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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2015-194139(P2015-194139A)
(43)【公開日】2015年11月5日
(54)【発明の名称】内燃機関の制御システム
(51)【国際特許分類】
F02D 43/00 20060101AFI20151009BHJP
F02D 41/04 20060101ALI20151009BHJP
F01N 3/28 20060101ALI20151009BHJP
F01N 3/36 20060101ALI20151009BHJP
B01J 35/02 20060101ALI20151009BHJP
B01D 53/94 20060101ALI20151009BHJP
【ＦＩ】
F02D43/00 301E
F02D41/04 305A
F01N3/28 301C
F01N3/28 301G
F01N3/36 RZAB
B01J35/02 P
B01D53/36 101A
【審査請求】未請求
【請求項の数】1
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】20
(21)【出願番号】特願2014-73065(P2014-73065)
(22)【出願日】2014年3月31日
(71)【出願人】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】000237592
【氏名又は名称】富士通テン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100100549
【弁理士】
【氏名又は名称】川口 嘉之
(74)【代理人】
【識別番号】100085006
【弁理士】
【氏名又は名称】世良 和信
(74)【代理人】
【識別番号】100113608
【弁理士】
【氏名又は名称】平川 明
(74)【代理人】
【識別番号】100123319
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 武彦
(74)【代理人】
【識別番号】100123098
【弁理士】
【氏名又は名称】今堀 克彦
(74)【代理人】
【識別番号】100143797
【弁理士】
【氏名又は名称】宮下 文徳
(72)【発明者】
【氏名】田中 孝佳
(72)【発明者】
【氏名】飯野 賢吾
【テーマコード（参考）】
3G091
3G301
3G384
4D048
4G169
【Ｆターム（参考）】
3G091AA13
3G091AA17
3G091AA28
3G091AB03
3G091AB05
3G091AB06
3G091BA11
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3G091BA15
3G091BA17
3G091BA19
3G091CB02
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3G091EA01
3G091EA03
3G091EA05
3G091EA08
3G091EA17
3G091EA18
3G091EA24
3G091EA33
3G091EA34
3G091EA36
3G091FB10
3G091FB12
3G091GB06W
3G091HA12
3G091HA36
3G091HA37
3G091HA38
3G091HA42
3G301HA01
3G301HA07
3G301HA18
3G301JA02
3G301JA33
3G301LA04
3G301LB02
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3G301MA01
3G301MA12
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3G384AA01
3G384AA06
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3G384BA04
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4D048AA06
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4G169AA02
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4G169BC32A
4G169BC33A
4G169BC43A
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4G169CA09
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4G169DA05
4G169EC28
4G169EE06
4G169EE08
(57)【要約】
【課題】触媒のＨＣ被毒を早期に回復する。【解決手段】下層触媒層と、下層触媒層よりも上層に配置される上層触媒層と、を有する触媒と、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、選択還元型ＮＯｘ触媒と、を内燃機関の排気通路に備え、リッチ空燃比での運転から、リーン目標空燃比での運転へ切り換えるときに、排気の空燃比を一時的にリーン空燃比とする第一運転と、第一運転の後に実施し排気の空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に複数回変化させる第二運転と、を経てリーン目標空燃比へ切り換え、第二運転時における吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が多いほど、第二運転におけるリッチ空燃比のときの目標空燃比を低くする。
【選択図】図８
【特許請求の範囲】
【請求項1】
内燃機関の排気通路に設けられ、酸素吸蔵剤及び貴金属を含んだ触媒層である下層触媒層と、酸素吸蔵剤及び貴金属を含んだ触媒層であって前記下層触媒層よりも上層に配置される上層触媒層と、を有する前段触媒と、
前記前段触媒よりも下流の排気通路に設けられる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも下流の排気通路に設けられる選択還元型ＮＯｘ触媒と、
を備えた内燃機関の制御システムにおいて、
理論空燃比よりも低い空燃比での運転から、理論空燃比よりも高い空燃比であるリーン目標空燃比での運転へ切り換えるときに、
前記前段触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比よりも一時的に高くする第一運転と、
前記第一運転の後に実施し、前記前段触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比よりも低い状態と理論空燃比よりも高い状態とに交互に複数回変化させる第二運転と、
を経て前記リーン目標空燃比での運転へ切り換える制御装置を備え、
前記第二運転時における前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が多いほど、または、前記第二運転時における前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着しているアンモニア量が少ないほど、または、前記第二運転時における前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度に依存する浄化能力が低いほど、
前記第二運転において、空燃比を低くするときの目標空燃比であるリッチ目標空燃比を低くする、または、理論空燃比よりも低い状態となっている時間を長くする
内燃機関の制御システム。
前記前段触媒よりも下流の排気通路に設けられる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも下流の排気通路に設けられる選択還元型ＮＯｘ触媒と、
を備えた内燃機関の制御システムにおいて、
理論空燃比よりも低い空燃比での運転から、理論空燃比よりも高い空燃比であるリーン目標空燃比での運転へ切り換えるときに、
前記前段触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比よりも一時的に高くする第一運転と、
前記第一運転の後に実施し、前記前段触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比よりも低い状態と理論空燃比よりも高い状態とに交互に複数回変化させる第二運転と、
を経て前記リーン目標空燃比での運転へ切り換える制御装置を備え、
前記第二運転時における前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が多いほど、または、前記第二運転時における前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着しているアンモニア量が少ないほど、または、前記第二運転時における前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度に依存する浄化能力が低いほど、
前記第二運転において、空燃比を低くするときの目標空燃比であるリッチ目標空燃比を低くする、または、理論空燃比よりも低い状態となっている時間を長くする
内燃機関の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関の制御システムに関する。
【背景技術】
【0002】
内燃機関の排気中に含まれる有害物質を触媒で浄化することができる。この触媒へ多量のＨＣが流入すると、ＨＣ被毒が起こることが知られている。このＨＣ被毒により、触媒の浄化能力が低下する。一方、ＨＣ被毒が起こった場合に、空燃比を理論空燃比よりも高い空燃比にすることで触媒に酸素を供給して、ＨＣ被毒を回復することが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【0003】
ここで、三元触媒を有し、理論空燃比よりも高い空燃比（以下、リーン空燃比ともいう。）で運転するリーンバーン内燃機関では、運転領域によっては理論空燃比よりも低い空燃比（以下、リッチ空燃比ともいう。）で運転することがある。このような内燃機関では、リッチ空燃比で運転中に三元触媒でＨＣ被毒が起こる。このＨＣ被毒は、その後にリーン空燃比で運転したときに回復される。しかし、ＨＣ被毒が回復するまでの間は、三元触媒における排気の浄化能力が低下しているため、その間に三元触媒に流入するＨＣの一部が該三元触媒において酸化されずに、該三元触媒を通り抜ける虞がある。したがって、ＨＣ被毒が起こった場合には、このＨＣ被毒を早期に回復することが望ましい。
【0004】
なお、三元触媒では、酸素吸蔵剤と貴金属とを含んだ下層触媒層の上に、さらに、酸素吸蔵剤と貴金属とを含んだ上層触媒層を設けることがある。すなわち、触媒層が積層されている。ここで、上層触媒層及び下層触媒層においてＨＣ被毒が生じた場合に、内燃機関をリーン空燃比で運転すると、まずは主に上層触媒層のＨＣ被毒が回復され、その後に、下層触媒層のＨＣ被毒が回復される。しかし、下層触媒層では、ＨＣ被毒が起こった後にリーン空燃比で運転したとしても、最初に酸素との反応性の高い酸素吸蔵剤に酸素が吸蔵され、その後に貴金属に付着しているＨＣと酸素との反応が起こると考えられる。このため、リーン空燃比で運転することで下層触媒層のＨＣ被毒を回復するには、下層触媒層の酸素吸蔵剤に酸素が吸蔵されるまで待つ必要があるので、下層触媒層のＨＣ被毒が回復するまでには時間を要する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２００７−０４６４９４号公報
【特許文献2】特開２００９−０２４５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、触媒のＨＣ被毒を早期に回復することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を達成するために本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、酸素吸蔵剤及び貴金属を含んだ触媒層である下層触媒層と、酸素吸蔵剤及び貴金属を含んだ触媒層であって前記下層触媒層よりも上層に配置される上層触媒層と、を有する前段触媒と、
前記前段触媒よりも下流の排気通路に設けられる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも下流の排気通路に設けられる選択還元型ＮＯｘ触媒と
、
を備えた内燃機関の制御システムにおいて、
理論空燃比よりも低い空燃比での運転から、理論空燃比よりも高い空燃比であるリーン目標空燃比での運転へ切り換えるときに、
前記前段触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比よりも一時的に高くする第一運転と、
前記第一運転の後に実施し、前記前段触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比よりも低い状態と理論空燃比よりも高い状態とに交互に複数回変化させる第二運転と、
を経て前記リーン目標空燃比での運転へ切り換える制御装置を備え、
前記第二運転時における前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が多いほど、または、前記第二運転時における前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着しているアンモニア量が少ないほど、または、前記第二運転時における前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度に依存する浄化能力が低いほど、
前記第二運転において、空燃比を低くするときの目標空燃比であるリッチ目標空燃比を低くする、または、理論空燃比よりも低い状態となっている時間を長くする。
【0008】
リーン目標空燃比は、リッチ空燃比からリーン空燃比へ切り換える際の内燃機関の最終的な目標空燃比である。制御装置は、リーン目標空燃比で運転する前に第一運転及び第二運転を実施する。リッチ空燃比から、リーン目標空燃比へ切り換えるときには、触媒においてＨＣ被毒が生じている場合がある。ここで、リッチ空燃比から、最終的にリーン目標空燃比に至るまでに、第一運転を実施すると、触媒へ多くの酸素を供給することができる。このときには、まずは上層触媒層のＨＣ被毒が回復されるものと考えられる。上層触媒層では、十分な酸素が存在するために、酸素吸蔵剤と貴金属とに同時期に酸素を供給することができる。しかし、上層触媒層において酸素吸蔵剤に酸素が吸蔵されたりＨＣの酸化に酸素が用いられたりしている間は、下層触媒層へ酸素が届き難い。すなわち、上層触媒層のＨＣ被毒が回復された後に、下層触媒層へ酸素が到達するものと考えられる。このため、上層触媒層を通り抜けて下層触媒層へ酸素が到達するまでには時間を要する。また、下層触媒層へ酸素が到達しても、その量が少ないために、まずは酸素との反応性の高い酸素吸蔵剤に酸素が吸蔵されると考えられる。第一運転を継続した場合には、下層触媒層の酸素吸蔵剤に多くの酸素が吸蔵された後に、下層触媒層の貴金属に付着したＨＣと酸素とが反応する。そうすると、仮に、第一運転によるリーン空燃比を維持した場合には、下層触媒層の酸素吸蔵剤に多くの酸素が吸蔵された後に、下層触媒層のＨＣ被毒が回復されるために、下層触媒層のＨＣ被毒が回復するまでに時間を要する。
【0009】
そこで、第一運転において一時的にリーン空燃比で運転した後に、第二運転を実施すると、第二運転におけるリーン空燃比のときには下層触媒層の酸素吸蔵剤に酸素が吸蔵されるが、第二運転におけるリッチ空燃比のときには、下層触媒層の酸素吸蔵剤から酸素が放出される。この下層触媒層の酸素吸蔵剤から放出される酸素は、下層触媒層の貴金属に付着しているＨＣと反応し易い。したがって、リーン空燃比とリッチ空燃比とを交互に変化させることにより、下層触媒層の貴金属に付着しているＨＣを効率的に除去することができる。この場合、下層触媒層の酸素吸蔵剤に多くの酸素が吸蔵されるのを待つ必要がない。
【0010】
すなわち、第一運転を実施することにより、主に上層触媒層のＨＣ被毒を速やかに回復させることができる。その後に第二運転を実施することにより、主に下層触媒層のＨＣ被毒を速やかに回復させることができる。
【0011】
なお、第一運転を実施する期間は、第二運転中において１回当たりのリーン空燃比となる期間と比較して、長くする。第一運転では、内燃機関においてリーン空燃比で燃焼を行うことにより、排気の空燃比をリーン空燃比としてもよいが、これに代えて、内燃機関においてリッチ空燃比または理論空燃比で燃焼を行い且つ排気中に空気を導入してもよい。すなわち、触媒へ流入するまでに排気の空燃比がリーン空燃比となっていればよい。
【0012】
このように、リッチ空燃比からリーン目標空燃比へ切り換えるときに、単にリーン目標空燃比に切り換える場合には、下層触媒層の酸素吸蔵剤に酸素が十分に吸蔵されるまで下層触媒層におけるＨＣ被毒を回復するのは困難であるが、一時的にリーン空燃比とした後に、リッチ空燃比とリーン空燃比とで交互に変化させることにより、下層触媒層の酸素吸蔵剤に多くの酸素が吸蔵される前であっても、下層触媒層におけるＨＣ被毒を回復することができる。これにより、ＨＣ被毒を回復するのに要する時間を短縮することができる。
【0013】
なお、第一運転により下層触媒層のＨＣ被毒を部分的に回復することもできるし、第二運転により上層触媒層のＨＣ被毒を部分的に回復することもできるため、第一運転から第二運転に切り換える時期は、上層触媒層のＨＣ被毒の回復が完了した時点に限らず、その前後にずれていてもよい。リッチ空燃比からリーン目標空燃比へ切り換える際に、第一運転及び第二運転を順に行えばよい。
【0014】
第二運転においてリッチ空燃比とするときに、空燃比が低すぎたり、リッチ空燃比とする期間が長すぎたりすると、新たなＨＣ被毒が発生する虞がある。また、第二運転においてリーン空燃比とするときに、理論空燃比よりも高い空燃比ではあっても空燃比が低すぎたり、リーン空燃比とする期間が短すぎたりすると、下層触媒層の酸素吸蔵剤の酸素吸蔵量が少なくなり、続いてリッチ空燃比としたときに放出される酸素によってＨＣ被毒を回復させることが困難となる。したがって、第二運転においてリッチ空燃比とするときの空燃比及びリッチ空燃比の継続時間は、新たなＨＣ被毒が発生しない空燃比及び継続時間としてもよい。また、第二運転においてリーン空燃比とするときの空燃比及びリーン空燃比の継続時間は、続いてリッチ空燃比としたときに下層触媒層の酸素吸蔵剤から放出される酸素によってＨＣ被毒を回復させることが可能となるように、下層触媒層の酸素吸蔵剤に酸素を吸蔵させることができる空燃比及び継続時間としてもよい。なお、第二運転においては、リッチ空燃比側の目標空燃比（リッチ目標空燃比）と、リーン側の目標空燃比とを、それぞれ設定し、空燃比を下降させているときにリッチ目標空燃比に達した場合には、空燃比を上昇させ、空燃比を上昇させているときにリーン側の目標空燃比に達した場合には、空燃比を下降させてよい。これにより、空燃比が周期的に変化する。
【0015】
ここで、第二運転を実施すると、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となり得るため、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＳＲ触媒ともいう。）からＮＯｘが放出される。排気の空燃比が理論空燃比近傍であると、還元剤となるＨＣ等が少ないため、ＮＳＲ触媒においてＮＯｘの還元が困難となり得る。しかし、選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒ともいう。）にアンモニアが吸着さていれば、ＮＳＲ触媒から流出するＮＯｘを、ＳＣＲ触媒において浄化することができる。したがって、三元触媒７よりも下流に、ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒を設けることにより、ＮＯｘの浄化率をより高めることができる。
【0016】
しかし、第一運転中にＮＳＲ触媒に吸蔵されるＮＯｘ量が多くなるほど、第二運転中にＮＳＲ触媒から流出するＮＯｘも多くなる。第二運転中にＮＳＲ触媒から流出するＮＯｘ量に対して、ＳＣＲ触媒に吸着しているアンモニア量が足りないと、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が低下する。なお、「吸蔵」とは、一時的なＮＯｘの吸着をも含む用語として使用している。
【0017】
これに対し、第二運転中にＳＣＲ触媒に流入するＮＯｘ量が多くなると推定される場合には、第二運転中にＮＳＲ触媒において生成されるアンモニア量を多くすれば、ＳＣＲ触媒においてアンモニアが不足することによるＮＯｘ浄化率の低下を抑制することができる。ここで、第二運転時にＮＳＲ触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が多いほど、第二運転中にＳＣＲ触媒へ流入するＮＯｘ量が多くなる。
【0018】
また、第二運転中にＳＣＲ触媒においてアンモニアが不足すると推定される場合には、第二運転中にＮＳＲ触媒において生成されるアンモニア量を多くすれば、ＳＣＲ触媒においてＮＯｘ浄化率が低下することを抑制できる。ここで、第二運転時におけるＳＣＲ触媒が吸着しているアンモニア量が少ない場合には、第二運転中にアンモニアが不足する虞がある。
【0019】
さらに、第二運転中のＳＣＲ触媒の浄化能力は、該ＳＣＲ触媒の温度によって変化する。ＳＣＲ触媒の温度に依存する浄化能力が低いほど、ＮＯｘを浄化するために、より多くのアンモニアを必要とする。
【0020】
ここで、第二運転において、空燃比を低くするときの目標空燃比であるリッチ目標空燃比を低くする、または、理論空燃比よりも低い状態となっている時間を長くすることにより、アンモニアの生成量を増加させることができる。一方、リッチ目標空燃比を低くする、または、理論空燃比よりも低い状態となっている時間を長くすると、ＨＣ被毒の回復に時間がかかってしまう。したがって、第二運転中に、むやみにリッチ目標空燃比を低くする、または、理論空燃比よりも低い状態となっている時間を長くすればよいというものでもない。
【0021】
これに対し、要求されるアンモニア生成量が多くなるほど、リッチ目標空燃比を低くする、または、理論空燃比よりも低い状態となっている時間を長くすることにより、ＨＣ被毒回復が長くなることを抑制しつつ、アンモニアの生成量を増加させることができる。理論空燃比よりも低い状態となっている時間は、前段触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比よりも低い状態と理論空燃比よりも高い状態とに交互に複数回変化させるときの周期によって変化する。すなわち、この周期が長くなるなるほど、理論空燃比よりも低い状態となっている時間が長くなる。したがって、この周期を長くすることにより、アンモニアの生成量を増加させることができる。
【0022】
なお、前記制御装置は、前記第二運転において、前記前段触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比よりも高い場合には前記排気の空燃比を低くし、前記前段触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比よりも低い場合には前記排気の空燃比を高くすることで、前記前段触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比よりも低い状態と理論空燃比よりも高い状態とに交互に複数回変化させてもよい。
【0023】
また、前記制御装置は、前記第一運転を、前記上層触媒層のＨＣ被毒が回復するまで実施し、前記第二運転を、前記下層触媒層のＨＣ被毒が回復するまで実施してもよい。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば、触媒のＨＣ被毒を早期に回復することができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】実施例に係る内燃機関の概略構成を表す図である。
【図2】気筒内の空燃比と三元触媒から流出する排気中のＨＣ濃度との推移を示したタイムチャートである。
【図3A】リッチ空燃比のときの上層触媒層及び下層触媒層の状態を示した図である。
【図3B】リッチ空燃比からリーン空燃比に切り換わった直後の上層触媒層及び下層触媒層の状態を示した図である。
【図3C】リーン空燃比のときに上層触媒層の酸素吸蔵剤にある程度の酸素が吸蔵された後の上層触媒層及び下層触媒層の状態を示した図である。
【図3D】リーン空燃比のときに下層触媒層の酸素吸蔵剤にある程度の酸素が吸蔵された後の上層触媒層及び下層触媒層の状態を示した図である。
【図3E】リーン空燃比のときに下層触媒層の貴金属に酸素が供給されたときの上層触媒層及び下層触媒層の状態を示した図である。
【図4】実施例に係る第一運転及び第二運転を実施したときの空燃比の推移を示した図である。
【図5A】リッチ空燃比のときの上層触媒層及び下層触媒層の状態を示した図である。
【図5B】リッチ空燃比から第一運転のリーン空燃比に切り換わった直後の上層触媒層及び下層触媒層の状態を示した図である。
【図5C】第一運転のリーン空燃比のときに上層触媒層の酸素吸蔵剤にある程度の酸素が吸蔵された後の上層触媒層及び下層触媒層の状態を示した図である。
【図5D】第一運転から第二運転に切り換わった直後のリッチ空燃比のときの上層触媒層及び下層触媒層の状態を示した図である。
【図5E】第二運転のリッチ空燃比での運転からリーン空燃比での運転に切り換わった直後の上層触媒層及び下層触媒層の状態を示した図である。
【図5F】第二運転のリーン空燃比での運転からリッチ空燃比での運転に切り換わった直後の上層触媒層及び下層触媒層の状態を示した図である。
【図6】空燃比と、アンモニア生成量及びＨＣ被毒回復速度と、の関係を示した図である。
【図7】リッチ空燃比とリーン空燃比とが交互に変化する周期（空燃比変動周期ＴＡ）と、アンモニア生成量及びＨＣ被毒回復速度と、の関係を示した図である。
【図8】第二運転中の目標空燃比を決定するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0026】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【0027】
（実施例）図１は、本実施例に係る内燃機関１の概略構成を表す図である。なお、本実施例においては、内燃機関１を簡潔に表示するため、一部の構成要素の表示を省略している。内燃機関１は、４つの気筒２を有するガソリン機関である。
【0028】
内燃機関１のシリンダヘッド１１には、吸気管３１及び排気管４１が接続されている。シリンダヘッド１１には、吸気管３１から気筒２内に通じる吸気ポート３２、及び、排気管４１から気筒２内に通じる排気ポート４２が形成されている。吸気ポート３２の気筒２側の端部には、吸気弁５が備わる。また、排気ポート４２の気筒２側の端部には、排気弁６が備わる。なお、本実施例においては排気管４１が、本発明における排気通路に相当する。
【0029】
そして、内燃機関１のクランクシャフト１３にコネクティングロッド１４を介して連結されたピストン１５が、気筒２内で往復する。
【0030】
また、吸気管３１には、該吸気管３１を流れる吸気の量を調節するスロットル１６が備えられている。このスロットル１６よりも上流の吸気管３１には、該吸気管３１内を流れる空気の量に応じた信号を出力するエアフローメータ９０が取り付けられている。このエアフローメータ９０により内燃機関１の吸入空気量が検知される。
【0031】
排気管４１の途中には、上流側から順に、三元触媒７、ＮＳＲ触媒８、ＳＣＲ触媒９が備えられている。
【0032】
三元触媒７は、触媒雰囲気が理論空燃比のときにＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを最大効率で浄化する。また、三元触媒７は、酸素吸蔵能を有している。すなわち、流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときに過剰分の酸素を吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチ空燃比であるときに不足分の酸素を放出することにより、排気を浄化する。このような酸素吸蔵能の作用により、三元触媒７へ流入する排気の空燃比が理論空燃比以外であっても、三元触媒７がＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘを浄化することができる。
【0033】
三元触媒７には、基材側に下層触媒層７２が設けられ、該下層触媒層７２の上に上層触媒層７１が設けられている（図３参照）。すなわち、基材側に下層触媒層７２が設けられ、排気が流通している側に上層触媒層７１が設けられている。上層触媒層７１は、直接排気に晒されているとしてもよい。上層触媒層７１及び下層触媒層７２は、夫々、貴金属（Ｐｄ，Ｒｈ等）と酸素吸蔵剤（セリア等）とを含んでいる。なお、本実施例に係る三元触媒７は、上層触媒層７１及び下層触媒層７２の二層の触媒層を設けているが、三層以上の触媒層を設けていてもよい。なお、本実施例においては三元触媒７が、本発明における前段触媒に相当する。
【0034】
また、ＮＳＲ触媒８は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを還元する。ＮＳＲ触媒８に供給する還元剤には、内燃機関１から排出される未燃燃料であるＨＣまたはＣＯを利用することができる。
【0035】
ＳＣＲ触媒９は、還元剤を吸着しておき、ＮＯｘが通過するときに、吸着していた還元剤によりＮＯｘを選択還元する。ＳＣＲ触媒９へ供給する還元剤には、ＮＳＲ触媒８にて生成されるアンモニア（ＮＨ３）を利用することができる。なお、排気がＮＳＲ触媒８を通過するときに、排気中のＮＯｘがＨＣまたはＨ２と反応してアンモニアが生成されることもある。
【0036】
また、三元触媒７よりも上流の排気管４１には、排気の空燃比を検知する第一空燃比センサ９１と、排気中のＮＯｘを検知する第一ＮＯｘセンサ９２とが取り付けられている。また、三元触媒７よりも下流で且つＮＳＲ触媒８よりも上流の排気管４１には、排気の空燃比を検知する第二空燃比センサ９３と、排気中のＮＯｘを検知する第二ＮＯｘセンサ９４とが取り付けられている。なお、実施例においては第二ＮＯｘセンサ９４が、本発明におけるＮＯｘセンサに相当する。
【0037】
第一空燃比センサ９１により、内燃機関１からの排気の空燃比、または、三元触媒７に流入する排気の空燃比を検知することができる。なお、内燃機関１からの排気の空燃比、または、三元触媒７に流入する排気の空燃比は、内燃機関１の吸入空気量及び燃料供給量に基づいて推定することもできる。また、第一ＮＯｘセンサ９２により、内燃機関１からの排気中のＮＯｘ濃度、または、三元触媒７に流入する排気中のＮＯｘ濃度を検知することができる。
【0038】
また、第二空燃比センサ９３により、三元触媒７から流出する排気の空燃比、または、ＮＳＲ触媒８に流入する排気の空燃比を検知することができる。さらに、第二ＮＯｘセンサ９４により、三元触媒７から流出する排気中のＮＯｘ濃度、または、ＮＳＲ触媒８に流入する排気中のＮＯｘ濃度を検知することができる。なお、第一空燃比センサ９１または第二空燃比センサ９３は、酸素濃度センサとしてもよい。
【0039】
また、ＮＳＲ触媒８よりも下流で且つＳＣＲ触媒９よりも上流の排気管４１には、排気の温度を検知する温度センサ９５が取り付けられている。この温度センサ９５により、ＳＣＲ触媒９の温度を検知することができる。なお、ＳＣＲ触媒９よりも下流に温度センサを設けても、ＳＣＲ触媒９の温度を検知することができる。また、ＳＣＲ触媒９の温度は、内燃機関１の運転状態に基づいて推定することもできる。
【0040】
また、スロットル１６よりも下流の吸気管３１には、燃料を吸気管３１または吸気ポート３２へ向けて噴射する通路内噴射弁８１が取り付けられている。また、内燃機関１には、気筒２内へ燃料を噴射する筒内噴射弁８２が取り付けられている。さらに、内燃機関１には、気筒２内に電気火花を発生させる点火プラグ８３が取り付けられている。
【0041】
そして、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御装置であるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、ＣＰＵの他、各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。
【0042】
ここで、上記各種センサの他、アクセル開度センサ９６およびクランクポジションセンサ９７がＥＣＵ１０と電気的に接続されている。ＥＣＵ１０はアクセル開度センサ９６からアクセル開度に応じた信号を受け取り、この信号に応じて内燃機関１に要求される機関負荷等を算出する。また、ＥＣＵ１０はクランクポジションセンサ９７から内燃機関１のクランクシャフト１３の回転角に応じた信号を受け取り、機関回転速度を算出する。
【0043】
一方、ＥＣＵ１０には、通路内噴射弁８１、筒内噴射弁８２、点火プラグ８３が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０によりこれらの機器が制御される。
【0044】
例えばＥＣＵ１０は、エアフローメータ９０において検知される吸入空気量に応じた燃料を供給するように通路内噴射弁８１及び筒内噴射弁８２を制御する。このときに設定される目標空燃比は、内燃機関１の運転状態に応じて設定される空燃比である。なお、本実施例に係る内燃機関１では、理論空燃比よりも高い空燃比（以下、リーン空燃比という。）での運転であるリーンバーン運転が実施されている。リーンバーン運転時には、内燃機関１の運転状態に応じたリーン目標空燃比となるように、気筒２内の空燃比が調整される。ただし、高負荷運転時などにおいて、理論空燃比近傍または理論空燃比よりも低い空燃比（以下、リッチ空燃比という。）で内燃機関１が運転されることもある。また、ＮＨ３を生成するため又はＮＯｘを還元するためにリッチ空燃比で運転することもある。ＥＣＵ１０は、吸入空気量または燃料供給量を調整することにより、空燃比を調整する。吸入空気量は、例えばスロットル１６の開度を変更することにより調整可能である。また、吸気弁５または排気弁６の開閉時期を変更することにより吸入空気量を調整することもできる。
【0045】
ここで、内燃機関１をリッチ空燃比で運転したときに、三元触媒７から酸素が放出される。三元触媒７から酸素が放出されている間は、該三元触媒７においてＨＣが浄化される。しかし、内燃機関１をリッチ空燃比で運転する期間が長くなり、三元触媒７に吸蔵されていた酸素がすべて消費されてしまうと、三元触媒７において未燃燃料（ＨＣ、ＣＯ等）を酸化することが困難となる。このため、三元触媒７にＨＣが蓄積されてＨＣ被毒が生じる。例えば、ＮＳＲ触媒８に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とすることで、ＮＳＲ触媒８に対して還元剤を供給することができる。このときに、ＮＳＲ触媒８よりも上流に備わる三元触媒７にもリッチ空燃比の排気が流通するので、三元触媒７においてＨＣ被毒が起こることがある。三元触媒７にＨＣ被毒が生じると、該三元触媒７における排気の浄化性能が低下するため、ＨＣ被毒は早期に回復することが望ましい。
【0046】
ＨＣ被毒は、未燃物質であるＨＣが貴金属の表面を覆い、触媒の活性が低下している状態である。この貴金属の表面を覆っているＨＣを除去するために、触媒へ酸素を供給し、該酸素とＨＣとを反応させることで、貴金属の表面からＨＣを除去することが考えられる。三元触媒７へ酸素を供給する方法としては、内燃機関１をリーン空燃比で運転することが考えられる。なお、内燃機関１への燃料の供給を停止する燃料カットを実施したり、三元触媒７よりも上流に二次空気を供給したりすることにより、三元触媒７へ酸素を供給することもできる。
【0047】
しかし、上層触媒層７１と下層触媒層７２とを備えた三元触媒７では、上層触媒層７１でのＨＣ被毒の回復及び酸素の吸蔵が行われた後で、且つ、下層触媒層７２に酸素が吸蔵された後に、下層触媒層７２においてＨＣと酸素とが活発に反応すると考えられるため、下層触媒層７２のＨＣ被毒が回復されるまでには時間がかかる。そして、下層触媒層７２のＨＣ被毒が回復されるまでは、三元触媒７の全体としての浄化率が低くなる。
【0048】
ここで、図２は、気筒２内の空燃比と三元触媒７から流出する排気中のＨＣ濃度との推移を示したタイムチャートである。実線は理論空燃比で運転後にリーン空燃比で運転した場合を示し、破線はリッチ空燃比で運転後にリーン空燃比で運転した場合を示している。どちらの場合も、リーン空燃比のときの目標空燃比は同じである。
【0049】
内燃機関１を理論空燃比で運転していた場合には、理論空燃比で運転中に内燃機関１から排出されるＨＣ量が少ない。すなわち、内燃機関１が理論空燃比で運転中には、三元触媒７に流入するＨＣ量が少ない。さらに、内燃機関１が理論空燃比で運転中には、三元触媒７におけるＨＣの浄化能力も高いために、三元触媒７から流出するＨＣは比較的少ない。このため、その後にリーン空燃比で運転しても、排気中のＨＣをすぐに浄化することができるため、三元触媒７から流出するＨＣ量は比較的少ない。
【0050】
一方、内燃機関１をリッチ空燃比で運転していた場合には、内燃機関１から排出されるＨＣ量が多いため、三元触媒７においてＨＣ被毒が起こる。さらに、三元触媒７においてＨＣ被毒が発生しているために、三元触媒７におけるＨＣの浄化能力も低い。このため、三元触媒７から流出するＨＣ量が比較的多くなる。その後にリーン空燃比で運転したとしても、ＨＣ被毒が回復するまでには、ある程度の時間を要する。そして、ＨＣ被毒が回復するまでの間はＨＣの浄化率が低くなる。このため、リーン空燃比での運転に移行した後であっても、三元触媒７からある程度のＨＣが流出してしまう。
【0051】
なお、内燃機関１からの排気の空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化した場合には、まず上層触媒層７１のＨＣ被毒が主に回復され、その後に、下層触媒層７２のＨＣ被毒が主に回復されると考えられる。そして、上層触媒層７１のＨＣ被毒の回復に要する時間に対して、下層触媒層７２の回復に要する時間は長い。
【0052】
ここで、図３Ａから図３Ｅは、三元触媒７に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に変化するときの上層触媒層７１及び下層触媒層７２の状態を所定時間ごとに推定した図である。図３Ａから図３Ｅは、図２における破線で示したように空燃比が変化した場合の上層触媒層７１及び下層触媒層７２の状態の推移を示している。なお、三元触媒７においてどのように酸素が吸蔵・放出されるのか、さらには、どのようにＨＣ被毒が回復されるのかは必ずしも明らかではないが、以下のように考えることができる。
【0053】
図３Ａは、リッチ空燃比のとき（図２のＴ１Ａのとき）の上層触媒層７１及び下層触媒層７２の状態を示した図である。リッチ空燃比になると、上層触媒層７１の酸素吸蔵剤７１Ａ及び下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａに吸蔵さていた酸素がＨＣと反応する。このため、リッチ空燃比で運転される期間が長くなると、上層触媒層７１の酸素吸蔵剤７１Ａ及び下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａに酸素が吸蔵されていない状態となる。さらにリッチ空燃比で運転されると、上層触媒層７１の貴金属７１Ｂ及び下層触媒層７２の貴金属７２ＢにＨＣが付着する。このような状態では、三元触媒７の浄化能力が低下する。
【0054】
図３Ｂは、リッチ空燃比からリーン空燃比に切り換わった直後（図２のＴ１Ｂのとき）の上層触媒層７１及び下層触媒層７２の状態を示した図である。破線の矢印は、酸素の流れを示している。リッチ空燃比からリーン空燃比に切り換わると、上層触媒層７１では酸素濃度が高くなるために、上層触媒層７１の貴金属７１Ｂに付着したＨＣと酸素とが反応して該ＨＣが除去される。さらに、上層触媒層７１の酸素吸蔵剤７１Ａには、酸素が吸蔵される。このように、上層触媒層７１では、十分な酸素が存在するため、上層触媒層７１の酸素吸蔵剤７１Ａへの酸素の吸蔵と、上層触媒層７１の貴金属７１Ｂに付着したＨＣの反応と、が同時に起こり得る。一方、上層触媒層７１において酸素が消費されるため、リーン空燃比に切り換わった直後には、下層触媒層７２へ供給される酸素は少ない。
【0055】
図３Ｃは、リーン空燃比のときに上層触媒層７１の酸素吸蔵剤７１Ａにある程度の酸素が吸蔵された後（図２のＴ１Ｃのとき）の上層触媒層７１及び下層触媒層７２の状態を示した図である。上層触媒層７１の酸素吸蔵剤７１Ａにある程度の酸素が吸蔵されると、酸素が下層触媒層７２に到達する。下層触媒層７２に到達した酸素は、まず、反応性の高い酸素吸蔵剤７２Ａに吸蔵される。このときには、下層触媒層７２の貴金属７２Ｂに付着したＨＣはほとんど酸化されない。
【0056】
図３Ｄは、リーン空燃比のときに下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａにある程度の酸素が吸蔵された後（図２のＴ１Ｄのとき）の上層触媒層７１及び下層触媒層７２の状態を示した図である。また、図３Ｅは、リーン空燃比のときに下層触媒層７２の貴金属７２Ｂに酸素が供給されたとき（図２のＴ１Ｅのとき）の上層触媒層７１及び下層触媒層７２の状態を示した図である。下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａにある程度の酸素が吸蔵された後に、下層触媒層７２の貴金属７２Ｂに付着したＨＣと酸素とが反応する。このように、単にリッチ空燃比からリーン空燃比に切り換わったとしても、下層触媒層７２の貴金属７２Ｂに付着したＨＣが酸素と反応するまでには時間を要するため、ＨＣ被毒が回復するまでに時間を要する。
【0057】
そこで本実施例では、内燃機関１がリッチ空燃比での運転から、最終的な目標となるリーン空燃比（リーン目標空燃比）での運転へ移行する際に、リッチ空燃比での運転から第一運転と第二運転とを経てリーン目標空燃比での運転へ移行する。図４は、本実施例に係る第一運転及び第二運転を実施したときの空燃比の推移を示した図である。ここで、第一運転では、三元触媒７に流入する排気の空燃比を一時的にリーン空燃比にする。この第一運転では、たとえば内燃機関１の気筒２内の空燃比をリーン空燃比（図４のＡＦ１）として該内燃機関１を運転する。なお、第一運転中のリーン空燃比は、リーン目標空燃比と同じ空燃比であってもよいが、異なる空燃比であってもよい。第一運転では、主に上層触媒層７１のＨＣ被毒を回復させる。
【0058】
第二運転では、三元触媒７に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比である第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３とリーン空燃比である第二運転リーン目標空燃比ＡＦ２とに交互に複数回変化させる。第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３は、第一運転が実施される前のリッチ空燃比よりも高い空燃比とし、第二運転リーン目標空燃比ＡＦ２は、第一運転におけるリーン空燃比及び第二運転が完了した後の目標空燃比であるリーン目標空燃比よりも低い空燃比とする。ただし、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３は、第一運転が実施される前のリッチ空燃比と同じであってもよいし、第二運転リーン目標空燃比ＡＦ２は、第一運転におけるリーン空燃比またはリーン目標空燃比と同じであってもよい。第二運転では、主に下層触媒層７２のＨＣ被毒を回復させる。ここで、第二運転では、フィードバック制御を実施することにより、三元触媒７に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に複数回変化させる。このフィードバック制御では、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３に到達すると、空燃比が上昇するように、燃料噴射量を減量させるか又は吸入空気量を増量させ、第二運転リーン目標空燃比ＡＦ２に到達すると、空燃比が下降するように、燃料噴射量を増量させるか又は吸入空気量を減量させる。このようなフィードバック制御を実施することにより、三元触媒７に流入する排気の空燃比が、結果的に、理論空燃比を境に、リッチ空燃比とリーン空燃比とで交互に変化する。なお、第二運転中に、三元触媒７に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比の場合には空燃比を上昇させ、三元触媒７に流入する排気の空燃比がリーン空燃比の場合には空燃比を下降させてもよい。この場合、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３と、第二運転リーン目標空燃比ＡＦ２との間で空燃比が変動するように、ゲイン等を設定してもよい。このようにして、第二運転中には、空燃比が一定の周期（図４のＴＡ）で変化する。
【0059】
ここで、図５Ａから図５Ｆは、三元触媒７に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比から第一運転及び第二運転を経てリーン空燃比に変化するときの上層触媒層７１及び下層触媒層７２の状態を所定時間ごとに推定した図である。なお、三元触媒７においてどのように酸素が吸蔵・放出されるのか、さらには、どのようにＨＣ被毒が回復されるのかは必ずしも明らかではないが、以下のように考えることができる。また、仮に本願で説明の現象と異なる現象によってＨＣ被毒が回復したとしても、本願発明の構成を含んでＨＣ被毒が回復される限り、本願の権利範囲に属する。
【0061】
図５Ｂは、リッチ空燃比から第一運転のリーン空燃比（図４のＡＦ１）に切り換わった直後の上層触媒層７１及び下層触媒層７２の状態を示した図である。破線の矢印は、酸素の流れを示している。リッチ空燃比からリーン空燃比に切り換わると、上層触媒層７１では酸素濃度が高くなるために、上層触媒層７１の貴金属７１Ｂに付着したＨＣと酸素とが反応して該ＨＣが除去される。さらに、上層触媒層７１の酸素吸蔵剤７１Ａには、酸素が吸蔵される。このように、上層触媒層７１では、十分な酸素が存在するため、上層触媒層７１の酸素吸蔵剤７１Ａへの酸素の吸蔵と、上層触媒層７１の貴金属７１Ｂに付着したＨＣの反応と、が同時に起こり得る。一方、上層触媒層７１において酸素が消費されるため、リーン空燃比に切り換わった直後には、下層触媒層７２へ供給される酸素は少ない。
【0062】
図５Ｃは、第一運転のリーン空燃比（図４のＡＦ１）のときに上層触媒層７１の酸素吸蔵剤７１Ａにある程度の酸素が吸蔵された後の上層触媒層７１及び下層触媒層７２の状態を示した図である。上層触媒層７１の酸素吸蔵剤７１Ａにある程度の酸素が吸蔵されると、酸素が下層触媒層７２に到達する。下層触媒層７２に到達した酸素は、まず、反応性の高い酸素吸蔵剤７２Ａに吸蔵される。このときには、下層触媒層７２の貴金属７２Ｂに付着したＨＣはほとんど酸化されない。
【0063】
このように、第一運転を実施すると、排気中の酸素濃度が高くなるため、上層触媒層７１の貴金属７１Ｂに付着したＨＣが酸素と反応する。さらに、上層触媒層７１の酸素吸蔵剤７１Ａにも酸素が速やかに吸蔵される（図５Ｃ）。このため、第一運転を実施することにより、下層触媒層７２へ酸素が到達し易くなる。さらに、下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａにも酸素が吸蔵される。
【0064】
図５Ｄは、第一運転から第二運転に切り換わった直後のリッチ空燃比（図４のＡＦ３）のときの上層触媒層７１及び下層触媒層７２の状態を示した図である。第二運転では、図４に示すＡＦ２とＡＦ３とに空燃比を複数回切り換える。第二運転に移行してリッチ空燃比（図４のＡＦ３）になると、リーン空燃比（図４のＡＦ１またはＡＦ２）のときに下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａに吸蔵されていた酸素が貴金属７２Ｂを介して放出される。この酸素は、下層触媒層７２の貴金属７２Ｂに付着したＨＣと反応して、該ＨＣを除去する。
【0065】
このように、下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａに酸素が満たされる前であっても、リッチ空燃比のときに下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａから放出される酸素により、下層触媒層７２の貴金属７２Ｂに付着しているＨＣを除去することができる。仮に、リーン空燃比での運転を継続した場合、すなわち、図２の破線で示したように空燃比が変化する場合には、下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａの反応性が高いために、下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａへ十分な量の酸素が吸蔵された後でなければ、下層触媒層７２の貴金属７２Ｂに付着しているＨＣと酸素とが反応し難い。
【0066】
また、下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａからの酸素の放出が終了した後にもリッチ空燃比での運転を続けると、上層触媒層７１の貴金属７１Ｂ及び下層触媒層７２の貴金属７２ＢにＨＣが付着してしまう。これに対し、本願の第二運転のように、リッチ空燃比での運転と、リーン空燃比での運転と、を交互に繰り返すことにより、下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａからの酸素の放出と、下層触媒層７２への酸素の吸蔵と、を繰り返すことができる。この結果、後述する図５Ｅ及び図５Ｆに示すように、下層触媒層７２のＨＣ被毒を回復することができる。
【0067】
図５Ｅは、第二運転のリッチ空燃比（図４のＡＦ３）での運転からリーン空燃比（図４のＡＦ２）での運転に切り換わった直後の上層触媒層７１及び下層触媒層７２の状態を示した図である。リーン空燃比で運転することにより、上層触媒層７１の酸素吸蔵剤７１Ａ及び下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａに酸素が吸蔵される。すなわち、図５Ｄに示すように下層触媒層７２のＨＣ被毒の回復のためにリッチ空燃比のときに下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａから酸素が放出されたとしても、リーン空燃比のときに下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａに酸素を供給することができる。
【0068】
図５Ｆは、第二運転のリーン空燃比（図４のＡＦ２）での運転からリッチ空燃比（図４のＡＦ３）での運転に切り換わった直後の上層触媒層７１及び下層触媒層７２の状態を示した図である。このときの状態は、図５Ｄに示した状態と同じである。このように、第二運転を実施しているときには、三元触媒７へ新たにＨＣが付着することを抑制しつつ、下層触媒層７２の貴金属７２ＢからＨＣを除去することができる。
【0069】
したがって、下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａへ十分な量の酸素が吸蔵される前であっても、該下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａにある程度溜まった酸素を放出させ、それを繰り返すことにより、下層触媒層７２の貴金属７２Ｂに付着したＨＣを除去することができる。これにより、三元触媒７のＨＣ被毒を早期に回復することができる。
【0070】
なお、第一運転は、下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａにある程度の酸素が吸蔵されるまで実施してもよいし、下層触媒層７２へ酸素が到達するまで実施してもよい。この期間の最適値は、予め実験またはシミュレーション等により求めてもよい。
【0071】
ここで、内燃機関１をリーン空燃比で運転するときには、三元触媒７ではＮＯｘの浄化は困難である。一方、リーン空燃比で運転するときには、ＮＳＲ触媒８にＮＯｘを吸蔵させることができる。ＮＳＲ触媒８に吸蔵されたＮＯｘは、第二運転を実施したときに該ＮＳＲ触媒８から放出される。このＮＳＲ触媒８から放出されるＮＯｘは、ＳＣＲ触媒９において還元することができる。
【0072】
本実施例に係る第二運転を実施すると、ＮＳＲ触媒８に流入する排気の空燃比が理論空燃比近傍で変化するため、ＮＳＲ触媒８からＮＯｘが放出される。ＳＣＲ触媒９に予めアンモニアを吸着させておけば、ＮＳＲ触媒８から流出するＮＯｘを、ＳＣＲ触媒９において浄化することができる。したがって、三元触媒７よりも下流に、ＮＳＲ触媒８及びＳＣＲ触媒９を設けることにより、ＮＯｘの浄化率をより高めることができる。
【0073】
しかし、第一運転中にＮＳＲ触媒８に吸蔵されるＮＯｘ量が多くなるほど、第二運転中にＮＳＲ触媒８から流出するＮＯｘも多くなる。第二運転中にＮＳＲ触媒８から流出するＮＯｘ量に対して、ＳＣＲ触媒９に吸着しているアンモニア量が少ないと、ＳＣＲ触媒９におけるＮＯｘの還元が困難となる。
【0074】
そこで本実施例では、第二運転中にＳＣＲ触媒９においてＮＯｘを還元できるように、第二運転中の空燃比を調整する。すなわち、ＳＣＲ触媒９においてＮＯｘの還元が困難となる虞がある場合には、第二運転中により多くのアンモニアが生成されるように、リッチ空燃比のときの目標空燃比をより低くする、または、リッチ空燃比とリーン空燃比とで変動させるときの変動周期をより長くすることでリッチ空燃比となる時間を長くする。
【0075】
図６は、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３と、アンモニア生成量及びＨＣ被毒回復速度と、の関係を示した図である。また、図７は、リッチ空燃比とリーン空燃比とが交互に変化する周期（図４のＴＡ。以下、空燃比変動周期ＴＡという。）と、アンモニア生成量及びＨＣ被毒回復速度と、の関係を示した図である。実線は、アンモニア生成量を示し、破線は、ＨＣ被毒回復速度を示している。アンモニア生成量は、ＮＳＲ触媒８における単位時間当たりのアンモニアの生成量である。ＨＣ被毒回復速度は、三元触媒７における単位時間当たりに除去されるＨＣ量である。
【0076】
第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３が高くなるほど、第二運転中の空燃比変動周期ＴＡが短くなる。このため、下層触媒層７２の酸素吸蔵剤７２Ａにおいて酸素の吸蔵と放出との周期が短くなり、下層触媒層７２の貴金属７２Ｂに付着しているＨＣと酸素との反応を促進させることができる。
【0077】
すなわち、ＨＣ被毒回復速度は、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３が理論空燃比に近づくほど、高くなる。したがって、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３を高くするほど、すなわち、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３を理論空燃比に近づけるほど、ＨＣ被毒回復速度が高くなり、ＨＣ被毒回復を促進させることができる。なお、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３が高くなるほど、空燃比変動周期ＴＡが短くなる。このため、第二運転中の空燃比変動周期ＴＡを短くするほど、ＨＣ回復速度が高くなるともいえる。また、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３が高くなるほど、リッチ空燃比となっている時間が短くなる。このため、リッチ空燃比となっている時間を短くするほど、ＨＣ回復速度が高くなるともいえる。
【0078】
一方、アンモニア生成量は、所定のリッチ空燃比のときに最大となる。なお、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３は、アンモニアの生成量が最大となる所定のリッチ空燃比よりも高い空燃比に設定される。このため、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３が低くなるほど、第二運転中のアンモニアの生成量が多くなる。
【0079】
また、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３が低くなるほど、第二運転中の空燃比変動周期ＴＡが長くなる。ここで、排気の空燃比がリッチ空燃比となっている時間が長くなるほど、ＮＳＲ触媒８においてアンモニア生成量が増加する。したがって、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３が低くなるほど、または、空燃比変動周期ＴＡが長くなるほど、アンモニアの生成量が増加する。
【0080】
したがって、ＨＣ被毒回復速度を高くすることを優先する場合には、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３を高くし、アンモニアの生成量を多くすることを優先する場合には、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３を低くすればよい。これは、ＨＣ被毒回復速度を高くすることを優先する場合には、第二運転中の空燃比変動周期ＴＡを短くし、アンモニアの生成量を多くすることを優先する場合には、第二運転中の空燃比変動周期ＴＡを長くすればよいともいえる。さらに、ＨＣ被毒回復速度を高くすることを優先する場合には、第二運転中のリッチ空燃比の継続時間を短くし、アンモニアの生成量を多くすることを優先する場合には、第二運転中のリッチ空燃比の継続時間を長くすればよいともいえる。
【0081】
図８は、第二運転中の目標空燃比を決定するためのフローチャートである。本フローは、第二運転時において所定の時間毎にＥＣＵ１０により実施される。なお、本フローは、第二運転開始時に１回だけＥＣＵ１０により実施されてもよい。
【0082】
ステップＳ１０１では、ＳＣＲ触媒９で要求されるアンモニア量が算出される。ＳＣＲ触媒９で要求されるアンモニア量（以下、要求アンモニア量という。）は、ＮＯｘを浄化するためにＳＣＲ触媒９へ供給するべきアンモニア量である。要求アンモニア量は、現時点においてＳＣＲ触媒９にすでに吸着されているアンモニア量、及び、現時点でのＳＣＲ触媒９の温度に基づいて決定される。
【0083】
ここで、要求アンモニア量は、ＳＣＲ触媒９に吸着されているアンモニア量が少ないほど、多くなる。すなわち、ＳＣＲ触媒９に吸着されているアンモニア量が少ないほど、第二運転中にＳＣＲ触媒９において早期にアンモニアが不足する虞がある。したがって、ＳＣＲ触媒９における要求アンモニア量が多くなる。
【0084】
また、ＳＣＲ触媒９においては、温度によって、ＳＣＲ触媒９におけるアンモニアの吸着量やＮＯｘ浄化率が変化する。ここで、要求アンモニア量は、ＳＣＲ触媒９におけるＮＯｘ浄化率が低くなるほど、多くなる。
【0085】
なお、要求アンモニア量は、ＮＳＲ触媒８に吸蔵されているＮＯｘ量が多くなるほど、多くなる。すなわち、ＮＳＲ触媒８に吸蔵されているＮＯｘ量が多くなるほど、第二運転中にＳＣＲ触媒９へ流入するＮＯｘ量が多くなる。したがって、ＳＣＲ触媒９における要求アンモニア量が多くなる。
【0086】
要求アンモニア量と、ＳＣＲ触媒９のアンモニア吸着量、ＳＣＲ触媒９の温度、ＮＳＲ触媒８のＮＯｘ吸蔵量と、の関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。なお、ＳＣＲ触媒９のアンモニア吸着量、及び、ＮＳＲ触媒８のＮＯｘ吸蔵量は、周知の技術により算出することができる。
【0087】
ステップＳ１０２では、要求アンモニア量が０よりも多いか否か判定される。本ステップでは、ＳＣＲ触媒９へアンモニアを供給する必要があるか否か判定している。ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進む。
【0088】
ステップＳ１０３では、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３を初期値よりも低くする。第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３の初期値は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。このときには、ＳＣＲ触媒９にアンモニアを供給することで、ＳＣＲ触媒９において還元剤量が増加するので、ＮＯｘの浄化率が高くなる。したがって、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３を低下させることにより、ＮＯｘの浄化率を向上させる。このときの第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３の低下量または低下率は、予め実験またはシミュレーション等により最適値を求めておく。なお、本ステップでは、空燃比変動周期ＴＡを長くしてもよい。この場合の空燃比変動周期ＴＡを長くする量または長くする率は、予め実験またはシミュレーション等により最適値を求めておく。さらに、本ステップでは、リッチ空燃比の継続時間を長くしてもよい。リッチ空燃比の継続時間を長くする量または長くする率は、予め実験またはシミュレーション等により最適値を求めておく。
【0089】
一方、ステップＳ１０４では、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３を初期値よりも高くする。すなわち、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３を理論空燃比へ近づける。このときには、ＳＣＲ触媒９へアンモニアを供給する必要がないため、ＨＣ被毒の回復を優先させる空燃比とすることができる。すなわち、ＨＣ被毒回復速度が速くなるように、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３が理論空燃比に近づくようにする。このときの第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３の上昇量または上昇率は、予め実験またはシミュレーション等により最適値を求めておく。なお、本ステップでは、空燃比変動周期ＴＡを短くしてもよい。この場合の空燃比変動周期ＴＡを短くする量または短くする率は、予め実験またはシミュレーション等により最適値を求めておく。さらに、本ステップでは、リッチ空燃比の継続時間を短くしてもよい。リッチ空燃比の継続時間を短くする量または短くする率は、予め実験またはシミュレーション等により最適値を求めておく。
【0090】
次に、ステップＳ１０５では、要求アンモニア量が閾値以上であるか否か判定される。閾値は、アンモニアの生成を優先させる要求アンモニア量の下限値として予め実験またはシミュレーション等により求めておく。なお、アンモニアの生成と、ＨＣ被毒の回復と、のどちらをどれだけ優先させるのかは、ＮＯｘ排出量やＨＣ排出量などに係る法規に基づいて決定してもよい。
【0091】
ここで、アンモニアの生成を優先させることにより、第二運転中のＮＯｘの浄化率を向上させることができる。一方、ＨＣ被毒の回復を優先させることにより、速やかにＨＣ被毒を回復することができるので、三元触媒７におけるＨＣの浄化能力を速やかに回復させることができる。さらに、リーン目標空燃比へ移行するまでの期間を短縮することができるので、燃費を向上させることができる。
【0092】
ステップＳ１０５で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ１０６へ進んで、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３をさらに低くする。また、空燃比変動周期ＴＡを長くしてもよい。このときの第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３の低下量若しくは低下率、または、空燃比変動周期ＴＡを長くする量若しくは長くする率は、予め実験またはシミュレーション等により最適値を求めておく。さらに、本ステップでは、リッチ空燃比の継続時間を長くしてもよい。リッチ空燃比の継続時間を長くする量または長くする率は、予め実験またはシミュレーション等により最適値を求めておく。
【0093】
一方、ステップＳ１０５で否定判定がなされた場合には、ステップＳ１０７へ進んで、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３を高くする。また、空燃比変動周期ＴＡを短くしてもよい。このときの第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３の上昇量若しくは上昇率、または、空燃比変動周期ＴＡを短くする量若しくは短くする率は、予め実験またはシミュレーション等により最適値を求めておく。さらに、本ステップでは、リッチ空燃比の継続時間を短くしてもよい。リッチ空燃比の継続時間を短くする量または短くする率は、予め実験またはシミュレーション等により最適値を求めておく。なお、ステップＳ１０５では、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３を初期値に戻してもよい。
【0094】
なお、本実施例では、ステップＳ１０２、ステップＳ１０３、ステップＳ１０４を省略することもできる。
【0095】
また、ステップＳ１０５における判定は、以下のような判定に変更してもよい。すなわち、ステップＳ１０５において、ＳＣＲ触媒９におけるアンモニア吸着量から、ＳＣＲ触媒９へ流入するＮＯｘを還元させるために必要となるアンモニア量を減算した値が、閾値以下であるか否か判定してもよい。このＳＣＲ触媒９へ流入するＮＯｘに代えて、三元触媒７を通過するＮＯｘ、または、ＮＳＲ触媒８を通過するＮＯｘとしてもよい。この場合の閾値は、ＮＯｘ浄化率が許容範囲よりも低下する虞のある値の下限値である。このようにすることで、ＮＯｘを浄化可能な量のアンモニアが吸着されている状態を維持することができる。これにより、ＮＯｘ浄化率が低下することを抑制できる。
【0096】
なお、図８に示したフローでは、ステップＳ１０５において要求アンモニア量が閾値以上であるか否か判定し、この結果によって、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３を変化させているが、これに代えて、要求アンモニア量が多いほど、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３を低くしてもよく、または、要求アンモニア量が多いほど、リッチ空燃比の継続時間を長くしてもよい。また、ステップＳ１０５において要求アンモニア量が閾値以上であるか否か判定した上で、ステップＳ１０６及びステップＳ１０７において、要求アンモニア量が多いほど、第二運転リッチ目標空燃比ＡＦ３を低くしてもよく、または、要求アンモニア量が多いほど、リッチ空燃比の継続時間を長くしてもよい。
【0097】
以上説明したように、本実施例によれば、リッチ空燃比での運転から第一運転及び第二運転を経てリーン目標空燃比での運転へ切り換わるため、ＨＣ被毒を早期に回復させることができる。さらに、第二運転中にアンモニアの生成を優先させつつＨＣ被毒を回復させることができるため、第二運転中のＮＯｘ浄化率の低下を抑制できる。また、アンモニアの生成を優先させる必要のない場合には、三元触媒７のＨＣ被毒回復を優先させることにより、ＨＣ被毒をより速やかに回復させることができる。
【符号の説明】
【0098】
１ 内燃機関２ 気筒
５ 吸気弁
６ 排気弁
７ 三元触媒
８ ＮＳＲ触媒
９ ＳＣＲ触媒
１０ ＥＣＵ
１５ ピストン
１６ スロットル
３１ 吸気管
４１ 排気管
７１ 上層触媒層
７１Ａ 酸素吸蔵剤
７１Ｂ 貴金属
７２ 下層触媒層
７２Ａ 酸素吸蔵剤
７２Ｂ 貴金属
８１ 通路内噴射弁
８２ 筒内噴射弁
８３ 点火プラグ
９０ エアフローメータ
９１ 第一空燃比センサ
９２ 第一ＮＯｘセンサ
９３ 第二空燃比センサ
９４ 第二ＮＯｘセンサ