(57)【要約】【課題】ストイキ運転に切り換えてもＰＭを処理する装置にかかる負担を軽減できる排気浄化システムを提供すること。【解決手段】排気浄化システムは、ＰＭを捕集するＰＭ処理装置と、三元浄化反応が進行する三元浄化触媒を備えた直下触媒コンバータと、ＬＡＦセンサと、ストイキ運転中はＬＡＦセンサ出力Vexが三元浄化触媒における三元浄化反応が最適化されるように定められた目標値Vopになるようにフィードバック制御するＥＣＵ３と、を備える。ＥＣＵ３は、ストイキ運転中に所定のフィードバック制御アルゴリズムに基づいて、ＬＡＦセンサ出力Vexを目標値Vopに収束させるように決定された燃料補正量dGfuelを、所定の変調アルゴリズムを適用して変調することにより、混合気の空燃比がストイキよりリーンの状態とストイキよりリッチの状態とが交互に実現されるように燃料噴射量Gfuelを決定する燃料制御コントローラ３２を備える。【選択図】図３
2014055565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合気の空燃比をストイキよりリーン側にするリーン運転と混合気の空燃比をストイキ又はその近傍にするストイキ運転とを所定の条件で切り換える内燃機関の排気浄化システムであって、
前記機関の排気通路に設けられ、排ガス中の粒子状物質を捕集する粒子状物質処理装置と、
前記粒子状物質処理装置と一体で又は別体で前記排気通路のうち前記粒子状物質処理装置より上流側に設けられ、前記ストイキ運転時に三元浄化反応が進行する三元浄化触媒と、
排ガスの酸素濃度に応じた検出信号を出力する排ガスセンサと、
前記機関の運転モードをリーン運転にするよりもストイキ運転にした方が前記排気浄化システム全体のＮＯｘ浄化性能を向上できる特定の運転条件下では、前記機関の運転モードをストイキ運転にし、前記排ガスセンサの検出値が前記三元浄化触媒における三元浄化反応が最適化されるように定められた目標値になるようにフィードバック制御する空燃比制御装置と、を備え、
前記空燃比制御装置は、前記ストイキ運転中に混合気の空燃比が所定期間ストイキよりリーンになるように前記機関に供給する燃料量を決定する燃料制御コントローラを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２】
前記排ガスセンサは、前記粒子状物質処理装置の下流側に設けられることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項３】
前記燃料制御コントローラは、所定のフィードバック制御アルゴリズムに基づいて、前記排ガスセンサの検出値を前記目標値に収束させるように決定された燃料量を、所定の変調アルゴリズムを適用して変調することにより、混合気の空燃比がストイキよりリーンの状態とストイキよりリッチの状態とが交互に実現されるように燃料量を決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項４】
前記燃料制御コントローラは、混合気の空燃比のストイキからリーン側への変動幅を０．３［Ａ／Ｆ］以内にすることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項５】
前記燃料制御コントローラは、
前記機関の運転モード及び運転状態に基づいて基準燃料量を算出する基準燃料量算出部と、
所定のフィードバック制御アルゴリズムに基づいて、前記排ガスセンサの検出値を前記目標値に収束させるように前記基準燃料量に対する燃料補正量を算出する燃料補正量算出部と、
所定の変調アルゴリズムを適用して前記燃料補正量を変調し、変調補正量を算出する変調器と、を備え、前記基準燃料量に前記変調補正量を加算することにより燃料量を決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項６】
前記燃料補正量のリーン側への振幅又は前記変調補正量のリーン側への振幅は、混合気の空燃比に換算して０．３［Ａ／Ｆ］以下となるように制限されることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項７】
前記燃料制御コントローラは、ストイキ運転中であってかつ前記粒子状物質処理装置に捕集された粒子状物質が酸化する場合にのみ、前記フィードバック制御アルゴリズムに基づいて決定された燃料量を変調することを特徴とする請求項３から６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項８】
前記機関の排ガスの一部を吸気に還流する排気還流装置をさらに備え、
前記空燃比制御装置は、所定のフィードバック制御アルゴリズムに基づいて、前記排ガスセンサの検出値を前記目標値に収束させるように制御するための排気還流率又は排気還流量を算出するエア制御コントローラを備えることを特徴とする請求項２から７の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項９】
前記燃料制御コントローラによる前記排ガスセンサの検出値の前記目標値への収束速度は、前記エア制御コントローラによる前記収束速度よりも速くなるように設定されることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１０】
前記機関に供給する燃料に、前記粒子状物質処理装置における粒子状物質の燃焼温度を低減させる添加材を供給する添加材供給装置をさらに備えることを特徴とする請求項１から９の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１１】
前記排気通路のうち前記粒子状物質処理装置より上流側には、前記三元浄化触媒を備える第１触媒コンバータが設けられ、前記粒子状物質処理装置より下流には、リーン運転時に排ガス中のＮＯｘを浄化する第２触媒コンバータが設けられることを特徴とする請求項１から１０の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１２】
前記特定の運転条件とは、前記第２触媒コンバータがその活性に達していない場合、及び前記機関から排出されるＮＯｘ量に応じて大きくなるＮＯｘ相関パラメータの値が所定値よりも大きい場合を含むことを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。より具体的には、混合気の空燃比をストイキより十分にリーン側にするリーン運転モードと混合気の空燃比をストイキ又はその近傍にするストイキ運転モードとを所定の条件で切り換える内燃機関の排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気浄化システムは、機関の排ガスに含まれるＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、及びＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化する。排気浄化システムは、排気通路に設けられた様々な種類の触媒における反応を利用して排ガス中の上記三元成分を浄化するものが主流となっている。排ガスを浄化する触媒には、酸化触媒（ＤＯＣ（Diesel  Oxidation  Catalyst））、三元触媒（ＴＷＣ（Three-Way  Catalyst））、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＮＳＣ（NOx  Storage  Catalyst））、及び選択還元触媒（ＳＣＲ触媒（Selective  Catalytic  Reduction  Catalyst））など、機能が異なる様々な触媒が提案されている。
【０００３】
酸化触媒は、混合気の空燃比をストイキよりリーンとし酸素を多く含んだ排ガス（リーン空燃比の排ガス）下でＨＣ及びＣＯの酸化反応を進行させることで、ＨＣ及びＣＯを浄化する酸化機能を有する。またこの酸化触媒は、混合気の空燃比をストイキとした排ガス（ストイキ空燃比の排ガス）下ではＨＣ及びＣＯの酸化反応とＮＯｘの還元反応とが同時に高効率で進行する三元浄化機能も備える。三元触媒は、上記酸化触媒に酸素吸蔵材（ＯＳＣ材）を付加したものに相当し、上記酸化触媒と比較すれば、三元浄化ウィンドウ、すなわち三元浄化機能を発揮する空燃比幅が広くなっている。この効果は、触媒前空燃比の変動に対する触媒内空燃比変動の幅が、ＯＳＣ材の酸素吸蔵効果により減少することによって生じる。
【０００４】
選択還元触媒は、ＮＨ３やＨＣなど外部から供給されるか又は排ガス中に存在する還元剤の存在下でＮＯｘを還元する。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、リーン空燃比の排ガス下で排ガス中のＮＯｘを吸蔵しておき、ストイキ又はストイキよりリッチの当量比の排ガス下で吸蔵しておいたＮＯｘを還元剤によって還元する。リーン燃焼式のガソリンエンジンやディーゼルエンジンなど、リーン燃焼を基本とした機関の排気浄化システムは、リーン空燃比の排ガス下でのＮＯｘ浄化性能を確保するために、これら選択還元触媒やＮＯｘ吸蔵還元型触媒などＤｅＮＯｘ触媒と呼称される触媒を、上述のような酸化触媒や三元触媒と組み合わせて用いる場合が多い。
【０００５】
特許文献１には、以上のような触媒のうちＮＯｘ吸蔵還元触媒と三元触媒とを組み合わせた排気浄化システムが提案されている。この排気浄化システムは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒が活性に達する前は、混合気の空燃比をストイキにし、主として三元触媒によって排ガスの三元成分を浄化する。また、この排気浄化システムは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒が活性に達した後は、混合気の空燃比をストイキよりリーンにし、三元触媒ではＨＣ及びＣＯを浄化するとともに、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒によってＮＯｘを浄化する。
【０００６】
特許文献２には、三元触媒と、この三元触媒の下流に設けられたＮＯｘ吸蔵還元触媒と、を備えたシステムにおいて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が活性する前には、三元触媒によって排気を浄化すべく空燃比をストイキにする技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１４９３６０号公報
【特許文献２】特開２００９−２９３５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上のような特許文献１や２のシステムでは、リーン運転を基本としたエンジンにおいて、間欠的にストイキ運転を行うことにより、常に高い効率で排ガス中の三元成分を浄化することができる。しかしながら、ディーゼルエンジンやリーンバーン直噴ガソリンエンジンなどの筒内噴射エンジンは、図１１に示すように空燃比をストイキ側へ変化させると、エンジンから排出される粒子状物質の量も増加する傾向がある。すなわち、リーン運転からストイキ運転に切り換えると、エンジンから排出される粒子状物質の量が増加し、これを処理するための装置（フィルタ等）にかかる負担が増大するが、この点については特許文献１や２では十分に検討されていない。
【０００９】
本発明は、ストイキ運転に切り換えても粒子状物質を処理する装置にかかる負担を軽減できる内燃機関の排気浄化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）上記課題を解決するため本発明は、混合気の空燃比をストイキよりリーン側にするリーン運転と混合気の空燃比をストイキ又はその近傍にするストイキ運転とを所定の条件で切り換える内燃機関（例えば、後述のエンジン１）と、前記機関の排気通路（例えば、後述の排気通路１１）に設けられ、排ガス中の粒子状物質を捕集する粒子状物質処理装置（例えば、後述のＰＭ処理装置４６）と、前記粒子状物質処理装置と一体で又は別体で前記排気通路のうち前記粒子状物質処理装置より上流側に設けられ、前記ストイキ運転時に三元浄化反応が進行する三元浄化触媒（例えば、後述の第１触媒コンバータ４１の三元浄化触媒、ＰＭ処理装置４６のフィルタに設けられた三元浄化触媒など）と、排ガスの酸素濃度に応じた検出信号（Vex）を出力する排ガスセンサ（例えば、後述のＬＡＦセンサ２１）と、前記機関の運転モードをリーン運転にするよりもストイキ運転にした方が前記排気浄化システム全体のＮＯｘ浄化性能を向上できる特定の運転条件下では、前記機関の運転モードをストイキ運転にし、前記排ガスセンサの検出値が前記三元浄化触媒における三元浄化反応が最適化されるように定められた目標値（Vop）になるようにフィードバック制御する空燃比制御装置（例えば、後述のＥＣＵ３）と、を備える排気浄化システムを提供する。前記空燃比制御装置は、前記ストイキ運転中に混合気の空燃比が所定期間ストイキよりリーンになるように前記機関に供給する燃料量（Gfuel）を決定する燃料制御コントローラ（例えば、後述の燃料制御コントローラ３２）を備える。なお、本発明において「ストイキ」とは、内燃機関から排出された粒子状物質が酸化していない特定の条件下において、粒子状物質処理装置やその上流側に設けられた三元浄化触媒による三元浄化反応が最適化されるような混合気の空燃比をいうものとする。典型的には、１４．５〜１４．７［Ａ／Ｆ］程度となっている。
【００１１】
（１）空燃比制御装置は、リーン運転よりもストイキ運転にした方が排気浄化システム全体のＮＯｘ浄化性能を向上できる特定の運転条件下では、機関の運転モードをストイキ運転にし、排ガスセンサの検出値（Vex）が三元浄化触媒における三元浄化反応が最適化するように定められた目標値（Vop）になるようにフィードバック制御する。これにより、ストイキ運転中の排気のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを三元浄化触媒によって高効率で浄化できる。また、このようなフィードバック制御を行う際、燃料制御コントローラは、混合気の空燃比が所定期間ストイキよりリーンになるように機関に供給する燃料量を決定する。これにより、ストイキ運転中であっても粒子状物質処理装置に供給される排ガスに、粒子状物質の酸化に必要な酸素を含めるようにできるので、粒子状物質処理装置に捕集されている粒子状物質を酸化し処理することができる。これにより、ストイキ運転中に粒子状物質処理装置における粒子状物質の捕集量を減少させたり、あるいはその増加を抑制したりできる。
【００１２】
（２）この場合、前記排ガスセンサは、前記粒子状物質処理装置の下流側に設けられることが好ましい。
【００１３】
（２）排ガスセンサの検出値が所定の目標値になるようにフィードバック制御する本発明の排気浄化システムでは、排ガスセンサを粒子状物質処理装置の下流側に設けることにより、ストイキ運転中は、粒子状物質処理装置における酸化反応と三元浄化触媒における浄化反応との両方が最適化されるように混合気空燃比を所定期間ストイキよりリーンになるようにできる。
例えば粒子状物質処理装置自体に三元浄化触媒が設けられている場合、粒子状物質処理装置に粒子状物質が堆積しており、さらにこれが酸化している状態では、三元浄化触媒における三元浄化反応が最適化される混合気の空燃比は、粒子状物質が酸化していない場合（ストイキ）と比較して僅かにリーン側（高酸素濃度側）へずれる。これは、粒子状物質の酸化に酸素が消費されると、ＨＣやＣＯを酸化するために必要な酸素が不足するためである。一方、粒子状物質処理装置において粒子状物質が酸化すると、その下流側の排気の酸素濃度は酸化に消費された分だけ低下する。したがって、粒子状物質処理装置の下流側に排ガスセンサを設けた場合、一定の空燃比の混合気の下でも、排ガスセンサの検出値は、粒子状物質処理装置において粒子状物質の酸化に消費される分だけリッチ側（低酸素濃度側）にずれる。このため、三元浄化触媒における三元浄化反応が最適化されたときにおける排ガスセンサの検出値は、粒子状物質処理装置における粒子状物質の酸化の進行度合いによらず、ほぼ一定となる。このため、ストイキ運転中は、排ガスセンサの検出値が三元浄化触媒における三元浄化反応が最適化するように定められた目標値になるようにフィードバック制御することにより、あえて後述のような燃料噴射量に対する変調操作を行わずとも、自動的に混合気の空燃比を所定期間ストイキよりリーンになるようにし、排気のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを高効率で浄化しながら、粒子状物質処理装置における粒子状物質の捕集量を減少させたり、あるいはその増加を抑制したりできる。
また粒子状物質処理装置自体に三元浄化触媒が設けられていない場合も、粒子状物質処理装置に粒子状物質が堆積しており、さらにこれが酸化している状態では、粒子状物質処理装置の下流側に設けられた排ガスセンサの検出値は、酸化に消費される分だけリッチ側（低酸素濃度側）にずれる。このため、ストイキ運転中は排ガスセンサの検出値が三元浄化触媒における三元浄化反応が最適化するように定められた目標値になるようにフィードバック制御を行うことにより、あえて後述のような燃料噴射量に対する変調操作を行わずとも、自動的に混合気の空燃比を所定期間ストイキよりリーンになるようにし、粒子状物質処理装置とは別に設けられた三元浄化触媒において排気のＨＣ、ＣＯを高効率で酸化しながら、粒子状物質処理装置における粒子状物質の捕集量を減少させたり、あるいはその増加を抑制したりできる。
【００１４】
（３）この場合、前記燃料制御コントローラは、所定のフィードバック制御アルゴリズムに基づいて、前記排ガスセンサの検出値を前記目標値に収束させるように決定された燃料量（dGfuel又はGuel_bs+dGfuel）を、所定の変調アルゴリズムを適用して変調することにより、混合気の空燃比がストイキよりリーンの状態とストイキよりリッチの状態とが交互に実現されるように燃料量（Gfuel）を決定することが好ましい。
【００１５】
（３）本発明によれば、排ガスセンサの検出値を目標値に高精度に収束させながら間欠的に混合気の空燃比がストイキよりリーンの状態を実現できるので、排ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの浄化に加え、粒子状物質の酸化を確実に行うことができる。
【００１６】
（４）この場合、前記燃料制御コントローラは、混合気の空燃比のストイキからリーン側への変動幅を０．３［Ａ／Ｆ］以内にすることが好ましい。
【００１７】
（４）排気系における排ガス流れには遅れ特性があるため、排ガスセンサの検出値を目標値に収束させながら混合気の空燃比をストイキよりリーンの状態とストイキよりリッチの状態とが交互に実現するように変動させることができる。しかしながら、混合気の空燃比をリーンにする際、過剰に燃料量を減らしてしまうと、三元浄化触媒では、ＮＯｘの還元が十分に進行しなくなってしまう場合がある。そこで、本発明では、混合気の空燃比のストイキからリーン側への変動幅を０．３［Ａ／Ｆ］以内にすることにより、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの浄化と粒子状物質の酸化とを両立できる。
なお、上記（３）の発明のように変調操作によって混合気の空燃比を間欠的にストイキよりリーンにする場合はもちろんのこと、タイマ等によって空燃比をリーン側にオフセットするような場合や、上記（２）の発明のように粒子状物質処理装置の下流側の排ガスセンサの出力に基づいて自動的に混合気の空燃比をストイキよりリーンになるようにする場合など、リーン化の手段によらず混合気の空燃比のストイキからリーン側への変動幅は、０．３［Ａ／Ｆ］以内にすることが好ましい。
【００１８】
（５）この場合、前記燃料制御コントローラは、前記機関の運転モード及び運転状態に基づいて基準燃料量（Gfuel_bs）を算出する基準燃料量算出部と、所定のフィードバック制御アルゴリズムに基づいて、前記排ガスセンサの検出値（Vex）を前記目標値（Vop）に収束させるように前記基準燃料量（Gfuel_bs）に対する燃料補正量（dGfuel）を算出する燃料補正量算出部（例えば、後述の燃料制御用ＳＭＣ３２１）と、所定の変調アルゴリズムを適用して前記燃料補正量を変調し、変調補正量（dGfuel_mod）を算出する変調器（例えば、後述の変調器３２２）と、を備え、前記基準燃料量に前記変調補正量を加算することにより燃料量を決定することが好ましい。
【００１９】
（５）本発明によれば、所定のフィードバック制御アルゴリズムに基づいて決定された燃料補正量を、所定の変調アルゴリズムを適用して変調し、これを基準燃料量に加算して燃料量を決定することにより、排ガスセンサの検出値を目標値に高精度に収束させながら、混合気の空燃比がストイキよりリーンの状態とストイキよりリッチの状態とを交互に実現できる。これにより、排ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの浄化に加え、粒子状物質の酸化を確実に行うことができる。
【００２０】
（６）この場合、前記燃料補正量のリーン側への振幅（dGfuel）又は前記変調補正量のリーン側への振幅（ΔGfuel）は、混合気の空燃比に換算して０．３［Ａ／Ｆ］以下となるように制限されることが好ましい。
【００２１】
（６）本発明によれば、変調器の出力に相当する変調補正量のリーン側への振幅、又は変調器への入力に相当する燃料補正量のリーン側への振幅を、混合気の空燃比に換算して０．３［Ａ／Ｆ］以下となるように制限することにより、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの浄化と粒子状物質の酸化とを両立できる。
【００２２】
（７）この場合、前記燃料制御コントローラは、ストイキ運転中であってかつ前記粒子状物質処理装置に捕集された粒子状物質が酸化する場合にのみ、前記フィードバック制御アルゴリズムに基づいて決定された燃料量を変調することが好ましい。
【００２３】
（７）ＰＭ処理装置に堆積した粒子状物質は、所定の燃焼温度に達した上で含酸素の排ガスを供給しなければ酸化し、除去できない。そこで本発明では、粒子状物質処理装置に捕集された粒子状物質が酸化するような場合にのみ変調器によって上記燃料量を変調することにより、ストイキ運転中に確実に粒子状物質を除去できる。また、燃料量を変動させるとエンジントルクが変化しドライバビリティが低下する場合があるところ、本発明のように粒子状物質を酸化できる時期を選んで変調することにより、不要なドライバビリティの低下を防止できる。
【００２４】
（８）この場合、前記排気浄化システムは、前記機関の排ガスの一部を吸気に還流する排気還流装置（例えば、後述のＥＧＲ装置５）をさらに備え、前記空燃比制御装置は、所定のフィードバック制御アルゴリズムに基づいて、前記排ガスセンサの検出値（Vex）を前記目標値（Vop）に収束させるように制御するための排気還流率（Regr）又は排気還流量を算出するエア制御コントローラ（例えば、後述のエア制御コントローラ３３）を備えることが好ましい。
【００２５】
（８）本発明では、排ガスセンサの検出値を目標値に収束させるように排気還流率又は排気還流量を修正することにより、その分だけ燃料量の変動幅を小さくすることができる。このため、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの浄化と、粒子状物質の酸化と、ドライバビリティの向上とを両立できる。
【００２６】
（９）この場合、前記燃料制御コントローラによる前記排ガスセンサの検出値の前記目標値への収束速度は、前記エア制御コントローラによる前記収束速度よりも速くなるように設定されることが好ましい。
【００２７】
（９）これにより、燃料制御と排気還流制御の干渉を回避しながら、排ガスセンサの検出値を目標値に高精度で収束させることができ、ひいてはＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの浄化と粒子状物質の酸化とを高効率で両立できる。
【００２８】
（１０）この場合、前記排気浄化システムは、前記機関に供給する燃料に、前記粒子状物質処理装置における粒子状物質の燃焼温度を低減させる添加材を供給する添加材供給装置（例えば、後述の添加剤供給装置８）をさらに備えることが好ましい。
【００２９】
（１０）本発明によれば、添加剤を燃料に供給することにより、ストイキ運転中に粒子状物質を処理できる運転領域を広げることができる。したがって、粒子状物質処理装置における粒子状物質の堆積量が増加する速度を低くできるので、粒子状物質処理装置を小型化できる。この結果、車両の燃費も向上できる。
【００３０】
（１１）この場合、前記排気通路のうち前記粒子状物質処理装置より上流側には、前記三元浄化触媒を備える第１触媒コンバータ（例えば、後述の第１触媒コンバータ４１）が設けられ、前記粒子状物質処理装置より下流には、リーン運転時に排ガス中のＮＯｘを浄化する第２触媒コンバータ（例えば、後述の第２触媒コンバータ４２）が設けられることが好ましい。
【００３１】
（１１）本発明では、第１触媒コンバータ及び粒子状物質処理装置より下流側に、リーン運転時にＮＯｘを浄化する第２触媒コンバータを設けることにより、リーン運転時は、第１触媒コンバータでＣＯ及びＨＣを浄化し、第２触媒コンバータでＮＯｘを浄化できる。
【００３２】
（１２）この場合、前記特定の運転条件とは、前記第２触媒コンバータがその活性に達していない場合、及び前記機関から排出されるＮＯｘ量に応じて大きくなるＮＯｘ相関パラメータの値が所定値よりも大きい場合を含むことが好ましい。
【００３３】
（１２）第２触媒コンバータが活性に達していない場合、運転モードをリーン運転にしても第２触媒コンバータでＮＯｘを十分に浄化できない。また、第２触媒コンバータが活性に達していたとしても、機関から排出されるＮＯｘ量が多くなると、排気浄化システム全体のＮＯｘ浄化性能を向上するには、第２触媒コンバータでＮＯｘを浄化するよりも、第１触媒コンバータの三元浄化反応を利用してＮＯｘを浄化する方が好ましい場合もある。本発明では、このような運転条件下で運転モードをストイキ運転にすることにより、必要以上の頻度でストイキ運転にすることによる燃費の悪化を防止できる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、ストイキ運転中も粒子状物質処理装置に捕集されている粒子状物質を酸化し処理できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジン及びその排気浄化システムの構成を示す模式図である。
【図２】直下触媒コンバータの浄化性能と空燃比の関係を示す図である。
【図３】空燃比制御装置としてのＥＣＵの構成を示すブロック図である。
【図４】エンジンの運転モードを切り換える手順を示すフローチャートである。
【図５】従来例の空燃比制御装置の制御例を示すタイムチャートである。
【図６】上記実施形態の空燃比制御装置の制御例を示すタイムチャートである。
【図７】排ガスセンサとしてＯ２センサを用い、これをＰＭ処理装置の下流側に設けた場合における、混合気の空燃比と、その時の排ガス成分の浄化率及び排ガスセンサ出力との関係を示す図である。
【図８】排ガスセンサとしてＬＡＦセンサを用い、これをＰＭ処理装置の下流側に設けた場合における、混合気の空燃比と、そのときの排ガス成分の浄化率及び排ガスセンサ出力との関係を示す図である。
【図９】排ガスセンサとしてＬＡＦセンサを用い、これをＰＭ処理装置の上流側に設けた場合における、混合気の空燃比と、そのときの排ガス成分の浄化率及び排ガスセンサ出力との関係を示す図である。
【図１０】床下触媒をＮＯｘ吸蔵還元型触媒とした場合における排気浄化システムの構成を示す図である。
【図１１】混合気の空燃比と粒子状物質の排出量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関（以下、「エンジン」という）１及びその排気浄化システム２の構成を示す模式図である。エンジン１は、混合気の空燃比をストイキよりもリーン側とする所謂リーン燃焼を基本としたディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジンなどである。後に詳述するように、エンジン１は、混合気の空燃比を所定のストイキよりリーン側にするリーン運転と、混合気の空燃比をストイキ又はその近傍にするストイキ運転との２つの運転モードで選択的に運転される。なお、以下において「ストイキ」とは、排気通路１１内で粒子状物質が酸化していない特定の条件下において、後述の直下触媒コンバータ４１やＰＭ処理装置４６などに設けられた三元浄化触媒による三元浄化反応が最適化されるような混合気の空燃比をいう。
【００３７】
排気浄化システム２は、エンジン１の排気通路１１に設けられた触媒浄化装置４と、排気通路１１を流通する排ガスの一部を吸気通路１２内に還流するＥＧＲ装置５と、エンジン１に供給される燃料に添加剤を供給する添加剤供給装置８と、空燃比制御装置としての電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）３と、を含んで構成される。
【００３８】
エンジン１には、各シリンダに燃料を噴射する燃料噴射弁１７が設けられている。この燃料噴射弁１７を駆動するアクチュエータは、ＥＣＵ３に電磁的に接続されている。ＥＣＵ３は、後に詳述する手順により燃料噴射弁１７からの燃料噴射量を決定するとともに、決定した燃料噴射態様が実現されるように燃料噴射弁１７を制御する。
【００３９】
触媒浄化装置４は、排気通路１１のうち、上流側に設けられた第１触媒コンバータ４１と、この第１触媒コンバータ４１より下流側に設けられたＰＭ処理装置４６と、ＰＭ処理装置４６より下流側に設けられた第２触媒コンバータ４２と、第２触媒コンバータ４２に還元剤を供給する還元剤供給装置４３と、を備える。第１触媒コンバータ４１は、排気通路１１のうちエンジン１の直下に設けられている。従って以下では、第１触媒コンバータを直下触媒コンバータという。また、第２触媒コンバータ４２は、エンジン１から離れた位置、より具体的には、排気浄化システム２を図示しない車両に搭載した状態で床下に設けられる。従って以下では、第２触媒コンバータを床下触媒コンバータという。直下触媒コンバータ４１及び床下触媒コンバータ４２には、それぞれ排ガスに含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの成分を浄化する反応を促進するための触媒が設けられている。
【００４０】
直下触媒コンバータ４１が備える直下触媒には、少なくとも三元浄化機能を有する三元浄化触媒が用いられる。三元浄化機能とは、ストイキ空燃比の排ガスの下で、三元浄化反応、すなわちＨＣ及びＣＯの酸化とＮＯｘの還元とが同時に行われる反応が進行する機能をいう。このような三元浄化機能を備える触媒としては、酸化触媒、三元触媒、及びＮＯｘ吸蔵還元型触媒が挙げられる。直下触媒には、これら３つの触媒の何れかが好ましく用いられる。
【００４１】
酸化触媒（ＤＯＣ）は、ストイキ空燃比の排ガス下では上記三元浄化反応によってＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化し、リーン空燃比の排ガス下ではＨＣ及びＣＯを酸化することによって浄化する。
三元触媒（ＴＷＣ）は、この酸化触媒に酸素吸蔵材を付加したものに相当する。三元触媒と酸化触媒は基本的な浄化機能は同じである。ただし三元触媒は、酸化触媒と比較すると三元浄化ウィンドウが広くなっている点で優れている。
ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＮＳＣ）は、ストイキ空燃比の排ガスの下では上記酸化触媒と同様に三元浄化反応によってＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化し、リーン空燃比の排ガス下ではＮＯｘを吸蔵することによって浄化する。なお、吸蔵したＮＯｘは、排ガスの空燃比をストイキ又はストイキよりもリッチ側にすることによって放出され、排ガス中に含まれるＨＣを還元剤として還元される。
【００４２】
図２は、直下触媒コンバータ４１の浄化性能と空燃比の関係を示す図である。
より具体的には、混合気の空燃比を１４．０〜１５．５［Ａ／Ｆ］まで変化させたときにおけるＴＨＣ（全炭化水素）とＮＯｘの浄化率をプロットしたものである。なお、図２には、直下触媒として三元触媒を用いた例を示すが、直下触媒として酸化触媒やＮＯｘ吸蔵還元型触媒を用いた場合も定性的には同じである。
【００４３】
図２に示すように、排ガスの酸素濃度が高くなるほどＨＣ及びＣＯの酸化が促進されるが、ＮＯｘの還元は進みにくくなる。このため、直下触媒コンバータ４１では、混合気の空燃比をストイキ（図２に示す例では、約１４．５５［Ａ／Ｆ］）又はその近傍にしたときに、三元浄化反応が最適化されＨＣ、ＣＯ、及びＮＯｘが高効率で浄化される。この三元浄化機能が十分な効率で発現する空燃比幅（図２中、破線で区画された三元浄化ウィンドウ）は、ＯＳＣ材の量によって異なる。また、図２に示すように、直下触媒コンバータ４１によるＮＯｘの浄化性能は、ストイキからリーン側に外れると著しく低下する特性がある。
また、図２には直下触媒コンバータ４１の浄化性能について示したが、ＰＭ処理装置４６にＰＭが堆積していない場合であれば、直下触媒コンバータ４１とＰＭ処理装置４６とを合せた全体の浄化性能も、定性的には図２に示すものと同じである。
【００４４】
図１に戻って、床下触媒コンバータ４２の構成について説明する。床下触媒コンバータ４２が備える床下触媒には、リーン運転時、すなわち酸素が多く含まれるリーン空燃比の排ガスの下でＮＯｘ浄化反応が進行する触媒が用いられる。このようなＮＯｘ浄化機能を備える触媒としては、上述のＮＯｘ吸蔵還元型触媒の他、選択還元触媒が挙げられる。
選択還元触媒（ＳＣＲ触媒）は、ＮＨ３やＨＣなど外部から供給されるか又は排ガス中に存在するＨＣの存在下でＮＯｘを還元する。なお、本実施形態は、床下触媒は選択還元触媒とした例について説明する。床下触媒をＮＯｘ吸蔵還元型触媒とした場合の変更点については、後に図１０を参照して説明する。
【００４５】
なお、直下触媒コンバータ４１は、床下触媒コンバータ４２よりもエンジン１に近い位置に設けられているため、エンジン１の始動直後は床下触媒コンバータ４２よりも速やかに活性に達する。
【００４６】
還元剤供給装置４３は、尿素水タンク４３１と、尿素水インジェクタ４３２とを備える。尿素水タンク４３１は、床下触媒コンバータ４２における還元剤（ＮＨ３）の前駆体である尿素水を貯蔵する。尿素水タンク４３１は、尿素水供給路４３３及び図示しない尿素水ポンプを介して尿素水インジェクタ４３２に接続されている。尿素水インジェクタ４３２は、図示しないアクチュエータで駆動されると開閉し、尿素水タンク４３１から供給される尿素水を排気通路１１内の床下触媒コンバータ４２の上流側に噴射する。インジェクタ４３２から噴射された尿素水は、排ガス中又は床下触媒コンバータ４２においてＮＨ３に加水分解され、ＮＯｘの還元に消費される。尿素水インジェクタ４３２のアクチュエータは、ＥＣＵ３に電磁的に接続されている。ＥＣＵ３は、後述のＮＯｘセンサ２２の出力に応じて必要な尿素水噴射量を算出するとともに、この噴射量に応じた量の尿素水が噴射されるように尿素水インジェクタ４３２を制御する。なお、ＥＣＵ３による尿素水噴射制御の詳細な説明は省略する。
【００４７】
ＰＭ処理装置４６は、エンジン１からの排ガス中の粒子状物質（Particulate  Matter、以下単に「ＰＭ」という）を捕集するフィルタである。ＰＭ処理装置４６で捕集しておいたＰＭは、ＰＭが燃焼する温度になりかつ酸化雰囲気になると燃焼する。このフィルタには、上述の直下触媒コンバータ４１と同様に、酸化触媒及び三元触媒などの三元浄化機能を有する触媒が設けられる。ここで、ＰＭ処理装置４６に捕集されたＰＭが燃焼する温度とは、具体的には約３００℃以上となっている。ただし、後述の添加剤供給装置８によって燃料添加剤が添加された燃料をエンジン１で燃焼している場合、このＰＭ燃焼温度は、通常の走行状態で十分に達しうる温度である１５０℃程度まで低下する。
【００４８】
ＥＧＲ装置５は、ＥＧＲ通路５１と、ＥＧＲ制御弁５２と、図示しないＥＧＲクーラ等を含んで構成される。ＥＧＲ通路５１は、排気通路１１のうち直下触媒コンバータ４１より上流側と吸気通路１２とを接続する。ＥＧＲ制御弁５２は、ＥＧＲ通路５１に設けられ、このＥＧＲ通路５１を介してエンジン１のシリンダ内に還流される排ガス（以下、「ＥＧＲガス」という）の量を制御する。このＥＧＲ制御弁５２を駆動するアクチュエータは、ＥＣＵ３に電磁的に接続されている。ＥＣＵ３は、図示しない処理により、エンジン１のシリンダ内に導入される全ガス量に占めるＥＧＲガス量の割合に相当するＥＧＲ率（又はＥＧＲガス量）の推定値を算出するとともに、後に詳述する手順によりＥＧＲ率（又は、ＥＧＲガス量）の目標値を定め、この推定値が目標値になるようにＥＧＲ制御弁を制御する。
【００４９】
添加剤供給装置８は、ＰＭの酸化温度を低減させる添加剤を貯蔵する添加剤タンク８１と、エンジン１に供給される燃料が貯蔵された燃料タンク１３に添加剤を供給する添加剤供給弁８２と、を備える。添加剤供給弁８２は、燃料タンク１３に燃料が給油される度に、給油量に応じた量の添加剤を供給する。これにより、燃料タンク１３内の燃料の添加剤濃度は略一定に保たれ、ＰＭの燃焼温度も一定に保たれる。
【００５０】
ＥＣＵ３には、排気浄化システム２及びエンジン１の状態を検出するためのセンサとして、排ガスセンサ２１、ＮＯｘセンサ２２、排気温度センサ２３、クランク角度位置センサ１４、アクセル開度センサ１５、エアフローセンサ１６などが接続されている。
【００５１】
排ガスセンサ２１は、排気通路１１内の排ガスの酸素濃度に応じた検出信号Vexを出力する。この排ガスセンサ２１には、Ｏ２センサと呼称されるものや、ＬＡＦセンサと呼称されるものが用いられる。Ｏ２センサとは、排ガスの酸素濃度に応じた検出信号を出力するものであるが、ストイキ近傍の混合気に相当する排ガスの空燃比の近傍において急激に変化する出力特性がある（後述の図７参照）。これに対しＬＡＦセンサは、広範囲な排ガス空燃比に対して、排ガス中の酸素濃度をリニアに検出し、酸素濃度に応じた排ガス空燃比に相当する検出信号を出力する（後述の図８参照）。以下では、排ガスセンサ２１は、ＬＡＦセンサを用いるものとするが、これに限るものではない。
【００５２】
また、この排ガスセンサ２１は、直下触媒コンバータ４１より上流側（図１中、位置Ｐ）、直下触媒コンバータ４１とＰＭ処理装置４６との間（図１中、位置Ｑ）、ＰＭ処理装置４６より下流側（図１中、位置Ｒ）のうち何れかに設けられる。以下の説明では、排ガスセンサ４１は、図１に示すように、直下触媒コンバータ４１とＰＭ処理装置４６との間に設けるものとして説明する。なお、排ガスセンサ２１を、ＰＭ処理装置４６より下流側に設けた場合、ＰＭ処理装置４６より上流側に設けた場合と比較して質的に異なる効果を奏するが、この点については後に図７−９を参照して説明する。
【００５３】
ＮＯｘセンサ２２は、床下触媒コンバータ４２より下流側の排ガス中のＮＯｘ濃度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ３に送信する。排気温度センサ２３は、排気通路１１内の排ガス温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ３に送信する。クランク角度位置センサ１４は、エンジン１のクランク軸の回転角度を検出するとともに、所定のクランク角ごとのパルス信号をＥＣＵ３に送信する。ＥＣＵ３では、このパルス信号に基づいてエンジン１の回転数が算出される。アクセル開度センサ１５は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ３に送信する。ＥＣＵ３では、クランク角度位置センサ１４やアクセル開度センサ１５からの検出信号に基づいて、ドライバ要求駆動力を算出する。エアフローセンサ１６は、吸気通路１２を流通する新気の流量、すなわちエンジン１のシリンダ内に供給される新気量を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ３に送信する。
【００５４】
ＥＣＵ３は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ３は、後述の空燃比比制御を実行するためにＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路と、エンジン１の燃料噴射弁、尿素水インジェクタ４３２、及びＥＧＲ制御弁５２等に制御信号を出力する出力回路と、を備える。
【００５５】
以下、図３を参照して、ＥＣＵによる空燃比制御の手順について説明する。
図３は、空燃比制御装置としてのＥＣＵ３の構成を示すブロック図である。
ＥＣＵ３は、排ガスセンサの出力値Vex[A/F]の目標値Vop[A/F]に対する誤差Eを算出する誤差算出部３１と、誤差Eに基づいて燃料噴射量Gfuel[mg/s]を調整する燃料制御コントローラ３２と、誤差Eに基づいてＥＧＲ率Regr[%]（又はＥＧＲガス量[mg/s]）を調整するエア制御コントローラ３３と、を備え、燃料噴射量Gfuel及びＥＧＲ率Regrを調整することによって排ガスセンサ出力Vexをその目標値Vopへ制御する。
【００５６】
誤差算出部３１は、排ガスセンサ出力Vexから目標値Vopを減算することにより、誤差Eを算出する（下記式（１）参照）。なお、以下で示す式において符号”k”は、所定の同期周期（例えば、ＴＤＣ同期周期、20[msec]周期等）で更新される制御時刻を示すものとする。
【数１】
2014055565.tif 000003
【００５７】
上記式（１）において、排ガスセンサ出力Vexに対する目標値Vopは、その時のエンジンの運転モードに応じた値に設定される。
図２を参照して説明したように、直下触媒コンバータによるＨＣ及びＣＯの酸化効率は、排ガスの空燃比をリーンにする程高くなる。また、排ガスの空燃比をストイキよりリーンにすると、床下触媒コンバータによるＮＯｘの浄化が可能となる。そこで、リーン運転モードでは、直下触媒コンバータでＨＣ及びＣＯの酸化を担わせ、床下触媒コンバータでＮＯｘの還元を担わせるべく、直下触媒コンバータ及び床下触媒コンバータがリーン雰囲気になるような値に排ガスセンサ出力Vexに対する目標値Vopを設定する。
また、図２を参照して説明したように、排ガスの空燃比を三元浄化ウィンドウ内に維持すると、直下触媒コンバータによってＨＣ、ＣＯ、及びＮＯｘを高効率で浄化できる。そこで、ストイキ運転モードでは、直下触媒コンバータ及びＰＭ処理装置におけるＨＣ、ＣＯ、及びＮＯｘの浄化反応（三元浄化反応）が最適化されるような値に排ガスセンサ出力Vexに対する目標値Vopを設定する。
【００５８】
図４は、エンジンの運転モードを切り換える手順を示すフローチャートである。この処理は、エンジン始動直後から所定の制御周期で繰り返し実行される。
Ｓ１では、直下触媒コンバータがその活性に達したか否かを判別する。より具体的には、例えば排気温度センサの出力に基づいて算出した直下触媒コンバータの推定温度と、直下触媒コンバータの活性温度を比較し、推定温度が活性温度以上である場合には活性に達したと判別し、推定温度が活性温度より低い場合には活性に達していないと判別する。Ｓ１の判別がＮＯの場合、Ｓ２に移り直下触媒コンバータの昇温処理を実行する。Ｓ１の判別がＹＥＳの場合、Ｓ３に移る。
【００５９】
Ｓ３では、床下触媒コンバータがその活性に達したか否かを判別する。より具体的には、例えば排気温度センサの出力に基づいて算出した床下触媒コンバータの推定温度と、床下触媒コンバータの活性温度を比較し、推定温度が活性温度以上である場合には活性に達したと判別し、推定温度が活性温度より低い場合には活性に達していないと判別する。Ｓ３の判別がＹＥＳであり、床下触媒コンバータが活性に達している場合には、Ｓ４に移る。
【００６０】
Ｓ４では、エンジンから排出されるＮＯｘ量に応じて大きくなるＮＯｘ相関パラメータの値を算出し、この値がストイキ判定閾値以下であるか否かを判別する。このＮＯｘ相関パラメータとしては、例えばエンジンの要求トルクが用いられる。この他ＮＯｘ相関パラメータとしては、図示しない筒内圧センサの出力から算出される図示平均有効圧や、ＮＯｘ排出量の推定値など、エンジンからのＮＯｘ排出量に比例して大きくなるパラメータが用いられる。
【００６１】
Ｓ３及びＳ４の判別が何れもＹＥＳの場合、すなわち床下触媒コンバータが活性に達しておりかつエンジンから排出されるＮＯｘ量が比較的少ない場合、すなわち運転モードをリーン運転からストイキ運転に切り換えずとも排気浄化システム全体のＮＯｘ浄化性能が十分である場合には、運転モードをリーン運転にする（Ｓ５）。ここで、排気浄化システム全体のＮＯｘ浄化性能とは、直下触媒コンバータ、ＰＭ処理装置、及び床下触媒コンバータを合せたＮＯｘの浄化性能をいう。
【００６２】
Ｓ３及びＳ４の判別のうち何れかがＮＯの場合、すなわち床下触媒コンバータが活性に達していないか、又はエンジンから排出されるＮＯｘ量が比較的多い場合、すなわち運転モードをリーン運転にするよりもストイキ運転にした方が排気浄化システム全体のＮＯｘ浄化性能を向上できる場合には、運転モードをストイキ運転にする（Ｓ６）。床下触媒コンバータが活性に達していない場合、運転モードをストイキ運転にし、直下触媒コンバータにおける三元浄化反応を利用してＮＯｘを浄化する方が、排気浄化システム全体のＮＯｘ浄化性能を著しく向上できる。また、たとえ床下触媒コンバータが活性に達していたとしても、エンジンから排出されるＮＯｘ量が多い場合、そのＮＯｘ浄化性能が高い直下触媒コンバータにおける三元浄化反応を利用してＮＯｘを浄化する方が、排気浄化システム全体のＮＯｘ浄化性能を著しく向上できる。以上のように、排気浄化システム全体のＮＯｘ浄化性能を著しく向上できる運転条件下においてのみ、運転モードをストイキ運転にすることにより、排気浄化システム全体のＮＯｘ浄化性能を高く維持しながら燃費の悪化を防止できる。
【００６３】
図３に戻って、誤差算出部３１によって算出された誤差Eは、燃料制御コントローラ３２及びエア制御コントローラ３３に入力される。ただし、ＥＧＲ率Regrは応答遅れや無駄時間を伴うため、周波数が高いか又はスパイク状の空燃比誤差を補償することはできない。このことから、ＥＧＲ率Regrにて補償すべき空燃比誤差を、低い周波数でかつスパイク状でないものにするため、エア制御コントローラ３３には、誤差Eに対し誤差フィルタ３４によるフィルタリング処理を施して得られるフィルタリング誤差Efが入力される。
【００６４】
誤差フィルタ３４は、誤差Eに下記式（２−１）及び（２−２）に示されるεフィルタ処理を施し、フィルタリング誤差Efを出力する。下記式（２−１）及び（２−２）において、ｎは正の整数であり、移動平均タップ数に相当し、εｅは、正の実数であり、フィルタ閾値に相当する。
【数２】
2014055565.tif 000004
【００６５】
エア制御コントローラ３３は、所定の基準ＥＧＲ率Regr_bsと、エア制御用スライディングモードコントローラ（以下、「エア制御用ＳＭＣ」という）３３１によって算出されるＥＧＲ率補正量dRegrとを合算することにより、排ガスセンサ出力Vexを目標値Vopに収束させるように制御するためのＥＧＲ率Regrを決定する（下記式（３）参照）。
【数３】
2014055565.tif 000005
【００６６】
基準ＥＧＲ率Regr_bsは、各運転モードにおいて目標とする混合気の空燃比を実現するための基準値であり、そのときのエンジンの運転モードの種類（リーン運転又はストイキ運転）と、エンジン回転数、車速、燃料噴射量等で特徴付けられるエンジンの運転状態とに基づいて、所定のアルゴリズムに従って又は予め定められたマップを検索することによって算出される。すなわち、基準ＥＧＲ率Regr_bsは、リーン運転時であれば混合気の空燃比がストイキよりリーン側の状態が実現されるような値に、ストイキ運転時であれば混合気の空燃比がストイキ又はその近傍の状態が実現されるような値に設定される。
【００６７】
エア制御用ＳＭＣ３３１は、フィルタリング誤差Efを入力として既知のフィードバック制御アルゴリズムに基づいて、基準ＥＧＲ率Regr_bsに対するＥＧＲ率補正量dRegrを算出する。誤差Efに基づいてＥＧＲ率補正量dRegrを算出するフィードバック制御アルゴリズムとしては、例えば、以下で式（４−１）−（４−４）を参照して説明するスライディングモードアルゴリズムが用いられる。
【００６８】
エア制御用ＳＭＣ３３１は、所定のエア制御用切換関数設定パラメータSa（-1<Sa<0）と前回制御時の誤差Ef(k-1)との積と、今回制御時の誤差Ef(k)との和を算出し、これを切換関数σa(k)として定義する（式（４−１）参照）。
次にエア制御用ＳＭＣ３３１は、切換関数σa(k)に所定のフィードバック係数Krch_aを乗算することで到達則入力Urch_a(k)を算出し（式（４−２）参照）、切換関数σa(k)に所定のフィードバック係数Kadp_aを乗算したものの総和を演算することで適応則入力Uadp_a(k)を算出し（式（４−３）参照）、これら入力Urch_a(k)とUadp_a(k)の和をＥＧＲ率補正量dRegr(k)とする（式（４−４）参照）。
【数４】
2014055565.tif 000006
【００６９】
燃料制御コントローラ３２は、所定の基準燃料噴射量Gfuel_bsと、燃料制御用スライディングモードコントローラ（以下、「燃料制御用ＳＭＣ」という）３２１によって算出される燃料補正量dGfuel又はこの燃料補正量dGfuelを変調器３２２によって変調した変調補正量dGfuel_modとを合算することにより、排ガスセンサ出力Vexを目標値Vopに収束させるように制御するための燃料噴射量Gfuelを決定する。なお、後に図７及び８を参照して詳細に説明するように、排ガスセンサをＰＭ処理装置の下流側に設けた場合には、必ずしも変調器３２２を設ける必要はない。
【００７０】
より具体的には、燃料制御コントローラ３２は、ストイキ運転中であってかつＰＭ処理装置に捕集されたＰＭが酸化可能な状態である場合には、基準燃料噴射量Gfuel_bsと、変調器３２２によって変調して得られる変調補正量dGfuel_modとを合算したものを燃料噴射量Gfuelとし、それ以外の場合には、基準燃料噴射量Gfuel_bsと、燃料制御用ＳＭＣ３２１によって得られる燃料補正量dGfuelとを合算したものを燃料噴射量Gfuelとする（式（５）参照）。ここで、ＰＭ酸化可能な状態であるか否かは、温度センサの出力に基づいて推定されたＰＭ処理装置の温度と所定のＰＭ燃焼温度とを比較することで判断される。また、このＰＭ燃焼温度は、上述のように燃料に添加剤が供給されていない場合には例えば３００℃程度であり、燃料に添加剤が供給されている場合には例えば１５０℃程度である。
【数５】
2014055565.tif 000007
【００７１】
基準燃料噴射量Gfuel_bsは、各運転モードにおいて目標とする混合気の空燃比を実現するための基準値であり、そのときのエンジンの運転モードの種類（リーン運転又はストイキ運転）と、エンジン回転数、車速、燃料噴射量等で特徴付けられるエンジンの運転状態とに基づいて、所定のアルゴリズムにしたがって、又は予め定められたマップを検索することによって算出される。すなわち、基準燃料噴射量Gfuel_bsは、リーン運転時であれば混合気の空燃比がストイキよりリーン側の状態が実現されるような値に、ストイキ運転時であれば混合気の空燃比がストイキ又はその近傍になる状態が実現されるような値に設定される。
【００７２】
燃料制御用ＳＭＣ３２１は、誤差Eを入力として所定のフィードバック制御アルゴリズムに基づいて、排ガスセンサ出力Vexを目標値Vopに収束させるように基準燃料噴射量Gfuel_bsに対する燃料補正量dGfuelを算出する。誤差Eに基づいて燃料補正量dGfuelを算出するアルゴリズムとしては、例えば、以下で式（６−１）−（６−４）を参照して説明するスライディングモードアルゴリズムが用いられる。
【００７３】
燃料制御用ＳＭＣ３２１は、所定の燃料制御用切換関数設定パラメータSf（-1<Sf<0）と前回制御時の誤差E(k-1)との積と、今回制御時の誤差E(k)との和を算出し、これを切換関数σf(k)として定義する（式（６−１）参照）。
次に燃料制御用ＳＭＣ３２１は、切換関数σf(k)に所定のフィードバック係数Kchr_fを乗算することで到達則入力Urch_f(k)を算出し（式（６−２）参照）、切換関数σf(k)に所定のフィードバック係数Kadp_fを乗算したものの総和を演算することで適応則入力Uadp_f(k)を算出し（式（６−３）参照）、これら入力Urch_f(k)とUadp_f(k)の和を燃料補正量dGfuel(k)とする（式（６−４）参照）。
【数６】
2014055565.tif 000008
【００７４】
以上のように、燃料制御用ＳＭＣ３２１及びエア制御用ＳＭＣ３３１は、それぞれ誤差E（そのフィルタ値Efを含む）が０になるように補正量dGfuel,dRegrを算出する。ここで、これら２つのコントローラ３２１，３３１の干渉を回避しながら、高い精度で排ガスセンサの出力Vexを目標値Vopに収束させるようにするため、燃料制御用ＳＭＣ３２１による排ガスセンサ出力Vexの目標値Vopへの収束速度は、エア制御用ＳＭＣ３３１による排ガスセンサ出力Vexの目標値Vopへの収束速度よりも速くなるように設定することが好ましい。これは、下記式（７）に示すように、燃料制御用切換関数設定パラメータSfを、エア制御用切換関数設定パラメータSaよりも大きな値に設定することで実現される。
【数７】
2014055565.tif 000009
【００７５】
変調器３２２は、運転モードに応じて定められる基準燃料噴射量Gfuel_bsに対する燃料補正量dGfuelを入力として、この入力に既知の変調アルゴリズムを適用し、変調補正量dGfuel_modを算出することにより、ストイキ運転中に混合気の空燃比が所定期間ストイキよりリーンになるように燃料噴射量Gfuelを決定する（上記式（５）参照）。ここで適用する変調アルゴリズムとしては、例えば、式（８−１）−（８−３）を参照して説明するΔΣ変調アルゴリズムが適用される。
【００７６】
変調器３２２は、現在入力である燃料補正量dGfuel(k)から、前回出力である変調補正量dGfuel_mod(k-1)を減算したものを偏差δm(k)とする（式（８−１）参照）。
次に、変調器３２２は、現在の偏差δm(k)と前回制御時の偏差積分値σm(k-1)とを合算することにより、偏差積分値σm(k)を算出する（式（８−２）参照）。
そして変調器３２２は、偏差積分値σm(k)が０以上の場合には所定の正の変調振幅値ΔGfuel（ΔGfuel>0）を変調補正量dGfuel_modとし、偏差積分値σm(k)が０より小さい場合には負の変調振幅値-ΔGfuelを変調補正量dGfuel_modとして出力する（式（８−３）参照）。
【数８】
2014055565.tif 000010
【００７７】
なお、上記式（８−３）では、変調振幅値ΔGfuelは、制御時刻によらない固定値としたが、これに限らず、制御時刻ごとに変化させる可変値としてもよい。また、燃料補正量dGfuelを変調器３２２によって２値信号として適切な周期で変調できるように、変調補正量dGfuel_modの変化幅（2ΔGfuel）は、燃料補正量dGfuelの変化幅よりも大きくなるように設定される。燃料補正量dGfuelの変化幅が変調補正量dGfuelの変化幅2ΔGfuelを超えてしまうと、変調器３２２の出力信号が飽和状態となってしまい、変調補正量dGfuel_modに振動的な挙動が生じてしまう。
【００７８】
なお、上記変化幅2ΔGfuelを燃料補正量dGfuelの変化幅よりも小さくせざるを得ない場合、以上のようなΔΣ変調アルゴリズムに替えて、本願出願人により提案されている分割ΔΣ変調アルゴリズムを適用することができる。この分割ΔΣ変調アルゴリズムでは、変調器３２２への入力となる燃料補正量dGfuelは、３つの成分dGfuel_c,dGfuel_l,dGfuel_hに分割される（下記式（９）参照）。下記式（９）において、”dGfuel_c”は、燃料補正量dGfuelの低周波数成分に追従するように算出された中心値成分を示し、”dGfuel_l”は、中心値成分dGfuel_cから所定の範囲内の変動である小変動成分を示し、”dGfuel_h”は、中心値成分dGfuel_cから上記所定の範囲以上の変動である大変動成分を示す。
【数９】
2014055565.tif 000011
【００７９】
また、以上のように分割された燃料補正量dGfuelのうち、小変動成分dGfuel_lのみを上記式（８−１）−（８−３）に示されたΔΣ変調アルゴリズムによって変調することによって小変動成分の変調成分dGfuel_l_dsmを算出し、その後、下記式（１０）に示すように、変調成分dGfuel_l_dsmと他の成分dGfuel_c,dGfuel_hとを再合成したものを変調補正量dGfuel_modとする。これにより、燃料補正量dGfuelの変化幅が変調補正量dGfuel_modの変化幅より大きくなるような場合であっても、振動的な挙動を生じさせることなく適切な周期で燃料補正量dGfuelを変調できる。なお、上記式（９）に示すように入力dGfuelを分割し、３成分dGfuel_c、dGfuel_l、dGfuel_hを算出する具体的な手順については、本願出願人による特開２００５−２７５４８９号公報に開示されているので、ここでは詳細な説明を省略する。
【数１０】
2014055565.tif 000012
【００８０】
次に、本実施形態の空燃比制御の一例について、従来例と比較しながら説明する。ここで従来例とは、上記式（８−１）−（８−３）に示すように燃料補正量dGfuelを変調しない点で本実施形態と異なる。すなわち従来例とは、燃料噴射量Gfuelを、上記式（５）の下段の式によって決定し続けたものに相当する。
【００８１】
図５は、従来例の空燃比制御装置の制御例を示すタイムチャートである。
時刻ｔ１において運転モードがリーン運転からストイキ運転に切り換ると、排ガスセンサ出力Vexに対する目標値Vopは、直下触媒コンバータ及びＰＭ処理装置における三元浄化反応が最適化されるような値（図５中一点鎖線参照）に設定される。燃料噴射量Gfuel及びＥＧＲ率Regrは、それぞれ排ガスセンサ出力Vexが目標値Vopに収束するような値に設定される。これにより、排ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘは直下触媒コンバータによって高効率で浄化される。
しかしながら、運転モードをリーン運転からストイキ運転に切り換えるに伴い、図１１を参照して説明したようにエンジンから排出されるＰＭの量も増加する。このとき、たとえＰＭ処理装置の温度がＰＭの酸化温度を上回った状態であったとしても、ＰＭ処理装置は酸素を殆ど含まないストイキ雰囲気下にあるため燃焼することはなく、ＰＭ処理装置におけるＰＭ堆積量はリーン運転時と比較して速く増加する。
【００８２】
図６は、本実施形態の空燃比制御装置の制御例を示すタイムチャートである。
時刻ｔ２において運転モードがリーン運転からストイキ運転に切り換ると、排ガスセンサ出力Vexに対する目標値Vopは、上記従来例と同様に、図６中一点鎖線で示すようなストイキ又はその近傍の値に設定される。これにより、燃料噴射量Gfuel及びＥＧＲ率Regrは、それぞれ排ガスセンサ出力Vexが目標値Vopに収束するような値に設定される。
【００８３】
より具体的には、ＥＧＲ率Regrは、エア制御コントローラによって、排ガスセンサ出力Vexが目標値Vopに収束するような値に設定される。この結果、図６に示すように、ＥＧＲ率Regrは、略一定の値に維持される。
燃料噴射量Gfuelは、燃料補正量dGfuelを変調して得られる変調補正量dGfuel_modを基準燃料噴射量Gfuel_bsに加えることにより、ストイキを実現するように定められた基準燃料噴射量Gfuel_bsよりも少ない状態（混合気の空燃比がストイキよりリーンの状態）と多い状態（混合気の空燃比がストイキよりリッチの状態）とが交互に実現するように決定される。このように、混合気の空燃比はリーンの状態とリッチの状態とが交互に繰り返されることとなるが、変調補正量dGfuel_modは、排ガスセンサ出力Vexが目標値Vopに収束するように定められた燃料補正量dGfuelを変調することによって定められていること、及び排ガス流れには遅れ特性があることから、排ガスセンサ出力Vexは目標値Vopに維持される。したがって、直下触媒コンバータは図５の従来例と同様にストイキ雰囲気に維持され、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘは高効率で浄化される。
【００８４】
一方、直下触媒コンバータに流入する排ガスは、間欠的に酸素を含んだリーンの状態となるため、ＰＭ処理装置に堆積したＰＭは酸化される。このため、ストイキ運転中はエンジンから排出されるＰＭの量は増加するが、ＰＭ処理装置にてＰＭが連続的に酸化されるので、ＰＭ堆積量が増加することはなく、むしろ図６に示すように徐々に減少させることができる。特にリーンバーンエンジンでは、運転状態が高負荷になるとストイキ運転を行うが、この時、排ガス温度も高くなるため、ストイキ運転を行う期間とＰＭ酸化条件が満たされる期間とが一致する。したがってリーンバーンエンジンでは特に、ストイキ運転中に効率的にＰＭ処理装置のＰＭを除去できる。
【００８５】
＜変形例１＞
上記実施形態では、燃料補正量dGfuelを変調するための変調アルゴリズムとして、式（８−１）−（８−３）に示すようなΔΣ変調アルゴリズムを適用した場合について説明したが、下記式（１１−１）−（１１−５）に示すようなＰＷＭ変調アルゴリズムを適用して燃料補正量dGfuelを変調してもよい。
【００８６】
変調器は、燃料補正量dGfuel(k)に正の変調振幅値ΔGfuelを加算することにより、正のオフセット値λin(k)を定義し（式（１１−１）参照）、さらにこのオフセット値λin(k)と変調補正量dGfuel_modの変化幅2ΔGfuelとの比R_λ(k)を算出する（式（１１−２）参照）。この比R_λ(k)は、発生させる信号のパルス幅に比例したパラメータとなっている。
次に変調器は、制御周期ΔTごとに更新されかつ所定のＰＷＭ変調周期PRD_mごとに０にリセットされるように定義されたタイマ変数TM_pwm(k)（式（１１−３）参照）と、ＰＷＭ変調周期PRD_mとの比R_tm(k)を算出する（式（１１−４）参照）。
次に変調器は、時間に関する比R_tm(k)と、パルス幅に関する比R_λ(k)とを比較し、比R_tm(k)が比R_λ(k)以下である場合には、正の変調振幅値ΔGfuelを変調補正量dGfuel_mod(k)とし、比R_tm(k)が比R_λ(k)より大きい場合には、負の変調振幅値-ΔGfuelを変調補正量dGfuel_mod(k)とする（式（１１−５）参照）。
【数１１】
2014055565.tif 000013
【００８７】
なお、上記変化幅2ΔGfuelを燃料補正量dGfuelの変化幅よりも小さくせざるを得ない場合、以上のようなＰＷＭ変調アルゴリズムに替えて、本願出願人により提案されている分割ＰＷＭ変調アルゴリズムを適用することができる。この分割ＰＷＭ変調アルゴリズムは、上記式（９）及び（１０）を参照して説明したように、変調器への入力となる燃料補正量dGfuelを３つの成分に分割して、そのうちの一部成分のみ変調するものである。この分割ＰＷＭ変調アルゴリズムの詳細な手順については、本願出願人による特開２００７−７９８２９号公報に開示されているので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００８８】
＜変形例２＞
上記実施形態やその変形例１では、変調振幅値ΔGfuelを固定値とした場合について説明したが、本発明はこれに限らず、変調振幅値ΔGfuelを制御時刻ごとに異なる可変値とすることもできる。
【００８９】
上述のように本発明では、燃料補正量dGfuelを変調振幅値ΔGfuelで変調することにより、直下触媒コンバータをストイキ雰囲気に維持しながら、混合気の空燃比を間欠的にリーン状態にする。この時、変調振幅値ΔGfuelは、混合気の空燃比のストイキを中心とした振幅に比例した値となっている。また、ＰＭ処理装置におけるＰＭの酸化を促進するためにはできるだけ多くの酸素を供給する方が好ましいことから、ＰＭの酸化促進の観点からは変調振幅値ΔGfuelは大きな値の方が好ましい。しかしながら、図２を参照して説明したように、直下触媒コンバータにおけるＮＯｘの浄化性能は、排ガスの空燃比が三元浄化ウィンドウからリーン側へシフト著しく低下することから、リーン側へのシフト量、すなわち変調振幅値ΔGfuelの大きさには限界がある。
【００９０】
そこで、本変形例では、変調時に極度にリーン化されることがないように、  混合気の空燃比のストイキを中心とした変動幅に対して制限を設けるべく、変調振幅値ΔGfuel(k)を変化させる。より具体的には、シリンダ内に導入される新気量をGfsh(k)とし、αstをストイキ空燃比（例えば、１４．６［Ａ／Ｆ］）とし、αwを許容できる空燃比変動幅とした場合、変調振幅値ΔGfuel(k)は、下記式（１２）が満たされるように定められる。
【数１２】
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【００９１】
図２に示すように、排ガスの空燃比をストイキからリーン側へ約０．３［Ａ／Ｆ］程度シフトさせると直下触媒コンバータにおけるＮＯｘ浄化性能は著しく低下する。したがって、この図２のデータに基づけば、変調時における混合気の空燃比のストイキからリーン側への変動幅が０．３［Ａ／Ｆ］以内になるように、上記式（１２）における許容空燃比変動幅αwは、０．３［Ａ／Ｆ］程度に設定するのが妥当である。
【００９２】
以上、直下触媒コンバータにおける三元浄化反応の効率が低下しないように、変調器の出力である変調振幅値ΔGfuel(k)を、混合気の空燃比に換算して０．３［Ａ／Ｆ］以下となるように制限する場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、変調器への入力である燃料補正量dGfuel(k)の変化幅に対して、上記式（１２）のように混合気の空燃比に換算して０．３［Ａ／Ｆ］以下となるように制限した上で、変調振幅値ΔGfuel(k)は、混合気の空燃比に換算して０．３［Ａ／Ｆ］よりもやや大きな値に設定することにより、実質的に同等の効果を奏することができる。
【００９３】
なお、上記式（１２）では、ストイキ空燃比αstを中心とした場合の空燃比変動幅に対する制限式を導出したが、本発明はこれに限らない。例えば、排ガスセンサ出力に基づいて導出されるストイキ空燃比Gfsh(k)/(Gfuel_bs(k)+dGfuel(k))を中心とした場合、変調振幅値ΔGfuel(k)は、下記式（１３）が満たされるように定められる（後述の図９参照）。
【数１３】
2014055565.tif 000015
【００９４】
＜排ガスセンサ２１を設ける位置について＞
以下、排ガスセンサ２１を設ける位置について、図７−９を参照して説明する。図１に示すように、排ガスセンサ２１は、直下触媒コンバータ４１より上流側の位置Ｐと、直下触媒コンバータ４１とＰＭ処理装置４６の間の位置Ｑと、ＰＭ処理装置４６より下流側の位置Ｒと、の３つの位置の何処に設けてもよい。しかしながら、ＰＭ処理装置４６にＰＭが堆積し、さらにこのＰＭがストイキ運転中に酸化すると、その下流側の酸素濃度が変動し、排ガスセンサの出力に影響を及ぼす。以下では、排ガスセンサを設ける位置と、ＰＭの酸化との関係について検証する。
【００９５】
図７は、混合気の空燃比と、そのときの排ガス成分（ＮＯｘ、ＴＨＣ）の浄化率及び排ガスセンサ出力との関係を示す図である。図７中、上段のグラフは、それぞれ三元浄化触媒を含んだ直下触媒コンバータとＰＭ処理装置とを合せた全体による排ガス成分の浄化率を示す。図７中、下段のグラフは、排ガスセンサをＯ２センサとし、さらにこの排ガスセンサをＰＭ処理装置４６の下流（図１中、位置Ｒ）に設けた場合における排ガスセンサの出力を示す。また、図７中、実線はＰＭ処理装置にＰＭが堆積しておらずその酸化が進行し得ない場合を示し、破線はＰＭ処理装置にＰＭが堆積しておりかつその酸化が進行している場合を示す。
【００９６】
図７の上段において実線で示すように、ＰＭが堆積していない場合、混合気の空燃比が所定のストイキ空燃比（図７に示す例では、約１４．５［Ａ／Ｆ］）とその近傍になったときに、直下触媒コンバータとＰＭ処理装置における空燃比雰囲気が最適化され、排ガス中のＮＯｘとＴＨＣが共に高効率で浄化される。このとき、混合気の空燃比とＯ２センサ出力とは図７の下段において実線で示すように対応付けられている。なお、図８に示す例では、Ｏ２センサより上流側に設けられた三元浄化触媒における三元浄化反応が最適化される混合気の空燃比は約１４．５［Ａ／Ｆ］であり、またこのときのＯ２センサ出力は、約０．６［Ｖ］を示すようになっている。したがって、図７に示す例で言えば、目標値Vopを約０．６［Ｖ］に設定し、Ｏ２センサ出力Vexがこの目標値Vopに収束するようなフィードバック制御を行うことにより、少なくともＰＭ処理装置にＰＭが堆積していない場合であれば、Ｏ２センサより上流側に設けられた三元浄化触媒全体による三元浄化反応が最適化される。
【００９７】
ＰＭ処理装置内にＰＭが堆積しておりかつこのＰＭが酸化していたとすると、Ｏ２センサより上流側に設けられた三元浄化触媒全体による浄化曲線は、図７の上段において破線で示すように全体的にリーン側へずれる。換言すると、ＰＭ処理装置内のＰＭが連続的に酸化されている場合、このときの酸化による酸素の消費度合いに応じて、Ｏ２センサより上流側の三元浄化触媒における三元浄化反応が最適化される混合気の空燃比は、未酸化時の値（例えば、図７に示すように約１４．５［Ａ／Ｆ］）からリーン側の値（例えば、図７に示すように約１４．７［Ａ／Ｆ］）にずれる。これは、ＰＭ処理装置において連続的にＰＭを酸化するためには、排ガス中のＨＣやＣＯの酸化に必要な分に加えて、余分な酸素が必要となるためである。
【００９８】
一方、Ｏ２センサより上流側でＰＭが酸化すると、その分だけＯ２センサの周囲の排ガスの酸素濃度が低下することから、Ｏ２センサの出力Vexは、図７中下段の破線で示すように、リッチ側（図７中、上方）へずれる。このため、Ｏ２センサより上流側の三元浄化触媒の空燃比雰囲気が最適化されたときにおけるＯ２センサ出力は、Ｏ２センサより上流側におけるＰＭの酸化の進行度合いによらず一定の値を示すこととなる。これはすなわち、Ｏ２センサをＰＭ処理装置より下流側に設けた場合、ストイキ運転時には、排ガスセンサ出力Vexをその目標値Vopに収束するようなフィードバック制御を行うことにより、上述のような燃料噴射量に対する変調操作を行わずとも、Ｏ２センサより上流側のＰＭが酸化されるように自動的に混合気の空燃比が所定期間ストイキよりリーンになることを意味する。したがって、Ｏ２センサをＰＭ処理装置より下流側に設けた場合、図３の変調器３２２による燃料補正量dGfuelの変調操作は、必須ではなくなる。ただし、ＰＭ処理装置より下流側に設けられたＯ２センサのフィードバックのみでは、混合気の空燃比のリーン化が十分でなく、ストイキ運転時におけるＰＭの酸化が十分でなくなる場合もある。このような場合は、排ガスセンサをＰＭ処理装置より下流側に設けた上、さらに変調器３２２による変調操作も加えることにより、意図的に混合気の空燃比をリーン化するようにしてもよい。
【００９９】
図８は、排ガスセンサとしてＬＡＦセンサを用い、これをＰＭ処理装置の下流側（図１中、位置Ｒ）に設けた場合における、混合気の空燃比と、そのときの排ガス成分（ＮＯｘ、ＴＨＣ）の浄化率及び排ガスセンサ出力との関係を示す図である。
ＬＡＦセンサの出力は、Ｏ２センサと異なり、ＨＣやＣＯなどの未燃ガスの影響を受ける。このため、図８に示すように、ＬＡＦセンサの出力Vexは、図８中下段の破線で示すように、リッチ側（図８中、上方）へシフトする。このため、ＬＡＦセンサより上流側の三元触媒の排ガスの空燃比が最適化されたときにおけるＬＡＦセンサ出力は、ＬＡＦセンサより上流側におけるＰＭの酸化の進行度合いによらず一定の値を示すこととなる。したがって、排ガスセンサとしてＬＡＦセンサを用いた場合も、Ｏ２センサを用いた場合と同様に、ストイキ運転時には、排ガスセンサ出力Vexをその目標値Vopに収束するようなフィードバック制御を行うことにより、燃料噴射量に対する変調操作を行わずとも、自動的に混合気の空燃比を所定期間ストイキよりリーンにすることができる。ただし、ＬＡＦセンサ出力は、図８と図７を比較して明らかな通り、ストイキ近傍の検出分解能が低い。このため、ＰＭ処理装置の下流側に設ける排ガスセンサは、ＬＡＦセンサよりもＯ２センサの方が適しているといえる。
【０１００】
図９は、排ガスセンサとしてＬＡＦセンサを用い、これをＰＭ処理装置の上流側（図１中、位置Ｑ）に設けた場合における、混合気の空燃比と、そのときの排ガス成分（ＮＯｘ、ＴＨＣ）の浄化率及び排ガスセンサ出力との関係を示す図である。
ＬＡＦセンサをＰＭ処理装置の上流側に設けた場合、ＬＡＦセンサは、ＰＭ処理装置におけるＰＭの酸化の影響を受けることはなくなる。ただし、ストイキ運転中は排ガス温度が高温になるため、ＰＭ処理装置内だけでなく、直下触媒コンバータや、直下触媒コンバータに至るまでの経路においてもＰＭの酸化が進行する。特に、燃料に添加剤が含まれている場合、ＰＭの酸化反応は顕著となる。このため、ＬＡＦセンサをＰＭ処理装置の上流側に設けた場合も、ＬＡＦセンサの出力は、ＰＭの酸化の有無に応じてＰＭ処理装置の下流側に設けた場合（図８参照）と定性的には同様の振る舞いを示す。ただし、ＬＡＦセンサをＰＭ処理装置の上流側に設けた場合、下流側に設けた場合と比較して、センサより上流側でのＰＭの酸化量が少なくなるため、図９の下段の破線に示すように、ＬＡＦセンサ出力VexのＰＭ酸化時におけるリーン側へのシフト量は小さくなり、リーン化の効果も小さくなる。すなわち、ＬＡＦセンサをＰＭ処理装置より上流側に設けた場合、図７や図８に示す場合と異なり、単にＬＡＦセンサ出力Vexが目標値Vopに収束するようなフィードバック制御を行うのみでは、ＰＭの堆積時にＰＭの酸化反応が進むように十分にリーン化することはできない。以上のような理由から、排ガスセンサをＰＭ処理装置より上流側（図１中、位置Ｐや位置Ｑ）に設ける場合は、図３の変調器３２２によって燃料補正量dGfuelに変調操作を加えることにより、混合気の空燃比をＬＡＦセンサ出力Vexが目標値Vopに収束するように定められた値を中心として変調することが好ましい。これにより、図９に示すように、ＰＭの酸化を最大にしつつ、三元浄化反応も最適化できる。
【０１０１】
なお、図７及び図８を参照して、ＰＭ処理装置のフィルタに三元浄化機能を有する触媒が設けられていることを前提として、このＰＭ処理装置の下流側に排ガスセンサを設けた場合の効果を説明したが、フィルタに三元浄化触媒を設けてない場合もほぼ同等の効果を奏する。
フィルタに三元浄化触媒が設けられていない場合でも、フィルタにＰＭが堆積しておりさらにこれが酸化している状態では、フィルタの下流側の排ガスセンサ出力Vexは、図８や図９の下段に示すものと同様に、酸化に消費される分だけリッチ側（低酸素濃度側）にずれる。このため、ストイキ運転時には、排ガスセンサ出力Vexをその目標値Vopに収束するようなフィードバック制御を行うことにより、燃料噴射量に対する変調操作を行わずとも、排ガスセンサより上流側のＰＭの酸化と直下触媒コンバータにおけるＣＯ、ＨＣの酸化とが最適化されるように自動的に混合気の空燃比が所定期間ストイキよりリーンになる。
【０１０２】
以上、本発明の一実施形態とその変形例について説明したが、本発明はこれに限るものではない。
上記実施形態では、直下触媒コンバータ４１とＰＭ処理装置４６とを別体で設けた場合について説明したが、本発明はこれに限らず一体としてもよい。
【０１０３】
また、上記実施形態では、床下触媒を選択還元触媒とした例について説明したが、本発明はこれに限らない。上述のように床下触媒は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒としても効果的である。
【０１０４】
また、上記実施形態では、ＰＭ処理装置４６のフィルタに三元浄化機能を有する触媒を設けた場合について説明したが、本発明はこれに限らない。ＰＭ処理装置のフィルタには、三元浄化触媒を設けずにＰＭを捕集する機能のみを担わせるようにしてもよい。
【０１０５】
図１０は、床下触媒コンバータ４２Ａの床下触媒をＮＯｘ吸蔵還元型触媒とした場合における排気浄化システム２Ａの構成を示す図である。上記実施形態の排気浄化システム２では、選択還元触媒に還元剤を供給するために還元剤供給装置４３が必要であった。しかし、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、排ガス中のＨＣを還元剤として利用するため、この排気浄化システム２Ａでは、還元剤供給装置を設ける必要はない。ただし、この排気浄化システム２Ａでは、ＥＣＵ３Ａは、リーン運転中にＮＯｘ吸蔵還元型触媒で吸着したＮＯｘを還元するために、一時的に排ガスの空燃比をストイキ又はストイキよりリッチ側にする空燃比制御を、上記実施形態で説明した空燃比制御とは別に適宜実行する。
【符号の説明】
【０１０６】
１…エンジン（内燃機関）
１１…排気通路
２…排気浄化システム
２１…排ガスセンサ
３…ＥＣＵ（空燃比制御装置）
３２…燃料制御コントローラ
３２１…燃料制御用ＳＭＣ（燃料補正量算出部）
３２２…変調器
３３…エア制御コントローラ
４１…第１触媒コンバータ
４２…第２触媒コンバータ
４６…ＰＭ処理装置（粒子状物質処理装置）
５…ＥＧＲ装置（排気還流装置）
８…添加剤供給装置
【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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