(57)【要約】【課題】ＮＯＸセンサ出力に基づいてＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化程度を正確に判定する。【解決手段】機関１の排気通路３に配置したＮＯＸ吸蔵還元触媒７の劣化程度を、触媒７下流側に配置したＮＯＸセンサ９の出力に基づいて判定する。機関の電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０は、機関運転条件に基づいて機関１の単位時間当たりのＮＯＸ発生量を算出し、ＮＯＸ発生量に基づいて触媒７に吸蔵されたＮＯＸの量を推定する。また、ＥＣＵはＮＯＸ吸蔵量が一定の基準値に到達する毎にリッチスパイク操作を行い触媒７に吸蔵されたＮＯＸを還元浄化する。ＮＯＸセンサを用いて劣化判定を行う時には、ＥＣＵは基準値を増大させてリッチスパイク時に触媒７に通常より多量のＮＯＸが吸蔵されているようにする。これにより、ＮＯＸセンサの検出精度が上がるＮＯＸ濃度領域で判定を行うことが可能となる。【選択図】　　　図１
2004138031.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置され、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯＸを吸着、吸収またはその両方にて選択的に吸蔵し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となったときに、吸蔵したＮＯＸを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯＸ吸蔵還元触媒を備え、
前記機関をリーン空燃比で運転中に、前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵状態が所定のリッチスパイク条件になる毎に、一時的に機関をリッチ空燃比運転するリッチスパイク操作を行い、ＮＯＸ吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気を供給しＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯＸを還元浄化する内燃機関の排気浄化装置において、
前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒の下流側の排気通路に配置され、排気中のＮＯＸ成分濃度を検出するＮＯＸセンサと、
リーン空燃比運転中の予め定めた判定期間中に検出した前記ＮＯＸセンサ出力を所定の判定値と比較することにより、前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化程度を判定する判定手段を備え、
前記判定期間中には、リッチスパイク操作開始時のＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量が判定期間以外におけるリッチスパイク操作開始時のＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量より大きくなるように、前記リッチスパイク条件を変更する、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵状態としてＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量を使用し、前記リッチスパイク条件として前記ＮＯＸ吸蔵量が所定の基準吸蔵量に到達したことを使用し、前記判定期間中における前記基準吸蔵量を判定期間以外における前記基準吸蔵量より大きな値に設定することにより、判定期間におけるリッチスパイク操作開始時のＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量を判定期間以外におけるリッチスパイク操作開始時のＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量より増大させる、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵状態として前回のリッチスパイク操作終了時からの経過時間を使用し、前記リッチスパイク条件として前記経過時間が所定の基準時間に到達したことを使用し、前記判定期間中における前記基準時間を判定期間以外における前記基準時間より長く設定することにより、判定期間におけるリッチスパイク操作開始時のＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量を判定期間以外におるけリッチスパイク操作開始時のＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量より増大させる、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【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、詳細には流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯＸを吸着、吸収またはその両方にて選択的に吸蔵し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となったときに、吸蔵したＮＯＸを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯＸ吸蔵還元触媒を用いて排気浄化を行うとともに、このＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化程度を判定する手段を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯＸを吸着、吸収またはその両方にて選択的に吸蔵し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となったときに、吸蔵したＮＯＸを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯＸ吸蔵還元触媒により、排気中のＮＯＸを浄化する排気浄化装置が知られている。
【０００３】
ところが、ＮＯＸ吸蔵還元触媒は種々の原因で劣化を生じ、排気中のＮＯＸの浄化能力が低下する。例えば、内燃機関の燃料に硫黄分が含まれているような場合には、ＮＯＸ吸蔵還元触媒は燃料中の硫黄分の燃焼により発生する排気中の硫黄酸化物を、ＮＯＸと同様に吸蔵してしまう。ＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵された硫黄酸化物（ＳＯＸ）の量が増大すると、吸蔵されたＳＯＸの量だけＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵能力が低下し、機関のリーン空燃比運転中に吸蔵されずにＮＯＸ吸蔵還元触媒を通過してしまうＮＯＸの量が増大する。
【０００４】
ＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯＸは、機関を一時的にリッチ空燃比で運転してリッチ空燃比の排気を触媒に供給するリッチスパイク操作によりＮＯＸ吸蔵還元触媒から排出し還元浄化することが可能である。
しかし、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯＸはＮＯＸの還元浄化のためのリッチスパイク操作ではＮＯＸ吸蔵還元触媒から排出されないため、リーン空燃比運転が続くとＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯＸ量は徐々に増大し、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ浄化能力が徐々に低下する、いわゆる硫黄被毒、またはＳ被毒が生じる。
【０００５】
また、例えばＮＯＸ吸蔵還元触媒は長期間の使用や高温環境での作動などによっても劣化し、ＮＯＸ吸蔵能力が低下する。
Ｓ被毒は、例えば通常のリッチスパイク操作より高温のリッチ空燃比排気をＮＯＸ吸蔵還元触媒に供給して、吸蔵したＳＯＸをＮＯＸ吸蔵還元触媒から排出させる被毒解消操作を行うことにより解消することができる。
【０００６】
また、Ｓ被毒以外のＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化には回復できないものもあり、劣化が生じた場合には触媒の交換等が必要となる場合がある。
しかし、上記のようにＳ被毒の解消や触媒の交換を適切に行うためにはＮＯＸ吸蔵還元触媒が被毒解消操作や交換を必要とする程度まで劣化したことを正確に判断する必要がある。
【０００７】
ＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化の程度を判定するために、ＮＯＸ吸蔵還元触媒下流側の排気通路に排気中のＮＯＸ濃度を検出するＮＯＸセンサを配置し、このＮＯＸセンサの出力に基づいてＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化程度を判定する技術が知られている。
この種の劣化判定を行う排気浄化装置の例としては、例えば特許文献１と特許文献２とに記載されたものがある。
【０００８】
特許文献１の装置は、リッチスパイク終了後にＮＯＸ吸蔵還元触媒下流側に配置したＮＯＸセンサで検出した排気ＮＯＸ濃度が、所定値まで上昇するのに要する時間が予め定めた時間以下である場合にＮＯＸ吸蔵還元触媒が劣化したと判定することを開示している。
ＮＯＸ吸蔵還元触媒は、ＮＯＸの吸蔵量が増大するにつれてＮＯＸ吸蔵能力が低下し、触媒に流入する排気中のＮＯＸのうち吸蔵されずにＮＯＸ吸蔵還元触媒を通過してしまうＮＯＸの量が増大する。ＮＯＸ吸蔵量の増大により低下した吸蔵能力は、通常であればリッチスパイク操作を行い吸蔵したＮＯＸを還元浄化することにより回復する。ところが、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯＸは通常のリッチスパイク操作によっては触媒から排出されないため、触媒にＳ被毒が発生するとリッチスパイク後も触媒内にはＳＯＸが残留し、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯＸ量に相当する分だけＮＯＸ吸蔵能力が低下したままになる。
【０００９】
また、他の原因による触媒劣化が生じた場合も同様に、リッチスパイク後にも完全にＮＯＸ吸蔵能力が回復しなくなる。すなわち、劣化が生じるとリッチスパイク後もＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵能力は完全には回復しない。このため、Ｓ被毒が生じるとリッチスパイク後比較的少量のＮＯＸを吸収しただけで触媒のＮＯＸ吸蔵能力が大きく低下してしまい、吸蔵されずに触媒を通過するＮＯＸ量が短時間で増大するようになる。
【００１０】
特許文献１では、ＮＯＸセンサでリッチスパイク後の触媒下流側排気ＮＯＸ濃度を計測し、ＮＯＸ濃度が所定値まで上昇する時間が予め定めた時間より短い場合にはリッチスパイク後も充分にＮＯＸ吸蔵能力が回復していない、すなわちＮＯＸ吸蔵還元触媒に劣化が生じていると判定するようにしたものである。
また、特許文献２は機関運転状態に基づいて機関のＮＯＸ排出量を求め、このＮＯＸ排出量に機関運転状態に応じて定まるＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸収効率を乗じた値と、触媒下流側のＮＯＸセンサで検出した実際のＮＯＸ濃度とを比較することにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化の有無を判定する技術を開示している。
【００１１】
すなわち、特許文献２では機関で発生するＮＯＸのうちＮＯＸ吸蔵還元触媒が正常であった場合にＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸収されずに下流側に通過するであろうＮＯＸ量（基準濃度）を機関のＮＯＸ排出量と触媒のＮＯＸ吸収効率との積として求め、実際に触媒を下流側に通過したＮＯＸ量（濃度）がこの基準濃度より大きい場合には、触媒が劣化していると判定するようにしたものである。
【００１２】
【特許文献１】
特開平７−２０８１５１号公報
【特許文献２】
特開２０００−１３０２１２号公報（段落第［００３０］）
【特許文献３】
特開平１１−２２９８５３号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献では、いずれもＮＯＸセンサで検出した排気ＮＯＸ濃度に基づいて触媒劣化を判定しているが、両者ともＮＯＸセンサ出力の信頼性（検出精度）について考慮していないため誤判定が生じる可能性がある。
【００１４】
一般に、ＮＯＸセンサのＮＯＸ検出精度、すなわちＮＯＸセンサ出力の信頼性はＮＯＸ濃度が低い領域では非常に悪くなる。一方、特許文献１および２の方法でＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化の有無を判定する際には劣化の有無を判定するためのＮＯＸ濃度判定値を比較的低濃度側に設定する必要がある。
例えば、ＮＯＸ排出レベルの上限濃度を４０ＰＰＭ以下に維持する必要があると仮定すると、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化が進行して下流側の排気ＮＯＸ濃度（排出ＮＯＸ濃度）が実際に上記の上限濃度４０ＰＰＭに到達してしまってから劣化が生じたと判定したのでは不十分であり、もっと早い時点で劣化の進行を判定しＳ被毒の解消などの劣化対策を実施する必要がある。
【００１５】
例えば、定期的にリッチスパイク操作を行うような場合にＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化判定を行うような運転条件下で、リッチスパイク操作時に下流側排気ＮＯＸ濃度が４０ｐｐｍに到達しているようであれば、もっとＮＯＸ排出量が多い運転条件下（例えば加速時）などには排出ＮＯＸ濃度は上限濃度をはるかに越えてしまう。
【００１６】
このため、常に排出ＮＯＸ濃度を上限値以下に維持するためには、劣化判定時にリッチスパイク直前（すなわち、リッチスパイク操作開始時）の下流側排気ＮＯＸ濃度がもっと低い値（例えば１０ｐｐｍ程度）に到達した時点で、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化が進行したと判定してＳ被毒の解消操作などの劣化対策を行う必要がある。
従って、特許文献１および特許文献２の方法では早期に劣化の判定を行うためには、いずれも劣化判定濃度を低く設定する必要がある。ところが、上述したようにＮＯＸセンサの検出精度は低濃度側では大幅に低下してしまうため、劣化判定濃度を低くすると劣化判定の信頼性そのものが低下してしまう。
【００１７】
このため、上記従来技術ではＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化を正確に判定することができず、機関のＮＯＸ排出量が増大するような運転条件では、排出ＮＯＸ濃度が上限値を越えてしまう問題が生じる。
本発明は上記従来技術の問題に鑑み、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の下流側に配置したＮＯＸセンサを用いてＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化判定を行う場合に、簡易かつ正確に劣化を判定することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の排気通路に配置され、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯＸを吸着、吸収またはその両方にて選択的に吸蔵し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となったときに、吸蔵したＮＯＸを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯＸ吸蔵還元触媒を備え、前記機関をリーン空燃比で運転中に、前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵状態が所定のリッチスパイク条件になる毎に、一時的に機関をリッチ空燃比運転するリッチスパイク操作を行い、ＮＯＸ吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気を供給しＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯＸを還元浄化する内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒の下流側の排気通路に配置され、排気中のＮＯＸ成分濃度を検出するＮＯＸセンサと、リーン空燃比運転中の予め定めた判定期間中に検出した前記ＮＯＸセンサ出力を所定の判定値と比較することにより、前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化程度を判定する判定手段を備え、前記判定期間中には、リッチスパイク操作開始時のＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量が判定期間以外におけるリッチスパイク操作開始時のＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量より大きくなるように、前記リッチスパイク条件を変更する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１９】
すなわち、請求項１の発明では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵状態が所定のリッチスパイク条件を満たす状態になる毎にリッチスパイク操作が行われ、ＮＯＸ吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気が供給される。ここで、ＮＯＸ吸蔵状態とは、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量に関係する状態を示す量であり、例えば、後述するＮＯＸ吸蔵量を表すＮＯＸカウンタの値、前回のリッチスパイク操作実行後の経過時間や走行距離、機関の積算回転数などのように、ＮＯＸ吸蔵還元触媒中に吸蔵されたＮＯＸの量を代表する値を意味している。
【００２０】
本発明では、劣化判定を行う期間以外の通常のリーン空燃比運転時は上記のＮＯＸ吸蔵状態が所定のリッチスパイク条件に到達する毎に（例えば、ＮＯＸ吸蔵量が所定値に到達する毎に、或いは前回リッチスパイク終了後の経過時間や走行距離、機関回転数積算値などが所定の値に到達する毎に）リッチスパイク操作を行う。これにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量はある一定値以上増大することがないため、下流側の排気ＮＯＸ濃度（排出ＮＯＸ濃度）も常に比較的低い値に維持される。
【００２１】
一方、本発明ではＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化判定を行う際には、リッチスパイク開始条件が変更され、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯＸ量が通常のリーン空燃比運転時にリッチスパイク操作を開始する量より大きな値にならないとリッチスパイクが開始されないようにする。例えばリッチスパイク開始を通常より遅らせることにより、リッチスパイク開始時のＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量を通常より増大させることができる。
【００２２】
これにより、判定期間中にはＮＯＸ吸蔵還元触媒には通常のリーン空燃比運転時では到達しない比較的多量のＮＯＸが吸蔵されるようになり、これに応じて下流側の排出ＮＯＸ濃度も通常のリーン空燃比運転時より増大する。
例えば、通常のリーン空燃比運転ではＮＯＸ吸蔵還元触媒にＡｍｇのＮＯＸが吸蔵される毎にリッチスパイク操作を行う設定がされている場合に、リッチスパイク直前（すなわち吸蔵量がＡｍｇの状態）で触媒の排出ＮＯＸ濃度が１０ｐｐｍになったときに触媒が劣化したと判定する必要があったとする。
【００２３】
この場合には、下流側のＮＯＸセンサは１０ｐｐｍ程度の低い濃度領域でも正確な濃度検出を行うことができる必要があるが、実際には低ＮＯＸ濃度領域でのＮＯＸセンサの検出精度は大幅に低下してしまうため、この領域では正確なＮＯＸ濃度の検出を行うことはできず、従ってＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化判定を正確に行うことができない。
【００２４】
本発明では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化判定を行う場合のみ、一時的にＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量がＡｍｇより大きい量（例えばＡｍｇの１．５倍）に到達するまでリッチスパイクを遅らせるようにする。
この場合、リッチスパイクが開始される直前ではＮＯＸ吸蔵還元触媒に１．５ＡｍｇのＮＯＸが吸蔵されることとなる。ＮＯＸ吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯＸ量が増大すると、それに応じて排出の量も増大し、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の種類等によっても変わってくるが、例えばＡｍｇのＮＯＸを吸蔵した状態で排出ＮＯＸ量が１０ｐｐｍとなる劣化状態のＮＯＸ吸蔵還元触媒では、吸蔵量が１．５Ａｍｇになると、排出ＮＯＸ濃度は約２０ｐｐｍになる。
【００２５】
ＮＯＸ濃度が２０ｐｐｍ程度の領域ではＮＯＸセンサの検出精度は良好になるため、この領域ではＮＯＸ吸蔵還元触媒の下流側に配置したＮＯＸセンサの出力を用いて極めて正確にＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化程度を判定することが可能となる。すなわち、本発明では通常のリーン空燃比運転時では到達しない大きな吸蔵量までＮＯＸ吸蔵還元触媒にＮＯＸを吸蔵させることにより、劣化判定の際の判定ＮＯＸ排出濃度を増大させ簡易かつ正確にＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化程度を判定することを可能としているのである。
【００２６】
請求項２に記載の発明によれば、前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵状態としてＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量を使用し、前記リッチスパイク条件として前記ＮＯＸ吸蔵量が所定の基準吸蔵量に到達したことを使用し、前記判定期間中における前記基準吸蔵量を判定期間以外における前記基準吸蔵量より大きな値に設定することにより、判定期間におけるリッチスパイク操作開始時のＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量を判定期間以外におけるリッチスパイク操作開始時のＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量より増大させる、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００２７】
すなわち、請求項２の発明では例えば通常運転時にはＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯＸ量が所定の基準量に到達する毎にリッチスパイク操作を行う場合に、劣化判定時には上記基準量を増大させる。これにより、劣化判定時にはリッチスパイク操作が行われるまでにＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されるＮＯＸ量が通常時より増大し、通常のリーン空燃比運転時よりＮＯＸ吸蔵量が増大した状態でＮＯＸセンサ出力に基づいて劣化判定が行われる。これにより、ＮＯＸセンサ出力の信頼性が向上し簡易かつ正確にＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化程度を判定することが可能となる。
【００２８】
請求項３に記載の発明によれば、前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵状態として前回のリッチスパイク操作終了時からの経過時間を使用し、前記リッチスパイク条件として前記経過時間が所定の基準時間に到達したことを使用し、前記判定期間中における前記基準時間を判定期間以外における前記基準時間より長く設定することにより、判定期間におけるリッチスパイク操作開始時のＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量を判定期間以外におるけリッチスパイク操作開始時のＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量より増大させる、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２９】
すなわち、請求項３の発明では通常のリーン空燃比運転時に所定時間毎にリッチスパイク操作を行うＮＯＸ吸蔵還元触媒に対して、劣化判定時にはリッチスパイク実行間隔を通常のリーン空燃比運転時より長く設定することにより、通常のリーン空燃比運転時よりＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量を増大した状態で判定を行う。これにより劣化判定の際の判定ＮＯＸ排出濃度を増大させＮＯＸセンサ出力に基づいて簡易かつ正確にＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化程度を判定することが可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を自動車用内燃機関に適用した実施形態の概略構成を模式的に示す図である。
図１において、１は内燃機関本体、３は機関１の排気が流れる排気管、３１は排気管３を機関１の各気筒の排気ポートに接続する排気マニホルドを、それぞれ示している。
【００３１】
本実施形態では、排気通路３にはＮＯＸ吸蔵還元触媒７が配置されている。
ＮＯＸ吸蔵還元触媒７は、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯＸを吸着、吸収またはその両方にて選択的に吸蔵保持し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となったときに、吸蔵したＮＯＸを排気中のＨＣ、ＣＯ等の成分を用いて還元浄化するものである。
【００３２】
本実施形態の機関１は、運転条件に応じてリーン空燃比の運転を行うことができる、いわゆるリーンバーンエンジンとされている。このため、機関１がリーン空燃比で運転されると、機関１の排気中のＮＯＸ成分はＮＯＸ吸蔵還元触媒７に吸蔵され、外部に排出されることが防止される。
また、本実施形態では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒７下流側の排気通路には後述するＮＯＸセンサ９が配置されている。ＮＯＸセンサ９は排気中のＮＯＸ成分濃度に応じた電圧信号を発生するセンサである。
【００３３】
図１に３０で示すのは、機関１の燃料噴射制御、点火時期制御等の基本制御を行う電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。ＥＣＵ３０は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、中央演算装置（ＣＰＵ）を双方向性バスで互いに接続した公知の形式のマイクロコンピュータとして構成され、本実施形態では上記基本制御の他に、機関のリーン空燃比運転中にＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯＸ量を推定し、吸蔵ＮＯＸ量が予め定めた基準量に到達する毎に短時間機関をリッチ空燃比で運転して、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯＸを還元浄化するリッチスパイク操作を行う。
【００３４】
また、本実施形態のＥＣＵ３０は、上記の操作の他ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵能力の低下を検出し、触媒の劣化の程度を判定する、後述の劣化判定操作を行う。
これらの制御のため、ＥＣＵ３０の入力ポートには機関１の吸入空気量、運転者のアクセルペダル踏み込み量（アクセル開度）、回転数、冷却水温度、等の運転状態を表すパラメータがそれぞれ図示しないセンサから入力されている他、ＮＯＸセンサ９の出力が図示しないＡＤ変換器を介して入力されている。また、ＥＣＵ３０の出力ポートは燃料噴射弁や点火プラグ（図示せず）に接続され、機関の燃料噴射量や点火時期を運転状態に応じて制御している。
【００３５】
次に、上記実施形態で使用するＮＯＸセンサ９について説明する。
図２は、ＮＯＸセンサの一般的な構造を模式的に示す断面図である。
図２において、ＮＯＸセンサ９は、ジルコニア（ＺｒＯ２）等の固体電界質３３１から構成され、固体電解質内には、拡散律速部３３５を介して排気通路に連通する第１反応室３４０、第１反応室３４０と拡散律速部３３７を介して連通する第２反応室３５０及び、標準気体としての大気が導入される大気室３６０を備えている。拡散律速部３３５、３３７はそれぞれ第１反応室３４０、第２反応室３５０への酸素成分の拡散による流入を抑制し、排気通路内の排気と第１反応室、第１反応室と第２反応室との間の酸素濃度差を維持可能とするものである。
【００３６】
図２に３４１で示すのは第１反応室３４０内に配置された白金電極（陰極）、３４２で示すのは陰極３４１と固体電解質３３１を挟んでセンサ９外部に設けられた同様な白金電極（陽極）である。また、第２反応室３５０内には同様な白金電極３５０とＮＯＸ検出用のロジウム（Ｒｈ）電極３５３が、大気室３６０内には参照用の白金電極３６１が、それぞれ配置されている。図に３７０で示すのは固体電解質加熱用の電気ヒータである。
【００３７】
第１反応室３４０の電極３４１と外部電極３４２、及び第２反応室の電極３５１と外部電極３４２とは、それぞれ第１反応室３４０と第２反応室３５０内の排気中の酸素を外部に排出する酸素ポンプとして機能する。固体電解質３３１が一定の温度以上のときに電極３４１と３４２、及び電極３５１と３４２との間に電圧を印加すると陰極３４１、３５１上では排気中の酸素分子がイオン化され、イオン化した酸素分子が固体電解質３３１内を陽極３４２に向かって移動して陽極３４２上で再び酸素分子になる。このため、第１反応室３４０、第２反応室３５０内の排気中の酸素が外部に排出される。また、酸素イオンの移動に伴って、電極３４２と３４１及び３５１との間には単位時間に移動した酸素分子の量に比例する電流が流れる。このため、この電流を制御することにより各反応室から排出される酸素量を制御することができる。
【００３８】
また、本実施形態では大気室３６０の電極３６１と各反応室内の電極３４１、３５１との間には酸素電池が形成される。第１と第２反応室内の排気は酸素濃度が大気に較べて低いため、大気室３６０内の大気と各反応室内の排気との間には酸素の濃度差が生じている。大気室３６０と各反応室３４０、３５０とを隔てる固体電解質の温度がある温度以上になると、外部から電極間に電圧を印加しない状態では酸素濃度差により大気室３６０内から固体電解質３３１を通って反応室３４０、３５０に酸素が移動するようになる。
【００３９】
すなわち、大気室３６０内の大気中の酸素分子は電極３６１上でイオン化し、固体電解質３３１内を移動して酸素濃度の低い反応室３４０、３５０の電極３４１、３５１上で再び酸素分子になる。このため、電極３６１と各電極３４１、３５１との間には大気の酸素濃度と各反応室内の酸素濃度との差に応じた電圧が発生する。大気の酸素濃度は一定であるため、電極３６１と各電極３４１、３５１との電位差Ｖ０、Ｖ１（図２）はそれぞれ第１反応室３４０と第２反応室３５１内の排気の酸素濃度を表すようになる。
【００４０】
本実施形態では、前述したように、各反応室から酸素を外部に排出する酸素ポンプ（電極３４１と３４２、電極３５１と３４２）が備えられており、それぞれの酸素ポンプの酸素排出速度はそれぞれの電極間のポンプ電流Ｉｐ０、Ｉｐ１（図２）を調節することにより、各反応室内の排気の酸素濃度（すなわち、電圧Ｖ０、Ｖ１）が所定の一定値になるように制御される。本実施形態では第１反応室３４０内の酸素濃度は例えば１ｐｐｍ程度に、また、第２の反応室３５０内の酸素濃度は例えば０．０１ｐｐｍ程度になるようにポンプ電流Ｉｐ０、Ｉｐ１が制御されている。
【００４１】
このため、第２反応室３５０内は極めて酸素濃度の低い還元雰囲気に維持される。一方、排気中のＮＯＸ（ＮＯ、ＮＯ２）は酸素ポンプによっては外部に排出されないため第１、第２反応室中の排気のＮＯＸ濃度は外部の排気と同一に維持される。ところが、第２反応室のＮＯＸ検出電極３５３はロジウム（Ｒｈ）であるため還元触媒として機能し、還元雰囲気下でＮＯＸ（ＮＯ、ＮＯ２）を還元する。また、大気室３６０の参照電極３６１とＮＯＸ検出用電極３５３との間には電圧が印加されているため、ＮＯＸ検出用電極３５３上では、ＮＯ→（１／２）Ｎ２＋（１／２）Ｏ２、またはＮＯ２→（１／２）Ｎ２＋Ｏ２の反応が生じＮＯＸの還元により酸素が発生するようになる。この酸素は、電極３５３上でイオン化して大気室３６０の参照電極３６１に向かって固体電解質３３１中を移動し、参照電極３６１上で酸素分子を形成する。
【００４２】
第２反応室３５０内の酸素濃度は極めて低いため、参照電極３６１に向かって固体電解質中を流れる酸素イオンはその全量が排気中のＮＯＸの還元により生じたことになる。すなわち、固体電解質中を単位時間あたりに流れる酸素イオンの量は、第２反応室内のＮＯＸ濃度（排気通路内の排気のＮＯＸ濃度）に応じた量になる。従って、この酸素イオンの移動に伴って発生する電流値（図２、Ｉｐ２）を計測することにより排気通路内の排気のＮＯＸ濃度を検出することができる。本実施形態のＮＯＸセンサ９は、上記電流値Ｉｐ２を電圧信号に変換し、排気中のＮＯＸ濃度に応じた電圧信号を出力するものである。
【００４３】
本実施形態では、後述するようにＮＯＸセンサ９の出力に基づいてＮＯＸ吸蔵還元触媒７が劣化したか否かの判断を行う。
ところが、ＮＯＸセンサ９のＮＯＸ検出精度はＮＯＸ濃度に応じて変化し、特にＮＯＸ濃度が低い領域（例えば１０ｐｐｍ程度以下の領域）では急激に検出精度が低下する。このため、ＮＯＸセンサを使用して精度良くＮＯＸ吸蔵還元触媒７の劣化判定を行うためには、ＮＯＸセンサ９の検出結果の信頼性が高くなる領域（例えば、ＮＯＸ濃度で２０ｐｐｍ程度以上の領域）で使用する必要がある。
【００４４】
このため、本実施形態では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒が劣化したと判定する場合には、ＮＯＸセンサ９の検出結果の信頼性の高い領域での検出結果に基づいて判定を行うようにしている。ＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化判定操作については後に詳述する。
次に、本実施形態のリッチスパイク操作について説明する。
【００４５】
本実施形態では、ＥＣＵ３０はＮＯＸ吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯＸ量を機関運転状態に基づいて推定し、推定ＮＯＸ吸蔵量が予め定めた所定量に到達したときに、機関１を短時間リッチ空燃比で運転してリッチ空燃比の排気をＮＯＸ吸蔵還元触媒７に供給する。これにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯＸは排気中のＨＣ、ＣＯ成分等により還元浄化され、ＮＯＸ吸蔵還元触媒７のＮＯＸ吸蔵量は低下して吸蔵能力が回復する。
【００４６】
図３は、リーン空燃比運転中のＮＯＸ吸蔵還元触媒７のＮＯＸ吸蔵量と触媒７下流側の排気ＮＯＸ濃度（排出ＮＯＸ濃度）の変化を示している。
図３において、（Ａ）はＮＯＸ吸蔵還元触媒７に流入する排気空燃比（すなわち機関１の運転空燃比）、（Ｂ）はＮＯＸ吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯＸ量（推定値）の変化、（Ｃ）は触媒下流側の排気ＮＯＸ濃度の変化をそれぞれ示している。
【００４７】
図３（Ａ）に区間Ｌで示すように機関のリーン空燃比運転が継続すると、排気中のＮＯＸがＮＯＸ吸蔵還元触媒７に吸蔵されるため、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量は増大する。本実施形態では、後述するように、機関の運転状態に基づいて機関のＮＯＸ排出量を算出し、そのうちの所定の割合のＮＯＸがＮＯＸ吸蔵還元触媒７に吸蔵されると推定し、ＮＯＸ吸蔵量を表すＮＯＸカウンタを用いてリッチスパイク操作開始のタイミングを決定している。
【００４８】
図３（Ｂ）はこのＮＯＸカウンタＣＮＸの値を示している。図３（Ｂ）に示すようにＮＯＸカウンタＣＮＸの値は、リーン空燃比運転中増大される。本実施形態では、このＮＯＸカウンタＣＮＸの値が予め定めた基準値Ｒ１（図３（Ｂ））に到達したときに、リッチスパイク操作をおこなう。
図３（Ａ）に符号ＲＳで示すのは本実施形態におけるリッチスパイク操作である。リッチスパイク操作ＲＳでは、機関空燃比は所定の短時間リッチに変更され、リッチスパイク操作終了時にＮＯＸカウンタＣＮＸの値はゼロにリセットされる（図３（Ｂ）参照）。
【００４９】
図３（Ｃ）は、上記のようにリッチスパイク操作が実行される場合の、ＮＯＸ吸蔵還元触媒７下流側における排気ＮＯＸ濃度（排出ＮＯＸ濃度）の変化を示している。
図３（Ｃ）にＮ１で示すのは劣化していない正常なＮＯＸ吸蔵還元触媒の場合の排出ＮＯＸ濃度の変化である。リーン空燃比運転中、ＮＯＸ吸蔵還元触媒７のＮＯＸ吸蔵量が増大するにつれて触媒７のＮＯＸ吸蔵能力が低下するため、吸蔵されずに触媒７を通過して下流側に到達するＮＯＸの量が増大する。このため、排出ＮＯＸ濃度は、カーブＮ１に示すように徐々に増大し、リッチスパイクＲＳが実施されるとＮＯＸ吸蔵能力の回復により再度ゼロ付近まで低下する。図３（Ｃ）のＡ１はリッチスパイク操作が開始される直前の排出ＮＯＸ濃度を示す。すなわち、正常なＮＯＸ吸蔵還元触媒では排出ＮＯＸ濃度はＡ１以上には増大しない。
【００５０】
一方、ＮＯＸ吸蔵還元触媒７にＳ被毒が生じた場合や他の原因での劣化が生じた場合には、リッチスパイクを実行してもＮＯＸ吸蔵還元触媒７のＮＯＸ吸蔵能力は完全には回復しなくなるため、リッチスパイク後も排出ＮＯＸ濃度も比較的高い値となる。図３（Ｃ）のＮ２はこのように劣化したＮＯＸ吸蔵還元触媒の場合の排出ＮＯＸ濃度の変化を示している。劣化したＮＯＸ吸蔵還元触媒では、このようにリッチスパイク終了後も比較的排出ＮＯＸ濃度が高い状態からＮＯＸの吸蔵を開始するため、排出ＮＯＸ濃度は正常な触媒（Ｎ１）に較べて全体的に高くなり、リッチスパイクが行われる直前の排出ＮＯＸ濃度は正常な触媒の場合のＡ１より高いＡ２に到達する。
【００５１】
すなわち、触媒の劣化が進行するにつれてリッチスパイク操作開始直前の排出ＮＯＸ濃度が上昇するため、リッチスパイク操作開始直前の排出ＮＯＸ濃度（Ａ１、Ａ２）をＮＯＸセンサ９で検出することにより触媒の劣化程度を判定することができる。
ところが、触媒が劣化したと判定する排出ＮＯＸ濃度をＮＯＸ判定値をＡ２とすると、前述したように判定値Ａ２は種々の条件下で排出ＮＯＸ濃度が許容上限値を越えないように設定する必要があり、Ａ２は排出ＮＯＸ濃度の許容上限値に較べてかなり小さな値になる。このため、判定値Ａ２がＮＯＸセンサ９の検出値の信頼性が大幅に低下する低濃度領域に設定される場合があり、ＮＯＸセンサ出力に基づいて正確にＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化程度を判定することができなくなる。
【００５２】
本実施形態では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒９の劣化判定を行う場合には一時的にリッチスパイク操作の開始を遅延させてリッチスパイク開始直前のＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量が大きな値になるようにすることにより上記の問題を防止している。
すなわち、本実施形態では劣化判定時にはＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量（ＮＯＸカウンタ）が通常のリッチスパイク開始条件の値Ｒ１（図３（Ｂ））に到達してもリッチスパイク操作を行わず、Ｒ１より大きい値Ｒ２（例えばＲ１の１．５倍程度の値）に到達したときにリッチスパイク操作を行う。これにより、図３（Ｂ）に一点鎖線ＣＮＸ′で示すように、リッチスパイクのタイミングが図３（Ａ）にＲＳ′で示す位置まで遅延し、それに応じて触媒７のＮＯＸ吸蔵量も増大する。
【００５３】
このため、劣化した触媒（図３（Ｃ）、Ｎ２）では、排出ＮＯＸ濃度がＡ２を越えて増大を続け（図３（Ｃ）、Ｎ３）、リッチスパイクＲＳ′の直前ではＣ１まで増大する。
図３（Ｃ）に示すように排出ＮＯＸ濃度の変化は下に凸な曲線となっており、リッチスパイク後の経過時間が長くなるほど傾斜が急になっている。このため、例えばリッチスパイク実行のＮＯＸカウンタ値を１．５倍に設定した場合、ＮＯＸ吸蔵量Ｃ１はＡ２の１．５倍より大きな値となり、例えばＡ２を１０ｐｐｍ程度に設定しなければならない場合にも、Ｃ１は２０ｐｐｍ程度の大きな値となり、下流側のＮＯＸセンサ９で精度の高い検出が可能となる。
【００５４】
すなわち、本実施形態では劣化判定時に通常であれば時間Ｌが経過した時点で排出ＮＯＸ濃度がＡ２を越えたか否かを判定すべき所を、リッチスパイク操作を時間Ｔが経過するまで遅延させて（図３（Ａ））、時点Ｔで排出ＮＯＸ濃度が通常のＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量より大きな値Ｃ１を越えたか否かを判定することにより、実質的に同一の劣化判定を行うようにしているのである。
【００５５】
図４は、本実施形態における上記劣化判定操作を具体的に説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。
図４の操作では、まずステップ４０１で現在劣化判定実行条件が成立しているか否かが判定される。ステップ４０１における劣化判定実行条件は、例えば、現在リーン空燃比運転中であること、及び前回劣化判定を実行してから所定の時間が経過していること、等である。前者の条件は、本劣化判定操作はリーン空燃比運転中でなければ実施できないため、また、後者の条件は、本操作では一時的にリッチスパイク操作実行間隔を延長してＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量をを通常より増大させるため一時的に排出ＮＯＸ量が増大することになり、劣化判定操作の実行頻度を高くするとＮＯＸ排出量が全体として増大する可能性があるためである。
【００５６】
ステップ４０１の条件の全部が成立した場合には、次にステップ４０３が実行されるが、ステップ４０１の判定条件のいずれか１つ以上が成立しなかった場合には、ステップ４０３以下は実行されず本操作は直ちに終了する。
ステップ４０３ではフラグＥＸの値が０にセットされているか否かが判定される。ここで、ＥＸはステップ４０１で実行条件成立後に次のステップ４０５と４０７とを１回だけ実行させるためのフラグであり、ステップ４０７でＥＸ＝１に、判定終了後にステップ４２３でＥＸ＝１にセットされる。
【００５７】
ステップ４０３でＥＸ＝０である場合には、ステップ４０５でＮＯＸカウンタＣＮＸの値が通常時のリッチスパイク実行基準値Ｒ１（図３（Ｂ）参照）の２分の１以上になっているか否かが判定され、ＣＮＸ≧（１／２）×Ｒ１であった場合にはステップ４０７でＮＯＸカウンタＣＮＸの値をゼロにセットし、フラグＥＸの値を１にセットする。フラグＥＸの値を１にセットしたことにより、次回の操作実行時からはステップ４０５とステップ４０７とはスキップされ、ステップ４０３の次にステップ４０９が実行されるようになる。
【００５８】
すなわち、ステップ４０３から４０７はＮＯＸカウンタＣＮＸの値がリッチスパイク実行基準値Ｒ１の１／２に増大するのを待ってからＣＮＸの値を０にリセットする操作をステップ４０１の劣化判定操作実行条件成立後に１回だけ実行するようにする操作である。
ＣＮＸは、前述したようにＮＯＸ吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯＸの量を表すカウンタであり、図５に示す操作により設定される。
【００５９】
図５は、ＮＯＸカウンタＣＮＸの設定操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。
図５の操作では、機関がリーン空燃比運転されているときに（ステップ５０１）、機関のアクセル開度ＡＣＣＰと回転数ＮＥとを読み込み（ステップ５０３）、これらに基づいて予め作成した数値テーブルから機関の単位時間当たりのＮＯＸ発生量ＮＲを算出する（ステップ５０５）。
【００６０】
機関の単位時間あたりＮＯＸ発生量は機関運転条件（燃料量、空気量）によって定まる。本実施形態では、実際に機関を運転条件を変えて運転し単位時間当たりの機関ＮＯＸ発生量を予め計測して、燃料量、空気量を表す機関運転パラメータとしてＡＣＣＰとＮＥとを用いた数値テーブルの形でＥＣＵ３０のＲＯＭに格納してある。リーン空燃比運転中の機関の単位時間当たりのＮＯＸ発生量ＮＲはアクセル開度ＡＣＣＰと回転数ＮＥとからこの数値テーブルを用いて算出される。
【００６１】
また、ＮＯＸ吸蔵還元触媒７には機関の発生したＮＯＸ量ＮＲのうち所定の割合（吸蔵率γ）のＮＯＸが吸蔵されると考えられるため、単位時間（例えば、図５の操作の実行間隔）当たりのＮＯＸ吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯＸ量の増大量ΔＣＮＸは、ΔＣＮＸ＝γ×ＮＲとして算出される（ステップ５０７）。
なお、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵率γは、触媒条件（排気の空間速度、温度、ＮＯＸ吸蔵量）などによっても変化する。本実施形態では、ＮＯＸ吸蔵率として一定値を使用しているが、機関運転条件（排気流量、温度）とＮＯＸ吸蔵量（ＮＯＸカウンタＣＮＸの値）に応じて吸蔵率γを設定するようにすれば、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量を更に正確に算出することが可能となる。
【００６２】
ＮＯＸカウンタＣＮＸの値は、図５の操作実行毎に、上記により算出した単位時間当たりにＮＯＸ吸蔵還元触媒７に吸蔵されるＮＯＸ量に相当する値ΔＣＮＸをだけ増大される（ステップ５０９）。これにより、ＮＯＸカウンタＣＮＸの値は、現在ＮＯＸ吸蔵還元触媒７が吸蔵したＮＯＸ量に対応した値となる。
本実施形態では、ＮＯＸカウンタＣＮＸの値がリッチスパイク基準値Ｒ１に到達する毎に（ステップ５１１）、リッチスパイクフラグＲＳＸの値を１にセットする（ステップ５１３）とともに、ＮＯＸカウンタＣＮＸの値を０にリセットする（ステップ５１５）。
【００６３】
リッチスパイクフラッグＲＳＸの値が１にセットされると、ＥＣＵ３０により別途実行される図示しない操作により、機関１は所定の短い時間リッチ空燃比で運転されＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯＸは還元浄化されてＮＯＸ吸蔵量は略ゼロになる。なお、リッチスパイク終了後、別途実行される図示しない操作によりＲＳＸの値は０にリセットされる。
前述した図４のステップ４０３から４０７の操作では、劣化判定操作時には上記により設定されるＣＮＸの値が（１／２）×Ｒ１まで増大するのを待ってゼロにリセットする操作を行う。これにより、図５の操作ではＣＮＸの値は再度０から増大することになる。このため、図５ステップ５１１でリッチスパイク操作が実行されるとき（ＣＮＸ≧Ｒ１）には、本来ＣＮＸの値は１．５×Ｒ１になっているはずであったことになる。すなわち、ステップ４０３から４０５の操作により、劣化判定操作時にはリッチスパイクはＮＯＸカウンタＣＮＸの値が通常のリッチスパイク基準値Ｒ１の１．５倍（図３（Ｂ）Ｒ２）になるまで実行されなくなる。
【００６４】
図４に戻ると、上記のようにリッチスパイクを実行するＮＯＸ吸蔵量基準値を通常の値Ｒ１の１．５倍に設定した後、ステップ４０９では現在のＮＯＸカウンタＣＮＸの値がリッチスパイクを実行する直前（Ｒ１−α）（αは適宜な小さい値）になっているか否かを判定し、直前になっている場合にはステップ４１１でＮＯＸセンサ９出力ＶＮＸを読み込む。これにより、ＶＮＸはＮＯＸ吸蔵還元触媒７のＮＯＸ吸蔵量を通常の最大吸蔵量の１．５倍まで増大したときの排出ＮＯＸ濃度となる。このため、比較的排気ＮＯＸ濃度が高い領域でＮＯＸセンサ９による検出を行うことが可能となり、検出精度の低下が防止される。
【００６５】
次いで、ステップ４１３から４２１では、読み込んだＮＯＸセンサ出力ＶＮＸの値に基づいてＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化程度が判定される。
本実施形態では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒７の劣化程度をＶＮＸの値、すなわち通常のリーン空燃比運転時の１．５倍のＮＯＸ吸蔵量（図３において、Ｒ２＝１．５×Ｒ１）における排出ＮＯＸ量に応じて以下の３種類に分類している。
【００６６】
（１）ＶＮＸ＜（１／２）×βのとき：正常
（２）（１／２）×β≦ＶＮＸ＜βのとき：低レベルの劣化
（３）ＶＮＸ≧βのとき：高レベルの劣化
ここで、βは通常運転時の排出ＮＯＸ量の許容上限値であり、例えば４０ｐｐｍ程度の値とされる。
【００６７】
すなわち、本実施形態では通常の１．５倍の量のＮＯＸを吸蔵した場合でも排出ＮＯＸ濃度が許容上限値の１／２（例えば２０ｐｐｍ）に到達しない場合にはＮＯＸ吸蔵還元触媒が正常であると判定する（上記（１））。
この場合には、図４の操作（ステップ４１３、４１７）では触媒７の劣化レベルを表すパラメータＦＬＶの値が１に設定され、機関では通常のリーン空燃比運転が実行される。
【００６８】
また、通常の１．５倍の量のＮＯＸを吸蔵した状態で排出ＮＯＸ濃度が許容上限値の１／２以上となるが、許容上限値（例えば４０ｐｐｍ）には到達していない場合には、ＮＯＸ吸蔵還元触媒は低レベルの劣化を生じていると判定される（上記（２））。
この場合には、機関のＮＯＸ排出量が比較的少ない運転状態では排出ＮＯＸレベルは上限値以下に維持されるものの、加速時、負荷増大時などのように機関のＮＯＸ排出量が増大する条件下では排出ＮＯＸ量が許容上限値になるおそれがある。そこで、この場合には、加速運転等のように負荷が増大する条件（すなわち機関のＮＯＸ排出量が増大する場合）にはリーン空燃比運転を中止して理論空燃比運転を行い、機関のＮＯＸ発生量を低減することにより排出ＮＯＸ量の増大を防止するようにしている。図４の操作では低レベルの劣化が判定されるとパラメータＦＬＶの値は２にセットされる（図４、ステップ４１５、４１９）。
【００６９】
また、通常の１．５倍の量のＮＯＸを吸蔵した状態で排出ＮＯＸ濃度が許容上限値（例えば４０ｐｐｍ）を越えている場合には、かなり劣化進んでいるため高レベルの劣化と判定され（上記（３））、パラメータＦＬＶの値は３にセットされる（図４、ステップ４１５、４２１）。
この場合には、例えばＳ被毒が進行してＮＯＸ吸収剤が劣化した場合を考慮して、直ちに機関排気温度を上昇させたリッチ空燃比（または理論空燃比）で一定の時間機関を運転するＳ被毒解消操作が別途行われる。
【００７０】
本実施形態では、上述のように通常の１．５倍の量のＮＯＸをＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵させ、下流側に排出されるＮＯＸの量が増大した状態でＮＯＸセンサにより排気濃度を検出している。例えば、仮に通常の量のＮＯＸを吸蔵した状態で排出ＮＯＸ量に基づいてＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化を判定しようとすると、例えば低レベルの劣化（上記（１））を判定するためには、１０ｐｐｍ低度のＮＯＸ濃度を正確に判定する必要が生る。このため、ＮＯＸセンサの検出精度が低い領域での判定を行うことになり、劣化判定の信頼性が大幅に低下してしまう。
【００７１】
これに対して、本実施形態では、リッチスパイク操作実施直前のＮＯＸ吸蔵量を、例えば通常の１．５倍低度に増大させたことにより、上記の場合の２倍（２０ｐｐｍ低度）のＮＯＸ濃度領域で低レベルの劣化の判定を行うことが可能となっている。このため、ＮＯＸセンサの検出精度が大幅に向上し判定そのものの信頼性を向上させることが可能となっている。
【００７２】
なお、本実施形態では、劣化判定時に通常の１．５倍にＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量を増大させているが、どの程度までＮＯＸ吸蔵量を増大させるかは触媒の種類により異なる。また、劣化判定時には実際に排出ＮＯＸ濃度が増大することになるため、どの程度まで劣化判定時のＮＯＸ吸蔵量を増大させるかは、実際の触媒を用いた実験により定めることが好ましい。
【００７３】
なお、本実施形態ではＮＯＸセンサ出力値ＶＮＸから直接ＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化程度を判定しているが、ＶＮＸを直接判定に用いる代わりにリッチスパイク開始直前までのＶＮＸの平均値または積算値を用いて劣化判定を行う場合にも、劣化判定時のＮＯＸ吸蔵量を増大させることにより信頼性の高い判定を行うこどが可能となる。
【００７４】
図６は、上記触媒の劣化判定結果に基づく機関の制御操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。
本操作では、前述の（１）〜（３）に説明した劣化レベルに応じた操作を行う。すなわち、ステップ６０１、６０５では図４の操作で設定した劣化パラメータＦＬＶの値に基づいてＮＯＸ吸蔵還元触媒７の現在の劣化レベルが判定され、触媒７が正常な場合（ＦＬＶ＝１）には通常のリーン空燃比運転が実施される（ステップ６０３）。
【００７５】
一方、触媒７に低レベルの劣化を生じている場合（ＦＬＶ＝２）には、ステップ６０５の次にステップ６０７が実行され、現在の機関回転数に基づいてリッチ空燃比運転に切り換えるべき機関トルク（例えばアクセル開度または燃料噴射量）の判定値ＫＬＱＳを設定する。ＫＬＱＳは現在の機関回転数において、触媒７下流側でのＮＯＸ濃度が許容値を越える程度まで機関のＮＯＸ発生量が増大する出力トルクであり、詳細には実際の機関を用いた実験により設定される。
【００７６】
次いで、ステップ６０９では、現在の機関出力トルク（アクセル開度または燃料噴射量）ＫＬＱがステップ６０７で算出した判定値ＫＬＱＳより大きい場合には、ステップ６１１に進みリッチフラグＸＲの値を１に設定する。
フラグＸＲの値が１にセットされると、ＥＣＵ３０により別途実行される操作では、機関１の運転空燃比が理論空燃比に切り換えられる。これにより、加速時、負荷増大時などのＮＯＸ発生量が増大する運転状態では機関が理論空燃比で運転されるようになり、ＮＯＸ発生量が低下するため低レベルの劣化を生じたＮＯＸ吸蔵還元触媒であっても排出ＮＯＸ量が許容値を越えることが防止される。
【００７７】
なお、ステップ６０９で現在の出力トルクが判定値ＫＬＱＳより小さい場合には、リッチフラグＸＲの値は０にセットされ、機関のリーン空燃比運転が継続される。
一方、ステップ６０５でＦＬＶ≠２であった場合には、現在の触媒劣化状態がＦＬＶ＝３、すなわち高レベルの劣化に相当することになる。そこで、この場合には直ちにリーン空燃比運転を中止し、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵能力を回復させるためにステップ６１５でＳ被毒解消操作を行う。
【００７８】
Ｓ被毒解消操作では、機関はリッチ空燃比または理論空燃比で排気温度が上昇する条件で運転される。これにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒には高温のリッチ空燃比または理論空燃比の排気が供給され、吸蔵されたＳＯＸがＮＯＸ吸蔵還元触媒から排出され、ＮＯＸ吸蔵能力が回復する。
なお、触媒が高レベルの劣化を生じていると判定された場合には、Ｓ被毒解消操作を実行するのと同時に、運転席の警告灯を点灯して運転者に触媒の劣化が生じたことを報知するようにしても良い。
【００７９】
上述のように、本実施形態では劣化判定時にリッチスパイクを実行する基準ＮＯＸ吸蔵量（ＮＯＸカウンタ値）を通常運転時より大きく設定することによりＮＯＸセンサを用いた正確な劣化判定を行うことを可能としているが、例えばＮＯＸカウンタを使用せずに、一定時間毎、または一定走行距離や機関回転数積算値毎にリッチスパイクを実行している場合には、例えばリッチスパイク間隔（或いはリッチスパイクを実行する走行距離や回転数積算値）を増大させることにより、同様にＮＯＸセンサを用いた精度の高い劣化判定を行うことが可能となる。
【００８０】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の下流側に配置したＮＯＸセンサを用いてＮＯＸ吸蔵還元触媒の劣化判定を行う場合に、簡易かつ正確に劣化を判定することが可能となるという共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の実施形態の概略構成を説明する図である。
【図２】ＮＯＸセンサのＮＯＸ検出原理を説明する図である。
【図３】ＮＯＸ吸蔵還元触媒のリッチスパイク間におけるＮＯＸ吸蔵量と触媒下流側における排出ＮＯＸ濃度の変化を示す図である。
【図４】劣化判定操作の一例を説明するフローチャートである。
【図５】ＮＯＸカウンタの設定操作を示すフローチャートである。
【図６】劣化判定に基づく機関制御操作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…内燃機関本体
３…排気通路
７…ＮＯＸ吸蔵還元触媒
９…ＮＯＸセンサ
３０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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