JP3610893B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は触媒を用いた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
内燃機関の始動直後に排出される還元剤成分であるＨＣ，ＣＯの浄化と、リーン運転中に排出されるＮＯｘの浄化とを両立させるため、始動用触媒の下流側にＮＯｘ吸収剤を設け、点火栓による着火燃焼（主燃焼）の後に追加燃料を供給して排気空燃比をリッチ化するようにしたものが知られている（特開平１１一６２５６３号公報）。
【０００３】
このような排気浄化装置において、始動用として上流側に配設する触媒には還元剤成分を高効率で酸化浄化する機能を持つことが求められるが、一般的にこのような機能を有する触媒は排気ガス中の酸素をトラップ保持する機能をも備えている。一方、下流側の触媒にトラップ保持されているＮＯｘを還元浄化して下流側の触媒を再生すること、すなわちＮＯｘトラップ機能を回復させるためには、下流側の触媒に還元剤成分を供給すればよいが、この還元剤成分を燃焼室におけるリッチ空燃比混合気の燃焼によって生成する場合、燃焼によって生じた還元剤成分は先ず上流側の触媒へ流入し、上流側の触媒が保持している酸素によって酸化されることになる。このため、還元剤成分が下流側の触媒へ到達するのは、上流側の触媒が保持していた酸素が全て消費された後になる。上流側の触媒で酸化されてしまう還元剤成分は、ＮＯｘの還元浄化には寄与しないので無駄であり、還元剤成分のもとが燃料であることを考慮すれば、このような無駄の発生は燃費を悪化させる要因となることが分かる。
【０００４】
ところで、前述の従来技術の装置は、各気筒群毎の新気通路に上流側の触媒を配設しており、このような構成下では、一方の気筒群だけをリッチ空燃比とすることで還元剤成分の無駄を低減可能である。すなわち、還元剤成分の無駄な酸化は、リッチ空燃比とする気筒群の排気通路に配設された触媒上でだけ発生するので、無駄に酸化される還元剤成分の量を半減させることができる。その一方、残りの気筒群の空燃比をストイキ空燃比（理論空燃比）とした場合には次のような問題が生じる。保持酸素による還元剤成分の酸化が行われている間、リッチ空燃比とする気筒群の触媒からはほぼストイキ空燃比の排気ガスが流出する。ストイキ空燃比とする気筒群の触媒からは当然ストイキ空燃比の排気ガスが流出する。これらの排気ガスが合流して下流側の触媒へ流入すると、下流側の触媒はそれまで保持していたＮＯｘをそのまま、浄化することなく放出することがある。すなわち、下流側の触媒の再生制御の開始からしばらくの期間、未浄化のＮＯｘが下流側の触媒から流出することになる。これに対して、残りの気筒群の空燃比をリーン空燃比とした場合、こんどは次のような問題が生じる。この場合、リッチ空燃比とする気筒群からの還元剤成分が上流側の触媒を通過するようになると、下流側の触媒上でＮＯｘの還元浄化が行われるようになるが、このときリーン空燃比とする気筒群から排出されたリーンな排気ガスが同時に下流側の触媒へ流入するので、下流側の触媒上でのＮＯｘの還元反応の反応効率が低下してしまう。すなわち、リーンな排気ガス中には酸素が多量に含まれているため、下流側の触媒上ではＮＯｘと還元剤成分との反応と酸素と還元剤成分との反応とが同時に発生することになり、このため還元剤成分だけを下流側の触媒へ供給する場合よりもＮＯｘの還元反応の反応効率が低下するのである。本発明はこのような従来の問題点を解消することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、第１の発明では、多気筒内燃機関の第１の気筒群と第２の気筒群のそれぞれの排気通路に配設され、流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときに排気ガス中の酸素をトラップして保持し、流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに保持していた酸素を放出して排気ガス中の還元剤成分を酸化する機能を有する第１の上流側触媒および第２の上流側触媒と、前記各気筒群の排気通路を各上流側触媒よりも下流側にて合流させた下流側排気通路に配設され、流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときに排気ガス中のＮＯｘをトラップして保持し、流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに保持していたＮＯｘを排気ガス中の還元剤成分で還元する機能を有する下流側触媒と、前記各気筒群毎に異なる燃料量を供給可能な燃料供給手段と、保持されているＮＯｘを還元して前記下流側触媒のＮＯｘトラップ機能を回復させるための触媒再生制御を開始するか否かを判断する判断手段と、前記判断手段の判断結果に応じて触媒再生制御を実行するときに、前記燃料供給手段を介して、触媒再生制御開始から所定期間は第１の気筒群の空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に、かつ第２の気筒群の空燃比を理論空燃比よりもリーン側に制御し、前記所定期間経過後は第１の気筒群の空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に、かつ第２の気筒群の空燃比を略理論空燃比に制御する燃料制御手段とを備えた。
【０００６】
第２の発明は、前記第１の発明の所定期間を、前記第１の上流側触媒からの酸素放出によって該触媒から流出する排気の空燃比がほぼ理諭空燃比に維持される期間とした。
【０００７】
第３の発明は、前記第２の発明において、触媒再生制御開始からの経過時間を計測する計測手段を備え、前記燃料制御手段を、この計測した経過時間に基づいて前記所定期間が経過したか否かを判定するように構成した。
【０００８】
第４の発明は、前記第２の発明において、前記第１の上流側触媒の酸素保持量を推定する推定手段を備え、前記燃料制御手段を、推定した酸素保持量に基づいて前記所定期間が経過したか否かを判定するように構成した。
【０００９】
第５の発明は、前記第４の発明の推定手段を、前記第１の上流側触媒の瞬時反応形態による酸素保持量と遅反応形態による酸素保持量とをそれぞれ推定するよう構成し、前記燃料制御手段を、推定した瞬時反応形態による酸素保持量に基づいて前記所定期間が経過したか否かを判定するように構成した。
【００１０】
第６の発明は、前記第４または第５の発明において、前記第１の上流側触媒に流入する排気ガスの空燃比を広範囲に検出可能なリニア空燃比センサを備え、前記推定手段を、検出した空燃比に基づいて酸素保持量の推定を行なうように構成した。
【００１１】
第７の発明は、前記第２の発明において、前記第１の上流側触媒から流出する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるか否かを検出可能な空燃比センサを備え、前記燃料制御手段を、検出した空燃比がリッチ空燃比に変化したか否かに基づいて前記所定期間が経過したか否かを判定するように構成した。
【００１２】
第８の発明は、前記第１の発明の判断手段を、機関の吸入空気量と主燃焼の空燃比とから算出したＮＯｘ量の積算値が、前記下流側触媒の特性に応じて定めた所定の基準値を越えたときに触媒再生制御を開始すると判断するように構成した。
【００１３】
【作用・効果】
前記第１の発明以下の各発明では、下流側触媒の再生制御開始当初は第１の気筒群をリッチ空燃比、第２の気筒群をリーン空燃比とし、下流側触腺へ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比にならないように図る（リッチ・リーン運転モード）。このように各気筒群の空燃比が制御されているとき、リッチ側である第１の気筒群から排出された排気ガスは還元剤成分（ＨＣ，ＣＯ）を多く含んでいるが、この還元剤成分は第１の上流側触媒の保持酸素によって酸化されてしまうのでその下流の排気ガスはストイキ相当の空燃比となっている。これに対して、リーン側である第２の気筒群に接続した第２の上流側触媒の下流では排気ガスは弱リーン空燃比となる。したがって、これら第１、第２の気筒群の排気ガスが合流した排気ガス、すなわち下流側触媒に流入する排気ガスの空燃比も弱リーンとなる。したがって、第１の上流側触媒から保持酸素を放出させている間、下流側触媒からＮＯＸが放出されるのを防止することができる。
【００１４】
一方、第１の上流側触媒から酸素が放出される期間が終了して還元剤成分が上流側触媒を通過しやすい状態となったら、第１の気筒群をリッチ空燃比、第２の気筒群をほぼ理論空燃比とする（リッチ・ストイキ運転モード）。このように各気筒群の空燃比制御が開始されると、第１の気筒群から排出された排気ガス中の還元剤成分は第１の上流側触媒を通過して下流へ流出する一方、第２の上流側触媒下流の排気ガスは理論空燃比となっており、この排気ガス中には酸素がほとんど含まれていない。したがって、これらが合流して下流側触媒１３に流入する排気ガスはリッチ空燃比、かつ酸素をほとんど含んでいない。このため、第１の上流側触媒からの酸素放出が終了した後は、酸素の同時流入を回避しつつ下流側触媒へ還元剤成分を供給することができ、還元剤成分と保持ＮＯｘとの効率の良い反応を確保することができる。
【００１５】
前記触媒再生制御は、例えば第８の発明として示したように、吸入空気量と主燃焼の空燃比とから算出したＮＯｘ量の積算値が、下流側触媒の特性に応じて定めた所定の基準値を超えたときに開始するように構成し、これにより下流側触媒に保持されるＮＯｘ量に応じた、むだのない触媒再生制御を行うことができる。また、触媒再生制御を行う期間は、第２の発明として示したように、第１の上流側触媒からの酸素放出によって該触媒から流出する排気の空燃比がほぼ理諭空燃比に維持される期間に設定する。
【００１６】
前記の第１の上流側触媒から流出する排気の空燃比がほぼ理諭空燃比に維持される期間については、これを第３の発明以下の手法で判定することが可能である。すなわち、第３の発明では触媒再生制御開始からの経過時間に基づいて所定期間を判定する。また、第４の発明では、所定期間を第１の上流側触媒の酸素保持量の推定値に基づいて判定する。この場合の酸素保持量は例えば第５の発明として示したように、第１の上流側触媒の瞬時反応形態による酸素保持量と遅反応形態による酸素保持量のうち、瞬時反応形態による酸素保持量の推定値に基づいて判定することにより精度の高い制御結果が得られる。また、前記酸素保持量の推定値は、第６の発明として示したように、排気空燃比検出手段として設けたリニア空燃比センサにより検出した空燃比に基づいて算出することにより精度の高い推定結果が得られる。なお、前記第２の発明の所定期間は、第７の発明として示したように、第１の上流側触媒から流出する排気の空燃比を検出する空燃比センサからの検出空燃比に基づいて判定することもでき、この場合は触媒の反応結果を利用するので制御系の演算負担をより軽減することができる。
【００１７】
【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および図２は本発明による実施形態の機械的構成例を概略的に表したものである。各図において１はマイクロコンピュータおよびその周辺装置から構成されたコントロールユニットである。このコントロールユニット１は、本発明の燃料制御手段としての機能を有し、すなわち各種運転状態信号に基づいて火花点火式内燃機関２の燃料噴射量を制御し、さらに点火時期等を制御する機能をも有する。機関制御のための基本的な検出量は吸気通路３の途中に設けられたエアフロメータ４からの吸気量信号とクランク角センサ５からの機関回転数信号であり、詳しくは後述するが、例えば燃料噴射量はこれらの信号から定まる基本値を図示しない水温センサからの冷却水温信号、排気酸素センサ（以下「Ｏ２センサ」と表す）６からの酸素濃度信号等に応じて補正することによりその信号値を決定する。燃料噴射量信号は、機関燃焼室内に燃料を直接噴射供給するように構成された燃料噴射弁７に付与され、これにより所要量の燃料が内燃機関２に供給される。また、点火時期については、アクセルセンサ８からのアクセル操作量と機関回転数とから定まる基本値を水温等により補正することでその信号値が決定され、クランク角センサ５からのクランク位置信号を参照しながら前記信号値に応じたタイミングで点火栓９に点火電流が供給される。１０は電子制御スロットルバルブであり、コントロールユニット１からの指令に基づいて所要の空気量が得られるようにその開度が制御される。
【００１８】
内燃機関２は図２に示したように直列４気筒形式であり、その＃１，＃４気筒を第１の気筒群としてこれらに共通の排気通路１１Ａの途中に第１の上流側触媒１２Ａが介装され、また＃２，＃３気筒を第２の気筒群としてこれらに共通の排気通路１１Ｂの途中に第２の上流側触媒１２Ｂが介装されている。さらに前記各上流側触媒１２Ａ，１２Ｂの下流側にて各排気通路１１Ａ、１１Ｂは合流し、この合流部よりも下流側の排気通路１１Ｃの途中に下流側触媒１３が介装されている。なお前記Ｏ２センサ６は第１の上流側触媒１２の上流側に設けられている。
【００１９】
前記各上流側触媒１２Ａ，１２Ｂは、それぞれアルミナをコーティングしたハニカム担体に白金系貴金属とセリウム等の助触媒を担持した構成を有し、流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときに排気中の酸素をトラップして保持し、流入する排気の空燃比がリッチ空燃比であるときに保持していた酸素を放出して排気中の還元剤成分を酸化する機能を有する。一方、下流側触媒１３は、アルミナをコーティングしたハニカム担体に白金系貴金属とアルカリ金属、アルカリ土類金属を担持した構成を有し、流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときに排気中のＮＯｘをトラップして保持し、流入する新気の空燃比がリッチ空燃比であるときに保持していたＮＯｘを排気中の還元剤成分で還元する機能を有する。
【００２０】
次に上記コントロールユニット１による触媒再生制御の実施形態につき図３以下に示した流れ図、および図７に示したタイミングチャートを参照しながら説明する。なお図３以下に示した各流れ図はそれぞれ例えば約１０ｍｓｅｃ毎に周期的に実行される。
【００２１】
触媒再生制御の第１の実施形態では、下流側触媒１３のＮＯｘトラップ量の積算値（ΣＮＯｘ）が所定値（ΣＮＯｘｔｈ）に達すると、まず、第１の気筒群（＃１，＃４）の空燃比をリッチとし、第２の気筒群（＃２，＃３）の空燃比を弱リーンとするリッチ・リーン運転モードで触媒再生制御を開始し、所定時間（ＲＳＴｔｈ）が経過した時点で第１の気筒群の空燃比をリッチとし、第２の気筒群の空燃比を略理論空燃比とするリッチ・ストイキ運転モードに切り換えて触媒再生制御を継続させる。
【００２２】
図３は触媒再生制御の要否を判断するルーチンであり、触媒再生制御の要否を示すフラグＦＲＳの設定を行なう。ＦＲＳ＝１で触媒再生制御要、ＦＲＳ＝０で触媒再生制御不要を示す。以下、制御ルーチンのステップを順を追って説明する。
Ｓ１０１：触媒再生制御要否フラグＦＲＳが０であるか否か、すなわち、前回本ルーチンを実行したときの判断が「触媒再生制御不要」であったか否かを判断する。本実施形態では、触媒再生制御を行なわないときの空燃比をリーン空燃比とする（詳細は図５を参照）。よって、本ステップの判断がＹＥＳであるとき、下流側触媒１３は排気ガス中のＮＯｘをトラップして保持する。
Ｓ１０２：吸入空気量Ｑａと目標当量比の基本値ＴＦＢＹＡ０とに基づき、単位時間（例えば本ルーチン実行時間間隔。以下同様。）当たりに下流側触媒１３へ流入するＮＯｘ量△ＮＯｘを算出する。Ｑａは、直前に実行された吸入空気量検出ルーチン（図示略）でエアフロメータ４の出力信号から算出された最新の値であり、４気筒分の吸入空気量を示す値である。また、ＴＦＢＹＡ０は、直前に実行された目標空燃比設定ルーチン（図５）で算出された最新の値を使用する。なお、前記の目標当量比とは、制御しようとする混合気の空燃比と理論空燃比との比率であり、ＴＦＢＹＡ＝１のときは理論空燃比、ＴＦＢＹＡ＞１のときはリッチ空燃比、ＴＦＢＹＡ＜１のときはリーン空燃比を表す。ＴＦＢＹＡ１＜１（リーン空燃比運転）のとき、下流側触媒に流入する排気の空燃比もリーン空燃比となり、下流側触媒は新気中のＮＯｘをトラップして保持する。
Ｓ１０３：前回本ルーチンを実行したときに算出したトラップＮＯｘ積算値ΣＮＯｘｚにＳｌ０２の△ＮＯｘを加算して、新たなトラップＮＯｘ積算値ΣＮＯｘを算出する。ただし、流入する排気ガス中の全てのＮＯｘが下流側触棋１３にトラップされるわけではないので、このトラップ率をｋ１（＜１）とし、ｋ１×△ＮＯｘをΣＮＯｘｚに加えるようにしている。下流側触媒１３のＮＯｘトラップ率は、下流側触媒１３の状態、例えば温度、現在のＮＯｘ保持量等によって変化するので、これに合わせてｋ１の値を可変設定するとよい。
Ｓ１０４：トラップＮＯｘ積算値ΣＮＯｘが所定値ＮＯｘｔｈより大きいか否かを判断する。ＮＯｘｔｈは、下流側触媒が良好なＮＯｘトラップ能力を維持できる限界のＮＯｘ保持量に相当する値であり、実験的に求めてコントロールユニット１内のメモリに記憶させておいた値を使用する。
Ｓ１０５：触媒再生制御要否フラグＦＲＳを１に設定する。
Ｓ１０６：再生運転モードフラグＦＲＳＫが０であるか否か、すなわちリッチ・リーン運転モード選択中であるか否かを判断する。
Ｓ１０７：Ｓ１０６でリッチ・リーン運転モード選択中であると判断された場合は、吸入空気量Ｑａと第２気筒群の目標当量比ＴＦＢＹＡ２とに基づき、単位時間当たりに下流側触媒１３へ流入するＮＯｘ量△ＮＯｘを算出する。詳細には、Ｑａの半分（２気筒分の吸入空気量）とＴＦＢＹＡ２とに基き、第２の気筒群から排出される排気ガス中のＮＯｘ量を算出し、これを△ＮＯｘとする。なお、第１の気筒群から排出される排気ガス中のＮＯｘは第１の上流側触媒１２Ａで還元浄化され、下流側触媒１３へ流入することはない。ＴＦＢＹＡ２は、直前に実行された目標空燃比設定ルーチン（図５）で算出された最新の値を使用する。
Ｓ１０８：Ｓ１０３と同様の演算を行なって新たなトラップＮＯｘ積算値ΣＮＯｘを算出する。なお、このときの下流側触媒１３は良好なＮＯｘトラップ能力を維持できる状態（ＮＯｘトラップ率が高い状態）にないため、この間（ＦＲＳＫ＝０の間）のＮＯｘ取りこぼし量は比較的多くなる。
【００２３】
リッチ・リーン運転モードが選択され、第１の気筒群の空燃比がリッチ空燃比に、第２の気筒群の空燃比が弱リーン空燃比に制御されているとき、第１の気筒群から排出された排気ガスは還元剤成分（ＨＣ，ＣＯ）を多く含んでいるが、この還元剤成分は第１の上流側触媒１２Ａの保持酸素によって酸化されてしまい、還元剤成分が第１の上流側触媒１２Ａの下流へ流出することはない。すなわち、第１の上流側触媒１２Ａ下流の排気ガスはストイキ相当の空燃比となっている。一方の第２の上流側触媒１２Ｂ下流の排気ガスは弱リーン空燃比となっており、これらの排気ガスが合流した排気ガス、すなわち下流側触媒１３に流入する排気ガスの空燃比も弱リーンとなる。このような制御により、第１の上流側触媒１２Ａから保持酸素を放出させている間、下流側触媒１３からＮＯｘが放出されるのを防止することができる。
Ｓ１０９：Ｓ１０６でリッチ・リーン運転モード選択中でないと判断された場合、すなわちリッチ・ストイキ運転モ一ド選択中であると判断された場合は、吸入空気量Ｑａと第１気筒群の目標当量比ＴＦＢＹＡ１とに基づき、単位時間当たりに下流側触媒１３へ流入する還元剤成分量△ＲＡを算出する。詳細には、Ｑａの半分（２気筒分の吸入空気量）とＴＦＢＹＡ１とに基き、第１気筒群から排出される排気ガス中の還元剤成分量を算出し、これを△ＲＡとする。ＴＦＢＹＡ１は、直前に実行された目標空燃比設定ルーチン（図５）で算出された最新の値を使用する。
Ｓｌ１０：前回本ルーチンを実行したときに算出したトラップＮＯｘ積算値ΣＮＯｘｚから還元浄化されるＮＯｘ量（＝ｋ２×△ＲＡ）を減算して、新たなトラップＮＯｘ積算値ΣＮＯｘを算出する。ｋ２は、還元剤成分の量を還元されるＮＯｘ量に換算するための係数である。
Ｓ１１１：トラップＮＯｘ積算値ΣＮＯｘが負の値となったか否かを判断する。ΣＮＯｘが負の値となれば下流側触媒１３に保持されていたＮＯｘが完全に還元浄化されたと判断することができる。
Ｓ１１２：触媒再生制御要否フラグＦＲＳを０に設定すると共に、トラップＮＯｘ積算値ΣＮＯｘを０にする。
【００２４】
リッチ・ストイキ運転モードが選択され、第１の気筒群の空燃比がリッチ空燃比に、第２の気筒群の空燃比が理論空燃比に制御されているとき、第１の気筒群から排出された排気ガス中の還元剤成分は第１の上流側触媒１２Ａを通過して下流へ流出する。一方、第２の上流側触媒１２Ｂ下流の排気ガスは理論空燃比となっており、この排気ガス中には酸素がほとんど含まれていない。これらの排気ガスが合流した排気ガス、すなわち下流側触媒１３に流入する排気ガスは、空燃比がリッチであり、かつ酸素をほとんど含んでいない。このような制御により、第１の上流側触媒１２Ａからの酸素放出が終了した後は、酸素の同時流入を回避しつつ下流側触媒１３へ還元剤成分を供給することができ、還元剤成分と保持ＮＯｘとの効率の良い反応を確保することができる。
【００２５】
図４は再生運転モード設定ルーチンであり、前述した何れかの運転モードを示すフラグＦＲＳＫの設定を行なう。ＦＲＳＫ＝０でリッチ・リーン運転モード、ＦＲＳＫ＝１でリッチ・ストイキ運転モードを示す。
Ｓ２０１：触媒再生制御要否フラグＦＲＳが１であるか否かを判断する。ＦＲＳは、直前に実行された触媒再生制御要否判断ルーチン（図３）で設定された最新の値を使用する。
Ｓ２０２：触媒再生制御要否フラグ前回値ＦＲＳＺが０であるか否かを判断する。ＦＲＳＺは、前回本ルーチンを実行したときのフラグＦＲＳを記憶・保存しておいた値である。
Ｓ２０３：触媒再生制御継続時間ＲＳＴを０にリセットする。このステップは、触媒再生制御開始時（ＦＲＳＺ＝０かつＦＲＳ＝１）に実行される。
Ｓ２０４：前回本ルーチンを実行したときに算出した触媒再生制御継続時間ＲＳＴｚに単位時間△ｔ（本ルーチン実行時間間隔）を加算して、新たな触媒再生制御継続時間ＲＳＴを算出する。このステップは、触媒再生制御継続中（ＦＲＳＺ＝１かつＦＲＳ＝１）に実行される。
Ｓ２０５：触媒再生制御継続時間ＲＳＴが所定値ＲＳＴｔｈより小さいか否かを判断する。ＲＳＴｔｈは、触媒再生制御を開始してから下流側触媒１３の入口がリッチ空燃比となるまでの時間、すなわち第１の上流側触媒１２Ａに保持されていた酸素がすべて放出されるまでの時間に相当する値であり、実験的に求めてコントロールユニット１内のメモリに記憶させておいた値を使用する。
Ｓ２０６：再生運転モードフラグＦＲＳＫを０に設定する。
Ｓ２０７：再生運転モードフラグＦＲＳＫを１に設定する。
【００２６】
図５は目標空燃比設定ルーチンであり、第１の気筒群に対する目標当量比ＴＦＢＹＡ１と第２の気筒群に対する目標当量比ＴＦＢＹＡ２とを算出する。
Ｓ３０１：アクセル開度ＡＰＳとエンジン回転数Ｎｅとに基づき、目標当量比の基本値ＴＦＢＹＡ０を算出する。具体的には、ＡＰＳとＮｅとに対応させてＴＦＢＹＡ０を記憶させてある制御マップから値をルックアップする。この制御マップには、良好な燃費が得られるよう空燃比を大幅にリーン化する値、例えば、０．４〜０．７程度の値が設定されている。ＡＰＳは、直前に実行されたアクセル開度検出ルーチン（図示略）でアクセルセンサ８の出力信号から算出された最新の値を使用する。Ｎｅは、直前に実行されたエンジン回転数検出ルーチン（図示略）でクランク角センサ５の出力信号から算出された最新の値を使用する。
Ｓ３０２：触媒再生制御要否フラグＦＲＳが１であるか否かを判断する。ＦＲＳは、直前に実行された触媒再生制御要否判断ルーチン（図３）で設定された最新の値を使用する。
Ｓ３０３：触媒再生制御を行なわないときは、第１の気筒群の目標当量比ＴＦＢＹＡ１と第２の気筒群の目標当量比ＴＦＢＹＡ２を共にＳ３０１で算出した基本値ＴＦＢＹＡ０とする。
Ｓ３０４：再生運転モードフラグＦＲＳＫが０であるか否かを判断する。ＦＲＳＫは、直前に実行された再生運転モード設定ルーチン（図４）で設定された最新の値を使用する。
Ｓ３０５：再生運転モードフラグＦＲＳＫが０（リッチ・リーン運転モードを選択）であるときは、第１の気筒群の目標当量比ＴＦＢＹＡ１を所定のリッチ空燃比相当値であるＲＩＣＨに設定するとともに、第２の気筒群の目標当量比ＴＦＢＹＡ２を所定のリーン空燃比相当値であるＬＥＡＮに設定する。ＲＩＣＨは、例えば１．３（空燃比にして約１１）程度の値である。この値が大きいほど第１の上流側触媒１２Ａから速やかに酸素を放出させることができるが、リッチ失火を生じない範囲の値とする必要がある。ＬＥＡＮは、例えば０．８（空燃比にして約１８）程度の値である。このような設定により、第１の上流側触媒１２Ａから流出する排気ガス（略理論空燃比となっている）と第２の上流側触媒１２Ｂから流出する排気ガスとが合流した後の排気ガスの空燃比は１６程度となる。下流側触媒１３へ流入する排気ガスの空燃比がこの程度のリーン空燃比（酸素濃度で２％以上）であれば、下流側触媒１３はＮＯｘをトラップ保持し得る状態にあり、保持ＮＯｘを放出することはない。なお、図３のＳ１０７，Ｓ１０８の説明の通り、リッチ・リーン運転モード選択中の下流側触媒１３は良好なＮＯｘトラップ能力を維持できる状態にない。よって、ＮＯｘ発生量がピークとなる空燃比を避けるようにＬＥＡＮの値を設定することが望ましい。
Ｓ３０６：再生運転モードフラグＦＲＳＫが１（リッチ・ストイキ運転モードを選択）であるときは、第１の気筒群の目標当量比ＴＦＢＹＡ１を所定のリッチ空燃比相当値であるＲＩＣＨに設定するとともに、第２の気筒群の目標当量比ＴＦＢＹＡ２を理論空燃比相当値である１に設定する。ＲＩＣＨの値は、Ｓ３０５の値と同じでもよいが、望ましくは下流側触媒１３からのＮＯｘ放出特性や排気ガス流量に応じて変化させるようにする。
【００２７】
なお、コントロールユニット１は、アクセル操作量ＡＰＳと機関回転数Ｎｅとから機関の目標発生トルクを算出し、そのとき設定されている第１目標当量比ＴＦＢＹＡ１と目標発生トルクとから目標吸入空気量を算出し、この目標吸入空気量が得られるように電子制御スロットルバルブ１０の開度を制御する吸入空気量制御を行なっているので、本ルーチンで目標当量比が任意に設定されても、それによって機関トルクが変化するようなことはない。また、通常運転中（触媒再生制御要否フラグＦＲＳが０）は、第１の気筒群と第２の気筒群の目標当量比が共に基本値ＴＦＢＹＡ０なので、目標吸入空気量の算出にはこのＴＦＢＹＡ０を使用すればよい。一方、触媒再生制御運転中は、第１の気筒群と第２の気筒群の目標当量比が異なっている。このようなときはよりトルクの出難い第２の気筒群の目標当量比ＴＦＢＹＡ２を用いて目標吸入空気量を算出する。このとき、よりトルクの出やすい第１の気筒群では点火時期の遅角制御を行って気筒群間のトルク差を補償するようにする。
【００２８】
図６は燃料噴射量算出ルーチンであり、第１の気筒群用の燃料噴射量Ｔｉ１と第２の気筒群用の燃料噴射量Ｔｉ２を算出する。
Ｓ５０１：吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎｅとに基づいて、基本燃料噴射量Ｔｐ（理論空燃比相当の燃料噴射量）を算出する。Ｑａは、直前に実行された吸入空気量検出ルーチンでエアフロメータ４の出力信号から算出された最新の値を使用する。Ｎｅは、直前に実行されたエンジン回転数検出ルーチンでクランク角センサ５の出力信号から算出された最新の値を使用する。
Ｓ５０２：基本燃料噴射量Ｔｐに第１目標当量比ＴＦＢＹＡ１を乗じて、第１の気筒群用の燃料噴射量Ｔｉ１を算出する。ＴＦＢＹＡ１は、直前に実行された目標空燃比設定ルーチン（図５）で算出された最新の値を使用する。
Ｓ５０３：基本燃料噴射量Ｔｐに第２目標当量比ＴＦＢＹＡ２を乗じて、第２の気筒群用の燃料噴射量Ｔｉ２を算出する。ＴＦＢＹＡ２は、直前に実行された目標空燃比設定ルーチン（図５）で算出された最新の値を使用する。
【００２９】
前述のようにして算出された燃料噴射量Ｔｉ１，Ｔｉ２は、エンジン回転に同期して実行される燃料噴射ルーチン（図示略）で使用される。燃料噴射ルーチンでは、＃１気筒または＃４気筒が所定の燃料噴射時期となったとき、Ｔｉ１に応じた燃料噴射パルス信号をその気筒の燃料噴射弁７へ送信し、＃２気筒または＃３気筒が所定の燃料噴射時期となったとき、Ｔｉ２に応じた燃料噴射パルス信号をその気筒の燃料噴射弁７へ送信する。
【００３０】
次に、本発明による触媒再生制御の第２の実施形態につき説明する。この実施形態では、リーン空燃比による運転が継続して行われ下流側触媒１３のＮＯｘトラップ量の積算値（ΣＮＯｘ）が所定値（ΣＮＯｘｔｈ）に達すると、まず第１の気筒群の空燃比をリッチとし第２の気筒群の空燃比を弱リーンとするリッチ・リーン運転モードで触媒再生制御を開始し、上流側触媒の酸素保持量（ＯＳａ）が所定量（ＯＳａｔｈ）以下となった時点で第１の気筒群の空燃比をリッチとし第２の気筒群の空燃比を略ストイキとするリッチ・ストイキ運転モードに切換えて触媒再生制御を継続させる。
【００３１】
この制御では、第１の上流側触媒１２Ａの酸素保持量を算出するために、第１の上流側触媒１２Ａの上流に広域の空燃比をリニアに検出できる空燃比センサ２０を配設する（図８参照）。この場合、上流側触媒１２Ａの酸素保持量を推定して噴射モードの切換えを行なうので、その酸素保持量が０となる直前に精度よく噴射モードを切り換えることができる。以下、第１の実施形態と異なる部分につき説明する。
【００３２】
図９は再生運転モード設定ルーチンであり、この制御では前記第１の実施形態の図４に代えて本ルーチンにより再生運転モードを示すフラグＦＲＳＫの設定を行なう。
Ｓ６０１：触媒再生制御要否フラグＦＲＳが１であるか否かを判断する。ＦＲＳは、直前に実行された触媒再生制御要否判断ルーチン（図３）で設定された最新の値を使用する。
Ｓ６０２：上流側触媒の酸素保持量ＯＳａが所定量ＯＳａｔｈより大きいか否かを判断する。ＯＳａは、第１の上流側触媒１２Ａが保持している酸素のうち、還元剤成分（ＨＣ，ＣＯ）が流入すると瞬時に触媒から放出されてこれらの還元剤成分と反応し得る酸素の量である。このＯＳａが０になると、第１気筒群から排出された還元剤成分が第１の上流側触媒１２Ａを通過して下流側触媒１３へ届くようになるので、このＯＳａに基づいて再生運転モードの切換えを行なうようにしている。ＯＳａは、直前に実行された酸素保持量算出ルーチン（図１０参照）で設定された最新の値を使用する。ＯＳａｔｈは、０近傍の値に設定される。すなわち、第１の気筒群から排出された還元剤成分が第１の上流側触媒１２Ａを通過して下流側触媒１３へ届くようになる直前で再生運転モードがリッチ・リーン運転モードからリッチ・ストイキ運転モードヘ切換えられることになる。
Ｓ６０３：再生運転モードフラグＦＲＳＫを０に設定する。
Ｓ６０４：再生運転モードフラグＦＲＳＫを１に設定する。
【００３３】
図１０は酸素保持量算出ルーチンであり、酸素保持量ＯＳａ，ＯＳｂを算出する。
【００３４】
アルミナ、セリウム等を成分として持っている触媒は、流入する排気ガスがリーン空燃比（酸素過剰）であるとき排気ガス中の酸素をトラップして保持し、流入する排気ガスがリッチ空燃比（還元剤成分過剰）であるとき保持していた酸素を放出して排気ガス中の還元剤成分を酸化する機能を備えている。このような触媒の酸素保持機能には２種類の形態がある。一方の形態は酸素のトラップと放出がほぼ瞬時に行われる形態であり、他方の形態はトラップと放出が比較的ゆっくりを行われる形態である。ここでは、瞬時に反応する形態に係る酸素保持量を瞬時反応形態による酸素保持量ＯＳａとして算出し、ゆっくりと反応する形態に係る酸素保持量を遅反応形態による酸素保持量ＯＳｂとして算出する。ただし計算を簡単に行なうため、触媒の酸素保持機能を以下のように扱う。
【００３５】
▲１▼第１上流側触媒１２Ａに流入する排気ガスがリーン空燃比であるとき
・瞬時反応形態による酸素保持量が瞬時反応形態による酸素保持量の飽和量に達するまで、流入する酸素は全て瞬時反応形態でトラップされる。
【００３６】
・瞬時反応形態による酸素保持量が瞬時反応形態による酸素保持量の飽和量を超えた後は、全酸素保持量（瞬時反応形態による酸素保持量と遅反応形態による酸素保持量との和）が全酸素保持量の飽和量に達するまで、流入する酸素の一部が遅反応形態でトラップされる。
【００３７】
▲２▼第１上流側触媒１２Ａに流入する排気ガスがリッチ空燃比であるとき
・遅反応形態によって保持されていた酸素の一部が放出され、流入する還元剤成分を酸化する。
【００３８】
・遅反応形態の酸素の放出によって酸化されなかった残りの還元剤成分が、瞬時反応形態の酸素の放出によって酸化される。
【００３９】
・ただし、瞬時反応形態による酸素保持量が０になると、残りの還元剤成分は酸化されずに下流へ流出する。
Ｓ７０１：アクセル開度ＡＰＳとエンジン回転数Ｎｅとに基づき、第１上流側触媒１２Ａの温度Ｔｃａｔを算出する。具体的には、ＡＰＳとＮｅとに対応させてＴｃａｔを記憶させてある制御マップ（図１１参照）から値をルックアップする。ＡＰＳは、直前に実行されたアクセル開度検出ルーチン（図示略）でアクセル開度センサ８の出力信号から算出された最新の値を使用する。Ｎｅは、直前に実行されたエンジン回転数検出ルーチン（図示略）でクランク角センサ５の出力信号から算出された最新の値を使用する。
Ｓ７０２：第１の上流側触媒１２Ａの温度Ｔｃａｔに基づき、第１の上流側触媒１２Ａの酸素保持量の飽和量ＯＳＣ，ＯＳａＣを算出する。具体的には、Ｔｃａｔに対応させてＯＳＣ，ＯＳａＣを記憶させてある制御テーブル（図１２参照）から値をルックアップする。なお、酸素保持量の飽和量は触媒の劣化度合いによっても変化するので、Ｔｃａｔと劣化度合いに対応させてＯＳＣ，ＯＳａＣを算出するようにするとよりよい。
Ｓ７０３：空燃比ＡＢＹＦに基づき、第１の上流側触媒１２Ａに流入する排気ガスの過不足酸素濃度０２を算出する。具体的には、ＡＢＹＦに対応させて０２を記憶させてある制御テーブル（図１３参照）から値をルックアップする。空燃比がリーンであるとき、排気ガス中の酸素（ＮＯｘ中の酸素を含む）と還元剤成分とが完全に反応したとしても酸素が余ることになり、０２はこの過剰酸素の濃度を表す。空燃比がリッチであるとき、排気ガス中の酸素と還元剤成分とが完全に反応したとしても還元剤成分が余ることになり、０２はこの過剰還元剤を完全に酸化するのに必要となる酸素の濃度（不足酸素濃度）を表す。酸素の過不足状態は０２の符号によって表されており、過剰なときは正、不足のときは負となる。ＡＢＹＦは、直前に実行された空燃比検出ルーチン（図示略）で空燃比センサ２０の出力信号から算出された最新の値を使用する。
Ｓ７０４：過不足酸素濃度０２が０以上であるか否かを判断する。
Ｓ７０５：前回本ルーチンを実行したときに算出した瞬時反応形態による酸素保持量ＯＳａｚが瞬時反応形態による酸素保持量の飽和量ＯＳａＣより小さいか否かを判断する。
Ｓ７０６：前回本ルーチンを実行したときに算出した瞬時反応形態による酸素保持量ＯＳａｚに［Ａ×Ｑａ×０２／２］を加算して、新たな瞬時反応形態による酸素保持量をＯＳａを算出する。［Ａ×Ｑａ×０２／２］は単位時間当たりに触媒に流入する過不足酸素量を表しており、ここでは、０２が正の値であるため過剰酸素量を表すことになる。なお、Ａは単位換算のための係数であり、２で除しているのはＱａを２気筒分の吸入空気量とするためである。Ｑａは、直前に実行された吸入空気量検出ルーチンでエアフロメータ４の出力信号から算出された最新の値を使用する。
Ｓ７０７：遅反応形態による酸素保持量ＯＳｂは、前回本ルーチンを実行したときに案出した値ＯＳｂｚを変えずに保持する。
Ｓ７０８：全酸素保持量の飽和量ＯＳＣから前回本ルーチンを実行したときの全酸素保持量（○Ｓａｚ＋ＯＳｂ）を減算し、遅反応形態でさらにトラップすることが可能な酸素量ＯＳｂＲを算出する。
Ｓ７０９：遅反応形態による酸素トラップ反応の反応速度に対応する係数Ｋ、トラップ可能酸素量ＯＳｂＲ、［Ａ×Ｑａ×０２／２］を乗じて、単位時間当たりに遅反応形態でトラップする酸素量ＫＯＳを算出する。
Ｓ７１０：瞬時反応形態による酸素保持量ＯＳａは、前回本ルーチンを実行したときに算出した値ＯＳａｚを変えずに保持する。
Ｓ７１１：前回本ルーチンを実行したときに算出した遅反応形態による酸素保持量ＯＳｂｚにＳ７０９のＫＯＳを加算して、新たな遅反応形態による酸素保持量ＯＳｂを算出する。
Ｓ７１２：遅反応形態による酸素放出反応の反応速度に対応する係数Ｄ、前回本ルーチンを実行したときに算出した遅反応形態による酸素保持量ＯＳｂｚ、［Ａ×Ｑａｘ０２／２］を乗じて、単位時間当たりに遅反応形態で放出される酸素量ＤＯＳを算出する。［Ａ×Ｑａ×０２／２］は単位時間当たりに触媒に流入する過不足酸素量を表しており、ここでは、０２が負の値であるため不足酸素量を表すことになる。また、ＤＯＳも負の値として算出される。
Ｓ７１３：前回本ルーチンを実行したときに算出した酸素保持量ＯＳａｚに［Ａ×Ｑａ×０２／２−ＤＯＳ］を加算して、新たな酸素保持量をＯＳａを算出する。［Ａ×Ｑａ×０２／２−ＤＯＳ］は、単位時間当たりに瞬時反応形態の酸素放出で補われるべき不足酸素量を表している。
Ｓ７１４：瞬時反応形態による酸素保持量ＯＳａがＯより小さいか否かを判断する。
Ｓ７１５：酸素保持量がマイナスになることはないので、瞬時反応形態による酸素保持量ＯＳａを０に制限する。このステップが実行されるときは、還元剤成分が上流側触媒を通過して下流へ流出する状態となっている。
Ｓ７１６：前回本ルーチンを実行したときに算出した遅反応形態による酸素保持量ＯＳｂｚにＳ７１２のＤＯＳを加算して、新たな遅反応形態による酸素保持量ＯＳｂを算出する。
【００４０】
図１４以下に本発明による触媒再生制御の第３の実施形態を示す。この実施形態では、リーン空燃比による運転が継続して行われ下流側触媒１３のＮＯｘトラップ量の積算値（ΣＮＯｘ）が所定値（ΣＮＯｘｔｈ）に達すると、まず、第１気筒群の空燃比をリッチとし第２気筒群の空燃比を弱リーンとするリッチ・リーン運転モードで触媒再生制御を開始し、第１の上流側触媒１２Ａの下流の空燃比がリッチとなった時点で第１気筒群の空燃比をリッチとし第２気筒群の空燃比を略理論空燃比とするリッチ・ストイキ運転モードに切り換えて触媒再生制御を継続させる。
【００４１】
この実施形態では、第１の上流側触媒１２Ａの下流の空燃比を検出するため、第１の上流側触媒１２Ａの下流の排気通路に下流側空燃比センサ（０２センサ）２１を配設する（図１５参照）。
【００４２】
この制御では、第１の上流側触媒１２Ａの下流がリッチ空燃比となった後でしか再生運転モードの切換えを行なうことができないので、再生運転モードの切換え直前に第１気筒群からの還元剤成分と第２気筒群からの酸素とが下流側触媒１３へ同時流入してしまう可能性があるものの、コントロールユニット１の演算負荷をより軽くすることができるという利点がある。
【００４３】
図１４は本実施形態に固有の燃料噴射モード設定ルーチンであり、燃料噴射モードを示すフラグＦＲＳＫの設定を行なう。ＦＲＳＫの意味は前記各実施形態と同様である。
Ｓ８０１：触媒再生制御要否フラグＦＲＳが１であるか否かを判断する。ＦＲＳは、直前に実行された触媒再生制御要否判断ルーチン（図３参照）で設定された最新の値を使用する。
Ｓ８０２：下流側Ｏ２センサ２１の出力信号ＲＶＯ２が所定値ＳＬＲ（たとえば理論空燃比相当値）より小さいか否かを判断する。
Ｓ８０３：燃料噴射モードフラグＦＲＳＫを０に設定する。
Ｓ８０４：燃料噴射モードフラグＦＲＳＫを１に設定する。
Ｓ８０５：燃料噴射モードフラグＦＲＳＫを１に設定する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能な内燃機関の機械的構成例を示す概略図。
【図２】本発明を適用可能な内燃機関の機械的構成例を示す第２の概略図。
【図３】本発明の第１の実施形態による制御を示す第１の流れ図。
【図４】本発明の第１の実施形態による制御を示す第２の流れ図。
【図５】本発明の第１の実施形態による制御を示す第３の流れ図。
【図６】本発明の第１の実施形態による制御を示す第４の流れ図。
【図７】本発明の第１の実施形態による制御のタイミングチャート。
【図８】本発明の第２の実施形態に固有の部分の構成図。
【図９】本発明の第２の実施形態による制御を示す第１の流れ図。
【図１０】本発明の第２の実施形態による制御を示す第２の流れ図。
【図１１】本発明の第２の実施形態による制御に使用する第１のマップの説明図。
【図１２】本発明の第２の実施形態による制御に使用する第２のマップの説明図。
【図１３】本発明の第２の実施形態による制御に使用する第３のマップの説明図。
【図１４】本発明の第３の実施形態による制御を示す流れ図。
【図１５】本発明の第３の実施形態に固有の部分の構成図。
【符号の説明】
１ コントロールユニット
２ 内燃機関
３ 吸気通路
４ 排気通路
５ クランク角センサ
６ Ｏ２センサ
７ 燃料噴射弁
８ アクセルセンサ
９ 点火栓
１０ 電子制御スロットルバルブ
１１Ａ 排気通路（第１）
１１Ｂ 排気通路（第２）
１１Ｃ 排気通路（下流側）
１２Ａ 第１の上流側触媒
１２Ｂ 第２の上流側触媒
１３ 下流側触媒
２０，２１ リニア空燃比センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は触媒を用いた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
内燃機関の始動直後に排出される還元剤成分であるＨＣ，ＣＯの浄化と、リーン運転中に排出されるＮＯｘの浄化とを両立させるため、始動用触媒の下流側にＮＯｘ吸収剤を設け、点火栓による着火燃焼（主燃焼）の後に追加燃料を供給して排気空燃比をリッチ化するようにしたものが知られている（特開平１１一６２５６３号公報）。
【０００３】
このような排気浄化装置において、始動用として上流側に配設する触媒には還元剤成分を高効率で酸化浄化する機能を持つことが求められるが、一般的にこのような機能を有する触媒は排気ガス中の酸素をトラップ保持する機能をも備えている。一方、下流側の触媒にトラップ保持されているＮＯｘを還元浄化して下流側の触媒を再生すること、すなわちＮＯｘトラップ機能を回復させるためには、下流側の触媒に還元剤成分を供給すればよいが、この還元剤成分を燃焼室におけるリッチ空燃比混合気の燃焼によって生成する場合、燃焼によって生じた還元剤成分は先ず上流側の触媒へ流入し、上流側の触媒が保持している酸素によって酸化されることになる。このため、還元剤成分が下流側の触媒へ到達するのは、上流側の触媒が保持していた酸素が全て消費された後になる。上流側の触媒で酸化されてしまう還元剤成分は、ＮＯｘの還元浄化には寄与しないので無駄であり、還元剤成分のもとが燃料であることを考慮すれば、このような無駄の発生は燃費を悪化させる要因となることが分かる。
【０００４】
ところで、前述の従来技術の装置は、各気筒群毎の新気通路に上流側の触媒を配設しており、このような構成下では、一方の気筒群だけをリッチ空燃比とすることで還元剤成分の無駄を低減可能である。すなわち、還元剤成分の無駄な酸化は、リッチ空燃比とする気筒群の排気通路に配設された触媒上でだけ発生するので、無駄に酸化される還元剤成分の量を半減させることができる。その一方、残りの気筒群の空燃比をストイキ空燃比（理論空燃比）とした場合には次のような問題が生じる。保持酸素による還元剤成分の酸化が行われている間、リッチ空燃比とする気筒群の触媒からはほぼストイキ空燃比の排気ガスが流出する。ストイキ空燃比とする気筒群の触媒からは当然ストイキ空燃比の排気ガスが流出する。これらの排気ガスが合流して下流側の触媒へ流入すると、下流側の触媒はそれまで保持していたＮＯｘをそのまま、浄化することなく放出することがある。すなわち、下流側の触媒の再生制御の開始からしばらくの期間、未浄化のＮＯｘが下流側の触媒から流出することになる。これに対して、残りの気筒群の空燃比をリーン空燃比とした場合、こんどは次のような問題が生じる。この場合、リッチ空燃比とする気筒群からの還元剤成分が上流側の触媒を通過するようになると、下流側の触媒上でＮＯｘの還元浄化が行われるようになるが、このときリーン空燃比とする気筒群から排出されたリーンな排気ガスが同時に下流側の触媒へ流入するので、下流側の触媒上でのＮＯｘの還元反応の反応効率が低下してしまう。すなわち、リーンな排気ガス中には酸素が多量に含まれているため、下流側の触媒上ではＮＯｘと還元剤成分との反応と酸素と還元剤成分との反応とが同時に発生することになり、このため還元剤成分だけを下流側の触媒へ供給する場合よりもＮＯｘの還元反応の反応効率が低下するのである。本発明はこのような従来の問題点を解消することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、第１の発明では、多気筒内燃機関の第１の気筒群と第２の気筒群のそれぞれの排気通路に配設され、流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときに排気ガス中の酸素をトラップして保持し、流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに保持していた酸素を放出して排気ガス中の還元剤成分を酸化する機能を有する第１の上流側触媒および第２の上流側触媒と、前記各気筒群の排気通路を各上流側触媒よりも下流側にて合流させた下流側排気通路に配設され、流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときに排気ガス中のＮＯｘをトラップして保持し、流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに保持していたＮＯｘを排気ガス中の還元剤成分で還元する機能を有する下流側触媒と、前記各気筒群毎に異なる燃料量を供給可能な燃料供給手段と、保持されているＮＯｘを還元して前記下流側触媒のＮＯｘトラップ機能を回復させるための触媒再生制御を開始するか否かを判断する判断手段と、前記判断手段の判断結果に応じて触媒再生制御を実行するときに、前記燃料供給手段を介して、触媒再生制御開始から所定期間は第１の気筒群の空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に、かつ第２の気筒群の空燃比を理論空燃比よりもリーン側に制御し、前記所定期間経過後は第１の気筒群の空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に、かつ第２の気筒群の空燃比を略理論空燃比に制御する燃料制御手段とを備えた。
【０００６】
第２の発明は、前記第１の発明の所定期間を、前記第１の上流側触媒からの酸素放出によって該触媒から流出する排気の空燃比がほぼ理諭空燃比に維持される期間とした。
【０００７】
第３の発明は、前記第２の発明において、触媒再生制御開始からの経過時間を計測する計測手段を備え、前記燃料制御手段を、この計測した経過時間に基づいて前記所定期間が経過したか否かを判定するように構成した。
【０００８】
第４の発明は、前記第２の発明において、前記第１の上流側触媒の酸素保持量を推定する推定手段を備え、前記燃料制御手段を、推定した酸素保持量に基づいて前記所定期間が経過したか否かを判定するように構成した。
【０００９】
第５の発明は、前記第４の発明の推定手段を、前記第１の上流側触媒の瞬時反応形態による酸素保持量と遅反応形態による酸素保持量とをそれぞれ推定するよう構成し、前記燃料制御手段を、推定した瞬時反応形態による酸素保持量に基づいて前記所定期間が経過したか否かを判定するように構成した。
【００１０】
第６の発明は、前記第４または第５の発明において、前記第１の上流側触媒に流入する排気ガスの空燃比を広範囲に検出可能なリニア空燃比センサを備え、前記推定手段を、検出した空燃比に基づいて酸素保持量の推定を行なうように構成した。
【００１１】
第７の発明は、前記第２の発明において、前記第１の上流側触媒から流出する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるか否かを検出可能な空燃比センサを備え、前記燃料制御手段を、検出した空燃比がリッチ空燃比に変化したか否かに基づいて前記所定期間が経過したか否かを判定するように構成した。
【００１２】
第８の発明は、前記第１の発明の判断手段を、機関の吸入空気量と主燃焼の空燃比とから算出したＮＯｘ量の積算値が、前記下流側触媒の特性に応じて定めた所定の基準値を越えたときに触媒再生制御を開始すると判断するように構成した。
【００１３】
【作用・効果】
前記第１の発明以下の各発明では、下流側触媒の再生制御開始当初は第１の気筒群をリッチ空燃比、第２の気筒群をリーン空燃比とし、下流側触腺へ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比にならないように図る（リッチ・リーン運転モード）。このように各気筒群の空燃比が制御されているとき、リッチ側である第１の気筒群から排出された排気ガスは還元剤成分（ＨＣ，ＣＯ）を多く含んでいるが、この還元剤成分は第１の上流側触媒の保持酸素によって酸化されてしまうのでその下流の排気ガスはストイキ相当の空燃比となっている。これに対して、リーン側である第２の気筒群に接続した第２の上流側触媒の下流では排気ガスは弱リーン空燃比となる。したがって、これら第１、第２の気筒群の排気ガスが合流した排気ガス、すなわち下流側触媒に流入する排気ガスの空燃比も弱リーンとなる。したがって、第１の上流側触媒から保持酸素を放出させている間、下流側触媒からＮＯＸが放出されるのを防止することができる。
【００１４】
一方、第１の上流側触媒から酸素が放出される期間が終了して還元剤成分が上流側触媒を通過しやすい状態となったら、第１の気筒群をリッチ空燃比、第２の気筒群をほぼ理論空燃比とする（リッチ・ストイキ運転モード）。このように各気筒群の空燃比制御が開始されると、第１の気筒群から排出された排気ガス中の還元剤成分は第１の上流側触媒を通過して下流へ流出する一方、第２の上流側触媒下流の排気ガスは理論空燃比となっており、この排気ガス中には酸素がほとんど含まれていない。したがって、これらが合流して下流側触媒１３に流入する排気ガスはリッチ空燃比、かつ酸素をほとんど含んでいない。このため、第１の上流側触媒からの酸素放出が終了した後は、酸素の同時流入を回避しつつ下流側触媒へ還元剤成分を供給することができ、還元剤成分と保持ＮＯｘとの効率の良い反応を確保することができる。
【００１５】
前記触媒再生制御は、例えば第８の発明として示したように、吸入空気量と主燃焼の空燃比とから算出したＮＯｘ量の積算値が、下流側触媒の特性に応じて定めた所定の基準値を超えたときに開始するように構成し、これにより下流側触媒に保持されるＮＯｘ量に応じた、むだのない触媒再生制御を行うことができる。また、触媒再生制御を行う期間は、第２の発明として示したように、第１の上流側触媒からの酸素放出によって該触媒から流出する排気の空燃比がほぼ理諭空燃比に維持される期間に設定する。
【００１６】
前記の第１の上流側触媒から流出する排気の空燃比がほぼ理諭空燃比に維持される期間については、これを第３の発明以下の手法で判定することが可能である。すなわち、第３の発明では触媒再生制御開始からの経過時間に基づいて所定期間を判定する。また、第４の発明では、所定期間を第１の上流側触媒の酸素保持量の推定値に基づいて判定する。この場合の酸素保持量は例えば第５の発明として示したように、第１の上流側触媒の瞬時反応形態による酸素保持量と遅反応形態による酸素保持量のうち、瞬時反応形態による酸素保持量の推定値に基づいて判定することにより精度の高い制御結果が得られる。また、前記酸素保持量の推定値は、第６の発明として示したように、排気空燃比検出手段として設けたリニア空燃比センサにより検出した空燃比に基づいて算出することにより精度の高い推定結果が得られる。なお、前記第２の発明の所定期間は、第７の発明として示したように、第１の上流側触媒から流出する排気の空燃比を検出する空燃比センサからの検出空燃比に基づいて判定することもでき、この場合は触媒の反応結果を利用するので制御系の演算負担をより軽減することができる。
【００１７】
【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および図２は本発明による実施形態の機械的構成例を概略的に表したものである。各図において１はマイクロコンピュータおよびその周辺装置から構成されたコントロールユニットである。このコントロールユニット１は、本発明の燃料制御手段としての機能を有し、すなわち各種運転状態信号に基づいて火花点火式内燃機関２の燃料噴射量を制御し、さらに点火時期等を制御する機能をも有する。機関制御のための基本的な検出量は吸気通路３の途中に設けられたエアフロメータ４からの吸気量信号とクランク角センサ５からの機関回転数信号であり、詳しくは後述するが、例えば燃料噴射量はこれらの信号から定まる基本値を図示しない水温センサからの冷却水温信号、排気酸素センサ（以下「Ｏ２センサ」と表す）６からの酸素濃度信号等に応じて補正することによりその信号値を決定する。燃料噴射量信号は、機関燃焼室内に燃料を直接噴射供給するように構成された燃料噴射弁７に付与され、これにより所要量の燃料が内燃機関２に供給される。また、点火時期については、アクセルセンサ８からのアクセル操作量と機関回転数とから定まる基本値を水温等により補正することでその信号値が決定され、クランク角センサ５からのクランク位置信号を参照しながら前記信号値に応じたタイミングで点火栓９に点火電流が供給される。１０は電子制御スロットルバルブであり、コントロールユニット１からの指令に基づいて所要の空気量が得られるようにその開度が制御される。
【００１８】
内燃機関２は図２に示したように直列４気筒形式であり、その＃１，＃４気筒を第１の気筒群としてこれらに共通の排気通路１１Ａの途中に第１の上流側触媒１２Ａが介装され、また＃２，＃３気筒を第２の気筒群としてこれらに共通の排気通路１１Ｂの途中に第２の上流側触媒１２Ｂが介装されている。さらに前記各上流側触媒１２Ａ，１２Ｂの下流側にて各排気通路１１Ａ、１１Ｂは合流し、この合流部よりも下流側の排気通路１１Ｃの途中に下流側触媒１３が介装されている。なお前記Ｏ２センサ６は第１の上流側触媒１２の上流側に設けられている。
【００１９】
前記各上流側触媒１２Ａ，１２Ｂは、それぞれアルミナをコーティングしたハニカム担体に白金系貴金属とセリウム等の助触媒を担持した構成を有し、流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときに排気中の酸素をトラップして保持し、流入する排気の空燃比がリッチ空燃比であるときに保持していた酸素を放出して排気中の還元剤成分を酸化する機能を有する。一方、下流側触媒１３は、アルミナをコーティングしたハニカム担体に白金系貴金属とアルカリ金属、アルカリ土類金属を担持した構成を有し、流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときに排気中のＮＯｘをトラップして保持し、流入する新気の空燃比がリッチ空燃比であるときに保持していたＮＯｘを排気中の還元剤成分で還元する機能を有する。
【００２０】
次に上記コントロールユニット１による触媒再生制御の実施形態につき図３以下に示した流れ図、および図７に示したタイミングチャートを参照しながら説明する。なお図３以下に示した各流れ図はそれぞれ例えば約１０ｍｓｅｃ毎に周期的に実行される。
【００２１】
触媒再生制御の第１の実施形態では、下流側触媒１３のＮＯｘトラップ量の積算値（ΣＮＯｘ）が所定値（ΣＮＯｘｔｈ）に達すると、まず、第１の気筒群（＃１，＃４）の空燃比をリッチとし、第２の気筒群（＃２，＃３）の空燃比を弱リーンとするリッチ・リーン運転モードで触媒再生制御を開始し、所定時間（ＲＳＴｔｈ）が経過した時点で第１の気筒群の空燃比をリッチとし、第２の気筒群の空燃比を略理論空燃比とするリッチ・ストイキ運転モードに切り換えて触媒再生制御を継続させる。
【００２２】
図３は触媒再生制御の要否を判断するルーチンであり、触媒再生制御の要否を示すフラグＦＲＳの設定を行なう。ＦＲＳ＝１で触媒再生制御要、ＦＲＳ＝０で触媒再生制御不要を示す。以下、制御ルーチンのステップを順を追って説明する。
Ｓ１０１：触媒再生制御要否フラグＦＲＳが０であるか否か、すなわち、前回本ルーチンを実行したときの判断が「触媒再生制御不要」であったか否かを判断する。本実施形態では、触媒再生制御を行なわないときの空燃比をリーン空燃比とする（詳細は図５を参照）。よって、本ステップの判断がＹＥＳであるとき、下流側触媒１３は排気ガス中のＮＯｘをトラップして保持する。
Ｓ１０２：吸入空気量Ｑａと目標当量比の基本値ＴＦＢＹＡ０とに基づき、単位時間（例えば本ルーチン実行時間間隔。以下同様。）当たりに下流側触媒１３へ流入するＮＯｘ量△ＮＯｘを算出する。Ｑａは、直前に実行された吸入空気量検出ルーチン（図示略）でエアフロメータ４の出力信号から算出された最新の値であり、４気筒分の吸入空気量を示す値である。また、ＴＦＢＹＡ０は、直前に実行された目標空燃比設定ルーチン（図５）で算出された最新の値を使用する。なお、前記の目標当量比とは、制御しようとする混合気の空燃比と理論空燃比との比率であり、ＴＦＢＹＡ＝１のときは理論空燃比、ＴＦＢＹＡ＞１のときはリッチ空燃比、ＴＦＢＹＡ＜１のときはリーン空燃比を表す。ＴＦＢＹＡ１＜１（リーン空燃比運転）のとき、下流側触媒に流入する排気の空燃比もリーン空燃比となり、下流側触媒は新気中のＮＯｘをトラップして保持する。
Ｓ１０３：前回本ルーチンを実行したときに算出したトラップＮＯｘ積算値ΣＮＯｘｚにＳｌ０２の△ＮＯｘを加算して、新たなトラップＮＯｘ積算値ΣＮＯｘを算出する。ただし、流入する排気ガス中の全てのＮＯｘが下流側触棋１３にトラップされるわけではないので、このトラップ率をｋ１（＜１）とし、ｋ１×△ＮＯｘをΣＮＯｘｚに加えるようにしている。下流側触媒１３のＮＯｘトラップ率は、下流側触媒１３の状態、例えば温度、現在のＮＯｘ保持量等によって変化するので、これに合わせてｋ１の値を可変設定するとよい。
Ｓ１０４：トラップＮＯｘ積算値ΣＮＯｘが所定値ＮＯｘｔｈより大きいか否かを判断する。ＮＯｘｔｈは、下流側触媒が良好なＮＯｘトラップ能力を維持できる限界のＮＯｘ保持量に相当する値であり、実験的に求めてコントロールユニット１内のメモリに記憶させておいた値を使用する。
Ｓ１０５：触媒再生制御要否フラグＦＲＳを１に設定する。
Ｓ１０６：再生運転モードフラグＦＲＳＫが０であるか否か、すなわちリッチ・リーン運転モード選択中であるか否かを判断する。
Ｓ１０７：Ｓ１０６でリッチ・リーン運転モード選択中であると判断された場合は、吸入空気量Ｑａと第２気筒群の目標当量比ＴＦＢＹＡ２とに基づき、単位時間当たりに下流側触媒１３へ流入するＮＯｘ量△ＮＯｘを算出する。詳細には、Ｑａの半分（２気筒分の吸入空気量）とＴＦＢＹＡ２とに基き、第２の気筒群から排出される排気ガス中のＮＯｘ量を算出し、これを△ＮＯｘとする。なお、第１の気筒群から排出される排気ガス中のＮＯｘは第１の上流側触媒１２Ａで還元浄化され、下流側触媒１３へ流入することはない。ＴＦＢＹＡ２は、直前に実行された目標空燃比設定ルーチン（図５）で算出された最新の値を使用する。
Ｓ１０８：Ｓ１０３と同様の演算を行なって新たなトラップＮＯｘ積算値ΣＮＯｘを算出する。なお、このときの下流側触媒１３は良好なＮＯｘトラップ能力を維持できる状態（ＮＯｘトラップ率が高い状態）にないため、この間（ＦＲＳＫ＝０の間）のＮＯｘ取りこぼし量は比較的多くなる。
【００２３】
リッチ・リーン運転モードが選択され、第１の気筒群の空燃比がリッチ空燃比に、第２の気筒群の空燃比が弱リーン空燃比に制御されているとき、第１の気筒群から排出された排気ガスは還元剤成分（ＨＣ，ＣＯ）を多く含んでいるが、この還元剤成分は第１の上流側触媒１２Ａの保持酸素によって酸化されてしまい、還元剤成分が第１の上流側触媒１２Ａの下流へ流出することはない。すなわち、第１の上流側触媒１２Ａ下流の排気ガスはストイキ相当の空燃比となっている。一方の第２の上流側触媒１２Ｂ下流の排気ガスは弱リーン空燃比となっており、これらの排気ガスが合流した排気ガス、すなわち下流側触媒１３に流入する排気ガスの空燃比も弱リーンとなる。このような制御により、第１の上流側触媒１２Ａから保持酸素を放出させている間、下流側触媒１３からＮＯｘが放出されるのを防止することができる。
Ｓ１０９：Ｓ１０６でリッチ・リーン運転モード選択中でないと判断された場合、すなわちリッチ・ストイキ運転モ一ド選択中であると判断された場合は、吸入空気量Ｑａと第１気筒群の目標当量比ＴＦＢＹＡ１とに基づき、単位時間当たりに下流側触媒１３へ流入する還元剤成分量△ＲＡを算出する。詳細には、Ｑａの半分（２気筒分の吸入空気量）とＴＦＢＹＡ１とに基き、第１気筒群から排出される排気ガス中の還元剤成分量を算出し、これを△ＲＡとする。ＴＦＢＹＡ１は、直前に実行された目標空燃比設定ルーチン（図５）で算出された最新の値を使用する。
Ｓｌ１０：前回本ルーチンを実行したときに算出したトラップＮＯｘ積算値ΣＮＯｘｚから還元浄化されるＮＯｘ量（＝ｋ２×△ＲＡ）を減算して、新たなトラップＮＯｘ積算値ΣＮＯｘを算出する。ｋ２は、還元剤成分の量を還元されるＮＯｘ量に換算するための係数である。
Ｓ１１１：トラップＮＯｘ積算値ΣＮＯｘが負の値となったか否かを判断する。ΣＮＯｘが負の値となれば下流側触媒１３に保持されていたＮＯｘが完全に還元浄化されたと判断することができる。
Ｓ１１２：触媒再生制御要否フラグＦＲＳを０に設定すると共に、トラップＮＯｘ積算値ΣＮＯｘを０にする。
【００２４】
リッチ・ストイキ運転モードが選択され、第１の気筒群の空燃比がリッチ空燃比に、第２の気筒群の空燃比が理論空燃比に制御されているとき、第１の気筒群から排出された排気ガス中の還元剤成分は第１の上流側触媒１２Ａを通過して下流へ流出する。一方、第２の上流側触媒１２Ｂ下流の排気ガスは理論空燃比となっており、この排気ガス中には酸素がほとんど含まれていない。これらの排気ガスが合流した排気ガス、すなわち下流側触媒１３に流入する排気ガスは、空燃比がリッチであり、かつ酸素をほとんど含んでいない。このような制御により、第１の上流側触媒１２Ａからの酸素放出が終了した後は、酸素の同時流入を回避しつつ下流側触媒１３へ還元剤成分を供給することができ、還元剤成分と保持ＮＯｘとの効率の良い反応を確保することができる。
【００２５】
図４は再生運転モード設定ルーチンであり、前述した何れかの運転モードを示すフラグＦＲＳＫの設定を行なう。ＦＲＳＫ＝０でリッチ・リーン運転モード、ＦＲＳＫ＝１でリッチ・ストイキ運転モードを示す。
Ｓ２０１：触媒再生制御要否フラグＦＲＳが１であるか否かを判断する。ＦＲＳは、直前に実行された触媒再生制御要否判断ルーチン（図３）で設定された最新の値を使用する。
Ｓ２０２：触媒再生制御要否フラグ前回値ＦＲＳＺが０であるか否かを判断する。ＦＲＳＺは、前回本ルーチンを実行したときのフラグＦＲＳを記憶・保存しておいた値である。
Ｓ２０３：触媒再生制御継続時間ＲＳＴを０にリセットする。このステップは、触媒再生制御開始時（ＦＲＳＺ＝０かつＦＲＳ＝１）に実行される。
Ｓ２０４：前回本ルーチンを実行したときに算出した触媒再生制御継続時間ＲＳＴｚに単位時間△ｔ（本ルーチン実行時間間隔）を加算して、新たな触媒再生制御継続時間ＲＳＴを算出する。このステップは、触媒再生制御継続中（ＦＲＳＺ＝１かつＦＲＳ＝１）に実行される。
Ｓ２０５：触媒再生制御継続時間ＲＳＴが所定値ＲＳＴｔｈより小さいか否かを判断する。ＲＳＴｔｈは、触媒再生制御を開始してから下流側触媒１３の入口がリッチ空燃比となるまでの時間、すなわち第１の上流側触媒１２Ａに保持されていた酸素がすべて放出されるまでの時間に相当する値であり、実験的に求めてコントロールユニット１内のメモリに記憶させておいた値を使用する。
Ｓ２０６：再生運転モードフラグＦＲＳＫを０に設定する。
Ｓ２０７：再生運転モードフラグＦＲＳＫを１に設定する。
【００２６】
図５は目標空燃比設定ルーチンであり、第１の気筒群に対する目標当量比ＴＦＢＹＡ１と第２の気筒群に対する目標当量比ＴＦＢＹＡ２とを算出する。
Ｓ３０１：アクセル開度ＡＰＳとエンジン回転数Ｎｅとに基づき、目標当量比の基本値ＴＦＢＹＡ０を算出する。具体的には、ＡＰＳとＮｅとに対応させてＴＦＢＹＡ０を記憶させてある制御マップから値をルックアップする。この制御マップには、良好な燃費が得られるよう空燃比を大幅にリーン化する値、例えば、０．４〜０．７程度の値が設定されている。ＡＰＳは、直前に実行されたアクセル開度検出ルーチン（図示略）でアクセルセンサ８の出力信号から算出された最新の値を使用する。Ｎｅは、直前に実行されたエンジン回転数検出ルーチン（図示略）でクランク角センサ５の出力信号から算出された最新の値を使用する。
Ｓ３０２：触媒再生制御要否フラグＦＲＳが１であるか否かを判断する。ＦＲＳは、直前に実行された触媒再生制御要否判断ルーチン（図３）で設定された最新の値を使用する。
Ｓ３０３：触媒再生制御を行なわないときは、第１の気筒群の目標当量比ＴＦＢＹＡ１と第２の気筒群の目標当量比ＴＦＢＹＡ２を共にＳ３０１で算出した基本値ＴＦＢＹＡ０とする。
Ｓ３０４：再生運転モードフラグＦＲＳＫが０であるか否かを判断する。ＦＲＳＫは、直前に実行された再生運転モード設定ルーチン（図４）で設定された最新の値を使用する。
Ｓ３０５：再生運転モードフラグＦＲＳＫが０（リッチ・リーン運転モードを選択）であるときは、第１の気筒群の目標当量比ＴＦＢＹＡ１を所定のリッチ空燃比相当値であるＲＩＣＨに設定するとともに、第２の気筒群の目標当量比ＴＦＢＹＡ２を所定のリーン空燃比相当値であるＬＥＡＮに設定する。ＲＩＣＨは、例えば１．３（空燃比にして約１１）程度の値である。この値が大きいほど第１の上流側触媒１２Ａから速やかに酸素を放出させることができるが、リッチ失火を生じない範囲の値とする必要がある。ＬＥＡＮは、例えば０．８（空燃比にして約１８）程度の値である。このような設定により、第１の上流側触媒１２Ａから流出する排気ガス（略理論空燃比となっている）と第２の上流側触媒１２Ｂから流出する排気ガスとが合流した後の排気ガスの空燃比は１６程度となる。下流側触媒１３へ流入する排気ガスの空燃比がこの程度のリーン空燃比（酸素濃度で２％以上）であれば、下流側触媒１３はＮＯｘをトラップ保持し得る状態にあり、保持ＮＯｘを放出することはない。なお、図３のＳ１０７，Ｓ１０８の説明の通り、リッチ・リーン運転モード選択中の下流側触媒１３は良好なＮＯｘトラップ能力を維持できる状態にない。よって、ＮＯｘ発生量がピークとなる空燃比を避けるようにＬＥＡＮの値を設定することが望ましい。
Ｓ３０６：再生運転モードフラグＦＲＳＫが１（リッチ・ストイキ運転モードを選択）であるときは、第１の気筒群の目標当量比ＴＦＢＹＡ１を所定のリッチ空燃比相当値であるＲＩＣＨに設定するとともに、第２の気筒群の目標当量比ＴＦＢＹＡ２を理論空燃比相当値である１に設定する。ＲＩＣＨの値は、Ｓ３０５の値と同じでもよいが、望ましくは下流側触媒１３からのＮＯｘ放出特性や排気ガス流量に応じて変化させるようにする。
【００２７】
なお、コントロールユニット１は、アクセル操作量ＡＰＳと機関回転数Ｎｅとから機関の目標発生トルクを算出し、そのとき設定されている第１目標当量比ＴＦＢＹＡ１と目標発生トルクとから目標吸入空気量を算出し、この目標吸入空気量が得られるように電子制御スロットルバルブ１０の開度を制御する吸入空気量制御を行なっているので、本ルーチンで目標当量比が任意に設定されても、それによって機関トルクが変化するようなことはない。また、通常運転中（触媒再生制御要否フラグＦＲＳが０）は、第１の気筒群と第２の気筒群の目標当量比が共に基本値ＴＦＢＹＡ０なので、目標吸入空気量の算出にはこのＴＦＢＹＡ０を使用すればよい。一方、触媒再生制御運転中は、第１の気筒群と第２の気筒群の目標当量比が異なっている。このようなときはよりトルクの出難い第２の気筒群の目標当量比ＴＦＢＹＡ２を用いて目標吸入空気量を算出する。このとき、よりトルクの出やすい第１の気筒群では点火時期の遅角制御を行って気筒群間のトルク差を補償するようにする。
【００２８】
図６は燃料噴射量算出ルーチンであり、第１の気筒群用の燃料噴射量Ｔｉ１と第２の気筒群用の燃料噴射量Ｔｉ２を算出する。
Ｓ５０１：吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎｅとに基づいて、基本燃料噴射量Ｔｐ（理論空燃比相当の燃料噴射量）を算出する。Ｑａは、直前に実行された吸入空気量検出ルーチンでエアフロメータ４の出力信号から算出された最新の値を使用する。Ｎｅは、直前に実行されたエンジン回転数検出ルーチンでクランク角センサ５の出力信号から算出された最新の値を使用する。
Ｓ５０２：基本燃料噴射量Ｔｐに第１目標当量比ＴＦＢＹＡ１を乗じて、第１の気筒群用の燃料噴射量Ｔｉ１を算出する。ＴＦＢＹＡ１は、直前に実行された目標空燃比設定ルーチン（図５）で算出された最新の値を使用する。
Ｓ５０３：基本燃料噴射量Ｔｐに第２目標当量比ＴＦＢＹＡ２を乗じて、第２の気筒群用の燃料噴射量Ｔｉ２を算出する。ＴＦＢＹＡ２は、直前に実行された目標空燃比設定ルーチン（図５）で算出された最新の値を使用する。
【００２９】
前述のようにして算出された燃料噴射量Ｔｉ１，Ｔｉ２は、エンジン回転に同期して実行される燃料噴射ルーチン（図示略）で使用される。燃料噴射ルーチンでは、＃１気筒または＃４気筒が所定の燃料噴射時期となったとき、Ｔｉ１に応じた燃料噴射パルス信号をその気筒の燃料噴射弁７へ送信し、＃２気筒または＃３気筒が所定の燃料噴射時期となったとき、Ｔｉ２に応じた燃料噴射パルス信号をその気筒の燃料噴射弁７へ送信する。
【００３０】
次に、本発明による触媒再生制御の第２の実施形態につき説明する。この実施形態では、リーン空燃比による運転が継続して行われ下流側触媒１３のＮＯｘトラップ量の積算値（ΣＮＯｘ）が所定値（ΣＮＯｘｔｈ）に達すると、まず第１の気筒群の空燃比をリッチとし第２の気筒群の空燃比を弱リーンとするリッチ・リーン運転モードで触媒再生制御を開始し、上流側触媒の酸素保持量（ＯＳａ）が所定量（ＯＳａｔｈ）以下となった時点で第１の気筒群の空燃比をリッチとし第２の気筒群の空燃比を略ストイキとするリッチ・ストイキ運転モードに切換えて触媒再生制御を継続させる。
【００３１】
この制御では、第１の上流側触媒１２Ａの酸素保持量を算出するために、第１の上流側触媒１２Ａの上流に広域の空燃比をリニアに検出できる空燃比センサ２０を配設する（図８参照）。この場合、上流側触媒１２Ａの酸素保持量を推定して噴射モードの切換えを行なうので、その酸素保持量が０となる直前に精度よく噴射モードを切り換えることができる。以下、第１の実施形態と異なる部分につき説明する。
【００３２】
図９は再生運転モード設定ルーチンであり、この制御では前記第１の実施形態の図４に代えて本ルーチンにより再生運転モードを示すフラグＦＲＳＫの設定を行なう。
Ｓ６０１：触媒再生制御要否フラグＦＲＳが１であるか否かを判断する。ＦＲＳは、直前に実行された触媒再生制御要否判断ルーチン（図３）で設定された最新の値を使用する。
Ｓ６０２：上流側触媒の酸素保持量ＯＳａが所定量ＯＳａｔｈより大きいか否かを判断する。ＯＳａは、第１の上流側触媒１２Ａが保持している酸素のうち、還元剤成分（ＨＣ，ＣＯ）が流入すると瞬時に触媒から放出されてこれらの還元剤成分と反応し得る酸素の量である。このＯＳａが０になると、第１気筒群から排出された還元剤成分が第１の上流側触媒１２Ａを通過して下流側触媒１３へ届くようになるので、このＯＳａに基づいて再生運転モードの切換えを行なうようにしている。ＯＳａは、直前に実行された酸素保持量算出ルーチン（図１０参照）で設定された最新の値を使用する。ＯＳａｔｈは、０近傍の値に設定される。すなわち、第１の気筒群から排出された還元剤成分が第１の上流側触媒１２Ａを通過して下流側触媒１３へ届くようになる直前で再生運転モードがリッチ・リーン運転モードからリッチ・ストイキ運転モードヘ切換えられることになる。
Ｓ６０３：再生運転モードフラグＦＲＳＫを０に設定する。
Ｓ６０４：再生運転モードフラグＦＲＳＫを１に設定する。
【００３３】
図１０は酸素保持量算出ルーチンであり、酸素保持量ＯＳａ，ＯＳｂを算出する。
【００３４】
アルミナ、セリウム等を成分として持っている触媒は、流入する排気ガスがリーン空燃比（酸素過剰）であるとき排気ガス中の酸素をトラップして保持し、流入する排気ガスがリッチ空燃比（還元剤成分過剰）であるとき保持していた酸素を放出して排気ガス中の還元剤成分を酸化する機能を備えている。このような触媒の酸素保持機能には２種類の形態がある。一方の形態は酸素のトラップと放出がほぼ瞬時に行われる形態であり、他方の形態はトラップと放出が比較的ゆっくりを行われる形態である。ここでは、瞬時に反応する形態に係る酸素保持量を瞬時反応形態による酸素保持量ＯＳａとして算出し、ゆっくりと反応する形態に係る酸素保持量を遅反応形態による酸素保持量ＯＳｂとして算出する。ただし計算を簡単に行なうため、触媒の酸素保持機能を以下のように扱う。
【００３５】
▲１▼第１上流側触媒１２Ａに流入する排気ガスがリーン空燃比であるとき
・瞬時反応形態による酸素保持量が瞬時反応形態による酸素保持量の飽和量に達するまで、流入する酸素は全て瞬時反応形態でトラップされる。
【００３６】
・瞬時反応形態による酸素保持量が瞬時反応形態による酸素保持量の飽和量を超えた後は、全酸素保持量（瞬時反応形態による酸素保持量と遅反応形態による酸素保持量との和）が全酸素保持量の飽和量に達するまで、流入する酸素の一部が遅反応形態でトラップされる。
【００３７】
▲２▼第１上流側触媒１２Ａに流入する排気ガスがリッチ空燃比であるとき
・遅反応形態によって保持されていた酸素の一部が放出され、流入する還元剤成分を酸化する。
【００３８】
・遅反応形態の酸素の放出によって酸化されなかった残りの還元剤成分が、瞬時反応形態の酸素の放出によって酸化される。
【００３９】
・ただし、瞬時反応形態による酸素保持量が０になると、残りの還元剤成分は酸化されずに下流へ流出する。
Ｓ７０１：アクセル開度ＡＰＳとエンジン回転数Ｎｅとに基づき、第１上流側触媒１２Ａの温度Ｔｃａｔを算出する。具体的には、ＡＰＳとＮｅとに対応させてＴｃａｔを記憶させてある制御マップ（図１１参照）から値をルックアップする。ＡＰＳは、直前に実行されたアクセル開度検出ルーチン（図示略）でアクセル開度センサ８の出力信号から算出された最新の値を使用する。Ｎｅは、直前に実行されたエンジン回転数検出ルーチン（図示略）でクランク角センサ５の出力信号から算出された最新の値を使用する。
Ｓ７０２：第１の上流側触媒１２Ａの温度Ｔｃａｔに基づき、第１の上流側触媒１２Ａの酸素保持量の飽和量ＯＳＣ，ＯＳａＣを算出する。具体的には、Ｔｃａｔに対応させてＯＳＣ，ＯＳａＣを記憶させてある制御テーブル（図１２参照）から値をルックアップする。なお、酸素保持量の飽和量は触媒の劣化度合いによっても変化するので、Ｔｃａｔと劣化度合いに対応させてＯＳＣ，ＯＳａＣを算出するようにするとよりよい。
Ｓ７０３：空燃比ＡＢＹＦに基づき、第１の上流側触媒１２Ａに流入する排気ガスの過不足酸素濃度０２を算出する。具体的には、ＡＢＹＦに対応させて０２を記憶させてある制御テーブル（図１３参照）から値をルックアップする。空燃比がリーンであるとき、排気ガス中の酸素（ＮＯｘ中の酸素を含む）と還元剤成分とが完全に反応したとしても酸素が余ることになり、０２はこの過剰酸素の濃度を表す。空燃比がリッチであるとき、排気ガス中の酸素と還元剤成分とが完全に反応したとしても還元剤成分が余ることになり、０２はこの過剰還元剤を完全に酸化するのに必要となる酸素の濃度（不足酸素濃度）を表す。酸素の過不足状態は０２の符号によって表されており、過剰なときは正、不足のときは負となる。ＡＢＹＦは、直前に実行された空燃比検出ルーチン（図示略）で空燃比センサ２０の出力信号から算出された最新の値を使用する。
Ｓ７０４：過不足酸素濃度０２が０以上であるか否かを判断する。
Ｓ７０５：前回本ルーチンを実行したときに算出した瞬時反応形態による酸素保持量ＯＳａｚが瞬時反応形態による酸素保持量の飽和量ＯＳａＣより小さいか否かを判断する。
Ｓ７０６：前回本ルーチンを実行したときに算出した瞬時反応形態による酸素保持量ＯＳａｚに［Ａ×Ｑａ×０２／２］を加算して、新たな瞬時反応形態による酸素保持量をＯＳａを算出する。［Ａ×Ｑａ×０２／２］は単位時間当たりに触媒に流入する過不足酸素量を表しており、ここでは、０２が正の値であるため過剰酸素量を表すことになる。なお、Ａは単位換算のための係数であり、２で除しているのはＱａを２気筒分の吸入空気量とするためである。Ｑａは、直前に実行された吸入空気量検出ルーチンでエアフロメータ４の出力信号から算出された最新の値を使用する。
Ｓ７０７：遅反応形態による酸素保持量ＯＳｂは、前回本ルーチンを実行したときに案出した値ＯＳｂｚを変えずに保持する。
Ｓ７０８：全酸素保持量の飽和量ＯＳＣから前回本ルーチンを実行したときの全酸素保持量（○Ｓａｚ＋ＯＳｂ）を減算し、遅反応形態でさらにトラップすることが可能な酸素量ＯＳｂＲを算出する。
Ｓ７０９：遅反応形態による酸素トラップ反応の反応速度に対応する係数Ｋ、トラップ可能酸素量ＯＳｂＲ、［Ａ×Ｑａ×０２／２］を乗じて、単位時間当たりに遅反応形態でトラップする酸素量ＫＯＳを算出する。
Ｓ７１０：瞬時反応形態による酸素保持量ＯＳａは、前回本ルーチンを実行したときに算出した値ＯＳａｚを変えずに保持する。
Ｓ７１１：前回本ルーチンを実行したときに算出した遅反応形態による酸素保持量ＯＳｂｚにＳ７０９のＫＯＳを加算して、新たな遅反応形態による酸素保持量ＯＳｂを算出する。
Ｓ７１２：遅反応形態による酸素放出反応の反応速度に対応する係数Ｄ、前回本ルーチンを実行したときに算出した遅反応形態による酸素保持量ＯＳｂｚ、［Ａ×Ｑａｘ０２／２］を乗じて、単位時間当たりに遅反応形態で放出される酸素量ＤＯＳを算出する。［Ａ×Ｑａ×０２／２］は単位時間当たりに触媒に流入する過不足酸素量を表しており、ここでは、０２が負の値であるため不足酸素量を表すことになる。また、ＤＯＳも負の値として算出される。
Ｓ７１３：前回本ルーチンを実行したときに算出した酸素保持量ＯＳａｚに［Ａ×Ｑａ×０２／２−ＤＯＳ］を加算して、新たな酸素保持量をＯＳａを算出する。［Ａ×Ｑａ×０２／２−ＤＯＳ］は、単位時間当たりに瞬時反応形態の酸素放出で補われるべき不足酸素量を表している。
Ｓ７１４：瞬時反応形態による酸素保持量ＯＳａがＯより小さいか否かを判断する。
Ｓ７１５：酸素保持量がマイナスになることはないので、瞬時反応形態による酸素保持量ＯＳａを０に制限する。このステップが実行されるときは、還元剤成分が上流側触媒を通過して下流へ流出する状態となっている。
Ｓ７１６：前回本ルーチンを実行したときに算出した遅反応形態による酸素保持量ＯＳｂｚにＳ７１２のＤＯＳを加算して、新たな遅反応形態による酸素保持量ＯＳｂを算出する。
【００４０】
図１４以下に本発明による触媒再生制御の第３の実施形態を示す。この実施形態では、リーン空燃比による運転が継続して行われ下流側触媒１３のＮＯｘトラップ量の積算値（ΣＮＯｘ）が所定値（ΣＮＯｘｔｈ）に達すると、まず、第１気筒群の空燃比をリッチとし第２気筒群の空燃比を弱リーンとするリッチ・リーン運転モードで触媒再生制御を開始し、第１の上流側触媒１２Ａの下流の空燃比がリッチとなった時点で第１気筒群の空燃比をリッチとし第２気筒群の空燃比を略理論空燃比とするリッチ・ストイキ運転モードに切り換えて触媒再生制御を継続させる。
【００４１】
この実施形態では、第１の上流側触媒１２Ａの下流の空燃比を検出するため、第１の上流側触媒１２Ａの下流の排気通路に下流側空燃比センサ（０２センサ）２１を配設する（図１５参照）。
【００４２】
この制御では、第１の上流側触媒１２Ａの下流がリッチ空燃比となった後でしか再生運転モードの切換えを行なうことができないので、再生運転モードの切換え直前に第１気筒群からの還元剤成分と第２気筒群からの酸素とが下流側触媒１３へ同時流入してしまう可能性があるものの、コントロールユニット１の演算負荷をより軽くすることができるという利点がある。
【００４３】
図１４は本実施形態に固有の燃料噴射モード設定ルーチンであり、燃料噴射モードを示すフラグＦＲＳＫの設定を行なう。ＦＲＳＫの意味は前記各実施形態と同様である。
Ｓ８０１：触媒再生制御要否フラグＦＲＳが１であるか否かを判断する。ＦＲＳは、直前に実行された触媒再生制御要否判断ルーチン（図３参照）で設定された最新の値を使用する。
Ｓ８０２：下流側Ｏ２センサ２１の出力信号ＲＶＯ２が所定値ＳＬＲ（たとえば理論空燃比相当値）より小さいか否かを判断する。
Ｓ８０３：燃料噴射モードフラグＦＲＳＫを０に設定する。
Ｓ８０４：燃料噴射モードフラグＦＲＳＫを１に設定する。
Ｓ８０５：燃料噴射モードフラグＦＲＳＫを１に設定する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能な内燃機関の機械的構成例を示す概略図。
【図２】本発明を適用可能な内燃機関の機械的構成例を示す第２の概略図。
【図３】本発明の第１の実施形態による制御を示す第１の流れ図。
【図４】本発明の第１の実施形態による制御を示す第２の流れ図。
【図５】本発明の第１の実施形態による制御を示す第３の流れ図。
【図６】本発明の第１の実施形態による制御を示す第４の流れ図。
【図７】本発明の第１の実施形態による制御のタイミングチャート。
【図８】本発明の第２の実施形態に固有の部分の構成図。
【図９】本発明の第２の実施形態による制御を示す第１の流れ図。
【図１０】本発明の第２の実施形態による制御を示す第２の流れ図。
【図１１】本発明の第２の実施形態による制御に使用する第１のマップの説明図。
【図１２】本発明の第２の実施形態による制御に使用する第２のマップの説明図。
【図１３】本発明の第２の実施形態による制御に使用する第３のマップの説明図。
【図１４】本発明の第３の実施形態による制御を示す流れ図。
【図１５】本発明の第３の実施形態に固有の部分の構成図。
【符号の説明】
１ コントロールユニット
２ 内燃機関
３ 吸気通路
４ 排気通路
５ クランク角センサ
６ Ｏ２センサ
７ 燃料噴射弁
８ アクセルセンサ
９ 点火栓
１０ 電子制御スロットルバルブ
１１Ａ 排気通路（第１）
１１Ｂ 排気通路（第２）
１１Ｃ 排気通路（下流側）
１２Ａ 第１の上流側触媒
１２Ｂ 第２の上流側触媒
１３ 下流側触媒
２０，２１ リニア空燃比センサ
Claims (8)
- 多気筒内燃機関の第１の気筒群と第２の気筒群のそれぞれの排気通路に配設され、流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときに排気ガス中の酸素をトラップして保持し、流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに保持していた酸素を放出して排気ガス中の還元剤成分を酸化する機能を有する第１の上流側触媒および第２の上流側触媒と、
前記各気筒群の排気通路を各上流側触媒よりも下流側にて合流させた下流側排気通路に配設され、流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときに排気ガス中のＮＯｘをトラップして保持し、流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに保持していたＮＯｘを排気ガス中の還元剤成分で還元する機能を有する下流側触媒と、
前記各気筒群毎に異なる燃料量を供給可能な燃料供給手段と、
保持されているＮＯｘを還元して前記下流側触媒のＮＯｘトラップ機能を回復させるための触媒再生制御を開始するか否かを判断する判断手段と、
前記判断手段の判断結果に応じて触媒再生制御を実行するときに、前記燃料供給手段を介して、触媒再生制御開始から所定期間は第１の気筒群の空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に、かつ第２の気筒群の空燃比を理論空燃比よりもリーン側に制御し、前記所定期間経過後は第１の気筒群の空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に、かつ第２の気筒群の空燃比を略理論空燃比に制御する燃料制御手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置。 - 前記所定期間は、前記第１の上流側触媒からの酸素放出によって該触媒から流出する排気の空燃比がほぼ理諭空燃比に維持される期間である請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 触媒再生制御開始からの経過時間を計測する計測手段を備え、前記燃料制御手段は、計測した経過時間に基づいて前記所定期間が経過したか否かを判定するように構成されている請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記第１の上流側触媒の酸素保持量を推定する推定手段を備え、前記燃料制御手段は、推定した酸素保持量に基づいて前記所定期間が経過したか否かを判定するように構成されている請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記推定手段は、前記第１の上流側触媒の瞬時反応形態による酸素保持量と遅反応形態による酸素保持量とをそれぞれ推定するよう構成され、前記燃料制御手段は、推定した瞬時反応形態による酸素保持量に基づいて前記所定期間が経過したか否かを判定するように構成されている請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記第１の上流側触媒に流入する排気ガスの空燃比を広範囲に検出可能なリニア空燃比センサを備え、前記推定手段は、検出した空燃比に基づいて酸素保持量の推定を行なうように構成されている請求項４または請求項５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記第１の上流側触媒から流出する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるか否かを検出可能な空燃比センサを備え、前記燃料制御手段は、検出した空燃比がリッチ空燃比に変化したか否かに基づいて前記所定期間が経過したか否かを判定するように構成されている請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記判断手段は、機関の吸入空気量と主燃焼の空燃比とから算出したＮＯｘ量の積算値が、前記下流側触媒の特性に応じて定めた所定の基準値を越えたときに触媒再生制御を開始すると判断するように構成されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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