(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた触媒コンバータと、
該触媒コンバータの下流側に設けられた第１の排ガス検出手段により前記触媒コンバータの排ガス浄化状態を検出する触媒浄化状態検出手段と、
前記触媒コンバータの下流側に設けられた第２の排ガス検出手段により前記触媒コンバータの雰囲気が還元雰囲気にあるか酸化雰囲気にあるかを検出する触媒雰囲気検出手段と、
内燃機関の空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比間で変調可能な空燃比変動手段と、
前記触媒浄化状態検出手段により前記触媒コンバータの排ガス浄化状況の悪化が検出されたとき、前記触媒雰囲気検出手段の検出結果に応じて前記触媒コンバータの雰囲気が該検出結果と異なる雰囲気となるよう前記空燃比変動手段を調整する触媒雰囲気調整手段と、
を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記第１の排ガス検出手段はＮＯxセンサであり、前記触媒浄化状態検出手段は、該ＮＯxセンサが所定量以上のＮＯxを検知することにより排ガス浄化状況の悪化を検出することを特徴とする、請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記第２の排ガス検出手段は酸素センサであり、前記触媒雰囲気検出手段は、該酸素センサの出力値に応じて前記触媒コンバータの雰囲気が還元雰囲気にあるか酸化雰囲気にあるかを検出することを特徴とする、請求項１または２記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記空燃比変動手段は、所定の周期、振幅で空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比間で強制的に変調可能な空燃比強制変動手段であって、
前記触媒雰囲気調整手段は、前記触媒雰囲気検出手段の検出結果に応じて前記空燃比強制変動手段のリーン空燃比とリッチ空燃比の変調度合いを調整することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置に係り、詳しくは、触媒コンバータの排気浄化効率を高く維持する技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
排気浄化触媒として使用される三元触媒は、酸化雰囲気（リーン空燃比雰囲気）においては酸素がＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）と反応し易くＨＣ、ＣＯを高効率で浄化可能である一方ＮＯxを浄化し難く（この状態を酸化被毒という）、還元雰囲気（リッチ空燃比雰囲気）においては還元剤である多量のＨＣ、ＣＯ存在のもとＮＯxを高効率で浄化可能である。
【０００３】
このようなことから、排気空燃比がリーン空燃比或いはリッチ空燃比のどちらか一方に大きく偏っているような場合には、ＮＯxまたはＨＣ、ＣＯのいずれか一方が十分浄化されずに排出されてしまうという問題がある。
そこで、従来、担体にセリア（Ｃe）等の酸素吸蔵機能（Ｏ2ストレージ機能）を有する物質を添加した触媒やＮＯx吸蔵機能（ＮＯxストレージ機能）を有する物質を添加した触媒が知られている。このような触媒を用いるようにすれば、酸化雰囲気でＨＣ、ＣＯが浄化されるとともに触媒内にＯ2がストレージされ且つＮＯxがストレージされ、一方、還元雰囲気において排気中のＮＯxとともにストレージされたＮＯxが還元浄化されるとともにストレージされたＯ2によってＨＣ、ＣＯも浄化され、これにより浄化効率を向上させることが可能である。
【０００４】
例えば、特開２０００−１０４５３５号公報に開示の技術によれば、触媒下流にＮＯxセンサを設けるようにし、当該ＮＯxセンサによってＮＯxの漏洩が検出されると、酸化雰囲気においてＮＯx吸蔵能力が飽和状態に達して酸化被毒状態となったとみなし、空燃比をリッチ空燃比に切り換え、これにより触媒雰囲気を一定期間に亘り還元雰囲気と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、還元雰囲気状態においては、ＣＯ等の還元剤が貴金属に吸着しやすいためにＮＯxの貴金属への吸着が阻害され易いという問題があり、また、上記セリア（Ｃe）はＣeＯ2の状態では水性ガス反応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ  →  Ｈ2＋ＣＯ2）を促進し、これにより生成されたＨ2は（２ＮＯ＋２Ｈ2  →  Ｎ2＋２Ｈ2Ｏ）のように反応してＮＯxを浄化するのであるが、還元雰囲気中にはＣＯが多いことから水性ガス反応の不活性（ＣeＯ2＋ＣＯ  →  Ｃe2Ｏ3＋ＣＯ2）が起こり、この状態では水性ガス反応が促進されずにその分ＮＯxの浄化効率が低下するという問題がある。（これらを総称して還元被毒という）。このことは、即ち、還元雰囲気であっても触媒下流にＮＯxが漏洩する場合があることを示している。
【０００６】
つまり、上記公報に開示されるように、触媒下流に設けたＮＯxセンサからの情報のみに基づいて単純に空燃比切換を行うようにしていると、酸化被毒の場合のみならず還元被毒によるＮＯxの浄化効率の低下によりＮＯxが漏洩している場合であっても、触媒雰囲気が還元雰囲気に維持され、意図に反してＮＯxの排出が継続されてしまうという不都合が起こり得る。
【０００７】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、触媒状態を適切に把握して浄化効率を安定して高く維持可能な排気浄化装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に設けられた触媒コンバータと、該触媒コンバータの下流側に設けられた第１の排ガス検出手段により前記触媒コンバータの排ガス浄化状態を検出する触媒浄化状態検出手段と、前記触媒コンバータの下流側に設けられた第２の排ガス検出手段により前記触媒コンバータの雰囲気が還元雰囲気にあるか酸化雰囲気にあるかを検出する触媒雰囲気検出手段と、内燃機関の空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比間で変調可能な空燃比変動手段と、前記触媒浄化状態検出手段により前記触媒コンバータの排ガス浄化状況の悪化が検出されたとき、前記触媒雰囲気検出手段の検出結果に応じて前記触媒コンバータの雰囲気が該検出結果と異なる雰囲気となるよう前記空燃比変動手段を調整する触媒雰囲気調整手段とを備えたことを特徴としている。
【０００９】
従って、触媒浄化状態検出手段によって触媒コンバータの排ガス浄化状況の悪化が検出されると、触媒雰囲気検出手段の検出結果に応じ、触媒雰囲気調整手段によって触媒コンバータの雰囲気が該検出結果と異なる雰囲気となるように空燃比変動手段が調整される。つまり、触媒コンバータの排ガス浄化状況の悪化が検出されたときに、触媒雰囲気が酸化雰囲気である場合には空燃比変動手段がリッチ空燃比に変調させられて還元雰囲気に切り換えられ、一方触媒雰囲気が還元雰囲気である場合には空燃比変動手段がリーン空燃比に変調させられて酸化雰囲気に切り換えられる。これにより、排ガス浄化状況が悪化する触媒雰囲気が継続されて状況がさらに悪化してしまうといったことが防止され、触媒コンバータの浄化効率が安定して高く維持可能とされる。
【００１０】
また、請求項２の発明では、前記第１の排ガス検出手段はＮＯxセンサであり、前記触媒浄化状態検出手段は、該ＮＯxセンサが所定量以上のＮＯxを検知することにより排ガス浄化状況の悪化を検出することを特徴としている。
従って、ＮＯxセンサにより所定量以上のＮＯxが検知されて触媒浄化状態検出手段によって触媒コンバータの排ガス浄化状況の悪化が検出されると、触媒雰囲気調整手段により、触媒コンバータが酸化被毒の状態にある場合には還元雰囲気に切り換えられ、一方還元被毒の状態にある場合には酸化雰囲気に切り換えられる。これにより、特に還元被毒の状態が意図に反して継続されてしまうことが防止され、触媒コンバータの浄化効率が安定して高く維持可能とされる。
【００１１】
また、請求項３の発明では、前記第２の排ガス検出手段は酸素センサであり、前記触媒雰囲気検出手段は、該酸素センサの出力値に応じて前記触媒コンバータの雰囲気が還元雰囲気にあるか酸化雰囲気にあるかを検出することを特徴としている。
従って、触媒コンバータの雰囲気が還元雰囲気にあるのか或いは酸化雰囲気にあるのかが触媒コンバータ下流の酸素センサによって容易且つ確実に検出可能とされ、触媒コンバータの雰囲気が適切に調整される。
【００１２】
また、請求項４の発明では、前記空燃比変動手段は、所定の周期、振幅で空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比間で強制的に変調可能な空燃比強制変動手段であって、前記触媒雰囲気調整手段は、前記触媒雰囲気検出手段の検出結果に応じて前記空燃比強制変動手段のリーン空燃比とリッチ空燃比の変調度合いを調整することを特徴としている。
【００１３】
従って、空燃比変動手段が空燃比強制変動手段であって、空燃比がリーン空燃比とリッチ空燃比間で強制的に変調されると、触媒コンバータの雰囲気が酸化雰囲気と還元雰囲気との間で変動し、ＨＣ、ＣＯとＮＯxとが共に良好に浄化されることになるが、触媒コンバータの排ガス浄化状況の悪化が検出されると、空燃比強制変動手段のリーン空燃比とリッチ空燃比の変調度合いが調整されることで触媒雰囲気が酸化雰囲気から還元雰囲気に、或いは還元雰囲気から酸化雰囲気に適切に精度良く切り換えられることになる。これにより、空燃比強制変動手段を備えている場合において、排ガス浄化状況が悪化する触媒雰囲気が継続されて状況がさらに悪化してしまうことが防止され、触媒コンバータの浄化効率が安定して高く維持可能とされる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明に係る排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下同図に基づいて本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
【００１５】
同図に示すように、エンジン本体（以下、単にエンジンという）１としては、例えば、燃料噴射モードを切換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射）とともに圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射）を実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンが採用される。この筒内噴射型のエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキオ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能である。
【００１６】
同図に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃料を燃焼室内に直接噴射可能である。
点火プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。また、燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能である。この際、燃料噴射量は高圧燃料ポンプの燃料吐出圧Ｐinjと燃料噴射弁６の開弁時間、即ち燃料噴射時間Ｔinjとから決定される。
【００１７】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。
【００１８】
なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に公知のものであるため、その構成の詳細については説明を省略する。
同図に示すように、吸気マニホールド１０には吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４及び当該スロットル弁１４の開度θthを検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１６が設けられており、さらに、スロットル弁１４の上流には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ１８が介装されている。エアフローセンサ１８としては、カルマン渦式エアフローセンサが使用される。
【００１９】
一方、排気マニホールド１２には排気管（排気通路）２０が接続されており、この排気管２０には、排気浄化触媒装置として三元触媒（触媒コンバータ）３０が介装されている。
この三元触媒３０は、担体に活性貴金属として銅（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），ロジウム（Ｒｈ）等のいずれかを有するとともにセリア（Ｃe）が添加されており、酸素吸蔵機能（Ｏ2ストレージ機能）を有した三元触媒として構成されている。つまり、セリア（Ｃe）は排気空燃比がリーン空燃比である酸化雰囲気中において酸素（Ｏ2）を吸着すると、排気空燃比がリッチ空燃比となり還元雰囲気となってもそのＯ2を吸着した状態を維持する性質を有しており、これにより、当該三元触媒３０は還元雰囲気状態においても担体表面に十分にＯ2を有してＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）を酸化除去可能である。即ち、Ｏ2ストレージ機能を有した当該三元触媒３０は、酸化雰囲気でＨＣ、ＣＯを浄化できるのは勿論のこと、吸蔵されたＯ2により還元雰囲気中においてもＮＯxの浄化のみならずこれらＨＣ、ＣＯを浄化可能である。
【００２０】
また、三元触媒３０にはアルカリ土類金属であるバリウム（Ｂａ）も添加されており、当該三元触媒３０はＮＯx吸蔵機能（ＮＯxストレージ機能）をも有している。つまり、当該バリウム（Ｂａ）は還元雰囲気中ではＣＯと反応して触媒上に炭酸塩（ＢａＣＯ3）として存在しているが、酸化雰囲気中ではＮＯxと反応して硝酸塩になり、一時的にＮＯxを吸蔵する性質を有している。これにより、当該三元触媒３０は見かけ上酸化雰囲気状態においてもＮＯxを浄化可能である。なお、このように硝酸塩として吸蔵されたＮＯxは、還元雰囲気でＣＯ存在のもとに放出され、還元除去される。これによりＮＯx吸蔵機能が再生される。
【００２１】
また、排気管２０には、排気流速を測定する流速センサ２２が配設されており、さらに、三元触媒３０の下流にはＯ2センサ（第２の排ガス検出手段、酸素センサ）２４及びＮＯxセンサ（第１の排ガス検出手段）２６が配設されている。Ｏ2センサ２４は、酸素濃度に応じて出力電圧が変化するものであり、空燃比がリーン空燃比のときには低い電圧値を示す一方、理論空燃比近傍で急増して空燃比がリッチ空燃比のときには高い電圧値を示すようなセンサであり、ＮＯxセンサ２６はＮＯx量を検出するセンサである。
【００２２】
また、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０が設置されており、このＥＣＵ４０により、エンジン１を含めた燃焼制御装置の総合的な制御が行われる。
ＥＣＵ４０の入力側には、上述したＴＰＳ１６、エアフローセンサ１８、流速センサ２２、Ｏ2センサ２４及びＮＯxセンサ２６等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。
【００２３】
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述の燃料噴射弁６や点火コイル８等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等がそれぞれ出力され、これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施される。
【００２４】
以下、このように構成された本発明に係る排気浄化装置の作用を説明する。
本発明に係る排気浄化装置では、三元触媒３０の能力を最大限発揮するために、ＥＣＵ４０によって空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で強制的に交互に振るようにしている（空燃比強制変動手段、空燃比変動手段）。つまり、ここでは、図２に示すように、空燃比（Ａ／Ｆ）を一定期間（リーン時間）に亘りリーン空燃比とした後一定期間リッチ空燃比とするように変調させ、リーン空燃比とリッチ空燃比とを周期的に繰り返すようにしている。なお、変調波形は、ここでは方形波であるが三角波であってもよい。
【００２５】
これにより、排気空燃比がリーン空燃比のときにはＨＣ、ＣＯが良好に浄化されるとともに三元触媒３０のＯ2ストレージ機能によりＯ2が吸蔵され且つＮＯxストレージ機能によりＮＯxが吸蔵され、排気空燃比がリッチ空燃比のときにはＮＯxが良好に浄化されるとともに吸蔵されたＯ2によってＨＣ、ＣＯが継続的に浄化され続ける。
【００２６】
ところで、上述したように、排気空燃比がリーン空燃比、即ち酸化雰囲気のときには、ＮＯxストレージ機能によってＮＯxが一時的に吸蔵されるものの、ＮＯx吸蔵能力が飽和状態に達すると、三元触媒３０は酸化被毒状態となってそれ以上ＮＯxを吸蔵できず、一方、排気空燃比がリッチ空燃比、即ち還元雰囲気のときには、当該還元雰囲気状態が長く継続されると、ＣＯ等の還元剤が貴金属に吸着したり水性ガス反応の不活性が起こり、三元触媒３０は還元被毒状態となってそれ以上ＮＯxを還元できないという現象が起こる。
【００２７】
そこで、本発明では、ＮＯxが触媒下流に不用意に漏洩しないよう、つまりリッチ空燃比とリーン空燃比とが適切なタイミングで切り換わるよう空燃比強制変動の変調度合いを調整するようにしており、即ち、三元触媒３０のＮＯx浄化効率が常時高く維持されるよう三元触媒３０の最適化を図るようにしている。
詳しくは、図５に示すように、触媒下流に設けた酸素センサ、即ちＯ2センサ２４の出力値とＮＯx浄化効率との間には、Ｏ2センサ２４の出力値が所定範囲となるように空燃比をバランスよく変調制御すると高いＮＯx浄化効率が得られるという関係があることが確認されており、ここでは、このように変調度合いを調整することで三元触媒３０の排気浄化効率の最適化を図るようにしている。
【００２８】
具体的には、例えば平均Ａ／Ｆが所定値（ストイキ近傍等）となるようにしながらリーン空燃比とリッチ空燃比との値を調整することで空燃比をバランスよく変調制御し、Ｏ2センサ２４の出力値が所定範囲内に収まるようにする。
図３を参照すると、当該変調度合いの調整制御、即ち触媒最適化制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同図に基づき本発明に係る触媒最適化制御の制御手順を説明する。
【００２９】
当該触媒最適化制御は、三元触媒３０の下流に設けられたＯ2センサ２４とＮＯxセンサ２６からの情報に基づき行われる。
先ず、ステップＳ１では、ガスセンサであるＯ2センサ２４とＮＯxセンサ２６とが活性状態にあるか否かを判別する。つまり、Ｏ2センサ２４とＮＯxセンサ２６とが適正に作動しているか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で、Ｏ2センサ２４とＮＯxセンサ２６とが活性状態にあると判定されたら、次にステップＳ２に進む。
【００３０】
ステップＳ２では、ＮＯxセンサ２６からの検出情報に基づき、三元触媒３０下流のＮＯx出力Ｎ(n)が所定最小値Ｎminより小であるか否かを判別する（触媒浄化状態検出手段）。判別結果が偽（Ｎｏ）でＮＯx出力Ｎ(n)が所定最小値Ｎmin以上であるような場合、即ち触媒下流にＮＯxが漏洩していると判定された場合にはステップＳ４に進む。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）でＮＯx出力Ｎ(n)が所定最小値Ｎminより小、即ち、触媒下流にＮＯxが漏洩していないと判定された場合にはステップＳ３に進む。なお、ＮＯx出力Ｎ(n)はＮＯxセンサ２６の瞬時値が用いられるが、平滑化処理を行った平均値を用いてもよい。
【００３１】
ステップＳ３では、所定最小値ＮminをＮＯx出力Ｎ(n)によって更新し、所定最小値Ｎminの学習を行う。同時に、このときのＯ2センサ２４からの検出情報である出力Ｓ(n)を判定出力Ｓとして記憶する。なお、これら所定最小値Ｎminや判定出力Ｓは固定値であってもよいし、運転状態（例えば、エンジン回転速度、体積効率、正味平均有効圧、排気マニホールド圧、排気流量、吸気流量、車速、触媒温度、排気温度の少なくともいずれか一つ）に応じて変更するようなものであってもよい。
【００３２】
ステップＳ４では、Ｏ2センサ２４からの検出情報である出力Ｓ(n)が上記記憶した判定出力Ｓより小であるか否かを判別する（触媒雰囲気検出手段）。つまり、ここでは、三元触媒３０下流の酸素濃度に基づき、三元触媒３０が酸化雰囲気であるか或いは還元雰囲気であるかを判別する。なお、出力Ｓ(n)はＯ2センサ２４の瞬時値が用いられるが、平滑化処理を行った平均値を用いてもよい。
【００３３】
ステップＳ４の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、三元触媒３０は還元雰囲気にあると判定でき、一方、ステップＳ４の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、三元触媒３０は酸化雰囲気にあると判定できる。
つまり、上記ステップＳ２の判別結果が偽（Ｎｏ）であって触媒下流にＮＯxが漏洩していると判定され、且つ、ステップＳ４の判別結果が偽（Ｎｏ）で三元触媒３０が還元雰囲気にあると判定された場合には、ＮＯxの漏洩は上述したように還元被毒によるものと判断できる。一方、ステップＳ２の判別結果が偽（Ｎｏ）であって触媒下流にＮＯxが漏洩していると判定され、且つ、ステップＳ４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で三元触媒３０が酸化雰囲気にあると判定された場合には、ＮＯxの漏洩は上述したように酸化被毒によるものと判断できる。
【００３４】
そして、ステップＳ４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で三元触媒３０が酸化雰囲気にある場合には、ステップＳ５において、実際に漏洩しているＮＯx量相当値Ｎを（Ｎ＝Ｎmin−（Ｎ(n)−Ｎmin））として求め、一方、ステップＳ４の判別結果が偽（Ｎｏ）で三元触媒３０が還元雰囲気にある場合には、ステップＳ６において、ＮＯx量相当値ＮをＮ(n)とする。これにより、還元被毒の場合にはＮＯx量相当値Ｎは所定最小値Ｎminに対して大側の値として求められ、一方、酸化被毒の場合にはＮＯx量相当値Ｎは所定最小値Ｎminに対して小側の値として求められる。これにより、以降の演算における所定最小値Ｎminとの比較において、Ｎが所定最小値Ｎminより大の場合には還元被毒状態として処理され、小の場合には酸化被毒状態として処理される。
【００３５】
図４のステップＳ１２では、次式(1)から現在の空燃比の変調度合い、即ち周期Ｔに対するリーン空燃比の時間（リーン時間ｔl）の比である空燃比デューティＤを求め、当該デューティＤが所定値Ｄ1より小さいか否か（Ｄ＜Ｄ1）を判別する。
（空燃比デューティ）Ｄ＝（リーン時間）ｔl／（周期）Ｔ  …(1)
なお、３燃焼毎に空燃比を変更するような高周波での変調の場合、デューティは所定期間（例えば１sec）に対する所定期間中のリーン積算時間の比として求める。
【００３６】
また、リーン空燃比の値とリッチ空燃比の値は運転条件に応じて最適な値に設定される。
また、周期Ｔについては、固定値（例えば１sec）であってもよいし、運転状態（例えば、排気流量、吸気流量、車速、触媒温度、排気管温度、エンジン回転速度、正味平均有効圧、図示平均有効圧、体積効率、排気マニホールド圧、冷却水温、潤滑油温の少なくともいずれか一つ）に応じて変更するようにしてもよい。
【００３７】
さらに、リーン空燃比時とリッチ空燃比時のトルク差がないように点火時期、Ａ／Ｆ等を設定すると、フィーリングが改善される。
ここに、三元触媒３０の排気浄化効率の最適化を図るべく空燃比をバランスよく変調制御するためには、Ｏ2センサ２４の出力Ｓ(n)が上記所定範囲となるように、即ちＮＯxセンサ２６からのＮＯx出力Ｎ(n)が所定最小値Ｎmin以上にならないように空燃比の変調度合い、即ちデューティＤを設定すればよい。従って、デューティ制御を行う場合、吸気流量計、燃料噴射弁等には作動のバラツキがあることを考慮し、出力Ｓ(n)の所定の上限値に対応するデューティＤ1と出力Ｓ(n)の所定の下限値に対応するデューティＤ2、即ちＮＯx出力Ｎ(n)が所定最小値Ｎmin以上とならない範囲に対応するデューティＤ1，Ｄ2は、実験により予め設定（マッチング）されている。
【００３８】
ところが、吸気流量計、燃料噴射弁等の誤差により、実際のリーン空燃比あるいはリッチ空燃比が所望の範囲から外れている場合があり、このとき、空燃比の変調度合いを調整しても出力Ｓ(n)を所定範囲内に、つまりＮＯx出力Ｎ(n)を所定最小値Ｎminに抑えることができない。
そこで、ここでは、デューティＤが本制御の出力Ｓ(n)の上限に対応したデューティＤ1より小さいか否かを判別し、出力Ｓ(n)を当該所望の範囲内に制御することができないくらい空燃比がリーン側にずれている可能性の有無を判別する。
【００３９】
ステップＳ１２の判別結果が真（Ｙｅｓ）でデューティＤが所定値Ｄ1より小さいと判定された場合には、次にステップＳ１４に進む。
ステップＳ１４では、ＮＯxセンサ２６からのＮＯx出力Ｎ(n)情報に基づく上記ＮＯx量相当値Ｎが所定最小値上限値（Ｎmin＋ΔＮ）よりも小さいか否か（Ｎ＜Ｎmin＋ΔＮ）を判別する。即ち、Ｏ2センサ２４からの検出情報である出力Ｓ(n)が上記所定の下限値と所定の上限値との間の制御目標値Ｓ1よりも小さいか否かを判別する。なお、ΔＮは不感帯を示す。
【００４０】
通常ならば、ステップＳ１２の判別結果が真（Ｙｅｓ）であれば、空燃比の指令値は過剰にリッチとなっており、三元触媒３０は還元雰囲気となり、出力Ｓ(n)は制御目標値Ｓ1を越え、ＮＯx量相当値Ｎは所定最小値上限値（Ｎmin＋ΔＮ）以上となるはずある。しかしながら、ステップＳ１２の判別結果が真（Ｙｅｓ）でありながらステップＳ１４の判別結果が真（Ｙｅｓ）でＮＯx量相当値Ｎが所定最小値上限値（Ｎmin＋ΔＮ）よりも小さい場合には、上記吸気流量計、燃料噴射弁等の異常により燃料噴射量、吸入空気量の実際値と測定値との間に何らかの制御誤差が生じ、空燃比の指令値に対して実際の空燃比がリーン空燃比寄りになっていると考えられる。従って、ステップＳ１４の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ１６に進む。
【００４１】
ステップＳ１６では、空燃比の指令値を実際の空燃比に合わせるべく、空燃比の指令値を次式(2)により補正する。つまり、上記所定のリーン空燃比及び所定のリッチ空燃比の指令値を実際値との整合を図るべくリッチ側に補正する。即ち上下限Ａ／Ｆリッチ化補正を行う。
（補正Ａ／Ｆ）(n)＝（補正Ａ／Ｆ）(n-1)＋Ｇ1  …(2)
ここに、Ｇ1は補正ゲインであり、ＮＯxセンサ２６の出力Ｎ(n)と所定最小値Ｎminとの偏差に応じて増減する。
【００４２】
そして、ステップＳ１２乃至ステップＳ１６は、空燃比の指令値と実際の空燃比とが整合するまで繰り返し実行される。
一方、ステップＳ１４の判別結果が偽（Ｎｏ）でＮＯx量相当値Ｎが所定最小値上限値（Ｎmin＋ΔＮ）以上と判定された場合には、空燃比の指令値と実際の空燃比との整合はとれていると考えられる。従って、この場合には、ステップＳ３０に進み、ＮＯx出力Ｎ(n)が所定最小値Ｎminとなるように空燃比の変調度合いを調整する。即ち、この場合、三元触媒３０は還元被毒状態にあるので、空燃比の変調度合いを調節することで、図２に示す平均Ａ／Ｆをリーン空燃比寄りに調整する（触媒雰囲気調整手段）。
【００４３】
変調度合いの調整方法としては、空燃比デューティＤを変える方法、酸化剤或いは還元剤の供給度合い（即ち空燃比Ａ／Ｆ）を変える方法等が考えられるが、ここでは空燃比デューティＤを変える方法を採用し、次式(3)に示すように、リーン空燃比の時間比率を大きく、つまり空燃比デューティＤを大きくすることにより平均Ａ／Ｆをリーン化して変調度合いを調整する。
【００４４】
Ｄ(n)＝Ｄ(n-1)＋Ｇ3  …(3)
ここに、Ｇ3は補正ゲインであり、ＮＯxセンサ２６の出力Ｎ(n)と所定最小値Ｎminとの偏差に応じて増減する。
そして、このステップＳ３０は、ＮＯxセンサ２６の出力Ｎ(n)が所定最小値Ｎminとなるまで繰り返し実行される。
【００４５】
これにより、排気空燃比をリーン空燃比とする酸化雰囲気状態とリッチ空燃比とする還元雰囲気状態とをバランスよく変調させて変動させることができることになり、三元触媒３０の浄化効率の最適化が図られる。
上記ステップＳ１２の判別結果が偽（Ｎｏ）でデューティＤが所定値Ｄ1以上と判定された場合には、次にステップＳ１８に進む。
【００４６】
ステップＳ１８では、今度はデューティＤが所定値Ｄ2より大きいか否か（Ｄ＞Ｄ２）を判別する。
判別値である所定値Ｄ2は上述したように出力Ｓ(n)の所定の下限値に対応したデューティＤ2であり、ここではデューティＤが本制御の出力Ｓ(n)の下限に対応したデューティＤ2より大きいか否かを判別し、出力Ｓ(n)を当該所望の範囲内に制御することができないくらい空燃比がリッチ側にずれている可能性の有無を判別する。
【００４７】
ステップＳ１８の判別結果が真（Ｙｅｓ）でデューティＤが所定値Ｄ2より大きいと判定された場合には、次にステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、ＮＯx量相当値Ｎが所定最小値下限値（Ｎmin−ΔＮ）よりも大きいか否か（Ｎ＞Ｎmin−ΔＮ）を判別する。即ち、Ｏ2センサ２４からの検出情報である出力Ｓ(n)が上記所定の下限値と所定の上限値との間の制御目標値Ｓ1よりも大きいか否かを判別する。
【００４８】
通常ならば、ステップＳ１８の判別結果が真（Ｙｅｓ）であれば、空燃比の指令値は過剰にリーンとなっており、三元触媒３０は酸化雰囲気となり、出力Ｓ(n)は制御目標値Ｓ1を下回り、ＮＯx量相当値Ｎは所定最小値下限値（Ｎmin−ΔＮ）以下となるはずある。しかしながら、ステップＳ１８の判別結果が真（Ｙｅｓ）でありながらステップＳ２０の判別結果が真（Ｙｅｓ）でＮＯx量相当値Ｎが所定最小値下限値（Ｎmin−ΔＮ）よりも大きい場合には、上記吸気流量計、燃料噴射弁等の異常により燃料噴射量、吸入空気量の実際値と測定値との間に何らかの制御誤差が生じ、空燃比の指令値に対して実際の空燃比がリッチ空燃比寄りになっていると考えられる。従って、ステップＳ２０の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、次にステップＳ２２に進む。
【００４９】
ステップＳ２２では、空燃比の指令値を実際の空燃比に合わせるべく、空燃比の指令値を次式(4)により補正する。つまり、上記所定のリーン空燃比及び所定のリッチ空燃比の指令値を実際値との整合を図るべくリーン補正する。即ち上下限Ａ／Ｆリーン化補正を行う。
（補正Ａ／Ｆ）(n)＝（補正Ａ／Ｆ）(n-1)−Ｇ2  …(4)
ここに、Ｇ2は補正ゲインであり、ＮＯxセンサ２６の出力Ｎ(n)と所定最小値Ｎminとの偏差に応じて増減する。
【００５０】
そして、上記ステップＳ１２乃至ステップＳ１６と同様、ステップＳ１８乃至ステップＳ２２は、空燃比の指令値と実際の空燃比とが整合するまで繰り返し実行される。
一方、ステップＳ２０の判別結果が偽（Ｎｏ）でＮＯx量相当値Ｎが所定最小値下限値（Ｎmin−ΔＮ）以下と判定された場合には、空燃比の指令値と実際の空燃比との整合はとれていると考えられる。従って、この場合には、ステップＳ２６に進み、ＮＯx出力Ｎ(n)が所定最小値Ｎminとなるように空燃比の変調度合いを調整する。即ち、この場合、三元触媒３０は酸化被毒状態にあるので、空燃比の変調度合いを調節することで、図２に示す平均Ａ／Ｆをリッチ空燃比寄りに調整する（触媒雰囲気調整手段）。
【００５１】
上記ステップＳ３０と同様、ここでは、空燃比デューティＤを変える方法を採用し、次式(5)に示すように、リッチ空燃比の時間比率を大きく、つまり空燃比デューティＤを小さくすることにより平均Ａ／Ｆをリッチ化して変調度合いを調整する。
Ｄ(n)＝Ｄ(n-1)−Ｇ4  …(5)
ここに、Ｇ4は補正ゲインであり、ＮＯxセンサ２６の出力Ｎ(n)と所定最小値Ｎminとの偏差に応じて増減する。
【００５２】
そして、このステップＳ２６は、ＮＯxセンサ２６の出力Ｎ(n)が所定最小値Ｎminとなるまで繰り返し実行される。
これにより、やはり排気空燃比をリーン空燃比とする酸化雰囲気状態とリッチ空燃比とする還元雰囲気状態とをバランスよく変調させて変動させることができることになり、三元触媒３０の浄化効率の最適化が図られる。
【００５３】
このように、ステップＳ２６或いはステップＳ３０において空燃比デューティＤが変更されると、当該デューティＤは所定値Ｄ1以上所定値Ｄ2以下の範囲に入るようになる。従って、この場合には、ステップＳ１８の判別結果は偽（Ｎｏ）となり、次にステップＳ２４に進む。
ステップＳ２４では、ＮＯx量相当値Ｎが所定最小値下限値（Ｎmin−ΔＮ）よりも小さいか否か（Ｎ＜Ｎmin−ΔＮ）を判別する。
【００５４】
同じく、ステップＳ２８では、ＮＯx量相当値Ｎが所定最小値上限値（Ｎmin＋ΔＮ）よりも大きいか否か（Ｎ＞Ｎmin＋ΔＮ）を判別する。
ステップＳ２４、ステップＳ２８の判別結果がそれぞれ真（Ｙｅｓ）の場合には、前述したように、ステップＳ２６或いはステップＳ３０において、三元触媒３０が還元被毒状態であるか酸化被毒状態であるかによって空燃比の変調度合いが適正に調整され、その結果、ＮＯx量相当値Ｎが不感帯Δ内のバラツキを許容して所定最小値Ｎminに一致する。
【００５５】
これにより、ＮＯxセンサ２６の出力Ｎ(n)を常に所定最小値Ｎminに抑えることになり、酸化雰囲気状態と還元雰囲気状態とを常時バランスよく変調させて変動させ、三元触媒３０の浄化効率を安定して最適な状態に維持することができる。
なお、上記実施形態では、式(2)乃至式(5)に基づいて上下限Ａ／Ｆ及び平均Ａ／Ｆをリッチ化或いはリーン化したが、これらリッチ化及びリーン化の処理を比例制御、積分制御、微分制御の少なくともいずれか一つを用いて行うようにしてもよく、また、現代制御理論を用いて行うようにしてもよい。
【００５６】
また、上記実施形態では、排気通路に三元触媒３０のみ配設された場合を説明したが、本発明は、排気通路に三元触媒が複数配設された場合にも適用可能である。例えば、排気管後方に通常の三元触媒（後方触媒）を配するとともにエンジン１の近傍に三元触媒（前方触媒）を配し、それぞれの三元触媒の直下流にＯ2センサとＮＯxセンサを設けるようにし、低温始動時のような後方触媒を十分に活性できないような状況下では前方触媒下流のＯ2センサ、ＮＯxセンサの出力値を用いるようにし、一方後方触媒が十分活性した後は当該後方触媒下流のＯ2センサ、ＮＯxセンサの出力値を用いるように切換えてもよい。なお、この切換えは運転状態（例えば、冷却水温、始動後経過時間、後方触媒温度、前方触媒温度、排気温度の少なくともいずれか一つ）に基づいて行えばよい。
【００５７】
また、上記実施形態では、空燃比強制変動手段を備えて空燃比を強制変調させる場合を例に説明したが、これに限らず、通常の空燃比フィードバック制御や通常は空燃比を変調させない制御等に本発明を適用することもでき、この場合には、Ｏ２センサとＮＯxセンサの情報に基づいて空燃比をリッチ空燃比側或いはリーン空燃比側に適正に反転させることになる（空燃比変動手段）。
【００５８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の排気浄化装置によれば、触媒コンバータの排ガス浄化状況の悪化が検出されると、空燃比変動手段を調整して、適切に、触媒雰囲気が酸化雰囲気である場合には還元雰囲気に切り換えるようにし、一方触媒雰囲気が還元雰囲気である場合には酸化雰囲気に切り換えるようにするので、排ガス浄化状況が悪化する触媒雰囲気が継続されて状況がさらに悪化してしまうことを防止でき、触媒コンバータの浄化効率を安定して高く維持することができる。
【００５９】
また、請求項２の排気浄化装置によれば、ＮＯxセンサにより所定量以上のＮＯxが検知され、触媒コンバータが酸化被毒の状態にある場合には還元雰囲気に切り換えるようにし、一方還元被毒の状態にある場合には酸化雰囲気に切り換えるようにするので、特に還元被毒の状態が意図に反して不用意に継続されてしまうことを防止でき、触媒コンバータの浄化効率を安定して高く維持することができる。
【００６０】
また、請求項３の排気浄化装置によれば、触媒コンバータの雰囲気が還元雰囲気にあるのか或いは酸化雰囲気にあるのかを触媒コンバータ下流の酸素センサによって容易且つ確実に検出でき、触媒コンバータの雰囲気を適切に調整することができる。
また、請求項４の排気浄化装置によれば、空燃比変動手段が空燃比強制変動手段である場合には、触媒コンバータの排ガス浄化状況の悪化が検出されると、空燃比強制変動手段のリーン空燃比とリッチ空燃比の変調度合いを調整するようにして触媒雰囲気を酸化雰囲気から還元雰囲気に、或いは還元雰囲気から酸化雰囲気に適切に切り換えるようにでき、これにより、排ガス浄化状況が悪化する触媒雰囲気が継続されて状況がさらに悪化してしまうことを防止でき、触媒コンバータの浄化効率を安定して高く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両に搭載された本発明に係る排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】空燃比（Ａ／Ｆ）の変調波形を示す図である。
【図３】本発明に係る変調度合いの調整制御、即ち触媒最適化制御の制御ルーチンを示すフローチャートの主要部である。
【図４】図３に続く、触媒最適化制御の制御ルーチンを示すフローチャートの残部である。
【図５】触媒下流Ｏ2センサ出力値とＮＯx浄化効率との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  エンジン本体
４  点火プラグ
６  燃料噴射弁
１０  吸気マニホールド
１２  排気マニホールド
１４  スロットル弁
１６  スロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）
１８  エアフローセンサ
２０  排気管（排気通路）
２４  Ｏ2センサ（第２の排ガス検出手段、酸素センサ）
２６  ＮＯxセンサ（第１の排ガス検出手段）
３０  三元触媒（触媒コンバータ）
４０  ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
【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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