JP4346118B2

JP4346118B2 - 内燃機関の触媒温制御装置

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Publication number: JP4346118B2
Application number: JP27587897A
Authority: JP
Inventors: 山下　　幸宏; 磯村　　重則
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-10-08
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2017-10-08
Also published as: JPH11107827A; DE19846217B4; DE19846217A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空燃比リーン領域でのリーン燃焼を行わせ、リーン燃焼時に発生する排ガス中の窒素酸化物（ＮＯx ）を浄化するためのＮＯx 吸蔵還元型触媒を有する内燃機関の空燃比制御装置に適用され、前記触媒の温度を所定の温度域に保持するための触媒温制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年における内燃機関の空燃比制御装置では、燃費改善を図るべく理論空燃比よりもリーン側で燃料を燃焼させる、いわゆるリーンバーン制御を実施する技術が多用化されつつある。こうしたリーン燃焼を行わせる場合、内燃機関から排出される排ガスにはＮＯx が多く含まれ、このＮＯx を浄化するためのリーンＮＯx 触媒が必要となる。例えば特許番号第２６００４９２号公報の「内燃機関の排気浄化装置」には、排ガスの空燃比がリーンである時にＮＯx を吸収すると共に、排ガスの酸素濃度が低下された時に、すなわちリッチ化された時に前記吸収したＮＯx を放出するＮＯx 吸収剤（ＮＯx 吸蔵還元型触媒）が開示されている。
【０００３】
またこの種のＮＯx 触媒を有するシステムにおいて、ＮＯx 浄化能力を良好に維持するには触媒温を所定の温度域に保つ必要がある。そこで、触媒温を制御する装置として、特許番号第２６０５５５６号公報には、触媒温が高い時にはエア又は冷却水で触媒を冷却し、触媒温が低い時には触媒ケーシング内で燃料を燃焼させるか若しくはヒータの加熱により触媒温を昇温させる技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来公報（特許番号第２６０５５５６号公報）の技術では、触媒温を低下させるためのエアインジェクタや、触媒温を上昇させるためのフューエルインジェクタ、電熱ヒータなどの部材をＮＯx 触媒に付与する必要がある。そのため、構成部品が増えてしまい、高コスト化を招くという問題があった。また、エンジン排気系に燃料を噴射供給して燃焼させる場合、安全性を十分に考慮した上で燃料配管の設置位置などを設計しなくてはならず、設計工程での煩雑化を招く。
【０００５】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、簡易な手法にて精度良く触媒温を制御することができる内燃機関の触媒温制御装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の触媒温制御装置はその前提として、内燃機関に供給する混合気の目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定してその目標空燃比に基づきリーン燃焼を行わせると共に、リーン燃焼時に排出される排ガス中のＮＯx をリーンＮＯx 触媒で吸蔵し、さらに空燃比を一時的にリッチに制御して前記吸蔵したＮＯx をリーンＮＯx 触媒から放出するようにした内燃機関の空燃比制御装置に適用される。
【０００７】
そして、請求項１に記載の発明では、リーンＮＯｘ触媒の温度が該リーンＮＯｘ触媒の活性温度である所定の温度域より外れた場合において、空燃比をリーン・リッチで交互に制御するための空燃比制御パラメータとしてのリッチ燃焼の時間に対するリーン燃焼の時間比を可変に設定し触媒温を所定の温度域に調整する（触媒温調整手段）。リーンＮＯｘ触媒の温度が所定の温度域より大きくなったときには、所定温度域内のときに比べ、リッチ燃焼の時間に対するリーン燃焼の時間比が大きくなるように設定することで、リーンＮＯｘ触媒での反応熱を減少させる降温制御を実行し、リーンＮＯｘ触媒の温度が所定の温度域より小さくなったときには、所定温度域内のときに比べ、リッチ燃焼の時間に対するリーン燃焼の時間比が小さくなるように設定することで、リーンＮＯｘ触媒での反応熱を増加させる昇温制御を実行する。
【０００８】
要するに、ＮＯx 触媒の温度が低い場合、リッチ燃焼の割合が大きくなるよう空燃比制御パラメータを設定する。このとき、排ガス中の未燃成分（ＨＣ，ＣＯ）が増え、未燃成分の反応熱が増加することで触媒温が上昇する。また、ＮＯx 触媒の温度が高い場合、リーン燃焼の割合が大きくなるよう空燃比制御パラメータを設定する。このとき、排ガス中の未燃成分（ＨＣ，ＣＯ）が減り、未燃成分の反応熱が減少することで触媒温が低下する。
【０００９】
上記構成によれば、従来公報（特許番号第２６０５５５６号公報）のようにフューエルインジェクタやエアインジェクタといった、触媒を昇温又は降温させるための付加的構成をＮＯx 触媒に付与する必要もない。その結果、簡易な手法にて精度良く触媒温を制御することができる。
【００１１】
また併せて、リーン燃焼時のストイキに対するリーン度合又はリッチ燃焼時のストイキに対するリッチ度合を空燃比制御パラメータとし、当該パラメータにより触媒温を調整する（請求項２）ようにしてもよい。かかる場合、触媒温が低い時には、リッチ燃焼時のリッチ度合を大きくする（或いは、リーン燃焼時のリーン度合を小さくする）。また、触媒温が高い時には、リッチ燃焼時のリッチ度合を小さくする（或いは、リーン燃焼時のリーン度合を大きくする）。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明では、機関の高負荷、低負荷の状態を検出し、該検出した機関の高負荷、低負荷の状態に基づいてリーンＮＯｘ触媒が降温制御が必要な降温期にあるか若しくは昇温制御が必要な昇温期にあるかを判定する（触媒温判定手段）。上記の判定結果を用いれば、ＮＯｘ触媒の昇温制御が必要か、或いは降温制御が必要かが特定でき、より一層適切な触媒温制御が実施できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態について説明する。本実施の形態における空燃比制御システムでは、内燃機関に供給する混合気の目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定し、その目標空燃比に基づいてリーン燃焼を行わせる、いわゆるリーンバーン制御を実施する。同システムの主たる構成として、内燃機関の排気通路の途中にはＮＯx 吸蔵還元型触媒（以下、ＮＯx 触媒という）が設けられ、そのＮＯx 触媒の上流側には限界電流式空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）が配設されている。そして、マイクロコンピュータを主体とする電子制御装置（以下、ＥＣＵという）は、前記空燃比センサによる検出結果を取り込み、そのセンサ検出結果に基づいてリーン空燃比でのフィードバック制御を実施する。以下、図面を用いてその詳細な構成を説明する。
【００１５】
図１は、本実施の形態における空燃比制御システムの概要を示す全体構成図である。図１において、内燃機関は４気筒４サイクルの火花点火式エンジン（以下、単にエンジン１という）として構成されており、エンジン１には吸気管２と排気管３とが接続されている。吸気管２には、アクセルペダル４に連動するスロットル弁５が設けられており、同スロットル弁５の開度はスロットル開度センサ６により検出される。また、吸気管２のサージタンク７には吸気圧センサ８が配設されている。
【００１６】
エンジン１の気筒を構成するシリンダ９内には図の上下方向に往復動するピストン１０が配設されており、同ピストン１０はコンロッド１１を介して図示しないクランク軸に連結されている。ピストン１０の上方にはシリンダ９及びシリンダヘッド１２にて区画された燃焼室１３が形成されており、燃焼室１３は、吸気バルブ１４及び排気バルブ１５を介して前記吸気管２及び排気管３に連通している。
【００１７】
排気管３には、排ガス中の酸素濃度（或いは、未燃ガス中の一酸化炭素などの濃度）に比例して広域で且つリニアな空燃比信号を出力する、限界電流式空燃比センサからなるＡ／Ｆセンサ１６が設けられている。また、排気管３においてＡ／Ｆセンサ１６の下流側には、ＮＯx 浄化機能を有するＮＯx 触媒１９が配設されている。このＮＯx 触媒１９は、ＮＯx 吸蔵還元型触媒として知られており、リーン空燃比の状態下でＮＯx を吸蔵し、リッチ空燃比の状態下で前記吸蔵したＮＯx をＣＯやＨＣで還元し放出する。
【００１８】
エンジン１の吸気ポート１７には電磁駆動式のインジェクタ１８が設けられており、このインジェクタ１８には図示しない燃料タンクから燃料（ガソリン）が供給される。本実施の形態では、吸気マニホールドの各分岐管毎に１つずつインジェクタ１８を有するマルチポイントインジェクション（ＭＰＩ）システムが構成されている。この場合、吸気管上流から供給される新気とインジェクタ１８による噴射燃料とが吸気ポート１７にて混合され、その混合気が吸気バルブ１４の開弁動作に伴い燃焼室１３内（シリンダ９内）に流入する。
【００１９】
シリンダヘッド１２に配設された点火プラグ２７は、イグナイタ２８からの点火用高電圧により発火する。イグナイタ２８には、点火用高電圧を各気筒の点火プラグ２７に分配するためのディストリビュータ２０が接続され、同ディストリビュータ２０にはクランク軸の回転状態に応じて７２０°ＣＡ毎にパルス信号を出力する基準位置センサ２１と、より細かなクランク角毎（例えば、３０°ＣＡ毎）にパルス信号を出力する回転角センサ２２とが配設されている。
【００２０】
ＮＯx 触媒１９の下流側には、当該触媒１９の温度を検出するための触媒温センサ２４が配設されている。また、シリンダ９（ウォータジャケット）には、冷却水温を検出するための水温センサ２３が配設されている。
【００２１】
ＥＣＵ３０は、周知のマイクロコンピュータシステムを中心に構成され、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３、バックアップＲＡＭ３４、Ａ／Ｄ変換器３５、入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）３６等を備える。前記スロットル開度センサ６、吸気圧センサ８、Ａ／Ｆセンサ１６、水温センサ２３及び触媒温センサ２４の各検出信号は、Ａ／Ｄ変換器３５に入力され、Ａ／Ｄ変換された後にバス３７を介してＣＰＵ３１に取り込まれる。また、前記基準位置センサ２１及び回転角センサ２２のパルス信号は、入出力インターフェース３６及びバス３７を介してＣＰＵ３１に取り込まれる。
【００２２】
ＣＰＵ３１は、前記各センサの検出信号に基づいてスロットル開度ＴＨ、吸気圧ＰＭ、空燃比（Ａ／Ｆ）、冷却水温Ｔｗ、基準クランク位置（Ｇ信号）及びエンジン回転数Ｎｅなどのエンジン運転状態を検知する。また、ＣＰＵ３１は、エンジン運転状態に基づいて燃料噴射量や点火時期等の制御信号を演算し、その制御信号をインジェクタ１８やイグナイタ２８に出力する。
【００２３】
次に、上記の如く構成される空燃比制御システムの作用を説明する。
図２は、ＣＰＵ３１により実行される燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャートであり、本ルーチンは各気筒の燃料噴射毎（本実施の形態では１８０°ＣＡ毎）に実行される。
【００２４】
さて、図２のルーチンがスタートすると、ＣＰＵ３１は、先ずステップ１０１でエンジン運転状態を表すセンサ検出結果（エンジン回転数Ｎｅ、吸気圧ＰＭ、冷却水温Ｔｗ等）を読み込み、続くステップ１０２でＲＯＭ３２内に予め格納されている基本噴射マップを用いてその時々のエンジン回転数Ｎｅ及び吸気圧ＰＭに応じた基本噴射量Ｔｐを算出する。また、ＣＰＵ３１は、ステップ１０３で周知の空燃比Ｆ／Ｂ条件が成立しているか否かを判別する。ここで、空燃比Ｆ／Ｂ条件とは、冷却水温Ｔｗが所定温度以上であること、高回転・高負荷状態でないこと、Ａ／Ｆセンサ１６が活性状態にあることなどを含む。
【００２５】
ステップ１０３が否定判別されれば（Ｆ／Ｂ条件不成立の場合）、ＣＰＵ３１は、ステップ１０４に進んで空燃比補正係数ＦＡＦを「１．０」とする。ＦＡＦ＝１．０とすることは、空燃比がオープン制御されることを意味する。また、ステップ１０３が肯定判別されれば（Ｆ／Ｂ条件成立の場合）、ＣＰＵ３１は、ステップ２００に進んで目標空燃比λＴＧの設定処理を実施する。目標空燃比λＴＧの設定処理は後述する図３及び図４のルーチンに従い行われる。
【００２６】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ１０５でその時々の実際の空燃比λ（センサ計測値）と目標空燃比λＴＧとの偏差に基づいて空燃比補正係数ＦＡＦを設定する。本実施の形態では、現代制御理論に基づく空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施することとしており、そのＦ／Ｂ制御に際し、Ａ／Ｆセンサ１６の検出結果を目標空燃比に一致させるための空燃比補正係数ＦＡＦを次の（１），（２）式を用いて算出する。なお、このＦＡＦ値の設定手順については特開平１−１１０８５３号公報に詳細に開示されている。
【００２７】

上記（１），（２）式において、λはＡ／Ｆセンサ１６による限界電流の空燃比変換値を、Ｋ1 〜Ｋn+1 はＦ／Ｂ定数を、ＺＩは積分項を、Ｋａは積分定数をそれぞれ表す。また、添字１〜ｎ＋１はサンプリング開始からの制御回数を示す変数である。
【００２８】
ＦＡＦ値の設定後、ＣＰＵ３１は、ステップ１０６で次の（３）式を用い、基本噴射量Ｔｐ、空燃比補正係数ＦＡＦ及びその他の補正係数ＦＡＬＬ（水温、エアコン負荷等の各種補正係数）から最終の燃料噴射量ＴＡＵを算出する。
【００２９】
ＴＡＵ＝Ｔｐ・ＦＡＦ・ＦＡＬＬ …（３）
燃料噴射量ＴＡＵの算出後、ＣＰＵ３１は、そのＴＡＵ値に相当する制御信号をインジェクタ１８に出力して本ルーチンを一旦終了する。
【００３０】
次に、上記ステップ２００の処理に相当するλＴＧ設定ルーチンについて、図３及び図４を用いて説明する。なお当該ルーチンでは、リーン燃焼の実施途中において一時的にリッチ燃焼が行われるよう、目標空燃比λＴＧが適宜設定される。すなわち、燃料噴射毎に計数される周期カウンタの値を基に、所定の時間比となるようにリーン噴射回数ＴＬとリッチ噴射回数ＴＲとが設定され、それら各噴射回数ＴＬ，ＴＲに応じてリーン燃焼とリッチ燃焼とが交互に実施される。
【００３１】
図３において、ＣＰＵ３１は、先ずステップ２０１で前記触媒温センサ２４により検出されたＮＯx 触媒１９の温度（触媒温）を読み込む。また、ＣＰＵ３１は、続くステップ２０２で前記読み込んだ触媒温に応じて目標空燃比λＴＧのリーン制御値とリッチ制御値とを設定する。このとき、目標空燃比λＴＧのリーン制御値とリッチ制御値は、その時々のエンジン回転数Ｎｅや吸気圧ＰＭに応じて可変に設定されると共に、図５の関係に従い適宜補正される。つまり、図５に示すように、触媒温が所定の温度範囲（本実施の形態では、触媒活性化温度の２００〜４００℃）にある時のリーン制御値とリッチ制御値とを基準として、触媒温が２００℃よりも低い場合には、リーン制御値のリーン度合を小さくすると共に、リッチ制御値のリッチ度合を大きくする。また、触媒温が４００℃よりも高い場合には、リーン制御値のリーン度合を大きくすると共に、リッチ制御値のリッチ度合を小さくする。
【００３２】
但し、触媒温＜２００℃、又は触媒温＞４００℃の温度域において、触媒温に応じて目標空燃比λＴＧを変更するのは、リーン制御値又はリッチ制御値のいずれか一方だけとしてもよい（リーン制御値又はリッチ制御値のいずれかを固定値とする）。
【００３３】
その後、リーンカウンタ及びリッチカウンタが「０」にクリアされていることを条件に（ステップ２０３がＹＥＳ）、ＣＰＵ３１はステップ２０４に進み、前記読み込んだ触媒温に応じてリーン・リッチの変動周期、すなわちリーン噴射回数ＴＬ及びリッチ噴射回数ＴＲを設定する。このとき、図６の関係に従いリーン，リッチ噴射回数ＴＬ，ＴＲが設定される。つまり、図６に示すように、触媒温＝２００〜４００℃を基準として、それよりも低温側では各噴射回数の比（＝ＴＬ／ＴＲ）を小さくし、高温側では各噴射回数の比（＝ＴＬ／ＴＲ）を大きくする。
【００３４】
より具体的には図６において、
・触媒温＜２００℃の温度域では、その時のリーン噴射回数Ｌ１とリッチ噴射回数Ｒ１との比を「Ｌ１：Ｒ１＝５：１」程度とし、
・触媒温＝２００〜４００℃の温度域では、その時のリーン噴射回数Ｌ２とリッチ噴射回数Ｒ２との比を「Ｌ２：Ｒ２＝１００：１」程度とし、
・触媒温＞４００℃の温度域では、その時のリーン噴射回数Ｌ３とリッチ噴射回数Ｒ３との比を「Ｌ３：Ｒ３＝３００：１」程度とする。
【００３５】
なお図６では、触媒温の高温側ほど、リッチ噴射回数Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を大きくしたが、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３であっても問題ない。要は、触媒温が低い場合にリーン・リッチの変動周期を短くし、触媒温が高い場合にリーン・リッチの変動周期を長くするものであればよい。
【００３６】
因みに、上記図５及び図６では、ＮＯx 触媒１９でのＮＯx 吸蔵可能量を考慮し、リーン制御時にはＮＯx 吸蔵可能量以下の値で制御パラメータが設定され、リッチ制御時には吸蔵ＮＯx を還元・放出可能な値で制御パラメータが設定されるようになっている。
【００３７】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ２０５で前記設定したリーン噴射回数ＴＬ及びリッチ噴射回数ＴＲを触媒温制御の継続時間に基づき補正する。ここで触媒温制御の継続時間とは、触媒温が２００〜４００℃の温度域外となり前記図５や図６の関係に基づくリーン制御やリッチ制御が実施される時の継続時間のことを言う。このとき、図７（ａ），（ｂ）の関係に従い補正係数が求められ、
ＴＬ←ＴＬ×リーン補正係数
ＴＲ←ＴＲ×リッチ補正係数
として、最終のリーン噴射回数ＴＬとリッチ噴射回数ＴＲとが決まる。
【００３８】
図７（ａ）によれば、触媒温が低く触媒の昇温制御を行う場合において、触媒温制御が所定時間よりも長引くと、リーン噴射回数ＴＬとリッチ噴射回数ＴＲとの比（＝ＴＬ／ＴＲ）が大きくなるよう、リーン，リッチ補正係数が決定される。また図７（ｂ）によれば、触媒温が高く触媒の降温制御を行う場合において、触媒温制御が所定時間よりも長引くと、リーン噴射回数ＴＬとリッチ噴射回数ＴＲとの比（＝ＴＬ／ＴＲ）が小さくなるよう、リーン，リッチ補正係数が決定される。
【００３９】
上記ステップ２０４，２０５の処理後、ＣＰＵ３１は、図４のステップ２０６に進む。一方、前記ステップ２０３がＮＯの場合（リーン，リッチカウンタ≠０の場合）、ＣＰＵ３１はステップ２０４，２０５の処理を読み飛ばし、そのままステップ２０６に進む。
【００４０】
そして、ステップ２０６では、ＣＰＵ３１は今現在、リーン制御中であるか否か、すなわち目標空燃比λＴＧがリーン制御値であるか否かを判別する。リーン制御中であれば、ＣＰＵ３１はステップ２０７に進み、リーンカウンタを「１」インクリメントする。
【００４１】
また、ＣＰＵ３１は、続くステップ２０８でリーンカウンタの値が前記設定したリーン噴射回数ＴＬに達したか否かを判別する。リーン噴射回数ＴＬに達していなければ（ステップ２０８がＮＯの場合）、ＣＰＵ３１は、ステップ２０９で前記設定したリーン制御値を目標空燃比λＴＧとし、その後元の図２のルーチンに戻る。かかる場合、上述のステップ２０９で設定したλＴＧ値が前記図２のステップ１０５でＦＡＦ値の演算に用いられ、このＦＡＦ値により空燃比がリーン制御される。
【００４２】
リーンカウンタの値がリーン噴射回数ＴＬに達すると（ステップ２０８がＹＥＳの場合）、ＣＰＵ３１は、ステップ２１０でリーンカウンタを「０」にクリアする。続いて、ＣＰＵ３１は、ステップ２１１で前記設定したリッチ制御値を目標空燃比λＴＧとし、その後元の図２のルーチンに戻る。かかる場合、上述のステップ２１１で設定したλＴＧ値が前記図２のステップ１０５でＦＡＦ値の演算に用いられ、このＦＡＦ値により空燃比がリッチ制御される。
【００４３】
一方、目標空燃比λＴＧがリーン制御値からリッチ制御値に切り換えられ（ステップ２１１）、ステップ２０６が否定判別されると、ＣＰＵ３１はステップ２１２に進み、リッチカウンタを「１」インクリメントする。また、ＣＰＵ３１は、続くステップ２１３でリッチカウンタの値が前記設定したリッチ噴射回数ＴＲに達したか否かを判別する。リッチ噴射回数ＴＲに達していなければ（ステップ２１３がＮＯの場合）、ＣＰＵ３１は、ステップ２１４で前記設定したリッチ制御値を目標空燃比λＴＧとし、その後元の図２のルーチンに戻る。すなわち空燃比のリッチ制御を継続する。
【００４４】
リッチカウンタの値がリッチ噴射回数ＴＲに達すると（ステップ２１３がＹＥＳの場合）、ＣＰＵ３１は、ステップ２１５でリッチカウンタを「０」にクリアする。続いて、ＣＰＵ３１は、ステップ２１６で前記設定したリーン制御値を目標空燃比λＴＧとし、その後元の図２のルーチンに戻る。すなわち、リッチ制御から元のリーン制御に切り換える。これにより、次回の処理時には新たなリーンリッチ噴射回数ＴＬ，ＴＲが設定されると共に、リーン制御が再開される。
【００４５】
図８は、上記図２〜図４のルーチンによる制御動作を説明するためのタイムチャートである。同図の期間Ｔ１は、例えばエンジン始動時やアイドル運転時などにおいて触媒温が２００℃を下回る場合を示し、期間Ｔ２は、例えば車両加速時や高負荷運転時などにおいて触媒温が４００℃を上回る場合を示す。
【００４６】
図８において、触媒温が２００〜４００℃の温度域にある期間（図のＴ１，Ｔ２以外の期間）では、エンジン回転数Ｎｅや吸気圧ＰＭに対応する所定のリーン制御値及びリッチ制御値により空燃比（Ａ／Ｆ）が制御される。このとき、リーン制御とリッチ制御との時間比は「１００：１」程度となっている。
【００４７】
これに対し、触媒温が低下する期間Ｔ１では、リーン制御時のリーン度合を小さくすると共に、リッチ制御時のリッチ度合を大きくするように空燃比が制御される（前記図５参照）。併せて、リーン制御とリッチ制御との時間比が「５：１」程度にまで短縮される（前記図６参照）。このとき、リーン燃焼に対してリッチ燃焼の割合が大きくなることで排ガス中の未燃ＨＣが増える。これは、ＮＯx 触媒１９で未燃ＨＣが酸化反応する際に生じる熱量が増え、触媒温が上昇側に制御されることを意味する。従って、期間Ｔ１の後期には触媒温が上昇し、２００〜４００℃の温度域に戻る。
【００４８】
一方、触媒温が上昇する期間Ｔ２では、リーン制御時のリーン度合を大きくすると共に、リッチ制御時のリッチ度合を小さくするように空燃比が制御される（前記図５参照）。併せて、リーン制御とリッチ制御との時間比が「３００：１」程度にまで伸ばされる（前記図６参照）。このとき、リーン燃焼に対してリッチ燃焼の割合が小さくなることで排ガス中の未燃ＨＣが減る。これは、ＮＯx 触媒１９で未燃ＨＣが酸化反応する際に生じる熱量が減り、触媒温が下降側に制御されることを意味する。従って、期間Ｔ２の後期には触媒温が下降し、２００〜４００℃の温度域に戻る。
【００４９】
なお本実施の形態では、前記図３のルーチンが請求項記載の触媒温調整手段に相当する。また、図３のステップ２０２で設定した空燃比のリーン制御値及びリッチ制御値と、同ステップ２０４で設定したリーン噴射回数ＴＬ及びリッチ噴射回数ＴＲとがそれぞれ空燃比制御パラメータに相当する。
【００５０】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
（ａ）本実施の形態では、ＮＯx 触媒１９の温度が所定の温度域外となった場合において、空燃比をリーン・リッチで交互に制御するための空燃比制御パラメータを可変に設定し、それにより触媒温を調整するようにした。つまり、リーン燃焼⇔リッチ燃焼の周期と、リーン，リッチ燃焼時の空燃比度合とを空燃比制御パラメータとし、これらのパラメータにより触媒温を調整するようにした（前記図５及び図６参照）。
【００５１】
要するに、触媒温が低い場合、リッチ燃焼の割合が大きくなるよう空燃比制御パラメータを設定する。このとき、排ガス中の未燃成分（ＨＣ，ＣＯ）が増え、未燃成分の反応熱が増加することで触媒温が上昇する。また、触媒温が高い場合、リーン燃焼の割合が大きくなるよう空燃比制御パラメータを設定する。このとき、排ガス中の未燃成分（ＨＣ，ＣＯ）が減り、未燃成分の反応熱が減少することで触媒温が低下する。
【００５２】
上記構成によれば、従来公報（特許番号第２６０５５５６号公報）の装置のようにフューエルインジェクタやエアインジェクタといった、触媒を昇温又は降温させるための付加的構成をＮＯx 触媒に付与する必要もない。その結果、簡易な手法にて精度良く触媒温を制御することができる。
【００５３】
（ｂ）触媒温の制御期間において、当該制御の継続時間に応じて空燃比制御パラメータを適宜変更するようにした（前記図３のステップ２０５）。つまり、温度制御の継続時間から触媒温が所定の温度域に復帰したと推定できる場合において、触媒温制御のためのリーン・リッチ制御を中止する方向に空燃比制御パラメータを変更する。これにより、過剰な触媒温制御が抑制できる。因みに、既述の形態では、温度制御の継続時間に応じて噴射回数ＴＬ，ＴＲを補正したが、これを変更し、リーン制御値又はリッチ制御値を補正するように構成することも可能である。
【００５４】
（ｃ）特に、前記図５及び図６に基づく空燃比制御では、ＮＯx 触媒１９でのＮＯx 吸蔵可能量を考慮し、リーン時には吸蔵可能量以下の値で、リッチ時には吸蔵ＮＯx を還元・放出可能な値で、それぞれリーン・リッチ制御が実施される。そのため、好適なる触媒温制御を継続しつつ、ＮＯx 触媒１９の排ガス浄化率を適正レベルに保つことができる。
【００５５】
（第２の実施の形態）
次に、本発明における第２の実施の形態を図９〜図１１を用いて説明する。但し、第２の実施の形態の構成において、上述した第１の実施の形態と同等であるものについては図面に同一の記号を付すと共にその説明を簡略化する。そして、以下には第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００５６】
上記第１の実施の形態では、エンジン排気管３に触媒温センサ２４を設け、当該センサ２４の検出結果を用いて触媒温を直接的に求めていたが、本実施の形態では、エンジン運転状態を表すエンジン負荷の積算値を触媒温の推定パラメータとする。そして、この推定パラメータ（エンジン負荷の積算値）に基づいてリーン・リッチの変動周期（リーン噴射回数，リッチ噴射回数）を設定し、その変動周期によりＮＯx 触媒１９を昇温又は降温制御することとしている。
【００５７】
図９は、負荷積算ルーチンを示すフローチャートであり、同ルーチンは各気筒の燃料噴射毎（１８０°ＣＡ毎）にＣＰＵ３１により実施される。
図９において、ＣＰＵ３１は、先ずステップ３０１でエンジン負荷としての吸入空気量Ｑａを読み込む。吸入空気量Ｑａはその時々のエンジン回転数Ｎｅと吸気圧ＰＭとから演算される。また、ＣＰＵ３１は、続くステップ３０２，３０３で前記読み込んだ吸入空気量Ｑａからエンジン１の負荷レベルを判定する。すなわち、
・ステップ３０２では、吸入空気量Ｑａが所定値ＫＱ１未満であるか否かを、
・ステップ３０３では、吸入空気量Ｑａが所定値ＫＱ２未満であるか否かを、
それぞれ判別する。但し、ＫＱ１＜ＫＱ２である。
【００５８】
エンジンの定常運転時には、ステップ３０２，３０３が共に否定判別され、ＣＰＵ３１は、ステップ３０４に進む。ステップ３０４では、ＣＰＵ３１は、吸入空気量Ｑａの積算値（以下、Ｑａ積算値という）を「０」にクリアする。また、ＣＰＵ３１は、ステップ３０５で昇温側ディレイカウンタを所定の設定値にセットすると共に、続くステップ３０６で降温側ディレイカウンタに所定の設定値をセットし、その後本ルーチンを一旦終了する。
【００５９】
エンジン始動時やアイドル運転時などには、前記ステップ３０２が肯定判別され、ＣＰＵ３１はステップ３０７に進む。そして、ＣＰＵ３１は、ステップ３０７で昇温側ディレイカウンタを「１」デクリメントする。なおこのとき、ディレイカウンタの値がマイナス値にならないよう当該カウンタ値を「０」でガードしておく。
【００６０】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ３０８で前記ディレイカウンタの値が「０」であるか否かを判別する。カウンタ≠０であれば、ＣＰＵ３１は、ステップ３０９でＱａ積算値を「０」にクリアし、カウンタ＝０であれば、ステップ３１０で前記読み込んだ吸入空気量ＱａとＱａ積算値の前回値とからＱａ積算値の今回値を求める（Ｑａ積算値の今回値＝前回値＋Ｑａ）。ステップ３０９又は３１０の処理後、ＣＰＵ３１は本ルーチンを一旦終了する。
【００６１】
一方、車両加速時やエンジンの高負荷運転時などには、前記ステップ３０３が肯定判別され、ＣＰＵ３１はステップ３１１に進む。そして、ＣＰＵ３１は、ステップ３１１で降温側ディレイカウンタを「１」デクリメントする。なおこのとき、ディレイカウンタの値がマイナス値にならないよう当該カウンタ値を「０」でガードしておく。
【００６２】
その後、ＣＰＵ３１は、ステップ３１２で前記ディレイカウンタの値が「０」であるか否かを判別する。カウンタ≠０であれば、ＣＰＵ３１は、ステップ３１３でＱａ積算値を「０」にクリアし、カウンタ＝０であれば、ステップ３１４で前記読み込んだ吸入空気量ＱａとＱａ積算値の前回値とからＱａ積算値の今回値を求める（Ｑａ積算値の今回値＝前回値＋Ｑａ）。ステップ３１３又は３１４の処理後、ＣＰＵ３１は本ルーチンを一旦終了する。
【００６３】
そして、上記の如くＱａ積算値が求められると、当該Ｑａ積算値を触媒温の推定パラメータとして、図１０の関係に従いリーン噴射回数ＴＬ及びリッチ噴射回数ＴＲが設定される。図１０（ａ）は、触媒の昇温制御時におけるリーン，リッチ噴射回数ＴＬ，ＴＲの検索マップを示し、図１０（ｂ）は、触媒の降温制御時におけるリーン、リッチ噴射回数の検索マップを示す。なお図１０に基づく噴射回数ＴＬ，ＴＲの設定処理は、前記図３のステップ２０４の処理（前記図６に基づく噴射回数の設定処理）に置き換えて実施される。
【００６４】
図１０（ａ）によれば、
・Ｑａ積算値が所定値Ｒ１以下の場合、リーン噴射回数ＴＬとリッチ噴射回数ＴＲとの比が、「１００：１」程度となるように、
・Ｑａ積算値が所定値Ｒ１〜Ｒ２の場合、リーン噴射回数ＴＬとリッチ噴射回数ＴＲとの比が、「５：１」程度となるように、
・Ｑａ積算値が所定値Ｒ２以上の場合、リーン噴射回数ＴＬとリッチ噴射回数ＴＬとの比が、「５０：１」程度となるように、
それぞれにＴＬ，ＴＲが設定される。
【００６５】
また、図１０（ｂ）によれば、
・Ｑａ積算値が所定値Ｒ３以下の場合、リーン噴射回数ＴＬとリッチ噴射回数ＴＲとの比が、「１００：１」程度となるように、
・Ｑａ積算値が所定値Ｒ３〜Ｒ４の場合、リーン噴射回数ＴＬとリッチ噴射回数ＴＲとの比が、「３００：１」程度となるように、
・Ｑａ積算値が所定値Ｒ４以上の場合、リーン噴射回数ＴＬとリッチ噴射回数ＴＲとの比が、「２００：１」程度となるように、
それぞれにＴＬ，ＴＲが設定される。
【００６６】
因みに上記図１０（ａ），（ｂ）において、Ｑａ積算値がＲ１以下又はＲ３以下の時に噴射回数の比が「１００：１」となることは、実質上それまでのリーン・リッチの変動周期（通常時のリーン・リッチ制御）が継続されることを意味する。
【００６７】
また、図１０（ａ），（ｂ）中に二点鎖線で示すように、Ｑａ積算値が所定値Ｒａ，Ｒｂ以上となる場合において、各噴射回数ＴＬ，ＴＲの比を通常時の「１００：１」程度に復帰させるようにしてもよい。
【００６８】
図１１は、本実施の形態における作用を説明するためのタイムチャートである。但し、同図にはＮＯx 触媒１９の昇温制御時における事例を示し、図の時刻ｔ１〜ｔ５の期間がエンジン１の低負荷運転期間に相当する。
【００６９】
さて、時刻ｔ１で吸入空気量Ｑａが所定値ＫＱ１未満になると、昇温側ディレイカウンタが所定の設定値からカウントダウンされ始める（前記図９のステップ３０７）。このとき、吸入空気量Ｑａの低下に伴い次第に触媒温が低下し、やがて２００℃を下回る。そして、カウンタ＝０となる時刻ｔ２では、Ｑａ積算値の加算が始まる（図９のステップ３１０）。
【００７０】
その後、Ｑａ積算値≧Ｒ１となる時刻ｔ３では、前記図１０（ａ）の関係に従い、リーン噴射回数ＴＬとリッチ噴射回数ＴＲとの比がそれまでの「１００：１」程度から「５：１」程度に変更される（時刻ｔ３〜ｔ４）。このとき、リーン時間に対してリッチ時間が長くなることで排ガス中の未燃ＨＣによる反応熱が増え、触媒温が徐々に上昇する。これにより触媒温が所定の温度域（２００〜４００℃）に復帰する。
【００７１】
さらにその後、Ｑａ積算値≧Ｒ２となる時刻ｔ４では、前記図１０（ａ）の関係に従い、リーン噴射回数ＴＬとリッチ噴射回数ＴＲとの比が「５０：１」程度に変更される（時刻ｔ４〜ｔ５）。
【００７２】
そして、時刻ｔ５でエンジン１の低負荷運転が終わり、吸入空気量Ｑａが所定値ＫＱ１以上になると、リーン噴射回数ＴＬとリッチ噴射回数ＴＲとの比が通常時の「１００：１」程度に戻される。またこのとき、Ｑａ積算値が「０」にクリアされると共に、昇温側ディレイカウンタに所定の設定値がセットされる（図９のステップ３０４，３０５）。
【００７３】
本実施の形態では、上記第１の実施の形態と同様に、簡易な手法にて精度良く触媒温を制御することができる。また、既述の効果に加えて、次の効果が得られる。
・本実施の形態では、エンジン負荷状態を検出し、該検出したエンジン負荷状態（Ｑａ積算値）に応じてＮＯx 触媒１９が降温期にあるか若しくは昇温期にあるかを判定するようにした。上記の判定結果を用いれば、ＮＯx 触媒１９の昇温制御が必要か、或いは降温制御が必要かが特定でき、より一層適正な触媒温制御が実施できる。
・また、昇温制御時及び降温制御時の各々においてＱａ積算値を大小異なる２つのしきい値（前記図１０（ａ）のＲ１，Ｒ２、図１０（ｂ）のＲ３，Ｒ４）にて判定し、その判定結果に応じてリーン，リッチ噴射回数ＴＬ，ＴＲを変更するようにした。そのため、例えばエンジン１の低負荷状態が長時間継続される場合において、触媒温の昇温制御が過剰に実施されるなどの不具合が回避できる。
・さらにエンジン負荷状態に基づいて触媒温を推定することで、触媒温センサ２４が省略できるという構成上のメリットもある。
【００７４】
なお、本発明の実施の形態は、上記以外に次の形態にて実現できる。
上記第１の実施の形態における図５及び図６の特性を変更する。図５及び図６では、触媒温＜２００℃、触媒温＝２００〜４００℃、触媒温＞４００℃の３つの領域について、空燃比制御パラメータ（λＴＧ値のリーン，リッチ制御値、及びリーン，リッチ噴射回数）を個々に設定していたが、各領域のパラメータの値をそれぞれ多段階に設定してもよい。また、図１２及び図１３に示すように、触媒温＝２００〜４００℃の温度域外にて各パラメータを徐変させるよう設定してもよい。かかる構成によれば、触媒温制御のために空燃比制御パラメータを変更する際において、トルク変動の発生をより確実に抑制することができる。
【００７５】
上記第１の実施の形態では、リーン燃焼⇔リッチ燃焼の周期と、リーン，リッチ燃焼時の空燃比度合とを空燃比制御パラメータとし、これらのパラメータにより触媒温を調整していたが、これを変更する。例えば前記２種類の制御パラメータのうち一方のみを可変に設定して触媒温制御を実施する。つまり、リーン燃焼⇔リッチ燃焼の周期を可変に設定することだけで触媒温を制御をする。又は、リーン，リッチ燃焼時の空燃比度合（リーン度合又はリッチ度合の少なくとも一方）を可変に設定することだけで触媒温を制御する。かかる形態においても、既述の実施の形態と同様に、本発明の目的が達せられる。要は、リーン燃焼とリッチ燃焼との割合を空燃比制御パラメータとして可変に設定し、それにより触媒温を所定の温度域に調整できる構成であればよい。
【００７６】
上記第２の実施の形態では、Ｑａ積算値からエンジン負荷状態をモニタし、その負荷状態に応じて触媒温を推定してリーン，リッチ噴射回数を適宜変更していたが、この構成を変更する。例えば触媒温の推定結果に応じて空燃比制御のリーン度合とリッチ度合とを適宜変更する。また、Ｑａ積算値に代えて、吸気圧の積算値やスロットル開度、アクセル開度の積算値を用いる。またさらに、過去数回分のエンジン負荷データ（吸入空気量Ｑａなど）のなまし値（又は平均値）を演算し、該演算したなまし値からＮＯx 触媒が降温期にあるか若しくは昇温期にあるかを判定する。
【００７７】
上記各実施の形態では、目標空燃比λＴＧをリーン制御値とリッチ制御値とで切り換えることにより、リーン燃焼とリッチ燃焼とを行わせるようにしていたが、これを変更する。例えば空燃比補正係数ＦＡＦをリーン補正側とリッチ補正側とで切り換え、それによりリーン燃焼とリッチ燃焼とを行わせるようにしてもよい。
【００７８】
上記各実施の形態における空燃比制御システムでは、現代制御理論を用い、目標空燃比と実際に検出した空燃比（実空燃比）との偏差に応じて空燃比をフィードバック制御していたが、この構成を変更する。例えばＰＩ制御により空燃比をフィードバック制御したり、空燃比をオープン制御したりしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態におけるエンジンの空燃比制御システムの概要を示す全体構成図。
【図２】燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャート。
【図３】λＴＧ設定ルーチンを示すフローチャート。
【図４】図３に続き、λＴＧ設定ルーチンを示すフローチャート。
【図５】触媒温に応じてλＴＧ値のリーン制御値とリッチ制御値とを設定するためのグラフ。
【図６】触媒温に応じてリーン噴射回数とリッチ噴射回数とを設定するためのグラフ。
【図７】温度制御の継続時間に応じてリーン補正係数とリッチ補正係数とを設定するためのグラフ。
【図８】第１の実施の形態における作用を説明するためのタイムチャート。
【図９】負荷積算ルーチンを示すフローチャート。
【図１０】Ｑａ積算値に応じてリーン噴射回数とリッチ噴射回数とを設定するためのグラフ。
【図１１】第２の実施の形態における作用を説明するためのタイムチャート。
【図１２】他の実施の形態において、触媒温に応じてλＴＧ値のリーン制御値とリッチ制御値とを設定するためのグラフ。
【図１３】他の実施の形態において、触媒温に応じてリーン噴射回数とリッチ噴射回数とを設定するためのグラフ。
【符号の説明】
１…エンジン（内燃機関）、１９…ＮＯx 触媒（ＮＯx 吸蔵還元型触媒）、２４…触媒温センサ、３０…ＥＣＵ（電子制御装置）、３１…触媒温調整手段，触媒温判定手段を構成するＣＰＵ。

Claims

内燃機関に供給する混合気の目標空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定してその目標空燃比に基づきリーン燃焼を行わせると共に、リーン燃焼時に排出される排ガス中のＮＯｘをリーンＮＯｘ触媒で吸蔵し、さらに空燃比を一時的にリッチに制御して前記吸蔵したＮＯｘをリーンＮＯｘ触媒から放出するようにした内燃機関の空燃比制御装置に適用され、
前記リーンＮＯｘ触媒の温度が該リーンＮＯｘ触媒の活性温度である所定の温度域より外れた場合において、空燃比をリーン・リッチで交互に制御するための空燃比制御パラメータとしてのリッチ燃焼の時間に対するリーン燃焼の時間比を可変に設定し触媒温を前記所定の温度域に調整する触媒温調整手段を備え、
前記触媒温調整手段は、前記リーンＮＯｘ触媒の温度が前記所定の温度域より大きくなったときには、所定温度域内のときに比べ、リッチ燃焼の時間に対するリーン燃焼の時間比が大きくなるように設定することで、前記リーンＮＯｘ触媒での反応熱を減少させる降温制御を実行し、前記リーンＮＯｘ触媒の温度が前記所定の温度域より小さくなったときには、所定温度域内のときに比べ、リッチ燃焼の時間に対するリーン燃焼の時間比が小さくなるように設定することで、前記リーンＮＯｘ触媒での反応熱を増加させる昇温制御を実行することを特徴とする内燃機関の触媒温制御装置。
前記触媒温調整手段は、さらにリーン燃焼時のストイキに対するリーン度合又はリッチ燃焼時のストイキに対するリッチ度合を前記空燃比制御パラメータとして可変に設定し、前記リーンＮＯｘ触媒の温度が高いほど、リーン燃焼時のストイキに対するリーン度合が大きくなるように又はリッチ燃焼時のストイキに対するリッチ度合が小さくなるように設定する請求項１に記載の内燃機関の触媒温制御装置。
機関の高負荷、低負荷の状態を検出し、該検出した機関の高負荷、低負荷の状態に基づいて前記リーンＮＯｘ触媒が前記降温制御が必要な降温期にあるか若しくは前記昇温制御が必要な昇温期にあるかを判定する触媒温判定手段を備え、
前記触媒温調整手段は、前記触媒判定手段によって前記リーンＮＯｘ触媒が前記降温制御が必要な降温期であると判定されると、前記昇温制御が必要な昇温期にあると判定される場合に比して、リッチ燃焼の時間に対するリーン燃焼の時間比が大きくなるように設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の触媒温制御装置。