JP3680241B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関し、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ＮＯX 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ＮＯX を放出するＮＯX 吸蔵還元触媒を備えた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ＮＯX （窒素酸化物）を吸収し、流入する排気の空燃比がリッチになると吸収したＮＯX を放出、還元浄化するＮＯX 吸蔵還元触媒が知られている。
この種のＮＯX 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ＮＯX 吸蔵還元触媒を配置し、機関のリーン空燃比運転中にＮＯX 吸蔵還元触媒に排気中のＮＯX を吸収させ、ＮＯX 吸蔵還元触媒のＮＯX 吸収量が増大したときに機関を短時間理論空燃比または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、ＮＯX 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯX を放出させるとともに放出されたＮＯX を還元浄化している。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、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理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換えられると、ＮＯX 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理論空燃比またはリッチ空燃比に変化し、排気中の酸素濃度の低下によりＮＯX 吸蔵還元触媒からＮＯX が放出される。また、上記のように理論空燃比または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、ＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されたＮＯX 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】
上述の特許登録第２６００４９２号のように、機関のリーン空燃比運転中にリッチスパイク操作によりＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出、還元浄化を行なう場合には、一般に機関がアイドル等の極低負荷で運転されている場合にはリッチスパイク操作を禁止するようにしている。リッチスパイク操作時には機関運転空燃比はリーンからリッチに急激に変更するため空燃比の急変による失火が生じやすくなる。アイドル等の極低負荷運転時（機関吸入空気量が小さいとき）に失火が生じると機関そのもののストールが生じる可能性があり、従来アイドル等の極低負荷運転時にリッチスパイク操作を行なうことは機関運転の安定性からみて好ましくないとされていた。また、極低負荷運転時には機関排気温度が低くなり、それに応じてＮＯX 吸蔵還元触媒の温度も低下するためリッチスパイク操作を行なってもＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出と還元浄化を効率的に行なうことができないこと、更に極低負荷運転時には機関のＮＯX 排出量もかなり低下するためＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出、還元浄化のためのリッチスパイク操作の必要度も比較的低くなる等の理由から、従来ＮＯX 吸蔵還元触媒を用いた排気浄化装置ではアイドル等の機関極低負荷運転時にはリッチスパイクを実行しないようにしている。
【０００４】
ところが、アイドル等の機関極低負荷運転時には機関のＮＯX 排出量は低下するものの、極低負荷運転時にも機関からはＮＯX が排出されるため、ＮＯX 吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯX 量は徐々に増大する。このため、アイドル等の機関極低負荷運転が長時間継続するとＮＯX 吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯX 量が飽和量に到達してしまい、排気中のＮＯX がＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されずにそのまま大気に放出されるようになる場合が生じる。このため、アイドル等の機関極低負荷運転時にもＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出と還元浄化とを行なう必要が生じている。
【０００５】
本発明は、機関極低負荷運転時にも機関のストールを生じることなくリッチスパイク操作を行い、しかもＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出、還元浄化を効率的に実施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。
【０００６】
【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、機関排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮＯXを吸収し流入する排気の空燃比がリッチのときに吸収したＮＯXを放出、還元浄化するＮＯX吸蔵還元触媒を配置し、機関のリーン空燃比運転中にＮＯX吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯXを、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操作を行なうことにより放出、還元浄化する内燃機関の排気浄化装置において、機関極低負荷運転時には、通常運転時のリッチスパイク操作よりリッチスパイク時の機関運転空燃比変化幅が小さいリッチスパイク操作を行なうことによりＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXの放出と還元浄化とを行なう内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【０００７】
すなわち、請求項１の発明ではアイドル等の機関極低負荷運転時にもリッチスパイク操作を行いＮＯX吸蔵還元触媒から吸収したＮＯXを放出させ、還元浄化する。また、極低負荷運転時のリッチスパイク操作時の空燃比は、通常運転時（極低負荷運転以外の運転時）のリッチスパイク操作の空燃比と較べてより高いリッチ空燃比（より理論空燃比に近いリッチ空燃比）とされる。これにより、極低負荷運転時におけるリッチスパイク操作時の機関運転空燃比変化幅は通常のリッチスパイク操作時に較べて小さくなるため、リッチスパイク操作時の機関運転空燃比の大幅な変動が防止され、失火による機関のストール等が生じることが防止される。また、極低負荷運転時のリッチスパイク操作時の機関運転空燃比を高く設定したことにより、リッチスパイク操作時には極低負荷運転時であっても機関排気温度が上昇するようになる。このため、ＮＯX吸蔵還元触媒の温度も上昇し、ＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXの放出、還元浄化が効率的に行なわれるようになる。
【０００８】
請求項２に記載の発明によれば、機関極低負荷運転時にＮＯX吸蔵還元触媒の温度が予め定めた温度より低い場合には、ＮＯX吸蔵還元触媒の温度が前記予め定めた温度より高い場合よりも更にリッチスパイク時の機関運転空燃比変化幅が小さいリッチスパイク操作を行なう請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項２の発明では請求項１において、ＮＯX吸蔵還元触媒の温度が低い場合には更にリッチスパイク時の機関運転空燃比変化幅が小さくされるため、リッチスパイク操作時のリッチ空燃比は理論空燃比に近づくようになる。このため、機関排気温度は更に上昇しＮＯX吸蔵還元触媒の温度が低い場合でもＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXの放出、還元浄化が効率的に行なわれるようになる。
【０００９】
請求項３に記載の発明によれば、更に、機関極低負荷運転時には、通常運転時のリッチスパイク操作より長い時間リッチスパイク操作を行なう請求項１に記載の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、請求項１において機関極低負荷運転時のリッチスパイク操作は通常運転時より長時間行なう。これにより、理論空燃比に近いリッチ空燃比でリッチスパイク操作を行なった場合でもＮＯX吸蔵還元触媒に充分な量の還元剤を供給することができるとともに、ＮＯX吸蔵還元触媒の温度も充分に上昇するようになり、ＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXの放出、還元浄化が効率的に行なわれる。
【００１０】
請求項４に記載の発明によれば、更に、機関極低負荷運転時には、リッチスパイク操作実施直後に機関を理論空燃比で運転する請求項１に記載の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、請求項１において機関極低負荷運転時にリッチスパイク操作を行なった後、機関が理論空燃比で運転されるため、ＮＯX 吸蔵還元触媒には引き続き高温の排気が供給されＮＯX 吸蔵還元触媒の温度低下が防止されるようになる。
【００１１】
請求項５に記載の発明によれば、機関排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮＯX を吸収し流入する排気の空燃比がリッチのときに吸収したＮＯX を放出、還元浄化するＮＯX 吸蔵還元触媒を配置し、機関のリーン空燃比運転中にＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯX を、機関をリッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作を行なうことにより放出、還元浄化する内燃機関の排気浄化装置において、リッチスパイク操作時における機関運転空燃比のリーンからリッチへの変化速度を、機関極低負荷運転時には通常運転時より小さく設定した内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１２】
すなわち、請求項５の発明では機関極低負荷運転時のリッチスパイク操作では通常運転時のリッチスパイク操作よりも機関運転空燃比の変化速度が小さく設定されるため、機関運転空燃比の急変による失火が防止される。これにより機関極低負荷運転時にも機関のストール等を生じることなく安定したリッチスパイク操作を行なうことが可能となる。
【００１３】
請求項６に記載の発明によれば、前記リッチスパイク操作時の機関運転空燃比の変化速度は、機関燃焼室に吸入される吸気量の変化速度を変えることにより調整される請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項６の発明ではリッチスパイク操作時の機関運転空燃比の変化速度は吸気量の変化速度を変えることにより調整される。ここで言う吸気量は新気量のみならずＥＧＲ（排気ガス再循環）量等をも含む機関燃焼室に吸入されるガス量を意味する。このように、極低負荷運転時にリッチスパイク操作時の吸気量変化速度を通常運転時のリッチスパイク操作時の変化速度を小さく設定することにより、機関運転空燃比の急変による失火が生じることが防止される。
【００１４】
請求項７に記載の発明によれば、前記リッチスパイク操作時の機関運転空燃比の変化速度は、機関燃焼室に供給される燃料量の変化速度を変えることにより調整される請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項７の発明ではリッチスパイク操作時の機関運転空燃比の変化速度は機関に供給される燃料量の変化速度を変えることにより調整され、極低負荷運転時のリッチスパイク操作時には燃料量の変化速度を通常運転時のリッチスパイク操作時における変化速度より小さく設定することにより、機関運転空燃比の急変による失火が生じることが防止される。
【００１５】
請求項８に記載の発明によれば、機関排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮＯX を吸収し流入する排気の空燃比がリッチのときに吸収したＮＯX を放出、還元浄化するＮＯX 吸蔵還元触媒を配置し、機関のリーン空燃比運転中にＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯX を、機関をリッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作を行なうことにより放出、還元浄化する内燃機関の排気浄化装置において、機関吸気通路に運転者のアクセルペダル操作とは独立して動作可能な電子制御スロットル弁を備え、リッチスパイク操作時には前記電子制御スロットル弁開度を絞り機関燃焼室に吸入される吸気量を低減するとともに、機関極低負荷運転時のリッチスパイク操作における電子制御スロットル弁作動速度を通常運転時のリッチスパイク操作における作動速度より小さく設定した内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１６】
すなわち、請求項８の発明では運転者のアクセルペダル操作とは独立して動作可能な電子制御スロットル弁により機関吸入空気量が制御される。また、機関極低負荷運転時のリッチスパイク操作では通常運転時のリッチスパイク操作に較べて電子制御スロットル弁の作動速度は小さく設定されるため、機関の吸入空気量の変化速度は小さくなる。これにより、リッチスパイク操作時の機関運転空燃比変化速度も機関極低負荷運転時には通常運転時のリッチスパイク操作時より小さくなり、機関の失火が生じることが防止される。
【００１７】
請求項９に記載の発明によれば、機関排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮＯX を吸収し流入する排気の空燃比がリッチのときに吸収したＮＯX を放出、還元浄化するＮＯX 吸蔵還元触媒を配置し、機関のリーン空燃比運転中に、機関空燃比をリーン空燃比から中途の空燃比での運転を経てリッチ空燃比に変化させ、リッチ空燃比に維持するリッチスパイク操作を行なうことによりＮＯX 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯX を放出させ還元浄化する内燃機関の排気浄化装置において、機関極低負荷運転時におけるリッチスパイク操作では、前記中途空燃比での運転時間を通常運転におけるリッチスパイク操作の中途空燃比での運転時間より長く設定した内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１８】
すなわち、請求項９の発明では極低負荷運転におけるリッチスパイク操作時に中途空燃比での運転時間を通常運転におけるリッチスパイク操作時の中途空燃比での運転時間より長く設定することにより、リーン空燃比からリッチ空燃比への空燃比の急変が防止されるため、機関の失火が生じることが防止される。
【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気筒には気筒内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁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）空燃比から理論空燃比より低い（リッチ）空燃比までの広い範囲の空燃比で運転可能な機関とされている。
【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ＮＯX 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ＮＯX 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】
更に、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を行なうとともに、更にＮＯX 吸蔵還元触媒７から吸収したＮＯX を放出させるために機関のリーン空燃比運転中に短時間運転空燃比をリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク操作を行なっている。
【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ＮＯX 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から機関クランク軸一定回転角毎にパルス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。ＥＣＵ３０は、所定間隔毎に吸気圧センサ３３出力とアクセル開度センサ３７出力とをＡＤ変換して吸気圧力ＰＭとアクセル開度ＡＣＣＰとしてＥＣＵ３０のＲＡＭの所定領域に格納するとともに、回転数センサ３５からのパルス信号の間隔から機関回転数ＮＥを算出し、ＲＡＭの所定の領域に格納している。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は運転条件に応じて機関１を以下の５つのモードのいずれかで運転する。
▲１▼ リーン空燃比成層燃焼（圧縮行程１回噴射）
▲２▼ リーン空燃比弱成層燃焼（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、上記モード▲１▼のリーン空燃比成層燃焼が行なわれる。機関１は気筒内に吸入空気のスワール（旋回流）を生じさせるスワールポートを有する吸気弁と通常のストレートポートを有する吸気弁との２つの吸気弁を備えており、ストレートポートに連通する吸気通路に設けられたスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）（図示せず）の開度を調節することによりスワールポートから気筒内に流入する吸気量を制御することが可能となっている。成層燃焼を行なう場合には、ＳＣＶ開度は全閉とされスワールポートからの吸気量を増大し、気筒内に強いスワールを生成させる。また、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程度もしくはそれ以上になる。
【００２６】
また、上記モード▲１▼の状態から負荷が増大して低負荷運転領域になると、上記モード▲２▼のリーン空燃比弱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、上記モード▲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では上記モード▲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ＳＣＶは全開とされ吸気の大部分はストレートポートから気筒内に流入する。また、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、モード▲３▼の状態から更に燃料が増量され、上記モード▲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、モード▲４▼の状態から燃料噴射量が更に増量されモード▲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、スロットル弁開度と機関回転数、及び吸気圧センサ３３で検出した吸気圧力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、スロットル弁全開相当の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（全閉）に、アクセル開度が１００パーセントのとき（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】
次に、本実施形態のスタートキャタリスト５ａ、５ｂ及びＮＯX 吸蔵還元触媒について説明する。
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、ＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX を充分に浄化することはできない。
【００３３】
また、ＳＣ５ａ、５ｂは機関始動後短時間で触媒の活性温度に到達し、触媒作用を開始することができるように、排気通路２ａ、２ｂの機関１に近い部分に配置され、熱容量を低減するために比較的小容量のものとされている。
次に、本実施形態のＮＯX 吸蔵還元触媒７について説明する。本実施形態のＮＯX 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。ＮＯX 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ＮＯX （ＮＯ2 、ＮＯ）を硝酸イオンＮＯ3 - の形で吸収し、流入排気ガスがリッチになると吸収したＮＯX を放出するＮＯX の吸放出作用を行う。
【００３４】
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Ｏ2 - またはＯ2-の形で付着し、排気中のＮＯX は白金Ｐｔ上のＯ2 - またはＯ2-と反応し、これによりＮＯ2 が生成される。また、流入排気中のＮＯ2 及び上記により生成したＮＯ2 は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ触媒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ＮＯ3 - の形で触媒内に拡散する。このため、リーン雰囲気下では排気中のＮＯX がＮＯX 吸蔵還元触媒内に硝酸塩の形で吸収されるようになる。
【００３５】
また、流入排気中の酸素濃度が低下すると（すなわち、排気の空燃比が低下すると）、白金Ｐｔ上でのＮＯ2 生成量が減少するため、反応が逆方向に進むようになり、触媒内の硝酸イオンＮＯ3 - はＮＯ2 の形でＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されるようになる。この場合、排気中にＨＣ、ＣＯ等の成分が存在すると白金Ｐｔ上でこれらの成分によりＮＯ2 が還元される。
【００３６】
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ＮＯX 吸蔵還元触媒は流入する排気中のＮＯX を吸収する。また、機関１がリッチ空燃比で運転されると、ＮＯX 吸蔵還元触媒７は吸収したＮＯX 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ＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯX 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、ＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出と還元浄化とを行なうようにしている。
【００３７】
本実施形態では、ＥＣＵ３０はＮＯX カウンタの値を増減することによりＮＯX 吸蔵還元触媒７が吸収保持しているＮＯX 量を推定する。ＮＯX 吸蔵還元触媒７に単位時間当たりに吸収されるＮＯX の量はＮＯX 吸蔵還元触媒に単位時間当たりに流入する排気中のＮＯX 量、すなわち機関１で単位時間当たりに生成されるＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されるＮＯX 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ＮＯX 量を実測し、ＮＯX 吸蔵還元触媒７に単位時間当たりに吸収されるＮＯX 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ＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯX 量を算出し、ＮＯX カウンタをこのＮＯX 吸収量だけ増大させる。これによりＮＯX カウンタの値は常にＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯX 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ＮＯX カウンタの値が所定値以上に増大したときに、短時間前述の▲５▼のモード（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、ＮＯX 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯX が放出され、還元浄化される。なお、機関がリッチ空燃比運転されると排気中のＨＣ、ＣＯの量が増大し、ＮＯX 吸蔵還元触媒からはＮＯX が放出され、排気中のＨＣ、ＣＯにより還元される。ここで、単位時間当たりにＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されて排気中のＨＣ、ＣＯにより還元されるＮＯX の量は、排気の空燃比（排気中のＨＣ、ＣＯ量）、排気流量により定まる。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）を変えて機関をリッチ空燃比で運転し、ＮＯX 吸蔵還元触媒７から単位時間当たりに放出、還元浄化されるＮＯX 量を実測し、機関のリッチ空燃比運転時にＮＯX 吸蔵還元触媒７から単位時間当たり放出されるＮＯX 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は機関のリッチ空燃比運転時に一定時間毎（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ＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されるＮＯX 量を算出し、ＮＯX カウンタをこのＮＯX 吸収量だけ減少させる。そして、リッチスパイク操作時には、このＮＯX カウンタの値が０になった時にリッチスパイク操作を終了する。これにより、リッチスパイク操作時に確実にＮＯX 吸蔵還元触媒７から吸収したＮＯX の全量を放出させることが可能となり、ＮＯX 吸蔵還元触媒が吸収したＮＯX で飽和することが防止される。なお、ＮＯX カウンタの増減操作については、後に図２を用いて説明する。
ところで、上記のようなリッチスパイク操作を行なう場合、車両の通常走行等のように機関負荷がある程度以上となる領域では問題は生じないが、アイドル等の機関極低負荷運転時に上記のリッチスパイク操作を行なうと問題が生じる場合がある。
【００３８】
例えば、アイドル等の機関極低負荷運転では機関は前述の▲１▼リーン空燃比成層燃焼が行なわれており、機関の運転空燃比は極めてリーン（空燃比で２５〜３０またはそれ以上）とされスロットル弁１５は全開に近い開度となっている。
この状態から通常運転時（極低負荷運転時以外の運転時）と同様のリッチスパイク操作を行なうとスロットル弁１５を全開に近い開度から全閉に近い位置まで閉弁して機関の吸入空気量を低減するとともに機関への燃料噴射量を増量して機関運転空燃比をリッチ（空燃比で１２．５程度）まで低下させなければならない。ところが、機関の極低負荷運転時ではもともと機関回転数が低く機関の吸入空気量（吸気流速）も低くなっている。このため、スロットル弁１５を閉じても実際に燃焼室に流入する吸気量がスロットル開度に応じて減少するまでには、スロットル弁から燃焼室までの吸気通路長さと吸気流速とに応じた遅れ時間が生じる。このため、リッチスパイク操作時に大幅なリーン空燃比（空燃比２５から３０程度）から大幅なリッチ空燃比（空燃比で１２．５程度）まで急激に空燃比を変化させると上記吸入空気量の変化遅れや、燃料噴射弁の噴射量ばらつきなどにより失火が生じる場合がある。しかも、アイドル等の機関極低負荷運転時は機関回転数も低くなっているため一旦失火が生じると、機関停止（ストール）に直結する可能性が高い。実際には、通常運転時のリッチスパイク操作においても急激な空燃比変化により機関の出力トルクが大きく変動することを防止するために、モード▲１▼（リーン空燃比成層燃焼）の運転からのリッチスパイク操作では直接▲５▼（リッチ空燃比均質燃焼）に切り換えるのではなく、機関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）から例えばモード▲３▼（リーン空燃比均質混合気燃焼）の運転モードを経てからモード▲５▼（リッチ空燃比均質混合気燃焼）に移行するようにしてトルクショックが生じることを防止することも行なわれている。しかし、アイドル等の機関極低負荷運転においては、リッチスパイク操作時の空燃比変化幅が大きいとこのような中途空燃比での運転を行なっても失火が生じやすく、機関ストールも生じやすくなる。
【００３９】
また、機関の極低負荷運転時では機関排気温度が低いためＮＯX 吸蔵還元触媒の温度も低下している。このため、ＮＯX 吸蔵還元触媒の触媒作用も低くなっておりリッチスパイク操作によりＨＣ、ＣＯ成分を供給してもＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出と還元浄化とが生じにくくなっており、リッチスパイク操作の効果が低くなっている。更に、極低負荷運転時では機関のＮＯX 排出量も低くなっており、ＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されるＮＯX 量も少なくなっているため、ある程度長期間リッチスパイクを行なわなくてもＮＯX 吸蔵還元触媒がＮＯX で飽和する可能性は低い。
【００４０】
このため、従来は機関ストールの可能性を防止するためにアイドル等の機関極低負荷運転時にはリッチスパイク操作を禁止するようにしていた。
ところが、実際には機関極低負荷運転中であっても機関からは少量のＮＯX が排出されるためＮＯX 吸蔵還元触媒のＮＯX 吸収量は徐々に増加していく。従って、機関の極低負荷運転が長時間続くとＮＯX 吸蔵還元触媒がＮＯX で飽和してしまい、機関排気中のＮＯX がＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されずに放出される事態が生じる場合がある。このため、機関極低負荷運転時にもリッチスパイク操作を行なってＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出と還元浄化とを行なう必要が生じるが、この場合上述の空燃比の急激な変動による機関ストールと、温度低下によるＮＯX 吸蔵還元触媒の触媒能力低下との問題を解決する必要がある。
【００４１】
本実施形態では、アイドル等の機関極低負荷運転（以下「アイドル運転」と総称する）時には以下に説明するアイドルリッチスパイク操作（機関極低負荷運転時以外の通常のリッチスパイク操作と区別するために、以下の説明では機関極低負荷運転時におけるリッチスパイク操作を「アイドルリッチスパイク操作」と呼ぶことにする）を行なうことにより、上記の問題を解決し、アイドル等の機関極低負荷運転時でのリッチスパイク操作を行うことを可能とし、ＮＯX吸蔵還元触媒からＮＯXを効率的に放出させ、還元浄化することを可能としている。以下、アイドルリッチスパイク操作の実施形態について説明する。
【００４２】
（１）第１の実施形態
本実施形態では、アイドル運転時にはＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度に応じて（通常の）アイドルリッチスパイク操作と低温アイドルリッチスパイク操作とを行なう。
通常のアイドルリッチスパイク操作では、リッチスパイク操作時の空燃比（リッチ空燃比）は通常運転時のリッチスパイク操作におけるリッチ空燃比（例えば空燃比で１２．５程度）に較べて高く（理論空燃比側）に設定され、例えば空燃比で１３．５程度とされる。このように、アイドルリッチスパイク操作時の空燃比を高くしたことにより、リッチスパイク操作時の機関運転空燃比変化幅は通常のリッチスパイク操作時に較べて小さくなるため、空燃比の急変により失火が生じることが防止される。なお、リッチスパイク操作時の空燃比のリッチの程度を低く（すなわち空燃比を高く）したため、排気中のＨＣ、ＣＯ量は通常のリッチスパイクに較べて減少するため、アイドルリッチスパイク操作時のリッチ空燃比運転時間は通常より長くなる。
【００４３】
また、本実施形態ではＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度を監視しており、アイドル運転中にＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度が所定値（例えばＮＯX 吸蔵還元触媒７の活性化温度）より低下した場合には低温アイドルリッチスパイク操作を行なう。低温アイドルリッチスパイク操作時には、空燃比は通常のアイドルリッチスパイク操作時よりさらにリーン側に設定され、例えば空燃比が１３．５より高いリッチ空燃比とされる。これにより、機関排気温度は通常のアイドルリッチスパイク操作時より高くなるためＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度が更に低下することが防止される。また、低温アイドルリッチスパイク操作においては、ＮＯX 吸蔵還元触媒７から吸収したＮＯX の全量が放出された後に機関を理論空燃比で運転する。機関を理論空燃比で運転することにより機関排気温度は更に上昇するため、低温アイドルリッチスパイク時の理論空燃比運転によりＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度は上昇し、高い触媒活性を維持することが可能となる。低温アイドルリッチスパイク操作における理論空燃比運転は、ＮＯX 吸蔵還元触媒７温度が所定値（例えば、触媒活性温度に所定の余裕を考慮した温度）に到達したときに終了する。
【００４４】
図２から図５は、本実施形態におけるリッチスパイク操作を説明するフローチャートである。
図２は、ＮＯX カウンタの演算操作を示す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。
本操作では、前述したように機関がリーン空燃比で運転されている場合には、機関からのＮＯX の排出量に応じてＮＯX カウンタＱＮＯＸの値が一定時間毎に増大され、機関がリッチまたは理論空燃比で運転されている場合にはＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出量に応じてＮＯX カウンタＱＮＯＸの値が減少される。これにより、ＮＯX カウンタＱＮＯＸの値はＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯX 量に対応するようになる。また、リッチスパイク操作（通常及び通常アイドルリッチスパイク、低温アイドルリッチスパイクを含む）時にも、空燃比や排気流量等の機関運転条件に応じてＮＯX カウンタＱＮＯＸが減少され、ＱＮＯＸ＝０となったときにリッチスパイク操作が停止されるため、機関運転条件にかかわらずＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯX を完全に放出させることが可能となる。
【００４５】
図２、ステップ２０１では、機関運転モード（前述のモード▲１▼から▲５▼）、機関燃料噴射量ＱＩＮＪ、機関回転数ＮＥが読み込まれる。そして、ステップ２０３運転モード、ＱＩＮＪ、ＮＥを用いて予め定めた関係から現在の機関運転空燃比が算出され、現在機関がリッチ空燃比または理論空燃比で運転されているか否かが判定される。
【００４６】
現在の機関運転空燃比ＡＦがリッチ空燃比または理論空燃比である場合には、本操作はステップ２０５に進み、ＮＯX 吸蔵還元触媒７からの単位時間（本操作の実行間隔に相当）当たりのＮＯX 放出量ＤＮＯＸが、機関運転状態（運転モード、燃料噴射量、回転数、排気流量等）に基づいて算出される。なお、単位時間当たりのＮＯX 放出量は排気空燃比が同一であれば排気流量が大きい程、また、排気流量が同一であれば空燃比が低い（リッチな）程大きくなる。
【００４７】
そして、ステップ２０７では現在のＮＯX 吸蔵還元触媒７のＮＯX 吸蔵量ＱＮＯＸが放出量ＤＮＯＸだけ減少される。一方、ステップ２０３で現在機関の運転空燃比ＡＦがリッチ空燃比または理論空燃比でない場合（すなわち、リーン空燃比である場合）には、本操作はステップ２０９に進み、機関運転状態（運転モード、燃料噴射量、回転数、排気流量等）に基づいて単位時間当たりにＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されるＮＯX 量ＩＮＯＸが算出され、ステップ２１１ではこの吸収量ＩＮＯＸだけＮＯX 吸蔵還元触媒７のＮＯX 吸蔵量ＱＮＯＸが増大される。そして、ステップ２１３から２１９ではＱＮＯＸの値を最小値０と最大吸蔵可能ＮＯX 量ＱＮＭＡＸとによりガードして本操作は終了する。なお、ＱＮＭＡＸはＮＯX 吸蔵還元触媒７の吸収可能な最大ＮＯX 量（すなわち、ＮＯX 吸蔵還元触媒がＮＯX で飽和した時の吸蔵量）である。
【００４８】
次に、図３はアイドル運転時のリッチスパイク操作モード（すなわち通常アイドルリッチスパイクまたは低温アイドルリッチスパイク操作のいずれか）を決定するアイドルリッチスパイクモード決定操作を示すフローチャートである。本操作もＥＣＵ３０により一定時間毎に実行される。
本操作では、ＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度を検出し、機関アイドル運転中にＮＯX 吸蔵還元触媒温度が所定温度β（βはＮＯX 吸蔵還元触媒の活性化温度よりやや高い温度に相当し、本実施形態では約３００度Ｃ程度とされる）より低下した場合には後述する低温アイドルリッチスパイク操作を行う。低温アイドルリッチスパイク操作では、後述するように通常アイドルリッチスパイク操作より高い空燃比のリッチ空燃比（例えば１３．５より高い空燃比）でリッチスパイク操作が行なわれるとともに、ＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出完了後理論空燃比で機関を運転することにより、ＮＯX 吸蔵還元触媒７温度を所定温度β＋γ（γは、例えば数十度Ｃ程度）まで上昇させる。これにより、機関アイドル運転中にＮＯX 吸蔵還元触媒温度が低下し始めた場合にも、ＮＯX 吸蔵還元触媒の活性化温度以上の温度でＮＯX の放出と還元浄化を行なうことができ、効果的にＮＯX 吸蔵還元触媒が再生される。また、低温アイドルリッチスパイク操作によりＮＯX 吸蔵還元触媒温度は活性化温度より高い温度まで昇温されるため、ＮＯX 吸蔵還元触媒の温度が更に低下することが防止される。
【００４９】
一方、本操作ではＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度が所定値βより高い場合であっても、アイドル運転が所定時間α以上継続した場合には通常のアイドルリッチスパイク操作が行なわれる。後述するように、アイドル運転以外の通常運転時ではＮＯX カウンタの値が所定値に到達する毎に通常のリッチスパイク操作が行なわれるが、アイドル運転では機関のＮＯX 発生量が少ないためＮＯX カウンタの増加速度が小さく、ＮＯX カウンタが所定値に到達する前に長時間アイドル運転が継続してＮＯX 吸蔵還元触媒温度が低下する可能性がある。そこで、本実施形態ではアイドル運転時には、アイドル運転継続時間が所定値に到達する毎にアイドルリッチスパイクを行なうようにして上記の低温アイドルリッチスパイク操作とともにＮＯX 吸蔵還元触媒の温度低下を防止している。アイドルリッチスパイク操作では、機関運転空燃比は通常運転時のリッチスパイクよりも高い空燃比のリッチ空燃比（空燃比で１３．５程度）とされる。
【００５０】
図３において、ステップ３０１では現在アイドル等の機関極低負荷運転が行なわれているか否かが判定される。本実施形態では、機関運転モードが▲１▼リーン空燃比成層燃焼であり、かつ燃料噴射量が所定値より小さい場合に機関極低負荷運転中と判定される。
ステップ３０１で現在アイドル運転中であった場合には、次にステップ３０３で現在アイドル運転が所定時間以上継続しているか否かがアイドルカウンタＣＩＤＬの値に基づいて判定される。アイドルカウンタＣＩＤＬは、別途ＥＣＵ３０により実行される図示しない操作により、機関アイドル運転中一定時間毎に１ずつ増大されるカウンタであり、現在までのアイドル運転継続時間を表している。ステップ３０３ではアイドルカウンタＣＩＤＬが所定値αを越えた場合に所定時間以上アイドル運転が継続したと判定し、ステップ３０５に進みアイドルリッチスパイクフラグＸＲＳＩの値を１にセットする。後述するように、アイドルリッチスパイクフラグＸＲＳＩが１に設定されると、直ちに通常のアイドルリッチスパイク操作が実行される。
【００５１】
ステップ３０３でＣＩＤＬ≦αであった場合、すなわち現在のアイドル継続時間が所定時間を越えていない場合には、次にステップ３０７に進み、現在のＮＯX 吸蔵還元触媒７温度ＴＣＣＬが前述した所定温度βより低いか否かが判定される。ＮＯX 吸蔵還元触媒７温度ＴＣＣＬは、ＮＯX 吸蔵還元触媒７の触媒床に温度センサを配置して直接計測しても良いが、本実施形態では機関運転状態から排気温度を計算し、排気温度と触媒温度との差により生じる単位時間当たりの触媒温度変化を逐次積算することにより現在の触媒温度ＴＣＣＬを推定している。
【００５２】
ステップ３０７でＮＯX 吸蔵還元触媒７温度ＴＣＣＬが所定温度βより低い場合には、ステップ３０９に進み、低温フラグＸＴＣＣＬの値が１にセットされるとともに、ステップ３１１ではアイドルカウンタＣＩＤＬの値が０にリセットされ、ステップ３０５でアイドルリッチスパイクフラグＸＲＳＩの値が１にセットされる。なお、後述するように本実施形態ではアイドルリッチスパイクフラグＸＲＳＩと低温フラグＸＴＣＣＬとの両方が１にセットされると低温アイドルリッチスパイク操作が実行される。
【００５３】
ステップ３１３から３１９は、低温フラグＸＴＣＣＬのリセット操作を示している。本実施形態では、低温フラグＸＴＣＣＬが１にセットされている状態で（ステップ３１３）、（すなわち、一旦触媒温度ＴＣＣＬがβ以下に低下した後）、触媒温度ＴＣＣＬが（β＋γ）より高くなった場合に（ステップ３１７）低温フラグＸＴＣＣＬの値が０にリセットされる（ステップ３１９）。また、この場合もステップ３１５でアイドルカウンタＣＩＤＬは０にリセットされる。
【００５４】
一方、ステップ３０１で現在アイドル運転中でない場合には、ステップ３２１に進み、図２で算出した現在のＮＯX カウンタＱＮＯＸの値が、所定値ＱＮ１に到達したか否かを判断し、ＱＮＯＸ≧ＱＮ１の場合には通常リッチスパイクフラグＸＲＳの値を１に設定する。後述するように、通常リッチスパイクフラグＸＲＳの値が１にセットされると、通常運転時のリッチスパイク操作が実行される。また、ステップ３２１でＱＮＯＸ＜ＱＮ１であった場合には、ステップ３２５でアイドルカウンタＣＩＤＬの値は０にリセットされ、更にステップ３２７でフラグＸＲＳＩとＸＴＣＣＬとがともにリセットされて本操作は終了する。
【００５５】
なお、本実施形態では、ステップ３０３でアイドルリッチスパイク操作開始の要否を判定するアイドル運転継続時間αは、アイドル運転においてＮＯX 吸蔵還元触媒がＱＮ１のＮＯX を吸収する時間より短い時間に設定されている。
次に、図４は通常運転時及びアイドル運転時におけるリッチスパイク実行操作を示す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。
【００５６】
図４において操作が開始されると、ステップ４０１では通常運転時のリッチスパイクフラグＸＲＳの値が１にセットされているか否かが判定される。ステップ４０１でＸＲＳ＝１であった場合には、すなわち現在機関が通常運転されており、しかもＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯX 量が所定量まで増大しているため、ステップ４０３に進み通常運転時のリッチスパイク操作が行なわれ、機関運転空燃比ＡＦが１２．５程度の比較的低い（リッチの程度の大きい）リッチ空燃比に切り換えられる。
【００５７】
一方、ステップ４０１でＸＲＳ≠１であった場合には、次にステップ４０５に進み、アイドルリッチスパイクフラグＸＲＳＩが１にセットされているか否かが判定され、ＸＲＳＩ＝１であった場合には次にステップ４０７で低温フラグＸＴＣＣＬの値が１にセットされているか否かが判定される。
ステップ４０５でＸＲＳ＝１、かつステップ４０７でＸＴＣＣＬ≠１であった場合には、現在ＮＯX 吸蔵還元触媒７温度はβ以上であるがアイドル運転が所定時間α以上継続していることを意味している。このため、この場合にはステップ４１１の（通常の）アイドルリッチスパイク操作が行なわれ、機関運転空燃比ＡＦは通常運転時のリッチスパイク時の空燃比（約１２．５）より高い（リーンな）リッチ空燃比（例えば空燃比で１３．５程度）に変更される。
【００５８】
一方、ステップ４０５、４０７でＸＲＳ＝１、かつＸＴＣＣＬ＝１であった場合には、現在機関がアイドル運転中で、しかもＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度が所定値βより低下したことを意味しているので、ステップ４０９に進み、低温アイドルリッチスパイクが実行され、機関運転空燃比ＡＦは通常のアイドルリッチスパイクより更に高い空燃比（１３．５＜ＡＦ＜理論空燃比）に設定される。
【００５９】
なお、ステップ４０５でＸＲＳ≠１であった場合には、現在リッチスパイク操作の必要はないため本操作は直ちに終了する。
図５は、上記フラグＸＲＳ、ＸＲＳＩ、ＸＴＣＣＬの値に応じたリッチスパイク終了操作を示すフローチャートである。本操作も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。
【００６０】
図５において、ステップ５０１はそれぞれのリッチスパイク操作終了時期の判定を示す。前述したように、本実施形態では、図２の操作によりリッチスパイク操作中にＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されるＮＯX 量に応じてＮＯX カウンタＱＮＯＸの値が減少されるため、ＮＯX カウンタの値はリッチスパイク操作中もＮＯX 吸蔵還元触媒中に吸蔵されたＮＯX 量に正確に対応している。そこで、本実施形態では、ＱＮＯＸ＝０となったとき、すなわちＮＯX 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯX の全量が放出、還元浄化されたときにリッチスパイク操作を終了するようにしている。なお、ＮＯX 吸蔵還元触媒から全量のＮＯX が放出されるのに必要な時間は、ＮＯX 吸蔵還元触媒のＮＯX 吸蔵量が同一の場合でもリッチスパイク操作時の機関運転空燃比により異なってくる。例えば、アイドルリッチスパイク操作では、通常のリッチスパイク操作より機関運転空燃比が高い（リーン）であるため、放出に要する時間は通常のリッチスパイク操作より長くなる。また、低温アイドルリッチスパイク操作では、更に空燃比が高くなるので放出に要する時間は更に長くなる。このためアイドル運転時のリッチスパイク操作継続時間は通常運転時に較べて長くなる。
【００６１】
ステップ５０１で、ＱＮＯＸ≠０であった場合にはリッチスパイクの終了タイミングではないため、本操作はステップ５０３以下を実行することなくそのまま終了する。一方、ステップ５０１でＱＮＯＸ＝０であった場合には、ステップ５０５に進み、通常運転時のリッチスパイクフラグＸＲＳ及びアイドルリッチスパイクフラグＸＲＳＩの両方が０にリセットされる。
【００６２】
そして、ステップ５０５では前述の低温フラグＸＴＣＣＬの値が１にセットされているか否かが判定され、ＸＴＣＣＬ≠１であった場合、すなわちＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度が所定温度βより高い場合にはステップ５０９が実行され、リッチスパイク操作を直ちに終了してリッチスパイク操作実行前のモードでの運転が再開される。
【００６３】
一方、ステップ５０５でＸＴＣＣＬ＝１であった場合にはステップ５０７に進み機関の理論空燃比での運転が行なわれる。
図３、ステップ３２７で説明したように、アイドル運転以外では低温フラグＸＴＣＣＬの値は常に０にリセットされているため、通常運転時のリッチスパイクはステップ５０１でＱＮＯＸ＝０になるとステップ５０９で直ちに終了する。また、アイドルリッチスパイク操作が実行されていた場合にも、ＮＯX 吸蔵還元触媒７温度が高い場合には低温フラグＸＴＣＣＬは０にセットされているため、ステップ５０１でＱＮＯＸ＝０になるとアイドルリッチスパイク操作も直ちに終了する。
【００６４】
このため、ステップ５０７が実行されるのは、ＸＴＣＣＬ＝１、かつＸＲＳＩ＝１の状態でリッチスパイクが実行された場合のみ、すなわち低温アイドルリッチスパイク操作時のみになる。すなわち、低温アイドルリッチスパイク時には、ＮＯX 吸蔵還元触媒７からのＮＯX の放出が完了した後（ステップ５０１）、機関を理論空燃比で運転し機関排気温度を上昇させることにより、ＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度を上昇させる操作が行なわれる。ステップ５０７の理論空燃比運転は、図３ステップ３１７でＴＣＣＬ＞（β＋γ）となるまで、すなわちＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度が（β＋γ）に到達するまで継続される。この場合も、ＮＯX 吸蔵還元触媒７温度が（β＋γ）に到達すると、フラグＸＴＣＣＬが０にリセットされるためステップ５０９が実行され、低温アイドルリッチスパイク操作開始前のモードでの運転が再開されるようになる。
【００６５】
上述のように、本実施形態では機関アイドル運転中はリッチスパイク時の空燃比変化幅を小さく設定することにより機関運転空燃比の急変を避けて、機関の失火が生じることを防止している。これにより、機関アイドル運転中にもリッチスパイク操作を実行することが可能となっている。また、機関アイドル運転中には、アイドル運転が所定時間継続した場合、またはＮＯX 吸蔵還元触媒温度が所定値より低下した場合にはアイドルリッチスパイク操作または低温アイドルリッチスパイク操作を行なうことによりアイドル運転中もＮＯX 吸蔵還元触媒の温度は常に活性化温度以上に維持されるため、リッチスパイク操作実行時にＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出と還元浄化とを効率的に行なうことが可能となっている。
【００６６】
なお、本実施形態では低温アイドルリッチスパイク操作の際に機関運転空燃比をリッチにしてＮＯX 吸蔵還元触媒７からＮＯX を放出、還元浄化した後機関を理論空燃比で運転することによりＮＯX 吸蔵還元触媒７温度を上昇させているが、低温アイドルリッチスパイク時にまず機関を理論空燃比で運転してＮＯX 吸蔵還元触媒７温度を上昇させ、温度が上昇した後に機関運転空燃比をリッチにする操作を行なうようにしても良い。
【００６７】
（２）第２の実施形態
次に本発明のアイドルリッチスパイクの第２の実施形態について説明する。
前述の実施形態では、アイドルリッチスパイク時の空燃比の変化幅を小さく設定することにより失火を防止していたが、本実施形態ではアイドルリッチスパイク時の機関運転空燃比変化速度を通常運転時のリッチスパイク時の空燃比変化速度より小さく設定することにより機関の失火を防止する点が相違している。
【００６８】
前述のように、リッチスパイク時には機関運転モードは▲１▼（リーン空燃比成層燃焼）から▲５▼（リッチ空燃比均質混合気燃焼）に切り換えられる。
機関運転モードが▲１▼（リーン空燃比成層燃焼）のときにはスロットル弁１５は全開に近い開度に維持されており、機関燃料噴射量は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に応じて決定される。また、リッチスパイク操作時のリッチ空燃比運転では機関運転モードは▲５▼（リッチ空燃比均質混合気燃焼）とされ、機関極低負荷運転時にはスロットル弁１５は全閉とされる。また、機関燃料噴射量はスロットル弁開度と吸気圧力及び機関回転数とに基づいて決定される。詳細には、まず機関１回転当たりの吸入空気量がスロットル弁開度と吸気圧力及び機関回転数とから予め準備したマップに基づいて算出され、燃料噴射量はこの吸入空気量に対して所定のリッチ空燃比を得るために必要な量として決定される。
【００６９】
上述のように、アイドルリッチスパイク時にはスロットル弁は全開に近い開度（モード▲１▼）から全閉付近の開度（モード▲５▼）まで閉弁される。そして、モード▲５▼においては機関燃料噴射量はスロットル開度に応じて変化する。ところが、機関極低負荷運転時には吸入空気量が低下しており、吸気通路内の吸気流速も低下しているため、スロットル弁１５の開度が急激に変化しても、実際に機関に吸入される空気量がスロットル弁開度に対応した量になるまでにある程度の遅れが生じてしまう。すなわち、モード▲１▼（リーン空燃比成層燃焼）からモード▲５▼（リッチ空燃比均質混合気燃焼）への移行の際にスロットル弁を全開付近から急激に全閉付近まで閉弁すると、機関燃料噴射量はスロットル弁１５開度変化に追従して直ちに変化しスロットル弁閉弁時の機関運転空燃比に相当する量に設定されるが、実際に機関燃焼室に吸入される空気量はスロットル弁全閉時に対応する量まで減少するのにある程度の時間がかかってしまう。このため、スロットル弁閉弁直後は実際に機関に吸入される空気量は燃料噴射量に対応した値より多くなり、本来リッチになるべき機関運転空燃比は大幅なリーンになってしまう場合がある。このため、アイドルリッチスパイク時には燃焼室内の混合気が過度にリーンとなってしまい失火が生じやすくなる。また、アイドルリッチスパイク終了後、機関運転モードを▲５▼から▲１▼に戻す際もスロットル弁が全開近くまで開弁しても機関の実際の吸入空気量はすぐには増大しないため、逆に燃焼室内の混合気が過度にリッチとなり失火を生じやすくなる。
【００７０】
上述のように、アイドルリッチスパイク時に機関運転空燃比を急激に変化させると、すなわち、スロットル弁開度を急激に変化させると実際の機関吸入空気量がスロットル弁開度変化に追従できなくなるため失火が生じやすい。そこで、本実施形態では、アイドルリッチスパイク時には機関運転空燃比の変化が通常運転時のリッチスパイク時より小さくなるようにスロットル弁開度変化速度を低下させることにより失火の発生を防止している。
【００７１】
すなわち、本実施形態ではＥＣＵ３０はＮＯX カウンタＱＮＯＸの値が所定値に到達した場合にはアイドル運転中、通常運転中を問わずリッチスパイク操作を実行する。また、アイドル運転中のリッチスパイク（アイドルリッチスパイク）操作では、スロットル弁１５は全開付近から全閉付近まで閉弁されるが、ＥＣＵ３０はアイドルリッチスパイク時にはスロットル弁１５のアクチュエータ１５ａの作動速度を低下させ、通常運転時のリッチスパイク時よりスロットル弁１５の閉弁速度が小さくなるように制御する。この制御は、例えばアクチュエータ１５ａとしてステッパモータを使用した場合には、単位時間当たりのモータの作動ステップ数を低減することにより行なわれる。また、アイドルリッチスパイク時のスロットル弁１５閉弁速度は、スロットル弁開度変化に機関燃焼室に流入する吸気量変化が追従できる範囲、すなわち実際に機関燃焼室に流入する吸気量がスロットル弁開度と吸気圧力、機関回転数とから算出される機関の吸気量と常に一致しながら変化するような範囲でできるだけ大きな速度に設定されるが、実際には機関型式毎に実験等により決定することが好ましい。
【００７２】
このように、実際に燃焼室に吸入される吸気量がスロットル弁開度（及び吸気圧力、機関回転数）に基づいて算出される吸気量と一致しながら変化するようにスロットル弁の作動速度を低下させることにより、スロットル弁開度等に基づいて算出される燃料噴射量も吸気量と対応して比較的ゆっくりと変化するようになる。このため、機関運転空燃比も比較的ゆっくりと変化するようになり機関燃焼室内の混合気が過度にリーンまたはリッチになることが防止される。なお、本実施形態では、アイドルリッチスパイク操作終了後にはスロットル弁は全開付近まで開弁されるが、この場合もＥＣＵ３０はスロットル弁の作動速度を通常運転時のリッチスパイク操作終了後の作動速度より小さく設定し、実際の吸気量変化とスロットル弁開度に基づいて算出される吸気量の変化とが一致するようにする。これにより、アイドルリッチスパイク時の失火が防止され、アイドル運転時にも安定した運転を維持しながらリッチスパイク操作を行なうことが可能となる。
【００７３】
（３）第３の実施形態
本実施形態では、リッチスパイク操作（通常運転時及びアイドル運転時）の際にモード▲１▼（リーン空燃比成層燃焼）からモード▲５▼（リッチ空燃比均質混合気燃焼）に運転モードを切り換えるときに、一旦機関を所定時間（例えば機関数回転程度）モード▲３▼（リーン空燃比均質混合気燃焼）で運転した後にモード▲５▼に切り換えるようにしている。モード▲１▼の極めてリーンな空燃比から中途の空燃比（モード▲３▼）での運転を経てモード▲５▼のリッチ空燃比運転を行なうことにより、空燃比の変化による急激なトルク変動が生じることが防止される。
【００７４】
ところが、この場合にも機関アイドル運転では通常運転時と同じ中途空燃比運転時間を設定すると、前述したように急激な空燃比変化のために機関の失火が生じやすくなる。そこで、本実施形態ではアイドル運転時のリッチスパイク操作では、リッチ空燃比に移行する前の中途空燃比運転時間を通常運転時のリッチスパイク操作の中途空燃比運転時間に較べて長く設定するようにしている。このように、アイドルリッチスパイク時に中途空燃比運転時間を長く設定することにより全体としてリーン空燃比からリッチ空燃比への変化速度が小さくなり、急激な空燃比変化による機関の失火が防止されるようになる。
【００７５】
本実施形態では、ＥＣＵ３０は以下に説明する手順でアイドルリッチスパイク操作を行なう。
まず、ＥＣＵ３０はＮＯX カウンタＱＮＯＸの値が所定値ＱＮ１に到達した場合には、現在機関がアイドル運転中か否かを判定する。本実施形態においても、機関運転モードが▲１▼リーン空燃比成層燃焼であり、かつ燃料噴射量が所定値より小さい場合に現在機関がアイドル運転中であると判定される。現在機関がアイドル運転中であった場合には、ＥＣＵ３０は後述する中途空燃比運転時間カウンタＣＮＴの判定値をＣＮＴ１に設定する。また、現在機関がアイドル運転中でない場合にはカウンタＣＮＴの判定値はＣＮＴ２に設定される。
【００７６】
そして、カウンタＣＮＴの判定値を設定後、ＥＣＵ３０は現在機関がモード▲３▼（リーン空燃比均質混合気燃焼）で運転されていない場合（例えば機関がアイドル運転されている場合）には機関の運転モードを▲３▼に変更する。この場合、ＳＣＶ開度は全開とされ、スロットル弁開度、機関点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期はアクセル開度と機関回転数とに基づいて予め準備されたモード▲３▼運転のマップから決定される。前述したように、この場合には機関運転空燃比はモード▲１▼よりリッチ側の１５から２５程度のリーン空燃比となる。そして、ＥＣＵ３０はモード▲３▼に移行後、カウンタＣＮＴの値を０から一定時間毎（もしくは機関クランク軸一定回転角毎）に１ずつ増大させ、このカウンタＣＮＴの値が前述の判定値（ＣＮＴ１またはＣＮＴ２）に到達したときに、機関運転モードを▲３▼（リーン空燃比均質混合気燃焼）からモード▲５▼（リッチ空燃比均質混合気燃焼）に切り換える。この場合、スロットル弁開度はアクセル開度（アクセルペダルの踏込み量）に対応した値まで閉弁され、燃料噴射量はスロットル開度と機関吸気圧、機関回転数とから計算される機関吸入空気量に基づいて算出され、機関運転空燃比が１２．５程度のリッチ空燃比になるようにされる。
【００７７】
前述のように、モード▲３▼の運転時間カウンタＣＮＴの判定値はアイドルリッチスパイク時にはＣＮＴ１に、通常運転時にはＣＮＴ２にそれぞれ設定されている。ここで、ＣＮＴ２は機関数回転程度の時間に相当する値、ＣＮＴ１はＣＮＴ２より大きな値として予め与えられている。このため、アイドルリッチスパイク操作時にはモード▲３▼での運転時間（ＣＮＴ１）は通常運転時のリッチスパイク操作時の中途運転時間（ＣＮＴ２）より長くなり、アイドルリッチスパイク時にモード▲１▼の空燃比からモード▲５▼の空燃比に切り換わるまでの時間は通常運転時のリッチスパイクの際の空燃比切り換え時間より長くなり、全体としてアイドルリッチスパイク時の空燃比変化速度が小さくなる。このため、トルクショックの発生が防止されるとともに、アイドルリッチスパイク操作中に急激な空燃比変化による機関の失火が生じることが防止される。なお、上記中途空燃比運転時間の判定値ＣＮＴ１、ＣＮＴ２は、トルクショックが発生しない範囲（ＣＮＴ１）及び機関の失火が生じない範囲（ＣＮＴ２）でできるだけ短い時間として設定されるが、実際には機関型式毎に実験等により決定することが好ましい。
【００７８】
また、本実施形態では第１の実施形態と同様にＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯX の全量が放出されたときにリッチスパイク操作を終了するが、リッチスパイク操作終了時にモード▲５▼（リッチ空燃比均質燃焼）からリッチスパイク開始前のもとの運転モードに復帰する際にもモード▲３▼で機関をＣＮＴ１（アイドルリッチスパイク操作）またはＣＮＴ２（通常運転時のリッチスパイク操作）だけ運転してからもとのモードに復帰するようにしている。これにより、アイドルリッチスパイク終了時にも機関の失火が生じることが防止される。
【００７９】
なお、本実施形態ではアイドルリッチスパイク時にモード▲３▼での中途空燃比運転時間を通常運転時より長くするのみで、アイドルリッチスパイク時のリッチ空燃比、スロットル弁の作動速度等については通常運転時のリッチスパイクと同一にしている。しかし、本実施形態においても、第１の実施形態または第２の実施形態のようにアイドルリッチスパイク時のリッチ空燃比を通常運転時より高く設定し、及び／またはスロットル弁作動速度を通常運転時より低く設定するようにすれば、アイドルリッチスパイク時の失火をより確実に防止することが可能となる。
【００８０】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、本発明は、機関極低負荷運転時にも機関のストールを生じることなくリッチスパイク操作を行うことが可能となるという共通の効果を奏する。
また、請求項１から４の発明によれば、更に上記共通の効果に加えて、機関極低負荷運転時のＮＯX 吸蔵還元触媒の温度の低下を防止することにより、ＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出、還元浄化を効率的に実施可能とする効果を奏する。
【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】本発明の第１の実施形態を説明するフローチャートである。
【図３】本発明の第１の実施形態を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施形態を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施形態を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…内燃機関
２…排気通路
７…ＮＯX 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
【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ＮＯX 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ＮＯX を放出するＮＯX 吸蔵還元触媒を備えた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ＮＯX （窒素酸化物）を吸収し、流入する排気の空燃比がリッチになると吸収したＮＯX を放出、還元浄化するＮＯX 吸蔵還元触媒が知られている。
この種のＮＯX 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ＮＯX 吸蔵還元触媒を配置し、機関のリーン空燃比運転中にＮＯX 吸蔵還元触媒に排気中のＮＯX を吸収させ、ＮＯX 吸蔵還元触媒のＮＯX 吸収量が増大したときに機関を短時間理論空燃比または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、ＮＯX 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯX を放出させるとともに放出されたＮＯX を還元浄化している。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、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理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換えられると、ＮＯX 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理論空燃比またはリッチ空燃比に変化し、排気中の酸素濃度の低下によりＮＯX 吸蔵還元触媒からＮＯX が放出される。また、上記のように理論空燃比または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、ＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されたＮＯX 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】
上述の特許登録第２６００４９２号のように、機関のリーン空燃比運転中にリッチスパイク操作によりＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出、還元浄化を行なう場合には、一般に機関がアイドル等の極低負荷で運転されている場合にはリッチスパイク操作を禁止するようにしている。リッチスパイク操作時には機関運転空燃比はリーンからリッチに急激に変更するため空燃比の急変による失火が生じやすくなる。アイドル等の極低負荷運転時（機関吸入空気量が小さいとき）に失火が生じると機関そのもののストールが生じる可能性があり、従来アイドル等の極低負荷運転時にリッチスパイク操作を行なうことは機関運転の安定性からみて好ましくないとされていた。また、極低負荷運転時には機関排気温度が低くなり、それに応じてＮＯX 吸蔵還元触媒の温度も低下するためリッチスパイク操作を行なってもＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出と還元浄化を効率的に行なうことができないこと、更に極低負荷運転時には機関のＮＯX 排出量もかなり低下するためＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出、還元浄化のためのリッチスパイク操作の必要度も比較的低くなる等の理由から、従来ＮＯX 吸蔵還元触媒を用いた排気浄化装置ではアイドル等の機関極低負荷運転時にはリッチスパイクを実行しないようにしている。
【０００４】
ところが、アイドル等の機関極低負荷運転時には機関のＮＯX 排出量は低下するものの、極低負荷運転時にも機関からはＮＯX が排出されるため、ＮＯX 吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯX 量は徐々に増大する。このため、アイドル等の機関極低負荷運転が長時間継続するとＮＯX 吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯX 量が飽和量に到達してしまい、排気中のＮＯX がＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されずにそのまま大気に放出されるようになる場合が生じる。このため、アイドル等の機関極低負荷運転時にもＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出と還元浄化とを行なう必要が生じている。
【０００５】
本発明は、機関極低負荷運転時にも機関のストールを生じることなくリッチスパイク操作を行い、しかもＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出、還元浄化を効率的に実施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。
【０００６】
【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、機関排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮＯXを吸収し流入する排気の空燃比がリッチのときに吸収したＮＯXを放出、還元浄化するＮＯX吸蔵還元触媒を配置し、機関のリーン空燃比運転中にＮＯX吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯXを、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操作を行なうことにより放出、還元浄化する内燃機関の排気浄化装置において、機関極低負荷運転時には、通常運転時のリッチスパイク操作よりリッチスパイク時の機関運転空燃比変化幅が小さいリッチスパイク操作を行なうことによりＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXの放出と還元浄化とを行なう内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【０００７】
すなわち、請求項１の発明ではアイドル等の機関極低負荷運転時にもリッチスパイク操作を行いＮＯX吸蔵還元触媒から吸収したＮＯXを放出させ、還元浄化する。また、極低負荷運転時のリッチスパイク操作時の空燃比は、通常運転時（極低負荷運転以外の運転時）のリッチスパイク操作の空燃比と較べてより高いリッチ空燃比（より理論空燃比に近いリッチ空燃比）とされる。これにより、極低負荷運転時におけるリッチスパイク操作時の機関運転空燃比変化幅は通常のリッチスパイク操作時に較べて小さくなるため、リッチスパイク操作時の機関運転空燃比の大幅な変動が防止され、失火による機関のストール等が生じることが防止される。また、極低負荷運転時のリッチスパイク操作時の機関運転空燃比を高く設定したことにより、リッチスパイク操作時には極低負荷運転時であっても機関排気温度が上昇するようになる。このため、ＮＯX吸蔵還元触媒の温度も上昇し、ＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXの放出、還元浄化が効率的に行なわれるようになる。
【０００８】
請求項２に記載の発明によれば、機関極低負荷運転時にＮＯX吸蔵還元触媒の温度が予め定めた温度より低い場合には、ＮＯX吸蔵還元触媒の温度が前記予め定めた温度より高い場合よりも更にリッチスパイク時の機関運転空燃比変化幅が小さいリッチスパイク操作を行なう請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項２の発明では請求項１において、ＮＯX吸蔵還元触媒の温度が低い場合には更にリッチスパイク時の機関運転空燃比変化幅が小さくされるため、リッチスパイク操作時のリッチ空燃比は理論空燃比に近づくようになる。このため、機関排気温度は更に上昇しＮＯX吸蔵還元触媒の温度が低い場合でもＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXの放出、還元浄化が効率的に行なわれるようになる。
【０００９】
請求項３に記載の発明によれば、更に、機関極低負荷運転時には、通常運転時のリッチスパイク操作より長い時間リッチスパイク操作を行なう請求項１に記載の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、請求項１において機関極低負荷運転時のリッチスパイク操作は通常運転時より長時間行なう。これにより、理論空燃比に近いリッチ空燃比でリッチスパイク操作を行なった場合でもＮＯX吸蔵還元触媒に充分な量の還元剤を供給することができるとともに、ＮＯX吸蔵還元触媒の温度も充分に上昇するようになり、ＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXの放出、還元浄化が効率的に行なわれる。
【００１０】
請求項４に記載の発明によれば、更に、機関極低負荷運転時には、リッチスパイク操作実施直後に機関を理論空燃比で運転する請求項１に記載の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、請求項１において機関極低負荷運転時にリッチスパイク操作を行なった後、機関が理論空燃比で運転されるため、ＮＯX 吸蔵還元触媒には引き続き高温の排気が供給されＮＯX 吸蔵還元触媒の温度低下が防止されるようになる。
【００１１】
請求項５に記載の発明によれば、機関排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮＯX を吸収し流入する排気の空燃比がリッチのときに吸収したＮＯX を放出、還元浄化するＮＯX 吸蔵還元触媒を配置し、機関のリーン空燃比運転中にＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯX を、機関をリッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作を行なうことにより放出、還元浄化する内燃機関の排気浄化装置において、リッチスパイク操作時における機関運転空燃比のリーンからリッチへの変化速度を、機関極低負荷運転時には通常運転時より小さく設定した内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１２】
すなわち、請求項５の発明では機関極低負荷運転時のリッチスパイク操作では通常運転時のリッチスパイク操作よりも機関運転空燃比の変化速度が小さく設定されるため、機関運転空燃比の急変による失火が防止される。これにより機関極低負荷運転時にも機関のストール等を生じることなく安定したリッチスパイク操作を行なうことが可能となる。
【００１３】
請求項６に記載の発明によれば、前記リッチスパイク操作時の機関運転空燃比の変化速度は、機関燃焼室に吸入される吸気量の変化速度を変えることにより調整される請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項６の発明ではリッチスパイク操作時の機関運転空燃比の変化速度は吸気量の変化速度を変えることにより調整される。ここで言う吸気量は新気量のみならずＥＧＲ（排気ガス再循環）量等をも含む機関燃焼室に吸入されるガス量を意味する。このように、極低負荷運転時にリッチスパイク操作時の吸気量変化速度を通常運転時のリッチスパイク操作時の変化速度を小さく設定することにより、機関運転空燃比の急変による失火が生じることが防止される。
【００１４】
請求項７に記載の発明によれば、前記リッチスパイク操作時の機関運転空燃比の変化速度は、機関燃焼室に供給される燃料量の変化速度を変えることにより調整される請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項７の発明ではリッチスパイク操作時の機関運転空燃比の変化速度は機関に供給される燃料量の変化速度を変えることにより調整され、極低負荷運転時のリッチスパイク操作時には燃料量の変化速度を通常運転時のリッチスパイク操作時における変化速度より小さく設定することにより、機関運転空燃比の急変による失火が生じることが防止される。
【００１５】
請求項８に記載の発明によれば、機関排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮＯX を吸収し流入する排気の空燃比がリッチのときに吸収したＮＯX を放出、還元浄化するＮＯX 吸蔵還元触媒を配置し、機関のリーン空燃比運転中にＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯX を、機関をリッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作を行なうことにより放出、還元浄化する内燃機関の排気浄化装置において、機関吸気通路に運転者のアクセルペダル操作とは独立して動作可能な電子制御スロットル弁を備え、リッチスパイク操作時には前記電子制御スロットル弁開度を絞り機関燃焼室に吸入される吸気量を低減するとともに、機関極低負荷運転時のリッチスパイク操作における電子制御スロットル弁作動速度を通常運転時のリッチスパイク操作における作動速度より小さく設定した内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１６】
すなわち、請求項８の発明では運転者のアクセルペダル操作とは独立して動作可能な電子制御スロットル弁により機関吸入空気量が制御される。また、機関極低負荷運転時のリッチスパイク操作では通常運転時のリッチスパイク操作に較べて電子制御スロットル弁の作動速度は小さく設定されるため、機関の吸入空気量の変化速度は小さくなる。これにより、リッチスパイク操作時の機関運転空燃比変化速度も機関極低負荷運転時には通常運転時のリッチスパイク操作時より小さくなり、機関の失火が生じることが防止される。
【００１７】
請求項９に記載の発明によれば、機関排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮＯX を吸収し流入する排気の空燃比がリッチのときに吸収したＮＯX を放出、還元浄化するＮＯX 吸蔵還元触媒を配置し、機関のリーン空燃比運転中に、機関空燃比をリーン空燃比から中途の空燃比での運転を経てリッチ空燃比に変化させ、リッチ空燃比に維持するリッチスパイク操作を行なうことによりＮＯX 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯX を放出させ還元浄化する内燃機関の排気浄化装置において、機関極低負荷運転時におけるリッチスパイク操作では、前記中途空燃比での運転時間を通常運転におけるリッチスパイク操作の中途空燃比での運転時間より長く設定した内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１８】
すなわち、請求項９の発明では極低負荷運転におけるリッチスパイク操作時に中途空燃比での運転時間を通常運転におけるリッチスパイク操作時の中途空燃比での運転時間より長く設定することにより、リーン空燃比からリッチ空燃比への空燃比の急変が防止されるため、機関の失火が生じることが防止される。
【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気筒には気筒内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁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）空燃比から理論空燃比より低い（リッチ）空燃比までの広い範囲の空燃比で運転可能な機関とされている。
【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ＮＯX 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ＮＯX 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】
更に、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を行なうとともに、更にＮＯX 吸蔵還元触媒７から吸収したＮＯX を放出させるために機関のリーン空燃比運転中に短時間運転空燃比をリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク操作を行なっている。
【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ＮＯX 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から機関クランク軸一定回転角毎にパルス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。ＥＣＵ３０は、所定間隔毎に吸気圧センサ３３出力とアクセル開度センサ３７出力とをＡＤ変換して吸気圧力ＰＭとアクセル開度ＡＣＣＰとしてＥＣＵ３０のＲＡＭの所定領域に格納するとともに、回転数センサ３５からのパルス信号の間隔から機関回転数ＮＥを算出し、ＲＡＭの所定の領域に格納している。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は運転条件に応じて機関１を以下の５つのモードのいずれかで運転する。
▲１▼ リーン空燃比成層燃焼（圧縮行程１回噴射）
▲２▼ リーン空燃比弱成層燃焼（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、上記モード▲１▼のリーン空燃比成層燃焼が行なわれる。機関１は気筒内に吸入空気のスワール（旋回流）を生じさせるスワールポートを有する吸気弁と通常のストレートポートを有する吸気弁との２つの吸気弁を備えており、ストレートポートに連通する吸気通路に設けられたスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）（図示せず）の開度を調節することによりスワールポートから気筒内に流入する吸気量を制御することが可能となっている。成層燃焼を行なう場合には、ＳＣＶ開度は全閉とされスワールポートからの吸気量を増大し、気筒内に強いスワールを生成させる。また、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程度もしくはそれ以上になる。
【００２６】
また、上記モード▲１▼の状態から負荷が増大して低負荷運転領域になると、上記モード▲２▼のリーン空燃比弱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、上記モード▲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では上記モード▲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ＳＣＶは全開とされ吸気の大部分はストレートポートから気筒内に流入する。また、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、モード▲３▼の状態から更に燃料が増量され、上記モード▲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、モード▲４▼の状態から燃料噴射量が更に増量されモード▲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、スロットル弁開度と機関回転数、及び吸気圧センサ３３で検出した吸気圧力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、スロットル弁全開相当の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（全閉）に、アクセル開度が１００パーセントのとき（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】
次に、本実施形態のスタートキャタリスト５ａ、５ｂ及びＮＯX 吸蔵還元触媒について説明する。
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、ＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX を充分に浄化することはできない。
【００３３】
また、ＳＣ５ａ、５ｂは機関始動後短時間で触媒の活性温度に到達し、触媒作用を開始することができるように、排気通路２ａ、２ｂの機関１に近い部分に配置され、熱容量を低減するために比較的小容量のものとされている。
次に、本実施形態のＮＯX 吸蔵還元触媒７について説明する。本実施形態のＮＯX 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。ＮＯX 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ＮＯX （ＮＯ2 、ＮＯ）を硝酸イオンＮＯ3 - の形で吸収し、流入排気ガスがリッチになると吸収したＮＯX を放出するＮＯX の吸放出作用を行う。
【００３４】
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Ｏ2 - またはＯ2-の形で付着し、排気中のＮＯX は白金Ｐｔ上のＯ2 - またはＯ2-と反応し、これによりＮＯ2 が生成される。また、流入排気中のＮＯ2 及び上記により生成したＮＯ2 は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ触媒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ＮＯ3 - の形で触媒内に拡散する。このため、リーン雰囲気下では排気中のＮＯX がＮＯX 吸蔵還元触媒内に硝酸塩の形で吸収されるようになる。
【００３５】
また、流入排気中の酸素濃度が低下すると（すなわち、排気の空燃比が低下すると）、白金Ｐｔ上でのＮＯ2 生成量が減少するため、反応が逆方向に進むようになり、触媒内の硝酸イオンＮＯ3 - はＮＯ2 の形でＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されるようになる。この場合、排気中にＨＣ、ＣＯ等の成分が存在すると白金Ｐｔ上でこれらの成分によりＮＯ2 が還元される。
【００３６】
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ＮＯX 吸蔵還元触媒は流入する排気中のＮＯX を吸収する。また、機関１がリッチ空燃比で運転されると、ＮＯX 吸蔵還元触媒７は吸収したＮＯX 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ＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯX 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、ＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出と還元浄化とを行なうようにしている。
【００３７】
本実施形態では、ＥＣＵ３０はＮＯX カウンタの値を増減することによりＮＯX 吸蔵還元触媒７が吸収保持しているＮＯX 量を推定する。ＮＯX 吸蔵還元触媒７に単位時間当たりに吸収されるＮＯX の量はＮＯX 吸蔵還元触媒に単位時間当たりに流入する排気中のＮＯX 量、すなわち機関１で単位時間当たりに生成されるＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されるＮＯX 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ＮＯX 量を実測し、ＮＯX 吸蔵還元触媒７に単位時間当たりに吸収されるＮＯX 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ＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯX 量を算出し、ＮＯX カウンタをこのＮＯX 吸収量だけ増大させる。これによりＮＯX カウンタの値は常にＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯX 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ＮＯX カウンタの値が所定値以上に増大したときに、短時間前述の▲５▼のモード（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、ＮＯX 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯX が放出され、還元浄化される。なお、機関がリッチ空燃比運転されると排気中のＨＣ、ＣＯの量が増大し、ＮＯX 吸蔵還元触媒からはＮＯX が放出され、排気中のＨＣ、ＣＯにより還元される。ここで、単位時間当たりにＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されて排気中のＨＣ、ＣＯにより還元されるＮＯX の量は、排気の空燃比（排気中のＨＣ、ＣＯ量）、排気流量により定まる。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）を変えて機関をリッチ空燃比で運転し、ＮＯX 吸蔵還元触媒７から単位時間当たりに放出、還元浄化されるＮＯX 量を実測し、機関のリッチ空燃比運転時にＮＯX 吸蔵還元触媒７から単位時間当たり放出されるＮＯX 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は機関のリッチ空燃比運転時に一定時間毎（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ＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されるＮＯX 量を算出し、ＮＯX カウンタをこのＮＯX 吸収量だけ減少させる。そして、リッチスパイク操作時には、このＮＯX カウンタの値が０になった時にリッチスパイク操作を終了する。これにより、リッチスパイク操作時に確実にＮＯX 吸蔵還元触媒７から吸収したＮＯX の全量を放出させることが可能となり、ＮＯX 吸蔵還元触媒が吸収したＮＯX で飽和することが防止される。なお、ＮＯX カウンタの増減操作については、後に図２を用いて説明する。
ところで、上記のようなリッチスパイク操作を行なう場合、車両の通常走行等のように機関負荷がある程度以上となる領域では問題は生じないが、アイドル等の機関極低負荷運転時に上記のリッチスパイク操作を行なうと問題が生じる場合がある。
【００３８】
例えば、アイドル等の機関極低負荷運転では機関は前述の▲１▼リーン空燃比成層燃焼が行なわれており、機関の運転空燃比は極めてリーン（空燃比で２５〜３０またはそれ以上）とされスロットル弁１５は全開に近い開度となっている。
この状態から通常運転時（極低負荷運転時以外の運転時）と同様のリッチスパイク操作を行なうとスロットル弁１５を全開に近い開度から全閉に近い位置まで閉弁して機関の吸入空気量を低減するとともに機関への燃料噴射量を増量して機関運転空燃比をリッチ（空燃比で１２．５程度）まで低下させなければならない。ところが、機関の極低負荷運転時ではもともと機関回転数が低く機関の吸入空気量（吸気流速）も低くなっている。このため、スロットル弁１５を閉じても実際に燃焼室に流入する吸気量がスロットル開度に応じて減少するまでには、スロットル弁から燃焼室までの吸気通路長さと吸気流速とに応じた遅れ時間が生じる。このため、リッチスパイク操作時に大幅なリーン空燃比（空燃比２５から３０程度）から大幅なリッチ空燃比（空燃比で１２．５程度）まで急激に空燃比を変化させると上記吸入空気量の変化遅れや、燃料噴射弁の噴射量ばらつきなどにより失火が生じる場合がある。しかも、アイドル等の機関極低負荷運転時は機関回転数も低くなっているため一旦失火が生じると、機関停止（ストール）に直結する可能性が高い。実際には、通常運転時のリッチスパイク操作においても急激な空燃比変化により機関の出力トルクが大きく変動することを防止するために、モード▲１▼（リーン空燃比成層燃焼）の運転からのリッチスパイク操作では直接▲５▼（リッチ空燃比均質燃焼）に切り換えるのではなく、機関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）から例えばモード▲３▼（リーン空燃比均質混合気燃焼）の運転モードを経てからモード▲５▼（リッチ空燃比均質混合気燃焼）に移行するようにしてトルクショックが生じることを防止することも行なわれている。しかし、アイドル等の機関極低負荷運転においては、リッチスパイク操作時の空燃比変化幅が大きいとこのような中途空燃比での運転を行なっても失火が生じやすく、機関ストールも生じやすくなる。
【００３９】
また、機関の極低負荷運転時では機関排気温度が低いためＮＯX 吸蔵還元触媒の温度も低下している。このため、ＮＯX 吸蔵還元触媒の触媒作用も低くなっておりリッチスパイク操作によりＨＣ、ＣＯ成分を供給してもＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出と還元浄化とが生じにくくなっており、リッチスパイク操作の効果が低くなっている。更に、極低負荷運転時では機関のＮＯX 排出量も低くなっており、ＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されるＮＯX 量も少なくなっているため、ある程度長期間リッチスパイクを行なわなくてもＮＯX 吸蔵還元触媒がＮＯX で飽和する可能性は低い。
【００４０】
このため、従来は機関ストールの可能性を防止するためにアイドル等の機関極低負荷運転時にはリッチスパイク操作を禁止するようにしていた。
ところが、実際には機関極低負荷運転中であっても機関からは少量のＮＯX が排出されるためＮＯX 吸蔵還元触媒のＮＯX 吸収量は徐々に増加していく。従って、機関の極低負荷運転が長時間続くとＮＯX 吸蔵還元触媒がＮＯX で飽和してしまい、機関排気中のＮＯX がＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されずに放出される事態が生じる場合がある。このため、機関極低負荷運転時にもリッチスパイク操作を行なってＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出と還元浄化とを行なう必要が生じるが、この場合上述の空燃比の急激な変動による機関ストールと、温度低下によるＮＯX 吸蔵還元触媒の触媒能力低下との問題を解決する必要がある。
【００４１】
本実施形態では、アイドル等の機関極低負荷運転（以下「アイドル運転」と総称する）時には以下に説明するアイドルリッチスパイク操作（機関極低負荷運転時以外の通常のリッチスパイク操作と区別するために、以下の説明では機関極低負荷運転時におけるリッチスパイク操作を「アイドルリッチスパイク操作」と呼ぶことにする）を行なうことにより、上記の問題を解決し、アイドル等の機関極低負荷運転時でのリッチスパイク操作を行うことを可能とし、ＮＯX吸蔵還元触媒からＮＯXを効率的に放出させ、還元浄化することを可能としている。以下、アイドルリッチスパイク操作の実施形態について説明する。
【００４２】
（１）第１の実施形態
本実施形態では、アイドル運転時にはＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度に応じて（通常の）アイドルリッチスパイク操作と低温アイドルリッチスパイク操作とを行なう。
通常のアイドルリッチスパイク操作では、リッチスパイク操作時の空燃比（リッチ空燃比）は通常運転時のリッチスパイク操作におけるリッチ空燃比（例えば空燃比で１２．５程度）に較べて高く（理論空燃比側）に設定され、例えば空燃比で１３．５程度とされる。このように、アイドルリッチスパイク操作時の空燃比を高くしたことにより、リッチスパイク操作時の機関運転空燃比変化幅は通常のリッチスパイク操作時に較べて小さくなるため、空燃比の急変により失火が生じることが防止される。なお、リッチスパイク操作時の空燃比のリッチの程度を低く（すなわち空燃比を高く）したため、排気中のＨＣ、ＣＯ量は通常のリッチスパイクに較べて減少するため、アイドルリッチスパイク操作時のリッチ空燃比運転時間は通常より長くなる。
【００４３】
また、本実施形態ではＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度を監視しており、アイドル運転中にＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度が所定値（例えばＮＯX 吸蔵還元触媒７の活性化温度）より低下した場合には低温アイドルリッチスパイク操作を行なう。低温アイドルリッチスパイク操作時には、空燃比は通常のアイドルリッチスパイク操作時よりさらにリーン側に設定され、例えば空燃比が１３．５より高いリッチ空燃比とされる。これにより、機関排気温度は通常のアイドルリッチスパイク操作時より高くなるためＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度が更に低下することが防止される。また、低温アイドルリッチスパイク操作においては、ＮＯX 吸蔵還元触媒７から吸収したＮＯX の全量が放出された後に機関を理論空燃比で運転する。機関を理論空燃比で運転することにより機関排気温度は更に上昇するため、低温アイドルリッチスパイク時の理論空燃比運転によりＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度は上昇し、高い触媒活性を維持することが可能となる。低温アイドルリッチスパイク操作における理論空燃比運転は、ＮＯX 吸蔵還元触媒７温度が所定値（例えば、触媒活性温度に所定の余裕を考慮した温度）に到達したときに終了する。
【００４４】
図２から図５は、本実施形態におけるリッチスパイク操作を説明するフローチャートである。
図２は、ＮＯX カウンタの演算操作を示す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。
本操作では、前述したように機関がリーン空燃比で運転されている場合には、機関からのＮＯX の排出量に応じてＮＯX カウンタＱＮＯＸの値が一定時間毎に増大され、機関がリッチまたは理論空燃比で運転されている場合にはＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出量に応じてＮＯX カウンタＱＮＯＸの値が減少される。これにより、ＮＯX カウンタＱＮＯＸの値はＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯX 量に対応するようになる。また、リッチスパイク操作（通常及び通常アイドルリッチスパイク、低温アイドルリッチスパイクを含む）時にも、空燃比や排気流量等の機関運転条件に応じてＮＯX カウンタＱＮＯＸが減少され、ＱＮＯＸ＝０となったときにリッチスパイク操作が停止されるため、機関運転条件にかかわらずＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯX を完全に放出させることが可能となる。
【００４５】
図２、ステップ２０１では、機関運転モード（前述のモード▲１▼から▲５▼）、機関燃料噴射量ＱＩＮＪ、機関回転数ＮＥが読み込まれる。そして、ステップ２０３運転モード、ＱＩＮＪ、ＮＥを用いて予め定めた関係から現在の機関運転空燃比が算出され、現在機関がリッチ空燃比または理論空燃比で運転されているか否かが判定される。
【００４６】
現在の機関運転空燃比ＡＦがリッチ空燃比または理論空燃比である場合には、本操作はステップ２０５に進み、ＮＯX 吸蔵還元触媒７からの単位時間（本操作の実行間隔に相当）当たりのＮＯX 放出量ＤＮＯＸが、機関運転状態（運転モード、燃料噴射量、回転数、排気流量等）に基づいて算出される。なお、単位時間当たりのＮＯX 放出量は排気空燃比が同一であれば排気流量が大きい程、また、排気流量が同一であれば空燃比が低い（リッチな）程大きくなる。
【００４７】
そして、ステップ２０７では現在のＮＯX 吸蔵還元触媒７のＮＯX 吸蔵量ＱＮＯＸが放出量ＤＮＯＸだけ減少される。一方、ステップ２０３で現在機関の運転空燃比ＡＦがリッチ空燃比または理論空燃比でない場合（すなわち、リーン空燃比である場合）には、本操作はステップ２０９に進み、機関運転状態（運転モード、燃料噴射量、回転数、排気流量等）に基づいて単位時間当たりにＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されるＮＯX 量ＩＮＯＸが算出され、ステップ２１１ではこの吸収量ＩＮＯＸだけＮＯX 吸蔵還元触媒７のＮＯX 吸蔵量ＱＮＯＸが増大される。そして、ステップ２１３から２１９ではＱＮＯＸの値を最小値０と最大吸蔵可能ＮＯX 量ＱＮＭＡＸとによりガードして本操作は終了する。なお、ＱＮＭＡＸはＮＯX 吸蔵還元触媒７の吸収可能な最大ＮＯX 量（すなわち、ＮＯX 吸蔵還元触媒がＮＯX で飽和した時の吸蔵量）である。
【００４８】
次に、図３はアイドル運転時のリッチスパイク操作モード（すなわち通常アイドルリッチスパイクまたは低温アイドルリッチスパイク操作のいずれか）を決定するアイドルリッチスパイクモード決定操作を示すフローチャートである。本操作もＥＣＵ３０により一定時間毎に実行される。
本操作では、ＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度を検出し、機関アイドル運転中にＮＯX 吸蔵還元触媒温度が所定温度β（βはＮＯX 吸蔵還元触媒の活性化温度よりやや高い温度に相当し、本実施形態では約３００度Ｃ程度とされる）より低下した場合には後述する低温アイドルリッチスパイク操作を行う。低温アイドルリッチスパイク操作では、後述するように通常アイドルリッチスパイク操作より高い空燃比のリッチ空燃比（例えば１３．５より高い空燃比）でリッチスパイク操作が行なわれるとともに、ＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出完了後理論空燃比で機関を運転することにより、ＮＯX 吸蔵還元触媒７温度を所定温度β＋γ（γは、例えば数十度Ｃ程度）まで上昇させる。これにより、機関アイドル運転中にＮＯX 吸蔵還元触媒温度が低下し始めた場合にも、ＮＯX 吸蔵還元触媒の活性化温度以上の温度でＮＯX の放出と還元浄化を行なうことができ、効果的にＮＯX 吸蔵還元触媒が再生される。また、低温アイドルリッチスパイク操作によりＮＯX 吸蔵還元触媒温度は活性化温度より高い温度まで昇温されるため、ＮＯX 吸蔵還元触媒の温度が更に低下することが防止される。
【００４９】
一方、本操作ではＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度が所定値βより高い場合であっても、アイドル運転が所定時間α以上継続した場合には通常のアイドルリッチスパイク操作が行なわれる。後述するように、アイドル運転以外の通常運転時ではＮＯX カウンタの値が所定値に到達する毎に通常のリッチスパイク操作が行なわれるが、アイドル運転では機関のＮＯX 発生量が少ないためＮＯX カウンタの増加速度が小さく、ＮＯX カウンタが所定値に到達する前に長時間アイドル運転が継続してＮＯX 吸蔵還元触媒温度が低下する可能性がある。そこで、本実施形態ではアイドル運転時には、アイドル運転継続時間が所定値に到達する毎にアイドルリッチスパイクを行なうようにして上記の低温アイドルリッチスパイク操作とともにＮＯX 吸蔵還元触媒の温度低下を防止している。アイドルリッチスパイク操作では、機関運転空燃比は通常運転時のリッチスパイクよりも高い空燃比のリッチ空燃比（空燃比で１３．５程度）とされる。
【００５０】
図３において、ステップ３０１では現在アイドル等の機関極低負荷運転が行なわれているか否かが判定される。本実施形態では、機関運転モードが▲１▼リーン空燃比成層燃焼であり、かつ燃料噴射量が所定値より小さい場合に機関極低負荷運転中と判定される。
ステップ３０１で現在アイドル運転中であった場合には、次にステップ３０３で現在アイドル運転が所定時間以上継続しているか否かがアイドルカウンタＣＩＤＬの値に基づいて判定される。アイドルカウンタＣＩＤＬは、別途ＥＣＵ３０により実行される図示しない操作により、機関アイドル運転中一定時間毎に１ずつ増大されるカウンタであり、現在までのアイドル運転継続時間を表している。ステップ３０３ではアイドルカウンタＣＩＤＬが所定値αを越えた場合に所定時間以上アイドル運転が継続したと判定し、ステップ３０５に進みアイドルリッチスパイクフラグＸＲＳＩの値を１にセットする。後述するように、アイドルリッチスパイクフラグＸＲＳＩが１に設定されると、直ちに通常のアイドルリッチスパイク操作が実行される。
【００５１】
ステップ３０３でＣＩＤＬ≦αであった場合、すなわち現在のアイドル継続時間が所定時間を越えていない場合には、次にステップ３０７に進み、現在のＮＯX 吸蔵還元触媒７温度ＴＣＣＬが前述した所定温度βより低いか否かが判定される。ＮＯX 吸蔵還元触媒７温度ＴＣＣＬは、ＮＯX 吸蔵還元触媒７の触媒床に温度センサを配置して直接計測しても良いが、本実施形態では機関運転状態から排気温度を計算し、排気温度と触媒温度との差により生じる単位時間当たりの触媒温度変化を逐次積算することにより現在の触媒温度ＴＣＣＬを推定している。
【００５２】
ステップ３０７でＮＯX 吸蔵還元触媒７温度ＴＣＣＬが所定温度βより低い場合には、ステップ３０９に進み、低温フラグＸＴＣＣＬの値が１にセットされるとともに、ステップ３１１ではアイドルカウンタＣＩＤＬの値が０にリセットされ、ステップ３０５でアイドルリッチスパイクフラグＸＲＳＩの値が１にセットされる。なお、後述するように本実施形態ではアイドルリッチスパイクフラグＸＲＳＩと低温フラグＸＴＣＣＬとの両方が１にセットされると低温アイドルリッチスパイク操作が実行される。
【００５３】
ステップ３１３から３１９は、低温フラグＸＴＣＣＬのリセット操作を示している。本実施形態では、低温フラグＸＴＣＣＬが１にセットされている状態で（ステップ３１３）、（すなわち、一旦触媒温度ＴＣＣＬがβ以下に低下した後）、触媒温度ＴＣＣＬが（β＋γ）より高くなった場合に（ステップ３１７）低温フラグＸＴＣＣＬの値が０にリセットされる（ステップ３１９）。また、この場合もステップ３１５でアイドルカウンタＣＩＤＬは０にリセットされる。
【００５４】
一方、ステップ３０１で現在アイドル運転中でない場合には、ステップ３２１に進み、図２で算出した現在のＮＯX カウンタＱＮＯＸの値が、所定値ＱＮ１に到達したか否かを判断し、ＱＮＯＸ≧ＱＮ１の場合には通常リッチスパイクフラグＸＲＳの値を１に設定する。後述するように、通常リッチスパイクフラグＸＲＳの値が１にセットされると、通常運転時のリッチスパイク操作が実行される。また、ステップ３２１でＱＮＯＸ＜ＱＮ１であった場合には、ステップ３２５でアイドルカウンタＣＩＤＬの値は０にリセットされ、更にステップ３２７でフラグＸＲＳＩとＸＴＣＣＬとがともにリセットされて本操作は終了する。
【００５５】
なお、本実施形態では、ステップ３０３でアイドルリッチスパイク操作開始の要否を判定するアイドル運転継続時間αは、アイドル運転においてＮＯX 吸蔵還元触媒がＱＮ１のＮＯX を吸収する時間より短い時間に設定されている。
次に、図４は通常運転時及びアイドル運転時におけるリッチスパイク実行操作を示す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。
【００５６】
図４において操作が開始されると、ステップ４０１では通常運転時のリッチスパイクフラグＸＲＳの値が１にセットされているか否かが判定される。ステップ４０１でＸＲＳ＝１であった場合には、すなわち現在機関が通常運転されており、しかもＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯX 量が所定量まで増大しているため、ステップ４０３に進み通常運転時のリッチスパイク操作が行なわれ、機関運転空燃比ＡＦが１２．５程度の比較的低い（リッチの程度の大きい）リッチ空燃比に切り換えられる。
【００５７】
一方、ステップ４０１でＸＲＳ≠１であった場合には、次にステップ４０５に進み、アイドルリッチスパイクフラグＸＲＳＩが１にセットされているか否かが判定され、ＸＲＳＩ＝１であった場合には次にステップ４０７で低温フラグＸＴＣＣＬの値が１にセットされているか否かが判定される。
ステップ４０５でＸＲＳ＝１、かつステップ４０７でＸＴＣＣＬ≠１であった場合には、現在ＮＯX 吸蔵還元触媒７温度はβ以上であるがアイドル運転が所定時間α以上継続していることを意味している。このため、この場合にはステップ４１１の（通常の）アイドルリッチスパイク操作が行なわれ、機関運転空燃比ＡＦは通常運転時のリッチスパイク時の空燃比（約１２．５）より高い（リーンな）リッチ空燃比（例えば空燃比で１３．５程度）に変更される。
【００５８】
一方、ステップ４０５、４０７でＸＲＳ＝１、かつＸＴＣＣＬ＝１であった場合には、現在機関がアイドル運転中で、しかもＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度が所定値βより低下したことを意味しているので、ステップ４０９に進み、低温アイドルリッチスパイクが実行され、機関運転空燃比ＡＦは通常のアイドルリッチスパイクより更に高い空燃比（１３．５＜ＡＦ＜理論空燃比）に設定される。
【００５９】
なお、ステップ４０５でＸＲＳ≠１であった場合には、現在リッチスパイク操作の必要はないため本操作は直ちに終了する。
図５は、上記フラグＸＲＳ、ＸＲＳＩ、ＸＴＣＣＬの値に応じたリッチスパイク終了操作を示すフローチャートである。本操作も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。
【００６０】
図５において、ステップ５０１はそれぞれのリッチスパイク操作終了時期の判定を示す。前述したように、本実施形態では、図２の操作によりリッチスパイク操作中にＮＯX 吸蔵還元触媒から放出されるＮＯX 量に応じてＮＯX カウンタＱＮＯＸの値が減少されるため、ＮＯX カウンタの値はリッチスパイク操作中もＮＯX 吸蔵還元触媒中に吸蔵されたＮＯX 量に正確に対応している。そこで、本実施形態では、ＱＮＯＸ＝０となったとき、すなわちＮＯX 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯX の全量が放出、還元浄化されたときにリッチスパイク操作を終了するようにしている。なお、ＮＯX 吸蔵還元触媒から全量のＮＯX が放出されるのに必要な時間は、ＮＯX 吸蔵還元触媒のＮＯX 吸蔵量が同一の場合でもリッチスパイク操作時の機関運転空燃比により異なってくる。例えば、アイドルリッチスパイク操作では、通常のリッチスパイク操作より機関運転空燃比が高い（リーン）であるため、放出に要する時間は通常のリッチスパイク操作より長くなる。また、低温アイドルリッチスパイク操作では、更に空燃比が高くなるので放出に要する時間は更に長くなる。このためアイドル運転時のリッチスパイク操作継続時間は通常運転時に較べて長くなる。
【００６１】
ステップ５０１で、ＱＮＯＸ≠０であった場合にはリッチスパイクの終了タイミングではないため、本操作はステップ５０３以下を実行することなくそのまま終了する。一方、ステップ５０１でＱＮＯＸ＝０であった場合には、ステップ５０５に進み、通常運転時のリッチスパイクフラグＸＲＳ及びアイドルリッチスパイクフラグＸＲＳＩの両方が０にリセットされる。
【００６２】
そして、ステップ５０５では前述の低温フラグＸＴＣＣＬの値が１にセットされているか否かが判定され、ＸＴＣＣＬ≠１であった場合、すなわちＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度が所定温度βより高い場合にはステップ５０９が実行され、リッチスパイク操作を直ちに終了してリッチスパイク操作実行前のモードでの運転が再開される。
【００６３】
一方、ステップ５０５でＸＴＣＣＬ＝１であった場合にはステップ５０７に進み機関の理論空燃比での運転が行なわれる。
図３、ステップ３２７で説明したように、アイドル運転以外では低温フラグＸＴＣＣＬの値は常に０にリセットされているため、通常運転時のリッチスパイクはステップ５０１でＱＮＯＸ＝０になるとステップ５０９で直ちに終了する。また、アイドルリッチスパイク操作が実行されていた場合にも、ＮＯX 吸蔵還元触媒７温度が高い場合には低温フラグＸＴＣＣＬは０にセットされているため、ステップ５０１でＱＮＯＸ＝０になるとアイドルリッチスパイク操作も直ちに終了する。
【００６４】
このため、ステップ５０７が実行されるのは、ＸＴＣＣＬ＝１、かつＸＲＳＩ＝１の状態でリッチスパイクが実行された場合のみ、すなわち低温アイドルリッチスパイク操作時のみになる。すなわち、低温アイドルリッチスパイク時には、ＮＯX 吸蔵還元触媒７からのＮＯX の放出が完了した後（ステップ５０１）、機関を理論空燃比で運転し機関排気温度を上昇させることにより、ＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度を上昇させる操作が行なわれる。ステップ５０７の理論空燃比運転は、図３ステップ３１７でＴＣＣＬ＞（β＋γ）となるまで、すなわちＮＯX 吸蔵還元触媒７の温度が（β＋γ）に到達するまで継続される。この場合も、ＮＯX 吸蔵還元触媒７温度が（β＋γ）に到達すると、フラグＸＴＣＣＬが０にリセットされるためステップ５０９が実行され、低温アイドルリッチスパイク操作開始前のモードでの運転が再開されるようになる。
【００６５】
上述のように、本実施形態では機関アイドル運転中はリッチスパイク時の空燃比変化幅を小さく設定することにより機関運転空燃比の急変を避けて、機関の失火が生じることを防止している。これにより、機関アイドル運転中にもリッチスパイク操作を実行することが可能となっている。また、機関アイドル運転中には、アイドル運転が所定時間継続した場合、またはＮＯX 吸蔵還元触媒温度が所定値より低下した場合にはアイドルリッチスパイク操作または低温アイドルリッチスパイク操作を行なうことによりアイドル運転中もＮＯX 吸蔵還元触媒の温度は常に活性化温度以上に維持されるため、リッチスパイク操作実行時にＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出と還元浄化とを効率的に行なうことが可能となっている。
【００６６】
なお、本実施形態では低温アイドルリッチスパイク操作の際に機関運転空燃比をリッチにしてＮＯX 吸蔵還元触媒７からＮＯX を放出、還元浄化した後機関を理論空燃比で運転することによりＮＯX 吸蔵還元触媒７温度を上昇させているが、低温アイドルリッチスパイク時にまず機関を理論空燃比で運転してＮＯX 吸蔵還元触媒７温度を上昇させ、温度が上昇した後に機関運転空燃比をリッチにする操作を行なうようにしても良い。
【００６７】
（２）第２の実施形態
次に本発明のアイドルリッチスパイクの第２の実施形態について説明する。
前述の実施形態では、アイドルリッチスパイク時の空燃比の変化幅を小さく設定することにより失火を防止していたが、本実施形態ではアイドルリッチスパイク時の機関運転空燃比変化速度を通常運転時のリッチスパイク時の空燃比変化速度より小さく設定することにより機関の失火を防止する点が相違している。
【００６８】
前述のように、リッチスパイク時には機関運転モードは▲１▼（リーン空燃比成層燃焼）から▲５▼（リッチ空燃比均質混合気燃焼）に切り換えられる。
機関運転モードが▲１▼（リーン空燃比成層燃焼）のときにはスロットル弁１５は全開に近い開度に維持されており、機関燃料噴射量は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に応じて決定される。また、リッチスパイク操作時のリッチ空燃比運転では機関運転モードは▲５▼（リッチ空燃比均質混合気燃焼）とされ、機関極低負荷運転時にはスロットル弁１５は全閉とされる。また、機関燃料噴射量はスロットル弁開度と吸気圧力及び機関回転数とに基づいて決定される。詳細には、まず機関１回転当たりの吸入空気量がスロットル弁開度と吸気圧力及び機関回転数とから予め準備したマップに基づいて算出され、燃料噴射量はこの吸入空気量に対して所定のリッチ空燃比を得るために必要な量として決定される。
【００６９】
上述のように、アイドルリッチスパイク時にはスロットル弁は全開に近い開度（モード▲１▼）から全閉付近の開度（モード▲５▼）まで閉弁される。そして、モード▲５▼においては機関燃料噴射量はスロットル開度に応じて変化する。ところが、機関極低負荷運転時には吸入空気量が低下しており、吸気通路内の吸気流速も低下しているため、スロットル弁１５の開度が急激に変化しても、実際に機関に吸入される空気量がスロットル弁開度に対応した量になるまでにある程度の遅れが生じてしまう。すなわち、モード▲１▼（リーン空燃比成層燃焼）からモード▲５▼（リッチ空燃比均質混合気燃焼）への移行の際にスロットル弁を全開付近から急激に全閉付近まで閉弁すると、機関燃料噴射量はスロットル弁１５開度変化に追従して直ちに変化しスロットル弁閉弁時の機関運転空燃比に相当する量に設定されるが、実際に機関燃焼室に吸入される空気量はスロットル弁全閉時に対応する量まで減少するのにある程度の時間がかかってしまう。このため、スロットル弁閉弁直後は実際に機関に吸入される空気量は燃料噴射量に対応した値より多くなり、本来リッチになるべき機関運転空燃比は大幅なリーンになってしまう場合がある。このため、アイドルリッチスパイク時には燃焼室内の混合気が過度にリーンとなってしまい失火が生じやすくなる。また、アイドルリッチスパイク終了後、機関運転モードを▲５▼から▲１▼に戻す際もスロットル弁が全開近くまで開弁しても機関の実際の吸入空気量はすぐには増大しないため、逆に燃焼室内の混合気が過度にリッチとなり失火を生じやすくなる。
【００７０】
上述のように、アイドルリッチスパイク時に機関運転空燃比を急激に変化させると、すなわち、スロットル弁開度を急激に変化させると実際の機関吸入空気量がスロットル弁開度変化に追従できなくなるため失火が生じやすい。そこで、本実施形態では、アイドルリッチスパイク時には機関運転空燃比の変化が通常運転時のリッチスパイク時より小さくなるようにスロットル弁開度変化速度を低下させることにより失火の発生を防止している。
【００７１】
すなわち、本実施形態ではＥＣＵ３０はＮＯX カウンタＱＮＯＸの値が所定値に到達した場合にはアイドル運転中、通常運転中を問わずリッチスパイク操作を実行する。また、アイドル運転中のリッチスパイク（アイドルリッチスパイク）操作では、スロットル弁１５は全開付近から全閉付近まで閉弁されるが、ＥＣＵ３０はアイドルリッチスパイク時にはスロットル弁１５のアクチュエータ１５ａの作動速度を低下させ、通常運転時のリッチスパイク時よりスロットル弁１５の閉弁速度が小さくなるように制御する。この制御は、例えばアクチュエータ１５ａとしてステッパモータを使用した場合には、単位時間当たりのモータの作動ステップ数を低減することにより行なわれる。また、アイドルリッチスパイク時のスロットル弁１５閉弁速度は、スロットル弁開度変化に機関燃焼室に流入する吸気量変化が追従できる範囲、すなわち実際に機関燃焼室に流入する吸気量がスロットル弁開度と吸気圧力、機関回転数とから算出される機関の吸気量と常に一致しながら変化するような範囲でできるだけ大きな速度に設定されるが、実際には機関型式毎に実験等により決定することが好ましい。
【００７２】
このように、実際に燃焼室に吸入される吸気量がスロットル弁開度（及び吸気圧力、機関回転数）に基づいて算出される吸気量と一致しながら変化するようにスロットル弁の作動速度を低下させることにより、スロットル弁開度等に基づいて算出される燃料噴射量も吸気量と対応して比較的ゆっくりと変化するようになる。このため、機関運転空燃比も比較的ゆっくりと変化するようになり機関燃焼室内の混合気が過度にリーンまたはリッチになることが防止される。なお、本実施形態では、アイドルリッチスパイク操作終了後にはスロットル弁は全開付近まで開弁されるが、この場合もＥＣＵ３０はスロットル弁の作動速度を通常運転時のリッチスパイク操作終了後の作動速度より小さく設定し、実際の吸気量変化とスロットル弁開度に基づいて算出される吸気量の変化とが一致するようにする。これにより、アイドルリッチスパイク時の失火が防止され、アイドル運転時にも安定した運転を維持しながらリッチスパイク操作を行なうことが可能となる。
【００７３】
（３）第３の実施形態
本実施形態では、リッチスパイク操作（通常運転時及びアイドル運転時）の際にモード▲１▼（リーン空燃比成層燃焼）からモード▲５▼（リッチ空燃比均質混合気燃焼）に運転モードを切り換えるときに、一旦機関を所定時間（例えば機関数回転程度）モード▲３▼（リーン空燃比均質混合気燃焼）で運転した後にモード▲５▼に切り換えるようにしている。モード▲１▼の極めてリーンな空燃比から中途の空燃比（モード▲３▼）での運転を経てモード▲５▼のリッチ空燃比運転を行なうことにより、空燃比の変化による急激なトルク変動が生じることが防止される。
【００７４】
ところが、この場合にも機関アイドル運転では通常運転時と同じ中途空燃比運転時間を設定すると、前述したように急激な空燃比変化のために機関の失火が生じやすくなる。そこで、本実施形態ではアイドル運転時のリッチスパイク操作では、リッチ空燃比に移行する前の中途空燃比運転時間を通常運転時のリッチスパイク操作の中途空燃比運転時間に較べて長く設定するようにしている。このように、アイドルリッチスパイク時に中途空燃比運転時間を長く設定することにより全体としてリーン空燃比からリッチ空燃比への変化速度が小さくなり、急激な空燃比変化による機関の失火が防止されるようになる。
【００７５】
本実施形態では、ＥＣＵ３０は以下に説明する手順でアイドルリッチスパイク操作を行なう。
まず、ＥＣＵ３０はＮＯX カウンタＱＮＯＸの値が所定値ＱＮ１に到達した場合には、現在機関がアイドル運転中か否かを判定する。本実施形態においても、機関運転モードが▲１▼リーン空燃比成層燃焼であり、かつ燃料噴射量が所定値より小さい場合に現在機関がアイドル運転中であると判定される。現在機関がアイドル運転中であった場合には、ＥＣＵ３０は後述する中途空燃比運転時間カウンタＣＮＴの判定値をＣＮＴ１に設定する。また、現在機関がアイドル運転中でない場合にはカウンタＣＮＴの判定値はＣＮＴ２に設定される。
【００７６】
そして、カウンタＣＮＴの判定値を設定後、ＥＣＵ３０は現在機関がモード▲３▼（リーン空燃比均質混合気燃焼）で運転されていない場合（例えば機関がアイドル運転されている場合）には機関の運転モードを▲３▼に変更する。この場合、ＳＣＶ開度は全開とされ、スロットル弁開度、機関点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期はアクセル開度と機関回転数とに基づいて予め準備されたモード▲３▼運転のマップから決定される。前述したように、この場合には機関運転空燃比はモード▲１▼よりリッチ側の１５から２５程度のリーン空燃比となる。そして、ＥＣＵ３０はモード▲３▼に移行後、カウンタＣＮＴの値を０から一定時間毎（もしくは機関クランク軸一定回転角毎）に１ずつ増大させ、このカウンタＣＮＴの値が前述の判定値（ＣＮＴ１またはＣＮＴ２）に到達したときに、機関運転モードを▲３▼（リーン空燃比均質混合気燃焼）からモード▲５▼（リッチ空燃比均質混合気燃焼）に切り換える。この場合、スロットル弁開度はアクセル開度（アクセルペダルの踏込み量）に対応した値まで閉弁され、燃料噴射量はスロットル開度と機関吸気圧、機関回転数とから計算される機関吸入空気量に基づいて算出され、機関運転空燃比が１２．５程度のリッチ空燃比になるようにされる。
【００７７】
前述のように、モード▲３▼の運転時間カウンタＣＮＴの判定値はアイドルリッチスパイク時にはＣＮＴ１に、通常運転時にはＣＮＴ２にそれぞれ設定されている。ここで、ＣＮＴ２は機関数回転程度の時間に相当する値、ＣＮＴ１はＣＮＴ２より大きな値として予め与えられている。このため、アイドルリッチスパイク操作時にはモード▲３▼での運転時間（ＣＮＴ１）は通常運転時のリッチスパイク操作時の中途運転時間（ＣＮＴ２）より長くなり、アイドルリッチスパイク時にモード▲１▼の空燃比からモード▲５▼の空燃比に切り換わるまでの時間は通常運転時のリッチスパイクの際の空燃比切り換え時間より長くなり、全体としてアイドルリッチスパイク時の空燃比変化速度が小さくなる。このため、トルクショックの発生が防止されるとともに、アイドルリッチスパイク操作中に急激な空燃比変化による機関の失火が生じることが防止される。なお、上記中途空燃比運転時間の判定値ＣＮＴ１、ＣＮＴ２は、トルクショックが発生しない範囲（ＣＮＴ１）及び機関の失火が生じない範囲（ＣＮＴ２）でできるだけ短い時間として設定されるが、実際には機関型式毎に実験等により決定することが好ましい。
【００７８】
また、本実施形態では第１の実施形態と同様にＮＯX 吸蔵還元触媒７に吸収されたＮＯX の全量が放出されたときにリッチスパイク操作を終了するが、リッチスパイク操作終了時にモード▲５▼（リッチ空燃比均質燃焼）からリッチスパイク開始前のもとの運転モードに復帰する際にもモード▲３▼で機関をＣＮＴ１（アイドルリッチスパイク操作）またはＣＮＴ２（通常運転時のリッチスパイク操作）だけ運転してからもとのモードに復帰するようにしている。これにより、アイドルリッチスパイク終了時にも機関の失火が生じることが防止される。
【００７９】
なお、本実施形態ではアイドルリッチスパイク時にモード▲３▼での中途空燃比運転時間を通常運転時より長くするのみで、アイドルリッチスパイク時のリッチ空燃比、スロットル弁の作動速度等については通常運転時のリッチスパイクと同一にしている。しかし、本実施形態においても、第１の実施形態または第２の実施形態のようにアイドルリッチスパイク時のリッチ空燃比を通常運転時より高く設定し、及び／またはスロットル弁作動速度を通常運転時より低く設定するようにすれば、アイドルリッチスパイク時の失火をより確実に防止することが可能となる。
【００８０】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、本発明は、機関極低負荷運転時にも機関のストールを生じることなくリッチスパイク操作を行うことが可能となるという共通の効果を奏する。
また、請求項１から４の発明によれば、更に上記共通の効果に加えて、機関極低負荷運転時のＮＯX 吸蔵還元触媒の温度の低下を防止することにより、ＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出、還元浄化を効率的に実施可能とする効果を奏する。
【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】本発明の第１の実施形態を説明するフローチャートである。
【図３】本発明の第１の実施形態を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施形態を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施形態を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…内燃機関
２…排気通路
７…ＮＯX 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 (9)
- 機関排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮＯXを吸収し流入する排気の空燃比がリッチのときに吸収したＮＯXを放出、還元浄化するＮＯX吸蔵還元触媒を配置し、
機関のリーン空燃比運転中にＮＯX吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯXを、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操作を行なうことにより放出、還元浄化する内燃機関の排気浄化装置において、
機関極低負荷運転時には、通常運転時のリッチスパイク操作よりリッチスパイク時の機関運転空燃比変化幅が小さいリッチスパイク操作を行なうことによりＮＯX吸蔵還元触媒からのＮＯXの放出と還元浄化とを行なう内燃機関の排気浄化装置。 - 機関極低負荷運転時にＮＯX吸蔵還元触媒の温度が予め定めた温度より低い場合には、ＮＯX吸蔵還元触媒の温度が前記予め定めた温度より高い場合よりも更にリッチスパイク時の機関運転空燃比変化幅が小さいリッチスパイク操作を行なう請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 更に、機関極低負荷運転時には、通常運転時のリッチスパイク操作より長い時間リッチスパイク操作を行なう請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 更に、機関極低負荷運転時には、リッチスパイク操作実施直後に機関を理論空燃比で運転する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 機関排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮＯX を吸収し流入する排気の空燃比がリッチのときに吸収したＮＯX を放出、還元浄化するＮＯX 吸蔵還元触媒を配置し、
機関のリーン空燃比運転中にＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯX を、機関をリッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作を行なうことにより放出、還元浄化する内燃機関の排気浄化装置において、
リッチスパイク操作時における機関運転空燃比のリーンからリッチへの変化速度を、機関極低負荷運転時には通常運転時より小さく設定した内燃機関の排気浄化装置。 - 前記リッチスパイク操作時の機関運転空燃比の変化速度は、機関燃焼室に吸入される吸気量の変化速度を変えることにより調整される請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記リッチスパイク操作時の機関運転空燃比の変化速度は、機関燃焼室に供給される燃料量の変化速度を変えることにより調整される請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 機関排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮＯX を吸収し流入する排気の空燃比がリッチのときに吸収したＮＯX を放出、還元浄化するＮＯX 吸蔵還元触媒を配置し、
機関のリーン空燃比運転中にＮＯX 吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯX を、機関をリッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作を行なうことにより放出、還元浄化する内燃機関の排気浄化装置において、
機関吸気通路に運転者のアクセルペダル操作とは独立して動作可能な電子制御スロットル弁を備え、リッチスパイク操作時には前記電子制御スロットル弁開度を絞り機関燃焼室に吸入される吸気量を低減するとともに、機関極低負荷運転時のリッチスパイク操作における電子制御スロットル弁作動速度を通常運転時のリッチスパイク操作における作動速度より小さく設定した内燃機関の排気浄化装置。 - 機関排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮＯX を吸収し流入する排気の空燃比がリッチのときに吸収したＮＯX を放出、還元浄化するＮＯX 吸蔵還元触媒を配置し、
機関のリーン空燃比運転中に、機関空燃比をリーン空燃比から中途の空燃比での運転を経てリッチ空燃比に変化させ、リッチ空燃比に維持するリッチスパイク操作を行なうことによりＮＯX 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯX を放出させ還元浄化する内燃機関の排気浄化装置において、
機関極低負荷運転時におけるリッチスパイク操作では、前記中途空燃比での運転時間を通常運転におけるリッチスパイク操作の中途空燃比での運転時間より長く設定した内燃機関の排気浄化装置。
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1998
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