JP4186259B2 - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空燃比リーン領域でのリーン燃焼を行わせる内燃機関の空燃比制御システムに適用され、リーン燃焼時に発生する排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するためのＮＯｘ吸蔵還元型触媒を有する内燃機関の排ガス浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年における内燃機関の空燃比制御装置では、燃費改善を図るべく理論空燃比よりもリーン側で燃料を燃焼させる、いわゆるリーンバーン制御を実施する技術が多用化されつつある。こうしたリーン燃焼を行わせる場合、内燃機関から排出される排ガスにはＮＯｘが多く含まれ、このＮＯｘを浄化するためのリーンＮＯｘ触媒が必要となる。このリーンＮＯｘ触媒はＮＯｘ吸蔵還元型触媒として知られ、排ガスの空燃比がリーンである時にＮＯｘを吸蔵すると共に、排ガスの酸素濃度が低下された時に、すなわちリッチ化された時に前記吸蔵したＮＯｘを還元し放出する。
【０００３】
特許第２６９２３８０号公報の「内燃機関の排気浄化装置」では、リーンＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸収剤）の下流側の排気通路内に空燃比センサを配置し、空燃比のリッチ化に伴う同ＮＯｘ触媒のＮＯｘ放出作用が開始された後、空燃比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ＮＯｘ触媒のＮＯｘ放出作用が完了したと判断する。この場合、ＮＯｘ触媒が吸蔵しうるＮＯｘ量が低下することは当該ＮＯｘ触媒が劣化したことを意味することから、ＮＯｘ放出に要する反応時間に基づいてＮＯｘ吸蔵量の低下、すなわちＮＯｘ触媒の劣化が検出できるようになっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＮＯｘ触媒の下流側に設置した空燃比センサ（Ｏ2 センサ）は、理論空燃比（λ＝１）を境に出力が急変するため、ガス組成が僅かに変化してもその変化に追従してセンサ出力が変化する。
【０００５】
例えば担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合に、ＮＯｘ触媒の上流側の空燃比をリーンからリッチに切り換えると、理論的には、
Ｂａ（ＮＯ3 ）2 ＋ＨＣ，ＣＯ→Ｂａ＋Ｎ2 ＋Ｈ2 Ｏ＋ＣＯ2
となる。それ故に、ＮＯｘ触媒での吸蔵ＮＯｘとリッチ成分（ＨＣ，ＣＯ）との反応が完了するまでは触媒下流側の空燃比が理論空燃比で滞留し、反応終了後に、触媒下流側の空燃比がリッチ側に移行すると考えられる。しかしながら、実際には空燃比をリッチ化することにより、吸蔵ＮＯｘが消滅する前に微量のリッチ成分が触媒下流側に流出し、そのリッチ成分によりセンサ出力がリッチ側に変化する。
【０００６】
従って、吸蔵ＮＯｘが消滅する時間とセンサ出力の挙動とが対応しない場合が生じ、上記従来公報ではＮＯｘ触媒の劣化を正確に検出することはできない。また、ＮＯｘ触媒に供給した排ガスが実際にどれだけリッチになるか、或いはリッチ度合がどの程度になるかによってセンサの反応時間が変化するため、上記従来公報では、ＮＯｘ吸蔵量の低下を正確に検出することは困難であった。
【０００７】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、リーンＮＯｘ触媒の劣化を正確に検出することができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明における排ガス浄化装置はその前提として、機関排気系に設けられたリーンＮＯｘ触媒を備え、空燃比リーン領域でのリーン燃焼を行わせると共に、リーン燃焼時に排出される排ガス中のＮＯｘをリーンＮＯｘ触媒で吸蔵し、さらに空燃比を一時的にリッチに制御して前記吸蔵したＮＯｘをリーンＮＯｘ触媒から放出する。
【００１５】
請求項１に記載の発明では、リーン燃焼時にリーンＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘ流入量と、リッチ燃焼時に同リーンＮＯｘ触媒にてＮＯｘ浄化に要したリッチガス量との比率から当該触媒によるＮＯｘ浄化率を算出するＮＯｘ浄化率算出手段と、前記算出したＮＯｘ浄化率に基づいてリーンＮＯｘ触媒の劣化を検出する劣化検出手段とを備える。
【００１６】
つまり、リーンＮＯｘ触媒が劣化してＮＯｘ吸蔵能力が低下すると、当該触媒においてＮＯｘ浄化に要したリッチガス量が減少する。そのため、ＮＯｘ浄化に要したリッチガス量を一要素としてＮＯｘ浄化率を求め、そのＮＯｘ浄化率から触媒劣化を検出することで、空燃比のリッチ化に伴い吸蔵ＮＯｘが消滅する前に微量のリッチ成分が触媒下流側に流出してセンサ出力値がリッチ側に変化したとしても、リーンＮＯｘ触媒の劣化を正確に検出することができる。
【００１７】
上記請求項１に記載の発明では、請求項２に記載したように、前記リーンＮＯｘ触媒においてＮＯｘ浄化に要したリッチガス量が減少してＮＯｘ浄化率が低下するほど、リーンＮＯｘ触媒の劣化度合が大きい旨を検出するとよい。
【００１８】
請求項３に記載の発明では、上流側センサの検出結果を基に、リーン燃焼時にリーンＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘ流入量Ａを算出すると共に、上流側センサの検出結果を基に、リッチ燃焼時にリーンＮＯｘ触媒に流入するリッチガス流入量Ｂを算出する。また、下流側センサの検出結果を基に、リッチ燃焼時にリーンＮＯｘ触媒から排出される余剰ガス量Ｃを算出する。そして、前記ＮＯｘ浄化率算出手段は、前記算出したリーン燃焼時のＮＯｘ流入量Ａと、リッチ燃焼時のリッチガス流入量Ｂ，余剰ガス量Ｃとに基づいて、
（Ｂ−Ｃ）／Ａ
の演算結果からＮＯｘ浄化率を算出する。
【００１９】
この場合、リーンＮＯｘ触媒の劣化が進行すると、リッチ燃焼時においてリッチガス流入量Ｂに対して当該触媒から排出される余剰ガス量Ｃが大きくなり、結果としてＮＯｘ浄化率が小さくなる。そして、ＮＯｘ浄化率の低下により、触媒劣化の旨が検出される。
【００２０】
また上記請求項１，３の発明では、劣化判定パラメータとしてのＮＯｘ浄化率の算出に際し、リーンＮＯｘ触媒に流入する「ＮＯｘ流入量（Ａ）」と、同リーンＮＯｘ触媒において「ＮＯｘ浄化に要したリッチガス量（リッチガス流入量Ｂ−余剰ガス量Ｃ）」とが求められるが、「ＮＯｘ流入量（Ａ）」にはリーン度合やリーン時間といったリーン燃焼に関する情報が含まれ、「リッチガス量（Ｂ−Ｃ）」にはリッチ度合やリッチ時間といったリッチ燃焼に関する情報が含まれる。従って、触媒劣化の反映として「ＮＯｘ浄化に要したリッチガス量」が変化すると考える場合に、当該リッチガス量に対してはリーン燃焼時やリッチ燃焼時の各種条件に応じた補正が適宜加えられることとなる。よって、燃焼条件の変更にも関係なく、常に正確に触媒劣化が検出できる。またこの場合、燃焼条件によって劣化検出の実施が制約を受けるといった不都合が回避される。
【００２１】
例えば、仮にリーン燃焼が延長されるとＮＯｘ流入量Ａが増えるが、それと同時に多量のＮＯｘがＮＯｘ触媒に吸蔵され、自ずとＮＯｘ浄化に要したリッチガス量（Ｂ−Ｃ）が増える。そのため、触媒劣化度合が不変であるにも拘わらず燃焼条件の変更に伴いＮＯｘ浄化率が変更されて触媒劣化が誤検出される、といった不都合は生じない。また、リッチ燃焼が延長されるとリッチ燃焼時のリッチガス流入量Ｂが増えるが、それと同時に、同じくリッチ燃焼時の余剰ガス量Ｃが増える。そのため、やはり燃焼状態の変更に伴いＮＯｘ浄化率が変更されて触媒劣化が誤検出される、といった不都合は生じない。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態における空燃比制御システムでは、内燃機関に供給する混合気の目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定し、その目標空燃比に基づいてリーン燃焼を行わせる、いわゆるリーンバーン制御を実施する。同システムの主たる構成として、内燃機関の排気系通路の途中にはＮＯｘ吸蔵還元型触媒（以下、ＮＯｘ触媒という）が設けられ、ＮＯｘ触媒の上流側には限界電流式の空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）が、下流側には酸素センサ（Ｏ2 センサ）がそれぞれ配設される。そして、マイクロコンピュータを主体とする電子制御装置（以下、ＥＣＵという）は、Ａ／Ｆセンサ並びにＯ2 センサによる検出結果を取り込み、その検出結果に基づいて空燃比をフィードバック制御する。以下に、図面を用いてその詳細な構成を説明する。
【００２３】
図１は、本実施の形態における空燃比制御システムの概略構成図である。図１に示されるように、内燃機関は４気筒４サイクルの火花点火式エンジン（以下、エンジン１という）として構成されている。その吸入空気は上流よりエアクリーナ２、吸気管３、スロットル弁４、サージタンク５及びインテークマニホールド６を通過して、インテークマニホールド６内で各気筒毎の燃料噴射弁７から噴射された燃料と混合される。そして、所定空燃比の混合気として各気筒に供給される。
【００２４】
エンジン１の各気筒に設けられた点火プラグ８には、点火回路９から供給される高電圧がディストリビュータ１０を介して分配供給され、点火プラグ８は前記各気筒の混合気を所定タイミングで点火する。燃焼後に各気筒から排出される排ガスは、エキゾーストマニホールド１１及び排気管１２を経て、排気管１２に設けられたＮＯｘ触媒１４を通過した後、大気に排出される。このＮＯｘ触媒１４は、主にリーン空燃比での燃焼時に排ガス中のＮＯｘを吸蔵する一方、リッチ空燃比での燃焼時に前記吸蔵したＮＯｘをリッチ成分（ＣＯ，ＨＣなど）で還元し放出する。
【００２５】
前記吸気管３には吸気温センサ２１及び吸気圧センサ２２が設けられ、吸気温センサ２１は吸入空気の温度（吸気温Ｔａｍ）を、吸気圧センサ２２はスロットル弁４の下流側の吸気管内負圧（吸気圧ＰＭ）をそれぞれ検出する。前記スロットル弁４には同弁４の開度（スロットル開度ＴＨ）を検出するためのスロットルセンサ２３が設けられ、このスロットルセンサ２３はスロットル開度ＴＨに応じたアナログ信号を出力する。スロットルセンサ２３はアイドルスイッチをも内蔵しており、スロットル弁４が略全閉である旨の検出信号を出力する。
【００２６】
エンジン１のシリンダブロックには水温センサ２４が設けられ、この水温センサ２４はエンジン１内を循環する冷却水の温度（冷却水温Ｔｈｗ）を検出する。前記ディストリビュータ１０にはエンジン１の回転数（エンジン回転数Ｎｅ）を検出するための回転数センサ２５が設けられ、この回転数センサ２５はエンジン１の２回転、すなわち７２０°ＣＡ毎に等間隔で２４個のパルス信号を出力する。
【００２７】
さらに、前記排気管１２においてＮＯｘ触媒１４の上流側には、限界電流式のＡ／Ｆセンサ２６が配設されており、同センサ２６はエンジン１から排出される排ガスの酸素濃度（或いは、未燃ガス中のＣＯ濃度）に比例して広域で且つリニアな空燃比信号（ＡＦ）を出力する。また、ＮＯｘ触媒１４の下流側にはＯ2 センサ２７が配設されており、同センサ２７は排ガスが空燃比がリッチかリーンかに応じて異なる起電力信号（ＶＯＸ２）を出力する。
【００２８】
ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３、バックアップＲＡＭ３４等を中心に論理演算回路として構成され、前記各センサの検出信号を入力する入力ポート３５及び各アクチュエータ等に制御信号を出力する出力ポート３６に対しバス３７を介して接続されている。ＥＣＵ３０は、前記した各種センサの検出信号（吸気温Ｔａｍ、吸気圧ＰＭ、スロットル開度ＴＨ、冷却水温Ｔｈｗ、エンジン回転数Ｎｅ、空燃比信号等）を入力ポート３５を介して入力する。そして、それらの各値に基づいて燃料噴射量ＴＡＵ、点火時期Ｉｇ等の制御信号を算出し、さらにそれら制御信号を出力ポート３６を介して燃料噴射弁７及び点火回路９等にそれぞれ出力する。
【００２９】
次に、上記の如く構成される空燃比制御システムの作用を説明する。
図２は、ＣＰＵ３１により実行される燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャートであり、本ルーチンは各気筒の燃料噴射毎（本実施の形態では１８０°ＣＡ毎）に実行される。
【００３０】
さて、図２のルーチンがスタートすると、ＣＰＵ３１は、先ずステップ１０１でエンジン運転状態を表すセンサ検出結果（エンジン回転数Ｎｅ、吸気圧ＰＭ、冷却水温Ｔｗ等）を読み込み、続くステップ１０２でＲＯＭ３２内に予め格納されている基本噴射マップを用いてその時々のエンジン回転数Ｎｅ及び吸気圧ＰＭに応じた基本噴射量Ｔｐを算出する。また、ＣＰＵ３１は、ステップ２００で後述の図３のルーチンに従い、目標空燃比ＡＦＴＧを設定する。
【００３１】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ１０３でその時々の実際の空燃比ＡＦ（センサ計測値）と目標空燃比ＡＦＴＧとの偏差に基づいて空燃比補正係数ＦＡＦを設定する。本実施の形態では、現代制御理論に基づく空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施し、例えば特開平１−１１０８５３号公報に開示された設定手順に従いＦＡＦ値を設定する。但し、その詳細な説明は省略する。
【００３２】
ＦＡＦ値の設定後、ＣＰＵ３１は、ステップ１０４で下記の数式を用い、基本噴射量Ｔｐ、空燃比補正係数ＦＡＦ及びその他の補正係数ＦＡＬＬ（水温、エアコン負荷等の各種補正係数）から最終の燃料噴射量ＴＡＵを算出する。
【００３３】
ＴＡＵ＝Ｔｐ・ＦＡＦ・ＦＡＬＬ
燃料噴射量ＴＡＵの算出後、ＣＰＵ３１は、そのＴＡＵ値に相当する制御信号を燃料噴射弁７に出力して本ルーチンを一旦終了する。
【００３４】
なお、上記Ｆ／Ｂ制御は、冷却水温Ｔｗが所定温度以上であること、高回転・高負荷状態でないこと、Ａ／Ｆセンサ２６が活性状態にあること等のＦ／Ｂ条件の成立時に実行され、Ｆ／Ｂ条件不成立の場合には空燃比オープン制御が実行される（ＦＡＦ＝１．０とする）。
【００３５】
次に、目標空燃比ＡＦＴＧの設定手順（上記ステップ２００の処理）について図３のフローチャートを用いて説明する。当該処理では、リーン燃焼の実施途中において一時的にリッチ燃焼が実施されるよう、目標空燃比ＡＦＴＧが適宜設定される。すなわち本実施の形態では、燃料噴射毎に計数される周期カウンタの値を基に、所定の時間比となるようにリーン時間ＴＬとリッチ時間ＴＲとが設定され、それら各時間ＴＬ，ＴＲに応じてリーン燃焼とリッチ燃焼とが交互に実施される。
【００３６】
図３の処理を順を追って説明する。ＣＰＵ３１は、先ずステップ２０１で今現在の周期カウンタが「０」であるか否かを判別し、周期カウンタ＝０であることを条件に、ステップ２０２でエンジン回転数Ｎｅ及び吸気圧ＰＭに基づきリーン時間ＴＬ及びリッチ時間ＴＲを設定する。ステップ２０１がＮＯであれば（周期カウンタ≠０の場合）、ＣＰＵ３１はステップ２０２の処理を読み飛ばす。
【００３７】
ここで、リーン時間ＴＬとリッチ時間ＴＲは、それぞれリーン空燃比での燃料噴射回数、リッチ空燃比での燃料噴射回数に相当するものであって、基本的にエンジン回転数Ｎｅが高いほど又は吸気圧ＰＭが高いほど、大きな値に設定される。本実施の形態では、図４の関係に基づくマップ検索によりリッチ時間ＴＲが求められる。これに対し、リーン時間ＴＬは、前記リッチ時間ＴＲと所定の係数αとから、
ＴＬ＝ＴＲ・α
として求められる。係数αは「５０」程度の固定値とすればよいが、Ｎｅ，ＰＭなどのエンジン運転状態に応じて可変に設定してもよい。
【００３８】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ２０３で周期カウンタを「１」インクリメントし、続くステップ２０４で周期カウンタの値が前記リーン時間ＴＬに相当する値に達したか否かを判別する。周期カウンタ＜ＴＬの場合、ＣＰＵ３１はステップ２０５に進み、その時々のエンジン回転数Ｎｅ及び吸気圧ＰＭに基づき目標空燃比ＡＦＴＧをリーン制御値として設定する。ＡＦＴＧ値の設定後、ＣＰＵ３１は本ルーチンを終了して元の図２のルーチンに戻る。
【００３９】
ＡＦＴＧ値は例えば図５に示す目標空燃比マップを検索して求められ、ＡＦＴＧ値として例えばＡ／Ｆ＝２０〜２３に相当する値が設定される（但し、定常運転時でないなどリーン燃焼の実施条件が不成立の場合にはストイキ近傍でＡＦＴＧ値が設定される）。かかる場合、前記ステップ２０５で設定したＡＦＴＧ値により空燃比がリーン制御される。
【００４０】
また、周期カウンタ≧ＴＬの場合、ＣＰＵ３１はステップ２０６に進み、目標空燃比ＡＦＴＧをリッチ制御値として設定する。ＡＦＴＧ値はリッチ領域での固定値としてもよいし、エンジン回転数Ｎｅや吸気圧ＰＭに基づきマップ検索して可変に設定してもよい。マップ検索を行う場合、エンジン回転数Ｎｅが高いほど又は吸気圧ＰＭが高いほど、そのリッチ度合が強くなるようＡＦＴＧ値が設定される。
【００４１】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ２０７で周期カウンタの値がＴＬ，ＴＲ時間の合計時間「ＴＬ＋ＴＲ」に相当する値に達したか否かを判別し、周期カウンタ＜ＴＬ＋ＴＲであればそのまま本ルーチンを終了して元の図２のルーチンに戻る。かかる場合、前記ステップ２０６で設定したＡＦＴＧ値により空燃比がリッチ制御される。
【００４２】
一方、周期カウンタ≧ＴＬ＋ＴＲであってステップ２０７が肯定判別された場合、ＣＰＵ３１は、ステップ２０８で周期カウンタを「０」にクリアし、その後本ルーチンを終了して元の図２のルーチンに戻る。周期カウンタのクリアに伴い次回の処理時にはステップ２０１が肯定判別され、リーン時間ＴＬ及びリッチ時間ＴＲが新たに設定される。そして、そのリーン時間ＴＬ及びリッチ時間ＴＲに基づき再度、上述のリーン制御とリッチ制御とが実施される。
【００４３】
図６は、上記図２及び図３のルーチンによる空燃比制御動作を説明するためのタイムチャートである。
図６において、時刻ｔ１〜ｔ２の期間（周期カウンタ＝０〜ＴＬの期間）では、空燃比がリーン制御され、排ガス中のＮＯｘがＮＯｘ触媒１４に吸蔵される。また、時刻ｔ２〜ｔ３の期間（周期カウンタ＝ＴＬ〜ＴＬ＋ＴＲの期間）では、空燃比がリッチ制御され、排ガス中の未燃ガス成分（ＨＣ，ＣＯ）によりＮＯｘ触媒１４の吸蔵ＮＯｘが還元されて放出される。こうして、空燃比のリーン制御とリッチ制御とがリーン時間ＴＬとリッチ時間ＴＲとに応じて繰り返し実施される。
【００４４】
一方、図７はＮＯｘ触媒１４の劣化検出ルーチンを示すフローチャートであり、同ルーチンは各気筒の燃料噴射毎にＣＰＵ３１により実行される。本実施の形態では、リッチ制御時においてＮＯｘ触媒下流側のＯ2 センサ２７の出力ＶＯＸ２（便宜上、これを「リアＯ2 出力」という）を監視し、そのピーク値に基づいてＮＯｘ触媒１４のＮＯｘ吸蔵能力を推定する。そして、該推定したＮＯｘ吸蔵能力に基づいて触媒劣化度合を検出することとしている。
【００４５】
すなわち、図９（ａ），（ｂ）に見られるように、触媒劣化度合が相違すればリアＯ2 出力ＶＯＸ２のピーク値が相違し、同図（ｂ）では（ａ）よりもピーク値が大きいことから触媒劣化が進行していると判断できる。因みに、図１０（ａ），（ｂ）はリッチ時間を延長した場合について示すが、この場合、触媒劣化の有無によらずリアＯ2 出力ＶＯＸ２はリッチ側の最大値（約１Ｖ）に達する。そのため、リアＯ2 出力のピーク値による劣化検出は困難になる。
【００４６】
以下に図７の処理を詳細に説明する。ＣＰＵ３１は、先ずステップ３０１で劣化検出の実施条件が成立するか否かを判別する。劣化検出の実施条件には、リッチ時間が所定値よりも短いことを含む。例えば前記図９の状態であればリアＯ2 出力ＶＯＸ２のピーク値が判定できるとして条件成立とし、前記図１０の状態であればリアＯ2 出力ＶＯＸ２のピーク値が判定できないとして条件不成立とする。またその他に、
・リッチ度合が予め定められた所定範囲内にあること、
・リーン燃焼時のリーン時間又はリッチ時間が所定範囲内にあること、
・触媒温が３５０℃付近になるような定常運転状態にあること、
等を実施条件に盛り込んでも良い。そして、上記実施条件が成立すれば、ＣＰＵ３１はステップ３０２に進み、実施条件が不成立であればそのまま本ルーチンを一旦終了する。
【００４７】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ３０２でカウンタＣＣＡＴＤＴが「０」であるか否かを判別し、ＣＣＡＴＤＴ＝０であることを条件に、ステップ３０３に進む。そして、ＣＰＵ３１は、ステップ３０３でリッチ制御開始のタイミングであるか否かを判別する。ステップ３０３がＹＥＳであれば、ＣＰＵ３１はステップ３０４に進み、カウンタＣＣＡＴＤＴに所定値「ＫＣＣＡＴＤＴ」をセットする。所定値ＫＣＣＡＴＤＴは、リッチ時間ＴＲに対して約３倍程度の時間であればよい。
【００４８】
例えば前記図６の時刻ｔ２ではステップ３０３がＹＥＳとなり、この時刻ｔ２で所定値ＫＣＣＡＴＤＴがセットされる。ステップ３０３がＮＯであれば、ＣＰＵ３１はそのまま本ルーチンを終了する。
【００４９】
上記の如くリッチ制御の開始当初に所定値ＫＣＣＡＴＤＴがセットされると、次回からはステップ３０２がＮＯとなり、ＣＰＵ３１はステップ３０５でカウンタＣＣＡＴＤＴを「１」デクリメントし、その後ステップ３０６に進む。
【００５０】
そして、ＣＰＵ３１は、ステップ３０６でカウンタＣＣＡＴＤＴが「０」であるか否かを判別する。ＣＣＡＴＤＴ≠０であれば、ＣＰＵ３１はステップ３０７に進み、リアＯ2 出力ＶＯＸ２が前回までの最大値Ｖｍａｘよりも大きいか否かを判別する。ＶＯＸ２＞Ｖｍａｘであれば、ＣＰＵ３１はステップ３０８に進んでその時のリアＯ2 出力ＶＯＸ２により最大値Ｖｍａｘを更新し、ＶＯＸ２≦Ｖｍａｘであればそのまま本ルーチンを終了する。つまり、ステップ３０７，３０８が繰り返し実施されることで、リアＯ2 出力ＶＯＸ２のピーク値が求められる。
【００５１】
一方、ＣＣＡＴＤＴ＝０になり前記ステップ３０６が肯定判別されると、ＣＰＵ３１はステップ３０９に進み、前記算出したリアＯ2 出力の最大値Ｖｍａｘ（リアＯ2 出力ピーク値）に基づいてＮＯｘ触媒１４のＮＯｘ吸蔵量を推定する。このとき、リアＯ2 出力の最大値Ｖｍａｘが大きいほど、ＮＯｘ吸蔵量が少ないと推定される。
【００５２】
そしてその後、ＣＰＵ３１は、ステップ３１０で図８の関係を用い、前記推定したＮＯｘ吸蔵量に基づいてＮＯｘ触媒１４の劣化度合を判定する。図８では、前記推定したＮＯｘ吸蔵量が多いほど（リアＯ2 出力ピーク値が小さいほど）、触媒劣化度合が小さく、逆にＮＯｘ吸蔵量が少ないほど（リアＯ2 出力ピーク値が大きいほど）、触媒劣化度合が大きくなるような関係が与えられている。この場合、図の８の斜線域にあれば「劣化有り」と判定される。
【００５３】
前記ステップ３１０で劣化有りと判定された場合、ＣＰＵ３１は、ステップ３１１で異常警告灯（ＭＩＬ：Malfunction Indicator Light ）を点灯して異常発生の旨を運転者に警告すると共に、ＮＯｘ吸蔵能力を回復させるための再生処理を実施する。最後に、ＣＰＵ３１は、ステップ３１２でリアＯ2 出力の最大値Ｖｍａｘを「０」にクリアし、その後本ルーチンを終了する。
【００５４】
なお、ステップ３１１の再生処理では、例えば触媒劣化の主たる原因であるイオウ被毒を回復させるための処理が実行される。再生処理については本案の要旨でないため詳細な説明を省略するが、その概要を簡単に述べれば、リーン燃焼途中のリッチ燃焼の割合を増やすなどしてＮＯｘ触媒１４の温度（触媒温）を上昇させると共に、空燃比λ＝１でのストイキ制御又は弱リッチ制御を実施する。ＮＯｘ触媒１４を高温にした状態で、同触媒１４にリッチ成分（ＨＣ，ＣＯ）を供給すると、イオウ被毒により生成された硫酸塩ＢａＳＯ4 が還元されてイオウが放出される。これにより、ＮＯｘ触媒１４が再生される。
【００５５】
また、触媒再生処理の実施にも拘わらず、ＮＯｘ触媒１４の劣化状態が継続して検出されると、同触媒１４が再生不可能な状態にあるとみなされて最終的に異常発生と判断される。最終的に異常発生と判断された場合、それ以降のリーン制御が禁止されて例えばλ＝１でのストイキ制御が実施される。また、最終的に異常発生が判断された後に、前記異常警告灯を点灯させるようにしてもよい。
【００５６】
なお本実施の形態では、前記図７のステップ３０７〜３０９が請求項記載の推定手段に相当し、同ステップ３１０が劣化検出手段に相当する。
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
【００５７】
本実施の形態では、リッチ燃焼時におけるリアＯ2 出力ＶＯＸ２のピーク値に基づいてＮＯｘ触媒１４のＮＯｘ吸蔵能力を推定し、該推定したＮＯｘ吸蔵能力に基づいて当該触媒１４の劣化を検出するようにした。本構成によれば、ＮＯｘ触媒１４に供給した排ガスが実際にどれだけリッチになるか、或いはリッチ度合がどの程度になるかといったことを反映させつつ、正確にＮＯｘ吸蔵能力が判定できる。この場合、空燃比のリッチ化に伴い吸蔵ＮＯｘが消滅する前に微量のリッチ成分が触媒下流側に流出してセンサ出力値がリッチ側に変化したとしても、その時々の触媒劣化の状態に応じた適切なセンサ出力情報が得られる。その結果、ＮＯｘ触媒１４の劣化を正確に検出することができる。
【００５８】
また、劣化検出の実施条件を設定し、例えばリッチ時間が所定値よりも短い場合にだけ、ＮＯｘ吸蔵能力を推定するようにした。この場合、リッチガス量が所定値以下の場合にのみ劣化検出を実施することで、その信頼性を高めることができる。
【００５９】
次に、本発明における第２〜第５の実施の形態を説明する。但し、以下の各実施の形態の構成において、上述した第１の実施の形態と同等であるものについては図面に同一の記号を付すと共にその説明を簡略化する。そして、以下には第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００６０】
（第２の実施の形態）
本第２の実施の形態では、ＮＯｘ触媒１４でのＮＯｘ浄化量と、同触媒１４へのＮＯｘ流入量との比から「ＮＯｘ浄化率（＝ＮＯｘ浄化量／ＮＯｘ流入量）」を求め、そのＮＯｘ浄化率の応じてＮＯｘ触媒１４の劣化を検出する。
【００６１】
ここで、「ＮＯｘ浄化量」は、ＮＯｘ浄化に要した実際のリッチガス量として求めることができる。かかる場合、リッチ燃焼時においてＮＯｘ触媒前後の空燃比を監視してリッチガス流入量と余剰ガス量との差を求め、そのリッチガス流入量と余剰ガス量との差からＮＯｘ浄化量を求める。実際には、リッチ燃焼時において触媒上流側のＡ／Ｆセンサ２６の出力ＡＦを積算して、リッチガス流入量としてのリッチガス積算値ＡＦＡＤを算出すると共に、同じくリッチ燃焼時において触媒下流側のＯ2 センサ２７の出力ＶＯＸ２を積算して、余剰ガス量としてのリアＯ2 出力積算値ＶＯＸ２ＡＤを算出する。そして、リッチガス積算値ＡＦＡＤとリアＯ2 出力積算値ＶＯＸ２ＡＤとの差をＮＯｘ浄化量とする（ＮＯｘ浄化量＝ＡＦＡＤ−ＶＯＸ２ＡＤ）。
【００６２】
また、「ＮＯｘ流入量」はＮＯｘ触媒１４に供給されたＮＯｘ量として求めることができる。実際には、リーン燃焼時においてエンジン運転状態（Ｎｅ，ＰＭ，Ａ／Ｆ）に基づきＮＯｘ流入量としてのＮＯｘ積算量ＣＮＯＸＡＤを算出する。
【００６３】
そして、
（ＡＦＡＤ−ＶＯＸ２ＡＤ）／ＣＮＯＸＡＤ
の演算結果を「ＮＯｘ浄化率」とし、このＮＯｘ浄化率を劣化判定パラメータとしてＮＯｘ触媒１４の劣化を検出する。
【００６４】
本実施の形態におけるＣＰＵ３１の制御動作を図１１，図１３〜図１６のフローチャートを用いて説明する。なお、図１１にはＮＯｘ触媒１４のＮＯｘ積算量を推定する手順を示し、図１３，１４には触媒劣化の検出手順を示す。図１３，１４の処理は前記図７の処理に代えて実施される。
【００６５】
図１１において、ＣＰＵ３１は、先ずステップ４０１で今現在のＡ／Ｆセンサ２６の出力ＡＦ（触媒上流側の空燃比）がリーン値であるか否かを判別し、同ステップが肯定判別されることを条件に、ステップ４０２に進む。ＣＰＵ３１はステップ４０２で、排ガス中に含まれるＮＯｘ量ＣＮＯＸ（モル）をエンジン運転状態に基づいて推定する。ＣＮＯＸ値の推定に際し、例えば図１２（ａ）のマップを用いてその時々のエンジン回転数Ｎｅと吸気圧ＰＭとに応じたＮＯｘ基本量を求めると共に、図１２（ｂ）の関係を用いてその時々の空燃比に応じたＡ／Ｆ補正値を求める。そして、ＮＯｘ基本量とＡ／Ｆ補正値とを乗算してその積をＣＮＯＸ値とする（ＣＮＯＸ＝ＮＯｘ基本量・Ａ／Ｆ補正値）。
【００６６】
因みに、図１２（ａ）ではエンジン回転数Ｎｅが高いほど、或いは吸気圧ＰＭが大きいほどＮＯｘ基本量が大きな値に設定される。また、図１２（ｂ）では理論空燃比（λ＝１）でＡ／Ｆ補正値＝１．０が設定され、それよりもリーン側では「１．０」以上のＡ／Ｆ補正値が設定される。但し、空燃比がある程度よりもリーン側（例えばＡ／Ｆ＞１６）では燃焼温度が下がるためにそれ以上の増加側の補正が不要となり、Ａ／Ｆ補正値は所定の値に収束する。
【００６７】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ４０３でＮＯｘ積算量ＣＮＯＸＡＤを算出する。このとき、前記ステップ４０２で算出したＣＮＯＸ値をＣＮＯＸＡＤ値の前回値に加算し、その和をＣＮＯＸＡＤ値の今回値とする（ＣＮＯＸＡＤ＝ＣＮＯＸＡＤ＋ＣＮＯＸ）。
【００６８】
一方、図１３の触媒劣化検出ルーチンでは、ＣＰＵ３１は、先ずステップ５０１でカウンタＣＣＡＴＤＴが「０」であるか否かを判別し、ＣＣＡＴＤＴ＝０であることを条件に、ステップ５０２に進む。そして、ＣＰＵ３１は、ステップ５０２でリッチ制御開始のタイミングであるか否かを判別する。
【００６９】
ステップ５０２がＮＯであれば、ＣＰＵ３１はステップ５０３に進み、今現在リーン制御中であるか否かを判別する。リーン制御中の場合、ＣＰＵ３１は、ステップ５０４でリアＯ2 出力ＶＯＸ２からＯ2 出力なまし値ＶＯＸ２ＳＭを算出する。つまり、
ＶＯＸ２ＳＭ＝（３１／３２）ＶＯＸ２ＳＭ＋（１／３１）ＶＯＸ２
という演算式を用い、Ｏ2 出力なまし値ＶＯＸ２ＳＭを算出する。
【００７０】
また、前記ステップ５０２がＹＥＳであれば、ＣＰＵ３１はステップ５０５に進み、カウンタＣＣＡＴＤＴに所定値「ＫＣＣＡＴＤＴ」をセットする。所定値ＫＣＣＡＴＤＴは、リッチ時間ＴＲに対して約３倍程度の時間であればよい（前記図７のステップ３０４に同じ）。所定値ＫＣＣＡＴＤＴがセットされると、次回からはステップ５０１がＮＯとなり、ＣＰＵ３１はステップ５０６でカウンタＣＣＡＴＤＴを「１」デクリメントし、その後ステップ６００に進む。
【００７１】
そして、ＣＰＵ３１は、ステップ６００で後述の図１５のルーチンに従い、リアＯ2 出力積算値ＶＯＸ２ＡＤを算出する。また、ＣＰＵ３１は、続くステップ７００で後述の図１６のルーチンに従い、リッチガス積算値ＡＦＡＤを算出する。
【００７２】
その後、ＣＰＵ３１は図１４のステップ５０７に進み、カウンタＣＣＡＴＤＴが「０」であるか否かを判別する。ＣＣＡＴＤＴ≠０であれば、ＣＰＵ３１はそのまま本ルーチンを終了する。また、前記ステップ５０６でのカウントダウンに伴いＣＣＡＴＤＴ＝０になると、ＣＰＵ３１はステップ５０８に進み、
ＮＯＸＣＯＮＶ＝ＣＮＯＸＡＤ／（ＡＦＡＤ−ＶＯＸ２ＡＤ）
という演算式を用いて劣化判定値ＮＯＸＣＯＮＶを算出する。
【００７３】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ５０９で図１７の関係を用い、前記ＮＯＸＣＯＮＶ値からＮＯｘ浄化率を算出すると共に、図１８の関係を用い、ＮＯｘ浄化率に基づいて触媒劣化度合を判定する。図１８では、ＮＯｘ浄化率が高いほど触媒劣化度合が小さく、逆にＮＯｘ浄化率が低いほど触媒劣化度合が大きくなるような関係が与えられている。この場合、図１８の斜線域にあれば「劣化有り」と判定される。
【００７４】
そして、ステップ５１０で劣化有りと判別されると、ＣＰＵ３１は、ステップ５１１で異常警告灯を点灯して異常発生の旨を運転者に警告すると共に、ＮＯｘ吸蔵能力を回復させるための再生処理を実施する（前記図７のステップ３１１に同じ）。最後に、ＣＰＵ３１は、ステップ５１２でＣＮＯＸＡＤ，ＶＯＸ２ＡＤ，ＡＦＡＤの各値を「０」にクリアし、その後本ルーチンを終了する。
【００７５】
次に、リアＯ2 出力積算値ＶＯＸ２ＡＤの算出手順（上記ステップ６００の処理）について図１５のフローチャートを用いて説明する。当該処理において、ＣＰＵ３１は先ずステップ６０１で、その時々のリアＯ2 出力ＶＯＸ２からＯ2 出力なまし値ＶＯＸ２ＳＭ（前記図１３、ステップ５０４の算出値）を減算してその差をＯ2 出力偏差ＶＯＸ２ＤＶとする（ＶＯＸ２ＤＶ＝ＶＯＸ２−ＶＯＸ２ＳＭ）。また、ＣＰＵ３１は、続くステップ６０２でＯ2 出力偏差ＶＯＸ２ＤＶの絶対値が０．０２Ｖ以上であるか、すなわちその時のリアＯ2 出力ＶＯＸ２がリーン燃焼時に計測したＯ2 出力なまし値ＶＯＸ２ＳＭに対して「０．０２Ｖ」以上リッチ側に変化しているか否かを判別する。
【００７６】
｜ＶＯＸ２ＤＶ｜＜０．０２Ｖの場合（ステップ６０２がＮＯ）、ＣＰＵ３１はそのまま本ルーチンを終了して元の図１３，１４のルーチンに戻る。また、｜ＶＯＸ２ＤＶ｜≧０．０２Ｖの場合（ステップ６０２がＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は、ステップ６０３で前記Ｏ2 出力偏差ＶＯＸ２ＤＶと吸入空気量ＱＡとの積により「ＶＯＸ２ＤＶ１値」を算出する（ＶＯＸ２ＤＶ１＝ＶＯＸ２ＤＶ・ＱＡ）。なお、吸入空気量ＱＡはその時々のエンジン回転数Ｎｅ及び吸気圧ＰＭに基づき演算される。
【００７７】
さらに、ＣＰＵ３１は、ステップ６０４でリアＯ2 出力積算値ＶＯＸ２ＡＤを算出し、その後本ルーチンを終了して元の図１３，１４のルーチンに戻る。ステップ６０４では、ＶＯＸ２ＡＤ値の前回値に前記算出したＶＯＸ２ＤＶ１値を加算し、その和をＶＯＸ２ＡＤ値の今回値とする（ＶＯＸ２ＡＤ＝ＶＯＸ２ＡＤ＋ＶＯＸ２ＤＶ１）。
【００７８】
リッチガス積算値ＡＦＡＤの算出手順（上記ステップ７００の処理）について図１６のフローチャートを用いて説明する。当該処理において、ＣＰＵ３１は先ずステップ７０１で、空燃比基準値ＡＦＳＤ（例えば、理論空燃比１．０）からＡ／Ｆセンサ２６の出力ＡＦ（実空燃比）を減算してその差をリッチ偏差ＡＦＤＶとする（ＡＦＤＶ＝ＡＦＳＤ−ＡＦ）。また、ＣＰＵ３１は、続くステップ７０２で「ＡＦＤＶ＞０」であるか、すなわちその時の実空燃比ＡＦが空燃比基準値ＡＦＳＤよりもリッチ側であるか否かを判別する。
【００７９】
ＡＦＤＶ≦０の場合（ステップ７０２がＮＯ）、ＣＰＵ３１はそのまま本ルーチンを終了して元の図１３，１４のルーチンに戻る。また、ＡＦＤＶ＞０の場合（ステップ７０２がＹＥＳ）、ＣＰＵ３１はステップ７０３で前記リッチ偏差ＡＦＤＶと吸入空気量ＱＡとの積によりリッチガス量ＡＦＤＶ１を算出する（ＡＦＤＶ１＝ＡＦＤＶ・ＱＡ）。さらに、ＣＰＵ３１は、ステップ７０４でリッチガス積算値ＡＦＡＤを算出し、その後本ルーチンを終了して元の図１３，１４のルーチンに戻る。ステップ７０４では、ＡＦＡＤ値の前回値に前記算出したＡＦＤＶ１値を加算し、その和をＡＦＡＤ値の今回値とする（ＡＦＡＤ＝ＡＦＡＤ＋ＡＦＤＶ１）。
【００８０】
図１９は、触媒劣化検出の一連の動作を示すタイムチャートである。図１９の時刻ｔ１１以前は空燃比リーン制御が実施されており、その時々のリアＯ2 出力ＶＯＸ２からＯ2 出力なまし値ＶＯＸ２ＳＭが算出される（前記図１３のステップ５０４）。
【００８１】
時刻ｔ１１では、空燃比リッチ制御が開始され、カウンタＣＣＡＴＤＴに所定値ＫＣＣＡＴＤＴがセットされる。また、ＮＯｘ積算量ＣＮＯＸＡＤは、触媒上流側の空燃比がリッチ値になるまでの期間（時刻ｔ１２までの期間）にて算出される（前記図１１の処理）。
【００８２】
時刻ｔ１１以降、カウンタＣＣＡＴＤＴが「０」となる時刻ｔ１３までは、図のＳ１部に相当するリッチガス積算値ＡＦＡＤと、図のＳ２部に相当するリアＯ2 出力積算値ＶＯＸ２ＡＤとが算出される（前記図１３のステップ７００，６００）。そして、時刻ｔ１３でＣＣＡＴＤＴ＝０になると、ＣＮＯＸＡＤ値、ＡＦＡＤ値及びＶＯＸ２ＡＤ値から劣化判定値ＮＯＸＣＯＮＶが算出され、そのＮＯＸＣＯＮＶ値に応じて劣化検出が行われる（前記図１４のステップ５０８，５０９）。時刻ｔ１３以降、再びＯ2 出力なまし値ＶＯＸ２ＳＭが算出される。
【００８３】
図１９において、仮にＮＯｘ触媒１４の劣化が進行すると、同触媒１４のＮＯｘ吸蔵能力が低下することから、リッチガス積算値ＡＦＡＤ（図のＳ１部）に対してリアＯ2 出力積算値ＶＯＸ２ＡＤ（図のＳ２部）が大きくなり、結果としてＮＯｘ浄化率が小さくなる。そして、ＮＯｘ浄化率の低下により、触媒劣化の旨が検出される。
【００８４】
なお本実施の形態では、前記図１４のステップ５０８，５０９が請求項記載のＮＯｘ浄化率算出手段に相当し、同ステップ５０９，５１０が劣化検出手段に相当する。
【００８５】
以上第２の実施の形態によれば、リーン燃焼時にＮＯｘ触媒１４に流入するＮＯｘ流入量（ＮＯｘ積算量ＣＮＯＸＡＤ）と、リッチ燃焼時に同ＮＯｘ触媒１４にてＮＯｘ浄化に要したリッチガス量（リッチガス積算値ＡＦＡＤ−リアＯ2 出力積算値ＶＯＸ２ＡＤ）との比率からＮＯｘ浄化率を算出し、そのＮＯｘ浄化率に基づいてＮＯｘ触媒１４の劣化を検出するようにした。かかる場合、上記第１の実施の形態と同様に、ＮＯｘ触媒１４の劣化を正確に検出することができる。
【００８６】
またこの場合、「ＮＯｘ積算量ＣＮＯＸＡＤ」にはリーン度合やリーン時間といったリーン燃焼に関する情報が含まれ、「リッチガス積算値ＡＦＡＤ−リアＯ2 出力積算値ＶＯＸ２ＡＤ」にはリッチ度合やリッチ時間といったリッチ燃焼に関する情報が含まれる。従って、触媒劣化の反映として「ＮＯｘ浄化に要したリッチガス量」が変化すると考える場合に、当該リッチガス量に対してはリーン燃焼時やリッチ燃焼時の各種条件に応じた補正が適宜加えられることとなる。よって、燃焼条件の変更にも関係なく、常に正確に触媒劣化が検出できる。またこの場合、リッチ時間が所定値よりも短い場合しか劣化検出が行えない等、燃焼条件により劣化検出の実施が制約を受けるといった不都合が回避される。
【００８７】
例えば、仮にリーン燃焼が延長されるとＮＯｘ積算量ＣＮＯＸＡＤが増えるが、それと同時に多量のＮＯｘがＮＯｘ触媒１４に吸蔵され、自ずとＮＯｘ浄化に要したリッチガス量（ＡＦＡＤ−ＶＯＸ２ＡＤ）が増える。そのため、触媒劣化度合が不変であるにも拘わらず燃焼条件の変更に伴いＮＯｘ浄化率が変更されて触媒劣化が誤検出される、といった不都合は生じない。また、リッチ燃焼が延長されるとリッチ燃焼時のリッチガス積算値ＡＦＡＤが増えるが、それと同時に、同じくリッチ燃焼時のリアＯ2 出力積算値ＶＯＸ２ＡＤが増える。そのため、やはり燃焼状態の変更に伴いＮＯｘ浄化率が変更されて触媒劣化が誤検出される、といった不都合は生じない。
【００８８】
（第３の実施の形態）
図２０には、第３の実施の形態における空燃比制御システムの概要を示す。図２０に示されるように、本実施の形態では、ＮＯｘ触媒１４の上流側にスタートキャタリストとしての役割を担う三元触媒１５が配設される。すなわち、三元触媒１５はＮＯｘ触媒１４に比べてその容量が小さく、エンジン１の低温始動後において早期に活性化されて有害ガスを浄化する。また、三元触媒１５の上流側にはＡ／Ｆセンサ２６が配設され、ＮＯｘ触媒１４の下流側にはＯ2 センサ２７が配設される。
【００８９】
この場合、上流側の三元触媒１５は、リーン燃焼時において排ガス中の酸素を一時的に貯蔵（ストレージ）する。従って、リッチ燃焼時にはリッチ成分（ＨＣ，ＣＯ）と三元触媒１５での貯蔵酸素とが反応し、その反応が終了した後、リッチ成分がＮＯｘ触媒１４に給送されることとなる。また、三元触媒１５の酸素貯蔵能力は当該三元触媒１５の劣化度合に応じて変化し、例えば触媒劣化が進行すると、酸素貯蔵能力が低下することが知られている。
【００９０】
そこで本実施の形態では、三元触媒１５の劣化度合を検出し、その触媒劣化度合に応じて空燃比リッチ制御を実施する。かかる場合、ＣＰＵ３１は、例えば図２１の関係を用い、その時々の触媒劣化度合に応じてリッチ制御量を決定する。図２１では、触媒劣化度合が小さければ、三元触媒１５による酸素貯蔵能力が大きいことから比較的大きなリッチ制御量が設定される。すなわち、リッチ制御の継続時間が比較的長めに設定される。また、触媒劣化度合が大きければ、三元触媒１５による酸素貯蔵能力が小さいことから比較的小さなリッチ制御量が設定される。すなわち、リッチ制御の継続時間が比較的短めに設定される。
【００９１】
上記の通り三元触媒１５の劣化度合に応じてリッチ制御量（リッチ時間）が設定されると、ＮＯｘ触媒１４に対して常に一定量のリッチガス量を供給することが可能となる。従って、リアＯ2 出力ＶＯＸ２の大きさに基づいて同触媒１４の劣化が検出できる。この場合、前記図７の触媒劣化検出手順を用い、リッチ燃焼時におけるリアＯ2 出力ＶＯＸ２のピーク値に応じてＮＯｘ触媒１４の劣化度合を検出する。
【００９２】
なお、三元触媒１５の劣化度合を検出する手法としては、例えば本願出願人による特開平８−３３８２８６号公報の「内燃機関の排気系故障診断装置」に開示された手法が適用できる。その触媒劣化検出手法を簡単に記述する。つまり、ＣＰＵ３１は、リアＯ2 出力ＶＯＸ２（触媒下流側のＯ2 センサ２７の出力）が目標値に一致するようサブフィードバック制御を実施すると共に、リアＯ2 出力ＶＯＸ２についてその偏差の積分値を求める。そして、ＶＯＸ２偏差の積分値に基づいて三元触媒１５の劣化度合を検出する。このとき、ＶＯＸ２偏差の積分値が小さいほど、触媒劣化度合が大きい旨を検出する。
【００９３】
本実施の形態の作用を図２２のタイムチャートを使って説明する。図２２（ａ），（ｂ）にはそれぞれ、三元触媒１５の新品時と同触媒１５の劣化時とでの空燃比等の挙動を示す。図２２（ａ）において時刻ｔ２１では、その時の三元触媒１５の劣化度合に基づいてリッチ制御の継続時間が設定され、その継続時間に合わせてリッチ制御が開始される。
【００９４】
その後、時刻ｔ２２では、三元触媒１５前後の空燃比が理論空燃比（λ＝１）に達する。このとき、三元触媒１５前方の空燃比は理論空燃比よりもリッチ側に直ちに推移するものの、三元触媒１５にはリーン制御時に貯蔵された酸素が存在するためその貯蔵酸素と排ガス中のリッチ成分（ＨＣ，ＣＯ等）とが反応し、三元触媒１５後方の空燃比は理論空燃比で一旦保持される。そして、貯蔵酸素とリッチ成分との反応が終了すると、三元触媒１５後方の空燃比がリッチ側に移行する（時刻ｔ２３）。時刻ｔ２３以降、リッチ成分がＮＯｘ触媒１４側に供給されるために、同触媒１４に吸蔵されていたＮＯｘが還元・放出される。
【００９５】
時刻ｔ２４ではリーン制御が再開され、三元触媒１５後方の空燃比は、上流側から給送される排ガス中のリーン成分と同触媒１５に貯蔵されているリッチ成分とが反応する所定期間（時刻ｔ２５〜ｔ２６）だけ理論空燃比で保持された後、リーン制御値に戻る。
【００９６】
一方、三元触媒１５の劣化時には、図２２（ｂ）に示されるように、時刻ｔ３１で制御空燃比がリーンからリッチに切り換えられると共に、三元触媒１５の劣化度合に基づいてリッチ制御の継続時間が設定される。この場合、三元触媒１５の劣化が進行していることから、比較的小さなリッチ制御量が与えられる（図２１参照）。
【００９７】
三元触媒１５前後の空燃比が理論空燃比（λ＝１）に達する時刻ｔ３２では、三元触媒１５後方の空燃比は理論空燃比で一旦保持されるが、三元触媒１５が劣化しているために触媒貯蔵の酸素量は少なく、前記図２２（ａ）の場合に比べて短時間で、同空燃比がリッチ側に移行する（時刻ｔ３３）。すなわち、三元触媒１５の貯蔵酸素と排ガス中のリッチ成分とが反応する時間である、図２２（ｂ）の時刻ｔ３２〜ｔ３３は、図２２（ａ）の時刻ｔ２２〜ｔ２３に比べて短くなる。時刻ｔ３３以降、リッチ成分がＮＯｘ触媒１４側に供給されるために、同触媒１４に吸蔵されていたＮＯｘが還元・放出される。その後、時刻ｔ３４で制御空燃比がリーン値に戻される。
【００９８】
図２２（ａ），（ｂ）によれば、三元触媒１５の劣化度合に応じてリッチ時間が制御される。これにより、リッチ制御時においては、三元触媒１５の劣化の有無に拘わらず常に必要量のリッチガスが供給され、且つＮＯｘ触媒下流側のリッチガス量が触媒の劣化検出が可能な値で規制される。
【００９９】
以上第３の実施の形態では、ＮＯｘ触媒１４の上流側に三元触媒１５を設けて具体化したが、かかる場合にも上記各実施の形態と同様に、ＮＯｘ触媒１４の劣化を正確に検出することができる。
【０１００】
また本実施の形態では、三元触媒１５の上流側にＡ／Ｆセンサ２６を配設することで、エンジン１とセンサ２６との距離が短縮され、空燃比が変化してからセンサ出力が変化するまでの応答時間が短縮される。従って、過渡運転時におけるセンサ検出精度が高められる。
【０１０１】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態では、上記第３の実施の形態と同様に、ＮＯｘ触媒１４の上流側にスタートキャタリストとしての三元触媒１５を設ける構成とし、空燃比制御システムは図２３のように構成される。図２３について、前記図２０との相違点を述べれば、図２３ではＡ／Ｆセンサ２６が三元触媒１５の下流側（触媒１４，１５の間）に設けられている。
【０１０２】
また本実施の形態では、上記第２の実施の形態で説明した通り、ＮＯｘ触媒１４のＮＯｘ浄化率に基づいて同触媒１４の劣化度合を検出する。すなわち、前記図１１の手順に従い、ＮＯｘ触媒１４に流入するＮＯｘ積算量ＣＮＯＸＡＤを算出する。また、前記図１３，１４の手順に従い、ＮＯｘ触媒１４でのＮＯｘ浄化に要した実際のリッチガス量（リッチガス積算値ＡＦＡＤ−リアＯ2 出力積算値ＶＯＸ２ＡＤ）を算出すると共に、「ＡＦＡＤ−ＶＯＸ２ＡＤ／ＣＮＯＸＡＤ」をＮＯｘ浄化率としてそのＮＯｘ浄化率に応じてＮＯｘ触媒１４の劣化度合を検出する。
【０１０３】
なお、ＮＯｘ浄化率を劣化判定パラメータとする場合、ＮＯｘ触媒１４に流入するリッチガス量を所定値に規制しなくても触媒劣化が検出できる。そのため、上記第３の実施の形態で説明したように三元触媒１５の劣化検出を行い、その検出結果に応じてリッチ制御量を調節するといった処理は不要となる。
【０１０４】
かかる構成では、既述の通り三元触媒１５の劣化度合に応じて酸素貯蔵能力が変動したとしてもその酸素貯蔵力の大小に拘わらず、ＮＯｘ浄化に要した実際のリッチガス量とリーン燃焼時におけるＮＯｘ流入量とからＮＯｘ浄化率が正確に求められる。つまり、三元触媒１５の劣化度合の違いに影響されることなく、ＮＯｘ触媒１４の劣化を正確に検出することができる。
【０１０５】
（第５の実施の形態）
上記第３，第４の実施の形態では、酸素貯蔵能力を有する三元触媒１５をＮＯｘ触媒１４の上流側に配設していたが、本第５の実施の形態では三元触媒を酸素貯蔵能力のないもの、或いは酸素貯蔵能力の小さいものに変更する。つまり本実施の形態において、三元触媒は、酸素貯蔵能力のない貴金属（白金Ｐｔ）のみを担体に担持して構成される。具体的には、ステンレス鋼又はコージエライト等のセラミックからなる担体に、多孔質のアルミナＡｌ2 Ｏ3 の表面に白金Ｐｔのみを担持して構成された触媒層がコーティングされている。
【０１０６】
かかる場合、三元触媒１５に貯蔵される酸素と排ガス中のリッチ成分（ＨＣ，ＣＯ）とが反応しその分だけ下流側へのリッチ成分の供給量が減るといったことがなくなり、三元触媒１５前後における空燃比の挙動は略一致する。従って、上記第３の実施の形態のように、三元触媒１５の劣化度合に応じてリッチ制御量を可変に設定するといった処理が不要となる。なお、ＮＯｘ触媒１４の劣化検出手法としては、前記図７に依るもの、又は前記図１３，１４に依るものの何れも適用できる。
【０１０７】
本発明の実施の形態は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
上記第１の実施の形態では、リーン時間ＴＬ及びリッチ時間ＴＲが比較的短い場合にのみ、劣化検出の実施条件が成立するとして、その条件成立時にのみリアＯ2 出力ＶＯＸ２を用いた劣化検出を実施したが、この構成を変更する。例えば所定の時間周期で劣化検出を実施することとし、劣化検出の実施時にはリーン時間ＴＬ及びリッチ時間ＴＲを強制的に短くする。つまり、ＮＯｘ吸蔵能力を推定してその推定値により触媒劣化を検出する際には、リッチ燃焼時のリッチ時間、或いはリッチ度合を所定値以下に制限する。本構成によれば、触媒劣化無しの場合と劣化有りの場合とで、リアＯ2 出力ＶＯＸ２に明確な差ができ、結果として信頼性の高い触媒劣化検出が実現できる。
【０１０８】
上記第１の実施の形態では、リアＯ2 出力ＶＯＸ２のピーク値に応じてＮＯｘ触媒１４のＮＯｘ吸蔵能力を推定し、それＮＯｘ吸蔵能力に基づいて当該触媒１４の劣化を検出したが、これを以下の（１），（２）のように変更する。
（１）ＶＯＸ２変化の時間積分値（面積）からＮＯｘ吸蔵能力を推定し、そのＮＯｘ吸蔵能力に基づいて触媒劣化を検出する。具体的には、リッチ制御時におけるリアＯ2 出力ＶＯＸ２に基づいてリアＯ2 出力積算値ＶＯＸ２ＡＤを算出し（例えば前記第２の実施の形態、図１５の処理に準ずる）、このリアＯ2 出力積算値ＶＯＸ２ＡＤに応じてＮＯｘ吸蔵能力を推定する。この場合、ＶＯＸ２ＡＤ値が大きいほど、ＮＯｘ触媒１４のＮＯｘ吸蔵能力が低下して同触媒１４の劣化が進行しているとみなすことができる。
（２）リッチ制御時において、リアＯ2 出力ＶＯＸ２の単位時間毎の変化量を積算し、それにより出力値の軌跡を求める。そして、ＶＯＸ２の軌跡からＮＯｘ吸蔵能力を推定し、そのＮＯｘ吸蔵能力に基づいて触媒劣化を検出する。この場合、ＶＯＸ２の軌跡が大きいほど、ＮＯｘ触媒１４のＮＯｘ吸蔵能力が低下して同触媒１４の劣化が進行しているとみなすことができる。
【０１０９】
上記各実施の形態では、ＮＯｘ触媒１４の下流側にＯ2 センサ２７を配設し、同センサ２７の出力（リアＯ2 出力ＶＯＸ２）を使ってＮＯｘ触媒１４の劣化を検出したが、Ｏ2 センサ２７を限界電流式のＡ／Ｆセンサに変更し、このＡ／Ｆセンサ出力を使って下記の（イ），（ロ）のように触媒劣化を検出する。
（イ）ＮＯｘ触媒下流側に配置したＡ／Ｆセンサの出力のピーク値、又は同出力の時間積分値（面積）から触媒劣化を検出する。これは基本的に前記図７の処理に準じて行われるとよく、図７のステップ３０７〜３０９に見られるリアＯ2 出力ＶＯＸ２を「リアＡ／Ｆセンサ出力」に変更すればよい。
（ロ）前記図１３，１４の処理において、リアＯ2 出力積算値ＶＯＸ２ＡＤの代わりに触媒下流側のＡ／Ｆセンサの出力積算値を算出する。つまり、触媒下流側の余剰ガス量として、Ａ／Ｆセンサの出力積算値を算出する。この場合、リッチ燃焼時における触媒上流側のＡ／Ｆセンサの出力積算値と、同じくリッチ燃焼時における触媒下流側のＡ／Ｆセンサの出力積算値との差からＮＯｘ触媒１４でのＮＯｘ浄化量（ＮＯｘ浄化に要したリッチガス量）を算出する。そして、このＮＯｘ浄化量に応じて触媒劣化を検出する。
【０１１０】
Ｏ2 センサやＡ／Ｆセンサの出力を物理量に変換して使用する。例えば図２４の関係を用いてＯ2 センサ出力をリッチ過剰量（モル）に変換し、そのリッチ過剰量のピーク値、時間積分値（面積）、軌跡の何れかのデータを使ってＮＯｘ触媒１４の劣化検出を実施する。或いは図２５の関係を用いてＡ／Ｆセンサ出力をリッチ過剰量（モル）に変換し、そのリッチ過剰量のピーク値、時間積分値（面積）、軌跡の何れかのデータを使ってＮＯｘ触媒１４の劣化検出を実施する。
【０１１１】
上記第３の実施の形態において、三元触媒１５の劣化検出手法を変更する。例えば本願出願人による特開平９−３１６１２号公報の「排出ガス浄化用触媒劣化検出装置」に開示された手法を適用する。本手法では、エンジンが始動してから三元触媒が暖機されるまでに該触媒内で浄化されるガス成分量（未浄化ガス成分量を反映するデータ）を算出し、その未浄化ガス成分量に基づいて三元触媒の劣化度合を検出する。この場合、触媒活性前のエミッション増加を考慮しつつ、触媒劣化が精度良く検出できる。なお、三元触媒の暖機前には、触媒劣化度合の違いによる浄化率の差が大きく、触媒劣化を容易且つ正確に検出することが可能となる。
【０１１２】
上記第５の実施の形態において、酸素貯蔵能力の小さい三元触媒１５として以下の構成が適用できる。
・酸素貯蔵能力の大きな助触媒を担体に担持しない、或いはその担持量を少なくして三元触媒を構成する。この場合、酸素吸蔵能力の大きな助触媒としては、セリアＣｅＯ2 、バリウムＢａ、ランタンＬａなどが知られている。
・酸素貯蔵能力のある貴金属（Ｒｈ，Ｐｄ）の担持量を少なくして三元触媒を構成する。特にロジウムＲｈであれば０．２ｇ／リットル以下、パラジウムＰｄであれば２．５ｇ／リットル以下の担持量とすることが好ましい。
【０１１３】
上記各実施の形態では、空燃比のＦ／Ｂ制御に際し、現代制御理論を用いた演算を実施したが、これに代えてＰＩＤ，ＰＩ制御などを用いた演算を実施してもよい。また、リーン燃焼時において空燃比をオープン制御してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態における空燃比制御システムの概要を示す全体構成図。
【図２】燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャート。
【図３】目標空燃比ＡＦＴＧの設定ルーチンを示すフローチャート。
【図４】エンジン運転状態に応じてリッチ時間をするためのマップ。
【図５】エンジン運転状態に応じてリーン目標空燃比を設定するためのマップ。
【図６】空燃比制御の挙動を示すタイムチャート。
【図７】触媒劣化検出ルーチンを示すフローチャート。
【図８】ＮＯｘ吸蔵量と触媒劣化度合との関係を示す図。
【図９】触媒劣化前と触媒劣化後とについてセンサ出力波形を示す図。
【図１０】触媒劣化前と触媒劣化後とについてセンサ出力波形を示す図。
【図１１】ＮＯｘ量推定ルーチンを示すフローチャート。
【図１２】ＮＯｘ量算出に使用するための関係図。
【図１３】触媒劣化検出ルーチンを示すフローチャート。
【図１４】図１３に続き、触媒劣化検出ルーチンを示すフローチャート。
【図１５】リアＯ2 出力積算値ＶＯＸ２ＡＤの算出ルーチンを示すフローチャート。
【図１６】リッチガス積算値ＡＦＡＤの算出ルーチンを示すフローチャート。
【図１７】劣化判定値ＮＯＸＣＯＮＶとＮＯｘ浄化率との関係を示す図。
【図１８】ＮＯｘ浄化率と触媒劣化度合との関係を示す図。
【図１９】第２の実施の形態において、作用を説明するためのタイムチャート。
【図２０】第３の実施の形態において、制御システムの概要を示す構成図。
【図２１】三元触媒劣化度合とリッチ制御量との関係を示す図。
【図２２】第３の実施の形態において、作用を説明するためのタイムチャート。
【図２３】第４の実施の形態において、制御システムの概要を示す構成図。
【図２４】Ｏ2 センサ出力をリッチ過剰量に変換するための図。
【図２５】Ａ／Ｆセンサ出力をリッチ過剰量に変換するための図。
【符号の説明】
１…エンジン（内燃機関）、３…排気管、１４…ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒）、２６…酸素濃度センサ（上流側センサ）としてのＡ／Ｆセンサ、２７…酸素濃度センサ（下流側センサ）としてのＯ2 センサ、３０…ＥＣＵ、３１…推定手段，劣化検出手段，ＮＯｘ浄化率算出手段としてのＣＰＵ。

Claims (3)

1. 機関排気系に設けられたリーンＮＯｘ触媒を備え、空燃比リーン領域でのリーン燃焼を行わせると共に、リーン燃焼時に排出される排ガス中のＮＯｘをリーンＮＯｘ触媒で吸蔵し、さらに空燃比を一時的にリッチに制御して前記吸蔵したＮＯｘをリーンＮＯｘ触媒から放出するようにした内燃機関の排ガス浄化装置において、
   リーン燃焼時にリーンＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘ流入量と、リッチ燃焼時に同リーンＮＯｘ触媒にてＮＯｘ浄化に要したリッチガス量との比率から当該触媒によるＮＯｘ浄化率を算出するＮＯｘ浄化率算出手段と、
   前記算出したＮＯｘ浄化率に基づいてリーンＮＯｘ触媒の劣化を検出する劣化検出手段と
   を備えることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
2. 前記リーンＮＯｘ触媒においてＮＯｘ浄化に要したリッチガス量が減少してＮＯｘ浄化率が低下するほど、リーンＮＯｘ触媒の劣化度合が大きい旨を検出する請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
3. 前記リーンＮＯｘ触媒の上流側に配設され、排ガス中の酸素濃度を検出する上流側センサと、
   前記リーンＮＯｘ触媒の下流側に配設され、排ガス中の酸素濃度を検出する下流側センサと、
   前記上流側センサの検出結果を基に、リーン燃焼時にリーンＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘ流入量Ａを算出する手段と、
   前記上流側センサの検出結果を基に、リッチ燃焼時にリーンＮＯｘ触媒に流入するリッチガス流入量Ｂを算出する手段と、
   前記下流側センサの検出結果を基に、リッチ燃焼時にリーンＮＯｘ触媒から排出される余剰ガス量Ｃを算出する手段とを備え、
   前記ＮＯｘ浄化率算出手段は、前記算出したリーン燃焼時のＮＯｘ流入量Ａと、リッチ燃焼時のリッチガス流入量Ｂ，余剰ガス量Ｃとに基づいて、
   （Ｂ−Ｃ）／Ａ
   の演算結果からＮＯｘ浄化率を算出する請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。

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