JP2004176684A

JP2004176684A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2004176684A
Application number: JP2002347256A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Miyashita; 茂樹宮下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-11-29
Also published as: JP3855920B2; EP1426572A2; US7000385B2; DE60308623D1; US20040103650A1; EP1426572B1; DE60308623T2; EP1426572A3

Abstract

【課題】ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量を正確に推定する。
【解決手段】機関１の排気通路５にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒２０を設けリーン空燃比排気中のＮＯ_Ｘを吸蔵させ、触媒２０のＮＯ_Ｘ吸蔵量が増大したときに機関１を短時間リッチ空燃比で運転し、触媒２０からＮＯ_Ｘを脱離させて還元浄化する。
機関の電子制御ユニット３０は、リーン空燃比運転時に所定の速度で増大し、リッチ空燃比運転時に所定の速度で減少するＮＯ_Ｘカウンタを用いて、触媒２０のＮＯ_Ｘ吸蔵量を推定する際に、触媒２０を少なくとも２つ以上の部分に分けて、各部分毎に独立したＮＯ_Ｘカウンタを使用する。触媒２０の各部分のＮＯ_Ｘ吸蔵脱離特性に合わせてそれぞれのＮＯ_Ｘカウンタの増減速度を設定することにより正確に触媒２０のＮＯ_Ｘ吸蔵量を推定することが可能となる。
【選択図】図１

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。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
また、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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
【特許文献１】
特開平７−１３９３４０号公報
【特許文献２】
特開平８−２６０９４８号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
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、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒と、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、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記推定手段は、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、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。
【００２０】
請求項２に記載の発明によれば、前記推定手段はＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の前記各部分の前記特定成分吸蔵量を吸蔵量カウンタを用いて表し、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比がリーンのときに流入する排気中の前記特定成分濃度に比例した速度で前記吸蔵量カウンタを増大させ、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に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前記吸蔵量カウンタを所定の速度で減少させることにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の前記各部分の前記特定成分吸蔵量を推定する、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。
【００２１】
すなわち、請求項２の発明では推定手段は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の各部分のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵量を吸蔵量カウンタを用いて推定する。このように、吸蔵量カウンタを触媒の各部分毎に持ち、その増大速度と減少速度とを各部分のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵、脱離特性に基づいて設定することによりＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵量の推定に誤差が生じることが防止される。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、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、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。
【００２３】
すなわち、請求項３の発明では推定手段は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵される全部のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘ量を所定の比率で各部分毎に分配することにより各部分に吸蔵されるＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの量を推定する。この分配比率は、例えば各部分のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵速度等のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵特性に応じて定めることができる。このため、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の各部分に吸蔵されるＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの量を正確に推定することが可能となり、ＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵量の推定に誤差が生じることが防止される。
【００２４】
請求項４に記載の発明によれば、前記推定手段は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の再生操作時には、前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒から脱離する前記特定成分量をＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の前記各部分毎に定めることにより、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、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。
【００２５】
すなわち、請求項４の発明では、再生操作時にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒から脱離して還元浄化されるＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの量をＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の各部分毎に定める。例えば、再生操作時には触媒上流側に較べて触媒下流側に吸蔵されたＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘは脱離しにくく脱離速度（脱離量）は小さくなる。本発明では、再生操作時にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒から脱離するＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの量を各部分毎の脱離速度等のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの脱離特性に応じて設定することができるため、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の各部分に吸蔵されたＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの量を正確に推定することが可能となり、ＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵量の推定に誤差が生じることが防止される。
【００２６】
請求項５に記載の発明によれば、前記推定手段は、前記所定の比率を前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の各部分に吸蔵されている前記特定成分量に応じて設定する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２７】
すなわち、請求項５の発明ではＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の各部分のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵に関する比率は、各部分に吸蔵されているＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの量に応じて設定される。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒はＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵量が増大するにつれてＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵能力が低下し、ＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵速度が低くなる。従って、各部分のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵量に応じた比率でＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒全体に吸蔵されるＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの量を分配することにより、各部分のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵量が正確に推定される。
【００２８】
請求項６に記載の発明によれば、前記推定手段は、前記所定の比率を前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の劣化の程度に応じて設定する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２９】
すなわち、請求項５の発明ではＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の各部分のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵に関する比率は、触媒の劣化の程度に応じて設定される。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が劣化するとＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵能力が低下し、ＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵速度が低くなる。また、触媒の熱劣化や硫黄被毒による劣化は、例えば触媒の上流側部分やコート層上層側で生じやすくなる。このため、例えばこれらの部分のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵に関する比率を劣化が進むにつれて小さく設定するようにすることにより、各部分のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵量が正確に推定される。
【００３０】
請求項７に記載の発明によれば、前記推定手段は、前記所定の比率を前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度に応じて設定する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００３１】
すなわち、請求項７の発明では、ＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵に関する各部分の比率は触媒温度に応じて設定される。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵能力は温度により変化する。また、触媒温度は触媒の各部分により異なり、例えばＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の上流側部分では下流側部分より温度が高くなる。このため、例えばこれらの部分のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵に関する比率を触媒温度が高くなるにつれて大きくすることにより、触媒各部分のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵量を正確に推定することが可能となる。
【００３２】
請求項８に記載の発明によれば、前記推定手段は、前記所定の比率を前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気の流量に応じて設定する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００３３】
すなわち、請求項８の発明ではＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵に関する各部分の比率は排気流量に応じて設定される。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵能力は排気流量（空間速度）に応じて変化し、その変化特性は触媒の各部分毎に異なる。このため、排気流量に応じてＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵に関する各部分の比率を設定することにより、各部分のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵量を正確に推定することが可能となる。
【００３４】
請求項９に記載の発明によれば、前記推定手段は、前記所定の比率を前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気中の前記特定成分濃度に応じて設定する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００３５】
すなわち、請求項９の発明ではＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵に関する各部分の比率は排気中のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの濃度に応じて設定される。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵速度はそれぞれ排気中のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの濃度に応じて変化する。また、排気中のＮＯ_Ｘ濃度やＳＯ_Ｘ濃度は触媒内で一様ではなく、触媒の上流側から下流側に向けて濃度が低下する。従って、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気中のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの濃度に応じてＮＯ_Ｘ吸蔵に関する比率を設定することにより、各部分のＮＯ_Ｘの吸蔵量を正確に推定することが可能となる。
【００３６】
請求項１０に記載の発明によれば、前記推定手段は、前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒下流側に配置した、排気酸素濃度を検出するＯ_２センサを備え、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の再生操作時に前記各部分毎から脱離される前記特定成分量を前記Ｏ_２センサ出力に基づいて設定する、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。
【００３７】
すなわち、請求項１０の発明では再生操作時にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒出口排気の酸素濃度に応じて各部分の脱離ＮＯ_Ｘ量または脱離ＳＯ_Ｘ量を設定する。後述するように、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の再生操作時には、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比がリッチ空燃比であっても、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒から吸蔵ＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘが脱離している間はＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒出口排気の空燃比は理論空燃比に維持され、吸蔵ＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの脱離が完了すると触媒出口排気の空燃比がリッチ空燃比に変化する。しかし、実際にはこの状態でＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの脱離が完了しているのはＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵、脱離速度が大きい部分（例えば触媒上流側部分）のみであり、ＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵、脱離速度が小さい部分（例えば触媒下流側部分）では吸蔵されたＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘはほとんど脱離していない。
従って、ＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵、脱離速度の小さい部分では再生操作時に触媒出口排気の空燃比が理論空燃比からリッチ空燃比になったときに吸蔵ＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの脱離が始まると考えて良い。このため、再生操作時に触媒出口排気空燃比を監視し、例えばこの空燃比がリッチ空燃比に変化した後リッチ空燃比が継続する時間に応じてＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの脱離速度が小さい部分のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵量を低下させるようにすることにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒各部分のＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵量を正確に推定することが可能となる。
【００３８】
請求項１１に記載の発明によれば、前記再生手段は、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合計値に基づいて前記再生操作を実行する、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。
【００３９】
すなわち、請求項１１の発明では、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の各部分毎に推定したＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵量の合計に基づいて再生操作を実行する。例えば、この合計値が所定値に到達したときに再生操作を実行するようにすることにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵能力を有効に活用し、効率的なＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの吸蔵と還元浄化とを行うことが可能となる。
【００４０】
請求項１２に記載の発明によれば、前記再生手段は更に、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、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に理論空燃比に維持する時間を定める、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。
【００４１】
すなわち、請求項１２の発明では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。
【００４２】
請求項１３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１２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００４３】
すなわち、請求項１３の発明では請求項１２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。
【００４４】
【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。
【００４５】
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。
【００４６】
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Ｏ_２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。
【００４７】
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、ＮＯ_２）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、ＣＯ_２等により還元浄化するものである。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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ＣＯ_２、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ＣＯ_２、還元成分であるＣＯ等と反応し、Ｎ_２に還元浄化される。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
（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。
【００７６】
（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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
（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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
（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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
（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。
【００８８】
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。
【００８９】
（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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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Ｏ_２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Ｎ_２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Ｏ_２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、Ｏ_２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。
【０１０４】
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Ｏ_２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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
このため、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒２０下流側のＯ_２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、Ｏ_２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。
【０１０７】
このため、本実施形態では、リッチスパイク操作時にＯ_２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、Ｏ_２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、Ｏ_２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。
【０１０８】
また、例えば運転上の要求などでＯ_２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、Ｏ_２センサ３５出力がリーンからリッチ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Ｏ_２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。
【０１０９】
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Ｏ_２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。
【０１１０】
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Ｏ_２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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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Ｏ_２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。
【０１１３】
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Ｏ_２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Ｏ_２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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
【発明の効果】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】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。
【図３】分配係数の設定方法の一例を説明する図である。
【図４】分配係数の設定方法の別の例を説明する図である。
【図５】分配係数の設定方法の別の例を説明する図である。
【図６】分配係数の設定方法の別の例を説明する図である。
【図７】分配係数の設定方法の別の例を説明する図である。
【図８】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…Ｏ_２センサ

Claims

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、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記推定手段は、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、内燃機関の排気浄化装置。
前記推定手段はＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の前記各部分の前記特定成分吸蔵量を吸蔵量カウンタを用いて表し、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比がリーンのときに流入する排気中の前記特定成分濃度に比例した速度で前記吸蔵量カウンタを増大させ、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に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前記吸蔵量カウンタを所定の速度で減少させることにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の前記各部分の前記特定成分吸蔵量を推定する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記推定手段は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の再生操作時には、前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒から脱離する前記特定成分量をＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の前記各部分毎に定めることにより、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、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記推定手段は、前記所定の比率を前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の各部分に吸蔵されている前記特定成分量に応じて設定する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記推定手段は、前記所定の比率を前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の劣化の程度に応じて設定する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記推定手段は、前記所定の比率を前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度に応じて設定する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記推定手段は、前記所定の比率を前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気の流量に応じて設定する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記推定手段は、前記所定の比率を前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気中の前記特定成分濃度に応じて設定する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記推定手段は、前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒下流側に配置した、排気酸素濃度を検出するＯ_２センサを備え、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の再生操作時に前記各部分毎から脱離される前記特定成分量を前記Ｏ_２センサ出力に基づいて設定する、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記再生手段は、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合計値に基づいて前記再生操作を実行する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記再生手段は更に、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、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に理論空燃比に維持する時間を定める、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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１２に記載の内燃機関の排気浄化装置。