(57)【要約】排気系に三元触媒とリーンＮＯｘ触媒の双方を備えるリーンバーン内燃機関において、リーン運転中にリーンＮＯｘ触媒に貯蔵されたＮＯｘを、リッチ運転によって脱離・浄化する際、燃費と排気浄化の双方の観点で、リッチ時の空燃比を最適化する内燃機関の制御装置を提供する。  三元触媒内に貯蔵されているＯ２が脱離する期間と、リーンＮＯｘ触媒内に貯蔵されているＮＯｘが脱離・浄化される期間とで、リッチ運転中の空燃比を切り換えて制御する内燃機関の制御装置。
2004097200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気管に三元触媒とリーンＮＯｘ触媒の双方を有する浄化装置を備えたリーンバーン内燃機関の制御装置において、
前記リーンＮＯｘ触媒は、リーン運転中はＮＯｘを貯蔵し、リッチ運転にすることで貯蔵した前記ＮＯｘを脱離・浄化する機能を有するものであって、
前記制御装置は、空燃比切り換え手段を備え、該空燃比切り換え手段は、前記リッチ運転中の空燃比を変更制御して、前記リーン運転中に前記リーンＮＯｘ触媒内に貯蔵されたＮＯｘを浄化することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記空燃比切り換え手段は、リッチ運転中に、空燃比を複数の所定空燃比に切り換え制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記空燃比切り換え手段は、前記複数の空燃比を前記リッチ運転中の前半と後半で異なる空燃比に切り換え制御することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記三元触媒を前記排気管の上流に前記リーンＮＯｘ触媒を前起排気管の下流に配置すると共に、前記制御装置は、前記リッチ運転中の前半の空燃比を、後半の空燃比よりもリッチに制御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記リーンＮＯｘ触媒を前記排気管の上流に前記三元触媒を前記排気管の下流に配置すると共に、前記制御装置は、前記リッチ運転中の前半の空燃比を、後半の空燃比より、リーンに制御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記空燃比切り換え手段は、リッチ運転中において前記三元触媒内に貯蔵されているＯ２が脱離する期間と前記リーンＮＯｘ触媒内に貯蔵されているＮＯｘが脱離・浄化される期間とで、空燃比を切り換えて制御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記制御装置は、前記三元触媒内に貯蔵されているＯ２量を直接的もしくは間接的に推定する手段を備え、前記リッチ運転中に貯蔵Ｏ２量が所定値以下となったとき、前記三元触媒内の貯蔵Ｏ２の脱離期間が終了と判断して、前記空燃比切り換え手段によって、空燃比を切り換え制御することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記制御装置は、前記リーンＮＯｘ触媒内に貯蔵されているＮＯｘ量を直接的もしくは間接的に推定する手段を備え、前記リッチ運転中に貯蔵ＮＯｘ量が所定値以下となったとき、リーンＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘの脱離・浄化期間が終了と判断して、前記空燃比切り換え手段によって、空燃比を切り換え制御することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
排気管の上流に三元触媒を下流にリーンＮＯｘ触媒を有する浄化装置を備えたリーンバーン内燃機関の制御装置において、
前記制御装置は、前記三元触媒内に貯蔵されているＯ２量を直接的もしくは間接的に推定する手段と、前記リーンＮＯｘ触媒内に貯蔵されているＮＯｘ量を直接的もしくは間接的に推定する手段とを備えると共に、
リーン運転時の目標空燃比（リーン時目標空燃比）、リッチ運転時の三元触媒内Ｏ２脱離時の目標空燃比（リッチ時第一目標空燃比）、及び、リッチ運転時のリーンＮＯｘ触媒内の吸着ＮＯｘ脱離・浄化時の目標空燃比（第二目標空燃比）を演算する手段と、
リーン運転中に前記貯蔵ＮＯｘ量が所定値１以上となったとき目標空燃比をリッチ時第一目標空燃比に、前記リッチ運転中に貯蔵Ｏ２量が所定値２以下となったとき目標空燃比をリッチ時第二目標空燃比に、前記リッチ運転中に貯蔵ＮＯｘ量が所定値３以下となったとき目標空燃比をリーン時目標空燃比に、空燃比を切り換える手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
前記三元触媒の下流にＯ２濃度検出手段を備え、リッチ運転開始後、前記Ｏ２濃度検出手段の出力が、所定値以上となったとき前記三元触媒内の貯蔵Ｏ２量が所定値以下であると判断して、前記空燃比を切り換える手段が、空燃比を切り換え制御することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１１】
前記リーンＮＯｘ触媒の下流にＯ２濃度検出手段又はＮＯｘ濃度検出手段を備え、リッチ運転開始後、前記リーンＮＯｘ触媒下流のＯ２濃度検出手段又はＮＯｘ濃度検出手段の出力が所定値以上となったとき、前記リーンＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘ量が所定値以下と判断して、前記空燃比を切り換える手段が、空燃比を切り換え制御することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１２】
前記三元触媒内の貯蔵Ｏ２量に応じて、貯蔵Ｏ２の脱離に必要な燃料量を演算する手段と、実燃料噴射量を直接的もしくは間接的に演算する手段と、リッチ運転中の前記実燃料噴射量に応じて、前記Ｏ２脱離必要燃料量を減算する手段と、を備え、
前記Ｏ２脱離に必要な燃料量が所定値以下となったら、前記三元触媒の貯蔵Ｏ２量が所定値以下と判断し、前記空燃比を切り換える手段が、空燃比を切り換え制御することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１３】
前記リーンＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘ量に応じて、貯蔵ＮＯｘの脱離・浄化に必要な燃料量を演算する手段と、実燃料噴射量を直接的もしくは間接的に演算する手段と、前記実燃料噴射量に応じて、前記ＮＯｘ脱離に必要な燃料量を減算する手段と、を備え、
前記ＮＯｘ脱離・浄化に必要な燃料量が所定値以下となったら、リーンＮＯｘ触媒の貯蔵ＮＯｘ量が所定値以下と判断し、前記空燃比を切り換える手段が、空燃比を切り換え制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項１４】
エンジン回転数、エンジントルク、空燃比、排気温度、吸入空気量等のエンジン運転パラメータを直接的もしくは間接的に検出する手段を備え、
前記エンジン運転パラメータから、前記三元触媒内に貯蔵されるＯ２量を演算する三元触媒モデルを備えたことを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１５】
エンジン回転数、エンジントルク、空燃比、排気温度、吸入空気量、ＥＧＲ率、内燃機関からのＮＯｘ排出量等のエンジン運転パラメータを直接的もしくは間接的に検出する手段を備え、
前記エンジン運転パラメータから、リーンＮＯｘ触媒内に貯蔵されるＮＯｘ量を演算するリーンＮＯｘ触媒モデルを備えたことを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、三元触媒とリーンＮＯｘ触媒の双方を有する排気浄化装置を備えた広域の空燃比で燃焼可能なリーンバーン内燃機関において、リーン運転中にリーンＮＯｘ触媒に貯蔵されたＮＯｘを、リッチ運転によって脱離・浄化する際、燃費低減と排気浄化向上の双方の観点から、リッチ時の空燃比を最適化する内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】  近年、世界規模での地球温暖化問題及びエネルギー問題への取り組みを背景として、自動車等の車両の分野においても低燃費型の内燃機関の開発が要求されている。リーンバーン内燃機関は、その最たるものであり、特に筒内噴射内燃機関はシリンダ内に直接燃料を噴射し、混合気を成層化し、空燃比４０以上での燃焼を可能にするので、従来の吸気ポート噴射内燃機関と比較して燃費低減に有効な内燃機関である。
一方、大気汚染等の環境問題を背景として、低公害排気ガス型の内燃機関の開発も同様に要求されており、世界各国で、独自の排気規制が年々、強化されつつある。三元触媒はリーン運転中に内燃機関から排出されるＮＯｘを浄化することができないため、リーンバーン内燃機関においては、リーン運転中のＮＯｘ浄化のために、リーンＮＯｘ触媒を設けるのが、一般的である。
リーンＮＯｘ触媒は、内燃機関がリーン運転中、即ち、酸化雰囲気下ではＮＯｘを貯蔵し、ＨＣ、ＣＯを酸化浄化する。また貯蔵したＮＯｘを浄化するため、内燃機関をリッチ運転、即ち、還元雰囲気とすると、リーンＮＯｘ触媒は貯蔵ＮＯｘは脱離し、内燃機関から排出される還元剤（Ｈ２、ＣＯ、ＨＣ）とで酸化還元反応せしめる機能を持っている。
この内燃機関のリッチ運転を、一般にリッチスパイクもしくはリッチスパイク制御と呼んでいる。リッチスパイク中は、燃費の悪化はもとより、前記貯蔵ＮＯｘと内燃機関から排出されるＨＣ、ＣＯとの酸化還元反応が十分でない場合は、排気浄化の悪化も招く。このことから、燃費低減と排気浄化向上の双方の観点から、リーンＮＯｘ触媒に対するリッチスパイク制御方式を最適化することが必要である。
他方、前述のように、強化されつつある排気規制に対応するべく、始動時の排気低減およびストイキ運転時の排気低減を目的として、リーンバーン内燃機関においても、リーンＮＯｘ触媒に加えて、別途三元触媒を配するのが一般的となりつつある。
三元触媒には、Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈの貴金属、及び、ストイキ時の浄化効率の向上を目的として、Ｃｅに代表される酸素貯蔵剤が担持されるのが一般的である。この酸素貯蔵剤は、酸化雰囲気下では、酸素を貯蔵し、還元雰囲気下では貯蔵酸素を放出する機能を有し、三元触媒内での空燃比の理論空燃比からの変動を緩和することで、排気浄化の悪化を抑制する働きがある。
しかし、三元触媒をリーンバーン内燃機関に適用した場合、リーン運転中に三元触媒に酸素を貯蔵するため、例えば、上流に三元触媒を、下流にリーンＮＯｘ触媒を配する構成では、リッチスパイク時には、上流の三元触媒内に貯蔵されている酸素が放出し、内燃機関から排出される還元剤を酸化してしまう。このことから、リーンＮＯｘ触媒に還元ガスを送り込むには、上流の三元触媒内に貯蔵されている酸素を消費しなければならない。
即ち、リッチスパイクのプロセスは、三元触媒内の貯蔵Ｏ２脱離と、リーンＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘ脱離・浄化との２つに分けられる。後述するが、発明者は、燃費低減と排気浄化向上の双方の観点で、前記２つのプロセスにおけるリッチスパイクの実験を行ったところ、それぞれで、最適な空燃比が異なるとの知見を得た。即ち、後述のように、リッチスパイク時における前記知見は、三元触媒及びリーンＮＯｘ触媒の特性に依存するものである。
また、先行技術である特開２００１−１３２４４０公報には、上流に三元触媒を下流にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を配し、リッチスパイク終了後の三元触媒内のストイキ保持時間を１ｓ以下とする技術が開示されている。該技術は、上流の三元触媒の酸素貯蔵脱離特性に着目したものであり、リッチスパイク終了後のリッチからリーン切り換え時の下流ＮＯｘ触媒への還元剤供給を効果的に行い、ＮＯｘ低減を図るためになものであり、燃費低減および排気浄化の双方の観点で、リッチスパイク中の三元触媒内の酸素脱離及びリーンＮＯｘ触媒内のＮＯｘ脱離・浄化時のそれぞれにおいて、最適な空燃比を提供するものではない。
更に、特開２００２−７０６１１号公報には、三元触媒及びリーンＮＯｘ触媒の酸素貯蔵量が多いほど、還元剤供給量を多くする技術が開示されている。該技術は、貯蔵酸素の消費には還元剤が必要であることに着目したもので、リッチスパイク時間を最適化するもので、三元触媒内の貯蔵酸素脱離時の空燃比と、リーンＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘ脱離・浄化時の空燃比とを、それぞれ最適化するものではない。
更にまた、特開２００２−１３４１４公報には、三元触媒及びＮＯｘ触媒とを備えた内燃機関において、ＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘを脱離させるための還元剤と脱離ＮＯｘの浄化するための還元剤を、独立に供給、制御する技術が開示されているが、該技術も、三元触媒内の貯蔵酸素脱離時の空燃比と、リーンＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘ脱離・浄化時の空燃比とを、それぞれ最適化するものではない。
このように、前記公報に開示されている技術は、いずれも排気浄化向上と燃費低減との双方の観点で、三元触媒内の貯蔵酸素脱離時の空燃比とリーンＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘ脱離・浄化時の空燃比とのそれぞれを最適化しているものではない。
本発明は、前記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、三元触媒とリーンＮＯｘ触媒の双方を有する排気浄化装置を備えたリーンバーン筒内噴射内燃機関において、燃費低減と排気浄化向上との双方の観点で、リッチスパイク時の空燃比を最適化する内燃機関の制御装置を提供することにある。
【発明の開示】
前記目的を達成するために、本発明の内燃機関の制御装置は、排気管に三元触媒とリーンＮＯｘ触媒の双方を有する浄化装置を備えたリーンバーン内燃機関の制御装置であって、前記リーンＮＯｘ触媒は、リーン運転中はＮＯｘを貯蔵し、リッチ運転にすることで貯蔵した前記ＮＯｘを脱離・浄化する機能を有し、前記制御装置は、空燃比切り換え手段を備え、該空燃比切り換え手段は、前記リッチ運転中の空燃比を変更制御して、前記リーン運転中に前記リーンＮＯｘ触媒内に貯蔵されたＮＯｘを浄化することを特徴としている（図１参照）。
前記の如く構成された本発明の内燃機関の制御装置は、リッチ運転中の空燃比を最適化すべく変更制御することによって、リーン運転中にリーンＮＯｘ触媒に貯蔵されたＮＯｘを、リッチ運転によって脱離・浄化する際、燃費低減と排気浄化向上の双方の観点から最適化した内燃機関の空燃比制御を提供できるので、従来方式と比較して、燃費の低減及び排気浄化性能が向上する。
本発明の内燃機関の制御装置の前記燃費の低減及び排気浄化性能の向上機能は、図１６〜図２３の実験結果及び以下の説明から理解されるであろう。
図１６、図１７は、三元触媒、リーンＮＯｘ触媒のそれぞれにおける、リーン運転を所定時間の間実施した後のリッチ時間に対する入口から入ってくるＨＣとＣＯ（三元触媒）、及び、ＨＣとＣＯと貯蔵ＮＯｘ（ＮＯｘ触媒）の浄化効率の実験結果を示したものである。この場合、リッチ深さは、共に２０％である。
リッチ深さは、理論空燃比からの燃料増量率を示し、図１６の三元触媒の場合は、リッチ時間が１秒以上となるとＣＯ、ＨＣの浄化効率が下がっていることがわかる。この１秒間は三元触媒に貯蔵されているＯ２が脱離し、ＣＯ、ＨＣが酸化されているものと考えられ、リッチ運転を１秒以上実施しないと、下流のＮＯｘ触媒に還元剤であるＨＣ、ＣＯを供給できないことになる。このことから、三元触媒のリッチスパイク最適時間は、貯蔵Ｏ２が入口から入ってくるＨＣ、ＣＯを酸化する期間と云える。
一方、図１７のリーンＮＯｘ触媒の場合、リッチ時間が約７秒以下では貯蔵ＮＯｘをほとんど浄化できず、７秒以上ではＮＯｘの浄化効率は、ほぼ１００％となるもののＣＯの浄化効率が落ちていることがわかる。また、ＨＣの浄化効率はリッチ時間に関わらず低いことがわかる。このことからリーンＮＯｘ触媒に貯蔵されているＮＯｘが脱離し、ＣＯのみが酸化されているものと考えられ、ＨＣは貯蔵ＮＯｘの浄化にはほとんど寄与しないと言える。このことから、ＮＯｘ触媒のリッチスパイク最適時間は、貯蔵ＮＯｘが入口から入ってくるＣＯを酸化する期間と云える。
前記実験結果は、リッチ深さ２０％のときであるが、図１８では、各リッチ深さの最適時間におけるＮＯｘ浄化効率とＣＯ浄化効率を示している。
図１８に示されるように、リッチ深さが大きくなると、リッチ運転の最適時間は、三元触媒およびＮＯｘ触媒、共に、短くなる。また各リッチ深さに対するＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの浄化効率は、リッチ深さには依存せず、ＣＯおよびＮＯｘ浄化効率は高く、一方で、ＨＣ浄化効率は低い。このことから、リッチ時間を最適化することで、貯蔵ＮＯｘとＣＯを高効率浄化できると云える。
図１９〜図２２は、三元触媒、ＮＯｘ触媒それぞれにおける、リッチ深さに対するＨＣ浄化効率と、リッチスパイク時の必要燃料量とを示したものである。ただし、リッチ時間は、前述の方法で最適化済みである。
三元触媒の場合、図１９と図２０とにより、ＨＣ浄化率はリッチ深さに依存せず、必要燃料量は、リッチ深さが大きいほど少なくなることがわかる。このことから、三元触媒の最適なリッチスパイク深さは、大きいほど良いと云える。
一方、ＮＯｘ触媒の場合、図２１と図２２とにより、ＨＣ浄化率は、一般的に低く、リッチ深さが大きくなるとさらに低くなることがわかる。さらに、ＮＯｘ触媒入口のＨＣ量は、リッチ深さに応じて増加するため、触媒出口でのＨＣ排出量は増加する。必要燃料量は、リッチ深さが大きいほど少なくなる。このことから、ＮＯｘ触媒の最適なリッチスパイク深さは、ＨＣ性能の観点では小さく、燃費性能の観点では大きくする必要がある。
以上をまとめると、図２３のようになる。最適なリッチスパイク時間は、三元触媒においては、貯蔵Ｏ２が、ＨＣ、ＣＯを酸化する期間、ＮＯｘ触媒においては、貯蔵ＮＯｘがＣＯを酸化する期間である。リッチスパイク時間を最適化することによって、ＣＯとＮＯｘが最小限におさえられる。
次に、最適なリッチスパイク深さは、三元触媒においては、ＨＣ、燃費低減の双方の観点で大きいほど良い。ＮＯｘ触媒の最適なリッチスパイク深さは、ＨＣ低減と燃費低減は、逆の特性を持つので、両者のトレードオフを取って、ＨＣ許容量まで大きくする。リッチスパイク深さを最適化することによって、ＨＣと燃費が最小限におさえられる。このことから、リッチスパイク深さは、一定にせず、三元触媒内の貯蔵Ｏ２が脱離する最適時間とＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘが脱離、浄化する最適時間で、リッチスパイク深さを一定にせず、リッチスパイク深さ（理論空燃比からの燃料増量率）を変える制御が、排気浄化向上と燃費低減の双方の観点で、最適なリッチスパイク制御（空燃比制御）と云える。
そして、本発明の内燃機関の制御装置の具体的な態様は、前記空燃比切り換え手段は、リッチ運転中に、空燃比を複数の所定空燃比に切り換え制御することを特徴としている（図２参照）。
また、本発明の内燃機関の制御装置の他の具体的な態様は、前記空燃比切り換え手段は、前記複数の空燃比を前記リッチ運転中の前半と後半で異なる空燃比に切り換え制御することを特徴としている（図３）。
前記構成によって、三元触媒内の貯蔵Ｏ２が脱離する時とＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘが脱離・浄化する時で、最適な空燃比を提供することができる。
更に、本発明の内燃機関の制御装置の他の具体的な態様は、前記三元触媒を前記排気管の上流に前記リーンＮＯｘ触媒を前記排気管の下流に配置すると共に、前記制御装置は、前記リッチ運転中の前半の空燃比を、後半の空燃比よりもリッチに制御することを特徴としている（図４参照）。
前記構成によって、三元触媒内の貯蔵Ｏ２が脱離する時の空燃比をＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘが脱離、浄化する時の空燃比より、リッチにして、最適な空燃比を提供することができる。
更にまた、本発明の内燃機関の制御装置の他の具体的な態様は、前記リーンＮＯｘ触媒を前記排気管の上流に前記三元触媒を前記排気管の下流に配置すると共に、前記制御装置は、前記リッチ運転中の前半の空燃比を、後半の空燃比より、リーンに制御することを特徴としている（図５参照）。
前記構成は、三元触媒内の貯蔵Ｏ２が脱離する時の空燃比をＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘが脱離・浄化する時の空燃比より、リッチにするものであり、本構成では、三元触媒の上流にリーンＮＯｘ触媒があるため、リッチ運転の前半（リーンＮＯｘ触媒）を後半（三元触媒）よりリーンにして、最適な空燃比を提供することができる。
更にまた、本発明の内燃機関の制御装置の他の具体的な態様は、前記空燃比切り換え手段は、リッチ運転中において前記三元触媒内に貯蔵されているＯ２が脱離する期間と前記リーンＮＯｘ触媒内に貯蔵されているＮＯｘが脱離・浄化される期間とで、空燃比を切り換えて制御することを特徴としている（図６参照）。
更にまた、本発明の内燃機関の制御装置の他の具体的な態様は、前記制御装置は、前記三元触媒内に貯蔵されているＯ２量を直接的もしくは間接的に推定する手段を備え、前記リッチ運転中に貯蔵Ｏ２量が所定値以下となったとき、前記三元触媒内の貯蔵Ｏ２の脱離期間が終了と判断して、前記空燃比切り換え手段によって、空燃比を切り換え制御することを特徴としている（図７参照）。
更にまた、本発明の内燃機関の制御装置の他の具体的な態様は、前記制御装置は、前記リーンＮＯｘ触媒内に貯蔵されているＮＯｘ量を直接的もしくは間接的に推定する手段を備え、前記リッチ運転中に貯蔵ＮＯｘ量が所定値以下となったとき、リーンＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘの脱離・浄化期間が終了と判断して、前記空燃比切り換え手段によって、空燃比を切り換え制御することを特徴としている（図８参照）。
また、本発明の他の態様は、内燃機関の制御装置が、排気管の上流に三元触媒を下流にリーンＮＯｘ触媒を有する浄化装置を備えたリーンバーン内燃機関の制御装置であって、前記制御装置は、前記三元触媒内に貯蔵されているＯ２量を直接的もしくは間接的に推定する手段と、前記リーンＮＯｘ触媒内に貯蔵されているＮＯｘ量を直接的もしくは間接的に推定する手段とを備えると共に、リーン運転時の目標空燃比（リーン時目標空燃比）、リッチ運転時の三元触媒内Ｏ２脱離時の目標空燃比（リッチ時第一目標空燃比）、及び、リッチ運転時のリーンＮＯｘ触媒内の吸着ＮＯｘ脱離・浄化時の目標空燃比（第二目標空燃比）を演算する手段と、リーン運転中に前記貯蔵ＮＯｘ量が所定値１以上となったとき目標空燃比をリッチ時第一目標空燃比に、前記リッチ運転中に貯蔵Ｏ２量が所定値２以下となったとき目標空燃比をリッチ時第二目標空燃比に、前記リッチ運転中に貯蔵ＮＯｘ量が所定値３以下となったとき目標空燃比をリーン時目標空燃比に、空燃比を切り換える手段と、を備えたことを特徴としている（図９参照）。
前記構成は、リーン運転からリッチ運転に切り換える条件として、リーンＮＯｘ触媒内に貯蔵されるＮＯｘ量が所定値以上に達したときとしたものであり、かつ、貯蔵ＮＯｘの脱離・浄化が終了したとき、再びリーン運転を行うこととしたものであるので、リーン運転中にリーンＮＯｘ触媒に貯蔵されたＮＯｘを、リッチ運転によって脱離・浄化する際、燃費低減と排気浄化向上の双方の観点から最適化した内燃機関の空燃比制御を提供できる。
本発明の内燃機関の制御装置の他の具体的な態様は、前記三元触媒の下流にＯ２濃度検出手段を備え、リッチ運転開始後、前記Ｏ２濃度検出手段の出力が、所定値以上となったとき前記三元触媒内の貯蔵Ｏ２量が所定値以下であると判断して、前記空燃比を切り換える手段が、空燃比を切り換え制御することを特徴としている（図１０参照）。
前記構成は、リーン運転からリッチ運転を行ったとき、三元触媒内の貯蔵Ｏ２が脱離完了したときに、三元触媒下流のＯ２センサがリッチ反転する現象を利用するものである。
更にまた、本発明の内燃機関の制御装置の他の具体的な態様は、前記リーンＮＯｘ触媒の下流にＯ２濃度検出手段又はＮＯｘ濃度検出手段を備え、リッチ運転開始後、前記リーンＮＯｘ触媒下流のＯ２濃度検出手段又はＮＯｘ濃度検出手段の出力が所定値以上となったとき、前記リーンＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘ量が所定値以下と判断して、前記空燃比を切り換える手段が、空燃比を切り換え制御することを特徴としている（図１１参照）。
前記構成は、リーン運転からリッチ運転を行ったとき、ＮＯｘ触媒下流のＯ２センサが、ＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘが脱離・浄化が完了したときに、リッチ反転する現象を利用するものである。
更にまた、本発明の内燃機関の制御装置の他の具体的な態様は、前記三元触媒内の貯蔵Ｏ２量に応じて、貯蔵Ｏ２の脱離に必要な燃料量を演算する手段と、実燃料噴射量を直接的もしくは間接的に演算する手段と、リッチ運転中の前記実燃料噴射量に応じて、前記Ｏ２脱離必要燃料量を減算する手段と、を備え、前記Ｏ２脱離に必要な燃料量が所定値以下となったら、前記三元触媒の貯蔵Ｏ２量が所定値以下と判断し、前記空燃比を切り換える手段が、空燃比を切り換え制御することを特徴としている（図１２参照）。
更にまた、本発明の内燃機関の制御装置の他の具体的な態様は、前記リーンＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘ量に応じて、貯蔵ＮＯｘの脱離・浄化に必要な燃料量を演算する手段と、実燃料噴射量を直接的もしくは間接的に演算する手段と、前記実燃料噴射量に応じて、前記ＮＯｘ脱離に必要な燃料量を減算する手段と、を備え、前記ＮＯｘ脱離・浄化に必要な燃料量が所定値以下となったら、リーンＮＯｘ触媒の貯蔵ＮＯｘ量が所定値以下と判断し、前記空燃比を切り換える手段が、空燃比を切り換え制御することを特徴としている（図１３参照）。
前記構成により、本発明の内燃機関の制御装置は、貯蔵ＮＯｘ量とリッチ深さからＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘ脱離・浄化に必要燃料量が決めて、燃費低減と排気浄化向上の双方の観点から最適化した内燃機関の空燃比制御を提供できる。
図２４、２５は、リッチスパイク時間最適化済みの、必要燃料量を三元触媒、ＮＯｘ触媒のそれぞれで示したものである。一般に、三元触媒内の貯蔵Ｏ２は、リーン運転中のＯ２濃度が高いため、短時間で飽和する。したがって、実用領域では、Ｏ２貯蔵量は、一定であると考えられ、リッチ深さによってのみ、必要燃料量は決めることができる。一方、ＮＯｘ触媒内のＮＯｘ貯蔵量は、リーン運転中のＮＯｘ濃度は低いため、飽和することは、実用領域ではほとんどない。このことから、貯蔵ＮＯｘ量とリッチ深さからＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘ脱離・浄化に必要燃料量が決めることができる。
更にまた、本発明の内燃機関の制御装置の他の具体的な態様は、エンジン回転数、エンジントルク、空燃比、排気温度、吸入空気量等のエンジン運転パラメータを直接的もしくは間接的に検出する手段を備え、前記エンジン運転パラメータから、前記三元触媒内に貯蔵されるＯ２量を演算する三元触媒モデルを備えたことを特徴としている（図１４参照）。
更にまた、本発明の内燃機関の制御装置の他の具体的な態様は、エンジン回転数、エンジントルク、空燃比、排気温度、吸入空気量、ＥＧＲ率、内燃機関からのＮＯｘ排出量等のエンジン運転パラメータを直接的もしくは間接的に検出する手段を備え、前記エンジン運転パラメータから、リーンＮＯｘ触媒内に貯蔵されるＮＯｘ量を演算するリーンＮＯｘ触媒モデルを備えたことを特徴としている（図１５参照）。
【図面の簡単な説明】  図１は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置を示した図である。
図２は、請求項２に記載の内燃機関の制御装置を示した図である。
図３は、請求項３に記載の内燃機関の制御装置を示した図である。
図４は、請求項４に記載の内燃機関の制御装置を示した図である。
図５は、請求項５に記載の内燃機関の制御装置を示した図である。
図６は、請求項６に記載の内燃機関の制御装置を示した図である。
図７は、請求項７に記載の内燃機関の制御装置を示した図である。
図８は、請求項８に記載の内燃機関の制御装置を示した図である。
図９は、請求項９に記載の内燃機関の制御装置を示した図である。
図１０は、請求項１０に記載の内燃機関の制御装置を示した図である。
図１１は、請求項１１に記載の内燃機関の制御装置を示した図である。
図１２は、請求項１２に記載の内燃機関の制御装置を示した図である。
図１３は、請求項１３に記載の内燃機関の制御装置を示した図である。
図１４は、請求項１４に記載の内燃機関の制御装置を示した図である。
図１５は、請求項１５に記載の内燃機関の制御装置を示した図である。
図１６は、三元触媒におけるリッチ時間に対するＨＣ、ＣＯの浄化効率を示した図である。
図１７は、リーンＮＯｘ触媒におけるリッチ時間に対するＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの浄化効率を示した図である。
図１８は、リーンＮＯｘ触媒におけるリッチ深さに対する、最適リッチ時間とＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの浄化効率を示した図である。
図１９は、三元触媒におけるリッチ深さに対する、ＨＣ浄化効率を示した図である。
図２０は、三元触媒におけるリッチ深さに対する燃料消費量を示した図である。
図２１は、リーンＮＯｘ触媒におけるリッチ深さに対するＨＣ浄化効率とリーンＮＯｘ触媒の下流のＨＣ排出量を示した図である。
図２２は、リーンＮＯｘ触媒におけるリッチ深さに対する必要燃料量を示した図である。
図２３は、最適なリッチスパイク時間とリッチスパイク深さをまとめて示した表である。
図２４は、三元触媒におけるリッチ深さに対する貯蔵Ｏ２消費（脱離）に必要な燃料量を示した図である。
図２５は、リーンＮＯｘ触媒における貯蔵ＮＯｘ量およびリッチ深さに対する貯蔵ＮＯｘ浄化に必要な燃料量を示した図である。
図２６は、本発明の内燃機関の制御装置の第一実施形態における全体の制御システム図である。
図２７は、図２６の内燃機関の制御装置（コントロールユニット）の内部構成図である。
図２８は、図２７の制御装置の制御ブロック図である。
図２９は、本発明の第一から第四実施形態におけるリーン運転時およびリッチ運転時の目標空燃比のチャート図である。
図３０は、図２９における条件▲１▼の成立条件を示したブロック図である。
図３１は、図２９における条件▲２▼の成立条件を示したブロック図である。
図３２は、図２９における条件▲３▼の成立条件を示したブロック図である。
図３３は、本発明の第一から第五実施形態におけるリーンＮＯｘ触媒モデルである。
図３４は、第一実施形態の実機試験結果１を示した図である。
図３５は、第一実施形態の実機試験結果２を示した図である。
図３６は、第二実施形態の図２９における条件▲２▼の成立条件を示したブロック図である。
図３７は、第二実施形態の図２９における条件▲３▼の成立条件を示したブロック図である。
図３８は、本発明の内燃機関の制御装置の第三実施形態における全体の制御システム図である。
図３９は、図３８の内燃機関の制御装置（コントロールユニット）の内部構成図である。
図４０は、第三と第四実施形態の図２９における条件▲２▼の成立条件を示したブロック図である。
図４１は、第三実施形態の図２９における条件▲３▼の成立条件を示したブロック図である。
図４２は、本発明の内燃機関の制御装置の第四実施形態における全体の制御システム図である。
図４３は、図４２の内燃機関の制御装置（コントロールユニット）の内部構成図である。
図４４は、第四実施形態の図２９における条件▲３▼の成立条件を示したブロック図である。
図４５は、本発明の内燃機関の制御装置の第五実施形態における全体の制御システム図である。
図４６は、第五実施形態におけるリーン運転時およびリッチ運転時の目標空燃比のチャート図である。
発明を実施するための最良な形態
以下、図面に基づき本発明の内燃機関の制御装置のいくつかの実施形態について詳細に説明する。
〔第一実施形態〕
図２６は、本発明の内燃機関の制御装置が適用される第一実施形態の内燃機関の全体システムを示している。
内燃機関２０は、多気筒の筒内噴射式内燃機関で構成され、吸気系は、外部からの空気がエアクリーナ１を通過し、吸気マニホールド４、コレクタ５を経て、各気筒のシリンダー９内に流入し、流入空気量は、電子スロットル弁３により調節される。
各気筒のシリンダ９には、点火プラグ８と燃料噴射弁７が取り付けらる一方、吸気弁２７と排気弁２８が配置されている。また、排気系は、各気筒のシリンダ９に排気マニホールド１０が接続されており、該排気マニホールド１０に三元触媒１１と、その下流にリーンＮＯｘ触媒１６が配置され、シリンダ９と三元触媒１１の間にはＡ／Ｆセンサ１２が取り付けられている。
前記各気筒のシリンダ９をバイパスして吸気マニホールド４と排気マニホールド１０とを連通する排気循環通路（ＥＧＲ通路）１８が設けられ、該ＥＧＲ通路にはＥＧＲバルブ１９が配置されている。
吸気系の吸気マニホールド４には、エアフロセンサ２が配置され、該エアフロセンサ２は流入空気量を検出し、クランク角センサ１５では、クランク軸の回転角１度毎に信号が出力され、電子スロットル３に取り付けられたスロットル開度センサ１７では電子スロットル３の開度が検出され、水温センサ１４では内燃機関２０の冷却水温度が検出される。アクセル開度センサ１３は、アクセル６の踏み込み量を検出し、それによって運転者の要求トルクを検出する。
そして、アクセル開度センサ１３、エアフロセンサ２、開度センサ１７、クランク角センサ１５、水温センサ１４のそれぞれの信号は、コントロールユニット（制御装置）５０に送られ、該各センサの出力から内燃機関２０の運転状態を得て、吸入空気量、燃料噴射量、点火時期等の内燃機関２０の主要な操作量が最適に演算される。コントロールユニット５０内で演算された燃料噴射量は、開弁パルス信号に変換され、燃料噴射弁７に送られる。
また、コントロールユニット５０では、所定の点火時期が演算され、該点火時期で点火がなされるように、演算された点火時期で点火されるようにコントロールユニット５０からの駆動信号が点火プラグ８に出力される。吸気系からの吸入空気は、電子スロットル３で調整されると共に、ＥＧＲ弁１９で調整された排気環流ガスと混合され、吸気弁２７を介してシリンダ９内に流入する、
燃料噴射弁７からシリンダ（燃焼室）９内に噴射された燃料は、吸気マニホールド４から流入した空気と混合されて混合気を形成する。混合気は、所定の点火時期で点火プラグ８から発生される火花により爆発燃焼し、その燃焼圧によりピストン２９を押し下げ、内燃機関２０の動力となる。爆発後の排気ガスは、排気マニホールド１０を経て三元触媒１１に送り込まれる。三元触媒１１の下流には、リーンＮＯｘ触媒１６が配置されており、リーン運転時は、内燃機関から排出されるＮＯｘを貯蔵し、リッチ運転することで、貯蔵ＮＯｘを脱離、浄化し、外部へと排出される。
排気還流管１８を通って吸気側に還流される排気ガスの還流量は、ＥＧＲバルブ１９によって制御され、Ａ／Ｆセンサ１２は、排気中に含まれる酸素濃度に対して線形の出力特性を持つものであり、排気中の酸素濃度と空燃比との関係は、ほぼ線形になっているので、前記酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサ１２によって、内燃機関２０の空燃比を求めることが可能となる。
コントロールユニット５０では、Ａ／Ｆセンサ１２の信号から三元触媒１１の上流の空燃比を算出し、内燃機関２０のシリンダー９内の混合気の空燃比が、目標空燃比となるように、燃料噴射量もしくは空気量を逐次補正するフィードバックＦ／Ｂ制御を行うように構成されている。
図２７は、図２６の内燃機関２０のコントロールユニット（ＥＣＵ）５０の内部構成を示したものである。該ＥＣＵ５０内には、Ａ／Ｆセンサ１２、アクセル開度センサ１３、スロットル弁開度センサ１７、エアフロセンサ２、内燃機関回転数センサ１５、水温センサ１４の各センサ出力値が入力され、入力回路５４にてノイズ除去等の信号処理を行った後、入出力ポート５５に送られる。入出力ポート５５の値は、ＲＡＭ５３に保管され、ＣＰＵ５１内で演算処理される。演算処理の内容を記述した制御プログラムはＲＯＭ５２に予め書き込まれている。
制御プログラムに従って演算された各アクチュエータ作動量を表す値は、ＲＡＭ５３に保管された後、入出力ポート５５に送られる。そして、火花点火燃焼時に用いられる点火プラグ８の作動信号は、点火出力回路５６内の一次側コイルの通電時はＯＮとなり、非通電時はＯＦＦとなるＯＮ・ＯＦＦ信号がセットされる。点火時期はＯＮからＯＦＦになる時である。入出力ポート５５にセットされた点火プラグ用の信号は、点火出力回路５６で燃焼に必要な十分なエネルギーに増幅され、点火プラグ８に供給される。また燃料噴射弁７の駆動信号は、開弁時ＯＮ、閉弁時ＯＦＦとなるＯＮ・ＯＦＦ信号がセットされ、燃料噴射弁駆動回路５７で燃料噴射弁７を開くに十分なエネルギーに増幅されて燃料噴射弁７に送られる。
電子スロットル弁３の目標開度を実現する駆動信号は、電子スロットル駆動回路５８を経て、電子スロットル３に送られる。
以下、ＲＯＭ５２に書き込まれる制御プログラムについて述べる。
図２８は、本実施形態の内燃機関２０の制御装置５０の全体を示した制御ブロック図で、空気先行型トルクデマンド制御の主要部である。本実施形態の制御装置５０は、目標トルク演算部６０、目標空気量演算部６１、目標スロットル開度演算部６２、ＥＴＣ（電子スロットル）制御部６３、目標空燃比演算部６４、実空気量演算部６５、燃料噴射量演算部６６からなっている。
まず、目標トルク演算部６０でアクセル開度から目標トルクを演算する。次に目標空気量演算部６１で目標トルクと目標空燃比から目標空気量を演算し、目標スロットル開度演算部６２で目標空気量を実現する目標スロットル開度を演算し、ＥＴＣ制御部６３で、スロットル開度を開度センサ１７の出力に基づいてＦ／Ｂ制御する。燃料噴射量演算部６６では、エアフロセンサ２で検出された実空気量と目標空燃比から燃料噴射量を演算する。
なお、本実施形態の本質的部分は、目標空燃比演算部６４に関する部分であり、それ以外の演算部は、すでに公知であって多くの資料が存在するので、詳細な説明は省略する。
以下、目標空燃比演算部６４の詳細について説明する。
図２９は、リーン運転時およびリッチ運転時の目標空燃比のチャート図を示している。リーン運転時は、リーン時目標空燃比で制御し、図２９の条件▲１▼が成立したとき、目標空燃比を三元触媒用リッチ深さに切り替える。条件▲１▼は、図３０に示されるように、ＮＯｘ触媒モデルで演算されるＮＯｘ貯蔵量が所定値、即ちリッチスパイク開始貯蔵量となったときとする。
更に、図２９の条件▲２▼が成立すると、リッチ深さをＮＯｘ触媒リッチ深さに切り替える。条件▲２▼は、図３１に示されるように、貯蔵Ｏ２量が０となったときとする。
そして、図２９の条件▲３▼が成立するとリッチスパイク終了として、再びリーン運転に戻す。条件▲３▼は、図３２に示されるように、貯蔵ＮＯｘ量が０となったときとする。
図３３は、ＮＯｘ触媒モデルを示している。吸着（吸蔵）状態か脱離状態かを実空燃比ＲＡＢＦで判断する。具体的には、ＲＡＢＦ＜ＫＲＡＢＦのとき、還元雰囲気とし、脱離状態とする。脱離速度ＮＯ２＿Ｄｅｓは、実空気量ＱＡと実空燃比ＲＡＢＦからマップを参照して得られる。脱離ＮＯｘに内燃機関アウトのＮＯｘを加えたものを還元雰囲気時の触媒下流ＮＯ２としている。また、酸化雰囲気時すなわち吸着状態時の処理は以下の通りである。即ち、
（１）内燃機関アウトＮＯｘに単位時間当たりの空気量ＱＡを乗じて、単位時間あたりのＮＯ量Ｍａｓｓ＿ＮＯに変換する。
（２）Ｍａｓｓ＿ＮＯにＲａｔ＿Ｏｘｉ（ＮＯからＮＯ２への酸化効率）を乗じて単位時間あたりのＮＯ２量Ｍａｓｓ＿ＮＯ２に変換する。
（３）Ｍａｓｓ＿ＮＯ２に吸着率Ｒａｔ＿Ａｄｓを乗じて、吸着速度ＮＯ２＿Ａｄｓを演算する。Ｒａｔ＿Ａｄｓは、吸着容量係数Ｃａｐ＿ＡｄｓとＱＡとＲＡＢＦからマップを参照して得られる値かの積として与えるものとした。
（４）吸着速度ＮＯ２＿Ａｄｓを積算、脱離速度ＮＯ２＿Ｄｅｓすることで、ｔ時でのＮＯ２    の吸着量としている。
なお、吸着量係数Ｃａｐ＿Ａｄｓは、ｔ時でのＮＯ２の吸着量からマップを参照する仕様としている。本モデルの各パラメータは、触媒の特性に合わせて、決めるのがよい。
図３４は、本第一実施形態の実機試験結果を示したものである。横軸は時間、縦軸は、ＮＯｘ貯蔵量と空燃比をそれぞれ示している。ＮＯｘ触媒モデルによってＮＯｘ貯蔵量が精度良く演算され、リッチスパイク開始貯蔵量に達すると、空燃比がリッチとなりリッチスパイクを開始していることがわかる。また、リッチ運転時の前半と後半で、空燃比が異なっており、所定期間、すなわち、三元触媒１１内の貯蔵Ｏ２の脱離完了及びＮＯｘ触媒１６内の貯蔵ＮＯｘの脱離・浄化が完了すると、リッチスパイクを終了し、リーン運転に戻していることが解る。
図３５は、リッチスパイク中（リッチ運転時）の空燃比を一定とした場合と、空燃比を切り換えた場合の総合評価結果を示し、横軸はリッチスパイク中ＨＣ排出量、縦軸は消費燃料量を示している。前記いずれの場合も、リッチスパイク時間を最適化していることから貯蔵ＮＯｘ浄化効率は９５％以上、ＣＯ浄化効率は８０％以上の条件を満たしている。
空燃比を一定とした場合は、リッチ深さを小さくすると、ＨＣ排出量は抑えられるが、燃費は悪化し、リッチ深さを大きくすると、燃費は向上するがＨＣは悪化する。空燃比を切り換えた場合は、一般に燃費が良く、特に（３０％、１０％）のケースでは、燃費、ＨＣともに低減されていることが解る。
〔第二実施形態〕
本発明の第二実施形態の内燃機関の制御装置の全体の制御システム図、コントロールユニット図、及び、制御ブロック図は、図２６〜２８に記載されている第一実施形態の内燃機関の制御装置と同じであるので、その詳細な説明は省略する。
更に、リーン運転時及びリッチ運転時の目標空燃比のチャート図も、第一実施形態の図２９のチャート図と同じであるので、その詳細は省略する。
更にまた、リーン運転時は、リーン時目標空燃比で制御し、図２９の条件▲１▼が成立したとき、三元触媒用リッチ深さに切り替える場合の条件▲１▼は、第一実施形態の図３０に示されるものと同じであり、かつ、ＮＯｘ触媒モデルも、図３３に示される第一実施形態と同じであるので、説明は省略する。
本第二実施形態においては、図２９の条件▲２▼が成立すると、リッチ深さをＮＯｘ触媒リッチ深さに切り替える。条件▲２▼は、図３６に示されるように貯蔵Ｏ２脱離に必要な燃料量から実燃料噴射量を減算してゆき実燃料噴射量０になったときとする。減算周期および減算量は、制御周期に従う。なお貯蔵Ｏ２に必要な燃料量は、触媒特性に応じて決める（図２４に示されるように）のが良い。
そして、図２９の条件▲３▼が成立すると、リッチスパイク終了として、再びリーン運転に戻す。条件▲３▼は、図３７に示されるように、貯蔵ＮＯｘ脱離・浄化に必要な燃料量から実燃料噴射量を減算してゆき実燃料噴射量０になったときとする。減算周期および減算量は、制御周期に従う。なお、貯蔵ＮＯｘ浄化必要燃料量は、リッチ深さと貯蔵ＮＯｘ量から求める（図２５で示されるように）が、触媒特性に応じて決めるのが良い。本第二実施形態に基づく制御でも、図３４、図３５の結果が得られる。
〔第三実施形態〕
図３８は、本発明の内燃機関の制御装置が適用される本第三実施形態の内燃機関の全体システムを示している。本第三実施形態の内燃機関の全体システムは、第一実施形態の内燃機関の全体システムの構成に、三元触媒１１の下流にＯ２センサ２９を、ＮＯｘ触媒２０の下流にＯ２センサ３０を、それぞれ追加した構成となっており、それ以外の構成は同じである。
図３９は、内燃機関の制御装置（コントロールユニット）５０の内部構成を示したものであり、第一実施形態の制御装置５０に対して、入力信号として三元触媒１１の下流のＯ２センサ２９とＮＯｘ触媒１６の下流のＯ２センサ３０とを追加した構成が相違し、それ以外の構成は同じである。
また、本第三実施形態の内燃機関の制御装置５０の制御ブロック図も、図２８に示される第一実施形態の制御ブロックと同じであるので説明は省略する。
更に、リーン運転時及びリッチ運転時の目標空燃比のチャート図も、第一実施形態の図２９のチャート図と同じであるので、その詳細は省略する。
更にまた、リーン運転時は、リーン時目標空燃比で制御し、図２９の条件▲１▼が成立したとき、三元触媒用リッチ深さに切り替える場合の条件▲１▼は、第一実施形態の図３０に示されるものと同じであり、かつ、ＮＯｘ触媒モデルも、図３３に示される第一実施形態と同じであるので、説明は省略する。
本第三実施形態においては、図２９の条件▲２▼が成立すると、リッチ深さをＮＯｘ触媒リッチ深さに切り替える。条件▲２▼は、図４０に示されるように、Ｏ２センサ２９の出力値ＶＯ２ａ［Ｖ］が、所定値Ｋ＿ＶＯ２ａ以上となった時とする。Ｋ＿ＶＯ２ａは経験的に決めるのがよいが、一般的には、０．５〜０．８［Ｖ］程度である。
そして、図２９の条件▲３▼が成立すると、リッチスパイク終了として、再び、リーン運転に戻す。条件▲３▼は、図４１に示されるように、Ｏ２センサ３０の出力値ＶＯ２ｂ［Ｖ］が、所定値Ｋ＿ＶＯ２ｂ以上となった時とする。Ｋ＿ＶＯ２ｂは経験的に決めるのがよいが、一般的には、０．５〜０．８［Ｖ］程度である。本第三実施形態に基づく制御でも、図３４、図３５の結果が得られる。
〔第四実施形態〕
図４２は、本発明の内燃機関の制御装置が適用される本第四実施形態の内燃機関の全体システムを示している。本第四実施形態の内燃機関の全体システムは、第一実施形態の内燃機関の全体システムの構成に、三元触媒１１の下流にＯ２センサ２９を、ＮＯｘ触媒１６の下流にＮＯｘセンサ３１を、それぞれ追加した構成となっており、それ以外の構成は同じである。
図４３は、内燃機関の制御装置（コントロールユニット）５０の内部構成を示したものであり、第一実施形態の制御装置５０に対して、入力信号として三元触媒１１の下流のＯ２センサ２９とＮＯｘ触媒１６の下流のＮＯｘセンサ３１とを追加した構成が相違し、それ以外の構成は同じである。
また、本第四実施形態の内燃機関の制御装置５０の制御ブロック図も、図２８に示される第一実施形態の制御ブロックと同じであるので説明は省略する。
更に、リーン運転時及びリッチ運転時の目標空燃比のチャート図も、第一実施形態の図２９のチャート図と同じであるので、その詳細は省略する。
更にまた、リーン運転時は、リーン時目標空燃比で制御し、図２９の条件▲１▼が成立したとき、三元触媒用リッチ深さに切り替える場合の条件▲１▼は、第一実施形態の図３０に示されるものと同じであり、かつ、ＮＯｘ触媒モデルも、図３３に示される第一実施形態と同じであるので、説明は省略する。
本第四実施形態においては、図２９の条件▲２▼が成立すると、リッチ深さをＮＯｘ触媒リッチ深さに切り替える。条件▲２▼は、図４０に示されるもであり、第三実施形態と同じであるので、説明は省略する。そして、図２９の条件▲３▼が成立すると、リッチスパイク終了として、再びリーン運転に戻す。条件▲３▼は、図４４に示されるように、ＮＯｘセンサ３１の出力値ＶＮＯｘ［ｐｐｍ］が、所定値Ｋ＿ＶＮＯｘ以上となった時とする。Ｋ＿ＶＮＯｘは経験的に決めるのがよいが、一般的には、数十〜数百［ｐｐｍ］程度である。本第四実施形態に基づく制御法でも、図３４、図３５の結果が得られる。
ＮＯｘセンサ３１の種類によっては、検出原理上、Ｏ２濃度の検出が可能なものもある。そのようなＮＯｘセンサ３１を用いた場合は、第三実施形態の方式と組み合わせることで、リーンＮＯｘ触媒内の貯蔵ＮＯｘの脱離・浄化終了タイミングを検出することも可能である。即ち、リーンＮＯｘ触媒１６の下流のＯ２濃度とＮＯｘ濃度に基づいて、上記終了タイミングを検出するものである。
〔第五実施形態〕
図４５は、本発明の内燃機関の制御装置が適用される第五実施形態の内燃機関の全体システムを示している。本第五実施形態の内燃機関の全体システムは、図２６の第一実施形態の内燃機関の全体システムの構成に対して、三元触媒１１とＮＯｘ触媒１６の上下流の配置が逆になっており、それ以外の構成は同じであるので、詳細な説明は省略する。
また、コントロールユニット図、及び、制御ブロック図も、図２７、２８に記載されている第一実施形態の内燃機関の制御装置と同じであるので、その詳細な説明は省略する。
更に、リーン運転時及びリッチ運転時の目標空燃比のチャート図も、第一実施形態の図２９のチャート図と同じであるので、その詳細は省略する。
更にまた、図４６は、リーン運転時及びリッチ運転時の目標空燃比のチャート図を示している。リーン運転時は、リーン時目標空燃比で制御し、図４６の条件▲１▼が成立したとき、ＮＯｘ触媒用リッチ深さに切り替える。条件▲１▼は、図３０に示されるものであり、第一実施形態と同じであるので、説明は省略する。
更にまた、条件▲３▼が成立すると、リッチ深さを三元触媒リッチ深さに切り替える。条件▲３▼は、第一〜四実施形態で示したものを適用可能である。そして、条件▲２▼が成立するとリッチスパイク終了として、再びリーン運転に戻す。条件▲２▼は、第一〜四実施形態で示したものが、適用可能である。第五実施形態に基づく制御でも、図３４、図３５の結果が得られる。
本発明は、三元触媒１１とリーンＮＯｘ触媒１６に貯蔵される酸化剤がＯ２とＮＯｘと異なる性質のものであることに着目し、該２つの触媒に対して行うリッチスパイクの最適空燃比が異なることを実験で知見し、それに基づいて発明したいわば、段違いリッチスパイク方式の空燃比制御に関するものである。
本発明の前記第一〜五実施形態は、いずれも、三元触媒内の貯蔵Ｏ２脱離・浄化時の空燃比は、濃い方がよいとしたが、薄い方がよい場合もあり得る。本特性は、内燃機関からのＨＣ、ＣＯの濃度により決まるため、各内燃機関の性能に応じて、燃費、排気浄化に最適な空燃比を決めるのがよい。
【産業上の利用可能性】  以上の説明から理解されるように、本発明の内燃機関の制御装置は、排気系に三元触媒とリーンＮＯｘ触媒の双方を有する浄化装置を備えるリーンバーン筒内噴射内燃機関において、リーン運転中にリーンＮＯｘ触媒に貯蔵されたＮＯｘを、リッチ運転によって脱離・浄化する際、燃費低減と排気浄化向上の双方の観点で、リッチ時の空燃比を最適化する内燃機関の制御装置を提供するので、従来方式と比較して、燃費の低減及び排気浄化性能が向上する。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【国際調査報告】
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