(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い排気ガスリーン状態のとき排気ガス中の窒素酸化物を吸収する窒素酸化物浄化手段を備える内燃機関の排気ガス浄化装置において、
前記窒素酸化物浄化手段の劣化を検出する劣化検出手段と、
前記劣化検出手段により前記窒素酸化物浄化手段の劣化が検出されたときに、所定時間以下に設定される周期で、前記機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比を境としてリーン側とリッチ側とに変動させる空燃比変動手段と、
該空燃比変動手段の作動により前記窒素酸化物浄化手段の温度が劣化再生温度より高くなったとき、劣化再生時間に亘って前記空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持する劣化再生手段とを備え、
前記空燃比変動手段は、前記空燃比を前記リッチ側に制御するリッチ時間を、前記リーン側に制御するリーン時間の１／２以下とするように設定するとともに、前記リーン時間を０．５秒から２秒の範囲に設定することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項２】
内燃機関の排気系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い排気ガスリーン状態のとき排気ガス中の窒素酸化物を吸収する窒素酸化物浄化手段を備える内燃機関の排気ガス浄化装置において、
前記窒素酸化物浄化手段の劣化度合を検出する劣化度合検出手段と、
前記機関の排気ガス流量が大きい特定運転状態において、所定時間以下に設定される周期で、前記機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比を境としてリーン側とリッチ側とに変動させる空燃比変動手段と、
前記窒素酸化物浄化手段の温度が劣化再生温度より高くなったとき、前記検出された劣化度合に応じた劣化再生時間に亘って前記空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持する劣化再生手段とを備え、
前記空燃比変動手段は、前記空燃比を前記リッチ側に制御するリッチ時間を、前記リーン側に制御するリーン時間の１／２以下とするように設定するとともに、前記リーン時間を０．５秒から２秒の範囲に設定することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関し、特に排気系に窒素酸化物（ＮＯｘ）の吸収剤を内蔵するＮＯｘ浄化装置を備えた排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を実行すると、ＮＯｘの排出量が増加する傾向があるため、リーン運転中にＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収剤を有し、吸収したＮＯｘを適時還元することによりＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化装置を機関排気系に設けることが従来より知られている（例えば特許第２５８６７３９号公報）。
【０００３】
このようなＮＯｘ浄化装置のＮＯｘ吸収剤は、空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い（ＮＯｘが多い）状態（以下「排気ガスリーン状態」という）においては、ＮＯｘを吸収する一方、逆に空燃比が理論空燃比近傍または理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が比較的低い状態（以下「排気ガスリッチ状態」という）においては、吸収したＮＯｘを放出する特性を有する。このＮＯｘ浄化装置は、排気ガスリッチ状態においては、ＮＯｘ吸収剤から放出されるＮＯｘはＨＣ、ＣＯにより還元されて、窒素ガスとして排出され、またＨＣ、ＣＯは酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排出されるように構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＮＯｘ浄化装置のＮＯｘ吸収剤は、ＮＯｘだけでなくＳＯｘ（硫黄酸化物）も吸収するので、燃料に含まれる硫黄（Ｓ）がＳＯｘとして徐々に蓄積する。そのため、ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収能力が著しく低下する（例えば、８０％の吸収能力が２０％程度まで低下する）という硫黄被毒の問題が避けられない。ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＳＯｘは、ＮＯｘ吸収剤が高温（６００℃以上）の状態でＮＯｘ吸収剤から放出されるので、その状態で空燃比をリッチ化することにより還元可能である。ところが、ＮＯｘ吸収剤が６００℃以上の高温となるのは、高負荷運転を比較的長時間継続したような場合に限られるため、実際にＳＯｘを除去するための空燃比リッチ化を実行できる運転状態が限定され、ＳＯｘの除去を十分に行うことができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、この問題を解決するためになされたものであり、ＮＯｘ吸収剤を短時間のうちにＳＯｘが放出される温度まで昇温させ、ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＳＯｘを効率よく除去することができる排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い排気ガスリーン状態のとき排気ガス中の窒素酸化物を吸収する窒素酸化物浄化手段を備える内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記窒素酸化物浄化手段の劣化を検出する劣化検出手段と、前記劣化検出手段により前記窒素酸化物浄化手段の劣化が検出されたときに、所定時間以下に設定される周期で、前記機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比を境としてリーン側とリッチ側とに変動させる空燃比変動手段と、該空燃比変動手段の作動により前記窒素酸化物浄化手段の温度が劣化再生温度より高くなったとき、劣化再生時間に亘って前記空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持する劣化再生手段とを備え、前記空燃比変動手段は、前記空燃比を前記リッチ側に制御するリッチ時間を、前記リーン側に制御するリーン時間の１／２以下とするように設定するとともに、前記リーン時間を０．５秒から２秒の範囲に設定することを特徴とする。
【０００７】
ここで「所定時間」は、窒素酸化物浄化手段を昇温させるのに適した時間、例えば３秒以下に設定される。具体的には、空燃比変動制御中の燃費を重視する場合には、空燃比を理論空燃比よりリーン側に制御するリーン時間を２秒以下の時間とし、空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御するリッチ時間をリーン時間の１／２以下の時間としたときの（リーン時間＋リッチ時間）に設定することが望ましく、また空燃比変動制御により窒素酸化物浄化手段の早期昇温を重視する場合、特に機関の直ぐ下流に三元触媒を配置し、窒素酸化物浄化手段を三元触媒の下流側であって機関から若干離れた位置に配置する場合には、リーン時間及びリッチ時間をほぼ同一の値に設定することが望ましい。
【０００８】
「劣化再生温度」は、窒素酸化物浄化手段の窒素酸化物吸収剤がＳＯｘを放出し始めるほぼ最低の温度、あるいは劣化再生手段によって空燃比リッチ化を開始すると温度が下がることを考慮して前記最低の温度より５０〜１００℃程度高い温度とする。また「劣化再生時間」は、劣化検出手段により劣化が検出される劣化度合、すなわち劣化が検出される時点での窒素酸化物浄化手段に蓄積したＳＯｘ量に対応して、例えば該蓄積したＳＯｘのほぼ全部を還元可能な時間に設定される。
【０００９】
窒素酸化物浄化手段の温度が劣化再生温度より高くなったことは、実際に窒素酸化物浄化手段の温度を検出する温度検出手段を設けて、その検出値によって判定することが望ましいが、温度検出手段を使用せずに前記空燃比変動手段による空燃比変動制御の実行時間が、所定昇温時間を越えたことにより判定するようにしてもよい。この場合「所定昇温時間」は、対象となる複数の装置について実験を行い、例えば劣化再生温度に達するのに要する実測時間に応じて設定する。
【００１０】
この構成によれば、劣化検出手段により窒素酸化物浄化手段の劣化が検出されたときに、所定時間以下に設定される周期で、機関に供給する混合気の空燃比が理論空燃比を境としてリーン側とリッチ側とに変動制御され、該空燃比変動制御中に窒素酸化物浄化手段の温度が劣化再生温度より高くなったとき、劣化再生時間に亘って前記空燃比が理論空燃比よりリッチ側に維持されるので、窒素酸化物浄化手段の温度をＳＯｘの除去が可能な劣化再生温度まで速やかに昇温させ、効率的に窒素酸化物浄化手段に吸収されたＳＯｘを除去することができる。その結果、長期間に亘って良好な排気ガス特性を維持することができる。また空燃比をリッチ側に制御するリッチ時間が、リーン側に制御するリーン時間の１／２以下に設定されるとともに、リーン時間が０．５秒から２秒の範囲に設定されるので、リーン運転することによる燃費の向上と５０％程度以上のＮＯｘ浄化率が得られる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、内燃機関の排気系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い排気ガスリーン状態のとき排気ガス中の窒素酸化物を吸収する窒素酸化物浄化手段を備える内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記窒素酸化物浄化手段の劣化度合を検出する劣化度合検出手段と、前記機関の排気ガス流量が大きい特定運転状態において、所定時間以下に設定される周期で、前記機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比を境としてリーン側とリッチ側とに変動させる空燃比変動手段と、前記窒素酸化物浄化手段の温度が劣化再生温度より高くなったとき、前記検出された劣化度合に応じた劣化再生時間に亘って前記空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持する劣化再生手段とを備え、前記空燃比変動手段は、前記空燃比を前記リッチ側に制御するリッチ時間を、前記リーン側に制御するリーン時間の１／２以下とするように設定するとともに、前記リーン時間を０．５秒から２秒の範囲に設定することを特徴とする。
【００１２】
ここで「特定運転状態」は、前記機関の回転速度が所定回転速度より高くかつ吸気管内絶対圧が所定圧より高い運転状態であり、さらに前記窒素酸化物浄化手段の温度が前記劣化再生温度より低い所定温度より高いという条件を追加してもよく、さらに前記機関が搭載された車両の速度が所定速度より高いという条件を追加してもよい。この場合、前記所定回転速度、所定圧、所定温度及び所定速度は、使用する窒素酸化物浄化手段の特性や機関の仕様によって変化するので、実験により適切な値に設定される。
【００１３】
また「所定時間」及び「劣化再生温度」は、請求項１に記載の排気ガス浄化装置と同様であり、また「劣化再生時間」は、劣化度合検出手段により検出された劣化度合が大きいほど、すなわち窒素酸化物浄化手段に蓄積したＳＯｘ量が多いほど、長く設定される。
【００１４】
この構成によれば、機関の排気ガス流量が大きい特定運転状態において、所定時間以下に設定される周期で、機関に供給する混合気の空燃比が理論空燃比を境としてリーン側とリッチ側とに変動制御され、窒素酸化物浄化手段の温度が劣化再生温度より高くなったとき、検出された劣化度合に応じた劣化再生時間に亘って前記空燃比が理論空燃比よりリッチ側に維持されるので、前記特定運転状態において高い窒素酸化物浄化率を達成しつつ、窒素酸化物浄化手段の温度をＳＯｘの除去が可能な劣化再生温度まで速やかに昇温させ、効率的に窒素酸化物浄化手段に吸収されたＳＯｘを除去することができる。その結果、長期間に亘って良好な排気ガス特性を維持することができる。また空燃比をリッチ側に制御するリッチ時間が、リーン側に制御するリーン時間の１／２以下に設定されるとともに、リーン時間が０．５秒から２秒の範囲に設定されるので、リーン運転することによる燃費の向上と５０％程度以上のＮＯｘ浄化率が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る排気ガス浄化装置を含む、内燃機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置の全体構成図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度（θＴＨ）センサ４が連結されており、当該スロットル弁３の開度に応じた電気信号を出力してエンジン制御用電子コントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給する。
【００１６】
燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。
【００１７】
一方、スロットル弁３の直ぐ下流には吸気管内絶対圧（ＰＢＡ）センサ７が設けられており、この絶対圧センサ７により電気信号に変換された絶対圧信号は前記ＥＣＵ５に供給される。また、その下流には吸気温（ＴＡ)センサ８が取付けられており、吸気温ＴＡを検出して対応する電気信号を出力してＥＣＵ５に供給する。
【００１８】
エンジン１の本体に装着されたエンジン水温（ＴＷ）センサ９はサーミスタ等から成り、エンジン水温（冷却水温）ＴＷを検出して対応する温度信号を出力してＥＣＵ５に供給する。
エンジン１の図示しないカム軸周囲又はクランク軸周囲には、エンジン回転数（ＮＥ）センサ１０及び気筒判別（ＣＹＬ）センサ１１が取り付けられている。エンジン回転数センサ１０は、エンジン１の各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０゜毎に）ＴＤＣ信号パルスを出力し、気筒判別センサ１１は、特定の気筒の所定クランク角度位置で気筒判別信号パルスを出力するものであり、これらの各信号パルスはＥＣＵ５に供給される。
【００１９】
排気管１２には窒素酸化物浄化手段としてのＮＯｘ浄化装置１６が設けられている。ＮＯｘ浄化装置１６は、ＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収剤及び酸化、還元を促進するための触媒を内蔵する。ＮＯｘ吸収剤としては、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い（ＮＯｘが多い）排気ガスリーン状態においては、ＮＯｘを吸蔵する一方、逆にエンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比近傍または理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が比較的低い排気ガスリッチ状態においては、吸蔵したＮＯｘを放出する特性を有する吸蔵式のもの、あるいは排気ガスリーン状態においてはＮＯｘを吸着し、排気ガスリッチ状態において還元する吸着式のものを使用する。ＮＯｘ浄化装置１６は、排気ガスリーン状態においては、ＮＯｘ吸収剤にＮＯｘを吸収させる一方、排気ガスリッチ状態においては、ＮＯｘ吸収剤から放出されるＮＯｘがＨＣ、ＣＯにより還元されて、窒素ガスとして排出され、またＨＣ、ＣＯは酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排出されるように構成されている。吸蔵式のＮＯｘ吸収剤としては、例えば酸化バリウム（Ｂａ０）が使用され、吸着式のＮＯｘ吸収剤としては、例えばナトリウム（Ｎａ）とチタン（Ｔｉ）またはストロンチウム（Ｓｒ）とチタン（Ｔｉ）が使用され、触媒としては吸蔵式及び吸着式のいずれにおいても、例えばロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）などの貴金属が使用される。
【００２０】
ＮＯｘ浄化装置１６は、ＮＯｘ吸収剤を内蔵したＮＯｘ浄化装置であるが、後述するようにエンジン１に供給する混合気の空燃比を比較的短い周期で変動させる短周期空燃比変動制御を特定のエンジン運転状態において実行することにより、ＮＯｘ吸収剤にＮＯｘを吸収する作用なしに触媒のみの作用によってＮＯｘを効率よく還元することができる。
【００２１】
ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収能力の限界、すなわち最大ＮＯｘ吸収量まで、ＮＯｘを吸収すると、それ以上ＮＯｘを吸収できなくなるので、適時ＮＯｘを放出させて還元するために空燃比のリッチ化、すなわち還元リッチ化を実行する。
ＮＯｘ浄化装置１６には、その温度（以下「触媒温度」という）ＴＣＡＴを検出する触媒温度センサ１７が設けられており、その検出信号がＥＣＵ５に供給される。触媒温度ＴＣＡＴは、ＮＯｘ吸収剤及び触媒の温度を示している。
【００２２】
ＮＯｘ浄化装置１６の上流位置には、比例型空燃比センサ１４（以下「ＬＡＦセンサ１４」という）が装着されており、このＬＡＦセンサ１４は排気ガス中の酸素濃度（空燃比）にほぼ比例した電気信号を出力し、ＥＣＵ５に供給する。
ＥＣＵ５には、さらにエンジン１が搭載され、エンジン１によって駆動される車両の走行速度（車速）ＶＣＡＲを検出する車速検出手段としての車速センサ２１が接続されており、その検出信号がＥＣＵ５に供給される。
【００２３】
エンジン１は、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを、エンジンの高速回転領域に適した高速バルブタイミングと、低速回転領域に適した低速バルブタイミングとの２段階に切換可能なバルブタイミング切換機構３０を有する。このバルブタイミングの切換は、弁リフト量の切換も含み、さらに低速バルブタイミング選択時は２つの吸気弁のうちの一方を休止させて、空燃比を理論空燃比よりリーン化する場合においても安定した燃焼を確保するようにしている。
【００２４】
バルブタイミング切換機構３０は、バルブタイミングの切換を油圧を介して行うものであり、この油圧切換を行う電磁弁及び油圧センサがＥＣＵ５に接続されている。油圧センサの検出信号はＥＣＵ５に供給され、ＥＣＵ５は電磁弁を制御してエンジン１の運転状態に応じたバルブタイミングの切換制御を行う。
【００２５】
ＥＣＵ５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５ａ、中央演算処理回路（以下「ＣＰＵ」という）５ｂ、ＣＰＵ５ｂで実行される各種演算プログラム、該演算プログラムで使用されるテーブルやマップ、演算結果等を記憶する記憶手段５ｃ、前記燃料噴射弁６に駆動信号を供給する出力回路５ｄ等から構成される。
【００２６】
ＣＰＵ５ｂは、上述の各種エンジンパラメータ信号に基づいて、種々のエンジン運転状態を判別するとともに、該判別されたエンジン運転状態に応じて、次式（１）に基づき、前記ＴＤＣ信号パルスに同期して開弁作動する燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＯＵＴを演算する。
ＴＯＵＴ＝ＴＩ×ＫＣＭＤ×ＫＬＡＦ×Ｋ１＋Ｋ２…（１）
ここに、ＴＩは燃料噴射弁６の基本燃料噴射時間であり、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて設定されたＴＩマップを検索して決定される。ＴＩマップは、マップ上のエンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに対応する運転状態において、エンジンに供給する混合気の空燃比がほぼ理論空燃比になるように設定されている。
【００２７】
ＫＣＭＤは目標空燃比係数であり、エンジン回転数ＮＥ、吸気管内絶対圧ＰＢＡ、エンジン水温ＴＷ等のエンジン運転パラメータに応じて設定される。目標空燃比係数ＫＣＭＤは、空燃比Ａ／Ｆの逆数、すなわち燃空比Ｆ／Ａに比例し、理論空燃比のとき値１．０をとるので、目標当量比ともいう。
【００２８】
ＫＬＡＦは、ＬＡＦセンサ１４の検出値から算出される検出当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤに一致するようにＰＩＤ制御により算出される空燃比補正係数である。
Ｋ１及びＫ２は夫々各種エンジンパラメータ信号に応じて演算される他の補正係数および補正変数であり、エンジン運転状態に応じた燃費特性、エンジン加速特性等の諸特性の最適化が図れるような所定値に決定される。
ＣＰＵ５ｂは上述のようにして求めた燃料噴射時間ＴＯＵＴに基づいて燃料噴射弁６を開弁させる駆動信号を出力回路５ｄを介して燃料噴射弁６に供給する。
【００２９】
図２は、前記式（１）に適用される目標空燃比係数ＫＣＭＤを算出する処理のフローチャートである。本処理は一定時間毎にＣＰＵ５ｂで実行される。
ステップＳ１１では、リーン運転中か否か、すなわち通常制御時に後述するステップＳ１９で記憶された目標空燃比係数ＫＣＭＤの記憶値ＫＣＭＤＢが「１．０」より小さいか否かを判別する。その結果、ＫＣＭＤＢ≧１．０であってリーン運転中でないときは、直ちにステップＳ１７に進み、後述するステップＳ２１で参照するダウンカウントタイマｔｍＲＲに還元リッチ化時間ＴＲＲ（例えば１〜２秒）をセットしてスタートさせる。次いで、通常制御、すなわちエンジン運転状態に応じて目標空燃比係数ＫＣＭＤの設定を行う（ステップＳ１８）。目標空燃比係数ＫＣＭＤは、基本的には、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて算出し、エンジン水温ＴＷの低温状態や所定の高負荷運転状態では、それらの運転状態に応じた値に変更される。次いでステップＳ１８で算出した目標空燃比係数ＫＣＭＤを記憶値ＫＣＭＤＢとして記憶して（ステップＳ１９）、本処理を終了する。
【００３０】
ステップＳ１１でＫＣＭＤＢ＜１．０であってリーン運転中であるときは、図３の処理により設定され、エンジン１の排気ガス流量が多く、かつ触媒温度ＴＣＡＴがＳＯｘを除去可能な程度に高温（６００℃以上）であるエンジン運転状態（以下「ＳＯｘ除去可能運転状態」という）にあることを「１」で示すＳＯｘ除去フラグＦＨＬＳＯｘが「１」であるか否かを判別する（ステップＳ１２）。そして、ＦＨＬＳＯｘ＝１であってエンジン１がＳＯｘ除去可能運転状態にあるときは、空燃比をリッチ化し、ＳＯｘを還元するＳＯｘ除去処理（図７）を実行する（ステップＳ２４）。
【００３１】
ステップＳ１２でＦＨＬＳＯｘ＝０であるときは、図３の処理により設定され、エンジン１の排気ガス流量が多く、かつ触媒温度ＴＣＡＴが高いエンジン運転状態（以下「特定運転状態」という）にあることを「１」で示す特定運転状態フラグＦＨＬが「１」であるか否かを判別する（ステップＳ１３）。そして、ＦＨＬ＝１であってエンジン１が特定運転状態にあるときは、図５に示す短周期空燃比変動制御を実行する（ステップＳ２３）一方、ＦＨＬ＝０であってエンジン１が前記特定運転状態以外の運転状態にあるときは、短周期空燃比変動制御に比べて空燃比変動の周期が長くなるステップＳ１４以下の処理を実行する。なお、上記ＳＯｘ除去可能運転状態は、前記特定運転状態において特に触媒温度ＴＣＡＴが高い状態に相当し、前記特定運転状態に含まれる運転状態である。
【００３２】
先ずステップＳ１４では、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて、次のステップＳ１５で使用する増分値ＡＤＤＮＯｘを決定する。増分値ＡＤＤＮＯｘは、リーン運転中に単位時間当たりに排出されるＮＯｘ量に対応するパラメータであり、エンジン回転数ＮＥが増加するほど、また吸気管内絶対圧ＰＢＡが増加するほど、増加するように設定されている。
【００３３】
ステップＳ１５では、下記式にステップＳ１４で決定した増分値ＡＤＤＮＯｘを適用し、ＮＯｘ量カウンタＣＮＯｘをインクリメントする。これによりＮＯｘ排出量、すなわちＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘ量に相当するカウント値が得られる。
ＣＮＯｘ＝ＣＮＯｘ＋ＡＤＤＮＯｘ
【００３４】
続くステップＳ１６では、ＮＯｘ量カウンタＣＮＯｘの値が、許容値ＣＮＯｘＲＥＦを越えたか否かを判別する。この答が否定（ＮＯ）であるときは、前記ステップＳ１７に進み、通常制御、すなわちエンジン運転状態に応じた目標空燃比係数ＫＣＭＤの設定を行う。許容値ＣＮＯｘＲＥＦは、ＮＯｘ吸収剤の最大ＮＯｘ吸収量より若干小さいＮＯｘ量に対応する値、あるいは余裕を持たせて最大ＮＯｘ吸収量の１／２程度のＮＯｘ量に対応する値に設定される。
【００３５】
ステップＳ１６で、ＣＮＯｘ＞ＣＮＯｘＲＥＦとなると、目標空燃比係数ＫＣＭＤを空燃比１４．０相当程度の値に対応するリッチ化所定値ＫＣＭＤＲ１に設定し、還元リッチ化を実行する（ステップＳ２０）。そして、タイマｔｍＲＲの値が「０」か否かを判別し（ステップＳ２１）、ｔｍＲＲ＞０である間は直ちに本処理を終了し、ｔｍＲＲ＝０となるとＮＯｘ量カウンタＣＮＯｘの値を「０」にリセットする（ステップＳ２２）。これにより、次回からはステップＳ１６の答が否定（ＮＯ）となるので、通常制御に移行する。
【００３６】
図２の処理によれば、ＦＨＬ＝０であって特定運転状態以外のリーン運転可能な運転状態におけるリーン運転継続時間、すなわちＮＯｘ量カウンタＣＮＯｘの値が０から許容値ＣＮＯｘＲＥＦに達する時間は、エンジン運転状態によって変化するが、おおむね８〜３０秒程度である。したがって、前記特定運転状態以外の運転状態においては、リーン運転継続時間が、８から３０秒程度で、還元リッチ化実行時間（＝ＴＲＲ）が、１から２秒程度である空燃比変動制御が実行される。
【００３７】
図３は、図２のステップＳ１２及びＳ１３で参照されるＳＯｘ除去フラグＦＨＬＳＯｘ及び特定運転状態フラグＦＨＬの設定を行う運転状態判別処理のフローチャートである。本処理は、一定時間毎にＣＰＵ５ｂで実行される。
先ず車速ＶＣＡＲが所定車速ＳＶＣＡＲ（例えば６０ｋｍ／ｈ）より高いか否かを判別し（ステップＳ３１）、ＶＣＡＲ＞ＳＶＣＡＲであるときは、エンジン回転数ＮＥが所定回転数ＳＮＥ（例えば１８００ｒｐｍ）より高いか否かを判別し（ステップＳ３２）、ＮＥ＞ＳＮＥであるときは、吸気管内絶対圧ＰＢＡが所定圧ＳＰＢＡ（例えば３６０ｍｍＨｇ）より高いか否かを判別する（ステップＳ３３）。そして、ステップＳ３１〜Ｓ３３のいずれかの答が否定（ＮＯ）のときは、特定運転状態フラグＦＨＬ及びＳＯｘ除去フラグＦＨＬＳＯｘをともに「０」に設定して（ステップＳ３９）、本処理を終了する。
【００３８】
一方ステップＳ３１〜Ｓ３３の答がすべて肯定（ＹＥＳ）であるときは、図４の処理で設定され、ＮＯｘ浄化装置１６のＮＯｘ吸収剤に吸収されたＳＯｘ量が許容値を越えたこと、すなわちＮＯｘ浄化装置１６が劣化していることを「１」で示す劣化フラグＦＤＳＯｘが「１」であるか否かを判別し（ステップＳ３４）、ＦＤＳＯｘ＝０であってＳＯｘ量が許容値を越えていないときは、触媒温度ＴＣＡＴが所定温度ＳＴＣＡＴ１（例えば５００℃）より高いか否かを判別する（ステップＳ３５）。そして、ＴＣＡＴ＞ＳＴＣＡＴ１であって、エンジン１の排気ガス流量が多く、触媒温度ＴＣＡＴが高い特定運転状態にあるときは、特定運転状態フラグＦＨＬを「１」に設定し、ＳＯｘ除去フラグＦＨＬＳＯｘを「０」として（ステップＳ３８）、本処理を終了する。一方ＴＣＡＴ≦ＳＴＣＡＴ１であるときは、前記ステップＳ３９に進む。
【００３９】
ステップＳ３４でＦＤＳＯｘ＝１であってＮＯｘ浄化装置１６が劣化しているときは、触媒温度ＴＣＡＴが前記所定温度ＳＴＣＡＴ１より高い劣化再生温度ＳＴＣＡＴ２（例えば６００℃）より高いか否かを判別する（ステップＳ３６）。この劣化再生温度ＳＴＣＡＴ２は、ＮＯｘ吸収剤が吸収したＳＯｘを放出し始める温度、すなわちＮＯｘ吸収剤がＳＯｘを放出可能なほぼ最低の温度である。ステップＳ３６でＴＣＡＴ≦ＳＴＣＡＴ２であるときは、触媒温度ＴＣＡＴを速やかに昇温させるべく、前記ステップＳ３８に進む。ステップＳ３８で特定運転状態フラグＦＨＬを「１」に設定することにより、短周期空燃比変動制御（図２，ステップＳ２３）が実行され、触媒温度ＴＣＡＴの昇温が促進される。
ステップＳ３６でＴＣＡＴ＞ＳＴＣＡＴ２であるときは、ＳＯｘの除去が可能な運転状態であるので、特定運転状態フラグＦＨＬ及びＳＯｘ除去フラグＦＨＬＳＯｘをともに「１」に設定して（ステップＳ３７）、本処理を終了する。
【００４０】
図４は、ＮＯｘ浄化装置１６のＮＯｘ吸収剤に吸収されたＳＯｘ量を推定する処理のフローチャートであり、本処理は一定時間毎にＣＰＵ５ｂで実行される。
先ずエンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて次のステップＳ５３で使用する増分値ＡＤＤＳＯｘを決定する（ステップＳ５２）。増分値ＡＤＤＳＯｘは、リーン運転中に単位時間当たりに排出されるＳＯｘ量に対応するパラメータであり、エンジン回転数ＮＥが増加するほど、また吸気管内絶対圧ＰＢＡが増加するほど、増加するように設定されている。単位時間当たりのＳＯｘ排出量は、ＮＯｘ排出量に比べてはるかに小さいので、増分値ＡＤＤＳＯｘは、ＮＯｘ排出量に対応する増分値ＡＤＤＮＯｘより小さい。
【００４１】
ステップＳ５３では、下記式にステップＳ５２で決定した増分値ＡＤＤＳＯｘを適用し、ＳＯｘ量カウンタＣＳＯｘをインクリメントする。これによりＳＯｘ排出量、すなわちＮＯｘ吸収剤に吸収されたＳＯｘ量に相当するカウント値が得られる。
ＣＳＯｘ＝ＣＳＯｘ＋ＡＤＤＳＯｘ
【００４２】
続くステップＳ５４では、ＳＯｘ量カウンタＣＳＯｘの値が、許容値ＣＳＯｘＲＥＦを越えたか否かを判別する。ＣＳＯｘ≦ＣＳＯｘＲＥＦであるときは、劣化フラグＦＤＳＯｘを「０」とし（ステップＳ５５）、ＣＳＯｘ＞ＣＳＯｘＲＥＦであるときは、劣化フラグＦＤＳＯｘを「１」に設定する（ステップＳ５６）。許容値ＣＳＯｘＲＥＦは、例えばＮＯｘ吸収剤の吸収能力が新品の１／２程度の低下した状態に対応する値に設定される。
【００４３】
図４の処理によりＮＯｘ吸収剤に吸収されたＳＯｘ量が推定され、そのＳＯｘ量が許容値を越えると劣化フラグＦＤＳＯｘが「１」に設定される。その結果図３のステップＳ３４からステップＳ３６に進む処理が実行され、触媒温度ＴＣＡＴが低いときは（ＴＣＡＴ≦ＳＴＣＡＴ２）ときは、短周期空燃比変動制御によりＮＯｘ吸収剤の昇温が促進され（ステップＳ３８，図２のステップＳ１３，Ｓ２３）、ＴＣＡＴ＞ＳＴＣＡＴ２となると、ＳＯｘ除去処理が実行される（ステップＳ３７，図２のステップＳ１２，Ｓ２４）。
【００４４】
図５は、図２のステップＳ２２で実行される短周期空燃比変動制御のフローチャートである。
ステップＳ４１では図２の処理の前回実行時において特定運転状態フラグＦＨＬが「１」であったか否かを判別し、前回ＦＨＬ＝０であったときは、リーン運転継続時間を計時するダウンカウントタイマｔｍＬＥＡＮにリーン時間ＴＬＥＡＮ（例えば１秒）をセットしてスタートさせる（ステップＳ４２）とともに、リッチ運転継続時間を計時するダウンカウントタイマｔｍＲＩＣＨにリッチ時間ＴＲＩＣＨ（例えば０．２秒）をセットしてスタートさせる（ステップＳ４３）。次いで、目標空燃比係数ＫＣＭＤを空燃比２２程度に相当するリーン化所定値ＫＣＭＤＬに設定して（ステップＳ４４）、本処理を終了する。
【００４５】
次回以降は、ステップＳ４１の答が肯定（ＹＥＳ）となるので、ステップＳ４５に進み、タイマｔｍＬＥＡＮの値が「０」か否かを判別する。最初はｔｍＬＥＡＮ＞０であるので、前記ステップＳ４３に進み、リーン運転を継続する。ステップＳ４５でｔｍＬＥＡＮ＝０となると、ステップＳ４６でタイマｔｍＲＩＣＨの値が「０」であるか否かを判別する。最初はｔｍＲＩＣＨ＞０であるので、目標空燃比係数ＫＣＭＤを空燃比１１程度に相当するリッチ化所定値ＫＣＭＤＲ２に設定して（ステップＳ４７）、本処理を終了する。ｔｍＲＩＣＨ＝０となるまでは、ステップＳ４１からＳ４５，Ｓ４６，Ｓ４７を実行し、リッチ運転が継続される。そしてｔｍＲＩＣＨ＝０となると、ステップＳ４６からステップＳ４２に進む。
図５の処理により、図６に示すように、リーン時間ＴＬＥＡＮのリーン運転と、リッチ時間ＴＲＩＣＨのリッチ運転とを繰り返す短周期空燃比変動制御が実行される。
【００４６】
図７は、図２のステップＳ２４で実行されるＳＯｘ除去処理のフローチャートである。
ステップＳ６１では、図２の処理の前回実行時においてＳＯｘ除去フラグＦＨＬＳＯｘが「１」であったか否かを判別し、ＦＨＬＳＯｘ＝０であったとき、すなわちＦＨＬＳＯｘ＝０の状態からＦＨＬＳＯｘ＝１の状態に移行したときは、ＳＯｘ除去のためのリッチ運転継続時間を計時するダウンカウントタイマｔｍＲＳＯｘに劣化再生時間ＴＲＳＯｘ（例えば８分）を設定して（ステップＳ６２）、ステップＳ６３に進む。次回以降はステップＳ６１から直ちにステップＳ６３に進む。
【００４７】
ステップＳ６３では目標空燃比係数ＫＣＭＤを例えば空燃比１１程度に相当するＳＯｘ還元リッチ化所定値ＫＣＭＤＲ３に設定し、次いでタイマｔｍＲＳＯｘの値が「０」であるか否かを判別する（ステップＳ６４）。ｔｍＲＳＯｘ＞０である間は、直ちに本処理を終了し、ｔｍＲＳＯｘ＝０となると、ＳＯｘ量カウンタＣＳＯｘを「０」にリセットするとともに、劣化フラグＦＤＳＯｘを「０」に設定して（ステップＳ６５）、本処理を終了する。ステップＳ６５を実行することにより、ＳＯｘ除去フラグＦＨＬＳＯｘが「０」に戻され（図３，ステップＳ３４，Ｓ３５，Ｓ３８）、ＳＯｘ除去処理が終了する。
【００４８】
図８は、時刻ｔ０から空燃比変動制御を開始した場合の、触媒温度ＴＣＡＴの昇温特性の一例を示す図である。同図（ａ）のラインＬ６は、短周期空燃比変動制御（リーン時間１秒、リッチ時間０．２６秒）を実行した場合に対応し、ラインＬ７は、長周期空燃比変動制御（リーン時間１０秒、リッチ時間２秒）を実行した場合に対応する。この図から明らかなように、短周期空燃比変動制御を実行することに長周期空燃比変動制御に比べてより短時間で触媒温度ＴＣＡＴを上昇させることができるので、ＮＯｘ吸収剤が硫黄被毒した場合にＳＯｘを除去する際に有効である。すなわち、ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＳＯｘは、ＮＯｘ吸収剤が高温であるほど放出され易いので、短周期空燃比変動制御を実行することにより、ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＳＯｘの除去を容易に行うことが可能となる。
【００４９】
同図（ｂ）は、短周期空燃比変動制御におけるリッチ運転時の空燃比を変化させた場合の昇温特性を示す。ラインＬ６は、同図（ａ）のラインＬ６と同一であって、リッチ空燃比を１１とした場合の特性を示し、ラインＬ８，Ｌ９，Ｌ１０は、それぞれリッチ空燃比を１２，１３，１４．５とした場合の特性を示す。この特性により、リッチ空燃比を小さくするほど（空燃比をリッチ化するほど）、ＮＯｘ吸収剤が昇温が速まるとともに、定常状態での温度を高くすることができる。リッチ空燃比が１３であれば、触媒温度ＴＣＡＴは、ＳＯｘが放出される劣化再生温度ＳＴＣＡＴ２（約６００℃）まで達するので、リッチ空燃比は１３以下とする必要があり、好ましくは１１程度までリッチ化することが望ましい。
【００５０】
以上のように本実施形態では、図４の処理によりＮＯｘ吸収剤に吸収されたＳＯｘ量に対応するＳＯｘ量カウンタＣＳＯｘの値が許容値ＣＳＯｘＲＥＦを越えたときは、劣化フラグＦＤＳＯｘが「１」に設定され、図５の短周期空燃比変動制御が実行されてＮＯｘ吸収剤の昇温が促進される。そして、前記特定運転状態において触媒温度ＴＣＡＴ、すなわちＮＯｘ吸収剤の温度が劣化再生温度ＳＴＣＡＴ２を越えると、図６のＳＯｘ除去処理が実行され、劣化再生時間ＴＲＳＯｘに亘って空燃比が理論空燃比よりリッチ側に維持され（ＫＣＭＤ＝ＫＣＭＤＲ３）、ＮＯｘ吸収剤からＳＯｘが除去される。このように本実施形態では短周期空燃比変動制御を導入することにより、ＮＯｘ吸収剤の温度を早期にＳＯｘを放出可能な温度まで高め、ＳＯｘを確実に効率よく除去することができる。その結果良好な排気ガス特性を長期間に亘って維持することができる。
【００５１】
次に図９及び１０を参照して短周期空燃比変動制御を実行することにより達成されるＮＯｘ浄化率について説明する。
図９は、触媒温度ＴＣＡＴが５７０℃程度の高温でありかつエンジン１の高負荷運転状態、すなわち前記特定運転状態におけるＮＯｘ浄化率を示す図であり、横軸はリッチ化所定値ＫＣＭＤＲ１またはＫＣＭＤＲ２に対応するリッチ運転中の空燃比ＡＦＲである。ラインＬ１は、短周期空燃比変動制御を実行した場合の特性を示し、ラインＬ２は、リーン運転時間１０秒、リッチ運転時間２秒を繰り返す長周期空燃比変動制御（従来のリーン運転と還元リッチ化の繰り返しに対応する制御）を、ＮＯｘ吸収剤が硫黄被毒していない状態で実行した場合の特性を示している。この図から明らかなように、前記特定運転状態においては、短周期空燃比変動制御を実行することにより、従来の長周期空燃比変動制御に比べてより高いＮＯｘ浄化率を達成することができる。しかも、ＮＯｘ吸収剤が硫黄被毒した場合には、ラインＬ２の特性は著しく悪化するのに対し、ラインＬ１の特性は、ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収放出作用を利用せずに得られるので、ＮＯｘ吸収剤が硫黄被毒しても全く影響を受けず、高いＮＯｘ浄化率を維持することができる。
【００５２】
図１０は、リーン時間ＴＬＥＡＮを１秒に固定し、リッチ時間ＴＲＩＣＨを変化させた場合の、ＮＯｘ浄化率を示している。ここで、ラインＬ３，Ｌ４及びＬ５は、それぞれ吸気管内絶対圧ＰＢＡ＝６６０ｍｍＨｇ，４６０ｍｍＨｇ及び３１０ｍｍＨｇに対応している。すなわち、短周期空燃比変動制御を実行した場合のＮＯｘ浄化率は、エンジン負荷が増加するほど（排気ガス流量が増加するほど）高くなり、短周期空燃比変動制御が特に高負荷運転状態において有効であることがわかる。
【００５３】
したがって、排気ガス流量の多い高負荷運転状態において短周期空燃比変動制御を実行するとともに、排気ガス流量が少ない低負荷運転状態で従来の還元リッチ化、すなわち長周期空燃比変動制御を実行することにより、エンジン運転状態の広い範囲で高いＮＯｘ浄化率を達成することができる。さらに、高負荷運転状態では、硫黄被毒の影響を排除することができる。
【００５４】
次に、短周期空燃比変動制御を実行する場合の、リーン時間ＴＬＥＡＮ及びリッチ時間ＴＲＩＣＨの設定範囲について検討する。
【００５５】
図１１は、リッチ時間ＴＲＩＣＨを０．２６秒に固定し、リーン時間ＴＬＥＡＮを変化させた場合のＮＯｘ浄化率を示している。この図から明らかなようにリーン時間ＴＬＥＡＮは短いほど高いＮＯｘ浄化率が得られる。ここで、ＮＯｘ浄化率を５０％程度以上確保するためには、リーン時間ＴＬＥＡＮは２秒以下とする必要がある。
【００５６】
リーン時間ＴＬＥＡＮの下限値は、図１１からは明らかではないが、０．５秒程度とするのが妥当である。リーン時間ＴＬＥＡＮを短縮していくと、良好な燃費を実現するためには、リッチ時間ＴＲＩＣＨも短縮する必要があるが、リーン時間ＴＬＥＡＮが０．５秒より短くなると、リッチ時間ＴＲＩＣＨを短縮することが難しくなって良好な燃費を確保できなくなるからである。
したがって、リーン時間ＴＬＥＡＮは０．５秒から２秒の範囲に設定することが望ましい。
リッチ時間ＴＲＩＣＨは、最大でもリーン時間ＴＬＥＡＮの１／２以下とすることが望ましい。リーン時間ＴＬＥＡＮの１／２より長くすると、リーン運転することによる燃費の向上が僅かとなり、三元触媒を使用して空燃比を理論空燃比近傍に設定するストイキ運転を行う場合と大差なくなってしまうからである。
【００５７】
一方リーン時間ＴＬＥＡＮを一定として、リッチ時間ＴＲＩＣＨを短縮すると、図１０に示したようにＮＯｘ浄化率は低下する。この図に示した例では、ＮＯｘ浄化率５０％を確保するためには、ＰＢＡ＝４６０ｍｍＨｇ（ラインＬ４）でリッチ時間ＴＲＩＣＨを０．１５秒（＝ＴＬＥＡＮ（１秒）／６．７）以上とする必要がある。すなわちリッチ時間ＴＲＩＣＨの下限値は、上述した特定運転状態をどの範囲に設定するかという点及びＮＯｘ浄化率の目標値によって決まるものであり、一義的に決めることは困難である。
【００５８】
例えばＮＯｘ浄化率の目標値を４０％以上とし、特定運転状態を定義するための所定圧ＳＰＢＡを４６０ｍｍＨｇとすると、リッチ時間ＴＲＩＣＨの下限値は、０．１秒、すなわちＴＬＥＡＮ／１０となる。
本実施形態は、請求項１に記載した排気ガス浄化装置に対応し、図４の劣化フラグＦＤＳＯｘの設定を行う処理が劣化検出手段に相当し、図３のステップＳ３４、Ｓ３６及びＳ３８、図２のステップＳ１３並びに短周期空燃比変動制御を行う図５の処理が空燃比変動手段に相当し、図３のステップＳ３６，Ｓ３７，図２のステップＳ１２並びに図７のＳＯｘ除去処理が劣化再生手段に相当する。
【００５９】
（第２の実施形態）
本実施形態は、劣化フラグＦＤＳＯｘが「１」に設定される前でも、触媒温度ＴＣＡＴが劣化再生温度ＳＴＣＡＴ２より高くなったときは、ＮＯｘ浄化装置１６の劣化度合、すなわちＳＯｘ量カウンタＣＳＯｘの値に応じて劣化再生時間ＴＲＳＯｘを設定し、ＳＯｘを還元するための空燃比リッチ化を劣化再生時間ＴＲＳＯｘに亘って実行するようにしたものである。
【００６０】
本実施形態では、図３の運転状態判別処理に代えて、図１２の運転状態判別処理を実行し、図７のＳＯｘ除去処理に代えて図１３のＳＯｘ除去処理がＣＰＵ５ｂで実行される。本実施形態は、図３及び図７の処理に代えて図１２及び図１３の処理を実行する点以外は、第１の実施形態と同一である。
【００６１】
図１２の運転状態判別処理は、図３のステップＳ３４を削除して、その位置にステップＳ３６を移動させ、ステップＳ４０をステップＳ３６とＳ３７の間に追加したものである。これ以外は図３の処理と同一である。
ステップＳ３１からＳ３３の答がすべて肯定（ＹＥＳ）であるときは、触媒温度ＴＣＡＴが劣化再生温度ＳＴＣＡＴ２より高いか否かを判別し（ステップＳ３６）、ＴＣＡＴ＞ＳＴＣＡＴ２であるときは、ステップＳ４０に進み、ＴＣＡＴ≦ＳＴＣＡＴ２であるときは、ステップＳ３５に進む。
【００６２】
ステップＳ４０では、ＳＯｘ量カウンタＣＳＯｘの値が下側閾値ＣＳＯｘＬより大きいか否かを判別し、ＣＳＯｘ≦ＣＳＯｘＬであるときは、ステップＳ３８に進み、ＳＯｘ除去フラグＦＨＬＳＯｘを「０」に設定して、ＳＯｘ除去処理を実行しないようにする。一方、ＣＳＯｘ＞ＣＳＯｘＬであるときは、ステップＳ３７に進んでＳＯｘ除去フラグＦＨＬＳＯｘを「１」に設定し、ＳＯｘ除去処理を実行する。
【００６３】
ステップＳ４０は、ＳＯｘ除去処理が終了した時点では、触媒温度ＴＣＡＴが劣化再生温度ＳＴＣＡＴ２より高いので、再度ＳＯｘ除去処理が開始されることを防止するために設けられており、下側閾値ＣＳＯｘＬは、例えば前記許容値ＣＳＯｘＲＥＦの１／１０程度の値に設定される。
【００６４】
したがって、図１２の処理によれば、通常はステップＳ３１〜Ｓ３３の答がすべて肯定（ＹＥＳ）でかつ触媒温度ＴＣＡＴが劣化再生温度ＳＴＣＡＴ２を越えると、劣化フラグＦＤＳＯｘの値に拘わらずＳＯｘ除去フラグＦＨＬＳＯｘが「１」に設定されＳＯｘ除去処理が実行されるが、ステップＳ３１からＳ３３及びＳ３６の答がすべて肯定（ＹＥＳ）であっても、ＳＯｘ量カウンタＣＳＯｘの値が下側閾値ＣＳＯｘＬ以下である間は、ＳＯｘ除去処理は実行されない。
【００６５】
図１３のＳＯｘ除去処理は、図７のステップＳ６１とＳ６２の間にステップＳ６６を追加したものであり、これ以外は図７の処理と同一である。
ＳＯｘ除去フラグＦＨＬＳＯｘが「０」から「１」に移行した直後は、先ずＳＯｘ量カウンタＣＳＯｘの値に応じて劣化再生時間ＴＲＳＯｘを設定する（ステップＳ６６）。ここで劣化再生時間ＴＲＳＯｘは、ＳＯｘ量カウンタＣＳＯｘの値が大きいほど長く設定される。
続くステップＳ６２では、ステップＳ６６で設定した劣化再生時間ＴＲＳＯｘをダウンカウントタイマｔｍＲＳＯｘに設定してスタートさせる。
【００６６】
図１３の処理によれば、ＮＯｘ浄化装置１６の劣化度合、具体的にはＮＯｘ浄化装置１６に吸収されたＳＯｘ量に対応するＳＯｘ量カウンタＣＳＯｘの値に応じた劣化再生時間ＴＲＳＯｘに亘ってリッチ空燃比が維持され、ＳＯｘ除去が実行される。
【００６７】
以上のように本実施形態では、エンジン１の前記特定運転状態においては短周期空燃比変動制御が実行され、ＮＯｘ吸収剤の昇温が促進される。そして、排気ガス流量が大きく（図１２のステップＳ３１〜Ｓ３３の答が肯定（ＹＥＳ））、かつ触媒温度ＴＣＡＴが劣化再生温度ＳＴＣＡＴ２より高くなったときは、ＮＯｘ浄化装置１６の劣化度合、すなわちＳＯｘ量カウンタＣＳＯｘの値に応じて劣化再生時間ＴＲＳＯｘが設定され、ＳＯｘを還元するための空燃比リッチ化が劣化再生時間ＴＲＳＯｘに亘って実行される。その結果、ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＳＯｘを効率よく除去することができ、良好な排気ガス特性を長期間に亘って維持することができる。
【００６８】
本実施形態は、請求項２に記載の排気ガス浄化装置に相当し、図４のＮＯｘ吸収剤に吸収されたＳＯｘ量の推定を行う処理が劣化度合検出手段に相当し、図１２のステップＳ３１〜Ｓ３３，Ｓ３５及びＳ３８、並びに図２のステップＳ１３及び短周期空燃比変動制御を行う図５の処理が、空燃比変動手段に相当し、図１２のステップＳ３６，Ｓ４０及びＳ３７，図２のステップＳ１２並びに図１３のＳＯｘ除去処理が劣化再生手段に相当する。
【００６９】
（第３の実施形態）
本実施形態は、ＮＯｘ吸収剤の硫黄被毒が進行し、ＳＯｘ量カウンタＣＳＯｘの値が許容値ＣＳＯｘＲＥＦに達したときは、所定昇温時間ＴＳＲに亘って短周期空燃比変動制御を実行し、次いでＳＯｘ除去処理を実行するようにしたものである。すなわち、本実施形態では、所定昇温時間ＴＳＲに亘る短周期空燃比変動制御の実行により触媒温度ＴＣＡＴが劣化再生温度ＳＴＣＡＴ２に達したと推定して、ＳＯｘ除去処理を実行する。所定昇温時間ＴＳＲは、短周期空燃比変動制御により触媒温度ＴＣＡＴがＳＯｘ除去処理が可能な温度まで昇温するのに要する時間を複数の装置について実測し、その実測時間に応じて（例えば平均値＋標準偏差×３に）設定される。
【００７０】
本実施形態では、図２のＫＣＭＤ算出処理、図３の運転状態判別処理、図５の短周期空燃比変動処理及び図７のＳＯｘ除去処理に代えて、図１４のＫＣＭＤ算出処理、図１５の運転状態判別処理、図１６の短周期空燃比変動処理及び図１７のＳＯｘ除去処理が、それぞれＣＰＵ５ｂで実行される。本実施形態は、図２、図３、図５及び図７の処理に代えて図１４〜図１７の処理を実行する点以外は、第１の実施形態と同一である。
【００７１】
図１４は、本実施形態におけるＫＣＭＤ算出処理のフローチャートであり、この図のステップＳ８１，Ｓ８４〜Ｓ９２は、図２のステップＳ１１，Ｓ１４〜Ｓ２２と同一の処理である。
ステップＳ７１では、図１５の処理により設定され、ＮＯｘ吸収剤の劣化再生モードであることを「１」で示す劣化再生モードフラグＦＳＲＣＭＯＤＥが「１」であるか否かを判別し、ＦＳＲＣＭＯＤＥ＝０であるときは、短周期空燃比変動処理を実行する時間を計測するダウンカウントタイマｔｍＳＲに所定昇温時間ＴＳＲ（例えば６０秒）を設定してスタートさせ（ステップＳ７２）、さらにＳＯｘ除去処理を実行中であることを「１」で示すＳＯｘ除去実行フラグＦＳＣＡＴＯＫを「０」に設定して（ステップＳ７３）、ステップＳ８１以下の処理を実行する。
【００７２】
ステップＳ７１でＦＳＲＣＭＯＤＥ＝１となると、タイマｔｍＳＲの値が「０」か否かを判別する（ステップＳ７４）。ｔｍＳＲ＞０である間はステップＳ７５に進んで短周期空燃比変動制御を実行し、ｔｍＳＲ＝０となると触媒温度ＴＣＡＴがＳＯｘ除去処理が可能な温度まで昇温したと判定して、ＳＯｘ除去実行フラグＦＳＣＡＴＯＫを「１」に設定し（ステップＳ７６）、ＳＯｘ除去処理を実行する（ステップＳ７７）。
【００７３】
図１５は、図１４のステップＳ７１で参照される劣化再生モードフラグＦＳＲＣＭＯＤＥの設定を行うエンジン運転状態判別処理である。この処理は、図３のエンジン運転状態判別処理のステップＳ３５〜Ｓ３９を削除し、ステップＳ４０及びＳ４１を追加したものである。すなわちこの処理によれば、ステップＳ３１〜Ｓ３４の答がすべて肯定（ＹＥＳ）であるとき、すなわち排気ガス流量が多くかつ劣化フラグＦＤＳＯｘが「１」であるときは、劣化再生モードフラグＦＳＲＣＭＯＤＥを「１」に設定され、ステップＳ３１〜Ｓ３４のいずれかの答が否定（ＮＯ）のときは、劣化再生モードフラグＦＳＲＣＭＯＤＥが「０」に設定される。劣化再生モードフラグＦＳＲＣＭＯＤＥが「１」に設定されると、図２の処理のステップＳ７４以下の処理、すなわち短周期空燃比変動処理及びＳＯｘ除去処理が実行され、ＮＯｘ吸収剤に蓄積したＳＯｘの除去が行われる。
【００７４】
図１６は、図１４のステップＳ７５における短周期空燃比変動処理のフローチャートである。この処理は図５のステップＳ４１をステップＳ４８に変更するとともに、ステップＳ４９及びＳ５０を追加したものであり、これ以外の点は、図５の処理と同一である。
【００７５】
本実施形態では、短周期空燃比変動制御の実行条件を劣化再生モードフラグＦＳＲＣＭＯＤＥ＝１であることとしたので、そのために図５のステップＳ４１の特定運転状態フラグＦＨＬがステップＳ４８では劣化再生モードフラグＦＳＲＣＭＯＤＥに置き換えられている。
【００７６】
すなわちステップＳ４８では、前回劣化再生モードフラグＦＳＲＣＭＯＤＥが「１」であったか否かを判別し、ＦＳＲＣＭＯＤＥ＝０であったとき、すなわちフラグＦＳＲＣＭＯＤＥが「０」から「１」に変化した直後であるときはステップＳ４２に進み、その後はステップＳ４８からステップＳ４５に進む。
【００７７】
またステップＳ４９では、リーン化所定値ＫＣＭＤＬをエンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて決定し、ステップＳ４４では目標空燃比係数ＫＣＭＤをステップＳ４９で決定されたリーン化所定値ＫＣＭＤＬに設定する。またステップＳ５０ではリッチ化所定値ＫＣＭＤＲ２をエンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて決定し、ステップＳ４７では目標空燃比係数ＫＣＭＤをステップＳ５０で決定されたリッチ化所定値ＫＣＭＤＲ２に設定する。
【００７８】
図１６の処理により、図５の処理と同様に短周期空燃比変動制御が実行され、さらに本実施形態では、エンジン運転状態に応じてリーン化所定値ＫＣＭＤＬ及びリッチ化所定値ＫＣＭＤＲ２を設定され、エンジン運転状態に応じて最適な空燃比設定を行うことができる。
【００７９】
図１７は、図１４のステップＳ７７におけるＳＯｘ除去処理のフローチャートである。この処理は図７のステップＳ６１をステップＳ１０１に置き換え、ステップＳ１０２及びＳ１０３を追加したものであり、これ以外の点は図７の処理と同一である。
【００８０】
ステップＳ１０１では、前回ＳＯｘ除去実行フラグＦＳＣＡＴＯＫが「１」であったか否かを判別し、ＦＳＣＡＴＯＫ＝０であったとき、すなわちＳＯｘ除去実行フラグＦＳＣＡＴＯＫが「０」から「１」に変化した直後であるときは、タイマｔｍＲＳＯｘに劣化再生時間ＴＲＳＯｘを設定してスタートさせ（ステップＳ６２）、以後はステップＳ１０１から直ちにステップＳ１０２に進む。
【００８１】
ステップＳ１０２では、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じてＳＯｘ還元リッチ化所定値ＫＣＭＤＲ３を決定する。
次いで目標空燃比係数ＫＣＭＤをリッチ化所定値ＫＣＭＤＲ３に設定し（ステップＳ６３）、タイマｔｍＲＳＯｘ＞０である間は直ちに終了し、ｔｍＲＳＯｘ＝０となると、カウンタＣＳＯｘの値を「０」にリセットし、劣化フラグＦＤＳＯｘを「０」にリセットする（ステップＳ６５）とともに、ＳＯｘ除去実行フラグＦＳＣＡＴＯＫを「０」にリセットして（ステップＳ１０３）、本処理を終了する。
【００８２】
この処理により、劣化再生時間ＴＲＳＯｘに亘って目標空燃比係数ＫＣＭＤがＳＯｘ還元リッチ化所定値ＫＣＭＤＲ３に設定され、ＮＯｘ吸収剤のＳＯｘが除去される。また、リッチ化所定値ＫＣＭＤＲ３は、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて設定されるので、エンジン運転状態に拘わらず劣化再生時間ＴＲＳＯｘ内にＳＯｘの除去を完了することが可能となる。
【００８３】
本実施形態によれば、ＳＯｘの吸収によりＮＯｘ吸収剤が劣化したと判定したときは、短周期空燃比変動制御によりＮＯｘ吸収剤の温度を早期にＳＯｘを放出可能な劣化再生温度まで高め、ＳＯｘを確実に効率よく除去することができる。その結果良好な排気ガス特性を長期間に亘って維持することができる。
【００８４】
次に、図１８に示すようにエンジン１の直ぐ下流に三元触媒１８を配置し、ＮＯｘ浄化装置１６を三元触媒１８の下流側であってエンジン１から若干離れた位置、すなわちエンジン１を搭載した車両の車室の床下に配置する構成を採用する場合における短周期空燃比変動制御のリーン時間ＴＬＥＡＮ、リッチ時間ＴＲＩＣＨ、リーン化所定値ＫＣＭＤＬに対応するリーン化空燃比ＡＦＬ及びリッチ化所定値ＫＣＭＤＲ２に対応するリッチ空燃比ＡＦＲの設定について検討する。
【００８５】
図１９（ａ）は、リーン時間ＴＬＥＡＮとリッチ時間ＴＲＩＣＨとの組み合わせを変えて実験した結果を説明するための図であり、Ａ〜Ｄを記入した格子点が各組み合わせに対応する（以下「組み合わせＡ」、「組み合わせＢ」などという）。組み合わせＣ、すなわちリーン時間ＴＥＡＮ及びリッチ時間ＴＲＩＣＨをともに０．２秒以下に設定したときは、それぞれの時間が短すぎるため、ＬＡＦセンサ１４の出力に応じたフィードバック制御が正常に動作しないという問題があり、また組み合わせＤ、すなわちリーン時間ＴＬＥＡＮとリッチ時間ＴＲＩＣＨとがアンバランスである場合は、ＮＯｘ吸収剤の昇温が遅くなる（昇温速度が低下する）傾向が見られた。したがって、組み合わせＡあるいはＢのように、変動周期が比較的長く、リーン時間ＴＬＥＡＮとリッチ時間ＴＲＩＣＨとが等しい設定が好ましいが、組み合わせＢでは、床下に配置したＮＯｘ吸収剤の温度ＴＣＡＴがＳＯｘを除去可能な温度（６００℃）まで達しないという問題がある。変動周期（ＴＬＥＡＮ＋ＴＲＩＣＨ）を長くするすると昇温が不十分となるのは、リッチ空燃比に設定したとき排出されるＨＣ、ＣＯ成分がＮＯｘ浄化装置１６に達する時点と、リーン空燃比に設定したとき増加する酸素がＮＯｘ浄化装置１６に達する時点との時間差が大きくなり、ＮＯｘ浄化装置１６近傍で燃焼するＨＣ、ＣＯの量が減少するためと推測される。
【００８６】
以上の実験結果から、床下に配置したＮＯｘ吸収剤の早期昇温を重視するという観点では、リーン時間ＴＬＥＡＮとリッチ時間ＴＲＩＣＨはともに０．３秒に設定する場合が最も好ましい。なお図１９に結果を示す実験におけるエンジン運転状態は、エンジン回転数ＮＥが２０００ｒｐｍで、吸気管内絶対圧ＰＢＡが６６０ｍｍＨｇである。
【００８７】
図１９（ｂ）は、リーン空燃比ＡＦＬとリッチ空燃比ＡＦＲとの組み合わせを変えて実験した結果を説明するための図であり、Ｅ〜Ｈを記入した格子点が各組み合わせに対応する。なお、空欄は実験を行っていない組み合わせである。
前述したようにリッチ空燃比ＡＦＲを小さくする（リッチ化する）ほどＮＯｘ吸収剤の昇温が速まり、定常状態での温度を高くすることができるが、組み合わせＧのように小さくし過ぎると、上流側の三元触媒１８の温度が上がりすぎるという問題が発生する。またリーン空燃比ＡＦＬを小さくするほどＮＯｘ吸収剤の昇温速度が低下する傾向があるため、組み合わせＦやＨでは、ＮＯｘ吸収剤の昇温が遅いという問題がある。また組み合わせＨでは、三元触媒１８の温度が上がり過ぎるという問題もある。したがって、三元触媒１８及びＮＯｘ浄化装置１６のＮＯｘ吸収剤の両者の温度上昇を考慮し、三元触媒１８の過度の温度上昇を回避しつつＮＯｘ浄化装置１６の早期昇温を実現するには、組み合わせＥ、すなわちリーン空燃比ＡＦＬ＝２０、リッチ空燃比ＡＦＲ＝１１とする場合が最も好ましい。
【００８８】
図２０は、上述したエンジン運転状態（ＮＥ＝２０００ｒｐｍ，ＰＢＡ＝６６０ｍｍＨｇ）で、リーン時間ＴＬＥＡＮ＝リッチ時間ＴＲＩＣＨ＝０．３秒、リーン空燃比ＡＦＬ＝２０，リッチ空燃比ＡＦＲ＝１１とした場合の昇温特性の一例を示すタイムチャートである。同図（ａ）は、三元触媒１８が無い場合に、床下に配置したＮＯｘ吸収剤の昇温特性を示し、初期温度が３９０℃程度であるときは、短周期空燃比変動制御開始から約１２秒で６００℃に達する。同図のＴＬＢＣＲＳは、リーン運転のクルーズ状態における温度（約４３０℃）であり、この温度ＴＬＢＣＲＳからは約８秒で６００℃に達する。
【００８９】
同図（ｂ）は、図１８の配置を採用した場合の三元触媒１８の昇温特性（ラインＬ１１）及びＮＯｘ吸収剤の昇温特性（ラインＬ１２）を示す。このように、三元触媒１８が存在することにより、ＮＯｘ吸収剤の昇温速度はかなり低下し、短周期空燃比変動制御の開始から６００℃に達するまでに約５７秒を要する。
【００９０】
本実施形態は、請求項１に記載した排気ガス浄化装置に対応し、図１４のステップＳ７１，Ｓ７２，Ｓ７４及びステップＳ７５が空燃比変動手段に相当し、ステップＳ７２，Ｓ７４，Ｓ７６及びＳ７７が劣化再生手段に相当する。
【００９１】
（その他の実施形態）
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、エンジン１の特定運転状態を定義する図３の処理は、少なくともエンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡによって判定するステップＳ３２，Ｓ３３を備えていればよく、ステップＳ３１やＳ３４の判定はなくてもよい。
また内燃機関は、燃料を吸気管内に噴射するものに限らず、各気筒の燃焼室内に直接噴射するものであってもよい。
【００９２】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項１に記載の発明によれば、劣化検出手段により窒素酸化物浄化手段の劣化が検出されたときに、所定時間以下に設定される周期で、機関に供給する混合気の空燃比が理論空燃比を境としてリーン側とリッチ側とに変動制御され、該空燃比変動制御中に窒素酸化物浄化手段の温度が劣化再生温度より高くなったとき、劣化再生時間に亘って前記空燃比が理論空燃比よりリッチ側に維持されるので、窒素酸化物浄化手段の温度をＳＯｘの除去が可能な劣化再生温度まで速やかに昇温させ、効率的に窒素酸化物浄化手段に吸収されたＳＯｘを除去することができる。その結果、長期間に亘って良好な排気ガス特性を維持することができる。また空燃比をリッチ側に制御するリッチ時間が、リーン側に制御するリーン時間の１／２以下に設定されるとともに、リーン時間が０．５秒から２秒の範囲に設定されるので、リーン運転することによる燃費の向上と５０％程度以上のＮＯｘ浄化率が得られる。
【００９３】
請求項２に記載の発明によれば、機関の排気ガス流量が大きい特定運転状態において、所定時間以下に設定される周期で、機関に供給する混合気の空燃比が理論空燃比を境としてリーン側とリッチ側とに変動制御され、窒素酸化物浄化手段の温度が劣化再生温度より高くなったとき、検出された劣化度合に応じた劣化再生時間に亘って前記空燃比が理論空燃比よりリッチ側に維持されるので、前記特定運転状態において高い窒素酸化物浄化率を達成しつつ、窒素酸化物浄化手段の温度をＳＯｘの除去が可能な劣化再生温度まで速やかに昇温させ、効率的に窒素酸化物浄化手段に吸収されたＳＯｘを除去することができる。その結果、長期間に亘って良好な排気ガス特性を維持することができる。また空燃比をリッチ側に制御するリッチ時間が、リーン側に制御するリーン時間の１／２以下に設定されるとともに、リーン時間が０．５秒から２秒の範囲に設定されるので、リーン運転することによる燃費の向上と５０％程度以上のＮＯｘ浄化率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図２】目標空燃比係数（ＫＣＭＤ）の設定を行う処理のフローチャートである。
【図３】特定運転状態及びＳＯｘ除去可能な運転状態を判別するための処理のフローチャートである。
【図４】ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＳＯｘ量を推定する処理のフローチャートである。
【図５】短周期空燃比変動制御を行う処理のフローチャートである。
【図６】図５の処理を説明するためのタイムチャートである。
【図７】ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＳＯｘを除去する処理のフローチャートである。
【図８】ＮＯｘ浄化装置の温度上昇特性を説明するためのタイムチャートである。
【図９】短周期空燃比変動制御を実行した場合のＮＯｘ浄化率を説明するための図である。
【図１０】リッチ時間（ＴＲＩＣＨ）とＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。
【図１１】リーン時間（ＴＬＥＡＮ）とＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。
【図１２】特定運転状態及びＳＯｘ除去可能な運転状態を判別するための処理（第２の実施形態）のフローチャートである。
【図１３】ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＳＯｘを除去する処理（第２の実施形態）のフローチャートである。
【図１４】目標空燃比係数（ＫＣＭＤ）の設定を行う処理（第３の実施形態）のフローチャートである。
【図１５】ＮＯｘ吸収剤の劣化再生モードを判定する処理（第３の実施形態）のフローチャートである。
【図１６】短周期空燃比変動処理（第３の実施形態）のフローチャートである。
【図１７】ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＳＯｘを除去する処理（第３の実施形態）のフローチャートである。
【図１８】ＮＯｘ浄化装置の上流側に三元触媒を配置する構成を示す図である。
【図１９】制御パラメータ値を決定するための実験結果を説明するための図である。
【図２０】ＮＯｘ吸収剤及び三元触媒の昇温特性を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１  内燃機関
５  電子コントロールユニット（劣化検出手段、劣化度合検出手段、空燃比変動手段、劣化再生手段）
６  燃料噴射弁
７  吸気管内絶対圧センサ
１０  エンジン回転数センサ
１２  排気管
１６  ＮＯｘ浄化装置（窒素酸化物浄化手段）
１７  触媒温度センサ（温度検出手段）
【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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