JP6123822B2

JP6123822B2 - 排気浄化装置の劣化診断装置

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Publication number: JP6123822B2
Application number: JP2015027003A
Authority: JP
Inventors: 晃司萩原; 靖志岩崎; 洋孝齋藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2015-02-13
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2035-02-13
Also published as: EP3056702A1; JP2016148319A; US20160237875A1; EP3056702B1; US9617900B2

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配置される排気浄化装置の劣化を診断する技術に関し、特に選択還元型触媒（ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒）を具備する排
気浄化装置の劣化を診断する技術に関する。

内燃機関の排気通路に配置される排気浄化装置の劣化を診断する方法として、排気浄化装置より上流の排気通路、及び排気浄化装置より下流の排気通路のそれぞれに配置される空燃比センサや酸素濃度センサの測定値を利用する方法が知られている。具体的には、排気浄化装置へ流入する排気の空燃比を理論空燃比より高いリーン空燃比から理論空燃比より低いリッチ空燃比へ変更した際の上記した２カ所のセンサの出力差（以下、「センサ出力差」と称する）から排気浄化装置が吸蔵することができる酸素（Ｏ_２）の量（以下、「酸素吸蔵容量」と称する）を求め、その酸素吸蔵容量に基づいて排気浄化装置の劣化を診断する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１２−２４１６５２号公報特開２００８−１２８２１３号公報

上記した従来の技術は、三元触媒を具備した排気浄化装置を対象としたものであるが、ＳＣＲ触媒も三元触媒と同様に酸素吸蔵能を有するため、上記した従来技術と同様の方法によりＳＣＲ触媒の劣化を診断する方法が考えられる。しかしながら、ＳＣＲ触媒の酸素吸蔵容量は、三元触媒の酸素吸蔵容量より少ないため、ＳＣＲ触媒が劣化していない正常な状態にある場合であってもセンサ出力差が小さくなる。そのため、排気の空燃比を測定するためのセンサの測定値に誤差が含まれていると、センサ出力差からＳＣＲ触媒の酸素吸蔵容量を正確に求めることができず、診断精度が低下する可能性がある。

これに対し、ＳＣＲ触媒より上流の排気通路に三元触媒や吸蔵還元型触（ＮＳＲ（NOX Storage Reduction）触媒）を配置し、排気の空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ
変更した際に三元触媒やＮＳＲ触媒において水性ガスシフト反応を誘発させることで、ＳＣＲ触媒が正常であるときのセンサ出力差とＳＣＲ触媒が劣化しているときのセンサ出力差との差を拡大させる方法が考えられる。

ところで、三元触媒やＮＳＲ触媒において水性ガスシフト反応を誘発させる際に、三元触媒やＮＳＲ触媒へ流入する排気の空燃比がばらつくと、三元触媒やＮＳＲ触媒で生成される水素の量がばらつく可能性がある。また、三元触媒やＮＳＲ触媒で生成される水素の量は、それらの触媒の劣化度合に応じてもばらつく可能性がある。三元触媒やＮＳＲ触媒で生成される水素の量がばらつくと、ＳＣＲ触媒へ流入する水素量もばらつくため、ＳＣＲ触媒の劣化を精度よく診断することが困難になる可能性がある。

本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＳＣＲ触媒を具備する排気浄化装置へ流入する排気の空燃比を測定するセンサと該排気浄化装置から流出する排気の空燃比を測定するセンサとを利用して、ＳＣＲ触媒の劣化を精度良く診断することができる技術の提供にある。

本発明は、上記した課題を解決するために、内燃機関から排出される排気の空燃比がリーン空燃比であるときに、ＳＣＲ触媒より上流に配置される三元触媒及びＮＳＲ触媒へ流入する排気の空燃比を理論空燃比より低い所定のリッチ空燃比へ変更することで、それらの触媒において水性ガスシフト反応を誘発させる処理である誘発処理を実行し、その誘発処理の実行期間中にＳＣＲ触媒へ流入する排気の空燃比とＳＣＲ触媒から流出する排気の空燃比とをそれぞれ空燃比センサによって測定し、それらの差に基づいてＳＣＲ触媒の劣化を診断する排気浄化装置の劣化診断装置において、三元触媒とＮＳＲ触媒との劣化度合に基づいてそれぞれの触媒で生成される水素の量を予測し、予測された水素生成量の多い触媒へ流入する排気の空燃比が目標値となるように内燃機関から排出される排気の空燃比を制御するようにした。

詳細には、本発明は、希薄燃焼運転可能な内燃機関の排気通路に設けられ、排気の空燃比が理論空燃比より低いリッチ空燃比であるときに水性ガスシフト反応を促進させる三元触媒を具備する第一排気浄化装置と、前記第一排気浄化装置より下流の排気通路に配置され、排気の空燃比が理論空燃比より低いリッチ空燃比であるときに水性ガスシフト反応を促進させる吸蔵還元型触媒を具備する第二排気浄化装置と、前記第二排気浄化装置より下流の排気通路に設けられ、排気の空燃比が理論空燃比より高いリーン空燃比であるときは排気中の酸素を吸蔵し、排気の空燃比が理論空燃比以下であるときは吸蔵していた酸素を脱離させる選択還元型触媒を具備する第三排気浄化装置と、前記第一排気浄化装置へ流入する排気の空燃比に相関する物理量を測定する第一空燃比センサと、前記第二排気浄化装置へ流入する排気の空燃比に相関する物理量を測定する第二空燃比センサと、前記第三排気浄化装置へ流入する排気の空燃比に相関する物理量を測定する第三空燃比センサと、前記第三排気浄化装置から流出する排気の空燃比に相関する物理量を測定する第四空燃比センサと、内燃機関から排出される排気の空燃比がリーン空燃比であるときに、該内燃機関から排出される排気の空燃比を理論空燃比より低いリッチ空燃比に変更することで、前記第一排気浄化装置及び前記第二排気浄化装置において水性ガスシフト反応を誘発させる処理である誘発処理を実行する制御手段と、前記誘発処理の実行期間における前記第三空燃比センサの測定値と前記第四空燃比センサの測定値との差であるセンサ出力差を積算することで、前記期間におけるセンサ出力差の総和である総センサ出力差を求め、その総センサ出力差をパラメータとして、前記第三排気浄化装置の劣化を診断する診断手段と、を備える排気浄化装置の劣化診断装置において、前記三元触媒の劣化度合と前記吸蔵還元型触媒の劣化度合とに基づいて、前記誘発処理の実行時に前記第一排気浄化装置で生成される水素の量である第一水素生成量と前記第二排気浄化装置で生成される水素の量である第二水素生成量とを予測する予測手段を更に備え、前記制御手段は、前記第一水素生成量が前記第二水素生成量より多い場合は前記第一空燃比センサの測定値が所定の第一リッチ空燃比となるように内燃機関から排出される排気の空燃比を制御することで前記誘発処理を実行し、前記第二水素生成量が前記第一水素生成量より多い場合は前記第二空燃比センサの測定値が所定の第二リッチ空燃比となるように内燃機関から排出される排気の空燃比を制御することで前記誘発処理を実行するようにした。

内燃機関から排出される排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、第三排気浄化装置へ流入する排気の空燃比がリーン空燃比になる。その場合、排気中に含まれる酸素が第三排気浄化装置の選択還元型触媒（ＳＣＲ触媒）に吸蔵される。このような状態で誘発処理が実行されることで、第一排気浄化装置及び第二排気浄化装置へ流入する排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ変更されると、第三排気浄化装置へ流入する排気の空燃比もリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替わる。その結果、ＳＣＲ触媒に吸蔵されていた酸素が該ＳＣＲ触媒から脱離する。

ＳＣＲ触媒から脱離した酸素は、排気とともに第三排気浄化装置から流出する。そのため、第三排気浄化装置から流出する排気の空燃比は、第三排気浄化装置へ流入する排気の空燃比より高くなる。その結果、第三空燃比センサの測定値と第四空燃比センサの測定値との間には、第三排気浄化装置のＳＣＲ触媒から脱離した酸素の量に起因する差が生じる。

また、誘発処理が実行されることによって第一排気浄化装置及び第二排気浄化装置へ流入する排気の空燃比がリッチ空燃比になっているときは、第一排気浄化装置の三元触媒及び第二排気浄化装置の吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ触媒）において水性ガスシフト反応が生起される。そのため、第一排気浄化装置及び第二排気浄化装置において、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）と水（Ｈ_２Ｏ）とが反応して二酸化炭素（ＣＯ_２）と水素が生成される。第一排気浄化装置及び第二排気浄化装置で生成された水素は、排気とともに第三空燃比センサに到達する。その際、水素の拡散速度は他の排気成分より速いため、水素が第三空燃比センサのセンサ素子に先行到達し、センサ素子がリッチ雰囲気になる。その結果、第三空燃比センサの測定値は、実際の空燃比より低くなる（リッチずれ）。その後、第一排気浄化装置及び第二排気浄化装置において生成された水素が第三排気浄化装置へ流入すると、第三排気浄化装置のＳＣＲ触媒によって水素が酸化させられるため、第四空燃比センサのリッチずれは第三空燃比センサより小さくなる。よって、第三空燃比センサの測定値と第四空燃比センサの測定値との間には、第三排気浄化装置のＳＣＲ触媒によって酸化される水素の量に起因する差も生じる。

したがって、誘発処理が実行された状態における第三空燃比センサの測定値と第四空燃比センサの測定値との差には、第三排気浄化装置のＳＣＲ触媒から脱離した酸素の量に起因する差とＳＣＲ触媒によって酸化される水素の量に起因する差とが含まれることになる。

ここで、ＳＣＲ触媒が劣化すると、それに応じてＳＣＲ触媒の酸素吸蔵能も劣化するため、ＳＣＲ触媒の酸素吸蔵容量が小さくなる。よって、第三排気浄化装置のＳＣＲ触媒が劣化している場合は劣化していない場合に比べ、誘発処理の実行時に第三排気浄化装置のＳＣＲ触媒から脱離する酸素の量が少なくなる。その結果、第四空燃比センサの測定値が第三空燃比センサの測定値に近づく。

また、第三排気浄化装置のＳＣＲ触媒が劣化している場合は劣化していない場合に比べ、ＳＣＲ触媒によって酸化させられる水素の量が少なくなる。よって、第三排気浄化装置のＳＣＲ触媒が劣化している場合は劣化していない場合に比べ、誘発処理の実行時に第四空燃比センサへ到達する水素の量が多くなり、それに伴って第四空燃比センサのリッチずれが大きくなる。その結果、第四空燃比センサの測定値が第三空燃比センサの測定値に近づく。

よって、第三排気浄化装置のＳＣＲ触媒が劣化していない場合は、ＳＣＲ触媒の酸素吸蔵能と水素酸化能との相乗効果によって第三空燃比センサの測定値と第四空燃比センサの測定値との差が大きくなるのに対し、第三排気浄化装置のＳＣＲ触媒が劣化している場合は、ＳＣＲ触媒の酸素吸蔵能の低下と水素酸化能の低下との相乗効果によって第三空燃比センサの測定値と第四空燃比センサの測定値との差が小さくなる。そのため、誘発処理の開始から終了までの期間における第三空燃比センサの測定値と第四空燃比センサの測定値との差の積算値（総センサ出力差）は、第三排気浄化装置のＳＣＲ触媒が劣化していない場合と劣化している場合とで大きく相違することになる。

第三排気浄化装置のＳＣＲ触媒が劣化していない場合の総センサ出力差とＳＣＲ触媒が劣化している場合の総センサ出力差との間に顕著な差が生じると、第三空燃比センサおよ
びまたは第四空燃比センサの測定値に誤差が含まれる場合であっても、その誤差の影響が小さくなるため、第三排気浄化装置の劣化診断を行うことが可能になる。また、第三空燃比センサ及び第四空燃比センサとして空燃比センサや酸素濃度センサ等の既存のセンサを利用することができるため、ＮＯ_ＸセンサやＮＨ_３センサ等を利用する場合に比べ、劣化診断装置にかかるコストを低減することもできる。

ところで、誘発処理の実行時に第三排気浄化装置へ流入する水素の量がばらつくと、前記総センサ出力差もばらついてしまい、ＳＣＲ触媒の劣化を精度よく診断することができない可能性がある。誘発処理の実行時に第三排気浄化装置へ流入する水素量のばらつきは、誘発処理の実行時に第一排気浄化装置や第二排気浄化装置で生成される水素量のばらつきに起因する。そして、誘発処理の実行時に第一排気浄化装置や第二排気浄化装置で生成される水素量がばらつく主な要因は、誘発処理の実行時に第一排気浄化装置や第二排気浄化装置へ流入する排気の空燃比がばらつくことにあると考えられる。

よって、誘発処理の実行時に第一排気浄化装置又は第二排気浄化装置へ流入する排気の空燃比が所望のリッチ空燃比に収束するように内燃機関から排出される排気の空燃比をク制御（フィードバック制御）することで、誘発処理の実行時に第三排気浄化装置へ流入する水素量のばらつきを低減することが望ましい。具体的には、第一排気浄化装置と第二排気浄化装置とのうち、水素生成量の多い排気浄化装置へ流入する排気の空燃比がその排気浄化装置で水素を生成するのに適した所望のリッチ空燃比となるように、内燃機関から排出される排気の空燃比をフィードバック制御することが望ましい。

ただし、誘発処理の実行時に第一排気浄化装置及び第二排気浄化装置で生成される水素の量は、三元触媒やＮＳＲ触媒の劣化度合に応じて変化する。そこで、本発明の排気浄化装置の劣化診断装置では、三元触媒の劣化度合とＮＳＲ触媒の劣化度合とに基づいて、誘発処理の実行時に第一排気浄化装置で生成される水素の量（第一水素生成量）と第二排気浄化装置で生成される水素の量（第二水素生成量）とを予測する。そして、予測された第一水素生成量が第二水素生成量より多い場合には第一排気浄化装置へ流入する排気の空燃比（第一空燃比センサの測定値）が所定の第一リッチ空燃比となるように内燃機関から排出される排気の空燃比がフィードバック制御され、予測された第二水素生成量が第一水素生成量より多い場合には第二排気浄化装置へ流入する排気の空燃比（第二空燃比センサの測定値）が所定の第二リッチ空燃比となるように内燃機関から排出される排気の空燃比がフィードバック制御されるようにした。このような方法によって、誘発処理の実行時に内燃機関から排出される排気の空燃比がフィードバック制御されると、第一排気浄化装置と第二排気浄化装置とのうち、相対的に水素生成量の多い排気浄化装置へ流入する排気の空燃比のばらつきが抑制される。そのため、第一排気浄化装置と第二排気浄化装置とのうち、相対的に水素生成量の多い排気浄化装置で生成される水素量のばらつきが低減される。その結果、三元触媒やＮＳＲ触媒が劣化した場合であっても、誘発処理の実行時に第三排気浄化装置へ流入する水素量のばらつきを可能限り小さく抑えることができる。よって、第三空燃比センサと第四空燃比センサとを利用して、ＳＣＲ触媒の劣化を精度良く診断することが可能になる。

なお、ここでいう「第一リッチ空燃比」は、第一排気浄化装置へ流入する排気の実際の空燃比が三元触媒による水素の生成に適した空燃比になるときの第一空燃比センサの測定値に相当する。また、「第二リッチ空燃比」は、第二排気浄化装置へ流入する排気の実際の空燃比がＮＳＲ触媒による水素の生成に適した空燃比になるときの第二空燃比センサの測定値に相当する。

ところで、誘発処理の実行時は、第一排気浄化装置で生成される水素によって第二空燃比センサがリッチずれを起こすが、その際のリッチずれの大きさは三元触媒の劣化度合に
応じて変化する。よって、第二水素生成量が第一水素生成量より多い場合であって、第二空燃比センサの測定値が前記所定の第二リッチ空燃比となるように内燃機関から排出される排気の空燃比をフィードバック制御する場合において、第二排気浄化装置へ流入する排気の実際の空燃比をＮＳＲ触媒による水素の生成に適した空燃比とするためには、三元触媒の劣化度合（言い換えると、三元触媒で生成される水素の量）に応じて、第二リッチ空燃比を変更することが望ましい。ここで、三元触媒の劣化度合が大きい場合は小さい場合に比べ、第一排気浄化装置で生成される水素量が少なくなる。そのため、三元触媒の劣化度合が大きい場合の第二リッチ空燃比が三元触媒の劣化度合が小さい場合と同じ空燃比に設定されると、第二排気浄化装置へ流入する排気の実際の空燃比がＮＳＲ触媒で水素を生成するのに適した空燃比より低くなる可能性がある。

そこで、本発明の排気浄化装置の劣化診断装置は、第二水素生成量が第一水素生成量より多い場合であって、第二空燃比センサの測定値が前記所定の第二リッチ空燃比となるように内燃機関から排出される排気の空燃比を制御する場合において、三元触媒の劣化度合が大きいときは小さいときに比べ、前記所定の第二リッチ空燃比を高い空燃比に変更する補正手段を更に備えるようにした。このように三元触媒の劣化度合に応じて前記所定の第二リッチ空燃比が補正されると、三元触媒の劣化度合が変化しても、第二排気浄化装置へ流入する排気の実際の空燃比をＮＳＲ触媒で水素を生成するのに適した空燃比にすることができる。

ここで、補正手段は、三元触媒の劣化度合と誘発処理の実行時における第一空燃比センサの測定値とをパラメータとして、誘発処理の実行時における第二空燃比センサの測定値と実際の空燃比とのずれ量（第二空燃比センサのリッチずれの大きさ）を演算し、そのずれ量が小さくなるほど前記所定の第二空燃比を高い空燃比に変更してもよい。誘発処理の実行時における第二空燃比センサのリッチずれの大きさは、三元触媒の劣化度合と第一排気浄化装置へ流入する排気の空燃比（第一空燃比センサの測定値）とに相関する。たとえば、誘発処理の実行時における第二空燃比センサのリッチずれの大きさは、三元触媒の劣化度合が大きくなるほど小さくなり、且つ第一空燃比センサの測定値が高くなるほど小さくなる。よって、三元触媒の劣化度合と第一空燃比センサの測定値とをパラメータとして、誘発処理の実行時における第二空燃比センサのリッチずれの大きさを求めることができる。そして、第二空燃比センサのリッチずれが小さくなるほど、前記所定の第二リッチ空燃比が高い空燃比に変更されると、三元触媒の劣化度合が変化しても、第二排気浄化装置へ流入する排気の実際の空燃比をＮＳＲ触媒で水素を生成するのに適した空燃比にすることができる。

本発明によれば、ＳＣＲ触媒を具備する排気浄化装置へ流入する排気の空燃比を測定するセンサと該排気浄化装置から流出する排気の空燃比を測定するセンサとを利用して、ＳＣＲ触媒の劣化を精度良く診断することができる。

本発明を適用する内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能と酸素吸蔵容量との相関を示す図である。Ｏ_２脱離処理及び誘発処理が実行された場合における第一空燃比センサ、第二空燃比センサ、第三空燃比センサ、及び第四空燃比センサの測定値を示すタイミングチャートである。三元触媒の劣化度合と第一水素生成量との相関を示す図である。ＮＳＲ触媒の劣化度合と第二水素生成量との相関を示す図である。三元触媒の劣化度合と第一触媒ケーシングへ流入する排気の空燃比と第二空燃比センサのリッチずれ量との相関を示す図である。ＳＣＲ触媒の劣化診断を実行する際にＥＣＵによって実行される処理処理ルーチンを示すフローチャートである。図７の処理ルーチンのＳ１０５の処理で実行されるサブルーチンを示すフローチャートである。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明を適用する内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、理論空燃比より高いリーン空燃比の混合気を燃焼して運転（希薄燃焼運転）することができる火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）であるが、圧縮着火式の内燃機関であってもよい。

内燃機関１は、気筒へ燃料を供給するための燃料噴射弁２を備えている。燃料噴射弁２は、各気筒の吸気ポート内へ燃料を噴射するものであってもよく、又は各気筒内へ燃料を噴射するものであってもよい。

内燃機関１には、排気管３が接続されている。排気管３は、内燃機関１の気筒内で燃焼されたガス（排気）が流通する通路を有する管である。排気管３の途中には、第一触媒ケーシング４が配置されている。第一触媒ケーシング４は、アルミナ等のコート層によって被覆されたハニカム構造体と、コート層に担持される貴金属（白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等）と、コート層に担持されるセリア（ＣｅＯ_２）等の助触媒と、を収容する。第一触媒ケーシング４は、本発明に係わる「第一排気浄化装置」に相当する。

第一触媒ケーシング４より下流の排気管３には、第二触媒ケーシング５が配置される。第二触媒ケーシング５は、ＮＯ_Ｘ吸蔵材を付加した吸蔵還元型触媒（以下、「ＮＳＲ触媒」と記す）を収容する。詳細には、第二触媒ケーシング５は、アルミナ等のコート層によって被覆されたハニカム構造体と、コート層に担持される貴金属（白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等）と、コート層に担持されるセリア（ＣｅＯ_２）等の助触媒と、コート層に担持されるＮＯ_Ｘ吸蔵材（アルカリ類、アルカリ土類等）と、を収容する。第二触媒ケーシング５は、本発明に係わる「第二排気浄化装置」に相当する。

第二触媒ケーシング５より下流の排気管３には、第三触媒ケーシング６が配置される。第三触媒ケーシング６は、ＳＣＲ触媒を収容する。詳細には、第三触媒ケーシング６は、コーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼から成るハニカム構造体と、ハニカム構造体を被覆するゼオライト系のコート層と、コート層に担持される遷移金属（銅（Ｃｕ）や鉄（Ｆｅ）等）と、を収容する。第三触媒ケーシング６は、本発明に係わる「第三排気浄化装置」に相当する。

このように構成された内燃機関１には、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）７が併設
される。ＥＣＵ７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等から構成される電子制御ユニットである。ＥＣＵ７は、第一空燃比センサ８、第二空燃比センサ９、第三空燃比センサ１０、第四空燃比センサ１１、排気温度センサ１２、アクセルポジションセンサ１３、クランクポジションセンサ１４、及びエアフローメータ１５等の各種センサと電気的に接続されている。

第一空燃比センサ８は、第一触媒ケーシング４より上流の排気管３に取り付けられ、第一触媒ケーシング４へ流入する排気の空燃比に相関する電気信号を出力する。この第一空
燃比センサ８は、本発明に係わる「第一空燃比センサ」に相当する。なお、第一触媒ケーシング４へ流入する排気の空燃比は、前記第一空燃比センサの代わりに酸素濃度センサを取り付け、その酸素濃度センサの測定値から演算されてもよい。

第二空燃比センサ９は、第一触媒ケーシング４と第二触媒ケーシング５との間の排気管３に取り付けられ、第二触媒ケーシング５へ流入する排気の空燃比に相関する電気信号を出力する。この第二空燃比センサ９は、本発明に係わる「第二空燃比センサ」に相当する。なお、第二触媒ケーシング５へ流入する排気の空燃比は、前記第二空燃比センサ９の代わりに酸素濃度センサを取り付け、その酸素濃度センサの測定値から演算されてもよい。

第三空燃比センサ１０は、第二触媒ケーシング５と第三触媒ケーシング６との間の排気管３に取り付けられ、第三触媒ケーシング６へ流入する排気の空燃比に相関する電気信号を出力する。この第三空燃比センサ１０は、本発明に係わる「第三空燃比センサ」に相当する。なお、第三触媒ケーシング６へ流入する排気の空燃比は、前記第三空燃比センサ１０の代わりに酸素濃度センサを取り付け、その酸素濃度センサの測定値から演算されてもよい。

第四空燃比センサ１１は、第三触媒ケーシング６より下流の排気管３に取り付けられ、第三触媒ケーシング６から流出する排気の空燃比に相関する電気信号を出力する。第四空燃比センサ１１は、本発明に係わる「第四空燃比センサ」に相当する。なお、第三触媒ケーシング６から流出する排気の空燃比は、前記第四空燃比センサ１１の代わりに酸素濃度を取り付けて、該酸素濃度センサの測定値から演算されてもよい。

排気温度センサ１２は、第三触媒ケーシング６より下流の排気管３に取り付けられ、排気管３内を流れる排気の温度に相関する電気信号を出力する。アクセルポジションセンサ１３は、アクセルペダルに取り付けられ、該アクセルペダルの操作量（アクセル開度）に関する電気信号を出力する。クランクポジションセンサ１４は、内燃機関１に取り付けられ、機関出力軸（クランクシャフト）の回転位置に相関する電気信号を出力する。エアフローメータ１５は、内燃機関１の吸気管（図示せず）に取り付けられ、吸気管内を流れる新気（空気）の量（質量）に相関する電気信号を出力する。

ＥＣＵ７は、上記した各種センサの出力信号に基づいて、内燃機関１の運転状態を制御する。例えば、ＥＣＵ７は、アクセルポジションセンサ１３の出力信号（アクセル開度）に基づいて演算される機関負荷とクランクポジションセンサ１４の出力信号に基づいて演算される機関回転速度とに基づいて混合気の目標空燃比を演算する。ＥＣＵ７は、目標空燃比とエアフローメータ１５の出力信号（吸入空気量）に基づいて目標燃料噴射量（燃料噴射期間）を演算し、その目標燃料噴射量に従って燃料噴射弁２を作動させる。その際、ＥＣＵ７は、内燃機関１の運転状態が低回転・低負荷領域又は中回転・中負荷領域にある場合は、目標空燃比を理論空燃比より高いリーン空燃比に設定する。また、ＥＣＵ７は、内燃機関１の運転状態が高負荷領域又は高回転領域にある場合は、目標空燃比を理論空燃比又は理論空燃比より低いリッチ空燃比に設定する。このように、内燃機関１の運転状態が低回転・低負荷領域や中回転・中負荷領域（以下、これらの運転領域を「リーン運転領域」と称する）に属するときに、目標空燃比をリーン空燃比に設定することで、内燃機関１が希薄燃焼運転されると、燃料消費量を少なく抑えることができる。

また、ＥＣＵ７は、内燃機関１の運転状態が前記リーン運転領域にあるときに、リッチスパイク処理を適宜に実行する。リッチスパイク処理は、排気中の酸素濃度が低く且つ炭化水素や一酸化炭素の濃度が高くなるように、燃料噴射量や吸入空気量を調整する処理である。第二触媒ケーシング５に収容されるＮＳＲ触媒は、第二触媒ケーシング５へ流入する排気の酸素濃度が高いとき（排気の空燃比がリーン空燃比であるとき）に、排気中のＮ
Ｏ_Ｘを吸蔵又は吸着し、第二触媒ケーシング５へ流入する排気の酸素濃度が低く且つ炭化水素や一酸化炭素等の還元成分が排気に含まれるとき（排気の空燃比がリッチ空燃比であるとき）に、該ＮＳＲ触媒に吸蔵されていたＮＯ_Ｘを脱離させつつ、脱離したＮＯ_Ｘを窒素（Ｎ_２）やアンモニア（ＮＨ_３）に還元させる。そのため、リッチスパイク処理が実行されると、ＮＳＲ触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵能が再生されることになる。

そこで、ＥＣＵ７は、第二触媒ケーシング５のＮＳＲ触媒に吸蔵されているＮＯ_Ｘの量（ＮＯ_Ｘ吸蔵量）が一定量以上になったとき、前回のリッチスパイク処理終了時からの運転時間（好ましくは、目標空燃比がリーン空燃比に設定された運転時間）が一定時間以上になったとき、又は前回のリッチスパイク処理終了時からの走行距離（好ましくは、目標空燃比がリーン空燃比に設定された走行距離）が一定距離以上になったときに、リッチスパイク処理を実行することで、ＮＳＲ触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵能が飽和することを抑制する。

なお、リッチスパイク処理の具体的な実行方法としては、燃料噴射弁２の目標燃料噴射量を増加させる処理と吸気絞り弁（スロットル弁）の開度を減少させる処理の少なくとも一方を実行することで、内燃機関１で燃焼に供される混合気の空燃比を低下させる方法を用いることができる。また、燃料噴射弁２が気筒内に直接燃料を噴射する構成においては、気筒の排気行程中に燃料噴射弁２から燃料を噴射させる方法により、リッチスパイク処理が実行されてもよい。

次に、第三触媒ケーシング６のＳＣＲ触媒は、排気中に含まれるアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアによって排気中に含まれるＮＯ_Ｘを還元する。第三触媒ケーシング６のＳＣＲ触媒へ供給されるアンモニアは、第一触媒ケーシング４の三元触媒や第二触媒ケーシング５のＮＳＲ触媒において生成される。例えば、リッチスパイク処理が実行された場合に、第一触媒ケーシング４の三元触媒において排気中に含まれる炭化水素や水素がＮＯ_Ｘと反応してアンモニアを生成する。また、リッチスパイク処理が実行された場合に、第二触媒ケーシング５のＮＳＲ触媒から脱離したＮＯ_Ｘの一部が排気中の炭化水素や水素と反応してアンモニアに還元される。その際、三元触媒やＮＳＲ触媒において生成されるアンモニアの量は、リッチスパイク処理が実行される間隔や、リッチスパイク処理が実行されたときの排気の空燃比等によって変化する。よって、ＳＣＲ触媒へアンモニアを供給する必要があるときに、ＥＣＵ７は、リッチスパイク処理の実行間隔をアンモニアの生成に適した間隔に設定し、又はリッチスパイク処理実行時の排気の空燃比をアンモニアの生成に適した空燃比（例えば、１４．１程度）に設定してもよい。

上記したような種々の目的に応じてリッチスパイク処理が実行されると、内燃機関１が希薄燃焼運転されている場合であっても排気中のＮＯ_Ｘを浄化することができる。ところで、第三触媒ケーシング６に収容されているＳＣＲ触媒が劣化すると、内燃機関１が希薄燃焼運転された際に第二触媒ケーシング５で浄化しきれなかったＮＯ_Ｘが第三触媒ケーシング６でも浄化されずに大気中へ排出される可能性がある。そのため、第三触媒ケーシング６のＳＣＲ触媒が劣化した場合は、ＳＣＲ触媒の劣化を速やかに検出して、車両の運転者に修理を促したり、内燃機関１の希薄燃焼運転を禁止したりする必要がある。

以下では、第三触媒ケーシング６に収容されたＳＣＲ触媒の劣化を診断する方法について述べる。本実施例では、ＳＣＲ触媒の酸素吸蔵能に基づいて、ＳＣＲ触媒の劣化を診断する。ＳＣＲ触媒は、該ＳＣＲ触媒が具備する遷移金属の働きにより、排気の空燃比がリーン空燃比であるときに排気中の酸素を吸蔵する。そして、ＳＣＲ触媒に吸蔵された酸素は、排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替わったときに、該ＳＣＲ触媒から脱離する。このようなＳＣＲ触媒の酸素吸蔵能は、該ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能に相関する。図２は、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能とＳＣＲ触媒が吸蔵することができる酸素の量（酸素吸蔵容量）との関係を示す図である。図２に示すように、ＳＣＲ触媒のＮＯ
_Ｘ浄化性能（ＮＯ_Ｘ浄化率）が十分に高いとき（例えば、ＮＯ_Ｘ浄化率が８０％−１００％であるとき）は、ＳＣＲ触媒の酸素吸蔵容量も十分に大きくなるが、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能がある程度低下（例えば、ＮＯ_Ｘ浄化率が８０％未満へ低下）すると、それに伴って酸素吸蔵容量も小さくなる。よって、ＳＣＲ触媒の酸素吸蔵容量を求めることで、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能が劣化しているか否かを判別することができる。例えば、ＳＣＲ触媒の酸素吸蔵容量が所定の閾値より小さければ、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能が劣化していると判定することができる。

ＳＣＲ触媒の酸素吸蔵容量は、排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替えられた場合にＳＣＲ触媒から脱離する酸素の量に相関する。排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替えられた場合にＳＣＲ触媒から脱離する酸素の量は、ＳＣＲ触媒へ流入する排気の空燃比（又は酸素濃度）とＳＣＲ触媒から流出する排気の空燃比（又は酸素濃度）との差に基づいて求めることができる。

例えば、排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替えられた状態において、第三空燃比センサ１０の測定値と第四空燃比センサ１１の測定値との差を求め、その差を下記の（１）の式に代入することにより、その時々にＳＣＲ触媒から脱離した酸素量Ａｏｘを求めることができる。
Ａｏｘ＝△Ａ／Ｆ＊α＊Ｑｉｎｊ・・・（１）

前記（１）の式において、△Ａ／Ｆは第四空燃比センサ１１の測定値から第三空燃比センサ１０の測定値を減算した値であり、αは空気中に含まれる酸素の質量割合であり、Ｑｉｎｊは燃料噴射量である。

続いて、排気の空燃比がリッチ空燃比に維持されている期間において、前記（１）の式を用いた演算処理を繰り返し実行し、それらの演算結果を積算することにより、ＳＣＲ触媒から脱離した酸素の総量（酸素吸蔵容量）を求めることができる。このような方法によって求められた酸素吸蔵容量に基づいてＳＣＲ触媒の劣化診断が行われると、既存の酸素濃度センサや空燃比センサを使用してＳＣＲ触媒の劣化診断を行うことができる。

ところで、正常なＳＣＲ触媒（劣化していない状態のＳＣＲ触媒）の酸素吸蔵容量は、セリア等の酸素吸蔵材を含む三元触媒やＮＳＲ触媒等に比べて少ない。そのため、第三空燃比センサ１０や第四空燃比センサ１１の測定値に誤差が含まれていると、ＳＣＲ触媒が正常であるにもかかわらず酸素吸蔵容量の演算値が閾値より小さくなったり、ＳＣＲ触媒が劣化しているにもかかわらず酸素吸蔵容量の演算値が閾値以上になったりする可能性がある。

そこで、本実施例においては、ＳＣＲ触媒の酸素吸蔵容量を求める際に、第一触媒ケーシング４の三元触媒、及び第二触媒ケーシング５のＮＳＲ触媒において水性ガスシフト反応を誘発させる処理（誘発処理）を実行するようにした。ここでいう誘発処理は、内燃機関１の運転状態がリーン運転領域にあるときに、第一触媒ケーシング４及び第二触媒ケーシング５へ流入する排気の空燃比を水性ガスシフト反応に適したリッチ空燃比にする処理であり、前述したリッチスパイク処理と同様に、燃料噴射量の増量と吸入空気量の減量との少なくとも一方を実行することにより、内燃機関１で燃焼に供される混合気の空燃比、及び内燃機関１から排出される排気の空燃比をリッチ空燃比にする処理である。

誘発処理の実行によって内燃機関１から排出される排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ変更されると、第一触媒ケーシング４及び第二触媒ケーシング５へリッチ空燃比の排気が流入し、第一触媒ケーシング４の三元触媒及び第二触媒ケーシング５のＮＳＲ触媒によって水性ガスシフト反応が促進される。つまり、第一触媒ケーシング４の三元
触媒及び第二触媒ケーシング５のＮＳＲ触媒によって排気中の水と一酸化炭素との反応が促進され、水素と二酸化炭素が生成される。第一触媒ケーシング４及び第二触媒ケーシング５で生成された水素は、排気とともに第三空燃比センサ１０に到達する。その際、水素の拡散速度が他の排気成分より速いため、第三空燃比センサ１０のセンサ素子表面の多くが水素に覆われてリッチ雰囲気となる。その結果、第三空燃比センサ１０の測定値が実際の排気の空燃比より低くなるリッチずれが発生する。一方、第三空燃比センサ１０を通過した水素が第三触媒ケーシング６へ流入すると、ＳＣＲ触媒の遷移金属と結合していた水酸化物イオン（ＯＨ）が排気中の水素と反応して水を生成する。つまり、第一触媒ケーシング４及び第二触媒ケーシング５において生成された水素は、第三触媒ケーシング６で酸化及び消費されることになる。その結果、第四空燃比センサ１１のリッチずれは、第三空燃比センサ１０のリッチずれより小さくなる。したがって、上記した誘発処理が実施された場合にＳＣＲ触媒が劣化していなければ、第三空燃比センサ１０の測定値と第四空燃比センサ１１の測定値との間に、第三触媒ケーシング６のＳＣＲ触媒から脱離する酸素の量に起因する差に加え、第三触媒ケーシング６のＳＣＲ触媒によって酸化される水素の量に起因する差も生じることになる。一方、上記した誘発処理が実施された場合にＳＣＲ触媒が劣化していれば、ＳＣＲ触媒の酸素吸蔵能と水素酸化能との双方が低下するため、ＳＣＲ触媒から脱離する酸素の量が減少するとともに、ＳＣＲ触媒で消費される水素の量が減少する。その結果、第三空燃比センサ１０の測定値と第四空燃比センサ１１の測定値との差が小さくなる。

要するに、誘発処理の実行時にＳＣＲ触媒が劣化していなければ、ＳＣＲ触媒の酸素吸蔵能と水素酸化能との相乗効果により、誘発処理の実行期間における第三空燃比センサ１０の測定値と第四空燃比センサ１１の測定値との差の積算値（総センサ出力差）が大きくなる。これに対し、誘発処理の実行時にＳＣＲ触媒が劣化していれば、ＳＣＲ触媒の酸素吸蔵能の低下と水素酸化能の低下との相乗効果によって総センサ出力差が小さくなる。よって、第二触媒ケーシング５のＳＣＲ触媒が劣化していない場合の総センサ出力差とＳＣＲ触媒が劣化している場合の総センサ出力差との間に顕著な差異が生まれることになるため、ＳＣＲ触媒が劣化しているか否かを精度良く判別することができる。

なお、第一触媒ケーシング４の三元触媒が酸素を吸蔵している状態で誘発処理が実行されると、該三元触媒に吸蔵されていた酸素が脱離し終わるまでは第一触媒ケーシング４及び第二触媒ケーシング５の何れにおいても水素が生成されない。そこで、本実施例では、誘発処理を実行する前に、第一触媒ケーシング４の三元触媒から酸素を脱離させる処理（以下、「Ｏ_２脱離処理」と称する）を実行するようにした。ここでいうＯ_２脱離処理は、誘発処理の実行時に比して内燃機関１で燃焼される混合気の空燃比をより低いリッチ空燃比に設定することで、第一触媒ケーシング４へ流入する排気の空燃比を誘発処理の実行時より低いリッチ空燃比にする処理である。このようなＯ_２脱離処理が実行されると、三元触媒に吸蔵されていた酸素を速やかに脱離させることができる。以下では、Ｏ_２脱離処理に適したリッチ空燃比を脱離用空燃比と称し、誘発処理に適したリッチ空燃比を診断用空燃比と称する。

ここで、Ｏ_２脱離処理及び誘発処理の実行方法について図３のタイミングチャートに沿って説明する。図３は、Ｏ_２脱離処理及び誘発処理が実行された場合における第一空燃比センサ８、第二空燃比センサ９、第三空燃比センサ１０、及び第四空燃比センサ１１の測定値を示すタイミングチャートである。なお、図３に示す測定値は、ＳＣＲ触媒が劣化していないときの測定値である。また、図３中のＡ／Ｆ１は第一空燃比センサ８の測定値を示し、Ａ／Ｆ２は第二空燃比センサ９の測定値を示し、Ａ／Ｆ３は第三空燃比センサ１０の測定値を示し、Ａ／Ｆ４は第四空燃比センサ１１の測定値を示す。

図３において、Ｏ_２脱離処理が開始されると（図３中のｔ１）、内燃機関１から排出さ
れる排気の空燃比がリーン空燃比から脱離用空燃比に変化し、それに伴って第一空燃比センサ８の測定値（Ａ／Ｆ１）もリーン空燃比から脱離用空燃比に変化する。脱離用空燃比の排気が第一触媒ケーシング４へ流入すると、三元触媒に吸蔵されていた酸素が該三元触媒から脱離するため、第一触媒ケーシング４から流出する排気の空燃比が理論空燃比になる。その場合、第二空燃比センサ９の測定値（Ａ／Ｆ２）も理論空燃比となる。第一触媒ケーシング４から流出する排気の空燃比が理論空燃比になると、第二触媒ケーシング５から流出する排気の空燃比、及び第三触媒ケーシング６から流出する排気の空燃比も理論空燃比になるため、第三空燃比センサ１０の測定値（Ａ／Ｆ３）及び第四空燃比センサ１１の測定値（Ａ／Ｆ４）も理論空燃比となる。

Ｏ_２脱離処理の実行によって三元触媒に吸蔵されていた全ての酸素が脱離し終わると、第一触媒ケーシング４から流出する排気の空燃比が理論空燃比からリッチ空燃比へ変化する（図３中のｔ２）。また、三元触媒から全ての酸素が脱離し終わると、三元触媒において水性ガスシフト反応が生起されるため、第二空燃比センサ９の測定値（Ａ／Ｆ２）は実際の空燃比（図３中の一点鎖線）より低い空燃比（図３中の実線）にずれる。このように第二空燃比センサ９の測定値（Ａ／Ｆ２）が理論空燃比からリッチ空燃比へ変化すると、ＥＣＵ７が内燃機関１で燃焼に供される混合気の空燃比を脱離用空燃比から診断用空燃比へ切り替えることにより、誘発処理を開始する。

誘発処理が開始されると、第一触媒ケーシング４へ流入する排気の実際の空燃比が診断用空燃比となり、それに伴って第一空燃比センサ８の測定値（Ａ／Ｆ１）も診断用空燃比と等しくなる。その際、第一触媒ケーシング４から流出する排気の実際の空燃比（図３中の一点鎖線）は診断用空燃比と等しくなるが、第二空燃比センサ９の測定値（Ａ／Ｆ２）は三元触媒で生成される水素の影響によって診断用空燃比より低い空燃比にずれる（図３中の実線）。

第一触媒ケーシング４から流出する排気の実際の空燃比が診断用空燃比になると、第二触媒ケーシング５へ診断用空燃比の排気が流入することになるため、第二触媒ケーシング５のＮＳＲ触媒に吸蔵されていた酸素が脱離し始める。第二触媒ケーシング５のＮＳＲ触媒から酸素が脱離すると、第二触媒ケーシング５から流出する排気の実際の空燃比が理論空燃比となる。ただし、第三空燃比センサ１０の測定値は、第一触媒ケーシング４の三元触媒で生成された水素の影響により理論空燃比より低い空燃比にずれる。また、第一触媒ケーシング４で生成された水素は、第三触媒ケーシング６のＳＣＲ触媒で消費されるため、第四空燃比センサ１１の測定値は実際の空燃比（理論空燃比）と等しくなる。そして、第二触媒ケーシング５のＮＳＲ触媒に吸蔵されていた全ての酸素が脱離し終わると（図３中のｔ３）、第二触媒ケーシング５から流出する排気の実際の空燃比が理論空燃比から診断用空燃比へ低下する。なお、第二触媒ケーシング５のＮＳＲ触媒に吸蔵されていた全ての酸素が脱離し終わると、第一触媒ケーシング４の三元触媒に加え、第二触媒ケーシング５のＮＳＲ触媒においても水性ガスシフト反応が生起されるため、第三空燃比センサ１０の測定値のリッチずれは、ＮＳＲ触媒から酸素が脱離している期間（図３中のｔ２−ｔ３の期間）よりも大きくなる。

第二触媒ケーシング５から流出する排気の実際の空燃比が診断用空燃比へ低下すると、第三触媒ケーシング６から流出する排気の実際の空燃比（図３中の一点鎖線）及び第四空燃比センサ１１の測定値（図４中のＡ／Ｆ４）が理論空燃比より低いリッチ空燃比へ低下し始める。ただし、第三触媒ケーシング６のＳＣＲ触媒から酸素が脱離するため、第四空燃比センサ１１の測定値（Ａ／Ｆ４）は、第三空燃比センサ１０の測定値（Ａ／Ｆ３）より高くなる。また、第三空燃比センサ１０の測定値（Ａ／Ｆ３）は、第一触媒ケーシング４及び第二触媒ケーシング５において生成された水素の影響によってリッチずれを起こす。これに対し、第一触媒ケーシング４及び第二触媒ケーシング５において生成された水素
が第三触媒ケーシング６のＳＣＲ触媒によって酸化及び消費されるため、第四空燃比センサ１１の測定値のリッチずれは殆ど発生しない。よって、第三触媒ケーシング６のＳＣＲ触媒に吸蔵されていた全ての酸素が脱離した後も、第三空燃比センサ１０の測定値（Ａ／Ｆ３）と第四空燃比センサ１１の測定値（Ａ／Ｆ４）との間に十分な差が生じる。この差は、誘発処理の終了時（図３中のｔ４）まで継続して発生する。

図３に示した方法によってＯ_２脱離処理及び誘発処理が実行されると、ＳＣＲ触媒が劣化していない場合の総センサ出力差とＳＣＲ触媒が劣化している場合の総センサ出力差との間に顕著な差が生まれるため、ＳＣＲ触媒が劣化しているか否かをより正確に判別することが可能になる。

ところで、誘発処理の実行時に第三触媒ケーシング６へ流入する水素の量がばらつくと、前記総センサ出力差もばらついてしまい、ＳＣＲ触媒が劣化しているか否かを正確に判別することができない可能性がある。誘発処理の実行時に第三触媒ケーシング６へ流入する水素量のばらつきは、誘発処理の実行時に第一触媒ケーシング４や第二触媒ケーシング５へ流入する排気の空燃比のばらつきに起因する。そのため、第一触媒ケーシング４と第二触媒ケーシング５とのうち、水素生成量の多い触媒ケーシングへ流入する排気の空燃比が診断用空燃比で収束するように、内燃機関１から排出される排気の空燃比（内燃機関１で燃焼される混合気の空燃比）をフィードバック制御することが望ましい。ただし、第一触媒ケーシング４や第二触媒ケーシング５で生成される水素の量は、三元触媒やＮＳＲ触媒の劣化度合に応じて変化する。そこで、本実施例では、三元触媒の劣化度合とＮＳＲ触媒の劣化度合とに基づいて、誘発処理の実行時に第一触媒ケーシング４で生成される水素の量（第一水素生成量）と第二触媒ケーシング５で生成される水素の量（第二水素生成量）とを予測し、予測された第一水素生成量が第二水素生成量より多い場合には第一触媒ケーシング４へ流入する排気の実際の空燃比が診断用空燃比となるように混合気の空燃比をフィードバック制御し、予測された第二水素生成量が第一水素生成量より多い場合には第二触媒ケーシング５へ流入する排気の実際の空燃比が診断用空燃比となるように混合気の空燃比をフィードバック制御する。

ここで、第一触媒ケーシング４の三元触媒の劣化度合は、該三元触媒の酸素吸蔵能力を測定することにより求めることができる。具体的には、前述したリッチスパイク処理が実行される場合等において、内燃機関１から排出される排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ変更された時点から、第一触媒ケーシング４から流出する排気の空燃比がリッチ空燃比を示す時点までの期間における第一空燃比センサ８の測定値と第二空燃比センサ９の測定値との差を積算し、その積算値が小さくなるほど三元触媒の劣化度合が大きいと判定すればよい。なお、第一触媒ケーシング４の三元触媒の劣化度合は、前述のリッチスパイク処理が実行された場合等において、三元触媒から酸素が脱離し終わった後の第一空燃比センサ８の測定値と第二空燃比センサ９の測定値との差（第二空燃比センサ９のリッチずれ分に相当）を求め、リッチスパイク処理実行時に第一触媒ケーシング４へ流入する排気の空燃比と第二空燃比センサ９のリッチずれ分とから三元触媒の劣化度合を求めてもよい。その際、第二空燃比センサ９のリッチずれ分は、三元触媒の劣化度合が大きくなるほど少なくなるとともに、リッチスパイク処理の実行時に第一触媒ケーシング４へ流入する排気の空燃比が高くなるほど少なくなる傾向がある。よって、第二空燃比センサ９のリッチずれ分と第一触媒ケーシング４へ流入する排気の空燃比と三元触媒の劣化度合との相関を予め実験的に求めておき、それらの相関をマップとしてＥＣＵ７のＲＯＭに記憶させておくようにしてもよい。

また、第二触媒ケーシング５のＮＳＲ触媒の劣化度合は、前記三元触媒と同様に、該ＮＳＲ触媒の酸素吸蔵能力を測定することにより求めることができる。具体的には、前述したリッチスパイク処理が実行される場合等において、第一触媒ケーシング４の三元触媒か
ら酸素が脱離し終わった時点（第一触媒ケーシング４から流出する排気の空燃比が理論空燃比以上の空燃比からリッチ空燃比へ変化した時点）から、第二触媒ケーシング５から流出する排気の空燃比がリッチ空燃比を示す時点までの期間において、第二空燃比センサ９の測定値と第三空燃比センサ１０の測定値との差を積算し、その積算値が小さくなるほどＮＳＲ触媒の劣化度合が大きいと判定すればよい。なお、前述の図３の説明で述べたように、三元触媒から酸素が脱離し終わると、該三元触媒において水性ガスシフト反応が生起されるため、第二空燃比センサ９の測定値が実際の空燃比より低くなるリッチずれを生じる。しかしながら、三元触媒で生成された水素によるリッチずれは第三空燃比センサ１０の測定値にも生じるため、第二空燃比センサ９の測定値と第三空燃比センサ１０の測定値との差の積算値は、三元触媒で生成された水素によるリッチずれ分を含まず、ＮＳＲ触媒から脱離した酸素量を反映した値となる。

上記した方法により三元触媒及びＮＳＲ触媒の劣化度合が求められると、ＥＣＵ７は、第一触媒ケーシング４へ診断用空燃比の排気が流入した際に三元触媒で単位時間あたりに生成される水素の量（第一水素生成量）と、第二触媒ケーシング５へ診断用空燃比の排気が流入した際にＮＳＲ触媒で単位時間あたりに生成される水素の量（第二水素生成量）とを演算する。なお、第一水素生成量は、図４に示すように、三元触媒の劣化度合が大きくなるほど少なくなる。また、第二水素生成量は、図５に示すように、ＮＳＲ触媒の劣化度合が大きくなるほど少なくなる。よって、図３、４に示すような相関関係を予め実験的に求めておき、それらの相関関係をマップとしてＥＣＵ７のＲＯＭに記憶しておくものとする。そして、ＥＣＵ７は、三元触媒の劣化度合及びＮＳＲ触媒の劣化度合を引数として前記したマップにアクセスすることで、第一水素生成量及び第二水素生成量を演算すればよい。

ＥＣＵ７は、第一水素生成量が第二水素生成量より多い場合は、誘発処理の実行時に第一空燃比センサ８の測定値が第一リッチ空燃比となるように、内燃機関１で燃焼される混合気の空燃比をフィードバック制御する。一方、ＥＣＵ７は、第二水素生成量が第一水素生成量より多い場合は、誘発処理の実行時に第二空燃比センサ９の測定値が第二リッチ空燃比となるように、内燃機関１で燃焼される混合気の空燃比をフィードバック制御する。なお、ここでいう「第一リッチ空燃比」は、前記診断用空燃比と等しい空燃比である。一方、「第二リッチ空燃比」は、診断用空燃比に第一触媒ケーシング４の三元触媒で生成される水素に起因する第二空燃比センサ９のリッチずれ分を加算した空燃比である。第一触媒ケーシング４の三元触媒で生成される水素に起因する第二空燃比センサ９のリッチずれ分は、第一触媒ケーシング４へ流入する排気の空燃比と三元触媒の劣化度合とに相関する。たとえば、図６に示すように、第二空燃比センサ９のリッチずれ分は、第一触媒ケーシング４へ流入する排気の空燃比が高くなるほど少なくなるとともに、三元触媒の劣化度合が大きくなるほど少なくなる。よって、図６に示すような相関を予め実験的に求めておき、その相関をマップとしてＥＣＵ７のＲＯＭに記憶させておくことにより、誘発処理実行時に第一触媒ケーシング４へ流入する排気の空燃比（診断用空燃比）と三元触媒の劣化度合とを引数として第二空燃比センサ９のリッチずれ分を求めてもよい。そして、ＥＣＵ７は、上記した方法によって求められた第二空燃比センサ９のリッチずれ分を診断用空燃比に加算して第二リッチ空燃比を求める。このようにして求められる第二リッチ空燃比は、三元触媒の劣化度合が小さいときより大きいときに高くなる。なお、ＥＣＵ７が三元触媒の劣化度合に応じて第二リッチ空燃比を変更することにより、本発明に係わる「補正手段」が実現される。

上記した方法によって、誘発処理の実行時に内燃機関１で燃焼される混合気の空燃比がフィードバック制御されると、第一触媒ケーシング４と第二触媒ケーシング５とのうち、相対的に水素生成量の多い触媒ケーシングへ流入する排気の実際の空燃比を診断用空燃比に空燃比に安定させることができる。そのため、第一触媒ケーシング４と第二触媒ケーシ
ング５とのうち、相対的に水素生成量の多い触媒ケーシングで生成される水素量のばらつきが軽減される。その結果、第一触媒ケーシング４の三元触媒や第二触媒ケーシング５のＮＳＲ触媒が劣化した場合であっても、誘発処理の実行時に第三触媒ケーシング６へ流入する水素量のばらつきが小さくなる。

以下、本実施例においてＳＣＲ触媒の劣化を診断する手順について図７に沿って説明する。図７は、ＥＣＵ７がＳＣＲ触媒の劣化診断を行う際に実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。図７の処理ルーチンは、予めＥＣＵ７のＲＯＭに記憶されており、内燃機関１の運転状態がリーン運転領域にあるときにＥＣＵ７によって繰り返し実行される。

図７の処理ルーチンでは、ＥＣＵ７は、先ずＳ１０１の処理において、診断条件が成立しているか否かを判別する。ここでいう診断条件は、内燃機関１の運転状態がリーン運転領域にあること、第一触媒ケーシング４の三元触媒、第二触媒ケーシング５のＮＳＲ触媒、及び第三触媒ケーシング６のＳＣＲ触媒が活性していること、並びに第一から第四空燃比センサ８、９、１０、１１が正常であること等である。なお、吸入空気量が比較的少ないときに誘発処理が実行されると、誘発処理の実行期間が長引く可能性がある。一方、吸入空気量が比較的多いときに誘発処理が実行されると、ＳＣＲ触媒をすり抜ける水素の量が多くなる可能性がある。よって、誘発処理の実行期間の長さとＳＣＲ触媒をすり抜ける水素の量とのバランスが最適となるような吸入空気量の範囲を予め求めておき、その範囲に実際の吸入空気量（エアフローメータ１５の測定値）が収まっていることを上記の診断条件に加えてもよい。また、誘発処理の実行期間中にＳＣＲ触媒の温度が変化する可能性があり、その温度変化に対する水素酸化量の変化が大きくなると、温度変化に起因する総センサ出力差の変化が大きくなる可能性がある。よって、ＳＣＲ触媒の温度変化に対する水素酸化量の変化が比較的小さくなる温度範囲を予め求めておき、その温度範囲にＳＣＲ触媒の温度が属することも上記の診断条件に加えてもよい。

前記Ｓ１０１の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ７は、本処理ルーチンの実行を終了する。一方、前記Ｓ１０１の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ７は、Ｓ１０２の処理へ進む。Ｓ１０２の処理では、ＥＣＵ７は、内燃機関１で燃焼される混合気の空燃比をリーン空燃比から前記脱離用空燃比に変更することにより、Ｏ_２脱離処理を開始する。Ｏ_２脱離処理が開始されると、第一触媒ケーシング４へ流入する排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ変化するため、三元触媒に吸蔵されていた酸素が脱離する。

Ｓ１０３の処理では、ＥＣＵ７は、三元触媒からの酸素の脱離が終了したか否かを判別する。具体的には、ＥＣＵ７は、第二空燃比センサ９の測定値が理論空燃比を示していれば三元触媒からの酸素の脱離が終了していないと判定し、第二空燃比センサ９の測定値がリッチ空燃比を示していれば三元触媒からの酸素の脱離が終了したと判定する。該Ｓ１０３の処理で否定判定された場合は、ＥＣＵ７は、該Ｓ１０３の処理を繰り返し実行する。一方、該Ｓ１０３の処理で肯定判定された場合は、ＥＣＵ７は、Ｓ１０４の処理へ進む。Ｓ１０４の処理では、ＥＣＵ７は、内燃機関１で燃焼される混合気の空燃比を診断用空燃比から診断用空燃比へ切り替えることにより、誘発処理を開始する。

Ｓ１０５の処理では、ＥＣＵ７は、誘発処理の実行時に第一空燃比センサ８の測定値をパラメータとして混合気の空燃比をフィードバック制御するか、又は第二空燃比センサ９の測定値をパラメータとして混合気の空燃比をフィードバック制御するかを選択する。詳細には、ＥＣＵ７は、図８に示すサブルーチンを実行することにより、誘発処理の実行時におけるフィードバック制御のパラメータを選択する。図８に示すサブルーチンでは、ＥＣＵ７は、先ずＳ２０１の処理において、前述した方法により求められた三元触媒の劣化
度合及びＮＳＲ触媒の劣化度合を読み込む。Ｓ２０２の処理では、ＥＣＵ７は、前記Ｓ２０１の処理で読み込まれた三元触媒の劣化度合及びＮＳＲ触媒の劣化度合を引数として、図４、５に示したようなマップにアクセスし、第一水素生成量Ａｈｙｄ１及び第二水素生成量Ａｈｙｄ２を演算する。このようＥＣＵ７がＳ２０２の処理を実行することにより、本発明に係わる「予測手段」が実現される。Ｓ２０３の処理では、ＥＣＵ７は、前記Ｓ２０２の処理で算出された第一水素生成量Ａｈｙｄ１が第二水素生成量Ａｈｙｄ２より多いか否かを判別する。Ｓ２０３の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ７は、Ｓ２０４の処理へ進み、誘発処理の実行時におけるフィードバック制御のパラメータとして、第一空燃比センサ８の測定値（Ａ／Ｆ１）を選択する。そして、ＥＣＵ７は、Ｓ２０５の処理へ進み、フィードバック制御における目標空燃比（第一リッチ空燃比）Ａ／Ｆ１ｔｒｇを診断用空燃比に設定する。また、前記Ｓ２０３の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ７は、Ｓ２０６の処理へ進み、誘発処理の実行時におけるフィードバック制御のパラメータとして、第二空燃比センサ９の測定値（Ａ／Ｆ２）を選択する。そして、ＥＣＵ７は、Ｓ２０７の処理へ進み、誘発処理実行時に第一触媒ケーシング４へ流入する排気の空燃比（診断用空燃比）と三元触媒の劣化度合とを引数として前述した図６のマップアクセスし、第二空燃比センサ９のリッチずれ分を演算する。そして、ＥＣＵ７は、診断用空燃比に第二空燃比センサ９のリッチずれ分を加算した空燃比をフィードバック制御における目標空燃比（第二リッチ空燃比）Ａ／Ｆｔｒｇ２に設定する。このようにＥＣＵ７がＳ２０７の処理を実行することにより、本発明に係わる「補正手段」が実現される。

ここで図７の処理ルーチンに戻り、ＥＣＵ７は、前記Ｓ１０５の処理を実行した後にＳ１０６の処理へ進む。Ｓ１０６の処理では、ＥＣＵ７は、第三空燃比センサ１０の測定値Ｒａｆ３と第四空燃比センサ１１の測定値Ｒａｆ４とを読み込む。続いて、ＥＣＵ７は、Ｓ１０７の処理へ進み、前記Ｓ１０６で読み込まれた第四空燃比センサ１１の測定値Ｒａｆ４から第三空燃比センサ１０の測定値Ｒａｆ３を減算することで、センサ出力差△Ａ／Ｆを算出する。そして、Ｓ１０８の処理では、ＥＣＵ７は、誘発処理の開始から現時点までの期間におけるセンサ出力差ΔＡ／Ｆの積算値（総センサ出力差）Σ△Ａ／Ｆを演算する。具体的には、ＥＣＵ７は、誘発処理の開始から該Ｓ１０８の前回の実行時までの期間におけるセンサ出力差△Ａ／Ｆの積算値Σ△Ａ／Ｆｏｌｄに、前記Ｓ１０７の処理で算出された差△Ａ／Ｆを加算することで誘発処理の開始から現時点までの期間における総センサ出力差Σ△Ａ／Ｆを算出する。

Ｓ１０９の処理では、ＥＣＵ７は、誘発処理の開始から所定期間が経過したか否かを判別する。ここでいう所定期間は、ＳＣＲ触媒が正常である場合の総センサ出力差とＳＣＲ触媒が劣化している場合のセンサ出力差との差が、第三空燃比センサ１０や第四空燃比センサ１１の測定誤差に起因した差に比して十分に大きくなるように定められる期間である。その際、所定期間は、水性ガスシフト反応により生成される水素の量が予め定められた一定量に達するまでに要する期間としてもよく、又はＳＣＲ触媒が正常であると想定した場合に該ＳＣＲ触媒で酸化される水素の量が予め定められた一定量に達するまでに要する期間としてもよい。

前記Ｓ１０９の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ７は、Ｓ１０６の処理へ戻り、誘発処理を引き続き実行する。一方、前記Ｓ１０９の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ７は、Ｓ１１０の処理へ進み、誘発処理を終了する。つまり、ＥＣＵ７は、第一触媒ケーシング４へ流入する排気の空燃比をリッチ空燃比から内燃機関１の運転条件に適したリーン空燃比に復帰させる。また、ＥＣＵ７は、Ｓ１１１の処理において、フィードバック制御のパラメータを通常のパラメータ（たとえば、第一空燃比センサ８の測定値）に戻す。なお、ＥＣＵ７がＳ１０４−Ｓ１０５、Ｓ１０９−Ｓ１１１の処理を実行することにより、本発明に係わる「制御手段」が実現される。

ＥＣＵ７は、前記Ｓ１１１の処理を実行した後にＳ１１２の処理へ進み、前記Ｓ１０８の処理で算出された総センサ出力差Σ△Ａ／Ｆが所定の閾値Ｔｈｒｅａ／ｆ以上であるか否かを判別する。ここでいう「所定の閾値Ｔｈｒｅａ／ｆ」は、総センサ出力差Σ△Ａ／Ｆが該所定の閾値Ｔｈｒｅａ／ｆを下回ると、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能が劣化しているとみなすことができる値であり、予め実験等を利用した適合処理によって求められた値である。

前記Ｓ１１２の処理において肯定判定された場合（Σ△Ａ／Ｆ≧Ｔｈｒｅａ／ｆ）は、ＥＣＵ７は、Ｓ１１３の処理へ進み、ＳＣＲ触媒が劣化していない（正常）と判定する。一方、前記Ｓ１１２の処理において否定判定された場合（Σ△Ａ／Ｆ＜Ｔｈｒｅａ／ｆ）は、ＥＣＵ７は、Ｓ１１４の処理へ進み、ＳＣＲ触媒が劣化していると判定する。その場合、ＥＣＵ７は、車両の室内に設けられた警告灯やディスプレイ装置等を利用して、第三触媒ケーシング６の修理を促すようにしてもよい。ＥＣＵ７は、前記Ｓ１１３又は前記Ｓ１１４の処理を実行した後にＳ１１５の処理へ進み、総センサ出力差Σ△Ａ／Ｆを零にリセットする。なお、ＥＣＵ７がＳ１０６−Ｓ１０８の処理、及びＳ１１２−Ｓ１１４の処理を実行することにより、本発明に係わる「診断手段」が実現される。

以上述べた手順によってＳＣＲ触媒の劣化診断が行われると、誘発処理の実行時に三元触媒とＮＳＲ触媒とのうち、相対的に水素生成量の多い触媒へ流入する排気の空燃比を診断用空燃比で安定させることができるため、ＳＣＲ触媒へ流入する水素量のばらつきを小さく抑えることができる。その結果、総センサ出力差のばらつきを小さく抑えることできるため、第三触媒ケーシング６のＳＣＲ触媒が劣化しているか否かをより正確に判別することができる。

なお、図７の処理ルーチンにおいては、誘発処理が実行された状態における第三空燃比センサ１０の測定値と第四空燃比センサ１１の測定値との差の積算値（総センサ出力差）に基づいて、ＳＣＲ触媒の劣化診断を行っているが、第三空燃比センサ１０の測定値と第四空燃比センサ１１の測定値との差を前述の（１）の式に代入して求められた値（Ａｏｘ）の積算値に基づいて、ＳＣＲ触媒の劣化診断を行ってもよい。

１内燃機関
２燃料噴射弁
３排気管
４第一触媒ケーシング
５第二触媒ケーシング
６第三触媒ケーシング
７ＥＣＵ
８第一空燃比センサ
９第二空燃比センサ
１０第三空燃比センサ
１１第四空燃比センサ

Claims

希薄燃焼運転可能な内燃機関の排気通路に設けられ、排気の空燃比が理論空燃比より低いリッチ空燃比であるときに水性ガスシフト反応を促進させる三元触媒を具備する第一排気浄化装置と、
前記第一排気浄化装置より下流の排気通路に配置され、排気の空燃比が理論空燃比より低いリッチ空燃比であるときに水性ガスシフト反応を促進させる吸蔵還元型触媒を具備する第二排気浄化装置と、
前記第二排気浄化装置より下流の排気通路に設けられ、排気の空燃比が理論空燃比より高いリーン空燃比であるときは排気中の酸素を吸蔵し、排気の空燃比が理論空燃比以下であるときは吸蔵していた酸素を脱離させる選択還元型触媒を具備する第三排気浄化装置と、
前記第一排気浄化装置へ流入する排気の空燃比に相関する物理量を測定する第一空燃比センサと、
前記第二排気浄化装置へ流入する排気の空燃比に相関する物理量を測定する第二空燃比センサと、
前記第三排気浄化装置へ流入する排気の空燃比に相関する物理量を測定する第三空燃比センサと、
前記第三排気浄化装置から流出する排気の空燃比に相関する物理量を測定する第四空燃比センサと、
内燃機関から排出される排気の空燃比がリーン空燃比であるときに、該内燃機関から排出される排気の空燃比を理論空燃比より低いリッチ空燃比に変更することで、前記第一排気浄化装置及び前記第二排気浄化装置において水性ガスシフト反応を誘発させる処理である誘発処理を実行する制御手段と、
前記誘発処理の実行期間における前記第三空燃比センサの測定値と前記第四空燃比センサの測定値との差であるセンサ出力差を積算することで、前記期間におけるセンサ出力差の総和である総センサ出力差を求め、その総センサ出力差をパラメータとして、前記第三排気浄化装置の劣化を診断する診断手段と、
を備える排気浄化装置の劣化診断装置において、
前記三元触媒の劣化度合と前記吸蔵還元型触媒の劣化度合とに基づいて、前記誘発処理の実行時に前記第一排気浄化装置で生成される水素の量である第一水素生成量と前記第二排気浄化装置で生成される水素の量である第二水素生成量とを予測する予測手段を更に備え、
前記制御手段は、前記第一水素生成量が前記第二水素生成量より多い場合は前記第一空燃比センサの測定値が所定の第一リッチ空燃比となるように内燃機関から排出される排気の空燃比を制御することで前記誘発処理を実行し、前記第二水素生成量が前記第一水素生成量より多い場合は前記第二空燃比センサの測定値が所定の第二リッチ空燃比となるように内燃機関から排出される排気の空燃比を制御することで前記誘発処理を実行する排気浄化装置の劣化診断装置。
前記第二水素生成量が前記第一水素生成量より多い場合であって、前記第二空燃比センサの測定値が前記所定の第二リッチ空燃比となるように内燃機関から排出される排気の空燃比を制御する場合において、前記三元触媒の劣化度合が大きいときは小さいときに比べ、前記所定の第二リッチ空燃比を高い空燃比に変更する補正手段を更に備える請求項１に記載の排気浄化装置の劣化診断装置。
前記補正手段は、前記三元触媒の劣化度合と前記誘発処理の実行時における前記第一空燃比センサの測定値とをパラメータとして、前記誘発処理の実行時における前記第二空燃比センサの測定値と実際の空燃比とのずれ量を演算し、そのずれ量が小さくなるほど前記所定の第二空燃比を高い空燃比に変更する請求項２に記載の排気浄化装置の劣化診断装置
。