝３）の酸素吸蔵容量が計測された時点ｔ７で、アクティブ空燃比制御と酸素吸蔵容量計測とが終了され、計測された複数（本実施形態では六つ）の酸素吸蔵容量計測値の平均値が算出される。

かかる触媒劣化診断中、燃料硫黄濃度検出が同時に行われる。ここでＮＯｘの挙動に着目すると次の通りである。最初のリーン半周期（ｔ０〜ｔ１）において、上流触媒１１にはストイキよりリーンな排気ガス（リーンガス）が供給されているが、このリーンガスは、上流触媒１１の酸素吸蔵量が飽和状態に近づくにつれ徐々に上流触媒１１から漏れ出してくる。この漏出量の増加につれ、（Ｃ）に示すように、上流触媒１１から漏れ出てくるＮＯｘ量も徐々に増加する。この傾向は全てのリーン半周期（ｔ２〜ｔ３、ｔ４〜ｔ５、ｔ６〜ｔ７）において見られる。なお前条件の違いに起因して、最初のリーン半周期はその後のリーン半周期よりもＮＯｘ漏出量が多い。

かかる漏出ＮＯｘは、ＮＯｘ触媒２１が正常な状態であれば、ＮＯｘ触媒２１により吸蔵されてしまい、ＮＯｘ触媒２１の下流側には排出されない。即ち、（Ｄ）に示すように、既定の低硫黄燃料が使用されていれば、ＮＯｘ触媒２１はＳ被毒せず、ＮＯｘ触媒２１は十分なＮＯｘ吸蔵能を有する。よってＮＯｘ触媒２１は漏出ＮＯｘを吸蔵し、漏出ＮＯｘを排出しない。それ故、ＮＯｘ触媒２１の下流側におけるＮＯｘセンサ２２の出力Ｉは、低いＮＯｘ濃度相当の低い値に維持される。なお、最初のリーン半周期ではＮＯｘセンサ２２の出力Ｉが若干立ち上がっているが、これはＮＯｘ触媒２１に比較的多い漏出ＮＯｘが供給されたことによるものである。

リーン半周期の間のリッチ半周期（ｔ１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４、ｔ５〜ｔ６）においても、上流触媒１１からリッチガスが徐々に漏れ出すが、この漏れ出したリッチガスがＮＯｘ触媒２１に供給される結果、ＮＯｘ触媒２１から吸蔵ＮＯｘが放出され還元処理される。よってリッチ半周期の度にＮＯｘ触媒２１は再生されることとなる。

ところで、（Ｅ）に示すように、高硫黄燃料が使用されると、ＮＯｘ触媒２１がＳ被毒してしまい、その本来有するＮＯｘ吸蔵能が低下する。よってＮＯｘ触媒２１が吸蔵可能なＮＯｘ量が減少し、その結果、漏出ＮＯｘが比較的早い段階からＮＯｘ触媒２１から漏れ出てしまう。それ故、ＮＯｘセンサ２２の出力Ｉが比較的早い段階から立ち上がり始め、変化するようになる。

このように低硫黄燃料使用時と高硫黄燃料使用時とでは、ＮＯｘ触媒２１のＳ被毒の有無に起因して、リーン制御中におけるＮＯｘセンサ２２の出力Ｉの挙動が相違する。従って本実施形態ではこの特性を利用して燃料の硫黄濃度を検出する。

硫黄濃度検出の第１の態様は、（Ｅ）に示すような、リーン制御開始時から、ＮＯｘセンサ出力Ｉが所定値に達するまでの時間Ｔを検出パラメータとして用いるものである。即ち、１回目のリーン半周期（ｔ２〜ｔ３）開始と同時に、時間Ｔの計測とＮＯｘセンサ出力Ｉのモニタリングとが開始され、同時に、当該開始時のＮＯｘセンサ出力の値（開始値）Ｉ_０が記憶される。そしてその後、ＮＯｘセンサ出力Ｉが、開始値Ｉ_０よりも所定値Ａだけ大きい値に達した時、その時の時間Ｔが記憶される。より具体的には、リーン半周期開始時以降、実際のＮＯｘセンサ出力Ｉと開始値Ｉ_０との差即ちＮＯｘセンサ出力差ΔＩ＝Ｉ−Ｉ_０がモニタリングされ、このＮＯｘセンサ出力差ΔＩが所定値Ａ以上となった時、その時のリーン半周期開始時からの計測時間Ｔが記憶される。

次いで、この記憶された時間Ｔが所定値Ｔｓ以下であるとき、燃料の硫黄濃度が高いことが検出され、即ち燃料は高硫黄燃料であると判定される。他方、時間Ｔが所定値Ｔｓより長いときには、燃料の硫黄濃度が低いことが検出され、即ち燃料は既定の低硫黄燃料であると判定される。

以上の説明で分かるように、この第１の態様は、高硫黄燃料使用時に低硫黄燃料使用時よりも早期にＮＯｘ触媒２１からＮＯｘが漏れ始め、ＮＯｘセンサ出力Ｉが立ち上がることを利用するものである。

以下、図７を参照しつつ、硫黄濃度検出の第１の態様を含む触媒劣化診断処理を説明する。図示するルーチンはＥＣＵ２０により所定のサンプリング周期τ（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１では、診断を開始するための前提条件が成立しているか否かが判断される。例えば、吸入空気量Ｇａ及び機関回転速度Ｎｅの変動幅が所定範囲内にあるなどエンジンが定常運転状態にあり、且つ、上流触媒１１、ＮＯｘ触媒２１及び各センサ１７，１８，２２が活性状態にあれば、前提条件成立となる。なお前提条件についてはここで述べた例に限られない。前提条件が成立していない場合には今回のルーチンが終了され、他方、前提条件が成立している場合にはステップＳ１０２に進んで、アクティブ空燃比制御が実行、開始される。

次いでステップＳ１０３では、アクティブ空燃比制御の最初の半周期が終了したか否かが判断される。この最初の半周期とは図６に示したｔ０〜ｔ１の期間に相当し、所謂捨て山が終了したか否かが判断されている。終了してなければ今回のルーチンが終了され、終了していればステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、現在が１回目のリーン半周期にあるか否かが判断される。これは、本実施形態では１回目のリーン半周期においてのみ硫黄濃度検出を実施するようにしているためである。１回目のリーン半周期とは、図６に示したｔ２〜ｔ３の期間に相当する。現在が１回目のリーン半周期になければ、ステップＳ１１３において前述の方法により酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測される。他方、現在が１回目のリーン半周期にあれば、ステップＳ１０５に進んで酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測されると共に、ステップＳ１０６以降で硫黄濃度検出のための処理が実行される。

ここで、酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測に際しては、ＮＯｘ触媒２１も酸素吸蔵可能なので、上流触媒１１とＮＯｘ触媒２１の両方における酸素吸蔵容量の合計値が計測される。しかし、この合計値からＮＯｘ触媒２１分の酸素吸蔵容量を減じることで、上流触媒１１のみの酸素吸蔵容量を算出するようにしている。具体的には、合計値に、予め定められた減少係数Ｗ（但し０＜Ｗ＜１、例えばＷ＝０．９）を乗じて得た値を上流触媒１１の酸素吸蔵容量としている。こうすることで、上流触媒１１とＮＯｘ触媒２１の互いに連動する劣化度を加味して上流触媒１１の酸素吸蔵容量を正確に得ることができる。

さて、ステップＳ１０６においては、１回目のリーン半周期開始時のＮＯｘセンサ出力値即ち開始値Ｉ_０と、実際のＮＯｘセンサ出力値Ｉ_ｎとの差、即ちＮＯｘセンサ出力差ΔＩ_ｎ＝Ｉ_ｎ−Ｉ_０がモニタリングされる。ここでｎはサンプリング周期τ毎の各サンプリング時期を意味する。そして、ステップＳ１０７において、１回目のリーン半周期開始時からの時間Ｔが計測される。

ステップＳ１０８では、ＮＯｘセンサ出力差ΔＩ_ｎが所定値Ａ以上となったか否かが判断される。ここで所定値Ａとしては、高硫黄燃料使用時に一つのリーン半周期内においてＮＯｘセンサ出力差ΔＩ_ｎが到達し得るような値が設定されている。ＮＯｘセンサ出力差ΔＩ_ｎが所定値Ａ以上となっていなければ、今回のルーチンが終了される。

他方、ＮＯｘセンサ出力差ΔＩ_ｎが所定値Ａ以上となっていれば、ステップＳ１０９に進み、その時点での時間Ｔが記憶されると共に、当該時間Ｔが所定値Ｔｓと比較される。Ｔ＞Ｔｓのときには、ＮＯｘ触媒２１からのＮＯｘ漏出が遅くＮＯｘ触媒２１はＳ被毒してないとして、ステップＳ１１０において使用燃料を低硫黄燃料と判定する。他方、Ｔ≦Ｔｓのときには、ＮＯｘ触媒２１からのＮＯｘ漏出が早くＮＯｘ触媒２１はＳ被毒しているとして、ステップＳ１１１において使用燃料を高硫黄燃料と判定する。

高硫黄燃料と判定した場合、次のステップＳ１１２で、酸素吸蔵容量計測値を補正するための補正係数αが算出される。即ち、高硫黄燃料の場合だと上流触媒１１がＳ被毒し、計測された酸素吸蔵容量の値が真の値より小さくなって誤診断を起こす可能性がある。よって、酸素吸蔵容量計測値をＳ被毒減少分だけ増加補正するための補正係数αが算出される。補正係数αの算出は予めＥＣＵ２０に記憶されたマップ又は関数を用いて行われる。本実施形態では図８に示すようなマップが用いられ、Ｔ≦Ｔｓのときには１より大きい補正係数αが算出される。なおマップの特性は図示例に限られない。

ステップＳ１１０，Ｓ１１２又はＳ１１３に続いて、ステップＳ１１４では、アクティブ空燃比制御のＮ周期（本実施形態ではＮ＝３）が終了したか否かが判断される。終了していなければ今回のルーチンが終了される。終了していればステップＳ１１５に進んで、アクティブ空燃比制御と酸素吸蔵容量計測とが終了され、また合計２Ｎ（本実施形態では６）サンプルの酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測値からこれらの平均値ＯＳＣａｖが算出される。

ステップＳ１１６では、酸素吸蔵容量計測値の平均値ＯＳＣａｖに補正係数αが乗じられて最終的な酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが算出される。これによりステップＳ１１１で高硫黄燃料と判断された場合、ステップＳ１１２で算出された１より大きい補正係数αが乗じられ、上流触媒１１のＳ被毒分が補償される。なお、ステップＳ１１２で補正係数αが算出されないままステップＳ１１６に至った場合、補正係数αとしては基準値の１が使用され、酸素吸蔵容量計測値の平均値ＯＳＣａｖがそのまま最終的な酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣとされる。

次いで、ステップＳ１１７において最終的な酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣが所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較される。ＯＳＣ＞ＯＳＣｓならばステップＳ１１８で上流触媒１１は正常と判定され、ＯＳＣ≦ＯＳＣｓならばステップＳ１１９で上流触媒１１は劣化と判定される。以上でルーチンが終了する。

なお、この例では１回目のリーン半周期にのみ硫黄濃度検出を行ったが、これに限定されず、任意のリーン半周期に硫黄濃度検出を行ってよい。例えば、他回目（例えば２回目又は３回目）のリーン半周期にのみ硫黄濃度検出を行ってもよいし、複数のリーン半周期で硫黄濃度検出を行ってもよい。後者の場合、複数の検出結果が同じである場合に限ってその検出結果を最終的な検出結果としてもよく、或いは、１回でも高硫黄燃料使用と判定すれば最終的な検出結果を高硫黄燃料使用としてもよい。

また、実際のＮＯｘセンサ出力値Ｉの開始値Ｉ_０との差ΔＩの代わりに、実際のＮＯｘセンサ出力値Ｉ自体を用いてもよい。

酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣを補正する代わりに、劣化判定値ＯＳＣｓを補正しても良い。この場合、ステップＳ１１１において高硫黄燃料使用と判定されたときには、ステップＳ１１２において、例えば図９に示すようなマップから、１より小さい補正係数βを算出する。そしてステップＳ１１６で平均値ＯＳＣａｖを補正する代わりに、ステップＳ１１７でＯＳＣｓをβ・ＯＳＣｓに置き換える。これにより劣化判定値ＯＳＣｓは、上流触媒１１のＳ被毒分を補償するよう、より小さい値に補正され、上流触媒１１を劣化とする誤診断を防止できる。

或いは、誤診断を防止すべく、高硫黄燃料が検出されたときには直ちに診断を中止しても良い。

次に、硫黄濃度検出の第２の態様を説明する。この態様は、リーン制御中におけるＮＯｘセンサ出力Ｉに基づく面積を検出パラメータとして用いる。即ち、図１０に示すように、１回目のリーン半周期（ｔ２〜ｔ３）の開始時からサンプリング周期τ毎に、ＮＯｘセンサ出力差ΔＩ_ｎ＝Ｉ_ｎ−Ｉ_０が積算される。この積算値ΣΔI_ｎは、図中ハッチングで示すような面積に相当するので、当該積算値ΣΔI_ｎを面積とも称する。次いで、積算値ないし面積ΣΔI_ｎが所定値Ｂ以上であるときには高硫黄燃料と判定され、積算値ないし面積ΣΔI_ｎが所定値Ｂ未満であるときには低硫黄燃料と判定される。この第２の態様は、高硫黄燃料使用時に低硫黄燃料使用時よりもＮＯｘセンサ出力Ｉが大きく変化することを利用するものである。

図１１に、硫黄濃度検出の第２の態様を含む触媒劣化診断処理のルーチンを示す。このルーチンにおいて、図７に示した第１の態様に係るルーチンと異なるのは、ステップＳ１０６〜１０９に代わってステップＳ２０６，Ｓ２０７が実行される点だけであり、その余は同様であるのでステップ番号を２００番台に置き換えて詳細な説明を省略する。

ステップＳ２０６ではＮＯｘセンサ出力差ΔＩ_ｎ＝Ｉ_ｎ−Ｉ_０が積算され、ステップＳ２０７では今回の積算値ないし面積ΣΔI_ｎが所定値Ｂ未満であるか否かが判断される。積算値ΣΔI_ｎが所定値Ｂ未満であるときには、ステップＳ２１０で低硫黄燃料と判定される。他方、積算値ΣΔI_ｎが所定値Ｂ以上であるときには、ステップＳ２１１で高硫黄燃料と判定される。この場合、次のステップＳ２１２で、酸素吸蔵容量計測値を補正するための補正係数αがマップ又は関数を用いて算出される。本実施形態では図１２に示すようなマップが用いられ、ΣΔI_ｎ≧Ｂのときには１より大きい補正係数αが算出される。但しこのマップの特性も図示例に限られない。

この例では時々刻々と変化する積算値ΣΔI_ｎが所定値Ｂ以上に達した時点で高硫黄燃料と判定したが、リーン半周期の全期間に亘る積算値ΣΔI_ｎを一旦求め、この積算値ΣΔI_ｎが所定値Ｂ以上に達していれば高硫黄燃料と判定してもよい。ＮＯｘセンサ出力値Ｉ_ｎの開始値Ｉ_０との差ΔＩ_ｎの代わりにＮＯｘセンサ出力値Ｉ_ｎ自身を用いてもよい。また、任意のリーン半周期に硫黄濃度を検出できる点、酸素吸蔵容量計測値を補正する代わりに劣化判定値ＯＳＣｓを補正しても良い点、および高硫黄燃料判定時に直ちに診断を中止しても良い点は、前記同様である。

次に硫黄濃度検出の第３の態様を説明する。この態様は、リーン制御中におけるＮＯｘセンサ出力Ｉに基づく軌跡長を検出パラメータとして用いる。即ち、図１３に示すように、１回目のリーン半周期（ｔ２〜ｔ３）の開始時からサンプリング周期τ毎に、今回のＮＯｘセンサ出力Ｉ_ｎと前回のＮＯｘセンサ出力Ｉ_ｎ−１との差ΔＩ_ｎ’＝Ｉ_ｎ−Ｉ_ｎ−１が積算される。この積算値ΣΔI_ｎ’は、図示するようなＮＯｘセンサ出力Ｉの軌跡長ないし変化量に相当するので、当該積算値ΣΔI_ｎ’を軌跡長とも称する。次いで、積算値ないし軌跡長ΣΔI_ｎ’が所定値Ｃ以上であるときには高硫黄燃料と判定され、積算値ないし軌跡長ΣΔI_ｎ’が所定値Ｃ未満であるときには低硫黄燃料と判定される。この第３の態様も、高硫黄燃料使用時に低硫黄燃料使用時よりもＮＯｘセンサ出力Ｉが大きく変化することを利用するものである。

図１４に、硫黄濃度検出の第３の態様を含む触媒劣化診断処理のルーチンを示す。このルーチンにおいて、図７に示した第１の態様に係るルーチンと異なるのは、第２の態様に係るルーチンと同様、ステップＳ１０６〜１０９に代わってステップＳ３０６，３０７が実行される点だけであり、その余は同様であるのでステップ番号を３００番台に置き換えて詳細な説明を省略する。

ステップＳ３０６では前回と今回のＮＯｘセンサ出力の差ΔＩ_ｎ’＝Ｉ_ｎ−Ｉ_ｎ−１が積算され、ステップＳ３０７では今回の積算値ないし軌跡長ΣΔI_ｎ’が所定値Ｃ未満であるか否かが判断される。積算値ΣΔI_ｎ’が所定値Ｃ未満であるときには、ステップＳ３１０で低硫黄燃料と判定される。他方、積算値ΣΔI_ｎ’が所定値Ｃ以上であるときには、ステップＳ３１１で高硫黄燃料と判定される。この場合、次のステップＳ３１２で、酸素吸蔵容量計測値を補正するための補正係数αがマップ又は関数を用いて算出される。本実施形態では図１５に示すようなマップが用いられ、ΣΔI_ｎ’≧Ｃのときには１より大きい補正係数αが算出される。なおこのマップの特性も図示例に限られない。

第２の態様のときと同様、この例では時々刻々と変化する積算値ΣΔI_ｎ’が所定値Ｃ以上に達した時点で高硫黄燃料と判定したが、リーン半周期の全期間に亘る積算値ΣΔI_ｎ’を一旦求め、この積算値ΣΔI_ｎ’が所定値Ｃ以上に達していれば高硫黄燃料と判定してもよい。また、任意のリーン半周期に硫黄濃度を検出できる点、酸素吸蔵容量計測値を補正する代わりに劣化判定値ＯＳＣｓを補正しても良い点、および高硫黄燃料判定時に直ちに診断を中止しても良い点は、前記同様である。

ところで、上流触媒１１が劣化するにつれ、空燃比の切替周期及び触媒後センサ出力Ｖｒの反転周期が短くなり、ＮＯｘセンサ出力Ｉの立ち上がり開始タイミングが早まると共に、リーン半周期全体でのＮＯｘセンサ出力Ｉに基づく面積及び軌跡長が減少する可能性がある。よってこの場合でも硫黄濃度検出を的確に行えるようにするため、上流触媒１１の劣化度に応じて検出パラメータ（Ｔ，ΣΔI_ｎ，ΣΔI_ｎ’）の所定値Ｔｓ，Ｂ，Ｃを変化させるのが好ましい。上流触媒１１の劣化度を表すパラメータとしては、酸素吸蔵容量ＯＳＣの実際の計測値を用いることができる。時間Ｔについては、酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測値が小さいほど（つまり触媒劣化度が大ほど）、所定値Ｔｓを小さくするのが好ましい。また面積ΣΔI_ｎ及び軌跡長ΣΔI_ｎ’についても、酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測値が小さいほど、所定値Ｂ及びＣを小さくするのが好ましい。これにより触媒劣化度をも考慮した適切な硫黄濃度検出を実行することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば、内燃機関の用途や形式は任意であり、例えば車両用以外であってもよいし、直噴式等であってもよい。また、前記実施形態では上流触媒１１とＮＯｘ触媒２１をそれぞれ別体として所定間隔を空けて配置したが、図１６に示すようにこれらを一体とし、互いに隣接して配置してもよい。この場合、担体基材の少なくとも前半部を含む前側部分に三元触媒１１を形成し、残りの後側部分にＮＯｘ触媒２１を形成することができる。

本発明には、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。

１ 内燃機関
６ 排気管
１１ 上流触媒
１２ インジェクタ
１７ 触媒前センサ
１８ 触媒後センサ
１９ 下流触媒
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２１ 吸蔵還元型ＮＯｘ触媒
２２ ＮＯｘセンサ
ＯＳＣ 酸素吸蔵容量
ＯＳＣｓ 劣化判定値
Ｖｒ 触媒後センサ出力
ＶＲ リッチ判定値
ＶＬ リーン判定値
Ａ／Ｆｔ 目標空燃比
Ｉ ＮＯｘセンサ出力
Ｔ 時間
ΣΔI_ｎ 積算値（面積）
ΣΔI_ｎ’ 積算値（軌跡長）

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を診断する装置であって、
   前記触媒の下流側に配置されて排気ガスの空燃比を検出する触媒後センサと、
   前記触媒後センサの出力が反転するのに応じて触媒上流側の空燃比をリッチ及びリーンに交互に切り替えるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
   前記アクティブ空燃比制御の実行に伴って前記触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
   前記酸素吸蔵容量の計測値に基づき前記触媒の劣化を判定する判定手段と、
   前記触媒と前記触媒後センサの間に配置された吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記ＮＯｘ触媒の下流側に配置されて排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサと、
   前記触媒上流側空燃比のリーン制御中における前記ＮＯｘセンサの出力に基づき、燃料の硫黄濃度を検出する硫黄濃度検出手段と、
   を備え、
   前記硫黄濃度検出手段は、前記リーン制御の開始時から、前記ＮＯｘセンサの出力が所定値に達するまでの時間を計測し、当該計測された時間が所定値以下であるとき、燃料の硫黄濃度が高いことを検出する
   ことを特徴とする触媒劣化診断装置。
2. 前記判定手段が、前記酸素吸蔵容量計測値を所定の劣化判定値と比較して前記触媒の劣化を判定するものであり、
   前記硫黄濃度検出手段により燃料の硫黄濃度が高いことが検出されたとき、前記酸素吸蔵容量計測値又は前記劣化判定値を補正する補正手段をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の触媒劣化診断装置。
3. 内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を診断する装置であって、
   前記触媒の下流側に配置されて排気ガスの空燃比を検出する触媒後センサと、
   前記触媒後センサの出力が反転するのに応じて触媒上流側の空燃比をリッチ及びリーンに交互に切り替えるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
   前記アクティブ空燃比制御の実行に伴って前記触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
   前記酸素吸蔵容量の計測値に基づき前記触媒の劣化を判定する判定手段と、
   前記触媒と前記触媒後センサの間に配置された吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記ＮＯｘ触媒の下流側に配置されて排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサと、
   前記触媒上流側空燃比のリーン制御中における前記ＮＯｘセンサの出力に基づき、燃料の硫黄濃度を検出する硫黄濃度検出手段と、
   を備え、
   前記硫黄濃度検出手段は、前記リーン制御中にＮＯｘセンサ出力に基づく面積又は軌跡長を計測し、当該計測された面積又は軌跡長が所定値以上であるとき、燃料の硫黄濃度が高いことを検出する
   ことを特徴とする触媒劣化診断装置。
4. 前記判定手段が、前記酸素吸蔵容量計測値を所定の劣化判定値と比較して前記触媒の劣化を判定するものであり、
   前記硫黄濃度検出手段により燃料の硫黄濃度が高いことが検出されたとき、前記酸素吸蔵容量計測値又は前記劣化判定値を補正する補正手段をさらに備える
   ことを特徴とする請求項３に記載の触媒劣化診断装置。

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