(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を放出するとともに、流入する排気の空燃比が特定のリーン空燃比領域にある場合には排気空燃比が低下するにつれてＮＯX吸蔵能力が低下するＮＯX吸蔵還元触媒と、
機関運転空燃比が前記特定のリーン空燃比領域に変更されたときに、前記ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側に保持する空燃比調整手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記空燃比調整手段は、前記機関に燃焼に寄与しない無効燃料を供給することにより前記ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側に保持する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記空燃比調整手段は機関の気筒内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁を備え、気筒の膨張行程または排気行程中に前記筒内燃料噴射弁から気筒内に燃料を噴射する二次燃料噴射を行なうことにより機関に無効燃料を供給する請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
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に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記空燃比調整手段は、機関の運転空燃比に基づいて、機関からのＮＯX排出量とＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯX放出量とを推定し、前記ＮＯX排出量とＮＯX放出量とに基づいて機関に供給する無効燃料量を設定する請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
更に、前記ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を検出する空燃比センサを備え、前記空燃比調整手段は前記空燃比センサにより検出された排気空燃比が理論空燃比よりリッチ側の目標空燃比に保持されるように機関に供給する無効燃料の量を制御する請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
リーン空燃比運転を行なう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を放出するとともに、流入する排気の空燃比が特定のリーン空燃比領域にある場合には排気空燃比が低下するにつれてＮＯX吸蔵能力が低下するＮＯX吸蔵還元触媒と、
機関のリーン空燃比運転中に前記ＮＯX吸蔵還元触媒から吸収したＮＯXを放出させるべきときに機関の運転空燃比を所定のリッチ空燃比に切り換えるＮＯX放出操作を行なうＮＯX放出手段と、
前記ＮＯX放出操作開始後機関運転空燃比が前記所定のリッチ空燃比に到達するまでの間、機関運転空燃比に応じた量の機関の燃焼に寄与しない無効燃料を機関に供給し前記ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持する無効燃料供給手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
リーン空燃比運転を行なう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を放出するとともに、流入する排気の空燃比が特定のリーン空燃比領域にある場合は排気空燃比が低下するにつれてＮＯX吸蔵能力が低下するＮＯX吸蔵還元触媒と、
機関のリーン空燃比運転中に前記ＮＯX吸蔵還元触媒から吸収したＮＯXを放出させるべきときに機関の運転空燃比を所定のリッチ空燃比に切り換えるＮＯX放出操作を行なうＮＯX放出手段と、
前記ＮＯX放出操作開始直前に、機関に燃焼に寄与しない無効燃料を供給し前記ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持する無効燃料供給手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
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を放出するとともに、流入する排気の空燃比が特定のリーン空燃比領域にある場合には排気空燃比が低下するにつれてＮＯX吸蔵能力が低下するＮＯX吸蔵還元触媒と、
機関の気筒内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁を備え、機関運転空燃比が前記特定のリーン空燃比領域に変更されたときに、前記筒内燃料噴射弁から気筒の膨張行程または排気行程中に燃料を噴射し前記ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持する二次燃料噴射を行なう二次燃料噴射手段と、を備え、
前記二次燃料噴射手段は、少なくとも機関運転空燃比が前記特定のリーン空燃比領域に変化した直後の所定期間は膨張行程中に前記二次燃料噴射を行なう、内燃機関の排気浄化装置。
【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によれば、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。
【０００４】
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。
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。
【０００５】
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リーン空燃比から比較的空燃比の低いリーン（弱リーン）領域（例えば空燃比で２０以下）の領域での運転を経由して、機関数回転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、リッチスパイク操作実行時には機関が弱リーン空燃比領域で運転される期間が生じてしまう。
【０００６】
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１１はＮＯX 吸蔵還元触媒のＮＯX 吸蔵能力（最大ＮＯX 吸蔵量）の流入排気空燃比との関係を説明するグラフである。図１１に示すように、ＮＯX 吸蔵還元触媒のＮＯX 吸蔵能力は、空燃比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。
【０００７】
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１１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。
【０００８】
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。
図１２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１２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１７付近で最大になり、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１２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。
【０００９】
このため、機関が弱リーン領域（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 排出量付近まで増大する。一方、前述のように弱リーン領域では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 吸蔵還元触媒が全くＮＯX を吸蔵していない場合であっても排気中のＮＯX の全量を吸収できなくなって排気中のＮＯX が未浄化のままＮＯX 吸蔵還元触媒から流出する場合が生じるのである。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
【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を放出するとともに、流入する排気の空燃比が特定のリーン空燃比領域にある場合には排気空燃比が低下するにつれてＮＯX吸蔵能力が低下するＮＯX吸蔵還元触媒と、機関運転空燃比が前記特定のリーン空燃比領域に変更されたときに、前記ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側に保持する空燃比調整手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１３】
すなわち、請求項１の発明では機関運転空燃比が特定のリーン空燃比領域に変更されたときには、空燃比調整手段によりＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比は理論空燃比よりリッチ側に保持される。理論空燃比よりリッチ側の排気は酸素濃度が低く、ＨＣ、ＣＯ成分を比較的多量に含んでいる。このため、機関運転空燃比が、特定のリーン空燃比領域（例えば、理論空燃比から空燃比で２０程度までの弱リーン空燃比領域）に変更された場合でも、ＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比はリッチ空燃比になり、ＮＯX 吸蔵還元触媒からＮＯX が放出され、排気中のＨＣ、ＣＯ成分により還元浄化される。このため、未浄化のＮＯX がＮＯX 吸蔵還元触媒から流出することが防止される。なお、請求項１の発明において、「機関運転空燃比が特定のリーン空燃比領域に変更されたとき」とは、１）運転空燃比変更の際に一時的に特定のリーン空燃比領域を通過する場合、２）他の空燃比領域から運転空燃比が変更され、特定のリーン空燃比領域で継続的に運転が行なわれる場合、及び３）特定のリーン空燃比領域内で運転空燃比が変更される場合のいずれをも含んでいる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、前記空燃比調整手段は、前記機関に燃焼に寄与しない無効燃料を供給することにより前記ＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側に保持する請求項１に記載の内燃機関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、空燃比調整手段は機関に燃焼に寄与しない無効燃料を供給することにより、ＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側に保持する。無効燃料の供給としては、例えば気筒内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁を有する機関では、各気筒の膨張または排気行程中に気筒内に燃料を噴射（二次燃料噴射）することによっても良いし、気筒排気ポートに燃料を噴射する排気ポート燃料噴射弁を有する機関では気筒排気ポートに燃料を噴射することによっても良い。無効燃料は燃焼に寄与しないため、機関の運転空燃比（機関燃焼室における燃焼空燃比）に影響を与えることなくＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を低下させることが可能となる。また、無効燃料は燃焼に寄与しないため比較的多量の無効燃料を供給しても機関の出力トルクが増大することがない。このため、無効燃料を供給することにより、機関の運転空燃比が特定のリーン空燃比になった場合でも、排気の空燃比を直ちに理論空燃比よりリッチ側に維持することが可能となる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、前記空燃比調整手段は機関の気筒内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁を備え、気筒の膨張行程または排気行程中に前記筒内燃料噴射弁から気筒内に燃料を噴射する二次燃料噴射を行なうことにより機関に無効燃料を供給する請求項２に記載の内燃機関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、二次燃料噴射により無効燃料が機関に供給される。
【００１６】
請求項４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に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項４の発明では、特定のリーン空燃比領域は理論空燃比から空燃比２０までの弱リーン空燃比領域とされる。ＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比が弱リーン空燃比領域に入るとＮＯX 吸蔵還元触媒のＮＯX 吸蔵能力低下のために、未浄化のＮＯX が流出する可能性があるが、機関運転空燃比が弱リーン空燃比領域に変更された際に、空燃比調整手段によりＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側に保持することによりＮＯX 吸蔵還元触媒には弱リーン空燃比の排気は流入しなくなり、ＮＯX 吸蔵還元触媒からの未浄化のＮＯX の放出が防止される。
【００１７】
請求項５に記載の発明によれば、前記空燃比調整手段は、機関の運転空燃比に基づいて、機関からのＮＯX 排出量とＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX 放出量とを推定し、前記ＮＯX 排出量とＮＯX 放出量とに基づいて機関に供給する無効燃料量を設定する請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項５の発明では、空燃比調整手段は機関のＮＯX 排出量とＮＯX 吸蔵還元触媒のＮＯX 放出量とに応じて機関に供給する無効燃料量を設定するため、機関から排出されるＮＯX とＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されるＮＯX との両方を還元するのに必要な量の無効燃料が過不足なく機関に供給され、ＮＯX 吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯX が放出されることが防止される。
【００１８】
請求項６に記載の発明によれば、更に、前記ＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を検出する空燃比センサを備え、前記空燃比調整手段は前記空燃比センサにより検出された排気空燃比が理論空燃比よりリッチ側の目標空燃比に保持されるように機関に供給する無効燃料の量を制御する請求項２に記載の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ＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を実際に検出し、この排気空燃比が目標空燃比になるように無効燃料の量が制御されるため、機関の運転空燃比にかかわらず、正確にＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比が目標空燃比に維持され、ＮＯX 吸蔵還元触媒からの未浄化のＮＯX の流出が確実に防止される。
【００２０】
請求項７に記載の発明によれば、リーン空燃比運転を行なう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を放出するとともに、流入する排気の空燃比が特定のリーン空燃比領域にある場合には排気空燃比が低下するにつれてＮＯX吸蔵能力が低下するＮＯX吸蔵還元触媒と、機関のリーン空燃比運転中に前記ＮＯX吸蔵還元触媒から吸収したＮＯXを放出させるべきときに機関の運転空燃比を所定のリッチ空燃比に切り換えるＮＯX放出操作を行なうＮＯX放出手段と、前記ＮＯX放出操作開始後機関運転空燃比が前記所定のリッチ空燃比に到達するまでの間、機関運転空燃比に応じた量の機関の燃焼に寄与しない無効燃料を機関に供給し前記ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持する無効燃料供給手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２１】
すなわち、請求項７の発明では、例えばリーン空燃比運転中のリッチスパイク操作等のＮＯX 放出操作を行なう際に機関に無効燃料が供給される。これにより、ＮＯX 放出操作時に機関運転空燃比が特定の空燃比領域（例えば弱リーン空燃比領域）を通過する際にも、ＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持することが可能となり、ＮＯX 吸蔵還元触媒からの未浄化のＮＯX の放出が防止される。
【００２２】
請求項８に記載の発明によれば、リーン空燃比運転を行なう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を放出するとともに、流入する排気の空燃比が特定のリーン空燃比領域にある場合は排気空燃比が低下するにつれてＮＯX吸蔵能力が低下するＮＯX吸蔵還元触媒と、機関のリーン空燃比運転中に前記ＮＯX吸蔵還元触媒から吸収したＮＯXを放出させるべきときに機関の運転空燃比を所定のリッチ空燃比に切り換えるＮＯX放出操作を行なうＮＯX放出手段と、前記ＮＯX放出操作開始直前に、機関に燃焼に寄与しない無効燃料を供給し前記ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持する無効燃料供給手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２３】
すなわち、請求項８の発明では、例えばリーン空燃比運転中のリッチスパイク操作等のＮＯX 放出操作を行なう際に、ＮＯX 放出操作開始直前に機関に無効燃料が供給される。これにより、機関運転空燃比にかかわらずＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を理論空燃比よりリッチ空燃比にすることが可能となり、例えば機関運転空燃比が特定の空燃比領域を通過する際にＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を確実に理論空燃比よりリッチ側に維持することが可能となるため、例えば機関運転空燃比が弱リーン空燃比領域を通過する際にもＮＯX 吸蔵還元触媒からの未浄化のＮＯX の放出が確実に防止される。なお、無効燃料の供給は機関運転空燃比が特定のリーン空燃比領域を通過し終わった後に停止しても良い。
【００２４】
請求項９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を放出するとともに、流入する排気の空燃比が特定のリーン空燃比領域にある場合には排気空燃比が低下するにつれてＮＯX吸蔵能力が低下するＮＯX吸蔵還元触媒と、機関の気筒内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁を備え、機関運転空燃比が前記特定のリーン空燃比領域に変更されたときに、前記筒内燃料噴射弁から気筒の膨張行程または排気行程中に燃料を噴射し前記ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持する二次燃料噴射を行なう二次燃料噴射手段と、を備え、前記二次燃料噴射手段は、少なくとも機関運転空燃比が前記特定のリーン空燃比領域に変化した直後の所定期間は膨張行程中に前記二次燃料噴射を行なう、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２５】
すなわち、請求項９の発明では、機関運転空燃比が特定のリーン空燃比領域に変更されたときに、二次燃料噴射を行なうことによりＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を例えばリッチ空燃比に維持するとともに、少なくとも空燃比変更直後は気筒膨張行程中に二次燃料噴射を行なう。膨張行程中に気筒内に噴射された燃料は、気筒内の高温の既燃ガスと接触し、比較的分子量の小さい炭化水素を多量に生成する。分子量の小さい炭化水素は活性が高く、ＮＯX 吸蔵還元触媒上でＮＯX と活発に反応する。このため、空燃比変更直後に活性の高い低分子量の炭化水素を多量にＮＯX 吸蔵還元触媒に供給することにより、空燃比変更直後にＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されるＮＯX を効率的に浄化することが可能となり、ＮＯX 吸蔵還元触媒からの未浄化のＮＯX の流出が防止される。
【００２６】
【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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、図示しない燃料噴射回路を介して各気筒の筒内燃料噴射弁１１１から１１４に接続され、各気筒の筒内燃料噴射弁からの燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御している。
【００３１】
本実施形態では、ＥＣＵ３０は機関１を機関の運転状態に応じて以下の５つの燃焼モードで運転する。
▲１▼  リーン空燃比成層燃焼（圧縮行程１回噴射）
▲２▼  リーン空燃比均質混合気／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▲１▼のリーン空燃比成層燃焼が行なわれる。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空燃比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程度になる。
【００３２】
上記▲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▲２▼リーン空燃比均質混合気／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▲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空燃比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リーン（例えば空燃比で２０から３０程度）になる。
【００３３】
更に機関負荷が増大すると、機関１では上記▲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弱リーン空燃比（例えば理論空燃比から２０程度の空燃比）となる。
【００３４】
機関負荷が増大して機関高負荷運転領域になると、▲３▼の状態から更に燃料が増量され、上記▲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、▲４▼の状態から燃料噴射量が更に増量され▲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。
【００３５】
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）ＡＣＣＰと機関回転数ＮＥ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ＡＣＣＰと回転数センサ３５出力に基づいて算出した機関回転数ＮＥ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及び燃料噴射時期及び回数を決定する。
【００３６】
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ＡＣＣＰと機関回転数ＮＥ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。
【００３７】
又、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及び３１の出力に基づいてフィードバック補正する。
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
図１１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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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▼（リーン空燃比均質混合気／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））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。このため、リッチスパイク操作時には必ず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）に運転空燃比が変更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。更に、図１２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、機関運転空燃比がリーン空燃比から弱リーン空燃比に変更されると、ＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されたＮＯX のみならず機関から排出されたＮＯX も未浄化のままＮＯX 吸蔵還元触媒下流側に流出するおそれがある。
【００４５】
そこで、以下に説明する実施形態では、運転空燃比が弱リーン空燃比に変更され、ＮＯX 吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯX が流出する可能性がある場合には、燃焼に寄与しない無効燃料を機関に供給することにより機関の運転空燃比が弱リーン空燃比領域にあるときであってもＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比に調整することにより未浄化のＮＯX の流出を防止している。なお、機関に無効燃料を供給する方法としては、筒内燃料噴射弁から気筒の膨張または排気行程中に燃焼に寄与しない燃料を噴射する方法（二次燃料噴射による方法）、または排気ポートに燃料噴射弁を設け、排気ポートに燃料を噴射する方法（排気ポート燃料噴射による方法）とがある。以下の実施形態では、二次燃料噴射により機関に無効燃料を供給する例について説明するが、排気ポート燃料噴射による方法でも同様な効果を得ることができる。
【００４６】
（１）第１の実施形態
図２は、本発明の空燃比調整操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により所定間隔で（例えば一定クランク回転角毎に）実行されるルーチンとして行なわれる。
本実施形態では、機関運転空燃比が変化中に弱リーン空燃比領域（理論空燃比から空燃比２０程度の領域）になった場合に、各気筒の筒内燃料噴射弁から二次燃料噴射を行ない、ＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持するようにしている。これにより、例えば機関運転空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比またはリッチ空燃比からリーン空燃比に変更される際に弱リーン空燃比領域を通過する場合、及びリーン空燃比またはリッチ空燃比から弱リーン空燃比領域内の空燃比に変更される場合のみならず、弱リーン空燃比領域内で機関空燃比が変更される場合にもＮＯX 吸蔵還元触媒７から未浄化のＮＯX が流出することが防止される。
【００４７】
図２において、操作がスタートするとステップ２０１では、機関アクセル開度ＡＣＣＰ、機関回転数ＮＥ、機関吸気圧力ＰＭが読み込まれ、ステップ２０３では、ＡＣＣＰとＮＥとから現在の運転モード（▲１▼から▲５▼）が判別され、更に各運転モード毎に準備された数値テーブルから、ＡＣＣＰとＮＥ（モード▲１▼〜▲３▼）またはＰＭとＮＥ（モード▲４▼、▲５▼）に基づいて現在の機関燃料噴射量（二次噴射量と区別するため、以下「主燃料噴射量」と呼ぶ）が算出される。そして、ステップ２０５では機関吸入空気量ＧＡとステップ２０１で算出された主燃料噴射量とに基づいて、機関の運転空燃比Ａ／Ｆ（燃焼室内における燃焼空燃比）が算出される。ここで、機関吸入空気量ＧＡは、機関吸気通路にエアフローメータを設けて直接検出しても良いし、予め機関回転数ＮＥと吸入空気圧力ＰＭと吸入空気量ＧＡとの関係を求めておき、ＮＥとＰＭとから吸入空気量ＧＡを算出するようにしても良い。また、燃料噴射量と吸入空気量とに基づいて運転空燃比を算出する代わりに、予め各運転モード毎にアクセル開度ＡＣＣＰと回転数ＮＥと機関運転空燃比との関係を求めておき、ＡＣＣＰとＮＥとから直接Ａ／Ｆを求めるようにすることも可能である。
【００４８】
上記により運転空燃比Ａ／Ｆを算出後、ステップ２０７では、現在運転空燃比Ａ／Ｆが変化中か否かが判定される。ステップ２０７では、今回算出された運転空燃比Ａ／Ｆと前回操作実行時に算出された運転空燃比（Ａ／Ｆ）i との差の絶対値｜（Ａ／Ｆ）−（Ａ／Ｆ）i ｜が予め定めた値以上の場合に現在運転Ａ／Ｆが変化中であると判定する。
【００４９】
ステップ２０７で現在運転空燃比が変化中であった場合には、ステップ２０９で現在の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程度までの領域）に入っているか否かが判定される。そして、現在運転空燃比が変化中であり、かつ弱リーン空燃比領域で運転されている場合には、ＮＯX 吸蔵還元触媒７から未浄化のＮＯX が流出する可能性があるため、二次燃料噴射を実行することとしてステップ２１１で二次燃料噴射量を算出する。ステップ２１１では、二次燃料噴射量は、ＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側の空燃比にするのに必要とされる量（より詳細には、排気空燃比を理論空燃比にするのに必要な燃料量とＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されるＮＯX の全量を還元するのに必要なＨＣ量に相当する燃料量との合計より大きい値）として現在の空燃比Ａ／Ｆと主燃料噴射量とに基づいて算出される。そして、ステップ２１３では上記により算出された二次燃料噴射量を燃料噴射回路にセットして操作を終了する。これにより、各気筒の筒内燃料噴射弁からは気筒膨張行程または排気行程に二次燃料噴射が実行され、機関運転空燃比が変化して弱リーン空燃比領域内の空燃比になった場合にもＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排気空燃比は理論空燃比よりリッチ側に維持されるようになり、ＮＯX 吸蔵還元触媒７からの未浄化のＮＯX の流出が防止される。なお、本実施形態では、ステップ２０７で機関運転空燃比が変化中でなかった場合、または機関運転空燃比が弱リーン空燃比領域に無い場合にはＮＯX 吸蔵還元触媒７から未浄化のＮＯX が流出することはないため二次燃料噴射は実行しない。
【００５０】
図３は、本実施形態の空燃比調整操作の変形例を示すフローチャートである。本操作では、図２のステップ２０７が省略されている点のみが図２の実施形態と相違している。すなわち、図３から判るように本変形例では機関運転空燃比が変化中か否かにかかわらず、機関運転空燃比が弱リーン空燃比領域にある場合には常に二次燃料噴射を実行するようにしている。図１２で説明したように、弱リーン空燃比領域では機関のＮＯX 排出量が増大し、しかもＮＯX 吸蔵還元触媒のＮＯX 吸蔵能力が低下するため、ＮＯX の排出量が多い機関では、機関から排出されたＮＯX の一部がＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸収されずに下流側に流出する可能性がある。しかし、本実施形態によれば機関から排出されたＮＯX もＮＯX 吸蔵還元触媒７上で二次燃料噴射により供給されるＨＣ、ＣＯ成分により還元浄化されるため、未浄化のＮＯX の流出を完全に防止することが可能となる。
【００５１】
なお、図３の場合には機関が弱リーン空燃比領域で長時間運転される場合には、ＮＯX 吸蔵還元触媒７から吸蔵したＮＯX の全量が放出される場合が生じる。従って、ＮＯX 吸蔵還元触媒７から全量のＮＯX が放出され、還元浄化された後は、二次燃料噴射を停止してもよい。ＮＯX 吸蔵還元触媒７上でＮＯX が還元浄化されている間は、ＮＯX 吸蔵還元触媒７出口の空燃比は理論空燃比近傍になり、ＮＯX の全量が還元された後は出口空燃比はＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比と同じ（すなわちリッチ空燃比）に変化する。このため、この場合、例えばＮＯX 吸蔵還元触媒７下流側の空燃比センサ３１で検出した空燃比が理論空燃比からリッチ空燃比に変化したときにＮＯX の全量が放出、還元浄化されたと判断して二次燃料噴射を停止するようにすることも可能である。
【００５２】
（２）第２の実施形態
図４は本発明の空燃比調整操作の第２の実施形態を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により所定間隔で（例えば一定クランク回転角毎に）実行されるルーチンとして行なわれる。
本実施形態では、機関運転空燃比が変化して弱リーン空燃比領域になったときに、運転空燃比変化によりＮＯX 吸蔵還元触媒７から放出されるＮＯX の量と、機関から排出されるＮＯX の量とを算出し、これらのＮＯX を還元浄化するのに必要な量の燃料を二次燃料噴射により機関に供給するようにしている。これにより、二次燃料噴射量は実際にＮＯX 吸蔵還元触媒７から放出される未浄化のＮＯX を過不足なく還元するのに必要な量だけに設定されるため、機関の燃料消費量の増大を最小限に抑えつつ未浄化のＮＯX の流出を完全に防止することが可能となる。
【００５３】
図４の操作において、ステップ４０１ではＡＣＣＰ、ＮＥ、ＰＭに加えて、ＮＯX 吸蔵還元触媒７の現在のＮＯX 吸蔵量を表すＮＯX カウンタＣＮＯＸの値が読み込まれる。前述のように、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で機関運転状態に基づいてＮＯX カウンタＣＮＯＸの値を算出しており、ＣＮＯＸの値は現在のＮＯX 吸蔵還元触媒７のＮＯX 吸蔵量に対応した値となっている。
【００５４】
ステップ４０３と４０５では図２ステップ２０３、２０５と同様な方法で機関の燃料噴射量と現在の機関の運転空燃比Ａ／Ｆとが算出され、ステップ４０７では現在機関運転空燃比Ａ／Ｆが弱リーン空燃比領域にあるか否かが判定される。現在機関運転空燃比が弱リーン空燃比領域にある場合には、次にステップ４０９で、現在の機関の排気が直接ＮＯX 吸蔵還元触媒７に到達した場合の、ＮＯX 吸蔵還元触媒７の最大ＮＯX 吸蔵量ＣＮＯＸMAX が現在の機関空燃比Ａ／Ｆに基づいて、図１１に示した関係から算出される。また、ステップ４１１では現在の機関運転空燃比における機関からのＮＯX 排出量ＣＮＯＸEXが図１２の関係に基づいて算出される。
【００５５】
ステップ４１３では、現在のＮＯX 吸蔵量ＣＮＯＸと、最大ＮＯX 吸蔵量ＣＮＯＸMAX 及び機関ＮＯX 排出量ＣＮＯＸEXとに基づいて、現在の機関運転空燃比Ａ／Ｆの排気がそのままＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入した場合に、ＮＯX 吸蔵還元触媒７から流出するであろう未浄化ＮＯX の量ΔＣＮＯＸが、
ΔＣＮＯＸ＝ＣＮＯＸEX＋（ＣＮＯＸ−ＣＮＯＸMAX ）
として算出される。ここで、（ＣＮＯＸ−ＣＮＯＸMAX ）は排気空燃比が機関運転空燃比と同一になった場合にＮＯX 吸蔵還元触媒７から放出されるＮＯX の量である。（弱リーン空燃比領域で空燃比がリーン方向に変化する場合にはＣＮＯＸMAX は増大するため、（ＣＮＯＸ−ＣＮＯＸMAX ）は負の値になり、ＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されるＮＯX 量を表すことになる。）
従って、ΔＣＮＯＸ＝ＣＮＯＸEX＋（ＣＮＯＸ−ＣＮＯＸMAX ）の値は、機関から排出されるＮＯX 量にＮＯX 吸蔵還元触媒７から放出される未浄化のＮＯX 量、または機関から排出されるＮＯX 量からＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸収されるＮＯX 量を差し引いた値となる。
【００５６】
次いで、ステップ４１５では上記により算出したΔＣＮＯＸが正の値になっているか否かが判定される。ここで、ΔＣＮＯＸ＞０の場合は、ＮＯX 吸蔵還元触媒７から吸蔵能力の低下により未浄化のＮＯX が放出される場合と、ＮＯX 吸蔵還元触媒７の吸蔵能力は低下しないが機関から排出されたＮＯX の全量を吸収できない場合の両方を含むことになる。また、ΔＣＮＯＸ≦０の場合は、ＮＯX 吸蔵還元触媒７の吸蔵能力の低下がなく、しかも機関から排出されるＮＯX の全量を吸収可能なだけの余地がある場合である。
【００５７】
ステップ４１５でΔＣＮＯＸ＞０であった場合には、すなわちΔＣＮＯＸの量の未浄化のＮＯX がＮＯX 吸蔵還元触媒７から流出するため、ステップ４１７ではこのΔＣＮＯＸの値と、現在の主燃料噴射量とに応じて二次燃料噴射量が設定される。この場合、二次燃料噴射量はＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排気空燃比を理論空燃比にするのに必要な燃料量と、ΔＣＮＯＸの量のＮＯX を還元するのに必要とされるＨＣ量に相当する燃料量との合計となる。そして、ステップ４１９では現在のＮＯX 吸蔵量ＣＮＯＸの値が現在の最大ＮＯX 吸蔵量ＣＮＯＸMAX に変更され、ステップ４２１ではステップ４１７で算出した二次燃料噴射量が燃料噴射回路にセットされる。これにより、ＮＯX 吸蔵還元触媒７から流出する未浄化のＮＯX を還元浄化するのに必要かつ充分な燃料が供給されるため、未浄化のＮＯX の流出が防止される。また、ステップ４１５でΔＣＮＯＸ≦０であった場合には、機関から排出されるＮＯX の全量ＣＮＯＸEXがＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸収されるため、ＮＯX 吸蔵還元触媒７のＮＯX 吸蔵量ＣＮＯＸは、ＣＮＯＸEXだけ増大される。
【００５８】
上述のように、本実施形態によれば空燃比変化により実際にＮＯX 吸蔵還元触媒７から流出する未浄化のＮＯX を浄化するのに必要な量だけの燃料が二次燃料噴射量として設定されるようになる。
（３）第３の実施形態
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００５９】
図５は本発明の空燃比調整操作の第３の実施形態を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により所定間隔で（例えば一定クランク回転角毎に）実行されるルーチンとして行なわれる。
本実施形態では、機関の運転空燃比が弱リーン空燃比領域に変化したときに、実際にＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排気空燃比を機関排気通路２ａ、２ｂのＳＣ５ａ、５ｂ上流側の空燃比センサ２９ａ、２９ｂで検出し、この空燃比が所定のリッチ空燃比になるように二次燃料噴射量を制御する。これにより、機関運転空燃比が弱リーン空燃比領域に入っても、ＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比は正確に目標空燃比に維持されるため、ＮＯX 吸蔵還元触媒７からの未浄化のＮＯX の放出が確実に防止される。また、機関にはＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排気空燃比を目標リッチ空燃比に維持するのに必要なだけの量の二次燃料噴射が行なわれるため、過剰な二次燃料噴射が行なわれることが防止される。
【００６０】
図５の操作では、ステップ５０１でアクセル開度ＡＣＣＰ、回転数ＮＥ、吸気圧力ＰＭが読み込まれ、ステップ５０３では機関主燃料噴射量が算出され、ステップ５０５では機関の運転空燃比Ａ／Ｆが算出される。これらの操作は図２ステップ２０１から２０５と同様の操作である。
次いで、ステップ５０７では、現在機関運転空燃比Ａ／Ｆが変化中か否かが、また、現在Ａ／Ｆが変化中であった場合にはステップ５０９で現在の運転空燃比が弱リーン空燃比領域になっているか否かが判定される。ステップ５０７、ステップ５０９は図２の操作のステップ２０７、２０９と同一の操作である。
【００６１】
現在Ａ／Ｆが変化中であり、しかもＡ／Ｆが弱リーン領域に入っている場合には、ステップ５１１で空燃比センサ２９ａ、２９ｂの出力から現在ＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入している排気の空燃比ＡＦＲが算出される。本実施形態では、空燃比センサ２９ａと２９ｂとで検出した排気空燃比の平均値をＡＦＲとして使用する。そして、ステップ５１３では、上記空燃比ＡＦＲが理論空燃比よりリッチ側の目標空燃比ＡＦＲ0 になるように各気筒の二次燃料噴射量が制御される。なお、ステップ５１３の二次燃料噴射量の制御は、例えば目標空燃比ＡＦＲ0 と実際の空燃比ＡＦＲとの差ΔＡＦＲに基づく比例積分制御としても良い。なお、本実施形態においても、目標空燃比ＡＦＲ0 は、ＮＯX 吸蔵還元触媒７から放出されるＮＯX の全量を還元するのに必要なＨＣ、ＣＯ量を供給可能なリッチ空燃比とされる。
【００６２】
（４）第４の実施形態
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
図６は本発明の空燃比調整操作の第４の実施形態を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により所定間隔で（例えば一定クランク回転角毎に）実行されるルーチンとして行なわれる。
【００６３】
本実施形態では、リーン空燃比運転中にリッチスパイク操作を行なう際に、運転モードの切り換え等により弱リーン空燃比領域を通過する際にＮＯX 吸蔵還元触媒７から未浄化のＮＯX が流出することを防止するために二次燃料噴射を実行する。すなわち、本実施形態では、リッチスパイク開始後空燃比が弱リーン空燃比領域にある間二次燃料噴射が実行される。これにより、リッチスパイク操作開始初期のＮＯX 吸蔵還元触媒７からの未浄化のＮＯX の放出が防止される。
【００６４】
図６の操作では、まずステップ６０１でリッチスパイク実行フラグＸＲの値が１にセットされているか否かが判定される。フラグＸＲの値はＥＣＵ３０により別途実行されるルーチンにより、ＮＯX 吸蔵還元触媒７からＮＯX を放出させるべきときに（例えばＮＯX 吸蔵還元触媒７のＮＯX 吸蔵量ＣＮＯＸが所定値に到達した場合に）１にセットされる。また、フラグＸＲの値が１にセットされると、別途ＥＣＵ３０により実行されるルーチンにより機関の運転空燃比がリーン空燃比から、弱リーン空燃比領域を経てリッチ空燃比に切り換えられる。
【００６５】
ステップ６０１でＸＲ≠１であった場合には、現在リッチスパイク操作は実行されておらず、二次燃料噴射を実行する必要はないため、本操作は直ちに終了する。
ステップ６０１でリッチスパイク操作が実行されていた場合（ＸＲ＝１の場合）には、次にステップ６０３から６０７が実行され、アクセル開度、機関回転数ＮＥ、吸気圧力ＰＭとから機関の主燃料噴射量と機関運転空燃比Ａ／Ｆが算出される。ステップ６０３から６０７の操作は、図２ステップ２０１から２０５の操作と同様である。
【００６６】
次いで、ステップ６１１では上記により算出した機関運転空燃比Ａ／Ｆに基づいて、現在機関が弱リーン空燃比領域で運転されているか否かが判定され、現在弱リーン空燃比領域で運転されている場合には、ステップ６１３で二次燃料噴射量が算出され、ステップ６１５で二次燃料噴射が実行される。なお、ステップ６１３で設定される二次燃料噴射量は、例えばＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排気空燃比が、充分にリッチ空燃比に維持されるように設定される。
【００６７】
図７は第４の実施形態の変形例を示すフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により所定間隔で（例えば一定クランク回転角毎）に実行されるルーチンとして行なわれる。
本操作では、リッチスパイク終了時にリッチ空燃比からリーン空燃比に復帰する際、弱リーン空燃比領域で二次燃料噴射を実行する。本来リッチスパイク終了後はＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯX が放出、還元浄化された後なのでＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排気空燃比が弱リーン空燃比領域になってもＮＯX 吸蔵還元触媒７からＮＯX が放出されることはない。しかし、図１１、図１２で説明したように、弱リーン空燃比領域ではＮＯX 吸蔵還元触媒７の吸蔵能力が低下し、しかも機関から排出されるＮＯX 量が増大するため、ＮＯX 排出量が多い機関では機関から排出されたＮＯX の一部がＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸収されずに下流側に流出する可能性がある。そこで、本実施形態ではリッチスパイク操作終了後のリーン空燃比運転への復帰時に弱リーン空燃比領域を通過する際に二次燃料噴射を実行し、未浄化のＮＯX が流出することを防止している。
【００６８】
図７の操作において、ステップ７０１では、現在リッチスパイク操作が終了してリーン空燃比運転への復帰操作中か否かが判定される。そして、現在復帰操作中の場合には、ステップ７０９で機関運転空燃比Ａ／Ｆが弱リーン空燃比領域よりリーン側になるまで二次燃料噴射が実行される。図７のステップ７０３から７０７、及びステップ７１１、７１３はそれぞれ図２のステップ２０１から２０３及びステップ２１１、２１３と同一の操作である。
【００６９】
図７の操作を実行することにより、本実施形態ではリッチスパイク操作終了後も引き続き、ＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排気の空燃比は機関運転空燃比が弱リーン空燃比領域を通過し終わるまでリッチ空燃比に維持されるため、機関かから排出されるＮＯX が未浄化のままＮＯX 吸蔵還元触媒７下流側に流出することが防止される。
【００７０】
なお、リッチスパイク操作実行時、図６と図７の操作の両方を行えば、未浄化のＮＯX の流出を完全に防止することが可能となる。
（５）第５の実施形態
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
図８は本発明の空燃比調整操作の第５の実施形態を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により所定間隔で（例えば一定クランク回転角毎に）実行されるルーチンとして行なわれる。
【００７１】
前述の図６の実施形態では、リッチスパイク操作開始後機関運転空燃比が弱リーン空燃比領域を通過する間だけ二次燃料噴射を実行していたが、本実施形態では、リッチスパイク操作開始（機関運転空燃比の変更操作開始）から機関運転空燃比がリッチスパイク操作の目標空燃比に到達するまで二次燃料噴射を実行する点が図６の実施形態と相違している。
【００７２】
図８の操作において、ステップ８０１から８０３では、図２ステップ２０１か２０３と同様な操作により機関の主燃料噴射量と運転空燃比Ａ／Ｆとが算出され、ステップ８０７ではフラグＸＲの値に基づいて現在リッチスパイク操作実行中か否かが判定される。そして、リッチスパイク実行中であった場合にはステップ８０９で、ステップ８０５で算出した現在の機関運転空燃比Ａ／Ｆがリッチスパイク操作の目標機関運転空燃比Ａ／ＦR に到達したか否かが判定される。そして、ステップ８１１、８１３では機関運転空燃比Ａ／Ｆが目標空燃比Ａ／ＦR に到達するまで二次燃料噴射が実行される。なお、ステップ８１１で設定される二次燃料噴射量は、ＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排気空燃比をリッチスパイクの目標空燃比Ａ／ＦR より理論空燃比に近いリッチ空燃比に維持するものであっても良いし、目標空燃比Ａ／ＦR と同じ空燃比に維持するもの、または目標空燃比Ａ／ＦR より更にリッチな空燃比に維持するものであっても良い。
【００７３】
この場合、二次燃料噴射によりＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排気空燃比をリッチスパイク目標空燃比Ａ／ＦR と同じ、または更にリッチ空燃比に設定すれば、結果的に機関運転空燃比変更中にもリッチスパイク操作が行なわれているのと同じことになり、短時間でリッチスパイク操作を終了することができる。また、リッチスパイク操作では機関運転空燃比をリッチにし過ぎると失火や排気スモークが発生する可能性があるため、リッチスパイク操作時の目標空燃比Ａ／ＦR は極端にリッチ空燃比（例えば空燃比で１０以下）にすることはできない。一方、ＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排気をリッチにするほど短時間でＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出と還元浄化は終了する。このため、リッチスパイク操作開始時に二次燃料噴射によりＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排気空燃比を極端にリッチ空燃比とすることによりＮＯX 吸蔵還元触媒７からのＮＯX の放出と還元浄化とを更に短時間で終了することが可能となる。
【００７４】
なお、機関の運転空燃比が理論空燃比よりリーンであるときに二次燃料噴射を行なうと、二次燃料噴射後の排気にはリーン空燃比燃焼による比較的多量の酸素と二次燃料噴射による多量の未燃ＨＣ、ＣＯとが別々に存在するようになる。このため、ＮＯX 吸蔵還元触媒７上では多量の未燃ＨＣ、ＣＯと酸素とが反応するようになり、反応熱によりＮＯX 吸蔵還元触媒７温度が過度に上昇する可能性がある。しかし、図８の実施形態のように、二次燃料噴射を機関運転空燃比がリッチスパイクの目標空燃比に到達するまでの短時間のみ実行することにより、ＮＯX 吸蔵還元触媒７の過熱が防止される。
【００７５】
（６）第６の実施形態
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。
図９は本発明の空燃比調整操作の第６の実施形態を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により所定間隔で（例えば一定クランク回転角毎に）実行されるルーチンとして行なわれる。
【００７６】
本実施形態では、リッチスパイク操作を行なう際にリッチスパイク操作を開始する前に（すなわち、機関運転空燃比変更操作を開始する前に）二次燃料噴射を開始する点が図６、図８の実施形態と相違している。図１１で説明したように空燃比変化によりＮＯX 吸蔵還元触媒の最大吸蔵能力が低下すると、ＮＯX 吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯX のうち最大吸蔵能力を越えた量のＮＯX が放出されるが、この過剰ＮＯX の放出速度は空燃比変化初期に比較的大きい。従って、未浄化のＮＯX の流出を完全に防止するためには、機関運転空燃比が弱リーン空燃比領域に変化した初期に比較的多量のＨＣ、ＣＯ成分をＮＯX 吸蔵還元触媒に供給することが好ましい。そこで、本実施形態ではリッチスパイク操作開始前に二次燃料噴射を開始して、空燃比変化初期にＮＯX 吸蔵還元触媒７から放出されるＮＯX を完全に浄化するようにしている。
【００７７】
図９の操作において、ステップ９０１から９０５では、図２ステップ２０１から２０５と同様な方法で機関の主燃料噴射量と機関運転空燃比Ａ／Ｆが算出される。そして、ステップ９０７ではフラグＸＲの値に基づいて現在リッチスパイク操作実行の要求があるか否かが判定される。しかし、本実施形態ではステップ９０７でフラグＸＲの値が１（リッチスパイク操作実行）であった場合でも直ちにリッチスパイク操作を実行せず、ステップ９０９で機関の全気筒で所定回数だけ二次燃料噴射が実施されたか否かが判定され、所定回数だけ実施されていない場合にはリッチスパイク操作を実行することなく、ステップ９１５、９１７で二次燃料噴射のみを実施する。そして、機関全気筒で所定回数だけ二次燃料噴射が実行後、ステップ９０９からステップ９１１に進みリッチスパイク操作が行なわれる。また、二次燃料噴射（ステップ９１５、９１７）はリッチスパイク操作開始後、機関運転空燃比Ａ／Ｆがリッチスパイクの目標運転空燃比Ａ／ＦR に到達すると（ステップ９１３）終了する。
【００７８】
図９の操作を実行することにより、本実施形態ではリッチスパイク操作実行要求（ＸＲ＝１）があった場合、まずリッチスパイク操作開始前に全気筒で所定の回数だけ二次燃料噴射を実行してＮＯX 吸蔵還元触媒に予めリッチ空燃比の排気を供給しておき、その後リッチスパイク操作を開始する。また、二次燃料噴射は機関運転空燃比がリッチスパイクの目標空燃比に到達するまで継続される。これにより、空燃比変化初期にＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されるＮＯX を完全に還元浄化することが可能となる。
【００７９】
（７）第７の実施形態
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。
図１０は本発明の空燃比調整操作の第７の実施形態を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により所定間隔で（例えば一定クランク回転角毎に）実行されるルーチンとして行なわれる。
【００８０】
本実施形態では、図２の実施形態と同様に機関空燃比が変化して弱リーン空燃比領域になったときに二次燃料噴射を実施するが、二次燃料噴射実施時にまず全気筒で所定回数だけ膨張行程中に二次燃料噴射を行い、全気筒で所定回数だけ膨張行程二次燃料噴射が終了した後は排気行程中に二次燃料噴射を実行する。
膨張行程中に二次燃料噴射を実行すると、噴射された燃料は気筒内で高温高圧の既燃ガスと接触するため、燃料中の分子量の大きな炭化水素の熱分解により多量の分子量の小さい炭化水素が生成される。低分子量の炭化水素は高分子量の炭化水素に較べて活性が高くＮＯX と反応しやすい。このため、空燃比変化初期に膨張行程二次燃料噴射を実施して、ＮＯX 吸蔵還元触媒に比較的多量の低分子量炭化水素を供給することにより、空燃比変化初期にＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されるＮＯX を良好に浄化することができる。
【００８１】
一方、膨張行程中に二次燃料噴射を実施すると噴射された燃料の一部が燃焼してしまう場合がある。二次燃料噴射により噴射された燃料の一部が燃焼すると気筒の発生トルクが増大するとともに、炭化水素の一部が燃焼に消費されるためＮＯX の還元に使用することができなくなる。そこで、本実施形態では空燃比変化初期に二次燃料噴射を行なって空燃比変化初期にＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されるＮＯX を浄化した後は排気行程に二次燃料噴射を行なうようにして気筒のトルク変動や炭化水素の不足が生じることを防止しているのである。
図１０の操作において、ステップ１００１から１０１１では、図２のステップ２０１から２１１までの操作と同一の操作が行なわれる。しかし、図１０ではステップ１０１１で二次燃料噴射量を算出した後、ステップ１０１３で機関の全気筒で所定回数の膨張行程中の二次燃料噴射が終了したか否かを判定する。そして、終了していない場合にはステップ１０１５で膨張行程中に二次燃料噴射を実施し、全気筒で所定回数の膨張行程に時燃料噴射が終了した後はステップ１０１７で排気行程中の二次燃料噴射が実行される。これにより、弱リーン空燃比領域で空燃比が変化する毎に、変化直後に膨張行程二次燃料噴射が実行されるため、空燃比変化直後にＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されるＮＯX が良好に浄化されるようになる。
【００８２】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、機関運転空燃比の変化により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できるという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の実施形態の空燃比調整操作を説明するフローチャートである。
【図３】第１の実施形態の空燃比調整操作の変形例を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の第２の実施形態の空燃比調整操作を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の第３の実施形態の空燃比調整操作を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第４の実施形態の空燃比調整操作を説明するフローチャートである。
【図７】第４の実施形態の空燃比調整操作の変形例を説明するフローチャートである。
【図８】本発明の第５の実施形態の空燃比調整操作を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の第６の実施形態の空燃比調整操作を説明するフローチャートである。
【図１０】本発明の第７の実施形態の空燃比調整操作を説明するフローチャートである。
【図１１】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１２】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
５ａ、５ｂ…スタートキャタリスト（ＳＣ）
７…ＮＯX 吸蔵還元触媒
２９ａ、２９ｂ、３１…空燃比センサ
３０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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