JP5246375B1 - 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、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）とを有する空燃比センサ（２３，２４）が配置される。排気ガスの空燃比が変化して空燃比センサ（２３，２４）により検出される空燃比が変化したとき、空燃比センサ（２３，２４）により検出される空燃比の変化が空燃比センサ（２３，２４）への硫黄成分の付着量に左右され、このとき空燃比センサ（２３，２４）への硫黄成分の付着量が多いほど空燃比センサ（２３，２４）により検出される空燃比の変化量が小さくなると共に空燃比の変化期間が長くなる。この空燃比センサ（２３，２４）により検出される空燃比の変化から空燃比センサ（２３，２４）の硫黄被毒量が検出される。

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、空燃比センサの出力信号に基づいてＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比を目標空燃比にフィードバック制御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）。
ところでこの空燃比センサは、長期間に亘って高温の排気ガス熱に晒されたり或いは排気ガス中のＨＣによる被毒作用を受けると次第に劣化し、その結果空燃比センサにより検出される空燃比が実際の空燃比を正確に表さなくなることが知られている。ところが排気ガス中にはＳＯ_Ｘが含まれており、この場合空燃比センサはこのＳＯ_Ｘの影響を受けるものと考えられる。しかしながら、空燃比センサにより検出された空燃比がこの排気ガス中に含まれるＳＯ_Ｘによってどのような影響を受けるかについてはこれまで全く知られていない。

特開２００４−３１６４５８号公報

そこで本発明者は、空燃比センサにより検出された空燃比が排気ガス中に含まれるＳＯ_Ｘによってどのような影響を受けるかについて検討し、その結果空燃比センサにより検出された空燃比と空燃比センサの硫黄被毒との関係を見付け出したのである。
本発明の目的は、この見付け出された関係に基づいて空燃比センサの硫黄被毒を検出するようにした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、機関排気通路内に排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサを配置し、空燃比センサにより検出された空燃比に基づいて排気浄化制御を行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、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この拡散抵抗層上に導かれる型式のセンサからなり、排気ガスの空燃比が変化して空燃比センサにより検出される空燃比が変化したとき、空燃比センサにより検出される空燃比の変化が空燃比センサへの硫黄成分の付着量により左右され、このとき空燃比センサへの硫黄成分の付着量が多いほど空燃比センサにより検出される空燃比の変化量が小さくなると共に空燃比の変化期間が長くなり、このときの空燃比センサにより検出される空燃比の変化から空燃比センサの硫黄被毒量を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。

空燃比センサの硫黄被毒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は炭化水素の噴射周期等を示す図である。
図２１Ａおよび２１Ｂ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２２Ａおよび２２Ｂ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２３Ａおよび２３Ｂ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２４はピーク空燃比のマップを示す図である。
図２５はピーク空燃比低下率の変化を示すタイムチャートである。
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はピーク空燃比低下率等の変化を示すタイムチャートである。
図２８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２９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３０および３１は運転制御を行うためのフローチャートである。
図３２はピーク空燃比検出ルーチンの一実施例を示すフローチャートである。
図３３はピーク空燃比検出ルーチンの別の実施例を示すフローチャートである。
図３４はピーク空燃比検出ルーチンの更に別の実施例を示す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２４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。
そこで本発明による実施例では、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よる実施例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。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この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。
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ΔＴ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。この最適な炭化水素噴射周期ΔＴ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２０Ａに示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、またこの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。
図２１Ａは、炭化水素噴射周期を図２０Ａに示される最適な炭化水素噴射周期ΔＴとし、炭化水素噴射時間を図２０Ｂ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２１Ｂ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。図２１Ａおよび図２１Ｂ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。
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２２Ａ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２２Ａ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２２Ａ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２２Ｂ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２２Ｂ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。
ところで排気ガス中にはＳＯ_Ｘが含まれており、この場合空燃比センサ２３，２４はこのＳＯ_Ｘの影響を受けるものと考えられる。しかしながら、空燃比センサ２３，２４により検出された空燃比がこの排気ガス中に含まれるＳＯ_Ｘによってどのような影響を受けるかについてはこれまで全く知られていない。そこで本発明者は、空燃比センサ２３，２４により検出された空燃比が排気ガス中に含まれるＳＯ_Ｘによってどのような影響を受けるかについて検討し、その結果空燃比センサ２３，２４により検出された空燃比と空燃比センサ２３，２４の硫黄被毒との関係を見つけ出したのである。
次にこのことについて、下流側空燃比センサ２４を例にとって説明する。図２３Ａの実線は、図２１Ａに示される下流側空燃比センサ２４による検出空燃比の変化をそのまま示している。即ち、図２３Ａの実線は、下流側空燃比センサ２４が硫黄被毒を生じていないときに下流側空燃比センサ２４によって検出される空燃比の変化を示している。ところが、下流側空燃比センサ２４に硫黄成分が付着すると、下流側空燃比センサ２４への硫黄成分の付着量が多くなるほど図２３Ａにおいて破線で示されるように、下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比の変化量が小さくなると共に空燃比の変化期間が長く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、図２２Ａ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。
ところが排気ガス中にＳＯ_Ｘが含まれているとこのＳＯ_Ｘも拡散抵抗層６４内に侵入し、一方では電極６３上において白金と反応してＰｔＳを形成し、他方では拡散抵抗層６４内においてＳＯ_２の形で或いは硫酸イオンの形でアルミナに吸着する。電極６３上にＰｔＳが形成されると電極６３上における炭化水素の酸化速度が低下せしめられるために電流値Ｉは長い時間に亘ってゆっくりと変化することになる。また、ＳＯ_Ｘがアルミナに吸着すると拡散抵抗層６４内の細孔が閉塞されるので、分子量の大きな炭化水素は電極６３まで拡散するのに時間を有するようになり、従ってこのことによっても電流値Ｉは長い時間に亘ってゆっくりと変化することになる。従って、下流側空燃比センサ２４が硫黄被毒を生ずると、下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比の変化量が小さくなると共に空燃比の変化期間が長くなることになる。
この場合、下流側空燃比センサ２４への硫黄成分の付着量が増大するほどそれに伴って下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比の変化量が小さくなると共に空燃比の変化期間が長くなり、従って下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比の変化から下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒量を検出できることになる。このことは上流側空燃比センサ２３についても同様である。
そこで本発明では、空燃比センサ２３，２４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この拡散抵抗層６４上に導かれる型式のセンサからなり、排気ガスの空燃比が変化して空燃比センサ２３，２４により検出される空燃比が変化したとき、空燃比センサ２３，２４により検出される空燃比の変化が空燃比センサ２３，２４への硫黄成分の付着量により左右され、このとき空燃比センサ２３，２４への硫黄成分の付着量が多いほど空燃比センサ２３，２４により検出される空燃比の変化量が小さくなると共に空燃比の変化期間が長くなり、このときの空燃比センサ２３，２４により検出される空燃比の変化から空燃比センサ２３，２４の硫黄被毒量を検出するようにしている。
次に空燃比センサ２３、２４の硫黄被毒量を検出するための具体的な方法について、再び下流側空燃比センサ２４を例にとって説明する。図２３Ａにおいて破線で示されるように、下流側空燃比センサ２４が硫黄被毒を生じ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が（Ａ／Ｆ）ｐから（Ａ／Ｆ）ｚに変化する。即ち、下流側空燃比センサ２４が硫黄被毒を生じると、ベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂに対する空燃比の変化量がΔＡＦｐからΔＡＦｚに減少する。従って、本発明による一実施例では、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から、或いはベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂに対する空燃比の変化量から、下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒量が検出される。
図２３Ｂは、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の低下率ΔＡＦＲと硫黄被毒量との関係を示している。なお、このピーク空燃比低下率ΔＡＦＲは次式でもって表される。
ΔＡＦＲ＝（ΔＡＦｐ−ΔＡＦｚ）／ΔＡＦｐ
ここで ΔＡＦｐ＝（Ａ／Ｆ）ｂ−（Ａ／Ｆ）ｐ
ΔＡＦｚ＝（Ａ／Ｆ）ｂ−（Ａ／Ｆ）ｚ
上式において、ベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂは機関の運転状態が定まるとそれに応じて定まる。一方、下流側空燃比センサ２４が硫黄被毒を生じていない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は機関回転数Ｎおよび機関出力トルクＴｅの関数として図２４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。従って、ΔＡＦｐは機関の運転状態が定まるとそれに応じて定まることになる。
一方、リッチ側ピーク空燃比が（Ａ／Ｆ）ｚは下流側空燃比センサ２４により検出された値であり、この検出されたリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｚと機関の運転状態から定まるベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂからΔＡＦｚが算出される。即ち、ピーク空燃比低下率ΔＡＦＲは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）ｚから算出されることになる。図２３Ｂに示されるようにピーク空燃比低下率ΔＡＦＲが増大するほど下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒量が大きくなる。
さて、排気ガス中に硫黄が含まれていると図２５において実線で示されるように、時間の経過に伴い、ピーク空燃比低下率ΔＡＦＲは次第に大きくなっていく。一方、炭化水素供給弁１５が目詰まりを生じ、炭化水素の供給量が低下したときにも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）ｚが大きくなり、その結果ピーク空燃比低下率ΔＡＦＲが増大する。しかしながら炭化水素供給弁１５の目詰まりは比較的急激に生じ、一旦目詰まりを生ずると図２５において破線で示されるようにそれほど変化しなくなるので、ピーク空燃比低下率ΔＡＦＲの時間的な変化を監視し続けると、下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒によってピーク空燃比低下率ΔＡＦＲが大きくなったのか、炭化水素供給弁１５の目詰まりによってピーク空燃比低下率ΔＡＦＲが大きくなったのかを判別できることになる。
そこで本発明による実施例では、ピーク空燃比低下率ΔＡＦＲの時間的な変化から、即ち下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比の変化から、下流側空燃比センサ２４が硫黄被毒をしたのか或いは炭化水素供給弁１５が目詰まりをしたのかを判別するようにしている。
次に、図２６Ａを参照しつつ別の実施例について説明する。この実施例では下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比とベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂとの差の積分値から下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒量を求めるようにしている。即ち、炭化水素供給弁１５から炭化水素が一回噴射され、排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比が瞬時的に変化したときに、下流側空燃比センサ２４が硫黄被毒していない場合には、図２６Ａにおいて実線で示されるように下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比は図２６ＡのＡで示される予め定められた期間内で瞬時的に変化を完了する。
これに対し、下流側空燃比センサ２４が硫黄被毒をしている場合には、図２６Ａにおいて破線で示されるように下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比は予め定められた期間Ａを超えて変化し続ける。なお、この予め定められた期間Ａは、下流側空燃比センサ２４が硫黄被毒していない場合において、炭化水素供給弁１５から炭化水素が一回噴射されたときに、下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比の瞬時的な変化がほぼ完了する期間である。
この実施例では、図２６Ａにおいて、予め定められた期間Ａ内における下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比とベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂとの差の積分値ＳＡ、即ち面積ＳＡと、これら期間Ａと期間Ａとの間の期間Ｂ内における下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比とベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂとの差の積分値ＳＢ、即ち面積ＳＢとが算出される。この場合、図２６Ａから、実線で示されるように下流側空燃比センサ２４が硫黄被毒していない場合には、面積ＳＡは大きいが面積ＳＢはほとんど零となり、これに対し破線で示されるように下流側空燃比センサ２４が硫黄被毒をしている場合には、面積ＳＡは小さくなり、面積ＳＢは大きくなることがわかる。
即ち、下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒量は面積ＳＡに対する面積ＳＢの比に顕著に現れることがわかる。図２６Ｂは、面積ＳＡに対する面積ＳＢの比ＳＢ／ＳＡと硫黄被毒量との関係を示しており、この比ＳＢ／ＳＡが大きくなるほど硫黄被毒量が大きくなることがわかる。
そこで本発明による実施例では、下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比とベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂとの差の積分値ＳＡ，ＳＢが算出されており、排気ガスの空燃比が瞬時的に変化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は、下流側空燃比センサ２４が硫黄被毒をしていなければ予め定められた期間Ａ内で瞬時的に変化を完了するが下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒量が増大すると予め定められた期間Ａを超えて変化し続け、予め定められた期間Ａ内における積分値ＳＡと予め定められた期間Ａを超えているときの積分値ＳＢとの比ＳＢ／ＳＡから下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒量を検出するようにしている。
この場合、積分値ＳＡの値としては空燃比が複数回変動する間の平均値を用いることができ、積分値ＳＢの値についても空燃比が複数回変動する間の平均値を用いることができる。
このように下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒量は、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）ｚから求めることもできるし、下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比とベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂとの差の積分値ＳＡ，ＳＢの比ＳＢ／ＳＡから求めることもできる。従って、これらを包括的に表現すると、硫黄被毒を生じていないときの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代表する値が基準値として予め求められており、この基準値に対する、下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比の変化を代表する値から下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒量が検出される。
この場合、図２３Ａに示される実施例では、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代表する値がリッチ側ピーク空燃比が（Ａ／Ｆ）ｚであり、基準値が図２４に示される予め記憶されているリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐである。一方、図２６Ａに示される実施例では、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代表する値が予め定められた期間Ａ内における積分値ＳＡと予め定められた期間Ａを超えているときの積分値ＳＢとの比ＳＢ／ＳＡであり、この場合の基準値はほぼ零（ＳＢ／ＳＡ≒０）である。
ところでこれら基準値は予め求めておくこともできるし、また実測することもできる。ただし後者の場合には、即ち基準値を実測するようにした場合には、下流側空燃比センサ２４が硫黄被毒していたときには、基準値を実測する前に硫黄被毒の回復処理をしておくことが必要となる。次にこのことについて、下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒量をリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｚから求めるようにした場合を例にとって図２７を参照しつつ説明する。
図２７を参照すると、ピーク空燃比低下率ΔＡＦＲが予め定められた許容値ＲＸに達すると下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒の回復処理が行われる。この場合、下流側空燃比センサ２４に付着したＳＯ_Ｘは下流側空燃比センサ２４の温度が６５０℃程度のＳＯ_Ｘ分解温度を超えると下流側空燃比センサ２４から放出され、また下流側空燃比センサ２４に付着したＳＯ_Ｘは下流側空燃比センサ２４に流入する排気ガスの空燃比がリッチとされかつ下流側空燃比センサ２４の温度が５００℃程度のＳＯ_Ｘ放出温度を超えると下流側空燃比センサ２４から放出される。従って、下流側空燃比センサ２４からＳＯ_Ｘを放出すべきときには、即ち下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒を回復すべきときには、下流側空燃比センサ２４の温度が６５０℃程度のＳＯ_Ｘ分解温度まで上昇せしめられるか、或いは下流側空燃比センサ２４の温度が５００℃程度のＳＯ_Ｘ放出温度まで上昇せしめられかつ下流側空燃比センサ２４に流入する排気ガスの空燃比がリッチとされる。
図２７に示されるように、下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒の回復処理が完了すると、下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比に基づき、基準値となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが検出される。なお、このリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐは炭化水素の供給量が同一であっても下流側空燃比センサ２４の温度、即ち排気ガスの温度が変化し、排気ガスの流量が変化するとそれに伴って変化する。従って、本発明による実施例では、排気ガスの温度が予め定められた温度範囲内でありかつ排気ガスの流量、即ち吸入空気量が予め定められた流量範囲内であるときがリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐを検出するための検出条件であるとされており、この検出条件が満たされ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に基づき、基準値となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが検出される。
図２７に示されるように、この基準値となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが検出されると、その後この検出条件が満たされる毎に、下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比からリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｚが検出され、これらリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐおよび（Ａ／Ｆ）ｚからピーク空燃比低下率ΔＡＦＲが算出される。なお、本発明による実施例では、例えば、硫黄濃度の高い燃料が用いられたとすると、図２７において破線で示されるようにピーク空燃比低下率ΔＡＦＲが急速に変化するようになり、ピーク空燃比低下率ΔＡＦＲが許容値ＲＸに達する間隔が短くなる。従って、このことから硫黄濃度の高い燃料が用いられたことを検知することができることになる。
また、炭化水素供給弁１５からの炭化水素の供給量を増大すると下流側空燃比センサ２４により検出される空燃比の変化が大きくなり、その結果リッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｚの変化を、より正確に検出できるようになる。従って、本発明による実施例では図２８に示されるように、基準値となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐおよびリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｚの検出時には、炭化水素供給弁１５からの炭化水素の供給量が機関の運転状態から定まる炭化水素供給量に比べて増大される。即ち、排気ガスの空燃比のリッチ側ピーク空燃比が更にリッチ側とされる。
さて、排気ガス中にＳＯ_２が含まれているとこのＳＯ_２は白金Ｐｔ５３上において酸化されてＳＯ_３となる。次いでこのＳＯ_３は塩基性層５３内に吸蔵されて硫酸イオンＳＯ_４ ^２−の形で塩基性層５３内に拡散し、安定した硫酸塩を生成する。しかしながらこの硫酸塩は安定していて分解しづらく、排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけでは硫酸塩は分解されずにそのまま残る。この場合、吸蔵されている硫酸塩の吸蔵量が増大するとＮＯ_Ｘ浄化率が低下する。従って、硫酸塩の吸蔵量が増大したときには排気浄化触媒１３から吸蔵されているＳＯ_Ｘを放出させる必要がある。
ところでこの場合、排気浄化触媒１３の温度を６５０℃程度のＳＯ_Ｘ分解温度まで上昇させるか、或いは排気浄化触媒１３の温度を５００℃程度のＳＯ_Ｘ放出温度まで上昇させかつ排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると、排気浄化触媒１３から吸蔵されているＳＯ_Ｘを放出させることができる。
そこで本発明による実施例では、排気浄化触媒１３から吸蔵されているＳＯ_Ｘを放出すべきときには、燃焼室２内への追加の燃料量ＷＲを制御することによって排気浄化触媒１３への流入排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを図２９に示されるように交互にリッチとリーンに切り替え、それにより排気浄化触媒１３の温度を５００℃程度のＳＯ_Ｘ放出温度まで上昇させかつ排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比を間欠的にリッチにさせて排気浄化触媒１３から吸蔵されているＳＯ_Ｘを放出させるようにしている。
一方、前述したように、本発明では下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比に基づいて下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒量が算出される。ところが下流側空燃比センサ２４へのＳＯ_Ｘの付着量が増大すれば排気浄化触媒１３へのＳＯ_Ｘの吸蔵量も増大する。即ち、空燃比センサの硫黄被毒量から排気浄化触媒１３の硫黄被毒量を推定できることになる。そこで本発明による実施例では、空燃比センサにより検出される空燃比の変化から排気浄化触媒１３の硫黄被毒量を推定するようにしている。具体的に言うと、本発明による実施例では、下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒量から排気浄化触媒１３の硫黄被毒量を推定するようにしている。この場合、本発明による実施例では、ピーク空燃比低下率ΔＡＦＲが許容値を超えたときには排気浄化触媒１３の硫黄被毒も許容値を超えたと判断され、このとき排気浄化触媒１３から吸蔵されているＳＯ_Ｘを放出させるために、排気浄化触媒１３への流入排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが図２９に示されるように交互にリッチとリーンに切り替えられる。
次に、図３０および３１に示される機関の運転制御ルーチンについて説明する。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３０を参照するとまず初めにステップ７０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ＴＣｏを越えているか否かが判別される。ＴＣ＜ＴＣｏ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７１に進む。ステップ７１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７２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７３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７３においてΣＮＯＸ≦ＭＡＸであると判断されたときにはステップ７４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７３においてΣＮＯＸ＞ＭＡＸであると判別されたときにはステップ７５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７６ではΣＮＯＸがクリアされる。
一方、ステップ７０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７７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７８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７９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８０に進み、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３０に示される例では、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７８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。
さて、図３１を参照すると、まず初めにステップ８０においてパティキュレートフィルタ１４の再生中であるか否かが判別される。パティキュレートフィルタ１４の再生中でないときにはステップ８１に進んで差圧センサ２６の出力信号からパティキュレートフィルタ１４の前後の差圧ΔＰが予め定められた限界値ＰＸを超えたか否かが判別される。ΔＰ≦ＰＸのときにはステップ８３に進んで排気浄化触媒１３から吸蔵されているＳＯ_Ｘを放出させる処理、即ち排気浄化触媒１３の硫黄被毒の回復処理が行われているか否かが判別される。排気浄化触媒１３の硫黄被毒回復処理中でないときにはステップ８４に進んでピーク空燃比低下率ΔＡＦＲが算出され、算出されたピーク空燃比低下率ΔＡＦＲが許容値ＲＸを超えているか否かが判別される。ΔＡＦＲ≦ＲＸのときにはステップ８６に進む。
ステップ８６および８７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予め定められた空燃比となるように機関燃焼室２に供給される燃料の量が制御され、下流側空燃比センサ２４の出力信号に基づいて、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る。
具体的に言うと、ステップ８６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機関の運転状態に応じた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。次いでステップ８７では、下流側空燃比センサ２４の出力信号に基づくフィードバック制御により第１のＮＯ_Ｘ浄化方法によるＮＯ_Ｘ浄化作用が行われる。即ち、炭化水素噴射周期を図２０Ａに示される最適な炭化水素噴射周期ΔＴとし、炭化水素噴射時間を図２０Ｂに示される最適な炭化水素噴射時間ＷＴとし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が目標ピーク空燃比として予め記憶されており、ステップ８７では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が目標ピーク空燃比となるように炭化水素供給弁１５からの炭化水素の噴射時間がフィードバック制御される。
一方、ステップ８１においてΔＰ＞ＰＸであると判別されたときにはステップ８３に進んでパティキュレートフィルタ１４の再生処理が行われる。次いで処理サイクルを完了する。また、ステップ８４においてΔＡＦＲ＞ＲＸであると判別されたときにはステップ８５に進んで排気浄化触媒１３から吸蔵されているＳＯ_Ｘを放出させる処理、即ち排気浄化触媒１３の硫黄被毒を回復する処理が行われる。このとき同時に下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒も回復される。
さて、前述したようにピーク空燃比低下率ΔＡＦＲは基準値に基づいて算出されており、この基準値は予め求めておくこともできるし、実測することもできる。ただし基準値を実測するようにした場合には、前述したように基準値を実測する前に下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒の回復処理をしておくことが必要となる。このときには、即ち下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒を回復すべきときには、前述したように、下流側空燃比センサ２４の温度が６５０℃程度のＳＯ_Ｘ分解温度まで上昇せしめられるか、或いは下流側空燃比センサ２４の温度が５００℃程度のＳＯ_Ｘ放出温度まで上昇せしめられかつ下流側空燃比センサ２４に流入する排気ガスの空燃比がリッチとされる。
次に、この基準値を実測するためのいくつかの例について説明する。
前述したように排気浄化触媒１３の硫黄被毒回復処理が行われると下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒も回復される。従って、最初の例では、排気浄化触媒１３の硫黄被毒回復処理が完了した後、検出条件が満たされたときに下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比からリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが検出される。なお、前述したように、排気ガスの温度が予め定められた温度範囲内でありかつ排気ガスの流量、即ち吸入空気量が予め定められた流量範囲内であるときに検出条件が満たされていると判断される。
図３２はこの例を実行するためのリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐおよび（Ａ／Ｆ）ｚの検出ルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割り込みによって実行される。
図３２を参照すると、まず初めにステップ１００において排気浄化触媒１３の硫黄被毒回復処理中であるか否かが判別され、排気浄化触媒１３の硫黄被毒回復処理中であるときには処理サイクルを完了する。これに対し、排気浄化触媒１３の硫黄被毒回復処理中でないときにはステップ１０１に進んで検出条件を満たしているか否かが判別される。このとき検出条件を満たしていなければ処理サイクルを完了する。これに対し、検出条件を満たしているときにはステップ１０２に進み、下流側空燃比センサ２４によって基準となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐの検出が完了したか否かが判別される。リッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐの検出が完了していないときにはステップ１０３に進んで、排気浄化触媒１３の硫黄被毒回復処理が完了してから一定時間が経過したか否かが判別される。排気浄化触媒１３の硫黄被毒回復処理が完了してから一定時間が経過していないときにはステップ１０４に進んで下流側空燃比センサ２４により基準となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが検出される。
即ち、排気浄化触媒１３の硫黄被毒回復処理が完了してから一定時間が経過していないときには下流側空燃比センサ２４は硫黄被毒をしていないと考えられる。従って、排気浄化触媒１３の硫黄被毒回復処理が完了してから一定時間が経過していないときに検出条件が満たされたときには、基準となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが検出される。一方、ステップ１０２において基準となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐの検出が完了したと判別されたとき、或いはステップ１０３において排気浄化触媒１３の硫黄被毒回復処理が完了してから一定時間が経過していると判別されたときにはステップ１０５に進んで下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比からリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｚが検出される。即ち、検出条件が満たされる毎にリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｚが検出される。ピーク空燃比低下率ΔＡＦＲは、最新の基準となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐおよび最新のリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｚから図３１のステップ８４において算出される。
一方、パティキュレートフィルタ１４の再生時には炭化水素の供給量が増大せしめられてパティキュレートフィルタ１４の温度が６５０℃程度まで上昇せしめられる。従って、パティキュレートフィルタ１４の再生処理が行われると下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒も回復されることになる。従って、二つ目の例では、パティキュレートフィルタ１４の再生処理が完了した後、検出条件が満たされたときに下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比からリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが検出される。
図３３はこの二つ目の例を実行するためのリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐおよび（Ａ／Ｆ）ｚの検出ルーチンを示しており、このルーチンも一定時間毎の割り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１１０においてパティキュレートフィルタ１４の再生処理中であるか否かが判別され、パティキュレートフィルタ１４の再生処理中であるときには処理サイクルを完了する。これに対し、パティキュレートフィルタ１４の再生処理中でないときにはステップ１１１に進んで検出条件を満たしているか否かが判別される。このとき検出条件を満たしていなければ処理サイクルを完了する。これに対し、検出条件を満たしているときにはステップ１１２に進み、下流側空燃比センサ２４によって基準となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐの検出が完了したか否かが判別される。リッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐの検出が完了していないときにはステップ１１３に進んで、パティキュレートフィルタ１４の再生処理が完了してから一定時間が経過したか否かが判別される。パティキュレートフィルタ１４の再生処理が完了してから一定時間が経過していないときにはステップ１１４に進んで下流側空燃比センサ２４により基準となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが検出される。
即ち、パティキュレートフィルタ１４の再生処理が完了してから一定時間が経過していないときには下流側空燃比センサ２４は硫黄被毒をしていないと考えられる。従って、パティキュレートフイルタ１４の再生処理が完了してから一定時間が経過していないときに検出条件が満たされたときには、基準となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが検出される。一方、ステップ１１２において基準となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐの検出が完了したと判別されたとき、或いはステップ１１３においてパティキュレートフィルタ１４の再生処理が完了してから一定時間が経過していると判別されたときにはステップ１１５に進んで下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比からリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｚが検出される。即ち、この場合も、検出条件が満たされる毎にリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｚが検出される。ピーク空燃比低下率ΔＡＦＲはこれら最新の基準となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐおよび最新のリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｚから算出される。
一方、前述したように排気浄化触媒１３が活性化する前は第２のＮＯ_Ｘ浄化方法によるＮＯ_Ｘ浄化作用が行われ、このとき塩基性層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を越えると排気浄化触媒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リッチ処理が行われる。この場合、もしこのリッチ処理が機関高負荷に行われたとすると、このとき下流側空燃比センサ２４の温度は５００℃程度のＳＯ_Ｘ放出温度まで上昇せしめられかつ下流側空燃比センサ２４に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなる。従って、このときには下流側空燃比センサ２４の硫黄被毒が回復されることになる。
従って、三つ目の例では、機関高負荷運転時にリッチ処理が行われた場合には、リッチ処理が完了した後、検出条件が満たされたときに下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比からリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが検出される。
図３４はこの三つ目の例を実行するためのリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐおよび（Ａ／Ｆ）ｚの検出ルーチンを示しており、このルーチンも一定時間毎の割り込みによって実行される。
図３４を参照すると、まず初めにステップ１２０において機関高負荷運転時でのリッチ処理中であるか否かが判別され、リッチ処理中であるときには処理サイクルを完了する。これに対し、リッチ処理中でないときにはステップ１２１に進んで検出条件を満たしているか否かが判別される。このとき検出条件を満たしていなければ処理サイクルを完了する。これに対し、検出条件を満たしているときにはステップ１２２に進み、下流側空燃比センサ２４によって基準となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐの検出が完了したか否かが判別される。リッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐの検出が完了していないときにはステップ１２３に進んで、リッチ処理が完了してから一定時間が経過したか否かが判別される。リッチ処理が完了してから一定時間が経過していないときにはステップ１２４に進んで下流側空燃比センサ２４により基準となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが検出される。
即ち、機関高負荷運転時でのリッチ処理が完了してから一定時間が経過していないときには下流側空燃比センサ２４は硫黄被毒をしていないと考えられる。従って、リッチ処理が完了してから一定時間が経過していないときに検出条件が満たされたときには、基準となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐが検出される。一方、ステップ１２２において基準となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐの検出が完了したと判別されたとき、或いはステップ１２３においてリッチ処理が完了してから一定時間が経過していると判別されたときにはステップ１２５に進んで下流側空燃比センサ２４により検出された空燃比からリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｚが検出される。即ち、この場合も、検出条件が満たされる毎にリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｚが検出される。ピーク空燃比低下率ΔＡＦＲはこれら最新の基準となるリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｐおよび最新のリッチ側ピーク空燃比（Ａ／Ｆ）ｚから算出される。
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

Claims (15)

1. 機関排気通路内に排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサを配置し、該空燃比センサにより検出された空燃比に基づいて排気浄化制御を行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、該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、排気ガスの空燃比が変化して該空燃比センサにより検出される空燃比が変化したとき、該空燃比センサにより検出される空燃比の変化が空燃比センサへの硫黄成分の付着量により左右され、このとき空燃比センサへの硫黄成分の付着量が多いほど該空燃比センサにより検出される空燃比の変化量が小さくなると共に空燃比の変化期間が長くなり、このときの空燃比センサにより検出される空燃比の変化から空燃比センサの硫黄被毒量を検出するようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. 機関排気通路内に排気浄化触媒を配置し、該空燃比センサにより検出される空燃比の変化から該排気浄化触媒の硫黄被毒量を推定するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 該排気浄化触媒上流の機関排気通路内に炭化水素を供給するための炭化水素供給弁を配置し、該排気浄化触媒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せしめられ、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、機関運転時に排気浄化触媒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る請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 該空燃比センサが排気浄化触媒の下流に配置されており、該空燃比センサの出力信号に基づいて、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炭化水素供給弁からの炭化水素の噴射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。
5. 該空燃比センサが、炭化水素供給弁上流の機関排気通路内に配置された上流側空燃比センサと排気浄化触媒下流の機関排気通路内に配置された下流側空燃比センサからなり、該上流側空燃比センサ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予め定められた空燃比となるように機関燃焼室に供給される燃料の量が制御され、該下流側空燃比センサの出力信号に基づいて、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炭化水素供給弁からの炭化水素の噴射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。
6. 該空燃比センサが排気浄化触媒の下流に配置されており、該空燃比センサにより検出される空燃比の変化から下流側空燃比センサが硫黄被毒をしたのか或いは炭化水素供給弁が目詰まりをしたのかが判別される請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 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。
8. 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７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 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３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 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３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 該空燃比センサが排気浄化触媒の下流に配置されており、硫黄被毒を生じていないときの該空燃比センサにより検出される空燃比の変化を代表する値が基準値として予め求められており、この基準値に対する、該空燃比センサにより検出された空燃比の変化を代表する値から空燃比センサの硫黄被毒量を検出するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 該空燃比センサにより検出される空燃比の変化を代表する値がリッチ側ピーク空燃比である請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
13. 該空燃比センサにより検出される空燃比とベース空燃比との差の積分値が算出されており、排気ガスの空燃比が瞬時的に変化したときに該空燃比センサにより検出される空燃比は、空燃比センサが硫黄被毒をしていなければ予め定められた期間内で瞬時的に変化を完了するが空燃比センサの硫黄被毒量が増大すると該予め定められた期間を超えて変化し続け、空燃比センサにより検出される空燃比の変化を代表する値が該予め定められた期間内における該積分値と該予め定められた期間を超えているときの該積分値との比である請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
14. 上記基準値は、排気ガス温が上昇せしめられ或いは排気ガスの空燃比がリッチにされ或いはそれらの双方により空燃比センサの硫黄被毒が回復されたときに検出される請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
15. 該空燃比センサにより検出される空燃比の変化を代表する値を求めるときには、排気ガスの空燃比のリッチ側ピーク空燃比が更にリッチ側とされる請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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