JP2012087749A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＮＴ入りＮＯｘ量やＡ／Ｆセンサのずれ等の影響を受けにくく、高精度にＬＮＴの硫黄劣化（Ｓ劣化）を検出する内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】ＬＮＴ６をＬＮＴ６０、ＬＮＴ６１に分割して、その前、中間、後ろにＡ／Ｆセンサ４１、４２、４３を配置する。ＬＮＴ６のＮＯｘ還元制御中に、Ａ／Ｆセンサ４１、４２、４３の計測値の差分の積算によりＬＮＴ６の全体に対するＬＮＴ６１（後部）のＮＯｘ吸蔵量の比率を算出して、この比率が大きい場合に、ＬＮＴ６の前部にＳＯｘが堆積しているとみなしてＬＮＴ６がＳ劣化していると判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

近年の環境保護を重要視する傾向のなかで、自動車等に搭載された内燃機関からの排気を浄化する技術は必須である。例えばディーゼルエンジンにおいては、排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）を排気から除去することが必要である。この目的のために、排気管の途中にＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＬＮＴ：Ｌｅａｎ ＮＯｘ Ｔｒａｐ）を装備する場合がある。

ディーゼルエンジンにおいて基本となるリーン状態の間にＬＮＴにＮＯｘが吸蔵され、時間的な間隔をおいてリッチ状態に変更されたときにＬＮＴに吸蔵されたＮＯｘが燃料成分と反応して還元されて無害な窒素となって排出される。ＮＯｘを吸蔵するための吸蔵剤として例えばバリウムなどがＬＮＴに担持される。

しかしＬＮＴにおいては、本来ＮＯｘを吸蔵するための吸蔵剤が燃料中の硫黄成分と結合してしまい、ＬＮＴのＮＯｘ吸蔵性能が低減する硫黄被毒（Ｓ被毒、Ｓ劣化）と呼ばれる現象が発生する。このＳ劣化からＬＮＴを再生するために、リッチ雰囲気かつ高温（例えば摂氏６００度以上）にするＳ再生をＳ劣化が進行した度ごとに行わなければならない。

Ｓ再生においては、排気中に含まれる硫黄濃度が一定でないことから、高精度にＬＮＴのＮＯＸ浄化性能を保つためには、ＬＮＴに吸蔵された硫黄量を検出する必要がある。この課題に対し、例えば下記特許文献１では、ＬＮＴ下流側のＡ／Ｆセンサにより検出された空燃比がリーンからリッチに切り換わった時にＬＮＴのＮＯｘ放出作用が完了したと判断し、ＮＯｘ放出に要する反応時間、あるいは前後のＡ／Ｆセンサの差分面積に基づいてＮＯｘ吸蔵量の低下を検出する手法が開示されている。

特開２０００−３４９４６号公報

しかし、特許文献１の手法においては、以下の２点の問題があった。まずＬＮＴに入るＮＯｘ量を高精度に検出する必要があり、ＬＮＴ入りＮＯｘ量に誤差が生じると著しく劣化判定精度が低下する。そして、検出に用いるＡ／Ｆセンサは、排ガス成分の影響を受け易く、リッチ雰囲気下でずれが大きいことが知られている。この場合、劣化検出精度が著しく低下する。以上の問題点を解決する排気浄化装置の開発が望まれる。

そこで本発明が解決しようとする課題は、上記問題点に鑑み、ＬＮＴ入りＮＯｘ量やＡ／Ｆセンサのずれ等の影響を受けにくく、高精度にＬＮＴのＳ劣化を検出する内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記課題を達成するために、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に備えられて窒素酸化物を吸蔵する触媒部と、前記触媒部に吸蔵された窒素酸化物量の排気の流れ方向における空間的な分布を検出する分布検出手段と、その分布検出手段によって検出された前記触媒部における窒素酸化物の吸蔵量の空間的な分布を用いて、前記触媒部における硫黄劣化を判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする。

これにより本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、触媒部内部における窒素酸化物の吸蔵の空間的な分布を検出して、その情報を用いて触媒部の硫黄劣化を判定するので、従来技術では行われていなかった窒素酸化物の吸蔵の空間的な分布を検出することによって、触媒部内における窒素酸化物の吸蔵の状態を従来よりも精緻に検出する。したがって、精緻に検出された吸蔵の空間的な分布の情報を用いて、高精度に触媒部の硫黄劣化を判定できる。

また前記判定手段は、前記分布検出手段によって検出された前記触媒部における窒素酸化物の吸蔵量の空間的な分布において、排気の流れ方向における下流側吸蔵量の全体吸蔵量の割合が閾値よりも高い場合に、前記触媒部は硫黄劣化していると判定するとしてもよい。

これにより触媒部内で、排気の流れ方向における下流側の窒素酸化物の吸蔵量の全体吸蔵量に占める割合が閾値よりも高い場合に、触媒部は硫黄劣化していると判定するので、触媒部が硫黄劣化する場合には、流れ方向の上流側から硫黄酸化物が徐々に堆積していき、その影響で窒素酸化物の吸蔵場所が下流側に移行する性質があることを適切に用いて、窒素酸化物の吸蔵の空間的な分布から硫黄劣化を精度よく判定できる。

また前記触媒部に還元剤を供給して吸蔵された窒素酸化物を還元する還元手段を備え、前記分布検出手段は、前記触媒部における、排気の流れ方向における上流の第１位置、下流の第３位置、その第１位置と第３位置との間の第２位置における少なくとも３つ以上の空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記還元手段による還元の実行中に、前記空燃比検出手段によって検出された前記第１位置、前記第２位置、前記第３位置における少なくとも３つ以上の空燃比により、前記触媒部における窒素酸化物の吸蔵量の空間的な分布を算出する第１算出手段と、を備えたとしてもよい。

これにより窒素酸化物の還元制御中に、触媒部の上流、中間、下流の少なくとも３つの位置で空燃比を検出して、その数値から窒素酸化物の吸蔵量の空間的な分布を算出する。よって窒素酸化物の還元制御中には、窒素酸化物の還元のために触媒部内で燃料が消費されるので、空燃比の検出により触媒部内で吸蔵されていた窒素酸化物の量が検知できる性質を効果的に利用して、空燃比検出手段を複数配置することにより、触媒部の内部における窒素酸化物の吸蔵量の空間的な分布を精度よく算出できる。

また前記第１算出手段は、前記空燃比検出手段によって検出された少なくとも３つ以上の空燃比算出位置のうちのいずれか２つの位置における空燃比の差分値の積算により、その２つの位置の間における窒素酸化物の吸蔵量と相関を有する前記還元剤の消費量を算出する第２算出手段を備えたとしてもよい。

これにより触媒部の上流、中間、下流の少なくとも３位置のうちのいずれか２位置の空燃比の差分値の積算により、その位置間の還元剤（燃料）の消費量を算出する。したがって、還元制御中の２つの位置での空燃比の差分値の積算により、その位置間で吸蔵されていた窒素酸化物の量が算出できることを効果的に利用して、空燃比検出手段を複数配置することにより、触媒部の内部における窒素酸化物の吸蔵量の空間的な分布を精度よく算出できる。

また前記第１算出手段は、前記空燃比検出手段によって検出された少なくとも３つ以上の空燃比検出位置のうちのいずれか２つの位置において、前記２つの位置のうちで上流側の位置がリッチ雰囲気となった時刻と前記２つの位置のうちで下流側の位置がリッチ雰囲気となる時刻との差分により、その２つの位置の間における窒素酸化物の吸蔵量と相関を有する前記還元剤の消費時間を算出する第３算出手段を備えたとしてもよい。

これにより、窒素酸化物の還元制御中における２つの位置において、上流側の位置がリッチ雰囲気となった時刻から下流側の位置がリッチ雰囲気となった時刻との差分が両位置の間における還元剤の消費時間を表し、この消費時間が両位置の間における窒素酸化物の吸蔵量と相関を有するとの性質を有効に利用して、窒素酸化物の吸蔵量が精度よく算出できる。

また前記分布検出手段は、前記触媒部における、排気の流れ方向における上流の第１位置、下流の第３位置、その第１位置と第３位置との間の第２位置における少なくとも３つ以上の窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物検出手段と、前記窒素酸化物検出手段によって検出された前記第１位置、前記第２位置、前記第３位置における少なくとも３つ以上の窒素酸化物濃度により、前記触媒部における窒素酸化物の吸蔵量の空間的な分布を算出する第４算出手段と、を備えたとしてもよい。

これにより触媒部の上流、中間、下流の少なくとも３つの位置で窒素酸化物濃度を検出して、その数値から窒素酸化物の吸蔵量の空間的な分布を算出する。よって窒素酸化物検出手段を複数配置することにより、触媒部の内部における窒素酸化物の吸蔵量の空間的な分布を精度よく算出できる。

また前記第４算出手段は、前記窒素酸化物検出手段によって検出された少なくとも３つ以上の検出位置のうちのいずれか２つの位置における窒素酸化物濃度の差分値の積算により、その２つの位置の間における窒素酸化物の吸蔵量を算出する第５算出手段を備えたとしてもよい。

これにより触媒部の上流、中間、下流の少なくとも３位置のうちのいずれか２位置の窒素酸化物濃度の差分値の積算により、その位置間の窒素酸化物の吸蔵量を算出する。したがって、２つの位置での窒素酸化物濃度の差分値の積算により、その位置間で吸蔵される窒素酸化物の量が算出できることを効果的に利用して、窒素酸化物検出手段を複数配置することにより、触媒部の内部における窒素酸化物の吸蔵量の空間的な分布を精度よく算出できる。

また前記第２算出手段は、前記第１位置と前記第３位置との間の前記還元剤の消費量と、前記第２位置と前記第３位置との間の前記還元剤の消費量と、を算出し、前記判定手段は、前記第２算出手段によって算出された、前記第１位置と前記第３位置との間の前記還元剤の消費量に対する、前記第２位置と前記第３位置との間の前記還元剤の消費量の比率が閾値よりも大きい場合に、前記触媒部は硫黄劣化していると判定するとしてもよい。

これにより還元制御中における触媒部全体の還元剤の消費量に対する触媒部後部の還元剤の消費量の比が閾値を超えると硫黄劣化と判定するので、触媒部の硫黄劣化が進行すると、より後部に窒素酸化物が吸蔵することとなり還元制御中の後部での還元剤（燃料）の消費量が大きくなる性質を効果的に利用して、精度よく硫黄劣化を判定できる。

また前記第５算出手段は、前記第１位置と前記第３位置との間の窒素酸化物の吸蔵量と、前記第２位置と前記第３位置との間の窒素酸化物の吸蔵量と、を算出し、前記判定手段は、前記第５算出手段によって算出された、前記第１位置と前記第３位置との間の窒素酸化物の吸蔵量に対する、前記第２位置と前記第３位置との間の窒素酸化物の吸蔵量の比率が閾値よりも大きい場合に、前記触媒部は硫黄劣化していると判定するとしてもよい。

これにより触媒部全体の窒素酸化物の吸蔵量に対する触媒部後部の窒素酸化物の吸蔵量の比が閾値を超えると硫黄劣化と判定する。したがって、触媒部の硫黄劣化が進行すると、より後部に窒素酸化物が吸蔵する性質を効果的に利用して、精度よく硫黄劣化を判定できる。

また前記触媒部に蓄積した硫黄を除去する再生手段と、その再生手段による硫黄の除去処理の実行の前後における前記触媒部の窒素酸化物の吸蔵量の分布を比較して前記触媒部の故障を判定する故障判定手段と、を備えたとしてもよい。

これにより、上記のとおり触媒部内における窒素酸化物の吸蔵量の空間的な分布を用いて硫黄劣化を判定することに加えて、さらに硫黄の除去処理の前後における窒素酸化物の吸蔵量の空間的な分布を検出して、その比較から触媒部の故障を高精度に判定する。したがって空間的な分布を用いて触媒部の故障も高精度に判定できる排気浄化装置が実現できる。

本発明の実施例における内燃機関の排気浄化装置の概要図。 実施例１におけるＳ被毒判定処理のフローチャート。 ＬＮＴにおける堆積したＮＯｘとＳＯｘの流れ方向の空間的分布の例を示す図。 ＬＮＴに流入するＮＯｘ量と後部ＮＯｘ堆積量の比率との関係の例を示す図。 ＮＯｘ還元制御中におけるＬＮＴの上流、中間、下流の空燃比の時間的推移の例を示す図。 実施例２におけるＳ被毒判定処理のフローチャート。 リーン期間中におけるＬＮＴの上流、中間、下流のＮＯｘ濃度値の時間的推移の例を示す図。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。まず図１は、本発明に係る排気浄化装置１の実施例１の概略図である。排気浄化装置１は、ディーゼルエンジン２（以下では単にエンジンと称する）に対して構成されているとする。

エンジン２及び排気浄化システム１は、吸気管３、排気管４、ＥＧＲ管５を備える。排気管４には、ＮＯｘ浄化のためのＬＮＴ６（Ｌｅａｎ ＮＯｘ Ｔｒａｐ、触媒部）が装備されている。そしてこれらを制御する電子制御装置９（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）が装備されている。エンジン２及び排気浄化システム１は自動車に装備されているとすればよい。

吸気管３を通じてエンジン２に空気が供給される。吸気管３にはエアフロメータ３１が配置されている。エアフロメータ３１によって吸気量が計測される。ここでの吸気量は例えば単位時間当たりの質量流量とすればよい。エンジン２にはインジェクタ２１が装備されている。インジェクタ２１からの噴射によってシリンダ内に燃料が供給される。ＥＧＲ管５は排気管４から吸気管３に排気を再循環させてエンジン筒内の燃焼を抑制してエンジン２からのＮＯｘ排出量を抑制する。

排気管４にエンジン２からの排気が排出される。排気管４に装備されたＬＮＴ６は、上流側のＬＮＴ６０、下流側のＬＮＴ６１と２つに分割して配置する。そしてＬＮＴ６０よりも上流側にＡ／Ｆセンサ４１、ＬＮＴ６０とＬＮＴ６１との間にＡ／Ｆセンサ４２、ＬＮＴ６１よりも下流側にＡ／Ｆセンサ４３を装備して、それぞれの位置でのＡ／Ｆ（空燃比）を検出する。また排気管４のＬＮＴ６よりも上流には、排気管４内に燃料を添加する添加弁４０が装備されている。排気管４のＬＮＴ６よりも上流には、排気温センサ４７も装備されており、ＬＮＴ６に流入する排気の温度を検出する。なお添加弁４０は配置しないとしてもよい。

ＬＮＴ６（６０、６１）は例えばセラミック製の基材上に担体の層が形成されて、担体上に吸蔵剤と触媒とが担持された構造であるとすればよい。担体としては例えばガンマアルミナを用いれば表面の凹凸による大きな表面積によって多くの吸蔵剤、触媒が担持できて好適である。また吸蔵剤としては例えばバリウム、リチウム、カリウムなど、触媒としては例えば白金などを用いればよい。

ＬＮＴ６（６０、６１）においては、理論空燃比よりも燃料が希薄な（通常、Ａ／Ｆ値（空燃比値）は１７以上）リーン雰囲気時に排気中のＮＯｘが吸蔵剤に吸蔵される。そして理論空燃比よりも燃料が過剰な（通常、Ａ／Ｆ値は１４．５以下）リッチ雰囲気に空燃比が調節され、所定の温度条件が満たされると、吸蔵剤に吸蔵されていたＮＯｘが、燃料中の成分から生成された還元剤によって還元されて無害な窒素となって排出される。リッチ雰囲気を形成し、昇温条件を満たすためには例えば、インジェクタ２１から筒内にメイン噴射後に燃料を噴射したり（ポスト噴射）、添加弁４５から燃料を添加したりして、ＬＮＴ６（６０、６１）が担持する（酸化）触媒の作用で昇温させる手法がある。ポスト噴射を用いる場合は添加弁４０を装備しなくともよい。

ＬＮＴ６の使用では、硫黄成分による被毒の問題（硫黄被毒、Ｓ被毒、硫黄劣化、Ｓ劣化）に対する対策が必要である。硫黄被毒とは、触媒（あるいは吸蔵剤）が燃料中の硫黄と結合してしまうことであり、その結果、触媒が排気浄化のための機能を果たせなくなる現象のことで、特定の条件下でＳ被毒前の状態に戻すことが可能である。

硫黄被毒（Ｓ被毒、Ｓ劣化）から触媒を再生する（Ｓ被毒再生あるいはＳ再生）ためには、リッチ雰囲気とし、かつ所定の温度条件（例えば６００度以上）を満たす必要がある。この目的のために、例えばエンジン２筒内でのポスト噴射や、添加弁４５から排気管４へ燃料を添加する等の方策がとられる。ＬＮＴ６（６０、６１）においてＳ被毒が進行したとみなされる毎に、通常こうしたＳ再生を行って、触媒の機能を維持し続ける。

図１に示された点線は情報の伝達を示している。上で述べたエアフロメータ３１、Ａ／Ｆセンサ４１、４２、４３、排気温センサ４７の計測値はＥＣＵ９へ送られる。またＥＣＵ９によりインジェクタ２１によるエンジン２への燃料噴射のタイミングや噴射量、添加弁４０による排気管４への燃料噴射のタイミングや噴射量が調節、制御される。ＥＣＵ９は通常のコンピュータと同様の構造を有するとして、各種演算をおこなうＣＰＵや各種情報を記憶するメモリ９０を備えるとすればよい。

以上の構成のもとで本実施例では、ＬＮＴ６がＳ劣化しているか否かを判定する。その処理手順が図２に示されている。図２（および後述の図６）の手順はプログラム化しておいて例えばメモリ９０に記憶しておき、ＥＣＵ９が自動的にそれを実行すればよい。

図２の処理ではまずＳ１０でＥＣＵ９は、ＮＯｘ還元制御を実行するための条件が満たされているか否かを判定する。ＮＯｘ還元制御を実行するための条件とは、例えばＬＮＴ６に十分にＮＯｘが吸蔵したこととすればよい。その際、ＬＮＴ６におけるＮＯｘ吸蔵量の推定方法は、例えばエンジンの運転条件（エンジン負荷、エンジン回転数）とエンジンからのＮＯｘ排出量との関係を示すマップを予めメモリ９０に記憶しておき、それを用いてエンジンからの時々刻々のＮＯｘの排出量を算出し、それにLNT６で吸蔵される割合を乗算し、積算する等して推定すればよい。なお、LNT６で吸蔵される割合は、例えば吸蔵される割合とLNT６の温度及び瞬時のNOｘ吸蔵量との関係を示す２次元マップを予めメモリ９０に記憶することで算出する。

ＮＯｘ還元制御を実行するための条件が満たされている、すなわちＮＯｘ還元制御を実行するべきであると判定された場合（Ｓ１０：Ｙｅｓ）は、Ｓ２０に進み、ＮＯｘ還元制御を実行するための条件が満たされておらずＮＯｘ還元制御を実行するべきでないと判定された場合（Ｓ１０：Ｎｏ）は、図２の処理を終了する。

次にＳ２０でＥＣＵ９は、ＮＯｘ還元制御を実行する。ＮＯｘ還元制御は具体的には上述のように、エンジン筒内におけるメイン噴射後のポスト噴射や、添加弁４０からの燃料添加などを実行すればよい。

次にＳ３０でＥＣＵ９は、ＬＮＴ６の温度が、ＮＯｘ吸蔵量分布を求めるのに適切な範囲内（例えば摂氏２５０度から４００度）にあるか否かを判定する。ＬＮＴ６の温度が低すぎる場合には十分なＮＯｘ還元が起こらず還元剤消費量から精度よくＮＯｘ吸蔵量（の分布）を算出することができない。またＬＮＴ６の温度が高すぎる場合にはＬＮＴ６から吸蔵したＮＯｘの離脱が起きるので、ＮＯｘ吸蔵量の分布が崩れて、同じく正しくＮＯｘ吸蔵量の分布を算出することができない。

よってＳ３０の処理によって、適切な温度範囲内にある場合のみＬＮＴ６のＮＯｘ吸蔵量分布を算出する。ＬＮＴ６の温度は例えば排気温センサ４７で検出した温度とすればよい。ＬＮＴ６の温度が適切な範囲内にある場合（Ｓ３０：Ｙｅｓ）はＳ４０に進み、その範囲内にない場合（Ｓ３０：Ｎｏ）は図２の処理を終了する。

Ｓ４０に進んだらＥＣＵ９は、還元剤（燃料）のＮＯｘ還元のための消費量を積算する。具体的には以下の式（Ｅ１）、（Ｅ２）、（Ｅ３）のうちのいずれか２つの式により算出する。ここでＡＦｆ、ＡＦｍ、ＡＦｒはそれぞれＡ／Ｆセンサ４１、４２、４３の計測値である。Ｇａはエアフロメータ３１の計測値である。Δｔは積算の周期を示す。なお図２のフローチャートはΔｔごとに繰り返し実行すればよい。ΣはＮＯｘ還元制御の実行開始から現在時点までの積算を示す記号である（・は積）。
Ａ１＝Σ（１／ＡＦｆ−１／ＡＦｍ）・Ｇａ・Δｔ （Ｅ１）
Ａ２＝Σ（１／ＡＦｍ−１／ＡＦｒ）・Ｇａ・Δｔ （Ｅ２）
Ｂ＝Σ（１／ＡＦｆ−１／ＡＦｒ）・Ｇａ・Δｔ （Ｅ３）

式（Ｅ１）の意味を説明する。Ｇａはエアフロメータで計測された単位時間における新気量であるが、この数値は単位時間あたりの排気量とも等しいとみなされる。したがって例えば式（Ｅ１）においてＧａ／ＡＦｆは、ＬＮＴ６の上流部における単位時間あたりの燃料の流量を示す。同様にＧａ／ＡＦｍは、ＬＮＴ６の中間部における単位時間あたりの燃料の流量を示す。

したがって（１／ＡＦｆ−１／ＡＦｍ）・Ｇａは、ＬＮＴ６の前部、すなわちＬＮＴ６０における単位時間あたりの燃料の消費量を示す。よってΣ（１／ＡＦｆ−１／ＡＦｍ）Ｇａ・Δｔは、ＮＯｘ還元制御の実行開始から現在時点までの、ＬＮＴ６の前部、すなわちＬＮＴ６０における燃料の消費量の積算値である。

同様に式（Ｅ２）は、ＮＯｘ還元制御の実行開始から現在時点までの、ＬＮＴ６の後部、すなわちＬＮＴ６１における燃料の消費量の積算値である。同様に式（Ｅ３）は、ＮＯｘ還元制御の実行開始から現在時点までの、ＬＮＴ６０およびＬＮＴ６１からなるＬＮＴ６の全体における燃料の消費量の積算値である。

ＮＯｘ還元制御中におけるＬＮＴ６（６０、６１）での燃料（還元剤）の消費量は、ＬＮＴ６（６０、６１）におけるＮＯｘの吸蔵量と等しいとみなされる。したがって式（Ｅ１）、（Ｅ２）、（Ｅ３）はそれぞれ、ＬＮＴ６の前部（ＬＮＴ６０）、後部（ＬＮＴ６１）、全体（ＬＮＴ６０、６１）におけるＮＯｘの吸蔵量を示している。あきらかにＡ１とＡ２との和はＢに等しい。

続いてＳ５０でＥＣＵ９は、ＮＯｘ還元制御を終了するか否かを判定する。ＮＯｘ還元制御を終了する場合（Ｓ５０：Ｙｅｓ）はＳ６０に進み、ＮＯｘ還元制御を終了しない場合（Ｓ５０：Ｎｏ）はＳ４０に戻って、ＮＯｘ還元制御の終了まで還元剤（燃料）の消費量の積算を繰り返す。

図５にはＮＯｘ還元制御中におけるセンサ４１、４２、４３の計測値の推移の例が示されている。図５は横軸が時間、縦軸が空燃比であり、図５において、ＬＮＴ前、ＬＮＴ中、ＬＮＴ後と示されたプロットがそれぞれセンサ４１、４２、４３の計測値を示している。Ｓ２０におけるＮＯｘ還元制御の開始とともに、ＬＮＴ６に流入する排気の空燃比（ＬＮＴ前、センサ４１の計測値）は理論空燃比より低くなりリッチ雰囲気となる。

しかしＬＮＴ６内のＮＯｘの還元で燃料が消費されることにより、しばらくの間センサ４２、４３の計測値は理論空燃比に留まる。しばらくしてＬＮＴ６の前部（ＬＮＴ６０）に吸蔵されたＮＯｘがすべて還元されると、ＬＮＴ６の前部（ＬＮＴ６０）においてＮＯｘ還元のために燃料が消費されなくなるので、センサ４２の計測値（ＬＮＴ中）がセンサ４１の計測値へと降下する。

図３には横軸を排気の流れ方向の空間的位置とした、ＬＮＴ６内のＮＯｘ吸蔵量、ＳＯｘ吸蔵量の例が示されている。図３に示されているとおり、ＬＮＴ６がＳ劣化する場合、ＳＯｘ（硫黄酸化物）がＬＮＴ６の前部（上流側）の方から堆積する性質がある。したがってＳ劣化が進行するほどＬＮＴ６に吸蔵するＮＯｘは後部（下流側）に吸蔵することとなる。よって図５において、Ｓ劣化が進行するほどＬＮＴ６の前部（ＬＮＴ６０）におけるＮＯｘ吸蔵量が減少するので、センサ４２の計測値（ＬＮＴ中）がセンサ４１の計測値へと降下する時間が早まる。

さらに時間が経過すると、ＬＮＴ６の後部（ＬＮＴ６１）でもＮＯｘ還元のために燃料が消費されなくなるので、センサ４３の計測値（ＬＮＴ後）がセンサ４１の計測値へと降下する。センサ４３の計測値（ＬＮＴ後）がセンサ４１の計測値と一致することが、ＬＮＴ６において吸蔵されたＮＯｘがすべて還元されたことを示す。よってセンサ４３の計測値（ＬＮＴ後）がセンサ４１の計測値と一致したらＳ５０でＮＯｘ還元制御を終了すればよい。

図２に戻ってＳ６０に進んだらＥＣＵ９は、後部ＮＯｘ吸蔵量の割合Ｃを算出する。具体的には以下の式（Ｅ４）、（Ｅ５）、（Ｅ６）のいずれかで算出する。
Ｃ＝（Ｂ−Ａ１）／Ｂ （Ｅ４）
Ｃ＝Ａ２／Ｂ （Ｅ５）
Ｃ＝Ａ２／（Ａ１＋Ａ２） （Ｅ６）

式（Ｅ４）は、手順Ｓ４０で（Ｅ１）と（Ｅ３）とを算出した場合に用いればよい。式（Ｅ５）は、手順Ｓ４０で（Ｅ２）と（Ｅ３）とを算出した場合に用いればよい。式（Ｅ６）は、手順Ｓ４０で（Ｅ１）と（Ｅ２）とを算出した場合に用いればよい。式（Ｅ４）、（Ｅ５）、（Ｅ６）ともに、あきらかにＬＮＴ６の全体（ＬＮＴ６０、６１）のＮＯｘ吸蔵量（Ｂ＝Ａ１＋Ａ２）に対する、ＬＮＴ６の後部（ＬＮＴ６１）のＮＯｘの吸蔵量（Ａ２＝Ｂ−Ａ１）の比率を示している。ＣはＬＮＴ６内におけるＮＯｘ吸蔵量の空間的な分布、さらにはＳＯｘ堆積量の空間的な分布を示す数値である。

上述のとおり、Ｓ劣化が進行するほどＬＮＴ６の前部（ＬＮＴ６０）におけるＮＯｘ吸蔵量が減少するので、センサ４２の計測値（ＬＮＴ中）がセンサ４１の計測値へと降下する時間が早まる。したがってＳ劣化が進行するほど、Ｃの数値は大きくなる。

図４には、Ｃの数値を縦軸にとり、横軸をＬＮＴ６に流入するＮＯｘ量（入りＮＯｘ量）とした両数値の関係が示されているが、この図が示すとおり、Ｃの数値は入りＮＯｘ量の変動に対してほぼ一定となる。したがってＣを用いてＳ劣化判定を行えば、入りＮＯｘ量の変動に対してロバストに判定が行える。またＣは比のかたちなので、排気中の残存酸素の存在によってＡ／Ｆセンサの検出値がずれた場合にも、分母と分子とのそれぞれにおけるずれが分母分子間で相殺されて、Ｃにはずれの影響が現れにくくなる。したがってＡ／Ｆ計測値のずれの影響も受けにくいＳ劣化判定が行える。

続いてＳ７０でＥＣＵ９は、Ｓ６０で算出した後部ＮＯｘ吸蔵量の割合Ｃが閾値以上であるか否かを判定する。後部ＮＯｘ吸蔵量の割合が閾値以上である場合（Ｓ７０：Ｙｅｓ）はＳ８０に進み、後部ＮＯｘ吸蔵量の割合が閾値未満の場合（Ｓ７０：Ｎｏ）はＳ９０に進む。

上述のとおり、ＬＮＴ６におけるＳ堆積が大きいほど、後部ＮＯｘ吸蔵量の割合Ｃは大きくなる。したがって例えば図４に示された破線のようにＳ再生が必要なほどＳ劣化が進行しているか否かを判定できる数値を予め求めておいて、それをＳ７０で用いる閾値とすればよい。

Ｓ８０に進んだ場合は、後部ＮＯｘ吸蔵量の割合Ｃが閾値よりも大きい場合である。したがってＳ８０でＥＣＵ９は、ＬＮＴ６はＳ劣化していると判定する。そしてＳ９０でＥＣＵ９は、ＬＮＴ６はＳ劣化していないと判定する（Ｓ劣化していると判定しない）。以上が図２の処理である。

図２の処理手順では、ＬＮＴ６のＳ劣化判定は式（Ｅ１）、（Ｅ２）、（Ｅ３）による差分面積の算出に基づいて行ったが、これを時間の計算に基づいて行ってもよい。具体的には、例えば図５においてＮＯｘ還元制御の開始時刻をＴ１、ＬＮＴ中（センサ４２）の計測値が下降する時刻をＴ２、ＬＮＴ後（センサ４３）の計測値が下降する時刻をＴ３としたとき、Ｃ＝（Ｔ３−Ｔ２）／（Ｔ３−Ｔ１）とする。上述のとおりＳ劣化が進行するほどＴ２が早まるので、こうして算出されたＣもＳ劣化の程度を示す数値となる。なお時間の計測は、例えばＥＣＵ９に計時機能を持たせればよい。

次に本発明の実施例２を説明する。実施例２においても、実施例１と同様にＬＮＴ６における後部のＮＯｘ吸蔵量の割合を算出するが、その算出方法を変更する。実施例２においては、リーン期間中にＮＯｘセンサを用いてＬＮＴ６の後部および全体におけるＮＯｘ吸蔵量を算出する。この目的のために、実施例１におけるＡ／Ｆセンサ４１、４２、４３をＮＯｘセンサ４４、４５、４６に置き換える。ＮＯｘセンサ４４、４５、４６によって排気中のＮＯｘ濃度が検出される。それ以外の装置構成は実施例１と同じとすればよい。

実施例２におけるＳ劣化判定のための処理手順が図６に示されている。図６の手順ではまずＳ１００でＥＣＵ９は、リーン期間内であるか否かを判定する。リーン期間内である場合（Ｓ１００：Ｙｅｓ）はＳ１１０に進み、リーン期間内でない場合（Ｓ１００：Ｎｏ）は図６の処理を終了する。

Ｓ１１０に進んだらＥＣＵ９は、ＮＯｘ吸蔵量を積算する。具体的には以下の式（Ｅ７）、（Ｅ８）、（Ｅ９）のうちのいずれか２つの式により算出する。
Ｄ１＝Σ（ＮＯｘｆ−ＮＯｘｍ）・Ｇａ・Δｔ （Ｅ７）
Ｄ２＝Σ（ＮＯｘｍ−ＮＯｘｒ）・Ｇａ・Δｔ （Ｅ８）
Ｆ＝Σ（ＮＯｘｆ−ＮＯｘｒ）・Ｇａ・Δｔ （Ｅ９）

ここでＮＯｘｆ、ＮＯｘｍ、ＮＯｘｒはそれぞれＮＯｘセンサ４４、４５、４６の計測値である。Ｇａはエアフロメータ３１の計測値である。Δｔは積算の周期を示す。なお図６のフローチャートはΔｔごとに繰り返し実行すればよい。ΣはＮＯｘ吸蔵量の算出開始（リーン燃焼期間の開始）から現在時点までの積算を示す記号である。

式（Ｅ７）の意味を説明する。Ｇａはエアフロメータで計測された単位時間における新気量であるが、この数値は単位時間あたりの排気量とも等しいとみなされる。したがって例えば式（Ｅ７）においてＮＯｘｆ・Ｇａは、ＬＮＴ６の上流部における単位時間あたりのＮＯｘの流量を示す。同様にＮＯｘｍ・Ｇａは、ＬＮＴ６の中間部における単位時間あたりのＮＯｘの流量を示す。

したがって（ＮＯｘｆ−ＮＯｘｍ）・Ｇａは、ＬＮＴ６の前部、すなわちＬＮＴ６０における単位時間あたりのＮＯｘの吸蔵量を示す。よってΣ（ＮＯｘｆ−ＮＯｘｍ）Ｇａ・Δｔは、ＮＯｘ吸蔵量の算出開始（リーン燃焼期間の開始）から現在時点までの、ＬＮＴ６の前部、すなわちＬＮＴ６０におけるＮＯｘの吸蔵量の積算値である。

同様に式（Ｅ８）は、ＮＯｘ吸蔵量の算出開始（リーン燃焼期間の開始）から現在時点までの、ＬＮＴ６の後部、すなわちＬＮＴ６１におけるＮＯｘの吸蔵量の積算値である。同様に式（Ｅ９）は、ＮＯｘ吸蔵量の算出開始（リーン燃焼期間の開始）から現在時点までの、ＬＮＴ６０およびＬＮＴ６１からなるＬＮＴ６の全体におけるＮＯｘの吸蔵量の積算値である。

続いてＳ１２０でＥＣＵ９は、ＬＮＴ６においてＮＯｘ吸蔵が飽和したか否かを判定する。ＬＮＴ６においてＮＯｘ吸蔵が飽和した場合（Ｓ１２０：Ｙｅｓ）はＳ１３０に進み、ＮＯｘ吸蔵がまだ飽和していない場合（Ｓ１２０：Ｎｏ）はＳ１１０に戻って、ＮＯｘ吸蔵が飽和するまでＮＯｘ吸蔵量の積算を実行する。

図７にはＮＯｘ還元制御中におけるＮＯｘセンサ４４、４５、４６の計測値の推移の例が示されている。図７は横軸が時間、縦軸がＮＯｘ濃度であり、図７において、ＬＮＴ前、ＬＮＴ中、ＬＮＴ後と示されたプロットがそれぞれセンサ４４、４５、４６の計測値を示している。

ＬＮＴ６にＮＯｘが吸蔵されていない状態でリーン雰囲気が開始されて、ＬＮＴ６に流入する排気のＮＯｘ濃度（ＬＮＴ前、センサ４４の計測値）はほぼ一定値であるとする。このとき、最初はＬＮＴ６に流入したＮＯｘがほぼすべてＬＮＴ６に吸蔵されることにより、センサ４２、４３の計測値は最初はゼロである。しかしＮＯｘの吸蔵量が増加するにつれて、ＬＮＴ６の前部（ＬＮＴ６０）、ＬＮＴ６の後部（ＬＮＴ６１）をすり抜けるＮＯｘが増加する。

これによりセンサ４５の計測値（ＬＮＴ中）、センサ４６の計測値（ＬＮＹ後）が上昇し始める。センサ４４の計測値（ＬＮＴ前）とセンサ４５の計測値（ＬＮＴ中）とが一致する時刻（図７のｔ１）がＬＮＴ６の前部（ＬＮＴ６０）におけるＮＯｘ吸蔵が飽和したとみなされる時刻である。

上述のとおりＳ劣化が進行するほどＬＮＴ６の前部（ＬＮＴ６０）においてＳＯｘが堆積するので、ＬＮＴ６の前部（ＬＮＴ６０）におけるＮＯｘ吸蔵量が減少する。したがって、Ｓ劣化が進行するほどセンサ４５の計測値（ＬＮＴ中）がセンサ４４の計測値（ＬＮＴ前）と一致する時刻ｔ１が早まる。

またセンサ４４の計測値（ＬＮＴ前）とセンサ４６の計測値（ＬＮＴ後）とが一致する時刻（図７のｔ２）がＬＮＴ６の全体（ＬＮＴ６０、６１）におけるＮＯｘ吸蔵が飽和したとみなされる時刻である。よって時刻ｔ２が、Ｓ１２０でＮＯｘ吸蔵が飽和したと判定される時刻である。

図６に戻って、Ｓ１３０に進んだらＥＣＵ９は、後部ＮＯｘ吸蔵量の割合Ｃを算出する。具体的には以下の式（Ｅ１０）、（Ｅ１１）、（Ｅ１２）のいずれかで算出する。
Ｃ＝（Ｆ−Ｄ１）／Ｆ （Ｅ１０）
Ｃ＝Ｄ２／Ｆ （Ｅ１１）
Ｃ＝Ｄ２／（Ｄ１＋Ｄ２） （Ｅ１２）

式（Ｅ１０）は、手順Ｓ１１０で（Ｅ７）と（Ｅ９）とを算出した場合に用いればよい。式（Ｅ１１）は、手順Ｓ１１０で（Ｅ８）と（Ｅ９）とを算出した場合に用いればよい。式（Ｅ１２）は、手順Ｓ１１０で（Ｅ７）と（Ｅ８）とを算出した場合に用いればよい。式（Ｅ１０）、（Ｅ１１）、（Ｅ１２）ともに、あきらかにＬＮＴ６の全体（ＬＮＴ６０、６１）のＮＯｘ吸蔵量（Ｆ＝Ｄ１＋Ｄ２）に対する、ＬＮＴ６の後部（ＬＮＴ６１）のＮＯｘの吸蔵量（Ｄ２＝Ｆ−Ｄ１）の比率を示している。

続いてＳ１４０でＥＣＵ９は、後部ＮＯｘ吸蔵量の割合が閾値以上であるか否かを判定する。後部ＮＯｘ吸蔵量の割合Ｃが閾値以上の場合（Ｓ１４０：Ｙｅｓ）はＳ１５０に進み、後部ＮＯｘ吸蔵量の割合が閾値未満の場合（Ｓ１４０：Ｎｏ）はＳ１６０に進む。

上述のとおり、後部ＮＯｘ吸蔵量の割合Ｃが大きいほどＳ劣化が進行しているとみなされる。したがって例えば図４に示された破線のようにＳ再生が必要なほどＳ劣化が進行しているか否かを判定できる数値を予め求めておいて、それをＳ１４０で用いる閾値とすればよい。そしてＳ１５０でＥＣＵ９は、ＬＮＴ６はＳ劣化していると判定する。Ｓ１６０でＥＣＵ９は、ＬＮＴ６はＳ劣化していないと判定する。以上が図６の処理である。

ＥＣＵ９は、図２又は図６の処理によってＳ劣化であると判定された場合、ＬＮＴ６をＳ劣化状態から再生させるＳ再生制御（Ｓ再生）を実行すればよい。Ｓ再生においては、リッチ雰囲気かつ所定温度（例えば摂氏６００度）以上の状態を形成してＬＮＴ６に堆積したＳＯｘを還元する。リッチ雰囲気の形成のためには、例えば添加弁４０から燃料を添加するか、あるいはエンジン２のシリンダ内で燃焼反応が完了した後に再噴射するポスト噴射や、吸気を絞って燃焼ガスそのものをリッチ化するリッチ燃焼をおこなえばよい。

さらにＥＣＵ９には、ＬＮＴ６の故障検出機能を持たせてもよい。具体的には、例えばＳ再生の後でも上述のＣの算出を行って、Ｓ再生前後でのＣの値の差分値が所定の閾値よりも小さい場合は、Ｓ再生を実行してもＣの値があまり改善されていないので、ＬＮＴ６が故障していると判定する。上記のとおり、Ｃには精度よくＳ劣化の情報が反映されるので、ＬＮＴ６の故障が精度よく検出できる。

上記実施例は、特許請求の範囲に記載された趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更してよい。例えば上記ではＬＮＴ６をＬＮＴ６０、６１に２分割したが、分割数は３以上（４分割、５分割など）の任意の分割数として、それぞれの間にＡ／Ｆセンサ（ＮＯｘセンサ）を配置してもよい。そして、ＬＮＴ６内のＮＯｘ吸蔵量（ＳＯｘ堆積量）の空間的分布をより精緻に算出して（あるいは分割された区間のうち一部の区間のＮＯｘ吸蔵量（ＳＯｘ堆積量）の全体のＮＯｘ吸蔵量（ＳＯｘ堆積量）に対する比率を算出して）、後部にＮＯｘが吸蔵されているほどＳ劣化していると判定すればよい。

上記実施例において、ＬＮＴ６が触媒部を構成する。Ｓ６０、Ｓ１３０の手順とＥＣＵ９とが分布検出手段を構成する。Ｓ７０、Ｓ１４０の手順とＥＣＵ９とが分布検出手段を構成する。Ｓ２０の手順とＥＣＵ９とが還元手段を構成する。センサ４１、４２、４３が空燃比検出手段を構成する。Ｓ６０の手順とＥＣＵ９とが第１算出手段、第２算出手段を構成する。センサ４４、４５、４６が窒素酸化物検出手段を構成する。ＥＣＵ９が第３算出手段を構成する。Ｓ１３０の手順とＥＣＵ９とが第４算出手段、第５算出手段を構成する。インジェクタ２１又は添加弁４０が再生手段を構成する。ＥＣＵ９が故障判定手段を構成する。なお上記実施例ではディーゼルエンジンを用いたが、これはリーンバーンガソリンエンジンでもよい。

１ 排気浄化装置
２ ディーゼルエンジン（内燃機関）
３ 吸気管
５ 排気管（排気通路）
６ ＮＯｘ吸蔵触媒（ＬＮＴ、触媒部）

Claims (10)

1. 内燃機関の排気通路に備えられて窒素酸化物を吸蔵する触媒部と、
   前記触媒部に吸蔵された窒素酸化物量の排気の流れ方向における空間的な分布を検出する分布検出手段と、
   その分布検出手段によって検出された前記触媒部における窒素酸化物の吸蔵量の空間的な分布を用いて、前記触媒部における硫黄劣化を判定する判定手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記判定手段は、前記分布検出手段によって検出された前記触媒部における窒素酸化物の吸蔵量の空間的な分布において、排気の流れ方向における下流側吸蔵量の全体吸蔵量に対する割合が閾値よりも高い場合に、前記触媒部は硫黄劣化していると判定する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記触媒部に還元剤を供給して吸蔵された窒素酸化物を還元する還元手段を備え、
   前記分布検出手段は、
   前記触媒部における、排気の流れ方向における上流の第１位置、下流の第３位置、その第１位置と第３位置との間の第２位置における少なくとも３つ以上の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   前記還元手段による還元の実行中に、前記空燃比検出手段によって検出された前記第１位置、前記第２位置、前記第３位置における少なくとも３つ以上の空燃比により、前記触媒部における窒素酸化物の吸蔵量の空間的な分布を算出する第１算出手段と、
   を備えた請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記第１算出手段は、前記空燃比検出手段によって検出された少なくとも３つ以上の空燃比検出位置のうちのいずれか２つの位置における空燃比の差分値の積算により、その２つの位置の間における窒素酸化物の吸蔵量と相関を有する前記還元剤の消費量を算出する第２算出手段を備えた請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記第１算出手段は、前記空燃比検出手段によって検出された少なくとも３つ以上の空燃比検出位置のうちのいずれか２つの位置において、前記２つの位置のうちで上流側の位置がリッチ雰囲気となった時刻と前記２つの位置のうちで下流側の位置がリッチ雰囲気となる時刻との差分により、その２つの位置の間における窒素酸化物の吸蔵量と相関を有する前記還元剤の消費時間を算出する第３算出手段を備えた請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記分布検出手段は、
   前記触媒部における、排気の流れ方向における上流の第１位置、下流の第３位置、その第１位置と第３位置との間の第２位置における少なくとも３つ以上の窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物検出手段と、
   前記窒素酸化物検出手段によって検出された前記第１位置、前記第２位置、前記第３位置における少なくとも３つ以上の窒素酸化物濃度により、前記触媒部における窒素酸化物の吸蔵量の空間的な分布を算出する第４算出手段と、
   を備えた請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記第４算出手段は、前記窒素酸化物検出手段によって検出された少なくとも３つ以上の検出位置のうちのいずれか２つの位置における窒素酸化物濃度の差分値の積算により、その２つの位置の間における窒素酸化物の吸蔵量を算出する第５算出手段を備えた請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記第２算出手段は、前記第１位置と前記第３位置との間の前記還元剤の消費量と、前記第２位置と前記第３位置との間の前記還元剤の消費量と、を算出し、
   前記判定手段は、前記第２算出手段によって算出された、前記第１位置と前記第３位置との間の前記還元剤の消費量に対する、前記第２位置と前記第３位置との間の前記還元剤の消費量の比率が閾値よりも大きい場合に、前記触媒部は硫黄劣化していると判定する請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記第５算出手段は、前記第１位置と前記第３位置との間の窒素酸化物の吸蔵量と、前記第２位置と前記第３位置との間の窒素酸化物の吸蔵量と、を算出し、
   前記判定手段は、前記第５算出手段によって算出された、前記第１位置と前記第３位置との間の窒素酸化物の吸蔵量に対する、前記第２位置と前記第３位置との間の窒素酸化物の吸蔵量の比率が閾値よりも大きい場合に、前記触媒部は硫黄劣化していると判定する請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 前記触媒部に蓄積した硫黄を除去する再生手段と、
    その再生手段による硫黄の除去処理の実行の前後における前記触媒部の窒素酸化物の吸蔵量の分布を比較して前記触媒部の故障を判定する故障判定手段と、
    を備えた請求項１乃至９のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。