(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
過給機を備え、リーン空燃比運転時に過給を行う内燃機関の排気浄化装置であって、
機関排気通路に配置された、流入する排気がリーン空燃比のときに排気中のＮＯＸを吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵し、流入する排気が理論空燃比またはリッチ空燃比になったときに吸蔵したＮＯＸを還元浄化するＮＯＸ吸蔵還元触媒を備え、
機関のリーン空燃比運転中に機関運転空燃比を短時間リッチ空燃比に切り換えて運転し前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒にリッチ空燃比排気を供給することにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯＸを還元浄化するリッチスパイク操作を実施する際に、
機関の過給圧が、前記触媒において吹抜けが生じる予め定めた値より高くなったときに、機関の過給圧に応じて機関運転空燃比のリッチ度合いを変更する、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
過給機を備え、リーン空燃比運転時に過給を行う内燃機関の排気浄化装置であって、
機関排気通路に配置された、流入する排気がリーン空燃比のときに排気中のＮＯＸを吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵し、流入する排気が理論空燃比またはリッチ空燃比になったときに吸蔵したＮＯＸを還元浄化するＮＯＸ吸蔵還元触媒を備え、
機関のリーン空燃比運転中に機関運転空燃比を短時間リッチ空燃比に切り換えて運転し前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒にリッチ空燃比排気を供給することにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯＸを還元浄化するリッチスパイク操作を実施する際に、
機関の過給圧が、前記触媒において吹抜けが生じる予め定めた値より高くなったときに、リッチスパイク操作開始時の機関の過給圧に応じてリッチスパイク操作中の機関運転空燃比のリッチ度合いを設定する、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
過給圧に応じて前記リッチ度合いを変更する際に、過給圧が高いほど前記リッチ度合いが小さくなるようにリッチ度合いを変更する、請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記内燃機関は、各気筒内に直接燃料を噴射する直噴インジェクタと、吸気通路に燃料を噴射するポートインジェクタとを備え、前記リッチスパイク操作時にはポートインジェクタのみから燃料を噴射するとともに、過給圧が所定の切換値より高くなったときにポートインジェクタからの燃料噴射を非同期噴射から同期噴射に切り換える、請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
過給機を備え、リーン空燃比運転時に過給を行う内燃機関の排気浄化装置であって、
機関排気通路に配置された、流入する排気がリーン空燃比のときに排気中のＮＯＸを吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵し、流入する排気が理論空燃比またはリッチ空燃比になったときに吸蔵したＮＯＸを還元浄化するＮＯＸ吸蔵還元触媒を備え、
機関のリーン空燃比運転中に機関運転空燃比を短時間リッチ空燃比に切り換えて運転し前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒にリッチ空燃比排気を供給することにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯＸを還元浄化するリッチスパイク操作を実施する際に、
機関の吸入空気量が、前記触媒において吹抜けが生じる予め定めた値より大きくなったときに、機関の吸入空気量に応じて機関運転空燃比のリッチ度合いを変更する、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
過給機を備え、リーン空燃比運転時に過給を行う内燃機関の排気浄化装置であって、
機関排気通路に配置された、流入する排気がリーン空燃比のときに排気中のＮＯＸを吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵し、流入する排気が理論空燃比またはリッチ空燃比になったときに吸蔵したＮＯＸを還元浄化するＮＯＸ吸蔵還元触媒を備え、
機関のリーン空燃比運転中に機関運転空燃比を短時間リッチ空燃比に切り換えて運転し前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒にリッチ空燃比排気を供給することにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯＸを還元浄化するリッチスパイク操作を実施する際に、
機関の吸入空気量が、前記触媒において吹抜けが生じる予め定めた値より大きくなったときに、リッチスパイク操作開始時の機関の吸入空気量に応じてリッチスパイク操作中の機関運転空燃比のリッチ度合いを設定する、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
吸入空気量に応じて前記リッチ度合いを変更する際に、吸入空気量が大きいほど前記リッチ度合いが小さくなるようにリッチ度合いを変更する、請求項５または請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記内燃機関は、各気筒内に直接燃料を噴射する直噴インジェクタと、吸気通路に燃料を噴射するポートインジェクタとを備え、前記リッチスパイク操作時にはポートインジェクタのみから燃料を噴射するとともに、吸入空気量が所定の切換値より大きくなったときにポートインジェクタからの燃料噴射を非同期噴射から同期噴射に切り換える、請求項５または請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
リーン空燃比で運転可能な内燃機関の排気浄化装置であって、
機関排気通路に配置された、流入する排気がリーン空燃比のときに排気中のＮＯＸを吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵し、流入する排気が理論空燃比またはリッチ空燃比になったときに吸蔵したＮＯＸを還元浄化するＮＯＸ吸蔵還元触媒を備え、
機関のリーン空燃比運転中に機関運転空燃比を短時間リッチ空燃比に切り換えて運転し前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒にリッチ空燃比排気を供給することにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯＸを還元浄化するリッチスパイク操作を実施する際に、
機関の排気流量が、前記触媒において吹抜けが生じる予め定めた値より大きくなったときに、機関の排気流量に応じて機関運転空燃比のリッチ度合いを変更する、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
リーン空燃比で運転可能な内燃機関の排気浄化装置であって、
機関排気通路に配置された、流入する排気がリーン空燃比のときに排気中のＮＯＸを吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵し、流入する排気が理論空燃比またはリッチ空燃比になったときに吸蔵したＮＯＸを還元浄化するＮＯＸ吸蔵還元触媒を備え、
機関のリーン空燃比運転中に機関運転空燃比を短時間リッチ空燃比に切り換えて運転し前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒にリッチ空燃比排気を供給することにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯＸを還元浄化するリッチスパイク操作を実施する際に、
機関の排気流量が、前記触媒において吹抜けが生じる予め定めた値より大きくなったときに、リッチスパイク操作開始時の機関の排気流量に応じてリッチスパイク操作中の機関運転空燃比のリッチ度合いを設定する、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】
排気流量に応じて前記リッチ度合いを変更する際に、排気流量が大きいほど前記リッチ度合いが小さくなるようにリッチ度合いを変更する、請求項９または請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１２】
前記内燃機関は、各気筒内に直接燃料を噴射する直噴インジェクタと、吸気通路に燃料を噴射するポートインジェクタとを備え、前記リッチスパイク操作時にはポートインジェクタのみから燃料を噴射するとともに、排気流量が所定の切換値より大きくなったときにポートインジェクタからの燃料噴射を非同期噴射から同期噴射に切り換える、請求項９または請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、詳細には理論空燃比よりもリーンな空燃比での運転を行うリーンバーンエンジンの排気浄化装置に関する。
【背景技術】
流入する排気空燃比がリーンのときに排気中の窒素酸化物（ＮＯＸ）を吸収または吸着により吸蔵し、排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になったときに、排気中のＣＯ等の還元成分やＨＣ成分などにより吸蔵したＮＯＸを還元浄化するＮＯＸ吸蔵還元触媒が知られている。このようなＮＯＸ吸蔵還元触媒を排気浄化触媒として用いる場合には、リーン空燃比運転中にＮＯＸ吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯＸの量が増大する毎に運転空燃比を短時間リッチ空燃比に切り換えてリッチ空燃比運転を行い、ＮＯＸ吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気を供給して触媒が吸蔵したＮＯＸを還元浄化するリッチスパイク操作を行う必要がある。
ところが、このリッチスパイク操作には、機関への燃料供給量を短時間増大して運転空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切換える操作を伴うため、必要以上に長時間、あるいは頻繁にリッチスパイク操作を行うと機関の燃料消費量が増大したり、ＮＯＸの還元浄化に使用されなかった余剰のＨＣ、ＣＯ成分が大気に放出される等の問題が生じる。
このため、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のリッチスパイク操作を効率的に行うことが必要となるが、例えば特開２００３−５６３７９号公報の排気浄化装置では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のリッチスパイク操作を効率的に行うために、ＮＯＸ吸蔵還元触媒下流側の排気通路に設けた空燃比センサ出力を利用している。
すなわち、特開２００３−５６３７９号公報の装置ではＮＯＸ吸蔵還元触媒の下流側排気通路に排気の空燃比を検出する空燃比センサを設け、リッチスパイク操作時に空燃比センサ出力が理論空燃比近傍のリーン空燃比相当値からリッチ空燃比相当値に変化したときにリッチスパイク操作を終了するようにしている。
リッチスパイク操作時にＮＯＸ吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気が供給されると、ＮＯＸ吸蔵還元触媒上では吸蔵したＮＯＸと排気中のＨＣ、ＣＯ成分等が反応し、ＨＣ、ＣＯ成分などがＮＯＸから酸素を奪ってＮＯＸを還元する。このため、ＮＯＸ吸蔵還元触媒上でＮＯＸの還元反応が生じている間は、排気中のＨＣ、ＣＯ成分がＮＯＸ吸蔵還元触媒上で酸化され、ＮＯＸ吸蔵還元触媒を出た排気の空燃比は理論空燃比（実際には理論空燃比よりややリーンな空燃比）になる。
一方、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯＸの還元が全て終了するとＮＯＸ吸蔵還元触媒上では排気中のＨＣ、ＣＯ成分などの酸化が生じなくなり、ＮＯＸ吸蔵還元触媒を出た排気の空燃比は急激にリッチ空燃比側に変化する。
特開２００３−５６３７９号公報の装置では、リッチスパイク操作時の下流側空燃比センサ出力が所定の判定値になったときにリッチスパイク操作を終了するとともに、この判定値を機関の運転状態に応じて変更するようにして、リッチスパイク操作終了時期を機関運転状態に応じて最適化している。
近年、過給機を備えリーン空燃比運転時にも過給を行う機関（いわゆる、過給リーンバーンエンジン）が使用されている。過給リーンバーンエンジンでは、リーン空燃比運転時に過給が行われるため気筒内により多くの空気を充填することができる。従って、過給リーンバーン運転を行うことにより、機関に供給する燃料量を増量して機関出力を増大しながらリーン空燃比を維持することができるようになり、従来自然吸気エンジンではリーン空燃比運転を行うことができなかった高負荷領域までリーン空燃比領域を拡大することが可能となっている。
ところが、過給リーンバーンエンジンの場合には、過給により気筒内の充填空気量が大きくなるために、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のリッチスパイク操作時に問題が生じることが判明している。
例えば、過給リーンバーンエンジンでは自然吸気エンジンに較べて気筒内の充填空気量が大きいため、排気流量も大きくなる。このため、触媒でのＳＶ値（空間速度）もそれに応じて大きくなり、排気中のＨＣ、ＣＯ等の成分のうち触媒上でＮＯＸと反応しないまま触媒下流側に流出するものの量が増大する、いわゆる「吹き抜け」が生じるようになる。
このように、「吹き抜け」が生じるとＮＯＸ吸蔵還元触媒では排気中のＨＣ、ＣＯ成分を有効にＮＯＸの還元に利用することができなくなり、ＮＯＸの還元を効率的に行うことができなくなる。
また、上記特開２００３−５６３７９号公報の装置のように触媒下流側の空燃比センサ出力に基づいてリッチスパイク操作の終了時期を判断している場合には、実際にはＮＯＸ吸蔵還元触媒上で吸蔵ＮＯＸの還元が終了していないにもかかわらず、吹き抜けにより比較的多量のＨＣ、ＣＯ成分が空燃比センサに到達するようになり、検出した空燃比が判定値に到達してしまう場合がある。
この場合には、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯＸの還元浄化が完了する前にリッチスパイク操作が終了してしまうため、ＮＯＸ吸蔵還元触媒が比較的多量のＮＯＸを吸蔵した状態で次のリーン空燃比運転が再開されてしまうようになり、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵能力の低下を生じる問題がある。
また、上記以外でも、過給リーンバーンエンジンではリーン空燃比運転中の筒内の空気量が大きいため、リッチ空燃比運転をするための燃料の増量が大きくなる。
一方、通常リッチスパイク操作はＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量がある所定値に到達したときに開始されるため、吸蔵したＮＯＸを全部還元するために必要とされるＨＣ、ＣＯの量はほぼ一定となる。
リッチスパイク操作は上記の量のＨＣ、ＣＯ成分などをＮＯＸ吸蔵還元触媒に供給した時点で終了するのであるが、排気中でＮＯＸの還元に使用されうるＨＣ、ＣＯ成分の量は排気空燃比に応じて定まる。すなわち、機関の吸気量と機関に供給した燃料量との比を排気空燃比として定義すると、理論空燃比とリッチスパイク時の排気空燃比との差（以下、「リッチ度合い」と称する）はすなわち、排気中の余剰のＨＣ、ＣＯ成分の濃度（燃焼せずに未燃のＨＣ、ＣＯ成分として排気に含まれる量）に比例する。
従って、リッチスパイク時にＮＯＸの還元に使用できるＨＣ、ＣＯの量は全体としてリッチスパイク操作時の空燃比のリッチ度合い（理論空燃比とリッチスパイク操作時の空燃比差）に排気流量を乗じた値となる。
上述したように、過給リーンバーン運転時には機関の排気流量はかなり大きくなる。しかし、その一方ＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯＸを還元するために必要なＨＣ、ＣＯ成分の総量はほぼ一定である。
このため、過給リーンバーンエンジンでは本来必要とされるリッチスパイク操作持続時間は通常の自然吸気機関の場合に較べて非常に短くなる。
ところが、実際には過給リーンバーンエンジンでは排気流量が大きくＮＯＸ吸蔵還元触媒におけるＳＶ値が高いため、排気中のＨＣ、ＣＯ成分が効率良く使用できないので、実際に必要とされるリッチスパイク操作持続時間は、本来必要とされる時間よりかなり長くなってしまい、機関の燃費の悪化の原因となる。
このように、過給リーンバーンエンジンの排気浄化装置にＮＯＸ吸蔵還元触媒を使用する場合には、従来と同様なリッチスパイク操作を行っていたのではＮＯＸの還元効率が悪くなる問題が生じる。
また、上記は過給リーンバーンエンジンの場合を例にとって説明したが、程度の差こそあるものの、自然吸気リーンバーンエンジンにおいても吸入空気量が多くなると上記と同様に吹抜けの問題が生じ、リッチスパイク操作時のＮＯＸ還元効率が低下する問題が生じる場合がある。
【発明の開示】
本発明は、上記問題に鑑み、リーンバーンエンジンの排気浄化装置にＮＯＸ吸蔵還元触媒を使用した場合に、リッチスパイク操作時のＮＯＸ還元効率の低下を防止することが可能な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。
本発明によれば、過給機を備え、リーン空燃比運転時に過給を行う内燃機関の排気浄化装置であって、機関排気通路に配置された、流入する排気がリーン空燃比のときに排気中のＮＯＸを吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵し、流入する排気が理論空燃比またはリッチ空燃比になったときに吸蔵したＮＯＸを還元浄化するＮＯＸ吸蔵還元触媒を備え、機関のリーン空燃比運転中に機関運転空燃比を短時間リッチ空燃比に切り換えて運転し前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒にリッチ空燃比排気を供給することにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯＸを還元浄化するリッチスパイク操作を実施する際に、機関の過給圧が、前記触媒において吹抜けが生じる予め定めた値より高くなったときに、機関の過給圧に応じて機関運転空燃比のリッチ度合いを変更する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、本発明では過給リーンバーンエンジンのリッチスパイク操作時に、運転空燃比のリッチ度合いを過給圧に応じて変更する。
過給リーンバーンエンジンでは、過給圧が高いほど筒内に充填される吸入空気量が多くなるため排気流量も過給圧に応じて増大する。
この場合、排気流量が増加したにもかかわらず、リッチスパイク操作時の運転空燃比のリッチ度合い（理論空燃比と運転空燃比との差）を排気流量が小さい場合と同一に維持していると、前述したようにリッチスパイク操作を効率的に行うことができず、リッチスパイク操作時のＮＯＸ吸蔵還元触媒でのＮＯＸ還元効率が低下する問題が生じる。
請求の範囲１及び２の発明では、上記した吹抜けが生じる排気流量領域では、リッチスパイク操作時に過給圧に応じて運転空燃比のリッチ度合いを変更することにより上記の問題を解決している。
過給圧が高い場合（すなわち、排気流量が大きい場合）には前述した吹き抜けが生じ、ＮＯＸ吸蔵還元触媒上でＮＯＸの還元に使用されずに触媒下流側に流出するＨＣ、ＣＯ成分などが増大するためにＮＯＸ浄化効率が悪化するが、例えば、この場合に運転空燃比（排気空燃比）のリッチ度合いを小さくしても、ＮＯＸ吸蔵還元触媒上でＮＯＸの浄化に使用されるＨＣ、ＣＯ成分の量はあまり変化しないため、吹き抜けにより触媒下流側に無駄に流出するＨＣ、ＣＯ成分量が少なくなることが判明している。
このため排気中のＨＣ、ＣＯ成分のうちＮＯＸの還元に使用されずに触媒を通過するものの量が低減され、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ還元効率の低下が防止されるようになる。
また、吹き抜けにより触媒下流側に流出するＨＣ、ＣＯ成分量が少なくなるため、リッチスパイク操作中の触媒下流側排気中のＨＣ、ＣＯ成分濃度が低下するので、下流側空燃比センサ出力に基づいてリッチスパイク操作終了時期を判断している場合にも、触媒に吸蔵されたＮＯＸの全量が還元され終わる前にリッチ空燃比が誤検出されることが防止される。
なお、本発明ではリッチスパイク操作時にはリッチスパイク操作中も機関過給圧に応じて空燃比のリッチ度合を変更しているが、リッチスパイク操作の継続時間は一般的に短いため、例えば、リッチスパイク操作開始時の機関過給圧に応じてリッチスパイク操作中の空燃比のリッチ度合を設定し、リッチスパイク操作中は空燃比リッチ度合を上記により設定したリッチ度合に維持（固定）するようにしても良い。
なお、排気流量が小さい領域では触媒での空間速度が低いため空燃比のリッチ度合いを大きくしても吹き抜けは生じない。このため本発明では、過給圧に応じて空燃比のリッチ度合いを変更する操作は、過給圧がある値以上になった領域のみで実行している。
また、直噴インジェクタとポートインジェクタとの両方を備えた機関では、リッチスパイク操作時にはポートインジェクタのみから燃料噴射を行うようにすることが好ましい。直噴インジェクタは筒内に直接燃料を噴射するため、リッチスパイク操作時などのように燃料噴射量をかなり増量する場合には、燃料の気化が不十分になり排気中の未燃ＨＣ成分が増大する問題が生じる。
一方、ポートインジェクタは燃料の気化、拡散に十分な時間を取ることができるため比較的多量の燃料を噴射しても排気中の未燃ＨＣ成分が増大する問題は生じない。
しかし、ポートインジェクタからの噴射では、噴射された燃料の一部が吸気ポート壁面に付着するポートウェット現象が生じる。ポートウェットにより壁面に付着する燃料量は燃料噴射量が多いほど増大する。このため、運転空燃比をリッチ空燃比にするために多量の燃料が必要とされる高過給圧領域（吸入空気量が大きい領域）では、リッチスパイク操作時にポートインジェクタから噴射された燃料のうち壁面に付着する燃料量が増大し、空燃比変化の応答性が悪化する問題が生じる。
ポートウェットは、吸気弁閉弁中に吸気ポートに噴射を行う吸気非同期噴射時より、吸気弁開弁中で吸気流が存在する状態で吸気ポートに噴射を行う吸気同期噴射時の方が生じにくい。そこで、リッチスパイク操作時にポートインジェクタから燃料噴射を行うとともに、過給圧が所定の切換値より高くなった場合には非同期噴射から同期噴射に切り換えることにより、ポートウェットが生じやすい高過給圧領域（吸入空気量が大きい領域）で空燃比変化の応答性の悪化が生じることを防止することができる。
また、上記の例では、過給圧を排気流量（触媒における空間速度）を表す指標として用いてリッチスパイク操作時のリッチ度合を変更しているが、過給圧を用いる代りに吸入空気量を排気流量を表す指標として用いて、吸入空気量に応じてリッチ度合いを変更するようにすることも可能である。この場合、吸入空気量に応じてリッチ度合いを変更することにより、より正確に排気流量に対応した空燃比のリッチ度合いを設定することが可能となるため、より効果的にＮＯＸ還元効率の低下を防止することが可能となる。
なお、上記は過給器を備えたリーンバーンエンジンの場合について述べたが、上記は過給器を備えていない自然吸気リーンバーンエンジンの場合にも適用できる。
すなわち、自然吸気リーンバーンエンジンにおいても、排気流量、または排気流量を表す指標（例えば吸入空気量または気筒充填空気量、或は吸気圧力）に応じてリッチスパイク操作時の空燃比のリッチ度合を変更したり、或はリッチスパイク操作開始時のこれらの指標に応じてリッチスパイク操作中の空燃比のリッチ度合を設定することにより、ＮＯＸ還元効率の低下を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図、図２は直噴インジェクタとポートインジェクタとの配置の一例を示す図、図３は本発明におけるリッチスパイク操作の一例を示すフローチャート、図４は過給圧に応じたリッチスパイク操作時の空燃比リッチ度合いの設定を示す図、図５はリッチスパイク操作の別の例を示すフローチャート、図６は機関吸入空気量に応じたリッチスパイク操作時の空燃比リッチ度合いの設定を示す図である。
【符号の説明】
参照番号の一覧表
１…機関本体
２…排気通路
４…吸気通路
７…ＮＯＸ吸蔵還元触媒
１１…直噴インジェクタ
１３…ポートインジェクタ
２９ａ、２９ｂ…上流側空燃比センサ
３０…ＥＣＵ（電子制御ユニット）
３１…下流側空燃比センサ
３３…吸気圧センサ
４５…過給機
【発明を実施するための最良の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図である。
図１において、１は自動車用内燃機関を示す。本実施形態では、機関１は＃１から＃４の４つの気筒を備えた４気筒ガソリン機関とされている。後述するように、本実施形態の内燃機関１は、理論空燃比より高い（リーンな）空燃比で運転可能なリーンバーンエンジンとされている。
また、本実施形態では＃１から＃４の気筒は互いに点火時期が連続しない２つの気筒からなる２つの気筒群にグループ分けされている。（例えば、図１の実施形態では、気筒点火順序は１−３−４−２であり、＃１、＃４の気筒と＃２、＃３の気筒とがそれぞれ気筒群を構成している。）また、各気筒の排気ポートは気筒群毎に排気マニホルドに接続され、気筒群毎の排気通路に接続されている。
図１において、２１ａは＃１、＃４気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路２ａに接続する排気マニホルド、２１ｂは＃２、＃３気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路２ｂに接続する排気マニホルドである。本実施形態では、個別排気通路２ａ、２ｂ上には、三元触媒からなるスタートキャタリスト（以下「ＳＣ」と呼ぶ）５ａと５ｂがそれぞれ配置されている。また、個別排気通路２ａ、２ｂはＳＣ下流側で共通の排気通路２に合流している。
共通排気通路２上には、後述するＮＯＸ吸蔵還元触媒７が配置されている。図１に２９ａ、２９ｂで示すのは、個別排気通路２ａ、２ｂのスタートキャタリスト５ａ、５ｂ上流側に配置された上流側空燃比センサ、３１で示すのは、排気通路２のＮＯＸ吸蔵還元触媒７出口に配置された下流側空燃比センサである。本実施形態では、空燃比センサ２９ａ、２９ｂ及び３１は、広い空燃比範囲で排気空燃比に対応する電圧信号を出力する、いわゆるリニア空燃比センサとされているが、リニア空燃比センサの代わりに、排気中の酸素濃度を検出し出力が理論空燃比を境に急激に変化する、いわゆるＺ型出力特性を有するＯ２センサを使用することも可能である。
図１に４ａで示すのは機関各気筒の吸気ポートを吸気通路４に接続する吸気マニホルドである。
図１に４３で示すのは機関１の吸入空気量を調節するスロットル弁、４５で示すのは吸入空気を加圧するターボチャージャなどの過給機である。
また、本実施形態では＃１から＃４のそれぞれの気筒には直接気筒内に燃料を噴射する直噴インジェクタ１１と、気筒吸気ポートに燃料を噴射するポートインジェクタ１３とが設けられている。
更に、図１に３０で示すのは機関１の電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。ＥＣＵ３０は、本実施形態ではＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵを備えた公知の構成のマイクロコンピュータとされ、機関１の点火時期制御や燃料噴射制御等の基本制御を行っている。また、本実施形態では、ＥＣＵ３０は上記の基本制御を行う他に、後述するようにＮＯＸ吸蔵還元触媒７のＮＯＸ吸蔵状態に応じてリーン空燃比運転中に機関への燃料噴射量を増量して、短時間機関をリッチ空燃比で運転し、ＮＯＸ吸蔵還元触媒７から吸蔵したＮＯＸを放出させるリッチスパイク操作を行うとともに、リッチスパイク操作時の機関運転空燃比のリッチ度合いを機関１の吸入空気量に応じて変更する制御を行う。
これらの制御を行うため、ＥＣＵ３０の入力ポートには、機関吸気マニホルドに設けられた吸気圧センサ３３から機関の吸気圧力に対応する信号と、機関クランク軸（図示せず）近傍に配置された回転数センサ３５から機関回転数に対応する信号、機関１のアクセルペダル（図示せず）近傍に配置したアクセル開度センサ３７から運転者のアクセルペダル踏込み量（アクセル開度）を表す信号がそれぞれ入力されている他、上流側空燃比センサ２９ａ、２９ｂからそれぞれ＃１、＃４気筒と＃２、＃３気筒からの排気空燃比が、下流側空燃比センサ３１からＮＯＸ吸蔵還元触媒７出口の排気空燃比が、それぞれ入力されている。
本実施形態では、ＥＣＵ３０は吸気圧センサ３３で検出した機関吸気圧力と回転数センサ３５で検出した機関回転数とに基づいて機関１の吸入空気流量を算出し、機関の理論空燃比またはリッチ空燃比運転時の燃料噴射量を制御する。
また、ＥＣＵ３０はアクセル開度センサ３７で検出したアクセル開度と機関回転数とに基づいて機関のリーン空燃比運転時の燃料噴射量を制御する。
ＥＣＵ３０の出力ポートは、各気筒への燃料噴射量と燃料噴射時期を制御するために、図示しない燃料噴射回路を介して各気筒の直噴インジェクタ１１とポートインジェクタ１３とにに接続されている。
これらの燃料噴射制御としては、いずれの公知の制御をも用いることができるため、ここでは詳細な説明は省略する。
次に、本実施形態のＮＯＸ吸蔵還元触媒７について説明する。
本実施形態のＮＯＸ吸蔵還元触媒７は、例えばハニカム状に形成したコージェライト等の担体を用いて、この担体表面にアルミナのコーティングを形成し、アルミナ層上に、例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、セリウムＣｅ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つの成分と、白金Ｐｔのような貴金属とを担持させたものである。ＮＯＸ吸蔵還元触媒は流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに、排気中のＮＯＸ（ＮＯ２、ＮＯ）を吸収、吸着またはその両方により吸蔵し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸蔵したＮＯＸをＮＯ２の形で放出するＮＯＸの吸放出作用を行う。
例えば、機関１がリーン空燃比で運転されＮＯＸ吸蔵還元触媒７に流入する排気がリーン空燃比である場合には、排気中のＮＯＸ（ＮＯ、ＮＯ２）はＮＯＸ吸蔵還元触媒７に吸蔵され、ＮＯＸ吸蔵還元触媒７を通過した排気中のＮＯＸ濃度はほぼゼロになる。
また、流入排気中の酸素濃度が大幅に低下すると（すなわち、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になると）、ＮＯＸ吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯＸは排気中のＣＯやＨ２等還元剤として機能する成分やＨＣ成分（以下、還元成分等と呼ぶ）により還元され、ＮＯ２の形でＮＯＸ吸蔵還元触媒７から放出される。
本実施形態では、ＥＣＵ３０はＮＯＸ吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯＸの量が所定値に到達する毎に機関１を短時間リッチ空燃比で運転し、ＮＯＸ吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気を供給するリッチスパイク操作を行う。これにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒７から吸蔵されたＮＯＸがＮＯ２の形で放出され、ＮＯＸ吸蔵還元触媒が吸収したＮＯＸにより飽和することが防止される。
なお、本実施形態におけるリッチスパイク操作開始タイミング、すなわちＮＯＸ吸蔵還元触媒７のＮＯＸ吸蔵量が上記所定値に到達したことの判定方法としては公知のいずれの方法を用いることができるため、ここでは詳細な説明は省略する。
なお、本実施形態では、上流側空燃比センサ２９ａ、２９ｂと下流側空燃比センサ３１との出力は、機関１の運転空燃比が所定の目標空燃比になるように機関１への燃料供給量をフィードバック制御する空燃比制御のために用いられる他、下流側空燃比センサ３１出力は、後述するようにリッチスパイク操作の終了時期の判定に用いられる。
次に、本実施形態の機関１の運転モードについて説明する。
図２は、本実施形態の機関１の各気筒におけるインジェクタ１１、１３の配置を示す気筒断面図である。
図２において、１００は気筒燃焼室、１０１はピストン、１０３は吸気ポート、１０５は排気ポート、１０７は吸気弁、１０９は排気弁、１１１は点火プラグを、それぞれ示している。
図２に示すようにポートインジェクタ１３は、吸気マニホルド４に配置され、各気筒の吸気ポートに燃料を噴射する。又、直噴インジェクタ１１は、機関の燃焼室１００内に開口する噴孔を有し、気筒内に直接燃料を噴射する。
本実施形態では、機関１はリーン空燃比からリッチ空燃比まで広い空燃比範囲で運転可能である。また、リーン空燃比運転時には直噴インジェクタ１１とポートインジェクタ１３とは機関の運転モードに応じて以下のように使用される。
すなわち、リーン空燃比運転中の低負荷運転時には機関１は直噴インジェクタからの燃料噴射による成層燃焼モードで運転される。
成層燃焼モードでは、燃料は圧縮行程後半に直噴インジェクタ１１から噴射される。成層燃焼モードでは燃料噴射量はかなり少ないため、燃料を燃焼室全体に均一に拡散させたのでは混合気の空燃比がリーンになりすぎて可燃空燃比から外れてしまう。このため、成層燃焼モードでは圧縮行程後半に直噴インジェクタから燃料噴射を行い、点火プラグ近傍に噴射燃料を成層させ、点火プラグまわりに可燃空燃比範囲の混合気を形成する。そして、この成層混合気が拡散する前に点火プラグにより点火を行うことにより、燃焼室全体としては極めてリーンな空燃比での安定した燃焼を行う。
また、リーン空燃比運転時に更に負荷が増大した場合には、機関は均質燃焼モードで運転される。
均質燃焼モードでは、燃料はポートインジェクタ１３から吸気ポートに噴射される。吸気ポートに噴射された燃料は吸気弁１０７の開弁時に吸気と十分に混合した状態で燃焼室内に流入し、燃焼室内に均一なリーン空燃比の可燃混合気を形成する。これによりリーン空燃比での比較的高負荷の運転が行われる。
また、上記均質燃焼モードと成層燃焼との中間の負荷範囲ではポートインジェクタと直噴インジェクタとの両方のインジェクタから燃料噴射を行い、ポートインジェクタからの燃料噴射により形成された希薄な均質混合気中に直噴インジェクタからの燃料噴射による混合気を成層させる中間モードでの運転が行われる。
ところが、前述したように過給リーンバーンエンジンでは比較的負荷の高い領域では過給により多量の空気が気筒内に充填されるため、排気ガス量が増大する。
このため、過給リーンバーンエンジンではリッチスパイク操作時のＮＯＸ吸蔵還元触媒７における排気空間速度が大きくなってしまい、前述した吹き抜けによるＮＯＸ還元効率の悪化や下流側空燃比センサの空燃比検出誤差による不十分な状態でのリッチスパイク操作終了などの問題が生じるのである。
本実施形態では、過給圧に応じてリッチスパイク操作時の機関連転空燃比を（リッチ空燃比の範囲で）変更すること、詳細には過給圧が高いほど空燃比を高く（リッチ度合いを小さく）設定することにより、上記の問題を解決している。
すなわち、機関排気流速が高くなるほどリッチスパイク操作時のＮＯＸ吸蔵還元触媒７を通過する排気の空間速度は高くなるため、ＮＯＸ吸蔵還元触媒上でＮＯＸの還元に使用されないまま吹き抜けによりＮＯＸ吸蔵還元触媒を通過する還元成分等の量が増大する。
この吹き抜けによりＮＯＸ吸蔵還元触媒を通過する還元成分等（ＨＣ、ＣＯ等）の量は、排気流速が大きい程、また排気中に含まれるＨＣ、ＣＯ等の量が多いほど、すなわちリッチスパイク操作時の排気（機関運転空燃比）のリッチ度合いが大きいほど多くなる。
ここで、リッチスパイク操作時の空燃比のリッチ度合いを低減すると排気中に含まれるＨＣ、ＣＯの量は少なくなり、それに応じてＮＯＸ吸蔵還元触媒を通過して下流側に放出されるＨＣ、ＣＯの量が低下する。
そこで、本実施形態では吹き抜けが問題となる吸入空気量増大領域では、吸入空気量が大きくなるほどリッチスパイク操作時の空燃比のリッチ度合いを小さく設定することにより、上記問題を解決している。
すなわち、吸入空気量が増大するほどリッチスパイク操作時の空燃比のリッチ度合いを小さく設定することにより、吹き抜けによりＮＯＸ吸蔵還元触媒を通過するＨＣ、ＣＯの増大が防止されるため、ＮＯＸ吸蔵還元触媒上でＮＯＸの還元に使用されずに触媒下流側に流出するＨＣ、ＣＯの量が減少し、リッチスパイク操作におけるＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ還元効率の低下が抑制される。また、これにより下流側における排気中のＨＣ、ＣＯ濃度増大が抑制されるため、実際には下流側排気空燃比がリッチ空燃比に変化していないにもかかわらず、空燃比センサ検出値がリッチ空燃比になってリッチスパイク操作が中断されてしまうことが防止される。
図３は、上記した本実施形態のリッチスパイク操作の詳細を説明するフローチャートである。
図３の操作はＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。
図３の操作が開始されると、まずステップ３０１ではリッチスパイク操作実行フラグＲＳの値が１にセットされているか否かが判定される。
ここで、フラグＲＳは別途ＥＣＵ３０により実行されるリッチスパイク実行判定操作でセットされるフラグであり、ＲＳ＝１はリッチスパイク操作実行中であることを表している。
本実施形態では、ＥＣＵ３０はＮＯＸ吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯＸ量が予め定めた上限値まで増大するとフラグＲＳの値を１にセットし、図３のリッチスパイク操作（ステップ３０３から３１５）実行時に下流側空燃比センサ３１で検出した排気空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に変化したときにフラグＲＳの値を０にセットする。
本実施形態では、ＲＳの値が１にセットされると、ステップ３１１で燃料噴射量が機関空燃比がリッチ空燃比になる値に設定されるとともに、燃料の全量をポートインジェクタ１３から噴射する。これにより、燃料の霧化、拡散が良好になり燃焼状態が良好になるため、リッチスパイク操作時にＨＣ、ＣＯ成分の発生の増大を抑制することができる。
なお、本実施形態では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒７の吸蔵ＮＯＸ量の推定方法としては、公知のいずれの方法をも使用可能であるので、ここでは詳細な説明は省略する。
ステップ３０１でＲＳ＝０であった場合には、現在ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量が少なく、リッチスパイク操作を実行する必要はないため、今回のルーチン実行は直ちに終了する。
一方、ステップ３０１でＲＳ＝１であった場合には、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵量が増大しているため、ステップ３０３から３１５のリッチスパイク操作を実行する。
すなわち、ステップ３０３では吸気圧センサ３３から機関の吸気圧力（すなわち過給圧）を読み込み、ステップ３０５では機関過給圧が予め定めた判定値ＰＭ０より高くなっているか否かが判定される。
ここでＰＭ０は、後述する増量係数の値を所定の一定値ＱＲＳ０とした時にリッチスパイク時に吹き抜けによる問題が生じない過給圧力の上限値である。ＰＭ０の値は、機関型式、触媒の型式、サイズなどによっても異なるため、実際の機関と触媒とを用いた実験結果に基づいて設定することが好ましい。
ステップ３０５でＰＭ≦ＰＭ０であった場合には、過給圧が低く排気流量が比較的小さいため吹き抜けは発生しないため、多量のＨＣ、ＣＯ成分が触媒下流側に流出するおそれはない。このため、この場合にはステップ３０９に進み、増量係数ＱＲＳを予め定めた固定値ＱＲＳ０に設定する。
本実施形態では、増量係数ＱＲＳが定まるとステップ３１１で機関の燃料噴射量ＱＩＪが、ＱＩＪ＝ＱＩＪＳＴ×（１＋ＱＲＳ）として決定される。ここで、ＱＩＪＳＴは機関の空燃比を理論空燃比にするのに必要な燃料噴射量である。従って、増量係数ＱＲＳ（ＱＲＳ≧０）は、余剰の燃料量、すなわち空燃比のリッチ度合いを表す係数となる。
上述のように、過給圧ＰＭ≦ＰＭ０であり比較的排気流量が小さい場合には、ＱＲＳの値は一定値ＱＲＳ０に設定されるが、このＱＲＳ０は後述するステップ３０７で設定されるＱＲＳの値より大きな（すなわちリッチ度合いが大きくなる）値とされている。
一方、ステップ３０５でＰＭ＞ＰＭ０であった場合には、増量係数ＱＲＳの値はステップ３０７で過給圧ＰＭの値に応じて設定される。
図４は、ステップ３０７で設定されるＱＲＳの値と過給圧ＰＭとの関係を示す図である。図４に示すように、増量係数ＱＲＳの値は過給圧ＰＭがＰＭ０より小さい場合には一定値ＱＲＳ０に設定される（ステップ３０９）が、過給圧ＰＭがＰＭ０より大きくなると、過給圧の増大につれて急激に小さな値に設定され、本実施形態では更に過給圧が増大してある値ＰＭ１（図４）を越えると、ＱＲＳの低下は緩やかになる。
このように、吹き抜けにより問題が生じる領域で過給圧の増大とともにＱＲＳの値（リッチ度合い）が小さくなるように設定することにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のリッチスパイク操作時のＮＯＸ還元効率の低下を防止するとともに、吸蔵したＮＯＸ量が予め設定した下限値に到達する前にリッチスパイク操作が終了してしまうことが防止される。
次に、図５を用いて本発明の別の実施形態について説明する。
本実施形態では、リッチスパイク操作時の燃料噴射量が図３の実施形態と同様に過給圧に応じて設定されるとともに、過給圧が所定値ＰＭ０を越えたときにはポートインジェクタ１３からの燃料噴射タイミングを吸気非同期噴射（ステップ５１３）から吸気同期噴射（ステップ５０９）に切り換える点が図３の実施形態と相違している。
すなわち、ステップ５０５で過給圧が判定値ＰＭ０より高くなった場合には、ステップ５０７でＱＲＳを過給圧の値に応じて図４の関係に基づいて設定するとともに、ステップ５０９では同期噴射フラグＸＳＹＮＣの値を１にセットする。これにより、別途ＥＣＵ３０により実行される燃料噴射タイミング設定操作では、燃料噴射タイミングが吸気同期噴射に設定される。
また、ステップ５０５でＰＭ≦ＰＭ０であった場合には、ＱＲＳの値は一定値ＱＲＳ０に設定されるとともに、フラグＸＳＹＮＣの値は０にセットされて燃料噴射タイミングは吸気非同期噴射に設定される。
リッチスパイク操作時に吸気同期噴射を行うことにより、ポートウェットによる吸気ポート壁面への燃料付着が生じにくくなるため、リッチスパイク操作時に実際に燃焼室に供給される燃料の増量遅れが防止され、空燃比変化の応答性の低下を防止することが可能となる。
なお、本実施形態では、増量係数の設定方法の切換を行う過給圧判定値と、燃料噴射タイミングを切り換える過給圧判定値とを同一の値（ＰＭ０）としているが、これらは互いに異なる値としても良い。
また、図３と図５の実施形態では過給圧を排気流量を表す指標として用いているが、過給圧の変わりに排気流量を表す指標として機関の吸入空気量ＧＡを用いるようにしてもよい。
前述したように、本実施形態ではＥＣＵ３０は機関の燃料噴射量算出用として、吸気圧センサ３３で検出した吸気圧（過給圧）と、回転数センサ３５で検出した機関回転数とを用いて、機関の吸入空気量を算出する操作を行っている。このため、過給圧ＰＭの変わりに吸入空気量ＧＡを用いて、図３、図５と全く同一の操作を行うことが可能である。
この場合には、実際のフローチャートは図３、図５のステップ３０３、５０３では別途算出した吸入空気量ＧＡを読み込み、ステップ３０５、５０５ではＧＡが予め定めた判定値ＧＡ０より大きいか否かに応じて増量係数、燃料噴射タイミングなどを設定することになる。
図６は、この場合に設定されるＱＲＳの値と吸入空気量ＧＡとの関係の一例を示す図４と同様な図である。図６の例では、ＱＲＳの値はＧＡの値がＧＡ０より小さい領域では一定値ＱＲＳ０に設定され、ＧＡの値がＧＡ０より大きい領域ではＧＡの増加とともに直線的に減少するように設定されている。
図６のように、吸入空気量ＧＡに応じてリッチスパイク操作時の空燃比のリッチ度合い（ＱＲＳ）を変更するようにしたことにより、より精度よく排気流量に応じてリッチスパイク操作時の空燃比のリッチ度合いを変更することが可能となる。なお、吸入空気量ＧＡを用いる代りに、実際に気筒に充填される空気量（気筒充填空気量）を用いても同様な制御が可能であることは言うまでもない。
また、上記の例では排気流量を表す指標として過給圧または吸入空気量（または気筒充填空気量）を用いていたが、これらの指標を用いる代りに排気流量そのものを用いて上記図３から図５の操作を行うことも可能である。この場合、排気流量は排気系に流量センサを配置して直接計測しても良いが、排気流量は機関の運転状態（例えば、機関回転数、燃料噴射量等）に応じて定るため、あらかじめ実際の機関を用いて機関運転状態を変えて排気流量を実測し、機関回転数と燃料噴射量などをパラメータとした数値マップの形でＥＣＵのＲＯＭに格納しておき、実際の運転時の機関回転数と燃料噴射量とから排気流量を算出するようにしても良い。
更に、図３及び図５の例では、リッチスパイク操作中も排気流量または排気流量を表す指標（以下、「排気流量等」という）が変化すると、それに応じて空燃比のリッチ度合を変更しているが、実際にはリッチスパイク操作の継続時間は比較的短いため、リッチスパイク操作開始時の排気流量等に基づいて空燃比のリッチ度合を上述図３から図６で説明した方法で設定し、リッチスパイク操作実行中は空燃比のリッチ度合を上記により設定した値に固定するようにしても良い。
また、図３から図６の例は、過給リーンバーンエンジンを例にとって説明しているが、前述したように、過給リーンバーンエンジンだけでなく自然吸気リーンバーンエンジンにおいても排気流量（触媒における空間速度）が大きい場合には同様な問題が生じる。
このため、自然吸気リーンバーンエンジンにおいても、図３から図６で説明したと同様な操作を行い、排気流量等に応じてリッチスパイク操作時の空燃比のリッチ度合を変更したり、或はリッチスパイク操作開始時の排気流量等の値に応じてリッチスパイク操作中の空燃比のリッチ度合を設定することにより、ＮＯＸ還元効率の低下を防止することが可能となる。この場合の操作は、図３から図６で説明したものと同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【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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