JP2004257324A

JP2004257324A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2004257324A
Application number: JP2003049569A
Authority: JP
Inventors: Akira Shirakawa; 暁白河; Yasuhisa Kitahara; 靖久北原; Hitoshi Onodera; 仁小野寺; Manabu Miura; 学三浦
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: US20040163381A1; CN100439668C; US7555895B2; CN1542264A; EP1452713A2; JP3873904B2; EP1452713A3

Abstract

【課題】ＮＯｘ浄化触媒の異常判定を精度よく行う。
【解決手段】ＮＯｘ浄化触媒の上流側、下流側には、それぞれ上流側Ｏ_２センサ、下流側Ｏ_２センサが配置される。リッチスパイク制御時に（Ｓ１）、上流側Ｏ_２センサ出力値ＶＯ２＿Ｆが所定値ＶＯ２＿ＳＦ＃となってから（Ｓ２）、下流側Ｏ_２センサ出力値ＶＯ２＿Ｒが所定値ＶＯ２＿ＳＲ２＃となるまで（Ｓ６）の、下流側Ｏ_２センサ出力値ＶＯ２＿Ｒと上流側Ｏ_２センサ出力値ＶＯ２＿Ｆとの差の積分量を算出する（Ｓ５）。算出した積分量を判定用診断値ＫＯＢＤＦ１として確定し（Ｓ８）、この判定用診断値ＫＯＢＤＦ１と異常判定閾値ＫＯＢＤＦＳＬ１＃とを比較して異常判定を行う（Ｓ１０〜Ｓ１２）。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するＮＯｘ浄化触媒の異常を判定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等に搭載される内燃機関、特に酸素過剰状態の混合気を燃焼可能な（リーン運転可能な）内燃機関では、リーン運転時にＮＯｘの排出量が増加することから、排気通路にＮＯｘ浄化触媒を配置して機関から排出されるＮＯｘが大気中に放出されるのを防止する技術が知られている。
【０００３】
かかるＮＯｘ浄化触媒は、流入する排気の空燃比が高いとき（リーンのとき）は排気中のＮＯｘを吸収し、流入する排気の空燃比が低くかつ還元剤（ＨＣ、ＣＯ）が存在するとき（リッチのとき）は吸収していたＮＯｘを放出しつつ窒素（Ｎ_２）に還元することでＮＯｘを浄化するものである。
【０００４】
ここで、ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ吸収能力には限りがあることから、その吸収量が飽和量に達する前に、適当なタイミングで吸収しているＮＯｘを放出、還元させてＮＯｘ吸収能力を再生させる必要がある。そのため、従来から、触媒上流の排気中に適当なタイミングで短周期的に還元剤たる燃料を添加したり、機関を一時的にリッチ運転に切り換えるようにしたりして、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の空燃比を一時的にリッチとしつつ、還元剤（ＣＯ、ＨＣ等）を供給する、いわゆる「リッチスパイク制御」が実行されている。
【０００５】
ところで、上記のようなＮＯｘ浄化処理を確実に行うため、ＮＯｘ浄化触媒の劣化等の異常を精度よく検出することも重要であることから、この異常を判定する様々な方法が提案されている。
【０００６】
例えば、特許文献１に記載のものは、流入する排気の空燃比を一時的にＮＯｘ吸収能力を再生させる場合よりも低下させてから、流出する排気の空燃比がリッチ空燃比を示す時間に基づいて吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の劣化を判定している。
【０００７】
また、特許文献２に記載のものは、機関に供給する混合気の空燃比をリーンからリッチに切り換えた場合における、ＮＯｘ浄化装置上流側の酸素濃度センサの出力変化時点から下流側の酸素濃度センサの出力変化時点までの計測時間と、機関に供給する混合気の空燃比をリッチからリーンに切り換えた場合における、上流側酸素濃度センサの出力変化時点から下流側酸素濃度センサの出力変化時点までの計測時間と、に基づいてＮＯｘ浄化装置の劣化を判定している。
【０００８】
更に、特許文献３に記載のものは、排気の空燃比をリーンからリッチに切り換えてから、このリッチな排気が触媒を通過するまでの時間間隔と、その後再び排気の空燃比をリッチからリーンに切り換えて、この切り換えからリーンな排気が触媒を通過するまでの時間間隔と、を計測し、計測した両時間間隔を用いて触媒のＯ_２吸蔵機能とＮＯｘ吸蔵機能とを評価している。
【０００９】
すなわち、いずれのものにおいても、触媒に吸収されているＮＯｘを放出、還元するリッチスパイク制御時に、触媒から流出する排気雰囲気（酸化剤と還元剤との比率）を検出し、この検出した排気雰囲気が所定範囲内となっている時間を用いて触媒の劣化判定を行っている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−３８９２９号公報
【特許文献２】
特開２００１−７３７４７号公報
【特許文献３】
特開平１１−３２４６５４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来のものでは、リッチスパイク制御における空燃比制御のバラツキを全く考慮していないため、以下のような問題がある。
【００１２】
例えば、リッチスパイク制御時において触媒下流側の空燃比が理論空燃比近傍に維持されている時間ｔｉを用いて劣化判定を行う場合を考えると、図２１に示すように、リッチスパイク制御における目標空燃比（目標空気過剰率）が、（ａ）本来の値（基準値）に設定された場合の時間ｔ１に対して、（ｂ）リッチ側にずれて設定された場合には時間ｔ２は短くなり、（ｃ）リーン側にずれて設定された場合に時間ｔ３は長くなる。
【００１３】
すなわち、上記理論空燃比近傍に維持されている時間は、いわば、ＮＯｘ浄化触媒にストレージされている酸素が還元雰囲気で還元剤と反応している時間であるから、流入する排気の空燃比が変化すれば当然に変化する。従って、単に、この時間を計測し、計測時間と所定の閾値と比較して劣化判定を行ったのでは、図２２に示すように、同程度の劣化状態であっても、そのときの空燃比の制御誤差（目標λのずれ）によって、劣化していると判定される場合とそうでない場合とが生じたり、新品の触媒に対して誤った劣化判定を行ったりするおそれがある。
【００１４】
リッチスパイク制御時における空燃比制御の精度向上を図ることは、もとより重要であるが、せいぜい数秒間のリッチスパイク制御時に、排気雰囲気を検出するセンサによるフィードバック制御での精度向上には限界があることから、このリッチスパイク制御時に触媒の異常判定を行う場合には、常にある程度の誤差が生じることを前提とする必要がある。
【００１５】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたものであり、リッチスパイク制御時の空燃比に制御バラツキ等が生じた場合であっても、ＮＯｘ浄化触媒の性能異常（異常度合）を正確に判定できる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯｘ浄化触媒を含んで構成され、排気中の酸化剤と還元剤との比率を変化させる排気雰囲気可変手段によって還元剤比率を増加させたときに、ＮＯｘ浄化触媒の上流側に設けられて排気中の酸化剤と還元剤との比率を検出する第１排気雰囲気検出手段の出力値が第１所定値に変化した時点から、ＮＯｘ浄化触媒の下流側に設けられて排気中の酸化剤と還元剤との比率を検出する第２排気雰囲気検出手段の出力値が第２所定値となるまでの、第１排気雰囲気検出手段の出力値と第２雰囲気検出手段の出力値とに基づいてＮＯｘ浄化触媒の異常判定を行うようにした。
【００１７】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、排気中の還元剤比率を増加させてＮＯｘ浄化触媒に流入する排気空燃比をリッチとすることでリッチスパイク制御を実行し、かかる制御時にＮＯｘ浄化触媒上流側の第１排気雰囲気検出手段の出力値が第１所定値に変化した時点から下流側の第２排気雰囲気検出手段の出力値が第２所定値となるまでの、第１排気雰囲気検出手段の出力値と第２雰囲気検出手段の出力値とに基づいてＮＯｘ浄化触媒の異常判定を行う。
【００１８】
このように、ＮＯｘ浄化触媒の上流側と下流側との両方の排気雰囲気検出手段の出力値を用いることで、リッチスパイク制御によってＮＯｘの放出が完了するまでの間に、ＮＯｘ浄化触媒にストレージされていた酸素が還元剤雰囲気で（余剰）還元剤と反応した酸素量又は還元剤量（の相当値）を求めることができ、この求めた酸素量又は還元剤量を用いてＮＯｘ浄化触媒の異常判定を行うことにより、リッチスパイク制御における空燃比（空気過剰率）の制御誤差・制御バラツキの影響を排除して安定かつ高精度な異常判定が可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明のシステム構成の一例を示したものである。図１において、過給機１は、エアクリーナ２でダストが除去されて吸気通路３に吸入された空気をコンプレッサ１ａにより圧縮する。圧縮された空気は、インタクーラ４で冷却されて吸気マニホールド５へと送り込まれ、電子制御スロットルバルブ６によって吸入吸気量が調整される。なお、過給機１は、いわゆる可変ノズル式のものであり、過給圧を可変調整できるようになっている。
【００２０】
機関７の各気筒には、燃料噴射弁８、点火プラグ９が設けられている。燃料噴射弁８は、サプライポンプ１０により圧送された燃料を所定圧力で燃焼室内に直接噴射し、この噴射された燃料は着火されて燃焼する。燃焼排気は、排気マニホールド１１に排出されて過給機１のタービン１ｂを回転駆動した後、ＮＯｘ浄化触媒１２により排気中のＮＯｘが浄化される。
【００２１】
ＮＯｘ浄化触媒１２は、例えば、白金（Ｐｔ）等の貴金属とＮＯｘ吸収剤とを担持したコーティング層をハニカム状の担体に保持して形成されている。また、ＮＯｘ吸収剤としては、例えば、セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）等のアルカリ土類及びランタン（Ｌａ）等の希土類の中から選ばれた少なくとも一つを含むものが使用される。
【００２２】
このＮＯｘ浄化触媒１２においては、流入する排気中の酸素濃度が高い排気リーン時には、排気中の酸素が白金（Ｐｔ）上に付着し、排気中のＮＯは、白金（Ｐｔ）上で酸化反応してＮＯ_２（２ＮＯ＋Ｏ_２→２ＮＯ_２）となる。そして、ＮＯ_２は、ＮＯｘ吸収剤と反応して硝酸イオン（ＮＯ_３ ⁻）として吸収される。
【００２３】
一方、流入する排気中の酸素濃度が低い排気リッチ時には、排気中のＨＣ、ＣＯは、白金（Ｐｔ）上で酸化反応してＨ_２Ｏ、ＣＯ_２（ＨＣ＋ＣＯ＋Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２）となる。また、このときＮＯｘ吸収剤からＮＯｘ（ＮＯ_２又はＮＯ）が放出される。ここで、排気中に含まれるＨＣ、ＣＯは、酸素との結合力が極めて強いことから、排気中に余剰ＨＣ、ＣＯが存在すれば、放出されたＮＯｘはこのＨＣ、ＣＯと反応して無害なＮ_２に還元される。
【００２４】
このように、ＮＯｘ浄化触媒１２は、流入する排気空燃比がリーンのときには排気中のＮＯｘを吸収し、流入する排気空燃比がリッチのときには、吸収したＮＯｘを放出し、還元することで排気中のＮＯｘを浄化する。
【００２５】
ＮＯｘ浄化触媒１２の上流側、下流側には、それぞれ排気中の酸化剤（主として酸素）と還元剤（主としてＨＣ）との比率を検出するセンサ２１、２２（第１、第２排気雰囲気検出手段）が設けられている。かかるセンサとしては、排気中の酸化剤と還元剤との比率を直接的に検出するものの他、間接的に検出するものであってもよく、例えば、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ、排気空燃比を検出する広域空燃比計、排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサが該当する。
【００２６】
更に、吸気マニホールド５のコレクタ部５ａと排気マニホールド１１とを接続するＥＧＲ通路１３と、このＥＧＲ通路１３を開閉するＥＧＲ弁１４と、が設けられており、運転条件に応じて排気循環量を調節できるようになっている。
【００２７】
コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）２０には、排気中の酸化剤と還元剤との比率を検出するセンサ２１、２２の他、機関７の吸入空気量を検出するエアフローメータ（ＡＦＭ）２３、機関冷却水温度を検出する水温センサ２４、機関回転速度を検出するクランク角センサ２５、アクセル開度センサ２６、吸気圧センサ２７等の各種センサからの検出信号が入力される。
【００２８】
そして、Ｃ／Ｕ２０は、入力された各種センサからの検出信号に基づいて燃料噴射制御、点火時期制御等の機関７に対する制御を実行する。
また、後述するように、排気中の還元剤比率を増加させて排気空燃比をリッチとし、ＮＯｘ浄化触媒１２に吸収されたＮＯｘを放出、還元するための「リッチスパイク制御」を実行すると共に、ＮＯｘ浄化触媒１２に劣化等の性能異常があるか否かの「異常判定」を実行する。従って、かかるＣ／Ｕ２０が、本発明に係る排気雰囲気可変手段、異常判定手段に相当する。
【００２９】
なお、リッチスパイク制御はすでに公知の技術であるので、ここでの詳細な説明を省略するが、例えば、特開平７−２７９７２８号公報に記載されているように、ＥＧＲ弁１４を開弁する又は電子制御スロットルバルブ６を閉弁するで吸入吸気量を減少させると共に、機関出力トルクが変化しないように燃料噴射量を増量したり、特開２００２−３３２８８９号公報に記載されているように、吸気又は圧縮行程において燃料を供給（主噴射）すると共に、膨張又は排気行程において燃料を追加供給（副噴射）したり、還元剤添加手段によって排気中に直接還元剤（燃料）を添加させるようにしたりすることによってリッチスパイク制御を実行することが考えられる。
【００３０】
また、上記異常判定は、リッチスパイク制御の実行時に、ＮＯｘ浄化触媒１２下流側センサ２２の出力値が理論空燃比近傍の所定範囲内に維持されている期間の上流側センサ２１の出力値と下流側センサ２２の出力値とに基づいて行う。
【００３１】
なお、以下の説明において、リッチスパイク制御の実行中は、リッチスパイク実行フラグ（以下、単にフラグＦｒｉｃｈという）が設定されるものとする。
ここで、本発明の第１実施形態に係るＮＯｘ浄化触媒１２の「異常判定」について説明する。
【００３２】
この実施形態では、排気中の酸化剤と還元剤との比率を検出するセンサとして、理論空燃比近傍で出力が急変する酸素濃度センサ（以下、上流側Ｏ_２センサ、下流側Ｏ_２センサという）を用い、その差の積分量を求めて異常判定を行う。
【００３３】
図２、図３に、本実施形態の「異常判定」のフローチャート及びその演算内容を示す。図２において、ステップ１（図中Ｓ１と記す。以下同じ）では、フラグＦｒｉｃｈが設定されているか否かを判定し、設定されている場合は（Ｆｒｉｃｈ＝Ｔｒｕｅであれば）ステップ２に進む。
【００３４】
ステップ２では、上流側Ｏ_２センサ２１の電圧ＶＯ２＿Ｆが所定値ＶＯ２＿ＳＦ＃（第１所定値＜理論空燃比相当値）より小さいか否かを判定し、所定値ＶＯ２＿ＳＦ＃よりも小さい場合には、ステップ３に進む。
【００３５】
ステップ３では、下流側Ｏ_２センサ２２の電圧ＶＯ２＿Ｒが所定値ＶＯ２＿ＳＲ１＃（＞理論空燃比相当値）よりも小さいかを判定し、所定値ＶＯ２＿ＳＲ１＃よりも小さい場合には、ステップ４に進む。
【００３６】
上記ステップ１〜３によって、「リッチスパイク制御」実行中であること、実際の排気空燃比がリーン→リッチとなっていること（ＮＯｘの放出、還元が開始されていること）が判定され、これらの条件が成立した場合には、ステップ４で異常判定実行フラグ（以下、フラグＦ＿ＯＢＤ＿ＡＴＳという）を設定して（Ｆ＿ＯＢＤ＿ＡＴＳ＝Ｔｒｕｅ）、ステップ５に進む。
【００３７】
一方、上記ステップ１〜３のいずれかの条件が成立しない場合には、ステップ１４に進み、フラグＦ＿ＯＢＤ＿ＡＴＳを解除して処理を終了する（Ｆ＿ＯＢＤ＿ＡＴＳ＝Ｆａｌｓｅ）。
【００３８】
ステップ５では、下流側Ｏ_２センサ２２の電圧ＶＯ２＿Ｒと上流側Ｏ_２センサ２１の電圧ＶＯ２＿Ｆと差の積分量ＫＯＢＤＯ２を下式により算出する。
ＫＯＢＤＯ２＝ＫＯＢＤＯ２_ｎ−１＋（ＶＯ２＿Ｒ−ＶＯ２＿Ｆ）
ステップ６では、下流側Ｏ_２センサ２２の電圧ＶＯ２＿Ｒが所定値ＶＯ２＿ＳＲ２＃（第２所定値＜理論空燃比相当値）よりも小さいか否かを判定し、所定値ＶＯ２＿ＳＲ２＃より小さいときはステップ７に進む。これにより、ＮＯｘ浄化触媒１２の下流側排気空燃比が理論空燃比近傍に保持されていた期間（以下、理論空燃比保持期間という）が終了したか否か、すなわち、吸収されていたＮＯｘの放出が完了したか否かを判定する。一方、電圧ＶＯ２＿Ｒが所定値ＶＯ２＿ＳＲ２＃以上であるときは、ステップ１３に進み、前回の判定結果と同一として処理を終了する。
【００３９】
ステップ７では、上流側Ｏ_２センサ２１の電圧ＶＯ２＿Ｆと下流側Ｏ_２センサ２２の電圧ＶＯ２＿Ｒとの差が、所定値ＫＤＶＯ２＃（第３所定値）以内となっているか否かを判定し、所定値ＫＤＶＯ２＃以内であればステップ８に進む。所定値ＫＤＶＯ２＃よりも大きいときは、いずれかのＯ_２センサに異常があるなど正常な状態で「異常判定」が行われていないと考えられるので、ステップ１３に進み、前回の判定結果と同一として処理を終了する。なお、このステップ１３が繰り返されるような場合にセンサ異常を検出するようにしてもよい。
【００４０】
ステップ８では、算出した積分量ＫＯＢＤＯ２を異常判定用の最終酸素センサ電圧値ＫＯＢＤＦ１として確定し、ステップ９では、積分量ＫＯＢＤＯ２をクリアする。
【００４１】
ステップ１０では、最終酸素センサ電圧値ＫＯＢＤＦ１が、所定の触媒異常判定閾値ＫＯＢＤＦＳＬ１＃より大きいか否かを判定する。そして、触媒異常判定閾値ＫＯＢＤＦＳＬ＃よりも大きい場合にはステップ１１に進み、触媒は正常であると判定し、フラグＦ＿ＡＴＳ＿ＮＧ＝Ｆａｌｓｅとして処理を終了する。一方、触媒異常判定閾値ＫＯＢＤＦＳＬ１＃以下の場合にはステップ１２に進み、触媒が異常である（劣化している）と判定し、フラグＦ＿ＡＴＳ＿ＮＧ＝Ｔｒｕｅとして処理を終了する。
【００４２】
上記理論空燃比保持期間は、ＮＯｘ浄化触媒１２にストレージされていた酸素（ストレージＯ_２、脱離したＮＯｘの酸素成分）が、還元剤雰囲気で還元剤（ＨＣ、ＣＯ）と反応している時間であるから、たとえＮＯｘ浄化触媒１２の状態が同一であっても、リッチスパイク制御における空燃比（空気過剰率）の制御誤差、すなわち、流入する排気空燃比の変動によって増減することになる。
【００４３】
一方、下流側Ｏ_２センサ２２の電圧ＶＯ２＿Ｒと上流側Ｏ_２センサ２１の電圧ＶＯ２＿Ｆと差によって、ＮＯｘ浄化触媒１２にストレージされていた酸素成分が還元雰囲気で還元剤と反応している量を見積もることができる。従って、この差の理論空燃比保持期間における積分量（すなわち、最終酸素電圧値ＫＯＢＤＦ１）は、吸収されていたＮＯｘの放出が完了するまでの間に還元剤と反応した総酸素量に相当し、ＮＯｘ浄化触媒１２の状態が同一であれば、ほぼ一定となるはずである。
【００４４】
この実施形態では、排気中の酸化剤と還元剤との比率を検出する手段として酸素濃度センサ（Ｏ_２センサ）を用い、理論空燃比保持期間における下流側Ｏ_２センサ２２の電圧ＶＯ２＿Ｒと上流側Ｏ_２センサ２１の電圧ＶＯ２＿Ｆと差の積分量（最終酸素センサ電圧値ＫＯＢＤＦ１）を算出し、この最終酸素センサ電圧値ＫＯＢＤＦ１と、あらかじめ実験等によって求めておいた触媒異常判定閾値ＫＯＢＤＦＳＬ１＃と、を比較して触媒の異常の有無を判定するようにしたので、「リッチスパイク制御」における空燃比（空気過剰率）の制御誤差・制御バラツキによる影響を排除して、高精度で安定した異常判定を実現できる。
【００４５】
また、下流側Ｏ_２センサ２２の電圧ＶＯ２＿Ｒが所定値ＶＯ２＿ＳＲ２＃より小さくなっても、上流側Ｏ_２センサ２１の電圧ＶＯ２＿Ｆと下流側Ｏ_２センサ２２の電圧ＶＯ２＿Ｒとの差が、所定値ＫＤＶＯ２＃以内となっていなければ「異常判定」を中止して、前回の判定結果を用いるようにしたので、正常な状態での「異常判定」を確保して誤判定を防止できる。
【００４６】
次に、本発明の第２実施形態に係るＮＯｘ浄化触媒１２の「異常判定」について説明する。
この実施形態では、排気中の酸化剤と還元剤との比率を検出するセンサとして、空燃比に対して出力がリニアに変化する広域空燃比計（以下、上流側λセンサ、下流側λセンサという）を用い、その差の積分量を求めて異常判定を行う。
【００４７】
図４は、空気過剰率ＲＬＡＭＢを演算するフローチャートである。なお、上流側λセンサ、下流側λセンサ共に演算方法は同一である。
図４において、ステップ２１では、λセンサのポンプ電流値を読み込む。
【００４８】
ステップ２２では、図５に示すようなテーブルを検索し、実空気過剰率Ｒｌａｍｂ０を算出する。
そして、ステップ２３において、それぞれ加重平均処理を行い、ＮＯｘ浄化触媒１２上流側の排気の空気過剰率（以下、上流側空気過剰率という）をＲＬＡＭＢ＿Ｆ、下流側の排気の空気過剰率（以下、下流側空気過剰率という）をＲＬＡＭＢ＿Ｒとして処理を終了する。
【００４９】
図６は、本実施形態（第２実施形態）におけるＮＯｘ浄化触媒１２の「異常判定」のフローチャートである。Ｏ_２センサ電圧ＶＯ２に代えて空気過剰率ＲＬＭＢを用いる点を除き、基本的には第１実施形態（図２）における「異常判定」と同じである。
【００５０】
ステップ３１では、フラグＦｒｉｃｈが設定されているか否かを判定し、設定されていればステップ２２に進む。
ステップ３２では、上流側空気過剰率ＲＬＡＭＢ＿Ｆが所定値ＲＬＡＭＢ＿ＳＦ＃（＜１．０）より小さいかを判定し、所定値ＲＬＡＭＢ＿ＳＦ＃よりも小さい場合には、ステップ３３に進む。
【００５１】
ステップ３３では、下流側空気過剰率ＲＬＡＭＢ＿Ｒが所定値ＲＬＡＭＢ＿ＳＲ１＃（＞１．０）よりも小さいかを判定し、所定値ＲＬＡＭＢ＿ＳＲ１＃よりも小さい場合には、ステップ３４に進む。
【００５２】
上記ステップ３１〜３３の条件が成立しない場合には、ステップ３４に進み、フラグＦ＿ＯＢＤ＿ＡＴＳ＝Ｆａｌｓｅとして処理を終了する。
ステップ３４では、フラグＦ＿ＯＢＤ＿ＡＴＳ＝Ｔｒｕｅとする。
【００５３】
ステップ３５では、下流側空気過剰率ＲＬＡＭＢ＿Ｒと上流側空気過剰率ＲＬＡＭＢ＿Ｆとの差の積分量ＫＯＢＤＲＬＡＭＢを下式により算出する。
ＫＯＢＤＲＬＡＭＢ＝ＫＯＢＤＲＬＡＭＢ_ｎ−１＋（ＲＬＡＭＢ＿Ｒ−ＲＬＡＭＢ＿Ｆ）
ステップ３６、３７では、下流側空気過剰率ＲＬＡＭＢ＿Ｒが所定値ＲＬＡＭＢ＿ＳＲ２＃（＜ＲＬＡＭＢ＿ＳＦ１＃）よりも小さくなったか、すなわち、理論空燃比近傍に維持されている期間が終了したかを判定し、終了していれば、上流側空気過剰率ＲＬＡＭＢ＿Ｆと下流側空気過剰率ＲＬＡＭＢ＿Ｒとの差が、所定値ＫＤＲＬＡＭＢ＃以内となっているか否かを判定する。そして、所定値ＫＤＲＬＡＭＢ＃以内であればステップ３８に進む。一方、下流側空気過剰率ＲＬＡＭＢ＿Ｒが所定値ＲＬＡＭＢ＿ＳＲ２＃以上であるとき、上流側、下流側の空気過剰率の差が所定値ＫＤＲＬＡＭＢ＃よりも大きいときは、ステップ４３に進み、第１実施形態（のステップ１３）と同様、前回の判定結果と同一として処理を終了する。
【００５４】
ステップ３８では、算出した積分量ＫＯＢＤＲＬＡＭＢを異常判定用の最終空気過剰率積分値ＫＯＢＤＦ２として確定し、ステップ３９では、積分量ＫＯＢＤＲＬＡＭＢをクリアする。
【００５５】
ステップ４０では、最終空気過剰率積分値ＫＯＢＤＦ２が、所定の触媒異常判定閾値ＫＯＢＤＦＳＬ２＃より大きいか否かを判定する。そして、触媒異常判定閾値ＫＯＢＤＦＳＬ２＃よりも大きい場合にはステップ４１に進み、触媒は正常であると判定し、フラグＦ＿ＡＴＳ＿ＮＧ＝Ｆａｌｓｅとして処理を終了する。一方、触媒異常判定閾値ＫＯＢＤＦＳＬ２＃以下の場合にはステップ４２に進み、触媒が異常である（劣化している）と判定し、フラグＦ＿ＡＴＳ＿ＮＧ＝Ｔｒｕｅとして処理を終了する。
【００５６】
下流側空気過剰率ＲＬＡＭＢ＿Ｒと上流側空気過剰率ＲＬＡＭＢ＿Ｆと差によって、ＮＯｘ浄化触媒１２にストレージされていた酸素（成分）が還元剤雰囲気で還元剤と反応している状態における余剰還元剤（ＨＣ）比率を見積もることができる。従って、その差の理論空燃比保持期間における積分量（すなわち、最終空気過剰率積分値ＫＯＢＤＦ２）は、吸収されていたＮＯｘの放出が完了するまでの間に酸素と反応した総還元剤量（ＨＣ量）に相当するものになるから、前記第１実施形態における総酸素量と同様、ＮＯｘ浄化触媒１２の状態が同一であれば、ほぼ同一となるはずである。
【００５７】
この実施形態では、排気中の酸化剤と還元剤との比率を検出する手段として広域空燃比計（λセンサ）を用い、このセンサによって検出される上流側空気過剰率と下流側空気過剰率との差の理論空燃比保持期間における積分量（最終空気過剰率積分値ＫＯＢＤＦ２）を算出し（図７（ａ）の斜線部）、この最終空気過剰率積分値ＫＯＢＤＦ２と、あらかじめ実験等によって求めておいた触媒異常判定閾値ＫＯＢＤＦＳＬ２＃と、を比較して触媒の劣化を判定するようにしたので、図７（ｂ）、（ｃ）に示すように「リッチスパイク制御」における空燃比（空気過剰率）の制御誤差・制御バラツキの影響を排除して、高精度で安定した異常判定を実現できる。
【００５８】
次に、本発明の第３実施形態に係るＮＯｘ浄化触媒１２の「異常判定」について説明する。
この実施形態では、第２実施形態と同様に酸化剤と還元剤との比率を検出するセンサとして広域空燃比計（λセンサ）を用い、空気過剰率ＲＬＡＭＢと吸入新気量Ｑａｃとから余剰還元剤量（ＨＣ量）を求めて異常判定を行う。
【００５９】
図８は、アクセル要求に応じた目標燃料噴射量Ｑｆｄｒｖを演算するフローチャートである。
図８において、ステップ５１では、機関回転速度Ｎｅ、アクセル開度ＡＰＯを読み込む。
【００６０】
ステップ５２では、読み込んだ機関回転速度Ｎｅ、アクセル開度ＡＰＯから図９に示すようなマップを参照して基本燃料噴射量Ｍｑｄｒｖを求める。
ステップ５３では、アイドル回転補正量Ｑｆｉｓｃを算出する。
【００６１】
そして、ステップ５４において、目標燃料噴射量Ｑｆｄｒｖ（＝Ｍｑｄｒｖ＋Ｑｆｉｓｃ）を算出して終了する。
図１０は、体積効率相当値Ｋｉｎを演算するフローチャートである。ここで演算する体積効率相当値Ｋｉｎは、吸気系の応答時定数相当値Ｋｋｉｎを演算するために用いられる。
【００６２】
図１０において、ステップ６１では、機関回転速度Ｎｅ、目標燃料噴射量Ｑｆｄｒｖ、吸気圧Ｐｉｎｔ、目標ＥＧＲ率Ｍｅｇｒｄを読み込む。なお、本実施形態では、吸気圧センサ２７によって吸気圧力Ｐｉｎｔを検出しているが、過給圧から推定するなど吸気圧を推定するようにしてもよい。
【００６３】
ステップ６２では、体積効率相当基本値Ｋｉｎｂ、吸気圧補正値Ｋｉｎｈを算出する。具体的には、読み込んだ機関回転速度Ｎｅ、目標燃料噴射量Ｑｆｄｒｖから図１１に示すようなマップを参照して体積効率相当基本値Ｋｉｎｂを演算し、吸気圧Ｐｉｎｔから図１２に示すようなテーブルを検索して吸気圧補正値Ｋｉｎｈを演算する。
【００６４】
ステップ６３では、次式によって、体積効率相当値基本値Ｋｉｎｂに吸気圧補正、ＥＧＲ補正を行って体積効率相当値Ｋｉｎを演算する。
Ｋｉｎ＝Ｋｉｎｂ×Ｋｉｎｈ／（１＋Ｍｅｇｒｄ／１００）
ステップ６４では、次式によって、吸気系の応答時定数相当値Ｋｋｉｎを演算して、処理を終了する。なお、容積比ＫＶＯＬは、吸気系の容積（コレクタ５ａ、吸気マニホールド５等）とシリンダ行程容積との比（ＫＶＯＬ＝Ｖｃ／Ｖｍ）である。
【００６５】
Ｋｋｉｎ＝Ｋｉｎ×ＫＶＯＬ（容積比）
図１３は、シリンダ吸入新気量Ｑａｃを演算するフローチャートである。
図１３において、ステップ７１では、ＡＦＭ２３の出力電圧Ｕｓを読み込む。
【００６６】
ステップ７２では、読み込んだ出力電圧Ｕｓから図１４に示すようなテーブルを検索して吸入空気量Ｑａｓへ変換する。
ステップ７３では、加重平均処理を行ってＱａｓ０とする。
【００６７】
ステップ７４では、機関回転速度Ｎｅを読み込む。
ステップ７５では、ステップ７３で加重平均処理を行った吸気量Ｑａｓ０を用いて次式によって、１シリンダあたりの吸入空気量Ｑａｃ０を演算する。
【００６８】
Ｑａｃ０＝Ｑａｓ０×ＫＣＯＮ／Ｎｅ
ＫＣＯＮ：定数（４気筒の場合３０、６気筒の場合２０）
ステップ７６では、吸気量Ｑａｓ０のｎ回演算分のディレイ処理を行い、コレクタ入口新気量Ｑａｓｎ（＝Ｑａｓ０_ｎ−ｋ）を演算する。
【００６９】
ステップ７７では、容積比ＫＶＯＬ及び体積効率相当値Ｋｉｎを用いて（又は吸気系の応答時定数相当値Ｋｋｉｎを用いて）、下式のような遅れ処理（ＡＦＭ２３からコレクタ５ａまでの輸送遅れ）を行ってシリンダ吸入新気量Ｑａｃを求め、処理を終了する。
【００７０】
Ｑａｃ＝Ｑａｃ（ｎ−１）×（１−ＫＶＯＬ×Ｋｉｎ）＋Ｑａｓｎ×ＫＶＯＬ×Ｋｉｎ
図１５は、還元剤量（ＨＣ量）を演算するフローチャートである。
【００７１】
図１５において、ステップ８１では、シリンダ吸入新気量Ｑａｃ、上流側空気過剰率ＲＬＡＭＢ＿Ｆ、下流側空気過剰率ＲＬＡＭＢ＿Ｒを読み込む。
ステップ８２では、所定の係数ＢＬＡＭＮＢ＃を用いて次式のようにしてＨＣ量を算出する。
【００７２】
ＨＣ（量）＝Ｑａｃ／（ＢＬＡＭＢ＃×ＲＬＡＭＢ）
そして、ステップ８３において、それぞれ加重平均処理を行い、上流側ＨＣ量ＨＣ＿Ｆ、下流側ＨＣ量ＨＣ＿Ｒとして処理を終了する。
【００７３】
図１６は、本実施形態（第３実施形態）におけるＮＯｘ浄化触媒１２の「異常判定」のフローチャートである。
ステップ９１〜９４までは、前記第２実施形態におけるステップ３１〜３４までと同じである。
【００７４】
ステップ９５では、下流側ＨＣ量ＨＣ＿Ｒと上流側ＨＣ量ＨＣ＿Ｆとの差の積分量ＫＯＢＤＨＣを下式により算出する。
ＫＯＢＤＨＣ＝ＫＯＢＤＨＣ_ｎ−１＋（ＨＣ＿Ｒ−ＨＣ＿Ｆ）
ステップ９６、９７では、第２実施形態におけるステップ３６、３７と同様、下流側空気過剰率ＲＬＡＭＢ＿Ｒが所定値ＲＬＡＭＢ＿ＳＲ２＃（＜ＲＬＡＭＢ＿ＳＦ１＃）よりも小さくなっているか、上流側空気過剰率ＲＬＡＭＢ＿Ｆと下流側空気過剰率ＲＬＡＭＢ＿Ｒとの差が所定値ＫＤＲＬＡＭＢ＃以内となっているか否かを判定する。そして、両方が成立していればステップ９８に進む。一方、いずれか一方が成立していなければステップ９３に進み、前記第１、２実施形態と同様、前回の判定結果と同一として処理を終了する。
【００７５】
ステップ９８では、算出した積分量ＫＯＢＤＨＣを異常判定用の最終ＨＣ積分値ＫＯＢＤＦ３として確定し、ステップ９９では、積分量ＫＯＢＤＨＣをクリアする。
【００７６】
ステップ１００では、最終ＨＣ積分値ＫＯＢＤＦ３が、所定の触媒異常判定閾値ＫＯＢＤＦＳＬ３＃より大きいか否かを判定する。そして、触媒異常判定閾値ＫＯＢＤＦＳＬ３＃よりも大きい場合にはステップ１０１に進み、触媒は正常であると判定し、フラグＦ＿ＡＴＳ＿ＮＧ＝Ｆａｌｓｅとして処理を終了する。一方、触媒異常判定閾値ＫＯＢＤＦＳＬ３＃以下の場合にはステップ１０２に進み、触媒が異常である（劣化している）と判定し、フラグＦ＿ＡＴＳ＿ＮＧ＝Ｔｒｕｅとして処理を終了する。
【００７７】
この実施形態では、前記第２実施形態が余剰還元剤「比率」の積分量である最終空気過剰率積分値ＫＯＢＤＦ２を用いて異常判定を行うのに対し、上流側還元剤量（ＨＣ＿Ｆ）と下流側還元剤量（ＨＣ＿Ｒ）とによって、吸収されていたＮＯｘの放出が完了するまでの間に酸素と反応した総還元剤（ＨＣ）量である最終ＨＣ積分値ＫＯＢＤＦ３（図１７（ａ）の斜線部）を算出し、この最終ＨＣ積分値ＫＯＢＤＦ３と、あらかじめ実験等によって求めておいた触媒異常判定閾値ＫＯＢＤＦＳＬ３＃と、を比較して触媒の劣化を判定するようにしたので、図１７（ｂ）、（ｃ）に示すように「リッチスパイク制御」における空燃比の制御誤差・制御バラツキの影響を排除して、高精度で安定した異常判定を実現できる。
【００７８】
なお、以上では、図１８に示すように、ＮＯｘ浄化触媒１２のみで構成したものについて説明したが、これに限るものではない。例えば、図１９に示すように、ディーゼル機関に適用して排気中の粒子状物質（ＰＭ）を浄化するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）を設けた構成や、更に酸化触媒と組み合わせて図２０のように構成した場合であっても、同様の効果を得ることができる。
【００７９】
また、複数の判定閾値を設定することで、異常の有無だけではなく、異常度合（劣化レベル）を判定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシステム構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る「異常判定」のフローチャートである。
【図３】「異常判定」における演算内容を説明する図である。
【図４】空気過剰率を演算するフローチャートである。
【図５】λセンサのポンプ電流−実空気過剰率の変換テーブルを示す図である。
【図６】第２実施形態に係る「異常判定」のフローチャートである。
【図７】第２実施形態の効果を説明するための図である。
【図８】目標燃料噴射量を演算するフローチャートである。
【図９】基本燃料噴射量マップの一例を示す図である。
【図１０】体積効率相当値を演算するフローチャートである。
【図１１】体積効率相当値基本値マップの一例を示す図である。
【図１２】吸気圧補正値を算出するためのテーブルの一例を示す図である。
【図１３】シリンダ吸入新気量を演算するフローチャートである。
【図１４】エアフローメータ出力電圧−吸入空気流量変換テーブルを示す図である。
【図１５】余剰還元剤量（余剰ＨＣ量）を演算するフローチャートである。
【図１６】第３実施形態に係る「異常判定」のフローチャートである。
【図１７】第３実施形態の効果を説明するための図である。
【図１８】本発明に係る排気浄化装置の主要部分の構成例を示す図である。
【図１９】本発明に係る排気浄化装置の主要部分の他の構成例を示す図である。
【図２０】同じく本発明に係る排気浄化装置の主要部分の他の構成例を示す図である。
【図２１】従来の「異常判定」の問題点を説明するための図である。
【図２２】同じく従来の「異常判定」の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
７…内燃機関、８…燃料噴射弁、１２…ＮＯｘ浄化触媒、２０…Ｃ／Ｕ、２１…上流側Ｏ_２センサ、λセンサ、２２…下流側Ｏ_２センサ、λセンサ、２３…ＡＦＭ、２５…クランク角センサ、２６…アクセル開度センサ、２７…吸気圧センサ

Claims

流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮＯｘを吸収し、流入する排気の空燃比がリッチの時に吸収したＮＯｘを放出、還元するＮＯｘ浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
排気中の酸化剤と還元剤との比率を変化させる排気雰囲気可変手段と、
前記ＮＯｘ浄化触媒の上流側に設けられ、排気中の酸化剤と還元剤との比率を検出する第１排気雰囲気検出手段と、
前記ＮＯｘ浄化触媒の下流側に設けられ、排気中の酸化剤と還元剤との比率を検出する第２排気雰囲気検出手段と、
前記排気雰囲気可変手段によって排気中の還元剤比率を増加させたときに、前記第１排気雰囲気検出手段の出力値が第１所定値に変化した時点から前記第２排気雰囲気検出手段の出力値が第２所定値となるまでの、前記第１排気雰囲気検出手段の出力値と前記第２雰囲気検出手段の出力値とに基づいて前記ＮＯｘ浄化触媒の異常判定を行う異常判定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記異常判定手段は、前記第１排気雰囲気検出手段の出力値と前記第２排気雰囲気検出手段の出力値との差の積分量を算出し、算出した積分量に基づいて前記ＮＯｘ浄化触媒の異常判定を行うことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記第１排気雰囲気検出手段及び前記第２排気雰囲気検出手段は、排気中の酸素濃度を検出するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記第１排気雰囲気検出手段及び前記第２排気雰囲気検出手段は、排気空燃比を検出するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記異常判定手段は、検出した排気空燃比と吸入新気量とに基づいて排気中の余剰ＨＣ量を算出し、
算出した前記ＮＯｘ浄化触媒上流側の排気中の余剰ＨＣ量と前記ＮＯｘ浄化触媒下流側の排気中の余剰ＨＣ量との差の積分量に基づいて前記ＮＯｘ浄化触媒の異常判定を行うことを特徴とする請求項４記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記異常判定手段は、前記第２排気雰囲気検出手段の出力値が前記第２所定値となったときに、前記第１排気雰囲気検出手段の出力値と前記第２排気雰囲気検出手段の出力値との差が第３所定値より大きいときは、前記ＮＯｘ浄化触媒の異常判定を中止することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載に内燃機関の排気浄化装置。