JP6144652B2

JP6144652B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP6144652B2
Application number: JP2014149884A
Authority: JP
Inventors: 北浦　浩一; 浩一北浦; 靖志岩崎; 久保　雅裕; 雅裕久保
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2034-07-23
Also published as: CN105317511A; US20160025026A1; CN105317511B; US9599055B2; JP2016023617A

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

空燃比をリッチとリーンとに交互に切り替えるアクティブ制御を行い、三元触媒の最大酸素吸蔵量（Ｃｍａｘ）を計測し、三元触媒の劣化を診断する方法（所謂Ｃｍａｘ法）が知られている（例えば、特許文献１参照。）。三元触媒の最大酸素吸蔵量は、三元触媒に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に変化してから、三元触媒より流出する排気の空燃比がリーン空燃比へ変化するまでの時間及び空燃比と関連している。同様に、三元触媒の最大酸素吸蔵量は、三元触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に変化してから、三元触媒より流出する排気の空燃比がリッチ空燃比へ変化するまでの時間及び空燃比と関連している。したがって、これらの時間及び空燃比に基づいて、三元触媒の最大酸素吸蔵量を算出することができる。

このＣｍａｘ法では、例えば、三元触媒の最大酸素吸蔵量が閾値よりも少なくなった場合に、該三元触媒が劣化したと判定される。この劣化とは、回復できない劣化であり、例えば熱劣化である。

特開２０１０−０４３６２４号公報特開２０１０−１６３８８５号公報特開２０１４−００５７９７号公報特開２００３−０６５０３９号公報

しかし、三元触媒に硫黄被毒が発生すると、三元触媒における酸素の放出速度が低下するため、上記Ｃｍａｘ法で得られる三元触媒の最大酸素吸蔵量が見かけ上、減少する。したがって、三元触媒の硫黄被毒の程度が高い状態で、該三元触媒の劣化判定を実施すると、三元触媒が劣化していないにもかかわらず、劣化していると判定される虞がある。硫黄被毒は、硫黄被毒回復制御を実施することにより回復可能であるため、熱劣化のように回復できない劣化とは区別することが望まれる。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、三元触媒の硫黄被毒を精度よく検出することにある。

上記課題を達成するために本発明は、
内燃機関の排気通路に設けられ酸素吸蔵能を有する三元触媒と、
前記三元触媒よりも下流の排気通路に設けられＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサと、
前記三元触媒よりも下流の排気通路に設けられ空燃比を検出する空燃比センサと、
前記三元触媒に流入する排気の空燃比を変化させる空燃比制御部と、
前記空燃比制御部により排気の空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化させた後であって前記空燃比センサにより検出される空燃比がリーン空燃比へ変化する前に前記ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度に基づいて、前記三元触媒の硫黄被毒を回復させるか否か判定する、または、前記ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度が高いときに
は低いときよりも前記三元触媒の硫黄被毒の程度が高いと判定する判定部と、
を備える。

三元触媒は、酸素吸蔵能を有し、燃料中の硫黄成分により被毒が発生する触媒である。三元触媒に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化すると、三元触媒に酸素が吸蔵される。三元触媒に酸素が吸蔵されている途中では、三元触媒から流出する排気の空燃比は、略理論空燃比となる。すなわち、三元触媒へ流入する排気の空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化した後であって、三元触媒から流出する排気の空燃比がリーン空燃比へ変化する前の期間（以下、この期間を反転前期間ともいう。）は、三元触媒に酸素が吸蔵されている途中である。

空燃比制御部は、三元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化させるが、これは、空燃比センサにより検出される空燃比がリーン空燃比となった場合に、三元触媒に流入する排気の空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ変化させ、且つ、空燃比センサにより検出される空燃比がリッチ空燃比となった場合に、三元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化させる制御としてもよい。なお、排気の空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化させる場合には、内燃機関における燃焼を伴いつつリーン空燃比へ変化させる。

したがって、空燃比制御部によって上記空燃比の制御が行われているときであって、空燃比センサにより検出される空燃比がリーン空燃比へ変化する前では、三元触媒に酸素が吸蔵されている途中である。このときに、三元触媒内部の排気の空燃比が略理論空燃比となるため、三元触媒の硫黄被毒の程度が低ければ、ＮＯｘが還元される。すなわち、ＮＯｘセンサでＮＯｘがほとんど検出されないか、または、ＮＯｘが検出されたとしてもＮＯｘ濃度は比較的低い。

一方、三元触媒の硫黄被毒の程度が高いと、三元触媒においてＮＯｘを還元させる貴金属の活性が低下する。このため、三元触媒内部の排気の空燃比が理論空燃比となっていても、ＮＯｘの浄化率が低下する。すなわち、ＮＯｘセンサで検出されるＮＯｘ濃度が比較的高くなる。この現象は、三元触媒の熱劣化よりも硫黄被毒の影響を支配的に受けるため、硫黄被毒を熱劣化とは独立して検出することができる。

このように、上記反転前期間におけるＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度は、三元触媒の硫黄被毒と相関関係にある。したがって、ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度に基づいて、三元触媒の硫黄被毒を回復させるか否か判定する、または、三元触媒の硫黄被毒の程度を判定することができる。上記判定を実施するときに用いるＮＯｘ濃度は、反転前期間の所定の時期におけるＮＯｘ濃度であってもよく、反転前期間におけるＮＯｘ濃度の平均値であってもよく、反転前期間におけるＮＯｘ濃度の最大値であってもよく、反転前期間におけるＮＯｘ濃度の積算値であってもよい。

硫黄被毒の程度が高い場合には、硫黄被毒回復制御を実施した後に、三元触媒の劣化判定を実施することにより、硫黄被毒の影響を排除して劣化判定が可能となるため、劣化判定の精度を高めることができる。また、三元触媒の硫黄被毒の程度（以下、被毒レベルともいう。）が高いほど、ＮＯｘの浄化率が低下するため、上記反転前期間におけるＮＯｘ濃度が高くなる。したがって、ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度が高いほど、硫黄被毒の程度が高いと判定することができる。

また、前記判定部は、前記空燃比制御部により排気の空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化させた後であって前記空燃比センサにより検出される空燃比がリーン空燃比へ変化する前において、前記ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度が濃度閾値以上の
場合に、前記三元触媒の硫黄被毒を回復させると判定することができる。

上記反転前期間においてＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度と、三元触媒の硫黄被毒の程度とには、相関関係がある。このため、ＮＯｘ濃度が濃度閾値以上の場合には、三元触媒の硫黄被毒の程度が許容範囲を超えるか、超える虞があるものとして、硫黄被毒を回復させることができる。すなわち、濃度閾値は、三元触媒の硫黄被毒の程度が許容範囲を超えるか、または、超える虞のあるＮＯｘ濃度とすることができる。この硫黄被毒の程度の許容範囲は、三元触媒から流出するＮＯｘ濃度が許容範囲となるような硫黄被毒の程度の範囲としてもよく、三元触媒の劣化判定を実施するときに判定精度が許容範囲となるような硫黄被毒の程度の範囲としてもよい。

また、前記空燃比制御部は、前記空燃比センサにより検出される空燃比がリッチ空燃比の場合には前記三元触媒に流入する排気の空燃比をリーン空燃比とし、前記空燃比センサにより検出される空燃比がリーン空燃比の場合には前記三元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とする空燃比制御を行い、
前記判定部は、前記空燃比制御を行っているときの前記ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度に基づいて、前記三元触媒の硫黄被毒を回復させるか否か判定する、または、前記ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度が高いときには低いときよりも前記三元触媒の硫黄被毒の程度が高いと判定し、
さらに、前記判定部は、前記三元触媒の硫黄被毒を回復させる必要はないと判定したか、または、前記三元触媒の硫黄被毒の程度が被毒閾値未満と判定した場合であって、前記空燃比制御を行うことにより得られる前記三元触媒の最大酸素吸蔵量が吸蔵量閾値未満の場合に、前記三元触媒が劣化していると判定することができる。

被毒閾値は、硫黄被毒の程度が許容範囲を超えるときの硫黄被毒の程度、または、硫黄被毒の程度が許容範囲を超える虞があるときの硫黄被毒の程度とすることができる。したがって、三元触媒の硫黄被毒の程度が被毒閾値未満の場合には、硫黄被毒の程度が許容範囲内となる。また、三元触媒の硫黄被毒の程度が被毒閾値となるのは、ＮＯｘ濃度が上記濃度閾値のときとしてもよい。吸蔵量閾値は、最大酸素吸蔵量の許容範囲の下限値である。

上記空燃比制御を行うことにより、三元触媒に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化する。このため、上記空燃比制御中に、三元触媒に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化した後であって空燃比センサにより検出される空燃比がリーン空燃比へ変化する前の期間が存在する。この期間にＮＯｘセンサによりＮＯｘ濃度を検出すれば、この検出されたＮＯｘ濃度に基づいて、三元触媒の硫黄被毒を回復させるか否か判定する、または、ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度が高いときには低いときよりも三元触媒の硫黄被毒の程度が高いと判定することができる。

さらに、上記空燃比制御を行うことにより、三元触媒の最大酸素吸蔵量を算出することができる。三元触媒の熱劣化が進行すると、最大酸素吸蔵量が減少するが、上記空燃比制御を行うことにより得られる最大酸素吸蔵量は、三元触媒の硫黄被毒によっても、見かけ上、減少する。ここで、三元触媒の硫黄被毒を回復させる必要はないと判定したか、又は、三元触媒の硫黄被毒の程度が被毒閾値未満と判定した場合には、最大酸素吸蔵量において硫黄被毒の影響は小さいと考えられる。このときに、最大酸素吸蔵量が少ない場合には、熱劣化の影響により最大酸素吸蔵量が少なくなっているものと考えられる。すなわち、硫黄被毒の影響が小さいときに、最大酸素吸蔵量に基づいて三元触媒の熱劣化を判定すれば、判定精度を高めることができる。

本発明によれば、三元触媒の硫黄被毒を精度よく検出することができる。

実施例に係る内燃機関の吸気系及び排気系の概略構成を示す図である。目標空燃比と、三元触媒よりも下流の空燃比との推移を示した図である。（ａ）は、正常触媒に硫黄成分の濃度が高い排気を流通させた場合であって硫黄被毒の程度が高い場合の空燃比の変化を示した図であり、（ｂ）は、図３（ａ）と同時期におけるＮＯｘ濃度の変化を示した図である。（ａ）は、異常触媒に硫黄成分の濃度が低い排気を流通させた場合であって硫黄被毒の程度が低い場合の空燃比の変化を示した図であり、（ｂ）は、図４（ａ）と同時期におけるＮＯｘ濃度の変化を示した図である。三元触媒の劣化判定のフローを示したフローチャートである。三元触媒の硫黄被毒判定のフローを示したフローチャートである。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例１）
図１は、本実施例に係る内燃機関１の吸気系及び排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は車両駆動用のガソリンエンジンである。ただし、内燃機関１はディーゼルエンジンであってもよい。内燃機関１には排気通路２が接続されている。排気通路２には、三元触媒３が設けられている。

三元触媒３は、酸素吸蔵能を有し、触媒雰囲気が理論空燃比のときにＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを最大効率で浄化する。また、三元触媒３は、流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときに過剰分の酸素を吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチ空燃比であるときに不足分の酸素を放出することにより、理論空燃比を維持する。このような酸素吸蔵能の作用により、三元触媒３へ流入する排気の空燃比が理論空燃比以外であっても、三元触媒３がＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘを浄化することができる。

三元触媒３よりも上流の排気通路２には、排気の空燃比を検出する第一空燃比センサ１１が設けられている。また、三元触媒３よりも下流の排気通路２には、排気の空燃比を検出する第二空燃比センサ１２、及び、排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１３が設けられている。なお、第二空燃比センサ１２及びＮＯｘセンサ１３を設けることに代えて、排気の空燃比及び排気中のＮＯｘ濃度の両方を検出可能な１つのセンサを設けることもできる。第二空燃比センサ１２及びＮＯｘセンサ１３よりも下流側に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＳＲ触媒という。）等の他の触媒を設けることもできる。一方、三元触媒３と、第二空燃比センサ１２及びＮＯｘセンサ１３と、の間には、排気中の酸素濃度やＮＯｘ濃度に影響を与える他の触媒を設けない。このため、第二空燃比センサ１２及びＮＯｘセンサ１３は、三元触媒３から流出する排気の空燃比及びＮＯｘ濃度を検出している。なお、第一空燃比センサ１１及び第二空燃比センサ１２は、例えば限界電流式の酸素濃度センサであってもよく、例えば起電力式（濃淡電池式）の酸素濃度センサ（Ｏ_２センサ）であってもよい。限界電流式の酸素濃度センサは、広い空燃比領域に亘って空燃比に対応した電圧を出力する。一方、起電力式（濃淡電池式）の酸素濃度センサは、理論空燃比において急変する電圧を出力する。なお、本実施例においては第二空燃比センサ１２が、本発明における空燃比センサに相当する。

また、内燃機関１には、気筒内に燃料を噴射する噴射弁４が気筒毎に設けられている。さらに、内燃機関１には、吸気通路５が接続されている。吸気通路５には、吸気の流量を検出するエアフローメータ１５が設けられている。

そして、内燃機関１には電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０が併設されている。ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態や排気浄化装置等を制御する。ＥＣＵ１０には、上述した第一空燃比センサ１１、第二空燃比センサ１２、ＮＯｘセンサ１３、エアフローメータ１５の他、クランクポジションセンサ１６及びアクセル開度センサ１７が電気的に接続され、各センサの検出値がＥＣＵ１０に渡される。

ＥＣＵ１０は、クランクポジションセンサ１６の検出に基づく機関回転速度や、アクセル開度センサ１７の検出に基づく機関負荷等の内燃機関１の運転状態を把握可能である。なお、本実施例では、三元触媒３に流れ込む排気の空燃比は第一空燃比センサ１１によって検出可能であるが、排気の空燃比を内燃機関１の吸入空気量及び噴射弁４からの燃料噴射量に基づいて推定することも可能である。

ところで、三元触媒３には、燃料に含まれる硫黄成分が蓄積される。これを硫黄被毒という。この硫黄被毒により三元触媒３からの酸素の放出速度が低下するため、排気の浄化能力が低下する虞がある。このため、三元触媒３を適宜の時期に硫黄被毒から回復させる硫黄被毒回復制御を実施している。この硫黄被毒回復制御は、三元触媒３を高温にし、且つ、排気の空燃比を理論空燃比以下とすることにより実施される。三元触媒３を高温にするためには、例えば、内燃機関１の点火時期の遅角、内燃機関１の排気弁の開弁時期の進角、一気筒あたり２本の排気弁が設けられている場合には一方の排気弁の開閉の停止、複数の気筒が設けられている場合には一部の気筒での燃焼を停止させることにより酸素を三元触媒３へ供給する減筒運転、内燃機関１がハイブリッド車両に搭載されている場合には電動モータによる内燃機関１の要求負荷の増加、などを行う。また、例えば、内燃機関１の目標空燃比の低下により、排気の空燃比を理論空燃比以下とすることができる。なお、内燃機関１の目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とで交互に複数回変化させるディザ制御、内燃機関１の燃料カット後にリッチ空燃比とする場合のリッチ空燃比の期間の延長、などを行うことにより、三元触媒３に流入する排気の空燃比が理論空燃比以下となり得るため、このときに合わせて硫黄被毒回復制御を実施してもよい。なお、硫黄被毒回復制御を実施するときには多くの燃料が消費されるため、硫黄被毒回復制御を必要以上に実施することは抑制すべきである。

また、ＥＣＵ１０は、三元触媒３が劣化したか否か判定する。ＥＣＵ１０は、三元触媒３の酸素吸蔵能が許容範囲よりも低くなった場合に、該三元触媒３が劣化したと判定する。ここでいう劣化とは、回復することができない熱劣化である。本実施例では、Ｃｍａｘ法を用いて三元触媒３が劣化しているか否か判定する。この場合、三元触媒３の最大酸素吸蔵量が吸蔵量閾値よりも少なくなった場合に、三元触媒３が劣化したと判定する。ここで、三元触媒３の最大酸素吸蔵量は、三元触媒３に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に変化してから、三元触媒３より流出する排気の空燃比がリーン空燃比へ変化するまでの時間及び空燃比と関連している。同様に、三元触媒３の最大酸素吸蔵量は、三元触媒３に流入する排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に変化してから、三元触媒３より流出する排気の空燃比がリッチ空燃比へ変化するまでの時間及び空燃比と関連している。したがって、これらの時間及び空燃比に基づいて、三元触媒３の最大酸素吸蔵量を算出することができる。この最大酸素吸蔵量に基づいて、三元触媒３の劣化の度合いを判定することができる。

例えば、図２に基づいてＣｍａｘ法により最大酸素吸蔵量を算出することができる。ここで、図２は、目標空燃比（実線）と、三元触媒３よりも下流の空燃比（一点鎖線）との
推移を示した図である。目標空燃比は、内燃機関１の気筒内における目標空燃比である。なお、目標空燃比に代えて、三元触媒３よりも上流の空燃比としてもよい。Ｃｍａｘ法により最大酸素吸蔵量を算出するときには、アクティブ制御が実施される。なお、本実施例ではアクティブ制御が、本発明における空燃比制御に相当する。アクティブ制御では、三元触媒３よりも下流の排気の空燃比、すなわち、第二空燃比センサ１２により検出される空燃比が、リッチ空燃比からリーン空燃比へ変化したときには、目標空燃比をリッチ空燃比へ切り換え、第二空燃比センサ１２により検出される空燃比が、リーン空燃比からリッチ空燃比へ変化したときには、目標空燃比をリーン空燃比へ切り換える。なお、第二空燃比センサ１２が、起電力式（濃淡電池式）の酸素濃度センサ（Ｏ_２センサ）であれば、検出される空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化した直後に、目標空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り換える。一方、第二空燃比センサ１２が、限界電流式の酸素濃度センサの場合には、所定のリーン空燃比となったときに目標空燃比を切り換えてもよい。すなわち、検出される空燃比がリーン空燃比となっても目標空燃比をすぐにリッチ空燃比へ切り換えるのではなく、検出される空燃比がリーン空燃比の状態が維持された後に目標空燃比を切り換えてもよい。これは、三元触媒３から酸素が放出されている場合であっても、三元触媒３から流出する排気の空燃比は厳密には理論空燃比からずれている場合もあるため、このような場合には空燃比を切り換えないようにするためである。

図２において、目標空燃比を示す線と、三元触媒３よりも下流の空燃比を示す線とで囲まれる範囲（ハッチングを施した範囲）の面積が、三元触媒３の最大酸素吸蔵量に比例する。したがって、この面積と最大酸素吸蔵量との関係を予め実験またはシミュレーション等により求めておけば、該面積に基づいて最大酸素吸蔵量を求めることができる。目標空燃比がリーン空燃比のときの面積Ａに基づいて最大酸素吸蔵量を求めてもよいし、目標空燃比がリッチ空燃比のときの面積Ｂに基づいて最大酸素吸蔵量を求めてもよいし、目標空燃比がリーン空燃比のときの面積Ａと目標空燃比がリッチ空燃比のときの面積Ｂとの平均値に基づいて最大酸素吸蔵量を求めてもよい。ここで、三元触媒３の劣化により最大酸素吸蔵量が減少するが、最大酸素吸蔵量は硫黄被毒の影響も受ける。

すなわち、上記のようにして最大酸素吸蔵量を求める場合には、三元触媒３の硫黄被毒の程度に応じて、三元触媒３の最大酸素吸蔵量が見かけ上、減少する。このため、硫黄被毒の程度が高い場合に、最大酸素吸蔵量に基づいて三元触媒３の劣化判定を実施すると、劣化判定の精度が低下し得る。一方、硫黄被毒は、硫黄被毒回復制御を実施することにより回復可能であるが、必要以上に硫黄被毒回復制御を実施すると、燃費が悪化したり、三元触媒３の熱劣化が進行したりし得る。

そこで、ＥＣＵ１０は、三元触媒３の硫黄被毒を検出する。ここで、熱劣化の生じていない三元触媒３（以下、正常触媒ともいう。）に硫黄成分の濃度が高い排気を流通させた場合であって硫黄被毒の程度が高い場合と、熱劣化が生じている三元触媒３（以下、異常触媒ともいう。）に硫黄成分の濃度が低い排気を流通させた場合であって硫黄被毒の程度が低い場合と、について、三元触媒３よりも下流のＮＯｘ濃度を比較する。正常触媒は、劣化の程度が許容範囲内であり、異常触媒は、劣化の程度が許容範囲を超えている。また、硫黄被毒の程度が高い場合とは、硫黄被毒の程度が許容範囲を超えている場合であり、硫黄被毒の程度が低い場合とは、硫黄被毒の程度が許容範囲内の場合である（以下同じ）。

図３（ａ）は、正常触媒に硫黄成分の濃度が高い排気を流通させた場合であって硫黄被毒の程度が高い場合の空燃比の変化を示した図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）と同時期におけるＮＯｘ濃度の変化を示した図である。図３において実線で示される「目標」は、内燃機関１における目標空燃比である。また、破線で示される「上流」は、三元触媒３よりも上流の排気の空燃比及びＮＯｘ濃度を示している。さらに、一点鎖線で示される「
下流」は、三元触媒３よりも下流の排気の空燃比及びＮＯｘ濃度を示している。

図３（ａ）において、三元触媒３へ流入する排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に変化した場合であっても、三元触媒３から流出する排気の空燃比はすぐにはリッチ空燃比に変化しない。すなわち、三元触媒３へ流入する排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に変化しても、三元触媒３に吸蔵されている酸素が放出されることにより、三元触媒３から流出する排気の空燃比は一旦は略理論空燃比となる。そして、三元触媒３に吸蔵されている酸素がある程度放出された後に、三元触媒３から流出する排気の空燃比がリッチ空燃比へ変化する。逆に、三元触媒３へ流入する排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ変化した場合には、三元触媒３に酸素が吸蔵された後に、三元触媒３から流出する排気の空燃比がリーン空燃比へ変化する。

ここで、図３（ｂ）に示すように三元触媒３が正常触媒であって硫黄被毒の程度が高い場合には、三元触媒３へ流入する排気の空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化した後であって、三元触媒３から流出する排気の空燃比がリーン空燃比へ変化する前のときには、三元触媒３から流出する排気中のＮＯｘ濃度が０よりも高くなる。なお、三元触媒３へ流入する排気の空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化した後であって、三元触媒３から流出する排気の空燃比がリーン空燃比へ変化する前の期間を、以下、反転前期間とする。

ここで、三元触媒３の酸素吸蔵剤から酸素が放出されるときには、貴金属を介して放出されると考えられるため、貴金属の活性点に硫黄成分が付着していると、酸素の放出が困難となると考えられる。したがって、硫黄成分が付着している活性点が多くなるほど、酸素吸蔵剤からの酸素の放出速度が低下する。三元触媒３へリッチ空燃比の排気が流入すると、まずは三元触媒３の上流端側の酸素吸蔵剤から酸素が放出される。しかし、三元触媒３の上流端側の酸素がある程度消費されたときに酸素吸蔵剤からの酸素の放出速度が遅いと、流れてくるＨＣやＣＯに対して上流端側で放出される酸素が不足するため、ＨＣやＣＯを十分に酸化できなくなる。このため、三元触媒３の上流端側に酸素が残っていても、ＨＣやＣＯが三元触媒３の上流端側を通過して下流端側に到達する。三元触媒３の下流端側においても同様に、三元触媒３の下流端側の酸素がある程度消費されたときに酸素の放出速度が遅いと、流れてくるＨＣやＣＯに対して下流端側で放出される酸素が不足するため、ＨＣやＣＯを十分に酸化できなくなる。このため、三元触媒３の下流端側に酸素が残っていても、ＨＣやＣＯが三元触媒３の下流端側を通過して三元触媒３から流出する。その結果、ＨＣやＣＯが三元触媒３を通過するタイミングが早くなり、三元触媒３よりも下流においてリッチ空燃比が検出されるまでの時間が短くなる。すなわち、酸素吸蔵剤からの酸素の放出速度が低下すると、三元触媒３へ流入する排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ変化した場合に、三元触媒３から流出する排気の空燃比がリッチ空燃比へ変化するまでの時間が短くなる。このため、上記面積Ｂが小さくなるので、Ｃｍａｘ法を用いて算出される最大酸素吸蔵量が、見かけ上、少なくなる。

そして、三元触媒３から流出する排気の空燃比がリッチ空燃比になると、三元触媒３に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化させる。このときには、三元触媒３に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比のときの酸素吸蔵剤からの酸素の放出速度が遅かったために、三元触媒３に多くの酸素が残った状態で排気の空燃比が切り換わっている。すなわち、貴金属の活性点に硫黄成分が付着していると、上記のように、三元触媒３に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比のときに酸素を放出し切れていない状態で、三元触媒３に流入する排気の空燃比がリーン空燃比に切り換わる。そして、三元触媒３に比較的多くの酸素が残っている状態で流入する排気の空燃比がリーン空燃比になると、三元触媒３における酸素吸蔵量が飽和するまでの時間が短くなる。このため、酸素が三元触媒３を通過するタイミングが早くなり、三元触媒３よりも下流においてリーン空燃比が検
出されるまでの時間が短くなる。したがって、上記面積Ａが小さくなるので、Ｃｍａｘ法を用いて算出される最大酸素吸蔵量が、見かけ上、少なくなる。

反転前期間のときに三元触媒３から流出する排気中のＮＯｘ濃度が０よりも高くなるのは、三元触媒３の貴金属（例えば、ＲＨまたはＰｄ）の活性点に硫黄成分が付着することによりＮＯｘの還元が困難になるためだと考えられる。なお、硫黄成分の濃度が高い燃料を用いると、三元触媒３の酸素吸蔵剤（例えばセリア）に硫黄被毒が発生するが、リッチ空燃比のときに硫黄成分が酸素吸蔵剤側から貴金属側に移動すると考えられる。このため、ＮＯｘを還元させる貴金属の硫黄被毒がより顕著になる。すなわち、ＮＯｘ浄化率の低下が顕著になる。

一方、図４（ａ）は、異常触媒に硫黄成分の濃度が低い排気を流通させた場合であって硫黄被毒の程度が低い場合の空燃比の変化を示した図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）と同時期におけるＮＯｘ濃度の変化を示した図である。異常触媒であっても硫黄被毒の程度が低ければ、反転前期間には、三元触媒３から流出する排気中のＮＯｘ濃度は略０になる。ここで、異常触媒では、劣化の程度が高くなるほど、最大酸素吸蔵量が少なくなるため、反転前期間が短くなる。すなわち、三元触媒３から流出する排気の空燃比が理論空燃比となっている時間が短くなる。このように、三元触媒３から流出する排気の空燃比が理論空燃比となっている時間が短くなるとしても、硫黄被毒の程度が低ければ、理論空燃比のときに、三元触媒３の貴金属によってＮＯｘが浄化される。すなわち、異常触媒であっても、硫黄被毒の程度が低い場合には、三元触媒３から流出する排気の空燃比が理論空燃比となっていればＮＯｘの浄化が可能である。

このように、正常触媒で且つ硫黄被毒の程度が高い場合（図３の場合）と、異常触媒で且つ硫黄被毒の程度が低い場合（図４の場合）とを比較すると、三元触媒３から流出する排気の空燃比が理論空燃比となっているときに、異常触媒よりも正常触媒のほうが、三元触媒３から流出する排気中のＮＯｘ濃度が高くなる。これは、上記の通り、三元触媒３の硫黄被毒の影響によるものである。なお、正常触媒であっても異常触媒であっても、硫黄被毒の程度が高ければ、三元触媒３から流出する排気の空燃比が理論空燃比のときのＮＯｘの浄化能力が低下するため、ＮＯｘ濃度が高くなる。すなわち、反転前期間のＮＯｘ濃度が高い場合には、三元触媒３の硫黄被毒の程度が高いと考えることができる。一方、正常触媒であっても異常触媒であっても、硫黄被毒の程度が低い場合には、三元触媒３から流出する排気の空燃比が理論空燃比のときのＮＯｘの浄化能力が高いため、ＮＯｘ濃度が低くなる。すなわち、反転前期間のＮＯｘ濃度が低い場合には、三元触媒３の硫黄被毒の程度が低いと考えることができる。このように、三元触媒３が正常触媒であるか又は異常触媒であるかにかかわらず、硫黄被毒の程度を検出することができる。

そこで本実施例では、反転前期間において三元触媒３から流出する排気中のＮＯｘ濃度に基づいて、三元触媒３の硫黄被毒の程度が高いか否か判定する。さらに、三元触媒３の硫黄被毒の程度が高いと判定された場合には、硫黄被毒回復制御を実施する。なお、三元触媒３の硫黄被毒の程度が高いか否か判定せずに、反転前期間における三元触媒３から流出する排気中のＮＯｘ濃度に基づいて、直接、硫黄被毒回復制御を実施するか否か判定してもよい。そして、硫黄被毒回復制御を実施した後に、三元触媒３の劣化判定を実施することにより、硫黄被毒の影響を受けずに劣化判定を実施することができる。このため、劣化判定の精度を高めることができる。

図５は、三元触媒３の劣化判定のフローを示したフローチャートである。本フローは、ＥＣＵ１０により、所定の時間毎に実行される。

ステップＳ１０１では、触媒劣化判定実行条件が成立しているか否か判定される。触媒
劣化判定実行条件は、三元触媒３の劣化判定を実施するか否かを決定する条件である。例えば、三元触媒３の温度が所定の温度範囲で、且つ、内燃機関１の吸入空気量が所定の空気量範囲のときに、触媒劣化判定実行条件が成立していると判定される。所定の温度範囲及び所定の空気量範囲は、劣化判定の精度及び劣化判定を実施する頻度に関連しているため、これらが許容範囲内となるように決定される。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本フローを終了させる。

ステップＳ１０２では、アクティブ制御が開始される。すなわち、第二空燃比センサ１２の検出値に基づいて、三元触媒３に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り換える。なお、本実施例においてはアクティブ制御を実施するＥＣＵ１０が、本発明における空燃比制御部に相当する。

ステップＳ１０３では、最大酸素吸蔵量を算出可能となるまでセンサの検出値がＥＣＵ１０に記憶される。併せて、目標空燃比もＥＣＵ１０に記憶される。ここでいうセンサの検出値は、第二空燃比センサ１２、及び、ＮＯｘセンサ１３を含む検出値である。最大酸素吸蔵量を算出するためには、図２におけるＡ及びＢで示した面積を求める必要がある。したがって、目標空燃比が、少なくとも、リッチ空燃比から始まり、リーン空燃比、リッチ空燃比、リーン空燃比の順に切り換わるか、または、リーン空燃比から始まり、リッチ空燃比、リーン空燃比、リッチ空燃比の順に切り換わるまでセンサの検出値を記憶する。また、このように空燃比が変化する途中で反転前期間も通過するため、このときに記憶したＮＯｘ濃度に基づいて、三元触媒３の硫黄被毒の程度を判定することができる。すなわち、本ステップでは、最大酸素吸蔵量の算出及び三元触媒３の硫黄被毒の程度の算出に必要となるセンサの検出値が記憶される。

ステップＳ１０４では、アクティブ制御が終了される。アクティブ制御が終了すると、その後は、内燃機関１の運転状態などに基づいて目標空燃比が決定される。

ステップＳ１０５では、三元触媒３の最大酸素吸蔵量が算出される。三元触媒３の最大酸素吸蔵量は、上記Ｃｍａｘ法により算出される。ＥＣＵ１０は、ステップＳ１０３において記憶された目標空燃比と第二空燃比センサ１２の検出値とに基づいて、最大酸素吸蔵量を算出する。

ステップＳ１０６では、硫黄被毒判定が実施される。硫黄被毒判定については後述する。

ステップＳ１０７では、ステップＳ１０５で算出される三元触媒３の最大酸素吸蔵量が吸蔵量閾値以上であるか否か判定される。本ステップＳ１０７では、三元触媒３の最大酸素吸蔵量が正常であることを示す値以上となっているか否か、すなわち、劣化していないか否か判定している。このため、吸蔵量閾値は、三元触媒３が正常のときの最大酸素吸蔵量の下限値として設定される。この吸蔵量閾値は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。なお、本実施例においてはステップＳ１０７以降を実施するＥＣＵ１０が、本発明における判定部に相当する。

ステップＳ１０７で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０８へ進んで、三元触媒３が正常であると判定される。すなわち、熱劣化が許容範囲内であると判定される。ステップＳ１０７の処理が終了すると、本フローチャートを終了させる

一方、ステップＳ１０７で否定判定がなされた場合にはステップＳ１０９へ進んで、三元触媒３の硫黄被毒の程度が低いか否か判定される。ステップＳ１０９では、三元触媒３
の硫黄被毒の程度が三元触媒３の劣化を判定する上で許容範囲内になっているか否か判定している。硫黄被毒の程度が低いか（許容範囲内であるか）又は高いか（許容範囲を超えたか）は、ステップＳ１０６において求められる。

ステップＳ１０９で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１１０へ進み、三元触媒３が異常であると判定される。すなわち、最大酸素吸蔵量における硫黄被毒の影響は小さいので、最大酸素吸蔵量が小さいのは熱劣化が生じているためだと考えることができる。その後、本フローチャートを終了させる。

一方、ステップＳ１０９で否定判定がなされた場合には、ステップＳ１１１へ進んで、硫黄被毒回復制御が要求される。すなわち、三元触媒３の硫黄被毒の程度が高い状態のため、劣化判定の精度が低くなっているので、この状態では劣化判定を行わないようにしている。これにより、劣化判定の精度が低下することを抑制できる。硫黄被毒回復制御が要求され、且つ、硫黄被毒回復制御を実行する他の条件が成立している場合には、ＥＣＵ１０により別途、硫黄被毒回復制御が実施される。そして、三元触媒３の硫黄被毒を回復させた後に本フローチャートが再度実行されれば、三元触媒３の硫黄被毒の程度が低い状態で三元触媒３の劣化判定を実施することができる。

次に、ステップＳ１０６において実施される硫黄被毒判定について説明する。図６は、三元触媒３の硫黄被毒判定のフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ステップＳ１０６においてＥＣＵ１０により実行される。なお、本実施例では本フローチャートを実行するＥＣＵ１０が、本発明における判定部に相当する。

ステップＳ２０１では、ステップＳ１０３において記憶されたＮＯｘ濃度のうち、反転前期間におけるＮＯｘ濃度が抽出される。本ステップでは、反転前期間におけるＮＯｘ濃度の最大値、最小値、平均値、または積算値の何れをＮＯｘ濃度として抽出してもよい。また、これらの値に代えて、反転前期間の所定の時期におけるＮＯｘ濃度を抽出してもよい。所定の時期は、例えば、目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化してから所定の時間が経過した時としてもよい。

ステップＳ２０２では、ステップＳ２０１で抽出したＮＯｘ濃度が濃度閾値以上であるか否か判定される。この濃度閾値は、三元触媒３の硫黄被毒の程度が、三元触媒３の劣化判定を実施する上で許容範囲を超えるか、または、超える虞のあるＮＯｘ濃度として設定される。濃度閾値は、予め実験またはシミュレーション等により求めることができる。ステップＳ２０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０３へ進み、三元触媒３の硫黄被毒の程度が高いと判定される。なお、ステップＳ２０３では、三元触媒３の被毒の程度または被毒レベルが、被毒閾値以上であると判定してもよい。被毒閾値は、硫黄被毒の程度が許容範囲を超えるときの硫黄被毒の程度、または、硫黄被毒の程度が許容範囲を超える虞があるときの硫黄被毒の程度とすることができる。また、ステップＳ２０３では、硫黄被毒回復制御を実施すると判定してもよい。一方、ステップＳ２０２で否定判定がなされた場合にはステップＳ２０４へ進み、三元触媒３の硫黄被毒の程度が低いと判定される。なお、ステップＳ２０４では、三元触媒３の被毒の程度または被毒レベルが、被毒閾値未満であると判定してもよい。また、ステップＳ２０４では、硫黄被毒回復制御を実施する必要がないと判定してもよい。ステップＳ２０３またはステップＳ２０４の処理が完了すると、図５に示したフローチャートへ戻り、ステップＳ１０７へ進む。なお、ステップＳ２０３において三元触媒３の硫黄被毒の程度が高いと判定された段階で被毒回復制御を実施してもよい。その場合は、改めてアクティブ制御を実行する

以上説明したように本実施例によれば、反転前期間の、三元触媒３より流出する排気中のＮＯｘ濃度に基づいて、三元触媒３の硫黄被毒の程度が高いか否か判定することができ
る。三元触媒３の硫黄被毒の程度が高い場合には、硫黄被毒回復制御を実施することにより硫黄被毒を回復させることができるので、三元触媒３の劣化判定の精度を高めることができる。一方、三元触媒３の硫黄被毒の程度が低い場合には、必要以上に硫黄被毒回復制御を実施しないため、燃費の悪化を抑制できる。

なお、本実施例では、三元触媒３の被毒レベルを算出することもできる。三元触媒３の被毒レベルは、硫黄被毒の程度を表す数値であり、例えば、三元触媒３の全活性点のうちで被毒している活性点の比率を示す値である。この被毒レベルは、反転前期間の、三元触媒３から流出する排気中のＮＯｘ濃度と関連している。すなわち、被毒レベルが高いほど、ＮＯｘの浄化性能が低下するため、三元触媒３から流出する排気中のＮＯｘ濃度が高くなる。したがって、ＮＯｘ濃度と被毒レベルとの関係を予め実験またはシミュレーション等により求めておけば、ＮＯｘ濃度に基づいて被毒レベルを求めることができる。また、三元触媒３から流出する排気中のＮＯｘ濃度が高いほど、被毒レベルが高いと判定することができる。なお、三元触媒３に流入する排気中のＮＯｘ濃度によって、三元触媒３から流出する排気中のＮＯｘ濃度が変わり得るため、三元触媒３に流入する排気中のＮＯｘ濃度に対する、三元触媒３から流出する排気中のＮＯｘ濃度の比が高いほど、被毒レベルが高いと判定してもよい。この関係も予め実験またはシミュレーション等により求めることができる。

被毒レベルは、ステップＳ２０１で抽出されるＮＯｘ濃度に基づいて算出することができる。例えばＮＯｘ濃度が高いほど、被毒レベルが高くなるようなマップを予め実験またはシミュレーション等によりＥＣＵ１０に記憶させておく。そして、ＮＯｘセンサ１３により検出されるＮＯｘ濃度と、マップと、から被毒レベルを算出する。

さらに、本実施例では、被毒レベルに基づいて、三元触媒３の硫黄被毒量を求めることもできる。硫黄被毒量は、三元触媒３に蓄積されている硫黄成分の質量である。ここで、被毒レベルが同じであっても、三元触媒３の貴金属量によって、硫黄被毒量は変わる。なお、貴金属量は、予め知ることができる。硫黄被毒量は、被毒レベルに比例するため、例えば、比例係数を予め求めておけば、被毒レベルに比例係数を乗算することにより硫黄被毒量を求めることができる。また、三元触媒３から流出する排気中のＮＯｘ濃度に基づいて、硫黄被毒量を直接求めることもできる。三元触媒３から流出する排気中のＮＯｘ濃度が高いほど、硫黄被毒量が多くなる。

なお、三元触媒３の硫黄被毒の程度が高いと判定された場合、本実施例では、三元触媒３の劣化判定の精度を高めるために硫黄被毒回復制御を実施しているが、これに代えて、三元触媒３の劣化判定を禁止してもよい。すなわち、三元触媒３の硫黄被毒の程度が低いと判定される場合に限り、三元触媒３の劣化判定を実施してもよい。このようにしても、劣化判定の精度が低下することを抑制できる。

また、三元触媒３の硫黄被毒の程度が高いと判定された場合に、硫黄被毒回復制御を実施することに代えて、ステップＳ１０１における触媒劣化判定実行条件を変更してもよい。例えば、三元触媒３の劣化判定は、三元触媒３の温度が所定の温度範囲で、且つ、内燃機関１の吸入空気量が所定の空気量範囲のときに行うこととしている。ここで、三元触媒３の温度が高いほうが劣化判定の精度が高くなるが、三元触媒３の温度が高い場合に限り劣化判定を実施すると、内燃機関１の運転状態によっては、その温度まで三元触媒３の温度が上昇しない場合もある。このような状態であっても、三元触媒３の劣化判定を実施できるように、劣化判定を実施する所定の温度範囲の下限値は、比較的低く設定されることがある。しかし、三元触媒３の硫黄被毒の程度が高いときに劣化判定を実施すると判定精度が低下する。これに対して、硫黄被毒の程度が高いときに所定の温度範囲の下限値が大きくなるように変更すれば、劣化判定の精度が低くなる低温時に劣化判定が実施されるこ
とを抑制できる。これにより、劣化判定の精度の低下を抑制することができる。

さらに、硫黄被毒回復制御を実施しなくても三元触媒３の温度が高くなると、劣化判定において三元触媒３の硫黄被毒の影響が小さくなるため、三元触媒３が所定の高温となった後に、劣化判定を実施するようにしてもよい。

また、三元触媒３の硫黄被毒の程度が高い場合には、硫黄被毒の程度が高いことをユーザに対して報知するようにしてもよいし、硫黄成分の濃度が低い燃料へ交換するようにユーザに対して報知してもよい。さらに、三元触媒３よりも下流側にＮＳＲ触媒を備えている場合には、三元触媒３の硫黄被毒の程度が高いと判定された場合に、ＮＳＲ触媒の硫黄被毒回復制御を実施してもよい。ＮＳＲ触媒の硫黄被毒回復制御を実施することにより、三元触媒３の温度も上昇するため、該三元触媒３の硫黄被毒も回復することができる。

１内燃機関
２排気通路
３三元触媒
４噴射弁
５吸気通路
１０ＥＣＵ
１１第一空燃比センサ
１２第二空燃比センサ
１３ＮＯｘセンサ
１５エアフローメータ
１６クランクポジションセンサ
１７アクセル開度センサ

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ酸素吸蔵能を有する三元触媒と、
前記三元触媒よりも下流の排気通路に設けられＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサと、
前記三元触媒よりも下流の排気通路に設けられ空燃比を検出する空燃比センサと、
前記三元触媒に流入する排気の空燃比を変化させる空燃比制御部と、
前記空燃比制御部により排気の空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化させた後であって前記空燃比センサにより検出される空燃比がリーン空燃比へ変化する前に前記ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度に基づいて、前記三元触媒の硫黄被毒を回復させるか否か判定する、または、前記ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度が高いときには低いときよりも前記三元触媒の硫黄被毒の程度が高いと判定する判定部と、
を備える内燃機関の排気浄化装置。
前記判定部は、前記空燃比制御部により排気の空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化させた後であって前記空燃比センサにより検出される空燃比がリーン空燃比へ変化する前において、前記ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度が濃度閾値以上の場合に、前記三元触媒の硫黄被毒を回復させ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。
前記空燃比制御部は、前記空燃比センサにより検出される空燃比がリッチ空燃比の場合には前記三元触媒に流入する排気の空燃比をリーン空燃比とし、前記空燃比センサにより検出される空燃比がリーン空燃比の場合には前記三元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とする空燃比制御を行い、
前記判定部は、前記空燃比制御を行っているときの前記ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度に基づいて、前記三元触媒の硫黄被毒を回復させるか否か判定する、または、前記ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度が高いときには低いときよりも前記三元触媒の硫黄被毒の程度が高いと判定し、
さらに、前記判定部は、前記三元触媒の硫黄被毒を回復させる必要はないと判定したか、または、前記三元触媒の硫黄被毒の程度が被毒閾値未満と判定した場合であって、前記空燃比制御を行うことにより得られる前記三元触媒の最大酸素吸蔵量が吸蔵量閾値未満の場合に、前記三元触媒が劣化していると判定する請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。