(57)【要約】【課題】  ＮＯX吸蔵還元触媒の再生を適切に行う。【解決手段】  機関１の排気通路２にＮＯX吸蔵還元触媒７を配置し、排気中のＮＯXの吸蔵と還元浄化とを行う。ＮＯX吸蔵還元触媒下流側の排気通路にＨ2センサ３３を配置し、排気中の水素成分濃度を検出する。ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯX量が所定量まで増大すると、機関の電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０は機関をリッチ空燃比で運転し、ＮＯX吸蔵還元触媒にリッチ空燃比排気を供給する再生操作を実行してＮＯX吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯXを還元浄化する。再生操作実行時、ＥＣＵ３０はＨ2センサ３３で排気中に水素成分が検出されたときに再生操作を終了する。これにより、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作終了タイミングを正確に判定することが可能となる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置した、流入する排気空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＮＯXを吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵し、流入する排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比のときに、吸蔵したＮＯXを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯX吸蔵還元触媒と、
前記ＮＯX吸蔵還元触媒の、入口側と出口側との少なくとも一方の排気通路に配置され、排気中の水素成分濃度を検出するＨ2センサと、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
前記ＮＯX吸蔵還元触媒が機関のリーン空燃比運転中に吸蔵したＮＯXを還元浄化すべきときに、所定時間リッチ空燃比または理論空燃比の排気をＮＯX吸蔵還元触媒に供給する再生操作を実行する際に、前記Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて再生操作時に前記ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を制御する、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
少なくとも前記ＮＯX吸蔵還元触媒出口側の排気通路に前記Ｈ2センサを備え、前記再生操作実行時に、前記出口側Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて再生操作を終了すべき時期を判断する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
少なくとも前記ＮＯX吸蔵還元触媒出口側の排気通路に前記Ｈ2センサを備え、前記再生操作は、まずリッチ空燃比の排気をＮＯX吸蔵還元触媒に供給し、その後理論空燃比の排気をＮＯX吸蔵還元触媒に供給する操作を含み、前記出口側Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて前記再生操作中のリッチ空燃比から理論空燃比への排気空燃比切換時期を判断する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
少なくとも前記ＮＯX吸蔵還元触媒入口側の排気通路に前記Ｈ2センサを備え、前記再生操作時に前記入口側Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度が予め定めた目標値になるようにＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を制御する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記水素成分濃度の目標値が、再生操作開始時に高く、その後、時間とともに次第に低下するように設定される、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
再生操作開始から、前記下流側Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて判断された再生操作を終了すべき時までの経過時間に基づいて前記ＮＯX吸蔵還元触媒の劣化の程度を判定する、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
流入する排気空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＮＯXを吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵し、流入する排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比のときに、吸蔵したＮＯXを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯX吸蔵還元触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
内燃機関の排気通路上流側と下流側とに直列に配置されたＮＯX吸蔵還元触媒と、前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒と下流側ＮＯX吸蔵還元触媒との間の排気通路に配置された、排気中の水素成分濃度を検出するＨ2センサと、を備え、
前記ＮＯX吸蔵還元触媒に機関のリーン空燃比運転中に吸蔵されたＮＯXを還元浄化すべきときに所定時間リッチ空燃比または理論空燃比の排気をＮＯX吸蔵還元触媒に供給する再生操作を実行する際に、前記Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を制御する、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒は、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒よりもＮＯX吸蔵能力が大きく、Ｏ2ストレージ能力が小さく、かつ白金成分の担持量が大きい、請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
前記再生操作実行時に、前記Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて再生操作を終了すべき時期を判断する請求項７または請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
前記ＮＯX吸蔵還元触媒がＮＯXとともに吸蔵した硫黄酸化物をＮＯX吸蔵還元触媒から放出させるためにＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比にしつつ排気温度を上昇させる被毒回復処理を実行する際に、
前記Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて被毒回復処理実行中に前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を制御する、請求項７または請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】
前記被毒回復処理実行時に、前記Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて被毒回復処理を終了すべき時期を判断する請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１２】
前記再生操作開始から、前記Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて判断された再生操作を終了すべき時までの時間に基づいて前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒の劣化の程度を判定する、請求項７または請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関し、詳細にはＮＯX吸蔵還元触媒を用いた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯX成分を吸蔵し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になったときに、吸蔵したＮＯXを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯX吸蔵還元触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置が知られている。（なお、本明細書で使用する「吸蔵」なる語は、吸着と吸収との両方の概念を含むものとする。）
【０００３】
ＮＯX吸蔵還元触媒は、空燃比がリーンのときに排気中のＮＯX成分を硝酸イオンの形でＢａＯ等の吸蔵材中に吸蔵する。このため、ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯX量が増大すると吸蔵材がＮＯXで飽和してしまいそれ以上排気中のＮＯXを吸蔵できなくなる。
【０００４】
このため、ＮＯX吸蔵還元触媒を用いた排気浄化装置では、ＮＯX吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯXが増大する毎に、ＮＯX吸蔵還元触媒に短時間リッチ空燃比の排気を供給するリッチスパイク操作を行うことにより、ＮＯX吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯXを還元浄化するようにしている（特許文献１参照）。
【０００５】
すなわち、排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になると排気中のＣＯ等の還元成分やＨＣ成分量が急激に増大する。リッチ空燃比雰囲気下でＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵材から脱離するＮＯXはこれらのＣＯ、ＨＣ等と反応してＮ2に還元され、これにより、ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯX量が低下し、ＮＯX吸蔵還元触媒がリーン空燃比下において再度ＮＯXを吸蔵できるようになる。
【０００６】
上記のように、ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵したＮＯXの還元浄化（以下、「ＮＯX吸蔵還元触媒の再生」という）のためのリッチスパイク操作は、機関のリッチ空燃比運転、或いは排気中への燃料や還元剤の添加を伴うため、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作が完了したにもかかわらず再生操作を継続すると機関の燃料消費量の増大や還元剤の排出によるエミッションの悪化を生じる問題がある。
【０００７】
このため、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生が完了したこと（吸蔵したＮＯXの全量が還元浄化されたこと）を判断し、再生が完了すると同時に再生操作を終了する必要がある。
例えば特許文献２では、ＮＯX吸蔵還元触媒の下流側排気通路に排気空燃比がリッチかリーンかに応じて出力が変化するＯ2センサを配置し、リッチスパイク操作時のＮＯX吸蔵還元触媒の再生完了を判断している。
【０００８】
前述のように、リッチスパイク操作時にＮＯX吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気が流入すると、排気中のＨＣ、ＣＯ等の成分がＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯXを還元するために消費される（すなわち、ＨＣ、ＣＯ等がＮＯX中の酸素により酸化される）。このため、ＮＯX吸蔵還元触媒上でＮＯXの還元が行われている間は、リッチ空燃比の排気がＮＯX吸蔵還元触媒に流入してもＮＯX吸蔵還元触媒から放出された酸素によりＨＣ、ＣＯ等が酸化されるので、ＮＯX吸蔵還元触媒下流側の排気空燃比は理論空燃比に維持されるようになる。そして、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生が完了し、還元されるべきＮＯXがなくなると排気中のＨＣ、ＣＯ等の成分はＮＯX吸蔵還元触媒上で酸化されなくなるため、ＮＯX吸蔵還元触媒下流側の排気空燃比は上流側と同じリッチ空燃比になる。
【０００９】
すなわち、ＮＯX吸蔵還元触媒の下流側の排気空燃比は、リッチスパイク操作が開始されても直ちにはリッチ空燃比にはならず理論空燃比近傍に維持され、ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯXの全量が還元されたとき（すなわち、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生が完了したとき）に初めてリッチ空燃比に変化する。
【００１０】
特許文献２の装置では、ＮＯX吸蔵還元触媒下流側の排気通路に配置したＯ2センサ出力を監視し、リッチスパイク操作時にＯ2センサ出力がリッチ空燃比に変化したことを検出することにより、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生完了を判断している。
【００１１】
ところで、水素はＣＯ等と比較しても高い還元能力を有する。このため、ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯXの還元浄化時にＮＯX吸蔵還元触媒に適量の水素を供給すると、ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯXの還元速度が増大し、短時間で効率的にＮＯXの還元浄化を行うことができることが知られている。
【００１２】
水素は、空燃比がリッチ空燃比のときに機関の燃焼により発生することが知られている。また、通常の機関のリッチ空燃比運転で発生する水素に加えて、別の手段を用いて排気ガスに水素を添加する方法も知られている。
【００１３】
例えば、特許文献３では水素成分の強力な還元剤としての能力を利用して、ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力を判定する方法を開示している。
【００１４】
水素は還元剤としての能力が高いため、ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯX還元浄化時には、触媒に吸蔵されたＮＯXが残っている間はＮＯX吸蔵還元触媒に流入した排気中の水素成分はＮＯXと反応して消費され、ＮＯX吸蔵還元触媒内のＮＯXの全量が還元されるまでＮＯX吸蔵還元触媒下流側には流出しない。
【００１５】
このため、ＮＯX吸蔵還元触媒に水素を含んだリッチ空燃比の排気を供給した場合に、ＮＯX吸蔵還元触媒下流側の排気中に水素の流出が始まった時点は、ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯXの全量が還元浄化された時点と考えることができる。従って、リッチスパイク操作開始から下流側で水素成分が検出されるようになるまでの時間はＮＯX吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯX量に対応しており、この時間が長いほどＮＯX吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯX量が多いと判断することができる。
【００１６】
特許文献３では上記を利用して、ＮＯX吸蔵還元触媒の上流側と下流側の排気通路に排気中の水素を検出するＨ2センサを配置し、吸蔵ＮＯXの還元浄化時に上流側のＨ2センサで水素が検出されてから下流側のＨ2センサで水素が検出されるまでの時間差に基づいてＮＯX吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯX量の低下の有無（すなわち、ＮＯX吸蔵還元触媒の劣化の有無）を判定している。
【００１７】
また、特許文献４ではリッチまたは理論空燃比運転時に三元触媒で発生する水素により三元触媒下流側の酸素センサの出力に誤差が生じ、酸素センサ出力に基づく空燃比制御に悪影響を及ぼすことを防止するために、三元触媒下流側に水素センサを設け、計測した排気中の水素成分濃度に基づいて空燃比制御を補正する制御方法を開示している。
【００１８】
【特許文献１】特許第２６００４９２号
【特許文献２】特許第２６９２３８０号
【特許文献３】特開２００２−４７９１９号公報
【特許文献４】特開２００３−１２０３８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
前述したように、リッチスパイク操作によりＮＯX吸蔵還元触媒の再生を行う場合には、機関の燃料消費量の増大を防止するためにＮＯX吸蔵還元触媒の再生が完了したことを正確に判断する必要がある。
【００２０】
ところが、前述の特許文献２のように、ＮＯX吸蔵還元触媒下流側に配置した酸素センサ出力に基づいてリッチスパイク操作時のＮＯX吸蔵還元触媒の再生完了時期を判断していると、再生完了時期を正確に判断できない場合が生じる問題がある。
【００２１】
後述するように、リッチスパイク操作時に排気中のＨＣ、ＣＯ等でＮＯXを還元するためには、ＮＯX吸蔵還元触媒に含まれる白金（Ｐｔ）等の触媒成分が還元触媒として機能する必要がある。ところが、排気中にＨＣ成分が多量に含まれていると、ＨＣ成分が触媒成分の表面に吸着され、表面を覆ってしまうため触媒成分が還元触媒として機能することができなくなる、いわゆるカバリングが発生する問題が生じることが判明している。
【００２２】
このため、リッチスパイク操作時にＮＯX吸蔵還元触媒に供給するリッチ空燃比排気中に多量のＨＣ成分が含まれている場合には、ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXと排気中のＨＣ成分とのそれぞれ一部が、互いに反応しないままＮＯX吸蔵還元触媒下流側に流出してしまう現象が生じる。
【００２３】
このように、ＮＯX吸蔵還元触媒に流入したリッチ空燃比排気中のＨＣ成分がＮＯXにより酸化されないまま触媒下流側に流出すると、触媒下流側の酸素センサでは排気空燃比をリッチと判定してしまう。このため、特許文献２のようにＮＯX吸蔵還元触媒下流側に配置した酸素センサ出力に基づいてＮＯX吸蔵還元触媒の再生完了を判定していると、実際には再生が完了していないにもかかわらず酸素センサで検出した排気空燃比がリッチ空燃比になってしまい、再生が完了したと判定されリッチスパイク操作が終了してしまう場合が生じる。このように、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生が不十分なうちに再生操作が終了してしまうと、ＮＯX吸蔵還元触媒はＮＯX吸蔵能力が十分に回復しないままでＮＯXの吸蔵を再開することになり、十分な排気浄化ができなくなる問題が生じる。
【００２４】
また、前述したようにＮＯX吸蔵還元触媒の再生には水素成分を供給することが有効であるが、水素成分をＮＯX吸蔵還元触媒に供給して再生を行う場合にも、供給する水素成分量を適切な量に設定しないと十分な再生を行うことが出来ず、排気浄化が不十分になる問題がある。
【００２５】
特許文献３と特許文献４では、Ｈ2センサを用いて排気中の水素成分を検出してはいるが、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生時に触媒に供給する排気中のＨ2成分量を制御することについては全く考慮していない。
【００２６】
本発明は上記問題に鑑み、排気中に比較的多量のＨＣが含まれている場合にもＮＯX吸蔵還元触媒の再生を適切に行い、排気浄化が不十分になることを防止可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の排気通路に配置した、流入する排気空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＮＯXを吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵し、流入する排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比のときに、吸蔵したＮＯXを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯX吸蔵還元触媒と、前記ＮＯX吸蔵還元触媒の、入口側と出口側との少なくとも一方の排気通路に配置され、排気中の水素成分濃度を検出するＨ2センサと、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、前記ＮＯX吸蔵還元触媒が機関のリーン空燃比運転中に吸蔵したＮＯXを還元浄化すべきときに、所定時間リッチ空燃比または理論空燃比の排気をＮＯX吸蔵還元触媒に供給する再生操作を実行する際に、前記Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて再生操作時に前記ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を制御する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２８】
すなわち、請求項１の発明ではＮＯX吸蔵還元触媒の上流側または下流側の少なくとも一方に配置されたＨ2センサにより検出された水素成分濃度に基づいて排気の空燃比が制御される。
【００２９】
例えば、後述するように、ＮＯX吸蔵還元触媒の下流側に配置したＨ2センサにより検出した水素成分濃度を用いれば、再生操作時にＮＯX吸蔵還元触媒の再生完了時期を判断することができるため、正確にＮＯX吸蔵還元触媒の再生完了に合わせて再生操作を終了して排気空燃比をリーン空燃比に戻すことができるため、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生を適切に行うことができる。
【００３０】
また、排気中の水素成分濃度は排気空燃比に応じて変化する。従って、ＮＯX吸蔵還元触媒上流側に配置したＨ2センサにより検出した排気中の水素成分濃度に基づいて、排気空燃比を制御することにより、例えばＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気中の水素成分濃度を適切な値に制御し、適量の水素成分をＮＯX吸蔵還元触媒に供給することができるためＮＯX吸蔵還元触媒の再生を適切に行うことができる。
【００３１】
請求項２に記載の発明によれば、少なくとも前記ＮＯX吸蔵還元触媒出口側の排気通路に前記Ｈ2センサを備え、前記再生操作実行時に、前記出口側Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて再生操作を終了すべき時期を判断する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００３２】
すなわち、請求項２の発明では少なくともＮＯX吸蔵還元触媒出口側（下流側）の排気通路にＨ2センサが配置される。ＮＯX吸蔵還元触媒再生のためのリッチスパイク操作が開始されるとＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比にされるため、排気中の水素成分濃度が増大する。
水素は還元力が極めて大きいため、ＮＯX吸蔵還元触媒に流入すると還元触媒を介さず直接ＮＯXを還元することができる。このため、排気中に比較的多量のＨＣ成分が含まれており、触媒表面がＨＣで覆われるカバリングが生じ、還元触媒としての機能が低下した場合でも排気中の水素はＮＯXと反応して消費される。
【００３３】
従って、排気中のＨＣ成分により触媒のカバリングが生じた場合でも、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生が完了しない限り触媒下流側のＨ2センサでは水素は検出されない。
本発明では、リッチスパイク操作中にＮＯX吸蔵還元触媒下流側に配置したＨ2センサで水素成分が検出された場合には、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生が完了したと判断し、再生操作を終了する。
【００３４】
これにより、本発明では、排気中に比較的多量のＨＣ成分が含まれている場合にもＮＯX吸蔵還元触媒の再生が完了したことを正確に判断し、再生操作を終了することができ、再生が不十分なまま再生操作を終了することによる排気浄化能力の低下や、再生が完了した後まで再生操作を継続することによる燃料消費量の悪化などの問題を防止し、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生を適切に行うことができる。
【００３５】
請求項３に記載の発明によれば、少なくとも前記ＮＯX吸蔵還元触媒出口側の排気通路に前記Ｈ2センサを備え、前記再生操作は、まずリッチ空燃比の排気をＮＯX吸蔵還元触媒に供給し、その後理論空燃比の排気をＮＯX吸蔵還元触媒に供給する操作を含み、前記出口側Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて前記再生操作中のリッチ空燃比から理論空燃比への排気空燃比切換時期を判断する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００３６】
すなわち、請求項３の発明では、再生操作は空燃比をリッチ空燃比と理論空燃比との２段階に切り換えることにより行われる。例えば、ＮＯX吸蔵還元触媒として、ＮＯX吸蔵能力を増大させた高吸蔵タイプのＮＯX吸蔵還元触媒が使用される場合がある。高吸蔵タイプのＮＯX吸蔵還元触媒は、ＮＯXと親和力の高い吸蔵材を使用することにより、単位体積あたりに吸蔵可能なＮＯX量を従来に較べて大幅に増大したＮＯX吸蔵還元触媒である。このような、高吸蔵タイプのＮＯX吸蔵還元触媒では、吸蔵材のＮＯXとの親和力が高いため、再生操作初期に比較的多量のＮＯXが脱離した後は、ＮＯXの脱離速度が低くなり、完全にＮＯX吸蔵還元触媒を再生するためには長時間再生操作を行う必要がある。
【００３７】
そこで、高吸蔵タイプのＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作では、燃料消費量の増大等を抑制するために、再生操作初期にリッチ空燃比の排気をＮＯX吸蔵還元触媒に供給して、比較的多量のＮＯXを脱離させ、還元浄化した後は排気の空燃比を理論空燃比に切り換えて比較的長時間をかけてＮＯX吸蔵還元触媒の再生を完全に行うようにしている。
【００３８】
このような場合、リッチスパイク初期の、比較的多量のＮＯXがＮＯX吸蔵還元触媒から脱離する間は、リッチ空燃比排気中の水素成分はその全量がＮＯXにより消費されるものの、初期の脱離が終わりＮＯXの脱離速度が低下すると排気中の水素成分の一部は消費されずにＮＯX吸蔵還元触媒下流側に流出するようになる。
【００３９】
本発明では、下流側Ｈ2センサで水素成分が検出されたときに排気空燃比をリッチ空燃比から理論空燃比に切り換えることにより、高吸蔵タイプのＮＯX吸蔵還元触媒を使用した場合にも、再生操作時に必要以上にリッチ空燃比運転を続けることなく適切にＮＯX吸蔵還元触媒を再生することが可能となっている。
なお、排気空燃比が理論空燃比になると水素はほとんど生成されないため、下流側のＨ2センサでは水素が検出されなくなる。
【００４０】
請求項４に記載の発明によれば、少なくとも前記ＮＯX吸蔵還元触媒入口側の排気通路に前記Ｈ2センサを備え、前記再生操作時に前記入口側Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度が予め定めた目標値になるようにＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を制御する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００４１】
すなわち、請求項４の発明ではＮＯX吸蔵還元触媒の入口側（上流側）に配置したＨ2センサで、ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気中の水素成分濃度を検出し、この水素成分濃度が目標値になるように排気空燃比がフィードバック制御される。
このため、再生操作時には常に適切な量の水素がＮＯX吸蔵還元触媒に供給されるようになり、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生が適切に行われる。
【００４２】
請求項５に記載の発明によれば、前記水素成分濃度の目標値が、再生操作開始時に高く、その後時間とともに次第に低下するように設定される、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００４３】
すなわち、請求項５の発明では、ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気中の水素成分濃度が再生操作時のＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯX脱離速度に応じて設定される。
【００４４】
再生操作時にＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比がリーンからリッチになると、ＮＯX吸蔵還元触媒から脱離するＮＯXの量はリッチ空燃比に切り替わった直後は大きく、その後時間とともに低下する。
【００４５】
従って、再生操作中にＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気中の水素成分濃度を再生操作開始時に高く設定し、その後次第に低下させることによりＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXの脱離量に応じて水素成分を供給し、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生を適切に行うことが可能となる。
【００４６】
請求項６に記載の発明によれば、再生操作開始から、前記下流側Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて判断された再生操作を終了すべき時までの経過時間に基づいて前記ＮＯX吸蔵還元触媒の劣化の程度を判定する、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００４７】
すなわち、請求項６の発明では、下流側Ｈ2センサで検出した水素成分濃度に基づいてＮＯX吸蔵還元触媒の再生完了を判定するとともに、再生操作開始からＮＯX吸蔵還元触媒再生完了までの経過時間に基づいてＮＯX吸蔵還元触媒の劣化程度を判定する。
【００４８】
前述したように、再生操作開始から再生完了までの所要時間はＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵量に対応しており、ＮＯX吸蔵還元触媒が劣化して吸蔵可能なＮＯX量が低下すると、それに応じて再生完了までの所要時間も短くなる。
このため、この所要時間がある判定値以下になったような場合にはＮＯX吸蔵還元触媒が劣化していると判定することができる。
これにより、本発明では、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生を適切に行いながら同時にＮＯX吸蔵還元触媒の劣化程度を正確に判定することが可能となる。
【００４９】
請求項７に記載の発明によれば、流入する排気空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＮＯXを吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵し、流入する排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比のときに、吸蔵したＮＯXを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯX吸蔵還元触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、内燃機関の排気通路上流側と下流側とに直列に配置されたＮＯX吸蔵還元触媒と、前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒と下流側ＮＯX吸蔵還元触媒との間の排気通路に配置された、排気中の水素成分濃度を検出するＨ2センサと、を備え、前記ＮＯX吸蔵還元触媒に機関のリーン空燃比運転中に吸蔵されたＮＯXを還元浄化すべきときに所定時間リッチ空燃比または理論空燃比の排気をＮＯX吸蔵還元触媒に供給する再生操作を実行する際に、前記Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を制御する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００５０】
すなわち、請求項７の発明では２つのＮＯX吸蔵還元触媒が排気通路に直列に配置されており、Ｈ2センサは上流側のＮＯX吸蔵還元触媒と下流側のＮＯX吸蔵還元触媒との間の位置に配置されている。
このように、２つのＮＯX吸蔵還元触媒を直列に配置した、いわゆるタンデム型触媒では、上流側（前段）のＮＯX吸蔵還元触媒と下流側（後段）のＮＯX吸蔵還元触媒とはリーン空燃比運転中のＮＯXの吸蔵量や再生操作時の再生進行状態などが異なっている。このため、後述するように、後段のＮＯX吸蔵還元触媒の下流側にＨ2センサを配置して検出した水素成分濃度に基づいて再生操作の制御を行おうとすると問題が生じる場合がある。
【００５１】
本発明では、前段と後段のＮＯX吸蔵還元触媒の間にＨ2センサを配置することにより、Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて再生操作の制御を行うことにより、適切なＮＯX吸蔵還元触媒の再生を行うことを可能としている。
【００５２】
請求項８に記載の発明によれば、前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒は、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒よりもＮＯX吸蔵能力が大きく、Ｏ2ストレージ能力が小さく、かつ白金成分の担持量が大きい、請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００５３】
すなわち、請求項８の発明では、請求項７の発明において上流側ＮＯX吸蔵還元触媒は下流側ＮＯX吸蔵還元触媒よりもＮＯX吸蔵能力が大きく、Ｏ2ストレージ能力が小さく、白金成分の担持量が大きく設定されている。
直列にＮＯX吸蔵還元触媒を２つ配置した場合には、ＮＯXの吸蔵と還元浄化はほとんど上流側のＮＯX吸蔵還元触媒で行われる。このため、上流側のＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力（ＮＯX吸蔵還元触媒が吸蔵可能な最大ＮＯX量）を大きく設定することにより、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒で処理可能なＮＯX量が増大する。また、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＯ2ストレージ能力を小さくしたことにより再生操作実行時にも上流側のＮＯX吸蔵還元触媒では、排気中の水素成分やＨＣ、ＣＯ成分は触媒が吸蔵した酸素と反応することなく、その大部分がＮＯXの還元に使用されるようになる。
さらに、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒でＰｔの担持量を大きくしたことにより、排気中のＮＯの殆どは上流側の触媒上で酸化されてＮＯ2になるため、より上流側での単位体積当たりのＮＯXの吸蔵量が増大するようになり、上流側のＮＯX吸蔵能力を大きく設定したこととあいまって、上流側のＮＯX吸蔵還元触媒では効率的にＮＯXの吸蔵と還元浄化とが可能となる。
【００５４】
請求項９に記載の発明によれば、前記再生操作実行時に、前記Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて再生操作を終了すべき時期を判断する請求項７または請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００５５】
すなわち、請求項９の発明では前段と後段のＮＯX吸蔵還元触媒の中間に配置したＨ2センサで検出した水素成分濃度に基づいて再生操作を終了すべき時期を判断している。
タンデム型のＮＯX吸蔵還元触媒の場合には、リーン空燃比運転時には排気中のＮＯXの大部分は前段のＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されるため、前段のＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵量が後段のＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵量に較べて格段に大きくなる。このため、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒では、前段のＮＯX吸蔵還元触媒を十分に再生することが重要となる。
【００５６】
また、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒では通常、後段のＮＯX吸蔵還元触媒には比較的大きなＯ2ストレージ能力を付与することにより、後段のＮＯX吸蔵還元触媒に三元触媒としての機能を持たせる場合が多い。Ｏ2ストレージ能力は、リーン空燃比下で排気中の酸素を吸蔵し、リッチ空燃比下で吸蔵した酸素を放出する能力であるため、前段のＮＯX吸蔵還元触媒の再生が完了して、後段のＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気中のＨ2成分が増大した場合でも、後段のＮＯX吸蔵還元触媒から放出された酸素により水素成分が酸化されるため後段のＮＯX吸蔵還元触媒出口の排気には水素成分が検出されなくなる。
【００５７】
このため、後段のＮＯX吸蔵還元触媒の出口に水素センサを配置したのでは再生操作時に、実際には前段のＮＯX吸蔵還元触媒の再生は完了しており、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒としてのＮＯX吸蔵能力は回復しているにもかかわらず、後段下流側では排気中に水素成分が検出されないため、再生操作を終了すべきタイミングを正確に判定できない問題が生じるのである。
【００５８】
本発明では、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒の前段触媒と後段触媒との間にＨ2センサを配置して再生操作を終了すべきタイミングを判断することにより、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒の適切な再生を行うことを可能としている。
【００５９】
請求項１０に記載の発明によれば、前記ＮＯX吸蔵還元触媒がＮＯXとともに吸蔵した硫黄酸化物をＮＯX吸蔵還元触媒から放出させるためにＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比にしつつ排気温度を上昇させる被毒回復処理を実行する際に、前記Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて被毒回復処理実行中に前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を制御する、請求項７または請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００６０】
すなわち、請求項１０の発明では前段と後段のＮＯX吸蔵還元触媒の間に配置したＨ2センサ出力に基づいて被毒回復処理の制御が行われる。
ＮＯX吸蔵還元触媒は、リーン空燃比下でＮＯXと同様に排気中のＳＯXを吸蔵するが、ＳＯXは吸蔵材との親和力が強いため、一旦吸蔵されるとＮＯX吸蔵還元触媒の再生のためのリッチスパイク操作ではＮＯX吸蔵還元触媒から脱離せず、次第に触媒内に蓄積される。
【００６１】
このため、ＮＯX吸蔵還元触媒のＳＯX吸蔵量が増大すると、それに応じてＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵可能なＮＯX量（ＮＯX吸蔵能力）が低下してしまう、いわゆるＳＯX被毒が生じる。
ＳＯX被毒を解消するためには、ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリッチにしながらＮＯX吸蔵還元触媒の温度を上昇させる被毒回復処理を行う必要がある。被毒回復処理においても、ＮＯX吸蔵還元触媒に水素成分を供給するとＮＯX吸蔵還元触媒からのＳＯX脱離速度が増大し、短時間で被毒回復処理を完了することができる。
【００６２】
この場合にも、被毒回復処理を適切に行うためには、例えば、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作時と同様に被毒回復処理の終了時期を適切に判断する等の操作が必要となるが、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒では前段と後段とのＳＯX吸蔵量が異なる等の特有の事情があるため、後段のＮＯX吸蔵還元触媒の下流側に配置したＨ2センサの出力に基づいて被毒回復処理を行ったのでは、適切な被毒回復処理を行うことができない。
【００６３】
本発明では、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒の前段と後段のＮＯX吸蔵還元触媒の間に配置したＨ2センサ出力に基づいて被毒回復処理を行うことにより、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生に加えて被毒回復処理をも適切に行うことが可能となっている。
【００６４】
請求項１１に記載の発明によれば、前記被毒回復処理実行時に、前記Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて被毒回復処理を終了すべき時期を判断する請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００６５】
水素は還元力が極めて強いため、被毒回復処理時にＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気中に水素成分が含まれると、水素成分はＮＯX吸蔵還元触媒から脱離したＳＯXと直ちに反応する。このため、リッチスパイク操作時と同様に被毒回復処理時にもＳＯXの脱離が続いている間は排気中の水素成分はＳＯXの還元に消費され、ＮＯX吸蔵還元触媒下流側の排気中には水素が流出しない。
【００６６】
従って、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生完了の判定と同様に被毒回復処理時にも、ＮＯX吸蔵還元触媒下流側に配置したＨ2センサ出力に基づいてＳＯX脱離の完了を判定することができる。
ところが、この場合もタンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒では排気中のＳＯXは大部分が前段のＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されるため、前段のＮＯX吸蔵還元触媒を十分にＳＯX被毒から回復させることが重要になる。
【００６７】
又、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒では後段のＮＯX吸蔵還元触媒のＯ2ストレージ能力を高めるために後段にはセリア（Ｃｅ）を比較的多量に担持させているため、後段のＮＯX吸蔵還元触媒では排気中のＳＯXはセリアと結合して硫酸塩を形成している。この場合、セリアとＳＯXとの結合力は弱いため、後段ＮＯX吸蔵還元触媒からは比較的ＳＯXが脱離しやすい。
【００６８】
従って、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒の被毒回復処理においては、前段のＮＯX吸蔵還元触媒の被毒回復処理が終了した時点では後段のＮＯX吸蔵還元触媒からは既にＳＯXの全量が脱離しており、被毒回復処理の終了タイミングは前段のＮＯX吸蔵還元触媒からのＳＯXの脱離状態に応じて判定する方が効率的な被毒回復処理を行うことができる。
【００６９】
本発明では、被毒回復処理時に、前段と後段のＮＯX吸蔵還元触媒の間の位置に配置したＨ2センサで排気中に水素が検出されたときに被毒回復処理を終了するようにしたことにより、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生のみならずＳＯX被毒からの回復をも適切に行うことが可能となっている。
【００７０】
請求項１２に記載の発明によれば、前記再生操作開始から、前記Ｈ2センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて判断された再生操作を終了すべき時までの時間に基づいて前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒の劣化の程度を判定する、請求項７または請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００７１】
すなわち、請求項１２の発明では、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒の前段のＮＯX吸蔵還元触媒の劣化程度を、前段と後段との間に配置したＨ2センサ出力に基づいて判定する。
タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒では、前段のＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵還能力が後段のＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力より重要となる。一方、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒の劣化は前段のＮＯX吸蔵還元触媒から進行するので、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒の劣化程度を正確に判定するためには、水素センサは後段下流側ではなく、前段と後段との間に配置する必要がある。本発明では、上記のようにＨ2センサを前段と後段のＮＯX吸蔵還元触媒の間の位置に配置したことにより、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒の再生を適切に行うと同時に、前段のＮＯX吸蔵還元触媒の劣化を正確に判定することを可能としている。
【発明の効果】
【００７２】
各請求項に記載の発明によれば、排気中の水素成分濃度を検出するＨ2センサを用いてＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作を制御することにより、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生を適切に行うことを可能とする共通の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７３】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図である。
【００７４】
図１において、１は自動車用内燃機関を示す。本実施形態では、機関１は＃１から＃４の４つの気筒を備えた４気筒ガソリン機関とされ、＃１から＃４気筒にはそれぞれの気筒の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁１１１から１１４が設けられている。本実施形態では、機関１は、リッチ空燃比からリーン空燃比までの広い空燃比範囲での運転が可能であり、運転領域の大部分でリーン空燃比運転を行うリーンバーン機関とされている。
【００７５】
また、本実施形態では＃１から＃４の気筒は互いに点火時期が連続しないそれぞれ２つの気筒からなる２つの気筒群にグループ分けされている。（例えば、図１の実施形態では、気筒点火順序は１−３−４−２であり、＃１、＃４の気筒と＃２、＃３の気筒とがそれぞれ気筒群を構成している。）また、各気筒の排気ポートは気筒群毎に排気マニホルドに接続され、気筒群毎の排気通路に接続されている。
【００７６】
図１において、２１ａは＃１、＃４気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路２ａに接続する排気マニホルド、２１ｂは＃２、＃４気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路２ｂに接続する排気マニホルドである。本実施形態では、個別排気通路２ａ、２ｂ上には、三元触媒からなるスタート触媒５ａと５ｂがそれぞれ配置されている。また、個別排気通路２ａ、２ｂはスタート触媒下流側で共通の排気通路２に合流している。
【００７７】
共通排気通路２上には、後述するＮＯX吸蔵還元触媒７をケーシングに収納したコンバータ７０が配置されている。
また、図１に３１、３３で示すのは、排気通路２のコンバータ７０入口側と出口側に配置され、それぞれ排気中の水素（Ｈ2）成分の濃度を検出する上流側Ｈ2センサと下流側Ｈ2センサである。
【００７８】
更に、図１に３０で示すのは機関１の電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。ＥＣＵ３０は、本実施形態ではＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵを備えた公知の構成のマイクロコンピュータとされ、機関１の点火時期制御や燃料噴射制御等の基本制御を行っている。
【００７９】
また、本実施形態では、ＥＣＵ３０は上記の基本制御を行う他に、ＮＯX吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯX量が所定量まで増大する毎に噴射弁１１１から１１４の燃料噴射量を増大して、短時間機関をリッチ空燃比または理論空燃比で運転する再生操作を行い、ＮＯX吸蔵還元触媒７が吸蔵したＮＯXを脱離させ、還元浄化する。
更に、本実施形態では後述するように、ＥＣＵ３０は上記再生操作時に上記Ｈ2センサ３１、３３で検出したＮＯX吸蔵還元触媒７入口または出口の排気中の水素成分濃度に基づいて、再生操作時の排気空燃比を制御する。
【００８０】
これらの制御を行うため、ＥＣＵ３０の入力ポートには、機関の運転状態を表すパラメータとして、図示しない機関吸気マニホルドに設けられた吸気圧センサ４１から機関の吸気圧力に対応する信号と、機関クランク軸（図示せず）近傍に配置された回転数センサ４３から機関回転数に対応する信号、機関１のアクセルペダル（図示せず）近傍に配置したアクセル開度センサ４５から運転者のアクセルペダル踏込み量（アクセル開度）を表す信号、がそれぞれ入力されている他、Ｈ2センサ３１、３３からＮＯX吸蔵還元触媒７入口と出口での排気中のＨ2濃度が入力されている。
また、ＥＣＵ３０の出力ポートは、各気筒への燃料噴射量と燃料噴射時期を制御するために、図示しない燃料噴射回路を介して各気筒の燃料噴射弁１１１から１１４に接続されている。
【００８１】
次に、本実施形態のＮＯX吸蔵還元触媒７について説明する。
本実施形態のＮＯX吸蔵還元触媒７は、例えばハニカム状に形成したコージェライト等の担体を用いて、この担体表面にアルミナのコーティングを形成し、アルミナ層上に、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 、セリウムＣｅ、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の成分と、白金Ｐｔのような貴金属とを担持させたものである。ＮＯX吸蔵還元触媒は流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに、排気中のＮＯX（ＮＯ2、ＮＯ）を硝酸イオンＮＯ3-の形で吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯXを放出するＮＯXの吸放出作用を行う。
【００８２】
すなわち、機関１がリーン空燃比で運転されておりＮＯX吸蔵還元触媒７に流入する排気がリーン空燃比である場合には、排気中のＮＯX（ＮＯ）は例えば白金Ｐｔ上で酸化されてＮＯ2になり、更に酸化されて硝酸イオンを生成する。この硝酸イオンは、例えば吸蔵材としてＢａＯが使用されている場合には吸蔵材中に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸イオンＮＯ3-の形で吸蔵材内に拡散する。このため、リーン雰囲気下では排気中のＮＯXがＮＯＸ吸蔵還元触媒内に硝酸塩の形で吸蔵されるようになる。
【００８３】
また、流入排気中の酸素濃度が大幅に低下すると（すなわち、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になると）、白金Ｐｔ上での硝酸イオンの生成量が減少するため、反応が逆方向に進むようになり、吸蔵材内の硝酸イオンＮＯ3-はＮＯ2の形で吸蔵材から放出されるようになる。この場合、排気中にＣＯやＨ2等の還元剤として機能する成分やＨＣ成分（以下、還元成分等）が存在すると白金Ｐｔ上でこれらの成分によりＮＯ2が還元される。
【００８４】
ＮＯX吸蔵還元触媒７はリーン空燃比下で上記のようなメカニズムで排気中のＮＯXを吸蔵材（例えばＢａＯ）中に硝酸イオンの形で吸蔵する。このため、吸蔵材中の硝酸イオン濃度が増大するにつれて新たな硝酸イオンが吸蔵材中に吸収されにくくなり、排気中のＮＯXの浄化率が低下する。そして、ＮＯX吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯX量がある上限値に到達すると（吸蔵材中の硝酸イオン濃度が増大し、飽和濃度に到達すると）排気中のＮＯXを全く吸蔵できなくなる。
【００８５】
本実施形態では、ＥＣＵ３０は機関吸気圧、回転数、アクセル開度などの機関運転状態を表すパラメータに基づいて、予め実験等により求めておいた関係を用いて機関１から発生する単位時間当たりのＮＯX量を推定する。そして、機関発生ＮＯX量のうち所定割合の量をＮＯX吸蔵還元触媒７に吸蔵されるＮＯX量として一定時間毎に積算する。この積算値（ＮＯXカウンタと称する）はＮＯX吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯX量に対応する。
【００８６】
ＥＣＵ３０は更に、このＮＯXカウンタが所定値に到達する毎に機関１を短時間リッチ空燃比で運転してＮＯX吸蔵還元触媒７にリッチ空燃比の排気を供給するリッチスパイク操作を実行することにより、ＮＯX吸蔵還元触媒７の再生を行う。これにより、ＮＯX吸蔵還元触媒７は常にＮＯX吸蔵量が比較的低い状態でＮＯXを吸蔵するようになるため、ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX浄化率を高く維持することが可能となる。
【００８７】
なお、上記のようにＮＯXカウンタを用いてＮＯX吸蔵還元触媒７のＮＯX吸蔵量を推定する代わりに、ＮＯX吸蔵還元触媒７下流側の排気通路に排気中のＮＯX濃度を検出するＮＯXセンサを配置し、下流側排気中のＮＯX濃度が所定値まで増大したときに（すなわち、ＮＯX吸蔵還元触媒７のＮＯX吸蔵量が増大したためにＮＯX吸蔵還元触媒７のＮＯX浄化能力が低下し、ＮＯX吸蔵還元触媒７に吸蔵されずに三元触媒下流側に到達するＮＯX成分が増大したと判断されるときに）上記リッチスパイクを実行するようにしても良い。
【００８８】
（１）第１の実施形態
以下、図２、図３を用いて本発明の第１の実施形態について説明する。
上記のように、本実施形態ではＮＯX吸蔵還元触媒７のＮＯX吸蔵量が所定量に到達する毎にリッチスパイク操作を行いＮＯX吸蔵還元触媒の再生を行う。
【００８９】
このＮＯX吸蔵還元触媒の再生を適切に行うためには、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生が完了するまでリッチスパイク操作を実行し、再生が完了してから機関運転空燃比をリーン空燃比に復帰させる必要がある。
従来、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生完了を判断するためには、前述の特許文献２のようにＮＯX吸蔵還元触媒下流側にＯ2センサを配置し、リッチスパイク操作中に触媒下流側の空燃比が理論空燃比近傍からリーン空燃比に変化した時点をＮＯX吸蔵還元触媒の再生が完了した時点と判断して空燃比をリーン空燃比に復帰させていた。
【００９０】
ところが、前述したように排気中のＨＣ成分の量が多いとＮＯX吸蔵還元触媒の触媒成分表面にＨＣが付着して、触媒機能が低下するカバリングが生じる。カバリングが生じると、流入排気中のＨＣ成分の一部は触媒上でＮＯXと反応することなく触媒を通過するため、ＮＯX吸蔵還元触媒下流側ではＮＯX吸蔵還元触媒の再生が完了していなくても空燃比はリッチになる。
【００９１】
このため、ＮＯX吸蔵還元触媒下流側に配置したＯ2センサ出力に基づいてＮＯX吸蔵還元触媒の再生完了を判断していると、実際には再生が完了していないのにリッチスパイク操作が終了されてしまい、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生が不十分になる問題が生じる場合がある。
【００９２】
本実施形態ではＮＯX吸蔵還元触媒７下流側に配置したＨ2センサ３３出力に基づいてＮＯX吸蔵還元触媒の再生完了時期を判断しリッチスパイク操作を終了することにより、この問題を解決している。
例えば、機関の排気空燃比がリッチになると燃焼時に生成したＨＣ、ＣＯ、Ｈ2Ｏ等から水性ガスシフト反応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2）、或いは水蒸気改質（ＨＣ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2）等が生じ水素が生成される。通常の内燃機関でもリッチ空燃比時には上記反応によりＨ2が生成されるが、これらの反応は三元触媒などにより更に促進される。このため、本実施形態のようにＮＯX吸蔵還元触媒の上流側の排気通路にスタート触媒５ａ、５ｂとして三元触媒を備えている機関では、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生時にリッチスパイク操作が行われると排気中には比較的多量の水素が含まれるようになる。
【００９３】
また、三元触媒以外にも、特に水性ガスシフト反応や水蒸気改質を効率的に生じさせる水素生成触媒を排気通路に配置して機関のリッチ空燃比運転時に水素を生成させるようにすることも可能である。
図２は、排気空燃比とＨ2の生成量との関係を示す図である。図２はスタート触媒５ａ、５ｂにおけるＨ2生成量と排気空燃比との関係を模式的に示している。三元触媒におけるＨ2生成量は、図２に示すように空燃比がリーンではゼロであるが、空燃比が理論空燃比を越えてリッチになるにつれて（空燃比が低くなるにつれて）ほぼ直線的に増大する。量的な相違はあるものの、機関本体におけるＨ2生成量や三元触媒に変えてＨ2生成触媒を用いた場合もＨ2生成量は空燃比が低くなるにつれてほぼ直線的に増大する。
【００９４】
このように、リッチスパイク操作時に生成される水素成分は極めて還元力が強く、Ｐｔなどの触媒成分を介さずに直接ＮＯX成分と反応することができる。このため、排気中に比較的多量のＨＣ成分が含まれておりカバリングが生じて触媒機能が低下したような場合にも、排気中の水素成分はＮＯX吸蔵還元触媒から脱離したＮＯXと良好に反応する。
【００９５】
このため、ＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXの脱離が生じている限り排気中の水素成分はＮＯX吸蔵還元触媒上でＮＯXと反応して消費され、ＮＯX吸蔵還元触媒下流側には流出しない。
従って、リッチスパイク操作実行中にＮＯX吸蔵還元触媒７下流側に配置したＨ2センサ３３により排気中の水素成分が検出された場合にはＮＯX吸蔵還元触媒７からのＮＯXの脱離（再生）が完了したと判断することができる。
【００９６】
なお、本実施形態のＨ2センサ３３（及び３１）としては、例えば水素のみに特異的に感応するＰｄ／Ｎｉ合金をセンサーとして使用する形式のもの等を使用することができる。
この種のＨ2センサは、例えば「Ｈ２ｓｃａｎ」の商品名で株式会社豊田マイクロシステム（東京都）から市販されているが、本実施形態で使用可能なセンサはこれに限定されるものではなく、排気中のＨ2濃度を応答性良好に連続モニターできるものであれば形式を問わず使用可能である。
【００９７】
次に、本実施形態のＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作について説明する。
図３は、本実施形態のＮＯX吸蔵還元触媒再生操作を具体的に説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。
【００９８】
図３の操作において、ステップ３０１では、まず再生操作実行フラグＸの値が１にセットされているか否かが判定される。フラグＸは、ＥＣＵ３０により別途実行される図示しない操作において、ＮＯX吸蔵還元触媒７のＮＯX吸蔵量が予め定めた値まで増大すると値が１に設定されるフラグである。前述したように、本実施形態ではＥＣＵ３０は別途実行される図示しないＮＯX吸蔵量推定操作により、ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵量を表す前述のＮＯXカウンタの値を一定時間毎に算出しており、このＮＯXカウンタの値が予め定めた所定値に到達すると再生操作実行フラグＸの値を１にセットする。
【００９９】
ステップ３０１でＸ≠１であった場合には、ＮＯX吸蔵還元触媒７のＮＯX吸蔵量は所定値に到達しておらず、再生を行う必要はないため本操作は直ちに終了する。この場合、リッチスパイク操作は実行されず、機関１はリーン空燃比運転を継続する。
【０１００】
ステップ３０１でＸ＝１であった場合には、ステップ３０３に進みリッチスパイク操作（ＲＳ）を実行する。リッチスパイク操作では、機関１は所定のリッチ空燃比で運転される。この結果、機関１やスタート触媒５ａ、５ｂでは水素が生成され、水素成分を含むリッチ空燃比の排気がＮＯX吸蔵還元触媒７に流入する。
【０１０１】
次いで、ステップ３０５ではＮＯX吸蔵還元触媒７下流側Ｈ2センサ３３からＮＯX吸蔵還元触媒下流側排気中の水素成分濃度ＨＲＲが読み込まれ、ステップ３０７では、読み込んだ水素成分濃度ＨＲＲが予め定めた値α以上になったか否かが判定される。ここで、αは誤判定を防止するための判定値であり、ゼロ近傍の正の値に設定されている。
【０１０２】
前述のように、ＲＳ操作実行時にはＮＯX吸蔵還元触媒７からのＮＯXの脱離が生じている間は排気中の水素成分はＮＯXと反応して消費されるため、下流側Ｈ2センサ３３で検出した水素成分濃度ＨＲＲはゼロになる。また、ＮＯXの脱離が完了すると（ＮＯX吸蔵還元触媒の再生が完了すると）、下流側Ｈ2センサで３３では水素が検出されるようになる。
【０１０３】
本実施形態では、ステップ３０７で水素成分濃度が判定値α以上になったときにＮＯX吸蔵還元触媒７の再生が完了したと判断し、ステップ３０９に進み再生操作実行フラグの値をゼロにセットする。フラグＸの値がゼロにセットされると、前述のＮＯXカウンタ算出操作では、ＮＯXカウンタの値はゼロに戻される。
また、本操作の次回以降の実行においては、ステップ３０１の後本操作が直ちに終了するようになり、リッチスパイク操作は終了し排気の空燃比はリーン空燃比に復帰する。
【０１０４】
一方、ステップ３０７で、ＨＲＲ＜αであった場合には、未だＮＯX吸蔵還元触媒７下流側には水素成分が流出しておらず、ＮＯX吸蔵還元触媒７の再生が完了していないと判断されるため、フラグＸの値は１のままで今回の本操作実行を終了する。これにより、次回以降の本操作実行時にもステップ３０３のリッチスパイク操作が継続されるようになる。
【０１０５】
本実施形態によれば、ＮＯX吸蔵還元触媒７下流側に配置したＨ2センサ３３の出力に基づいてＮＯX吸蔵還元触媒７の再生完了を正確に判定し、リッチスパイク操作を終了（排気空燃比をリーン空燃比に復帰）させるため、ＮＯX吸蔵還元触媒７の再生を適切に行うことが可能となる。
【０１０６】
なお、図１の構成ではＮＯX吸蔵還元触媒７の上流側と下流側とにそれぞれＨ2センサ３１、３３を配置した例を示したが、本実施形態はＮＯX吸蔵還元触媒７下流側のみにＨ2センサ３３を配置した構成でも実施可能であることは言うまでもない。
【０１０７】
（２）第２の実施形態
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
上述した第１の実施形態では、リッチスパイク操作実行中にＮＯX吸蔵還元触媒７下流側Ｈ2センサ３３で排気中に水素成分が検出されたときにリッチスパイク操作を終了し、直ちに排気空燃比をリーン空燃比に切り換えていたが、本実施形態ではリッチスパイク操作終了後所定時間排気空燃比を理論空燃比に保持してからリーン空燃比に復帰させる点が相違している。
【０１０８】
前述したように、近年ＮＯX吸蔵能力を高めた高吸蔵タイプのＮＯX吸蔵還元触媒が使用されるようになっている。高吸蔵タイプのＮＯX吸蔵還元触媒では、吸蔵材のＮＯXとの親和力が高いため、リッチスパイク操作初期に比較的多量のＮＯXが脱離した後は、ＮＯXの脱離速度が低くなり、完全にＮＯX吸蔵還元触媒を再生するためには長時間再生操作を続ける必要がある。ところが、長時間リッチ空燃比で機関を運転すると機関の燃料消費量が増大する等の問題が生じる。また、ＮＯXの脱離速度が小さい状態でリッチ空燃比運転を継続すると、排気中のＨＣ、ＣＯなどがＮＯXと反応することなくＮＯX吸蔵還元触媒下流側に流出し排気エミッションの悪化を生じる問題がある。このため、本実施形態では初期にＮＯX吸蔵還元触媒から比較的多量のＮＯXが脱離した後はリッチスパイク操作を終了して理論空燃比で機関を運転し、比較的長時間かけてＮＯX吸蔵還元触媒の完全な再生を行うようにしている。
【０１０９】
本実施形態では、上記のリッチスパイク操作の終了タイミング（理論空燃比への切換タイミング）をＮＯX吸蔵還元触媒７下流側のＨ2センサ３３出力に基づいて判定するようにしている。
すなわち、リッチスパイク操作実行中、ＮＯX吸蔵還元触媒７には水素成分を含むリッチ空燃比排気が流入する。また、ＮＯX吸蔵還元触媒７からＮＯXが脱離している間は排気中の水素成分はＮＯXと反応して消費されるため、下流側Ｈ2センサ３３は水素成分を検出しない。
【０１１０】
ところが、高吸蔵タイプのＮＯX吸蔵還元触媒の場合には、リッチスパイク操作実行中に初期のＮＯXの脱離が終わりＮＯXの脱離速度が急激に低下すると、ＮＯX量が不足するため排気中の水素成分の一部はＮＯXと反応することなく触媒下流側に流出する。
【０１１１】
このため、本実施形態ではリッチスパイク操作実行時に下流側Ｈ2センサ３３で排気中にＮＯXが検出されたときに、ＮＯX吸蔵還元触媒７からの初期のＮＯXの脱離が完了したと判断し、排気空燃比を理論空燃比に切り換えるようにしている。
【０１１２】
図４は、本実施形態の上述したＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。
本実施形態では、図３のリッチスパイク操作実行フラグＸに加えて理論空燃比保持フラグＹを用いてＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作を行う。フラグＹの値はフラグＸとともに、前述したＮＯX吸蔵量推定操作においてＮＯXカウンタの値が所定値に到達したときに１にセットされる。
【０１１３】
図４において、操作がスタートするとステップ４０１では理論空燃比保持フラグＹの値が１にセットされているか否かが判定される。後述するように、フラグＹの値は、リッチスパイク操作が終了し、フラグＸの値が０にセット（ステップ４１１）されてから所定の時間が経過後（ステップ４１３〜４１５）に０にリセットされる（ステップ４１９）ため、ステップ４０１でＹ≠１であった場合には必ずリッチスパイク操作及びその後の理論空燃比保持操作も完了している。
このため、ステップ４０１でＹ≠１であった場合には、ステップ４０３以下は実行せず、直ちに今回の操作を終了する。
【０１１４】
ステップ４０１でＹ＝１であった場合には、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生中であるため、ステップ４０３に進み再生操作初期のリッチスパイク操作が完了したか否かをフラグＸの値に基づいて判定し、Ｘ＝１（未完）であった場合にはステップ４０５から４１１で、ＮＯX吸蔵還元触媒７下流側のＨ2センサ３３で排気中に水素成分が検出されるまでリッチ空燃比運転を継続する。ステップ４０３から４１１の操作は、図３のステップ３０１から３０９の操作と同一である。
【０１１５】
一方、ステップ４０３でＸ＝１であった場合には、リッチスパイク操作は既に完了しているが、理論空燃比保持操作が終了していないことを意味するので、ステップ４１３に進みカウンタＣＴの値を１増大させ、ステップ４１５に進み増大させたカウンタＣＴの値が予め定めた値βに到達したか否かを判定する。ここで、βはリッチスパイク操作終了後、ＮＯX吸蔵還元触媒を理論空燃比に維持すべき時間に対応するカウンタ値であり、初期のＮＯX脱離後理論空燃比下で完全にＮＯX吸蔵還元触媒の再生が完了するのに必要な時間である。βの値は、ＮＯX吸蔵還元触媒の容量、タイプなどにより異なるため実際のＮＯX吸蔵還元触媒を用いた実験等により定めることが好ましい。
【０１１６】
ステップ４１５でＣＴ＜βであった場合には、まだＮＯX吸蔵還元触媒の再生が完了していないため、ステップ４１７に進み機関を理論空燃比で運転する。これにより、ＮＯX吸蔵還元触媒７には理論空燃比の排気が流入し、機関１の燃料消費量を大幅に増大させることなくＮＯX吸蔵還元触媒７の再生が継続される。
【０１１７】
また、ステップ４１５でＣＴ≧βであった場合には、ＮＯX吸蔵還元触媒７の再生が完了しているため、ステップ４１９に進み、フラグＹの値とカウンタＣＴの値とを０リセットする。これにより、次回の操作実行からはステップ４０１の後直ちに本操作が終了するようになり、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作は行われず、通常のリーン空燃比運転が行われる。
【０１１８】
図４の実施形態によれば、再生操作中にＮＯX吸蔵還元触媒７下流側のＨ2センサ３３により排気中の水素成分が検出されたときに、リッチスパイク操作を終了し、その後排気を所定時間理論空燃比に保持することにより、高吸蔵タイプのＮＯX吸蔵還元触媒を使用した場合にも適切なＮＯX吸蔵還元触媒７の再生が行われる。
【０１１９】
（３）第３の実施形態
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
前述の第１と第２の実施形態では、ＮＯX吸蔵還元触媒７の再生操作やリッチスパイク操作の終了時期をＮＯX吸蔵還元触媒７下流側に配置した下流側Ｈ2センサ３３で検出した水素成分濃度に基づいて判断していた。
【０１２０】
これに対して、本実施形態ではＮＯX吸蔵還元触媒７の再生操作時に、ＮＯX吸蔵還元触媒７の上流側に配置した上流側Ｈ2センサ３１で検出した水素成分濃度が所定の値になるように排気空燃比を制御する。
図２で説明したように、排気中の水素成分濃度は排気空燃比に応じて変化する。このため、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作時の排気空燃比が異なると排気中の水素成分濃度も変化し、ＮＯX吸蔵還元触媒への水素成分供給量が不十分になり、適切なＮＯX吸蔵還元触媒の再生が行うことができなくなる場合も生じる。
【０１２１】
本実施形態では、ＮＯX吸蔵還元触媒７の再生操作時に上流側Ｈ2センサ３１出力に基づいて、ＮＯX吸蔵還元触媒７に流入する排気中の水素成分濃度が所定値になるように排気空燃比をフィードバック制御することにより、ＮＯX吸蔵還元触媒７の再生操作中に常に適切な量の水素成分がＮＯX吸蔵還元触媒７に供給されるようにしている。
【０１２２】
図５は、本実施形態の上述したＮＯX吸蔵還元触媒７の再生操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。
図５の操作が実行されると、まずステップ５０１では再生操作実行フラグＸの値が１にセットされているか否かが判定される。本実施形態においても、第１と第２の実施形態と同様にフラグＸの値はＥＣＵ３０により別途実行される図示しない操作により、ＮＯX吸蔵還元触媒７のＮＯX吸蔵量が予め定めた値まで増大すると１に設定される。
【０１２３】
なお、本実施形態の再生操作実行フラグＸの値は、例えばＸ＝１に設定されてから予め定めた時間が経過すると０にリセットされるようにしても良いし、図３または図４の操作によりフラグＸの値を０にリセットするようにしても良い。
ステップ５０１でＸ＝１（再生操作実行）であった場合には、ステップ５０３でリッチスパイク操作が行われ、機関１の燃料噴射量が増量されリッチ空燃比で運転される。これにより、ＮＯX吸蔵還元触媒７には水素成分を含んだリッチ空燃比の排気が流入し、ＮＯX吸蔵還元触媒７の再生が行われる。
【０１２４】
次いで、ステップ５０５ではＮＯX吸蔵還元触媒７の上流側に配置されたＨ2センサ３１から、ＮＯX吸蔵還元触媒７に流入する排気中の水素成分濃度ＨＲＦが読み込まれ、ステップ５０７から５０９では、この水素成分濃度実測値ＨＲＦが予め定めた目標値γになるようにリッチスパイク操作中の機関１の燃料噴射量が減量（ステップ５０９）または増量（ステップ５１１）される。
水素成分濃度の目標値γは、再生操作を開始するＮＯX吸蔵量やＮＯX吸蔵還元触媒のタイプなどによっても異なってくるため、実際のＮＯX吸蔵還元触媒を用いた実験などにより決定することが好ましい。
【０１２５】
これにより、本実施形態では、ＮＯX吸蔵還元触媒７の再生操作実行時にＮＯX吸蔵還元触媒７には常に適量の水素成分が供給されるようになり、ＮＯX吸蔵還元触媒７の再生が適切に行われる。
【０１２６】
なお、本実施形態による上流側Ｈ2センサ３１（図１）を用いたＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作は単独で行うことも可能であるが、上述したように、第１または第２の実施形態の下流側Ｈ2センサ３３（図１）を用いた再生操作と併用することも可能である。
【０１２７】
（４）第４の実施形態
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態では、上述の第３の実施形態と同様に、上流側Ｈ2センサ３１で検出した排気中の水素成分濃度が目標値γになるように排気空燃比をフィードバック制御する。
本実施形態の再生操作のフローチャートは第３の実施形態のもの（図５）と同一である。
【０１２８】
ここで、上述の第３の実施形態では、ＮＯX吸蔵還元触媒７に流入する排気中の水素成分濃度ＨＲＦの目標値γは一定値とされていたのに対して、本実施形態では目標値γの値が時間とともに変化するように設定され、再生操作（リッチスパイク操作）開始時には高く、その後時間とともに低下する点のみが第３の実施形態と相違している。
【０１２９】
図６は、本実施形態における水素成分濃度目標値γの時間的変化を模式的に示す図である。図６に示すように、γの値はＮＯX吸蔵還元触媒７の再生操作開始時には高く、時間が経過するに連れて徐々に低くなるように設定されている。
【０１３０】
ＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作が開始され、ＮＯX吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気が流入すると、まずＮＯX吸蔵還元触媒上のＰｔやアルミナ表面に付着したＮＯXと吸蔵材表面付近にイオンの形で存在するＮＯXとが一挙に脱離し、その後吸蔵材と結合して吸蔵されているＮＯXが吸蔵材内部から表面に移動して脱離するようになる。
【０１３１】
このため、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作時には短時間に比較的多量のＮＯXが脱離し、その後はＮＯXの脱離速度が徐々に低下するようになる。このため、脱離したＮＯXの還元のために必要とされる水素成分量は、再生操作開始時には多く、その後低下するようになる。
【０１３２】
本実施形態では、図６に示すように再生操作時にＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXの脱離速度に応じて排気中の水素成分濃度を設定するようにしたことにより、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生を適切に行うことが可能となっている。
【０１３３】
（５）第５の実施形態
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
本実施形態では、第１の実施形態（図３）で、下流側Ｈ2センサ３３出力に基づいて判定される再生操作終了タイミングに基づいて、ＮＯX吸蔵還元触媒の劣化程度を判定する。
【０１３４】
前述したように、第１の実施形態（図３）では、ＮＯX吸蔵還元触媒７の再生が完了した時点を下流側水素センサ３３に基づいて検出している。ここで、再生開始から再生が完了するまでの所要時間はＮＯX吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯXの量に応じて増減する。
【０１３５】
前述の各実施形態では、ＮＯXカウンタの値や、ＮＯX吸蔵還元触媒下流側に配置したＮＯXセンサの出力などに基づいてＮＯX吸蔵還元触媒７の吸蔵したＮＯX量を推定して、このＮＯX吸蔵量が所定の値に到達する毎に再生操作を実行している。このため、本来であれば再生操作開始時のＮＯX吸蔵還元触媒７のＮＯX吸蔵量は一定の値であり、再生操作開始から終了までの時間もほぼ一定値になるはずである。
【０１３６】
ところが、ＮＯX吸蔵還元触媒７は劣化するにつれてＮＯX吸蔵能力が低下する。このため、例えばＮＯXカウンタを用いてＮＯX吸蔵量を推定している場合には、排気中のＮＯX成分濃度が一定であってもＮＯX吸蔵還元触媒が劣化するにつれて単位時間当たりにＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されるＮＯX量が低下し、実際のＮＯX吸蔵量はＮＯXカウンタの値より少なくなる。
また、ＮＯX吸蔵還元触媒下流側にＮＯXセンサを配置してＮＯX吸蔵量を推定する場合にも、ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵能力が低下すると劣化していない触媒に較べて低いＮＯX吸蔵量で下流側にＮＯXが流出するようになる。
【０１３７】
このため、触媒が劣化した場合には、ＮＯXカウンタに基づいて再生操作を開始する場合もＮＯXセンサ出力に基づいて再生操作を開始する場合も再生操作開始時のＮＯX吸蔵還元触媒７のＮＯX吸蔵量は低下する。
【０１３８】
再生操作開始から終了までの所要時間は、ＮＯX吸蔵還元触媒７のＮＯX吸蔵量に応じて増減するため、上記のように再生操作開始時のＮＯX吸蔵量が低下すると、再生操作開始から終了までの所要時間は短くなる。すなわち、再生操作の所要時間は触媒が劣化するにつれて短くなるのである。
本実施形態では、上記を利用して再生操作開始から終了までの所要時間が予め定めた時間以下になった場合にはＮＯX吸蔵還元触媒７が劣化したと判定するようにしている。
【０１３９】
図７は、本実施形態の劣化判定操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。
本実施形態では、第１の実施形態（図３）で使用されている再生操作実行フラグＸの値が０から１に変化した時点（再生操作開始）から１から０に変化（再生操作終了）するまでの時間を計測し、この時間が予め定めた値以下になった場合にＮＯX吸蔵還元触媒７が劣化したと判断している。
【０１４０】
すなわち、図７の操作では、まずステップ７０１で現在フラグＸの値が１にセットされているか否かが判定される。前述したように、フラグＸは別途ＥＣＵ３０により実行される操作により、再生操作が開始されるときに１にセットされるフラグである。
【０１４１】
ステップ７０１でＸ＝１であった場合には、次にステップ７０３が実行され、判定実行フラグＸＳの値が１にセットされるとともに、ステップ７０５で再生時間カウンタＣＮの値がΔｔだけ増大される。
ここで、判定実行フラグＸＳは、再生操作終了後ステップ７１１から７１５の判定操作を再生操作終了後に１回だけ実行するためのフラグである。
【０１４２】
また、再生時間カウンタＣＮは、再生操作開始からの経過時間を表すカウンタである。
ここで、ステップ７０５におけるカウンタインクリメント量Δｔは図７の操作の繰り返し間隔（時間）である。カウンタＣＮの値は、再生操作を実行していない場合にはステップ７１７で常にクリアされているため、ステップ７０５で算出されるカウンタＣＮの値は、ステップ７０１でＸ＝１が成立してからの経過時間に等しくなる。
【０１４３】
ステップ７０１でＸ≠１であった場合、すなわち現在ＮＯX吸蔵還元触媒７の再生が行われていない場合には、次にステップ７０７に進み、今回の本操作の実行が、再生操作が完了してから（Ｘ≠０になってから）最初の実行であるか否かをフラグＸＳの値に基づいて判断する。
フラグＸＳは、Ｘ＝１の場合には常にステップ７０３でＸＳ＝１に設定され、Ｘ≠１になった後の最初の本操作の実行時にステップ７０９でＸＳ＝０に設定される。
【０１４４】
このため、ステップ７０７でＸＳ＝１であった場合には、再生操作が終了してから最初の本操作の実行である。従って、この場合にはカウンタＣＮの値は、ＮＯX吸蔵還元触媒７の再生開始から終了までの所要時間に等しくなっている。
そこで、ステップ７０７でＸ＝１であった場合には、次にステップ７１１で再生操作の所要時間ＣＮが予め定めた判定値δより短くなっているか否かを判定する。
【０１４５】
ＣＮ＜δであった場合には、すなわち触媒が劣化したためにＮＯX吸蔵能力が低下して再生操作の所要時間が短くなっていると判断できるため、ステップ７１３で劣化フラグＸＦの値を１（劣化）にセットする。
又、ステップ７１１でＣＮ≧δであった場合には、ステップ７１５でフラグＸＦの値を０（正常）にセットする。
ここで、δは触媒が劣化してＮＯX吸蔵能力が実際上問題になる程度に低下したときの再生操作所要時間であり、実際の触媒を用いた実験などにより設定することが好ましい。
【０１４６】
ステップ７１１から７１５の判定を実行後、ステップ７１７ではカウンタＣＮの値がクリアされ、今回の操作が終了する。なお、ステップ７０９でＸＳの値が０にセットされるため、ステップ７１１からステップ７１５の判定操作は、ＮＯX吸蔵還元触媒７の再生終了直後に一回のみおこなれ、その後はステップ７０７の次に直接ステップ７１７が実行されるようになる。
【０１４７】
上述のように、本実施形態によればＮＯX吸蔵還元触媒７の再生操作を適切に実行しながら、ＮＯX吸蔵還元触媒の劣化の有無を正確に判定することが可能となる。
本実施形態の劣化判定操作は、第１の実施形態（図３）の再生操作とともに実行されるが、更に前述の第３の実施形態（図５）を同時に実行して再生操作中にＮＯX吸蔵還元触媒７に流入する排気中の水素成分濃度を所定の値に制御するようにすれば、劣化判定精度が更に向上するようになる。
【０１４８】
（６）第６の実施形態
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。
図８は、本実施形態の構成を示す、図１と同様な図である。
図８の構成は、図１のＮＯX吸蔵還元触媒７に代えて、２つのＮＯX吸蔵還元触媒７１、７３が排気通路に直列に配置された、いわゆるタンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒が使用されている点で図１の構成と相違している。
【０１４９】
本実施形態のタンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒は、ケーシング７０内に適宜の間隙を明けて前段ＮＯX吸蔵還元触媒７１と後段ＮＯX吸蔵還元触媒７３とを配置した構成とされており、前段と後段との間の間隙部には図１におけるＨ2センサ３１、３３と同じＨ2センサ３５が配置されている。
【０１５０】
タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒では、前段と後段のＮＯX吸蔵還元触媒の特性を変えることにより、単段のＮＯX吸蔵還元触媒に較べて排気浄化性能を向上させている。
例えば、本実施形態のタンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒では、前段ＮＯX吸蔵還元触媒７１は、後段のＮＯX吸蔵還元触媒７３に較べて、ＮＯX吸蔵能力を大きく、Ｏ2ストレージ能力を小さく、触媒としてのＰｔの担持量を大きく設定している。
【０１５１】
直列にＮＯX吸蔵還元触媒を２つ配置した場合には、前段のＮＯXはまず前段のＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵される。また、Ｏ2ストレージ能力を小さくしたことにより再生操作実行時にも前段のＮＯX吸蔵還元触媒７１では、排気中の水素成分やＨＣ、ＣＯ成分は触媒が吸蔵した酸素と反応することなく、その大部分がＮＯXの還元に使用されるようになる。
また、前段でＰｔの担持量を大きくしたことにより、排気中のＮＯの殆どは前段の触媒上で酸化されてＮＯ2になるため、より前段での単位体積当たりのＮＯXの吸蔵量が増大するようになり、前段のＮＯX吸蔵能力を大きく設定したこととあいまって、前段のＮＯX吸蔵還元触媒７１では効率的にＮＯXの吸蔵と還元浄化とが可能となる。
【０１５２】
一方、後段のＮＯX吸蔵還元触媒７３では、比較的Ｏ2ストレージ能力を高く設定したことにより、例えば再生操作実行時に前段のＮＯX吸蔵還元触媒を通過する排気空燃比がリッチ空燃比になった場合でも、後段のＮＯX吸蔵還元触媒７３は理論空燃比近傍の雰囲気に維持される。ＮＯX吸蔵還元触媒は理論空燃比近傍では三元触媒としての機能を有するため、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒では再生時に後段のＮＯX吸蔵還元触媒７３がＯ2ストレージにより放出された酸素により三元触媒として機能するようになり、前段で脱離したＮＯXが何らかの原因で還元されずに後段ＮＯX吸蔵還元触媒７３に流入した場合でも、後段ＮＯX吸蔵還元触媒７３上でＮＯXを還元浄化することが可能となる。
【０１５３】
このように、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒では前段と後段とに分けて特性の異なるＮＯX吸蔵還元触媒を配置したことにより、排気浄化効率を向上させているが、このような配置をとった結果、前述の各実施形態と同様な制御を行う場合には、後段ＮＯX吸蔵還元触媒７３下流側にＨ2センサを配置したのでは不都合が生じる。
【０１５４】
例えば、第１の実施形態と同様にＨ2センサ出力に基づいて再生操作の終了時期を判定しようとした場合、後段ＮＯX吸蔵還元触媒７３下流側にＨ2センサを配置していると再生操作の終了時期を判定できなくなる問題が生じる。
すなわち、前述したようにタンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒では、後段ＮＯX吸蔵還元触媒７３は比較的大きなＯ2ストレージ能力を有している。このため、再生操作実行時に前段ＮＯX吸蔵還元触媒７１の再生が完了し、前段ＮＯX吸蔵還元触媒７１出口の排気に水素成分が含まれるようになっても、この水素成分は後段ＮＯX吸蔵還元触媒７３を通過する際に後段ＮＯX吸蔵還元触媒７３で放出される酸素と反応してしまい、後段ＮＯX吸蔵還元触媒７３下流側には流出しない。
【０１５５】
従って、後段ＮＯX吸蔵還元触媒７３下流側にＨ2センサを配置して再生操作の終了タイミングを判断しようとすると、水素成分が検出されるのは後段ＮＯX吸蔵還元触媒７３の吸蔵した酸素が全て放出された後にならないと再生操作終了の判断がなされないことになる。
【０１５６】
ところが、実際にはタンデムＮＯX吸蔵還元触媒ではＮＯXの吸蔵と還元浄化はそのほとんどが前段ＮＯX吸蔵還元触媒７１で行われ、後段のＮＯX吸蔵還元触媒７３は補助的な役割を果たすのみであり、ＮＯX吸蔵量も前段に較べて非常に少なくなっている。従って、本来前段ＮＯX吸蔵還元触媒７１の再生が完了した後は再生操作を続ける必要はなく、後段下流側の排気に水素成分が検出されるまで再生操作を続けると機関の燃費増大などの問題が生じる。
【０１５７】
そこで、本実施形態ではコンバータ７０内の、前段ＮＯX吸蔵還元触媒７１と後段ＮＯX吸蔵還元触媒７３との間隙に設けたＨ2センサ３５出力に基づいて前段ＮＯX吸蔵還元触媒７１の再生完了タイミングを判定し、再生操作を終了するようにしている。
本実施形態の再生操作は第１の実施形態（図３）と基本的に同一であるので、ここでは詳細な説明は省略する。
【０１５８】
なお、本実施形態のようにタンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作を前段のＮＯX吸蔵還元触媒７１の再生が完了したときに終了していると、後段のＮＯX吸蔵還元触媒７３は再生されないままＮＯX吸蔵量が増大して行くように見えるが、上述したように後段ＮＯX吸蔵還元触媒７３のＮＯX吸蔵量は少ないため、後段のＮＯX吸蔵還元触媒７３の再生操作は前段ほど頻繁に行う必要はなく、機関１の理論空燃比運転がある程度の期間継続して自然に後段ＮＯX吸蔵還元触媒７３の再生が行われるのを待つ程度の頻度で実際には問題は生じない。
【０１５９】
（７）第７の実施形態
前述したように、ＮＯX吸蔵還元触媒では流入する排気中にＳＯXが含まれると、リーン空燃比下ではＮＯXと同時にＳＯXがＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵される。
この場合、ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXは再生操作を実行することによりＮＯX吸蔵還元触媒７から比較的簡単に脱離させることができるが、ＳＯXはＮＯX吸蔵成分との親和力が強く、安定した化合物を生成するため、ＮＯX吸蔵還元触媒に一旦ＳＯXが吸蔵されると単なるＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作程度ではＳＯXはＮＯX吸蔵還元触媒からほとんど脱離せず、触媒内にＳＯXが徐々に蓄積されて行き、前述したＳＯX被毒が生じる。
【０１６０】
そこで、通常ＮＯX吸蔵還元触媒を使用する場合には、触媒に吸蔵されたＳＯXがある程度増大する毎に被毒回復処理を行い、ＮＯX吸蔵還元触媒からＳＯXを脱離させる。
被毒回復処理では、排気温度が上昇する運転状態で機関をリッチ空燃比運転しＮＯX吸蔵還元触媒を高温かつリッチ空燃比雰囲気に保持するが、この場合にも排気中に水素成分が含まれると、被毒回復処理の時間を大幅に短縮することができる。
【０１６１】
すなわち、被毒回復処理ではＮＯX吸蔵還元触媒温度を上昇させることにより生成された硫酸塩を分解し触媒からＳＯXを脱離させ、ＮＯX吸蔵還元触媒をリッチ空燃比に維持することにより脱離したＳＯXがＮＯX吸蔵還元触媒に再吸蔵されることを抑制するのであるが、実際には前述したようにＳＯXはＮＯX吸蔵成分との親和力が強いため、空燃比がリッチに維持されていてもＮＯX吸蔵還元触媒の上流部分から脱離したＳＯXが下流側部分で再吸蔵される問題が生じる。このため、触媒の上流側に吸蔵されたＳＯXは脱離と再吸蔵とを繰り返しながら徐々に下流側部分に移動するようになり、触媒から完全に脱離するのには比較的長い時間を要する。
このため、被毒回復処理に比較的長い時間を要し機関の燃費が悪化したり、ＮＯX吸蔵還元触媒が高温に曝される時間が長くなり触媒の劣化を生じたりする問題が生じるのである。
【０１６２】
ところが、水素は還元力が極めて強いため、ＮＯX吸蔵還元触媒からのＳＯXの脱離を促進するとともに、脱離したＳＯXと反応し、一旦脱離したＳＯXがＮＯX吸蔵還元触媒に再吸蔵されることを抑制する作用を有する。このため、被毒回復処理時にＮＯX吸蔵還元触媒にＨ2を供給することにより、短時間でＮＯX吸蔵還元触媒からＳＯXを完全に脱離させることができる。
【０１６３】
この場合も、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作と同様に、ＮＯX吸蔵還元触媒からＳＯXの脱離が継続している間は、排気中の水素成分はＳＯXと反応して消費されるためＮＯX吸蔵還元触媒下流側には流出せず、全てのＳＯXの脱離が終了（すなわち、被毒回復処理が完了）したときに、初めてＮＯX吸蔵還元触媒下流側に水素成分が流出するようになる。
このため、再生操作の終了時期の判定と同様な手法で被毒回復処理の終了タイミングを判定するこどができる。
【０１６４】
ところが、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒を使用した場合には、後段のＮＯX吸蔵還元触媒下流側にＨ2センサを配置したのでは、再生操作の終了時期判定の際と同じ問題が起きるため、正確に被毒回復処理の終了タイミングを判定することができず、実際には被毒回復処理が完了しているのに長時間高温のリッチ空燃比排気がＮＯX吸蔵還元触媒に供給されてしまう場合が生じる。このため、後段ＮＯX吸蔵還元触媒下流側にＨ2センサを配置してタンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒の被毒回復処理の終了タイミングを判断していると、機関の不必要なリッチ空燃比運転による燃料消費量の増大や、長時間高温に曝されることによるＮＯX吸蔵還元触媒の劣化などの問題が生じる。
【０１６５】
また、後段のＮＯX吸蔵還元触媒７３ではＯ2ストレージ能力を大きく設定するために比較的多量のセリア（Ｃｅ）を担持しているが、セリアはＳＯXと結合しやすく、容易に硫酸塩を形成するものの、セリアとＳＯXとの結合力は弱いため、被毒回復処理時に容易に短時間でＳＯXが脱離する。
そこで、本実施形態では、前段と後段との間の間隙に配置したＨ2センサ３５（図８）を用いて被毒回復処理終了タイミングを判断している。
【０１６６】
図９は、本実施形態の被毒回復処理を説明するフローチャートである。図９の操作は第１の実施形態（図３）の再生操作のフローチャートと基本的には同一であり、フラグＸの代わりに被毒回復処理実行フラグＳが用いられる点、ステップ９０３では図３ステップ３０３のリッチスパイク操作に代わり、機関を排気温度が上昇する運転条件下でリッチ空燃比運転を行う被毒回復操作を実行する点、及びステップ９０５、９０７では前段と後段のＮＯX吸蔵還元触媒の間に配置したＨ2センサ３５出力ＨＲＭを使用する点が図３の操作と異なるのみである。このため、ここでは図９の詳細な説明は省略する。
【０１６７】
このように、前段と後段のＮＯX吸蔵還元触媒の間に配置したＨ2センサで検出した水素成分濃度に基づいて被毒回復処理終了タイミングを判定することにより、燃料消費量の増大やＮＯX吸蔵還元触媒の劣化を抑制することが可能となっている。
【０１６８】
（８）第８の実施形態
次に、本発明の第８の実施形態について説明する。
本実施形態では、図８のタンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒において、前段と後段との間に配置したＨ2センサ３５出力に基づいてＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作の終了時期を判断する際に、再生操作開始から終了までの所要時間に基づいて前段のＮＯX吸蔵還元触媒７１の劣化程度を判定する。
【０１６９】
なお、劣化程度の判定方法は、具体的には第５の実施形態における図７と実質的に同一であるため、ここでは詳細な説明は省略する。
前述したように、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒では、ＮＯXの吸蔵と還元浄化とは主に前段のＮＯX吸蔵還元触媒７１が行うため、前段のＮＯX吸蔵還元触媒７１の劣化程度を正確に判定する必要がある。
【０１７０】
本実施形態では、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒の前段と後段との間に配置したＨ2センサ出力に基づいて前段のＮＯX吸蔵還元触媒７１の劣化程度を判定することにより、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒の適切な再生操作を行いながら正確に前段のＮＯX吸蔵還元触媒７１の劣化程度を判定することが可能となっている。
【図面の簡単な説明】
【０１７１】
【図１】本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図である。
【図２】排気中の水素成分濃度と排気空燃比との関係を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態におけるＮＯX吸蔵還元触媒再生操作を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の第２の実施形態におけるＮＯX吸蔵還元触媒再生操作を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の第３の実施形態におけるＮＯX吸蔵還元触媒再生操作を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第４の実施形態におけるＮＯX吸蔵還元触媒再生操作時の水素濃度目標値の設定を説明する図である。
【図７】本発明の第５の実施形態におけるＮＯX吸蔵還元触媒の劣化判定操作を説明するフローチャートである。
【図８】本発明の第６の実施形態の構成を説明する図１と同様な図である。
【図９】本発明の第７の実施形態におけるＮＯX吸蔵還元触媒の被毒回復処理を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【０１７２】
１    機関本体
２    排気通路
５ａ、５ｂ    スタート触媒
７、７１、７３    ＮＯX吸蔵還元触媒
３０    ＥＣＵ（電子制御ユニット）
３１、３３、３５    Ｈ2センサ
７０    コンバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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