(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関の排気通路に設けられ流入する排気の空燃比がリーン空燃比のときに排気中のNOx を吸蔵し理論空燃比またはリッチ空燃比のときに吸蔵したNOx を放出する機能を有するNOx 触媒装置と、
上記機関がリーン空燃比での運転から理論空燃比またはリッチ空燃比での運転に移行する際に上記NOx 触媒装置から放出されるNOx が排気中の還元剤に対して過剰になるタイミングを記憶または演算に基づいて求めるタイミング導出手段と、
上記NOx 触媒装置から放出されるNOx に対して追加の還元剤を供給する還元剤供給手段と、
上記還元剤供給手段の作動から還元剤が上記NOx 触媒装置に到達するまでの遅れ時間を記憶または演算に基づいて求める遅れ時間導出手段と、上記タイミング導出手段で求められたタイミングと上記遅れ時間導出手段で求められた遅れ時間とに基づいて上記還元剤供給手段の作動時期を制御する制御手段と
を備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】
機関の排気通路に設けられ流入する排気の空燃比がリーン空燃比のときに排気中のNOx を吸蔵し理論空燃比またはリッチ空燃比のときに吸蔵したNOx を放出する機能を有するNOx 触媒装置と、
上記機関がリーン空燃比での運転から理論空燃比またはリッチ空燃比での運転に移行する際に上記NOx 触媒装置から放出されるNOx が排気中の還元剤に対して過剰になるタイミングを記憶または演算に基づいて求めるタイミング導出手段と、
上記機関がリーン空燃比での運転から理論空燃比またはリッチ空燃比での運転に移行する際に上記NOx 触媒装置から放出されるNOx に対して追加の還元剤を供給する還元剤供給手段と、
上記還元剤供給手段の作動から還元剤が上記NOx 触媒装置に到達するまでの遅れ時間を記憶または演算に基づいて求める遅れ時間導出手段と、
上記遅れ時間導出手段で求められた上記還元剤供給手段の作動からの遅れ時間が経過するまでは上記タイミング導出手段で求められたタイミングでの空燃比よりもリッチ化することを禁止する制御手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
上記機関は燃料を燃焼室内に直接噴射する噴射弁を有する筒内噴射型内燃機関であり、上記還元剤供給手段は、噴射弁の主噴射以降の膨張行程または排気行程に燃料噴射する手段である
ことを特徴とする請求項1または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素過剰雰囲気となる空燃比がリーン空燃比のときに排気中のNOx を吸蔵（吸収または吸着）すると共に酸素濃度低下雰囲気となる空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比のときに吸蔵したNOx を放出する触媒装置（NOx 触媒）を排気通路に備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃費の向上を図るため、リーン空燃比での燃焼を可能とした希薄燃焼内燃機関が実用化されている。この希薄燃焼内燃機関では、従来の三元触媒ではその浄化特性によりリーン燃焼時の排ガス中のNOx を十分に浄化できないといった問題がある。そこで、近年では、例えば、リーン燃焼時に排ガス中のNOx を吸蔵して排気中のNOx を浄化する触媒装置（NOx 触媒）が採用されてきている。
【０００３】
NOx 触媒は、酸素過剰雰囲気中（リーン空燃比）ではNOx を触媒上に吸蔵させることにより排気中のNOx を浄化し、酸素濃度が低下すると（理論空燃比またはリッチ空燃比）付着したNOx を放出する機能を有していることが知られている。つまり、NOx 触媒は、酸素濃度過剰雰囲気では、排気中のNOx から硝酸塩を生成し、これによりNOx を吸蔵する一方、酸素濃度が低下した雰囲気では、NOx 触媒に吸蔵した硝酸塩と排気中のCOとを反応させて炭酸塩を生成し、これによりNOx を放出させるようになっている。
【０００４】
NOx 触媒は、リーン運転中の酸素過剰雰囲気中ではNOx を触媒上に吸蔵させることになるが、リーン運転を連続して行いNOx の吸蔵量が飽和量に達した時には排気中のNOx の大部分が大気に排出されることになる。そこで、NOx の吸蔵量が飽和量に達する前に、空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換え、排気を酸素濃度が低下した雰囲気にしてNOx を放出還元させ、NOx 触媒のNOx 吸蔵能力を回復させるようにしている。そして、NOx 吸蔵能力を回復させるため、機関の空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換える際に、空燃比を徐々に理論空燃比またはリッチ側に変更することで、機関のトルクショックを抑制しながらNOx を放出還元させる技術が、例えば、特開平7-166913号公報等で公知となっている。
【０００５】
NOx 吸蔵能力を回復させるために機関の空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換えて（COを発生させ排気中、即ち、NOx 触媒に供給して）NOx を放出還元する場合、供給されたCOは、吸蔵されたNOx を放出するために一部のCOが消費され、放出されたNOx を還元するために残りのCOが消費される。この残りのCO及びHC等の還元剤によって還元されるNOx と、放出されたNOx の割合が一致していれば、NOx 及びCOの大気放出を抑制することができる。
【０００６】
しかしながら、実際に上記公報に開示された技術では、還元されるNOx と放出されたNOx との割合を一致させることは困難である。それは、まずNOx 触媒に担持される触媒成分の種類や担持量等によりNOx 触媒の持つNOx 吸蔵能力の回復性能、即ち、吸蔵したNOx の放出し易さ（NOx 放出速度）が変わるからである。
【０００７】
このため、NOx 吸蔵能力の回復性能を向上させたNOx 触媒を用いた場合には、NOx が触媒上から放出されるNOx 放出速度も向上し、排ガス中に存在する還元剤により還元されるNOx が、放出されるNOx を下回る傾向（還元されるNOx ＜放出されるNOx ）になり、還元されずに排ガス中に残留した残留NOx が大気中に排出されることになる。逆に、NOx 吸蔵能力の回復性能を低く抑えたNOx 触媒を用いた場合には、還元されるNOx が、放出されるNOx を上回る傾向（還元されるNOx ＞放出されるNOx ）となり、即ち、排ガス中に還元剤（CO等）が残留し、大気中に放出されることになる。
【０００８】
また、一般にNOx 放出速度は、機関の空燃比がリッチ側に移行するにつれて（CO量が増加するにつれて）増大するため、上記公報のように空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比側へ移行する際、NOx 放出速度はCO量が増大する理論空燃比近傍から上昇して触媒上から放出されるNOx 放出量が増加する。しかし、増加したNOx 放出量に対して放出したNOx を還元するだけの還元剤（NOx 放出に寄与しなかった残りのCO及びHC等）が少ないために、排ガス中に残留した放出NOx が還元されずそのまま大気中へ放出されてしまう。
【０００９】
この解決法として、機関の空燃比をよりリッチ化して還元剤を増量することが考えられるが、この場合、還元剤としてのCO量も合わせて増大するため、放出されるNOx も増えてしまい、実際には上述した、還元されるNOx ＜放出されるNOx 、という関係は変わらず、結局、還元されずに残留するNOx は大気中にそのまま放出され、上述の問題は解決できない。
【００１０】
従って、上記公報に開示された技術では、還元されるNOx と放出されたNOx とをほぼ一致させることは難しく、触媒上からNOx を放出還元させる際に排ガス特性を悪化させるという問題が生じてしまう。
【００１１】
そこで、燃焼に寄与してない燃料と追加供給して還元剤不足を補うことが考えられている。追加燃料を供給する従来例として、例えば、特開2000-38942号公報には、リーン運転中からリッチスパイクを行う場合、二次燃料噴射を実行することにより追加の還元剤を供給し、放出されたNOx を確実に還元させて未浄化のNOx の流出を防止する技術が開示されている。つまり、上記公報には、リーン運転中にリッチスパイク操作を行う場合、弱リーン空燃比領域を通過する際、或いは、リッチスパイク開始から目標リッチ空燃比へ到達するまで、或いは、リッチスパイク操作を行う前に二次燃料噴射を実行することにより、弱リーン運転領域で放出されるNOx が還元剤不足で還元しきれず未浄化のままで流出することを防止する技術が開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の技術では、NOx の放出と追加の還元剤の到来のタイミングを合わせることまでは考慮されておらず、確実にNOx を還元させようとすると還元剤が過剰になりやすく、HC,CO 等の排出量が増加してしまう問題がある。
【００１３】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、還元剤の供給遅れを補償した状態で触媒装置（NOx 触媒）から放出されるNOx を確実に還元す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する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の内燃機関の排気浄化装置は、機関の排気空燃比がリーン空燃比から理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換わる時、NOx 触媒装置から放出されたNOx を還元する還元剤を還元剤供給手段により供給し、排ガス性能を悪化させることなくNOx 触媒装置から放出されたNOx を還元する。
【００１５】
還元剤供給手段の作動時期は、放出されるNOx が排気中の還元剤に対して過剰になるタイミングと、還元剤が上記NOx 触媒装置に到達するまでの遅れ時間とに基づいて制御され、理論空燃比またはリッチ空燃比での運転に移行する際に放出されるNOx が過剰になるタイミングと追加の還元剤が到達するタイミングとをバランスさせ、還元剤が過剰になることを抑制しながらNOx を確実に還元する。
【００１６】
また、機関がリーン空燃比での運転から理論空燃比またはリッチ空燃比での運転に移行する際にNOx 触媒装置から放出されるNOx が排気中の還元剤に対して過剰になるタイミングを求めておき、還元剤供給手段の作動から追加の還元剤がNOx 触媒装置に到達するまでの遅れ時間が経過するまでは、前記過剰になるタイミングの空燃比よりもリッチ化することを禁止し、放出されるNOx が排気中の還元剤に対して過剰になることを防止してNOx 触媒装置から放出されるNOx を確実に還元する。
【００１７】
機関が、燃料を燃焼室内に直接噴射する噴射弁を有する筒内噴射型内燃機関である場合には、還元剤供給手段は、噴射弁の主噴射（吸気行程噴射または圧縮行程）以降の膨張行程または排気行程に燃料噴射する手段であることが好ましい。これにより、複雑なデバイスを必要とせず、触媒装置から放出されるNOx を確実に還元することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１には本発明の一実施例に係る排気浄化装置を備えた内燃機関の概略構成、図２には排気浄化装置のブロック構成、図３にはNOx の放出状況を表すタイムチャート、図４、図５には排気浄化装置によるNOx の放出状況を表すフローチャートを示してある。
【００１９】
本実施形態例の排気浄化装置を備えた内燃機関として、多気筒型筒内噴射内燃機関を例に挙げて説明する。多気筒型筒内噴射内燃機関としては、例えば、燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射型直列４気筒ガソリンエンジン（筒内噴射エンジン）１が適用される。筒内噴射エンジン１は、例えば、燃焼モード（運転モード）を切り換えることで、吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）または圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）が実施可能となっている。そして、この筒内噴射エンジン１は、理論空燃比（ストイキ）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）が実現可能となっており、特に、圧縮行程噴射モードでは、吸気行程でのリーン空燃比運転よりも大きな空燃比となる超リーン空燃比での運転が可能となっている。
【００２０】
図１に示すように、筒内噴射エンジン１のシリンダヘッド２には各気筒毎に点火プラグ３が取り付けられると共に、各気筒毎に電磁式の燃料噴射弁４が取り付けられている。燃焼室５内には燃料噴射弁４の噴射口が開口し、燃料噴射弁４から噴射される燃料が燃焼室５内に直接噴射されるようになっている。筒内噴射エンジン１のシリンダ６にはピストン７が上下方向に摺動自在に支持され、ピストン７の頂面には半球状に窪んだキャビティ８が形成されている。キャビティ８により、第１図では時計回りの逆タンブル流を発生させるようになっている。
【００２１】
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、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド９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、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。また、排気マニホールド１０には図示しないＥＧＲ装置が設けられている。
【００２２】
一方、エンジン１の排気マニホールド１０には排気管（排気通路）１１が接続され、エンジン１に近接した小型の三元触媒１２及び触媒装置としての排気浄化触媒装置１３を介して図示しないマフラーが接続されている。排気管１１における三元触媒１２と排気浄化触媒装置１３との間の部分には、排気浄化触媒装置１３の直上流、即ち、後述するNOx 触媒１５の直上流に位置して排気温度を検出する高温センサ１４が設けられている。
【００２３】
排気浄化触媒装置１３は、酸素過剰雰囲気となる排気空燃比がリーン空燃比のときにNOx を触媒上に吸蔵させることにより排気中のNOx を浄化し、酸素濃度が低下して排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比のときに付着したNOx を放出し還元する機能を有したNOx 触媒１５（NOx 触媒装置）と、理論空燃比の雰囲気でCO,HC 及びNOx を浄化可能な三元機能を有した三元触媒１６とを備えている。三元触媒１６はNOx 触媒１５よりも下流側に配設され、NOx 触媒１５から放出されたNOx のうちNOx 触媒１５で還元しきれなかったNOx の還元も行なう。尚、排気浄化触媒装置１３の構成は、NOx 触媒１５を少なくとも一つ備えたものであれば、配置や機能等は上記実施例に限定されるものではない。
【００２４】
NOx 触媒１５は、酸化雰囲気においてNOx を一旦吸蔵させ、主としてCOの存在する還元雰囲気中においてNOx を放出してN2（窒素）等に還元させるNOx 放出還元機能を持つものである。詳しくは、NOx 触媒１５は、貴金属として白金（Pt）、パラジウム（Pd）等を有した触媒として構成され、吸蔵剤としてはバリウム（Ba) 等のアルカリ金属、アルカリ土類金属が採用されている。そして、排気浄化触媒装置１３の下流側にはNOx 濃度を検出するNOx センサ１７が設けられている。
【００２５】
一方、吸気マニホールド９にはドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）方式の電動スロットル弁２１が接続され、スロットル弁２１にはスロットル開度θthを検出するスロットルポジションセンサ２２が設けられている。エンジン１には、クランク角を検出するクランク角センサ２３が設けられ、クランク角センサ２３はエンジン回転速度Neを検出可能となっている。
【００２６】
車両には電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１が設けられ、このＥＣＵ２３には、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類が備えられている。ＥＣＵ３１によって筒内噴射エンジン１を含めた本実施形態の排気浄化装置の総合的な制御が実施される。各種センサ類の検出情報はＥＣＵ３１に入力され、ＥＣＵ３１は各種センサ類の検出情報に基づいて、燃料噴射モードや燃料噴射量を始めとして点火時期等を決定し、燃料噴射弁４や点火プラグ３等を駆動制御する。
【００２７】
筒内噴射エンジン１では、吸気マニホールド９から燃焼室５内に流入した吸気流が逆タンブル流を形成し、圧縮行程中期以降に燃料を噴射して逆タンブル流を利用しながら燃焼室５の頂部中央に配設された点火プラグ３の近傍のみに少量の燃料を集め、点火プラグ３から離隔した部分で極めてリーンな空燃比状態とする。点火プラグ３の近傍のみを理論空燃比又はリッチな空燃比とすることで、安定した層状燃焼（層状超リーン燃焼）を実現しながら燃料消費を抑制する。
【００２８】
また、筒内噴射エンジン１から高出力を得る場合には、燃料噴射弁４からの燃料を吸気行程に噴射することにより燃焼室５全体に均質化し、燃焼室５内を理論空燃比やリーン空燃比の混合気状態にさせて予混合燃焼を行う。もちろん、理論空燃比もしくはリッチ空燃比の方がリーン空燃比よりも高出力が得られるため、この際にも、燃料の霧化及び気化が十分に行なわれるようなタイミングで燃料噴射を行ない、効率よく高出力を得るようにしている。
【００２９】
ＥＣＵ３１では、図示しないアクセル開度センサからのアクセル開度とクランク角センサ２３からのエンジン回転速度Neとに基づいてエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち、目標平均有効圧Peが求められ、更に、この目標平均有効圧Peとエンジン回転速度Neとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射モードが設定される。例えば、目標平均有効圧Peとエンジン回転速度Neとが共に小さいときは、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Peが大きくなり、あるいはエンジン回転速度Neが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。そして、目標平均有効圧Peとエンジン回転速度Neとから各燃料噴射モードでの制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。
【００３０】
排気浄化触媒装置１３のNOx 触媒１５では、リーンモードにおける超リーン燃焼運転時のような酸素濃度過剰雰囲気となる排ガス中の空燃比がリーン空燃比のときに、排気中のNOx が硝酸塩として吸蔵されて排気の浄化が行われる。一方、酸素濃度が低下して酸素過剰雰囲気となる排ガス中の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比のときに、NOx 触媒１５に吸蔵した硝酸塩と排気中のCOとが反応して炭酸塩が生成されると共にNOx が放出される。従って、NOx 触媒１５へのNOx の吸蔵が進むと、空燃比のリッチ化あるいは追加の燃料噴射を行うなどして酸素濃度を低下させCOを供給し、NOx 触媒１５からNOx を放出還元させてNOx 吸蔵機能を維持する。
【００３１】
図２に示すように、ＥＣＵ３１には、排気中の酸素濃度を低下させて（排気雰囲気を酸素濃度低下雰囲気とする）NOx 触媒１５からNOx を放出させるためのNOx 放出手段３２が備えられている。NOx 放出手段３２は、NOx 触媒１５からNOx を放出させる指令（再生指令）に基づいて、吸蔵されたNOx を吸蔵型NOx 触媒１５から放出し還元する際に（NOx パージ）、排気空燃比をリッチ空燃比または理論空燃比近傍（理論空燃比もしくは理論空燃比よりも僅かにリッチなスライトリッチ）とする機能、即ち、再生機能を備えている。
【００３２】
また、ＥＣＵ３１には、還元剤供給手段３３が備えられ、本実施形態例における還元剤供給手段３３は、NOx 放出手段３２によるNOx の放出作動期間中における所定時期に、放出されたNOx を還元する還元剤を追加供給するため、膨張行程の後期（または排気行程の初期）に追加の燃料を噴射させるパルス噴射手段である。
【００３３】
一方、ＥＣＵ３１には、タイミング導出手段５１が備えられ、タイミング導出手段５１では、筒内噴射エンジン１がリーン空燃比での運転から理論空燃比またはリッチ空燃比での運転に移行する際にNOx 触媒１５から排出されるNOx が排気中の還元剤に対して過剰になるタイミングが記憶または演算に基づいて求められる。つまり、NOx の放出作動によりNOx 触媒１５から排出されるNOx が増加し、還元されるNOx が、放出されるNOx を上回る傾向（還元されるNOx ＞放出されるNOx ）から、還元されるNOx が、放出されるNOx を下回る傾向（還元されるNOx ＜放出されるNOx ）に変化するタイミングが、例えば、この時の空燃比AFP （例えば、理論空燃比）を基準として、タイミング導出手段５１によって求められる。
【００３４】
尚、NOx が過剰になるタイミングとしては、空燃比AFP によらず、（還元されるNOx ＜放出されるNOx ）となる時期と相関のある指標であれば良く、例えば、O2濃度、NOx 濃度、NH3 濃度のうち少なくとも一つをガスセンサにより検出して用いてもよい。
【００３５】
還元されるNOx が、放出されるNOx を下回る傾向（還元されるNOx ＜放出されるNOx ）になってNOx が過剰になる時の空燃比AFP は、排気流量、吸気流量、排気温度、触媒温度、排気管温度、エンジン回転速度、正味平均有効率、図示平均有効率、体積効率、マニ圧、水温、油温の内少なくともいずれか一つの運転条件に応じた値をマップで求めるようにすることができる。また、マップ以外でも、固定値としたり、ガスセンサにより補正した値を用いることもできる。つまり、空燃比AFP は、運転状態に応じて記憶や演算により適宜求めることができる。
【００３６】
また、ＥＣＵ３１には、遅れ時間導出手段５２が備えられ、遅れ時間導出手段５２では還元剤供給手段３３の作動から還元剤がNOx 触媒１５に到達するまでの時間（遅れ時間）Ｔαが記憶または演算に基づいて求められる。即ち、還元剤供給手段３３を作動させても、運転条件によっては、排気系への物理的及び化学的な吸着、NOx 還元反応の遅れ、一時的な還元剤の酸化反応等により、還元剤の到達に遅れが生じ、放出NOx が多くなる虞がある。このため、遅れ時間導出手段５２により還元剤供給手段３３の作動から実際に還元剤がNOx 触媒１５に到達するまでの遅れ時間Ｔαが求められる。
【００３７】
還元剤がNOx 触媒１５に到達するまでの遅れ時間は、排気流量、吸気流量、排気温度、触媒温度、排気管温度、エンジン回転速度、正味平均有効率、図示平均有効率、体積効率、マニ圧、水温、油温の内少なくともいずれか一つの運転条件に応じた値をマップで求めるようにすることができる。また、マップ以外でも、固定値としたり、ガスセンサにより補正した値を用いることもできる。つまり、遅れ時間は、運転状態に応じて記憶や演算により適宜求めることができる。
【００３８】
タイミング導出手段５１によって求められた空燃比AFP の時期及び遅れ時間導出手段５２によって求められた遅れ時間Ｔαは制御手段５３に入力され、空燃比AFP の時期と遅れ時間Ｔαとに基づいて還元剤供給手段３３の作動が制御手段５３により制御される。つまり、再生指令が制御手段５３に入力されると、空燃比AFP の時期と遅れ時間Ｔαとに基づいて還元剤供給手段３３の作動が制御されて所定時期にパルス噴射が実行される。
【００３９】
これにより、リーン空燃比での運転から理論空燃比またはリッチ空燃比での運転の移行に際して放出されるNOx が過剰になるタイミングと、追加の還元剤がNOx 触媒１５に到達するタイミングとをバランスさせることができ、還元剤が過剰になることを抑制しながらNOx を確実に還元することができる。
【００４０】
また、制御手段５３では、還元剤供給手段３３の作動から、遅れ時間導出手段５２によって求められた遅れ時間Ｔαが経過するまでは、タイミング導出手段５１によって求められた空燃比AFP よりも空燃比がリッチ化しないように、NOx 放出手段３２の作動が制御される。つまり、再生指令が制御手段５３に入力されると、遅れ時間導出手段５２によって求められた遅れ時間Ｔαが経過するまでは、タイミング導出手段５１によって求められたタイミングでの空燃比AFP よりもリッチ化が禁止された状態でNOx 放出手段３２が作動される。
【００４１】
これにより、遅れ時間Ｔαが経過するまではリッチ化によるNOx の過剰放出が抑制され、放出されるNOx が排気中の還元剤に対して過剰になることを防止してNOx 触媒１５から放出されるNOx を確実に還元することができる。
【００４２】
尚、パルス噴射手段は、NOx 放出手段３２によるNOx の放出作動期間中における所定時期に、膨張行程の後期（または排気行程の初期）に追加の燃料を噴射させるように作動するが、NOx 放出手段３２に拘らず機関の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換わるときに作動させてもよい。即ち、加速時やエアコン、パワステ作動時等の負荷上昇時、あるいはブレーキマスターバッグの負圧確保時等に機関の空燃比がリーン空燃比から理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換わるときに、あるいはNOx 触媒１５の吸蔵量が減少する条件時（例えば、NOx 触媒１５の温度が500 ℃以上の高温条件、例えば、NOx 触媒１５の流入NOx 濃度が低下する条件等）NOx 放出手段３２を作動させずとも自然にNOx が放出されるが、その際に、膨張行程の後期（または排気行程の初期）にパルス噴射手段を作動させて追加の燃料を噴射させることも可能である。
【００４３】
上述した排気浄化装置の基本的な作用を図３に基づいて説明する。
【００４４】
排気浄化触媒装置１３のNOx 触媒１５では、リーンモードにおける層状超リーン燃焼運転時のような酸素濃度過剰雰囲気となる排ガス中の空燃比がリーン空燃比のときに、排気中のNOx が酸化されて硝酸塩が生成され、これによりNOx が吸蔵され、排気の浄化が行われる。一方、NOx 触媒１５は、酸素濃度が低下した雰囲気となる排ガス中の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となるとき、NOx 触媒１５に吸蔵した硝酸塩と排気中のCOとが反応して炭酸塩が生成され、これによりNOx が放出される。従って、NOx 触媒１５へのNOx の吸蔵が進むと、例えば、リーン運転の積算時間が所定時間を越えると、再生指令が制御手段５３を介してNOx 放出手段３２に送られ、NOx 放出手段３２により空燃比を理論空燃比もしくはリッチ空燃比に制御して酸素濃度を低下させ、NOx 触媒１５からNOx を放出させてNOx 触媒１５の機能を維持するようにしている（再生運転）。
【００４５】
即ち、図３(a) に示すように、目標空燃比をリッチ空燃比側に徐々に変更し、排気雰囲気を酸素濃度低下雰囲気とする（NOx 放出手段３２の作動）。目標空燃比をリッチ空燃比側に変更すると、図３(b) に点線で示すように、NOx 触媒１５は担持された貴金属の性質により、NOx 放出手段３２によるNOx の放出作動開始直後である理論空燃比近傍からCOが供給されNOx が放出され始めるが、放出したNOx を還元するだけの還元剤（残りのCO及びHC等）が存在しないため、放出されたNOx ＞還元されるNOx 、となってNOx 触媒１５から放出されたNOx のうち還元されないNOx がそのまま大気放出される。
【００４６】
そこで、再生運転時に還元剤供給手段３３により、放出されたNOx を還元する還元剤を追加供給するため、図３(c) に示したように、主燃料噴射とは別に、燃焼に寄与しないため機関の出力に影響しにくいと同時に未燃の状態でHC（還元剤）を供給できるタイミングである膨張行程以降、好ましくは膨張行程の後期（または排気行程の初期）に駆動パルスを立ち上げ、燃料噴射弁４を駆動して追加燃料を噴射する（パルス噴射）。追加の燃料量は、放出されたNOx に応じて設定される。
【００４７】
これにより、図３(b) に実線で示したように、追加された還元剤によってNOx が還元されて大気放出されるNOx 量を抑制することができる。従って、NOx 及びCOの大気放出を抑えることができ、放出されたNOx がそのまま大気に放出されてしまうといった問題が生じることがなくなる。
【００４８】
還元剤を追加するための追加燃料の供給に際して、筒内噴射エンジン１がリーン空燃比での運転から理論空燃比またはリッチ空燃比での運転に移行する際にNOx 触媒１５から排出されるNOx が排気中の還元剤に対して過剰になるタイミングとしてタイミング導出手段５１によって空燃比AFP が求められている。また、還元剤供給手段３３の作動から還元剤がNOx 触媒１５に到達するまでの遅れ時間Ｔαが遅れ時間導出手段５２によって求められている。このため、図３(c) に示すように、タイミング導出手段５１によって求められた空燃比AFP の時刻T3から遅れ時間Ｔα前の時刻T2の時点でパルス噴射が実行される。
【００４９】
上述したように追加燃料の供給を膨張行程以降、好ましくは膨張行程の後期（または排気行程の初期）に実施することにより、燃焼室５内の容量が十分に確保されると共に、燃料の供給直後に排気弁が開いて流れが生じ、点火プラグ３に燃料が付着することがない。
【００５０】
尚、NOx 触媒１９は、担持される貴金属を適宜選択して、NOx 放出速度（NOx 放出量）とNOx 還元速度（NOx 還元量）の差が極力小さくなるように調整することが好ましい。これにより、追加の燃料量を減らすことができる。
【００５１】
上述した排気浄化装置の具体的な作用を図４及び図５に基づいて詳細に説明する。
【００５２】
図４に示すように、ステップＳ１で三元触媒１６の温度ＴがＴs 以上になったか否かが判断され（高温センサ１４で検出される排気温度値で推定）、三元触媒１６の温度ＴがＴs 以上であると判断された場合（即ち、三元触媒１６が活性温度Ｔs に達しており吸蔵型NOx 触媒１５からパージされたNOx を還元可能と判断された時）、ステップＳ２でリーンモードの継続時間Ｌt が第１規定時間ｔ１以上であるか、もしくは、リーンモードの継続時間Ｌt が第２規定時間ｔ２以上でかつリーンモードからストイキモードへの切り換え時か否かが判断される。尚、第１規定時間ｔ１（リーン継続時間）は、例えば、30秒に設定され、リーンモードでの運転が継続的に行われている場合の判定条件であり、第２規定時間ｔ２は、例えば、５秒に設定され、リーンモードからの加速時等の場合の判定条件である。
【００５３】
ステップＳ２でいずれかの条件が成立した場合（YES の場合）、吸蔵されたNOx を再生手段により吸蔵型NOx 触媒１５から放出し還元する制御（NOx パージ）の開始条件が成立したので、NOx パージを実行するための時間及びパルス噴射を実行するための時間をステップＳ３で設定する。NOx パージを実行する時間は、直前のリーンモード継続時間、排気流量、NOx 触媒１５の劣化度合い等に基づいて設定される。
【００５４】
ステップＳ３でNOx パージを実行するための時間及びパルス噴射を実行するための時間を設定した後、ステップＳ４でNOx パージを実行する。NOx パージは、例えば、所定時間の間、排気空燃比がリッチ空燃比になるようにリッチパージが実行され、その後、所定時間の間、排気空燃比が、放出されるNOx と還元されるNOx とがバランスするAFP になるように、もしくは、理論空燃比または理論空燃比よりも僅かにリッチなスライトリッチになるようにパージが実行される。この時、点火時期、吸入空気量、燃料噴射時期及び目標ＥＧＲ開度等を適宜制御してリーンモード時とNOx パージ時でトルク段差がでないようにし、切替時には空燃比テーリングを行って、空燃比が急激に変更されないようにして切替に伴うトルクショックを低減する。
【００５５】
還元剤供給手段３３の作動から還元剤がNOx 触媒１５に到達するまでの遅れ時間ＴαがステップＳ５で検出され、ステップＳ６で現在の時刻T1がタイミング導出手段５１によって求められた空燃比AFP の時刻T3から遅れ時間Ｔα前の時刻T2になったか否か、即ち、放出されるNOx ＞還元されるNOx となる時刻の遅れ時間Ｔα前になったか否かが判断される。現在の時刻T1が空燃比AFP の時刻T3から遅れ時間Ｔα前の時刻T2になったことがステップＳ６で判断されると、ステップＳ７に移行してパルス噴射が実行される。ステップＳ６で現在の時刻T1が時刻T2になっていないと判断された場合、ステップＳ５に移行する。
【００５６】
このため、放出されるNOx ＞還元されるNOx となる所定のタイミングの空燃比AFP の時点から遅れ時間Ｔα前になったタイミングでパルス噴射が実行され、空燃比AFP の時点で所定量の還元剤がNOx 触媒１５に到達する。パルス噴射は、膨張行程の中期から排気行程の初期、特に膨張行程の後期が望ましく、膨張行程の後期に燃料を追加することで、燃焼することなく未燃の燃料（還元剤）が排気通路に供給され触媒上で放出されたNOx の還元に用いられる。また、膨張行程から排気行程では燃料を噴射しても筒内噴射エンジン１の出力に影響を与えにくい。
【００５７】
パルス噴射が開始されると、つまり、図３(c) の時刻T2になると、図５に示したルーチンが実行され、遅れ時間Ｔαが経過するまでは、主噴射の空燃比が空燃比AFP あるいは空燃比AFP よりリーン側に制限される。即ち、ステップＳ１１で、放出されるNOx ＞還元されるNOx となる所定のタイミング（空燃比AFP ）が検出され、ステップＳ１２で遅れ時間Ｔαが経過した否かが判断される。遅れ時間Ｔαが経過していないと判断された場合、即ち、現在の時刻がT2とT3の間であると判断された場合、ステップＳ１３で主噴射の空燃比が空燃比AFP よりも小さくなること（空燃比AFP よりもリッチ化）が禁止される。ステップＳ１２で遅れ時間Ｔαが経過したと判断された場合、即ち、現在の時刻がT3以降であると判断された場合、ステップＳ１４で主噴射の空燃比が空燃比AFP よりも小さくなること（空燃比AFP よりもリッチ化）の禁止が解除される。
【００５８】
これにより、遅れ時間Ｔαが経過するまでの間は空燃比が空燃比AFP よりもリッチ化されることが禁止されてNOx の過剰放出が抑制され、放出されるNOx が排気中の還元剤に対して過剰になることが防止され、NOx 触媒１５から放出されるNOx を確実に還元することができる。
【００５９】
上述した排気浄化装置は、筒内噴射エンジン１がリーン運転から理論空燃比またはリッチ空燃比での運転に移行する際に（再生運転等）、NOx 触媒１５から放出されるNOx が排気中の還元剤に対して過剰になるタイミング（空燃比AFP となるタイミング）と、還元剤供給手段３３の作動により供給される還元剤がNOx 触媒１５に到達するまでの遅れ時間Ｔαとに基づいて、追加の還元剤を供給するパルス噴射の作動時期を制御している。このため、リーン空燃比での運転から理論空燃比またはリッチ空燃比での運転への移行に際して放出されるNOx が過剰になるタイミングと、追加の還元剤がNOx 触媒１５に到達するタイミングとをバランスさせることができる。従って、還元剤が過剰になることを抑制しながらNOx を確実に還元することができる。
【００６０】
また、上述した排気浄化装置は、筒内噴射エンジン１がリーン運転から理論空燃比またはリッチ空燃比での運転に移行する際に（再生運転等）、NOx 触媒１５から放出されるNOx が排気中の還元剤に対して過剰になるタイミング（空燃比AFP となるタイミング）の空燃比に対し、還元剤供給手段３３の作動により供給される還元剤がNOx 触媒１５に到達するまでの遅れ時間Ｔαが経過するまでは空燃比のリッチ化を禁止している。このため、NOx の過剰放出を抑制することができ、放出されるNOx が排気中の還元剤に対して過剰になることを防止してNOx 触媒１５から放出されるNOx を確実に還元することができる。
【００６１】
尚、上記実施形態例では、パルス噴射の実行及び空燃比の変更の両方に対して遅れ時間Ｔαを考慮した制御を導入したが、これらの一方のみに対して遅れ時間Ｔαを考慮した制御を導入するものとしてもよい。また、上記実施形態例では、排気浄化装置を適用する機関として、燃焼室内に燃料を直接噴射するよようにした火花点火式の機関を例に挙げて説明したが、吸蔵型のNOx 触媒１５を備えてNOx の放出還元を行う機関であれば、ディーゼルエンジンや、吸気管に燃料を噴射し混合気を燃焼室に導入する火花点火式のリーンバーンエンジンに適用することも可能である。混合気を燃焼室に導入するエンジンに本発明を適用する場合には、還元剤供給手段として、排気通路に追加燃料を噴射して還元剤を追加供給するようにしてもよい。
【００６２】
【発明の効果】
請求項１に係る内燃機関の排気浄化装置では、リーン空燃比での運転から理論空燃比またはリッチ空燃比での運転への移行に際して放出されるNOx が過剰になるタイミングと、追加の還元剤がNOx 触媒装置に到達するタイミングとをバランスさせることができるので、還元剤が過剰になることを抑制しながらNOx を確実に還元することができる。
【００６３】
請求項２に係る内燃機関の排気浄化装置では、還元剤供給手段の作動により供給される還元剤がNOx 触媒装置に到達するまでの遅れ時間が経過するまでは、NOx が排気中の還元剤に対して過剰になるタイミングにおける空燃比に対して空燃比のリッチ化を禁止しているため、NOx の過剰放出を抑制することができ、放出されるNOx が排気中の還元剤に対して過剰になることを防止してNOx 触媒装置から放出されるNOx を確実に還元することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る排気浄化装置を備えた内燃機関の概略構成図。
【図２】排気浄化装置のブロック図。
【図３】  NOx の放出状況を表すタイムチャート。
【図４】排気浄化装置によるNOx の放出状況を表すフローチャート。
【図５】排気浄化装置によるNOx の放出状況を表すフローチャート。
【符号の説明】
１  筒内噴射エンジン
３  燃料噴射弁
１３  排気浄化触媒装置
１５  NOx 触媒
３１  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３２  NOx 放出手段
３３  還元剤供給手段
５１  タイミング導出手段
５２  遅れ時間導出手段
５３  制御手段
【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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