(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リーン燃焼を行う内燃機関に適用され、その排気通路に配設されるＮＯｘ吸蔵還元触媒により排気を浄化する車載用内燃機関の排気浄化装置において、
車両発進時か否かを判断する判断手段と、
車両発進時である旨判断されたときに、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の最大吸蔵量の減少量に応じて該ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを予め還元して放出させるための還元剤を供給する供給手段と
を備えることを特徴とする車載用内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の車載用内燃機関の排気浄化装置において、
前記供給手段は車両停車中の前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が、車両発進に伴って前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒が温度低下したときにその最大吸蔵量が実際の吸蔵量よりも少なくなる所定温度未満であることを条件に前記車両発進時の還元剤の供給を行うものである
ことを特徴とする車載用内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の車載用内燃機関の排気浄化装置において、
前記供給手段は前記内燃機関の燃焼形態をリーン燃焼からリッチ燃焼に強制的に切り替えることにより前記還元剤の供給を行うものである
ことを特徴とする車載用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】
この発明は、リーン燃焼を行う内燃機関に適用され、その排気通路に設けられた触媒により排気を浄化するようにした車載用内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃費の向上を図るべく、空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定するリーン燃焼を行うようにした車載用内燃機関が知られている。また、こうしたリーン燃焼の態様としては、点火プラグの近傍にのみ濃い混合気層を形成する成層燃焼や、気筒内に均質な混合気層を形成する均質リーン燃焼がよく知られている。
【０００３】
ところで、リーン燃焼時には、空燃比を理論空燃比に設定した、いわゆるストイキ燃焼を行うときと比較して燃焼熱量が少ないため、排気温度が低くなる傾向がある。特に成層燃焼時にあっては、均質リーン燃焼時よりも燃焼熱量が更に少なくなるため、こうした傾向も一層顕著なものとなる。このため、例えば、成層燃焼での低負荷運転が継続して行われることがあると、排気通路に設けられたＮＯｘ吸蔵還元触媒や三元触媒といった排気を浄化するための触媒の温度が低下し、その浄化性能の悪化を招くおそれがある。
【０００４】
そこで従来では、成層燃焼中に触媒の温度低下が検出された場合に、燃焼形態を成層燃焼から均質リーン燃焼へと切り替えることにより触媒の温度低下を抑制するようにしている（例えば特開平１０−４７０４０号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本発明者の実験によると、成層燃焼中に車両が停止状態から走行状態に移行した場合に、触媒の温度は以下のような態様をもって変化することが確認されている。
【０００６】
即ち、成層燃焼中に車両が発進すると、機関負荷（燃料噴射量）の増大に伴って燃焼熱量は増大するものの、発進直後においては燃焼室（の内壁）や排気系の温度が未だ低いため、この燃焼熱量の増大が排気温度の上昇に直ぐに反映されることがない。また一方で、車両発進時には、機関負荷の増大に伴って吸入空気量が増大するため、排気流量も増大するようになる。その結果、車両の発進直後にあっては、十分に温度上昇してない排気が多量に触媒に流れ込むこととなり、触媒は急速に温度低下するようになる。その後、燃焼室や排気系の温度が高められ、排気温度が触媒の温度以上にまで上昇すると、同触媒の温度低下はおさまり、触媒の温度は上昇し始めるようになる。
【０００７】
このように車両の発進直後にあっては触媒の温度が急速に低下することから、触媒の温度低下を検出したときに燃焼形態を切り替えるようにしても、その切り替えにより触媒が所定の浄化性能を確保し得る温度にまで温度上昇するのには長い時間を要するようになる。このため、従来の排気浄化装置にあっては、車両の発進直後に、浄化性能の低下している触媒に多量の排気が流れ込むこととなり、一時的にせよ排気性状の悪化が避けきれないものとなっていた。
【０００８】
また、上記従来の装置にあっても、例えば触媒の温度低下を判定する際の判定温度を予め十分に高く設定しておけば、こうした車両発進時における触媒の温度低下にも対応することは可能である。しかしながら、この場合には、本来その必要が無いのにもかかわらず、触媒を温度上昇させるための燃焼形態の切り替えが頻繁に行われることとなり、燃費の悪化を招くこととなり好ましくない。
【０００９】
この発明は、こうした従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両発進時の触媒の温度低下に伴う排気性状の悪化を抑制することのできる車載用内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための構成及びその作用効果について以下に記載する。
請求項１に記載した発明では、リーン燃焼を行う内燃機関に適用され、その排気通路に配設されるＮＯｘ吸蔵還元触媒により排気を浄化する車載用内燃機関の排気浄化装置において、車両発進時か否かを判断する判断手段と、車両発進時である旨判断されたときに、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の最大吸蔵量の減少量に応じて該ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを予め放出させるための還元剤を供給する供給手段とを備えるようにしている。
【００２１】
上記構成によれば、車両発進時を判断してその発進時にＮＯｘ吸蔵還元触媒の最大吸蔵量の減少量に応じて該ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを予め還元して放出させるための還元剤をＮＯｘ吸蔵還元触媒に対して供給するようにしているため、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されていたＮＯｘはこの還元剤により還元されて同触媒から放出されるようになる。従って、車両発進直後におけるＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度低下に伴って、その吸蔵能力（最大吸蔵量）が低下したとしても、同触媒からＮＯｘが還元されないまま排出されるのを回避することができ、こうした温度低下に伴う排気性状の悪化を抑制することができるようになる。
【００２２】
請求項２に記載した発明では、請求項１に記載の車載用内燃機関の排気浄化装置において、前記供給手段は車両停車中の前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が、車両発進に伴って前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒が温度低下したときにその最大吸蔵量が実際の吸蔵量よりも少なくなる所定温度未満であることを条件に前記車両発進時の還元剤の供給を行うものであるとしている。
【００２３】
上記構成によれば、車両発進直後にＮＯｘ吸蔵還元触媒が温度低下したとしても、その温度低下によって同触媒の吸蔵能力が大きく低下するおそれがないときには、還元剤の供給が行われないようになる。従って、請求項１に記載した発明の作用効果に加えて、還元剤が不必要に供給されるのを回避することができるようになる。
【００２４】
請求項３に記載した発明では、請求項１又は請求項２に記載の車載用内燃機関の排気浄化装置において、前記供給手段は前記内燃機関の燃焼形態をリーン燃焼からリッチ燃焼に強制的に切り替えることにより前記還元剤の供給を行うものであるとしている。
【００２５】
上記構成によれば、内燃機関の燃焼形態をリーン燃焼から未燃成分（炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯ）の排出量が多いリッチ燃焼に切り替え、排気に含まれる未燃成分を還元剤としてＮＯｘ吸蔵還元触媒に供給するようにしているため、例えば還元剤の供給機構を排気浄化装置に対して別途設ける必要がない。従って、請求項３に記載した発明の上記構成によれば、構成の複雑化を招くことなく、請求項１又は請求項２に記載した発明の作用効果を奏することができるようになる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態について図１〜図６を参照して説明する。
【００２７】
図１は本実施形態にかかる排気浄化装置及び同装置が適用されるエンジン１０の概略構成を示している。
同図１に示されるように、車両Ｃに搭載されるエンジン１０には、その燃焼室１２に燃料を直接噴射するインジェクタ１４と、この噴射された燃料に点火する点火プラグ１６とがそれぞれ設けられている。本実施形態のエンジン１０では、上記インジェクタ１４による燃料噴射態様が変更されることにより、その燃焼形態が成層燃焼（リーン燃焼）、ストイキ燃焼、及びリッチ燃焼の間で切り替えられる。
【００２８】
例えば、成層燃焼時においては、燃料噴射時期は圧縮行程後期に設定される。従って、点火時において点火プラグ１６近傍の混合気のみが部分的に点火可能なリッチな状態となる。また、混合気の平均的な空燃比（Ａ／Ｆ）は理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．５）よりもリーン（例えばＡ／Ｆ＝２５〜５０）に設定される。一方、ストイキ燃焼時には、燃料噴射時期は吸気行程中に設定される。従って、点火時での燃焼室１２内における空燃比は略均一になる。また、この空燃比は理論空燃比近傍に設定される。
【００２９】
これら成層燃焼とストイキ燃焼との間における燃焼形態の切り替えは、機関負荷及び機関回転数といったエンジン１０の運転状態に基づいて行われ、低負荷低回転域では燃焼形態が成層燃焼に、高負荷高回転域では燃焼形態がストイキ燃焼にそれぞれ設定される。
【００３０】
また、リッチ燃焼時においては、燃料噴射時期はストイキ燃焼時と同様、吸気行程中に設定されるが、燃料噴射量はストイキ燃焼時よりも増量される。従って、空燃比は理論空燃比よりもリッチ（Ａ／Ｆ＝１１〜１３）に設定される。
【００３１】
このリッチ燃焼は、後述するＮＯｘ吸蔵還元触媒２２のＮＯｘ吸蔵量が所定量以上にまで増大したときに行われる（リッチスパイク処理）他、後述するＮＯｘ還元処理を通じても行われる。
【００３２】
燃焼室１２に接続される排気通路１８には、三元触媒２０と、その下流側に位置するＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、「ＮＯｘ触媒」と略記する）２２とがそれぞれ配設されている。これら三元触媒２０及びＮＯｘ触媒２２によって、排気に含まれるＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、及びＮＯｘ（窒素酸化物）が浄化される。
【００３３】
即ち、三元触媒２０においては、排気に含まれるＨＣ、ＣＯ、及びＮＯｘが酸化還元反応によってそれぞれ同時に浄化される。一方、ＮＯｘ触媒２２においては、成層燃焼中の排気に含まれるＮＯｘが一旦吸蔵され、リッチ燃焼（或いはストイキ燃焼）中の排気に含まれるＨＣ及びＣＯを還元剤として還元され浄化される。
【００３４】
車両Ｃには、機関回転数を検出するための回転数センサ３１、アクセルペダル（図示略）の踏込量を検出するアクセルセンサ３２、及び車両Ｃの走行速度（車速ＳＰＤ）を検出する車速センサ３３が設けられている。これら各センサ３１〜３３の検出信号は、エンジン１０の各種制御を実行する電子制御装置４０に入力される。また、上記アクセルセンサ３２からはアクセルペダルの踏込量に応じた信号の他、同ペダルが踏み込まれていないときに「ＯＮ」となり、踏み込まれているときに「ＯＦＦ」となる信号（全閉信号ＬＬ）が出力され、電子制御装置４０に入力される。
【００３５】
電子制御装置４０は、これらセンサ３１〜３３等によって検出されるエンジン１０の運転状態や車両の走行状態に基づいて、燃料噴射制御や上記触媒の浄化性能の低下を抑制するための制御等、各種制御を実行する。
【００３６】
また、電子制御装置４０は、こうした各種制御を実行するためのプログラムや演算用マップ、制御の実行に際して算出される各種データ等を記憶するメモリ４１を備えている。例えば、このメモリ４１には、上記車速センサ３３の検出信号に基づいて更新される車両Ｃの総走行距離が記憶されている。この車両Ｃの総走行距離は、上記各触媒２０，２２の劣化度を反映するものとして、電子制御装置４０により実行される制御において適宜参照される。
【００３７】
こうした構成を備えた本実施形態の排気浄化装置では、車両Ｃの発進に伴って、三元触媒２０及びＮＯｘ触媒２２の温度が浄化性能の低下が無視できない温度にまで低下すると判断される場合に、燃焼形態を強制的にストイキ燃焼に切り替えて排気温度を上昇させ、これら各触媒２０，２２の昇温を促進させることにより、その温度低下を抑制する処理（昇温促進処理）を実行するようにしている。
【００３８】
次に、こうした昇温促進処理の詳細について図２〜図６を併せ参照して説明する。
この昇温促進処理においては、車両停車中に、燃焼形態の切り替えを実行するか否かを判断するためのフラグ（ストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪ）が各触媒２０，２２の温度状態に基づいて設定される。そして、車両発進時に、このストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪが「ＯＮ」に設定されている場合には、燃焼形態がストイキ燃焼に強制的に切り替えられる。
【００３９】
図２及び図３は、このストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪを設定する際の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される一連の処理は、所定のクランク角周期の割込処理として電子制御装置４０により実行される。
【００４０】
この処理では、まず、上記三元触媒２０及びＮＯｘ触媒２２の温度（触媒床温Ｔｃ）が、機関負荷及び機関回転数等の運転状態や、それまでのエンジン１０の運転履歴（例えば上記リッチスパイク処理が実行された場合にはその実行後からの経過時間等）に基づいて推定される（図２のステップ１００）。尚、三元触媒２０は排気通路１８においてＮＯｘ触媒２２よりも上流側に配設されているため、同ＮＯｘ触媒２２よりも若干高い温度になっていると推定されるが、ここではこれら各触媒２０，２２の温度は略同一であるとみなし、その温度を上記触媒床温Ｔｃとして代表させている。
【００４１】
次に、ストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪが「ＯＦＦ」であるか否かが判断される（ステップ１１０）。このストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪが「ＯＮ」である場合には（ステップ１１０：ＮＯ）、処理が図３に示すステップ１５０に移行される。
【００４２】
一方、ストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪが「ＯＦＦ」である場合には（ステップ１１０：ＹＥＳ）、次に全閉信号ＬＬが「ＯＮ」であり、且つ、車速ＳＰＤが所定速度α（例えば「１０ｋｍ／ｈ」）未満であるか否かが判断される（ステップ１２０）。即ち、ここでは車両Ｃが停車状態（車速が極めて低く、アクセルペダルも踏み込まれていないため、その後間もなく車両Ｃが停車すると予想される状態をも含む）にあるか否かが判断される。
【００４３】
そして、車両Ｃが停車状態にはないと判断されると（ステップ１２０：ＮＯ）、処理は図３のステップ１５０に移行される。一方、車両Ｃが停車状態であると判断されると（ステップ１２０：ＹＥＳ）、次に触媒床温Ｔｃと下限判定値Ｔ１とが比較される（ステップ１３０）。
【００４４】
この下限判定値Ｔ１は、停車中の車両Ｃがその後発進して各触媒２０，２２が温度低下したとしても、各触媒２０，２２が浄化性能の低下が無視できない状態にまで温度低下しないことを車両停車中における各触媒２０，２２の温度状態（触媒床温Ｔｃ）に基づいて判定するためのものである。
【００４５】
また、この下限判定値Ｔ１は車両Ｃの総走行距離に基づいて設定される。図４は、この下限判定値Ｔ１と車両Ｃの総走行距離との関係を示している。同図に示されるように、下限判定値Ｔ１は車両Ｃの総走行距離が長くなるほど大きい値に設定される。これは車両Ｃの総走行距離が長くなるほど、換言すれば各触媒２０，２２の総使用時間が長くなってその劣化度が大きくなるほど、各触媒２０，２２の活性化温度が上昇し、より高い温度に維持されなければ、それらの所期の浄化性能を発揮できなくなるためである。こうした下限判定値Ｔ１と総走行距離との関係は予め実験により求められ、下限判定値Ｔ１を算出するためのデータとして電子制御装置４０のメモリ４１に記憶されている。
【００４６】
触媒床温Ｔｃがこの下限判定値Ｔ１未満である場合には（ステップ１３０：ＹＥＳ）、車両Ｃの発進に伴って各触媒２０，２２が温度低下し、それによって各触媒２０，２２の浄化性能が大きく低下するものと判定される。そしてこの場合には、ストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪが「ＯＮ」に設定される（ステップ１４０）。
【００４７】
一方、触媒床温Ｔｃがこの下限判定値Ｔ１以上である場合には（ステップ１３０：ＮＯ）、車両Ｃの発進に伴って、浄化性能の低下が無視できない状態にまで各触媒２０，２２が温度低下することはないと判定され、処理が図３のステップ１５０に移行される。従って、この場合には、ストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪが「ＯＮ」に設定されることはなく、燃焼形態の強制的な切り替えが実行されることはない。
【００４８】
次に、上記各ステップ１００〜１４０の処理を通じてストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪが「ＯＮ」に設定されているか否かが判断される（図３のステップ１５０）。ここで、ストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪが「ＯＮ」であると判断された場合（ステップ１５０：ＹＥＳ）には、次に触媒床温Ｔｃと上限判定値Ｔ２とが比較される（ステップ１６０）。
【００４９】
この上限判定値Ｔ２は、各触媒２０，２２が所期の浄化性能を確実に維持できる状態にあることをそれらの温度状態（触媒床温Ｔｃ）に基づいて判定するためのものであり、上記下限判定値Ｔ１よりも高い温度（Ｔ２＞Ｔ１）に設定されている。
【００５０】
また、この上限判定値Ｔ２は、下限判定値Ｔ１と同様に、車両Ｃの総走行距離に基づいて設定される。即ち、図４に示されるように、上限判定値Ｔ２は車両Ｃの総走行距離が長くなるほど大きい値に設定される。これは前述した下限判定値Ｔ１と車両Ｃの総走行距離との関係と同様に、総走行距離が長くなり、各触媒２０，２２の劣化度が大きくなるほど、各触媒２０，２２をより高い温度に維持しなければ、それらの所期の浄化性能を発揮できなくなるためである。こうした上限判定値Ｔ２と総走行距離との関係は予め実験により求められ、上限判定値Ｔ２を算出するためのデータとして電子制御装置４０のメモリ４１に記憶されている。
【００５１】
そして、触媒床温Ｔｃがこの上限判定値Ｔ２を上回っている場合には（ステップ１６０：ＹＥＳ）、各触媒２０，２２において所期の浄化性能が確実に確保されており、燃焼形態の切り替えによる昇温の促進を継続する必要はないものとして、ストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪが「ＯＦＦ」に設定される（ステップ１７０）。こうしてストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪが「ＯＦＦ」に設定された後、或いは、ストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪが「ＯＮ」に設定されていない場合（ステップ１５０：ＮＯ）や、触媒床温Ｔｃが上限判定値Ｔ２以下である場合（ステップ１６０：ＮＯ）にはいずれも、本ルーチンの処理が一旦終了される。
【００５２】
次に、このストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪに基づいて燃焼形態を切り替える際の処理手順について図５のフローチャートを参照して説明する。このフローチャートに示される一連の処理は、所定のクランク角周期の割込処理として電子制御装置４０により実行される。
【００５３】
この処理に際しては、まず、全閉信号ＬＬが「ＯＦＦ」であるか否か、即ちアクセルペダルが踏み込まれることにより、車両Ｃが発進状態に移行したか否かが判断される（ステップ２１０）。全閉信号ＬＬが「ＯＦＦ」であると判断されると（ステップ２１０：ＹＥＳ）、次にストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪが「ＯＮ」であるか否かが判断される（ステップ２２０）。
【００５４】
ここでストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪが「ＯＮ」であると判断されると（ステップ２２０：ＹＥＳ）、車両Ｃが発進状態に移行することにより、各触媒２０，２２の温度が所期の浄化性能を発揮できなくなる状態にまで温度低下するものとして、燃焼形態が強制的にストイキ燃焼に設定される（ステップ２３０）。
【００５５】
一方、全閉信号ＬＬが「ＯＮ」である場合（ステップ２１０：ＮＯ）、或いはストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪが「ＯＦＦ」である場合（ステップ２２０：ＮＯ）にはいずれも、燃焼形態は運転状態に応じた燃焼形態に設定される（ステップ２４０）。
【００５６】
このようにして燃焼形態が設定された後（ステップ２３０、ステップ２４０）、本ルーチンの処理は一旦終了される。
図６は、この昇温促進処理に基づく燃焼形態の切替態様の一例を示すタイミングチャートである。
【００５７】
同図に示されるように、成層燃焼中に、アクセルペダルの踏み込みが解除（全閉信号ＬＬが「ＯＮ」）され（タイミングｔ１）、車速ＳＰＤが所定速度αを下回るようになった後（タイミングｔ２）、触媒床温Ｔｃが低下して下限判定値Ｔ１に達すると（タイミングｔ３）、ストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪが「ＯＮ」に設定される。但し、このようにストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪが「ＯＮ」に設定されても、車両Ｃが発進状態に移行するまでの間は、燃焼形態はエンジン１０の運転状態に基づく燃焼形態（成層燃焼）のまま維持される（タイミングｔ３〜ｔ４）。
【００５８】
そしてその後、アクセルペダルが踏み込まれて（全閉信号ＬＬが「ＯＦＦ」）、車両Ｃが発進すると同時に、燃焼形態が成層燃焼からストイキ燃焼に強制的に切り替えられる（タイミングｔ４）。
【００５９】
このように燃焼形態が成層燃焼からストイキ燃焼に切り替えられると、排気温度が上昇し、各触媒２０，２２の温度（触媒床温Ｔｃ）は、そのまま成層燃焼を継続した場合（この場合における触媒床温Ｔｃの変化態様を図６（ｂ）に二点鎖線で示す）と比較して、その上昇が早められるようになり（タイミングｔ４〜ｔ５）、各触媒２０，２２は高温の状態に保持されるようになる。その結果、車両発進直後であっても、各触媒２０，２２の浄化性能が良好に維持されるようになる。また特に、三元触媒２０においては、車両発進時における温度低下に起因した未燃成分（ＨＣやＣＯ）の排出が好適に抑制されるようになる。
【００６０】
そして、ストイキ燃焼が継続されることによって触媒床温Ｔｃが上昇し、同触媒床温Ｔｃが上限判定値Ｔ２に達すると、ストイキ燃焼フラグＸＡＣＳＪが「ＯＦＦ」に設定され、その設定に伴って燃焼形態がストイキ燃焼から再びエンジン１０の運転状態に基づく燃焼形態（成層燃焼）に戻されるようになる（タイミングｔ５）。
【００６１】
また、こうした燃焼形態の切り替えは、触媒床温Ｔｃが下限判定値Ｔ１に達した後の車両発進時に開始され、同触媒床温Ｔｃが上限判定値Ｔ２に達したときに終了されるため、ストイキ燃焼が実行される期間、即ち燃焼形態の切り替えによって各触媒２０，２２の昇温が促進される期間（タイミングｔ４〜ｔ５の期間）は、これら各判定値Ｔ１，Ｔ２の大きさに応じて設定されるようになる。また前述したように、これら判定値Ｔ１，Ｔ２は、各触媒２０，２２の劣化度に応じて設定されているため、上記昇温期間の設定に際しては、この各触媒２０，２２の劣化度が反映されるようになる。
【００６２】
以上説明した態様をもって上記昇温促進処理を実行する本実施形態の排気浄化装置によれば、
（１）車両発進時を判断し、同発進時に燃焼形態をストイキ燃焼に切り替えて触媒の昇温を促進するようにしているため、車両発進直後における温度低下の発生を予め抑えて各触媒２０，２２をより早期に温度上昇させることができる。従って、車両発進時においても各触媒２０，２２の浄化性能を良好に維持し、排気性状の悪化を抑制することができるようになる。
【００６３】
（２）また、車両停車中の触媒床温Ｔｃが下限判定値Ｔ１未満であることを条件に、燃焼形態の切り替えを行うようにしているため、車両発進直後に各触媒２０，２２が温度低下したとしても、その温度低下によって浄化性能が悪化するおそれがないときには、燃焼形態が切り替えられず、各触媒２０，２２の強制的な昇温は行われないようになる。従って、各触媒２０，２２が不必要に昇温されるのを回避することができるようになり、ストイキ燃焼を行うことによる燃費の悪化も極力抑えることができるようになる。
【００６４】
（３）燃焼形態をストイキ燃焼に設定して各触媒２０，２２の昇温を促進する期間（昇温期間）を、これら各触媒２０，２２の劣化度に応じて設定するようにしているため、この劣化によって浄化性能を確保し得る温度が変化した場合であっても、その変化に合わせて触媒の昇温を促進させることができ、車両発進時における排気性状の悪化をより好適に抑制することができるようになる。
【００６５】
（４）更に、こうした各触媒２０，２２の劣化度を車両Ｃの総走行距離に基づいて判断するようにしているため、同劣化度を容易に且つ適正に判断することができるようになり、上記（３）に記載した作用効果を更に確実に奏することができるようになる。
【００６６】
（５）また、燃焼形態を成層燃焼からストイキ燃焼に強制的に切り替えることにより、排気温度を上昇させ、各触媒２０，２２の昇温を促進するようにしているため、例えば昇温機構を排気浄化装置に対し別途設ける必要がない。従って、構成の複雑化を招くことなく、上記（１）〜（４）に記載した作用効果を奏することができる。
等々の優れた作用効果を奏することができるようになる。
【００６７】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について上記第１の実施形態との相違点を中心に説明する。尚、本実施形態での排気浄化装置は、第１の実施形態にて説明した装置と同様の構成を備えたものを想定しているため、その構成にかかる説明については省略する。
【００６８】
三元触媒２０及びＮＯｘ触媒２２は、その温度が活性化温度以下にまで低下すると、所期の浄化性能が確保できなくなる点については既に説明したが、特にＮＯｘ触媒２２については、更に以下に示すような温度低下に起因する浄化性能の低下もみられる。
【００６９】
即ち、ＮＯｘ触媒２２は、成層燃焼中に排気に含まれるＮＯｘを一旦吸蔵するが、この吸蔵量の最大値（以下、「最大吸蔵量」という）は一定ではなく、図７に示されるように、同触媒２２の温度（同図では上記触媒床温Ｔｃとの関係において示す）に応じて変化するものとなっている。このため、同図に示されるように、例えば触媒床温Ｔｃ及び最大吸蔵量がそれぞれ、「Ｔｃ２」、「ＱＭＡＸ２」であり、ＮＯｘ触媒２２の実際の吸蔵量が最大吸蔵量（＝ＱＭＡＸ２）未満の「Ｑ２」である状態から、同触媒床温Ｔｃが所定温度Ｔｃ１にまで低下し、最大吸蔵量が減少して所定量ＱＭＡＸ１になると、その最大吸蔵量（＝ＱＭＡＸ１）が実際の吸蔵量（＝Ｑ２）よりも少なくなる。その結果、このＮＯｘ吸蔵量の余剰分（＝Ｑ２−ＱＭＡＸ１）をＮＯｘ触媒２２において吸蔵しておくことができなくなり、同余剰分は還元されないままＮＯｘ触媒２２から排出されるようになって、その浄化性能が実質的に低下することとなる。
【００７０】
本実施形態の排気浄化装置では、こうした温度低下に伴って発生するＮＯｘの排出を回避すべく、触媒床温Ｔｃが急速に低下する車両発進時には、燃焼形態をリッチ燃焼に強制的に切り替えることにより、ＮＯｘ触媒２２に吸蔵されているＮＯｘを予め還元して放出させる処理（ＮＯｘ還元処理）を実行するようにしている。
【００７１】
以下、こうしたＮＯｘ還元処理の詳細について図８〜図１１を併せ参照して説明する。
このＮＯｘ還元処理においては、車両停車中に、燃焼形態の切り替えを実行するか否かを判断するためのフラグ（リッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳ）がＮＯｘ触媒２２の温度状態に基づいて設定される。そして、車両発進時に、このリッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳが「ＯＮ」に設定されている場合には、上記燃焼形態がリッチ燃焼に強制的に切り替えられる。
【００７２】
図８及び図９は、このリッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳを設定する際の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される処理は所定のクランク角周期の割込処理として電子制御装置４０により実行される。
【００７３】
この処理では、まず、先の図２のステップ１００における処理と同様にして、触媒床温Ｔｃが推定される（ステップ３００）。
次に、リッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳが「ＯＦＦ」であるか否かが判断される（ステップ３１０）。このリッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳが「ＯＮ」である場合には（ステップ３１０：ＮＯ）、処理が図９に示すステップ３５０に移行される。
【００７４】
一方、リッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳが「ＯＦＦ」である場合には（ステップ３１０：ＹＥＳ）、次に全閉信号ＬＬが「ＯＮ」であり、且つ、車速ＳＰＤが所定速度α未満であるか否かが判断される（ステップ３２０）。即ち、ここでは図２のステップ１２０での処理と同様に、車両Ｃが停車状態にあるか否かが判断される。
【００７５】
そして、車両Ｃが停車状態にはないと判断されると（ステップ３２０：ＮＯ）、処理は図９のステップ３５０に移行される。一方、車両Ｃが停車状態であると判断されると（ステップ３２０：ＹＥＳ）、次に触媒床温Ｔｃと所定の判定値Ｔｏとが比較される（ステップ３３０）。
【００７６】
この判定値Ｔｏは、停車中の車両Ｃがその後発進してＮＯｘ触媒２２が温度低下したとしても、その最大吸蔵量の減少が無視できない状態にまでは温度低下しないことを車両停車中におけるＮＯｘ触媒２２の温度状態（触媒床温Ｔｃ）に基づいて判定するためのものである。
【００７７】
触媒床温Ｔｃがこの判定値Ｔｏ未満である場合には（ステップ３３０：ＹＥＳ）、車両Ｃの発進に伴ってＮＯｘ触媒２２が温度低下し、それによって同触媒２２の最大吸蔵量が極めて少量になるため、その減少が無視できないと判定される。そして、この場合には、リッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳが「ＯＮ」に設定される（ステップ３４０）。
【００７８】
一方、触媒床温Ｔｃがこの判定値Ｔｏ以上である場合には（ステップ３３０：ＮＯ）、車両Ｃの発進に伴ってＮＯｘ触媒２２が温度低下したとしても、ＮＯｘ触媒２２の最大吸蔵量が大きく減少しないものと判定され、処理が図９のステップ３５０に移行される。従って、この場合には、リッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳが「ＯＮ」に設定されることはなく、燃焼形態の強制的な切り替えが実行されることはない。
【００７９】
次に、上記各ステップ３００〜３４０の処理を通じてリッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳが「ＯＮ」に設定されているか否かが判断される（図９のステップ３５０）。ここで、リッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳが「ＯＮ」であると判断された場合（ステップ３５０：ＹＥＳ）には、次にＮＯｘカウンタ値ＣＮＯＸが「０」であるか否かが判断される（ステップ３６０）。
【００８０】
このＮＯｘカウンタ値ＣＮＯＸは、ＮＯｘ触媒２２における実際の吸蔵量の程度を示すものであり、本ルーチンとは別の処理を通じて、機関負荷及び機関回転数等の運転状態に基づき増減されるカウンタ値である。
【００８１】
例えば、このＮＯｘカウンタ値ＣＮＯＸは、成層燃焼中においては、排気に含まれるＮＯｘの量が増大するため、運転状態に基づき設定される所定値ずつインクリメントされるようになる。また例えば、リッチ燃焼中においては、排気に含まれるＨＣ及びＣＯの量が増大し、これらを還元剤としてＮＯｘ触媒２２に吸蔵されているＮＯｘが還元されるため、ＮＯｘカウンタ値ＣＮＯＸは運転状態に基づき設定される所定値ずつデクリメントされるようになる。
【００８２】
従って、このＮＯｘカウンタ値ＣＮＯＸが小さくなるほど、ＮＯｘ触媒２２における実際のＮＯｘ吸蔵量が少なくなっており、例えばＮＯｘカウンタ値ＣＮＯＸが「０」に設定されている場合には、ＮＯｘ触媒２２にＮＯｘが吸蔵されていない旨判断することができる。
【００８３】
このＮＯｘカウンタ値ＣＮＯＸが「０」である場合には（ステップ３６０：ＹＥＳ）、ＮＯｘ触媒２２にＮＯｘが吸蔵されておらず、燃焼形態の切り替えによるＮＯｘの還元を継続する必要はないものとして、リッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳが「ＯＦＦ」に設定される（ステップ３７０）。こうしてリッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳを「ＯＦＦ」に設定した後、或いは、リッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳが「ＯＮ」に設定されていない場合（ステップ３５０：ＮＯ）や、ＮＯｘカウンタ値ＣＮＯＸが「０」ではない場合（ステップ３６０：ＮＯ）にはいずれも、本ルーチンの処理が一旦終了される。
【００８４】
次に、このリッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳに基づいて燃焼形態を切り替える際の処理について図１０のフローチャートを参照して説明する。このフローチャートに示される処理は、所定のクランク角周期の割込処理として電子制御装置４０により実行される。
【００８５】
この処理に際しては、まず、全閉信号ＬＬが「ＯＦＦ」であるか否か、即ちアクセルペダルが踏み込まれることにより、車両Ｃが発進状態に移行したか否かが判断される（ステップ４１０）。全閉信号ＬＬが「ＯＦＦ」であると判断されると（ステップ４１０：ＹＥＳ）、次にリッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳが「ＯＮ」であるか否かが判断される（ステップ４２０）。
【００８６】
ここでリッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳが「ＯＮ」であると判断されると（ステップ４２０：ＹＥＳ）、車両Ｃが発進状態に移行することにより、その温度低下に伴ってＮＯｘ触媒２２の最大吸蔵量が大きく減少するものとして、燃焼形態が強制的にリッチ燃焼に設定される（ステップ４３０）。
【００８７】
一方、全閉信号ＬＬが「ＯＮ」である場合（ステップ４１０：ＮＯ）、或いはリッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳが「ＯＦＦ」である場合（ステップ４２０：ＮＯ）にはいずれも、こうした燃焼形態の強制的な設定は行われず、同燃焼形態は機関負荷及び機関回転数等の運転状態に基づいて設定される（ステップ４４０）。
【００８８】
このようにして燃焼形態が設定された後（ステップ４３０、ステップ４４０）、本ルーチンの処理は一旦終了される。
図１１は、以上説明したＮＯｘ還元処理に基づく燃焼形態の切替態様の一例を示すタイミングチャートである。
【００８９】
同図に示されるように、成層燃焼中に、アクセルペダルの踏み込みが解除（全閉信号ＬＬが「ＯＮ」）され（タイミングｔ１）、車速ＳＰＤが所定速度αを下回るようになった後（タイミングｔ２）、触媒床温Ｔｃが低下して判定値Ｔｏに達すると（タイミングｔ３）、リッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳが「ＯＮ」に設定される。但し、このようにリッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳが「ＯＮ」に設定されても、車両Ｃが発進状態に移行するまでは、燃焼形態はエンジン１０の運転状態に基づく燃焼形態（成層燃焼）のまま維持される（タイミングｔ３〜ｔ４）。
【００９０】
そしてその後、アクセルペダルが踏み込まれて（全閉信号ＬＬが「ＯＦＦ」）、車両Ｃが発進すると同時に、燃焼形態が成層燃焼からリッチ燃焼に強制的に切り替えられる（タイミングｔ４）。
【００９１】
このように燃焼形態が成層燃焼からリッチ燃焼に切り替えられると、排気に含まれるＨＣ及びＣＯが増大し、これら未燃成分が還元剤としてＮＯｘ触媒２２に供給されるようになるため、ＮＯｘ触媒２２に吸蔵されているＮＯｘは還元されて同触媒２２から放出されるようになる。その結果、ＮＯｘ触媒２２における実際のＮＯｘ吸蔵量（ＮＯｘカウンタ値ＣＮＯＸ）は、そのまま成層燃焼を継続した場合（この場合における触媒床温Ｔｃ、ＮＯｘ触媒２２の最大吸蔵量、並びにＮＯｘカウンタ値ＣＮＯＸの変化態様を図１１（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ二点鎖線で示す）とは異なり、大きく減少するようになる。従って、車両発進直後において触媒床温Ｔｃが低下し、その低下に伴って最大吸蔵量が減少しても、ＮＯｘ触媒２２からＮＯｘが還元されないまま排出されるのを回避することができるようになる。
【００９２】
そして、この燃焼形態の切り替えに伴ってＮＯｘ触媒２２のＮＯｘ吸蔵量が減少し、ＮＯｘカウンタ値ＣＮＯＸが「０」になると、リッチ燃焼フラグＸＲＩＣＨＳが「ＯＦＦ」に設定されるとともに、その設定に伴って燃焼形態がリッチ燃焼から再びエンジン１０の運転状態に基づく燃焼形態（成層燃焼）に戻されるようになる（タイミングｔ５）。
【００９３】
以上説明した態様をもって上記ＮＯｘ還元処理を実行する本実施形態の装置によれば、
（６）車両発進時を判断し、同発進時に燃焼形態をリッチ燃焼に切り替えて、排気に含まれるＨＣ及びＣＯを還元剤としてＮＯｘ触媒２２に供給することにより、同ＮＯｘ触媒２２に吸蔵されているＮＯｘを還元して放出するようにしている。このため、車両発進直後におけるＮＯｘ触媒２２の温度低下に伴って、最大吸蔵量が減少したとしても、同触媒２２からＮＯｘが還元されないまま排出されるのを回避することができ、こうした温度低下に伴う排気性状の悪化を抑制することができるようになる。
【００９４】
（７）また、車両停車中の触媒床温Ｔｃが上記判定値Ｔｏ未満であることを条件に、燃焼形態の切り替えを行うようにしているため、車両発進直後にＮＯｘ触媒２２が温度低下したとしても、その温度低下によって同触媒２２の最大吸蔵量が大きく減少するおそれがないときには、燃焼形態が切り替えられることはなく、還元剤の供給が行われないようになる。従って、ＮＯｘ触媒２２に対して還元剤が不必要に供給されるのを回避することができるようになり、リッチ燃焼を行うことによる燃費の悪化を極力抑えることができるようにもなる。
【００９５】
（８）また、燃焼形態を成層燃焼からリッチ燃焼に強制的に切り替え、これにより増大する排気中の未燃成分（ＨＣ及びＣＯ）を還元剤としてＮＯｘ触媒２２に供給するようにしているため、例えば還元剤の供給機構を排気浄化装置に対して別途設ける必要がない。従って、構成の複雑化を招くことなく、上記（６），（７）の作用効果を奏することができる。
等々の優れた作用効果を奏することができるようになる。
【００９６】
尚、以上説明した各実施形態は以下のように構成を変更して実施することができる。
・第１の実施形態では、燃焼形態を成層燃焼からストイキ燃焼に切り替えることにより、各触媒２０，２２の昇温を促進させるようにしたが、例えば、均質リーン燃焼やリッチ燃焼、或いは上記成層燃焼よりも成層強度を弱めた燃焼形態（弱成層燃焼）等、成層燃焼よりも排気温度が高くなるその他の燃焼形態に切り替えるようにしてもよい。また、車両停車中の触媒床温Ｔｃに応じて、切り替え後の燃焼形態をこれら均質リーン燃焼、リッチ燃焼、及び弱成層燃焼から適宜選択するようにしてもよい。更に、こうした燃焼形態の切り替えに限らず、例えば点火プラグ１６による点火時期を遅角させることによって各触媒２０，２２の昇温を促進させるようにしてもよい。尚、上記のように成層強度を弱めるに際しては、例えば、燃料噴射時期を圧縮行程後期よりも早めたり、一部の燃料を圧縮行程の他、吸入行程中に噴射したりすることにより、これを実現することができる。
【００９７】
・第１の実施形態では、車両停車中の触媒床温Ｔｃが上記下限判定値Ｔ１未満にまで低下したことを条件に、車両発進時に燃焼形態を成層燃焼からストイキ燃焼に切り替えるようにしたが、こうした条件を設定せず、車両発進時には常に燃焼形態を所定期間の間、成層燃焼からストイキ燃焼に切り替えるようにしてもよい。
【００９８】
・第１の実施形態では、上記判定値Ｔ１，Ｔ２を車両Ｃの総走行距離に応じて可変設定するようにしたが、これらを触媒２０，２２の劣化度を反映するその他のパラメータ（例えばエンジン１０の総稼動時間等）に応じて可変設定するようにしてもよい。或いは、これら判定値Ｔ１，Ｔ２を一定値として設定することも可能である。
【００９９】
・第２の実施形態では、車両停車中の触媒床温Ｔｃが上記判定値Ｔｏ未満にまで低下したことを条件として、車両発進時に燃焼形態を成層燃焼からリッチ燃焼に切り替えるようにしたが、例えば、車両停車中のＮＯｘ吸蔵量が所定量以上であること（ＮＯｘカウンタ値ＣＮＯＸが所定値以上であること）を条件に、或いは、車両停車中において、触媒床温Ｔｃより求められるＮＯｘ触媒２２の最大吸蔵量と実際のＮＯｘ吸蔵量との差が所定量以下になったことを条件に、上記燃焼形態の切り替えを実行するようにしてもよい。また、こうした条件を設定せず、車両発進時には常に燃焼形態を所定期間の間、リッチ燃焼に切り替えるようにしてもよい。
【０１００】
・第２の実施形態では、ＮＯｘ吸蔵量が「０」になったときに、燃焼形態の切り替えを終了するようにしたが、例えば、燃焼形態をリッチ燃焼に切り替える期間を触媒床温Ｔｃに応じて設定するようにしてもよい。
【０１０１】
・第２の実施形態では、燃焼形態をリッチ燃焼に切り替えることで増大する排気中の未燃成分を還元剤としてＮＯｘ触媒２２に供給するようにしたが、例えば燃料タンクの燃料を加熱してＨＣを生成し、これを還元剤として排気通路１８のＮＯｘ触媒２２よりも上流側部分に供給するようにしてもよい。
【０１０２】
・第２の実施形態では、燃焼形態をリッチ燃焼にのみ切り替えるようにしたが、例えば車両停車中における触媒床温Ｔｃの低下が著しい場合には、リッチ燃焼の後、引き続いてストイキ燃焼を所定期間行うことにより、各触媒２０，２２の昇温を促進させるようにしてもよい。こうした構成によれば、三元触媒２０におけるＨＣの浄化能力とＮＯｘ触媒２２におけるＮＯｘの吸蔵能力の双方を良好に維持することができるようになる。
【０１０３】
・上記各実施形態では、触媒床温Ｔｃをエンジン１０の運転状態に基づいて推定するようにしたが、排気通路１８に設けられ同通路１８内の排気の温度を検出する排気温センサ等の検出信号に基づいて、同触媒床温Ｔｃを推定することもできる。
【０１０４】
・上記各実施形態では、この発明にかかる排気浄化装置をリーン燃焼として特に成層燃焼が行われるエンジン１０に適用する場合を想定しているが、このリーン燃焼として例えば、均質リーン燃焼や弱成層燃焼が行われるエンジン１０に対してこの発明にかかる排気浄化装置を適用することもできる。
【０１０５】
・上記各実施形態では、この発明にかかる排気浄化装置を燃焼室１２内にインジェクタ１４から燃料を直接噴射する、いわゆる筒内噴射式のエンジン１０に適用する場合を想定しているが、燃料を吸気ポート内に噴射する吸気ポート噴射式のエンジンに対してこの発明にかかる排気浄化装置を適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態にかかる排気浄化装置及びエンジンの概略構成図。
【図２】第１の実施形態でのストイキ燃焼フラグを設定する際の処理手順を示すフローチャート。
【図３】同じくストイキ燃焼フラグを設定する際の処理手順を示すフローチャート。
【図４】車両の総走行距離と下限判定値及び上限判定値との関係を示すマップ。
【図５】第１の実施形態における燃焼形態の切り替えの際の処理手順を示すフローチャート。
【図６】第１の実施形態での昇温促進処理に基づく燃焼形態の切替態様の一例を示すタイミングチャート。
【図７】触媒床温とＮＯｘ触媒の最大吸蔵量との関係を示すグラフ。
【図８】第２の実施形態でのリッチ燃焼フラグを設定する際の処理手順を示すフローチャート。
【図９】同じくリッチ燃焼フラグを設定する際の処理手順を示すフローチャート。
【図１０】第２の実施形態における燃焼形態の切り替えの際の処理手順を示すフローチャート。
【図１１】第２の実施形態でのＮＯｘ還元処理に基づく燃焼形態の切替態様の一例を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
１０…エンジン、１２…燃焼室、１４…インジェクタ、１６…点火プラグ、１８…排気通路、２０…三元触媒、２２…ＮＯｘ触媒、３１…回転数センサ、３２…アクセルセンサ、３３…車速センサ、４０…電子制御装置、４１…メモリ、Ｃ…車両。
【図１】
0003584798.tif 000002
【図２】
0003584798.tif 000003
【図３】
0003584798.tif 000004
【図４】
0003584798.tif 000005
【図５】
0003584798.tif 000006
【図６】
0003584798.tif 000007
【図７】
0003584798.tif 000008
【図８】
0003584798.tif 000009
【図９】
0003584798.tif 000010
【図１０】
0003584798.tif 000011
【図１１】
0003584798.tif 000012