(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
必要に応じて理論空燃比よりリーンな空燃比から理論空燃比よりリッチな空燃比までの範囲で運転空燃比を変更する内燃機関の排気浄化装置であって、
機関排気通路に配置された、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯXを吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯXを放出するＮＯX吸蔵還元触媒と、
機関運転空燃比を変化させる際に、変化前の出発空燃比から変化後の目標空燃比である到達空燃比に至るまでの間に前記出発空燃比と到達空燃比との間の空燃比での中途空燃比運転を経て空燃比を変化させることにより機関出力の急変を抑制する空燃比調節手段と、
機関運転空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比及びリッチ空燃比からリーン空燃比に変化させる際に、前記ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力が空燃比とともに低下する空燃比領域である、理論空燃比に隣接した特定のリーン空燃比領域で前記中途空燃比運転が行なわれる場合には、前記特定のリーン空燃比領域における中途空燃比運転時間が他の空燃比領域における中途空燃比運転時間より短くなるように、前記特定のリーン空燃比領域における中途空燃比運転時間を短縮する空燃比変化調節手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記空燃比変化調節手段は、機関空燃比をステップ的に変化させて前記特定のリーン空燃比領域を通過させ、前記特定のリーン空燃比領域における中途空燃比運転を回避する請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
更に、機関運転空燃比を変化させる際に、機関運転空燃比が前記特定のリーン空燃比領域を通過中は機関点火時期または機関吸入空気量を調節し機関出力の急変を抑制する出力調節手段を備えた請求項１又は請求項２に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
理論空燃比よりリーンな空燃比から理論空燃比よりリッチな空燃比までの範囲で運転空燃比を変更可能な内燃機関の排気浄化装置であって、
機関排気通路に配置された、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯXを吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯXを放出するＮＯX吸蔵還元触媒と、
予め定めた関係に基づいて機関運転状態に応じて機関の運転空燃比目標値を設定する目標空燃比設定手段と、
前記目標空燃比設定手段の設定した目標値が、前記ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力が空燃比とともに低下する空燃比領域である、理論空燃比に隣接した特定のリーン空燃比領域外にある場合には、機関の実運転空燃比を前記目標値と同じ値に設定し、前記目標値が特定のリーン空燃比領域にある場合には前記実運転空燃比を前記特定のリーン空燃比領域外の予め定めた空燃比に設定する実運転空燃比設定手段と、
前記機関の運転空燃比が前記実運転空燃比設定手段の設定した実運転空燃比になるように機関運転空燃比を制御する空燃比制御手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
更に、前記目標空燃比設定手段により前記目標値が前記特定のリーン空燃比領域に設定されたときに、前記空燃比制御手段により機関運転空燃比が実運転空燃比に変更されるまでの間機関点火時期または機関吸入空気量を調節し機関出力の急変を抑制する出力調節手段を備えた請求項４に記載の排気浄化装置。
【請求項６】
理論空燃比よりリーンな空燃比から理論空燃比よりリッチな空燃比までの範囲で運転空燃比を変更可能な内燃機関の排気浄化装置であって、
機関排気通路に配置された、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯXを吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯXを放出するＮＯX吸蔵還元触媒と、
機関運転状態に応じて機関の運転空燃比目標値を設定する目標空燃比設定手段と、
前記機関の運転空燃比が前記目標空燃比設定手段の設定した目標空燃比になるように機関運転空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備え、
前記目標空燃比は、常に、前記ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力が空燃比とともに低下する空燃比領域である、理論空燃比に隣接した特定のリーン空燃比領域外の空燃比に設定されるようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記特定のリーン空燃比領域は理論空燃比から空燃比２０までの領域である請求項１、請求項４、請求項６のいずれか１項に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関し、詳細には流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯＸ  を吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯＸ  を放出するＮＯＸ  吸蔵還元触媒を備えた排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流入する排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯＸ  （窒素酸化物）を吸収し、流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯＸ  を放出するＮＯＸ  吸蔵還元触媒が知られている。
この種のＮＯＸ  吸蔵還元触媒を使用した排気浄化装置の例としては、例えば特許登録第２６００４９２号に記載されたものがある。上記特許の排気浄化装置は、リーン空燃比運転を行う機関の排気通路にＮＯＸ  吸蔵還元触媒を配置し、機関のリーン空燃比運転中にＮＯＸ  吸蔵還元触媒に排気中のＮＯＸ  を吸収させ、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒のＮＯＸ  吸収量が増大したときに機関を短時間理論空燃比またはリッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作を行うことにより、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒から吸収したＮＯＸ  を放出させるとともに、放出されたＮＯＸ  を還元浄化している。すなわち、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になると、リーン空燃比の排気に較べて排気中の酸素濃度が急激に低下するとともに、排気中の未燃ＨＣ、ＣＯ成分の量が急激に増大する。このため、リッチスパイク操作により機関運転空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換えられると、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比はリーン空燃比から理論空燃比またはリッチ空燃比に変化し、排気中の酸素濃度の低下によりＮＯＸ  吸蔵還元触媒からＮＯＸ  が放出される。また、上記のように理論空燃比またはリッチ空燃比の排気中には比較的多量の未燃ＨＣ、ＣＯ成分が含まれるため、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒から放出されたＮＯＸ  は排気中の未燃ＨＣ、ＣＯ成分と反応し還元される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許登録第２６００４９２号に記載の排気浄化装置では、機関リーン空燃比運転中に発生するＮＯＸ  をＮＯＸ  吸蔵還元触媒に吸収させ、リッチスパイク操作によりＮＯＸ  吸蔵還元触媒からＮＯＸ  を放出させ、同時に還元浄化している。ところが、リッチスパイク操作によりＮＯＸ  吸蔵還元触媒からのＮＯＸ  の放出と還元浄化とを行なうと、リッチスパイク操作初期にＮＯＸ  吸蔵還元触媒から還元されないままの未浄化のＮＯＸ  が流出する場合があることが判明している。
【０００４】
上記のようにリッチスパイク操作初期にＮＯＸ  吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯＸ  が放出される理由は完全には明らかになっていないが、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒のＮＯＸ  吸蔵能力（最大ＮＯＸ  吸蔵量）が空燃比によって変化することが原因と考えられている。
例えば、大幅なリーン空燃比で機関が運転されているような場合にはリッチスパイク操作時に急激に空燃比をリッチ空燃比に切り換えると機関出力トルクの急変によりトルクショックが生じる。このため、実際の運転では、大幅なリーン空燃比（例えば空燃比で３０程度）運転からリッチスパイク操作を行なうときには数段階のリーン空燃比領域での運転を経由してある程度の時間をかけて緩やかに空燃比をリッチ空燃比にするようにしてトルクショックが生じることを防止している。従って、大幅なリーン空燃比からのリッチスパイク操作実行時には機関が比較的リーンの程度の低い空燃比領域（例えば空燃比約２０から理論空燃比までの領域、以下「弱リーン空燃比領域」と呼ぶ）で運転される期間が生じる場合がある。
【０００５】
ところが、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒のＮＯＸ  吸蔵能力は流入する排気空燃比に影響を受け、上記弱リーン領域ではＮＯＸ  吸蔵能力が空燃比とともに低下することが判明している。図７はＮＯＸ  吸蔵還元触媒のＮＯＸ  吸蔵能力（最大ＮＯＸ  吸蔵量）の流入排気空燃比による変化を説明するグラフである。図７に示すように、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒のＮＯＸ  吸蔵能力は、空燃比が約２０以上の領域では空燃比にかかわらず略一定値となるが、空燃比２０以下の領域では排気空燃比が低下するにつれて（理論空燃比に近づくにつれて）低下し、理論空燃比では０になる。
【０００６】
このため、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒が空燃比２０以上のリーン空燃比領域で最大ＮＯＸ  吸蔵量付近までＮＯＸ  を吸蔵した状態から空燃比が２０以下の弱リーン領域になると吸蔵能力の低下により吸蔵したＮＯＸ  の全量を保持することができなくなり、実際に吸蔵しているＮＯＸ  量と最大吸蔵量との差に相当する量（図７に斜線で示した量）のＮＯＸ  が放出されるようになる。しかも、弱リーン空燃比領域では排気中のＨＣ、ＣＯ成分量は極めて少ないため放出されたＮＯＸ  はＮＯＸ  吸蔵還元触媒上で還元されず未浄化のままでＮＯＸ  吸蔵還元触媒から流出することになるのである。
【０００７】
上記はリッチスパイク操作で機関の運転空燃比が空燃比２０以上のリーン空燃比から上記弱リーン領域に変化した場合について説明したが、機関の運転空燃比がリッチ空燃比から上記弱リーン領域に変化した場合にも同様な問題が生じる場合がある。
更に、機関運転空燃比が上記弱リーン空燃比領域を通過する際には機関からのＮＯＸ  排出量も増加することが知られている。図８は機関の運転空燃比（機関燃焼室内の燃焼空燃比）と機関排気中のＮＯＸ  濃度との関係を説明する図である。図８カーブＡに示すように機関排気中のＮＯＸ  量は理論空燃比近傍では運転空燃比が上昇するにつれて増大し、空燃比で２０〜２３の領域で最大になり、その後は空燃比の増大とともに低下する傾向を示す。また、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒上流側の排気通路に三元触媒等の排気浄化触媒を有する機関では、理論空燃比よりリッチな空燃比では排気中のＮＯＸ  は略完全に還元されるため、この場合、排気浄化触媒下流側のＮＯＸ  吸蔵還元触媒に流入する排気中のＮＯＸ  濃度は図８にカーブＢで示すように、理論空燃比以下の空燃比では略０になり、理論空燃比付近で急増してカーブＡと一致するようになる。このため、機関が前述の弱リーン空燃比領域（理論空燃比から空燃比２０程度までの領域）で運転されると、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒に流入する排気中のＮＯＸ  は機関の最大ＮＯＸ  排出量近くまで急激に増大する。一方、前述のように弱リーン空燃比領域ではＮＯＸ  吸蔵還元触媒のＮＯＸ  吸蔵能力は低下するため、この領域では仮にＮＯＸ  吸蔵還元触媒のＮＯＸ  吸蔵量が比較的少なく、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒からのＮＯＸ  の自然放出が生じないような場合でも、ＮＯＸ  吸蔵能力の低下のために機関から排出されたＮＯＸ  の全量を吸収できなくなる場合があり、排気中のＮＯＸ  が未浄化のままＮＯＸ  吸蔵還元触媒から流出する可能性がある。
【０００８】
更に、実際の運転では、機関運転空燃比が機関運転条件（負荷等）に応じてリッチ空燃比からリーン空燃比まで広い範囲で変更される場合があり、リッチスパイク操作以外でも機関運転空燃比が上記弱リーン領域になる場合が生じ、機関運転条件の変化によりＮＯＸ  吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯＸ  が流出する場合が生じてしまう。
【０００９】
このように、機関のリッチスパイク操作毎、或いは運転条件変化による機関運転空燃比の変化毎にＮＯＸ  吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯＸ  が流出したのでは全体としてのＮＯＸ  浄化率が低下する問題が生じる。
本発明は上記問題に鑑み、理論空燃比からリーン空燃比までの領域で運転空燃比が変化する機関にＮＯＸ  吸蔵還元触媒を適用する場合に、空燃比変化によりＮＯＸ  吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯＸ  が放出されることを防止可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、必要に応じて理論空燃比よりリーンな空燃比から理論空燃比よりリッチな空燃比までの範囲で運転空燃比を変更する内燃機関の排気浄化装置であって、機関排気通路に配置された、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯXを吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯXを放出するＮＯX吸蔵還元触媒と、機関運転空燃比を変化させる際に、変化前の出発空燃比から変化後の目標空燃比である到達空燃比に至るまでの間に前記出発空燃比と到達空燃比との間の空燃比での中途空燃比運転を経て空燃比を変化させることにより機関出力の急変を抑制する空燃比調節手段と、機関運転空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比及びリッチ空燃比からリーン空燃比に変化させる際に、前記ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力が空燃比とともに低下する空燃比領域である、理論空燃比に隣接した特定のリーン空燃比領域で前記中途空燃比運転が行なわれる場合には、前記特定のリーン空燃比領域における中途空燃比運転時間が他の空燃比領域における中途空燃比運転時間より短くなるように、前記特定のリーン空燃比領域における中途空燃比運転時間を短縮する空燃比変化調節手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１１】
すなわち、請求項１の発明では機関空燃比変更の際に機関出力の急な変化の抑制のための中途空燃比運転が行なわれる。このため、例えば大幅なリーン空燃比からリッチ空燃比への空燃比の変更の際等には、ＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵能力が低下するような特定のリーン空燃比領域での中途空燃比運転が実行される場合が生じＮＯX吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯXが放出される可能性がある。本発明では、機関空燃比変更の際に上記特定のリーン空燃比領域での中途空燃比運転が行なわれる場合には、特定のリーン空燃比領域での中途空燃比運転時間が他の空燃比領域で中途空燃比運転が行なわれる場合の中途空燃比運転時間に較べて短くなるように特定のリーン空燃比運転領域における中途空燃比運転時間が短縮される。これにより、ＮＯX吸蔵還元触媒に特定のリーン空燃比領域の排気が供給される時間が短縮される。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、前記空燃比変化調節手段は、機関空燃比をステップ的に変化させて前記特定のリーン空燃比領域を通過させ、前記特定のリーン空燃比領域における中途空燃比運転を回避する請求項１に記載の排気浄化装置が提供される。
すなわち請求項２の発明では、機関空燃比変更の際に特定リーン空燃比領域では中途空燃比運転を行なわず、例えば特定のリーン空燃比領域に隣接する空燃比領域の一方から他方にステップ的に空燃比を変化させて特定のリーン空燃比を通過させる。これにより、特定のリーン空燃比領域における中途空燃比運転時間は実質的にゼロまで短縮されるため、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒に特定のリーン空燃比領域の排気が供給される時間が更に短縮される。
【００１３】
請求項３に記載の発明によれば、更に、機関運転空燃比を変化させる際に、機関運転空燃比が前記特定のリーン空燃比領域を通過中は機関点火時期または機関吸入空気量を調節し機関出力の急変を抑制する出力調節手段を備えた請求項１又は請求項２に記載の排気浄化装置が提供される。
すなわち請求項３の発明では、請求項１又は請求項２において機関運転空燃比変化時に上述の特定のリーン空燃比領域を通過中機関点火時期又は機関吸入空気量を調節し、機関出力急変を防止する出力調節手段が設けられている。中途空燃比運転は、機関空燃比変化による機関出力の急変を防止するものであるため特定のリーン空燃比領域での中途空燃比運転時間を短縮するような場合にはこの領域で機関出力変化が比較的急激に変化するようになる場合がある。本発明では、機関空燃比変化の際の特定のリーン空燃比領域を通過中に機関点火時期又は機関吸入空気量を調節することにより機関出力の急変が抑制される。例えばリーン空燃比からリッチ空燃比への機関空燃比変化時に特定のリーン空燃比領域を通過するような場合には、点火時期の遅角または吸入空気量の低減のいずれか一方又は両方が行なわれる。これにより、機関出力の低下と空燃比の変化（リッチ化）による機関出力の増大とが互いに相殺されるので特定のリーン空燃比領域における中途空燃比運転時間短縮による機関出力の急変が抑制される。
【００１４】
請求項４に記載の発明によれば、理論空燃比よりリーンな空燃比から理論空燃比よりリッチな空燃比までの範囲で運転空燃比を変更可能な内燃機関の排気浄化装置であって、機関排気通路に配置された、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯXを吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯXを放出するＮＯX吸蔵還元触媒と、予め定めた関係に基づいて機関運転状態に応じて機関の運転空燃比目標値を設定する目標空燃比設定手段と、前記目標空燃比設定手段の設定した目標値が、前記ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力が空燃比とともに低下する空燃比領域である、理論空燃比に隣接した特定のリーン空燃比領域外にある場合には、機関の実運転空燃比を前記目標値と同じ値に設定し、前記目標値が特定のリーン空燃比領域にある場合には前記実運転空燃比を前記特定のリーン空燃比領域外の予め定めた空燃比に設定する実運転空燃比設定手段と、前記機関の運転空燃比が前記実運転空燃比設定手段の設定した実運転空燃比になるように機関運転空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１５】
すなわち、請求項４の発明では機関運転空燃比目標値はは機関運転状態に応じて設定されるが、設定された目標運転空燃比が、例えばＮＯX吸蔵還元触媒の吸蔵能力が低下するような特定のリーン空燃比領域になった場合には機関の実際の運転空燃比を上記特定のリーン空燃比領域以外の空燃比（例えば特定のリーン空燃比領域に隣接した空燃比）に設定する。このため、機関が上記特定のリーン空燃比領域で運転されることがなくなりＮＯX吸蔵還元触媒に特定のリーン空燃比の排気が供給されることが防止される。なお、「機関運転状態に応じて目標運転空燃比を設定する」とは機関の定常運転状態の目標運転空燃比のみならず、機関の過渡運転状態の（例えば機関運転空燃比変化途中の）目標運転空燃比をも意味するものとする。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、更に、前記目標空燃比設定手段により前記目標値が前記特定のリーン空燃比領域に設定されたときに、前記空燃比制御手段により機関運転空燃比が実運転空燃比に変更されるまでの間機関点火時期または機関吸入空気量を調節し機関出力の急変を抑制する出力調節手段を備えた請求項４に記載の排気浄化装置が提供される。
【００１７】
すなわち、請求項５の発明では機関運転空燃比目標値が特定のリーン空燃比領域になったために、実運転空燃比がこの特定のリーン空燃比領域外に設定された場合には、機関出力の急変を抑制するために、機関の点火時期または機関吸入空気量が調節される。請求項４のように特定のリーン空燃比領域を避けて機関の実運転空燃比を設定する場合には、機関空燃比変更時に空燃比の変化幅や変化速度が大きくなり機関出力の急変が生じる場合がある。本発明では、このような場合に機関の点火時期と機関吸入空気量とのいずれか一方または両方を調節することにより機関出力の急変が抑制される。
【００１８】
請求項６に記載の発明によれば、理論空燃比よりリーンな空燃比から理論空燃比よりリッチな空燃比までの範囲で運転空燃比を変更可能な内燃機関の排気浄化装置であって、機関排気通路に配置された、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯXを吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯXを放出するＮＯX吸蔵還元触媒と、機関運転状態に応じて機関の運転空燃比目標値を設定する目標空燃比設定手段と、前記機関の運転空燃比が前記目標空燃比設定手段の設定した目標空燃比になるように機関運転空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備え、前記目標空燃比は、常に、前記ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力が空燃比とともに低下する空燃比領域である、理論空燃比に隣接した特定のリーン空燃比領域外の空燃比に設定されるようにした内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１９】
すなわち、請求項６の発明では機関の目標運転空燃比は常に特定のリーン空燃比領域外の空燃比に設定されるため、機関が特定のリーン空燃比領域で運転されることがない。このため、ＮＯX吸蔵還元触媒に特定のリーン空燃比領域の排気が供給されることが防止される。
請求項７に記載の発明によれば、前記特定のリーン空燃比領域は理論空燃比から空燃比２０までの領域である請求項１、請求項４、請求項６のいずれか１項に記載の排気浄化装置が提供される。
【００２０】
すなわち、請求項７の発明では、請求項１、４、６のいずれかの発明において特定のリーン空燃比領域はＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力が低下するリーン空燃比領域に設定される。これにより、本発明では上記特定のリーン空燃比領域の排気がＮＯX吸蔵還元触媒に供給されることが抑制され、ＮＯX吸蔵還元触媒からの未浄化のＮＯX放出が抑制される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の実施形態の概略構成を示す図である。
図１において、１は自動車用内燃機関を示す。本実施形態では、機関１は＃１から＃４の４つの気筒を備えた４気筒ガソリン機関とされ、＃１から＃４気筒には気筒内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁１１１から１１４が設けられている。後述するように、本実施形態の内燃機関１は、理論空燃比より高い（リーン）空燃比から理論空燃比より低い（リッチ）空燃比までの広い範囲の空燃比で運転可能な機関とされている。
【００２２】
また、本実施形態では＃１から＃４の気筒は互いに点火時期が連続しない２つの気筒からなる２つの気筒群にグループ分けされている。（例えば、図１の実施形態では、気筒点火順序は１−３−４−２であり、＃１、＃４の気筒と＃２、＃３の気筒とがそれぞれ気筒群を構成している。）また、各気筒の排気ポートは気筒群毎に排気マニホルドに接続され、気筒群毎の排気通路に接続されている。図１において、２１ａは＃１、＃４気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路２ａに接続する排気マニホルド、２１ｂは＃２、＃４気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路２ｂに接続する排気マニホルドである。本実施形態では、個別排気通路２ａ、２ｂ上には、三元触媒からなるスタートキャタリスト（以下「ＳＣ」と呼ぶ）５ａと５ｂがそれぞれ配置されている。また、個別排気通路２ａ、２ｂはＳＣ下流側で共通の排気通路２に合流している。
【００２３】
共通排気通路２上には、後述するＮＯＸ  吸蔵還元触媒７が配置されている。図１に２９ａ、２９ｂで示すのは、個別排気通路２ａ、２ｂのスタートキャタリスト５ａ、５ｂ上流側に配置された空燃比センサ、３１で示すのは、排気通路２のＮＯＸ  吸蔵還元触媒７出口に配置された空燃比センサである。空燃比センサ２９ａ、２９ｂ及び３１は、広い空燃比範囲で排気空燃比に対応する電圧信号を出力する、いわゆるリニア空燃比センサとされている。
【００２４】
図１において、機関の１の気筒＃１から＃４の吸気ポートはそれぞれの吸気枝管１１〜１４を介してサージタンク１０ａに接続されており、サージタンクは共通の吸気通路１０に接続されている。更に、本実施形態では吸気通路１０上にはスロットル弁１５が設けられている。本実施形態のスロットル弁１５はいわゆる電子制御スロットル弁とされており、ステッパモータ等の適宜な形式のアクチュエータ１５ａにより駆動され後述するＥＣＵ３０からの制御信号に応じた開度をとる。
【００２５】
更に、図１に３０で示すのは機関１の電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。ＥＣＵ３０は、本実施形態ではＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵを備えた公知の構成のマイクロコンピュータとされ、機関１の点火時期制御や燃料噴射制御等の基本制御を行なっている。また、本実施形態では、ＥＣＵ３０は上記の基本制御を行う他に、後述するように機関運転状態に応じて筒内噴射弁１１１から１１４の燃料噴射モードを変更し機関の運転空燃比を変更する制御を行なうとともに、更にＮＯＸ  吸蔵還元触媒７から吸収したＮＯＸ  を放出させるために機関のリーン空燃比運転中に短時間運転空燃比をリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク操作を行なっている。
【００２６】
ＥＣＵ３０の入力ポートには、空燃比センサ２９ａ、２９ｂからスタートキャタリスト５ａ、５ｂ入口における排気空燃比を表す信号と、空燃比センサ３１からＮＯＸ  吸蔵還元触媒７出口における排気空燃比を表す信号が、また、図示しない機関吸気マニホルドに設けられた吸気圧センサ３３から機関の吸気圧力に対応する信号がそれぞれ入力されている他、機関クランク軸（図示せず）近傍に配置された回転数センサ３５から機関クランク軸一定回転角毎にパルス信号が入力されている。更に、本実施形態では、ＥＣＵ３０の入力ポートには機関１のアクセルペダル（図示せず）近傍に配置したアクセル開度センサ３７から運転者のアクセルペダル踏込み量（アクセル開度）を表す信号が入力されている。ＥＣＵ３０は、所定間隔毎に吸気圧センサ３３出力とアクセル開度センサ３７出力とをＡＤ変換して吸気圧力ＰＭとアクセル開度ＡＣＣＰとしてＥＣＵ３０のＲＡＭの所定領域に格納するとともに、回転数センサ３５からのパルス信号の間隔から機関回転数ＮＥを算出し、ＲＡＭの所定の領域に格納している。また、ＥＣＵ３０の出力ポートは、各気筒への燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御するために、図示しない燃料噴射回路を介して各気筒の燃料噴射弁１１１から１１４に接続されている他、スロットル弁１５のアクチュエータ１５ｂに図示しない駆動回路を介して接続されスロットル弁１５の開度を制御している。
【００２７】
本実施形態では、ＥＣＵ３０は運転条件に応じて機関１を以下の５つのモードのいずれかで運転する。
▲１▼  リーン空燃比成層燃焼（圧縮行程１回噴射）
▲２▼  リーン空燃比弱成層燃焼（吸気行程／圧縮行程２回噴射）
▲３▼  リーン空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射）
▲４▼  理論空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射）
▲５▼  リッチ空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射）
すなわち、機関１の軽負荷運転領域では、上記モード▲１▼のリーン空燃比成層燃焼が行なわれる。機関１は気筒内に吸入空気のスワール（旋回流）を生じさせるスワールポートを有する吸気弁と通常のストレートポートを有する吸気弁との２つの吸気弁を備えており、ストレートポートに連通する吸気通路に設けられたスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）（図示せず）の開度を調節することによりスワールポートから気筒内に流入する吸気量を制御することが可能となっている。成層燃焼を行なう場合には、ＳＣＶ開度は全閉とされスワールポートからの吸気量を増大し、気筒内に強いスワールを生成させる。また、この状態では筒内燃料噴射は各気筒の圧縮行程後半に１回のみ行なわれ、噴射された燃料は気筒点火プラグ近傍に可燃混合気の層を形成する。また、この運転状態での燃料噴射量は極めて少なく、気筒内の全体としての空燃比は２５から３０程度もしくはそれ以上になる。
【００２８】
また、上記モード▲１▼の状態から負荷が増大して低負荷運転領域になると、上記モード▲２▼リーン空燃比弱成層燃焼が行なわれる。機関負荷が増大するにつれて気筒内に噴射する燃料は増量されるが、上記モード▲１▼の成層燃焼では燃料噴射を圧縮行程後半に行なうため、噴射時間が限られてしまい成層させることのできる燃料量には限界がある。そこで、この負荷領域では圧縮行程後半の燃料噴射だけでは不足する燃料の量を予め吸気行程前半に噴射することにより目標量の燃料を気筒に供給するようにしている。吸気行程前半に気筒内に噴射された燃料は着火時までに極めてリーンな均質混合気を生成する。圧縮行程後半ではこの極めてリーンな均質混合気中に更に燃料が噴射され点火プラグ近傍に着火可能な可燃混合気の層が生成される。着火時にはこの可燃混合気層が燃焼を開始し周囲の希薄な混合気層に火炎が伝播するため安定した燃焼が行なわれるようになる。この状態では吸気行程と圧縮行程での噴射により供給される燃料量は▲１▼より増量されるが、全体としての空燃比はやや低いリーン（例えば空燃比で２０から３０程度）になる。
【００２９】
更に機関負荷が増大すると、機関１では上記モード▲３▼のリーン空燃比均質混合気燃焼が行なわれる。この状態ではＳＣＶは全開とされ吸気の大部分はストレートポートから気筒内に流入する。また、この状態では燃料噴射は吸気行程前半に１回のみ実行され、燃料噴射量は上記▲２▼より更に増量される。この状態で気筒内に生成される均質混合気は理論空燃比に比較的近いリーン空燃比（例えば空燃比で１５から２５程度）となる。
【００３０】
更に機関負荷が増大して機関高負荷運転領域になると、モード▲３▼の状態から更に燃料が増量され、上記モード▲４▼の理論空燃比均質混合気運転が行なわれる。この状態では、気筒内には理論空燃比の均質な混合気が生成されるようになり、機関出力が増大する。また、更に機関負荷が増大して機関の全負荷運転になると、モード▲４▼の状態から燃料噴射量が更に増量されモード▲５▼のリッチ空燃比均質混合気運転が行なわれる。この状態では、気筒内に生成される均質混合気の空燃比はリッチ（例えば空燃比で１２から１４程度）になる。
【００３１】
本実施形態では、アクセル開度（運転者のアクセルペダル踏込み量）と機関回転数とに応じて予め実験等に基づいて最適な運転モード（上記▲１▼から▲５▼）が設定されており、ＥＣＵ３０のＲＯＭにアクセル開度と機関回転数とを用いたマップとして格納してある。機関１運転中、ＥＣＵ３０はアクセル開度センサ３７で検出したアクセル開度と機関回転数とに基づいて、現在上記▲１▼から▲５▼のいずれの運転モードを選択すべきかを決定し、それぞれのモードに応じて燃料噴射量、燃料噴射時期、回数及びスロットル弁開度を決定する。
【００３２】
また、モード▲４▼（理論空燃比均質混合気燃焼）が選択された場合には、ＥＣＵ３０は更に上記により算出した燃料噴射量を、機関排気空燃比が理論空燃比となるように空燃比センサ２９ａ、２９ｂの出力に基づいてフィードバック補正する空燃比制御を行なう。
すなわち、上記▲１▼から▲３▼のモード（リーン空燃比燃焼）が選択された場合には、ＥＣＵ３０は上記▲１▼から▲３▼のモード毎に予め準備されたマップに基づいて、アクセル開度と機関回転数とから燃料噴射量を決定する。又、上記▲４▼と▲５▼のモード（理論空燃比またはリッチ空燃比均質混合気燃焼）が選択された場合には、ＥＣＵ３０は上記▲４▼と▲５▼のモード毎に予め準備されたマップに基づいて、吸気圧センサ３３で検出された吸気圧力と機関回転数とに基づいて燃料噴射量を設定する。
【００３３】
また、スロットル弁１５開度はモード▲１▼から▲３▼では全開に近い領域でアクセル開度に応じて制御される。この領域ではアクセル開度が低下するとスロットル弁開度も低減されるが、スロットル弁全開相当の領域であるためスロットル弁開度が変化しても吸気圧力は略一定になり、ほとんど吸気絞りは生じない。
一方モード▲４▼、▲５▼ではスロットル弁開度はアクセル開度に略等しい開度に制御される。すなわち、アクセル開度（アクセルペダル踏込み量）が０のときにはスロットル開度も０に、アクセル開度が１００パーセントのとき（アクセルペダルがいっぱいに踏み込まれたとき）にはスロットル開度も１００パーセント（全開）にセットされる。
【００３４】
次に、本実施形態のスタートキャタリスト５ａ、５ｂ及びＮＯＸ  吸蔵還元触媒について説明する。
スタートキャタリスト（ＳＣ）５ａ、５ｂは、ハニカム状に成形したコージェライト等の担体を用いて、この担体表面にアルミナの薄いコーティングを形成し、このアルミナ層に白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の貴金属触媒成分を担持させた三元触媒として構成される。三元触媒は理論空燃比近傍でＨＣ、ＣＯ、ＮＯＸ  の３成分を高効率で浄化する。三元触媒は、流入する排気の空燃比が理論空燃比より高くなるとＮＯＸ  の還元能力が低下するため、機関１がリーン空燃比運転されているときの排気中のＮＯＸ  を充分に浄化することはできない。
【００３５】
また、ＳＣ５ａ、５ｂは機関始動後短時間で触媒の活性温度に到達し、触媒作用を開始することができるように、排気通路２ａ、２ｂの機関１に近い部分に配置され、熱容量を低減するために比較的小容量のものとされている。
次に、本実施形態のＮＯＸ  吸蔵還元触媒７について説明する。本実施形態のＮＯＸ  吸蔵還元触媒７は、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ  、リチウムＬｉ  、セシウムＣｓ  のようなアルカリ金属、バリウムＢａ  、カルシウムＣａ  のようなアルカリ土類、ランタンＬａ  、セリウムＣｅ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つの成分と、白金Ｐｔのような貴金属とを担持したものである。ＮＯＸ  吸蔵還元触媒は流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに、排気中のＮＯＸ  （ＮＯ２  、ＮＯ）を硝酸イオンＮＯ３  −  の形で吸収し、流入排気ガスがリッチになると吸収したＮＯＸ  を放出するＮＯＸ  の吸放出作用を行う。
【００３６】
この吸放出のメカニズムについて、以下に白金ＰｔおよびバリウムＢａを使用した場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
流入排気中の酸素濃度が増大すると（すなわち排気の空燃比がリーン空燃比になると）、これら酸素は白金Ｐｔ上にＯ２  −  またはＯ２−の形で付着し、排気中のＮＯＸ  は白金Ｐｔ上のＯ２  −  またはＯ２−と反応し、これによりＮＯ２  が生成される。また、流入排気中のＮＯ２  及び上記により生成したＮＯ２  は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ触媒中に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸イオンＮＯ３  −  の形で触媒内に拡散する。このため、リーン雰囲気下では排気中のＮＯＸ  がＮＯＸ  吸蔵還元触媒内に硝酸塩の形で吸収されるようになる。
また、流入排気中の酸素濃度が低下すると（すなわち、排気の空燃比が低下すると）、白金Ｐｔ上でのＮＯ２  生成量が減少するため、反応が逆方向に進むようになり、触媒内の硝酸イオンＮＯ３  −  はＮＯ２  の形でＮＯＸ  吸蔵還元触媒から放出されるようになる。この場合、排気中にＨＣ、ＣＯ等の成分が存在すると白金Ｐｔ上でこれらの成分によりＮＯ２  が還元される。
【００３７】
図７で説明したように、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒の吸蔵可能な最大ＮＯＸ  量は弱リーン空燃比領域になると空燃比の低下とともに減少する。これは、上述のＮＯ２  →ＮＯ３  −  の方向の反応速度（ＮＯＸ  吸収速度）とＮＯ３  −  →ＮＯ２  の方向の反応速度（ＮＯＸ  放出速度）が排気中の酸素濃度が低いほど低下し、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒中の硝酸イオン濃度（吸蔵量）が高い程増大するためと考えられる。すなわち、排気中の酸素濃度が高くＮＯＸ  吸蔵還元触媒中の硝酸イオン濃度が低い場合には、ＮＯＸ  吸収速度がＮＯＸ  の放出速度より大きくなり、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒はＮＯＸ  を吸収する。しかし、ＮＯＸ  吸蔵量が増大してＮＯＸ  吸蔵還元触媒中の硝酸イオン濃度が増大するとＮＯＸ  放出速度は次第に大きくなり、触媒中の硝酸イオンがある量に到達するとＮＯＸ  の吸収速度と放出速度とがバランスしてＮＯＸ  吸蔵還元触媒はＮＯＸ  を吸収しなくなる。すなわち、この時の触媒中の硝酸イオン濃度（吸蔵量）がその空燃比（酸素濃度）におけるＮＯＸ  吸蔵還元触媒の最大ＮＯＸ  吸蔵量となる。従って、排気中の酸素濃度（空燃比）が低下してＮＯＸ  吸蔵還元触媒へのＮＯＸ  吸収速度が低下すると、それに応じてＮＯＸ  吸収速度とバランスするＮＯＸ  放出速度も低下することになり、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒の最大ＮＯＸ  吸蔵量が空燃比とともに低下する。このＮＯＸ  吸蔵量の低下は、排気酸素濃度が充分に大きい場合には（例えば空燃比で２０以上の場合には）ＮＯＸ  吸収速度が充分に高いためあまり問題とならず、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒はＢａＯの全量が硝酸イオンで飽和するまでＮＯＸ  を吸収可能となる。しかし、理論空燃比に比較的近い弱リーン空燃比領域（空燃比が２０以下）ではＮＯＸ  吸収速度の低下が大きいため、空燃比の低下につれてＮＯＸ  吸蔵還元触媒の最大ＮＯＸ  吸蔵量が低下するものと考えられる。
【００３８】
本実施形態では、リーン空燃比運転可能な機関１が使用されており、機関１がリーン空燃比で運転されているときには、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒は流入する排気中のＮＯＸ  を吸収する。また、機関１がリッチ空燃比で運転されると、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒７は吸収したＮＯＸ  を放出、還元浄化する。本実施形態では、リーン空燃比運転中にＮＯＸ  吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯＸ  量が増大すると、短時間機関空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク運転を行い、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒からのＮＯＸ  の放出と還元浄化とを行なうようにしている。
【００３９】
本実施形態では、ＥＣＵ３０はＮＯＸ  カウンタの値を増減することによりＮＯＸ  吸蔵還元触媒７が吸収保持しているＮＯＸ  量を推定する。ＮＯＸ  吸蔵還元触媒７に単位時間当たりに吸収されるＮＯＸ  の量はＮＯＸ  吸蔵還元触媒に単位時間当たりに流入する排気中のＮＯＸ  量、すなわち機関１で単位時間当たりに生成されるＮＯＸ  量に比例している。一方、機関で単位時間当たりに発生するＮＯＸ  の量は機関への燃料供給量、空燃比、排気流量等によって定まるため、機関運転条件が定まればＮＯＸ  吸蔵還元触媒に吸収されるＮＯＸ  量を知ることができる。本実施形態では、予め機関運転条件（アクセル開度、機関回転数、吸入空気量、吸気圧力、空燃比、燃料供給量など）を変えて機関が単位時間当たりに発生するＮＯＸ  量を実測し、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒７に単位時間当たりに吸収されるＮＯＸ  量を、例えば機関負荷（燃料噴射量）と機関回転数とを用いた数値マップの形でＥＣＵ３０のＲＯＭに格納している。ＥＣＵ３０は一定時間毎（上記の単位時間毎）に機関負荷（燃料噴射量）と機関回転数とからこのマップを用いて単位時間当たりにＮＯＸ  吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯＸ  量を算出し、ＮＯＸ  カウンタをこのＮＯＸ  吸収量だけ増大させる。これによりＮＯＸ  カウンタの値は常にＮＯＸ  吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯＸ  の量を表すようになる。ＥＣＵ３０は、機関のリーン空燃比運転中に、上記ＮＯＸ  カウンタの値が所定値以上に増大したときに、短時間（例えば０．５から１秒程度）前述の▲５▼のモード（リッチ空燃比均質混合気燃焼）で運転するリッチスパイク操作を行なう。これにより、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒から吸収したＮＯＸ  が放出され、還元浄化される。なお、リッチスパイクで排気空燃比をリッチに保持する時間は詳細にはＮＯＸ  吸蔵還元触媒の種類、容量などに基づいて実験等により決定される。また、リッチスパイクを実行してＮＯＸ  吸蔵還元触媒からＮＯＸ  が放出、還元浄化された後はＮＯＸ  カウンタの値は０にリセットされる。このように、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒７のＮＯＸ  吸収量に応じてリッチスパイクを行なうことにより、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒７は適切に再生され、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒が吸収したＮＯＸ  で飽和することが防止される。
【００４０】
ところが、本実施形態のように広い空燃比範囲で運転される機関では、例えば空燃比３０程度のリーン空燃比（モード▲１▼）運転時にリッチスパイク操作（モード▲５▼）を行なう際に、急激に空燃比をリッチ空燃比に切り換えると空燃比変化による出力トルクの急増によりトルクショックが生じる場合がある。このため、リッチスパイク操作時には、機関数回転程度の時間をかけてモード▲１▼（リーン空燃比成層燃焼（圧縮行程１回噴射））からモード▲２▼（リーン空燃比弱成層燃焼（吸気行程／圧縮行程２回噴射）とモード▲３▼（リーン空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射））及び▲４▼（理論空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射））の運転モードを経てから▲５▼（リッチ空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射））に移行するようにしてトルクショックが生じることを防止している。すなわち、リッチスパイク操作時には機関がモード▲５▼の運転に切り換えられて機関空燃比がリッチになるまでに中途の空燃比での運転（モード▲２▼、▲３▼、▲４▼での運転）が行なわれることになり、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒の吸蔵能力が低下する弱リーン空燃比領域（空燃比で２０以下、モード▲３▼に相当）で機関が運転される状態が生じてしまう。この領域では、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯＸ  のうち、最大吸蔵量を越えた分のＮＯＸ  がＮＯＸ  吸蔵還元触媒から放出されることになるが、排気空燃比がリーンであるため放出されたＮＯＸ  は還元されず、未浄化のままでＮＯＸ  吸蔵還元触媒下流側に流出する場合が生じる。
【００４１】
上記は、リッチスパイクの場合について説明したが、例えば機関急加速やブレーキブースタの作動負圧を確保するためのスロットル弁の急激な閉弁動作等で空燃比がリーンからリッチに変化するような場合にも急激なトルクショックを避けるために同様な中途空燃比運転が行なわれ、機関が弱リーン空燃比領域で運転される状態が生じるため同様な問題が起きる。更に、図８で説明したように、弱リーン空燃比領域では機関から排出されるＮＯＸ  量も増大するため、機関空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に変更される場合の弱リーン空燃比領域での中途空燃比運転時のみならず、リッチ空燃比からリーン空燃比に変更される場合の弱リーン空燃比領域における中途空燃比運転時にも、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒の吸収能力の低下のために機関から排出されたＮＯＸ  がＮＯＸ  吸蔵還元触媒に吸収されず下流側に流出するおそれがある。
【００４２】
そこで、以下に説明する実施形態では機関運転空燃比がリーンからリッチまたはリッチからリーンに変更される場合の弱リーン空燃比領域での中途空燃比運転時間をできるだけ短縮することにより、未浄化のＮＯＸ  がＮＯＸ  吸蔵還元触媒下流側に流出することを抑制している。
以下に弱リーン空燃比領域での中途空燃比運転時間短縮制御の実施形態について具体的に説明する。
【００４３】
（１）第１の実施形態
本実施形態では、リッチスパイクや運転条件の変化により機関の運転空燃比を変更する際に、弱リーン空燃比領域での中途空燃比運転が行なわれる場合には弱リーン空燃比領域での中途空燃比運転時間を他の空燃比領域における中途空燃比運転時間より短く設定するようにしている。これにより、機関が弱リーン空燃比領域で運転される時間が短縮され、未浄化のＮＯＸ  がＮＯＸ  吸蔵還元触媒下流側に流出することが抑制される。
【００４４】
図２、図３は本実施形態における中途空燃比運転制御操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行なわれる。図２、図３の操作では機関運転状態の変化もしくはリッチスパイク操作等のために機関運転空燃比を変更する際に、機関運転空燃比が弱リーン空燃比になるモード▲３▼（均質リーン空燃比燃焼）での中途空燃比運転時間を他のモードでの中途空燃比運転時間より短くなるように設定し、弱リーン空燃比領域での中途空燃比運転時間を短縮している。
【００４５】
図２において、ステップ２０１は機関運転状態パラメータの読み込み操作を示している。ステップ２０１では機関運転状態を表す機関回転数、アクセル開度、吸気圧力等がそれぞれ読み込まれる。これらのパラメータは後述するように機関運転モード、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度、点火時期、ＥＧＲ量、バルブタイミング、ＳＣＶ開度等を決定するのに用いられる。
【００４６】
次いで、ステップ２０３ではリッチスパイクフラグＲＳの値が１に設定されているか否かが判定される。前述したように、本実施形態ではＥＣＵ３０は別途実行される図示しないルーチンにより、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒７のＮＯＸ  吸蔵量を表すＮＯＸ  カウンタを常時算出しており、ＮＯＸ  カウンタ（吸蔵量）の値が予め定めた値に到達した場合には、機関をリッチ空燃比（モード▲５▼）で運転しＮＯＸ  吸蔵還元触媒７から吸収したＮＯＸ  を放出させ還元浄化するリッチスパイク操作を行なう。フラグＲＳは、ＮＯＸ  カウンタの値が上記予め定めた値に到達したときに予め定めた時間だけ１にセットされ、その後０にリセットされるフラグである。
【００４７】
ステップ２０５、２０７は機関の運転モードの決定を示す。前述のように、本実施形態では機関運転状態パラメータからまず運転モード（▲１▼から▲５▼）が決定され、運転モードに応じて燃料噴射量、噴射時期／回数、点火時期等が決定される。本実施形態では、リッチスパイク要求がない場合（すなわちステップ２０３でＲＳ≠１の場合）にはステップ２０１で読み込んだ運転状態パラメータの値に基づいて機関の目標運転モードＭＦの値が決定される（なお、ＭＦは１から５までの整数値をとり、ＭＦ＝１はモード▲１▼を、ＭＦ＝２はモード▲２▼を、ＭＦ＝３、４、５はそれぞれモード▲３▼、▲４▼、▲５▼を表している）。ステップ２０３でリッチスパイク要求があった場合（ＲＳ＝１の場合）には、ＭＦの値は５（モード▲５▼、リッチ空燃比運転）に設定される。
【００４８】
ステップ２０９では、上記により設定された目標運転モードＭＦが現在の目標運転モードＭＦｉ−１  と異なるか否か、すなわち機関の運転モードを現在のものから変更する必要があるか否かが判断され、モードを変更する必要がある場合（ＭＦ≠ＭＦｉ−１  の場合）にはステップ２１１でモード変更の際に中途空燃比運転を行なう必要があるか否かが判定される。例えば、ステップ２１１では隣接した運転モードへの変更以外の場合には中途空燃比運転が必要と判定される。
【００４９】
ステップ２０９でモード変更不要、またはステップ２１１で中途空燃比運転不要と判断された場合には、ステップ２２１で実際の運転モードＭの値がＭＦと同じ値にセットされ、ステップ２２３では後述するカウンタＣＲＳの値が０にセットされるとともに、ステップ２２４では現在の目標運転モードＭＦｉ−１  の値が更新される。また、この場合には図３、ステップ２５９から２７７で目標運転モードＭＦに応じた運転制御が行なわれる。
【００５０】
一方、ステップ２１１で中途空燃比運転が必要であると判断された場合には、ステップ２１３からステップ２５７が実行され、中途空燃比運転が行なわれる。
ステップ２１３は中途空燃比運転が終了したか否かの判定を示す。すなわち、中途空燃比運転では後述するように、機関の実際の運転モードＭが目標運転モードＭＦになるまで順次切り換えられる。中途空燃比運転はこの結果、機関の実際の運転モードＭが目標運転モードＭＦに到達したとき（ステップ２１３でＭ＝ＭＦになったとき）に終了する。すなわち、ステップ２１３でＭ＝ＭＦとなった場合には操作はステップ２２３に進み目標運転モードＭＦに応じた運転制御が行なわれるようになる。
【００５１】
ステップ２１５からステップ２２９は中途空燃比運転時の運転モード切り換え操作を示す。本実施形態では、運転モードの切り換えはカウンタＣＲＳの値が設定値αに到達する毎に行なわれる。後述するように、ＣＲＳは機関のいずれかの気筒で点火が行なわれる毎に１ずつ増大するカウンタである。すなわち、中途空燃比運転時には、機関運転モードは機関でα回点火操作が行なわれる毎に切り換えられることになる。ステップ２２５は運転モード切り換え方向の判定、例えばリーン空燃比からリッチ空燃比方向へのモード切り換えが必要か、リッチ空燃比からリーン空燃比方向へのモード切り換えが必要かの判定を示す。例えば、ステップ２２５で新しい目標運転モードＭＦが現在の目標運転モードＭＦｉ−１  より大きい場合（リッチ空燃比側の運転モードに切り換える必要がある場合）には、機関の実際の運転モードＭはカウンタＣＲＳの値がαに到達する毎に１ずつ増大され、順次リッチ側の運転モードに切り換えられる。また、ＭＦがＭＦｉ−１  より小さい場合には実際の運転モードＭは順次１ずつ減少される。
【００５２】
ステップ２３１から２３５は各モードにおける中途空燃比運転時間の設定操作を示している。上述のように、中途空燃比運転における各モードでの運転時間は設定値αの大きさにより決定される。ステップ２３１からステップ２３５では、機関の実際の運転モードＭの値が３のときにはαの値はＢに設定され、Ｍ≠３のときにはＡに設定される。ここで、Ａ、ＢはＡ＜Ｂとなる定数であり本実施形態では、例えばＡ＝１６、Ｂ＝４程度の値とされる。
【００５３】
すなわち、本実施形態では機関運転空燃比切り換え時の中途空燃比運転では、モード▲３▼で運転される時間は他のモード（モード▲２▼、▲４▼）で運転される時間の１／４に短縮されることになる。例えば、本実施形態では、カウンタＣＲＳの値は機関のいずれかの気筒で点火が行なわれる毎に１ずつ増大されるため、４気筒４サイクル機関であれば、モード▲２▼、▲４▼での中途空燃比運転はクランク軸８回転分ずつ継続されるのに対して、モード▲３▼ではクランク軸２回転分しか継続されないことになる。
【００５４】
前述したように、運転モード▲３▼は機関の弱リーン空燃比運転が行なわれるモードであるため、これにより運転空燃比変更時に機関が弱リーン空燃比領域で中途空燃比運転される時間が他の空燃比領域に較べて短縮され、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯＸ  が流出することが抑制されることになる。
上記により中途空燃比運転時のモードＭを決定後、図３ステップ２３７では、モードＭ毎に設定された中途空燃比運転用の数値マップから、機関運転状態パラメータ（アクセル開度、回転数、吸気圧力等）に基づいて燃料噴射量、噴射時期及び回数が決定され、ステップ２３９では同様にモード毎に設定された中途空燃比運転用の数値マップから機関運転状態パラメータに基づいて点火時期が設定される。なお、本実施形態では弱リーン空燃比領域での中途空燃比運転時間を短縮しているため、機関運転モード（空燃比）が比較的急激に変化する。このため、中途空燃比運転時の点火時期設定は通常運転時の点火時期設定とは異なっており、例えばモード▲２▼では通常運転時より進角設定され、モード▲３▼、▲４▼での運転時には通常より遅角される。これにより、弱リーン空燃比領域通過時（モード▲３▼運転時）の機関出力の急激な変化が抑制される。
【００５５】
また、ステップ２４１ではＳＣＶ開度が運転モードＭに応じて設定され、ステップ２４３ではスロットル弁１５開度が運転モードＭとアクセル開度とに応じて設定される。
ステップ２４５から２５７は燃料噴射、点火等の実行操作を示す。ステップ２４５から２５３では、機関クランク角に基づいて、それぞれ現在上記により設定された燃料噴射時期にあるか否か（ステップ２４５）及び点火時期にあるか否か（ステップ２４９）が判定され、噴射時期にある場合にはステップ２３７で設定された量の燃料が該当する気筒の燃料噴射弁から噴射され（ステップ２４７）、点火時期にある場合には該当する気筒の点火プラグによる点火が実行される（ステップ２５１）。また、点火が実行された場合にはステップ２５３でカウンタＣＲＳの値が１増大される。そして、ステップ２５５とステップ２５７ではＳＣＶとスロットル弁１５との開度がそれぞれステップ２４１、２４３で設定された開度に調整される。
【００５６】
図３、ステップ２５９から２６１は通常運転時の燃料噴射、点火時期等の制御操作を示す。この場合には、燃料噴射量、時期及び回数、点火時期、ＳＣＶ開度、スロットル開度等は目標運転モードＭＦと機関運転状態パラメータとに基づいて設定される。ステップ２５９からステップ２６１はステップ２３７からステップ２５７と略同様の操作であるので詳細な説明は省略する。なお、通常運転時には点火実行毎のカウンタＣＲＳの増大は行なわない。
【００５７】
上述のように、本実施形態によれば機関空燃比変更時に弱リーン空燃比領域で中途空燃比運転が行なわれる時間が他の領域に較べて短縮されるため、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒下流側への未浄化のＮＯＸ  の流出が抑制されるようになる。
なお、本実施形態では機関運転空燃比を直接判断しないで機関の運転モード（モード▲３▼）に基づいて機関が弱リーン空燃比領域で運転されるか否かを判定しているが（図２ステップ２３１）、例えば機関回転数吸気圧力とに基づいて機関の吸入空気量を算出し、燃料噴射量と吸入空気量から機関運転空燃比を算出するようにして、図２ステップ２３１では実際に機関運転空燃比が弱リーン空燃比領域（理論空燃比から空燃比２０までの領域）に入った場合にαの値をＢに設定するようにしても良い。
【００５８】
また、本実施形態では中途空燃比運転時に点火時期を通常とは異なる値に調整することにより機関出力の急激な変化を抑制しているが、中途空燃比運転時に点火時期を調整する代わりにステップ２４３で設定されるスロットル開度を通常とは異なる値にすることにより、機関吸入空気量を変えて出力の急激な変化を抑制するようにしても良い。
【００５９】
（２）第２の実施形態
次に、本発明の中途空燃比運転制御の別の実施形態について説明する。上記第１の実施形態では、中途空燃比運転を行なう際に弱リーン空燃比領域における運転時間を短縮することにより、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒下流側への未浄化のＮＯＸ  の放出を防止していた。これに対して、本実施形態では機関運転空燃比を変更する際に空燃比をステップ的に変化させて弱リーン空燃比領域を通過させることにより弱リーン空燃比領域での中途空燃比運転を全く行なわないようにした点が相違している。このように、機関運転空燃比変更の際に弱リーン空燃比領域での中途空燃比運転を回避するようにしたことにより、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒には弱リーン空燃比の排気が流入することがなくなるため確実にＮＯＸ  吸蔵還元触媒下流側への未浄化のＮＯＸ  の流出を防止することが可能となる。
【００６０】
図４は本実施形態における中途空燃比運転制御操作を説明するフローチャートである。本実施形態の中途空燃比運転制御操作は第１の実施形態の操作のステップ２３１、２３３及び２３５（図２）を別の操作で置き換えた点だけが図２、図３の操作と相違している。図４のフローチャートはこの相違点（ステップ４３１〜４３５）付近のみを図示しているが、図示していない部分は図２、図３の操作と全く同一となる。
【００６１】
図４のステップ２２５から２２９では図２と同様に機関運転空燃比の変更方向に応じて運転モードＭが設定される。そしてステップ４３１ではこの新たに設定されたモードＭが３（モード▲３▼）であるか否かが判定され、▲３▼以外のモードである場合には、図２と同様αの値は比較的大きな値Ａ（例えばＡ＝１６）に設定される（ステップ４３３）。しかし、本実施形態では、ステップ４３１でＭ＝３であった場合にはステップ４３５でカウンタＣＲＳの値をクリアしてステップ２３７からステップ２５７の燃料噴射や点火操作を行なうことなく直ちに操作を終了する点が相違している。これにより、次回操作を実行の際にはステップ２１５（図２）の後直ちにステップ２２５からステップ２２９が実行されることになるため、運転モードＭの値は２または４に設定されるようになる。すなわち、本実施形態では運転モードＭの値が３になった場合には、モード▲３▼での中途空燃比運転を行なわずに直ちに隣接した空燃比での中途空燃比運転に移行する。これにより、機関が弱リーン空燃比領域で中途空燃比運転されることがなくなるため、確実にＮＯＸ  吸蔵還元触媒下流側への未浄化のＮＯＸ  の流出が防止されるようになる。なお、この場合にも機関の急激な出力変化を抑制するため、点火時期またはスロットル弁開度の調整が行なわれる。
【００６２】
（３）第３の実施形態
次に、本発明の別の実施形態について説明する。
本実施形態では、空燃比変更の際に弱リーン空燃比領域での中途空燃比運転を行なわないのみならず、通常の運転時にも弱リーン空燃比領域に目標空燃比が設定されることを防止している。すなわち、本実施形態では通常の運転時や中途空燃比運転時に目標運転空燃比が弱リーン空燃比領域に設定され、機関運転空燃比を弱リーン空燃比領域に設定する要求が出た場合には機関を弱リーン領域外の空燃比（例えば理論空燃比）で運転するようにして機関の弱リーン空燃比領域での運転を回避している。これにより、本実施形態においても確実にＮＯＸ  吸蔵還元触媒下流側への未浄化のＮＯＸ  の放出が防止される。
【００６３】
図５、図６は本実施形態の運転制御操作を説明するフローチャートであり、第１の実施形態の図２に対応する操作である。
図５、ステップ５０１は機関運転状態パラメータの読み込みを示す図２ステップ２０１と同様の操作である。また、ステップ５０３、ステップ５１１では図２ステップ２０３、２０７と同様、フラグＲＳの値からリッチスパイク要求があるか否かが判定され、リッチスパイク要求がある場合には機関の目標運転モードＭＦは５（モード▲５▼）に設定される。また、リッチスパイク要求がない場合（ステップ５０３でＲＳ≠１の場合）には、ステップ５０５で、図２ステップ２０５と同様に機関運転状態パラメータに基づいて目標運転モードＭＦが設定される。しかし、本実施形態では、ステップ５０５で設定されたＭＦの値が３（モード▲３▼）であった場合には、ステップ５０７、５０９でＭＦの値は４（モード▲４▼）に変更される点が図２の操作と相違している。
【００６４】
上記により目標運転モードＭＦを設定後、ステップ５１３、５１５では中途空燃比運転の要否が判定され、中途空燃比運転が必要ない場合には図６ステップ５４１に進み通常の運転制御が実行される。すなわち、本実施形態においても、ステップ５４１から５４５の操作実行後には図３ステップ２５９から２７７の操作が実行され、燃料噴射、点火等の各制御が行なわれる。また、ステップ５４１から５４５の操作は図２ステップ２２１から２２４の操作と同様であるので説明は省略する。
【００６５】
図６ステップ５１７から５２９は図２ステップ２１３から２２９と同様の中途空燃比運転切り換え操作を示している。但し、本実施形態ではステップ５１７及び５２７、５２９で実運転モードＭの代りに仮の目標運転モードＭＩを用いている点が図２の操作と相違している。そして、ステップ５３１から５３５では仮の目標運転モードＭＩがモード▲３▼以外（ＭＩ≠３）の場合には実運転モードＭを仮の目標運転モードＭＩと同じ値に設定し（ステップ５３１、５３７）、ＭＩ＝３である場合には実運転モードＭをモード▲４▼（理論空燃比運転）に変更する（ステップ５３１、５３３）。すなわち、本実施形態では機関の運転空燃比をモード▲３▼（弱リーン空燃比領域）での運転に変更する要求があった場合には、モード▲３▼の代りにモード▲４▼（理論空燃比）での運転に変更することにより、弱リーン空燃比領域で機関が運転されることを防止している。ステップ５３５またはステップ５３９実行後、本実施形態においても図３ステップ２３７から２５７の操作が実行される。
【００６６】
本実施形態によれば、機関が弱リーン空燃比領域で運転されることがなくなるため、一層確実にＮＯＸ  吸蔵還元触媒下流側への未浄化のＮＯＸ  の流出が防止されるようになる。なお、本実施形態においても中途空燃比運転時には機関の急激な出力変化を抑制するため、点火時期またはスロットル弁開度の調整が行なわれる。
【００６７】
（４）第４の実施形態
上述の各実施形態では、機関の運転モードは機関運転状態パラメータ（例えばアクセル開度と機関回転数）に応じて前述の▲１▼から▲５▼のモードのいずれかに設定される。このため、機関が▲３▼のモードで運転される場合には運転空燃比が弱リーン空燃比領域（理論空燃比から空燃比２０までの領域）に設定されてＮＯＸ  吸蔵還元触媒下流側への未浄化のＮＯＸ  の流出が生じる場合がある。また、機関運転空燃比変更時にもモード▲３▼での中途空燃比運転が行なわれる場合があり、同様に機関が一時的に弱リーン空燃比領域で運転される場合が生じる。このため、上記各実施形態では、弱リーン空燃比における中途空燃比運転時間を短縮する等により未浄化のＮＯＸ  の流出を防止している。
【００６８】
本実施形態では、当初から機関運転モードを▲１▼、▲２▼及び▲４▼、▲５▼の４つのみに設定して、機関の運転モードとしてモード▲３▼（均質リーン空燃比燃焼）が選択されることがないようにした点が相違している。
前述のように、本実施形態においてもアクセル開度と機関回転数とに基づいて予め定めたマップから運転モードを設定するが、選択される運転モードは▲１▼▲２▼と▲４▼▲５▼のみとされている。すなわち、前述の各実施形態では機関負荷が増大するにつれて運転モードが▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲４▼→▲５▼の順に切り換えられるが、本実施形態で使用される運転モードマップには始めから運転モード▲３▼が存在せず、機関負荷増大につれて運転モードは▲１▼→▲２▼→▲４▼→▲５▼の順に切り換えられるようになっている。この場合、例えば運転モード▲２▼及び▲４▼は、従来モード▲３▼で運転されていた負荷領域をカバーするように、前述の各実施形態におけるより広い負荷範囲に設定される。なお、各運転モード（▲１▼、▲２▼、▲４▼、▲５▼）の負荷領域は実際の機関を用いた適合操作により定められるが、このように当初から運転モード▲３▼が存在しないように運転モード切り換えマップを作成することにより、機関が弱リーン空燃比領域で運転される可能性がなくなり、ＮＯＸ  吸蔵還元触媒下流側への未浄化のＮＯＸ  の流出を完全に防止することが可能となる。なお、上記は運転モード▲３▼での運転を全く行なわないようにした例について説明したが、運転モード▲３▼を全くなくすのではなく、運転モード▲３▼のうち機関運転空燃比が弱リーン空燃比領域（理論空燃比から空燃比２０までの領域）になる運転状態を他の空燃比領域（理論空燃比以下、または空燃比２０以上の領域）での運転に置き換えたマップを使用することによっても機関の弱リーン空燃比領域における運転を防止することが可能となる。
【００６９】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、排気通路にＮＯX吸蔵還元触媒を配置して機関排気中のＮＯXを吸収、還元浄化する場合において、機関の運転空燃比変化により未浄化のＮＯXがＮＯXＮＯX吸蔵還元触媒下流側に流出することを抑制することが可能となる共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態を説明するフローチャートの一部である。
【図３】本発明の第１の実施形態を説明するフローチャートの一部である。
【図４】本発明の第２の実施形態を説明するフローチャートの一部である。
【図５】本発明の第３の実施形態を説明するフローチャートの一部である。
【図６】本発明の第３の実施形態を説明するフローチャートの一部である。
【図７】ＮＯＸ  吸蔵還元触媒のＮＯＸ  吸蔵能力の空燃比による変化傾向を説明する図である。
【図８】内燃機関のＮＯＸ  排出量の運転空燃比による変化傾向を説明する図である。
【符号の説明】
１…内燃機関
２…排気通路
７…ＮＯＸ  吸蔵還元触媒
１５…スロットル弁
２９ａ、２９ｂ、３１…空燃比センサ
３０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３７…アクセル開度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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