JP3633295B2

JP3633295B2 - 希薄燃焼内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3633295B2
Application number: JP20630898A
Authority: JP
Inventors: 比呂志田中; 隆晟伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-07-22
Filing date: 1998-07-22
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2018-07-22
Also published as: JP2000038943A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関し、詳細には流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Ｘを吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ_Ｘを放出するＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を備えた希薄内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流入する排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）を吸収し、流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ_Ｘを放出するＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が知られている。
この種のＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を使用した排気浄化装置の例としては、例えば特許登録第２６００４９２号に記載されたものがある。上記特許の排気浄化装置は、リーン空燃比運転を行う機関の排気通路にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を配置し、機関のリーン空燃比運転中にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に排気中のＮＯ_Ｘを吸収させ、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸収量が増大したときに機関を短時間理論空燃比以下の空燃比（すなわちリッチ空燃比）で運転するリッチスパイク操作を行うことにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒から吸収したＮＯ_Ｘを放出させるとともに、放出されたＮＯ_Ｘを還元浄化している。すなわち、排気の空燃比がリッチ空燃比になると、理論空燃比より大きい空燃比（リーン空燃比）の排気に較べて排気中の酸素濃度が急激に低下するとともに、排気中の未燃ＨＣ、ＣＯ成分の量が急激に増大する。このため、リッチスパイク操作により機関運転空燃比がリッチ空燃比に切り換えられると、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比はリーン空燃比からリッチ空燃比に変化し、排気中の酸素濃度の低下によりＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＮＯ_Ｘが放出される。また、上記のようにリッチ空燃比の排気中には比較的多量の未燃ＨＣ、ＣＯ成分が含まれるため、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒から放出されたＮＯ_Ｘは排気中の未燃ＨＣ、ＣＯ成分と反応し還元される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許登録第２６００４９２号に記載の排気浄化装置によれば、機関リーン空燃比運転中に発生するＮＯ_ＸをＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸収させ、リッチスパイク操作によりＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＮＯ_Ｘを放出させ、同時に還元浄化している。
【０００４】
ところが、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比が低下（リッチ空燃比方向に変化）すると、空燃比そのものはリーンであってもＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＮＯ_Ｘが放出され、未浄化のままＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒下流側に流出する場合があることが判明している。
上記のように、排気空燃比がリーン空燃比の範囲内で変化した場合に上記ＮＯ_Ｘの自然放出（以下の説明では、リッチスパイク等によるＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からのＮＯ_Ｘの意図的な放出と区別するために、このリーン空燃比の範囲内での空燃比変化によるＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からのＮＯ_Ｘの放出を「自然放出」と呼ぶことにする。）が生じる理由は完全には明らかになっていないが、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵能力（最大ＮＯ_Ｘ吸蔵量）が空燃比によって変化することが原因と考えられている。
【０００５】
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵能力は流入する排気空燃比に影響を受け、比較的理論空燃比に近い弱リーン空燃比領域（例えば理論空燃比から空燃比２０程度の領域）ではＮＯ_Ｘ吸蔵能力が空燃比とともに低下することが判明している。図４はＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵能力（最大ＮＯ_Ｘ吸蔵量）の流入排気空燃比との関係を説明するグラフである。図４に示すように、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵能力は、空燃比２０以上の領域では空燃比にかかわらず略一定値となるが、空燃比２０以下の領域では排気空燃比が低下するにつれて（理論空燃比に近づくにつれて）低下し、理論空燃比では０になる。
【０００６】
このため、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が空燃比２０以上のリーン空燃比領域で最大ＮＯ_Ｘ吸蔵量付近までＮＯ_Ｘを吸蔵した状態から空燃比が２０以下の弱リーン空燃比領域になると吸蔵能力の低下により吸蔵したＮＯ_Ｘの全量を保持することができなくなり、実際に吸蔵しているＮＯ_Ｘ量と最大吸蔵量との差に相当する量のＮＯ_Ｘ（図４に斜線で示した量）が自然放出されるようになる。しかも、弱リーン空燃比領域では排気中のＨＣ、ＣＯ成分量は極めて少ないため放出されたＮＯ_ＸはＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒上で還元されず未浄化のままでＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒から流出することになるのである。
【０００７】
一般に希薄燃焼内燃機関は空燃比２０以上のリーン空燃比領域で運転される場合が多いが、車両機関では加速、登坂時等の機関出力が要求される場合やブレーキ操作において負圧が必要な時等にはリーン空燃比からリッチ空燃比に運転空燃比を変更する場合がある。このような場合には、急激な空燃比変化による出力トルクの急変を避けるため、機関運転空燃比はリーン空燃比から中間の弱リーン空燃比を経てリッチ空燃比に切り換えられる。このため、加速、登坂時などではＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比がリッチ側に変化する際に上記弱リーン空燃比領域を通過することになり、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からのＮＯ_Ｘの自然放出が生じる場合がある。
【０００８】
更に、機関運転空燃比が上記弱リーン空燃比領域を通過する際には機関からのＮＯ_Ｘ排出量も増加することが知られている。図５は機関の運転空燃比（機関燃焼室内の燃焼空燃比）と機関排気中のＮＯ_Ｘ濃度との関係を説明する図である。図５カーブＡに示すように機関排気中のＮＯ_Ｘ量は理論空燃比近傍では運転空燃比が上昇するにつれて増大し、空燃比で２０〜２３の領域で最大になり、その後は空燃比の増大とともに低下する傾向を示す。また、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒上流側の排気通路に三元触媒等の排気浄化触媒を有する機関では、理論空燃比よりリッチな空燃比では排気中のＮＯ_Ｘは略完全に還元されるため、この場合、排気浄化触媒下流側のＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気中のＮＯ_Ｘ濃度は図５にカーブＢで示すように、理論空燃比以下の空燃比では略０になり、理論空燃比付近で急増してカーブＡと一致するようになる。このため、機関が弱リーン空燃比領域（理論空燃比から空燃比２０程度までの領域）で運転されると、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気中のＮＯ_Ｘは機関の最大ＮＯ_Ｘ排出量付近まで増大する。一方、前述のように弱リーン空燃比領域ではＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵能力は低下するため、この領域では仮にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量が比較的少なく、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からのＮＯ_Ｘの自然放出が生じないような場合でも、弱リーン空燃比領域通過中に機関ＮＯ_Ｘ排出量が増大すると排気中のＮＯ_Ｘの全量を吸収できなくなり、排気中のＮＯ_Ｘが未浄化のままＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒から流出する場合がある。
【０００９】
本発明は上記問題に鑑み、リーン空燃比からリッチ空燃比までの領域で運転空燃比が変化する機関にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を適用する場合に、機関運転状態の変化によりＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯ_Ｘが放出されることを防止可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、必要に応じて理論空燃比よりリーンな空燃比から理論空燃比よりリッチな空燃比までの空燃比範囲で運転空燃比を変更する希薄燃焼内燃機関の排気浄化装置であって、機関排気通路に配置された、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸蔵還元触媒と、機関運転状態の変化に起因するＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＮＯ_Xの自然放出が生じることを事前に予測する予測手段と、前記予測手段によりＮＯ_X吸蔵還元触媒からの前記ＮＯ_Xの自然放出が予測されたときに、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比に調整し、前記自然放出が生じる前にＮＯ_X吸蔵還元触媒から吸収したＮＯ_Xを放出させ還元浄化するＮＯ_X放出操作を行なうＮＯ_X放出制御手段と、ＮＯ_X放出制御手段とを備え、更に、前記内燃機関は、機関吸気通路に配置されたスロットル弁と、運転者の操作するアクセル手段と、運転者による前記アクセル手段の操作に応じて前記スロットル弁開度を制御して機関運転状態を変化させるスロットル制御手段とを備え、前記予測手段は前記アクセル手段の操作に基づいて前記ＮＯ _X の自然放出が生じることを事前に予測し、前記ＮＯ _X 放出制御手段は前記ＮＯ _X の自然放出が予測されたときに、運転者による前記アクセル手段の操作後、前記スロットル制御手段によりスロットル弁開度が変更されるまでの間に前記ＮＯ _X 放出操作を行なう希薄燃焼内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１１】
すなわち、請求項１の発明では予測手段により機関運転状態の変化に起因するＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からのＮＯ_Ｘの自然放出が生じることを事前に予測されると、ＮＯ_Ｘ放出制御手段は上記ＮＯ_Ｘの自然放出が生じる前にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比に調整することにより、予めＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＮＯ_Ｘを放出させ還元浄化しておく。このため、その後機関運転状態がＮＯ_Ｘの自然放出が生じる状態になった時にはＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒はＮＯ_Ｘ吸蔵量が極めて少ない状態になっている。従って、自然放出が生じる状態になってもＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量は充分な余裕を残した状態となっておりＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からはＮＯ_Ｘが放出されない。このため、機関運転状態の変化により未浄化のＮＯ_ＸがＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒から流出することが防止される。
【００１２】
なお、本発明でいう「機関運転状態の変化」とは、例えば機関出口における排気の空燃比が変化する場合、及び機関出口における排気空燃比は変化しなくてもＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比が変化する場合の両方の場合を含むものとする。
【００１３】
更に、本発明では機関にはアクセル手段の操作に基づいてスロットル弁を制御するスロットル制御手段が設けられており、例えば電子制御スロットル弁のような構成がとられている。そして、予測手段は運転者のアクセル手段操作から運転者の要求する運転状態がＮＯ_Xの自然放出を生じるものである場合には、短時間のうちにＮＯ_X自然放出が生じると予測する。ＮＯ_X放出制御手段は、予測手段によりアクセル操作から短時間のうちにＮＯ_X自然放出が生じると予測されるとアクセル操作後、スロットル制御手段がスロットル弁開度を変更して機関運転状態が変化する前にＮＯ_X放出操作を行い、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量を減少させる。このため、実際に機関の運転状態が変化してＮＯ_Xの自然放出が生じる状態になったときには、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量は充分な余裕を残した状態となっておりＮＯ_X吸蔵還元触媒からはＮＯ_Xが放出されない。これにより、機関運転状態の変化により未浄化のＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵還元触媒から流出することが防止される。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、必要に応じて理論空燃比よりリーンな空燃比から理論空燃比よりリッチな空燃比までの空燃比範囲で運転空燃比を変更する希薄燃焼内燃機関の排気浄化装置であって、機関排気通路に配置された、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ _X を吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ _X を放出するＮＯ _X 吸蔵還元触媒と、機関運転状態の変化に起因するＮＯ _X 吸蔵還元触媒からのＮＯ _X の自然放出が生じることを事前に予測する予測手段と、前記予測手段によりＮＯ _X 吸蔵還元触媒からの前記ＮＯ _X の自然放出が予測されたときに、ＮＯ _X 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比に調整し、前記自然放出が生じる前にＮＯ _X 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯ _X を放出させ還元浄化するＮＯ _X 放出操作を行なうＮＯ _X 放出制御手段と、を備え更に、前記内燃機関は、機関吸気通路に配置されたスロットル弁と、運転者の操作するアクセル手段と、運転者による前記アクセル手段の操作に応じて前記スロットル弁開度を制御して機関運転状態を変化させるスロットル制御手段とを備え、前記予測手段は前記アクセル手段の操作に基づいて前記ＮＯ_Xの自然放出が生じることを事前に予測し、前記ＮＯ_X放出制御手段は、前記ＮＯ_Xの自然放出が予測されたときに前記ＮＯ_X放出操作が完了するまで前記スロットル制御手段による前記スロットル弁開度の変更を禁止する希薄燃焼内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１５】
すなわち、請求項２の発明では機関にはアクセル手段の操作に基づいてスロットル弁を制御するスロットル制御手段が設けられており、例えば電子制御スロットル弁のような構成がとられている。そして、予測手段は運転者のアクセル手段操作から運転者の要求する運転状態がＮＯ_Xの自然放出を生じるものである場合には、短時間のうちにＮＯ_X自然放出が生じると予測する。ＮＯ_X放出制御手段は、予測手段により短時間のうちにＮＯ_X自然放出が生じると予測されるとアクセル操作後、直ちにＮＯ_X放出操作を行いＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量を低減するとともに、ＮＯ_X放出操作が完了するまでスロットル制御手段によるスロットル弁開度変更を禁止する。このため、スロットル制御手段がスロットル弁開度を変更して実際に機関運転状態が自然放出が生じる状態になったときには、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量は充分な余裕を残した状態となっておりＮＯ_X吸蔵還元触媒からはＮＯ_Xが放出されない。このため、機関運転状態の変化により未浄化のＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵還元触媒から流出することが防止される。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、前記予測手段は、機関の加速が予測されるときに前記ＮＯ_Xの自然放出が生じると判断する請求項１または２に記載の希薄燃焼内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項３の発明では予測手段は、機関の加速が予測されるときに、短時間のうちにＮＯ_Xの自然放出が生じると判断する。機関加速時には機関運転空燃比はリーン空燃比からリッチ空燃比に変更され、空燃比が低下する。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵能力低下により自然放出が生じる可能性が高い。従って、機関加速に基づいてＮＯ_Xの自然放出を予測することにより適切なＮＯ_X放出操作を行なうことが可能となる。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、前記ＮＯ_X放出制御手段は、前記機関をリッチ空燃比で運転することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比に調整する請求項１または２に記載の希薄燃焼内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項４の発明では、ＮＯ_X放出操作は機関運転空燃比をリッチ空燃比にすることにより行なわれる。ＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＮＯ_Xの放出、還元浄化は短時間で終了するため、ＮＯ_X放出操作時には機関運転空燃比は短時間だけリッチ空燃比に変更される。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、前記ＮＯ_X放出制御手段は、前記機関に機関燃焼室内の燃焼に寄与しない燃料を供給することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比に調整する請求項１または２に記載の希薄燃焼内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項５の発明では、ＮＯ_X放出操作は機関に燃焼に寄与しない燃料を供給することにより行なわれる。例えば、気筒内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁から気筒の膨張または排気行程中に直接燃焼室内燃料を噴射する二次燃料噴射を実行した場合や、機関の排気ポートに排気ポート燃料噴射弁を設けて排気ポート燃料噴射を実行した場合には、噴射された燃料は燃焼室内で燃焼することなく気化して排気に未燃燃料（未燃炭化水素）として混合する。このため、本発明では、燃焼に寄与しない燃料を機関に供給することにより、機関運転空燃比（燃焼室内の燃焼空燃比）とは独立して排気空燃比がリッチ空燃比に調整され、トルク変動が防止される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の実施形態の概略構成を示す図である。
図１において、１は自動車用内燃機関を示す。本実施形態では、機関１は＃１から＃４の４つの気筒を備えた４気筒ガソリン機関とされ、＃１から＃４気筒には直接気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁１１１から１１４が設けられている。後述するように、本実施形態の内燃機関１は、理論空燃比より高い（リーンな）空燃比で運転可能なリーンバーンエンジンとされている。
【００２０】
また、本実施形態では＃１から＃４の気筒は互いに点火時期が連続しない２つの気筒からなる２つの気筒群にグループ分けされている。（例えば、図１の実施形態では、気筒点火順序は１−３−４−２であり、＃１、＃４の気筒と＃２、＃３の気筒とがそれぞれ気筒群を構成している。）また、各気筒の排気ポートは気筒群毎に排気マニホルドに接続され、気筒群毎の排気通路に接続されている。図１において、２１ａは＃１、＃４気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路２ａに接続する排気マニホルド、２１ｂは＃２、＃４気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路２ｂに接続する排気マニホルドである。本実施形態では、個別排気通路２ａ、２ｂ上には三元触媒からなるスタートキャタリスト（以下「ＳＣ」と呼ぶ）５ａと５ｂがそれぞれ配置されている。また、個別排気通路２ａ、２ｂはＳＣ下流側で共通の排気通路２に合流している。
【００２１】
共通排気通路２上には、後述するＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７が配置されている。図１に２９ａ、２９ｂで示すのは、個別排気通路２ａ、２ｂのスタートキャタリスト５ａ、５ｂ上流側に配置された空燃比センサ、３１で示すのは、排気通路２のＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７出口に配置された空燃比センサである。空燃比センサ２９ａ、２９ｂ及び３１は、広い空燃比範囲で排気空燃比に対応する電圧信号を出力する、いわゆるリニア空燃比センサとされている。
【００２２】
図１において、機関の１の気筒＃１から＃４の吸気ポートはそれぞれの吸気枝管１１〜１４を介してサージタンク１０ａに接続されており、サージタンクは共通の吸気通路１０に接続されている。更に、本実施形態では吸気通路１０上にはスロットル弁１５が設けられている。本実施形態のスロットル弁１５はいわゆる電子制御スロットル弁とされており、ステッパモータ等の適宜な形式のアクチュエータ１５ａにより駆動され後述するＥＣＵ３０からの制御信号に応じた開度をとる。
【００２３】
図１に３０で示すのは機関１の電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。ＥＣＵ３０は、本実施形態ではＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵを備えた公知の構成のマイクロコンピュータとされ、機関１の点火時期制御や燃料噴射制御等の基本制御を行なっている。また、本実施形態では、ＥＣＵ３０は上記の基本制御を行う他に、後述するように機関運転状態に応じて筒内噴射弁１１１から１１４の燃料噴射モードを変更し機関の運転空燃比を変更する制御等を行なう他、ＮＯ_Ｘの自然放出が予期される場合に、ＮＯ_Ｘ放出操作を行い、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒下流に未浄化のＮＯ_Ｘが流出することを防止している。
【００２４】
ＥＣＵ３０の入力ポートには、空燃比センサ２９ａ、２９ｂからスタートキャタリスト５ａ、５ｂ入口における排気空燃比を表す信号と、空燃比センサ３１からＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７出口における排気空燃比を表す信号が、また、図示しない機関吸気マニホルドに設けられた吸気圧センサ３３から機関の吸気圧力に対応する信号がそれぞれ入力されている他、機関クランク軸（図示せず）近傍に配置された回転数センサ３５から機関回転数に対応する信号が入力されている。更に、本実施形態では、ＥＣＵ３０の入力ポートには機関１のアクセルペダル（図示せず）近傍に配置したアクセル開度センサ３７から運転者のアクセルペダル踏込み量（アクセル開度）を表す信号が入力されている。また、ＥＣＵ３０の出力ポートは、各気筒への燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御するために、図示しない燃料噴射回路を介して各気筒の燃料噴射弁１１１から１１４に接続されている他、スロットル弁１５のアクチュエータ１５ｂに図示しない駆動回路を介して接続されスロットル弁１５の開度を制御している。
【００２５】
本実施形態では、ＥＣＵ３０は機関１を機関の運転状態に応じて以下の５つの燃焼モードで運転する。
▲１▼ リーン空燃比成層燃焼（圧縮行程１回噴射）
▲２▼ リーン空燃比均質混合気／成層燃焼（吸気行程／圧縮行程２回噴射）
▲３▼ リーン空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射）
▲４▼ 理論空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射）
▲５▼ リッチ空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射）
すなわち、機関１の軽負荷運転領域では、上記▲１▼のリーン空燃比成層燃焼が行なわれる。この状態では、筒内燃料噴射は各気筒の圧縮行程後半に１回のみ行なわれ噴射された燃料は気筒点火プラグ近傍に可燃混合気の層を形成する。また、この運転状態での燃料噴射量は極めて少なく、気筒内の全体としての空燃比は２５から３０程度になる。
【００２６】
また、上記▲１▼の状態から負荷が増大して低負荷運転領域になると、上記▲２▼リーン空燃比均質混合気／成層燃焼が行なわれる。機関負荷が増大するにつれて気筒内に噴射する燃料は増量されるが、上記▲１▼の成層燃焼では燃料噴射を圧縮行程後半に行なうため、噴射時間が限られてしまい成層させることのできる燃料量には限界がある。そこで、この負荷領域では圧縮行程後半の燃料噴射だけでは不足する燃料の量を予め吸気行程前半に噴射することにより目標量の燃料を気筒に供給するようにしている。吸気行程前半に気筒内に噴射された燃料は着火時までに極めてリーンな均質混合気を生成する。圧縮行程後半ではこの極めてリーンな均質混合気中に更に燃料が噴射され点火プラグ近傍に着火可能な可燃混合気の層が生成される。着火時にはこの可燃混合気層が燃焼を開始し周囲の希薄な混合気層に火炎が伝播するため安定した燃焼が行なわれるようになる。この状態では吸気行程と圧縮行程での噴射により供給される燃料量は▲１▼より増量されるが、全体としての空燃比はやや低いリーン（例えば空燃比で２０から３０程度）になる。
【００２７】
更に機関負荷が増大すると、機関１では上記▲３▼のリーン空燃比均質混合気燃焼が行なわれる。この状態では燃料噴射は吸気行程前半に１回のみ実行され、燃料噴射量は上記▲２▼より更に増量される。この状態で気筒内に生成される均質混合気は理論空燃比に比較的近いリーン空燃比（例えば空燃比で１５から２５程度）となる。
【００２８】
更に機関負荷が増大して機関高負荷運転領域になると、▲３▼の状態から更に燃料が増量され、上記▲４▼の理論空燃比均質混合気運転が行なわれる。この状態では、気筒内には理論空燃比の均質な混合気が生成されるようになり、機関出力が増大する。また、更に機関負荷が増大して機関の全負荷運転になると、▲４▼の状態から燃料噴射量が更に増量され▲５▼のリッチ空燃比均質混合気運転が行なわれる。この状態では、気筒内に生成される均質混合気の空燃比はリッチ（例えば空燃比で１２から１４程度）になる。
【００２９】
本実施形態では、アクセル開度（運転者のアクセルペダル踏込み量）と機関回転数とに応じて予め実験等に基づいて最適な運転モード（上記▲１▼から▲５▼）が設定されており、ＥＣＵ３０のＲＯＭにアクセル開度と機関回転数とを用いたマップとして格納してある。機関１運転中、ＥＣＵ３０はアクセル開度センサ３７で検出したアクセル開度と機関回転数とに基づいて、現在上記▲１▼から▲５▼のいずれの運転モードを選択すべきかを決定し、それぞれのモードに応じて燃料噴射量、燃料噴射時期、回数及びスロットル弁開度を決定する。
【００３０】
また、モード▲４▼（理論空燃比均質混合気燃焼）が選択された場合には、ＥＣＵ３０は更に上記により算出した燃料噴射量を、機関排気空燃比が理論空燃比となるように空燃比センサ２９ａ、２９ｂの出力に基づいてフィードバック補正する空燃比制御を行なう。
すなわち、上記▲１▼から▲３▼のモード（リーン空燃比燃焼）が選択された場合には、ＥＣＵ３０は上記▲１▼から▲３▼のモード毎に予め準備されたマップに基づいて、アクセル開度と機関回転数とから燃料噴射量を決定する。又、上記▲４▼と▲５▼のモード（理論空燃比またはリッチ空燃比均質混合気燃焼）が選択された場合には、ＥＣＵ３０は上記▲４▼と▲５▼のモード毎に予め準備されたマップに基づいて、吸気圧センサ３３で検出された吸気圧力と機関回転数とに基づいて燃料噴射量を設定する。
【００３１】
また、スロットル弁１５開度はモード▲１▼から▲３▼では全開に近い領域でアクセル開度に応じて制御される。この領域ではアクセル開度が低下するとスロットル弁開度も低減されるが、スロットル弁全開に近い領域であるためスロットル弁開度が変化しても吸気圧力は略一定になり、ほとんど吸気絞りは生じない。
一方モード▲４▼、▲５▼ではスロットル弁開度はアクセル開度に略等しい開度に制御される。すなわち、アクセル開度（アクセルペダル踏込み量）が０のときにはスロットル開度も０に、アクセル開度が１００パーセント（アクセルペダルがいっぱいに踏み込まれたとき）にはスロットル開度も１００パーセント（全開）にセットされる。
【００３２】
上述のように、本実施形態の機関１では機関負荷が増大するにつれて燃料噴射量が増量され、燃料噴射量に応じて運転モードが変更されるとともにスロットル開度が変更される。
次に、本実施形態のスタートキャタリスト５ａ、５ｂ及びＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒について説明する。
【００３３】
スタートキャタリスト（ＳＣ）５ａ、５ｂは、ハニカム状に成形したコージェライト等の担体を用いて、この担体表面にアルミナの薄いコーティングを形成し、このアルミナ層に白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の貴金属触媒成分を担持させた三元触媒として構成される。三元触媒は理論空燃比近傍でＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_Ｘの３成分を高効率で浄化する。三元触媒は、流入する排気の空燃比が理論空燃比より高くなるとＮＯ_Ｘの還元能力が低下するため、機関１がリーン空燃比運転されているときの排気中のＮＯ_Ｘを充分に浄化することはできない。
【００３４】
本実施形態のＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７は、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、セリウムＣｅ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つの成分と、白金Ｐｔのような貴金属とを担持したものである。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに、排気中のＮＯ_Ｘ（ＮＯ_２、ＮＯ）を硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形で吸収し、流入排気ガスがリッチになると吸収したＮＯ_Ｘを放出するＮＯ_Ｘの吸放出作用を行う。
【００３５】
この吸放出のメカニズムについて、以下に白金ＰｔおよびバリウムＢａを使用した場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
流入排気中の酸素濃度が増大すると（すなわち排気の空燃比がリーン空燃比になると）、これら酸素は白金Ｐｔ上にＯ_２ ⁻またはＯ^２−の形で付着し、排気中のＮＯ_Ｘは白金Ｐｔ上のＯ_２ ⁻またはＯ^２−と反応し、これによりＮＯ_２が生成される。また、流入排気中のＮＯ_２及び上記により生成したＮＯ_２は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ吸収剤中に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形で吸収剤内に拡散する。このため、リーン雰囲気下では排気中のＮＯ_ＸがＮＯ_Ｘ吸収剤内に硝酸塩の形で吸収されるようになる。
【００３６】
また、流入排気中の酸素濃度が大幅に低下すると（すなわち、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になると）、白金Ｐｔ上でのＮＯ_２生成量が減少するため、反応が逆方向に進むようになり、吸収剤内の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻はＮＯ_２の形で吸収剤から放出されるようになる。この場合、排気中にＣＯ等の還元成分やＨＣ、ＣＯ_２等の成分が存在すると白金Ｐｔ上でこれらの成分によりＮＯ_２が還元される。
【００３７】
本実施形態では、リーン空燃比運転可能な機関１が使用されており、機関１がリーン空燃比で運転されているときには、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は流入する排気中のＮＯ_Ｘを吸収する。また、機関１がリッチ空燃比で運転されると、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７は吸収したＮＯ_Ｘを放出、還元浄化する。本実施形態では、リーン空燃比運転中にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯ_Ｘ量が増大すると、短時間機関空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク運転を行い、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からのＮＯ_Ｘの放出と還元浄化（ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の再生）を行なうようにしている。
【００３８】
本実施形態では、ＥＣＵ３０はＮＯ_ＸカウンタＣＮＯＸの値を増減することによりＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７が吸収保持しているＮＯ_Ｘ量を推定する。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７に単位時間当たりに吸収されるＮＯ_Ｘの量はＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に単位時間当たりに流入する排気中のＮＯ_Ｘ量、すなわち機関１で単位時間当たりに生成されるＮＯ_Ｘ量に比例している。一方、機関で単位時間当たりに発生するＮＯ_Ｘの量は機関への燃料供給量、空燃比、排気流量等によって定まるため、機関運転条件が定まればＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸収されるＮＯ_Ｘ量を知ることができる。本実施形態では、予め機関運転条件（アクセル開度、機関回転数、吸入空気量、吸気圧力、空燃比、燃料供給量など）を変えて機関が単位時間当たりに発生するＮＯ_Ｘ量を実測し、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７に単位時間当たりに吸収されるＮＯ_Ｘ量を、例えば機関負荷（燃料噴射量）と機関回転数とを用いた数値マップの形でＥＣＵ３０のＲＯＭに格納している。ＥＣＵ３０は一定時間毎（上記の単位時間毎）に機関負荷（燃料噴射量）と機関回転数とからこのマップを用いて単位時間当たりにＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯ_Ｘ量を算出し、ＮＯ_ＸカウンタＣＮＯＸの値をこのＮＯ_Ｘ吸収量だけ増大させる。これによりＮＯ_ＸカウンタＣＮＯＸの値は常にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯ_Ｘの量を表すようになる。ＥＣＵ３０は、機関のリーン空燃比運転中に、上記ＮＯ_ＸカウンタＣＮＯＸの値が所定値以上に増大したときに、短時間（例えば０．５から１秒程度）機関を前述の▲４▼または▲５▼のモード（理論空燃比またはリッチ空燃比均質混合気燃焼）で運転するリッチスパイク操作を行なう。これにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒から吸収したＮＯ_Ｘが放出され、還元浄化される。なお、リッチスパイクで排気空燃比をリッチに保持する時間は詳細にはＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の種類、容量などに基づいて実験等により決定される。また、リッチスパイクを実行してＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＮＯ_Ｘが放出、還元浄化された後はＮＯ_ＸカウンタＣＮＯＸの値は０にリセットされる。このように、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７のＮＯ_Ｘ吸収量に応じてリッチスパイクを行なうことにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７は適切に再生され、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が吸収したＮＯ_Ｘで飽和することが防止される。
【００３９】
ところが、本実施形態のように広い空燃比範囲で運転される機関では、例えば空燃比２０以上のリーン空燃比（モード▲１▼、▲２▼）から加速を行なうような場合には、機関負荷の増大により運転空燃比はリーン空燃比から弱リーン空燃比またはリッチ空燃比に切り換えられることになる。加速時に機関運転空燃比がリーン空燃比（モード▲１▼、▲２▼）から弱リーン空燃比（モード▲３▼）に切り換えられると前述のようにＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵能力が低下してＮＯ_Ｘの自然放出が生じる。また、急加速時等で空燃比をリーン空燃比（モード▲１▼、▲２▼）からリッチ空燃比（モード▲３▼または▲４▼）に切り換える際にも、空燃比の急激な変化によるトルク急変を避けるため、機関は数回転程度の時間をかけてモード▲１▼（リーン空燃比成層燃焼（圧縮行程１回噴射））からモード▲２▼（リーン空燃比均質混合気／成層燃焼（吸気行程／圧縮行程２回噴射）とモード▲３▼（リーン空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射））の運転モードを経てから▲５▼（リッチ空燃比均質混合気燃焼（吸気行程１回噴射））に移行するようされる。このため、機関加速時には機関運転空燃比がリッチ方向に変化する際に必ずＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の吸蔵能力が低下する弱リーン空燃比領域（空燃比で２０以下）を通過することになる。この領域では、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_Ｘのうち、最大吸蔵量を越えた分のＮＯ_ＸがＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒から自然放出されることになるが、排気空燃比がリーンであるため放出されたＮＯ_Ｘは還元されず、未浄化のままでＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒下流側に流出する場合が生じる。更に、図５で説明したように、弱リーン空燃比領域では機関から排出されるＮＯ_Ｘ量も増大するため、機関運転空燃比がリーン空燃比から弱リーン空燃比に変更されると、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒から放出されたＮＯ_Ｘのみならず機関から排出されたＮＯ_Ｘも未浄化のままＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒下流側に流出するおそれがある。
【００４０】
そこで、以下に説明する実施形態では、機関加速等により空燃比が上記弱リーン空燃比領域を通過、または弱リーン空燃比領域内で運転空燃比がリッチ方向に変化するおそれがある場合には、実際に機関運転空燃比が弱リーン空燃比領域に入ってＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からのＮＯ_Ｘの自然放出が生じる前に、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比に調整して強制的にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＮＯ_Ｘを放出させ還元浄化するようにしている。このように、予めＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒から吸収したＮＯ_Ｘのほぼ全量を放出させ、還元浄化しておくことにより、その後機関運転空燃比が実際に弱リーン空燃比領域になったときにはＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒には自然放出されるべきＮＯ_Ｘは吸蔵されていない状態になる。このため、弱リーン空燃比領域通過中にもＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からのＮＯ_Ｘの自然放出が生じない。また、ＮＯ_Ｘ吸蔵量がほぼ０まで減少した状態では弱リーン空燃比領域においてもＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の吸蔵能力には充分な余裕が生じる。このため、弱リーン空燃比領域において機関から比較的多量のＮＯ_Ｘが排出された場合でも、排出されたＮＯ_Ｘの全量がＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸収されるようになり未浄化のＮＯ_ＸがＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒下流に流出する事態が防止される。
【００４１】
以下、上記ＮＯ_Ｘの自然放出防止のためのＮＯ_Ｘ放出制御操作の実施形態について説明する。
（１）第１の実施形態
本実施形態では、ＥＣＵ３０はアクセル開度の増加率に基づいて運転者が加速を要求していることを判別する。運転者の加速要求があった場合には短時間のうちに加速が実行され空燃比がリッチ方向に変化することになる。しかし、実際には本実施形態のような電子制御スロットル弁ではアクセル開度の変化により直ちにスロットル弁開度が変化するわけではなく、アクセル開度の変化からスロットル弁開度が実際に変化を開始するするまでにはわずかな遅れ時間Ｔ_ｄが生じる。
【００４２】
すなわち、アクセル開度が変化するとＥＣＵ３０はアクセル開度に応じて目標スロットル弁開度を演算し、スロットル弁１５のアクチュエータ１５ｂに制御信号を出力してスロットル弁１５を駆動する。このため、アクセル開度の変化から実際にスロットル弁が動作するまでには、スロットル開度の演算に要する時間と制御信号が入力してからアクチュエータ１５ｂが動作を開始するまでの時間、更にはスロットル弁機構の各部分の摩擦等による反力に打ち勝つまでアクチュエータ１５ｂのトルクが増大するのに要する時間等の時間が必要となり、これらの時間の合計が遅れ時間Ｔ_ｄとなる。通常Ｔ_ｄは数十ミリ秒から２００ミリ秒程度までの時間となる。本実施形態では、アクセル開度が変化を開始してから上記遅れ時間Ｔ_ｄが経過するまでの間全気筒に同時に所定量の燃料を噴射する。この燃料噴射は各気筒の行程とは無関係に行なわれる非同期燃料噴射となる。また、この非同期燃料噴射における燃料噴射量は、各気筒からの排気空燃比が理論空燃比よりリッチ側になるように設定される。これにより、機関の一部の気筒では気筒の吸気または圧縮行程中にに非同期燃料噴射による燃料が供給される。この場合には、燃焼室内の燃焼空燃比がリッチ空燃比となり、リッチ空燃比の排気が気筒から排出される。また、他の気筒では気筒の膨張または排気行程中に非同期燃料噴射による燃料が供給される。この場合には非同期燃料噴射は二次燃料噴射となるため、噴射された燃料は燃焼に寄与しないまま排気通路に排出され燃焼室内の燃焼空燃比は非同期燃料噴射により影響を受けない。このため、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒には未燃炭化水素を多量に含むリッチ空燃比の排気が到達することになり、短時間でＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＮＯ_Ｘが放出され還元浄化される。従って、遅れ時間Ｔ_ｄが経過して実際にスロットル弁開度が変化を開始したときにはＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からほぼ全量のＮＯ_Ｘが放出されておりスロットル開度変化によりＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比が弱リーン空燃比領域になった場合でもＮＯ_Ｘの自然放出が生じない。また、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒はほぼ吸蔵量ゼロの状態になっているため、弱リーン空燃比領域で機関から排出されるＮＯ_ＸはＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸収され下流側に流出しない。
【００４３】
図２は、上記ＮＯ_Ｘ放出制御操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行なわれる。
図２の操作がスタートすると、ステップ２０１では前回ルーチン実行時からのアクセル開度の変化ΔＡＣＣＰが所定値αより大きいか否かが判定される。ΔＡＣＣＰ≦αであった場合にはアクセルペダル踏込み量は大きく増加しておらず、現在運転者により加速は要求されていないと考えられるため、本操作はステップ２１５で後述する計時カウンタＣＴの値を０にセットした後直ちに終了する。一方、ΔＡＣＣＰ＞αであった場合には、運転者によりアクセルペダルがある速度以上で踏み込まれたことになり、運転者が加速を要求していると判断される。このため、ＮＯ_Ｘ放出操作を行なう必要がある可能性があるため、次にステップ２０３に進み現在ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯ_Ｘ量を表すＮＯ_ＸカウンタＣＮＯＸの値が所定値βを越えているか否かを判定する。βは実用上ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量がほぼゼロと考えることができるＣＮＯＸの値である。ＣＮＯＸ≦βであった場合にはＮＯ_Ｘ放出操作を行なう必要がないため、本操作はステップ２１５を実行して直ちに終了する。
【００４４】
また、ステップ２０３でＣＮＯＸ＞βであった場合には、次にステップ２０５で現在ＮＯ_Ｘ放出操作を実行可能な条件が満足されているか否かが実行許可フラグＸＡＲＥＡの値に基づいて判定される。例えば、機関がアイドル運転されているような場合には非同期噴射を行なうと機関回転数が大幅に変動する可能性がある。ＥＣＵ３０は別途実行されるルーチンにより、例えば機関がアイドル運転中である場合には実行許可フラグＸＡＲＥＡの値を０にセットしてＮＯ_Ｘ放出操作実行を禁止する。従って、ステップ２０５でＸＡＲＥＡ≠１であった場合には本操作はステップ２１５実行後直ちに終了する。一方、ステップ２０５でＸＡＲＥＡ＝１であった場合、すなわち現在ＮＯ_Ｘ放出操作実行可能であった場合には、ステップ２０７から２１３のＮＯ_Ｘ放出操作が実行される。
【００４５】
すなわち、ステップ２０７では計時カウンタＣＴの値が所定値ＣＴ_ｄより小さいか否かが判定され、ＣＴ＜ＣＴ_ｄの場合にはステップ２０９でＮＯ_Ｘ放出操作のための燃料噴射量が演算され、直ちにステップ２１１で全気筒に算出された量の燃料の非同期噴射を実行する。そして、非同期噴射実行後ステップ２１３で計時カウンタＣＴの値を１だけ増大させて本操作は終了する。
【００４６】
計時カウンタＣＴはステップ２０１でΔＡＣＣＰ≦αの場合には常にステップ２１５で０にリセットされるため、ステップ２１３におけるＣＴの値は、ステップ２０１でΔＡＣＣＰ＞αとなってからの操作実行回数を表すこととなる。また、本操作は一定時間間隔で実行されるため、カウンタＣＴの値は加速要求があってから（ΔＡＣＣＰ＞αになってから）の経過時間に対応することになる。従って、本実施形態では加速要求があってから所定値ＣＴ_ｄが経過するまで操作実行毎に非同期噴射が実行されるようになる。なお、ＣＴ_ｄは、前述のスロットル弁開度が変化を始めるまでの遅れ時間Ｔ_ｄに対応する値に設定される。すなわち、図２の操作を実行することにより、運転者の加速要求が検出されてから、加速要求に応じてスロットル弁開度が変化を始めるまでの間にＮＯ_Ｘ放出操作が行なわれることになり、スロットル開度変化により機関運転状態が変化してＮＯ_Ｘの自然放出が生じる状態になるまでにＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_Ｘのほぼ全量が放出され、還元浄化されるようになる。このため、本実施形態によれば機関運転状態の変化によりＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒下流に未浄化のＮＯ_Ｘが流出する事態が防止される。
【００４７】
（２）第２の実施形態
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。上記第１の実施形態では運転者の加速要求があってからスロットル弁開度が変化を開始するまでの遅れ時間中にＮＯ_Ｘ放出操作を行なっていたが、本実施形態では運転者の加速要求が検出された場合には、まずＮＯ_Ｘ放出操作を実行し、放出操作が完了した後にスロットル弁開度の変更を許可するようにした点が第１の実施形態と相違している。これにより、ＮＯ_Ｘ放出操作が実行された後でなければ機関運転状態の変化が生じないため、運転状態変化時には確実にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量をほぼゼロにしておくことが可能となる。
【００４８】
図３は、上記ＮＯ_Ｘ放出制御操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンにより行なわれる。
図３の操作がスタートすると、ステップ３０１では運転者の加速要求があるか否か、ステップ３０３では現在のＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量が所定値β以上か否か、ステップ３０５では現在ＮＯ_Ｘ放出操作を実行可能か否かが判定される。ステップ３０１からステップ３０５は、図２ステップ２０１から２０５とそれぞれ同一の操作である。
【００４９】
ステップ３０１から３０５のいずれか一つ以上の条件が成立しなかった場合には、ステップ３１５で後述するフラグＸＩＮＪの値が０にリセットされ、本操作はステップ３１７でスロットル弁開度制御操作を実行後終了する。ステップ３１７ではＥＣＵ３０はアクセル開度に基づいて、予め定めた関係から、スロットル弁１５の目標開度を算出するとともに、アクチュエータ１５ｂを駆動してスロットル弁１５開度を目標開度に制御する。
【００５０】
また、ステップ３０１から３０５の全部の条件が成立した場合にはステップ３０７でフラグＸＩＮＪの値が１にセットされているか否かが判定され、ＸＩＮＪ＝１の場合にはステップ３１７が実行される。
また、ステップ３０７でＸＩＮＪ≠１の場合には次にステップ３０９でＮＯ_Ｘ放出操作のための燃料噴射量が算出され、その後直ちにステップ３１１で全気筒の非同期燃料噴射が実行される。ステップ３０９とステップ３１１は、図２ステップ２０９、２１１とそれぞれ同一の操作である。上記により非同期噴射が終了すると、ステップ３１３では前述のフラグＸＩＮＪの値が１にセットされ、今回の操作は終了する。
【００５１】
本実施形態では、加速要求が検出されない場合（ステップ３０１でΔＡＣＣＰ≦αの場合）には、フラグＸＩＮＪの値は常にステップ３１５で０にリセットされる。このため、最初に加速要求（ステップ３０１でΔＡＣＣＰ＞α）が検出された場合にはステップ３０７ではＸＩＮＪ＝０であるためステップ３０９とステップ３１１の非同期燃料噴射が実行され、この非同期燃料噴射が実行されるまでステップ３１７のスロットル弁開度制御は実行されない。また、加速要求検出後１回非同期燃料噴射が実行されるとステップ３１３ではフラグＸＩＮＪの値は１にセットされるため、次回の操作からはステップ３０７の後に直ちにステップ３１７が実行されるようになりスロットル弁開度制御が実行されるようになる。
【００５２】
すなわち、本実施形態では運転者の加速要求があると、まず全気筒に１回非同期燃料噴射を実行し（ステップ３０９から３１３）てＮＯ_Ｘ放出操作を行い、ＮＯ_Ｘ放出操作が完了した後に初めてスロットル開度制御操作を開始する（ステップ３１３）ようにしている。これにより、機関運転状態が変化したときには確実にＮＯ_Ｘ放出操作が完了しているため、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒下流側に未浄化のＮＯ_Ｘが流出することが確実に防止される。
【００５３】
なお、上記第１と第２の実施形態ではＮＯ_Ｘ放出操作時に非同期燃料噴射を行い一部の気筒の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチ側にするとともに、他の気筒には燃焼に寄与しない燃料を供給している。このため、全部の気筒の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチ側にする場合にくらべて機関全体として出力トルクの増大は小さくなり、トルクショックが生じることが防止される。
【００５４】
また、排気ポート燃料噴射弁を備える機関では、図２、図３の非同期燃料噴射に代えて排気ポート燃料噴射を実行するようにしても良い。この場合、排気ポートに噴射された燃料は燃焼に寄与しないため、全気筒で機関燃焼空燃比は影響を受けず出力トルクの変動が完全に防止される。
また、図２ステップ２０９及び図３ステップ３０９におけるＮＯ_Ｘ放出操作のための燃料噴射量は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比が充分なリッチ空燃比になるような一定値としても良いが、機関運転状態に応じて算出するようにしても良い。
【００５５】
例えば、機関運転空燃比が比較的低い場合にはＮＯ_Ｘ放出操作のための燃料噴射量は比較的少なくても排気空燃比を充分にリッチにすることができる。このため、ＮＯ_Ｘ放出操作のための燃料噴射量は機関運転空燃比に応じて設定するようにしても良い。
また、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に多量のＮＯ_Ｘが吸蔵されているような場合には、ＮＯ_Ｘ放出操作により放出されたＮＯ_Ｘを浄化するために多量のＨＣ（炭化水素）が必要とされる。このため、ＮＯ_Ｘ放出操作のための燃料噴射量はＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量（ＮＯ_ＸカウンタＣＮＯＸの値）に応じて設定するようにしても良い。
【００５６】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、理論空燃比からリーン空燃比までの領域で運転空燃比が変化する機関にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を適用する場合に、機関運転状態の変化によりＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯ_Ｘが放出されることが防止可能となる共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】本発明のＮＯ_Ｘ放出制御操作の一実施形態を説明するフローチャートである。
【図３】本発明のＮＯ_Ｘ放出制御操作の別の実施形態を説明するフローチャートである。
【図４】ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵能力の空燃比による変化傾向を説明する図である。
【図５】内燃機関のＮＯ_Ｘ排出量の運転空燃比による変化傾向を説明する図である。
【符号の説明】
１…内燃機関
２…排気通路
７…ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒
１５…スロットル弁
２９ａ、２９ｂ、３１…空燃比センサ
３０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３７…アクセル開度センサ

Claims

必要に応じて理論空燃比よりリーンな空燃比から理論空燃比よりリッチな空燃比までの空燃比範囲で運転空燃比を変更する希薄燃焼内燃機関の排気浄化装置であって、
機関排気通路に配置された、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸蔵還元触媒と、
機関運転状態の変化に起因するＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＮＯ_Xの自然放出が生じることを事前に予測する予測手段と、
前記予測手段によりＮＯ_X吸蔵還元触媒からの前記ＮＯ_Xの自然放出が予測されたときに、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比に調整し、前記自然放出が生じる前にＮＯ_X吸蔵還元触媒から吸収したＮＯ_Xを放出させ還元浄化するＮＯ_X放出操作を行なうＮＯ_X放出制御手段と、
を備え、更に、
前記内燃機関は、機関吸気通路に配置されたスロットル弁と、運転者の操作するアクセル手段と、運転者による前記アクセル手段の操作に応じて前記スロットル弁開度を制御して機関運転状態を変化させるスロットル制御手段とを備え、
前記予測手段は前記アクセル手段の操作に基づいて前記ＮＯ _X の自然放出が生じることを事前に予測し、
前記ＮＯ _X 放出制御手段は前記ＮＯ _X の自然放出が予測されたときに、運転者による前記アクセル手段の操作後、前記スロットル制御手段によりスロットル弁開度が変更されるまでの間に前記ＮＯ _X 放出操作を行なう希薄燃焼内燃機関の排気浄化装置。
必要に応じて理論空燃比よりリーンな空燃比から理論空燃比よりリッチな空燃比までの空燃比範囲で運転空燃比を変更する希薄燃焼内燃機関の排気浄化装置であって、
機関排気通路に配置された、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ _X を吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ _X を放出するＮＯ _X 吸蔵還元触媒と、
機関運転状態の変化に起因するＮＯ _X 吸蔵還元触媒からのＮＯ _X の自然放出が生じることを事前に予測する予測手段と、
前記予測手段によりＮＯ _X 吸蔵還元触媒からの前記ＮＯ _X の自然放出が予測されたときに、ＮＯ _X 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比に調整し、前記自然放出が生じる前にＮＯ _X 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯ _X を放出させ還元浄化するＮＯ _X 放出操作を行なうＮＯ _X 放出制御手段と、
を備え更に、
前記内燃機関は、機関吸気通路に配置されたスロットル弁と、運転者の操作するアクセル手段と、運転者による前記アクセル手段の操作に応じて前記スロットル弁開度を制御して機関運転状態を変化させるスロットル制御手段とを備え、
前記予測手段は前記アクセル手段の操作に基づいて前記ＮＯ _X の自然放出が生じることを事前に予測し、
前記ＮＯ _X 放出制御手段は、前記ＮＯ _X の自然放出が予測されたときに前記ＮＯ _X 放出操作が完了するまで前記スロットル制御手段による前記スロットル弁開度の変更を禁止する希薄燃焼内燃機関の排気浄化装置。
前記予測手段は、機関の加速が予測されるときに前記ＮＯ _X の自然放出が生じると判断する請求項１または２に記載の希薄燃焼内燃機関の排気浄化装置。
前記ＮＯ _X 放出制御手段は、前記機関をリッチ空燃比で運転することにより、ＮＯ _X 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比に調整する請求項１または２に記載の希薄燃焼内燃機関の排気浄化装置。
前記ＮＯ _X 放出制御手段は、前記機関に機関燃焼室内の燃焼に寄与しない燃料を供給することにより、ＮＯ _X 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比に調整する請求項１または２に記載の希薄燃焼内燃機関の排気浄化装置。