(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともストイキオ運転状態とリーン運転状態とに切り換え可能な内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガス中の酸素濃度が過剰なときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵する吸蔵能力と、排気ガス中の酸度濃度が低下したときに吸蔵されたＮＯｘを還元する還元能力とを有するＮＯｘ浄化手段と、
該排気通路の該ＮＯｘ浄化手段の上流に設けられた酸化触媒と、
該内燃機関がストイキオ運転状態からリーン運転状態に切り換えられるときに該ＮＯｘ浄化手段に流入する排気ガス中の酸素濃度を強制的に低下させる制御手段とをそなえた
ことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
少なくともストイキオ運転状態とリーン運転状態とに切り換え可能な内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガス中の酸素濃度が過剰なときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵する吸蔵能力と、排気ガス中の酸度濃度が低下したときに吸蔵されたＮＯｘを還元する還元能力とを有するＮＯｘ浄化手段と、
該排気通路の該ＮＯｘ浄化手段の上流に設けられた三元触媒と、
該三元触媒のＮＯｘ浄化能力の低下を検出する浄化能力低下検出手段と、
該浄化能力低下検出手段により該三元触媒のＮＯｘ浄化能力の低下が検出されたとき、該内燃機関がストイキオ運転状態からリーン運転状態に切り換えられると、該ＮＯｘ浄化手段に流入する排気ガス中の酸素濃度を強制的に低下させる制御手段とをそなえた
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、近接触媒と吸蔵型ＮＯｘ触媒とをそなえた希薄燃焼内燃機関に用いて好適の、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、排ガス中の酸素が過剰になる酸素過剰雰囲気において、ＮＯｘを触媒上に吸蔵させることにより排ガス中のＮＯｘを浄化する、吸蔵型のＮＯｘ触媒（トラップ型ＮＯｘ触媒）が開発されている。希薄燃焼内燃機関においては、このＮＯｘ触媒を設けることで希薄燃焼時のＮＯｘを浄化するようにしている。
【０００３】
吸蔵型のＮＯｘ触媒は、酸化雰囲気（酸素濃度過剰雰囲気）では、排ガス中のＮＯｘを酸化させて硝酸塩を生成し、これによりＮＯｘを吸蔵する一方、還元雰囲気（酸素濃度低下雰囲気）では、逆に、吸蔵したＮＯｘを放出する機能を有する。そこで、例えば、特許２６００４９２号公報に開示された技術では、適宜の時間間隔でＮＯｘ触媒の周囲雰囲気を還元雰囲気とすることにより、触媒上に吸蔵したＮＯｘを放出し、これにより、ＮＯｘ触媒の飽和を防止してＮＯｘ吸蔵性能を確保するようにしている。そして、放出したＮＯｘは、ＮＯｘ触媒が還元機能も有する場合（三元触媒一体型の場合）にはその還元機能により、ＮＯｘ触媒が還元機能を有しない場合には下流にそなえた三元触媒により、ＨＣ，ＣＯとともに浄化して、大気中への排出を防止している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のＮＯｘ触媒や三元触媒の浄化能力は温度に大きく依存しており、触媒温度が活性温度以下の場合には十分な浄化能力を発揮することができない。このためエンジンの始動時には排気ガスが浄化されないで大気中に放出されてしまうことになる。
【０００５】
そこで、ＮＯｘ触媒や三元触媒の上流側でエンジンの近傍に近接触媒（酸化触媒や三元触媒）を配置し、この近接触媒によりエンジン始動時の排気ガスを浄化することが行なわれている。
ところが、近接触媒として酸化触媒を配置した場合、酸化触媒はＨＣ，ＣＯは浄化するもののＮＯｘを浄化する機能は有していないので、ＮＯｘは浄化されずにそのまま下流のＮＯｘ触媒に流入することになる。ＮＯｘ触媒は上述のように酸素濃度過剰雰囲気でＮＯｘを吸蔵するとともに、ＮＯｘ濃度過剰雰囲気でもＮＯｘを吸蔵する性質があるため、流入したＮＯｘはＮＯｘ触媒に吸蔵されることになる。
【０００６】
このため、エンジンの始動後、エンジンの運転状態がストイキオ運転状態からリーン運転状態に切り換わったときには既にＮＯｘ触媒は飽和状態に達しており、これ以上ＮＯｘを吸蔵できなくなっている虞がある。
また、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量をリーン運転状態での運転時間から推定し、推定したＮＯｘ吸蔵量が所定値を超えたときにはＮＯｘ触媒の周囲雰囲気を還元雰囲気として吸蔵したＮＯｘを放出させる技術も提案されているが、上記のように酸化触媒を近接触媒として設置した場合には、ストイキオ運転状態でもＮＯｘ触媒にＮＯｘが流入して吸蔵されるため、推定した吸蔵量が所定値に達する前に実際の吸蔵量が所定値を超えてしまいＮＯｘ触媒が飽和状態になってしまう虞もある。
【０００７】
さらに、三元触媒を近接触媒として設置した場合でも、劣化によりＮＯｘ浄化効率が低下したときには、ストイキオ運転状態でもＮＯｘ濃度が低下せず、ＮＯｘ触媒にＮＯｘが吸蔵されることになる。したがって、エンジンの運転状態がストイキオ運転状態からリーン運転状態に切り換わったときには既にＮＯｘ触媒は飽和状態に達しており、これ以上ＮＯｘを吸蔵できなくなっている虞がある。
【０００８】
また、吸蔵型ＮＯｘ触媒としては、上述したようなＮＯｘを硝酸塩として吸蔵するタイプのほか、酸化雰囲気ではＮＯｘを触媒に吸着させ、還元雰囲気では吸着されているＮＯｘを触媒上で直接還元するタイプも存在するが、上記の課題はこのようなタイプの吸蔵型ＮＯｘ触媒にも共通するものである。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、ストイキオ運転状態でのＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵作用を考慮することにより、常に確実にＮＯｘの排出量を低減できるようにした、内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の本発明の内燃機関の排気浄化装置では、少なくともストイキオ運転状態とリーン運転状態とに切り換え可能な内燃機関の排気通路の上流側に酸化触媒を設置し、その下流側に排気ガス中の酸素濃度が過剰なときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵する吸蔵能力と、排気ガス中の酸度濃度が低下したときに吸蔵されたＮＯｘを還元する還元能力とを有するＮＯｘ浄化手段を設置した構成において、内燃機関がストイキオ運転状態からリーン運転状態に切り換えられるときに、制御手段によりＮＯｘ浄化手段に流入する排気ガス中の酸素濃度を強制的に低下させるようにする。
【００１１】
また、請求項２記載の本発明の内燃機関の排気浄化装置では、少なくともストイキオ運転状態とリーン運転状態とに切り換え可能な内燃機関の排気通路の上流側に三元触媒を設置し、その下流側に排気ガス中の酸素濃度が過剰なときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵する吸蔵能力と、排気ガス中の酸度濃度が低下したときに吸蔵されたＮＯｘを還元する還元能力とを有するＮＯｘ浄化手段を設置した構成において、浄化能力低下検出手段により三元触媒のＮＯｘ浄化能力の低下が検出され、内燃機関がストイキオ運転状態からリーン運転状態に切り換えられるときに、制御手段によりＮＯｘ浄化手段に流入する排気ガス中の酸素濃度を強制的に低下させるようにする。
【００１３】
【発明の実施形態】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図４は本発明の第１実施形態としての内燃機関の排気浄化装置について示すものであり、図１には本内燃機関の排気浄化装置を適用した希薄燃焼内燃機関の構成について示している。
【００１４】
本触媒劣化検出装置が適用される希薄燃焼内燃機関は、燃焼室内に燃料を直接噴射可能なガソリン筒内噴射式内燃機関であり、燃料噴射の態様として、吸気行程中に燃料噴射を行ない予混合燃焼によるストイキオ運転を実現するストイキオフィードバックモード（Ｓ−Ｆ／Ｂモード）と、理論空燃比よりも過濃な空燃比で運転を行なうエンリッチモードと、吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行ない予混合燃焼によるリーン運転を実現する前期リーン噴射モードと、圧縮行程中で燃料噴射を行ない層状燃焼によるリーン運転を実現する後期リーン噴射モードとが設けられている。
【００１５】
図１に示すように、エンジン（希薄燃焼内燃機関）１は、燃焼室２の上部側縁に高圧噴射弁（インジェクタ）７をそなえ、燃焼室２内に燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関（筒内噴射エンジン）として構成されている。燃焼室２の上部には中央に点火プラグ５が設けられるとともに、吸気通路３および排気通路４が連通している。吸気通路３には、上流側から順に図示しないエアクリーナ，電子制御式スロットル弁（ＥＴＶ）６が設けられており、排気通路４には、その上流側から順に排ガス浄化用の排気浄化装置８および図示しないマフラが設けられている。また、排気通路４と吸気通路３との間には、排気ガスを還流するＥＧＲ装置９がそなえられている。
【００１６】
排気浄化装置８は、吸蔵型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒という）８Ａ，三元触媒８Ｂ及び近接触媒としての酸化触媒８Ｃを組み合わせたものになっており、エキゾーストマニホールドの近傍（或いはエキゾーストマニホールドと一体）に近接触媒８Ｃを配置し、その下流にＮＯｘ触媒８Ａと三元触媒８Ｂとを配置している。このような配置構成により、始動直後のようにＮＯｘ触媒８Ａ，三元触媒８Ｂが十分に機能するまで暖まっていない間は、エンジン１に近く暖まりやすい酸化触媒８Ｃにより排気ガスの浄化を行ない、暖機後の理論空燃比下では三元触媒８Ｂにより排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘを浄化するようになっている。また、リーン運転時に発生するＮＯｘは、酸化雰囲気（即ち、酸素過剰雰囲気）で機能するＮＯｘ触媒８Ａにより吸蔵し、吸蔵したＮＯｘは還元雰囲気でＮＯｘ触媒８Ａから放出して三元触媒８Ｂにより還元するようになっている。すなわち、ここでは、ＮＯｘ触媒８Ａと三元触媒８ＢとによりＮＯｘ浄化手段を構成している。
【００１７】
さらに、このエンジン１を制御するために、制御装置２０と、種々のセンサ類とが設けられている。本エンジン１に設けられるセンサ類として、まず吸気通路３側には、そのエアクリーナ配設部分に、吸入空気量を検出するエアフローセンサ１０が設けられており、そのＥＴＶ６の配設部分には、ＥＴＶ６の開度を検出するスロットルセンサ１１が設けられている。また、排気通路４側には、ＮＯｘ触媒８の上流側部分に、排ガス中の酸素濃度を検出するＯ2センサ１３と、排気温度を検出する高温センサ１４とが設けられている。さらに、その他のセンサとして、図示しないクランクシャフトの回転に同期して信号を出力するクランク角センサ１５等が設けられている。
【００１８】
次に、制御装置２０の機能について説明すると、制御装置２０はＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭ，Ｉ／Ｏ等の要素からなる電子制御ユニット（ＥＣＵ）として構成されており、図２の機能ブロック図に示すように、その機能要素として噴射制御手段２１，ＥＴＶ開度制御手段２２，点火時期制御手段２３，ＥＧＲ開度制御手段２４及び運転モード選択手段２５をそなえている。
【００１９】
運転モード選択手段２５は、エンジン回転速度Ｎｅやエンジン負荷（平均有効圧力）Ｐｅからエンジン１の運転状態を把握し、エンジン１の運転状態に応じて上述した各運転モードの中から適宜のモードを選択する手段である。そして、噴射制御手段２１，ＥＴＶ開度制御手段２２，点火時期制御手段２３，ＥＧＲ開度制御手段２４では、選択された運転モードに応じて空燃比，点火時期，ＥＧＲ開度を制御するようになっている。
【００２０】
ところで、ＮＯｘ触媒８Ａは、リーン運転状態においてＮＯｘを吸蔵し続けているとやがて飽和状態に達し、吸蔵しきれなくなったＮＯｘは大気中に放出されてしまうことになる。そこで、ＥＣＵ２０では、その機能要素である開始判定手段２６と制御手段としてのＮＯｘ放出制御手段２７とにより、ＮＯｘ触媒８Ａが飽和状態に達する前に、ＮＯｘ触媒８Ａに吸蔵されたＮＯｘの放出，還元を行なうようになっている。以下、開始判定手段２６によるＮＯｘ放出の開始／解除判定、及びＮＯｘ放出制御手段２７によるＮＯｘ放出制御について説明する。
【００２１】
開始判定手段２６では、下記の第１条件と第２条件とが共に成立した時、ＮＯｘ放出を開始すると判定するようになっている。まず、第一条件は、触媒温度推定手段２８により推定される三元触媒８Ｂの触媒温度Ｔｈが、所定の基準温度〔活性温度（例えば浄化効率が５０％に達する温度），例えば約２５０〜３００℃〕Ｔｈ0以上になることである。これは、三元触媒８Ｂの還元機能が十分に発揮されていない状態でのＮＯｘ放出を禁止するための条件である。なお、触媒温度推定手段２８では、高温センサ１４で検出される排ガス温度と三元触媒８Ｂの触媒温度との関係を予め実験で求めてマップに記憶しておき、検出した排ガス温度をマップにより補正することで三元触媒８Ｂの触媒温度Ｔｈを推定するようになっている。
【００２２】
第２条件は、次の３つのいずれかの条件が成立することである。まず、一つ目の条件は、リーン運転の継続時間ＴLが所定時間ＴL0に達することである。この所定時間ＴL0の設定は、長すぎるとＮＯｘ触媒８Ａが飽和に達して浄化効率の低下を招き、短すぎると燃費が悪化することになるので、両者の要求を共に満たす適当な値（例えば３０秒）に設定する。二つ目の条件は、リーン運転の継続時間ＴLが所定時間ＴL1に達した後に、運転モードがリーンモードからＳ−Ｆ／Ｂモードに切り換わることである。これは、運転モードの切り換わりを利用してＮＯｘパージを行なうことにより燃費の悪化やトルク変動を低減しようとしたものであり、所定時間ＴL1は前記の所定時間ＴL0よりも短い時間（例えば５秒）に設定する。
【００２３】
三つ目の条件は、ストイキオ運転の継続時間ＴFが所定時間ＴF0に達した後に、運転モードがＳ−Ｆ／Ｂモードからリーンモードに切り換わることである。近接触媒として酸化触媒８Ｃをそなえた場合、酸化触媒８ＣはＮＯｘ浄化機能を有していないため、ストイキオ運転では排気ガス中のＮＯｘ濃度が高くＮＯｘ触媒８Ａの周囲雰囲気はＮＯｘ濃度過剰雰囲気になるので、ストイキオ運転中でもＮＯｘ触媒８ＡにＮＯｘが吸蔵されることになる。そこで、ストイキオ運転中においてＮＯｘ触媒８Ａに吸蔵されたＮＯｘを放出させるべく、リーンモードに切り換わる際にＮＯｘパージを実行するようにしたのである。なお、上記の所定時間ＴF0は例えば５秒程度に設定する。
【００２４】
そして、開始判定手段２６により開始判定が行なわれると、ＮＯｘ放出制御手段２７では、ＮＯｘの放出を開始するようになっている。以下、ＮＯｘ放出制御について具体的に説明する。ＮＯｘ放出制御は、図３に示すようにリッチパージ制御モードとＳ−Ｆ／Ｂパージ制御モードとの２つの制御モードから構成されており、ＮＯｘ放出制御手段２７では、ＮＯｘ放出制御の開始判定とともに、まず、リッチパージ制御モードでのＮＯｘ放出制御を開始するようになっている。
【００２５】
リッチパージ制御モードは、空燃比を理論空燃比（ストイキオ）よりもリッチ側にすることにより、ＮＯｘ触媒８Ａの周囲雰囲気を還元雰囲気（即ち、酸素不足状態）としてＣＯ過剰雰囲気とし、ＮＯｘ触媒８Ａに吸蔵されたＮＯｘを放出させるとともに、還元剤としてのＨＣ，ＣＯを多量に生成して、三元触媒８ＢにおけるＮＯｘの還元を促進させる制御モードである。このため、ＮＯｘ放出制御手段２７では、目標空燃比をリッチ側に設定するとともに、設定した目標空燃比に応じたスロットル開度，点火時期，燃料噴射時期になるように、ＥＴＶ開度制御手段２２，点火時期制御手段２３，噴射制御手段２１を介して、ＥＴＶ６，点火プラグ５，インジェクタ７を適宜制御するようになっている。
【００２６】
ただし、リーン（或いはストイキオ）からリッチへ空燃比が急激に切換わるとトルク変動が発生するため、目標空燃比をＮＯｘ放出制御の開始判定とともにリッチに設定するのではなく、テーリング処理により徐々にリッチ側に設定していくようになっている。そして、目標空燃比が所定の空燃比までリッチ化されたとき、通常のリッチ放出制御による燃料噴射に加えて、極短時間（例えば、０．１〜１秒程であり走行距離が長くなるほど短く設定する）の間、膨張行程噴射を行なうようになっている。
【００２７】
ＮＯｘ触媒８ＡのＮＯｘの放出特性は、空燃比がストイキオに達し周囲雰囲気が還元雰囲気となった当初が最も放出量が多く、次第に減少していくような特性になっているため、ＮＯｘを還元するための還元剤は、ＮＯｘ放出の開始当初に最も必要となる。そこで、燃料が燃焼に寄与しない膨張行程以降（好ましくは膨張行程後期〜排気行程）において燃料噴射を行なうことにより、未燃ガスを大量に発生させて、還元剤を主に三元触媒８Ｂに供給してＮＯｘを還元するのである。この膨張行程噴射では、設定した目標空燃比に応じた燃料噴射時間を設定するとともに、燃料噴射時期を膨張行程以降の所定時期に設定するようになっている。
【００２８】
膨張行程噴射の終了後は通常のリッチパージ制御モードに戻り、リッチパージ制御モードでのＮＯｘ放出制御開始から所定時間（例えば、約１〜５秒であり走行距離が長くなるほど短く設定する）ＴR経過後、Ｓ−Ｆ／Ｂパージ制御モードでのＮＯｘ放出制御に移行するようになっている。上述のように、ＮＯｘ触媒８ＡからのＮＯｘ放出量はＮＯｘ放出開始後次第に低下していくので、ＮＯｘの放出量の低下に応じて還元剤の生成量も減らして燃費の悪化を防止すべく、空燃比をストイキオ若しくは僅かにリッチにした状態でＮＯｘ放出を行なうのである。なお、リッチパージ制御モードからＳ−Ｆ／Ｂパージ制御モードへの移行時に突然空燃比を変化させると、トルク変動が発生するので、所定時間ＴR経過前から徐々にストイキオ側に切り換えていくようになっている。
【００２９】
Ｓ−Ｆ／Ｂパージ制御モードにおいては、ＮＯｘ放出制御手段２７は、フィードバック積分ゲインを空燃比がストイキオよりもややリッチになる方向に設定し空燃比をスライトリッチにするとともに、リッチモード時とのトルク段差が発生しないように点火時期，スロットル開度を設定し、点火時期，スロットル開度に応じて燃料噴射時期を設定するようになっている。
【００３０】
Ｓ−Ｆ／Ｂパージ制御モードでのＮＯｘ放出制御は、開始から所定時間ＴSが経過するまで行なわれるようになっている。この所定時間ＴSの設定は、リーン運転継続時間ＴL時間が長い程、また、吸入空気量が多い程、また、走行距離が長い程、長時間に設定するようになっている。そして、所定時間ＴS経過後は、再びリーン運転へ移行するが、ここでも空燃比の急激な変化に伴うトルク変動を防止するため、所定時間ＴS経過前から徐々にリーン側に切り換えていくようになっている。
【００３１】
また、ＮＯｘ放出制御手段２７は、所定の場合には制御の途中でもＮＯｘ放出制御を解除するようになっている。ＮＯｘ放出制御の解除条件は下記の３つであり、何れか１つでも成立した時には解除されるようになっている。まず、第１条件は、触媒温度推定手段２８により推定される三元触媒８Ｂの触媒温度Ｔｈが、基準温度Ｔｈ0未満になることであり、ＮＯｘ触媒８Ａから放出されたＮＯｘが、三元触媒８Ｂの還元機能が不活性であることにより大気中へそのまま放出されるのを防止するための条件である。第２条件は、減速時において燃料がカットされる場合であり、この場合には、燃料が供給されないため必然的にＮＯｘ放出を行なうことはできなくなる。第３条件は、例えばドライバがアクセルを踏み込んだ場合のように、エンジンがリッチ運転状態になった場合である。この場合には、ＮＯｘ放出制御を行なうまでもなく自然にＮＯｘ放出が行なわれるからである。
【００３２】
本発明の第１実施形態としての内燃機関の排気浄化装置は、上述のように構成されているので、例えば図４のフローチャートに示すようにしてＮＯｘ触媒８ＡからのＮＯｘ放出制御が行なわれる。
まず、ステップＳ１００において、フラグＦSが１か否かを判定する。フラグＦSが１の場合には、ステップＳ２００に進んでＳ−Ｆ／Ｂパージ制御モードでのＮＯｘ放出制御を開始し、フラグＦSが０の場合には、ステップＳ１１０に進んで開始判定手段２６によるＮＯｘ放出の開始判定を行なう。即ち、触媒温度推定手段２８により推定される三元触媒８Ｂの触媒温度Ｔｈが所定の基準温度（活性温度）Ｔｈ0以上か否かを判定し（ステップＳ１１０）、ステップＳ１１０の条件が成立した場合には、リーン運転継続時間ＴLが所定時間ＴL0経過したか否か（ステップＳ１２０）、リーン運転継続時間ＴLが所定時間ＴL1に達した後に運転モードがリーンモードからＳ−Ｆ／Ｂモードに切り換わったか否か（ステップＳ１３０）、ストイキオ運転継続時間ＴFが所定時間ＴF0に達した以降に運転モードがＳ−Ｆ／Ｂモードからリーンモードに切り換わったか否か（ステップＳ１４０）をそれぞれ判定し、ステップＳ１２０，Ｓ１３０，Ｓ１４０の各条件のうちいずれかが成立した場合には、ＮＯｘ触媒８Ａに吸蔵されたＮＯｘを脱離して後段の三元触媒８Ｂで浄化すべく、ＮＯｘ放出制御手段２７は、ＮＯｘ放出制御（リッチパージ制御モード）を開始する（ステップＳ１５０）。
【００３３】
また、ＮＯｘ放出制御とともに、ステップＳ１６０では触媒温度推定手段２８により推定される三元触媒８Ｂの触媒温度Ｔｈが所定の基準温度Ｔｈ0未満か否かを、ステップＳ１７０では燃料がカットされる減速時か否かを、ステップＳ１８０ではエンリッチ運転に突入したか否かを、ステップＳ１９０ではリッチパージ制御モードでの制御開始から所定時間ＴRが経過したか否かをそれぞれ判定する。そして、ステップＳ１６０〜Ｓ１８０の何れかの条件が成立した場合には、ＮＯｘ放出制御を解除し（ステップＳ２１０）、ステップＳ１６０〜Ｓ１８０の何れの条件も成立せず且つステップＳ１９０の条件が成立した場合には、Ｓ−Ｆ／Ｂパージ制御モードに移行すべくフラグＦSを立てる（ステップＳ２００）。
【００３４】
フラグＦSが立つ（ＦS＝１）ことにより、ＮＯｘ放出制御手段２７は、Ｓ−Ｆ／Ｂパージ制御モードでのＮＯｘ放出制御を開始する（ステップＳ２２０）。また、ＮＯｘ放出制御とともに、ステップＳ２３０では触媒温度推定手段２８により推定される三元触媒８Ｂの触媒温度Ｔｈが所定の基準温度Ｔｈ0未満か否かを、ステップＳ２４０では燃料がカットされる減速時か否かを、ステップＳ２５０ではエンリッチ運転に突入したか否かを、ステップＳ２６０では制御開始から所定時間ＴSが経過したか否かをそれぞれ判定する。そして、ステップＳ２３０〜Ｓ２５０の何れかの条件が成立した場合には、ＮＯｘ放出制御を解除し（ステップＳ２７０）、ステップＳ２３０〜Ｓ２５０の何れの条件も成立せず且つステップＳ２６０の条件が成立した場合には、ＮＯｘ放出が完了したものとしてＳ−Ｆ／Ｂパージ制御モードでのＮＯｘ放出制御を終了し、フラグＦSをリセットする（ステップＳ２８０）。
【００３５】
以上詳述したように、近接触媒として酸化触媒８Ｃを設置している場合は、ストイキオ運転状態において酸化触媒８Ｃで浄化されないＮＯｘがＮＯｘ触媒８Ａに吸蔵されてしまうが、本内燃機関の排気浄化装置によれば、運転モードをストイキオモードからリーンモードへ切り換える際にＮＯｘ放出制御を実行してからリーンモードへ切り換えるので、リーン運転状態においてＮＯｘ触媒８Ａを効率よく機能させることができ、常に確実に大気中へのＮＯｘ排出量を低減できるという利点がある。
【００３６】
次に、本発明の第２実施形態としての内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施形態の内燃機関の排気浄化装置は、第１実施形態とはＮＯｘ放出制御の開始判定条件に相違があり、以下、この相違点について重点的に説明する。なお、上述した第１実施形態と同一の部位については同一の符号を用い、説明は省略するものとする。
【００３７】
本実施形態にかかる制御装置（ＥＣＵ）３０は、図５に示すように、その機能要素として噴射制御手段３１，ＥＴＶ開度制御手段３２，点火時期制御手段３３，ＥＧＲ開度制御手段３４，運転モード選択手段３５，開始判定手段３６，ＮＯｘ放出制御手段３７，触媒温度推定手段３８及びＮＯｘ吸蔵量推定手段３９をそなえている。このうち、符号３１〜３５，３７，３８で示す機能要素については、第１実施形態と同一機能であるので説明を省略し、第１実施形態とは機能の異なる開始判定手段３６と新たな機能であるＮＯｘ吸蔵量推定手段３９について説明する。
【００３８】
本実施形態にかかる開始判定手段３６は、下記の第１条件と第２条件とが共に成立した時、ＮＯｘ放出を開始すると判定するようになっている。まず、第一条件は第１の実施形態と同様であり、触媒温度推定手段３８により推定される三元触媒８Ｂの触媒温度Ｔｈが、所定の基準温度Ｔｈ0以上になることである。
第２条件は第１実施形態とは異なり、ＮＯｘ触媒８ＡのＮＯｘ吸蔵量Ｑが所定値Ｑ0以上になることを条件としている。つまり、本実施形態では、リーン運転継続時間やストイキオ運転継続時間からＮＯｘ触媒８Ａの飽和を推定するのではなく、ＮＯｘ吸蔵量Ｑ自体を用いて正確にＮＯｘ触媒８Ａの飽和を判断するようにしているのである。
【００３９】
そして、このＮＯｘ吸蔵量Ｑを推定する手段がＮＯｘ吸蔵量推定手段３９であり、ＮＯｘ吸蔵量推定手段３９では次式で示すように単位時間当たりの流入ＮＯｘ量qnoxを積算することによりＮＯｘ吸蔵量を推定している。
Ｑ(n)＝Ｑ(n-1)＋qnox
単位時間当たりの流入ＮＯｘ量qnoxは、エンジン回転速度Ｎｅとエンジン負荷Ｐｅとをパラメータとするマップに記憶されており、リーンモードとストイキオモードとで別々のマップが用意されている。つまり、ＮＯｘ吸蔵量推定手段３９では、リーン運転状態でＮＯｘ触媒８Ａに吸蔵されるＮＯｘのみならず、ストイキオ運転状態で酸化触媒８Ｃにより浄化されずにＮＯｘ触媒８Ａに吸蔵されるＮＯｘをも考慮してＮＯｘ吸蔵量Ｑを推定するようになっているのである。なお、流入ＮＯｘ量qnoxのマップは実験やシュミレーション等の結果を用いて作成する。
【００４０】
本発明の第２実施形態の排気浄化装置は、上述のように構成されるので、近接触媒として酸化触媒８Ｃを設置している場合は、ストイキオ運転状態において酸化触媒８Ｃで浄化されないＮＯｘがＮＯｘ触媒８Ａに吸蔵されてしまうが、本内燃機関の排気浄化装置によれば、リーン運転状態下のみならずストイキオ運転状態下で吸蔵されるＮＯｘをも考慮してＮＯｘ吸蔵量Ｑを推定してＮＯｘ放出制御の開始判定を行なっているので、ＮＯｘ触媒８Ａをさらに効率よく機能させることができ、常に確実に大気中へのＮＯｘ排出量を低減できるという利点がある。
【００４１】
次に、本発明の第３実施形態としての内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施形態の内燃機関の排気浄化装置は、上述の第１実施形態とは近接触媒に相違があり、ここでは三元触媒を近接触媒として設置している。図６は本実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関の排気系の構成を示す図であるが、図６に示すように、エキゾーストマニホールドの近傍（或いはエキゾーストマニホールドと一体）に三元触媒（近接触媒）８Ｄを配置し、その下流にＮＯｘ触媒８Ａと三元触媒８Ｂとを配置している。また、本実施形態では、三元触媒８Ｄの下流側にＮＯｘセンサ１９を設置している。なお、上述した第１実施形態と同一の部位については同一の符号を用い、説明は省略するものとする。
【００４２】
本実施形態にかかる制御装置（ＥＣＵ）４０は、図７に示すように、その機能要素として噴射制御手段４１，ＥＴＶ開度制御手段４２，点火時期制御手段４３，ＥＧＲ開度制御手段４４，運転モード選択手段４５，開始判定手段４６，ＮＯｘ放出制御手段４７，触媒温度推定手段４８及び浄化能力低下検出手段４９をそなえている。このうち、符号４１〜４５，４７，４８で示す機能要素については、第１実施形態と同一機能であるので説明を省略し、第１実施形態とは機能の異なる開始判定手段４６と新たな機能である浄化能力低下検出手段４９について説明する。
【００４３】
本実施形態にかかる開始判定手段４６は、下記の第１条件と第２条件とが共に成立した時、ＮＯｘ放出を開始すると判定するようになっている。まず、第一条件は第１の実施形態と同様であり、触媒温度推定手段４８により推定される三元触媒８Ｂの触媒温度Ｔｈが、所定の基準温度Ｔｈ0以上になることである。
第２条件は第１実施形態と一部相違しており、次の３つの条件のいずれかが成立することである。まず、一つ目の条件と二つ目の条件とは第１実施形態と同様であり、一つ目の条件はリーン運転の継続時間ＴLが所定時間ＴL0に達することであり、二つ目の条件はリーン運転の継続時間ＴLが所定時間ＴL1に達した後に運転モードがリーンモードからＳ−Ｆ／Ｂモードに切り換わることである。
【００４４】
そして、三つ目の条件は、浄化能力低下検出手段４９により三元触媒８Ｄの浄化能力の低下が検出され、ストイキオ運転の継続時間ＴFが所定時間ＴF1（例えば、５秒程度）に達した後に、運転モードがＳ−Ｆ／Ｂモードからリーンモードに切り換わることである。
近接触媒として三元触媒８Ｄをそなえた場合、三元触媒８Ｄの浄化能力が十分機能しているならば、ストイキオ運転状態で生じるＮＯｘはＨＣ，ＣＯとともに三元触媒８Ｄによりある程度浄化されるため、ＮＯｘ触媒８Ａの周囲雰囲気がＮＯｘ濃度過剰雰囲気になることはなく、ＮＯｘ触媒８ＡにＮＯｘが吸蔵されることはない。ところが、劣化により三元触媒８ＤのＮＯｘ浄化効率が低下したときには、ストイキオ運転状態でもＮＯｘ濃度が低下せず、ＮＯｘ触媒８ＡにＮＯｘが吸蔵されることになる。そこで、浄化能力低下検出手段４９により三元触媒８Ｄの浄化能力の低下が検出されたときには、ストイキオ運転継続時間ＴFが所定時間ＴF1に達したら、ストイキオ運転中においてＮＯｘ触媒８Ａに吸蔵されたＮＯｘを放出させるべく、リーンモードに切り換わる際にＮＯｘパージを行なうようにしたのである。
【００４５】
浄化能力低下検出手段４９では、ストイキオ運転状態におけるＮＯｘセンサ１９の出力に基づき三元触媒８Ｄの浄化能力を判断するようになっている。つまり、三元触媒８Ｄが十分に機能している場合には、ストイキオ運転状態での三元触媒８Ｄの下流側でのＮＯｘ濃度は微少であるが、劣化するにつれＮＯｘ濃度は増加しＮＯｘセンサ１９の出力も大きくなっていく。そこで、浄化能力低下検出手段４９では、ＮＯｘセンサ１９の出力が所定値以上になったときには三元触媒８Ｄの浄化能力の低下したものと判定するようになっている。
【００４６】
本発明の第３実施形態としての排気浄化装置は、上述のように構成されるので、近接触媒として三元触媒８Ｄを設置している場合でも、三元触媒８Ｄの浄化能力が低下したときには、ストイキオ運転状態において三元触媒８Ｄで浄化されないＮＯｘがＮＯｘ触媒８Ａに吸蔵されてしまうが、本内燃機関の排気浄化装置によれば、三元触媒８ＤのＮＯｘ浄化能力の低下を検出したときには、運転モードをストイキオモードからリーンモードへ切り換える際にＮＯｘ放出制御を実行してからリーンモードへ切り換えるので、リーン運転状態においてＮＯｘ触媒８Ａを効率よく機能させることができ、常に確実に大気中へのＮＯｘ排出量を低減できるという利点がある。
【００４７】
また、上記第３実施形態の変形例として、図７中に２点鎖線で示すように上記第２実施形態で用いたＮＯｘ吸蔵量推定手段３９を組み合わせた形態も考えられる。この場合、三元触媒８Ｄの浄化能力の低下が検出される状況化では、ＮＯｘ吸蔵量推定手段３９によりストイキオモード及びリーンモードでのＮＯｘ触媒８ＡのＮＯｘ吸蔵量を推定する。そして、推定されるＮＯｘ吸蔵量からＮＯｘ触媒８Ａの飽和が判断されたときにＮＯｘ放出制御の開始を判定することになる。これにより、三元触媒８Ｄの能力が低下したときでもＮＯｘ触媒８Ａを効率よく機能させることができ、常に確実に大気中へのＮＯｘ排出量を低減できるという利点がある。
【００４８】
以上、本発明の内燃機関の排気浄化装置について３つの実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。例えば、上述の各実施形態では、ＮＯｘ触媒８Ａと三元触媒８ＢとによりＮＯｘ浄化手段を構成しているが、三元触媒一体型のＮＯｘ触媒を設置してＮＯｘ浄化手段としてもよい。
【００４９】
また、上述の各実施形態では、酸化触媒８Ｃ又は三元触媒８Ｄを近接触媒としてＮＯｘ浄化手段（ＮＯｘ触媒８Ａ及び三元触媒８Ｂ）から上流側に離れた位置に設置した場合について説明したが、図８に示すように、ＮＯｘ浄化手段（ＮＯｘ触媒８Ａ及び三元触媒８Ｂ）からの直近に酸化触媒８Ｃ又は三元触媒８Ｄを設置してもよい。この場合でも上述した効果を得ることができる。
【００５０】
また、第３実施形態において、下流側に設置したＮＯｘセンサ１９のストイキオ運転時の出力に基づき三元触媒８Ｄの浄化能力の低下を検出しているが、リーン運転時の出力に基づいて浄化能力の低下を検出してもよいし、三元触媒８Ｄの上流及び下流にそれぞれリニアＯ2センサ又はＯ2センサを設置して、ストイキオ運転状態下での両者の出力差を用いて三元触媒８Ｄの浄化能力の低下を検出してもよい。
【００５１】
なお、上記各実施形態では、酸化雰囲気でＮＯｘを吸蔵し還元雰囲気でＮＯｘを放出還元するタイプのＮＯｘ触媒８Ａを使用した例について示したが、このようなＮＯｘ触媒８Ａにかえて、酸化雰囲気ではＮＯｘを吸着させることで吸蔵し、還元雰囲気では吸着されたＮＯｘを直接還元するタイプのＮＯｘ触媒を使用してもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１記載の本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ストイキオ運転状態において酸化触媒で浄化されないＮＯｘがＮＯｘ浄化手段に吸蔵されてしまう場合でも、ストイキオ運転状態からリーン運転状態に切り換えられるときにＮＯｘ浄化手段に流入する排気ガス中の酸素濃度を強制的に低下させ、吸蔵されたＮＯｘを還元させるので、リーン運転状態においてＮＯｘ浄化手段を効率よく機能させることができ、常に確実に大気中へのＮＯｘ排出量を低減できるという利点がある。
【００５３】
請求項２記載の本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ストイキオ運転状態において酸化触媒で浄化されないＮＯｘがＮＯｘ浄化手段に吸蔵されてしまう場合でも、ＮＯｘ吸蔵量が所定値以上になったときにはＮＯｘ浄化手段に流入する排気ガス中の酸素濃度を強制的に低下させ、吸蔵されたＮＯｘを還元させるので、リーン運転状態においてＮＯｘ浄化手段を効率よく機能させることができ、常に確実に大気中へのＮＯｘ排出量を低減できるという利点がある。
【００５４】
請求項３記載の本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、三元触媒の浄化能力の低下によりストイキオ運転状態において三元触媒で浄化されないＮＯｘがＮＯｘ浄化手段に吸蔵されてしまう場合でも、ストイキオ運転状態からリーン運転状態に切り換えられるときにＮＯｘ浄化手段に流入する排気ガス中の酸素濃度を強制的に低下させ、吸蔵されたＮＯｘを還元させるので、リーン運転状態においてＮＯｘ浄化手段を効率よく機能させることができ、常に確実に大気中へのＮＯｘ排出量を低減できるという利点がある。
【００５５】
請求項４記載の本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、三元触媒の浄化能力の低下によりストイキオ運転状態において三元触媒で浄化されないＮＯｘがＮＯｘ浄化手段に吸蔵されてしまう場合でも、ＮＯｘ吸蔵量が所定値以上になったときにはＮＯｘ浄化手段に流入する排気ガス中の酸素濃度を強制的に低下させ、吸蔵されたＮＯｘを還元させるので、リーン運転状態においてＮＯｘ浄化手段を効率よく機能させることができ、常に確実に大気中へのＮＯｘ排出量を低減できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態としての内燃機関の排気浄化装置にかかる希薄燃焼内燃機関の全体構成図である。
【図２】  本発明の第１実施形態としての内燃機関の排気浄化装置にかかる機能ブロック図である。
【図３】  本発明の第１実施形態としての内燃機関の排気浄化装置にかかるＮＯｘ放出制御のタイムチャートである。
【図４】  本発明の第１実施形態としての内燃機関の排気浄化装置にかかるＮＯｘ放出制御のフローチャートである。
【図５】  本発明の第２実施形態としての内燃機関の排気浄化装置にかかる機能ブロック図である。
【図６】  本発明の第３実施形態としての内燃機関の排気浄化装置にかかる希薄燃焼内燃機関の排気系の構成図である。
【図７】  本発明の第３実施形態としての内燃機関の排気浄化装置にかかる機能ブロック図である。
【図８】  触媒の他の配置例を示す図である。
【符号の説明】
１  エンジン（内燃機関）
４  排気通路
８Ａ  ＮＯｘ浄化手段を構成する吸蔵型ＮＯｘ触媒
８Ｂ  ＮＯｘ浄化手段を構成する三元触媒
８Ｃ  酸化触媒（近接触媒）
８Ｄ  三元触媒（近接触媒）
１９  ＮＯｘセンサ
２６，３６，４６  ＮＯｘ放出制御手段
３９  ＮＯｘ吸蔵量推定手段
４９  浄化能力低下検出手段
【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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