JP3775229B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃焼室から排出される排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_X ）を浄化するためのＮＯ_X 浄化触媒を機関排気通路内に配置した排気浄化装置が公知である。ＮＯ_X 浄化触媒としては流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにはＮＯ_X を吸収し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収したＮＯ_X を排気ガス中に含まれる還元剤によって放出し還元するＮＯ_X 吸収剤が知られている。このようなＮＯ_X 吸収剤においては吸収することができるＮＯ_X の量、すなわち最大ＮＯ_X 吸収量に限界がある。そしてＮＯ_X 吸収剤には吸収されているＮＯ_X の量がこの最大ＮＯ_X 吸収量を越えるとＮＯ_X 吸収剤はもはやＮＯ_X を吸収することはできず、このためＮＯ_X 吸収剤下流へとＮＯ_X が流出してしまう。そこでＮＯ_X 吸収剤に吸収されているＮＯ_X の量が最大ＮＯ_X 吸収量を越える前にＮＯ_X 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比をリーンからリッチに切換えてＮＯ_X 吸収剤からＮＯ_X を放出し還元する必要がある。しかしながら最大ＮＯ_X 吸収量が非常に少なくなったときには還元剤として炭化水素（燃料）を頻繁にＮＯ_X 吸収剤に供給しなければならず、燃費が悪化する。この場合において燃費の悪化を防止するためには何らかの処置をＮＯ_X 吸収剤に施こさなければならないが、何らかの処置を施すべきか否かを判断するためにはＮＯ_X 吸収剤が劣化しているか否かを判定する必要がある。
【０００３】
ＮＯ_X 吸収剤の劣化を判定するシステムとしては特開２０００−１０４５３６号公報に開示されたシステムが公知である。当該公報によればＮＯ_X 吸蔵触媒下流に排気ガス中のＮＯ_X 濃度を検出することができるＮＯ_X センサを配置し、該ＮＯ_X センサにより検出されるＮＯ_X 濃度が所定値に達したときにＮＯ_X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンからリッチに切換えるようにしたシステムにおいて、排気ガスの空燃比をリーンからリッチに切換える処理を実行する間隔が短かくなったことをもってＮＯ_X 吸蔵触媒が劣化したと判定するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上述した特開２０００−１０４５３６号公報によれば排気ガスの空燃比をリーンからリッチに切換える処理を実行する間隔に基づいてＮＯ_X 吸蔵触媒の劣化の有無を判定しているがこの排気ガスの空燃比をリーンからリッチに切換える処理の実行間隔は例えばＮＯ_X 吸蔵触媒に流入するＮＯ_X の量が多くなればたとえＮＯ_X 吸蔵触媒が劣化していなくても短くなる。したがって当該公報のシステムではＮＯ_X 吸蔵触媒の劣化を正確に判定することはできない。こうした事情に鑑み本発明の目的はＮＯ_X 吸収剤の劣化を正確に判定することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために１番目の発明では流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにはＮＯ_Xを吸収し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収したＮＯ_Xを排気ガス中に含まれる還元剤によって放出し還元するＮＯ_X吸収剤を機関排気通路内に配置し、該ＮＯ_X吸収剤下流の機関排気通路内に排気ガス中のＮＯ_X濃度を検出しうるセンサを配置した内燃機関の排気浄化装置であって、前記センサの出力を利用してＮＯ_X吸収剤に吸収しうると推定される最大ＮＯ_X吸収量の推定値と、ＮＯ_X吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにＮＯ_X吸収剤にて達成されると推定されるＮＯ_X吸収剤へのＮＯ_X吸収速度の推定値との少なくとも一方を算出し、斯くして算出された最大ＮＯ_X吸収量の推定値またはＮＯ_X吸収速度の推定値が判定値よりも小さいときにはＮＯ_X吸収剤が劣化したと判定するようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ _X 吸収剤下流に流出するＮＯ _X の量と、ＮＯ _X 吸収剤の最大ＮＯ _X 吸収量と、ＮＯ _X 吸収剤におけるＮＯ _X 吸収速度との間に成り立つ関係式を予め求めておき、ＮＯ _X 吸収剤下流に流出するＮＯ _X の量を上記センサの出力に基づいて算出し、斯くして算出されたＮＯ _X の量を上記関係式に代入することにより最大ＮＯ _X 吸収量の推定値と、ＮＯ _X 吸収速度の推定値とを算出する。すなわち排気ガス中のＮＯ_X濃度を検出することができるセンサの出力を利用して算出されるＮＯ_X吸収剤の最大ＮＯ_X吸収量またはＮＯ_X吸収剤へのＮＯ_X吸収速度に基づいてＮＯ_X吸収剤の劣化が判定される。
【０００７】
２番目の発明では１番目の発明においてＮＯ_X吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに機関運転状態に基づいて算出されるＮＯ_X吸収剤に吸収されるＮＯ_Xの量を積算することによりＮＯ_X吸収剤に吸収されているＮＯ_Xの量を推定するＮＯ_X吸収量推定手段を具備し、該ＮＯ_X吸収量推定手段により推定されたＮＯ_X吸収量が許容値を超えたときにＮＯ_X吸収剤に流入する排気ガスの空燃比をリーンからリッチに切換える。
【０００８】
３番目の発明では２番目の発明において上記ＮＯ_X吸収量推定手段がＮＯ_X吸収剤に吸収されているＮＯ_Xの量を推定するときに機関運転状態として最大ＮＯ_X吸収量とＮＯ_X吸収速度とを用いる。
上記課題を解決するために４番目の発明では流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにはＮＯ_Xを吸収し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収したＮＯ_Xを排気ガス中に含まれる還元剤によって放出し還元するＮＯ_X吸収剤を機関排気通路に配置し、該ＮＯ_X吸収剤下流の機関排気通路内に排気ガス中のアンモニア濃度を検出しうるセンサを配置し、ＮＯ_X吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチにされたときにＮＯ_X吸収剤からＮＯ_Xを放出し還元するために使用されなかった余剰の還元剤がアンモニアの形でＮＯ_X吸収剤から流出し、上記センサによりＮＯ_X吸収剤から流出する排気ガス中のアンモニア濃度が判定値を超えたときにＮＯ_X吸収剤からのＮＯ_Xの放出・還元が完了したと判定するようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_X吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには機関運転状態に基づいて算出されるＮＯ_X吸収剤に吸収されるＮＯ_Xの量を積算し、ＮＯ_X吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリッチであるときにはＮＯ_X 吸収剤におけるＮＯ_X の還元速度に基づいて算出されるＮＯ_X吸収剤において還元されるＮＯ_Xの量を減算することによりＮＯ_X吸収剤に吸収されているＮＯ_Xの量を推定するＮＯ_X吸収量推定手段を具備し、ＮＯ_X吸収剤からのＮＯ_Xの放出・還元が完了したと判定されたときに上記ＮＯ_X吸収量推定手段により推定されるＮＯ_X吸収量が基準値からずれているときには上記ＮＯ_X吸収量推定手段にて使用されるＮＯ_X還元速度を補正し、斯くして補正されたＮＯ_X還元速度が判定値よりも遅いときにはＮＯ_X吸収剤が劣化したと判定する。すなわちアンモニア濃度を検出しうるセンサの出力に基づいてＮＯ_X吸収剤におけるＮＯ_Xの放出・還元の完了を判定し、このときにＮＯ_X吸収量推定手段により推定されるＮＯ_X吸収量に基づいて補正されたＮＯ_X還元速度に基づいてＮＯ_X吸収剤の劣化が判定される。
【０００９】
５番目の発明では４番目の発明においてＮＯ_X吸収剤からのＮＯ_Xの放出・還元が完了したと判定されたときにＮＯ_X吸収量推定手段により推定されるＮＯ_X吸収量が基準値よりも多いときにはＮＯ_X吸収量推定手段にて使用されるＮＯ_X還元速度を速くするように補正し、基準値よりも少ないときには該ＮＯ_X還元速度を遅くするように補正する。
【００１０】
６番目の発明では４番目の発明において上記ＮＯ_X吸収量推定手段がＮＯ_X吸収剤に吸収されているＮＯ_Xの量を推定するときに機関運転状態としてＮＯ_X吸収剤の最大ＮＯ_X吸収量とＮＯ_X吸収剤へのＮＯ_Xの吸収速度とを用いる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を筒内噴射式火花点火機関に適用した場合を示している。しかしながら本発明は圧縮着火式内燃機関に適用することもできる。図１を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートを夫々示す。図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火栓１０が配置され、シリンダヘッド４内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。またピストン３の頂面上には燃料噴射弁１１の下方から点火栓１０の下方まで延びるキャビティ１２が形成されている。
【００１２】
各気筒の吸気ポート７は夫々対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気ダクト１５およびエアフロメータ１６を介してエアクリーナ（図示せず）に連結される。吸気ダクト１５内にはステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結され、この排気マニホルド１９は酸化触媒または三元触媒２０を内臓した触媒コンバータ２１および排気管２２を介してＮＯ_X 吸収剤２３を内臓したケーシング２４に連結される。排気マニホルド１９とサージタンク１４とは再循環排気ガス（以下、ＥＧＲガスという）導管２６を介して互いに連結され、このＥＧＲガス導管２６内にはＥＧＲガス制御弁２７が配置される。
【００１３】
電子制御ユニット３１はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。エアフロメータ１６は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。排気マニホルド１９には空燃比を検出するための空燃比センサ２８が取付けられ、この空燃比センサ２８の出力信号が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。またＮＯ_X 吸収剤２３を内臓したケーシング２４の出口に接続された排気管２５内には排気ガス中のＮＯ_X 濃度およびアンモニア濃度を共に検出可能なＮＯ_X アンモニアセンサ２９と、空燃比センサ３０とが配置され、これらＮＯ_X アンモニアセンサ２９および空燃比センサ３０の出力信号が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００１４】
またアクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２は例えばクランクシャフトが３０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４２の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介して点火栓１０、燃料噴射弁１１、ステップモータ１７およびＥＧＲ制御弁２７に接続される。
【００１５】
次に図２を参照しつつ図１に示したＮＯ_X アンモニアセンサ２９のセンサ部の構造について簡単に説明する。図２を参照するとＮＯ_X アンモニアセンサ２９のセンサ部は互いに積層された６つの酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなり、これら６つの固体電解質層を以下、上から順に第１層Ｌ₁ 、第２層Ｌ₂ 、第３層Ｌ₃ 、第４層Ｌ₄ 、第５層Ｌ₅ 、第６層Ｌ₆ と称する。
【００１６】
図２を参照すると第１層Ｌ₁ と第３層Ｌ₃ との間に例えば多孔質のまたは細孔が形成されている第１の拡散律速部材５０と第２の拡散律速部材５１とが配置されており、これら拡散律速部材５０，５１間には第１室５２が形成され、第２の拡散律速部材５１と第２層Ｌ₂ との間には第２室５３が形成されている。また第３層Ｌ₃ と第５層Ｌ₅ との間には外気に連通している大気室５４が形成されている。一方、第１の拡散律速部材５０の外端面は排気ガスと接触している。したがって排気ガスは第１の拡散律速部材５０を介して第１室５２内に流入し、斯くして第１室５２内は排気ガスで満たされている。
【００１７】
一方、第１室５２に面する第１層Ｌ₁ の内周面上には陰極側第１ポンプ電極５５が形成され、第１層Ｌ₁ の外周面上には陽極側第１ポンプ電極５６が形成されており、これら第１ポンプ電極５５，５６間には第１ポンプ電圧源５７により電圧が印加される。第１ポンプ電極５５，５６間に電圧が印加されると第１室５２内の排気ガス中に含まれる酸素が陰極側第１ポンプ電極５５と接触して酸素イオンとなり、この酸素イオンは第１層Ｌ₁ 内を陽極側第１ポンプ電極５６に向けて流れる。したがって第１室５２内の排気ガス中に含まれる酸素は第１層Ｌ₁ 内を移動して外部に汲み出されることになり、このとき外部に汲み出される酸素量は第１ポンプ電圧源５７の電圧が高くなるほど多くなる。
【００１８】
一方、大気室５４に面する第３層Ｌ₃ の内周面上には基準電極５８が形成されている。ところで酸素イオン伝導性固体電解質では固体電解質層の両側において酸素濃度に差があると酸素濃度の高い側から酸素濃度の低い側に向けて固体電解質層内を酸素イオンが移動する。図２に示した例では大気室５４内の酸素濃度の方が第１室５２内の酸素濃度よりも高いので大気室５４内の酸素は基準電極５８と接触することにより電荷を受け取って酸素イオンとなり、この酸素イオンは第３層Ｌ₃ 、第２層Ｌ₂ および第１層Ｌ₁ 内を移動し、陰極側第１ポンプ電極５５において電荷を放出する。その結果、基準電極５８と陰極側第１ポンプ電極５５との間に符号５９で示した電圧Ｖ₀ が発生する。この電圧Ｖ₀ は大気圧室５４内と第１室５２内との酸素濃度差に比例する。
【００１９】
図２に示した例ではこの電圧Ｖ₀ が第１室５２内の酸素濃度が１p.p.m.のときに生ずる電圧に一致するように第１ポンプ電圧源５７の電圧がフィードバック制御される。すなわち第１室５２内の酸素は第１室５２内の酸素濃度が１p.p.m.となるように第１層Ｌ₁ を通って汲み出され、それによって第１室５２内の酸素濃度が１p.p.m.に維持される。
【００２０】
なお陰極側第１ポンプ電極５５はＮＯ_X に対しては還元性の低い材料、例えば金Ａｕと白金Ｐｔとの合金から形成されており、したがって排気ガス中に含まれるＮＯ_X は第１室５２内ではほとんど還元されない。したがってこのＮＯ_X は第２の拡散律速部材５１を通って第２室５３内に流入する。
一方、第２室５３に面する第１層Ｌ₁ の内周面上には陰極側第２ポンプ電極６０が形成されており、この陰極側第２ポンプ電極６０と陽極側第１ポンプ電極５６との間には第２ポンプ電圧源６１により電圧が印加される。これらポンプ電極６０，５６間に電圧が印加されると第２室５３内の排気ガス中に含まれる酸素が陰極側第２ポンプ電極６０と接触して酸素イオンとなり、この酸素イオンは第１層Ｌ₁ 内を陽極側第１ポンプ電極５６に向けて流れる。したがって第２室５３内の排気ガス中に含まれる酸素は第１層Ｌ₁ 内を移動して外部に汲み出されることになり、このとき外部に汲み出される酸素量は第２ポンプ電圧源６１の電圧が高くなるほど多くなる。
【００２１】
一方、前述したように酸素イオン伝導性固体電解質では固体電解質層の両側において酸素濃度に差があると酸素濃度の高い側から酸素濃度の低い側に向けて固体電解質層内を酸素イオンが移動する。図２に示した例では大気室５４内の酸素濃度の方が第２室５３内の酸素濃度よりも高いので大気室５４内の酸素は基準電極５８と接触することにより電荷を受け取って酸素イオンとなり、この酸素イオンは第３層Ｌ₃ 、第２層Ｌ₂ および第１層Ｌ₁ 内を移動し、陰極側第２ポンプ電極６０において電荷を放出する。その結果、基準電極５８と陰極側第２ポンプ電極６０との間に符号６２で示した電圧Ｖ₁ が発生する。この電圧Ｖ₁ は大気圧室５４内と第２室５３内との酸素濃度差に比例する。
【００２２】
図２に示した例ではこの電圧Ｖ₁ が第２室５３内の酸素濃度が０．０１p.p.m.のときに生ずる電圧に一致するように第２ポンプ電圧源６１の電圧がフィードバック制御される。すなわち第２室５３内の酸素は第２室５３内の酸素濃度が０．０１p.p.m.となるように第１層Ｌ₁ を通って汲み出され、それによって第２室５３内の酸素濃度が０．０１p.p.m.に維持される。
【００２３】
なお陰極側第２ポンプ電極６０もＮＯ_X に対しては還元性の低い材料、例えば金Ａｕと白金Ｐｔとの合金から形成されており、したがって排気ガス中に含まれるＮＯ_X は陰極側第２ポンプ電極６０と接触してもほとんど還元されない。
一方、第２室５３に面する第３層Ｌ₃ の内周面上にはＮＯ_X 検出用の陰極側ポンプ電極６３が形成されている。この陰極側ポンプ電極６３はＮＯ_X に対して強い還元性を有する材料、例えばロジウムＲｈや白金Ｐｔから形成されている。したがって第２室５３内のＮＯ_X 、実際には大部分を占めるＮＯが陰極側ポンプ電極６３上においてＮ₂ とＯ₂ とに分解される。図２に示したようにこの陰極側ポンプ電極６３と基準電極５８との間には一定電圧６４が印加されており、したがって陰極側ポンプ電極６３上において分解生成されたＯ₂ は酸素イオンとなって第３層Ｌ₃ 内を基準電極５８に向けて移動する。このとき陰極側ポンプ電極６３と基準電極５８との間にはこの酸素イオン量に比例した符号６５で示した電流Ｉ₁ が流れる。
【００２４】
前述したように第１室５２内ではＮＯ_X はほとんど還元されず、また第２室５３内には酸素はほとんど存在しない。したがって電流Ｉ₁ は排気ガス中に含まれるＮＯ_X 濃度に比例することになり、斯くして電流Ｉ₁ から排気ガス中のＮＯ_X 濃度を検出できることになる。
一方、排気ガス中に含まれるアンモニアＮＨ₃ は第１室５２内においてＮＯとＨ₂ Ｏとに分解され（４ＮＨ₃ ＋５Ｏ₂ →４ＮＯ＋６Ｈ₂ Ｏ）、この分解されたＮＯは第２の拡散律速部材５１を通って第２室５３内に流入する。このＮＯは陰極側ポンプ電極６３上においてＮ₂ とＯ₂ とに分解され、分解生成されたＯ₂ は酸素イオンとなって第３層Ｌ₃ 内を基準電極５８に向けて移動する。このときにも電流Ｉ₁ は排気ガス中に含まれるＮＨ₃ 濃度に比例し、斯くして電流Ｉ₁ から排気ガス中のＮＨ₃ 濃度を検出できることになる。
【００２５】
図３は電流Ｉ₁ と排気ガス中のＮＯ_X 濃度およびＮＨ₃ 濃度との関係を示している。図３から電流Ｉ₁ は排気ガス中のＮＯ_X 濃度およびＮＨ₃ 濃度に比例していることがわかる。
一方、排気ガス中の酸素濃度が高いほど、すなわち空燃比がリーンであるほど第１室５２から外部に汲み出される酸素量が多くなり、符号６６で示した電流Ｉ₂ が増大する。したがってこの電流Ｉ₂ から排気ガスの空燃比を検出することができる。
【００２６】
なお第５層Ｌ₅ と第６層Ｌ₆ との間にはＮＯ_X アンモニアセンサ２９のセンサ部を加熱するための電気ヒータ６７が配置されており、この電気ヒータ６７によってＮＯ_X アンモニアセンサ２９のセンサ部は７００℃から８００℃に加熱される。
図４はＮＯ_X 吸収剤２３下流の排気管２５内に配置された空燃比センサ３０の出力電圧Ｅ（Ｖ）、すなわち一般的な表現を用いると空燃比検出手段の出力信号レベルを示している。図４からわかるように空燃比センサ３０は排気ガスの空燃比がリッチのときには０．９（Ｖ）程度の出力電圧を発生し、排気ガスの空燃比がリーンのときには０．１（Ｖ）程度の出力電圧を発生する。すなわち図４に示した例ではリッチであることを示す出力信号レベルは０．９（Ｖ）であり、リーンであることを示す出力信号レベルは０．１（Ｖ）である。
【００２７】
一方、前述したようにＮＯ_X アンモニアセンサ２９の電流Ｉ₂ から排気ガスの空燃比を検出することができ、したがって空燃比検出手段としてＮＯ_X アンモニアセンサ２９を用いることもできる。この場合には空燃比センサ３０を設ける必要がない。
次に図５（Ａ）を参照しつつ図１に示した内燃機関の燃料噴射制御について説明する。なお図５（Ａ）において縦軸は機関負荷Ｑ／Ｎ（吸入空気量Ｑ／機関回転数Ｎ）を表しており、横軸は機関回転数Ｎを表している。
【００２８】
図５（Ａ）において実線Ｘ₁ よりも低負荷側の運転領域では成層燃焼が行われる。すなわちこのときには図１に示したように圧縮行程末期に燃料噴射弁１１からキャビティ１２内に向けて燃料Ｆが噴射される。この燃料はキャビティ１２の内周面により案内されて点火栓１０周りに混合気を形成し、この混合気が点火栓１０によって着火燃焼せしめられる。このとき燃焼室５内における平均空燃比はリーンとなっている。
【００２９】
一方、図５（Ａ）において実線Ｘ₁ よりも高負荷側の領域では吸気行程中に燃料噴射弁１１から燃料が噴射され、このときには均一混合気燃焼が行われる。なお実線Ｘ₁ と鎖線Ｘ₂ との間ではリーン空燃比のもとで均一混合気燃焼が行われ、鎖線Ｘ₂ と鎖線Ｘ₃ との間では理論空燃比のもとで均一混合気燃焼が行われ、鎖線Ｘ₃ よりも高負荷側ではリッチ空燃比のもとで均一混合気燃焼が行われる。
【００３０】
本発明では空燃比を理論空燃比とするのに必要な基本燃料噴射量ＴＡＵが図５（Ｂ）に示したように機関負荷Ｑ／Ｎおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３４内に記憶されており、基本的にはこの基本燃料噴射量ＴＡＵに補正係数Ｋを乗算することによって（場合によっては後述するように修正係数Ｋ_S をさらに乗算することによって）最終的な燃料噴射量ＴＡＵＯ（＝Ｋ・ＴＡＵ）が算出される。この補正係数Ｋは図５（Ｃ）に示したように機関負荷Ｑ／Ｎおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３４内に記憶されている。
【００３１】
この補正係数Ｋの値はリーン空燃比のもとで燃焼が行われる図５（Ａ）の鎖線Ｘ₂ よりも低負荷側の運転領域では１．０よりも小さく、リッチ空燃比のもとで燃焼が行われる図５（Ａ）の鎖線Ｘ₃ よりも高負荷側の運転領域では１．０よりも大きくなる。またこの補正係数Ｋは鎖線Ｘ₂ と鎖線Ｘ₃ との間の運転領域では１．０とされ、このとき空燃比は理論空燃比となるように空燃比センサ２８の出力信号に基づいてフィードバック制御される。
【００３２】
機関排気通路内に配置されたＮＯ_X 吸収剤２３は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少くとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。この場合、ケーシング２４内に例えばコージライトからなるパティキュレートフィルタを配置し、このパティキュレートフィルタ上にアルミナを担体とするＮＯ_X 吸収剤２３を担持させることもできる。
【００３３】
いずれの場合であっても機関吸気通路、燃焼室５およびＮＯ_X 吸収剤２３上流の排気通路内に供給された燃料（炭化水素）の量に対する空気の量の比をＮＯ_X 吸収剤２３への流入排気ガスの空燃比と称するとこのＮＯ_X 吸収剤２３は流入排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯ_X を吸収し、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチになると吸収したＮＯ_X を放出するＮＯ_X の吸放出作用を行う。
【００３４】
このＮＯ_X 吸収剤２３を機関排気通路内に配置すればＮＯ_X 吸収剤２３は実際にＮＯ_X の吸放出作用を行うがこの吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放出作用は図６に示したようなメカニズムで行われているものと考えられる。次にこのメカニズムについて担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【００３５】
図１に示した内燃機関では使用頻度の高い大部分の運転状態において空燃比がリーンの状態で燃焼が行われる。このように空燃比がリーンの状態で燃焼が行われている場合には排気ガス中の酸素濃度は高く、このときには図６（Ａ）に示したようにこれら酸素Ｏ₂ がＯ₂ ^-またはＯ^2-の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ₂ ^-またはＯ^2-と反応し、ＮＯ₂ となる（２ＮＯ＋Ｏ₂ →２ＮＯ₂ ）。次いで生成されたＮＯ₂ の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら図６（Ａ）に示したように硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてＮＯ_X がＮＯ_X 吸収剤２３内に吸収される。流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ₂ が生成され、吸収剤のＮＯ_X 吸収能力が飽和しない限りＮＯ₂ が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。
【００３６】
一方、流入排気ガスの空燃比がリッチにされると流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、その結果、白金Ｐｔの表面でのＮＯ₂ の生成量が低下する。ＮＯ₂ の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂ ）に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂ の形で吸収剤から放出される。このときＮＯ_X 吸収剤２３から放出されたＮＯ_X は図６（Ｂ）に示したように流入排気ガス中に含まれる多量の未燃ＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ₂ が存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ₂ が放出される。したがって流入排気ガスの空燃比がリッチにされると短時間のうちにＮＯ_X 吸収剤２３からＮＯ_X が放出され、しかもこの放出されたＮＯ_X が還元されるために大気中にＮＯ_X が排出されることはない。
【００３７】
なおこの場合、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にしてもＮＯ_X 吸収剤２３からＮＯ_X が放出される。しかしながら流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にした場合にはＮＯ_X 吸収剤２３からＮＯ_X が徐々にしか放出されないためにＮＯ_X 吸収剤２３に吸収されている全ＮＯ_X を放出させるには若干長い時間を要する。ところでＮＯ_X 吸収剤２３のＮＯ_X 吸収能力には限界があり、したがってＮＯ_X 吸収剤２３のＮＯ_X 吸収能力が飽和する前にＮＯ_X 吸収剤２３からＮＯ_X を放出させる必要がある。ところがＮＯ_X 吸収剤２３はＮＯ_X 吸収能力が十分なうちは排気ガス中に含まれるほとんど全てのＮＯ_X を吸収するがＮＯ_X 吸収能力の限界に近づくと一部のＮＯ_X を吸収しえなくなり、斯くしてＮＯ_X 吸収剤２３がＮＯ_X 吸収能力の限界に近づくとＮＯ_X 吸収剤２３から下流へ流出するＮＯ_X 量が増大しはじめる。
【００３８】
そこで本発明の第１実施例ではＮＯ_X 吸収剤２３に吸収されているトータルのＮＯ_X 吸収量を推定し、このＮＯ_X 吸収量が最大ＮＯ_X 吸収量に近づいたときにＮＯ_X 吸収剤２３に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにしてＮＯ_X 吸収剤２３からＮＯ_X を放出させるようにしている。この場合、ＮＯ_X 吸収剤２３に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする方法は種々の方法がある。例えば燃焼室５内における混合気の平均空燃比をリッチにすることにより排気ガスの空燃比をリッチにすることもできるし、膨張行程末期または排気行程中に追加の燃料を噴射することによって排気ガスの空燃比をリッチにすることもできるし、またはＮＯ_X 吸収剤２３上流の排気通路内に追加の燃料を噴射することによって排気ガスの空燃比をリッチにすることもできる。本発明の実施例では１番目の方法、すなわちリッチ空燃比のもとで均一混合気燃焼を行わせることによって排気ガスの空燃比をリッチにするようにしている。
【００３９】
ところで排気ガス中にはＳＯ_X が含まれており、ＮＯ_X 吸収剤２３にはＮＯ_X ばかりでなくＳＯ_X も吸収される。このＮＯ_X 吸収剤２３へのＳＯ_X の吸収メカニズムはＮＯ_X の吸収メカニズムと同じであると考えられる。すなわちＮＯ_X の吸収メカニズムを説明したときと同様に担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明すると前述したように流入排気ガスの空燃比がリーンのときには酸素Ｏ₂ がＯ₂ ^-またはＯ^2-の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、流入排気ガス中のＳＯ₂ は白金Ｐｔの表面上でＯ₂ ^-またはＯ^2-と反応してＳＯ₃ となる。次いで生成されたＳＯ₃ の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硫酸イオンＳＯ₄ ^2- の形で吸収剤内に拡散し、安定した硫酸塩ＢａＳＯ₄ を生成する。
【００４０】
しかしながらこの硫酸塩ＢａＳＯ₄ は安定していて分解しづらく、流入排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけでは硫酸塩ＢａＳＯ₄ は分解されずにそのまま残る。したがってＮＯ_X 吸収剤２３内には時間が経過するにつれて硫酸塩ＢａＳＯ₄ が増大することになり、斯くして時間が経過するにつれてＮＯ_X 吸収剤２３が吸収しうるＮＯ_X 量が低下することになる。すなわち時間が経過するにつれてＮＯ_X 吸収剤２３が劣化することになる。
【００４１】
ところがこの場合、ＮＯ_X 吸収剤２３の温度が一定温度、例えば６００℃以上になるとＮＯ_X 吸収剤２３内において硫酸塩ＢａＳＯ₄ が分解し、このときＮＯ_X 吸収剤２３に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとＮＯ_X 吸収剤２３からＳＯ_X を放出させることができる。そこで本発明の実施例ではＮＯ_X 吸収剤２３からＳＯ_X を放出すべきときにＮＯ_X 吸収剤２３の温度が高い場合にはＮＯ_X 吸収剤２３に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしてＮＯ_X 吸収剤２３からＳＯ_X を放出させ、ＳＯ_X を放出すべきときにＮＯ_X 吸収剤２３の温度が低い場合にはＮＯ_X 吸収剤２３の温度を上昇させると共にＮＯ_X 吸収剤２３に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにしている。
【００４２】
次にＮＯ_X 吸収剤２３からＮＯ_X を放出すべくＮＯ_X 吸収剤２３に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしたときの還元剤の量とＮＯ_X 吸収剤２３から下流へ流出する排気ガス中のアンモニアＮＨ₃ の濃度との関係について説明する。まず初めに還元剤の量について説明する。ＮＯ_X 吸収剤２３に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にするのに必要な燃料量に対して過剰な燃料はＮＯ_X の放出および還元のために使用されるのでこの過剰な燃料の量がＮＯ_X の放出および還元に使用される還元剤の量に一致する。このことはＮＯ_X 吸収剤２３からＮＯ_X を放出すべきときに燃焼室５内における混合気の空燃比をリッチにした場合でも、膨張行程末期または排気行程中に追加の燃料を噴射した場合でも、ＮＯ_X 吸収剤２３上流の排気通路内に追加の燃料を噴射した場合でも当てはまる。
【００４３】
次にアンモニアの濃度について説明する。空燃比がリーンのとき、すなわち酸化雰囲気のときにはアンモニアＮＨ₃ はほとんど発生しない。ところが空燃比がリッチになると、すなわち還元雰囲気になると吸入空気中または排気ガス中の窒素Ｎ₂ が酸化触媒または三元触媒２０において炭化水素ＨＣにより還元され、アンモニアＮＨ₃ が生成される。しかしながら空燃比がリッチになるとＮＯ_X 吸収剤２３からＮＯ_X が放出され、生成されたアンモニアＮＨ₃ はこのＮＯ_X を還元するために使用されるのでＮＯ_X 吸収剤２３からＮＯ_X が放出されている間、正確には供給された還元剤がＮＯ_X の放出および還元のために使用されている間はＮＯ_X 吸収剤２３から下流へアンモニアＮＨ₃ は流出しない。これに対してＮＯ_X 吸収剤２３からのＮＯ_X の放出が完了した後も空燃比がリッチにされていると、より正確に言うとＮＯ_X 吸収剤２３からＮＯ_X を放出し還元するために使用されない余剰の還元剤が供給されるとアンモニアＮＨ₃ はもはやＮＯ_X の還元のために消費されることがなくなり、斯くしてこのときにはＮＯ_X 吸収剤２３から下流へアンモニアＮＨ₃ が流出することになる。
【００４４】
このことはＮＯ_X 吸収剤２３の上流に酸化触媒または三元触媒２０が設けられていない場合でも生ずる。すなわちＮＯ_X 吸収剤２３も還元機能を有する白金Ｐｔ等の触媒を具えているので空燃比がリッチになるとＮＯ_X 吸収剤２３においてアンモニアＮＨ₃ が生成される可能性がある。しかしながらたとえアンモニアＮＨ₃ が生成されたとしてもこのアンモニアＮＨ₃ はＮＯ_X 吸収剤２３から放出されたＮＯ_X を還元するために使用されるためにＮＯ_X 吸収剤２３から下流へはアンモニアＮＨ₃ が流出しない。ところがＮＯ_X 吸収剤２３からＮＯ_X を放出し還元するために使用されない余剰の還元剤が供給されると前述したようにＮＯ_X 吸収剤２３から下流へアンモニアＮＨ₃ が流出することになる。
【００４５】
このようにＮＯ_X 吸収剤２３に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされたときにＮＯ_X 吸収剤２３からＮＯ_X を放出し還元するために使用されない余剰の還元剤が供給されるとこの余剰の還元剤はアンモニアＮＨ₃ の形でＮＯ_X 吸収剤２３から下流へ流出し、このとき流出するアンモニア量は余剰の還元剤の量に比例する。したがってこのとき流出するアンモニア量から余剰の還元剤量がわかることになる。このアンモニア量はアンモニア濃度を検出可能なＮＯ_X アンモニアセンサ２９によって検出される。この場合、このアンモニア濃度の積算値は余剰の還元剤量を表していると考えられ、したがってアンモニア濃度の積算値は余剰の還元剤量を表わす代表値であると言える。またこのアンモニア濃度の最大値が余剰の還元剤量を表していると考えることもでき、したがってアンモニア濃度の最大値は余剰の還元剤量を表わす代表値であると言える。
【００４６】
次に図７を参照しつつ還元剤の供給制御の第１実施例について説明する。図７を参照するとΣＮＯＸはＮＯ_X 吸収剤２３に吸収されているトータルのＮＯ_X 量（総ＮＯ_X 吸収量）を示しており、Ｉ₁ はＮＯ_X アンモニアセンサ２９の検出電流を示している。なお図７においてＮＯ_X およびＮＨ₃ は排気ガス中のＮＯ_X 濃度およびＮＨ₃ 濃度の変化によるＮＯ_X アンモニアセンサ２９の検出電流の変化を夫々示しており、これら検出電流の双方がＮＯ_X アンモニアセンサ２９の検出電流Ｉ₁ に表われる。またＥは空燃比センサ３０の出力電圧を示しており、Ａ／Ｆは燃焼室５内における混合気の平均空燃比を示している。
【００４７】
図７に示したように総ＮＯ_X 吸収量ΣＮＯＸが増大してＮＯ_X 吸収剤２３の吸収能力限界に近づくとＮＯ_X 吸収剤２３から下流へとＮＯ_X が流出しはじめるのでＮＯ_X アンモニアセンサ２９の検出電流Ｉ₁ が上昇しはじめる。図７に示した実施例ではＮＯ_X 吸収剤２３の総ＮＯ_X 吸収量を推定し、ＮＯ_X 吸収剤２３に流入する排気ガスの空燃比をリッチにした後に再びリッチにするまでのリッチ時間間隔をこの総ＮＯ_X 吸収量の推定値に基づき制御する。すなわちこの第１実施例ではＮＯ_X 吸収剤２３に吸収されているトータルのＮＯ_X 量を推定するための総ＮＯ_X 吸収量推定手段を具備しており、図７に示したように総ＮＯ_X 吸収量推定手段により推定された総ＮＯ_X 吸収量ΣＮＯＸが許容値ＮＯＸmax −αを越えたときに空燃比をリーンからリッチに一時的に切換えるようにしている。ここでＮＯＸ_max はＮＯ_X 吸収剤２３に吸収しうる最大ＮＯ_X 吸収量である。
【００４８】
空燃比Ａ／Ｆがリーンからリッチに切換えられてもリッチ空燃比の排気ガスがＮＯ_X 吸収剤２３に到達するには時間を要するので空燃比Ａ／Ｆがリッチに切換えられた直後はＮＯ_X 吸収剤２３から下流へ流出するＮＯ_X 量が増大し続ける。次いでリッチ空燃比の排気ガス中に含まれる還元剤によるＮＯ_X の還元作用が開始されるためにＮＯ_X 吸収剤２３から下流へはＮＯ_X が流出しなくなる。したがって空燃比がリーンからリッチに切換えられるとＮＯ_X アンモニアセンサ２９の検出電流Ｉ₁ は短時間上昇した後、零まで低下する。一方、空燃比がリーンからリッチに切換えられるとＮＯ_X 吸収剤２３からのＮＯ_X の放出作用が開始され、斯くしてＮＯ_X 吸収剤２３に吸収されているＮＯ_X 量ΣＮＯＸは徐々に減少する。
【００４９】
次に第１実施例における総ＮＯ_X 吸収量の算出方法について説明する。ＮＯ_X 吸収剤２３に流入する排気ガス（以下、流入排気ガスと称す。）の空燃比がリーンであるときに単位時間当たりにＮＯ_X 吸収剤２３に吸収されるＮＯ_X の量（以下、単位ＮＯ_X 吸収量と称す。）はＮＯ_X 吸収剤２３に最大限に吸収しうるＮＯ_X の量（以下、最大ＮＯ_X 吸収量と称す。）と、ＮＯ_X 吸収剤２３へＮＯ_X が吸収される速度に関する係数（以下、ＮＯ_X 吸収速度）と、流入排気ガス中のＮＯ_X 濃度（以下、流入ＮＯ_X 濃度と称す。）と、ＮＯ_X 吸収剤２３に現在吸収されているトータルのＮＯ_X の量（総ＮＯ_X 吸収量）とに基づいて算出可能である。
【００５０】
そしてこれらパラメータ、すなわち単位ＮＯ_X 吸収量と、最大ＮＯ_X 吸収量と、ＮＯ_X 吸収速度と、流入ＮＯ_X 濃度と、総ＮＯ_X 吸収量との間には或る一定の関係が成り立つ。そこで本実施例ではこれパラメータ間に成り立つ関係式を実験により予め求めておき、所定の時間間隔ごとに当該関係式に最大ＮＯ_X 吸収量と、ＮＯ_X 吸収速度と、流入ＮＯ_X 濃度と、総ＮＯ_X 吸収量とを代入して単位ＮＯ_X 吸収量を算出し、斯くして算出された単位ＮＯ_X 吸収量を積算することにより総ＮＯ_X 吸収量を算出する。なお本実施例において実験により求められる関係式は図８（Ａ）に示した式である。図示した関係式においてＡａｂｃは単位ＮＯ_X 吸収量、ＮＯＸmax は最大ＮＯ_X 吸収量、ＫａｂはＮＯ_X 吸収速度、Ｃnox は流入ＮＯ_X 濃度、ΣＮＯＸは総ＮＯ_X 吸収量である。
【００５１】
ここで最大ＮＯ_X 吸収量とＮＯ_X 吸収速度との初期値としては実験により予め求めた値を用いる。これら最大ＮＯ_X 吸収量およびＮＯ_X 吸収速度はＮＯ_X 吸収剤２３が劣化しない限りにおいては機関運転状態の変化とは関係なくほぼ一定である。しかしながらＮＯ_X 吸収剤２３の使用が開始されるとＮＯ_X 吸収剤２３はＳＯ_X の吸収や排気ガスの熱などにより徐々に劣化し、最大ＮＯ_X 吸収量およびＮＯ_X 吸収速度は変化する。したがって本実施例では後述する方法によりこれら最大ＮＯ_X 吸収量およびＮＯ_X 吸収速度を適宜修正する。一方、流入ＮＯ_X 濃度は機関運転状態の変化に伴って変化し、総ＮＯ_X 吸収量も時間の経過と共に変化するのでこれら流入ＮＯ_X 濃度および総ＮＯ_X 吸収量としては単位ＮＯ_X 吸収量算出時にその都度算出した値を用いる。
【００５２】
また流入ＮＯ_X 濃度Ｃnox は次のようにして算出される。すなわちＮＯ_X 吸収剤２３に単位時間当たりに流入するＮＯ_X の量（以下、単位ＮＯ_X 流入量と称す。）は機関回転数と機関負荷との関数となるので単位ＮＯ_X 流入量ＮＡを図９に示したようにマップの形で機関回転数Ｎと機関負荷Ｑ／Ｎとの関数で予めＲＯＭ３４に記憶しておき、当該マップに基づいて算出される単位ＮＯ_X 流入量ＮＡを単位時間当たりの吸気量にて除算することにより流入ＮＯ_X 濃度を算出することができる。
【００５３】
ところで上述したように最大ＮＯ_X 吸収量はＮＯ_X 吸収剤２３の劣化に伴って徐々に少なくなり、ＮＯ_X 吸収速度は徐々に遅くなる。この場合には最大ＮＯ_X 吸収量およびＮＯ_X 吸収速度をそのまま用いて単位ＮＯ_X 吸収量を算出しても正確な単位ＮＯ_X 吸収量は算出されない。そこで本実施例では以下の方法により最大ＮＯ_X 吸収量とＮＯ_X 吸収速度とを適宜修正し、これにより正確な最大ＮＯ_X 吸収量とＮＯ_X 吸収速度とを獲得する。
【００５４】
すなわちＮＯ_X 吸収剤２３下流にはＮＯ_X 吸収剤２３から流出する排気ガス中のＮＯ_X 濃度（以下、流出ＮＯ_X 濃度と称す。）を検出しうるＮＯ_X アンモニアセンサ２９が配置されているのでこのＮＯ_X アンモニアセンサ２９の出力を用いれば単位時間当たりにＮＯ_X 吸収剤２３から流出するＮＯ_X の量（以下、単位ＮＯ_X 流出量と称す。）Ａｏｕｔｓを算出することができる。ここで上述したように単位ＮＯ_X 流入量ＮＡは図９のマップから算出可能であるので図８（Ｂ）に示した関係式に従って斯くして算出した単位ＮＯ_X 流入量ＮＡから単位ＮＯ_X 流出量Ａｏｕｔｓを差し引けば単位ＮＯ_X 吸収量Ａａｂｓが算出される。なお単位ＮＯ_X 流出量ＡｏｕｔはＮＯ_X アンモニアセンサ２９の出力電流Ｉ₁ に所定の係数Ｋ₁ を掛けて算出される。
【００５５】
斯くして算出した単位ＮＯ_X 吸収量（以下、実測値と称す。）Ａａｂｓと上記関係式に基づいて算出した単位ＮＯ_X 吸収量（以下、理論値と称す。）Ａａｂｃとを比較したときにＮＯ_X 吸収剤２３が劣化していなければこれら実測値Ａａｂｓと理論値Ａａｂｃはほぼ等しくなる。しかしながらＮＯ_X 吸収剤２３が劣化しているときにはこれら実測値Ａａｂｓと理論値Ａａｂｃとは相当にずれている。したがってこの場合には今回、上記関係式を用いて理論値Ａａｂｃを算出する以前に理論値Ａａｂｃを算出したときに用いた単位ＮＯ_X 吸収量、流入ＮＯ_X 濃度、および総ＮＯ_X 吸収量を記憶しておき、これらパラメータと、今回、上記関係式を用いて理論値Ａａｂｃを算出したときに用いた流入ＮＯ_X 濃度、総ＮＯ_X 吸収量、および単位ＮＯ_X 吸収量の実測値をそれぞれ上記関係式に代入して最大ＮＯ_X 吸収量ＮＯＸmax とＮＯ_X 吸収速度Ｋａｂとを改めて算出する。すなわち本実施例では最大ＮＯ_X 吸収量ＮＯＸmax とＮＯ_X 吸収速度ＫａｂとはＮＯ_X アンモニアセンサ２９の出力により修正されることになる。これによればＮＯ_X 吸収剤２３の最大ＮＯ_X 吸収量とＮＯ_X 吸収速度とを正確に把握することができる。
【００５６】
ところで空燃比がリーンからリッチに切換えられると過剰な燃料、すなわち還元剤はＮＯ_X を還元するために消費されるのでＮＯ_X 吸収剤２３から下流へ流出する排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となる。この場合、なぜそうなるのかという理由は明確ではないがＮＯ_X 吸収剤２３が劣化していないときにはＮＯ_X 吸収剤２３から下流へ流出する排気ガスの空燃比はわずかばかりリーンとなり、ＮＯ_X 吸収剤２３が劣化するとＮＯ_X 吸収剤２３から下流へ流出する排気ガスの空燃比はわずかばかりリッチとなる傾向がある。しかしながらいずれの場合でもＮＯ_X 吸収剤２３からのＮＯ_X の放出作用が完了する頃になるとＮＯ_X 吸収剤２３から下流へ流出する排気ガスの空燃比はリッチとなる。
【００５７】
図７は空燃比がリーンからリッチに切換えられたときにＮＯ_X 吸収剤２３から下流へ流出する排気ガスの空燃比がわずかばかりリーンとなっている場合を示しており、ＮＯ_X 吸収剤２３からのＮＯ_X の放出作用が完了する頃になると、すなわち総ＮＯ_X 吸収量ΣＮＯＸが零に近づくと空燃比センサ３０の出力電圧Ｅがリッチであることを示す出力信号レベルに向けて変化し、すなわち上昇することがわかる。この出力信号レベルＥの変化は応答性がよく、したがってこの出力信号レベルＥの変化に基づいて空燃比をリッチからリーンに切換えればＮＯ_X 吸収剤２３からのＮＯ_X の放出作用が完了したときに空燃比をリッチからリーンに切換えることができる。
【００５８】
そこで図７に示した実施例では空燃比センサ３０の出力電圧Ｅに対して基準電圧Ｅ_S を設定しておき、すなわち一般的な表現を用いると空燃比検出手段の出力信号レベルＥに対して基準レベルＥ_S を設定しておき、出力信号レベルＥが基準レベルＥ_S を越えたときに空燃比をリッチからリーンに切換えるようにしている。
【００５９】
ところで空燃比センサ３０の出力電圧ＥはＮＯ_X の放出作用の完了に対して応答性よく変化するが空燃比センサ３０やＮＯ_X 吸収剤２３の性能のばらつき、或いは経時変化によって出力電圧Ｅは変化のしかたがいろいろと変わる。したがって基準レベルＥ_S を一定値に固定しておくとＮＯ_X の放出完了時に空燃比をリッチからリーンに切換えられなく場合が生じてくる。
【００６０】
一方、空燃比がリーンからリッチに切換えられたときにＮＯ_X 吸収剤２３からＮＯ_X を放出し還元するために使用されない余剰の還元剤が供給されたとするとこのときにはＮＯ_X 吸収剤２３から下流へアンモニアＮＨ₃ が流出するので図７に示したようにＮＯ_X アンモニアセンサ２９の検出電流Ｉ₁ が上昇する。この場合、図７においてハッチングで示される検出電流Ｉ₁ の積算値ΣＩおよび検出電流Ｉ₁ の最大値Ｉmax は余剰の還元剤量を表している。
【００６１】
このＮＯ_X アンモニアセンサ２９の検出電流Ｉ₁ はＮＯ_X の放出完了に対して応答遅れがあるが余剰の還元剤量は検出電流Ｉ₁ から正確に求まる。そこで本発明ではＮＯ_X アンモニアセンサ２９の検出電流Ｉ₁ の変化に基づいて、すなわちアンモニア濃度の変化に基づいてＮＯ_X 吸収剤２３からのＮＯ_X の放出が完了したときに排気ガスの空燃比がリッチからリーンに切換えられるように基準レベルＥ_S を変化させるようにしている。
【００６２】
具体的に言うと検出電流Ｉ₁ の積算値ΣＩ、或いは検出電流Ｉ₁ の最大値Ｉmax に対して小さな値の目標値を予め設定しておき、ΣＩまたはＩmax が目標値よりも大きくなったとき、すなわち余剰の還元剤量が多いときにはリッチからリーンへの空燃比の切換時期を早めて余剰の還元剤量が少くなくなるように基準レベルＥ_S を低下させ、すなわち基準レベルＥ_S をリーンであることを示す出力信号レベル側へ変化させ、ΣＩまたはＩmax が目標値よりも小さくなったとき、すなわち余剰の還元剤量が零または零に近いときにはリッチからリーンへの空燃比の切換時期を遅らせて余剰の還元剤量が多くなくなるように基準レベルＥ_S を上昇させ、すなわち基準レベルＥ_S をリッチであることを示す出力信号レベル側へ変化させるようにしている。
【００６３】
ところでＮＯ_X 吸収剤２３に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切換えられたときにはＮＯ_X 吸収剤２３に吸収されているＮＯ_X が排気ガス中の還元剤（すなわち炭化水素）によって放出・還元される。したがって総ＮＯ_X 吸収量ΣＮＯＸを徐々に減少すべきである。そこで次に本実施例においてＮＯ_X 吸収剤２３に流入する排気ガスの空燃比がリッチであるときの総ＮＯ_X 吸収量ΣＮＯＸの算出方法について説明する。
【００６４】
ＮＯ_X 吸収剤２３に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに単位時間当たりにＮＯ_X 吸収剤２３から放出・還元されるＮＯ_X の量（以下、単位ＮＯ_X 還元量と称す。）はＮＯ_X 吸収剤２３からＮＯ_X が放出・還元される速度に関する係数（以下、ＮＯ_X 還元速度と称す。）と、流入排気ガス中の還元剤濃度（以下、流入還元剤濃度と称す。）と、ＮＯ_X 吸収剤２３に現在吸収されているトータルのＮＯ_X の量（総ＮＯ_X 吸収量）とに基づいて算出可能である。
【００６５】
そしてこれらパラメータ、すなわち単位ＮＯ_X 還元量と、ＮＯ_X 還元速度と、流入還元剤濃度と、総ＮＯ_X 吸収量との間には或る一定の関係が成り立つ。そこで本実施例ではこれらパラメータ間に成り立つ関係式を実験式により予め求めておき、所定の時間間隔ごとに当該関係式にＮＯ_X 還元速度と、流入還元剤濃度と、総ＮＯ_X 吸収量とを代入して単位ＮＯ_X 還元量を算出し、斯くして算出された単位ＮＯ_X 還元量をその時の総ＮＯ_X 吸収量から減算することにより総ＮＯ_X 吸収量を算出する。なお本実施例において実験により求められる関係式は図８（Ｄ）に示した式である。図示した関係式においてＡｒｅは単位ＮＯ_X 還元量、ＫｒｅはＮＯ_X 還元速度、Ｃｈｃは流入還元剤濃度、ΣＮＯＸは総ＮＯ_X 吸収量である。
【００６６】
ここでＮＯ_X 還元速度の初期値としては実験により予め求めた値を用いる。このＮＯ_X 還元速度はＮＯ_X 吸収剤２３が劣化しない限りにおいては機関運転状態の変化とは関係なくほぼ一定である。しかしながらＮＯ_X 吸収剤２３の使用が開始されるとＮＯ_X 吸収剤２３はＳＯ_X の吸収や排気ガスの熱などにより徐々に劣化し、ＮＯ_X 還元速度は変化する。したがって本実施例では後述する方法によりこのＮＯ_X 還元速度を適宜修正する。一方、流入還元剤濃度は機関運転状態、具体的には燃焼室５内に導入せしめられる空気の量と燃料噴射弁１０から噴射される燃料の量との変化に伴って変化し、総ＮＯ_X 吸収量も時間の経過と共に変化するのでこれら流入還元剤濃度および総ＮＯ_X 吸収量としては単位ＮＯ_X 還元量算出時にその都度算出した値を用いる。
【００６７】
ところで上述したようにＮＯ_X 還元速度ＫｒｅはＮＯ_X 吸収剤２３の劣化に伴って徐々に遅くなる。この場合にはＮＯ_X 還元速度Ｋｒｅをそのまま用いて単位ＮＯ_X 還元量Ａｒｅを算出しても正確な単位ＮＯ_X 還元量は算出されない。そこで本実施例では以下の方法によりＮＯ_X 還元速度Ｋｒｅを適宜修正し、これにより正確なＮＯ_X 還元速度を獲得する。
【００６８】
すなわちＮＯ_X 吸収剤２３下流にはＮＯ_X 吸収剤２３から流出する排気ガス中のアンモニア濃度（以下、流出アンモニア濃度と称す。）を検出しうるＮＯ_X アンモニアセンサ２９が配置されているのでこのＮＯ_X アンモニアセンサ２９の出力を用いればＮＯ_X 吸収剤２３におけるＮＯ_X の放出・還元が完了したことを知ることができる。ここで流入排気ガスの空燃比がリッチである間に総ＮＯ_X 吸収量を算出するために用いられるＮＯ_X 還元速度が真の値であればＮＯ_X アンモニアセンサ２９がＮＯ_X 吸収剤２３におけるＮＯ_X の放出・還元が完了したことを検出する前においては総ＮＯ_X 吸収量は零とはならず、少なくとも或る一定の値よりも多く、一方、ＮＯ_X アンモニアセンサ２９がＮＯ_X 吸収剤２３におけるＮＯ_X の放出・還元が完了したことを検出したときにおいては総ＮＯ_X 吸収量は零となるか、或いは少なくとも或る一定の値よりも少なくなるはずである。
【００６９】
言い換えればＮＯ_X アンモニアセンサ２９がＮＯ_X 吸収剤におけるＮＯ_X 放出・還元が完了したことを検出する前において総ＮＯ_X 吸収量が零となるか、或いは或る一定の値よりも少なくなったときには総ＮＯ_X 吸収量を算出するために用いたＮＯ_X 還元速度が速すぎたと判断することができるので本実施例ではこの場合には現在使用しているＮＯ_X 還元速度を所定値だけ遅くする。ここでの所定値は一定値でもよいし、或いは総ＮＯ_X 吸収量が零となったとき、或いは或る一定の値よりも少なくなったときからＮＯ_X アンモニアセンサ２９によりＮＯ_X 吸収剤２３におけるＮＯ_X の放出・還元が完了したことが検出されるまでの時間に基づいて当該時間が長いほど大きくなる値でもよい。
【００７０】
一方、ＮＯ_X アンモニアセンサ２９がＮＯ_X 吸収剤２３におけるＮＯ_X の放出・還元が完了したことを検出したときに総ＮＯ_X 吸収量が零となっていないか、或いは依然として或る一定の値よりも多いときには総ＮＯ_X 吸収量を算出するために用いたＮＯ_X 還元速度が遅すぎたと判断することができるので本実施例ではこの場合には現在使用しているＮＯ_X 還元速度を所定値だけ速くする。ここでの所定値は一定値でもよいし、或いはＮＯ_X アンモニアセンサ２９によりＮＯ_X 吸収剤２３におけるＮＯ_X の放出・還元が完了したことが検出されたときにおける総ＮＯ_X 吸収量に基づいて当該総ＮＯ_X 吸収量が多いほど大きくなる値でもよい。このように本実施例ではＮＯ_X 還元速度はＮＯ_X アンモニアセンサ２９の出力により修正されることになる。これによればＮＯ_X 還元速度を正確に把握することができる。
【００７１】
ところで上述したように本実施例では上記関係式にて使用される最大ＮＯ_X 吸収量、ＮＯ_X 吸収速度、およびＮＯ_X 還元速度はＮＯ_X 吸収剤２３の劣化度合に応じて修正せしめられる。言い換えればこれら最大ＮＯ_X 吸収量、ＮＯ_X 吸収速度、およびＮＯ_X 還元速度からＮＯ_X 吸収剤２３の劣化度合を知ることができる。すなわち修正せしめられた最大ＮＯ_X 吸収量がＮＯ_X 吸収剤２３の劣化が許容範囲内にあるならば達成されたであろう量よりも少ないとき、或いは修正せしめられたＮＯ_X 吸収速度またはＮＯ_X 還元速度が同様にＮＯ_X 吸収剤２３の劣化度合が許容範囲内にあるならば達成されたであろう速度よりも遅いときには本実施例ではＮＯ_X 吸収剤２３が劣化したと診断する。これによればＮＯ_X 吸収剤２３の劣化を正確に診断することができる。
【００７２】
図１０は第１実施例を実行するためのルーチンを示している。図１０を参照するとまず初めにステップ１００において図５（Ｂ）に示したマップから基本燃料噴射量ＴＡＵが算出される。次いでステップ１０１ではＮＯ_X 吸収剤２３からＮＯ_X を放出すべきことを示すＮＯ_X 放出フラグがセットされているか否かが判別される。ＮＯ_X 放出フラグがセットされていないときにはステップ１０２に進んで後述する図１１および図１２のルーチンにより算出される総ＮＯ_X 吸収量ΣＮＯＸが最大ＮＯ_X 吸収量ＮＯＸmax よりも値αだけ少ない値を越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ≦ＮＯＸmax −αのとき、すなわちＮＯ_X 吸収剤２３のＮＯ_X 吸収能力に未だ余裕があるときにはステップ１０４にジャンプする。ステップ１０４では図５（Ｃ）に示したマップから補正係数Ｋが算出される。次いでステップ１０５では基本燃料噴射量ＴＡＵに補正係数Ｋを乗算することによって最終的な燃料噴射量ＴＡＵＯ（＝Ｋ・ＴＡＵ）が算出され、この噴射量ＴＡＵＯでもって燃料噴射が行われる。次いでステップ１０６ではＮＯ_X 吸収剤２３からのＳＯ_X を放出するためのＳＯ_X 放出処理を行うべきか否かが判断される。ＳＯ_X 放出処理を行う必要のないときには処理サイクルを完了する。
【００７３】
一方、ステップ１０２においてΣＮＯＸ＞ＮＯＸmax −αになったと判断されたときにはステップ１０３に進んでＮＯ_X 放出フラグがセットされ、次いでステップ１０３ａに進んでＮＨ₃ 検出フラグがセットされる。次いでステップ１０４に進む。
ＮＯ_X 放出フラグがセットされると次の処理サイクルではステップ１０１からステップ１０８に進んでリッチ補正係数Ｋ_R が算出される。次いでステップ１０９では基本燃料噴射量ＴＡＵにリッチ補正係数Ｋ_R とリッチ修正係数Ｋ_S とを乗算することによって最終的な燃料噴射量ＴＡＵＯ（＝Ｋ_R ・ＴＡＵ・Ｋ_S ）が算出され、この噴射量ＴＡＵＯでもって燃料噴射が行われる。なおリッチ修正係数Ｋ_S は図１１および図１２のルーチンにおいてＮＯ_X 還元速度を修正するのに伴って算出される係数である。ステップ１０９によればリーン空燃比のもとでの成層燃焼またはリーン空燃比のもとでの均一混合気燃焼からリッチ空燃比のもとでの均一混合気燃焼に切換えられ、それによってＮＯ_X 吸収剤２３からのＮＯ_X の放出作用が開始される。
【００７４】
次いでステップ１１０では空燃比センサ３０の出力電圧Ｅが基準電圧Ｅ_S を越えたか否かが判別される。Ｅ≦Ｅ_S のときにはステップ１０６に進む。これに対してＥ＞Ｅ_S になるとステップ１１１に進んでＮＯ_X 放出フラグがリセットされる。ＮＯ_X 放出フラグがリセットされると空燃比がリッチからリーンに切換えられる。一方、ステップ１０６においてＳＯ_X 放出処理を行うべきであると判断されるとステップ１０７に進んでＮＯ_X 吸収剤２３からＳＯ_X を放出させる処理が行われる。すなわちＮＯ_X 吸収剤２３の温度をほぼ６００℃以上に維持しつつ空燃比がリッチとされる。
【００７５】
図１１および図１２は本実施例の総ＮＯ_X 吸収量ΣＮＯＸを算出するためのルーチンを示している。図１１において初めにステップ２００においてＮＯ_X 吸収剤２３に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるか否かが判別される。ステップ２００において流入排気ガスの空燃比がリーンであると判別されるとステップ２０１において機関回転数Ｎと機関負荷Ｌと吸入空気量Ｑとが算出され、次いでステップ２０２において図９に示したマップから機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとに基づいてＮＯ_X 吸収剤２３に流入するＮＯ_X の量ＮＡが算出される。次いでステップ２０３においてＮＯ_X 吸収剤２３に流入する排気ガス中のＮＯ_X 濃度Ｃnox が算出され、次いでステップ２０４において図８（Ａ）に示した関係式から単位時間当たりにＮＯ_X 吸収剤２３に吸収されるＮＯ_X の量（単位ＮＯ_X 吸収量）の理論値Ａａｂｃが算出される。次いでステップ２０５において図８（Ｂ）および図８（Ｃ）の関係式から単位ＮＯ_X 吸収量の実測値Ａａｂｓが算出される。
【００７６】
次いでステップ２０７において理論値Ａａｂｃと実測値Ａａｂｓとの間のずれが所定値βの範囲にあるか否かが判別される。ステップ２０７においてＡａｂｓ−β＜Ａａｂｃ＜Ａａｂｓ＋βであると判別されたときには図８（Ａ）に示した関係式にて用いられた最大ＮＯ_X 吸収量ＮＯＸmax およびＮＯ_X 吸収速度Ｋａｂの値が真の値であると判断し、ステップ２０８において単位ＮＯ_X 吸収量Ａａｂとしてその理論値Ａａｂｃを採用し、ステップ２０９においてこの単位ＮＯ_X 吸収量Ａａｂが現在の総ＮＯ_X 吸収量ΣＮＯＸに加算され、新たな総ＮＯ_X 吸収量ΣＮＯＸが算出され、次いでステップ２０９ａにおいて今回のルーチン実行時における最大ＮＯ_X 吸収量ＮＯＸmax と、流入排気ガス中のＮＯ_X 濃度Ｃnox と、単位ＮＯ_X 吸収量Ａａｂとが保存される。
【００７７】
一方、ステップ２０７においてＡａｂｓ−β≧ＡａｂｃまたはＡａｂｃ≧Ａａｂｓ＋βであると判別されたときには図８（Ａ）に示した関係式にて用いられた最大ＮＯ_X 吸収量ＮＯＸmax またはＮＯ_X 吸収速度Ｋａｂの値が真の値ではないと判断し、ステップ２１１において単位ＮＯ_X 吸収量Ａａｂとしてその実測値Ａａｂｓを採用し、次いでステップ２１２において今回のルーチン以前にステップ２０９ａにおいて保存された単位ＮＯ_X 吸収量Ａａｂと、流入排気ガス中のＮＯ_X 濃度Ｃnox と、総ＮＯ_X 吸収量ΣＮＯＸとを図８（Ａ）に示した関係式に代入して１つの方程式を獲得し、さらに今回のルーチン実行時における単位ＮＯ_X 吸収量Ａａｂと、流入排気ガス中のＮＯ_X 濃度Ｃnox と、総ＮＯ_X 吸収量ΣＮＯＸとを同様に図８（Ａ）に示した関係式に代入して別の１つの方程式を獲得し、これら２つの方程式から求められる２つの値ＮＯＸmax ，Ｋａｂをそれぞれ新たな最大ＮＯ_X 吸収量およびＮＯ_X 吸収速度とすることでこれらパラメータを修正し、ステップ２０９に進む。
【００７８】
ところでステップ２００において流入排気ガスの空燃比がリッチであると判別されると図１２のステップ２１３において機関回転数Ｎと機関負荷Ｌと吸入空気量Ｑとが算出され、次いでステップ２１４において機関回転数Ｎと機関負荷Ｌと吸入空気量Ｑとに基づいてＮＯ_X 吸収剤２３に流入する排気ガス中の還元剤、すなわち炭化水素の濃度Ｃｈｃが算出される。すなわち燃料噴射弁１０から噴射される燃料の量は機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとに基づいて決定され、斯くして決定される燃料噴射量のうち燃焼室５内にて燃焼しない燃料量を吸入空気量Ｑで割れば流入排気ガス中の還元剤濃度が算出されるので結局のところ機関回転数Ｎと、機関負荷Ｌと、吸入空気量Ｑとに基づいて流入排気ガス中の還元剤濃度Ｃｈｃを算出することができる。
【００７９】
次いでステップ２１５において図８（Ｄ）に示した関係式から単位ＮＯ_X 還元量Ａｒｅが算出され、次いでステップ２１６において現在の総ＮＯ_X 吸収量ΣＮＯＸから単位ＮＯ_X 還元量Ａｒｅが差し引かれて新たに総ＮＯ_X 吸収量ΣＮＯＸが算出され、ステップ２１７に進む。
ステップ２１７ではＮＯ_X アンモニアセンサ２９の出力電流Ｉ₁ が基準値Ｉｔを越えたか否かが判別される。ステップ２１７においてＩ₁ ＞Ｉｔであるときにはステップ２１８に進んでＮＯ_X 放出フラグがリセットされる。ここで図１０のステップ１１１においてＮＯ_X 放出フラグがリセットされていなければステップ２１８においてＮＯ_X 放出フラグがリセットされることによりＮＯ_X 吸収剤２３に流入する排気ガスの空燃比がリッチからリーンとされ、したがってＮＯ_X 吸収剤２３からのＮＯ_X の放出・還元が図１０のフローチャートによるのではなく強制的に終了せしめられる。
【００８０】
次いでステップ２１９において総ＮＯ_X 吸収量ΣＮＯＸが判定値Ａよりも多いか否かが判別される。ステップ２１９においてΣＮＯＸ≦Ａであれば図８（Ｄ）の関係式にて用いられたＮＯ_X 還元速度Ｋｒｅの値が真の値であると判断し、現在使用しているＮＯ_X 還元速度を修正することなくそのままルーチンを終了する。一方、ステップ２１９においてΣＮＯＸ＞Ａであると判別されたときにはステップ２２０に進んで図８（Ｄ）の関係式にて用いられるＮＯ_X 還元速度Ｋｒｅが所定の値だけ速くせしめられ、次いでステップ２２１において流入排気ガスの空燃比をリッチとするときに図１０のステップ１０９において使用されるリッチ修正係数Ｋ_S がリッチ度合が大きくなるように修正される。
【００８１】
一方、ステップ２１７においてＩ₁ ≦Ｉｔであると判別されたときにはステップ２２２において総ＮＯ_X 吸収量ΣＮＯＸが判定値Ａよりも少ないか否かが判別される。ステップ２２２においてΣＮＯＸ≧Ａであると判別されたときには図８（Ｄ）の関係式にて用いられたＮＯ_X 還元速度Ｋｒｅの値が真の値であると判断し、現在使用しているＮＯ_X 還元速度を修正することなくそのままルーチンを終了する。一方、ステップ２２２においてΣＮＯＸ＜Ａであると判別されたときにはステップ２２３に進んで図８（Ｄ）の関係式にて用いられるＮＯ_X 還元速度Ｋｒｅが所定の値だけ遅くせしめられ、次いでステップ２２４において流入排気ガスの空燃比をリッチとするときに図１０のステップ１０９において使用されるリッチ修正係数Ｋ_S がリッチ度合が小さくなるように修正される。
【００８２】
図１３は目標レベルＥ_S を算出するためのルーチンを示している。図１３を参照するとまず初めにステップ３００においてＮＨ₃ 検出フラグがセットされているか否かが判別される。このＮＨ₃ 検出フラグは図１０のステップ１０２においてΣＮＯＸ＞ＮＯＸmax −αとなったときにセットされる。ＮＨ₃ 検出フラグがセットされているときにはステップ３０１に進んでＮＨ₃ 検出フラグがセットされてからの経過時間ｔが一定時間ｔ₁ を越えたか否かが判別される。この一定時間ｔ₁ は空燃比がリーンからリッチにされた後にＮＯ_X アンモニアセンサ２９の検出電流Ｉ₁ が零まで低下し終わるまでの時間である。ｔ＞ｔ₁ になるとステップ３０２に進んでＮＨ₃ 検出フラグがセットされてからの経過時間ｔが一定時間ｔ₂ を越えたか否かが判別される。この一定時間ｔ₂ はＮＯ_X 吸収剤２３から下流へアンモニアが流出したときにどのようなアンモニア量であってもＮＯ_X アンモニアセンサ２９がアンモニア濃度を検出しうるのに十分な時間である。ｔ≦ｔ₂ のときにはステップ３０３に進む。
【００８３】
ステップ３０３ではＮＯ_X アンモニアセンサ２９の検出電流Ｉ₁ が算出される。次いでステップ３０４ではこの検出電流Ｉ₁ をΣＩに加算することによって検出電流の積算値ΣＩが算出される。次いでステップ３０２においてｔ＞ｔ₂ になったと判別されたときにはステップ３０５に進んで検出電流の積算値ΣＩが目標値Ｓr よりも大きいか否かが判別される。ΣＩ＞Ｓr のときにはステップ３０６に進んで目標レベルＥ_S が予め定められた設定値ａだけ減少せしめられ、次いでステップ３０８に進む。これに対してΣＩ≦Ｓr のときにはステップ３０７に進んで目標レベルＥ_S が予め定められた設定値ａだけ増大せしめられ、次いでステップ３０８に進む。ステップ３０８ではΣＩがクリアされ、ＮＨ₃ 検出フラグがリセットされる。
【００８４】
図１４は目標レベルＥ_S を算出するためのルーチンの別の例を示している。図１４を参照するとまず初めにステップ４００においてＮＨ₃ 検出フラグがセットされているか否かが判別される。このＮＨ₃ 検出フラグは図１０のステップ１０２においてΣＮＯＸ＞ＮＯＸmax −αとなったときにセットされる。ＮＨ₃ 検出フラグがセットされているときにはステップ４０１に進んでＮＨ₃ 検出フラグがセットされてからの経過時間ｔが一定時間ｔ₁ を越えたか否かが判別される。この一定時間ｔ₁ は前述したように空燃比がリーンからリッチにされた後にＮＯ_X アンモニアセンサ２９の検出電流Ｉ₁ が零まで低下し終わるまでの時間である。ｔ＞ｔ₁ になるとステップ４０２に進んでＮＨ₃ 検出フラグがセットされてからの経過時間ｔが一定時間ｔ₂ を越えたか否かが判別される。この一定時間ｔ₂ は前述したようにＮＯ_X 吸収剤２３から下流へアンモニアが流出したときにどのようなアンモニア量であってもＮＯ_X アンモニアセンサ２９がアンモニア濃度を検出しうるのに十分な時間である。ｔ≦ｔ₂ のときにはステップ４０３に進む。
【００８５】
ステップ４０３では検出電流Ｉ₁ がＩmax よりも大きいか否かが判別される。Ｉ₁ ＞Ｉmax のときにはステップ４０４に進んでＩ₁ が検出電流の最大値Ｉmax とされる。次いでステップ４０２においてｔ＞ｔ₂ になったと判別されたときにはステップ４０５に進んで検出電流の最大値Ｉmax が目標値Ｉmaxrよりも大きいか否かが判別される。Ｉmax ＞Ｉmaxrのときにはステップ４０６に進んで目標レベルＥ_S が予め定められた設定値ａだけ減少せしめられ、次いでステップ４０８に進む。これに対してＩmax ≦Ｉmaxrのときにはステップ４０７に進んで目標レベルＥ_S が予め定められた設定値ａだけ増大せしめられ、次いでステップ４０８に進む。ステップ４０８ではＩmax がクリアされ、ＮＨ₃ 検出フラグがリセットされる。
【００８６】
図１５はＮＯ_X 吸収剤２３の劣化を判定するためのルーチンを示している。図１５では初めにステップ５００において最大ＮＯ_X 吸収量ＮＯＸmax が判定値Ｃよりも大きいか否かが判別され、ステップ５０１ではＮＯ_X 吸収速度Ｋａｂが判定値Ｄよりも大きいか否かが判別され、ステップ５０２ではＮＯ_X 還元速度Ｋｒｅが所定値Ｅよりも大きいか否かが判別される。なおここで用いられるＮＯＸmax ，Ｋａｂ，Ｋｒｅは図８（Ａ）または図８（Ｄ）に示した関係式にて用いられるパラメータである。
【００８７】
ステップ５００においてＮＯＸmax ＞Ｃと判別され、且つステップ５０１においてＫａｂ＞Ｄと判別され、且つステップ５０２においてＫｒｅ＞Ｅと判別されたときにはステップ５０３に進んでＮＯ_X 吸収剤２３が劣化していることを表す劣化フラグがオフとされる。一方、ステップ５００においてＮＯＸmax ≦Ｃと判別されるか、或いはステップ５０１においてＫａｂ≦Ｄと判別されるか、或いはステップ５０２においてＫｒｅ≦Ｅと判別されるかしたときにはステップ５０４に進んで劣化フラグがオンされる。
【００８８】
なお上述した実施例では最大ＮＯ_X 吸収量ＮＯＸmax ，ＮＯ_X 吸収速度Ｋａｂ，ＮＯ_X 還元速度Ｋｒｅといったパラメータの初期値として未使用状態のＮＯ_X 吸収剤における値を採用し、使用が開始されてから修正を重ねるようにしているがＮＯＸmax ，Ｋａｂ，ＫｒｅはＮＯ_X 吸収剤２３の温度によっても変化するので上述した実施例においてＮＯ_X 吸収剤の温度を加味するようにしてもよい。具体的には例えばＮＯ_X 吸収剤２３の温度に応じて定まる各パラメータの初期値を予め求めてＲＯＭ３４に記憶しておき、上述した各パラメータに対する修正に関しては各パラメータに対する修正係数を算出し、単位ＮＯ_X 吸収量Ａａｂまたは単位ＮＯ_X 還元量Ａｒｅを算出するときにＮＯ_X 吸収剤２３の温度により算出される各パラメータの初期値をこの修正係数により修正し、斯くして修正したパラメータを図８（Ａ）または図（Ｄ）に示した関係式において使用するようにすればよい。
【００８９】
また上述した実施例ではＮＯ_X 吸収剤２３に流入する排気ガス中のＮＯ_X 濃度Ｃnox を機関回転数Ｎと、機関負荷Ｌと、吸入空気量Ｑとから算出するようにしているがＮＯ_X 吸収剤２３上流側にＮＯ_X アンモニアセンサを配置し、このＮＯ_X アンモニアセンサによりＮＯ_X 濃度Ｃnox を直接検出するようにしてもよい。またＮＯ_X 吸収剤２３のＮＯ_X 還元能力が不十分である場合にはＮＯ_X アンモニアセンサ２９下流にＮＯ_X 還元能力が高い触媒を配置するようにしてもよい。
【００９０】
また修正されたパラメータ（すなわち最大ＮＯ_X 吸収量、ＮＯ_X 吸収速度）を判定値と比較するのではなく、初期値をそのまま利用して図８（Ａ）の関係式を用いて算出した単位ＮＯ_X 吸収量に基づいてＮＯ_X 吸収剤下流に流出するＮＯ_X の量を算出し、斯くして算出したＮＯ_X 量とＮＯ_X アンモニアセンサ２９の出力から算出したＮＯ_X 吸収剤下流に流出するＮＯ_X の量とを比較し、両者の間に大きく隔りがあるときにＮＯ_X 吸収剤２３が劣化したと判定するようにしてもよい。
【００９１】
【発明の効果】
１番目の発明によれば排気ガス中のＮＯ_X 濃度を検出することができるセンサの出力を利用してＮＯ_X 吸収剤の最大ＮＯ_X 吸収量、またはＮＯ_X 吸収剤へのＮＯ_X の吸収速度が算出され、これら最大ＮＯ_X 吸収量またはＮＯ_X 吸収速度に基づいてＮＯ_X 吸収剤の劣化が判定される。このように排気ガス中のＮＯ_X 濃度の実測値、すなわち推定値ではない値を用いて算出される最大ＮＯ_X 吸収量またはＮＯ_X 吸収速度といったパラメータを利用するのでＮＯ_X 吸収剤の劣化を正確に判定することができる。
【００９２】
４番目の発明によれば排気ガス中のアンモニア濃度を検出しうるセンサの出力に基づいて決定されるＮＯ_X吸収剤におけるＮＯ_Xの放出・還元の完了タイミングにおいてＮＯ_X吸収量推定手段により推定されるＮＯ_X吸収量に基づいて補正されるＮＯ_X吸収剤におけるＮＯ_X 還元速度に基づいてＮＯ_X吸収剤の劣化が判定される。このように排気ガス中のアンモニア濃度の実測値、すなわち推定値ではない値を用いて算出されるＮＯ_X還元速度といったパラメータを利用するのでＮＯ_X吸収剤の劣化を正確に判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】ＮＯ_X アンモニアセンサのセンサ部の構造を示す図である。
【図３】ＮＯ_X アンモニアセンサによる検出電流を示す図である。
【図４】空燃比センサの出力電圧を示す図である。
【図５】基本燃料噴射量、補正係数等を示す図である。
【図６】ＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X 吸放出作用を説明するための図である。
【図７】空燃比センサの出力電圧、ＮＯ_X アンモニアセンサの検出電流等を示すタイムチャートである。
【図８】単位ＮＯ_X 吸収量等を算出するための関係式を示す図である。
【図９】ＮＯ_X 流入量のマップを示す図である。
【図１０】機関運転を制御するためのフローチャートである。
【図１１】総ＮＯ_X 吸収量を算出するためのフローチャートである。
【図１２】総ＮＯ_X 吸収量を算出するためのフローチャートである。
【図１３】目標レベルＥ_S を算出するためのフローチャートである。
【図１４】目標レベルＥ_S を算出するためのフローチャートである。
【図１５】ＮＯ_X 吸収剤の劣化を判定するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１１…燃料噴射弁
２３…ＮＯ_X 吸収剤
２９…ＮＯ_X アンモニアセンサ
３０…空燃比センサ

Claims (6)

1. 流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにはＮＯ_Xを吸収し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収したＮＯ_Xを排気ガス中に含まれる還元剤によって放出し還元するＮＯ_X吸収剤を機関排気通路内に配置し、該ＮＯ_X吸収剤下流の機関排気通路内に排気ガス中のＮＯ_X濃度を検出しうるセンサを配置した内燃機関の排気浄化装置であって、前記センサの出力を利用してＮＯ_X吸収剤に吸収しうると推定される最大ＮＯ_X吸収量の推定値と、ＮＯ_X吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにＮＯ_X吸収剤にて達成されると推定されるＮＯ_X吸収剤へのＮＯ_X吸収速度の推定値との少なくとも一方を算出し、斯くして算出された最大ＮＯ_X吸収量の推定値またはＮＯ_X吸収速度の推定値が判定値よりも小さいときにはＮＯ_X吸収剤が劣化したと判定するようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ _X 吸収剤下流に流出するＮＯ _X の量と、ＮＯ _X 吸収剤の最大ＮＯ _X 吸収量と、ＮＯ _X 吸収剤におけるＮＯ _X 吸収速度との間に成り立つ関係式を予め求めておき、ＮＯ _X 吸収剤下流に流出するＮＯ _X の量を上記センサの出力に基づいて算出し、斯くして算出されたＮＯ _X の量を上記関係式に代入することにより最大ＮＯ _X 吸収量の推定値と、ＮＯ _X 吸収速度の推定値とを算出するようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. ＮＯ _X 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに機関運転状態に基づいて算出されるＮＯ _X 吸収剤に吸収されるＮＯ _X の量を積算することによりＮＯ _X 吸収剤に吸収されているＮＯ _X の量を推定するＮＯ _X 吸収量推定手段を具備し、該ＮＯ _X 吸収量推定手段により推定されたＮＯ _X 吸収量が許容値を超えたときにＮＯ _X 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比をリーンからリッチに切換えるようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 上記ＮＯ _X 吸収量推定手段がＮＯ _X 吸収剤に吸収されているＮＯ _X の量を推定するときに機関運転状態として最大ＮＯ _X 吸収量とＮＯ _X 吸収速度とを用いる請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにはＮＯ _X を吸収し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収したＮＯ _X を排気ガス中に含まれる還元剤によって放出し還元するＮＯ _X 吸収剤を機関排気通路に配置し、該ＮＯ _X 吸収剤下流の機関排気通路内に排気ガス中のアンモニア濃度を検出しうるセンサを配置し、ＮＯ _X 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチにされたときにＮＯ _X 吸収剤からＮＯ _X を放出し還元するために使用されなかった余剰の還元剤がアンモニアの形でＮＯ _X 吸収剤から流出し、上記センサによりＮＯ _X 吸収剤から流出する排気ガス中のアンモニア濃度が判定値を超えたときにＮＯ _X 吸収剤からのＮＯ _X の放出・還元が完了したと判定するようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ _X 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには機関運転状態に基づいて算出されるＮＯ _X 吸収剤に吸収されるＮＯ _X の量を積算し、ＮＯ _X 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリッチであるときにはＮＯ _X 吸収剤におけるＮＯ _X の還元速度に基づいて算出されるＮＯ _X 吸収剤において還元されるＮＯ _X の量を減算することによりＮＯ _X 吸収剤に吸収されているＮＯ _X の量を推定するＮＯ _X 吸収量推定手段を具備し、ＮＯ _X 吸収剤からのＮＯ _X の放出・還元が完了したと判定されたときに上記ＮＯ _X 吸収量推定手段により推定されるＮＯ _X 吸収量が基準値からずれているときには上記ＮＯ _X 吸収量推定手段にて使用されるＮＯ _X 還元速度を補正し、斯くして補正されたＮＯ _X 還元速度が判定値よりも遅いときにはＮＯ _X 吸収剤が劣化したと判定するようにした内燃機関の排気浄化装置。
5. ＮＯ _X 吸収剤からのＮＯ _X の放出・還元が完了したと判定されたときにＮＯ _X 吸収量推定手段により推定されるＮＯ _X 吸収量が基準値よりも多いときにはＮＯ _X 吸収量推定手段にて使用されるＮＯ _X 還元速度を速くするように補正し、基準値よりも少ないときには該ＮＯ _X 還元速度を遅くするように補正する請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 上記ＮＯ _X 吸収量推定手段がＮＯ _X 吸収剤に吸収されているＮＯ _X の量を推定するときに機関運転状態としてＮＯ _X 吸収剤の最大ＮＯ _X 吸収量とＮＯ _X 吸収剤への ＮＯ _X の吸収速度とを用いる請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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