JP6244626B2 - 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、リアラムダがリーン側よりリッチ側に反転したときに酸化触媒及びＮＯｘトラップ触媒にストレージされてい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、リッチスパイク処理開始直後の負荷変動などによりフロントラムダが初期処理におけるリッチ側の第１基本空気過剰率まで到達できないことがある。このときには、酸化触媒及びＮＯｘトラップ触媒にストレージされている酸素を初期処理の期間で全て消費することができず、排気の空気過剰率を１．０近傍の第２基本空気過剰率に制御する後期処理に移行しても、酸化触媒及びＮＯｘトラップ触媒に酸素が残存する。このため、後期処理で供給する還元剤が酸化触媒及びＮＯｘトラップ触媒に残存する酸素によって消費され、ＮＯｘトラップ触媒に堆積しているＮＯｘの還元に用いられることがないので、ＮＯｘ浄化率が悪化する。

そこで本発明は、リッチスパイク処理開始直後に負荷変動などがあっても、ＮＯｘ浄化率の悪化を抑制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、前記第１空気過剰率をリッチ化する初期処理を行う初期処理手段と、前記初期処理の後に前記第１空気過剰率を１．０近傍の第２基本空気過剰率に制御する後期処理を行う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、さらに前記初期処理の開始後、前記第２空気過剰率がリーン側にあり、かつ所定時間が経過した時点における前記第２空気過剰率から前記第１空気過剰率を差し引いた差分が小さくなるときほど、前記初期処理中のリッチ化の程度を大きくするかまたは前記初期処理中のリッチ化の期間を長くするリッチ化程度・リッチ化期間制御手段とを備えるものである。

本発明によれば、負荷変動により第１空気過剰率が初期処理におけるリッチ側の目標空気過剰率まで到達できないことからそのままではＮＯｘトラップ触媒に酸素が残存することになってしまう場合であっても、初期処理中のリッチ化の程度の制御によってＮＯｘトラップ触媒の残存酸素を初期処理中に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。 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。 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実施形態の空気過剰率補正量基本値の特性図である。 第１実施形態のインターバル補正量の特性図である。 第１実施形態の触媒温度補正量の特性図である。 第１実施形態の排気の空間速度補正量の特性図である。 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実施形態の初期処理期間補正量基本値の特性図である。 第３実施形態のインターバル補正量の特性図である。 第３実施形態の触媒温度補正量の特性図である。 第３実施形態の排気の空間速度補正量の特性図である。

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の第１基本空気過剰率λ０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の第１基本空気過剰率λ０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、リアラムダがリーン側より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リーン側より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。

そこで本発明の第１実施形態では、初期処理中のリアラムダとフロントラムダの相対値により、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。初期処理開始時には第１基本空気過剰率λ０を算出するので、予測した残存酸素量に基づいてこの第１基本空気過剰率λ０の補正量（初期処理中のリッチ化の程度）を制御する。ここで、リアラムダとフロントラムダの相対値とは、リアラムダとフロントラムダの差分またはリアラムダとフロントラムダの比のことである。以下では、リアラムダとフロントラムダの差分の場合で説明する。

具体的に図４を参照して説明すると、図４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４第１段目には負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を実線で、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４第２段目には、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、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。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４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、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、リーン側の値より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。

後期処理では排気の目標空気過剰率を１．０近傍の第２基本空気過剰率λ１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、後期処理中の排気の目標空気過剰率を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、初期処理時のリアラムダとフロントラムダの差分Δλ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。例えば図２に示したように負荷変動がないときには差分Δλは相対的に大きく、図３に示したように負荷変動があるときには差分Δλは相対的に小さい。つまり、差分Δλ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小さいと、差分Δλ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大きいと予測できる。

ここで、初期処理の開始直後には第１基本空気過剰率λ０を追いかけて実際値としてのリアラムダ、フロントラムダが大きく変化するので、その各変化がある程度落ち着いたｔ２１のタイミング、つまりｔ１より一定時間Δｔ１が経過したタイミングでの差分Δλを採用する。ｔ２１のタイミングは適合により定める。

このように、差分Δλによって残存酸素量を予測するとすれば、差分Δλが相対的に小さい場合に、差分Δλが相対的に大きい場合より酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量が大きいことを表す。従って、負荷変動がある（差分Δλが相対的に小さい）と判定したタイミングで、初期処理の開始時に算出した第１基本空気過剰率λ０を空気過剰率補正量を用いてリッチ側に制御してやればよい。例えば、図４第１段目に実線で示したように、負荷変動がない（差分Δλが相対的に大きい）とき、初期処理中の排気の目標空気過剰率を第１基本空気過剰率λ０に設定している。一方、図４第１段目に破線で重ねて示したように、ｔ２１で負荷変動がある（差分Δλが相対的に小さい）ことが分かったとき、第１基本空気過剰率λ０より空気過剰率補正量だけ小さい値を目標空気過剰率ｍλとしている。これによって、負荷変動があるときの初期処理中の目標空気過剰率と負荷変動がないときの初期処理中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４第１段目参照）。つまり、負荷変動があるときには、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初期処理中に行うことができる。初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。

なお、図４第３段目〜第５段目には、後述する図５Ａ、図５Ｂ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、第３段目〜第５段目は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。

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。各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５Ａ、図５Ｂのフローチャートを参照して詳述する。

図５Ａ、図５Ｂ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。基本空気過剰率λ０は、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。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。残存酸素を消費するため基本空気過剰率λ０は１．０より小さい値で、簡単には一定値（例えば０．９）でかまわない。ステップ６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８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差分Δλを算出するタイミングを定める値で、予め定めておく。初期処理開始タイミングからの経過時間が一定時間Δｔ１に満たないときにはステップ９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、初期処理の開始時に算出した排気の基本空気過剰率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８よりステップ９に進み、ステップ９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に到達したときには、初期処理開始後に差分Δλ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８よりステップ１０以降に進む。

ステップ１０〜１６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し、初期処理開始時に算出した第１基本目標空気過剰率λ０を、予測した残存酸素量に応じた補正量を用いて小さくなる側（リッチ側）に制御する部分である。ここでは、目標空気過剰率ｍλを次式により算出する。

ｍλ＝λ０−λＨＯＳ …（１）
ただし、λ０：第１基本空気過剰率、
λＨＯＳ：空気過剰率補正量、
すなわち、第１基本空気過剰率λ０から空気過剰率補正量λＨＯＳを差し引くことによって第１基本空気過剰率λ０を小さくなる側（リッチ側）に補正した値を排気の目標空気過剰率ｍλとする。

上記（１）式右辺の空気過剰率補正量λＨＯＳを次式により算出する。

λＨＯＳ＝λＨＯＳ０＋ＩｎｔＨＯＳ＋ＴｌｎｔＨＯＳ＋ＳＶＨＯＳ
…（２）
ただし、λＨＯＳ０：空気過剰率補正量基本値、
ＩｎｔＨＯＳ：インターバル補正量、
ＴｌｎｔＨＯＳ：触媒温度補正量、
ＳＶＨＯＳ：空間速度補正量、
以下、各補正量を具体的に説明する。まず、ステップ１０では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。このときのフロントラムダ、リアラムダの値は、初期処理開始タイミングから一定時間Δｔ１が経過したときのものである。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。差分Δλ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。この差分Δλが相対的に小さいときには、差分Δλ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と予測する。

ステップ１１では差分Δλから図６を内容とするテーブルを検索することにより、空気過剰率補正量基本値λＨＯＳ０を算出する。図６に示したように、空気過剰率補正量基本値λＨＯＳ０は、差分Δλが所定値Δλ０を超える領域でゼロとなり、差分Δλが所定値Δλ０以下の領域では差分Δλが小さくなるほど大きくなる値である。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差分Δλは、差分Δλが所定値Δλ０以下の領域で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残存酸素が相対的に多いことを表す。負荷変動がある（Δλが相対的に小さい）ときに負荷変動がない（Δλが相対的に大きい）ときよりλＨＯＳ０を大きくしているのは、次の理由による。すなわち、負荷変動がある（Δλが相対的に小さい）ときには、負荷変動がない（Δλが相対的に大きい）ときより触媒１４、１５の残存酸素が多く、残存酸素が多いほうが小さくなる側（リッチ側）への補正量を大きくする必要があるためである。

また、横軸の所定値Δλ０は、負荷変動がないとしたときの差分Δλで、予め適合により求めておく。そのときの差分Δλが所定値Δλ０以上であるときには、所定値Δλ０未満である（負荷変動がある）ときと異なり残存酸素が余分に生じることがなく、従って第１基本空気過剰率λ０を小さくなる側（リッチ側）に補正する必要がない。そこで、差分Δλが所定値Δλ０以上の領域では空気過剰率補正量基本値λＨＯＳ０をゼロとしている。

ステップ１２ではリッチスパイク処理のインターバルＩｎｔから図７を内容とするテーブルを検索することによりインターバル補正量ＩｎｔＨＯＳを算出する。ここで、「リッチスパイク処理のインターバル」とは、１回のリッチスパイク処理の終了から次のリッチスパイク処理の開始までの期間のことである。また、横軸の所定値Ｉｎｔ０は図６の空気過剰率補正量基本値λＨＯＳ０を適合したときのインターバルＩｎｔである。図７に示したように、インターバル補正量ＩｎｔＨＯＳは、インターバルＩｎｔが所定値Ｉｎｔ０より大きい領域でプラスの値となり、インターバルＩｎｔが所定値Ｉｎｔ０より小さい領域でマイナスの値となる。これはリッチスパイク処理のインターバルＩｎｔが所定値Ｉｎｔ０より大きい領域で残存酸素が適合時より多く、インターバルＩｎｔが所定値Ｉｎｔ０より小さい領域で残存酸素が適合時より少ないと考えられるためである。

ステップ１３ではＮＯｘトラップ触媒１５の触媒温度Ｔｌｎｔから図８を内容とするテーブルを検索することにより触媒温度補正量ＴｌｎｔＨＯＳを算出する。触媒温度Ｔｌｎｔは触媒温度センサ２６（図１参照）により検出する。横軸の所定値Ｔｌｎｔ０は図６の空気過剰率補正量基本値λＨＯＳ０を適合したときの触媒温度である。図８に示したように、触媒温度補正量ＴｌｎｔＨＯＳは、触媒温度Ｔｌｎｔが所定値Ｔｌｎｔ０より小さい領域でプラスの値となり、触媒温度Ｔｌｎｔが所定値Ｔｌｎｔ０より大きい領域でマイナスの値となる。これは触媒温度Ｔｌｎｔが所定値Ｔｌｎｔ０より大きい領域で残存酸素が適合時より多く脱離してくるし、所定値Ｔｌｎｔ０より小さい領域で残存酸素が適合時より少なく脱離してくると考えられるためである。

ステップ１４では排気の空間速度ＳＶから図９を内容とするテーブルを検索することにより空間速度補正量ＳＶＨＯＳを算出する。ここで、排気の空間速度ＳＶ［１／ｈｏｕｒ］は排気の体積流量Ｑｅｘｈ［ｌ／ｈｏｕｒ］をＮＯｘトラップ触媒１５の触媒容積［ｌ］で除算することにより算出する。排気の体積流量Ｑｅｘｈの算出方法は公知である。図９に示したように、空間速度補正量ＳＶＨＯＳは、排気の空間速度ＳＶが所定値ＳＶ０より大きい領域でプラスの値となり、排気の空間速度ＳＶが所定値ＳＶ０より小さい領域でマイナスの値となる。これは排気の空間速度ＳＶがＳＶ０より大きい領域で残存酸素が適合時より多く、排気の空間速度ＳＶが所定値ＳＶ０より小さい領域で残存酸素が適合時より少ないと考えられるためである。排気の空間速度ＳＶが所定値ＳＶ０より小さい領域で残存酸素が適合時より少ないのは、排気の空間速度ＳＶが小さいほうが酸素の消費が速くなるためである。

ステップ１５では、このようにして算出した空気過剰率補正量基本値λＨＯＳ０、インターバル補正量ＩｎｔＨＯＳ、触媒温度補正量ＴｌｎｔＨＯＳ、空間速度補正量ＳＶＨＯＳから次式により空気過剰率補正量λＨＯＳを算出する。

λＨＯＳ＝λＨＯＳ０＋ＩｎｔＨＯＳ＋ＴｌｎｔＨＯＳ＋ＳＶＨＯＳ
…（３）
（３）式は上記（２）式と同じである。

ステップ１６では、この空気過剰率補正量λＨＯＳと第１基本空気過剰率λ０から次式により排気の目標空気過剰率ｍλを算出する。

ｍλ＝λ０−λＨＯＳ …（４）
（４）式は上記（１）式と同じである。ステップ１７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１７で補正フラグ＝１としたことより、次回にはステップ７より図５Ｂのステップ１８以降へと進む。

図５Ｂにおいてステップ１８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がリーン側より１．０（理論空燃比）を横切ってリッチ側に反転したか否かをみる。リアラムダがリーン側より１．０を横切る前にはステップ１９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、ステップ１５で算出された排気の目標空気過剰率ｍλを維持する。

やがて、ステップ１８で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きには初期処理より後期処理に移行させるためステップ２０に進み、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、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。

ステップ２１では初期処理を終了するため初期処理フラグ＝０とする。ステップ２２では後期処理フラグ＝１として、今回の処理を終了する。

ステップ２１、２２で初期処理フラグ＝０、後期処理フラグ＝１としたことより、次回には図５Ａのステップ２より図５Ｂのステップ２３以降へと進む。

図５Ｂにおいてステップ２３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２４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、ステップ２０で設定した第２基本空気過剰率λ１を維持する。

やがて、ステップ２３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２５、２６、２７、２８に進む。ステップ２５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２６、２７、２８では補正フラグ＝０、後期処理フラグ＝０、再生許可フラグ＝０とする。

図５Ｂのステップ２８で再生許可フラグ＝０としたことより、次回には図５Ａのステップ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５Ａ、図５Ｂ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。

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化する初期処理手段（図５Ａのステップ１〜６、ステップ１〜３、７〜９参照）と、排気の空気過剰率をリッチ化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（図５Ｂのステップ１８、２０〜２２、ステップ２３、２４参照）と、排気の空気過剰率をリッチ化している間におけるリアラムダとフロントラムダの相対値により、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５Ａのステップ３、７、８、１０参照）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空気過剰率補正量基本値λＨＯＳ０（初期処理中のリッチ化の程度）を制御するリッチ化程度制御手段（図５Ａのステップ３、７、８、１０、１１、１５、１６、１７、図５Ｂのステップ１８、１９参照）とを備えている。本実施形態によれば、負荷変動によりフロントラムダが初期処理の開始時に算出する第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、空気過剰率補正量基本値λＨＯＳ０（初期処理中のリッチ化の程度）の制御によってＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素を初期処理中の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、リアラムダ（検出される第２空気過剰率）とフロントラムダ（検出される第１空気過剰率）の相対値は両者の差分Δλであり、この差分Δλに従い、差分Δλが小さいほどＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量が多いと予測するので、ＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を簡易に予測できる。

本実施形態によれば、リッチ化程度制御手段は、差分Δλが小さいほど空気過剰率補正量基本値λＨＯＳ０（初期処理中のリッチ化の程度）を大きくするので（図６参照）、ＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量の多少に拘わらず、ＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素を消費できる。

本実施形態によれば、空気過剰率補正量基本値λＨＯＳ０（初期処理中のリッチ化の程度）を、リッチスパイク処理のインターバルＩｎｔ、ＮＯｘ触媒１５の触媒温度Ｔｌｎｔ、排気の空間速度ＳＶの少なくとも一つによって補正するので（図５Ａのステップ１２〜１５参照）、リッチスパイク処理のインターバルＩｎｔ、ＮＯｘトラップ触媒１５の触媒温度Ｔｌｎｔ、排気の空間速度ＳＶが、空気過剰率補正量基本値λＨＯＳ０を適合したときのリッチスパイク処理のインターバルＩｎｔ、ＮＯｘトラップ触媒１５の触媒温度Ｔｌｎｔ、排気の空間速度ＳＶから相違しても、空気過剰率補正量λＨＯＳ（初期処理中のリッチ化の程度）を最適に与えることができる。

（第２実施形態）
図１０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４と置き換わるものである。第１実施形態の図４と同じ部分には同じに記載している。ここで、図１０第１段目には負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を実線で、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１０第２段目には、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、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。

第１実施形態では、初期処理時のリアラムダがリーン側よりリッチ側に反転するｔ２のタイミングで酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５から全ての酸素が消失したと判断し、後期処理へと移行させた。実際には、リアラムダセンサ２５はＮＯｘトラップ触媒１５下流の排気の酸素濃度を検出しているだけで、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を計測しているわけでない。そこで第２実施形態では、初期処理時にリアラムダとフロントラムダの差分Δλを積分し、その積分値がしきい値を超えたときに、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５から全ての酸素が消失したと判定し、後期処理へと切換える。

詳述すると、図１０において、初期処理時におけるリアラムダとフロントラムダの間の面積は酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５が消失する残存酸素量を表す。ただし、初期処理開始直後でフロントラムダが急激に低下している途中にリアラムダとフロントラムダの間の面積の算出を開始するのでは、リアラムダとフロントラムダの間の面積の算出値が安定しない。このため、フロントラムダがリーン側より１．０を横後って低下し、フロントラムダがある程度安定した値となったタイミングよりリアラムダとフロントラムダの間の面積の算出を開始することで、面積の算出値を安定させることができる。

ここで、初期処理の開始後にフロントラムダが安定した値になったか否かはフロントラムダの微分値に基づいて判定する。つまり、フロント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かつフロントラムダの微分値（絶対値で扱う）がしきい値（正の値で扱う）以下となるタイミングでフロントラムダの値が安定したと判断する。フロントラムダの微分値と比較するためのしきい値は、例えば図１０第２段目に示したように、フロントラムダへの接線である。このとき、フロントラムダの微分値（絶対値で扱う）がこのしきい値（正の値で扱う）以下となるタイミングはｔ３１である。ｔ３１のタイミングも最終的には適合により定める。

また、ｔ３１のタイミングを起点として、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５から全ての酸素が消失するときの、リアラムダとフロントラムダの間の面積は実験やシミュレーションにより予め知り知り得る。このため、ｔ３１のタイミングを起点として、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５から全ての酸素が消失するときの、リアラムダとフロントラムダの間の面積をしきい値として予め定めておく。一方、ｔ３１のタイミングよりリアラムダとフロントラムダの差分Δλを一定周期で積算すれば、その積算値ＳＭΔλはリアラムダとフロントラムダの間の面積に相当する。従って、面積相当値である差分Δλの積算値ＳＭΔλと予め定めてあるしきい値を比較し、差分Δλの積算値ＳＭΔλがしきい値に到達するｔ３２のタイミングで、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５から全ての酸素が消失したと判定できることとなる。

図１１Ａ、図１１Ｂ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５Ａ、図５Ｂ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５Ａ、図５Ｂと相違する部分は図１１Ｂのステップ３１〜３６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１１Ｂにおいてステップ３１、３２は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か否かを判定する部分である。

ステップ３１ではフロントラムダと１．０を比較し、ステップ３２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１０に示したように初期処理の開始ととも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、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。このときにはステップ１９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、図１１Ａのステップ１５で算出された排気の目標空気過剰率を維持する。

一方、ステップ３１、３２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。このときにはステップ３３に進み、図１１Ａのステップ９と同様にして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。ここでも、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３４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 …（５）
ただし、ＳＭΔλ（前回）：ＳＭΔλの前回値、
（５）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３５では差分Δλの積算値ＳＭΔλとしきい値を比較する。ここで、しきい値は、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を起点として、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５から全ての酸素が消失するときの、リアラムダとフロントラムダの間の面積で、予め定めておく。差分Δλの積算値ＳＭΔλがしきい値以下であるときには、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５から全ての酸素がまだ消失していないと判断し、ステップ１９に進む。ステップ１９では、前回の排気の目標空気過剰率であるλ（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、図１１Ａのステップ１５で算出された排気の目標空気過剰率を維持する。

その後もステップ３３、３４での差分Δλの積算を続けることで差分Δλの積算値ＳＭΔλが増加してゆく（図１０第３段目参照）。やがて差分Δλの積算値ＳＭΔλがしきい値を超えたときには、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５から全ての酸素が消失したと判断し、ステップ２０以降の後期処理に進む。

ステップ２３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第１実施形態と同じにステップ２５、２６、２７、２８の操作を実行した後、ステップ３６で差分Δλの積算値ＳＭΔλ＝０とする。

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、後期処理手段は、リアラムダ（検出される第２空気過剰率）とフロントラムダ（検出される第１空気過剰率）との差分Δλを積算（積分）し、その差分Δλの積算値ＳＭΔλ（積分値）がしきい値を超えたときに排気の目標空気過剰率を第２基本空気過剰率λ１にするので（図１１Ｂのステップ３３、３４、３５、２０〜２２参照）、ＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を正しく算出することができることから、ＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素が全て消失したか否かの判定精度がよくなる。

排気中の酸素がなくなると、リア広域空燃比センサ２５により検出されるリアラムダは反転する。しかしながら、ＮＯｘトラップ触媒１５に酸素が残存し、ＮＯｘトラップ触媒１５から酸素がじわじわ脱離しているような事態は、リア広域空燃比センサ２５によっては検出することができない。こうした事態は差分Δλを積算（積分）することで初めて評価できるのである。

第２実施形態によれば、差分Δλの積算（積分）は、フロントラムダ（検出される第１空気過剰率）が１．０以下となり、かつフロントラムダ（検出される第１空気過剰率）の微分値Ｄλｆが予め定めたしきい値以下となってから開始するので（図１１Ｂのステップ３１、３２参照）、安定した値の積算値ＳＭΔλ（積分値）が求まることになり、ＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素が全て消失したか否かの判定精度が向上する。

（第３実施形態）
図１２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４と置き換わるものである。第１実施形態の図４と同じ部分には同じに記載している。ここで、図１２第１段目には負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を実線で、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１２第２段目には、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、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。

第１実施形態では、負荷変動があるとき初期処理の開始時に算出した第１基本空気過剰率λ０を空気過剰率補正量を用いて小さくなる側（リッチ側）に補正することによって、酸化触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量を全て消失させた。しかしながら、運転条件によっては、空気過剰率補正量を用いて第１基本空気過剰率λ０を小さくなる側（リッチ側）に補正することができないことがある。

負荷変動があるとき、第１実施形態で第１基本空気過剰率λ０を空気過剰率補正量を用いて小さくなる側に補正したのは、初期処理中におけるリアラムダとフロントラムダの間の面積を増やして、触媒１４、１５から全ての酸素を消失させるためであった。この場合、初期処理の開始時に算出した第１基本空気過剰率λ０はそのままで、初期処理期間を長くすることによっても、初期処理中におけるリアラムダとフロントラムダの間の面積を増やすことができる。

そこで第３実施形態では、初期処理開始時には第１基本空気過剰率λ０を算出するとともに基本初期処理時間τ０を算出し、予測した残存酸素量に基づいてこの基本初期処理時間τ０の補正量（初期処理中のリッチ化の期間）を制御する。例えば、図１２第１段目に実線で示したように、負荷変動がない（差分Δλが相対的に大きい）とき、初期処理中の排気の目標空気過剰率を第１基本空気過剰率λ０に、初期処理時間を基本初期処理時間τ０に設定している。一方、図１２第１段目に一点鎖線で重ねて示したように、ｔ２１で負荷変動がある（差分Δλが相対的に小さい）ことが分かったとき、基本初期処理時間τ０より初期処理時間補正量だけ長い値を目標初期処理時間ｍτとしている。これによって、負荷変動があるときの初期処理中の目標空気過剰率と負荷変動がないときの初期処理中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１２第１段目参照）。つまり、負荷変動があるときには、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。

図１３Ａ、図１３Ｂ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及び目標初期処理時間ｍτ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５Ａ、図５Ｂ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５Ａ、図５Ｂと相違する部分は図１３Ａのステップ４１〜４６である。ただし、第３実施形態では、初期処理の開始時に算出した基本空気過剰率λ０を補正することはしないので、ステップ８と９の位置を入れ換えている。

第１実施形態と相違する部分を主に説明すると、図１３Ａにおいてステップ４１〜４６は、初期処理開始時に算出した基本初期処理時間τ０を、予測した残存酸素量に応じた初期処理時間補正量を用いて長くなる側に補正する部分である。ここでは、目標初期処理時間ｍτを次式により算出する。

ｍτ＝τ０＋τＨＯＳ …（６）
ただし、τ０：基本初期処理時間、
τＨＯＳ：初期処理時間補正量、
すなわち、基本初期処理時間τ０に初期処理時間補正量τＨＯＳを加算することによって基本初期処理時間τ０を長くなる側に補正した値を目標初期処理時間ｍτとする。

上記（６）式右辺の初期処理時間補正量τＨＯＳを次式により算出する。

τＨＯＳ＝τＨＯＳ０＋ＩｎｔＨＯＳ２＋ＴｌｎｔＨＯＳ２＋ＳＶＨＯＳ２
…（７）
ただし、τＨＯＳ０：初期処理時間補正量基本値、
ＩｎｔＨＯＳ２：インターバル補正量、
ＴｌｎｔＨＯＳ２：触媒温度補正量、
ＳＶＨＯＳ２：空間速度補正量、
以下、各補正量を具体的に説明する。まず、ステップ９では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。このときのフロントラムダ、リアラムダの値は、初期処理開始タイミングから一定時間Δｔ１が経過したときのものである。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。差分Δλ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。この差分Δλが相対的に小さいときには、差分Δλ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と予測する。

ステップ４１では差分Δλから図１４を内容とするテーブルを検索することにより、初期処理時間補正量基本値τＨＯＳ０を算出する。図１４に示したように、初期処理時間補正量基本値τＨＯＳ０は、差分Δλが所定値Δλ０を超える領域でゼロとなり、差分Δλが所定値Δλ０以下の領域では差分Δλが小さくなるほど大きくなる値である。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差分Δλは、差分Δλが所定値Δλ０以下の領域で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残存酸素が相対的に多いことを表す。負荷変動がある（Δλが相対的に小さい）ときに負荷変動がない（Δλが相対的に大きい）ときよりτＨＯＳ０を大きくしているのは、次の理由による。すなわち、負荷変動がある（Δλが相対的に大きい）ときには、負荷変動がない（Δλが相対的に大きい）ときより触媒１４、１５の残存酸素が多く、残存酸素が多いほうが長くする側への補正量を大きくする必要があるためである。

また、横軸の所定値Δλ０は、負荷変動がないとしたときの差分Δλで予め適合により求めておく。そのときの差分Δλが所定値Δλ以上であるであるときには、残存酸素が生じることがなく、従って基本初期処理時間τ０を長くする側に補正する必要がないので、差分Δλが所定値Δλ０以上の領域では初期処理時間補正量基本値τＨＯＳ０をゼロとしている。

ステップ４２ではリッチスパイク処理のインターバルＩｎｔから図１５を内容とするテーブルを検索することによりインターバル補正量ＩｎｔＨＯＳ２を算出する。ここで、「リッチスパイク処理のインターバル」とは、前述したように１のリッチスパイク処理の終了から次のリッチスパイク処理の開始までの期間のことである。また、横軸の所定値Ｉｎｔ０は図１４の初期処理時間補正量基本値τＨＯＳ０を適合したときのインターバルＩｎｔである。図１５に示したように、インターバル補正量ＩｎｔＨＯＳ２は、インターバルＩｎｔが所定値Ｉｎｔ０より大きい領域でプラスの値となり、インターバルＩｎｔが所定値Ｉｎｔ０より小さい領域でマイナスの値となる。これはリッチスパイク処理のインターバルＩｎｔが所定値Ｉｎｔ０より大きい領域で残存酸素が適合時より多く、インターバルＩｎｔが所定値Ｉｎｔ０より小さい領域で残存酸素が適合時より少ないと考えられるためである。

ステップ４３ではＮＯｘトラップ触媒１５の触媒温度Ｔｌｎｔから図１６を内容とするテーブルを検索することにより触媒温度補正量ＴｌｎｔＨＯＳ２を算出する。触媒温度Ｔｌｎｔは前述したように触媒温度センサ２６により検出する。横軸の所定値Ｔｌｎｔ０は図１４の初期処理時間補正量基本値τＨＯＳ０を適合したときの触媒温度である。図１６に示したように、触媒温度補正量ＴｌｎｔＨＯＳ２は、触媒温度Ｔｌｎｔが所定値Ｔｌｎｔ０より小さい領域でプラスの値となり、触媒温度Ｔｌｎｔが所定値Ｔｌｎｔ０より大きい領域でマイナスの値となる。これは触媒温度Ｔｌｎｔが所定値Ｔｌｎｔ０より大きい領域で残存酸素が適合時より多く脱離してくるし、所定値Ｔｌｎｔ０より小さい領域で残存酸素が適合時より少なく脱離してくると考えられるためである。

ステップ４４では排気の空間速度ＳＶから図１７を内容とするテーブルを検索することにより空間速度補正量ＳＶＨＯＳ２を算出する。ここで、排気の空間速度ＳＶ［１／ｈｏｕｒ］は前述したように排気の体積流量Ｑｅｘｈ［ｌ／ｈｏｕｒ］をＮＯｘトラップ触媒１５の触媒容積［ｌ］で除算することにより算出する。排気の体積流量Ｑｅｘｈの算出方法は公知である。図１７に示したように、空間速度補正量ＳＶＨＯＳ２は、排気の空間速度ＳＶが所定値ＳＶ０より大きい領域でプラスの値となり、排気の空間速度ＳＶが所定値ＳＶ０より小さい領域でマイナスの値となる。これは排気の空間速度ＳＶが所定値ＳＶ０より大きい領域で残存酸素が適合時より多く、排気の空間速度ＳＶが所定値ＳＶより小さい領域で残存酸素が適合時より少ないと考えられるためである。排気の空間速度ＳＶが所定値ＳＶ０より小さい領域で残存酸素が適合時より少ないのは、排気の空間速度ＳＶが小さいほうが酸素の消費が速くなるためである。

ステップ４５では、このようにして算出した初期処理時間補正量基本値τＨＯＳ０、インターバル補正量ＩｎｔＨＯＳ２、触媒温度補正量ＴｌｎｔＨＯＳ２、空間速度補正量ＳＶＨＯＳ２から次式により初期処理時間補正量τＨＯＳを算出する。

τλＨＯＳ＝τλＨＯＳ０＋ＩｎｔＨＯＳ２＋ＴｌｎｔＨＯＳ２＋ＳＶＨＯＳ２
…（８）
（８）式は上記（７）式と同じである。

ステップ４６では、この初期処理時間補正量τＨＯＳと基本初期処理時間τ０から次式により目標初期処理時間ｍτを算出する。

ｍτ＝τ０−τＨＯＳ …（９）
（９）式は上記（６）式と同じである。ステップ１７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１７で補正フラグ＝１としたことより、次回にはステップ７より図１３Ｂのステップ１８以降へと進む。

このように第３実施形態でも、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、排気の空気過剰率をリッチ化する初期処理手段（図１３Ａのステップ１〜６、ステップ１〜３、７、９参照）と、前記排気の空気過剰率をリッチ化した後に排気の空気過剰率を１．０近傍にする後期処理手段（図１３Ｂのステップ１８、２０〜２２、ステップ２３、２４参照）と、排気の空気過剰率をリッチ化している間におけるリアラムダとフロントラムダの相対値により、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１３Ａのステップ３、７、８、１０参照）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初期処理時間補正量基本値τＨＯＳ０（初期処理中のリッチ化の期間）を制御するリッチ化期間制御手段（図１３Ａのステップ３、７、８、１０、４１、４５、４６、１７、図１３Ｂのステップ１８、１９参照）とを備えている。本実施形態によれば、負荷変動によりフロントラムダが初期処理の開始時に算出する排気の基本空気過剰率λ０まで到達できないことからそのままでは後期処理時に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、初期処理時間補正量基本値τＨＯＳ０（初期処理中のリッチ化の期間）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。

第３実施形態によれば、リッチ化期間制御手段は、差分Δλが小さいほど初期処理時間補正量基本値τＨＯＳ０（初期処理中のリッチ化の期間）を長くするので（図１４参照）、ＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素量の多少に拘わらず、ＮＯｘトラップ触媒１５の残存酸素を消費できる。

第３実施形態によれば、初期処理時間補正量基本値τＨＯＳ０（リッチ化の期間）を、リッチスパイク処理のインターバルＩｎｔ、ＮＯｘ触媒１５の触媒温度Ｔｌｎｔ、排気の空間速度ＳＶの少なくとも一つによって補正するので（図１３Ａのステップ４２〜４５参照）、リッチスパイク処理のインターバルＩｎｔ、ＮＯｘトラップ触媒１５の触媒温度Ｔｌｎｔ、排気の空間速度ＳＶが、初期処理時間補正量基本値τＨＯＳ０を適合した時のリッチスパイク処理のインターバルＩｎｔ、ＮＯｘトラップ触媒１５の触媒温度Ｔｌｎｔ、排気の空間速度ＳＶから相違しても、初期処理時間補正量τＨＯＳ（初期処理中のリッチ化の程度）を最適に与えることができる。

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。

第１実施形態では、リアラムダが１．０を横切ってリッチ側に反転したときに初期処理より後期処理に移行させ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、リアラムダが１．０５を横切ってリッチ側に反転したときに初期処理より後期処理に移行させたり、リアラムダが０．９５を横切ってリッチ側に反転したときに初期処理より後期処理に移行させたりする場合にも適用がある。このように、切換えるタイミングを１．０５や０．９５へとシフトさせる理由は、そうしたい要求があるためである。

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 (4)

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、前記第１空気過剰率をリッチ化する初期処理を行う初期処理手段と、
   前記初期処理の後に前記第１空気過剰率を１．０近傍の第２基本空気過剰率に制御する後期処理を行う後期処理手段と、
   前記初期処理の開始後、前記第２空気過剰率がリーン側にあり、かつ所定時間が経過した時点における前記第２空気過剰率から前記第１空気過剰率を差し引いた差分が小さくなるときほど、前記初期処理中のリッチ化の程度を大きくするかまたは前記初期処理中のリッチ化の期間を長くするリッチ化程度・リッチ化期間制御手段と
   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. 前記初期処理中のリッチ化の程度または前記初期処理中のリッチ化の期間を、前記初期処理および前記後期処理からなるリッチスパイク処理のインターバル、前記ＮＯｘトラップ触媒の触媒温度、前記排気の空間速度の少なくとも一つによって補正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. 前記後期処理手段は、前記検出される第２空気過剰率と前記検出される第１空気過剰率の差分を積分し、その差分の積分値がしきい値を超えたときに、前記第１空気過剰率を前記第２基本空気過剰率に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. 前記差分の積分は、前記検出される第１空気過剰率が１．０以下となり、かつ前記検出される第１空気過剰率の微分値が予め定めたしきい値以下となってから開始することを特徴とする請求項３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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