(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップし、該空燃比がリッチの時にトラップしたＮＯｘを脱離、浄化するＮＯｘトラップ触媒を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比を検出しつつリーン空燃比運転後にリッチ空燃比運転を行い、前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出した後も所定期間リッチ空燃比運転を継続し、
かつ、前記リッチ空燃比運転を開始してから前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間に応じて前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間を設定することを特徴とすることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
前記リッチ空燃比運転を開始してから前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間に所定割合を乗じて、前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間を設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間は、時間経過と共に徐々にリッチ化の程度を減少す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空燃比制御装置。
【請求項４】
前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出された後に継続するリッチ化空燃比運転のリッチ化の程度を、前記検出前のリッチ化の程度より小さくすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項５】
前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出された後に継続するリッチ化空燃比運転を、空燃比フィードバック制御の平均空燃比をリッチ化することによって行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項６】
前記リッチ化空燃比運転の終了後、ストイキ空燃比運転を行うことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項７】
排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップし、該空燃比がリッチの時にトラップしたＮＯｘを脱離、浄化するＮＯｘトラップ触媒を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比を検出しつつリーン空燃比運転後にリッチ空燃比運転を行い、前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出した後も所定期間リッチ空燃比運転を継続し、
かつ、前記リッチ空燃比運転を開始してから前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間に、理論空燃比よりリッチ化している燃料噴射量相当値に応じて前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間を設定することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項８】
前記リッチ空燃比運転を開始してから前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間に、理論空燃比よりリッチ化している燃料噴射量相当値の積算値に所定割合を乗じた値から、前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出された以後のリッチ空燃比運転を継続しているときの理論空燃比よりリッチ化している燃料噴射量相当値の積算値を減算し、該減算した値がしきい値を下回った時点で該リッチ空燃比運転を終了することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項９】
前記リッチ空燃比運転を継続しているときに、前記減算した値が小さくなるに従って、リッチ化の程度を減少することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項１０】
前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出された後に継続するリッチ化空燃比運転のリッチ化の程度を、前記検出前のリッチ化の程度より小さくすることを特徴とする請求項７〜請求項９のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項１１】
前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出された後に継続するリッチ化空燃比運転を、空燃比フィードバック制御の平均空燃比をリッチ化することによって行うことを特徴とする請求項７〜請求項１０のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項１２】
前記リッチ化空燃比運転の終了後、ストイキ空燃比運転を行うことを特徴とする請求項７〜請求項１１のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の空燃比制御技術に関し、特に、ＮＯｘ浄化性能を改善した空燃比制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、流入する排気の空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップし、該空燃比がリッチの時にトラップしたＮＯｘを脱離、浄化するＮＯｘトラップ触媒を備えた内燃機関においては、リーン空燃比で運転した後は、空燃比をリッチにしてＮＯｘを還元するようにしている。
【０００３】
ＮＯｘを還元するために空燃比をリッチにする場合、リッチ化する時間が不足すると、十分なＮＯｘ還元が行われないために、ＮＯｘ排出量の増加をもたらし、反対にリッチ化する時間が長すぎると、余剰な燃料噴射量は、ＣＯ及びＨＣの増加をもたらすことになる。
したがって、ＮＯｘの還元を十分に行いつつＣＯ及びＨＣの増加をもたらさないように最適なリッチ化を行うことが、排気浄化のために必要であり、かかる目的のために、いくつかの発明がなされている（特開平８−２３２６４６号公報、特開平１１−２１０５２４号公報参照）。
【０００４】
特開平８−２３２６４６号公報、特開平１１−２１０５２４号公報によると、ＮＯｘトラップ触媒の下流に設置した空燃比センサが理論空燃比もしくは理論空燃比よりもリッチに移行するタイミングで空燃比のリッチ化を終了させて、最適なリッチ化を実現しようとしている。
一方、空燃比がリーンのときに、ＮＯｘトラップ触媒にＮＯｘをトラップする場合、ＮＯｘトラップ触媒及び機関の排気通路に設置された他の触媒は、排気中に含まれる酸素をストレージしており、ＮＯｘを還元する際のリッチ化された排気中のＣＯ及びＨＣの多くがストレージされた酸素を消費するために使用される。
【０００５】
したがって、ＮＯｘの還元を十分に行い、かつ、ＣＯ及びＨＣの増加をもたらさないように最適なリッチ化を行うためには、排気通路に設置された触媒の酸素ストレージ量に合わせてリッチ化を行う必要がある。
空燃比がリーンのときに、排気通路に設置された触媒にストレージされた酸素は、空燃比がリッチのときに触媒から放出され、排気中のＣＯ及びＨＣと反応するが、この速度は一定ではなく、触媒に残った酸素量が少なくなると低下するため、その場合、触媒出口位置での排気中の酸素濃度が低下したように見える。したがって、触媒に流入する排気の空燃比をリッチ化した後、触媒の下流に配置された空燃比センサが理論空燃比よりもリッチになったと判定したときにおいても、実際は触媒内には酸素が残っていることが本発明者らの実験で確認されており、この時点で触媒に流入する排気のリッチ化を終了すると、リッチ化が不十分となる。
【０００６】
特開平８−２３２６４６号公報、特開平１１−２１０５２４号公報では、既述のように触媒の下流に設置した空燃比センサが理論空燃比もしくは理論空燃比よりリッチに移行するタイミングで空燃比のリッチ化を終了させる構成になっていたため、触媒にストレージされた酸素が完全に放出されたかどうかは判別できない。このように、触媒の下流に設置した空燃比センサが理論空燃比もしくは理論空燃比よりリッチに移行するタイミングで空燃比のリッチ化を終了させる方式では、最適にＮＯｘを還元できない。
【０００７】
特に、リッチ化運転の後に、触媒の上流に設置された空燃比センサによるストイキ空燃比へのフィードバック制御に移行する場合、触媒下流に設置した空燃比センサが理論空燃比もしくは理論空燃比よりリッチに移行するタイミングで空燃比のリッチ化を終了させる方式では、触媒内に酸素が残っているため、触媒内でのＮＯｘ還元能力が低下し、ＮＯｘ排出量の増加をもたらすことになる。
【０００８】
また、排気中のＣＯ及びＨＣとの反応によるＮＯｘの脱離還元効率は、触媒内の酸素ストレージ量が低下するに従って増大するので、触媒内に酸素が残っている場合は酸素が完全に放出された場合に比較するとＮＯｘトラップ触媒にＮＯｘが残りやすい。したがって、リッチ化運転の後に、直ぐにリーン空燃比運転に戻す場合でも、ＮＯｘトラップ触媒にＮＯｘが残存していると、ＮＯｘトラップ能力が不足し、ひいてはリーン空燃比運転時間が短縮して燃費や排気浄化性能の低下を招く。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップし、該空燃比がリッチの時にトラップしたＮＯｘを脱離、浄化するＮＯｘトラップ触媒を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比を検出しつつリーン空燃比運転後にリッチ空燃比運転を行い、前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出した後も所定期間リッチ空燃比運転を継続し、
かつ、前記リッチ空燃比運転を開始してから前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間に応じて前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間を設定することを特徴とすることを特徴とする。
【００１０】
請求項１に係る発明によると、
リーン空燃比運転時に触媒にストレージされた酸素はＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出したときも残っているが、その後所定期間リッチ空燃比運転を継続することにより、触媒（ＮＯｘトラップ触媒その他排気通路中の触媒）内の酸素を十分に放出させることができ、以って排気中のＣＯ，ＨＣ（還元材）によってＮＯｘトラップ触媒中のＮＯｘを十分に脱離、還元（浄化）させて、ＣＯ，ＨＣとＮＯｘを総合的にバランス良く低減できる。
【００１１】
また、前記リッチ空燃比運転を開始してから前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間に応じて前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間を設定する構成としたことにより、以下の効果が得られる。
すなわち、前記リッチ空燃比運転を開始してから前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間は、概略この期間中にリッチ化された燃料量（還元材量）に相当する。該リッチ化分燃料量は、リッチ空燃比運転開始からリッチと検出されるまでに触媒から放出された酸素の還元に消費されるので、該放出酸素量と等価であり、この放出酸素量と排気の空燃比がリッチと検出したときに触媒に残存する酸素量とは相関しているので、該残存酸素を放出、還元するのに必要かつ十分なようにリッチ空燃比運転を継続する所定期間を設定することができる。
【００１２】
また、請求項２に係る発明は、
前記リッチ空燃比運転を開始してから前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間に所定割合を乗じて、前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間を設定することを特徴とする。
請求項２に係る発明によると、
前記リッチ空燃比運転を開始してから前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間の放出酸素量と、排気の空燃比がリッチと検出したときに触媒に残存する酸素量とが概略比例的であるので、該期間に所定割合を乗じることで、前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間を簡易かつ良好な値に設定することができる。
【００１３】
また、請求項３に係る発明は、
前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間は、時間経過と共に徐々にリッチ化の程度を減少することを特徴とする。
請求項３に係る発明によると、
ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出した後の、触媒の酸素放出率は残存酸素量の減少にしたがって徐々に減少するので、この特性に応じてリッチ空燃比運転の継続時間経過と共に徐々にリッチ化の程度を減少することにより、放出される酸素量に見合った還元材量が与えられ、リッチ化の過不足を抑制できるので、この間の排気浄化性能も高めることができる。
また、請求項４に係る発明では、前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出された後に継続するリッチ化空燃比運転のリッチ化の程度を、前記検出前のリッチ化の程度より小さくする構成としたことにより、触媒の酸素放出率は、ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出される前より後の方が残存酸素量の減少によって小さくなるので、リッチ化の程度を、前記検出前のリッチ化の程度より小さくすることにより、リッチ化の過不足を抑制できる。
また、請求項５に係る発明では、前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出された後に継続するリッチ化空燃比運転を、空燃比フィードバック制御の平均空燃比をリッチ化することによって行うことにより、経時変化に影響されず安定したリッチ化制御を行える。
また、請求項６に係る発明では、前記リッチ化空燃比運転の終了後、ストイキ空燃比運転を行うことにより、既述のように、触媒内に酸素が残っていると触媒内でのＮＯｘ還元能力が低下し、ＮＯｘ排出量の増加をもたらすことになるが、本発明では該触媒内から酸素を十分に放出させることができるので、ストイキ空燃比運転に移行後も触媒によるＮＯｘの還元浄化を良好に遂行させることができる。
【００１４】
また、請求項７に係る発明は、
排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップし、該空燃比がリッチの時にトラップしたＮＯｘを脱離、浄化するＮＯｘトラップ触媒を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比を検出しつつリーン空燃比運転後にリッチ空燃比運転を行い、前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出した後も所定期間リッチ空燃比運転を継続し、
かつ、前記リッチ空燃比運転を開始してから前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間に、理論空燃比よりリッチ化している燃料噴射量相当値に応じて前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間を設定することを特徴とする。
【００１５】
請求項７に係る発明によると、請求項１の説明で既述したように、前記期間中に理論空燃比よりリッチ化している燃料噴射量は、該期間中に放出された酸素量と等価でリッチ検出時に触媒に残存する酸素量と相関するので、該リッチ化分の燃料噴射量相当値を用いることにより、リッチ空燃比運転を継続する所定期間がより適切に設定される。
【００１６】
また、請求項８に係る発明は、
前記リッチ空燃比運転を開始してから前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間に、理論空燃比よりリッチ化している燃料噴射量相当値の積算値に所定割合を乗じた値から、前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出された以後のリッチ空燃比運転を継続しているときの理論空燃比よりリッチ化している燃料噴射量相当値の積算値を減算し、該減算した値がしきい値を下回った時点で該リッチ空燃比運転を終了することを特徴とする。
【００１７】
請求項８に係る発明によると、
前記リッチ空燃比運転を開始してから前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間中のリッチ化分の燃料噴射量相当値に所定割合を乗じた値の積算値を、触媒内の残存酸素量を還元する量として算出できる。
したがって、この算出値からリッチ空燃比運転継続中のリッチ化分の燃料噴射量相当値の積算値を減算した値がしきい値を下回った時点で、触媒内の残存酸素量が還元されつくしたと判断して、リッチ化空燃比継続運転を最適な時期に終了させることができる。
【００１８】
また、請求項９に係る発明は、
前記リッチ空燃比運転を継続しているときに、前記減算した値が小さくなるに従って、リッチ化の程度を減少することを特徴とする。
請求項９に係る発明によると、
既述したように、触媒の酸素放出率は残存酸素量の減少にしたがって徐々に減少するので、前記積算値同士の減算値が小さくなるに従って、リッチ化の程度を減少することにより、リッチ化の過不足を抑制でき、この間の排気浄化性能もより高めることができる。
【００１９】
また、請求項１０〜請求項１２に係る発明によると、請求項４〜請求項６で説明したのと同様の効果が得られる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明にかかる空燃比制御装置の一実施形態のシステム構成を示す。
実施例の構成を示すものである。エンジン（内燃機関）１の吸気通路２の上流部には、吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ３が備えられ、その下流側には吸入空気量Ｑａを調節する電制スロットル弁４が備えられている。エンジン１の燃焼室には、燃料噴射弁５と点火プラグ６が備えられている。前記燃料噴射弁５は、吸気ポート部分に燃料を噴射するものであってもよいし、また、燃焼室に直接燃料を噴射するものであってもよい。
【００２３】
エンジン１の排気通路７には、上流側から排気空燃比を検出する上流側空燃比センサ８、触媒９、ＮＯｘトラップ触媒１０、該ＮＯｘトラップ触媒１０下流の排気空燃比を検出する下流側空燃比センサ１１が順次設置されている。
前記ＮＯｘトラップ触媒１０は、排気空燃比がリーンであるときに排気中のＮＯｘをトラップし、排気空燃比が理論空燃比もしくは理論空燃比よりリッチであるときに前記トラップしたＮＯｘを脱離して三元触媒層で還元処理する触媒である。
【００２４】
また、該ＮＯｘトラップ触媒１０より上流の触媒９は、始動時の排気浄化性能を向上させるため設けられる。なお、本発明において、触媒の個数、配置は特に限定するものではない。また、以下の説明で単に触媒というときは、触媒９、ＮＯｘトラップ触媒１０を合わせたものをいう（したがって、触媒入口は触媒９の上流側、触媒出口はＮＯｘトラップ触媒１０の下流側をいう）。
【００２５】
前記上流側空燃比センサ８は、排気中の酸素濃度に基づいて排気中空燃比を検出するセンサであり、理論空燃比のみを検出するストイキセンサであってもよいし、排気空燃比を広域に検出できる広域空燃比センサであってもよい。下流側空燃比センサ１１についても同様である。
また、前記エアフローメータ３、空燃比センサ８，１１以外の各種エンジン運転状態を検出するセンサ類として、エンジン回転速度Ｎｅ等を検出するためのクランク角センサ１２、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ１３、スロットル弁４の開度を検出するスロットルセンサ１４などが設けられる。これらセンサ類からの検出信号は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１５に入力される。
【００２６】
ＥＣＵ１５は、マイクロコンピュータを含んで構成され、前記各検出信号に基づいて、必要な空気量を得るために電制スロットル弁４を駆動し、エアフローメータ３で検出された吸入空気量Ｑａとクランク角センサ１２で検出されたエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて燃料噴射量（噴射パルス幅）Ｔｉ、噴射タイミングを設定し、それに基づく燃料噴射信号を出力して燃料噴射弁５を駆動し、点火時期を設定して前記点火プラグ６を点火駆動する。
【００２７】
前記燃料噴射信号の演算においては、運転条件に応じて目標空燃比を決定し、該目標空燃比の混合気が形成されるように燃料噴射量が演算されるが、前記目標空燃比として基本的には理論空燃比よりもリーンである空燃比が設定される構成となっている。そして、前記上流側空燃比センサ８で検出される排気空燃比を目標空燃比に近づけるように、前記燃料噴射量を補正するための空燃比フィードバック補正係数αを、例えば比例積分制御等に基づき設定する。
【００２８】
一方、一旦リーン空燃比で運転された場合や、フューエルカット等でリーンな排気が検出された後は、前記触媒９、ＮＯｘトラップ触媒１０には、酸素（Ｏ2）やＮＯｘがトラップされており、前記上流側空燃比センサ８で検出される排気空燃比を目標空燃比に近づけるように制御するだけでは、前記触媒内にストレージされた酸素が放出されず、そのために触媒内の空燃比がリーンとなり、トラップされたＮＯｘを十分に脱離、還元処理できない。そこで、目標空燃比を一時的にリッチ空燃比に制御することにより、ストレージされた酸素を排気中のＣＯ及びＨＣと反応させると共に、トラップされたＮＯｘを十分還元できるようにしている。
【００２９】
ここで、本発明にかかる制御の説明に先立ち、前記特開平８−２３２６４６号公報に示されているリッチスパイク終了判定の概要を図１３に基づいて説明する。
触媒入口空燃比が、リーンからリッチに移行すると、一旦、触媒出口空燃比が理論空燃比付近の値を示し、触媒出口空燃比センサの出力も、理論空燃比近傍の値を示す。リッチ状態がしばらく継続した後に、図中Ｐで示すように、触媒出口空燃比がリッチ側に変化し始め、同時に触媒出口空燃比センサ出力も低下し、理論空燃比Ｉ０よりも小さい値となる。このＰ時点を判定し、リッチ化を停止するものである。
【００３０】
前記リッチ化してからの触媒内にストレージされた酸素の挙動を図１４に基づいて説明する。なお、図１４は、本発明者らの実験により得られたもので、触媒出口空燃比センサとして、理論空燃比のみを検出する酸素センサを配置した場合で説明する。
リーン空燃比（触媒入口空燃比）で運転した後、リッチ化した場合（図１４Ａ−ａ）、触媒出口酸素センサ出力がスライスレベル（Ｓ／Ｌ）よりも低い場合、すなわち、触媒出口の空燃比はリーンと判定している間（同図Ｄ−ａ）は、排気中のＣＯ及びＨＣと酸素が反応しながら触媒から放出される酸素放出率は一定で（同図Ｂ−ａ）、ストレージされた酸素が消費されていく（同図Ｃ−ａ）。しかしながら、触媒出口酸素センサの出力がＳ／Ｌを超える、すなわち、触媒下流の空燃比がリッチと判定した後（同図Ｄ−ｂ）でも、完全には触媒にストレージされた酸素は放出されておらず（同図Ｃ−ｂ）、酸素放出率が低下しながら（同図Ｂ−ｂ）徐々に酸素は放出されていく。したがって、触媒出口に配置された酸素センサの出力が、空燃比がリッチになったと判定した後も、触媒内には酸素が存在しており、リッチな状態の継続が不足しているのである。
【００３１】
この場合、図１４の例のように、リッチ化の後に、触媒上流に配置された酸素センサによる空燃比フィードバック制御に移行した場合、触媒内に残存していた酸素が放出されるため、触媒内の空燃比は理論空燃比よりもリーンな状態になり、ＮＯｘの排出量が増加することとなる（同図Ｅ）。
本発明は、上記問題点を解消するように構成されている。
【００３２】
以下、実施形態の制御について説明する。なお、システム構成を示す図１で、下流側空燃比センサ１１として酸素センサを用いた場合について説明する。
図２に示すように、エンジン１がリーン空燃比で運転しているときは、下流側空燃比センサ１１（触媒出口酸素センサ）の出力は、略０ｍＶを示し、リッチ化を開始し、触媒出口空燃比がリッチになるまでは、触媒出口空燃比は理論空燃比よりも若干リーンな出力を示し、下流側空燃比センサ１１の出力もおよそ０ｍＶを出力している。下流側空燃比センサ１１の出力がリッチと判定するまでの積算時間をＴ１とすると、Ｔ１とリッチ割合Ｋの乗算値は、下流側空燃比センサ１１がリッチと判定するまでに、触媒を通過したリッチ分の排気中の還元材（ＣＯ，ＨＣ）の量と概略みなすことができる。
【００３３】
一方、触媒出口空燃比がリッチと判定された後も放出する酸素の量つまりリッチ判定時点で触媒に残存している酸素の量は、上記Ｔ１×Ｋに対して略一定の割合とみなせ、この割合をＣ１として、Ｔ１のカウントアップと同時に、以下のＴ２を算出する。
Ｔ２×Ｋ＝Ｔ１×Ｋ×Ｃ１
∴Ｔ２＝Ｔ１×Ｃ１・・・(1)
次に、触媒出口空燃比がリッチと判定されてからも、リッチ化を継続するが、この時、Ｔ２のカウントダウンを行い、Ｔ２が０になったところで、リッチ化を終了する。
【００３４】
次に、上記本発明の最も基本的で簡易な第１の実施形態の制御を、図３のフローチャートに従って説明する。
ステップ１では、リッチ空燃比運転を開始して上流側空燃比センサ８により、触媒入口空燃比がリーンからリッチに反転したかを判定し、反転を判定した後、ステップ２へ進む。
【００３５】
ステップ２では、前記Ｔ１のカウントアップを開始する。
ステップ３では、前記(1)式により、残留酸素相当値Ｔ２を算出する。
ステップ４では、下流側空燃比センサ１１により触媒出口空燃比がリッチになったかを判定し、リッチと判定されるまではステップ２に戻ってＴ１のカウントアップ、残留酸素相当値Ｔ２の算出を続行する。
【００３６】
ステップ４で、触媒出口空燃比がリッチになったと判定されると、ステップ５へ進む。
ステップ５では、前記触媒出口空燃比がリッチになった時点で、同時点で算出されているＴ１に比例した値として算出されている残留酸素相当値Ｔ２を、カウントダウンする。
【００３７】
ステップ６では、前記カウントダウンした残留酸素相当値Ｔ２が０になったかを判定し、０になるまでステップ５に戻ってカウントダウンを続行する。
ステップ６で、残留酸素相当値Ｔ２が０になったと判定されると、以降のリッチ化は不要と判断してステップ７でリッチ化を終了させる。
このように、触媒出口空燃比がリッチと判定された時点で触媒に残存する酸素量を推定しつつリッチ化を所定期間継続することで、触媒内の酸素を十分（完全）に放出できる。
【００３８】
そして、前記リッチ化を所定期間継続した後、ストイキ（理論空燃比）運転に移行すると、前記触媒内の酸素が十分（完全）に放出されているので、ＣＯ，ＨＣを還元材としてＮＯｘを効率よく還元・浄化することができ、以って、ＣＯ，ＨＣをバランスよく低減できる。
また、リッチ化運転の後に、直ぐにリーン空燃比運転に戻す場合でも、前記触媒内の酸素が十分（完全）に放出されているので、ＮＯｘトラップ能力を確保でき、リーン空燃比運転時間を十分確保できるので燃費や排気浄化性能を高めることができる。
【００３９】
次に、第２の実施形態にかかる制御について説明する。本第２の実施形態は、リッチ空燃比運転を継続する期間中、時間経過と共に徐々にリッチ化の程度を減少するようにしたものである。
図４は、該第２の実施形態にかかる制御のフローチャートを示す。ステップ４において、ステップ１１〜ステップ１４までは、図３のステップ１〜ステップ４と同一であり、ステップ１４で触媒出口空燃比がリッチになったと判定されてからステップ１５〜ステップ１８でリッチ割合を徐々に減少する点が、第１の実施形態と相違する。
【００４０】
まず、ステップ１５では、リッチ空燃比運転を継続する期間Ｔ３を、ステップ１３で算出した期間Ｔ２の２倍に設定する。これは、期間Ｔ２が第１の実施形態のようにリッチ割合を一定とした場合に合わせて設定されているのに対し、第２の実施形態では図４（Ｂ）に示すように、リッチ割合を一定割合で徐々に減少する三角形状とすることにより、同一のリッチ燃料噴射量積算値とするには２倍の時間を要するからである。なお、本実施形態では判りやすくするため、ステップ１３で算出したＴ２を、ステップ１５で２倍にしてＴ３を算出する構成としたが、実際には、ステップ１３で初めからＣ１の２倍の値を乗じてステップ１５を省略すればよい。
【００４１】
次いで、ステップ１６でリッチ空燃比運転継続期間Ｔ４をカウントアップした後、ステップ１７へ進む。
ステップ１７では、毎回のリッチ割合Ｋ１を次式のように算出し、ステップ１８で、該Ｋ１をリッチ割合として設定する(図４（Ｃ）参照)。
Ｋ１＝Ｋ−Ｋ／Ｔ３×Ｔ４・・・（2）
ステップ１９では、第１の実施形態同様にリッチ空燃比運転継続期間Ｔ４が、前記設定期間Ｔ３に達したかを判定し、達するとリッチ化の必要がないと判断してステップ２０へ進み、リッチ化を終了させる。
【００４２】
このようにすれば、下流側空燃比センサ１１により触媒出口空燃比がリッチになってから徐々に減少する酸素放出率に見合うようにリッチ割合を徐々に減少させるので、リッチ化の過不足を抑制でき、この間の排気浄化性能も高めることができる。
次に、第３の実施形態に係る制御を、図５のフローチャートに従って説明する。本実施形態では、ストレージされた酸素に対して供給された排気中の還元材の量を正確に算出し、下流側空燃比センサ１１（触媒出口酸素センサ）がリッチと判定してから放出される酸素の量を精度良く求めることを狙っている。
【００４３】
ステップ２１では、前記同様に触媒入口空燃比がリーンからリッチに反転したかを判定し、反転を判定した後、ステップ２２へ進む。
ステップ２２では、以下の算出を行う。
Ｆ１＝Ｆ１＋Ｆ０・・・(3)
ここで、Ｆ１は次式により求められる理論空燃比よりリッチな分の燃料噴射量相当値Ｆ０の積算値であり、例えば、１０ｍｓ毎に計算される。
【００４４】
Ｆ０＝Ｔｐ×Ｋ／１００×Ｎｅ／６０／１００（ｍｓ／１０ｍｓ）・・・(4)
ここで、Ｔｐは、エンジン１の吸入空気Ｑａ及び回転速度Ｎｅで求まる燃料噴射弁５の基本噴射量パルス幅であり、エンジン１が理論空燃比で燃焼するための燃料噴射弁５の開弁時間を示し、単位はｍｓである。また、Ｋは、リッチ化するときの理論空燃比に対する燃料噴射量の増量率を示し、単位は％である。また、エンジン回転速度Ｎｅの単位はｒｐｍである。上記式(4)により求められる燃料噴射量相当値Ｆ０は、１０ｍｓ間に噴射された、理論空燃比よりリッチにするために噴射された燃料量に相当する量を示す。したがって、後述のステップ２４で下流側空燃比センサ１１がリッチと判定するまでに、式(3)により求まる積算値Ｆ１は、リッチ化している期間に触媒を通過する還元材の量に相当し、触媒にストレージされていた酸素の量から下流側空燃比センサ１１がリッチと判定した時点で触媒に残存する酸素量を差し引いた酸素量と等価の量を示している。
【００４５】
次いで、ステップ２３では、次式によりＦ２を算出する。
Ｆ２＝Ｆ１×Ｃ２・・・(5)
ここで、Ｆ２は、下流側空燃比センサ１１がリッチと判定した後に放出される酸素の総量、つまり下流側空燃比センサ１１がリッチと判定した時点で触媒に残存する酸素量を推定した値であり、Ｃ２はＦ１に対する割合を示す。
【００４６】
ステップ２４では、下流側空燃比センサ１１により触媒出口空燃比がリーンからリッチに反転したかを判定し、反転したと判定するとステップ２５へ進む。
ステップ２５では、前記残存酸素量Ｆ２が前記リッチ化分燃料噴射量相当値（触媒通過還元材量）Ｆ０で還元されて徐々に減少するとして、次式の演算を行う。
【００４７】
Ｆ２＝Ｆ２−Ｆ０・・・(6)
ステップ２６では、前記残存酸素量Ｆ２が０、つまり触媒内の酸素が放出されつくしたかを判定し、放出されたと判定されるとリッチ化の必要が無いと判断し、ステップ２７へ進んでリッチ化を終了させる。
上記第３の実施形態では、触媒出口空燃比がリッチと判定された時点で触媒に残存する酸素量を高精度に推定して該残存酸素量に見合ったリッチ化継続時間を過不足なく設定できるので、ＮＯｘとＣＯ，ＨＣとをよりバランスよく低減できる。
【００４８】
次に、第４の実施形態について説明する。図６は、本実施形態でリッチ化するときの燃料噴射量の増量率の与え方を示す。第１、第３の実施形態では触媒出口空燃比がリッチと判定された後のリッチ化継続期間中も、リッチと判定される前のリッチ化期間中と同一の増量率Ｋとして、図中Ａ（一点鎖線）に示すように矩形状のリッチ化を行ったが、触媒出口空燃比がリッチ化したと判定した後は、酸素の放出率が低下するため、増量率の要求は図中Ｂのように徐々に減少する特性となる。前記第２の実施形態では、この点に鑑みてリッチ化継続期間中三角形状に増量率を低下させる方式とした。第３の実施形態のようにリッチ化継続運転中に燃料噴射量の積算値で継続終了時期を決める場合、運転条件の変化で逐次の基本燃料噴射量が一定でないので、単純に三角形状に増量率を低下させる方式には変更できない。
【００４９】
第４の実施形態は、図６のＣに示すように、第３の実施形態においてリッチ化継続期間中の燃料噴射量増量率を、リッチと判定される前のリッチ化期間中の増量率Ｋより小さくしてリッチ化を継続するようにしたものである。
図７は、該第４の実施形態に係る制御のフローチャートであり、第３の実施形態と異なる部分について説明する。
【００５０】
ステップ３４で触媒出口空燃比がリッチと判定された後、ステップ３５でリッチ化するための燃料噴射量の増量率を、前記リッチと判定される前の増量率Ｋ（％）から増量率Ｌ（％）に低下させる。
そして、ステップ３６で次式のように残存酸素量Ｆ２を算出するが、この式(7)で用いられるＦ３が低下した増量率Ｌに合わせて(8)式のように算出される。
【００５１】
Ｆ２＝Ｆ２−Ｆ３・・・(7)
Ｆ３＝Ｔｐ×Ｌ／１００×Ｎｅ／６０／１００（ｍｓ／１０ｍｓ）・・・(8)
さらに、リッチ化継続期間中の増量率を、時間経過に応じて段階的に減少させるようにした第5の実施形態について説明する。
図８は、該第5の実施形態に係る制御のフローチャートである。前記第4の実施形態と異なる部分について説明すると、ステップ３４で触媒出口空燃比がリッチと判定された後、ステップ４５でリッチ化するための燃料噴射量の増量率Ｌを、時間経過と共に減少する残存酸素量Ｆ２に応じて段階的に減少させるように設定したマップテーブル（図９参照）から参照し、ステップ４６６で参照した増量率Ｌに設定する点である。
【００５２】
具体的には、Ｆ２≧Ｆ２初期値（触媒出口空燃比がリッチに反転した時点の値）×ａのときは、リッチ化継続前の増量率Ｋより少し小さい増量率Ｌ１に設定し（ａは０＜ａ＜１の係数）、Ｆ２初期値×ｂ≦Ｆ２＜Ｆ２初期値×ａ（ｂは０＜ｂ＜ａの係数）のときは、前記Ｌ１より小さい増量率Ｌ２に設定し、Ｆ２＞Ｆ２初期値×ｂのときは、前記Ｌ２よりさらに小さい増量率Ｌ３に設定する（図１０参照）。
【００５３】
このようにすれば、実際の触媒からの酸素放出率特性により近い特性となるように増量率Ｌが切り換えて設定されるので、ＮＯｘとＣＯ，ＨＣとを極力バランスよく低減できる。
次に、第６の実施形態について説明する。本実施形態は、触媒出口空燃比がリッチに反転した後に継続されるリッチ化を、空燃比フィードバック制御で実現するものである。図１１は、本実施形態における空燃比フィードバック制御の例を示し、上流側空燃比センサ８として酸素センサを用いた場合を示す。該空燃比フィードバック制御は、燃料噴射量に上流側空燃比センサ８の出力に応じて設定される空燃比フィードバック補正係数αを乗じて平均の触媒入口空燃比を目標空燃比に制御するものである。ここで、前記空燃比フィードバック補正係数αを一般的な比例積分制御により設定する場合、触媒入口空燃比がリーンに反転したときに設定される燃料噴射量増量方向の比例分ＰＬを、触媒入口空燃比がリッチに反転したときに設定される燃料噴射量減少方向の比例分ＰＲより大きい値に設定する。これにより、平均空燃比はＰＬ／ＰＲに比例した空燃比分リッチにシフトする。すなわち、このときのリッチシフト率Ｍは、次式により求められる。
【００５４】
Ｍ＝ＰＬ／ＰＲ×Ｃ３（％）・・・(9)
なお、空燃比リーン判定時に設定される燃料噴射量増量方向の積分分ＩＬを、空燃比リッチ判定時に設定される燃料噴射量減少方向の積分分ＩＲより大きい値に設定しても平均空燃比をリッチシフトさせることができ、前記比例分によるリッチシフトと併用してもよい。
【００５５】
図１２は、本実施形態に係る制御のフローチャートである。
ステップ５１〜ステップ５４の触媒出口空燃比を判定するまでのステップは、前記各実施形態と同様である。
ステップ５４で触媒出口空燃比がリッチに反転したと判定されると、ステップ５５で燃料噴射量の増量率によるリッチ化（フィードフォワード制御）を終了し、ステップ５６、５７で前記リッチシフトさせた空燃比フィードバック制御を開始する。
【００５６】
次に、ステップ５８で残存酸素量Ｆ２をＦ２＝Ｆ２−Ｆ４として算出するが、ここで用いるＦ４が、次式によりに算出される。
Ｆ４＝Ｔｐ×Ｍ／１００×Ｎｅ／６０／１００（ｍｓ／１０ｍｓ）・・・（10）
以下、ステップ５９でＦ２＝０となったかを判定し、Ｆ２＝０になるとステップ６０でリッチシフトさせた空燃比フィードバック制御を終了する。
【００５７】
なお、上流側空燃比センサ８として広域空燃比センサを用いた場合には、該広域空燃比センサの検出値が、目標リッチ空燃比相当値となるようにフィードバック制御すればよい。
以上のようにリッチ化を空燃比フィードバック制御で行うことにより、経時変化に影響されず安定したリッチ化制御を行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態のシステム構成を示す図
【図２】  第1の実施形態における各部の状態変化を示すタイムチャート
【図３】  第１の実施形態のリッチ化制御のフローチャート
【図４】  第２の実施形態のリッチ化制御のフローチャートと、各部の算出方法を説明する図
【図５】  第３の実施形態のリッチ化制御のフローチャート
【図６】  第４の実施形態の燃料噴射量増量率の設定を説明する図
【図７】  第４の実施形態のリッチ化制御のフローチャート
【図８】  第５の実施形態のリッチ化制御のフローチャート
【図９】  第５の実施形態で使用するマップテーブル
【図１０】  第５の実施形態の燃料噴射量増量率の設定を説明する図
【図１１】  第６の実施形態の空燃比フィードバック補正係数を説明する図
【図１２】  第６の実施形態のリッチ化制御のフローチャート
【図１３】  従来のリッチ化制御における各部の状態変化を示すタイムチャート
【図１４】  リッチ化制御における各部の状態変化を示すタイムチャート
【符号の説明】
１  エンジン
２  吸気通路
３  エアフローメータ
４  電制スロットル弁
５  燃料噴射弁
７  排気通路
８  上流側空燃比センサ
９  触媒
10  ＮＯｘトラップ触媒
11  上流側空燃比センサ
12  クランク角センサ
15  ＥＣＵ（エンジン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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【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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