JP4608758B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

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、理論空然比よりも燃料の薄い状態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。こうしたリーン燃焼を行わせる場合に問題となるのは、内燃機関から排出される排出ガス成分の一つであるＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化が挙げられる。そこで、このリーン燃焼時に排出されるＮＯｘを削減する技術が求められている。
【０００３】
この問題を解決するために、機関排気管にＮＯｘ吸蔵触媒等をもうけて排出ＮＯｘを吸蔵させ、ＮＯｘ触媒にある程度ＮＯｘが吸蔵されたらリッチ成分を供給することによりＮＯｘを還元し、浄化して排出する技術がある。さらに、我々は特願平１０−１８７７３０号で、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元・放出するために制御されるリッチ成分の供給量を、酸素濃度センサの出力に基づいて精度良く制御する技術を提案した。より具体的には、排出されるＮＯｘを酸素濃度センサにより検出し、検出値を積算していくことでＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを計算している。そして、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量として予め設定されている判定値とＥＣＵにより算出されるＮＯｘの積算量とを比較し、積算量が判定値を越えたときにリッチ成分を供給しＮＯｘを還元・放出するように制御している。
【０００４】
【発明が解決する課題】
ところが、ＮＯｘ触媒前に配設される触媒が酸素貯蔵能力を有する場合、リーン領域での燃焼からＮＯｘを還元するためにリッチ領域での燃焼へ切り換える（以降、リーン→リッチ切り換えという）と、前記触媒に酸素貯蔵能力（ストレージ効果）があるためにＨＣ、ＣＯと酸素との酸化・還元反応が生じる。これにより三元触媒後の空燃比が速やかにリッチ領域へと切り替わらない。
【０００５】
空燃比がリッチ領域への切り換えが緩やかであると図１２に示すように、三元触媒により浄化されないＮＯｘ量、つまりＮＯｘ排出量が多い空燃比（１６〜１８）領域を通過する時間が長くなってしまい、ＮＯｘを排出させてしまう。これによりリーン→リッチ切り換え時に多量のＮＯｘがＮＯｘ触媒に吸蔵されるので、このとき排出したＮＯｘを還元させるために、リッチパージ時間が長くなってしまうという問題がある。また、リッチ領域での燃焼からリーン領域での燃焼への切り換え（以降、リッチ→リーン切り換えという）時に、ＮＯｘを排出してしまうとリーン制御への切り換え初期からＮＯｘ吸蔵触媒へ多量のＮＯｘが吸蔵されることとなる。これにより、ＮＯｘ吸蔵容量（ＮＯｘ吸蔵量の判定値）をリッチ→リーン切り換え時に発生するＮＯｘが消費してしまい、ＮＯｘ吸蔵判定値までの容量を十分に利用することができない。
【０００６】
そこで本発明では、空燃比の切換えの際に三元触媒下流に排出されるＮＯｘを低減することのできる内燃機関の空燃比制御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】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置によれば、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元・放出するために行われるリッチパージ制御手段は、リーン→リッチ切り換え時の空燃比（第１の空燃比）が、一時的にその後のリッチパージ中の空燃比（第２の空燃比）よりリッチとなるように制御するリッチパージ開始時制御手段と、リッチパージ中の空燃比（第２の空燃比）を一定に制御する手段を備える。
【０００８】
これにより、酸素貯蔵能力を有する排気管通路上流側に配設された触媒、例えば、三元触媒に貯蔵された酸素をすばやく消費することができ、リーン→リッチ切り換え時にＮＯｘを多量に排出する空燃比領域を速やかに通過する。すなわち、リーン→リッチ切り換え時に排出されるＮＯｘを抑制することができるので、このとき発生するＮＯｘを還元させるためのリッチパージ時間を短くすることができる。
【０００９】
なお、ＮＯｘ吸蔵触媒は、ＮＯｘを吸蔵、または吸着する触媒である。また、いわゆるリーン制御はリーン制御手段によってなされる空燃比制御のことであり、リッチーパージ制御はリッチパージ制御手段によってなされる空燃比制御のことである。リッチパージ制御手段は、リッチパージ開始時制御とリッチパージ制御とからなりリッチパージ開始時制御手段により設定される空燃比は、リッチパージ制御により設定される空燃比よりもリッチに設定される。また、ここで行われるリーン制御とリッチパージ制御とは、フィードバック制御を用いて空燃比を制御しても良いし、オープン制御を用いて空燃比を制御しても良い。
【００１０】
さらに、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、リッチパージ制御手段は、リッチパージ制御からリーン制御に復帰する際に、一時的に空燃比がリーン制御手段により制御される空燃比よりリーンとなるように制御する。
【００１１】
このため、リッチ→リーン切り換え時に発生するＮＯｘを抑制することができ、切り換え時に吸蔵されるＮＯｘ量を低減することができる。これにより、リーン制御により排出されるＮＯｘをＮＯｘ吸蔵容量（ＮＯｘ吸蔵判定値）まで十分に利用することができる。
【００１２】
請求項２記載の内燃機関の空燃比制御装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、リッチパージ開始時に一時的に設定される空燃比をその後のリッチパージ制御中の空燃比へ収束させる第１の収束手段を備えるので、リッチパージ制御の設定する空燃比への追従性と、トルク変動などを抑制したすみやかな制御性を実現することができる。
【００１３】
請求項３記載の内燃機関の空燃比制御装置によれば、請求項１または請求項２のいずれか一つに記載の内燃機関の空燃比制御装置において、リーン復帰制御手段により設定される空燃比をリーン制御手段により設定される空燃比へ収束させる第２の収束手段を備えるので、リーン制御が設定する空燃比への追従性と、トルク変動などを抑制したすみやかな制御性を実現することができる。
【００１４】
請求項４記載の内燃機関の空燃比制御装置によれば、請求項１乃至請求項３に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、リーン復帰制御手段および／またはリッチパージ開始時制御手段により設定される空燃比は、第１の運転状態検手段により検出される運転状態に基づいて設定される。これにより、様々な運転状態に応じて排出されるＮＯｘを低減させるのに最適な空燃比制御を行うことができる。
【００１５】
請求項５記載の内燃機関の空燃比制御装置によれば、請求項４に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、内燃機関の負荷を検出する。
【００１６】
これにより、内燃機関の負荷によりＨＣ、ＣＯの量が変化するので、これを検出することで、ＨＣ、ＣＯを速やかに消費する空燃比に制御できる。
【００１７】
請求項６記載の内燃機関の空燃比制御装置によれば、請求項５に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、運転状態検出手段として吸入空気量を検出し、検出した吸入空気量に基づいて空燃比を設定する。吸入空気量の変化により上流側触媒（三元触媒）に流入するＨＣ、ＣＯの量が変化する。ところで、前記触媒に貯蔵される酸素を速やかに消費するためには、リーン→リッチ切り換え時において、空燃比をすばやくリッチ燃焼へと切り換えることが必要であるので、上述のような制御を実施することで、酸素を消費するのに最適なＨＣ、ＣＯの発生量、すなわち最適な空燃比制御をすることができる。
【００１８】
請求項７記載の内燃機関の空燃比制御装置によれば、リッチパージ制御手段からリーン復帰制御に移る際に、一時的にその後のリッチパージ中の空燃比よりリッチとなるように空燃比を制御する。これにより空燃比がリッチ→リーン切り換え時にＮＯｘを多く排出させてしまう領域を速やかに通過するので、ＮＯｘ触媒に貯蔵されるＮＯｘを低減でき、ＮＯｘ吸蔵判定値までの容量を十分に利用することが可能となる。
【００１９】
請求項８の発明によれば、請求項７に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、リーン制御手段は、リーン復帰制御手段により設定される空燃比を前記リーン制御手段により設定される空燃比へ収束させる第２の収束手段を備える。
【００２０】
これにより、リーン制御が設定する空燃比への追従性と、トルク変動などを抑制したすみやかな制御性を実現することができる。
【００２１】
請求項９の発明によれば、請求項７または請求項８のいずれか一つに記載の内燃機関の空燃比制御装置において、内燃機関の運転状態を検出する第２の運転状態検出手段を備え、リーン復帰制御手段により設定される空燃比は、第２の運転状態検出手段により検出される運転状態に基づいて設定される。
【００２２】
これにより、様々な運転状態に応じて排出されるＮＯｘを低減させるのに最適な空燃比制御を行うことができる。
【００２３】
請求項１０の発明によれば、請求項９に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、第２の運転状態検出手段は、内燃機関の負荷を検出する。請求項５記載の内燃機関の空燃比制御装置によれば、請求項４に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、内燃機関の負荷を検出する。
【００２４】
これにより、内燃機関の負荷によりＨＣ、ＣＯの量が変化するので、これを検出することで、ＨＣ、ＣＯを速やかに消費する空燃比に制御できる。
【００２５】
請求項１１の発明によれば、請求項１０に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、内燃機関の負荷は、吸入空気量であり、検出した吸入空気量に基づいて空燃比を設定する。吸入空気量の変化により上流側触媒（三元触媒）に流入するＨＣ、ＣＯの量が変化する。ところで、前記触媒に貯蔵される酸素を速やかに消費するためには、リーン→リッチ切り換え時において、空燃比をすばやくリッチ燃焼へと切り換えることが必要であるので、上述のような制御を実施することで、酸素を消費するのに最適なＨＣ、ＣＯの発生量、すなわち最適な空燃比制御をすることができる。
【００２６】
【実施の形態】
＜第１の実施形態＞
以下、この発明を具体化した第１の実施形態を図面にしたがって説明する。本実施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然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酸素貯蔵能力を有する三元触媒とＮＯｘ吸蔵還元型触媒（以下、ＮＯｘ触媒という）とが設けられ、内燃機関と三元触媒との間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。
【００２７】
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およ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。
【００２８】
エンジン１の各気筒に設けられた点火プラグ８は点火コイル９にて発生された高電圧により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出ガスは、エキゾーストマニホールド１１および排気管１２を経て、排ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの三成分を浄化するのための三元触媒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。
【００２９】
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触媒である。また、この三元触媒１３は酸素貯蔵能力を備えており、多少空燃比がずれた状態であっても貯蔵した酸素によりＨＣ、ＣＯを浄化することができる。
【００３０】
吸気管３には吸入空気量を検出するエアフロメータ２１が設けられている。また、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。さらにスロットル弁４はスロットルアクチュエータ１５により駆動される。スロットルアクチュエータ１５としては周知のＤＣモータ、トルクモータ等が用いられる。
【００３１】
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。
エンジン１のクランクケースにはエンジン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が設けられている。
【００３２】
さらに、前記排気管１２において三元触媒１３の上流には、限界電流式のＡ／Ｆセンサ２７が配設されており、同センサ２７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を出力する。なお、Ａ／Ｆセンサ２７は、素子部（固体電解質および拡散抵抗層）の活性化を図るためのヒータ４７を備える。Ａ／Ｆセンサ２７としては、断面コップ形状に形成された素子部を有するコップ型センサや、あるいは板状の素子部とヒータ４７とが積層されて成る積層型センサが適用できる。
【００３３】
ＥＣＵ３０は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ（いずれも図示しない）など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に基づいて燃料噴射量、点火時期Ｉｇなどの制御信号を算出し、さらにそれらの制御信号を燃料噴射弁７、点火コイル９にそれぞれ出力する。
【００３４】
また、ＥＣＵ３０内のＣＰＵは、Ａ／Ｆセンサ２７のヒータ通電量をデューティ制御して同センサ２７を活性状態で維持する。本実施形態では、Ａ／Ｆセンサ２７のヒータ４７に対して必要な電力量を供給し、当該センサ２７の素子温を活性温度域で保持するようにしている。
【００３５】
次に、上述の如く構成される空燃比制御システムの作動を図２から図４のフローチャートを用いて説明する。
【００３６】
図２は、ＥＣＵ３０が処理するリーンバーン制御のメインルーチンである。
【００３７】
最初に、ステップ１０にてリッチパージ制御が必要か否かを示すフラグＦｒの判定が行われる。リッチパージ制御の開始を示すフラグＦｒは、ステップ２０以降のＮＯｘ触媒１４のＮＯｘ吸蔵量が判定値を越えたときにリーン制御からリッチパージ制御に切り換えるための役割を果たす。このフラグＦｒが０であると判定されるとステップ２０に進む。ステップ２０では空燃比センサ２７により排ガス中のＮＯｘ量ＮＯＭＯＬ（モル）を推定する。ＮＯＭＯＬ値の推定に際し、その時々のエンジン回転速度Ｎｅと吸入空気量とに応じたＮＯｘ基本量を求めると共に、図５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）。
【００３８】
ちなみに、図５では理論空然比（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。ただし、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。
【００３９】
その後、ＣＰＵは、ステップ３０でＮＯｘ積算量を算出する。このとき、前記ステップ２０で算出したＮＯＭＯＬ値をＮＯｘ積算値の前回値に加算し、その和をＮＯｘ積算値の今回値とする（ＮＯｘ積算値＝ＮＯｘ積算値＋ＮＯｘ量）。
【００４０】
さらに、ＣＰＵは、ステップ４０で前記算出したＮＯｘ積算値が所定の判定値Ｃ１を越えたか否かを判別する。判定値Ｃ１は固定値でもよいし、たとえば、図１４の関係を用い、ＮＯｘ触媒１４のＮＯｘ吸蔵能力に応じて可変にしても良いし、予めＮＯｘ触媒１４の劣化を見込んで判定値Ｃ１を設定しても良い。なお、ＮＯｘ吸蔵能力が高いほど、ＮＯｘ触媒１４の劣化度合いが小さいことを意味する。
【００４１】
ＮＯｘ積算値が判定値Ｃ１よりも小さければ（ステップ４０がＮｏ）、ステップ５０に進む。ＣＰＵは、ここでリーン制御を行い、本ルーチンを終了する。ここで言うリーン制御は、最良の燃費点で制御するために空燃比を理論空然比より大幅にリーン側で制御している。空燃比がリーンのときはＮＯｘ発生量自体は多くないものの、三元触媒１３の浄化率が低くなるため、三元触媒１３から排出されるＮＯｘの量は空燃比が理論空然比のときに比べて多くなる。このため、三元触媒１３から排出されたＮＯｘをＮＯｘ触媒１４にて吸蔵している。リーン制御手段による空燃比の設定方法は、従来より行われているリーンバーンシステムに用いられているもので良い。また、ステップ４０にて、ＮＯｘ積算量が判定値Ｃ１を越えたときは、ステップ６０にてリッチパージ制御を開始するためにフラグＦｒに１を立てて本ルーチンを終了する。
【００４２】
次に、ステップ１０にて、フラグＦｒが１、すなわちリッチパージ制御を開始するときはステップ７０に進む。ステップ７０では、リッチパージ制御が終了か否かを判定するフラグＦｓｔｐが０か否かが判定され、フラグＦｓｔｐが０のとき、すなわちリッチパージ制御が終了前であると判定された場合は、ステップ１００にて後述する図３のリッチパージ制御を行って本ルーチンを終了する。一方、フラグＦｓｔｐが１のとき、すなわちリッチパージ制御を終了するためのリーン復帰制御開始時は、ステップ２００に進み、後述する図４のリーン復帰制御を行って本ルーチンを終了する。
【００４３】
次に図３のフローチャートを説明する。図３のリッチパージ制御は、図２のフローチャートのステップ１００にてサブルーチンコールされる処理である。当該フローチャートは、ＮＯｘ触媒１４のＮＯｘ吸蔵量が判定値Ｃ１に達したときに、吸蔵されているＮＯｘを還元・放出するためにリッチパージを行う処理であり、このリッチパージ制御は本発明の特徴を有する。
【００４４】
まず、ステップ１０１では、吸入空気量Ｑ、スロットル開度ＴＨ、機関温度Ｔｈｗ、などの運転状態に基づいて目標空燃比Ｒｔａｒが設定される。そして、ステップ１０２へ進み、リーン→リッチ切り換え後最初の空燃比設定が終了したことを示すフラグＦｆｉｒが１か否かが判定される。フラグＦｆｉｒが１でなければ（フラグ＝０）、ステップ１０３へ進む。ステップ１０３では、リッチパージ開始時に設定される空燃比Ｒｆｉの演算が行われる。
【００４５】
空燃比Ｒｆｉは、リーン制御からリッチパージが速やかに行われるように、目標空燃比Ｒｔａｒよりもリッチな空燃比に設定するための値である。空燃比Ｒｆｉの設定方法として例えば、図６（ａ）に示すように内燃機関の回転速度に対応するマップを呼び出し、マップから運転状態に応じた空燃比Ｒｆｉを求めている。これによるとＨＣ、ＣＯの変化量に応じて三元触媒１３に貯蔵された酸素を速やかに消費し、空燃比をすばやくリッチへすることができる。また、リッチパージ開始時に設定される空燃比Ｒｆｉの算出方法は、内燃機関の回転速度のみならず、内燃機関の負荷や吸入空気量などに基づいて設定されるものでも良い。更に、固定値に設定してもよく、固定値にした場合は、マップの呼び出しなどのステップ数を削減できるのでＣＰＵへの負担を軽減することができる。また、ＲｆｉをＲｆｉ＝Ｒｔａｒ−αとして設定し、目標空燃比Ｒｔａｒより常に所定空燃比だけリッチ側の空燃比となるように設定しても良い。もちろんαの値を可変設定、例えば内燃機関の負荷等に応じて設定するようにしても良い。このようにして空燃比Ｒｆｉが設定されるとステップ１０４へ進む。
【００４６】
ステップ１０４では、リッチパージ制御手段が設定するリッチパージ空燃比として、ステップ１０３で算出した空燃比Ｒｆｉが設定される。そして、ステップ１０５に進み、リーン→リッチ切り換え後最初のリッチパージ空燃比の設定が終了したことを示すフラグＦｆｉｒを１にセットし本ルーチンを終了する。
【００４７】
ステップ１０２にて、フラグＦｆｉｒが１であれば、ステップ１０６へ進む。
ステップ１０６では、空燃比Ｒｆｉを減衰させ目標空燃比Ｒｔａｒに収束させるための減衰量Ｇｒｅが算出される。減衰量Ｇｒｅは図６（ｂ）に示されるように内燃機関の回転速度に対応するマップに基づいて設定される。また、この減衰量Ｇｒｅの算出方法は、内燃機関の回転速度のみならず、内燃機関の負荷や吸入空気量などに基づいて設定されるものでもよい。さらに、固定値に設定しても良く、固定値にした場合は、マップの呼び出しなどのステップ数を削減できるのでＣＰＵへの負担を軽減することができる。このようにして減衰量が設定されるとステップ１０７へ進む。
【００４８】
ステップ１０７では、リッチパージ制御が終了しているか否かが判定される。
例えば、リッチパージ制御終了か否かの判定方法として、次のような方法を用いることができる。まず、図２のフローチャートのステップ３０にて算出されたＮＯｘ積算量に基づきＮＯｘ触媒に吸蔵された全ＮＯｘを還元・放出するのに必要なリッチパージ総量を予め算出する。予め算出されたリッチパージ総量を判定値とし、毎回のＣＰＵの処理毎に実際にリッチパージ量を積算しリッチパージ積算値が前記判定値を越えたか否かを判定する。そしてリッチパージ積算値が判定値を越えたときに、リッチパージ制御の終了とする。ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元するのに必要なリッチパージ空燃比の算出方法としては、吸入空気量とエンジン回転速度に基づいたマップから求める。他にも、吸気圧（ＰＭ）をパラメータとしても良い。
【００４９】
リッチパージ制御が終了していないと判定された場合は、ステップ１０８へ進み、リッチパージ空燃比をリッチパージの前回値からステップ１０６で算出した減衰量Ｇｒｅを差し引く（リッチパージ空燃比＝前回値―減衰量Ｇｒｅ）ことで設定する。そして、ステップ１０９では、ステップ１０１で設定された目標空燃比Ｒｔａｒとステップ１０８で算出されたリッチパージ空燃比を比較し、リッチパージ空燃比が目標空燃比Ｒｔａｒよりリッチであると（リッチパージ空燃比―目標空燃比Ｒｔａｒ＞０）、このまま本ルーチンを終了する。また、ステップ１０９にて、リッチパージ空燃比が目標空燃比Ｒｔａｒよりリーンになると、（リッチパージ空燃比―目標空燃比Ｒｔａｒ＜０）、ステップ１１０に進み、リッチパージ空燃比を目標空燃比Ｒｔａｒに設定して本ルーチンを終了する。
【００５０】
ステップ１０７にて、リッチパージ制御が終了であると判定されると、ステップ１１１にてリッチパージ制御終了を示すフラグＦｓｔｐを１にセットし、ステップ１１２にてリーン→リッチ切り換え後の最初の空燃比設定をしたか否かを示すフラグＦｆｉｒを０（初期化）にセットし、本ルーチンを終了する。
【００５１】
このように、本ルーチンでは、目標空燃比Ｒｔａｒより更にリッチな空燃比をリッチパージ開始時の空燃比Ｒｆｉとして設定する。更に本実施例においては、このＲｆｉを運転状態に応じて設定するようにしている。これにより、三元触媒１３に貯蔵された酸素をすばやく消費し、三元触媒下流の空燃比を速やかにリーン→リッチ／リッチ→リーンに切り換えることができる。すなわち、本発明ではリーン→リッチ／リッチ→リーン切り換えの際に三元触媒１３の下流にＮＯｘがもっとも排出される空燃比をきわめて短時間で通過することになり、リーンからリッチ、リッチからリーンの切り換えの際に排出されるＮＯｘを低減することができる。
【００５２】
なお、本ルーチンでは、リッチパージ開始時制御の空燃比を目標空燃比Ｒｔａｒへ収束させる方法として運転状態に応じた減衰量Ｇｒｅを設定しているが、予め所定値を設定しておいてもよい。減衰量Ｇｒｅを所定値とすることで本ルーチンのステップ１０３を削除することができるためＣＰＵへの負担を軽減することができる。
【００５３】
次に、図2のステップ２００にてサブルーチンコールされるリーン復帰制御について、図４を用いて詳細を説明する。
【００５４】
本ルーチンは、リッチパージ制御が終了すると行われる制御である。まず、ステップ２０１にて、目標空燃比Ｌｔａｒが内燃機関の回転速度Ｎｅや吸入空気量などに基づいて設定される。次に、ステップ２０２にてリーン復帰制御による最初の空燃比の設定が終了したか否かを判定するフラグＦｓｅｃが読み込まれる。フラグＦｓｅｃが０である場合、すなわちリーン復帰制御による最初の空燃比が未設定である場合は、ステップ２０４に進み、空燃比Ｌｆｉを算出する。空燃比Ｌｆｉｒは、リーン復帰制御手段により設定され、図１３（ａ）に示されるような内燃機関の回転速度Ｎｅに応じたマップに基づいて算出される。なお、回転速度Ｎｅのみならず内燃機関の負荷や吸入空気量等からに基づいて設定されてもよい。そして、ステップ２０９へ進み、リーン復帰空燃比にステップ２０４で算出した空燃比Ｌｆｉを入力する。ステップ２１０では、最初の空燃比Ｌｆｉが設定されたことを示すためにフラグＦｓｅｃに１を入力し、本ルーチンを終了する。
ステップ２０２で、フラグＦｓｅｃが１のとき、すなわち最初の空燃比が設定済みの場合は、ステップ２０３にて、減衰量Ｇｌが算出される。減衰量Ｇｌは、空燃比Ｌｆｉｒを目標空燃比Ｌｔａｒに収束させるための値であり、図１３（ｂ）に示されるような内燃機関の回転速度Ｎｅに応じたマップに基づいて算出される。なお、回転速度Ｎｅのみならず内燃機関の負荷や吸入空気量ＰＭなどに基づいて設定されてもよい。
【００５５】
ステップ２０５に進むと、リーン復帰空燃比と目標空燃比Ｌｔａｒとを比較する。リーン復帰空燃比は、リーン復帰空燃比の前回値からステップ２０３で算出した減衰量Ｇｌを差し引いた空燃比である。ここで、目標空燃比Ｌｔａｒよりリーン復帰空燃比の方がリーンのときは（リーン復帰空燃比―目標空燃比Ｌｔａｒ＞０）、ステップ２０７において、リーン復帰空燃比の前回値からステップ２０３で算出されたリーン減衰量Ｇｌを差し引いた値を今回のリーン復帰空燃比として設定し、本ルーチンを終了する。ステップ２０５において、目標空燃比Ｌｔａｒよりリーン復帰空燃比の方がリッチなときは（リーン復帰空燃比―目標空燃比Ｌｔａｒ＜０）、ステップ２０６にてリーン復帰空燃比を目標空燃比Ｌｔａｒに設定する。そして、ステップ２０８に進み、初期化の処理としてフラグＦｓｅｃとリーン復帰制御が終了したことを示すフラグＦｓｔｐとに０を入力（リセット）し、本ルーチンを終了する。
【００５６】
次に、本実施形態の図８のタイムチャートを図７の従来技術と比較して説明する。図中のＬはリーンを示し、Ｒはリッチを示す。
【００５７】
まず、図７を用いて従来技術を説明する。図７（ａ）は、三元触媒１３前の空燃比（以下、制御空燃比という）を表わし、リーン制御からリッチパージ制御を行い、再びリーン制御へと制御空燃比を切り換えている図である。図７（ａ）のように空燃比を切り換えると、三元触媒１３下流の空燃比（以降、三元触媒後空燃比という）は、図７（ｂ）のようになる。図中のＡは、制御空燃比をリーン→リッチへと切り換えた直後であり、三元触媒１３に貯蔵された酸素を消費しながら三元触媒後空燃比がリッチになる。三元触媒後空燃比が目標空燃比となる図中のＢまでに時間Ｔαを要する。その後、三元触媒後空燃比は、図７（ａ）の制御空燃比がリッチパージ制御からリーン制御へと切り換えられると図中のＣからＤへと変化する。ＣからＤへは時間Ｔβを要する。図７（ｃ）は、このとき排出されるＮＯｘ量を示した図である。図７（ｂ）で示したように、三元触媒後空燃比がＮＯｘを多量に排出される空燃比領域をゆっくり（Ｔα、Ｔβ）通過するため、ＴαとＴβとに応じて多量のＮＯｘが排出されている。
【００５８】
図８の（ａ）は本実施形態のリーンバーン制御において、空燃比をリーン→リッチに切り換え、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元・放出した後に、リッチ→リーンへ切り換えた図である。ここでリーン→リッチへと切り換える際に、目標空燃比より更にリッチ（以降、リッチパージ開始時空燃比という）に設定し、その後、目標空燃比へ収束させる。同様にリッチ→リーンへと切り換える際も、目標空燃比より更にリーン（以降リーン復帰空燃比という）に設定し、その後、目標空燃比へ収束させている。このように制御空燃比を設定することで三元触媒後空燃比は図８（ｂ）のようになる。
【００５９】
図中のＡ’は、制御空燃比をリーン→リッチへと切り換えた直後であり、三元触媒１３に貯蔵された酸素を消費しながら三元触媒後空燃比がリッチになる。このとき、制御空燃比が目標空燃比より更にリッチなリッチパージ開始時空燃比に設定されている。このため、三元触媒１３に貯蔵されている酸素を消費する時間が短くなり、三元触媒後空燃比が目標空燃比になる図中のＢ’までの時間Ｔα’は図７（ｂ）のＴαよりも短くなっている。同様に、図中のＣ’は、制御空燃比をリッチ→リーンへと切り換えた直後である。前述したように制御空燃比を目標空燃比よりさらにリーンなリーン復帰空燃比に設定することで、三元触媒後空燃比が目標空燃比へ時間Ｔβ’は図７の（ｂ）のＴβに比して短くなっている。これにより図８（ｃ）に示される如くＮＯｘの排出量が従来技術に比して低減される。
【００６０】
なお、リッチパージ中に燃料カットの要求が入ったときは、リッチパージを禁止しても良い。その後、燃料カットから復帰したときは再びリッチパージを行う。復帰後のリッチパージは、リッチパージを行う前に設定されるリッチパージ総量から、燃料カットの要求が入る前に行ったリッチパージ積算値を差し引いたリッチパージ量を実施することで、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたままのＮＯｘを還元・放出する。このように燃料カットなどのリッチパージを実施できない運転領域が検出されると、リッチパージを禁止するので、最適な制御を行うことができる。本実施形態において、リッチパージ制御手段は図２に、リーン制御手段は図２のステップ５０に、リッチパージ開始時制御手段は図３に、リーン復帰制御手段は図４に、第１の収束手段は図３のステップ１０８〜ステップ１１０に、第２の収束手段は図４のステップ２０５〜ステップ２０６に、第１・第２の運転状態検出手段はエアフロメータ２１、回転速度センサ２５に、相当し、それぞれ機能する。
【００６１】
＜第２の実施形態＞
以下に第２の実施形態について、図を用いて説明する。
【００６２】
本実施形態は、第１の実施形態との違いは、目標空燃比よりリッチおよびリーンに設定されたリッチパージ空燃比およびリーン復帰制御により設定されたリーン復帰空燃比を目標空燃比へ収束させる収束手段にある。第１の実施形態では、目標空燃比に収束させる手段として、運転状態を検出し、運転状態に応じた減衰量にしたがって収束させる手段を用いていた。
【００６３】
本実施形態では、過度リッチ量および過度リーン量を加えた空燃比が所定時間継続され、所定時間経過した後に空燃比が目標空燃比に設定されるようになる。
図９乃至１２を用い、第１の実施形態と異なる部分を説明する。
【００６４】
メインルーチンは、第１の実施形態と同様である。ここでサブルーチンコールされるリッチパージ制御とリッチパージ終了制御とが図９、１０のフローチャートに示されている。図９のフローチャートにしたがって、リッチパージ制御を説明する。
【００６５】
まず、ステップＳ１０１’にて、カウンタＴ１をインクリメントする。カウンタＴ１は、リッチパージ制御中にリッチパージ空燃比を設定する時期をカウントするタイマである。カウンタＴ１がインクリメントされるとステップＳ１０２’に進み、カウンタＴ１が所定値Ｃ１以上か否かが判定される。カウンタＴ1が所定値Ｃ２以下の場合、ステップＳ１０７’に進み、リーン→リッチ切り換え後の空燃比を設定するためリッチパージ開始時空燃比ＲＴＡＦを算出する。空燃比ＲＴＡＦは、空燃比のリーン→リッチ切り換えが速やかに行われるように、その後の目標空燃比よりも更にリッチに設定される。リッチパージ開始時空燃比ＲＴＡＦが算出されるとステップＳ１０８’へ進み、リッチパージ空燃比にステップＳ１０７’で算出したＲＴＡＦを設定し、本ルーチンを終了する。
【００６６】
ステップＳ１０２’にて、カウンタＴ１が所定値Ｃ２を越えたと判定されると、ステップＳ１０３’へ進み、目標空燃比ＴＡＦが算出される。続いて、ステップＳ１０４’では、リッチパージ空燃比にステップＳ１０３’にて算出された目標空燃比ＴＡＦが設定され、ステップＳ１０５’へ進む。ステップＳ１０５’では、リッチパージ制御が終了か否かが判定される。この判定方法としては、第１の実施形態のように、ＮＯｘ触媒に貯蔵されているＮＯｘ量からＮＯｘを還元・放出するのに必要なリッチパージ量を算出し、実際のリッチパージ量から判定しても良いし、所定時間によってリッチパージ制御の終了時期が判定されても良い。リッチーパージ制御が終了である場合は、ステップＳ１０６’へ進み、リッチーパージ制御を終了するためのリッチパージ終了フラグＦｓｔｐに１を入力し、カウンタＴ１を０に戻し、本ルーチンを終了する。一方、ステップＳ１０５’でリッチパージ制御が終了ではないと判定されると、そのまま本ルーチンを終了する。
【００６７】
次に、本実施形態のリーン復帰制御について図１０を用いて説明する。
【００６８】
まず、ステップＳ２０１’にて、リーン復帰空燃比がリーン復帰初期空燃比ＬＴＡＦ（リッチ→リーン切り替え後に所定期間設定される空燃比であり、最終的に設定される目標空燃比ＴＡＦより更にリーンな空燃比である。）に設定される時間をカウントするタイマＴ２をインクリメントし、ステップＳ２０２’へ進む。ステップ２０２では、カウンタＴ２が所定値Ｃ３を越えたか否かを判定する。所定値Ｃ３は、リーン復帰空燃比がリーン復帰初期空燃比ＬＴＡＦに設定される期間に設定される。すなわち、空燃比がリッチ→リーン切り替えの際にＮＯｘが多量に排出される空燃比領域を速やかに通過するのに必要な期間に設定される。ステップＳ２０２’にてカウンタＴ２が所定値Ｃ３以下であると判定されると、ステップＳ２０３’へ進み、リーン復帰初期空燃比ＬＴＡＦを算出し、ステップＳ２０４’へ進む。ステップＳ２０４’では、リーン復帰空燃比にリーン復帰初期空燃比ＬＴＡＦを設定して本ルーチンを終了する。一方、ステップＳ２０２’にて、カウンタＴ２が所定値Ｃ２以上であると判定された場合はステップＳ２０３’へ進み、フラグＦｒとフラグＦｓｔｐ、カウンタＴ２とに０を入力し、本ルーチンを終了する。
【００６９】
本実施形態では、タイマＴ１・Ｔ２により空燃比がリッチパージ開始時空燃比ＲＴＡＦまたはリーン復帰初期空燃比ＬＴＡＦに設定される期間がカウントされる。このように制御することで、空燃比がリッチ→リーンまたはリーン→リッチに切り替えられる際にＮＯｘが多量に排出される空燃比領域を速やかに通過することができる。
【００７０】
つぎに、本実施形態を図１１のタイムチャートを用いて説明する。
【００７１】
まず、図１１（ａ）は本実施形態のリーンバーン制御において、空燃比をリーン→リッチに切り換え、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元・放出した後に、リッチ→リーンへ切り換えた図である。ここでリーン→リッチへと切り換える際に、目標空燃比より更にリッチ（以降、リッチパージ開始時空燃比という）に設定し、その後、目標空燃比へ収束させる。同様にリッチ→リーンへと切り換える際も、目標空燃比より更にリーン（以降リーン復帰空燃比という）に設定し、その後、目標空燃比へ収束させている。このように制御空燃比を設定することで三元触媒１３の下流の空燃比は図１１（ｂ）のようになる。
【００７２】
図中のＡ”は、制御空燃比をリーン→リッチへと切り換えた直後であり、三元触媒１３に貯蔵された酸素を消費しながら三元触媒後空燃比がリッチになる。このとき、制御空燃比が目標空燃比より更にリッチなリッチパージ開始時空燃比に設定されている。このため、第１の実施形態で示した従来技術の図７（ｂ）に比して三元触媒１３に貯蔵されている酸素を消費する時間が短くなり、三元触媒後空燃比が目標空燃比になる図中のＢ”までの時間Ｔα”は図７（ｂ）のＴαよりも短くなっている。同様に、図中のＣ”は、制御空燃比をリッチ→リーンへと切り換えた直後である。前述したように制御空燃比を目標空燃比よりさらにリーンなリーン復帰空燃比に設定することで、三元触媒後空燃比が目標空燃比へ時間Ｔβ”は図７（ｂ）のＴβに比して短くなっている。これにより図１１（ｃ）に示される如くＮＯｘの排出量が従来技術に比して低減される。
【００７３】
本実施形態において、リッチパージ制御手段は図９に、リッチパージ開始時制御手段は図３に、リーン復帰制御手段は図１０に、相当し、それぞれ機能する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の概略構成図。
【図２】本発明第１の実施形態の空燃比制御を示すフローチャート。
【図３】本発明第１の実施形態のリッチパージ制御を示すフローチャート。
【図４】本発明第１の実施形態のリーン復帰制御を示すフローチャート。
【図５】空燃比の補正値を求めるための図。
【図６】（ａ）は内燃機関の回転速度に応じた減衰量を求めるための図、（ｂ）内燃機関の回転速度に応じた減衰量を求めるための図。
【図７】従来技術のタイムチャート、（ａ）は制御空燃比を示すタイムチャート、（ｂ）は三元触媒後の空燃比を示すタイムチャート、（ｃ）は三元触媒の下流に排出されるＮＯｘ量を示すタイムチャート。
【図８】本発明第１の実施形態のタイムチャート、（ａ）は制御空燃比を示すタイムチャート、（ｂ）は三元触媒後の空燃比を示すタイムチャート、（ｃ）は三元触媒の下流に排出されるＮＯｘ量を示すタイムチャート。
【図９】本発明第２の実施形態のリッチパージ制御を示すフローチャート。
【図１０】本発明第２の実施形態のリーン復帰制御を示すフローチャート。
【図１１】本発明第２の実施形態のタイムチャート、（ａ）は制御空燃比を示すタイムチャート、（ｂ）は三元触媒後の空燃比を示すタイムチャート、（ｃ）は三元触媒下流に排出されるＮＯｘ量を示すタイムチャート。
【図１２】空燃比によるＮＯｘ排出量を示す図。
【図１３】（ａ）は内燃機関の回転速度に応じた減衰量を求めるための図、（ｂ）内燃機関の回転速度に応じた減衰量を求めるための図。
【図１４】ＮＯｘ吸蔵能力からＮＯｘ判定値を求める図。
【符号の簡単な説明】
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
２７ 酸素濃度センサとしてのＡ／Ｆセンサ
３０ ＥＣＵ

Claims (11)

1. 排気通路中に設けられ、酸素貯蔵能力を有する上流側触媒と、前記上流側触媒の下流に設けられ、ＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ触媒と、
   空燃比リーン領域でのリーン燃焼を行わせるリーン制御手段と、
   前記リーン制御手段によるリーン燃焼時に排出され、前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを浄化するために空燃比を所定期間リッチに制御するリッチパージ制御手段とを備える内燃機関の空燃比制御装置において、
   前記リッチパージ制御手段は、リッチパージ制御開始時の第１の空燃比がその後のリッチパージ中の第２の空燃比よりリッチとなるように制御するリッチパージ開始時制御手段と、リッチパージ中の前記第２の空燃比が一定となるように制御する手段と、前記リッチパージ制御から前記リーン制御に復帰するとき、一時的に前記空燃比が前記リーン制御手段により制御される空燃比よりリーンとなるように制御するリーン復帰制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 前記リッチパージ制御手段は、前記リッチパージ開始時制御手段により設定される空燃比を前記リッチパージ制御手段により設定される空燃比へ収束させる第１の収束手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
3. 前記リーン制御手段は、前記リーン復帰制御手段により設定される空燃比を前記リーン制御手段により設定される空燃比へ収束させる第２の収束手段を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか一つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
4. 内燃機関の運転状態を検出する第１の運転状態検出手段を備え、
   前記リーン復帰制御手段および／または前記リッチパージ開始時制御手段により設定される空燃比は、前記運転状態検出手段により検出される運転状態に基づいて設定されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
5. 前記第１の運転状態検出手段は、内燃機関の負荷を検出することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
6. 前記内燃機関の負荷は、吸入空気量であることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
7. 排気通路中に設けられ、酸素貯蔵能力を有する上流側触媒と、前記上流側触媒の下流に設けられ、ＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ触媒と、
   空燃比リーン領域でのリーン燃焼を行わせるリーン制御手段と、
   前記リーン制御手段によるリーン燃焼時に排出され、前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを浄化するために空燃比を所定期間リッチに制御するリッチパージ制御手段とを備える内燃機関の空燃比制御装置において、
   前記リッチパージ制御手段は、リッチパージ制御からリーン制御に復帰するとき、一時的に空燃比がリーン制御手段により制御される空燃比よりリーンとなるように制御するリーン復帰制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
8. 前記リーン制御手段は、前記リーン復帰制御手段により設定される空燃比を前記リーン制御手段により設定される空燃比へ収束させる第２の収束手段を備えることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
9. 内燃機関の運転状態を検出する第２の運転状態検出手段を備え、
   前記リーン復帰制御手段により設定される空燃比は、前記運転状態検出手段により検出される運転状態に基づいて設定されることを特徴とする請求項７または請求項８のいずれか一つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
10. 前記第２の運転状態検出手段は、内燃機関の負荷を検出することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
11. 前記内燃機関の負荷は、吸入空気量であることを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関の空燃比制御装置。

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