JP4492776B2 - 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、内燃機関の排気通路に少なくともＮＯｘを吸蔵、還元可能な触媒を設置した内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の燃費向上等を目的として、空燃比を理論空燃比よりもリーン側に制御するいわゆるリーンバーンエンジンや筒内噴射エンジンが開発されている。これらのエンジンでは、通常のエンジンよりもＮＯｘ（窒素酸化物）の発生量が多くなるため、ＮＯｘ吸蔵還元型の触媒（以下「ＮＯｘ触媒」という）を採用してＮＯｘ排出量を低減するようにしたものがある。このＮＯｘ触媒は、排出ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチになったときに吸蔵ＮＯｘを還元浄化して放出する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘを吸蔵する際に、ＮＯ3 - の形で吸蔵するが、エンジンから排出されるＮＯｘは、大部分が一酸化窒素（ＮＯ）の形で排出されるため、ＮＯｘ触媒でＮＯｘが吸蔵されるまでには次のような反応が起こる。
ＮＯ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ2 ……（１）
ＮＯ2 ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ3 - ……（２）
【０００４】
上記（１）の酸化反応は、（２）の酸化反応と比較して、高い活性化エネルギが必要となるため、ＮＯｘ触媒の温度が低いときには、上記（１）の酸化反応が起こらない。このため、ＮＯｘ触媒の温度が低いときには、ＮＯｘ触媒にＮＯｘを吸蔵できない。
【０００５】
そこで、従来のＮＯｘ浄化システムでは、エンジン始動後にＮＯｘ触媒が活性温度に昇温するまでは、空燃比をストイキ（理論空燃比）付近に制御し、それによって、エンジンから排出されるＮＯを少なくすることで、ＮＯｘ排出量を低減するようにしている。このため、ＮＯｘ触媒が活性温度に昇温するまでは、燃費節減のためのリーン運転を開始することができず、その分、燃費が悪くなるという欠点がある。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、ＮＯｘ触媒が活性温度に昇温する前からリーン制御を開始しても、ＮＯｘ触媒にＮＯｘを吸蔵することができて、リーン制御領域拡大（燃費向上）とＮＯｘ浄化率向上とを両立させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に少なくとも一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2 ）にする酸化反応を促進可能な第１の触媒を設置すると共に、この第１の触媒の下流に、ＮＯｘを吸蔵、還元可能な第２の触媒（ＮＯｘ触媒）を設置し、この第２の触媒（ＮＯｘ触媒）が一酸化窒素の酸化反応を起こさせることができる活性状態となる前に、排気浄化制御手段によって、内燃機関に供給される混合気の空燃比をリーンに制御することを第１の特徴とし、更に、前記第１の触媒の活性後、前記第２の触媒が前記活性状態となる前に内燃機関に供給される混合気の空燃比をリーンに制御し、前記第２の触媒が前記活性状態になったと判断された時点で空燃比をリッチ側に制御することを第２の特徴とするものである。
【０００８】
つまり、上流側の第１の触媒は、下流側の第２の触媒（ＮＯｘ触媒）よりも始動後の昇温が早く、上流側の第１の触媒の方が早く活性化する。上流側の第１の触媒は、活性状態又はそれに近い状態になれば、内燃機関から排出されるＮＯが上流側の第１の触媒を流れる過程で、酸化雰囲気中で、第１の触媒の触媒作用によって、ＮＯ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ2 の反応が促進される。内燃機関から排出されるＮＯｘは、大部分がＮＯの形で排出されるため、上流側の第１の触媒を通過した排出ガス中のＮＯｘは、上記酸化反応によって大部分がＮＯ2 の形に酸化されて、下流側の第２の触媒（ＮＯｘ触媒）に流入する。
【０００９】
この第２の触媒（ＮＯｘ触媒）内で、ＮＯ2 ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ3 - の反応に必要な活性化エネルギは比較的小さいため、第２の触媒の温度が低くても、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）内でＮＯ2 をＮＯ3 - に酸化する反応を起こさせることができる。従って、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）の温度が低くて、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）内でＮＯ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ2 の反応を起こすことができない場合でも、この反応を上流側の第１の触媒内で起こさせて、下流側の第２の触媒（ＮＯｘ触媒）内にＮＯｘをＮＯ3 - の形で吸蔵することができる。これにより、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）が活性温度に昇温する前からリーン制御を開始しても、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）でＮＯｘを吸蔵することができ、リーン制御領域拡大（燃費向上）とＮＯｘ浄化率向上とを両立させることができる。
【００１０】
ところで、リーン制御を開始すると、内燃機関から上流側の第１の触媒内に流入する排出ガス中のＯ2 濃度が増えるが、それと共に、ＮＯ濃度も増加する。しかし、第１の触媒が活性状態となる前は、ＮＯ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ2 の反応が促進されないため、第１の触媒が未活性状態の時に、空燃比をリーンに制御すると、第１の触媒を通り抜けるＮＯ量が増えて、却って排気エミッションが悪化する。
【００１１】
この対策として、請求項１のように、上流側の第１の触媒の活性後、下流側の第２の触媒（ＮＯｘ触媒）が一酸化窒素の酸化反応を起こさせることができる活性状態となる前に内燃機関に供給される混合気の空燃比をリーンに制御すると良い。つまり、上流側の第１の触媒が活性状態となるまで、リーン制御を開始しないようにすると良い。このようにすれば、上流側の第１の触媒が未活性状態の時にリーン制御を開始することによる排気エミッションの悪化を回避することができる。
【００１２】
また、下流側の第２の触媒（ＮＯｘ触媒）の温度が低ければ、ＮＯ2 ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ3 - の酸化反応も少なくなるため、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）の温度が低い時に、リーン制御を開始して上流側の第１の触媒でＮＯをＮＯ2 に変化させたとしても、このＮＯ2 を第２の触媒（ＮＯｘ触媒）内でＮＯ3 - に変えて吸蔵できる量が少ないため、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）を通り抜けるＮＯ2 量が増えて、排気エミッションが悪化する。
【００１３】
そこで、請求項２のように、上流側の第１の触媒の活性後、かつ、下流側の第２の触媒（ＮＯｘ触媒）が半活性状態となった後、空燃比をリーンに制御するようにしても良い。つまり、下流側の第２の触媒（ＮＯｘ触媒）が半活性状態となるまで、リーン制御を開始しないようにしても良い。このようにすれば、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）内でＮＯ2 をＮＯ3 - に変えて吸蔵できる量がある程度増加してから、リーン制御を開始することができ、始動時の排気エミッションを更に向上できる。
【００１４】
ところで、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）のＮＯｘ吸蔵量は、リーン制御中に増加し続けるため、適当な時期に、空燃比をリッチ側に切り換えて、吸蔵ＮＯｘを還元浄化する必要がある。しかし、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）が活性化する前に、空燃比をリッチ側に切り換えても、ＮＯｘの還元反応が促進されないため、排出ガス中のＨＣ、ＣＯ等のリッチ成分がＮＯｘの還元反応で消費されずにそのまま大気中に排出されてしまい、排気エミッションが悪化する結果となる。
【００１５】
そこで、請求項１のように、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）が活性状態になったと判断された時点で空燃比をリッチ側に制御するようにすると良い。このようにすれば、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）の活性前に吸蔵したＮＯｘを、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）の活性後に還元浄化して放出することができ、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）の活性前後のＮＯｘ浄化率を良好に維持することができる。
【００１６】
この場合、請求項３のように、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）の活性後に空燃比をリッチ側に制御した後に再び空燃比をリーン側に制御するようにすると良い。このようにすれば、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）の活性後に第２の触媒（ＮＯｘ触媒）のＮＯｘ吸蔵量が少なくなった（又は０になった）段階で、リーン制御に復帰して燃費を低減することができる。リーン制御中は、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）にＮＯｘを吸蔵させることができ、燃費向上とＮＯｘ浄化率向上とを両立させることができる。
【００１７】
また、請求項４のように、内燃機関の始動後に排出ガスの温度を上昇させて上流側の第１の触媒の暖機を促進する触媒早期暖機制御を実行するようにしても良い。つまり、活性前の第２の触媒（ＮＯｘ触媒）でＮＯｘを吸蔵するには、上流側の第１の触媒内でＮＯ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ2 の反応を促進させる必要があり、この反応を促進させるには、上流側の第１の触媒が活性状態又はそれに近い状態になっている必要がある。従って、請求項４のように、触媒早期暖機制御を行って上流側の第１の触媒を早期に活性化させれば、始動後に第２の触媒（ＮＯｘ触媒）にＮＯｘを吸蔵できる時期が益々早まり、始動後のＮＯｘ浄化率を更に向上することができる。
【００１８】
更に、請求項５のように、始動後に上流側の第１の触媒が活性したと判断されるまで空燃比をストイキ又はその付近に制御すると良い。上流側の第１の触媒が活性する前は、上流側の第１の触媒内でＮＯ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ2 の反応が促進されず、ＮＯｘを第２の触媒（ＮＯｘ触媒）に吸蔵できないばかりか、排出ガス中のリッチ成分（ＨＣ、ＣＯ等）の浄化能力も低下している。従って、請求項５のように、上流側の第１の触媒が活性する前は、空燃比をストイキ又はその付近に制御することで、内燃機関から排出される排出ガス中のリッチ成分とリーン成分（ＮＯｘ等）とを極力少なくして、始動直後の排気エミッションの悪化を防ぐようにすると良い。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をリーンバーンエンジンに適用した一実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、スロットルバルブ１５とスロットル開度を検出するスロットル開度センサ１６とが設けられている。
【００２０】
更に、スロットルバルブ１５の下流側には、サージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１８が設けられている。また、サージタンク１７には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１９が設けられ、各気筒の吸気マニホールド１９の吸気ポート近傍に、燃料を噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。
【００２１】
一方、エンジン１１の排気管２１（排気通路）の途中には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する上流側触媒２２（第１の触媒）と下流側のＮＯｘ触媒２３（ＮＯｘ吸蔵還元型の第２の触媒）が直列に設置されている。この場合、上流側触媒２２は、少なくとも一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2 ）にする酸化反応を促進可能な触媒（例えば三元触媒又は酸化触媒等）で構成され、始動時に早期に暖機が完了して始動時の排気エミッションを低減するように比較的小容量に形成されている。
【００２２】
ここで、三元触媒は、排出ガス中のリッチ成分（ＣＯ，ＨＣ等）とリーン成分（ＮＯｘ等）とを同時に浄化できる触媒であり、酸化触媒は、排出ガス成分の酸化反応を促進してＣＯ，ＨＣ等を浄化する触媒である。一方、下流側のＮＯｘ触媒２３は、排出ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチになったときに吸蔵ＮＯｘを還元浄化して放出する。この下流側のＮＯｘ触媒２３は、排出ガス中のＮＯｘ量が多くなる高負荷域でも、ＮＯｘを十分に吸蔵できるように比較的大容量に形成されている。
【００２３】
また、上流側触媒２２の上流側には、排出ガスの空燃比に応じたリニアな空燃比信号を出力する空燃比センサ２４が設けられ、上流側触媒２２の下流側には、排ガスの空燃比がストイキ（理論空燃比）に対してリッチかリーンかによって出力電圧が反転する酸素センサ２５が設けられている。尚、上流側触媒２２の上流側に空燃比センサ２４の代わりに酸素センサを設けても良く、また、上流側触媒２２の下流側に酸素センサ２５の代わりに空燃比センサを設けても良い。更に、ＮＯｘ触媒２３の下流側に、ＮＯｘ等を検出するガスセンサ、空燃比センサ、酸素センサ等を設けても良い。
【００２４】
また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２７や、エンジン回転数ＮＥを検出するクランク角センサ２８が取り付けられている。
【００２５】
これら各種のセンサ出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）２９に入力される。このＥＣＵ２９は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された図２の排気浄化制御プログラムを実行することで、特許請求の範囲でいう排気浄化制御手段としての役割を果たす。
【００２６】
図２の排気浄化制御プログラムは、各気筒の燃料噴射タイミングに同期して実行される。本プログラムが起動されると、まず、ステップ１００で、上流側触媒２２が活性状態になっているか否かを判定する。この活性判定は、例えば、次のいずれかの方法で行えば良い。
【００２７】
（１）エンジン始動後の排気温度を積算し、その積算値が所定値を越えたときに、上流側触媒２２が活性化したと判定する。排気温度の積算値は、上流側触媒２２に供給する排気熱を評価するパラメータとなり、排気温度の積算値が多くなるほど、上流側触媒２２に供給する排気熱が多くなるという関係がある。
【００２８】
（２）上流側触媒２２下流側の排気温度を検出又は推定して、その排気温度が所定温度以上になったときに、上流側触媒２２が活性化したと判定する。上流側触媒２２の温度が高くなるほど、上流側触媒２２の下流側の排気温度も高くなるという関係がある。
【００２９】
（３）エンジン始動後の吸入空気量を積算し、その積算値が所定値を越えたときに、上流側触媒２２が活性化したと判定する。吸入空気量の積算値は、上流側触媒２２に供給する排気熱を評価するパラメータとなり、吸入空気量の積算値が多くなるほど、上流側触媒２２に供給する排気熱が多くなるという関係がある。
【００３０】
（４）エンジン始動後の燃料噴射量を積算し、その積算値が所定値を越えたときに、上流側触媒２２が活性化したと判定する。燃料噴射量の積算値は、上流側触媒２２に供給する排気熱を評価するパラメータとなり、燃料噴射量の積算値が多くなるほど、上流側触媒２２に供給する排気熱が多くなるという関係がある。
【００３１】
（５）上流側触媒２２の下流側の酸素センサ２５の出力の挙動に基づいて上流側触媒２２の活性判定を行う。上流側触媒２２が活性化する前と後で、上流側触媒２２の下流側の空燃比の挙動が変化する。
【００３２】
（６）上流側触媒２２の触媒温度を検出又は推定して、その触媒温度が所定の活性判定温度以上であるか否かで触媒２２の活性判定を行う。
【００３３】
尚、上流側触媒２２の活性判定時に、始動時の冷却水温や外気温度で活性判定条件を補正するようにしても良い。また、上記（１）〜（６）のうちの２つ以上の方法を組み合わせて総合的に活性判定するようにしても良い。
【００３４】
これらいずれかの活性判定方法によって、上流側触媒２２が活性化していないと判定されれば、ステップ１０１に進み、目標空燃比を弱リーン（例えば目標空気過剰率λ＝１．０３）に設定する。これらステップ１００，１０１の処理により、上流側触媒２２が活性化したと判断されるまで、目標空燃比が弱リーンに維持される。尚、上流側触媒２２が活性化したと判断されるまで、目標空燃比をストイキ（例えば目標空気過剰率λ＝１．０）に維持するようにしても良く、要は、上流側触媒２２が未活性状態のときに排気エミッションがほぼ最少となる空燃比であるストイキ付近に維持すれば良い。
【００３５】
また、上流側触媒２２が活性化したと判断されるまで、ステップ１０２で、触媒早期暖機制御を実施して、排出ガスの温度を上昇させて上流側触媒２２の暖機を促進する。この触媒早期暖機制御は、例えば、次のいずれかの方法で行えば良い。
【００３６】
（１）点火時期を遅角させることで、筒内の混合気の燃焼時期を遅らせて筒内温度のピーク時期を排気行程に近付ける。これにより、筒内から高温の燃焼ガスを排気管２１内に排出して、上流側触媒２２に供給する排出ガスの温度を上昇させることができる。
【００３７】
（２）排気バルブの開弁タイミングを進角させることで、筒内の燃焼ガスの排出タイミングを早めて、筒内の燃焼ガスの排出タイミングを筒内温度のピーク時期に近付ける。これにより、筒内から高温の燃焼ガスを排気管２１内に排出して上流側触媒２２に供給する排出ガスの温度を上昇させることができる。
【００３８】
（３）吸気／排気バルブのバルブオーバーラップ量を増加させる。バルブオーバーラップ量を増加させると、内部ＥＧＲが増加して、筒内の燃焼速度が低下するため、筒内温度のピーク時期を遅らせて排気行程に近付けることができる。これにより、筒内から高温の燃焼ガスを排気管２１内に排出して上流側触媒２２に供給する排出ガスの温度を上昇させることができる。
【００３９】
尚、（１）〜（３）のうちの、いずれか１つの方法のみによって触媒早期暖機制御を実施しても良いが、いずれか２つ以上の方法を組み合わせて触媒早期暖機制御を実施しても良い。
【００４０】
その後、上流側触媒２２が活性化したと判断された時点で、ステップ１００からステップ１０３に進み、下流側のＮＯｘ触媒２３が活性状態になっているか否かを判定する。このＮＯｘ触媒２３の活性判定は、上流側触媒２２の活性判定と同様の方法で行えば良い。
【００４１】
もし、下流側のＮＯｘ触媒２３が活性化していないと判定されれば、ステップ１０４に進み、目標空燃比をリーン（例えば目標空気過剰率λ＝１．５）に設定する。これにより、下流側のＮＯｘ触媒２３が活性化したと判断されるまで、目標空燃比をリーンに維持して排出ガスの空燃比をリーンに制御し、ＮＯｘ触媒２３に排出ガス中のＮＯｘを吸蔵する。このリーン制御中は、ステップ１０５で、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘを次式により算出する。
ＱＮＯｘ(i) ＝ＱＮＯｘ(i-1) ＋ΔＱＮＯｘ
ＱＮＯｘ(i) ：今回演算時までのＮＯｘ吸蔵量
ＱＮＯｘ(i-1) ：前回演算時までのＮＯｘ吸蔵量
ΔＱＮＯｘ：前回演算時から今回演算時までのＮＯｘ吸蔵量増加分
【００４２】
ここで、前回演算時から今回演算時までのＮＯｘ吸蔵量増加分ΔＱＮＯｘは、例えばエンジン回転速度と負荷（吸気管圧力、吸入空気量等）をパラメータとするマップ等を用いて算出される。
このように、ＮＯｘ触媒２３の未活性時にリーン制御を実施する場合は、ステップ１１２で、通常制御フラグを「０」にセットする。
【００４３】
その後、ＮＯｘ触媒２３が活性化したと判断された時点で、ステップ１０３からステップ１０６に進み、通常制御フラグが「１」であるか否かで、通常制御に切り換わったか否かを判定し、通常制御フラグ＝０（通常制御へ切り換える前）と判定された場合は、ステップ１０７に進み、現在のＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０であるか否か（つまり吸蔵ＮＯｘの還元浄化済みであるか否か）を判定する。
【００４４】
ＮＯｘ触媒２３が活性化した直後（つまりリーン制御終了直後）は、ＮＯｘ触媒２３にＮＯｘが吸蔵されているため、ステップ１０７で「Ｎｏ」と判定されて、ステップ１０８に進み、目標空燃比をリッチ（例えば目標空気過剰率λ＝０．９）に設定する。これにより、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０となるまで（つまり吸蔵ＮＯｘの還元浄化済みとなるまで）、目標空燃比をリッチに維持して、ＮＯｘ触媒２３の吸蔵ＮＯｘを還元浄化（パージ）する。このリッチ制御中（ＮＯｘパージ実行中）は、ステップ１０９で、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘを次式により算出する。
ＱＮＯｘ(i) ＝ＱＮＯｘ(i-1) −ΔＱpurge
【００４５】
ここで、ΔＱpurge は、前回演算時から今回演算時までの吸蔵ＮＯｘの還元浄化量である。この還元浄化量ΔＱpurge は、例えば次式により算出すれば良い。
ΔＱpurge ＝（現在燃料噴射量−ストイキ時燃料噴射量）×定数
【００４６】
ここで、ストイキ時燃料噴射量は、現在の運転条件で目標空燃比をストイキとしたときの燃料噴射量である。従って、（現在燃料噴射量−ストイキ時燃料噴射量）は、排出ガス中のリッチ成分量に相関する物理量となる。尚、この還元浄化量ΔＱpurge は、排出ガスの空燃比、排出ガス流量（つまりＮＯｘ触媒２３へのリッチ成分供給量に相関するパラメータ）に応じてマップにより算出するようにしても良い。或は、演算処理の簡略化のために、還元浄化量ΔＱpurge を固定値としても良い。
【００４７】
その後、このリッチ制御（ＮＯｘパージ実行）により、ＮＯｘ触媒２３の吸蔵ＮＯｘの還元浄化が進んで、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０になった時点で、ステップ１０７からステップ１１０に進み、通常制御フラグを「１」にセットしてステップ１１１に進み、図３の通常制御プログラムを起動して、次のようにして通常制御を実施する。
【００４８】
図３の通常制御プログラムでは、まずステップ２０１で、ＮＯｘパージ実行フラグ＝１（ＮＯｘ還元浄化実行中）であるか否かを判定し、ＮＯｘパージ実行フラグ＝０であれば、ステップ２０２に進み、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが飽和量又はその付近に相当する所定値よりも少ないか否かを判定する。ＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが所定値よりも少なければ、ステップ２０３に進み、現在のエンジン運転条件に応じて目標空燃比（目標空気過剰率λ）を設定する。これにより、例えば、アイドル回転から中速中負荷域までは目標空燃比をリーンに設定し、中速中負荷以上ではストイキ付近に設定し、全負荷領域では目標空燃比をリッチに設定する。この後、ステップ２０４に進み、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘを次式により算出する。
ＱＮＯｘ(i) ＝ＱＮＯｘ(i-1) ＋ΔＱＮＯｘ
ＱＮＯｘ(i) ：今回演算時までのＮＯｘ吸蔵量
ＱＮＯｘ(i-1) ：前回演算時までのＮＯｘ吸蔵量
ΔＱＮＯｘ：前回演算時から今回演算時までのＮＯｘ吸蔵量増加分
【００４９】
ここで、前回演算時から今回演算時までのＮＯｘ吸蔵量増加分ΔＱＮＯｘは、例えばエンジン回転速度、負荷（吸気管圧力、吸入空気量等）、目標空燃比、ＥＧＲバルブ開度、バルブタイミング進角値、冷却水温等に応じてマップ等により算出される。
【００５０】
この通常の空燃比制御中（ＮＯｘ還元浄化の実行中でないとき）は、ステップ２０５で、ＮＯｘパージ実行フラグを０にセットする。
【００５１】
その後、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが所定値以上になった時点で、ステップ２０６以降の処理により、ＮＯｘ触媒２３の吸蔵ＮＯｘを還元浄化するリッチ制御（ＮＯｘパージ）を実行する。
【００５２】
このリッチ制御（ＮＯｘパージ）中は、ステップ２０６で、現在のＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０になったか否か（つまり吸蔵ＮＯｘの還元浄化済みであるか否か）を判定し、まだＮＯｘ触媒２３にＮＯｘが残っていれば、ステップ２０７に進み、目標空燃比をリッチ（例えば目標空気過剰率λ＝０．９）に設定する。これにより、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０となるまで（つまり吸蔵ＮＯｘの還元浄化済みとなるまで）、目標空燃比をリッチに維持して、ＮＯｘ触媒２３の吸蔵ＮＯｘを還元浄化（パージ）する。このリッチ制御中（ＮＯｘパージ実行中）は、ステップ２０８で、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘを次式により算出する。
ＱＮＯｘ(i) ＝ＱＮＯｘ(i-1) −ΔＱpurge
【００５３】
ここで、前回演算時から今回演算時までの吸蔵ＮＯｘの還元浄化量ΔＱpurge は、前述した図２のステップ１０９と同様の方法で算出すれば良い。
このリッチ制御中（ＮＯｘパージ実行中）は、ステップ２０９で、ＮＯｘパージ実行フラグを１にセットする。
【００５４】
その後、ＮＯｘ触媒２３の吸蔵ＮＯｘの還元浄化が進んで、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０になった時点で、ステップ２０６からステップ２１０に進み、ＮＯｘパージ実行フラグを「１」にセットして、リッチ制御を終了し、通常の空燃比制御に復帰する。
【００５５】
以後、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが所定値以上になる毎に、リッチ制御に切り換えてＮＯｘ触媒２３の吸蔵ＮＯｘを還元浄化し、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０になった時点で、通常の空燃比制御に復帰するという処理を繰り返す。
【００５６】
尚、通常の空燃比制御中に所定時間毎にリッチ制御（ＮＯｘパージ）を実施するようにしても良く、要は、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが飽和する前にリッチ制御（ＮＯｘパージ）を実施するようにすれば良い。
【００５７】
また、上記図２及び図３のプログラムでは、リッチ制御（ＮＯｘパージ）の実行期間をＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０となるまでとしたが、これをＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが所定値以下となるまでとしても良い。
【００５８】
以上説明した本実施形態の排気浄化制御の一例を図４のタイムチャートを用いて説明する。エンジン始動直後は、上流側触媒２２が所定の活性判定温度に昇温するまで、目標空燃比を弱リーン（例えば目標空気過剰率λ＝１．０３）に設定すると共に、触媒早期暖機制御を実施して、排出ガスの温度を上昇させて上流側触媒２２の暖機を促進する。
【００５９】
その後、上流側触媒２２の温度が所定の活性判定温度まで昇温した時点で、上流側触媒２２が活性化したと判断して、目標空燃比をリーン（例えば目標空気過剰率λ＝１．５）に設定する。これにより、下流側のＮＯｘ触媒２３の温度が所定の活性判定温度に昇温するまで、目標空燃比をリーンに維持して、排出ガスの空燃比をリーンに制御し、ＮＯｘ触媒２３に排出ガス中のＮＯｘを吸蔵する。
【００６０】
この場合、上流側触媒２２は、下流側のＮＯｘ触媒２３よりもエンジン始動後の昇温が早く、上流側触媒２２の方が早く活性化する。上流側触媒２２は、活性状態になれば、エンジン１１から排出されるＮＯが上流側触媒２２を流れる過程で、酸化雰囲気中で、上流側触媒２２（三元触媒又は酸化触媒）の触媒作用によって、ＮＯ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ2 の反応が促進される。エンジン１１から排出されるＮＯｘは、大部分がＮＯの形で排出されるため、上流側触媒２２を通過した排出ガス中のＮＯｘは、上記酸化反応によって大部分がＮＯ2 の形に酸化されて下流側のＮＯｘ触媒２３に流入する。
【００６１】
このＮＯｘ触媒２３内で、ＮＯ2 ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ3 - の反応に必要な活性化エネルギは比較的小さいため、ＮＯｘ触媒２３の温度が低くても、ＮＯｘ触媒２３内で、ＮＯ2 をＮＯ3 - に酸化する反応を起こさせることができる。従って、ＮＯｘ触媒２３の温度が低くて、ＮＯｘ触媒２３内で、ＮＯ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ2 の反応を起こすことができない場合でも、この反応を上流側触媒２２内で起こさせて、ＮＯｘ触媒２３内にＮＯｘをＮＯ3 - の形で吸蔵することができる。これにより、ＮＯｘ触媒２３が活性温度に昇温する前からリーン制御を開始しても、ＮＯｘ触媒２３でＮＯｘを吸蔵することができ、リーン制御領域拡大（燃費向上）とＮＯｘ浄化率向上とを両立させることができる。
【００６２】
その後、ＮＯｘ触媒２３の温度が所定の活性判定温度まで昇温した時点で、ＮＯｘ触媒２３が活性化したと判断して、目標空燃比をリッチ（例えば目標空気過剰率λ＝０．９）に設定する。これにより、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０（又は所定値以下）と判断されるまで、目標空燃比をリッチに維持して、ＮＯｘ触媒２３の吸蔵ＮＯｘを還元浄化する。これにより、ＮＯｘ触媒２３の吸蔵ＮＯｘの還元浄化が進んで、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０になった時点で、通常の空燃比制御に移行する。
【００６３】
尚、上記実施形態では、図２に示されるように、ステップ１００で上流側触媒２２が活性済みであると判断され、続くステップ１０３でＮＯｘ触媒２３が活性済みでない場合にすぐに空燃比をリーンに制御している。
【００６４】
しかしながら、このとき、ＮＯｘ触媒２３がＮＯ2 ＋１／２Ｏ2 →ＮＯ3 - の酸化反応が十分に発生可能な程度に活性しているかどうか不明であるため、ステップ１０３で「Ｎｏ」と判断された後にＮＯｘ触媒２３がこの酸化反応が発生可能な程度活性しているかどうか（半活性状態かどうか）を判断するステップを設け、半活性状態にあれば、図２のフローチャート通り、ステップ１０４以降の処理に進み、半活性状態になければ、ステップ１０１に進むようにしても良い。
【００６５】
また、ＮＯｘ触媒２３が半活性状態に達したか否かは、ＮＯｘ触媒２３に温度センサを設け、この温度センサの出力により判断するようにしても良いし、単に機関始動後の経過時間に基づいて判断するようにしても良い。
【００６６】
これにより、ＮＯｘ触媒２３に確実にＮＯｘが吸蔵される状態となるまで空燃比をリーンに制御しないので、より機関暖機中のエミッションの悪化を抑制することができる。
【００６７】
また、上記実施形態では、ＮＯｘ触媒２３が非活性状態から活性状態になった時、一旦吸蔵したＮＯｘを還元するために空燃比をリッチに制御するようにしているが、これに限らず、例えば通常制御時と同様に吸蔵されているＮＯｘ量を演算しておき、ＮＯｘ触媒２３の活性後に、ＮＯｘ吸蔵量が所定量に達してから空燃比をリッチに制御するようにしても良い。
【００６８】
更に、ＮＯｘ触媒２３が活性状態となる前にＮＯｘ吸蔵量が所定量に達したときは、空燃比を理論空燃比又はその近傍の空燃比に制御するようにしても良い。これにより，ＮＯｘ触媒２３が活性する前にＮＯｘ吸蔵量が所定量に達したときにＮＯｘ触媒２３からＮＯｘが排出されることを防止することができる。
【００６９】
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、排気管２１に３個以上の触媒を設置しても良く、要は、少なくとも１つの触媒をＮＯｘ触媒とし、その上流側の触媒を、少なくとも一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2 ）にする酸化反応を促進可能な触媒（例えば三元触媒又は酸化触媒等）とした構成とすれば良い。
【００７０】
その他、本発明は、リーンバーンエンジンの他に、筒内噴射エンジン等、空燃比をリーンに制御するエンジンに適用して実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すエンジン制御システム全体の概略構成図
【図２】排気浄化制御プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【図３】通常制御プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【図４】排気浄化制御の一例を示すタイムチャート
【符号の説明】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、２０…燃料噴射弁、２１…排気管（排気通路）、２２…上流側触媒（第１の触媒）、２３…ＮＯｘ触媒（第２の触媒）、２４…空燃比センサ、２５…酸素センサ、２９…ＥＣＵ（排気浄化制御手段）。
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気通路に少なくともＮＯｘを吸蔵、還元可能な触媒を設置した内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の燃費向上等を目的として、空燃比を理論空燃比よりもリーン側に制御するいわゆるリーンバーンエンジンや筒内噴射エンジンが開発されている。これらのエンジンでは、通常のエンジンよりもＮＯｘ（窒素酸化物）の発生量が多くなるため、ＮＯｘ吸蔵還元型の触媒（以下「ＮＯｘ触媒」という）を採用してＮＯｘ排出量を低減するようにしたものがある。このＮＯｘ触媒は、排出ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチになったときに吸蔵ＮＯｘを還元浄化して放出する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘを吸蔵する際に、ＮＯ3 - の形で吸蔵するが、エンジンから排出されるＮＯｘは、大部分が一酸化窒素（ＮＯ）の形で排出されるため、ＮＯｘ触媒でＮＯｘが吸蔵されるまでには次のような反応が起こる。
ＮＯ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ2 ……（１）
ＮＯ2 ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ3 - ……（２）
【０００４】
上記（１）の酸化反応は、（２）の酸化反応と比較して、高い活性化エネルギが必要となるため、ＮＯｘ触媒の温度が低いときには、上記（１）の酸化反応が起こらない。このため、ＮＯｘ触媒の温度が低いときには、ＮＯｘ触媒にＮＯｘを吸蔵できない。
【０００５】
そこで、従来のＮＯｘ浄化システムでは、エンジン始動後にＮＯｘ触媒が活性温度に昇温するまでは、空燃比をストイキ（理論空燃比）付近に制御し、それによって、エンジンから排出されるＮＯを少なくすることで、ＮＯｘ排出量を低減するようにしている。このため、ＮＯｘ触媒が活性温度に昇温するまでは、燃費節減のためのリーン運転を開始することができず、その分、燃費が悪くなるという欠点がある。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、ＮＯｘ触媒が活性温度に昇温する前からリーン制御を開始しても、ＮＯｘ触媒にＮＯｘを吸蔵することができて、リーン制御領域拡大（燃費向上）とＮＯｘ浄化率向上とを両立させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に少なくとも一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2 ）にする酸化反応を促進可能な第１の触媒を設置すると共に、この第１の触媒の下流に、ＮＯｘを吸蔵、還元可能な第２の触媒（ＮＯｘ触媒）を設置し、この第２の触媒（ＮＯｘ触媒）が一酸化窒素の酸化反応を起こさせることができる活性状態となる前に、排気浄化制御手段によって、内燃機関に供給される混合気の空燃比をリーンに制御することを第１の特徴とし、更に、前記第１の触媒の活性後、前記第２の触媒が前記活性状態となる前に内燃機関に供給される混合気の空燃比をリーンに制御し、前記第２の触媒が前記活性状態になったと判断された時点で空燃比をリッチ側に制御することを第２の特徴とするものである。
【０００８】
つまり、上流側の第１の触媒は、下流側の第２の触媒（ＮＯｘ触媒）よりも始動後の昇温が早く、上流側の第１の触媒の方が早く活性化する。上流側の第１の触媒は、活性状態又はそれに近い状態になれば、内燃機関から排出されるＮＯが上流側の第１の触媒を流れる過程で、酸化雰囲気中で、第１の触媒の触媒作用によって、ＮＯ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ2 の反応が促進される。内燃機関から排出されるＮＯｘは、大部分がＮＯの形で排出されるため、上流側の第１の触媒を通過した排出ガス中のＮＯｘは、上記酸化反応によって大部分がＮＯ2 の形に酸化されて、下流側の第２の触媒（ＮＯｘ触媒）に流入する。
【０００９】
この第２の触媒（ＮＯｘ触媒）内で、ＮＯ2 ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ3 - の反応に必要な活性化エネルギは比較的小さいため、第２の触媒の温度が低くても、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）内でＮＯ2 をＮＯ3 - に酸化する反応を起こさせることができる。従って、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）の温度が低くて、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）内でＮＯ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ2 の反応を起こすことができない場合でも、この反応を上流側の第１の触媒内で起こさせて、下流側の第２の触媒（ＮＯｘ触媒）内にＮＯｘをＮＯ3 - の形で吸蔵することができる。これにより、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）が活性温度に昇温する前からリーン制御を開始しても、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）でＮＯｘを吸蔵することができ、リーン制御領域拡大（燃費向上）とＮＯｘ浄化率向上とを両立させることができる。
【００１０】
ところで、リーン制御を開始すると、内燃機関から上流側の第１の触媒内に流入する排出ガス中のＯ2 濃度が増えるが、それと共に、ＮＯ濃度も増加する。しかし、第１の触媒が活性状態となる前は、ＮＯ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ2 の反応が促進されないため、第１の触媒が未活性状態の時に、空燃比をリーンに制御すると、第１の触媒を通り抜けるＮＯ量が増えて、却って排気エミッションが悪化する。
【００１１】
この対策として、請求項１のように、上流側の第１の触媒の活性後、下流側の第２の触媒（ＮＯｘ触媒）が一酸化窒素の酸化反応を起こさせることができる活性状態となる前に内燃機関に供給される混合気の空燃比をリーンに制御すると良い。つまり、上流側の第１の触媒が活性状態となるまで、リーン制御を開始しないようにすると良い。このようにすれば、上流側の第１の触媒が未活性状態の時にリーン制御を開始することによる排気エミッションの悪化を回避することができる。
【００１２】
また、下流側の第２の触媒（ＮＯｘ触媒）の温度が低ければ、ＮＯ2 ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ3 - の酸化反応も少なくなるため、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）の温度が低い時に、リーン制御を開始して上流側の第１の触媒でＮＯをＮＯ2 に変化させたとしても、このＮＯ2 を第２の触媒（ＮＯｘ触媒）内でＮＯ3 - に変えて吸蔵できる量が少ないため、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）を通り抜けるＮＯ2 量が増えて、排気エミッションが悪化する。
【００１３】
そこで、請求項２のように、上流側の第１の触媒の活性後、かつ、下流側の第２の触媒（ＮＯｘ触媒）が半活性状態となった後、空燃比をリーンに制御するようにしても良い。つまり、下流側の第２の触媒（ＮＯｘ触媒）が半活性状態となるまで、リーン制御を開始しないようにしても良い。このようにすれば、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）内でＮＯ2 をＮＯ3 - に変えて吸蔵できる量がある程度増加してから、リーン制御を開始することができ、始動時の排気エミッションを更に向上できる。
【００１４】
ところで、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）のＮＯｘ吸蔵量は、リーン制御中に増加し続けるため、適当な時期に、空燃比をリッチ側に切り換えて、吸蔵ＮＯｘを還元浄化する必要がある。しかし、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）が活性化する前に、空燃比をリッチ側に切り換えても、ＮＯｘの還元反応が促進されないため、排出ガス中のＨＣ、ＣＯ等のリッチ成分がＮＯｘの還元反応で消費されずにそのまま大気中に排出されてしまい、排気エミッションが悪化する結果となる。
【００１５】
そこで、請求項１のように、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）が活性状態になったと判断された時点で空燃比をリッチ側に制御するようにすると良い。このようにすれば、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）の活性前に吸蔵したＮＯｘを、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）の活性後に還元浄化して放出することができ、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）の活性前後のＮＯｘ浄化率を良好に維持することができる。
【００１６】
この場合、請求項３のように、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）の活性後に空燃比をリッチ側に制御した後に再び空燃比をリーン側に制御するようにすると良い。このようにすれば、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）の活性後に第２の触媒（ＮＯｘ触媒）のＮＯｘ吸蔵量が少なくなった（又は０になった）段階で、リーン制御に復帰して燃費を低減することができる。リーン制御中は、第２の触媒（ＮＯｘ触媒）にＮＯｘを吸蔵させることができ、燃費向上とＮＯｘ浄化率向上とを両立させることができる。
【００１７】
また、請求項４のように、内燃機関の始動後に排出ガスの温度を上昇させて上流側の第１の触媒の暖機を促進する触媒早期暖機制御を実行するようにしても良い。つまり、活性前の第２の触媒（ＮＯｘ触媒）でＮＯｘを吸蔵するには、上流側の第１の触媒内でＮＯ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ2 の反応を促進させる必要があり、この反応を促進させるには、上流側の第１の触媒が活性状態又はそれに近い状態になっている必要がある。従って、請求項４のように、触媒早期暖機制御を行って上流側の第１の触媒を早期に活性化させれば、始動後に第２の触媒（ＮＯｘ触媒）にＮＯｘを吸蔵できる時期が益々早まり、始動後のＮＯｘ浄化率を更に向上することができる。
【００１８】
更に、請求項５のように、始動後に上流側の第１の触媒が活性したと判断されるまで空燃比をストイキ又はその付近に制御すると良い。上流側の第１の触媒が活性する前は、上流側の第１の触媒内でＮＯ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ2 の反応が促進されず、ＮＯｘを第２の触媒（ＮＯｘ触媒）に吸蔵できないばかりか、排出ガス中のリッチ成分（ＨＣ、ＣＯ等）の浄化能力も低下している。従って、請求項５のように、上流側の第１の触媒が活性する前は、空燃比をストイキ又はその付近に制御することで、内燃機関から排出される排出ガス中のリッチ成分とリーン成分（ＮＯｘ等）とを極力少なくして、始動直後の排気エミッションの悪化を防ぐようにすると良い。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をリーンバーンエンジンに適用した一実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、スロットルバルブ１５とスロットル開度を検出するスロットル開度センサ１６とが設けられている。
【００２０】
更に、スロットルバルブ１５の下流側には、サージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１８が設けられている。また、サージタンク１７には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１９が設けられ、各気筒の吸気マニホールド１９の吸気ポート近傍に、燃料を噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。
【００２１】
一方、エンジン１１の排気管２１（排気通路）の途中には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する上流側触媒２２（第１の触媒）と下流側のＮＯｘ触媒２３（ＮＯｘ吸蔵還元型の第２の触媒）が直列に設置されている。この場合、上流側触媒２２は、少なくとも一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2 ）にする酸化反応を促進可能な触媒（例えば三元触媒又は酸化触媒等）で構成され、始動時に早期に暖機が完了して始動時の排気エミッションを低減するように比較的小容量に形成されている。
【００２２】
ここで、三元触媒は、排出ガス中のリッチ成分（ＣＯ，ＨＣ等）とリーン成分（ＮＯｘ等）とを同時に浄化できる触媒であり、酸化触媒は、排出ガス成分の酸化反応を促進してＣＯ，ＨＣ等を浄化する触媒である。一方、下流側のＮＯｘ触媒２３は、排出ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチになったときに吸蔵ＮＯｘを還元浄化して放出する。この下流側のＮＯｘ触媒２３は、排出ガス中のＮＯｘ量が多くなる高負荷域でも、ＮＯｘを十分に吸蔵できるように比較的大容量に形成されている。
【００２３】
また、上流側触媒２２の上流側には、排出ガスの空燃比に応じたリニアな空燃比信号を出力する空燃比センサ２４が設けられ、上流側触媒２２の下流側には、排ガスの空燃比がストイキ（理論空燃比）に対してリッチかリーンかによって出力電圧が反転する酸素センサ２５が設けられている。尚、上流側触媒２２の上流側に空燃比センサ２４の代わりに酸素センサを設けても良く、また、上流側触媒２２の下流側に酸素センサ２５の代わりに空燃比センサを設けても良い。更に、ＮＯｘ触媒２３の下流側に、ＮＯｘ等を検出するガスセンサ、空燃比センサ、酸素センサ等を設けても良い。
【００２４】
また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２７や、エンジン回転数ＮＥを検出するクランク角センサ２８が取り付けられている。
【００２５】
これら各種のセンサ出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）２９に入力される。このＥＣＵ２９は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された図２の排気浄化制御プログラムを実行することで、特許請求の範囲でいう排気浄化制御手段としての役割を果たす。
【００２６】
図２の排気浄化制御プログラムは、各気筒の燃料噴射タイミングに同期して実行される。本プログラムが起動されると、まず、ステップ１００で、上流側触媒２２が活性状態になっているか否かを判定する。この活性判定は、例えば、次のいずれかの方法で行えば良い。
【００２７】
（１）エンジン始動後の排気温度を積算し、その積算値が所定値を越えたときに、上流側触媒２２が活性化したと判定する。排気温度の積算値は、上流側触媒２２に供給する排気熱を評価するパラメータとなり、排気温度の積算値が多くなるほど、上流側触媒２２に供給する排気熱が多くなるという関係がある。
【００２８】
（２）上流側触媒２２下流側の排気温度を検出又は推定して、その排気温度が所定温度以上になったときに、上流側触媒２２が活性化したと判定する。上流側触媒２２の温度が高くなるほど、上流側触媒２２の下流側の排気温度も高くなるという関係がある。
【００２９】
（３）エンジン始動後の吸入空気量を積算し、その積算値が所定値を越えたときに、上流側触媒２２が活性化したと判定する。吸入空気量の積算値は、上流側触媒２２に供給する排気熱を評価するパラメータとなり、吸入空気量の積算値が多くなるほど、上流側触媒２２に供給する排気熱が多くなるという関係がある。
【００３０】
（４）エンジン始動後の燃料噴射量を積算し、その積算値が所定値を越えたときに、上流側触媒２２が活性化したと判定する。燃料噴射量の積算値は、上流側触媒２２に供給する排気熱を評価するパラメータとなり、燃料噴射量の積算値が多くなるほど、上流側触媒２２に供給する排気熱が多くなるという関係がある。
【００３１】
（５）上流側触媒２２の下流側の酸素センサ２５の出力の挙動に基づいて上流側触媒２２の活性判定を行う。上流側触媒２２が活性化する前と後で、上流側触媒２２の下流側の空燃比の挙動が変化する。
【００３２】
（６）上流側触媒２２の触媒温度を検出又は推定して、その触媒温度が所定の活性判定温度以上であるか否かで触媒２２の活性判定を行う。
【００３３】
尚、上流側触媒２２の活性判定時に、始動時の冷却水温や外気温度で活性判定条件を補正するようにしても良い。また、上記（１）〜（６）のうちの２つ以上の方法を組み合わせて総合的に活性判定するようにしても良い。
【００３４】
これらいずれかの活性判定方法によって、上流側触媒２２が活性化していないと判定されれば、ステップ１０１に進み、目標空燃比を弱リーン（例えば目標空気過剰率λ＝１．０３）に設定する。これらステップ１００，１０１の処理により、上流側触媒２２が活性化したと判断されるまで、目標空燃比が弱リーンに維持される。尚、上流側触媒２２が活性化したと判断されるまで、目標空燃比をストイキ（例えば目標空気過剰率λ＝１．０）に維持するようにしても良く、要は、上流側触媒２２が未活性状態のときに排気エミッションがほぼ最少となる空燃比であるストイキ付近に維持すれば良い。
【００３５】
また、上流側触媒２２が活性化したと判断されるまで、ステップ１０２で、触媒早期暖機制御を実施して、排出ガスの温度を上昇させて上流側触媒２２の暖機を促進する。この触媒早期暖機制御は、例えば、次のいずれかの方法で行えば良い。
【００３６】
（１）点火時期を遅角させることで、筒内の混合気の燃焼時期を遅らせて筒内温度のピーク時期を排気行程に近付ける。これにより、筒内から高温の燃焼ガスを排気管２１内に排出して、上流側触媒２２に供給する排出ガスの温度を上昇させることができる。
【００３７】
（２）排気バルブの開弁タイミングを進角させることで、筒内の燃焼ガスの排出タイミングを早めて、筒内の燃焼ガスの排出タイミングを筒内温度のピーク時期に近付ける。これにより、筒内から高温の燃焼ガスを排気管２１内に排出して上流側触媒２２に供給する排出ガスの温度を上昇させることができる。
【００３８】
（３）吸気／排気バルブのバルブオーバーラップ量を増加させる。バルブオーバーラップ量を増加させると、内部ＥＧＲが増加して、筒内の燃焼速度が低下するため、筒内温度のピーク時期を遅らせて排気行程に近付けることができる。これにより、筒内から高温の燃焼ガスを排気管２１内に排出して上流側触媒２２に供給する排出ガスの温度を上昇させることができる。
【００３９】
尚、（１）〜（３）のうちの、いずれか１つの方法のみによって触媒早期暖機制御を実施しても良いが、いずれか２つ以上の方法を組み合わせて触媒早期暖機制御を実施しても良い。
【００４０】
その後、上流側触媒２２が活性化したと判断された時点で、ステップ１００からステップ１０３に進み、下流側のＮＯｘ触媒２３が活性状態になっているか否かを判定する。このＮＯｘ触媒２３の活性判定は、上流側触媒２２の活性判定と同様の方法で行えば良い。
【００４１】
もし、下流側のＮＯｘ触媒２３が活性化していないと判定されれば、ステップ１０４に進み、目標空燃比をリーン（例えば目標空気過剰率λ＝１．５）に設定する。これにより、下流側のＮＯｘ触媒２３が活性化したと判断されるまで、目標空燃比をリーンに維持して排出ガスの空燃比をリーンに制御し、ＮＯｘ触媒２３に排出ガス中のＮＯｘを吸蔵する。このリーン制御中は、ステップ１０５で、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘを次式により算出する。
ＱＮＯｘ(i) ＝ＱＮＯｘ(i-1) ＋ΔＱＮＯｘ
ＱＮＯｘ(i) ：今回演算時までのＮＯｘ吸蔵量
ＱＮＯｘ(i-1) ：前回演算時までのＮＯｘ吸蔵量
ΔＱＮＯｘ：前回演算時から今回演算時までのＮＯｘ吸蔵量増加分
【００４２】
ここで、前回演算時から今回演算時までのＮＯｘ吸蔵量増加分ΔＱＮＯｘは、例えばエンジン回転速度と負荷（吸気管圧力、吸入空気量等）をパラメータとするマップ等を用いて算出される。
このように、ＮＯｘ触媒２３の未活性時にリーン制御を実施する場合は、ステップ１１２で、通常制御フラグを「０」にセットする。
【００４３】
その後、ＮＯｘ触媒２３が活性化したと判断された時点で、ステップ１０３からステップ１０６に進み、通常制御フラグが「１」であるか否かで、通常制御に切り換わったか否かを判定し、通常制御フラグ＝０（通常制御へ切り換える前）と判定された場合は、ステップ１０７に進み、現在のＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０であるか否か（つまり吸蔵ＮＯｘの還元浄化済みであるか否か）を判定する。
【００４４】
ＮＯｘ触媒２３が活性化した直後（つまりリーン制御終了直後）は、ＮＯｘ触媒２３にＮＯｘが吸蔵されているため、ステップ１０７で「Ｎｏ」と判定されて、ステップ１０８に進み、目標空燃比をリッチ（例えば目標空気過剰率λ＝０．９）に設定する。これにより、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０となるまで（つまり吸蔵ＮＯｘの還元浄化済みとなるまで）、目標空燃比をリッチに維持して、ＮＯｘ触媒２３の吸蔵ＮＯｘを還元浄化（パージ）する。このリッチ制御中（ＮＯｘパージ実行中）は、ステップ１０９で、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘを次式により算出する。
ＱＮＯｘ(i) ＝ＱＮＯｘ(i-1) −ΔＱpurge
【００４５】
ここで、ΔＱpurge は、前回演算時から今回演算時までの吸蔵ＮＯｘの還元浄化量である。この還元浄化量ΔＱpurge は、例えば次式により算出すれば良い。
ΔＱpurge ＝（現在燃料噴射量−ストイキ時燃料噴射量）×定数
【００４６】
ここで、ストイキ時燃料噴射量は、現在の運転条件で目標空燃比をストイキとしたときの燃料噴射量である。従って、（現在燃料噴射量−ストイキ時燃料噴射量）は、排出ガス中のリッチ成分量に相関する物理量となる。尚、この還元浄化量ΔＱpurge は、排出ガスの空燃比、排出ガス流量（つまりＮＯｘ触媒２３へのリッチ成分供給量に相関するパラメータ）に応じてマップにより算出するようにしても良い。或は、演算処理の簡略化のために、還元浄化量ΔＱpurge を固定値としても良い。
【００４７】
その後、このリッチ制御（ＮＯｘパージ実行）により、ＮＯｘ触媒２３の吸蔵ＮＯｘの還元浄化が進んで、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０になった時点で、ステップ１０７からステップ１１０に進み、通常制御フラグを「１」にセットしてステップ１１１に進み、図３の通常制御プログラムを起動して、次のようにして通常制御を実施する。
【００４８】
図３の通常制御プログラムでは、まずステップ２０１で、ＮＯｘパージ実行フラグ＝１（ＮＯｘ還元浄化実行中）であるか否かを判定し、ＮＯｘパージ実行フラグ＝０であれば、ステップ２０２に進み、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが飽和量又はその付近に相当する所定値よりも少ないか否かを判定する。ＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが所定値よりも少なければ、ステップ２０３に進み、現在のエンジン運転条件に応じて目標空燃比（目標空気過剰率λ）を設定する。これにより、例えば、アイドル回転から中速中負荷域までは目標空燃比をリーンに設定し、中速中負荷以上ではストイキ付近に設定し、全負荷領域では目標空燃比をリッチに設定する。この後、ステップ２０４に進み、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘを次式により算出する。
ＱＮＯｘ(i) ＝ＱＮＯｘ(i-1) ＋ΔＱＮＯｘ
ＱＮＯｘ(i) ：今回演算時までのＮＯｘ吸蔵量
ＱＮＯｘ(i-1) ：前回演算時までのＮＯｘ吸蔵量
ΔＱＮＯｘ：前回演算時から今回演算時までのＮＯｘ吸蔵量増加分
【００４９】
ここで、前回演算時から今回演算時までのＮＯｘ吸蔵量増加分ΔＱＮＯｘは、例えばエンジン回転速度、負荷（吸気管圧力、吸入空気量等）、目標空燃比、ＥＧＲバルブ開度、バルブタイミング進角値、冷却水温等に応じてマップ等により算出される。
【００５０】
この通常の空燃比制御中（ＮＯｘ還元浄化の実行中でないとき）は、ステップ２０５で、ＮＯｘパージ実行フラグを０にセットする。
【００５１】
その後、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが所定値以上になった時点で、ステップ２０６以降の処理により、ＮＯｘ触媒２３の吸蔵ＮＯｘを還元浄化するリッチ制御（ＮＯｘパージ）を実行する。
【００５２】
このリッチ制御（ＮＯｘパージ）中は、ステップ２０６で、現在のＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０になったか否か（つまり吸蔵ＮＯｘの還元浄化済みであるか否か）を判定し、まだＮＯｘ触媒２３にＮＯｘが残っていれば、ステップ２０７に進み、目標空燃比をリッチ（例えば目標空気過剰率λ＝０．９）に設定する。これにより、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０となるまで（つまり吸蔵ＮＯｘの還元浄化済みとなるまで）、目標空燃比をリッチに維持して、ＮＯｘ触媒２３の吸蔵ＮＯｘを還元浄化（パージ）する。このリッチ制御中（ＮＯｘパージ実行中）は、ステップ２０８で、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘを次式により算出する。
ＱＮＯｘ(i) ＝ＱＮＯｘ(i-1) −ΔＱpurge
【００５３】
ここで、前回演算時から今回演算時までの吸蔵ＮＯｘの還元浄化量ΔＱpurge は、前述した図２のステップ１０９と同様の方法で算出すれば良い。
このリッチ制御中（ＮＯｘパージ実行中）は、ステップ２０９で、ＮＯｘパージ実行フラグを１にセットする。
【００５４】
その後、ＮＯｘ触媒２３の吸蔵ＮＯｘの還元浄化が進んで、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０になった時点で、ステップ２０６からステップ２１０に進み、ＮＯｘパージ実行フラグを「１」にセットして、リッチ制御を終了し、通常の空燃比制御に復帰する。
【００５５】
以後、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが所定値以上になる毎に、リッチ制御に切り換えてＮＯｘ触媒２３の吸蔵ＮＯｘを還元浄化し、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０になった時点で、通常の空燃比制御に復帰するという処理を繰り返す。
【００５６】
尚、通常の空燃比制御中に所定時間毎にリッチ制御（ＮＯｘパージ）を実施するようにしても良く、要は、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが飽和する前にリッチ制御（ＮＯｘパージ）を実施するようにすれば良い。
【００５７】
また、上記図２及び図３のプログラムでは、リッチ制御（ＮＯｘパージ）の実行期間をＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０となるまでとしたが、これをＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが所定値以下となるまでとしても良い。
【００５８】
以上説明した本実施形態の排気浄化制御の一例を図４のタイムチャートを用いて説明する。エンジン始動直後は、上流側触媒２２が所定の活性判定温度に昇温するまで、目標空燃比を弱リーン（例えば目標空気過剰率λ＝１．０３）に設定すると共に、触媒早期暖機制御を実施して、排出ガスの温度を上昇させて上流側触媒２２の暖機を促進する。
【００５９】
その後、上流側触媒２２の温度が所定の活性判定温度まで昇温した時点で、上流側触媒２２が活性化したと判断して、目標空燃比をリーン（例えば目標空気過剰率λ＝１．５）に設定する。これにより、下流側のＮＯｘ触媒２３の温度が所定の活性判定温度に昇温するまで、目標空燃比をリーンに維持して、排出ガスの空燃比をリーンに制御し、ＮＯｘ触媒２３に排出ガス中のＮＯｘを吸蔵する。
【００６０】
この場合、上流側触媒２２は、下流側のＮＯｘ触媒２３よりもエンジン始動後の昇温が早く、上流側触媒２２の方が早く活性化する。上流側触媒２２は、活性状態になれば、エンジン１１から排出されるＮＯが上流側触媒２２を流れる過程で、酸化雰囲気中で、上流側触媒２２（三元触媒又は酸化触媒）の触媒作用によって、ＮＯ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ2 の反応が促進される。エンジン１１から排出されるＮＯｘは、大部分がＮＯの形で排出されるため、上流側触媒２２を通過した排出ガス中のＮＯｘは、上記酸化反応によって大部分がＮＯ2 の形に酸化されて下流側のＮＯｘ触媒２３に流入する。
【００６１】
このＮＯｘ触媒２３内で、ＮＯ2 ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ3 - の反応に必要な活性化エネルギは比較的小さいため、ＮＯｘ触媒２３の温度が低くても、ＮＯｘ触媒２３内で、ＮＯ2 をＮＯ3 - に酸化する反応を起こさせることができる。従って、ＮＯｘ触媒２３の温度が低くて、ＮＯｘ触媒２３内で、ＮＯ＋１／２・Ｏ2 →ＮＯ2 の反応を起こすことができない場合でも、この反応を上流側触媒２２内で起こさせて、ＮＯｘ触媒２３内にＮＯｘをＮＯ3 - の形で吸蔵することができる。これにより、ＮＯｘ触媒２３が活性温度に昇温する前からリーン制御を開始しても、ＮＯｘ触媒２３でＮＯｘを吸蔵することができ、リーン制御領域拡大（燃費向上）とＮＯｘ浄化率向上とを両立させることができる。
【００６２】
その後、ＮＯｘ触媒２３の温度が所定の活性判定温度まで昇温した時点で、ＮＯｘ触媒２３が活性化したと判断して、目標空燃比をリッチ（例えば目標空気過剰率λ＝０．９）に設定する。これにより、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０（又は所定値以下）と判断されるまで、目標空燃比をリッチに維持して、ＮＯｘ触媒２３の吸蔵ＮＯｘを還元浄化する。これにより、ＮＯｘ触媒２３の吸蔵ＮＯｘの還元浄化が進んで、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量ＱＮＯｘが０になった時点で、通常の空燃比制御に移行する。
【００６３】
尚、上記実施形態では、図２に示されるように、ステップ１００で上流側触媒２２が活性済みであると判断され、続くステップ１０３でＮＯｘ触媒２３が活性済みでない場合にすぐに空燃比をリーンに制御している。
【００６４】
しかしながら、このとき、ＮＯｘ触媒２３がＮＯ2 ＋１／２Ｏ2 →ＮＯ3 - の酸化反応が十分に発生可能な程度に活性しているかどうか不明であるため、ステップ１０３で「Ｎｏ」と判断された後にＮＯｘ触媒２３がこの酸化反応が発生可能な程度活性しているかどうか（半活性状態かどうか）を判断するステップを設け、半活性状態にあれば、図２のフローチャート通り、ステップ１０４以降の処理に進み、半活性状態になければ、ステップ１０１に進むようにしても良い。
【００６５】
また、ＮＯｘ触媒２３が半活性状態に達したか否かは、ＮＯｘ触媒２３に温度センサを設け、この温度センサの出力により判断するようにしても良いし、単に機関始動後の経過時間に基づいて判断するようにしても良い。
【００６６】
これにより、ＮＯｘ触媒２３に確実にＮＯｘが吸蔵される状態となるまで空燃比をリーンに制御しないので、より機関暖機中のエミッションの悪化を抑制することができる。
【００６７】
また、上記実施形態では、ＮＯｘ触媒２３が非活性状態から活性状態になった時、一旦吸蔵したＮＯｘを還元するために空燃比をリッチに制御するようにしているが、これに限らず、例えば通常制御時と同様に吸蔵されているＮＯｘ量を演算しておき、ＮＯｘ触媒２３の活性後に、ＮＯｘ吸蔵量が所定量に達してから空燃比をリッチに制御するようにしても良い。
【００６８】
更に、ＮＯｘ触媒２３が活性状態となる前にＮＯｘ吸蔵量が所定量に達したときは、空燃比を理論空燃比又はその近傍の空燃比に制御するようにしても良い。これにより，ＮＯｘ触媒２３が活性する前にＮＯｘ吸蔵量が所定量に達したときにＮＯｘ触媒２３からＮＯｘが排出されることを防止することができる。
【００６９】
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、排気管２１に３個以上の触媒を設置しても良く、要は、少なくとも１つの触媒をＮＯｘ触媒とし、その上流側の触媒を、少なくとも一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2 ）にする酸化反応を促進可能な触媒（例えば三元触媒又は酸化触媒等）とした構成とすれば良い。
【００７０】
その他、本発明は、リーンバーンエンジンの他に、筒内噴射エンジン等、空燃比をリーンに制御するエンジンに適用して実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すエンジン制御システム全体の概略構成図
【図２】排気浄化制御プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【図３】通常制御プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【図４】排気浄化制御の一例を示すタイムチャート
【符号の説明】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、２０…燃料噴射弁、２１…排気管（排気通路）、２２…上流側触媒（第１の触媒）、２３…ＮＯｘ触媒（第２の触媒）、２４…空燃比センサ、２５…酸素センサ、２９…ＥＣＵ（排気浄化制御手段）。
Claims (5)
- 内燃機関の排気通路に設けられ、少なくとも一酸化窒素を二酸化窒素にする酸化反応を促進可能な第１の触媒と、
前記第１の触媒の下流に設けられ、ＮＯｘを吸蔵、還元可能な第２の触媒と、
前記第２の触媒が一酸化窒素の酸化反応を起こさせることができる活性状態となる前に内燃機関に供給される混合気の空燃比をリーンに制御する排気浄化制御手段と
を備え、
前記排気浄化制御手段は、前記第１の触媒の活性後、前記第２の触媒が前記活性状態となる前に内燃機関に供給される混合気の空燃比をリーンに制御し、前記第２の触媒が前記活性状態になったと判断された時点で空燃比をリッチ側に制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記排気浄化制御手段は、前記第１の触媒の活性後、かつ、前記第２の触媒が半活性状態となった後、空燃比をリーンに制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記排気浄化制御手段は、前記第２の触媒の活性後に空燃比をリッチ側に制御した後に再び空燃比をリーン側に制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記排気浄化制御手段は、内燃機関の始動後に排出ガスの温度を上昇させて前記上流側触媒の暖機を促進する触媒早期暖機制御を実行することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記排気浄化制御手段は、内燃機関の始動後に前記上流側触媒が活性したと判断されるまで空燃比をストイキ又はその付近に制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
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