JP2008128216A - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘ触媒の上流側の触媒での還元剤の消費量を反映させながら、還元剤をＮＯｘ触媒に過不足なく供給することができ、それにより、排ガス特性および燃費を良好なレベルに確保することができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関3の排ガス浄化装置1は、三元触媒16と、その下流側に設けられたNOx触媒17と、ECU2を備える。ECU2は、NOx触媒17に流入する排ガスが還元雰囲気になるようにリッチスパイク制御を実行し（ステップ86〜90）、その制御中、三元触媒16によって消費される排ガス中の還元剤の量である還元剤消費量QDACO_TWCを算出し（ステップ44）、還元剤消費量QDACO_TWCに応じて、NOx触媒17に供給された還元剤の総量である積算還元剤量S_QDALを算出し（ステップ7,27,44〜51）、S_QDAL＞S_QDAREFが成立したときに、リッチスパイク制御を終了する（ステップ8）。
【選択図】 図６

Description

本発明は、捕捉したＮＯｘを還元雰囲気下で還元するＮＯｘ触媒とその上流側に酸化機能を有する触媒とが排気通路に設けられた内燃機関において、ＮＯｘ触媒にＮＯｘ還元動作を行わせるために、還元剤を触媒の上流側に供給する内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

従来、この種の排ガス浄化装置として、本出願人は、特許文献１に記載されたものをすでに提案している。この排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンに適用されたものであり、このディーゼルエンジンは、上流側から順に排気通路に設けられた三元触媒およびＮＯｘ触媒を備えている。この三元触媒は、排気通路内の排ガスを酸化作用および還元作用により浄化する。また、ＮＯｘ触媒は、リーン雰囲気の排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を捕捉するとともに、リッチ雰囲気の排ガスが供給されたときに捕捉したＮＯｘを還元し、それにより、排ガスを浄化する。また、排ガス浄化装置は、三元触媒よりも上流側の排気通路に設けられ、排ガス中の空燃比を検出する空燃比センサを備えている。

このディーゼルエンジンは、通常、リーン運転され、そのリーン運転中、排ガス中のＮＯｘは、三元触媒を通過してＮＯｘ触媒で捕捉される。この排ガス浄化装置では、リーン運転中、ＮＯｘ触媒に捕捉された総ＮＯｘ量であるＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘを算出するとともに、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘ、三元触媒温度および排ガスの空間速度に応じて、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘと比較するための判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦが算出される。そして、Ｓ＿ＱＮＯｘ≧Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦが成立したときには、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘを還元すべく、還元剤（ＨＣ，ＣＯ）をＮＯｘ触媒に供給するために、混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に制御するリッチスパイク制御が実行される。

このリッチスパイク制御中、空燃比センサの検出信号に基づいて、ＮＯｘ触媒に供給された還元剤の総量が還元剤量積算値Ｓ＿ＱＤＡとして算出されるとともに、判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦに応じて、還元剤量積算値Ｓ＿ＱＤＡと比較するための判定値Ｓ＿ＱＤＡＲＥＦが算出される。そして、Ｓ＿ＱＤＡ＞Ｓ＿ＱＤＡＲＥＦが成立したときには、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘがすべて還元されたと判定して、リッチスパイク制御が終了される。

特開２００６−２０７４８７号公報

上記従来の排ガス浄化装置によれば、リッチスパイク制御中、三元触媒に貯蔵されている酸素の酸化作用によって、排ガス中の還元剤が消費されてしまうことがある。その場合、排ガス浄化装置では、還元剤量積算値Ｓ＿ＱＤＡが、三元触媒よりも上流側の空燃比センサの検出信号に基づいて算出されているので、三元触媒の貯蔵酸素によって還元剤が消費されるのに起因して、還元剤量積算値Ｓ＿ＱＤＡの算出精度が低下し、リッチスパイク制御の終了タイミングが不適切になる可能性がある。例えば、リッチスパイク制御の終了タイミングがＮＯｘ触媒でのＮＯｘ還元動作の終了タイミングよりも遅くなった場合には、ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ還元動作が終了しているにもかかわらず、リッチスパイク制御が実行されることで、排ガス中のＨＣおよびＣＯ濃度が高い状態に保持され、排ガス特性が悪化するとともに、燃費が悪化してしまう。これとは逆に、リッチスパイク制御がＮＯｘ触媒でのＮＯｘ還元動作の終了タイミングよりも早く終了した場合には、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘが十分に還元されない状態となり、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ捕捉能力が不足することで、排ガス特性が悪化してしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ＮＯｘ触媒の上流側の触媒での還元剤の消費量を反映させながら、還元剤をＮＯｘ触媒に過不足なく供給することができ、それにより、排ガス特性および燃費を良好なレベルに確保することができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る内燃機関３の排ガス浄化装置１は、酸化機能を有し、排気通路（排気管５）内の排ガスを浄化する上流側触媒（三元触媒１６）と、上流側触媒よりも下流側の排気通路に設けられ、酸化雰囲気の排ガス中のＮＯｘを捕捉するとともに、還元剤を含む還元雰囲気の排ガスが供給されることにより、捕捉したＮＯｘを還元するＮＯｘ触媒１７と、ＮＯｘ触媒１７にＮＯｘの還元動作を行わせるために、還元剤を上流側触媒（三元触媒１６）の上流側に供給することにより、ＮＯｘ触媒１７に流入する排ガスを還元雰囲気に制御する還元制御を実行する還元制御手段（ＥＣＵ２、ステップ８６〜９０）と、を備え、還元制御手段は、還元制御の実行中、上流側触媒によって消費される排ガス中の還元剤の量を還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣとして算出する還元剤消費量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ４４）と、還元制御の実行中、算出された還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣに応じて、ＮＯｘ触媒１７に供給された還元剤の総量を積算還元剤量Ｓ＿ＱＤＡＬとして算出する積算還元剤量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ７，２７，４４〜５１）と、還元制御の実行中、算出された積算還元剤量Ｓ＿ＱＤＡＬが所定値（判定値Ｓ＿ＱＤＡＲＥＦ）を上回ったときに、還元制御を終了する還元制御終了手段（ＥＣＵ２、ステップ８）と、を有することを特徴とする。

この内燃機関の排ガス浄化装置によれば、ＮＯｘ触媒にＮＯｘの還元動作を行わせるために、還元剤を上流側触媒の上流側に供給することにより、ＮＯｘ触媒に流入する排ガスを還元雰囲気に制御する還元制御が実行される。その還元制御の実行中、上流側触媒によって消費される排ガス中の還元剤の量が還元剤消費量として算出され、この還元剤消費量に応じて、ＮＯｘ触媒に供給された還元剤の総量が積算還元剤量として算出される。したがって、この積算還元剤量を、従来と異なり、上流側触媒によって消費される排ガス中の還元剤の量を反映させながら、ＮＯｘ触媒に実際に供給された還元剤の総量として算出できる。また、そのように算出された積算還元剤量が所定値を上回ったときに、還元制御が終了されるので、ＮＯｘ触媒に実際に供給された還元剤の総量である積算還元剤量に基づいて、還元剤をＮＯｘ触媒に過不足なく供給することができ、それにより、排ガス特性および燃費を良好なレベルに確保することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３の排ガス浄化装置１において、排気通路の上流側触媒（三元触媒１６）よりも上流側に設けられ、排気通路内の排ガスの空燃比を検出空燃比（第１実空燃比ＡＦ１＿ＡＣＴ）として検出する空燃比検出手段（ＥＣＵ２、第１ＬＡＦセンサ３３）をさらに備え、還元剤消費量算出手段は、検出空燃比に応じて、還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣを算出する（ステップ２５，４４）ことを特徴とする。

この内燃機関の排ガス浄化装置のように、還元制御を実行した場合、還元剤が上流側触媒に供給されることで、排ガスの空燃比がリッチ側に変化すると、それに伴って上流側触媒で消費される排ガス中の還元剤の量も変化してしまう。これに対して、この排ガス浄化装置によれば、排気通路の上流側触媒よりも上流側における排ガスの空燃比に応じて、還元剤消費量が算出されるので、上流側触媒よりも上流側における排ガスの空燃比の状態を反映させながら、還元剤消費量を算出することができ、その算出精度を向上させることができる。それにより、還元剤のＮＯｘ触媒への供給精度を向上させることができる。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の内燃機関３の排ガス浄化装置１において、還元剤消費量算出手段は、検出空燃比（第１実空燃比ＡＦ１＿ＡＣＴ）と所定値（所定の判定値ＡＦＲＥＦ）との比較結果に応じて（ステップ２２の判別結果に応じて）、還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣの算出手法（ステップ２３，４４）を切り換えることを特徴とする。

この内燃機関の排ガス浄化装置のように、還元制御を実行し、還元剤が上流側触媒に供給されると、排ガスの空燃比がリッチ側に変化する。その空燃比の変化中、上流側触媒に供給される排ガスが残留酸素濃度の高い状態にあるときには、排ガス中の還元剤が残留酸素との酸化反応によりほぼすべて消費されるものの、排ガスの空燃比が理論空燃比近傍の所定値以下に変化すると、排ガスの残留酸素濃度が低下することで、還元剤は、上流側触媒の貯蔵酸素との酸化反応によってもかなり消費されるようになる。したがって、検出空燃比と比較する所定値を理論空燃比近傍の所定値に設定し、これらの検出空燃比と所定値との比較結果に応じて、還元剤消費量の算出手法を切り換えることにより、還元剤消費量を、上流側触媒の貯蔵酸素との酸化反応によって実際に消費される還元剤の総量を適切に表すものとして算出でき、還元剤消費量の算出精度を向上させることができる。それにより、還元剤のＮＯｘ触媒への供給精度をさらに向上させることができる。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関３の排ガス浄化装置１において、還元剤消費量算出手段は、上流側触媒（三元触媒１６）に貯蔵されている酸素の量を酸素貯蔵量ＱＯ２ＳＴとして算出する酸素貯蔵量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ２１，４７）をさらに有し、算出された酸素貯蔵量ＱＯ２ＳＴが大きいほど、還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣをより大きい値に算出する（ステップ４４，４９）ことを特徴とする。

この内燃機関の排ガス浄化装置によれば、上流側触媒の酸素貯蔵量が大きいほど、還元剤消費量がより大きい値に算出されるので、還元剤消費量を、上流側触媒の酸素貯蔵量に基づいて、貯蔵酸素との酸化反応によって実際に消費される還元剤の総量を適切に表すものとして算出でき、還元剤消費量の算出精度をさらに向上させることができる。それにより、還元剤のＮＯｘ触媒への供給精度をより一層、向上させることができる。

請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関３の排ガス浄化装置１において、還元剤消費量算出手段は、上流側触媒（三元触媒１６）の劣化度合ＤＥＧＲＡを算出する劣化度合算出手段（ＥＣＵ２、ステップ７１）と、算出された劣化度合ＤＥＧＲＡに応じて、還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣを補正する補正手段（ＥＣＵ２、ステップ４３，４４，４７，４９）とをさらに有することを特徴とする。

この内燃機関の排ガス浄化装置のように上流側触媒を備えている場合、上流側触媒の劣化度合に応じて、上流側触媒での酸化反応による還元剤の消費量が変化する。したがって、この内燃機関の排ガス浄化装置によれば、そのような上流側触媒の劣化度合に応じて補正した還元剤消費量を用いることにより、上流側触媒の劣化度合を反映させながら、還元剤消費量を算出することができ、その算出精度をより一層、向上させることができる。それにより、還元剤のＮＯｘ触媒への供給精度をさらに向上させることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態による排ガス浄化装置について説明する。図１は、本実施形態の排ガス浄化装置１およびこれを適用した内燃機関（以下「エンジン」という）３を示しており、この排ガス浄化装置１は、図２に示すように、ＥＣＵ２を備えている。このＥＣＵ２は、後述するように、エンジン３の運転状態に応じて、空燃比制御処理などの各種の制御処理を実行する。

エンジン３は、４組の気筒およびピストン３ａ（１組のみ図示）を有する直列４気筒ディーゼルエンジンであり、図示しない車両に搭載されている。このエンジン３のピストン３ａとシリンダヘッド３ｂの間には、燃焼室３ｃが形成されている。シリンダヘッド３ｂには、吸気管４および排気管５（排気通路）がそれぞれ接続されているとともに、燃料噴射弁（以下「インジェクタ」という）６が、燃焼室３ｃに臨むように取り付けられている。

インジェクタ６は、燃焼室３ｃの天壁中央部に配置されており、コモンレールを介して、高圧ポンプおよび燃料タンク（いずれも図示せず）に順に接続されている。インジェクタ６の開閉タイミング、すなわち燃料噴射量ＴＯＵＴおよび噴射タイミングは、ＥＣＵ２からの駆動信号によって制御される。

また、エンジン３のクランクシャフト３ｄには、マグネットロータ３０ａが取り付けられており、このマグネットロータ３０ａとＭＲＥピックアップ３０ｂによって、クランク角センサ３０が構成されている。クランク角センサ３０は、クランクシャフト３ｄの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。

ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０゜）ごとに出力される。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。ＴＤＣ信号は、各気筒のピストン３ａが吸気行程開始時のＴＤＣ（上死点）付近の所定クランク角度位置にあることを表す信号であり、４気筒タイプの本例では、クランク角１８０゜ごとに出力される。

吸気管４には、過給装置７が設けられており、過給装置７は、ターボチャージャで構成された過給機８と、これに連結されたアクチュエータ９と、ベーン開度制御弁１０を備えている。

過給機８は、吸気管４に設けられた回転自在のコンプレッサブレード８ａと、排気管５に設けられた回転自在のタービンブレード８ｂおよび複数の回動自在の可変ベーン８ｃ（２つのみ図示）と、これらのブレード８ａ，８ｂを一体に連結するシャフト８ｄとを有している。過給機８は、排気管５内の排ガスによりタービンブレード８ｂが回転駆動されるのに伴い、これと一体のコンプレッサブレード８ａが回転駆動されることによって、吸気管４内の吸入空気を加圧する過給動作を行う。

アクチュエータ９は、負圧によって作動するダイアフラム式のものであり、各可変ベーン８ｃに機械的に連結されている。アクチュエータ９には、負圧ポンプから負圧供給通路（いずれも図示せず）を介して負圧が供給され、この負圧供給通路の途中には、ベーン開度制御弁１０が設けられている。このベーン開度制御弁１０は、電磁弁で構成されており、その開度がＥＣＵ２からの駆動信号で制御されることにより、アクチュエータ９への供給負圧を変化させ、可変ベーン８ｃの開度を変化させる。それにより、過給圧が制御される。

吸気管４の過給機８よりも下流側には、上流側から順に、水冷式のインタークーラ１１およびスロットル弁１２が設けられている。インタークーラ１１は、過給装置７の過給動作により吸入空気の温度が上昇したときなどに、吸入空気の冷却動作を実行する。スロットル弁１２には、アクチュエータ１２ａが機械的に連結されており、このアクチュエータ１２ａは、例えば直流モータで構成されているとともに、ＥＣＵ２に電気的に接続されている。ＥＣＵ２は、アクチュエータ１２ａを駆動することにより、スロットル弁１２の開度（以下「スロットル弁開度」という）ＴＨを制御する。

また、吸気管４の過給機８よりも上流側には、エアフローセンサ３１が設けられている。このエアフローセンサ３１は、吸入空気量ＱＡ（新気量）を検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。さらに、吸気管４のインタークーラ１１とスロットル弁１２の間には、過給圧センサ３２が設けられている。この過給圧センサ３２は、吸気管４内の過給圧を検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

さらに、吸気管４の吸気マニホールド４ａは、その集合部から分岐部にわたって、スワール通路４ｂとバイパス通路４ｃに仕切られており、これらの通路４ｂ，４ｃはそれぞれ、吸気ポートを介して各燃焼室３ｃに連通している。

バイパス通路４ｃには、燃焼室３ｃ内にスワールを発生させるためのスワール装置１３が設けられている。スワール装置１３は、スワール弁１３ａと、これを開閉するアクチュエータ１３ｂと、スワール制御弁１３ｃを備えている。アクチュエータ１３ｂおよびスワール制御弁１３ｃはそれぞれ、過給装置７のアクチュエータ９およびベーン開度制御弁１０と同様に構成されており、スワール制御弁１３ｃは、負圧ポンプに接続されている。以上の構成により、スワール制御弁１３ｃの開度がＥＣＵ２からの駆動信号で制御されることにより、アクチュエータ１３ｂに供給される負圧が変化し、スワール弁１３ａの開度が変化する。その結果、スワールの強さが制御される。

また、エンジン３には、ＥＧＲ管１４ａおよびＥＧＲ制御弁１４ｂを有するＥＧＲ装置１４が設けられている。ＥＧＲ管１４ａは、吸気管４と排気管５の間に接続されており、その一端は、排気管５のタービンブレード８ｂよりも上流側の部分に開口し、他端は、吸気管４のコンプレッサブレード８ａよりも下流側の部分に開口している。このＥＧＲ管１４ａを介して、エンジン３の排ガスの一部が吸気管４に還流ガスとして還流し、それにより、燃焼室３ｃ内の燃焼温度が低下することによって、排ガス中のＮＯｘが低減される。

また、ＥＧＲ制御弁１４ｂは、リニア電磁弁タイプのもので、ＥＣＵ２からの駆動信号に応じて、そのリフト（以下「ＥＧＲリフト」という）が最大値と最小値との間でリニアに変化するように構成されており、それにより、ＥＧＲ管１４ａの開度すなわちＥＧＲ量を変化させる。ＥＣＵ２は、後述するように、ＥＧＲ制御弁１４ｂを介して、ＥＧＲ量を制御する。

また、排気管５のタービンブレード８ｂよりも下流側には、上流側から順に、三元触媒１６およびＮＯｘ触媒１７が設けられている。この三元触媒１６（上流側触媒）は、ストイキ雰囲気下において、排ガス中のＨＣおよびＣＯを酸化するとともに、ＮＯｘを還元することによって、排ガスを浄化する。この三元触媒１６には、三元触媒温度センサ３６が取り付けられている。この三元触媒温度センサ３６は、三元触媒１６の温度（以下「三元触媒温度」という）ＴＴＷＣを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

さらに、ＮＯｘ触媒１７は、リーン雰囲気の排ガスが流入したときには、排ガス中のＮＯｘを捕捉するとともに、後述するリッチスパイク用の空燃比制御（以下「リッチスパイク制御」という）が実行されることにより、リッチ雰囲気の排ガスが流入したときには、捕捉したＮＯｘを還元し、それにより、排ガスを浄化する。このＮＯｘ触媒１７には、ＮＯｘ触媒温度センサ３７が取り付けられている。このＮＯｘ触媒温度センサ３７は、ＮＯｘ触媒１７の温度（以下「ＮＯｘ触媒温度」という）ＴＬＮＣを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

一方、排気管５の三元触媒１６の上流側近傍および下流側近傍には、第１ＬＡＦセンサ３３および第２ＬＡＦセンサ３４がそれぞれ設けられている。第１および第２ＬＡＦセンサ３３，３４はそれぞれ、リッチ領域からリーン領域までの広範囲な空燃比の領域において排ガス中の酸素濃度をリニアに検出して、それらを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

ＥＣＵ２は、第１ＬＡＦセンサ３３の検出信号に基づいて第１実空燃比ＡＦ１＿ＡＣＴを、第２ＬＡＦセンサ３４の検出信号に基づいて第２実空燃比ＡＦ２＿ＡＣＴをそれぞれ算出する。この第１空燃比ＡＦ１＿ＡＣＴは、三元触媒１６の上流側の排気管５内を流れる排ガスの空燃比を表し、第２実空燃比ＡＦ２＿ＡＣＴは、三元触媒１６およびＮＯｘ触媒１７の間の排気管５内を流れる排ガスの空燃比を表すものである。なお、本実施形態では、第１ＬＡＦセンサ３３が空燃比検出手段に相当し、第１実空燃比ＡＦ１＿ＡＣＴが検出空燃比に相当する。

さらに、ＥＣＵ２には、アクセル開度センサ３５が接続されている。このアクセル開度センサ３５は、図示しないアクセルペダルの操作量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

また、ＥＣＵ２は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどからなるマイクロコンピュータ（いずれも図示せず）で構成されており、前述した各種のセンサ３０〜３７の検出信号などに応じて、エンジン３の運転状態を判別するとともに、運転状態に応じて、以下に述べるリッチスパイク判定処理、劣化推定処理および空燃比制御処理などの各種の制御処理を実行する。以上の各制御処理により、エンジン３では、混合気の空燃比が、通常のリーン運転時にはリーン運転用の目標空燃比（理論空燃比よりもリーン側の値）になるように制御され、リッチスパイク制御時には、ＮＯｘ触媒１７に捕捉されたＮＯｘを還元するために、リッチスパイク用の目標空燃比（理論空燃比よりもリッチ側の値）になるように制御される。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、還元制御手段、還元剤消費量算出手段、積算還元剤量算出手段、還元制御終了手段、空燃比検出手段、酸素貯蔵量算出手段、劣化度合算出手段および補正手段に相当する。

次に、図３を参照しながら、ＥＣＵ２により実行されるリッチスパイク判定処理について説明する。この処理は、以下に述べるように、リッチスパイク制御の実行条件が成立しているか否かを判定するものであり、タイマ設定により所定の制御周期（例えば１０ｍｓｅｃ）で実行される。なお、以下の各制御処理において算出または設定される各種の値は、ＥＣＵ２のＲＡＭ内に記憶されるものとする。

この処理では、まず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）で、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」であるか否かを判別する。このリッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨは、後述するように、リッチスパイク制御の実行条件が成立しているときに「１」に設定されるものである。

ステップ１の判別結果がＮＯのとき、すなわちリーン運転中であるときには、ステップ２に進み、ＮＯｘ排出量ＱＮＯｘを算出する。具体的には、要求トルクＰＭＣＭＤを、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じて、図示しないマップを検索することにより算出した後、要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、ＮＯｘ排出量ＱＮＯｘを算出する。このＮＯｘ排出量ＱＮＯｘは、燃焼室３ｃから排気管５に排出される排ガス中のＮＯｘ量に相当する。

次いで、ステップ３で、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘを、その前回値Ｓ＿ＱＮＯｘＺとＮＯｘ排出量ＱＮＯｘの和に設定する。このＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘは、ＮＯｘ触媒１７に捕捉されているＮＯｘ量に相当する。

ステップ３に続くステップ４で、判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦ（所定値）を算出する。この判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦは、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘ、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣおよび排ガスの空間速度ＳＶを用いて、マップ検索などの所定の演算手法により算出される。なお、排ガスの空間速度ＳＶは、エンジン回転数ＮＥおよび吸入空気量ＱＡを用いて、所定の演算手法により算出される。

次いで、ステップ５に進み、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘが判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦ以上であるか否かを判別する。この判別結果がＮＯのときには、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘが少なく、リッチスパイク制御の実行条件が成立していないと判定して、そのまま本処理を終了する。

一方、ステップ５の判別結果がＹＥＳのときには、リッチスパイク制御の実行条件が成立していると判定して、それを表すために、ステップ６に進み、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨを「１」に設定した後、後述するステップ７に進む。

このように、ステップ６でリッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」に設定されると、次回以降、前述したステップ１の判別結果がＹＥＳとなり、その場合には、ステップ７に進む。ステップ１または６に続くステップ７で、後述するように、積算還元剤量Ｓ＿ＱＤＡＬの算出処理を実行する。この積算還元剤量Ｓ＿ＱＤＡＬは、ＮＯｘ触媒１７に実際に供給されたと推定される総還元剤量に相当するものである。

次いで、ステップ８で、積算還元剤量Ｓ＿ＱＤＡＬが所定の判定値Ｓ＿ＱＤＡＲＥＦより大きいか否かを判別する。この判別結果がＮＯのときには、そのまま本処理を終了する。一方、ステップ８の判別結果がＹＥＳのときには、排ガス中の還元剤（ＨＣ，ＣＯ）によりＮＯｘ触媒１７に捕捉されたＮＯｘが十分に還元されたことで、リッチスパイク制御を終了し、リーン運転に切り換えるべきであると判定して、それを表すために、ステップ９に進み、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨを「０」に設定する。

次いで、ステップ１０で、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘを値０に設定した後、ステップ１１で、積算還元剤量Ｓ＿ＱＤＡＬを値０に設定する。その後、本処理を終了する。

以下、図４を参照しながら、前述したステップ７の積算還元剤量Ｓ＿ＱＤＡＬの算出処理について説明する。同図に示すように、この処理では、まず、ステップ２０で、リッチスパイクフラグの前回値Ｆ＿ＲＩＣＨＺが「１」であるか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳのときには、後述するステップ２２に進む。

一方、ステップ２０の判別結果がＮＯで、今回がリッチスパイク制御の実行条件が成立した最初の制御タイミングであるときには、ステップ２１に進み、三元触媒温度ＴＴＷＣに応じて、図５に示すマップを検索することにより、酸素貯蔵量の基本値ＱＯ２ＳＴ＿ＭＡＰを算出する。この酸素貯蔵量の基本値ＱＯ２ＳＴ＿ＭＡＰは、三元触媒１６が劣化していない状態において、リッチスパイク制御の開始時に三元触媒１６に貯蔵されていると推定される酸素量を表すものである。

このマップにおいて、ＴＴＷＣ１，２はＴＴＷＣ１＜ＴＴＷＣ２の関係が成立する三元触媒温度ＴＴＷＣの所定値を表している。このマップでは、基本値ＱＯ２ＳＴ＿ＭＡＰは、三元触媒温度ＴＴＷＣが高いほど、より大きい値に設定されている。これは、三元触媒温度ＴＴＷＣが高いほど、三元触媒１６の活性化の度合がより高いことで、酸素貯蔵能力が高いと推定されることによる。また、ＴＴＷＣ≦ＴＴＷＣ１の低温領域と、ＴＴＷＣ２≦ＴＴＷＣの高温領域では、三元触媒温度ＴＴＷＣが変化しても、三元触媒１６の酸素貯蔵能力がほとんど変化しない状態となる。

ステップ２０または２１に続くステップ２２で、第１実空燃比ＡＦ１＿ＡＣＴが所定の判定値ＡＦＲＥＦより大きいか否かを判別する。この所定の判定値ＡＦＲＥＦ（所定値）は、ＡＦ１＿ＡＣＴ＞ＡＦＲＥＦが成立する場合、排ガス中の還元剤が排ガス中の残存酸素によってほぼすべて消費されるとともに、ＡＦ１＿ＡＣＴ≦ＡＦＲＥＦが成立する場合、三元触媒１６に酸素が貯蔵されているときには、その貯蔵酸素が排ガス中の還元剤と酸化反応するような値（例えば値１４．７）に設定されている。

このステップ２２の判別結果がＹＥＳのときには、排ガス中の還元剤が排ガス中の残存酸素によってほぼすべて消費されていると判定して、ステップ２３に進み、後述する還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣおよび積算酸素消費量Ｓ＿ＱＯ２ＣＯをいずれも値０に設定する。次に、ステップ２４で、積算還元剤量Ｓ＿ＱＤＡＬを値０に設定した後、本処理を終了する。なお、以上のステップ２３，２４では、３つの値ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣ，Ｓ＿ＱＯ２ＣＯ，Ｓ＿ＱＤＡＬをいずれも値０に設定したが、ＡＦ１＿ＡＣＴ＞ＡＦＲＥＦの場合でも、排ガス中の還元剤は三元触媒１６で極少量、消費されることがあるので、所定の演算手法（例えばテーブル検索）により、これらの３つの値ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣ，Ｓ＿ＱＯ２ＣＯ，Ｓ＿ＱＤＡＬが極小値になるように算出してもよい。

一方、ステップ２２の判別結果がＮＯのときには、酸素が三元触媒１６に貯蔵されていれば、それが排ガス中の還元剤との酸化反応によって消費されるような状態にあると判定して、ステップ２５に進み、下式（１）により、還元剤量ＱＤＡを算出する。この還元剤量ＱＤＡは、燃焼室３ｃから排気管５に供給される還元剤量に相当する。

次いで、ステップ２６に進み、供給還元剤量ＱＤＡ＿ＬＮＣを算出する。この供給還元剤量ＱＤＡ＿ＬＮＣは、還元剤量ＱＤＡのうちの、ＮＯｘ触媒１７に実際に供給される還元剤量の推定値であり、具体的には、図６に示すように算出される。

同図に示すように、まず、ステップ４０で、図７に示すマップを検索することにより、定常還元剤消費率の基本値ＲＣＯ＿ＲＩＣＨ＿ＭＡＰを算出する。この定常還元剤消費率の基本値ＲＣＯ＿ＲＩＣＨ＿ＭＡＰは、後述するリッチ時の定常還元剤消費率ＲＣＯ＿ＲＩＣＨの算出に用いられるものであり、リッチスパイク制御中、劣化していない三元触媒１６がリーン運転中に貯蔵した酸素をすべて放出した状態において、還元剤が排ガス中の残存酸素により三元触媒１６で酸化されることによって減少する割合、すなわち還元剤が消費される割合を表している。

同図７において、ＳＶ１〜３は、ＳＶ１＜ＳＶ２＜ＳＶ３が成立するような排ガスの空間速度ＳＶの所定値を表している。このマップでは、基本値ＲＣＯ＿ＲＩＣＨ＿ＭＡＰは、三元触媒温度ＴＴＷＣが高いほど、より大きい値に設定されている。これは、前述したように、三元触媒温度ＴＴＷＣが高いほど、三元触媒１６の活性化の度合がより高いことで、三元触媒１６で酸化される還元剤量の割合が高くなることによる。さらに、基本値ＲＣＯ＿ＲＩＣＨ＿ＭＡＰは、排ガスの空間速度ＳＶが小さいほど、より大きい値に設定されている。これは、排ガスの空間速度ＳＶが小さいほど、還元剤が三元触媒１６に接触する確率が高くなることで、三元触媒１６で酸化される還元剤量の割合が高くなることによる。

次いで、ステップ４１に進み、算出済みフラグＦ＿ＤＯＮＥが「１」であるか否かを判別する。この算出済みフラグＦ＿ＤＯＮＥは、エンジン３の今回の運転サイクルにおいて、後述する三元触媒１６の劣化推定処理で２つの劣化補正係数ＫＡ，ＫＢを算出済みであるか否かを表すものであり、算出済みであるときには「１」に、それ以外のときには「０」にそれぞれ設定される。

ステップ４１の判別結果がＹＥＳのときには、後述するステップ４３に進み、一方、ステップ４１の判別結果がＮＯのときには、ステップ４２に進み、２つの劣化補正係数ＫＡ，ＫＢをいずれも値１に設定する。

ステップ４１または４２に続くステップ４３で、リッチ時の定常還元剤消費率ＲＣＯ＿ＲＩＣＨを、劣化補正係数ＫＡと前述した基本値ＲＣＯ＿ＲＩＣＨ＿ＭＡＰとの積ＫＡ・ＲＣＯ＿ＲＩＣＨ＿ＭＡＰに設定する。この劣化補正係数ＫＡは、後述するように、三元触媒１６の劣化度合ＤＥＧＲＡが大きいほど、より小さい値になるように算出されるので、三元触媒１６が劣化している場合、リッチ時の定常還元剤消費率ＲＣＯ＿ＲＩＣＨは、劣化補正係数ＫＡにより、三元触媒１６の劣化度合ＤＥＧＲＡが大きいほど、より小さくなるように補正される。

次いで、ステップ４４に進み、下式（２）により、還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣを算出する。この還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣは、今回の制御タイミングにおいて三元触媒１６で消費される還元剤量の推定値である。下式（２）のＲＣＯＺは、後述する式（３）により算出される還元剤消費率ＲＣＯの前回値であり、その初期値は、後述する所定値ＲＣＯ＿ＲＥＦに設定される。

ステップ４４に続くステップ４５で、還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣに応じて、図８に示すテーブルを検索することにより、酸素消費量ＱＯ２ＣＯを算出する。この酸素消費量ＱＯ２ＣＯは、今回の制御タイミングで、三元触媒１６で貯蔵されている酸素が還元剤との酸化反応により消費される量（すなわち減少量）を表すものである。

このテーブルでは、酸素消費量ＱＯ２ＣＯは、三元触媒温度ＴＴＷＣが高いほど、より大きい値に設定されている。これは、前述したように、三元触媒温度ＴＴＷＣが高いほど、その活性化度合がより高いことで、三元触媒１６において、還元剤との酸化反応により消費される貯蔵酸素量がより増大することによる。

次に、ステップ４６で、積算酸素消費量Ｓ＿ＱＯ２ＣＯを、その前回値Ｓ＿ＱＯ２ＣＯＺに酸素消費量ＱＯ２ＣＯを加算した値Ｓ＿ＱＯ２ＣＯＺ＋ＱＯ２ＣＯに設定する。その後、ステップ４７で、酸素貯蔵量ＱＯ２ＳＴを、劣化補正係数ＫＢと前述した基本値ＱＯ２ＳＴ＿ＭＡＰとの積ＫＢ・ＱＯ２ＳＴ＿ＭＡＰに設定する。この劣化補正係数ＫＢは、後述するように、三元触媒１６の劣化度合ＤＥＧＲＡが大きいほど、より小さい値になるように算出されるので、三元触媒１６が劣化している場合、酸素貯蔵量ＱＯ２ＳＴは、劣化補正係数ＫＢにより、三元触媒１６の劣化度合ＤＥＧＲＡが大きいほど、より小さくなるように補正される。

ステップ４７に続くステップ４８で、酸素貯蔵量ＱＯ２ＳＴと積算酸素消費量Ｓ＿ＱＯ２ＣＯとの偏差ＱＯ２ＳＴ−Ｓ＿ＱＯ２ＣＯが値０より大きいか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳのときには、酸素が三元触媒１６にまだ貯蔵されていると判定して、ステップ４９に進み、下式（３）により、還元剤消費率ＲＣＯを算出する。この還元剤消費率ＲＣＯは、排ガス中の残留酸素によって消費される還元剤の割合の推定値を示している。

上式（３）において、ＲＣＯ＿ＲＥＦは、リーン運転時、排ガス中の残留酸素によって消費されると推定される還元剤消費率の所定値（例えば１００％）であり、αは所定の調整係数である。前述したように、劣化補正係数ＫＡは、三元触媒１６の劣化度合ＤＥＧＲＡが大きいほど、より小さい値になるように算出されるので、三元触媒１６が劣化している場合、還元剤消費率ＲＣＯは、劣化補正係数ＫＡにより、三元触媒１６の劣化度合ＤＥＧＲＡが大きいほど、より小さくなるように補正される。

一方、ステップ４８の判別結果がＮＯのときには、酸素が三元触媒１６に貯蔵されていないと判定して、ステップ５０に進み、還元剤消費率ＲＣＯを前述したリッチ時の定常還元剤消費率ＲＣＯ＿ＲＩＣＨに設定する。

ステップ４９または５０に続くステップ５１で、下式（４）により、供給還元剤量ＱＤＡ＿ＬＮＣを算出する。その後、本処理を終了する。

図４に戻り、ステップ２６で以上のように供給還元剤量ＱＤＡ＿ＬＮＣを算出した後、ステップ２７に進み、積算還元剤量Ｓ＿ＱＤＡＬを、その前回値と供給還元剤量の和Ｓ＿ＱＤＡＬＺ＋ＱＤＡ＿ＬＮＣに設定する。その後、本処理を終了する。

次に、図９を参照しながら、三元触媒１６の劣化推定処理について説明する。この処理は、以下に述べるように、三元触媒１６の劣化度合ＤＥＧＲＡを算出するとともに、それに応じて前述した２つの劣化補正係数ＫＡ，ＫＢを算出するものであり、タイマ設定により所定の制御周期（例えば１０ｍｓｅｃ）で実行される。

この処理では、まず、ステップ６０で、算出済みフラグＦ＿ＤＯＮＥが「１」であるか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳで、２つの劣化補正係数ＫＡ，ＫＢを算出済みであるときには、そのまま本処理を終了する。

一方、ステップ６０の判別結果がＮＯで、２つの劣化補正係数ＫＡ，ＫＢが算出されていないときには、ステップ６１に進み、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」であるか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳで、リッチスパイク制御中であるときには、ステップ６２に進み、リッチスパイク用のデューティ比ＤＵＴＹ＿ＲＩＣＨに応じて、図示しないテーブルを検索することにより、ＥＧＲ率ＲＥＧＲを算出する。このリッチスパイク用のデューティ比ＤＵＴＹ＿ＲＩＣＨは、リッチスパイク制御中にＥＧＲ制御弁１４ｂに供給される駆動信号のデューティ比を表すものであり、後述する空燃比制御処理において算出される。

次いで、ステップ６３に進み、下式（５）の一次遅れフィルタ演算式により、ＥＧＲ率のフィルタ値ＲＥＧＲ＿Ｆを算出する。

上式（５）において、ＲＥＧＲ＿ＦＺはフィルタ値ＲＥＧＲ＿Ｆの前回値であり、βは０＜β＜１が成立するように設定される所定のフィルタ係数である。このように、ＥＧＲ率のフィルタ値ＲＥＧＲ＿Ｆを用いるのは、還流ガスがＥＧＲ管１４ａを介して燃焼室３ｃに到達するまでのむだ時間と、燃焼室３ｃから排気管５のＮＯｘ触媒１７に到達するまでのむだ時間とを反映させるためである。

ステップ６３に続くステップ６４で、下式（６）により、ＥＧＲ量ＱＥＧＲを算出する。

次いで、ステップ６５に進み、下式（７）の一次遅れフィルタ演算式により、吸入空気量のフィルタ値ＱＡ＿Ｆを算出する。

上式（７）において、ＱＡ＿ＦＺはフィルタ値ＱＡ＿Ｆの前回値であり、γは０＜γ＜１が成立するように設定される所定のフィルタ係数である。このように、吸入空気量のフィルタ値ＱＡ＿Ｆを用いるのは、吸気が吸気管４のエアフローセンサ３１の部位から燃焼室３ｃに到達するまでのむだ時間と、燃焼室３ｃから排気管５のＮＯｘ触媒１７に到達するまでのむだ時間とを反映させるためである。

次いで、ステップ６６に進み、総ガス量ＱＧＡＳを、ＥＧＲ量と吸入空気量のフィルタ値の和ＱＥＧＲ＋ＱＡ＿Ｆに設定する。この総ガス量ＱＧＡＳは、ＮＯｘ触媒１７に実際に供給される排ガス量の推定値に相当する。

ステップ６６に続くステップ６７で、第２推定空燃比ＡＦ２＿ＥＳＴを、総ガス量ＱＧＡＳを供給還元剤量ＱＤＡ＿ＬＮＣで除算した値（ＱＧＡＳ／ＱＤＡ＿ＬＮＣ）に設定する。その後、ステップ６８で、第２空燃比偏差ＤＡＦ２を、第２推定空燃比と第２実空燃比との偏差ＡＦ２＿ＥＳＴ−ＡＦ２＿ＡＣＴに設定する。

次いで、ステップ６９で、第２空燃比偏差の積分値Ｓ＿ＤＡＦ２を、その前回値と第２空燃比偏差の和Ｓ＿ＤＡＦ２Ｚ＋ＤＡＦ２に設定した後、本処理を終了する。以上のステップ６２〜６９の処理は、図１０にハッチングで示す領域の面積を算出することに相当する。

一方、ステップ６１の判別結果がＮＯのときには、ステップ７０に進み、リッチスパイクフラグの前回値Ｆ＿ＲＩＣＨＺが「１」であるか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳで、今回がリッチスパイク制御終了後の最初の制御タイミングであるときには、ステップ７１に進み、第２空燃比偏差の積分値Ｓ＿ＤＡＦ２に応じて、図１１に示すテーブルを検索することにより、三元触媒１６の劣化度合ＤＥＧＲＡを算出する。

同図に示すように、この劣化度合ＤＥＧＲＡは、第２空燃比偏差の積分値Ｓ＿ＤＡＦ２が大きいほど、より大きい値に設定されている。これは、三元触媒１６の劣化度合が大きいほど、すなわち酸素貯蔵能力がより低いほど、第２実空燃比ＡＦ２＿ＡＣＴが第２推定空燃比ＡＦ２＿ＥＳＴよりも小さい値（すなわちリッチ側の値）に変化するタイミングが早まることによる。

次に、ステップ７２に進み、劣化度合ＤＥＧＲＡに応じて、図１２に示すテーブルを検索することにより、前述した基本値ＲＣＯ＿ＲＩＣＨ＿ＭＡＰを補正するための劣化補正係数ＫＡを算出する。

このテーブルでは、劣化補正係数ＫＡは、劣化度合ＤＥＧＲＡが大きいほど、より小さい値に設定されている。これは、三元触媒１６の劣化状態が進行するほど、排ガス中の残留酸素との酸化反応による還元剤の消費量が減少することで、リッチ時の定常還元剤消費率ＲＣＯ＿ＲＩＣＨがより小さい値になるためである。

次いで、ステップ７３に進み、劣化度合ＤＥＧＲＡに応じて、図１３に示すテーブルを検索することにより、前述した基本値ＱＯ２ＳＴ＿ＭＡＰを補正するための劣化補正係数ＫＢを算出する。

このテーブルでは、劣化補正係数ＫＢは、前述した劣化補正係数ＫＡと同様に、劣化度合ＤＥＧＲＡが大きいほど、より小さい値に設定されている。これは、三元触媒１６の劣化状態が進行するほど、三元触媒１６の酸素貯蔵能力がより低下し、酸素貯蔵量ＱＯ２ＳＴがより小さい値になるためである。

ステップ７３に続くステップ７４で、２つの劣化補正係数ＫＡ，ＫＢを算出済みであることを表すために、算出済みフラグＦ＿ＤＯＮＥを「１」に設定した後、本処理を終了する。このように、算出済みフラグＦ＿ＤＯＮＥが「１」に設定されると、次回以降の制御タイミングで、前述したステップ６０の判別結果がＹＥＳとなり、その場合には、以上のステップ６１〜７４を実行することなく、そのまま本処理を終了する。

この算出済みフラグＦ＿ＤＯＮＥは、図示しない初期化処理において、エンジン３の始動時に「０」にリセットされるようになっており、そのため、以上の図９の劣化推定処理、すなわち２つの劣化補正係数ＫＡ，ＫＢの算出処理は、１運転サイクル（エンジン始動から停止までの１サイクル）中に１回のみ実行される。

次に、図１４を参照しながら、ＥＣＵ２により実行される空燃比制御処理について説明する。この処理は、以下に述べるように、各種の制御処理を実行することにより、燃焼室３ｃ内に供給する混合気の空燃比を制御するものであり、所定の制御周期（例えばＴＤＣ信号の発生タイミング）で実行される。

この処理では、まず、ステップ８０で、前述したリッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」であるか否かを判別する。この判別結果がＮＯで、リッチスパイク制御の実行条件が成立していないときには、以下に述べるように、リーン運転用の空燃比制御処理を実行する。

まず、ステップ８１で、リーン運転用のＥＧＲ制御処理を実行する。具体的には、要求トルクＰＭＣＭＤを、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じて、図示しないマップを検索することにより算出し、次いで、要求トルクＰＭＣＭＤとエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、リーン運転用のデューティ比ＤＵＴＹ＿ＬＥＡＮを算出する。そして、リーン運転用のデューティ比ＤＵＴＹ＿ＬＥＡＮに設定した駆動信号をＥＧＲ制御弁１４ｂに供給することにより、ＥＧＲ量を制御する。

次いで、ステップ８２に進み、リーン運転用のスロットル弁制御処理を実行する。具体的には、目標スロットル弁開度ＴＨ＿ＣＭＤを所定の全開値ＴＨ＿ＷＯＴに設定し、目標スロットル弁開度ＴＨ＿ＣＭＤに対応する駆動信号をアクチュエータ１２ａに供給することにより、スロットル弁１２を全開状態になるように制御する。

次に、ステップ８３で、リーン運転用の過給圧制御処理を実行する。具体的には、要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、可変ベーン８ｃのリーン運転用の目標開度を算出し、このリーン運転用の目標開度に対応する駆動信号をベーン開度制御弁１０に供給することにより、過給圧を制御する。

ステップ８３に続くステップ８４では、リーン運転用のスワール制御処理を実行する。具体的には、要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、スワール弁１３ａのリーン運転用の目標スワール開度を算出し、このリーン運転用の目標スワール開度に対応する駆動信号をスワール制御弁１３ｃに供給することにより、スワールを制御する。

次いで、ステップ８５に進み、リーン運転用の燃料噴射制御処理を実行する。具体的には、要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、基本燃料噴射量を算出し、これを各種の運転状態パラメータに応じて補正することにより、リーン運転用の燃料噴射量を算出する。次に、このリーン運転用の燃料噴射量およびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、リーン運転用の燃料噴射開始タイミングを算出する。そして、以上のように算出されたリーン運転用の燃料噴射量およびリーン運転用の燃料噴射開始タイミングに基づいて、燃料噴射弁６の開弁タイミングおよび閉弁タイミングを制御する。その後、本処理を終了する。

以上のステップ８１〜８５でのリーン運転用の空燃比制御処理により、空燃比がリーン運転用の目標空燃比になるように制御される。

一方、ステップ８０の判別結果がＹＥＳで、リッチスパイク制御の実行条件が成立しているときには、以下に述べるように、リッチスパイク制御処理すなわちリッチスパイク用の空燃比制御処理を実行する。

まず、ステップ８６で、リッチスパイク用のＥＧＲ制御処理を実行する。具体的には、まず、要求トルクＰＭＣＭＤを、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じて、図示しないマップを検索することにより算出し、次いで、要求トルクＰＭＣＭＤとエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、リッチスパイク用の目標吸入空気量ＱＡＲＩＣＨを算出する。そして、吸入空気量ＱＡがこのリッチスパイク用の目標吸入空気量ＱＡＲＩＣＨに収束するように、所定のフィードバック制御アルゴリズムにより、リッチスパイク用のデューティ比ＤＵＴＹ＿ＲＩＣＨを算出する。そして、このリッチスパイク用のデューティ比ＤＵＴＹ＿ＲＩＣＨに設定した駆動信号をＥＧＲ制御弁１４ｂに供給することにより、ＥＧＲ量を制御する。

次いで、ステップ８７に進み、リッチスパイク用のスロットル弁制御処理を実行する。具体的には、要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、リッチスパイク用の目標スロットル弁開度ＴＨ＿ＣＭＤを算出する。そして、目標スロットル弁開度ＴＨ＿ＣＭＤに対応する駆動信号をアクチュエータ１２ａに供給することにより、スロットル弁開度ＴＨを目標スロットル弁開度ＴＨ＿ＣＭＤになるように制御する。

次に、ステップ８８で、リッチスパイク用の過給圧制御処理を実行する。具体的には、要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、可変ベーン８ｃのリッチスパイク用の目標開度を算出し、このリッチスパイク用の目標開度に対応する駆動信号をベーン開度制御弁１０に供給することにより、過給圧を制御する。

ステップ８８に続くステップ８９で、リッチスパイク用のスワール制御処理を実行する。具体的には、要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、スワール弁１３ａのリッチスパイク用の目標スワール開度を算出する。そして、このリッチスパイク用の目標スワール開度に対応する駆動信号をスワール制御弁１３ｃに供給することにより、スワールを制御する。

次いで、ステップ９０に進み、リッチスパイク用の燃料噴射制御処理を実行する。具体的には、要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、基本燃料噴射量を算出し、これを各種の運転状態パラメータに応じて補正することにより、リッチスパイク用の燃料噴射量を算出する。次に、このリッチスパイク用の燃料噴射量およびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、リッチスパイク用の燃料噴射開始タイミングを算出する。そして、以上のように算出されたリッチスパイク用の燃料噴射量および燃料噴射開始タイミングに基づいて、燃料噴射弁６の開弁および閉弁タイミングを制御する。その後、本処理を終了する。

以上のステップ８６〜９０でのリッチスパイク用の空燃比制御処理により、空燃比がリッチスパイク用の目標空燃比になるように制御される。

次に、図１５を参照しながら、以上の空燃比制御処理を実行したときの第１実空燃比ＡＦ１＿ＡＣＴおよび還元剤消費率ＲＣＯの変化例について説明する。まず、リッチスパイク制御の実行条件が成立し、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」に設定された時点（時刻ｔ１）以降、目標空燃比がリーン運転用の値からリッチスパイク用の値に切り換わるように、各種の制御処理が実行され、それにより、第１実空燃比ＡＦ１＿ＡＣＴが小さくなるように（すなわちリッチ側に移行するように）変化する。その際、排ガス中の還元剤が排ガス中の残留酸素によってほぼすべて消費されることで、還元剤消費率ＲＣＯは所定値ＲＣＯ＿ＲＥＦとなる。

そして、第１実空燃比ＡＦ１＿ＡＣＴが所定の判定値ＡＦＲＥＦを横切った時点（時刻ｔ２）以降、三元触媒１６の貯蔵酸素によって、還元剤が消費されることで、還元剤消費率ＲＣＯが低下する。その後、三元触媒１６における貯蔵酸素がすべて消費された時点（時刻ｔ３）以降、還元剤が排ガス中の残留酸素のみによって消費されることで、還元剤消費率ＲＣＯはリッチ時の定常還元剤消費率ＲＣＯ＿ＲＩＣＨとなる。

以上のように、本実施形態の排ガス浄化装置１によれば、ＮＯｘ触媒１７にＮＯｘの還元動作を行わせるために、ＮＯｘ触媒１７に流入する排ガスを還元雰囲気に制御する還元制御として、リッチスパイク制御が実行される。そのリッチスパイク制御中、三元触媒１６によって消費される排ガス中の還元剤の量が還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣとして算出され、この還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣに応じて、ＮＯｘ触媒１７に供給された還元剤の総量が積算還元剤量Ｓ＿ＱＤＡＬとして算出される。したがって、この積算還元剤量Ｓ＿ＱＤＡＬを、従来と異なり、三元触媒１６によって消費される排ガス中の還元剤の量を反映させながら、ＮＯｘ触媒１７に実際に供給された還元剤の総量として算出できる。また、そのように算出された積算還元剤量Ｓ＿ＱＤＡＬが所定値Ｓ＿ＱＤＡＲＥＦを上回ったときに、リッチスパイク制御が終了されるので、ＮＯｘ触媒１７に実際に供給された還元剤の総量である積算還元剤量Ｓ＿ＱＤＡＬに基づいて、還元剤をＮＯｘ触媒１７に過不足なく供給することができ、それにより、排ガス特性および燃費を良好なレベルに確保することができる。

また、還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣが、ＡＦ１＿ＡＣＴ＞ＡＦＲＥＦのときには値０に設定され、ＡＦ１＿ＡＣＴ≦ＡＦＲＥＦのときには第１実空燃比ＡＦ１＿ＡＣＴに応じて式（１），（２）により算出されるので、リッチスパイク制御中の排ガスの空燃比の変化を反映させながら、還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣを算出できる。これに加えて、第１実空燃比ＡＦ１＿ＡＣＴと所定値ＡＦＲＥＦとの比較結果に応じて（ステップ２２の判別結果に応じて）、還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣの算出手法が切り換えられるので、還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣを、三元触媒１６の貯蔵酸素との酸化反応によって実際に消費される還元剤の総量を適切に表すものとして算出することができる。

さらに、ＡＦ１＿ＡＣＴ≦ＡＦＲＥＦの場合、還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣの算出に用いる還元剤消費率ＲＣＯが式（３）により算出されるので、還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣは、三元触媒１６の酸素貯蔵量ＱＯ２ＳＴが大きいほど、より大きい値に算出される。したがって、還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣを、三元触媒１６の酸素貯蔵量ＱＯ２ＳＴに基づいて、貯蔵酸素との酸化反応によって実際に消費される還元剤の総量を適切に表すものとして算出できる。

これに加えて、排ガス浄化装置１のように三元触媒１６を備えている場合、三元触媒１６の劣化度合に応じて、三元触媒１６での酸化反応による還元剤の消費量が変化する。これに対して、この排ガス浄化装置１では、三元触媒１６の劣化度合ＤＥＧＲＡに応じて、２つの劣化補正係数ＫＡ，ＫＢを算出し、これらの劣化補正係数ＫＡ，ＫＢで基本値ＲＣＯ＿ＲＩＣＨ＿ＭＡＰ，ＱＯ２ＳＴ＿ＭＡＰをそれぞれ補正することにより、リッチ時の定常還元剤消費率ＲＣＯ＿ＲＩＣＨ、酸素貯蔵量ＱＯ２ＳＴおよび還元剤消費率ＲＣＯをそれぞれ算出し、これらの値を用いて、還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣが算出される。したがって、三元触媒１６の劣化度合ＤＥＧＲＡを反映させながら、還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣを算出することができる。

この場合、リッチ時の定常還元剤消費率ＲＣＯ＿ＲＩＣＨ、酸素貯蔵量ＱＯ２ＳＴおよび還元剤消費率ＲＣＯはいずれも、三元触媒１６の劣化度合ＤＥＧＲＡが大きいほど、より小さい値になるように算出され、それにより、三元触媒１６の劣化状態が進行するほど、還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣがより小さい値になるように算出される。

以上のように、還元剤消費量ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣを精度よく算出できることにより、積算還元剤量Ｓ＿ＱＤＡＬを精度よく算出することができる。その結果、還元剤のＮＯｘ触媒１７への供給精度を向上させることができ、排ガス特性および燃費を向上させることができる。

なお、実施形態は、還元制御としてリッチスパイク制御を実行した例であるが、本願発明の還元制御はこれに限らず、ＮＯｘ触媒に流入する排ガスを還元雰囲気に制御できるものであればよい。例えば、還元制御として、排気管５に還元剤供給用の燃料噴射弁を設け、この燃料噴射弁から燃料を排気管５内に直接噴射することにより、ＮＯｘ触媒に流入する排ガスを還元雰囲気に制御するように構成してもよい。

また、実施形態は、本願発明の排ガス浄化装置を内燃機関としてのディーゼルエンジンに適用した例であるが、本願発明の排ガス浄化装置は、実施形態のディーゼルエンジンに限らず、各種の内燃機関に適用可能である。例えば、本願発明の排ガス浄化装置をガソリンエンジンに適用してもよい。これに加えて、本願発明の排ガス浄化装置は、実施形態の車両に搭載されたディーゼルエンジンに限らず、船舶用などの各種の内燃機関に適用可能である。

さらに、実施形態は、上流側触媒として三元触媒１６を用いた例であるが、本願発明の上流側触媒はこれに限らず、酸化機能を有するものであればよい。

本願発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。 排ガス浄化装置の概略構成を示すブロック図である。 リッチスパイク判定処理を示すフローチャートである。 積算還元剤量Ｓ＿ＱＤＡＬの算出処理を示すフローチャートである。 基本値ＱＯ２ＳＴ＿ＭＡＰの算出に用いるテーブルの一例を示す図である。 供給還元剤量ＱＤＡ＿ＬＮＣの算出処理を示すフローチャートである。 基本値ＲＣＯ＿ＲＩＣＨ＿ＭＡＰの算出に用いるマップの一例を示す図である。 酸素消費量ＱＯ２ＣＯの算出に用いるテーブルの一例を示す図である。 劣化推定処理を示すフローチャートである。 第２空燃比偏差の積分値Ｓ＿ＤＡＦ２を説明するためのタイミングチャートである。 劣化度合ＤＥＧＲＡの算出に用いるテーブルの一例を示す図である。 劣化補正係数ＫＡの算出に用いるテーブルの一例を示す図である。 劣化補正係数ＫＢの算出に用いるテーブルの一例を示す図である。 空燃比制御処理を示すフローチャートである。 空燃比制御処理を実行したときの第１実空燃比ＡＦ１＿ＡＣＴおよび還元剤消費率ＲＣＯの変化例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 排ガス浄化装置
２ ＥＣＵ（還元制御手段、還元剤消費量算出手段、積算還元剤量算出手段、還元制
御終了手段、空燃比検出手段、酸素貯蔵量算出手段、劣化度合算出手段、補正手
段）
３ 内燃機関
５ 排気管（排気通路）
１６ 三元触媒（上流側触媒）
１７ ＮＯｘ触媒
３３ 第１ＬＡＦセンサ（空燃比検出手段）
ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣ 還元剤消費量
Ｓ＿ＱＤＡＬ 積算還元剤量
Ｓ＿ＱＤＡＲＥＦ 判定値（所定値）
ＱＤＡＣＯ＿ＴＷＣ 還元剤消費量
ＡＦ１＿ＡＣＴ 第１実空燃比（検出空燃比）
ＡＦＲＥＦ 所定の判定値（所定値）
ＱＯ２ＳＴ 酸素貯蔵量
ＤＥＧＲＡ 劣化度合
ＫＡ 劣化補正係数
ＫＢ 劣化補正係数

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、酸化機能を有するとともに排ガスを浄化する上流側触媒と、
   当該上流側触媒よりも下流側の前記排気通路に設けられ、酸化雰囲気の排ガス中のＮＯｘを捕捉するとともに、還元剤を含む還元雰囲気の排ガスが供給されることにより、当該捕捉したＮＯｘを還元することによって浄化するＮＯｘ触媒と、
   前記ＮＯｘ触媒にＮＯｘの還元動作を行わせるために、前記還元剤を前記上流側触媒の上流側に供給することにより、前記ＮＯｘ触媒に流入する排ガスを還元雰囲気に制御する還元制御を実行する還元制御手段と、
   を備え、
   当該還元制御手段は、
   前記還元制御の実行中、前記上流側触媒によって消費される排ガス中の前記還元剤の量を還元剤消費量として算出する還元剤消費量算出手段と、
   前記還元制御の実行中、当該算出された還元剤消費量に応じて、前記ＮＯｘ触媒に供給された還元剤の総量を積算還元剤量として算出する積算還元剤量算出手段と、
   前記還元制御の実行中、前記算出された積算還元剤量が所定値を上回ったときに、前記還元制御を終了する還元制御終了手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
2. 前記排気通路の前記上流側触媒よりも上流側に設けられ、前記排気通路内の排ガスの空燃比を検出空燃比として検出する空燃比検出手段をさらに備え、
   前記還元剤消費量算出手段は、前記検出空燃比に応じて、前記還元剤消費量を算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
3. 前記還元剤消費量算出手段は、前記検出空燃比と所定値との比較結果に応じて、前記還元剤消費量の算出手法を切り換えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
4. 前記還元剤消費量算出手段は、前記上流側触媒に貯蔵されている酸素の量を酸素貯蔵量として算出する酸素貯蔵量算出手段をさらに有し、当該算出された酸素貯蔵量が大きいほど、前記還元剤消費量をより大きい値に算出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
5. 前記還元剤消費量算出手段は、前記上流側触媒の劣化度合を算出する劣化度合算出手段と、当該算出された劣化度合に応じて、前記還元剤消費量を補正する補正手段とをさらに有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関の排ガス浄化装置。

Images