JP4305467B2 - 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吸蔵還元触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを吸着、吸収またはその両方にて選択的に吸蔵保持し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となったときに、吸蔵したＮＯ_Xを脱離、還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒を配置し、機関のリーン空燃比運転中に排気中のＮＯ_XをＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵させることによりＮＯ_Xの大気放出を防止する内燃機関の排気浄化装置が一般に知られている。

ＮＯ_X吸蔵還元触媒は吸蔵したＮＯ_X量が増大するにつれてＮＯ_Xの吸蔵能力が低下し、吸蔵されずにＮＯ_X吸蔵還元触媒を通過してしまうＮＯ_Xの割合が増大する。また、ＮＯ_X吸蔵還元触媒は吸蔵できる最大量までＮＯ_Xを吸蔵してしまうともはや排気中のＮＯ_Xを吸蔵することはできず、排気中のＮＯ_Xの全量がＮＯ_X吸蔵還元触媒を通過するようになる。

このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒を用いた排気浄化装置ではＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量がある程度増大したときに機関をリッチ空燃比で短時間運転する再生操作（リッチスパイク操作）を行う。再生操作を行うことにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒にはリッチ空燃比の排気が供給されるため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_Xが触媒から脱離してリッチ空燃比排気中の未燃炭化水素やＣＯ等の成分により還元浄化される。これにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量が低下してＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵能力が回復する。

上記のように、再生操作（リッチスパイク操作）はＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_X量に応じて適切に行う必要かある。例えば、ＮＯ_X吸蔵量が少なくＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵能力がまだ充分に余裕がある状態で再生操作を行うと、機関がリッチ空燃比で運転される頻度が増大してしまい、排気性状の悪化や燃料消費量の増大を生じる可能性がある。また、逆に再生操作の頻度が必要以上に低いと、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量が許容限度以上に増大してしまい、ＮＯ_X吸蔵能力の低下のために排気性状が悪化する可能性がある。
従って、リッチスパイク操作を適切に行うためにはＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_X量を正確に知る必要がある。ところが、実際には機関運転中にＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_X量を直接計測することは困難である。このため、直接計測に代えてＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量を推定する方法が種々考案されている。

ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量を正確に推定する方法としては、例えばＮＯ_Xカウンタを用いるものが知られている（特許文献１参照）。ＮＯ_Xカウンタは、機関運転中常に運転状態に応じてＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量に対応するように増減操作されるカウンタ値である。
例えば特許文献１に開示された排気浄化装置では、機関がリーン空燃比運転されている時には機関の運転状態に応じて定まる量を一定時間毎にＮＯ_Xカウンタに加算し、機関が理論空燃比またはリッチ空燃比で運転されているときには、機関の空燃比やＮＯ_X吸蔵還元触媒温度等に応じて定まる量を一定時間毎にＮＯ_Xカウンタから減算することにより、ＮＯ_Xカウンタの値が常にＮＯ_X吸蔵還元触媒の現在のＮＯ_X吸蔵量に対応して変化するようにしている。

すなわち、機関運転中には機関から単位時間当たりに排出されるＮＯ_X量は、機関負荷、回転数等の機関運転条件に応じて定まる。機関のリーン空燃比運転中には、機関から排出されるＮＯ_Xのうち一定の割合のＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されると考えられるため、リーン空燃比運転中はＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量は単位時間当たりに機関のＮＯ_X発生量に所定の割合を乗じた量だけ増大する。

また、機関の理論空燃比またはリッチ空燃比運転中、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_Xは所定の速度でＮＯ_X吸蔵還元触媒から脱離して還元浄化される。このとき単位時間当たりにＮＯ_X吸蔵還元触媒から脱離するＮＯ_Xの量、すなわちＮＯ_X吸蔵量の単位時間当たりの減少量は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する未燃燃料やＣＯ等の流量に比例すると考えられる。

特許文献１の装置では、リーン空燃比運転時にはＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯ_X量の増大に応じた速度でＮＯ_Xカウンタを増大させ、理論空燃比またはリッチ空燃比運転時には吸蔵ＮＯ_X量の減少に応じた速度でＮＯ_Xカウンタを減少させることにより、ＮＯ_Xカウンタの値が常にＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量に正確に対応するようにしている。

特許文献１の装置では、上記により算出したＮＯ_Xカウンタを用いてＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量を正確に推定することにより、適切なリッチスパイク操作を行うことを可能にしている。

特開平７−１３９３４０号公報 特開平８−２６０９４８号公報 特開２００１−１５２８３８号公報 特開２００２−１９５０８０号公報 国際公開第０１／００９７７号パンフレット

上記特許文献１のようにＮＯ_Xカウンタを用いてＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量を推定することにより、本来正確にリッチスパイク操作を行うことができるはずである。ところが、実際には特許文献１のようにＮＯ_Xカウンタを用いて推定したＮＯ_X吸蔵量のみに基づいてリッチスパイク操作を実施していると、リッチスパイク操作後も充分にＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵能力が回復しない問題が生じる場合がある。

ＮＯ_X吸蔵還元触媒はリーン空燃比とリッチ空燃比との間の空燃比の変化により排気中のＮＯ_Xの吸蔵と脱離とを行うが、実際にはＮＯ_Xの吸蔵と脱離の速度はＮＯ_X吸蔵還元触媒全体にわたって一様ではなく、触媒の部分によって大きく異なっている。
例えば、リーン空燃比運転時のＮＯ_Xの吸蔵の際にはＮＯ_XはまずＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流側に近い側に主に吸蔵されるため下流側にはほとんど到達しない。このため、リーン空燃比運転開始後しばらくは触媒の下流側部分にはＮＯ_Xが吸蔵されにくい。また、同様に再生操作時にも、ＮＯ_Xはまず上流側に近い側から脱離し、排気中の未燃炭化水素等が上流側に近い部分で消費されるため、下流側に近い側ではＮＯ_Xの脱離は生じにくくなる。

すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流側部分と下流側部分とではＮＯ_X吸蔵速度と脱離速度が大きく異なっている。また、一般にＮＯ_Xの吸蔵も脱離もまず上流側部分で生じ、次いである遅れ時間が経過してからはじめて下流側でも生じるようになる。このように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流側部分と下流側部分とでは、ＮＯ_Xの吸蔵、脱離の特性（速度、タイミング）が異なっている。また、触媒の上流側や下流側との相違だけでなく、例えば触媒のコート層の上層付近と下層付近でも触媒の上流側部分、下流側側部分の相違と同様なＮＯ_Xの吸蔵、脱離の特性の相違を示す。

特許文献１の装置では、このようにＮＯ_Xの吸蔵脱離特性の異なる部分を有するＮＯ_X吸蔵還元触媒に対してそれぞれ単一のＮＯ_Xの吸蔵及び脱離速度を使用してＮＯ_X吸蔵量を推定しているため、吸蔵量に誤差を生じる場合がある。
例えば、ＮＯ_Xの吸蔵及び脱離速度として触媒上流側部分のものに近い値を使用していると、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のリッチスパイク操作の際に実際には触媒下流側ではＮＯ_Xの脱離が開始していないか、或いは吸蔵ＮＯ_Xが残っているうちにＮＯ_Xの脱離が完了したとしてリッチスパイク操作が終了してしまい、下流側部分では吸蔵ＮＯ_Xが残った状態で再度吸蔵を開始することとなる。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の下流側部分では次第にＮＯ_X吸蔵量が増大し、ＮＯ_Xカウンタを用いて推定したＮＯ_X吸蔵量に基づいてリッチスパイク操作を行っているにもかかわらず、部分的にＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵能力が大幅に低下するような問題が生じるのである。

また、上記ではＮＯ_Xの場合を例にとって説明したが、排気中に硫黄酸化物（ＳＯ_X）が含まれると、ＳＯ_XはＮＯ_Xと全く同様にリーン空燃比でＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵される。また、ＮＯ_X吸蔵還元触媒にＳＯ_Xが吸蔵されるとＮＯ_Xの場合と同様にＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力が低下するため、前述したリッチスパイク操作と同様な再生操作を実行してＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力を回復させる必要がある。ＮＯ_X吸蔵還元触媒からＳＯ_Xを脱離させるための再生操作はリッチスパイク操作と同様に触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比に維持し、更に排気温度をＮＯ_X脱離のためのリッチスパイク操作より高い温度に上昇させる必要がある。
従って、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵能力を有効に活用するためには、ＮＯ_Xの場合と同様にＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯ_X量を正確に推定しＳＯ_X離脱のための適切な再生操作を実行することが必要となる。

本発明は上記従来技術の問題に鑑み、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_XまたはＳＯ_X吸蔵量を推定する際に、誤差が生じることを防止して正確な推定を行うことにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵能力を有効に利用することを可能とする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され、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中の窒素酸化物（ＮＯ_X）または硫黄酸化物（ＳＯ_X）からなる特定成分を吸着、吸収またはその両方にて選択的に吸蔵保持し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となったときに、吸蔵した前記特定成分を脱離させるとともに還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒と、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒の少なくとも異なる２つの部分に吸蔵された前記特定成分量を部分毎に推定することにより、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒内に吸蔵された前記特定成分量を推定する推定手段と、前記推定手段により推定された特定成分吸蔵量に基づいて、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気を供給し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵された前記特定成分を脱離、還元浄化する再生操作を実施する再生手段と、を備え、前記推定手段は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の前記特定成分吸蔵時には、流入する排気からＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵される全特定成分量をＮＯ_X吸蔵還元触媒の前記各部分毎に所定の比率で分配することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の前記各部分に吸蔵された前記特定成分量を推定する、内燃機関の排気浄化装置において、前記再生手段は、前記再生操作実行時に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短時間維持した後更に、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒の各部分毎に推定した前記特定成分吸蔵量のうち特定の部分の前記特定成分吸蔵量に基づいて定まる時間だけＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比に維持する、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の発明では推定手段は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒を少なくとも２つ以上の部分に分けて、各部分毎に特定成分（ＮＯ_XまたはＳＯ_X）の吸蔵量を推定する。これにより、例えばＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流側側部分と下流側側部分等のように互いにＮＯ_XまたはＳＯ_Xの吸蔵、脱離特性が異なる部分についてもそれぞれの吸蔵脱離特性に基づいて吸蔵量を推定することが可能となるため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の部分毎の吸蔵、脱離特性の相違によるＮＯ_XまたはＳＯ_Xの吸蔵量推定値の誤差が生じることが防止される。

更に、本発明ではＮＯ_X吸蔵還元触媒の特定部分のＮＯ_XまたはＳＯ_Xの吸蔵量に応じて、再生操作実行後に排気空燃比を理論空燃比に維持する時間を定める。例えば、再生操作実行時に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維持した後、各部分のＮＯ_XまたはＳＯ_Xの吸蔵量が全てゼロになっている場合には排気空燃比を理論空燃比に維持する時間をゼロに設定して直ちにリーン空燃比運転を開始しても良いが、ある特定の部分に吸蔵ＮＯ_XまたはＳＯ_Xが残留している状態で直ちにリーン空燃比運転を開始すると、この特定部分のＮＯ_XまたはＳＯ_Xの吸蔵量が増加してしまう問題が生じるため、この特定部分からＮＯ_XまたはＳＯ_Xの全量が脱離するまで理論空燃比の排気を触媒に供給することが好ましい。従って、ある特定の部分（ＮＯ_XまたはＳＯ_Xが残留しやすい部分）のＮＯ_XまたはＳＯ_Xの吸蔵量に応じて再生操作時に排気空燃比をリッチ空燃比に維持した後の理論空燃比に維持する時間を決定することにより、この部分へのＮＯ_XまたはＳＯ_Xの蓄積が防止される。

請求項２に記載の発明によれば、前記特定の部分は、再生操作実行時に他の部分に較べて吸蔵された前記特定成分が脱離する速度が低い部分である、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。

すなわち、請求項２の発明では請求項１のＮＯ_X吸蔵還元触媒の特定の部分として、ＮＯ_XまたはＳＯ_Xの脱離速度が他に較べて低い部分（例えば触媒下流側部分やコート層下層部分）とされる。これらの部分ではＮＯ_XまたはＳＯ_Xの脱離速度が低いため、再生操作完了時にも吸蔵ＮＯ_XまたはＳＯ_Xが完全には脱離せず、ＮＯ_XまたはＳＯ_Xが残留しやすくなっている。このため、この部分のＮＯ_XまたはＳＯ_Xの吸蔵量に応じて再生操作後に排気空燃比を理論空燃比に維持する時間を決定することにより、この部分へのＮＯ_XまたはＳＯ_Xの蓄積が生じることが防止される。

各請求項に記載の発明によれば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_XまたはＳＯ_Xの吸蔵量を正確に推定し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵能力を有効に利用することを可能とする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、本発明を自動車用ガソリン機関に適用した実施形態の装置全体の基本構成概略を示す図である。

図１において、１は機関本体、５は排気通路をそれぞれ示している。
本実施形態では、機関１は負荷条件に応じて運転空燃比が変更されるが、その運転領域の大部分で理論空燃比よりリーンな空燃比で運転される、いわゆるリーンバーンエンジンとされている。
本実施形態では、排気通路５にはＮＯ_X吸蔵還元触媒２０が配置されている。
また、図に符号３０で示すのは機関１の電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。ＥＣＵ３０は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵ、入出力ポートを備えた公知のマイクロコンピュータとして構成され、本実施形態では機関１の燃料噴射制御や点火時期制御などの基本制御を行う他、後述するＮＯ_X吸蔵還元触媒２０の再生操作（リッチスパイク操作）や、触媒２０のＮＯ_X吸蔵量（またはＳＯ_X吸蔵量）の推定計算等の操作を行う。

これらの各種操作のため、ＥＣＵ３０には機関１の回転数、アクセル開度（アクセルペダル（図示せず）の踏み込み量）等がそれぞれ対応するセンサから入力されている他、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０の下流側の排気通路に配置されたＯ₂センサ３５からＮＯ_X吸蔵還元触媒２０出口排気中の酸素濃度に対応する信号が入力されている。

本実施形態のＮＯ_X吸蔵還元触媒２０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。ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０は機関１の排気空燃比がリーンのときに、排気中のＮＯ_X（ＮＯ、ＮＯ₂）を吸着、吸収またはその両方にて選択的に吸蔵保持し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となったときに、吸蔵したＮＯ_Xを脱離させるとともに排気中の未燃炭化水素やＣＯ、ＣＯ₂等により還元浄化するものである。

すなわち、リーン空燃比運転中の機関の排気に含まれるＮＯ_Xは一旦ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０に吸蔵され、機関１の排気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、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０から脱離して排気中に含まれる炭化水素や、ＣＯなどの成分によりＮＯ_X吸蔵還元触媒上で還元、浄化される。これにより、機関排気中のＮＯ_Xが大気に排出されることが防止される。

ところが、リーン空燃比運転が続きＮＯ_X吸蔵還元触媒２０のＮＯ_Xの吸蔵が続くとＮＯ_X吸蔵還元触媒２０に吸蔵されたＮＯ_X量が増大する。
ＮＯ_X吸蔵還元触媒は、ＮＯ_X吸蔵量が増大するにつれてＮＯ_X吸蔵能力（ここでは、流入する排気中のＮＯ_XのうちＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されるＮＯ_Xの割合をＮＯ_X吸蔵能力またはＮＯ_X浄化率と呼ぶ）は低下する。そして、ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵可能な最大量のＮＯ_Xを吸蔵した状態（飽和状態）では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０は排気中のＮＯ_Xを全く吸蔵することができなくなりＮＯ_X吸蔵還元触媒２０のＮＯ_X浄化率はゼロになる。

従って、本実施形態では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化率の低下を防止してＮＯ_Xの大気放出を防止するために、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０のＮＯ_X吸蔵量がある程度まで増大したときにリーン空燃比運転中の機関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う。
リッチスパイク操作を行うことにより、一時的に機関１の排気空燃比はリッチ空燃比になり、酸素濃度が低下するとともに排気中の未燃炭化水素やＣＯ₂、還元成分であるＣＯ等の量が増大する。これにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒からは吸蔵されたＮＯ_Xが脱離し、触媒上で排気中の未燃炭化水素やＣＯ₂、還元成分であるＣＯ等と反応し、Ｎ₂に還元浄化される。

すなわち、リッチスパイク操作を行うことにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０からは吸蔵したＮＯ_Xが脱離し、触媒２０のＮＯ_X吸蔵量は低下するため触媒２０のＮＯ_X吸蔵能力が回復する。本明細書では、上記リッチスパイク操作のようにＮＯ_X吸蔵還元触媒からＮＯ_Xを脱離させてＮＯ_X吸蔵能力を回復させる操作を再生操作と称する場合がある。

ところが、再生操作ではＮＯ_X吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気を供給するために機関を短時間リッチ空燃比で運転する必要が生じる。このため、例えばＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量がまだ増大しておらず充分にＮＯ_X吸蔵能力が残っている状態であるにもかかわらず再生操作を実行すると、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵能力を有効に活用できないだけでなく再生操作実行頻度が増大し、機関の燃料消費量が増大する問題がある。

また、ＮＯ_X吸蔵量が過度に増大するまで再生操作を実行しないと、機関がＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力が低下した状態で運転される時間が長くなりＮＯ_Xの大気への放出量が増大する問題がある。
このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力を有効に活用して排気浄化を行い、燃料消費量の増大や排気性状の悪化を防止するためには、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量を正確に把握して適切なタイミングで再生操作を実行する必要がある。

なお、前述したようにＮＯ_X吸蔵還元触媒は、ＮＯ_Xとまったく同様にＳＯ_Xの吸蔵と脱離とを行い、ＳＯ_X吸蔵量の増大とともにＮＯ_XとＳＯ_Xの吸蔵能力が低下する。このため、ＮＯ_X吸蔵能力回復のためにはＮＯ_Xの場合と同様な再生操作が必要となる。この再生操作にはリッチ空燃比排気をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給する時間が長く、触媒温度を上昇させる必要がある点を除けばＮＯ_X脱離のための再生操作と全く同様である。
従って、ＳＯ_Xの吸蔵についてもＮＯ_Xの吸蔵と同様に吸蔵量を正確に把握して適切なタイミングで再生操作を実行する必要がある。
以下の実施形態では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_Xの吸蔵と脱離とに例をとって説明するが、ＳＯ_Xの場合についても以下の実施形態が成立する。
従って、本明細書では重複を避けるためＳＯ_Xの場合についての実施形態を別途記載することはしないが、以下の各実施形態で適宜「ＮＯ_X」を「ＳＯ_X」と読み替えることによりＳＯ_Xの場合についても全く同じ実施形態が成立することに留意されたい。

前述の特開平７−１３９３４０号公報の装置では、ＮＯ_Xカウンタを用いてＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量を推定しているものの、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の各部分でのＮＯ_Xの吸蔵、脱離の状態を触媒全体にわたって均一と仮定し、単一のＮＯ_Xカウンタを用いてＮＯ_X吸蔵量を算出しているためＮＯ_X吸蔵量の推定に誤差が生じる場合があることは前述した。

本実施形態では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒を複数の部分に分けて、それぞれの部分に互いに独立して操作可能なＮＯ_Xカウンタを設け、これらのＮＯ_Xカウンタをそれぞれの部分のＮＯ_Xの吸蔵、脱離特性に応じて増減することにより上記問題を解決している。
すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の各部分のＮＯ_Xの吸蔵、脱離特性はそれぞれ異なっている。例えば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒にはＮＯ_Xを吸蔵しやすい部分（ＮＯ_Xの吸蔵速度が大きい部分）と吸蔵しにくい部分（吸蔵速度が小さい部分）とがあり、触媒に流入する排気中のＮＯ_Xはまず吸蔵しやすい部分に優先的に吸蔵され、ある程度吸蔵しやすい部分のＮＯ_X吸蔵量が増大してから吸蔵しにくい部分でのＮＯ_X吸蔵がはじまる傾向がある。また、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作時にもＮＯ_Xはまず上記吸蔵しやすい部分から脱離し、この部分である程度脱離が進んでから吸蔵しにくい部分で脱離が始まる傾向がある。

上記ＮＯ_Xを吸蔵しやすい部分としては、例えばＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流側部分（入口部分）があり、吸蔵しにくい部分としては、例えばＮＯ_X吸蔵還元触媒の下流側部分（出口部分）がある。すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気はまず入口部分で触媒と接触するため、入口部分の触媒のＮＯ_X吸蔵能力が高いうちは排気中のＮＯ_Xの大部分がこの部分に吸蔵され出口部分まで到達するＮＯ_X量は少なくなる。このため、吸蔵時には排気中のＮＯ_XはまずＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流側部分（入口部分）に吸蔵され、この部分の吸蔵能力がある程度低下してから初めて下流側部分（出口部分）に吸蔵されるようになる。従って、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流側部分ではＮＯ_Xが吸蔵されやすく短時間でＮＯ_Xの吸蔵量が増大するが、下流側部分ではＮＯ_Xが吸蔵されにくく、ＮＯ_Xの吸蔵量の増大速度は小さくなる。

また、再生操作時にも同様な現象が生じる。例えば、リッチ空燃比の排気がＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入すると、この排気はまず入口部分の触媒と接触し、この部分からＮＯ_Xを脱離させ還元する。これにより、排気中の未燃炭化水素やＣＯ等の成分の多くがＮＯ_X吸蔵還元触媒の入口部分で脱離したＮＯ_Xの還元に消費されてしまい、触媒出口部分に到達する排気中に含まれる未燃炭化水素やＣＯ等の成分量は少なくなる。また、後述するように出口部分に至るまでにＮＯ_Xの還元のために排気空燃比は理論空燃比近傍まで上昇しているため、出口部分ではＮＯ_Xの脱離が生じにくくなる。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作時にも、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流側部分ではＮＯ_Xが脱離しやすく短時間でＮＯ_Xの吸蔵量が減少するが、下流側部分ではＮＯ_X吸蔵量の減少速度が小さくなるのである。

また、上記のようにＮＯ_Xを吸蔵しやすい部分と吸蔵しにくい部分としては、上流側部分や下流側部分だけでなく、例えば触媒のコート層の上層部分も排気と最初に接触するためＮＯ_Xを吸蔵、脱離しやすく、コート層下層部分は上層部分と接触した後の排気と接触するためＮＯ_Xを吸蔵、脱離しにくい特性を有する。
本実施形態では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_Xを吸蔵しやすい部分の吸蔵、脱離特性に適合した増減特性を設定した第１のＮＯ_Xカウンタと、吸蔵しにくい部分の吸蔵、脱離特性に適合した増減特性を設定した第２のＮＯ_Xカウンタとを用いることにより、それぞれの部分に吸蔵されたＮＯ_X量を推定する。

図２は、本実施形態のＮＯ_Xカウンタ増減の基本操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。
図２のフローチャートでは、ステップ２０３から２０９がリーン空燃比運転時におけるＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵に対応してＮＯ_XカウンタＮＣ１、ＮＣ２を増大させる操作、ステップ２１１から２２３が再生操作（リッチスパイク操作）や運転条件の変化による負荷の増大などによる理論空燃比運転またはリッチ空燃比運転が行われた場合のＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＮＯ_Xの脱離に対応してＮＯ_XカウンタＮＣ１、ＮＣ２を減少させる操作である。

ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０は、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチまたは理論空燃比になったときに吸蔵したＮＯ_Xを脱離させ還元浄化する。そこで、図２の操作では、まずステップ２０１で現在リーン空燃比運転が行われているか否かが判定され、リーン空燃比運転が行われている場合にはステップ２０３から２３９のＮＯ_Xカウンタ増大操作が、リーン空燃比運転が行われていない場合（すなわち、理論空燃比またはリッチ空燃比運転（リッチスパイク操作を含む）が行われている場合）にはステップ２１１から２２３のＮＯ_Xカウンタ減少操作が、それぞれ行われる。

ステップ２０３から２０９の増大操作では、まずステップ２０３で機関の単位時間（図２の操作の実行間隔）当たりのＮＯ_X発生量ＮＡが算出される。
機関の単位時間当たりのＮＯ_X発生量は、機関の回転数、負荷（燃料噴射量またはアクセルペダル踏み込み量）等の運転条件により定まる。また、リーン空燃比運転中には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０のＮＯ_X吸蔵能力が高い間は、機関で発生したＮＯ_X（すなわちＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入するＮＯ_X）の全量がＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されると考えられる。

そこで、本実施形態では、予め実際の機関を用いて機関の回転数、負荷を変化させて機関の単位時間当たりのＮＯ_X排出量を測定し、それぞれの運転条件におけるＮＯ_X排出量を回転数と負荷とをパラメータとした数値テーブルの形でＥＣＵ３０のＲＯＭに格納してある。ステップ２０３では、機関の現在の回転数と負荷とに基づいて、上記数値テーブルから現在の運転状態における機関の単位時間当たりのＮＯ_X発生量をＮＡを読み出す。

なお、実際には機関で発生したＮＯ_Xの全量がＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵される訳ではなく、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵能力が高い場合でも触媒に吸蔵されずに通過するＮＯ_Xがわずかに存在する。そこで、本実施形態では、ＮＡの値は機関の単位時間ＮＯ_X発生量に所定の比率（流入する排気中のＮＯ_XのうちＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されるＮＯ_Xの比率であり、本実施形態では略１．０に近い値とされる）を乗じたものとしている。

次に、ステップ２０５では上記により算出したＮＯ_X量ＮＡを第１と第２のＮＯ_XカウンタＮＣ１とＮＣ２とに振り分けるための分配係数ｒが算出される。
すなわち、本実施形態では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０内にＮＯ_Xを吸蔵しやすい部分と吸蔵しにくい部分とがあることを考慮して、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０に流入するＮＯ_Xの量ＮＡを各部分のＮＯ_X吸蔵特性（吸蔵しやすさ）に応じて各部分に分配しているのである。

すなわち、ステップ２０７と２０９とではステップ２０５で算出した分配係数ｒを用いて、カウンタＮＣ１とＮＣ２とが、それぞれ（１−ｒ）×ＮＡ及びｒ×ＮＡだけ増大される。
本実施形態では、カウンタＮＣ１は比較的ＮＯ_Xを吸蔵しやすい部分（第１の部分、例えば触媒上流側部分やコート層上層部等）に吸蔵されたＮＯ_Xの量を表し、カウンタＮＣ２は比較的ＮＯ_Xを吸蔵しにくい部分（第２の部分、例えば触媒下流側部分やコート層下層部等）に吸蔵されたＮＯ_Xの量を表している。分配係数ｒは、これらの部分のＮＯ_Xの吸蔵速度（吸蔵しやすさの程度）に応じて定められる係数（０≦ｒ≦１）である。このように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０の各部分のＮＯ_X吸蔵特性に応じて各部分に吸蔵されるＮＯ_X量を分配することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵するＮＯ_Xの量を正確に推定することが可能となる。

例えば、再生操作実施直後で第１の部分の吸蔵能力が充分に高いような場合には、触媒に流入するＮＯ_Xのほぼ全量が第１の部分に吸蔵され、第２の部分にはほとんどＮＯ_Xが到達しないためＮＯ_Xは吸蔵されない。この場合には、分配係数ｒは０に近い値に設定され、第１のＮＯ_Xカウンタが比較的大きな速度で増大し、第２のカウンタの増大速度は非常に小さくなる。

また、第１の部分にかなりの量のＮＯ_Xが吸蔵された状態になると、第１の部分ではＮＯ_Xの吸蔵能力が低下し、第２の部分にもＮＯ_Xが到達するようになり第２の部分に吸蔵されるＮＯ_X量が増大する。従ってこのような場合には、分配係数は比較的大きな値に設定され、第１のＮＯ_XカウンタＮＣ１の増大速度は小さく、第２のＮＯ_XカウンタＮＣ２の増大速度は大きくなる。

なお、分配係数ｒの設定方法については後に詳述する。
ステップ２０３から２０９の操作により、リーン空燃比運転中にＮＯ_X吸蔵還元触媒２０に流入する排気中のＮＯ_XはＮＯ_X吸蔵還元触媒の各部分に、それぞれの部分の吸蔵特性に応じた量だけ吸蔵されるようになる。
次にステップ２１１から２２３のＮＯ_Xカウンタ減少操作について説明する。

ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比以下になると、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０に吸蔵されたＮＯ_Xが触媒から脱離するが、この場合の脱離量（速度）は排気空燃比により異なり排気空燃比がリッチになるほど大きくなる。また、ＮＯ_Xの脱離の場合にも例えば触媒の前述の第１の部分では脱離速度が大きく、第２の部分では小さい。また、例えば触媒上流側部分やコート層上層部分等の第１の部分でＮＯ_Xが脱離している間は、第１の部分から脱離したＮＯ_Xの還元のために排気中の未燃炭化水素や還元成分などが消費されるため、触媒下流側部分やコート層下層部分等の第２の部分ではＮＯ_Xの脱離はほとんど生じない。

従って、本実施形態では例えば触媒に流入する排気空燃比のリッチの程度と、触媒の第１の部分でのＮＯ_X吸蔵量等に応じて第１のＮＯ_Xカウンタと第２のＮＯ_Xカウンタとの減少速度を設定する。
すなわち、図２のステップ２０１で理論空燃比またはリッチ空燃比運転が行われている場合には、ステップ２１１に進み第１と第２のＮＯ_Xカウンタの減少速度ＮＲ１とＮＲ２とが算出される。ここで、ＮＲ１とＮＲ２とは、排気空燃比が低い（リッチな）ほど大きな値に設定され、更にリッチ空燃比運転開始後の経過時間に応じて変更される。なお、減少速度ＮＲ１とＮＲ２との設定については後に詳述する。

次いでステップ２１３では、第１のＮＯ_XカウンタＮＣ１がステップ２１１で算出した減少速度ＮＲ１だけ減量され、ステップ２１５と２１７とでは、低減した後のＮＣ１の値が０より小さく（負に）ならないようにガードされる。また、ステップ２１９から２２１では、同様に第２のＮＯ_XカウンタＮＣ２の値がＮＲ２だけ減量され、負にならないようにガードさされる。

このように、ＮＯ_X脱離時にＮＯ_X吸蔵還元触媒の各部分から脱離するＮＯ_X量を個別に定めることにより、正確にＮＯ_X吸蔵還元触媒中のＮＯ_X吸蔵量を推定することが可能となる。
次に、図２のステップ２０５で設定される分配係数ｒの設定例について説明する。

分配係数ｒの設定方法としては、例えば以下のような方法がある。
（１）ｒを固定値とする方法。
（２）ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量に応じてｒを設定する方法。
（３）ＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化程度に応じてｒを設定する方法。
（４）ＮＯ_X吸蔵還元触媒の温度に応じてｒを設定する方法。
（５）排気流量に応じてｒを設定する方法。
（６）流入する排気中のＮＯ_X濃度に応じてｒを設定する方法。
以下、それぞれについて説明する。

（１）ｒを固定値とする方法。
前述のように、触媒の第１の部分ではＮＯ_Xが吸蔵されやすく、第２の部分では吸蔵され難い。このため、第１のＮＯ_Xカウンタの増大速度は第２のＮＯ_Xカウンタの増大速度より大きくなる。従って、近似的にｒの値を（１−ｒ）＞ｒとなるように固定して第１と第２のＮＯ_Xカウンタを増大させるようにすることもできる。
この場合、ｒの値（固定値）は実際のＮＯ_X吸蔵還元触媒を用いた実験により使用する触媒に最適な値を設定する。

（２）ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量に応じてｒを設定する方法。
前述したように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の第１の部分のＮＯ_X吸蔵能力が大きい状態では、流入する排気中のＮＯ_Xのほとんどは第１の部分に吸収されてしまい、第２の部分にはＮＯ_Xがほとんど到達しない。しかし、第１の部分に吸蔵されたＮＯ_X量が増大するにつれて第１の部分のＮＯ_X吸蔵能力は低下するため、次第に第１の部分に吸蔵されるＮＯ_X量が低下する。これにより、第２の部分に到達して吸蔵されるＮＯ_X量が増大するようになる。

このため、例えば分配係数ｒの値を第１の部分に吸蔵されたＮＯ_X量、すなわち第１のＮＯ_Xカウンタの値に応じて変化させるようにすれば、各部分のＮＯ_X吸蔵量をより正確に推定することができる。
図３は、本実施形態における第１のＮＯ_XカウンタＮＣ１と分配係数ｒとの関係を示す図である。図３に示すように、ＮＣ１の値が小さく第１の部分にほとんどＮＯ_Xが吸蔵されていない状態ではｒの値は略０に近い値にセットされ、ＮＣ１の増大速度はＮＡに近い値になる（図２ステップ２０７）。すなわち、流入するＮＯ_Xの略全量がＮＯ_X吸蔵還元触媒２０の第１の部分に吸蔵される。

また、ＮＣ１の値が増大するにつれて、すなわち第１の部分に吸蔵されるＮＯ_Xの量が増大するにつれてｒの値は増大し、次第に第２の部分に吸蔵されるＮＯ_Xの比率が増大するようになる。
なお、上記のように吸蔵量に応じて分配係数ｒの値を設定する場合に、近似的に再生操作完了後のリーン空燃比運転開始からの経過時間に応じてｒを設定するようにすることもできる。図４は、リーン空燃比開始後の経過時間に応じてｒを設定する場合の設定カーブを示し、縦軸はｒを、横軸は再生操作終了後のリーン空燃比運転開始からの経過時間を示している。図４のようにｒを経過時間に応じて変化させることによっても各部分のＮＯ_X吸蔵量を正確に推定することができる。

また、例えば、リーン空燃比運転開始後一定時間まではｒ＝０（すなわち、ＮＯ_Xの全量が第１の部分のみに吸蔵される）として、一定時間経過後ｒを一定値（例えばｒ＝０．５）または、時間とともに増大する値として設定するようにしても良い。この場合、リーン空燃比運転開始後、一定時間が経過するまでは第２のＮＯ_Xカウンタの値は一定値のままでであり、上記一定時間が経過すると増大を開始するようになる。

（３）ＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化程度に応じてｒを設定する方法。
ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０の第１の部分（例えば触媒上流側部分やコート層の上層部分）はＮＯ_Xが吸蔵されやすい部分であるが、このことは逆に言えば触媒の劣化の進行が速い部分であるとも言える。例えば、触媒上流側部分やコート層上層部分では接触する排気の温度が高いために熱劣化が生じやすい。また、排気中に硫黄分が含まれると、硫黄はＮＯ_Xと同様にＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵され、硫黄分の蓄積により再生操作によってもＮＯ_X吸蔵能力が回復しない、いわゆる硫黄被毒が生じる。この硫黄被毒も当然にＮＯ_Xが吸蔵されやすい第１の部分に生じやすい。

従って、触媒の劣化が進むと第１の部分では第２の部分より劣化の進行が速くＮＯ_X吸蔵能力の低下が大きくなる。
図５は、本実施形態における分配係数ｒの設定例を説明する図である。図５の例では、毎回のＮＯ_X吸蔵時には図４と同様にリーン空燃比運転開始後の経過時間に応じてｒを設定するが、触媒の劣化程度が進むにつれてｒの値が短時間で増大するようにｒの設定カーブ自体を変更するようにしている。

図５において、カーブ１は触媒の劣化が生じていない場合のｒ設定カーブ、カーブ２は触媒の劣化が進行した状態でのｒの設定カーブを、それぞれ示している。図５に示すように、本実施形態では触媒が劣化した場合（カーブ２）には劣化していない場合（カーブ１）に較べて、リーン空燃比運転開始後短時間でｒの値が増大するように設定されている。

なお、触媒の劣化程度の検出は公知のいずれの方法を用いても良いが、簡易に触媒の累積使用時間を劣化程度を表すパラメータとして使用し、累積使用時間が増大するほど触媒が劣化したと仮定するようにしてもよい。
このように、劣化程度に応じてｒの値を変化させることにより、触媒の劣化状態にかかわらず触媒のＮＯ_X吸蔵量を正確に推定することが可能となる。

（４）ＮＯ_X吸蔵還元触媒の温度に応じてｒを設定する方法。
ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力は触媒温度に応じて変化する。例えば、通常のＮＯ_X吸蔵還元触媒は比較的狭い温度範囲で高いＮＯ_X吸蔵能力を示すが、この温度範囲から外れるとＮＯ_X吸蔵能力が低下する。
一方、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の第１の部分は第２の部分に較べて排気温度の影響を受けやすく、排気温度とともに触媒温度が変化する。このため、排気温度が高くなると第１の部分では少ないＮＯ_X吸蔵量でも大きくＮＯ_X吸蔵能力が低下するようになり、リーン空燃比運転開始後短時間でＮＯ_X吸蔵能力が低下する。

また、排気温度が低くなった場合にも同様にリーン空燃比運転開始後短時間でＮＯ_X吸蔵能力が低下する。
そこで、本実施形態では触媒温度（排気温度）に応じてｒの設定を変化させるようにしている。
図６は、図４のように毎回のＮＯ_X吸蔵時に時間とともにｒの値を変化させる際に上記触媒温度の変化を考慮する場合を示している。
図６においてカーブ１は、触媒の吸蔵能力が最も高くなる温度（例えば６７０°Ｋ程度）の場合のｒ設定カーブを示し、カーブ２及びカーブ３は触媒のＮＯ_X吸蔵能力が許容限度付近まで低下する高温側の温度（例えば７２０°Ｋ程度）と低温側の温度（例えば５７０°Ｋ程度）におけるｒ設定カーブをそれぞれ示している。

カーブ２及びカーブ３では、いずれも触媒の第１の部分が比較的少量のＮＯ_Xを吸蔵しただけでＮＯ_X吸蔵能力が大きく低下するため、カーブ１に較べてリーン空燃比運転開始後短時間でｒの値が増大するように設定されている。
図６のように触媒温度（排気温度）に応じてｒの値を設定することにより、触媒温度（排気温度）の変化にかかわらず正確にＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量を推定することが可能となる。

（５）排気流量に応じてｒを設定する方法。
排気流量が大きい場合には、触媒における空間速度が大きくなり触媒にＮＯ_Xが吸蔵されやすくなる。このため、特に触媒の第１の部分ではＮＯ_Xの吸蔵量の増大速度が速くなり、リーン空燃比運転開始後比較的短時間でＮＯ_X吸蔵能力が低下する。このため、排気流量が大きい場合には、排気流量が小さい場合にくらべで分配係数ｒがリーン空燃比運転開始後短時間で増大するように設定することにより、排気流量によるＮＯ_X吸蔵量推定の誤差を排除することができる。

図７は、図４のように毎回のＮＯ_X吸蔵時に時間とともに分配係数ｒの値を変化させる際に上記の排気流量の変化を考慮したｒの設定を示している。
図７においてカーブ１は排気流量が比較的少ない場合のｒの設定カーブを、カーブ２はカーブ１より流量が増大した場合、カーブ３はカーブ２より更に流量が増大した場合のｒの設定カーブを、それぞれ示している。図７に示すように、Ｒの値は排気流量が増大するにつれて、リーン空燃比運転開始後短い時間で増大するように設定されている。

（６）流入する排気中のＮＯ_X濃度に応じてｒを設定する方法。
排気ＮＯ_X濃度が高い場合には、触媒にＮＯ_Xが吸蔵されやすくなり特に触媒の第１の部分ではＮＯ_X吸蔵量が速く増大する。この場合も、リーン空燃比運転開始後短時間で第１の部分ではＮＯ_X吸蔵量の増大のためにＮＯ_X吸蔵能力が低下する。従って、排気のＮＯ_X濃度が高い場合には分配係数ｒの値もリーン空燃比運転開始後短時間で増大するように設定する必要がある。

図８は、図４と同様に毎回のＮＯ_X吸蔵時に時間とともに分配係数ｒの値を変化させる際に上記の排気流量の変化を考慮したｒの設定を示している。
図８においてカーブ１、カーブ２、カーブ３は排気ＮＯ_X濃度が低い場合（カーブ１）からＮＯ_X濃度が増大した場合（カーブ２、３）のｒの設定を示している。図８に示すように、ｒの値は排気ＮＯ_X濃度が増大するにつれて、リーン空燃比運転開始後短時間で増大するように設定されている。

図８のように、排気ＮＯ_X濃度に応じて分配係数ｒを設定することにより排気ＮＯ_X濃度の変化にかかわらず正確にＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量を推定することが可能となる。
なお、上記（５）、（６）では排気流量と排気ＮＯ_X濃度とに応じて別個に分配係数ｒを設定する方法を説明したが、触媒に単位時間当たりに流入するＮＯ_X量が大きいほど触媒の第１の部分に吸蔵されるＮＯ_X量は増大する。従って、排気流量と排気ＮＯ_X濃度とを別個に考慮するのではなく、排気流量と排気ＮＯ_X濃度との積、或いは機関の単位時間当たりのＮＯ_X発生量ＮＡに応じて（例えばＮＡが大きいほど短時間でｒが増大するように）ｒの値を設定することも可能である。

上記のように、種々の条件を考慮することにより、リーン空燃比運転時に排気からＮＯ_X吸蔵還元触媒の各部分に吸蔵されるＮＯ_X量を正確に推定することが可能となる。しかし、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵保持されているＮＯ_Xの量を正確に推定するためには、排気から触媒に吸蔵されるＮＯ_X量を正確に推定するだけでは足りず、リッチ空燃比運転時にＮＯ_X吸蔵還元触媒の各部分から脱離するＮＯ_X量をも正確に推定する必要がある。

前述したように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の第２の部分では第１の部分に較べて吸蔵されたＮＯ_Xが脱離しにく再生操作時にもＮＯ_X吸蔵量の減少速度は小さくなる。このため、例えば図２のようにＮＯ_Xカウンタを用いて吸蔵量を推定する際には第２の部分におけるＮＯ_X吸蔵量の減少速度を第１の部分と同一としていると第２の部分のＮＯ_X吸蔵量の推定が不正確になる。

そこで、本実施形態では図２ステップ２１１のように、リッチ空燃比運転時のＮＯ_Xカウンタの減少速度の値を第１の部分と第２の部分とで異なる値（ＮＲ１、ＮＲ２）に設定している。
すなわち、本実施形態では第２の部分における減少速度ＮＲ２は上記脱離速度の相違を考慮して、第１の部分における減少速度ＮＲ１より小さな値に設定されている。これにより、再生操作などのリッチ空燃比運転時にＮＯ_X吸蔵還元触媒の各部分から脱離するＮＯ_X量をより正確に推定することができるため、リーン空燃比運転時にＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されるＮＯ_X量とともに各部分から脱離するＮＯ_X量を用いることにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に現在吸蔵保持されているＮＯ_X量を正確に推定することが可能となる。

なお、ＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＮＯ_Xの脱離速度は他の条件が一定であれば触媒に流入する排気の空燃比が低いほど（リッチなほど）大きくなる。また、各部分からの脱離速度は触媒の種類、サイズによっても変化する。このため、本実施形態では予め実際のＮＯ_X吸蔵還元触媒を用いて流入する排気空燃比を変化させて各部分におけるＮＯ_Xの脱離速度を実験により求めてあり、ＥＣＵ３０のＲＯＭに空燃比と各部分のＮＯ_Xカウンタ減少速度ＮＲ１、ＮＲ２との関係を格納してある。図２のステップ２１１では、機関の空燃比からこの関係を用いてリッチ空燃比運転時の触媒の各部分におけるＮＯ_Xカウンタの減少速度を算出している。

次に、本実施形態の再生操作について説明する。
前述したように、本実施形態ではＮＯ_X吸蔵還元触媒からＮＯ_Xを脱離させるべきときに再生操作を行い、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵力を回復させる。
また、本実施形態では、再生操作として機関１を短時間リッチ空燃比で運転し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０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施し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒からＮＯ_Xを脱離させるべきときか否かの判断、すなわちリッチスパイク操作を実行すべきか否かの判断は各部分のＮＯ_XカウンタＮＣ１、ＮＣ２の値に基づいて行う。

以下、リッチスパイク操作を実行すべきか否かの判断について説明する。
本実施形態では、第１のＮＯ_XカウンタＮＣ１と第２のＮＯ_XカウンタＮＣ２との和（ＮＣ１＋ＮＣ２）の値が予め定めた判定値に到達したときにリッチスパイク操作を実行するようにしている。
前述したように、触媒の第１の部分ではＮＯ_Xが吸蔵されやすく、かつ脱離しやすい。このため、リッチスパイク操作を行うと触媒の第１の部分では吸蔵ＮＯ_Xのほとんどが脱離してＮＯ_X吸蔵量は略ゼロになる。一方、触媒の第２の部分ではＮＯ_Xが吸蔵されにくく、しかも脱離しにくい。このため、リッチスパイク操作を行っても、触媒の第２の部分では吸蔵したＮＯ_Xの一部が脱離せずに残留する場合がある。この場合にはＮＯ_Xの吸蔵、脱離を繰り返す毎に触媒の第２の部分にはＮＯ_Xが蓄積されるようになる。

また、前述したようにリーン空燃比運転開始直後はＮＯ_X吸蔵還元触媒の第１の部分のＮＯ_X吸蔵能力が高いため、流入するＮＯ_Xのほとんどが第１の部分に吸蔵されるが、リーン空燃比運転開始後時間が経過するにつれて触媒の第１の部分ではＮＯ_X吸蔵量の増大のために吸蔵能力が低下し、流入したＮＯ_Xのうち触媒の第２の部分に吸蔵されるものの割合が増大する。

この場合、触媒の第２の部分のＮＯ_X吸蔵量が増大しておりＮＯ_X吸蔵能力が低下していると、触媒の第１の部分を通過して第２の部分に到達したＮＯ_Xが第２の部分に吸蔵されずに触媒を通過してしまう可能性がある。
また、逆にＮＯ_X吸蔵還元触媒の第１の部分で多少ＮＯ_X吸蔵量が増大した場合でも、触媒の第２の部分のＮＯ_X吸蔵量が少なく、充分なＮＯ_X吸蔵能力が残っている場合には、第１の部分を通過したＮＯ_Xはその全量が第２の部分に吸蔵される。

このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力を回復させる操作を実行すべきか否かは、第１の部分と第２の部分との両方のＮＯ_X吸蔵量を考慮して判断する必要がある。
そこで、本実施形態では第１の部分と第２の部分とのＮＯ_X吸蔵量の和が所定値を越えないように、すなわちＮＯ_XカウンタＮＣ１とＮＣ２との和が所定の判定値に到達する毎にリッチスパイク操作を行うようにしている。

これにより、例えば触媒の第２の部分に残留したＮＯ_X量が少なく、第２の部分の吸蔵能力が高い間は、触媒の第１の部分のＮＯ_X吸蔵量が比較的大きな値に到達するまで再生操作は実行されず、逆に触媒の第２の部分に残留したＮＯ_X量が増大している場合には、第１の部分のＮＯ_X吸蔵量が比較的少ない状態でもリッチスパイク操作が実行されるようになり、触媒の各部分のＮＯ_X吸蔵還能力を効果的に利用することが可能となる。

具体的には、本実施形態ではＥＣＵ３０は別途実行される図示しないルーチンにより、第１と第２のＮＯ_Xカウンタの合計（ＮＣ１＋ＮＣ２）の値を一定時間毎に監視し、この合計値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実行することにより、各部分のＮＯ_X吸蔵量が所定値を越えないようにしている。

次に、本実施形態におけるリッチスパイク操作の終了タイミングについて説明する。リッチスパイク操作を継続する時間は一定値としても良いが、本実施形態ではＮＯ_X吸蔵還元触媒２０の下流側排気通路に配置したＯ₂センサ３５の出力に基づいてリッチスパイク操作の終了タイミングを判定している。
すなわち、リッチスパイク操作が開始されるとＮＯ_X吸蔵還元触媒２０に流入する排気の空燃比はリッチになり、触媒からは吸蔵されたＮＯ_Xが脱離して触媒上で排気中の未燃炭化水素やＣＯ等の成分と反応してＮ₂に還元される。従って、触媒からＮＯ_Xが脱離して還元されている間は排気中の未燃炭化水素やＣＯ等の成分がＮＯ_Xの還元により消費されるため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒出口では排気中の未燃炭化水素やＣＯ等の量が減少し、相対的に排気中の酸素濃度が増大するため空燃比は理論空燃比近傍になる。すなわち、リッチスパイク操作中、ＮＯ_X吸蔵還元触媒からＮＯ_Xが脱離している間は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０下流側のＯ₂センサ３５で検出した排気酸素濃度は、理論空燃比に相当する値に維持される。また、ＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＮＯ_Xの脱離が完了して触媒から脱離するＮＯ_Xがなくなると、排気中の未燃炭化水素やＣＯ等が触媒下流側にも到達するようになるため、Ｏ₂センサ３５で検出した排気酸素濃度は上流側と同じリッチ空燃比に対応した値になる。

本実施形態では、上記を利用してリッチスパイク操作開始後ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０下流側のＯ₂センサ３５で検出した排気酸素濃度が理論空燃比相当値からリッチ空燃比相当値に変化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。
ところが、このようにＯ₂センサ３５で検出した排気酸素濃度のみに基づいてリッチスパイク操作を実行していると、触媒の第２の部分ではＮＯ_Xの脱離が不十分になる問題がある。

前述したように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の第１の部分ではＮＯ_Xの脱離速度が大きいため、流入した排気中の未燃炭化水素やＣＯ等のＮＯ_X浄化に寄与する成分はそのほとんどが第１の部分で消費されてしまい、第２の部分には到達しない。第１の部分からのＮＯ_Xの脱離が完了すると、流入した排気中の未燃炭化水素やＣＯ等の成分が触媒の第２の部分に到達して、第２の部分からＮＯ_Xが放出されるようになるが、第２の部分ではＮＯ_Xの脱離速度が第１の部分より小さいため排気中の未燃炭化水素やＣＯ等の一部しか消費されず、残りは触媒を通過するようになる。

このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０下流側のＯ₂センサ３５の出力は、実際には第１の部分でＮＯ_Xの脱離が完了すると理論空燃比相当値からリッチ空燃比相当値に変化してしまう。従って、Ｏ₂センサ３５の出力に基づいてリッチスパイク操作を終了していると、触媒の第２の部分ではＮＯ_Xが脱離しないうちにリッチスパイク操作が終了してリーン空燃比運転が開始されてしまうため、第２の部分ではＮＯ_X吸蔵量が増大する問題がある。

このため、本実施形態では、リッチスパイク操作時にＯ₂センサ３５出力が理論空燃比からリッチ空燃比に変化したときに直ちにリッチスパイクを終了するのではなく、その後もリッチ空燃比運転をつづけ、センサ３５出力がリッチ空燃比相当値に変化したときに第２の部分におけるＮＯ_X吸蔵量の減少が開始したと考える。すなわち、本実施形態では、リッチスパイク操作が開始されると第１のＮＯ_XカウンタＮＣ１の値は直ちに減少を始めるが、Ｏ₂センサ３５の出力が理論空燃比相当値の間は第２のＮＯ_XカウンタＮＣ２の値は減少させずそのままに維持し、Ｏ₂センサ３５の出力が理論空燃比からリッチ空燃比に変化してから減少を開始させる。

また、例えば運転上の要求などでＯ₂センサ３５出力がリッチ空燃比に変化した後に充分な時間空燃比をリッチに維持することができずにリーン空燃比運転を再開する場合には、Ｏ₂センサ３５出力がリッチからリーンに変化したときから第２のＮＯ_XカウンタＮＣ２の値の増大を開始するようにしてもよい。
このように、再生操作時、及びその後にＮＯ_X吸蔵還元触媒２０下流側のＯ₂センサ３５出力に基づいて第２のＮＯ_Xカウンタを増減することにより、第２の部分に吸蔵保持されたＮＯ_Xの量を正確に推測することが可能となる。

次に、リッチスパイク操作の別の実施形態について説明する。
上記の実施形態ではリッチスパイク操作時に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０下流側のＯ₂センサ３５出力が理論空燃比相当値からリッチ空燃比相当値に変化した後もリッチ空燃比運転を継続している。しかし、この場合には第２の部分では排気中の未燃炭化水素などの全量が消費されないため、残りの炭化水素が触媒を通過して大気に放出されるおそれがある。

また、リッチスパイク実行毎にリッチスパイク保持時間を延長していたのでは機関燃料消費量も増大する問題がある。
そこで、本実施形態ではリッチスパイク実行時に、下流側Ｏ₂センサ３５出力が理論空燃比からリッチ空燃比に変化すると同時に機関を理論空燃比で運転するようにする。理論空燃比においても、触媒の第２の部分では吸蔵ＮＯ_Xが脱離して第２の部分のＮＯ_X吸蔵量が低下する。触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比に維持して第１の部分に続いて第２の部分からのＮＯ_Xの脱離を行わせることにより、未燃炭化水素等の大気放出が防止される。

また、この場合にリッチスパイク毎にその後理論空燃比運転を行っていたのでは、機関の燃料消費量が増大するおそれがある。そこで、本実施形態ではリッチスパイク操作時に理論空燃比運転を行うのは、第２のＮＯ_Xカウンタが予め定めた判定値まで増大したときのみとし、機関の燃料消費量増大を防止している。
すなわち、本実施形態におけるリッチスパイク操作時には第１と第２のＮＯ_Xカウンタの値に応じて以下の操作が行われる。

１）リッチスパイク操作は第１と第２のＮＯ_Xカウンタの合計値（ＮＣ１＋ＮＣ２）が予め定めた判定値に到達したときに開始する。
２）このとき、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２０下流側のＯ₂センサ３５出力が理論空燃比相当値である場合には、第２のＮＯ_XカウンタＮＣ２の値はリッチスパイク操作開始前の値に保持し減少させない。

３）第２のＮＯ_XカウンタＮＣ２の値が予め定めた所定値以下の場合には、リッチスパイク操作はＯ₂センサ３５出力が理論空燃比相当値からリッチ空燃比相当値に変化したときに終了し、機関のリーン空燃比運転を再開する。
４）第２のＮＯ_XカウンタＮＣ２の値が上記所定値より大きい値になっている場合には、リッチスパイク操作時にＯ₂センサ３５出力が理論空燃比相当値からリッチ空燃比相当値に変化したときに機関のリッチ空燃比運転を終了し、機関を理論空燃比で運転する。

５）上記理論空燃比運転では、第２のＮＯ_XカウンタＮＣ２の値を減少させ、ＮＣ２の値が予め定めた下限値まで減少したときに理論空燃比運転を終了して機関のリーン空燃比運転を再開する。
上記のようにリッチスパイク操作を行うことにより、排気性状の悪化や燃料消費量の増大を生じることなくＮＯ_X吸蔵還元触媒の各部分の吸蔵能力を効率的に使用することが可能となる。

なお、上記の実施形態では触媒の第２の部分に吸蔵されたＮＯ_X量、すなわち第２のＮＯ_XカウンタＮＣ２の値に応じて、リッチスパイク操作時の理論空燃比運転時間を決定しているが、リッチスパイク操作時にリッチ空燃比運転の後に理論空燃比を行う代わりに第２のＮＯ_XカウンタＮＣ２の値に応じてリッチスパイク時の運転空燃比を変化させるようにしても良い。

すなわち、触媒に流入する排気空燃比がリッチであるほど第２の部分に到達する排気中の未燃炭化水素やＣＯの量が増大し、リッチスパイク操作時に触媒の第２の部分から脱離するＮＯ_X量が増大する。このため、リッチスパイク操作開始時の第２のＮＯ_XカウンタＮＣ２の値が大きいほどリッチスパイク操作時の機関空燃比を低く（リッチに）することによりリッチスパイク操作時に、リッチ空燃比運転後に理論空燃比運転を行うことなく第２の部分からもＮＯ_Xを脱離させるようにすることも可能である。

なお、上述の各実施形態では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒を２つの部分に分けて、それぞれの部分のＮＯ_X吸収脱離特性に合致する増減を行うＮＯ_Xカウンタを使用する構成を例にとって説明しているが、ＮＯ_X吸蔵還元触媒を３つまたはそれ以上に分割して、それぞれの部分に対応する同数のＮＯ_Xカウンタを設けることも可能であることは言うまでもない。

また、前述したように上述の各実施形態はＳＯ_Xについても全く同様に適用可能である。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の各部毎にそれぞれの部分のＳＯ_X吸蔵脱離特性に合致して増減を行うＳＯ_Xカウンタを上記ＮＯ_Xカウンタに替えて、または上記ＮＯ_Xカウンタに加えて設ければ、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量に替えて、またはＮＯ_X吸蔵量に加えてＳＯ_X吸蔵量をも、正確に把握することが可能となる。

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。 本実施形態のＮＯ_Xカウンタ増減の基本操作を説明するフローチャートである。 分配係数の設定方法の一例を説明する図である。 分配係数の設定方法の別の例を説明する図である。 分配係数の設定方法の別の例を説明する図である。 分配係数の設定方法の別の例を説明する図である。 分配係数の設定方法の別の例を説明する図である。 分配係数の設定方法の別の例を説明する図である。

符号の説明

１ 内燃機関本体
５ 排気通路
２０ ＮＯ_X吸蔵還元触媒
３０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３５ Ｏ₂センサ

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に配置され、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中の窒素酸化物（ＮＯ_X）または硫黄酸化物（ＳＯ_X）からなる特定成分を吸着、吸収またはその両方にて選択的に吸蔵保持し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となったときに、吸蔵した前記特定成分を脱離させるとともに還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒と、
   前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒の少なくとも異なる２つの部分に吸蔵された前記特定成分量を部分毎に推定することにより、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒内に吸蔵された前記特定成分量を推定する推定手段と、
   前記推定手段により推定された特定成分吸蔵量に基づいて、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気を供給し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵された前記特定成分を脱離、還元浄化する再生操作を実施する再生手段と、を備え、
   前記推定手段は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の前記特定成分吸蔵時には、流入する排気からＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵される全特定成分量をＮＯ_X吸蔵還元触媒の前記各部分毎に所定の比率で分配することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の前記各部分に吸蔵された前記特定成分量を推定する、内燃機関の排気浄化装置において、
   前記再生手段は、前記再生操作実行時に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短時間維持した後更に、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒の各部分毎に推定した前記特定成分吸蔵量のうち特定の部分の前記特定成分吸蔵量に基づいて定まる時間だけＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比に維持する、内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記特定の部分は、再生操作実行時に他の部分に較べて吸蔵された前記特定成分が脱離する速度が低い部分である、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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