JP5257551B1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関において、機関排気通路内に上流から順に、上流側空燃比センサ（２３）、炭化水素供給弁（１５）、排気浄化触媒（１３）および下流側空燃比センサ（２４）が配置される。炭化水素供給弁（１５）から炭化水素が供給されると下流側空燃比センサ（２４）により検出される空燃比は炭化水素供給弁（１５）から炭化水素が供給されていないときに検出される基準空燃比に対してリッチ側に変化する。炭化水素供給弁（１５）から供給されて排気浄化触媒（１３）をすり抜ける炭化水素の量が、上流側空燃比センサ（２３）により検出された空燃比と下流側空燃比センサ（２４）により検出された基準空燃比との空燃比差から検出される。

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸蔵したＮＯ_Ｘを放出するＮＯ_Ｘ吸蔵触媒を配置し、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒上流の機関排気通路内に燃料添加弁を配置し、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒下流の機関排気通路内に空燃比センサを配置し、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒からＮＯ_Ｘを放出すべきときには燃料添加弁から機関排気通路内に燃料を供給してＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。
ところでこの内燃機関では、燃料添加弁から必要以上の過剰な炭化水素が供給されるとＮＯ_Ｘ吸蔵触媒をすり抜ける炭化水素の量が増大する。この場合、炭化水素のすり抜け量を検出することができれば無駄に消費される炭化水素の量を少なくすることができる。しかしながら、簡便な方法によってこのような炭化水素のすり抜け量を検出することができないのが現状である。

特開２００４−３１６４５８号公報

本発明の目的は、簡便な方法によって炭化水素のすり抜け量を検出することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

本発明によれば、炭化水素を供給するための炭化水素供給弁を機関排気通路内に配置し、炭化水素供給弁上流の機関排気通路内に排気ガスの空燃比を検出するための上流側空燃比センサを配置し、炭化水素供給弁下流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘと改質された炭化水素とを反応させるための排気浄化触媒を配置し、排気浄化触媒下流の機関排気通路内に排気ガスの空燃比を検出するための下流側空燃比センサを配置し、下流側空燃比センサが固体電解質と、固体電解質の両側面を夫々覆う電極と、一方の電極を覆う拡散抵抗層とを有すると共に排気ガスが拡散抵抗層上に導かれる型式のセンサからなり、排気浄化触媒の排気ガス流通表面上には貴金属触媒が担持されていると共に貴金属触媒周りには塩基性の排気ガス流通表面部分が形成されており、排気浄化触媒は、排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させると排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを還元する性質を有すると共に、炭化水素濃度の振動周期を予め定められた範囲よりも長くすると排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘの吸蔵量が増大する性質を有しており、炭化水素供給弁から炭化水素が供給されると下流側空燃比センサにより検出される空燃比は炭化水素供給弁から炭化水素が供給されていないときに検出される基準空燃比に対してリッチ側に変化し、炭化水素供給弁から供給されて排気浄化触媒をすり抜ける炭化水素の量を、上流側空燃比センサにより検出された空燃比と下流側空燃比センサにより検出された基準空燃比との空燃比差から検出するようにした内燃機関の排気浄化装置が提供される。

上流側空燃比センサと下流側空燃比センサの出力信号から炭化水素のすり抜け量を検出することができる。

図１は圧縮着火式内燃機関の全体図である。
図２は触媒担体の表面部分を図解的に示す図である。
図３は排気浄化触媒における酸化反応を説明するための図である。
図４は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示す図である。
図５はＮＯ_Ｘ浄化率を示す図である。
図６Ａおよび６Ｂは排気浄化触媒における酸化還元反応を説明するための図である。
図７Ａおよび７Ｂは排気浄化触媒における酸化還元反応を説明するための図である。
図８は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示す図である。
図９はＮＯ_Ｘ浄化率を示す図である。
図１０は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示すタイムチャートである。
図１１は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示すタイムチャートである。
図１２は排気浄化触媒の酸化力と要求最小空燃比Ｘとの関係を示す図である。
図１３は同一のＮＯ_Ｘ浄化率の得られる、排気ガス中の酸素濃度と炭化水素濃度の振幅ΔＨとの関係を示す図である。
図１４は炭化水素濃度の振幅ΔＨとＮＯ_Ｘ浄化率との関係を示す図である。
図１５は炭化水素濃度の振動周期ΔＴとＮＯ_Ｘ浄化率との関係を示す図である。
図１６は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化等を示す図である。
図１７は排出ＮＯ_Ｘ量ＮＯＸＡのマップを示す図である。
図１８は燃料噴射時期を示す図である。
図１９は追加の燃料量ＷＲのマップを示す図である。
図２０Ａおよび２０Ｂは目標ベース空燃比を示す図である。
図２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｃは炭化水素の噴射周期等を示す図である。
図２２Ａおよび２２Ｂは排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示すタイムチャートである。
図２３は目標ピーク空燃比のマップを示す図である。
図２４Ａおよび２４Ｂは図解的に示された空燃比センサの構造等を示す図である。
図２５Ａおよび２５Ｂは下流側空燃比センサにより検出された空燃比の変化等を示す図である。
図２６Ａおよび２６Ｂは下流側空燃比センサにより検出された空燃比の変化等を示す図である。
図２７は運転制御を行うためのフローチャートである。
図２８および２９は運転制御Ｉの一実施例を示すフローチャートである。
図３０Ａおよび３０Ｂは下流側空燃比センサにより検出された空燃比の変化等を示す図である。
図３１および３２は運転制御Ｉの別の実施例を示すフローチャートである。
図３３はフラグ制御を実行するためのフローチャートである。

図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結される。排気タービン７ｂの出口は排気管１２ａを介して排気浄化触媒１３の入口に連結され、排気浄化触媒１３の出口は排気管１２ｂを介して、排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタ１４に連結される。
排気浄化触媒１３上流の排気管１２ａ内には圧縮着火式内燃機関の燃料として用いられる軽油その他の燃料からなる炭化水素を供給するための炭化水素供給弁１５が配置される。図１に示される実施例では炭化水素供給弁１５から供給される炭化水素として軽油が用いられている。なお、本発明はリーン空燃比のもとで燃焼の行われる火花点火式内燃機関にも適用することができる。この場合、炭化水素供給弁１５からは火花点火式内燃機関の燃料として用いられるガソリンその他の燃料からなる炭化水素が供給される。
一方、排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１６を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１６内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１７が配置される。また、ＥＧＲ通路１６周りにはＥＧＲ通路１６内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１８が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１８内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１９を介してコモンレール２０に連結され、このコモンレール２０は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２１を介して燃料タンク２２に連結される。燃料タンク２２内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２１によってコモンレール２０内に供給され、コモンレール２０内に供給された燃料は各燃料供給管１９を介して燃料噴射弁３に供給される。
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。炭化水素供給弁１５上流の排気管１２ａ内には、機関から排出された排気ガスの空燃比を検出するための上流側空燃比センサ２３が配置されており、排気浄化触媒１３下流の排気管１２ｂ内には、排気浄化触媒１３から流出した排気ガスの空燃比を検出するための下流側空燃比センサ２４が配置されている。また、排気浄化触媒１３の下流には排気浄化触媒１３の温度を検出するための温度センサ２５が配置されており、パティキュレートフィルタ１４にはパティキュレートフィルタ１４の前後の差圧を検出するための差圧センサ２６が取付けられている。これら上流側空燃比センサ２３、下流側空燃比センサ２４、温度センサ２５、差圧センサ２６および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、炭化水素供給弁１５、ＥＧＲ制御弁１７および燃料ポンプ２１に接続される。
図２は排気浄化触媒１３の基体上に担持された触媒担体の表面部分を図解的に示している。この排気浄化触媒１３では図２に示されるように例えばアルミナからなる触媒担体５０上には貴金属触媒５１，５２が担持されており、更にこの触媒担体５０上にはカリウムＫ、ナトリウムＮａ、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金属、ランタノイドのような希土類および銀Ａｇ、銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ、イリジウムＩｒのようなＮＯ_Ｘに電子を供与しうる金属から選ばれた少なくとも一つを含む塩基性層５３が形成されている。排気ガスは触媒担体５０上に沿って流れるので貴金属触媒５１，５２は排気浄化触媒１３の排気ガス流通表面上に担持されていると言える。また、塩基性層５３の表面は塩基性を呈するので塩基性層５３の表面は塩基性の排気ガス流通表面部分５４と称される。
一方、図２において貴金属触媒５１は白金Ｐｔからなり、貴金属触媒５２はロジウムＲｈからなる。即ち、触媒担体５０に担持されている貴金属触媒５１，５２は白金ＰｔおよびロジウムＲｈから構成されている。なお、排気浄化触媒１３の触媒担体５０上には白金ＰｔおよびロジウムＲｈに加えて更にパラジウムＰｄを担持させることができるし、或いはロジウムＲｈに代えてパラジウムＰｄを担持させることができる。即ち、触媒担体５０に担持されている貴金属触媒５１，５２は白金Ｐｔと、ロジウムＲｈおよびパラジウムＰｄの少なくとも一方とにより構成される。
炭化水素供給弁１５から排気ガス中に炭化水素が噴射されるとこの炭化水素は排気浄化触媒１３において改質される。本発明ではこのとき改質された炭化水素を用いて排気浄化触媒１３においてＮＯ_Ｘを浄化するようにしている。図３はこのとき排気浄化触媒１３において行われる改質作用を図解的に示している。図３に示されるように炭化水素供給弁１５から噴射された炭化水素ＨＣは触媒５１によって炭素数の少ないラジカル状の炭化水素ＨＣとなる。
図４は炭化水素供給弁１５からの炭化水素の供給タイミングと排気浄化触媒１３への流入排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎの変化とを示している。なお、この空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎの変化は排気浄化触媒１３に流入する排気ガス中の炭化水素の濃度変化に依存しているので図４に示される空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎの変化は炭化水素の濃度変化を表しているとも言える。ただし、炭化水素濃度が高くなると空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎは小さくなるので図４においては空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎがリッチ側となるほど炭化水素濃度が高くなっている。
図５は、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を周期的に変化させることによって図４に示されるように排気浄化触媒１３への流入排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを変化させたときの排気浄化触媒１３によるＮＯ_Ｘ浄化率を排気浄化触媒１３の各触媒温度ＴＣに対して示している。本発明者は長い期間に亘ってＮＯ_Ｘ浄化に関する研究を重ねており、その研究課程において、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させると、図５に示されるように４００℃以上の高温領域においても極めて高いＮＯ_Ｘ浄化率が得られることが判明したのである。
更にこのときには窒素および炭化水素を含む多量の還元性中間体が塩基性層５３の表面上に、即ち排気浄化触媒１３の塩基性排気ガス流通表面部分５４上に保持又は吸着され続けており、この還元性中間体が高ＮＯ_Ｘ浄化率を得る上で中心的役割を果していることが判明したのである。次にこのことについて図６Ａおよび６Ｂを参照しつつ説明する。なお、これら図６Ａおよび６Ｂは排気浄化触媒１３の触媒担体５０の表面部分を図解的に示しており、これら図６Ａおよび６Ｂには排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度が予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動せしめたときに生ずると推測される反応が示されている。
図６Ａは排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度が低いときを示しており、図６Ｂは炭化水素供給弁１５から炭化水素が供給されて排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度が高くなっているときを示している。
さて、図４からわかるように排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比は一瞬を除いてリーンに維持されているので排気浄化触媒１３に流入する排気ガスは通常酸素過剰の状態にある。従って排気ガス中に含まれるＮＯは図６Ａに示されるように白金５１上において酸化されてＮＯ_２となり、次いでこのＮＯ_２は更に酸化されてＮＯ_３となる。また、ＮＯ_２の一部はＮＯ_２ ⁻となる。この場合、ＮＯ_３の生成量の方がＮＯ_２ ⁻の生成量よりもはるかに多い。従って白金Ｐｔ５１上には多量のＮＯ_３と少量のＮＯ_２ ⁻が生成されることになる。これらＮＯ_３およびＮＯ_２ ⁻は活性が強く、以下これらＮＯ_３およびＮＯ_２ ⁻を活性ＮＯ_Ｘ ^＊と称する。
一方、炭化水素供給弁１５から炭化水素が供給されると図３に示されるようにこの炭化水素は排気浄化触媒１３内において改質され、ラジカルとなる。その結果、図６Ｂに示されるように活性ＮＯ_Ｘ ^＊周りの炭化水素濃度が高くなる。ところで活性ＮＯ_Ｘ ^＊が生成された後、活性ＮＯ_Ｘ ^＊周りの酸素濃度が高い状態が一定時間以上継続すると活性ＮＯ_Ｘ ^＊は酸化され、硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形で塩基性層５３内に吸収される。しかしながらこの一定時間が経過する前に活性ＮＯ_Ｘ ^＊周りの炭化水素濃度が高くされると図６Ｂに示されるように活性ＮＯ_Ｘ ^＊は白金５１上においてラジカル状の炭化水素ＨＣと反応し、それにより還元性中間体が生成される。この還元性中間体は塩基性層５３の表面上に付着又は吸着される。
なお、このとき最初に生成される還元性中間体はニトロ化合物Ｒ−ＮＯ_２であると考えられる。このニトロ化合物Ｒ−ＮＯ_２は生成されるとニトリル化合物Ｒ−ＣＮとなるがこのニトリル化合物Ｒ−ＣＮはその状態では瞬時しか存続し得ないのでただちにイソシアネート化合物Ｒ−ＮＣＯとなる。このイソシアネート化合物Ｒ−ＮＣＯは加水分解するとアミン化合物Ｒ−ＮＨ_２となる。ただしこの場合、加水分解されるのはイソシアネート化合物Ｒ−ＮＣＯの一部であると考えられる。従って図６Ｂに示されるように塩基性層５３の表面上に保持又は吸着されている還元性中間体の大部分はイソシアネート化合物Ｒ−ＮＣＯおよびアミン化合物Ｒ−ＮＨ_２であると考えられる。
一方、図６Ｂに示されるように生成された還元性中間体の周りを炭化水素ＨＣが取り囲んでいると還元性中間体は炭化水素ＨＣに阻まれてそれ以上反応が進まない。この場合、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度が低下せしめられ、それによって酸素濃度が高くなると還元性中間体周りの炭化水素は酸化せしめられる。その結果、図６Ａに示されるように還元性中間体と活性ＮＯ_Ｘ ^＊とが反応するようになる。このとき活性ＮＯ_Ｘ ^＊は還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ_２と反応してＮ_２，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏとなり、斯くしてＮＯ_Ｘが浄化されることになる。
このように排気浄化触媒１３では、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を高くすることにより還元性中間体が生成され、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を低くして酸素濃度を高くすることにより活性ＮＯ_Ｘ ^＊が還元性中間体と反応し、ＮＯ_Ｘが浄化される。即ち、排気浄化触媒１３によりＮＯ_Ｘを浄化するには排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を周期的に変化させる必要がある。
無論、この場合、還元性中間体を生成するのに十分高い濃度まで炭化水素の濃度を高める必要があり、生成された還元性中間体を活性ＮＯ_Ｘ ^＊と反応させるのに十分低い濃度まで炭化水素の濃度を低下させる必要がある。即ち、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅で振動させる必要がある。なお、この場合、生成された還元性中間体が活性ＮＯ_Ｘ ^＊と反応するまで、十分な量の還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ_２を塩基性層５３上に、即ち塩基性排気ガス流通表面部分５４上保持しておかなければならず、そのために塩基性の排気ガス流通表面部分５４が設けられている。
一方、炭化水素の供給周期を長くすると炭化水素が供給された後、次に炭化水素が供給されるまでの間において酸素濃度が高くなる期間が長くなり、従って活性ＮＯ_Ｘ ^＊は還元性中間体を生成することなく硝酸塩の形で塩基性層５３内に吸収されることになる。これを回避するためには排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の周期でもって振動させることが必要となる。
そこで本発明による実施例では、排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘと改質された炭化水素とを反応させて窒素および炭化水素を含む還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ_２を生成するために排気浄化触媒１３の排気ガス流通表面上には貴金属触媒５１，５２が担持されており、生成された還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ_２を排気浄化触媒１３内に保持しておくために貴金属触媒５１，５２周りには塩基性の排気ガス流通表面部分５４が形成されており、塩基性の排気ガス流通表面部分５４上に保持された還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ_２の還元作用によりＮＯ_Ｘが還元され、炭化水素濃度の振動周期は還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ_２を生成し続けるのに必要な振動周期とされる。因みに図４に示される例では噴射間隔が３秒とされている。
炭化水素濃度の振動周期、即ち炭化水素ＨＣの供給周期を上述の予め定められた範囲内の周期よりも長くすると塩基性層５３の表面上から還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ_２が消滅し、このとき白金Ｐｔ５３上において生成された活性ＮＯ_Ｘ ^＊は図７Ａに示されるように硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形で塩基性層５３内に拡散し、硝酸塩となる。即ち、このときには排気ガス中のＮＯ_Ｘは硝酸塩の形で塩基性層５３内に吸収されることになる。
一方、図７ＢはこのようにＮＯ_Ｘが硝酸塩の形で塩基性層５３内に吸収されているときに排気浄化触媒１３内に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチにされた場合を示している。この場合には排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ_３ ⁻→ＮＯ_２）に進み、斯くして塩基性層５３内に吸収されている硝酸塩は順次硝酸イオンＮＯ_３ ⁻となって図７Ｂに示されるようにＮＯ_２の形で塩基性層５３から放出される。次いで放出されたＮＯ_２は排気ガス中に含まれる炭化水素ＨＣおよびＣＯによって還元される。
図８は塩基性層５３のＮＯ_Ｘ吸収能力が飽和する少し前に排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを一時的にリッチにするようにした場合を示している。なお、図８に示す例ではこのリッチ制御の時間間隔は１分以上である。この場合には排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎがリーンのときに塩基性層５３内に吸収されたＮＯ_Ｘは、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが一時的にリッチにされたときに塩基性層５３から一気に放出されて還元される。従ってこの場合には塩基性層５３はＮＯ_Ｘを一時的に吸収するための吸収剤の役目を果している。
なお、このとき塩基性層５３がＮＯ_Ｘを一時的に吸着する場合もあり、従って吸収および吸着の双方を含む用語として吸蔵という用語を用いるとこのとき塩基性層５３はＮＯ_Ｘを一時的に吸蔵するためのＮＯ_Ｘ吸蔵剤の役目を果していることになる。即ち、この場合には、機関吸気通路、燃焼室２および排気浄化触媒１３上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、排気浄化触媒１３は、排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯ_Ｘを吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸蔵したＮＯ_Ｘを放出するＮＯ_Ｘ吸蔵触媒として機能している。
図９は、排気浄化触媒１３をこのようにＮＯ_Ｘ吸蔵触媒として機能させたときのＮＯ_Ｘ浄化率を示している。なお、図９の横軸は排気浄化触媒１３の触媒温度ＴＣを示している。排気浄化触媒１３をＮＯ_Ｘ吸蔵触媒として機能させた場合には図９に示されるように触媒温度ＴＣが３００℃から４００℃のときには極めて高いＮＯ_Ｘ浄化率が得られるが触媒温度ＴＣが４００℃以上の高温になるとＮＯ_Ｘ浄化率が低下する。
このように触媒温度ＴＣが４００℃以上になるとＮＯ_Ｘ浄化率が低下するのは、触媒温度ＴＣが４００℃以上になると硝酸塩が熱分解してＮＯ_２の形で排気浄化触媒１３から放出されるからである。即ち、ＮＯ_Ｘを硝酸塩の形で吸蔵している限り、触媒温度ＴＣが高いときに高いＮＯ_Ｘ浄化率を得るのは困難である。しかしながら図４から図６Ａ，６Ｂに示される新たなＮＯ_Ｘ浄化方法では図６Ａ，６Ｂからわかるように硝酸塩は生成されず或いは生成されても極く微量であり、斯くして図５に示されるように触媒温度ＴＣが高いときでも高いＮＯ_Ｘ浄化率が得られることになる。
そこで本発明では、炭化水素を供給するための炭化水素供給弁１５を機関排気通路内に配置し、炭化水素供給弁１５下流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘと改質された炭化水素とを反応させるための排気浄化触媒１３を配置し、排気浄化触媒１３の排気ガス流通表面上には貴金属触媒５１，５２が担持されていると共に貴金属触媒５１，５２周りには塩基性の排気ガス流通表面部分５４が形成されており、排気浄化触媒１３は、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させると排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを還元する性質を有すると共に、炭化水素濃度の振動周期をこの予め定められた範囲よりも長くすると排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘの吸蔵量が増大する性質を有しており、機関運転時に排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させ、それにより排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを排気浄化触媒１３において還元するようにしている。
即ち、図４から図６Ａ，６Ｂに示されるＮＯ_Ｘ浄化方法は、貴金属触媒を担持しかつＮＯ_Ｘを吸収しうる塩基性層を形成した排気浄化触媒を用いた場合において、ほとんど硝酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘを浄化するようにした新たなＮＯ_Ｘ浄化方法であると言うことができる。実際、この新たなＮＯ_Ｘ浄化方法を用いた場合には排気浄化触媒１３をＮＯ_Ｘ吸蔵触媒として機能させた場合に比べて、塩基性層５３から検出される硝酸塩は極く微量である。なお、この新たなＮＯ_Ｘ浄化方法を以下、第１のＮＯ_Ｘ浄化方法と称する。
次に図１０から図１５を参照しつつこの第１のＮＯ_Ｘ浄化方法についてもう少し詳細に説明する。
図１０は図４に示される空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎの変化を拡大して示している。なお、前述したようにこの排気浄化触媒１３への流入排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎの変化は同時に排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度変化を示している。なお、図１０においてΔＨは排気浄化触媒１３に流入する炭化水素ＨＣの濃度変化の振幅を示しており、ΔＴは排気浄化触媒１３に流入する炭化水素濃度の振動周期を示している。
更に図１０において（Ａ／Ｆ）ｂは機関出力を発生するための燃焼ガスの空燃比を示すベース空燃比を表している。言い換えるとこのベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂは炭化水素の供給を停止したときに排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比を表している。一方、図１０においてＸは、生成された活性ＮＯ_Ｘ ^＊が硝酸塩の形で塩基性層５３内に吸蔵されることなく還元性中間体の生成のために使用される空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎの上限を表しており、活性ＮＯ_Ｘ ^＊と改質された炭化水素とを反応させて還元性中間体を生成させるには空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎをこの空燃比の上限Ｘよりも低くすることが必要となる。
別の言い方をすると図１０のＸは活性ＮＯ_Ｘ ^＊と改質された炭化水素とを反応させて還元性中間体を生成させるのに必要な炭化水素の濃度の下限を表しており、還元性中間体を生成するためには炭化水素の濃度をこの下限Ｘよりも高くする必要がある。この場合、還元性中間体が生成されるか否かは活性ＮＯ_Ｘ ^＊周りの酸素濃度と炭化水素濃度との比率、即ち空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎで決まり、還元性中間体を生成するのに必要な上述の空燃比の上限Ｘを以下、要求最小空燃比と称する。
図１０に示される例では要求最小空燃比Ｘがリッチとなっており、従ってこの場合には還元性中間体を生成するために空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが瞬時的に要求最小空燃比Ｘ以下に、即ちリッチにされる。これに対し、図１１に示される例では要求最小空燃比Ｘがリーンとなっている。この場合には空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎをリーンに維持しつつ空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを周期的に低下させることによって還元性中間体が生成される。
この場合、要求最小空燃比Ｘがリッチになるかリーンになるかは排気浄化触媒１３の酸化力による。この場合、排気浄化触媒１３は例えば貴金属５１の担持量を増大させれば酸化力が強まり、酸性を強めれば酸化力が強まる。従って排気浄化触媒１３の酸化力は貴金属５１の担持量や酸性の強さによって変化することになる。
さて、酸化力が強い排気浄化触媒１３を用いた場合に図１１に示されるように空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎをリーンに維持しつつ空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを周期的に低下させると、空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが低下せしめられたときに炭化水素が完全に酸化されてしまい、その結果還元性中間体を生成することができなくなる。これに対し、酸化力が強い排気浄化触媒１３を用いた場合に図１０に示されるように空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを周期的にリッチにさせると空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎがリッチにされたときに一部の炭化水素は完全に酸化されることなく部分酸化され、即ち炭化水素が改質され、斯くして還元性中間体が生成されることになる。従って酸化力が強い排気浄化触媒１３を用いた場合には要求最小空燃比Ｘはリッチにする必要がある。
一方、酸化力が弱い排気浄化触媒１３を用いた場合には図１１に示されるように空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎをリーンに維持しつつ空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを周期的に低下させると、一部の炭化水素は完全に酸化されずに部分酸化され、即ち炭化水素が改質され、斯くして還元性中間体が生成される。これに対し、酸化力が弱い排気浄化触媒１３を用いた場合に図１０に示されるように空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを周期的にリッチにさせると多量の炭化水素は酸化されることなく単に排気浄化触媒１３から排出されることになり、斯くして無駄に消費される炭化水素量が増大することになる。従って酸化力が弱い排気浄化触媒１３を用いた場合には要求最小空燃比Ｘはリーンにする必要がある。
即ち、要求最小空燃比Ｘは図１２に示されるように排気浄化触媒１３の酸化力が強くなるほど低下させる必要があることがわかる。このように要求最小空燃比Ｘは排気浄化触媒１３の酸化力によってリーンになったり、或いはリッチになったりするが、以下要求最小空燃比Ｘがリッチである場合を例にとって、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度変化の振幅や排気浄化触媒１３に流入する炭化水素濃度の振動周期について説明する。
さて、ベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが大きくなると、即ち炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高くなると空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを要求最小空燃比Ｘ以下とするのに必要な炭化水素の供給量が増大し、それに伴って還元性中間体の生成に寄与しなかった余剰の炭化水素量も増大する。この場合、ＮＯ_Ｘを良好に浄化するためには前述したようにこの余剰の炭化水素を酸化させる必要があり、従ってＮＯ_Ｘを良好に浄化するためには余剰の炭化水素量が多いほど多量の酸素が必要となる。
この場合、排気ガス中の酸素濃度を高めれば酸素量を増大することができる。従ってＮＯ_Ｘを良好に浄化するためには、炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高いときには炭化水素供給後の排気ガス中の酸素濃度を高める必要がある。即ち、炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高いほど炭化水素濃度の振幅を大きくする必要がある。
図１３は同一のＮＯ_Ｘ浄化率が得られるときの、炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度と炭化水素濃度の振幅ΔＨとの関係を示している。図１３から同一のＮＯ_Ｘ浄化率を得るためには炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高いほど炭化水素濃度の振幅ΔＨを増大させる必要があることがわかる。即ち、同一のＮＯ_Ｘ浄化率を得るにはベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが高くなるほど炭化水素濃度の振幅ΔＴを増大させることが必要となる。別の言い方をすると、ＮＯ_Ｘを良好に浄化するためにはベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが低くなるほど炭化水素濃度の振幅ΔＴを減少させることができる。
ところでベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが最も低くなるのは加速運転時であり、このとき炭化水素濃度の振幅ΔＨが２００ｐｐｍ程度あればＮＯ_Ｘを良好に浄化することができる。ベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂは通常、加速運転時よりも大きく、従って図１４に示されるように炭化水素濃度の振幅ΔＨが２００ｐｐｍ以上であれば良好なＮＯ_Ｘ浄化率を得ることができることになる。
一方、ベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが最も高いときには炭化水素濃度の振幅ΔＨを１００００ｐｐｍ程度にすれば良好なＮＯ_Ｘ浄化率が得られることがわかっている。従って本発明では炭化水素濃度の振幅の予め定められた範囲が２００ｐｐｍから１００００ｐｐｍとされている。
また、炭化水素濃度の振動周期ΔＴが長くなると炭化水素が供給された後、次に炭化水素が供給される間、活性ＮＯ_Ｘ ^＊周りの酸素濃度が高くなる。この場合、炭化水素濃度の振動周期ΔＴが５秒程度よりも長くなると活性ＮＯ_Ｘ ^＊が硝酸塩の形で塩基性層５３内に吸収され始め、従って図１５に示されるように炭化水素濃度の振動周期ΔＴが５秒程度よりも長くなるとＮＯ_Ｘ浄化率が低下することになる。従って炭化水素濃度の振動周期ΔＴは５秒以下とする必要がある。
一方、炭化水素濃度の振動周期ΔＴがほぼ０．３秒以下になると供給された炭化水素が排気浄化触媒１３の排気ガス流通表面上に堆積し始め、従って図１５に示されるように炭化水素濃度の振動周期ΔＴがほぼ０．３秒以下になるとＮＯ_Ｘ浄化率が低下する。そこで本発明では炭化水素濃度の振動周期が０．３秒から５秒の間とされている。
次に図１６から図１９を参照しつつ排気浄化触媒１３をＮＯ_Ｘ吸蔵触媒として機能させた場合のＮＯ_Ｘ浄化方法について具体的に説明する。このように排気浄化触媒１３をＮＯ_Ｘ吸蔵触媒として機能させた場合のＮＯ_Ｘ浄化方法を以下、第２のＮＯ_Ｘ浄化方法と称する。
この第２のＮＯ_Ｘ浄化方法では図１６に示されるように塩基性層５３に吸蔵された吸蔵ＮＯ_Ｘ量ΣＮＯＸが予め定められた許容量ＭＡＸを越えたときに排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが一時的にリッチにされる。排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎがリッチにされると排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎがリーンのときに塩基性層５３内に吸蔵されたＮＯ_Ｘが塩基性層５３から一気に放出されて還元される。それによってＮＯ_Ｘが浄化される。
吸蔵ＮＯ_Ｘ量ΣＮＯＸは例えば機関から排出されるＮＯ_Ｘ量から算出される。本発明による実施例では機関から単位時間当り排出される排出ＮＯ_Ｘ量ＮＯＸＡが機関出力トルクＴｅおよび機関回転数Ｎの関数として図１７に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、この排出ＮＯ_Ｘ量ＮＯＸＡから吸蔵ＮＯ_Ｘ量ΣＮＯＸが算出される。この場合、前述したように排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎがリッチにされる周期は通常１分以上である。
この第２のＮＯ_Ｘ浄化方法では図１８に示されるように燃焼室２内に燃料噴射弁３から出力発生用燃料Ｑに加え、追加の燃料ＷＲを噴射することによって排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎがリッチにされる。なお、図１８の横軸はクランク角を示している。この追加の燃料ＷＲは燃焼はするが機関出力となって現われない時期に、即ち圧縮上死点後ＡＴＤＣ９０°の少し手前で噴射される。この燃料量ＷＲは機関出力トルクＴｅおよび機関回転数Ｎの関数として図１９に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。無論、この場合炭化水素供給弁１５からの炭化水素の供給量を増大させることによって排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎをリッチにすることもできる。
さて、再び第１のＮＯ_Ｘ浄化方法についての説明に戻ると、第１のＮＯ_Ｘ浄化方法を用いてＮＯ_Ｘを良好に浄化するためには前述したように炭化水素濃度の振幅ΔＨおよび振動周期ΔＴを適切に制御する必要がある。即ち、第１のＮＯ_Ｘ浄化方法を用いてＮＯ_Ｘを良好に浄化するためには、排気浄化触媒１３への流入排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが要求最小空燃比Ｘ以下となるように炭化水素濃度の振幅ΔＨを制御し、炭化水素濃度の振動周期ΔＴを０．３秒から５秒の間に制御する必要がある。
この場合、本発明では炭化水素濃度の振幅ΔＨは炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射量を制御することに制御され、炭化水素濃度の振動周期ΔＴは炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射周期を制御することによって制御される。この場合、炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射量は、炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射時間又は噴射圧の少なくとも一方を制御することによって制御可能である。しかしながら以下、噴射圧を一定に保持しつつ噴射時間を制御することにより噴射量を制御するようにした場合を例にとって本発明についての説明を行うこととする。
さて、本発明による実施例では、機関の運転状態に応じた最適なスロットル弁１０の開度および最適なＥＧＲ制御弁１７の開度が予め実験により求められており、更にスロットル弁１０およびＥＧＲ制御弁１７が夫々最適な開度とされているときに得られる最適なベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂも予め実験により求められている。図２０Ａにはこの実験により求められた最適なベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが機関回転数Ｎおよび機関出力トルクＴｅの関数として示されている。なお、図２０Ａにおける各実線は、夫々数値で示されている空燃比の等空燃比線を表している。
機関運転時には、機関から排出される排気ガスの空燃比が図２０Ａに示される最適なベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂとなるように、燃料噴射弁３からの燃料噴射量が制御される。なお、図２０Ａに示される最適なベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂは、機関回転数Ｎおよび機関出力トルクＴｅの関数として図２０Ｂに示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
また、第１のＮＯ_Ｘ浄化方法によるＮＯ_Ｘ浄化作用が行われているときに最も高いＮＯ_Ｘ浄化率の得られる最適な炭化水素噴射周期△Ｔと最適な炭化水素噴射時間ＷＴとが実験により予め求められている。図２１Ａにはこの実験により求められた最適な炭化水素噴射周期△Ｔが機関回転数Ｎおよび機関出力トルクＴｅの関数として示されている。なお、図２１Ａにおける各実線は等炭化水素噴射周期を示している。図２１Ａからわかるように、最適な炭化水素噴射周期△Ｔは機関回転数Ｎが低くなるほど短くなり、機関出力トルクＴｅが高くなるほど短くなる。
図２１Ａに示される最適な炭化水素噴射周期△Ｔは、機関回転数Ｎおよび機関出力トルクＴｅの関数として図２１Ｂに示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。また、実験により求められた最適な炭化水素噴射時間ＷＴも、機関回転数Ｎおよび機関出力トルクＴｅの関数として図２０Ｃに示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
図２２Ａは、炭化水素噴射周期を図２１Ｂに示される最適な炭化水素噴射周期△Ｔとし、炭化水素噴射時間を図２１Ｃに示される最適な炭化水素噴射時間ＷＴとしたときの排気浄化触媒１３への流入排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎの変化を示しており、図２２Ｂはこのとき下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比の変化を示している。なお、図２２Ｂは下流側空燃比センサ２４が全く被毒していないときの空燃比の変化を示している。
図２２Ａおよび図２２Ｂからわかるように、排気浄化触媒１３への流入排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎのリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｒはリッチになっているのに対し、下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比のリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐはリーンとなっている。これは、供給された炭化水素の一部が排気浄化触媒１３に一旦付着した後に時間差をもって蒸発し、それにより排気浄化触媒１３から流出する排気ガスの空燃比の変化が平滑化されるので空燃比のピーク値が小さくなるからであると考えられる。
炭化水素噴射周期が図２１Ｂに示される最適な炭化水素噴射周期△Ｔとされ、炭化水素噴射時間が図２１Ｃに示される最適な炭化水素噴射時間ＷＴとされたときに下流側空燃比センサ２４により検出されるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐは予め実験により求められており、予め実験により求められているこのリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐは、目標ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｔとして各機関運転状態に対し予め記憶されている。本発明の実施例では、この目標ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｔは機関回転数Ｎおよび機関出力トルクＴｅの関数として図２３に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
次に、本発明において用いられている上流側空燃比センサ２３および下流側空燃比センサ２４の構造について簡単に説明する。なお、これらの上流側空燃比センサ２３および下流側空燃比センサ２４は同じ構造を有しており、図２４Ａはこれら空燃比センサ２３、２４の構造を概略的に示している。
図２４Ａを参照すると、空燃比センサ２３、２４のセンサ部６０は、ジルコニアＺｒからなる薄肉カップ状の固体電解質６１と、固体電解質６１の内周面を覆う白金薄膜電極６２と、固体電解質６１の外周面を覆う白金薄膜電極６３と、電極６３の周りを覆うアルミナからなる拡散抵抗層６４とに構成されており、このセンサ部６０は多数の孔６５を有する保護カバー６６により覆われている。このセンサ部６０は排気ガス中に配置されており、排気ガスは孔６５を通って拡散抵抗層６４上に導かれる。図２４Ａに示されるように、電極６２と６３間には一定電圧Ｅが印加されており、このとき電極６２と６３間には排気ガスの空燃比に応じて図２４Ｂに示されるような電流Ｉが流れる。本発明ではこの電流値Ｉから図２４Ｂに示される関係に基づいて空燃比が求められる。即ち、空燃比センサ２３、２４の出力から空燃比が検出される。
図２５Ａは、第１のＮＯ_Ｘ浄化方法によるＮＯ_Ｘ浄化作用が行われているときの、上流側空燃比センサ２３により検出された排気ガスの空燃比ＡＦＲ１の変化と、下流側空燃比センサ２４により検出された排気ガスの空燃比ＡＦＲ２の変化とを示している。上流側空燃比センサ２３は炭化水素供給弁１５の上流側に位置しているので炭化水素供給弁１５からの炭化水素の供給作用の影響は受けず、従って図２５Ａに示されるように上流側空燃比センサ２３により検出された排気ガスの空燃比ＡＦＲ１はベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂとなっている。
これに対し、下流側空燃比センサ２４により検出される排気ガスの空燃比ＡＦＲ２は炭化水素供給弁１５から炭化水素が供給されるとそれに応じて変化する。即ち、炭化水素供給弁１５から炭化水素が供給されると、下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比ＡＦＲ２は、炭化水素供給弁１５から炭化水素が供給されていないときに検出される基準空燃比ＡＦＲＢに対してＲＳで示されるようにリッチ側に変化する。従って、炭化水素供給弁１５から間隔をおいて炭化水素が供給されると、下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比ＡＦＲ２は図２５Ａに示されるように、基準空燃比ＡＦＲＢを基準として間隔をおいてリッチ側に変化することになる。
ところがこの場合、図２５Ａに示されるように、上流側空燃比センサ２３により検出される空燃比ＡＦＲ１と下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比ＡＦＲ２の基準空燃比ＡＦＲＢとの間で空燃比差ΔＡＦＲが生じ、下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比ＡＦＲ２の基準空燃比ＡＦＲＢが上流側空燃比センサ２３により検出される空燃比ＡＦＲ１よりもリッチ側になることが判明したのである。その理由は次のように考えられる。
即ち、炭化水素供給弁１５からは軽油のような分子量の大きな炭化水素が供給され、この炭化水素供給弁１５から供給された炭化水素は排気浄化触媒１３内において酸化或いは部分酸化される。しかしながら実際には、炭化水素供給弁１５から供給された全ての炭化水素が酸化或いは部分酸化されるわけではなく、一部の炭化水素は酸化或いは部分酸化されることなく排気浄化触媒１３をすり抜けてしまう。従って下流側空燃比センサ２４には排気浄化触媒１３をすり抜けた分子量の大きな炭化水素が流入することになる。
ところで、図２４Ａに示される空燃比センサでは、排気ガス中に含まれる酸素および炭化水素が拡散抵抗層６４内を拡散して電極６３に達し、電極６３上において炭化水素の酸化作用が行われ、このとき酸素が過剰であれば酸素イオンが固体電解質６１内を電極６３から６２に向けて移動し、このとき酸素が不足していれば酸素イオンが固体電解質６１内を電極６２から６３に向けて移動し、それにより発生する電流Ｉによって空燃比が検出される。
一方、下流側空燃比センサ２４におけるように、空燃比センサに分子量の大きな炭化水素が流入すると一部の炭化水素は上述したように拡散抵抗層６４内を拡散して電極６３に達するが、一部の炭化水素は分子量の大きいために一旦拡散抵抗層６４の表面上に堆積する。次いでこの一旦堆積した分子量の大きな炭化水素は徐々に拡散抵抗層６４内を拡散して電極６３上に達する。その結果、下流側空燃比センサ２４においては炭化水素供給弁１５からの炭化水素の供給後でも排気ガス中に依然として多くの炭化水素が含まれていると判断され、従って下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比ＡＦＲ２の基準空燃比ＡＦＲＢは上流側空燃比センサ２３により検出される空燃比ＡＦＲ１よりもリッチ側となる。
この場合、下流側空燃比センサ２４への炭化水素の付着量が増大するほど、上流側空燃比センサ２３により検出される空燃比ＡＦＲ１と下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比ＡＦＲ２の基準空燃比ＡＦＲＢとの空燃比差ΔＡＦＲが大きくなる。一方、排気浄化触媒１３をすり抜ける炭化水素量が増大するほど下流側空燃比センサ２４への炭化水素の付着量が増大する。従って、図２５Ｂに示されるように、排気浄化触媒１３をすり抜ける炭化水素量ＷＳが増大するほど空燃比差ΔＡＦＲが大きくなることがわかる。即ち、空燃比差ΔＡＦＲに基づいて排気浄化触媒１３をすり抜ける炭化水素量を検出できることになる。
そこで本発明では、炭化水素を供給するための炭化水素供給弁１５を機関排気通路内に配置し、炭化水素供給弁１５上流の機関排気通路内に排気ガスの空燃比を検出するための上流側空燃比センサ２３を配置し、炭化水素供給弁１５下流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘと改質された炭化水素とを反応させるための排気浄化触媒１３を配置し、排気浄化触媒１３下流の機関排気通路内に排気ガスの空燃比を検出するための下流側空燃比センサ２４を配置し、下流側空燃比センサ２４が固体電解質６１と、固体電解質６１の両側面を夫々覆う電極６２，６３と、一方の電極６３を覆う拡散抵抗層６４とを有すると共に排気ガスが拡散抵抗層６４上に導かれる型式のセンサからなり、排気浄化触媒１３の排気ガス流通表面上には貴金属触媒５１，５２が担持されていると共に貴金属触媒５１，５２周りには塩基性の排気ガス流通表面部分５４が形成されており、排気浄化触媒１３は、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させると排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを還元する性質を有すると共に、炭化水素濃度の振動周期を予め定められた範囲よりも長くすると排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘの吸蔵量が増大する性質を有しており、炭化水素供給弁１５から炭化水素が供給されると下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比は炭化水素供給弁１５から炭化水素が供給されていないときに検出される基準空燃比ＡＦＲＢに対してリッチ側に変化し、炭化水素供給弁１５から供給されて排気浄化触媒１３をすり抜ける炭化水素の量ＷＳを、上流側空燃比センサ２３により検出された空燃比ＡＦＲ１と下流側空燃比センサ２４により検出された基準空燃比ＡＦＲＢとの空燃比差ΔＡＦＲから検出するようにしている。
この場合、図２５Ａに示されるように、炭化水素供給弁１５から供給されて排気浄化触媒１３をすり抜ける炭化水素の量ＷＳは空燃比差ΔＡＦＲが大きくなるほど大きくなる。
さて、排気浄化触媒１３をすり抜ける炭化水素量ＷＳは種々の原因によって増大する。例えば、排気浄化触媒１３が劣化すると炭化水素を部分酸化或いは酸化する能力が低下するために排気浄化触媒１３をすり抜ける炭化水素量ＷＳ増大する。また、炭化水素供給弁１５からの炭化水素の供給量が何らかの原因により異常に増大したときにも排気浄化触媒１３をすり抜ける炭化水素量ＷＳが増大する。
そこで、本発明による実施例では、炭化水素供給弁１５から供給されて排気浄化触媒１３をすり抜ける炭化水素の量ＷＳが予め定められた限界値を超えたときには、排気浄化触媒１３が劣化したか、或いは炭化水素供給弁１５からの噴射量に異常があると判断される。
次に、空燃比差ΔＡＦＲを検出するための代表的な二つの方法について、図２６Ａを参照しつつ説明する。
第一の方法は、下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比ＡＦＲ２のうちで基準空燃比ＡＦＲＢとなる期間Ｉ（図２６Ａ）を選別し、この期間Ｉ内において、上流側空燃比センサ２３により検出された空燃比ＡＦＲ１と下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２の基準空燃比ＡＦＲＢとの差又はこれら差の平均値から空燃比差ΔＡＦＲを検出する方法である。
第二の方法は、図２６Ａにおいて破線Ｗｔで示される炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射時期に対して時間ｆｔだけ遅れた時期Ｓｔに、上流側空燃比センサ２３により検出された空燃比ＡＦＲ１と下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２の基準空燃比ＡＦＲＢから空燃比差ΔＡＦＲを検出する方法である。この場合、排気ガスの流速が速くなるほど、即ち吸入空気量が多いほど、空燃比差ΔＡＦＲを検出し得る時間ｆｔは短くなる。この時間ｆｔは予め実験により求められており、この時間ｆｔは図２６Ｂに示されるように吸入空気量ＧＡの関数として予め記憶されている。
図２７は機関の運転全般についての運転制御ルーチンを示している。なお、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図２７を参照するとまず初めにステップ６０において温度センサ２５の出力信号から排気浄化触媒１３の温度ＴＣが活性化温度ＴＣ_Ｏを越えているか否かが判別される。ＴＣ＜ＴＣ_Ｏのとき、即ち排気浄化触媒１３が活性化していないときには第２のＮＯ_Ｘ浄化方法を用いるべきであると判断され、ステップ６１に進む。ステップ６１では図１７に示すマップから単位時間当りの排出ＮＯ_Ｘ量ＮＯＸＡが算出される。次いでステップ６２ではΣＮＯＸに排出ＮＯ_Ｘ量ＮＯＸＡを加算することによって吸蔵ＮＯ_Ｘ量ΣＮＯＸが算出される。次いでステップ６３では吸蔵ＮＯ_Ｘ量ΣＮＯＸが許容値ＭＡＸを越えたか否かが判別される。
ステップ６３においてΣＮＯＸ≦ＭＡＸであると判断されたときにはステップ６４に進んで燃料噴射弁３からの燃料噴射処理が行われる。このときには機関の運転状態から定まる予め定められたリーン空燃比となるように燃料噴射弁３から燃料が噴射される。これに対し、ステップ６３においてΣＮＯＸ＞ＭＡＸであると判別されたときにはステップ６５に進んでリッチ制御Ｉが行われる。即ち、図１９に示すマップから追加の燃料量ＷＲが算出され、追加の燃料の噴射作用が行われる。このとき排気浄化触媒１３から吸蔵されたＮＯ_Ｘが放出される。次いでステップ６６ではΣＮＯＸがクリアされる。
一方、ステップ６０においてＴＣ≧ＴＣｏになったと判断されたとき、即ち排気浄化触媒１３が活性化したときにはステップ６７に進み、前回の割り込み時にはＴＣ＜ＴＣｏであったか否かが判別される。前回の割り込み時にはＴＣ＜ＴＣｏであったとき、即ち、今排気浄化触媒１３が活性化したときにはステップ６８に進んでリッチ制御ＩＩが実行される。このときにも図１９に示すマップから追加の燃料量ＷＲが算出され、追加の燃料の噴射作用が行われて排気浄化触媒１３から吸蔵されたＮＯ_Ｘが放出される。次いでステップ６９ではΣＮＯＸがクリアされる。
これに対し、前回の割り込み時にもＴＣ≧ＴＣｏであったときには、即ち排気浄化触媒１３が既に活性化しているときにはステップ７０に進んで運転制御Ｉが実行される。この運転制御Ｉでは、本発明による第１のＮＯ_Ｘ浄化方法によるＮＯ_Ｘ浄化作用が行われる。即ち、排気浄化触媒１３が活性化していないときには第２のＮＯ_Ｘ浄化方法によるＮＯ_Ｘ浄化作用が行われており、排気浄化触媒１３が活性化すると第２のＮＯ_Ｘ浄化方法から第１のＮＯ_Ｘ浄化方法へ切り替えられる。
第２のＮＯ_Ｘ浄化方法から第１のＮＯ_Ｘ浄化方法に切り替えられたときに排気浄化触媒１３にＮＯ_Ｘが吸蔵していると、排気浄化触媒１３から吸蔵されているＮＯ_Ｘが還元されることなく一気に放出される。従って図２５に示す例では、このように排気浄化触媒１３から吸蔵されているＮＯ_Ｘが還元されることなく一気に放出されるのを阻止するために、第２のＮＯ_Ｘ浄化方法から第１のＮＯ_Ｘ浄化方法に切り替えられる直前にステップ６８において第２のＮＯ_Ｘ浄化方法により排気浄化触媒１３から吸蔵ＮＯ_Ｘを放出させるためのリッチ制御ＩＩが行われる。
次に、ステップ７０において行われる運転制御Ｉ、即ち第１のＮＯ_Ｘ浄化方法によるＮＯ_Ｘ浄化作用について説明する。図２８および図２９はこの運転制御Ｉの第一実施例を示している。なお、この第一実施例では、図２６Ａを参照しつつ説明した第一の方法により空燃比差ΔＡＦＲを求めるようにした場合が示されている。
図２８を参照すると、まず初めにステップ８０において図２０Ｂに示されるマップからベース空燃比の目標値、即ち目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが算出される。次いでステップ８１では吸入空気量検出器８の出力信号から吸入空気量ＧＡが算出される。次いでステップ８２ではこれら目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｂおよび吸入空気量ＧＡからベース空燃比を目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｂにするのに必要な燃料噴射弁３からの出力発生用燃料噴射量Ｑが算出される。次いでステップ８３ではこの燃料噴射量Ｑから燃料噴射時間ＱＴが算出され、次いでステップ８４ではこの燃料噴射時間ＱＴに従って燃料噴射弁３から燃料を噴射する燃料噴射処理が行われる。
次いでステップ８５では図２１Ｂに示されるマップから最適な炭化水素噴射周期△Ｔが算出される。次いでステップ８６では図２１Ｃに示されるマップから最適な炭化水素噴射時間ＷＴが算出される。次いでステップ８７では炭化水素噴射時間ＷＴに従って炭化水素供給弁１５から炭化水素を噴射する炭化水素噴射処理が行われる。
次いでステップ８８では、上流側空燃比センサ２３により検出された空燃比ＡＦＲ１および下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２が読み込まれる。次いでステップ８９では、上流側空燃比センサ２３により検出された空燃比ＡＦＲ１から下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２を減算することによって空燃比差ΔＡＦＲ（＝ＡＦＲ１−ＡＦＲ２）が算出される。次いでステップ９０では、下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２が基準空燃比ＡＦＲＢであるか否かを判別するために、前回の割り込み時と今回の割り込み時との空燃比差ΔＡＦＲの変化量ｄＡＦＲが算出される。
次いでステップ９１では、空燃比差ΔＡＦＲの変化量ｄＡＦＲの絶対値が予め定められた小さな値ｄＸよりも小さいか否かが判別される。空燃比差ΔＡＦＲの変化量ｄＡＦＲの絶対値がｄＸよりも大きいとき、即ち下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比ＡＦＲ２が図２５ＡにおいてＲＳで示されるように急激に変化しているときには処理サイクルを完了する。これに対し、空燃比差ΔＡＦＲの変化量ｄＡＦＲの絶対値がｄＸよりも小さいときには、即ち下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比ＡＦＲ２の変動量が小さいときには、下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比ＡＦＲ２が基準空燃比ＡＦＲＢであると判断され、ステップ９２に進む。
ステップ９２では空燃比差ΔＡＦＲをΣＡＦに加算することによって空燃比差ΔＡＦＲの積算値ΣＡＦが算出される。次いでステップ９３ではカウント値Ｎが１だけインクリメントされる。次いでステップ９４ではカウント値Ｎが一定値Ｎｏに達したか否かが判別される。カウント値Ｎが一定値Ｎｏに達したときにはステップ９５に進んで積算値ΣＡＦを一定値Ｎｏで除算することにより空燃比差ΔＡＦＲの平均値ΔＡＦＲＭが算出される。この実施例ではこのようにして空燃比差ΔＡＦＲの平均値ΔＡＦＲＭが算出され、従ってこの実施例ではこの空燃比差ΔＡＦＲの平均値ΔＡＦＲＭから排気浄化触媒１３をすり抜ける炭化水素量ＷＳを算出できることになる。
空燃比差ΔＡＦＲの平均値ΔＡＦＲＭが算出されるとステップ９６に進んでΣＡＦおよびＮがクリアされる。次いでステップ９７では空燃比差ΔＡＦＲの平均値ΔＡＦＲＭが予め定められた限界値Ｗｏよりも大きいか否かが判別される。空燃比差ΔＡＦＲの平均値ΔＡＦＲＭが限界値Ｗｏよりも大きいときにはステップ９８に進んで、排気浄化触媒１３が劣化しているか或いは炭化水素供給弁１５に異常があることを示す警報が発せられる。
次に、図２７のステップ７０において行われる運転制御１の第二実施例について説明する。
さて、本発明による第１のＮＯ_Ｘ浄化方法によりＮＯ_Ｘ浄化作用が行われているときには、機関から排出される排気ガスの空燃比が図２０Ｂに示される最適なベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂとなっておりかつ下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比のリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが図２３に示される目標ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｔとなっているときに、最大のＮＯｘ浄化率がえられる。従ってこの第二実施例では、上流側空燃比センサ２３の出力信号に基づいて、機関から排出される排気ガスの空燃比が最適なベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂとなるように燃料噴射弁３からの燃料噴射量がフィードバック制御され、下流側空燃比センサ２４の出力信号に基づいて、下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比のリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが目標ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｔとなるように炭化水素供給弁１５からの炭化水素の供給量がフィードバック制御される。
具体的に言うと、最適なベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂと吸入空気量ＧＡから算出される燃料噴射量ＱＴに補正係数Ｇを乗算することによって最終的な燃料噴射弁３からの燃料噴射量ＱＴＯ（＝Ｇ・ＱＴ）が算出され、機関から排出される排気ガスの空燃比が最適なベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂとなるように補正係数Ｇの値がフィードバック制御される。即ち、機関から排出される排気ガスの空燃比を最適なベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂとするのに必要な補正係数Ｇの値を学習するようにしている。
また、図２１Ｃのマップから算出された最適な炭化水素噴射時間ＷＴに補正係数Ｋを乗算することによって最終的な炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射時間ＷＴＯ（＝Ｋ・ＷＴ）が算出され、下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比のリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが目標ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｔとなるように補正係数Ｋの値がフィードバック制御される。即ち、下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比のリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐを目標ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｔとするのに必要な補正係数Ｋの値を学習するようにしている。
ところで、第１のＮＯ_Ｘ浄化方法によるＮＯ_Ｘ浄化作用が行われているときに、下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２の基準空燃比ＡＦＲＢが上流側空燃比センサ２３により検出された空燃比ＡＦＲ１に対してリッチ側にずれると、下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比のリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐもリッチ側にずれることになる。従ってこのとき下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比のリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが目標ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｔとなるようにフィードバック制御を行うと、炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射量が最適な量からずれてしまい、その結果ＮＯｘ浄化率が低下してしまうことになる。
この場合、ＮＯｘ浄化率が低下するのを阻止するためには、下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２の基準空燃比ＡＦＲＢがリッチ側にずれたときには、即ち上流側空燃比センサ２３により検出された空燃比ＡＦＲ１と下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２の基準空燃比ＡＦＲＢとの空燃比差ΔＡＦＲが予め定められた許容値ＡＸ、例えば０．３をこえたときには、下流側空燃比センサ２４によりフィードバック制御を行うことを禁止することが必要である。
そこで本発明による実施例では、機関運転時には排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度が予め定められた範囲内の周期でもって振動するように炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射周期が制御されると共に、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度変化の振幅が予め定められた範囲内の振幅となるように炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射量が制御され、空燃比差ΔＡＦＲが予め定められた許容値ＡＸよりも小さいときには、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度変化の振幅が予め定められた範囲内の振幅となるように下流側空燃比センサ２４の出力信号に基づいて炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射量が制御され、空燃比差Δが予め定められた許容値ＡＸよりも大きいときには下流側空燃比センサ２４の出力信号に基づく炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射量の制御が禁止される。
なおこの場合、前述したように、空燃比差ΔＡＦＲが予め定められた許容値ＡＸよりも小さいときには、炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射量に対し、下流側空燃比センサ２４により検出されたリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐを予め記憶されている目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔとするのに必要な補正係数Ｋの値、即ち補正値が学習されている。この場合、空燃比差ΔＡＦＲが予め定められた許容値ＡＸよりも大きくなって下流側空燃比センサ２４の出力信号に基づく炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射量の制御が禁止されても炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射量を算出する際にはこの補正係数Ｋの値、即ち補正値が用いられ、従って下流側空燃比センサ２４の出力信号に基づく炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射量の制御が禁止されたときには、炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射量が、この補正係数Ｋの値、即ち学習されている補正値を用いて補正される。
一方、下流側空燃比センサ２４の出力信号に基づく炭化水素噴射量制御の禁止されている期間が長くなると補正係数Ｋの値を再学習する必要が生ずる。次にこの補正係数Ｋの値を再学習する方法について説明する。
図３０Ａは、第１のＮＯ_Ｘ浄化方法によるＮＯ_Ｘ浄化作用を開始したときおよび第１のＮＯ_Ｘ浄化方法によるＮＯ_Ｘ浄化作用を停止したときに、下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比の変化を示している。図３０Ａにおいてｔ１で示されるように第１のＮＯ_Ｘ浄化方法によるＮＯ_Ｘ浄化作用が開始されると、下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比ＡＦＲ２の基準空燃比ＡＦＲＢはベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂから離れて徐々にリッチ側となり、図３０Ａにおいてｔ２で示されるように第１のＮＯ_Ｘ浄化方法によるＮＯ_Ｘ浄化作用が継続しているときには、基準空燃比ＡＦＲＢはベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂに対してリッチ側にずれ続ける。一方、第１のＮＯ_Ｘ浄化方法によるＮＯ_Ｘ浄化作用が停止されると、図３０Ａにおいてｔ３で示されるように基準空燃比ＡＦＲＢはベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂに向けて徐々に大きくなり、最終的にはベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂとなる。
さて、補正係数Ｋの値を適切に再学習するためには、上流側空燃比センサ２３により検出された空燃比ＡＦＲ１と下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２の基準空燃比ＡＦＲＢとの空燃比差ΔＡＦＲを許容値ＡＸよりも小さくする必要がある。そこで本発明による実施例では、下流側空燃比センサ２４の出力信号に基づく炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射量の制御が禁止されているときに、補正係数Ｋの値、即ち補正値を再学習すべきであると判断されたときには、空燃比差ΔＡＦＲが予め定められた許容値ＡＸよりも小さくなるように炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射作用を制御し、それによって補正係数Ｋの値、即ち補正値を再学習するようにしている。
なお、図３０Ａからわかるように、第１のＮＯ_Ｘ浄化方法によるＮＯ_Ｘ浄化作用をｔ３時間停止すると、下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２の基準空燃比ＡＦＲＢはベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂとなり、従って上流側空燃比センサ２３により検出された空燃比ＡＦＲ１と下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２の基準空燃比ＡＦＲＢとの空燃比差ΔＡＦＲが許容値ＡＸよりも小さくなる。従って、本発明による一実施例では、補正係数Ｋの値を再学習すべきときには、第１のＮＯ_Ｘ浄化方法によるＮＯ_Ｘ浄化作用がｔ３時間停止される。
また、図３０Ｂに示されるように、補正係数Ｋの値を再学習すべきときに、炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射周期を長くしても上流側空燃比センサ２３により検出された空燃比ＡＦＲ１と下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２の基準空燃比ＡＦＲＢとの空燃比差ΔＡＦＲが許容値ＡＸより小さくなる。従って、本発明による実施例では、補正係数Ｋの値、即ち補正値を再学習すべきときには図３０Ｂに示されるように炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射間隔が一時的に長くされるか、或いは図３０Ａのｔ３で示されるように炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射作用が一時的に停止される。
図３１および図３２は運転制御Ｉの第二実施例を実行するためのルーチンを示している。なお、この第二実施例では、図２６Ｂを参照しつつ説明した第２の方法により空燃比差ΔＡＦＲが求められ、補正係数Ｋの値を再学習するときには第１のＮＯ_Ｘ浄化方法によるＮＯ_Ｘ浄化作用を一時的に停止するようにした場合が示されている。
図３１を参照すると、まず初めにステップ１００において図２０Ｂに示されるマップからベース空燃比の目標値、即ち目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが算出される。次いでステップ１０１では吸入空気量検出器８の出力信号から吸入空気量ＧＡが算出される。次いでステップ１０２ではこれら目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｂおよび吸入空気量ＧＡからベース空燃比を目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｂにするのに必要な燃料噴射弁３からの出力発生用燃料噴射量Ｑが算出される。次いでステップ１０３ではこの燃料噴射量Ｑから燃料噴射時間ＱＴが算出される。
次いでステップ１０４では上流側空燃比センサ２３の出力に基づいて、機関から排出された排気ガスの実際の空燃比ＡＦＲ１が検出される。次いでステップ１０５では実際の空燃比ＡＦＲ１が目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｂに小さな一定値βを加算した値よりも大きいか否かが判別される。ＡＦＲ１＞（Ａ／Ｆ）ｂ＋βのときにはステップ１０６に進んで燃料噴射時間ＱＴに対する補正係数Ｇに一定値ΔＧが加算される。次いでステップ１０６に進んで燃料噴射時間ＱＴに補正係数Ｇを乗算した値（Ｇ・ＱＴ）が最終的な燃料噴射時間ＱＴＯとされる。
一方、ステップ１０５においてＡＦＲ１＞（Ａ／Ｆ）ｂ＋βではないと判断されたときにはステップ１０７に進んで機関から排出された排気ガスの実際の空燃比ＡＦＲ１が目標ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｂから一定値βを減算した値よりも小さいか否かが判別される。ＡＦＲ１＜（Ａ／Ｆ）ｂ−βのときにはステップ１０８に進んで補正係数Ｇから一定値ΔＧが減算され、ステップ１０９に進む。次いでステップ１１０では燃料噴射時間ＱＴＯに従って燃料噴射弁３から燃料を噴射する燃料噴射処理が行われる。
このようにこの実施例ではＡＦＲ１＞（Ａ／Ｆ）ｂ＋βのときには燃料噴射時間が増大され、ＡＦＲ１（Ａ／Ｆ）ｂ−βのときには燃料噴射時間が減少せしめられるので機関から排出された排気ガスの実際の空燃比、即ち実際のベース空燃比ＡＦＲ１が目標ベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂに一致せしめられることになる。
次いでステップ１１１では図２１Ｂに示されるマップから最適な炭化水素噴射周期△Ｔが算出される。次いでステップ１１２では図２１Ｃに示されるマップから最適な炭化水素噴射時間ＷＴが算出される。次いでステップ１１３ではフィードバック制御禁止フラグがセットされているか否かが判別される。このフィードバック制御禁止フラグは、上流側空燃比センサ２３により検出された空燃比ＡＦＲ１と下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２の基準空燃比ＡＦＲＢとの空燃比差ΔＡＦＲが許容値ＡＸよりも小さいときにはリセットされている。
フィードバック制御禁止フラグがリセットされているとき、即ち空燃比差ΔＡＦＲが許容値ＡＸよりも小さいときにはステップ１１４に進んで図２３に示されるマップから目標ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｔが算出される。次いでステップ１１５では下流側空燃比センサ２４の出力から実際のリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが検出される。
次いでステップ１１６では実際のリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが目標ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｔに小さな一定値αを加算した値よりも大きいか否かが判別される。（Ａ／Ｆ）ｐ＞（Ａ／Ｆ）ｔ＋αのときにはステップ１１７に進んで炭化水素噴射時間ＷＴに対する補正係数Ｋに一定値ΔＫが加算される。次いでステップ１２０に進んで炭化水素噴射時間ＷＴに補正係数Ｋを乗算した値（Ｋ・ＷＴ）が最終的な炭化水素噴射時間ＷＴＯとされる。
一方、ステップ１１６において（Ａ／Ｆ）ｐ＞（Ａ／Ｆ）ｔ＋αではないと判断されたときにはステップ１１８に進んで実際のリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが目標ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｔから一定値αを減算した値よりも小さいか否かが判別される。（Ａ／Ｆ）ｐ＜（Ａ／Ｆ）ｔ−αのときにはステップ１１９に進んで補正係数Ｋから一定値ΔＫが減算され、ステップ１２０に進む。次いでステップ１２１では最終的な炭化水素噴射時間ＷＴＯに従って炭化水素供給弁１５から炭化水素を噴射する炭化水素噴射処理が行われる。
このように（Ａ／Ｆ）ｐ＞（Ａ／Ｆ）ｔ＋αのときには炭化水素噴射時間が増大され、（Ａ／Ｆ）ｐ＜（Ａ／Ｆ）ｔ−αのときには炭化水素噴射時間が減少せしめられるので実際のリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが目標ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｔに一致せしめられることになる。
一方、ステップ１１３においてフィードバック制御禁止フラグがセットされていると判断されたときには、ステップ１２０にジャンプし、最終的な炭化水素噴射時間ＷＴＯ（＝Ｋ・ＷＴ）が算出される。このときには下流側空燃比センサ２４の出力信号に基づく炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射量のフィードバック制御は禁止され、学習されている補正係数Ｋの値を用いて最終的な炭化水素噴射時間ＷＴＯが算出される。
図３３はフィードバック制御禁止フラグを制御するためのルーチンを示している。このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図３３を参照すると、まず初めにステップ１３０において炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射作用が行われてから時間ｆｔが経過したか否かが判別される。なお、この時間ｆｔは図２６Ｂに示す関係から求められる。炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射作用が行われてから時間ｆｔが経過していないときには処理サイクルを完了する。これに対し、炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射作用が行われてから時間ｆｔが経過したときにはステップ１３１に進んで上流側空燃比センサ２３により検出された空燃比ＡＦＲ１および下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２が読み込まれる。次いでステップ１３２では、上流側空燃比センサ２３により検出された空燃比ＡＦＲ１から下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２を減算することによって空燃比差ΔＡＦＲ（＝ＡＦＲ１−ＡＦＲ２）が算出される。なお、このとき下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２は基準空燃比ＡＦＲＢを表している。
次いでステップ１３３では、上流側空燃比センサ２３により検出された空燃比ＡＦＲ１と下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２の基準空燃比ＡＦＲＢとの空燃比差ΔＡＦＲが許容値ＡＸよりも小さいか否かが判別される。空燃比差ΔＡＦＲが許容値ＡＸよりも小さいときにはステップ１３４に進んでフィードバック制御禁止フラグがリセットされ、次いで処理サイクルを完了する。従ってこのときには、下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２に基づいて炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射量がフィードバック制御される。
これに対し、ステップ１３３においての空燃比差ΔＡＦＲが許容値ＡＸよりも大きいと判別されたステップ１３５に進んでフィードバック制御禁止フラグがセットされる。従ってこのときには、下流側空燃比センサ２４による炭化水素供給弁１５からの炭化水素噴射量のフィードバック制御が停止される。次いでステップ１３６に進んで補正係数Ｋの値を再学習すべき時期であるか否かが判別される。例えば、フィードバック制御が禁止されてから一定時間が経過しかつ補正係数Ｋの値を学習するのに適した運転状態のとき、或いはフィードバック制御が禁止されてから車両が一定走行距離以上走行しかつ補正係数Ｋの値を学習するのに適した運転状態のときに補正係数Ｋの値を再学習すべき時期であると判別される。
ステップ１３６において補正係数Ｋの値を再学習すべき時期ではないと判別されたときには処理サイクルを完了する。これに対し、ステップ１３６において補正係数Ｋの値を再学習すべき時期であると判別されたときにはステップ１３７に進み、図３０Ａおいてｔ３で示される期間、炭化水素供給弁１５からの炭化水素の供給が停止される。このように炭化水素供給弁１５からの炭化水素の供給が停止されると、上流側空燃比センサ２３により検出された空燃比ＡＦＲ１と下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比ＡＦＲ２の基準空燃比ＡＦＲＢとの空燃比差ΔＡＦＲは許容値ＡＸよりも小さくなり、フィードバック制御禁止フラグがリセットされる。その結果補正係数Ｋの値が再学習される。なお、補正係数Ｋの値を再学習すべきときには前述したように、図３０Ｂに示されるように炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射周期を一時的に長くすることもできる。
なお、別の実施例として排気浄化触媒１３上流の機関排気通路内に炭化水素を改質させるための酸化触媒を配置することもできる。

４…吸気マニホルド
５…排気マニホルド
７…排気ターボチャージャ
１２ａ，１２ｂ…排気管
１３…排気浄化触媒
１４…パティキュレートフィルタ
１５…炭化水素供給弁
２３ 上流側空燃比センサ
２４ 下流側空燃比センサ

Claims (12)

1. 炭化水素を供給するための炭化水素供給弁を機関排気通路内に配置し、炭化水素供給弁上流の機関排気通路内に排気ガスの空燃比を検出するための上流側空燃比センサを配置し、炭化水素供給弁下流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘと改質された炭化水素とを反応させるための排気浄化触媒を配置し、該排気浄化触媒下流の機関排気通路内に排気ガスの空燃比を検出するための下流側空燃比センサを配置し、該下流側空燃比センサが固体電解質と、固体電解質の両側面を夫々覆う電極と、一方の電極を覆う拡散抵抗層とを有すると共に排気ガスが該拡散抵抗層上に導かれる型式のセンサからなり、該排気浄化触媒の排気ガス流通表面上には貴金属触媒が担持されていると共に該貴金属触媒周りには塩基性の排気ガス流通表面部分が形成されており、該排気浄化触媒は、排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させると排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを還元する性質を有すると共に、該炭化水素濃度の振動周期を該予め定められた範囲よりも長くすると排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘの吸蔵量が増大する性質を有しており、炭化水素供給弁から炭化水素が供給されると下流側空燃比センサにより検出される空燃比は炭化水素供給弁から炭化水素が供給されていないときに検出される基準空燃比に対してリッチ側に変化し、炭化水素供給弁から供給されて排気浄化触媒をすり抜ける炭化水素の量を、上流側空燃比センサにより検出された空燃比と下流側空燃比センサにより検出された基準空燃比との空燃比差から検出するようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. 炭化水素供給弁から供給されて排気浄化触媒をすり抜ける炭化水素の量は上記空燃比差が大きくなるほど大きくなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 機関運転時には排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度が上記予め定められた範囲内の周期でもって振動するように炭化水素供給弁からの炭化水素の噴射周期が制御されると共に、排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度変化の振幅が上記予め定められた範囲内の振幅となるように炭化水素供給弁からの炭化水素の噴射量が制御され、上記空燃比差が予め定められた許容値よりも小さいときには、排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度変化の振幅が予め定められた範囲内の振幅となるように下流側空燃比センサの出力信号に基づいて炭化水素供給弁からの炭化水素の噴射量が制御され、該空燃比差が予め定められた許容値よりも大きいときには下流側空燃比センサの出力信号に基づく炭化水素供給弁からの炭化水素の噴射量の制御が禁止される請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 上記空燃比差が予め定められた許容値よりも小さいときには、炭化水素供給弁からの炭化水素の噴射量に対し、下流側空燃比センサにより検出されたリッチ側ピーク空燃比を予め記憶されている目標空燃比とするのに必要な補正値が学習されており、該空燃比差が予め定められた許容値よりも大きくなって下流側空燃比センサの出力信号に基づく炭化水素供給弁からの炭化水素の噴射量の制御が禁止されたときには、炭化水素供給弁からの炭化水素の噴射量が、学習されている補正値を用いて補正される請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 下流側空燃比センサの出力信号に基づく炭化水素供給弁からの炭化水素の噴射量の制御が禁止されているときに、上記補正値を再学習すべきであると判断されたときには、上記空燃比差が予め定められた許容値よりも小さくなるように炭化水素供給弁からの炭化水素の噴射作用を制御し、それによって上記補正値を再学習するようにした請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 上記補正値を再学習すべきときには炭化水素供給弁からの炭化水素の噴射間隔が一時的に長くされるか、或いは炭化水素供給弁からの炭化水素の噴射作用が一時的に停止される請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 機関から排出される排気ガスの空燃比が予め定められた空燃比となるように、該上流側空燃比センサの出力信号に基づいて機関燃焼室に供給される燃料の量が制御される請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 上記排気浄化触媒内において排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘと改質された炭化水素とが反応して窒素および炭化水素を含む還元性中間体が生成され、上記炭化水素の噴射周期は還元性中間体を生成し続けるのに必要な周期である請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 上記炭化水素の噴射周期が０．３秒から５秒の間である請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 炭化水素供給弁から供給されて排気浄化触媒をすり抜ける炭化水素の量が予め定められた限界値を超えたときには、排気浄化触媒が劣化したか、或いは炭化水素供給弁からの噴射量に異常があると判断される請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 上記貴金属触媒は白金Ｐｔと、ロジウムＲｈおよびパラジウムＰｄの少なくとも一方とにより構成される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 上記排気浄化触媒の排気ガス流通表面上にアルカリ金属又はアルカリ土類金属又は希土類又はＮＯ_Ｘに電子を供与しうる金属を含む塩基性層が形成されており、該塩基性層の表面が上記塩基性の排気ガス流通表面部分を形成している請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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