(57)【要約】【課題】  ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX浄化能力を向上させる。【解決手段】  機関１の排気通路２に上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａ、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂ、及び各触媒出口排気のＮＯX濃度と空燃比とを検出する上流側及び下流側ＮＯXセンサ２９ａ、２９ｂ、上流側及び下流側空燃比センサ３１ａ、３１ｂを配置する。電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０は、ＮＯXセンサ出力が所定値に到達するとリッチスパイク操作を開始し、空燃比センサ出力が所定のリッチ空燃比になるとリッチスパイク操作を終了する。ＥＣＵ３０は、機関の高負荷運転時には上流側のＮＯXセンサと空燃比センサを用いて、また、機関の低中負荷運転時には下流側のＮＯXセンサと空燃比センサを用いて、それぞれ上記のリッチスパイク操作開始と終了タイミングを判断する。【選択図】      図１
2005140000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯXを吸着、吸収またはその両方により吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチのときに排気中の還元成分を用いて吸蔵したＮＯXを還元浄化する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、
内燃機関の排気流路に配置された上流側ＮＯX吸蔵還元触媒と、前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒の下流側の排気流路に配置された下流側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流路と、前記下流側ＮＯX吸蔵還元触媒の下流側の排気流路とに、それぞれ配置され排気中のＮＯX成分濃度を検出する上流側ＮＯXセンサと下流側ＮＯXセンサと、
を備え、
前記上流側ＮＯX吸蔵還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に一時的に変化させることによりＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXを還元浄化するリッチスパイク操作を行う際に、機関負荷に応じて前記上流側ＮＯXセンサと下流側ＮＯXセンサとのうちの一方を選択し、該選択したＮＯXセンサで検出した排気中のＮＯX濃度に基づいて前記リッチスパイク操作の開始時期を決定する、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記リッチスパイク操作を行う際に、前記機関負荷が低負荷または中負荷領域のいずれかにある場合には前記上流側ＮＯXセンサを選択し、前記機関負荷が高負荷領域にある場合には前記前記下流側ＮＯXセンサを選択する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯXを吸着、吸収またはその両方により吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチのときに排気中の還元成分を用いて吸蔵したＮＯXを還元浄化する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、
内燃機関の排気流路に配置された上流側ＮＯX吸蔵還元触媒と、前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒の下流側の排気流路に配置された下流側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流路と、前記下流側ＮＯX吸蔵還元触媒の下流側の排気流路とに、それぞれ配置され排気中のＮＯX成分濃度を検出する上流側ＮＯXセンサと下流側ＮＯXセンサと、
を備え、
前記上流側ＮＯX吸蔵還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に一時的に変化させることによりＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXを還元浄化するリッチスパイク操作を行う際に、前記上流側ＮＯXセンサと下流側ＮＯXセンサとで検出したＮＯX濃度に基づいて前記上流側ＮＯXセンサと下流側ＮＯXセンサとのうちの一方を選択し、該選択したＮＯXセンサで検出した排気中のＮＯX濃度に基づいて前記リッチスパイク操作の開始時期を決定する、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記機関が低負荷または中負荷領域で運転されている場合には、前記上流側ＮＯXセンサで検出した排気中のＮＯX濃度と前記下流側ＮＯXセンサで検出した排気中のＮＯX濃度とを比較し、検出されたＮＯX濃度が大きい方のＮＯXセンサを選択し、該選択したＮＯXセンサで検出した排気中のＮＯX濃度に基づいて前記リッチスパイク操作の開始時期を決定し、
更に、機関が高負荷領域で運転されている場合には前記下流側ＮＯXセンサで検出した排気中のＮＯX濃度に基づいて前記リッチスパイク操作の開始時期を決定する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
更に、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流路と、前記下流側ＮＯX吸蔵還元触媒の下流側の排気流路とに、それぞれ配置され排気の空燃比を検出する上流側空燃比センサと下流側空燃比センサとを備え、
前記上流側ＮＯXセンサで検出したＮＯX濃度に基づいて前記リッチスパイク操作が開始された場合には前記上流側空燃比センサで検出した排気空燃比に基づいて前記リッチスパイク操作の終了時期を決定し、
前記下流側ＮＯXセンサで検出したＮＯX濃度に基づいて前記リッチスパイク操作が開始された場合には前記下流側空燃比センサで検出した排気空燃比に基づいて前記リッチスパイク操作の終了時期を決定する、請求項１に記載の内燃機関排気浄化装置。
【請求項６】
更に、前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒と下流側ＮＯX吸蔵還元触媒とは、それぞれ排気の空燃比がリーンのときに排気中の酸素を吸収し、排気の空燃比がリッチのときに吸収した酸素を放出する酸素貯蔵能力を備え、前記下流側のＮＯX吸蔵還元触媒の酸素貯蔵能力は前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒の酸素貯蔵能力より大きく設定され、
前記下流側ＮＯXセンサで検出したＮＯX濃度に基づいて前記リッチスパイク操作が開始された場合には、まず上流側ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXが還元浄化された後に前記下流側ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXが還元浄化されるとともに、リッチスパイク操作中に上流側ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比は、前記下流側ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXの還元浄化時には前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXの還元浄化時より低く設定される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
更に、前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒と下流側ＮＯX吸蔵還元触媒とは、それぞれ排気の空燃比がリーンのときに排気中の酸素を吸収し、排気の空燃比がリッチのときに吸収した酸素を放出する酸素貯蔵能力を備え、前記下流側のＮＯX吸蔵還元触媒の酸素貯蔵能力は前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒の酸素貯蔵能力より大きく設定されるとともに、
前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力は前記下流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力より大きく設定された、請求項１から請求項５のいずれか１項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吸蔵還元触媒を備え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を吸着、吸収またはその両方により吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチのときに排気中のＣＯ、Ｈ2等の還元成分やＨＣ等（以下「還元成分」と総称する）を用いて吸蔵したＮＯXを還元浄化するＮＯX吸蔵還元触媒が知られている。
【０００３】
ＮＯX吸蔵還元触媒を用いた排気浄化装置では、例えば機関をリーン空燃比で運転中、リーン空燃比排気中のＮＯXをＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵させ、ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵したＮＯX量が増大したときに、機関を短時間リッチ空燃比に切り換えて運転し触媒に流入する排気の空燃比をリッチにするリッチスパイク操作を行う。リッチスパイク操作により、ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXがリッチ空燃比排気中の還元成分等により還元浄化される。
【０００４】
この種のＮＯX吸蔵還元触媒を使用した内燃機関の排気浄化装置の例としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。
【０００５】
特許文献１に記載の装置は、内燃機関機関排気通路に配置したＮＯX吸蔵還元触媒の担体に直接（担体入口と出口との中間部に）ＮＯXセンサとＯ2センサとを配置した構成とされている。特許文献１の装置では、内燃機関をリーン空燃比で運転中に上記ＮＯXセンサで検出した排気ＮＯX濃度が所定の判定値以上になったときに空燃比をリッチに切り換えてリッチスパイク操作を開始し、リッチスパイク開始後上記Ｏ2センサ出力が所定の判定値になったときに空燃比をリーンに切り換えてリッチスパイク操作を終了する。
【０００６】
リッチスパイク操作時に機関をリッチ空燃比に切り換えた場合には、切り換え後実際にリッチ空燃比の排気が排気通路のＮＯX吸蔵還元触媒に到達するまでには排気輸送遅れによる遅れ時間が生じる。このため、従来はある程度余裕を見てリッチスパイク時間を決定する必要があり、真に必要とされる時間より実際のリッチ空燃比運転期間を長く設定するのが通常であり、燃費の悪化やトルク変動が生じる問題が生じていた。
【０００７】
特許文献１の装置は、触媒に直接配置したＮＯXセンサとＯ2センサとで実際のＮＯX吸蔵還元触媒内部（担体中間部）の雰囲気を直接検出することにより、上記問題を解決してリッチスパイク操作の開始タイミングや終了タイミング（リッチスパイク操作実行期間）を適正に設定可能としたものである。
【０００８】
すなわち、ＮＯX吸蔵還元触媒は吸蔵したＮＯX量が増大すると排気中のＮＯXのうち触媒に吸蔵されずに通過するＮＯX量が増大する。特許文献１の装置では担体前半部（ＮＯXセンサより上流側部分）を通過するＮＯX量（濃度）が所定の判定値まで増大したときにＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵量が増大したと判定してリッチスパイク操作を開始する。これにより、特許文献１の装置ではＮＯX吸蔵還元触媒全体が吸蔵ＮＯXで飽和する前に適切なタイミングでリッチスパイク操作を開始することができる。
【０００９】
また、ＮＯX吸蔵還元触媒では流入する排気の空燃比がリッチに切り換わっても、吸蔵されたＮＯXが還元されている間はＮＯX吸蔵還元触媒出口での排気空燃比は理論空燃比近傍に維持され、吸蔵ＮＯXの全量が還元浄化されたときに触媒出口での排気空燃比は入口側とほぼ同じリッチ空燃比に切り換わる。
【００１０】
特許文献１の装置では触媒担体中間部の空燃比を検出し、検出した空燃比が所定のリッチ空燃比になったときにリッチスパイク操作を終了するようにしている。これにより、特許文献１の装置では実際にＮＯX吸蔵還元触媒の下流側にリッチ空燃比の排気が排出される前にリッチスパイク操作が終了し、ＨＣ、ＣＯ等がＮＯX吸蔵還元触媒から流出することが防止される。
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−１０７８２８号公報
【００１２】
【特許文献２】特開平１１−６２５６０号公報
【００１３】
【特許文献３】特開平５−２６０８０号公報
【００１４】
【特許文献４】特開平１１−２１０５２４号公報
【００１５】
【特許文献５】特開２０００−１８０２１号公報
【００１６】
【特許文献６】特開２００２−３４９３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
特許文献１の排気浄化装置では、ＮＯX吸蔵還元触媒担体中央部近傍にＮＯXセンサとＯ2センサとを直接挿入して排気のＮＯX濃度と酸素濃度とを計測している。このため、ＮＯX吸蔵還元触媒をセンサ挿入部の上流側（前半部）と下流側（後半部）とに分けて考えると、特許文献１では実際にはＮＯX吸蔵還元触媒の前半部のみを通過した排気中のＮＯXと酸素濃度の検出結果に基づいて前半部と後半部とを含めたＮＯX吸蔵還元触媒全体のＮＯX吸蔵と還元浄化とを制御している。
【００１８】
従って、特許文献１の装置ではＮＯX吸蔵還元触媒の後半部のＮＯXの吸蔵と還元浄化については事実上制御されておらず、後半部のＮＯX吸蔵能力が有効に活用されていない問題がある。
【００１９】
例えば、機関の高負荷運転時などのように機関のＮＯX発生量が増大するような場合には前半部のみならず後半部も含めたＮＯX吸蔵還元触媒全体のＮＯX吸蔵能力を有効に活用する必要があるが、特許文献１の装置ではこのような場合にも後半部のＮＯX吸蔵能力を有効に活用することができない。
【００２０】
更に、特許文献１ではＮＯX吸蔵還元触媒の前半部と後半部とは全く同一の特性を有する触媒とされているが、前半部と後半部との触媒の特性、例えばＮＯX吸蔵能力や酸素貯蔵能力等を前半部と後半部とで変えることにより、更にＮＯX吸蔵還元触媒全体としてのＮＯX浄化率を向上させることも可能である。
【００２１】
本発明は、上記問題を解決し、排気流路に２つ或いはそれ以上のＮＯX吸蔵還元触媒を直列に配置した構成の、いわゆる「タンデム型」のＮＯX吸蔵還元触媒の全体のＮＯX吸蔵能力を有効に活用して機関のあらゆる負荷範囲においてＮＯX浄化率を向上させることが可能な、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】
【００２２】
請求項１に記載の発明によれば、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯXを吸着、吸収またはその両方により吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチのときに排気中の還元成分を用いて吸蔵したＮＯXを還元浄化する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、内燃機関の排気流路に配置された上流側ＮＯX吸蔵還元触媒と、前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒の下流側の排気流路に配置された下流側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流路と、前記下流側ＮＯX吸蔵還元触媒の下流側の排気流路とに、それぞれ配置され排気中のＮＯX成分濃度を検出する上流側ＮＯXセンサと下流側ＮＯXセンサと、を備え、前記上流側ＮＯX吸蔵還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に一時的に変化させることによりＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXを還元浄化するリッチスパイク操作を行う際に、機関負荷に応じて前記上流側ＮＯXセンサと下流側ＮＯXセンサとのうちの一方を選択し、該選択したＮＯXセンサで検出した排気中のＮＯX濃度に基づいて前記リッチスパイク操作の開始時期を決定する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２３】
請求項２に記載の発明によれば、前記リッチスパイク操作を行う際に、前記機関負荷が低負荷または中負荷領域のいずれかにある場合には前記上流側ＮＯXセンサを選択し、前記機関負荷が高負荷領域にある場合には前記前記下流側ＮＯXセンサを選択する、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。
【００２４】
すなわち、請求項１と請求項２に記載の発明では、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒と下流側ＮＯX吸蔵還元触媒とを備えたタンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒の上流側と下流側のＮＯX吸蔵還元触媒出口にそれぞれＮＯXセンサが配置されている。また、リッチスパイク開始タイミングはＮＯXセンサで検出した排気ＮＯX濃度に基づいて決定されるが、リッチスパイク操作開始タイミング決定に用いるＮＯXセンサは機関負荷条件に応じて選択される。
【００２５】
例えば、機関負荷が低負荷または中負荷領域にあり機関のＮＯX発生量が比較的少ない場合には、上流側ＮＯXセンサ出力に基づいてリッチスパイク開始タイミングが決定される。例えば上流側ＮＯXセンサで検出した上流側ＮＯX吸蔵還元触媒出口でのＮＯX濃度が所定値に到達する毎にリッチスパイク操作を行うようにすれば、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵量に応じたリッチスパイク操作が行われるようになり、主に上流側ＮＯX吸蔵還元触媒を使用したＮＯXの浄化が行われる。
【００２６】
この場合、ＮＯXの吸蔵は主に上流側ＮＯX吸蔵還元触媒で行われるため上流側ＮＯX吸蔵還元触媒でＮＯX吸蔵量が増大してリッチスパイク操作が開始されるときにも下流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵量は比較的少なく、まだ十分にＮＯXを吸蔵できる状態にある。
【００２７】
このため、リッチスパイク操作初期に上流側ＮＯX吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯXが放出された場合にも放出された未浄化ＮＯXは下流側ＮＯX吸蔵還元触媒により再吸蔵されるようになり、未浄化のＮＯXが大気に放出されることが防止される。
【００２８】
また、機関が高負荷領域で運転されおり機関のＮＯX発生量が増大している場合には、下流側ＮＯXセンサ出力に基づいてリッチスパイク操作開始タイミングを決定する。例えば、下流側ＮＯXセンサで検出した下流側ＮＯX吸蔵還元触媒出口でのＮＯX濃度が所定値に到達する毎にリッチスパイク操作を実行するようにすれば、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒と下流側ＮＯX吸蔵還元触媒との両方でＮＯXの吸蔵と還元浄化を行うことができ、ＮＯXの発生量が多い場合にも両方のＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力を十分に使用したＮＯX浄化を行うことができる。
【００２９】
請求項３に記載の発明によれば、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯXを吸着、吸収またはその両方により吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチのときに排気中の還元成分を用いて吸蔵したＮＯXを還元浄化する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、内燃機関の排気流路に配置された上流側ＮＯX吸蔵還元触媒と、前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒の下流側の排気流路に配置された下流側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流路と、前記下流側ＮＯX吸蔵還元触媒の下流側の排気流路とに、それぞれ配置され排気中のＮＯX成分濃度を検出する上流側ＮＯXセンサと下流側ＮＯXセンサと、を備え、前記上流側ＮＯX吸蔵還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に一時的に変化させることによりＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXを還元浄化するリッチスパイク操作を行う際に、前記上流側ＮＯXセンサと下流側ＮＯXセンサとで検出したＮＯX濃度に基づいて前記上流側ＮＯXセンサと下流側ＮＯXセンサとのうちの一方を選択し、該選択したＮＯXセンサで検出した排気中のＮＯX濃度に基づいて前記リッチスパイク操作の開始時期を決定する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００３０】
請求項４に記載の発明によれば、前記機関が低負荷または中負荷領域で運転されている場合には、前記上流側ＮＯXセンサで検出した排気中のＮＯX濃度と前記下流側ＮＯXセンサで検出した排気中のＮＯX濃度とを比較し、検出されたＮＯX濃度が大きい方のＮＯXセンサを選択し、該選択したＮＯXセンサで検出した排気中のＮＯX濃度に基づいて前記リッチスパイク操作の開始時期を決定し、更に、機関が高負荷領域で運転されている場合には前記下流側ＮＯXセンサで検出した排気中のＮＯX濃度に基づいて前記リッチスパイク操作の開始時期を決定する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００３１】
すなわち、請求項３と請求項４とに記載の発明では、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒と下流側ＮＯX吸蔵還元触媒とを備えたタンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒の上流側と下流側のＮＯX吸蔵還元触媒出口にそれぞれＮＯXセンサが配置されており、機関低中負荷運転時にはこれらのＮＯXセンサで検出した排気ＮＯX濃度に基づいて上流側または下流側のいずれかのＮＯXセンサを選択し、選択したＮＯXセンサ出力に基づいてリッチスパイク開始タイミングを決定する。
【００３２】
これにより、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒の上流側と下流側両方のＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵状態に応じて適切なタイミングでリッチスパイク操作を実行することが可能となる。
【００３３】
例えば、低中負荷運転領域においては、通常上流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵量が増大して上流側ＮＯX吸蔵還元触媒出口排気中のＮＯX濃度が増大した場合でも下流側ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯX量は少なく、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒から流出したＮＯXは下流側ＮＯX吸蔵還元触媒で再吸蔵され、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒出口での排気ＮＯX濃度はほぼゼロとなる。
【００３４】
このため、通常では下流側ＮＯXセンサの検出ＮＯX濃度はほぼゼロであるので、上流側ＮＯXセンサの検出ＮＯX濃度に基づいて、例えば上流側ＮＯXセンサの検出ＮＯX濃度が所定の判定値に到達したときにリッチスパイク操作を開始することにより、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒を用いたＮＯXの吸蔵と還元浄化とが適切に行われる。
【００３５】
また、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒は上流側ＮＯX吸蔵還元触媒から流出したＮＯXを吸蔵するが、上流側ＮＯXセンサ出力に基づく上流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵、還元浄化サイクルでは必ずしも下流側ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXが還元されないため、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵したＮＯX量が徐々に増大する場合がある。
【００３６】
本発明では、例えば下流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵量が増大して下流側ＮＯXセンサ検出ＮＯX濃度が上流側ＮＯXセンサ検出ＮＯX濃度より高くなったような場合には下流側ＮＯXセンサの検出ＮＯX濃度に基づいてリッチスパイク操作を行う。これにより、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXが適切なタイミングで還元浄化され、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯXが流出することが防止される。
【００３７】
すなわち、上記のように低中負荷領域の運転では、検出したＮＯX濃度が高い方のＮＯXセンサで検出した排気ＮＯX濃度に基づいてリッチスパイク開始タイミングを決定することにより、大気に未浄化ＮＯXが放出されることが効果的に防止される。
【００３８】
更に、高負荷運転時には下流側ＮＯXセンサの検出した排気ＮＯX濃度に基づいてリッチスパイク操作開始タイミングを決定することにより、本発明においても機関のＮＯX発生量が多い場合には上流側と下流側との両方のＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力を十分に使用したＮＯX浄化を行うことができる。
【００３９】
請求項５に記載の発明によれば、更に、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流路と、前記下流側ＮＯX吸蔵還元触媒の下流側の排気流路とに、それぞれ配置され排気の空燃比を検出する上流側空燃比センサと下流側空燃比センサとを備え、前記上流側ＮＯXセンサで検出したＮＯX濃度に基づいて前記リッチスパイク操作が開始された場合には前記上流側空燃比センサで検出した排気空燃比に基づいて前記リッチスパイク操作の終了時期を決定し、前記下流側ＮＯXセンサで検出したＮＯX濃度に基づいて前記リッチスパイク操作が開始された場合には前記下流側空燃比センサで検出した排気空燃比に基づいて前記リッチスパイク操作の終了時期を決定する、請求項１に記載の内燃機関排気浄化装置が提供される。
【００４０】
すなわち、請求項５の発明では請求項１から４の発明において上流側ＮＯXセンサ、下流側ＮＯXセンサとそれぞれ対になった上流側空燃比センサと下流側空燃比センサとが設けられており、リッチスパイク操作開始タイミングを決定するのに使用したＮＯXセンサと対になった空燃比センサで検出した排気空燃比に基づいてリッチスパイク操作の終了時期が決定される。これにより、上流側と下流側のＮＯX吸蔵還元触媒それぞれのＮＯX吸蔵状態に応じたリッチスパイク操作が行われ、触媒に吸蔵されたＮＯXが効率的に還元浄化される。
【００４１】
請求項６に記載の発明によれば、更に、前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒と下流側ＮＯX吸蔵還元触媒とは、それぞれ排気の空燃比がリーンのときに排気中の酸素を吸収し、排気の空燃比がリッチのときに吸収した酸素を放出する酸素貯蔵能力を備え、前記下流側のＮＯX吸蔵還元触媒の酸素貯蔵能力は前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒の酸素貯蔵能力より大きく設定され、前記下流側ＮＯXセンサで検出したＮＯX濃度に基づいて前記リッチスパイク操作が開始された場合には、まず上流側ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXが還元浄化された後に前記下流側ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXが還元浄化されるとともに、リッチスパイク操作中に上流側ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比は、前記下流側ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXの還元浄化時には前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXの還元浄化時より低く設定される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００４２】
すなわち、請求項６の発明では上流側と下流側のＮＯX吸蔵還元触媒はそれぞれ酸素貯蔵能力を備えており、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒の酸素貯蔵能力は下流側ＮＯX吸蔵還元触媒の酸素貯蔵能力より小さい。このため、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒ではリッチスパイク初期に触媒から放出される酸素によりＮＯXの浄化に使用されず無駄に消費される排気中のＨＣ、ＣＯ等の成分量が少なくなり短時間で効率的にＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXの還元浄化が行われる。
【００４３】
これにより、例えば機関の低、中負荷運転等の機関ＮＯX発生量が比較的少ない場合には上流側ＮＯXセンサで検出した排気ＮＯX濃度に基づいてリッチスパイク操作を行うことにより、主に上流側ＮＯX吸蔵還元触媒を使用した排気中のＮＯXの吸蔵と還元浄化を行うことができる。
【００４４】
一方、例えば高負荷運転時等の機関ＮＯX発生量が比較的多い場合には下流側ＮＯXセンサで検出した排気ＮＯX濃度に基づいてリッチスパイク操作を行うことにより上流側と下流側との両方のＮＯX吸蔵還元触媒を使用したＮＯXの吸蔵と還元浄化を行い、全体としてのＮＯX吸蔵能力を増大させることができる。この場合にはリッチスパイク操作時に上流側と下流側との両方のＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯXの還元浄化を行う必要がある。
【００４５】
この場合、リッチスパイク操作時に排気がリッチにされるとまず上流側のＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯXが還元浄化され、これが終了した後に下流側のＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯXが還元浄化される。
【００４６】
ところが、上流側のＮＯX吸蔵還元触媒に較べて下流側のＮＯX吸蔵還元触媒は大きな酸素貯蔵能力を有するため、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒と同じ空燃比の排気で下流側ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯX還元浄化を行うと下流側ＮＯX吸蔵還元触媒では吸蔵ＮＯXの還元浄化が不十分になる可能性がある。
【００４７】
そこで、本発明では下流側ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯXを還元浄化する場合には上流側の吸蔵ＮＯXの還元浄化の場合より排気をリッチに（空燃比を低く）するようにしている。これにより、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯXの還元浄化が良好に行われるようになる。
【００４８】
請求項７に記載の発明によれば、更に、前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒と下流側ＮＯX吸蔵還元触媒とは、それぞれ排気の空燃比がリーンのときに排気中の酸素を吸収し、排気の空燃比がリッチのときに吸収した酸素を放出する酸素貯蔵能力を備え、前記下流側のＮＯX吸蔵還元触媒の酸素貯蔵能力は前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒の酸素貯蔵能力より大きく設定されるとともに、前記上流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力は前記下流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力より大きく設定された、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００４９】
すなわち請求項７の発明では、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒は下流側ＮＯX吸蔵還元触媒よりも酸素貯蔵能力が小さく、かつＮＯX吸蔵能力が大きく設定されている。
【００５０】
前述のように、ＮＯX吸蔵還元触媒の酸素貯蔵能力を小さく設定することにより、無駄に消費されるリッチ空燃比排気中のＨＣ、ＣＯ成分量を低減し効率的にＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯXの還元浄化を行うことができる。
【００５１】
また、タンデム型のＮＯX吸蔵還元触媒では主として上流側ＮＯX吸蔵還元触媒がＮＯXの吸蔵還元を行う場合が多い。このため、主に使用される上流側ＮＯX吸蔵還元触媒を、酸素貯蔵能力を比較的小さく、かつＮＯX吸蔵能力を大きく設定することにより、効率の良いＮＯX還元浄化が可能な上流側でのＮＯX処理量を増大することができ、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒全体としてのＮＯX浄化効率を向上させる事ができる。
【発明の効果】
【００５２】
各請求項に記載の発明によれば、排気流路に２つ或いはそれ以上のＮＯX吸蔵還元触媒を直列に配置したタンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒を備えた排気浄化装置において、全部のＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力を有効に活用することにより、機関の全負荷範囲において全体としてのＮＯX浄化率を向上させることが可能とな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】
【００５３】
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。
【００５４】
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気筒には直接気筒内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。後述するように、本実施形態の内燃機関１は、理論空燃比より高い（リーンな）空燃比で運転可能なリーンバーンエンジンとされている。
【００５５】
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。
【００５６】
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キャタリスト（以下「ＳＣ」と呼ぶ）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ＳＣ下流側で共通の排気通路２に合流している。
【００５７】
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。
【００５８】
図２は、本実施形態のコンバータ７０の構成を示す断面図である。コンバータ７０は、ケーシング７０ａ内にＮＯX吸蔵還元触媒７を収納した形式とされている。また、本実施形態ではＮＯX吸蔵還元触媒７は上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａと、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａと適宜な空隙を介して下流側に直列配置された下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂとの２つの触媒を備えた、いわゆる「タンデム型」ＮＯX吸蔵還元触媒とされている。
【００５９】
図１に示すように、本実施形態では上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａと下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂとの間には、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａを通過した排気中のＮＯX成分濃度と空燃比とをそれぞれ検出する上流側ＮＯXセンサ２９ａと上流側空燃比センサ３１ａが配置されている。
【００６０】
また、コンバータ７０出口の排気通路には下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂを通過した排気中のＮＯX成分濃度と空燃比とをそれぞれ検出する下流側ＮＯXセンサ２９ｂと下流側空燃比センサ３１ｂがそれぞれ配置されている。
【００６１】
本実施形態では空燃比センサ３１ａ、３１ｂは、広い空燃比範囲で排気空燃比に対応する電圧信号を出力するいわゆるリニア空燃比センサとされているが、リニア空燃比センサの代わりに、排気中の酸素濃度を検出し出力が理論空燃比を境に急激に変化する、いわゆるＺ型出力特性を有するＯ2センサも使用可能である。
【００６２】
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。また、本実施形態では、ＥＣＵ３０は上記の基本制御を行う他に、後述するように機関負荷状態やＮＯX吸蔵還元触媒７ａ、７ｂのＮＯX吸蔵状態に応じてリーン空燃比運転中に筒内噴射弁１１１から１１４の燃料噴射量を変更して、短時間機関をリッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作を行う。
【００６３】
これらの制御を行うため、ＥＣＵ３０の入力ポートには、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３３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３５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３７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、上流側ＮＯXセンサ２９ａと上流側空燃比センサ３１ａとからそれぞれ上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａ出口排気のＮＯX濃度と空燃比とが、下流側ＮＯXセンサ２９ｂと下流側空燃比センサ３１ｂとからそれぞれ下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂ出口排気のＮＯX濃度と空燃比とが、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。
【００６４】
次に、本実施形態のＮＯX吸蔵還元触媒７（７ａ、７ｂ）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。
【００６５】
例えば、機関１がリーン空燃比で運転され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、例えば吸収剤としてＢａＯが使用されている場合には吸収剤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-の形で吸収剤内に拡散する。このため、リーン雰囲気下では排気中のＮＯXがＮＯX吸収剤内に硝酸塩の形で吸蔵されるようになる。
【００６６】
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、吸収剤内の硝酸イオンＮＯ3-はＮＯ2の形で吸収剤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。
【００６７】
本実施形態では、ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵したＮＯXを放出させ還元浄化するために、機関１を短時間リッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作を行い、ＮＯX吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気を供給する。
【００６８】
また、本実施形態ではＮＯX吸蔵還元触媒７の出口に配置したＮＯXセンサで検出した排気中のＮＯX濃度に基づいて上記リッチスパイク操作を開始するタイミングを決定する。
【００６９】
すなわち、ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵したＮＯX量が増大するほど吸蔵されずに触媒を通過してしまうＮＯX量が増大し、ＮＯX吸蔵還元触媒出口排気のＮＯX濃度は増大し、ＮＯX吸蔵還元触媒が飽和量までＮＯXを吸蔵するとＮＯX吸蔵還元触媒は排気中のＮＯXを全く吸蔵することができなくなる。
【００７０】
このため、本実施形態では各ＮＯX吸蔵還元触媒の出口に配置したＮＯXセンサ２９ａ、２９ｂで触媒出口排気のＮＯX濃度を検出し、検出したＮＯX濃度が所定の判定値に到達する毎にリッチスパイク操作を実行してＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯXを還元浄化するようにしているのである。
【００７１】
リッチスパイク実行中、ＮＯX吸蔵還元触媒からＮＯXが放出され排気中の還元成分等と反応すると、排気中の還元成分等はＮＯXと反応して酸化される。このため、ＮＯX吸蔵還元触媒からＮＯXが放出され還元浄化されている間は、ＮＯX吸蔵還元触媒を通過する排気の空燃比は上昇し、触媒出口の排気の空燃比は入口側の排気空燃比よりリーン側になる。また、ＮＯX吸蔵還元触媒から吸蔵ＮＯXの全量が放出されて還元浄化が終了すると触媒出口の排気空燃比は入口側の排気空燃比とほぼ同じ空燃比まで低下する。
【００７２】
本実施形態では、ＮＯX吸蔵還元触媒の出口に配置した空燃比センサ３１ａ、３１ｂで検出した排気空燃比が、リッチスパイク操作時の排気空燃比で定まる所定の空燃比まで低下したときにリッチスパイク操作を終了するようにしている。これにより、ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯXの還元浄化が終了した時点でリッチスパイク操作を終了することができ、必要以上にリッチスパイク操作を行うことが防止される。
【００７３】
すなわち、本実施形態ではＮＯXセンサ（２９ａ、２９ｂ）で検出した触媒出口排気のＮＯX濃度に基づいてリッチスパイク操作開始タイミングを決定し、空燃比センサ（３１ａ、３１ｂ）で検出した触媒出口排気の空燃比に基づいてリッチスパイク操作終了タイミングを決定している。
【００７４】
次に、ＮＯX吸蔵還元触媒７ａ、７ｂの酸素貯蔵能力について説明する。
本実施形態では、担体上には、担体のアルミナ層に前述のＮＯX吸蔵還元触媒成分に加えて、酸素貯蔵成分としてセリウムＣｅ等の金属成分を担持させ、酸素貯蔵能力（Ｏ2ストレージ能力）を持たせている。
【００７５】
アルミナ層上に担持されたセリウムは、触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比より高いときに（排気空燃比がリーンのときに）排気中の酸素と結合してセリア（酸化セリウムIV：ＣｅＯ2）を形成し酸素を貯蔵する。また、流入する排気の空燃比が理論空燃比以下のときに（排気空燃比がリッチのときに）は、セリアは酸素を放出して酸化セリウムIII（Ｃｅ2Ｏ3）になるため酸素が放出される。
【００７６】
すなわち、酸素貯蔵成分は、流入する排気空燃比がリーンのときに排気中の酸素を吸収し、流入する排気空燃比がリッチになると排気中に酸素を放出するＯ2ストレージ作用を行う。
【００７７】
このため、例えば排気空燃比がリーンからリッチに変化した場合には、酸素貯蔵成分から酸素が放出されるため、触媒に流入する排気空燃比がリッチ空燃比に変化した後も、酸素が放出されている間は触媒内はリッチ空燃比にならず、理論空燃比近傍の雰囲気に維持される。
【００７８】
例えば、上流側と下流側のＮＯX吸蔵還元触媒７ａ、７ｂの酸素貯蔵能力をそれぞれの触媒７ａ、７ｂが吸収（放出）可能な最大酸素量として定義すると、本実施形態では酸素貯蔵成分の担持量を調節することにより、下流側ＮＯＸ吸蔵還元触媒７ｂの酸素貯蔵能力が上流側ＮＯＸ吸蔵還元触媒７ａの酸素貯蔵能力より大きく（上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａの酸素貯蔵能力が下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂの酸素貯蔵能力より小さく）なるようにしている。
【００７９】
また、同様に上流側と下流側のＮＯX吸蔵還元触媒７ａ、７ｂのＮＯX吸蔵能力をそれぞれの触媒が吸蔵可能な最大ＮＯX量として定義すると、本実施形態では、触媒成分の担持量を調節することにより、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａのＮＯX吸蔵能力が下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂのＮＯX吸蔵能力より大きくなるようにしている。
【００８０】
次に、上記のように上流側ＮＯX吸蔵還元触媒と下流側ＮＯX吸蔵還元触媒とで酸素貯蔵能力とＮＯX吸蔵能力を変えている理由について説明する。
【００８１】
（１）酸素貯蔵能力（Ｏ2ストレージ能力）
上流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＯ2ストレージ能力を下流側ＮＯX吸蔵還元触媒より小さく（下流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＯ2ストレージ能力を上流側ＮＯX吸蔵還元触媒より大きく）した理由は以下の通りである。
【００８２】
（ａ）上流側ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯXの還元浄化の効率化。
（ｂ）リッチスパイク操作初期の未浄化ＮＯX放出の防止。
【００８３】
リッチスパイク操作時に排気空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り換えられるとＮＯX吸蔵還元触媒にはリッチ空燃比の排気が流入するが、ＮＯX吸蔵還元触媒にＯ2ストレージ能力があると空燃比がリッチに切り替わったときにＮＯX吸蔵還元触媒から酸素が放出される。このため、リッチスパイク時に排気空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り換えられた場合でも、ＮＯX吸蔵還元触媒から酸素が放出されている間は排気中のＣＯ、Ｈ2等の還元成分は酸素貯蔵成分から放出される酸素のために酸化されてしまい、リッチスパイク初期にはＮＯX吸蔵還元触媒内は理論空燃比近傍の空燃比に維持されるようになる。
【００８４】
一方、ＮＯX吸蔵還元触媒からは空燃比の低下に伴ってＮＯXが放出されるが、流入する排気中の還元成分等は酸素貯蔵成分から放出された酸素によって酸化されてしまうため、触媒内では放出されたＮＯXを還元浄化するのに必要な還元成分が不足する。
【００８５】
このため、通常、ＮＯX吸蔵還元触媒がＯ2ストレージを有する場合にはリッチスパイク操作開始後、触媒からの酸素放出が終了するまでは放出されたＮＯXが浄化されずに排気とともに触媒から流出する。
また、リッチスパイク操作開始後触媒から酸素が放出されている間は流入する排気中の還元成分等はＮＯXの還元浄化に用いられることなく触媒から放出された酸素と反応して無駄に消費されることになる。
【００８６】
本実施形態では上流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＯ2ストレージ能力を比較的小さく設定してリッチスパイク操作開始時に上流側ＮＯX吸蔵還元触媒から放出される酸素量を低減している。これにより、リッチスパイク操作時に無駄に消費される還元剤成分等の量を少なくして短時間で効率的に吸蔵ＮＯXの還元浄化を行うとともに、リッチスパイク操作初期に上流側ＮＯX吸蔵還元触媒から流出する未浄化ＮＯX量を減少させることが可能となっている。
【００８７】
一方、通常、リーン空燃比運転時には排気中のＮＯXはまず上流側ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されるため、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵量が増大した場合でも下流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵量は比較的少なく、まだ十分に排気中のＮＯXを吸蔵することが可能である。
【００８８】
また、本実施形態では下流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＯ2ストレージ能力は上流側ＮＯX吸蔵還元触媒より大きく設定されているため、リッチスパイク操作初期に上流側ＮＯX吸蔵還元触媒を通過した排気が流入しても下流側ＮＯX吸蔵還元触媒では空燃比はあまり低下しない。このため、リッチスパイク操作初期に上流側ＮＯX吸蔵還元触媒から放出された未浄化ＮＯXは下流側ＮＯX吸蔵還元触媒に再吸蔵され、未浄化のＮＯXがコンバータ７０下流に流出することが防止される。
【００８９】
すなわち上流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＯ2ストレージ能力を下流側ＮＯX吸蔵還元触媒より小さく（下流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＯ2ストレージ能力を上流側ＮＯX吸蔵還元触媒より大きく）設定したことにより、（ａ）上流側ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯXの還元浄化を効率的に行いながら、（ｂ）リッチスパイク操作初期に未浄化ＮＯXが大気に放出されることが防止されるのである。
【００９０】
（２）ＮＯX吸蔵能力
上流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力を下流側ＮＯX吸蔵還元触媒より大きく設定した理由は以下の通りである。
【００９１】
すなわち、前述したようにＯ2ストレージ能力を大きく設定したことにより上流側ＮＯX吸蔵還元触媒では効率的なＮＯXの還元浄化が可能となる。また、通常、排気中のＮＯXはまず上流側ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵され、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵量が増大して排気中のＮＯXが上流側ＮＯX吸蔵還元触媒を通過して下流側に流出するようになってから初めて下流側ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されるようになる。
【００９２】
従って、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力を大きく設定することにより、機関から排出されるＮＯX量の大部分を、効率的な還元浄化作用を行うことのできる上流側ＮＯX吸蔵還元触媒で処理することが可能となる。すなわち、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒の上流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力を下流側ＮＯX吸蔵還元触媒より大きく設定することにより、全体として効率的にＮＯXを還元浄化することが可能となるのである。
【００９３】
ところが、タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒で最大限に上述の効果を得るためには、それぞれのＮＯX吸蔵還元触媒について、それぞれのＮＯX吸蔵状態に応じた適切な吸蔵ＮＯXの還元浄化操作を行う必要がある。
【００９４】
そこで、本実施形態では上流側ＮＯX吸蔵還元触媒と下流側ＮＯX吸蔵還元触媒それぞれの出口部分にＮＯXセンサ２９ａ、２９ｂとＯ2センサ３１ａ、３１ｂを配置し、これらのセンサ出力に基づいてリッチスパイク操作の開始及び終了タイミングを決定することにより、それぞれのＮＯX吸蔵還元触媒からの吸蔵ＮＯXの放出と還元浄化操作を最適化するようにしている。
【００９５】
例えば、前述したようにＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵量が増大するにつれてＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵されずに触媒を通過するＮＯXが増大する。このため、触媒下流側排気中のＮＯX濃度はリッチスパイク終了直後（ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵量がゼロの状態）ではほぼゼロであるが、触媒のＮＯX吸蔵量が増大するにつれて上昇する。そして、ＮＯX吸蔵量が飽和量に到達し、ＮＯX吸蔵還元触媒がそれ以上ＮＯXを吸蔵できなくなると、ＮＯX吸蔵還元触媒下出口排気ＮＯX濃度は入口排気のＮＯX濃度と同じになる。
【００９６】
本実施形態では、状況に応じて上流側ＮＯXセンサ２９ａ、下流側ＮＯXセンサ２９ｂのいずれか一方のＮＯXセンサを選択し、このＮＯXセンサで検出した排気ＮＯX濃度が予め定めた所定値に到達する毎にリッチスパイク操作を行い、ＮＯX吸蔵還元触媒から吸蔵したＮＯXを放出させ、還元浄化している。
【００９７】
また、リッチスパイク実行中はＮＯX吸蔵還元触媒にはＨＣ、ＣＯ等（還元成分等）を多く含むリッチ空燃比排気が流入する。しかし、流入した排気中の還元成分等はＮＯX吸蔵還元触媒から放出されたＮＯXと反応して酸化されるため、排気空燃比は触媒通過中に上昇し、触媒出口では理論空燃比近傍の空燃比となる。
【００９８】
また、ＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXが放出されＮＯXの吸蔵量が低下してそれ以上ＮＯXが放出されなくなると、触媒を通過した排気の空燃比は入口排気のリッチ空燃比と同じ程度の空燃比まで低下する。すなわち、ＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXの放出、還元浄化が終了するとＮＯX吸蔵還元触媒出口排気の空燃比は低下してリッチ空燃比になる。
【００９９】
そこで、本実施形態では、上流側空燃比センサ３１ａと下流側空燃比センサ３１ｂとのうち、上述のリッチスパイク操作開始タイミングの判定に使用したＮＯXセンサと同じ位置に配置された空燃比センサを用いて検出したリッチスパイク実行中の触媒出口排気空燃比が、所定のリッチ空燃比に到達したときにＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXの放出と還元浄化とが完了したと判断し、リッチスパイク操作を終了するようにしている。
【０１００】
以下、本実施形態のリッチスパイク操作の具体的な実施形態について説明する。
【０１０１】
（１）第１の実施形態
本実施形態では、機関負荷に応じてリッチスパイク開始、終了のタイミング判定方法を変更する。
【０１０２】
すなわち、本実施形態では機関が低負荷または中負荷で運転されている場合には、上流側ＮＯXセンサ２９ａ及び上流側空燃比センサ３１ａの出力に基づいてリッチスパイク操作の開始及び終了タイミングを決定し、機関が高負荷で運転されている場合には、下流側ＮＯXセンサ２９ｂ及び下流側空燃比センサ３１ｂの出力に基づいてリッチスパイク操作の開始、終了タイミングを決定する。
【０１０３】
例えば、機関が低中負荷領域で運転されている場合には機関のＮＯX発生量は比較的少ない。そこで、この場合にはＯ2ストレージ能力が小さく効率的なＮＯXの還元浄化が可能な上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａを主に使用してＮＯXの浄化を行うことにより、全体として効率的なＮＯXの浄化を行うことができる。また、前述したようにＯ2ストレージ作用のためにリッチスパイク操作の開始時に上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａから放出されるＮＯXは下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂに再吸蔵され、外部には放出されないため、主に上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａで排気中のＮＯXの吸蔵と還元浄化を行うことにより、全体としてのＮＯX浄化効効率を高くすることが可能である。
【０１０４】
従って、この場合には機関の電子制御装置ＥＣＵ３０は上流側ＮＯXセンサ２９ａ出力が所定値に到達したとき（すなわち、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａのＮＯX吸蔵量が所定値まで増大したとき）にリッチスパイクを開始し、上流側空燃比センサ３１ａで検出した上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａ出口排気の空燃比が所定のリッチ空燃比まで経過した時に（すなわち、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａに吸蔵されたＮＯXの全量が放出され還元浄化されたときに）リッチスパイク操作を終了する。
【０１０５】
これにより、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａのＮＯX吸蔵状態に応じて適切なリッチスパイク操作が行われるとともに、ＮＯX浄化効率が向上する。
【０１０６】
また、本実施形態では上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａのＮＯX吸蔵能力を下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂより大きく設定しているため、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａは比較的多量のＮＯXを吸蔵することができる。このため、機関の負荷がある程度増大し、ＮＯX発生量が増えた場合でも上流側ＮＯX吸蔵還元触媒を主体とした効率の良いＮＯXの浄化を行うことが可能である。
【０１０７】
一方、機関が高負荷で運転されている場合には、機関のＮＯX発生量が比較的多くなる。この場合にも上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａを主体としたＮＯXの浄化を続けているとＮＯX吸蔵能力が不足し、十分なＮＯX浄化を行うことができない場合がある。
【０１０８】
そこで、本実施形態では機関が高負荷運転されている場合には上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａと下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂとの両方のＮＯX吸蔵能力を用いてＮＯXの増加を行う。この場合には上流側ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵量が増大して排気中のＮＯXの一部が上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａに吸蔵されずに上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａを通過するようになっても、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａを通過したＮＯXは下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂに再吸蔵され外部に流出しない。
【０１０９】
従って、この場合には下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂのＮＯX吸蔵量が増大するまで上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａと下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂとに排気中のＮＯXを吸蔵することができるため、全体としてのＮＯX能力を大幅に増大することができる。
【０１１０】
そこで、この場合には機関の電子制御装置ＥＣＵ３０は下流側ＮＯXセンサ２９ｂ出力が所定値に到達したとき（すなわち、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａのみならず下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂにもＮＯXが吸蔵され、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵量が所定値まで増大したとき）にリッチスパイクを開始し、下流側空燃比センサ３１ｂで検出した下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂ出口排気の空燃比が所定のリッチ空燃比まで経過した時に（すなわち、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａと下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂとに吸蔵されたＮＯXの全量が放出され還元浄化されたときに）リッチスパイク操作を終了する。
これにより、全体として大幅にＮＯX能力を増大した運転が可能となり、機関のＮＯX発生量が多い場合にも全体として高いＮＯX浄化効率を維持することが可能となる。
【０１１１】
図３は、上述した本実施形態のリッチスパイク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により実行される。
【０１１２】
図３の操作では、まずステップ３０１で機関負荷ＬＤが読み込まれる。本実施形態では、機関負荷を代表する値として吸気圧センサ３３で検出した吸気圧力と回転数センサ３５で検出した機関回転数とに基づいて予め定めた関係から求められる機関機関１回転当たりの吸入空気量をＬＤとして使用する。機関負荷ＬＤは、ＥＣＵ３０により別途行われる操作により算出される。
【０１１３】
そして、ステップ３０３では、ステップ３０１で読み込んだ機関負荷ＬＤが予め定めた値ＬＤＨ以下であるか否かが判定される。ＬＤＨは現在の負荷が高負荷であるか否かを判定するための適宜な値である。
【０１１４】
ステップ３０３でＬＤ≦ＬＤＨであった場合には、現在機関が低中負荷領域で運転されているため、ステップ３０５に進み上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａ出口に設けられた上流側ＮＯXセンサ２９ａ出力ＵＰＮＯXが予め定めた判定値α1まで増大しているか否かを判定する。
【０１１５】
そして、ＵＰＮＯX≧α1であった場合、すなわち上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａの出口排気ＮＯX濃度が上昇しており上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａのＮＯX吸蔵量が増大していると考えられる場合にはステップ３０７に進み、リッチスパイクフラグＲＳの値を１にセットする。リッチスパイクフラグＲＳの値が１にセットされると、ＥＣＵ３０により別途実行される燃料噴射操作では各気筒の燃料噴射弁１１１〜１１４から噴射される燃料量を増量し、機関１を所定のリッチ空燃比で運転する。
【０１１６】
また、ステップ３０７でＵＰＮＯX＜α1であった場合には、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａのＮＯX吸蔵量はまだ少なくＮＯX吸蔵能力にはまだ余裕があると考えられるため、リッチスパイクを実行する事なく今回の操作を終了する。
【０１１７】
ステップ３０９は、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａの出口に配置された上流側空燃比センサ３１ａで検出した排気空燃比ＵＰＡＦが所定のリッチ空燃比β1またはそれ以下のリッチ空燃比になったか否かの判定を示す。
【０１１８】
前述したように、ＮＯX吸蔵還元触媒からＮＯXが放出されている間は触媒出口の空燃比は理論空燃比近傍に維持され、ＮＯX吸蔵還元触媒からＮＯXが完全に放出され、還元浄化されると触媒出口の排気空燃比は、入口排気空燃比とほぼ等しいリッチ空燃比まで低下する。本実施形態では、ステップ３０９でＵＰＡＦ≦β1が成立するまでステップ３０７と３０９が繰り返されてリッチスパイクフラグＲＳの値は１（リッチスパイク実行）に維持される。β1は、ＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXの放出と還元浄化とが終了したと判断できる空燃比であり、詳細には実際のＮＯX吸蔵還元触媒を用いた実験により求められる。
【０１１９】
ステップ３０９でＵＰＡＦ≦β1が成立した場合には、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａからのＮＯXの放出と還元浄化とは終了したことを意味するため、ステップ３１１に進みリッチスパイクフラッグＲＳの値をゼロにリセットして操作を終了する。
【０１２０】
これにより、機関が低中負荷領域で運転されている場合には、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａのＮＯX吸蔵量が増大して所定量に到達する毎にリッチスパイク操作が実行され、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａを主体とする効率の良いＮＯXの吸蔵と還元浄化とが行われるようになる。
【０１２１】
次に、ステップ３０３で負荷ＬＤがＬＤＨより大きい（ＬＤ＞ＬＤＨ）場合について説明する。
【０１２２】
この場合は、機関が高負荷領域で運転されているためＮＯXの発生量も多く上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａを主体とするＮＯX浄化ではＮＯXの全量を処理できなくなる可能性がある。そこで、この場合にはステップ３１３に進み、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂ出口の下流側ＮＯXセンサ１２９ｂの検出したＮＯX濃度ＤＷＮＯXが所定値α2に到達する毎にリッチスパイク操作を開始し（ステップ３１３、３１５）、下流側空燃比センサ１３１ｂで検出した空燃比ＤＷＡＦが所定のリッチ空燃比β2に低下したときにリッチスパイク操作を終了する（ステップ３１３、３１７、３１９）。
【０１２３】
これにより、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａと下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂとの両方のＮＯX吸蔵能力を有効に使ったＮＯXの浄化が行われるようになり、排気中に多量のＮＯXが含まれる場合でも高いＮＯX浄化効率を維持することが可能となる。
【０１２４】
（２）第２の実施形態
本実施形態では、高負荷運転時には上記第１の実施形態と同様に下流側ＮＯXセンサ２９ｂを用いてリッチスパイク操作開始タイミングを決定し、下流側空燃比センサ３１ａを用いてリッチスパイク操作終了タイミングを判断する。
【０１２５】
しかし、本実施形態では機関の低中負荷領域での運転時には、上記第１の実施形態のように一律に上流側のＮＯXセンサ２９ａの出力に基づいてリッチスパイク操作を開始するのではなく、上流側ＮＯXセンサ２９ａと下流側ＮＯXセンサ２９ｂの出力を比較して、その比較結果に基づいて選択したＮＯXセンサ出力に基づいてリッチスパイク操作開始タイミングを決定する点が第１の実施形態と相違している。
【０１２６】
例えば、第１の実施形態のように低中負荷領域での運転中に上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７aを用いたＮＯXの吸蔵と還元浄化を繰り返した場合、リッチスパイク操作初期に上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａから放出される未浄化のＮＯXや、リーン空燃比運転中にＮＯX吸蔵量の増大に伴って上流側ＮＯX吸蔵還元触媒を通過する未浄化のＮＯXは下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂに吸蔵される。
【０１２７】
この場合、上流側ＮＯXセンサ２９ａと上流側空燃比センサ３１ａとの出力に基づいてリッチスパイク操作を行っていると、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７aについては吸蔵ＮＯXの放出と還元浄化とを完全に行うことはできるものの、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯXの放出と還元浄化とが不十分になり、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵量が増大してしまう場合がある。
【０１２８】
そこで、本実施形態では機関が低中負荷で運転されている場合には、上流側ＮＯXセンサ２９ａと下流側ＮＯXセンサ２９ｂとの出力を比較し、例えば下流側ＮＯXセンサ２９ｂではほとんどＮＯXが検出されない場合には第１の実施形態と同様に上流側ＮＯXセンサ２９ｂで検出したＮＯX濃度が所定値に到達したときにリッチスパイク操作を開始する。
【０１２９】
また下流側ＮＯXセンサ２９ｂで排気中のＮＯXが検出されるようになった場合には、上流側ＮＯXセンサ２９ａ出力と下流側ＮＯXセンサ２９ｂ出力とを比較し、下流側ＮＯXセンサ２９ｂで検出した排気ＮＯX濃度が上流側ＮＯXセンサ２９ａで検出した排気ＮＯX濃度より大きい場合には、下流側ＮＯXセンサ２９ｂで検出したＮＯX濃度が所定値に到達したときにリッチスパイク操作を開始する。
【０１３０】
すなわち、この場合には下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂ入口排気中のＮＯX濃度（上流側ＮＯXセンサ２９ａ出力）より下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂ出口の排気中のＮＯX濃度（下流側ＮＯXセンサ２９ｂ出力）が高くなっていることから、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂではかなりＮＯX吸蔵量が増大しているため下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂではほとんどＮＯXの吸蔵が行われていないと考えられる。そこで、本実施形態ではこの場合には下流側ＮＯXセンサ２９ｂで検出した排気ＮＯX濃度に基づいてリッチスパイク操作を実行するようにしている。これにより、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂのＮＯX吸蔵状態に応じた適切な吸蔵ＮＯXの放出と還元浄化とが行われる。
【０１３１】
図４は、本実施形態の上記リッチスパイク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により実行される。
【０１３２】
図４の操作では、まずステップ４０１で機関負荷ＬＤが算出され、ステップ４０３では負荷ＬＤが予め定めた値ＬＤＨ以下であるか、すなわち現在機関が低中負荷で運転されているか否かが判定される。ステップ４０１、４０３の操作は図３のステップ３０１、３０３の操作と同一である。
【０１３３】
また、ステップ４０３でＬＤ＞ＬＤＨであった場合、すなわち現在機関が高負荷で運転されている場合には、ステップ４１５から４２１が実行され、下流側ＮＯXセンサ２９ｂと下流側空燃比センサ３１ｂとの出力に基づいてリッチスパイク操作が実行される。
【０１３４】
ステップ４１５から４２１の操作は、図３ステップ３１３から３１９の操作と同一であるが、本実施形態では機関高負荷運転時のリッチスパイク操作、すなわち下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂのＮＯX吸蔵状態に基づくリッチスパイク操作ではリッチスパイクフラグとしてＲＳ２が使用される点が図３の実施形態と相違している。
【０１３５】
後述するように、本実施形態では上流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵状態に基づくリッチスパイク操作時と下流側ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵状態に基づくリッチスパイク操作時とでは、リッチスパイク操作時の機関空燃比に差を設けてあり、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵状態に基づくリッチスパイク操作時にはリッチスパイクフラグＲＳ２が使用され、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵状態に基づくリッチスパイク操作時にはフラグＲＳ１が使用される。フラグＲＳ２が１にセットされると、リッチスパイク操作時の機関空燃比はフラグＲＳ１が１にセットされた場合に較べて低くなるように設定される。なお、リッチスパイク操作時の排気空燃比に差を設ける理由については後に詳述する。
【０１３６】
一方、図４ステップ４０３でＬＤ≦ＬＤＨであった場合、すなわち機関が低中負荷で運転されている場合には、次にステップ４０５で、下流側ＮＯXセンサ２９ｂで検出した下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂ出口排気のＮＯX濃度ＤＷＮＯXが所定値α3以下であるか否か、すなわちＤＷＮＯXがほぼゼロになっているか否かが判定される。ステップ４０３における所定値α3はゼロ近傍の小さい値である。
【０１３７】
本実施形態では、ステップ４０５でＤＷＮＯX≦α3であった場合、すなわち下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂ出口排気濃度がほぼゼロであった場合には、ステップ４０７から４１３が実行され、上流側ＮＯXセンサ２９ａで検出したＮＯX濃度ＵＰＮＯXと上流側空燃比センサ３１ａで検出した空燃比とに基づいてリッチスパイク操作の開始と終了が制御される。
【０１３８】
すなわち、この場合には上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａのＮＯX吸蔵状態に応じたリッチスパイク操作が行われる。ステップ４０７からステップ４１３の操作は、図３ステップ３０５からステップ３１１の動作と同一であるが、ここでもリッチスパイクフラグとしてＲＳ１が使用される点は図３の操作と相違している。
【０１３９】
次に、ステップ４０５でＤＷＮＯX＞α3であった場合、つまり下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂ出口排気中にＮＯXが検出された場合について説明する。
【０１４０】
この場合には、次にステップ４２３が実行され、上流側ＮＯXセンサ２９ａで検出した排気ＮＯX濃度ＵＰＮＯXと下流側ＮＯXセンサ２９ｂで検出した排気ＮＯX濃度ＤＷＮＯXとの大小が比較される。
【０１４１】
ステップ４２３でＵＰＮＯX＜ＤＷＮＯXであった場合、すなわち下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂ出口排気ＮＯX濃度が上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａ出口排気ＮＯX濃度より高い場合には、前述したように下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂのＮＯX吸蔵量がかなり増大していると考えられる。従って、この場合にはステップ４１５に進み、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂのＮＯX吸蔵状態に応じたリッチスパイク操作を行う。
【０１４２】
一方、ステップ４２３でＵＰＮＯX≧ＤＷＮＯXであった場合には、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂ出口の排気にＮＯXが検出されるようになったが、未だ下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂでは排気中のＮＯXの吸蔵が行われており、それほどＮＯX吸蔵量は増大していないと考えられる。
【０１４３】
そこで、この場合には上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａと下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂとの両方のＮＯX吸蔵状態を考慮してリッチスパイク操作の要否を決定することとして、ステップ４２５に進む。
【０１４４】
ステップ４２５では、上流側ＮＯXセンサ２９ａと下流側ＮＯXセンサ２９ｂとで検出した排気ＮＯX濃度の合計が所定値α4まで増大しているか否かが判定され、合計ＮＯX濃度がα4より小さい場合（ＵＰＮＯX＋ＤＷＮＯX＜α4）にはそのまま操作を終了し、ステップ４２７から４３７のリッチスパイク操作は実行しない。
【０１４５】
そして、ステップ４２３で合計ＮＯX濃度がα4以上であった場合（ＵＰＮＯX＋ＤＷＮＯX≧α4）には、両方のＮＯX吸蔵還元触媒ともＮＯX吸蔵量が増大しているものの、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂのＮＯX吸蔵量はステップ４１５から４２１のリッチスパイク操作を直ちに実行する必要があるほど増大していないと考えられる。
【０１４６】
そこでこの場合には、ステップ４２７から４３７で、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａと下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂとのＮＯX放出と還元浄化とを個別に行う。
すなわち、この場合にはまずステップ４２７から４３７で上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａのＮＯX吸蔵状態に応じたリッチスパイク操作を行い、これが完了した後（ステップ４２９でＵＰＡＦ≦β1になった後）、排気空燃比を更に低下（リッチに）させて（ステップ４３３でＲＳ２を１にセットして）、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂのＮＯX吸蔵状態に応じたリッチスパイク操作を実行する（にステップ４３１から４３７）。
【０１４７】
これにより、それぞれのＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵状態に応じたリッチスパイク操作が行われるようになる。
【０１４８】
次に、本実施形態で２つのリッチスパイクフラグＲＳ１とＲＳ２とを使ってリッチスパイク操作時の空燃比に差を設けている理由について説明する。
【０１４９】
すなわち、本実施形態では、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａより下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂの酸素貯蔵能力（Ｏ2ストレージ能力）が大きく設定されている。また、前述したようにリッチスパイク操作が開始されても、Ｏ2ストレージ作用によりＮＯX吸蔵還元触媒から酸素が放出されている間は排気中のＨＣ、ＣＯ成分等は酸素と反応して消費されてしまい、ＮＯXの浄化には使用されない。このため、Ｏ2ストレージ作用による酸素の放出が生じている間は、ＮＯX吸蔵還元触媒から放出されたＮＯXは未浄化のまま下流側に流出する可能性がある。
【０１５０】
このため、ＮＯX吸蔵還元触媒のリッチスパイク操作時にはできるだけ早くＯ2ストレージ作用により放出された酸素を短時間で反応させ、早期にＮＯXの還元浄化を開始することが好ましい。ところが、Ｏ2ストレージ能力が大きい場合には放出される酸素量も多いため、Ｏ2ストレージ能力が小さい場合と同じ排気空燃比のリッチスパイク操作を行うとＯ2ストレージ能力が小さい場合に較べて酸素の消費に要する時間が長くなり、ＮＯXの還元浄化の開始が遅れる場合がある。このため、本実施形態では下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂのＮＯX吸蔵状態に応じたリッチスパイク操作を行う場合には、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａの場合に較べてリッチスパイク操作時の排気空燃比を低く設定するようにしている。
【０１５１】
これにより、Ｏ2ストレージ能力の相違にかかわらずリッチスパイク操作開始後短時間でＮＯXの実際の還元浄化を開始することが可能となり、リッチスパイク操作開始時の未浄化ＮＯXの流出を最小にすることが可能となる。
【０１５２】
図５から図７は、図４のリッチスパイク操作における機関排気空燃比ＡＦの変化と、上流側空燃比センサ３１ａで検出した上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａ出口の排気空燃比ＵＰＡＦ、下流側空燃比センサ３１ｂで検出した下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂ出口の排気空燃比ＤＷＡＦの変化を示すタイミング図であり、図５は上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａのＮＯX吸蔵状態に応じたリッチスパイク操作（フラグＲＳ１を用いたリッチスパイク操作）の場合（図４ステップ４０９からステップ４１３）を、図６は下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂのＮＯX吸蔵状態に応じたリッチスパイク操作（フラグＲＳ２を用いたリッチスパイク操作）の場合（図４ステップ４１７からステップ４２１）を示し、図７は両方のリッチスパイクを連続して行った場合（図４ステップ４２７からステップ４３７）を、それぞれ示している。
【０１５３】
図５を例にとって説明すると、運転中リッチスパイク操作が開始され機関運転空燃比ＡＦがフラグＲＳ１＝１に相当するリッチ空燃比に切り換えられると（図５、時点ＳＴ）、上流側空燃比センサ出力ＵＰＡＦはある期間理論空燃比に維持され（図５、区間ＯＳＣ１）、その後リッチ空燃比になる。そして、ＵＰＡＦが所定のリッチ空燃比（β1）まで低下するとリッチスパイク操作が終了し、機関空燃比はリーン空燃比に復帰する（図５、時点ＥＤ）。この場合、リッチスパイク操作期間（図５の時点ＳＴからＥＤまでの期間）を通じて下流側空燃比センサ出力ＤＷＡＦは理論空燃比にとどまっている。
【０１５４】
図５において、区間ＯＳＣ１はＯ2ストレージ能力により放出された酸素が排気中のＨＣ、ＣＯ等と反応する期間、ＯＳＣ終了後からリッチスパイク終了までの期間（図５、区間ＲＤ１）は上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａから放出されるＮＯXの還元浄化が行われる期間に対応している。
【０１５５】
また、図６は下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂの吸蔵ＮＯXの還元浄化を目的とするリッチスパイク操作であり、この場合にはリッチスパイク操作時に機関運転空燃比ＡＦは図５の場合より低い（リッチな）、ＲＳ２＝１に相当する空燃比に切り換えられる。
【０１５６】
また、この場合には上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａの吸蔵ＮＯXの還元浄化（図６、区間ＲＤ１）終了後、続いて下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂでは放出され酸素の消費（図６、区間ＯＳＣ２）、及び吸蔵ＮＯXの還元浄化（図６、区間ＲＤ２）が生じる。そして、下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂ出口排気空燃比ＤＷＡＦが所定のリッチ空燃比（β2）まで低下したときにリッチスパイク操作が終了する。
【０１５７】
図７は、上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａのＮＯX吸蔵状態に応じたリッチスパイク操作に続いて下流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ｂのＮＯX吸蔵状態に応じたリッチスパイク操作を行った場合を示している。図７の各符号の意味は図５、図６と同一である。この場合には上流側ＮＯX吸蔵還元触媒７ａの吸蔵ＮＯXの還元浄化終了後、排気空燃比はフラグＲＳ１＝１に対応する空燃比から、フラグＲＳ２＝１に対応する更に低い（リッチな）空燃比に切り換えられる。
【０１５８】
なお、上述のようにリッチスパイク時の放出酸素の消費に要する期間はできるだけ短い方が好ましい。そこで、例えば図８に示すように、リッチスパイク開始直後の排気空燃比を低く設定して、まず放出された酸素を短時間で消費し（図８、区間ＯＳＣＤ）、その後ＮＯX吸蔵還元触媒出口空燃比がリッチ空燃比に変化した時点で排気空燃比をＮＯXの還元に必要とされる最低限のリッチ空燃比まで上昇させてＮＯXの還元浄化（図８、区間ＲＤＤ）を行うようにすることにより、リッチスパイク操作初期の未浄化のＮＯX放出量を低減することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１５９】
【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】図１の実施形態のコンバータ７０の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の排気浄化装置におけるリッチスパイク操作の一例を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の排気浄化装置におけるリッチスパイク操作の図３とは別の例を説明するフローチャートである。
【図５】リッチスパイク操作中の各ＮＯX吸蔵還元触媒出口排気の空燃比の変化を説明する図である。
【図６】リッチスパイク操作中の各ＮＯX吸蔵還元触媒出口排気の空燃比の変化を説明する図である。
【図７】リッチスパイク操作中の各ＮＯX吸蔵還元触媒出口排気の空燃比の変化を説明する図である。
【図８】リッチスパイク操作中の各ＮＯX吸蔵還元触媒出口排気の空燃比の変化を説明する図である。
【符号の説明】
【０１６０】
１…機関本体
２…排気通路
７…タンデム型ＮＯX吸蔵還元触媒
９…三元触媒
３０…ＥＣＵ（電子制御ユニット）
７０…コンバータ
【図１】
2005140000.tif 000003
【図２】
2005140000.tif 000004
【図３】
2005140000.tif 000005
【図４】
2005140000.tif 000006
【図５】
2005140000.tif 000007
【図６】
2005140000.tif 000008
【図７】
2005140000.tif 000009
【図８】
2005140000.tif 000010