(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中のＮＯx を吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯx を放出するＮＯx 吸収剤を機関排気通路内に配置した内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯx 吸収剤が吸収しうる最大ＮＯx 吸収容量が予め定められた基準容量よりも低下したときにはＮＯx 吸収剤からＳＯx を放出すべきであると判断する判断手段と、ＮＯx 吸収剤からＳＯx を放出すべきであると判断されかつ機関の運転状態がＮＯx 吸収剤からＳＯx を放出するのに適した運転状態のときにはＮＯx 吸収剤からＳＯx を放出させるＳＯx 放出手段と、ＮＯx 吸収剤からＳＯx を放出すべきであると判断されかつ機関の運転状態がＮＯx 吸収剤からＳＯx を放出するのに適した運転状態でないときにはＮＯx 吸収剤に吸収されるＮＯx 量を減少させるＮＯx 減少手段を具備した内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
ＮＯｘ  減少手段は、点火時期を遅らせるか、又は噴射時期を遅らせるか、又は空燃比を理論空燃比に制御するか、又は空燃比をより一層リーンにするか、又はリーン運転領域を狭めることによってＮＯｘ  吸収剤に吸収されるＮＯｘ  量を減少させる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
最大ＮＯｘ  吸収容量が上記基準容量よりも小さな下限容量よりも低下したときに上記ＮＯｘ  低減手段は空燃比を理論空燃比に制御する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
最大ＮＯｘ  吸収量が上記基準容量と上記下限容量の間であるときにＮＯｘ  減少手段は、点火時期を遅らせるか、又は噴射時期を遅らせるか、又は空燃比をより一層リーンにするか、又はリーン運転領域を狭めることによってＮＯｘ  吸収剤に吸収されるＮＯｘ  量を減少させる請求項３に記載の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する。
【０００２】
【従来の技術】
リーン混合気を燃焼せしめるようにした内燃機関において、流入排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘ  を吸収し、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯｘ  を放出するＮＯｘ  吸収剤を機関排気通路内に配置し、リーン混合気を燃焼せしめた際に発生するＮＯｘ  をＮＯｘ  吸収剤により吸収し、ＮＯｘ  吸収剤のＮＯｘ  吸収能力が飽和する前にＮＯｘ  吸収剤への流入排気ガスの空燃比を一時的にリッチにしてＮＯｘ  吸収剤からＮＯｘ  を放出させると共に放出されたＮＯｘ  を還元するようにした内燃機関が公知である（特開平６−６６１２９号公報参照）。
【０００３】
ところが燃料および機関の潤滑油内にはイオウが含まれているので排気ガス中にはＳＯｘ  が含まれており、従ってこの内燃機関ではこのＳＯｘ  もＮＯｘ  と共にＮＯｘ  吸収剤に吸収される。しかしながらこのＳＯｘ  はＮＯｘ  吸収剤への流入排気ガスの空燃比を単にリッチにしてもＮＯｘ  吸収剤から放出されず、従ってＮＯｘ  吸収剤内のＳＯｘ  の量は次第に増大することになる。ところがＮＯｘ  吸収剤内のＳＯｘ  の量が増大するとＮＯｘ  吸収剤が吸収しうるＮＯｘ  の量が次第に低下し、ついにはＮＯｘ  吸収剤がＮＯｘ  をほとんど吸収できなくなってしまう。従ってＮＯｘ  吸収剤に吸収されているＳＯｘ  量が増大したときにはＮＯｘ  吸収剤からＳＯｘ  を放出させる必要がある。
【０００４】
ところでＮＯｘ  吸収剤に吸収されたＳＯｘ  はＮＯｘ  吸収剤の温度を上昇させかつＮＯｘ  吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチにするとＮＯｘ  吸収剤から放出される。そこで上述の内燃機関ではＮＯｘ  吸収剤に流入する排気ガスを加熱するための電気ヒータを具備し、ＮＯｘ  吸収剤からＳＯｘ  を放出すべきときには電気ヒータに通電すると共に空燃比を理論空燃比に維持するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところでＮＯｘ  吸収剤の温度を上昇させる方法としては、上述の如く電気ヒータによって排気ガスを加熱する方法の他に例えば排気ガス中の未燃ＨＣをＮＯｘ  吸収剤内で酸化させ、このとき発生する酸化反応熱によってＮＯｘ  吸収剤の温度を上昇させる方法がある。この場合、いずれの方法を用いてもＮＯｘ  吸収剤の温度がもともと低いときにはＮＯｘ  吸収剤の温度がＳＯｘ  を放出しうる温度までなかなか上昇せず、特に酸化反応熱によってＮＯｘ  吸収剤の温度を上昇させるようにした場合にはＳＯｘ  を放出しうる温度までＮＯｘ  吸収剤の温度を上昇させるのが困難である。従ってＮＯｘ  吸収剤からＳＯｘ  を放出すべきときにＮＯｘ  吸収剤の温度が低いときには機関負荷又は機関回転数が高くなってＮＯｘ  吸収剤の温度が或る程度上昇するまでＳＯｘ  の放出作用を遅らせることが好ましいと言える。
【０００６】
しかしながらこのようにＳＯｘ  の放出作用を遅らせるとその間にＮＯｘ  吸収剤へのＳＯｘ  吸収量がどんどん増大し、斯くしてＮＯｘ  吸収剤の吸収容量がどんどん低下する。その結果このとき、即ちＮＯｘ  吸収剤の吸収容量が低下したときに機関から多量のＮＯｘ  が放出されるとＮＯｘ  吸収剤によってＮＯｘ  を吸収しえなくなり、斯くしてＮＯｘ  が大気中に排出されるという問題を生ずる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために１番目の発明では流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中のＮＯx を吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯx を放出するＮＯx 吸収剤を機関排気通路内に配置した内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯx 吸収剤が吸収しうる最大ＮＯx 吸収容量が予め定められた基準容量よりも低下したときにはＮＯx 吸収剤からＳＯx を放出すべきであると判断する判断手段と、ＮＯx 吸収剤からＳＯx を放出すべきであると判断されかつ機関の運転状態がＮＯx 吸収剤からＳＯx を放出するのに適した運転状態のときにはＮＯx 吸収剤からＳＯx を放出させるＳＯx 放出手段と、ＮＯx 吸収剤からＳＯx を放出すべきであると判断されかつ機関の運転状態がＮＯx 吸収剤からＳＯx を放出するのに適した運転状態でないときにはＮＯx 吸収剤に吸収されるＮＯx 量を減少させるＮＯx 減少手段を具備している。
【０００８】
２番目の発明では１番目の発明において、ＮＯｘ  減少手段は、点火時期を遅らせるか、又は噴射時期を遅らせるか、又は空燃比を理論空燃比に制御するか、又は空燃比をより一層リーンにするか、又はリーン運転領域を狭めることによってＮＯｘ  吸収剤に吸収されるＮＯｘ  量を減少させるようにしている。
３番目の発明では１番目の発明において、最大ＮＯｘ  吸収容量が基準容量よりも小さな下限容量よりも低下したときにＮＯｘ  低減手段は空燃比を理論空燃比に制御するようにしている。
【０００９】
４番目の発明では３番目の発明において、最大ＮＯｘ  吸収量が基準容量と下限容量の間であるときにＮＯｘ  減少手段は、点火時期を遅らせるか、又は噴射時期を遅らせるか、又は空燃比をより一層リーンにするか、又はリーン運転領域を狭めることによってＮＯｘ  吸収剤に吸収されるＮＯｘ  量を減少させるようにしている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を火花点火式内燃機関に適用した場合を示している。しかしながら本発明はディーゼル機関にも適用することができる。
図１を参照すると、１は機関本体を示し、機関本体１は１番気筒＃１、２番気筒＃２、３番気筒＃３および４番気筒＃４からなる４つの気筒を具備する。各気筒＃１，＃２，＃３，＃４には夫々各気筒の燃焼室内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁２と点火栓３とが取付けられている。各気筒は夫々対応する吸気枝管４を介してサージタンク５に連結され、サージタンク５は吸気ダクト６およびエアフローメータ７を介してエアクリーナ８に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータ９により駆動されるスロットル弁１０が配置される。
【００１１】
一方、図１に示される実施例では点火順序が１−３−４−２とされており、図１に示されるように点火順序が一つおきの気筒＃１，＃４は共通の第１の排気マニホルド１１に連結され、点火順序が一つおきの残りの気筒＃２，＃３は共通の第２の排気マニホルド１２に連結される。第１の排気マニホルド１１および第２の排気マニホルド１２は夫々三元触媒１３を収容している第１の触媒コンバータ１４および第２の触媒コンバータ１５に連結され、これら第１の触媒コンバータ１４の出口および第２の触媒コンバータ１５の出口は共通の排気管１６に連結される。この排気管１６は排気管１７を介してＮＯｘ  吸収剤１８を収容しているケーシング１９に連結され、ケーシング１９の出口は排気管２０に連結される。
【００１２】
図１に示されるように排気管１６とサージタンク５とは排気ガス再循環（以下ＥＧＲと称す）通路２１を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２１内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２２が配置される。燃料噴射弁２は共通の燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２３に連結される。このコモンレール２３内へは燃料タンク２４内の燃料が電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２５を介して供給され、コモンレール２３内に供給された燃料が各燃料噴射弁２に供給される。コモンレール２３にはコモンレール２３内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２６が取付けられ、燃料圧センサ２６の出力信号に基づいてコモンレール２３内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２５の吐出量が制御される。
【００１３】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。エアフローメータ７は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。排気管１７内には空燃比センサ２７が配置され、排気管２０内にはＮＯｘ  吸収剤１８の温度を検出するための温度センサ２８が配置される。これら空燃比センサ２７および温度センサ２８の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５には燃料圧センサ２６の出力信号が対応するＡＤ変換器３７を介して入力される。
【００１４】
また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁２、点火栓３、スロットル弁制御用ステップモータ９、ＥＧＲ制御弁２２および燃料ポンプ２５に接続される。
【００１５】
図２は各運転領域における空燃比の一例を示している。なお、図２において縦軸Ｌはアクセルペダル４０の踏込み量、即ち要求負荷を示しており、横軸Ｎは機関回転数を示している。図２に示される例では実線ｍで示される境界よりも低負荷側ではリーン空燃比とされ、境界ｍと境界ｎの間の領域では理論空燃比とされ、境界ｎよりも高負荷側ではリッチ空燃比とされる。
【００１６】
ケーシング１９内に収容されているＮＯｘ  吸収剤１８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、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、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少くとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。機関吸気通路、燃焼室およびＮＯｘ  吸収剤１８上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比をＮＯｘ  吸収剤１８への流入排気ガスの空燃比と称するとこのＮＯｘ  吸収剤１８は流入排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘ  を吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘ  を放出するＮＯｘ  の吸放出作用を行う。なお、ＮＯｘ  吸収剤１８上流の排気通路内に燃料（炭化水素）或いは空気が供給されない場合には流入排気ガスの空燃比は燃焼室内に形成される混合気の平均空燃比に一致し、従ってこの場合にはＮＯｘ  吸収剤１８は燃焼室内に供給される混合気の平均空燃比がリーンのときにはＮＯｘ  を吸収し、燃焼室内に供給される混合気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘ  を放出することになる。
【００１７】
上述のＮＯｘ  吸収剤１８を機関排気通路内に配置すればこのＮＯｘ  吸収剤１８は実際にＮＯｘ  の吸放出作用を行うがこの吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放出作用は図３に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。次にこのメカニズムについて担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させ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。
【００１８】
即ち、流入排気ガスがリーンになると流入排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、図３（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ２  がＯ２  −  又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ２  −  又はＯ２−と反応し、ＮＯ２  となる（２ＮＯ＋Ｏ２  →２ＮＯ２  ）。次いで生成されたＮＯ２  の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら図３（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３  −  の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてＮＯｘ  がＮＯｘ  吸収剤１８内に吸収される。流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ２  が生成され、吸収剤のＮＯｘ  吸収能力が飽和しない限りＮＯ２  が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンＮＯ３  −  が生成される。
【００１９】
これに対して流入排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ２  の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ３  −  →ＮＯ２  ）に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンＮＯ３  −  がＮＯ２  の形で吸収剤から放出される。即ち、流入排気ガス中の酸素濃度が低下するとＮＯｘ  吸収剤１８からＮＯｘ  が放出されることになる。一方、このとき燃焼室内に形成される混合気がリッチにされて流入排気ガスの空燃比がリッチになると機関からは多量の未燃ＨＣ，ＣＯが排出され、これら未燃ＨＣ，ＣＯは白金Ｐｔ上の酸素Ｏ２  −  又はＯ２−と反応して酸化せしめられる。また、流入排気ガスの空燃比がリッチになると流入排気ガス中の酸素濃度が極度に低下するために吸収剤からＮＯｘ  が放出され、このＮＯｘ  は図３（Ｂ）に示されるように未燃ＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ２  が存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ２  が放出される。従って流入排気ガスの空燃比をリッチにすると短時間のうちにＮＯｘ  吸収剤１８からＮＯｘ  が放出されることになる。
【００２０】
即ち、流入排気ガスの空燃比をリッチにするとまず初めに未燃ＨＣ，ＣＯが白金Ｐｔ上のＯ２  −  又はＯ２−とただちに反応して酸化せしめられ、ついで白金Ｐｔ上のＯ２  −  又はＯ２−が消費されてもまだ未燃ＨＣ，ＣＯが残っていればこの未燃ＨＣ，ＣＯによって吸収剤から放出されたＮＯｘ  および機関から排出されたＮＯｘ  が還元せしめられる。従って流入排気ガスの空燃比をリッチにすれば短時間のうちにＮＯｘ  吸収剤１８に吸収されているＮＯｘ  が放出され、しかもこの放出されたＮＯｘ  が還元されるために大気中にＮＯｘ  が排出されるのを阻止することができることになる。また、ＮＯｘ  吸収剤１８は還元触媒の機能を有しているので流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にしてもＮＯｘ  吸収剤１８から放出されたＮＯｘ  が還元せしめられる。しかしながら流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にした場合にはＮＯｘ  吸収剤１８からＮＯｘ  が徐々にしか放出されないためにＮＯｘ  吸収剤１８に吸収されている全ＮＯｘ  を放出させるには若干長い時間を要する。
【００２１】
ところで本発明による実施例では図２に示されるように要求負荷Ｌ又は機関回転数Ｎが高いときには燃焼室内に形成される混合気の平均空燃比が理論空燃比又はリッチとされるのでこのときＮＯｘ  吸収剤１８からＮＯｘ  が放出されることになる。しかしながらこのような運転状態となる頻度が少なければこのような運転状態のときにのみＮＯｘ  吸収剤１８からＮＯｘ  が放出されたとしてもリーン混合気が燃焼せしめられている間にＮＯｘ  吸収剤１８によるＮＯｘ  の吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯｘ  吸収剤１８によりＮＯｘ  を吸収できなくなってしまう。従ってリーン混合気が継続して燃焼せしめられているときには流入排気ガスの空燃比を周期的にリッチにするか、或いは流入排気ガスの空燃比を周期的に理論空燃比にしてＮＯｘ  吸収剤１８から周期的にＮＯｘ  を放出させる必要がある。
【００２２】
ところで排気ガス中にはＳＯｘ  が含まれており、ＮＯｘ  吸収剤１８にはＮＯｘ  ばかりでなくＳＯｘ  も吸収される。このＮＯｘ  吸収剤１８へのＳＯｘ  の吸収メカニズムはＮＯｘ  の吸収メカニズムと同じであると考えられる。
即ち、ＮＯｘ  の吸収メカニズムを説明したときと同様に担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明すると、前述したように流入排気ガスの空燃比がリーンのときには酸素Ｏ２  がＯ２  −  又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、流入排気ガス中のＳＯ２  は白金Ｐｔの表面でＯ２  −  又はＯ２−と反応してＳＯ３  となる。次いで生成されたＳＯ３  の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硫酸イオンＳＯ４２−  の形で吸収剤内に拡散し、安定した硫酸塩ＢａＳＯ４  を生成する。
【００２３】
しかしながらこの硫酸塩ＢａＳＯ４  は安定していて分解しづらく、流入排気ガスの空燃比を単にリッチにしても硫酸塩ＢａＳＯ４  は分解されずにそのまま残る。従ってＮＯｘ  吸収剤１８内には時間が経過するにつれて硫酸塩ＢａＳＯ４  が増大することになり、斯くして時間が経過するにつれてＮＯｘ  吸収剤１８が吸収しうる最大ＮＯｘ  吸収容量が低下することになる。ところで燃料内にはほぼ一定割合のイオウ分が含まれており、従って排気ガス中に含まれるＳＯｘ  の量はほぼ燃料噴射量に比例する。そこで本発明による実施例では燃料噴射量の積算値からＮＯｘ  吸収剤１８に吸収されているＳＯｘ  量、言い換えるとＮＯｘ  吸収剤１８が吸収しうる最大ＮＯｘ  吸収容量を推定するようにしている。
【００２４】
一方、排気ガス中に含まれるＮＯｘ  をＮＯｘ  吸収剤１８に吸収させ続けるためにはＮＯｘ  吸収剤１８に吸収されているＮＯｘ  量がＮＯｘ  吸収剤１８の最大ＮＯｘ  吸収容量に達する前にＮＯｘ  吸収剤１８からＮＯｘ  を放出させる必要があり、そのためにはＮＯｘ  吸収剤１８に吸収されているＮＯｘ  量を推定する必要がある。この場合、単位時間当りに機関から排出されるＮＯｘ  量は機関の運転状態か定まるとそれに応じて定まる。そこで本発明による実施例では単位時間当りに機関から排出されるＮＯｘ  量Ａを要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数として図４（Ａ）に示すマップの形で予め求めておき、このＮＯｘ  量Ａを積算することによってＮＯｘ  吸収剤１８に吸収されているＮＯｘ  量を求めるようにしている。
【００２５】
また、前述したようにＮＯｘ  吸収剤１８からは流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになるとＮＯｘ  が放出され、このとき単位時間当りＮＯｘ  吸収剤１８から放出されるＮＯｘ  量は空燃比と排気ガス量、即ち空燃比と吸入空気量の関数となる。そこで本発明による実施例では単位時間当りにＮＯｘ  吸収剤１８から放出されるＮＯｘ  量Ｄを空燃比Ａ／Ｆおよび吸入空気量ＧＡの関数として図４（Ｂ）に示すマップの形で予め求めておき、このＮＯｘ  量Ｄを用いてＮＯｘ  吸収剤１８内に吸収されているＮＯｘ  量を減少させるようにしている。
【００２６】
一方、ＮＯｘ  吸収剤１８が吸収しうる最大ＮＯｘ  吸収容量が小さくなったときにはＮＯｘ  吸収剤１８が十分な量のＮＯｘ  を吸収しうるようにＮＯｘ  吸収剤１８からＳＯｘ  を放出させる必要がある。この場合、前述した如く単に空燃比をリッチにしただけではＮＯｘ  吸収剤１８からＳＯｘ  は放出されず、ＮＯｘ  吸収剤１８からＳＯｘ  を放出させるためにはＮＯｘ  吸収剤１８の温度を一定温度以上、例えば６００℃以上に維持した状態で空燃比をリッチにする必要がある。即ち、ＮＯｘ  吸収剤１８の温度を６００℃以上にすると硫酸塩ＢａＳＯ４  が熱分解をし、このとき空燃比をリッチにするとＮＯｘ  吸収剤１８からＳＯｘ  が放出される。
【００２７】
ところがＮＯｘ  吸収剤１８の温度は通常６００℃以下である。従ってＮＯｘ  吸収剤１８からＳＯｘ  を放出すべきときにはＮＯｘ  吸収剤１８の温度を６００℃以上に昇温させる必要がある。そこで本発明による実施例ではＮＯｘ  吸収剤１８からＳＯｘ  を放出すべきときには例えば１番気筒＃１と４番気筒＃４の空燃比がリッチとなり、２番気筒＃２と３番気筒＃３の空燃比がリーンとなり、このときＮＯｘ  吸収剤１８に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比となるように各気筒への燃料噴射量を空燃比センサ２７の出力信号に基づいて制御するようにしている。
【００２８】
即ち、このように１番気筒＃１および４番気筒＃４の空燃比がリッチとされるとこれらの気筒からは多量の未燃ＨＣ，ＣＯを含んだ排気ガスがＮＯｘ  吸収剤１８に供給され、２番気筒＃２および３番気筒＃３の空燃比がリーンにされるとこれらの気筒からは過剰酸素を含んだ排気ガスがＮＯｘ  吸収剤１８に供給される。このとき多量の未燃ＨＣ，ＣＯは過剰酸化のもとでＮＯｘ  吸収剤１８内において酸化せしめられ、このとき発生する酸化反応熱によってＮＯｘ  吸収剤１８の温度が上昇せしめられる。
【００２９】
ところでこのような酸化反応熱によってＮＯｘ  吸収剤１８の温度を６００℃以上まで昇温せしめることができるのはＮＯｘ  吸収剤１８の温度がもともと高いとき、例えば５００℃以上であるときであり、ＮＯｘ  吸収剤１８の温度がもともと低いときにはＮＯｘ  吸収剤１８の温度を６００℃以上に昇温させるのは困難である。
【００３０】
図５の実線ｈはＮＯｘ  吸収剤１８の温度がほぼ５００℃となる運転状態を示しており、この実線ｈよりも要求負荷Ｌが高いか又は機関回転数Ｎが高い領域ＩにおいてＮＯｘ  吸収剤１８の温度が５００℃以上となる。従って本発明による実施例ではＮＯｘ  吸収剤１８からＳＯｘ  を放出すべきときにＮＯｘ  吸収剤１８の温度がほぼ５００℃以上のときには、即ち機関の運転状態がＳＯｘ  の放出に適した領域Ｉ（図５）内にあるときには一部の気筒＃１，＃４の空燃比をリッチにすると共に残りの気筒＃２，＃３の空燃比をリーンにすることによってＮＯｘ  吸収剤１８を昇温させるようにしている。図６はこのときの吸収ＮＯｘ  量および空燃比の変化を示している。
【００３１】
即ち、図６においてＭＡＸはＳＯｘ  を全く吸収していないときのＮＯｘ  吸収剤１８の最大ＮＯｘ  吸収容量を示しており、ＮＯＸｍａｘ  はＳＯｘ  を吸収した場合のＮＯｘ  吸収剤１８の最大ＮＯｘ  吸収容量を示している。図６に示されるように時間が経過するにつれてＮＯｘ  吸収剤１８に吸収されているＳＯｘ  量が増大するので時間が経過するにつれて最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  は次第に低下する。
【００３２】
一方、図６においてＮＯＸａｄはＮＯｘ  吸収剤１８のＮＯｘ  吸収許容量を示しており、このＮＯｘ  吸収許容量ＮＯＸａｄは例えば最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  の０．８倍とされる。また、図６においてΣＮＯＸはＮＯｘ  吸収剤１８に吸収されているＮＯｘ  量を示しており、このＮＯｘ  量ΣＮＯＸがＮＯｘ  吸収許容量ＮＯＸａｄに達したときにＮＯｘ  吸収剤１８からＮＯｘ  が放出される。
【００３３】
即ち、図６に示されるように空燃比がリーンのときにはＮＯｘ  吸収剤１８に吸収されているＮＯｘ  量ΣＮＯＸが徐々に増大する。次いでＮＯｘ  量ΣＮＯＸがＮＯｘ  吸収許容量ＮＯＸａｄに達するとＮＯｘ  吸収剤１８からＮＯｘ  を放出すべく空燃比が一時的にリッチにされ、その結果ＮＯｘ  吸収剤１８に吸収されているＮＯｘ  量ΣＮＯＸは零となる。また、図６に示されるように時間が経過するにつれてＮＯｘ  吸収許容量ＮＯＸａｄは低下するので時間が経過するにつれてＮＯｘ  放出作用が行われたときのＮＯｘ  放出量が少くなる。従って空燃比のリッチ時間は時間が経過するにつれて短かくされる。図６における矢印Ｓは空燃比がリッチとされる高負荷運転が行われたときを示しており、このときにはＮＯｘ  吸収剤１８からＮＯｘ  が放出されるのでＮＯｘ  量は零となる。
【００３４】
一方、図６に示されるように最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  が予め定められた基準容量Ｌ１よりも低下するとＮＯｘ  吸収剤１８の温度を上昇させるためにＮＯｘ  吸収剤１８に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比となるように一部の気筒＃１，＃４の空燃比がリッチとされ、残りの気筒＃２，＃３の空燃比がリーンとされる。次いで温度センサ２８の出力信号に基いてＮＯｘ  吸収剤１８の温度が６００℃を越えたと判断されると全気筒＃１，＃２，＃３，＃４の空燃比がリッチとされる。全気筒の空燃比がリッチとされるとＮＯｘ  吸収剤１８からのＳＯｘ  の放出作用が開始され、斯くして図６に示されるように最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  は次第に増大する。次いでＮＯｘ  吸収剤１８に吸収されているＳＯｘ  量が零になったと判断されると空燃比がリッチからリーンに切換えられる。
【００３５】
一方、図５において実線ｈよりも低負荷側の領域ＩＩではＮＯｘ  吸収剤１８の温度が低く、従ってこのときには一部の気筒＃１，＃４をリッチにすると共に残りの気筒＃２，＃３をリッチにしてもＮＯｘ  吸収剤１８の温度を６００℃以上に上昇させるのは困難である。そこで本発明による実施例ではＳＯｘ  を放出すべきであると判断されたときに機関の運転状態が図５の領域ＩＩにあるときにはＮＯｘ  吸収剤１８の昇温作用は行わず、即ちＳＯｘ  の放出処理は行わず、機関の運転状態が図５の領域Ｉに移った後にＳＯｘ  の放出処理を行うようにしている。
【００３６】
従って機関の運転状態が図５の領域ＩＩにとどまっているとＳＯｘ  の放出処理が行われず、従ってこのときには最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  が次第に低下してくる。ところがこのようにして最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  が低くなったときに機関から多量のＮＯｘ  が排出されるとＮＯｘ  吸収剤１８によりＮＯｘ  を吸収しえなくなり、その結果大気中にＮＯｘ  が排出されてしまう。そこで本発明による実施例では最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  が低くなったときには常時又は少くとも一時的にＮＯｘ  吸収剤１８に吸収されるＮＯｘ  量を減少させるようにしている。次にこのことについて図７を参照しつつ説明する。
【００３７】
図７においてＮＯｘ  吸収剤１８の最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  が予め定められた基準容量Ｌ１以下になるまでの間におけるＮＯｘ  量ΣＮＯＸおよび空燃比の変化は図６と同じであり、従ってＮＯｘ  吸収剤１８の最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  が基準容量Ｌ１以下になった後についてのみ説明する。なお、図７は最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  が零まで低下し続ける極端な例を示している。
【００３８】
図７に示される例では最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  が基準容量Ｌ１よりも低下すると機関から排出されるＮＯｘ  量が減少せしめられ、それによってＮＯｘ  吸収剤１８に吸収されるＮＯｘ  量が減少するために図７に示されるようにＮＯｘ  量ΣＮＯＸの増大率が小さくなる。この場合、機関から排出されるＮＯｘ  量を減少せしめるには種々の方法が存在する。例えば点火時期を遅くすると燃焼圧が低下し、燃焼温が低下するために機関から排出されるＮＯｘ  量が減少する。また噴射時期を遅くしても燃焼圧が低下し、燃焼温が低下するために機関から排出されるＮＯｘ  量が減少する。また、空燃比を更にリーンにしても燃焼圧が低下し、燃焼温が低下するために機関から排出されるＮＯｘ  量が減少する。
【００３９】
また、例えば図２において破線で示すように境界ｍを低負荷側に移動させても、即ちリーン空燃比の運転領域を狭くしてもＮＯｘ  吸収剤１８に流入するＮＯｘ  量を減少させることができる。即ち、空燃比が理論空燃比のときには排気ガス中のＮＯｘ  は三元触媒１３およびＮＯｘ  吸収剤１８のいずれにおいても還元せしめられる。従ってリーン空燃比の運転領域を狭めると空燃比が理論空燃比となる機会が増大するためにＮＯｘ  吸収剤１８に流入するＮＯｘ  量は減少することになる。
【００４０】
また、図７に示す例では最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  に対して基準容量Ｌ１よりも小さな値の下限容量Ｌ２が設定されており、最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  が下限容量Ｌ２となったときには空燃比が理論空燃比とされる。空燃比が理論空燃比とされると排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯは三元触媒１３およびＮＯｘ  吸収剤１８において酸化せしめられ、排気ガス中のＮＯｘ  は三元触媒１３およびＮＯｘ  吸収剤１８において還元せしめられる。従ってＮＯｘ  吸収剤１８に流入するＮＯｘ  量が減少するばかりでなく、たとえ最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  が零になったとしても大気中に未燃ＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘ  が排出されるのを抑制することができる。
【００４１】
前述したように図７に示される例では最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  が基準容量Ｌ１以下になるとただちに点火時期が遅らされるか、又は噴射時期が遅らされるか、又は空燃比が更にリーンにされるか、又はリーン空燃比の運転領域が狭められる。しかしながら最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  が基準容量Ｌ１よりも若干小さな容量以下になったときに点火時期を遅らすか、又は噴射時期を遅らすか、又は空燃比を更にリーンにするか、又はリーン空燃比の運転領域を狭めるようにすることもできる。
【００４２】
また、最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  が基準容量Ｌ１以下になったときにただちに空燃比を理論空燃比にすることもできる。
次に図８を参照しつつ運転制御ルーチンについて説明する。なお、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図８を参照するとまず初めにステップ１００において単位時間当りの燃料噴射量ΔＱをΣＱに加算することによって燃料噴射量の積算値ΣＱが算出される。次いでステップ１０１ではＳＯｘ  が全く吸収されていないときの最大ＮＯｘ  吸収容量ＭＡＸからｋ・ΣＱ（ｋは定数）を減算することによってＳＯｘ  が吸収されているときの最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  が算出される。次いでステップ１０２では最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  に０．８を乗算することによってＮＯｘ  吸収許容量ＮＯＸａｄが算出される。次いでステップ１０３では最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  が基準容量Ｌ１以下になったか否かが判別され、ＮＯＸｍａｘ  ≧Ｌ１のときにはステップ１０９に進む。
【００４３】
ステップ１０９では空燃比がリーンであるか否かが判別される。空燃比がリーンのときにはステップ１１０に進んで図４（Ａ）のマップから算出されたＮＯｘ  吸収量ＡがＮＯｘ  吸収剤１８に吸収されているＮＯｘ  量ΣＮＯＸに加算され、次いでステップ１１２に進む。これに対し空燃比が理論空燃比又はリッチのときにはステップ１１１に進んで図４（Ｂ）のマップから算出されたＮＯｘ  放出量ＤがＮＯｘ  量ΣＮＯＸから減算され、次いでステップ１１２に進む。
【００４４】
ステップ１１２ではＮＯｘ  吸収剤１８内に吸収されているＮＯｘ  量ΣＮＯＸがＮＯｘ  吸収許容量ＮＯＸａｄを越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ≦ＮＯＸａｄのときにはステップ１１３に進んで通常の運転制御、即ち予め定められた時期において燃料噴射および点火が行われる。これに対してΣＮＯＸ＞ＮＯＸａｄになるとステップ１１４に進んでＮＯｘ  吸収剤１８からのＮＯｘ  放出制御が行われる。即ち、図６および図７に示されるように空燃比が一時的にリッチにされる。
【００４５】
一方、ステップ１０３においてＮＯＸｍａｘ  ＜Ｌ１になったと判別されたときにはステップ１０４に進んでＳＯｘ  放出条件が成立しているか否かが判別される。即ち、本発明による実施例では機関の運転状態が図５の領域Ｉ内にあるか否かが判別される。ＳＯｘ  放出条件が成立しているとき、即ち本発明による実施例では機関の運転状態が図５の領域Ｉ内にあるときにはステップ１０７に進んでＳＯｘ  の放出処理が行われる。即ち、図６に示されるように一部の気筒＃１，＃４をリッチにすると共に残りの気筒＃２，＃３をリーンにしつつＮＯｘ  吸収剤１８に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持され、次いでＮＯｘ  吸収剤１８の温度が６００℃を越えると空燃比がリッチとされる。
【００４６】
これに対してＳＯｘ  放出条件が成立していないとき、即ち本発明による実施例では機関の運転状態が図５の領域ＩＩ内にあるときにはステップ１０５に進んで最大ＮＯｘ  吸収容量ＮＯＸｍａｘ  が下限容量Ｌ２以下になったか否かが判別される。ＮＯＸｍａｘ  ≧Ｌ２のときにはステップ１０８に進んで点火時期が遅らされるか、又は噴射時期が遅らされるか、又は空燃比が更にリーンにされるか、又はリーン空燃比の運転領域が狭められる。
【００４７】
一方、ステップ１０５においてＮＯＸｍａｘ  ＜Ｌ２になったと判断されるとステップ１０６に進んで全気筒の空燃比が理論空燃比となるように各気筒への燃料噴射量がフィードバック制御される。
【００４８】
【発明の効果】
大気中にＮＯｘ  が排出されるのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】リーン、リッチ、理論空燃比の運転領域を示す図である。
【図３】ＮＯｘ  の吸放出作用を説明するための図である。
【図４】ＮＯｘ  の吸収量および放出量のマップを示す図である。
【図５】運転領域Ｉ，ＩＩを示す図である。
【図６】ＮＯｘ  およびＳＯｘ  の放出作用を示すタイムチャートである。
【図７】ＮＯｘ  放出作用を示すタイムチャートである。
【図８】運転制御を行うためのフローチャートである。
【符号の説明】
２…燃料噴射弁
３…点火栓
１３…三元触媒
１８…ＮＯｘ  吸収剤
【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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