JPWO2011024593A1

JPWO2011024593A1 - 内燃機関の排気浄化装置及びＮＯｘ浄化触媒劣化判定方法

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Publication number: JPWO2011024593A1
Application number: JP2011528715A
Authority: JP
Inventors: 康隆石橋; 悠一保坂; 石野　武; 武石野; 一将上原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2013-01-24
Anticipated expiration: 2030-07-22
Also published as: EP2479394B1; EP2479394A1; JP5681632B2; EP2479394A4; WO2011024593A1; US20120124972A1; US8763365B2; CN102782271B; CN102782271A

Abstract

ＮＯｘ浄化触媒と、ＮＯｘ浄化触媒の上流側に設けられた三元触媒と、三元触媒の上流側に設けられた第１空燃比センサと、ＮＯｘ浄化触媒の下流側に設けられた第２空燃比センサとを備え、ＮＯｘ浄化触媒に吸着されたＮＯｘを還元浄化するために排気の空燃比を所定期間だけリーンからリッチに変更するリッチスパイク手段を備え、リッチスパイク中に、三元触媒及びＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ吸着量と酸素貯蔵量を検出する第１検出手段と、リッチスパイク後に、第２空燃比センサの出力がリーンとなるまでに、三元触媒とＮＯｘ浄化触媒の酸素貯蔵量を検出する第２検出手段と、第１検出手段の検出値と第２検出手段の検出値とに基づいてＮＯｘ浄化触媒の劣化を判定する劣化判定手段と、を備える。

Description

本発明は、三元触媒の下流側に配置されたＮＯｘトラップ触媒の劣化判定に好適な内燃機関の排気浄化装置及びＮＯｘトラップ触媒の劣化判定方法に関するものである。

日本国特許庁が１９９９年に発行した特開平１１−３０３６２１号公報は、三元触媒の下流側に配置されたＮＯｘトラップ触媒の劣化を、三元触媒の劣化状態によらず正確に検知しようとするものである。具板的には、まず、三元触媒の劣化状態をストイキ運転中のＮＯｘトラップ触媒下流のＯ_２センサの出力反転時間に基づいて判定する。この従来技術では、ストイキ制御として、下流Ｏ_２センサの出力がリッチからリーンに切り替わると、フィードバック補正係数としての比例項をスキップさせ、その後リッチに切り替わるまで積分項を加算していくという、空燃比フィードバック制御が開示されている。ここで、Ｏ_２センサがリッチからリーン、若しくはリーンからリッチに切り替わる時間は三元触媒の酸素貯蔵能力に比例することから、Ｏ_２センサの出力の反転時間により三元触媒の劣化を検出しているのである。
そして、空燃比をリーン側に維持し、三元触媒に酸素を、ＮＯｘトラップ触媒にＮＯｘを最大限に吸着させた後に排気空燃比をリッチ側に変化させる。この時の、ＮＯｘトラップ触媒の下流側に配置したＯ_２センサの出力に基づき、その空気過剰率λが理論空燃比付近に停滞する時間により、三元触媒とＮＯｘトラップ触媒との両者の酸素貯蔵能力およびＮＯｘ吸着能力を検出する。そして、上記の三元触媒の劣化検知を考慮すればＮＯｘトラップ触媒の劣化を特定できるというものである。

一般的に、リーンバーンエンジンやディーゼルエンジンでは、リーン運転により通常運転を行なうことで、ストイキ運転に比して燃費を向上させている。しかしながら、上記従来例では、三元触媒の劣化を検知するためにリーン空燃比から理論空燃比に切替える必要があり、診断のために燃費を悪化させる可能性がある。
本発明の目的は、したがって、上流に配置された三元触媒の劣化に影響されることなくＮＯｘトラップ触媒の劣化状態を判定すると共に、診断のために燃費を悪化させることを抑制した内燃機関の排気浄化装置およびＮＯｘ浄化触媒の劣化診断方法を提供することである。
上記目的を達成するため、本発明は、排気の空燃比がリッチに変化したときの、三元触媒上流側の上流側空燃比センサの出力値とＮＯｘ浄化手段の下流側の下流側空燃比センサの出力値とに基づいて、三元触媒とＮＯｘ浄化触媒との酸素貯蔵量とＮＯｘ吸着量をもとめる。また、排気の空燃比がリーンに変化したときの、前記上流側空燃比センサの出力値と下流側空燃比センサの出力値とに基づいて、三元触媒とＮＯｘ浄化触媒との酸素貯蔵量を求める。そして、前記リッチ変化時のＮＯｘ浄化触媒との酸素貯蔵量と、リーン変化時の酸素貯蔵量に基づいてＮＯｘ浄化触媒の劣化を判定することを特徴とする。
この発明の詳細並びに他の特徴や利点は、明細書の以降の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。

ＦＩＧ．１は、本発明による内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
ＦＩＧ．２は、リッチスパイク制御の実行時及びリッチスパイク制御の終了後の所定期間における上流ＡＦセンサの出力値と下流ＡＦセンサの出力値との変化状態を示すタイムチャートである。
ＦＩＧ．３は、リッチスパイク制御の実行時及びその後の所定時間において、ＥＣＵにより実行されるＬＮＴ劣化判定ルーチンの第１実施例の手順を示すフローチャートである。
ＦＩＧ．４は、リッチスパイク制御の実行時及びその後の所定時間において、ＥＣＵにより実行されるＬＮＴ劣化判定ルーチンの第２実施例の手順を示すフローチャートである。
ＦＩＧ．５は、ＮＯｘトラップ触媒のベッド温度に対する浄化率ηＮＯｘを示す特性図である。

ＦＩＧ．１を参照すると、ディーゼル式内燃機関である内燃機関１は、燃料ポンプ２、コモンレール３および燃料噴射弁４からなるコモンレール燃料噴射系を備えている。そして、このコモンレール燃料噴射系から高圧の燃料が内燃機関１に供給される。
吸気管５には、内燃機関１から見て、吸気流れ上流方向に吸気絞り弁７、インタークーラ６を順に有する。吸気の充填効率を向上させるためにインタークーラ６で冷却された吸気は、吸気絞り弁７を通って内燃機関１へ供給される。吸気絞り弁７にはスロットル弁開度（θＴＨ）センサが連結されており、当該吸気絞り弁７の開度に応じた電気信号を出力して内燃機関制御用電子コントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）１５に供給する。
ＥＣＵ１５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＥＣＵ１５を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。
内燃機関１内で燃焼が行われた後の排気は、図中の符号８で示す排気管８から排出される。この際、排気の一部はＥＧＲ管９を通って内燃機関１に再循環することができる。再循環させる排気量は、ＥＧＲ弁１０によって制御することができる。
排気管８の排気流れ下流方向には、排気浄化装置を構成する三元触媒１１及びＮＯｘトラップ触媒１２（ＬｅａｎＮＯｘＴｒａｐＣａｔ、以下では、単に「ＬＮＴ」という）が設けられている。ＬＮＴ１２は、三元触媒１１の下流側に配置されている。
三元触媒１１は、貴金属を活性成分とすると共に、助触媒として酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を含む酸素吸蔵剤（以下、ＯＳＣ（ＯｘｙｇｅｎＳｔｏｒａｇｅＣｏｍｐｏｎｅｎｔ）と称する）を備え、酸素蓄積能力を有する。即ち、内燃機関１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的高い排気のリーン状態では、排気中の酸素を吸収して蓄積する。逆に内燃機関１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気中の酸素濃度が低く、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）が多く含まれる排気のリッチ状態では、蓄積した酸素を放出して、排気中のＨＣ，ＣＯを酸化する機能を有する。
ＬＮＴ１２は、ＮＯｘをトラップするＮＯｘ吸収剤と酸化、還元を促進するための触媒とを内蔵する。ＮＯｘ吸収剤としては、吸蔵式のもの又は吸着式のものがあり、いずれも、内燃機関１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的高い状態、つまりＮＯｘが多い排気のリーン状態においては、ＮＯｘを吸蔵又は吸着する。逆に内燃機関１に供給される空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気中の酸素濃度が低く、ＨＣ、ＣＯ成分が多い状態、つまり排気のリッチ状態においては、吸蔵したＮＯｘを放出又は還元する特性を有する。
ＬＮＴ１２は、排気リーン状態においては、ＮＯｘ吸収剤にＮＯｘを吸収させる一方、排気リッチ状態においては、ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘがＨＣ、ＣＯにより還元されて、窒素ガスとして排出される。またＨＣ、ＣＯは酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排出されるように構成されている。吸蔵式のＮＯｘ吸収剤としては、例えば酸化バリウム（Ｂａ０）が使用され、吸着式のＮＯｘ吸収剤としては、例えばナトリウム（Ｎａ）とチタン（Ｔｉ）またはストロンチウム（Ｓｒ）とチタン（Ｔｉ）が使用され、触媒としては吸蔵式及び吸着式のいずれにおいても例えば白金（Ｐｔ）が使用される。
また、その助触媒として酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を含むＯＳＣを備え、酸素蓄積能力を有する。このＮＯｘ吸収剤は、一般にその温度が高くなるほど、吸収したＮＯｘを放出しやすくなる特性を有する。
ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収能力の限界、すなわち最大ＮＯｘ吸収量まで、ＮＯｘを吸収すると、それ以上ＮＯｘを吸収できなくなるので、適時ＮＯｘを放出させて還元するために空燃比のリッチ化、即ち、リッチスパイク制御を実行する。
三元触媒１１の上流位置には、比例型空燃比センサ（以下「上流ＡＦセンサ」という）１３Ｆが装着されており、この上流ＡＦセンサ１３Ｆは排気中の酸素濃度を示す空気過剰率λＦにほぼ比例した電気信号を出力し、ＥＣＵ１５に供給する。ＬＮＴ１２の下流位置には、比例型空燃比センサ（以下「下流ＡＦセンサ」という）１３Ｒが装着されており、この下流ＡＦセンサ１３Ｒは排気中の酸素濃度を示す空気過剰率λＲにほぼ比例した電気信号を出力し、ＥＣＵ１５に供給する。
また、内燃機関１は過給機１４を具備している。過給機１４のコンプレッサ１４ａは、吸気管５においてインタークーラ６よりも吸気流れ上流方向に、タービン１４ｂは排気管８においてＬＮＴ１２よりも排気流れ上流方向に、それぞれ介装されている。
内燃機関１からの排気によってタービン１４ｂが回転すると、タービン１４ｂによってコンプレッサ１４ａが回転させられ、吸気を過給することができる。この際の過給圧は過給圧制御アクチュエータ１４ｃによって制御することができる。
ＥＣＵ１５は、上述したようにＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータによって構成されるコントロールユニットである。前述の燃料噴射系、吸気絞り弁７、ＥＧＲ弁１０および過給圧制御アクチュエータ１４ｃは、このＥＣＵ１５からの信号によって制御される。
ＥＣＵ１５は、図示しないが、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算装置（ＣＰＵ）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶手段、燃料噴射弁４に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。
ＥＣＵ１５は、上述の各種内燃機関パラメータ信号に基づいて、種々の内燃機関運転状態を判別するとともに、判別された内燃機関運転状態に応じて、燃料噴射弁４の燃料噴射時間を演算する。
燃料噴射時間は、内燃機関１の吸入空気量に対して、内燃機関１に供給する混合気の空燃比がほぼ所定の空燃比となるよう決定される基本燃料噴射時間に、内燃機関回転速度、吸気管内絶対圧、内燃機関水温等の内燃機関運転パラメータに応じて設定される目標空燃比係数、上流ＡＦセンサ１３Ｆにより検出される空気過剰率λＦにより算出される空燃比補正係数、及び、各種内燃機関パラメータ信号に応じて演算される他の補正係数および補正変数を乗算して演算される。なお、この演算では吸入空気量として重量流量を用いる。
ＥＣＵ１５は上述のようにして求めた燃料噴射時間に基づいて、燃料噴射弁４を開弁させる。
ところで、ＬＮＴ１２のＮＯｘ吸蔵剤は劣化によりＮＯｘ吸蔵能力が低下し、ＬＮＴ１２に供給したＮＯｘ量に対して実際に吸収されるＮＯｘ量が低下する。この場合、吸収剤がＮＯｘを吸収できる許容量まで吸収させた状態で、ＮＯｘを還元浄化するためにリッチスパイクを行うと、供給する還元剤の量が正常時に比して少なくなるので、還元剤の低下量に基づいてＬＮＴ１２の劣化を判断することができる。
しかしながら、その上流に三元触媒１１がある場合は、還元剤を供給しても三元触媒１１に貯蔵された酸素を消費するために使用されてしまうので、三元触媒１１の酸素貯蔵能力の低下度合が分からなければ正確にＬＮＴ１２の劣化を判定することが出来ない。
そこで、リーン運転により三元触媒１１の酸素貯蔵量及びＬＮＴ１２のＮＯｘ吸収量が飽和した状態でリッチスパイクが行なわれたときに、次のように精度良くＬＮＴ１２の劣化を判定する。
まず、リーン運転により三元触媒１１の酸素貯蔵量及びＬＮＴ１２のＮＯｘ吸収量が飽和した状態で、リッチスパイクにより排気の空燃比がリッチへ変化すると、下流ＡＦセンサ１３Ｒにより検出される空燃比がリッチとなるまでには、三元触媒１１の酸素が消費され、ＬＮＴ１２に吸収されたＮＯｘが還元されることとなる。
ここで、下流ＡＦセンサ１３Ｒより検出される空燃比がリッチとなるまでに供給された還元剤の供給量が少なくなっていれば、三元触媒１１またはＬＮＴ１２の少なくとも一方が劣化している可能性がある。
一方、リッチスパイクによって三元触媒１１に酸素が、ＬＮＴ１２にＮＯｘが、それぞれ無くなった状態で、三元触媒１１及びＬＮＴ１２に供給される排気の空燃比がリーンに変化すると、三元触媒１１へ供給された酸素が最大貯蔵量を超えてＬＮＴ１２下流に酸素が排出されときに初めて下流ＡＦセンサ１３Ｒにより検出される空燃比がリーンとなる。
なお、このときＬＮＴ１２に吸収されるＮＯｘ量は、微量であるため無視でき、大部分が三元触媒１１の酸素吸蔵による酸化反応分と判断できる。
ここで、酸化触媒１１が劣化していれば下流ＡＦセンサ１３Ｒがリーンとなるまでに供給する酸化剤の量が少なくなる。つまり、リッチスパイク終了後の空燃比のリーン側への変化に対し、下流ＡＦセンサ１３Ｒがリーンとなることをモニタすることで、三元触媒１１のみの劣化を判定することが可能となる。
従って、通常リーン空燃比で制御する内燃機関１において、リッチスパイクの開始と終了時の空燃比変化を利用するだけでＬＮＴ１２の劣化を精度良く判定することができる。
なお、ここでは、説明の便宜上、ＬＮＴ１２の酸素貯蔵能力について記載しなかったが、助触媒によりＬＮＴ１２に酸素貯蔵能力があっても、同様にＬＮＴ１２の劣化検出を実行できる。
以下、ＬＮＴ１２の劣化判定の具体的内容について順に説明する。
まず、ＥＣＵ１５は、内燃機関１のリーン運転中における単位時間当たりに排出されるＮＯｘ量を積分してＬＮＴ１２のＮＯｘ吸収剤に蓄積される蓄積ＮＯｘ量を演算する。そして、ＬＮＴ１２のＮＯｘ吸収剤に蓄積される蓄積ＮＯｘ量が許容値を超えたか否かを判別し、許容値を超える場合には、リッチスパイク条件が満足されている、つまりＦｒｉｃｈ＝１である、と判定する。
そして、ＥＣＵ１５は、目標空気過剰率λをリーン状態からストイキ域を超えてリッチ状態とするリッチスパイクにより、蓄積ＮＯｘを還元する。このリッチスパイクは、比較的短時間、例えば１−２秒間程度実行されると共に、ＬＮＴ１２に劣化等の性能異常があるか否かの「ＬＮＴ劣化判定」を実行する。
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、日本国特許庁が１９９５年に発行した特開平７−２７９７２８号公報に記載されているように、ＥＧＲ弁１０を開弁する又は吸気絞り弁７を閉弁することにより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することでリッチスパイク制御を実行できる。また、日本国特許庁が２０００年に発行した特開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する主噴射と共に、膨張又は排気行程において燃料を追加供給する副噴射又はポスト噴射を行ったり、還元剤添加手段によって排気中に直接還元剤としての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。
ＥＣＵ１５は、蓄積ＮＯｘの還元が終了したか否かを判別し、蓄積ＮＯｘの還元が終了すると蓄積ＮＯｘ量を「ゼロ」にリセットして、リッチスパイク制御を終了する。即ち、リーン運転中の蓄積ＮＯｘ量が許容値に達する毎に、蓄積ＮＯｘを還元するリッチスパイク制御が実行され、ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘの放出が行われる。
ＦＩＧ．２は、リッチスパイク制御の実行時及びリッチスパイク制御の終了時における、上流ＡＦセンサ１３Ｆの出力値と下流ＡＦセンサ１３Ｒの出力値との変化状態を示すタイムチャートである。
ＦＩＧ．２に示すタイムチャートによれば、上流ＡＦセンサ１３Ｆの出力値、即ち、検出される空気過剰率λは、リッチスパイク制御を実行する時点ｔ１から時点ｔ４の間、時点ｔ１においてリーン状態からストイキ領域を超えてリッチ状態に速やかに変化し、時点ｔ１から時点ｔ４の間はリッチ状態に維持され、時点ｔ４においてリッチ状態からストイキ領域を超えてリーン状態に速やかに変化する。
他方、下流ＡＦセンサ１３Ｒの出力値、即ち、検出される空気過剰率λは、リッチスパイク制御を実行する時点ｔ１から時点ｔ４の間、時点ｔ１においてリーン状態からストイキ領域に速やかに変化し、ストイキ領域に時点ｔ２まで留まった後にリッチ状態に変化する。これは、酸素蓄積能力を有する酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を含むＯＳＣを備える三元触媒１１とＬＮＴ１２とに、リッチスパイク制御開始前のリーン状態での定常運転時において排気中に含まれる酸素Ｏ_２が吸蔵されており、リッチスパイク制御により時点ｔ１において排気がリッチ状態に変化すると、下記に示すように、
２ＣｅＯ_２→Ｃｅ_２Ｏ_３＋１／２Ｏ_２
と吸蔵している酸素が放出されるためである。
そして、三元触媒１１では、排気中に含まれる酸素により、排気中に含まれるＨＣ、ＣＯ成分を、下記に示すように、
ＨＣ＋Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２
ＣＯ＋Ｏ_２→ＣＯ_２
と酸化する。
また、ＬＮＴ１２では、ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘが、下記に示すように、
ＮＯ_３ ⁻→ＮＯ＋Ｏ_２
と放出され、下記に示すように、
ＮＯ＋ＣＯ→ＣＯ_２＋１／２Ｎ_２
ＮＯ＋２ＨＣ→５／２Ｎ_２＋Ｈ_２＋３ＣＯ_２
と、ＨＣ、ＣＯにより還元されて、窒素ガスとして排出され、またＨＣ、ＣＯは酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排出される。
以上のことから、時点ｔ１から時点ｔ３までの、上流ＡＦセンサ１３Ｆの出力値と下流ＡＦセンサ１３Ｒの出力値とで囲まれる領域であるエリアＡには、ＬＮＴ１２で実行されるＮＯの還元反応分と三元触媒１１及びＬＮＴ１２の助触媒からの酸素放出による酸化反応分とが含まれる。
また、ＦＩＧ．２において、リッチスパイク制御後、つまり時点ｔ４以降において、下流ＡＦセンサ１３Ｒの出力値、即ち、検出される空気過剰率λは、時点ｔ３から時点ｔ４の間はリッチ状態に維持され、時点ｔ４においてリッチ状態からストイキ領域に速やかに変化し、ストイキ領域に時点ｔ５まで留まった後にリーン状態に変化する。これは、酸素蓄積能力を有する酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を含むＯＳＣを備える三元触媒１１とＬＮＴ１２とに、排気中に含まれる酸素が、下記に示すように、
Ｃｅ２Ｏ_３＋１／２Ｏ_２→２ＣｅＯ_２
と吸蔵されるためである。また、三元触媒１１では、排気中に含まれる酸素とＨＣ、ＣＯ成分を、下記に示すように、
ＨＣ＋Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２
ＣＯ＋Ｏ_２→ＣＯ_２
と酸化する。さらに、ＬＮＴ１２では、排気中に含まれるＮＯｘを、下記に示すように、
ＮＯ＋Ｏ_２→ＮＯ_３ ⁻
とＮＯｘ吸収剤に吸収する。
以上のことから、時点ｔ４から時点ｔ６までの、上流ＡＦセンサ１３Ｆの出力値と下流ＡＦセンサ１３Ｒの出力値とで囲まれる領域であるエリアＢには、三元触媒１１及びＬＮＴ１２の助触媒での酸素吸蔵による酸化反応分と、ＬＮＴ１２で実行されるＮＯの吸収反応分とが含まれる。但し、ＬＮＴ１２で実行されるＮＯの吸収反応分は、時点ｔ４から時点ｔ６までのごく短時間に実施されるものであり、無視してもよい微量のものであるため、大部分が三元触媒１１及びＬＮＴ１２の助触媒での酸素吸蔵による酸化反応分と判断してもよい。
ＥＣＵ１５は、以上のリッチスパイク制御の実行時及びリッチスパイク制御の終了時における、上流ＡＦセンサ１３Ｆと下流ＡＦセンサ１３Ｒとの出力値の変化に基づいて、ＬＮＴ劣化判定を実行する。
ＦＩＧ．３は、リッチスパイク制御の実行時及びその後の所定時間において、ＥＣＵ１５により例えば、内燃機関１の運転中に２０ミリ秒（ｍｓｅｃ）毎に実行される、本発明の第１実施例に係るＬＮＴ１２の「ＬＮＴ劣化判定ルーチン」を示すフローチャートである。以下に、ＦＩＧ．３のフローチャートに基づいて、本発明の第１実施例に係るＬＮＴ１２の「ＬＮＴ劣化判定ルーチン」を説明する。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「Ｆｒｉｃｈ＝１」に設定されるものとする。
この実施例では、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、三元触媒１１の上流位置に配置した上流ＡＦセンサ１３ＦとＬＮＴ１２の下流位置に配置した下流ＡＦセンサ１３Ｒを用い、エリアＡの面積からエリアＢの面積を差引くことによりＬＮＴ１２の還元量を求めて、ＬＮＴ劣化判定を行う。なお、上流ＡＦセンサ１３Ｆ及び下流ＡＦセンサ１３Ｒは比例型空燃比センサである。
ＦＩＧ．３において、ステップＳ１で、ＥＣＵ１５はリッチスパイク制御が許可されているか否かを判定し、許可されている場合にリッチスパイク制御を開始し、ステップＳ２の処理を行う。このため、フラグＦｒｉｃｈ＝１であるか否かを判定し、Ｆｒｉｃｈ＝１であればステップＳ２の処理を行う。
ステップＳ２で、ＥＣＵ１５は、ＦＩＧ．２に示すタイムチャートにおいて、上流ＡＦセンサ１３Ｆと下流ＡＦセンサ１３Ｒとの出力値に基づいて、リッチスパイク制御が実質的に実行されたか否かを判定する。即ち、上流側空気過剰率λＦが１．０より大きい設定値λＦ１より小さく且つ下流側空気過剰率λＲが１．０より大きい設定値λＲ１よりも小さいかを判定し、いずれも設定値λＦ１及び設定値λＲ１よりも小さい場合には、ステップＳ３の処理を行う。ステップＳ１及びステップＳ２の条件が成立しない場合には、今回の処理を終了する。
ステップＳ３で、ＥＣＵ１５は、ＬＮＴ１２の異常判定が実行中であることを記憶するために、ＬＮＴ１２の異常判定実行フラグＦ＝１に設定し、ステップＳ４の処理を行う。
ステップＳ４で、ＥＣＵ１５は、リッチスパイク制御による反応量を積分演算する。即ち、下流側空気過剰率λＲと上流側空気過剰率λＦとの差の積分値Ａλ１を下式、
Ａλ１＝Ａλ１（ｎ−１）＋（λＲ−λＦ）
により算出する。ただし、Ａλ１（ｎ−１）は前回までの下流側空気過剰率λＲと上流側空気過剰率λＦとの差の積分値である。
ステップＳ５で、ＥＣＵ１５は、リッチスパイク制御による反応が終了したか否かを判定する。即ち、下流側空気過剰率λＲが設定値λＲ１より小さい所定値λＲ２よりも小さくなったか、即ち、理論空燃比近傍の領域であるストイキ領域（以下、単に「ストイキ領域」という）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λＦと下流側空気過剰率λＲとの差が、設定値λＦＲ以内となっているか否かを判定する。そして、下流側空気過剰率λＲが設定値λＲ２以上であるとき、または、上流側・下流側の空気過剰率の差が設定値λＦＲよりも大きいときは、今回の処理を終了する。また、下流側空気過剰率λＲが設定値λＲ１より小さい設定値λＲ２よりも小さくなり、ストイキ領域に維持されている期間が終了し、しかも、上流側空気過剰率λＦと下流側空気過剰率λＲとの差が、設定値λＦＲ以内となっている場合には、ＥＣＵ１５はステップＳ６の処理を行う。
ステップＳ６で、ＥＣＵ１５は、算出した積分値Ａλ１（ｎ−１）を異常判定用の最終積分値Ａλ１として確定し、積分値Ａλ１（ｎ−１）をクリアする。最終空気過剰率積分値Ａλ１は、ＦＩＧ．２におけるエリアＡの面積に相当する。
上述したステップＳ２−ステップＳ６が、リッチスパイク中に、上流ＡＦセンサ１３Ｆの出力値と下流ＡＦセンサ１３Ｒの出力値とに基づいて三元触媒１１とＬＮＴ１２とのＮＯｘ吸着量と酸素貯蔵量を検出する第１検出手段に相当する。
また、ステップＳ１において、リッチスパイク制御が許可されていないと判定された場合には、リッチスパイク制御が許可されていない場合とリッチスパイク制御が終了した場合とがある。このため、ステップＳ１において、リッチスパイク制御が許可されていないと判定された場合には、ＥＣＵ１５はステップＳ７で、ＬＮＴ１２の異常判定が実行中であるか否かを判定する。そして、ＬＮＴ１２の異常判定実行フラグＦ＝１でない場合には、リッチスパイク制御が許可されていない場合であるとして今回の処理を終了する。しかし、ＬＮＴ１２の異常判定実行フラグＦ＝１である場合には、リッチスパイク制御が終了した場合であるとして、ＥＣＵ１５はステップＳ８の処理を行う。
ステップＳ８で、ＥＣＵ１５は、ＦＩＧ．２に示すタイムチャートにおいて、上流ＡＦセンサ１３Ｆと下流ＡＦセンサ１３Ｒとの出力値に基づいて、リッチスパイク制御が実質的に終了されたか否かを判定する。即ち、上流側空気過剰率λＦが１．０より小さい設定値λＦ２より大きく且つ下流側空気過剰率λＲが１．０より小さい設定値λＲ３よりも大きいかを判定し、いずれも設定値λＦ２及び設定値λＲ３よりも大きい場合には、ＥＣＵ１５はステップＳ９の処理を行う。ステップＳ７及びステップＳ８の条件が成立しない場合には、今回の処理を終了する。
ステップＳ９で、ＥＣＵ１５は、リッチスパイク制御の終了による反応量を演算する。即ち、下流側空気過剰率λＲと上流側空気過剰率λＦとの差の積分値Ｂλ２を下式、
Ｂλ２＝Ｂλ２（ｎ−１）＋（λＦ−λＲ）
により算出する。ただし、Ｂλ２（ｎ−１）は前回までの下流側空気過剰率λＲと上流側空気過剰率λＦとの差の積分値である。
ステップＳ１０で、ＥＣＵ１５は、リッチスパイク制御の終了による反応が終了したか否かを判定する。即ち、下流側空気過剰率λＲが設定値λＲ３より小さい所定値λＲ４よりも大きくなったか、即ち、ストイキ領域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λＦと下流側空気過剰率λＲとの差が、設定値λＦＲ以内となっているか否かを判定する。そして、下流側空気過剰率λＲが設定値λＲ４以下であるとき、または、上流側・下流側の空気過剰率の差が設定値λＦＲよりも大きいときは、今回の処理を終了する。また、下流側空気過剰率λＲが設定値λＲ３より大きい設定値λＲ４よりも大きくなり、ストイキ領域に維持されている期間が終了し、しかも、上流側空気過剰率λＦと下流側空気過剰率λＲとの差が、設定値λＦＲ以内となっている場合には、ＥＣＵ１５はステップＳ１１の処理を行う。
ステップＳ１１で、ＥＣＵ１５は、算出した積分量Ｂλ２（ｎ−１）を異常判定用の最終積分値Ｂλ２として確定し、積分値Ｂλ２（ｎ−１）をクリアする。最終積分値Ｂλ２は、ＦＩＧ．２におけるエリアＢの面積に相当する。
上述したステップＳ７−Ｓ１１が、リッチスパイク後に排気の空燃比がリーンに変化し、下流ＡＦセンサ１３Ｒの出力がリーンとなるまでに、上流ＡＦセンサ１３Ｆの出力値と下流ＡＦセンサ１３Ｒの出力値とに基づいて三元触媒１１とＬＮＴ１２との酸素貯蔵量を検出する第２検出手段に相当する。
ステップＳ１２で、ＥＣＵ１５は、ステップＳ６で確定した異常判定用の最終積分値Ａλ１から、ステップＳ１１で確定した異常判定用の最終積分値Ｂλ２を減算してその差分を演算する。前記差分は、ＦＩＧ．２におけるエリアＡの面積からエリアＢの面積を減算した面積に相当する。そして、エリアＡの面積はＬＮＴ１２で実行されるＮＯの還元反応分と三元触媒１１及びＬＮＴ１２の助触媒からの酸素放出による酸化反応分とが含まれるのに対し、エリアＢの面積は大部分が三元触媒１１及びＬＮＴ１２の助触媒での酸素吸蔵による酸化反応分である。このため、前記差分はＬＮＴ１２で実行されるＮＯの還元反応分に相当する。
ＥＣＵ１５は、前記差分が予め設定した設定積分差値を超えているか否かを判定し、差分が予め設定した設定積分差値を超えている場合には、ステップＳ１３において触媒は正常であると判定し、ステップＳ１５で異常判定実行フラグＦを「異常判定実行フラグＦ＝０」として処理を終了する。また、差分が予め設定した設定積分差値を超えていない場合には、ステップＳ１４において触媒は異常である（劣化している）と判定し、ステップＳ１５で異常判定実行フラグＦを「異常判定実行フラグＦ＝０」として処理を終了する。
本実施例においては、エリアＢの面積を算出することで助触媒へのＯ_２吸蔵量を検出する。このＯ_２吸蔵量がエリアＡの酸化反応分になるので、エリアＡのトータルの面積からエリアＢのＯ_２吸蔵量を差し引くことで、エリアＡでのＮＯｘ還元量だけを検出することができる。このため、ＬＮＴ１２のみの劣化を判定することができる。
上述したステップＳ１２−ステップＳ１４が、劣化判定装置に相当する。
ＦＩＧ．４は、リッチスパイク制御の実行時及びその後の所定時間において、ＥＣＵ１５により例えば、内燃機関１の運転中に２０ｍｓｅｃ毎に実行される、本発明の第２実施例に係るＬＮＴ１２の「ＬＮＴ劣化判定ルーチン」を示すフローチャートである。以下に、ＦＩＧ．４のフローチャートに基づいて、本発明の第２実施例に係るＬＮＴ１２の「ＬＮＴ劣化判定ルーチン」を説明する。
この実施例では、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、三元触媒１１の上流位置に配置した上流ＡＦセンサ１３ＦとＬＮＴ１２の下流位置に配置した下流ＡＦセンサ１３Ｒを用い、エリアＡの出現時間からエリアＢの出現時間を差引くことによりＬＮＴ１２の還元量を求めて、ＬＮＴ劣化判定を行う。
ステップＳ２１で、ＥＣＵ１５は、実施例１のステップＳ１と同様にリッチスパイク制御が許可されているか否かを判定し、許可されている場合にリッチスパイク制御を開始し、ステップＳ２２の処理を行う。このため、フラグＦｒｉｃｈが設定されているか否かを判定し、Ｆｒｉｃｈ＝１であればステップＳ２２の処理を行う。
ステップＳ２２で、ＥＣＵ１５はＦＩＧ．２に示すタイムチャートにおいて、上流ＡＦセンサ１３Ｆと下流ＡＦセンサ１３Ｒとの出力値に基づいて、リッチスパイク制御が実質的に実行されたか否かを判定する。即ち、上流側空気過剰率λＦが１．０より大きい設定値λＦ１より小さく且つ下流側空気過剰率λＲが１．０より大きい設定値λＲ１よりも小さいかを判定し、いずれも設定値λＦ１及び設定値λＲ１よりも小さい場合には、ステップＳ２３の処理を行う。上記ステップＳ２１−ステップＳ２２の条件が成立しない場合には、今回の処理を終了する。
ステップＳ２３で、ＥＣＵ１５は、ＬＮＴ１２の異常判定が実行中であることを記憶するために、実施例１のステップＳ３と同様にＬＮＴ１２の異常判定実行フラグＦ＝１に設定し、ステップＳ２４の処理を行う。
ステップＳ２４で、ＥＣＵ１５は、下流側空気過剰率λＲが上流側空気過剰率λＦより大きいか否かを演算し、大きい場合はステップＳ２５へ進んで、算出時間ＣＯＵＮＴＥＲ１をインクレメントし、ステップＳ２６の処理を行う。しかしながら、下流側空気過剰率λＲが上流側空気過剰率λＦより小さい場合には、今回の処理を終了する。
ステップＳ２６で、ＥＣＵ１５は、実施例１のステップＳ５と同様にリッチスパイク制御による反応が終了したか否かを判定する。即ち、下流側空気過剰率λＲが設定値λＲ１より小さい設定値λＲ２よりも小さくなったか、即ち、ストイキ領域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λＦと下流側空気過剰率λＲとの差が、設定値λＦＲ以内となっているか否かを判定する。そして、下流側空気過剰率λＲが設定値λＲ２以上であるとき、または、上流側・下流側の空気過剰率の差が設定値λＦＲよりも大きいときは、今回の処理を終了する。また、下流側空気過剰率λＲが設定値λＦ１より小さい設定値λＲ２よりも小さくなり、ストイキ領域に維持されている期間が終了し、しかも、上流側空気過剰率λＦと下流側空気過剰率λＲとの差が、設定値λＦＲ以内となっている場合には、ＥＣＵ１５はステップＳ２７の処理を行う。
ステップＳ２７で、ＥＣＵ１５は、算出時間ＣＯＵＮＴＥＲ１を異常判定用の最終累計時間Ａ１として確定し、算出時間ＣＯＵＮＴＥＲ１をクリアする。前記最終累計時間Ａ１は、ＦＩＧ．２におけるエリアＡを含む時点ｔ１−ｔ３間の時間に相当する。
また、ステップＳ２１において、リッチスパイク制御が許可されていないと判定された場合には、リッチスパイク制御が許可されていない場合とリッチスパイク制御が終了した場合とがある。このため、ステップＳ２１において、リッチスパイク制御が許可されていないと判定された場合にはＥＣＵ１５はステップＳ２８の処理を行い、ＬＮＴ１２の異常判定が実行中であるか否かを判定する。そして、ＬＮＴ１２の異常判定実行フラグＦ＝１でない場合には、リッチスパイク制御が許可されていない場合であるとして今回の処理を終了する。しかし、ＬＮＴ１２の異常判定実行フラグＦ＝１である場合には、リッチスパイク制御が終了した場合であるとして、ＥＣＵ１５はステップＳ２９の処理を行う。
ステップＳ２９で、ＥＣＵ１５は、ＦＩＧ．２に示すタイムチャートにおいて、上流ＡＦセンサ１３Ｆと下流ＡＦセンサ１３Ｒとの出力値に基づいて、リッチスパイク制御が実質的に終了されたか否かを判定する。即ち、上流側空気過剰率λＦが１．０より小さい設定値λＦ２より大きく且つ下流側空気過剰率λＲが１．０より小さい設定値λＲ３よりも大きいかを判定し、いずれも設定値λＦ２及び設定値λＲ３よりも大きい場合には、ＥＣＵ１５はステップＳ３０の処理を行う。
ステップＳ３０では、上流側空気過剰率λＦが下流側空気過剰率λＲより大きいか否かを演算し、大きい場合はステップＳ３１において算出時間ＣＯＵＮＴＥＲ２をインクレメントし、ステップＳ３２の処理を行う。しかしながら、上記ステップＳ２８−ステップＳ３０の条件が成立しない場合には、今回の処理を終了する。
ステップＳ３２で、ＥＣＵ１５は、リッチスパイク制御の終了による反応が終了したか否かを判定する。即ち、下流側空気過剰率λＲが設定値λＲ３より大きい設定値λＲ４よりも大きくなったか、即ち、ストイキ領域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λＦと下流側空気過剰率λＲとの差が、設定値λＦＲ以内となっているか否かを判定する。そして、下流側空気過剰率λＲが設定値λＲ４以下であるとき、または、上流側・下流側の空気過剰率の差が設定値ΔλＦＲよりも大きいときは、今回の処理を終了する。また、下流側空気過剰率λＲが設定値λＦ３より小さい設定値λＲ４よりも大きくなり、ストイキ領域に維持されている期間が終了し、しかも、上流側空気過剰率λＦと下流側空気過剰率λＲとの差が、設定値λＦＲ以内となっている場合には、ＥＣＵ１５はステップＳ３３の処理を行う。
ステップＳ３３で、ＥＣＵ１５は、算出時間ＣＯＵＮＴＥＲ２を異常判定用の最終累計時間Ｂ２として確定し、算出時間ＣＯＵＮＴＥＲ２をクリアする。最終累計時間Ｂ２は、ＦＩＧ．２におけるエリアＢを含む時点ｔ４−ｔ６間の時間に相当する。
ステップＳ３４で、ＥＣＵ１５はステップＳ２７で確定した異常判定用の最終累計時間Ａ１から、ステップＳ３３で確定した異常判定用の最終累計時間Ｂ２を減算してその差分時間を演算する。差分時間は、ＦＩＧ．２におけるエリアＡの出現時間からエリアＢの出現時間を減算した時間に相当する。そして、エリアＡの出現時間はＬＮＴ１２で実行されるＮＯの還元反応分と三元触媒１１及びＬＮＴ１２の助触媒からの酸素放出による酸化反応分とが含まれるのに対し、エリアＢの出現時間は大部分が三元触媒１１及びＬＮＴ１２の助触媒での酸素吸蔵による酸化反応分である。このため、前記差分時間はＬＮＴ１２で実行されるＮＯの還元反応分に相当する。
ＥＣＵ１５は、差分時間が予め設定した設定時間を超えているか否かを判定し、差分時間が予め設定した設定時間を超えている場合には、ステップＳ３５において触媒は正常であると判定し、ステップＳ３７で異常判定実行フラグＦを「異常判定実行フラグＦ＝０」として処理を終了する。また、差分時間が予め設定した設定時間を超えていない場合には、ステップＳ３６において触媒は劣化していると判定し、ステップＳ３７で異常判定実行フラグＦを「異常判定実行フラグＦ＝０」として処理を終了する。
なお、エリアＡの出現時間及びエリアＢの出現時間は、単位時間あたりの排気流量により変化し、排気流量が多い場合には上記各時間が短くなり、逆に排気流量が少ない場合には上記各時間は長くなる。このため、エリアＡの出現時間及びエリアＢの出現時間を、排気流量、例えば、エアフロメータによる空気量に応じて各時間を補正するようにしてもよく、また、予め設定する設定時間を排気流量、例えば、エアフロメータによる空気量に応じて夫々設定するようにしてもよい。
本実施例においては、エリアＢの出現時間により助触媒へのＯ_２吸蔵量を検出する。このＯ_２吸蔵量がエリアＡの酸化反応分になるので、エリアＡのトータルの出現時間からエリアＢの出現時間を差し引くことで、エリアＡでのＮＯｘ還元量だけを検出することができる。このため、ＬＮＴ１２のみの劣化を判定することができる。
なお、上記実施形態において、ＬＮＴ劣化判定の実施のタイミングとして、リッチスパイク制御に関連して常に実行されるものについて説明したが、内燃機関１の定常運転状態においてのみ実行するようにしてもよい。
また、ＬＮＴ１２は、ＦＩＧ．５に実線で示すように、そのベッド温度が下限温度Ｔ＿Ｌｌｉｍｉｔから温度が上昇するにつれて浄化率ηＮＯｘが上昇して特定の温度で最大のＮＯｘ浄化率を示し、該特定温度よりも高温側では温度が上昇するにつれてＮＯｘ浄化率が低下していき、上限温度Ｔ＿Ｕｌｉｍｉｔを超えると浄化率は極端に低下する傾向となる。そして、ＮＯｘ浄化触媒の劣化が進むに連れて、破線で示すように低温側及び高温側の浄化率特性がより低下する。このため、ＬＮＴ１２のベッド温度が最大のＮＯｘ浄化率を示す特定の温度から上限温度Ｔ＿Ｌｌｉｍｉｔ側及び下限温度Ｔ＿Ｕｌｉｍｉｔ側にずれた温度域にあるときに、ＬＮＴ劣化判定を実行すると、ＬＮＴ１２の劣化状態が明確となり、ＬＮＴ１２の劣化状態を確実に判定することができる。
また、上記実施の形態では、三元触媒１１の上流とＬＮＴ１２の下流の空気過剰率を検出するためのセンサとしてＡＦセンサを用いて説明したが、いずれか、もしくは両方をＯ_２センサに変えて実施しても良い。
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
以上の説明に関して、２００９年８月２６日を出願日とする日本国における特願２００９−１９５２１２の内容をここに引用により取り込む。
この発明の実施例が包含する排他的性質又は特長は以下のようにクレームされる。

Claims

内燃機関の排気系に設けられ、排気リーン状態において排気中のＮＯｘを吸収し、排気リッチ状態において吸収したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化触媒と、
該ＮＯｘ浄化触媒の上流側に設けられ、酸素貯蔵能力を有する三元触媒と、
前記三元触媒の上流側に設けられ、排気の空燃比を検出する上流側空燃比センサと、
前記ＮＯｘ浄化触媒の下流側に設けられ、排気の空燃比を検出する下流側空燃比センサとを備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記ＮＯｘ浄化触媒に吸着されたＮＯｘを還元浄化するために内燃機関から排出される排気の空燃比をリーンからリッチに変更し、所定期間経過後にリーンに戻すリッチスパイク手段を備え、
前記リッチスパイク手段によるリッチスパイク中に、前記上流側空燃比センサの出力値と下流側空燃比センサの出力値とに基づいて前記三元触媒とＮＯｘ浄化触媒とのＮＯｘ吸着量と酸素貯蔵量を検出する第１検出手段と、
前記リッチスパイク後に排気の空燃比がリーンに変化し、前記下流側空燃比センサの出力がリーンとなるまでに、前記上流側空燃比センサの出力値と下流側空燃比センサの出力値とに基づいて前記三元触媒とＮＯｘ浄化触媒との酸素貯蔵量を検出する第２検出手段と、
前記第１検出手段の検出値と前記第２検出手段の検出値とに基づいて前記ＮＯｘ浄化触媒の劣化を判定する劣化判定手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記劣化判定手段部は、前記第１検出手段によって検出されるＮＯｘ吸着量と酸素貯蔵量から前記第２検出手段による酸素貯蔵量を差し引いた値が、ＮＯｘ浄化触媒用の劣化判定閾値より小さくなったときに前記ＮＯｘ浄化触媒が劣化したと判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記劣化判定手段は、ＮＯｘ浄化触媒のベッド温度が最大のＮＯｘ浄化率を示す温度から下限温度側又は上限温度側にずれた温度域にあるときに、ＮＯｘ浄化触媒の劣化判定を実行することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関の排気系において、酸素貯蔵能力を有する三元触媒の下流に設けられた、排気リーン状態において排気中のＮＯｘを吸収し、排気リッチ状態において吸収したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化触媒の劣化を判定するＮＯｘ浄化触媒劣化判定方法に関し、
前記ＮＯｘ浄化触媒に吸着されたＮＯｘを還元浄化するために内燃機関の空燃比をリーンからリッチに変更し、所定期間経過後にリーンに戻すリッチスパイクステップと、
内燃機関の排気空燃比がリッチに変化したときに、前記ＮＯｘ浄化触媒下流の空燃比検出値が三元触媒上流の空燃比検出値に一致するまでの時間、又は当該時間における前記ＮＯｘ浄化触媒下流の空燃比検出値と前記三元触媒上流の空燃比検出値との差の積分値を算出する第１算出ステップと、
内燃機関の排気空燃比がリーンに変化したときに、前記ＮＯｘ浄化触媒下流の空燃比検出値が三元触媒上流の空燃比検出値に一致するまでの時間、又は当該時間における前記ＮＯｘ浄化触媒下流の空燃比検出値と前記三元触媒上流の空燃比検出値との差の積分値を算出する第２算出ステップと、
前記第１算出ステップの算出値と前記第２算出ステップの算出値とに基づいて前記ＮＯｘ浄化触媒の劣化を判定する劣化判定ステップと、を備えることを特徴とするＮＯｘ浄化触媒劣化判定方法。
前記劣化判定ステップは、前記第１算出ステップの算出値と第２ステップの算出値との差分が予め設定した所定値以下に低下した場合に、前記ＮＯｘ浄化触媒が劣化したと判定することを特徴とする請求項４に記載のＮＯｘ浄化触媒劣化判定方法。