JP3812223B2

JP3812223B2 - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP3812223B2
Application number: JP16670199A
Authority: JP
Inventors: 要長沼; 彰田山; 太郎横井; 康二石原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-06-14
Filing date: 1999-06-14
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2019-06-14
Also published as: EP1061245A2; JP2000356124A; DE60005251D1; EP1061245B1; DE60005251T2; EP1061245A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はエンジンの排気浄化装置、特にエンジンをリーン（希薄混合気）運転させるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
空燃比が理論空燃比よりもリーンのときにＮＯｘを吸収し、空燃比が理論空燃比や理論空燃比よりもリッチになると、触媒に吸収されているＮＯｘ（このＮＯｘを以下単に「吸収ＮＯｘ」という）を脱離するとともに、この脱離したＮＯｘを未燃ＨＣやＣＯを還元剤として用いて浄化する機能を有する触媒を排気通路に設けておき、吸収ＮＯｘ量が限界にきたと判断したら、ごく短時間だけ空燃比を理論空燃比（あるいは理論空燃比よりもリッチ側の空燃比）へとリッチ化する（このごく短時間だけの空燃比のリッチ化処理を以下「リッチスパイク処理」という）とともに、このリッチ化度合を、触媒温度や触媒への単位時間当たりの流入排気量に応じて設定するものがある（特開平６−１０７２５号、同６−２９４３１９号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の従来装置は、リッチスパイク処理に際し、吸収ＮＯｘ量の全てを脱離・還元させることを前提としてリッチ化度合を設定するものとなっている。このため、リーン空燃比域でリッチスパイク処理が必要となったときのエンジン負荷に関係なく、吸収ＮＯｘ量の全てを脱離・還元させるリッチスパイク処理を常に行うことになり、エンジンの燃費性能の改善の余地が残っている
【０００４】
これについて説明すると、触媒の特性に、単位時間当たりの吸収ＮＯｘ量を単位時間当たりに触媒に流入するＮＯｘ量で除した値で定義されるＮＯｘ吸収率がある。このＮＯｘ吸収率は、一般的に吸収ＮＯｘ量が増えるに従い低下する。また、ＮＯｘ吸収率が高く保たれていれば、吸収ＮＯｘ量に関係なく触媒にＮＯｘが吸収される。
【０００５】
さて、発明者による実験によれば、吸収ＮＯｘ量が増えるのに従いＮＯｘ吸収率が低下する傾向は、リーン空燃比域におけるエンジンの低負荷状態のほうが、高負荷状態より弱いことを新たに見い出した。これより結論されることは、リーン空燃比域における低負荷状態では吸収ＮＯｘ量が多くても高いＮＯｘ吸収率が維持されるのであるから、リッチスパイク処理に際して吸収ＮＯｘ量の全てを脱離・還元する必要がなく、その一部だけの脱離・還元を行うことによって、かえってリッチスパイク処理に用いる燃料量を減らすことができる、ということである。
【０００６】
そこで本発明は、リーン空燃域でリッチスパイク処理が必要となったとき、低負荷状態であれば吸収ＮＯｘ量の一部を脱離・還元するリッチスパイク処理を行うことにより、ＮＯｘ吸収率の回復を図りつつもリッチスパイク処理に用いる燃料消費を最小限にとどめることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、図８に示すように、空燃比が理論空燃比よりもリーンのときにＮＯｘを吸収し、空燃比が理論空燃比または理論空燃比よりもリッチになると、吸収ＮＯｘを脱離するとともに、この脱離したＮＯｘを排気中の還元成分を用いて還元浄化する機能を有する触媒（ＮＯｘ吸蔵型触媒）３２を排気通路３１に備える一方、リーン空燃域で吸収ＮＯｘ量ＴＮＯＸを演算する手段３３と、この演算した吸収ＮＯｘ量ＴＮＯＸに基づいてリーン空燃域でリッチスパイク処理が必要となったかどうかを判定する手段３４と、この判定結果よりリーン空燃域でリッチスパイク処理が必要となったとき、処理時間のあいだリッチ化度合で空燃比をリッチ化する（理論空燃比または理論空燃比よりリッチ側の空燃比にする）ことによりリッチスパイク処理を行う手段３５と、リーン空燃比域で前記リッチスパイク処理が必要となったときのエンジン負荷（たとえば吸入空気量Ｑａ）を検出する手段３６と、この検出したエンジン負荷が低負荷状態のときに前記リッチスパイク処理により前記触媒３２より脱離するＮＯｘ量が、前記吸収ＮＯｘ量の全量に対して少なくかつ前記検出したエンジン負荷が高負荷状態のときよりも少なくなるように前記処理時間または前記リッチ化度合を減少補正する手段３７とを備える。
【０００８】
第２の発明では、第１の発明において前記リッチスパイク処理により前記触媒より脱離するＮＯｘ量が、前記吸収ＮＯｘ量の全量に対して少なくかつ前記検出したエンジン負荷が高負荷状態のときよりも少なくなる割合を、リーン空燃比域における高負荷運転の平均ＮＯｘ吸収率よりもリーン空燃比域における低負荷運転の平均ＮＯｘ吸収率が高い分に応じて設定する。
【０００９】
第３の発明では、第１または第２の発明において前記リッチスパイク処理が必要となったときのエンジン負荷に代えて、前記リッチスパイク処理が必要となったときまでのエンジン負荷の履歴（たとえば吸入空気量の加重平均値ＱａＨ）を用いる。
【００１０】
第４の発明では、第１または第２の発明においてリーン運転域で前記吸収ＮＯｘ量ＴＮＯＸが所定値ＮＯＸｔｈに達したとき、前記リッチスパイク処理が必要となったと判定する。
【００１１】
第５の発明では、第４の発明において１のリッチスパイク処理から次のリッチスパイク処理までの間の大気へのＮＯｘ排出量が一定基準以下となるように前記所定値ＮＯＸｔｈを設定する。
【００１２】
【発明の効果】
触媒では吸収ＮＯｘ量が増えるのにしたがってＮＯｘ吸収率が低下するのであるが、この場合に、吸収ＮＯｘ量の増加とＮＯｘ吸収率の低下とが常に一義的に対応するものでなく、吸収ＮＯｘ量が多くてもリーン空燃比域におけるエンジン負荷が低いときにはエンジン負荷が高いときに比べて高いＮＯｘ吸収率が維持されることを実験で確認した（図５参照）。このため、リッチスパイク処理が必要となったときのエンジン負荷が低い状態では、吸収ＮＯｘ量の一部を脱離するだけでも高いＮＯｘ吸収率を維持できる。第１、第２、第３、第４、第５の発明は、こうした点に着目し、リーン空燃比域で前記リッチスパイク処理が必要となったときのエンジン負荷が低負荷状態のときに、吸収ＮＯｘ量の全てを常に脱離・還元するのではなく、リッチスパイク処理により触媒より脱離するＮＯｘ量が、吸収ＮＯｘ量の全量に対して少なくかつ前記検出したエンジン負荷が高負荷状態のときよりも少なくなるように処理時間またはリッチ化度合を減少補正する構成したもので、これによって、リーン空燃比域でリッチスパイク処理が必要となったとき、触媒のＮＯｘ吸収率を回復させつつトータルの燃費をより向上させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１において、１はエンジン本体、２は吸気通路、３はＤＣモータ等からなるスロットルアクチュエータ３Ａにより駆動されるスロットル装置、４はＥＣＵ（エレクトロニックコントロールユニット）１１からの噴射信号により運転条件に応じて所定の空燃比となるように燃料を噴射供給する燃料噴射弁、５は点火プラグである。なお、燃料噴射弁４は燃焼室内に臨んで設けられているが、このタイプに限られるものはでない。
【００１４】
ＥＣＵ１１にはクランク角センサ１２からの基準位置信号と単位角度信号、エアフローメータ１３（エンジン負荷検出手段）からの吸入空気量信号、アクセルセンサ１４からのアクセル開度信号、さらには水温センサ１５からのエンジン冷却水温信号、トランスミッションのギア位置センサ（図示しない）からのギア位置信号、車速センサ（図示しない）からの車速信号等が入力し、これらに基づいて運転状態を判断しながら、負荷のそれほど大きくない所定の運転域においてはリーン空燃比による運転を行い、それ以外の運転域では空燃比を主に理論空燃比へと制御する。
【００１５】
排気通路６にはＮＯｘ吸蔵型触媒７が設置される。このＮＯｘ吸蔵型触媒７は、流入排気の空燃比が理論空燃比よりもリーン側であるときに、流入排気中のＮＯｘを吸収し、流入排気の空燃比が理論空燃比または理論空燃比よりもリッチ側になると、吸収ＮＯｘを脱離するとともに、この脱離されるＮＯｘを、理論空燃比やリッチ側空燃比の雰囲気中のＨＣ、ＣＯ等を還元剤として用いて還元浄化する機能を有するものである。たとえばアルミナをコーティングしたハニカム担体に、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の貴金属を担持した触媒をベースに、バリウムＢａで代表されるアルカリ土類、Ｃｓで代表されるアルカリ金属から選ばれた少なくとも１つの成分を担持して構成される。
【００１６】
ところで、上記の吸収ＮＯｘは、折をみてリッチスパイク処理により脱離・還元浄化してやる必要がある。
【００１７】
これを図２により説明すると、同図は、リーン空燃比域における高負荷運転（リーン▲１▼）が行われたあとに運転条件が変化し、リーン空燃比域における低負荷運転（リーン▲２▼の後半、リーン▲３▼）が行われる場合を示している。
【００１８】
このとき、触媒７では吸収ＮＯｘ量が増えるのに応じてＮＯｘ吸収率が低下し、ＮＯｘの取りこぼし量（触媒を通過してしまうＮＯｘ量）が増加する。したがって、リーン空燃比域における運転中のＮＯｘ排出量を一定基準以下に抑えるため、吸収ＮＯｘ量が所定値に達した時点でリッチスパイク処理を行い、ＮＯｘ吸収率を回復させなければならない。なお、判定基準となるこの所定値は、１のリッチスパイク処理から次のリッチスパイク処理までの間（＝リーン運転中）のＮＯｘ排出量が一定基準以下となるように定められる。
【００１９】
さて、ＮＯｘ吸収率を、単位時間当たりの吸収ＮＯｘ量を、単位時間当たりに触媒に流入するＮＯｘ量で除した値で定義すると、図５に示したように、リーン空燃比域における高負荷運転と低負荷運転とでは、吸収ＮＯｘ量の増加に対するＮＯｘ吸収率の低下の幅が異なり、低負荷状態のほうが高負荷状態より小さいことを本発明者が実験により新たに見い出した。
【００２０】
この新たな知見に基づけば、いま、リーン空燃比域におけるエンジンの負荷に関係なく、図２第３段目の一点鎖線で示したように、従来装置と同様のリッチスパイク処理により、リーン空燃比域での吸収ＮＯｘ量が所定値に達したｔ１、ｔ２のタイミングでリッチスパイク処理を開始し、吸収ＮＯｘ量の全てを触媒より脱離・還元するまでリッチスパイク処理を継続したとき（リッチ▲１▼とリッチ▲２▼）、リーン空燃比域における低負荷運転（リーン▲３▼）のＮＯｘ吸収率（図２最上段の一点鎖線参照）の低下幅が、リーン空燃比域における高負荷運転（リーン▲１▼）のＮＯｘ吸収率（図２最上段の実線参照）の低下幅より小さくなるため、リーン空燃比域における低負荷運転の平均ＮＯｘ吸収率（図２最上段の二点鎖線参照）がリーン空燃比域における高負荷運転の平均ＮＯｘ吸収率（図２最上段の破線参照）よりも高くなる。言い換えると、リーン空燃比域における高負荷運転の平均ＮＯｘ吸収率が適当なものであるとすれば、これよりもリーン空燃比域における低負荷運転の平均ＮＯｘ吸収率のほうがずっと高いため、リーン空燃比域における低負荷運転状態では、吸収ＮＯｘ量の一部を脱離させるだけでも、高いＮＯｘ吸収率を維持できることになる。このとき、吸収ＮＯｘ量の一部を脱離・還元するためのリッチスパイク処理に必要な燃料増加量は、吸収ＮＯｘ量の全てを脱離・還元するためのリッチスパイク処理に必要な燃料増加量よりも少なくなるので、吸収ＮＯｘ量の一部を脱離・還元するためのリッチスパイク処理を行った方がトータルの燃費性能が良くなる。
【００２１】
そこでＥＣＵ１１では、リーン空燃比域における低負荷状態で吸収ＮＯｘ量が所定値に達したｔ２、ｔ３のタイミングで、エンジン負荷が低負荷状態であれば、吸収ＮＯｘ量の一部を脱離・還元するリッチスパイク処理（リッチ▲２▼′とリッチ▲３▼′）を行わせる（図２第３段目の実線参照）。
【００２２】
ＥＣＵ１１で実行されるこのリッチスパイク処理の制御内容を、図３、図４のフローチャートにしたがって詳細に説明する。なお、図３、図４のルーチンは、一定時間毎（たとえば１０ｍｓ毎）に実行する。
【００２３】
図３においてステップ１では触媒温度Ｔｃａｔ、エンジン回転数Ｎｅ、吸入空気量Ｑａを読み込む。なお、触媒温度Ｔｃａｔは触媒７に設けた温度センサ１６（図１参照）の出力をＡ／Ｄ変換して求める。エンジン回転数Ｎｅはクランク角センサ１２の基準位置信号（４気筒エンジンでは１８０°毎の信号）の発生間隔時間に基づいて演算する。
【００２４】
ステップ２では現在の目標当量比（理論空燃比を目標空燃比で除算した値）ＴＦＢＹＡと１を比較する。ここで、目標当量比の単位は無名数で、目標空燃比を理論空燃比とするとき１となり、目標空燃比を理論空燃比よりもリーンとするとき１よりも小さな値に、この逆に目標空燃比を理論空燃比よりもリッチとするとき１よりも大きな値になる。目標当量比ＴＦＢＹＡは、簡単にはエンジン回転数Ｎｅと吸入空気量Ｑａをパラメータとするマップ値である（図７参照）。
【００２５】
ＴＦＢＹＡ＜１のときはステップ３〜７に進む。
【００２６】
ステップ３〜６はリーン空燃比域における吸収ＮＯｘ量を演算し、この演算した吸収ＮＯｘ量が所定値に達したかどうか（リッチスパイク処理が必要となったかどうか）を判定する部分である。まず、ステップ３で吸入空気量Ｑａの加重平均値ＱａＨを、
【００２７】
【数１】
ＱａＨ＝ｋ×ＱａＨｚ＋（１−ｋ）×Ｑａ
ただし、ｋ：加重平均係数、
ＱａＨｚ：ＱａＨの前回値、
の式により演算する。
【００２８】
ここで、加重平均値ＱａＨは、エンジンの負荷履歴を表すもので、ＱａＨが小さければ、それまでリーン空燃比域における低負荷運転が継続して行われていたことを示しており、今後もリーン空燃比域における低負荷運転が続く可能性が高いと考えることができる。
【００２９】
なお、本ルーチンの演算毎に求めた吸入空気量Ｑａのデータを時系列で記憶しておき、統計処理を行って現在までのエンジンの負荷推移の傾向を求め、今後の負荷が平均的にどのような値になるかを予測するようにし、その予測値をＱａＨとして演算するようにしてもよい。また、簡易的には、最新のＱａだけをＱａＨとして記憶しておくだけでもよい。
【００３０】
ステップ４では現在の吸収ＮＯｘ量ＴＮＯＸを、
【００３１】
【数２】
ＴＮＯＸ＝ＴＮＯＸｚ＋ΔＮＯＸ
ただし、ＴＮＯＸｚ：ＴＮＯＸの前回値、
ΔＮＯＸ：演算間隔当たり（１０ｍｓ当たり）のＮＯｘ吸収量、の式により演算する。つまり、本ルーチンの演算間隔当たりの吸収ＮＯｘ量ΔＮＯＸを、前回演算した吸収ＮＯｘ量であるＴＮＯＸｚに加算した値を今回の吸収ＮＯｘ量ＴＮＯＸとする。
【００３２】
ここで、演算間隔当たりの吸収ＮＯｘ量ΔＮＯＸは、
【００３３】
【数３】
ΔＮＯＸ＝ΔＮＯＸｅｏ×（ＮＯｘ吸収率）
の式により演算する。このうち、ΔＮＯＸｅｏは本ルーチンの演算間隔当たりにエンジンが排気通路に排出するＮＯｘ量で、エンジンの運転条件（エンジン回転数Ｎｅ、吸入空気量Ｑａ、目標当量比ＴＦＢＹＡ等）から推定する。この推定方法は公知であるため詳述しない。
【００３４】
一方、ＮＯｘ吸収率は、単位時間当たりの吸収ＮＯｘ量を、単位時間当たりに触媒に流入するＮＯｘ量で除した値である。これは、吸収ＮＯｘ量の前回値であるＴＮＯＸｚとリーン空燃比域におけるエンジン負荷（たとえば吸入空気量Ｑａ）から図５を内容とするマップを検索することにより演算する。図５のように、リーン空燃比域における高負荷運転よりもリーン運転域における低負荷運転のほうがＮＯｘ吸収率が高いのは、本発明者が実験により初めて見い出したものである。なお、同図には簡単のため高負荷運転のときと低中負荷運転のときの２つの値しかないように（つまり２値的に）示しているが、精度を上げるためには、負荷に応じて段階的に設定してやればよい。
【００３５】
ＮＯｘ吸収率は、触媒温度Ｔｃａｔの影響も受けるので、さらに触媒温度Ｔｃａｔをもパラメータとして演算させてもかまわない。このときのＮＯｘ吸収率の温度特性は、たとえば負荷を一定としたとき所定の触媒温度で最大となり、この触媒温度より低くても高くても低下する傾向の特性になる。
【００３６】
図３のステップ５ではリッチスパイク処理が必要であるかどうかを判断するための判定基準（つまり所定値）ＮＯＸｔｈを設定し、この判定基準ＮＯＸｔｈと吸収ＮＯｘ量ＴＮＯＸとをステップ６において比較する。
【００３７】
ここで、判定基準ＮＯＸｔｈは触媒温度Ｔｃａｔの影響を受けるので、触媒温度Ｔｃａｔに応じて演算している。具体的には触媒温度Ｔｃａｔが所定温度のとき最大となり、その所定温度より高温側でも低温側でも減っていく特性である。
【００３８】
なお、判定基準ＮＯＸｔｈの特性は触媒の種類によっても異なり、触媒温度の影響が無視できる程度であれば、ＮＯＸｔｈを固定値としてよい。
【００３９】
吸収ＮＯｘ量ＴＮＯＸが判定基準ＮＯＸｔｈを超えるときは、リッチスパイク処理が必要であるため、ステップ７に進んでリッチスパイクフラグＦｎｏｘを立て（Ｆｎｏｘ＝１）、このフラグの値をＥＣＵ１１内のメモリにストアする。吸収ＮＯｘ量ＴＮＯＸが判定基準ＮＯＸｔｈ以下であるときは、前回までのフラグの値が保持される（つまりＦｎｏｘ＝０）。なお、フラグＦｎｏｘはエンジン始動時にＦｎｏｘ＝０に初期設定される。
【００４０】
このようにして設定されるフラグＦｎｏｘは、後で図６により説明する燃料噴射パルス幅Ｔｉの演算ルーチンで読み出されても使用される。このため、同ルーチンによれば、フラグＦｎｏｘの１へのセットにより、リッチスパイク処理が開始され、ＴＦＢＹＡが１以上となるので、図３のフローにおいては、フラグＦｎｏｘが１になった直後よりステップ２からステップ８以降に進むことになる。
【００４１】
一方、ＴＦＢＹＡ≧１のときはステップ２よりステップ８に進み、目標当量比ＴＦＢＹＡが１未満より１以上へと変化（つまりリーン空燃比域から理論空燃比域またはリッチ空燃比域へと変化）したかどうかまたはフラグＦｎｏｘが０から１に反転したかどうかみる。
【００４２】
まず、目標当量比ＴＦＢＹＡが１未満より１以上へと変化したかどうかは、前回の目標当量比であるＴＦＢＹＡｚの値をみればわかる。前回の目標当量比であるＴＦＢＹＡｚが１未満であれば、リーン空燃比域から理論空燃比域またはリッチ空燃比域へと変化したので、ステップ９に進み、理論空燃比域（またはリッチ空燃比域）での運転が開始されてからの経過時間を計測するためカウンタをリセット（ＴＩＭＥＲ＝０）する。
【００４３】
フラグＦｎｏｘが０から１に反転したかどうかは、フラグＦｎｏｘの前回値をみればわかる。フラグＦｎｏｘの前回値が０であれば、今回演算時がフラグＦｎｏｘの０から１への反転時であるためこのときもステップ９に進み、フラグＦｎｏｘが反転してからの経過時間を計測するためカウンタをリセットする。
【００４４】
ステップ１０ではフラグＦｎｏｘの値をみる。フラグＦｎｏｘ＝０であれば（つまり運転条件の変化によりリーン空燃比域から理論空燃比域またはリッチ空燃比域へと変化した場合）、ステップ１５に進み、触媒に判定基準ＮＯＸｔｈ程度のＮＯｘが吸収されている場合に、理論空燃比の運転でその吸収ＮＯｘ量の全てを脱離・還元できる時間ＲＴｂａｓｅをリッチスパイク処理時間ＲＴとして設定し、今回の処理を終了する。
【００４５】
これによって、運転条件がリーン空燃比域から理論空燃比域（またはリッチ空燃比域）に移行した場合に、ＲＴｂａｓｅの時間が経過すれば吸収ＮＯｘ量の全てが脱離・還元されることになる。
【００４６】
これに対してフラグＦｎｏｘ＝１であるときは、運転条件はリーン空燃比域にあっても強制的に空燃比をリッチ化して吸収ＮＯｘ量の所定割合を脱離・還元するリッチスパイク処理を行うため、ステップ１１〜１４に進む。
【００４７】
ステップ１１〜１４はこれから開始されるリッチスパイク処理に用いる制御値（リッチ化度合ＲＩＣＨとリッチスパイク処理時間ＲＴ）を演算する部分である。
【００４８】
ここで、リッチ化度合ＲＩＣＨが大きいほど単位時間当たりに触媒より脱離されるＮＯｘ量が多くなり、処理時間ＲＴが長くなるほどトータルのＮＯｘ脱離量が多くなる。
【００４９】
なお、単位時間当たりに触媒に供給される還元成分（ＨＣ、ＣＯ）の量がリッチ化度合と排気流量（≒吸入空気流量Ｑａ）の積に比例し、この単位時間当たりの還元成分供給量が、単位時間当たりのＮＯｘ脱離量よりも少なくなると、脱離されたＮＯｘを十分に還元浄化することができなくなるので、リッチ化度合ＲＩＣＨは、ある値より小さくすることができない。よって、リッチ化度合ＲＩＣＨと処理時間ＲＴのうちいずれか一方の制御値だけを変えてＮＯｘ脱離量を制御する場合は、処理時間ＲＴのほうを可変制御するほうが望ましい。
【００５０】
ステップ１１では現在の吸入空気量Ｑａと現在の吸収ＮＯｘ量ＴＮＯＸとに応じて、リッチスパイク処理に用いる基本制御値Ｒ０、ＲＴ０を算出する。このうち、Ｒ０はリッチ化度合の基本制御値（単位は当量比相当の値）、ＲＴ０はリッチスパイク処理時間の基本制御値（単位は時間相当の値）である。より詳細にはＲ０は、現在の吸入空気量Ｑａの条件下で触媒に十分な還元成分を供給できる（単位時間当たりの還元成分供給量が単位時間当たりのＮＯｘ脱離量よりも多い）リッチ化度合の値（Ｒ０≧１）、またＲＴ０はトータルのＮＯｘ脱離量が現在の吸収ＮＯｘ量の全量以上となる時間である（ＲＴ０＞０）。したがって、処理時間ＲＴ０のあいだリッチ化度合Ｒ０で空燃比をリッチ化するリッチスパイク処理を行えば、従来装置と同様に、吸収ＮＯｘ量の全てが脱離・還元されることになる。
【００５１】
なお、フラグＦｎｏｘが０から１になった直後の吸収ＮＯｘ量ＴＮＯＸは、ほぼ判定基準ＮＯＸｔｈとなっているので、ＴＮＯＸの代わりに判定基準ＮＯＸｔｈを用いてもよい。また、判定基準ＮＯＸｔｈを単一の固定値とする場合は、吸入空気量Ｑａのみから基本制御値Ｒ０、ＲＴ０を演算することになる。
【００５２】
ステップ１２ではリッチスパイク処理の開始直前までの吸入空気量の加重平均値ＱａＨに応じて、吸収ＮＯｘ量のうちのどの程度を脱離・還元させるのかを定める脱離割合Ｋを設定する。たとえば脱離割合Ｋ＝５０％は、吸収ＮＯｘ量の半分を脱離・還元させることを表す。Ｋ＝１００％は、吸収ＮＯｘ量の全てを脱離・還元させることに相当する。
【００５３】
加重平均値ＱａＨが小さい（つまり今後もリーン空燃比域における低負荷運転が継続される可能性が高い）ときほどＫの値を小さく設定し、これによって脱離するＮＯｘ量を少なくする代わりにリッチスパイク処理に用いる燃料増加量を抑制する。今後も低負荷運転が継続される状態であれば、吸収ＮＯｘ量の全てを脱離・還元させなくても、十分なＮＯｘ吸収率を維持することができる。
【００５４】
これに対して、加重平均値ＱａＨが大きい（つまり今後もリーン空燃比域における高負荷運転が継続される可能性が高い）場合は、吸収ＮＯｘ量の全てを脱離・還元しておかないと、必要なＮＯｘ吸収率を確保できないので、Ｋを１００％近くの値に設定する。
【００５５】
なお、加重平均値ＱａＨは、リーン空燃比域における今後（次にリッチスパイク処理を行うまで）の平均的なエンジン負荷状態に近いことが望ましいので、吸入空気量ＱａそのものをＱａＨとするよりはＱａの加重平均値ＱａＨとするほうがよく、現在までのデータを統計処理をして予測値を求められればなおよい。また、リーン空燃比域における負荷状態（排気流量の状態）と相関するパラメータであれば、スロットル開度や吸気管負圧、基本燃料噴射パルス幅Ｔｐ等やその加重平均値をＱａやＱａＨの代わりに用いてもよい。
【００５６】
ステップ１３では上記の基本制御値Ｒ０、ＲＴ０に対する補正値Ｒ１、ＲＴ１を演算する。つまり、上記の基本制御値Ｒ０、ＲＴ０を減少補正（リッチ化度合を小さくするか、リッチスパイク処理時間を短くする）すれば、ＮＯｘ脱離量が減少するので、脱離されるＮＯｘ量が吸収ＮＯｘ量のＫ％になるような補正値Ｒ１、ＲＴ１（０＜Ｒ１≦１、０＜ＲＴ１≦１）を演算し、この補正値Ｒ１、ＲＴ１と上記の基本制御値Ｒ０、ＲＴ０を用い、ステップ１４において
【００５７】
【数４】
ＲＩＣＨ＝Ｒ０×Ｒ１
ＲＴ＝ＲＴ０×ＲＴ１
の式により基本制御値Ｒ０、ＲＴ０を減少補正した値を、リッチスパイク処理に用いるリッチ化度合ＲＩＣＨ、リッチスパイク処理時間ＲＴとして計算し、今回の処理を終了する。ただし、補正値Ｒ１によりリッチ化度合の基本制御量Ｒ０を減少補正するといっても、減少補正後の値であるＲＩＣＨが１以上の値となるようにＫの値を設定していることはいうまでもない。
【００５８】
このようにして演算されたＲＩＣＨとＲＴはＥＣＵ１１内のメモリ（ＲＡＭ）にストアされ、このうちＲＴは次に説明するリッチスパイク処理が終了したかどうかの判定とリッチスパイク処理の終了直後かどうかの判定（図４のステップ１６、１８）に、またＲＩＣＨは後で説明する燃料噴射パルス幅Ｔｉの演算ルーチンで読み出されて用いられる。
【００５９】
その後も運転条件が理論空燃比域（またはリッチ空燃比域）にあれば、次回からは図３のステップ８より図４のステップ１６に進むことになり、カウンタ値ＴＩＭＥＲとメモリにストアされている処理時間ＲＴを比較する。カウンタの開始当初はカウンタ値ＴＩＭＥＲが処理時間ＲＴより小さいので、図４のステップ１７に進みカウンタ値ＴＩＭＥＲをカウントアップして今回の処理を終了する。
【００６０】
このカウンタ値ＴＩＭＥＲのカウントアップの繰り返しによりやがて、ＴＩＭＥＲ≧ＲＴになると、図４のステップ１８に進み、カウンタ値の前回値であるＴＩＭＥＲｚと処理時間ＲＴを比較する。ＴＩＭＥＲｚ＜ＲＴであれば、カウンタ値がＲＴ以上となった直後であると判断し、図４のステップ１９に進み、フラグＦｎｏｘの値をみる。これは図３のステップ１０の趣旨と同じである。すなわち、Ｆｎｏｘ＝０のときはリーン空燃比域から理論空燃比域（またはリッチ空燃比域）に移ってからＲＴｂａｓｅ（＝ＲＴ）の時間が経過したと判断し、このときは吸収ＮＯｘ量の全てが脱離・還元されるので、ステップ２２に進み、吸収ＮＯｘ量ＴＮＯＸをリセットする（ＴＮＯＸ＝０）。
【００６１】
これに対して、Ｆｎｏｘ＝１のときは、強制的に空燃比をリッチ化して吸収ＮＯｘ量の所定割合を脱離・還元するリッチスパイク処理を開始してからＲＴ０×ＲＴ１（＝ＲＴ）の時間が経過したと判断し、このときはこのリッチスパイク処理を終了させるためステップ１９よりステップ２０に進み、フラグＦｎｏｘをリセット（Ｆｎｏｘ＝０）する。
【００６２】
ステップ２１では、今回のリッチスパイク処理で触媒から脱離された分のＮＯｘ量を、リッチスパイク開始直前の吸収ＮＯｘ量であるＴＮＯＸｚから減算して、現在触媒に残留している吸収ＮＯｘ量ＴＮＯＸを演算する。リッチスパイク処理開始直前の吸収ＮＯｘ量であるＴＮＯＸｚのＫ％を脱離させるリッチスパイク処理が行われたはずであるから、ＴＮＯＸｚ×Ｋが今回触媒から脱離されたＮＯｘ量に相当する。
【００６３】
図６のフローチャートは、燃料噴射弁４に与える燃料噴射パルス幅Ｔｉを演算するためのもので、図３、図４のフローとは独立に一定時間毎（たとえば１０ｍｓ毎）に実行する。
【００６４】
ここで、図６においてステップ３３、３４以外は従来と同じである。ステップ３１ではエンジン回転数Ｎｅと吸入空気量Ｑａを読み込み、これらからステップ３２において基本燃料噴射パルス幅Ｔｐを、Ｔｐ＝（Ｑａ／Ｎｅ）×ｋ２（ただしｋ２は定数）の式により算出する。このＴｐはエンジン１回転当たりに必要となる燃料量を与えるもので、このＴｐにより理論空燃比の混合気が得られる。
【００６５】
ステップ３３では、メモリにストアされているフラグＦｎｏｘの値と１を比較し、Ｆｎｏｘ＝０のときにはリッチスパイク処理を行う必要がないためステップ３５に進み、エンジン回転数Ｎｅと吸入空気量Ｑａから図７を内容とするマップを検索することにより、目標当量比ＴＦＢＹＡを演算する。詳細には、図７に示したように大きく３つに分けられた運転域毎に異なる値が入っている。同図において、ＴＦＢＹＡ＝１の領域が理論空燃比を目標空燃比とする運転域（理論空燃比域）、ＴＦＢＹＡ＜１の領域がリーン空燃比を目標空燃比とする運転域（リーン空燃比域）、またＴＦＢＹＡ＞１の領域がリッチ空燃比を目標空燃比とする運転域（リッチ空燃比域）である。
【００６６】
これに対してＦｎｏｘ＝１のときは、強制的に空燃比をリッチ化して吸収ＮＯｘ量の所定割合を脱離・還元するリッチスパイク処理を行うためステップ３３よりステップ３４に進み、メモリにストアされている上記のリッチ化度合ＲＩＣＨを目標当量比ＴＦＢＹＡとして設定する。このとき、目標当量比ＴＦＢＹＡ（＝ＲＩＣＨ）は１以上の値となり、理論空燃比または理論空燃比よりもリッチ側の空燃比で運転される。
【００６７】
最後にステップ３６ではこのようにして得た目標当量比ＴＦＢＹＡと上記の基本燃料噴射パルス幅Ｔｐを用いて
【００６８】
【数５】
Ｔｉ＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ×α×２＋Ｔｓ
ただし、α：空燃比フィードバック補正係数、
Ｔｓ：燃料噴射弁の無効燃料噴射量、
の式によりシーケンシャル噴射時の燃料噴射パルス幅Ｔｉを計算する。なお、ＴＦＢＹＡ≠１のときにはαは１．０にクランプされる。
【００６９】
このようにして算出されたＴｉはＥＣＵ１１内のメモリにストアされ、エンジンの回転に同期して実行される燃料噴射実行ルーチンで読み出されて使用される（シーケンシャル噴射では、エンジン１回転毎に１回、所定のタイミングで各気筒毎にＴｉの期間だけ燃料噴射弁４が開かれ、噴射が行われる）。
【００７０】
ここで、本実施形態の作用を説明すると、本実施形態では、リーン空燃比域における低負荷運転状態で吸収ＮＯｘ量が所定値に達したとき、そのときのエンジン負荷の履歴を表す吸入空気量の加重平均値ＱａＨに応じて脱離割合Ｋが演算され、この脱離割合Ｋに基づいてリッチスパイク処理による脱離ＮＯｘ量が吸収ＮＯｘ量のＫ％になるような２つの減少補正値Ｒ１、ＲＴ１が演算され、これら補正値Ｒ１、ＲＴ１で対応する基本制御値Ｒ０、ＲＴ０が減少補正されて、リッチスパイク処理に用いるリッチ化度合ＲＩＣＨ（＝Ｒ０×Ｒ１）とリッチスパイク処理時間ＲＴ（＝ＲＴ０×ＲＴ１）が計算され、これら制御値に基づいてリッチスパイク処理が行われる。
【００７１】
これを図２でみると、吸収ＮＯｘ量が所定値に達したときのエンジン負荷が低負荷状態であるｔ２（またはｔ３）のタイミングでは、従来装置と相違して脱離割合Ｋが１００％よりも小さな値で演算されるため、吸収ＮＯｘ量の全部ではなく、そのＫ％を脱離・還元するリッチスパイク処理（リッチ▲２▼′）が行われる。そして、このリッチスパイク処理後のリーン空燃比域における低負荷運転状態（リーン▲３▼′）での平均ＮＯｘ吸収率（図２最上段の二点鎖線参照）は、従来装置と同様のリッチスパイク処理を行う場合より若干低下するものの、この値をリーン空燃比域における高負荷運転の平均ＮＯｘ吸収率（図２最上段の破線参照）以上に維持することは容易である。しかも、吸収ＮＯｘ量の一部の脱離・還元で済むため、リッチスパイク処理に用いる燃料量を大幅に低減できる。すなわち、リーン空燃比域で吸収ＮＯｘ量が所定値に達したときのリッチスパイク処理に際して、触媒のＮＯｘ吸収率を回復させつつトータルの燃費をより向上させることができるのである。
【００７２】
なお、吸収ＮＯｘ量が所定値に達したときのエンジン負荷が高負荷状態であるｔ１のタイミングでは、脱離割合Ｋが１００％にほぼ近い値で演算されるため、従来装置と同様に、吸収ＮＯｘ量の全部を脱離・還元するリッチスパイク処理が行われる。
【００７３】
実施形態では、演算間隔当たりにエンジンが排気通路に排出するＮＯｘ量ΔＮＯＸｅｏとＮＯｘ吸収率の積を演算間隔当たりの吸収ＮＯｘ量ΔＮＯＸとして求め、これを演算間隔毎に積算することによって現在触媒に残存する吸収ＮＯｘ量ＴＮＯＸを求め、この吸収ＮＯｘ量ＴＮＯＸと判定基準（所定値）ＮＯＸｔｈとの比較により、リッチスパイク処理が必要となったかどうかを判定する場合で説明したが、吸収ＮＯｘ量ＴＮＯＸの演算を簡略化することも可能である。たとえば
〈１〉リーン空燃比域におけるエンジン回転数の積算値ＳｕｍＮｅ、
〈２〉リーン空燃比域におけるスロットル開度の積算値ＳｕｍＴｈ、
〈３〉リーン空燃比域における吸入空気量の積算値ＳｕｍＱａ、
のいずれかを吸収ＮＯｘ量ＴＮＯＸの代わりに演算するようにしてもよい。このときは、各積算値ＳｕｍＮｅ、ＳｕｍＴｈ、ＳｕｍＱａのいずれかの値がそれぞれについて設定される判定基準Ｂ１Ｎｅ、Ｂ１Ｔｈ、Ｂ１Ｑａを超えた場合に、上記のリッチスパイクフラグＦｎｏｘを１とすればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の制御システム図である。
【図２】一実施形態の作用を説明するための波形図。
【図３】リッチスパイク処理を説明するためのフローチャート。
【図４】リッチスパイク処理を説明するためのフローチャート。
【図５】吸収ＮＯｘ量とエンジン負荷に対するＮＯｘ吸収率の特性図。
【図６】燃料噴射パルス幅の演算を説明するためのフローチャート。
【図７】運転条件に応じた目標当量比の特性図。
【図８】第１の発明のクレーム対応図。
【符号の説明】
１エンジン本体
４燃料噴射弁
７ＮＯｘ吸蔵型触媒
１３エアフローメータ（エンジン負荷検出手段）
１１ＥＣＵ
１６触媒温度センサ

Claims

空燃比が理論空燃比よりもリーンのときにＮＯｘを吸収し、空燃比が理論空燃比または理論空燃比よりもリッチになると、吸収ＮＯｘを脱離するとともに、この脱離したＮＯｘを排気中の還元成分を用いて還元浄化する機能を有する触媒を排気通路に備える一方、
リーン空燃比域で吸収ＮＯｘ量を演算する手段と、
この演算した吸収ＮＯｘ量に基づいてリーン空燃域でリッチスパイク処理が必要となったかどうかを判定する手段と、
この判定結果よりリーン空燃域でリッチスパイク処理が必要となったとき、処理時間のあいだリッチ化度合で空燃比をリッチ化することによりリッチスパイク処理を行う手段と、
リーン空燃比域で前記リッチスパイク処理が必要となったときのエンジン負荷を検出する手段と、
この検出したエンジン負荷が低負荷状態のときに前記リッチスパイク処理により前記触媒より脱離するＮＯｘ量が、前記吸収ＮＯｘ量の全量に対して少なくかつ前記検出したエンジン負荷が高負荷状態のときよりも少なくなるように前記処理時間または前記リッチ化度合を減少補正する手段と
を備えることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
前記リッチスパイク処理により前記触媒より脱離するＮＯｘ量が、前記吸収ＮＯｘ量の全量に対して少なくかつ前記検出したエンジン負荷が高負荷状態のときよりも少なくなる割合を、リーン空燃比域における高負荷運転の平均ＮＯｘ吸収率よりもリーン空燃比域における低負荷運転の平均ＮＯｘ吸収率が高い分に応じて設定することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記リッチスパイク処理が必要となったときのエンジン負荷に代えて、前記リッチスパイク処理が必要となったときまでのエンジン負荷の履歴を用いることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの排気浄化装置。
リーン運転域で前記吸収ＮＯｘ量が所定値に達したとき、前記リッチスパイク処理が必要となったと判定することを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの排気浄化装置。
１のリッチスパイク処理から次のリッチスパイク処理までの間の大気へのＮＯｘ排出量が一定基準以下となるように前記所定値を設定することを特徴とする請求項４に記載のエンジンの排気浄化装置。