JP4356249B2

JP4356249B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP4356249B2
Application number: JP2001032630A
Authority: JP
Inventors: 幸宏山下
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2001-02-08
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2021-02-08
Also published as: JP2002235585A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空燃比リーン域でのリーン燃焼を行わせる内燃機関の空燃比制御装置に係わり、リーン燃焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するためのＮＯｘ吸蔵型触媒を有する内燃機関の空燃比制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
燃費の効率化が求められる近年では、燃費の低減を目的として理論空然比よりも燃料比の低い空燃比領域で内燃機関を燃焼させるいわゆるリーンバーン制御が多様化されつつある。
【０００３】
理論空燃比よりも空燃比がリーンな領域で燃焼を行う場合にＮＯｘが多量に発生することが問題となる。リーンバーン制御においては、このＮＯｘを排出することを防止するための触媒としてＮＯｘを吸蔵・吸着する機能を持つＮＯｘ触媒が配設される。しかし、ＮＯｘ触媒はＮＯｘの吸蔵量が増加してくるとＮＯｘ浄化率が低下するためにＮＯｘ触媒に吸蔵・吸着されるＮＯｘ量が所定値を越えると、リッチ空燃比での燃焼を行いＮＯｘ触媒に吸蔵・吸着されたＮＯｘを還元・放出させている。
【０００４】
このようなリーンバーン制御の従来の技術として我々は、特開平１２―０１８０６２号公報にて、燃焼による空燃比をリーン領域とリッチ領域とで切り換えることにより、ＮＯｘ触媒に吸蔵されるＮＯｘを還元・放出している。
【０００５】
【発明が解決する課題】
ところが、この方法ではリッチ燃焼によりＮＯｘ触媒に供給される排出ガス成分が、直前に行われていたリーン燃焼の状態により変化する。より具体的には、直前に行われていたリーン燃焼のリーン度合により三元触媒に貯蔵される酸素量（以下、酸素ストレージと記す。）が変化し、ＮＯｘ触媒に吸蔵・吸着されているＮＯｘ量を浄化するためのリッチ燃焼成分がこの酸素ストレージによって吸収される。このため、ＮＯｘ触媒にリッチ燃焼成分が供給されず、速やかにＮＯｘ触媒に吸蔵・吸着されているＮＯｘを還元・放出することができず、リッチ制御時間が長くなる虞がある。
【０００６】
本発明は、上述の問題点に鑑見てなされたものであり、ストレージされている酸素を素早く消費し、速やかなリッチ制御を実施できる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決すための手段】
請求項１の発明によれば、空燃比リーン領域でのリーン燃焼を行わせると共に、リーン燃焼時に排出される排ガス中のＮＯｘをリーンＮＯｘ触媒で吸蔵し、さらに空燃比を一時的にリッチに制御するリッチ燃焼にて前記吸蔵したＮＯｘをリーンＮＯｘ触媒から放出するようにした内燃機関の排気浄化装置において、前記リーンＮＯｘ触媒の上流側に配設される酸素貯蔵能力を有する触媒と、前記酸素貯蔵能力を有する触媒の上流側に配設され、排気通路中の空燃比を検出する空燃比センサと、前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されるＮＯｘ量に基づいて前記リッチ燃焼と前記リーン燃焼とを切り換えるものにおいて、前記リッチ燃焼と前記リーン燃焼との切り換える際の単位時間当たりの空燃比変化量を変更する空燃比変化量設定手段とを備える。
【０００９】
また、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記酸素貯蔵能力を有する触媒、および／または前記ＮＯｘ触媒に貯蔵される酸素量を推定する酸素量推定手段を備え、前記空燃比変化量設定手段は、前記酸素量推定手段により推定される酸素量に基づいて単位時間当たりの空燃比変化量を変更する。
【００１０】
これにより、リーン燃焼時に前記酸素貯蔵能力を有する触媒に貯蔵された酸素量を推定することができるので、空燃比センサによって検出される空燃比が前記触媒の酸素を消費するための空燃比であることが検出されてから消費されるまでの空燃比変化量を大きく設定することができる。すなわち、前記触媒に貯蔵されている酸素を素早く消費することができるので、ＮＯｘ触媒に貯蔵されているＮＯｘを素早く消費することができる。よって、リッチ制御時間を短くすることができる。
【００１１】
また、ＮＯｘ触媒の構造が、例えば、三元触媒に用いられる金属（Ｐｔ／Ｒｈ／Ｐｄ＋ＣｅＯ２）にＮＯｘを吸着するための金属としてＮａ，もしくはＢａが胆持されている場合には、このＮＯｘ触媒にも酸素を吸蔵する能力があるので、ＮＯｘ触媒に吸蔵される酸素量も推定して、上記のような空燃比変化量の変更制御を行っても良い。
【００１２】
請求項２の発明によれば、内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒の上流側に配設され、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサを備え、前記切換手段は、前記空燃比センサと前記酸素濃度センサにより前記触媒、および／または、前記ＮＯｘ触媒に貯蔵されている酸素の状態を検出すると共に、該推定された酸素量に基づいて単位時間当たりの空燃比変化量を変更する。
【００１３】
これにより、三元触媒下流に配設される酸素濃度センサが、酸素貯蔵能力を有する触媒に貯蔵されている酸素の状態を精度良く検出することができる。請求項１の発明では、例えば、リーン燃焼時のリーン度合などにより貯蔵される酸素量を推定していたが、本発明によれば、貯蔵されている酸素が消費されはじめたことを検出することができるのと共に、貯蔵されている酸素が消費されたことを検出することができる。このときに単位時間当たりの空燃比変化量を変更してやることで、貯蔵されている酸素を速やかに消費することができる。
【００１４】
例えば、前記触媒に貯蔵されている酸素が消費されはじめたことは、前記酸素濃度センサにより検出される空燃比が理論空燃比付近に保持されることを検出すれば良い。これは、リッチ燃焼により前記触媒にＨＣ，ＣＯなどの成分が前記触媒に提供されても、前記触媒に貯蔵される酸素と反応することにより前記触媒後の空燃比が理論空燃比近傍に保持されることに基づいている。また、貯蔵されている酸素が消費されてしまうと、リッチ燃焼のＨＣ，ＣＯなどの成分が前記触媒後に排出されるため、酸素濃度センサにより検出される空燃比がリッチになる。これを検出してやることで、貯蔵されている酸素が消費されたことを検出することができる。
【００１５】
【実施の形態】
＜第１の実施の形態＞
以下、この発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態における空燃比制御システムでは、内燃機関に供給する混合気の目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定し、その目標空燃比に基づいてリーン燃焼を行わせる、いわゆるリーンバーン制御を実施する。同システムの主たる構成として、内燃機関の排気系通路の途中には三元触媒とＮＯｘ吸蔵還元型触媒（以下、ＮＯｘ触媒という）とが設けられ、三元触媒上流には限界電流式の空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）が配設される。そして、マイクロコンピュータを主体とする電子制御装置（以下、ＥＣＵという）は、Ａ／Ｆセンサによる検出結果を取り込み、その検出結果に基づいて空燃比をフィードバック制御する。以下に、図面を用いてその詳細な構成を説明する。
【００１６】
図１は、本実施の形態における空燃比制御システムの概略構成図である。図１に示されるように、内燃機関は４気筒４サイクルの火花点火式エンジン（以下、エンジン１という）として構成されている。その吸入空気は上流よりエアクリーナ２、吸気管３、スロットル弁４、サージタンク５及びインテークマニホールド６を通過して、インテークマニホールド６内で各気筒毎の燃料噴射弁７から噴射された燃料と混合される。そして、所定空燃比の混合気として各気筒に供給される。
【００１７】
エンジン１の各気筒に設けられた点火プラグ８には、点火回路９から供給される高電圧がディストリビュータ１０を介して分配供給され、点火プラグ８は前記各気筒の混合気を所定タイミングで点火する。燃焼後に各気筒から排出される排ガスは、エキゾーストマニホールド１１及び排気管１２を経て、排ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの三成分を浄化するための三元触媒１３と、排ガス中のＮＯｘを浄化するためのＮＯｘ触媒１４とを通過した後、大気に排出される。
【００１８】
ここで、ＮＯｘ触媒１４は、主にリーン空燃比での燃焼時においてＮＯｘを吸蔵し、リッチ空燃比での燃焼時において前記吸蔵したＮＯｘをリッチ成分（ＣＯ，ＨＣなど）で還元し放出する。また、三元触媒１３は、ＮＯｘ触媒１４に比べてその容量が小さく、エンジン１の低温始動後において早期に活性化されて有害ガスを浄化する、いわゆるスタートキャタリストとしての役割を持つ。
【００１９】
前記吸気管３には吸気温センサ２１及び吸気圧センサ２２が設けられ、吸気温センサ２１は吸入空気の温度（吸気温Ｔａｍ）を、吸気圧センサ２２はスロットル弁４の下流側の吸気管内負圧（吸気圧ＰＭ）をそれぞれ検出する。前記スロットル弁４には同弁４の開度（スロットル開度ＴＨ）を検出するためのスロットルセンサ２３が設けられ、このスロットルセンサ２３はスロットル開度ＴＨに応じたアナログ信号を出力する。スロットルセンサ２３はアイドルスイッチをも内蔵しており、スロットル弁４が略全閉である旨の検出信号を出力する。
【００２０】
エンジン１のシリンダブロックには水温センサ２４が設けられ、この水温センサ２４はエンジン１内を循環する冷却水の温度（冷却水温Ｔｈｗ）を検出する。前記ディストリビュータ１０にはエンジン１の回転速度（エンジン回転速度Ｎｅ）を検出するための回転速度センサ２５が設けられ、この回転速度センサ２５はエンジン１の２回転、すなわち７２０°ＣＡ毎に等間隔で２４個のパルス信号を出力する。
【００２１】
さらに、前記排気管１２において三元触媒１３の上流側には、限界電流式のＡ／Ｆセンサ２６が配設されており、同センサ２６はエンジン１から排出される排ガスの酸素濃度（或いは、未燃ガス中のＣＯ濃度）に比例して広域で且つリニアな空燃比信号（ＡＦ）を出力する。なお、Ａ／Ｆセンサ２６は、素子部（固体電解質及び拡散抵抗層）の活性化を図るためのヒータ４７を備える。Ａ／Ｆセンサ２６としては、断面コップ状に形成された素子部を有するコップ型センサや、或いは板状の素子部とヒータ４７とが積層されてなる積層型センサが適用できる。
【００２２】
ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３、バックアップＲＡＭ３４等を中心に論理演算回路として構成され、前記各センサの検出信号を入力する入力ポート３５及び各アクチュエータ等に制御信号を出力する出力ポート３６に対しバス３７を介して接続されている。ＥＣＵ３０は、前記した各種センサの検出信号（吸気温Ｔａｍ、吸気圧ＰＭ、スロットル開度ＴＨ、冷却水温Ｔｈｗ、エンジン回転数Ｎｅ、空燃比信号等）を入力ポート３５を介して入力する。
【００２３】
そして、それらの各値に基づいて燃料噴射量ＴＡＵ、点火時期Ｉｇ等の制御信号を算出し、さらにそれら制御信号を出力ポート３６を介して燃料噴射弁７及び点火回路９等にそれぞれ出力する。また、ＣＰＵ３１は、Ａ／Ｆセンサ２６のヒータ通電量をデューティ制御して同センサ２６を活性状態で維持する。本実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ２６のヒータ４７に対して必要な電力量を供給し、当該センサ２６の素子温を活性温度域で保持するようにしている。
【００２４】
次に、上記の如く構成される空燃比制御システムの作用を説明する。図２から図６は、ＣＰＵ３１により実行される空燃比制御ルーチンを示すフローチャートであり、同ルーチンは各気筒の燃料噴射毎（本実施の形態では１８０°ＣＡ毎）に実行される。図２のルーチンでは、Ａ／Ｆセンサ２６の検出結果に基づき、理論空燃比よりもリーン側の空燃比域で空燃比のフィードバック制御が実施され、その空燃比リーン制御の途中に一時的に空燃比リッチ制御が実施されるようになっている。
【００２５】
空燃比制御ルーチンがスタートすると、ＣＰＵ３１は、先ず図２のステップ１０１で空燃比リッチ制御が実施されていることを表すリッチ制御フラグＸＲＥＸが「０」であるか否かを判別する。ここで、ＸＲＥＸ＝０はリッチ制御が実施されていない、すなわちリーン制御が実施されていることを表し、ＸＲＥＸ＝１はリッチ制御が実施されていることを表す。なお、ＩＧキーのＯＮ操作時（電源投入時）には、初期化処理により同フラグＸＲＥＸが「０」にクリアされるようになっている。
【００２６】
ＸＲＥＸ＝０の場合、ＣＰＵ３１はステップ１０２に進み、排ガス中に含まれるＮＯｘ量ＮＯＭＯＬ（モル）を推定する。ＮＯＭＯＬ値の推定に際し、例えば図１０（ａ）のマップを用いてその時々のエンジン回転数Ｎｅと吸気圧ＰＭとに応じたＮＯｘ基本量を求めると共に、図１０（ｂ）の関係を用いてその時々の空燃比に応じたＡ／Ｆ補正値を求める。そして、ＮＯｘ基本量とＡ／Ｆ補正値とを乗算してその積をＮＯｘ量ＮＯＭＯＬとする（ＮＯＭＯＬ＝ＮＯｘ基本量・Ａ／Ｆ補正値）。
【００２７】
因みに、図１０（ａ）ではエンジン回転数Ｎｅが高いほど、或いは吸気圧ＰＭが大きいほどＮＯｘ基本量が大きな値に設定される。また、図１０（ｂ）では理論空燃比（λ＝１）でＡ／Ｆ補正値＝１．０が設定され、それよりもリーン側では「１．０」以上のＡ／Ｆ補正値が設定される。但し、空燃比がある程度よりもリーン側（例えばＡ／Ｆ＞１６）では燃焼温度が下がるためにそれ以上の増加側の補正が不要となり、Ａ／Ｆ補正値は所定の値に収束する。
【００２８】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ１０３でＮＯｘ積算量ＮＯＭＯＬＡＤを算出する。このとき、前記ステップ１０２で算出したＮＯＭＯＬ値をＮＯＭＯＬＡＤ値の前回値に加算し、その和をＮＯＭＯＬＡＤ値の今回値とする（ＮＯＭＯＬＡＤ＝ＮＯＭＯＬＡＤ＋ＮＯＭＯＬ）。
【００２９】
さらに、ＣＰＵ３１は、ステップ１０４で前記算出したＮＯｘ積算値ＮＯＭＯＬＡＤが所定の判定値ＮＯＭＯＬＳＤを越えたか否かを判別する。判定値ＮＯＭＯＬＳＤは固定値でもよいし、例えば図１１の関係を用い、ＮＯｘ触媒１４のＮＯｘ吸蔵能力に応じて可変に設定してもよい。なお、ＮＯｘ吸蔵能力とはＮＯｘ触媒１４の劣化度合に相応し、ＮＯｘ吸蔵能力が高いほど、ＮＯｘ触媒１４の劣化度合が小さいことを意味する。
【００３０】
ＮＯＭＯＬＡＤ≦ＮＯＭＯＬＳＤの場合（ステップ１０４がＮＯ）、ＣＰＵ３１はステップ１０５に進む。ＣＰＵ３１は、ステップ１０５で目標空燃比ＡＦＴＧの設定処理を行い、続くステップ１０６で前記ＡＦＴＧ値に基づいて燃料噴射量ＴＡＵを算出する。この場合、目標空燃比ＡＦＴＧと実空燃比ＡＦ（Ａ／Ｆセンサ２７の検出値）との偏差に応じた空燃比補正係数や、その他の各種補正係数により基本噴射量が補正され、それにより燃料噴射量ＴＡＵが算出される。そして、燃料噴射量ＴＡＵに基づいて燃料噴射弁７の駆動が制御される。つまり、ステップ１０４がＮＯの場合にはそれまでの空燃比リーン制御が継続して実施される。
【００３１】
ここで、目標空燃比ＡＦＴＧの設定処理を図６に示すＡＦＴＧ＝ＡＦｌｅａｎのフローチャートに従って説明する。本フローチャートでは、リッチ制御からリーン制御に切り換わる際に、空燃比が急変することによって生じるトルクの急変を防止することと、ＮＯｘが多量に発生する空燃比領域を速やかに通過させることでＮＯｘが多量に発生することを防止することとの２つを目的としている。そこで、ＮＯｘが多量に抑制し、かつトルク変動を抑制させるように目標空燃比ＡＦＴＧを最終目標空燃比に徐々に追従させるように制御する。
【００３２】
まずステップ５０１にて、運転状態に応じて最終目標空燃比が設定される。本フローチャートでは、最終目標空燃比は運転状態に応じたリーン空燃比が設定されても良いし、固定値として空燃比「１．５」を設定しても良い。そして、ステップ５０２にて、前回の目標空燃比ＡＦＴＧに所定値κを加えてステップ５０３へ進む。所定値κは、トルクが急変することを抑制することができ、ＮＯｘが多量に発生することを抑制できる程度の値に設定される。また、所定値κは空燃比領域に応じて可変に設定されても良く、空燃比がリーンなときはトルク変動が生じ易いので所定値κを小さな値に設定し、ＮＯｘが多量に発生する空燃比１６〜１８では、速やかに前記空燃比領域を通過するように所定値κを大きく設定しても良い。
【００３３】
次に、目標空燃比ＡＦＴＧが最終目標空燃比に到達したときのガード処理をステップ５０３とステップ５０４とで説明する。ステップ５０４では、今回の目標空燃比ＡＦＴＧが最終目標空燃比に到達したか否かが判定される。ここで、到達していないと判定されると、そのまま、本ルーチンを終了する。また、ステップ５０３にて目標空燃比ＡＦＴＧが最終目標空燃比に到達したと判定されると、ステップ５０４に進み、目標空燃比ＡＦＴＧに最終目標空燃比が設定され、本ルーチンを終了する。このように制御することで、リッチ制御からリーン制御に切り換わる際に、トルク変動によるドラビリの悪化を抑制し、さらに、ＮＯｘが多量に発生することを抑制することができる。
【００３４】
空燃比制御として、リーンな空燃比による燃焼を行っていると、ＮＯｘ触媒１４に吸蔵されるＮＯｘ積算量ＮＯＭＯＬＡＤが次第に大きくなる。ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘ吸蔵量が増加していくと浄化率が低下する。そこで、浄化率が低下する前のＮＯｘ吸蔵量に達するとＮＯｘを還元・放出するためにリッチ制御に切り換える。より詳細には、ＮＯＭＯＬＡＤ＞ＮＯＭＯＬＳＤとなると（ステップ１０４がＹＥＳ）、ＣＰＵ３１はステップ１０７でリッチ制御フラグＸＲＥＸに「１」をセットする。また、ＣＰＵ３１は、続くステップ１０８でＮＯｘ積算量ＮＯＭＯＬＡＤに対応する基準リッチ面積ＤＲＡＦＮＤを算出する。ここで、基準リッチ面積ＤＲＡＦＮＤは、ＮＯｘ触媒１４に吸蔵された全ＮＯｘを還元・放出するのに必要なリッチ制御量に相当し、例えば図１２の関係を用いてＮＯｘ積算量ＮＯＭＯＬＡＤと吸気圧ＰＭとに応じて求められる。図１２では、吸気圧ＰＭが小さい状態でＮＯｘ積算量ＮＯＭＯＬＡＤが大きいほど、基準リッチ面積ＤＲＡＦＮＤが大きな値に設定される。
【００３５】
但し、図１２の関係では、吸気圧ＰＭをパラメータとして用いたが、このパラメータ（ＰＭ）を外したり、或いはこのパラメータ（ＰＭ）をエンジン回転数Ｎｅや吸入空気量などのパラメータに変更してもよい。
【００３６】
そして、ステップ１０９では、三元触媒１３に貯蔵される酸素量を算出し、この貯蔵されている酸素量を放出するための基準リッチ面積ＤＲＡＦＯ２を算出する。その後、ＣＰＵ３１は、ステップ１０９で目標空燃比ＡＦＴＧを設定し、ステップ１０６にて、目標空燃比ＡＦＴＧに応じた燃料噴射時間ＴＡＵを算出し、本ルーチンを終了する。ステップ１１０の目標空燃比ＡＦＴＧの設定処理は、リッチ制御が開始されてから、Ａ／Ｆセンサ２６にて検出される実空燃比ＡＦがリッチ、若しくは所定値になるまで繰り返される処理である。所定値としては、三元触媒１４に貯蔵されている酸素がリッチ成分によって消費される直前の空燃比を検出するのが好ましく、酸素を消費する要素として、ＨＣ、ＣＯ濃度が大きくなる直前の空燃比が良い。
【００３７】
図３のＡＦＴＧ＝ＡＦｒｃｈ１のフローチャートを用いて目標空燃比ＡＦＴＧの設定処理を説明する。この処理は、リッチ制御に切り換えられてからＡ／Ｆセンサ２６に検出される空燃比が三元触媒１３に貯蔵されている酸素を消費する空燃比であることが検出されるまで図２のステップ１１０の処理が繰り返し行われるものである。
【００３８】
まずステップ２０１では最終目標空燃比として運転状態に応じてリッチ空燃比が設定される。この最終目標空燃比としては、固定値として理論空燃比に設定しても良い。そして、ステップ２０２にて、前回の目標空燃比ＡＦＴＧから所定値αを減算して、今回の目標空燃比ＡＦＴＧを設定する。所定値αは、トルクが急変せず、ＮＯｘが多量に発生しない程度の値に設定される。また、所定値αは空燃比領域に応じて可変に設定されても良く、空燃比がリーンなときはトルク変動が生じ易いので所定値αを小さな値に設定し、ＮＯｘが多量に発生する空燃比１６〜１８では、速やかに前記空燃比領域を通過するように所定値αを大きく設定しても良い。
【００３９】
次に、目標空燃比ＡＦＴＧが最終目標空燃比に到達したときのガード処理をステップ２０３とステップ２０４とで説明する。ステップ２０４では、今回の目標空燃比ＡＦＴＧが最終目標空燃比に到達したか否かが判定される。ここで、到達していないと判定されると、そのまま、本ルーチンを終了する。また、ステップ２０３にて目標空燃比ＡＦＴＧが最終目標空燃比に到達したと判定されると、ステップ２０４に進み。目標空燃比ＡＦＴＧに最終目標空燃比が設定され、本ルーチンを終了する。このようにして設定される目標空燃比ＡＦＴＧの設定が行われると、続くステップ１０６で前記ＡＦＴＧ値に基づいて燃料噴射量ＴＡＵを算出する。
【００４０】
上述の処理は、ＣＰＵ３１がステップ１０１を否定判別して図２のステップ１１１に進み、Ａ／Ｆセンサ２６により検出される実空燃比ＡＦがリッチか否かが判定されて、実空燃比ＡＦがリッチであると判定されるまで繰り返し行われる。
【００４１】
一方、Ａ／Ｆセンサ２６により検出される実空燃比ＡＦがリッチになったと判定されると、ステップ１１２へ進む。ステップ１１２では、空燃比基準値ＡＦＳＤ（例えば、理論空燃比）からＡ／Ｆセンサ２６により検出される実空燃比ＡＦを減算してその差をリッチ偏差ＤＲＡＦとする（ＤＲＡＦ＝ＡＦＳＤ−ＡＦ）。そして、ＣＰＵ３１はステップ１１２に進み、実リッチ面積ＤＲＡＦＡＤを算出する。このとき、前記ステップ１１０で算出したＤＲＡＦ値をＤＲＡＦＡＤ値の前回値に加算し、その和をＤＲＡＦＡＤ値の今回値と（ＤＲＡＦＡＤ＝ＤＲＡＦＡＤ＋ＤＲＡＦ）して、ステップ１１４へ進む。
【００４２】
ステップ１１４では、実リッチ面積ＤＲＡＦＡＤが三元触媒１４に貯蔵される酸素量を消費するのに必要な基準リッチ面積ＤＲＡＦＯ２よりも大きいか否かが判定される。ここで、実リッチ面積ＤＲＡＦＡＤが実リッチ面積ＤＲＡＦＯ２よりも大きいと判定されると、ステップ１１５に進み、目標空燃比設定処理を行ってステップ１１７へ進む。また、ステップ１１４にて実リッチ面積ＤＲＡＦＡＤが基準リッチ面積ＤＲＡＦＯ２よりも小さいと判定されると、ステップ１１６へ進み、目標空燃比設定処理を行ってステップ１１７へ進む。
【００４３】
実リッチ面積ＤＲＡＦＡＤが基準リッチ面積ＤＲＡＦＯ２より小さいときは、三元触媒１４に供給されたリッチ成分が三元触媒１４に貯蔵されている酸素を消費することに使用されているため、ＮＯｘ触媒１５にはリッチ成分が供給されていない。そこで、この三元触媒１４に貯蔵されている酸素を素早く消費させるために、ステップ１０５の目標空燃比設定処理を行う。ステップ１０５の処理では、空燃比を素早くリッチに切り換えることにより、三元触媒１４に貯蔵されている酸素を素早く消費させる。
【００４４】
図４のＡＦＴＧ＝ＡＦｒｃｈｆｓｔのフローチャートを用いて詳細を説明すると、ステップ３０１にて運転状態に応じた最終目標空燃比が設定され、ステップ３０２へ進む。最終目標空燃比としては、固定値でも良く、たとえば空燃比「０．７５」としても良い。ステップ３０２では、前回の目標空燃比ＡＦＴＧから所定値βを減じることにより今回の目標空燃比を算出する。所定値βは、三元触媒１４に貯蔵されている酸素を素早く消費するために設定される値であるため、前述した所定値α、所定値κ、後述する所定値γに比して大きな値が設定される。
【００４５】
その後、目標空燃比ＡＦＴＧが最終目標空燃比に到達したか否かが判定される。目標空燃比ＡＦＴＧが最終目標空燃比に到達していなければ、そのまま本ルーチンを終了する。一方、最終目標空燃比に到達していれば、ステップ３０４に進み、目標空燃比ＡＦＴＧに最終目標空燃比を設定し、本ルーチンを終了する。このようにして、図２のステップ１１５にて、目標空燃比ＡＦＴＧを設定することで三元触媒１４に貯蔵されている酸素を素早く消費することができる。
【００４６】
また、ステップ１１４にて、実リッチ面積ＤＲＡＦＡＤ三元触媒１４に貯蔵された酸素量に対する基準リッチ面積ＤＲＡＦＯ２よりも大きい場合、すなわち、三元触媒１４に貯蔵されている酸素がすべて消費された場合、ステップ１１６へ進む。ステップ１１６では、三元触媒１４に貯蔵されている酸素がすべて消費されているので、Ａ／Ｆセンサ２６により検出される実空燃比ＡＦから基準空燃比ＡＦＳＤを差し引いたリッチ成分がＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘを還元・放出するために使用される。そこで、ステップ１１６のサブルーチンとして、図５のフローチャートでは、目標空燃比ＡＦＴＧをトルク変動を抑制し、ＮＯｘの発生を低減できるように設定する。空燃比がリッチな場合、リーンな場合に比してトルク変動が生じない。そこで、前回の目標空燃比ＡＦＴＧに加える所定値γを前述の所定値βよりも大きな値に設定することができる。
【００４７】
図５のＡＦＴＧ＝ＡＦｒｃｈ２のフローチャートを以下に説明する。まず、ステップ４０１にて最終目標空燃比を設定する。この最終目標空燃比として運転状態に応じてリッチ空燃比が設定される。この最終目標空燃比としては、固定値として「０．７５」に設定しても良い。そして、ステップ５０２にて、前回の目標空燃比ＡＦＴＧから所定値γを減算して、今回の目標空燃比ＡＦＴＧを設定する。所定値γは、トルクが急変せず、ＮＯｘが多量に発生しない程度の値に設定される。
【００４８】
次に、目標空燃比ＡＦＴＧが最終目標空燃比に到達したときのガード処理をステップ５０３とステップ５０４とで説明する。ステップ５０４では、今回の目標空燃比ＡＦＴＧが最終目標空燃比に到達したか否かが判定される。ここで、到達していないと判定されると、そのまま、本ルーチンを終了する。また、ステップ５０３にて目標空燃比ＡＦＴＧが最終目標空燃比に到達したと判定されると、ステップ５０４に進み。目標空燃比ＡＦＴＧに最終目標空燃比が設定され、本ルーチンを終了する。このようにして設定される目標空燃比ＡＦＴＧの設定が行われると、続くステップ１１７にて、図２のステップ１１３で前記算出した実リッチ面積ＤＲＡＦＡＤが基準リッチ面積ＤＲＡＦＮＤ（前記ステップ１０８の算出値）に酸素貯蔵量に対する基準リッチ面積（前記ステップ１０９の算出値）を加算した値を越えたか否かを判別する。ＤＲＡＦＡＤ≦ＤＲＡＦＮＤ＋ＤＲＡＦＯ２の場合（ステップ１１７がＮＯ）、ＣＰＵ３１は前記図２のステップ１０６の処理によりそれまでの空燃比リッチ制御を継続する。
【００４９】
また、ＤＲＡＦＡＤ＞ＤＲＡＦＮＤ＋ＤＲＡＦＯ２の場合（ステップ１１７がＹＥＳ）、ＣＰＵ３１はステップ１１８に進み、リッチ制御フラグＸＲＥＸ、ＮＯｘ積算量ＮＯＭＯＬＡＤ及び実リッチ面積ＤＲＡＦＡＤを全て「０」にクリアする。そしてその後、ＣＰＵ３１は前記図２のステップ１０６に進む。これにより、ステップ１１７がＹＥＳの場合には、それまでの空燃比リッチ制御が終了され、空燃比リーン制御が再開される。
【００５０】
図９は、上記制御動作をより具体的に示すタイムチャートである。ここで、図９（ａ）は本実施の形態において、三元触媒１４前の空燃比の挙動を示し、図９（ｂ）は三元触媒１４後の空燃比の挙動を示している。図９（ａ）において、時刻ｔ１までリーン制御が行われる。空燃比がリーンな燃焼では、排ガス中に含まれるＮＯｘ成分が図９（ｃ）に示す（ＮＯｘ−ＩＮ）ように大きいため、ＮＯｘ触媒１５に排出されるＮＯｘが吸蔵されていく。また、リーン燃焼では、三元触媒１４に貯蔵される酸素量も多くなる。ＮＯｘ触媒１５に吸蔵されるＮＯｘ量がＮＯｘ触媒の吸蔵能力に基づいて設定される判定値を越えたと判断されると、ＮＯｘ触媒１４に吸蔵されているＮＯｘを還元・放出するために、図９（ａ）のように時刻ｔ１にてリッチな空燃比での制御に切り換えられる。
【００５１】
空燃比が理論空燃比に到達するまでの時刻ｔ２では、リーン燃焼ではトルク変動が生じ易いことと、図８に示すように空燃比領域１６〜１８ではＮＯｘ濃度が大きくなることを考慮して、徐々に空燃比をリッチ側に移行する。リッチ側への移行は、トルク変動が生じにくく、かつ、ＮＯｘ濃度が大きな空燃比領域を速やかに通過できるように所定値αを設定している。そして、時刻ｔ２以降では、三元触媒１４前の空燃比がリッチになり、触媒内に貯蔵されている酸素を消費するため、三元触媒１４後の空燃比が図９（ｃ）に示すように時刻ｔ３まで、理論空燃比付近に維持される。この時刻ｔ２〜ｔ３では、貯蔵されている酸素を消費するために、図９（ａ）に示すように空燃比を速やかにリッチ側に移行させている。図９（ａ）では、目標空燃比ＡＦＴＧが最終目標空燃比に到達すると、最終目標空燃比によりガードされている。このように速やかに空燃比をリッチに移行させるので、三元触媒１４に貯蔵されている酸素を速やかに消費することができ、また、時刻ｔ１までのリーン運転状態に基づいて、三元触媒１４に貯蔵されている酸素量を推定するので、精度良く酸素の消費が実現できる。
【００５２】
そして、時刻ｔ３にて三元触媒１４に貯蔵されている酸素が消費されたと判定されると、その後のリッチ成分はＮＯｘ触媒１５に吸蔵されているＮＯｘを還元・放出するために使用されるため、図２のフローチャートステップ１０３にて算出されるＮＯｘ積算値ＮＯＭＯＬＡＤに基づいて過不足なくＮＯｘを還元・放出することができる。なお、図９（ａ）に示すように、吸蔵されているＮＯｘを放出するために、時刻ｔ４にて、空燃比をリーン側へ移行し、時刻ｔ５に到達するときに、三元触媒１４前の空燃比が理論空燃比付近になるように制御すると、より正確にＮＯｘを還元・放出することができる。このように、制御することで図９（ｄ）に示すように、三元触媒１４に貯蔵されている酸素量を時刻ｔ２〜ｔ３の間に消費することができるので、リーン制御からリッチ制御に切り換えるときに速やかにＮＯｘの還元・放出を行うことができる。
【００５３】
また、ＮＯｘ触媒は、三元触媒に用いられる金属（Ｐｔ／Ｒｈ／Ｐｄ＋ＣｅＯ２）に、ＮａやＢａなどＮＯｘを吸蔵可能な金属を担持してなるものなので、ＮＯｘ触媒自体にも酸素を貯蔵する能力がある。このため、ＮＯｘ触媒に貯蔵される酸素も速やかに消費するように空燃比をすばやくリッチ側に移行させるように制御しても良い。
【００５４】
本実施例では、三元触媒１４に貯蔵される酸素量を、リーン制御時の運転状態から推定することで、速やかに貯蔵されている酸素を消費することができ、その後のリッチ制御から正確にＮＯｘ吸蔵量を還元・放出するために必要なリッチ成分を供給することができる。この構成では、三元触媒前にＡ／Ｆセンサを配設することで本実施の形態の制御を実施することができるので、他のセンサを設けることなく精度良い制御を実施することが可能になる。
【００５５】
なお、本実施の形態において、切換手段は図２のフローチャートのステップ１１１乃至ステップ１１６に、酸素量推定手段は図２のフローチャートのステップ１０９に、それぞれ相当し、機能する。
【００５６】
＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態では、三元触媒１４上流に配設されるＡ／Ｆセンサ２６によって検出される空燃比に基づいて、三元触媒１４に貯蔵される酸素量と、ＮＯｘ触媒１５に吸蔵されるＮＯｘを推定した。そして、推定した酸素量とＮＯｘ吸蔵量に基づいて、これらを消費，還元・放出するのに必要なリッチ成分を供給することで過不足なく吸蔵されたＮＯｘを放出している。
【００５７】
本実施例では、三元触媒１４下流に酸素濃度センサ２７を配設することで、三元触媒に吸蔵されている酸素が消費されたことを検出することができ、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘ量を正確に還元・放出することができる。
【００５８】
本実施の形態の概略構成図を図１３に示す。エンジン１からの排気通路中には、Ａ／Ｆセンサ２６が配設され、その下流に三元触媒１４が配設される。そして三元触媒１４とＮＯｘ触媒１５との間には、酸素濃度を検出し、酸素濃度に応じた電力を出力する酸素濃度センサ２７が配設される。そして、この２つのセンサから本実施の形態では、正確に三元触媒１４に貯蔵される酸素の状態を検出することができる。
【００５９】
本実施の形態を図７のフローチャートにしたがって説明する。なお、図２のフローチャートと同一の処理が行われるステップでは、同一の符号を付して説明を省略する。まず、ステップ１０１では、リッチ制御を行うか否かを示すフラグＸＲＥＸが１か否かを判定する。そして、１ではないと判定されると、即ち、リーン制御を行うことが判定されると、ステップ１０２乃至１０３にて、Ａ／Ｆセンサ２６により検出されるリーンな空燃比に基づいて、ＮＯｘ触媒に吸蔵されるＮＯｘ量を算出する。なお、ＮＯｘ量の算出は、酸素濃度センサ２７により行っても良い。この場合は、ＮＯｘ触媒により近い位置での空燃比が検出できることから、より精度よくＮＯｘ触媒に吸蔵されるＮＯｘ量を算出することができる。そして、リーン燃焼が継続されることでＮＯｘ触媒１５に吸蔵されるＮＯｘ量が所定の判定値を越えたと判定されると、ステップ１０７のフラグＸＲＥＸに１を入力し、リッチ燃焼への切り換え制御が実行される。
【００６０】
ステップ１０１にてフラグＸＲＥＸが１であると判定されると、その後はステップ６０１以降の処理が繰り返し行われる。ステップ６０１では、Ａ／Ｆセンサ２６により検出される空燃比がリッチになったか否かが判定される。まだ、空燃比がリッチではないと判定されると、ステップ１１０へ進み、ＡＦＴＧの設定処理を実行する。ステップ１１０のＡＦＴＧ設定処理では、ＮＯｘ濃度が高くなることを抑制し、大きなトルクショックが発生することを抑制するようにＡＦＴＧが設定される。
【００６１】
そして、三元触媒前の空燃比（ＡＦ）がリッチになると、ステップ６０２に進み、酸素濃度センサ２７により検出される空燃比（リアＡＦ）が基準空燃比ＡＦＳＤ２よりも大きいか否かが判定される。ＡＦがリッチで、かつ、リアＡＦが基準空燃比ＡＦＳＤ２よりも小さい場合は、三元触媒１４に貯蔵されている酸素が消費されているので、ＮＯｘ触媒にはリッチ成分が供給されない。そのため、三元触媒１４に貯蔵されている酸素をすみやかに消費するために、第１の実施の形態で示したようにステップ１１５の目標空燃比ＡＦＴＧ設定処理を行いステップ１０６へ進む。
【００６２】
その後、Ａ／Ｆセンサ２６に検出されるリアＡＦが基準空燃比ＡＦＳＤ２よりもリッチになったと判定されると、三元触媒１４に貯蔵された酸素が消費されて、ＮＯｘ触媒１５にリッチ成分が供給されるようになる。そこで、ステップ１１６にて目標空燃比ＡＦＴＧを第１の実施の形態に示したように設定し、ここで設定されたリッチ成分に基づいて、ステップ１１３では、ＮＯｘを還元・放出するための実リッチ面積を求め、ステップ６０４へ進む。ステップ６０４では、リーン制御によりＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘ積算値ＮＯＭＯＬＡＤに対する基準リッチ面積ＤＲＡＦＮＤと実リッチ面積ＤＲＡＦＡＤとを比較する。このとき、実リッチ面積ＤＲＡＦＡＤが基準リッチ面積ＤＲＡＦＮＤを越えると、ＮＯｘ触媒１５に吸蔵されているＮＯｘがすべて還元・放出されたとして、リーン制御へ切り換える。
【００６３】
本実施例では、三元触媒１４後に酸素濃度センサ２７を配設することで、三元触媒１４に貯蔵されている酸素が消費される前か後かを正確に検出することができる。このときに、目標空燃比ＡＦＴＧを速やかにリッチに切り換えてやることで三元触媒１４に貯蔵されている酸素をすばやく消費することができ、ＮＯｘ触媒１５に吸蔵されているＮＯｘを過不足なく還元・放出することができる。
【００６４】
ところで、ＮＯｘ触媒は、三元触媒に用いられる金属（Ｐｔ／Ｒｈ／Ｐｄ＋ＣｅＯ₂）に、ＮａやＢａなどＮＯｘを吸蔵可能な金属を担持してなるものもあり、ＮＯｘ触媒自体にも酸素貯蔵能力を有するものもある。このため、酸素濃度センサにより三元触媒後の空燃比がリッチになったことを検出してもＮＯｘ触媒中の酸素を消費してやるために、空燃比を速やかにリッチにしてやる必要がある。本実施の形態では、三元触媒１４に貯蔵される酸素量を消費するためにのみ、空燃比の変更速度を素早くしたが、上述のように酸素貯蔵能力を有するＮＯｘ触媒を備える場合には、ＮＯｘ触媒に貯蔵される酸素量を推定して空燃比の切り換え制御を実施しても良い。
【００６５】
なお、本実施の形態において、切換手段は図７のフローチャートのステップ６０２に相当し、機能する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態におけるエンジンの空燃比制御システムの概要を示す全体構成図。
【図２】空燃比制御ルーチンを示すフローチャート。
【図３】空燃比制御ルーチンを示すフローチャート。
【図４】空燃比制御ルーチンを示すフローチャート。
【図５】空燃比制御ルーチンを示すフローチャート。
【図６】空燃比制御ルーチンを示すフローチャート。ＮＯｘ積算量ＮＯＭＯＬＡＤに対応する基準リッチ面積ＤＲＡＦＮＤを設定するための図。
【図７】第２の実施の形態において、空燃比制御ルーチンを示すフローチャート。
【図８】空燃比に対するＮＯｘ濃度を示す図。
【図９】第１の実施の形態において、空燃比制御を実施した場合のタイミングチャート。
【図１０】（ａ）はＮＯｘ基本量を求めるための図、（ｂ）は補正値を求めるための図。
【図１１】ＮＯｘ吸蔵能力に応じた判定値ＮＯＭＯＬＳＤを設定するための図。
【図１２】ＮＯｘ積算量ＮＯＭＯＬＡＤに対応する基準リッチ時間ＤＲＡＦＮＤを設定するための図。
【図１３】第２の実施の形態の概略構成図。
【符号の説明】
１…エンジン、
１２…排気管、
１３…上流側触媒としての三元触媒、
１４…ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒）、
２６…酸素濃度センサとしてのＡ／Ｆセンサ、
２７…酸素濃度センサとしてのＯ２センサ、
３０…ＥＣＵ（電子制御装置）、
３１…中央演算処理装置としてのＣＰＵ。

Claims

空燃比リーン領域でのリーン燃焼を行わせると共に、リーン燃焼時に排出される排ガス中のＮＯｘをリーンＮＯｘ触媒で吸蔵し、さらに空燃比を一時的にリッチに制御するリッチ燃焼にて前記吸蔵したＮＯｘをリーンＮＯｘ触媒から放出するようにした内燃機関の排気浄化装置において、
前記リーンＮＯｘ触媒の上流側に配設される酸素貯蔵能力を有する触媒と、
前記酸素貯蔵能力を有する触媒の上流側に配設され、排気通路中の空燃比を検出する空燃比センサと、
前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されるＮＯｘ量に基づいて前記リッチ燃焼と前記リーン燃焼とを切り換えるものにおいて、前記リッチ燃焼と前記リーン燃焼との切り換える際の単位時間当たりの空燃比変化量を設定する空燃比変化量設定手段と、
前記酸素貯蔵能力を有する触媒、および／または前記ＮＯｘ触媒に貯蔵される酸素量を推定する酸素量推定手段とを備え、
前記空燃比変化量設定手段は、前記酸素量推定手段により推定される酸素量に基づいて単位時間当たりの空燃比変化量を変更することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
空燃比リーン領域でのリーン燃焼を行わせると共に、リーン燃焼時に排出される排ガス中のＮＯｘをリーンＮＯｘ触媒で吸蔵し、さらに空燃比を一時的にリッチに制御するリッチ燃焼にて前記吸蔵したＮＯｘをリーンＮＯｘ触媒から放出するようにした内燃機関の排気浄化装置において、
前記リーンＮＯｘ触媒の上流側に配設される酸素貯蔵能力を有する触媒と、
前記酸素貯蔵能力を有する触媒の上流側に配設され、排気通路中の空燃比を検出する空燃比センサと、
前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されるＮＯｘ量に基づいて前記リッチ燃焼と前記リーン燃焼とを切り換えるものにおいて、前記リッチ燃焼と前記リーン燃焼との切り換える際の単位時間当たりの空燃比変化量を設定する空燃比変化量設定手段と、
前記ＮＯｘ触媒の上流側に配設され、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサとを備え、
前記空燃比変化量設定手段は、前記空燃比センサと前記酸素濃度センサにより前記触媒、および／または、前記ＮＯｘ触媒に貯蔵されている酸素量を検出すると共に、該推定された酸素量に基づいて単位時間当たりの空燃比変化量を変更することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。