JP4178868B2 - 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、排気ガスの空燃比状態が理論空燃比に対応する状態よりもリーンな状態のときにＮＯｘを吸蔵する一方、その吸蔵したＮＯｘを空燃比状態のリッチ化に応じて放出し且つ還元浄化するＮＯｘ吸蔵タイプの触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、触媒に吸蔵されているＮＯｘを強制的に放出させて還元浄化する、いわゆるＮＯｘパージのための制御技術の分野に属する。
【０００２】
尚、ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒については既に種々の構成のものが公知であり、それらはＮＯｘ吸収タイプ或いはＮＯｘ吸着タイプ等と呼ばれることもあるが、この明細書においてＮＯｘ吸蔵タイプの触媒というときには、前記いずれの呼称のものをも含むものとする。
【０００３】
【従来の技術】
従来より、この種の排気浄化装置として、例えば特開平８−２３２６４４号公報に開示されるように、内燃機関の排気通路にＮＯｘ吸蔵タイプの触媒を配置し、この触媒のＮＯｘ吸蔵量が満杯の最大吸蔵量になったときに、排気の空燃比状態を強制的にリッチ化させて、触媒のＮＯｘ吸蔵材からＮＯｘの放出を促し、これを還元浄化する（ＮＯｘパージ）ようにしたものが知られている。また、このものでは、触媒よりも下流の排気通路に空燃比センサを配設し、主にＮＯｘパージを開始してから、前記空燃比センサにより空燃比状態のリッチ化が検出されれるまでの時間に基づいて、触媒の劣化度合いを判定するようにしている。
【０００４】
すなわち、一般的に、ＮＯｘパージのためには排気ガスの空燃比状態を略理論空燃比に対応する状態乃至それよりもややリッチな状態（以下、単にリッチ状態ともいう）にするのだが、このとき、触媒からＮＯｘが放出されて還元されることによって排気ガス中の酸素濃度が増大するので、ＮＯｘが放出されている間は触媒下流の排気ガスの空燃比状態は理論空燃比よりもややリーンな状態に維持され、ＮＯｘの放出が完了した後に始めて、リッチな状態に変化する。
【０００５】
すなわち、ＮＯｘパージを開始してから、その後に触媒下流の空燃比センサにより空燃比状態のリッチ化が検出されれるまでの時間は、当該触媒のＮＯｘ吸蔵量が多いほど長くなるので、その時間に基づいて、触媒の劣化による最大吸蔵量の変化を検出することができるのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒によるＮＯｘの吸蔵能力は、この触媒のＮＯｘ吸蔵量に応じて変化する。すなわち、まず、ＮＯｘ吸蔵量が零から所定の境界値に達するまでは触媒は非常に高い吸蔵率、換言すれば最高の吸蔵能力を示す一方で、その後はＮＯｘ吸蔵量の増大に応じて徐々に吸蔵能力が低下していき、触媒のＮＯｘ吸蔵量が満杯になるころには新たなＮＯｘを殆ど吸蔵しない状態になる。
【０００７】
このような触媒の特性を考慮すれば、前記従来例のように触媒のＮＯｘ吸蔵量が満杯になるまでＮＯｘパージを行わないというのは、当該触媒のＮＯｘ吸蔵能力を十分に発揮させているとは言い難く、この点で改善の余地が残されている。
【０００８】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関の排気通路にＮＯｘ吸蔵タイプの触媒を備えた排気浄化装置において、この触媒のＮＯｘパージを行うタイミングに工夫を凝らし、当該触媒のＮＯｘ吸蔵能力を最大限に発揮させて、排気ガスの可及的な清浄化を図ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、ＮＯｘ吸蔵量が境界値を超えて触媒のＮＯｘ吸蔵能力が低下し始める前に、ＮＯｘパージを行うようにしたものである。
【００１０】
具体的に、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に配設され、排気ガスの空燃比状態が理論空燃比に対応する状態よりもリーンな状態のときにＮＯｘを吸蔵する一方、吸蔵したＮＯｘを空燃比状態のリッチ化に応じて放出し且つ還元浄化するＮＯｘ吸蔵タイプの触媒と、この触媒におけるＮＯｘの吸蔵量を推定する吸蔵量推定手段と、該吸蔵量推定手段によるＮＯｘ吸蔵量の推定値が予め設定した閾値を超えたときに、排気ガスの空燃比状態を強制的にリッチ化させるＮＯｘパージ制御を行う排気空燃比変更手段とを備えており、前記触媒が、吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、ＮＯｘの吸蔵量が所定の境界値に達するまでは所定の高吸蔵率（前記の非常に高い 吸蔵率）、即ち最高のＮＯｘ吸蔵能力を示す一方、その境界値を超えてＮＯｘ吸蔵量が増大すると、これに応じて吸蔵率が低下するとともに、劣化によって前記境界値が減少するという特性を有している、内燃機関の排気浄化装置が前提である。
【００１１】
その上で、前記排気空燃比変更手段によるＮＯｘパージ制御の閾値を前記境界値と略同じになるように設定するとともに、前記触媒の劣化によるＮＯｘ吸蔵量の境界値の低下度合いを推定する劣化度合い推定手段と、該劣化度合い推定手段による推定結果に応じて、前記排気空燃比変更手段によるＮＯｘパージ制御の閾値を補正する閾値補正手段とを備え、この閾値補正手段を、ＮＯｘパージ制御の行われやすくなる方向にのみ、閾値を補正するように構成した。
【００１２】
前記の構成により、まず、内燃機関が理論空燃比よりもリーンな空燃比で運転されて（以下、リーン運転ともいう）、排気ガスの空燃比状態が理論空燃比よりもリーンな状態になると、この排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵タイプの触媒により吸蔵される。一方、内燃機関が略理論空燃比乃至それよりもリッチな空燃比で運転されると（以下、リッチ運転とも言う）、排気ガスの空燃比状態もリッチ状態になり、このときには前記触媒において吸蔵されているＮＯｘが放出されて、還元浄化される。
【００１３】
ここで、例えば、前記排気ガスのリッチな状態で触媒がＮＯｘの放出を完了し、その後、排気ガスがリーンな状態になって触媒がＮＯｘの吸蔵を再開したとき、その後、暫くの間は触媒は前記所定の高吸蔵率、即ち最高のＮＯｘ吸蔵能力を示すが、仮に該触媒のＮＯｘ吸蔵量が境界値に達した後も排気ガスがリーンであるとすれば、触媒のＮＯｘ吸蔵能力はに低下することになる。
【００１４】
これに対し、前記の構成では、触媒のＮＯｘ吸蔵量が吸蔵量推定手段により推定されて、この推定値が閾値に達すると、排気空燃比変更手段によりＮＯｘパージ制御が行われる。即ち、排気の空燃比状態が強制的にリッチ化され、触媒からＮＯｘが放出されて還元浄化される。これにより、触媒のＮＯｘ吸蔵能力は実質的に低下することなく、最高の状態に維持される。
【００１５】
つまり、この発明によれば、触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定の境界値に達すると、直ちにＮＯｘパージが行われることで、当該触媒によるＮＯｘの吸蔵能力が常に最高の状態に維持されて、排気ガスの可及的な清浄化が図られる。また、触媒の劣化によって前記境界値が減少したときには、この減少した値と同じになるようにＮＯｘパージ制御の閾値を変更することで、触媒の劣化に拘わらず、前記の作用効果を得ることができる。
【００１６】
すなわち、触媒が劣化してそのＮＯｘ吸蔵量の境界値が低下したときに、その低下の度合いが劣化度合い推定手段により推定され、この推定結果に応じて閾値補正手段によりＮＯｘパージ制御の閾値が補正される。しかも、その際、前記閾値補正手段が、ＮＯｘパージ制御の行われやすくなる方向、即ち閾値が小さくなる方向にのみ、閾値を補正するので、外乱やノイズ等によって誤って前記境界値の増大を推定した場合でも閾値が増大補正されることはなく、従って、ＮＯｘパージのタイミングが遅れて触媒のＮＯｘ吸蔵能力が低下することはない。
【００１７】
請求項２の発明では、請求項１の発明における排気空燃比変更手段を、ＮＯｘパージ制御における排気ガスの空燃比状態を触媒の劣化によるＮＯｘ吸蔵量の境界値の低下度合いが大きいほど相対的にリーンな状態に変更するものとする。
【００１８】
すなわち、ＮＯｘパージのときには排気空燃比変更手段によって排気ガスの空燃比状態が略理論空燃比乃至それよりもリッチな状態に変更されることで、触媒からのＮＯｘの放出が促進されるのであるが、その際、触媒からのＮＯｘの放出に見合う分だけ排気ガス中に還元成分（ＨＣ，ＣＯ）が存在して、このＨＣ，ＣＯとＮＯｘとが過不足なく反応することが望ましい。
【００１９】
そこで、この発明では、触媒の劣化によってＮＯｘ吸蔵量の境界値、即ちＮＯｘ吸蔵能力の低下度合いが大きいときほど、ＮＯｘパージによる触媒からのＮＯｘの放出が少なくなることに着目し、これに見合うようにＮＯｘパージ制御における排気ガスの空燃比状態を相対的にリーンな状態に変更するようにしている。このことで、触媒から放出されるＮＯｘと排気ガス中の還元成分（ＨＣ，ＣＯ）とが過不足なく反応するこになり、このことによっても排気ガスの可及的な清浄化が図られる。
【００２０】
請求項３の発明では、請求項１の発明における閾値補正手段を、エンジンの負荷状態乃至エンジン回転速度の少なくとも一方が所定以上に高いとき、排気空燃比変更手段によるＮＯｘパージ制御の閾値を小値側に補正するものとする。
【００２１】
すなわち、エンジンの負荷状態乃至エンジン回転速度の少なくとも一方が所定以上に高いときには、排気ガスの流量・流速が増大することで触媒によるＮＯｘ吸蔵能力が低下する。しかも、たとえ排気ガス中のＮＯｘ濃度が同じであるとしても、流量の多い分だけＮＯｘの量は多くなるから、このような運転状態のときに、仮に触媒の劣化推定の誤差等によってＮＯｘパージのタイミングが遅れると、短時間の内に多量のＮＯｘが大気中に放出されてしまう虞れがある。そこで、この発明では、斯かる運転状態のときにはＮＯｘパージの閾値を小値側に補正して、早めにＮＯｘパージが行われるようにすることで、前記不具合の発生を防止することができる。
【００２２】
請求項４の発明では、請求項１の発明における閾値補正手段を、エンジンが加速運転状態のとき、排気空燃比変更手段によるＮＯｘパージ制御の閾値を小値側に補正するものとする。
【００２３】
すなわち、例えば、ＮＯｘパージのためにエンジンの運転空燃比を変更するようにした場合、空燃比のリーンからリッチへの変更に伴いエンジンのトルクが変動するので、定常運転状態であればフィーリングの悪化を招く虞れがある。一方、加速運転状態であれば本来、エンジンのトルクが変化する状態であるから、このときにＮＯｘパージを行うようにすれば、加速感が得られると共にトルクが変動してもそのことを感じにくく、フィーリングの悪化を招くことは少ない。しかも、加速運転状態のときにＮＯｘパージを行うようにすれば、その分、定常運転状態のときにＮＯｘパージの行われる頻度が低下するので、このことによっても運転フィーリングの悪化を抑制できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００２５】
図１は、本発明に係る排気浄化装置を適用した筒内直噴式ガソリンエンジン１（内燃機関）の全体的な構成を示す。同図においてエンジン１は、複数の気筒２，２，…（１つのみ図示する）が直列に設けられたシリンダブロック３と、このシリンダブロック３上に配置されたシリンダヘッド４とを有し、各気筒２内にはそれぞれピストン５が往復動可能に嵌挿されていて、そのピストン５の冠面とシリンダヘッド４の下面との間の気筒２内に燃焼室６が区画形成されている。ピストン５の往復動はコネクティングロッド７を介してクランク軸８の回転運動に変換され、このクランク軸８により出力される。また、前記シリンダブロック３には、クランク軸８の一端側においてその回転角度を検出する電磁式のクランク角センサ９と、各気筒２毎の燃焼圧の変動に基づいてノッキングを検出するためのノックセンサ１０と、図示しないウオータジャケットの内部に臨んで冷却水の温度（エンジン水温）を検出するエンジン水温センサ１１とがそれぞれ配設されている。
【００２６】
前記シリンダヘッド４には、各気筒２毎に燃焼室６の天井面に臨んで開口するように吸気ポート１２及び排気ポート１３が２つずつ開口していて、その各ポート開口部に吸気及び排気弁１４，１５が配置されている。これら吸気弁１４及び排気弁１５は、それぞれシリンダヘッド４の内部に軸支された吸気側及び排気側カム軸（図示せず）によって、前記クランク軸８の回転に同期して開作動されるようになっている。また、吸気側のカム軸には、その回転角度を検出するための電磁式のカム角センサ１６が付設されている。また、各気筒２毎に前記シリンダヘッド４を上下方向に貫通し且つ吸排気弁１４，１５に取り囲まれるようにして、点火プラグ１７が配設されている。この点火プラグ１７の先端の電極は燃焼室６の天井面から所定距離だけ下方に突出している。また、点火プラグ１７の基端部は、ヘッドカバーを貫通するように配設された点火回路１８（イグナイタ）に接続されている。
【００２７】
前記燃焼室６の底部となるピストン５の冠面は、外周側の部位が燃焼室６の天井面と略平行な形状とされる一方、ピストン５冠面の略中央部には平面視で概略レモン形状の凹部が設けられている。また、燃焼室６の吸気側の周縁部に噴口を臨ませてインジェクタ（燃料噴射弁）２０が配設されている。このインジェクタ２０は、例えば、燃焼室６に臨む先端部の噴口から燃料を旋回流として噴出させて、軸心の延びる方向に沿うようにホローコーン状に噴射する公知のスワールインジェクタとすればよいが、これに限るものではなく、スリットタイプや多噴口タイプのインジェクタとしてもよく、或いは芯弁を圧電素子によって動作させる構成のものを用いてもよい。
【００２８】
前記インジェクタ２０の基端側は全気筒２，２，…に共通の燃料分配管２１に接続されていて、この燃料分配管２１により高圧燃料ポンプ２２から吐出される燃料が各気筒２毎のインジェクタ２０に分配されるようになっている。そして、そのインジェクタ２０により気筒２の圧縮行程で燃料が噴射されると、この燃料噴霧は燃焼室６内の吸気流動によって減速されて、適度な濃度状態の混合気塊を点火プラグ１７周りに形成する。尚、前記燃料分配管２１には、インジェクタ２０から噴射される燃料の圧力状態（燃料噴射圧）を測定するための燃圧センサ２３が配設されている。
【００２９】
エンジン１の一側面（図の右側の側面）には、各気筒２毎の吸気ポート１２に連通するように吸気通路２５が接続されている。この吸気通路２５は、エンジン１の燃焼室６に対してエアクリーナ２６で濾過した吸気を供給するものであり、その上流側から下流側に向かって順に、エンジン１への吸入空気量を検出するホットワイヤ式エアフローセンサ２７と、吸気通路２５の断面積を変更する電気式スロットル弁２８及びその位置を検出するスロットルセンサ２９と、サージタンク３０とが配設されている。前記スロットル弁２８は、図外のアクセルペダルに対して機械的には連結されておらず、図示しない電動モータにより開閉されるようになっている。また、サージタンク３０には、スロットル弁２８よりも下流の吸気通路２５の圧力を検出するブーストセンサ３１が配設されている。
【００３０】
また、前記サージタンク３０よりも下流側の吸気通路２５は、各気筒２毎に分岐する独立通路とされ、該各独立通路の下流端部はさらに２つに分岐してそれぞれ吸気ポート１２に個別に連通する分岐路となっている。この分岐路乃至独立通路には、燃焼室６内の吸気流動の強さ調節するための絞り弁３２（Tunble Swirl Conrol Valve：以下、ＴＳＣＶという）が配設されていて、例えばステッピングモータ等によって開閉作動される。このＴＳＣＶ３２の弁体には一部に切り欠きが形成されており、全閉状態ではその切り欠き部のみから下流側に流れる吸気が燃焼室６において強い筒内流動を生成する。一方、ＴＳＣＶ３２が開かれるに従い、吸気は切り欠き部以外からも流通するようになって、筒内流動の強さは徐々に低下するようになる。
【００３１】
エンジン１の他側面（図の左側の側面）には、気筒２内の燃焼室６から既燃ガス（排気ガス）を排出するための排気通路３４が接続されている。この排気通路３４の上流端側は、各気筒２毎の排気ポート１３に繋がる排気マニホルド３５により構成され、該排気マニホルド３５よりも下流側の排気通路３４には、排気ガス中の有害成分である炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための２つの触媒コンバータ３６，３７が直列に配設されている。
【００３２】
前記上流側の触媒コンバータ３６は、詳細は図示しないが、ケーシング内にハニカム構造の担体を収容したもので、この担体の各貫通孔の壁面にいわゆる三元触媒の触媒層が形成されている。この三元触媒３６は、従来より周知の通り、排気ガスの空燃比状態が略理論空燃比を含む所定の状態にあるときに、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを略完全に浄化可能なものである。
【００３３】
また、下流側の触媒コンバータ３７は、１つのケーシング内に２つの担体を直列に収容し、そのうちの上流側の担体の各貫通孔壁面にいわゆるＮＯｘ吸蔵タイプの触媒層を形成して、上流側ＮＯｘ触媒３８を構成するとともに、下流側の担体にも同様にＮＯｘ触媒の触媒層を形成して、下流側ＮＯｘ触媒３９を構成したものである。ここで、前記ＮＯｘ触媒３８，３９は、例えばゼオライト等のベースコートに酸化バリウム等のＮＯｘ吸蔵材と白金やパラジウム等の貴金属とを担持させてなり、排気ガスの空燃比状態が理論空燃比に対応する状態よりもリーンな状態のときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵する一方、そのようにして吸蔵したＮＯｘを空燃比状態のリッチ化に応じて放出し、且つ還元浄化するという機能を有する。
【００３４】
詳しくは、前記ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒により排気ガス中のＮＯｘが吸蔵され、或いは放出されるメカニズムは、以下のようなものであると考えられている。すなわち、図２(a)に模式的に示すように、排気ガスの空燃比状態がリーンな状態のときには、酸素過剰雰囲気の排気ガス中のＮＯｘ（図例ではＮＯ）が触媒金属（図例ではＰｔ）上で酸素Ｏ2と反応して、その一部がバリウムと結合しながら、硝酸塩ＮＯ3として吸蔵される。一方、排気ガスの空燃比状態が略理論空燃比乃至それよりもリッチな状態であれば、前記とは反対の向きに反応が進行し、バリウムから離れたＮＯ2が排気ガス中のＨＣ，ＣＯと反応して（還元反応）、窒素Ｎ2と酸素Ｏ2とに分解される。
【００３５】
前記エンジン１の排気マニホルド３５の集合部付近には排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ４０（第１の酸素濃度センサ）が配設されており、主にこのセンサ４０からの信号に基づいてエンジン１の空燃比フィードバック制御が行われるようになっている。また、前記２つの触媒コンバータ３６，３７の中間には上流側三元触媒３６の劣化状態を判定するための第２の酸素濃度センサ４１と、ＮＯｘ触媒３８へ流入する排気ガスの温度を検出する排気温度センサ４２とが配設され、さらに、２つのＮＯｘ触媒３８，３９の中間には第３の酸素濃度センサ４３が配設されている。
【００３６】
また、前記排気マニホルド３５よりも下流側の排気通路３４には、そこから分岐するようにして排気ガスの一部を吸気通路２５に還流させる排気還流通路４５（以下、ＥＧＲ通路という）の上流端が連通している。このＥＧＲ通路４５の下流端は前記サージタンク３０の内部に臨んで開口していて、該下流端近傍のＥＧＲ通路４５にはデューティソレノイド弁からなるＥＧＲ弁４６が配設されている。このＥＧＲ弁４６によってＥＧＲ通路４５における排気の還流量が調節されるようになっている。尚、符号４７は、各気筒２の燃焼室６から漏れ出るブローバイガスをサージタンク３０まで導くパージ通路である。
【００３７】
（エンジンの運転制御の概要）
上述した点火回路１８、インジェクタ２０、高圧燃料ポンプ２２、スロットル弁２８、ＴＳＣＶ３２、ＥＧＲ弁４６等は、いずれもエンジンコントロールユニット５０（以下、ＥＣＵという）によって作動制御される。一方、このＥＣＵ５０には、少なくとも、前記クランク角センサ９、ノックセンサ１０、水温センサ１１、エアフローセンサ２７、スロットルセンサ２９，２つの酸素濃度センサ４０，４１，４３、排気温度センサ４２等からの出力信号がそれぞれ入力され、さらに、アクセルペダルの操作量（以下、アクセル開度という）を検出するアクセル開度センサ５１からの出力信号と、エンジン回転速度（クランク軸８の回転速度）を検出する回転速度センサ５２からの出力信号と、車速センサ５３からの出力信号とが入力されるようになっている。
【００３８】
すなわち、ＥＣＵ５０は、前記各センサから入力される信号に基づいてエンジン１への吸入空気量や各気筒２毎の燃料噴射量、噴射時期及び点火時期を制御し、さらに、気筒２内の吸気流動の強さや排気の還流割り合い等を制御する。具体的には、例えば図３に制御マップの一例を示すように、エンジン１の温間の全運転領域のうち低速低負荷側には予め成層燃焼領域（Ｓ）が設定されていて、ここでは、インジェクタ２０により気筒２の圧縮行程で燃料を噴射させて、点火プラグ１７の電極の周りに層状に偏在させた混合気を燃焼させる成層燃焼モードになる。この際、スロットル弁２８は大きく開いてポンプ損失を低減するようにしており、この結果、各気筒２の燃焼室６における平均的な空燃比は理論空燃比よりも大幅にリーンな状態（例えばＡ／Ｆ＞３０）になる。
【００３９】
一方、前記成層燃焼領域（Ｓ）以外はいわゆる均一燃焼領域（Ｈ）であり、ここではインジェクタ２０により主に気筒２の吸気行程で燃料を噴射させて、燃焼室６内で吸気と燃料とを十分に混合し、該燃焼室６全体に概ね均一な混合気を形成した上で燃焼させる均一燃焼モードになる。この均一燃焼領域（Ｈ）のうちの大部分の領域では、燃料噴射量やスロットル弁２８の開度等を、混合気の空燃比が略理論空燃比（Ａ/Ｆ≒１４．７）になるように制御するが、特に全負荷付近では理論空燃比よりもリッチな状態（例えばＡ/Ｆ＝１２〜１４）になるように制御して、高負荷に対応した大出力を得られるようにする。
【００４０】
つまり、この実施形態のエンジン１は、基本的に負荷状態（目標トルク）やエンジン回転速度に応じて、成層燃焼モード、即ち混合気の空燃比が理論空燃比よりも大幅にリーンな状態で運転するリーン運転の状態と、均一燃焼モード、即ち略理論空燃比乃至それよりもリッチな状態で運転するリッチ運転の状態とに切換えられるようになっている。
【００４１】
そのような基本的な運転制御の外に、本発明の特徴としてこの実施形態では、前記リーン運転がある程度以上、継続して、上流側のＮＯｘ触媒３８によるＮＯｘの吸蔵量が所定の境界値に達したときには、エンジン１の運転状態を強制的にリッチ運転に切換えて、前記ＮＯｘ触媒３８において吸蔵したＮＯｘを放出させて還元浄化するようにしている（いわゆるＮＯｘパージ）。
【００４２】
詳しくは、図４に模式的に示すように、ＮＯｘ触媒３８は、吸蔵したＮＯｘの放出及び還元浄化を完了して、その後、リーンな排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したとき（ｔ＝ｔ0）、ＮＯｘ吸蔵量が所定の境界値に達するまでは（ｔ0〜ｔ1）最高の吸蔵能力（図の例では、略１００％）を示すが、ＮＯｘ吸蔵量が前記境界値に達した後は、ＮＯｘ吸蔵量の増大に応じて徐々に吸蔵能力が低下するという特性を有する。従って、大気中へのＮＯｘの排出を極小化しようとすれば、ＮＯｘ触媒３８のＮＯｘ吸蔵量を常に前記境界値以下に保つことが望ましい。
【００４３】
そこで、この実施形態では、ＮＯｘ触媒３８におけるＮＯｘの吸蔵量を推定し、この推定した吸蔵量が前記境界値に達したときにＮＯｘパージを行って、ＮＯｘ触媒３８の吸蔵能力を回復させるようにしている。換言すれば、前記Ｎｏｘｘ吸蔵量の境界値は、ＮＯｘパージ制御の開始閾値であるということができ、また、ＮＯｘ触媒３８におけるＮＯｘ吸蔵量が前記境界値以下になるようにエンジン１の運転制御を行っているということもできる。その意味で、以下、前記境界値はＮＯｘ触媒３８の目標吸蔵量と呼ぶ。
【００４４】
以下、前記ＥＣＵ５０によるエンジン１の具体的な制御手順について、図５〜図１０に示すフローチャート図に基づいて説明する。
【００４５】
まず、図５に示すメインフローにおいてスタート後のステップＳＡ１では、クランク角センサ９、水温センサ１１、カム角センサ１６、エアフローセンサ２７、酸素濃度センサ４０，４１，４３、アクセル開度センサ５１、回転速度センサ５２等からの出力信号を入力し、さらにＥＣＵ５０のＲＡＭに一時的に保存されているデータを読み込む。続いて、ステップＳＡ２において、エンジン１の目標トルクとエンジン回転速度とに基づいて、図３の如き制御マップからエンジン１の現在の運転モードを決定する。尚、目標トルクは、エンジン１の負荷状態に対応するものであり、例えば、回転速度センサ５２により検出されたエンジン回転速度とアクセル開度センサ５１により検出されたアクセル開度とに基づいて、予め実験的に設定したマップから読み出すようにすればよい。
【００４６】
続いて、ステップＳＡ３において成層燃焼モードかどうか判定し、この判定がＮＯで均一燃焼モードであればステップＳＡ４に進んで、エンジン１が均一燃焼状態になるようにインジェクタ２０やスロットル弁２８等を制御して、しかる後にリターンする。一方、判定がＹＥＳで成層燃焼モードであれば、ステップＳＡ５に進み、詳しくは後述するが、ＮＯｘパージモードとする条件が成立したかどうか判定する。この判定がＮＯで、ＮＯｘパージモード条件が不成立であれば、後述のステップＳＡ９に進む一方、ＮＯｘパージモード条件が成立でＹＥＳであれば、ステップＳＡ６に進み、ＮＯｘパージのための目標空燃比を演算する。この際、目標空燃比は、ＮＯｘ触媒３８の劣化度合いを示す後述の劣化係数αに基づいて、該触媒３８の劣化によるＮＯｘ吸蔵能力の低下の度合いが大きいほど、相対的にリーンな値になるように演算する。
【００４７】
すなわち、一般的に、前記ＮＯｘパージのためには排気ガスの空燃比状態を略理論空燃比乃至それよりもややリッチな状態（例えばＡ／Ｆ＝１４．０〜１４．７）にすればよいのだが、厳密には、ＮＯｘパージによって触媒３８のバリウムから放出されるＮＯｘの量が排気ガス中の還元成分（ＨＣ，ＣＯ）よりも多いと、このＮＯｘが還元されずに大気中に排出されることになり、一方、ＮＯｘの量がＨＣ，ＣＯよりも少ないと、このＨＣ，ＣＯが大気中に排出されることになる。そこで、ＮＯｘ触媒３８の劣化によるＮＯｘ吸蔵能力の低下の度合いが大きいときほど、ＮＯｘパージによるＮＯｘの放出が少なくなることを考慮して、これに見合うようにＮＯｘパージ制御における排気ガスの空燃比状態を相対的にリーンな状態に変更するようにしている。このことで、触媒から放出されるＮＯｘを排気ガス中の還元成分（ＨＣ，ＣＯ）と過不足なく反応させることができ、このことによっても排気ガスの清浄化が図られる。
【００４８】
続いて、ステップＳＡ７において、エンジン１が均一燃焼状態になり且つ各気筒２の空燃比が前記目標空燃比になるように、インジェクタ２０やスロットル弁２８等を制御する（ＮＯｘパージ実行）。続いて、ステップＳＡ８において、詳しくは後述するが、ＮＯｘ触媒３８の劣化度合いに基づいて目標吸蔵量（ＮＯｘパージの開始閾値）を更新し、しかる後に、リターンする。
【００４９】
前記ステップＳＡ５においてＮＯｘパージモード条件不成立と判定して進んだステップＳＡ９では、今度はＳパージモードの条件が成立したかどうか判定する。ここで、Ｓパージモードというのは、ＮＯｘ触媒３８のいわゆる硫黄被毒を軽減乃至解消するためのものであって、詳しい説明は省略するが、ＮＯｘ触媒３８の硫黄被毒がある程度大きいと判定され、且つ所定の条件が成立したとき、Ｓパージモード条件の成立でＹＥＳと判定してステップＳＡ１０に進み、このステップＳＡ１０においてＳパージのための目標空燃比（理論空燃比よりもリッチな値）を演算し、続くステップＳＡ１１において、エンジン１が均一燃焼状態になるようにインジェクタ２０やスロットル弁２８等を制御するとともに、点火時期を大幅にリタードさせて排気ガスの温度を大幅に高め（Ｓパージ実行）、しかる後にリターンする。このＳパージモードでは、高温の排気ガスによってＮＯｘ触媒３８の温度が所定以上の高温状態に維持され、リッチ雰囲気下でバリウムからＳＯｘが離脱して還元浄化される。
【００５０】
さらに、前記ステップＳＡ９においてＳパージモード条件が不成立でＮＯと判定すれば、ステップＳＡ１２に進んで、エンジン１が成層燃焼状態になるようにインジェクタ２０やスロットル弁２８等を制御し、しかる後にリターンする。
【００５１】
（ＮＯｘパージ実行条件の判定）
次に、前記メインフローのステップＳＡ５におけるＮＯｘパージモードの実行条件について、図６に示すフローに基づいて説明すると、スタート後のステップＳＢ１では、エンジン１がエンストモード以外であることを判定し、この判定がＮＯであれば後述のステップＳＢ９に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＢ２に進んで、エンジン１が始動モード以外であることを判定する。この判定がＮＯであればステップＳＢ９に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＢ３に進んで、今度はエンジン１が燃料カットモード以外であることを判定する。
【００５２】
前記ステップＳＢ３において判定がＮＯであればステップＳＢ９に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＢ４に進み、ＥＣＵ５０のＲＡＭに一時的に記憶されている目標吸蔵量を読み込む。この目標吸蔵量は、後述の如くＮＯｘ触媒３８の劣化の度合いに応じて補正されて、ＥＣＵ５０のＲＡＭに記憶更新される。続くステップＳＢ５では、ＮＯｘ触媒３８によるＮＯｘ吸蔵量の推定演算を行う。具体的には、この実施形態ではＮＯｘ触媒３８によるＮＯｘ吸蔵能力を略１００％に維持するようにしているから、エンジン１の各気筒２からのＮＯｘ排出量を逐次求めて、これを単純に積算することで、ＮＯｘ吸蔵量を推定する。
【００５３】
続いて、ステップＳＢ６において、前記推定したＮＯｘ吸蔵量を目標吸蔵量と比較して、推定ＮＯｘ吸蔵量が目標吸蔵量を超えれば（判定がＹＥＳ）、ステップＳＢ７に進んで、ＮＯｘパージモード条件の成立を示すフラグＦ１をオンにし（Ｆ１←１）、しかる後にリターンする。一方、推定ＮＯｘ吸蔵量が目標吸蔵量以下で判定がＮＯであれば、ステップＳＢ８に進んで、ＮＯｘパージの継続条件を判定する。すなわち、一旦、ＮＯｘパージを開始した後は、ＮＯｘ触媒３８におけるＮＯｘの放出が完了してＮＯｘ吸蔵量が零になるまでをＮＯｘパージ継続条件の成立と判定する。例えば、ＮＯｘパージの開始からエンジン１が継続してリッチな空燃比で運転されている時間をタイマにより測定し、この測定時間が所定時間になるまではＮＯｘパージ継続条件の成立で（判定がＮＯ）、前記ステップＳＢ７に進む一方、タイマによる測定時間が所定時間になれば、ＮＯｘパージ継続条件の不成立で（判定はＹＥＳ）ステップＳＢ９に進み、前記フラグＦ１をオフにして（Ｆ１←０）、しかる後にリターンする。
【００５４】
（ＮＯｘ触媒の劣化状態の判定）
次に、ＮＯｘ触媒３８の劣化判定と、この判定結果に応じてＮＯｘパージの閾値である目標吸蔵量を変更する手順について説明する。まず、図７に示すフローは、ＮＯｘ触媒３８の劣化の判定を正確に行うための条件を判定するものであって、スタート後のステップＳＣ１ではＮＯｘパージモード条件が成立したかどうか判定し（Ｆ１＝１？）、この判定がＮＯであれば（Ｆ１＝０）、ＮＯｘ触媒３８の劣化判定の条件が成立していないとういうことで、ステッップＳＣ８に進み、劣化判定条件の成立を示すフラグＦ２をオフにする（Ｆ２←０）。すなわち、この実施形態では、ＮＯｘ触媒３８の劣化の判定をＮＯｘパージモードのときにのみ、行うようにしている。
【００５５】
一方、前記ステップＳＣ１における判定がＹＥＳならば（Ｆ１＝１）ステップＳＣ２に進んで、今度はエンジン水温が所定値以上であるかどうか判定する。これはエンジン１の暖機を確認するためのものであり、例えばエンジン水温が４５°Ｃ以下であれば（判定がＮＯ）前記ステップＳＣ８に進む一方、それよりもエンジン水温が高ければステップＳＣ３に進む。このステップＳＣ３では、エンジン回転速度が所定値以下であるかどうか判定し、この判定がＮＯであれば前記ステッップＳＣ８に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＣ４に進んで、今度はエンジン１の目標トルクが所定値以下であるかどうか判定する。この判定がＮＯであれば前記ステッップＳＣ８に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＣ５に進む。すなわち、エンジン１の目標トルク又は回転速度の少なくとも一方が所定以上に高くて、排気ガスの流量がある程度以上、多いときには、ＮＯｘ触媒３８の劣化判定の精度がやや低くなると考えられるので、このときには劣化判定は行わないようにしている。
【００５６】
ステップＳＣ５では、排気温度センサ４２からの出力に基づいて、ＮＯｘ触媒３８の温度が活性の高い所定の温度範囲にあるかどうか判定し、この判定がＮＯであれば前記ステップＳＣ８に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＣ６に進んで、今度はエンジン１が加速運転以外かどうか判定する。この判定がＮＯであれば前記ステッップＳＣ８に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＣ７に進んで、ＮＯｘ触媒３８の劣化判定条件が成立したとして、前記フラグＦ２をオンにする（Ｆ２←１）。尚、加速運転時に判定を行わないようにするのは、エンジン１の運転状態が大きく変化するときには、排気ガスの流量やその内部のガス成分濃度も過渡的に大きく変動して、ＮＯｘ触媒３８の劣化判定の精度がやや低くなると考えられるからである。
【００５７】
次に、図８に示すフローは、前記の劣化判定条件の成立を前提として、実際にＮＯｘ触媒３８の劣化を判定し、且つその劣化の度合いを表す劣化係数αを演算する手順を示すものである。まず、スタート後のステップＳＤ１において、前記フラグＦ２（図７参照）の値に基づいて触媒劣化判定条件の成立を判定し、フラグＦ２がオフ（Ｆ２＝０）でＮＯであればステップＳＤ８に進んで、後述のフラグＦ３をオフにして（Ｆ３←０）、しかる後にリターンする。一方、前記ステップＳＤ１の判定がＹＥＳならば、ステップＳＤ２に進んで、ＮＯｘ触媒３８の上流側及び下流側の第２及び第３酸素濃度センサ４１、４３の出力信号をそれぞれ読み込んで、ＮＯｘ触媒３８の上流側の排気ガスがリッチ状態になってから、下流側の排気ガスがリッチな状態になるまでの遅れ時間Δｔを演算する。
【００５８】
すなわち、図１１(a)に一例を示すように、通常、ＮＯｘパージのためにエンジン１の運転空燃比を強制的にリーンから理論空燃比乃至それよりもややリッチに変更すると、このことによってまず、ＮＯｘ触媒３８の上流側で排気ガスの空燃比状態がリッチ化して、第２酸素濃度センサ４１の出力信号が立ち上がり、それから遅れてＮＯｘ触媒３８の下流側で排気ガスの空燃比状態がリッチ化して、第３酸素濃度センサ４３の出力信号が立ち上がる。これは、ＮＯｘパージのときには、ＮＯｘ触媒３８のバリウムからＮＯｘが放出されて還元されることにより排気ガス中の酸素濃度が増大するからであり、従って、前記下流側のリッチ化の遅れ時間Δｔは、ＮＯｘ触媒３８から放出されるＮＯｘの量、即ちＮＯｘ触媒３８の吸蔵量が多いほど、長くなる。
【００５９】
より具体的には、前記遅れ時間Δｔは、ＮＯｘ触媒３８の吸蔵量だけでなく、ＮＯｘパージの際の排気ガスの流量等によっても変化するから、この点を考慮して、予めＮＯｘ触媒３８が新品のときにエンジン１の運転状態に応じて前記遅れ時間Δｔがどのように変化するか調べて、これを目標遅れ時間Δｔ0としてエンジン１の運転状態（図例では目標トルクとエンジン回転速度）に対応付けて同図(b)に示すようなマップとして設定し、このマップをＥＣＵ５０のメモリに記憶させておく。そして、現在の遅れ時間Δｔが目標遅れ時間Δｔ0に対してどの程度、短くなったかを調べれば、これによりＮＯｘ触媒３８の最大級増量の変化、即ち劣化度合いを知ることができる。
【００６０】
そこで、前記ステップＳＤ２に続くステップＳＤ３において、現在のエンジン１の運転状態に基づいて前記のマップから目標遅れ時間Δｔ0を読み出し、この目標遅れ時間Δｔ0によって前記遅れ時間Δｔを除算して、ＮＯｘ触媒３８の劣化度合いを表す劣化係数α＝Δｔ／Δｔ0を求める。そのように演算した劣化係数αの値を制御サイクル毎にＥＣＵ５０のＲＡＭに記憶しておき、ステップＳＤ４において、所定回数分の劣化係数αの値を平均し、これを平均劣化係数αmとする。続いて、ステップＳＤ５において、前記の如く演算した平均劣化係数の値αm(i)を前回の制御サイクルで求めた値αm（ｉ−１）から減算して、偏差Δαを求める。
【００６１】
続いて、ステップＳＤ６において、前記の偏差Δαを所定値（正値）と比較して、偏差Δαが所定値以上ならば（判定がＹＥＳ）ステップＳＤ７に進んで、ＮＯｘ触媒３８の劣化の度合いに応じてＮＯｘパージの目標吸蔵量を補正する劣化補正の実行条件が成立した、として、そのことを示すフラグＦ３をオンにし（Ｆ３←１）、しかる後にリターンする。一方、前記偏差Δαが所定値よりも小さければ（判定がＮＯ）、ステップＳＤ８に進み、前記フラグＦ３をオフにして（Ｆ３←０）、しかる後にリターンする。
【００６２】
つまり、ＮＯｘパージのために排気ガスの空燃比状態をリッチに切換えたときに、ＮＯｘ触媒３８上流側及び下流側の酸素濃度センサ４１，４３の出力の立ち上がりを比較し、この立ち上がりの時間のずれの大きさによってＮＯｘ触媒３８の劣化度合いを推定して、これに応じて目標吸蔵量を補正するのである。この際、前記偏差Δαが所定量よりも大きいとき、即ち、劣化係数αが減少しているときにのみ、目標吸蔵量を補正するようにしている。
【００６３】
次に、図９に示すフローは、ＮＯｘパージの目標吸蔵量を更新する手順を示し、スタート後のステップＳＥ１では前記図８のフローのフラグＦ３を読み込んで、劣化補正の実行条件が成立しているかどうか判定する。そして、フラグＦ３がオン（Ｆ３＝１）でＹＥＳであればステップＳＥ２に進んで、前記図８のフローにて求めた平均劣化係数の偏差Δαに基づいて、目標吸蔵量を補正するための劣化補正係数βを演算する。具体的には、前記偏差Δαに所定の反映係数εを乗算し、これを前回の制御サイクルにて求めた劣化補正係数β(i-1)から減算して、今回の劣化補正係数β(i)を演算する。一方、前記ステップＳＥ１においてラグＦ３がオフ（Ｆ３＝０）で判定がＮＯであれば、ステップＳＥ３に進み、前回の劣化補正係数βの値を保持する（β(i)＝β(i-1)）。尚、この場合に劣化補正係数βの値を初期化するようにしてもよい。
【００６４】
前記ステップＳＥ２，３に続くステップＳＥ４では、エンジン１の運転状態に応じてＮＯｘパージの目標吸蔵量を補正するための補正係数γ（後述）をＥＣＵ５０のＲＡＭから読み込み、続くステップＳＥ５において、ＮＯｘ触媒３８が新品のときに対応する基本的な目標吸蔵量の値に前記各ステップで求めた劣化補正係数βと補正係数γとを乗算して、現在の目標吸蔵量を演算する。そして、ステップＳＥ６において、前記のように演算した現在の目標吸蔵量により、ＥＣＵ５０のＲＡＭに記憶されている目標吸蔵量の値を更新して、しかる後にリターンする。
【００６５】
次に、前記図９に示すフローのステップＳＥ４にて用いる補正係数γの設定について、図１０のフローに基づいて説明すると、まず、スタート後のステップＳＦ１では、前記図７に示すフローのステップＳＣ６と同様にして、エンジン１が加速運転以外かどうか判定する。そして、この判定がＮＯであればステッップＳＦ６に進んで、補正係数γの値を予め設定した所定値（０＜γ＜１）とする一方、判定がＹＥＳであればステップＳＦ２に進む。
【００６６】
ステップＳＦ２では、エンジン回転速度が所定値以下であるかどうか判定し、この判定がＮＯならば前記ステッップＳＦ６に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＦ３に進んで、エンジン１の目標トルクが所定値以下であるかどうか判定する。この判定がＮＯならば前記ステッップＳＦ６に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＦ４に進んで、排気温度センサ４２からの出力に基づいて、ＮＯｘ触媒３８の温度が活性の高い所定の温度範囲にあるかどうか判定する。この判定がＮＯならば前記ステッップＳＦ６に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＦ５に進んで、補正係数γの値を１とし、しかる後にリターンする。
【００６７】
すなわち、まず、加速運転状態というのは本来的にエンジン１のトルクが変化する状態であるから、このときにはＮＯｘパージによってトルクが変動してもそのことを感じにくい。そこで、このときに補正係数γを１よりも小さな値とし、これにより目標吸蔵量を小値側に補正して、ＮＯｘパージ制御が開始されやすくなるようにする。このことで、エンジン１が定常運転状態のときにＮＯｘパージの行われる頻度が低下するので、フィーリングの悪化が抑制される。
【００６８】
また、目標トルクや回転速度が所定以上に高いときには、排気ガスの流量が多くなることでＮＯｘ触媒３８によるＮＯｘ吸蔵能力が低下するし、しかも、流量の多い分だけＮＯｘの量が多くなるから、このような運転状態のときに例えば劣化推定の誤差等によってＮＯｘパージのタイミングが遅れると、短時間の内に多量のＮＯｘが大気中に放出されてしまう虞れがある。これに対して、この実施形態では、斯かる運転状態のときには補正係数γを１よりも小さな値として、ＮＯｘパージ制御が早めに行われるようにすることで、前記不具合の発生を防止することができる。
【００６９】
尚、前記のフローでは、加速運転時や排気ガス流量の多いときには補正係数γを一律に１よりも小さい所定値にするようにしているが、これに限らず、加速運転時や排気ガス流量の多いとき等、状況によって補正係数γの値を異ならせるようにしてもよい。
【００７０】
上述した図５〜図１０のフローチャートの制御手順は、ＥＣＵ５０のメモリに電子的に格納されている複数のプログラムがそれぞれＣＰＵにより実行されることによって実現されるものであり、このことで、前記ＥＣＵ５０は、以下の発明の構成要件をソフトウエア的に備えている。
【００７１】
すなわち、図６に示すフローのステップＳＢ５によって、ＮＯｘ触媒３８におけるＮＯｘの吸蔵量を推定する吸蔵量推定手段５０ａが構成され、このフローのステップＳＢ６〜ＳＢ８と図５に示すフローのステップＳＡ５〜ＳＡ７とによって、ＮＯｘ吸蔵量の推定値が目標吸蔵量（閾値）を超えたときに、排気ガスの空燃比状態を強制的にリッチ化させるＮＯｘパージ制御を行う排気空燃比変更手段５０ｂが構成されている。
【００７２】
また、図８に示すフローの各ステップによって、ＮＯｘ触媒３８の劣化によるＮＯｘ吸蔵能力の低下の度合いを推定する劣化度合い推定手段５０ｃが構成され、図９に示すフローの各ステップによって、前記ＮＯｘ触媒３８の劣化度合いの推定結果に応じて、ＮＯｘパージ制御の目標吸蔵量（閾値）を補正する閾値補正手段５０ｄが構成されている。そして、前記閾値補正手段５０ｄは、ＮＯｘパージ制御が行われやすくなる方向にのみ、目標吸蔵量を補正するように構成されている。
【００７３】
したがって、この実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置によると、まず、エンジン１が低速低負荷側の成層燃焼領域（Ｓ）にあって、各気筒２の燃焼室６の平均的な空燃比が理論空燃比よりも大幅にリーンな状態になると、排気ガスの空燃比状態もリーン状態になり、この排気ガス中のＮＯｘがＮＯｘ触媒３８によって吸蔵される。一方、エンジン１が均一燃焼領域（Ｈ）にあって各気筒２の燃焼室６の平均的な空燃比が略理論空燃比乃至それよりもリッチな状態になると、排気ガスの空燃比状態もリッチ状態になり、このときには前記ＮＯｘ触媒３８において吸蔵されているＮＯｘが放出され、且つ還元浄化される。
【００７４】
また、エンジン１の前記成層燃焼領域（Ｓ）でのリーン運転が継続して、ＮＯｘ触媒３８におけるＮＯｘの吸蔵量が徐々に増大し、ＮＯｘ吸蔵量が目標吸蔵量に達すると、ＮＯｘパージ制御が行われて、排気の空燃比状態が強制的にリッチ化される。これにより、ＮＯｘ触媒３８において吸蔵されていたＮＯｘが放出されて還元浄化され、該ＮＯｘ触媒３８のＮＯｘ吸蔵量は再び略零の状態に戻る。従って、ＮＯｘ触媒３８のＮＯｘ吸蔵量はいつでも目標吸蔵量以下に保たれ、当該触媒によるＮＯｘの吸蔵能力が常に最高の状態に維持されることになり、これにより排気ガスの可及的な清浄化が図られる。
【００７５】
さらに、前記ＮＯｘ触媒３８が劣化して、その吸蔵能力が低下すると、今度は該ＮＯｘ触媒３８の劣化度合いに応じて前記目標吸蔵量が補正される。すなわち、主に劣化係数αに基づいて、ＮＯｘ触媒３８の劣化による吸蔵量の低下に対応するように目標吸蔵量が減少補正され、これにより、触媒の劣化に拘わらず、ＮＯｘの吸蔵能力を常に最高の状態に維持することができる。しかも、その際、目標吸蔵量の補正は、ＮＯｘパージ制御の行われやすくなる方向にのみ、行われるので、仮に、外乱やノイズ等の影響で劣化係数αの値がＮＯｘ吸蔵能力の増大を示す向きに変動したとしても、そのことによって目標吸蔵量が増大する側に変化することはなく、従って、誤った触媒の劣化推定によってＮＯｘパージのタイミングが遅れることはない。
【００７６】
尚、本発明の構成は前記実施形態のものに限定されることはなく、その他の種々の構成をも包含するものである。一例を挙げれば、前記の実施形態においてはＮＯｘパージの目標吸蔵量を、予め設定した基本的な値に劣化補正係数β及び補正係数γを乗算することによって求めるようにしているが、必ずしもそのような計算によって求める必要はない。例えば、図１２に示すように、予め劣化係数αに対応する目標吸蔵量のマップを実験的に決定したマップを設定し、これをＥＣＵ５０のメモリに電子的に格納しておいて、ＮＯｘ触媒３８の劣化状態に応じて前記マップから目標吸蔵量を直接、読み込むようにしてもよい。
【００７７】
また、前記実施形態では、２つのＮＯｘ触媒３８，３９を一のケーシング内に収容して、下流側の触媒コンバータ３７を構成しているが、このような構成とせずに、例えばそれぞれ別のケーシングに収容するようにしてもよいことはいうまでもない。
【００７８】
また、本願発明は、前記実施形態のような直噴ガソリンエンジン以外にも適用可能であることはいうまでもなく、気筒の平均的な空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン運転の状態と略理論空燃比乃至それよりもリッチなリッチ運転の状態とに切換えられるような内燃機関であれば、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンを問わず、前記と同様の作用効果を得ることができる。
【００７９】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置によると、触媒のＮＯｘ吸蔵量を推定し、ＮＯｘ吸蔵量が所定の境界値を超えて触媒のＮＯｘ吸蔵能力が低下し始める前に、ＮＯｘパージを行うようにすることで、当該触媒のＮＯｘ吸蔵能力を常に最高の状態に維持することができ、これにより排気ガスの可及的な清浄化が図られる。また、触媒の劣化の度合いを推定する手段と、この推定結果に応じてＮＯｘパージ制御の閾値を補正する手段とを備えることで、たとえ触媒の劣化によって前記境界値が減少しても、この減少した境界値と同じになるようにＮＯｘパージ制御の閾値が変更され、触媒の劣化に拘わらず、前記の効果が得られる。
【００８０】
しかも、ＮＯｘパージ制御の閾値は、制御が行われやすくなる方向にのみ補正するようにしたので、誤った推定によってＮＯｘパージのタイミングが遅れることも防止できる。
【００８１】
請求項２の発明によると、ＮＯｘパージ制御における排気ガスの空燃比状態を触媒の劣化の度合いに応じて変更することで、排気ガスの空燃比状態を、触媒からのＮＯｘの放出状態に見合うものとすることができ、これにより、排気ガスのさらなる清浄化が図られる。
【００８２】
請求項３の発明によると、エンジンの負荷状態乃至エンジン回転速度の少なくとも一方が所定以上に高いとき、即ち、排気ガスの流量が多くて最高のＮＯｘ吸蔵能力を触媒が発揮し得ず、しかも短時間で多量のＮＯｘを放出する虞れのあるときに、閾値を小値側に補正してＮＯｘパージが行われやすくすることで、ＮＯｘ排出量の増大を未然に防止できる。
【００８３】
請求項４の発明によると、エンジンが加速運転状態でトルクの変動を感じにくいときに閾値を小値側に補正して、ＮＯｘパージを行われやすくすることで、その分、定常運転状態のときのＮＯｘパージの頻度を低下させて、違和感を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御システムの全体構成を示す図である。
【図２】 ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの吸蔵、放出のメカニズムの説明図である。
【図３】 エンジンを成層燃焼状態又は均一燃焼状態とする運転領域をそれぞれ設定した制御マップの一例を示す図である。
【図４】 排気ガスがリッチ状態からリーン状態に切り換わった後、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量とその下流のＮＯｘ濃度との変化を対応付けて示した説明図である。
【図５】 エンジン制御の概要を示すメインフローのフローチャート図である。
【図６】 ＮＯｘパージの実行条件の成立を判定する制御のフローチャート図である。
【図７】 触媒の劣化判定条件の成立を判定する制御のフローチャート図である。
【図８】 触媒の劣化度合いを求めて劣化補正条件の成立を判定する制御のフローチャート図である。
【図９】 触媒の劣化度合いに応じて目標吸蔵量を更新する制御のフローチャート図である。
【図１０】 目標吸蔵量の補正係数を設定する手順を示すフローチャート図である。
【図１１】 (a)ＮＯｘパージのときに触媒下流の酸素濃度センサの信号が上流側に対して遅れる様子を示した説明図、及び、(b)その遅れの基準となる値を設定したマップの一例を示す図である。
【図１２】 目標吸蔵量を劣化係数に対応付けて設定したマップの一例を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
３４ 排気通路
３８ ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒）
４１，４３ 酸素濃度センサ
５０ ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
５０ａ 吸蔵量推定手段
５０ｂ 排気空燃比変更手段
５０ｃ 劣化度合い推定手段
５０ｄ 閾値補正手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスの空燃比状態が理論空燃比に対応する状態よりもリーンな状態のときにＮＯｘを吸蔵する一方、その吸蔵したＮＯｘを空燃比状態のリッチ化に応じて放出し且つ還元浄化するＮＯｘ吸蔵タイプの触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、触媒に吸蔵されているＮＯｘを強制的に放出させて還元浄化する、いわゆるＮＯｘパージのための制御技術の分野に属する。
【０００２】
尚、ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒については既に種々の構成のものが公知であり、それらはＮＯｘ吸収タイプ或いはＮＯｘ吸着タイプ等と呼ばれることもあるが、この明細書においてＮＯｘ吸蔵タイプの触媒というときには、前記いずれの呼称のものをも含むものとする。
【０００３】
【従来の技術】
従来より、この種の排気浄化装置として、例えば特開平８−２３２６４４号公報に開示されるように、内燃機関の排気通路にＮＯｘ吸蔵タイプの触媒を配置し、この触媒のＮＯｘ吸蔵量が満杯の最大吸蔵量になったときに、排気の空燃比状態を強制的にリッチ化させて、触媒のＮＯｘ吸蔵材からＮＯｘの放出を促し、これを還元浄化する（ＮＯｘパージ）ようにしたものが知られている。また、このものでは、触媒よりも下流の排気通路に空燃比センサを配設し、主にＮＯｘパージを開始してから、前記空燃比センサにより空燃比状態のリッチ化が検出されれるまでの時間に基づいて、触媒の劣化度合いを判定するようにしている。
【０００４】
すなわち、一般的に、ＮＯｘパージのためには排気ガスの空燃比状態を略理論空燃比に対応する状態乃至それよりもややリッチな状態（以下、単にリッチ状態ともいう）にするのだが、このとき、触媒からＮＯｘが放出されて還元されることによって排気ガス中の酸素濃度が増大するので、ＮＯｘが放出されている間は触媒下流の排気ガスの空燃比状態は理論空燃比よりもややリーンな状態に維持され、ＮＯｘの放出が完了した後に始めて、リッチな状態に変化する。
【０００５】
すなわち、ＮＯｘパージを開始してから、その後に触媒下流の空燃比センサにより空燃比状態のリッチ化が検出されれるまでの時間は、当該触媒のＮＯｘ吸蔵量が多いほど長くなるので、その時間に基づいて、触媒の劣化による最大吸蔵量の変化を検出することができるのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒によるＮＯｘの吸蔵能力は、この触媒のＮＯｘ吸蔵量に応じて変化する。すなわち、まず、ＮＯｘ吸蔵量が零から所定の境界値に達するまでは触媒は非常に高い吸蔵率、換言すれば最高の吸蔵能力を示す一方で、その後はＮＯｘ吸蔵量の増大に応じて徐々に吸蔵能力が低下していき、触媒のＮＯｘ吸蔵量が満杯になるころには新たなＮＯｘを殆ど吸蔵しない状態になる。
【０００７】
このような触媒の特性を考慮すれば、前記従来例のように触媒のＮＯｘ吸蔵量が満杯になるまでＮＯｘパージを行わないというのは、当該触媒のＮＯｘ吸蔵能力を十分に発揮させているとは言い難く、この点で改善の余地が残されている。
【０００８】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関の排気通路にＮＯｘ吸蔵タイプの触媒を備えた排気浄化装置において、この触媒のＮＯｘパージを行うタイミングに工夫を凝らし、当該触媒のＮＯｘ吸蔵能力を最大限に発揮させて、排気ガスの可及的な清浄化を図ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、ＮＯｘ吸蔵量が境界値を超えて触媒のＮＯｘ吸蔵能力が低下し始める前に、ＮＯｘパージを行うようにしたものである。
【００１０】
具体的に、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に配設され、排気ガスの空燃比状態が理論空燃比に対応する状態よりもリーンな状態のときにＮＯｘを吸蔵する一方、吸蔵したＮＯｘを空燃比状態のリッチ化に応じて放出し且つ還元浄化するＮＯｘ吸蔵タイプの触媒と、この触媒におけるＮＯｘの吸蔵量を推定する吸蔵量推定手段と、該吸蔵量推定手段によるＮＯｘ吸蔵量の推定値が予め設定した閾値を超えたときに、排気ガスの空燃比状態を強制的にリッチ化させるＮＯｘパージ制御を行う排気空燃比変更手段とを備えており、前記触媒が、吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、ＮＯｘの吸蔵量が所定の境界値に達するまでは所定の高吸蔵率（前記の非常に高い 吸蔵率）、即ち最高のＮＯｘ吸蔵能力を示す一方、その境界値を超えてＮＯｘ吸蔵量が増大すると、これに応じて吸蔵率が低下するとともに、劣化によって前記境界値が減少するという特性を有している、内燃機関の排気浄化装置が前提である。
【００１１】
その上で、前記排気空燃比変更手段によるＮＯｘパージ制御の閾値を前記境界値と略同じになるように設定するとともに、前記触媒の劣化によるＮＯｘ吸蔵量の境界値の低下度合いを推定する劣化度合い推定手段と、該劣化度合い推定手段による推定結果に応じて、前記排気空燃比変更手段によるＮＯｘパージ制御の閾値を補正する閾値補正手段とを備え、この閾値補正手段を、ＮＯｘパージ制御の行われやすくなる方向にのみ、閾値を補正するように構成した。
【００１２】
前記の構成により、まず、内燃機関が理論空燃比よりもリーンな空燃比で運転されて（以下、リーン運転ともいう）、排気ガスの空燃比状態が理論空燃比よりもリーンな状態になると、この排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵タイプの触媒により吸蔵される。一方、内燃機関が略理論空燃比乃至それよりもリッチな空燃比で運転されると（以下、リッチ運転とも言う）、排気ガスの空燃比状態もリッチ状態になり、このときには前記触媒において吸蔵されているＮＯｘが放出されて、還元浄化される。
【００１３】
ここで、例えば、前記排気ガスのリッチな状態で触媒がＮＯｘの放出を完了し、その後、排気ガスがリーンな状態になって触媒がＮＯｘの吸蔵を再開したとき、その後、暫くの間は触媒は前記所定の高吸蔵率、即ち最高のＮＯｘ吸蔵能力を示すが、仮に該触媒のＮＯｘ吸蔵量が境界値に達した後も排気ガスがリーンであるとすれば、触媒のＮＯｘ吸蔵能力はに低下することになる。
【００１４】
これに対し、前記の構成では、触媒のＮＯｘ吸蔵量が吸蔵量推定手段により推定されて、この推定値が閾値に達すると、排気空燃比変更手段によりＮＯｘパージ制御が行われる。即ち、排気の空燃比状態が強制的にリッチ化され、触媒からＮＯｘが放出されて還元浄化される。これにより、触媒のＮＯｘ吸蔵能力は実質的に低下することなく、最高の状態に維持される。
【００１５】
つまり、この発明によれば、触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定の境界値に達すると、直ちにＮＯｘパージが行われることで、当該触媒によるＮＯｘの吸蔵能力が常に最高の状態に維持されて、排気ガスの可及的な清浄化が図られる。また、触媒の劣化によって前記境界値が減少したときには、この減少した値と同じになるようにＮＯｘパージ制御の閾値を変更することで、触媒の劣化に拘わらず、前記の作用効果を得ることができる。
【００１６】
すなわち、触媒が劣化してそのＮＯｘ吸蔵量の境界値が低下したときに、その低下の度合いが劣化度合い推定手段により推定され、この推定結果に応じて閾値補正手段によりＮＯｘパージ制御の閾値が補正される。しかも、その際、前記閾値補正手段が、ＮＯｘパージ制御の行われやすくなる方向、即ち閾値が小さくなる方向にのみ、閾値を補正するので、外乱やノイズ等によって誤って前記境界値の増大を推定した場合でも閾値が増大補正されることはなく、従って、ＮＯｘパージのタイミングが遅れて触媒のＮＯｘ吸蔵能力が低下することはない。
【００１７】
請求項２の発明では、請求項１の発明における排気空燃比変更手段を、ＮＯｘパージ制御における排気ガスの空燃比状態を触媒の劣化によるＮＯｘ吸蔵量の境界値の低下度合いが大きいほど相対的にリーンな状態に変更するものとする。
【００１８】
すなわち、ＮＯｘパージのときには排気空燃比変更手段によって排気ガスの空燃比状態が略理論空燃比乃至それよりもリッチな状態に変更されることで、触媒からのＮＯｘの放出が促進されるのであるが、その際、触媒からのＮＯｘの放出に見合う分だけ排気ガス中に還元成分（ＨＣ，ＣＯ）が存在して、このＨＣ，ＣＯとＮＯｘとが過不足なく反応することが望ましい。
【００１９】
そこで、この発明では、触媒の劣化によってＮＯｘ吸蔵量の境界値、即ちＮＯｘ吸蔵能力の低下度合いが大きいときほど、ＮＯｘパージによる触媒からのＮＯｘの放出が少なくなることに着目し、これに見合うようにＮＯｘパージ制御における排気ガスの空燃比状態を相対的にリーンな状態に変更するようにしている。このことで、触媒から放出されるＮＯｘと排気ガス中の還元成分（ＨＣ，ＣＯ）とが過不足なく反応するこになり、このことによっても排気ガスの可及的な清浄化が図られる。
【００２０】
請求項３の発明では、請求項１の発明における閾値補正手段を、エンジンの負荷状態乃至エンジン回転速度の少なくとも一方が所定以上に高いとき、排気空燃比変更手段によるＮＯｘパージ制御の閾値を小値側に補正するものとする。
【００２１】
すなわち、エンジンの負荷状態乃至エンジン回転速度の少なくとも一方が所定以上に高いときには、排気ガスの流量・流速が増大することで触媒によるＮＯｘ吸蔵能力が低下する。しかも、たとえ排気ガス中のＮＯｘ濃度が同じであるとしても、流量の多い分だけＮＯｘの量は多くなるから、このような運転状態のときに、仮に触媒の劣化推定の誤差等によってＮＯｘパージのタイミングが遅れると、短時間の内に多量のＮＯｘが大気中に放出されてしまう虞れがある。そこで、この発明では、斯かる運転状態のときにはＮＯｘパージの閾値を小値側に補正して、早めにＮＯｘパージが行われるようにすることで、前記不具合の発生を防止することができる。
【００２２】
請求項４の発明では、請求項１の発明における閾値補正手段を、エンジンが加速運転状態のとき、排気空燃比変更手段によるＮＯｘパージ制御の閾値を小値側に補正するものとする。
【００２３】
すなわち、例えば、ＮＯｘパージのためにエンジンの運転空燃比を変更するようにした場合、空燃比のリーンからリッチへの変更に伴いエンジンのトルクが変動するので、定常運転状態であればフィーリングの悪化を招く虞れがある。一方、加速運転状態であれば本来、エンジンのトルクが変化する状態であるから、このときにＮＯｘパージを行うようにすれば、加速感が得られると共にトルクが変動してもそのことを感じにくく、フィーリングの悪化を招くことは少ない。しかも、加速運転状態のときにＮＯｘパージを行うようにすれば、その分、定常運転状態のときにＮＯｘパージの行われる頻度が低下するので、このことによっても運転フィーリングの悪化を抑制できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００２５】
図１は、本発明に係る排気浄化装置を適用した筒内直噴式ガソリンエンジン１（内燃機関）の全体的な構成を示す。同図においてエンジン１は、複数の気筒２，２，…（１つのみ図示する）が直列に設けられたシリンダブロック３と、このシリンダブロック３上に配置されたシリンダヘッド４とを有し、各気筒２内にはそれぞれピストン５が往復動可能に嵌挿されていて、そのピストン５の冠面とシリンダヘッド４の下面との間の気筒２内に燃焼室６が区画形成されている。ピストン５の往復動はコネクティングロッド７を介してクランク軸８の回転運動に変換され、このクランク軸８により出力される。また、前記シリンダブロック３には、クランク軸８の一端側においてその回転角度を検出する電磁式のクランク角センサ９と、各気筒２毎の燃焼圧の変動に基づいてノッキングを検出するためのノックセンサ１０と、図示しないウオータジャケットの内部に臨んで冷却水の温度（エンジン水温）を検出するエンジン水温センサ１１とがそれぞれ配設されている。
【００２６】
前記シリンダヘッド４には、各気筒２毎に燃焼室６の天井面に臨んで開口するように吸気ポート１２及び排気ポート１３が２つずつ開口していて、その各ポート開口部に吸気及び排気弁１４，１５が配置されている。これら吸気弁１４及び排気弁１５は、それぞれシリンダヘッド４の内部に軸支された吸気側及び排気側カム軸（図示せず）によって、前記クランク軸８の回転に同期して開作動されるようになっている。また、吸気側のカム軸には、その回転角度を検出するための電磁式のカム角センサ１６が付設されている。また、各気筒２毎に前記シリンダヘッド４を上下方向に貫通し且つ吸排気弁１４，１５に取り囲まれるようにして、点火プラグ１７が配設されている。この点火プラグ１７の先端の電極は燃焼室６の天井面から所定距離だけ下方に突出している。また、点火プラグ１７の基端部は、ヘッドカバーを貫通するように配設された点火回路１８（イグナイタ）に接続されている。
【００２７】
前記燃焼室６の底部となるピストン５の冠面は、外周側の部位が燃焼室６の天井面と略平行な形状とされる一方、ピストン５冠面の略中央部には平面視で概略レモン形状の凹部が設けられている。また、燃焼室６の吸気側の周縁部に噴口を臨ませてインジェクタ（燃料噴射弁）２０が配設されている。このインジェクタ２０は、例えば、燃焼室６に臨む先端部の噴口から燃料を旋回流として噴出させて、軸心の延びる方向に沿うようにホローコーン状に噴射する公知のスワールインジェクタとすればよいが、これに限るものではなく、スリットタイプや多噴口タイプのインジェクタとしてもよく、或いは芯弁を圧電素子によって動作させる構成のものを用いてもよい。
【００２８】
前記インジェクタ２０の基端側は全気筒２，２，…に共通の燃料分配管２１に接続されていて、この燃料分配管２１により高圧燃料ポンプ２２から吐出される燃料が各気筒２毎のインジェクタ２０に分配されるようになっている。そして、そのインジェクタ２０により気筒２の圧縮行程で燃料が噴射されると、この燃料噴霧は燃焼室６内の吸気流動によって減速されて、適度な濃度状態の混合気塊を点火プラグ１７周りに形成する。尚、前記燃料分配管２１には、インジェクタ２０から噴射される燃料の圧力状態（燃料噴射圧）を測定するための燃圧センサ２３が配設されている。
【００２９】
エンジン１の一側面（図の右側の側面）には、各気筒２毎の吸気ポート１２に連通するように吸気通路２５が接続されている。この吸気通路２５は、エンジン１の燃焼室６に対してエアクリーナ２６で濾過した吸気を供給するものであり、その上流側から下流側に向かって順に、エンジン１への吸入空気量を検出するホットワイヤ式エアフローセンサ２７と、吸気通路２５の断面積を変更する電気式スロットル弁２８及びその位置を検出するスロットルセンサ２９と、サージタンク３０とが配設されている。前記スロットル弁２８は、図外のアクセルペダルに対して機械的には連結されておらず、図示しない電動モータにより開閉されるようになっている。また、サージタンク３０には、スロットル弁２８よりも下流の吸気通路２５の圧力を検出するブーストセンサ３１が配設されている。
【００３０】
また、前記サージタンク３０よりも下流側の吸気通路２５は、各気筒２毎に分岐する独立通路とされ、該各独立通路の下流端部はさらに２つに分岐してそれぞれ吸気ポート１２に個別に連通する分岐路となっている。この分岐路乃至独立通路には、燃焼室６内の吸気流動の強さ調節するための絞り弁３２（Tunble Swirl Conrol Valve：以下、ＴＳＣＶという）が配設されていて、例えばステッピングモータ等によって開閉作動される。このＴＳＣＶ３２の弁体には一部に切り欠きが形成されており、全閉状態ではその切り欠き部のみから下流側に流れる吸気が燃焼室６において強い筒内流動を生成する。一方、ＴＳＣＶ３２が開かれるに従い、吸気は切り欠き部以外からも流通するようになって、筒内流動の強さは徐々に低下するようになる。
【００３１】
エンジン１の他側面（図の左側の側面）には、気筒２内の燃焼室６から既燃ガス（排気ガス）を排出するための排気通路３４が接続されている。この排気通路３４の上流端側は、各気筒２毎の排気ポート１３に繋がる排気マニホルド３５により構成され、該排気マニホルド３５よりも下流側の排気通路３４には、排気ガス中の有害成分である炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための２つの触媒コンバータ３６，３７が直列に配設されている。
【００３２】
前記上流側の触媒コンバータ３６は、詳細は図示しないが、ケーシング内にハニカム構造の担体を収容したもので、この担体の各貫通孔の壁面にいわゆる三元触媒の触媒層が形成されている。この三元触媒３６は、従来より周知の通り、排気ガスの空燃比状態が略理論空燃比を含む所定の状態にあるときに、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを略完全に浄化可能なものである。
【００３３】
また、下流側の触媒コンバータ３７は、１つのケーシング内に２つの担体を直列に収容し、そのうちの上流側の担体の各貫通孔壁面にいわゆるＮＯｘ吸蔵タイプの触媒層を形成して、上流側ＮＯｘ触媒３８を構成するとともに、下流側の担体にも同様にＮＯｘ触媒の触媒層を形成して、下流側ＮＯｘ触媒３９を構成したものである。ここで、前記ＮＯｘ触媒３８，３９は、例えばゼオライト等のベースコートに酸化バリウム等のＮＯｘ吸蔵材と白金やパラジウム等の貴金属とを担持させてなり、排気ガスの空燃比状態が理論空燃比に対応する状態よりもリーンな状態のときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵する一方、そのようにして吸蔵したＮＯｘを空燃比状態のリッチ化に応じて放出し、且つ還元浄化するという機能を有する。
【００３４】
詳しくは、前記ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒により排気ガス中のＮＯｘが吸蔵され、或いは放出されるメカニズムは、以下のようなものであると考えられている。すなわち、図２(a)に模式的に示すように、排気ガスの空燃比状態がリーンな状態のときには、酸素過剰雰囲気の排気ガス中のＮＯｘ（図例ではＮＯ）が触媒金属（図例ではＰｔ）上で酸素Ｏ2と反応して、その一部がバリウムと結合しながら、硝酸塩ＮＯ3として吸蔵される。一方、排気ガスの空燃比状態が略理論空燃比乃至それよりもリッチな状態であれば、前記とは反対の向きに反応が進行し、バリウムから離れたＮＯ2が排気ガス中のＨＣ，ＣＯと反応して（還元反応）、窒素Ｎ2と酸素Ｏ2とに分解される。
【００３５】
前記エンジン１の排気マニホルド３５の集合部付近には排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ４０（第１の酸素濃度センサ）が配設されており、主にこのセンサ４０からの信号に基づいてエンジン１の空燃比フィードバック制御が行われるようになっている。また、前記２つの触媒コンバータ３６，３７の中間には上流側三元触媒３６の劣化状態を判定するための第２の酸素濃度センサ４１と、ＮＯｘ触媒３８へ流入する排気ガスの温度を検出する排気温度センサ４２とが配設され、さらに、２つのＮＯｘ触媒３８，３９の中間には第３の酸素濃度センサ４３が配設されている。
【００３６】
また、前記排気マニホルド３５よりも下流側の排気通路３４には、そこから分岐するようにして排気ガスの一部を吸気通路２５に還流させる排気還流通路４５（以下、ＥＧＲ通路という）の上流端が連通している。このＥＧＲ通路４５の下流端は前記サージタンク３０の内部に臨んで開口していて、該下流端近傍のＥＧＲ通路４５にはデューティソレノイド弁からなるＥＧＲ弁４６が配設されている。このＥＧＲ弁４６によってＥＧＲ通路４５における排気の還流量が調節されるようになっている。尚、符号４７は、各気筒２の燃焼室６から漏れ出るブローバイガスをサージタンク３０まで導くパージ通路である。
【００３７】
（エンジンの運転制御の概要）
上述した点火回路１８、インジェクタ２０、高圧燃料ポンプ２２、スロットル弁２８、ＴＳＣＶ３２、ＥＧＲ弁４６等は、いずれもエンジンコントロールユニット５０（以下、ＥＣＵという）によって作動制御される。一方、このＥＣＵ５０には、少なくとも、前記クランク角センサ９、ノックセンサ１０、水温センサ１１、エアフローセンサ２７、スロットルセンサ２９，２つの酸素濃度センサ４０，４１，４３、排気温度センサ４２等からの出力信号がそれぞれ入力され、さらに、アクセルペダルの操作量（以下、アクセル開度という）を検出するアクセル開度センサ５１からの出力信号と、エンジン回転速度（クランク軸８の回転速度）を検出する回転速度センサ５２からの出力信号と、車速センサ５３からの出力信号とが入力されるようになっている。
【００３８】
すなわち、ＥＣＵ５０は、前記各センサから入力される信号に基づいてエンジン１への吸入空気量や各気筒２毎の燃料噴射量、噴射時期及び点火時期を制御し、さらに、気筒２内の吸気流動の強さや排気の還流割り合い等を制御する。具体的には、例えば図３に制御マップの一例を示すように、エンジン１の温間の全運転領域のうち低速低負荷側には予め成層燃焼領域（Ｓ）が設定されていて、ここでは、インジェクタ２０により気筒２の圧縮行程で燃料を噴射させて、点火プラグ１７の電極の周りに層状に偏在させた混合気を燃焼させる成層燃焼モードになる。この際、スロットル弁２８は大きく開いてポンプ損失を低減するようにしており、この結果、各気筒２の燃焼室６における平均的な空燃比は理論空燃比よりも大幅にリーンな状態（例えばＡ／Ｆ＞３０）になる。
【００３９】
一方、前記成層燃焼領域（Ｓ）以外はいわゆる均一燃焼領域（Ｈ）であり、ここではインジェクタ２０により主に気筒２の吸気行程で燃料を噴射させて、燃焼室６内で吸気と燃料とを十分に混合し、該燃焼室６全体に概ね均一な混合気を形成した上で燃焼させる均一燃焼モードになる。この均一燃焼領域（Ｈ）のうちの大部分の領域では、燃料噴射量やスロットル弁２８の開度等を、混合気の空燃比が略理論空燃比（Ａ/Ｆ≒１４．７）になるように制御するが、特に全負荷付近では理論空燃比よりもリッチな状態（例えばＡ/Ｆ＝１２〜１４）になるように制御して、高負荷に対応した大出力を得られるようにする。
【００４０】
つまり、この実施形態のエンジン１は、基本的に負荷状態（目標トルク）やエンジン回転速度に応じて、成層燃焼モード、即ち混合気の空燃比が理論空燃比よりも大幅にリーンな状態で運転するリーン運転の状態と、均一燃焼モード、即ち略理論空燃比乃至それよりもリッチな状態で運転するリッチ運転の状態とに切換えられるようになっている。
【００４１】
そのような基本的な運転制御の外に、本発明の特徴としてこの実施形態では、前記リーン運転がある程度以上、継続して、上流側のＮＯｘ触媒３８によるＮＯｘの吸蔵量が所定の境界値に達したときには、エンジン１の運転状態を強制的にリッチ運転に切換えて、前記ＮＯｘ触媒３８において吸蔵したＮＯｘを放出させて還元浄化するようにしている（いわゆるＮＯｘパージ）。
【００４２】
詳しくは、図４に模式的に示すように、ＮＯｘ触媒３８は、吸蔵したＮＯｘの放出及び還元浄化を完了して、その後、リーンな排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したとき（ｔ＝ｔ0）、ＮＯｘ吸蔵量が所定の境界値に達するまでは（ｔ0〜ｔ1）最高の吸蔵能力（図の例では、略１００％）を示すが、ＮＯｘ吸蔵量が前記境界値に達した後は、ＮＯｘ吸蔵量の増大に応じて徐々に吸蔵能力が低下するという特性を有する。従って、大気中へのＮＯｘの排出を極小化しようとすれば、ＮＯｘ触媒３８のＮＯｘ吸蔵量を常に前記境界値以下に保つことが望ましい。
【００４３】
そこで、この実施形態では、ＮＯｘ触媒３８におけるＮＯｘの吸蔵量を推定し、この推定した吸蔵量が前記境界値に達したときにＮＯｘパージを行って、ＮＯｘ触媒３８の吸蔵能力を回復させるようにしている。換言すれば、前記Ｎｏｘｘ吸蔵量の境界値は、ＮＯｘパージ制御の開始閾値であるということができ、また、ＮＯｘ触媒３８におけるＮＯｘ吸蔵量が前記境界値以下になるようにエンジン１の運転制御を行っているということもできる。その意味で、以下、前記境界値はＮＯｘ触媒３８の目標吸蔵量と呼ぶ。
【００４４】
以下、前記ＥＣＵ５０によるエンジン１の具体的な制御手順について、図５〜図１０に示すフローチャート図に基づいて説明する。
【００４５】
まず、図５に示すメインフローにおいてスタート後のステップＳＡ１では、クランク角センサ９、水温センサ１１、カム角センサ１６、エアフローセンサ２７、酸素濃度センサ４０，４１，４３、アクセル開度センサ５１、回転速度センサ５２等からの出力信号を入力し、さらにＥＣＵ５０のＲＡＭに一時的に保存されているデータを読み込む。続いて、ステップＳＡ２において、エンジン１の目標トルクとエンジン回転速度とに基づいて、図３の如き制御マップからエンジン１の現在の運転モードを決定する。尚、目標トルクは、エンジン１の負荷状態に対応するものであり、例えば、回転速度センサ５２により検出されたエンジン回転速度とアクセル開度センサ５１により検出されたアクセル開度とに基づいて、予め実験的に設定したマップから読み出すようにすればよい。
【００４６】
続いて、ステップＳＡ３において成層燃焼モードかどうか判定し、この判定がＮＯで均一燃焼モードであればステップＳＡ４に進んで、エンジン１が均一燃焼状態になるようにインジェクタ２０やスロットル弁２８等を制御して、しかる後にリターンする。一方、判定がＹＥＳで成層燃焼モードであれば、ステップＳＡ５に進み、詳しくは後述するが、ＮＯｘパージモードとする条件が成立したかどうか判定する。この判定がＮＯで、ＮＯｘパージモード条件が不成立であれば、後述のステップＳＡ９に進む一方、ＮＯｘパージモード条件が成立でＹＥＳであれば、ステップＳＡ６に進み、ＮＯｘパージのための目標空燃比を演算する。この際、目標空燃比は、ＮＯｘ触媒３８の劣化度合いを示す後述の劣化係数αに基づいて、該触媒３８の劣化によるＮＯｘ吸蔵能力の低下の度合いが大きいほど、相対的にリーンな値になるように演算する。
【００４７】
すなわち、一般的に、前記ＮＯｘパージのためには排気ガスの空燃比状態を略理論空燃比乃至それよりもややリッチな状態（例えばＡ／Ｆ＝１４．０〜１４．７）にすればよいのだが、厳密には、ＮＯｘパージによって触媒３８のバリウムから放出されるＮＯｘの量が排気ガス中の還元成分（ＨＣ，ＣＯ）よりも多いと、このＮＯｘが還元されずに大気中に排出されることになり、一方、ＮＯｘの量がＨＣ，ＣＯよりも少ないと、このＨＣ，ＣＯが大気中に排出されることになる。そこで、ＮＯｘ触媒３８の劣化によるＮＯｘ吸蔵能力の低下の度合いが大きいときほど、ＮＯｘパージによるＮＯｘの放出が少なくなることを考慮して、これに見合うようにＮＯｘパージ制御における排気ガスの空燃比状態を相対的にリーンな状態に変更するようにしている。このことで、触媒から放出されるＮＯｘを排気ガス中の還元成分（ＨＣ，ＣＯ）と過不足なく反応させることができ、このことによっても排気ガスの清浄化が図られる。
【００４８】
続いて、ステップＳＡ７において、エンジン１が均一燃焼状態になり且つ各気筒２の空燃比が前記目標空燃比になるように、インジェクタ２０やスロットル弁２８等を制御する（ＮＯｘパージ実行）。続いて、ステップＳＡ８において、詳しくは後述するが、ＮＯｘ触媒３８の劣化度合いに基づいて目標吸蔵量（ＮＯｘパージの開始閾値）を更新し、しかる後に、リターンする。
【００４９】
前記ステップＳＡ５においてＮＯｘパージモード条件不成立と判定して進んだステップＳＡ９では、今度はＳパージモードの条件が成立したかどうか判定する。ここで、Ｓパージモードというのは、ＮＯｘ触媒３８のいわゆる硫黄被毒を軽減乃至解消するためのものであって、詳しい説明は省略するが、ＮＯｘ触媒３８の硫黄被毒がある程度大きいと判定され、且つ所定の条件が成立したとき、Ｓパージモード条件の成立でＹＥＳと判定してステップＳＡ１０に進み、このステップＳＡ１０においてＳパージのための目標空燃比（理論空燃比よりもリッチな値）を演算し、続くステップＳＡ１１において、エンジン１が均一燃焼状態になるようにインジェクタ２０やスロットル弁２８等を制御するとともに、点火時期を大幅にリタードさせて排気ガスの温度を大幅に高め（Ｓパージ実行）、しかる後にリターンする。このＳパージモードでは、高温の排気ガスによってＮＯｘ触媒３８の温度が所定以上の高温状態に維持され、リッチ雰囲気下でバリウムからＳＯｘが離脱して還元浄化される。
【００５０】
さらに、前記ステップＳＡ９においてＳパージモード条件が不成立でＮＯと判定すれば、ステップＳＡ１２に進んで、エンジン１が成層燃焼状態になるようにインジェクタ２０やスロットル弁２８等を制御し、しかる後にリターンする。
【００５１】
（ＮＯｘパージ実行条件の判定）
次に、前記メインフローのステップＳＡ５におけるＮＯｘパージモードの実行条件について、図６に示すフローに基づいて説明すると、スタート後のステップＳＢ１では、エンジン１がエンストモード以外であることを判定し、この判定がＮＯであれば後述のステップＳＢ９に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＢ２に進んで、エンジン１が始動モード以外であることを判定する。この判定がＮＯであればステップＳＢ９に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＢ３に進んで、今度はエンジン１が燃料カットモード以外であることを判定する。
【００５２】
前記ステップＳＢ３において判定がＮＯであればステップＳＢ９に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＢ４に進み、ＥＣＵ５０のＲＡＭに一時的に記憶されている目標吸蔵量を読み込む。この目標吸蔵量は、後述の如くＮＯｘ触媒３８の劣化の度合いに応じて補正されて、ＥＣＵ５０のＲＡＭに記憶更新される。続くステップＳＢ５では、ＮＯｘ触媒３８によるＮＯｘ吸蔵量の推定演算を行う。具体的には、この実施形態ではＮＯｘ触媒３８によるＮＯｘ吸蔵能力を略１００％に維持するようにしているから、エンジン１の各気筒２からのＮＯｘ排出量を逐次求めて、これを単純に積算することで、ＮＯｘ吸蔵量を推定する。
【００５３】
続いて、ステップＳＢ６において、前記推定したＮＯｘ吸蔵量を目標吸蔵量と比較して、推定ＮＯｘ吸蔵量が目標吸蔵量を超えれば（判定がＹＥＳ）、ステップＳＢ７に進んで、ＮＯｘパージモード条件の成立を示すフラグＦ１をオンにし（Ｆ１←１）、しかる後にリターンする。一方、推定ＮＯｘ吸蔵量が目標吸蔵量以下で判定がＮＯであれば、ステップＳＢ８に進んで、ＮＯｘパージの継続条件を判定する。すなわち、一旦、ＮＯｘパージを開始した後は、ＮＯｘ触媒３８におけるＮＯｘの放出が完了してＮＯｘ吸蔵量が零になるまでをＮＯｘパージ継続条件の成立と判定する。例えば、ＮＯｘパージの開始からエンジン１が継続してリッチな空燃比で運転されている時間をタイマにより測定し、この測定時間が所定時間になるまではＮＯｘパージ継続条件の成立で（判定がＮＯ）、前記ステップＳＢ７に進む一方、タイマによる測定時間が所定時間になれば、ＮＯｘパージ継続条件の不成立で（判定はＹＥＳ）ステップＳＢ９に進み、前記フラグＦ１をオフにして（Ｆ１←０）、しかる後にリターンする。
【００５４】
（ＮＯｘ触媒の劣化状態の判定）
次に、ＮＯｘ触媒３８の劣化判定と、この判定結果に応じてＮＯｘパージの閾値である目標吸蔵量を変更する手順について説明する。まず、図７に示すフローは、ＮＯｘ触媒３８の劣化の判定を正確に行うための条件を判定するものであって、スタート後のステップＳＣ１ではＮＯｘパージモード条件が成立したかどうか判定し（Ｆ１＝１？）、この判定がＮＯであれば（Ｆ１＝０）、ＮＯｘ触媒３８の劣化判定の条件が成立していないとういうことで、ステッップＳＣ８に進み、劣化判定条件の成立を示すフラグＦ２をオフにする（Ｆ２←０）。すなわち、この実施形態では、ＮＯｘ触媒３８の劣化の判定をＮＯｘパージモードのときにのみ、行うようにしている。
【００５５】
一方、前記ステップＳＣ１における判定がＹＥＳならば（Ｆ１＝１）ステップＳＣ２に進んで、今度はエンジン水温が所定値以上であるかどうか判定する。これはエンジン１の暖機を確認するためのものであり、例えばエンジン水温が４５°Ｃ以下であれば（判定がＮＯ）前記ステップＳＣ８に進む一方、それよりもエンジン水温が高ければステップＳＣ３に進む。このステップＳＣ３では、エンジン回転速度が所定値以下であるかどうか判定し、この判定がＮＯであれば前記ステッップＳＣ８に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＣ４に進んで、今度はエンジン１の目標トルクが所定値以下であるかどうか判定する。この判定がＮＯであれば前記ステッップＳＣ８に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＣ５に進む。すなわち、エンジン１の目標トルク又は回転速度の少なくとも一方が所定以上に高くて、排気ガスの流量がある程度以上、多いときには、ＮＯｘ触媒３８の劣化判定の精度がやや低くなると考えられるので、このときには劣化判定は行わないようにしている。
【００５６】
ステップＳＣ５では、排気温度センサ４２からの出力に基づいて、ＮＯｘ触媒３８の温度が活性の高い所定の温度範囲にあるかどうか判定し、この判定がＮＯであれば前記ステップＳＣ８に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＣ６に進んで、今度はエンジン１が加速運転以外かどうか判定する。この判定がＮＯであれば前記ステッップＳＣ８に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＣ７に進んで、ＮＯｘ触媒３８の劣化判定条件が成立したとして、前記フラグＦ２をオンにする（Ｆ２←１）。尚、加速運転時に判定を行わないようにするのは、エンジン１の運転状態が大きく変化するときには、排気ガスの流量やその内部のガス成分濃度も過渡的に大きく変動して、ＮＯｘ触媒３８の劣化判定の精度がやや低くなると考えられるからである。
【００５７】
次に、図８に示すフローは、前記の劣化判定条件の成立を前提として、実際にＮＯｘ触媒３８の劣化を判定し、且つその劣化の度合いを表す劣化係数αを演算する手順を示すものである。まず、スタート後のステップＳＤ１において、前記フラグＦ２（図７参照）の値に基づいて触媒劣化判定条件の成立を判定し、フラグＦ２がオフ（Ｆ２＝０）でＮＯであればステップＳＤ８に進んで、後述のフラグＦ３をオフにして（Ｆ３←０）、しかる後にリターンする。一方、前記ステップＳＤ１の判定がＹＥＳならば、ステップＳＤ２に進んで、ＮＯｘ触媒３８の上流側及び下流側の第２及び第３酸素濃度センサ４１、４３の出力信号をそれぞれ読み込んで、ＮＯｘ触媒３８の上流側の排気ガスがリッチ状態になってから、下流側の排気ガスがリッチな状態になるまでの遅れ時間Δｔを演算する。
【００５８】
すなわち、図１１(a)に一例を示すように、通常、ＮＯｘパージのためにエンジン１の運転空燃比を強制的にリーンから理論空燃比乃至それよりもややリッチに変更すると、このことによってまず、ＮＯｘ触媒３８の上流側で排気ガスの空燃比状態がリッチ化して、第２酸素濃度センサ４１の出力信号が立ち上がり、それから遅れてＮＯｘ触媒３８の下流側で排気ガスの空燃比状態がリッチ化して、第３酸素濃度センサ４３の出力信号が立ち上がる。これは、ＮＯｘパージのときには、ＮＯｘ触媒３８のバリウムからＮＯｘが放出されて還元されることにより排気ガス中の酸素濃度が増大するからであり、従って、前記下流側のリッチ化の遅れ時間Δｔは、ＮＯｘ触媒３８から放出されるＮＯｘの量、即ちＮＯｘ触媒３８の吸蔵量が多いほど、長くなる。
【００５９】
より具体的には、前記遅れ時間Δｔは、ＮＯｘ触媒３８の吸蔵量だけでなく、ＮＯｘパージの際の排気ガスの流量等によっても変化するから、この点を考慮して、予めＮＯｘ触媒３８が新品のときにエンジン１の運転状態に応じて前記遅れ時間Δｔがどのように変化するか調べて、これを目標遅れ時間Δｔ0としてエンジン１の運転状態（図例では目標トルクとエンジン回転速度）に対応付けて同図(b)に示すようなマップとして設定し、このマップをＥＣＵ５０のメモリに記憶させておく。そして、現在の遅れ時間Δｔが目標遅れ時間Δｔ0に対してどの程度、短くなったかを調べれば、これによりＮＯｘ触媒３８の最大級増量の変化、即ち劣化度合いを知ることができる。
【００６０】
そこで、前記ステップＳＤ２に続くステップＳＤ３において、現在のエンジン１の運転状態に基づいて前記のマップから目標遅れ時間Δｔ0を読み出し、この目標遅れ時間Δｔ0によって前記遅れ時間Δｔを除算して、ＮＯｘ触媒３８の劣化度合いを表す劣化係数α＝Δｔ／Δｔ0を求める。そのように演算した劣化係数αの値を制御サイクル毎にＥＣＵ５０のＲＡＭに記憶しておき、ステップＳＤ４において、所定回数分の劣化係数αの値を平均し、これを平均劣化係数αmとする。続いて、ステップＳＤ５において、前記の如く演算した平均劣化係数の値αm(i)を前回の制御サイクルで求めた値αm（ｉ−１）から減算して、偏差Δαを求める。
【００６１】
続いて、ステップＳＤ６において、前記の偏差Δαを所定値（正値）と比較して、偏差Δαが所定値以上ならば（判定がＹＥＳ）ステップＳＤ７に進んで、ＮＯｘ触媒３８の劣化の度合いに応じてＮＯｘパージの目標吸蔵量を補正する劣化補正の実行条件が成立した、として、そのことを示すフラグＦ３をオンにし（Ｆ３←１）、しかる後にリターンする。一方、前記偏差Δαが所定値よりも小さければ（判定がＮＯ）、ステップＳＤ８に進み、前記フラグＦ３をオフにして（Ｆ３←０）、しかる後にリターンする。
【００６２】
つまり、ＮＯｘパージのために排気ガスの空燃比状態をリッチに切換えたときに、ＮＯｘ触媒３８上流側及び下流側の酸素濃度センサ４１，４３の出力の立ち上がりを比較し、この立ち上がりの時間のずれの大きさによってＮＯｘ触媒３８の劣化度合いを推定して、これに応じて目標吸蔵量を補正するのである。この際、前記偏差Δαが所定量よりも大きいとき、即ち、劣化係数αが減少しているときにのみ、目標吸蔵量を補正するようにしている。
【００６３】
次に、図９に示すフローは、ＮＯｘパージの目標吸蔵量を更新する手順を示し、スタート後のステップＳＥ１では前記図８のフローのフラグＦ３を読み込んで、劣化補正の実行条件が成立しているかどうか判定する。そして、フラグＦ３がオン（Ｆ３＝１）でＹＥＳであればステップＳＥ２に進んで、前記図８のフローにて求めた平均劣化係数の偏差Δαに基づいて、目標吸蔵量を補正するための劣化補正係数βを演算する。具体的には、前記偏差Δαに所定の反映係数εを乗算し、これを前回の制御サイクルにて求めた劣化補正係数β(i-1)から減算して、今回の劣化補正係数β(i)を演算する。一方、前記ステップＳＥ１においてラグＦ３がオフ（Ｆ３＝０）で判定がＮＯであれば、ステップＳＥ３に進み、前回の劣化補正係数βの値を保持する（β(i)＝β(i-1)）。尚、この場合に劣化補正係数βの値を初期化するようにしてもよい。
【００６４】
前記ステップＳＥ２，３に続くステップＳＥ４では、エンジン１の運転状態に応じてＮＯｘパージの目標吸蔵量を補正するための補正係数γ（後述）をＥＣＵ５０のＲＡＭから読み込み、続くステップＳＥ５において、ＮＯｘ触媒３８が新品のときに対応する基本的な目標吸蔵量の値に前記各ステップで求めた劣化補正係数βと補正係数γとを乗算して、現在の目標吸蔵量を演算する。そして、ステップＳＥ６において、前記のように演算した現在の目標吸蔵量により、ＥＣＵ５０のＲＡＭに記憶されている目標吸蔵量の値を更新して、しかる後にリターンする。
【００６５】
次に、前記図９に示すフローのステップＳＥ４にて用いる補正係数γの設定について、図１０のフローに基づいて説明すると、まず、スタート後のステップＳＦ１では、前記図７に示すフローのステップＳＣ６と同様にして、エンジン１が加速運転以外かどうか判定する。そして、この判定がＮＯであればステッップＳＦ６に進んで、補正係数γの値を予め設定した所定値（０＜γ＜１）とする一方、判定がＹＥＳであればステップＳＦ２に進む。
【００６６】
ステップＳＦ２では、エンジン回転速度が所定値以下であるかどうか判定し、この判定がＮＯならば前記ステッップＳＦ６に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＦ３に進んで、エンジン１の目標トルクが所定値以下であるかどうか判定する。この判定がＮＯならば前記ステッップＳＦ６に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＦ４に進んで、排気温度センサ４２からの出力に基づいて、ＮＯｘ触媒３８の温度が活性の高い所定の温度範囲にあるかどうか判定する。この判定がＮＯならば前記ステッップＳＦ６に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＦ５に進んで、補正係数γの値を１とし、しかる後にリターンする。
【００６７】
すなわち、まず、加速運転状態というのは本来的にエンジン１のトルクが変化する状態であるから、このときにはＮＯｘパージによってトルクが変動してもそのことを感じにくい。そこで、このときに補正係数γを１よりも小さな値とし、これにより目標吸蔵量を小値側に補正して、ＮＯｘパージ制御が開始されやすくなるようにする。このことで、エンジン１が定常運転状態のときにＮＯｘパージの行われる頻度が低下するので、フィーリングの悪化が抑制される。
【００６８】
また、目標トルクや回転速度が所定以上に高いときには、排気ガスの流量が多くなることでＮＯｘ触媒３８によるＮＯｘ吸蔵能力が低下するし、しかも、流量の多い分だけＮＯｘの量が多くなるから、このような運転状態のときに例えば劣化推定の誤差等によってＮＯｘパージのタイミングが遅れると、短時間の内に多量のＮＯｘが大気中に放出されてしまう虞れがある。これに対して、この実施形態では、斯かる運転状態のときには補正係数γを１よりも小さな値として、ＮＯｘパージ制御が早めに行われるようにすることで、前記不具合の発生を防止することができる。
【００６９】
尚、前記のフローでは、加速運転時や排気ガス流量の多いときには補正係数γを一律に１よりも小さい所定値にするようにしているが、これに限らず、加速運転時や排気ガス流量の多いとき等、状況によって補正係数γの値を異ならせるようにしてもよい。
【００７０】
上述した図５〜図１０のフローチャートの制御手順は、ＥＣＵ５０のメモリに電子的に格納されている複数のプログラムがそれぞれＣＰＵにより実行されることによって実現されるものであり、このことで、前記ＥＣＵ５０は、以下の発明の構成要件をソフトウエア的に備えている。
【００７１】
すなわち、図６に示すフローのステップＳＢ５によって、ＮＯｘ触媒３８におけるＮＯｘの吸蔵量を推定する吸蔵量推定手段５０ａが構成され、このフローのステップＳＢ６〜ＳＢ８と図５に示すフローのステップＳＡ５〜ＳＡ７とによって、ＮＯｘ吸蔵量の推定値が目標吸蔵量（閾値）を超えたときに、排気ガスの空燃比状態を強制的にリッチ化させるＮＯｘパージ制御を行う排気空燃比変更手段５０ｂが構成されている。
【００７２】
また、図８に示すフローの各ステップによって、ＮＯｘ触媒３８の劣化によるＮＯｘ吸蔵能力の低下の度合いを推定する劣化度合い推定手段５０ｃが構成され、図９に示すフローの各ステップによって、前記ＮＯｘ触媒３８の劣化度合いの推定結果に応じて、ＮＯｘパージ制御の目標吸蔵量（閾値）を補正する閾値補正手段５０ｄが構成されている。そして、前記閾値補正手段５０ｄは、ＮＯｘパージ制御が行われやすくなる方向にのみ、目標吸蔵量を補正するように構成されている。
【００７３】
したがって、この実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置によると、まず、エンジン１が低速低負荷側の成層燃焼領域（Ｓ）にあって、各気筒２の燃焼室６の平均的な空燃比が理論空燃比よりも大幅にリーンな状態になると、排気ガスの空燃比状態もリーン状態になり、この排気ガス中のＮＯｘがＮＯｘ触媒３８によって吸蔵される。一方、エンジン１が均一燃焼領域（Ｈ）にあって各気筒２の燃焼室６の平均的な空燃比が略理論空燃比乃至それよりもリッチな状態になると、排気ガスの空燃比状態もリッチ状態になり、このときには前記ＮＯｘ触媒３８において吸蔵されているＮＯｘが放出され、且つ還元浄化される。
【００７４】
また、エンジン１の前記成層燃焼領域（Ｓ）でのリーン運転が継続して、ＮＯｘ触媒３８におけるＮＯｘの吸蔵量が徐々に増大し、ＮＯｘ吸蔵量が目標吸蔵量に達すると、ＮＯｘパージ制御が行われて、排気の空燃比状態が強制的にリッチ化される。これにより、ＮＯｘ触媒３８において吸蔵されていたＮＯｘが放出されて還元浄化され、該ＮＯｘ触媒３８のＮＯｘ吸蔵量は再び略零の状態に戻る。従って、ＮＯｘ触媒３８のＮＯｘ吸蔵量はいつでも目標吸蔵量以下に保たれ、当該触媒によるＮＯｘの吸蔵能力が常に最高の状態に維持されることになり、これにより排気ガスの可及的な清浄化が図られる。
【００７５】
さらに、前記ＮＯｘ触媒３８が劣化して、その吸蔵能力が低下すると、今度は該ＮＯｘ触媒３８の劣化度合いに応じて前記目標吸蔵量が補正される。すなわち、主に劣化係数αに基づいて、ＮＯｘ触媒３８の劣化による吸蔵量の低下に対応するように目標吸蔵量が減少補正され、これにより、触媒の劣化に拘わらず、ＮＯｘの吸蔵能力を常に最高の状態に維持することができる。しかも、その際、目標吸蔵量の補正は、ＮＯｘパージ制御の行われやすくなる方向にのみ、行われるので、仮に、外乱やノイズ等の影響で劣化係数αの値がＮＯｘ吸蔵能力の増大を示す向きに変動したとしても、そのことによって目標吸蔵量が増大する側に変化することはなく、従って、誤った触媒の劣化推定によってＮＯｘパージのタイミングが遅れることはない。
【００７６】
尚、本発明の構成は前記実施形態のものに限定されることはなく、その他の種々の構成をも包含するものである。一例を挙げれば、前記の実施形態においてはＮＯｘパージの目標吸蔵量を、予め設定した基本的な値に劣化補正係数β及び補正係数γを乗算することによって求めるようにしているが、必ずしもそのような計算によって求める必要はない。例えば、図１２に示すように、予め劣化係数αに対応する目標吸蔵量のマップを実験的に決定したマップを設定し、これをＥＣＵ５０のメモリに電子的に格納しておいて、ＮＯｘ触媒３８の劣化状態に応じて前記マップから目標吸蔵量を直接、読み込むようにしてもよい。
【００７７】
また、前記実施形態では、２つのＮＯｘ触媒３８，３９を一のケーシング内に収容して、下流側の触媒コンバータ３７を構成しているが、このような構成とせずに、例えばそれぞれ別のケーシングに収容するようにしてもよいことはいうまでもない。
【００７８】
また、本願発明は、前記実施形態のような直噴ガソリンエンジン以外にも適用可能であることはいうまでもなく、気筒の平均的な空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン運転の状態と略理論空燃比乃至それよりもリッチなリッチ運転の状態とに切換えられるような内燃機関であれば、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンを問わず、前記と同様の作用効果を得ることができる。
【００７９】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置によると、触媒のＮＯｘ吸蔵量を推定し、ＮＯｘ吸蔵量が所定の境界値を超えて触媒のＮＯｘ吸蔵能力が低下し始める前に、ＮＯｘパージを行うようにすることで、当該触媒のＮＯｘ吸蔵能力を常に最高の状態に維持することができ、これにより排気ガスの可及的な清浄化が図られる。また、触媒の劣化の度合いを推定する手段と、この推定結果に応じてＮＯｘパージ制御の閾値を補正する手段とを備えることで、たとえ触媒の劣化によって前記境界値が減少しても、この減少した境界値と同じになるようにＮＯｘパージ制御の閾値が変更され、触媒の劣化に拘わらず、前記の効果が得られる。
【００８０】
しかも、ＮＯｘパージ制御の閾値は、制御が行われやすくなる方向にのみ補正するようにしたので、誤った推定によってＮＯｘパージのタイミングが遅れることも防止できる。
【００８１】
請求項２の発明によると、ＮＯｘパージ制御における排気ガスの空燃比状態を触媒の劣化の度合いに応じて変更することで、排気ガスの空燃比状態を、触媒からのＮＯｘの放出状態に見合うものとすることができ、これにより、排気ガスのさらなる清浄化が図られる。
【００８２】
請求項３の発明によると、エンジンの負荷状態乃至エンジン回転速度の少なくとも一方が所定以上に高いとき、即ち、排気ガスの流量が多くて最高のＮＯｘ吸蔵能力を触媒が発揮し得ず、しかも短時間で多量のＮＯｘを放出する虞れのあるときに、閾値を小値側に補正してＮＯｘパージが行われやすくすることで、ＮＯｘ排出量の増大を未然に防止できる。
【００８３】
請求項４の発明によると、エンジンが加速運転状態でトルクの変動を感じにくいときに閾値を小値側に補正して、ＮＯｘパージを行われやすくすることで、その分、定常運転状態のときのＮＯｘパージの頻度を低下させて、違和感を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御システムの全体構成を示す図である。
【図２】 ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの吸蔵、放出のメカニズムの説明図である。
【図３】 エンジンを成層燃焼状態又は均一燃焼状態とする運転領域をそれぞれ設定した制御マップの一例を示す図である。
【図４】 排気ガスがリッチ状態からリーン状態に切り換わった後、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量とその下流のＮＯｘ濃度との変化を対応付けて示した説明図である。
【図５】 エンジン制御の概要を示すメインフローのフローチャート図である。
【図６】 ＮＯｘパージの実行条件の成立を判定する制御のフローチャート図である。
【図７】 触媒の劣化判定条件の成立を判定する制御のフローチャート図である。
【図８】 触媒の劣化度合いを求めて劣化補正条件の成立を判定する制御のフローチャート図である。
【図９】 触媒の劣化度合いに応じて目標吸蔵量を更新する制御のフローチャート図である。
【図１０】 目標吸蔵量の補正係数を設定する手順を示すフローチャート図である。
【図１１】 (a)ＮＯｘパージのときに触媒下流の酸素濃度センサの信号が上流側に対して遅れる様子を示した説明図、及び、(b)その遅れの基準となる値を設定したマップの一例を示す図である。
【図１２】 目標吸蔵量を劣化係数に対応付けて設定したマップの一例を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
３４ 排気通路
３８ ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒）
４１，４３ 酸素濃度センサ
５０ ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
５０ａ 吸蔵量推定手段
５０ｂ 排気空燃比変更手段
５０ｃ 劣化度合い推定手段
５０ｄ 閾値補正手段
Claims (4)
- 内燃機関の排気通路に配設され、排気ガスの空燃比状態が理論空燃比に対応する状態よりもリーンな状態のときにＮＯｘを吸蔵する一方、吸蔵したＮＯｘを空燃比状態のリッチ化に応じて放出し且つ還元浄化するＮＯｘ吸蔵タイプの触媒と、
前記触媒におけるＮＯｘの吸蔵量を推定する吸蔵量推定手段と、
前記吸蔵量推定手段によるＮＯｘ吸蔵量の推定値が予め設定した閾値を超えたときに、排気ガスの空燃比状態を強制的にリッチ化させるＮＯｘパージ制御を行う排気空燃比変更手段とを備え、
前記触媒が、吸蔵したＮＯｘの放出を完了して排気ガス中のＮＯｘの吸蔵を再開したときに、ＮＯｘの吸蔵量が所定の境界値に達するまでは所定の高吸蔵率を示す一方、その境界値を超えてＮＯｘ吸蔵量が増大すると、これに応じて吸蔵率が低下するとともに、劣化によって前記境界値が減少するという特性を有している、内燃機関の排気浄化装置において、
前記排気空燃比変更手段によるＮＯｘパージ制御の閾値を、前記境界値と略同じになるように設定するとともに、
前記触媒の劣化によるＮＯｘ吸蔵量の境界値の低下度合いを推定する劣化度合い推定手段と、
前記劣化度合い推定手段による推定結果に応じて、前記排気空燃比変更手段によるＮＯｘパージ制御の閾値を補正する閾値補正手段とを備え、
前記閾値補正手段が、ＮＯｘパージ制御の行われやすくなる方向にのみ、閾値を補正するように構成したことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 請求項１において、
排気空燃比変更手段は、ＮＯｘパージ制御における排気ガスの空燃比状態を、触媒の劣化によるＮＯｘ吸蔵量の境界値の低下度合いが大きいほど相対的にリーンな状態に変更するように構成されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 請求項１において、
閾値補正手段は、エンジンの負荷状態乃至エンジン回転速度の少なくとも一方が所定以上に高いとき、排気空燃比変更手段によるＮＯｘパージ制御の閾値を小値側に補正するように構成されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 請求項１において、
閾値補正手段は、エンジンが加速運転状態のとき、排気空燃比変更手段によるＮＯｘパージ制御の閾値を小値側に補正するように構成されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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