JP4989738B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に内燃機関の排気系に設けられた三元触媒及び選択還元触媒を備える排気浄化装置に関する。

図２１は、従来周知の内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図であり、内燃機関の排気通路１０１には、三元触媒１０２，１０３、空燃比センサ１０４及び二値型酸素濃度センサ（「Ｏ２センサ」という）１０５が設けられている。この装置では、空燃比センサ１０４により検出される空燃比が目標空燃比と一致するように空燃比フィードバック制御が実行される。三元触媒は、機関で燃焼する混合気の空燃比が理論空燃比近傍に制御された状態（ストイキ運転）で、炭化水素、一酸化炭素、及びＮＯｘの浄化率が高くなるという特性を有するため、通常は目標空燃比を理論空燃比するストイキ運転が行われ、燃費向上のため適時、目標空燃比を理論空燃比よりリーン側の空燃比に設定するリーン運転が行われる。また酸素濃度センサ１０５の出力に応じて目標空燃比の修正を行うことにより、三元触媒１０２の特性に応じた空燃比の制御が行われる。

図２２は、図２１に示す装置の動作例を示し、車速ＶＰ、検出当量比（検出空燃比の逆数に比例し、空燃比が理論空燃比であるとき「１．０」をとるパラメータ）ＫＡＣＴ、Ｏ２センサ出力ＶＯ２、及び三元触媒１０３の下流側におけるＮＯｘ排出量ＧＮＯｘＥＸの推移が示されている。

リーン運転を行うと、三元触媒のＮＯｘ浄化率は大きく低下するため、図２３に示すように、ＮＯｘ排出量ＧＮＯｘＥＸが増加する。また、リーン運転中（ｔ１０１〜ｔ１０２）に三元触媒に酸素が貯蔵されるため、リーン運転からストイキ運転に移行するときに該移行直後においても、三元触媒内が酸化雰囲気となりＮＯｘ浄化率が低下する（ｔ１０２〜ｔ１０３）。

このため、従来はリーン運転を行う運転条件を制限することによって、ＮＯｘ排出量を抑制していた。したがって、ＮＯｘ排出量の抑制のために燃費性能の向上が不十分となっていた。

一方、リーン運転からストイキ運転へ復帰した直後におけるＮＯｘ浄化率の低下を早期に解消するための手法として、特許文献１に示されるものが知られている。特許文献１に示された手法によれば、リーン運転の終了直後に、空燃比を理論空燃比よりさらにリッチ側の空燃比に設定し、三元触媒に貯蔵された酸素を早期に取り除く処理が行われる。

特開平１０−２６０４０号公報

図２３は、特許文献１に示された手法を適用した動作例が示されている。機関運転状態は、図２２に示す例と同一である。図２３から明らかなように、特許文献１に示された手法を用いても、リーン運転終了直後のＮＯｘ排出量ＧＮＯｘＥＸの増加を完全に抑えることはできず（時刻ｔ１０２〜ｔ１０４）、リーン運転を行う機関運転領域を大きく拡大することはできない。また、空燃比のリッチ化（図２３（ｂ）、ｔ１０２〜ｔ１０４）による燃費の低下も生じるため、燃費性能の改善度は大きくない。

また、燃費性能向上のため、減速中に燃料噴射を停止する燃料カット運転が採用されるが、燃料カット運転中においても三元触媒に酸素が大量に貯蔵されるため、燃料カット運転終了直後にＮＯｘ排出量が増加してしまう。よって、リーン運転と同様に、燃料カット運転を行う条件に制約が生じ、燃料カット運転による燃費性能向上効果を十分に得られないという課題がある。

さらに三元触媒は、空燃比を「１６」程度に設定したときにＮＯｘ浄化率が最も低下するため、従来は理論空燃比から「２０」程度の空燃比にステップ状に変化させる手法を採用し、リーン運転への移行中におけるＮＯｘ排出量の増加を抑制している。しかしながら、この制御手法では空燃比が急激に変更されるために機関出力トルクの変動が大きくなり、運転性が悪化するという問題があった。そのため、リーン運転の実行頻度を低下させるという対応がとられていた。

本発明は、上述した点を考慮してなされたものであり、リーン運転または燃料カット運転に起因するＮＯｘ排出量の増加を確実に防止し、ＮＯｘ排出量を十分に抑制しつつ燃費の向上を実現することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路（６）に設けられ、前記機関で燃焼する混合気の空燃比が理論空燃比近傍にあるとき排気中のＮＯｘを浄化可能な第１の触媒（７）と、該１の触媒（７）の下流側に設けられ、還元剤を用いて排気中のＮＯｘを浄化可能な第２の触媒（８）と、該第２の触媒（８）に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記空燃比を制御する空燃比制御手段とを備える、内燃機関の排気浄化装置において、前記空燃比を理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比に設定するリーン運転の実行条件を判定する判定手段を備え、前記空燃比制御手段は、前記空燃比を理論空燃比近傍の空燃比から、理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比に切り換えるときは、前記実行条件が成立した時点からリーン移行期間（ｔ２〜ｔ３）内は、前記空燃比を理論空燃比よりリッチ側のリッチ空燃比に制御し、前記リーン移行期間経過後に前記リーン空燃比に制御することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第１の触媒の下流側に排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサを備え、前記空燃比制御手段は、前記空燃比を理論空燃比近傍の空燃比に制御するときは、前記酸素濃度センサ出力（ＶＯ２）が第１所定値（ＶＯ２ＳＴ）となるように前記空燃比制御を行い、前記リーン移行期間内は、前記酸素濃度センサ出力（ＶＯ２）が前記第１所定値（ＶＯ２ＳＴ）に対応する酸素濃度より低い酸素濃度に対応する第２所定値（ＶＯ２ＮＨ３）となるように前記空燃比制御を行うことを特徴とする。
なお、第２所定値（ＶＯ２ＮＨ３）は、酸素濃度センサ出力（ＶＯ２）のリッチ側飽和値（最大出力値ＶＯ２ＭＡＸ）に対応する最大酸素濃度より高い酸素濃度に対応する値（ＶＯ２ＳＴ＜ＶＯ２ＮＨ３＜ＶＯ２ＭＡＸ）とすることが望ましい。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記還元剤供給手段は、前記リーン移行期間内において前記還元剤の供給を行うことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第２の触媒（８）は、前記還元剤を貯蔵可能に構成されており、前記リーン移行期間は、前記第２の触媒（８）における前記還元剤の貯蔵量（ＳＴＮＨ３）が所定貯蔵量（ＳＴＮＨ３ＳＬ）に達した時点で終了することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記所定貯蔵量（ＳＴＮＨ３ＳＬ）は、前記第２の触媒（８）に貯蔵可能な最大還元剤量（ＳＴＮＨ３ＭＡＸ）の１５％以上の値に設定されることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記空燃比制御手段は、前記リーン移行期間経過後は前記空燃比を徐々に前記リーン空燃比に移行させることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第２の触媒（８）の下流側に排気中の還元剤濃度（ＮＨ３ＣＯＮＳ）を検出する還元剤濃度センサ（１７）を備え、前記還元剤供給手段は、前記リーン運転を実行するときは前記還元剤濃度センサ（１７）により検出される還元剤濃度（ＮＨ３ＣＯＮＳ）が「０」より大きくなるように前記還元剤の供給を行うことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、内燃機関の排気通路（３）に設けられ、前記機関で燃焼する混合気の空燃比が理論空燃比近傍にあるとき排気中のＮＯｘを浄化可能な第１の触媒（７）と、該１の触媒（７）の下流側に設けられ、還元剤を用いて排気中のＮＯｘを浄化可能でかつ還元剤を貯蔵可能な第２の触媒（８）と、該第２の触媒（８）に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記空燃比を制御する空燃比制御手段とを備える、内燃機関の排気浄化装置において、前記第１の触媒（８）の下流側に設けられ、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（１５）と、前記空燃比を理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比に設定するリーン運転の実行条件を判定する判定手段と、前記第２の触媒（８）に貯蔵された還元剤量の推定値である推定還元剤貯蔵量（ＳＴＮＨ３）を算出する推定還元剤貯蔵量算出手段とを備え、前記空燃比制御手段は、前記空燃比を理論空燃比近傍に制御するときは、前記酸素濃度センサ出力（ＶＯ２）が、前記第１の触媒（７）において還元剤を生成可能な所定値（ＶＯ２ＮＨ３）となるように制御する還元剤生成制御を行い、前記空燃比を理論空燃比近傍の空燃比から、理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比に切り換えるときは、前記実行条件が成立した時点から、前記推定還元剤量（ＳＴＮＨ３）に応じたリーン移行期間経過後に前記空燃比を前記リーン空燃比に移行させることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記還元剤供給手段は、前記空燃比が理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比から理論空燃比近傍の空燃比またはよりリッチ側の空燃比に切り換えられるとき、または前記機関への燃料供給を停止する燃料カット運転から燃料を供給する通常運転に切り換えられるときは、前記空燃比の切換時点または燃料カット運転終了時点からリッチ移行期間（ｔ５〜ｔ６）内において前記還元剤の供給を行うことを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第１の触媒（７）の下流側に排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（１５）を備え、前記リッチ移行期間は、前記酸素濃度センサ出力（ＶＯ２）が前記リーン空燃比よりリッチ側の空燃比に対応する所定出力値（ＶＯ２ＪＤ）に達した時点で終了することを特徴とする。

請求項１１に記載の発明は、請求項９または１０に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記空燃比制御手段は、前記空燃比を前記リーン空燃比から理論空燃比または理論空燃比よりリッチ側の空燃比に切り換えるときは、前記空燃比を徐々に減少させることを特徴とする。

請求項１２に記載の発明は、請求項９から１１の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第２の触媒（８）の下流側に排気中の還元剤濃度（ＮＨ３ＣＯＮＳ）を検出する還元剤濃度センサ（１７）を備え、前記還元剤供給手段は、前記還元剤濃度センサにより検出される還元剤濃度（ＮＨ３ＣＯＮＳ）が「０」より大きくなるように前記還元剤の供給を行うことを特徴とする。

請求項１３に記載の発明は、請求項９または１０に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記還元剤供給手段は、前記リッチ移行期間内は、前記第１の触媒から排出される排気中のＮＯｘを還元するために必要な量の還元剤を供給することを特徴とする。

請求項１４に記載の発明は、請求項９または１０に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記還元剤供給手段は、前記燃料カット運転中は前記還元剤の供給を停止することを特徴とする。

請求項１５に記載の発明は、請求項６または１１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、前記第１の触媒の上流側に設けられ、前記空燃比を検出する空燃比センサとを備え、前記空燃比制御手段は、前記機関に供給する燃料量及び検出される吸入空気量に応じて目標空燃比を算出し、検出される空燃比が前記目標空燃比と一致するように前記燃料量を補正すること特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、空燃比を理論空燃比近傍の空燃比からリーン空燃比に切り換えるときは、リーン運転実行条件が成立した時点からリーン移行期間内は、空燃比が理論空燃比よりリッチ側のリッチ空燃比に制御され、リーン移行期間経過後にリーン空燃比に制御される。還元剤の供給が開始されると、第２の触媒によって直ちに必要なＮＯｘ浄化率が得られるわけではなく、還元剤供給開始時点から少し遅れて必要なＮＯｘ浄化率が得られる。したがって、リーン移行期間内において空燃比をリッチ空燃比に制御することにより、第１の触媒において還元剤を生成し、第２の触媒のＮＯｘ浄化率を高めることができる。その結果、空燃比をリーン空燃比に切り換えた直後におけるＮＯｘ排出量の増加を抑制することができる。

請求項２に記載の発明によれば、空燃比を理論空燃比近傍の空燃比に制御するときは、酸素濃度センサ出力が第１所定値となるように空燃比制御が行われ、リーン移行期間内は、酸素濃度センサ出力が第１所定値に対応する酸素濃度より低い酸素濃度に対応する第２所定値となるように空燃比制御が行われる。したがって、リーン移行期間中に第１の触媒において還元剤が生成され、第２の触媒に供給されるので、還元剤供給手段による還元剤供給量を低減し、還元剤の補給頻度を大幅に低減することができる。また酸素濃度センサ出力に応じた空燃比制御が行われるため、空燃比を過度にリッチ化することがなく、リーン移行期間中において第１の触媒の排気浄化性能の低下を抑制し、良好な排気特性を維持することができる。

請求項３に記載の発明によれば、空燃比を理論空燃比近傍の空燃比からリーン側のリーン空燃比に切り換えるときは、リーン運転実行条件が成立した時点からリーン移行期間経過後にリーン空燃比への切り換えが行われ、リーン移行期間内において還元剤の供給が行われる。リーン移行期間内において第２の触媒に還元剤を供給することにより、第２の触媒のＮＯｘ浄化率をリーン運転開始当初において必要なレベルに高めることができ、空燃比をリーン空燃比に切り換えた直後におけるＮＯｘ排出量の増加を抑制することができる。

請求項４に記載の発明によれば、リーン移行期間は、第２の触媒における還元剤の貯蔵量が所定貯蔵量に達した時点で終了するので、空燃比をリーン空燃比に切り換えた直後におけるＮＯｘ排出量をより確実に抑制することができる。

請求項５に記載の発明によれば、所定貯蔵量は、第２の触媒に貯蔵可能な最大還元剤量の１５％以上の値に設定される。第２の触媒は、還元剤貯蔵量が最大還元剤量の１５％以上となると、必要なＮＯｘ浄化率が得られるので、所定貯蔵量を最大還元剤量の１５％以上の値に設定することにより、リーン運転開始当初において必要なＮＯｘ浄化率を確実に得ることができる。また最大還元剤量は、第２の触媒の温度に依存して変化するが、最大還元剤量に対する比率で所定貯蔵量を設定することにより、触媒温度が変化しても良好な浄化率を得ることができる。

請求項６に記載の発明によれば、リーン移行期間経過後は空燃比を徐々にリーン空燃比に移行させるように制御されるので、従来のように空燃比をステップ状に変化させることによるトルク変動がなく、運転性を向上させることができる。

請求項７に記載の発明によれば、リーン運転を実行するときは、第２の触媒の下流側において検出される還元剤濃度が「０」より大きくなるように還元剤の供給が行われるので、リーン運転中における第２の触媒の還元剤貯蔵量を常に最大値に維持することができる。その結果、例えばリーン運転とストイキ運転の切換が頻繁に実行されるような運転状態では、リーン移行期間を短縮することができ、リーン運転時間の拡大による燃費向上効果が得られる。

請求項８に記載の発明によれば、空燃比を理論空燃比近傍に制御するときは、第１の触媒下流側に設けられた酸素濃度センサ出力が、第１の触媒において還元剤を生成可能な所定値となるように制御する還元剤生成制御が行われるとともに、第２の触媒の推定還元剤貯蔵量が算出される。空燃比を理論空燃比近傍の空燃比からリーン空燃比に切り換えるときは、リーン運転実行条件が成立した時点から、推定還元剤貯蔵量に応じたリーン移行期間経過後に空燃比がリーン空燃比に切り換えられる。したがって、推定還元剤貯蔵量が多く、リーン運転実行条件成立時点で、第２の触媒の還元剤貯蔵量が必要量に達していると推定されるときは、直ちにリーン運転に移行可能である。また還元剤貯蔵量が必要量に対して不足している場合にはその不足分が貯蔵された時点で移行可能となる。その結果、還元剤供給量を低減し、還元剤の補給頻度を大幅に低減することができる。

請求項９に記載の発明によれば、空燃比がリーン空燃比から理論空燃比またはよりリッチ側の空燃比に切り換えられるとき、または燃料カット運転から通常運転に切り換えられるときは、空燃比切換時点または燃料カット運転終了時点からリッチ移行期間内において、第２の触媒に還元剤が供給される。したがって、リーン運転または燃料カット運転中に第１の触媒の酸素貯蔵量が多くなってＮＯｘ浄化率が低下していても、リッチ移行期間中は第２の触媒によってＮＯｘ浄化が行われるので、リーン運転または燃料カット運転の終了直後においてもＮＯｘ排出量の低減効果を得ることができる。その結果、リーン運転を行う機関運転領域を拡大し、燃費を向上させることができる。

請求項１０に記載の発明によれば、リッチ移行期間は、第１の触媒下流側に設けられた酸素濃度センサ出力がリーン空燃比に対応するリーン側出力値からリーン空燃比よりリッチ側の空燃比に対応する所定出力値に達した時点で終了するので、第１の触媒のＮＯｘ浄化率が確実に回復した後に還元剤の供給が終了する。その結果、ＮＯｘ排出量の増加を確実に防止できる。

請求項１１に記載の発明によれば、空燃比をリーン空燃比から理論空燃比または理論空燃比よりリッチ側の空燃比に切り換えるときは、空燃比を徐々に減少させる制御が行われるので、従来のように空燃比をステップ状に変化させることによるトルク変動がなく、運転性を向上させることができる。

請求項１２に記載の発明によれば、第２の触媒下流側において検出される還元剤濃度が「０」より大きくなるように還元剤の供給が行われるので、リーン運転中及びリッチ移行期間における第２の触媒の還元剤貯蔵量を常に最大値に維持することができる。その結果、例えばリーン運転とストイキ運転の切換が頻繁に実行されるような運転状態では、リーン運転を早期に開始することができ、リーン運転時間の拡大による燃費向上効果が得られる。

請求項１３の発明によれば、リッチ移行期間内は、第１の触媒から排出される排気中のＮＯｘを還元するために必要な量の還元剤が供給される。すなわち、リッチ移行期間内は、第１の触媒で浄化されないＮＯｘを還元するのに適した量の還元剤供給が行われるので、燃料カット運転終了直後におけるＮＯｘ排出量の低減効果を最小限の還元剤量で実現できる。

請求項１４の発明によれば、燃料カット運転中は還元剤の供給が停止されるので、還元剤の使用量を低減することができる。

請求項１５の発明によれば、機関に供給する燃料量及び検出される吸入空気量に応じて目標空燃比が算出され、検出される空燃比が目標空燃比と一致するように燃料量を補正することにより、空燃比が制御される。燃料供給量及び検出吸入空気量は、ステップ状に変化することはなく、空燃比の変更が連続的に（徐々に）行われる。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置に構成を示す図である。 本発明の概要を説明するためのタイムチャートである。 三元触媒の浄化特性及びＮＨ３生成特性を説明するための図である。 選択還元触媒のＮＯｘ浄化特性を説明するための図である。 燃料噴射制御モジュールの構成を示すブロック図である。 図５に示す基本目標当量比算出部及び要求燃料量算出部における演算処理で参照されるマップを示す図である。 図５に示す要求吸気量算出部における演算処理のフローチャートである。 図５に示す目標Ｏ２センサ出力算出部における演算処理のフローチャートである。 図５に示すＯ２フィードバックコントローラにおける演算処理のフローチャートである。 ＮＨ３噴射制御モジュールの構成を示すブロック図である。 図１０に示すＮＯｘ排出量推定部における演算処理のフローチャートである。 図１１の処理で参照されるマップ及びテーブルを示す図である。 図１０に示すＮＨ３生成量推定部における演算処理のフローチャートである。 図１０に示すＮＨ３ストレージ量推定部における演算処理のフローチャートである。 図１０に示すＮＯｘ浄化率推定部、ＮＨ３生成量推定部、及びＮＨ３ストレージ量推定部における演算処理で参照されるテーブルを示す図である。 図１０に示すＮＨ３噴射量コントローラにおける演算処理のフローチャートである。 図１６の処理で実行されるフィードバックＮＨ３噴射量算出処理のフローチャートである。 図１６の処理で実行されるＦＡＦＣ設定処理のフローチャートである。 燃料噴射制御処理の全体構成を示すフローチャートである。 ＮＨ３噴射制御処理の全体構成を示すフローチャートである。 従来の排気浄化装置の構成を示す図である。 従来の空燃比制御を説明するためのタイムチャートである。 従来の空燃比制御を説明するためのタイムチャートである。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。図１において内燃機関（以下「エンジン」という）１は、例えば４気筒を有する火花点火式エンジンであり、エンジン１の吸気通路２にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３には、スロットル弁３を駆動するアクチュエータ４が接続されており、アクチュエータ４は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）１０によりその作動が制御される。スロットル弁３にはスロットル弁開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ１２が連結されており、スロットル弁３の上流側には、吸入空気流量ＧＡＩＲ［ｇ／ｓｅｃ］を検出する吸入空気流量センサ１１が設けられている。これらのセンサの検出信号はＥＣＵ１０に供給される。

燃料噴射弁５は吸気弁（図示せず）の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ１０からの駆動信号により燃料噴射弁５の開弁時間が制御される。

スロットル弁３の下流には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ１３が取付けられている。また吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ、エンジン冷却水温ＴＷを検出するエンジン冷却水温センサなど（図示せず）も取り付けられており、これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ１０に供給される。

エンジン１の排気通路６には、三元触媒７、選択還元触媒（以下「ＳＣＲ触媒」という）８及び９が、上流側からこの順序で配置されている。三元触媒７は、酸素貯蔵能力を有し、エンジン１で燃焼する混合気の空燃比が理論空燃比近傍の空燃比に設定された状態で、最適な排気浄化特性が得られる。ＳＣＲ触媒８，９は、還元剤の存在下で排気中のＮＯｘを還元し、還元剤であるアンモニア（ＮＨ₃、以下「ＮＨ３」と記述する）を貯蔵可能に構成されている。なお、以下の説明ではＳＣＲ触媒８における還元剤の貯蔵量を「ストレージ量」といい、ＳＣＲ触媒８が貯蔵可能な最大ストレージ量を「ストレージ容量」という。

三元触媒７の上流側には排気中の酸素濃度を検出することにより、エンジン１で燃焼する混合気の空燃比を検出するリニア空燃比センサ（以下「ＬＡＦセンサ」という）１４が設けられている。三元触媒７とＳＣＲ触媒８との間には、二値型酸素濃度センサ（以下「Ｏ２センサ」という）１５が設けられている。Ｏ２センサ１５は、その出力ＶＯ２が理論空燃比に対応するストイキ酸素濃度Ｏ２ＣＯＮＳＳＴの近傍で急変する特性を有する。Ｏ２センサ出力ＶＯ２は、酸素濃度Ｏ２ＣＯＮＳがストイキ酸素濃度Ｏ２ＣＯＮＳＳＴより低いとき（空燃比が理論空燃比よりリッチ側にあるとき）は、高レベル（リッチ側飽和値ＶＯ２ＭＡＸ≒１．０Ｖ）となり、酸素濃度Ｏ２ＣＯＮＳがストイキ酸素濃度Ｏ２ＣＯＮＳＳＴより高いとき（空燃比が理論空燃比よりリーン側にあるとき）は、低レベル（リーン側飽和値ＶＯ２ＭＩＮ≒０Ｖ）となる。Ｏ２センサ１５によって、三元触媒７の排気浄化特性が最適となる酸素濃度（空燃比）を高精度に検出することができる。

三元触媒７とＳＣＲ触媒８との間には、ＮＨ３ガスを噴射するＮＨ３噴射弁２１が設けられており、ＮＨ３噴射弁２１の作動はＥＣＵ１０により制御される。ＮＨ３噴射弁２１には、ＮＨ３貯蔵部２２からＮＨ３ガスが供給される。ＮＨ３貯蔵部２２は、ＮＨ３を吸着する吸着材を内蔵し、該吸着剤にＮＨ３を吸着することによりＮＨ３を貯蔵するものあることが望ましい。

ＳＣＲ触媒８には、ＳＣＲ触媒温度ＴＳＣＲを検出するＳＣＲ触媒温度センサ１６が設けられ、ＳＣＲ触媒８及び９の間には、排気中のＮＨ３濃度ＮＨ３ＣＯＮＳを検出するＮＨ３濃度センサ１７が設けれらている。センサ１４〜１７の検出信号はＥＣＵ１０に供給される。

ＥＣＵ１０には、エンジン１の回転数ＮＥを検出するエンジン回転数センサ１８及びエンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ１９が接続されており、これらのセンサの検出信号がＥＣＵ１０に供給される。エンジン回転数センサ１８は、エンジン１の各気筒のピストンが上死点に位置するタイミングに同期したＴＤＣパルスをＥＣＵ１０に供給する。

ＥＣＵ１０は、上述したセンサ及び図示しないセンサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路を有し、さらに燃料噴射弁５、ＮＨ３噴射弁２１、アクチュエータ４などに駆動信号を供給する出力回路を備えている。

ＥＣＵ１０は、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁５による燃料噴射制御（空燃比制御）を行うとともに、ＳＣＲ触媒８に適量のＮＨ３を供給するためのＮＨ３噴射制御を行う。さらにＥＣＵ１０は、検出されるスロットル弁開度ＴＨが、燃料噴射制御において算出される目標開度ＴＨＣＭＤと一致するようにアクチュエータ４を駆動する吸気量制御を行う。

図２は、本実施形態における空燃比制御及びＮＨ３噴射制御の概要を説明するためのタイムチャートである。図２（ａ）〜（ｉ）は、それぞれエンジン１により駆動される車両の車速ＶＰ、触媒温度（ＴＴＷＣ：三元触媒温度、ＴＳＣＲ：ＳＣＲ触媒温度）、検出当量比ＫＡＣＴ（及び目標当量比ＫＣＭＤ、基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳ）、エンジン１の吸入空気量ＧＣＹＬＡＣＴ、Ｏ２センサ出力ＶＯ２、ＮＨ３噴射量ＧＮＨ３、ＳＣＲ触媒８のＮＨ３ストレージ量の推定値である推定ＮＨ３ストレージ量ＳＴＮＨ３（及び推定ＮＨ３ストレージ容量ＳＴＮＨ３ＭＡＸ）、検出されるＮＨ３濃度ＮＨ３ＣＯＮＳ、及びＮＯｘ排出量ＧＮＯｘＥＸ（ＳＣＲ触媒９の下流側）の推移を示す。図示例は、エンジン１の冷間始動後、当該車両を発進させ、さらに加速した状態に対応する。

時刻ｔ１までは三元触媒７及びＳＣＲ触媒８ともに活性化していないため、ＮＯｘ排出量ＧＮＯｘＥＸが増加している。時刻ｔ１において三元触媒７が活性化するため、その後ＮＯｘ排出量ＧＮＯｘＥＸが減少する。時刻ｔ２においてリーン運転の実行条件が成立すると、空燃比が理論空燃比より若干リッチ側の空燃比に変更されるとともに、ＮＨ３の噴射が開始される。図２（ｃ）に示す基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳはエンジン運転状態に応じて設定され、時刻ｔ２からｔ５までの期間においてリーン運転可能であることを示している。空燃比を理論空燃比より若干リッチ側の空燃比に設定することにより、三元触媒７においてＮＨ３が生成されるので、ＮＨ３噴射弁２１によるＮＨ３噴射量を低減することができる。

時刻ｔ２からｔ３までがリーン移行期間であり、リーン移行期間中にＮＨ３ストレージ量（ＳＴＮＨ３）が増加し、時刻ｔ３の直前においてＮＯｘ浄化が可能なレベルに達するので、時刻ｔ３からリーン運転が開始される。これにより、リーン運転開始当初から十分なＮＯｘ浄化率が得られる。

リーン運転中は、三元触媒７ではＮＨ３が生成されないため、推定ＮＨ３ストレージ量ＳＴＮＨ３が推定ＮＨ３ストレージ容量ＳＴＮＨ３ＭＡＸに達する時刻ｔ４までは比較的多量のＮＨ３が噴射される。そのとき、検出されるＮＨ３濃度ＮＨ３ＣＯＮＳが目標値ＮＨ３ＣＯＮＳＴＲＧＴと一致するように、ＮＨ３噴射量ＧＮＨ３が制御される。

基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳが「１．０」に変化しても、リッチ移行期間中（時刻ｔ５〜ｔ６）は、ＮＨ３の噴射が継続される。時刻ｔ６においてＯ２センサ出力ＶＯ２がＮＨ３噴射停止閾値ＶＯ２ＪＤに達することにより、リーン運転中に三元触媒７に貯蔵された酸素が取り除かれたことが確認されるので、ＮＨ３の噴射が停止される。これにより、リーン運転終了直後におけるＮＯｘ排出量の増加を確実に防止することができる。

図２（ｃ）に示されるようにリーン移行期間が終了する時刻ｔ３以後、及びリーン運転が終了する時刻ｔ５以後は、目標当量比ＫＣＭＤが徐々に変更されるので、エンジン出力トルクの急変を防止できる。

図３は、Ｏ２センサ出力ＶＯ２と、三元触媒７におけるＣＯ浄化率ＣＯＰＦＲ（実線Ｌ１）、ＨＣ（炭化水素）浄化率ＨＣＰＦＲ（実線Ｌ２）、ＮＯｘ浄化率ＮＯｘＰＦＲ（実線Ｌ３）、及びＮＨ３生成量ＮＨ３ＧＮ（破線Ｌ４）との関係を示す図である。この図のＶＯ２ＳＴが、ストイキ運転中のＯ２センサ出力であり（以下「ストイキ運転出力ＶＯ２ＳＴ」という）、ＶＯ２ＮＨ３がＮＨ３を生成するのに適したＯ２センサ出力である（以下「ＮＨ３生成出力ＶＯ２ＮＨ３」という）。上述したリーン移行期間（ｔ２〜ｔ３）では、ＶＯ２センサ出力がＮＨ３生成出力ＶＯ２ＮＨ３と一致するように、目標当量比ＫＣＭＤが設定される。

図４は、ＳＣＲ触媒８の推定ＮＨ３ストレージ量ＳＴＮＨ３と、ＳＣＲ触媒８のＮＯｘ浄化率ＮＯｘＰＦＲＳとの関係を示す図である。この図には、推定ＮＨ３ストレージ容量ＳＴＮＨ３ＭＡＸの約１５％に相当するストレージ量閾値ＳＴＭＨ３ＴＨの近傍で、ＮＯｘ浄化率ＮＯｘＰＦＲＳが急変することが示されている。したがって、本実施形態では、リーン移行期間の終了時点を判定するためのリーン切換判定閾値ＳＴＮＨ３ＳＬを、図４に示すようにストレージ量閾値ＳＴＭＨ３ＴＨより少し大きい値に設定し、リーン運転開始当初からＮＯｘを確実に浄化できるようにしている。

図５は、吸気量制御を含む燃料噴射制御を行うモジュールの構成を示すブロック図である。図５に示す各ブロックの機能は、ＥＣＵ１０のＣＰＵにおける演算処理により実現される。

図５の燃料噴射制御モジュールは、基本目標当量比算出部３１、要求燃料量算出部３２、要求吸気量算出部３３、目標Ｏ２センサ出力算出部３４、Ｏ２フィードバックコントローラ３５、吸気量フィードバックコントローラ３６、目標当量比算出部３７、空燃比フィードバックコントローラ３８、及び乗算部３９を備えている。

基本目標当量比算出部３１は、エンジン回転数ＮＥ及びエンジン１の要求トルクＴＲＱＲＱに応じて図６（ａ）に示すＫＣＭＤＢＳマップを検索し、基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳを算出する。要求トルクＴＲＱＲＱは、アクセルペダル操作量ＡＰに応じて算出され、アクセルペダル操作量ＡＰにほぼ比例するように設定される。

ＫＣＭＤＢＳマップは、マップ上のリーン運転領域ＲＬ１〜ＲＬ４において「１．０」より小さいマップ値が設定され、ストイキ運転領域ＲＳＴにおいて「１．０」が設定され、リッチ運転領域ＲＲにおいて「１．０」より大きなマップ値が設定されている。領域ＲＬ１〜ＲＬ４に対応するマップ値ＫＣＭＤＬ１〜ＫＣＭＤＬ４は、ＫＣＭＤＬ１＜ＫＣＭＤＬ２＜ＫＣＭＤＬ３＜ＫＣＭＤＬ４なる関係を満たす。基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳは、リーン運転実行条件が満たされる運転領域で「１．０」より小さい値に設定される。なお、図６（ａ）に示すＴＲＱＭＡＸは、エンジン回転数ＮＥに応じた最大出力トルクを示す。

なお、基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳを変更するときは、基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳが徐々に変化するように単位時間当たり変化量のリミット処理が行われる。例えば、エンジン運転状態が、領域ＲＳＴから領域ＲＬ４に移行したときに、基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳが「１．０」からステップ的にＫＣＭＤＬ４に変更されることはなく、徐々に変化してＫＣＭＤＬ４に達するように制御される（図２（ｃ）参照）。

要求燃料量算出部３２は、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱＲＱに応じて図６（ｂ）に示すＧＦＵＥＬＣＭＤマップを検索し、要求燃料量ＧＦＵＥＬＣＭＤを算出する。図６（ｂ）に示す５本の線は、それぞれ所定要求トルクＴＲＱＲＱ１，ＴＲＱＲＱ２，ＴＲＱＲＱ２，ＴＲＱＲＱ３，ＴＲＱＲＱ４，及びＴＲＱＲＱ５に対応し、所定要求トルクは、ＴＲＱＲＱ１＜ＴＲＱＲＱ２＜ＴＲＱＲＱ２＜ＴＲＱＲＱ３＜ＴＲＱＲＱ４＜ＴＲＱＲＱ５なる関係を満たす。

要求吸気量算出部３３は、基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳ、要求燃料量ＧＦＵＥＬＣＭＤ、リーン運転許可フラグＦＬＥＡＮＯＫ、及びＳＣＲ触媒温度ＴＳＣＲに応じて、エンジン１に供給すべき空気量である要求吸気量ＧＣＹＬＣＭＤを算出する（図７参照）。リーン運転許可フラグＦＬＥＡＮＯＫは、後述するＮＨ３噴射制御モジュールにおいて、ＳＣＲ触媒８のＮＨ３ストレージ量の推定値である推定ＮＨ３ストレージ量ＳＴＮＨ３がリーン切換判定値ＳＴＭＨ３ＳＬ以上であって、リーン運転可能であるとき「１」に設定される（図１４，Ｓ６９，Ｓ７０参照）。

吸気量フィードバックコントローラ３６は、検出吸気量ＧＣＹＬＡＣＴが要求吸気量ＧＣＹＬＣＭＤと一致するように、スロットル弁３の目標開度ＴＨＣＭＤを算出する。このフィードバック制御のアルゴリズムとしては、スライディングモード制御アルゴリズム、ＰＩＤ（比例積分微分）制御アルゴリズムなど公知のフィードバック制御アルゴリズムが適用可能である。その際、検出吸気量ＧＣＹＬＡＣＴと要求吸気量ＧＣＹＬＣＭＤとの偏差に応じて算出されるフィードバック制御量と、要求吸気量ＧＣＹＬＣＭＤに応じて算出されるフィードフォワード制御量とを組み合わせて、目標開度ＴＨＣＭＤを算出することが望ましい。

なお、検出吸気量ＧＣＹＬＡＣＴは、吸入空気流量センサ１１により検出される吸入空気流量ＧＡＩＲをＴＤＣパルス発生周期毎の吸気量に換算することにより得られる。

目標Ｏ２センサ出力算出部３４は、基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳ、リーン運転許可フラグＦＬＥＡＮＯＫに応じて、Ｏ２センサ出力ＶＯ２の目標値である目標Ｏ２センサ出力ＶＯ２ＴＲＧＴを算出する（図８参照）。

Ｏ２フィードバックコントローラ３５は、Ｏ２センサ出力ＶＯ２が目標Ｏ２センサ出力ＶＯ２ＴＲＧＴと一致するように、目標当量比修正量ＤＫＣＭＤを算出する（図９参照）。その際、基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳ及びリーン運転許可フラグＦＬＥＡＮＯＫが参照される。

目標当量比算出部３７は、検出吸気量ＧＣＹＬＡＣＴ(k)、燃料噴射量ＧＦＵＥＬ(k-1)（前回算出値）、及び目標当量比修正値ＤＫＣＭＤ(k)を下記式（１）に適用し、目標当量比ＫＣＭＤ(k)を算出する。ここで「ｋ」は、ＴＤＣパルス発生周期で離散化した離散化時刻である。なお、今回値を示す（ｋ）は、省略されている場合もある。
ＫＣＭＤ(k)＝ＧＦＵＥＬ(k-1)／ＧＣＹＬＡＣＴ(k)＋ＤＫＣＭＤ(k) （１）

空燃比フィードバックコントローラ３８は、ＬＡＦセンサ１４により検出される空燃比を当量比に換算することにより得られる検出当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤと一致するように、スライディングモード制御アルゴリズムを適用して空燃比補正係数ＫＡＦを算出する。

具体的には、検出当量比ＫＡＣＴ(k)及び目標当量比ＫＣＭＤ(k)を下記式（２）に適用して偏差Ｅφ(k)を算出し、偏差Ｅφ(k)を下記式（３）に適用して切換関数値σφ(k)を算出する。次いで切換関数値σφ(k)を下記式（４）及び（５）に適用し、到達則制御項ＵＲＣＨφ(k)及び適応則制御項ＵＡＤＰφ(k)を算出し、到達則制御項ＵＲＣＨφ(k)及び適応則制御項ＵＡＤＰφ(k)を下記式（６）に適用して、空燃比補正係数ＫＡＦ(k)を算出する。
Ｅφ(k)＝ＫＡＣＴ(k)−ＫＣＭＤ(k) （２）
σφ(k)＝Ｅφ(k)＋ＰＯＬＥφ×Ｅφ(k-1) （３）
ＵＲＣＨφ(k)＝ＫＲＣＨφ×σφ(k) （４）

ＫＡＦ(k)＝１＋ＵＲＣＨφ(k)＋ＵＡＤＰφ(k) （６）

式（３）のＰＯＬＥφは、偏差Ｅφの減衰特性を指定するための応答特性指定パラメータであり、「−１」から「０」の間の値に設定される。また式（４）のＫＲＣＨφ及び式（５）のＫＡＤＰφは、それぞれ所定値に設定される到達則制御ゲイン及び適応則制御ゲインである。なお、適応則制御項ＵＡＤＰφ(k)の初期値を「１」とする場合には、式（６）において「１」を加算する必要はない。

乗算部３９は、下記式（７）に示すように、要求燃料量ＧＦＵＥＬＣＭＤ(k)に空燃比補正係数ＫＡＦ(k)を乗算することにより、燃料噴射量ＧＦＵＥＬ(k)を算出する。
ＧＦＵＥＬ(k)＝ＧＦＵＥＬＣＭＤ(k)×ＫＡＦ(k) （７）

次に図７〜図９を参照して、要求吸気量算出部３３、目標Ｏ２センサ出力算出部３４、及びＯ２フィードバックコントローラ３５における演算処理の詳細を説明する。

図７は、要求吸気量算出部３３における演算処理のフローチャートである。
ステップＳ１１では、基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳ(k)が「１．０」より小さいか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、リーン運転許可フラグＦＬＥＡＮＯＫが「０」であるか否かを判別する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、修正目標当量比ＫＣＭＤＢＳＭＯＤ(k)を「１．０」に設定する（ステップＳ１５）。ステップＳ１１の答が否定（ＮＯ）であるときは、直ちにステップＳ１６に進む。

ステップＳ１２の答が否定（ＮＯ）であって、リーン運転が許可されているときは、ＳＣＲ触媒温度ＴＳＣＲ(k)が下限温度ＴＳＣＲＬ（例えば１６０℃）より低いか否かを判別し（ステップＳ１３）、この答が否定（ＮＯ）であるときは、ＳＣＲ触媒温度ＴＳＣＲ(k)が上限温度ＴＳＣＲＨ（例えば５００℃）より高いか否かを判別する（ステップＳ１４）。ステップＳ１３またはＳ１４の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、ＳＣＲ触媒８のＮＯｘ浄化率が低いため、前記ステップＳ１５に進む。

ステップＳ１４の答が否定（ＮＯ）、すなわちＳＣＲ触媒温度ＴＳＣＲが下限温度ＴＳＣＲＬ以上でかつ上限温度ＴＳＣＲＨ以下であってＳＣＲ触媒８によるＮＯｘ浄化が可能であるときは、ステップＳ１６に進み、修正目標当量比ＫＣＭＤＢＳＭＯＤ(k)を基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳ(k)に設定する。ステップＳ１１〜Ｓ１５により、基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳ(k)が「１．０」より小さい値に設定されても、リーン運転が許可されていないとき、またはＳＣＲ触媒温度ＴＳＣＲが許容範囲外であるときは、リーン運転は行われないので、修正目標当量比ＫＣＭＤＢＳＭＯＤ(k)が「１．０」に設定される。

ステップＳ１７では、要求燃料量ＧＦＵＥＬＣＭＤ(k)及び修正目標当量比ＫＣＭＤＢＳＭＯＤ(k)を下記式（８）に適用し、要求吸気量ＧＣＹＬＣＭＤ(k)を算出する。
ＧＣＹＬＣＭＤ(k)＝ＧＦＵＥＬＣＭＤ(k)／ＫＣＭＤＢＳＭＯＤ(k) （８）

図８は、目標Ｏ２センサ出力算出部３４における演算処理のフローチャートである。
ステップＳ２１では、基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳ(k)が「１．０」以上であるか否かを判別し、その答が否定（ＮＯ）であるときは、リーン運転許可フラグＦＬＥＡＮＯＫ(n)が「１」であるか否かを判別する（ステップＳ２２）。ここで、「ｎ」は、ＮＨ３噴射量の制御周期ΔＴＮＨ３（例えば０．５秒）で離散化した離散化時刻である。

ステップＳ２１またはＳ２２の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、目標Ｏ２センサ出力ＶＯ２ＴＲＧＴをストイキ目標値ＶＯ２ＳＴ（例えば約０．６Ｖ）に設定する（ステップＳ２３）。

ステップＳ２２の答が否定（ＮＯ）であるとき、すなわちリーン運転実行条件が成立し（ＫＣＭＤＢＳ(k)＜１．０）かつリーン運転許可フラグＦＬＥＡＮＯＫ(n)が「０」であるときは、目標Ｏ２センサ出力ＶＯ２ＴＲＧＴをＮＨ３生成目標値ＶＯ２ＮＨ３（例えば約０．７５Ｖ）に設定する（ステップＳ２４）。これにより、リーン移行期間（図２，t２〜ｔ３)において、三元触媒７でＮＨ３が生成される。

図９は、Ｏ２フィードバックコントローラ３５における演算処理のフローチャートである。
ステップＳ３１では、Ｏ２センサ出力ＶＯ２及び目標Ｏ２センサ出力ＶＯ２ＴＲＧＴを下記式（９）に適用して偏差ＥＶＯ２(k)を算出し、偏差ＥＶＯ２(k)を下記式（１０）に適用して切換関数値σＶＯ２(k)を算出する。式（１０）のＰＯＬＥＶは、偏差ＥＶＯ２の減衰特性を指定するための応答特性指定パラメータであり、「−１」から「０」の間の値に設定される。
ＥＶＯ２(k)＝ＶＯ２(k)−ＶＯ２ＴＲＧＴ(k) （９）
σＶＯ２(k)＝ＥＶＯ２(k)＋ＰＯＬＥＶ×ＥＶＯ２(k-1) （１０）

ステップＳ３２では、切換関数値σＶＯ２(k)を下記式（１１）及び（１２）に適用し、到達則制御項ＵＲＣＨＶ(k)及び適応則制御項ＵＡＤＰＶ(k)を算出する。式（１１）のＫＲＣＨＶ及び式（１２）のＫＡＤＰＶは、それぞれ所定値に設定される到達則制御ゲイン及び適応則制御ゲインである。
ＵＲＣＨＶ(k)＝ＫＲＣＨＶ×σＶＯ２(k) （１１）

ステップＳ３３では、基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳ(k)が「１．０」より小さいか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときはリーン運転許可フラグＦＬＥＡＮＯＫ(n)が「０」であるか否かを判別する（ステップＳ３４）。ステップＳ３３の答が否定（ＮＯ）またはＳ３４の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、リーン運転が行われないため、ステップＳ３５に進み、目標当量比修正量ＤＫＣＭＤ(k)を到達則制御項ＵＲＣＨＶ(k)及び適応則制御項ＵＡＤＰＶ(k)の和に設定する（下記式（１３））。
ＤＫＣＭＤ(k)＝ＵＲＣＨＶ(k)＋ＵＡＤＰＶ(k) （１３）

ステップＳ３４の答が否定（ＮＯ）であるときは、リーン運転が行われるため目標当量比修正量ＤＫＣＭＤを「０」に設定する（ステップＳ３６）。

図１０は、ＮＨ３噴射弁２１によるＮＨ３ガスの噴射制御を行うＮＨ３噴射制御モジュールの構成を示すブロック図であり、図１０に示す各ブロックの機能は、ＥＣＵ１０のＣＰＵにおける演算処理により実現される。

ＮＨ３噴射制御モジュールは、ＮＯｘ排出量推定部４１、ＮＯｘ浄化率推定部４２、ＮＨ３生成量推定部４３、ＴＷＣ下流ＮＯｘ量推定部４４、ＮＨ３ストレージ量推定部４５、及びＮＨ３噴射量コントローラ４６を備えている。

ＮＯｘ排出量推定部４１は、検出当量比ＫＡＣＴ、エンジン回転数ＮＥ、及び検出吸気量ＧＣＹＬＡＣＴに応じて、エンジン１から排出されるＮＯｘ量の推定値である推定ＮＯｘ排出量ＥＮＧＮＯｘＨＡＴを算出する。

ＮＯｘ浄化率推定部４２は、Ｏ２センサ出力ＶＯ２に応じて、三元触媒７のＮＯｘ浄化率の推定値である推定ＮＯｘ浄化率ＩＴＡＮＯｘを算出する。具体的には、Ｏ２センサ出力ＶＯ２に応じて図１５（ａ）に示すＩＴＡＮＯｘテーブルを検索し、推定ＮＯｘ浄化率ＩＴＡＮＯｘ(n)を算出する。ＩＴＡＮＯｘテーブルは、Ｏ２センサ出力ＶＯ２がストイキ目標値ＶＯ２ＳＴに等しいとき、推定ＮＯｘ浄化率ＩＴＡＮＯｘが最大となり、０．２Ｖ以下では「０」となるように設定されている。

ＴＷＣ下流ＮＯｘ量推定部４４は、推定ＮＯｘ排出量ＥＮＧＮＯｘＨＡＴ及び推定ＮＯｘ浄化率ＩＴＡＮＯｘに応じて、三元触媒７の下流側に排出されるＮＯｘ量の推定値である推定ＴＷＣ下流ＮＯｘ量ＴＷＣＮＯｘＨＡＴを算出する。

ＮＨ３生成量推定部４３は、エンジン回転数ＮＥ、検出吸気量ＧＣＹＬＡＣＴ、及びＯ２センサ出力ＶＯ２に応じて、三元触媒７で生成されるＮＨ３量の推定値である推定ＮＨ３生成量ＧＮＨ３ＴＷＣを算出する。

ＮＨ３ストレージ量推定部４５は、ＳＣＲ触媒温度ＴＳＣＲに応じて推定ＮＨ３ストレージ容量ＳＴＮＨ３ＭＡＸを算出するとともに、推定ＴＷＣ下流ＮＯｘ量ＴＷＣＮＯｘＨＡＴ、推定ＮＯｘ生成量ＧＮＨ３ＴＷＣ、ＳＣＲ触媒温度ＴＳＣＲ、ＮＨ３噴射量ＧＮＨ３（前回値）、及びフィードフォワードＮＨ３噴射量ＧＮＨ３ＦＦ（前回値）に応じて、推定ＮＨ３ストレージ量ＳＴＮＨ３を算出し、さらに推定ＮＨ３ストレージ量ＳＴＮＨ３に応じてリーン運転許可フラグＦＬＥＡＮＯＫの設定を行う。ＮＨ３噴射量ＧＮＨ３及びフィードフォワードＮＨ３噴射量ＧＮＨ３ＦＦは、ＮＨ３噴射量コントローラ４６で算出される。

ＮＨ３噴射量コントローラ４６は、推定ＴＷＣ下流ＮＯｘ量ＴＷＣＮＯｘＨＡＴに応じてフィードフォワードＮＨ３噴射量ＧＮＨ３ＦＦを算出するとともに、フィードフォワードＮＨ３噴射量ＧＮＨ３ＦＦ、Ｏ２センサ出力ＶＯ２、ＮＨ３濃度センサ１７により検出されるＮＨ３濃度ＮＨ３ＣＯＮＳ、推定ＮＨ３ストレージ量ＳＴＮＨ３、推定ＮＨ３ストレージ容量ＳＴＮＨ３ＭＡＸ、基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳ、及び燃料カットフラグＦＦＣに応じて、ＮＨ３噴射量ＧＮＨ３を算出する。燃料カットフラグＦＦＣは、エンジン１への燃料供給を停止する燃料カット運転を行うとき「１」に設定される。

図１１は、ＮＯｘ排出量推定部４１における演算処理のフローチャートである。
ステップＳ４１では、エンジン回転数ＮＥ及び検出吸気量ＧＣＹＬＡＣＴに応じて図１２（ａ）に示すＥＮＧＮＯｘＨＡＴＢＳマップを検索し、基本推定ＮＯｘ排出量ＥＮＧＮＯｘＨＡＴＢＳ(n)を算出する。ＥＮＧＮＯｘＨＡＴＢＳマップは、検出吸気量ＧＣＹＬＡＣＴが増加するほど基本推定ＮＯｘ排出量ＥＮＧＮＯｘＨＡＴＢＳが増加し、エンジン回転数ＮＥが増加するほど基本推定ＮＯｘ排出量ＥＮＧＮＯｘＨＡＴＢＳが増加するように設定されている。図１２（ａ）に示す３つの曲線は、それぞれ所定エンジン回転数ＮＥ１，ＮＥ２，及びＮＥ３に対応し、３つの所定エンジン回転数はＮＥ１＜ＮＥ２＜ＮＥ３なる関係を満たす。

ステップＳ４２では、検出当量比ＫＡＣＴに応じて図１２（ｂ）に示すＫＮＯｘφテーブルを検索し、当量比補正係数ＫＮＯｘφ(n)を算出する。ＫＮＯｘφテーブルは、検出当量比ＫＡＣＴが「０．９」近傍にあるとき当量比補正係数ＫＮＯｘφが最大となるように設定されている。すなわち、検出当量比ＫＡＣＴが「０．９」より小さい範囲では、検出当量比ＫＡＣＴが増加するほど、当量比補正係数ＫＮＯｘφが増加し、検出当量比ＫＡＣＴが「０．９」より大きい範囲では、検出当量比ＫＡＣＴが増加するほど、当量比補正係数ＫＮＯｘφが減少する。なお、当量比０．９は、空燃比１６．０に相当する。

ステップＳ４３では、基本推定ＮＯｘ排出量ＥＮＧＮＯｘＨＡＴＢＳ(n)及び当量比補正係数ＫＮＯｘφ(n)を下記式（２０）に適用し、推定ＮＯｘ排出量ＥＮＧＮＯｘＨＡＴ(n)を算出する。
ＥＮＧＮＯｘＨＡＴ(n)＝ＥＮＧＮＯｘＨＡＴＢＳ(n)×ＫＮＯｘφ(n) （２０）

図１３は、ＮＨ３生成量推定部４３における演算処理のフローチャートである。
ステップＳ５１では、Ｏ２センサ出力ＶＯ２に応じて図１５（ｂ）に示すＫＮＨ３ＶＯ２テーブルを検索し、ＮＨ３生成係数ＫＮＨ３ＶＯ２(n)を算出する。ＫＮＨ３ＶＯ２テーブルは、Ｏ２センサ出力ＶＯ２がストイキ目標値ＶＯ２ＳＴより高い範囲で、Ｏ２センサ出力ＶＯ２が高くなるほど（酸素濃度が減少するほど）、ＮＨ３生成係数ＫＮＨ３ＶＯ２が増加するように設定されている。ＮＨ３生成目標値ＶＯ２ＮＨ３は、ＮＨ３生成係数ＫＮＨ３ＶＯ２が「０」より少し大きな値とるＯ２センサ出力に相当する。

ステップＳ５２では、検出吸気量ＧＣＹＬＡＣＴ(n)及びエンジン回転数ＮＥ(n)［ｒｐｍ］を下記式（２１）に適用し、ＮＨ３噴射制御周期ΔＴＮＨ３［ｓｅｃ］当たりの排気量（質量）の推定値である推定排気量ＧＥＸＨＡＴ(n)を算出する。なお、式（２１）は４気筒エンジンに対応するものである。
ＧＥＸＨＡＴ(n)＝ＧＣＹＬＡＣＴ(n)×ＮＥ(n)×ΔＴＮＨ３×２／６０ （２１）

ステップＳ５３では、ＮＨ３生成係数ＫＮＨ３ＶＯ２(n)及び推定排気量ＧＥＸＨＡＴ(n)を下記式（２２）に適用し、推定ＮＨ３生成量ＧＮＨ３ＴＷＣ(n)を算出する。
ＧＮＨ３ＴＷＣ(n)＝ＫＮＨ３ＶＯ２(n)×ＧＥＸＨＡＴ(n) （２２）

図１４は、ＮＨ３ストレージ量推定部４５における演算処理のフローチャートである。
ステップＳ６１では、ＳＣＲ触媒温度ＴＳＣＲに応じて図１５（ｃ）に示すＳＴＮＨ３ＭＡＸテーブルを検索し、推定ＮＨ３ストレージ容量ＳＴＮＨ３ＭＡＸ(n)を算出する。ステップＳ６２では、ＮＨ３噴射量の前回値ＧＮＨ３(n-1)、推定ＮＨ３生成量の前回値ＧＮＨ３ＴＷＣ(n-1)、及びフィードフォワードＮＨ３噴射量の前回値ＧＮＨ３ＦＦ(n-1)を下記式（２３）に適用し、推定ＮＨ３ストレージ量ＳＴＮＨ３を算出するためのストレージ量演算パラメータＳＴＮＨ３ＴＥＭＰ(n)を算出する。フィードフォワードＮＨ３噴射量ＧＮＨ３ＦＦは、ＳＣＲ触媒８におけるＮＨ３の消費量（１制御周期当たり）に相当するので、減算項として式（２３）に含まれている。
ＳＴＮＨ３ＴＥＭＰ(n)＝ＳＴＮＨ３ＴＥＭＰ(n-1)＋ＧＮＨ３(n-1)
＋ＧＮＨ３ＴＷＣ(n-1)−ＧＮＨ３ＦＦ(n-1) （２３）

ステップＳ６３では、ストレージ量演算パラメータＳＴＮＨ３ＴＥＭＰ(n)が推定ＮＨ３ストレージ容量ＳＴＮＨ３ＭＡＸ(n)より大きいか否かを判別する。その答が否定（ＮＯ）であるときは、ＮＨ３濃度センサ１７により検出されるＮＨ３濃度ＮＨ３ＣＯＮＳ(n)が「０」より大きいか否かを判別する（ステップＳ６４）。ステップＳ６３またはＳ６４の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、推定ＮＨ３ストレージ量ＳＴＮＨ３(n)を推定ＮＨ３ストレージ容量ＳＴＮＨ３ＭＡＸ(n)に設定する（ステップＳ６５）。

ステップＳ６４の答が否定（ＮＯ）であるときは、ストレージ量演算パラメータＳＴＮＨ３ＴＥＭＰ(n)が「０」より小さいか否かを判別する（ステップＳ６６）。その答が否定（ＮＯ）であるときは、推定ＮＨ３ストレージ量ＳＴＮＨ３(n)をストレージ量演算パラメータＳＴＮＨ３ＴＥＭＰ(n)に設定する（ステップＳ６７）。ストレージ量演算パラメータＳＴＮＨ３ＴＥＭＰ(n)が負の値となっているときは、推定ＮＨ３ストレージ量ＳＴＮＨ３(n)を「０」に設定する（ステップＳ６８）。

ステップＳ６９では、算出された推定ＮＨ３ストレージ量ＳＴＮＨ３(n)がリーン切換判定閾値ＳＴＮＨ３ＳＬ以上であるか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、リーン運転許可フラグＦＬＥＡＮＯＫ(n)を「１」に設定する（ステップＳ７０）。ステップＳ６９の答が否定（ＮＯ）であるときは、リーン運転許可フラグＦＬＥＡＮＯＫ(n)を「０」に設定する（ステップＳ７１）。

図１６は、ＮＨ３噴射量コントローラ４６における演算処理のフローチャートである。
ステップＳ８０では、下記式（２４）に推定ＴＷＣ下流ＮＯｘ量ＴＷＣＮＯｘＨＡＴ(n)を適用し、フィードフォワードＮＨ３噴射量ＧＮＨ３ＦＦ(n)を算出する。
ＧＮＨ３ＦＦ(n)＝ＫＮＯｘＮＨ３×ＴＷＣＮＯｘＨＡＴ(n) （２４）

式（２４）のＫＮＯｘＮＨ３は、ＮＯｘ量を、そのＮＯｘを還元するために必要とされるＮＨ３量に変換するための所定変換係数であり、例えば「０．５３」に設定される。したがって、三元触媒７の下流側に排出されるＮＯｘをすべて還元するために必要なＮＨ３量として、フィードフォワードＮＨ３噴射量ＧＮＨ３ＦＦ(n)が算出される。

ステップＳ８１では、推定ＮＨ３ストレージ量ＳＴＮＨ３(n)が推定ＮＨ３ストレージ容量ＳＴＮＨ３ＭＡＸ(n)に維持されるように、最大量維持ＮＨ３噴射量ＧＮＨ３ＳＴ(n)を算出する。具体的には、ＳＣＲ触媒８のＮＨ３ストレージ量が急激に増加すること（ＳＣＲ触媒８の下流側における急激なＮＨ３スリップの発生）を防止するために、ＩＰ制御（積分先行型比例積分制御）アルゴリズムを用いて、推定ＮＨ３ストレージ量ＳＴＮＨ３(n)が推定ＮＨ３ストレージ容量ＳＴＮＨ３ＭＡＸ(n)と一致するように、最大量維持ＮＨ３噴射量ＧＮＨ３ＳＴ(n)を算出する。

ＩＰ制御では、下記式（２５）及び（２６）により比例制御項ＵＰＳＴ(n)及び積分制御項ＵＩＳＴ(n)を算出し、比例制御項ＵＰＳＴ(n)及び積分制御項ＵＩＳＴ(n)の和として、最大量維持ＮＨ３噴射量ＧＮＨ３ＳＴ(n)を算出する（下記式（２７））。
ＵＰＳＴ(n)＝ＫＰＳＴ×ＳＴＮＨ３(n) （２５）

ＧＮＨ３ＳＴ(n)＝ＵＰＳＴ(n)＋ＵＩＳＴ(n) （２７）

式（２５）のＫＰＳＴ及び式（２６）のＫＩＳＴは、それぞれ所定の比例制御項ゲイン及び積分制御項ゲインである。

ステップＳ８２では、図１８に示すＦＡＦＣ設定処理を実行し、燃料カット後ＮＨ３噴射フラグＦＡＦＣの設定を行う。図１８のステップＳ２０１では、燃料カットフラグＦＦＣ(n)が「１」であるか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、燃料カット後ＮＨ３噴射フラグＦＡＦＣ(n)を「１」に設定する（ステップＳ２０４）。

ステップＳ２０１の答が否定（ＮＯ）であるときは、Ｏ２センサ出力ＶＯ２がＮＨ３噴射停止閾値ＶＯ２ＪＤ以上であるか否かを判別する（ステップＳ２０２）。この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、燃料カット後ＮＨ３噴射フラグＦＡＦＣ(n)を「０」に設定する（ステップＳ２０３）。ステップＳ２０２の答が否定（ＮＯ）であるときは処理を終了する。

図１８に処理により、燃料カット後ＮＨ３噴射フラグＦＡＦＣは、燃料カット運転中及び燃料カット運転終了後、Ｏ２センサ出力ＶＯ２がＮＨ３噴射停止閾値ＶＯ２ＪＤ以上となるまで「１」に設定される。

図１６に戻り、ステップＳ８３では、燃料カットフラグＦＦＣ(n)が「１」であるか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、ＮＨ３噴射量ＧＮＨ３(n)を「０」に設定し（ステップＳ９０）、ＮＨ３の噴射を停止する。ステップＳ８３の答が否定（ＮＯ）であるときは、燃料カット後ＮＨ３噴射フラグＦＡＦＣ(n)が「１」であるか否かを判別する（ステップＳ８４）。この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、ＮＨ３噴射量ＧＮＨ３(n)をフィードフォワードＮＨ３噴射量ＧＮＨ３ＦＦ(n)に設定する。燃料カット運転終了直後のリッチ移行期間において、三元触媒７の下流側に排出されるＮＯｘを還元するために必要なＮＨ３量が供給され、燃料カット終了直後におけるＮＯｘ排出量の増加を防止することができる。また燃料カット運転中は、ＮＨ３の噴射を停止することにより、ＮＨ３の消費量を低減することができる。

ステップＳ８４の答が否定（ＮＯ）であるときは、図１７に示すＧＮＨ３ＦＢ算出処理を実行し、検出されるＮＨ３濃度ＮＨ３ＣＯＮＳが目標ＮＨ３濃度ＮＨ３ＣＯＮＳＴＲＧＴ（例えば５ｐｐｍ相当の値）と一致するようにフィードバックＮＨ３噴射量ＧＮＨ３ＦＢを算出する（ステップＳ８６）。

ステップＳ８７では、基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳ(k)が「１．０」より小さいか否かを判別し、その答が否定（ＮＯ）であるときは、リーン運転後ＮＨ３噴射フラグＦＡＦＴＬＥＡＮ(n)が「１」であるか否かを判別する（ステップＳ８８）。リーン運転後ＮＨ３噴射フラグＦＡＦＴＬＥＡＮ(n)は、図１７の処理で設定され（ステップＳ９１，Ｓ９２，Ｓ９５〜Ｓ９８）、リーン運転終了直後においてＮＨ３の噴射を実行するとき、すなわちリッチ移行期間において「１」に設定される。

ステップＳ８７またはＳ８８の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、ＮＨ３噴射を実行するので、フィードフォワードＮＨ３噴射量ＧＮＨ３ＦＦ(n)、最大量維持ＮＨ３噴射量ＧＮＨ３ＳＴ(n)、及びフィードバックＮＨ３噴射量ＧＮＨ３ＦＢ(n)を下記式（２８）に適用し、ＮＨ３噴射量ＧＮＨ３(n)を算出する（ステップＳ８９）。
ＧＮＨ３(n)＝ＧＮＨ３ＦＦ(n)＋ＧＮＨ３ＳＴ(n)＋ＧＮＨ３ＦＢ(n) （２８）

一方ステップＳ８８の答が否定（ＮＯ）であるときは、ステップＳ９０に進み、ＮＨ３噴射量ＧＮＨ３(k)を「０」に設定する。

図１７は、図１６のステップＳ８６で実行されるＧＮＨ３ＦＢ算出処理のフローチャートである。
ステップＳ９１では、基本目標当量比の前回値ＫＣＭＤＢＳ(k-1)が「１．０」より小さいか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは今回値ＫＣＭＤＢＳ(k)が「１．０」以上であるか否かを判別する（ステップＳ９２）。ステップＳ９１及びＳ９２の答がともに肯定（ＹＥＳ）であるとき、すなわちリーン運転の終了直後であるときは、リーン運転後ＮＨ３噴射フラグＦＡＦＴＬＥＡＮ(n)を「１」に設定する（ステップＳ９５）。その後ステップＳ９９に進む。

ステップＳ９１またはＳ９２の答が否定（ＮＯ）であるときは、リーン運転後ＮＨ３噴射フラグの前回値ＦＡＦＴＬＥＡＮ(n-1)が「１」であるか否かを判別する（ステップＳ９６）。その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、Ｏ２センサ出力ＶＯ２がＮＨ３噴射停止閾値ＶＯ２ＪＤ以上であるか否かを判別する（ステップＳ９７）。ステップＳ９７の答が肯定（ＹＥＳ）であるとき、すなわちＮＨ３噴射継続中にＯ２センサ出力ＶＯ２がＮＨ３噴射停止閾値ＶＯ２ＪＤに達すると、リーン運転後ＮＨ３噴射フラグＦＡＦＴＬＥＡＮ(n)を「０」に戻す（ステップＳ９８）。これにより、リーン運転の終了直後のリッチ移行期間が終了し、ＮＨ３噴射が停止される。
ステップＳ９６またはＳ９７の答が否定（ＮＯ）であるときはステップＳ９９に進む。

ステップＳ９９では、検出ＮＨ３濃度ＮＨ３ＣＯＮＳ及び所定目標ＮＨ３濃度ＮＨ３ＣＯＮＳＴＲＧＴを下記式（２９）に適用して偏差ＥＮＨ３(n)を算出し、偏差ＥＮＨ３(n)を下記式（３０）に適用して切換関数値σＮＨ３(n)を算出する。式（３０）のＰＯＬＥＮＨ３は、偏差ＥＮＨ３の減衰特性を指定するための応答特性指定パラメータであり、「−１」から「０」の間の値に設定される。
ＥＮＨ３(n)＝ＮＨ３ＣＯＮＳ(n)−ＮＨ３ＣＯＮＳＴＲＧＴ （２９）
σＮＨ３(n)＝ＥＮＨ３(n)＋ＰＯＬＥＮＨ３×ＥＮＨ３(n-1) （３０）

ステップＳ１００では、切換関数値σＮＨ３(n)を下記式（３１）に適用し、到達則制御項ＵＲＣＨＮＨ３(n)を算出する。式（３１）のＫＲＣＨＮＨ３は、所定値に設定される到達則制御ゲインである。
ＵＲＣＨＮＨ３(n)＝ＫＲＣＨＮＨ３×σＮＨ３(n) （３１）

次のステップＳ１０１では、基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳ(k)が「１．０」より小さいか否かを判別し、その答が否定（ＮＯ）であるときは、リーン運転後ＮＨ３噴射フラグＦＡＦＴＬＥＡＮ(n)が「１」であるか否かを判別する（ステップＳ１０２）。

ステップＳ１０１またはＳ１０２の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、ＮＨ３噴射を実行するので、切換関数値σＮＨ３(n)を下記式（３２）に適用し、適応則制御項ＵＡＤＰＮＨ３(n)を算出する（ステップＳ１０３）。

一方ステップＳ１０２の答が否定（ＮＯ）であるときは、適応則制御項ＵＡＤＰＮＨ３(n)を「０」に設定する（ステップＳ１０４）。

ステップＳ１０５では、到達則制御項ＵＲＣＨＮＨ３(n)及び適応則制御項ＵＡＤＰＮＨ３(n)を下記式（３３）に適用し、フィードバックＮＨ３噴射量ＧＮＨ３ＦＢ(n)を算出する。
ＧＮＨ３ＦＢ(n)＝ＵＲＣＨＮＨ３(n)＋ＵＡＤＰＮＨ３(n) （３３）

図１９は、燃料噴射制御処理の全体構成を示すフローチャートであり、この処理はＥＣＵ１０のＣＰＵでＴＤＣパルスの発生に同期して実行される。

ステップＳ１１１では、吸気制御装置正常フラグＦＤＢＷＯＫが「１」であるか否かを判別する。吸気制御装置正常フラグＦＤＢＷＯＫは、スロットル弁３及びアクチュエータ４を含む吸気制御装置が正常であるとき「１」に設定される。ステップＳ１１１の答が否定（ＮＯ）であって故障が検出されているときは、燃料噴射量ＧＦＵＥＬをフェールセーフ所定値ＧＦＦＳに設定する（ステップＳ１１２）。

ステップＳ１１１の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱＲＱに応じて要求燃料量ＧＦＵＥＬＣＭＤを算出し（ステップＳ１１３）、次いでＬＡＦセンサ正常フラグＦＬＡＦＳＯＫが「１」である否かを判別する（ステップＳ１１４）。ＬＡＦセンサ正常フラグＦＬＡＦＳＯＫは、ＬＡＦセンサ１４が正常であるとき「１」に設定される。ステップＳ１１４の答が否定（ＮＯ）であるときは、空燃比補正係数ＫＡＦを「１．０」に設定し（ステップＳ１１５）、ステップＳ１２５に進む。

ステップＳ１１４の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、図７の処理により修正目標当量比ＫＣＭＤＢＳＭＯＤを算出し（ステップＳ１１６）、次いでＳＣＲ触媒正常フラグＦＳＣＲＣＯＫが「１」であるか否かを判別する（ステップＳ１１７）。ＳＣＲ触媒正常フラグＦＳＣＲＣＯＫは、ＳＣＲ触媒８が正常であるとき「１」に設定され、ＳＣＲ触媒８が異常劣化していると判定されると「０」に設定される。

ステップＳ１１７の答が否定（ＮＯ）であって、ＳＣＲ触媒８が異常劣化していると判定されているときは、修正目標当量比ＫＣＭＤＢＳＭＯＤについて「１．０」を下限値とするリミット処理を行い（ステップＳ１１８）、ステップＳ１１９に進む。ステップＳ１１７の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは直ちにステップＳ１１９に進む。

ステップＳ１１９では、式（８）により、要求吸気量ＧＣＹＬＣＭＤを算出し、検出吸気量ＧＣＹＬＡＣＴが要求吸気量ＧＣＹＬＣＭＤと一致するようにスロットル弁３の目標開度ＴＨＣＭＤを算出する。ステップＳ１２０では、三元触媒正常フラグＦＴＷＣＯＫが「１」であるか否かを判別する。三元触媒正常フラグＦＴＷＣＯＫは、三元触媒７が正常であるとき「１」に設定され、三元触媒７が異常劣化していると判定されると「０」に設定される。

ステップＳ１２０の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、Ｏ２センサ正常フラグＦＯ２ＳＯＫが「１」であるか否かを判別する（ステップＳ１２１）。Ｏ２センサ正常フラグＦＳＣＲＣＯＫは、Ｏ２センサ１５が正常であるとき「１」に設定され、Ｏ２センサ１５の故障が検出されると「０」に設定される。ステップＳ１２０またはＳ１２１の答が否定（ＮＯ）であるときは、目標当量比修正量ＤＫＣＭＤを「０」に設定する（ステップＳ１２２）。ステップＳ１２１の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、図９の処理により、Ｏ２センサ出力ＶＯ２が目標Ｏ２センサ出力ＶＯ２ＴＲＧＴに一致するように目標当量比修正量ＤＫＣＭＤを算出する（ステップＳ１２３）。

ステップＳ１２４では、上述した式（１）により目標当量比ＫＣＭＤを算出し、式（２）〜（６）により空燃比補正係数ＫＡＦを算出する。ステップＳ１２５では上述した式（７）により燃料噴射量ＧＦＵＥＬを算出する。

図２１は、ＮＨ３噴射制御処理の全体構成を示すフローチャートであり、この処理はＥＣＵ１０のＣＰＵで所定時間（ΔＴＮＨ３）毎に実行される。
ステップＳ１３１では、ＮＨ３噴射装置正常フラグＦＮＨ３ＩＮＪＯＫが「１」であるか否かを判別する。ＮＨ３噴射装置正常フラグＦＮＨ３ＩＮＪＯＫは、ＮＨ３噴射弁２１、ＮＨ３貯蔵部２２などからなるＮＨ３噴射装置が正常であるとき「１」に設定され、故障（例えば、ＮＨ３噴射弁２１、ＮＨ３生成ヒータ（図示せず）などの故障）が検出されているとき「０」に設定される。ステップＳ１３１の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、ＳＣＲ触媒正常フラグＦＳＣＲＣＯＫが「１」であるか否かを判別する（ステップＳ１３２）。ステップＳ１３１またはＳ１３２の答が否定（ＮＯ）であるときは、ＮＨ３噴射量ＧＮＨ３を「０」に設定するとともに、リーン運転許可フラグＦＬＥＡＮＯＫを「０」に設定する（ステップＳ１４０，Ｓ１４１）。

ステップＳ１３２の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、ＮＨ３残存フラグＦＮＨ３ＲＳＤが「１」であるか否かを判別する（ステップＳ１３３）。ＮＨ３残存フラグＦＮＨ３ＲＳＤは、ＮＨ３貯蔵部２２にＮＨ３が残存しているとき「１」に設定される。ステップＳ１３３の答が否定（ＮＯ）であるときは、音声及び／または表示によって運転者に警告する（ステップＳ１３４）。その後、ステップＳ１４０に進む。

ステップＳ１３３の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、センサＯＫフラグＦＳＮＳＯＫが「１」であるか否かを判別する（ステップＳ１３５）。センサＯＫフラグＦＳＮＳＯＫは、上述したセンサ（ＬＡＦセンサ１４、Ｏ２センサ１５、ＳＣＲ温度センサ１６、ＮＨ３濃度センサ１７）がすべて正常であるとき「１」に設定され、いずれかの故障が検出されると「０」に設定される。ステップＳ１３５の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、ＮＨ３濃度センサ活性化フラグＦＮＨ３ＳＡＣＶが「１」であるか否かを判別する（ステップＳ１３６）。ＮＨ３濃度センサ活性化フラグＦＮＨ３ＳＡＣＶは、ＮＨ３濃度センサ１７が活性化しているとき「１」に設定される。ステップＳ１３６の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、ＳＣＲ触媒活性化フラグＦＳＣＲＣＡＣＶが「１」であるか否かを判別する（ステップＳ１３７）。ＳＣＲ触媒活性化フラグＦＳＣＲＣＡＣＶは、ＳＣＲ触媒８が活性化しているとき「１」に設定される。

ステップＳ１３５〜Ｓ１３７の何れかの答が否定（ＮＯ）であるときは、ステップＳ１４０に進み、すべて肯定（ＹＥＳ）であるときは、図１６の処理によりＮＨ３噴射量ＧＮＨ３を算出する（ステップＳ１３８）。次いで図１４の処理によりリーン運転許可フラグＦＬＥＡＮＯＫの設定を行う（ステップＳ１３９）。

以上のように本実施形態では、ストイキ運転からリーン運転に移行するときは、リーン運転実行条件が成立した時点からリーン移行期間（図２，ｔ２〜ｔ３）内は、目標当量比ＫＣＭＤが「１．０」より大きな値に設定され（空燃比が理論空燃比よりリッチ側のリッチ空燃比に制御され）、リーン移行期間経過後にリーン空燃比相当の値に変更される。ＮＨ３の供給が開始されるとＳＣＲ触媒８によって直ちに必要なＮＯｘ浄化率が得られるわけではなく、ＮＨ３供給開始時点から少し遅れて必要なＮＯｘ浄化率が得られる。したがって、リーン移行期間内において空燃比をリッチ空燃比に制御することにより、三元触媒７においてＮＨ３を生成し、ＳＣＲ触媒８のＮＯｘ浄化率を高めることができる。その結果、空燃比をリーン空燃比に切り換えた直後におけるＮＯｘ排出量の増加を抑制することができる。

またストイキ運転を行うときは、Ｏ２センサ出力ＶＯ２がストイキ目標値ＶＯ２ＳＴとなるように、目標当量比修正量ＤＫＣＭＤによる目標当量比ＫＣＭＤの修正が行われ、リーン移行期間内は、Ｏ２センサ出力ＶＯ２がストイキ目標値ＶＯ２ＳＴに対応する空燃比よりリッチ側の空燃比に対応するＮＨ３生成目標値ＶＯ２ＮＨ３となるように空燃比制御が行われる。したがって、リーン移行期間中に三元触媒７においてＮＨ３が生成され、ＳＣＲ触媒８に供給されるので、ＮＨ３噴射量ＧＮＨ３を低減し、ＮＨ３の補給頻度を大幅に低減することができる。またＯ２センサ出力ＶＯ２に応じた空燃比制御が行われるため、空燃比を過度にリッチ化することがなく、リーン移行期間中において三元触媒７の排気浄化性能の低下を抑制し、良好な排気特性を維持することができる。

またリーン移行期間内においてＮＨ３噴射弁２１によるＮＨ３の噴射が行われるので、ＳＣＲ触媒８のＮＯｘ浄化率をリーン運転開始当初において必要なレベルに高めることができ、空燃比をリーン空燃比に切り換えた直後におけるＮＯｘ排出量の増加を抑制することができる。

またリーン移行期間は、ＳＣＲ触媒８におけるＮＨ３ストレージ量の推定値である推定ＮＨ３ストレージ量ＳＴＮＨ３がリーン切換判定閾値ＳＴＮＨ３ＳＬに達したときに終了するので、空燃比をリーン空燃比に切り換えた直後におけるＮＯｘ排出量をより確実に抑制することができる。

またリーン切換判定閾値ＳＴＮＨ３ＳＬは、ＳＣＲ触媒８に貯蔵可能な最大ＮＨ３量である推定ＮＨ３ストレージ容量ＳＴＮＨ３ＭＡＸの１５％以上の値に設定される。ＳＣＲ触媒８は、ＮＨ３ストレージ量がストレージ容量（最大ストレージ量）の１５％以上となると、必要なＮＯｘ浄化率が得られるので、リーン切換判定閾値ＳＴＮＨ３ＳＬを推定ＮＨ３ストレージ容量ＳＴＮＨ３ＭＡＸの１５％以上の値に設定することにより、リーン運転開始当初において必要なＮＯｘ浄化率を確実に得ることができる。また実際のストレージ容量は、ＳＣＲ触媒温度ＴＳＣＲに依存して変化するが、ＳＣＲ触媒温度ＴＳＣＲに応じて算出される推定ＮＨ３ストレージ容量ＳＴＮＨ３ＭＡＸに対する比率でリーン切換判定閾値ＳＴＮＨ３ＳＬを設定することにより、ＳＣＲ触媒温度ＴＳＣＲが変化しても良好な浄化率を得ることができる。

またリーン移行期間経過後は目標当量比ＫＣＭＤを徐々にリーン空燃比相当値に移行させるように制御される。この制御は、具体的には以下のようにして達成される。
本実施形態では、要求燃料量ＧＦＵＥＬＣＭＤを修正目標当量比ＫＣＭＤＢＳＭＯＤで除算することにより、要求吸気量ＧＣＹＬＣＭＤが算出され（式（８））、検出吸気量ＧＣＹＬＡＣＴが要求空気量ＧＣＹＬＣＭＤと一致するようにスロットル弁開度ＴＨが制御される。修正目標当量比ＫＭＣＤＢＳＭＯＤは、空燃比を切り換えるときにステップ状に変化することがあるため（図２，時刻ｔ３参照）、要求吸気量ＧＣＹＬＣＭＤはステップ状に変化する可能性がある。

ところが、本実施形態では目標空燃比に相当する目標当量比ＫＣＭＤは、上記式（１）により算出され、式（１）の検出吸気量ＧＣＹＬＡＣＴは、要求吸気量ＧＣＹＬＣＭＤに対して遅れを伴うため徐々に（連続的に）変化する。また、式（１）の燃料噴射量ＧＦＵＥＬは、要求燃料量ＧＦＵＥＬＣＭＤと空燃比補正係数ＫＡＦの積として算出され（式（７））、要求燃料量ＧＦＵＥＬＣＭＤ及び空燃比補正係数ＫＡＦはともに徐々に変化するため、燃料噴射量ＧＦＵＥＬも徐々に変化する。したがって、目標当量比ＫＣＭＤは徐々に変化する（ステップ状に変化することがない）ので、従来のように空燃比をステップ状に変化させることによるトルク変動がなく、運転性を向上させることができる。

またＳＣＲ触媒８の下流側において検出されるＮＨ３濃度ＮＨ３ＣＯＮＳが「０」より大きい所定目標ＮＨ３濃度ＮＨ３ＣＯＮＳＴＲＧＴとなるようにＮＨ３噴射量ＧＮＨ３が算出されるので、リーン運転中及びリッチ移行期間におけるＳＣＲ触媒８のＮＨ３ストレージ量を常に最大値に維持することができる。その結果、例えばリーン運転とストイキ運転の切換が頻繁に実行されるような運転状態では、リーン移行期間を短縮することができ、リーン運転時間の拡大による燃費向上効果が得られる。

またリーン運転または燃料カット運転の終了時点からリッチ移行期間（図２，ｔ５〜ｔ６）においてＮＨ３の噴射が行われる（図１６、ステップＳ８３〜Ｓ８５，Ｓ８８，Ｓ８９、図１７、ステップＳ９１，Ｓ９２，Ｓ９５〜Ｓ９８）。したがって、リーン運転中または燃料カット運転中に三元触媒７の酸素貯蔵量が多くなってＮＯｘ浄化率が低下していても、リッチ移行期間中はＳＣＲ触媒８によってＮＯｘ浄化が行われるので、リーン運転または燃料カット運転終了直後においてもＮＯｘ排出量の低減効果を維持することができる。

またリッチ移行期間は、三元触媒７の下流側に設けられたＯ２センサ出力ＶＯ２がＮＨ３噴射閾値ＶＯ２ＪＤに達した時点、すなわち三元触媒７のＮＯｘ浄化率が確実に回復した時点でＮＨ３の噴射が終了するので、ＮＯｘ排出量の増加を確実に防止できる。

本実施形態では、三元触媒７が第１の触媒に相当し、ＳＣＲ触媒８が第２の触媒に相当し、ＮＨ３噴射弁２１及びＮＨ３貯蔵部２２が還元剤供給手段の一部を構成し、燃料噴射弁５が空燃比制御手段に一部を構成し、ＥＣＵ１０が還元剤供給手段の一部、空燃比制御手段の一部、判定手段、及び推定還元剤貯蔵量算出手段を構成する。具体的には、図５に示す燃料噴射制御モジュールが空燃比制御手段に相当し、図５の基本目標当量比算出部３１が判定手段に相当し、図１０に示すＮＨ３噴射制御モジュールが還元剤供給手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、リーン移行期間においてのみＯ２センサ出力ＶＯ２をＮＨ３生成目標値ＶＯ２ＮＨ３に制御するＮＨ３生成制御を実行しているが、基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳが「１．０」であるストイキ運転中は常にＮＨ３生成制御を実行するようにしてもよい。そのような制御により、ストイキ運転が行われるときに生成されるＮＨ３がＳＣＲ触媒８に貯蔵され、推定ＮＨ３ストレージ量ＳＴＮＨ３に反映される。したがって、リーン運転実行条件成立時点（基本目標当量比ＫＣＭＤＢＳが「１．０」より小さくなった時点）で、推定ＮＨ３ストレージ量ＳＴＮＨ３がリーン切換判定閾値ＳＴＮＨ３ＳＬに達しているときは、直ちにリーン運転に移行可能である。また推定ＮＨ３ストレージ量ＳＴＮＨ３がリーン切換判定閾値ＳＴＮＨ３ＳＬより小さい場合でも、不足分が貯蔵された時点で移行可能となる。その結果、ＮＨ３供給量を低減し、ＮＨ３の補給頻度を大幅に低減することができる。

また上述した実施形態では、目標当量比修正量ＤＫＣＭＤ、空燃比補正係数ＫＡＦ、及びフィードバックＮＨ３噴射量ＧＮＨ３ＦＢの算出には、スライディングモード制御アルゴリズムを適用したが、これに限るものではなく、公知の他のフィードバック制御アルゴリズム、例えばＰＩＤ（比例積分微分）制御アルゴリズム、適応制御アルゴリズム、モデル予測制御アルゴリズムなどが適用可能である。また最大量維持ＮＨ３噴射量ＧＮＨ３ＳＴの算出にはＩＰ制御アルゴリズムを適用したが、これに限るものではなく、上記したような他の公知のフィードバック制御アルゴリズムが適用可能である。

また上述した実施形態では、ＮＨ３（ガス）を還元剤として排気通路に噴射するようにしたが、尿素水溶液を噴射するようにしてもよい。
また上述した実施形態では、ＳＣＲ触媒８の下流側にもＳＣＲ触媒９を配置したが、ＳＣＲ触媒９に代えて、酸化触媒あるいは三元触媒を配置してもよい。あるいは、ＳＣＲ触媒９の一部（下流側端部）を、酸化触媒あるいは三元触媒に変更するようにしてもよい。

また本発明は、エンジンの燃焼室内に燃料を直接噴射する直噴エンジンの排気浄化装置、あるいはクランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの排気浄化装置にも適用が可能である。

１ 内燃機関
２ 吸気通路
３ スロットル弁
５ 燃料噴射弁（空燃比制御手段）
６ 排気通路
７ 三元触媒（第１の触媒）
８ 選択還元触媒（第２の触媒）
１０ 電子制御ユニット（還元剤供給手段、空燃比制御手段、判定手段）
１４ リニア空燃比センサ
１５ 二値型酸素濃度センサ
１６ ＳＣＲ温度センサ
１７ ＮＨ３濃度センサ（還元剤濃度センサ）
２１ ＮＨ３噴射弁（還元剤供給手段）
２２ ＮＨ３貯蔵部（還元剤供給手段）

Claims (15)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、前記機関で燃焼する混合気の空燃比が理論空燃比近傍にあるとき排気中のＮＯｘを浄化可能な第１の触媒と、該１の触媒の下流側に設けられ、還元剤を用いて排気中のＮＯｘを浄化可能な第２の触媒と、該第２の触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記空燃比を制御する空燃比制御手段とを備える、内燃機関の排気浄化装置において、
   前記空燃比を理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比に設定するリーン運転の実行条件を判定する判定手段を備え、
   前記空燃比制御手段は、前記空燃比を理論空燃比近傍の空燃比から、理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比に切り換えるときは、前記実行条件が成立した時点からリーン移行期間内は、前記空燃比を理論空燃比よりリッチ側のリッチ空燃比に制御し、前記リーン移行期間経過後に前記リーン空燃比に制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記第１の触媒の下流側に排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサを備え、
   前記空燃比制御手段は、前記空燃比を理論空燃比近傍の空燃比に制御するときは、前記酸素濃度センサ出力が第１所定値となるように前記空燃比制御を行い、前記リーン移行期間内は、前記酸素濃度センサ出力が前記第１所定値に対応する酸素濃度より低い酸素濃度に対応する第２所定値となるように前記空燃比制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記還元剤供給手段は、前記リーン移行期間内において前記還元剤の供給を行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記第２の触媒は、前記還元剤を貯蔵可能に構成されており、
   前記リーン移行期間は、前記第２の触媒における前記還元剤の貯蔵量が所定貯蔵量に達した時点で終了することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記所定貯蔵量は、前記第２の触媒に貯蔵可能な最大還元剤量の１５％以上の値に設定されることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記空燃比制御手段は、前記リーン移行期間経過後は前記空燃比を徐々に前記リーン空燃比に移行させることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記第２の触媒の下流側に排気中の還元剤濃度を検出する還元剤濃度センサを備え、
   前記還元剤供給手段は、前記リーン運転を実行するときは前記還元剤濃度センサにより検出される還元剤濃度が「０」より大きくなるように前記還元剤の供給を行うことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 内燃機関の排気通路に設けられ、前記機関で燃焼する混合気の空燃比が理論空燃比近傍にあるとき排気中のＮＯｘを浄化可能な第１の触媒と、該１の触媒の下流側に設けられ、還元剤を用いて排気中のＮＯｘを浄化可能でかつ還元剤を貯蔵可能な第２の触媒と、該第２の触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記空燃比を制御する空燃比制御手段とを備える、内燃機関の排気浄化装置において、
   前記第１の触媒の下流側に設けられ、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、
   前記空燃比を理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比に設定するリーン運転の実行条件を判定する判定手段と、
   前記第２の触媒に貯蔵された還元剤量の推定値である推定還元剤貯蔵量を算出する推定還元剤貯蔵量算出手段とを備え、
   前記空燃比制御手段は、前記空燃比を理論空燃比近傍に制御するときは、前記酸素濃度センサ出力が、前記第１の触媒において還元剤を生成可能な所定値となるように制御する還元剤生成制御を行い、
   前記空燃比を理論空燃比近傍の空燃比から、理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比に切り換えるときは、前記実行条件が成立した時点から、前記推定還元剤量に応じたリーン移行期間経過後に前記空燃比を前記リーン空燃比に移行させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記還元剤供給手段は、前記空燃比が理論空燃比よりリーン側のリーン空燃比から理論空燃比近傍の空燃比またはよりリッチ側の空燃比に切り換えられるとき、または前記機関への燃料供給を停止する燃料カット運転から燃料を供給する通常運転に切り換えられるときは、前記空燃比の切換時点または燃料カット運転終了時点からリッチ移行期間内において前記還元剤の供給を行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 前記第１の触媒の下流側に排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサを備え、
    前記リッチ移行期間は、前記酸素濃度センサ出力が前記リーン空燃比よりリッチ側の空燃比に対応する所定出力値に達した時点で終了することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 前記空燃比制御手段は、前記空燃比を前記リーン空燃比から理論空燃比または理論空燃比よりリッチ側の空燃比に切り換えるときは、前記空燃比を徐々に減少させることを特徴とする請求項９または１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 前記第２の触媒の下流側に排気中の還元剤濃度を検出する還元剤濃度センサを備え、
    前記還元剤供給手段は、前記還元剤濃度センサにより検出される還元剤濃度が「０」より大きくなるように前記還元剤の供給を行うことを特徴とする請求項９から１１の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
13. 前記還元剤供給手段は、前記リッチ移行期間内は、前記第１の触媒から排出される排気中のＮＯｘを還元するために必要な量の還元剤を供給することを特徴とする請求項９または１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
14. 前記還元剤供給手段は、前記燃料カット運転中は前記還元剤の供給を停止することを特徴とする請求項９または１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
15. 前記機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
    前記第１の触媒の上流側に設けられ、前記空燃比を検出する空燃比センサとを備え、
    前記空燃比制御手段は、前記機関に供給する燃料量及び検出される吸入空気量に応じて目標空燃比を算出し、検出される空燃比が前記目標空燃比と一致するように前記燃料量を補正すること特徴とする請求項６または１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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