(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
必要に応じてリーン空燃比の運転と理論空燃比またはリッチ空燃比の運転とに運転空燃比の切り換えを行な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Ｏ2ストレージ機能を有する排気浄化触媒と、
前記機関をリーン空燃比運転から理論空燃比またはリッチ空燃比運転に切り換える際に、燃焼に寄与しない燃料を機関に供給し前記排気浄化触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比にすることにより前記排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を低減するストレージ低減手段と、
更に、前記排気浄化触媒下流側の排気通路に、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を吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯXを放出するＮＯX吸蔵還元触媒と、を備え、
前記ストレージ低減手段は更に、ＮＯX吸蔵還元触媒から吸収したＮＯXを放出させるべきときに排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を低減する内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記機関のリーン空燃比運転中に前記ＮＯX吸蔵還元触媒から吸収したＮＯXを放出させるべきときに短時間機関の運転空燃比をリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク操作を行なう手段を備え、リッチスパイク操作時に前記ストレージ低減手段により前記排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を低減する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
必要に応じてリーン空燃比運転を行な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Ｏ2ストレージ機能を有する排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒下流側の排気通路に配置された、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を吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯXを放出するＮＯX吸蔵還元触媒と、
機関のリーン空燃比運転中に前記ＮＯX吸蔵還元触媒から吸収したＮＯXを放出させるべきときに短時間機関の運転空燃比をリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク操作を行なう手段と、
前記リッチスパイク操作開始直後の所定期間前記排気浄化触媒に流入する排気空燃比をリッチスパイク操作中の空燃比より更にリッチにすることにより、排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を低減するストレージ低減手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記ストレージ低減手段は、前記機関の運転状態に基づいて前記排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を推定するストレージ推定手段を備え、推定した貯蔵酸素量に応じて前記酸素量低減操作を行なう請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記ストレージ推定手段は、前記機関の運転状態に加えて前記排気浄化触媒の劣化状態に基づいて排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を推定する請求項４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】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関し、詳細にはＯ2 ストレージ機能を有する排気浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
理論空燃比付近で運転される機関の排気通路にＯ2 ストレージ機能を有する三元触媒等の排気浄化三元触媒を配置して排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯX の三成分を浄化する技術が知られている。三元触媒のＯ2 ストレージ機能とは、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中の酸素成分を触媒内に吸収、保持し、流入する排気の空燃比がリッチのときに吸収した酸素を放出する機能をいう。周知のように、三元触媒は流入する排気空燃比が理論空燃比付近の狭い範囲にあるときに排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯX の三成分を同時に浄化することができるが、排気空燃比が理論空燃比からずれると上記三成分を同時に浄化することができなくなる性質を有する。一方、三元触媒にＯ2 ストレージ機能を付加すると、三元触媒に流入する排気が理論空燃比よりリーンになったときには触媒に排気中の余剰酸素が吸収され、リッチになったときには触媒から酸素が放出されるようになり、触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比から外れた場合でも三元触媒の雰囲気を理論空燃比近傍に維持することが可能となる。このため、理論空燃比付近の空燃比で運転される機関の排気をＯ2 ストレージ機能を有する三元触媒を用いて浄化することにより、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯX の三成分を良好に浄化することが可能となる。
【０００３】
一方、流入する排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯX （窒素酸化物）を吸収し、流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯX を放出するＮＯX 吸蔵還元触媒が知られている。
ＮＯX 吸蔵還元触媒を使用した排気浄化装置の例としては、例えば特許登録第２６００４９２号に記載されたものがある。上記特許の排気浄化装置は、リーン空燃比運転を行う機関の排気通路にＮＯX 吸蔵還元触媒を配置し、機関のリーン空燃比運転中にＮＯX 吸蔵還元触媒に排気中のＮＯX を吸収させ、ＮＯX 吸蔵還元触媒のＮＯX 吸収量が増大したときに、機関を短時間理論空燃比またはリッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作を行うことにより、ＮＯX 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯX を放出させるとともに、放出されたＮＯX を還元浄化している。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、リーン空燃比の排気に較べて排気中の酸素濃度が急激に低下するとともに、排気中の未燃ＨＣ、ＣＯ成分の量が急激に増大する。このため、リッチスパイク操作により機関運転空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換えられると、ＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比はリーン空燃比から理論空燃比またはリッチ空燃比に変化し、排気中の酸素濃度の低下によりＮＯX 吸蔵還元触媒からＮＯX が放出される。また、上記のように理論空燃比またはリッチ空燃比の排気中には比較的多量の未燃ＨＣ、ＣＯ成分が含まれるため、ＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されたＮＯX は排気中の未燃ＨＣ、ＣＯ成分と反応し還元される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許登録第２６００４９２号に記載の排気浄化装置によれば、機関リーン空燃比運転中に発生するＮＯX を効率よく浄化することが可能となる。しかし、上記特許登録第２６００４９２号の装置に、スタートキャタリストとしてＯ2 ストレージ機能を有する三元触媒を付加する場合には問題が生じる場合がある。
【０００５】
スタートキャタリストは、機関始動時に機関から多量に放出されるＨＣ、ＣＯ成分を除去することを主な目的としており、機関始動後短時間で昇温し触媒活性化温度に到達するように排気通路のできるだけ機関に近い位置に配置する必要がある。このため、上記特許登録第２６００４９２号の排気浄化装置に付加する場合には、スタートキャタリストはＮＯX 吸蔵還元触媒の上流側の排気通路に配置される。
【０００６】
ところが、Ｏ2 ストレージ機能を有する触媒をスタートキャタリストとしてＮＯX 吸蔵還元触媒の上流側排気通路に配置した場合には、リーン空燃比運転中にＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出、還元浄化のためのリッチスパイク操作を行うとリッチスパイク操作初期にＮＯX がＮＯX 吸蔵還元触媒から浄化されないまま放出される問題が生じることが判明している。
【０００７】
この問題は、リッチスパイク操作時にＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比のリーンからリッチへの変化がスタートキャタリストのＯ2 ストレージ作用のために遅れを生じるためと考えられる。
すなわち、リッチスパイク操作が行われると機関からの排気の空燃比はリーンからリッチに急激に変化するが、スタートキャタリストがＯ2 ストレージ機能を有するため、このリッチ空燃比の排気がスタートキャタリストに流入するとスタートキャタリストからは吸収した酸素が放出されてしまい、スタートキャタリストから流出する排気の空燃比は理論空燃比近傍に維持される。このため、リッチスパイク操作を開始してもＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比はスタートキャタリストが吸収した酸素の全量を放出し終わるまでは充分なリッチ空燃比にならず、理論空燃比に近いリーン空燃比に維持される場合が生じる。
【０００８】
ＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比から理論空燃比に近いリーン空燃比に変化すると、ＮＯX 吸蔵還元触媒の表面付近の酸素濃度は急激に低下する。後述するように、ＮＯX 吸蔵還元触媒はアルカリ土類（例えばＢａ）等と結合した硝酸イオンの形でＮＯX を触媒内部に保持しているが、触媒表面付近の酸素濃度が低下すると、ＮＯX 吸蔵還元触媒の表面付近に保持されたＮＯX が一斉に触媒表面から放出されるようになる。この場合、ＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気が理論空燃比に近いリーン空燃比に維持されていると、排気中には放出されたＮＯX の全量を還元するのに充分な量のＨＣ、ＣＯが含まれていないため、放出されたＮＯX の一部は還元されずにそのままＮＯX 吸蔵還元触媒下流側に流出するようになってしまう。このため、スタートキャタリストのＯ2 ストレージ機能により、リッチスパイク操作時にＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比が充分にリッチな空燃比に到達するのが遅れるとＮＯX 吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯX が流出するようになると考えられる。
【０００９】
上述したように、スタートキャタリストに吸収された酸素の全量が放出されるとスタートキャタリスト下流側の排気の空燃比もスタートキャタリスト上流側と同じリッチ空燃比となるため、ＮＯX 吸蔵還元触媒には充分にリッチな空燃比の排気が供給されるようになる。従って、リッチスパイク操作を開始してからある程度の時間が経過するとＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されたＮＯX はＮＯX 吸蔵還元触媒上でその全量が浄化されるようになり、ＮＯX 吸蔵還元触媒からの未浄化のＮＯX の流出は停止する。しかし、上述のようにリッチスパイク操作毎にＮＯX 吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯX が流出したのでは全体としてのＮＯX 浄化率が低下する問題が生じる。
【００１０】
また、機関の運転状態に応じて機関の運転空燃比を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えるような機関では、リッチスパイク操作を行わなくても機関からの排気の空燃比は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えられる場合があるが、この場合も排気浄化触媒のＯ2 ストレージ機能のために、運転空燃比切り換えの際にＮＯX 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比が一時的に理論空燃比近傍のリーン空燃比に維持される期間が生じると、上記と同様未浄化のＮＯX が放出され、排気性状が悪化する問題が生じる。
【００１１】
本発明は上記問題に鑑み、Ｏ2 ストレージ機能を有する排気浄化触媒を排気通路に配置した場合の排気浄化触媒下流側の排気空燃比の、リーン空燃比から理論空燃比またはリッチ空燃比への変化の遅れを防止することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、必要に応じてリーン空燃比の運転と理論空燃比またはリッチ空燃比の運転とに運転空燃比の切り換えを行な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Ｏ2ストレージ機能を有する排気浄化触媒と、
前記機関をリーン空燃比運転から理論空燃比またはリッチ空燃比運転に切り換える際に、燃焼に寄与しない燃料を機関に供給し前記排気浄化触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比にすることにより前記排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を低減するストレージ低減手段と、更に、前記排気浄化触媒下流側の排気通路に、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を吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯXを放出するＮＯX吸蔵還元触媒とを備え、前記ストレージ低減手段は更に、ＮＯX吸蔵還元触媒から吸収したＮＯXを放出させるべきときに排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を低減する内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明によれば、前記機関のリーン空燃比運転中に前記ＮＯX吸蔵還元触媒から吸収したＮＯXを放出させるべきときに短時間機関の運転空燃比をリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク操作を行なう手段を備え、リッチスパイク操作時に前記ストレージ低減手段により前記排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を低減する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１４】
すなわち、請求項１及び請求項２の発明では機関の運転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えられる際に、機関に燃焼に寄与しない燃料が供給される。この燃料は燃焼しないまま未燃ＨＣ成分となり、排気とともに機関から排出される。このため、排気浄化触媒にはリッチ空燃比でかつ未燃ＨＣを多量に含む排気が流入する。この場合、排気浄化触媒のＯ2ストレージ機能により、排気浄化触媒からは酸素が放出される。しかし、Ｏ2ストレージによる酸素の放出速度には限界があるため、流入する排気中に多量の未燃ＨＣ成分が含まれると放出された酸素では排気中の未燃ＨＣ成分の全量を酸化することができなくなり、排気浄化触媒下流側の排気の空燃比は理論空燃比よりリッチ側の空燃比となる。すなわち、排気浄化触媒に貯蔵された酸素が放出され直ちに消費されるので、排気浄化触媒下流側の排気空燃比も直ちにリッチ空燃比に変化するようになる。このため、排気浄化触媒のＯ2ストレージ機能による空燃比変化の遅れが防止される。なお、燃焼に寄与しない燃料の供給は排気浄化触媒に貯蔵された酸素量が充分に低減されると（すなわち、排気浄化触媒からの酸素の放出が実用上問題にならない程度まで低下すると）停止される。また、ストレージ低減手段としては、気筒内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁を有する機関にあっては、各気筒の膨張行程または排気行程において気筒内に燃料を噴射するものであってもよいし、各気筒排気ポートに燃料噴射を行う排気ポート燃料噴射弁を有する機関にあっては排気ポートに燃料を噴射するものであっても良い。また、Ｏ2ストレージ低減手段による燃焼に寄与しない燃料の供給は、機関運転空燃比の切り換え直前のリーン空燃比運転中に行っても良いし、切り換え直後の理論空燃比またはリッチ空燃比の運転中に行っても良い。
【００１６】
更に、請求項１と請求項２との発明ではＯ2ストレージ機能を有する排気浄化触媒の下流側にＮＯX吸蔵還元触媒が配置されており、ＮＯX吸蔵還元触媒から吸収したＮＯXを放出させるべきときにストレージ低減手段による排気浄化のＯ2ストレージ機能の低減が行われる。このため、運転状態の変化により機関運転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えられる場合のみならず、ＮＯX吸蔵還元触媒からＮＯXを放出させる際にＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリーン空燃比から理論空燃比またはリッチ空燃比に変化させる場合にもＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比は直ちにリーン空燃比から充分なリッチ空燃比に変化するようになりＮＯX吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯXが流出することが防止される。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、必要に応じてリーン空燃比運転を行な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Ｏ2ストレージ機能を有する排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒下流側の排気通路に配置された、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を吸収し流入する排気の空燃比がリッチ空燃比になったときに吸収したＮＯXを放出するＮＯX吸蔵還元触媒と、機関のリーン空燃比運転中に前記ＮＯX吸蔵還元触媒から吸収したＮＯXを放出させるべきときに短時間機関の運転空燃比をリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク操作を行なう手段と、前記リッチスパイク操作開始直後の所定期間前記排気浄化触媒に流入する排気空燃比をリッチスパイク操作中の空燃比より更にリッチにすることにより、排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を低減するストレージ低減手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１８】
すなわち、請求項３の発明では、ＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXの放出と還元浄化のためにリッチスパイク操作を行うときに、リッチスパイク開始直後の所定期間排気浄化触媒に流入する排気の空燃比が、その後のリッチスパイク操作中の排気空燃比より更にリッチに保持される。これにより、排気浄化触媒からＯ2ストレージ機能により酸素が放出されている間も排気中には放出された酸素の全量を消費するのに充分な量の未燃ＨＣ、ＣＯ成分が含まれるようになり、排気浄化触媒から酸素が放出されている間も排気浄化触媒下流側の排気空燃比は充分なリッチ空燃比となる。従って、排気浄化触媒下流側のＮＯX吸蔵還元触媒にはリッチスパイク操作開始時から充分にリッチな空燃比の排気が供給されるようになり、ＮＯX吸蔵還元触媒からの未浄化のＮＯXの流出が防止される。なお、リッチスパイク開始直後に排気浄化触媒に流入する排気の空燃比は、排気浄化触媒から放出された酸素の全量を消費するのに充分な量と下流側のＮＯX吸蔵還元触媒から放出されるＮＯXの全量を浄化するのに充分な量とを合計した量の未燃ＨＣ、ＣＯ成分を含むように設定される。また、ストレージ低減手段としては、請求項１から２のように、気筒の膨張または排気行程中に気筒内に燃料噴射を行うものや排気ポートに燃料噴射を行うもののように機関に燃焼に寄与しない燃料を供給するものの他、リッチスパイク開始後所定の期間、その後のリッチスパイク操作中より機関の運転空燃比を更にリッチにするものであっても良い。また、上記所定期間は、排気浄化触媒から吸収した酸素の全量が放出されるのに充分な時間に設定される。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、前記ストレージ低減手段は、前記機関の運転状態に基づいて前記排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を推定するストレージ推定手段を備え、推定した貯蔵酸素量に応じて前記酸素量低減操作を行なう請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項４の発明ではストレージ低減手段は排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を推定するとともに、推定した酸素量に応じて酸素量低減操作を行う。例えばストレージ低減手段は、貯蔵酸素量が多いほど排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を低下させ（すなわちリッチの度合いを深め）、または酸素量低減操作を継続する時間を長くする。これにより、酸素量低減操作が正確に行なわれるようになり、排気浄化触媒下流側の排気空燃比の変化の遅れが確実に防止されるようになる。なお、ストレージ低減手段による排気浄化触媒の貯蔵酸素量推定は、例えば触媒温度、排気流量、機関の空燃比変化の履歴（リーン空燃比運転とリッチ空燃比運転の継続時間）等の機関運転状態に基づいて行なわれる。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、前記ストレージ推定手段は、前記機関の運転状態に加えて前記排気浄化触媒の劣化状態に基づいて排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を推定する請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
請求項５の発明では、ストレージ低減手段は、機関運転状態に加えて排気浄化触媒の劣化状態に基づいて貯蔵酸素量を推定する。Ｏ2ストレージ機能は排気浄化触媒の劣化とともに低下し、排気浄化触媒の貯蔵可能な酸素量（飽和酸素量）は排気浄化触媒の劣化とともに少なくなる。すなわち、排気浄化触媒には飽和酸素量以上の量の酸素は貯蔵されない。従って、排気浄化触媒の劣化状態を考慮することにより、排気浄化触媒の貯蔵酸素量をより正確に推定することが可能となり、酸素量低減操作を更に正確に行なうことが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照し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示す図である。
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、＃１から＃４気筒には直接気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁１１１から１１４が設けられている。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。
【００２２】
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、＃４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。
【００２３】
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出口に配置された空燃比センサである。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。
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なっている。また、本実施形態では、ＥＣＵ３０は上記の基本制御を行う他に、後述するように機関運転状態に応じて筒内噴射弁１１１から１１４の燃料噴射モードを変更し機関の運転空燃比を変更する制御を行なうとともに、更にＮＯX 吸蔵還元触媒７から吸収したＮＯX を放出させるために機関のリーン空燃比運転中に短時間運転空燃比をリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク操作を行なっている。さらにＥＣＵ３０は機関運転空燃比をリーンからリッチに変化させる際やリッチスパイク操作の際にＳＣ５ａ、５ｂに貯蔵された酸素量を低減させる貯蔵酸素量低減操作を行う。
【００２４】
ＥＣＵ３０の入力ポートには、空燃比センサ２９ａ、２９ｂからスタートキャタリスト５ａ、５ｂ入口における排気空燃比を表す信号と、空燃比センサ３１からＮＯX 吸蔵還元触媒７出口における排気空燃比を表す信号が、また、図示しない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がそれぞれ入力されている他、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が入力されている。更に、本実施形態では、ＥＣＵ３０の入力ポートには機関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）を表す信号が入力されている。また、ＥＣＵ３０の出力ポートは、各気筒への燃料噴射量及び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燃料噴射弁１１１から１１４に接続されている。
【００２５】
本実施形態では、ＥＣＵ３０は機関１を機関の運転状態に応じて以下の５つの燃焼モードで運転する。
▲１▼  リーン空燃比成層燃焼（圧縮行程１回噴射）
▲２▼  リーン空燃比均質混合気／成層燃焼（吸気行程／圧縮行程２回噴射）
▲３▼  リーン空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射）
▲４▼  理論空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射）
▲５▼  リッチ空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射）
すなわち、機関１の軽負荷運転領域では、上記▲１▼のリーン空燃比成層燃焼が行なわれる。この状態では、筒内燃料噴射は各気筒の圧縮行程後半に１回のみ行なわれ噴射された燃料は気筒点火プラグ近傍に可燃混合気の層を形成する。また、この運転状態での燃料噴射量は極めて少なく、気筒内の全体としての空燃比は２５から３０程度になる。
【００２６】
また、上記▲１▼の状態から負荷が増大して低負荷運転領域になると、上記▲２▼リーン空燃比均質混合気／成層燃焼が行なわれる。機関負荷が増大するにつれて気筒内に噴射する燃料は増量されるが、上記▲１▼の成層燃焼では燃料噴射を圧縮行程後半に行なうため、噴射時間が限られてしまい成層させることのできる燃料量には限界がある。そこで、この負荷領域では圧縮行程後半の燃料噴射だけでは不足する燃料の量を予め吸気行程前半に噴射することにより目標量の燃料を気筒に供給するようにしている。吸気行程前半に気筒内に噴射された燃料は着火時までに極めてリーンな均質混合気を生成する。圧縮行程後半ではこの極めてリーンな均質混合気中に更に燃料が噴射され点火プラグ近傍に着火可能な可燃混合気の層が生成される。着火時にはこの可燃混合気層が燃焼を開始し周囲の希薄な混合気層に火炎が伝播するため安定した燃焼が行なわれるようになる。この状態では吸気行程と圧縮行程での噴射により供給される燃料量は▲１▼より増量されるが、全体としての空燃比はやや低いリーン（例えば空燃比で２０から３０程度）になる。
【００２７】
更に機関負荷が増大すると、機関１では上記▲３▼のリーン空燃比均質混合気燃焼が行なわれる。この状態では燃料噴射は吸気行程前半に１回のみ実行され、燃料噴射量は上記▲２▼より更に増量される。この状態で気筒内に生成される均質混合気は理論空燃比に比較的近いリーン空燃比（例えば空燃比で１５から２５程度）となる。
【００２８】
更に機関負荷が増大して機関高負荷運転領域になると、▲３▼の状態から更に燃料が増量され、上記▲４▼の理論空燃比均質混合気運転が行なわれる。この状態では、気筒内には理論空燃比の均質な混合気が生成されるようになり、機関出力が増大する。また、更に機関負荷が増大して機関の全負荷運転になると、▲４▼の状態から燃料噴射量が更に増量され▲５▼のリッチ空燃比均質混合気運転が行なわれる。この状態では、気筒内に生成される均質混合気の空燃比はリッチ（例えば空燃比で１２から１４程度）になる。
【００２９】
本実施形態では、アクセル開度（運転者のアクセルペダル踏込み量）と機関回転数とに応じて予め実験等に基づいて最適な運転モード（上記▲１▼から▲５▼）が設定されており、ＥＣＵ３０のＲＯＭにアクセル開度と機関回転数とを用いたマップとして格納してある。機関１運転中、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、現在上記▲１▼から▲５▼のいずれの運転モードを選択すべきかを決定し、それぞれのモードに応じて燃料噴射量及び燃料噴射時期及び回数を決定する。
【００３０】
すなわち、上記▲１▼から▲３▼のモード（リーン空燃比燃焼）が選択された場合には、ＥＣＵ３０は上記▲１▼から▲３▼のモード毎に予め準備されたマップに基づいて、アクセル開度と機関回転数とから燃料噴射量を決定する。又、上記▲４▼と▲５▼のモード（理論空燃比またはリッチ空燃比均質混合気燃焼）が選択された場合には、ＥＣＵ３０は上記▲４▼と▲５▼のモード毎に予め準備されたマップに基づいて、吸気圧センサ３３で検出された吸気圧力と機関回転数とに基づいて燃料噴射量を設定する。
【００３１】
また、モード▲４▼（理論空燃比均質混合気燃焼）が選択された場合には、ＥＣＵ３０は更に上記により算出した燃料噴射量を、機関排気空燃比が理論空燃比となるように空燃比センサ２９ａ、２９ｂの出力に基づいてフィードバック補正する。
上述のように、本実施形態の機関１では機関負荷が増大するにつれて燃料噴射量が増量され、燃料噴射量に応じて運転モードが変更される。
【００３２】
次に、本実施形態のスタートキャタリスト５ａ、５ｂ及びＮＯX 吸蔵還元触媒について説明する。
スタートキャタリスト（ＳＣ）５ａ、５ｂは、ハニカム状に成形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薄いコーティングを形成し、このアルミナ層に白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の貴金属触媒成分を担持させた三元触媒として構成される。三元触媒は理論空燃比近傍でＨＣ、ＣＯ、ＮＯX の３成分を高効率で浄化する。三元触媒は、流入する排気の空燃比が理論空燃比より高くなるとＮＯX の還元能力が低下するため、機関１がリーン空燃比運転されているときの排気中のＮＯX を充分に浄化することはできない。
【００３３】
また、ＳＣ５ａ、５ｂは機関始動後短時間で触媒の活性温度に到達し、触媒作用を開始することができるように、排気通路２ａ、２ｂの機関１に近い部分に配置され、熱容量を低減するために比較的小容量のものとされている。
次に、ＳＣ５ａ、５ｂのＯ2 ストレージ機能について説明する。
一般に三元触媒等の排気浄化触媒に触媒成分以外にセリウム（Ｃｅ）等の金属成分を担持させると排気浄化触媒が酸素貯蔵機能（Ｏ2 ストレージ機能）を発揮するようになることが知られている。すなわち、添加剤として触媒に担持されたセリウムは、触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比より高いときに（排気空燃比がリーンのときに）排気中の酸素と結合してセリア（酸化セリウム）を形成し酸素を貯蔵する。また、流入する排気の空燃比が理論空燃比以下のときに（排気空燃比がリッチのときに）は、セリアは酸素を放出して金属セリウムに戻るため酸素が放出される。Ｏ2 ストレージ機能を有する排気浄化触媒では、触媒に流入する排気空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に変化した場合でも排気中の酸素がセリウムに吸収されるため流入排気中の酸素濃度は低下する。このため、セリウムに酸素が吸収されている間は触媒出口での排気空燃比は理論空燃比近傍になる。また、触媒の担持するセリウムの全量が酸素と結合して（すなわち、触媒が酸素で飽和して）それ以上酸素を吸収することができなくなると、排気浄化出口における排気空燃比は触媒入口における排気空燃比と同じリーン空燃比に変化する。また、同様に、セリウムが充分に酸素を吸収した状態では、触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に変化するとセリウムから酸素が放出され、排気中の酸素濃度が増大して触媒出口における空燃比は理論空燃比近傍になる。この場合も、セリウムと結合した酸素の全量が放出された後は、それ以上触媒から酸素が放出されることがないので、触媒出口における排気空燃比は触媒入口における空燃比と同様リッチ空燃比となる。すなわち、排気浄化触媒がＯ2 ストレージ機能を有していると、触媒下流側の排気空燃比のリーンからリッチまたはリッチからリーンの変化は触媒上流側に較べて遅れを生じることになる。
【００３４】
本実施形態のＳＣ５ａ、５ｂはＯ2 ストレージ機能を付加されているため、機関の運転空燃比がリーンからリッチに変化するとＳＣ５ａ、５ｂの下流側における排気空燃比の変化は遅れ、一時的に理論空燃比近傍の空燃比に維持される期間が生じることになる。
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、例えばアルミナを担体とし、この担体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したものである。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）を硝酸イオンＮＯ3 - の形で吸収し、流入排気ガスがリッチになると吸収したＮＯX を放出するＮＯX の吸放出作用を行う。
【００３５】
この吸放出のメカニズムについて、以下に白金ＰｔおよびバリウムＢａを使用した場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
流入排気中の酸素濃度が増大すると（すなわち排気の空燃比がリーン空燃比になると）、これら酸素は白金Ｐｔ上にＯ2 - またはＯ2-の形で付着し、排気中のＮＯX は白金Ｐｔ上のＯ2 - またはＯ2-と反応し、これによりＮＯ2 が生成される。また、流入排気中のＮＯ2 及び上記により生成したＮＯ2 は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ吸収剤中に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸イオンＮＯ3 - の形で吸収剤内に拡散する。このため、リーン雰囲気下では排気中のＮＯX がＮＯX 吸収剤内に硝酸塩の形で吸収されるようになる。
【００３６】
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）、白金Ｐｔ上でのＮＯ2 生成量が減少するため、反応が逆方向に進むようになり、吸収剤内の硝酸イオンＮＯ3 - はＮＯ2 の形で吸収剤から放出されるようになる。この場合、排気中にＣＯ等の還元成分やＨＣ、ＣＯ2 等の成分が存在すると白金Ｐｔ上でこれらの成分によりＮＯ2 が還元される。
【００３７】
本実施形態では、リーン空燃比運転可能な機関１が使用されており、機関１がリーン空燃比で運転されているときには、ＮＯX 吸蔵還元触媒は流入する排気中のＮＯX を吸収する。また、機関１がリッチ空燃比で運転されると、ＮＯX 吸蔵還元触媒７は吸収したＮＯX を放出、還元浄化する。本実施形態では、リーン空燃比運転中にＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯX 量が増大すると、短時間機関空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク運転を行い、ＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出と還元浄化（ＮＯX 吸蔵還元触媒の再生）を行なうようにしている。
本実施形態では、ＥＣＵ３０はＮＯX カウンタの値を増減することによりＮＯX 吸蔵還元触媒７が吸収保持しているＮＯX 量を推定する。ＮＯX 吸蔵還元触媒７に単位時間当たりに吸収されるＮＯX の量はＮＯX 吸蔵還元触媒に単位時間当たりに流入する排気中のＮＯX 量、すなわち機関１で単位時間当たりに生成されるＮＯX 量に比例している。一方、機関で単位時間当たりに発生するＮＯX の量は機関への燃料供給量、空燃比、排気流量等によって定まるため、機関運転条件が定まればＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されるＮＯX 量を知ることができる。本実施形態では、予め機関運転条件（アクセル開度、機関回転数、吸入空気量、吸気圧力、空燃比、燃料供給量など）を変えて機関が単位時間当たりに発生するＮＯX 量を実測し、ＮＯX 吸蔵還元触媒７に単位時間当たりに吸収されるＮＯX 量を、例えば機関負荷（燃料噴射量）と機関回転数とを用いた数値マップの形でＥＣＵ３０のＲＯＭに格納している。ＥＣＵ３０は一定時間毎（上記の単位時間毎）に機関負荷（燃料噴射量）と機関回転数とからこのマップを用いて単位時間当たりにＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯX 量を算出し、ＮＯX カウンタをこのＮＯX 吸収量だけ増大させる。これによりＮＯX カウンタの値は常にＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯX の量を表すようになる。ＥＣＵ３０は、機関のリーン空燃比運転中に、上記ＮＯX カウンタの値が所定値以上に増大したときに、短時間（例えば０．５から１秒程度）機関を前述の▲４▼または▲５▼のモード（理論空燃比またはリッチ空燃比均質混合気燃焼）で運転するリッチスパイク操作を行なう。これにより、ＮＯX 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯX が放出され、還元浄化される。なお、リッチスパイクで排気空燃比をリッチに保持する時間は詳細にはＮＯX 吸蔵還元触媒の種類、容量などに基づいて実験等により決定される。また、リッチスパイクを実行してＮＯX 吸蔵還元触媒からＮＯX が放出、還元浄化された後はＮＯX カウンタの値は０にリセットされる。このように、ＮＯX 吸蔵還元触媒７のＮＯX 吸収量に応じてリッチスパイクを行なうことにより、ＮＯX 吸蔵還元触媒７は適切に再生され、ＮＯX 吸蔵還元触媒が吸収したＮＯX で飽和することが防止される。
【００３８】
ところが、前述のように本実施形態ではＮＯX 吸蔵還元触媒７上流側の排気通路にＯ2 ストレージ機能を有するＳＣ５ａ、５ｂが設けられている。このため、リッチスパイク時に機関からリッチ空燃比の排気がＳＣ５ａ、５ｂに流入してもＳＣ５ａ、５ｂ下流のＮＯX 吸蔵還元触媒７にはＳＣ５ａ、５ｂでの酸素の放出がある間は理論空燃比近傍のリーン空燃比の排気が流入する場合が生じ、リッチスパイク開始直後にＮＯX 吸蔵還元触媒７から未浄化のＮＯX が流出する可能性がある。また、同様に機関１の運転条件の変化により機関の運転空燃比がリーン空燃比（前述の▲１▼から▲３▼の運転モード）から理論空燃比またはリッチ空燃比（前述の▲４▼または▲５▼の運転モード）に切り換えられた場合にも切換え直後にＮＯX 吸蔵還元触媒７から未浄化のＮＯX の流出が生じる可能性がある。
【００３９】
そこで、以下に説明する実施形態ではリッチスパイク操作や運転モード切り換え等のために機関空燃比を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える際に予めＳＣ５ａ、５ｂに流入する排気の空燃比をリッチにすることにより上記ＳＣ５ａ、５ｂのＯ2 ストレージにより生じる問題を解決している。
ＳＣ５ａ、５ｂに流入する排気空燃比をリッチ空燃比にすることにより、ＳＣ５ａ、５ｂには多量のＨＣ、ＣＯ成分を含む排気が流入する。このため、Ｏ2 ストレージにより触媒内に貯蔵された酸素は排気中のＨＣ、ＣＯ成分を酸化するのに消費され、短時間で触媒からの酸素の放出が終了する。また、上記ＨＣ、ＣＯ成分量は触媒から放出される酸素の全量を消費する量より多く設定することによりＯ2 ストレージ機能により触媒から酸素が放出されている間もＳＣ５ａ、５ｂ下流側の排気はリッチ空燃比に維持されるようになる。これにより、ＮＯX 吸蔵還元触媒７から未浄化のＮＯX が流出することが防止される。
【００４０】
機関空燃比切り換え時にＳＣ５ａ、５ｂに流入する排気空燃比をリッチ空燃比にする貯蔵酸素低減操作としては、例えば(A) 各気筒の筒内噴射弁から気筒膨張行程または排気行程時に筒内に燃料を噴射する（以下「二次燃料噴射」という）、(B) 各気筒の排気ポートに燃料を噴射する排気ポート燃料噴射弁を設け機関排気ポートに燃料噴射を噴射する（以下「排気ポート噴射」という）、(C) 機関空燃比切り換え時に一時的に機関燃焼空燃比を大幅にリッチにする、等の方法がある。上記(A) 、(B) の方法では、気筒の膨張、排気行程や排気ポートに噴射された燃料は燃焼せずに気化して排気中に多量のＨＣ、ＣＯ成分を生成する。すなわち、これらの燃料は燃焼に寄与しないため比較的多量の燃料を供給した場合でも機関出力の変動等が生じない利点がある。一方、これらの燃料は燃焼に寄与しないため機関がリーン空燃比で運転されている場合には排気には比較的多量の酸素が残存する。すなわち、上記のように燃焼に寄与しない燃料を機関に供給した場合には、排気の空燃比は全体としてリッチ空燃比になるものの、排気中には未反応の酸素とＨＣ、ＣＯ成分とが別々に存在することになる。このため、これらの酸素とＨＣ、ＣＯ成分とがＳＣ５ａ、５ｂ上で反応を生じ、運転条件によってはＳＣ５ａ、５ｂの温度が過度に上昇する可能性がある。
【００４１】
また、上記(C) の方法では、機関の燃焼空燃比そのものが一時的に大幅なリッチ空燃比になるため、排気中の未反応の酸素はほとんどなくなりＳＣ５ａ、５ｂの過熱の問題は生じないが、多量の燃料の燃焼により機関発生トルクが増大して機関の運転状態によっては出力トルク変動が生じる可能性がある。
従って、上記(A) から(C) の方法のいずれをとるかは機関の特性や運転状態に応じて選択することが好ましい。
【００４２】
なお、上記(B) （排気ポート燃料噴射）の方法を適用する場合は、上記(A) （二次燃料噴射）の場合とほぼ同様になるため、以下の実施形態では上記(A) と(C) の方法を適用する場合を例にとって説明することとする。
（１）第１の実施形態
図２は本発明の第１の実施形態におけるＳＣ５ａ、５ｂの貯蔵酸素量低減操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ３０により所定間隔毎（例えばクランク軸一定回転角毎）に実行される。
【００４３】
図２の操作では、機関の運転条件変化によるリーン空燃比運転から理論空燃比またはリッチ空燃比運転への運転空燃比切り換え時、及びＮＯX 吸蔵還元触媒７からのＮＯX 放出のためのリッチスパイク操作時に、機関の運転空燃比を切り換える直前に、各気筒の膨張又は排気行程に筒内燃料噴射弁から燃料を噴射することによりＳＣ５ａ、５ｂの貯蔵酸素量を低減している。すなわち、本実施形態ではＳＣ５ａ、５ｂからのＯ2 ストレージ機能による酸素放出が終了してから機関の運転空燃比を切り換えるようにしている。
【００４４】
これにより、機関の運転空燃比がリーンからリッチ（または理論空燃比）に切り換えられる時にはＳＣ５ａ、５ｂからの酸素放出が生じないため、ＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排気の空燃比はリーン空燃比から直ちにリッチ空燃比（または理論空燃比）に変化するようになり、ＮＯX 吸蔵還元触媒７からの未浄化のＮＯX の放出が防止される。
【００４５】
図２において操作がスタートすると、ステップ２０１では、前述のアクセル開度センサ３７からアクセル開度（運転者のアクセルペダル踏込み量）ＡＣＣＰが、また回転数センサ３５の出力に基づいて算出された機関回転数ＮＥと、ＳＣ５ａ、５ｂの貯蔵酸素量ＯＳＣとが、それぞれ読み込まれる。なお、ＳＣ５ａ、５ｂの貯蔵酸素量ＯＳＣの算出については後に詳述する。
【００４６】
次いで、ステップ２０３では上記により読み込んだアクセル開度ＡＣＣＰと機関回転数ＮＥとに基づいて、前述の▲１▼から▲５▼の運転モードのうち最適な運転モードＭ1 が選択される。本実施形態では、各アクセル開度と機関回転数とにおける最適な運転モードがアクセル開度ＡＣＣＰと回転数ＮＥとをパラメータとして用いた数値テーブルとしてＥＣＵ３０のＲＯＭに格納されており、ＥＣＵ３０はステップ２０１で読み込んだＡＣＣＰとＮＥとに基づいてこの数値テーブルから最適な運転モード（▲１▼〜▲５▼）を選択する。ステップ２０３におけるＭ 1（Ｍ1 ＝▲１▼〜▲５▼）の値は、現在の機関運転条件から見て最適な運転モード（すなわち、後述するステップ２２３で切り換え操作の目標となる運転モード）を表している。
【００４７】
次いでステップ２０５では、現在の運転モードＭ0 がリーン空燃比運転（前述の▲１▼から▲３▼のモードのいずれか）か否かが判定される。Ｍ0 は現在▲１▼から▲５▼のいずれの運転モードで機関が運転されているかを表すパラメータである（Ｍ0 ＝▲１▼〜▲５▼）。ステップ２０５で現在リーン空燃比運転が行なわれていなければ、すなわち現在理論空燃比またはリッチ空燃比運転が行なわれている場合には、目標運転モードＭ1 が▲１▼から▲５▼のいずれであってもリーン空燃比からリッチ空燃比（または理論空燃比）への空燃比の切り換えは生じず、ＮＯX 吸蔵還元触媒７から未浄化のＮＯX が流出する可能性はないため、直ちにステップ２２３が実行され機関の運転モードが目標運転モードＭ1 に切り換えられる（現在目標運転モードで運転されている場合には現在のモードが継続される）。そして、切り換え完了後ステップ２２５では現在の運転モードＭ0 が切り換え後の運転モード（Ｍ 1）に応じた値に更新される。
【００４８】
一方、ステップ２０５で現在▲１▼から▲３▼の運転モードで機関が運転されていた場合には、ステップ２０７で、現在ＮＯX 吸蔵還元触媒７からＮＯX を放出させるためのリッチスパイク操作実行が要求されているか否かがリッチスパイクフラグＦＲの値に基づいて判定される。前述のように、本実施形態ではＥＣＵ３０は別途実行される図示しないルーチンにより、機関運転状態に基づいてＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯX 量を表すＮＯX カウンタＣＮＯＸの値を積算しており、カウンタＣＮＯＸの値が所定値を越えて増大した場合にはリッチスパイクフラグＦＲの値を１にセットする。ステップ２０７で現在リッチスパイク操作が要求されている場合には後述する貯蔵酸素量低減操作（ステップ２１３から２１７）を実行する必要があるため、操作は直接ステップ２１１に進む。また、現在リッチスパイク操作が要求されていない場合には次にステップ２０９で、目標運転モードＭ1 がリッチ空燃比または理論空燃比運転（モード▲４▼または▲５▼）か否かが判定される。目標運転モードＭ1 がモード▲４▼と▲５▼のいずれでもない場合には、この場合もリーン空燃比運転からリッチ空燃比運転への切り換えは生じないためステップ２２３に進み運転モードの目標モードへの切り換えが実行される。
【００４９】
一方、ステップ２０７でＦＲ＝１（リッチスパイク要求）だった場合、及びステップ２０９で目標運転モードが▲４▼または▲５▼であった場合には、すなわち機関運転空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比（または理論空燃比）に切り換える必要があるため、ステップ２１１に進み、現在酸素量低減操作が完了したか否かを判定する。そして、低減操作が完了していない場合にはステップ２１３から２１７の酸素量低減のための二次燃料噴射（膨張または排気行程における筒内燃料噴射）を実行し、燃焼に寄与しない燃料を気筒に供給する。
【００５０】
すなわち、ステップ２１３ではステップ２０１で読み込んだＳＣ５ａ、５ｂの現在の貯蔵酸素量ＯＳＣから、ＳＣ５ａ、５ｂに貯蔵された酸素の全量を消費し、かつＳＣ５ａ、５ｂ下流側の排気を理論空燃比よりリッチ側に維持するのに必要な合計燃料量（ＨＣ量）を計算するとともに、この合計燃料量を予め定められた二次燃料噴射実行回数（後述）で割って１回当たりに必要とされる二次燃料噴射量が算出される。そして、ステップ２１５では現在いずれかの気筒の二次燃料噴射量をセットするタイミングか否かが判定され、セットタイミングであった場合には算出した二次燃料噴射量がステップ２１７で燃料噴射回路にセットされる。これにより、二次燃料噴射タイミング（膨張または排気行程）になると各気筒では二次燃料噴射が実行される。なお、予め定めた回数（気筒数）だけ二次燃料噴射が実行されるとステップ２１１では酸素量低減操作が終了したと判定され、ステップ２１９以下が実行される。
【００５１】
すなわち、貯蔵酸素量低減操作が終了しＳＣ５ａ、５ｂからの酸素放出が終了すると、ステップ２１９では現在リッチスパイク操作が要求されている（ＦＲ＝１）か否かが判定され、リッチスパイク操作が要求されていればステップ２２１でリッチスパイク操作が実行され、要求されていない場合にはステップ２２３で目標運転モードＭ 1（この場合はリッチまたは理論空燃比運転モード）への切り換えが実行される。
【００５２】
なお、ステップ２２１のリッチスパイク操作では、機関はＮＯX カウンタＣＮＯＸの値が０になるまでモード▲５▼のリッチ空燃比均質混合気燃焼で運転され、ＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯX の全量が放出され、還元浄化される。
次に、本実施形態における二次燃料噴射の回数について説明する。本実施形態では二次燃料噴射は＃１、４の気筒群と＃２、３の気筒群について各１回または＃１から＃４の全気筒について１回のいずれかが行なわれる。すなわち、ＳＣ５ａ、５ｂの容量が比較的小さいため各ＳＣ５ａ、５ｂそれぞれにつき１回の二次燃料噴射でＳＣの貯蔵酸素量を低減することができる場合には各気筒群につき１回のみ二次燃料噴射が実行され、比較的ＳＣ５ａ、５ｂの容量が大きく、１回の二次燃料噴射では貯蔵酸素量を充分に低減できない場合には各ＳＣ５ａ、５ｂにつきそれぞれ２回の（すなわち＃１から＃４の全気筒につき１回ずつ）二次燃料噴射が実行される。いずれの二次燃料噴射を実行するかはＳＣ５ａ、５ｂの容量に応じて予め決定される。なお、各気筒群は点火順序の連続しない気筒から構成されているため、各気筒群毎に１回二次燃料噴射を実行する場合には、前述のステップ２１１では連続した点火順序の２つの気筒で（例えば＃１と＃３、または＃３と＃２等）１回ずつ二次燃料噴射を実行すると貯蔵酸素量低減操作が完了したと判定される。
【００５３】
また、上述したように、本実施形態では貯蔵酸素量低減操作実行中は機関ではリーン空燃比の運転モード（▲１▼から▲３▼）が継続される。
（２）第２の実施形態
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。上記第１の実施形態では、二次燃料噴射のみによってＳＣ５ａ、５ｂの貯蔵酸素量低減操作を行い、貯蔵酸素量低減操作（二次燃料噴射）が完了するまでリッチ空燃比運転への運転モードの切り換えを行なわなかった。本実施形態では、全気筒に１回ずつ二次燃料噴射が必要な機関では、リーン空燃比運転モードからリッチ空燃比運転モードへの切り換え指令が出たタイミングにより、運転モード切り換え（吸気行程燃料噴射への移行）ができるタイミングの気筒については吸気行程燃料噴射に切り換えるとともに吸気行程燃料噴射量を二次燃料噴射量相当分だけ増量し、吸気行程燃料噴射への移行が間に合わない気筒については二次燃料噴射を行なう。
【００５４】
図３は、本実施形態の二次燃料噴射（図３では膨張行程終期から排気行程初期にかけて二次燃料噴射を実施する例を示す）と吸気行程燃料噴射増量のタイミングを説明する図である。図３はモード▲１▼（リーン成層燃焼（圧縮行程１回噴射）からモード▲４▼（理論空燃比均質混合気燃焼（吸気行程噴射））への切り換えのタイミングを示しているが、他のモード間の切り換えも図３と同様になる。
【００５５】
図３は、＃１から＃４気筒のそれぞれの燃料噴射タイミングとその燃料噴射を行なうための燃料噴射量セットタイミングを示している。図３においてＣＳＥＴは圧縮行程燃料噴射量セットタイミング、ＣＩＮＪは圧縮行程燃料噴射実行タイミング、ＥＸＳＥＴは二次燃料噴射量セットタイミング、ＥＸＩＮＪは二次燃料噴射実行タイミング、ＩＳＥＴは吸気行程燃料噴射量セットタイミング、ＩＩＮＪは吸気行程燃料噴射実行タイミングをそれぞれ示している。また、図３にＣＨで示すのは運転モード切り換えのための貯蔵酸素量低減操作開始タイミングを示している。また、図３において「吸」、「圧」、「膨」、「排」はそれぞれ各気筒の吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程を表している。図３に示すように本実施形態では、二次燃料噴射量は圧縮行程終期にセットされ（ＥＸＳＥＴ）、吸気行程燃料噴射量は排気行程初期にセットされる（ＩＳＥＴ）。
【００５６】
今、図３ＣＨのタイミングで運転モード切り換えのための触媒の貯蔵酸素量低減操作が開始されたとすると、＃１気筒ではＣＨは圧縮行程中期に相当するため、既に吸気行程燃料噴射タイミング（ＩＩＮＪ）は終わっており、タイミングＣＳＥＴで圧縮行程燃料噴射量のセットが完了している。従って＃１気筒では直ちには運転モードの切換ができないため、圧縮行程燃料噴射ＩＩＮＪはそのまま実行することとして、タイミングＥＸＳＥＴで二次燃料噴射量をセットして二次燃料噴射（ＥＸＩＮＪ）を実行する。
【００５７】
一方、＃３気筒ではＣＨのタイミングは吸気行程中期に相当するが、このタイミングでは既に吸気行程燃料噴射量セットタイミングは過ぎてしまっているため直ちに吸気行程燃料噴射に移行することはできない。このため、＃３気筒ではそのまま圧縮行程燃料噴射を実行することとしてＣＳＥＴで圧縮行程燃料噴射量をセットするとともに、その後の圧縮行程終期の二次燃料噴射量セットタイミング（ＥＸＳＥＴ）で二次燃料噴射量をセットして二次燃料噴射を実行することとする。
【００５８】
また、同様に、＃４気筒ではＣＨのタイミングは排気行程中期に相当するが、この場合も吸気行程燃料噴射量セットタイミング（ＩＩＮＪ）が過ぎてしまっているため直ちに吸気行程燃料噴射に移行することはできない。従って、＃３気筒と同様圧縮行程燃料噴射（ＣＩＮＪ）を継続したままで二次燃料噴射（ＥＸＩＮＪ）が実行される。
【００５９】
一方、＃２気筒ではＣＨのタイミングは膨張行程中期に相当するため、吸気行程燃料噴射量セットタイミング（ＩＳＥＴ）にはまだ到達しておらず、吸気行程燃料噴射に移行することができる。そこで、＃２気筒では運転モードを切り換えて吸気行程燃料噴射を行なうとともに、ＩＳＥＴでセットする燃料噴射量を二次燃料噴射量相当分だけ増量する。すなわち、＃２気筒については二次燃料噴射を行なわずに運転モードの切り換えを実行し、その代わりに運転モード切り換え直後の吸気行程燃料噴射量に二次燃料噴射量相当分を上乗せして燃料噴射量を設定する。
【００６０】
図３のタイミングチャートから判るように、本実施形態では運転モード切り換えのための触媒貯蔵酸素量低減操作が開始後、二次燃料噴射量セットタイミングが吸気行程燃料噴射量セットタイミングより先になる気筒（図３の場合には＃１、＃３、＃４気筒）については圧縮行程燃料噴射を継続したままで（すなわち運転モードを切り換えずに）二次燃料噴射を実行するが、吸気行程燃料噴射量セットタイミングが二次燃料噴射量セットタイミングより先になる気筒（＃２気筒）については運転モードを切り換えて吸気行程燃料噴射を行い、吸気行程燃料噴射時に他の気筒の二次燃料噴射量相当分の燃料を増量するようにしている。なお、この場合も全気筒で１回ずつ二次燃料噴射または吸気行程燃料噴射量の増量が行なわれた時点で触媒の貯蔵酸素量低減操作は終了し、その後は全気筒で運転モードが切り換えられる。
【００６１】
すなわち、本実施形態では触媒の貯蔵量低減操作は運転モード切り換え前に開始され（＃１、＃３、＃４気筒）、運転モード切り換え後（＃２気筒）に終了することになる。これにより、運転モード切り換え時間を短縮することができる。図４は、本実施形態の上記貯蔵酸素量低減操作を説明するフローチャートである。図４の操作はＥＣＵ３０により所定間隔毎に実行されるルーチンとして行なわれる。図４のフローチャートは、図２のフローチャートのステップ２１３から２１７をステップ４１３、４１４、４１５、４１６及び４１７で置換した点のみが図２のフローチャートと相違している。そこで、ここでは相違点についてのみ説明する。
【００６２】
ステップ４１３では、図２ステップ２１３と同様にＳＣ５ａ、５ｂの貯蔵酸素量ＯＳＣから１回の二次燃料噴射の量が設定される、そしてステップ４１４では現在吸気行程燃料噴射量のセットタイミング（図３ＩＳＥＴ）にある場合にはステップ４１６で運転モード切り換え後の吸気行程燃料噴射量にステップ４１３で算出した二次燃料噴射量を上乗せして増量した量を吸気行程燃料噴射量としてセットする。また、吸気行程燃料噴射量セットタイミングにない場合には、ステップ４１５、ステップ４１７で二次燃料噴射量のセットが行なわれる。これにより、吸気行程燃料噴射量のセットタイミング（ＩＳＥＴ）に間に合う気筒では、二次燃料噴射の代わりに運転モードの切り換えと燃料噴射量の増量とが行なわれるようになる。
【００６３】
なお、本実施形態では吸気行程燃料噴射のセットタイミングに間に合う気筒以外の気筒では二次燃料噴射を実行することにより貯蔵酸素量の低減操作を行なっているが、二次燃料噴射を実行せずに、各気筒とも次の吸気行程燃料噴射量セットタイミングから上記の＃２気筒のように二次燃料噴射量相当分だけ吸気行程燃料噴射量を増量するようにしても良い。この場合には各気筒で運転モード切り換え直後に触媒の貯蔵酸素量低減操作が行なわれることになる。
【００６４】
（３）第３の実施形態
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。前述の第１の実施形態では機関運転モード切り換えの際に、触媒の貯蔵酸素量低減操作終了後に運転モードを切り換えており、第２の実施形態では一部の気筒又は全部の気筒で運転モード切り換え直後に低減操作が行われる。これに対して本実施形態では、貯蔵酸素量低減操作は運転モードの切り換えとは独立して行なわれる。すなわち、各気筒では運転モードの切り換えを通常通り実施し、各気筒の運転モードの切り換えが終了するまで運転モードとは無関係に二次燃料噴射が実行される。実際の運転では例えばモード▲１▼（リーン空燃比成層燃焼（圧縮行程１回噴射））の非常にリーンな燃焼状態から急加速等で▲５▼（リッチ空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射））のリッチ空燃比燃焼に移行する必要が生じる場合があるが、このような場合には直接▲１▼から▲５▼に運転モードを切り換えると燃焼空燃比の急激な変化のために出力トルクの急激な変動が生じる場合がある。そこで、このような場合にはモード▲１▼から▲４▼に直接運転モードを切り換えずに一旦モード▲１▼から▲２▼（リーン空燃比均質混合気／成層燃焼（吸気行程／圧縮行程２回噴射））と▲３▼（リーン空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射））を経由して▲５▼に運転モードを切り換えるようにする場合がある。
【００６５】
本実施形態では、運転モード切り換え時には上記▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲５▼等の切り換え操作は独立して実行し、同時にモード切り換え完了まで二次燃料噴射を実行するようにしている。すなわち、本実施形態では運転モードの切り換えと触媒の貯蔵酸素量低減操作とが並行して行なわれることになる。これにより貯蔵酸素量低減操作実行により運転モード切り換え時間が影響を受けることが防止される。
【００６６】
図５は、本実施形態の触媒の貯蔵酸素量低減操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ３０により所定間隔で実行されるルーチンとして行なわれる。
図５において、ステップ５０１から５０９は図２のステップ２０１から２０９と同一の操作を示す。本実施形態においても、ステップ５０１から５０９でリーン空燃比からリッチ空燃比への運転モードの切り換えが無い場合には直ちにステップ５２３に進み目標運転モードＭ1 と現在の運転モードＭ0 に応じたモード切り換え操作が実行される。
【００６７】
一方、ステップ５０１から５０９でリーン空燃比運転からリッチ空燃比運転への運転モードの切り換えが必要とされる場合には、ステップ５１１に進み、目標運転モードＭ1 と現在の運転モードＭ0 とから、Ｍ0 →Ｍ1 への移行に要するサイクル数に基づいて、二次燃料噴射を何回実行可能かが算出され、二次燃料噴射実行回数と現在の触媒貯蔵酸素量ＯＳＣとから一回当たりの二次燃料噴射量が算出される。二次燃料噴射量は、ＳＣ５ａ、５ｂから放出される酸素の全量を消費し、かつＳＣ５ａ、５ｂ下流側の排気をリッチ空燃比に維持するだけのＨＣを生成できる量として算出される。
【００６８】
そして、二次燃料噴射量算出後、ステップ５１３から５２１では運転モードの切り換えが終了するまで二次燃料噴射が実行される。又、このときステップ５２１、５２３では、二次燃料噴射と並行してリッチスパイク操作への移行（ステップ５２１）及び現在の運転モードＭ0 と目標運転モードＭ1 とに応じた移行操作が行なわれる。そして、ステップ５１３またはステップ５２１の移行操作が完了すると、ステップ５１３ではモード切り換えが終了したと判定され、二次燃料噴射が停止される。
【００６９】
次に、上記各実施形態で二次燃料噴射量算出のために使用されるＳＣ５ａ、５ｂの貯蔵酸素量ＯＳＣの推定方法について説明する。本実施形態では、ＳＣ５ａ、５ｂ入口に配置した空燃比センサ２９ａ、２９ｂで検出したＳＣ５ａ、５ｂ入口の排気空燃比ＡＦと、機関吸入空気重量流量（グラム／秒）ＧＡとからＳＣ５ａ、５ｂの貯蔵酸素量ＯＳＣを算出する。
【００７０】
前述のように、触媒のＯ2 ストレージ機能により、ＳＣ５ａ、５ｂに流入する排気空燃比が理論空燃比よりリーンのときには排気中の余剰酸素がＳＣ５ａ、５ｂに吸収され、また、理論空燃比よりリッチのときにはＳＣ５ａ、５ｂから吸収した酸素が放出され、どちらの場合もＳＣ５ａ、５ｂ出口における排気空燃比は理論空燃比近傍になる。従って、ＳＣ５ａ、５ｂに吸収、またはＳＣ５ａ、５ｂから放出される酸素量は、空燃比ＡＦの排気を理論空燃比にするために必要な酸素量に相当する。
【００７１】
今、ある量Ｆの燃料を燃焼して空燃比ＡＦの排気を生成するために必要な空気の重量がＧＡであったとすると、ＧＡ＝ＡＦ×Ｆとなる。また、同じ量Ｆの燃料を燃焼して理論空燃比ＳＴの排気を生成するために必要な空気重量をＧＡ′とすると、ＧＡ′＝ＳＴ×Ｆとなる。一方、空気中の酸素濃度をＡＯ2 とすると、重量ＧＡ及びＧＡ′の空気中には、それぞれＡＯ2 ×ＧＡとＡＯ2 ×ＧＡ′となる。すなわち、ある量Ｆの燃料を燃焼して理論空燃比ＳＴの排気を生成するために必要な酸素量はＡＯ2 ×ＧＡ′＝ＡＯ2 ×ＳＴ×Ｆとなる。一方、同じ燃料を燃焼して空燃比ＡＦの排気を生成した場合の酸素量はＡＯ2 ×ＧＡ＝ＡＯ2 ×ＡＦ×Ｆとなる。従って、空燃比ＡＦの排気を理論空燃比にするために必要とされる酸素量、すなわち、ＡＦ＞ＳＴとした場合にＳＣ５ａ、５ｂに吸収される酸素量は（ＡＯ2 ×ＧＡ）−（ＡＯ2 ×ＧＡ′）＝ＡＯ2 ×Ｆ×（ＡＦ−ＳＴ）となる。また、Ｆ＝ＧＡ／ＡＦであるので、結局酸素の放出／吸収量は、
ＡＯ2 ×ＧＡ×（ＡＦ−ＳＴ）／ＡＦ＝ＡＯ2 ×ＧＡ×（ΔＡＦ／ＡＦ）となる。ここで、ΔＡＦ＝（ＡＦ−ＳＴ）である。また、ＧＡは単位時間（秒）当たりの空気流量であるため、ＡＦ＞ＳＴであれば機関運転中に触媒には単位時間あたりＡＯ2 ×ＧＡ×（ΔＡＦ／ＡＦ）の酸素が吸収され、触媒の貯蔵酸素量ＯＳＣはＡＯ2 ×ＧＡ×（ΔＡＦ／ＡＦ）だけ増大することになる。（ＡＦ＜ＳＴであればΔＡＦはマイナスとなり、触媒の貯蔵酸素量ＯＳＣは減少する）。
【００７２】
従って、本来排気空燃比がＡＦ、吸入空気重量流量がＧＡの場合、ＳＣ５ａ、５ｂの時間Δｔ当たりの貯蔵酸素量ＯＳＣの変化量は、ＡＯ2 ×ＧＡ×（ΔＡＦ／ＡＦ）×Δｔとなるが、実際にはＯＳＣの変化量は触媒の酸素吸放出速度に影響を受けるため、実際のＯＳＣ変化量は、ＡＯ2 ×ＧＡ×（ΔＡＦ／ＡＦ）×Δｔ×Ｋとして表される（Ｋは酸素吸放出速度に基づく補正係数）。また、実際には酸素の吸放出速度は触媒温度に影響を受け、触媒温度が高い程大きくなる。更に、酸素の吸収と放出とでは速度が異なり、酸素の吸収速度は放出速度より高い。従って、本実施形態ではＯＳＣの時間Δｔ当たりの変化量を吸収（ＡＦ≧ＳＴ）と放出（ＡＦ＜ＳＴ）との場合に分けて以下の式で表している。
【００７３】
吸収（ＡＦ≧ＳＴ）：ＡＯ2 ×ＧＡ×（ΔＡＦ／ＡＦ）×Δｔ×Ａ
放出（ＡＦ＜ＳＴ）：ＡＯ2 ×ＧＡ×（ΔＡＦ／ＡＦ）×Δｔ×Ｂ
ここで、Ａ、Ｂは酸素の吸放出速度や触媒温度により定まる補正係数である。
図６は、本実施形態におけるＳＣ５ａ、５ｂの貯蔵酸素量算出操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により上記Δｔに相当する一定時間間隔で実行されるルーチンにより行なわれる。本操作では、上記の式を用いてＳＣ５ａ、５ｂの時間Δｔ当たりの貯蔵酸素量ＯＳＣの変化量を算出し、機関始動時からこの変化量を積算することにより現在のＳＣ５ａ、５ｂの貯蔵酸素量ＯＳＣを推定している。
【００７４】
図６の操作では、まずステップ６０１でＳＣ５ａ、５ｂ入口の排気空燃比ＡＦ、機関の吸入空気重量流量ＧＡ、及びＳＣ５ａ、５ｂ温度ＴＣＡＴが読み込まれる。本実施形態では、排気空燃比ＡＦはＳＣ５ａ、５ｂ入口の空燃比センサ２９ａ、２９ｂにより検出された排気空燃比の平均値として求められる。また、吸入空気重量流量ＧＡは、単位時間当たりに機関に供給される燃料量（燃料噴射量）と排気空燃比ＡＦの積として算出される。また、ＳＣ５ａ、５ｂの温度ＴＣＡＴは触媒床に温度センサを配置して計測しても良いし、予め機関負荷（燃料噴射量）、回転数と排気温度との関係を求めておき、機関燃料噴射量（機関負荷）と回転数とに基づいて排気温度を算出してこの排気温度を近似的にＴＣＡＴとして用いても良い。
【００７５】
上記によりＡＦ、ＧＡ、ＴＣＡＴを読み込んだ後、ステップ６０３ではＡＦ≧ＳＴ（ＳＴは理論空燃比）か否かが算出され、ＡＦ≧ＳＴの場合には現在排気浄化触媒は酸素を吸収しており、貯蔵酸素量ＯＳＣは増大しているので、ステップ６０５でＳＣ５ａ、５ｂの酸素吸収速度と触媒温度ＴＣＡＴとから補正係数Ａを算出する。そして、ステップ６０７では貯蔵酸素量ＯＳＣの値が、（ＡＯ2 ×ＧＡ×（ΔＡＦ／ＡＦ）×Δｔ×Ａ）だけ増大される。そして、ステップ６０９では増大後のＯＳＣの値が最大値ＯＳＣMAX を越える場合にはＯＳＣの値がＯＳＣMAX に設定される。ＯＳＣMAX は、ＳＣ５ａ、５ｂの貯蔵可能な最大酸素量（飽和量）である。
【００７６】
一方、ステップ６０３でＡＦ＜ＳＴであった場合には、ＳＣ５ａ、５ｂは現在酸素を放出中であるため、ステップ６１３で酸素放出速度と触媒温度ＴＣＡＴとに基づいて補正係数Ｂを算出し、ステップ６１５ではＯＳＣの値が、（ＡＯ2 ×ＧＡ×（ΔＡＦ／ＡＦ）×Δｔ×Ｂ）だけ増大される（この場合ΔＡＦ＜０であるため、ＯＳＣは減少する）。そして、ステップ６１７、６１９ではＯＳＣの値を最小値０で制限して今回の操作を終了する。なお、機関始動時にはステップ６０７、６１５におけるＯＳＣの初期値はＯＳＣMAX に設定される。機関停止時にはＳＣ５ａ、５ｂ大気雰囲気（リーン空燃比）になっておりＳＣ５ａ、５ｂは酸素で飽和しているためである。
【００７７】
図６の操作により推定された触媒の貯蔵酸素量ＯＳＣを用いてＳＣ５ａ、５ｂの貯蔵酸素量低減操作に必要な燃料量を算出することにより前述の各実施形態では正確な貯蔵酸素量低減操作が行なわれ、リーン空燃比からリッチ空燃比への機関運転モードの切り換え時にＮＯX 吸蔵還元触媒７から未浄化のＮＯX が流出することが防止される。
【００７８】
次に、図７から図９を用いて図６の操作に使用するＳＣ５ａ、５ｂの飽和酸素量ＯＳＣMAX の補正について説明する。図６の操作では飽和酸素量ＯＳＣMAX を適宜な一定値として貯蔵酸素量ＯＳＣを算出するようにしても良いが、より正確には触媒の劣化に応じてＯＳＣMAX の値を補正することが好ましい。触媒のＯ2 ストレージ機能は触媒の劣化とともに低下し、触媒が貯蔵できる最大酸素量（飽和量）ＯＳＣMAX も低下して行く。そこで、本実施形態では触媒の劣化状態を判別し、劣化状態に応じてＯＳＣMAX の値を補正する。
【００７９】
まず触媒の劣化状態の判別方法について説明する。本実施形態では、ＳＣ５ａ、５ｂ上流側の空燃比センサ２９ａ、２９ｂの出力信号曲線の軌跡長とＮＯX 吸蔵還元触媒７下流側の空燃比センサ３１出力信号曲線の軌跡長とに基づいて触媒の劣化状態を判定する。
図７は機関空燃比が理論空燃比にフィードバック制御されているときの、排気浄化触媒上流側に設けた空燃比センサ出力ＶＯＭと触媒下流側に設けた空燃比センサ出力ＶＯＳの一般的波形を示している。図７において(A) は排気浄化触媒のＯ2 ストレージ機能が高い場合の波形を、図７(B) はＯ2 ストレージ機能が低下した場合の波形をそれぞれ示している。
【００８０】
図７(A) 、(B) に示すように、理論空燃比にフィードバック制御されている状態では、機関空燃比（排気空燃比）は理論空燃比を中心として比較的小さな範囲でリッチとリーンに変動する。このため、上流側空燃比センサ出力ＶＯＭも理論空燃比を中心として周期的な変動を示す。この場合、触媒のＯ2 ストレージ機能が充分に高ければ、触媒に流入する排気空燃比が理論空燃比を中心として多少変動しても触媒出口の排気空燃比は理論空燃比近傍に維持される。このため、Ｏ2 ストレージ機能が充分に高い触媒では下流側空燃比センサ出力ＶＯＳは図７(A) に示すようにあまり変動しない。従って、出力ＶＯＳの軌跡に沿った長さはＬＯＶＳは比較的小さくなる。ところが、触媒が劣化してＯ2 ストレージ機能が低下すると触媒の酸素吸放出量が低下するため下流側における空燃比も上流側の空燃比変動に応じて変動するようになる。このため、下流側空燃比センサ出力ＶＯＳの軌跡長ＬＶＯＳはＯ2 ストレージ機能の低下とともに大きくなり図７(B) に示すようにＯ2 ストレージ機能が完全に失われた状態では上流側の空燃比センサ出力ＶＯＭの軌跡長ＬＶＯＭと等しくなってしまう。すなわち、空燃比フィードバック制御中の下流側空燃比センサ出力ＶＯＳの軌跡長ＬＶＯＳと上流側空燃比センサ出力ＶＯＭの軌跡長ＬＶＯＭとの比ＬＲ（ＬＲ＝ＬＶＯＳ／ＬＶＯＭ）をとると、Ｏ2 ストレージ機能が充分に高い場合にはＬＲは１よりはるかに小さい値となり、Ｏ2 ストレージ機能が低下するにつれて増大して１に近づくようになる。本実施形態では、上記に基づいて上流側空燃比センサ２９ａ、２９ｂ出力と下流側空燃比センサ３１出力との軌跡長の比ＬＲをＳＣ５ａ、５ｂのＯ2 ストレージ機能低下を表すパラメータとして使用している。なお、本実施形態のように２つの排気浄化触媒５ａ、５ｂと２つの上流側空燃比センサ２９ａ、２９ｂがある機関の場合には２つの上流側空燃比センサ２９ａ、２９ｂの出力の平均値を上流側空燃比センサ出力ＶＯＭとして用いて軌跡長ＬＶＯＭを算出しても良いし、あるいは空燃比センサ２９ａ、２９ｂ毎に出力軌跡長を算出し、両方の軌跡長を平均したものを上流側空燃比センサ出力軌跡長ＬＶＯＭとして用いても良い。
図８は、本実施形態のＳＣ５ａ、５ｂの劣化を考慮した貯蔵酸素量最大値ＯＳＣMAX の演算操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行なわれる。
【００８１】
図８において操作がスタートすると、ステップ８０１では劣化パラメータ演算実行条件が成立しているか否かが判定される。本実施形態では、ステップ８０１の条件は、機関がモード▲４▼（理論空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射））で運転されており、かつ空燃比センサ２９ａ、２９ｂに基づく空燃比フィードバック制御が実施されていることとされる。図７で説明したように、軌跡長比ＬＲを触媒のＯ2 ストレージ機能を表すパラメータとして使用するためには、軌跡長比ＬＲを機関空燃比が理論空燃比にフィードバック制御されている状態で算出する必要があるためである。
【００８２】
ステップ８０１で条件が成立した場合には、ステップ８０３で上流側空燃比センサ２９ａ、２９ｂの出力電圧ＶＯＭと下流側空燃比センサ３１の出力電圧ＶＯＳとが読み込まれる。なお、本実施形態ではセンサ２９ａ、２９ｂの出力電圧の平均値をＶＯＭとして使用する。次いでステップ８０５では上流側空燃比センサ出力ＶＯＭの軌跡長ＬＶＯＭと下流側空燃比センサ出力ＶＯＳの軌跡長ＬＶＯＳとが、
ＬＶＯＭ＝ＬＶＯＭ＋｜ＶＯＭ−ＶＯＭi-1 ｜
ＬＶＯＳ＝ＬＶＯＳ＋｜ＶＯＳ−ＶＯＳi-1 ｜
として算出される。ここでＶＯＭi-1 、ＶＯＳi-1 は、それぞれ前回本操作実行時のＶＯＭとＶＯＳとの値であり、ＬＶＯＭ、ＬＶＯＳ算出毎にステップ８０７で更新される。すなわち、本実施形態では図９に示すように、｜ＶＯＭ−ＶＯＭi-1 ｜と｜ＶＯＳ−ＶＯＳi-1 ｜の積算値をそれぞれＬＶＯＭ、ＬＶＯＳとして用いる近似計算を行なっている。
【００８３】
ステップ８０９、ステップ８１１は軌跡長の算出期間の判定操作である。本実施形態では、上記ＬＶＯＭ、ＬＶＯＳの積算は操作実行毎に１ずつ増大されるカウンタＣＴの値が所定値Ｔに到達するまで行なわれる。なお、所定値Ｔは上記積算期間の合計が数十秒程度になるように設定されている。
ステップ８１１で期間Ｔが経過した場合には、ステップ８１３で、期間内に積算されたＬＶＯＭ、ＬＶＯＳの値から軌跡長比ＬＲが、ＬＲ＝ＬＶＯＳ／ＬＶＯＭとして算出される。また、ステップ８１５では上記軌跡長比ＬＲ（Ｏ2 ストレージ機能パラメータ）の値から予め設定された関係に基づいてＯＳＣMAX の補正係数ＲＤが求められる。そして、ステップ８１９では現在のＳＣ５ａ、５ｂの貯蔵酸素量最大値ＯＳＣMAX が、ＯＳＣMAX ＝ＯＳＣMAX0×ＲＤとして算出される。ここで、ＯＳＣMAX0はＳＣ５ａ、５ｂが全く劣化していない新品の状態での貯蔵酸素量最大値である。
【００８４】
図１０は、図８ステップ８１７で補正係数ＲＤを求めるのに使用される、軌跡長比ＬＲと補正係数ＲＤとの関係を示すグラフである。図１０に示すように、補正係数ＲＤの値は触媒が全く劣化していない状態（ＬＲ≪１．０）では１．０に設定され、触媒の劣化が進むにつれて（ＬＲの値が１に近づくにつれて）小さくなるように設定される。
【００８５】
図１０によりＳＣ５ａ、５ｂの貯蔵酸素量最大値ＯＳＣMAX を触媒の劣化程度に応じて設定することにより、前述の各実施形態におけるＳＣ５ａ、５ｂの貯蔵酸素量ＯＳＣの推定精度が向上するため、前述の各実施形態において更に正確な貯蔵酸素量低減操作を行なうことが可能となる。
【００８６】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、Ｏ2 ストレージ機能を有する排気浄化触媒を排気通路に配置した場合の触媒下流側の排気空燃比の、リーン空燃比から理論空燃比またはリッチ空燃比への変化の遅れを防止することが可能となる共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】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示す図である。
【図２】本発明の排気浄化触媒の貯蔵酸素量低減操作の第１の実施形態を説明するフローチャートである。
【図３】本発明の排気浄化触媒の貯蔵酸素量低減操作の第２の実施形態を説明するタイミング図である。
【図４】本発明の排気浄化触媒の貯蔵酸素量低減操作の第２の実施形態を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の排気浄化触媒の貯蔵酸素量低減操作の第３の実施形態を説明するフローチャートである。
【図６】第１から第３の実施形態で使用する排気浄化触媒の貯蔵酸素量推定操作を説明するフローチャートである。
【図７】排気浄化触媒の劣化による、上流側空燃比センサ出力と下流側空燃比センサ出力との変化を説明する図である。
【図８】排気浄化触媒劣化を考慮した貯蔵酸素量推定操作を説明するフローチャートである。
【図９】図８の操作で使用する空燃比センサ出力軌跡長の算出方法を説明する図である。
【図１０】排気浄化触媒のＯ2 ストレージ機能の補正係数と軌跡長比との関係を説明する図である。
【符号の説明】
１…内燃機関
２…排気通路
５ａ、５ｂ…スタートキャタリスト（ＳＣ）
７…ＮＯX 吸蔵還元触媒
２９ａ、２９ｂ、３１…空燃比センサ
３０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【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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