JP6051850B2 - ディーゼルエンジンの排気後処理装置 - Google Patents

Description

この発明はディーゼルエンジンの排気後処理装置に関する。

酸化触媒、ＮＯｘトラップ触媒を排気通路に備え、リッチスパイク処理を初期処理と後期処理に分割するものがある（特許文献１参照）。このものでは、初期処理でフロントラムダをリッチ側の第１基本空気過剰率にし、リアラムダがリッチに反転したときに酸化触媒及びＮＯｘトラップ触媒に残存する酸素が全て無くなったと判定する。そして後期処理ではフロントラムダを１．０近傍の第２基本空気過剰率に制御している。ここで、フロントラムダは酸化触媒上流を流れる排気の空気過剰率、リアラムダはＮＯｘトラップ触媒の下流を流れる排気の空気過剰率である。

特開２００９−１９７７０８号公報

ところで、酸化触媒及びＮＯｘトラップ触媒の触媒劣化時には、触媒新品時よりも酸素のストレージ能力が低下するため、酸化触媒及びＮＯｘトラップ触媒の残存酸素量が減少する。上記の第１基本空気過剰率を触媒新品時に適合してあると、触媒劣化時には第１基本空気過剰率が小さ過ぎて無駄な還元剤を供給していることになり、燃費が悪化する。しかしながら、上記特許文献１には触媒劣化時について一切記載がない。

そこで本発明は、触媒劣化時においても、リッチスパイクに用いる還元剤の供給量を適切にし得る装置を提供することを目的とする。

本発明のディーゼルエンジンの排気後処理装置は、酸素雰囲気で排気中のＮＯｘをトラップし、還元雰囲気ではトラップしていたＮＯｘを脱離し、排気中のＨＣを還元剤として用いて還元・浄化するＮＯｘトラップ触媒と、前記ＮＯｘトラップ触媒上流の排気の空気過剰率である第１空気過剰率を検出する第１空気過剰率検出手段と、前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空気過剰率である第２空気過剰率を検出する第２空気過剰率検出手段と、前記ＮＯｘトラップ触媒の再生時期になったとき、初期処理中の排気の空気過剰率をリッチ側の第１基本空気過剰率にする初期処理手段と、前記排気の空気過剰率を前記第１基本空気過剰率にした後に後期処理中の排気の空気過剰率を１．０近傍の第２基本空気過剰率にする後期処理手段とを備えている。本発明のディーゼルエンジンの排気後処理装置は、さらに前記ＮＯｘトラップ触媒の触媒劣化度合を推定する触媒劣化度合推定手段と、前記推定される触媒劣化度合によって、前記ＮＯｘトラップ触媒の残存酸素量を予測する残存酸素量予測手段と、前記残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて前記第１基本空気過剰率より前記第２基本空気過剰率への移行速度を制御する移行速度制御手段、または、前記残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて前記後期処理中の排気の空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段、または、前記第２空気過剰率検出手段により検出される第２空気過剰率がリーン側よりしきい値を横切ってリッチ側に反転したとき、排気の空気過剰率を前記第１基本空気過剰率より前記第２基本空気過剰率に切換える場合における前記しきい値を、前記残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて制御するしきい値制御手段、のいずれか一つである還元剤供給量制御手段とを備えるものである。

触媒劣化時には、ＮＯｘトラップ触媒の残存酸素量が触媒新品時よりも少ないはずであるから、本発明によれば、予測される残存酸素量に基づいて、触媒劣化時には触媒新品時よりも後期処理中の還元剤の供給量を少なくする側に制御する。触媒新品時のＮＯｘトラップ触媒の残存酸素量と触媒劣化時のＮＯｘトラップ触媒の残存酸素量との差の分だけ、触媒劣化時に後期処理中の還元剤の供給量を減らすことによって、無駄な還元剤の供給を抑制して燃費の悪化を防ぐことができる。

本発明の第１実施形態のディーゼルエンジンの排気後処理装置の概略構成図である。 触媒新品時かつ負荷変動がないときの従来装置のリッチスパイク処理時のフロントラムダ、リアラムダの変化を示すタイミングチャートである。 触媒新品時かつ負荷変動があるときの従来装置のリッチスパイク処理時のフロントラムダ、リアラムダの変化を示すタイミングチャートである。 第１実施形態のリッチスパイク処理時の排気の目標空過剰率及び排気の実空過剰率の変化を示すタイミングチャートである。 第１実施形態のリッチスパイク処理時の排気の目標空過剰率及び排気の実空過剰率の変化を示すタイミングチャートである。 リーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾きに対する酸化触媒及びＮＯｘトラップ触媒の残存酸素量の特性図である。 第１実施形態のリッチスパイク処理時の排気の目標空気過剰率の算出を説明するためフローチャートである。 第１実施形態のリーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾き及び触媒の劣化度合に対する目標空気過剰率の制御周期当たり増分の特性図である。 第１実施形態の触媒の劣化度合の算出を説明するためのフローチャートである。 触媒の劣化度合の特性図である。 第１実施形態の他の触媒の劣化度合の算出を説明するためのフローチャートである。 触媒の劣化度合の特性図である。 第２実施形態のリッチスパイク処理時の目標空過剰率及び排気の実空過剰率の変化を示すタイミングチャートである。 第２実施形態のリッチスパイク処理時の目標空過剰率及び排気の実空過剰率の変化を示すタイミングチャートである。 第２実施形態のリッチスパイク処理時の排気の目標空気過剰率の算出を説明するためフローチャートである。 第２実施形態のリーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾き及び触媒の劣化度合に対する空気過剰率補正量の特性図である。 第３実施形態のリッチスパイク処理時の目標空過剰率及び排気の実空過剰率の変化を示すタイミングチャートである。 第３実施形態のリッチスパイク処理時の目標空過剰率及び排気の実空過剰率の変化を示すタイミングチャートである。 第３実施形態のリッチスパイク処理時の排気の目標空気過剰率及び目標初期処理時間の算出を説明するためフローチャートである。 第３実施形態のリッチスパイク処理時の排気の目標空気過剰率及び目標初期処理時間の算出を説明するためフローチャートである。 第３実施形態の差分及び触媒の劣化度合に対するしきい値の特性図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態のディーゼルエンジンの排気後処理装置を示す概略構成図である。図１において、ディーゼルエンジン１の吸気通路２には可変ノズル型のターボチャージャ３の吸気コンプレッサを備える。吸入空気は吸気コンプレッサによって過給され、インタークーラ４で冷却され、常開のスロットル弁５を通過した後、コレクタ６を経て、各気筒のシリンダ内へ流入する。燃料は、コモンレール式燃料噴射装置により、すなわち、高圧燃料ポンプ７により高圧化されてコモンレール８に送られ、各気筒の燃料噴射弁９からシリンダ内へ直接噴射される。シリンダ内に流入した空気と噴射された燃料はここで圧縮着火により燃焼し、排気は排気通路１０へ流出する。

排気通路１０に流出した排気の一部は、ＥＧＲガスとして、ＥＧＲ通路１１によりＥＧＲ弁１２を介して吸気側に還流される。排気の残りは、可変ノズル型のターボチャージャ３の排気タービンを通り、排気タービンを駆動する。

ＥＧＲ通路１１にはＥＧＲクーラ３１を備える。ＥＧＲクーラ３１はＥＧＲガスを冷却水や冷却風を用いて冷却するものである。また、ＥＧＲクーラ３１をバイパスするバイパス通路３２と、このバイパス通路３２の分岐部にあってＥＧＲガスの流路を切換え得る流路切換弁３３と備える。流路切換弁３３は、例えば非通電時にバイパス通路３２を遮断してＥＧＲガスをＥＧＲクーラ３１に流し、通電時にはＥＧＲクーラ３１のある通路を遮断し、ＥＧＲガスをバイパス通路３２に流すものである。これらバイパス通路３２及び流路切換弁３３を設けている理由は低温時のＨＣ対策である。

エンジンコントローラ２１には、アクセルセンサ２２からのアクセル開度（アクセルペダルの踏込量のこと）ＡＣＣ、クランク角センサ２３からのエンジン回転速度Ｎｅの各信号が入力されている。そしてエンジンコントローラ２１では、エンジン負荷（アクセル開度など）及びエンジン回転速度Ｎｅに基づいて、メイン噴射の燃料噴射時期及び燃料噴射量を算出し、これらに対応する開弁指令信号を燃料噴射弁９に出力する。また、エンジンコントローラ２１では、目標ＥＧＲ率と目標吸入空気量とが得られるようにＥＧＲ制御と過給圧制御を協調して行う。なお、エンジンコントローラ２１は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成されている。

排気通路１０の排気タービン下流には、排気中のパティキュレートを捕集するフィルタ（Ｄiesel Ｐarticulate Ｆilter）１３を配置してある。フィルタ１３のパティキュレート堆積量が所定値（閾値）に達すると、エンジンコントローラ２１ではフィルタ１３の再生処理を行う。例えばメイン噴射直後の膨張行程あるいは排気行程でポスト噴射を行うことにより排気をパティキュレートの燃焼する温度にまで上昇させてフィルタ１３の再生処理を行い、フィルタ１３に堆積しているパティキュレートを燃焼除去し、フィルタ１３を再生する。目標となる再生温度が得られるようにエンジンの負荷及び回転速度（運転条件）に応じてポスト噴射量とポスト噴射時期とを予め定めておき、そのときのエンジンの負荷及び回転速度に応じたポスト噴射量とポスト噴射時期とが得られるようにポスト噴射を行う。

フィルタ１３に堆積しているパティキュレートの全てが燃焼除去される完全再生を行わせるには再生処理時にフィルタ１３の許容温度を超えない範囲で少しでもパティキュレートの燃焼温度を高めてやることが必要となる。このため本実施形態ではフィルタ１３の上流に酸化触媒（貴金属）１４を配置してある。この酸化触媒１４によりフィルタ１３の再生処理のためのポスト噴射によって流入する排気成分（ＨＣ、ＣＯ）を燃焼させて排気の温度を高めフィルタ１３内のパティキュレートの燃焼を促進させる。なお、フィルタ１３を構成する担体に酸化触媒をコーティングしてもよい。このときには、パティキュレートが燃焼する際の酸化反応を促進してその分フィルタ１３のベッド温度を実質的に上昇させ、フィルタ１３内のパティキュレートの燃焼を促進させることができる。

なお、触媒は酸化触媒１４に限られない。酸化機能を備える触媒であれば、酸化触媒に代えることができる。図１は酸化触媒１４として三元触媒（ＴＷＣ）を採用する場合である。

酸化触媒１４とフィルタ１３との間には、酸素雰囲気で排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）をトラップ（例えば吸着）し、還元雰囲気ではトラップしていたＮＯｘを脱離し、排気中のＨＣを還元剤として用いて還元・浄化するＮＯｘトラップ触媒（ＬＮＴ）１５を備える。酸素雰囲気は排気の空気過剰率が１．０（理論空燃比相当の値）より大きいときに得られる。一方、還元雰囲気は排気の空気過剰率が１．０以下のときに得られる。

このため、ＮＯｘトラップ触媒１５のＮＯｘ堆積量が所定値（閾値）に到達したときにはＮＯｘトラップ触媒１５を流れる排気を酸素雰囲気から還元雰囲気へと切換えるためリッチスパイク処理を行う必要がある。ここでのリッチスパイク処理は、メイン噴射直後の膨張行程あるいは排気行程でポスト噴射を行って、排気通路１０に排出される未燃のＨＣ量を増やし、このＨＣを還元剤としてＮＯｘトラップ触媒１５に供給することである。

ディーゼルエンジン１では、通常運転時に１．０（理論空燃比相当の値）よりも大きな値の空気過剰率（理論空燃比よりもリーン側の空燃比）で運転するので、ポスト噴射の追加だけでは排気の空気過剰率を１．０へと切換えることができない。このため、通常運転時に全開位置にあるスロットル弁５をリッチスパイク処理時に閉じてやることでシリンダに流入する吸入空気量（シリンダ吸入空気量）Ｑａｃを減らし、これによって、排気の空気過剰率を１．０以下へと切換える。つまり、メイン噴射量とポスト噴射量の合計の燃料噴射量Ｑｆｕｅｌと、シリンダ吸入空気量Ｑａｃとで定まる空気過剰率が１．０以下となるように、ポスト噴射量とスロットル弁開度（吸入空気量）とを定めるのである。ここで、リッチスパイク処理時のスロットル弁開度を定めてやれば、ポスト噴射量が一義的に定まる。

また、所定の時間毎（一定の周期）にＮＯｘトラップ触媒１５にトラップされる所定時間当たりのＮＯｘ量を算出し、この所定時間当たりのＮＯｘ量を加算（積算）してＮＯｘトラップ触媒１５に堆積するＮＯｘ堆積量を算出する。このＮＯｘ堆積量と、予め定めてある閾値とを比較し、ＮＯｘ堆積量が閾値以上となったとき（ＮＯｘトラップ触媒１５の再生時期となったとき）、ポスト噴射（リッチスパイク処理）を実行する。

このようにして、通常運転時にＮＯｘ堆積量が閾値以上となったとき、スロットル弁開度を全開状態から所定のスロットル弁開度へと切換える（スロットル絞りを行う）と共に、ポスト噴射を開始する。そして、一定期間を経過したときポスト噴射を終了しスロットル弁５を全開位置へと戻す。

ところで、酸素雰囲気から還元雰囲気へと切換えた直後には、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５に酸素雰囲気中にストレージされた酸素が残存する。このため、酸素雰囲気から還元雰囲気への切換直後には、ＮＯｘ還元剤としてのＨＣ、ＣＯを供給しても、ＮＯｘトラップ触媒１５にストレージされている酸素が、ＮＯｘよりも先に脱離してきてこれらの還元剤を酸化（消費）する。同様に、ＮＯｘトラップ触媒１５上流の酸化触媒にストレージされている酸素によっても、ＮＯｘ還元剤としてのＨＣ、ＣＯが酸化（消費）される。つまり、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５にストレージされている酸素を全て消費した後でないと、ＮＯｘトラップ触媒１５に堆積しているＮＯｘを還元することができないのである。

このため、リッチスパイク処理を初期処理と後期処理の２段に分離する従来装置がある。これを図２を参照して説明すると、図２はリッチスパイク処理時にフロントラムダ（第１空気過剰率）、リアラムダ（第２空気過剰率）がどのように変化するのかを示している。ここで、フロントラムダとは酸化触媒１４上流を流れる排気の空気過剰率のことである。リアラムダとはＮＯｘトラップ触媒１５の下流を流れる排気の空気過剰率のことである。

図２に示したように、従来装置では、ｔ１のタイミングからの初期処理でフロントラムダを１．０（理論空燃比）より小さいほぼ０．９（リッチ）の第１基本空気過剰率λ０とし、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５にストレージされている酸素を消費させる。この状態でリアラムダが１．０になるのを待ち、リアラムダが１．０になったｔ２のタイミングで酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５にストレージされている酸素が全て無くなったと判定し、初期処理を終了する。

そして、ｔ２のタイミングからの後期処理ではフロントラムダを１．０近傍の第２基本空気過剰率λ１に制御することで還元剤をＮＯｘトラップ触媒１５に供給し、ＮＯｘトラップ触媒１５に堆積しているＮＯｘを還元浄化する。

ｔ１のタイミングから一定時間が経過するｔ３のタイミングでＮＯｘトラップ触媒１５に堆積しているＮＯｘを全て還元浄化したと判断し、後期処理を、従ってリッチスパイク処理を終了する。

しかしながら、従来装置には改善の余地があることが判明している。これについて図３を参照して説明すると、図３もリッチスパイク処理時にフロントラムダ、リアラムダがどのように変化するのかを示している。ただし、図２と相違して、負荷変動により初期処理でフロントラムダが０．９にまで到達しなかった場合である。このようにフロントラムダが第１基本空気過剰率λ０である０．９に到達できなかった原因がリッチスパイク処理開始直後の負荷変動である。例えば、アクセルペダルを踏み込んで車両を加速したとき、上記のようにＮＯｘ堆積量が閾値以上となっていれば、第１基本空気過剰率λ０を０．９とするリッチスパイク処理が開始される。この場合に、初期処理を開始した直後にアクセルペダルが戻されることがある。このときには、燃料噴射量（上記のポスト噴射量）がアクセルペダルが戻されない場合よりも減少し、初期処理中のフロントラムダを０．９にまで到達させることができずに終わる。リッチスパイク処理を開始した直後のエンジン負荷の急激な減少を「リッチスパイク処理開始直後の負荷変動」で定義すれば、当該負荷変動によって、図３に示したように初期処理中のフロントラムダを０．９へと到達させることができなくなるのである。リッチスパイク処理開始直後の負荷変動を、以下単に「負荷変動」という。

初期処理中のフロントラムダが０．９まで至らないと、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５にストレージされている酸素を全て消費できず、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５に消費できなかった酸素が残存する。これによって、リアラムダが１．０を横切るのが図２の場合より遅れる。図３では、ｔ１１のタイミングでリアラムダが１．０になり、後期処理に移っているが、リアラムダはｔ１１以降もリーン側に居続け、後期処理を終了するｔ１３の手前のｔ１２のタイミングで再び１．０を横切っている。これは、ｔ１１からｔ１２までの期間でＮＯｘ浄化のために供給する還元剤が酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５に残存する酸素の消費に使われることを意味する。残存酸素の消費に還元剤が使われるのであるから、触媒１５に堆積しているＮＯｘの全てを還元することができず、ＮＯｘ浄化率が悪くなる。

そこでリアラムダがリーン側より１．０を横切るときの傾き（変化速度）より酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を予測することが考えられる。この場合、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の触媒劣化時には触媒新品時よりも酸素のストレージ能力が低下するため、酸化触媒及びＮＯｘトラップ触媒の残存酸素量が減少する。このため、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を予測する際には、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の触媒劣化度合をも考慮する必要がある。

そこで本発明の第１実施形態では、リアラムダがリーン側より１．０を横切るときの傾き（変化速度）及び触媒劣化度合より酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を予測する。そして、予測した残存酸素量に基づいて第１基本空気過剰率λ０より第２基本空気過剰率λ１への移行速度を制御する。

具体的に図４Ａ、図４Ｂを参照して説明すると、図４Ａ、図４Ｂはリッチスパイク処理時に排気の目標空気過剰率、排気の実空気過剰率であるフロントラムダ及びリアラムダがどのように変化するのかを表したモデル図である。ここで、図４Ａ第１段目には触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を実線で、触媒新品時でかつ負荷変動があるときの目標空気過剰率の変化を破線で重ねて示している。図４Ａ第２段目には、触媒新品時でかつ負荷変動がないときのフロントラムダとリアラムダの変化を実線で、触媒新品時でかつ負荷変動があるときのリアラムダの変化を破線で重ねて示している。一方、図４Ｂ第１段目には触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を実線で、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を破線で重ねて示している。図４Ｂ第２段目には、触媒新品時でかつ負荷変動がないときのフロントラムダとリアラムダの変化を実線で、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときのリアラムダの変化を破線で重ねて示している。図４Ａ、図４Ｂにおいて横軸のｔ１、ｔ２、ｔ３のタイミングは図３の場合に合わせている。

図４Ａにおいて、初期処理を開始するｔ１のタイミングで第１基本空気過剰率λ０を０．９としたとき、触媒新品時でかつ負荷変動がなければ初期処理中のフロントラムダ（実際値）は、リーン側の値から０．９へと大きく低下し、やがて０．９へと落ち着く。

第１基本空気過剰率λ０をリッチ側の０．９とすることによって、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５に残存する酸素が消費され、やがて全ての酸素が消費されたｔ２のタイミングでリアラムダがリーン側より１．０を横切る。リアラムダがリーン側より１．０を横切るｔ２のタイミングで初期処理を終了し、後期処理に移行する。

ここで、本発明の第１実施形態は、リアラムダがリーン側より１．０を横切ってリッチ側に反転する場合に限定されるものでない。リアラムダと比較するための１．０はしきい値である。しきい値は１．０に限られるものでなく、１．０５〜０．９５の範囲で任意に取り得る。例えば、リアラムダがリーン側よりしきい値としての１．０５を横切ったときにリッチ側に反転したと判定するものや、リアラムダがリーン側よりしきい値としての０．９５を横切ったときにリッチ側に反転したと判定するものがある。これらの場合にも本発明の適用があるので、これらの場合をも含ませる場合には「リアラムダがリーン側より１．０近傍を横切る」という表現を用いる。なお、上記のようにしきい値を１．０よりリーン側の１．０５や１．０よりリッチ側の０．９５へとシフトさせる理由は排気対策である。以下、第１実施形態では、しきい値が１．０である場合で説明する。

次に、触媒新品時でかつ負荷変動がないときには第２基本空気過剰率λ１を１．０近傍に設定する。これによって、ＮＯｘトラップ触媒１５に還元剤が供給されることになり、ＮＯｘトラップ触媒１５に堆積しているＮＯｘが還元浄化されてゆく。後期処理をどのくらいの期間、継続すればＮＯｘトラップ触媒１５に堆積しているＮＯｘの全てを還元できるかは予め分かっている。従って、その期間が経過するｔ３のタイミング、つまりｔ１より所定時間Δｔ２が経過したｔ３のタイミングで後期処理を終了し、通常運転に戻る。

なお、第２基本空気過剰率λ１を１．０よりも少しだけ小さい値（リッチ側の値）に設定している。これは、次の理由による。すなわち、ディーゼルエンジンでは、酸素の利用率が悪く、常に酸素を余らせた状態で燃焼が行われる。このため、第２基本空気過剰率λ１を１．０より少し小さい値としても、実質的には排気中に酸素が存在する。１．０近傍で発生するＨＣ、ＣＯをこの排気中に存在する酸素で酸化させるため、第２基本空気過剰率λ１を１．０よりも少しだけ小さい値に設定しているのである。

さて、初期処理の終期にリーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔ（第２空気過剰率の変化速度）は酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を予測する値となる。以下、リーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾きを、単に「リアラムダの傾き」ともいう。例えば図２に示したように触媒新品時かつ負荷変動がないときにはリーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔは相対的に大きい。一方、図３に示したように触媒新品時かつ負荷変動があるときにはリーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔは相対的に小さい。これら図２、図３をモデルで表したのが図４Ａ第２段目に示すリアラムダである。図４Ａ第２段目に実線で示す触媒新品時かつ負荷変動がないときのリアラムダによれば、リーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔが相対的に大きい。一方、図４Ａ第２段目に破線で示す触媒新品時かつ負荷変動があるときのリアラムダによれば、リーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔが相対的に小さくなっている。

次に、図４Ｂ第２段目に実線で示す触媒新品時かつ負荷変動がないときのリアラムダは図４Ａ第２段目に実線で示す触媒新品時かつ負荷変動がないときのリアラムダと同じである。一方、図４Ｂ第２段目に破線で示す触媒劣化時かつ負荷変動がないときのリアラムダによれば、リーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔが、図４Ｂ第２段目に実線で示す触媒新品時かつ負荷変動がないときより小さくなっている。

次に、触媒劣化時かつ負荷変動がないときのリアラムダと、触媒劣化時かつ負荷変動があるときのリアラムダとの比較は図面に示していないが次のようになる。すなわち、触媒劣化時かつ負荷変動があるときのリアラムダによれば、リーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔが、触媒劣化時かつ負荷変動がないときより小さくなる。リーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔはマイナスとなり扱いにくいので、絶対値で扱う。

上記の図４Ａ、図４Ｂの特性から触媒新品時であるか触媒劣化時であるかの違い及びリーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔと、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量との特性としてまとめたのが図５である。図５において、細実線が触媒新品時（劣化度合が相対的に小さいとき）の特性、太実線が触媒劣化時（劣化度合が相対的に大きいとき）の特性である。すなわち、触媒新品時には図５に細実線で示したようにリーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔが相対的に大きいときには酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量が相対的に少ないと予測できる。また、触媒新品時にリーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔが相対的に小さいときには酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量は相対的に多いと予測できる。一方、触媒劣化時のｄλ／ｄｔに対する残存酸素量の特性は、傾向としては触媒新品時と同様であるが、リーン側より１．０を横切るときのｄλ／ｄｔの値が同じであっても、触媒劣化時のほうが触媒新品時より残存酸素量が少なくなっている。これは、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の劣化により、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の酸素ストレージ能力が低下するのに対応して、初期処理の終了タイミングでの残存酸素量が少なくなるためである。

ここで、リーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔはリアラムダのデータを所定周期でサンプリングし、そのサンプリング値より算出することができる。

このように、触媒新品時、触媒劣化時のいずれのときにもｄλ／ｄｔによって触媒１４、１５の残存酸素量を予測する場合に、ｄλ／ｄｔが相対的に小さいときに、ｄλ／ｄｔが相対的に大きいときより触媒１４、１５の残存酸素量が多いことを表す。従って、触媒劣化状態が同じ条件であれば負荷変動がある（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）ときには、負荷変動がない（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）ときより第１基本空気過剰率λ０より第２基本空気過剰率λ２への移行速度が遅くなるように制御してやればよい。

例えば、図４Ａ第１段目に実線で示したように、触媒新品時でかつ負荷変動がない（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）とき、第１基本空気過剰率λ０より第２基本空気過剰率λ１への移行速度を相対的に速く設定している。一方、図４Ａ第１段目に破線で重ねて示したように、触媒新品時でかつ負荷変動がある（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）とき、第１基本空気過剰率λ０より第２基本空気過剰率λ１への移行速度を相対的に遅く設定している。これによって、触媒新品時でかつ負荷変動があるときの目標空気過剰率と触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率との間に、ハッチングで示した面積差が生じる（図４Ａ第１段目参照）。つまり、触媒新品時でかつ負荷変動があるときには、触媒新品時でかつ負荷変動がないときより当該面積差だけ多い分の還元剤の供給を後期処理中に行うことができる。後期処理中に還元剤の供給量が増えることによって、酸化触媒及びＮＯｘトラップ触媒の残存酸素を消費することができるのである。

次に、図４Ｂ第１段目に実線で示したように、触媒新品時（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）でかつ負荷変動がないとき、第１基本空気過剰率λ０より第２基本空気過剰率λ１への移行速度を相対的に遅く設定している。一方、図４Ｂ第１段目に破線で重ねて示したように、触媒劣化時（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）でかつ負荷変動がないとき、第１基本空気過剰率λ０より第２基本空気過剰率λ１への移行速度を相対的に速く設定している。これによって、触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率と触媒劣化時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率との間に、ハッチングで示した面積差が生じる（図４Ｂ第１段目参照）。つまり、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときには、触媒新品時でかつ負荷変動がないときより当該面積差だけ少ない分の還元剤の供給を後期処理中に行うことができる。触媒劣化時には、酸化触媒及びＮＯｘトラップ触媒の残存酸素量が触媒新品時よりも少ないはずであるから、その差の分だけ後期処理中の還元剤の供給量を減らすことによって、無駄な還元剤の供給を抑制して燃費の悪化を防ぐのである。

なお、図４Ａ、図４Ｂの各第３段目〜第６段目には、後述する図６のフローチャートで導入している初期処理フラグ、後期処理フラグの動きを示している。ここで、図４Ａの第３段目と第４段目は触媒新品時でかつ負荷変動がないときの初期処理フラグ、後期処理フラグの、第５段目と第６段目は触媒新品時でかつ負荷変動があるときの初期処理フラグ、後期処理フラグの動きである。図４Ｂの第３段目と第４段目は触媒新品時でかつ負荷変動がないときの初期処理フラグ、後期処理フラグの、第５段目と第６段目は触媒劣化時でかつ負荷変動がないときの初期処理フラグ、後期処理フラグの動きである。

上記のフロントラムダは酸化触媒１４の上流に設けたフロント広域空燃比センサ２４（図１参照）により、上記のリアラムダはＮＯｘトラップ触媒１５の下流に設けたリア広域空燃比センサ２５（図１参照）により検出する。広域空燃比センサは、排気の空燃比をリニアに検出するものである。

なお、第１実施形態は酸化触媒１４を備えるため、ＮＯｘトラップ触媒１５に残存する酸素だけでなく、酸化触媒１４に残存する酸素をも考慮する必要があるのであるが、酸化触媒１４を備えない場合にも本発明の適用がある。この場合には、ＮＯｘトラップ触媒１５に残存する酸素だけを考慮すればよい。

エンジンコントローラ２１で行われる本実施形態のリッチスパイク処理を図６のフローチャートを参照して詳述する。

図６のフローはリッチスパイク処理時の排気の目標空気過剰率ｍλを算出するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行する。

ステップ１では、ＮＯｘトラップ触媒１５の再生時期になったか否かをみる。これは、例えばＮＯｘ堆積量が閾値以上となったとき、再生許可フラグをゼロから１に切換えるようにしておく。そして、この再生許可フラグをみて再生許可フラグ＝０であればＮＯｘトラップ触媒１５の再生時期になっていないと、再生許可フラグ＝１であればＮＯｘトラップ触媒１５の再生時期になったと判定させればよい。再生許可フラグ＝０よりＮＯｘトラップ触媒１５の再生時期になっていないときにはそのまま今回の処理を終了する。

ステップ１で再生許可フラグ＝１よりＮＯｘトラップ触媒１５の再生時期になったときにはステップ２に進み、後期処理フラグ（エンジンの始動時にゼロに初期設定）をみる。ここでは、後期処理フラグ＝０であるとしてステップ３に進み、初期処理フラグ（エンジンの始動時にゼロに初期設定）をみる。ここでは、初期処理フラグ＝０であるとしてステップ４、５に進む。

ステップ４では第１基本空気過剰率λ０を算出し、これをステップ５で排気の目標空気過剰率ｍλに入れる。第１基本空気過剰率λ０は、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５が新品時でかつ負荷変動がないとした場合に酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５にストレージされている酸素を全て消費するための値である。第１基本空気過剰率λ０は、たとえば運転条件（エンジン負荷と回転速度）に応じたマップ値で与えておけばよい。酸化触媒及びＮＯｘトラップ触媒の残存酸素を消費するため第１基本空気過剰率λ０は１．０より小さい値とする。簡単には一定値（例えば０．９）でかまわない。ステップ６では初期処理フラグ＝１として今回の処理を終了する。

ステップ６で初期処理フラグ＝１としたことより、次回にはステップ３よりステップ７以降へと進む。ステップ７では、リアラムダとしきい値としての１．０を比較する。リアラムダが１．０より大きいときにはリアラムダがリーン側よりリッチ側に反転していないと判断してステップ８に進む。ステップ８では、前回の排気の目標空気過剰率である「ｍλ（前回）」の値をそのまま今回の排気の目標空気過剰率ｍλに移すことによって、ステップ５で算出された第１基本空気過剰率λ０を維持する。

ステップ７でリアラムダが１．０以下になったときにはリアラムダがリーン側よりリッチ側に反転したと判断し、後期処理に進ませるためステップ９、１０に進む。ステップ９、１０では初期処理フラグ＝０、後期処理フラグ＝１とする。

ステップ１１では、ステップ８と同じに前回の排気の目標空気過剰率である「ｍλ（前回）」の値をそのまま今回の排気の目標空気過剰率ｍλに移すことによって、ステップ５で算出された第１基本空気過剰率λ０を維持する。

ステップ１２では、ｍλの前回値である「ｍλ（前回）」に第１基本空気過剰率λ０を入れる。

ステップ９、１０で初期処理フラグ＝０、後期処理フラグ＝１としたことより、次回にはステップ２よりステップ１３以降へと進む。

ステップ１３ではリッチスパイク処理の開始から所定時間Δｔ２が経過したか否かをみる。リッチスパイク処理の開始から所定時間Δｔ２が経過していなければステップ１４に進み、広域空燃比センサ２５により検出されるリアラムダのデータに基づいて、リーン側より１．０を横切ったときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔを算出する。リアラムダの傾きｄλ／ｄｔは負の値で算出されるので、絶対値を採ってプラスの値に変換する。プラスの値に変換したリアラムダの傾きｄλ／ｄｔは、触媒新品時にはこの値が相対的に小さいときのほうが、この値が相対的に大きいときより酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量が多いことを表す。また、触媒劣化時にはこの値が相対的に小さいときのほうが、この値が相対的に大きいときより酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量が少ないことを表す。

ステップ１５では、このようにして算出したリアラムダの傾きｄλ／ｄｔ（絶対値）及び触媒劣化度合から図７を内容とするマップを検索することにより、目標空気過剰率の制御周期当たり増分Δλを算出する。ここで、触媒劣化度合はメモリに記憶されている（後述する）。図７に示したようにΔλは、リアラムダの傾きｄλ／ｄｔと触媒劣化度合の関数である。すなわち、触媒劣化度合が同じ条件であるとき、Δλはｄλ／ｄｔ（絶対値）が相対的に小さいときのほうが、ｄλ／ｄｔ（絶対値）が相対的に大きいときより小さくなる値である。また、ｄλ／ｄｔが同じ条件であるとき、Δλは触媒劣化度合が相対的に大きいとき（触媒劣化時）のほうが、触媒劣化度合が相対的に小さいとき（触媒新品時）より大きくなる値である。

ステップ１６では、この目標空気過剰率の制御周期当たり増分Δλを用いて次式により、後期処理中の目標空気過剰率ｍλを算出する。

ｍλ＝ｍλ（前回）＋Δλ …（１）
ただし、ｍλ（前回）：ｍλの前回値、
ｍλの前回値である「ｍλ（前回）」には初期値として第１基本空気過剰率λ０が入っている（ステップ１２参照）。（１）式は、ｍλの前回値である「ｍλ（前回）」に制御周期当たり増分Δλを加算した値を今回のｍλとするものである。つまり、（１）式の算出を一定周期で繰り返すことにより、後期処理中の目標空気過剰率ｍλは増分Δλずつ大きくなっていく。

ここで、触媒新品時でかつ負荷変動がない（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）ときと、触媒新品時でかつ負荷変動がある（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）ときを比較する。触媒新品時でかつ負荷変動がない（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）ときには、触媒新品時でかつ負荷変動がある（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）ときより上記の増分Δλが大きい。このとき、目標空気過剰率ｍλはλ０より素早くλ１へと近づいてゆく（図４Ａ第１段目の実線参照）。つまり、第１基本空気過剰率λ０より第２基本空気過剰率λ１への移行速度が相対的に速くなる。一方、触媒新品時でかつ負荷変動がある（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）ときには、触媒新品時でかつ負荷変動がない（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）ときより上記の増分Δλが小さい。このとき、目標空気過剰率ｍλはλ０よりゆっくりとλ１へと近づいてゆく（図４Ａ第１段目の破線参照）。つまり、第１基本空気過剰率λ０より第２基本空気過剰率λ１への移行速度は相対的に遅くなる。

次に、触媒新品時（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）でかつ負荷変動がないときと、触媒劣化時（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）でかつ負荷変動がないときを比較する。触媒新品時（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）でかつ負荷変動がないときには、触媒劣化時（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）でかつ負荷変動がないときより上記の増分Δλが小さい。このとき、目標空気過剰率ｍλはλ０よりゆっくりとλ１へと近づいてゆく（図４Ｂ第１段目の実線参照）。つまり、第１基本空気過剰率λ０より第２基本空気過剰率λ１への移行速度が相対的に遅くなる。一方、触媒劣化時（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）でかつ負荷変動がないときには、触媒新品時（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）でかつ負荷変動がないときより上記の増分Δλが大きい。このとき、目標空気過剰率ｍλはλ０より素早くλ１へと近づいてゆく（図４Ｂ第１段目の破線参照）。つまり、第１基本空気過剰率λ０より第２基本空気過剰率λ１への移行速度は相対的に速くなる。

次に、触媒劣化時でかつ負荷変動がない（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）ときと、触媒劣化時でかつ負荷変動がある（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）ときを比較する。触媒劣化時でかつ負荷変動がない（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）ときには、触媒劣化時でかつ負荷変動がある（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）ときより上記の増分Δλが大きい。このとき、目標空気過剰率ｍλはλ０より素早くλ１へと近づいてゆく（図示しない）。つまり、第１基本空気過剰率λ０より第２基本空気過剰率λ１への移行速度は相対的に速くなる。一方、触媒劣化時でかつ負荷変動がある（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）ときには、触媒劣化時でかつ負荷変動がない（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）ときより上記の増分Δλが小さい。このとき、目標空気過剰率ｍλはλ０よりゆっくりとλ１へと近づいてゆく（図示しない）。つまり、第１基本空気過剰率λ０より第２基本空気過剰率λ１への移行速度が相対的に遅くなる。

このように、触媒劣化度合及び負荷変動の有無（ｄλ／ｄｔ）によって第１基本空気過剰率λ０より第２基本空気過剰率λ１への移行速度を制御する。

ステップ１７では、このようにして算出される後期処理中の目標空気過剰率ｍλと第２基本空気過剰率λ１を比較する。第２基本空気過剰率λ１は、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５が新品時でかつ負荷変動がないとした場合にＮＯｘトラップ触媒１５に堆積しているＮＯｘを全て還元浄化するための値である。第２基本空気過剰率λ１としては１．０近傍の値を設定している。実際には１．０でなく１．０より小さい値を設定する。これは、１．０近傍で発生するＨＣ、ＣＯを排気中に存在する酸素で酸化させるためである。後期処理中の目標空気過剰率ｍλがλ１未満であるときには後期処理中の目標空気過剰率ｍλがまだ第２基本空気過剰率λ１に到達していないと判断し、そのまま今回の処理を終了する。

やがてステップ１７で後期処理中の目標空気過剰率ｍλが第２基本空気過剰率λ１に到達したときにはステップ１８に進み、第２基本空気過剰率λ１を後期処理中の目標空気過剰率ｍλに入れる。このようにして、後期処理中の目標空気過剰率ｍλは第１基本空気過剰率λ０より制御周期当たり増分Δλずつ大きくなり、第２基本空気過剰率λ１に到達した後は第２基本空気過剰率λ１を維持する。

後期処理中の目標空気過剰率ｍλが第２基本空気過剰率λ１を維持している状態で、やがてリッチスパイク処理の開始から所定時間Δｔ２が経過する。このときにはリッチスパイク処理を終了するためステップ１３よりステップ１９、２０、２１に進む。ステップ１９では排気の目標空気過剰率に１．０より大きな値（リーン）を入れる。これはエンジンをリーン運転するときの目標空気過剰率である。

ステップ２０、２１では後期処理フラグ＝０、再生許可フラグ＝０とする。ステップ２１で再生許可フラグ＝０としたことより、次回にはステップ１よりステップ２以降へと進むことができない。

図示しないフローでは、図６のフローにより算出された目標空気過剰率ｍλが得られるようにスロットル弁開度とポスト噴射量とが制御される。

図８のフローは第１実施形態の触媒劣化度合を算出するためのもので、図６とは独立に一定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行する。

ステップ３１では、劣化度合算出済みフラグをみる。ここでは、劣化度合算出済みフラグ＝０であるとしてステップ３２に進む。

ステップ３２、３３では初期処理フラグ＝１であるか、前回に初期処理フラグ＝１であったかをみる。今回に初期処理フラグ＝１でありかつ前回に初期処理フラグ＝１でなかった、つまり今回初めて初期処理フラグ＝１となったときにはステップ３４に進んでタイマを起動する（タイマ値ｔ＝０）。タイマ値ｔは、初期処理フラグ＝１となってからの経過時間を計測するためのものである。

一方、今回に初期処理フラグ＝１でありかつ前回にも初期処理フラグ＝１であった、つまり初期処理フラグ＝１を継続しているときにはステップ３５に進んでリア広域空燃比センサ２５により検出されるリアラムダと１．０を比較する。リアラムダが１．０を超えているときにはステップ３６に進み、タイマ値をインクリメントする。

リアラムダが１．０を超えている間、ステップ３６の操作を繰り返す。やがて、ステップ３５でリアラムダが１．０以下となったときにはリアラムダがリーン側よりリッチ側に反転したと判断し、ステップ３７に進んでそのときのタイマ値ｔを所定時間Δｔ３に移す。所定時間Δｔ３は、初期処理の開始タイミングからリアラムダがリーン側よりリッチ側に反転したタイミングまでの時間である。さらに述べると、図４Ｂ第２段目に示したように、所定時間Δｔ３は触媒新品時にはｔ１よりｔ２までの時間、触媒劣化時にはｔ１よりｔ２２までの時間となり、触媒劣化時のほうが触媒新品時より短くなる。

ステップ３８では所定時間Δｔ３から図９を内容とするテーブルを検索することにより、触媒劣化度合を算出する。ここで、Δｔ３は触媒劣化度合を推定する値で、図９に示したように触媒劣化度合は、Δｔ３が相対的に短いときのほうがΔｔ３が相対的に長いときより大きくなる値である。これは、触媒劣化時（触媒劣化度合が相対的に大きい）のほうが触媒新品時（触媒劣化度合が相対的に小さい）より酸化触媒及びＮＯｘトラップ触媒の残存酸素量が少なくなり、リアラムダが１．０を横切るタイミングが触媒新品時より早くなるためである（図４Ｂ第２段目参照）。

ステップ３９では得られた触媒の劣化度合をメモリに記憶する。このメモリに記憶している触媒劣化度合が図６のステップ１５で用いられる。

ステップ４０では劣化度合算出済みフラグ＝１として今回の処理を終了する。

次に、図１０のフローは第１実施形態の他の触媒の劣化度合を算出するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行する。図８と同一部分には同一のステップ番号を付している。図８と相違する部分を主に説明すると、図８と相違する部分を主に説明すると、ステップ５１ではフロントラムダと１．０を比較し、ステップ５２ではフロントラムダの微分値Ｄλｆとしきい値を比較する。ここで、フロントラムダは図４Ｂに示したように初期処理時に小さくなる値であるので、初期処理時のフロントラムダの微分値Ｄλｆはマイナスの値となる。しかしながら、マイナスの値は扱いにくいので、絶対値で扱う。また、上記のしきい値は図４Ｂ第２段目に示すように、フロントラムダへの接線である。フロントラムダの微分値Ｄλｆと比較するしきい値にも正の値を採用する。フロントラムダが１．０以下でないか、またはフロントラムダが１．０以下となってもフロントラムダの微分値Ｄλｆがしきい値以下となっていないときには、まだリアラムダとフロントラムダの間の面積を算出するタイミングになっていないと判断する。このときにはそのまま今回の処理を終了する。

一方、ステップ５１、５２でフロントラムダが１．０以下となりかつフロントラムダの微分値Ｄλｆがしきい値以下となったときには、フロントラムダの値が安定した、従ってリアラムダとフロントラムダの間の面積を算出するタイミングになったと判断する。このタイミングは、図４Ｂではｔ５１のタイミングである。このときにはステップ５３に進み、フロント広域空燃比センサ２４により検出されるフロントラムダ、リア広域空燃比センサ２５により検出されるリアラムダの差分Δλを算出する。ここでは、リアラムダの値のほうがフロントラムダの値より大きいので、リアラムダからフロントラムダを差し引いた値を差分Δλとする。

ステップ５４では差分Δλの積算値ＳＭΔλを次式により算出する。

ＳＭΔλ＝ＳＭΔλ（前回）＋Δλ …（２）
ただし、ＳＭΔλ（前回）：ＳＭΔλの前回値、
（２）式右辺の積算値の前回値であるＳＭΔλ（前回）の初期値にはゼロを入れておく。

ステップ５５では差分Δλの積算値ＳＭΔλの算出を開始してから一定時間が経過したか否かをみる。一定時間が経過してないときにはそのまま今回の処理を終了する。

差分Δλの積算値ＳＭΔλの算出を継続しつつ、やがて一定時間が経過したタイミングとなったときにはステップ５６に進む。一定時間が経過したタイミングは、図４Ｂではｔ５２のタイミングである。また、触媒新品時に一定時間が経過したタイミングでの差分Δλの積算値ＳＭΔλは、図４Ｂでは第２段目に示すハッチング部である。一方、触媒劣化時に一定時間が経過したタイミングでの差分Δλの積算値ＳＭΔλは、触媒新品時に一定時間が経過したタイミングでの差分Δλの積算値ＳＭΔλより小さくなる（図示しない）。

ステップ５６では、そのときの差分Δλの積算値ＳＭΔλから図１１を内容とするテーブルを検索することにより、触媒の劣化度合を算出する。算出した触媒の劣化度合はステップ３９でメモリに記憶する。このメモリに記憶している触媒劣化度合が図６のステップ１５で用いられる。ここで、差分Δλの積算値ＳＭΔλも触媒劣化度合を推定する値で、図１１に示したように触媒劣化度合は、差分Δλの積算値ＳＭΔλが相対的に小さいときのほうが差分Δλの積算値ＳＭΔλが相対的に大きいときより大きくなる値である。これは、差分Δλの積算値ＳＭΔλが触媒１４、１５の残存酸素量を表すところ、触媒劣化時（触媒劣化度合が相対的に大きい）のほうが触媒新品時（触媒劣化度合が相対的に小さい）よりも触媒１４、１５の残存酸素量が少なくなるためである。

リアラムダによれば、排気中の酸素濃度を検出することはできるが、酸化触媒及びＮＯｘトラップ触媒から酸素がじわじわと脱離している状況での残存酸素量を検出することはできない。このような状況での残存酸素量を検出するには初期処理中のリアラムダとフロントラムダの間の面積、つまり差分Δλの積算値ＳＭΔλを算出する必要がある。このように、差分Δλの積算値ＳＭΔλを算出し、この積算値より残存酸素量を予測することで、リアラムダがリーン側より１．０を横切るタイミングに基づいて残存酸素量を予測する場合よりも触媒１４、１５の残存酸素量を正しく算出することができる。これによって触媒劣化度合の算出精度が向上する。

ステップ４０では劣化度合算出済みフラグ＝１として今回の処理を終了する。

ここで、本実施形態の作用効果を説明する。

本実施形態では、ＮＯｘトラップ触媒１５と、フロントラムダ（ＮＯｘトラップ触媒１５上流の排気の空気過剰率である第１空気過剰率）を検出するフロント広域空燃比センサ２４（第１空気過剰率検出手段）と、リアラムダ（ＮＯｘトラップ触媒１５下流の排気の空気過剰率である第２空気過剰率）を検出するリア広域空燃比センサ２５（第２空気過剰率検出手段）と、ＮＯｘトラップ触媒１５の再生時期になったとき、初期処理中の排気の空気過剰率をリッチ側の第１基本空気過剰率λ０にする初期処理手段（図６のステップ１〜６、ステップ１〜３、７、８参照）と、排気の空気過剰率を第１基本空気過剰率λ０にした後に後期処理中の排気の空気過剰率を１．０近傍の第２基本空気過剰率λ１にする後期処理手段（図６のステップ７、９〜１２、ステップ２、１３、１４〜１８参照）と、ＮＯｘトラップ触媒１５の触媒劣化度合を推定する触媒劣化度合推定手段（図８、図９、図１０、図１１参照）と、推定される触媒劣化度合によって、ＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を予測する残存酸素量予測手段（図６のステップ２、１３、１５参照）と、残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて後期処理中の還元剤の供給量を制御する還元剤供給量制御手段（図６のステップ２、１３、１５〜１８参照）とを備えている。触媒劣化時には、ＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量が触媒新品時よりも少ないはずであるから、本実施形態によれば、予測される残存酸素量に基づいて、触媒劣化時には触媒新品時よりも後期処理中の還元剤の供給量を少なくする側に制御する。触媒新品時のＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量と触媒劣化時のＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量との差の分だけ、触媒劣化時に後期処理中の還元剤の供給量を減らすことによって、無駄な還元剤の供給を抑制して燃費の悪化を防ぐことができる。

本実施形態によれば、触媒劣化度合推定手段は、触媒劣化度合を、初期処理の開始からリアラムダ（第２空気過剰率検出手段により検出される第２空気過剰率）がリーン側より１．０近傍を横切るまでの時間である所定時間Δｔ３に応じてまたはリアラムダとフロントラムダ（第１空気過剰率検出手段により検出される第１空気過剰率）の差分Δλの積算値ＳＭΔλ（時間積分値）に応じて推定するので（図９、図１１参照）、触媒劣化度合を簡易に推定できる。

本実施形態によれば、残存酸素量予測手段は、ＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を、触媒劣化時（触媒劣化度合が相対的に大きいとき）には触媒新品時（触媒劣化度合が相対的に小さいとき）より少ないと予測するので（図５参照）、触媒劣化度合に応じてＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を精度良く予測できる。

本実施形態によれば、還元剤供給量制御手段は、残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて第１基本空気過剰率λ０より第２基本空気過剰率λ１への移行速度を制御する移行速度制御手段であるので（図６のステップ２、１３、１４〜１６参照）、移行速度制御手段といった簡単な手段で還元剤供給量制御手段を実現することができる。

本実施形態によれば、残存酸素量予測手段は、ＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を、排気の空気過剰率を第１基本空気過剰率λ０にしている間にリアラムダ（第２空気過剰率検出手段により検出される第２空気過剰率）がリーン側より１．０近傍を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔ（第２空気過剰率の変化速度）によっても予測するので（図６のステップ２、１３、１４、１５参照）、同じ触媒劣化度合の条件において、負荷変動によりフロントラムダが第１基本空気過剰率λ０まで到達できないことからそのままではＮＯｘトラップ触媒１５に酸素が残存することになってしまう場合であっても、後期処理中の還元剤の供給量の制御によってＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素を消費することが可能となり、ＮＯｘ浄化率の悪化を抑制することができる。

本実施形態によれば、残存酸素量予測手段は、ＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を、リーン側より１．０近傍を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔ（第２空気過剰率の変化速度）が相対的に小さいときにはリーン側より１．０近傍を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔが相対的に大きいときより多いと予測するので（図５参照）、同じ触媒劣化度合の条件において、リーン側より１．０近傍を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔに応じてＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を精度良く予測できる。

本実施形態によれば、還元剤供給量制御手段は、リーン側より１．０近傍を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔ（第２空気過剰率の変化速度）が相対的に小さいときにはリーン側より１．０近傍を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔが相対的に大きいときより後期処理中の還元剤の供給量を増やすので（図６のステップ２、１３、１４、１５、１６、図７参照）、同じ触媒劣化度合の条件において負荷変動があり、初期処理中にＮＯｘトラップ触媒１５に酸素が残存することになってしまう場合であっても、後期処理中の還元剤の供給量の増量によってＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素を消費し、ＮＯｘ浄化に必要な還元雰囲気にすることができる。

本実施形態によれば、移行速度制御手段は、リーン側より１．０近傍を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔ（第２空気過剰率の変化速度）が相対的に小さいときにはリーン側より１．０近傍を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔが相対的に大きいときよりλ０よりλ１への移行速度を大きくするので（図６のステップ２、１３、１４、１５、１６、図７参照）、同じ触媒劣化度合の条件において負荷変動があり、初期処理中にＮＯｘトラップ触媒１５に酸素が残存することになってしまう場合であっても、移行速度の遅延により後期処理中の還元剤の供給量が増量されることから、ＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素を消費して、ＮＯｘ浄化に必要な還元雰囲気にすることができる。

（第２実施形態）
図１２Ａ、図１２Ｂはリッチスパイク処理時に排気の目標空気過剰率、排気の実空気過剰率であるフロントラムダ及びリアラムダがどのように変化するのかを表した第２実施形態のモデル図で、第１実施形態の図４Ａ、図４Ｂと置き換わるものである。第１実施形態の図４Ａ、図４Ｂと同じ部分には同じに記載している。ここで、図１２Ａ第１段目には触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を実線で、触媒新品時でかつ負荷変動があるときの目標空気過剰率の変化を一点鎖線で重ねて示している。図１２Ａ第２段目には、触媒新品時でかつ負荷変動がないときのフロントラムダとリアラムダの変化を実線で、触媒新品時でかつ負荷変動があるときのリアラムダの変化を破線で重ねて示している。一方、図１２Ｂ第１段目には触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を実線で、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を一点鎖線で重ねて示している。図１２Ｂ第２段目には、触媒新品時でかつ負荷変動がないときのフロントラムダとリアラムダの変化を実線で、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときのリアラムダの変化を破線で重ねて示している。

第１実施形態では、触媒新品時であるか触媒劣化時であるかの違い及びリーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔに基づいて第１基本空気過剰率λ０より第２基本空気過剰率λ１への移行速度を制御した。一方、第２実施形態は、触媒新品時であるか触媒劣化時であるかの違い及びリーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔに基づいて後期処理中の排気の目標空気過剰率を制御するものである。

詳述すると、図１２Ａ第１段目に実線で示したように、触媒新品時でかつ負荷変動がない（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）とき、後期処理中の排気の目標空気過剰率ｍλとして第２基本空気過剰率λ１を設定する。一方、図１２Ａ第１段目に一点鎖線で重ねて示したように、触媒新品時でかつ負荷変動がある（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）とき、第２基本空気過剰率λ１を小さくなる側（リッチ側）に補正した値を後期処理中の排気の目標空気過剰率ｍλとする。これによって、触媒新品時でかつ負荷変動があるときの目標空気過剰率と触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率との間に、ハッチングで示した面積差が生じる（図１２Ａ第１段目参照）。つまり、触媒新品時でかつ負荷変動があるときには、触媒新品時でかつ負荷変動がないときより当該面積差だけ多い分の還元剤の供給を行うことができる。還元剤の供給量が増えることによって、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素を消費することができるのである。

次に、図１２Ｂ第１段目に実線で示したように、触媒新品時でかつ負荷変動がない（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）とき、後期処理中の排気の目標空気過剰率ｍλとして第２基本空気過剰率λ１を設定する。一方、図１２Ｂ第１段目に一点鎖線で重ねて示したように、触媒劣化時でかつ負荷変動がない（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）とき、後期処理中の排気の目標空気過剰率ｍλとして第２基本空気過剰率λ１を大きくなる側（リーン側）に補正した値とする。これによって、触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率と触媒劣化時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率との間に、ハッチングで示した面積差が生じる（図１２Ｂ第１段目参照）。つまり、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときには、触媒新品時でかつ負荷変動がないときより当該面積差だけ少ない分の還元剤の供給を後期処理中に行うことができる。触媒劣化時には、酸化触媒及びＮＯｘトラップ触媒の残存酸素量が触媒新品時よりも少ないはずであるから、その差の分だけ還元剤の供給量を減らすことによって、無駄な還元剤の供給を抑制して燃費の悪化を防ぐのである。

図１３のフローは第２実施形態のリッチスパイク処理時の排気の目標空気過剰率ｍλを算出するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行する。第１実施形態の図６と同一部分には同一のステップ番号を付している。

第１実施形態の図６と相違する部分は、ステップ１４の位置とステップ６１〜６３である。第１実施形態と相違する部分を主に説明すると、図１３においてステップ７でリアラムダが１．０以下になったときにはリアラムダがリーン側より１．０を横切ってリッチ側に反転したと判断し、後期処理に進ませるためステップ１４、６１、６２、９、１０に進む。

ステップ１４では広域空燃比センサ２５により検出されるリアラムダのデータに基づいて、リアラムダがリーン側より１．０を横切ったときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔを算出する。リアラムダの傾きｄλ／ｄｔは負の値で算出されるので、絶対値を採ってプラスの値に変換する。プラスの値に変換した傾きｄλ／ｄｔは、触媒新品時にはこの値が相対的に小さいときのほうが、この値が相対的に大きいときより酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量が多いことを表す。また、触媒劣化時にはこの値が相対的に小さいときのほうが、この値が相対的に大きいときより酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量が少ないことを表す。

ステップ６１では、このようにして算出したリアラムダの傾きｄλ／ｄｔ（絶対値）及び触媒劣化度合から図１４を内容とするテーブルを検索することにより、空気過剰率補正量λＨＯＳを算出する。ここで、触媒劣化度合はメモリに記憶されている（図８、図１０により算出済み）。図１４に示したように空気過剰率補正量λＨＯＳは、リアラムダの傾きｄλ／ｄｔと触媒劣化度合（後述する）の関数である。すなわち、触媒新品時にλＨＯＳは正の値をとり、ｄλ／ｄｔ（絶対値）が相対的に小さいときのほうが、ｄλ／ｄｔ（絶対値）が相対的に大きいときより大きくなる値である。一方、触媒劣化時にλＨＯＳは負の値をとり、ｄλ／ｄｔ（絶対値）が相対的に小さいときのほうが、ｄλ／ｄｔ（絶対値）が相対的に大きいときより負の値で大きくなる値である。ここで、触媒劣化度合が所定値以下である場合を触媒新品時、触媒劣化度合が所定値を超える場合を触媒劣化時とする。所定値は適合により定める。

ステップ６２では、この空気過剰率補正量λＨＯＳを用いて次式により、後期処理中の目標空気過剰率ｍλを算出する。

ｍλ＝λ１−λＨＯＳ …（３）
触媒新品時には空気過剰率補正量λＨＯＳは正の値である。このため、（３）式は、触媒新品時には第２基本空気過剰率λ１から空気過剰率補正量λＨＯＳだけ小さい値（リッチ側の値）を後期処理中の排気の目標空気過剰率ｍλとするものである。一方、触媒劣化時には空気過剰率補正量λＨＯＳは負の値である。このため、（３）式は触媒劣化時には第２基本空気過剰率λ１に空気過剰率補正量λＨＯＳの絶対値だけ大きい値（リーン側の値）を後期処理中の排気の目標空気過剰率ｍλとするものである。

ここで、触媒新品時でかつ負荷変動がない（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）ときと、触媒新品時でかつ負荷変動がある（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）ときを比較する。触媒新品時でかつ負荷変動がない（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）ときには、触媒新品時でかつ負荷変動がある（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）ときより上記の空気過剰率補正量λＨＯＳが小さくてほぼゼロである。このため、後期処理中の目標空気過剰率ｍλはλ１に近い値をとる（図１２Ａ第１段目の実線参照）。一方、触媒新品時でかつ負荷変動がある（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）ときには、触媒新品時でかつ負荷変動がない（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）ときより上記の空気過剰率補正量λＨＯＳが大きい。このため、後期処理中の目標空気過剰率ｍλはλ１よりも小さな値をとる（図１２Ａ第１段目の一点鎖線参照）。

次に、触媒新品時（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）でかつ負荷変動がないときと、触媒劣化時（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）でかつ負荷変動がないときを比較する。触媒新品時（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）でかつ負荷変動がないときには、上記の空気過剰率補正量λＨＯＳが小さくてほぼゼロに近い正の値であることから、後期処理中の目標空気過剰率ｍλはλ１に近い値をとる（図１２Ｂ第１段目の実線参照）。一方、触媒劣化時（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）でかつ負荷変動がないときには、上記の空気過剰率補正量λＨＯＳが小さくてほぼゼロに近い負の値である。これより、後期処理中の目標空気過剰率ｍλはλ１より少し大きくなる側（リーン側）の値をとる（図１２Ｂ第１段目の一点鎖線参照）。

次に、触媒劣化時でかつ負荷変動がない（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）ときと、触媒劣化時でかつ負荷変動がある（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）ときを比較する。触媒劣化時でかつ負荷変動がない（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）ときには、触媒劣化時でかつ負荷変動がある（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）ときより上記の空気過剰率補正量λＨＯＳが小さい負の値である。これより、後期処理中の目標空気過剰率ｍλはλ１より少し大きくなる側（リーン側）の値をとる。一方、触媒劣化時でかつ負荷変動がある（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）ときには、触媒劣化時でかつ負荷変動がない（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）ときより上記の空気過剰率補正量λＨＯＳが大きい負の値である。これより、後期処理中の目標空気過剰率ｍλはλ１より大きくなる側（リーン側）の値をとる。

このように、触媒劣化度合及び負荷変動の有無（ｄλ／ｄｔ）によって後期処理中の目標空気過剰率を制御する。

ステップ９、１０では後期処理に進ませるため初期処理フラグ＝０、後期処理フラグ＝１とする。

ステップ９、１０で初期処理フラグ＝０、後期処理フラグ＝１としたことより、次回にはステップ２よりステップ１３以降へと進む。ステップ１３ではリッチスパイク処理の開始から所定時間Δｔ２が経過したか否かをみる。リッチスパイク処理の開始から所定時間Δｔ２が経過していなければステップ６３に進む。ステップ６３では、ステップ８と同じに前回の排気の目標空気過剰率である「ｍλ（前回）」の値をそのまま今回の排気の目標空気過剰率ｍλに移すことによって、ステップ６２で算出された排気の目標空気過剰率ｍλを維持する。

ステップ１３でリッチスパイク処理の開始から所定時間Δｔ２が経過したときにはリッチスパイク処理を終了するためステップ１９、２０、２１に進み、第１実施形態と同じにこれらの操作を実行する。

このように、第２実施形態によっても、第１実施形態と同様の作用効果を奏する。さらに、第２実施形態によれば、還元剤供給量制御手段は、残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて後期処理中の排気の空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段であるので（図１３のステップ３、７、１４、６１、６２参照）、空気過剰率制御手段といった簡単な手段で還元剤供給量制御手段を実現することができる。

第２実施形態によれば、空気過剰率制御手段は、リーン側より１．０近傍を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔ（第２空気過剰率の変化速度）が相対的に小さいときにはリーン側より１．０近傍を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔが相対的に大きいときより後期処理中の排気の空気過剰率を小さくなる側（リッチ側）にするので（図１３のステップ３、７、１４、６１、６２、図１４参照）、同じ触媒劣化度合の条件において負荷変動があり、初期処理中にＮＯｘトラップ触媒１５に酸素が残存することになってしまう場合であっても、後期処理中の排気の空気過剰率の低下により後期処理中の還元剤の供給量が増量されることから、ＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素を消費して、ＮＯｘ浄化に必要な還元雰囲気にすることができる。

（第３実施形態）
図１５Ａ、図１５Ｂはリッチスパイク処理時に排気の目標空気過剰率、排気の実空気過剰率であるフロントラムダ及びリアラムダがどのように変化するのかを表した第３実施形態のモデル図で、第１実施形態の図４Ａ、図４Ｂと置き換わるものである。第１実施形態の図４Ａ、図４Ｂと同じ部分には同じに記載している。ここで、図１５Ａ第１段目には触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を実線で、触媒新品時でかつ負荷変動があるときの目標空気過剰率の変化を二点鎖線で重ねて示している。図１５Ａ第２段目には、触媒新品時でかつ負荷変動がないときのフロントラムダとリアラムダの変化を実線で、触媒新品時でかつ負荷変動があるときのリアラムダの変化を破線で重ねて示している。一方、図１５Ｂ第１段目には触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を実線で、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を二点鎖線で重ねて示している。図１５Ｂ第２段目には、触媒新品時でかつ負荷変動がないときのフロントラムダとリアラムダの変化を実線で、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときのリアラムダの変化を破線で重ねて示している。

第１実施形態では、触媒新品時であるか触媒劣化時であるかの違い及びリーン側より１．０を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔに基づいて酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を予測した。一方、第３実施形態は、触媒新品時であるか触媒劣化時であるかの違い及び初期処理中のリアラムダとフロントラムダの差分に基づいて酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を予測する。そして、予測した残存酸素量に基づいてリアラムダと比較するためのしきい値を制御するものである。

詳述すると、図１５Ａ第２段目に示したように、初期処理中のリアラムダとフロントラムダの差分を算出する。この差分は酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を予測する値である。すなわち、触媒新品時でかつ差分が相対的に小さいとき、触媒新品時でかつ差分が相対的に大きいときよりも酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量が多いことを表す。また、触媒劣化時には差分が相対的に小さいときのほうが、差分が相対的に大きいときより酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量が少ないことを表す。

図１５Ａ第２段目に一点鎖線で示したように、触媒新品時でかつ負荷変動がない（差分が相対的に大きい）とき、リアラムダと比較するためのしきい値を例えば１．０５に設定する。このとき、リアラムダは１．０５と比較されるため、リアラムダがリーン側より１．０５を横切るｔ３１のタイミングでリーン側よりリッチ側に反転したと判断される。そして、図１５Ａ第１段目に実線で示したように、リアラムダがリーン側より１．０５を横切るｔ３１のタイミングで目標空気過剰率ｍλが第１基本空気過剰率λ０から第２基本空気過剰率λ１へと切換えられる。

一方、図１５Ａ第２段目に破線で重ねて示したように、触媒新品時でかつ負荷変動がある（差分が相対的に小さい）とき、リアラムダと比較するためのしきい値を触媒新品時でかつ負荷変動がないときより小さくなる側（リッチ側）に補正した例えば１．０とする。このとき、リアラムダは１．０と比較されるため、リアラムダがリーン側より１．０を横切るｔ３２のタイミングでリーン側よりリッチ側に反転したと判断される。ここで、ｔ３２はｔ３１のタイミングより遅れたタイミングとなる。そして、図１５Ａ第１段目に二点鎖線で重ねて示したように、リアラムダがリーン側より１．０を横切るｔ３２のタイミングで目標空気過剰率ｍλが第１基本空気過剰率λ０から第２基本空気過剰率λ１へと切換えられる。これによって、触媒新品時でかつ負荷変動があるときの目標空気過剰率と、触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率との間に、ハッチングで示した面積差が生じる（図１５Ａ第１段目参照）。つまり、触媒新品時でかつ負荷変動があるときには、触媒新品時でかつ負荷変動がないときより当該面積差だけ多い分の還元剤の供給を行うことができる。還元剤の供給量が増えることによって、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素を消費することができるのである。

次に、図１５Ｂ第２段目に一点鎖線で示したように、触媒新品時（ｄλ／ｄｔが相対的に大きい）でかつ負荷変動がないとき、リアラムダと比較するためのしきい値を例えば１．０に設定する。このとき、リアラムダは１．０と比較されるため、リアラムダがリーン側より１．０を横切るｔ３１のタイミングでリーン側よりリッチ側に反転したと判断される。そして、図１５Ｂ第１段目に実線で示したように、リアラムダがリーン側より１．０を横切るｔ３１のタイミングで目標空気過剰率ｍλが第１基本空気過剰率λ０から第２基本空気過剰率λ１へと切換えられる。

一方、図４Ｂ第２段目に破線で重ねて示したように、触媒劣化時（ｄλ／ｄｔが相対的に小さい）でかつ負荷変動がないとき、リアラムダと比較するためのしきい値を触媒新品時でかつ負荷変動がないときより大きくなる側（リーン側）に補正した例えば１．０５とする。このとき、リアラムダは１．０５と比較されるため、リアラムダがリーン側より１．０５を横切るｔ３３のタイミングでリーン側よりリッチ側に反転したと判断される。ここで、ｔ３３はｔ３１のタイミングより進んだタイミングとなる。そして、図１５Ｂ第１段目に二点鎖線で重ねて示したように、リアラムダがリーン側より１．０５を横切るｔ３３のタイミングで目標空気過剰率ｍλが第１基本空気過剰率λ０から第２基本空気過剰率λ１へと切換えられる。これによって、触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率と、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率との間に、ハッチングで示した面積差が生じる（図１５Ｂ第１段目参照）。つまり、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときには、触媒新品時でかつ負荷変動がないときより当該面積差だけ少ない分の還元剤の供給を後期処理中に行うことができる。触媒劣化時には、酸化触媒及びＮＯｘトラップ触媒の残存酸素量が触媒新品時よりも少ないはずであるから、その差の分だけ還元剤の供給量を減らすことによって、無駄な還元剤の供給を抑制して燃費の悪化を防ぐのである。

図１５Ａではしきい値を１．０５（リーン側の値）から１．０（理論空燃比）へと切換える場合で説明したが、この場合に限られるものでない。例えば、１．０から０．９５(リッチ側の値）へとしきい値を切換える場合や１．０５（リーン側の値）から０．９５(リッチ側の値）へとしきい値を切換える場合であってもかまわない。要は、触媒新品時でかつ負荷変動があるときには触媒新品時でかつ負荷変動がないときよりしきい値を小さくなる側（リッチ側）に切換えればよい。同様に、図１５Ｂではしきい値を１．０（理論空燃比）から１．０５（リーン側の値）へと切換える場合で説明したが、この場合に限られるものでない。例えば、０．９５(リッチ側の値）から１．０へとしきい値を切換える場合や０．９５(リッチ側の値）から１．０５（リーン側の値）へとしきい値を切換える場合であってもかまわない。要は、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときには触媒新品時でかつ負荷変動がないときよりしきい値を大きくなる側（リーン側）に切換えればよい。

なお、図１５Ａ、図１５Ｂ第３段目〜第８段目には、後述する図１６Ａ、図１６Ｂのフローチャートで導入している初期処理フラグ、補正フラグ、後期処理フラグの動きを示している。ここで、図１５Ａの第３段目と第４段目と第５段目は触媒新品時でかつ負荷変動がないときの初期処理フラグ、補正フラグ、後期処理フラグの、第６段目と第７段目と第８段目は触媒新品時でかつ負荷変動があるときの初期処理フラグ、補正フラグ、後期処理フラグの動きである。図１５Ｂの第３段目と第４段目と第５段目は触媒新品時でかつ負荷変動がないときの初期処理フラグ、補正フラグ、後期処理フラグの、第６段目と第７段目と第８段目は触媒劣化時でかつ負荷変動がないときの初期処理フラグ、補正フラグ、後期処理フラグの動きである。

図１６Ａ、図１６Ｂのフローは第３実施形態のリッチスパイク処理時の排気の目標空気過剰率ｍλを算出するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行する。第２実施形態の図１３と同一部分には同一のステップ番号を付している。

第２実施形態の図１３と相違する部分は図１６Ａのステップ７１〜７７、図１６Ｂのステップ７８〜８０である。第２実施形態と相違する部分を主に説明すると、図１６Ａにおいてステップ６で初期フラグ＝１としたことより次回にはステップ３よりステップ７１に進み、補正フラグ（エンジンの始動時にゼロに初期設定）をみる。ここでは、補正フラグ＝０であるとしてステップ７２に進み、初期処理開始タイミングからの経過時間と一定時間Δｔ１を比較する。ここで、一定時間Δｔ１は、初期処理の開始後にリアラムダとフロントラムダの差分を算出するタイミングを定める値で、予め定めておく（図１５Ａの第２段目参照）。初期処理からの経過時間が一定時間Δｔ１に満たないときにはステップ７３に進み、前回の排気の目標空気過剰率である「ｍλ（前回）」の値をそのまま今回の排気の目標空気過剰率ｍλに移すことによって、第１基本空気過剰率λ０を維持する。

初期処理開始タイミングからの経過時間が一定時間Δｔ１に満たない間はステップ７２よりステップ７３に進み、ステップ７３の操作を繰り返す。やがて、初期処理開始タイミングからの経過時間が一定時間Δｔ１に到達したとき（図１６Ａのｔ４１のタイミング）には、初期処理開始後にリアラムダとフロントラムダの差分を算出するタイミングになったと判断する。このときにはステップ７４に進み、フロント広域空燃比センサ２４により検出されるフロントラムダ、リア広域空燃比センサ２５により検出されるリアラムダの差分を算出する。このとき、リアラムダの値のほうがフロントラムダの値より大きいので、リアラムダからフロントラムダを差し引いた値を差分とする。リアラムダとフロントラムダの差分（以下、単に「差分」という。）は酸化酸素１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を予測する値である。差分が相対的に小さいときには、差分が相対的に大きいときより酸化酸素１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量が多いと予測する。

ステップ７５では、差分及び触媒劣化度合から図１７を内容とするテーブルを検索することにより、リアラムダと比較するためのしきい値を算出する。図１７に示したように、しきい値は、差分と触媒劣化度合（後述する）の関数である。すなわち、触媒劣化度合が同じ条件であるとき、しきい値は差分が相対的に小さいときのほうが、差分が相対的に大きいときより小さくなる値である。また、差分が同じ条件であるとき、しきい値は触媒劣化度合が相対的に大きいとき（触媒劣化時）のほうが、触媒の劣化度合が相対的に小さいとき（触媒新品時）より大きくなる値である。

ここで、触媒新品時でかつ差分が相対的に大きいときと、触媒新品時でかつ差分が相対的に小さいときを比較する。触媒新品時でかつ負荷変動がない（差分が相対的に大きい）ときには、触媒新品時でかつ負荷変動がある（差分が相対的に小さい）ときより上記のしきい値が大きい（図１５Ａ第２段目の一点鎖線参照）。このとき、リアラムダがリーン側よりしきい値を横切るタイミングが相対的に早くなる。一方、触媒新品時でかつ負荷変動がある（差分が相対的に小さい）ときには、触媒新品時でかつ負荷変動がない（差分が相対的に大きい）ときより上記のしきい値が小さい（図１５Ａ第２段目の二点鎖線参照）。このとき、リアラムダがリーン側よりしきい値を横切るタイミングが相対的に遅くなる。

次に、触媒新品時（差分が相対的に大きい）でかつ負荷変動がないときと、触媒劣化時で（差分が相対的に小さい）かつ負荷変動がないときを比較する。触媒新品時（差分が相対的に大きい）でかつ負荷変動がないときには、触媒劣化時（差分が相対的に大きい）でかつ負荷変動がないときより上記のしきい値が小さい（図１５Ｂ第２段目の一点鎖線参照）。このとき、リアラムダがリーン側よりしきい値を横切るタイミングが相対的に遅くなる。一方、触媒劣化時（差分が相対的に小さい）でかつ負荷変動がないときには、触媒新品時（差分が相対的に大きい）でかつ負荷変動がないときより上記のしきい値が大きい（図１５Ｂ第２段目の二点鎖線参照）。このとき、リアラムダがリーン側よりしきい値を横切るタイミングが相対的に早くなる。

次に、触媒劣化時でかつ負荷変動がない（差分が相対的に大きい）ときと、触媒劣化時でかつ負荷変動がある（差分が相対的に小さい）ときを比較する。触媒劣化時でかつ負荷変動がない（差分が相対的に大きい）ときには、触媒劣化時でかつ負荷変動がある（差分が相対的に小さい）ときより上記のしきい値が大きい。このとき、リアラムダがリーン側よりしきい値を横切るタイミングが相対的に早くなる（図示しない）。一方、触媒劣化時でかつ負荷変動がある（差分が相対的に小さい）ときには、触媒劣化時でかつ負荷変動がない（差分が相対的に大きい）ときより上記のしきい値が小さい。このとき、リアラムダがリーン側よりしきい値を横切るタイミングが相対的に遅くなる（図示しない）。

このように、触媒劣化度合及び負荷変動の有無（差分）によってしきい値を制御する。

ステップ７６では、ステップ７３と同じに、前回の排気の目標空気過剰率である「ｍλ（前回）」の値をそのまま今回の排気の目標空気過剰率ｍλに移すことによって、第１基本空気過剰率λ０を維持する。ステップ７７では補正フラグ＝１として今回の処理を終了する。

ステップ７７で補正フラグ＝１としたことより、次回には図１６Ａのステップ３、７１より図１６Ｂのステップ７８以降に進む。

図１６Ｂにおいてステップ７８ではリア広域空燃比センサ２５により検出されるリアラムダと、しきい値（図１６Ａのステップ７５で算出済み）を比較する。リアラムダがしきい値を超えているときにはステップ８に進み、前回の排気の目標空気過剰率である「ｍλ（前回）」の値をそのまま今回の排気の目標空気過剰率ｍλに移すことによって、第１基本空気過剰率λ０を維持する。

やがて、ステップ７８でリアラムダがしきい値以下となるとリアラムダがリーン側よりリッチ側に反転したと判断し、初期処理より後期処理に移行させるためステップ７９、９、１０に進む。ステップ７９では、排気の目標空気過剰率ｍλに第２基本空気過剰率λ１を設定する。第２基本空気過剰率λ１は、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５が新品時でかつ負荷変動がないとした場合にＮＯｘトラップ触媒１５に堆積しているＮＯｘを全て還元浄化するための値である。λ１としては１．０近傍の値である。詳しくは１．０でなく１．０より小さい値をλ１として設定する。これは、１．０近傍で発生するＨＣ、ＣＯを排気中に存在する酸素で酸化させるためである。ステップ９、１０では初期フラグ＝０、後期処理フラグ＝１として今回の処理を終了する。

ステップ９、１０で初期フラグ＝０、後期処理フラグ＝１としたことより、次回には図１６Ａのステップ２より図１６Ｂのステップ１３以降に進む。ステップ１３ではリッチスパイク処理の開始から所定時間Δｔ２が経過したか否かをみる。リッチスパイク処理の開始から所定時間Δｔ２が経過していなければステップ６３に進み、前回の排気の目標空気過剰率である「ｍλ（前回）」の値をそのまま今回の排気の目標空気過剰率ｍλに移すことによって、第２基本空気過剰率λ１を維持する。

やがて、ステップ１３でリッチスパイク処理の開始から所定時間Δｔ２が経過したときにはリッチスパイク処理を終了するためステップ１９、８０、２０、２１に進み、第２実施形態と同じにステップ１９〜２１の操作を実行する。ステップ８０では補正フラグ＝０とする。

このように、第３実施形態によっても、第１実施形態と同様の作用効果を奏する。さらに、第３実施形態によれば、還元剤供給量制御手段は、初期処理中にリアラムダ（第２空気過剰率検出手段により検出される第２空気過剰率）とフロントラムダ（第１空気過剰率検出手段により検出される第１空気過剰率）との差分により、ＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を予測する第２の残存酸素量予測手段（図１６Ａのステップ３、７１、７２、７４参照）を備え、リアラムダがリーン側よりしきい値を横切ってリッチ側に反転したとき、排気の空気過剰率を第１基本空気過剰率λ０より第２基本空気過剰率λ１に切換える場合におけるしきい値を、前記第２の残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて制御するしきい値制御手段であるので（図１６Ａのステップ３、７１、７２、７４、７５、７７、図１６Ａのステップ３、７１、図１６Ｂのステップ７８参照）、しきい値制御手段といった簡単な手段で還元剤供給量制御手段を実現することができる。

第３実施形態によれば、しきい値制御手段は、リーン側より１．０近傍を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔ（第２空気過剰率の変化速度）が相対的に小さいときにはリーン側より１．０近傍を横切るときのリアラムダの傾きｄλ／ｄｔが相対的に大きいときよりしきい値を小さくなる側（リッチ側）にするので（図１６Ａのステップ３、７１、７２、７４、７５、図１７参照）、同じ触媒劣化度合の条件において負荷変動があり、初期処理中にＮＯｘトラップ触媒１５に酸素が残存することになってしまう場合であっても、しきい値の低下により後期処理中の還元剤の供給量が増量されることから、ＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素を消費して、ＮＯｘ浄化に必要な還元雰囲気にすることができる。

実施形態では、酸化触媒とＮＯｘトラップ触媒が別体である場合で説明したが、ＮＯｘトラップ触媒に酸化触媒を含ませたものであってもかまわない。

実施形態では、コモンレール式燃料噴射装置のみを備える場合で説明したが、酸化触媒上流の排気通路に燃料を供給する燃料添加装置を備えるものにも適用がある。

１ エンジン
５ スロットル弁
９ 燃料噴射弁
１５ ＮＯｘトラップ触媒
２１ エンジンコントローラ
２４ フロント広域空燃比センサ（第１空気過剰率検出手段）
２５ リア広域空燃比センサ（第２空気過剰率検出手段）

Claims (9)

1. 酸素雰囲気で排気中のＮＯｘをトラップし、還元雰囲気ではトラップしていたＮＯｘを脱離し、排気中のＨＣを還元剤として用いて還元・浄化するＮＯｘトラップ触媒と、
   前記ＮＯｘトラップ触媒上流の排気の空気過剰率である第１空気過剰率を検出する第１空気過剰率検出手段と、
   前記ＮＯｘトラップ触媒下流の排気の空気過剰率である第２空気過剰率を検出する第２空気過剰率検出手段と、
   前記ＮＯｘトラップ触媒の再生時期になったとき、初期処理中の排気の空気過剰率をリッチ側の第１基本空気過剰率にする初期処理手段と、
   前記排気の空気過剰率を前記第１基本空気過剰率にした後に後期処理中の排気の空気過剰率を１．０近傍の第２基本空気過剰率にする後期処理手段と、
   前記ＮＯｘトラップ触媒の触媒劣化度合を推定する触媒劣化度合推定手段と、
   前記推定される触媒劣化度合によって、前記ＮＯｘトラップ触媒の残存酸素量を予測する残存酸素量予測手段と、
   前記残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて前記第１基本空気過剰率より前記第２基本空気過剰率への移行速度を制御する移行速度制御手段、または、前記残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて前記後期処理中の排気の空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段、または、前記第２空気過剰率検出手段により検出される第２空気過剰率がリーン側よりしきい値を横切ってリッチ側に反転したとき、排気の空気過剰率を前記第１基本空気過剰率より前記第２基本空気過剰率に切換える場合における前記しきい値を、前記残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて制御するしきい値制御手段、のいずれか一つである還元剤供給量制御手段と
   を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの排気後処理装置。
2. 前記触媒劣化度合推定手段は、前記触媒劣化度合を、前記初期処理の開始から前記第２空気過剰率検出手段により検出される第２空気過剰率がリーン側より１．０近傍を横切るまでの時間に応じてまたは前記第２空気過剰率検出手段により検出される第２空気過剰率と前記第１空気過剰率検出手段により検出される第１空気過剰率の差分の時間積分値に応じて推定することを特徴とする、請求項１に記載のディーゼルエンジンの排気後処理装置。
3. 前記残存酸素量予測手段は、前記ＮＯｘトラップ触媒の残存酸素量を、前記触媒劣化度合が相対的に大きいときには前記触媒劣化度合が相対的に小さいときより少ないと予測することを特徴とする、請求項１または２に記載のディーゼルエンジンの排気後処理装置。
4. 前記残存酸素量予測手段は、前記ＮＯｘトラップ触媒の残存酸素量を、前記排気の空気過剰率を前記第１基本空気過剰率にしている間に前記第２空気過剰率検出手段により検出される第２空気過剰率がリーン側より１．０近傍を横切るときの第２空気過剰率の変化速度によっても予測することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの排気後処理装置。
5. 前記残存酸素量予測手段は、前記ＮＯｘトラップ触媒の残存酸素量を、前記変化速度が相対的に小さいときには前記変化速度が相対的に大きいときより多いと予測することを特徴とする、請求項４に記載のディーゼルエンジンの排気後処理装置。
6. 前記還元剤供給量制御手段は、前記変化速度が相対的に小さいときには前記変化速度が相対的に大きいときより前記後期処理中の還元剤の供給量を増やすことを特徴とする、請求項４または５に記載のディーゼルエンジンの排気後処理装置。
7. 前記移行速度制御手段は、前記変化速度が相対的に小さいときには前記変化速度が相対的に大きいときより前記移行速度を大きくすることを特徴とする、請求項４または５に記載のディーゼルエンジンの排気後処理装置。
8. 前記空気過剰率制御手段は、前記変化速度が相対的に小さいときには前記変化速度が相対的に大きいときより前記後期処理中の排気の空気過剰率を小さくなる側にすることを特徴とする、請求項４または５に記載のディーゼルエンジンの排気後処理装置。
9. 前記残存酸素量予測手段は、前記ＮＯｘトラップ触媒の残存酸素量を、前記初期処理中に前記第１空気過剰率検出手段により検出される第１空気過剰率と前記第２空気過剰率検出手段により検出される第２空気過剰率との差分によっても予測するものであり、
   前記しきい値制御手段は、前記差分が相対的に小さいときには前記差分が相対的に大きいときより前記しきい値を小さくなる側にすることを特徴とする、請求項１に記載のディーゼルエンジンの排気後処理装置。

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