(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て排気空燃比がリーン空燃比のときに排気ガス中のＮＯｘを浄化または吸蔵するＮＯｘ低減機能と排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比のときに排気ガス中の有害物質を還元する還元機能とを有する排気浄化触媒装置と、大気中に放出されるＮＯｘ濃度を検出または推定するＮＯｘ検知手段と、該ＮＯｘ検知手段の出力に基づいて車両の走行距離計測以降の大気中に放出されるＮＯｘ排出量を随時積算して総ＮＯｘ排出量を演算して車両が所定走行距離に達する前に前記総ＮＯｘ排出量が所定値を越えることが検出または予測される場合にリーン空燃比での運転を中止または抑制する制御手段とを具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】
請求項１において、前記制御手段は、車両が前記所定走行距離に達する前に前記総ＮＯｘ排出量が前記所定値を越えたことが検出された場合に、排気空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に変更することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
請求項２において、前記制御手段は、車両が前記所定走行距離に達する前に前記総ＮＯｘ排出量が前記所定値を越えたことを検出して排気空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に変更した後、車両が前記所定走行距離に達するまでは排気空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に維持することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
請求項１において、前記制御手段は、車両が前記所定走行距離に達する前に前記総ＮＯｘ排出量が前記所定値を越えると予測される場合に、リーン空燃比での運転領域を減少させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
請求項４において、前記制御手段は、前記所定走行距離の途中経過時点における前記総ＮＯｘ排出量に基づいてリーン空燃比での運転領域を変更することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
請求項１において、前記制御手段は、車両が前記所定走行距離に達すると、前記総ＮＯｘ排出量の演算及び前記所定走行距離の計測をリセットすることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
請求項１において、前記制御手段は、車両が前記所定走行距離に達しても、前記総ＮＯｘ排出量が前記所定値を越えない場合は、前記総ＮＯｘ排出量が前記所定値を越えてから排気空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に変更し、その後に前記総ＮＯｘ排出量の演算及び前記所定走行距離の計測をリセットすることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
請求項１において、前記排気浄化触媒装置は、排気空燃比がリーン空燃比のときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵すると共に排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比のときに吸蔵されたＮＯｘを放出還元するＮＯｘ吸蔵型触媒を含み、前記制御手段は、車両が前記所定走行距離に達する前に前記総ＮＯｘ排出量が所定値を越えることを検出した場合に、排気空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に変更して前記ＮＯｘ吸蔵型触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出還元した後、車両が前記所定走行距離に達するまでは排気空燃比を理論空燃比に維持することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
請求項１において、前記制御手段は、前記総ＮＯｘ排出量に対する前記所定値を車速に応じて変更することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
請求項１において、運転者の加速操作に合わせて理論空燃比もしくはリッチ空燃比に変更すると共に、空燃比変更初期に膨張行程以降での筒内への燃料噴射を併用することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】
請求項１において、前記制御手段は、前記総ＮＯｘ排出量を、前記排気浄化触媒装置の硫黄被毒からの再生状態を考慮して演算することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１２】
内燃機関の排気通路に設けられて排気空燃比がリーン空燃比のときに排気ガス中のＮＯｘを浄化または吸蔵するＮＯｘ低減機能と排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比のときに排気ガス中の有害物質を還元する還元機能とを有する排気浄化触媒装置と、大気中に放出されるＮＯｘ濃度を推定するＮＯｘ検知手段と、該ＮＯｘ検知手段の出力に基づいて大気中に放出されるＮＯｘ排出量を前記排気浄化触媒装置の硫黄被毒からの再生状態を考慮して随時積算して総ＮＯｘ排出量を演算し、該総ＮＯｘ排出量が所定値を越えることが検出または予測される場合にリーン空燃比での運転を中止または抑制する制御手段とを具えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１３】
請求項１２において、前記制御手段は、前記車両が所定走行距離に達する前に前記総ＮＯｘ排出量が所定値を越えることが検出または予測される場合にリーン空燃比での運転を中止または抑制することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、排気通路に吸蔵型ＮＯｘ触媒を有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
背景技術
近年、内燃機関をリーン空燃比で運転して燃費の向上を図るように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、リーン空燃比で運転すると、三元触媒がその浄化特性から排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を充分に浄化できないという問題があり、最近では、例えば、リーン空燃比で運転中に排ガス中のＮＯｘを吸蔵または吸着（以下、単に吸蔵と称する。）し、理論空燃比（ストイキ）またはリッチ空燃比で運転中に吸蔵されたＮＯｘを放出還元する吸蔵型ＮＯｘ触媒を備えた排気浄化触媒装置が採用されてきている。
【０００３】
この吸蔵型ＮＯｘ触媒は、内燃機関の酸素の過剰状態で排ガス中のＮＯｘを硝酸塩（Ｘ−ＮＯ3 ）として付着させて吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを主として一酸化炭素（ＣＯ）の過剰状態で放出して窒素（Ｎ2 ）に還元させる特性（同時に炭酸塩Ｘ−ＣＯ3 が生成される）を有した触媒である。従って、実際には、リーン空燃比運転が所定時間継続すると、燃焼室内の空燃比の切換えあるいは排気管への還元剤の供給等により排気空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に制御するようなリッチ空燃比運転に定期的に切換え（これをリッチスパイクという）、これによって酸素濃度低下雰囲気でＣＯの多い還元雰囲気を生成し、吸蔵したＮＯｘを放出して浄化還元（ＮＯｘパージ）することで吸蔵型ＮＯｘ触媒の再生を図ることができる。このような技術は、例えば、特許第２５８６７３８号公報等に開示されている。
【０００４】
ところで、このような吸蔵型ＮＯｘ触媒では、触媒上に吸蔵できるＮＯｘ量に限界があり、吸蔵型ＮＯｘ触媒が吸蔵したＮＯｘ量が限界量に達すると、前述したように、リッチスパイクを実施し、所定のリッチ空燃比の下で所定時間に亘りリッチ空燃比運転が実施される。
【０００５】
ところが、この吸蔵型ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの吸蔵量が限界に達してリッチスパイクが必要となる時点は、吸蔵型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化効率の劣化度合やＮＯｘ及びＣＯの流量に影響する内燃機関の運転条件等によって変化する。このような吸蔵型ＮＯｘ触媒が吸蔵したＮＯｘ量が限界に達したことを検出して再生するものとして、例えば、特開平７−１６６８５１号公報に開示されたものがある。
【０００６】
この公報に開示された「排気浄化装置」は、内燃機関の排気通路にＮＯｘ吸収剤を配置すると共に、このＮＯｘ吸収剤の下流側にＮＯｘセンサを配置し、このＮＯｘセンサが検出した検出値（ＮＯｘ成分の濃度）が判定値を越えたときに、排気空燃比をリッチ空燃比として触媒上からＮＯｘを放出する再生制御（ＮＯｘパージ）を実行するものである。
【０００７】
ところで、世界各国のＮＯｘ排出規制による規制値は、例えば、所定走行距離に対する総ＮＯｘ排出量となっている。前述した従来の「排気浄化装置」では、それぞれのリーン運転区間というある短い期間でＮＯｘ成分の濃度を検出して再生制御を実行しているため、運転者の運転の仕方により、判定値の設定に余裕が少ない場合には、所定走行距離ごとでみた際に必ずしも所望のＮＯｘ排出量、例えば、規制値を確実にクリアすることができなくなる虞がある。
【０００８】
つまり、上述した「排気浄化装置」にあっては、運転中には所定走行距離に対する総ＮＯｘ排出量が所望の値、例えば、規制値を越えていないかどうかを把握していないので、様々な運転が行われた場合でも所定走行距離での総ＮＯｘ排出量が所定値以下となるようにするため、再生制御（ＮＯｘパージ）開始のための上記判定値を予め余裕を十分もって低く設定しておく必要がある。このように判定値を設定することにより、空燃比をリッチまたはストイキとする再生制御（ＮＯｘパージ）の頻度が余裕を十分にもたせた分増加してしまい、燃費が悪化する。即ち、ＣＯ2 の排出量が増大してしまういう問題が発生する。
【０００９】
なお、所定走行距離当たりのＮＯｘ排出量を所定値内に制御するものとして、例えば、特許第２５０３３８７号公報に開示されたものがあるが、この公報に開示された「電子式内燃機関制御装置」は、ストイキ運転領域でのみ、点火時期やＥＧＲ量を制御してＮＯｘ排出量を制御するものであるから、上述したようなリーン空燃比で運転する希薄燃焼内燃機関に適用すると、空燃比を常時ストイキ運転領域にしなくてはならず、燃費の向上を図ることができない。
【００１０】
本発明はこのような問題を解決するものであって、燃費の悪化を招くことなく、あらゆる運転条件においても大気中に放出されるＮＯｘ排出量を直接管理することにより確実に所望のＮＯｘ排出量に抑え、ＮＯｘ排出量低減とＣＯ2 排出量の低減を両立することの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。
【００１１】
発明の開示
請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられて排気空燃比がリーン空燃比のときに排気ガス中のＮＯｘを浄化または吸蔵するＮＯｘ低減機能と排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比のときに排気ガス中の有害物質を還元する還元機能とを有する排気浄化触媒装置と、大気中に放出されるＮＯｘ濃度を検出または推定するＮＯｘ検知手段と、該ＮＯｘ検知手段の出力に基づいて車両の走行距離計測以降の大気中に放出されるＮＯｘ排出量を随時積算して総ＮＯｘ排出量を演算して車両が所定走行距離に達する前に前記総ＮＯｘ排出量が所定値を越えることが検出または予測される場合にリーン空燃比での運転を中止または抑制する制御手段とを具えている。
【００１２】
従って、排気空燃比がリーン空燃比であるときに排気ガス中のＮＯｘを浄化または吸蔵しており、所定走行距離を一つのサイクルとして、大気中に放出されるＮＯｘ濃度からＮＯｘ排出量を随時積算して総ＮＯｘ排出量を演算し、所定走行距離に達する前にこの総ＮＯｘ排出量が所定値を越えることが検出または予測されると、リーン空燃比での運転を中止または抑制し、排気浄化触媒装置の還元機能を働かせることであらゆる運転条件においても、燃費の悪化を招くことなく、あらゆる運転条件においても所望のＮＯｘ排出量に抑えることができ、ＮＯｘ排出量低減とＣＯ2 排出量低減を両立することができる。
【００１３】
請求項２の発明の内燃機関の排気浄化装置にて、前記制御手段は、車両が前記所定走行距離に達する前に前記総ＮＯｘ排出量が前記所定値を越えたことが検出された場合に、排気空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に変更するようにしてもよい。これによって排気ガス中の有害物質を還元すると共に排気浄化触媒装置のＮＯｘ低減機能を直ちに再生することができる。
【００１４】
請求項３の発明の内燃機関の排気浄化装置にて、前記制御手段は、車両が前記所定走行距離に達する前に前記総ＮＯｘ排出量が前記所定値を越えたことを検出して排気空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に変更した後、車両が前記所定走行距離に達するまでは排気空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に維持するようにするとよい。これによってＮＯｘ排出を抑制できる。
【００１５】
請求項４の発明の内燃機関の排気浄化装置にて、前記制御手段は、車両が前記所定走行距離に達する前に前記総ＮＯｘ排出量が前記所定値を越えると予測される場合に、リーン空燃比での運転領域を減少させるようにしてもよい。これによってＮＯｘ排出を抑制しながらも最適な運転状態でリーン運転を継続して燃費を向上できる。
【００１６】
請求項５の発明の内燃機関の排気浄化装置にて、前記制御手段は、前記所定走行距離の途中経過時点における前記総ＮＯｘ排出量に基づいてリーン空燃比での運転領域を変更するようにしてもよい。これによってＮＯｘ排出を抑制しながらも最適な運転状態でリーン運転を継続して燃費を向上できる。
【００１７】
請求項６の発明の内燃機関の排気浄化装置にて、前記制御手段は、車両が前記所定走行距離に達すると、前記総ＮＯｘ排出量の演算及び前記所定走行距離の計測をリセットしてもよく、この時点から再びＮＯｘ抑制制御が開始される。
【００１８】
請求項７の発明の内燃機関の排気浄化装置にて、前記制御手段は、車両が前記所定走行距離に達しても、前記総ＮＯｘ排出量が前記所定値を越えない場合は、前記総ＮＯｘ排出量が前記所定値を越えてから排気空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に変更し、その後に前記総ＮＯｘ排出量の演算及び前記所定走行距離の計測をリセットしてもよく、この時点から再びＮＯｘ抑制制御が開始される。
【００１９】
請求項８の発明の内燃機関の排気浄化装置にて、前記排気浄化触媒装置は、排気空燃比がリーン空燃比のときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵すると共に排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比のときに吸蔵されたＮＯｘを放出還元するＮＯｘ吸蔵型触媒を含み、前記制御手段は、車両が前記所定走行距離に達する前に前記総ＮＯｘ排出量が所定値を越えることを検出した場合に、排気空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に変更して前記ＮＯｘ吸蔵型触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出還元した後、車両が前記所定走行距離に達するまでは排気空燃比を理論空燃比に維持するようにしてもよく、これによってＮＯｘの排出を抑制しながらＮＯｘ低減機能を再生できる。
【００２０】
請求項９の発明の内燃機関の排気浄化装置にて、前記制御手段は、前記総ＮＯｘ排出量に対する前記所定値を車速に応じて変更するようにしてもよく、これによって車両の運転状態に応じたＮＯｘ排出の抑制制御が可能となる。
【００２１】
請求項１０の発明の内燃機関の排気浄化装置にて、運転者の加速操作に合わせて理論空燃比もしくはリッチ空燃比に変更すると共に、空燃比変更初期に膨張行程以降での筒内への燃料噴射を併用するようにしてもよく、これによって早期にＮＯｘを還元することで総ＮＯｘ排出量を低減できる。
【００２２】
請求項１１の発明の内燃機関の排気浄化装置にて、前記制御手段は、前記総ＮＯｘ排出量を、前記排気浄化触媒装置の硫黄被毒からの再生状態を考慮して演算するようにしてもよい。
【００２３】
また、請求項１２の発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられて排気空燃比がリーン空燃比のときに排気ガス中のＮＯｘを浄化または吸蔵するＮＯｘ低減機能と排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比のときに排気ガス中の有害物質を還元する還元機能とを有する排気浄化触媒装置と、大気中に放出されるＮＯｘ濃度を推定するＮＯｘ検知手段と、該ＮＯｘ検知手段の出力に基づいて大気中に放出されるＮＯｘ排出量を前記排気浄化触媒装置の硫黄被毒からの再生状態を考慮して随時積算して総ＮＯｘ排出量を演算し、該総ＮＯｘ排出量が所定値を越えることが検出または予測される場合にリーン空燃比での運転を中止または抑制する制御手段とを具えている。
【００２４】
請求項１３の発明の内燃機関の排気浄化装置にて、前記制御手段は、前記車両が所定走行距離に達する前に前記総ＮＯｘ排出量が所定値を越えることが検出または予測される場合にリーン空燃比での運転を中止または抑制するようにしてもよい。
【００２５】
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２６】
［第１実施形態］
第１実施形態の内燃機関（以下、エンジンと称する。）は、例えば、燃料噴射モード（運転モード）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）を実施可能な筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンである。そして、この筒内噴射型のエンジン１１は、容易にして理論空燃比（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、超リーン空燃比での運転が可能となっている。
【００２７】
本実施形態において、第１図に示すように、エンジン１１のシリンダヘッド１２には、各気筒毎に点火プラグ１３と共に電磁式の燃料噴射弁１４が取付けられており、この燃料噴射弁１４によって燃焼室１５内に燃料を直接噴射可能となっている。この燃料噴射弁１４には、図示しない燃料パイプを介して燃料供給装置（燃料ポンプ）が接続されており、燃料タンク内の燃料が高燃圧で供給され、この燃料を燃料噴射弁１４から燃焼室１５内に向けて所望の燃圧で噴射する。この際、燃料噴射量は燃料ポンプの燃料吐出圧と燃料噴射弁１４の開弁時間（燃料噴射時間）とから決定される。
【００２８】
シリンダヘッド１２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１６の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１６の他端にはドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）方式の電動スロットル弁１７が接続されており、このスロットル弁１７にはスロットル開度θthを検出するスロットルセンサ１８が設けられている。また、シリンダヘッド１２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１９の一端がそれぞれ接続されている。
【００２９】
そして、エンジン１１には、クランク角を検出するクランク角センサ２０が設けられており、このクランク角センサ２０はエンジン回転速度Ｎｅを検出可能となっている。なお、上述した筒内噴射型エンジン１１は既に公知のものであり、その構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
【００３０】
また、エンジン１１の排気マニホールド１９には排気管（排気通路）２１が接続されており、この排気管２１にはエンジン１１に近接した小型の三元触媒２２及び排気浄化触媒装置２３を介して図示しないマフラーが接続されている。そして、この排気管２１における三元触媒２２と排気浄化触媒装置２３との間の部分には、排気浄化触媒装置２３の直上流、即ち、後述する吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のに直上流に位置して排気温度を検出する高温センサ２４が設けられている。
【００３１】
この排気浄化触媒装置２３は、排気空燃比がリーン空燃比のときに排気ガス中にＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ低減機能と、排気空燃比が理論空燃比近傍のときに排気ガス中の有害物質（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ）を浄化する酸化還元機能とをもたせるために、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５と三元触媒２６との２つの触媒を有して構成されており、三元触媒２６の方が吸蔵型ＮＯｘ触媒２５よりも下流側に配設されている。この三元触媒２６は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５から吸蔵されたＮＯｘが放出された際に吸蔵型ＮＯｘ触媒２５自身で還元しきれなかったＮＯｘを還元する役目も行っている。なお、排気浄化触媒装置２３は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がＮＯｘを還元し、ＨＣとＣＯを酸化する三元触媒の機能（ここでは、三元機能と称する。）を十分有している場合には、この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５だけとした吸蔵型ＮＯｘ触媒と三元触媒の一体型であってもよい。この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸化雰囲気においてＮＯｘを一旦吸蔵させ（ＮＯｘ低減機能）、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）等に還元させる還元機能を持つものである。詳しくは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、貴金属として白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等を有した触媒として構成されており、吸蔵材としてはバリウム（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２３の下流側にはＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ（ＮＯｘ検知手段）２７が設けられている。
【００３２】
更に、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有するＥＣＵ（電子コントロールユニット）２８が設けられており、このＥＣＵ２８によりエンジン１１を含めた本実施形態の排気浄化装置の総合的な制御が行われる。即ち、ＥＣＵ２８の入力側には、上述した高温センサ２４やＮＯｘセンサ２７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。一方、ＥＣＵ２８の出力側には、点火コイルを介して上述した点火プラグ１３や燃料噴射弁１４等が接続されており、これら点火コイル、燃料噴射弁１４等には、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や点火時期等の最適値がそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁１４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１３によって適正なタイミングで点火が実施される。
【００３３】
実際に、ＥＣＵ２８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情報とクランク角センサ２０からのエンジン回転速度情報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を求めるようにされており、更に、この目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射モードを設定するようにされている。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には、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。
【００３４】
そして、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとから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。また、高温センサ２４により検出された排気温度情報からは触媒温度Ｔcat が推定される。詳しくは、高温センサ２４と吸蔵型ＮＯｘ触媒２５とが多少なりとも離れて配置されていることに起因する誤差を補正するために、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて温度差マップが予め実験等により設定されており、触媒温度Ｔcat は、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとが決まると一義に推定されるようにされている。
【００３５】
以下、このように構成された本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。
【００３６】
排気浄化触媒装置２３の吸蔵型ＮＯｘ触媒２５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で、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、酸素濃度が低下した雰囲気では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５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、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５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てＣＯを供給し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出させて機能を維持する。
【００３７】
ところで、世界各国のＮＯｘ排出規制による規制値は、例えば、所定走行距離に対する総ＮＯｘ排出量となっている。そこで、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置では、車両の走行距離に相関するパラメータ値としての車速センサからの信号をもとに車両の走行距離を検出（走行距離検出手段）する一方、ＮＯｘセンサ２７が吸蔵型ＮＯｘ触媒２５から放出されるＮＯｘ濃度を検出し、ＥＣＵ２８がこのＮＯｘセンサ２７の出力に基づいて大気中に放出され得る総ＮＯｘ排出量を演算し、更に、このＥＣＵ（制御手段）２８が所定の走行距離に達する前に、総ＮＯｘ排出量が所定値を越えた場合に排気空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に変更することで、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出及び還元浄化し、ＮＯｘ排出量を抑えるようにしている。
【００３８】
ここで、このＮＯｘ排出量制御について、第２図のフローチャートに基づいて説明する。
【００３９】
第２図に示すように、ステップＳ１にてスタータによりエンジンの始動が開始され、始動スイッチがオンされると、ステップＳ２でＮＯｘセンサ２７の活性タイマｔをリセットし、ステップＳ３で、メモリされている走行距離ＣM 及びＮＯｘ排出量ＡM を読み込む。この走行距離ＣM 及びＮＯｘ排出量ＡM は、後述する方法によって前回運転時において走行距離及びＮＯｘ排出量を積算し、ＮＯｘ排出量抑制を行うなかで、最後にＮＯｘパージが行われず、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５にある程度ＮＯｘが吸蔵された状態でイグニッションオフされた場合に、その時点での走行距離Ｃ及びＮＯｘ排出量ＡをＥＣＵにてバッテリバックアップによりメモリしていたものである。そして、ステップＳ４にて、ＮＯｘセンサ２７の活性タイマｔをセットし、ステップＳ５でＮＯｘセンサ２７が活性したかどうかを判定し、ステップＳ６でＮＯｘセンサ２７が活性するまでその経過時間を積算していき、ＮＯｘセンサ２７が活性したらステップＳ７に移行する。
【００４０】
ステップＳ７では、図示しない走行距離カウンタがリセットされてからの距離Ｃを演算し、ステップＳ８では、リセットされてからＮＯｘセンサ２７が活性するまでの時間に排出されたＮＯｘ量を含む総ＮＯｘ排出量Ａを演算する。この場合、総ＮＯｘ排出量Ａ（ｇ）は下記式（１）によって演算することができる。
Ａ(n) ＝Ａ(n-1) ＋Ｑ×ｄｔ                            ・・・（１）
【００４１】
ここで、Ａ(n) は総ＮＯｘ排出量、Ａ(n-1) は前回の総ＮＯｘ排出量、ＱはＮＯｘ排出流量（ｇ／ｓ）、ｄｔはサンプリング時間であり、ＮＯｘ排出流量Ｑは下記式（２）によって演算することができる。
Ｑ＝ＮＯｘ濃度×排気流量                              ・・・（２）
【００４２】
ここで、ＮＯｘ濃度（ｐｐｍ）は、ＮＯｘセンサ２７の出力値であり、排気流量（ｇ／ｓ）は、エアフローセンサ等により求めた吸気流量（例えば、カルマン渦式エアフローセンサの場合は、エアフローセンサ周波数）で代表してもよいし、予め設定されたエンジン１１の負荷・回転数マップによって設定してもよい。
【００４３】
また、ＮＯｘセンサ２７の出力がストイキまたはリッチ運転からリーン運転への切換直後等で安定しない場合などには、切り換えてから所定期間ＭのＮＯｘ濃度を仮に所定期間Ｍの経過後のＮＯｘセンサ２７の出力値として計算すればよい。もしくは、切換直後のＮＯｘ濃度を０と仮定して、所定期間Ｍの経過後のＮＯｘセンサ２７の出力値まで直線的に増加したと想定して計算してもよいし、徐々に増加したと想定して計算してもよい。
【００４４】
そして、ステップＳ９にて、走行距離Ｃが、例えば、ＮＯｘ排出規制において管理単位として定められた所定走行距離Ｃ0 に達していないかどうかを判定する。ここで、走行距離Ｃが所定走行距離Ｃ0 に達していなければ、ステップＳ１０にて、前述した式（１）で求めた総ＮＯｘ排出量Ａが、所定走行距離Ｃ0 に対するＮＯｘ排出判定量Ａ0 を越えているかどうかを判定する。なお、この場合、ＮＯｘ排出判定量Ａ0 は、ＮＯｘ排出規制により定められたＮＯｘ排出許容量に、リーン運転時以外の運転時におけるＮＯｘ排出量及びＮＯｘセンサ２７の検出精度等によって決定される余裕率αを乗算して決定する。
【００４５】
このステップＳ１０にて、総ＮＯｘ排出量ＡがＮＯｘ排出判定量Ａ0 を越えていなければ、ステップＳ８に戻って総ＮＯｘ排出量Ａを前述した式（１）によって演算し直し、つまり、ＮＯｘ排出量を加算し、ステップＳ９にて、ステップＳ７で演算した走行距離Ｃが所定走行距離Ｃ0 に達していなければ、ステップＳ１０にて、再び、総ＮＯｘ排出量ＡがＮＯｘ排出判定量Ａ0 を越えているかどうかを判定する。このようにステップＳ１０で総ＮＯｘ排出量ＡがＮＯｘ排出判定量Ａ0 を越えるまで、または、ステップＳ９で走行距離Ｃが所定走行距離Ｃ0 に達するまで、ステップＳ７，Ｓ８，Ｓ９，Ｓ１０を繰り返す。
【００４６】
そして、ステップＳ１０にて、総ＮＯｘ排出量ＡがＮＯｘ排出判定量Ａ0 を越えると、ステップＳ１１において、ＮＯｘ放出制御を実行し、その後、ＮＯｘ抑制制御を実行する。即ち、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５へのＮＯｘの吸蔵が進行したので、排気空燃比をリッチ空燃比として酸素濃度を低下させ、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを効率よく放出還元させる。そして、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘが放出されると、排気空燃比を理論空燃比としてＮＯｘが触媒の三元機能により還元浄化されるようにすることで所定走行距離Ｃ0 間での総ＮＯｘ排出量ＡをＮＯｘ排出判定量Ａ0 に抑えることができる。
【００４７】
ここで、上述のＮＯｘ放出制御とそれに続くＮＯｘ抑制制御とを第６図のタイムチャートに基づいて説明する。総ＮＯｘ排出量ＡがＮＯｘ排出判定量Ａ0 を越えて、ＮＯｘ放出制御としてリーン運転からリッチ運転へ空燃比を切り換える場合、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に主としてＣＯを供給するために、例えば、Ａ／Ｆ＝１２としてから１〜５秒間リッチ運転すると共に、リッチ期間の最初の期間においてＮＯｘが多量に放出されるので、ＮＯｘを還元するＨＣを触媒に供給するためにＡ／Ｆが所定値に達した時点で膨張行程噴射を、例えば０．１〜０．５秒間実行し、その後はＮＯｘはゆっくりと放出されるので、ＣＯ，ＨＣを少量供給すればよいため、空燃比を僅かばかりリッチ（スライトリッチ）に切り換え、例えば、直前のリーン時間の約０〜５０％の時間運転する。このスライトリッチ期間は図示しないＯ2 センサによるフィードバック運転とすればよい。また、時間や空燃比等の各パラメータは運転状態や触媒の状態、例えば、空間速度ＳＶ＝排気流量／触媒容量、触媒へのＣＯ供給量、触媒のＮＯｘ吸蔵量、触媒温度、触媒の劣化状態等に応じて変更する。ここまでの一連のリッチ運転、膨張行程噴射運転、スライトリッチ運転がＮＯｘ放出制御となる。そして、その後のステップＳ１２で、走行距離Ｃが所定走行距離Ｃ0 に達するまで触媒の三元機能により確実にＮＯｘが浄化されるようストイキ運転を続ける（ＮＯｘ放出制御）。なお、第６図のＮＯｘ放出制御では、リッチ運転後、スライトリッチとしているが、触媒の特性によって空燃比をストイキとしてもよい。
【００４８】
このようにＮＯｘ放出制御により吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を再生すると共に、ステップＳ１２で走行距離Ｃが所定走行距離Ｃ0 に達するまで、ＮＯｘ抑制制御により排気空燃比を理論空燃比として走行距離Ｃが所定走行距離Ｃ0 に達すると、ステップＳ１３で排気空燃比を理論空燃比とするＮＯｘ抑制制御を停止する。そして、ステップＳ１４で総ＮＯｘ排出量Ａをリセットしてから、ステップＳ１５で走行距離Ｃをリセットする。
【００４９】
このような所定走行距離Ｃ0 ごとのＮＯｘ排出量制御を具体的に説明すると、第４図に示すように、走行距離Ｃの増加に伴って総ＮＯｘ排出量Ａが増加するが、運転者のアクセルペダルの踏み込みによる自然な加速時の領域Ｐ1 ，Ｐ2 で、排気空燃比がリッチまたはストイキ空燃比となってリーン運転継続中に強制的なＡ／Ｆ変更を行う強制ＮＯｘパージを行わなくても、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘが自然に放出される（ここでは、強制ＮＯｘパージに対して自然ＮＯｘパージと称する）。そして、走行距離Ｃが所定走行距離Ｃ0 に達する前に、総ＮＯｘ排出量ＡがＮＯｘ排出判定量Ａ0 を越えると、領域Ｐ3 での初めに強制的に排気空燃比をリッチ空燃比（膨張行程噴射及びスライトリッチまたはストイキ空燃比期間を含む）として吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出させ、その後、ＮＯｘが放出され、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の浄化機能が復活（再生）すると、排気空燃比をほぼ理論空燃比とし、走行距離Ｃが所定走行距離Ｃ0 を越えるまで主に、三元触媒２６の機能によりＮＯｘの大気中への排出を防止する。そして、走行距離Ｃが所定走行距離Ｃ0 に達した時を基準地点として、総ＮＯｘ排出量Ａ及び走行距離Ｃをリセットし、所定走行距離Ｃ0 ごとのＮＯｘ排出量制御を再び開始する。
【００５０】
一方、第２図に示すように、前述したステップＳ７，Ｓ８，Ｓ９，Ｓ１０を繰り返す処理において、ステップＳ１０で総ＮＯｘ排出量ＡがＮＯｘ排出判定量Ａ0 を越えずに、ステップＳ９で走行距離Ｃが所定走行距離Ｃ0 に達したときには、ステップＳ１４及びステップＳ１５に移行して総ＮＯｘ排出量Ａ及び走行距離Ｃをリセットする。なお、走行距離Ｃが所定走行距離Ｃ0 に達した時点で、ＮＯｘ放出制御を実施してＮＯｘを放出した後、総ＮＯｘ排出量Ａ及び走行距離Ｃをリセットするようにしてもよい。また、他の実施形態として、総ＮＯｘ排出量ＡがＮＯｘ排出判定量Ａ0 を越えずに、ステップＳ９で走行距離Ｃが所定走行距離Ｃ0 に達したときには、走行距離Ｃのみをリセットし、総ＮＯｘ排出量Ａについてはリセットしないようにしてもよい。この場合、再び、ステップＳ１から処理を開始したとき、それまで積算されていた総ＮＯｘ排出量ＡがメモリされているＮＯｘ排出量ＡM として読み込まれるようにし、前述と同様の処理が実行される。
【００５１】
このようなＮＯｘ排出量制御を具体的に説明すると、第５図に示すように、走行距離Ｃの増加に伴って総ＮＯｘ排出量Ａが増加するが、運転者のアクセルペダルの踏み込みによる自然加速時の領域Ｐ1 ，Ｐ2 ，Ｐ3 ，Ｐ4 で、排気空燃比がリッチまたはストイキ空燃比となって吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘが自然に放出される（自然ＮＯｘパージ）。ここでは、走行距離Ｃが所定走行距離Ｃ0 に達しても、総ＮＯｘ排出量ＡはＮＯｘ排出判定量Ａ0 を越えていないので、走行距離Ｃだけがリセットされる。そして、再び走行距離Ｃが０からスタートするが、走行距離Ｃが今回の所定走行距離Ｃ0 に達する前に、総ＮＯｘ排出量ＡがＮＯｘ排出判定量Ａ0 を越えることとなった場合、領域Ｐ5 で強制的に排気空燃比をリッチ空燃比（膨張行程噴射及びスライトリッチまたはストイキ空燃比期間を含む）として吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出させる。その後、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の再生が完了すると、総ＮＯｘ排出量Ａ及び走行距離Ｃをリセットし、所定走行距離Ｃ0 ごとのＮＯｘ排出量制御を新たに開始する。
【００５２】
なお、走行距離Ｃが所定走行距離Ｃ0 に達しても、総ＮＯｘ排出量ＡがＮＯｘ排出判定量Ａ0 を越えなかったときには、このときに走行距離Ｃをリセットせずに、総ＮＯｘ排出量ＡがＮＯｘ排出判定量Ａ0 を越えてＮＯｘ放出制御を実行した後、総ＮＯｘ排出量Ａ及び走行距離Ｃをリセットするようにしてもよい。
【００５３】
また、本実施形態の排気浄化装置では、ＮＯｘ排出量制御に、従来の技術のように、リーン運転継続中に空燃比をリッチ化する強制ＮＯｘパージを組み合わせてもよい。即ち、リーン運転継続時間が極めて長くなったり、触媒劣化が生じたりして浄化効率が大幅に悪化すると、それ以上、リーン運転継続時間を延長しても燃費悪化の抑制につながらないので、空燃比をリッチまたはストイキとし、強制的にＮＯｘパージを行うようにしてもよい。
【００５４】
即ち、第３図のフローチャートに示すように、ステップＴ１にて、強制ＮＯｘパージや自然ＮＯｘパージの信号が入力すると、ステップＴ２では、リーン運転継続時間タイマＬＴがセットされる。そして、ステップＴ３にて、リーン運転継続時間ＬＴが最長リーン運転継続時間Ｄ２を越えているかどうかを判定し、越えていなければステップＴ４に移行する。一方、リーン運転継続時間ＬＴが最長リーン運転継続時間Ｄ２を越えていればステップＴ６に移行し、ＮＯｘ放出制御の実行、つまり、排気空燃比をリッチ空燃比として酸素濃度を低下させ、その間、最初の所定時間は膨張行程噴射を実施し、リッチ空燃比運転の後に、所定期間ストイキもしくはスライトリッチ運転を行うことによって吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出させる。この最長リーン運転継続時間Ｄ２は、通常よく行われる加速により完全にＮＯｘをパージできるリーン時間である。つまり、例えば、通常よく行われる加速が約１５秒程度とし、リーン時間の２５％程度のＮＯｘパージ時間が必要とすると最長リーン運転継続時間Ｄ２は６０秒となり、この時間Ｄ２を越えると通常の１回の加速ではＮＯｘをパージできない、即ち、自然ＮＯｘパージだけでは確実なＮＯｘパージが困難であり、強制ＮＯｘパージが必要と考えられ、この最長リーン運転継続時間Ｄ２の判定を設定している。
【００５５】
そして、ステップＴ４では、リーン運転継続時間ＬＴが加速発生限界時間Ｄ１を越えているかどうかを判定し、越えていなければ何もせずにこのルーチンを抜ける。一方、リーン運転継続時間ＬＴが加速発生限界時間Ｄ１を越えていればステップＴ５に移行し、今回のリーン運転中の総ＮＯｘ排出量Ａがリーン判定量を越えているかどうかを判定する。なお、この加速発生限界時間Ｄ１は、加速発生の周期に相当するものである。つまり、通常、加速発生限界時間Ｄ１以内には加速するだろうと推測できる値であり、例えば、約３０秒程度とし、これ以上リーン運転が継続する場合にはこの先も加速が発生しにくい、即ち、自然ＮＯｘパージが行われる可能性が少なく、強制ＮＯｘパージが必要と考えられ、この加速発生限界時間Ｄ１を設定している。
【００５６】
また、上述したリーン判定量はそれぞれのリーン運転期間におけるＮＯｘ排出量を抑制するための判定量であり、下記式（３）によって演算することができる。
リーン判定量＝判定値×リーン頻度×制御周期            ・・・（３）
【００５７】
ここで、判定値（ｇ／ｋｍ）は１ｋｍあたりのＮＯｘ排出判定量Ａ0 、制御周期はリーン運転での走行距離にＮＯｘパージ運転での走行距離を加算したものである。
【００５８】
そして、ステップＴ５にて、今回のリーン運転中の総ＮＯｘ排出量Ａがリーン判定量を越えていれば、ステップＴ６に移行し、ここで、前述と同様に、ＮＯｘ放出制御の実行、つまり、排気空燃比をリッチ空燃比として酸素濃度を低下させ、その間、最初の所定時間は膨張行程噴射を実施し、リッチ空燃比運転の後に、所定期間ストイキもしくはスライトリッチ運転を行うことによって吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出させる。一方、総ＮＯｘ排出量Ａがリーン判定量を越えていなければ何もせずにこのルーチンを抜ける。
【００５９】
なお、このステップＴ５では、今回のリーン運転中の総ＮＯｘ排出量Ａがリーン判定量を越えていれば、ＮＯｘ放出制御を実行するようにしたが、リーン運転継続時間ＬＴの間のＮＯｘ平均濃度が所定値を越えていたときにＮＯｘ放出制御を実行してもよい。この場合、ＮＯｘ平均濃度は、リーン運転継続時間ＬＴの間のＮＯｘセンサ２７の検出値の平均値としてもよく、また、リーン運転継続時間ＬＴの経過時点でのＮＯｘセンサ２７の瞬時値としてもよい。また、ＮＯｘ平均濃度の所定値はエンジン回転速度Ｎｅと目標平均有効圧Ｐｅに対するマップであり、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の浄化効率を、例えば、５０％以上に維持するようにＮＯｘ放出制御を考えた場合には、ＮＯｘ濃度に０．５を乗算した値とすればよく、浄化効率を１００％としたい場合には０に近似する値に設定すればよい。
【００６０】
また、この強制ＮＯｘパージ制御の完了は、総ＮＯｘ排出量ＡがＮＯｘ排出判定量Ａ0 以下で、且つ、このＮＯｘパージ時間が所定時間以上、例えば、前回のリーン運転時間とＮＯｘパージ係数Ｅ１との乗算値以上となったときとして判定してもよい。この場合、ＮＯｘパージ時間は、例えば、リーン時間の約２５％程度を必要とすると、ＮＯｘパージ係数Ｅ１は０．２５となる。
【００６１】
そして、上述した実施形態の中の領域Ｐ1 ，Ｐ2 ，Ｐ3 ，Ｐ4 のように自然な加速により空燃比がリーンからリッチまたはストイキに切り換るタイミングに合わせて、ＮＯｘ放出制御、即ち、所定Ａ／Ｆへの所定時間リッチ化（触媒特性によってはスライトリッチを含むストイキ化でもよい）及びＡ／Ｆ変更初期の所定時間膨張行程噴射及びリッチ化後の所定時間ストイキ（スライトリッチ）化を行ってもよい（このように自然加速にあわせて行うリッチ化、膨張行程噴射、ストイキ化もここではＮＯｘ放出制御と称する）。こうすることによって、より確実にＮＯｘパージできる一方で、元々運転者の意図した加速によるリッチ化またはストイキ化に合わせてリッチ化を行うので、元々リーン運転であるところでリッチ化を行う強制ＮＯｘパージに比較してリッチ化に要する燃料量は少なくてすむ。
【００６２】
また、元々運転者が加速に伴うショックを予期しているときにそれに合わせて空燃比の切り換えを行うので、リーン運転中に運転者の予期しないタイミングでリッチ化を行う強制ＮＯｘパージに比べて、空燃比切り換え時のショックを運転者は感じにくい。更に、自然加速等による空燃比変化にあわせてＮＯｘ放出制御を行う際、リーンからストイキに切り換る場合にのみ行い、リーンからリッチに切り換る場合はすでに十分リッチ化されているとしてＮＯｘ放出制御を行わないとしてもよい。また、自然加速時のリッチ度合いに応じてＮＯｘ放出制御の実施要否を判断してもよい。
【００６３】
即ち、ＮＯｘ放出制御時の目標空燃比を空燃比の上限値（リーン側の限界値）とし、自然加速時のリッチ度合いが小さい場合、例えば、自然加速時の目標空燃比がＮＯｘ放出制御時の目標空燃比よりリーン側の設定であった場合は、ＮＯｘ放出制御時の目標空燃比よりリーン側とならないようにＮＯｘ放出制御によるリッチ化を行い、加速度合いが大きいときなどすでに十分リッチとされている場合、例えば、自然加速時の目標空燃比がＮＯｘ放出制御時の目標空燃比よりリッチ側であった場合は、あえてＮＯｘ放出制御によるリッチ化は実施しないとしてもよい。また、自然加速によりリーンからストイキに切り換る場合は、リッチ化及び膨張行程噴射のみ行い、ストイキ（スライトリッチ）化部分は省略してもよい。ここでは、このような自然加速による空燃比の切り換わりにＮＯｘ放出制御を組み合わせた方法も含めで自然ＮＯｘパージと称する。
【００６４】
このように本実施形態の内燃機関の排気浄化装置にあっては、ＮＯｘセンサ２７が吸蔵型ＮＯｘ触媒２５から大気中に放出され得るＮＯｘ濃度を検出し、このＮＯｘセンサ２７の出力に基づいて大気中に放出され得る総ＮＯｘ排出量Ａを演算し、走行距離Ｃが所定走行距離Ｃ0 に達する前に、総ＮＯｘ排出量ＡがＮＯｘ排出規制により定められたＮＯｘ排出判定量に対応したＮＯｘ排出判定量Ａ0 を越えたときには、排気空燃比をリッチ空燃比に変更することで吸蔵型ＮＯｘ触媒２５から効率よくＮＯｘを放出還元させ、その後、理論空燃比に変更することで触媒の三元機能によりＮＯｘが還元浄化されるようにしている。
【００６５】
そのため、所定期間のＮＯｘ排出量を直接管理することにより精度良く所望の値に抑えることができると同時に、各々の短いリーン運転区間ごとにＮＯｘ排出量を判定してＮＯｘパージ（強制ＮＯｘパージ）を開始する従来の技術を用いた場合のように、種々の運転を想定して予め判定値に大きな余裕を持たせておく必要がなく、ＮＯｘパージ頻度が増加することもないので、ＮＯｘパージによる燃費の悪化、即ち、ＣＯ2 排出量の増大が非常に少ない。また、自然ＮＯｘパージの頻度は道路状況あるいは運転者の運転特性等種々の要因により異なってくるが、本発明は、強制ＮＯｘパージは元来リーン運転の領域でリッチまたはストイキ運転とするため、燃費悪化が大きいので極力使わないようにし、燃費悪化が無い、もしくは非常に小さい自然ＮＯｘパージの機会を極力利用してＮＯｘパージしようとするものである。そのため、前述の強制ＮＯｘパージと組み合わせない実施形態においては、所定走行距離の最初のうちは運転者の加速運転等による自然ＮＯｘパージが行われるのを待ち、所定走行距離が終わりが近つき、自然ＮＯｘパージのみでは総ＮＯｘ排出量が判定値を上回りそうな場合のみＮＯｘ放出制御及びＮＯｘ抑制制御を行うので、ＮＯｘパージによる燃費の悪化、即ち、ＣＯ2 排出量の増大がない、もしくは非常に少ない。強制ＮＯｘパージと組み合わせた実施形態においても強制ＮＯｘパージは極力行わないようにしているので、同様にＮＯｘパージによる燃費の悪化、即ち、ＣＯ2 排出量の増大が少ない。
【００６６】
更には、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の種類によって、ＮＯｘ吸蔵能力が優れている場合には、ＮＯｘ放出制御は行わずにＮＯｘ抑制制御のみとしてもよい。即ち、強制ＮＯｘパージ、自然加速に合わせたＮＯｘ放出制御を含めてＮＯｘ放出制御は行わずに、総ＮＯｘ排出量ＡがＮＯｘ排出判定量Ａ0 に達したときに、ＮＯｘ抑制制御のみ行うようにする。これはＮＯｘ吸蔵能力が優れている場合には、運転者の意図した自然な加速によるリッチ化またはストイキ化のみで十分ＮＯｘはパージできると考えられるためで、パージできないできない場合があったとしても、ＮＯｘ抑制制御によって触媒の三元機能でＮＯｘを浄化還元する。こうすることにより、更に、燃費の悪化、即ち、ＣＯ2 排出量の増大を防止できる。
【００６７】
このように本実施形態では、所定走行距離Ｃ0 あたりの総ＮＯｘ排出量Ａを判定することで、燃費の悪化を抑制すると共に、所定期間のＮＯｘ排出量を所望の値に抑えることができ、ＮＯｘ排出規制を良好に達成することができると同時に、ＣＯ2 排出量を抑えることができる。
【００６８】
［第２実施形態］
第２実施形態の内燃機関の排気浄化装置は、各時点でのＮＯｘ排出状況（総ＮＯｘ排出量Ａ）に応じてリーン運転領域を変更することで、所定走行距離走行時の総ＮＯｘ排出量が所定値以下となるように制御して燃費低減とＮＯｘ排出量低減を両立し、特に車両の加速時の全てあるいは一部においてもリーン運転した場合であっても、所定走行期間での総ＮＯｘ排出量を確実に所定値以下に抑制することができるものである。
【００６９】
即ち、第７図に示すように、ステップＰ１にて図示しない走行距離カウンタがリセットされてからの走行距離Ｃを演算し、ステップＰ２では、リセットされてからＮＯｘセンサ２７が活性するまでの時間に排出されたＮＯｘ量を含む総ＮＯｘ排出量Ａを演算する。この総ＮＯｘ排出量Ａの演算方法は、前述した第１実施形態と同様である。
【００７０】
ステップＰ３では、求めた走行距離Ｃと総ＮＯｘ排出量Ａによりリーンゾーン選択マップに基づいてリーン領域上限出力を設定する。このリーンゾーン選択マップは、例えば、第８図に示すように、横軸を走行距離Ｃとして縦軸を総ＮＯｘ排出量Ａとした領域を複数に区画したものであり、原点（走行距離Ｃ＝０，総ＮＯｘ排出量Ａ＝０）と所定走行距離Ｃ0 のときに総ＮＯｘ排出量ＡがＮＯｘ排出判定量Ａ0 に達した点を結んだ線の下方領域をＰＡ１＝Ａ領域（現時点での走行距離Ｃと総ＮＯｘ排出量ＡがＰＡ１＝Ａ領域にあれば、現在のＮＯｘ排出量のペースで走行を継続していけば、所定走行距離Ｃ0 に達して時点でＮＯｘ排出判定量Ａ0 以下になると予測できる。）とし、これと平行な複数の線によって区画し、且つ、ＮＯｘ排出判定量Ａ0 より下方の領域をそれぞれＰＡ１＝Ｂ，Ｃ，Ｄ領域とし、総ＮＯｘ排出量Ａ＝ＮＯｘ排出判定量Ａ0 のときをＰＡ１＝Ｅ領域としている。
【００７１】
従って、ステップＰ３では、現時点の走行距離Ｃと総ＮＯｘ排出量Ａの交点がリーンゾーン選択マップのどの領域にあるかでリーン領域上限出力を設定する。そして、ステップＰ４では、車両の要求出力ＰＳR を下記式（４）によって演算する。なお、係数Ｍは単位を合わせるための係数である。
要求出力ＰＳR ＝目標平均有効圧Ｐｅ×エンジン回転速度Ｎｅ×係数Ｍ・・・（４）
【００７２】
そして、ステップＰ５にて、要求出力ＰＳR がリーンゾーン選択マップにより求めたリーン領域上限出力ＰＳ１よりも大きいかどうかをリーンゾーンマップにより判定する。このリーンゾーンマップは、第９図に示すように、横軸をエンジン回転速度Ｎｅとして縦軸を目標平均有効圧Ｐｅとした領域をエンジン出力が等しくなる点を結んだ複数の等出力線で区画したものであり、各線の内側がリーン運転領域であり、外側がＷ／Ｏリーン（ストイキまたはリッチ）運転領域である。
【００７３】
このリーンゾーンマップにて、初期リーンゾーンを示す境界Ａは燃費面はさほど気にせずに燃焼面等から最大限リーン運転領域を広くできるように設定している。そうすることで、高負荷域もリーン運転域となり、加速時等もリーン運転が可能となる。実際の運転においては、定常運転（通常、リーン運転）は少なく、過渡運転（加速運転もしくは減速運転、通常、加速運転ではストイキもしくはリッチ運転）の頻度が高いため、結果としてリーン頻度が向上して燃費を向上させることが可能となる。また、アクセル踏み込み変化速度が速いことにより加速と判定した場合の全てもしくは一部においてもリーン運転を行う場合には、通常の一般的な運転の範囲においてはオールリーン運転も可能となり、燃費を大きく向上させることが可能となる。一方、リーンゾーンマップにて境界Ｄは、例えば、触媒が劣化してＮＯｘ排出量が増加してリーン運転ゾーンを狭くしなくてはならない場合でも、最低でも、例えば、車速６０km/hはリーン運転したいという場合は、この車速６０km/h定常走行に必要な出力点を通る線とする。
【００７４】
従って、ステップＰ３で設定されたリーン領域出力がＰＳ１＝Ａとすると、第９図に示すリーンゾーンマップにて、境界Ａの内側がリーン運転領域で、外側が非リーン（Ｗ／Ｏリーン）運転領域となり、ステップＰ５では、求めた要求出力ＰＳR がどちらの領域にあるかどうかを判定している。
【００７５】
このステップＰ５にて、要求出力ＰＳR がリーン運転領域にあれば、ステップＳ６に移行してリーン運転を継続するが、要求出力ＰＳR が非リーン運転領域にあれば、ステップＳ７に移行してリーン運転を禁止し、ＮＯｘ放出制御を実行し、その後、ＮＯｘ抑制制御を実行する。この場合、ＮＯｘ放出制御は触媒の特性に合わせて、排気空燃比のリッチ化、ストイキ化、膨張行程噴射のいずれかを選択して行ってもよい。また、ステップＰ３で設定されたリーン上限出力がＰＳ１＝Ｅであった場合には、これ以上ＮＯｘを排出することは全くできないので、リーンゾーンマップでは領域Ｅ、即ち、要求出力ＰＳR がいくらであってもリーン運転禁止となる。
【００７６】
なお、第８図に示すリーンゾーン選択マップ及び第９図に示すリーンゾーンマップにて、領域の区画数はＡ〜Ｅに限定されるものではなく、これより多くてもすくなくてもよい。また、第９図に示すリーンゾーンマップにて、領域をエンジン等出力線で区画したが、等エンジンアウトＮＯｘ排出量線等、テールパイプＮＯｘ排出量線などであってもよい。
【００７７】
このように本実施形態の内燃機関の排気浄化装置にあっては、ＮＯｘセンサ２７が吸蔵型ＮＯｘ触媒２５から大気中に放出され得るＮＯｘ濃度を検出し、このＮＯｘセンサ２７の出力に基づいて大気中に放出され得る総ＮＯｘ排出量Ａを演算し、走行距離Ｃが所定走行距離Ｃ0 に達する前に、総ＮＯｘ排出量ＡがＮＯｘ排出規制により定められたＮＯｘ排出判定量に対応したＮＯｘ排出判定量Ａ0 を越えると予測されるときには、リーン空燃比での運転領域を減少するようにしている。
【００７８】
そのため、各時点で吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の浄化能力状況に基づくＮＯｘ排出状況に応じてリーン空燃比での運転領域を拡大したり減少したりすることで、所定期間の総ＮＯｘ排出量を所望の値に抑えることができると共に、車両加速時の全てもしくは一部においてもリーン運転を可能としてリーン運転頻度を大きくしても所定期間の総ＮＯｘ排出量Ａを所望の値に抑えることができるので、燃費を大きく向上できる。
【００７９】
なお、上述の実施形態では、総ＮＯｘ排出量Ａを判定するためのＮＯｘ排出判定量Ａ0 を一定としたが、例えば、ＮＯｘ排出規制の規制値が車速によって分けられていた場合等には、ＮＯｘ排出判定量Ａ0 を車速によって設定し、所定期間の平均車速の変化に応じて滑らかに変更するとして、例えば、マップにて設定してもよい。例えば、低車速での判定値Ｃ1 （ｇ／ｋｍ）と高車速での判定値Ｃ2 （ｇ／ｋｍ）とを設定し、その間を直線補間によって求めてもよい。なお、この場合、Ｃ1 ＜Ｃ2 である。
【００８０】
また、ＮＯｘ排出判定量Ａ0 を車速によって設定した場合、ＮＯｘ排出量Ａ0 （ｇ）を平均車速からではなく、下記式（５）のように、その時々の車速に対する判定値の積算に基づいて求めてもよい。
Ａ(n) ＝Ａ(n-1) ＋Ｈ×Ｖ×ｄｔ                        ・・・（５）
【００８１】
ここで、Ｈは瞬時の車速Ｖに対してマップより求めた判定値（ｇ／ｋｍ）であり、ｄｔは計算周期である。
【００８２】
また、総ＮＯｘ排出量Ａを判定するための所定走行距離Ｃ0 は、世界各国のＮＯｘ排出規制として主に用いられる管理単位である１ｋｍ、またはそれより短くしたりしてもよく、短いほどＮＯｘ排出量の判定精度を向上することが可能である。あるいは、所定走行距離Ｃ0 を、例えば、４ｋｍとし、これより小さい値、例えば、１ｋｍずつずらして４パターンの総ＮＯｘ排出量Ａの演算を行い、各パターンごとの総ＮＯｘ排出量Ａの判定を行うようにすることで、ＮＯｘ排出量の判定精度を向上できる。
【００８３】
また、前述した実施形態では、余裕率αとしてＮＯｘ排出許容量に乗算してＮＯｘ排出判定量Ａ0 を求めたが、差としてＮＯｘ排出許容量から余裕率α減算してＮＯｘ排出判定量Ａ0 を求めてもよく、更には、リーン運転以外の運転の割合に応じて変更してもよい。更に、ＮＯｘセンサ２７の劣化による経時変化を考慮してトータルの走行距離に応じて余裕率α変更してもよい。そして、リーン運転以外の運転時のＮＯｘ排出量による影響分α１とＮＯｘセンサ２７の検出精度による影響分α２に分け、ＮＯｘ排出許容量に余裕率α１とα２を乗算または減算してＮＯｘ排出判定量Ａ0 を求めてもよい。
【００８４】
また、ＮＯｘセンサ２７の劣化による経時変化を考慮してＮＯｘセンサ出力を補正して総ＮＯｘ排出量の演算に用いてもよい。
【００８５】
また、最長リーン運転継続時間Ｄ２、加速発生限界時間Ｄ１、ＮＯｘパージ係数Ｅ１等を吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の能力によって決定するのがよく、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の劣化に応じて決定してもよい。この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の劣化判定方法としては、リーン頻度の低下（ＮＯｘセンサを用いてリーン運転とそれ以外の運転の切換を判定した場合）、トータル走行距離、ＮＯｘセンサ２７の出力値、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の上流に配設したＮＯｘセンサと下流のＮＯｘセンサ２７の出力差、新たに吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の下流もしくは上流に設置したリニアＡ／ＦセンサもしくはＯ2 センサのＮＯｘ放出制御中の挙動変化等から求めればよい。更に、最長リーン運転継続時間Ｄ２、加速発生限界時間Ｐ１は各運転者の特性を走行中に学習して決定してもよい。
【００８６】
但し、最長リーン運転継続時間Ｄ２、加速発生限界時間Ｄ１を、例えば、５〜１０秒程度に小さくしすぎると、強制ＮＯｘパージの頻度が増加し、それに伴って燃費が悪化する。特に、強制ＮＯｘパージにおける空燃比の切換時に空燃比のテーリングを行う場合、ＮＯｘ放出にはあまり寄与しない空燃比切換に伴う空燃比テーリング時間の累積時間が増加して全体の燃費が悪化すると同時に、切換ショックによりドライバビリティが悪化するため、最長リーン運転継続時間Ｄ２は２０〜３０秒程度を下限値とするのがよい。
【００８７】
また、強制ＮＯｘパージの開始あるいは完了を、ＮＯｘセンサの出力を用いて判定するようにしてもよい。更に、ＮＯｘセンサを吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の上流にも配設し、上流のＮＯｘセンサと下流のＮＯｘセンサ２７の出力差から触媒浄化効率の悪化を判定してリーン運転を停止し、強制ＮＯｘパージを行ってもよい。また、ストイキ及びリッチ運転中のＮＯｘ濃度もＮＯｘセンサ出力から求めるようにし、総ＮＯｘ排出判定量Ａの演算に加えてもよいし、ＮＯｘ放出制御の終了時点の判定に用いてもよい。更に、ＮＯｘセンサ２７を三元触媒２６の下流側としたが、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５と三元触媒２６の間であってもよく、これにより吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の排出挙動を応答性良く測定できる。この場合、総ＮＯｘ排出量の演算はＮＯｘセンサの出力にＮＯｘセンサ下流の三元触媒２６の浄化効率を考慮して行う。なお、ＮＯｘセンサのＮＯｘ濃度出力代わりに、ＮＯｘセンサからのリニアＡ／Ｆ出力を用いて制御するようにしてもよく、ＮＯｘセンサ代わりに、リニアＡ／Ｆセンサ、あるいはＯ2 センサ、例えば、表層に触媒を添付した触媒付きＯ2 センサの出力を用いて制御するようにしてもよい。
【００８８】
また、ＮＯｘ放出制御を行う際のリッチ運転、膨張行程噴射、ストイキ（スライトリッチ）運転について、各々の時間、空燃比等の各パラメータは、直前のリーン運転時間、あるいは直前のリーン運転期間中のＮＯｘ排出量に基づいて設定するようにしてもよい。また、ここではＮＯｘを確実に放出するための最適なＮＯｘ放出方法として、ＮＯｘ放出制御をリッチ運転、膨張行程噴射、ストイキ（スライトリッチ）運転の組み合わせで行っているが、最適なＮＯｘ放出方法は吸蔵型ＮＯｘ触媒の放出特性によって変わるものであり、各々の時間、空燃比等の各パラメータは吸蔵型ＮＯｘ触媒の種類、更には三元触媒との組み合わせ方によって決まってくる。そのため、触媒の種類、組み合わせ方によっては膨張行程噴射をなしとしてもよいし、ストイキ（スライトリッチ）期間をなしとしてもよいし、リッチ期間をなしとしてもよい。更には、リッチ期間及び膨張行程噴射を共になくしてストイキ（スライトリッチ）期間のみとしてもよいし、膨張行程噴射及びストイキ（スライトリッチ）期間を共になくしてリッチ期間のみとしてもよい。
【００８９】
また、本実施形態では、ＮＯｘセンサ２７を用いてＮＯｘ排出量制御を行っているが、ＮＯｘセンサ２７を用いずに下記式（６）によって総ＮＯｘ排出判定量Ａを演算し、ＮＯｘ排出量制御を行うこともできる。
Ａ(n) ＝Ａ(n-1) ＋ＮＯｘ排出値×計算周期              ・・・（６）
【００９０】
このＮＯｘ排出値（ｇ／ｓ）は、大気中に放出され得るＮＯｘ値としてエンジン１１の負荷・回転数マップあるいは車速マップによって予め実験的に求めた値が設定されている。この場合、ＮＯｘセンサ２７を用いないため、コスト面で有利となる。
【００９１】
また、ＮＯｘ排出値は触媒の浄化効率によって異なるが、特に吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が燃料中のＳ分、即ち、硫黄（サルファ）によって被毒すると浄化効率は著しく低下する。その一方で、Ｓ被毒により浄化効率が低下した触媒を高温（例えば、５５０℃以上）で且つリッチとしてやると触媒に蓄積されたＳ分が放出されて触媒は再生して浄化効率が復活する（Ｓ再生）。そこで、ＮＯｘセンサ２７を用いずに総ＮＯｘ排出量Ａを求める際、下記式（７）のように、どの程度触媒にＳ分が蓄積されて浄化効率が低下しているか、即ち、どの程度Ｓ再生しているかを考慮するようにしても良い。
0003806399.tif 000002
【００９２】
ここで、ＮＯｘ0 はＳ再生できていない場合、即ち、Ｓが飽和状態にまで蓄積されて浄化効率が低下しているときの大気中に放出され得るＮＯｘ排出値（ｇ／ｓ）である。これは予め実験的に求めた値を負荷・回転数マップあるいは車速マップとして設定すれば良い。一方、ＮＯｘ1 はＳ再生済の場合、即ち、Ｓ再生直後のＳが蓄積されていないときの大気中に放出され得るＮＯｘ排出値（ｇ／ｓ）であり、ＮＯｘ0 と同様に、負荷・回転数マップあるいは車速マップとすればよい。Ｋは空燃比に関するパラメータであり、ここではリーン運転時にのみＮＯｘ排出値を積算するとして、リーン運転時は１とし、リーン運転時以外のときは０とする。ＴＲはＳ再生がどの程度行われているかのＳ再生度合いを表すもので、所定走行距離ＣS （例えば、５００〜１０００ｋｍの適当な値）を走行する間に吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に蓄積されたＳ分を放出するために、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度が所定温度（例えば、７００℃）相当となる時間（Ｓ再生時間）が所定時間ＴS （例えば、３〜１０分の適当な値）必要とすると、それに対する実際の走行距離とＳ再生時間の比として、下式（８）にて計算する。Ｓ再生時間を求める際には、Ｓ再生する速度は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度によって異なり、温度が高いほどＳ再生する速度は指数関数的に増加するので、各々の触媒温度でのＳ再生速度の違いを考慮して適当な触媒温度（例えば、７００℃）でのＳ再生時間に換算して求めれば良い。このＴＲによってＳ再生度合いを判断して、ＮＯｘ排出値の２つのマップＮＯｘ0 （Ｓ再生無し）とＮＯｘ1 （Ｓ再生あり）から総ＮＯｘ排出量Ａを求めるようにしている。
0003806399.tif 000003
【００９３】
なお、吸蔵型ＮＯｘ触媒の浄化効率はＳ被毒の他に熱劣化等によっても低下するので、Ｓ被毒以外による浄化効率低下度合いを代表するものとしてトータルの走行距離の影響も含めるようにしてもよい。
【００９４】
そして、上述の実施形態では、吸蔵型ＮＯｘ触媒を有する排気浄化触媒装置について説明したが、本発明は、車両の走行距離に達する前に総ＮＯｘ排出量Ａが所定値を越えないように排気空燃比を変更することが特徴とするものであり、触媒の種類や配置に限定されるものではなく、例えば、近接三元触媒が排気マニホールド一体式の場合でもよく、近接三元触媒がない場合でもよい。また、本実施形態では、排気浄化触媒装置に吸蔵型ＮＯｘ触媒を用いているが、前述したように、触媒に吸着したＮＯｘを直接還元する吸着タイプのＮＯｘ触媒を用いてもよい。更に、排気空燃比がリーン空燃比でＨＣ存在下で、排気ガス中のＮＯｘを浄化できる選択還元型ＮＯｘ触媒を用いてもよいが、この場合、ＮＯｘ放出制御はは行わない。更に、リーン運転が可能なエンジンであれば、エンジン型式には限定されず、吸気管噴射型のリーンバーンエンジンであってもよいし、ディーゼルエンジンでもよい。
【００９５】
産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置は、あらゆる運転条件において確実に所望のＮＯｘ排出量に抑えてＮＯｘ排出量低減とＣＯ2 排出量の低減を両立するものであり、排気通路に吸蔵型ＮＯｘ触媒を有するリーンバーンエンジンに用いて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によるＮＯｘ排出量制御のフローチャートである。
【図３】強制ＮＯｘパージ制御のフローチャートである。
【図４】ＮＯｘ排出量制御のタイムチャートである。
【図５】ＮＯｘ排出量制御のタイムチャートである。
【図６】ＮＯｘ放出制御及びＮＯｘ抑制制御のタイムチャートである。
【図７】本発明の第２実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置によるＮＯｘ排出量制御のフローチャートである。
【図８】走行距離と総ＮＯｘ排出量とに基づくリーンゾーン選択マップである。
【図９】エンジン回転速度と目標平均有効圧とに基づくリーンゾーンマップである。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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