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JP4218601B2 - 圧縮着火内燃機関の空燃比センサ劣化判定システム - Google Patents

圧縮着火内燃機関の空燃比センサ劣化判定システム Download PDF

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Description

本発明は、圧縮着火内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサの劣化を判定する空燃比センサ劣化判定システムに関する。
圧縮着火内燃機関の排気系に、排気の酸素濃度に応じた空燃比信号を出す空燃比センサを設けて、その空燃比信号に基づいて、燃料噴射弁からの噴射量や噴射時期、又は排気系に直接燃料を供給する燃料添加弁からの噴射量等を調整して排気の空燃比を制御する技術が広く知られている。
しかし、空燃比センサにおいては、そのセンサ保護用のプロテクタ等が排気中の粒子状物質等での目詰まり発生中に熱劣化による電極変化等で、空燃比センサの機能が劣化する虞がある。劣化した空燃比センサからの空燃比信号に基づいて排気の空燃比を制御すると、実際の排気の空燃比が目的とする空燃比から大きくかけ離れ、エミッションが悪化する虞がある。そこで、空燃比センサの劣化を判定する技術として、空燃比センサが所定のリッチ側の空燃比を検出してから所定のリーン側の空燃比を検出するまでに要する時間、空燃比センサが所定のリーン側の空燃比を検出してから所定のリッチ側の空燃比を検出するまでに要する時間等が基準とする時間よりも長いときは、空燃比センサが劣化していると判定する技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。
また、空燃比センサによって検出される排気の空燃比の応答性に基づいて該空燃比センサの劣化の判定を行う技術であって、排気の空燃比がリーン側の空燃比である場合、ストイキ近傍の空燃比である場合、リッチ側の空燃比である場合において、劣化判定の基準となる値を変更せしめる技術が公開されている（例えば、特許文献２を参照。）。
特開平１０−１８８８６号公報 特開平１０−２８０９９１号公報 特開２００４−３５１３号公報 特開平５−１２５９７８号公報 特開平６−３４６７７５号公報 特開平７−２６９４００号公報
圧縮着火内燃機関からの排気を浄化する触媒として、いわゆる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を用いる場合、熱害等を回避するために空燃比センサを吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の下流側に配置する場合がある。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、排気中の酸素やＮＯｘを一時的にその内部にストレージし、若しくはストレージした酸素等を放出する機能を有している。従って、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の下流側に配置された空燃比センサにおいて、その空燃比検出の応答性より該空燃比センサが劣化しているか否かを判定しようとすると、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のストレージ機能の影響を受けて、正確な劣化判定が困難となる。
また、圧縮着火内燃機関の排気系においては、排気系に直接燃料を添加するような場合には、空燃比センサに到達する排気に含まれる燃料の分子量は比較的大きい。そのため、空燃比センサの拡散抵抗層を燃料分子が通過する時間と酸素分子が通過する時間との間にばらつきが生じ、いわゆるリーンずれにより排気の空燃比を正確に検出できない場合がある。その結果、空燃比センサの空燃比検出の応答性より該空燃比センサが劣化しているか否かを判定する場合、該判定を正確に行うのが困難となる。
本発明では、上記した問題に鑑み、排気系に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を備える圧縮着火内燃機関において、該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の下流に設けられた空燃比センサの劣化判定をより正確に行うことを目的とする。
本発明においては、上記した課題を解決するために、第一に、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比がリーン状態からリッチ状態へ移行される場合、空燃比センサによって検出される排気の空燃比が、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のストレージ機能によって一時的にストイキ近傍の空燃比に維持されることに着目した。排気の空燃比がリーン状態からリッチ状態へ移行される過程において、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のストレージ機能によって一時的にストイキ近傍の空燃比とされる以前の空燃比センサによる空燃比検出の応答性に基づいて空燃比センサの劣化を判定することで、より正確な劣化判定が可能となる。
そこで、本発明は、圧縮着火内燃機関の空燃比センサ劣化判定システムにおいて、圧縮着火内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の下流側に設けられ、該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒から流出する排気の酸素濃度に応じた空燃比を検出する空燃比センサと、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気に燃料を供給することで、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を制御する排気空燃比制御手段と、前記排気空燃比制御手段によってリーン状態にある排気の空燃比がリッチ状態へと制御されるときに、前記空燃比センサがストイキよりリーン側である第一空燃比を検出してから、該空燃比センサがストイキよりリーン側の空燃比であって該第一空燃比よりリッチ側の第二空燃比を検出するまでの応答時間を検出するストイキ移行時応答時間検出手段と、前記ストイキ移行時応答時間検出手段によって検出された応答時間がストイキ移行時基準時間を超えるときに、前記空燃比センサが劣化していると判定する空燃比センサ劣化判定手段と、を備える。
上記の圧縮着火内燃機関においては、例えば、排気空燃比制御手段によって気筒における燃料噴射量や燃料噴射時期を調整することで、又は排気系に直接燃料を添加することで、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を制御することが可能である。これにより、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＮＯｘの還元や、吸蔵されたＳＯｘの放出が可能にもなる。
ここで、ストイキ移行時応答時間検出手段によって空燃比センサの応答時間が検出される場合においては、排気空燃比制御手段が排気の空燃比をリーン状態からリッチ状態へと移行する。このリーン状態からリッチ状態への移行とは、ストイキに比べてリーン側の空燃比からストイキに比べてリッチ側の空燃比に移行する場合のみならず、ストイキに比べてリーン側の空燃比から、よりリッチ側の空燃比であるがストイキに比べてリーン側の空燃比へ移行する場合も含む。即ち、排気空燃比制御手段によって、排気の空燃比がよりリッチ側の空燃比に移行する場合において、ストイキ移行時応答時間検出手段によって空燃比センサの応答時間が検出される。
ストイキ移行時応答時間検出手段による応答時間の検出の特徴点は、空燃比センサによる排気空燃比の検出の応答期間において、検出される空燃比がストイキよりリーン側の二つの空燃比である第一空燃比と第二空燃比のそれぞれの検出時間差を応答時間とすることである。これは、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のストレージ機能およびリーンずれによる影響を可及的に回避するためである。
また、第一空燃比と第二空燃比のそれぞれの検出時間差の検出においては、特定の検出方法には限られない。例えば、排気空燃比制御手段による排気の空燃比のリーン状態から
リッチ状態への移行が行われるとき、空燃比の初期値を第一空燃比、最終値までの変化において所定割合の空燃比変化が行われた時点の空燃比を第二空燃比として、応答時間である検出時間差を求めてもよい。
また、排気空燃比制御手段による排気の空燃比のリーン状態からリッチ状態への移行が行われるときの空燃比の初期値から最終値までの変化において、第一の所定割合の空燃比変化が行われた時点の空燃比を第一空燃比、第二の所定割合の空燃比変化が行われた時点の空燃比を第二空燃比として、応答時間である検出時間差を求めてもよい。
そして、空燃比センサが劣化するとストイキ移行時応答時間検出手段によって検出された応答時間は長くなる傾向を有する。そこで、空燃比センサ劣化判定手段によって、ストイキ移行時応答時間検出手段によって検出された応答時間と、劣化判定の基準となるストイキ移行時基準時間とを比較することで、空燃比センサが劣化しているか否かがより正確に判定される。ここで、ストイキ移行時基準時間は、空燃比センサが劣化していない場合、もしくは多少劣化していても排気の空燃比の検出に支障がない場合の、応答時間である。
以上より、上記の圧縮着火内燃機関の空燃比センサ劣化判定システムにおいては、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の下流に設けられた空燃比センサの劣化判定をより正確に行うことが可能となる。
また、ストイキ移行時応答時間検出手段によって応答時間が検出される際の、排気空燃比制御手段による排気の空燃比の制御は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘの還元やＳＯｘの放出を行う際の空燃比制御であってもよい。これにより、空燃比センサの劣化判定のためだけに排気の空燃比を制御することなく、通常の排気浄化制御の中で空燃比センサの劣化判定が可能となる。
ここで、上記の圧縮着火内燃機関の空燃比センサ劣化判定システムにおいて、前記排気空燃比制御手段によって排気の空燃比がリッチ状態とされる前の前記リーン状態の排気の空燃比、又は前記排気空燃比制御手段によって排気に燃料が供給されてから該排気が前記空燃比センサに到達するまでの排気移動時間の何れかに基づいて、前記ストイキ移行時基準時間を補正するストイキ移行時基準時間補正手段を、更に備えるようにしてもよい。
即ち、圧縮着火内燃機関の状態に応じてストイキ移行時基準時間をより適正な値に補正することで、より正確な空燃比センサの劣化判定を可能とするものである。ここで、排気空燃比制御手段によって排気の空燃比が制御される場合、第一空燃比と第二空燃比との検出時間差である応答時間は、排気の空燃比の初期値によって変化する。排気の空燃比の初期値がよりリーン側の空燃比であるほど、排気空燃比制御手段によって変動される空燃比幅が大きくなるため、前記応答時間が長くなる。そのような場合、ストイキ移行時基準時間を大きくする補正が、ストイキ移行時基準時間補正手段によって行われる。
また、排気空燃比制御手段によって排気の空燃比が制御される場合、実際の圧縮着火内燃機関において、排気空燃比制御手段によって排気の空燃比が変更されたことが空燃比センサに反映されるまでの時間である排気移動時間は存在し、該排気移動時間は圧縮着火内燃機関のサイズや、排気流量等によって変動する。そして、排気移動時間が長くなると前記応答時間は長くなる。そこで、そのような場合、ストイキ移行時基準時間を大きくする補正が、ストイキ移行時基準時間補正手段によって行われる。
第二に、本発明においては、上記した課題を解決するために、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比がリッチ状態からリーン状態へ移行される場合、空燃比センサによ
って検出される排気の空燃比が、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のストレージ機能によって一時的にストイキ近傍の空燃比に維持された後にリーン状態へ移行されることに着目した。排気の空燃比がリッチ状態からリーン状態へ移行される過程において、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のストレージ機能によって一時的にストイキ近傍の空燃比とされた後の空燃比センサによって検出される空燃比の応答性に基づいて該空燃比センサの劣化を判定することで、より正確な劣化判定が可能となる。
そこで、本発明は、圧縮着火内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の下流側に設けられ、該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒から流出する排気の酸素濃度に応じた空燃比を検出する空燃比センサと、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気に燃料を供給することで、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を制御する排気空燃比制御手段と、前記排気空燃比制御手段によってリッチ状態にある排気の空燃比がリーン状態へと制御されるときに、前記空燃比センサがストイキよりリーン側の第三空燃比を検出してから、該空燃比センサが該第三空燃比よりリーン側の第四空燃比を検出するまでの応答時間を検出するリーン移行時応答時間検出手段と、前記リーン移行時応答時間検出手段によって検出された応答時間がリーン移行時基準時間を超えるときに、前記空燃比センサが劣化していると判定する空燃比センサ劣化判定手段と、を備える。
上記の圧縮着火内燃機関においては、リーン移行時応答時間検出手段によって空燃比センサの応答時間が検出される場合においては、排気空燃比制御手段が排気の空燃比をリッチ状態からリーン状態へと移行する。このリッチ状態からリーン状態への移行とは、ストイキに比べてリッチ側の空燃比からストイキに比べてリーン側の空燃比に移行する場合のみならず、ストイキに比べてリーン側の空燃比から、よりリーン側の空燃比へ移行する場合も含む。即ち、排気空燃比制御手段によって、排気の空燃比がよりリーン側の空燃比に移行される場合において、リーン移行時応答時間検出手段によって空燃比センサの応答時間が検出される。
ここで、リーン移行時応答時間検出手段による応答時間の検出の特徴点は、空燃比センサによる排気空燃比の検出の応答期間において、検出される空燃比がストイキよりリーン側の二つの空燃比である第三空燃比と第四空燃比のそれぞれの検出時間差を応答時間とすることである。これは、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のストレージ機能およびリーンずれによる影響を可及的に回避するためである。
また、第三空燃比と第四空燃比のそれぞれの検出時間差の検出においては、第一空燃比と第二空燃比のそれぞれの検出時間差の検出の場合と同様に、特定の検出方法には限られない。
そして、空燃比センサが劣化するとリーン移行時応答時間検出手段によって検出された応答時間は長くなる傾向を有する。そこで、空燃比センサ劣化判定手段によって、リーン移行時応答時間検出手段によって検出された応答時間と、劣化判定の基準となるリーン移行時基準時間とを比較することで、空燃比センサが劣化しているか否かがより正確に判定される。ここで、リーン移行時基準時間は、空燃比センサが劣化していない場合、もしくは多少劣化していても排気の空燃比の検出に支障がない場合の、応答時間である。
以上より、上記の圧縮着火内燃機関の空燃比センサ劣化判定システムにおいては、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の下流に設けられた空燃比センサの劣化判定をより正確に行うことが可能となる。
また、リーン移行時応答時間検出手段によって応答時間が検出される際の、排気空燃比
制御手段による排気の空燃比の制御は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘの還元やＳＯｘの放出を行う際の空燃比制御であってもよい。これにより、空燃比センサの劣化判定のためだけに排気の空燃比を制御することなく、通常の排気浄化制御の中で空燃比センサの劣化判定が可能となる。
また、上記の圧縮着火内燃機関の空燃比センサ劣化判定システムにおいて、前記排気空燃比制御手段によって排気の空燃比がリーン状態とされたときの該リーン状態の排気の空燃比、又は前記排気空燃比制御手段によって排気に供給される燃料量が減量されてから該排気が前記空燃比センサに到達するまでの排気移動時間の何れかに基づいて、前記リーン移行時基準時間を補正するリーン移行時基準時間補正手段を、更に備えるようにしてもよい。
即ち、圧縮着火内燃機関の状態に応じてリーン移行時基準時間をより適正な値に補正することで、より正確な空燃比センサの劣化判定を可能とするものである。ここで、排気空燃比制御手段によって排気の空燃比が制御される場合、第三空燃比と第四空燃比との検出時間差である応答時間は、排気の空燃比の最終値によって変化する。排気の空燃比の最終値がよりリーン側の空燃比であるほど、排気空燃比制御手段によって変動される空燃比幅が大きくなるため、前記応答時間が長くなる。そのような場合、リーン移行時基準時間を大きくする補正が、リーン移行時基準時間補正手段によって行われる。
また、排気空燃比制御手段によって排気への燃料の供給量が減量（供給停止を含む）されることで、排気の空燃比がリーン状態に制御される。ここで、実際の圧縮着火内燃機関においては、排気空燃比制御手段によって排気の空燃比が変更されたことが空燃比センサに反映されるまでの時間である排気移動時間は存在し、該排気移動時間は圧縮着火内燃機関のサイズや、排気流量等によって変動する。そして、排気移動時間が長くなると前記応答時間は長くなる。そこで、そのような場合、リーン移行時基準時間を大きくする補正が、リーン移行時基準時間補正手段によって行われる。
ここで、上述の第二の発明に係る圧縮着火内燃機関の空燃比センサ劣化判定システムにおいて、前記排気空燃比制御手段によって、前記空燃比センサが検出する排気の空燃比がストイキよりリッチ側の空燃比に至った後、排気への燃料の供給量が減量されて排気の空燃比がリーン状態へと制御されるときに、前記リーン移行時応答時間検出手段による応答時間の検出が行われるようにしてもよい。
これにより、リーン移行時応答時間検出手段によって応答時間の検出が行われるのは、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されている酸素量が少ない状態から、再び吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のストレージ機能によってその内部に酸素が吸蔵された後となる。従って、応答時間の検出において吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のストレージ機能を可及的に排除することが可能となる。
本発明に係る圧縮着火内燃機関の空燃比センサ劣化判定システムにおいては、排気系に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を備える圧縮着火内燃機関の、該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の下流に設けられた空燃比センサの劣化判定をより正確に行うことが可能となる。
ここで、本発明に係る圧縮着火内燃機関の空燃比センサ劣化判定システムの実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明が適用される圧縮着火内燃機関（以下、単に「内燃機関」という）１の空燃比センサ劣化判定システムの概略構成を表すブロック図である。ここで、内燃機関１は、圧縮着火式の内燃機関である。内燃機関１の燃焼室には吸気通路２が接続されている。また、内燃機関１において燃焼により生成された排気は、内燃機関１から排気通路３へと排出される。排気通路３の途中には、酸化能を有する酸化触媒４と、酸化触媒４の下流側にいわゆる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、「ＮＯｘ触媒」という）５が設けられている。尚、ＮＯｘ触媒５にはその成分に白金が含まれているため、酸化能を有する触媒としても作用する。また、酸化触媒４の上流側の排気通路３には、排気通路３を流れる排気に、還元剤である内燃機関１の燃料を添加する燃料添加弁６が設けられている。燃料添加弁６から排気へ添加された燃料は、酸化触媒４やＮＯｘ触媒５に供給されて、これらの触媒に対して還元剤として作用するとともにこれらの触媒の酸化能によって酸化されて、酸化熱が発生する。
また、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、ＣＰＵの他、後述する各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。
ＥＣＵ２０には、クランクポジションセンサ９、アクセル開度センサ１０等、内燃機関１の運転状態を検出する種々のセンサが電気配線を介して接続され、それらの出力信号がＥＣＵ２０に入力され、ＥＣＵ２０は内燃機関１の機関回転速度や機関負荷を検出することができる。更に、ＥＣＵ２０には、ＮＯｘ触媒５の下流側に設けられた空燃比センサ８が電気的に接続されている。空燃比センサ８によって、ＥＣＵ２０は、ＮＯｘ触媒５から流出する排気の空燃比を検出することができる。
一方、ＥＣＵ２０には、燃料添加弁６が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２０からの指令に従って燃料添加弁６から排気通路３を流れる排気に添加される燃料量等が制御される。また、図１には図示されていないが内燃機関１に備えられている燃料噴射弁もＥＣＵ２０と電気的に接続され、ＥＣＵ２０からの指令に従って燃料噴射弁からの燃料の噴射時期や噴射量が制御される。
このように構成される内燃機関１においては、酸化触媒４が排気中の燃料を酸化することで酸化熱を発生させて、ＮＯｘ触媒５に流入する排気温度を上昇させる。これによって、ＮＯｘ触媒５の温度が上昇して、触媒機能による排気浄化能力が発揮される。また、ＮＯｘ触媒５は、流入する排気の酸素濃度が比較的高いときは、排気中のＮＯｘを吸蔵し、酸素濃度が低下すると吸蔵していたＮＯｘを放出するとともに、燃料添加弁６によって排気に添加された燃料を還元剤として利用することで、放出されたＮＯｘを還元して排気の浄化を行う。このとき、排気の空燃比がＮＯｘの還元に適した空燃比となるために、空燃比センサ８からの検出信号に基づいて、燃料添加弁６からの燃料の添加量が調整される。
しかし、空燃比センサ８は、使用とともに排気中の粒子状物質がその表面に付着する等の理由で、その検出性能が劣化していく。そして、劣化した空燃比センサ８からの検出信号に基づいて燃料添加弁６からの燃料の添加量が制御されると、排気の空燃比がＮＯｘの還元に適した空燃比とならず、又は添加された燃料が大気へ放出されるため、エミッションが悪化する。そこで、空燃比センサ８の劣化を正確に判定する必要があり、場合によっては内燃機関１を搭載する車両の操縦者に空燃比センサ８の劣化を通知する必要がある。
そこで、図２に基づいて空燃比センサ８の劣化を判定するための制御（以下、「空燃比センサ劣化判定制御」という。）について説明する。空燃比センサ劣化判定制御は、燃料添加弁６からの燃料の添加量が調整されて排気の空燃比が制御される際の、空燃比センサ
８の空燃比検出の応答性から、空燃比センサ８の劣化を判定する制御である。以下に、その詳細を説明する。尚、図２に示す空燃比センサ劣化判定制御は、ＥＣＵ２０によって一定のサイクルで繰り返し実行されるルーチンである。
Ｓ１０１では、内燃機関１において、ＮＯｘ触媒５に吸蔵されたＮＯｘを還元する時期となっているか否かが判定される。例えば、前回吸蔵ＮＯｘの還元を行ってから所定の時間が経過したことを以てＮＯｘを還元する時期であると判定してもよい。ＮＯｘを還元する時期となっていると判定されるとＳ１０２へ進み、ＮＯｘを還元する時期となっていないと判定されると本制御を終了する。
Ｓ１０２では、ＮＯｘ触媒５に吸蔵されたＮＯｘを還元すべく、燃料添加弁６からの燃料添加が開始される。これにより、ＮＯｘ触媒５に流入する排気の空燃比がリーン状態からリッチ状態とされ、吸蔵されたＮＯｘが排気中の燃料成分によって還元されていく。Ｓ１０２の処理が終了すると、Ｓ１０３へ進む。
ここで、図３に、本実施例の空燃比センサ劣化判定制御が行われる際の、空燃比センサ８によって検出される排気の空燃比の推移（図３中、線Ｌ１（実線）で表される推移）を示す。尚、図３中、線Ｌ２（一点鎖線）で表される推移は、空燃比センサ８が劣化していないと想定した場合の、排気の空燃比の推移である。Ｓ１０２における燃料添加が行われる前は、排気の空燃比はストイキ（図中ＡＦＳで表される空燃比）よりリーン側の空燃比であるＡＦＬであり、Ｓ１０２における燃料添加が行われると、排気の空燃比は徐々にストイキＡＦＳに向かって移行する。
次に、Ｓ１０３では、第一空燃比ＡＦ１と第二空燃比ＡＦ２が設定される。尚、第一空燃比ＡＦ１、第二空燃比ＡＦ２は、図３にＡＦ１、ＡＦ２と示されている。ここで、Ｓ１０２での燃料添加開始により排気の空燃比がＡＦＬからＡＦＳに移行されるが、その排気の空燃比の移行過程において、第一空燃比ＡＦ１は、１０％の移行レベル段階での空燃比を、第二空燃比ＡＦ２は９０％の移行レベル段階での空燃比を意味する。Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ１０４へ進む。
Ｓ１０４では、排気空燃比がＡＦＬからＡＦＳに移行されるとき（以下、「ストイキ移行時」とも言う。）の応答時間ＲｅｓＳが検出される。具体的には、空燃比センサ８によって、上述の第一空燃比ＡＦ１が検出された時間から第二空燃比ＡＦ２が検出されるまで経過時間を、応答時間ＲｅｓＳとする。Ｓ１０４の処理が終了すると、Ｓ１０５へ進む。
Ｓ１０５では、空燃比センサ８によって検出される排気の空燃比がストイキＡＦＳか否かが判定される。即ち、燃料添加弁６から燃料が添加されている状態において、ＮＯｘ触媒５のストレージ機能によってＮＯｘ触媒５から流出する排気の空燃比が概ね一定にストイキＡＦＳとなっているか否かが判定される。排気の空燃比がストイキＡＦＳであると判定されると、Ｓ１０６へ進む。また、排気の空燃比がストイキＡＦＳでないと判定されると、再びＳ１０５の処理が行われる。
Ｓ１０６では、ストイキ移行時の基準となる、空燃比センサ８によって検出される排気空燃比の応答時間であるストイキ移行時基準時間ＳｔｄＳが算出され、更に所定パラメータに基づいて補正される。ストイキ移行時基準時間ＳｔｄＳは、空燃比センサ８が劣化していない場合において、排気空燃比がＡＦＬからＡＦＳに移行されるのに要する応答時間である。図３において、空燃比センサ８の検出特性が線Ｌ２の排気空燃比推移を示す場合の、空燃比ＡＦ１が検出されてから空燃比ＡＦ２が検出されるまでの経過時間がストイキ移行時基準時間ＳｔｄＳに相当する。ストイキ移行時基準時間ＳｔｄＳは、第一空燃比ＡＦ１と第二空燃比ＡＦ２との関係を予め実験等で測定され、該関係がマップ形式でＥＣＵ
２０内に格納されるとともに、第一空燃比ＡＦ１および第二空燃比ＡＦ２をパラメータとして該マップにアクセスすることで、ストイキ移行時基準時間ＳｔｄＳが算出される。
更に、排気空燃比がＡＦＬからＡＦＳに移行されるのに要する応答時間は、所定パラメータの値によって変動する。例えば、Ｓ１０２での燃料添加が開始される前の空燃比ＡＦＬがリーン側の値であればあるほど、該応答時間は長くなる。また、燃料添加弁６から排気に添加された燃料が排気通路３、酸化触媒４、ＮＯｘ触媒５を経て空燃比センサ８に到達するまでにある程度の時間（以下、「排気移動時間」という。）を要する。この排気移動時間は、排気通路３の長さ、ＮＯｘ触媒５の容量、更には排気通路３を流れる排気流量等に影響される。そこで、これらのパラメータを勘案して、上記のようにマップから算出されたストイキ移行時基準時間ＳｔｄＳが補正される。Ｓ１０６の処理が終了すると、Ｓ１０７へ進む。
Ｓ１０７では、Ｓ１０４で検出されたストイキ移行時応答時間ＲｅｓＳとＳ１０６で算出、補正されたストイキ移行時基準時間ＳｔｄＳとを比較し、ストイキ移行時応答時間ＲｅｓＳがストイキ移行時基準時間ＳｔｄＳを超えると判定されると、Ｓ１０８へ進む。一方でストイキ移行時応答時間ＲｅｓＳがストイキ移行時基準時間ＳｔｄＳ以下であると判定されると、Ｓ１０９へ進む。
Ｓ１０８では、Ｓ１０７でストイキ移行時応答時間ＲｅｓＳがストイキ移行時基準時間ＳｔｄＳを超えると判定されたことを以て、空燃比センサ８が劣化状態にあると判定される。即ち、ＮＯｘ触媒５のストレージ機能に影響されにくい条件下で検出された排気空燃比の応答時間が、空燃比センサ８の劣化の程度に従い、長くなることを利用して、空燃比センサ８の劣化の程度をより正確に判定することが可能となる。Ｓ１０８の処理が終了すると、Ｓ１０９へ進む。
Ｓ１０９では、空燃比センサ８によって検出される空燃比がストイキＡＦＳよりリッチ側の空燃比ＡＦＲとなっているか否かが判定される。排気空燃比がＡＦＲとなっていると判定されるとＳ１１０へ進み、排気空燃比がＡＦＲとなっていないと判定されるとＳ１０９の処理が再び行われる。
Ｓ１１０では、Ｓ１０９で排気空燃比がＡＦＲとなっていると判断されたことを以て、ＮＯｘ触媒５に吸蔵されたＮＯｘの還元処理が終了した判断し、燃料添加弁６からの燃料添加が中止される。これにより、空燃比センサ８によって検出される空燃比が、ＡＦＲからストイキＡＦＳを経てリーン側の空燃比ＡＦＬに移行していく。Ｓ１１０の処理が終了すると、Ｓ１１１に進む。
Ｓ１１１では、第三空燃比ＡＦ３と第四空燃比ＡＦ４が設定される。尚、第三空燃比ＡＦ３、第四空燃比ＡＦ４は、図３にＡＦ３、ＡＦ４と示されており、それぞれの値は第二空燃比ＡＦ２、第一空燃比ＡＦ１と同一であり、ともにストイキＡＦＳよりリーン側の空燃比である。Ｓ１１１の処理が終了すると、Ｓ１１２へ進む。
Ｓ１１２では、排気空燃比がＡＦＳからＡＦＬに移行されるとき（以下、「リーン移行時」とも言う。）の応答時間ＲｅｓＬが検出される。具体的には、空燃比センサ８によって、上述の第三空燃比ＡＦ３が検出された時間から第四空燃比ＡＦ４が検出されるまで経過時間を、応答時間ＲｅｓＬとする。Ｓ１１２の処理が終了すると、Ｓ１１３へ進む。
Ｓ１１３では、リーン移行時の基準となる、空燃比センサ８によって検出される排気空燃比の応答時間であるリーン移行時基準時間ＳｔｄＬが算出され、更に所定パラメータに基づいて補正される。リーン移行時基準時間ＳｔｄＬは、空燃比センサ８が劣化していな
い場合において、排気空燃比がＡＦＳからＡＦＬに移行されるのに要する応答時間である。図３において、空燃比センサ８の検出特性が線Ｌ２の排気空燃比推移を示すときの、空燃比ＡＦ３が検出されてから空燃比ＡＦ４が検出されるまでの経過時間がリーン移行時基準時間ＳｔｄＬに相当する。リーン移行時基準時間ＳｔｄＬは、第三空燃比ＡＦ３と第四空燃比ＡＦ４との関係を予め実験等で測定され、該関係がマップ形式でＥＣＵ２０内に格納されるとともに、第三空燃比ＡＦ３および第四空燃比ＡＦ４をパラメータとして該マップにアクセスすることで、リーン移行時基準時間ＳｔｄＬが算出される。
更に、排気空燃比がＡＦＳからＡＦＬに移行されるのに要する応答時間は、上述したように所定パラメータの値によって変動する。そこで、これらのパラメータを勘案して、上記のようにマップから算出されたリーン移行時基準時間ＳｔｄＬが補正される。Ｓ１１３の処理が終了すると、Ｓ１１４へ進む。
Ｓ１１４では、Ｓ１１２で検出されたリーン移行時応答時間ＲｅｓＬとＳ１１３で算出、補正されたリーン移行時基準時間ＳｔｄＬとを比較し、リーン移行時応答時間ＲｅｓＬがリーン移行時基準時間ＳｔｄＬを超えると判定されると、Ｓ１１５へ進む。一方でリーン移行時応答時間ＲｅｓＬがリーン移行時基準時間ＳｔｄＬ以下であると判定されると、本制御を終了する。
Ｓ１１５では、Ｓ１１４でリーン移行時応答時間ＲｅｓＬがリーン移行時基準時間ＳｔｄＬを超えると判定されたことを以て、空燃比センサ８が劣化状態にあると判定される。即ち、ＮＯｘ触媒５のストレージ機能に影響されにくい条件下で検出された排気空燃比の応答時間が、空燃比センサ８の劣化の程度に従い、長くなることを利用して、空燃比センサ８の劣化の程度をより正確に判定することが可能となる。Ｓ１１５の処理後、本制御を終了する。
本制御によると、ＮＯｘ触媒５に吸蔵されたＮＯｘの還元を行う処理の過程の中で、必然的に発生する排気空燃比の変動に基づいて、空燃比センサ８の劣化を判定することが可能となる。更に、ストイキまたはストイキよりリーン側の空燃比変動に基づいて空燃比センサ８の劣化判定を行うことで、ＮＯｘ触媒５のストレージ機能による劣化判定精度の悪化を回避し、より正確な空燃比センサ８の劣化判定が可能となる。
尚、本実施例においては、第一空燃比ＡＦ１と第二空燃比ＡＦ２との間の経過時間を、または第三空燃比ＡＦ３と第四空燃比ＡＦ４との間の経過時間を、ストイキ移行時またはリーン移行時の応答時間としている。これらに代えて、ストイキ移行時またはリーン移行時における排気空燃比の移行幅（本実施例ではＡＦＬとＡＦＳ間の空燃比変動量）の所定割合が経過した時点の所要時間、例えば一般の制御におけるステップ応答時の時定数を算出するための６３％応答時の所要時間（時定数）を、本実施例における応答時間としてもよい。
また、本実施例においては、ＮＯｘ触媒５に吸蔵されたＮＯｘの還元時に空燃比センサ８の劣化判定が行われているが、該劣化判定は、この場合に限られず、例えばＮＯｘ触媒５に吸蔵されたＳＯｘを放出させるために、燃料添加弁６から燃料添加が行われる場合にも行われてもよい。
本発明の実施の形態に係る圧縮着火内燃機関の空燃比センサ劣化判定システムの概略構成を表す図である。 本発明の実施の形態に係る圧縮着火内燃機関の空燃比センサ劣化判定システムにおいて実行される空燃比センサ劣化判定制御に関するフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る圧縮着火内燃機関の空燃比センサ劣化判定システムにおいて、空燃比センサによって検出される排気空燃比の推移を示す図である。
符号の説明
１・・・・圧縮着火内燃機関（内燃機関）
３・・・・排気通路
５・・・・吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ触媒）
６・・・・燃料添加弁
８・・・・空燃比センサ
２０・・・・ＥＣＵ

Claims (5)

  1. 圧縮着火内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
    前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の下流側に設けられ、該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒から流出する排気の酸素濃度に応じた空燃比を検出する空燃比センサと、
    前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気に燃料を供給することで、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を制御する排気空燃比制御手段と、
    前記排気空燃比制御手段によってリーン状態にある排気の空燃比がリッチ状態へと制御されるときに、前記空燃比センサがストイキよりリーン側である第一空燃比を検出してから、該空燃比センサがストイキよりリーン側の空燃比であって該第一空燃比よりリッチ側の第二空燃比を検出するまでの応答時間を検出するストイキ移行時応答時間検出手段と、
    前記ストイキ移行時応答時間検出手段によって検出された応答時間がストイキ移行時基準時間を超えるときに、前記空燃比センサが劣化していると判定する空燃比センサ劣化判定手段と、
    を備えることを特徴とする圧縮着火内燃機関の空燃比センサ劣化判定システム。
  2. 前記排気空燃比制御手段によって排気の空燃比がリッチ状態とされる前の前記リーン状態の排気の空燃比、又は前記排気空燃比制御手段によって排気に燃料が供給されてから該排気が前記空燃比センサに到達するまでの排気移動時間の何れかに基づいて、前記ストイキ移行時基準時間を補正するストイキ移行時基準時間補正手段を、更に備えることを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火内燃機関の空燃比センサ劣化判定システム。
  3. 圧縮着火内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
    前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の下流側に設けられ、該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒から流出する排気の酸素濃度に応じた空燃比を検出する空燃比センサと、
    前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気に燃料を供給することで、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を制御する排気空燃比制御手段と、
    前記排気空燃比制御手段によってリッチ状態にある排気の空燃比がリーン状態へと制御されるときに、前記空燃比センサがストイキよりリーン側の第三空燃比を検出してから、該空燃比センサが該第三空燃比よりリーン側の第四空燃比を検出するまでの応答時間を検出するリーン移行時応答時間検出手段と、
    前記リーン移行時応答時間検出手段によって検出された応答時間がリーン移行時基準時間を超えるときに、前記空燃比センサが劣化していると判定する空燃比センサ劣化判定手段と、
    を備えることを特徴とする圧縮着火内燃機関の空燃比センサ劣化判定システム。
  4. 前記排気空燃比制御手段によって排気の空燃比がリーン状態とされたときの該リーン状態の排気の空燃比、又は前記排気空燃比制御手段によって排気に供給される燃料量が減量されてから該排気が前記空燃比センサに到達するまでの排気移動時間の何れかに基づいて、前記リーン移行時基準時間を補正するリーン移行時基準時間補正手段を、更に備えることを特徴とする請求項３に記載の圧縮着火内燃機関の空燃比センサ劣化判定システム。
  5. 前記排気空燃比制御手段によって、前記空燃比センサが検出する排気の空燃比がストイキよりリッチ側の空燃比に至った後、排気への燃料の供給量が減量されて排気の空燃比がリーン状態へと制御されるときに、前記リーン移行時応答時間検出手段による応答時間の検出が行われることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の圧縮着火内燃機関の空燃比センサ劣化判定システム。
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