JP2006322397A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生を適切に行う。
【解決手段】 機関１の排気通路２にＮＯ_X吸蔵還元触媒７を配置し、排気中のＮＯ_Xの吸蔵と還元浄化とを行う。ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側の排気通路にＨ₂センサ３３を配置し、排気中の水素成分濃度を検出する。ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_X量が所定量まで増大すると、機関の電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０は機関をリッチ空燃比で運転し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒にリッチ空燃比排気を供給する再生操作を実行してＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化する。再生操作実行時、ＥＣＵ３０はＨ₂センサ３３で排気中に水素成分が検出されたときに再生操作を終了する。これにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作終了タイミングを正確に判定することが可能となる。
【選択図】 図１

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のときに排気中のＮＯ_X成分を吸蔵し、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になったときに、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吸蔵還元触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置が知られている。（なお、本明細書で使用する「吸蔵」なる語は、吸着と吸収との両方の概念を含むものとする。）

ＮＯ_X吸蔵還元触媒は、空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_X成分を硝酸イオンの形でＢａＯ等の吸蔵材中に吸蔵する。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_X量が増大すると吸蔵材がＮＯ_Xで飽和してしまいそれ以上排気中のＮＯ_Xを吸蔵できなくなる。

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吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_Xが増大する毎に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に短時間リッチ空燃比の排気を供給するリッチスパイク操作を行うことにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化するようにしている（特許文献１参照）。

すなわち、排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になると排気中のＣＯ等の還元成分やＨＣ成分量が急激に増大する。リッチ空燃比雰囲気下でＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵材から脱離するＮＯ_XはこれらのＣＯ、ＨＣ等と反応してＮ₂に還元され、これにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_X量が低下し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒がリーン空燃比下において再度ＮＯ_Xを吸蔵できるようになる。

上記のように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵したＮＯ_Xの還元浄化（以下、「ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生」という）のためのリッチスパイク操作は、機関のリッチ空燃比運転、或いは排気中への燃料や還元剤の添加を伴うため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作が完了したにもかかわらず再生操作を継続すると機関の燃料消費量の増大や還元剤の排出によるエミッションの悪化を生じる問題がある。

このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生が完了したこと（吸蔵したＮＯ_Xの全量が還元浄化されたこと）を判断し、再生が完了すると同時に再生操作を終了する必要がある。
例えば特許文献２では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の下流側排気通路に排気空燃比がリッチかリーンかに応じて出力が変化するＯ₂センサを配置し、リッチスパイク操作時のＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生完了を判断している。

前述のように、リッチスパイク操作時にＮＯ_X吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気が流入すると、排気中のＨＣ、ＣＯ等の成分がＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_Xを還元するために消費される（すなわち、ＨＣ、ＣＯ等がＮＯ_X中の酸素により酸化される）。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒上でＮＯ_Xの還元が行われている間は、リッチ空燃比の排気がＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入してもＮＯ_X吸蔵還元触媒から放出された酸素によりＨＣ、ＣＯ等が酸化されるので、ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側の排気空燃比は理論空燃比に維持されるようになる。そして、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生が完了し、還元されるべきＮＯ_Xがなくなると排気中のＨＣ、ＣＯ等の成分はＮＯ_X吸蔵還元触媒上で酸化されなくなるため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側の排気空燃比は上流側と同じリッチ空燃比になる。

すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の下流側の排気空燃比は、リッチスパイク操作が開始されても直ちにはリッチ空燃比にはならず理論空燃比近傍に維持され、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_Xの全量が還元されたとき（すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生が完了したとき）に初めてリッチ空燃比に変化する。

特許文献２の装置では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側の排気通路に配置したＯ₂センサ出力を監視し、リッチスパイク操作時にＯ₂センサ出力がリッチ空燃比に変化したことを検出することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生完了を判断している。

ところで、水素はＣＯ等と比較しても高い還元能力を有する。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯ_Xの還元浄化時にＮＯ_X吸蔵還元触媒に適量の水素を供給すると、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_Xの還元速度が増大し、短時間で効率的にＮＯ_Xの還元浄化を行うことができることが知られている。

水素は、空燃比がリッチ空燃比のときに機関の燃焼により発生することが知られている。また、通常の機関のリッチ空燃比運転で発生する水素に加えて、別の手段を用いて排気ガスに水素を添加する方法も知られている。

例えば、特許文献３では水素成分の強力な還元剤としての能力を利用して、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力を判定する方法を開示している。

水素は還元剤としての能力が高いため、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ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入した排気中の水素成分はＮＯ_Xと反応して消費され、ＮＯ_X吸蔵還元触媒内のＮＯ_Xの全量が還元されるまでＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側には流出しない。

このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に水素を含んだリッチ空燃比の排気を供給した場合に、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、リッチスパイク操作開始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量に対応しており、この時間が長いほどＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_X量が多いと判断することができる。

特許文献３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差に基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_X量の低下の有無（すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化の有無）を判定している。

また、特許文献４ではリッチまたは理論空燃比運転時に三元触媒で発生する水素により三元触媒下流側の酸素センサの出力に誤差が生じ、酸素センサ出力に基づく空燃比制御に悪影響を及ぼすことを防止するために、三元触媒下流側に水素センサを設け、計測した排気中の水素成分濃度に基づいて空燃比制御を補正する制御方法を開示している。

特許第２６００４９２号 特許第２６９２３８０号 特開２００２−４７９１９号公報 特開２００３−１２０３８３号公報

前述したように、リッチスパイク操作によりＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生を行う場合には、機関の燃料消費量の増大を防止するためにＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生が完了したことを正確に判断する必要がある。

ところが、前述の特許文献２のように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側に配置した酸素センサ出力に基づいてリッチスパイク操作時のＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生完了時期を判断していると、再生完了時期を正確に判断できない場合が生じる問題がある。

後述するように、リッチスパイク操作時に排気中のＨＣ、ＣＯ等でＮＯ_Xを還元するためには、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に含まれる白金（Ｐｔ）等の触媒成分が還元触媒として機能する必要がある。ところが、排気中にＨＣ成分が多量に含まれていると、ＨＣ成分が触媒成分の表面に吸着され、表面を覆ってしまうため触媒成分が還元触媒として機能することができなくなる、いわゆるカバリングが発生する問題が生じることが判明している。

このため、リッチスパイク操作時にＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給するリッチ空燃比排気中に多量のＨＣ成分が含まれている場合には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_Xと排気中のＨＣ成分とのそれぞれ一部が、互いに反応しないままＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側に流出してしまう現象が生じる。

このように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入したリッチ空燃比排気中のＨＣ成分がＮＯ_Xにより酸化されないまま触媒下流側に流出すると、触媒下流側の酸素センサでは排気空燃比をリッチと判定してしまう。このため、特許文献２のようにＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側に配置した酸素センサ出力に基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生完了を判定していると、実際には再生が完了していないにもかかわらず酸素センサで検出した排気空燃比がリッチ空燃比になってしまい、再生が完了したと判定されリッチスパイク操作が終了してしまう場合が生じる。このように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生が不十分なうちに再生操作が終了してしまうと、ＮＯ_X吸蔵還元触媒はＮＯ_X吸蔵能力が十分に回復しないままでＮＯ_Xの吸蔵を再開することになり、十分な排気浄化ができなくなる問題が生じる。

また、前述したようにＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生には水素成分を供給することが有効であるが、水素成分をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給して再生を行う場合にも、供給する水素成分量を適切な量に設定しないと十分な再生を行うことが出来ず、排気浄化が不十分になる問題がある。

特許文献３と特許文献４では、Ｈ₂センサを用いて排気中の水素成分を検出してはいるが、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生時に触媒に供給する排気中のＨ₂成分量を制御することについては全く考慮していない。

本発明は上記問題に鑑み、排気中に比較的多量のＨＣが含まれている場合にもＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生を適切に行い、排気浄化が不十分になることを防止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、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒の、入口側と出口側との少なくとも一方の排気通路に配置され、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吸蔵還元触媒が機関のリーン空燃比運転中に吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化すべきときに、所定時間リッチ空燃比または理論空燃比の排気をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給する再生操作を実行する際に、前記Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて再生操作時に前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を制御する、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吸蔵還元触媒の上流側または下流側の少なくとも一方に配置されたＨ₂センサにより検出された水素成分濃度に基づいて排気の空燃比が制御される。

例えば、後述するように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の下流側に配置したＨ₂センサにより検出した水素成分濃度を用いれば、再生操作時にＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生完了時期を判断することができるため、正確にＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生完了に合わせて再生操作を終了して排気空燃比をリーン空燃比に戻すことができるため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生を適切に行うことができる。

また、排気中の水素成分濃度は排気空燃比に応じて変化する。従って、ＮＯ_X吸蔵還元触媒上流側に配置したＨ₂センサにより検出した排気中の水素成分濃度に基づいて、排気空燃比を制御することにより、例えばＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中の水素成分濃度を適切な値に制御し、適量の水素成分をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給することができるためＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生を適切に行うことができる。

請求項２に記載の発明によれば、少なくとも前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒出口側の排気通路に前記Ｈ₂センサを備え、前記再生操作実行時に、前記出口側Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて再生操作を終了すべき時期を判断する、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。

すなわち、請求項２の発明では少なくともＮＯ_X吸蔵還元触媒出口側（下流側）の排気通路にＨ₂センサが配置される。ＮＯ_X吸蔵還元触媒再生のためのリッチスパイク操作が開始されるとＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比にされるため、排気中の水素成分濃度が増大する。
水素は還元力が極めて大きいため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入すると還元触媒を介さず直接ＮＯ_Xを還元することができる。このため、排気中に比較的多量のＨＣ成分が含まれており、触媒表面がＨＣで覆われるカバリングが生じ、還元触媒としての機能が低下した場合でも排気中の水素はＮＯ_Xと反応して消費される。

従って、排気中のＨＣ成分により触媒のカバリングが生じた場合でも、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生が完了しない限り触媒下流側のＨ₂センサでは水素は検出されない。
本発明では、リッチスパイク操作中にＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側に配置したＨ₂センサで水素成分が検出された場合には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生が完了したと判断し、再生操作を終了する。

これにより、本発明では、排気中に比較的多量のＨＣ成分が含まれている場合にもＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生が完了したことを正確に判断し、再生操作を終了することができ、再生が不十分なまま再生操作を終了することによる排気浄化能力の低下や、再生が完了した後まで再生操作を継続することによる燃料消費量の悪化などの問題を防止し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生を適切に行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、少なくとも前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒出口側の排気通路に前記Ｈ₂センサを備え、前記再生操作は、まずリッチ空燃比の排気をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給し、その後理論空燃比の排気をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給する操作を含み、前記出口側Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて前記再生操作中のリッチ空燃比から理論空燃比への排気空燃比切換時期を判断する、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。

すなわち、請求項３の発明では、再生操作は空燃比をリッチ空燃比と理論空燃比との２段階に切り換えることにより行われる。例えば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒として、ＮＯ_X吸蔵能力を増大させた高吸蔵タイプのＮＯ_X吸蔵還元触媒が使用される場合がある。高吸蔵タイプのＮＯ_X吸蔵還元触媒は、ＮＯ_Xと親和力の高い吸蔵材を使用することにより、単位体積あたりに吸蔵可能なＮＯ_X量を従来に較べて大幅に増大したＮＯ_X吸蔵還元触媒である。このような、高吸蔵タイプのＮＯ_X吸蔵還元触媒では、吸蔵材のＮＯ_Xとの親和力が高いため、再生操作初期に比較的多量のＮＯ_Xが脱離した後は、ＮＯ_Xの脱離速度が低くなり、完全にＮＯ_X吸蔵還元触媒を再生するためには長時間再生操作を行う必要がある。

そこで、高吸蔵タイプのＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作では、燃料消費量の増大等を抑制するために、再生操作初期にリッチ空燃比の排気をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給して、比較的多量のＮＯ_Xを脱離させ、還元浄化した後は排気の空燃比を理論空燃比に切り換えて比較的長時間をかけてＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生を完全に行うようにしている。

このような場合、リッチスパイク初期の、比較的多量のＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵還元触媒から脱離する間は、リッチ空燃比排気中の水素成分はその全量がＮＯ_Xにより消費されるものの、初期の脱離が終わりＮＯ_Xの脱離速度が低下すると排気中の水素成分の一部は消費されずにＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側に流出するようになる。

本発明では、下流側Ｈ₂センサで水素成分が検出されたときに排気空燃比をリッチ空燃比から理論空燃比に切り換えることにより、高吸蔵タイプのＮＯ_X吸蔵還元触媒を使用した場合にも、再生操作時に必要以上にリッチ空燃比運転を続けることなく適切にＮＯ_X吸蔵還元触媒を再生することが可能となっている。
なお、排気空燃比が理論空燃比になると水素はほとんど生成されないため、下流側のＨ₂センサでは水素が検出されなくなる。

請求項４に記載の発明によれば、少なくとも前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒入口側の排気通路に前記Ｈ₂センサを備え、前記再生操作時に前記入口側Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度が予め定めた目標値になるようにＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を制御する、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。

すなわち、請求項４の発明ではＮＯ_X吸蔵還元触媒の入口側（上流側）に配置したＨ₂センサで、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、この水素成分濃度が目標値になるように排気空燃比がフィードバック制御される。
このため、再生操作時には常に適切な量の水素がＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給されるようになり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生が適切に行われる。

請求項５に記載の発明によれば、前記水素成分濃度の目標値が、再生操作開始時に高く、その後時間とともに次第に低下するように設定される、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。

すなわち、請求項５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が再生操作時のＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＮＯ_X脱離速度に応じて設定される。

再生操作時にＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比がリーンからリッチになると、ＮＯ_X吸蔵還元触媒から脱離するＮＯ_Xの量はリッチ空燃比に切り替わった直後は大きく、その後時間とともに低下する。

従って、再生操作中にＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中の水素成分濃度を再生操作開始時に高く設定し、その後次第に低下させることによりＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＮＯ_Xの脱離量に応じて水素成分を供給し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生を適切に行うことが可能となる。

請求項６に記載の発明によれば、再生操作開始から、前記下流側Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて判断された再生操作を終了すべき時までの経過時間に基づいて前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化の程度を判定する、請求項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６の発明では、下流側Ｈ₂センサで検出した水素成分濃度に基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生完了を判定するとともに、再生操作開始からＮＯ_X吸蔵還元触媒再生完了までの経過時間に基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化程度を判定する。

前述したように、再生操作開始から再生完了までの所要時間はＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量に対応しており、ＮＯ_X吸蔵還元触媒が劣化して吸蔵可能なＮＯ_X量が低下すると、それに応じて再生完了までの所要時間も短くなる。
このため、この所要時間がある判定値以下になったような場合にはＮＯ_X吸蔵還元触媒が劣化していると判定することができる。
これにより、本発明では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生を適切に行いながら同時にＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化程度を正確に判定することが可能となる。

請求項７に記載の発明によれば、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吸蔵還元触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、内燃機関の排気通路上流側と下流側とに直列に配置されたＮＯ_X吸蔵還元触媒と、前記上流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒と下流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒との間の排気通路に配置された、排気中の水素成分濃度を検出するＨ₂センサと、を備え、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒に機関のリーン空燃比運転中に吸蔵されたＮＯ_Xを還元浄化すべきときに所定時間リッチ空燃比または理論空燃比の排気をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給する再生操作を実行する際に、前記Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて前記上流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を制御する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項７の発明では２つのＮＯ_X吸蔵還元触媒が排気通路に直列に配置されており、Ｈ₂センサは上流側のＮＯ_X吸蔵還元触媒と下流側のＮＯ_X吸蔵還元触媒との間の位置に配置されている。
このように、２つのＮＯ_X吸蔵還元触媒を直列に配置した、いわゆるタンデム型触媒では、上流側（前段）のＮＯ_X吸蔵還元触媒と下流側（後段）のＮＯ_X吸蔵還元触媒とはリーン空燃比運転中のＮＯ_Xの吸蔵量や再生操作時の再生進行状態などが異なっている。このため、後述するように、後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒の下流側にＨ₂センサを配置して検出した水素成分濃度に基づいて再生操作の制御を行おうとすると問題が生じる場合がある。

本発明では、前段と後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒の間にＨ₂センサを配置することにより、Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて再生操作の制御を行うことにより、適切なＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生を行うことを可能としている。

請求項８に記載の発明によれば、前記上流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒は、下流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒よりもＮＯ_X吸蔵能力が大きく、Ｏ₂ストレージ能力が小さく、かつ白金成分の担持量が大きい、請求項７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８の発明では、請求項７の発明において上流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒は下流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒よりもＮＯ_X吸蔵能力が大きく、Ｏ₂ストレージ能力が小さく、白金成分の担持量が大きく設定されている。
直列にＮＯ_X吸蔵還元触媒を２つ配置した場合には、ＮＯ_Xの吸蔵と還元浄化はほとんど上流側のＮＯ_X吸蔵還元触媒で行われる。このため、上流側の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）を大きく設定することにより、上流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒で処理可能なＮＯ_X量が増大する。また、上流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＯ₂ストレージ能力を小さくしたことにより再生操作実行時にも上流側のＮＯ_X吸蔵還元触媒では、排気中の水素成分やＨＣ、ＣＯ成分は触媒が吸蔵した酸素と反応することなく、その大部分がＮＯ_Xの還元に使用されるようになる。
さらに、上流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒でＰｔの担持量を大きくしたことにより、排気中のＮＯの殆どは上流側の触媒上で酸化されてＮＯ₂になるため、より上流側での単位体積当たりのＮＯ_Xの吸蔵量が増大するようになり、上流側のＮＯ_X吸蔵能力を大きく設定したこととあいまって、上流側のＮＯ_X吸蔵還元触媒では効率的にＮＯ_Xの吸蔵と還元浄化とが可能となる。

請求項９に記載の発明によれば、前記再生操作実行時に、前記Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて再生操作を終了すべき時期を判断する請求項７または請求項８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９の発明では前段と後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒の中間に配置したＨ₂センサで検出した水素成分濃度に基づいて再生操作を終了すべき時期を判断している。
タンデム型のＮＯ_X吸蔵還元触媒の場合には、リーン空燃比運転時には排気中のＮＯ_Xの大部分は前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されるため、前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量が後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量に較べて格段に大きくなる。このため、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒では、前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒を十分に再生することが重要となる。

また、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒では通常、後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒には比較的大きなＯ₂ストレージ能力を付与することにより、後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒に三元触媒としての機能を持たせる場合が多い。Ｏ₂ストレージ能力は、リーン空燃比下で排気中の酸素を吸蔵し、リッチ空燃比下で吸蔵した酸素を放出する能力であるため、前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生が完了して、後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中のＨ₂成分が増大した場合でも、後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒から放出された酸素により水素成分が酸化されるため後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒出口の排気には水素成分が検出されなくなる。

このため、後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒の出口に水素センサを配置したのでは再生操作時に、実際には前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生は完了しており、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒としてのＮＯ_X吸蔵能力は回復しているにもかかわらず、後段下流側では排気中に水素成分が検出されないため、再生操作を終了すべきタイミングを正確に判定できない問題が生じるのである。

本発明では、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒の前段触媒と後段触媒との間にＨ₂センサを配置して再生操作を終了すべきタイミングを判断することにより、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒の適切な再生を行うことを可能としている。

請求項１０に記載の発明によれば、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被毒回復処理を実行する際に、前記Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて被毒回復処理実行中に前記上流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を制御する、請求項７または請求項８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１０の発明では前段と後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒の間に配置したＨ₂センサ出力に基づいて被毒回復処理の制御が行われる。
ＮＯ_X吸蔵還元触媒は、リーン空燃比下でＮＯ_Xと同様に排気中のＳＯ_Xを吸蔵するが、ＳＯ_Xは吸蔵材との親和力が強いため、一旦吸蔵されるとＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生のためのリッチスパイク操作ではＮＯ_X吸蔵還元触媒から脱離せず、次第に触媒内に蓄積される。

このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X吸蔵量が増大すると、それに応じてＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵可能なＮＯ_X量（ＮＯ_X吸蔵能力）が低下してしまう、いわゆるＳＯ_X被毒が生じる。
ＳＯ_X被毒を解消するためには、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリッチにしながらＮＯ_X吸蔵還元触媒の温度を上昇させる被毒回復処理を行う必要がある。被毒回復処理においても、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に水素成分を供給するとＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＳＯ_X脱離速度が増大し、短時間で被毒回復処理を完了することができる。

この場合にも、被毒回復処理を適切に行うためには、例えば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作時と同様に被毒回復処理の終了時期を適切に判断する等の操作が必要となるが、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒では前段と後段とのＳＯ_X吸蔵量が異なる等の特有の事情があるため、後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒の下流側に配置したＨ₂センサの出力に基づいて被毒回復処理を行ったのでは、適切な被毒回復処理を行うことができない。

本発明では、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒の前段と後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒の間に配置したＨ₂センサ出力に基づいて被毒回復処理を行うことにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生に加えて被毒回復処理をも適切に行うことが可能となっている。

請求項１１に記載の発明によれば、前記被毒回復処理実行時に、前記Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて被毒回復処理を終了すべき時期を判断する請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

水素は還元力が極めて強いため、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成分が含まれると、水素成分はＮＯ_X吸蔵還元触媒から脱離したＳＯ_Xと直ちに反応する。このため、リッチスパイク操作時と同様に被毒回復処理時にもＳＯ_Xの脱離が続いている間は排気中の水素成分はＳＯ_Xの還元に消費され、ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側の排気中には水素が流出しない。

従って、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生完了の判定と同様に被毒回復処理時にも、ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側に配置したＨ₂センサ出力に基づいてＳＯ_X脱離の完了を判定することができる。
ところが、この場合もタンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒では排気中のＳＯ_Xは大部分が前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されるため、前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒を十分にＳＯ_X被毒から回復させることが重要になる。

又、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒では後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒のＯ₂ストレージ能力を高めるために後段にはセリア（Ｃｅ）を比較的多量に担持させているため、後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒では排気中のＳＯ_Xはセリアと結合して硫酸塩を形成している。この場合、セリアとＳＯ_Xとの結合力は弱いため、後段ＮＯ_X吸蔵還元触媒からは比較的ＳＯ_Xが脱離しやすい。

従って、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒の被毒回復処理においては、前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒の被毒回復処理が終了した時点では後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒からは既にＳＯ_Xの全量が脱離しており、被毒回復処理の終了タイミングは前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＳＯ_Xの脱離状態に応じて判定する方が効率的な被毒回復処理を行うことができる。

本発明では、被毒回復処理時に、前段と後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒の間の位置に配置したＨ₂センサで排気中に水素が検出されたときに被毒回復処理を終了するようにしたことにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生のみならずＳＯ_X被毒からの回復をも適切に行うことが可能となっている。

請求項１２に記載の発明によれば、前記再生操作開始から、前記Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて判断された再生操作を終了すべき時までの時間に基づいて前記上流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化の程度を判定する、請求項７または請求項８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１２の発明では、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒の前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化程度を、前段と後段との間に配置したＨ₂センサ出力に基づいて判定する。
タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒では、前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵還能力が後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力より重要となる。一方、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化は前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒から進行するので、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化程度を正確に判定するためには、水素センサは後段下流側ではなく、前段と後段との間に配置する必要がある。本発明では、上記のようにＨ₂センサを前段と後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒の間の位置に配置したことにより、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生を適切に行うと同時に、前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化を正確に判定することを可能としている。

各請求項に記載の発明によれば、排気中の水素成分濃度を検出するＨ₂センサを用いてＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作を制御することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生を適切に行う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、３３で示すのは、排気通路２のコンバータ７０入口側と出口側に配置され、それぞれ排気中の水素（Ｈ₂）成分の濃度を検出する上流側Ｈ₂センサと下流側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または理論空燃比で運転する再生操作を行い、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、本実施形態では後述するように、ＥＣＵ３０は上記再生操作時に上記Ｈ₂センサ３１、３３で検出したＮＯ_X吸蔵還元触媒７入口または出口の排気中の水素成分濃度に基づいて、再生操作時の排気空燃比を制御する。

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４１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４３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４５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、３３からＮＯ_X吸蔵還元触媒７入口と出口での排気中の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、例えば吸蔵材としてＢａＯが使用されている場合には吸蔵材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 ^-の形で吸蔵材内に拡散する。このため、リーン雰囲気下では排気中のＮＯ_XがＮＯＸ吸蔵還元触媒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、吸蔵材内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-はＮＯ₂の形で吸蔵材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を吸蔵材（例えばＢａＯ）中に硝酸イオンの形で吸蔵する。このため、吸蔵材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蔵材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（吸蔵材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の再生を行う。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。

（１）第１の実施形態
以下、図２、図３を用いて本発明の第１の実施形態について説明する。
上記のように、本実施形態ではＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵量が所定量に到達する毎にリッチスパイク操作を行いＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生を行う。

このＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生を適切に行うためには、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生が完了するまでリッチスパイク操作を実行し、再生が完了してから機関運転空燃比をリーン空燃比に復帰させる必要がある。
従来、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生完了を判断するためには、前述の特許文献２のようにＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側にＯ₂センサを配置し、リッチスパイク操作中に触媒下流側の空燃比が理論空燃比近傍からリーン空燃比に変化した時点をＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生が完了した時点と判断して空燃比をリーン空燃比に復帰させていた。

ところが、前述したように排気中のＨＣ成分の量が多いとＮＯ_X吸蔵還元触媒の触媒成分表面にＨＣが付着して、触媒機能が低下するカバリングが生じる。カバリングが生じると、流入排気中のＨＣ成分の一部は触媒上でＮＯ_Xと反応することなく触媒を通過するため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側ではＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生が完了していなくても空燃比はリッチになる。

このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側に配置したＯ₂センサ出力に基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生完了を判断していると、実際には再生が完了していないのにリッチスパイク操作が終了されてしまい、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生が不十分になる問題が生じる場合がある。

本実施形態ではＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側に配置したＨ₂センサ３３出力に基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生完了時期を判断しリッチスパイク操作を終了することにより、この問題を解決している。
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、本実施形態のようにＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流側の排気通路にスタート触媒５ａ、５ｂとして三元触媒を備えている機関では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生時にリッチスパイク操作が行われ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。
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生成量と排気空燃比との関係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に示すように空燃比がリーンではゼロであるが、空燃比が理論空燃比を越えて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。

このように、リッチスパイク操作時に生成される水素成分は極めて還元力が強く、Ｐｔなどの触媒成分を介さずに直接ＮＯ_X成分と反応することができる。このため、排気中に比較的多量のＨＣ成分が含まれておりカバリングが生じて触媒機能が低下したような場合にも、排気中の水素成分はＮＯ_X吸蔵還元触媒から脱離したＮＯ_Xと良好に反応する。

このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＮＯ_Xの脱離が生じている限り排気中の水素成分はＮＯ_X吸蔵還元触媒上でＮＯ_Xと反応して消費され、ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側には流出しない。
従って、リッチスパイク操作実行中にＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側に配置したＨ₂センサ３３により排気中の水素成分が検出された場合にはＮＯ_X吸蔵還元触媒７からのＮＯ_Xの脱離（再生）が完了したと判断することができる。

なお、本実施形態のＨ₂センサ３３（及び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ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作について説明する。
図３は、本実施形態のＮＯ_X吸蔵還元触媒再生操作を具体的に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３の操作において、ステップ３０１では、まず再生操作実行フラグＸ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Ｘは、ＥＣＵ３０により別途実行される図示しない操作において、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵量が予め定めた値まで増大すると値が１に設定されるフラグである。前述したように、本実施形態ではＥＣＵ３０は別途実行される図示しないＮＯ_X吸蔵量推定操作により、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量を表す前述のＮＯ_Xカウンタの値を一定時間毎に算出しており、このＮＯ_Xカウンタの値が予め定めた所定値に到達すると再生操作実行フラグＸの値を１にセットする。

ステップ３０１でＸ≠１であった場合には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵量は所定値に到達しておらず、再生を行う必要はないため本操作は直ちに終了する。この場合、リッチスパイク操作は実行されず、機関１はリーン空燃比運転を継続する。

ステップ３０１でＸ＝１であった場合には、ステップ３０３に進みリッチスパイク操作（ＲＳ）を実行する。リッチスパイク操作では、機関１は所定のリッチ空燃比で運転される。この結果、機関１やスタート触媒５ａ、５ｂでは水素が生成され、水素成分を含むリッチ空燃比の排気がＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入する。

次いで、ステップ３０５ではＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側Ｈ₂センサ３３からＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側排気中の水素成分濃度ＨＲＲが読み込まれ、ステップ３０７では、読み込んだ水素成分濃度ＨＲＲが予め定めた値α以上になったか否かが判定される。ここで、αは誤判定を防止するための判定値であり、ゼロ近傍の正の値に設定されている。

前述のように、ＲＳ操作実行時にはＮＯ_X吸蔵還元触媒７からのＮＯ_Xの脱離が生じている間は排気中の水素成分はＮＯ_Xと反応して消費されるため、下流側Ｈ₂センサ３３で検出した水素成分濃度ＨＲＲはゼロになる。また、ＮＯ_Xの脱離が完了すると（ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生が完了すると）、下流側Ｈ₂センサで３３では水素が検出されるようになる。

本実施形態では、ステップ３０７で水素成分濃度が判定値α以上になったときにＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生が完了したと判断し、ステップ３０９に進み再生操作実行フラグの値をゼロにセットする。フラグＸの値がゼロにセットされると、前述のＮＯ_Xカウンタ算出操作では、ＮＯ_Xカウンタの値はゼロに戻される。
また、本操作の次回以降の実行においては、ステップ３０１の後本操作が直ちに終了するようになり、リッチスパイク操作は終了し排気の空燃比はリーン空燃比に復帰する。

一方、ステップ３０７で、ＨＲＲ＜αであった場合には、未だＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側には水素成分が流出しておらず、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生が完了していないと判断されるため、フラグＸの値は１のままで今回の本操作実行を終了する。これにより、次回以降の本操作実行時にもステップ３０３のリッチスパイク操作が継続されるようになる。

本実施形態によれば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側に配置したＨ₂センサ３３の出力に基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生完了を正確に判定し、リッチスパイク操作を終了（排気空燃比をリーン空燃比に復帰）させるため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生を適切に行うことが可能となる。

なお、図１の構成ではＮＯ_X吸蔵還元触媒７の上流側と下流側とにそれぞれＨ₂センサ３１、３３を配置した例を示したが、本実施形態はＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側のみにＨ₂センサ３３を配置した構成でも実施可能であることは言うまでもない。

（２）第２の実施形態
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
上述した第１の実施形態では、リッチスパイク操作実行中にＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側Ｈ₂センサ３３で排気中に水素成分が検出されたときにリッチスパイク操作を終了し、直ちに排気空燃比をリーン空燃比に切り換えていたが、本実施形態ではリッチスパイク操作終了後所定時間排気空燃比を理論空燃比に保持してからリーン空燃比に復帰させる点が相違している。

前述したように、近年ＮＯ_X吸蔵能力を高めた高吸蔵タイプのＮＯ_X吸蔵還元触媒が使用されるようになっている。高吸蔵タイプのＮＯ_X吸蔵還元触媒では、吸蔵材のＮＯ_Xとの親和力が高いため、リッチスパイク操作初期に比較的多量のＮＯ_Xが脱離した後は、ＮＯ_Xの脱離速度が低くなり、完全にＮＯ_X吸蔵還元触媒を再生するためには長時間再生操作を続ける必要がある。ところが、長時間リッチ空燃比で機関を運転すると機関の燃料消費量が増大する等の問題が生じる。また、ＮＯ_Xの脱離速度が小さい状態でリッチ空燃比運転を継続すると、排気中のＨＣ、ＣＯなどがＮＯ_Xと反応することなくＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側に流出し排気エミッションの悪化を生じる問題がある。このため、本実施形態では初期にＮＯ_X吸蔵還元触媒から比較的多量のＮＯ_Xが脱離した後はリッチスパイク操作を終了して理論空燃比で機関を運転し、比較的長時間かけてＮＯ_X吸蔵還元触媒の完全な再生を行うようにしている。

本実施形態では、上記のリッチスパイク操作の終了タイミング（理論空燃比への切換タイミング）をＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側のＨ₂センサ３３出力に基づいて判定するようにしている。
すなわち、リッチスパイク操作実行中、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７には水素成分を含むリッチ空燃比排気が流入する。また、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７からＮＯ_Xが脱離している間は排気中の水素成分はＮＯ_Xと反応して消費されるため、下流側Ｈ₂センサ３３は水素成分を検出しない。

ところが、高吸蔵タイプのＮＯ_X吸蔵還元触媒の場合には、リッチスパイク操作実行中に初期のＮＯ_Xの脱離が終わりＮＯ_Xの脱離速度が急激に低下すると、ＮＯ_X量が不足するため排気中の水素成分の一部はＮＯ_Xと反応することなく触媒下流側に流出する。

このため、本実施形態ではリッチスパイク操作実行時に下流側Ｈ₂センサ３３で排気中にＮＯ_Xが検出されたときに、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７からの初期のＮＯ_Xの脱離が完了したと判断し、排気空燃比を理論空燃比に切り換えるようにしている。

図４は、本実施形態の上述したＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生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。
本実施形態では、図３のリッチスパイク操作実行フラグＸに加えて理論空燃比保持フラグＹを用いてＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作を行う。フラグＹの値はフラグＸとともに、前述したＮＯ_X吸蔵量推定操作においてＮＯ_Xカウンタの値が所定値に到達したときに１にセットされる。

図４において、操作がスタートするとステップ４０１では理論空燃比保持フラグＹの値が１にセットされているか否かが判定される。後述するように、フラグＹの値は、リッチスパイク操作が終了し、フラグＸの値が０にセット（ステップ４１１）されてから所定の時間が経過後（ステップ４１３〜４１５）に０にリセットされる（ステップ４１９）ため、ステップ４０１でＹ≠１であった場合には必ずリッチスパイク操作及びその後の理論空燃比保持操作も完了している。
このため、ステップ４０１でＹ≠１であった場合には、ステップ４０３以下は実行せず、直ちに今回の操作を終了する。

ステップ４０１でＹ＝１であった場合には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生中であるため、ステップ４０３に進み再生操作初期のリッチスパイク操作が完了したか否かをフラグＸの値に基づいて判定し、Ｘ＝１（未完）であった場合にはステップ４０５から４１１で、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側のＨ₂センサ３３で排気中に水素成分が検出されるまでリッチ空燃比運転を継続する。ステップ４０３から４１１の操作は、図３のステップ３０１から３０９の操作と同一である。

一方、ステップ４０３でＸ＝１であった場合には、リッチスパイク操作は既に完了しているが、理論空燃比保持操作が終了していないことを意味するので、ステップ４１３に進みカウンタＣＴの値を１増大させ、ステップ４１５に進み増大させたカウンタＣＴの値が予め定めた値βに到達したか否かを判定する。ここで、βはリッチスパイク操作終了後、ＮＯ_X吸蔵還元触媒を理論空燃比に維持すべき時間に対応するカウンタ値であり、初期のＮＯ_X脱離後理論空燃比下で完全にＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生が完了するのに必要な時間である。βの値は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の容量、タイプなどにより異なるため実際のＮＯ_X吸蔵還元触媒を用いた実験等により定めることが好ましい。

ステップ４１５でＣＴ＜βであった場合には、まだＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生が完了していないため、ステップ４１７に進み機関を理論空燃比で運転する。これにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７には理論空燃比の排気が流入し、機関１の燃料消費量を大幅に増大させることなくＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生が継続される。

また、ステップ４１５でＣＴ≧βであった場合には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生が完了しているため、ステップ４１９に進み、フラグＹの値とカウンタＣＴの値とを０リセットする。これにより、次回の操作実行からはステップ４０１の後直ちに本操作が終了するようになり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作は行われず、通常のリーン空燃比運転が行われる。

図４の実施形態によれば、再生操作中にＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側のＨ₂センサ３３により排気中の水素成分が検出されたときに、リッチスパイク操作を終了し、その後排気を所定時間理論空燃比に保持することにより、高吸蔵タイプのＮＯ_X吸蔵還元触媒を使用した場合にも適切なＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生が行われる。

（３）第３の実施形態
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
前述の第１と第２の実施形態では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生操作やリッチスパイク操作の終了時期をＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側に配置した下流側Ｈ₂センサ３３で検出した水素成分濃度に基づいて判断していた。

これに対して、本実施形態ではＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生操作時に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の上流側に配置した上流側Ｈ₂センサ３１で検出した水素成分濃度が所定の値になるように排気空燃比を制御する。
図２で説明したように、排気中の水素成分濃度は排気空燃比に応じて変化する。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作時の排気空燃比が異なると排気中の水素成分濃度も変化し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒への水素成分供給量が不十分になり、適切なＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生が行うことができなくなる場合も生じる。

本実施形態では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生操作時に上流側Ｈ₂センサ３１出力に基づいて、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入する排気中の水素成分濃度が所定値になるように排気空燃比をフィードバック制御することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生操作中に常に適切な量の水素成分がＮＯ_X吸蔵還元触媒７に供給されるようにしている。

図５は、本実施形態の上述したＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生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５の操作が実行されると、まずステップ５０１では再生操作実行フラグＸの値が１にセットされているか否かが判定される。本実施形態においても、第１と第２の実施形態と同様にフラグＸの値はＥＣＵ３０により別途実行される図示しない操作により、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵量が予め定めた値まで増大すると１に設定される。

なお、本実施形態の再生操作実行フラグＸの値は、例えばＸ＝１に設定されてから予め定めた時間が経過すると０にリセットされるようにしても良いし、図３または図４の操作によりフラグＸの値を０にリセットするようにしても良い。
ステップ５０１でＸ＝１（再生操作実行）であった場合には、ステップ５０３でリッチスパイク操作が行われ、機関１の燃料噴射量が増量されリッチ空燃比で運転される。これにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７には水素成分を含んだリッチ空燃比の排気が流入し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生が行われる。

次いで、ステップ５０５ではＮＯ_X吸蔵還元触媒７の上流側に配置されたＨ₂センサ３１から、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入する排気中の水素成分濃度ＨＲＦが読み込まれ、ステップ５０７から５０９では、この水素成分濃度実測値ＨＲＦが予め定めた目標値γになるようにリッチスパイク操作中の機関１の燃料噴射量が減量（ステップ５０９）または増量（ステップ５１１）される。
水素成分濃度の目標値γは、再生操作を開始するＮＯ_X吸蔵量やＮＯ_X吸蔵還元触媒のタイプなどによっても異なってくるため、実際のＮＯ_X吸蔵還元触媒を用いた実験などにより決定することが好ましい。

これにより、本実施形態では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生操作実行時にＮＯ_X吸蔵還元触媒７には常に適量の水素成分が供給されるようになり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生が適切に行われる。

なお、本実施形態による上流側Ｈ₂センサ３１（図１）を用いたＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作は単独で行うことも可能であるが、上述したように、第１または第２の実施形態の下流側Ｈ₂センサ３３（図１）を用いた再生操作と併用することも可能である。

（４）第４の実施形態
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態では、上述の第３の実施形態と同様に、上流側Ｈ₂センサ３１で検出した排気中の水素成分濃度が目標値γになるように排気空燃比をフィードバック制御する。
本実施形態の再生操作のフローチャートは第３の実施形態のもの（図５）と同一である。

ここで、上述の第３の実施形態では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入する排気中の水素成分濃度ＨＲＦの目標値γは一定値とされていたのに対して、本実施形態では目標値γの値が時間とともに変化するように設定され、再生操作（リッチスパイク操作）開始時には高く、その後時間とともに低下する点のみが第３の実施形態と相違している。

図６は、本実施形態における水素成分濃度目標値γの時間的変化を模式的に示す図である。図６に示すように、γの値はＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生操作開始時には高く、時間が経過するに連れて徐々に低くなるように設定されている。

ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作が開始され、ＮＯ_X吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気が流入すると、まずＮＯ_X吸蔵還元触媒上のＰｔやアルミナ表面に付着したＮＯ_Xと吸蔵材表面付近にイオンの形で存在するＮＯ_Xとが一挙に脱離し、その後吸蔵材と結合して吸蔵されているＮＯ_Xが吸蔵材内部から表面に移動して脱離するようになる。

このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作時には短時間に比較的多量のＮＯ_Xが脱離し、その後はＮＯ_Xの脱離速度が徐々に低下するようになる。このため、脱離したＮＯ_Xの還元のために必要とされる水素成分量は、再生操作開始時には多く、その後低下するようになる。

本実施形態では、図６に示すように再生操作時にＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＮＯ_Xの脱離速度に応じて排気中の水素成分濃度を設定するようにしたことにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生を適切に行うことが可能となっている。

（５）第５の実施形態
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
本実施形態では、第１の実施形態（図３）で、下流側Ｈ₂センサ３３出力に基づいて判定される再生操作終了タイミングに基づいて、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化程度を判定する。

前述したように、第１の実施形態（図３）では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生が完了した時点を下流側水素センサ３３に基づいて検出している。ここで、再生開始から再生が完了するまでの所要時間はＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_Xの量に応じて増減する。

前述の各実施形態では、ＮＯ_Xカウンタの値や、ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側に配置したＮＯ_Xセンサの出力などに基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒７の吸蔵したＮＯ_X量を推定して、このＮＯ_X吸蔵量が所定の値に到達する毎に再生操作を実行している。このため、本来であれば再生操作開始時のＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵量は一定の値であり、再生操作開始から終了までの時間もほぼ一定値になるはずである。

ところが、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７は劣化するにつれてＮＯ_X吸蔵能力が低下する。このため、例えばＮＯ_Xカウンタを用いてＮＯ_X吸蔵量を推定している場合には、排気中のＮＯ_X成分濃度が一定であってもＮＯ_X吸蔵還元触媒が劣化するにつれて単位時間当たりにＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されるＮＯ_X量が低下し、実際のＮＯ_X吸蔵量はＮＯ_Xカウンタの値より少なくなる。
また、ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側にＮＯ_Xセンサを配置してＮＯ_X吸蔵量を推定する場合にも、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵能力が低下すると劣化していない触媒に較べて低いＮＯ_X吸蔵量で下流側にＮＯ_Xが流出するようになる。

このため、触媒が劣化した場合には、ＮＯ_Xカウンタに基づいて再生操作を開始する場合もＮＯ_Xセンサ出力に基づいて再生操作を開始する場合も再生操作開始時のＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵量は低下する。

再生操作開始から終了までの所要時間は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵量に応じて増減するため、上記のように再生操作開始時のＮＯ_X吸蔵量が低下すると、再生操作開始から終了までの所要時間は短くなる。すなわち、再生操作の所要時間は触媒が劣化するにつれて短くなるのである。
本実施形態では、上記を利用して再生操作開始から終了までの所要時間が予め定めた時間以下になった場合にはＮＯ_X吸蔵還元触媒７が劣化したと判定するようにしている。

図７は、本実施形態の劣化判定操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。
本実施形態では、第１の実施形態（図３）で使用されている再生操作実行フラグＸの値が０から１に変化した時点（再生操作開始）から１から０に変化（再生操作終了）するまでの時間を計測し、この時間が予め定めた値以下になった場合にＮＯ_X吸蔵還元触媒７が劣化したと判断している。

すなわち、図７の操作では、まずステップ７０１で現在フラグＸの値が１にセットされているか否かが判定される。前述したように、フラグＸは別途ＥＣＵ３０により実行される操作により、再生操作が開始されるときに１にセットされるフラグである。

ステップ７０１でＸ＝１であった場合には、次にステップ７０３が実行され、判定実行フラグＸＳの値が１にセットされるとともに、ステップ７０５で再生時間カウンタＣＮの値がΔｔだけ増大される。
ここで、判定実行フラグＸＳは、再生操作終了後ステップ７１１から７１５の判定操作を再生操作終了後に１回だけ実行するためのフラグである。

また、再生時間カウンタＣＮは、再生操作開始からの経過時間を表すカウンタである。
ここで、ステップ７０５におけるカウンタインクリメント量Δｔは図７の操作の繰り返し間隔（時間）である。カウンタＣＮの値は、再生操作を実行していない場合にはステップ７１７で常にクリアされているため、ステップ７０５で算出されるカウンタＣＮの値は、ステップ７０１でＸ＝１が成立してからの経過時間に等しくなる。

ステップ７０１でＸ≠１であった場合、すなわち現在ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生が行われていない場合には、次にステップ７０７に進み、今回の本操作の実行が、再生操作が完了してから（Ｘ≠０になってから）最初の実行であるか否かをフラグＸＳの値に基づいて判断する。
フラグＸＳは、Ｘ＝１の場合には常にステップ７０３でＸＳ＝１に設定され、Ｘ≠１になった後の最初の本操作の実行時にステップ７０９でＸＳ＝０に設定される。

このため、ステップ７０７でＸＳ＝１であった場合には、再生操作が終了してから最初の本操作の実行である。従って、この場合にはカウンタＣＮの値は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生開始から終了までの所要時間に等しくなっている。
そこで、ステップ７０７でＸ＝１であった場合には、次にステップ７１１で再生操作の所要時間ＣＮが予め定めた判定値δより短くなっているか否かを判定する。

ＣＮ＜δであった場合には、すなわち触媒が劣化したためにＮＯ_X吸蔵能力が低下して再生操作の所要時間が短くなっていると判断できるため、ステップ７１３で劣化フラグＸＦの値を１（劣化）にセットする。
又、ステップ７１１でＣＮ≧δであった場合には、ステップ７１５でフラグＸＦの値を０（正常）にセットする。
ここで、δは触媒が劣化してＮＯ_X吸蔵能力が実際上問題になる程度に低下したときの再生操作所要時間であり、実際の触媒を用いた実験などにより設定することが好ましい。

ステップ７１１から７１５の判定を実行後、ステップ７１７ではカウンタＣＮの値がクリアされ、今回の操作が終了する。なお、ステップ７０９でＸＳの値が０にセットされるため、ステップ７１１からステップ７１５の判定操作は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生終了直後に一回のみおこなれ、その後はステップ７０７の次に直接ステップ７１７が実行されるようになる。

上述のように、本実施形態によればＮＯ_X吸蔵還元触媒７の再生操作を適切に実行しながら、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化の有無を正確に判定することが可能となる。
本実施形態の劣化判定操作は、第１の実施形態（図３）の再生操作とともに実行されるが、更に前述の第３の実施形態（図５）を同時に実行して再生操作中にＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入する排気中の水素成分濃度を所定の値に制御するようにすれば、劣化判定精度が更に向上するようになる。

（６）第６の実施形態
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。
図８は、本実施形態の構成を示す、図１と同様な図である。
図８の構成は、図１のＮＯ_X吸蔵還元触媒７に代えて、２つのＮＯ_X吸蔵還元触媒７１、７３が排気通路に直列に配置された、いわゆるタンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒が使用されている点で図１の構成と相違している。

本実施形態のタンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒は、ケーシング７０内に適宜の間隙を明けて前段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７１と後段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７３とを配置した構成とされており、前段と後段との間の間隙部には図１におけるＨ₂センサ３１、３３と同じＨ₂センサ３５が配置されている。

タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒では、前段と後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒の特性を変えることにより、単段のＮＯ_X吸蔵還元触媒に較べて排気浄化性能を向上させている。
例えば、本実施形態のタンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒では、前段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７１は、後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒７３に較べて、ＮＯ_X吸蔵能力を大きく、Ｏ₂ストレージ能力を小さく、触媒としてのＰｔの担持量を大きく設定している。

直列にＮＯ_X吸蔵還元触媒を２つ配置した場合には、前段のＮＯ_Xはまず前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵される。また、Ｏ₂ストレージ能力を小さくしたことにより再生操作実行時にも前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒７１では、排気中の水素成分やＨＣ、ＣＯ成分は触媒が吸蔵した酸素と反応することなく、その大部分がＮＯ_Xの還元に使用されるようになる。
また、前段でＰｔの担持量を大きくしたことにより、排気中のＮＯの殆どは前段の触媒上で酸化されてＮＯ₂になるため、より前段での単位体積当たりのＮＯ_Xの吸蔵量が増大するようになり、前段のＮＯ_X吸蔵能力を大きく設定したこととあいまって、前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒７１では効率的にＮＯ_Xの吸蔵と還元浄化とが可能となる。

一方、後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒７３では、比較的Ｏ₂ストレージ能力を高く設定したことにより、例えば再生操作実行時に前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒を通過する排気空燃比がリッチ空燃比になった場合でも、後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒７３は理論空燃比近傍の雰囲気に維持される。ＮＯ_X吸蔵還元触媒は理論空燃比近傍では三元触媒としての機能を有するため、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒では再生時に後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒７３がＯ₂ストレージにより放出された酸素により三元触媒として機能するようになり、前段で脱離したＮＯ_Xが何らかの原因で還元されずに後段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７３に流入した場合でも、後段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７３上でＮＯ_Xを還元浄化することが可能となる。

このように、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒では前段と後段とに分けて特性の異なるＮＯ_X吸蔵還元触媒を配置したことにより、排気浄化効率を向上させているが、このような配置をとった結果、前述の各実施形態と同様な制御を行う場合には、後段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７３下流側にＨ₂センサを配置したのでは不都合が生じる。

例えば、第１の実施形態と同様にＨ₂センサ出力に基づいて再生操作の終了時期を判定しようとした場合、後段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７３下流側にＨ₂センサを配置していると再生操作の終了時期を判定できなくなる問題が生じる。
すなわち、前述したようにタンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒では、後段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７３は比較的大きなＯ₂ストレージ能力を有している。このため、再生操作実行時に前段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７１の再生が完了し、前段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７１出口の排気に水素成分が含まれるようになっても、この水素成分は後段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７３を通過する際に後段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７３で放出される酸素と反応してしまい、後段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７３下流側には流出しない。

従って、後段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７３下流側にＨ₂センサを配置して再生操作の終了タイミングを判断しようとすると、水素成分が検出されるのは後段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７３の吸蔵した酸素が全て放出された後にならないと再生操作終了の判断がなされないことになる。

ところが、実際にはタンデムＮＯ_X吸蔵還元触媒ではＮＯ_Xの吸蔵と還元浄化はそのほとんどが前段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７１で行われ、後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒７３は補助的な役割を果たすのみであり、ＮＯ_X吸蔵量も前段に較べて非常に少なくなっている。従って、本来前段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７１の再生が完了した後は再生操作を続ける必要はなく、後段下流側の排気に水素成分が検出されるまで再生操作を続けると機関の燃費増大などの問題が生じる。

そこで、本実施形態ではコンバータ７０内の、前段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７１と後段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７３との間隙に設けたＨ₂センサ３５出力に基づいて前段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７１の再生完了タイミングを判定し、再生操作を終了するようにしている。
本実施形態の再生操作は第１の実施形態（図３）と基本的に同一であるので、ここでは詳細な説明は省略する。

なお、本実施形態のようにタンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作を前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒７１の再生が完了したときに終了していると、後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒７３は再生されないままＮＯ_X吸蔵量が増大して行くように見えるが、上述したように後段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７３のＮＯ_X吸蔵量は少ないため、後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒７３の再生操作は前段ほど頻繁に行う必要はなく、機関１の理論空燃比運転がある程度の期間継続して自然に後段ＮＯ_X吸蔵還元触媒７３の再生が行われるのを待つ程度の頻度で実際には問題は生じない。

（７）第７の実施形態
前述したように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒では流入する排気中にＳＯ_Xが含まれると、リーン空燃比下ではＮＯ_Xと同時にＳＯ_XがＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵される。
この場合、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_Xは再生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が吸蔵されると単なるＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作程度では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き、前述した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。
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が、この場合にも排気中に水素成分が含まれると、被毒回復処理の時間を大幅に短縮することができる。

すなわち、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、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。

ところが、水素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、脱離したＳＯ_Xと反応し、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。

この場合も、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作と同様に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒からＳＯ_Xの脱離が継続している間は、排気中の水素成分はＳＯ_Xと反応して消費されるためＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側には流出せず、全てのＳＯ_Xの脱離が終了（すなわち、被毒回復処理が完了）したときに、初めてＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側に水素成分が流出するようになる。
このため、再生操作の終了時期の判定と同様な手法で被毒回復処理の終了タイミングを判定するこどができる。

ところが、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒を使用した場合には、後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側にＨ₂センサを配置したのでは、再生操作の終了時期判定の際と同じ問題が起きるため、正確に被毒回復処理の終了タイミングを判定することができず、実際には被毒回復処理が完了しているのに長時間高温のリッチ空燃比排気がＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給されてしまう場合が生じる。このため、後段ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側にＨ₂センサを配置してタンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒の被毒回復処理の終了タイミングを判断していると、機関の不必要なリッチ空燃比運転による燃料消費量の増大や、長時間高温に曝されることによるＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化などの問題が生じる。

また、後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒７３ではＯ₂ストレージ能力を大きく設定するために比較的多量のセリア（Ｃｅ）を担持しているが、セリアはＳＯ_Xと結合しやすく、容易に硫酸塩を形成するものの、セリアとＳＯ_Xとの結合力は弱いため、被毒回復処理時に容易に短時間でＳＯ_Xが脱離する。
そこで、本実施形態では、前段と後段との間の間隙に配置したＨ₂センサ３５（図８）を用いて被毒回復処理終了タイミングを判断している。

図９は、本実施形態の被毒回復処理を説明するフローチャートである。図９の操作は第１の実施形態（図３）の再生操作のフローチャートと基本的には同一であり、フラグＸの代わりに被毒回復処理実行フラグＳが用いられる点、ステップ９０３では図３ステップ３０３のリッチスパイク操作に代わり、機関を排気温度が上昇する運転条件下でリッチ空燃比運転を行う被毒回復操作を実行する点、及びステップ９０５、９０７では前段と後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒の間に配置したＨ₂センサ３５出力ＨＲＭを使用する点が図３の操作と異なるのみである。このため、ここでは図９の詳細な説明は省略する。

このように、前段と後段のＮＯ_X吸蔵還元触媒の間に配置したＨ₂センサで検出した水素成分濃度に基づいて被毒回復処理終了タイミングを判定することにより、燃料消費量の増大やＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化を抑制することが可能となっている。

（８）第８の実施形態
次に、本発明の第８の実施形態について説明する。
本実施形態では、図８のタンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒において、前段と後段との間に配置したＨ₂センサ３５出力に基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作の終了時期を判断する際に、再生操作開始から終了までの所要時間に基づいて前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒７１の劣化程度を判定する。

なお、劣化程度の判定方法は、具体的には第５の実施形態における図７と実質的に同一であるため、ここでは詳細な説明は省略する。
前述したように、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒では、ＮＯ_Xの吸蔵と還元浄化とは主に前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒７１が行うため、前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒７１の劣化程度を正確に判定する必要がある。

本実施形態では、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒の前段と後段との間に配置したＨ₂センサ出力に基づいて前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒７１の劣化程度を判定することにより、タンデム型ＮＯ_X吸蔵還元触媒の適切な再生操作を行いながら正確に前段のＮＯ_X吸蔵還元触媒７１の劣化程度を判定することが可能となっている。

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説明する図である。 排気中の水素成分濃度と排気空燃比との関係を模式的に示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるＮＯ_X吸蔵還元触媒再生操作を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施形態におけるＮＯ_X吸蔵還元触媒再生操作を説明するフローチャートである。 本発明の第３の実施形態におけるＮＯ_X吸蔵還元触媒再生操作を説明するフローチャートである。 本発明の第４の実施形態におけるＮＯ_X吸蔵還元触媒再生操作時の水素濃度目標値の設定を説明する図である。 本発明の第５の実施形態におけるＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化判定操作を説明するフローチャートである。 本発明の第６の実施形態の構成を説明する図１と同様な図である。 本発明の第７の実施形態におけるＮＯ_X吸蔵還元触媒の被毒回復処理を説明する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、７１、７３ ＮＯ_X吸蔵還元触媒
３０ ＥＣＵ（電子制御ユニット）
３１、３３、３５ Ｈ₂センサ
７０ コンバータ

Claims (12)

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、
   前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒の、入口側と出口側との少なくとも一方の排気通路に配置され、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吸蔵還元触媒が機関のリーン空燃比運転中に吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化すべきときに、所定時間リッチ空燃比または理論空燃比の排気をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給する再生操作を実行する際に、前記Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて再生操作時に前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を制御する、内燃機関の排気浄化装置。
2. 少なくとも前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒出口側の排気通路に前記Ｈ₂センサを備え、前記再生操作実行時に、前記出口側Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて再生操作を終了すべき時期を判断する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 少なくとも前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒出口側の排気通路に前記Ｈ₂センサを備え、前記再生操作は、まずリッチ空燃比の排気をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給し、その後理論空燃比の排気をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給する操作を含み、前記出口側Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて前記再生操作中のリッチ空燃比から理論空燃比への排気空燃比切換時期を判断する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 少なくとも前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒入口側の排気通路に前記Ｈ₂センサを備え、前記再生操作時に前記入口側Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度が予め定めた目標値になるようにＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を制御する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記水素成分濃度の目標値が、再生操作開始時に高く、その後、時間とともに次第に低下するように設定される、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 再生操作開始から、前記下流側Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて判断された再生操作を終了すべき時までの経過時間に基づいて前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化の程度を判定する、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 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吸蔵還元触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
   内燃機関の排気通路上流側と下流側とに直列に配置されたＮＯ_X吸蔵還元触媒と、前記上流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒と下流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒との間の排気通路に配置された、排気中の水素成分濃度を検出するＨ₂センサと、を備え、
   前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒に機関のリーン空燃比運転中に吸蔵されたＮＯ_Xを還元浄化すべきときに所定時間リッチ空燃比または理論空燃比の排気をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給する再生操作を実行する際に、前記Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて前記上流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を制御する、内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記上流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒は、下流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒よりもＮＯ_X吸蔵能力が大きく、Ｏ₂ストレージ能力が小さく、かつ白金成分の担持量が大きい、請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記再生操作実行時に、前記Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて再生操作を終了すべき時期を判断する請求項７または請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 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被毒回復処理を実行する際に、
    前記Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて被毒回復処理実行中に前記上流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を制御する、請求項７または請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 前記被毒回復処理実行時に、前記Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて被毒回復処理を終了すべき時期を判断する請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 前記再生操作開始から、前記Ｈ₂センサで検出した排気中の水素成分濃度に基づいて判断された再生操作を終了すべき時までの時間に基づいて前記上流側ＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化の程度を判定する、請求項７または請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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