JP4075643B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はエンジンの排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＮＯｘ吸収剤に流入する排気の空燃比をリッチにした場合、ＮＯｘ吸収剤からのＮＯｘ放出作用が行われている間はＮＯｘ吸収剤から流出する排気の空燃比がわずかばかりリーンとなっており、ＮＯｘ吸収剤からのＮＯｘ放出作用が完了するとＮＯｘ吸収剤から流出する排気の空燃比がリッチになることが判明していることから、ＮＯｘ吸収剤下流の排気通路に排気の空燃比がリッチであるかリーンであるかを検出しうる空燃比センサを配置し、ＮＯｘ吸収剤からＮＯｘを放出すべくＮＯｘ吸収剤に流入する排気の空燃比をリーンからリッチに切換えた後、空燃比センサによりＮＯｘ吸収剤から流出する排気の空燃比がリッチになったことが検出されたときにＮＯｘ吸収剤からのＮＯｘ放出作用が完了したと判断してＮＯｘ吸収剤に流入する排気の空燃比をリーンに戻すようにしたエンジンがある（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２３２６４６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘをトラップし、流入する排気の空燃比が理論空燃比やリッチな空燃比になるとそれまでトラップしていたＮＯｘを脱離しかつ脱離したＮＯｘを排気中のＨＣやＣＯなどを還元剤として還元処理する触媒に、三元触媒としての機能を持たせたものがある。この触媒は三元触媒としても働くために当然のことながら酸素を吸収したり放出したりする、いわゆる酸素ストレージ機能を有している。この酸素ストレージ特性は、実際には触媒の貴金属に高速で吸収／放出される特性と、触媒のセリア等の酸素ストレージ材に低速で吸収／放出される特性とに分かれていることが知られている（特開２００１−２２７３３１号公報参照）。つまり高速成分の酸素と低速成分の酸素が存在するのであり、この２種の酸素の存在により、上記従来装置をそのまま適用して、触媒の下流に設けた空燃比センサがリーンよりリッチへと反転したとき、触媒からのＮＯｘの脱離作用が終了したと判断させたのでは、特に触媒の高温時にＮＯｘを還元するのに必要な還元剤が不足し、触媒の再生が不十分になることがわかった。
【０００５】
これについて説明する。触媒からＮＯｘを脱離すべく触媒に流入する排気の空燃比をリーンよりリッチへと切換える空燃比リッチ化処理を開始すると、触媒内にストレージされていた酸素の放出が始まるが、高速成分の酸素放出速度は触媒温度が高いほど速い特性をもっているため、触媒温度が高くなると、触媒下流の空燃比センサがリッチに反転するタイミングが早くなる。
【０００６】
そのため、触媒下流の空燃比センサがリッチに反転したときに、ＮＯｘの脱離作用が完了したと判断して空燃比リッチ化処理を終了すると、触媒温度が高くなるほどリッチ化による還元剤の供給量が少なくなり、触媒に吸収されていた、ＮＯｘにとっては、低温側ではＮＯｘの還元に必要な還元剤を供給できても、高温側ではＮＯｘを還元するために必要な還元剤が不足する。
【０００７】
一方、触媒温度が高くなるほど、低速成分として触媒にストレージされる酸素の絶対量が増加する。この低速成分としてストレージされる酸素は、触媒下流の空燃比センサがリッチに反転しても触媒内に残っているため、空燃比のリッチ化により供給された還元剤の大半は低速成分としてストレージされている酸素と反応してしまい、転化すべきＮＯｘに還元剤が行き渡らず、触媒下流の空燃比センサがリッチに反転したときにＮＯｘの脱離作用が完了したと判断して空燃比リッチ化処理を終了すると、触媒の高温側ほどＮＯｘを還元するために必要な還元剤が不足する。
【０００８】
このようにＮＯｘを還元するための還元剤が不足し、触媒が不十分にしか再生されないで終わると、触媒のＮＯｘトラップ能力が次第に減少し、ついにはＮＯｘをトラップし得なくなってしまう。
【０００９】
そこで本発明は、ＮＯｘトラップ触媒が、酸素ストレージ機能を有する三元触媒としての機能を持つ場合においても、触媒温度に関係なく触媒を十分に再生させることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＮＯｘトラップ触媒が、酸素を吸収したり放出したりする酸素ストレージ機能であって、吸収したり放出したりする酸素が高速成分の酸素と低速成分の酸素とからなり、触媒温度が高いほど高速成分の酸素の放出速度が速くなる特性と、触媒温度が高くなるほど低速成分の酸素として吸収される酸素の絶対量が増加する特性とを備えている酸素ストレージ機能を有する三元触媒としての機能を持ち、この触媒の下流に空燃比センサを配置し、前記触媒からＮＯｘを脱離すべく排気の空燃比をリーンからリッチに切換える空燃比リッチ化処理を開始した後、触媒からのＮＯｘ脱離作用が完了したとき前記空燃比リッチ化処理を終了する空燃比リッチ化処理手段を備えるエンジンの排気浄化装置において、前記触媒の触媒温度を検出する検出手段と、前記触媒からのＮＯｘ脱離作用が完了したときが、前記空燃比センサの出力がスライスレベルを横切ったときである場合に、触媒温度が高くなるほど前記低速成分の酸素として吸収される酸素の絶対値が増加することと前記高速成分の酸素の放出速度が速くなることに対応して、このスライスレベルを前記検出手段により検出される触媒温度が高くなるほど大きくなるように設定する設定手段とを備える。
【００１１】
また本発明は、同排気浄化装置において、前記触媒の触媒温度を検出する検出手段と、前記触媒からのＮＯｘ脱離作用が完了したときが、前記空燃比センサの出力がスライスレベルを横切った後に、リッチ側の値を初期値としてこの初期値より空燃比を徐々にリーン側へと戻し空燃比が理論空燃比に到達したときである場合に、触媒温度が高くなるほど前記低速成分の酸素として吸収される酸素の絶対値が増加することと前記高速成分の酸素の放出速度が速くなることに対応して、前記初期値を前記検出手段により検出される触媒温度が高くなるほどリッチ側の値となるように設定するか、または前記空燃比をリーン側へと戻す速度を前記検出手段により検出される触媒温度が高くなるほど緩やかとなるように設定する設定手段とを備える。
【００１２】
【発明の効果】
触媒からのＮＯｘ脱離作用が完了したときが、空燃比センサの出力がスライスレベルを横切ったときである場合に、このスライスレベルを触媒の低温時に、触媒にトラップされているＮＯｘの全てを還元するのに必要な還元量を供給し得るようにマッチングしていると、触媒の高温時には、空燃比センサの出力がスライスレベルを横切ったと判定されるタイミングが触媒の低温時よりも早まるためにＮＯｘの還元量が不足してしまうのであるが、本発明によれば、触媒温度が高くなるほど前記低速成分の酸素として吸収される酸素の絶対値が増加することと前記高速成分の酸素の放出速度が速くなることに対応して、触媒の高温時に触媒の低温時より大きな値のスライスレベルを設定するようにしているので、空燃比センサの出力がスライスレベルを横切ったと判定されるタイミングが遅らされ、これにより、触媒の高温時にもＮＯｘの還元量が不足なく供給される。
【００１３】
また、触媒からのＮＯｘ脱離作用が完了したときが、空燃比センサの出力がスライスレベルを横切った後に、リッチ側の値を初期値としてこの初期値より空燃比を徐々にリーン側へと戻し空燃比が理論空燃比に到達したときである場合に、この初期値や空燃比をリーン側へと戻す速度を触媒の低温時に、触媒にトラップされているＮＯｘの全てを還元するのに必要な還元量を供給し得るようにマッチングしていると、触媒の高温時には、空燃比センサの出力がスライスレベルを横切った後に空燃比が理論空燃比に到達したと判定されるタイミングが触媒の低温時よりも早まるためにＮＯｘの還元量が不足してしまうのであるが、本発明によれば、触媒温度が高くなるほど前記低速成分の酸素として吸収される酸素の絶対値が増加することと前記高速成分の酸素の放出速度が速くなることに対応して、触媒の高温時に触媒の低温時より、よりリッチ側の値の初期値やより緩やかとなるリーン側戻し速度を設定するようにしているので、空燃比センサの出力がスライスレベルを横切った後に空燃比が理論空燃比に到達したと判定されるタイミングが遅らされ、これにより、触媒の高温時にもＮＯｘの還元量が不足なく供給される。
【００１４】
このように、本発明により、触媒の高温時においてもＮＯｘを還元するための還元剤を過不足なく供給できると触媒の完全再生が可能となり、触媒のＮＯｘトラップ能力を減少させることなく維持できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は第１実施形態のエンジンの制御システムの構成を示す概略構成図である。
【００１６】
図１において空気はスロットル弁４で計量された後にエンジン１の燃焼室に吸入され、燃料噴射弁５からの噴射燃料と混合して燃焼室内に所定の空燃比の混合気が形成される。燃料噴射弁５として燃焼室内に直接燃料を噴射するものを示しているが、吸気ポートに燃料を噴射するものであってもかまわない。混合気は点火プラグ６による火花点火により着火燃焼し燃焼ガスは排気として排気通路３に排出される。
【００１７】
上記のスロットル弁４はアクチュエータ（図示しない）により駆動されるもので、エンジン冷却水温を検出する水温センサ１６、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ１７などからの信号が入力されるエンジンコントローラ１１により、これらに基づいてスロットル弁４の開度を可変的に制御している。
【００１８】
排気通路３には酸素ストレージ機能を有する三元触媒７を備える。排気にはＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの有害三成分が含まれ、理論空燃比での運転時にはこの三元触媒７によりこれら三成分が同時に効率よく浄化される。すなわち、三元触媒におけるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの転換効率を最大に維持するためには触媒雰囲気を理論空燃比にする必要があり、これは触媒の酸素ストレージ量を一定に保っておくことで果たされている。例えば触媒に流入する排気がリーン側にずれているときには排気中の酸素が触媒に吸収され、リッチ側にずれているときには触媒に吸収されている酸素が放出され、これによって触媒雰囲気が実質的に理論空燃比に保たれている。
【００１９】
一方、リーン空燃比での運転時になるとＮＯｘが多く発生しこのＮＯｘは三元触媒によっては効率よく浄化できない。そのため排気の空燃比がリーンであるときに排気中のＮＯｘをトラップし、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ側であるときに前記トラップしたＮＯｘを脱離するとともにその脱離したＮＯｘをそのときの排気中に多く含まれるＣＯ、ＨＣを還元剤として還元処理するＮＯｘトラップ触媒が三元触媒７と一体化されている。
【００２０】
このように三元触媒７は、ＮＯｘトラップ触媒の機能をも持っている。あるいは、ＮＯｘトラップ触媒が酸素ストレージ機能を有する三元触媒としての機能を持っているともいえる。以下では単に「触媒」という。
【００２１】
混合気の目標空燃比はエンジンコントローラ１１により運転領域に応じて予め定められ、大きなエンジン出力が要求されない低負荷側の運転域では燃費向上のためリーン側の空燃比を目標値として運転が行われ、これに対して大きなエンジン出力が要求される高負荷側の運転域なると、理論空燃比を目標として運転が行われる。すなわち、エンジンコントローラ１１にはクランク角センサ１２からの回転速度、エアフローメータ１３からの吸入空気流量の信号が入力すると共に、触媒７の上流に設置したＯ2センサ１４からの出力、触媒７の下流に設置したＯ2センサ１５からの出力が入力し、エンジン回転速度と負荷に応じ、低負荷側の運転域では１．０より小さな値の目標当量比ＴＦＢＹＡを定め、この目標当量比ＴＦＢＹＡで、基本空燃比（≒理論空燃比）の得られる基本噴射パルス幅Ｔｐを補正することによって燃料噴射パルス幅Ｔｉを決定する。高負荷側の運転域になると目標当量比ＴＦＢＹＡ＝１．０（理論空燃比相当）としかつ空燃比フィードバック制御条件が成立しているときには上流側Ｏ2センサ１４の出力に基づいて空燃比フィードバック補正係数αを算出し、このαで基本噴射パルス幅Ｔｐを補正することによって燃料噴射パルス幅Ｔｉを決定する。
【００２２】
また、リーン運転時において触媒７のＮＯｘトラップ量が所定値にまで達したときには触媒７を再生するため、排気の空燃比を一時的にリッチ化する空燃比リッチ化処理を行う。
【００２３】
この場合に、触媒７からのＮＯｘ脱離作用が行われている間は触媒７から流出する排気の空燃比がわずかばかりリーンとなっており、触媒７からのＮＯｘ脱離作用が完了すると触媒７から流出する排気の空燃比がリッチになるため、空燃比リッチ化処理を開始した後に、下流側Ｏ2センサ１５の出力とスライスレベルを比較し、下流側Ｏ2センサ１５の出力がこのスライスレベルを横切ったとき、触媒７からのＮＯｘ脱離作用が完了したと判定させるのであるが、その際にこのスライスレベルを触媒温度センサ１８（触媒温度検出手段）により検出される触媒温度が高くなるほど大きくなるように設定する。
【００２４】
これをさらに図２により説明すると、同図はリーン運転域での定常時に触媒温度がゆっくりと低下していく場合に空燃比リッチ化処理がどのように行われるのかをモデル的に示している。
【００２５】
同図においてリーン運転時には目標当量比ＴＦＢＹＡは１．０未満の小さな値とされかつ空燃比フィードバック補正係数αは中心値である１００％に固定されている。このとき、下流側Ｏ2センサ１５の出力はほぼ０ｍＶのレベルにある。
【００２６】
リーン運転時にはＮＯｘ触媒残容量が減ってゆき（触媒７のＮＯｘトラップ量は増えてゆく）、これが限界値ＮＯＸＲＬＳ（図２第２段目の一点鎖線参照）に達したタイミングで目標当量比ＴＦＢＹＡが１．０（理論空燃比相当）にかつ空燃比フィードバック補正係数αが１００％を超える値である所定値Ａ％（リッチ側の値）へとステップ的に切換えられ、これにより空燃比のリッチ化処理が開始される。
【００２７】
この空燃比リッチ化処理の開始により下流側Ｏ2センサ１５の出力が増大してスライスレベルを横切るタイミングで触媒７からのＮＯｘ脱離作用が完了したと判定され、空燃比リッチ化処理を終了するため目標当量比ＴＦＢＹＡがリーン運転時の値である１．０未満の値へとステップ的に戻される。
【００２８】
空燃比フィードバック補正係数αは下流側Ｏ2センサ１５の出力がスライスレベルを横切るタイミングで１００％へとステップ的に戻すのではなく、当該タイミングより、１００％を超える値である所定値Ｂ％（リッチ側の値）を初期値としてこの初期値より徐々に小さくして１００％へと戻している。ただし、所定値Ｂは上記の所定値Ａよりも小さな値である。
【００２９】
この場合に、αの波形において差分（Ａ−１００）が空燃比リッチ化の程度を定め、αの波形とαが１００％の水平線とで囲まれる面積が触媒７に供給されるＨＣ、ＣＯの還元量を表す。すなわち、この面積が大きいほどＮＯｘの還元量が増え、この面積が減るとＮＯｘの還元量も減る。
【００３０】
さて、本実施形態では下流側Ｏ2センサ１５の出力と比較するためのスライスレベルが触媒温度に応じ、触媒温度が高くなるほど大きくなるように設定されている。同図は触媒温度が低下していく場合を示すので、スライスレベルはゆっくりと小さくなっている（図２第３段目の一点鎖線参照）。このため、触媒７の高温状態では空燃比リッチ化処理を開始した後に下流側Ｏ2センサ１５の出力がスライスレベルを横切るタイミングが、触媒７の低温状態のときより遅くなり、ＮＯｘの還元量を表す上記の面積が拡大する。すなわち、本実施形態では、触媒７の高温状態においてもＮＯｘの還元量が不足することがないようにするため、スライスレベルを大きくして、下流側Ｏ2センサ１５の出力がスライスレベルを横切るタイミングを遅らせ、これによってＮＯｘの還元量を増すのである。
【００３１】
コントローラ１１で行われるこうした制御内容を以下のフローチャートに従って詳しく説明する。
【００３２】
図３は空燃比リッチ化処理を行うためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。
【００３３】
ステップ１ではリッチスパイク中フラグＦＲＳＰＩＫをみる。今は仮にフラグＦＲＳＰＩＫ＝０にあるとすると、このときにはステップ２に進みストイキ要求（理論空燃比での運転への要求のこと）があるか否かまたはＮＯｘ触媒残容量（触媒７に残留するＮＯｘトラップ量のこと）ＮＯＸＣＡＰＡが限界値ＮＯＸＲＬＳ未満であるか否かをみる。ストイキ要求がないときまたはＮＯＸＣＡＰＡが限界値ＮＯＸＲＬＳ未満となっていない（つまり触媒７にまだＮＯｘをトラップする余裕がある）ときにはそのまま今回の処理を終了する。
【００３４】
ストイキ要求があるときまたはＮＯｘ触媒残容量ＮＯＸＣＡＰＡが限界値ＮＯＸＲＬＳ未満となったときには空燃比リッチ化処理を開始するためステップ３に進みリッチスパイク中フラグＦＲＳＰＩＫ＝１とする。ステップ４では温度センサ１８により検出される触媒温度を読み込んで触媒温度を表す変数ＣＡＴＴＥＭＰに入れ、ステップ５においてこのＣＡＴＴＥＭＰの値に応じたスライスレベルを設定し、今回の処理を終了する。ここで、スライスレベルは触媒温度（ＣＡＴＴＥＭＰ）が高くなるほど高くなる値である。
【００３５】
上記のステップ３でリッチスパイク中フラグＦＲＳＰＩＫ＝１となれば、次回からは、ステップ１よりステップ６以降に進む。ステップ６では下流側Ｏ2センサ１５の出力ＯＳＲを読み込み、ステップ７でこの下流側Ｏ2センサ１５の出力ＯＳＲと、ステップ５ですでに設定されているスライスレベルを比較する。下流側Ｏ2センサ１５の出力ＯＳＲが当該スライスレベルを超えていなければそのまま今回の処理を終了する。やがて、下流側Ｏ2センサ１５の出力ＯＳＲが当該スライスレベルを横切ったときにＮＯｘ脱離作用が完了したと判断し、ステップ７よりステップ８、９に進んでリッチスパイク中フラグＦＲＳＰＩＫ＝０に戻し、ＮＯｘ触媒残容量ＮＯＸＣＡＰＡを最大値ＮＯＸＦＵＬＬに戻す。
【００３６】
図４は目標当量比［無名数］と空燃比フィードバック補正係数α［％］を算出するためのもので、これも一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。
【００３７】
ステップ１１ではリッチスパイク中フラグＦＲＳＰＩＫをみる。フラグＦＲＳＰＩＫ＝０であるときにはステップ１２〜１５の操作を繰り返す。すなわち、ステップ１２では目標当量比ＴＦＢＹＡ＝１．０、空燃比フィードバック補正係数α＝所定値Ａ［％］、２つのリッチスパイク終了フラグＦＲＳＰＩＫＥＮＤ１、ＦＲＳＰＩＫＥＮＤ２を共にゼロにする。ここで、上記の所定値Ａは空燃比のリッチ化の程度を定める値（１００％を超える一定値）である。
【００３８】
図３ステップ３でリッチスパイク中フラグＦＲＳＰＩＫ＝１になると、図４においてはステップ１１よりステップ１６に進んで第１リッチスパイク終了フラグＦＲＳＰＩＫＥＮＤ１をみる。このとき、第１リッチスパイク終了フラグＦＲＳＰＩＫＥＮＤ１＝０であるのでステップ１７、１８に進み所定値Ｂ［％］をαに入れた後に第１リッチスパイク終了フラグＦＲＳＰＩＫＥＮＤ１＝１として今回の処理を終了する。ここで、上記の所定値Ｂは上記の所定値Ａより小さな値であるが、１００％は超えている値（一定値）である。
【００３９】
ステップ１８での第１リッチスパイク終了フラグＦＲＳＰＩＫＥＮＤ１＝１により次回にはステップ１６よりステップ１９に進むことになり第２リッチスパイク終了フラグＦＲＳＰＩＫＥＮＤ２をみる。このとき、第２リッチスパイク終了フラグＦＲＳＰＩＫＥＮＤ２＝０であるのでステップ２０に進み、空燃比フィードバック補正係数αと１００％を比較する。前回にはαに所定値Ｂが入っており、このＢは１００％を超えているのでステップ２１に進み、次式によりαを漸減させて今回の処理を終了する。
【００４０】
α＝α（ＯＬＤ）−αＤＥＣ…（１）
ただし、α（ＯＬＤ）：αの前回値、
αＤＥＣ：αの減量割合（正の一定値）、
運転条件にあまり変化がなければ、次回以降はステップ１１、１６、１９、２０、２１と流れ、上記（１）式によりαの漸減を繰り返す。やがて、αが１００％未満となったときにはステップ２０よりステップ２２に進んで第２リッチスパイク終了フラグＦＲＳＰＩＫＥＮＤ２＝１とする。ステップ２３ではストイキ要求があるか否かをみる。ストイキ要求がなければ、リーン空燃比での運転へと戻すためステップ２４、２５に進み、そのときの運転条件（エンジン回転速度、負荷）に応じたマップ値を検索して目標当量比ＴＦＢＹＡに入れ、α＝１００％として今回の処理を終了する。上記のマップ検索値は１．０未満の正の値である。
【００４１】
一方、ストイキ要求があるときにはこれに応ずるためステップ２６に進んでＴＦＢＹＡ＝１．０とし、ステップ２７では空燃比フィードバック要求があるか否かをみる。空燃比フィードバック要求がなければそのまま今回の処理を終了する。空燃比フィードバック要求があるときにはステップ２７よりステップ２８に進み、上流側Ｏ2センサ１４の出力に基づいて空燃比フィードバック補正係数αを算出する。
【００４２】
図示しない燃料噴射パルス幅の演算ルーチンでは、このようにして算出される目標当量比ＴＦＢＹＡと空燃比フィードバック補正係数αとを用いて次式によりシーケンシャル噴射時の燃料噴射パルス幅Ｔｉを計算し、点火順序に合わせて所定のタイミングでＴｉの期間、燃料噴射弁６を開弁する。
【００４３】
Ｔｉ＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ×（α／１００）×２＋Ｔｓ…（２）
ただし、Ｔｐ：基本噴射パルス幅、
Ｔｓ：無効噴射パルス幅、
ここで、本実施形態の作用を説明する。
【００４４】
本実施形態は、触媒７からのＮＯｘ脱離作用が完了したときが、下流側Ｏ2センサ１５の出力がスライスレベルを横切ったときである場合を前提とするものである。この場合に、スライスレベルを触媒７の低温時に、触媒７にトラップされているＮＯｘの全てを還元するのに必要な還元量を供給し得るようにマッチングしていると、触媒７の高温時には、下流側Ｏ2センサ１５の出力がスライスレベルを横切ったと判定されるタイミングが触媒７の低温時よりも早まるためにＮＯｘの還元量が不足してしまう。
【００４５】
これに対して本実施形態（請求項１に記載の発明）によれば、触媒７の高温時に触媒７の低温時より大きな値のスライスレベルを設定するので、下流側Ｏ2センサ１５の出力がスライスレベルを横切ったと判定されるタイミングが遅らされ、これにより触媒７の高温時にもＮＯｘの還元量が不足なく供給される。このように、触媒７の高温時においてもＮＯｘを還元するための還元剤を十分に供給できると触媒７の完全再生が可能となり、触媒７のＮＯｘトラップ能力を減少させることなく維持できる。
【００４６】
図５、図６はそれぞれ第２、第３実施形態のモデル波形図で、第１実施形態の図２と置き換わるものである。
【００４７】
第１実施形態では触媒７からのＮＯｘ脱離作用が完了したときを、下流側Ｏ２センサ１５の出力がスライスレベルを横切ったときとするものを前提としたものであったが、第２、第３実施形態は触媒７からのＮＯｘ脱離作用が完了したときを、下流側Ｏ２センサ１５の出力がスライスレベルを横切った後に、所定値Ｂを初期値としてこの初期値より空燃比フィードバック補正係数αを一定の速度で小さくしαが１００％に達したとき（つまりリッチ側の値を初期値としてこの初期値より空燃比を徐々にリーン側へと戻し空燃比が理論空燃比に到達したとき）、とするものが前提である。すなわち、第２実施形態では、上記の所定値Ｂを触媒温度に応じて変化させ、触媒温度が高くなるほど大きくし、また第３実施形態ではαの戻し速度を決めているαの減量割合αＤＥＣをそれぞれ触媒温度に応じて変化させ、触媒温度が高くなるほど小さくする。図５、図６も図２と同様に触媒温度が低下していく場合を示すので、図５において所定値Ｂは徐々に小さくなり（図５第４段目の一点鎖線参照）、また図６において１００％へと戻るαの速度が徐々に速くなっている（図６第４段目参照）。このため、触媒７の高温状態では下流側Ｏ２センサ１５の出力がスライスレベルを横切った後にαが１００％に達するタイミングが触媒７の低温状態のときより遅くなり、ＮＯｘの還元量を表す上記の面積が拡大する。すなわち、第２、第３の各実施形態でも、触媒７の高温状態においてＮＯｘの還元量が不足することがないようにするため、所定値Ｂをよりリッチ側の値にしたりαの減少速度をより緩やかにして、下流側Ｏ２センサ１５の出力がスライスレベルを横切った後にαが１００％に達するタイミングを遅らせ、これによってＮＯｘの還元量を増すのである。なお、第２、第３実施形態ではスライスレベルは触媒温度に関係なく一定値である（図５、図６第３段目の一点鎖線参照）。
【００４８】
さらに説明すると、図７、図８は第２実施形態のフローチャートで、それぞれ第１実施形態の図３、図４と置き換わる。ただし、図３、図４と同一のステップには同一のステップ番号を付している。第１実施形態との違いは図７のステップ１０と図８のステップ３１にある。すなわち、第２実施形態では図７ステップ１０で設定されるスライスレベルは触媒温度に関係なく一定値であり、かつ図８ステップ３１で所定値Ｂを触媒温度が高いほど高くなるように設定している。
【００４９】
図７、図９は第３実施形態のフローチャートで、それぞれ第１実施形態の図３、図４と置き換わる。ただし、図３、図４と同一のステップには同一のステップ番号を付している。第１実施形態との違いは図７のステップ１０と図９のステップ４１にある。すなわち、第３実施形態でも図７ステップ１０で設定されるスライスレベルは触媒温度に関係なく一定値であり、かつ図９ステップ４１でαの減量割合αＤＥＣを触媒温度が高いほど小さくするように設定している。
【００５０】
さて、触媒７からのＮＯｘ脱離作用が完了したときが、下流側Ｏ2センサ１５の出力がスライスレベルを横切った後に、リッチ側の値である所定値Ｂを初期値としてこの初期値より空燃比フィードバック補正係数αを徐々にリーン側へと戻しαが１００％に到達したときである場合に、この所定値Ｂやαの戻し速度を触媒の低温時に、触媒７にトラップされているＮＯｘの全てを還元するのに必要な還元量を供給し得るようにマッチングしていると、触媒７の高温時には、下流側Ｏ2センサ１５の出力がスライスレベルを横切った後にαが１００％に到達したと判定されるタイミングが触媒７の低温時よりも早まるためにＮＯｘの還元量が不足してしまうのであるが、第２、第３の各実施形態（請求項２、３に記載の発明）によれば、触媒７の高温時に触媒７の低温時より、よりリッチ側の値の所定値Ｂやより緩やかとなるαの戻し速度を設定しているので、下流側Ｏ2センサ１５の出力がスライスレベルを横切った後にαが１００％に到達したと判定されるタイミングが遅らされ、これにより、触媒７の高温時にもＮＯｘの還元量が不足なく供給される。
【００５１】
実施形態では、空燃比センサがＯ2センサである場合で説明したが、広域空燃比センサのように排気空燃比を広域に検出できるセンサであってもかまわない。
【００５２】
第２実施形態と第３実施形態を組み合わせた態様も考えられる。
【００５３】
ＮＯｘ脱離作用の完了判定方法は実施形態のものに限定されない。例えば、ＮＯｘトラップ触媒７からのＮＯｘ脱離作用が完了したときを、空燃比センサの出力がスライスレベルを横切った後に所定のディレイ時間を経過したときとすることもできる。すなわち、この所定のディレイ時間を触媒７の低温時に、触媒７にトラップされているＮＯｘの全てを還元するのに必要な還元量を供給し得るようにマッチングしていると、触媒７の高温時には、空燃比センサの出力がスライスレベルを横切った後にディレイ時間が経過したと判定されるタイミングが触媒７の低温時よりも早まるためにＮＯｘの還元量が不足してしまう。そこで、この場合には、所定のディレイ時間を触媒温度が高くなるほど長くなるように設定すればよい（請求項４に記載の発明）。すなわち、触媒７の高温時に触媒７の低温時より長い値のディレイ時間を設定することで、空燃比センサの出力がスライスレベルを横切った後にディレイ時間が経過したと判定されるタイミングが遅らされ、これにより、触媒７の高温時にもＮＯｘの還元量が不足なく供給される。
【００５４】
請求項１に記載のスライスレベル設定手段の機能は図３のステップ５により果たされている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示す概略構成図。
【図２】第１実施形態の作用を説明するための波形図。
【図３】第１実施形態の空燃比リッチ化処理を説明するためのフローチャート。
【図４】第１実施形態の目標当量比及び空燃比フィードバック補正係数の算出を説明するためのフローチャート。
【図５】第２実施形態の作用を説明するための波形図。
【図６】第３実施形態の作用を説明するための波形図。
【図７】第２、第３実施形態の空燃比リッチ化処理を説明するためのフローチャート。
【図８】第２実施形態の目標当量比及び空燃比フィードバック補正係数の算出を説明するためのフローチャート。
【図９】第３実施形態の目標当量比及び空燃比フィードバック補正係数の算出を説明するためのフローチャート。
【符号の説明】
７ 触媒
１１ エンジンコントローラ
１５ 下流側Ｏ2センサ（空燃比センサ）
１８ 触媒温度センサ（触媒温度検出手段）
【発明の属する技術分野】
この発明はエンジンの排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＮＯｘ吸収剤に流入する排気の空燃比をリッチにした場合、ＮＯｘ吸収剤からのＮＯｘ放出作用が行われている間はＮＯｘ吸収剤から流出する排気の空燃比がわずかばかりリーンとなっており、ＮＯｘ吸収剤からのＮＯｘ放出作用が完了するとＮＯｘ吸収剤から流出する排気の空燃比がリッチになることが判明していることから、ＮＯｘ吸収剤下流の排気通路に排気の空燃比がリッチであるかリーンであるかを検出しうる空燃比センサを配置し、ＮＯｘ吸収剤からＮＯｘを放出すべくＮＯｘ吸収剤に流入する排気の空燃比をリーンからリッチに切換えた後、空燃比センサによりＮＯｘ吸収剤から流出する排気の空燃比がリッチになったことが検出されたときにＮＯｘ吸収剤からのＮＯｘ放出作用が完了したと判断してＮＯｘ吸収剤に流入する排気の空燃比をリーンに戻すようにしたエンジンがある（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２３２６４６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘをトラップし、流入する排気の空燃比が理論空燃比やリッチな空燃比になるとそれまでトラップしていたＮＯｘを脱離しかつ脱離したＮＯｘを排気中のＨＣやＣＯなどを還元剤として還元処理する触媒に、三元触媒としての機能を持たせたものがある。この触媒は三元触媒としても働くために当然のことながら酸素を吸収したり放出したりする、いわゆる酸素ストレージ機能を有している。この酸素ストレージ特性は、実際には触媒の貴金属に高速で吸収／放出される特性と、触媒のセリア等の酸素ストレージ材に低速で吸収／放出される特性とに分かれていることが知られている（特開２００１−２２７３３１号公報参照）。つまり高速成分の酸素と低速成分の酸素が存在するのであり、この２種の酸素の存在により、上記従来装置をそのまま適用して、触媒の下流に設けた空燃比センサがリーンよりリッチへと反転したとき、触媒からのＮＯｘの脱離作用が終了したと判断させたのでは、特に触媒の高温時にＮＯｘを還元するのに必要な還元剤が不足し、触媒の再生が不十分になることがわかった。
【０００５】
これについて説明する。触媒からＮＯｘを脱離すべく触媒に流入する排気の空燃比をリーンよりリッチへと切換える空燃比リッチ化処理を開始すると、触媒内にストレージされていた酸素の放出が始まるが、高速成分の酸素放出速度は触媒温度が高いほど速い特性をもっているため、触媒温度が高くなると、触媒下流の空燃比センサがリッチに反転するタイミングが早くなる。
【０００６】
そのため、触媒下流の空燃比センサがリッチに反転したときに、ＮＯｘの脱離作用が完了したと判断して空燃比リッチ化処理を終了すると、触媒温度が高くなるほどリッチ化による還元剤の供給量が少なくなり、触媒に吸収されていた、ＮＯｘにとっては、低温側ではＮＯｘの還元に必要な還元剤を供給できても、高温側ではＮＯｘを還元するために必要な還元剤が不足する。
【０００７】
一方、触媒温度が高くなるほど、低速成分として触媒にストレージされる酸素の絶対量が増加する。この低速成分としてストレージされる酸素は、触媒下流の空燃比センサがリッチに反転しても触媒内に残っているため、空燃比のリッチ化により供給された還元剤の大半は低速成分としてストレージされている酸素と反応してしまい、転化すべきＮＯｘに還元剤が行き渡らず、触媒下流の空燃比センサがリッチに反転したときにＮＯｘの脱離作用が完了したと判断して空燃比リッチ化処理を終了すると、触媒の高温側ほどＮＯｘを還元するために必要な還元剤が不足する。
【０００８】
このようにＮＯｘを還元するための還元剤が不足し、触媒が不十分にしか再生されないで終わると、触媒のＮＯｘトラップ能力が次第に減少し、ついにはＮＯｘをトラップし得なくなってしまう。
【０００９】
そこで本発明は、ＮＯｘトラップ触媒が、酸素ストレージ機能を有する三元触媒としての機能を持つ場合においても、触媒温度に関係なく触媒を十分に再生させることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＮＯｘトラップ触媒が、酸素を吸収したり放出したりする酸素ストレージ機能であって、吸収したり放出したりする酸素が高速成分の酸素と低速成分の酸素とからなり、触媒温度が高いほど高速成分の酸素の放出速度が速くなる特性と、触媒温度が高くなるほど低速成分の酸素として吸収される酸素の絶対量が増加する特性とを備えている酸素ストレージ機能を有する三元触媒としての機能を持ち、この触媒の下流に空燃比センサを配置し、前記触媒からＮＯｘを脱離すべく排気の空燃比をリーンからリッチに切換える空燃比リッチ化処理を開始した後、触媒からのＮＯｘ脱離作用が完了したとき前記空燃比リッチ化処理を終了する空燃比リッチ化処理手段を備えるエンジンの排気浄化装置において、前記触媒の触媒温度を検出する検出手段と、前記触媒からのＮＯｘ脱離作用が完了したときが、前記空燃比センサの出力がスライスレベルを横切ったときである場合に、触媒温度が高くなるほど前記低速成分の酸素として吸収される酸素の絶対値が増加することと前記高速成分の酸素の放出速度が速くなることに対応して、このスライスレベルを前記検出手段により検出される触媒温度が高くなるほど大きくなるように設定する設定手段とを備える。
【００１１】
また本発明は、同排気浄化装置において、前記触媒の触媒温度を検出する検出手段と、前記触媒からのＮＯｘ脱離作用が完了したときが、前記空燃比センサの出力がスライスレベルを横切った後に、リッチ側の値を初期値としてこの初期値より空燃比を徐々にリーン側へと戻し空燃比が理論空燃比に到達したときである場合に、触媒温度が高くなるほど前記低速成分の酸素として吸収される酸素の絶対値が増加することと前記高速成分の酸素の放出速度が速くなることに対応して、前記初期値を前記検出手段により検出される触媒温度が高くなるほどリッチ側の値となるように設定するか、または前記空燃比をリーン側へと戻す速度を前記検出手段により検出される触媒温度が高くなるほど緩やかとなるように設定する設定手段とを備える。
【００１２】
【発明の効果】
触媒からのＮＯｘ脱離作用が完了したときが、空燃比センサの出力がスライスレベルを横切ったときである場合に、このスライスレベルを触媒の低温時に、触媒にトラップされているＮＯｘの全てを還元するのに必要な還元量を供給し得るようにマッチングしていると、触媒の高温時には、空燃比センサの出力がスライスレベルを横切ったと判定されるタイミングが触媒の低温時よりも早まるためにＮＯｘの還元量が不足してしまうのであるが、本発明によれば、触媒温度が高くなるほど前記低速成分の酸素として吸収される酸素の絶対値が増加することと前記高速成分の酸素の放出速度が速くなることに対応して、触媒の高温時に触媒の低温時より大きな値のスライスレベルを設定するようにしているので、空燃比センサの出力がスライスレベルを横切ったと判定されるタイミングが遅らされ、これにより、触媒の高温時にもＮＯｘの還元量が不足なく供給される。
【００１３】
また、触媒からのＮＯｘ脱離作用が完了したときが、空燃比センサの出力がスライスレベルを横切った後に、リッチ側の値を初期値としてこの初期値より空燃比を徐々にリーン側へと戻し空燃比が理論空燃比に到達したときである場合に、この初期値や空燃比をリーン側へと戻す速度を触媒の低温時に、触媒にトラップされているＮＯｘの全てを還元するのに必要な還元量を供給し得るようにマッチングしていると、触媒の高温時には、空燃比センサの出力がスライスレベルを横切った後に空燃比が理論空燃比に到達したと判定されるタイミングが触媒の低温時よりも早まるためにＮＯｘの還元量が不足してしまうのであるが、本発明によれば、触媒温度が高くなるほど前記低速成分の酸素として吸収される酸素の絶対値が増加することと前記高速成分の酸素の放出速度が速くなることに対応して、触媒の高温時に触媒の低温時より、よりリッチ側の値の初期値やより緩やかとなるリーン側戻し速度を設定するようにしているので、空燃比センサの出力がスライスレベルを横切った後に空燃比が理論空燃比に到達したと判定されるタイミングが遅らされ、これにより、触媒の高温時にもＮＯｘの還元量が不足なく供給される。
【００１４】
このように、本発明により、触媒の高温時においてもＮＯｘを還元するための還元剤を過不足なく供給できると触媒の完全再生が可能となり、触媒のＮＯｘトラップ能力を減少させることなく維持できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は第１実施形態のエンジンの制御システムの構成を示す概略構成図である。
【００１６】
図１において空気はスロットル弁４で計量された後にエンジン１の燃焼室に吸入され、燃料噴射弁５からの噴射燃料と混合して燃焼室内に所定の空燃比の混合気が形成される。燃料噴射弁５として燃焼室内に直接燃料を噴射するものを示しているが、吸気ポートに燃料を噴射するものであってもかまわない。混合気は点火プラグ６による火花点火により着火燃焼し燃焼ガスは排気として排気通路３に排出される。
【００１７】
上記のスロットル弁４はアクチュエータ（図示しない）により駆動されるもので、エンジン冷却水温を検出する水温センサ１６、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ１７などからの信号が入力されるエンジンコントローラ１１により、これらに基づいてスロットル弁４の開度を可変的に制御している。
【００１８】
排気通路３には酸素ストレージ機能を有する三元触媒７を備える。排気にはＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの有害三成分が含まれ、理論空燃比での運転時にはこの三元触媒７によりこれら三成分が同時に効率よく浄化される。すなわち、三元触媒におけるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの転換効率を最大に維持するためには触媒雰囲気を理論空燃比にする必要があり、これは触媒の酸素ストレージ量を一定に保っておくことで果たされている。例えば触媒に流入する排気がリーン側にずれているときには排気中の酸素が触媒に吸収され、リッチ側にずれているときには触媒に吸収されている酸素が放出され、これによって触媒雰囲気が実質的に理論空燃比に保たれている。
【００１９】
一方、リーン空燃比での運転時になるとＮＯｘが多く発生しこのＮＯｘは三元触媒によっては効率よく浄化できない。そのため排気の空燃比がリーンであるときに排気中のＮＯｘをトラップし、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ側であるときに前記トラップしたＮＯｘを脱離するとともにその脱離したＮＯｘをそのときの排気中に多く含まれるＣＯ、ＨＣを還元剤として還元処理するＮＯｘトラップ触媒が三元触媒７と一体化されている。
【００２０】
このように三元触媒７は、ＮＯｘトラップ触媒の機能をも持っている。あるいは、ＮＯｘトラップ触媒が酸素ストレージ機能を有する三元触媒としての機能を持っているともいえる。以下では単に「触媒」という。
【００２１】
混合気の目標空燃比はエンジンコントローラ１１により運転領域に応じて予め定められ、大きなエンジン出力が要求されない低負荷側の運転域では燃費向上のためリーン側の空燃比を目標値として運転が行われ、これに対して大きなエンジン出力が要求される高負荷側の運転域なると、理論空燃比を目標として運転が行われる。すなわち、エンジンコントローラ１１にはクランク角センサ１２からの回転速度、エアフローメータ１３からの吸入空気流量の信号が入力すると共に、触媒７の上流に設置したＯ2センサ１４からの出力、触媒７の下流に設置したＯ2センサ１５からの出力が入力し、エンジン回転速度と負荷に応じ、低負荷側の運転域では１．０より小さな値の目標当量比ＴＦＢＹＡを定め、この目標当量比ＴＦＢＹＡで、基本空燃比（≒理論空燃比）の得られる基本噴射パルス幅Ｔｐを補正することによって燃料噴射パルス幅Ｔｉを決定する。高負荷側の運転域になると目標当量比ＴＦＢＹＡ＝１．０（理論空燃比相当）としかつ空燃比フィードバック制御条件が成立しているときには上流側Ｏ2センサ１４の出力に基づいて空燃比フィードバック補正係数αを算出し、このαで基本噴射パルス幅Ｔｐを補正することによって燃料噴射パルス幅Ｔｉを決定する。
【００２２】
また、リーン運転時において触媒７のＮＯｘトラップ量が所定値にまで達したときには触媒７を再生するため、排気の空燃比を一時的にリッチ化する空燃比リッチ化処理を行う。
【００２３】
この場合に、触媒７からのＮＯｘ脱離作用が行われている間は触媒７から流出する排気の空燃比がわずかばかりリーンとなっており、触媒７からのＮＯｘ脱離作用が完了すると触媒７から流出する排気の空燃比がリッチになるため、空燃比リッチ化処理を開始した後に、下流側Ｏ2センサ１５の出力とスライスレベルを比較し、下流側Ｏ2センサ１５の出力がこのスライスレベルを横切ったとき、触媒７からのＮＯｘ脱離作用が完了したと判定させるのであるが、その際にこのスライスレベルを触媒温度センサ１８（触媒温度検出手段）により検出される触媒温度が高くなるほど大きくなるように設定する。
【００２４】
これをさらに図２により説明すると、同図はリーン運転域での定常時に触媒温度がゆっくりと低下していく場合に空燃比リッチ化処理がどのように行われるのかをモデル的に示している。
【００２５】
同図においてリーン運転時には目標当量比ＴＦＢＹＡは１．０未満の小さな値とされかつ空燃比フィードバック補正係数αは中心値である１００％に固定されている。このとき、下流側Ｏ2センサ１５の出力はほぼ０ｍＶのレベルにある。
【００２６】
リーン運転時にはＮＯｘ触媒残容量が減ってゆき（触媒７のＮＯｘトラップ量は増えてゆく）、これが限界値ＮＯＸＲＬＳ（図２第２段目の一点鎖線参照）に達したタイミングで目標当量比ＴＦＢＹＡが１．０（理論空燃比相当）にかつ空燃比フィードバック補正係数αが１００％を超える値である所定値Ａ％（リッチ側の値）へとステップ的に切換えられ、これにより空燃比のリッチ化処理が開始される。
【００２７】
この空燃比リッチ化処理の開始により下流側Ｏ2センサ１５の出力が増大してスライスレベルを横切るタイミングで触媒７からのＮＯｘ脱離作用が完了したと判定され、空燃比リッチ化処理を終了するため目標当量比ＴＦＢＹＡがリーン運転時の値である１．０未満の値へとステップ的に戻される。
【００２８】
空燃比フィードバック補正係数αは下流側Ｏ2センサ１５の出力がスライスレベルを横切るタイミングで１００％へとステップ的に戻すのではなく、当該タイミングより、１００％を超える値である所定値Ｂ％（リッチ側の値）を初期値としてこの初期値より徐々に小さくして１００％へと戻している。ただし、所定値Ｂは上記の所定値Ａよりも小さな値である。
【００２９】
この場合に、αの波形において差分（Ａ−１００）が空燃比リッチ化の程度を定め、αの波形とαが１００％の水平線とで囲まれる面積が触媒７に供給されるＨＣ、ＣＯの還元量を表す。すなわち、この面積が大きいほどＮＯｘの還元量が増え、この面積が減るとＮＯｘの還元量も減る。
【００３０】
さて、本実施形態では下流側Ｏ2センサ１５の出力と比較するためのスライスレベルが触媒温度に応じ、触媒温度が高くなるほど大きくなるように設定されている。同図は触媒温度が低下していく場合を示すので、スライスレベルはゆっくりと小さくなっている（図２第３段目の一点鎖線参照）。このため、触媒７の高温状態では空燃比リッチ化処理を開始した後に下流側Ｏ2センサ１５の出力がスライスレベルを横切るタイミングが、触媒７の低温状態のときより遅くなり、ＮＯｘの還元量を表す上記の面積が拡大する。すなわち、本実施形態では、触媒７の高温状態においてもＮＯｘの還元量が不足することがないようにするため、スライスレベルを大きくして、下流側Ｏ2センサ１５の出力がスライスレベルを横切るタイミングを遅らせ、これによってＮＯｘの還元量を増すのである。
【００３１】
コントローラ１１で行われるこうした制御内容を以下のフローチャートに従って詳しく説明する。
【００３２】
図３は空燃比リッチ化処理を行うためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。
【００３３】
ステップ１ではリッチスパイク中フラグＦＲＳＰＩＫをみる。今は仮にフラグＦＲＳＰＩＫ＝０にあるとすると、このときにはステップ２に進みストイキ要求（理論空燃比での運転への要求のこと）があるか否かまたはＮＯｘ触媒残容量（触媒７に残留するＮＯｘトラップ量のこと）ＮＯＸＣＡＰＡが限界値ＮＯＸＲＬＳ未満であるか否かをみる。ストイキ要求がないときまたはＮＯＸＣＡＰＡが限界値ＮＯＸＲＬＳ未満となっていない（つまり触媒７にまだＮＯｘをトラップする余裕がある）ときにはそのまま今回の処理を終了する。
【００３４】
ストイキ要求があるときまたはＮＯｘ触媒残容量ＮＯＸＣＡＰＡが限界値ＮＯＸＲＬＳ未満となったときには空燃比リッチ化処理を開始するためステップ３に進みリッチスパイク中フラグＦＲＳＰＩＫ＝１とする。ステップ４では温度センサ１８により検出される触媒温度を読み込んで触媒温度を表す変数ＣＡＴＴＥＭＰに入れ、ステップ５においてこのＣＡＴＴＥＭＰの値に応じたスライスレベルを設定し、今回の処理を終了する。ここで、スライスレベルは触媒温度（ＣＡＴＴＥＭＰ）が高くなるほど高くなる値である。
【００３５】
上記のステップ３でリッチスパイク中フラグＦＲＳＰＩＫ＝１となれば、次回からは、ステップ１よりステップ６以降に進む。ステップ６では下流側Ｏ2センサ１５の出力ＯＳＲを読み込み、ステップ７でこの下流側Ｏ2センサ１５の出力ＯＳＲと、ステップ５ですでに設定されているスライスレベルを比較する。下流側Ｏ2センサ１５の出力ＯＳＲが当該スライスレベルを超えていなければそのまま今回の処理を終了する。やがて、下流側Ｏ2センサ１５の出力ＯＳＲが当該スライスレベルを横切ったときにＮＯｘ脱離作用が完了したと判断し、ステップ７よりステップ８、９に進んでリッチスパイク中フラグＦＲＳＰＩＫ＝０に戻し、ＮＯｘ触媒残容量ＮＯＸＣＡＰＡを最大値ＮＯＸＦＵＬＬに戻す。
【００３６】
図４は目標当量比［無名数］と空燃比フィードバック補正係数α［％］を算出するためのもので、これも一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。
【００３７】
ステップ１１ではリッチスパイク中フラグＦＲＳＰＩＫをみる。フラグＦＲＳＰＩＫ＝０であるときにはステップ１２〜１５の操作を繰り返す。すなわち、ステップ１２では目標当量比ＴＦＢＹＡ＝１．０、空燃比フィードバック補正係数α＝所定値Ａ［％］、２つのリッチスパイク終了フラグＦＲＳＰＩＫＥＮＤ１、ＦＲＳＰＩＫＥＮＤ２を共にゼロにする。ここで、上記の所定値Ａは空燃比のリッチ化の程度を定める値（１００％を超える一定値）である。
【００３８】
図３ステップ３でリッチスパイク中フラグＦＲＳＰＩＫ＝１になると、図４においてはステップ１１よりステップ１６に進んで第１リッチスパイク終了フラグＦＲＳＰＩＫＥＮＤ１をみる。このとき、第１リッチスパイク終了フラグＦＲＳＰＩＫＥＮＤ１＝０であるのでステップ１７、１８に進み所定値Ｂ［％］をαに入れた後に第１リッチスパイク終了フラグＦＲＳＰＩＫＥＮＤ１＝１として今回の処理を終了する。ここで、上記の所定値Ｂは上記の所定値Ａより小さな値であるが、１００％は超えている値（一定値）である。
【００３９】
ステップ１８での第１リッチスパイク終了フラグＦＲＳＰＩＫＥＮＤ１＝１により次回にはステップ１６よりステップ１９に進むことになり第２リッチスパイク終了フラグＦＲＳＰＩＫＥＮＤ２をみる。このとき、第２リッチスパイク終了フラグＦＲＳＰＩＫＥＮＤ２＝０であるのでステップ２０に進み、空燃比フィードバック補正係数αと１００％を比較する。前回にはαに所定値Ｂが入っており、このＢは１００％を超えているのでステップ２１に進み、次式によりαを漸減させて今回の処理を終了する。
【００４０】
α＝α（ＯＬＤ）−αＤＥＣ…（１）
ただし、α（ＯＬＤ）：αの前回値、
αＤＥＣ：αの減量割合（正の一定値）、
運転条件にあまり変化がなければ、次回以降はステップ１１、１６、１９、２０、２１と流れ、上記（１）式によりαの漸減を繰り返す。やがて、αが１００％未満となったときにはステップ２０よりステップ２２に進んで第２リッチスパイク終了フラグＦＲＳＰＩＫＥＮＤ２＝１とする。ステップ２３ではストイキ要求があるか否かをみる。ストイキ要求がなければ、リーン空燃比での運転へと戻すためステップ２４、２５に進み、そのときの運転条件（エンジン回転速度、負荷）に応じたマップ値を検索して目標当量比ＴＦＢＹＡに入れ、α＝１００％として今回の処理を終了する。上記のマップ検索値は１．０未満の正の値である。
【００４１】
一方、ストイキ要求があるときにはこれに応ずるためステップ２６に進んでＴＦＢＹＡ＝１．０とし、ステップ２７では空燃比フィードバック要求があるか否かをみる。空燃比フィードバック要求がなければそのまま今回の処理を終了する。空燃比フィードバック要求があるときにはステップ２７よりステップ２８に進み、上流側Ｏ2センサ１４の出力に基づいて空燃比フィードバック補正係数αを算出する。
【００４２】
図示しない燃料噴射パルス幅の演算ルーチンでは、このようにして算出される目標当量比ＴＦＢＹＡと空燃比フィードバック補正係数αとを用いて次式によりシーケンシャル噴射時の燃料噴射パルス幅Ｔｉを計算し、点火順序に合わせて所定のタイミングでＴｉの期間、燃料噴射弁６を開弁する。
【００４３】
Ｔｉ＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ×（α／１００）×２＋Ｔｓ…（２）
ただし、Ｔｐ：基本噴射パルス幅、
Ｔｓ：無効噴射パルス幅、
ここで、本実施形態の作用を説明する。
【００４４】
本実施形態は、触媒７からのＮＯｘ脱離作用が完了したときが、下流側Ｏ2センサ１５の出力がスライスレベルを横切ったときである場合を前提とするものである。この場合に、スライスレベルを触媒７の低温時に、触媒７にトラップされているＮＯｘの全てを還元するのに必要な還元量を供給し得るようにマッチングしていると、触媒７の高温時には、下流側Ｏ2センサ１５の出力がスライスレベルを横切ったと判定されるタイミングが触媒７の低温時よりも早まるためにＮＯｘの還元量が不足してしまう。
【００４５】
これに対して本実施形態（請求項１に記載の発明）によれば、触媒７の高温時に触媒７の低温時より大きな値のスライスレベルを設定するので、下流側Ｏ2センサ１５の出力がスライスレベルを横切ったと判定されるタイミングが遅らされ、これにより触媒７の高温時にもＮＯｘの還元量が不足なく供給される。このように、触媒７の高温時においてもＮＯｘを還元するための還元剤を十分に供給できると触媒７の完全再生が可能となり、触媒７のＮＯｘトラップ能力を減少させることなく維持できる。
【００４６】
図５、図６はそれぞれ第２、第３実施形態のモデル波形図で、第１実施形態の図２と置き換わるものである。
【００４７】
第１実施形態では触媒７からのＮＯｘ脱離作用が完了したときを、下流側Ｏ２センサ１５の出力がスライスレベルを横切ったときとするものを前提としたものであったが、第２、第３実施形態は触媒７からのＮＯｘ脱離作用が完了したときを、下流側Ｏ２センサ１５の出力がスライスレベルを横切った後に、所定値Ｂを初期値としてこの初期値より空燃比フィードバック補正係数αを一定の速度で小さくしαが１００％に達したとき（つまりリッチ側の値を初期値としてこの初期値より空燃比を徐々にリーン側へと戻し空燃比が理論空燃比に到達したとき）、とするものが前提である。すなわち、第２実施形態では、上記の所定値Ｂを触媒温度に応じて変化させ、触媒温度が高くなるほど大きくし、また第３実施形態ではαの戻し速度を決めているαの減量割合αＤＥＣをそれぞれ触媒温度に応じて変化させ、触媒温度が高くなるほど小さくする。図５、図６も図２と同様に触媒温度が低下していく場合を示すので、図５において所定値Ｂは徐々に小さくなり（図５第４段目の一点鎖線参照）、また図６において１００％へと戻るαの速度が徐々に速くなっている（図６第４段目参照）。このため、触媒７の高温状態では下流側Ｏ２センサ１５の出力がスライスレベルを横切った後にαが１００％に達するタイミングが触媒７の低温状態のときより遅くなり、ＮＯｘの還元量を表す上記の面積が拡大する。すなわち、第２、第３の各実施形態でも、触媒７の高温状態においてＮＯｘの還元量が不足することがないようにするため、所定値Ｂをよりリッチ側の値にしたりαの減少速度をより緩やかにして、下流側Ｏ２センサ１５の出力がスライスレベルを横切った後にαが１００％に達するタイミングを遅らせ、これによってＮＯｘの還元量を増すのである。なお、第２、第３実施形態ではスライスレベルは触媒温度に関係なく一定値である（図５、図６第３段目の一点鎖線参照）。
【００４８】
さらに説明すると、図７、図８は第２実施形態のフローチャートで、それぞれ第１実施形態の図３、図４と置き換わる。ただし、図３、図４と同一のステップには同一のステップ番号を付している。第１実施形態との違いは図７のステップ１０と図８のステップ３１にある。すなわち、第２実施形態では図７ステップ１０で設定されるスライスレベルは触媒温度に関係なく一定値であり、かつ図８ステップ３１で所定値Ｂを触媒温度が高いほど高くなるように設定している。
【００４９】
図７、図９は第３実施形態のフローチャートで、それぞれ第１実施形態の図３、図４と置き換わる。ただし、図３、図４と同一のステップには同一のステップ番号を付している。第１実施形態との違いは図７のステップ１０と図９のステップ４１にある。すなわち、第３実施形態でも図７ステップ１０で設定されるスライスレベルは触媒温度に関係なく一定値であり、かつ図９ステップ４１でαの減量割合αＤＥＣを触媒温度が高いほど小さくするように設定している。
【００５０】
さて、触媒７からのＮＯｘ脱離作用が完了したときが、下流側Ｏ2センサ１５の出力がスライスレベルを横切った後に、リッチ側の値である所定値Ｂを初期値としてこの初期値より空燃比フィードバック補正係数αを徐々にリーン側へと戻しαが１００％に到達したときである場合に、この所定値Ｂやαの戻し速度を触媒の低温時に、触媒７にトラップされているＮＯｘの全てを還元するのに必要な還元量を供給し得るようにマッチングしていると、触媒７の高温時には、下流側Ｏ2センサ１５の出力がスライスレベルを横切った後にαが１００％に到達したと判定されるタイミングが触媒７の低温時よりも早まるためにＮＯｘの還元量が不足してしまうのであるが、第２、第３の各実施形態（請求項２、３に記載の発明）によれば、触媒７の高温時に触媒７の低温時より、よりリッチ側の値の所定値Ｂやより緩やかとなるαの戻し速度を設定しているので、下流側Ｏ2センサ１５の出力がスライスレベルを横切った後にαが１００％に到達したと判定されるタイミングが遅らされ、これにより、触媒７の高温時にもＮＯｘの還元量が不足なく供給される。
【００５１】
実施形態では、空燃比センサがＯ2センサである場合で説明したが、広域空燃比センサのように排気空燃比を広域に検出できるセンサであってもかまわない。
【００５２】
第２実施形態と第３実施形態を組み合わせた態様も考えられる。
【００５３】
ＮＯｘ脱離作用の完了判定方法は実施形態のものに限定されない。例えば、ＮＯｘトラップ触媒７からのＮＯｘ脱離作用が完了したときを、空燃比センサの出力がスライスレベルを横切った後に所定のディレイ時間を経過したときとすることもできる。すなわち、この所定のディレイ時間を触媒７の低温時に、触媒７にトラップされているＮＯｘの全てを還元するのに必要な還元量を供給し得るようにマッチングしていると、触媒７の高温時には、空燃比センサの出力がスライスレベルを横切った後にディレイ時間が経過したと判定されるタイミングが触媒７の低温時よりも早まるためにＮＯｘの還元量が不足してしまう。そこで、この場合には、所定のディレイ時間を触媒温度が高くなるほど長くなるように設定すればよい（請求項４に記載の発明）。すなわち、触媒７の高温時に触媒７の低温時より長い値のディレイ時間を設定することで、空燃比センサの出力がスライスレベルを横切った後にディレイ時間が経過したと判定されるタイミングが遅らされ、これにより、触媒７の高温時にもＮＯｘの還元量が不足なく供給される。
【００５４】
請求項１に記載のスライスレベル設定手段の機能は図３のステップ５により果たされている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示す概略構成図。
【図２】第１実施形態の作用を説明するための波形図。
【図３】第１実施形態の空燃比リッチ化処理を説明するためのフローチャート。
【図４】第１実施形態の目標当量比及び空燃比フィードバック補正係数の算出を説明するためのフローチャート。
【図５】第２実施形態の作用を説明するための波形図。
【図６】第３実施形態の作用を説明するための波形図。
【図７】第２、第３実施形態の空燃比リッチ化処理を説明するためのフローチャート。
【図８】第２実施形態の目標当量比及び空燃比フィードバック補正係数の算出を説明するためのフローチャート。
【図９】第３実施形態の目標当量比及び空燃比フィードバック補正係数の算出を説明するためのフローチャート。
【符号の説明】
７ 触媒
１１ エンジンコントローラ
１５ 下流側Ｏ2センサ（空燃比センサ）
１８ 触媒温度センサ（触媒温度検出手段）
Claims (4)
- 流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘをトラップし、流入する排気の空燃比がストイキまたはリッチになるとそれまでトラップしていたＮＯｘを脱離しかつ脱離したＮＯｘを排気中の成分を還元剤として還元処理する触媒であって、
この触媒が、酸素を吸収したり放出したりする酸素ストレージ機能であって、吸収したり放出したりする酸素が高速成分の酸素と低速成分の酸素とからなり、触媒温度が高いほど高速成分の酸素の放出速度が速くなる特性と、触媒温度が高くなるほど低速成分の酸素として吸収される酸素の絶対量が増加する特性とを備えている酸素ストレージ機能を有する三元触媒としての機能を持ち、
この触媒の下流に触媒から流出する排気の空燃比がリッチであるかリーンであるかを検出しうる空燃比センサを配置し、
前記触媒からＮＯｘを脱離すべく排気の空燃比をリーンからリッチに切換える空燃比リッチ化処理を開始した後に、触媒からのＮＯｘ脱離作用が完了したとき前記空燃比リッチ化処理を終了する空燃比リッチ化処理手段を備えるエンジンの排気浄化装置において、
前記触媒の温度を検出する検出手段と、
前記触媒からのＮＯｘ脱離作用が完了したときが、前記空燃比センサの出力がスライスレベルを横切ったときである場合に、触媒温度が高くなるほど前記低速成分の酸素として吸収される酸素の絶対値が増加することと前記高速成分の酸素の放出速度が速くなることに対応して、このスライスレベルを前記検出手段により検出される触媒温度が高くなるほど大きくなる側に設定するスライスレベル設定手段とを備えることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘをトラップし、流入する排気の空燃比がストイキまたはリッチになるとそれまでトラップしていたＮＯｘを脱離しかつ脱離したＮＯｘを排気中の成分を還元剤として還元処理する触媒であって、
この触媒が、酸素を吸収したり放出したりする酸素ストレージ機能であって、吸収したり放出したりする酸素が高速成分の酸素と低速成分の酸素とからなり、触媒温度が高いほど高速成分の酸素の放出速度が速くなる特性と、触媒温度が高くなるほど低速成分の酸素として吸収される酸素の絶対量が増加する特性とを備えている酸素ストレージ機能を有する三元触媒としての機能を持ち、
この触媒の下流に触媒から流出する排気の空燃比がリッチであるかリーンであるかを検出しうる空燃比センサを配置し、
前記触媒からＮＯｘを脱離すべく排気の空燃比をリーンからリッチに切換える空燃比リッチ化処理を開始した後に、触媒からのＮＯｘ脱離作用が完了したとき前記空燃比リッチ化処理を終了する空燃比リッチ化処理手段を備えるエンジンの排気浄化装置において、
前記触媒の温度を検出する検出手段と、
前記触媒からのＮＯｘ脱離作用が完了したときが、前記空燃比センサの出力がスライスレベルを横切った後に、リッチ側の値を初期値としてこの初期値より空燃比を徐々にリーン側へと戻し空燃比が理論空燃比に到達したときである場合に、触媒温度が高くなるほど前記低速成分の酸素として吸収される酸素の絶対値が増加することと前記高速成分の酸素の放出速度が速くなることに対応して、前記初期値を前記検出手段により検出される触媒温度が高くなるほどリッチ側の値となるように設定する初期値設定手段と
を備えることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘをトラップし、流入する排気の空燃比がストイキまたはリッチになるとそれまでトラップしていたＮＯｘを脱離しかつ脱離したＮＯｘを排気中の成分を還元剤として還元処理する触媒であって、
この触媒が、酸素を吸収したり放出したりする酸素ストレージ機能であって、吸収したり放出したりする酸素が高速成分の酸素と低速成分の酸素とからなり、触媒温度が高いほ ど高速成分の酸素の放出速度が速くなる特性と、触媒温度が高くなるほど低速成分の酸素として吸収される酸素の絶対量が増加する特性とを備えている酸素ストレージ機能を有する三元触媒としての機能を持ち、
この触媒の下流に触媒から流出する排気の空燃比がリッチであるかリーンであるかを検出しうる空燃比センサを配置し、
前記触媒からＮＯｘを脱離すべく排気の空燃比をリーンからリッチに切換える空燃比リッチ化処理を開始した後に、触媒からのＮＯｘ脱離作用が完了したとき前記空燃比リッチ化処理を終了する空燃比リッチ化処理手段を備えるエンジンの排気浄化装置において、
前記触媒の温度を検出する検出手段と、
前記触媒からのＮＯｘ脱離作用が完了したときが、前記空燃比センサの出力がスライスレベルを横切った後に、リッチ側の値を初期値としてこの初期値より空燃比を徐々にリーン側へと戻し空燃比が理論空燃比に到達したときである場合に、触媒温度が高くなるほど前記低速成分の酸素として吸収される酸素の絶対値が増加することと前記高速成分の酸素の放出速度が速くなることに対応して、前記空燃比をリーン側へと戻す速度を前記検出手段により検出される触媒温度が高くなるほど緩やかとなるように設定するリーン側戻し速度設定手段と
を備えることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘをトラップし、流入する排気の空燃比がストイキまたはリッチになるとそれまでトラップしていたＮＯｘを脱離しかつ脱離したＮＯｘを排気中の成分を還元剤として還元処理する触媒であって、
この触媒が、酸素を吸収したり放出したりする酸素ストレージ機能であって、吸収したり放出したりする酸素が高速成分の酸素と低速成分の酸素とからなり、触媒温度が高いほど高速成分の酸素の放出速度が速くなる特性と、触媒温度が高くなるほど低速成分の酸素として吸収される酸素の絶対量が増加する特性とを備えている酸素ストレージ機能を有する三元触媒としての機能を持ち、
この触媒の下流にＮＯｘトラップ触媒から流出する排気の空燃比がリッチであるかリーンであるかを検出しうる空燃比センサを配置し、
前記触媒からＮＯｘを脱離すべく排気の空燃比をリーンからリッチに切換える空燃比リッチ化処理を開始した後に、触媒からのＮＯｘ脱離作用が完了したとき前記空燃比リッチ化処理を終了する空燃比リッチ化処理手段を備えるエンジンの排気浄化装置において、
前記触媒の温度を検出する検出手段と、
前記触媒からのＮＯｘ脱離作用が完了したときが、前記空燃比センサの出力がスライスレベルを横切った後に所定のディレイ時間を経過したときである場合に、触媒温度が高くなるほど前記低速成分の酸素として吸収される酸素の絶対値が増加することと前記高速成分の酸素の放出速度が速くなることに対応して、この所定のディレイ時間を前記検出手段により検出される触媒温度が高くなるほど長くなる側に設定するディレイ時間設定手段と
を備えることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
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