(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路にＮＯＸ吸蔵触媒を備えかつ前記ＮＯＸ吸蔵触媒の下流側の排気通路内に酸素センサを設けた内燃機関において、
前記機関に空気過剰率制御手段を設け、前記酸素センサの出力電圧値を検出する検出手段を設け、空気過剰率λが、λ＜１．０のリッチ状態で酸素センサの出力電圧が予め設定した空気過剰率切換時期判定電圧値に達した際に、空気過剰率をさらに所定時間だけそのまま維持し続けて前記酸素センサの出力電圧の最大値を前記検出手段で検出し、前記最大値に予め設定した係数を乗じることにより次回に空気過剰率をλ＜１．０のリッチ状態に設定して吸蔵したＮＯＸを脱離・還元する際の空気過剰率切換時期判定電圧値を算出する演算手段を設け、
排気ガス温度の変動により前記酸素センサの出力電圧値が変動することにより空気過剰率の切換時期の検出精度が悪化することを防止したことを特徴とする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、空気過剰率λがリーン（λ＞１．０）のときにはＮＯＸ吸蔵触媒により排気ガスに含まれるＮＯＸを吸蔵し、空気過剰率λが理論空燃比（λ＝１．０）近傍のときにはＮＯＸ吸蔵触媒を三元触媒として機能させてＨＣ，ＣＯ及びＮＯＸを同時に浄化し、空気過剰率λがリッチ（λ＜１．０）のときにはＮＯＸ吸蔵触媒に吸蔵したＮＯＸを脱離・還元する内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の内燃機関のＮＯＸ吸蔵触媒を利用した排気浄化装置では、ＮＯＸ吸蔵触媒が排気ガス中に含まれる硫黄成分により被毒し、ＮＯＸの吸蔵容量が小さくなった際には、硫黄被毒の度合いや内燃機関の運転の行われ方に関わらず、画一的に機関の温度を上昇させ、硫黄被毒量を減少させていた。
【０００３】
例えば、空気過剰率を理論空燃比（λ＝１．０）付近に設定すると、内燃機関の温度を上昇させることができ、ＮＯＸ吸蔵触媒自身の温度も上昇して硫黄成分を脱離させ易くなる。また、点火時期を遅らせることにより内燃機関の温度が上昇し、硫黄成分の脱離が容易になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の内燃機関が、触媒の吸蔵能力（容量）が大きくなる運転領域で運転しており、あるとき機関負荷，機関回転数が変化して触媒の吸蔵容量が小さくなるような運転領域において運転された場合、触媒に吸蔵能力がなくなってもそのままリーンでの運転を続行し、触媒がＮＯＸを吸蔵しきれなくなり、吸蔵されないＮＯＸが大気へ排出されてしまい、浄化率が悪化する恐れがあった。また、機関負荷・機関回転数に対応する触媒のＮＯＸ吸蔵能力がテーブル化されていても、新しい運転環境になってから該当する新しいマップに更新されるまで時間がかかっていた。
【０００５】
そこで本発明では、触媒がＮＯＸを吸蔵しきれないときに、リーンの運転をリッチの運転に切り換えることができる、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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明では、排気通路にＮＯＸ吸蔵触媒を備えかつ前記ＮＯＸ吸蔵触媒の下流側の排気通路内に酸素センサを設けた内燃機関において、前記機関に空気過剰率制御手段を設け、前記酸素センサの出力電圧値を検出する検出手段を設け、空気過剰率λが、λ＜１．０のリッチ状態で酸素センサの出力電圧が予め設定した空気過剰率切換時期判定電圧値に達した際に、空気過剰率をさらに所定時間だけそのまま維持し続けて前記酸素センサの出力電圧の最大値を前記検出手段で検出し、前記最大値に予め設定した係数を乗じることにより次回に空気過剰率をλ＜１．０のリッチ状態に設定して吸蔵したＮＯＸを脱離・還元する際の空気過剰率切換時期判定電圧値を算出する演算手段を設け、排気ガス温度の変動により前記酸素センサの出力電圧値が変動することにより空気過剰率の切換時期の検出精度が悪化することを防止した。
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【発明の実施の形態】
空気過剰率λが理論空燃比（λ＝１．０）付近に設定されると、空気と燃料が過不足なく供給されるので、空気過剰率λが理論空燃比から外れたリーン状態又はリッチ状態に設定された場合と比較して内燃機関の温度は上昇し易くなる。また、空気過剰率が理論空燃比付近に設定されると、ＮＯＸ吸蔵触媒は排気ガス中のＨＣ，ＣＯ及びＮＯＸを同時に浄化する三元触媒として作用する。このときの制御を三元制御と呼ぶ。ＮＯＸ吸蔵触媒は、空気過剰率がリーンに設定されると排気ガス中のＮＯＸを吸蔵し、また、リッチに設定されると吸蔵したＮＯＸを脱離・還元する。
【００１９】
以上の現象とＮＯＸ吸蔵触媒の性質を利用して後述するように排気ガス中のＮＯＸを浄化し、内燃機関の各部に悪影響を及ぼすことなくＮＯＸ吸蔵触媒の硫黄被毒を解消する。
【００２０】
図１は、本発明を実施する内燃機関１００の系統略図である。図１において空気供給管２１を介して採り入れられる空気（大気）と、燃料供給管２０を介して送り出される燃料ガスがミキサ３で混合され、混合気は機関ヘッド２で燃焼後排気ガスとなり、排気ガスは途中にＮＯＸ吸蔵触媒１４（以後、触媒１４と呼ぶ）を備えた排気管２２を介して排出される。
【００２１】
図１に示すように、触媒１４の上流側には酸素センサ９が、下流側には酸素センサ８が設けてある。また、機関１には機関回転数を検出する機関回転数検出センサ１０と機関にかかる負荷を検出する機関負荷検出センサ１２が設けてある。
【００２２】
酸素センサ８，９，機関回転数検出センサ１０及び機関負荷検出センサ１２により検出された各信号はそれぞれ信号線を介してコントローラ４に送られ、コントローラ４は、これらの信号を元に空気過剰率λを操作するため、ステッピングモータ６へ信号線を介して制御信号を送り、空気過剰率制御バルブ７（空気過剰率制御手段）の開度を調整する。
【００２３】
ミキサ３には空気過剰率λが変化するとリセットされるタイマ１１（硫黄被毒量検出手段）が設けてあり、タイマ１１が計測した時間とそのときの空気過剰率λは、信号線を介してコントローラ４へ送られる。
【００２４】
（第１開示例）
図６は、空気過剰率の変動に伴う触媒１４の下流側における排気管２２内の排気ガス中の酸素濃度の変動と触媒１４に吸蔵された酸素量及び酸素センサ８の出力電圧の関係を示すグラフである。図７は、空気過剰率と触媒１４のＣＯ，ＨＣ及びＮＯＸの浄化率の関係を示すグラフである。図７からわかるように、空気過剰率がλ＝１．０を含むある幅でＮＯＸ，ＣＯ及びＨＣのいずれも比較的高い浄化率を示している。図７では、この幅を破線の範囲で示しており、これを浄化ウィンドウと呼んでいる。
【００２５】
加速時や機関負荷が増加した時等の大きな出力が必要になったとき、コントローラ４はステッピングモータ６へ制御信号を送り、必要とする大きさの機関出力が得られるように空気過剰率制御バルブ７の開度を大きく設定し、ミキサ３内の混合気の空気過剰率を理論空燃比（λ＝１．０）に設定する。このときの空気過剰率λは理論空燃比に限らず、図６に示す浄化ウィンドウ内であればよい。
【００２６】
内燃機関１００が、λ＞１．０（浄化ウィンドウ外）となるリーン状態で運転されると、触媒１４は排気ガス中のＮＯＸを吸蔵するが、加速したり、機関負荷が増加して今以上の機関出力が必要になると、空気過剰率λは、従来のように若干リッチ側へシフトする（例えば、λ＝１．５であったところ、λ＝１．４にする）のではなく、一気に浄化ウィンドウ内までシフトする。
【００２７】
このように空気過剰率λを設定することにより、排気ガス中のＮＯＸは、触媒１４上で排気ガス中のＣＯ，ＨＣと反応してＮ２，ＣＯ２，Ｈ２Ｏ等の無害な物質に変化する。このとき触媒１４は、ＮＯＸ吸蔵触媒ではなく、三元触媒としての効能を発揮する。
【００２８】
大きな機関出力が必要になったときは、空気過剰率をリッチ側へシフトすることにより、シフト前よりも多量のＮＯＸが排気ガス中に含まれる。従来は、この多量のＮＯＸをすべて触媒１４に吸蔵させていたが、それでは短時間で触媒１４の残りの吸蔵容量がなくなってしまう。そこで、空気過剰率λをリッチ側へシフトする必要が生じた場合には、ＮＯＸは触媒１４に吸蔵せず、上述したように触媒１４上で無害な物質に変換し、排気管２２から大気中へ放出するようにした。
【００２９】
これにより、ＮＯＸが触媒１４が吸蔵限界に達するまでの期間が長くなり、吸蔵されたＮＯＸを脱離・還元するためにリッチスパイクを実行する間隔を長くすることができる。
【００３０】
空気過剰率λがリーン状態で内燃機関１００が運転されると、排気ガス中に混在する硫黄成分が触媒１４に吸着し（以後、これを被毒と呼ぶ）、被毒した分だけＮＯＸの吸蔵可能容量が減少してしまう。したがって、被毒が進むとＮＯＸを吸蔵することができなくなるので、触媒１４から硫黄成分を除去（以下、この操作を触媒１４の再生と呼ぶ）する必要がある。
【００３１】
この硫黄成分の触媒１４への被毒量は、空気過剰率λをリーン状態（浄化ウィンドウ外）で運転している時間に比例することがわかっている。したがって、予め実験によりリーンによる運転時間と硫黄成分の被毒量の関係を調べておき、リーンの度合い（λの値）と運転時間から被毒量を推定可能なテーブルを作成し、このテーブルをコントローラ４内の図示しないメモリに記憶させておく。触媒１４の種類によってこのテーブルは異なるので、このメモリは、フラッシュメモリ等の書き換え可能なメディアを採用するのが好ましい。
【００３２】
触媒１４の硫黄被毒量が予め設定した所定値に達したことを、内燃機関１４の運転時間，設定した空気過剰率λの値及びコントローラ４内のメモリに記憶されたテーブルを参照してコントローラ４が検出する。コントローラ４により触媒１４の硫黄被毒量が所定値に達したことが検出されると、コントローラ４は、ステッピングモータ６に制御信号を送り、空気過剰率制御バルブ７の開度を大きく設定し、ミキサ３内の混合気の空気過剰率λを浄化ウィンドウ内に設定する。
【００３３】
硫黄被毒が進んだ触媒１４を再生するには、触媒１４が被毒した際の温度よりもある程度高い温度に設定する必要がある。空気過剰率λが理論空燃比を大きく外れたリッチ及びリーンの領域では燃焼温度が比較的低く、したがって触媒１４の温度も低くなる。しかし、空気過剰率λを浄化ウィンドウ内に設定すると燃焼温度が高くなり、触媒１４の温度も高くなる。したがって、空気過剰率λを浄化ウィンドウ内に設定すれば触媒１４を再生し易くなる。
【００３４】
ミキサ３に設けたタイマ１１は、前述したように空気過剰率λが変化するとリセットされ、空気過剰率λの値を一定に保った期間を検出する。空気過剰率λの値がいかなる値（リーン，リッチあるいは理論空燃比等）に設定されているかは、コントローラ４が把握している。
【００３５】
空気過剰率λがλ＞１．０のリーン（浄化ウィンドウ外）に設定されていれば、図１の触媒１４にはＮＯＸが吸蔵されると同時に硫黄成分が触媒１４を被毒する。したがって、タイマ１１が空気過剰率λがリーン（λ＞１．０）に設定された時間を計測し、また、コントローラ４が空気過剰率λがリーンに設定されていることを認識することにより、触媒１４の硫黄被毒の増加量を推定することができる（増加量推定手段）。
【００３６】
また、空気過剰率λが浄化ウィンドウ内に設定されていれば、排気ガス中のＮＯＸが無害な物質に変換されると同時に、排気ガス温度が上昇することにより触媒１４から硫黄成分が脱離し易くなる。したがって、タイマ１１が空気過剰率が浄化ウィンドウ内に設定されている時間を計測し、また、コントローラ４が空気過剰率が浄化ウィンドウ内に設定されていることを認識することにより、触媒１４からの硫黄成分の脱離量、つまり硫黄被毒の減少量を推定することができる（減少量推定手段）。
【００３７】
空気過剰率λがリーンで運転される時間は、硫黄被毒が進む度合いに置き換えられ、また、空気過剰率λが浄化ウィンドウ内で運転される時間は、触媒１４が再生される度合いに置き換えられる。そこで、触媒１４の被毒量を式（１）により算出する。
ｔdref＝Ｃrefint∫ｔLRｄｔ−∫ｔrefｄｔ・・・・・（１）
ここで、ｔdrefは被毒の度合い（被毒量）であり、Ｃrefintは予め実験で求めた係数で、ｔLRは、リーンでの運転時間であり、ｔrefは、理論空燃比又はその近傍の空気過剰率での運転時間である。
【００３８】
この式（１）によりコントローラ４は触媒１４の硫黄被毒量を算出し、硫黄被毒量が予め設定した所定量に達すると、触媒１４の温度を上昇させるために空気過剰率λを浄化ウィンドウ内（理論空燃比又はその近傍）に設定する。このようにすることにより、硫黄被毒が進んだ触媒１４の再生を適切に行うことができる。
【００３９】
（第１実施例）
ＮＯＸの吸蔵可能容量は温度に依存する。よって、機関負荷や機関回転数が変化すると、機関１の温度が変化し、触媒１４のＮＯＸ吸蔵可能容量が変化する。機関負荷と機関回転数が変更すると、内燃機関１００が排出するＮＯＸ量も変化する。
【００４０】
したがって、触媒１４が吸蔵することができるＮＯＸ量と機関負荷，機関回転数の関係を予め実験により求めてテーブルを作成し、コントローラ４に設けた図示しないメモリ（上述のメモリと同様に書き換え可能なメディア）に記憶させておく。このテーブルも触媒１４の種類により異なる。
【００４１】
このテーブルと機関負荷検出センサ１２で検出した機関負荷，機関回転数検出センサ１０で検出した機関回転数から排気ガス中のＮＯＸ含有量を算出し（ＮＯＸ量推定手段）、この機関負荷，機関回転数で一定時間運転することにより、排出された排気ガスに含まれるＮＯＸの総量を算出する（排出量検出手段）。
【００４２】
この算出されたＮＯＸ総量が、触媒１４に吸蔵可能なＮＯＸ量を越えないようにすればＮＯＸを大気へ放出しなくて済む。図２は、排気ガス中のＮＯＸを大気へ放出させないように空気過剰率を切り換える際の手順の流れ図である。
【００４３】
内燃機関１００（図１）が、空気過剰率をリーン（例えばλ＝１．５）に設定して運転されると触媒１４にはＮＯＸが吸蔵される。時間Δｔの間に排出された排気ガス中のＮＯＸがすべて触媒１４に吸蔵されたと仮定すると、触媒１４へのＮＯＸ吸蔵量は、時間Δｔ経過前のＮＯＸ吸蔵量とＮＯＸ流量（排気ガス中のＮＯＸ含有量）と時間Δｔの積との和で算出することができる。
【００４４】
このようにして刻々と過ぎる時間に応じて排出されるＮＯＸ量を算出し、これがすべて触媒１４に吸蔵されると仮定して、触媒１４の吸蔵可能容量に達しているか否かを判定し、まだ吸蔵することができる場合は、さらに時間Δｔ経過後の触媒１４へのＮＯＸの吸蔵量を算出する。
【００４５】
もはや触媒１４にはＮＯＸを吸蔵することが無理であると判定すると、吸蔵したＮＯＸを脱離・還元するためにコントローラ４（図１）は空気過剰率制御バルブ７の開度を大きく設定して燃料ガスの流量を増加させ、空気過剰率をリッチ側（浄化ウィンドウ外）へシフト（λ＜１．０）する。
【００４６】
従来の内燃機関が、触媒の吸蔵能力（容量）が大きくなる運転領域で運転しており、あるとき機関負荷，機関回転数が変化して触媒の吸蔵容量が小さくなるような運転領域において運転された場合、触媒に吸蔵能力がなくなってもそのままリーンでの運転を続行し、触媒がＮＯＸを吸蔵しきれなくなり、吸蔵されないＮＯＸが大気へ排出されてしまい、浄化率が悪化する恐れがあった。また、機関負荷・機関回転数に対応する触媒のＮＯＸ吸蔵能力がテーブル化されていても、新しい運転環境になってから該当する新しいマップに更新されるまで時間がかかっていた。
【００４７】
それを防止するために、第１実施例では、どれだけの量のＮＯＸが触媒１４に流れ込んだかを時々刻々と追跡する。今、この運転状態での内燃機関１００では、実質どれだけの量のＮＯＸが触媒１４に流入しているのかを時間積分することにより算出する。機関負荷・機関回転数が変動しない微少時間Δｔの間に排出されたＮＯＸ量を積算（時間積分）することにより、触媒１４のＮＯＸ吸蔵限界時期を推定することができる。
【００４８】
ＮＯＸ吸蔵容量は、そのときの触媒１４の温度で決まるので、残り容量を別のテーブルにより求める。その残り容量が不足すると空気過剰率をリーンからリッチに変更し、吸蔵したＮＯＸを脱離・還元する。
【００４９】
（第２実施例）
第２実施例では、第１実施例に係わる排出量検出手段の代わりに、触媒１４の下流側の排気管２２に設置した酸素センサ８を使用する。要約すると、酸素センサ８の出力電圧が、後述するある閾値を越えたことを判定することにより、空気過剰率λのリッチからリーンへの切り換え時期を検出し、空気過剰率λをリッチからリーンへ切り換える。
【００５０】
図３は、触媒１４のない排気管２２内における、酸素センサ８（図１）の起電力（出力電圧）と空気過剰率λの関係を示すグラフである。図３に示すように、酸素センサ８の温度が変化すると、同じ空気過剰率λでも出力電圧が異なる。
【００５１】
図４は、空気過剰率λをλ＜１．０のリッチ状態に設定した時（触媒１４が吸蔵したＮＯＸを脱離する時）の触媒１４の下流側に設置した酸素センサ８の出力電圧と時間との関係を示すグラフである。触媒１４にＮＯＸが吸蔵されるとき（λ＞１．０）には同時に酸素も吸蔵されるが、逆にＮＯＸを脱離するとき（λ＜１．０）には同時に酸素も脱離する。
【００５２】
図４において、酸素センサ８の出力電圧がある程度以上になると、触媒１４からのＮＯＸの脱離が完了した、つまり空気過剰率λをリッチに設定する時間が終了した（最適なリッチ終了時間Ｔ１）とコントローラ４が判定し、そのときの電圧を判定電圧Ｖ１と定義する。
【００５３】
酸素センサ８が判定電圧Ｖ１を検出した時点で空気過剰率λは変更せず、所定時間（例えば１秒）以内の時間でそのままの空気過剰率λで運転を続行した後に、空気過剰率λをリーン（λ＞１．０）に切り換える。図４に示すように、この所定時間経過時に出力電圧が最大となっており、これを最大リッチ電圧Ｖ２と呼ぶ。この最大リッチ電圧Ｖ２によって、その温度条件における酸素センサ８の出力電圧がどこまで上がるかを把握することができる。したがって、機関負荷や機関回転数の変動により排気温度が変化し酸素センサ８自身の温度が変化しても、酸素と一緒に脱離するＮＯＸの排出量に対応する出力電圧値を検出することができるようにしたのが請求項２の発明である。
【００５４】
図５は、空気過剰率λをリッチからリーンへ切換える時期を判断するための流れ図である。今回算出した判定電圧Ｖ１は、前回の最大リッチ電圧Ｖ２と所定の割合（判定電圧割合）とを乗算して式（２）によりコントローラ４（演算手段）が算出する。言い換えると、今回の最大リッチ電圧Ｖ２により次回にリーンへ切り換える際の判定電圧Ｖ１を算出する。
（判定電圧Ｖ１）＝（最大リッチ電圧Ｖ２）×（判定電圧割合）・・・（２）
（判定電圧割合としては、例えば0.9〜0.95の値をとる。）
酸素センサ８の起電力が温度により変化したことにより、酸素と一緒に脱離するＮＯＸの排出量の判定がずれてしまうことを防止することができる。
【００５５】
（第２開示例）
内燃機関１００が低負荷・低回転の運転領域での運転を行っている時は排気ガス量は少なく、触媒１４の温度も低いので、触媒１４を再生するのに必要とされる温度にはなかなか達しにくい。しかし、点火時期を遅らせると排気温度は高くなるので、低負荷・低回転領域における運転を行っているときは、点火時期を遅らせて触媒１４の温度を再生可能な温度まで上昇させるようにする。図１に示すように、触媒１４の近傍に設置した温度センサ１３により排気温度（触媒温度）を検出し、検出した温度はコントローラ４へ伝送される。
【００５６】
図８は、触媒１４の再生の容易性を示す内燃機関１００の機関回転数と機関負荷の関係を示すグラフである。図８に示すように、機関回転数Ｎｅが高くなるほど再生は容易となり、逆に機関回転数Ｎｅが低くなるほど再生は困難となる。また、機関負荷Ｐｅが大きくなるほど再生は容易となり、機関負荷Ｐｅが小さくなるほど再生は困難となる。
【００５７】
したがって、内燃機関１００の運転状態によって触媒１４の温度も異なるので、触媒１４の温度が再生するのに必要な温度まで上昇させることができる程度に点火時期を遅角させるようにする。
【００５８】
ここで、内燃機関１００が極めて高負荷・高回転領域における運転を行っている場合には、排気ガス量も多い上に排気温度も高いので、点火遅角させる必要はなく、逆に点火時期を遅らせると、排気温度が上昇し過ぎることにより触媒１４が破壊されてしまう恐れがある。したがって、触媒１４の温度が再生可能な温度となるような運転形態（機関負荷の大きさと機関回転数の大きさ）と点火時期を遅角させる度合いの関係を予め実験を行って調査し、テーブルを作成してコントローラ４のメモリに記憶させ、このテーブルにしたがって点火時期の遅角の度合いを決定する。温度センサ１３，コントローラ４及び図示しないテーブルにより点火時期設定手段を構成している。
【００５９】
このようにして内燃機関１００がどのような機関負荷・機関回転数で運転されていても、触媒１４の温度を再生が可能で劣化はせず、また、破壊もしない温度に保つように点火時期を設定する。
【００６０】
（第３開示例）
第１開示例において用いた硫黄被毒量検出手段により、触媒１４の被毒の程度により、予め設定した被毒量と比較して被毒が進んでいないと判定されるときは再生は行わず、予め設定した被毒量より被毒が進んでいると判定されるときは再生を行う。つまり、点火時期を遅らせてまで触媒１４の再生を行わなければならないかどうかを判定する。
【００６１】
触媒１４の再生を行うために点火時期を大きく遅らせて排気温度を上昇させ過ぎると、内燃機関１００の構成部材が熱の悪影響を受ける恐れが出てくる。したがって、触媒１４の再生の必要性と内燃機関１００の構成部材の保護の両方が満たされたときにのみ点火遅角を行うようにする。
【００６２】
もし可能であれば、点火遅角を行う必要のない高負荷・高回転領域における運転時（触媒１４が高温になるとき）だけ触媒１４の再生を行うようにする。運転領域が高負荷・高回転領域に達することがなく、触媒１４の被毒が進んでしまうと、図８のグラフに示すように機関負荷と機関回転数がともに小さくなる側へ再生を行う境界を例えば境界Ａから境界Ｂへ移し、内燃機関１００の運転領域が境界Ｂより高負荷側・高回転側の領域に入ると点火遅角を行い、触媒１４を昇温させて再生を行う。触媒１４の被毒が進み、内燃機関１００の運転領域が境界Ｂの領域にまで達する見込みがない場合は、さらに境界Ｃまで領域を広げ、運転領域が境界Ｃに達すると触媒１４の再生を行うようにする。
【００６３】
このようにすることにより、排気温度を必要以上に上げて内燃機関１００の耐久性を損なうことなくどのような運転が行われる内燃機関１００においても、良好に触媒１４の再生を行うことができる。点火遅角の程度としては、内燃機関１００の運転領域が低負荷・低回転領域では大きく（例えば６０度）遅らせ、高負荷・高回転領域では小さく（例えば４０度）遅らせる。
【００６４】
触媒１４は、被毒したときの温度よりも高い温度でなければ再生することはできない。例えば６００度で被毒したら７００度、４００度で被毒したら５００度で再生することができる。したがって、低い温度で被毒するほど再生時の温度も低くて済む。
【００６５】
低負荷・低回転領域で運転することが多い機関では、それほど高い再生領域までもって行かなくても再生することができる。低負荷・低回転領域の低い温度で被毒した触媒１４は、低い温度で再生すればよい。つまり低い温度のとき（運転領域が低負荷・低回転領域のとき）に再生が行われるようにする。
【００６６】
触媒１４の再生を実行する際の機関負荷，機関回転数及び触媒１４の被毒の程度の関係を予め実験により求めておき、コントローラ４のメモリにテーブルとして記憶させておく。このテーブルに記憶したパターンと現在の触媒１４の硫黄被毒量をコントローラ４が比較し（比較手段）、再生を実行するか否かを判断する。
【００６７】
よって、高負荷・高回転領域で被毒した触媒１４を低負荷・低回転領域で再生を実行することがなくなり、また、低負荷・低回転領域で被毒した触媒１４が、高負荷・高回転まで無駄に温度を上げて再生を実行することもなくなる。
【００６８】
（第４開示例）
一般に、空気過剰率がリーン（λ＞１．０）に設定されているときは、燃える物（燃料ガス）が少ないので触媒１４の温度は低くなる。また、空気過剰率がリッチ（λ＜１．０）に設定されているときは、触媒１４の温度は上昇する。
【００６９】
触媒１４を再生するのに必要な触媒１４の温度を目標再生温度とすると、触媒１４の温度が目標再生温度より低く、目標再生温度に達するように昇温させる場合には、空気過剰率λをリッチ状態に設定する頻度を多くする。触媒１４の温度が目標再生温度よりも高いときには、空気過剰率λをリッチに設定する頻度を減らす。ここで目標再生温度は、コントローラ４のメモリ（記憶手段）に記憶させておく。
【００７０】
ここで「頻度」とは、空気過剰率λはリーンとリッチとを交互に繰り返して設定されるが、リーンに設定される時間に対するリッチに設定される時間の相対的な割合を意味する。具体的には、リーン時間が１０分間に対しリッチ時間が１分間である場合なら、１０分間に対する１分間である。上述の「リッチ状態に設定する頻度を多くする」とは、この１分間を例えば２分間にするなどリッチに設定する時間の長さを長くしたり、リーンに設定する時間（１０分間）を例えば９分間に短くすることである。これを空気過剰率λのＰＷＭ（パルス幅調整）制御と呼ぶ。
【００７１】
図９は、触媒１４の温度を目標再生温度に設定するための流れ図である。図９において、酸素センサ８から伝達された信号によりコントローラ４は空気過剰率λを検出し、温度センサ１３により排気温度（触媒温度）を検出し、コントローラ４（比較手段）で目標再生温度と検出した排気温度とを比較する。両者に差がある場合は、排気温度が目標再生温度に一致するように（又は近づくように）空気過剰率λをＰＩＤ制御し、リーン時間ｔＬの長さを設定する（リーン運転時間制御手段）。
【００７２】
このように空気過剰率λをＰＷＭ制御することにより、触媒１４の温度を目標再生温度まで昇温させて再生を実行することができるので、触媒１４の再生時に、触媒１４を三元触媒として作用させる必要がなく、したがって、触媒１４の上流側に酸素センサ９を設ける必要がなくなり、装置の簡略化を図ることができる。
【００７３】
（第５開示例）
図１０は、空気過剰率λを浄化ウィンドウ内とリーンの所定の値（浄化ウィンドウ外）との間を変動させた際の触媒１４の酸素吸蔵量と酸素センサ８の出力電圧の関係を示すグラフである。図１０において、３つのパターンＤ，Ｅ，Ｆを示した。
【００７４】
パターンＤは、空気過剰率λが適正に制御されている場合である。パターンＥは、空気過剰率λがリッチ側へずれた状態で制御されている場合である。パターンＦは、空気過剰率λがリーン側へずれた状態で制御されている場合である。
【００７５】
パターンＤにおいて空気過剰率λが浄化ウィンドウ内からリーンへ変化する際に、酸素センサ８の出力電圧が最低値を記録しており、これを判定電圧と呼んでいる。
【００７６】
パターンＥでは、空気過剰率λがリッチ側へずれたことにより、酸素センサ８の出力電圧の最低値が判定電圧よりも高くなっている。パターンＦでは、空気過剰率λがリーン側へずれたことにより、酸素センサ８の出力電圧の最低値が判定電圧よりも低くなっている。
【００７７】
触媒１４の下流側に設置した酸素センサ８の出力電圧により空気過剰率を浄化ウィンドウ内に設定することができるので、触媒１４の上流側に酸素センサ９を設けなくても三元制御を行うことができる。したがって、酸素センサ８が触媒１４の下流側に設置されていることにより、有毒なガスは触媒１４で浄化され、無害な排気ガスのみが排出されることにより劣化が進みにくくなり、三元制御を行うために触媒１４の上流側に設置する場合と比較して寿命が延びる。
【００７８】
従来は、触媒１４を吸蔵触媒として作用させる場合には、酸素センサ８を触媒１４の下流側に設置する必要があり、三元触媒として作用させるには、さらに触媒１４の上流側に酸素センサ９を設ける必要があったが、第５開示例によると、酸素センサは触媒１４の下流側に１つ設けるだけで済み、装置の簡略化及びコストダウンを図ることができる。
【００７９】
図１０では、一定時間毎に一定の長さだけ空気過剰率λを浄化ウィンドウ内からリーン（浄化ウィンドウ外）へ変位させて元の浄化ウィンドウ内に戻す。
【００８０】
触媒１４への酸素の吸蔵は、ちょうどリーン終了時に限界に達し、空気過剰率λが尚リーンに設定され続けると、触媒１４の下流側に酸素が流れ始め、酸素センサ８の出力電圧が下がる。この出力電圧が、ある所定値（判定電圧）まで下がったことを検出し、触媒１４の酸素吸蔵量が吸蔵限界に達したことを検出する。
【００８１】
図１０のパターンＥのように、浄化ウィンドウよりリッチ側へずれると、触媒１４への酸素の吸蔵は限界に達しないので、酸素センサ８の出力電圧の最低値は判定電圧よりも高くなる。この酸素センサ８の出力電圧値と判定電圧との差から、空気過剰率λがリッチ側にずれていることを検出することができる。また、パターンＦのように、浄化ウィンドウよりリーン側へずれると、逆に酸素センサ８の出力電圧値は判定電圧より下がるので、これをもって空気過剰率λがリーン側へずれていることを検出することができる。
【００８２】
（第６開示例）
第５開示例で説明した構成のみでは、どの程度リッチ側又はリーン側へずれているのかを判定することはできない。そこで機関負荷や機関回転数に対する空気過剰率λを予め実験で求めておき、マップを作成し、コントローラ４のメモリ（記憶手段）に記憶させておく。
【００８３】
図１１は、空気過剰率λを目標値に設定するための系統略図である。機関負荷，機関回転数が変わると、そのマップ上の変化後の機関負荷，機関回転数に該当する空気過剰率（負荷，回転数パターン）まで空気過剰率λを一気に変化させ、そこから第５開示例で説明した方法により微修正を行う。第６開示例によると、機関負荷，機関回転数が変動しても、ＮＯＸの浄化率を悪化させずに済む。
【００８４】
（第７開示例）
第６開示例で説明したマップは、量産される内燃機関毎に個体差がある。したがって場合によっては、マップの記憶内容が内燃機関に対応せず、機関負荷，機関回転数に対応する空気過剰率λが、常にずれていることもあり得る。そこでこれを回避するために、図１２に示すようにマップに学習機能を備えた。
【００８５】
運転当初は最初（図１１）のマップに記憶されているデータに従って空気過剰率λは設定され、その後、空気過剰率λが浄化ウィンドウ内に入っているか否かを判定し、もし、修正が必要であれば酸素センサ８の出力電圧がフィードバックされ、その内燃機関１００固有の機関負荷，機関回転数に対応する空気過剰率λの関係がマップに上書きされる（補正手段）。図１２は、図１１においてマップに学習機能を設けたものである。
【００８６】
酸素センサ８の出力電圧の最低値の判定電圧に対する偏差を求め、この偏差がゼロになるようにコントローラ４がＰＩ制御を行い、その結果がマップに反映される。
【００８７】
（第８開示例）
熱効率が空気過剰率λの値によって変化しないと仮定した場合、内燃機関１００が一定の仕事をするときに、空気過剰率がリーンであってもリッチであっても燃料は同じ量を供給し、燃焼させる燃料の量を一定にしなければならない。
【００８８】
空気過剰率λをリーンにするには、空気（酸素）供給量を増加させ、リッチにするには、燃焼に寄与しない燃料をさらに供給しなければならない。空気過剰率λがリーンのときには、燃焼させるための比率、つまり燃料ガスの容積に対する空気の容積を大きく確保する必要がある。
【００８９】
よって空気過剰率λがリーンのときは、大量の混合気が供給されなければならない。空気過剰率λをリッチにするには、少量の燃料を増量すればよいが、リーンにするには大量の混合気を供給しないとリーンにはならないので、スロットル５（図１）は急激に開く（開度を大きくする）ようにしなければならない。逆にリッチにする際にはほとんど開く必要はない。そのスロットル開度の変化の仕方によりλ＝１．０を検出することができる。
【００９０】
図１３は、空気過剰率λの値とスロットル開度との関係を示すグラフである。図１３に示すように、空気過剰率λがλ＝１．０（理論空燃比）となる時期にスロットル開度が最小値をとり、λ＝１．０を境にλ＜１．０，λ＞１．０のいずれに変位してもスロットル開度は大きくなっている。
【００９１】
図１４は、空気過剰率λの変化量に対するスロットル開度の変化量を利用した三元制御の流れ図である。空気過剰率λの値は、図１のミキサ３を操作することにより変化させ、ミキサ３の操作量は信号線を介してコントローラ４へ伝送され、操作量が増量となると空気過剰率λはリーンになり、操作量が減量となるとリッチになる。
【００９２】
このようにスロットル開度によりλ＝１．０を検出することができるので、酸素センサを設置することなく三元制御（排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯＸを同時に浄化する制御）を行うことができる。したがって、図１の酸素センサ８，９のいずれも不要となり、装置の簡略化を図ることができる。
【００９３】
機関負荷と機関回転数がある一定値を保つ、又は変動が小さいと、空気過剰率λがλ＝１．０（理論空燃比）となる時期をスロットル開度により検出するのが容易になる。
【００９４】
（第９開示例）
第８開示例において説明したように、空気過剰率λがλ＝１．０のときにスロットル開度は最小値をとる。また、λ＝１．０において触媒１４の上流側に設置した酸素センサ９（図１）の出力電圧が判定電圧となる。これらより、スロットル開度が最小値をとるとき、酸素センサ９の出力電圧が判定電圧となる。
【００９５】
図１５は、空気過剰率λとスロットル開度及び触媒１４の上流側に設置した酸素センサ９の出力電圧の関係を示すグラフである。図１５においてＡのグラフは劣化していない酸素センサ９の出力電圧の変化を示し、Ｂのグラフは劣化した酸素センサ９の出力電圧の変化を示している。
【００９６】
Ｇの判定電圧とＨの判定電圧からわかるように、酸素センサ９が劣化しているか否か（劣化の程度にもよるが）でλ＝１．０を検出する判定電圧に相当な差がある。
【００９７】
しかし、酸素センサ９が劣化しても、劣化した酸素センサ９のλ＝１．０のときの出力電圧を把握することができれば、劣化した酸素センサ９の出力電圧によりλ＝１．０を検出することができる。そこで、スロットル開度が最小値となるときの酸素センサ９の出力電圧を検出する。
【００９８】
このようにすることにより、スロットル開度によらなくても劣化した酸素センサ９によりλ＝１．０を検出することができるので、機関回転数や機関負荷が変動しやすい運転環境においても精度よくλ＝１．０を検出することができる。
【００９９】
【発明の効果】
本発明によると、排気温度が変化し酸素センサの出力電圧の変動が起こっても、酸素と一緒に脱離するＮＯＸの排出量に対応する出力電圧を検出することができ、ＮＯＸの排出量を検出できる。このため、触媒がＮＯＸを吸蔵しきれないときに、リーンの運転をリッチの運転に切り換えることができる。
【０１００】
【０１０１】
【０１０２】
【０１０４】
【０１０５】
【０１０６】
【０１０７】
【０１０８】
【０１０９】
【０１１０】
【０１１１】
【０１１２】
【０１１３】
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を実施する内燃機関の系統略図である。
【図２】  排気ガス中のＮＯＸを大気へ放出させないように空気過剰率を切り換える際の手順の流れ図である。
【図３】  触媒のない排気管内における、酸素センサの起電力と空気過剰率の関係を示すグラフである。
【図４】  空気過剰率λをλ＜１．０のリッチ状態に設定した時（触媒が吸蔵したＮＯＸを脱離する時）の触媒の下流側に設置した酸素センサの出力電圧と時間との関係を示すグラフである。
【図５】  空気過剰率λをリッチからリーンへ切換る時期を判断するための流れ図である。
【図６】  空気過剰率の変動に伴う触媒の下流側における排気管内の排気ガス中の酸素濃度の変動と触媒に吸蔵された酸素量及び酸素センサ８の出力電圧の関係を示すグラフである。
【図７】  空気過剰率と触媒のＣＯ，ＨＣ及びＮＯＸの浄化率の関係を示すグラフである。
【図８】  触媒の再生の容易性を示す内燃機関の機関回転数と機関負荷の関係を示すグラフである。
【図９】  触媒の温度を目標再生温度に設定するための流れ図である。
【図１０】  空気過剰率λを浄化ウィンドウ内とリーンの所定の値との間を変動させた際の触媒の酸素吸蔵量と酸素センサの出力電圧の関係を示すグラフである。
【図１１】  空気過剰率λを目標値に設定するための系統略図である。
【図１２】  図１１においてマップに学習機能を設けた系統略図である。
【図１３】  空気過剰率λの値とスロットル開度との関係を示すグラフである。
【図１４】  空気過剰率λの変化量に対するスロットル開度の変化量を利用した三元制御の流れ図である。
【図１５】  空気過剰率λとスロットル開度及び触媒の上流側に設置した酸素センサの出力電圧の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１    機関
２    機関ヘッド
３    ミキサ
４    コントローラ
５    スロットル
６    ステッピングモータ
７    空気過剰率制御バルブ
８，９  酸素センサ
１０  機関回転数検出センサ
１１  タイマ
１２  機関負荷検出センサ
１３  温度センサ
１４  ＮＯＸ吸蔵触媒
１００  内燃機関
【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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