(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を設け、その下流側にＮＯｘセンサを設けた内燃機関において、前記ＮＯｘセンサの異常を診断する装置であって、
前記ＮＯｘ触媒に所定量のＮＯｘを吸蔵させると共に、この吸蔵ＮＯｘを放出還元するのに適した過不足のない量よりも過剰の量の還元剤を前記ＮＯｘ触媒に供給し、このときの前記ＮＯｘセンサの出力に基づいて前記ＮＯｘセンサの異常を診断するものであり、
前記過剰量の還元剤の供給がダブルリッチスパイクによってなされ、
前記ダブルリッチスパイクのうちの後段スパイクに対応したＮＯｘセンサ出力に基づいて前記ＮＯｘセンサの異常を診断し、
前記ダブルリッチスパイクが、前段スパイクの還元剤量を増加し且つ後段スパイクの還元剤量を一定としつつ、複数回行われ、このとき後段スパイクに対応したＮＯｘセンサ出力挙動が今回と前回とで等しくなった時点において、その今回の後段スパイクに対応したＮＯｘセンサ出力挙動に基づいて前記ＮＯｘセンサの異常を診断する
ことを特徴とするＮＯｘセンサの異常診断装置。
【請求項２】
前記ＮＯｘセンサが排気ガス中のＮＯｘ及びアンモニアを検出可能である
ことを特徴とする請求項１記載のＮＯｘセンサの異常診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＮＯｘセンサの異常診断装置に係り、特に、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の下流側に設けられたＮＯｘセンサの異常診断のための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジン等の内燃機関の排気系に配置される排気浄化装置として、排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するためのＮＯｘ触媒が知られている。このＮＯｘ触媒としては様々なタイプのものが知られているが、その中で、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵して除去する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（NSR: NOx Storage Reduction）が公知である。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、これに供給される排気ガスの空燃比が所定値（典型的には理論空燃比）よりリーン（即ち、酸素過剰雰囲気）のときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、供給される排気ガスの空燃比が所定値よりリッチ（即ち、酸素不足雰囲気）のときに吸蔵したＮＯｘを放出しＮ2に還元するという、ＮＯｘの吸放出作用を有する。
【０００３】
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒がＮＯｘを飽和状態即ち満杯まで吸蔵すると、ＮＯｘ触媒がそれ以上ＮＯｘを吸蔵できなくなる。そこで、適宜の時間間隔において、ＮＯｘ触媒に還元剤を供給してＮＯｘ触媒を酸素不足雰囲気下におき、ＮＯｘ触媒から吸蔵ＮＯｘを放出させてＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復させることが行われる。これをＮＯｘ再生という。
【０００４】
例えばこのＮＯｘ再生の開始や終了のタイミングを決定するため、ＮＯｘ触媒の下流側には排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサが設けられる。例えば、ＮＯｘ触媒が満杯までＮＯｘを吸蔵すると触媒下流側にＮＯｘが漏れ出すので、ＮＯｘセンサがこの漏れ出したＮＯｘを検出したときにＮＯｘ再生を開始すればよい。また、ＮＯｘ再生中にＮＯｘセンサによる検出ＮＯｘ濃度が十分低下したときに吸蔵ＮＯｘが全て放出されたとみなせるので、ＮＯｘ再生を終了すればよい。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１２０３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、例えば自動車に搭載されたエンジンの場合、排ガスが悪化した状態での走行を未然に防止するため、車載状態（オンボード）で触媒やセンサの異常を検出することが各国法規等からも要請されている。触媒の異常検出については比較的多くの技術が既に存在する。しかしながら、前述の如き、ＮＯｘ触媒の下流側に設けられたＮＯｘセンサの異常検出に関しては効果的な技術が見当たらないのが現状である。特に排ガス規制が厳しくなりつつある現在、単に断線等の故障に止まらず、劣化等に関するセンサ出力の正確性（rationality）についても正しく検出することが求められてきており、これに対応できる抜本的な対策が必要である。
【０００７】
このＮＯｘセンサの異常診断方法として、例えば、同じ位置に複数のＮＯｘセンサを設けてこれらの検出値を相対的に比較したり、ＮＯｘセンサを取り外して固定式分析計でチェックしたりする方法が考えられる。しかし、前者の場合はコスト高となり、後者の場合はオンボードでの診断が不可能である。
【０００８】
特許文献１には、ＮＯｘ吸収剤の下流側に設けられたＮＯｘセンサの異常検出装置が開示されている。ＮＯｘセンサに到達する排気ガスのＮＯｘ濃度が強制的に変動させられ、ＮＯｘセンサ出力値の変動がセンサ正常時の変動からずれている場合にＮＯｘセンサが異常と判定される。
【０００９】
しかし、ＮＯｘセンサに到達する排気ガスがＮＯｘ吸収剤を通過した後の排気ガスであることから、その排気ガスのＮＯｘ濃度はＮＯｘ吸収剤によりＮＯｘが吸収された後の濃度となる。つまり、ＮＯｘセンサの出力値にはセンサ手前のＮＯｘ吸収剤の影響が反映されてしまい、これがＮＯｘセンサの異常診断の精度を低下させる原因となる。
【００１０】
本発明は以上の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の下流側に設けられたＮＯｘセンサの異常を好適に診断することができるＮＯｘセンサの異常診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の形態によれば、
排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を設け、その下流側にＮＯｘセンサを設けた内燃機関において、前記ＮＯｘセンサの異常を診断する装置であって、
前記ＮＯｘ触媒に所定量のＮＯｘを吸蔵させると共に、この吸蔵ＮＯｘを放出還元するのに適した量よりも過剰の量の還元剤を前記ＮＯｘ触媒に供給し、このときの前記ＮＯｘセンサの出力に基づいて前記ＮＯｘセンサの異常を診断する
ことを特徴とするＮＯｘセンサの異常診断装置が提供される。
【００１２】
吸蔵ＮＯｘを放出還元するのに適した量よりも過剰の量の還元剤をＮＯｘ触媒に供給すると、吸蔵ＮＯｘの放出還元に使用されなかった余剰の還元剤に起因して、ＮＯｘセンサが出力を発する。この余剰還元剤の量を予め把握しておけば、余剰還元剤に対応したＮＯｘセンサ出力に基づき、ＮＯｘセンサの異常を診断することができる。ＮＯｘ触媒が吸蔵ＮＯｘを放出しきった後の、既知の余剰還元剤量に対するＮＯｘセンサ出力に基づいてＮＯｘセンサの異常を診断するので、ＮＯｘ触媒の劣化度等の影響を受けずにＮＯｘセンサの異常診断を実行できる。よって好適且つ高精度な異常診断を実行でき、しかもＮＯｘセンサの異常をＮＯｘ触媒の異常と区別して正確に診断できる。
【００１３】
本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記過剰量の還元剤の供給が単一のリッチスパイクによってなされる
ことを特徴とする。
【００１４】
本発明の第３の形態は、前記第１の形態において、
前記過剰量の還元剤の供給がダブルリッチスパイクによってなされる
ことを特徴とする。
【００１５】
本発明の第４の形態は、前記第３の形態において、
前記ダブルリッチスパイクのうちの後段スパイクに対応したＮＯｘセンサ出力に基づいて前記ＮＯｘセンサの異常を診断する
ことを特徴とする。
【００１６】
本発明の第５の形態は、前記第４の形態において、
前記ダブルリッチスパイクが、前段スパイクの還元剤量を増加し且つ後段スパイクの還元剤量を一定としつつ、複数回行われ、このとき後段スパイクに対応したＮＯｘセンサ出力挙動が今回と前回とで等しくなった時点において、その今回の後段スパイクに対応したＮＯｘセンサ出力挙動に基づいて前記ＮＯｘセンサの異常を診断する
ことを特徴とする。
【００１７】
本発明の第６の形態は、前記第１乃至第５のいずれかの形態において、
前記ＮＯｘセンサが排気ガス中のＮＯｘ及びアンモニアを検出可能である
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の下流側に設けられたＮＯｘセンサの異常を好適に診断することができるという、優れた効果が発揮される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。図示されるように、内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生する。内燃機関１は車両用多気筒エンジン（１気筒のみ図示）であり、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。但し、本発明が適用される内燃機関は火花点火式内燃機関に限られず、例えば圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであってもよい。
【００２１】
内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが気筒ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは図示しないカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。さらにシリンダヘッドにはインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設され、燃焼室３内に直接燃料噴射するようになっている。ピストン４はいわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には凹部４ａが形成されている。そして内燃機関１では、燃焼室３内に空気を吸入させた状態で、インジェクタ１２からピストン４の凹部４ａに向けて燃料が直接噴射される。これにより点火プラグ７の近傍に、燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）され、安定した成層燃焼が実行される。
【００２２】
各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介して吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気集合通路をなす吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５と、電子制御式スロットルバルブ１０とが組み込まれている。なお吸気ポート、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。
【００２３】
一方、各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気集合通路をなす排気管６に接続されている。これら排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。排気管６には、その上流側に、排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘを同時に浄化可能な三元触媒１１が設けられ、その下流側に、排気ガス中のＮＯｘを浄化可能なＮＯｘ触媒１６が設けられている。本実施形態では、三元触媒１１とＮＯｘ触媒１６を同一のケーシングに収容してなるＣＣＬ触媒ユニット（CCL: Catalytic Converter Lean）が用いられているが、これに限らず、三元触媒１１とＮＯｘ触媒１６を別々のケーシングに収容して個別に配置してもよい。なおディーゼルエンジンの場合だと、三元触媒の代わりに酸化触媒及びパティキュレートフィルタが典型的に設けられる。
【００２４】
三元触媒１１の上流側に、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を検出するための空燃比センサ１７が設置されている。空燃比センサ１７は所謂広域空燃比センサからなり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能で、その空燃比に比例した信号を出力する。但しこれに限らず、空燃比センサ１７は、理論空燃比（ストイキ）を境に出力値が急変する所謂Ｏ2センサからなってもよい。
【００２５】
三元触媒１１とＮＯｘ触媒１６の間には別の空燃比センサ１９が設置されている。この別の空燃比センサ１９はＯ2センサからなっているが、広域空燃比センサからなってもよい。
【００２６】
ＮＯｘ触媒１６の下流側に、排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサ１８が設置されている。ＮＯｘセンサ１８は、排気ガスのＮＯｘ濃度に比例した電流信号を出力する。特にＮＯｘセンサ１８は、排気ガス中のＮＯｘだけでなく、排気ガス中のアンモニア（ＮＨ3）も検出可能なものであり、所謂限界電流式ＮＯｘセンサである。ＮＯｘセンサ１８は、その内部で排気ガス中のＮＯｘ（特にＮＯ）をＮ2とＯ2に分解し、そのＯ2に基づく酸素イオンの電極間移動により酸素イオン量に比例した電流出力を発生する。その一方で、ＮＯｘセンサ１８は、その内部で排気ガス中のＮＨ3をＮＯとＨ2Ｏに分解し、さらにそのＮＯをＮ2とＯ2に分解し、あとはＮＯｘの場合と同様の原理で電流出力を発生する。ＮＯｘセンサ１８は、ＮＯｘ濃度とアンモニア濃度との合計濃度に比例した出力を発するものであり、ＮＯｘ濃度とアンモニア濃度とを区別して出力を発することはできない。
【００２７】
上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０及びインジェクタ１２等は、制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。またＥＣＵ２０には、図示されるように、前述のエアフローメータ５、空燃比センサ１７、別の空燃比センサ１９、ＮＯｘセンサ１８のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、ＮＯｘ触媒１６の上下流側にそれぞれ設置された排気温センサ即ち触媒前排気温センサ２１及び触媒後排気温センサ２２、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。なお触媒前排気温センサ２１は三元触媒１１とＮＯｘ触媒１６の間の位置に設置される。ＮＯｘセンサ１８にはヒータ付きのものが採用され、ＮＯｘセンサ１８の温度制御（ヒータ制御）がＥＣＵ２０によって実行される。クランク角センサ１４の出力はエンジン回転速度Ｎｅの検出に用いられる。
【００２８】
三元触媒１１は、これに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比（ストイキ、例えばＡ／Ｆ＝１４．６）付近のときにＣＯ，ＨＣ及びＮＯｘを同時に浄化する。この三者を同時に高効率で浄化できる空燃比の幅（ウィンドウ）は比較的狭い。よって三元触媒１１を有効に機能させるため、空燃比制御の一態様として、三元触媒１１に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比付近となるように混合気の空燃比が制御される。これをストイキ制御といい、ストイキ制御が実行されているときのエンジンの運転態様をストイキ運転という。このストイキ制御では目標空燃比が理論空燃比と等しく設定され、空燃比センサ１７により検出された空燃比が目標空燃比と等しくなるように、インジェクタ１２から噴射される燃料噴射量ひいては空燃比がフィードバック制御される。
【００２９】
他方、燃費低減等の観点から、空燃比制御の別の態様として、目標空燃比が理論空燃比より高い値即ちリーンな値に設定される場合がある。これをリーンバーン制御といい、リーンバーン制御が実行されているときのエンジンの運転態様をリーンバーン運転という。なおリーンバーン制御時もストイキ制御時と同様、空燃比センサ１７により検出された空燃比が目標空燃比と等しくなるように燃料噴射量ひいては空燃比がフィードバック制御される。リーンバーン制御時には、エンジンから比較的多量のＮＯｘが排出されると共に、制御空燃比は三元触媒１１でのＮＯｘ浄化率を極端に低下させるほどにリーンな値とされることが多い。この場合に三元触媒１１をすり抜けたＮＯｘを浄化すべく、三元触媒１１の下流側にＮＯｘ触媒１６が設けられている。
【００３０】
ＮＯｘ触媒１６には吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（NSR: NOx Storage Reduction）が用いられている。この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、アルミナＡｌ2Ｏ3等の酸化物からなる基材表面に、触媒成分としての白金Ｐｔのような貴金属と、ＮＯｘ吸収成分とが担持されて構成されている。ＮＯｘ吸収成分は、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なくとも一つから成る。
【００３１】
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒１６は、これに流入される排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンのときには排気ガス中のＮＯｘを硝酸塩の形で吸蔵し、これに流入される排気ガスの空燃比が理論空燃比又はそれよりリッチのときには吸蔵したＮＯｘを放出するという、ＮＯｘの吸放出作用を行う。リーンバーン運転中では、排気空燃比が理論空燃比よりリーンであり、ＮＯｘ触媒１６は排気中のＮＯｘの吸収を行う。一方、ＮＯｘ触媒１６がＮＯｘを飽和状態即ち満杯まで吸蔵すると、ＮＯｘ触媒１６がそれ以上ＮＯｘを吸蔵できなくなることから、ＮＯｘ触媒から吸蔵ＮＯｘを放出させて還元浄化すべく、ＮＯｘ触媒１６に一時的に理論空燃比又はそれよりリッチな排気ガスを供給するリッチスパイク或いはリッチスパイク制御が実行される。このリッチスパイク制御では目標空燃比が一時的に理論空燃比又はそれよりリッチな値に設定され、混合気ひいては排気ガスの空燃比が理論空燃比又はそれより低いリッチな値に制御される。このリッチな排気ガスに含まれる還元成分（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ2）が、ＮＯｘ触媒から吸蔵ＮＯｘを放出させ、その放出ＮＯｘを還元浄化する還元剤として機能する。このように、ＮＯｘ触媒１６から吸蔵ＮＯｘを放出してＮＯｘ触媒１６のＮＯｘ吸蔵能力を回復させることをＮＯｘ再生と称する。
【００３２】
なお、リッチスパイク制御についてはこれ以外にも様々な方法がある。例えば、ＮＯｘ触媒上流側に還元剤供給弁を別途設け、還元剤供給弁を開弁制御して排気中に還元剤を供給する方法がある。還元剤としては、排気中で炭化水素ＨＣや一酸化炭素ＣＯ等の還元成分を発生するものであれば良く、水素、一酸化炭素等の気体、プロパン、プロピレン、ブタン等の液体又は気体の炭化水素、ガソリン、軽油、灯油等の液体燃料等が使用できる。好ましくはエンジンの燃料であるガソリンが使用される。代替的に、インジェクタ１２から燃焼室３に膨張行程後期又は排気行程で燃料を噴射し、未燃燃料を排気中に多く含ませるいわゆるポスト噴射を行う方法が可能である。
【００３３】
ところでリッチスパイクによってＮＯｘ触媒１６に還元剤を供給した場合、ＮＯｘ触媒１６内で還元成分と排気ガス中の窒素Ｎ2が反応してアンモニアＮＨ3が生成される。そしてこのアンモニアＮＨ3が、ＮＯｘ触媒１６から脱離されたＮＯｘと反応し、この結果ＮＯｘが還元されてＮ2となる。その一方で、過剰の還元剤が供給されると、ＮＯｘ触媒１６に吸蔵されていたＮＯｘが全て放出還元されるほかに、ＮＯｘの放出還元に使用されなかった余剰の還元成分によりアンモニアＮＨ3が生成され、ＮＯｘ触媒１６の下流側に排出される。この排出されたアンモニアＮＨ3はＮＯｘセンサ１８によって検出される。
【００３４】
なお、ＮＯｘ触媒１６のＮＯｘ吸放出作用はＮＯｘ触媒１６が所定の作動温度域（例えば２８０〜５５０℃）にないと実質的に行えない。そこで本実施形態ではＮＯｘ触媒１６の温度（触媒床温）を検出又は推定し、リーンバーン運転の実行の可否を判断するようにしている。ＮＯｘ触媒１６の温度は、ＮＯｘ触媒に埋設した温度センサにより直接検出することもできるが、本実施形態ではそれを推定することとしている。具体的には、ＥＣＵ２０が、触媒前排気温センサ２１及び触媒後排気温センサ２２によりそれぞれ検出された触媒前排気温及び触媒後排気温に基づき、触媒温度を推定する。なお推定方法はこのような例に限られない。
【００３５】
次に、ＮＯｘセンサ１８の異常診断について説明する。
【００３６】
概して、本実施形態におけるＮＯｘセンサ１８の異常診断の特徴は、ＮＯｘ触媒１６に所定量のＮＯｘを吸蔵させると共に、この吸蔵ＮＯｘを放出還元するのに適した量（以下「適量」という）よりも過剰の量の還元剤をＮＯｘ触媒１６に供給し、このときのＮＯｘセンサ１８の出力に基づいてＮＯｘセンサ１８の異常を判定する点にある。
【００３７】
過剰量の還元剤をＮＯｘ触媒１６に供給すると、吸蔵ＮＯｘの放出還元に使用されなかった余剰量の還元剤によってアンモニアが生成され、これがＮＯｘセンサ１８によって検知される。吸蔵ＮＯｘの量は予め定められており、この吸蔵ＮＯｘを放出還元するのに適した過不足のない還元剤量も予め実験的に把握しておくことが可能である。よって、その適量に加えて、予め定められた余剰量の還元剤をＮＯｘ触媒に供給すると、その余剰量の還元剤に対応した出力をＮＯｘセンサ１８が発する。従ってこのＮＯｘセンサ１８の出力を監視することでＮＯｘセンサ１８の異常を診断することが可能である。
【００３８】
ＮＯｘセンサ異常診断の第１の態様を図２を参照しつつ説明する。ここで前提として、ＮＯｘ触媒が劣化しておらず十分なＮＯｘ吸蔵能を有していることが予め検出されているものとする。
【００３９】
図中、（Ａ）は、ＮＯｘ触媒１６に吸蔵されたＮＯｘ量を積算するＮＯｘカウンタの値Ｘを示す。ＮＯｘカウンタはＥＣＵ２０に装備されている。具体的にはＥＣＵ２０は、エンジン運転状態を表すパラメータの検出値に基づき、予め実験的に求められたマップ（関数でもよい、以下同様）に従って、エンジンから排出されるＮＯｘ量を推定し、この排出ＮＯｘ量を所定時間毎に積算してこれをＮＯｘ触媒１６に現に吸蔵されているＮＯｘ量とする。かかるパラメータとしては例えばエンジン回転速度Ｎｅ、吸入空気量Ｇａ、空燃比センサ１７によって検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ、触媒前排気温センサ２１によって検出された排気温度Ｔｅｆｒ及び燃料噴射量Ｑの少なくとも一つを用いるのが好ましい。より好ましくは、エンジン回転速度Ｎｅ及び吸入空気量Ｇａから求められる負荷率（＝Ｇａ／Ｎｅ）と、空燃比センサ１７によって検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが用いられる。
【００４０】
図中、（Ｂ）は、ＮＯｘ触媒１６に供給される排気ガスの空燃比Ａ／Ｆを示す。この値は空燃比センサ１７によって検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒと概ね等しい。（Ｃ）は、ＮＯｘセンサ１８の出力を示し、具体的にはＮＯｘセンサ１８によって検出されたアンモニア濃度を示す。
【００４１】
まず図中左側の（Ｉ）の場合を説明する。リーンバーン運転によって空燃比はストイキよりも著しくリーンの値に制御されており（例えばＡ／Ｆ＝２０）、このときエンジンから排出されるＮＯｘはＮＯｘ触媒１６に吸蔵或いはトラップされ、ＮＯｘカウンタ値Ｘは徐々に増大する。そしてＮＯｘ吸蔵量が予め定められた所定量に達した時、即ちＮＯｘカウンタ値Ｘが所定値Ｘｓに達した時、リッチスパイクが実行され、空燃比はストイキよりもリッチに制御される（例えばＡ／Ｆ＝１１）。リッチ空燃比となっているときの図中の斜線領域がリッチスパイクによって供給される還元剤量Ｉに相当する。ＮＯｘ触媒１６に吸蔵させるＮＯｘは、現状の吸蔵能一杯の最大吸蔵量であってもよいし、最大吸蔵量より少ない量であってもよい。
【００４２】
なお、ここでは簡単のため、リーン制御時の空燃比を著しくリーンな値とし、エンジンから排出されたＮＯｘが三元触媒１１で還元されず全量ＮＯｘ触媒１６に吸蔵されるものとする。もっとも、より厳密にＮＯｘ触媒１６の吸蔵ＮＯｘ量を把握したい場合は、空燃比に対する三元触媒１１のＮＯｘ還元率を考慮してエンジンから排出されたＮＯｘ量のうちの所定割合を吸蔵ＮＯｘ量とすればよい。同様に、ここではリッチスパイク時に還元剤の全量がＮＯｘ触媒１６に供給されるものとするが、より厳密に還元剤供給量を把握したい場合は、空燃比に対する三元触媒１１のＨＣ，ＣＯ浄化率を考慮し、エンジンから排出された還元剤量のうちの所定割合をＮＯｘ触媒１６への還元剤供給量とすればよい。
【００４３】
（Ｉ）の場合、リッチスパイクによってＮＯｘ触媒１６に供給された還元剤量は、吸蔵ＮＯｘを放出還元するのに適した過不足の無い量である。このような適量の還元剤量は予め実験等を通じて把握され、ＥＣＵ２０に記憶されている。この場合、ＮＯｘ触媒下流側に余剰の還元剤に起因するアンモニアは排出されない。よって図示されるように、ＮＯｘセンサ１８の出力は変化せず殆どゼロのままである。
【００４４】
余剰還元剤によるＮＯｘセンサ１８の出力変化を十分把握できるような所定時間、即ち所定の時刻ｔａからｔｂまでの期間、ＮＯｘセンサ出力値Ｎが微小時間毎に積算される。（Ｉ）の場合だとその積算値はほぼゼロとなる。なお、積算開始時刻ｔａは例えばリッチスパイク開始時期と等しくされ、積算終了時刻ｔａはリッチスパイク終了時期の所定時間経過後とされる。
【００４５】
リッチスパイクの終了及びリーンバーン運転の再開と同時にＮＯｘカウンタ値Ｘは初期化され、再びゼロからカウント開始となる。
【００４６】
次に、本発明に係る右側の（ＩＩ）の場合だと、同一のＮＯｘ吸蔵量（ＮＯｘカウンタ値Ｘｓ）に対しリッチスパイク時の還元剤量は、（Ｉ）の場合の適量よりも所定量だけ多い過剰な量とされる。この余剰還元剤量が（Ｂ）にΔＩで示される。本態様では、単一或いは１回のリッチスパイク（シングルリッチスパイク）によって過剰量の還元剤が供給される。
【００４７】
こうすると、ＮＯｘ触媒下流側に排出された、余剰の還元剤に起因するアンモニアによりＮＯｘセンサ１８の出力が立ち上がり、ＮＯｘセンサ出力積算値がある正の値を示すようになる。このときのＮＯｘセンサ出力値積算値を所定の異常判定値と比較することでＮＯｘセンサ１８の正常・異常を判定することができる。即ち、既知量の余剰還元剤を供給したときのＮＯｘセンサ出力挙動が予め実験等を通じて把握できるので、実際の出力挙動が予め把握された出力挙動と大きく異なる場合には、ＮＯｘセンサを異常と判定できるのである。
【００４８】
（Ｃ）図において、実線は正常の場合を示し、余剰還元剤量に対応する適度な出力変化が現れている。これに対し、破線は出力減少異常の場合を示し、正常時よりも小さな出力しか得られていない。
【００４９】
ＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮが所定の上限しきい値ＳＮｍａｘ以上となっている場合、ＮＯｘセンサ１８は出力増大異常であると判定される。またＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮが所定の下限しきい値ＳＮｍｉｎ以下となっている場合、ＮＯｘセンサ１８は出力減少異常であると判定される（（Ｃ）図破線の場合）。また、ＮＯｘセンサ出力が本来ゼロであるべき時期（例えば（Ｃ）図のｔｃ）のＮＯｘセンサ出力値Ｎｃが、ゼロより大きい所定値Ｎｃｓ以上となっている場合、ＮＯｘセンサ１８は、基準値としてのゼロが大きくズレているドリフト異常であると判定される。
【００５０】
なお、実際には、リーン制御時にＮＯｘと共に酸素もＮＯｘ触媒１６に吸蔵され、リッチスパイク時には、ＮＯｘ触媒１６からのＮＯｘ及び酸素の放出還元に還元剤が使用される。しかしながら、便宜上はこのような酸素も含めてＮＯｘとして扱っても差し支えなく、本実施形態においてもそのように取り扱うこととする。
【００５１】
以下、ＮＯｘセンサ異常診断の第１の態様に係る処理の手順を図３を参照して説明する。図示される処理はＥＣＵ２０により実行される。なお前提としてリッチスパイク時以外は前述のようなリーンバーン運転がなされているものとする。
【００５２】
最初のステップＳ１０１では、異常診断を行う上で必要な所定の診断条件が成立しているか否かが判断される。例えば、ＮＯｘセンサ１８の素子温度が所定の最小活性温度（例えば約７５０℃）以上となっており、且つＮＯｘ触媒１６が所定の作動温度域（例えば２８０〜５５０℃）にあるときに、診断条件成立となる。
【００５３】
条件不成立のときは処理が即座に終了となる。他方、条件成立のときは、ステップＳ１０２に進んで吸蔵ＮＯｘ量の推定、即ちＮＯｘカウンタ値Ｘの積算が実行される。
【００５４】
次にステップＳ１０３においてＮＯｘカウンタ値Ｘが所定値Ｘｓと比較される。ＮＯｘカウンタ値Ｘが所定値Ｘｓ未満のときはステップＳ１０２の積算が継続される。ＮＯｘカウンタ値Ｘが所定値Ｘｓ以上となったとき（実質的にはＮＯｘカウンタ値Ｘが所定値Ｘｓと等しくなったとき）、ステップＳ１０４に進んで、過剰量の還元剤を供給する単一のリッチスパイクが実行される。
【００５５】
この後、ステップＳ１０５にてＮＯｘセンサ１８の微小時間毎の出力値Ｎがモニタされると共に、この出力値Ｎが所定時間（ｔａからｔｂまで）積算される。そしてモニタ及び積算が終了したならば、ステップＳ１０６において、ＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮが所定の上限しきい値ＳＮｍａｘと比較される。ＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮが上限しきい値ＳＮｍａｘ以上となっている場合、ステップＳ１１０に進んでＮＯｘセンサ１８は異常、特に出力増大異常であると判定される。他方ＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮが上限しきい値ＳＮｍａｘ未満である場合、ステップＳ１０７に進む。
【００５６】
ステップＳ１０７では、ＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮが所定の下限しきい値ＳＮｍｉｎと比較される。ＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮが下限しきい値ＳＮｍｉｎ以下となっている場合、ステップＳ１１０に進んでＮＯｘセンサ１８は異常、特に出力減少異常であると判定される。他方ＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮが下限しきい値ＳＮｍｉｎより大きい場合、ステップＳ１０８に進む。
【００５７】
ステップＳ１０８では、ＮＯｘセンサ出力が本来ゼロであるべき時期ｔｃのＮＯｘセンサ出力Ｎｃが、ゼロより大きい所定値Ｎｃｓと比較される。ＮＯｘセンサ出力Ｎｃが所定値Ｎｃｓ以上となっている場合、ステップＳ１１０に進んでＮＯｘセンサ１８は異常、特にドリフト異常であると判定される。他方ＮＯｘセンサ出力Ｎｃが所定値Ｎｃｓ未満である場合、ステップＳ１０９に進んでＮＯｘセンサ１８は正常と判定される。
【００５８】
次に、ＮＯｘセンサ異常診断の第２の態様を図４を参照しつつ説明する。なお第１の態様と共通の部分については詳細な説明を割愛し、以下相違点を中心に説明する。図中、（Ａ）及び（Ｂ）は前記同様のＮＯｘカウンタ値Ｘ及び排気ガス空燃比Ａ／Ｆをそれぞれ示す。また（Ｃ）及び（Ｄ）は前記同様のＮＯｘセンサ出力を示す。（Ｃ）は正常センサの場合、（Ｄ）は異常センサの場合である。（Ｄ）において、一点鎖線では出力増大異常の場合を、実線では出力減少異常の場合をそれぞれ示す。
【００５９】
（Ｂ）に示されるように、この第２の態様では、２回連続のリッチスパイクからなるダブルリッチスパイクによって過剰量の還元剤が供給される。ダブルリッチスパイクのうち、先に行われるリッチスパイクを前段スパイク、後に行われるリッチスパイクを後段スパイクと称し、それぞれＳ１、Ｓ２で示す。前段スパイクと後段スパイクとの間には極短い休止期間ｔｋ（例えば１〜２秒）が設定されている。図示例では、ＮＯｘ触媒１６へのＮＯｘ吸蔵とダブルリッチスパイクによるＮＯｘ再生とを１組とする吸蔵再生処理が３回（ｎ＝１，２，３）行われている。
【００６０】
まず１回目の吸蔵再生処理（ｎ＝１）において、リーンバーン運転中にＮＯｘ触媒１６へのＮＯｘ吸蔵が行われ、ＮＯｘカウンタ値Ｘが次第に上昇する。そしてＮＯｘ吸蔵量が所定量に達した時、即ちＮＯｘカウンタ値Ｘが所定値Ｘｓに達した時、ダブルリッチスパイク、特に前段スパイクＳ１が実行される。この１回目の吸蔵再生処理における前段スパイクの供給還元剤量は、吸蔵ＮＯｘを全て放出還元するのに過不足のない適量よりも僅かに少ない量とされる。還元剤が余らないので、余剰還元剤に起因するアンモニアも排出されず、ＮＯｘセンサ１８の出力はゼロレベルに維持される。
【００６１】
そして前段スパイク終了後、休止期間ｔｋを経て後段スパイクＳ２が実行される。なお休止期間ｔｋでリーンバーンが実行されているので、その間微量ながらＮＯｘが吸蔵され、ＮＯｘカウンタ値Ｘが上昇するが、休止期間ｔｋが極短いのでその間のＮＯｘ吸蔵量は無視し得る。本実施形態でも休止期間ｔｋ中の吸蔵ＮＯｘは無視するものとする。
【００６２】
後段スパイクＳ２の開始時点ではまだＮＯｘ触媒１６に吸蔵ＮＯｘが残っている。この残余の吸蔵ＮＯｘを放出還元するのに適した量よりも多い量の還元剤が後段スパイクによって供給される。すると余剰の還元剤に起因するアンモニアがＮＯｘセンサ１８によって検出され、ＮＯｘセンサ１８の出力が立ち上がる。このＮＯｘセンサ１８の出力挙動を監視することにより前記同様にＮＯｘセンサ１８の正常・異常を判定できる。
【００６３】
次に、２回目の吸蔵再生処理（ｎ＝２）において、ＮＯｘ吸蔵量が所定量に達したときに行われる前段スパイクＳ１では、先の１回目の前段スパイクにおける供給還元剤量よりも所定量ΔＩ１だけ多い還元剤量が供給される。即ち、１回目及び２回目の前段スパイクの還元剤供給量をＩ１1，Ｉ１2とするとＩ１1＜Ｉ１2である。このように前段スパイクの還元剤供給量は吸蔵再生処理が回を増す毎に所定量ΔＩ１ずつ増加される。
【００６４】
図示例ではこの２回目の前段スパイクの還元剤供給量Ｉ１2が吸蔵ＮＯｘ量に対し過剰となっている。よってそのうちの余剰分に起因してアンモニアが排出され、これによりＮＯｘセンサ出力値が若干立ち上がっている。なお、前段スパイクに関する１回目の還元剤量や増加量ΔＩ１を少なく設定した場合には２回目の前段スパイクによっても過剰量とならない場合があるが、この場合には３回目以降の前段スパイクによっていつかは過剰量に達することとなる。
【００６５】
そして次に後段スパイクＳ２が実行される。この後段スパイクでは、先の１回目の後段スパイクにおける還元剤量と等しい還元剤量が供給される。即ち、１回目及び２回目の後段スパイクの還元剤供給量をＩ２1，Ｉ２2とするとＩ２1＝Ｉ２2である。このように後段スパイクの還元剤供給量は毎回の吸蔵再生処理において一定量とされる。
【００６６】
この後段スパイクＳ２の開始時点では既にＮＯｘ触媒１６に吸蔵ＮＯｘが残っていないので、後段スパイクによって供給された還元剤が全てアンモニアの生成に使用され、当該アンモニアがＮＯｘセンサ１８によって検出される。ＮＯｘセンサ１８の出力は比較的大きく立ち上がることになる。
【００６７】
次に、３回目の吸蔵再生処理（ｎ＝３）において、ＮＯｘ吸蔵量が所定量に達したときに行われる前段スパイクＳ１では、２回目の前段スパイクの還元剤量よりも所定量ΔＩ１だけ多い（つまり１回目の前段スパイクの還元剤量よりも２ΔＩ１だけ多い）還元剤量が供給される。すると吸蔵ＮＯｘ量に対して余剰となる還元剤量が２回目の前段スパイクのときより多くなり、ＮＯｘセンサ出力値は２回目の前段スパイクのときより大きく立ち上がる。
【００６８】
この後、２回目の後段スパイクと同一量の後段スパイクＳ２が実行されると、ここで供給された還元剤が全てアンモニアの生成に使用され、当該アンモニアがＮＯｘセンサ１８によって検出される。つまり、２回目の後段スパイクと３回目の後段スパイクとでは同一量の還元剤に基づくアンモニアがＮＯｘセンサ１８によって検出され、両者のセンサ出力挙動、即ちセンサ出力積算値は同じとなる。
【００６９】
このように、後段スパイクに関して前回（２回目）と今回（３回目）のＮＯｘセンサ出力挙動（具体的にはセンサ出力積算値）が同じとなった時点において、今回の後段スパイクに対応するＮＯｘセンサ出力挙動に基づき、ＮＯｘセンサの異常を診断することができる。なお、ここではＮＯｘセンサ出力挙動としてＮＯｘセンサ出力積算値を用いたが、例えばＮＯｘセンサ出力ピーク値等を用いることも可能である。
【００７０】
以下、ＮＯｘセンサ異常診断の第２の態様に係る処理の手順を図５を参照して説明する。図示される処理はＥＣＵ２０により実行される。なお前提としてリッチスパイク時以外は前述のようなリーンバーン運転がなされているものとする。
【００７１】
最初のステップＳ２０１では、前記ステップＳ１０１同様、異常診断を行う上で必要な所定の診断条件が成立しているか否かが判断される。条件不成立のときは処理が即座に終了となる。他方、条件成立のときは、ステップＳ２０２に進んで、吸蔵再生処理回数ｎをカウントするカウンタが１だけ増加される。なおｎの初期値はゼロであり、１回目の処理時にはｎ＝１となる。
【００７２】
次のステップＳ２０３では吸蔵ＮＯｘ量の推定、即ちＮＯｘカウンタ値Ｘの積算が実行される。そしてステップＳ２０４においてＮＯｘカウンタ値Ｘが所定値Ｘｓと比較される。ＮＯｘカウンタ値Ｘが所定値Ｘｓ未満のときはステップＳ２０３の積算が継続される。ＮＯｘカウンタ値Ｘが所定値Ｘｓ以上となったときは、ステップＳ２０５に進んで前述のようなダブルリッチスパイクが実行される。
【００７３】
この後、ステップＳ２０６にてＮＯｘセンサ１８の微小時間毎の出力値Ｎがモニタされると共に、この出力値Ｎが所定時間積算される。図４に示すように、前段スパイク時のＮＯｘセンサ出力値Ｎ１が所定時間（ｔａ１nからｔｂ１nまで）積算されると共に、後段スパイク時のＮＯｘセンサ出力値Ｎ２が所定時間（ｔａ２nからｔｂ２nまで）積算される。これら積算時間はそれぞれ余剰還元剤によるＮＯｘセンサ出力挙動を十分把握できるような時間に設定されている。
【００７４】
そしてモニタ及び積算が終了したならば、ステップＳ２０７において、今回の後段スパイクに対応するＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮ２nが前回の後段スパイクに対応するＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮ２n-1以下（ＳＮ２n-1≧ＳＮ２n）となったか否かが判断される。但し、実際上、ＳＮ２n-1＞ＳＮ２nとなることはあり得ないので、ここでは実質的にＳＮ２n-1＝ＳＮ２nとなったか否かが判断されていることになる。
【００７５】
ＳＮ２n-1≧ＳＮ２nとなっていない場合、即ち実質的にＳＮ２n-1＝ＳＮ２nとなっていない場合、ステップＳ２０２に進んで、ステップＳ２０２〜２０６が繰り返し実行される。即ち、吸蔵再生処理回数ｎが１だけカウントアップされると共に、再度、ＮＯｘカウンタ値Ｘが所定値ＸｓとなるまでＮＯｘ吸蔵が行われ、その後ダブルリッチスパイクが実行される。ダブルリッチスパイクにおいて、前段スパイクの還元剤量は前回に比べ所定量ΔＩだけ増加され、後段スパイクの還元剤量は前回と等しくされる。そして前段スパイク及び後段スパイクに対応するＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮ１n、ＳＮ２nが計算される。
【００７６】
ステップＳ２０７においてＳＮ２n-1≧ＳＮ２nとなった場合、即ち実質的にＳＮ２n-1＝ＳＮ２nとなった場合、今回の後段スパイクに対応するＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮ２nは、後段スパイクによる一定量の還元剤Ｉ２に対応した値となるはずである。よってこの今回の後段スパイクに対応するＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮ２nに基づき、以下のようにしてＮＯｘセンサの異常判定がなされる。
【００７７】
まずステップＳ２０８において、ＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮ２nが所定の上限しきい値ＳＮ２ｍａｘと比較され、ＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮ２nが上限しきい値ＳＮ２ｍａｘ以上となっているとき、ステップＳ２１２に進んでＮＯｘセンサ１８は異常、特に出力増大異常であると判定される。他方ＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮ２nが上限しきい値ＳＮ２ｍａｘ未満である場合、ステップＳ２０９に進む。
【００７８】
ステップＳ２０９では、ＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮ２nが所定の下限しきい値ＳＮ２ｍｉｎと比較される。ＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮ２nが下限しきい値ＳＮ２ｍｉｎ以下となっている場合、ステップＳ２１２に進んでＮＯｘセンサ１８は異常、特に出力減少異常であると判定される。他方ＮＯｘセンサ出力積算値ＳＮ２nが下限しきい値ＳＮ２ｍｉｎより大きい場合、ステップＳ２１０に進む。
【００７９】
ステップＳ２１０では、ＮＯｘセンサ出力が本来ゼロであるべき所定時期ｔｃnの今回のＮＯｘセンサ出力Ｎｃnが、ゼロより大きい所定値Ｎｃｓと比較される。例えば図４に示すように、所定時期ｔｃn（ｔｃ3）は、前回の後段スパイクに対応する積算終了時期ｔｂ２n-1（ｔｂ２2）から今回の前段スパイクに対応する積算開始時期ｔａ１n（ｔａ１3）までの間の任意の時期に設定される。当該ＮＯｘセンサ出力Ｎｃnが所定値Ｎｃｓ以上となっている場合、ステップＳ２１２に進んでＮＯｘセンサ１８は異常、特にドリフト異常であると判定される。他方ＮＯｘセンサ出力Ｎｃnが所定値Ｎｃｓ未満である場合、ステップＳ２１１に進んでＮＯｘセンサ１８は正常と判定される。
【００８０】
このように、本実施形態によれば、ＮＯｘセンサ１８の上流側に位置するＮＯｘ触媒１６が吸蔵ＮＯｘを放出しきった後の、既知の余剰還元剤量に対するＮＯｘセンサ出力に基づいてＮＯｘセンサの異常が診断される。よって、ＮＯｘ触媒１６の劣化度等に拘わらず、ＮＯｘ触媒１６の影響を受けずにＮＯｘセンサ１８の異常診断を実行でき、好適且つ高精度で異常診断を実行できる。しかもＮＯｘセンサの異常をＮＯｘ触媒の異常と区別して正確に診断することができる。
【００８１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、前記実施形態ではＮＯｘ触媒の吸蔵ＮＯｘ量をエンジン運転状態に基づき推定するようにしたが、これに代えて、ＮＯｘ触媒に流入する排気ガスのＮＯｘ濃度を別のＮＯｘセンサで直接検出し、その積算値に基づきＮＯｘ触媒の吸蔵ＮＯｘ量を推定するようにしてもよい。
【００８２】
本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。
【図２】異常診断の第１の態様の内容を示すタイムチャートである。
【図３】異常診断の第１の態様の内容を示すフローチャートである。
【図４】異常診断の第２の態様の内容を示すタイムチャートである。
【図５】異常診断の第２の態様の内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８４】
１  内燃機関
６  排気管
１１  三元触媒
１２  インジェクタ
１６  ＮＯｘ触媒
１７  空燃比センサ
１８  ＮＯｘセンサ
１９  別の空燃比センサ
２０  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２１  触媒前排気温センサ
２２  触媒後排気温センサ
Ｘ  ＮＯｘカウンタ値
Ｉ  還元剤量
Ｎ  ＮＯｘセンサ出力値
ＳＮ  ＮＯｘセンサ出力積算値
【図１】
0004485553.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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