JPH07305644A - 内燃エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 内燃エンジンの排気通路に配設された排気浄
化触媒装置に、リーン燃焼運転時において排気ガス中の
窒素酸化物を吸着させ、この吸着させた窒素酸化物をリ
ッチ燃焼運転時に還元させて窒素酸化物の排出量を低減
させる空燃比制御装置において、排気浄化触媒装置から
の窒素酸化物の排出量を常に所定値以下に維持するとと
もに、リッチ燃焼運転に伴う燃費の悪化とエンジンのト
ルク変動を最小限に抑える。 【構成】 排気浄化触媒装置から排出される窒素酸化物
排出量ＱNTを推定する窒素酸化物排出量推定手段(30,3
5,36,37) と、該窒素酸化物排出量推定手段により推定
された窒素酸化物排出量ＱNTが所定値ＱNT0 を超えたと
き、内燃エンジンに供給する混合気の空燃比を変化させ
てリーン燃焼運転からリッチ燃焼運転に切換える切換手
段(38)とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃エンジンの空燃比
制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃エンジンが所定運転状態にある時に
空燃比を理論空燃比（１４．７）よりも燃料希薄側（リ
ーン側）の目標値（例えば、２２）に制御して、エンジ
ンの燃費特性等を改善する空燃比制御方法が知られてい
る。このようなリーン空燃比制御方法において、従来の
三元触媒装置では窒素酸化物（ＮＯｘ）が充分に浄化で
きないという問題がある。

【０００３】この問題を解決するために、酸素富過状態
（酸化雰囲気）においてエンジンから排出されるＮＯｘ
を吸着し、吸着したＮＯｘを炭化水素（ＨＣ）過剰状態
（還元雰囲気）で還元させる特性を利用して大気へのＮ
Ｏｘ排出量を低減させる、所謂ＮＯｘ触媒が知られてい
る。このＮＯｘ触媒では、リーン空燃比制御時にＮＯｘ
を吸着させることになるが、リーン燃焼運転を連続して
行うと触媒の吸着量に限度があるために吸着が飽和量に
達するとエンジンから排出されるＮＯｘの大部分が大気
に排出されることになる。そこで、ＮＯｘ触媒の吸着量
が飽和に達する前に、空燃比を理論空燃比またはその近
傍値に制御するリッチ空燃比制御に切換え、還元雰囲気
（リッチ状態）でＮＯｘの還元を開始しなければなら
ず、リーン燃焼運転からリッチ燃焼運転に切換えるタイ
ミングが問題となる。

【０００４】リーン燃焼運転からリッチ燃焼運転に切換
えるタイミングとしては、リーン空燃比制御を開始して
からの経過時間を計時し、所定時間が経過した時点でリ
ッチ空燃比制御に切換える方法が、特開平５−１３３２
６０号公報により知られている。この空燃比制御方法で
は、リッチ空燃比制御により触媒に吸着されていたＮＯ
ｘの還元が終了すると再びリーン空燃比制御に戻され、
リーン燃焼運転とリッチ燃焼運転とを交互に繰り返すこ
とによって、ＮＯｘ量の低減を図っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の公報に開示され
る空燃比制御方法では、リーン燃焼運転中に所定時間が
経過すると強制的にリッチ燃焼運転に切換える必要があ
り、この空燃比の切換時に燃費が悪化するとともにエン
ジンのトルク変動（加速ショックに似た変動）が発生
し、特に後者のトルク変動が頻繁に生じると運転フィー
リングが悪化するという問題が生じる。また、空燃比の
リッチ化によりＨＣの排出量が増え、ＨＣ低減という面
からしても強制的な空燃比の切換えを頻繁に行うことは
好ましくなく、リーン燃焼運転からリッチ燃焼運転への
切換え頻度を減らすことが望ましい。

【０００６】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたもので、その目的とするところは、窒素酸化
物（ＮＯｘ）の排出量を常に所定値以下に維持するとと
もに、リッチ燃焼運転による燃費の悪化と、エンジンの
トルク変動を最小限に抑えた内燃エンジンの空燃比制御
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】上記した目的を達成する
ために、請求項１の発明は、内燃エンジンの排気通路に
排気浄化触媒装置を配設し、この触媒装置に、理論空燃
比より希薄な空燃比でのリーン燃焼運転時に排気ガス中
の窒素酸化物を吸着させ、吸着させた窒素酸化物を理論
空燃比または理論空燃比より濃い空燃比でのリッチ燃焼
運転時に還元することにより窒素酸化物の排出量を低減
させる内燃エンジンの空燃比制御装置において、前記排
気浄化触媒装置から排出される窒素酸化物の排出量を推
定する窒素酸化物排出量推定手段と、該窒素酸化物排出
量推定手段により推定された窒素酸化物の排出量が所定
値を超えたとき、内燃エンジンに供給する混合気の空燃
比を変化させて前記リーン燃焼運転から前記リッチ燃焼
運転に切換える切換手段とを備えることを特徴とする。

【０００８】請求項２の発明は、前記窒素酸化物排出量
推定手段において、前記内燃エンジンから排気通路に排
出される窒素酸化物の排出量を推定するエンジン排出量
推定手段と、前記排気浄化触媒装置への窒素酸化物の吸
着率を推定する吸着率推定手段とを有し、前記エンジン
排出量推定手段によって推定された窒素酸化物の排出量
と前記吸着率推定手段によって推定された窒素酸化物の
吸着率とに基づき前記排気浄化触媒装置から排出される
窒素酸化物の排出量を推定することを特徴とする。

【０００９】請求項３の発明は、前記窒素酸化物排出量
推定手段において、更に前記排気浄化触媒装置による窒
素酸化物の浄化率を推定する浄化率推定手段を有し、前
記エンジン排出量推定手段によって推定された窒素酸化
物の排出量と前記吸着率推定手段によって推定された窒
素酸化物の吸着率と前記浄化率推定手段によって推定さ
れた窒素酸化物の浄化率とに基づき前記排気浄化触媒装
置から排出される窒素酸化物の排出量を推定することを
特徴とする。

【００１０】請求項４の発明は、前記エンジン排出量推
定手段において、前記内燃エンジンから排出される窒素
酸化物の排出濃度と内燃エンジンが吸入する空気量に関
連する吸入空気量情報とに基づき内燃エンジンから排気
通路に排出される窒素酸化物排出量を推定することを特
徴とする。請求項５の発明は、前記エンジン排出量推定
手段において、前記内燃エンジンから排出される窒素酸
化物の排出濃度を、前記内燃エンジンに供給される混合
気の空燃比に関する空燃比情報に基づき推定することを
特徴とする。

【００１１】請求項６の発明は、前記エンジン排出量推
定手段において、前記内燃エンジンから排気通路に排出
される窒素酸化物の排出量推定値を点火時期に応じて補
正することを特徴とする。請求項７の発明は、前記エン
ジン排出量推定手段において、前記内燃エンジンから排
気通路に排出される窒素酸化物の排出量推定値をエンジ
ンに還流される排気ガス量に応じて補正することを特徴
とする。

【００１２】請求項８の発明は、前記吸着率推定手段に
おいて、前記リーン燃焼運転を開始してから前記リッチ
燃焼運転に切換わるまでの間に前記内燃エンジンから前
記排気浄化触媒装置へ排出される窒素酸化物の総排出量
に基づき前記窒素酸化物吸着率を推定することを特徴と
する。

【００１３】

【作用】請求項１の空燃比制御装置によれば、内燃エン
ジンの排気通路に設けられた排気浄化触媒装置から排出
される窒素酸化物は、排出量推定手段により窒素酸化物
の排出量が推定される。そして、この窒素酸化物の排出
量の推定値が所定値を超えたとき、リーン燃焼運転から
リッチ燃焼運転に切換える切換手段によって、運転状態
は、理論空燃比よりも希薄な空燃比のリーン燃焼運転か
ら、理論空燃比あるいは理論空燃比よりも濃い空燃比の
リッチ燃焼運転に切換えられる。このリッチ燃焼運転時
の排気ガス中には、炭化水素を多く含んでいるため、こ
の炭化水素によって、リーン燃焼運転中に排気浄化触媒
装置に吸着した窒素酸化物が還元され、排気浄化触媒装
置の浄化能力が復活することになり、常に窒素酸化物の
排出量が低く抑えられる。

【００１４】請求項２の空燃比制御装置によれば、排気
浄化触媒装置から排出される窒素酸化物の排出量は、エ
ンジン排出量推定手段によって推定された窒素酸化物の
排出量と吸着率推定手段によって推定された窒素酸化物
の吸着率とに基づいて良好に求められる。請求項３の空
燃比制御装置によれば、排気浄化触媒装置から排出され
る窒素酸化物の排出量は、エンジン排出量推定手段によ
って推定された窒素酸化物の排出量と吸着率推定手段に
よって推定された窒素酸化物の吸着率と浄化率推定手段
によって推定された窒素酸化物の浄化率とに基づいて良
好に求められる。

【００１５】請求項４の空燃比制御装置によれば、内燃
エンジンから排気通路に排出される窒素酸化物排出量
は、内燃エンジンから排出される窒素酸化物の排出濃度
と内燃エンジンが吸入する空気量に関連する吸入空気量
情報とに基づいて良好に求められる。請求項５の空燃比
制御装置によれば、内燃エンジンから排出される窒素酸
化物の排出濃度は、内燃エンジンに供給される混合気の
空燃比に関する空燃比情報に基づいて良好に求められ
る。

【００１６】請求項６の空燃比制御装置によれば、内燃
エンジンから排気通路に排出される窒素酸化物の排出量
推定値は、点火時期に応じて好適に補正される。請求項
７の空燃比制御装置によれば、内燃エンジンから排気通
路に排出される窒素酸化物の排出量推定値は、エンジン
に還流される排気ガス量に応じて好適に補正される。

【００１７】請求項８の空燃比制御装置によれば、窒素
酸化物吸着率は、リーン燃焼運転を開始してからリッチ
燃焼運転に切換わるまでの間に内燃エンジンから排気浄
化触媒装置へ排出される窒素酸化物の総排出量に基づい
て良好に求められる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。図２は、本発明に係る空燃比制御装置を示す
概略構成図である。同図において、符号１は自動車用エ
ンジン、例えば、直列６気筒ガソリンエンジン（以下、
単にエンジンと記す）であり、燃焼室を始め吸気系や点
火系等がリーン燃焼可能に設計されている。エンジン１
の吸気ポート２には、各気筒毎に燃料噴射弁３が取り付
けられた吸気マニホールド４を介し、エアクリーナ５、
吸入空気量Ａｆを検出するエアフローセンサ６、スロッ
トルバルブ７、ＩＳＣバルブ８等を備えた吸気管９が接
続されている。エアフローセンサ６としては、カルマン
渦式エアフローセンサ等が好適に使用される。また、排
気ポート１０には、排気マニホールド１１を介して、空
気過剰率λ（空燃比情報）を検出する空燃比センサ（リ
ニア空燃比センサ等）１２の取り付けられた排気管１４
が接続され、この排気管１４には、排気浄化触媒装置１
３を介して、図示しないマフラーが接続されている。

【００１９】排気浄化触媒装置１３は、ＮＯｘ触媒１３
ａと三元触媒１３ｂとの２つの触媒を備えており、ＮＯ
ｘ触媒１３ａの方が三元触媒１３ｂよりも上流側に配設
されている。ＮＯｘ触媒１３ａは、酸化雰囲気において
ＮＯｘ（窒素酸化物）を吸着させ、ＨＣ（炭化水素）の
存在する還元雰囲気では、ＮＯｘをＮ₂ （窒素）等に還
元させる機能を持つものである。ＮＯｘ触媒１３ａとし
ては、例えば、Ｐt とランタン、セリウム等のアルカリ
希土類からなる触媒が使用されている。一方、三元触媒
１３ｂは、ＨＣ、ＣＯ（一酸化炭素）を酸化させるとと
もに、ＮＯｘを還元する機能をもっており、この三元触
媒１３ｂによるＮＯｘの還元は、理論空燃比（１４．
７）付近において最大に促進される。

【００２０】エンジン１には、吸気ポート２から燃焼室
１５に供給された空気と燃料との混合ガスに着火するた
めの点火プラグ１６が配置されている。また、符号１８
は、カムシャフトと連動するエンコーダからクランク角
同期信号θCRを検出するクランク角センサ、符号１９は
スロットルバルブ７の開度θTHを検出するスロットルセ
ンサ、符号２０は冷却水温ＴW を検出する水温センサ、
符号２１は大気圧Ｐaを検出する大気圧センサ、符号２
２は吸気温度Ｔａを検出する吸気温センサである。尚、
エンジン回転速度Ｎｅは、クランク角センサ１８が検出
するクランク角同期信号θCRの発生時間間隔から演算さ
れる。

【００２１】車室内には、図示しない入出力装置、多数
の制御プログラムを内蔵した記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡ
Ｍ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タ
イマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子制御ユニット）２
３が設置されており、エンジン１を含めた空燃比制御装
置の総合的な制御を行っている。ＥＣＵ２３の入力側に
は、上述した各種センサ類が接続されており、これらセ
ンサ類からの検出情報が入力する。一方、出力側には、
上述の燃料噴射弁３や点火ユニット２４等が接続されて
おり、各種センサ類からの検出情報に基づいて演算され
た燃料噴射量や点火時期等の最適値が出力されるように
なっている。点火ユニット２４は、ＥＣＵ２３からの指
令により、各気筒の点火プラグ１６に高電圧を出力す
る。

【００２２】次に、上述のように構成される空燃比制御
装置の作用を、図１および図３乃至図１０を参照して説
明する。図１は、空燃比制御装置のシステム構成を示し
たブロック図である。図３に示すフローチャートは、Ｅ
ＣＵ２３が実行する空燃比制御手順を示し、クランク角
センサ１８から供給されるクランク角同期信号θCRの発
生毎（例えば、クランク角１２０°ＣＡ毎）に割り込み
実行される。この空燃比制御は、酸化雰囲気であるリー
ン燃焼運転時に、ＮＯｘ触媒１３ａのＮＯｘ吸着能力が
略飽和状態となったら、リッチ燃焼運転に切換え、所定
時間に亘りＮＯｘ触媒１３ａを還元雰囲気下に置き、Ｎ
Ｏｘ触媒１３ａの吸着能力を復活させるという制御を繰
り返し行うものである。ここに、リーン燃焼運転とは、
燃料噴射弁３からの燃料噴射量を略一定に保持し、スロ
ットルバルブ７および／またはＩＳＣバルブ８を開弁し
て吸気量を増量し、空燃比が理論空燃比（１４．７）よ
りも大きい値の燃料希薄混合気を燃焼させて、エンジン
１を作動させる運転をいう。一方、リッチ燃焼運転と
は、空燃比を理論空燃比（１４．７）あるいはそれ以下
の値とした混合気を燃焼させる運転をいい、このリッチ
燃焼運転時の排気ガス中には、リーン燃焼運転のときよ
りもＨＣおよびＣＯを多く含んでいる。従って、リッチ
燃焼運転時の排気ガスは、還元雰囲気であり、ＮＯｘの
還元が可能となっている。尚、ここでいうリッチ燃焼運
転には、空燃比を略理論空燃比にフィードバック制御す
る運転をも含んでいる。

【００２３】ＥＣＵ２３は、先ず図３のステップＳ１０
においてリーン燃焼運転条件が成立しているか否かを判
別する。リーン燃焼運転条件としては、エンジンが、暖
機状態にあり、エンジン回転速度Ｎｅおよびエンジン負
荷によって決定される所定の運転領域で運転されてお
り、かつ加速や減速すべき運転状態にないこと等が必要
である。

【００２４】ステップＳ１０の判別結果がＮｏ（否定）
でリーン燃焼運転条件が成立していない場合には、次に
ステップＳ１２に進みリッチ燃焼運転制御を実行する。
一方、ステップＳ１０の判別結果が肯定（Ｙｅｓ）の場
合には、ステップＳ１４に進み、ＮＯｘ排出量の演算を
実行する。このステップは、排気浄化触媒装置１３から
排出されるＮＯｘ量を各種センサの検出情報に基づいて
推定するものであり、図４、図５に示すサブルーチンを
実行する。以下、サブルーチンのフローチャートに沿っ
てＮＯｘ排出量演算手順を説明する。

【００２５】図４のステップＳ２０乃至Ｓ２６は、エン
ジンからの排出ＮＯｘ量ＱNOを求めるステップであり、
先ず、ステップＳ２０では、ＥＣＵ２３は、図１のブロ
ック図に示すエンジン排出ＮＯｘ濃度推定手段３１とし
て機能し、ＥＣＵ２３に記憶され、図６のグラフに示す
ようなマップから空気過剰率λに応じたエンジン排出Ｎ
Ｏｘ濃度値ＤN を読み取る。この読み取り値は実測値で
はなく、事前の実験で設定されたマップから読み取る値
であるため、推定値として扱われる。

【００２６】図６は、空気過剰率λ（空燃比情報）とエ
ンジン排出ＮＯｘの濃度ＤN との関係を示し、横軸の空
気過剰率λの値１．０が理論空燃比（１４．７）に対応
している。空気過剰率λが値１．０より大の範囲では、
空燃比が希薄（リーン）であることを意味し、逆に値
１．０より小の範囲では、空燃比が濃厚（リッチ）であ
ることを意味している。尚、空気過剰率λは、空燃比セ
ンサ１２による実測値でもよいし、エンジン運転状態に
応じて設定される目標値のいずれを使用してもよく、さ
らに、空気過剰率λに代えて、空燃比あるいは当量比で
あってもよい。

【００２７】このマップにおいて、エンジン排出ＮＯｘ
の濃度ＤN が最大値をとるのは、空気過剰率λの値が
１．０よりも少し大きいとき、すなわち空燃比が理論空
燃比よりも多少リーン側の値となったときであり、濃度
ＤN の値が最大値となる前後においては、濃度ＤN は空
気過剰率λに対して略一定の勾配をもって変化してい
る。

【００２８】エンジン排出ＮＯｘ濃度値ＤN の読み取り
が終わると、次にステップＳ２２を実行する。ステップ
Ｓ２２は、各種の補正係数値を演算するステップであ
り、このステップではＥＣＵ２３は、例えば、図１の遅
角補正手段３２として機能し、ＥＣＵ２３に記憶され、
図７のグラフに示すようなマップから点火時期等による
補正係数値ＫIgを読み取る。

【００２９】通常、点火時期が遅角側に変化すると燃焼
は緩慢となり、燃焼温度があまり高くならないため、エ
ンジン排出ＮＯｘの発生量が減少する。このため、ＮＯ
ｘ排出量は、点火時期による補正が必要であり、点火時
期に応じた補正係数ＫIgを設定して、エンジン排出ＮＯ
ｘ量ＱNOを適正値に補正するようにしている。このマッ
プにおいて、補正係数値ＫIgは、点火時期が進角側の所
定値のときに基準値１．０をとり、遅角側に変化するに
つれて減少して、ＮＯｘ発生量が小になるよう補正する
値に設定されている。

【００３０】尚、ステップＳ２２における補正係数の演
算としては、点火時期のほかに、ＥＧＲ量、吸気温度、
湿度等があり、必要に応じてこれらの補正係数値の演算
を行えばよい。次のステップＳ２４では、ＥＣＵ２３
は、図１の吸入空気量算出手段３３として機能し、エア
フローセンサ６からの検出値Ａｆとエンジン回転速度Ｎ
ｅとに基づいて、一気筒当たりの、すなわち前回計測時
（クランク角１２０°ＣＡ手前）から今回計測時までの
吸入空気量Ｑａを求める。ここで、エアフローセンサ６
の検出値Ａｆは大気圧および吸気温に影響されることか
ら、この検出値Ａｆは、大気圧センサ２１および吸気温
センサ２２からの検出信号Ｐａ、Ｔａによって補正され
る。尚、吸入空気量Ｑａは、エンジン回転速度Ｎｅと吸
気圧Ｐｂ等からも求めることができ、その演算方法につ
いては特に限定されない。

【００３１】ステップＳ２６は、上述のように求められ
たエンジン排出ＮＯｘ濃度ＤN 、吸入空気量Ｑａおよび
補正係数ＫIg等から、クランク角同期信号θCR検出毎の
エンジン排出ＮＯｘ量ＱNOを求めるステップであり、次
式(1) により算出する。尚、ＥＣＵ２３は、この場合、
図１のエンジン排出ＮＯｘ量推定手段３０として機能す
ることになる。

【００３２】ＱNO＝ｋ1 ×ＫIg×Ｑａ×ＤN …(1) ここに、ｋ1 は上述したその他の補正係数であり、例え
ば、ＥＧＲ量、湿度等に応じ、補正係数ＫIgと同様に設
定される。以上のようにしてクランク角同期信号θCR検
出毎のエンジン排出ＮＯｘ量ＱNOが求められたら、次に
ステップＳ２８に進む。ステップＳ２８は、後述するリ
ッチ燃焼運転への切換えが行われ、所定時間ｔ_R （例え
ば、３秒間）のリッチ燃焼運転が実施された直後か否か
を判別するステップである。判別結果がＹｅｓ（肯定）
で所定時間ｔ_R （３秒間）が経過した直後である場合に
は、ステップＳ３２に進むことになるが、詳細は後述す
る。リーン燃焼運転状態である場合には、判別結果はＮ
ｏ（否定）であり、ステップＳ３０に進む。

【００３３】ステップＳ３０は、ステップＳ２６で求め
たクランク角同期信号θCR検出毎のエンジン排出ＮＯｘ
量ＱNOの積分値、すなわち排気浄化触媒装置１３を通過
するエンジン排出ＮＯｘ量ＱNOの今回の累積値ＳＱN(i+
1)を次式(2) から算出するステップである。 ∫ＱNOdt≒ＳＱN(i+1)＝ＳＱN(i)＋ＱNO …(2) ここに、ＳＱN(i)は前回当該ルーチンが実行されたとき
の累積値を示す。

【００３４】ステップＳ３４は、上記のステップＳ３０
で求めたエンジン排出ＮＯｘ量の累積値ＳＱN(i+1)に基
づいて、エンジン排出ＮＯｘが排気浄化触媒装置１３を
通過する際、ＮＯｘ触媒１３ａが吸着するＮＯｘの吸着
率ＫNOX を求めるステップである。この場合、ＥＣＵ２
３は、図１の吸着率推定手段３５として機能し、ＥＣＵ
２３に記憶され、累積値ＳＱN(i+1)と吸着率ＫNOX とが
図８のグラフに示すような関係にあるマップからこの吸
着率ＫNOX を読み取る。

【００３５】このマップにおいて、吸着率ＫNOX は、次
式(3) に示すような指数関数で近似させることができ、
累積値ＳＱN(i+1)がゼロのときには最大値１．０とな
り、累積値ＳＱN(i+1)が大きくなるにつれて所定値ＫN1
（例えば、値０．１）に漸近するようになる。 ＫNOX ≒（１−ＫN1）×ｅｘｐ｛（−ｋ2 ）×ＳＱN(i+1)｝＋ＫN1 …(3) ここに、ｋ2 は補正係数（定数）である。

【００３６】上記の吸着率ＫNOX の推定値は、マップを
用いずに、この式(3) を使用して演算によって求めるよ
うにしてもよい。また、回帰式 ＫNOX(i+1)＝1-（1-ＫN1）×ｋ2 ×｛（1-α）×ＳＱN
(i)＋α×ＱN(i)｝ で求めてもよい。但し、αは定数である。ステップＳ３
６では、ＥＣＵ２３は、図１の浄化率推定手段３６とし
て機能し、排気浄化触媒装置１３の三元触媒１３ｂによ
るＮＯｘの浄化率ＫCAT の推定値を図９のマップから読
み取る。同図に示すように、この三元触媒１３ｂによる
ＮＯｘの浄化率ＫCAT は、空気過剰率λが１．０の理論
空燃比付近の狭い範囲において極端に大きくなり、λ値
１．０において最大値ＫC2（例えば、値０．９５）とな
る。λ値１．０付近の狭い範囲を前後に外れると、浄化
率ＫCAT の値は急激に小さくなり、所定値ＫC1（例え
ば、値０〜０．１）に漸近する。通常、リーン燃焼運転
時においては、空気過剰率λは値１．０よりもかなり大
きな値（例えば、値１．５）をとることが多いことか
ら、このときの浄化率ＫCAT は所定値ＫC1とみなしても
よい。

【００３７】このように、三元触媒１３ｂによるＮＯｘ
の浄化は、理論空燃比付近でのみ効力を発揮するように
なっている。このことから、マップを用いずに、空気過
剰率λの値１．０の前後の所定範囲（例えば、０．９５
≦λ≦１．０５）においては、浄化率ＫCAT を０．９５
とみなし、また、値１．０の前後の所定範囲外（例えば
λ＜０．９５、１．０５＜λ）では値０とみなして浄化
率ＫCAT の値を推定するようにしてもよい。

【００３８】ステップＳ３８では、ＥＣＵ２３は、図１
のＮＯｘ排出率算出手段３７として機能し、以上のよう
にして推定されたエンジン排出ＮＯｘ量ＱNO、ＮＯｘ触
媒１３ａのＮＯｘ吸着率ＫNOX および三元触媒１３ｂの
ＮＯｘ浄化率ＫCAT に基づいて、ＮＯｘ排出率｛（１−
ＫNOX ）×（１−ＫCAT ）｝の値を求め、このＮＯｘ排
出率の値に、前述した図１のエンジン排出ＮＯｘ量推定
手段３０によって算出したエンジン排出ＮＯｘ量ＱNOを
掛け合わせるようにして、クランク角同期信号θCR検出
毎の触媒排出ＮＯｘ量ＱNTを次式(4) から算出する。こ
れにより、大気中に放散されるＮＯｘ量が実測値に略等
しく推定される。

【００３９】 ＱNT＝ＱNO×｛（１−ＫNOX ）×（１−ＫCAT ）｝ …(4) この式は、例えば、リーン燃焼運転時のように三元触媒
１３ｂの浄化率ＫCATが所定値ＫC1に維持された状態に
おいて、ＮＯｘ触媒１３ａへのＮＯｘの吸着が進行して
ＮＯｘ吸着率ＫNOX が低下すると、全体としてのＮＯｘ
浄化能力が下落し、触媒排出ＮＯｘ量ＱNTが増加するこ
とを示している。

【００４０】以上のようにして、触媒排出ＮＯｘ量ＱNT
の推定が終了したら、図３のフローチャートに戻り、ス
テップＳ１６を実行する。ステップＳ１６では、ＥＣＵ
２３は、図１の比較器３８として機能し、上記のように
求めた触媒排出ＮＯｘ量の推定値ＱNTが、所定の閾値Ｑ
NT0 より大か否かを判別する。閾値ＱNT0 は、例えば、
法規で定められたＮＯｘ制限値を基準にして設定されて
いる。判別結果がＮｏ（否定）の場合には、大気に排出
されるＮＯｘ量が許容量以下であると判定でき、ステッ
プＳ１８に進み、リーン燃焼運転制御を行う。

【００４１】一方、ステップＳ１６の判別結果がＹｅｓ
（肯定）で、触媒排出ＮＯｘ量ＱNTが閾値ＱNT0 よりも
大きい場合には、ＮＯｘ触媒１３ａの吸着能力は飽和状
態とみなすことができ、前述したステップＳ１２に進
み、図１に示すようにリッチ燃焼運転信号を出力して、
リッチ燃焼運転制御を行う。このように、ＮＯｘ量ＱNT
が閾値ＱNT0 よりも大きくなった時点でリッチ燃焼運転
に切換えることにより、エンジン１からのＨＣの排出量
をリーン燃焼運転時よりも増加させ、ＨＣとＮＯｘとを
反応させて、ＮＯｘ触媒１３ａに吸着していたＮＯｘを
還元し、大気中に放出することができる。これにより、
ＮＯｘ触媒１３ａは再びＮＯｘを吸着可能となる。

【００４２】ステップＳ１６の判別によりステップＳ１
２のリッチ燃焼運転制御が実行され、触媒１３ａに吸着
されていたＮＯｘが還元され始めると、同時にＥＣＵ２
３のタイマカウンタが計時を開始する。リッチ燃焼運転
制御が開始された後、当該ルーチンが繰り返し実行さ
れ、図５のステップＳ２８の判別結果がＮｏ（否定）の
場合には、未だ上記計時時間がＮＯｘの還元完了とみな
せる所定時間ｔ_R （例えば、３秒間）経過していないこ
とになり、ステップＳ３０に進み、エンジン排出ＮＯｘ
量の累積値ＳＱN(i+1)を積算し続ける。このとき、触媒
排出ＮＯｘ量ＱNTは閾値ＱNT0 以下にはならないことか
ら、図３のステップＳ１６での判別結果はＹｅｓ（肯
定）を維持し、リッチ燃焼運転状態が継続され、ＮＯｘ
が充分に還元されることになる。

【００４３】リッチ燃焼運転制御の開始後、所定時間ｔ
_R （３秒間）が経過すると、ステップＳ２８の判別結果
はＹｅｓ（肯定）となり、次にステップＳ３２に進む。
ステップＳ３２は、所定時間ｔ_R （３秒間）が経過した
ことから、ＮＯｘ触媒１３ａからＮＯｘが全て還元され
たとみなして、図１の吸着率推定手段３５にリセット信
号を出力することにより、エンジン排出ＮＯｘ量の累積
値ＳＱN(i+1)をゼロにリセットするステップである。

【００４４】これにより、次のステップＳ３４において
推定されるＮＯｘ吸着率ＫNOX の値は１．０に戻ること
になり、ステップＳ３８において、式(4) により算出さ
れる触媒排出ＮＯｘ量ＱNTの推定値は一旦ゼロとなる。
当該ルーチンが繰り返し実行され、ＮＯｘ吸着率ＫNOX
が、図８のマップに示すように、累積値ＳＱN(i+1)の増
加とともに再び減少していくと（ステップＳ３４）、触
媒排出ＮＯｘ量ＱNTの推定値は、再び増加していくこと
になる（ステップＳ３８）。

【００４５】図１０は、上述のように空燃比を制御し、
エンジン１の運転状態をリーン燃焼運転からリッチ燃焼
運転に切換えることにより変動するエンジン排出ＮＯｘ
量ＱNOと触媒排出ＮＯｘ量ＱNTの時間的変化を示した概
要図である。同図において、一点鎖線で示したエンジン
排出ＮＯｘ量ＱNOと、実線で示した触媒排出ＮＯｘ量Ｑ
NTとの差（斜線部）が、すなわち排気浄化触媒装置１３
のＮＯｘ吸着量あるいは浄化量となっている。

【００４６】そして、時間ｔが経過し、排気浄化触媒装
置１３のＮＯｘ浄化量が減少し、実線で示した触媒排出
ＮＯｘ量ＱNTが所定値ＱNT0 に達すると、運転状態がリ
ーン燃焼運転（Ａ）からリッチ燃焼運転に切換わり、所
定時間ｔ_R （３秒間）に亘りリッチ燃焼運転が維持され
ることになる。これにより、ＮＯｘ触媒１３ａに吸着さ
れていたＮＯｘが全て還元され、所定時間ｔ_R （３秒
間）経過後に再びリーン燃焼運転（Ｂ）が開始されたと
きには、ＮＯｘ吸着能力は復活した状態となっている。

【００４７】以上のように、リーン燃焼運転からリッチ
燃焼運転への切換えは、触媒排出ＮＯｘ量ＱNTが所定値
ＱNT0 となったときであることから、大気中に排出され
るＮＯｘ量を常に所定値ＱNT0 以下に維持することがで
きる。また、一回のリーン燃焼運転の継続時間ｔは、同
図に示すリーン燃焼運転（Ａ）の継続時間ｔ_L1とリーン
燃焼運転（Ｂ）の継続時間ｔ_L2のように、必ずしも一致
するものとはならないため、ＮＯｘ排出量が少ない運転
状況の場合には、リッチ燃焼運転への切換え頻度を少な
くすることができ、燃費の悪化やトルク変動を極力抑え
ることができる。また、目標空燃比が異なる運転領域を
次々と変移するような運転を行っても、そのような運転
に対して本発明を支障なく適用することが可能である。

【００４８】尚、上記実施例では、ＮＯｘ触媒１３ａに
吸着されたＮＯｘを放出するためのリッチ燃焼運転制御
において、空燃比を略理論空燃比とするようにしたが、
必ずしも理論空燃比に制御しなくてもよく、ＮＯｘ触媒
１３ａをＨＣの存在の下に還元雰囲気にしてやればよ
く、空燃比を理論空燃比よりもリッチ側の値になるよう
に設定してもよい。

【００４９】また、上記実施例では、リーン燃焼運転と
リッチ燃焼運転との切換え判別を触媒排出ＮＯｘ量ＱNT
と閾値ＱNT0 とのＮＯｘ量 (g/sec)の比較によって行う
ようにしたが、これに限らず、例えば、排出ＮＯｘ濃度
(PPM)による比較であってもよい。さらに、上記実施例
においては、各種マップにより求まる推定値を使用した
が、これら推定値の代わりに、実測値を使用するように
してもよい。

【００５０】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
請求項１の空燃比制御装置によれば、内燃エンジンの排
気通路に排気浄化触媒装置を配設し、この触媒装置に、
理論空燃比より希薄な空燃比でのリーン燃焼運転時に排
気ガス中の窒素酸化物を吸着させ、吸着させた窒素酸化
物を理論空燃比または理論空燃比より濃い空燃比でのリ
ッチ燃焼運転時に還元することにより窒素酸化物の排出
量を低減させる内燃エンジンの空燃比制御装置におい
て、排気浄化触媒装置から排出される窒素酸化物の排出
量を推定する窒素酸化物排出量推定手段と、該窒素酸化
物排出量推定手段により推定された窒素酸化物の排出量
が所定値を超えたとき、内燃エンジンに供給する混合気
の空燃比を変化させてリーン燃焼運転からリッチ燃焼運
転に切換える切換手段とを備えるようにしたので、窒素
酸化物の排出量を常に所定値以下に維持することがで
き、また、この所定値に達しない限りは空燃比のリッチ
側への切換えを行わないようにできることから、リッチ
燃焼運転による燃費の悪化と、エンジンのトルク変動を
最小限に抑えることができる。

【００５１】また、請求項２の空燃比制御装置によれ
ば、エンジン排出量推定手段によって推定された窒素酸
化物の排出量と吸着率推定手段によって推定された窒素
酸化物の吸着率とに基づいて排気浄化触媒装置から排出
される窒素酸化物の排出量を推定することにより、排気
浄化触媒装置からの窒素酸化物排出量を良好かつ容易に
求めることができる。

【００５２】また、請求項３の空燃比制御装置によれ
ば、エンジン排出量推定手段によって推定された窒素酸
化物の排出量と吸着率推定手段によって推定された窒素
酸化物の吸着率と浄化率推定手段によって推定された窒
素酸化物の浄化率とに基づいて排気浄化触媒装置から排
出される窒素酸化物の排出量を推定することにより、排
気浄化触媒装置からの窒素酸化物排出量をより正確に求
めることができる。

【００５３】また、請求項４の空燃比制御装置によれ
ば、内燃エンジンから排出される窒素酸化物の排出濃度
と内燃エンジンが吸入する空気量に関連する吸入空気量
情報とに基づいて内燃エンジンから排気通路に排出され
る窒素酸化物排出量を推定することにより、内燃エンジ
ンからの窒素酸化物排出量を良好かつ容易に求めること
ができる。

【００５４】また、請求項５の空燃比制御装置によれ
ば、内燃エンジンに供給される混合気の空燃比に関する
空燃比情報に基づいて内燃エンジンから排出される窒素
酸化物の排出濃度を推定することにより、内燃エンジン
から排出される窒素酸化物排出濃度を良好かつ容易に求
めることができる。また、請求項６の空燃比制御装置に
よれば、内燃エンジンから排気通路に排出される窒素酸
化物の排出量推定値は、点火時期に応じて補正されるの
で、内燃エンジンからの窒素酸化物排出量をより正確に
求めることができる。

【００５５】また、請求項７の空燃比制御装置によれ
ば、内燃エンジンから排気通路に排出される窒素酸化物
の排出量推定値は、エンジンに還流される排気ガス量に
応じて補正されるので、内燃エンジンからの窒素酸化物
排出量をさらに正確に求めることができる。さらに、請
求項８の空燃比制御装置によれば、リーン燃焼運転を開
始してからリッチ燃焼運転に切換わるまでの間に内燃エ
ンジンから排気浄化触媒装置へ排出される窒素酸化物の
総排出量に基づいて窒素酸化物吸着率を推定するように
したので、窒素酸化物吸着率を良好かつ容易に求めるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例が適用される空燃比制御装置
の機能対応システム構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の一実施例が適用される空燃比制御装置
の概略構成図である。

【図３】図２の電子制御ユニット（ＥＣＵ）が実行する
空燃比制御ルーチンのフローチャートである。

【図４】図３に示すＮＯｘ排出量ＱNT演算サブルーチン
のフローチャートの一部である。

【図５】図４のフローチャートに続く、ＮＯｘ排出量Ｑ
NT演算サブルーチンのフローチャートの残部である。

【図６】空気過剰率λと、それに応じて設定されるエン
ジン排出ＮＯｘ濃度ＤN の関係の一例を示すグラフであ
る。

【図７】点火時期と、それに応じて設定される補正係数
ＫIgの関係の一例を示すグラフである。

【図８】エンジン排出ＮＯｘ量の累積値ＳＱN(i+1)と、
それに応じて設定されるＮＯｘ触媒の吸着率ＫNOX の関
係の一例を示すグラフである。

【図９】空気過剰率λと、それに応じて設定される三元
触媒のＮＯｘ浄化率ＫCAT の関係の一例を示すグラフで
ある。

【図１０】エンジン排出ＮＯｘ量ＱNOと触媒排出ＮＯｘ
量ＱNTの時間的変化の一例を示すグラフである。

【符号の説明】

１ エンジン ３ 燃料噴射弁 ６ エアフローセンサ １２ 空燃比センサ １３ 排気浄化触媒装置 １３ａ ＮＯｘ触媒 １３ｂ 三元触媒 １６ 点火プラグ １８ クランク角センサ ２３ 電子制御ユニット（ＥＣＵ） ３０ エンジン排出ＮＯｘ量推定手段 ３１ エンジン排出ＮＯｘ濃度推定手段 ３２ 遅角補正手段 ３３ 吸入空気量算出手段 ３５ 吸着率推定手段 ３６ 浄化率推定手段 ３７ ＮＯｘ排出率算出手段 ３８ 比較器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１ Ｂ Ｅ Ｎ 45/00 ３０１ Ｇ ３６６ Ｆ Ｆ０２Ｐ 5/15

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃エンジンの排気通路に排気浄化触媒
   装置を配設し、この触媒装置に、理論空燃比より希薄な
   空燃比でのリーン燃焼運転時に排気ガス中の窒素酸化物
   を吸着させ、吸着させた窒素酸化物を理論空燃比または
   理論空燃比より濃い空燃比でのリッチ燃焼運転時に還元
   することにより窒素酸化物の排出量を低減させる内燃エ
   ンジンの空燃比制御装置において、前記排気浄化触媒装
   置から排出される窒素酸化物の排出量を推定する窒素酸
   化物排出量推定手段と、該窒素酸化物排出量推定手段に
   より推定された窒素酸化物の排出量が所定値を超えたと
   き、内燃エンジンに供給する混合気の空燃比を変化させ
   て前記リーン燃焼運転から前記リッチ燃焼運転に切換え
   る切換手段とを備えることを特徴とする内燃エンジンの
   空燃比制御装置。
2. 【請求項２】 前記窒素酸化物排出量推定手段は、前記
   内燃エンジンから排気通路に排出される窒素酸化物の排
   出量を推定するエンジン排出量推定手段と、前記排気浄
   化触媒装置への窒素酸化物の吸着率を推定する吸着率推
   定手段とを有し、前記エンジン排出量推定手段によって
   推定された窒素酸化物の排出量と前記吸着率推定手段に
   よって推定された窒素酸化物の吸着率とに基づき前記排
   気浄化触媒装置から排出される窒素酸化物の排出量を推
   定することを特徴とする、請求項１記載の内燃エンジン
   の空燃比制御装置。
3. 【請求項３】 前記窒素酸化物排出量推定手段は、更に
   前記排気浄化触媒装置による窒素酸化物の浄化率を推定
   する浄化率推定手段を有し、前記エンジン排出量推定手
   段によって推定された窒素酸化物の排出量と前記吸着率
   推定手段によって推定された窒素酸化物の吸着率と前記
   浄化率推定手段によって推定された窒素酸化物の浄化率
   とに基づき前記排気浄化触媒装置から排出される窒素酸
   化物の排出量を推定することを特徴とする、請求項２記
   載の内燃エンジンの空燃比制御装置。
4. 【請求項４】 前記エンジン排出量推定手段は、前記内
   燃エンジンから排出される窒素酸化物の排出濃度と内燃
   エンジンが吸入する空気量に関連する吸入空気量情報と
   に基づき内燃エンジンから排気通路に排出される窒素酸
   化物排出量を推定することを特徴とする、請求項２また
   は３記載の内燃エンジンの空燃比制御装置。
5. 【請求項５】 前記エンジン排出量推定手段は、前記内
   燃エンジンから排出される窒素酸化物の排出濃度を、前
   記内燃エンジンに供給される混合気の空燃比に関する空
   燃比情報に基づき推定することを特徴とする、請求項４
   記載の内燃エンジンの空燃比制御装置。
6. 【請求項６】 前記エンジン排出量推定手段は、前記内
   燃エンジンから排気通路に排出される窒素酸化物の排出
   量推定値を点火時期に応じて補正することを特徴とす
   る、請求項４または５記載の内燃エンジンの空燃比制御
   装置。
7. 【請求項７】 前記エンジン排出量推定手段は、前記内
   燃エンジンから排気通路に排出される窒素酸化物の排出
   量推定値をエンジンに還流される排気ガス量に応じて補
   正することを特徴とする、請求項４乃至６のいずれか記
   載の内燃エンジンの空燃比制御装置。
8. 【請求項８】 前記吸着率推定手段は、前記リーン燃焼
   運転を開始してから前記リッチ燃焼運転に切換わるまで
   の間に前記内燃エンジンから前記排気浄化触媒装置へ排
   出される窒素酸化物の総排出量に基づき前記窒素酸化物
   吸着率を推定することを特徴とする、請求項２記載の内
   燃エンジンの空燃比制御装置。