JP2004092608A - ＮＯｘ検出装置、及び排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】排気ガスに含まれるＮＯｘを精度良く検出し、これにより、ＮＯｘ浄化装置の機能状態を、精度良く判断することが出来る排気浄化装置を提供すること。
【解決手段】燃焼手段から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路２２に、排気ガス中のＮＯｘを検出する検出素子と検出素子を覆う金属製のカバーからなるＮＯｘセンサ２６と、ＮＯｘセンサ２６に到達する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段２４が配置され、酸素濃度検出手段２４により検出される酸素濃度が所定範囲内にある時は、ＮＯｘセンサ２６の出力値に基づいて、ＮＯｘ濃度の関連値が、ＮＯｘ推定手段によって推定されるＮＯｘ検出装置、及びこれを用いた排気浄化装置。
【選択図】 図１
【解決手段】燃焼手段から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路２２に、排気ガス中のＮＯｘを検出する検出素子と検出素子を覆う金属製のカバーからなるＮＯｘセンサ２６と、ＮＯｘセンサ２６に到達する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段２４が配置され、酸素濃度検出手段２４により検出される酸素濃度が所定範囲内にある時は、ＮＯｘセンサ２６の出力値に基づいて、ＮＯｘ濃度の関連値が、ＮＯｘ推定手段によって推定されるＮＯｘ検出装置、及びこれを用いた排気浄化装置。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン等の燃焼手段から排出される排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を検出するＮＯｘ検出装置と、これを用いて排気ガスからＮＯｘを除去するための排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
排気ガス中のＮＯｘを低減する方法として、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス再循環（ＥＧＲ）制御や点火時期を遅角させる点火時期制御等のＮＯｘ量制御手段による方法のほかに、排気ガス中の酸素濃度が高い状態で排気ガス中のＮＯｘを吸着し、排気ガス中の酸素濃度が低くなると吸着していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着触媒などのＮＯｘ浄化手段による方法が知られている。
このうち、ＮＯｘ吸着触媒などのＮＯｘ浄化手段には、ＮＯｘ吸着量に限界があり、ＮＯｘ浄化手段が飽和量までＮＯｘを吸着すると、エンジンをリーンバーンによる運転状態から、理論空燃比近傍での運転状態に移行する等して排気ガス中の酸素濃度を低下させ、ＮＯｘ浄化手段からＮＯｘを放出させるとともに、これを還元して浄化する処理が行われるとともに、ＮＯｘ浄化手段の下流側に設けられたＮＯｘセンサによって下流側のＮＯｘ量を検出し、この検出結果に基づいて、ＮＯｘ浄化手段の劣化状態を診断する装置が知られている（特開２０００−３３７１３１）。
【０００３】
しかし、理論空燃比近傍の酸素濃度の領域では、ＮＯｘセンサに設けられたＮＯｘを検出する検出素子を保護するための金属カバーに含まれる金属が、触媒として作用し、検出すべきＮＯｘを排気ガス中に含まれるＣＯ、Ｈ２、ＨＣ等の還元剤と反応させてしまい、上記検出素子に到達するＮＯｘが減少すること等により、ＮＯｘセンサによるＮＯｘ検出の精度が低下し、延いては上記浄化手段の劣化や故障といった機能状態の診断の精度が低下するという問題があった。
【０００４】
上記問題を解消するため、本出願人らは、上記ＮＯｘセンサによりＮＯｘ浄化手段の劣化を診断する場合には、ＮＯｘ検出の精度が高い、理論空燃比よりもリッチ状態の空燃比へ移行させて劣化診断を実施する排気浄化装置を提案している（特願２００２−１７３９８４号参照）。
【０００５】
しかし、上記提案によれば、吸着したＮＯｘを放出するため、リーンバーンによる運転状態から、上記劣化診断のための酸素濃度領域へ移行する際、ＮＯｘ検出の精度が低下する理論空燃比近傍での運転状態を経由するため、この運転状態においてＮＯｘの検出精度が低下し、その結果、上記劣化診断の精度が低下することとなり、この点でさらなる改善が要求されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような状況においてなされたものであり、排気ガスに含まれるＮＯｘを精度良く検出し、これにより、ＮＯｘ浄化装置の機能状態を、精度良く判断することが出来る排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第１の構成によるＮＯｘ検出装置は、燃焼手段から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路に配置され、上記排気ガス中のＮＯｘを検出する検出素子と該検出素子を覆う金属製のカバーからなるＮＯｘセンサ、を備えたＮＯｘ検出装置であって、上記排気ガス通路に配置され、上記ＮＯｘセンサに到達する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
該酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度が所定範囲内にある時は、上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて、ＮＯｘ濃度の関連値を推定するＮＯｘ推定手段、からなるものである。
【０００８】
上記構成によれば、エンジン等の燃焼手段から排出される排気ガス中の酸素濃度が所定範囲内であって、ＮＯｘセンサの金属製のカバーに含まれる金属による触媒作用により、排気ガス中のＮＯｘ検出精度が低下する場合には、ＮＯｘセンサの出力値をそのまま用いるのではなく、ＮＯｘ推定手段により、ＮＯｘ濃度の関連値を推定することとしたため、酸素濃度が上記所定範囲内にある時でも、排気ガス中のＮＯｘ量等を精度良く検出することが出来る。
【０００９】
本発明の第２の構成による排気浄化装置は、燃焼手段から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路に配置され、上記排気ガス中のＮＯｘを検出する検出素子と該検出素子を覆う金属製のカバーからなるＮＯｘセンサと、上記排気ガス通路のＮＯｘセンサの上流側に配置され、排気ガス中の酸素濃度に応じて、ＮＯｘを吸着または放出するＮＯｘ吸着触媒と、上記排気ガス中の酸素濃度又は還元剤濃度を制御する還元剤制御手段と、該還元剤制御手段により、上記ＮＯｘ吸着触媒に吸着されたＮＯｘが排気ガス中に放出される場合、上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて、上記ＮＯｘ吸着触媒の機能状態を判断する機能判断手段、を備えた排気浄化装置であって、上記排気ガス通路に配置され、上記ＮＯｘセンサに到達する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、該排気ガス中の酸素濃度が所定範囲内にある時は、上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて、ＮＯｘ濃度の関連値を推定するＮＯｘ推定手段とを備え、上記機能判断手段による上記ＮＯｘ吸着触媒の機能状態の判断は、上記ＮＯｘ推定手段によって推定されたＮＯｘ濃度の関連値によって実施されることを特徴とするものである。
【００１０】
上記構成によれば、ＮＯｘ吸着触媒に吸着されたＮＯｘを放出させるため、エンジンをリーンバーンによる運転状態から、リッチな酸素濃度領域へ移行させる際、ＮＯｘセンサによるＮＯｘ検出の精度が低下する理論空燃比近傍の所定範囲内に酸素濃度がある時には、ＮＯｘセンサの出力値は用いず、上記ＮＯｘ推定手段によって推定されたＮＯｘ濃度の関連値に基づいて、上記ＮＯｘ吸着触媒の劣化などの機能状態が判断されることとなるので、ＮＯｘ吸着触媒の機能状態を、精度良く判断することが出来る。
【００１１】
本発明の第３の構成によるＮＯｘ検出装置は、上記ＮＯｘ推定手段が、上記排気ガス中の酸素濃度が、少なくとも０．２％ないし０．５％の所定範囲内にある場合に、上記酸素濃度が、０．２％以下にある時の第１のＮＯｘセンサ出力値と、０．５％以上にある時の第２のＮＯｘセンサ出力値とにより、ＮＯｘ濃度の関連値を推定するものである。
【００１２】
上記構成によれば、ＮＯｘ吸着触媒に吸着されたＮＯｘを放出させるため、エンジンをリーンバーンによる運転状態から、リッチな酸素濃度領域へ移行させる際、ＮＯｘセンサによるＮＯｘ検出の精度が低下する酸素濃度が少なくとも０．２％ないし０．５％の範囲内にある場合には、ＮＯｘセンサの出力値ではなく、ＮＯｘ検出の精度が高い酸素濃度が０．２％以下にある時の第１のＮＯｘセンサ出力値と、０．５％以上にある時の第２のＮＯｘセンサ出力値から推定されたＮＯｘ濃度の関連値に基づいて、上記ＮＯｘ吸着触媒の劣化などの機能状態が判断されることとなるので、ＮＯｘ吸着触媒の機能状態を、精度良く判断することが出来る。
【００１３】
本発明の第４の構成によるＮＯｘ検出装置は、上記排気ガス中の酸素濃度が所定範囲内にある時の、上記ＮＯｘセンサの金属製のカバーが取外された状態でのＮＯｘセンサ出力特性値が、予め記憶され、上記ＮＯｘ推定手段は、上記酸素濃度が所定範囲内にある時のＮＯｘセンサ出力値と、上記予め記憶されたＮＯｘセンサ出力特性値により、ＮＯｘ濃度の関連値を推定するものである。
【００１４】
上記構成によれば、ＮＯｘ吸着触媒に吸着されたＮＯｘを放出させるため、エンジンをリーンバーンによる運転状態から、リッチな酸素濃度領域へ移行させる際、酸素濃度が所定範囲内にあって、ＮＯｘセンサの金属製のカバーに含まれる金属による触媒作用により、排気ガス中のＮＯｘの検出精度が低下する場合には、ＮＯｘセンサの出力値ではなく、予め上記金属製のカバーが取外された状態で測定記憶された精度の高いＮＯｘセンサ出力特性値から推定されたＮＯｘ濃度の関連値に基づいて、上記ＮＯｘ吸着触媒の劣化などの機能状態が判断されることとなるので、ＮＯｘ吸着触媒の機能状態を、精度良く判断することが出来る。
【００１５】
本発明の第５の構成によるＮＯｘ検出装置は、上記排気ガス中の酸素濃度の所定範囲内が、少なくとも０．２％ないし０．５％の範囲内であるとされている。
【００１６】
上記構成によれば、ＮＯｘセンサの検出精度が低下する、酸素濃度が少なくとも０．２％ないし０．５％の所定範囲内にある時には、ＮＯｘセンサの出力値ではなく、上記ＮＯｘ推定手段によって推定されたＮＯｘ濃度の関連値に基づいて、上記ＮＯｘ吸着触媒の劣化などの機能状態が判断されることとなるので、ＮＯｘ吸着触媒の機能状態を、精度良く判断することが出来る。
【００１７】
本発明の第６の構成によるＮＯｘ検出装置は、上記排気ガス中の酸素濃度の所定範囲内が、０．２％以上、又は０．１％以上、又は０％以上、のいずれかであるとされている。
【００１８】
上記構成によれば、ＮＯｘセンサの検出精度が低下する、酸素濃度が０．２％以上、又は０．１％以上、又は０％以上、のいずれかの所定範囲内にある時には、ＮＯｘセンサの出力値ではなく、上記ＮＯｘ推定手段によって推定されたＮＯｘ濃度の関連値に基づいて、上記ＮＯｘ吸着触媒の劣化などの機能状態が判断されることとなるので、ＮＯｘ吸着触媒の機能状態を、精度良く判断することが出来る。
【００１９】
本発明の第７の構成によるＮＯｘ検出装置は、上記排気ガス中の酸素濃度の所定範囲内が、０．５％以下、又は０．６％以下、のいずれかであるとされている。
【００２０】
上記構成によれば、ＮＯｘセンサの検出精度が低下する、酸素濃度が０．５％以下、又は０．６％以下、のいずれかの所定範囲内にある時には、ＮＯｘセンサの出力値ではなく、上記ＮＯｘ推定手段によって推定されたＮＯｘ濃度の関連値に基づいて、上記ＮＯｘ吸着触媒の劣化などの機能状態が判断されることとなるので、ＮＯｘ吸着触媒の機能状態を、精度良く判断することが出来る。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、排気ガスに含まれるＮＯｘを精度良く検出し、これにより、ＮＯｘ浄化装置の機能状態を、精度良く判断することが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をＮＯｘ吸着触媒の劣化診断に適用した場合の実施形態について、添付図面に基づいて説明する。
【００２３】
エンジンシステム１００は、本発明に係る実施形態の排気浄化装置を備えたエンジンシステムの概略構成図である図１に示されるように、燃焼手段であるエンジン本体１を備えている。このエンジンシステムでは、所定の運転状態で、空燃比が１４．７より高く設定されるリーンバーン運転が行なわれる。エンジン本体１は、複数の気筒２（１本のみを図示する）と、この気筒２内に往復動可能に配置されたピストン３とを備え、気筒２とピストン３とによって燃焼室４が形成されている。燃焼室４の上部には、点火回路５に接続された点火プラグ６が燃焼室４に臨むように取付けられ、さらに、燃焼室４に燃料を直接噴射するインジェクタ７が取り付けられている。
【００２４】
このインジェクタ７には、高圧燃料ポンプ、プレッシャレギュレータ等を有する燃料供給回路が接続されている。この燃料供給回路によって燃料タンクからの燃料が適正な圧力に調整されてインジェクタ７に供給される。また、燃料供給回路には、燃料圧力を検出する燃圧センサ８が取付けられている。
【００２５】
燃焼室４は、吸気弁９が設けられた吸気ポートを介して吸気通路１０に連通している。この吸気通路１０には、その上流側から順に、吸気を濾過するエアクリーナ１１と、吸入空気量を検出するエアフローメータ１２と、吸気通路１０を絞る電気式スロットル弁１３と、サージタンク１４とが設けられている。電気式スロットル弁１３は、モータ１５により開閉駆動されるように構成されている。さらに、電気式スロットル弁１３の近傍には、その開度を検出するスロットル開度センサ１６が配置され、また、サージタンク１４には、吸気圧を検出する吸気圧センサ１７が取付けられている。
【００２６】
吸気通路１０は、サージタンク１４より下流の部分が、気筒毎に分岐した独立通路とされている。各独立通路の下流端部は、２つに分割され、それぞれが同一気筒の吸気ポートに連結され、その一方にスワール弁１８が設けられている。このスワール弁１８は、アクチュエータ１９によって駆動される。スワール弁１８が閉じると、吸気は他方の分岐通路のみから燃焼室４に供給され、燃焼室４内に強い吸気スワールが生成される。また、スワール弁１８の近傍には、スワール弁１８の開度を検出するスワール弁開度センサ２０が設けられている。
【００２７】
燃焼室４には、排気弁２１が設けられた排気ポートを介して排気通路２２が接続され、各気筒からの排気通路２２は下流側で合流している。合流した排気通路２２には、上流側から順に、排気ガス中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化手段であるＮＯｘ吸着触媒２５と、ＮＯｘセンサ２６と、ＮＯｘセンサ２６取付け部の排気ガス中の酸素濃度を検出する、例えば酸素濃度センサ（Ｏ２センサ）のような酸素濃度検出手段２４が設けられている。なお、酸素濃度検出手段２４は、直接、酸素濃度を検出する酸素濃度センサにかえて、各種検出信号から酸素濃度を推定するものであっても良い。
【００２８】
また、ＮＯｘ浄化手段は、ＮＯｘ吸着触媒２５のほか、三元触媒、又は吸着剤のいずれかでもよく、例えば、ＮＯｘ吸着触媒２５は、リーンバーン運転などの排気ガス中の酸素濃度が高い状態でＮＯｘを吸着し、酸素濃度が低い状態になると吸着していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着材と、ＮＯｘ吸着材から放出されたＮＯｘを還元浄化させる触媒金属（貴金属）とを備えたＮＯｘ吸収還元タイプのＮＯｘトラップ触媒である。
【００２９】
また、ＮＯｘ吸着触媒２５は、コージェライト製のハニカム構造の担体を備え、この担体に形成された各貫通孔の壁面には、内側触媒層がコーティングされ、内側触媒層上に外側触媒層がコーティングされている。
【００３０】
ＮＯｘ吸収機能を備える内側触媒層では、白金等の貴金属とＢａ等のＮＯｘ吸収材とが、多孔質材料であるアルミナ、セリア等のサポート材に担持されている。また、ＮＯｘ還元機能を備える外側触媒層には、白金、ロジウム等の触媒金属と、場合によっては、Ｂａ等のＮＯｘ吸収材とが、多孔質材料であるゼオライト等のサポート材に担持されている。
【００３１】
このＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量には限界がある。本実施形態によれば、ＮＯｘセンサ２６による排気ガス中のＮＯｘ検出値が所定のしきい値を越えると、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着が飽和に達したと判定し、排気ガス中の酸素濃度を低下させＮＯｘ吸着材からＮＯｘを放出させる還元剤制御手段による処理（リッチスパイク処理）を行うように構成されている。
【００３２】
ＮＯｘセンサ２６は、本発明に係る実施形態のＮＯｘセンサの構成を示す断面図である、図２に示されるように、第１カバー２６ａおよび第２カバー２６ｂに覆われた検出素子２６ｃを備えている。検出素子２６ｃは、排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じた出力を生じさせる。第１カバー２６ａと第２カバー２６ｂは、検出素子を熱衝撃、排気ガス中の不純物から保護する機能を有し、Ｆｅ等を含む金属で構成されている。また、第１カバー２６ａと第２カバー２６ｂとのそれぞれには、相互にオフセットした開口部２６ｄ、２６ｅが形成され、矢印Ａで示されるように、検出素子２６ｃに排気ガスが導入されるように構成されている。
【００３３】
そして、Ｆｅ等を含む金属で作られたカバーを備えたＮＯｘセンサ２６では、本発明に係る同一のＮＯｘ濃度における、酸素濃度とＮＯｘセンサの出力値との関係を示す図である、図４に示されるように、排気ガス中のＮＯｘ濃度が同一であっても、酸素濃度が所定範囲内にある時には、排気ガス中にあるＮＯｘと還元剤であるＨＣ等が反応し、Ｎ２やＯ２に化学変化するため、ＮＯｘセンサ２６の出力値が変動する。
ＮＯｘセンサの出力値は、酸素濃度が０％（空燃比１４．０程度の場合の排気ガスに相当）ないし０．６％（空燃比１４．８程度の場合の排気ガスに相当）の間で低下しており、酸素濃度０．４％（空燃比１４．６程度の排気ガスに相当）近傍で最も低くなる。
【００３４】
排気通路２２には、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ通路２７の上流端が、ＮＯｘ吸着触媒２５の上流側位置に接続されている。ＥＧＲ通路２７の下流端は、スロットル弁１３とサージタンク１４との間で吸気通路１０に接続されている。また、ＥＧＲ通路２７には、開度が電気的に調整可能であるＥＧＲ弁２８と、ＥＧＲ弁２８のリフト量を検出するリフトセンサ２９とが設けられ、これらにより排気還流手段が構成されている。
【００３５】
更に、排気通路２２には、吸気の一部を、吸気通路１０からＮＯｘ吸着触媒２５の上流側位置に送り込む２次エア供給通路３０が接続されている。この２次エア供給通路３０には、制御可能な流量調整弁３１が設けられている。
【００３６】
エンジンシステム１００は、さらに、システム全体の制御を行うＥＣＵ（電子制御ユニット）３２を備えている。このＥＣＵ３２には、エアフローセンサ１２、スロットル開度センサ１６、吸気圧センサ１７、スワール制御弁開度センサ２０、酸素濃度センサ２４、ＥＧＲ弁２８のリフトセンサ２９からの信号が入力される。ＥＣＵ３２には、さらに、エンジン本体１の冷却水温度を検出する水温センサ３３、吸気温度を検出する吸気温度センサ３４、大気圧を検出する大気圧センサ３５、エンジン回転数を検出する回転数センサ３６、および、アクセルペダルの開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ３７からの信号等も入力される。
【００３７】
ＥＣＵ３２は、エンジンの運転状態に応じてインジェクタ７から噴射される燃料の噴射状態を制御する燃料噴射制御、点火プラグ６による混合気の点火時期を制御する点火時期制御、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量が所定量に達すると排気ガス中の酸素濃度又は還元剤濃度を制御して、ＮＯｘ吸着触媒２５からＮＯｘを放出させる還元剤制御手段の一つであるリッチスパイク制御、このリッチスパイク時のＮＯｘ放出状態からＮＯｘ吸着触媒２５の劣化度合い等を判断する機能状態の判断制御等を行う。
【００３８】
燃料噴射制御では、エンジンの運転状態に応じて燃料噴射を制御するように構成されている。本実施形態では、低負荷低回転から中回転中負荷の運転領域では、インジェクタ７から圧縮行程の所定時期に燃料を一括噴射して点火プラグ６の近傍に混合気を偏在させた状態で燃焼させ、燃焼室４内における混合気の空燃比を３０．０程度のリーン状態とする成層燃焼モード用の燃焼制御が実行される。また、この成層燃焼モードの領域より高負荷側の領域では、吸気行程と圧縮行程との２回の燃料噴射で理論空燃比付近の空燃比とした燃焼モード用の燃焼制御が実行される。さらに、高負荷高回転の運転領域では、インジェクタ７から吸気行程で燃料を一括噴射させ燃焼室４内の空燃比をリッチ状態とした均一燃焼モード用の燃焼制御が行われる。
【００３９】
リーン状態の燃焼で発生するＮＯｘは、下流側に設けられたＮＯｘ吸着触媒２５によって吸着される。本実施形態では、ＮＯｘセンサ２６の出力信号に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量を推定し、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着が飽和したと判断されると、空燃比を、例えば１３．０ないし１４．０とすることによって、排気ガス中の酸素濃度を、０％に減少させ、ＮＯｘ吸着触媒２５からＮＯｘを放出させる制御（リッチスパイク制御）を行う。さらに、このときのＮＯｘセンサ２６からの出力信号に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化等の、機能状態の判断を併せて行う。本実施形態では、ＮＯｘ吸着触媒２５が劣化していたと判断されたとき、これを乗員に知らせる警告灯等を含む表示手段４１が設けられている。
【００４０】
次に、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化診断制御の前提となるリッチスパイク処理の際、ＥＣＵ３２で行われるエンジン制御の処理を、本発明に係る実施形態のリッチスパイク処理の処理内容を示すフローチャートである図３に沿って説明する。この制御は、上述した燃焼状態のうち、リーンバーンによる燃焼において行われる。
【００４１】
まず、ステップＳ１において、エアフローセンサ１２、酸素濃度検出手段２４、ＮＯｘセンサ２６、水温センサ３３、吸気温センサ３４、大気圧センサ３５、回転数センサ３６およびアクセル開度センサ３７等の信号が入力される。
【００４２】
次いで、ステップＳ２で、ＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘが、所定のしきい値ＮＯｘｅｘｏより大きいか否かが判定される。このしきい値ＮＯｘｅｘｏは、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量が飽和しているか否かを判定するための値である。ステップＳ２でＹＥＳのときには、ＮＯｘ吸着触媒２５が飽和量までＮＯｘを吸着しており、ＮＯｘを放出させる処理を行う必要があることを示しているので、ＮＯｘを放出させるリッチスパイク処理を開始する。
【００４３】
リッチスパイク処理は、ステップＳ３において、タイマの値Ｔに１を加えた後、ステップＳ４へ進み、スロットルバルブ開度Ｔｖをリッチスパイク制御用のスロットルバルブ開度Ｔｖλに設定する。リッチスパイク制御では、リッチ状態での燃焼とし、排気ガス中の酸素濃度を低下させる制御であるので、リッチスパイク制御用のスロットルバルブ開度Ｔｖλは、リーンバーンによる燃焼時より小さい値となる。
【００４４】
次いで、ステップＳ５で、リッチスパイク制御用のスロットルバルブ開度Ｔｖλとなるようにスロットル弁を駆動させる。ステップＳ６で、タイマの値ＴがＴ１未満であるか否かが判定される。タイマの値ＴがＴ１未満であるときには、ステップＳ７に進み、リッチスパイク用の燃料噴射量、燃料噴射時期、点火タイミングが設定される。本実施形態では、リッチスパイク制御時には、燃料を吸気行程と圧縮行程の２回に分けて噴射する分割噴射が行われる。従って、燃料噴射量として、吸気行程での噴射量Ｑλｓ１と、圧縮行程での噴射量Ｑλｓ２が設定される。また、燃料噴射時期として、吸気行程での噴射時期Ｉλｓ１と、圧縮行程での噴射時期Ｉλｓ２が設定される。さらに、点火時期として、θλｓが設定される。
【００４５】
このとき、本実施形態では、空燃比が１３．０ないし１４．０になるように、１サイクル当たりの総噴射量すなわち噴射量Ｑλ１とＱλ２との和が設定される。また、Ｑλ１とＱλ２とは等しい値に設定されるのが好ましい。この空燃比が１３．０ないし１４．０であれば排気ガス中の酸素濃度は０％程度になる。
【００４６】
次いで、ステップＳ８に進み、ステップＳ７で設定された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期に基づいて、燃料噴射、点火が実行される。この結果、リーンバーンであった燃焼がリッチ側の燃焼に移行し、排気ガス中の酸素濃度が大きく低下する。この結果、ＮＯｘ吸着触媒２５からＮＯｘが放出される。後述するように、本実施形態では、このＮＯｘ放出状態に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化等の、機能状態の判断が行われる。
【００４７】
一方、ステップＳ６でＮＯ、即ち、ステップＳ７、ステップＳ８の処理が所定期間Ｔ１中、継続されていたときには、ＮＯｘ吸着触媒２５に吸着されていたＮＯｘは、放出されたものとして、リッチスパイク処理を終了させ、リーンバーンの運転状態とするため、ステップＳ１５に進み、タイマの値Ｔをリセットした後、ステップＳ１２に進み、スロットルバルブ開度Ｔｖをリーンバーン用のスロットルバルブ開度Ｔｖに設定し、ステップＳ１３で、設定されたスロットルバルブ開度Ｔｖに基づいてスロットルバルブを駆動させる。
【００４８】
次いで、ステップＳ１４に進み、リーンバーン用の燃料噴射量Ｑ、燃料噴射時期Ｉ、点火タイミングθが設定される。尚、本実施形態では、リーンバーン制御時には、圧縮行程での一括噴射で成層リーン燃焼が行われるものとしているが、各々の燃料噴射量Ｑ１、Ｑ２、各々の燃料噴射時期Ｉ１、Ｉ２の分割噴射としても良い。
次いで、ステップＳ８に進み、ステップＳ１４で設定された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期に基づいて、燃料噴射、点火が実行される。
【００４９】
一方、ステップＳ２でＮＯのときには、ステップＳ１１に進み、タイマがカウント中であるか否かを判定し、ＹＥＳのときには、リッチスパイク処理が実行中であるとしてステップＳ３に進む。
ステップＳ１１でＮＯのときには、ＮＯｘ吸着触媒２５が飽和量までＮＯｘを吸着していないため、ＮＯｘを放出させる処理を行う必要がないうえ、リッチスパイク処理も実行中でないとして、ステップＳ１２に進み、上述したリーンバーンの運転状態とするための処理であるステップＳ１２、ステップＳ１３、ステップＳ１４、ステップＳ８の各処理が継続される。
【００５０】
以上のように、本発明に係る第１、及び第２の実施形態による排気ガス中の酸素濃度と、ＮＯｘ吸着触媒からのＮＯｘ放出量の関係を示すタイムチャートである図５に示されるように、リーンバーンの運転中に、ＮＯｘセンサ２６の出力値がＮＯｘｅｘｏを越えたことによって、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量が飽和量に達したと判定されると（図５（ｄ−１）、）、所定期間Ｔ１の間は、空燃比を１３．０ないし１４．０の値に設定する制御が行われる（図５（ａ））。
【００５１】
次に、ＥＣＵ３２で行われるＮＯｘ吸着触媒２５の劣化等の、機能状態の判断の内容を、本発明に係る第１の実施形態によるＮＯｘ吸着触媒の劣化診断の処理内容を示すフローチャートである図６に沿って説明する。
【００５２】
まず、ステップＳ２１において、上述した図３に示されるエンジン制御の処理により、リッチスパイク処理中にカウントされるタイマＴが、カウント中であるか否かを判定し、ＹＥＳのときには、リッチスパイク処理が実行中であるとしてステップＳ２２に進み、ＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘを、その時のタイマ値Ｔｉに対応する出力値ＮＯｘｅｘ（ｉ）として記憶した後、ステップＳ２３に進み、酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘも同様に、その時のタイマ値Ｔｉに対応する出力値Ｏ２ｅｘ（ｉ）として記憶し、リターンする。
ステップＳ２１でＮＯ、即ち、タイマＴがカウント中でないときには、ステップＳ２４に進み、前回の処理において、タイマＴが、カウント中であったか判定し、ＹＥＳのときには、リッチスパイク処理の終了直後であるとしてステップＳ２５へ進み、以降のＮＯｘ吸着触媒２５の劣化診断処理がおこなわれ、ＮＯのときには、リッチスパイク処理の終了直後ではないとして、リターンする。
【００５３】
ステップＳ２１でＮＯ、かつステップＳ２４でＹＥＳであるときには、リッチスパイク処理の終了直後であるとして、ステップＳ２５に進み、タイマＴがカウント中にステップＳ２３において記憶された、例えばｎ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（１）、Ｏ２ｅｘ（２）、Ｏ２ｅｘ（３）、・・・・、Ｏ２ｅｘ（ｎ）のなかから、Ｏ２ｅｘｏ１≧Ｏ２ｅｘ（ｑ）を満足し、かつ最もＯ２ｅｘｏ１に近似するＯ２ｅｘ（ｑ）と、Ｏ２ｅｘｏ２≦Ｏ２ｅｘ（ｒ）を満足し、かつ最もＯ２ｅｘｏ２に近似するＯ２ｅｘ（ｒ）を抽出する。
【００５４】
なお、上述の酸素濃度のしきい値Ｏ２ｅｘｏ１、Ｏ２ｅｘｏ２は、排気ガス中の酸素濃度が、ＮＯｘセンサ２６の金属カバーに含まれる金属による触媒作用を生じず、ＮＯｘセンサ２６の出力値が精度の高いものであるか否かを判定するためのもので、図４に示されるように、例えば、酸素濃度のしきい値Ｏ２ｅｘｏ１は、０．２％、好ましくは０．１％、より好ましくは０％に設定され、しきい値Ｏ２ｅｘｏ２は、０．５％、好ましくは０．６％に設定される。
【００５５】
そして、ステップＳ２６に進み、抽出されたＯ２ｅｘ（ｑ）と同一のタイミングで検出、記憶された第１のＮＯｘセンサ出力値ＮＯｘｅｘ（ｑ）と、Ｏ２ｅｘ（ｒ）と同一のタイミングで検出、記憶された第２のＮＯｘセンサ出力値ＮＯｘｅｘ（ｒ）、及び上記ｎ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（１）、Ｏ２ｅｘ（２）、Ｏ２ｅｘ（３）、・・・・、Ｏ２ｅｘ（ｎ）のなかから、Ｏ２ｅｘｏ１＜Ｏ２ｅｘ（ｉ）＜Ｏ２ｅｘｏ２を満足する、例えばｈ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（１）、Ｏ２ｅｘ（３）、・・、Ｏ２ｅｘ（ｌ）と同一のタイミングで検出、記憶されたｈ個のＮＯｘセンサの出力値ＮＯｘ（１）、ＮＯｘ（３）、・・、ＮＯｘ（ｌ）が、抽出される。
そして、抽出された第１のＮＯｘセンサ出力値ＮＯｘｅｘ（ｑ）と、第２のＮＯｘセンサ出力値ＮＯｘｅｘ（ｒ）に基づいて、上記ｈ個のＮＯｘセンサの出力値ＮＯｘ（１）、ＮＯｘ（３）、・・、ＮＯｘ（ｌ）が、例えば、線形一次補間により補正され、ＮＯｘ濃度の関連値を推定するものとして、再セットされる。
【００５６】
そして、ステップＳ２７に進み、タイマ作動中に記憶されたｎ個全てのＮＯｘｅｘ（１）、ＮＯｘｅｘ（２）、・・・・、ＮＯｘｅｘ（ｎ）が加算された後、その全個数ｎによって割り算されて平均化され、その平均化処理された値Ｄ＝ΣＮＯｘｅｘ（１、２、・・、ｎ）が算出される。
なお、ｎ個のＮＯｘｅｘ（１）、ＮＯｘｅｘ（２）、・・・・、ＮＯｘｅｘ（ｎ）のうち、ｈ個のＮＯｘ（１）、ＮＯｘ（３）、・・、ＮＯｘ（ｌ）は、ステップＳ２６で再セットされたＮＯｘ濃度の関連値を推定するものが用いられる。
【００５７】
そして、ステップＳ２８において、ステップＳ２７において算出された平均化処理された値Ｄと、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化判定用しきい値である所定値αが比較される。
なお、劣化判定用しきい値である上述の所定値αは、ＮＯｘ吸着触媒２５からのＮＯｘの放出状態が排気ガスの流量等の影響を受けることより、運転状態に応じて設定されることとしてもよく、例えば、エンジン負荷に対応する充填率Ｃｅまたはエンジン回転数Ｎｅが大きいほど、大きな値とされてもよい。
【００５８】
ステップＳ２８で、ＹＥＳのときには、ＮＯｘ吸着触媒２５が劣化していると判断され、ステップＳ２９に進み、警告灯などの表示手段４１による警告が行われ処理を終了する。
また、ステップＳ２８でＮＯのときには、ＮＯｘ吸着触媒２５は劣化していないと判断され、警告は行われず、ＮＯｘｅｘ、Ｏ２ｅｘ、Ｄ等の記憶されていた値がクリアされ、リターンされる。
【００５９】
以上のように、リーンバーンの運転中に、ＮＯｘセンサ２６の出力値がＮＯｘｅｘｏを越え、ＮＯｘ吸着触媒２５に吸着されたＮＯｘを放出するリッチスパイク制御が実施されると、図５（ｃ）に示されるように、酸素濃度は低下を開始し、途中、ＮＯｘセンサの検出精度が低下するＯ２ｅｘｏ２からＯ２ｅｘｏ１、例えば、０．５％から０．２％の所定範囲内を通過する。この所定範囲内においては、本来、排気ガス中のＮＯｘは、第１の実施形態におけるＮＯｘセンサ出力値を示す図５（ｄ−１）の破線で示されるものであるのに対し、ＮＯｘセンサ２６の出力値は、図中、実線で示されるものとなる。
このため、図中、鎖線で示されるように、酸素濃度が０．５％から０．２％の所定範囲内にある時のｈ個のＮＯｘセンサ出力値ＮＯｘ（１）、ＮＯｘ（３）、・・、ＮＯｘ（ｌ）を、酸素濃度が、０．２％以下にある時の第１のＮＯｘセンサ出力値ＮＯｘｅｘ（ｑ）と、０．５％以上にある時の第２のＮＯｘセンサ出力値ＮＯｘｅｘ（ｒ）により線形一次補間して補正することにより、ＮＯｘ濃度の関連値を推定し、これにより、ＮＯｘ吸着触媒２５の機能状態が、高い精度で判断される。
【００６０】
ＮＯｘセンサによるＮＯｘ検出は、上述の線形一次補間によるＮＯｘ推定手段にかえて、以下に述べるＮＯｘセンサの金属製のカバーが取外された状態でのＮＯｘセンサ出力特性値によるＮＯｘ推定手段によるものであっても良い。
次に、ＥＣＵ３２で行われるＮＯｘ吸着触媒２５の劣化等の、機能状態の判断の内容を、本発明に係る第２の実施形態によるＮＯｘ吸着触媒の劣化診断の処理内容を示すフローチャートである図７に沿って説明する。
【００６１】
第２の実施形態によるＮＯｘ吸着触媒の劣化診断の処理は、上述の第１の実施形態によるものと比較して、図７のステップ３５とステップ３６に示されるように、排気ガス中の酸素濃度が、ＮＯｘセンサの出力値の検出精度が低下する所定範囲内にある時の、ＮＯｘ濃度の関連値の推定方法のみが異なる。
【００６２】
すなわち、ステップＳ２１でＮＯ、かつステップＳ２４でＹＥＳのリッチスパイク処理の終了直後である時には、ステップＳ３５に進み、タイマＴがカウント中にステップＳ２３において記憶された、例えばｎ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（１）、Ｏ２ｅｘ（２）、Ｏ２ｅｘ（３）、・・・・、Ｏ２ｅｘ（ｎ）のなかから、Ｏ２ｅｘｏ１＜Ｏ２ｅｘ（ｉ）＜Ｏ２ｅｘｏ２を満足する、例えばｈ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（１）、Ｏ２ｅｘ（３）、・・、Ｏ２ｅｘ（ｌ）が抽出される。
【００６３】
そして、ステップＳ３６に進み、ｈ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（１）、Ｏ２ｅｘ（３）、・・、Ｏ２ｅｘ（ｌ）と同一のタイミングで検出、記憶されたｈ個のＮＯｘセンサの出力値ＮＯｘ（１）、ＮＯｘ（３）、・・、ＮＯｘ（ｌ）が、抽出される。
【００６４】
一方、ＥＣＵ３２には、金属製のカバーが取外され、排気ガス中のＮＯｘとＣＯ、Ｈ２、ＨＣ等の還元剤が反応することがない状態として計測されたＮＯｘセンサの出力値から求められた補正係数が、上記所定範囲内の各酸素濃度に対応付けられたＮＯｘセンサ出力特性値として、予め、記憶されている。
【００６５】
そして、ＮＯｘセンサ出力特性値から、所定範囲内の酸素濃度センサ２４の出力値に対応する補正係数、例えば、上記ｈ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（１）、Ｏ２ｅｘ（３）、・・、Ｏ２ｅｘ（ｌ）の夫々に対応して、Ｏ２ｅｘ（１）に対する補正係数Ｋ１、Ｏ２ｅｘ（３）に対する補正係数Ｋ３、・・、Ｏ２ｅｘ（ｌ）に対する補正係数Ｋｌ、が算出される。
そして、この補正係数Ｋ１、Ｋ３・・、Ｋｌと、上記ｈ個のＮＯｘセンサの出力値ＮＯｘ（１）、ＮＯｘ（３）、・・、ＮＯｘ（ｌ）が、ＮＯｘ（１）×Ｋ１、ＮＯｘ（３）×Ｋ３、・・、ＮＯｘ（ｌ）×Ｋｌのように、夫々、乗算されて補正され、ＮＯｘ濃度の関連値を推定するものとして、再セットされる。
なお、酸素濃度のしきい値Ｏ２ｅｘｏ１、Ｏ２ｅｘｏ２は、上述の第１実施形態において述べたものと同一である。
また、上記酸素濃度のしきい値との比較は、いずれか一方のみ実施することとして、制御の簡素化を図っても良い。
【００６６】
そして、ステップＳ２７以降の処理は、上記第１の実施形態によるものと同様に、記憶されたｎ個全てのＮＯｘｅｘ（１）、ＮＯｘｅｘ（２）、・・・・、ＮＯｘｅｘ（ｎ）から、平均化処理された値Ｄが算出され、ステップＳ２８で、平均化処理された値Ｄと、劣化判定用しきい値である所定値αが比較され、ＹＥＳのときには、ＮＯｘ吸着触媒２５が劣化していると判断され、ステップＳ２９に進み、警告灯などの表示手段４１による警告が行われ処理を終了する。
また、ステップＳ２８でＮＯのときには、ＮＯｘ吸着触媒２５は劣化していないと判断され、警告は行われず、ＮＯｘｅｘ、Ｏ２ｅｘ、Ｄ等の記憶されていた値がクリアされ、リターンされる。
【００６７】
なお、ｎ個のＮＯｘｅｘ（１）、ＮＯｘｅｘ（２）、・・・・、ＮＯｘｅｘ（ｎ）のうち、ｈ個のＮＯｘ（１）、ＮＯｘ（３）、・・、ＮＯｘ（ｌ）は、ステップＳ３６で再セットされたＮＯｘ濃度の関連値を推定するものが用いられる。
【００６８】
以上のように、リーンバーンの運転中に、ＮＯｘセンサ２６の出力値がＮＯｘｅｘｏを越え、リッチスパイク制御が実施されると、上述の第１の実施形態と同様に、図５（ｃ）に示されるように、酸素濃度は低下を開始し、途中、ＮＯｘセンサの検出精度が低下するＯ２ｅｘｏ２からＯ２ｅｘｏ１、例えば、０．５％から０．２％の所定範囲内を通過する。この所定範囲内においては、本来、排気ガス中のＮＯｘは、第２実施形態におけるＮＯｘセンサ出力値を示す図５（ｄ−２）の破線で示されるものであるのに対し、ＮＯｘセンサ２６の出力値は、図中、実線で示されるものとなる。
このため、酸素濃度が０．５％から０．２％の所定範囲内にある時のｈ個のＮＯｘセンサ出力値ＮＯｘ（１）、ＮＯｘ（３）、・・、ＮＯｘ（ｌ）を、予め記憶されているＮＯｘ出力特性値から求められる補正係数で補正することにより、ＮＯｘ濃度の関連値を推定し、これにより、ＮＯｘ吸着触媒２５の機能状態が、高い精度で判断される。
【００６９】
なお、上記実施形態によれば、ＮＯｘセンサ２６、及びＯ２センサのような酸素濃度検出手段２４をＮＯｘ吸着触媒２５よりも下流側に配置し、ＮＯｘ吸着触媒２５の機能状態を判断する構成としたが、三元触媒の下流側に、ＮＯｘセンサ２６と酸素濃度検出手段２４を配置し、本発明によるＮＯｘ推定手段によって三元触媒の機能状態を判断することとしても良い。
【００７０】
また、ＮＯｘセンサ２６、及び酸素濃度検出手段２４を、ＮＯｘ吸着触媒２５等のＮＯｘ浄化手段よりも上流で、燃焼室４の直下流の排気ガス通路２２に配置し、本発明によるＮＯｘ推定手段によって、排気ガス中のＮＯｘを検出し、ＥＧＲ制御や点火時期制御等のＮＯｘ量制御手段の制御、又は故障などの機能状態を診断することとしても良い。
【００７１】
さらに、ＮＯｘ吸着触媒の種類によっては、リッチスパイク時に上記実施形態のように空燃比を１３．０ないし１４．０に制御しても、制御開始後、ＮＯｘ吸着触媒の下流側の酸素濃度が所望の領域まで直ちに低下せず、ＮＯｘセンサの検出精度が低下する上記所定範囲内に留まる期間にばらつきが生じる場合がある。
このため、リッチスパイク制御が開始され、且つ、排気ガス中の酸素濃度が、上記所定範囲の下限値、例えば０．２％以下となったときをＴ１の起算時とし、且つ、この時点でタイマのカウントを開始するように構成しても良い。
【００７２】
また、上記機能状態の診断結果に基づいて、リッチスパイク制御の期間、例えば、Ｔ１の終了時期を変更する制御を行うように構成しても良い。
【００７３】
さらに、上記実施形態によれば、排気ガス中の酸素濃度又は還元剤濃度を制御する還元剤制御手段であるリッチスパイク制御により空燃比を変更した後、ＮＯｘセンサ出力値の加算平均化処理された値Ｄが所定値αより大であれば、劣化として警告実行したが、平均化処理された値Ｄが所定値αより大の時には、さらに、他の還元剤制御手段であるスロットル弁開度制御により、吸入空気量を変更することで空燃比を変更した後、再度、ＮＯｘセンサ出力値を検出し、これより求められる平均化処理された値Ｄと所定値αを比較し、最終的に劣化判断することとして、劣化判断の精度を高めることとしても良い。
【００７４】
以上のことより、排気ガス中の酸素濃度が所定範囲内にある時で、ＮＯｘセンサによる排気ガス中のＮＯｘ量等に関連するＮＯｘ濃度の関連値の検出精度が低下する場合には、ＮＯｘセンサの出力値をそのまま用いるのではなく、ＮＯｘ推定手段によりＮＯｘセンサの出力値から、ＮＯｘ濃度の関連値を推定することとしたため、酸素濃度が上記所定範囲内にある時でも、排気ガス中のＮＯｘ量等に関連するＮＯｘ濃度の関連値を精度良く検出することが出来、延いては、ＮＯｘ浄化手段やＮＯｘ量制御手段といったＮＯｘ浄化装置の機能状態を精度良く判断することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の排気浄化装置を備えたエンジンシステムの概略構成図。
【図２】本発明に係る実施形態のＮＯｘセンサの構成を示す断面図。
【図３】本発明に係る実施形態のリッチスパイク処理の処理内容を示すフローチャート。
【図４】本発明に係る同一のＮＯｘ濃度における、酸素濃度とＮＯｘセンサの出力値との関係を示す図。
【図５】本発明に係る第１、及び第２の実施形態による排気ガス中の酸素濃度と、ＮＯｘ浄化手段からのＮＯｘ放出量の関係を示すタイムチャート。
【図６】本発明に係る第１の実施形態によるＮＯｘ吸着触媒の劣化診断の処理内容を示すフローチャート。
【図７】本発明に係る第２の実施形態によるＮＯｘ吸着触媒の劣化診断の処理内容を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…エンジン本体（燃焼手段）
４…燃焼室
２２…排気ガス通路
２４…酸素濃度検出手段（酸素濃度センサ）
２５…ＮＯｘ吸着触媒（ＮＯｘ浄化手段）
２６…ＮＯｘセンサ
２６ａ、２６ｂ…第１カバー、第２カバー（金属製のカバー）
２６ｃ…検出素子
３２…ＥＣＵ
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン等の燃焼手段から排出される排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を検出するＮＯｘ検出装置と、これを用いて排気ガスからＮＯｘを除去するための排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
排気ガス中のＮＯｘを低減する方法として、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス再循環（ＥＧＲ）制御や点火時期を遅角させる点火時期制御等のＮＯｘ量制御手段による方法のほかに、排気ガス中の酸素濃度が高い状態で排気ガス中のＮＯｘを吸着し、排気ガス中の酸素濃度が低くなると吸着していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着触媒などのＮＯｘ浄化手段による方法が知られている。
このうち、ＮＯｘ吸着触媒などのＮＯｘ浄化手段には、ＮＯｘ吸着量に限界があり、ＮＯｘ浄化手段が飽和量までＮＯｘを吸着すると、エンジンをリーンバーンによる運転状態から、理論空燃比近傍での運転状態に移行する等して排気ガス中の酸素濃度を低下させ、ＮＯｘ浄化手段からＮＯｘを放出させるとともに、これを還元して浄化する処理が行われるとともに、ＮＯｘ浄化手段の下流側に設けられたＮＯｘセンサによって下流側のＮＯｘ量を検出し、この検出結果に基づいて、ＮＯｘ浄化手段の劣化状態を診断する装置が知られている（特開２０００−３３７１３１）。
【０００３】
しかし、理論空燃比近傍の酸素濃度の領域では、ＮＯｘセンサに設けられたＮＯｘを検出する検出素子を保護するための金属カバーに含まれる金属が、触媒として作用し、検出すべきＮＯｘを排気ガス中に含まれるＣＯ、Ｈ２、ＨＣ等の還元剤と反応させてしまい、上記検出素子に到達するＮＯｘが減少すること等により、ＮＯｘセンサによるＮＯｘ検出の精度が低下し、延いては上記浄化手段の劣化や故障といった機能状態の診断の精度が低下するという問題があった。
【０００４】
上記問題を解消するため、本出願人らは、上記ＮＯｘセンサによりＮＯｘ浄化手段の劣化を診断する場合には、ＮＯｘ検出の精度が高い、理論空燃比よりもリッチ状態の空燃比へ移行させて劣化診断を実施する排気浄化装置を提案している（特願２００２−１７３９８４号参照）。
【０００５】
しかし、上記提案によれば、吸着したＮＯｘを放出するため、リーンバーンによる運転状態から、上記劣化診断のための酸素濃度領域へ移行する際、ＮＯｘ検出の精度が低下する理論空燃比近傍での運転状態を経由するため、この運転状態においてＮＯｘの検出精度が低下し、その結果、上記劣化診断の精度が低下することとなり、この点でさらなる改善が要求されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような状況においてなされたものであり、排気ガスに含まれるＮＯｘを精度良く検出し、これにより、ＮＯｘ浄化装置の機能状態を、精度良く判断することが出来る排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第１の構成によるＮＯｘ検出装置は、燃焼手段から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路に配置され、上記排気ガス中のＮＯｘを検出する検出素子と該検出素子を覆う金属製のカバーからなるＮＯｘセンサ、を備えたＮＯｘ検出装置であって、上記排気ガス通路に配置され、上記ＮＯｘセンサに到達する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
該酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度が所定範囲内にある時は、上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて、ＮＯｘ濃度の関連値を推定するＮＯｘ推定手段、からなるものである。
【０００８】
上記構成によれば、エンジン等の燃焼手段から排出される排気ガス中の酸素濃度が所定範囲内であって、ＮＯｘセンサの金属製のカバーに含まれる金属による触媒作用により、排気ガス中のＮＯｘ検出精度が低下する場合には、ＮＯｘセンサの出力値をそのまま用いるのではなく、ＮＯｘ推定手段により、ＮＯｘ濃度の関連値を推定することとしたため、酸素濃度が上記所定範囲内にある時でも、排気ガス中のＮＯｘ量等を精度良く検出することが出来る。
【０００９】
本発明の第２の構成による排気浄化装置は、燃焼手段から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路に配置され、上記排気ガス中のＮＯｘを検出する検出素子と該検出素子を覆う金属製のカバーからなるＮＯｘセンサと、上記排気ガス通路のＮＯｘセンサの上流側に配置され、排気ガス中の酸素濃度に応じて、ＮＯｘを吸着または放出するＮＯｘ吸着触媒と、上記排気ガス中の酸素濃度又は還元剤濃度を制御する還元剤制御手段と、該還元剤制御手段により、上記ＮＯｘ吸着触媒に吸着されたＮＯｘが排気ガス中に放出される場合、上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて、上記ＮＯｘ吸着触媒の機能状態を判断する機能判断手段、を備えた排気浄化装置であって、上記排気ガス通路に配置され、上記ＮＯｘセンサに到達する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、該排気ガス中の酸素濃度が所定範囲内にある時は、上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて、ＮＯｘ濃度の関連値を推定するＮＯｘ推定手段とを備え、上記機能判断手段による上記ＮＯｘ吸着触媒の機能状態の判断は、上記ＮＯｘ推定手段によって推定されたＮＯｘ濃度の関連値によって実施されることを特徴とするものである。
【００１０】
上記構成によれば、ＮＯｘ吸着触媒に吸着されたＮＯｘを放出させるため、エンジンをリーンバーンによる運転状態から、リッチな酸素濃度領域へ移行させる際、ＮＯｘセンサによるＮＯｘ検出の精度が低下する理論空燃比近傍の所定範囲内に酸素濃度がある時には、ＮＯｘセンサの出力値は用いず、上記ＮＯｘ推定手段によって推定されたＮＯｘ濃度の関連値に基づいて、上記ＮＯｘ吸着触媒の劣化などの機能状態が判断されることとなるので、ＮＯｘ吸着触媒の機能状態を、精度良く判断することが出来る。
【００１１】
本発明の第３の構成によるＮＯｘ検出装置は、上記ＮＯｘ推定手段が、上記排気ガス中の酸素濃度が、少なくとも０．２％ないし０．５％の所定範囲内にある場合に、上記酸素濃度が、０．２％以下にある時の第１のＮＯｘセンサ出力値と、０．５％以上にある時の第２のＮＯｘセンサ出力値とにより、ＮＯｘ濃度の関連値を推定するものである。
【００１２】
上記構成によれば、ＮＯｘ吸着触媒に吸着されたＮＯｘを放出させるため、エンジンをリーンバーンによる運転状態から、リッチな酸素濃度領域へ移行させる際、ＮＯｘセンサによるＮＯｘ検出の精度が低下する酸素濃度が少なくとも０．２％ないし０．５％の範囲内にある場合には、ＮＯｘセンサの出力値ではなく、ＮＯｘ検出の精度が高い酸素濃度が０．２％以下にある時の第１のＮＯｘセンサ出力値と、０．５％以上にある時の第２のＮＯｘセンサ出力値から推定されたＮＯｘ濃度の関連値に基づいて、上記ＮＯｘ吸着触媒の劣化などの機能状態が判断されることとなるので、ＮＯｘ吸着触媒の機能状態を、精度良く判断することが出来る。
【００１３】
本発明の第４の構成によるＮＯｘ検出装置は、上記排気ガス中の酸素濃度が所定範囲内にある時の、上記ＮＯｘセンサの金属製のカバーが取外された状態でのＮＯｘセンサ出力特性値が、予め記憶され、上記ＮＯｘ推定手段は、上記酸素濃度が所定範囲内にある時のＮＯｘセンサ出力値と、上記予め記憶されたＮＯｘセンサ出力特性値により、ＮＯｘ濃度の関連値を推定するものである。
【００１４】
上記構成によれば、ＮＯｘ吸着触媒に吸着されたＮＯｘを放出させるため、エンジンをリーンバーンによる運転状態から、リッチな酸素濃度領域へ移行させる際、酸素濃度が所定範囲内にあって、ＮＯｘセンサの金属製のカバーに含まれる金属による触媒作用により、排気ガス中のＮＯｘの検出精度が低下する場合には、ＮＯｘセンサの出力値ではなく、予め上記金属製のカバーが取外された状態で測定記憶された精度の高いＮＯｘセンサ出力特性値から推定されたＮＯｘ濃度の関連値に基づいて、上記ＮＯｘ吸着触媒の劣化などの機能状態が判断されることとなるので、ＮＯｘ吸着触媒の機能状態を、精度良く判断することが出来る。
【００１５】
本発明の第５の構成によるＮＯｘ検出装置は、上記排気ガス中の酸素濃度の所定範囲内が、少なくとも０．２％ないし０．５％の範囲内であるとされている。
【００１６】
上記構成によれば、ＮＯｘセンサの検出精度が低下する、酸素濃度が少なくとも０．２％ないし０．５％の所定範囲内にある時には、ＮＯｘセンサの出力値ではなく、上記ＮＯｘ推定手段によって推定されたＮＯｘ濃度の関連値に基づいて、上記ＮＯｘ吸着触媒の劣化などの機能状態が判断されることとなるので、ＮＯｘ吸着触媒の機能状態を、精度良く判断することが出来る。
【００１７】
本発明の第６の構成によるＮＯｘ検出装置は、上記排気ガス中の酸素濃度の所定範囲内が、０．２％以上、又は０．１％以上、又は０％以上、のいずれかであるとされている。
【００１８】
上記構成によれば、ＮＯｘセンサの検出精度が低下する、酸素濃度が０．２％以上、又は０．１％以上、又は０％以上、のいずれかの所定範囲内にある時には、ＮＯｘセンサの出力値ではなく、上記ＮＯｘ推定手段によって推定されたＮＯｘ濃度の関連値に基づいて、上記ＮＯｘ吸着触媒の劣化などの機能状態が判断されることとなるので、ＮＯｘ吸着触媒の機能状態を、精度良く判断することが出来る。
【００１９】
本発明の第７の構成によるＮＯｘ検出装置は、上記排気ガス中の酸素濃度の所定範囲内が、０．５％以下、又は０．６％以下、のいずれかであるとされている。
【００２０】
上記構成によれば、ＮＯｘセンサの検出精度が低下する、酸素濃度が０．５％以下、又は０．６％以下、のいずれかの所定範囲内にある時には、ＮＯｘセンサの出力値ではなく、上記ＮＯｘ推定手段によって推定されたＮＯｘ濃度の関連値に基づいて、上記ＮＯｘ吸着触媒の劣化などの機能状態が判断されることとなるので、ＮＯｘ吸着触媒の機能状態を、精度良く判断することが出来る。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、排気ガスに含まれるＮＯｘを精度良く検出し、これにより、ＮＯｘ浄化装置の機能状態を、精度良く判断することが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をＮＯｘ吸着触媒の劣化診断に適用した場合の実施形態について、添付図面に基づいて説明する。
【００２３】
エンジンシステム１００は、本発明に係る実施形態の排気浄化装置を備えたエンジンシステムの概略構成図である図１に示されるように、燃焼手段であるエンジン本体１を備えている。このエンジンシステムでは、所定の運転状態で、空燃比が１４．７より高く設定されるリーンバーン運転が行なわれる。エンジン本体１は、複数の気筒２（１本のみを図示する）と、この気筒２内に往復動可能に配置されたピストン３とを備え、気筒２とピストン３とによって燃焼室４が形成されている。燃焼室４の上部には、点火回路５に接続された点火プラグ６が燃焼室４に臨むように取付けられ、さらに、燃焼室４に燃料を直接噴射するインジェクタ７が取り付けられている。
【００２４】
このインジェクタ７には、高圧燃料ポンプ、プレッシャレギュレータ等を有する燃料供給回路が接続されている。この燃料供給回路によって燃料タンクからの燃料が適正な圧力に調整されてインジェクタ７に供給される。また、燃料供給回路には、燃料圧力を検出する燃圧センサ８が取付けられている。
【００２５】
燃焼室４は、吸気弁９が設けられた吸気ポートを介して吸気通路１０に連通している。この吸気通路１０には、その上流側から順に、吸気を濾過するエアクリーナ１１と、吸入空気量を検出するエアフローメータ１２と、吸気通路１０を絞る電気式スロットル弁１３と、サージタンク１４とが設けられている。電気式スロットル弁１３は、モータ１５により開閉駆動されるように構成されている。さらに、電気式スロットル弁１３の近傍には、その開度を検出するスロットル開度センサ１６が配置され、また、サージタンク１４には、吸気圧を検出する吸気圧センサ１７が取付けられている。
【００２６】
吸気通路１０は、サージタンク１４より下流の部分が、気筒毎に分岐した独立通路とされている。各独立通路の下流端部は、２つに分割され、それぞれが同一気筒の吸気ポートに連結され、その一方にスワール弁１８が設けられている。このスワール弁１８は、アクチュエータ１９によって駆動される。スワール弁１８が閉じると、吸気は他方の分岐通路のみから燃焼室４に供給され、燃焼室４内に強い吸気スワールが生成される。また、スワール弁１８の近傍には、スワール弁１８の開度を検出するスワール弁開度センサ２０が設けられている。
【００２７】
燃焼室４には、排気弁２１が設けられた排気ポートを介して排気通路２２が接続され、各気筒からの排気通路２２は下流側で合流している。合流した排気通路２２には、上流側から順に、排気ガス中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化手段であるＮＯｘ吸着触媒２５と、ＮＯｘセンサ２６と、ＮＯｘセンサ２６取付け部の排気ガス中の酸素濃度を検出する、例えば酸素濃度センサ（Ｏ２センサ）のような酸素濃度検出手段２４が設けられている。なお、酸素濃度検出手段２４は、直接、酸素濃度を検出する酸素濃度センサにかえて、各種検出信号から酸素濃度を推定するものであっても良い。
【００２８】
また、ＮＯｘ浄化手段は、ＮＯｘ吸着触媒２５のほか、三元触媒、又は吸着剤のいずれかでもよく、例えば、ＮＯｘ吸着触媒２５は、リーンバーン運転などの排気ガス中の酸素濃度が高い状態でＮＯｘを吸着し、酸素濃度が低い状態になると吸着していたＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着材と、ＮＯｘ吸着材から放出されたＮＯｘを還元浄化させる触媒金属（貴金属）とを備えたＮＯｘ吸収還元タイプのＮＯｘトラップ触媒である。
【００２９】
また、ＮＯｘ吸着触媒２５は、コージェライト製のハニカム構造の担体を備え、この担体に形成された各貫通孔の壁面には、内側触媒層がコーティングされ、内側触媒層上に外側触媒層がコーティングされている。
【００３０】
ＮＯｘ吸収機能を備える内側触媒層では、白金等の貴金属とＢａ等のＮＯｘ吸収材とが、多孔質材料であるアルミナ、セリア等のサポート材に担持されている。また、ＮＯｘ還元機能を備える外側触媒層には、白金、ロジウム等の触媒金属と、場合によっては、Ｂａ等のＮＯｘ吸収材とが、多孔質材料であるゼオライト等のサポート材に担持されている。
【００３１】
このＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量には限界がある。本実施形態によれば、ＮＯｘセンサ２６による排気ガス中のＮＯｘ検出値が所定のしきい値を越えると、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着が飽和に達したと判定し、排気ガス中の酸素濃度を低下させＮＯｘ吸着材からＮＯｘを放出させる還元剤制御手段による処理（リッチスパイク処理）を行うように構成されている。
【００３２】
ＮＯｘセンサ２６は、本発明に係る実施形態のＮＯｘセンサの構成を示す断面図である、図２に示されるように、第１カバー２６ａおよび第２カバー２６ｂに覆われた検出素子２６ｃを備えている。検出素子２６ｃは、排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じた出力を生じさせる。第１カバー２６ａと第２カバー２６ｂは、検出素子を熱衝撃、排気ガス中の不純物から保護する機能を有し、Ｆｅ等を含む金属で構成されている。また、第１カバー２６ａと第２カバー２６ｂとのそれぞれには、相互にオフセットした開口部２６ｄ、２６ｅが形成され、矢印Ａで示されるように、検出素子２６ｃに排気ガスが導入されるように構成されている。
【００３３】
そして、Ｆｅ等を含む金属で作られたカバーを備えたＮＯｘセンサ２６では、本発明に係る同一のＮＯｘ濃度における、酸素濃度とＮＯｘセンサの出力値との関係を示す図である、図４に示されるように、排気ガス中のＮＯｘ濃度が同一であっても、酸素濃度が所定範囲内にある時には、排気ガス中にあるＮＯｘと還元剤であるＨＣ等が反応し、Ｎ２やＯ２に化学変化するため、ＮＯｘセンサ２６の出力値が変動する。
ＮＯｘセンサの出力値は、酸素濃度が０％（空燃比１４．０程度の場合の排気ガスに相当）ないし０．６％（空燃比１４．８程度の場合の排気ガスに相当）の間で低下しており、酸素濃度０．４％（空燃比１４．６程度の排気ガスに相当）近傍で最も低くなる。
【００３４】
排気通路２２には、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ通路２７の上流端が、ＮＯｘ吸着触媒２５の上流側位置に接続されている。ＥＧＲ通路２７の下流端は、スロットル弁１３とサージタンク１４との間で吸気通路１０に接続されている。また、ＥＧＲ通路２７には、開度が電気的に調整可能であるＥＧＲ弁２８と、ＥＧＲ弁２８のリフト量を検出するリフトセンサ２９とが設けられ、これらにより排気還流手段が構成されている。
【００３５】
更に、排気通路２２には、吸気の一部を、吸気通路１０からＮＯｘ吸着触媒２５の上流側位置に送り込む２次エア供給通路３０が接続されている。この２次エア供給通路３０には、制御可能な流量調整弁３１が設けられている。
【００３６】
エンジンシステム１００は、さらに、システム全体の制御を行うＥＣＵ（電子制御ユニット）３２を備えている。このＥＣＵ３２には、エアフローセンサ１２、スロットル開度センサ１６、吸気圧センサ１７、スワール制御弁開度センサ２０、酸素濃度センサ２４、ＥＧＲ弁２８のリフトセンサ２９からの信号が入力される。ＥＣＵ３２には、さらに、エンジン本体１の冷却水温度を検出する水温センサ３３、吸気温度を検出する吸気温度センサ３４、大気圧を検出する大気圧センサ３５、エンジン回転数を検出する回転数センサ３６、および、アクセルペダルの開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ３７からの信号等も入力される。
【００３７】
ＥＣＵ３２は、エンジンの運転状態に応じてインジェクタ７から噴射される燃料の噴射状態を制御する燃料噴射制御、点火プラグ６による混合気の点火時期を制御する点火時期制御、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量が所定量に達すると排気ガス中の酸素濃度又は還元剤濃度を制御して、ＮＯｘ吸着触媒２５からＮＯｘを放出させる還元剤制御手段の一つであるリッチスパイク制御、このリッチスパイク時のＮＯｘ放出状態からＮＯｘ吸着触媒２５の劣化度合い等を判断する機能状態の判断制御等を行う。
【００３８】
燃料噴射制御では、エンジンの運転状態に応じて燃料噴射を制御するように構成されている。本実施形態では、低負荷低回転から中回転中負荷の運転領域では、インジェクタ７から圧縮行程の所定時期に燃料を一括噴射して点火プラグ６の近傍に混合気を偏在させた状態で燃焼させ、燃焼室４内における混合気の空燃比を３０．０程度のリーン状態とする成層燃焼モード用の燃焼制御が実行される。また、この成層燃焼モードの領域より高負荷側の領域では、吸気行程と圧縮行程との２回の燃料噴射で理論空燃比付近の空燃比とした燃焼モード用の燃焼制御が実行される。さらに、高負荷高回転の運転領域では、インジェクタ７から吸気行程で燃料を一括噴射させ燃焼室４内の空燃比をリッチ状態とした均一燃焼モード用の燃焼制御が行われる。
【００３９】
リーン状態の燃焼で発生するＮＯｘは、下流側に設けられたＮＯｘ吸着触媒２５によって吸着される。本実施形態では、ＮＯｘセンサ２６の出力信号に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量を推定し、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着が飽和したと判断されると、空燃比を、例えば１３．０ないし１４．０とすることによって、排気ガス中の酸素濃度を、０％に減少させ、ＮＯｘ吸着触媒２５からＮＯｘを放出させる制御（リッチスパイク制御）を行う。さらに、このときのＮＯｘセンサ２６からの出力信号に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化等の、機能状態の判断を併せて行う。本実施形態では、ＮＯｘ吸着触媒２５が劣化していたと判断されたとき、これを乗員に知らせる警告灯等を含む表示手段４１が設けられている。
【００４０】
次に、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化診断制御の前提となるリッチスパイク処理の際、ＥＣＵ３２で行われるエンジン制御の処理を、本発明に係る実施形態のリッチスパイク処理の処理内容を示すフローチャートである図３に沿って説明する。この制御は、上述した燃焼状態のうち、リーンバーンによる燃焼において行われる。
【００４１】
まず、ステップＳ１において、エアフローセンサ１２、酸素濃度検出手段２４、ＮＯｘセンサ２６、水温センサ３３、吸気温センサ３４、大気圧センサ３５、回転数センサ３６およびアクセル開度センサ３７等の信号が入力される。
【００４２】
次いで、ステップＳ２で、ＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘが、所定のしきい値ＮＯｘｅｘｏより大きいか否かが判定される。このしきい値ＮＯｘｅｘｏは、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量が飽和しているか否かを判定するための値である。ステップＳ２でＹＥＳのときには、ＮＯｘ吸着触媒２５が飽和量までＮＯｘを吸着しており、ＮＯｘを放出させる処理を行う必要があることを示しているので、ＮＯｘを放出させるリッチスパイク処理を開始する。
【００４３】
リッチスパイク処理は、ステップＳ３において、タイマの値Ｔに１を加えた後、ステップＳ４へ進み、スロットルバルブ開度Ｔｖをリッチスパイク制御用のスロットルバルブ開度Ｔｖλに設定する。リッチスパイク制御では、リッチ状態での燃焼とし、排気ガス中の酸素濃度を低下させる制御であるので、リッチスパイク制御用のスロットルバルブ開度Ｔｖλは、リーンバーンによる燃焼時より小さい値となる。
【００４４】
次いで、ステップＳ５で、リッチスパイク制御用のスロットルバルブ開度Ｔｖλとなるようにスロットル弁を駆動させる。ステップＳ６で、タイマの値ＴがＴ１未満であるか否かが判定される。タイマの値ＴがＴ１未満であるときには、ステップＳ７に進み、リッチスパイク用の燃料噴射量、燃料噴射時期、点火タイミングが設定される。本実施形態では、リッチスパイク制御時には、燃料を吸気行程と圧縮行程の２回に分けて噴射する分割噴射が行われる。従って、燃料噴射量として、吸気行程での噴射量Ｑλｓ１と、圧縮行程での噴射量Ｑλｓ２が設定される。また、燃料噴射時期として、吸気行程での噴射時期Ｉλｓ１と、圧縮行程での噴射時期Ｉλｓ２が設定される。さらに、点火時期として、θλｓが設定される。
【００４５】
このとき、本実施形態では、空燃比が１３．０ないし１４．０になるように、１サイクル当たりの総噴射量すなわち噴射量Ｑλ１とＱλ２との和が設定される。また、Ｑλ１とＱλ２とは等しい値に設定されるのが好ましい。この空燃比が１３．０ないし１４．０であれば排気ガス中の酸素濃度は０％程度になる。
【００４６】
次いで、ステップＳ８に進み、ステップＳ７で設定された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期に基づいて、燃料噴射、点火が実行される。この結果、リーンバーンであった燃焼がリッチ側の燃焼に移行し、排気ガス中の酸素濃度が大きく低下する。この結果、ＮＯｘ吸着触媒２５からＮＯｘが放出される。後述するように、本実施形態では、このＮＯｘ放出状態に基づいて、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化等の、機能状態の判断が行われる。
【００４７】
一方、ステップＳ６でＮＯ、即ち、ステップＳ７、ステップＳ８の処理が所定期間Ｔ１中、継続されていたときには、ＮＯｘ吸着触媒２５に吸着されていたＮＯｘは、放出されたものとして、リッチスパイク処理を終了させ、リーンバーンの運転状態とするため、ステップＳ１５に進み、タイマの値Ｔをリセットした後、ステップＳ１２に進み、スロットルバルブ開度Ｔｖをリーンバーン用のスロットルバルブ開度Ｔｖに設定し、ステップＳ１３で、設定されたスロットルバルブ開度Ｔｖに基づいてスロットルバルブを駆動させる。
【００４８】
次いで、ステップＳ１４に進み、リーンバーン用の燃料噴射量Ｑ、燃料噴射時期Ｉ、点火タイミングθが設定される。尚、本実施形態では、リーンバーン制御時には、圧縮行程での一括噴射で成層リーン燃焼が行われるものとしているが、各々の燃料噴射量Ｑ１、Ｑ２、各々の燃料噴射時期Ｉ１、Ｉ２の分割噴射としても良い。
次いで、ステップＳ８に進み、ステップＳ１４で設定された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期に基づいて、燃料噴射、点火が実行される。
【００４９】
一方、ステップＳ２でＮＯのときには、ステップＳ１１に進み、タイマがカウント中であるか否かを判定し、ＹＥＳのときには、リッチスパイク処理が実行中であるとしてステップＳ３に進む。
ステップＳ１１でＮＯのときには、ＮＯｘ吸着触媒２５が飽和量までＮＯｘを吸着していないため、ＮＯｘを放出させる処理を行う必要がないうえ、リッチスパイク処理も実行中でないとして、ステップＳ１２に進み、上述したリーンバーンの運転状態とするための処理であるステップＳ１２、ステップＳ１３、ステップＳ１４、ステップＳ８の各処理が継続される。
【００５０】
以上のように、本発明に係る第１、及び第２の実施形態による排気ガス中の酸素濃度と、ＮＯｘ吸着触媒からのＮＯｘ放出量の関係を示すタイムチャートである図５に示されるように、リーンバーンの運転中に、ＮＯｘセンサ２６の出力値がＮＯｘｅｘｏを越えたことによって、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量が飽和量に達したと判定されると（図５（ｄ−１）、）、所定期間Ｔ１の間は、空燃比を１３．０ないし１４．０の値に設定する制御が行われる（図５（ａ））。
【００５１】
次に、ＥＣＵ３２で行われるＮＯｘ吸着触媒２５の劣化等の、機能状態の判断の内容を、本発明に係る第１の実施形態によるＮＯｘ吸着触媒の劣化診断の処理内容を示すフローチャートである図６に沿って説明する。
【００５２】
まず、ステップＳ２１において、上述した図３に示されるエンジン制御の処理により、リッチスパイク処理中にカウントされるタイマＴが、カウント中であるか否かを判定し、ＹＥＳのときには、リッチスパイク処理が実行中であるとしてステップＳ２２に進み、ＮＯｘセンサ２６の出力値ＮＯｘｅｘを、その時のタイマ値Ｔｉに対応する出力値ＮＯｘｅｘ（ｉ）として記憶した後、ステップＳ２３に進み、酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘも同様に、その時のタイマ値Ｔｉに対応する出力値Ｏ２ｅｘ（ｉ）として記憶し、リターンする。
ステップＳ２１でＮＯ、即ち、タイマＴがカウント中でないときには、ステップＳ２４に進み、前回の処理において、タイマＴが、カウント中であったか判定し、ＹＥＳのときには、リッチスパイク処理の終了直後であるとしてステップＳ２５へ進み、以降のＮＯｘ吸着触媒２５の劣化診断処理がおこなわれ、ＮＯのときには、リッチスパイク処理の終了直後ではないとして、リターンする。
【００５３】
ステップＳ２１でＮＯ、かつステップＳ２４でＹＥＳであるときには、リッチスパイク処理の終了直後であるとして、ステップＳ２５に進み、タイマＴがカウント中にステップＳ２３において記憶された、例えばｎ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（１）、Ｏ２ｅｘ（２）、Ｏ２ｅｘ（３）、・・・・、Ｏ２ｅｘ（ｎ）のなかから、Ｏ２ｅｘｏ１≧Ｏ２ｅｘ（ｑ）を満足し、かつ最もＯ２ｅｘｏ１に近似するＯ２ｅｘ（ｑ）と、Ｏ２ｅｘｏ２≦Ｏ２ｅｘ（ｒ）を満足し、かつ最もＯ２ｅｘｏ２に近似するＯ２ｅｘ（ｒ）を抽出する。
【００５４】
なお、上述の酸素濃度のしきい値Ｏ２ｅｘｏ１、Ｏ２ｅｘｏ２は、排気ガス中の酸素濃度が、ＮＯｘセンサ２６の金属カバーに含まれる金属による触媒作用を生じず、ＮＯｘセンサ２６の出力値が精度の高いものであるか否かを判定するためのもので、図４に示されるように、例えば、酸素濃度のしきい値Ｏ２ｅｘｏ１は、０．２％、好ましくは０．１％、より好ましくは０％に設定され、しきい値Ｏ２ｅｘｏ２は、０．５％、好ましくは０．６％に設定される。
【００５５】
そして、ステップＳ２６に進み、抽出されたＯ２ｅｘ（ｑ）と同一のタイミングで検出、記憶された第１のＮＯｘセンサ出力値ＮＯｘｅｘ（ｑ）と、Ｏ２ｅｘ（ｒ）と同一のタイミングで検出、記憶された第２のＮＯｘセンサ出力値ＮＯｘｅｘ（ｒ）、及び上記ｎ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（１）、Ｏ２ｅｘ（２）、Ｏ２ｅｘ（３）、・・・・、Ｏ２ｅｘ（ｎ）のなかから、Ｏ２ｅｘｏ１＜Ｏ２ｅｘ（ｉ）＜Ｏ２ｅｘｏ２を満足する、例えばｈ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（１）、Ｏ２ｅｘ（３）、・・、Ｏ２ｅｘ（ｌ）と同一のタイミングで検出、記憶されたｈ個のＮＯｘセンサの出力値ＮＯｘ（１）、ＮＯｘ（３）、・・、ＮＯｘ（ｌ）が、抽出される。
そして、抽出された第１のＮＯｘセンサ出力値ＮＯｘｅｘ（ｑ）と、第２のＮＯｘセンサ出力値ＮＯｘｅｘ（ｒ）に基づいて、上記ｈ個のＮＯｘセンサの出力値ＮＯｘ（１）、ＮＯｘ（３）、・・、ＮＯｘ（ｌ）が、例えば、線形一次補間により補正され、ＮＯｘ濃度の関連値を推定するものとして、再セットされる。
【００５６】
そして、ステップＳ２７に進み、タイマ作動中に記憶されたｎ個全てのＮＯｘｅｘ（１）、ＮＯｘｅｘ（２）、・・・・、ＮＯｘｅｘ（ｎ）が加算された後、その全個数ｎによって割り算されて平均化され、その平均化処理された値Ｄ＝ΣＮＯｘｅｘ（１、２、・・、ｎ）が算出される。
なお、ｎ個のＮＯｘｅｘ（１）、ＮＯｘｅｘ（２）、・・・・、ＮＯｘｅｘ（ｎ）のうち、ｈ個のＮＯｘ（１）、ＮＯｘ（３）、・・、ＮＯｘ（ｌ）は、ステップＳ２６で再セットされたＮＯｘ濃度の関連値を推定するものが用いられる。
【００５７】
そして、ステップＳ２８において、ステップＳ２７において算出された平均化処理された値Ｄと、ＮＯｘ吸着触媒２５の劣化判定用しきい値である所定値αが比較される。
なお、劣化判定用しきい値である上述の所定値αは、ＮＯｘ吸着触媒２５からのＮＯｘの放出状態が排気ガスの流量等の影響を受けることより、運転状態に応じて設定されることとしてもよく、例えば、エンジン負荷に対応する充填率Ｃｅまたはエンジン回転数Ｎｅが大きいほど、大きな値とされてもよい。
【００５８】
ステップＳ２８で、ＹＥＳのときには、ＮＯｘ吸着触媒２５が劣化していると判断され、ステップＳ２９に進み、警告灯などの表示手段４１による警告が行われ処理を終了する。
また、ステップＳ２８でＮＯのときには、ＮＯｘ吸着触媒２５は劣化していないと判断され、警告は行われず、ＮＯｘｅｘ、Ｏ２ｅｘ、Ｄ等の記憶されていた値がクリアされ、リターンされる。
【００５９】
以上のように、リーンバーンの運転中に、ＮＯｘセンサ２６の出力値がＮＯｘｅｘｏを越え、ＮＯｘ吸着触媒２５に吸着されたＮＯｘを放出するリッチスパイク制御が実施されると、図５（ｃ）に示されるように、酸素濃度は低下を開始し、途中、ＮＯｘセンサの検出精度が低下するＯ２ｅｘｏ２からＯ２ｅｘｏ１、例えば、０．５％から０．２％の所定範囲内を通過する。この所定範囲内においては、本来、排気ガス中のＮＯｘは、第１の実施形態におけるＮＯｘセンサ出力値を示す図５（ｄ−１）の破線で示されるものであるのに対し、ＮＯｘセンサ２６の出力値は、図中、実線で示されるものとなる。
このため、図中、鎖線で示されるように、酸素濃度が０．５％から０．２％の所定範囲内にある時のｈ個のＮＯｘセンサ出力値ＮＯｘ（１）、ＮＯｘ（３）、・・、ＮＯｘ（ｌ）を、酸素濃度が、０．２％以下にある時の第１のＮＯｘセンサ出力値ＮＯｘｅｘ（ｑ）と、０．５％以上にある時の第２のＮＯｘセンサ出力値ＮＯｘｅｘ（ｒ）により線形一次補間して補正することにより、ＮＯｘ濃度の関連値を推定し、これにより、ＮＯｘ吸着触媒２５の機能状態が、高い精度で判断される。
【００６０】
ＮＯｘセンサによるＮＯｘ検出は、上述の線形一次補間によるＮＯｘ推定手段にかえて、以下に述べるＮＯｘセンサの金属製のカバーが取外された状態でのＮＯｘセンサ出力特性値によるＮＯｘ推定手段によるものであっても良い。
次に、ＥＣＵ３２で行われるＮＯｘ吸着触媒２５の劣化等の、機能状態の判断の内容を、本発明に係る第２の実施形態によるＮＯｘ吸着触媒の劣化診断の処理内容を示すフローチャートである図７に沿って説明する。
【００６１】
第２の実施形態によるＮＯｘ吸着触媒の劣化診断の処理は、上述の第１の実施形態によるものと比較して、図７のステップ３５とステップ３６に示されるように、排気ガス中の酸素濃度が、ＮＯｘセンサの出力値の検出精度が低下する所定範囲内にある時の、ＮＯｘ濃度の関連値の推定方法のみが異なる。
【００６２】
すなわち、ステップＳ２１でＮＯ、かつステップＳ２４でＹＥＳのリッチスパイク処理の終了直後である時には、ステップＳ３５に進み、タイマＴがカウント中にステップＳ２３において記憶された、例えばｎ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（１）、Ｏ２ｅｘ（２）、Ｏ２ｅｘ（３）、・・・・、Ｏ２ｅｘ（ｎ）のなかから、Ｏ２ｅｘｏ１＜Ｏ２ｅｘ（ｉ）＜Ｏ２ｅｘｏ２を満足する、例えばｈ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（１）、Ｏ２ｅｘ（３）、・・、Ｏ２ｅｘ（ｌ）が抽出される。
【００６３】
そして、ステップＳ３６に進み、ｈ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（１）、Ｏ２ｅｘ（３）、・・、Ｏ２ｅｘ（ｌ）と同一のタイミングで検出、記憶されたｈ個のＮＯｘセンサの出力値ＮＯｘ（１）、ＮＯｘ（３）、・・、ＮＯｘ（ｌ）が、抽出される。
【００６４】
一方、ＥＣＵ３２には、金属製のカバーが取外され、排気ガス中のＮＯｘとＣＯ、Ｈ２、ＨＣ等の還元剤が反応することがない状態として計測されたＮＯｘセンサの出力値から求められた補正係数が、上記所定範囲内の各酸素濃度に対応付けられたＮＯｘセンサ出力特性値として、予め、記憶されている。
【００６５】
そして、ＮＯｘセンサ出力特性値から、所定範囲内の酸素濃度センサ２４の出力値に対応する補正係数、例えば、上記ｈ個の酸素濃度センサ２４の出力値Ｏ２ｅｘ（１）、Ｏ２ｅｘ（３）、・・、Ｏ２ｅｘ（ｌ）の夫々に対応して、Ｏ２ｅｘ（１）に対する補正係数Ｋ１、Ｏ２ｅｘ（３）に対する補正係数Ｋ３、・・、Ｏ２ｅｘ（ｌ）に対する補正係数Ｋｌ、が算出される。
そして、この補正係数Ｋ１、Ｋ３・・、Ｋｌと、上記ｈ個のＮＯｘセンサの出力値ＮＯｘ（１）、ＮＯｘ（３）、・・、ＮＯｘ（ｌ）が、ＮＯｘ（１）×Ｋ１、ＮＯｘ（３）×Ｋ３、・・、ＮＯｘ（ｌ）×Ｋｌのように、夫々、乗算されて補正され、ＮＯｘ濃度の関連値を推定するものとして、再セットされる。
なお、酸素濃度のしきい値Ｏ２ｅｘｏ１、Ｏ２ｅｘｏ２は、上述の第１実施形態において述べたものと同一である。
また、上記酸素濃度のしきい値との比較は、いずれか一方のみ実施することとして、制御の簡素化を図っても良い。
【００６６】
そして、ステップＳ２７以降の処理は、上記第１の実施形態によるものと同様に、記憶されたｎ個全てのＮＯｘｅｘ（１）、ＮＯｘｅｘ（２）、・・・・、ＮＯｘｅｘ（ｎ）から、平均化処理された値Ｄが算出され、ステップＳ２８で、平均化処理された値Ｄと、劣化判定用しきい値である所定値αが比較され、ＹＥＳのときには、ＮＯｘ吸着触媒２５が劣化していると判断され、ステップＳ２９に進み、警告灯などの表示手段４１による警告が行われ処理を終了する。
また、ステップＳ２８でＮＯのときには、ＮＯｘ吸着触媒２５は劣化していないと判断され、警告は行われず、ＮＯｘｅｘ、Ｏ２ｅｘ、Ｄ等の記憶されていた値がクリアされ、リターンされる。
【００６７】
なお、ｎ個のＮＯｘｅｘ（１）、ＮＯｘｅｘ（２）、・・・・、ＮＯｘｅｘ（ｎ）のうち、ｈ個のＮＯｘ（１）、ＮＯｘ（３）、・・、ＮＯｘ（ｌ）は、ステップＳ３６で再セットされたＮＯｘ濃度の関連値を推定するものが用いられる。
【００６８】
以上のように、リーンバーンの運転中に、ＮＯｘセンサ２６の出力値がＮＯｘｅｘｏを越え、リッチスパイク制御が実施されると、上述の第１の実施形態と同様に、図５（ｃ）に示されるように、酸素濃度は低下を開始し、途中、ＮＯｘセンサの検出精度が低下するＯ２ｅｘｏ２からＯ２ｅｘｏ１、例えば、０．５％から０．２％の所定範囲内を通過する。この所定範囲内においては、本来、排気ガス中のＮＯｘは、第２実施形態におけるＮＯｘセンサ出力値を示す図５（ｄ−２）の破線で示されるものであるのに対し、ＮＯｘセンサ２６の出力値は、図中、実線で示されるものとなる。
このため、酸素濃度が０．５％から０．２％の所定範囲内にある時のｈ個のＮＯｘセンサ出力値ＮＯｘ（１）、ＮＯｘ（３）、・・、ＮＯｘ（ｌ）を、予め記憶されているＮＯｘ出力特性値から求められる補正係数で補正することにより、ＮＯｘ濃度の関連値を推定し、これにより、ＮＯｘ吸着触媒２５の機能状態が、高い精度で判断される。
【００６９】
なお、上記実施形態によれば、ＮＯｘセンサ２６、及びＯ２センサのような酸素濃度検出手段２４をＮＯｘ吸着触媒２５よりも下流側に配置し、ＮＯｘ吸着触媒２５の機能状態を判断する構成としたが、三元触媒の下流側に、ＮＯｘセンサ２６と酸素濃度検出手段２４を配置し、本発明によるＮＯｘ推定手段によって三元触媒の機能状態を判断することとしても良い。
【００７０】
また、ＮＯｘセンサ２６、及び酸素濃度検出手段２４を、ＮＯｘ吸着触媒２５等のＮＯｘ浄化手段よりも上流で、燃焼室４の直下流の排気ガス通路２２に配置し、本発明によるＮＯｘ推定手段によって、排気ガス中のＮＯｘを検出し、ＥＧＲ制御や点火時期制御等のＮＯｘ量制御手段の制御、又は故障などの機能状態を診断することとしても良い。
【００７１】
さらに、ＮＯｘ吸着触媒の種類によっては、リッチスパイク時に上記実施形態のように空燃比を１３．０ないし１４．０に制御しても、制御開始後、ＮＯｘ吸着触媒の下流側の酸素濃度が所望の領域まで直ちに低下せず、ＮＯｘセンサの検出精度が低下する上記所定範囲内に留まる期間にばらつきが生じる場合がある。
このため、リッチスパイク制御が開始され、且つ、排気ガス中の酸素濃度が、上記所定範囲の下限値、例えば０．２％以下となったときをＴ１の起算時とし、且つ、この時点でタイマのカウントを開始するように構成しても良い。
【００７２】
また、上記機能状態の診断結果に基づいて、リッチスパイク制御の期間、例えば、Ｔ１の終了時期を変更する制御を行うように構成しても良い。
【００７３】
さらに、上記実施形態によれば、排気ガス中の酸素濃度又は還元剤濃度を制御する還元剤制御手段であるリッチスパイク制御により空燃比を変更した後、ＮＯｘセンサ出力値の加算平均化処理された値Ｄが所定値αより大であれば、劣化として警告実行したが、平均化処理された値Ｄが所定値αより大の時には、さらに、他の還元剤制御手段であるスロットル弁開度制御により、吸入空気量を変更することで空燃比を変更した後、再度、ＮＯｘセンサ出力値を検出し、これより求められる平均化処理された値Ｄと所定値αを比較し、最終的に劣化判断することとして、劣化判断の精度を高めることとしても良い。
【００７４】
以上のことより、排気ガス中の酸素濃度が所定範囲内にある時で、ＮＯｘセンサによる排気ガス中のＮＯｘ量等に関連するＮＯｘ濃度の関連値の検出精度が低下する場合には、ＮＯｘセンサの出力値をそのまま用いるのではなく、ＮＯｘ推定手段によりＮＯｘセンサの出力値から、ＮＯｘ濃度の関連値を推定することとしたため、酸素濃度が上記所定範囲内にある時でも、排気ガス中のＮＯｘ量等に関連するＮＯｘ濃度の関連値を精度良く検出することが出来、延いては、ＮＯｘ浄化手段やＮＯｘ量制御手段といったＮＯｘ浄化装置の機能状態を精度良く判断することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の排気浄化装置を備えたエンジンシステムの概略構成図。
【図２】本発明に係る実施形態のＮＯｘセンサの構成を示す断面図。
【図３】本発明に係る実施形態のリッチスパイク処理の処理内容を示すフローチャート。
【図４】本発明に係る同一のＮＯｘ濃度における、酸素濃度とＮＯｘセンサの出力値との関係を示す図。
【図５】本発明に係る第１、及び第２の実施形態による排気ガス中の酸素濃度と、ＮＯｘ浄化手段からのＮＯｘ放出量の関係を示すタイムチャート。
【図６】本発明に係る第１の実施形態によるＮＯｘ吸着触媒の劣化診断の処理内容を示すフローチャート。
【図７】本発明に係る第２の実施形態によるＮＯｘ吸着触媒の劣化診断の処理内容を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…エンジン本体（燃焼手段）
４…燃焼室
２２…排気ガス通路
２４…酸素濃度検出手段（酸素濃度センサ）
２５…ＮＯｘ吸着触媒（ＮＯｘ浄化手段）
２６…ＮＯｘセンサ
２６ａ、２６ｂ…第１カバー、第２カバー（金属製のカバー）
２６ｃ…検出素子
３２…ＥＣＵ
Claims (7)
- 燃焼手段から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路に配置され、上記排気ガス中のＮＯｘを検出する検出素子と該検出素子を覆う金属製のカバーからなるＮＯｘセンサ、を備えたＮＯｘ検出装置であって、
上記排気ガス通路に配置され、上記ＮＯｘセンサに到達する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
該酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度が所定範囲内にある時は、上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて、ＮＯｘ濃度の関連値を推定するＮＯｘ推定手段、
からなるＮＯｘ検出装置。 - 燃焼手段から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路に配置され、上記排気ガス中のＮＯｘを検出する検出素子と該検出素子を覆う金属製のカバーからなるＮＯｘセンサと、
上記排気ガス通路のＮＯｘセンサの上流側に配置され、排気ガス中の酸素濃度に応じて、ＮＯｘを吸着または放出するＮＯｘ吸着触媒と、
上記排気ガス中の酸素濃度又は還元剤濃度を制御する還元剤制御手段と、
該還元剤制御手段により、上記ＮＯｘ吸着触媒に吸着されたＮＯｘが排気ガス中に放出される場合、上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて、上記ＮＯｘ吸着触媒の機能状態を判断する機能判断手段、を備えた排気浄化装置であって、
上記排気ガス通路に配置され、上記ＮＯｘセンサに到達する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
該排気ガス中の酸素濃度が所定範囲内にある時は、上記ＮＯｘセンサの出力値に基づいて、ＮＯｘ濃度の関連値を推定するＮＯｘ推定手段とを備え、
上記機能判断手段による上記ＮＯｘ吸着触媒の機能状態の判断は、上記ＮＯｘ推定手段によって推定されたＮＯｘ濃度の関連値によって実施されることを特徴とする排気浄化装置。 - 上記ＮＯｘ推定手段は、上記排気ガス中の酸素濃度が、少なくとも０．２％ないし０．５％の所定範囲内にある場合に、上記酸素濃度が、０．２％以下にある時の第１のＮＯｘセンサ出力値と、０．５％以上にある時の第２のＮＯｘセンサ出力値とにより、ＮＯｘ濃度の関連値を推定するものである請求項１に記載のＮＯｘ検出装置。
- 上記排気ガス中の酸素濃度が所定範囲内にある時の、上記ＮＯｘセンサの金属製のカバーが取外された状態でのＮＯｘセンサ出力特性値が、予め記憶され、
上記ＮＯｘ推定手段は、上記酸素濃度が所定範囲内にある時のＮＯｘセンサ出力値と、上記予め記憶されたＮＯｘセンサ出力特性値により、ＮＯｘ濃度の関連値を推定するものである請求項１に記載のＮＯｘ検出装置。 - 上記排気ガス中の酸素濃度の所定範囲内が、少なくとも０．２％ないし０．５％の範囲内である請求項１、又は４に記載のＮＯｘ検出装置。
- 上記排気ガス中の酸素濃度の所定範囲内が、０．２％以上、又は０．１％以上、又は０％以上、のいずれかである請求項１、又は４に記載のＮＯｘ検出装置。
- 上記排気ガス中の酸素濃度の所定範囲内が、０．５％以下、又は０．６％以下、のいずれかである請求項１、又は４に記載のＮＯｘ検出装置。
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