JP2000110616A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＮＯ_X 吸蔵還元触媒からの未浄化のＮＯ_X 放
出を防止する。 【解決手段】 機関１の排気通路２にＮＯ_X 吸蔵還元触
媒７を配置し、機関のリーン空燃比運転中にＮＯ_X 吸蔵
還元触媒に排気中のＮＯ_X を吸収させ、機関のリッチ空
燃比運転中にＮＯ_X 吸蔵還元触媒からＮＯ_X を放出さ
せ、還元浄化する。ＮＯ_X 吸蔵還元触媒は、排気空燃比
が弱リーン空燃比領域（理論空燃比から空燃比２０まで
の領域）になるとＮＯ_X 吸蔵能力が低下するため吸収し
たＮＯ_X を未浄化のまま放出するようになる。ＥＣＵ３
０は、機関運転空燃比を変化させる際に、機関が上記弱
リーン空燃比で運転される時間を短縮することにより、
ＮＯ_X吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯ_X が放出されるこ
とを抑制する。

Description

【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、詳細には流入する排気の空燃比がリーンの
ときに排気中のＮＯ_X 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ＮＯ_X を放出するＮＯ_X 吸蔵還
元触媒を備えた排気浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】流入する排気空燃比がリーンのときに排
気中のＮＯ_X （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ＮＯ_X を放出するＮＯ
_X 吸蔵還元触媒が知られている。この種のＮＯ_X 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ＮＯ_X 吸蔵還元触媒を配置し、機関のリー
ン空燃比運転中にＮＯ_X 吸蔵還元触媒に排気中のＮＯ_X
を吸収させ、ＮＯ _X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X 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、ＮＯ
_X 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯ_X を放出させるととも
に、放出されたＮＯ_X 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、ＮＯ _X 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ＮＯ_X 吸
蔵還元触媒からＮＯ_X 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、ＮＯ_X 吸蔵還
元触媒から放出されたＮＯ_X は排気中の未燃ＨＣ、ＣＯ
成分と反応し還元される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記特許登録第２６０
０４９２号に記載の排気浄化装置では、機関リーン空燃
比運転中に発生するＮＯ_X をＮＯ_X 吸蔵還元触媒に吸収
させ、リッチスパイク操作によりＮＯ_X 吸蔵還元触媒か
らＮＯ_X を放出させ、同時に還元浄化している。ところ
が、リッチスパイク操作によりＮＯ_X 吸蔵還元触媒から
のＮＯ_X の放出と還元浄化とを行なうと、リッチスパイ
ク操作初期にＮＯ_X 吸蔵還元触媒から還元されないまま
の未浄化のＮＯ_X が流出する場合があることが判明して
いる。

【０００４】上記のようにリッチスパイク操作初期にＮ
Ｏ_X 吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯ _X が放出される理由
は完全には明らかになっていないが、ＮＯ_X 吸蔵還元触
媒のＮＯ_X 吸蔵能力（最大ＮＯ_X 吸蔵量）が空燃比によ
って変化することが原因と考えられている。例えば、大
幅なリーン空燃比で機関が運転されているような場合に
はリッチスパイク操作時に急激に空燃比をリッチ空燃比
に切り換えると機関出力トルクの急変によりトルクショ
ックが生じる。このため、実際の運転では、大幅なリー
ン空燃比（例えば空燃比で３０程度）運転からリッチス
パイク操作を行なうときには数段階のリーン空燃比領域
での運転を経由してある程度の時間をかけて緩やかに空
燃比をリッチ空燃比にするようにしてトルクショックが
生じることを防止している。従って、大幅なリーン空燃
比からのリッチスパイク操作実行時には機関が比較的リ
ーンの程度の低い空燃比領域（例えば空燃比約２０から
理論空燃比までの領域、以下「弱リーン空燃比領域」と
呼ぶ）で運転される期間が生じる場合がある。

【０００５】ところが、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X 吸
蔵能力は流入する排気空燃比に影響を受け、上記弱リー
ン領域ではＮＯ_X 吸蔵能力が空燃比とともに低下するこ
とが判明している。図７はＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X
吸蔵能力（最大ＮＯ_X 吸蔵量）の流入排気空燃比による
変化を説明するグラフである。図７に示すように、ＮＯ
_X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X 吸蔵能力は、空燃比が約２０以
上の領域では空燃比にかかわらず略一定値となるが、空
燃比２０以下の領域では排気空燃比が低下するにつれて
（理論空燃比に近づくにつれて）低下し、理論空燃比で
は０になる。

【０００６】このため、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒が空燃比２
０以上のリーン空燃比領域で最大ＮＯ_X 吸蔵量付近まで
ＮＯ_X を吸蔵した状態から空燃比が２０以下の弱リーン
領域になると吸蔵能力の低下により吸蔵したＮＯ_X の全
量を保持することができなくなり、実際に吸蔵している
ＮＯ_X 量と最大吸蔵量との差に相当する量（図７に斜線
で示した量）のＮＯ_X が放出されるようになる。しか
も、弱リーン空燃比領域では排気中のＨＣ、ＣＯ成分量
は極めて少ないため放出されたＮＯ_X はＮＯ_X 吸蔵還元
触媒上で還元されず未浄化のままでＮＯ_X 吸蔵還元触媒
から流出することになるのである。

【０００７】上記はリッチスパイク操作で機関の運転空
燃比が空燃比２０以上のリーン空燃比から上記弱リーン
領域に変化した場合について説明したが、機関の運転空
燃比がリッチ空燃比から上記弱リーン領域に変化した場
合にも同様な問題が生じる場合がある。更に、機関運転
空燃比が上記弱リーン空燃比領域を通過する際には機関
からのＮＯ_X 排出量も増加することが知られている。図
８は機関の運転空燃比（機関燃焼室内の燃焼空燃比）と
機関排気中のＮＯ_X 濃度との関係を説明する図である。
図８カーブＡに示すように機関排気中のＮＯ_X 量は理論
空燃比近傍では運転空燃比が上昇するにつれて増大し、
空燃比で２０〜２３の領域で最大になり、その後は空燃
比の増大とともに低下する傾向を示す。また、ＮＯ_X 吸
蔵還元触媒上流側の排気通路に三元触媒等の排気浄化触
媒を有する機関では、理論空燃比よりリッチな空燃比で
は排気中のＮＯ_X は略完全に還元されるため、この場
合、排気浄化触媒下流側のＮＯ_X 吸蔵還元触媒に流入す
る排気中のＮＯ_X 濃度は図８にカーブＢで示すように、
理論空燃比以下の空燃比では略０になり、理論空燃比付
近で急増してカーブＡと一致するようになる。このた
め、機関が前述の弱リーン空燃比領域（理論空燃比から
空燃比２０程度までの領域）で運転されると、ＮＯ_X 吸
蔵還元触媒に流入する排気中のＮＯ_X は機関の最大ＮＯ
_X 排出量近くまで急激に増大する。一方、前述のように
弱リーン空燃比領域ではＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮＯ _X 吸
蔵能力は低下するため、この領域では仮にＮＯ_X 吸蔵還
元触媒のＮＯ_X 吸蔵量が比較的少なく、ＮＯ_X 吸蔵還元
触媒からのＮＯ_X の自然放出が生じないような場合で
も、ＮＯ_X 吸蔵能力の低下のために機関から排出された
ＮＯ_X の全量を吸収できなくなる場合があり、排気中の
ＮＯ_X が未浄化のままＮＯ_X 吸蔵還元触媒から流出する
可能性がある。

【０００８】更に、実際の運転では、機関運転空燃比が
機関運転条件（負荷等）に応じてリッチ空燃比からリー
ン空燃比まで広い範囲で変更される場合があり、リッチ
スパイク操作以外でも機関運転空燃比が上記弱リーン領
域になる場合が生じ、機関運転条件の変化によりＮＯ_X
吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯ_X が流出する場合が生じ
てしまう。

【０００９】このように、機関のリッチスパイク操作
毎、或いは運転条件変化による機関運転空燃比の変化毎
にＮＯ_X 吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯ_X が流出したの
では全体としてのＮＯ_X 浄化率が低下する問題が生じ
る。本発明は上記問題に鑑み、理論空燃比からリーン空
燃比までの領域で運転空燃比が変化する機関にＮＯ_X 吸
蔵還元触媒を適用する場合に、空燃比変化によりＮＯ_X
吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯ_X が放出されることを防
止可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的
としている。

【００１０】

【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、必要に応じて理論空燃比よりリーンな空燃比か
ら理論空燃比よりリッチな空燃比までの範囲で運転空燃
比を変更する内燃機関の排気浄化装置であって、機関排
気通路に配置された、流入する排気の空燃比がリーンの
ときに排気中のＮＯ_X 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ＮＯ_X を放出するＮＯ_X 吸蔵還
元触媒と、機関運転空燃比を変化させる際に、変化前の
出発空燃比から変化後の目標空燃比である到達空燃比に
至るまでの間に前記出発空燃比と到達空燃比との間の空
燃比での中途空燃比運転を経て空燃比を変化させること
により機関出力の急変を抑制する空燃比調節手段と、機
関運転空燃比を変化させる際に、特定のリーン空燃比領
域で前記中途空燃比運転が行なわれる場合には、前記特
定のリーン空燃比領域における中途空燃比運転時間が他
の空燃比領域における中途空燃比運転時間より短くなる
ように、前記特定のリーン空燃比領域における中途空燃
比運転時間を短縮する空燃比変化調節手段と、を備えた
内燃機関の排気浄化装置が提供される。

【００１１】すなわち、請求項１の発明では機関空燃比
変更の際に機関出力の急な変化の抑制のための中途空燃
比運転が行なわれる。このため、例えば大幅なリーン空
燃比からリッチ空燃比への空燃比の変更の際等には、Ｎ
Ｏ_X 吸蔵還元触媒の吸収能力が低下するような特定のリ
ーン空燃比領域での中途空燃比運転が実行される場合が
生じＮＯ_X 吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯ_X が放出され
る可能性がある。本発明では、機関空燃比変更の際に上
記特定のリーン空燃比領域での中途空燃比運転が行なわ
れる場合には、特定のリーン空燃比領域での中途空燃比
運転時間が他の空燃比領域で中途空燃比運転が行なわれ
る場合の中途空燃比運転時間に較べて短くなるように特
定のリーン空燃比運転領域における中途空燃比運転時間
が短縮される。これにより、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒に特定
のリーン空燃比領域の排気が供給される時間が短縮され
る。

【００１２】請求項２に記載の発明によれば、前記空燃
比変化調節手段は、機関空燃比をステップ的に変化させ
て前記特定のリーン空燃比領域を通過させ、前記特定の
リーン空燃比領域における中途空燃比運転を回避する請
求項１に記載の排気浄化装置が提供される。すなわち請
求項２の発明では、機関空燃比変更の際に特定リーン空
燃比領域では中途空燃比運転を行なわず、例えば特定の
リーン空燃比領域に隣接する空燃比領域の一方から他方
にステップ的に空燃比を変化させて特定のリーン空燃比
を通過させる。これにより、特定のリーン空燃比領域に
おける中途空燃比運転時間は実質的にゼロまで短縮され
るため、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒に特定のリーン空燃比領域
の排気が供給される時間が更に短縮される。

【００１３】請求項３に記載の発明によれば、更に、機
関運転空燃比を変化させる際に、機関運転空燃比が前記
特定のリーン空燃比領域を通過中は機関点火時期または
機関吸入空気量を調節し機関出力の急変を抑制する出力
調節手段を備えた請求項１又は請求項２に記載の排気浄
化装置が提供される。すなわち請求項３の発明では、請
求項１又は請求項２において機関運転空燃比変化時に上
述の特定のリーン空燃比領域を通過中機関点火時期又は
機関吸入空気量を調節し、機関出力急変を防止する出力
調節手段が設けられている。中途空燃比運転は、機関空
燃比変化による機関出力の急変を防止するものであるた
め特定のリーン空燃比領域での中途空燃比運転時間を短
縮するような場合にはこの領域で機関出力変化が比較的
急激に変化するようになる場合がある。本発明では、機
関空燃比変化の際の特定のリーン空燃比領域を通過中に
機関点火時期又は機関吸入空気量を調節することにより
機関出力の急変が抑制される。例えばリーン空燃比から
リッチ空燃比への機関空燃比変化時に特定のリーン空燃
比領域を通過するような場合には、点火時期の遅角また
は吸入空気量の低減のいずれか一方又は両方が行なわれ
る。これにより、機関出力の低下と空燃比の変化（リッ
チ化）による機関出力の増大とが互いに相殺されるので
特定のリーン空燃比領域における中途空燃比運転時間短
縮による機関出力の急変が抑制される。

【００１４】請求項４に記載の発明によれば、理論空燃
比よりリーンな空燃比から理論空燃比よりリッチな空燃
比までの範囲で運転空燃比を変更可能な内燃機関の排気
浄化装置であって、機関排気通路に配置された、流入す
る排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_X 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ＮＯ
_X を放出するＮＯ_X 吸蔵還元触媒と、予め定めた関係に
基づいて機関運転状態に応じて機関の運転空燃比目標値
を設定する目標空燃比設定手段と、前記目標空燃比設定
手段の設定した目標値が特定のリーン空燃比領域外にあ
る場合には、機関の実運転空燃比を前記目標値と同じ値
に設定し、前記目標値が特定のリーン空燃比領域にある
場合には前記実運転空燃比を前記特定のリーン空燃比領
域外の予め定めた空燃比に設定する実運転空燃比設定手
段と、前記機関の運転空燃比が前記実運転空燃比設定手
段の設定した実運転空燃比になるように機関運転空燃比
を制御する空燃比制御手段と、を備えた内燃機関の排気
浄化装置が提供される。

【００１５】すなわち、請求項４の発明では機関運転空
燃比目標値はは機関運転状態に応じて設定されるが、設
定された目標運転空燃比が、例えばＮＯ_X 吸蔵還元触媒
の吸収能力が低下するような特定のリーン空燃比領域に
なった場合には機関の実際の運転空燃比を上記特定のリ
ーン空燃比領域以外の空燃比（例えば特定のリーン空燃
比領域に隣接した空燃比）に設定する。このため、機関
が上記特定のリーン空燃比領域で運転されることがなく
なりＮＯ_X 吸蔵還元触媒に特定のリーン空燃比の排気が
供給されることが防止される。なお、「機関運転状態に
応じて目標運転空燃比を設定する」とは機関の定常運転
状態の目標運転空燃比のみならず、機関の過渡運転状態
の（例えば機関運転空燃比変化途中の）目標運転空燃比
をも意味するものとする。

【００１６】請求項５に記載の発明によれば、更に、前
記目標空燃比設定手段により前記目標値が前記特定のリ
ーン空燃比領域に設定されたときに、前記空燃比制御手
段により機関運転空燃比が実運転空燃比に変更されるま
での間機関点火時期または機関吸入空気量を調節し機関
出力の急変を抑制する出力調節手段を備えた請求項４に
記載の排気浄化装置が提供される。

【００１７】すなわち、請求項５の発明では機関運転空
燃比目標値が特定のリーン空燃比領域になったために、
実運転空燃比がこの特定のリーン空燃比領域外に設定さ
れた場合には、機関出力の急変を抑制するために、機関
の点火時期または機関吸入空気量が調節される。請求項
４のように特定のリーン空燃比領域を避けて機関の実運
転空燃比を設定する場合には、機関空燃比変更時に空燃
比の変化幅や変化速度が大きくなり機関出力の急変が生
じる場合がある。本発明では、このような場合に機関の
点火時期と機関吸入空気量とのいずれか一方または両方
を調節することにより機関出力の急変が抑制される。

【００１８】請求項６に記載の発明によれば、理論空燃
比よりリーンな空燃比から理論空燃比よりリッチな空燃
比までの範囲で運転空燃比を変更可能な内燃機関の排気
浄化装置であって、機関排気通路に配置された、流入す
る排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_X 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ＮＯ
_X を放出するＮＯ_X 吸蔵還元触媒と、機関運転状態に応
じて機関の運転空燃比目標値を設定する目標空燃比設定
手段と、前記機関の運転空燃比が前記目標空燃比設定手
段の設定した目標空燃比になるように機関運転空燃比を
制御する空燃比制御手段と、を備え、前記目標空燃比
は、常に特定のリーン空燃比領域外の空燃比に設定され
るようにした内燃機関の排気浄化装置が提供される。

【００１９】すなわち、請求項６の発明では機関の目標
運転空燃比は常に特定のリーン空燃比領域外の空燃比に
設定されるため、機関が特定のリーン空燃比領域で運転
されることがない。このため、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒に特
定のリーン空燃比領域の排気が供給されることが防止さ
れる。請求項７に記載の発明によれば、前記特定のリー
ン空燃比領域は理論空燃比から空燃比２０までの領域で
ある請求項１、請求項３、請求項６のいずれか１項に記
載の排気浄化装置が提供される。

【００２０】すなわち、請求項７の発明では、請求項
１、３、６のいずれかの発明において特定のリーン空燃
比領域はＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X 吸収能力が低下す
るリーン空燃比領域に設定される。これにより、本発明
では上記特定のリーン空燃比領域の排気がＮＯ_X 吸蔵還
元触媒に供給されることが抑制され、ＮＯ_X 吸蔵還元触
媒からの未浄化のＮＯ_X 放出が抑制される。

【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
は気筒内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁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）空燃
比から理論空燃比より低い（リッチ）空燃比までの広い
範囲の空燃比で運転可能な機関とされている。

【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ＮＯ_X 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、３
１で示すのは、排気通路２のＮＯ_X 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２９
ａ、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。

【００２４】図１において、機関の１の気筒＃１から＃
４の吸気ポートはそれぞれの吸気枝管１１〜１４を介し
てサージタンク１０ａに接続されており、サージタンク
は共通の吸気通路１０に接続されている。更に、本実施
形態では吸気通路１０上にはスロットル弁１５が設けら
れている。本実施形態のスロットル弁１５はいわゆる電
子制御スロットル弁とされており、ステッパモータ等の
適宜な形式のアクチュエータ１５ａにより駆動され後述
するＥＣＵ３０からの制御信号に応じた開度をとる。

【００２５】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ＮＯ_X吸蔵還元
触媒７から吸収したＮＯ_X 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。

【００２６】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３
１からＮＯ_X 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
関クランク軸一定回転角毎にパルス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。
ＥＣＵ３０は、所定間隔毎に吸気圧センサ３３出力とア
クセル開度センサ３７出力とをＡＤ変換して吸気圧力Ｐ
Ｍとアクセル開度ＡＣＣＰとしてＥＣＵ３０のＲＡＭの
所定領域に格納するとともに、回転数センサ３５からの
パルス信号の間隔から機関回転数ＮＥを算出し、ＲＡＭ
の所定の領域に格納している。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に接続されている他、ス
ロットル弁１５のアクチュエータ１５ｂに図示しない駆
動回路を介して接続されスロットル弁１５の開度を制御
している。

【００２７】本実施形態では、ＥＣＵ３０は運転条件に
応じて機関１を以下の５つのモードのいずれかで運転す
る。 リーン空燃比成層燃焼（圧縮行程１回噴射） リーン空燃比弱成層燃焼（吸気行程／圧縮行程２回
噴射） リーン空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射） 理論空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射） 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、上記モード
のリーン空燃比成層燃焼が行なわれる。機関１は気筒内
に吸入空気のスワール（旋回流）を生じさせるスワール
ポートを有する吸気弁と通常のストレートポートを有す
る吸気弁との２つの吸気弁を備えており、ストレートポ
ートに連通する吸気通路に設けられたスワールコントロ
ールバルブ（ＳＣＶ）（図示せず）の開度を調節するこ
とによりスワールポートから気筒内に流入する吸気量を
制御することが可能となっている。成層燃焼を行なう場
合には、ＳＣＶ開度は全閉とされスワールポートからの
吸気量を増大し、気筒内に強いスワールを生成させる。
また、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程度もしくはそれ以上になる。

【００２８】また、上記モードの状態から負荷が増大
して低負荷運転領域になると、上記モードリーン空燃
比弱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、上記モード
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。

【００２９】更に機関負荷が増大すると、機関１では上
記モード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ＳＣＶは全開とされ吸気の大部分はス
トレートポートから気筒内に流入する。また、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。

【００３０】更に機関負荷が増大して機関高負荷運転領
域になると、モードの状態から更に燃料が増量され、
上記モード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、モードの状態から燃料噴射量が更に増量されモー
ド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。

【００３１】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（上記から）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
から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、燃料噴射時
期、回数及びスロットル弁開度を決定する。

【００３２】また、モード（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空燃比制御を行なう。すな
わち、上記からのモード（リーン空燃比燃焼）が選
択された場合には、ＥＣＵ３０は上記からのモード
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、上記と
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は上記と
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。

【００３３】また、スロットル弁１５開度はモードか
らでは全開に近い領域でアクセル開度に応じて制御さ
れる。この領域ではアクセル開度が低下するとスロット
ル弁開度も低減されるが、スロットル弁全開相当の領域
であるためスロットル弁開度が変化しても吸気圧力は略
一定になり、ほとんど吸気絞りは生じない。一方モード
、ではスロットル弁開度はアクセル開度に略等しい
開度に制御される。すなわち、アクセル開度（アクセル
ペダル踏込み量）が０のときにはスロットル開度も０
に、アクセル開度が１００パーセントのとき（アクセル
ペダルがいっぱいに踏み込まれたとき）にはスロットル
開度も１００パーセント（全開）にセットされる。

【００３４】次に、本実施形態のスタートキャタリスト
５ａ、５ｂ及びＮＯ_X 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、ＮＯ_X 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ＮＯ_X 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ＮＯ_X を充分に浄化することはできな
い。

【００３５】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、本実施形態のＮＯ_X 吸蔵還元触
媒７について説明する。本実施形態のＮＯ_X 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。ＮＯ_X 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ＮＯ_X （Ｎ
Ｏ₂ 、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ＮＯ_X を放出するＮ
Ｏ_X の吸放出作用を行う。

【００３６】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Ｏ
₂ ^- またはＯ^2-の形で付着し、排気中のＮＯ_X は白金Ｐ
ｔ上のＯ₂ ^- またはＯ^2-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触媒中
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 ^- の形で触媒内に拡散する。このため、リー
ン雰囲気下では排気中のＮＯ_X がＮＯ_X 吸蔵還元触媒内
に硝酸塩の形で吸収されるようになる。また、流入排気
中の酸素濃度が低下すると（すなわち、排気の空燃比が
低下すると）、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、触媒内の硝酸イ
オンＮＯ₃ ^- はＮＯ₂ の形でＮＯ_X 吸蔵還元触媒から放
出されるようになる。この場合、排気中にＨＣ、ＣＯ等
の成分が存在すると白金Ｐｔ上でこれらの成分によりＮ
Ｏ₂ が還元される。

【００３７】図７で説明したように、ＮＯ_X 吸蔵還元触
媒の吸蔵可能な最大ＮＯ_X 量は弱リーン空燃比領域にな
ると空燃比の低下とともに減少する。これは、上述のＮ
Ｏ₂→ＮＯ₃ ^- の方向の反応速度（ＮＯ_X 吸収速度）と
ＮＯ₃ ^- →ＮＯ₂ の方向の反応速度（ＮＯ_X 放出速度）
が排気中の酸素濃度が低いほど低下し、ＮＯ_X 吸蔵還元
触媒中の硝酸イオン濃度（吸蔵量）が高い程増大するた
めと考えられる。すなわち、排気中の酸素濃度が高くＮ
Ｏ_X 吸蔵還元触媒中の硝酸イオン濃度が低い場合には、
ＮＯ_X 吸収速度がＮＯ_X の放出速度より大きくなり、Ｎ
Ｏ_X 吸蔵還元触媒はＮＯ_X を吸収する。しかし、ＮＯ_X
吸蔵量が増大してＮＯ_X 吸蔵還元触媒中の硝酸イオン濃
度が増大するとＮＯ_X 放出速度は次第に大きくなり、触
媒中の硝酸イオンがある量に到達するとＮＯ_X の吸収速
度と放出速度とがバランスしてＮＯ_X 吸蔵還元触媒はＮ
Ｏ_X を吸収しなくなる。すなわち、この時の触媒中の硝
酸イオン濃度（吸蔵量）がその空燃比（酸素濃度）にお
けるＮＯ_X 吸蔵還元触媒の最大ＮＯ_X 吸蔵量となる。従
って、排気中の酸素濃度（空燃比）が低下してＮＯ _X 吸
蔵還元触媒へのＮＯ_X 吸収速度が低下すると、それに応
じてＮＯ_X 吸収速度とバランスするＮＯ_X 放出速度も低
下することになり、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒の最大ＮＯ_X 吸
蔵量が空燃比とともに低下する。このＮＯ_X 吸蔵量の低
下は、排気酸素濃度が充分に大きい場合には（例えば空
燃比で２０以上の場合には）ＮＯ_X 吸収速度が充分に高
いためあまり問題とならず、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒はＢａ
Ｏの全量が硝酸イオンで飽和するまでＮＯ_X を吸収可能
となる。しかし、理論空燃比に比較的近い弱リーン空燃
比領域（空燃比が２０以下）ではＮＯ_X 吸収速度の低下
が大きいため、空燃比の低下につれてＮＯ_X 吸蔵還元触
媒の最大ＮＯ_X 吸蔵量が低下するものと考えられる。

【００３８】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、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒は流入する排
気中のＮＯ_X を吸収する。また、機関１がリッチ空燃比
で運転されると、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒７は吸収したＮＯ
_X 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ＮＯ_X 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯ_X 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、Ｎ
Ｏ_X 吸蔵還元触媒からのＮＯ_X の放出と還元浄化とを行
なうようにしている。

【００３９】本実施形態では、ＥＣＵ３０はＮＯ_X カウ
ンタの値を増減することによりＮＯ _X 吸蔵還元触媒７が
吸収保持しているＮＯ_X 量を推定する。ＮＯ_X 吸蔵還元
触媒７に単位時間当たりに吸収されるＮＯ_X の量はＮＯ
_X 吸蔵還元触媒に単位時間当たりに流入する排気中のＮ
Ｏ_X 量、すなわち機関１で単位時間当たりに生成される
ＮＯ_X 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ＮＯ_X 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ＮＯ_X 吸蔵還元触媒に吸収されるＮＯ_X 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ＮＯ _X 量を実測し、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒７に単位時
間当たりに吸収されるＮＯ_X 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Ｅ
ＣＵ３０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
ＮＯ_X 吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯ_X 量を算出し、Ｎ
Ｏ_X カウンタをこのＮＯ_X 吸収量だけ増大させる。これ
によりＮＯ_X カウンタの値は常にＮＯ_X 吸蔵還元触媒７
に吸収されたＮＯ_X 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ＮＯ_X 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）前述ののモード（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、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯ
_X 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ＮＯ_X
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ＮＯ _X 吸
蔵還元触媒からＮＯ_X が放出、還元浄化された後はＮＯ
_X カウンタの値は０にリセットされる。このように、Ｎ
Ｏ_X 吸蔵還元触媒７のＮＯ_X 吸収量に応じてリッチスパ
イクを行なうことにより、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒７は適切
に再生され、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒が吸収したＮＯ_X で飽
和することが防止される。

【００４０】ところが、本実施形態のように広い空燃比
範囲で運転される機関では、例えば空燃比３０程度のリ
ーン空燃比（モード）運転時にリッチスパイク操作
（モード）を行なう際に、急激に空燃比をリッチ空燃
比に切り換えると空燃比変化による出力トルクの急増に
よりトルクショックが生じる場合がある。このため、リ
ッチスパイク操作時には、機関数回転程度の時間をかけ
てモード（リーン空燃比成層燃焼（圧縮行程１回噴
射））からモード（リーン空燃比弱成層燃焼（吸気行
程／圧縮行程２回噴射）とモード（リーン空燃比均質
混合気燃焼（吸気行程１回噴射））及び（理論空燃比
均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射））の運転モードを
経てから（リッチ空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１
回噴射））に移行するようにしてトルクショックが生じ
ることを防止している。すなわち、リッチスパイク操作
時には機関がモードの運転に切り換えられて機関空燃
比がリッチになるまでに中途の空燃比での運転（モード
、、での運転）が行なわれることになり、ＮＯ_X
吸蔵還元触媒の吸蔵能力が低下する弱リーン空燃比領域
（空燃比で２０以下、モードに相当）で機関が運転さ
れる状態が生じてしまう。この領域では、ＮＯ_X 吸蔵還
元触媒に吸蔵されたＮＯ_X のうち、最大吸蔵量を越えた
分のＮＯ_X がＮＯ_X 吸蔵還元触媒から放出されることに
なるが、排気空燃比がリーンであるため放出されたＮＯ
_X は還元されず、未浄化のままでＮＯ_X 吸蔵還元触媒下
流側に流出する場合が生じる。

【００４１】上記は、リッチスパイクの場合について説
明したが、例えば機関急加速やブレーキブースタの作動
負圧を確保するためのスロットル弁の急激な閉弁動作等
で空燃比がリーンからリッチに変化するような場合にも
急激なトルクショックを避けるために同様な中途空燃比
運転が行なわれ、機関が弱リーン空燃比領域で運転され
る状態が生じるため同様な問題が起きる。更に、図８で
説明したように、弱リーン空燃比領域では機関から排出
されるＮＯ_X 量も増大するため、機関空燃比がリーン空
燃比からリッチ空燃比に変更される場合の弱リーン空燃
比領域での中途空燃比運転時のみならず、リッチ空燃比
からリーン空燃比に変更される場合の弱リーン空燃比領
域における中途空燃比運転時にも、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒
の吸収能力の低下のために機関から排出されたＮＯ_X が
ＮＯ_X 吸蔵還元触媒に吸収されず下流側に流出するおそ
れがある。

【００４２】そこで、以下に説明する実施形態では機関
運転空燃比がリーンからリッチまたはリッチからリーン
に変更される場合の弱リーン空燃比領域での中途空燃比
運転時間をできるだけ短縮することにより、未浄化のＮ
Ｏ_X がＮＯ_X 吸蔵還元触媒下流側に流出することを抑制
している。以下に弱リーン空燃比領域での中途空燃比運
転時間短縮制御の実施形態について具体的に説明する。

【００４３】（１）第１の実施形態 本実施形態では、リッチスパイクや運転条件の変化によ
り機関の運転空燃比を変更する際に、弱リーン空燃比領
域での中途空燃比運転が行なわれる場合には弱リーン空
燃比領域での中途空燃比運転時間を他の空燃比領域にお
ける中途空燃比運転時間より短く設定するようにしてい
る。これにより、機関が弱リーン空燃比領域で運転され
る時間が短縮され、未浄化のＮＯ_X がＮＯ_X 吸蔵還元触
媒下流側に流出することが抑制される。

【００４４】図２、図３は本実施形態における中途空燃
比運転制御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。図２、図３の操作では機関運転状態
の変化もしくはリッチスパイク操作等のために機関運転
空燃比を変更する際に、機関運転空燃比が弱リーン空燃
比になるモード（均質リーン空燃比燃焼）での中途空
燃比運転時間を他のモードでの中途空燃比運転時間より
短くなるように設定し、弱リーン空燃比領域での中途空
燃比運転時間を短縮している。

【００４５】図２において、ステップ２０１は機関運転
状態パラメータの読み込み操作を示している。ステップ
２０１では機関運転状態を表す機関回転数、アクセル開
度、吸気圧力等がそれぞれ読み込まれる。これらのパラ
メータは後述するように機関運転モード、燃料噴射量、
燃料噴射時期、スロットル開度、点火時期、ＥＧＲ量、
バルブタイミング、ＳＣＶ開度等を決定するのに用いら
れる。

【００４６】次いで、ステップ２０３ではリッチスパイ
クフラグＲＳの値が１に設定されているか否かが判定さ
れる。前述したように、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、ＮＯ_X 吸蔵還
元触媒７のＮＯ_X 吸蔵量を表すＮＯ_X カウンタを常時算
出しており、ＮＯ_X カウンタ（吸蔵量）の値が予め定め
た値に到達した場合には、機関をリッチ空燃比（モード
）で運転しＮＯ_X 吸蔵還元触媒７から吸収したＮＯ_X
を放出させ還元浄化するリッチスパイク操作を行なう。
フラグＲＳは、ＮＯ_X カウンタの値が上記予め定めた値
に到達したときに予め定めた時間だけ１にセットされ、
その後０にリセットされるフラグである。

【００４７】ステップ２０５、２０７は機関の運転モー
ドの決定を示す。前述のように、本実施形態では機関運
転状態パラメータからまず運転モード（から）が決
定され、運転モードに応じて燃料噴射量、噴射時期／回
数、点火時期等が決定される。本実施形態では、リッチ
スパイク要求がない場合（すなわちステップ２０３でＲ
Ｓ≠１の場合）にはステップ２０１で読み込んだ運転状
態パラメータの値に基づいて機関の目標運転モードＭＦ
の値が決定される（なお、ＭＦは１から５までの整数値
をとり、ＭＦ＝１はモードを、ＭＦ＝２はモード
を、ＭＦ＝３、４、５はそれぞれモード、、を表
している）。ステップ２０３でリッチスパイク要求があ
った場合（ＲＳ＝１の場合）には、ＭＦの値は５（モー
ド、リッチ空燃比運転）に設定される。

【００４８】ステップ２０９では、上記により設定され
た目標運転モードＭＦが現在の目標運転モードＭＦ_i-1
と異なるか否か、すなわち機関の運転モードを現在のも
のから変更する必要があるか否かが判断され、モードを
変更する必要がある場合（ＭＦ≠ＭＦ_i-1 の場合）には
ステップ２１１でモード変更の際に中途空燃比運転を行
なう必要があるか否かが判定される。例えば、ステップ
２１１では隣接した運転モードへの変更以外の場合には
中途空燃比運転が必要と判定される。

【００４９】ステップ２０９でモード変更不要、または
ステップ２１１で中途空燃比運転不要と判断された場合
には、ステップ２２１で実際の運転モードＭの値がＭＦ
と同じ値にセットされ、ステップ２２３では後述するカ
ウンタＣＲＳの値が０にセットされるとともに、ステッ
プ２２４では現在の目標運転モードＭＦ_i-1 の値が更新
される。また、この場合には図３、ステップ２５９から
２７７で目標運転モードＭＦに応じた運転制御が行なわ
れる。

【００５０】一方、ステップ２１１で中途空燃比運転が
必要であると判断された場合には、ステップ２１３から
ステップ２５７が実行され、中途空燃比運転が行なわれ
る。ステップ２１３は中途空燃比運転が終了したか否か
の判定を示す。すなわち、中途空燃比運転では後述する
ように、機関の実際の運転モードＭが目標運転モードＭ
Ｆになるまで順次切り換えられる。中途空燃比運転はこ
の結果、機関の実際の運転モードＭが目標運転モードＭ
Ｆに到達したとき（ステップ２１３でＭ＝ＭＦになった
とき）に終了する。すなわち、ステップ２１３でＭ＝Ｍ
Ｆとなった場合には操作はステップ２２３に進み目標運
転モードＭＦに応じた運転制御が行なわれるようにな
る。

【００５１】ステップ２１５からステップ２２９は中途
空燃比運転時の運転モード切り換え操作を示す。本実施
形態では、運転モードの切り換えはカウンタＣＲＳの値
が設定値αに到達する毎に行なわれる。後述するよう
に、ＣＲＳは機関のいずれかの気筒で点火が行なわれる
毎に１ずつ増大するカウンタである。すなわち、中途空
燃比運転時には、機関運転モードは機関でα回点火操作
が行なわれる毎に切り換えられることになる。ステップ
２２５は運転モード切り換え方向の判定、例えばリーン
空燃比からリッチ空燃比方向へのモード切り換えが必要
か、リッチ空燃比からリーン空燃比方向へのモード切り
換えが必要かの判定を示す。例えば、ステップ２２５で
新しい目標運転モードＭＦが現在の目標運転モードＭＦ
_i-1 より大きい場合（リッチ空燃比側の運転モードに切
り換える必要がある場合）には、機関の実際の運転モー
ドＭはカウンタＣＲＳの値がαに到達する毎に１ずつ増
大され、順次リッチ側の運転モードに切り換えられる。
また、ＭＦがＭＦ_i-1 より小さい場合には実際の運転モ
ードＭは順次１ずつ減少される。

【００５２】ステップ２３１から２３５は各モードにお
ける中途空燃比運転時間の設定操作を示している。上述
のように、中途空燃比運転における各モードでの運転時
間は設定値αの大きさにより決定される。ステップ２３
１からステップ２３５では、機関の実際の運転モードＭ
の値が３のときにはαの値はＢに設定され、Ｍ≠３のと
きにはＡに設定される。ここで、Ａ、ＢはＡ＜Ｂとなる
定数であり本実施形態では、例えばＡ＝１６、Ｂ＝４程
度の値とされる。

【００５３】すなわち、本実施形態では機関運転空燃比
切り換え時の中途空燃比運転では、モードで運転され
る時間は他のモード（モード、）で運転される時間
の１／４に短縮されることになる。例えば、本実施形態
では、カウンタＣＲＳの値は機関のいずれかの気筒で点
火が行なわれる毎に１ずつ増大されるため、４気筒４サ
イクル機関であれば、モード、での中途空燃比運転
はクランク軸８回転分ずつ継続されるのに対して、モー
ドではクランク軸２回転分しか継続されないことにな
る。

【００５４】前述したように、運転モードは機関の弱
リーン空燃比運転が行なわれるモードであるため、これ
により運転空燃比変更時に機関が弱リーン空燃比領域で
中途空燃比運転される時間が他の空燃比領域に較べて短
縮され、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯ_X が流出
することが抑制されることになる。上記により中途空燃
比運転時のモードＭを決定後、図３ステップ２３７で
は、モードＭ毎に設定された中途空燃比運転用の数値マ
ップから、機関運転状態パラメータ（アクセル開度、回
転数、吸気圧力等）に基づいて燃料噴射量、噴射時期及
び回数が決定され、ステップ２３９では同様にモード毎
に設定された中途空燃比運転用の数値マップから機関運
転状態パラメータに基づいて点火時期が設定される。な
お、本実施形態では弱リーン空燃比領域での中途空燃比
運転時間を短縮しているため、機関運転モード（空燃
比）が比較的急激に変化する。このため、中途空燃比運
転時の点火時期設定は通常運転時の点火時期設定とは異
なっており、例えばモードでは通常運転時より進角設
定され、モード、での運転時には通常より遅角され
る。これにより、弱リーン空燃比領域通過時（モード
運転時）の機関出力の急激な変化が抑制される。

【００５５】また、ステップ２４１ではＳＣＶ開度が運
転モードＭに応じて設定され、ステップ２４３ではスロ
ットル弁１５開度が運転モードＭとアクセル開度とに応
じて設定される。ステップ２４５から２５７は燃料噴
射、点火等の実行操作を示す。ステップ２４５から２５
３では、機関クランク角に基づいて、それぞれ現在上記
により設定された燃料噴射時期にあるか否か（ステップ
２４５）及び点火時期にあるか否か（ステップ２４９）
が判定され、噴射時期にある場合にはステップ２３７で
設定された量の燃料が該当する気筒の燃料噴射弁から噴
射され（ステップ２４７）、点火時期にある場合には該
当する気筒の点火プラグによる点火が実行される（ステ
ップ２５１）。また、点火が実行された場合にはステッ
プ２５３でカウンタＣＲＳの値が１増大される。そし
て、ステップ２５５とステップ２５７ではＳＣＶとスロ
ットル弁１５との開度がそれぞれステップ２４１、２４
３で設定された開度に調整される。

【００５６】図３、ステップ２５９から２６１は通常運
転時の燃料噴射、点火時期等の制御操作を示す。この場
合には、燃料噴射量、時期及び回数、点火時期、ＳＣＶ
開度、スロットル開度等は目標運転モードＭＦと機関運
転状態パラメータとに基づいて設定される。ステップ２
５９からステップ２６１はステップ２３７からステップ
２５７と略同様の操作であるので詳細な説明は省略す
る。なお、通常運転時には点火実行毎のカウンタＣＲＳ
の増大は行なわない。

【００５７】上述のように、本実施形態によれば機関空
燃比変更時に弱リーン空燃比領域で中途空燃比運転が行
なわれる時間が他の領域に較べて短縮されるため、ＮＯ
_X 吸蔵還元触媒下流側への未浄化のＮＯ_X の流出が抑制
されるようになる。なお、本実施形態では機関運転空燃
比を直接判断しないで機関の運転モード（モード）に
基づいて機関が弱リーン空燃比領域で運転されるか否か
を判定しているが（図２ステップ２３１）、例えば機関
回転数吸気圧力とに基づいて機関の吸入空気量を算出
し、燃料噴射量と吸入空気量から機関運転空燃比を算出
するようにして、図２ステップ２３１では実際に機関運
転空燃比が弱リーン空燃比領域（理論空燃比から空燃比
２０までの領域）に入った場合にαの値をＢに設定する
ようにしても良い。

【００５８】また、本実施形態では中途空燃比運転時に
点火時期を通常とは異なる値に調整することにより機関
出力の急激な変化を抑制しているが、中途空燃比運転時
に点火時期を調整する代わりにステップ２４３で設定さ
れるスロットル開度を通常とは異なる値にすることによ
り、機関吸入空気量を変えて出力の急激な変化を抑制す
るようにしても良い。

【００５９】（２）第２の実施形態 次に、本発明の中途空燃比運転制御の別の実施形態につ
いて説明する。上記第１の実施形態では、中途空燃比運
転を行なう際に弱リーン空燃比領域における運転時間を
短縮することにより、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒下流側への未
浄化のＮＯ_X の放出を防止していた。これに対して、本
実施形態では機関運転空燃比を変更する際に空燃比をス
テップ的に変化させて弱リーン空燃比領域を通過させる
ことにより弱リーン空燃比領域での中途空燃比運転を全
く行なわないようにした点が相違している。このよう
に、機関運転空燃比変更の際に弱リーン空燃比領域での
中途空燃比運転を回避するようにしたことにより、ＮＯ
_X 吸蔵還元触媒には弱リーン空燃比の排気が流入するこ
とがなくなるため確実にＮＯ_X 吸蔵還元触媒下流側への
未浄化のＮＯ_X の流出を防止することが可能となる。

【００６０】図４は本実施形態における中途空燃比運転
制御操作を説明するフローチャートである。本実施形態
の中途空燃比運転制御操作は第１の実施形態の操作のス
テップ２３１、２３３及び２３５（図２）を別の操作で
置き換えた点だけが図２、図３の操作と相違している。
図４のフローチャートはこの相違点（ステップ４３１〜
４３５）付近のみを図示しているが、図示していない部
分は図２、図３の操作と全く同一となる。

【００６１】図４のステップ２２５から２２９では図２
と同様に機関運転空燃比の変更方向に応じて運転モード
Ｍが設定される。そしてステップ４３１ではこの新たに
設定されたモードＭが３（モード）であるか否かが判
定され、以外のモードである場合には、図２と同様α
の値は比較的大きな値Ａ（例えばＡ＝１６）に設定され
る（ステップ４３３）。しかし、本実施形態では、ステ
ップ４３１でＭ＝３であった場合にはステップ４３５で
カウンタＣＲＳの値をクリアしてステップ２３７からス
テップ２５７の燃料噴射や点火操作を行なうことなく直
ちに操作を終了する点が相違している。これにより、次
回操作を実行の際にはステップ２１５（図２）の後直ち
にステップ２２５からステップ２２９が実行されること
になるため、運転モードＭの値は２または４に設定され
るようになる。すなわち、本実施形態では運転モードＭ
の値が３になった場合には、モードでの中途空燃比運
転を行なわずに直ちに隣接した空燃比での中途空燃比運
転に移行する。これにより、機関が弱リーン空燃比領域
で中途空燃比運転されることがなくなるため、確実にＮ
Ｏ_X 吸蔵還元触媒下流側への未浄化のＮＯ_X の流出が防
止されるようになる。なお、この場合にも機関の急激な
出力変化を抑制するため、点火時期またはスロットル弁
開度の調整が行なわれる。

【００６２】（３）第３の実施形態 次に、本発明の別の実施形態について説明する。本実施
形態では、空燃比変更の際に弱リーン空燃比領域での中
途空燃比運転を行なわないのみならず、通常の運転時に
も弱リーン空燃比領域に目標空燃比が設定されることを
防止している。すなわち、本実施形態では通常の運転時
や中途空燃比運転時に目標運転空燃比が弱リーン空燃比
領域に設定され、機関運転空燃比を弱リーン空燃比領域
に設定する要求が出た場合には機関を弱リーン領域外の
空燃比（例えば理論空燃比）で運転するようにして機関
の弱リーン空燃比領域での運転を回避している。これに
より、本実施形態においても確実にＮＯ_X 吸蔵還元触媒
下流側への未浄化のＮＯ_X の放出が防止される。

【００６３】図５、図６は本実施形態の運転制御操作を
説明するフローチャートであり、第１の実施形態の図２
に対応する操作である。図５、ステップ５０１は機関運
転状態パラメータの読み込みを示す図２ステップ２０１
と同様の操作である。また、ステップ５０３、ステップ
５１１では図２ステップ２０３、２０７と同様、フラグ
ＲＳの値からリッチスパイク要求があるか否かが判定さ
れ、リッチスパイク要求がある場合には機関の目標運転
モードＭＦは５（モード）に設定される。また、リッ
チスパイク要求がない場合（ステップ５０３でＲＳ≠１
の場合）には、ステップ５０５で、図２ステップ２０５
と同様に機関運転状態パラメータに基づいて目標運転モ
ードＭＦが設定される。しかし、本実施形態では、ステ
ップ５０５で設定されたＭＦの値が３（モード）であ
った場合には、ステップ５０７、５０９でＭＦの値は４
（モード）に変更される点が図２の操作と相違してい
る。

【００６４】上記により目標運転モードＭＦを設定後、
ステップ５１３、５１５では中途空燃比運転の要否が判
定され、中途空燃比運転が必要ない場合には図６ステッ
プ５４１に進み通常の運転制御が実行される。すなわ
ち、本実施形態においても、ステップ５４１から５４５
の操作実行後には図３ステップ２５９から２７７の操作
が実行され、燃料噴射、点火等の各制御が行なわれる。
また、ステップ５４１から５４５の操作は図２ステップ
２２１から２２４の操作と同様であるので説明は省略す
る。

【００６５】図６ステップ５１７から５２９は図２ステ
ップ２１３から２２９と同様の中途空燃比運転切り換え
操作を示している。但し、本実施形態ではステップ５１
７及び５２７、５２９で実運転モードＭの代りに仮の目
標運転モードＭＩを用いている点が図２の操作と相違し
ている。そして、ステップ５３１から５３５では仮の目
標運転モードＭＩがモード以外（ＭＩ≠３）の場合に
は実運転モードＭを仮の目標運転モードＭＩと同じ値に
設定し（ステップ５３１、５３７）、ＭＩ＝３である場
合には実運転モードＭをモード（理論空燃比運転）に
変更する（ステップ５３１、５３３）。すなわち、本実
施形態では機関の運転空燃比をモード（弱リーン空燃
比領域）での運転に変更する要求があった場合には、モ
ードの代りにモード（理論空燃比）での運転に変更
することにより、弱リーン空燃比領域で機関が運転され
ることを防止している。ステップ５３５またはステップ
５３９実行後、本実施形態においても図３ステップ２３
７から２５７の操作が実行される。

【００６６】本実施形態によれば、機関が弱リーン空燃
比領域で運転されることがなくなるため、一層確実にＮ
Ｏ_X 吸蔵還元触媒下流側への未浄化のＮＯ_X の流出が防
止されるようになる。なお、本実施形態においても中途
空燃比運転時には機関の急激な出力変化を抑制するた
め、点火時期またはスロットル弁開度の調整が行なわれ
る。

【００６７】（４）第４の実施形態 上述の各実施形態では、機関の運転モードは機関運転状
態パラメータ（例えばアクセル開度と機関回転数）に応
じて前述のからのモードのいずれかに設定される。
このため、機関がのモードで運転される場合には運転
空燃比が弱リーン空燃比領域（理論空燃比から空燃比２
０までの領域）に設定されてＮＯ_X 吸蔵還元触媒下流側
への未浄化のＮＯ_X の流出が生じる場合がある。また、
機関運転空燃比変更時にもモードでの中途空燃比運転
が行なわれる場合があり、同様に機関が一時的に弱リー
ン空燃比領域で運転される場合が生じる。このため、上
記各実施形態では、弱リーン空燃比における中途空燃比
運転時間を短縮する等により未浄化のＮＯ_X の流出を防
止している。

【００６８】本実施形態では、当初から機関運転モード
を、及び、の４つのみに設定して、機関の運転
モードとしてモード（均質リーン空燃比燃焼）が選択
されることがないようにした点が相違している。前述の
ように、本実施形態においてもアクセル開度と機関回転
数とに基づいて予め定めたマップから運転モードを設定
するが、選択される運転モードはとのみとされ
ている。すなわち、前述の各実施形態では機関負荷が増
大するにつれて運転モードが→→→→の順に
切り換えられるが、本実施形態で使用される運転モード
マップには始めから運転モードが存在せず、機関負荷
増大につれて運転モードは→→→の順に切り換
えられるようになっている。この場合、例えば運転モー
ド及びは、従来モードで運転されていた負荷領域
をカバーするように、前述の各実施形態におけるより広
い負荷範囲に設定される。なお、各運転モード（、
、、）の負荷領域は実際の機関を用いた適合操作
により定められるが、このように当初から運転モード
が存在しないように運転モード切り換えマップを作成す
ることにより、機関が弱リーン空燃比領域で運転される
可能性がなくなり、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒下流側への未浄
化のＮＯ _X の流出を完全に防止することが可能となる。
なお、上記は運転モードでの運転を全く行なわないよ
うにした例について説明したが、運転モードを全くな
くすのではなく、運転モードのうち機関運転空燃比が
弱リーン空燃比領域（理論空燃比から空燃比２０までの
領域）になる運転状態を他の空燃比領域（理論空燃比以
下、または空燃比２０以上の領域）での運転に置き換え
たマップを使用することによっても機関の弱リーン空燃
比領域における運転を防止することが可能となる。

【００６９】

【発明の効果】各請求項に記載の発明によれば、排気通
路にＮＯ_X 吸蔵還元触媒を配置して機関排気中のＮＯ_X
を吸収、還元浄化する場合において、機関の運転空燃比
変化により未浄化のＮＯ_X がＮＯ_X 吸蔵還元触媒下流側
に流出すること抑制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】本発明の第１の実施形態を説明するフローチャ
ートの一部である。

【図３】本発明の第１の実施形態を説明するフローチャ
ートの一部である。

【図４】本発明の第２の実施形態を説明するフローチャ
ートの一部である。

【図５】本発明の第３の実施形態を説明するフローチャ
ートの一部である。

【図６】本発明の第３の実施形態を説明するフローチャ
ートの一部である。

【図７】ＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X 吸蔵能力の空燃比
による変化傾向を説明する図である。

【図８】内燃機関のＮＯ_X 排出量の運転空燃比による変
化傾向を説明する図である。

【符号の説明】

１…内燃機関 ２…排気通路 ７…ＮＯ_X 吸蔵還元触媒 １５…スロットル弁 ２９ａ、２９ｂ、３１…空燃比センサ ３０…電子制御ユニット（ＥＣＵ） ３７…アクセル開度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０１Ｎ 3/28 ３０１ Ｆ０１Ｎ 3/28 ３０１Ｃ Ｆ０２Ｄ 41/14 ３１０ Ｆ０２Ｄ 41/14 ３１０Ｐ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｂ ３０１Ｅ ３０１Ｋ Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｂ (72)発明者 鈴木 直人 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 出村 隆行 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 宮下 茂樹 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G022 AA00 AA07 CA00 DA01 DA02 EA07 GA00 GA05 GA07 GA08 3G084 AA00 BA05 BA09 BA13 BA15 BA17 BA21 CA03 CA04 DA10 DA11 FA10 FA11 FA30 FA33 3G091 AA12 AA17 AA24 AB03 AB06 BA14 CB02 CB03 DC01 EA01 EA06 EA07 EA34 FA11 FB10 FB12 GB02X GB03X GB04X GB05X GB10W HA08 HA36 HA37 3G301 HA01 HA04 HA16 JA04 JA25 KA06 LA00 LA03 LA05 LB04 MA01 MA13 MA18 MA26 ND01 NE13 PA07Z PD04Z PD08A PD08Z PE01Z PF03Z

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 必要に応じて理論空燃比よりリーンな空
   燃比から理論空燃比よりリッチな空燃比までの範囲で運
   転空燃比を変更する内燃機関の排気浄化装置であって、 機関排気通路に配置された、流入する排気の空燃比がリ
   ーンのときに排気中のＮＯ_X 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ＮＯ_X を放出するＮＯ_X
   吸蔵還元触媒と、 機関運転空燃比を変化させる際に、変化前の出発空燃比
   から変化後の目標空燃比である到達空燃比に至るまでの
   間に前記出発空燃比と到達空燃比との間の空燃比での中
   途空燃比運転を経て空燃比を変化させることにより機関
   出力の急変を抑制する空燃比調節手段と、 機関運転空燃比を変化させる際に、特定のリーン空燃比
   領域で前記中途空燃比運転が行なわれる場合には、前記
   特定のリーン空燃比領域における中途空燃比運転時間が
   他の空燃比領域における中途空燃比運転時間より短くな
   るように、前記特定のリーン空燃比領域における中途空
   燃比運転時間を短縮する空燃比変化調節手段と、 を備えた内燃機関の排気浄化装置。
2. 【請求項２】 前記空燃比変化調節手段は、機関空燃比
   をステップ的に変化させて前記特定のリーン空燃比領域
   を通過させ、前記特定のリーン空燃比領域における中途
   空燃比運転を回避する請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 【請求項３】 更に、機関運転空燃比を変化させる際
   に、機関運転空燃比が前記特定のリーン空燃比領域を通
   過中は機関点火時期または機関吸入空気量を調節し機関
   出力の急変を抑制する出力調節手段を備えた請求項１又
   は請求項２に記載の排気浄化装置。
4. 【請求項４】 理論空燃比よりリーンな空燃比から理論
   空燃比よりリッチな空燃比までの範囲で運転空燃比を変
   更可能な内燃機関の排気浄化装置であって、機関排気通
   路に配置された、流入する排気の空燃比がリーンのとき
   に排気中のＮＯ_X 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ＮＯ_X を放出するＮＯ_X 吸蔵還元触
   媒と、 予め定めた関係に基づいて機関運転状態に応じて機関の
   運転空燃比目標値を設定する目標空燃比設定手段と、 前記目標空燃比設定手段の設定した目標値が特定のリー
   ン空燃比領域外にある場合には、機関の実運転空燃比を
   前記目標値と同じ値に設定し、前記目標値が特定のリー
   ン空燃比領域にある場合には前記実運転空燃比を前記特
   定のリーン空燃比領域外の予め定めた空燃比に設定する
   実運転空燃比設定手段と、 前記機関の運転空燃比が前記実運転空燃比設定手段の設
   定した実運転空燃比になるように機関運転空燃比を制御
   する空燃比制御手段と、 を備えた内燃機関の排気浄化装置。
5. 【請求項５】 更に、前記目標空燃比設定手段により前
   記目標値が前記特定のリーン空燃比領域に設定されたと
   きに、前記空燃比制御手段により機関運転空燃比が実運
   転空燃比に変更されるまでの間機関点火時期または機関
   吸入空気量を調節し機関出力の急変を抑制する出力調節
   手段を備えた請求項４に記載の排気浄化装置。
6. 【請求項６】 理論空燃比よりリーンな空燃比から理論
   空燃比よりリッチな空燃比までの範囲で運転空燃比を変
   更可能な内燃機関の排気浄化装置であって、 機関排気通路に配置された、流入する排気の空燃比がリ
   ーンのときに排気中のＮＯ_X 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ＮＯ_X を放出するＮＯ_X
   吸蔵還元触媒と、 機関運転状態に応じて機関の運転空燃比目標値を設定す
   る目標空燃比設定手段と、 前記機関の運転空燃比が前記目標空燃比設定手段の設定
   した目標空燃比になるように機関運転空燃比を制御する
   空燃比制御手段と、を備え、 前記目標空燃比は、常に特定のリーン空燃比領域外の空
   燃比に設定されるようにした内燃機関の排気浄化装置。
7. 【請求項７】 前記特定のリーン空燃比領域は理論空燃
   比から空燃比２０までの領域である請求項１、請求項
   ３、請求項６のいずれか１項に記載の排気浄化装置。