JP3633349B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、詳細には流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯＸ を吸収し、流入する排気中の酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯＸ を放出する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。
【０００２】
【従来の技術】
この種のＮＯＸ 吸蔵還元触媒を用いた排気浄化装置の例としては、例えば特開平７−１６６８５１号公報に記載されたものがある。
同公報の装置は、内燃機関の排気通路にＮＯＸ 吸蔵還元触媒を配置すると共に、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒下流側の排気中のＮＯＸ 濃度を検出するＮＯＸ センサを用いてＮＯＸ 吸蔵還元触媒を通過した排気中のＮＯＸ 濃度を監視するようにしたものである。同公報の装置ではＮＯＸ 吸蔵還元触媒下流側の排気中のＮＯＸ 濃度が予め定めた値を越えたときにＮＯＸ 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリッチにしてＮＯＸ 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯＸ を放出させ、還元浄化している。
【０００３】
ＮＯＸ 吸蔵還元触媒は、吸収したＮＯＸ 量が増大するにつれてＮＯＸ の吸蔵能力が低下していく。すなわち、ＮＯＸ を全く吸収していない状態ではＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸蔵能力は最も高くなっており、流入する排気中のＮＯＸ の大部分がＮＯＸ 吸蔵還元触媒に吸収されるため、流入排気中のＮＯＸ 濃度が比較的高くなっていてもＮＯＸ 吸蔵還元触媒通過後の排気中のＮＯＸ 濃度は低くなる。しかし、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒内に吸収されたＮＯＸ 量（ＮＯＸ 吸蔵量）が増大するにつれてＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸蔵能力は低下し、流入排気ガス中のＮＯＸ のうちＮＯＸ 吸蔵還元触媒に吸収されずに触媒を通過するものの量が増大する。このため、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸蔵量が増大するにつれて触媒通過後の排気中のＮＯＸ 濃度は増大し、流入排気中のＮＯＸ 濃度に近づくようになる。そして、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒が吸収したＮＯＸ で飽和した状態になると、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒は排気中のＮＯＸ を全く吸収できなくなるため、通過後の排気中のＮＯＸ 濃度は流入排気中のＮＯＸ 濃度と同じレベルになる。
【０００４】
上述のように、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸蔵能力はＮＯＸ 吸蔵量が増大するにつれて低下し、吸蔵量が飽和量に到達するとＮＯＸ 吸蔵還元触媒は排気中のＮＯＸ を全く吸収しなくなる。このため、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の飽和を防止するためにはＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸蔵量を常時監視して、吸蔵量が飽和量に到達する前にＮＯＸ 吸蔵還元触媒からのＮＯＸ の放出と還元浄化とを行う必要がある。しかし、実際にはＮＯＸ 吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯＸ 量を正確に求めることは困難な場合がある。また、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の吸蔵可能な最大ＮＯＸ 量（飽和量）はＮＯＸ 吸蔵還元触媒の劣化とともに低下する。このため、劣化した触媒では少ない吸蔵量でＮＯＸ 吸蔵能力が低下してしまう場合が生じるため、仮にＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸蔵量を正確に求めることができたとしても、ＮＯＸ 吸蔵量のみに基づいて判断しただけではＮＯＸ 吸蔵還元触媒の飽和を防止できない場合がある。
【０００５】
上記公報の装置では、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒通過後の排気中のＮＯＸ 濃度が所定値に到達する毎に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てＮＯＸ 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯＸ を放出させ、還元浄化することによりＮＯＸ 吸蔵還元触媒の吸蔵能力の低下を防止している。なお、以下の説明では、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てＮＯＸ 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯＸ を放出させ、還元浄化する操作をＮＯＸ 吸蔵還元触媒の「再生操作」と称することとする。
【０００６】
ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の劣化が生じると、同一のＮＯＸ 吸蔵量であっても劣化のない場合に較べて吸蔵能力の低下が大きくなり、通過排気中のＮＯＸ 濃度は高くなる。このため、上記特開平７−１６６８５１号公報の装置のように、ＮＯＸ センサを用いて検出したＮＯＸ 吸蔵還元触媒通過排気中のＮＯＸ 濃度が所定値に到達する毎に再生操作を行うことにより、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の飽和を確実に防止するとともに、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒が吸蔵能力が低下した状態で継続的に使用されることを防止することが可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特開平７−１６６８５１号公報の装置のようにＮＯＸ 吸蔵還元触媒通過排気中のＮＯＸ 濃度が所定値に到達する毎に再生操作を実行するようにすると問題が生じる場合がある。
ＮＯＸ 吸蔵還元触媒では再生操作初期、すなわち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直後に比較的多量の未浄化のＮＯＸ が下流側に放出される場合がある。後述するように、本明細書では、この再生操作初期に生じるＮＯＸ 吸蔵還元触媒からの未浄化ＮＯＸ の放出を便宜上「ＮＯＸ の吐き出し」と呼んでいる。この、ＮＯＸ の吐き出しは短時間で終了しその後は未浄化のＮＯＸ が放出されることはないが、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作開始直後はＮＯＸ の吐き出しによりＮＯＸ 吸蔵還元触媒を通過した排気中のＮＯＸ 濃度は一時的に再生操作開始前より増大する場合がある。
【０００８】
一方、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作時にはＮＯＸ 吸蔵還元触媒からのＮＯＸ の放出と還元浄化とは極めて短時間で終了するため、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比は短時間リッチ空燃比になった後リーン空燃比に復帰する。
このため、前述の特開平７−１６６８５１号公報の装置のように触媒下流側に配置したＮＯＸ センサにより触媒通過排気中のＮＯＸ 濃度を検出していると、ＮＯＸ の吐き出しによる高濃度のＮＯＸ を含む排気が再生操作終了後（触媒に流入する排気空燃比がリーン空燃比に復帰後）にＮＯＸ センサに到達するような場合が生じてしまう。上記公報の装置では、再生操作終了後に吐き出しによる高濃度のＮＯＸ を含む排気がＮＯＸ センサに到達すると、実際にはＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作が完了してＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸蔵能力は回復しているにもかかわらず、再度再生操作が開始されてしまう場合が生じる。後述するように、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作は一般的には機関運転空燃比をリッチ空燃比に切り換えて排気空燃比をリッチ空燃比にするか、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒上流側の排気通路に炭化水素等の還元剤を供給してＮＯＸ 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比にすることにより行われる。このため、上記のように本来必要のない再生操作が繰り返されると機関の燃費悪化や還元剤の消費量増大が生じたり、未浄化の還元剤やＨＣ、ＣＯ等の放出により排気性状が悪化する問題がある。
【０００９】
本発明は上記問題に鑑み、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒からの再生操作時のＮＯＸ の吐き出しによる過剰な再生操作の実施を防止し、機関燃費や排気性状の悪化を防止す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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した発明によれば、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のときに排気中のＮＯXを吸収し、流入する排気中の酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯXを放出するＮＯX吸蔵還元触媒と、該ＮＯX吸蔵還元触媒通過後の排気中のＮＯX濃度を検出するＮＯX濃度検出手段と、該ＮＯX濃度検出手段が検出した排気中のＮＯX濃度が予め定めた値以上になったときに、前記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することにより前記ＮＯX吸蔵還元触媒から吸収したＮＯXを放出させ、還元浄化する再生手段と、前記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なったときに前記ＮＯX吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯXが下流側に放出されていることを判定するＮＯX放出判定手段と、前記未浄化のＮＯXの放出が生じていると判定されたときに、前記再生手段が排気空燃比をリッチ空燃比にすることを禁止する禁止手段と、を備え、更に、前記ＮＯ X 放出判定手段は、前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比がリッチ空燃比であるか否かを判定する触媒空燃比判定手段を備え、前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比がリッチ空燃比と判定され、かつ前記ＮＯ X 濃度検出手段で検出したＮＯ X 濃度が所定の判定値以上であるときに前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯ X が放出されていると判定する内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１１】
すなわち、請求項１に記載の発明ではＮＯＸ 吸蔵還元触媒通過後の排気中のＮＯＸ 濃度が予め定めた値以上になったときにＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作が行われる。しかし、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生初期には吐き出しによる未浄化のＮＯＸ の放出が生じるため、ＮＯＸ 濃度のみに基づいて再生操作を行っているとＮＯＸ 吸蔵還元触媒からの吐き出しによるＮＯＸ 濃度増大のため、再生操作完了後に再び再生操作が開始されてしまう場合がある。本発明では、ＮＯＸ 放出判定手段によりＮＯＸ 吸蔵還元触媒再生時のＮＯＸ の吐き出しを判定し、吐き出しが生じている場合には再生操作の開始を禁止する。これにより、吐き出しによる排気中のＮＯＸ 濃度増大が再生操作終了後に検出された場合にもＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作が繰り返されることが防止される。
【００１３】
更に、本発明では、ＮＯX放出判定手段はＮＯX吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比がリッチ空燃比になっており、かつＮＯX濃度検出手段で検出したＮＯX濃度が所定の判定値以上である場合に吐き出しが生じていると判定する。ＮＯX吸蔵還元触媒からの未浄化ＮＯXの吐き出しは、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作開始時、すなわちＮＯX吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比がリッチ空燃比になったときに生じるため、ＮＯX濃度検出手段で検出したＮＯX濃度が判定値より高く、かつＮＯX吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比がリッチ空燃比になっている場合にはＮＯX吸蔵還元触媒からの未浄化ＮＯXの吐き出しが生じていると判定することができる。
【００１４】
請求項２に記載した発明によれば、前記触媒空燃比判定手段は、前記ＮＯX吸蔵還元触媒上流側排気通路または下流側排気通路の少なくとも一方に配置され、排気空燃比を検出する空燃比センサを備え、前記空燃比センサにより検出された排気空燃比に基づいてＮＯX吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比がリッチ空燃比であるか否かを判定する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１５】
すなわち請求項２に記載の発明では、ＮＯX吸蔵還元触媒上流側排気通路または下流側排気通路の少なくとも一方に配置された空燃比センサ出力に基づいてＮＯX吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比がリッチ空燃比になっているか否かを判定する。ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比がリッチになっているとき、及びＮＯX吸蔵還元触媒通過後の排気の空燃比がリッチになっているときにはいずれもＮＯX吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比はリッチになっている。このため、本発明では、空燃比センサを用いてＮＯX吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比が簡易に判定される。
【００１６】
請求項３に記載した発明によれば、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のときに排気中のＮＯ X を吸収し、流入する排気中の酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯ X を放出するＮＯ X 吸蔵還元触媒と、該ＮＯ X 吸蔵還元触媒通過後の排気中のＮＯ X 濃度を検出するＮＯ X 濃度検出手段と、該ＮＯ X 濃度検出手段が検出した排気中のＮＯ X 濃度が予め定めた値以上になったときに、前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比にすることにより前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯ X を放出させ、還元浄化する再生手段と、前記ＮＯ X 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なったときに前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯ X が下流側に放出されていることを判定するＮＯ X 放出判定手段と、前記未浄化のＮＯ X の放出が生じていると判定されたときに、前記再生手段が排気空燃比をリッチ空燃比にすることを禁止する禁止手段と、を備え、前記ＮＯX放出判定手段は、前記再生手段が前記ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比に変化させたときから予め定めた時間が経過するまでの間前記未浄化のＮＯX放出が生じていると判定する内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項３に記載の発明では、ＮＯX放出判定手段は、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作開始後所定の時間内はＮＯX吸蔵還元触媒からの未浄化ＮＯXの吐き出しが生じていると判定する。すなわち、本発明ではＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作を開始してから所定時間が経過するまで次の再生操作の実行が禁止される。
【００１７】
ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作時の未浄化のＮＯＸ の放出は再生操作開始後短時間で終了し、その後は未浄化のＮＯＸ が下流側に放出されることはない。このため、本発明では再生操作開始後所定時間は未浄化のＮＯＸ の吐き出しが生じていると仮定し、この時間内はＮＯＸ 濃度検出手段の検出したＮＯＸ 濃度が増大しても再生操作を行わない。これにより、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒からの未浄化ＮＯＸ の吐き出しを簡易に判定することができる。なお、ＮＯＸ の吐き出しが生じていると判断する時間は実際にＮＯＸ 吸蔵還元触媒から未浄化ＮＯＸ の放出が生じている時間と、放出された未浄化ＮＯＸ がＮＯＸ 濃度検出手段に到達するまでの時間との合計より大きく設定される。
【００１８】
請求項４に記載した発明によれば、更に、前記ＮＯX吸蔵還元触媒の劣化の有無を判定する劣化判定手段を備え、該劣化判定手段は、前記ＮＯX放出判定手段により前記未浄化のＮＯXの放出が終了したことが判定されたときの、前記ＮＯX濃度検出手段の検出したＮＯX濃度が予め定めた劣化判定値以上である場合に、前記ＮＯX吸蔵還元触媒が劣化したと判定する、請求項１または３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１９】
すなわち、請求項４に記載の発明では、ＮＯX吸蔵還元触媒の劣化の有無を判定する劣化判定手段が設けられている。ＮＯX吸蔵還元触媒は再生操作完了直後（すなわち吸収したＮＯXの全量を放出した直後）の状態で最もＮＯX吸蔵能力が高くなる。このため、劣化していない触媒ではＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXの吐き出し終了後はＮＯX吸蔵還元触媒通過後の排気中のＮＯX濃度は極めて低くなる。しかし、ＮＯX吸蔵還元触媒では劣化が進むにつれて吸蔵能力が低下し、劣化の進行とともに再生操作完了後のＮＯX吸蔵能力も低くなる。このため、ＮＯX吸蔵還元触媒の劣化が進むと再生操作時のＮＯXの吐き出し終了後もＮＯX吸蔵還元触媒通過後の排気中のＮＯX濃度は徐々に増大するようになる。すなわち、再生操作時のＮＯX吐き出し終了直後のＮＯX吸蔵還元触媒通過排気のＮＯX濃度を監視することによりＮＯX吸蔵還元触媒の劣化の程度を知ることができる。本発明では、ＮＯX吸蔵還元触媒からの未浄化のＮＯX吐き出しの終了時のＮＯX吸蔵還元触媒通過排気のＮＯX濃度が予め定めた劣化判定値以上になったときにＮＯX吸蔵還元触媒が劣化したと判定するようにしている。これにより、正確にＮＯX吸蔵還元触媒の劣化を判定することが可能となる。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、更に、前記劣化判定手段により前記ＮＯX吸蔵還元触媒が劣化したと判定されたときに、前記ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力を回復させる回復操作を行う回復制御手段を備えた請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項５に記載の発明では請求項４の発明においてＮＯX吸蔵還元触媒が劣化したと判定された場合には、ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力を回復させる回復操作を行う。例えば、ＮＯX吸蔵還元触媒の劣化としては排気中のＳＯＸ （硫黄酸化物）を吸収することによるＳＯＸ 被毒が最も一般的である。また、ＮＯX吸蔵還元触媒のＳＯＸ 被毒はＮＯX吸蔵還元触媒を一定時間高温かつリッチ空燃比雰囲気に保持することにより解消可能である。このため、本発明ではＮＯX吸蔵還元触媒が劣化したと判定された場合には、例えばＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気をリッチ空燃比にするとともに排気温度を上昇させる等の回復操作を行う。これにより、本発明ではＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力を常に高く維持することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
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示す図である。
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。
【００２２】
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。）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。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はスタートキャタリスト５ａ、５ｂ下流側で共通の排気通路２に合流している。本実施形態のスタートキャタリスト５ａ、５ｂは公知の構成の三元触媒とされ、流入する排気の空燃比が理論空燃比近傍の狭い範囲にある場合に排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯＸ の三成分を同時に浄化する機能を有している。
【００２３】
共通排気通路２上には、後述するＮＯＸ 吸蔵還元触媒７が配置されている。図１に２９で示すのは、共通排気通路２のＮＯＸ 吸蔵還元触媒７上流側に配置された上流側空燃比センサ、３１で示すのは、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７下流側の排気通路２に配置された下流側空燃比センサである。本実施形態では、空燃比センサ２９及び３１は、排気中の酸素濃度に基づいて排気空燃比がリーン空燃比かリッチ空燃比かに応じて異なるレベルの出力信号を発生する、いわゆるＯ２ センサとされている。
【００２４】
また、本実施形態ではＮＯＸ 吸蔵還元触媒７下流側の排気通路２の下流側Ｏ２ センサ３１近傍には排気中のＮＯＸ 濃度に応じた信号を出力するＮＯＸ センサ３３が配置されている。ＮＯＸ センサ３３については後述する。
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なっている。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ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７から吸収したＮＯＸ を放出、還元浄化する再生操作を行う再生手段、ＮＯｘ 吐き出しが生じているときにＮＯｘ センサ３３出力に基づく再生操作の実行を禁止する禁止手段等の各手段としての機能を有している。
【００２５】
ＥＣＵ３０の入力ポートには、Ｏ２ センサ２９と３１とからそれぞれＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の上流側と下流側とにおける排気空燃比を表す信号が、また、ＮＯＸ センサ３３からＮＯＸ 吸蔵還元触媒７通過後の排気中のＮＯＸ 濃度を表す信号が、それぞれ図示しないＡＤ変換器を介して入力されている。また、ＥＣＵ３０の出力ポートは、各気筒への燃料噴射量及び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。
【００２６】
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、例えばアルミナを担体とし、この担体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したものである。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、流入排気ガスがリッチになると吸収したＮＯＸ を放出するＮＯＸ の吸放出作用を行う。
【００２７】
この吸放出のメカニズムについて、以下に白金ＰｔおよびバリウムＢａを使用した場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
流入排気中の酸素濃度が増大すると（すなわち排気の空燃比がリーン空燃比になると）、これら酸素は白金Ｐｔ上にＯ２ − またはＯ２−の形で付着し、排気中のＮＯＸ は白金Ｐｔ上のＯ２ − またはＯ２−と反応し、これによりＮＯ２ が生成される。また、流入排気中のＮＯ２ 及び上記により生成したＮＯ２ は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ触媒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 − の形で触媒内に拡散する。このため、リーン雰囲気下では排気中のＮＯＸ が触媒内に硝酸塩の形で吸収されるようになる。
【００２８】
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ＮＯ２ 生成量が減少するため、反応が逆方向に進むようになり、触媒内の硝酸イオンＮＯ３ − はＮＯ２ の形で触媒から放出されるようになる。この場合、排気中にＣＯ等の還元成分やＨＣ、ＣＯ２ 等の成分が存在すると白金Ｐｔ上でこれらの成分によりＮＯ２ が還元される。
【００２９】
本実施形態では、リーン空燃比運転可能な機関１が使用されており、機関１がリーン空燃比で運転されているときには、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒は流入する排気中のＮＯＸ を吸収する。また、機関１がリッチ空燃比で運転されると、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７は吸収したＮＯＸ を放出、還元浄化する。本実施形態では、リーン空燃比運転中にＮＯＸ 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯＸ 量が増大し、後述するＮＯＸ の染み出しによりＮＯＸ 吸蔵還元触媒７に吸収されずに通過する未浄化のＮＯＸ 量が増大すると、短時間機関空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク運転を行い、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒からのＮＯＸ の放出と還元浄化（ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生）を行なうようにしている。なお、機関１の実際の空燃比制御及びリッチスパイク制御については、公知のいずれの制御も使用可能であり本発明の本質部分とは関係しないため詳細な説明は省略する。
【００３０】
次に、本実施形態のＮＯＸ センサ３３のＮＯＸ 検出原理について説明する。
図２は、本実施形態のＮＯＸ センサ３３の構成を模式的に示す図である。
図２において、ＮＯＸ センサ３３は、ジルコニア（ＺｒＯ２ ）等の固体電界質３３１からなり、固体電解質内には、拡散律速部３３５を介して排気通路に連通する第１反応室３４０、第１反応室３４０と拡散律速部３３７を介して連通する第２反応室３５０及び、標準気体としての大気が導入される大気室３６０を備えている。拡散律速部３３５、３３７はそれぞれ第１反応室３４０、第２反応室３５０への酸素成分の拡散による流入を抑制し、排気通路内の排気と第１反応室、第１の反応室と第２反応室との間の酸素濃度差を維持可能とするものである。
【００３１】
図２に３４１で示すのは第１反応室３４０内に配置された白金電極（陰極）、３４２で示すのは陰極３４１と固体電解質３３１を挟んでセンサ３３外部に設けられた同様な白金電極（陽極）である。また、第２反応室３５０内には同様な白金電極３５０とＮＯＸ 検出用のロジウム（Ｒｈ）電極３５３が、大気室３６０内には参照用の白金電極３６１が、それぞれ配置されている。図に３７０で示すのは固体電解質加熱用の電気ヒータである。
【００３２】
第１反応室３４０の電極３４１と外部電極３４２、及び第２反応室の電極３５１と外部電極３４２とは、それぞれ第１反応室３４０と第２反応室３５０内の排気中の酸素を外部に排出する酸素ポンプとして機能する。固体電解質３３１が一定の温度以上のときに電極３４１と３４２、及び電極３５１と３４２との間に電圧を印加すると陰極３４１、３５１上では排気中の酸素分子がイオン化され、イオン化した酸素分子が固体電解質３３１内を陽極３４２に向かって移動して陽極３４２上で再び酸素分子になる。このため、第１反応室３４０、第２反応室３５０内の排気中の酸素が外部に排出される。また、酸素イオンの移動に伴って、電極３４２と３４１及び３５１との間には単位時間に移動した酸素分子の量に比例する電流が流れる。このため、この電流を制御することにより各反応室から排出される酸素量を制御することができる。
【００３３】
また、本実施形態では大気室３６０の電極３６１と各反応室内の電極３４１、３５１との間には酸素電池が形成される。第１と第２反応室内の排気は酸素濃度が大気に較べて低いため、大気室３６０内の大気と各反応室内の排気との間には酸素の濃度差が生じている。大気室３６０と各反応室３４０、３５０とを隔てる固体電解質の温度がある温度以上になると、外部から電極間に電圧を印加しない状態では酸素濃度差により大気室３６０内から固体電解質３３１を通って反応室３４０、３５０に酸素が移動するようになる。すなわち、大気室３６０内の大気中の酸素は電極３６１上でイオン化し、固体電解質３３１内を移動して酸素濃度の低い反応室３４０、３５０の電極３４１、３５１上で再び酸素になる。このため、電極３６１と各電極３４１、３５１との間には大気の酸素濃度と各反応室内の酸素濃度との差に応じた電圧が発生する。大気の酸素濃度は一定であるため、電極３６１と各電極３４１、３５１との電位差Ｖ０、Ｖ１（図２）はそれぞれ第１反応室３４０と第２反応室３５１内の排気の酸素濃度を表すようになる。
【００３４】
本実施形態では、前述したように、各反応室から酸素を外部に排出する酸素ポンプ（電極３４１と３４２、電極３５１と３４２）が備えられており、それぞれの酸素ポンプの排出速度はそれぞれの電極間のポンプ電流Ｉｐ０、Ｉｐ１（図２）を調節することにより、各反応室内の排気の酸素濃度（すなわち、電圧Ｖ０、Ｖ１）が所定の一定値になるように制御される。本実施形態では第１反応室３４０内の酸素濃度は例えば１ｐｐｍ程度に、また、第２の反応室３５０内の酸素濃度は例えば０．０１ｐｐｍ程度になるようにポンプ電流Ｉｐ０、Ｉｐ１が制御されている。このため、第２反応室３５０内は極めて酸素濃度の低い還元雰囲気に維持される。一方、排気中のＮＯＸ （ＮＯ、ＮＯ２ ）は酸素ポンプによっては外部に排出されないため第１、第２反応室中の排気のＮＯＸ 濃度は外部の排気と同一に維持される。ところが、第２反応室のＮＯＸ 検出電極３５３はロジウム（Ｒｈ）であるため還元触媒として機能し、還元雰囲気下でＮＯＸ （ＮＯ、ＮＯ２ ）を還元する。また、大気室３６０の参照電極３６１とＮＯＸ 検出用電極３５３との間には電圧が印加されているため、ＮＯＸ 検出用電極３５３上では、ＮＯ→（１ ／２）Ｎ２ ＋（１／２） Ｏ２ 、またはＮＯ２ →（１ ／２）Ｎ２ ＋Ｏ２ の反応が生じＮＯＸ の還元により酸素が発生するようになる。この酸素は、電極３５３上でイオン化して大気室３６０の参照電極３６１に向かって固体電解質３３１中を移動し、参照電極３６１上で酸素分子を形成する。第２反応室３５０内の酸素濃度は極めて低いため、参照電極３６１に向かって固体電解質中を流れる酸素イオンはその全量が排気中のＮＯＸ の還元により生じたことになる。すなわち、固体電解質中を単位時間あたりに流れる酸素イオンの量は、第２反応室内のＮＯＸ 濃度（排気通路内の排気のＮＯＸ 濃度）に応じた量になる。従って、この酸素イオンの移動に伴って発生する電流値（図２、Ｉｐ２）を計測することにより排気通路内の排気のＮＯＸ 濃度を検出することができる。本実施形態のＮＯＸ センサ３３は、上記電流値Ｉｐ２を電圧信号に変換し、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７通過後の排気中のＮＯＸ 濃度に応じた電圧信号ＶＮＯＸを出力するものである。
【００３５】
次に、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からのＮＯＸ の「吐き出し」と「染み出し」と称する現象について説明する。
本明細書では、前述したようにＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作開始直後に未浄化のＮＯＸ が触媒下流に放出される現象をＮＯＸ の「吐き出し」と称している。ＮＯＸ の「吐き出し」は、ＮＯＸ 吸蔵還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た直後に生じるが、このＮＯＸ の「吐き出し」とは別に実際のＮＯＸ 吸蔵還元触媒ではＮＯＸ の「染み出し」と称する現象が生じる。
【００３６】
実際のＮＯＸ 吸蔵還元触媒では、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒が排気中のＮＯＸ を吸収中（すなわち流入する排気空燃比がリーンのとき）にＮＯＸ 吸蔵還元触媒下流側に未浄化のＮＯＸ が放出される現象が生じる。本明細書では、上記「吐き出し」と区別するために、このリーン排気空燃比下での未浄化のＮＯＸ の放出をＮＯＸ の「染み出し」と称している。
【００３７】
ＮＯＸ の「吐き出し」と「染み出し」とが何故生じるかの理由については現在のところ明確には判明していないが、以下に説明する理由によるものと推測されている。
まず、ＮＯＸ の吐き出しの生じる理由について説明する。
前述のように、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒は吸収したＮＯＸ を硝酸塩の形で保持する。このとき、硝酸イオンはＮＯＸ 吸蔵還元触媒中の吸収剤（例えばＢａＯ）の表面から内部に拡散により移動して硝酸塩を形成する。このため、ＮＯＸ の吸収中には吸収剤表面の硝酸イオン濃度は内部の硝酸イオン濃度より高くなっている。この状態でＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作が開始され吸収剤表面の雰囲気酸素濃度が急激に低下すると、吸収剤表面近傍の高濃度の硝酸イオンがＮＯ２ の形で一斉に吸収剤から放出されるようになる。このため、再生操作開始直後には短時間で比較的多量のＮＯＸ がＮＯＸ 吸蔵還元触媒から放出されるようになり、排気中の還元成分の一時的な不足が生じ、放出されたＮＯＸ の一部が未浄化のままＮＯＸ 吸蔵還元触媒下流側に放出されるようになると考えられる。
【００３８】
また、上記とは別にリッチ空燃比の排気がＮＯＸ 吸蔵還元触媒に到達するとＮＯＸ 吸蔵還元触媒の上流側部分からＮＯＸ が放出され、排気中のＨＣ、ＣＯ等により還元されるが、この還元反応の熱によりＮＯＸ 吸蔵還元触媒表面が局所的に高温になり、高温になった部分の表面付近から急速にＮＯＸ が放出されるために一時的な還元成分の不足が生じて未浄化のＮＯＸ が下流側に放出され吐き出しが生じるとも考えられる。
【００３９】
吸収剤表面近傍の硝酸イオンが放出された後は、吸収剤内部に保持された硝酸イオンが表面に移動してＮＯ２ の形で放出されるようになるが、この場合には吸収剤からのＮＯ２ の放出速度は吸収剤内部での硝酸イオンの移動速度に律速されるようになるため、放出速度は比較的低くなり、還元剤の不足は生じない。
このため、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作開始直後に一時的に未浄化のＮＯＸ が下流側に放出されるＮＯＸ の「吐き出し」が生じるのである。
【００４０】
吐き出しにより放出されるＮＯＸ の量は、吸収剤表面の硝酸イオン濃度が高いほど大きくなる。このため、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯＸ 量（ＮＯＸ 吸蔵量）が多いほど吐き出しにより放出される未浄化のＮＯＸ が増大するようになる。
また、ＮＯＸ の「染み出し」はＮＯＸ 吸蔵還元触媒の吸収剤に吸収されたＮＯＸ 量の増大により吸収剤のＮＯＸ 吸蔵能力が低下するために生じると考えられる。上述したように、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の白金Ｐｔ上で生成された硝酸イオンは吸収剤表面から内部に拡散により移動する。従って、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸蔵量が増大して吸収剤内部の硝酸イオン濃度が増大すると、内部に硝酸イオンが拡散しにくくなり、吸収剤表面の硝酸イオン濃度が増大する。これにより、白金Ｐｔ上でのＮＯ２ →ＮＯ３ − の反応が生じにくくなり排気中のＮＯＸ がＮＯＸ 吸蔵還元触媒に吸収されなくなる。このため、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸収中にはＮＯＸ 吸蔵量が増大するにつれてＮＯＸ 吸蔵還元触媒に吸収されず下流側に流出する未浄化のＮＯＸ 量が増大するようになる。
【００４１】
「染み出し」により放出される未浄化のＮＯＸ は、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の吸収したＮＯＸ 量が増大するほど、すなわちＮＯＸ を吸収、保持できる吸収剤の量が少なくなるほど増大する。また、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒が吸収したＮＯＸ で飽和すると（すなわち、ＮＯＸ を吸収、保持できる吸収剤が全くなくなると）ＮＯＸ 吸蔵還元触媒は排気中のＮＯＸ を全く吸収できなくなり、流入する排気中のＮＯＸ の全量が「染み出し」により下流側に流出するようになる。
【００４２】
「染み出し」によりＮＯＸ 吸蔵還元触媒から放出される未浄化のＮＯＸ 量は、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の吸収したＮＯＸ 量が多いほど増大する。また、劣化等によりＮＯＸ 吸蔵還元触媒の吸収可能な最大ＮＯＸ 量（飽和量）が低下すると、吸収したＮＯＸ 量が同一であっても染み出しにより放出される未浄化のＮＯＸ の量は増大する。
【００４３】
本実施形態では、上記「染み出し」によりＮＯＸ 吸蔵還元触媒から下流側に流出するＮＯＸ の量（濃度）をＮＯＸ センサ３３で検出し、検出したＮＯＸ 濃度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 吸蔵還元触媒の再生操作を行う。
図３は、再生操作実行によるＮＯＸ 吸蔵還元触媒７通過後の排気中のＮＯＸ 濃度の変化を示す図である。
【００４４】
図３において、縦軸はＮＯＸ 吸蔵還元触媒７下流側のＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸ、横軸は時間を表している。機関１がリーン空燃比で運転中ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７は排気中のＮＯＸ を吸収するが、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯＸ の量が増大するにつれて染み出しによりＮＯＸ 吸蔵還元触媒７下流側に流出する未浄化のＮＯＸ 量が徐々に増大する。このため、ＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸも徐々に増大する（図３、ＮＳ部分）。本実施形態では、染み出しによる流出ＮＯＸ 濃度が所定値（図３、ＶＮＯＸ１）に到達すると、制御回路３０は短時間機関１を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７の再生を行う（図３、時点ＲＳ）。リッチスパイク操作が行われてリッチ空燃比の排気がＮＯＸ 吸蔵還元触媒７に流入すると、ＮＯＸ の吐き出しが生じ、未浄化のＮＯＸ がＮＯＸ 吸蔵還元触媒７から放出される。このため、ＮＯＸ センサ３３の出力ＶＮＯＸは、リッチスパイクＲＳ開始直後に比較的大きく増大する（図３、ＮＨ部分）。
【００４５】
リッチスパイク直後のＮＯＸ の吐き出しは極めて短時間で終了する。しかし、吐き出しにより放出された未浄化のＮＯＸ は、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７のサイズやＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からＮＯＸ センサ３３までの距離によっては、排気流前後方向に拡散してＮＯＸ センサ３３に到達する際にはある程度の厚みの層を形成する。このため、ＮＯセンサ３３ではリッチスパイク後の一定期間（図３、期間ＮＴ）高い濃度のＮＯＸ を検出するようになる。一方、リッチスパイクは比較的短時間で終了するため、上記期間ＮＴがリッチスパイク期間より長い場合にはリッチスパイクが終了してＮＯＸ 吸蔵還元触媒７に流入する排気の空燃比がリーン空燃比に復帰した後もＮＯＸ センサ３３の出力がリッチスパイク開始のための判定値ＶＮＯＸ１より高くなっている場合が生じることがある。このような場合には、リッチスパイク終了直後に再度リッチスパイクが行われることになり、機関のリッチ空燃比運転の頻度が増加することによる燃費や排気性状の悪化が生じる。
【００４６】
本発明では、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒から吐き出しが生じていることを判定し、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒通過後の排気のＮＯＸ 濃度増大が吐き出しにより生じていると判断される場合にはＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作の実行を禁止することにより上記問題を解決している。すなわち、本発明では吐き出しによるＮＯＸ 濃度の増大と染み出しによるＮＯＸ 濃度増大とを判別し、染み出しによるＮＯＸ 濃度増大が生じた場合にのみ再生操作の実行を許可するようにしている。
【００４７】
以下、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒からの吐き出しが生じていることの判定方法のいくつかの実施形態について説明する。
（１）第１の実施形態
本実施形態では、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒通過後の排気空燃比がリッチ空燃比になっているか否かにより通過排気中のＮＯＸ 濃度増大が吐き出しにより生じたものか否かを判定する。
【００４８】
前述したように、ＮＯＸ の吐き出しはＮＯＸ 吸蔵還元触媒７に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比になったときに発生する。このため、吐き出しにより放出されたＮＯＸ はリッチ空燃比の排気とともにＮＯＸ センサ３３に到達する。一方、染み出しによるＮＯＸ の放出はリーン空燃比下で生じるため、染み出しにより放出されたＮＯＸ はリーン空燃比の排気とともにＮＯＸ センサ３３に到達する。このため、ＮＯＸ センサ３３でＮＯＸ 濃度の増大が検出されたときのＮＯＸ センサ３３付近の排気空燃比がリーン空燃比かリッチ空燃比かを判定することにより、ＮＯＸ 濃度の増大が吐き出しによるものか染み出しによるものかを判定することができる。本実施形態では、ＮＯＸ センサ３３近傍に配置した下流側Ｏ２ センサ３１出力に基づいてＮＯＸ センサ３３における排気の空燃比を判定し、排気空燃比がリッチになっているときには、ＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸに基づくリッチスパイク操作の開始を禁止することにより、不要なリッチスパイク操作が行われることを防止している。
【００４９】
なお、ＮＯＸ センサ３３における排気空燃比がリッチ空燃比になっているときにリッチスパイク操作の開始を禁止することは、吐き出しの有無の判定以外にも意味を有する場合がある。
例えば図２に示した構成のＮＯＸ センサ３３を用いた場合には、排気空燃比がリーン空燃比である場合には安定したＮＯＸ 濃度の検出が行えるが、排気空燃比がリッチ空燃比になるとＮＯＸ センサ３３の出力が不安定になり、ＮＯＸ 濃度の検出精度がばらつくようになる場合がある。以前に説明したように、本実施形態のＮＯＸ センサ３３は、第１反応室３４０と第２反応室３５０内で排気中の酸素を除去し、ＮＯＸ の還元により生じる酸素量を検出することによりＮＯＸ 濃度を検出している。ところが、第１反応室３４０または第２反応室３５０にＨＣ、ＣＯ等の成分が多量に存在する場合、すなわち反応室内に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比である場合には、反応室内でＮＯＸ が排気中のＨＣ、ＣＯと反応してしまいＮ２ に転換されてしまう。このため、排気空燃比がリッチ空燃比になると、第２反応室の電極３５１上で生成される酸素イオンの量が排気中の実際のＮＯＸ 濃度と対応しなくなる場合が生じＮＯＸ センサ３３の出力が不安定になる場合が生じるのである。このため、リッチ空燃比下でのＮＯＸ センサ３３出力に基づいてリッチスパイク開始の判断を行うとＮＯＸ センサ３３検出精度の低下のために誤ってリッチスパイクが開始されてしまう場合が生じてしまう。
【００５０】
本実施形態では、ＮＯＸ センサ３３における排気空燃比がリッチ空燃比のときにリッチスパイク実行を禁止するため、リッチ空燃比下におけるＮＯＸ センサ３３の検出精度の低下による上記問題の発生をも同時に防止可能となっている。
図４は、本実施形態のＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の再生操作開始の要否を判定するための再生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により行われる。
【００５１】
図４の操作では、下流側Ｏ２ センサ３１の出力がリッチ空燃比相当出力である場合には、ＮＯＸ センサ３３出力に基づく再生操作（リッチスパイク操作）の実行が禁止される。
すなわち、図４の操作ではステップ４０１でＮＯｘ センサ３３出力ＶＮＯＸと下流側Ｏ２ センサ３１出力ＶＯＤが読み込まれ、ステップ４０３ではＮＯｘ 吸蔵還元触媒の再生操作の要否がＮＯｘ センサ３３出力ＶＮＯＸに基づいて判定される。すなわち、出力ＶＮＯＸが予め定めた値ＶＮＯＸ１（図３）に到達しているか否かが判定される。ステップ４０３でＶＮＯＸ≧ＶＮＯＸ１である場合には、ＮＯｘ 吸蔵還元触媒下流側に流出する未浄化のＮＯｘ 量が増大しているため、ステップ４０５に進みこのＮＯｘ の増大が吐き出しにより生じたものか通常の染み出しにより生じたものかを判定する。
【００５２】
すなわち、ステップ４０５では現在下流側Ｏ２ センサ３１出力ＶＯＤがリッチ空燃比相当出力か否かが判定される。現在ＶＯＤがリッチ空燃比相当出力である場合には、ＮＯｘ の増大が吐き出しにより生じている可能性があり、また、ＮＯｘ センサ３３の出力が不安定になっている可能性がある。このため、この場合には再生操作を実行せずにそのまま今回の操作の実行を終了する。これにより、ＮＯｘ 吸蔵還元触媒７からの未浄化ＮＯｘ の吐き出しにより不要な再生操作が開始されることが防止される。
【００５３】
また、ステップ４０３でＶＮＯＸ＜ＶＮＯＸ１である場合も、染み出しによる未浄化ＮＯｘ の放出量は許容範囲内であり再生操作で実行する必要はないため、直ちに今回の操作の実行を終了する。
ステップ４０５でＶＯＤがリッチ空燃比相当出力でない場合（リーン空燃比または理論空燃比相当出力の場合）には、実際に染み出しによるＮＯｘ 量が増大しており、再生操作を直ちに開始する必要があると考えられるため、ステップ４０７に進みリッチスパイクフラグＸＲＳの値を１に設定して操作を終了する。
【００５４】
リッチスパイクフラグＸＲＳの値が１にセットされると、別途ＥＣＵ３０により実行されるルーチンにより、一定時間機関１の運転空燃比はリッチ空燃比に切り換えられ、その後リーン空燃比に復帰する。また、リーン空燃比復帰時にフラグＸＲＳの値は０にリセットされる。このリッチスパイク操作によりＮＯＸ 吸蔵還元触媒７に吸収されていたＮＯＸ は放出され、リッチ空燃比排気中のＨＣ、ＣＯ成分により還元浄化される。
【００５５】
（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。前述の第１の実施形態では下流側Ｏ２ センサ３１出力を用いてＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からの吐き出しが生じているか否かを判定していたが、本実施形態では上流側Ｏ２ センサ２９出力に基づいて吐き出しを判定している。
【００５６】
前述のように、ＮＯＸ センサ３３における排気空燃比がリッチ空燃比になっている間はＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸはＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からの未浄化ＮＯＸ の吐き出しとセンサ３３出力の不安定化とのために高い値になっている可能性がある。本実施形態では、上流側Ｏ２ センサ２９で検出した排気空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に変化したときから所定の時間が経過するまではＮＯＸ センサ３３出力に基づく再生操作実行を禁止する。すなわち、上流側Ｏ２ センサ２９で排気空燃比がリーン空燃比になったことが検出された場合には、ある時間経過後にはこのリーン空燃比の排気がＮＯＸ センサ３３に到達し、確実にＮＯＸ センサ３３付近の排気空燃比はリーンになっている。この状態では、吐き出しによりＮＯＸ 吸蔵還元触媒７から放出された未浄化のＮＯＸ は既にＮＯＸ センサ３３を通過し終わっている。このため、上流側Ｏ２ センサ２９出力がリッチ空燃比相当出力からリーン空燃比相当出力に変化してから所定時間（排気が上流側Ｏ２ センサ２９の位置からＮＯＸ センサ３３の位置に到達するまでの時間）が経過するまでの間ＮＯＸ センサ３３出力に基づく再生操作の実行を禁止すれば吐き出しの影響により不要な再生操作が実行されることを確実に防止することができる。これにより、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７上流側にのみ空燃比センサを有する機関の場合にも簡易に不要な再生操作が実行されることを防止することが可能となる。
【００５７】
図５は、本実施形態の再生判定操作を説明する図４と同様なフローチャートである。本操作もＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
図５の操作が開始されると、ステップ５０１ではＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸと上流側Ｏ２ センサ２９出力ＶＯＵとが読み込まれ、ステップ５０３ではＶＯＵがリッチ空燃比相当出力か否かが判定される。そして、ＶＯＵがリッチ空燃比相当出力でない場合（リーンまたは理論空燃比相当出力の場合）にはステップ５０７で計時カウンタＣＴの値が１増大される。カウンタＣＴはステップ５０３でＶＯＵがリッチ空燃比相当出力である間は操作実行毎に０にリセット（ステップ５０５）されるため上流側Ｏ２ センサ２９の出力がリッチ空燃比相当出力からリーン空燃比（または理論空燃比）相当出力に変化した時点からの経過時間に対応した値となっている。
【００５８】
ステップ５０９では、図４ステップ４０３と同様ＮＯｘ センサ３３出力ＶＮＯＸがＶＮＯＸ１以上になっているか否かが判定され、ＶＮＯＸ≧ＶＮＯＸ１であった場合には、ステップ５１１で前述のカウンタＣＴの値に基づいてＶＯＵがリーン空燃比（または理論空燃比）相当出力に変化してから所定時間が経過したか否か（すなわちＣＴ≧ＣＴ０ か否か）が判定される。ここで、ＣＴ０ は上流側Ｏ２ センサ２９を通過した排気がＮＯｘ 吸蔵還元触媒７下流側のＮＯｘ センサ３３に到達するまでの所要時間に相当するカウンタ値である。
【００５９】
ステップ５１１でＣＴ＜ＣＴ０ であった場合には、まだＮＯｘ センサ３３における排気空燃比はリッチ空燃比である可能性があるため、ステップ５０９でのＮＯｘ 濃度増大は吐き出しにより生じている可能性がある。そこで、この場合には、ステップ５１３の再生操作開始をスキップして今回の操作実行を終了する。これにより、ＮＯｘ 吸蔵還元触媒７からの未浄化ＮＯｘ の吐き出しにより不要な再生操作が開始されることが防止される。
【００６０】
また、ステップ５１１でＣＴ≧ＣＴ０ であった場合には、ＮＯｘ センサ３３における排気空燃比は既にリーン空燃比になっており、吐き出しによりＮＯｘ 吸蔵還元触媒７から放出された未浄化ＮＯｘ はＮＯｘ センサ３３を通過し終わっていると考えられる。このため、ステップ５０９でのＮＯｘ 濃度の増大は通常の染み出しにより生じており、ＮＯｘ 吸蔵還元触媒の再生操作を直ちに開始する必要があるので、ステップ５１３に進みフラグＸＲＳの値を１にセットする。フラグＸＲＳの機能は、図４のものと同一である。
【００６１】
これにより、真にＮＯＸ 吸蔵還元触媒７のＮＯＸ 吸蔵能力が低下した場合にのみ再生操作が開始されるようになり、不要な再生操作の実行が防止される。
（３）第３の実施形態
本実施形態では、Ｏ２ センサ２９、３１の出力を用いずにＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の再生操作開始後の時間のみに基づいてＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からの吐き出しが生じているか否かを判定する。
【００６２】
ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からの未浄化のＮＯＸ の吐き出しは再生操作開始後短時間の間に終了する。このため、再生操作が開始されてから所定の時間が経過すればＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からの未浄化ＮＯＸ の吐き出しは終了していると考えて良い。そこで、本実施形態ではＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の再生操作開始時から所定時間が経過するまでの間のみＮＯＸ センサ３３出力に基づく再生操作実行を禁止するようにしている。本実施形態では、これによりＯ２ センサの出力を用いることなく簡易にＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からの吐き出しが生じているか否かを判定することが可能となっている。
【００６３】
図６は、本実施形態の再生判定操作を説明する図４、図５と同様なフローチャートである。本操作もＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
図６の操作が開始されると、ステップ６０１ではＮＯｘ センサ３３出力ＶＮＯＸが読み込まれるとともに、ステップ６０３ではＮＯｘ センサ３３出力ＶＮＯＸがＶＮＯＸ１に到達しているか否かが判定される。
【００６４】
ステップ６０３でＶＮＯＸ≧ＶＮＯＸ１であった場合には、すなわちＮＯｘ 濃度が所定値ＶＮＯＸ１以上に増大している場合には、次にステップ６０７に進みカウンタＣＴＲの値に基づいてこのＮＯｘ の増大が吐き出しにより生じているか否かが判定される。
ステップ６０７では、ＣＴＲ＜ＣＴＲ０ の場合にステップ６０３でのＮＯｘ 濃度の増大が吐き出しにより生じたと判断される。カウンタＣＴＲはステップ６０９でリッチスパイクフラグＸＲＳの値が１にセットされると同時に、すなわち再生操作が開始されたときに０にリセットされ（ステップ６１１）、それ以外の場合（ステップ６０３でＶＮＯＸ＜ＶＮＯＸ１の場合、及びステップ６０７でＣＴＲ＜ＣＴＲ０ の場合）には操作実行毎に１ずつ増大（ステップ６０５）される。このため、カウンタＣＴＲの値は前回再生操作が開始された時からの経過時間に対応する値になっている。また、所定値ＣＴＲ０ は再生操作開始後ＮＯｘ 吸蔵還元触媒７からの未浄化ＮＯｘ の吐き出しが終了し、放出された未浄化ＮＯｘ がＮＯｘ センサ３３の位置を通過し終わるまでの時間に相当する値に設定される。
【００６５】
ステップ６０７でＣＴＲ≧ＣＴＲ０ の場合には、ステップ６０３におけるＮＯｘ の増大は通常の染み出しにより生じているため直ちにＮＯｘ 吸蔵還元触媒の再生操作を行う必要がある。そこで、この場合にはステップ６０９でリッチスパイクフラグＸＲＳの値が１にセットされ、ステップ６１１ではカウンタＣＴＲの値が０にリセットされる。また、ステップ６０３で再生操作が不要（ＶＮＯＸ＜ＶＮＯＸ１）と判断された場合、及びステップ６０７で現在吐き出しが生じている（ＣＴＲ＜ＣＴＲ０ ）と判断された場合には、フラグＸＲＳのセットは行わず、カウンタＣＴＲの値を１増大して今回の操作を終了する。
【００６６】
上述のように、本実施形態ではＯ２ センサの出力を用いることなくＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からのＮＯＸ の吐き出しを判定できるため、排気系にＯ２ センサを備えていない機関でも簡易に不要な再生操作の実行を防止することが可能となっている。
（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。本実施形態においては、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からの未浄化ＮＯＸ の吐き出しの有無を第１の実施形態と同様に下流側Ｏ２ センサ３１出力に基づいて判定するとともに、ＮＯＸ の吐き出しが終了したと判定されたときのＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸに基づいてＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の劣化を判定する操作を行う。
【００６７】
ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７は種々の原因によって劣化し、劣化とともにＮＯＸ 吸蔵能力が低下する。例えば、排気中に硫黄酸化物（ＳＯＸ ）が含まれているとＮＯＸ 吸蔵還元触媒７は前述したＮＯＸ の吸放出メカニズムと同様なメカニズムにより硫黄酸化物を硫酸塩の形で吸収する。しかし、吸収剤内の硫酸塩（例えばＢａＳＯ４ ）は硝酸塩に較べて安定性が高く、通常のＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作では放出されない。このため、通常のＮＯＸ 吸蔵還元触媒再生操作を繰り返していると、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒内には徐々に硫酸塩が蓄積されてしまい、ＮＯＸ の吸収に関与できる吸収剤が減少しＮＯＸ の吸蔵能力が低下する。本明細書では、この排気中のＳＯＸ の吸収によるＮＯＸ 吸蔵還元触媒の劣化をＳＯＸ 被毒と呼ぶ。
【００６８】
ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の再生操作が終了すると、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯＸ の全量が放出されてＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の吸蔵能力は最大になる。しかし、上述したＳＯＸ 被毒等のＮＯＸ 吸蔵還元触媒の劣化が生じると再生操作完了後のＮＯＸ 吸蔵能力も徐々に低下するようになる。
図７は、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒通過後の排気中のＮＯＸ 濃度の再生操作前後の変化を示す図３と同様な図であり、図中の実線は正常な（劣化していない）ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の場合を、点線はＳＯＸ 被毒などにより劣化が生じた触媒の場合を、それぞれ示している。
【００６９】
図７点線に示すように、劣化したＮＯＸ 吸蔵還元触媒では、再生操作終了後のＮＯＸ 吸蔵能力が低下するため、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒からのＮＯＸ の吐き出しが終了した時点の下流側排気中のＮＯＸ 濃度（図７、Ａ点）は正常なＮＯＸ 吸蔵還元触媒に較べて高くなる。また、吐き出し終了後の下流側排気のＮＯＸ 濃度は流入する排気中のＮＯＸ 濃度が同一であってもＮＯＸ 吸蔵還元触媒の劣化が進むほど高くなる。
【００７０】
本実施形態では、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からの未浄化ＮＯＸ の吐き出しが終了した時点（図７、Ａ点）を下流側Ｏ２ センサ３１出力ＶＯＤに基づいて判定するとともに、このときのＮＯＸ センサ３３出力に基づいて触媒が許容できない程度まで劣化しているか否かを判定する。
図８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により行われる。
【００７１】
なお、図示していないが、本実施形態においても、第１の実施形態と同様な操作が別途行われており、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯＸ の吐き出しが生じている間は再生操作の実行が禁止されている。
図８の操作では、下流側空燃比センサ３１で検出した排気空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比（または理論空燃比）に変化した時点を判定し（ステップ８０３、８０５、８０７）、このときのＮＯＸ センサ３３で検出したＮＯＸ 濃度（すなわち、図７のＡ点のＮＯＸ 濃度）が予め定めた判定値ＶＮＯＸ２以上に増大している場合に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。
【００７２】
すなわち、図８で操作がスタートすると、ステップ８０１ではＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸと下流側Ｏ２ センサ３１出力ＶＯＤとが読み込まれ、ステップ８０３ではＯ２ センサ３１出力がリッチ空燃比相当出力か否かが判定される。
ステップ８０３で下流側Ｏ２ センサ３１出力がリッチ空燃比相当出力であった場合には、ステップ８０５でフラグＲの値を０にリセットして今回の操作実行を終了する。すなわち、フラグＲの値は下流側Ｏ２ センサ３１出力ＶＯＤがリッチ空燃比相当出力である間は常に０にリセットされている。また、フラグＲの値は空燃比がリーンになったときに後述するステップ８１５で１にセットされる。
【００７３】
ステップ８０３で出力ＶＯＤがリッチ空燃比相当出力でない場合、すなわちリーン空燃比または理論空燃比相当出力である場合には、次にステップ８０７で上記フラグＲの値が０か否かが判定される。フラグＲの値は、ＶＯＤがリッチ空燃比相当出力の間はステップ８０５で０に設定され、ＶＯＤがリーン空燃比または理論空燃比相当出力になるとステップ８１５で１にセットされる。このため、ステップ８０３でＶＯＤがリーン空燃比または理論空燃比相当出力であり、かつステップ８０７でＲ＝０であった場合には、今回の操作はＮＯＸ 吸蔵還元触媒７通過後の排気空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比または理論空燃比に変化した後最初に実行されていること、すなわち、現在のＮＯＸ 吸蔵還元触媒７通過後の排気中のＮＯＸ 濃度は図７に示したＡ点（ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の最大ＮＯＸ 吸蔵能力に対応した値）にあることを意味している。
【００７４】
そこで、この場合にはステップ８０９で現在のＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸが所定値ＶＮＯＸ２以上になっているか否かが判定される。ＶＮＯＸ≧ＶＮＯＸ２である場合には、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７が劣化してＮＯＸ 吸蔵能力が許容できないほど低下しているために、再生操作終了後にも下流側排気のＮＯＸ 濃度が高くなっていることを意味する。そこで、この場合にはステップ８１３で劣化フラグＸＦの値を１にセットした後、ステップ８１５で前述のフラグＲの値を１にセットして操作を終了する。また、ステップ８０９でＶＮＯＸ＜ＶＮＯＸ２である場合にはＮＯＸ 吸蔵還元触媒７は許容できない程度までは劣化していないため、ステップ８１１で劣化フラグＸＦの値を０にセットしてステップ８１５でフラグＲの値を１にセットして操作を終了する。これにより、次回の操作実行時からはステップ８０７の後直ちに操作が終了するようになり、ステップ８０９の劣化判定は実行されない。本実施形態では、フラグＸＦの値が１にセットされると例えば別途ＥＣＵ３０により実行されるルーチンにより運転席の警告灯が点灯され運転者にＮＯＸ 吸蔵還元触媒７が劣化したことが報知される。
【００７５】
図８の操作により、本実施形態ではＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の劣化の有無が下流側Ｏ２ センサ出力ＶＯＤとＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸとに基づいて正確に判定される。
（５）第５の実施形態
本実施形態では、上流側Ｏ２ センサ２９出力ＶＯＵに基づいてＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からのＮＯＸ の吐き出し終了時を判定し、ＮＯＸ 吐き出し終了時のＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸに基づいてＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の劣化の有無を判定する。
【００７６】
図９は、本実施形態の劣化判定操作を示すフローチャートである。本操作もＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
図９の操作では、第２の実施形態（図５）と同じ計時カウンタＣＴと第４の実施形態（図８）と同じフラグＲとを用いて、上流側Ｏ２ センサ２９出力がリッチ空燃比相当出力からリーン空燃比または理論空燃比相当出力に変化した時点から所定時間（ＣＴ２ ）経過後の時点のＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸに基づいてＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の劣化を判定している。すなわち、上流側Ｏ２ センサ２９の位置で排気空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比または理論空燃比に変化すると、変化後の空燃比の排気は所定時間（ＣＴ２ ）経過後にＮＯＸ センサ３３に到達する。このため、上流側空燃比センサ２９の位置で空燃比がリッチからリーンに変化した時点から所定時間後のＮＯＸ センサ３３出力は図７のＡ点に対応していることになる。ここで、上記所定時間（ＣＴ２ ）は上流側Ｏ２ センサ２９を通過した排気がＮＯＸ 吸蔵還元触媒７を通過してＮＯＸ センサ３３に到達するのに必要な時間に相当する。
【００７７】
図９の操作では、ステップ９０１でＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸと上流側Ｏ２ センサ２９出力ＶＯＵとを読み込み、フラグＲを用いて前述の第４の実施形態（図８）と同じ操作でＶＮＯＸがリッチ空燃比相当出力からリーン空燃比（または理論空燃比）相当出力に変化した時点を検出する（ステップ９０３、９０５、９０９、９２１）。そして、更に計時カウンタＣＴを用いて第２の実施形態（図５）と同じ操作（ステップ９０７、９１１、９１３）で、上流側Ｏ２ センサ２９の出力の変化時期から所定時間ＣＴ２ が経過したときにＮＯＸ センサ３３出力による劣化判定（ステップ９１５、９１７、９１９）を実行する。図９の各ステップの操作は、図５または図８の操作と同一であるのでここでは詳細な説明は省略する。
【００７８】
なお、図示は省略するが本実施形態においても別途第２の実施形態（図５）と同一の操作が行われ、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からのＮＯＸ の吐き出しが生じている間はＮＯＸ センサ３３出力に基づく再生操作実行が禁止される。
なお、前述の第４の実施形態では下流側Ｏ２ センサ３１出力に基づいて、また本実施形態では上流側Ｏ２ センサ２９出力に基づいて、それぞれＮＯＸ センサ３３出力に基づく劣化判定（図８ステップ８０９、図９ステップ９１５）の実行タイミングを判定しているが、第３の実施形態と同様にＯ２ センサ２９、３１の出力を用いずに、再生操作開始後所定時間が経過したときにＮＯＸ センサ３３出力に基づく劣化判定を実施することも可能である。
【００７９】
（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。本実施形態では、上記第４または第５の実施形態の操作のいずれかによりＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の劣化を判定するとともに、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７が許容できないほど劣化していると判定された場合にはＮＯＸ 吸蔵還元触媒７のＮＯＸ 吸蔵能力を回復させるための操作を行う。
【００８０】
ＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸蔵能力の回復操作は、劣化の種類に応じて種々の方法がとられるが、ここではＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＳＯＸ 被毒による劣化からのＮＯＸ 吸蔵能力の回復操作に例をとって説明する。
前述したように、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＳＯＸ 被毒による劣化はＮＯＸ 吸蔵還元触媒中に硫酸塩が蓄積されることにより生じる。この硫酸塩を放出させるためには、通常の再生操作より高い温度でＮＯＸ 吸蔵還元触媒をリッチ空燃比雰囲気に一定時間保持することが効果的であることが判明している。
【００８１】
そこで、本実施形態ではＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の劣化が生じていると判定されたときには、機関１をリッチ空燃比で運転するとともに、機関の点火時期を遅角すること等により機関の排気温度を上昇させる。これにより、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７には通常の再生操作時より高い温度のリッチ空燃比の排気が通過するようになり、高温リッチ空燃比雰囲気下でＮＯＸ 吸蔵還元触媒７から吸収したＳＯＸ が放出されるようになる。
【００８２】
図１０は本実施形態の回復操作を示す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。
図１０において操作がスタートすると、ステップ１００１では、劣化フラグＸＦの値が１（劣化）にセットされているか否かが判定される。フラグＸＦの値は前述の第４または第５の実施形態の操作により設定される。フラグＸＦの値が１にセットされていた場合には、ステップ１００５で操作実行毎に計時カウンタＫＴの値を１増大するとともに、ステップ１００７でカウンタＫＴの値が所定値ＫＴ０ に到達するまでステップ１００９の回復操作を実行する。カウンタＫＴの値は、ステップ１００１で劣化フラグＸＦの値が０（正常）にセットされている場合には０にリセットされるため、ＫＴの値はステップ１００９の回復操作の実行開始からの時間に対応している。
【００８３】
本実施形態のステップ１００９の回復操作では、機関１はリッチ空燃比で運転されるとともに、機関点火時期が遅角され排気温度は通常の再生操作時より高い値に維持される。これにより、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からはＮＯＸ のみならず吸収したＳＯＸ が放出されるようになり、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７のＮＯＸ 吸蔵能力が回復する。
【００８４】
ステップ１００９の回復操作は、カウンタＫＴの値が所定値ＫＴ０ に到達すると終了し（ステップ１０１１）、機関１は通常のリーン空燃比運転を再開する。ここで、所定値ＫＴ０ はＮＯＸ 吸蔵還元触媒７から吸収したＳＯＸ の全量が放出されるのに必要な時間に相当し、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７のサイズ、種類により異なってくるため詳細には実際のＮＯＸ 吸蔵還元触媒を用いた実験により決定することが好ましい。ステップ１０１１で回復操作終了後、ステップ１０１３では劣化フラグＸＦの値は０（正常）にセットされる。これにより、次回の操作実行時からは、次にＸＦの値が１にセットされるまで回復操作は実行されなくなる。
【００８５】
なお、上述の第１から第６の実施形態は本発明をガソリン機関に適用した場合を例にとって説明しているが、本発明はディーゼル機関にも適用可能である。この場合、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作としてはＮＯＸ 吸蔵還元触媒上流側の排気通路に還元剤（例えば燃料油等の炭化水素等）を噴射するか、或いは各気筒の排気行程中に追加の燃料噴射を行うことによりＮＯＸ 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を短時間リッチにする等の方法により行われる。
【００８６】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、ＮＯX吸蔵還元触媒からの未浄化のＮＯXの放出により不要な再生操作の実行を防止することにより、機関の燃費や排気性状が悪化することが防止可能となる共通の効果を奏する。
請求項４に記載の発明では、更に上記共通の効果に加えてＮＯX吸蔵還元触媒の劣化を正確に判定することが可能となる効果を奏する。
【００８７】
また、請求項５に記載の発明では、請求項４の効果に加えてＮＯX吸蔵還元触媒の劣化が判定されたときにＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵能力の回復操作を行うことにより、ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵能力を常に高く維持することが可能となる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排気浄化装置を自動車用ガソリン機関に適用した場合の概略構成を説明する図である。
【図２】図１のＮＯＸ センサの構造の一例を示す模式図である。
【図３】ＮＯＸ 吸蔵還元触媒からのＮＯＸ の「吐き出し」と「染み出し」とを説明する図である。
【図４】本発明の第１の実施形態を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施形態を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第３の実施形態を説明するフローチャートである。
【図７】ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の劣化による下流側排気ＮＯＸ 濃度の変化を説明する図である。
【図８】本発明の第４の実施形態を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の第５の実施形態を説明するフローチャートである。
【図１０】本発明の第６の実施形態を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…内燃機関
２…排気通路
７…ＮＯＸ 吸蔵還元触媒
３０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２９、３１…Ｏ２ センサ
３３…ＮＯＸ センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、詳細には流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯＸ を吸収し、流入する排気中の酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯＸ を放出する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。
【０００２】
【従来の技術】
この種のＮＯＸ 吸蔵還元触媒を用いた排気浄化装置の例としては、例えば特開平７−１６６８５１号公報に記載されたものがある。
同公報の装置は、内燃機関の排気通路にＮＯＸ 吸蔵還元触媒を配置すると共に、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒下流側の排気中のＮＯＸ 濃度を検出するＮＯＸ センサを用いてＮＯＸ 吸蔵還元触媒を通過した排気中のＮＯＸ 濃度を監視するようにしたものである。同公報の装置ではＮＯＸ 吸蔵還元触媒下流側の排気中のＮＯＸ 濃度が予め定めた値を越えたときにＮＯＸ 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリッチにしてＮＯＸ 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯＸ を放出させ、還元浄化している。
【０００３】
ＮＯＸ 吸蔵還元触媒は、吸収したＮＯＸ 量が増大するにつれてＮＯＸ の吸蔵能力が低下していく。すなわち、ＮＯＸ を全く吸収していない状態ではＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸蔵能力は最も高くなっており、流入する排気中のＮＯＸ の大部分がＮＯＸ 吸蔵還元触媒に吸収されるため、流入排気中のＮＯＸ 濃度が比較的高くなっていてもＮＯＸ 吸蔵還元触媒通過後の排気中のＮＯＸ 濃度は低くなる。しかし、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒内に吸収されたＮＯＸ 量（ＮＯＸ 吸蔵量）が増大するにつれてＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸蔵能力は低下し、流入排気ガス中のＮＯＸ のうちＮＯＸ 吸蔵還元触媒に吸収されずに触媒を通過するものの量が増大する。このため、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸蔵量が増大するにつれて触媒通過後の排気中のＮＯＸ 濃度は増大し、流入排気中のＮＯＸ 濃度に近づくようになる。そして、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒が吸収したＮＯＸ で飽和した状態になると、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒は排気中のＮＯＸ を全く吸収できなくなるため、通過後の排気中のＮＯＸ 濃度は流入排気中のＮＯＸ 濃度と同じレベルになる。
【０００４】
上述のように、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸蔵能力はＮＯＸ 吸蔵量が増大するにつれて低下し、吸蔵量が飽和量に到達するとＮＯＸ 吸蔵還元触媒は排気中のＮＯＸ を全く吸収しなくなる。このため、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の飽和を防止するためにはＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸蔵量を常時監視して、吸蔵量が飽和量に到達する前にＮＯＸ 吸蔵還元触媒からのＮＯＸ の放出と還元浄化とを行う必要がある。しかし、実際にはＮＯＸ 吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯＸ 量を正確に求めることは困難な場合がある。また、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の吸蔵可能な最大ＮＯＸ 量（飽和量）はＮＯＸ 吸蔵還元触媒の劣化とともに低下する。このため、劣化した触媒では少ない吸蔵量でＮＯＸ 吸蔵能力が低下してしまう場合が生じるため、仮にＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸蔵量を正確に求めることができたとしても、ＮＯＸ 吸蔵量のみに基づいて判断しただけではＮＯＸ 吸蔵還元触媒の飽和を防止できない場合がある。
【０００５】
上記公報の装置では、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒通過後の排気中のＮＯＸ 濃度が所定値に到達する毎に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てＮＯＸ 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯＸ を放出させ、還元浄化することによりＮＯＸ 吸蔵還元触媒の吸蔵能力の低下を防止している。なお、以下の説明では、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てＮＯＸ 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯＸ を放出させ、還元浄化する操作をＮＯＸ 吸蔵還元触媒の「再生操作」と称することとする。
【０００６】
ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の劣化が生じると、同一のＮＯＸ 吸蔵量であっても劣化のない場合に較べて吸蔵能力の低下が大きくなり、通過排気中のＮＯＸ 濃度は高くなる。このため、上記特開平７−１６６８５１号公報の装置のように、ＮＯＸ センサを用いて検出したＮＯＸ 吸蔵還元触媒通過排気中のＮＯＸ 濃度が所定値に到達する毎に再生操作を行うことにより、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の飽和を確実に防止するとともに、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒が吸蔵能力が低下した状態で継続的に使用されることを防止することが可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特開平７−１６６８５１号公報の装置のようにＮＯＸ 吸蔵還元触媒通過排気中のＮＯＸ 濃度が所定値に到達する毎に再生操作を実行するようにすると問題が生じる場合がある。
ＮＯＸ 吸蔵還元触媒では再生操作初期、すなわち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直後に比較的多量の未浄化のＮＯＸ が下流側に放出される場合がある。後述するように、本明細書では、この再生操作初期に生じるＮＯＸ 吸蔵還元触媒からの未浄化ＮＯＸ の放出を便宜上「ＮＯＸ の吐き出し」と呼んでいる。この、ＮＯＸ の吐き出しは短時間で終了しその後は未浄化のＮＯＸ が放出されることはないが、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作開始直後はＮＯＸ の吐き出しによりＮＯＸ 吸蔵還元触媒を通過した排気中のＮＯＸ 濃度は一時的に再生操作開始前より増大する場合がある。
【０００８】
一方、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作時にはＮＯＸ 吸蔵還元触媒からのＮＯＸ の放出と還元浄化とは極めて短時間で終了するため、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比は短時間リッチ空燃比になった後リーン空燃比に復帰する。
このため、前述の特開平７−１６６８５１号公報の装置のように触媒下流側に配置したＮＯＸ センサにより触媒通過排気中のＮＯＸ 濃度を検出していると、ＮＯＸ の吐き出しによる高濃度のＮＯＸ を含む排気が再生操作終了後（触媒に流入する排気空燃比がリーン空燃比に復帰後）にＮＯＸ センサに到達するような場合が生じてしまう。上記公報の装置では、再生操作終了後に吐き出しによる高濃度のＮＯＸ を含む排気がＮＯＸ センサに到達すると、実際にはＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作が完了してＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸蔵能力は回復しているにもかかわらず、再度再生操作が開始されてしまう場合が生じる。後述するように、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作は一般的には機関運転空燃比をリッチ空燃比に切り換えて排気空燃比をリッチ空燃比にするか、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒上流側の排気通路に炭化水素等の還元剤を供給してＮＯＸ 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比にすることにより行われる。このため、上記のように本来必要のない再生操作が繰り返されると機関の燃費悪化や還元剤の消費量増大が生じたり、未浄化の還元剤やＨＣ、ＣＯ等の放出により排気性状が悪化する問題がある。
【０００９】
本発明は上記問題に鑑み、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒からの再生操作時のＮＯＸ の吐き出しによる過剰な再生操作の実施を防止し、機関燃費や排気性状の悪化を防止す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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した発明によれば、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のときに排気中のＮＯXを吸収し、流入する排気中の酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯXを放出するＮＯX吸蔵還元触媒と、該ＮＯX吸蔵還元触媒通過後の排気中のＮＯX濃度を検出するＮＯX濃度検出手段と、該ＮＯX濃度検出手段が検出した排気中のＮＯX濃度が予め定めた値以上になったときに、前記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することにより前記ＮＯX吸蔵還元触媒から吸収したＮＯXを放出させ、還元浄化する再生手段と、前記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なったときに前記ＮＯX吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯXが下流側に放出されていることを判定するＮＯX放出判定手段と、前記未浄化のＮＯXの放出が生じていると判定されたときに、前記再生手段が排気空燃比をリッチ空燃比にすることを禁止する禁止手段と、を備え、更に、前記ＮＯ X 放出判定手段は、前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比がリッチ空燃比であるか否かを判定する触媒空燃比判定手段を備え、前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比がリッチ空燃比と判定され、かつ前記ＮＯ X 濃度検出手段で検出したＮＯ X 濃度が所定の判定値以上であるときに前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯ X が放出されていると判定する内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１１】
すなわち、請求項１に記載の発明ではＮＯＸ 吸蔵還元触媒通過後の排気中のＮＯＸ 濃度が予め定めた値以上になったときにＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作が行われる。しかし、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生初期には吐き出しによる未浄化のＮＯＸ の放出が生じるため、ＮＯＸ 濃度のみに基づいて再生操作を行っているとＮＯＸ 吸蔵還元触媒からの吐き出しによるＮＯＸ 濃度増大のため、再生操作完了後に再び再生操作が開始されてしまう場合がある。本発明では、ＮＯＸ 放出判定手段によりＮＯＸ 吸蔵還元触媒再生時のＮＯＸ の吐き出しを判定し、吐き出しが生じている場合には再生操作の開始を禁止する。これにより、吐き出しによる排気中のＮＯＸ 濃度増大が再生操作終了後に検出された場合にもＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作が繰り返されることが防止される。
【００１３】
更に、本発明では、ＮＯX放出判定手段はＮＯX吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比がリッチ空燃比になっており、かつＮＯX濃度検出手段で検出したＮＯX濃度が所定の判定値以上である場合に吐き出しが生じていると判定する。ＮＯX吸蔵還元触媒からの未浄化ＮＯXの吐き出しは、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作開始時、すなわちＮＯX吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比がリッチ空燃比になったときに生じるため、ＮＯX濃度検出手段で検出したＮＯX濃度が判定値より高く、かつＮＯX吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比がリッチ空燃比になっている場合にはＮＯX吸蔵還元触媒からの未浄化ＮＯXの吐き出しが生じていると判定することができる。
【００１４】
請求項２に記載した発明によれば、前記触媒空燃比判定手段は、前記ＮＯX吸蔵還元触媒上流側排気通路または下流側排気通路の少なくとも一方に配置され、排気空燃比を検出する空燃比センサを備え、前記空燃比センサにより検出された排気空燃比に基づいてＮＯX吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比がリッチ空燃比であるか否かを判定する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１５】
すなわち請求項２に記載の発明では、ＮＯX吸蔵還元触媒上流側排気通路または下流側排気通路の少なくとも一方に配置された空燃比センサ出力に基づいてＮＯX吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比がリッチ空燃比になっているか否かを判定する。ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比がリッチになっているとき、及びＮＯX吸蔵還元触媒通過後の排気の空燃比がリッチになっているときにはいずれもＮＯX吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比はリッチになっている。このため、本発明では、空燃比センサを用いてＮＯX吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比が簡易に判定される。
【００１６】
請求項３に記載した発明によれば、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のときに排気中のＮＯ X を吸収し、流入する排気中の酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯ X を放出するＮＯ X 吸蔵還元触媒と、該ＮＯ X 吸蔵還元触媒通過後の排気中のＮＯ X 濃度を検出するＮＯ X 濃度検出手段と、該ＮＯ X 濃度検出手段が検出した排気中のＮＯ X 濃度が予め定めた値以上になったときに、前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比にすることにより前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯ X を放出させ、還元浄化する再生手段と、前記ＮＯ X 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なったときに前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯ X が下流側に放出されていることを判定するＮＯ X 放出判定手段と、前記未浄化のＮＯ X の放出が生じていると判定されたときに、前記再生手段が排気空燃比をリッチ空燃比にすることを禁止する禁止手段と、を備え、前記ＮＯX放出判定手段は、前記再生手段が前記ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比に変化させたときから予め定めた時間が経過するまでの間前記未浄化のＮＯX放出が生じていると判定する内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項３に記載の発明では、ＮＯX放出判定手段は、ＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作開始後所定の時間内はＮＯX吸蔵還元触媒からの未浄化ＮＯXの吐き出しが生じていると判定する。すなわち、本発明ではＮＯX吸蔵還元触媒の再生操作を開始してから所定時間が経過するまで次の再生操作の実行が禁止される。
【００１７】
ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作時の未浄化のＮＯＸ の放出は再生操作開始後短時間で終了し、その後は未浄化のＮＯＸ が下流側に放出されることはない。このため、本発明では再生操作開始後所定時間は未浄化のＮＯＸ の吐き出しが生じていると仮定し、この時間内はＮＯＸ 濃度検出手段の検出したＮＯＸ 濃度が増大しても再生操作を行わない。これにより、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒からの未浄化ＮＯＸ の吐き出しを簡易に判定することができる。なお、ＮＯＸ の吐き出しが生じていると判断する時間は実際にＮＯＸ 吸蔵還元触媒から未浄化ＮＯＸ の放出が生じている時間と、放出された未浄化ＮＯＸ がＮＯＸ 濃度検出手段に到達するまでの時間との合計より大きく設定される。
【００１８】
請求項４に記載した発明によれば、更に、前記ＮＯX吸蔵還元触媒の劣化の有無を判定する劣化判定手段を備え、該劣化判定手段は、前記ＮＯX放出判定手段により前記未浄化のＮＯXの放出が終了したことが判定されたときの、前記ＮＯX濃度検出手段の検出したＮＯX濃度が予め定めた劣化判定値以上である場合に、前記ＮＯX吸蔵還元触媒が劣化したと判定する、請求項１または３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１９】
すなわち、請求項４に記載の発明では、ＮＯX吸蔵還元触媒の劣化の有無を判定する劣化判定手段が設けられている。ＮＯX吸蔵還元触媒は再生操作完了直後（すなわち吸収したＮＯXの全量を放出した直後）の状態で最もＮＯX吸蔵能力が高くなる。このため、劣化していない触媒ではＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXの吐き出し終了後はＮＯX吸蔵還元触媒通過後の排気中のＮＯX濃度は極めて低くなる。しかし、ＮＯX吸蔵還元触媒では劣化が進むにつれて吸蔵能力が低下し、劣化の進行とともに再生操作完了後のＮＯX吸蔵能力も低くなる。このため、ＮＯX吸蔵還元触媒の劣化が進むと再生操作時のＮＯXの吐き出し終了後もＮＯX吸蔵還元触媒通過後の排気中のＮＯX濃度は徐々に増大するようになる。すなわち、再生操作時のＮＯX吐き出し終了直後のＮＯX吸蔵還元触媒通過排気のＮＯX濃度を監視することによりＮＯX吸蔵還元触媒の劣化の程度を知ることができる。本発明では、ＮＯX吸蔵還元触媒からの未浄化のＮＯX吐き出しの終了時のＮＯX吸蔵還元触媒通過排気のＮＯX濃度が予め定めた劣化判定値以上になったときにＮＯX吸蔵還元触媒が劣化したと判定するようにしている。これにより、正確にＮＯX吸蔵還元触媒の劣化を判定することが可能となる。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、更に、前記劣化判定手段により前記ＮＯX吸蔵還元触媒が劣化したと判定されたときに、前記ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力を回復させる回復操作を行う回復制御手段を備えた請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項５に記載の発明では請求項４の発明においてＮＯX吸蔵還元触媒が劣化したと判定された場合には、ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力を回復させる回復操作を行う。例えば、ＮＯX吸蔵還元触媒の劣化としては排気中のＳＯＸ （硫黄酸化物）を吸収することによるＳＯＸ 被毒が最も一般的である。また、ＮＯX吸蔵還元触媒のＳＯＸ 被毒はＮＯX吸蔵還元触媒を一定時間高温かつリッチ空燃比雰囲気に保持することにより解消可能である。このため、本発明ではＮＯX吸蔵還元触媒が劣化したと判定された場合には、例えばＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気をリッチ空燃比にするとともに排気温度を上昇させる等の回復操作を行う。これにより、本発明ではＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力を常に高く維持することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
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示す図である。
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。
【００２２】
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。）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。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はスタートキャタリスト５ａ、５ｂ下流側で共通の排気通路２に合流している。本実施形態のスタートキャタリスト５ａ、５ｂは公知の構成の三元触媒とされ、流入する排気の空燃比が理論空燃比近傍の狭い範囲にある場合に排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯＸ の三成分を同時に浄化する機能を有している。
【００２３】
共通排気通路２上には、後述するＮＯＸ 吸蔵還元触媒７が配置されている。図１に２９で示すのは、共通排気通路２のＮＯＸ 吸蔵還元触媒７上流側に配置された上流側空燃比センサ、３１で示すのは、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７下流側の排気通路２に配置された下流側空燃比センサである。本実施形態では、空燃比センサ２９及び３１は、排気中の酸素濃度に基づいて排気空燃比がリーン空燃比かリッチ空燃比かに応じて異なるレベルの出力信号を発生する、いわゆるＯ２ センサとされている。
【００２４】
また、本実施形態ではＮＯＸ 吸蔵還元触媒７下流側の排気通路２の下流側Ｏ２ センサ３１近傍には排気中のＮＯＸ 濃度に応じた信号を出力するＮＯＸ センサ３３が配置されている。ＮＯＸ センサ３３については後述する。
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なっている。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ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７から吸収したＮＯＸ を放出、還元浄化する再生操作を行う再生手段、ＮＯｘ 吐き出しが生じているときにＮＯｘ センサ３３出力に基づく再生操作の実行を禁止する禁止手段等の各手段としての機能を有している。
【００２５】
ＥＣＵ３０の入力ポートには、Ｏ２ センサ２９と３１とからそれぞれＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の上流側と下流側とにおける排気空燃比を表す信号が、また、ＮＯＸ センサ３３からＮＯＸ 吸蔵還元触媒７通過後の排気中のＮＯＸ 濃度を表す信号が、それぞれ図示しないＡＤ変換器を介して入力されている。また、ＥＣＵ３０の出力ポートは、各気筒への燃料噴射量及び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。
【００２６】
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、例えばアルミナを担体とし、この担体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したものである。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、流入排気ガスがリッチになると吸収したＮＯＸ を放出するＮＯＸ の吸放出作用を行う。
【００２７】
この吸放出のメカニズムについて、以下に白金ＰｔおよびバリウムＢａを使用した場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
流入排気中の酸素濃度が増大すると（すなわち排気の空燃比がリーン空燃比になると）、これら酸素は白金Ｐｔ上にＯ２ − またはＯ２−の形で付着し、排気中のＮＯＸ は白金Ｐｔ上のＯ２ − またはＯ２−と反応し、これによりＮＯ２ が生成される。また、流入排気中のＮＯ２ 及び上記により生成したＮＯ２ は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ触媒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 − の形で触媒内に拡散する。このため、リーン雰囲気下では排気中のＮＯＸ が触媒内に硝酸塩の形で吸収されるようになる。
【００２８】
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ＮＯ２ 生成量が減少するため、反応が逆方向に進むようになり、触媒内の硝酸イオンＮＯ３ − はＮＯ２ の形で触媒から放出されるようになる。この場合、排気中にＣＯ等の還元成分やＨＣ、ＣＯ２ 等の成分が存在すると白金Ｐｔ上でこれらの成分によりＮＯ２ が還元される。
【００２９】
本実施形態では、リーン空燃比運転可能な機関１が使用されており、機関１がリーン空燃比で運転されているときには、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒は流入する排気中のＮＯＸ を吸収する。また、機関１がリッチ空燃比で運転されると、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７は吸収したＮＯＸ を放出、還元浄化する。本実施形態では、リーン空燃比運転中にＮＯＸ 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯＸ 量が増大し、後述するＮＯＸ の染み出しによりＮＯＸ 吸蔵還元触媒７に吸収されずに通過する未浄化のＮＯＸ 量が増大すると、短時間機関空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク運転を行い、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒からのＮＯＸ の放出と還元浄化（ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生）を行なうようにしている。なお、機関１の実際の空燃比制御及びリッチスパイク制御については、公知のいずれの制御も使用可能であり本発明の本質部分とは関係しないため詳細な説明は省略する。
【００３０】
次に、本実施形態のＮＯＸ センサ３３のＮＯＸ 検出原理について説明する。
図２は、本実施形態のＮＯＸ センサ３３の構成を模式的に示す図である。
図２において、ＮＯＸ センサ３３は、ジルコニア（ＺｒＯ２ ）等の固体電界質３３１からなり、固体電解質内には、拡散律速部３３５を介して排気通路に連通する第１反応室３４０、第１反応室３４０と拡散律速部３３７を介して連通する第２反応室３５０及び、標準気体としての大気が導入される大気室３６０を備えている。拡散律速部３３５、３３７はそれぞれ第１反応室３４０、第２反応室３５０への酸素成分の拡散による流入を抑制し、排気通路内の排気と第１反応室、第１の反応室と第２反応室との間の酸素濃度差を維持可能とするものである。
【００３１】
図２に３４１で示すのは第１反応室３４０内に配置された白金電極（陰極）、３４２で示すのは陰極３４１と固体電解質３３１を挟んでセンサ３３外部に設けられた同様な白金電極（陽極）である。また、第２反応室３５０内には同様な白金電極３５０とＮＯＸ 検出用のロジウム（Ｒｈ）電極３５３が、大気室３６０内には参照用の白金電極３６１が、それぞれ配置されている。図に３７０で示すのは固体電解質加熱用の電気ヒータである。
【００３２】
第１反応室３４０の電極３４１と外部電極３４２、及び第２反応室の電極３５１と外部電極３４２とは、それぞれ第１反応室３４０と第２反応室３５０内の排気中の酸素を外部に排出する酸素ポンプとして機能する。固体電解質３３１が一定の温度以上のときに電極３４１と３４２、及び電極３５１と３４２との間に電圧を印加すると陰極３４１、３５１上では排気中の酸素分子がイオン化され、イオン化した酸素分子が固体電解質３３１内を陽極３４２に向かって移動して陽極３４２上で再び酸素分子になる。このため、第１反応室３４０、第２反応室３５０内の排気中の酸素が外部に排出される。また、酸素イオンの移動に伴って、電極３４２と３４１及び３５１との間には単位時間に移動した酸素分子の量に比例する電流が流れる。このため、この電流を制御することにより各反応室から排出される酸素量を制御することができる。
【００３３】
また、本実施形態では大気室３６０の電極３６１と各反応室内の電極３４１、３５１との間には酸素電池が形成される。第１と第２反応室内の排気は酸素濃度が大気に較べて低いため、大気室３６０内の大気と各反応室内の排気との間には酸素の濃度差が生じている。大気室３６０と各反応室３４０、３５０とを隔てる固体電解質の温度がある温度以上になると、外部から電極間に電圧を印加しない状態では酸素濃度差により大気室３６０内から固体電解質３３１を通って反応室３４０、３５０に酸素が移動するようになる。すなわち、大気室３６０内の大気中の酸素は電極３６１上でイオン化し、固体電解質３３１内を移動して酸素濃度の低い反応室３４０、３５０の電極３４１、３５１上で再び酸素になる。このため、電極３６１と各電極３４１、３５１との間には大気の酸素濃度と各反応室内の酸素濃度との差に応じた電圧が発生する。大気の酸素濃度は一定であるため、電極３６１と各電極３４１、３５１との電位差Ｖ０、Ｖ１（図２）はそれぞれ第１反応室３４０と第２反応室３５１内の排気の酸素濃度を表すようになる。
【００３４】
本実施形態では、前述したように、各反応室から酸素を外部に排出する酸素ポンプ（電極３４１と３４２、電極３５１と３４２）が備えられており、それぞれの酸素ポンプの排出速度はそれぞれの電極間のポンプ電流Ｉｐ０、Ｉｐ１（図２）を調節することにより、各反応室内の排気の酸素濃度（すなわち、電圧Ｖ０、Ｖ１）が所定の一定値になるように制御される。本実施形態では第１反応室３４０内の酸素濃度は例えば１ｐｐｍ程度に、また、第２の反応室３５０内の酸素濃度は例えば０．０１ｐｐｍ程度になるようにポンプ電流Ｉｐ０、Ｉｐ１が制御されている。このため、第２反応室３５０内は極めて酸素濃度の低い還元雰囲気に維持される。一方、排気中のＮＯＸ （ＮＯ、ＮＯ２ ）は酸素ポンプによっては外部に排出されないため第１、第２反応室中の排気のＮＯＸ 濃度は外部の排気と同一に維持される。ところが、第２反応室のＮＯＸ 検出電極３５３はロジウム（Ｒｈ）であるため還元触媒として機能し、還元雰囲気下でＮＯＸ （ＮＯ、ＮＯ２ ）を還元する。また、大気室３６０の参照電極３６１とＮＯＸ 検出用電極３５３との間には電圧が印加されているため、ＮＯＸ 検出用電極３５３上では、ＮＯ→（１ ／２）Ｎ２ ＋（１／２） Ｏ２ 、またはＮＯ２ →（１ ／２）Ｎ２ ＋Ｏ２ の反応が生じＮＯＸ の還元により酸素が発生するようになる。この酸素は、電極３５３上でイオン化して大気室３６０の参照電極３６１に向かって固体電解質３３１中を移動し、参照電極３６１上で酸素分子を形成する。第２反応室３５０内の酸素濃度は極めて低いため、参照電極３６１に向かって固体電解質中を流れる酸素イオンはその全量が排気中のＮＯＸ の還元により生じたことになる。すなわち、固体電解質中を単位時間あたりに流れる酸素イオンの量は、第２反応室内のＮＯＸ 濃度（排気通路内の排気のＮＯＸ 濃度）に応じた量になる。従って、この酸素イオンの移動に伴って発生する電流値（図２、Ｉｐ２）を計測することにより排気通路内の排気のＮＯＸ 濃度を検出することができる。本実施形態のＮＯＸ センサ３３は、上記電流値Ｉｐ２を電圧信号に変換し、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７通過後の排気中のＮＯＸ 濃度に応じた電圧信号ＶＮＯＸを出力するものである。
【００３５】
次に、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からのＮＯＸ の「吐き出し」と「染み出し」と称する現象について説明する。
本明細書では、前述したようにＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作開始直後に未浄化のＮＯＸ が触媒下流に放出される現象をＮＯＸ の「吐き出し」と称している。ＮＯＸ の「吐き出し」は、ＮＯＸ 吸蔵還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た直後に生じるが、このＮＯＸ の「吐き出し」とは別に実際のＮＯＸ 吸蔵還元触媒ではＮＯＸ の「染み出し」と称する現象が生じる。
【００３６】
実際のＮＯＸ 吸蔵還元触媒では、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒が排気中のＮＯＸ を吸収中（すなわち流入する排気空燃比がリーンのとき）にＮＯＸ 吸蔵還元触媒下流側に未浄化のＮＯＸ が放出される現象が生じる。本明細書では、上記「吐き出し」と区別するために、このリーン排気空燃比下での未浄化のＮＯＸ の放出をＮＯＸ の「染み出し」と称している。
【００３７】
ＮＯＸ の「吐き出し」と「染み出し」とが何故生じるかの理由については現在のところ明確には判明していないが、以下に説明する理由によるものと推測されている。
まず、ＮＯＸ の吐き出しの生じる理由について説明する。
前述のように、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒は吸収したＮＯＸ を硝酸塩の形で保持する。このとき、硝酸イオンはＮＯＸ 吸蔵還元触媒中の吸収剤（例えばＢａＯ）の表面から内部に拡散により移動して硝酸塩を形成する。このため、ＮＯＸ の吸収中には吸収剤表面の硝酸イオン濃度は内部の硝酸イオン濃度より高くなっている。この状態でＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作が開始され吸収剤表面の雰囲気酸素濃度が急激に低下すると、吸収剤表面近傍の高濃度の硝酸イオンがＮＯ２ の形で一斉に吸収剤から放出されるようになる。このため、再生操作開始直後には短時間で比較的多量のＮＯＸ がＮＯＸ 吸蔵還元触媒から放出されるようになり、排気中の還元成分の一時的な不足が生じ、放出されたＮＯＸ の一部が未浄化のままＮＯＸ 吸蔵還元触媒下流側に放出されるようになると考えられる。
【００３８】
また、上記とは別にリッチ空燃比の排気がＮＯＸ 吸蔵還元触媒に到達するとＮＯＸ 吸蔵還元触媒の上流側部分からＮＯＸ が放出され、排気中のＨＣ、ＣＯ等により還元されるが、この還元反応の熱によりＮＯＸ 吸蔵還元触媒表面が局所的に高温になり、高温になった部分の表面付近から急速にＮＯＸ が放出されるために一時的な還元成分の不足が生じて未浄化のＮＯＸ が下流側に放出され吐き出しが生じるとも考えられる。
【００３９】
吸収剤表面近傍の硝酸イオンが放出された後は、吸収剤内部に保持された硝酸イオンが表面に移動してＮＯ２ の形で放出されるようになるが、この場合には吸収剤からのＮＯ２ の放出速度は吸収剤内部での硝酸イオンの移動速度に律速されるようになるため、放出速度は比較的低くなり、還元剤の不足は生じない。
このため、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作開始直後に一時的に未浄化のＮＯＸ が下流側に放出されるＮＯＸ の「吐き出し」が生じるのである。
【００４０】
吐き出しにより放出されるＮＯＸ の量は、吸収剤表面の硝酸イオン濃度が高いほど大きくなる。このため、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯＸ 量（ＮＯＸ 吸蔵量）が多いほど吐き出しにより放出される未浄化のＮＯＸ が増大するようになる。
また、ＮＯＸ の「染み出し」はＮＯＸ 吸蔵還元触媒の吸収剤に吸収されたＮＯＸ 量の増大により吸収剤のＮＯＸ 吸蔵能力が低下するために生じると考えられる。上述したように、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の白金Ｐｔ上で生成された硝酸イオンは吸収剤表面から内部に拡散により移動する。従って、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸蔵量が増大して吸収剤内部の硝酸イオン濃度が増大すると、内部に硝酸イオンが拡散しにくくなり、吸収剤表面の硝酸イオン濃度が増大する。これにより、白金Ｐｔ上でのＮＯ２ →ＮＯ３ − の反応が生じにくくなり排気中のＮＯＸ がＮＯＸ 吸蔵還元触媒に吸収されなくなる。このため、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸収中にはＮＯＸ 吸蔵量が増大するにつれてＮＯＸ 吸蔵還元触媒に吸収されず下流側に流出する未浄化のＮＯＸ 量が増大するようになる。
【００４１】
「染み出し」により放出される未浄化のＮＯＸ は、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の吸収したＮＯＸ 量が増大するほど、すなわちＮＯＸ を吸収、保持できる吸収剤の量が少なくなるほど増大する。また、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒が吸収したＮＯＸ で飽和すると（すなわち、ＮＯＸ を吸収、保持できる吸収剤が全くなくなると）ＮＯＸ 吸蔵還元触媒は排気中のＮＯＸ を全く吸収できなくなり、流入する排気中のＮＯＸ の全量が「染み出し」により下流側に流出するようになる。
【００４２】
「染み出し」によりＮＯＸ 吸蔵還元触媒から放出される未浄化のＮＯＸ 量は、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の吸収したＮＯＸ 量が多いほど増大する。また、劣化等によりＮＯＸ 吸蔵還元触媒の吸収可能な最大ＮＯＸ 量（飽和量）が低下すると、吸収したＮＯＸ 量が同一であっても染み出しにより放出される未浄化のＮＯＸ の量は増大する。
【００４３】
本実施形態では、上記「染み出し」によりＮＯＸ 吸蔵還元触媒から下流側に流出するＮＯＸ の量（濃度）をＮＯＸ センサ３３で検出し、検出したＮＯＸ 濃度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 吸蔵還元触媒の再生操作を行う。
図３は、再生操作実行によるＮＯＸ 吸蔵還元触媒７通過後の排気中のＮＯＸ 濃度の変化を示す図である。
【００４４】
図３において、縦軸はＮＯＸ 吸蔵還元触媒７下流側のＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸ、横軸は時間を表している。機関１がリーン空燃比で運転中ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７は排気中のＮＯＸ を吸収するが、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯＸ の量が増大するにつれて染み出しによりＮＯＸ 吸蔵還元触媒７下流側に流出する未浄化のＮＯＸ 量が徐々に増大する。このため、ＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸも徐々に増大する（図３、ＮＳ部分）。本実施形態では、染み出しによる流出ＮＯＸ 濃度が所定値（図３、ＶＮＯＸ１）に到達すると、制御回路３０は短時間機関１を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７の再生を行う（図３、時点ＲＳ）。リッチスパイク操作が行われてリッチ空燃比の排気がＮＯＸ 吸蔵還元触媒７に流入すると、ＮＯＸ の吐き出しが生じ、未浄化のＮＯＸ がＮＯＸ 吸蔵還元触媒７から放出される。このため、ＮＯＸ センサ３３の出力ＶＮＯＸは、リッチスパイクＲＳ開始直後に比較的大きく増大する（図３、ＮＨ部分）。
【００４５】
リッチスパイク直後のＮＯＸ の吐き出しは極めて短時間で終了する。しかし、吐き出しにより放出された未浄化のＮＯＸ は、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７のサイズやＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からＮＯＸ センサ３３までの距離によっては、排気流前後方向に拡散してＮＯＸ センサ３３に到達する際にはある程度の厚みの層を形成する。このため、ＮＯセンサ３３ではリッチスパイク後の一定期間（図３、期間ＮＴ）高い濃度のＮＯＸ を検出するようになる。一方、リッチスパイクは比較的短時間で終了するため、上記期間ＮＴがリッチスパイク期間より長い場合にはリッチスパイクが終了してＮＯＸ 吸蔵還元触媒７に流入する排気の空燃比がリーン空燃比に復帰した後もＮＯＸ センサ３３の出力がリッチスパイク開始のための判定値ＶＮＯＸ１より高くなっている場合が生じることがある。このような場合には、リッチスパイク終了直後に再度リッチスパイクが行われることになり、機関のリッチ空燃比運転の頻度が増加することによる燃費や排気性状の悪化が生じる。
【００４６】
本発明では、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒から吐き出しが生じていることを判定し、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒通過後の排気のＮＯＸ 濃度増大が吐き出しにより生じていると判断される場合にはＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作の実行を禁止することにより上記問題を解決している。すなわち、本発明では吐き出しによるＮＯＸ 濃度の増大と染み出しによるＮＯＸ 濃度増大とを判別し、染み出しによるＮＯＸ 濃度増大が生じた場合にのみ再生操作の実行を許可するようにしている。
【００４７】
以下、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒からの吐き出しが生じていることの判定方法のいくつかの実施形態について説明する。
（１）第１の実施形態
本実施形態では、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒通過後の排気空燃比がリッチ空燃比になっているか否かにより通過排気中のＮＯＸ 濃度増大が吐き出しにより生じたものか否かを判定する。
【００４８】
前述したように、ＮＯＸ の吐き出しはＮＯＸ 吸蔵還元触媒７に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比になったときに発生する。このため、吐き出しにより放出されたＮＯＸ はリッチ空燃比の排気とともにＮＯＸ センサ３３に到達する。一方、染み出しによるＮＯＸ の放出はリーン空燃比下で生じるため、染み出しにより放出されたＮＯＸ はリーン空燃比の排気とともにＮＯＸ センサ３３に到達する。このため、ＮＯＸ センサ３３でＮＯＸ 濃度の増大が検出されたときのＮＯＸ センサ３３付近の排気空燃比がリーン空燃比かリッチ空燃比かを判定することにより、ＮＯＸ 濃度の増大が吐き出しによるものか染み出しによるものかを判定することができる。本実施形態では、ＮＯＸ センサ３３近傍に配置した下流側Ｏ２ センサ３１出力に基づいてＮＯＸ センサ３３における排気の空燃比を判定し、排気空燃比がリッチになっているときには、ＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸに基づくリッチスパイク操作の開始を禁止することにより、不要なリッチスパイク操作が行われることを防止している。
【００４９】
なお、ＮＯＸ センサ３３における排気空燃比がリッチ空燃比になっているときにリッチスパイク操作の開始を禁止することは、吐き出しの有無の判定以外にも意味を有する場合がある。
例えば図２に示した構成のＮＯＸ センサ３３を用いた場合には、排気空燃比がリーン空燃比である場合には安定したＮＯＸ 濃度の検出が行えるが、排気空燃比がリッチ空燃比になるとＮＯＸ センサ３３の出力が不安定になり、ＮＯＸ 濃度の検出精度がばらつくようになる場合がある。以前に説明したように、本実施形態のＮＯＸ センサ３３は、第１反応室３４０と第２反応室３５０内で排気中の酸素を除去し、ＮＯＸ の還元により生じる酸素量を検出することによりＮＯＸ 濃度を検出している。ところが、第１反応室３４０または第２反応室３５０にＨＣ、ＣＯ等の成分が多量に存在する場合、すなわち反応室内に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比である場合には、反応室内でＮＯＸ が排気中のＨＣ、ＣＯと反応してしまいＮ２ に転換されてしまう。このため、排気空燃比がリッチ空燃比になると、第２反応室の電極３５１上で生成される酸素イオンの量が排気中の実際のＮＯＸ 濃度と対応しなくなる場合が生じＮＯＸ センサ３３の出力が不安定になる場合が生じるのである。このため、リッチ空燃比下でのＮＯＸ センサ３３出力に基づいてリッチスパイク開始の判断を行うとＮＯＸ センサ３３検出精度の低下のために誤ってリッチスパイクが開始されてしまう場合が生じてしまう。
【００５０】
本実施形態では、ＮＯＸ センサ３３における排気空燃比がリッチ空燃比のときにリッチスパイク実行を禁止するため、リッチ空燃比下におけるＮＯＸ センサ３３の検出精度の低下による上記問題の発生をも同時に防止可能となっている。
図４は、本実施形態のＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の再生操作開始の要否を判定するための再生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により行われる。
【００５１】
図４の操作では、下流側Ｏ２ センサ３１の出力がリッチ空燃比相当出力である場合には、ＮＯＸ センサ３３出力に基づく再生操作（リッチスパイク操作）の実行が禁止される。
すなわち、図４の操作ではステップ４０１でＮＯｘ センサ３３出力ＶＮＯＸと下流側Ｏ２ センサ３１出力ＶＯＤが読み込まれ、ステップ４０３ではＮＯｘ 吸蔵還元触媒の再生操作の要否がＮＯｘ センサ３３出力ＶＮＯＸに基づいて判定される。すなわち、出力ＶＮＯＸが予め定めた値ＶＮＯＸ１（図３）に到達しているか否かが判定される。ステップ４０３でＶＮＯＸ≧ＶＮＯＸ１である場合には、ＮＯｘ 吸蔵還元触媒下流側に流出する未浄化のＮＯｘ 量が増大しているため、ステップ４０５に進みこのＮＯｘ の増大が吐き出しにより生じたものか通常の染み出しにより生じたものかを判定する。
【００５２】
すなわち、ステップ４０５では現在下流側Ｏ２ センサ３１出力ＶＯＤがリッチ空燃比相当出力か否かが判定される。現在ＶＯＤがリッチ空燃比相当出力である場合には、ＮＯｘ の増大が吐き出しにより生じている可能性があり、また、ＮＯｘ センサ３３の出力が不安定になっている可能性がある。このため、この場合には再生操作を実行せずにそのまま今回の操作の実行を終了する。これにより、ＮＯｘ 吸蔵還元触媒７からの未浄化ＮＯｘ の吐き出しにより不要な再生操作が開始されることが防止される。
【００５３】
また、ステップ４０３でＶＮＯＸ＜ＶＮＯＸ１である場合も、染み出しによる未浄化ＮＯｘ の放出量は許容範囲内であり再生操作で実行する必要はないため、直ちに今回の操作の実行を終了する。
ステップ４０５でＶＯＤがリッチ空燃比相当出力でない場合（リーン空燃比または理論空燃比相当出力の場合）には、実際に染み出しによるＮＯｘ 量が増大しており、再生操作を直ちに開始する必要があると考えられるため、ステップ４０７に進みリッチスパイクフラグＸＲＳの値を１に設定して操作を終了する。
【００５４】
リッチスパイクフラグＸＲＳの値が１にセットされると、別途ＥＣＵ３０により実行されるルーチンにより、一定時間機関１の運転空燃比はリッチ空燃比に切り換えられ、その後リーン空燃比に復帰する。また、リーン空燃比復帰時にフラグＸＲＳの値は０にリセットされる。このリッチスパイク操作によりＮＯＸ 吸蔵還元触媒７に吸収されていたＮＯＸ は放出され、リッチ空燃比排気中のＨＣ、ＣＯ成分により還元浄化される。
【００５５】
（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。前述の第１の実施形態では下流側Ｏ２ センサ３１出力を用いてＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からの吐き出しが生じているか否かを判定していたが、本実施形態では上流側Ｏ２ センサ２９出力に基づいて吐き出しを判定している。
【００５６】
前述のように、ＮＯＸ センサ３３における排気空燃比がリッチ空燃比になっている間はＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸはＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からの未浄化ＮＯＸ の吐き出しとセンサ３３出力の不安定化とのために高い値になっている可能性がある。本実施形態では、上流側Ｏ２ センサ２９で検出した排気空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に変化したときから所定の時間が経過するまではＮＯＸ センサ３３出力に基づく再生操作実行を禁止する。すなわち、上流側Ｏ２ センサ２９で排気空燃比がリーン空燃比になったことが検出された場合には、ある時間経過後にはこのリーン空燃比の排気がＮＯＸ センサ３３に到達し、確実にＮＯＸ センサ３３付近の排気空燃比はリーンになっている。この状態では、吐き出しによりＮＯＸ 吸蔵還元触媒７から放出された未浄化のＮＯＸ は既にＮＯＸ センサ３３を通過し終わっている。このため、上流側Ｏ２ センサ２９出力がリッチ空燃比相当出力からリーン空燃比相当出力に変化してから所定時間（排気が上流側Ｏ２ センサ２９の位置からＮＯＸ センサ３３の位置に到達するまでの時間）が経過するまでの間ＮＯＸ センサ３３出力に基づく再生操作の実行を禁止すれば吐き出しの影響により不要な再生操作が実行されることを確実に防止することができる。これにより、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７上流側にのみ空燃比センサを有する機関の場合にも簡易に不要な再生操作が実行されることを防止することが可能となる。
【００５７】
図５は、本実施形態の再生判定操作を説明する図４と同様なフローチャートである。本操作もＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
図５の操作が開始されると、ステップ５０１ではＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸと上流側Ｏ２ センサ２９出力ＶＯＵとが読み込まれ、ステップ５０３ではＶＯＵがリッチ空燃比相当出力か否かが判定される。そして、ＶＯＵがリッチ空燃比相当出力でない場合（リーンまたは理論空燃比相当出力の場合）にはステップ５０７で計時カウンタＣＴの値が１増大される。カウンタＣＴはステップ５０３でＶＯＵがリッチ空燃比相当出力である間は操作実行毎に０にリセット（ステップ５０５）されるため上流側Ｏ２ センサ２９の出力がリッチ空燃比相当出力からリーン空燃比（または理論空燃比）相当出力に変化した時点からの経過時間に対応した値となっている。
【００５８】
ステップ５０９では、図４ステップ４０３と同様ＮＯｘ センサ３３出力ＶＮＯＸがＶＮＯＸ１以上になっているか否かが判定され、ＶＮＯＸ≧ＶＮＯＸ１であった場合には、ステップ５１１で前述のカウンタＣＴの値に基づいてＶＯＵがリーン空燃比（または理論空燃比）相当出力に変化してから所定時間が経過したか否か（すなわちＣＴ≧ＣＴ０ か否か）が判定される。ここで、ＣＴ０ は上流側Ｏ２ センサ２９を通過した排気がＮＯｘ 吸蔵還元触媒７下流側のＮＯｘ センサ３３に到達するまでの所要時間に相当するカウンタ値である。
【００５９】
ステップ５１１でＣＴ＜ＣＴ０ であった場合には、まだＮＯｘ センサ３３における排気空燃比はリッチ空燃比である可能性があるため、ステップ５０９でのＮＯｘ 濃度増大は吐き出しにより生じている可能性がある。そこで、この場合には、ステップ５１３の再生操作開始をスキップして今回の操作実行を終了する。これにより、ＮＯｘ 吸蔵還元触媒７からの未浄化ＮＯｘ の吐き出しにより不要な再生操作が開始されることが防止される。
【００６０】
また、ステップ５１１でＣＴ≧ＣＴ０ であった場合には、ＮＯｘ センサ３３における排気空燃比は既にリーン空燃比になっており、吐き出しによりＮＯｘ 吸蔵還元触媒７から放出された未浄化ＮＯｘ はＮＯｘ センサ３３を通過し終わっていると考えられる。このため、ステップ５０９でのＮＯｘ 濃度の増大は通常の染み出しにより生じており、ＮＯｘ 吸蔵還元触媒の再生操作を直ちに開始する必要があるので、ステップ５１３に進みフラグＸＲＳの値を１にセットする。フラグＸＲＳの機能は、図４のものと同一である。
【００６１】
これにより、真にＮＯＸ 吸蔵還元触媒７のＮＯＸ 吸蔵能力が低下した場合にのみ再生操作が開始されるようになり、不要な再生操作の実行が防止される。
（３）第３の実施形態
本実施形態では、Ｏ２ センサ２９、３１の出力を用いずにＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の再生操作開始後の時間のみに基づいてＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からの吐き出しが生じているか否かを判定する。
【００６２】
ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からの未浄化のＮＯＸ の吐き出しは再生操作開始後短時間の間に終了する。このため、再生操作が開始されてから所定の時間が経過すればＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からの未浄化ＮＯＸ の吐き出しは終了していると考えて良い。そこで、本実施形態ではＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の再生操作開始時から所定時間が経過するまでの間のみＮＯＸ センサ３３出力に基づく再生操作実行を禁止するようにしている。本実施形態では、これによりＯ２ センサの出力を用いることなく簡易にＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からの吐き出しが生じているか否かを判定することが可能となっている。
【００６３】
図６は、本実施形態の再生判定操作を説明する図４、図５と同様なフローチャートである。本操作もＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
図６の操作が開始されると、ステップ６０１ではＮＯｘ センサ３３出力ＶＮＯＸが読み込まれるとともに、ステップ６０３ではＮＯｘ センサ３３出力ＶＮＯＸがＶＮＯＸ１に到達しているか否かが判定される。
【００６４】
ステップ６０３でＶＮＯＸ≧ＶＮＯＸ１であった場合には、すなわちＮＯｘ 濃度が所定値ＶＮＯＸ１以上に増大している場合には、次にステップ６０７に進みカウンタＣＴＲの値に基づいてこのＮＯｘ の増大が吐き出しにより生じているか否かが判定される。
ステップ６０７では、ＣＴＲ＜ＣＴＲ０ の場合にステップ６０３でのＮＯｘ 濃度の増大が吐き出しにより生じたと判断される。カウンタＣＴＲはステップ６０９でリッチスパイクフラグＸＲＳの値が１にセットされると同時に、すなわち再生操作が開始されたときに０にリセットされ（ステップ６１１）、それ以外の場合（ステップ６０３でＶＮＯＸ＜ＶＮＯＸ１の場合、及びステップ６０７でＣＴＲ＜ＣＴＲ０ の場合）には操作実行毎に１ずつ増大（ステップ６０５）される。このため、カウンタＣＴＲの値は前回再生操作が開始された時からの経過時間に対応する値になっている。また、所定値ＣＴＲ０ は再生操作開始後ＮＯｘ 吸蔵還元触媒７からの未浄化ＮＯｘ の吐き出しが終了し、放出された未浄化ＮＯｘ がＮＯｘ センサ３３の位置を通過し終わるまでの時間に相当する値に設定される。
【００６５】
ステップ６０７でＣＴＲ≧ＣＴＲ０ の場合には、ステップ６０３におけるＮＯｘ の増大は通常の染み出しにより生じているため直ちにＮＯｘ 吸蔵還元触媒の再生操作を行う必要がある。そこで、この場合にはステップ６０９でリッチスパイクフラグＸＲＳの値が１にセットされ、ステップ６１１ではカウンタＣＴＲの値が０にリセットされる。また、ステップ６０３で再生操作が不要（ＶＮＯＸ＜ＶＮＯＸ１）と判断された場合、及びステップ６０７で現在吐き出しが生じている（ＣＴＲ＜ＣＴＲ０ ）と判断された場合には、フラグＸＲＳのセットは行わず、カウンタＣＴＲの値を１増大して今回の操作を終了する。
【００６６】
上述のように、本実施形態ではＯ２ センサの出力を用いることなくＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からのＮＯＸ の吐き出しを判定できるため、排気系にＯ２ センサを備えていない機関でも簡易に不要な再生操作の実行を防止することが可能となっている。
（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。本実施形態においては、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からの未浄化ＮＯＸ の吐き出しの有無を第１の実施形態と同様に下流側Ｏ２ センサ３１出力に基づいて判定するとともに、ＮＯＸ の吐き出しが終了したと判定されたときのＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸに基づいてＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の劣化を判定する操作を行う。
【００６７】
ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７は種々の原因によって劣化し、劣化とともにＮＯＸ 吸蔵能力が低下する。例えば、排気中に硫黄酸化物（ＳＯＸ ）が含まれているとＮＯＸ 吸蔵還元触媒７は前述したＮＯＸ の吸放出メカニズムと同様なメカニズムにより硫黄酸化物を硫酸塩の形で吸収する。しかし、吸収剤内の硫酸塩（例えばＢａＳＯ４ ）は硝酸塩に較べて安定性が高く、通常のＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作では放出されない。このため、通常のＮＯＸ 吸蔵還元触媒再生操作を繰り返していると、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒内には徐々に硫酸塩が蓄積されてしまい、ＮＯＸ の吸収に関与できる吸収剤が減少しＮＯＸ の吸蔵能力が低下する。本明細書では、この排気中のＳＯＸ の吸収によるＮＯＸ 吸蔵還元触媒の劣化をＳＯＸ 被毒と呼ぶ。
【００６８】
ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の再生操作が終了すると、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯＸ の全量が放出されてＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の吸蔵能力は最大になる。しかし、上述したＳＯＸ 被毒等のＮＯＸ 吸蔵還元触媒の劣化が生じると再生操作完了後のＮＯＸ 吸蔵能力も徐々に低下するようになる。
図７は、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒通過後の排気中のＮＯＸ 濃度の再生操作前後の変化を示す図３と同様な図であり、図中の実線は正常な（劣化していない）ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の場合を、点線はＳＯＸ 被毒などにより劣化が生じた触媒の場合を、それぞれ示している。
【００６９】
図７点線に示すように、劣化したＮＯＸ 吸蔵還元触媒では、再生操作終了後のＮＯＸ 吸蔵能力が低下するため、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒からのＮＯＸ の吐き出しが終了した時点の下流側排気中のＮＯＸ 濃度（図７、Ａ点）は正常なＮＯＸ 吸蔵還元触媒に較べて高くなる。また、吐き出し終了後の下流側排気のＮＯＸ 濃度は流入する排気中のＮＯＸ 濃度が同一であってもＮＯＸ 吸蔵還元触媒の劣化が進むほど高くなる。
【００７０】
本実施形態では、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からの未浄化ＮＯＸ の吐き出しが終了した時点（図７、Ａ点）を下流側Ｏ２ センサ３１出力ＶＯＤに基づいて判定するとともに、このときのＮＯＸ センサ３３出力に基づいて触媒が許容できない程度まで劣化しているか否かを判定する。
図８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により行われる。
【００７１】
なお、図示していないが、本実施形態においても、第１の実施形態と同様な操作が別途行われており、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯＸ の吐き出しが生じている間は再生操作の実行が禁止されている。
図８の操作では、下流側空燃比センサ３１で検出した排気空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比（または理論空燃比）に変化した時点を判定し（ステップ８０３、８０５、８０７）、このときのＮＯＸ センサ３３で検出したＮＯＸ 濃度（すなわち、図７のＡ点のＮＯＸ 濃度）が予め定めた判定値ＶＮＯＸ２以上に増大している場合に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。
【００７２】
すなわち、図８で操作がスタートすると、ステップ８０１ではＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸと下流側Ｏ２ センサ３１出力ＶＯＤとが読み込まれ、ステップ８０３ではＯ２ センサ３１出力がリッチ空燃比相当出力か否かが判定される。
ステップ８０３で下流側Ｏ２ センサ３１出力がリッチ空燃比相当出力であった場合には、ステップ８０５でフラグＲの値を０にリセットして今回の操作実行を終了する。すなわち、フラグＲの値は下流側Ｏ２ センサ３１出力ＶＯＤがリッチ空燃比相当出力である間は常に０にリセットされている。また、フラグＲの値は空燃比がリーンになったときに後述するステップ８１５で１にセットされる。
【００７３】
ステップ８０３で出力ＶＯＤがリッチ空燃比相当出力でない場合、すなわちリーン空燃比または理論空燃比相当出力である場合には、次にステップ８０７で上記フラグＲの値が０か否かが判定される。フラグＲの値は、ＶＯＤがリッチ空燃比相当出力の間はステップ８０５で０に設定され、ＶＯＤがリーン空燃比または理論空燃比相当出力になるとステップ８１５で１にセットされる。このため、ステップ８０３でＶＯＤがリーン空燃比または理論空燃比相当出力であり、かつステップ８０７でＲ＝０であった場合には、今回の操作はＮＯＸ 吸蔵還元触媒７通過後の排気空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比または理論空燃比に変化した後最初に実行されていること、すなわち、現在のＮＯＸ 吸蔵還元触媒７通過後の排気中のＮＯＸ 濃度は図７に示したＡ点（ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の最大ＮＯＸ 吸蔵能力に対応した値）にあることを意味している。
【００７４】
そこで、この場合にはステップ８０９で現在のＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸが所定値ＶＮＯＸ２以上になっているか否かが判定される。ＶＮＯＸ≧ＶＮＯＸ２である場合には、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７が劣化してＮＯＸ 吸蔵能力が許容できないほど低下しているために、再生操作終了後にも下流側排気のＮＯＸ 濃度が高くなっていることを意味する。そこで、この場合にはステップ８１３で劣化フラグＸＦの値を１にセットした後、ステップ８１５で前述のフラグＲの値を１にセットして操作を終了する。また、ステップ８０９でＶＮＯＸ＜ＶＮＯＸ２である場合にはＮＯＸ 吸蔵還元触媒７は許容できない程度までは劣化していないため、ステップ８１１で劣化フラグＸＦの値を０にセットしてステップ８１５でフラグＲの値を１にセットして操作を終了する。これにより、次回の操作実行時からはステップ８０７の後直ちに操作が終了するようになり、ステップ８０９の劣化判定は実行されない。本実施形態では、フラグＸＦの値が１にセットされると例えば別途ＥＣＵ３０により実行されるルーチンにより運転席の警告灯が点灯され運転者にＮＯＸ 吸蔵還元触媒７が劣化したことが報知される。
【００７５】
図８の操作により、本実施形態ではＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の劣化の有無が下流側Ｏ２ センサ出力ＶＯＤとＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸとに基づいて正確に判定される。
（５）第５の実施形態
本実施形態では、上流側Ｏ２ センサ２９出力ＶＯＵに基づいてＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からのＮＯＸ の吐き出し終了時を判定し、ＮＯＸ 吐き出し終了時のＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸに基づいてＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の劣化の有無を判定する。
【００７６】
図９は、本実施形態の劣化判定操作を示すフローチャートである。本操作もＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われる。
図９の操作では、第２の実施形態（図５）と同じ計時カウンタＣＴと第４の実施形態（図８）と同じフラグＲとを用いて、上流側Ｏ２ センサ２９出力がリッチ空燃比相当出力からリーン空燃比または理論空燃比相当出力に変化した時点から所定時間（ＣＴ２ ）経過後の時点のＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸに基づいてＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の劣化を判定している。すなわち、上流側Ｏ２ センサ２９の位置で排気空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比または理論空燃比に変化すると、変化後の空燃比の排気は所定時間（ＣＴ２ ）経過後にＮＯＸ センサ３３に到達する。このため、上流側空燃比センサ２９の位置で空燃比がリッチからリーンに変化した時点から所定時間後のＮＯＸ センサ３３出力は図７のＡ点に対応していることになる。ここで、上記所定時間（ＣＴ２ ）は上流側Ｏ２ センサ２９を通過した排気がＮＯＸ 吸蔵還元触媒７を通過してＮＯＸ センサ３３に到達するのに必要な時間に相当する。
【００７７】
図９の操作では、ステップ９０１でＮＯＸ センサ３３出力ＶＮＯＸと上流側Ｏ２ センサ２９出力ＶＯＵとを読み込み、フラグＲを用いて前述の第４の実施形態（図８）と同じ操作でＶＮＯＸがリッチ空燃比相当出力からリーン空燃比（または理論空燃比）相当出力に変化した時点を検出する（ステップ９０３、９０５、９０９、９２１）。そして、更に計時カウンタＣＴを用いて第２の実施形態（図５）と同じ操作（ステップ９０７、９１１、９１３）で、上流側Ｏ２ センサ２９の出力の変化時期から所定時間ＣＴ２ が経過したときにＮＯＸ センサ３３出力による劣化判定（ステップ９１５、９１７、９１９）を実行する。図９の各ステップの操作は、図５または図８の操作と同一であるのでここでは詳細な説明は省略する。
【００７８】
なお、図示は省略するが本実施形態においても別途第２の実施形態（図５）と同一の操作が行われ、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からのＮＯＸ の吐き出しが生じている間はＮＯＸ センサ３３出力に基づく再生操作実行が禁止される。
なお、前述の第４の実施形態では下流側Ｏ２ センサ３１出力に基づいて、また本実施形態では上流側Ｏ２ センサ２９出力に基づいて、それぞれＮＯＸ センサ３３出力に基づく劣化判定（図８ステップ８０９、図９ステップ９１５）の実行タイミングを判定しているが、第３の実施形態と同様にＯ２ センサ２９、３１の出力を用いずに、再生操作開始後所定時間が経過したときにＮＯＸ センサ３３出力に基づく劣化判定を実施することも可能である。
【００７９】
（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。本実施形態では、上記第４または第５の実施形態の操作のいずれかによりＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の劣化を判定するとともに、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７が許容できないほど劣化していると判定された場合にはＮＯＸ 吸蔵還元触媒７のＮＯＸ 吸蔵能力を回復させるための操作を行う。
【００８０】
ＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＮＯＸ 吸蔵能力の回復操作は、劣化の種類に応じて種々の方法がとられるが、ここではＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＳＯＸ 被毒による劣化からのＮＯＸ 吸蔵能力の回復操作に例をとって説明する。
前述したように、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒のＳＯＸ 被毒による劣化はＮＯＸ 吸蔵還元触媒中に硫酸塩が蓄積されることにより生じる。この硫酸塩を放出させるためには、通常の再生操作より高い温度でＮＯＸ 吸蔵還元触媒をリッチ空燃比雰囲気に一定時間保持することが効果的であることが判明している。
【００８１】
そこで、本実施形態ではＮＯＸ 吸蔵還元触媒７の劣化が生じていると判定されたときには、機関１をリッチ空燃比で運転するとともに、機関の点火時期を遅角すること等により機関の排気温度を上昇させる。これにより、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７には通常の再生操作時より高い温度のリッチ空燃比の排気が通過するようになり、高温リッチ空燃比雰囲気下でＮＯＸ 吸蔵還元触媒７から吸収したＳＯＸ が放出されるようになる。
【００８２】
図１０は本実施形態の回復操作を示す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。
図１０において操作がスタートすると、ステップ１００１では、劣化フラグＸＦの値が１（劣化）にセットされているか否かが判定される。フラグＸＦの値は前述の第４または第５の実施形態の操作により設定される。フラグＸＦの値が１にセットされていた場合には、ステップ１００５で操作実行毎に計時カウンタＫＴの値を１増大するとともに、ステップ１００７でカウンタＫＴの値が所定値ＫＴ０ に到達するまでステップ１００９の回復操作を実行する。カウンタＫＴの値は、ステップ１００１で劣化フラグＸＦの値が０（正常）にセットされている場合には０にリセットされるため、ＫＴの値はステップ１００９の回復操作の実行開始からの時間に対応している。
【００８３】
本実施形態のステップ１００９の回復操作では、機関１はリッチ空燃比で運転されるとともに、機関点火時期が遅角され排気温度は通常の再生操作時より高い値に維持される。これにより、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７からはＮＯＸ のみならず吸収したＳＯＸ が放出されるようになり、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７のＮＯＸ 吸蔵能力が回復する。
【００８４】
ステップ１００９の回復操作は、カウンタＫＴの値が所定値ＫＴ０ に到達すると終了し（ステップ１０１１）、機関１は通常のリーン空燃比運転を再開する。ここで、所定値ＫＴ０ はＮＯＸ 吸蔵還元触媒７から吸収したＳＯＸ の全量が放出されるのに必要な時間に相当し、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒７のサイズ、種類により異なってくるため詳細には実際のＮＯＸ 吸蔵還元触媒を用いた実験により決定することが好ましい。ステップ１０１１で回復操作終了後、ステップ１０１３では劣化フラグＸＦの値は０（正常）にセットされる。これにより、次回の操作実行時からは、次にＸＦの値が１にセットされるまで回復操作は実行されなくなる。
【００８５】
なお、上述の第１から第６の実施形態は本発明をガソリン機関に適用した場合を例にとって説明しているが、本発明はディーゼル機関にも適用可能である。この場合、ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の再生操作としてはＮＯＸ 吸蔵還元触媒上流側の排気通路に還元剤（例えば燃料油等の炭化水素等）を噴射するか、或いは各気筒の排気行程中に追加の燃料噴射を行うことによりＮＯＸ 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を短時間リッチにする等の方法により行われる。
【００８６】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、ＮＯX吸蔵還元触媒からの未浄化のＮＯXの放出により不要な再生操作の実行を防止することにより、機関の燃費や排気性状が悪化することが防止可能となる共通の効果を奏する。
請求項４に記載の発明では、更に上記共通の効果に加えてＮＯX吸蔵還元触媒の劣化を正確に判定することが可能となる効果を奏する。
【００８７】
また、請求項５に記載の発明では、請求項４の効果に加えてＮＯX吸蔵還元触媒の劣化が判定されたときにＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵能力の回復操作を行うことにより、ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵能力を常に高く維持することが可能となる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排気浄化装置を自動車用ガソリン機関に適用した場合の概略構成を説明する図である。
【図２】図１のＮＯＸ センサの構造の一例を示す模式図である。
【図３】ＮＯＸ 吸蔵還元触媒からのＮＯＸ の「吐き出し」と「染み出し」とを説明する図である。
【図４】本発明の第１の実施形態を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施形態を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第３の実施形態を説明するフローチャートである。
【図７】ＮＯＸ 吸蔵還元触媒の劣化による下流側排気ＮＯＸ 濃度の変化を説明する図である。
【図８】本発明の第４の実施形態を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の第５の実施形態を説明するフローチャートである。
【図１０】本発明の第６の実施形態を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…内燃機関
２…排気通路
７…ＮＯＸ 吸蔵還元触媒
３０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２９、３１…Ｏ２ センサ
３３…ＮＯＸ センサ
Claims (5)
- 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のときに排気中のＮＯXを吸収し、流入する排気中の酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯXを放出するＮＯX吸蔵還元触媒と、
該ＮＯX吸蔵還元触媒通過後の排気中のＮＯX濃度を検出するＮＯX濃度検出手段と、
該ＮＯX濃度検出手段が検出した排気中のＮＯX濃度が予め定めた値以上になったときに、前記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することにより前記ＮＯX吸蔵還元触媒から吸収したＮＯXを放出させ、還元浄化する再生手段と、
前記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なったときに前記ＮＯX吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯXが下流側に放出されていることを判定するＮＯX放出判定手段と、
前記未浄化のＮＯXの放出が生じていると判定されたときに、前記再生手段が排気空燃比をリッチ空燃比にすることを禁止する禁止手段と、
を備え、
更に、前記ＮＯ X 放出判定手段は、前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比がリッチ空燃比であるか否かを判定する触媒空燃比判定手段を備え、前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比がリッチ空燃比と判定され、かつ前記ＮＯ X 濃度検出手段で検出したＮＯ X 濃度が所定の判定値以上であるときに前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯ X が放出されていると判定する内燃機関の排気浄化装置。 - 前記触媒空燃比判定手段は、前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒上流側排気通路または下流側排気通路の少なくとも一方に配置され、排気空燃比を検出する空燃比センサを備え、前記空燃比センサにより検出された排気空燃比に基づいてＮＯ X 吸蔵還元触媒内の雰囲気空燃比がリッチ空燃比であるか否かを判定する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 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のときに排気中のＮＯ X を吸収し、流入する排気中の酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯ X を放出するＮＯ X 吸蔵還元触媒と、
該ＮＯ X 吸蔵還元触媒通過後の排気中のＮＯ X 濃度を検出するＮＯ X 濃度検出手段と、
該ＮＯ X 濃度検出手段が検出した排気中のＮＯ X 濃度が予め定めた値以上になったときに、前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比にすることにより前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯ X を放出させ、還元浄化する再生手段と、
前記ＮＯ X 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なったときに前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯ X が下流側に放出されていることを判定するＮＯ X 放出判定手段と、
前記未浄化のＮＯ X の放出が生じていると判定されたときに、前記再生手段が排気空燃比をリッチ空燃比にすることを禁止する禁止手段と、
を備え、
前記ＮＯ X 放出判定手段は、前記再生手段が前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比に変化させたときから予め定めた時間が経過するまでの間前記未浄化のＮＯ X 放出が生じてい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。 - 更に、前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒の劣化の有無を判定する劣化判定手段を備え、
該劣化判定手段は、前記ＮＯ X 放出判定手段により前記未浄化のＮＯ X の放出が終了したことが判定されたときの、前記ＮＯ X 濃度検出手段の検出したＮＯ X 濃度が予め定めた劣化判定値以上である場合に、前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒が劣化したと判定する、請求項１または３に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 更に、前記劣化判定手段により前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒が劣化したと判定されたときに、前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒のＮＯ X 吸蔵能力を回復させる回復操作を行う回復制御手段を備えた請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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