JP2005330848A - 触媒劣化推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒によるＮＯｘ浄化性能が劣化したか否かを推定する触媒劣化推定装置を低廉に提供する。
【解決手段】 ＳＯｘ吸蔵状態に応じて酸素ストレージ能力が変化するＯＢＤ用触媒（２５）をＮＯｘトラップ触媒（２４）の下流側に配置し、上流側および下流側Ｏ₂センサ（２７、２８）の出力振幅の差に基づいてＮＯｘトラップ触媒の劣化の有無をＥＣＵ（３０）により推定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒による劣化の有無を推定する触媒劣化推定装置に関する。

内燃機関のリーン運転時に排出されるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するため一般にＮＯｘトラップ触媒が用いられる。ＮＯｘトラップ触媒は、リーン運転時に排出される排ガス中のＮＯｘを吸蔵し、また、一旦吸蔵したＮＯｘを理論空燃比（ストイキオ）またはリッチ空燃比での運転中に放出、還元するようになっている。但し、リーン運転中には、燃料に含まれる硫黄（Ｓ）成分と排ガス中の酸素との反応により硫黄酸化物（ＳＯｘ）も生成され、ＳＯｘがＮＯｘと同様にＮＯｘトラップ触媒に吸蔵される。しかも、ＳＯｘはＮＯｘよりも安定であってストイキオまたはリッチ運転としただけでは放出されずにＮＯｘトラップ触媒に蓄積してＮＯｘ浄化性能を低下させることが知られている。

そこで、従来、その様なＳ被毒もしくはＳ劣化が検出されたときに、ストイキオまたはリッチ空燃比での機関運転を行うと共に触媒温度を上昇させて、ＮＯｘトラップ触媒に蓄積したＳＯｘを放出するようにしている。 例えば、特許文献１記載の排気浄化装置では、ＮＯｘセンサを用いてＮＯｘ触媒の劣化を判断するようにしている。
特開２０００-２６５８２４号公報

特許文献１記載の排気浄化装置では、ＮＯｘ触媒の劣化判定にＮＯｘセンサを用いており、ＮＯｘセンサを劣化判定に用いるには高精度が要求され、それに伴ってコスト高になるおそれがある。
本発明の目的は、ＮＯｘトラップ触媒のＳ被毒によるＮＯｘ浄化性能の劣化が生じたか否かを推定する触媒劣化推定装置を低廉に提供することにある。

ＮＯｘトラップ触媒の劣化を推定する触媒劣化推定装置において、請求項１記載の発明は、ＳＯｘ吸蔵状態に応じて酸素ストレージ能力が変化する劣化判定用触媒を内燃機関の排気通路内においてＮＯｘトラップ触媒の上流側または下流側に配置し、下流側空燃比検出手段により検出される劣化判定用触媒の下流側の排気空燃比に基づいてＮＯｘトラップ触媒の劣化の有無をＮＯｘトラップ触媒劣化推定手段により推定することを特徴とする。

請求項１記載の触媒劣化推定装置によれば、内燃機関の運転中、ＮＯｘトラップ触媒およびその上流側または下流側に配置された劣化判定用触媒のそれぞれにＳＯｘが徐々に吸蔵され、劣化判定用触媒ではＳＯｘ吸蔵状態に応じてその酸素ストレージ能力が変化していく。そして、劣化判定用触媒の酸素ストレージ能力の変化に伴って、劣化判定用触媒の下流側の排気空燃比が変化する。この様に、劣化判定用触媒の下流側の排気空燃比は、劣化判定用触媒の酸素ストレージ能力およびＳＯｘ吸蔵状態を反映している。また、劣化判定用触媒は排気通路内においてＮＯｘトラップ触媒と直列に配置されており、Ｓ成分を含む排ガスが劣化判定用触媒およびＮＯｘトラップ触媒に流入するようになっているため、劣化判定用触媒の下流側の排気空燃比はＮＯｘトラップ触媒でのＳＯｘ吸蔵状態をも反映することになる。従って、劣化判定用触媒の下流側の排気空燃比に基づいてＮＯｘトラップ触媒の劣化の有無が精度良く推定される。

請求項２記載の触媒劣化推定装置は、ＮＯｘトラップ触媒劣化推定手段が、上流側空燃比検出手段および下流側空燃比検出手段によりそれぞれ検出された劣化判定用触媒の上流側の排気空燃比とその下流側の排気空燃比との比較結果に基づいてＮＯｘトラップ触媒の劣化を推定することを特徴とする。
請求項３記載の触媒劣化推定装置は、劣化判定用触媒の上流側の排気空燃比を強制的に変調する空燃比変調手段を備え、ＮＯｘトラップ触媒劣化推定手段が、劣化判定用触媒の上流側の強制変調された排気空燃比と劣化判定用触媒の下流側の排気空燃比との比較結果に基づきＮＯｘトラップ触媒の劣化を推定することを特徴とする。

請求項２および３記載の触媒劣化推定装置では、劣化判定用触媒の酸素ストレージ能力が高いほど、同触媒の酸素ストレージ作用によって劣化判定用触媒の下流側の排気空燃比と上流側の排気空燃比の挙動に大きな差異が生じる。従って、劣化判定用触媒でのＳＯｘ吸蔵量の増大によって酸素ストレージ機能が低下するにつれて、つまり、ＮＯｘトラップ触媒でのＳＯｘ吸蔵量ひいては同触媒の劣化度合いが高くなるにつれて、劣化判定用触媒の下流側の排気空燃比の挙動が上流側の排気空燃比の挙動に近づいていく。そこで、劣化判定用触媒の上流側および下流側の排気空燃比の比較結果に基づき下流側の排気空燃比が上流側の排気空燃比に近づいたことが判別されると、ＮＯｘトラップ触媒が劣化したとの推定がなされる。

請求項３の触媒劣化推定装置では、劣化判定用触媒の上流側の排気空燃比を強制的に変調するので、劣化判定用触媒の上流側の排気空燃比と下流側の排気空燃比との関係が、劣化判定用触媒の酸素ストレージ能力の低下に伴って大きく変化し、ＮＯｘトラップ触媒の劣化の推定感度が向上する。

請求項１の発明によれば、ＳＯｘ吸蔵状態に応じて酸素ストレージ能力が変化する劣化判定用触媒をＮＯｘトラップ触媒の上流側または下流側に配置し、劣化判定用触媒およびＮＯｘトラップ触媒の双方のＳＯｘ吸蔵状態を表す劣化判定用触媒の下流側の排気空燃比に基づいてＮＯｘトラップ触媒の劣化の有無を推定するので、高精度なＮＯｘセンサを使用せずにＮＯｘトラップ触媒の劣化の有無を推定することができ、低廉な触媒劣化推定装置を提供することができる。

請求項２の発明によれば、劣化判定用触媒の上流側の空燃比と下流側の排気空燃比との比較結果から、劣化判定用触媒でのＳＯｘ吸蔵量の増大に伴う同触媒の酸素ストレージ能力の低下を判別することにより、ＮＯｘトラップ触媒の劣化を推定することができる。
請求項３の発明によれば、劣化判定用触媒の上流側の排気空燃比を強制的に変調することにより、同触媒の上流側の排気空燃比と下流側の排気空燃比との比較結果に基づくＮＯｘトラップ触媒の劣化の推定感度を向上することができる。

［第１実施形態］
以下、図面に基づいて、本発明の第１実施形態によるＮＯｘトラップ触媒劣化推定装置を説明する。
本実施形態のＮＯｘトラップ触媒劣化推定装置が装備される内燃機関（以下、エンジンと称する）は、例えば、吸気行程噴射モードまたは圧縮行程噴射モードでの燃料噴射を選択的に実施可能な筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンであって、理論空燃比、リッチ空燃比またはリーン空燃比での運転を選択的に行うようになっている。筒内噴射型エンジンは従来公知のものであり、その構成を図１を参照して簡単に説明する。

筒内噴射型エンジン１１のシリンダヘッド１２には各気筒毎に点火プラグ１３と共に電磁式の燃料噴射弁１４が取付けられ、燃料噴射弁１４は、図示しない燃料パイプを介して、燃料タンク及び燃料ポンプを有した燃料供給装置に接続され、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁１４から燃焼室１５内に直接噴射可能になっている。
シリンダヘッド１２には各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成され、各吸気ポートと連通可能に吸気マニホールド１６の一端がそれぞれ接続されている。吸気マニホールド１６の他端にはドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）方式の電動スロットル弁１７が接続され、スロットル弁１７にはスロットル開度θthを検出するスロットルセンサ１８が設けられている。また、シリンダヘッド１２には各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成され、各排気ポートと連通可能に排気マニホールド１９の一端がそれぞれ接続されている。そして、エンジン１１にはクランク角を検出するクランク角センサ２０が設けられ、エンジン回転速度Ｎｅを検出可能となっている。

排気マニホールド１９に接続された排気管（排気通路）２１には、エンジン１１に近接した小型の三元触媒２２と排気浄化触媒装置２３とを介して図示しないマフラーが接続されている。排気浄化触媒装置２３は、ＮＯｘトラップ触媒２４とその下流側に配置された劣化判定用触媒２５とから構成されている。
近接三元触媒２２は、エンジン１１の冷態始動時に排ガスによって早期に活性化されるものであり、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属を含み、排気空燃比が理論空燃比近傍のときに排ガス中の有害物質を浄化するものになっている。なお、近接三元触媒２２は、酸素ストレージ機能を有する材料の添加量を抑制して、ＮＯｘトラップ触媒２４でのＮＯｘの放出還元時にＣＯなどの還元剤が酸化されることを防止するようにしている。

排気浄化触媒装置２３のＮＯｘトラップ触媒２４は、例えば、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属と、バリウム（Ｂａ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）等のアルカリ金属、アルカリ土類金属のＮＯｘトラップ剤とを含み、排気空燃比がリーンのとき排ガス中のＮＯｘを吸蔵する一方、排気空燃比がリッチのときにＮＯｘを放出して窒素（Ｎ₂）等に還元浄化する機能を持つものである。なお、ＮＯｘトラップ触媒２４は、排気空燃比が理論空燃比近傍のときに排ガス中の有害物質を浄化する三元機能を有するものが良い。

劣化判定用触媒２５は、排ガス中のＳＯｘを吸収すると共にＳＯｘ吸蔵状態に応じて酸素ストレージ能力が変化するＯＢＤ（車載診断）用触媒であり、本実施形態では、セリウム（Ｃｅ）の酸化物であるセリアを含む酸素ストレージ剤をＳトラップ剤として添加した三元触媒により構成されている。この酸素ストレージ剤は、リーン運転中に吸着した酸素（Ｏ₂）をリッチ運転中においても吸着した状態に維持する酸素ストレージ能力を有するが、Ｓが吸着すると酸素を吸着できなくなり、Ｓトラップ量の増加に伴い酸素ストレージ能力が低下するものになっている。なお、酸素ストレージ剤は三元触媒の作用に必要な量よりＯＢＤ用として多く担持する必要がある。また、セリアを含む酸素ストレージ剤に代えて、ランタン（Ｌａ）、ニッケル（Ｎｉ）などの酸素ストレージ機能を有する材料をＳトラップ剤として機能するために十分な量だけ添加しても良い。

更に、セリウム（Ｃｅ）の酸化物であるセリアを含む酸素ストレージ剤を用いる場合において、近年の酸素ストレージ剤としてはセリアにジルコニアなどを複合させた複合酸化物が使用されることが多い。しかしながらこの場合、Ｓトラップ剤として機能するのは複合酸化物の中で主としてセリアであるため、複合酸化物中のセリアの比率が所定値であることが必要である。好適な複合酸化物中のセリアの重量比率としては、全体の５０％以上、より好ましくは８０％以上である。

ここで、ＯＢＤ用触媒２５の酸素ストレージ能力は同触媒２５でのＳトラップ量に応じて変化し、また、ＯＢＤ用触媒２５のＳトラップ量はＮＯｘトラップ触媒２４のＳトラップ量と相関を有している。ＯＢＤ用触媒２５は、ＮＯｘトラップ触媒２４のＳ劣化の推定に主として用いられる点で、熱劣化判定に用いられる通常のＯＢＤ用三元触媒と異なる。すなわち、ＯＢＤ用触媒２５は、専らＮＯｘトラップ触媒２４のＳ劣化の推定に用いるものでも良く、その様なＯＢＤ用触媒２５の場合、貴金属を添加せずにＳトラップ剤のみを添加することになる。

そして、排気管２１においてＮＯｘトラップ触媒２４とＯＢＤ用触媒２５との間には上流側Ｏ２センサ２７が設けられ、また、ＯＢＤ用触媒２５の下流側には下流側Ｏ₂センサ２８が設けられている。上流側Ｏ₂センサ２７はＯＢＤ用触媒２５の上流側の排気空燃比を検出する上流側空燃比判定手段として機能し、一方、下流側Ｏ₂センサ２８はＯＢＤ用触媒２５の下流側の排気空燃比を検出する下流側空燃比判定手段として機能する。参照符号２６は、三元触媒２２とＮＯｘトラップ触媒２４との間に設けられ触媒温度に対応する排気温度を検出する高温センサを表している。なお、高温センサ２６をＮＯｘトラップ触媒２４に近接して設けて触媒温度を検出するようにしても良い。

参照符号３０は、入出力装置、記憶装置、中央処理装置、タイマカウンタ等を有するＥＣＵ（電子コントロールユニット）を表し、このＥＣＵ３０は、総合的なエンジン制御を行うと共に、上流側Ｏ₂センサ２７および下流側Ｏ₂センサ２８の出力に基づきＮＯｘトラップ触媒２４の劣化を推定するＮＯｘトラップ触媒劣化推定手段として機能するようになっている。

エンジン制御に関し、ＥＣＵ３０は、その入力側に接続された各種センサ類から入力した検出情報から燃料噴射量や点火時期を算出し、ＥＣＵ３０の出力側に接続された点火プラグ１３用の点火コイルや燃料噴射弁１４等を駆動して、適量の燃料を適正タイミングで噴射すると共に適正タイミングで点火を行うものになっている。
更に、ＥＣＵ３０は、スロットルセンサ１８からのスロットル開度情報θthとクランク角センサ２０からのエンジン回転速度情報Ｎｅとに基づいてエンジン負荷に対応する目標筒内圧（目標平均有効圧Ｐｅ）を求め、この目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて燃料噴射モードを設定する。例えば、目標平均有効圧Ｐｅ及びエンジン回転速度Ｎｅが双方共に小さいときに圧縮行程噴射モードを選択する一方、目標平均有効圧Ｐｅあるいはエンジン回転速度Ｎｅが大きくなると吸気行程噴射モードを選択する。また、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとから目標空燃比を設定し、目標空燃比に基づき燃料噴射量を決定する。

上記構成の排気浄化装置を備えたエンジン１１の運転中、ＮＯｘトラップ触媒２４は排気空燃比がリーンであれば排気中のＮＯｘを吸蔵する一方、排気空燃比がリッチであればリーン運転中に吸蔵したＮＯｘを放出、還元し、これによりＮＯｘトラップ触媒２４のＮＯｘ浄化能力が再生される。この様なＮＯｘトラップ触媒２４の再生を積極的に行う場合には、従来公知のＮＯｘパージ制御を行う。例えば、排気空燃比がリッチあるいはストイキオになるように空燃比を制御する。

また、燃料には硫黄成分が含まれており、従って、排ガス中にも硫黄成分が存在し、この硫黄成分は酸素と反応して硫黄酸化物（ＳＯｘ）となる。リーン雰囲気ではＮＯｘトラップ触媒２４は、ＮＯｘを硝酸塩として吸蔵すると共にＳＯｘを硫酸塩として吸蔵する。この様に本来ＮＯｘが吸蔵されるべきＮＯｘトラップ触媒２４にＳＯｘが吸蔵されると、ＮＯｘトラップ触媒２４のＮＯｘ浄化性能がその分低下する。

酸素濃度の低いストイキまたはリッチ雰囲気では、ＮＯｘトラップ触媒２４に硫酸塩として吸蔵されたＳＯｘは、硫酸塩は硝酸塩よりも塩としての安定度が高いので、酸素濃度が低下した雰囲気になっても一部しか分解されず、ＮＯｘトラップ触媒２４に残留する硫酸塩の量は時間が経過するにつれて増加する。この様なＳＯｘの吸蔵（Ｓ被毒）により、ＮＯｘトラップ触媒２４のＮＯｘ浄化能力が低下（Ｓ劣化）していく。そして、Ｓ劣化が生じた場合には、ＮＯｘトラップ触媒２４の温度を上昇させると共に排気空燃比をリッチ化するなどしてＳＯｘを放出、還元するＳパージ制御を行う必要がある。

以下、本実施形態におけるＮＯｘトラップ触媒２４のＳ劣化の推定につき説明する。
既述のように、ＯＢＤ用触媒２５は、排気管２１内でＮＯｘトラップ触媒２４の下流に配置されると共にＳトラップ剤を含有し、また、排気管２１内にはＳ成分を含む排ガスが多量に流れるので、Ｓ成分を含む排ガスはＮＯｘトラップ触媒２４およびＯＢＤ用触媒２５の双方に流入する。従って、リーン雰囲気では排ガス中のＳ成分がＯＢＤ用触媒２５のＳトラップ剤により吸蔵されることになる。

そして、ＯＢＤ用触媒２５におけるＳトラップ量は、ＮＯｘトラップ触媒２４でのＳトラップ量と同様、前回のＳパージ制御の完了時点からの時間経過につれて増大していく。つまり、ＯＢＤ用触媒２５のＳトラップ量は、ＮＯｘトラップ触媒２４のＳトラップ量が増大するにつれて増大するものとなっており、ＯＢＤ用触媒２５でのＳトラップ量とＮＯｘトラップ触媒２４でのＳトラップ量との間には相関がある。また、ＯＢＤ用触媒２５におけるＳトラップ量が増大するにつれてＯＢＤ用触媒２５の酸素ストレージ能力が低下していく。つまり、ＯＢＤ用触媒２５の酸素ストレージ能力とＮＯｘトラップ触媒２４におけるＳトラップ量との間にも相関がある。

本実施形態では、ＯＢＤ用触媒２５の上流側及び下流側にＯ₂センサ２７、２８が配置されており、上流側Ｏ₂センサ２７および下流側Ｏ₂センサ２８の出力電圧は、ＯＢＤ用触媒２５の上流側および下流側における排ガス中の酸素濃度を表す。ここで、空燃比を所定の振幅、周波数で変調させた場合には、Ｏ₂センサ２７、２８の出力挙動の差は、ＯＢＤ用触媒２５の現時点における酸素ストレージ能力を表す。各Ｏ₂センサ２７、２８は、図２に例示するように、その出力電圧がリッチ雰囲気で大きく、リーン雰囲気で小さくなるように構成され、また、理論空燃比（ストイキ空燃比）近傍での空燃比変化に伴って出力電圧が大きく変化するように構成されている。すなわち、各Ｏ₂センサの酸素濃度検出感度はストイキ空燃比近傍で高くなる。

以上の説明から明らかなように、空燃比を変調させたときのＯ₂センサ２７、２８の出力挙動の差は、ＯＢＤ用触媒２５の酸素ストレージ能力ひいてはＮＯｘトラップ触媒２４におけるＳトラップ量つまりＳ劣化の度合いを表す。そこで、本実施形態では、Ｏ₂センサ２７、２８の出力挙動の差に基づきＮＯｘトラップ触媒２４のＳ劣化を推定するようにしている。出力挙動を代表するものとしては、空燃比を変調させたときのリーン側ピークとリッチ側ピークの出力差、すなわち出力振幅を用いている。具体的には、ＥＣＵ（ＮＯｘトラップ触媒劣化推定手段）３０は、エンジン運転中、図３に示すＳ劣化推定ルーチンを所定周期で実施する。

図３のＳ劣化推定ルーチンでは、ＥＣＵ３０はエンジン１１がストイキ空燃比で運転されているか否かを判別し（ステップＳ１）、ストイキフィードバック運転（Ｏ₂センサを用いた空燃比の変調制御運転）中でなければ、今回周期のＳ劣化推定処理を終了する。一方、ストイキフィードバック運転中であると判定すると、ＥＣＵ３０は、排気空燃比がストイキ近傍にあって変調しておりＯ₂センサ２７、２８を用いてＳ劣化推定を良好に行えるとの判断の下でＯ₂センサ２７、２８のそれぞれの出力を読込み（ステップＳ２）、Ｏ₂センサ２７、２８の出力振幅の差を算出し（ステップＳ３）、出力振幅の差と触媒劣化判定値とを比較する（ステップＳ４）。

ＮＯｘトラップ触媒２４におけるＳトラップ量が少ない場合、ＯＢＤ用触媒２５のＳトラップ量も小さく、ＯＢＤ用触媒２５が酸素ストレージ能力を有しているので、ＯＢＤ用触媒２５に流入する排ガス中の酸素が同触媒２５中に貯蔵され、その分、ＯＢＤ用触媒２５の下流側での排ガス中の酸素濃度の挙動がその上流側における排ガス中の酸素濃度の挙動よりも小さくなる。この様に、排ガス中の酸素濃度の挙動がＯＢＤ用触媒２５の下流側で小さいと、上流側Ｏ₂センサ２７の出力振幅と下流側Ｏ₂センサ２８の出力振幅の差は大きく、出力振幅の差は触媒劣化判定値よりも大きくなる。従って、ＥＣＵ３０は、Ｏ₂センサ２７、２８の出力振幅の差が判定値よりも大きい場合には、ＮＯｘトラップ触媒２４におけるＳトラップ量つまりＳ劣化の度合いが小さく、従って触媒２４がＳ劣化するに至っていないと判断して、今回周期でのＳ劣化判定処理を終了する。

一方、ＮＯｘトラップ触媒２４でのＳトラップ量が多い場合、ＯＢＤ用触媒２５におけるＳトラップ量も大きく、ＯＢＤ用触媒２５の酸素ストレージ能力は低下している。従って、ＯＢＤ用触媒２５に流入する排ガス中の酸素は触媒２５中に吸蔵されることなく、その下流側に流れ込む。このため、ＯＢＤ用触媒２５の下流側における排ガス中の酸素濃度の挙動はその上流側における排ガス中の酸素濃度の挙動と同程度になる。この様に、排ガス中の酸素濃度の挙動がＯＢＤ用触媒２５の上流側と下流側とで同程度であると、Ｏ₂センサ２７、２８の出力振幅の差は小さく、出力振幅の差は判定値よりも小さくなる。従って、ＥＣＵ３０は、出力振幅の差が判定値よりも小さい場合には、ＮＯｘトラップ触媒２４におけるＳトラップ量つまりＳ劣化の度合いが大きいと判断して触媒２４がＳ劣化したと推定する（ステップＳ５）。以上のようにして、ＮＯｘトラップ触媒２４のＳ劣化の有無を精度良く推定することができる。

そして、ＮＯｘトラップ触媒２４がＳ劣化したとの推定が行われると、触媒２４に吸蔵されたＳＯｘを除去するためＳパージ制御を開始する（ステップＳ６）。Ｓパージ制御では、排気空燃比をリーンからリッチに変更すると共に、点火時期リタードや追加燃料噴射などを行うことによりＮＯｘトラップ触媒２４を所定温度まで昇温する。この結果、ＮＯｘトラップ触媒２４が再生され、そのＮＯｘ浄化性能が維持される。

なお、Ｓパージ制御に代えて、例えば車両のインストルメントパネルに設けた警告灯（エンジンチェックランプ）３１を点灯して運転者にＮＯｘトラップ触媒２４がＳ劣化を来したことを通報するようにしても良い。或いは、Ｓパージ制御を実施したにもかかわらずＳ劣化が推定されたときに警告灯３１を点灯して運転者に警報を与えるようにしても良い。いずれの場合にも、警告灯３１の点灯による警報によって、運転者は整備工場等で劣化触媒の交換等の措置をとることができる。

上述のように、本実施形態の触媒劣化推定装置は、ＯＢＤ用触媒２５の酸素ストレージ能力とＮＯｘトラップ触媒２４のＳ劣化の度合いとの間に高い相関性がある点に着目して創案されたものであり、ＯＢＤ用触媒２５の酸素ストレージ能力を同触媒２５の上流側および下流側にそれぞれ配置されたＯ₂センサ出力から判定するものになっている。
この様なＳ劣化推定原理からして、上記実施形態のように上流側Ｏ₂センサ２７及び下流側Ｏ₂センサ２８の出力振幅の比較結果に基づいてＮＯｘトラップ触媒２４のＳ劣化の有無を推定することは必須ではなく、例えば、Ｏ₂センサ２７、２８の出力の周波数の比較結果に基づいてＳ劣化の推定を行うこともできる。

そのため、例えば、上流側Ｏ₂センサ２７の出力に基づく空燃比フィードバック制御を行うことにより、排気浄化触媒装置２３に流入する排気空燃比が所定周期且つ所定振幅でリーン空燃比とリッチ空燃比との間で変化するように、目標燃焼空燃比をたとえばストイキ空燃比である平均空燃比（変調中心空燃比）のまわりで変調する。そして、空燃比変調時の上流側Ｏ₂センサ２７及び下流側Ｏ₂センサ２８のそれぞれの出力の周波数を比較する。

ＯＢＤ用触媒２５の酸素ストレージ能力が高ければ酸素が触媒２５に吸蔵されるので、図４に示すように、ＯＢＤ用触媒２５の上流における排気空燃比の変化に対する同触媒下流での排気空燃比の応答が遅くなる。触媒劣化推定手段としてのＥＣＵ３０は、空燃比変調時に上流側Ｏ₂センサ２７及び下流側Ｏ₂センサ２８の出力を読込み、両出力の周波数を判定し、下流側Ｏ₂センサ２７の出力の周波数を上流側Ｏ₂センサ２８の出力の周波数で除して周波数比を算出し、算出した周波数比と判定値とを比較する。図４の場合、周波数比が判定値よりも小さくなる。この様に周波数比が判定値より小さければ、ＥＣＵ３０は、ＯＢＤ用触媒２５の酸素ストレージ能力が高いので、同触媒２５でのＳトラップ量ひいてはＮＯｘトラップ触媒２４でのＳトラップ量がＳ劣化をきたすほどには大きくないと判断する。

一方、ＯＢＤ用触媒２５の酸素ストレージ能力が低くなると酸素が触媒２５にあまり吸蔵されることなくその下流側に排出されるため、図５に示すように触媒下流の排気空燃比の応答が速くなる。図５の場合、周波数比が判定値よりも大きくなる。この様に周波数比が判定値よりも大きければ、ＥＣＵ３０は、ＯＢＤ用触媒２５の酸素ストレージ能力が低下しており、従って、触媒２５ひいてはＮＯｘトラップ触媒２４でのＳトラップ量が多いと判断し、ＮＯｘトラップ触媒２４にＳ劣化が生じたとの推定を行い、Ｓパージ制御を実施し或いは警告灯を点灯させる。

更には、Ｏ₂センサ２７、２８の出力の振幅および周波数を組み合わせてＳ劣化の有無を推定するようにしても良い。
上述のように、原理的には、上流側Ｏ₂センサ２７および下流側Ｏ₂センサ２８の出力振幅差、または両Ｏ₂センサ２７、２８の出力の周波数比、あるいは、出力振幅差と周波数比との組み合わせに基づいてＯＢＤ用触媒２５の酸素ストレージ能力ひいてはＮＯｘトラップ触媒２４のＳ劣化の有無を推定することができるが、実用性の観点からは改良の余地がある。

すなわち、ＮＯｘトラップ触媒２４のＳトラップ剤を構成するアルカリ金属またはアルカリ土類金属にトラップされたＳに比べ、ＯＢＤ用触媒２５のＳトラップ剤として用いられるセリアにトラップされたＳは、一般には、より低温で容易に放出されることが知られている。但し、Ｓは種々の形態でセリアにトラップされるものとなっており、ＮＯｘトラップ触媒２４にトラップされるＳと同様、高温においてもセリアから放出され難い形態でトラップされるものもある。従って、ＯＢＤ用触媒２５でのＳトラップ量（酸素ストレージ能力）とＮＯｘトラップ触媒２４でのＳトラップ量（Ｓ劣化）との間には相関性があり、上記の実施形態および変形例はその様な相関を基にＳ劣化の推定を行うものになっている。

但し、高温においてもセリアから放出され難い形態でトラップされるＳの量は多くないので、ＯＢＤ用触媒２５におけるＳトラップ量の変化に伴う触媒２５の酸素ストレージ能力の変化は必然的に小さくなる。そこで、本発明者は、その様な認識の下で、以下に説明する第２実施形態による触媒劣化推定装置を創案した。
［第２実施形態］
上記第１実施形態の変形例に係る触媒劣化推定装置は、上流側Ｏ₂センサ２７の出力に基づく空燃比フィードバック制御により目標燃焼空燃比をストイキ空燃比まわりで変調して排気空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比との間で変化させつつ、ＯＢＤ用触媒２５の上流での排気空燃比の変化に対する同触媒下流での排気空燃比の応答の遅速を判別し、応答が速いときにＮＯｘトラップ触媒２４がＳ劣化したと推定するようにしている。

第２実施形態の触媒劣化推定装置は、基本的には上記の推定原理に基づくものであるが、排気浄化触媒装置２３に流入する排気空燃比に対する変調の周波数を超低周波にした点が第１実施形態の変形例と異なる。すなわち、第２実施形態では、排気空燃比に対する変調の周波数を例えば０．５Ｈｚ以下、好ましくは０．３５Ｈｚ以下の超低周波にするようにしている。そして、この様な超低周波を用いて排気空燃比を変調すると、ＯＢＤ用触媒２５におけるＳトラップ量の変化に対する酸素ストレージ能力の変化が小さい場合にも、ＯＢＤ用触媒２５の上流での強制変調された排気空燃比（変調波形）の変化に対する同触媒下流での排気空燃比（下流側Ｏ₂センサ出力波形）の応答の遅速が大きく変化するので、応答の遅速に基づくＮＯｘトラップ触媒２４のＳ劣化推定感度が向上する。

ここで、０．５Ｈｚ以下といった超低周波の変調は、上記変形例のような上流側Ｏ₂センサ出力に基づく通常の空燃比フィードバック制御によっては実現することは極めて難しい。そこで、第２実施形態では、ＥＣＵ３０により、ＯＢＤ用触媒２５の上流側の排気空燃比を強制的に変調するようにしている。すなわち、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘトラップ触媒劣化推定手段としての機能に加えて空燃比変調手段としての機能を奏するものになっている。なお、第２実施形態では上流側Ｏ₂センサ２７はＳ劣化の推定には不要である。

以下、第２実施形態によるＮＯｘトラップ触媒２４のＳ劣化の推定について説明する。
Ｓ劣化推定のため、ＥＣＵ（ＮＯｘトラップ触媒劣化推定手段）３０は、エンジン運転中、図６に示すＳ劣化推定ルーチンを所定周期で実施する。
図６のＳ劣化推定ルーチンにおいて、ＥＣＵ３０はエンジン１１がストイキ空燃比で運転されているか否かを判別し（ステップＳ２１）、ストイキ運転中でなければ今回周期のＳ劣化推定処理を終了する。一方、ストイキ運転中であれば、ＥＣＵ（空燃比変調手段）３０は、排気浄化触媒装置２３に流入する排気空燃比が所定周期（例えば０．５Ｈｚ以下、好ましくは０．３５Ｈｚ以下）且つ所定振幅でリーン空燃比とリッチ空燃比との間で変化するよう、図７及び図８に示すように、目標燃焼空燃比を例えばストイキ空燃比である平均空燃比（変調中心空燃比）のまわりで強制的に変調する（ステップＳ２２）。そして、下流側Ｏ₂センサ２８の出力を読み込む（ステップＳ２３）。

次に、ＥＣＵ３０は、目標燃焼空燃比の周波数および下流側Ｏ₂センサ出力の周波数を判定し、下流側Ｏ₂センサ２７の出力の周波数を目標燃焼空燃比の周波数で除して周波数比を算出し、算出した周波数比と触媒劣化判定値とを比較する（ステップＳ２５）。
図９に示すように、触媒劣化判定値（図９の下側のグラフに破線で示す）は、ＮＯｘトラップ触媒２４のＮＯｘ浄化効率の許容下限値（図９の上側のグラフに破線で示す）に対応している。なお、既述のようにＯＢＤ用触媒２５でのＳトラップ量はＮＯｘトラップ触媒２４でのＳトラップ量よりも相当に小さく、従って、図９の上側のグラフと下側のグラフとで横軸（Ｓトラップ量）の尺度は異なる。上述のように、目標燃焼空燃比に対する強制変調を約０．５Ｈｚ以下の超低周波で行うことにより、図９の下側のグラフに示すＳトラップ量・周波数比特性線に判定値付近で急峻な傾斜をもたせて、ＯＢＤ用触媒２５でのＳトラップ量ひいては酸素ストレージ能力の僅かな変化に対して周波数比を大きく変化させるようにしている。

そして、ＯＢＤ用触媒２５の酸素ストレージ能力が高ければ酸素が触媒２５に吸蔵されるので、図７に示すように、目標燃焼空燃比の変化に対するＯＢＤ用触媒２５の下流における排気空燃比の応答が遅くなり、従って、周波数比が判定値よりも小さくなる。この場合、ＥＣＵ３０は、ＯＢＤ用触媒２５の酸素ストレージ能力が高いので、同触媒２５でのＳトラップ量ひいてはＮＯｘトラップ触媒２４でのＳトラップ量がＳ劣化をきたすほどには大きくない（図９の上側のグラフにおいて、現在のＮＯｘ浄化効率が許容下限浄化効率よりも高い）と判断する。

一方、ＯＢＤ用触媒２５の酸素ストレージ能力が低くなると酸素が触媒２５にあまり吸蔵されることなくその下流側に排出されるため、図８に示すように触媒下流の排気空燃比の応答が速くなり、周波数比が判定値よりも大きくなる。この場合、ＥＣＵ３０は、ＯＢＤ用触媒２５の酸素ストレージ能力が低下しており、従って、触媒２５ひいてはＮＯｘトラップ触媒２４でのＳトラップ量が多いと判断し、ＮＯｘトラップ触媒２４がＳ劣化したとの推定を行い（ステップＳ２６）、Ｓパージ制御を実施する（ステップＳ２７）。なお、Ｓパージ制御に代えて警告灯３１を点灯させても良い。

また、ここでは目標燃焼空燃比と下側Ｏ₂センサ出力の両者の周波数を比較してＳ劣化を判定したが、第１実施形態のように両者の振幅を比較してもよい。
以上で本発明の実施形態および変形例についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態や変形例に限定されず、種々に変形可能である。
例えば、上記第１、第２実施形態および第１実施形態の変形例では、筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンに対して本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、それ以外のエンジン例えば吸気管噴射型のリーンバーンエンジンにも適用することができる。また、第１実施形態及びその変形例では、ＯＢＤ用触媒２５をＮＯｘトラップ触媒２４の下流側に配置したが、図１０に示すようにＮＯｘトラップ触媒２４の上流側に配置しても良い。図１０中、参照符号２９は三元触媒を示す。

本発明の第１実施形態によるＮＯｘトラップ触媒劣化推定装置を、同装置が装備される内燃機関と共に示す概略図である。 図１に示した上流側及び下流側Ｏ₂センサの空燃比・出力振幅特性を示す図である。 第１実施形態におけるＳ劣化推定ルーチンのフローチャートである。 図１に示したＯＢＤ用触媒の酸素ストレージ能力が高い場合における同触媒の上流における排気空燃比の変化に対する触媒下流での排気空燃比の応答を示す図である。 ＯＢＤ用触媒の酸素ストレージ能力が低下した場合における図４と同様の図である。 本発明の第２実施形態におけるＳ劣化推定ルーチンのフローチャートである。 第２実施形態においてＯＢＤ用触媒の酸素ストレージ能力が高い場合における目標空燃比の変化に対する触媒下流での排気空燃比の応答を示す図である。 ＯＢＤ用触媒の酸素ストレージ能力が低下した場合における図７と同様の図である。 ＮＯｘトラップ触媒でのＳトラップ量・ＮＯｘ浄化効率特性、および、ＯＢＤ用触媒でのＳトラップ量と周波数比との関係を示す図である。 第１実施形態の変形例におけるＯＢＤ用触媒とＮＯｘトラップ触媒との配置関係を示す部分概略図である。

符号の説明

１１ エンジン
２１ 排気管
２３ 排気浄化触媒装置
２４ ＮＯｘトラップ触媒
２５ 劣化判定用触媒（ＯＢＤ用触媒）
２７ 上流側Ｏ₂センサ
２８ 下流側Ｏ₂センサ
３０ ＥＣＵ
３１ 警告灯

Claims (3)

1. 排気空燃比がリーンのとき排ガス中のＮＯｘを吸蔵し、排気空燃比がリッチのとき前記吸蔵したＮＯｘを放出、還元するＮＯｘトラップ触媒の劣化を推定する触媒劣化推定装置において、
   内燃機関の排気通路内で上記ＮＯｘトラップ触媒の上流側または下流側に配置されＳＯｘを吸蔵すると共にＳＯｘ吸蔵状態に応じて酸素ストレージ能力が変化する劣化判定用触媒と、
   上記劣化判定用触媒の下流側の排気空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、
   前記下流側空燃比検出手段にて検出された排気空燃比に基づいて前記ＮＯｘトラップ触媒の劣化を推定するＮＯｘトラップ触媒劣化推定手段と
   を備えたことを特徴とする触媒劣化推定装置。
2. 前記劣化判定用触媒の上流側の排気空燃比を検出する上流側空燃比検出手段を備え、
   前記ＮＯｘトラップ触媒劣化推定手段は、前記上流側空燃比検出手段により検出された排気空燃比と前記下流側空燃比検出手段により検出された排気空燃比との比較結果に基づいて前記ＮＯｘトラップ触媒の劣化を推定することを特徴とする請求項１の触媒劣化推定装置。
3. 前記劣化判定用触媒の上流側の排気空燃比を強制的に変調する空燃比変調手段を備え、
   前記ＮＯｘトラップ触媒劣化推定手段は、前記空燃比変調手段により強制的に変調された排気空燃比と前記下流側空燃比判定手段にて検出された排気空燃比とを比較し、比較結果に基づき前記ＮＯｘトラップ触媒の劣化を推定することを特徴とする請求項１の触媒劣化推定装置。

Images