JP4192905B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関し、詳細にはＮＯ_X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。

流入する排気の空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＮＯ_X成分を吸蔵し（本明細書では、「吸蔵」なる語は吸着と吸収との両方を含む概念として使用している）、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排気中の還元成分を用いて吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒を用いた内燃機関の排気浄化装置が知られている。

このようなＮＯ_X吸蔵還元触媒は排気中にＳＯ_X（硫黄酸化物）が存在すると、排気空燃比がリーン空燃比のときにＮＯ_Xとまったく同様にＳＯ_Xを吸蔵してしまうことが知られている。
ところが、ＳＯ_XはＮＯ_X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、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に一旦ＳＯ_Xが吸蔵されてしまうと、単に排気空燃比をリッチ空燃比にした程度では吸蔵されたＳＯ_XはＮＯ_X吸蔵還元触媒からほとんど脱離せず、触媒内に徐々に蓄積されて行くようになる。

すなわち、通常のＮＯ_Xの吸蔵と還元浄化のための処理ではＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯ_Xはほとんど脱離することがないため、吸蔵したＳＯ_X量が増大するとＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力（ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵可能な最大ＮＯ_X量）は吸蔵したＳＯ_X量に応じて低下する。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯ_X量が増大するとＮＯ_X吸蔵還元触媒は排気中のＮＯ_Xを十分に吸蔵することができなくなってしまい、ＮＯ_Xの浄化率が大幅に低下する、いわゆる硫黄被毒（ＳＯ_X被毒）が生じる。

ＮＯ_X吸蔵還元触媒へのＳＯ_X被毒を防止するためには、吸蔵ＳＯ_X量が増大する前に吸蔵したＳＯ_XをＮＯ_X吸蔵還元触媒から脱離させＳＯ_Xの吸蔵量を低減する被毒回復処理を行う必要がある。

ところが、前述したように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯ_XはＮＯ_Xに較べてはるかに安定化しているため、単に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したのみではほとんど触媒から脱離しない。
従って、通常、被毒回復処理としては排気の空燃比をリッチ空燃比にするとともに、ＮＯ_X吸蔵還元触媒を高温域に維持することが行われている。

ところが、上述したようにＳＯ_XはＮＯ_X吸蔵還元触媒から脱離しにくいため、上記のようにＮＯ_X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被毒回復処理を行っても短時間ではＮＯ_X吸蔵還元触媒から十分にＳＯ_Xを脱離させることができない問題がある。一方、被毒回復処理を長時間行うと触媒が高温に曝される時間が増大するため触媒の熱劣化が生じやすくなる問題がある。

これに対して、上記の被毒回復処理時にＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中に水素が含まれているとＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＳＯ_Xの脱離速度が増大し、比較的短時間で効率的に被毒回復処理を完了できることが知られている。
通常、排気に水素を供給する方法としては、外部の容器に貯蔵した水素を排気に供給する方法以外に、排気中のＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂Ｏなどから水性ガスシフト反応等により水素を生成する方法がある。

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、例えばＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流側の排気通路にスタート触媒として三元触媒を備えている機関では、被毒回復処理時やＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯ_Xの還元時に排気空燃比がリッチ空燃比にな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。

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。
例えば、特許文献１ではＳＯ_X被毒回復処理については記載はないものの、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯ_Xの還元浄化時に上記により排気中に生成される水素成分を用いてＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化を判定している。

ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯ_X還元浄化時には、触媒に吸蔵されたＮＯ_Xが残っている間は排気中の水素はＮＯ_Xの還元に消費されるため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側には流出しない。
このため、ＮＯ_X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、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_X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、吸蔵ＮＯ_Xの還元浄化開始時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ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_X量に対応している。

特許文献１では上記を利用して、ＮＯ_X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ＮＯ_X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に基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_X量の低下の有無（ＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化の有無）を判定している。

特開２００２−４７９１９号公報 特開２００３−１２０３８３号公報 特許第２６００４９２号 特許第２７４５９８５号 特許第２６０５５５３号

上述したように、ＳＯ_X被毒回復処理実行時にＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中に水素を供給することにより効率的な被毒回復処理が可能となる。
しかし、そのためには被毒回復処理時にＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＳＯ_Xの全量を触媒から脱離させるのに十分な量の水素をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給する必要がある。また、十分な量の水素をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給するためには、例えば、排気中の水素成分濃度が低い場合にはＳＯ_X被毒回復処理の継続時間を長く設定する必要がある。

更に、被毒回復処理時にＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給する排気中の水素成分濃度がある値を越えると、余剰のＳＯ_Xが水素と反応してＨ₂Ｓ（硫化水素）を生成する問題がある。硫化水素は特有の臭気を有するのみならず有毒であるため、被毒回復処理実行毎に硫化水素が生成されることは好ましくない。

このため、ＳＯ_X被毒回復処理時にＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給する排気中の水素成分濃度と被毒回復処理の継続時間とは、ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＳＯ_Xを脱離、還元するのに十分な量の水素をＮＯ_X 吸蔵還元触媒に供給できるように設定する必要があり、かつ排気中の水素成分濃度は硫化水素が発生する値より低い値とする必要がある。すなわち、ＳＯ_X被毒回復処理時の排気中の水素成分濃度と回復処理継続時間とはこれらを考慮した上で適切な範囲に制御する必要があるのである。

ところが、前述した各特許文献ではＳＯ_X被毒回復処理時に排気中の水素成分濃度を制御、或いは水素成分濃度との関連で回復処理継続時間を制御することは考慮されていない。特許文献１においても、Ｈ₂センサを使用して排気中の水素成分を検出することは示唆しているものの、ＳＯ_X被毒回復処理時に水素を使用して効率的に回復処理を行うことやその際に水素成分濃度を検出して水素成分濃度そのものや回復処理の継続時間を制御することは全く考慮されていない。

このため、記載した各特許文献ではＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒回復処理を効率的に行うことができない問題がある。

本発明は上記問題に鑑み、水素を利用してＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒回復処理を行う場合に、効率的に被毒回復処理行う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。

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ＮＯ_X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ＮＯ_Xを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒と、該ＮＯ_X吸蔵還元触媒上流側の排気通路に配置した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ＮＯ_X吸蔵還元触媒がＮＯ_Xとともに吸蔵した硫黄酸化物をＮＯ_X吸蔵還元触媒から放出させるために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しつつ排気温度を上昇させるＳＯ_X被毒回復処理を実行する際に、前記Ｈ₂センサで検出したＮＯ_X吸蔵還元触媒上流側排気中の水素成分濃度に基づいてＳＯ_X被毒回復処理実行中の機関排気空燃比とＳＯ_X被毒回復処理継続時間との少なくとも一方を制御する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項１の発明ではＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中の水素成分濃度をＨ₂センサで検出し、検出した水素成分濃度に応じて排気空燃比とＳＯ_X被毒回復処理の継続時間との一方もしくは両方を制御する。
機関排気中の水素成分濃度は、排気空燃比に応じて変化し、リッチ空燃比の範囲では排気空燃比が低く（リッチに）なるほど水素成分濃度が増大する。このため、排気中の水素成分濃度に応じて排気空燃比を変更することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中の水素成分濃度を、硫化水素が生成せずしかも比較的短時間でＳＯ_X被毒回復処理を終了することができる水素成分濃度範囲に調整することができる。

また、Ｈ₂センサで検出した水素成分濃度（すなわち、実際にＮＯ_X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、検出した水素成分濃度に応じて被毒回復処理を継続する時間を変更することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵したＳＯ_Xの全量を脱離還元するのに十分な量の水素をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給することができる。

請求項２に記載の発明によれば、更に、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流側かつＨ₂センサ下流側の排気通路に、流入する排気空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＳＯ_Xを吸蔵し、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ＳＯ_Xを放出するＳＯ_Xトラップを備えた、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。

すなわち、請求項２の発明ではＳＯ_XトラップがＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流側に配置されており、Ｈ₂センサはＳＯ_Xトラップに流入する排気中の水素成分濃度を検出している。
ＳＯ_Xトラップは排気空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＳＯ_Xを吸蔵する。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流側にＳＯ_Xトラップを配置することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気から予めＳＯ_Xを除去することができ、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されるＳＯ_X量を大幅に低減することができる。

ところが、ＮＯ_X吸蔵還元触媒上流側にＳＯ_Xトラップを設けて排気中のＳＯ_Xを除去するようにした場合には、ＳＯ_X被毒回復処理時に高温かつリッチ空燃比の排気がＳＯ_Xトラップを通過すると、ＳＯ_Xトラップから吸蔵したＳＯ_Xが脱離して下流側のＮＯ_X吸蔵還元触媒に比較的高濃度のＳＯ_Xが流入する。
このように、比較的高濃度のＳＯ_Xを含む排気がＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入すると、排気空燃比がリッチ空燃比になっていても排気中のＳＯ_Xの一部がＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されてしまう場合があり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒が生じる。

この場合にも、排気中に還元力が強い水素が含まれると、ＳＯ_XトラップからのＳＯ_Xの脱離が促進されるのみならず、水素の存在下ではＳＯ_Xトラップから脱離したＳＯ_Xが下流側のＮＯ_X吸蔵還元触媒に再吸蔵されることが防止されるようになる。
また、この場合も請求項１の発明と同様に、必要とされる水素濃度と被毒回復処理継続時間には最適な範囲があるため、排気空燃比と被毒回復処理継続時間との少なくとも一方をＨ₂センサで検出した水素成分濃度に応じて制御することにより、効率的な被毒回復処理を行うことが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、前記ＳＯ_X被毒回復処理実行時に、Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度がＮＯ_X吸蔵還元触媒で硫化水素が生成される水素成分濃度より低くなるように、機関排気空燃比を制御する、請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項３の発明では、Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度が硫化水素が生成されない濃度範囲になるように機関排気空燃比が制御される。これにより、ＳＯ_X被毒回復処理中に硫化水素が生成されることが防止される。

請求項４に記載の発明によれば、前記ＳＯ_X被毒回復処理実行時に、Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度が０．１％から２．０％の間になるように、機関排気空燃比を制御する、請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項４の発明では排気中の水素成分濃度は０．１％から２．０％の間になるように排気空燃比が制御される。ここで、水素成分濃度２．０％はＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒回復処理時に硫化水素が生成しない一般的な上限値であり、水素成分濃度０．１％はＳＯ_X被毒回復処理が可能な排気空燃比の上限値（理論空燃比）に相当する値である。これにより、請求項４の発明では確実に硫化水素の生成を防止しつつＳＯ_X被毒回復処理を行うことが可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、前記ＳＯ_X被毒回復処理実行時に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中の水素成分濃度が、ＳＯ_X被毒回復処理開始時に高く、その後緩やかに低下するように機関排気空燃比を制御する、請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項５の発明ではＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給される排気中の水素成分濃度が被毒回復処理開始時には高く、その後低下するようにされる。ＳＯ_X被毒回復処理時に排気がリッチ空燃比かつ高温にされると、ＮＯ_X吸蔵還元触媒やＳＯ_Xトラップからは最初に比較的多量のＳＯ_Xが急激に放出され、その後ＳＯ_X放出量は緩やかに低下して行く。

このため、放出されたＳＯ_XのＮＯ_X吸蔵還元触媒への再吸蔵を防止して効率的にＮＯ_X吸蔵還元触媒からの脱離を行わせるためには、ＳＯ_X被毒回復処理開始時に比較的多量の水素をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給する必要がある。また、その後は放出されるＳＯ_X量が低下するため、それに応じて供給する水素の量を低減することができる。

請求項５の発明では、ＳＯ_X被毒回復処理開始時に排気中の水素成分濃度を高く（機関排気空燃比を低く）設定し、その後水素成分濃度が緩やかに低下（機関排気空燃比が緩やかに増大）するように機関排気空燃比を制御することにより、常にＮＯ_X吸蔵還元触媒からＳＯ_Xを脱離させるのに十分な水素をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給しつつ、過剰な水素の供給を生じる（機関排気空燃比を必要以上にリッチにする）ことを防止することが可能となっている。

請求項６に記載の発明によれば、更に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側の排気通路に、排気中の硫黄酸化物濃度を検出するＳＯ_Xセンサを備え、前記Ｈ₂センサで検出した水素成分濃度と、前記ＳＯ_Xセンサで検出したＳＯ_X濃度とに基づいて、ＳＯ_X被毒回復処理実行中の機関排気空燃比とＳＯ_X被毒回復処理継続時間との少なくとも一方を制御する、請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

請求項７に記載の発明によれば、前記Ｈ₂センサで検出した水素成分濃度が予め定めた第１の値以上であり、かつ前記ＳＯ_Xセンサで検出した硫黄酸化物濃度が予め定めた第２の値以下になったときに、前記ＳＯ_X被毒回復処理を終了する、請求項６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６及び７の発明ではＮＯ_X吸蔵還元触媒上流側のＨ₂センサに加えてＮＯ_X吸蔵還元触媒の下流側にＳＯ_Xセンサが配置されている。ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒回復処理実行中はＮＯ_X吸蔵還元触媒からＳＯ_Xが脱離するため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側の排気中にはＳＯ_Xが含まれる。一方、ＳＯ_Xの脱離が完了するとＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側の排気にはＳＯ_Xが含まれなくなる。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側に配置したＳＯ_Xセンサの出力に基づいてＳＯ_X被毒回復処理の完了タイミング（ＳＯ_X被毒回復処理の継続時間）を判断することができる。

例えば、具体的には請求項７の発明のように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒上流側のＨ₂センサで検出した水素成分濃度が所定値より高く、本来であればＮＯ_X吸蔵還元触媒から吸蔵ＳＯ_Xが脱離すべき状況であるにもかかわらず下流側のＳＯ_Xセンサで検出したＳＯ_X濃度が低くなっているような場合には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒にはもはや脱離すべきＳＯ_Xが吸蔵されていない、すなわちＳＯ_X被毒回復処理が完了していると判断することができる。

上記のように、請求項６及び７の発明では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒上流側のＨ₂センサに加えて下流側にＳＯ_Xセンサを配置し、これらで検出した水素成分濃度とＳＯ_X濃度とにより、排気空燃比、被毒回復処理の継続時間などを制御することにより、効率的な被毒回復処理を行うことが可能となる。

各請求項に記載の発明によれば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒回復処理に水素を用いる場合に、効率的に被毒回復処理を行うことが可能となるという共通の効果を奏する。

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。

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。

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。

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。
共通排気通路２上には、後述するＮＯ_X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で示すのは、排気通路２のコンバータ７０入口側に配置された、排気中の水素（Ｈ₂）成分の濃度を検出するＨ₂センサである。
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、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_X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で運転するリッチスパイク操作を行い、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７が吸蔵したＮＯ_Xを脱離させ、還元浄化する。

更に、本実施形態ではＥＣＵ３０は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵された硫黄酸化物（ＳＯ_X）の量が所定値以上に増大する毎に排気温度が上昇する状態で機関をリッチ空燃比運転し高温かつリッチ空燃比の排気をＮＯ_X吸蔵還元触媒７に供給し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７から吸蔵したＳＯ_Xを脱離させるＳＯ_X被毒回復処理を行う。
後述するように、このＳＯ_X被毒回復処理実行時にはＥＣＵ３０はＨ₂センサ３１で検出した排気中の水素成分濃度に基づいて排気空燃比、処理継続時間などの制御を行う。

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、Ｈ₂センサ３１からＮＯ_X吸蔵還元触媒７入口での排気中の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。

次に、本実施形態のＮＯ_X吸蔵還元触媒７について説明する。
本実施形態のＮＯ_X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。ＮＯ_X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ＮＯ_X（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ＮＯ_Xを放出するＮＯ_Xの吸放出作用を行う。

すなわち、機関１がリーン空燃比で運転されておりＮＯ_X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ＮＯ_X（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ＮＯ_XがＮＯ_X吸収剤内に硝酸塩の形で吸蔵されるようになる。

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。

ＮＯ_X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ＮＯ_Xを吸収剤（例えばＢａＯ）中に硝酸イオンの形で吸蔵する。このため、吸収剤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収剤中に吸収されにくくなり、排気中のＮＯ_Xの浄化率が低下する。そして、ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_X量がある上限値に到達すると（吸収剤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ＮＯ_Xを全く吸蔵できなくなる。

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ＮＯ_X量を推定する。そして、機関発生ＮＯ_X量のうち所定割合の量をＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されるＮＯ_X量として一定時間毎に積算する。この積算値（ＮＯ_Xカウンタと称する）はＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_X量に対応する。

ＥＣＵ３０は更に、このＮＯ_X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ＮＯ_X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、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７から吸蔵したＮＯ_Xを脱離させるとともに脱離したＮＯ_Xを排気中の還元成分により還元浄化する。これにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７は常にＮＯ_X吸蔵量が比較的低い状態でＮＯ_Xを吸蔵するようになるため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化率を高く維持することが可能となる。

なお、上記のようにＮＯ_Xカウンタを用いてＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵量を推定する代わりに、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側の排気通路に排気中のＮＯ_X濃度を検出するＮＯ_Xセンサを配置し、下流側排気中のＮＯ_X濃度が所定値まで増大したときに（すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵量が増大したためにＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X浄化能力が低下し、ＮＯ_X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ＮＯ_X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。

上記のように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_Xはリッチスパイク操作を実行することによりＮＯ_X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。
ところが、排気中にＳＯ_Xが含まれるとリーン空燃比下ではＮＯ_X吸蔵還元触媒７には上記のＮＯ_Xの吸蔵メカニズムと全く同じメカニズムでＳＯ_Xが吸蔵される。

しかも、前述したようにＳＯ_XはＮＯ_X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、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に一旦ＳＯ_Xが吸蔵されると前述したリッチスパイク操作程度ではＳＯ_XはＮＯ_X吸蔵還元触媒からほとんど脱離せず、触媒内にＳＯ_Xが徐々に蓄積されて行くようになる。ＳＯ_Xの吸蔵量が増大すると相対的にＮＯ_X吸蔵に関与できる吸収剤の量が減少するため、ＮＯ_X吸蔵量の上限が低下しＮＯ_X吸蔵還元触媒７の吸蔵能力が低下する（すなわち、ＳＯ_X被毒が生じる）。

そこで、通常ＮＯ_X吸蔵還元触媒を使用する場合には、触媒に吸蔵されたＳＯ_Xがある程度増大する毎にＳＯ_X被毒回復処理を行い、ＮＯ_X吸蔵還元触媒からＳＯ_Xを脱離させる。
ＳＯ_X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ＮＯ_X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。

すなわち、ＳＯ_X被毒回復処理ではＮＯ_X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ＳＯ_Xを脱離させ、ＮＯ_X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ＳＯ_XがＮＯ_X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ＳＯ_XはＮＯ_X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ＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流部分から脱離したＳＯ_X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ＳＯ_X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、ＳＯ_X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、ＮＯ_X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。

ところで、上記のＳＯ_X被毒回復処理を効率的に行うには水素（Ｈ₂）をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給することが有効であることが知られている。Ｈ₂は還元力が極めて強いため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＳＯ_Xの脱離を促進するとともに、一旦脱離したＳＯ_XがＮＯ_X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ＮＯ_X吸蔵還元触媒にＨ₂を供給することにより、短時間でＮＯ_X吸蔵還元触媒からＳＯ_Xを完全に脱離させることができる。

ＮＯ_X吸蔵還元触媒にＨ₂を供給する方法としては、前述したように外部から排気ガスにＨ₂を添加する方法や、内燃機関をリッチ空燃比で運転する方法、更にそれに加えて三元触媒や水素生成触媒を用いる方法等がある。
本実施形態では、図１に示したようにＮＯ_X吸蔵還元触媒７の上流側にはスタート触媒５ａ、５ｂとして三元触媒が配置されている。このため、機関１がＳＯ_X被毒回復処理のためにリッチ空燃比運転されるとスタート触媒５ａ、５ｂでは水素が生成されるようになる。

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に実線１で示すように空燃比が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。
このため、図１の実施形態ではＨ₂生成量（排気中の水素成分濃度）を機関１の運転空燃比を変化させることにより変化させることができる。

ＳＯ_X被毒回復処理時にＮＯ_X吸蔵還元触媒から単位時間当たり脱離するＳＯ_X量（脱離速度）は、排気中の水素成分濃度に比例する。このため、ＳＯ_X脱離速度も図２の実線１に示すように空燃比に応じてほぼ直線的に変化する。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒からＳＯ_Xを短時間で脱離させることのみを考慮すれば、排気中の水素成分濃度は高いほど好ましい。

ところが、実際にはＳＯ_X被毒回復処理時にＨ₂濃度がある程度以上高くなると脱離したＳＯ_Xが更にＨ₂と反応して硫化水素Ｈ₂Ｓが生成されてしまう問題がある。図２に点線２で示したのは、ＳＯ_X被毒回復処理時の排気空燃比（すなわちＨ₂濃度）とＮＯ_X吸蔵還元触媒におけるＨ₂Ｓ生成量との関係を示している。図２、点線２に示すように排気中のＨ₂濃度（排気空燃比）がある限界値（図２にＨＲＳで示す）を越えるとＮＯ_X吸蔵還元触媒で急激にＨ₂Ｓが生成されるようになり、その後はＨ₂濃度が増大するにつれて生成されるＨ₂Ｓ量が増大する。従って、ＳＯ_X被毒回復処理時の排気中のＨ₂濃度はＨ₂Ｓ生成限界ＨＲＳより低く維持する必要がある。

また、排気中の水素成分濃度が低すぎる場合には、ＳＯ_Xの脱離速度が低くなり被毒回復処理に要する時間が長くなる問題がある。
すなわち、効率的にＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒回復処理を行うためには、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給される排気中の水素成分濃度を適切な範囲に制御する必要があるのである。

本実施形態では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７入口に配置したＨ₂センサ３１により排気中の水素成分濃度（Ｈ₂濃度）を検出し、検出したＨ₂濃度に基づいて被毒回復処理を行うことにより、効率的にＮＯ_X吸蔵還元触媒の被毒回復処理を行っている。

本実施形態のＨ₂センサ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Ｈ₂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。

次に、本実施形態のＨ₂センサを用いたＳＯ_X被毒回復処理の制御について説明する。
図３は、Ｈ₂センサを用いたＳＯ_X被毒回復処理操作の一例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ルーチンとして行われる。

本操作では、ＥＣＵ３０は、ＳＯ_X被毒回復処理時にＨ₂センサ３１で検出したＮＯ_X吸蔵還元触媒７入口排気中のＨ₂濃度ＨＲが予め定めた目標値（ＨＲ₀）になるように機関の空燃比（排気空燃比）を制御する。また、何らかの原因でＨ₂濃度ＨＲがＨ₂Ｓ生成限界以上になった場合には空燃比を増大し（リーン方向に変化させ）てＨ₂Ｓの生成を防止するようにしている。

すなわち、図３の操作が開始されると、まずステップ３０１では現在ＳＯ_X被毒回復処理を実行中か否かが判定される。本実施形態では、ＥＣＵ３０は、別途実行する図示しないＳＯ_X吸蔵量算出操作で、前述したＮＯ_Xカウンタと同様な方法でＳＯ_X吸蔵量に対応するＳＯ_Xカウンタを積算し、このＳＯ_Xカウンタが所定値に到達する毎にＳＯ_X被毒回復処理を行う。或いは、ＳＯ_Xカウンタを用いる代わりに例えば一定時間機関が運転される毎に、或いは車両の一定走行距離毎に一定時間ＳＯ_X被毒回復処理を行うようにしても良い。

ステップ３０１では、現在このＳＯ_X被毒回復処理が行われているか否かを判定し、回復処理実行中でない場合にはステップ３１５で、機関の燃料噴射量ＦＩＮをＦＩＮＣに設定する。ＦＩＮＣは、別途ＥＣＵ３０により行われる図示しない燃料噴射量演算操作により、機関運転状態（アクセル開度、機関回転数など）に基づいて算出される燃料噴射量である。すなわち、ＳＯ_X被毒回復処理が行われていない場合には、燃料噴射量は通常の値に設定される。

一方、ステップ３０１で現在ＳＯ_X被毒回復処理実行中であった場合には、次にステップ３０３で燃料噴射量ＦＩＮはＦＩＮＣに対して所定値ＦＩＮＳだけ増量される。ＦＩＮＳは、機関排気温度を上昇させかつリッチ空燃比にするのに十分な量として予め設定されている。すなわち、ＳＯ_X被毒回復処理実行中は機関は排気温度が高く、かつ排気空燃比がリッチ空燃比になる条件で運転される。

次いで、ステップ３０５ではＮＯ_X吸蔵還元触媒７入口排気のＨ₂濃度ＨＲがＨ₂センサ３１から読み込まれ、ステップ３０７では、このＨ₂濃度ＨＲがＨ₂Ｓが生成される下限値ＨＲＳ以上になったか否かが判定され、ＨＲ≧ＨＲＳであった場合にはステップ３１１に進み、ＳＯ_X被毒回復処理時の燃料増量値ＦＩＮＳを所定値ΔＦだけ減量する。
これにより、本操作ではＨ₂濃度がＨ₂Ｓ生成限界より高い場合には、Ｈ₂Ｓ生成限界を下回るまで本操作実行毎に燃料噴射量が一定量ΔＦずつ減量されるようになる。

ステップ３０７でＨＲ＜ＨＲＳであった場合には、次にステップ３０９から３１３の操作により、Ｈ₂濃度ＨＲが予め定めた目標値ＨＲ₀になるように燃料噴射量の増量値ＦＩＮＳがΔＦずつ増減される。これにより、ＳＯ_X被毒回復処理実行中は、機関空燃比はＨ₂Ｓが発生しない範囲で、目標値ＨＲ₀近傍に維持されるようになる。

本実施形態では、ＳＯ_X被毒回復処理は予め定めた時間だけ継続され、所定の時間が経過すると被毒回復処理は終了してステップ３１５により空燃比は通常運転時の値に復帰する。そして、被毒回復処理時のＨ₂濃度目標値ＨＲ₀は上記の被毒回復処理継続時間内にＮＯ_X吸蔵還元触媒７が吸蔵したＳＯ_Xの全量を脱離させるのに十分な濃度に設定されている。

目標濃度ＨＲ₀は、ＳＯ_X被毒回復処理の実行頻度（被毒回復処理開始時のＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X吸蔵量）と処理継続時間とに応じて定まるが、被毒回復処理時の空燃比は少なくとも理論空燃比以下（リッチ空燃比）であることが必要であり、更にＨ₂濃度の上限はＨ₂Ｓの発生限界濃度より低い必要があるため、Ｈ₂濃度の目標値ＨＲ₀は、０．１％以上２．０％以下の範囲とされる。
ここで、Ｈ₂濃度０．１％はほぼ排気空燃比が理論空燃比のときのＨ₂濃度に相当し、２．０％はＮＯ_X吸蔵還元触媒でＨ₂Ｓが生成され始める下限Ｈ₂濃度に相当する値である。

なお、被毒回復処理時のＨ₂濃度目標値ＨＲ₀は、一定値としても良いが、図４に示すように被毒回復処理開始から所定時間高い値に維持し、その後徐々に低下するようにしても良い。

通常、ＳＯ_X被毒回復処理が開始され、高温かつリッチ空燃比の排気がＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給されると、ＢａＯなどの吸蔵材に硫酸塩の形で吸蔵されたＳＯ_Xが脱離する前に、白金などの表面に吸着したＳＯ_Xが急激に脱離する。このため、ＳＯ_X被毒回復処理開始直後には比較的多量のＳＯ_XがＮＯ_X吸蔵還元触媒から脱離し、その後脱離するＳＯ_Xの量は徐々に低下するようになる。

このため、ＳＯ_X被毒回復処理開始時にＮＯ_X吸蔵還元触媒に比較的多量のＨ₂を供給することにより、初期に脱離する比較的多量のＳＯ_XがＮＯ_X吸蔵還元触媒に再吸蔵されることを防止することができ、短時間でＳＯ_X被毒回復処理を完了することができる。

このため、例えば図４に示したようにＨ₂濃度の目標値ＨＲ₀を被毒回復処理開始時に高く設定し、その後時間の経過とともに低減するように設定することにより、ＳＯ_Xの脱離状況に応じた適切な量のＨ₂を過不足なくＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給することができ、燃費の増大を防止しつつ効率的にＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒回復処理を行うことができる。

図５は本実施形態のＳＯ_X被毒回復処理の図３とは別の実施形態を示すフローチャートである。
図５の操作も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。

前述の図３の処理操作では、ＳＯ_X被毒回復処理の継続時間は予め一定の時間に設定され、その時間内にＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＳＯ_Xの全量を脱離させるようにＨ₂濃度目標値ＨＲ₀が設定されていた。

これに対して、図５の操作では、Ｈ₂濃度はＨ₂Ｓの発生限界以下に制限されるものの、目標値ＨＲ₀には制御されておらず、そのときの運転条件に応じた値になる。図５の操作では、上記のように運転条件に応じて変化するＨ₂濃度をＨ₂センサ３１で検出し、このＨ₂濃度からＮＯ_X吸蔵還元触媒７に供給されるＨ₂量を求め、供給されたＨ₂量の合計がＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＳＯ_Xの全量を脱離させるのに十分な値に到達するまで被毒回復処理を継続する。
すなわち、図５の処理ではＳＯ_X被毒回復処理の継続時間がＨ₂センサ３１で検出したＨ₂濃度により制御される。

図５の処理が開始されると、ステップ５０１ではフラグＳ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ＳはＳＯ_X被毒回復処理実行要否を表すフラグであり、別途ＥＣＵ３０により実行される判定操作により、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＳＯ_X量が所定値に到達したと判断された場合（例えば、前述のＳＯ_Xカウンタの値が所定値に到達した場合）に１にセットされる。また、フラグＳの値は本操作によりＳＯ_X被毒回復処理が完了したと判断されるとステップ５１５で０にリセットされる。

ステップ５０１でＳ≠１であった場合、すなわち現在ＳＯ_X被毒回復処理を実行する必要がない場合には、ステップ５１９が実行され、機関１の燃料噴射量ＦＩＮは別途ＥＣＵ３０により実行される燃料噴射量算出操作により算出された値ＦＩＮＣにセットされる。

又、ステップ５０１でＳ＝１であった場合には、ＳＯ_X被毒回復処理の実行が要求されているため、ステップ５０３に進み燃料噴射量をＦＩＮＳだけ増量し、排気がリッチ空燃比でかつ温度が高い状態で機関を運転する。ステップ５０３のＦＩＮＳは図３のステップ３０３と同様な量である。

次いで、ステップ５０５ではＨ₂センサ３１からＮＯ_X吸蔵還元触媒入口排気中のＨ₂濃度ＨＲを読み込み、ステップ５０７では、Ｈ₂濃度ＨＲに機関吸入空気量Ｇを乗じた値を積算し、積算値ＴＨＲを求める。吸入空気量Ｇはほぼ排気流量に対応しているため、Ｈ₂濃度ＨＲにＧを乗じた値は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に単位時間当たりに流入するＨ₂の量に対応する値となる。又、積算値ＴＨＲはＳＯ_X被毒回復処理完了時にステップ５１７でゼロにリセットされるため、ステップ５０７で算出された積算値ＴＨＲは今回のＳＯ_X被毒回復処理開始時から現在までにＮＯ_X吸蔵還元触媒７に供給された水素成分の総量に対応する値となる。

なお、吸入空気量ＧはＥＣＵ３０により別途実行される図示しない演算操作により、吸気圧センサ３３で検出した吸気管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算出される。

ステップ５０７で積算値ＴＨＲ算出後、次いでステップ５０９では算出した積算値ＴＨＲが予め定めた判定値ＴＨＲ₀に到達したか否かを判定し、到達している場合（ＴＨＲ≧ＴＨＲ₀）には、ステップ５１５と５１７でフラグＳと積算値ＴＨＲとをゼロにリセットする。これにより、次回以降の図５の操作ではステップ５０１の後にステップ５１９が実行されるようになり、ＳＯ_X被毒回復処理は終了する。

ここで、判定値ＴＨＲ₀は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７が吸蔵したＳＯ_Xの全量を脱離、還元するのに十分なＨ₂の量に対応する値であり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の種類、ＳＯ_X被毒回復処理の実行頻度（ＳＯ_X被毒回復処理を開始するときのＳＯ_X吸蔵量）などにより定まるため、実際のＮＯ_X吸蔵還元触媒と機関とを用いた実験により決定することが好ましい。

ステップ５０９で、ＴＨＲ＜ＴＨＲ₀であった場合には、すなわちＳＯ_X被毒回復処理はまだ完了していないため、ステップ５１１と５１３とを実行後今回の操作を修了する。
ステップ５１１、５１３は図３のステップ３０７、３１１と同じ操作であり、これにより排気中のＨ₂濃度がＨ₂Ｓ発生限界を越えないように排気空燃比が制御される。

なお、図５の操作ではＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入する水素成分量の積算値に基づいてＳＯ_X被毒回復処理の継続時間を定めているが、例えば、予め排気中のＨ₂濃度とＳＯ_X被毒回復処理の継続時間との関係を定めておき、Ｈ₂センサ３１で検出したＨ₂濃度ＨＲから直接ＳＯ_X被毒回復処理の継続時間を決定するようにすることも可能である。

次に、図６を用いて本発明の排気浄化装置の図１とは別の構成例について説明する。
図６は、本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の概略構成を示す図１と同様な図である。図６において、図１と同じ参照符号は同様な要素を示している。

図６の構成では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の上流側、かつＨ₂センサ３１下流側の排気通路にＳＯ_Xトラップ７３が設置されている点のみが図１の構成と相違している。
ＳＯ_Xトラップ７３は、流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＳＯ_Xを吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチ空燃比になったときに吸蔵したＳＯ_Xを、例えばＳＯ₂の形で排気中に放出するものである。

ＳＯ_Xトラップ７３としては、例えば、アルミナの担体上にカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ等のようなアルカリ金属、カルシウムＣａ等のようなアルカリ土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ、イリジウムＩｒのような貴金属とを担持したものなどが使用される。

ＳＯ_Xトラップ７３は、排気が高温かつリッチ空燃比になったときにＳＯ_Xが脱離しやすいように、ＳＯ_Xを硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形で、或いは硫酸塩を形成したとしても硫酸塩が安定しない状態でＳＯ_Xトラップ内に保持する。

例えば、担体上に白金ＰｔとカルシウムＣａとを担持させた場合を例に取ると、排気空燃比がリーンのときには、排気中のＳＯ_X（例えばＳＯ₂）が白金Ｐｔの表面で酸化されつつ硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形で酸化カルシウムＣａＯ内に吸収され拡散し、硫酸カルシウムＣａＳＯ₄を形成する。ところが、硫酸カルシウムは比較的安定性が低く、流入する排気の空燃比がリッチ空燃比になり排気中の酸素濃度が低下すると、一定温度以上では容易に分解し（ＣａＳＯ₄→Ｃａ²⁺＋ＳＯ₄ ^2-）、硫酸イオンＳＯ₄ ^2-がＳＯ_X（ＳＯ₂）の形でＳＯ_Xトラップから放出される。

このようなＳＯ_Xトラップ７３をＮＯ_X吸蔵還元触媒７の上流側に配置することにより、排気の空燃比がリーンのときには排気中のＳＯ_Xの大部分がＳＯ_Xトラップ７３に吸蔵され、下流側のＮＯ_X吸蔵還元触媒７にはほとんどＳＯ_X成分が到達しなくなる。

このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X被毒回復処理の頻度を低く維持することができるようになり、高温リッチ空燃比の排気をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給するための燃料消費量の増大や、高温によるＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化を抑制することができる。

なお、図６ではＮＯ_X吸蔵還元触媒７とＳＯ_Xトラップ７３とを同一のケーシング７１内に近接配置した場合を示しているが、Ｈ₂センサ３１とＮＯ_X吸蔵還元触媒７との間の位置であれば、ＳＯ_Xトラップ７３はＮＯ_X吸蔵還元触媒７とは別のケーシングに収納して配置するようにしても良い。

上記のように、ＳＯ_Xトラップ７３をＮＯ_X吸蔵還元触媒７上流側に設けることにより機関の燃料消費量の増大や触媒の劣化を抑制することができるのであるが、この場合もＳＯ_X被毒回復処理時のＳＯ_Xの再吸蔵の問題が生じる。

すなわち、ＳＯ_X被毒回復処理時にＳＯ_Xトラップから比較的高濃度のＳＯ_Xが放出されると、下流側のＮＯ_X吸蔵還元触媒では空燃比がリッチであってもＳＯ_XがＮＯ_X吸蔵還元触媒に再吸蔵されてしまい、ＮＯ_X吸蔵還元触媒への再吸蔵と脱離とを繰り返しつつ徐々にＮＯ_X吸蔵還元触媒上を下流側に移動するため、ＳＯ_X被毒回復処理に比較的長い時間を要する問題が生じるのである。

従って、図６のようにＮＯ_X吸蔵還元触媒上流側にＳＯ_Xトラップを配置した場合も、ＳＯ_X被毒回復処理時にＮＯ_X吸蔵還元触媒７に水素を供給することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒へのＳＯ_Xの再吸蔵を防止することができる。

なお、図６の構成においてもＨ₂センサ３１で検出したＨ₂濃度に基づいて機関空燃比またはＳＯ_X被毒回復処理継続時間を制御することにより、更に効率的なＳＯ_X被毒回復処理を行うことができる。また、図６の構成におけるＨ₂濃度に基づく被毒回復処理の制御は図３の構成における制御と同様であるので、説明は省略する。

次に、図７を用いて本発明の排気浄化装置の更に別の構成例について説明する。
図７は、本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の概略構成を示す図１と同様な図であり、図７において図１と同じ参照符号は同様な要素を示している。

図７の構成では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の上流側のＨ₂センサ３１に加えてＮＯ_X吸蔵還元触媒７の下流側の排気通路に排気中の硫黄酸化物濃度（ＳＯ_X濃度）を検出可能なＳＯ_Xセンサ９０が設けられている点のみが図１の構成と相違している。

本実施形態で使用するＳＯ_Xセンサ９０は応答性良好に連続的に排気中のＳＯ_X濃度を検出可能なものである必要があるが、現在のところこの要求を満たすＳＯ_Xセンサは市販に至っていない。本実施形態は、将来このようなＳＯ_Xセンサが実用化された場合に実施可能となる。

本実施形態では、Ｈ₂センサ３１ので検出したＮＯ_X吸蔵還元触媒７上流側の排気Ｈ₂濃度に加えて、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側に配置したＳＯ_Xセンサ９０で検出したＳＯ_X濃度を用いてＳＯ_X被毒回復処理時の空燃比制御や処理継続時間の制御を行う。

すなわち、本実施形態では上流側Ｈ₂センサ３１出力に基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中のＨ₂濃度が所定の範囲になるように排気空燃比を制御するとともに、上流側Ｈ₂濃度が所定範囲にあるときに下流側ＳＯ_Xセンサ９０で検出したＳＯ_X濃度が所定値以下になった場合にＳＯ_X被毒回復処理が完了したと判断する。

ＳＯ_X被毒回復処理時にはＮＯ_X吸蔵還元触媒７にＨ₂成分を含む排気を供給することにより、脱離したＳＯ_Xの再吸蔵が抑制されるため脱離したＳＯ_Xは排気とともにＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側に排出される。このため、排気中のＨ₂濃度がある程度以上である場合にはＮＯ_X吸蔵還元触媒７からのＳＯ_Xの脱離が続いている限りはＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側では排気中にＳＯ_Xが検出される。

従って、排気中のＨ₂濃度が所定値以上であるにもかかわらずＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側のＳＯ_Xセンサ９０でＳＯ_Xがほとんど検出されないような状態になった場合にはＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＳＯ_Xの脱離が完了したと判断することができる。

そこで、本実施形態ではＳＯ_X被毒回復処理開始後にＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側のＳＯ_Xセンサで検出したＳＯ_X濃度が所定値以下になった場合にＳＯ_X被毒回復処理を終了するようにしている。
これにより、ＳＯ_X被毒回復処理の完了を正確に判断することが可能となり、適切にＳＯ_X被毒回復処理を終了することができるため、ＳＯ_Xの脱離が不十分な状態でＳＯ_X被毒回復処理を終了することによるＳＯ_X被毒の進行や必要以上に長時間ＳＯ_X被毒回復処理を実行することによる機関燃料消費量の増大とＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化を抑制することが可能となる。

図８は、本実施形態のＳＯ_X被毒回復処理を説明するフローチャートである。
本操作も図３、図５の操作と同様に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８の操作では、まずステップ８０１でフラグＳの値に基づいてＳＯ_X被毒回復処理の実行要否が判定され、ＳＯ_X被毒回復処理の実行が必要ない場合（Ｓ≠１）にはステップ８２１で通常の燃料噴射が行われる。また、ＳＯ_X被毒回復処理を実行する必要がある場合（Ｓ＝１）には、ステップ８０３で機関１の燃料噴射量がＦＩＮＳだけ増量される。
ステップ８０１、８０３、８２１の操作は、それぞれ図５ステップ５０１、５０３、５１９の操作と同一である。

ステップ８０３でＳＯ_X被毒回復処理が実行された場合には、次にステップ８０５から８１１ではＮＯ_X吸蔵還元触媒７上流側のＨ₂センサ３１からＨ₂濃度ＨＲを読み込み（ステップ８０５）、このＨ₂濃度ＨＲがＨ₂Ｓの発生限界濃度ＨＲＳと第１の所定値ＨＲ₁との間の範囲になるように（ステップ８０７、８１１）増量値ＦＩＮＳの値を一定量ΔＦ₁（ステップ８０９）、ΔＦ₂（ステップ８１３）ずつ増減する。

そして、ステップ８１１でＨＲ≧ＨＲ₁が成立している場合には、ステップ８１５に進みＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側のＳＯ_Xセンサ９０から触媒下流側排気中のＳＯ_X濃度ＳＲを読み込み、ステップ８１７でＳＯ_X濃度ＳＲが予め定めた第２の所定値ＳＲ₂以下になっている場合には、すなわちＮＯ_X吸蔵還元触媒７からのＳＯ_Xの脱離が完了していると判断できるため、ステップ８１９でフラグＳの値をゼロにリセットして今回の操作を終了する。

これにより、本操作が次に実行されるとステップ８０１の後にステップ８２１が実行されるようになり、ＳＯ_X被毒回復処理が終了する。また、ステップ８１７でＳＲ＞ＳＲ₂であった場合には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７からのＳＯ_Xの脱離がまだ続いているため、Ｓの値を１に保持したままで今回の操作を終了する。これにより、次に本操作が実行された場合にもステップ８０３以下のＳＯ_X被毒回復処理が実行されるようになる。

なお、ステップ８１１の所定値ＨＲ₁は０．１％（理論空燃比相当）からり２．０％（Ｈ₂Ｓ生成限界）の範囲の適宜な値に設定可能であるが、小さい値に設定するほどＳＯ_X被毒回復処理の継続時間が長くなり、大きい値に設定するほどＨ₂Ｓ生成限界に近くなるため、実際の触媒を用いた実験により決定することが好ましい。
また、ステップ８１７の判定値ＳＲ₂は、実用上ＮＯ_X吸蔵還元触媒中の残存ＳＯ_X量が実用上問題がない程度に低下した時のＳＯ_X脱離量に相当する値であり、ＳＲ₂についても実験により決定することが好ましい。
なお、図７の構成ではＳＯ_Xトラップを配置しない場合について説明しているが、図６のようにＳＯ_Xトラップを配置した場合にも、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側の排気通路にＳＯ_Xセンサを設けることにより、図８と同様なＳＯ_X被毒回復処理が可能であることは言うまでもない。

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。 排気空燃比とＨ₂の生成量との関係を示す図である。 Ｈ₂センサを用いたＳＯ_X被毒回復処理の一例を示すフローチャートである。 被毒回復処理時のＨ₂濃度目標値の設定例を示す図である。 Ｈ₂センサを用いたＳＯ_X被毒回復処理の図３とは別の実施形態を示すフローチャートである。 本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の図１とは別の実施形態の概略構成を説明する図である。 本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の図１、図６とは別の実施形態の概略構成を説明する図である。 Ｈ₂センサとＳＯ_Xセンサとを用いたＳＯ_X被毒回復処理の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 機関本体
２ 排気通路
５ａ、５ｂ スタート触媒
７ ＮＯ_X吸蔵還元触媒
３０ ＥＣＵ（電子制御ユニット）
３１ Ｈ₂センサ
７３ ＳＯ_Xトラップ
９０ ＳＯ_Xセンサ

Claims (7)

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ＮＯ_X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ＮＯ_Xを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒と、
   該ＮＯ_X吸蔵還元触媒上流側の排気通路に配置した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ＮＯ_X吸蔵還元触媒がＮＯ_Xとともに吸蔵した硫黄酸化物をＮＯ_X吸蔵還元触媒から放出させるために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しつつ排気温度を上昇させるＳＯ_X被毒回復処理を実行する際に、
   前記Ｈ₂センサで検出したＮＯ_X吸蔵還元触媒上流側排気中の水素成分濃度に基づいてＳＯ_X被毒回復処理実行中の機関排気空燃比とＳＯ_X被毒回復処理継続時間との少なくとも一方を制御する、内燃機関の排気浄化装置。
2. 更に、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流側かつＨ₂センサ下流側の排気通路に、流入する排気空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＳＯ_Xを吸蔵し、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ＳＯ_Xを放出するＳＯ_Xトラップを備えた、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記ＳＯ_X被毒回復処理実行時に、Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度がＮＯ_X吸蔵還元触媒で硫化水素が生成される水素成分濃度より低くなるように、機関排気空燃比を制御する、請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記ＳＯ_X被毒回復処理実行時に、Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度が０．１％から２．０％の間になるように、機関排気空燃比を制御する、請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記ＳＯ_X被毒回復処理実行時に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中の水素成分濃度が、ＳＯ_X被毒回復処理開始時に高く、その後緩やかに低下するように機関排気空燃比を制御する、請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 更に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側の排気通路に、排気中の硫黄酸化物濃度を検出するＳＯ_Xセンサを備え、前記Ｈ₂センサで検出した水素成分濃度と、前記ＳＯ_Xセンサで検出したＳＯ_X濃度とに基づいて、ＳＯ_X被毒回復処理実行中の機関排気空燃比とＳＯ_X被毒回復処理継続時間との少なくとも一方を制御する、請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記Ｈ₂センサで検出した水素成分濃度が予め定めた第１の値以上であり、かつ前記ＳＯ_Xセンサで検出した硫黄酸化物濃度が予め定めた第２の値以下になったときに、前記ＳＯ_X被毒回復処理を終了する、請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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