特許 6197994 内燃機関の排気浄化装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6197994

(24)【登録日】2017年9月1日

(45)【発行日】2017年9月20日

(54)【発明の名称】内燃機関の排気浄化装置

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/24 20060101AFI20170911BHJP

   F01N 3/08 20060101ALI20170911BHJP

   F01N 3/22 20060101ALI20170911BHJP

   F02D 41/02 20060101ALI20170911BHJP

   F01N 3/035 20060101ALI20170911BHJP

   B01D 53/94 20060101ALI20170911BHJP

【ＦＩ】

   F01N3/24 C

   F01N3/08 A

   F01N3/24 B

   F01N3/22 321N

   F02D41/02 305

   F01N3/035 A

   B01D53/94 222

   B01D53/94 245

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-156851(P2013-156851)

(22)【出願日】2013年7月29日

(65)【公開番号】特開2015-25435(P2015-25435A)

(43)【公開日】2015年2月5日

【審査請求日】2016年6月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006286

【氏名又は名称】三菱自動車工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100174366

【弁理士】

【氏名又は名称】相原 史郎

(72)【発明者】

【氏名】岩知道 均一

【審査官】 稲村 正義

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第９８／０４８１５３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−２９１９８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０１３４６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第９８／０５１９１９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００２−２７３２３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０７０５４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２８５８３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｎ ３／００−３／３８

Ｆ０２Ｄ ４１／０２

Ｂ０１Ｄ ５３／９４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関の排気通路に配設され、触媒層の温度が第1所定温度未満のときにＨＣを吸着し、前記第１所定温度以上のときにＨＣを脱離する第１触媒層と、触媒層の温度が前記第１所定温度より高い第２所定温度未満のときにＮＯｘを吸着し、前記第２所定温度以上のときにＮＯｘを脱離する第２触媒層とを有し、前記第１触媒層と前記第２触媒層との排気流れ方向の下流側に、触媒層の温度が前記第２所定温度未満ではＨＣ浄化をし前記第２所定温度以上で活性状態となる三元触媒機能を含む第３触媒層を有するパティキュレートフィルタと、前記第１又は第２触媒層の温度に応じて前記内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

【請求項2】

前記第３触媒層は、前記第１触媒層、及び前記第２触媒層より排気との接触面積が大きくなるように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

【請求項3】

前記空燃比制御手段は、前記第１触媒層の温度が前記第２所定温度未満であるときには、前記空燃比を理論空燃比よりもリーンとすることを特徴する、請求項１或いは２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

【請求項4】

前記空燃比制御手段は、前記第２触媒層の温度が前記第２所定温度以上であるときには、前記空燃比を理論空燃比よりもややリッチな空燃比であるスライトリッチとすることを特徴する、請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に微粒子状物質捕集用フィルタを備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、理論空燃比付近で運転するガソリンエンジンでは、理論空燃比付近でのエンジン運転領域にて、排気中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）等を浄化することのできる三元触媒が備えられている。
一方で、ガソリンエンジンには、燃費向上を目的して空燃比をリーン空燃比としたガソリンリーンバーンエンジンが開発されている。

【0003】

そして、このような主な運転領域がリーン空燃比で制御されるガソリンリーンバーンエンジンでは、三元触媒で排気中のＮＯｘを十分に浄化することが困難である。これは、リーン空燃比によって、三元触媒のＮＯｘ浄化能力が乏しいためである。
そこで、特許文献１では、上流側三元触媒と下流側三元触媒とを設け、更に上流側三元触媒と下流側三元触媒との間に、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属とゼオライトとを含む下層とアルカリ金属又はアルカリ土類金属と貴金属とを含む上層とからなる排気浄化用触媒を備え、ガソリンリーンバーンエンジンのリーン空燃比でのエンジン運転において排出されるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００２−２７３２３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

このように、上記特許文献１の排気浄化用触媒では、ＨＣ及びＮＯｘをトラップするための排気浄化用触媒を上流側三元触媒と下流側三元触媒との間に設けることで、各触媒温度が低温であるときの排気を浄化している。
一方、ガソリンリーンバーンエンジンでは、更なる燃費向上のためにリーン空燃比化をすることにより発生する排気中の微粒子状物質（ＰＭ）を捕集し、燃焼除去するガソリンパティキュレートフィルタを備えるものがある。

【0006】

しかしながら、このようなガソリンパティキュレートフィルタを備えるガソリンリーンバーンエンジンに、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの浄化を目的として特許文献１の技術を適用することは、排気通路上に複数の触媒やフィルタが配設されることにより、排気圧力が上昇してエンジン性能の低下を招く虞や、触媒の増加によるコスト増加を招く虞があり好ましいことではない。

【0007】

本発明は、主に理論空燃比付近で運転するガソリンエンジンにおいて、この様な問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、簡易な構造で触媒の温度が低温であっても確実に排気を浄化することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の目的を達成するために、請求項１の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に配設され、触媒層の温度が第1所定温度未満のときにＨＣを吸着し、前記第１所定温度以上のときにＨＣを脱離する第１触媒層と、触媒層の温度が前記第１所定温度より高い第２所定温度未満のときにＮＯｘを吸着し、前記第２所定温度以上のときにＮＯｘを脱離する第２触媒層とを有し、前記第１触媒層と前記第２触媒層との排気流れ方向の下流側に、触媒層の温度が前記第２所定温度未満ではＨＣ浄化をし前記第２所定温度以上で活性状態となる三元触媒機能を含む第３触媒層を有するパティキュレートフィルタと、前記第１又は第２触媒層の温度に応じて前記内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備えることを特徴とする。

【0009】

また、請求項２の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１において、前記第３触媒層は、前記第１触媒層、及び前記第２触媒層より排気との接触面積が大きくなるように形成されることを特徴とする。
また、請求項３の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１或いは２において、前記空燃比制御手段は、前記第１触媒層の温度が前記第２所定温度未満であるときには、前記空燃比を理論空燃比よりもリーンとすることを特徴する。

【0010】

また、請求項４の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１から３のいずれか１項において、前記空燃比制御手段は、前記第２触媒層の温度が前記第２所定温度以上であるときには、前記空燃比を理論空燃比よりもややリッチな空燃比であるスライトリッチとすることを特徴する。

【発明の効果】

【0011】

請求項１の発明によれば、第１触媒層または第２触媒層の温度に応じて内燃機関の空燃比を制御しており、例えば、内燃機関の始動時等で第２触媒層の温度が第２所定温度未満である場合には、内燃機関より排出されるＮＯｘを第２触媒層に吸着させることができる。そして、第２触媒層の温度がＮＯｘの脱離を開始する第２所定温度以上である場合には、空燃比をＮＯｘの還元反応が進行しやすいスライトリッチとすることで、下流の第３触媒層にて脱離したＮＯｘを効率よく浄化することができる。また、第１触媒層の温度が第２所定温度よりも低い第１所定温度未満である場合には、内燃機関から排出される炭化水素（ＨＣ）を第１触媒層にトラップすることができる。そして、第１触媒層の温度が第１所定温度以上である場合には、空燃比をリーンとすることで、下流の第３触媒層にて脱離したＨＣをより高い効率で浄化することができる。また、内燃機関より排出される微粒子状物質（ＰＭ）は、パティキュレートフィルタにて捕集することができる。

【0012】

このように、第１触媒層と第２触媒層と第３触媒層とを有するパティキュレートフィルタと空燃比制御手段とからなる簡単な構成にて、排気圧力の上昇による内燃機関の性能低下を抑制しつつ、触媒の温度が低温であっても確実に排気を浄化することができる。
また、請求項２の発明によれば、第３触媒層を第１触媒層、及び第２触媒層より排気との接触面積が大きくなるように形成しており、例えば、接触面積が大きくなるように貴金属層の排気流れ方向の長さを第１触媒層、及び第２触媒層の排気流れ方向の長さよりも長く形成することで、第１触媒層より脱離したＨＣ及び第２触媒層より脱離したＮＯｘを確実に第３触媒層で浄化することができる。

【0013】

また、請求項３の発明によれば、第１触媒層の温度が第２所定温度未満であるときに、空燃比をリーンとしており、第２触媒層にて内燃機関の始動時より排出されるＮＯｘを吸着することができる。また、第１触媒層の温度が第２所定温度未満では、第１触媒層からＨＣが脱離することから、空燃比をリーンにすることで、触媒の温度が低温であっても第１触媒層の排気流れ方向の下流側に備えられる第３触媒層にて、脱離したＨＣを浄化することができる。

【0014】

また、請求項４の発明によれば、第２触媒層の温度が第２所定温度以上あるときには、空燃比をスライトリッチとすることで、第２触媒層の排気流れ方向の下流側に備えられる第３触媒層にて、第２触媒層より脱離するＮＯｘを浄化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されたエンジンの概略構成図である。

【図2】多機能触媒の概略の構成を示す図である。

【図3】図２のＡ部の拡大図である。

【図4】図３の断面Ｂ−Ｂの拡大図である。

【図5】図３の断面Ｃ−Ｃの拡大図である。

【図6】エンジンの運転状態と多機能触媒の温度と各触媒層の状態の一例を時系列で示す図である。

【図7】スライトリッチ運転における空燃比制御の詳細を時系列で示す図である。

【図8】電子コントロールユニットが実行する多機能触媒の空燃比及び温度制御のフローチャートの一部である。

【図9】電子コントロールユニットが実行する多機能触媒の空燃比及び温度制御のフローチャートの残部である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されたエンジンの概略構成図である。図２は、多機能触媒の概略の構成を示す図である。図２中の矢印は、排気の流れ方向を示している。図３は、図２のＡ部の拡大図である。そして、図４は、図３の断面Ｂ−Ｂの拡大図であり、図５は、図３の断面Ｃ−Ｃの拡大図である。また、図６は、エンジンの運転状態と多機能触媒の温度と各触媒層の状態の一例を時系列で示す図である。図６の縦軸は、上段より、空燃比、三元触媒及び多機能触媒でのＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの浄化範囲、多機能触媒の各触媒層の状態、多機能触媒温度Ｔmを示している。なお、図６中の三元触媒及び多機能触媒でのＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの浄化範囲と多機能触媒の各触媒層の状態は、三元触媒の温度、或いは多機能触媒温度Ｔmにおける三元触媒及び多機能触媒でのＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの浄化可能範囲と多機能触媒の各触媒層の状態を示すものである。図７は、スライトリッチ運転での空燃比制御の詳細を時系列で示す図である。図７中の縦軸は、空燃比を示している。なお、本実施例では、低温ＨＣトラップ触媒層（本発明の第１触媒層に相当）２６ｃと、低温ＮＯｘ吸着触媒層（本発明の第２触媒層に相当）２６ｄと、三元触媒機能を有するＰＭ燃焼触媒層（本発明の第３触媒層に相当）２６ｅとを、多機能触媒２６のケーシング２６ａ内に一体で構成していることから、多機能触媒温度Ｔmをそれぞれの触媒層の温度としている。

【0017】

図１に示すように、エンジン（内燃機関）１は、シリンダヘッド３とピストン６とで形成される燃焼室１０に臨むようにシリンダヘッド３に配設された筒内噴射用インジェクタ（空燃比制御手段）２１より燃焼室１０内へ燃料を直接噴射する筒内噴射を行う４サイクル直列４気筒型ガソリンエンジンである。
図１にはエンジン１の１つの気筒についての縦断面が示されている。なお、他の気筒についても同様の構成をしているものとして図示及び説明を省略する。

【0018】

図１に示すように、エンジン１は、シリンダブロック２にシリンダヘッド３が載置されて構成されている。
シリンダブロック２には、エンジン１を冷却する冷却水の温度を検出する水温センサ４が設けられている。また、シリンダブロック２に形成されているシリンダ５内には上下摺動可能にピストン６が設けられている。当該ピストン６は、コンロッド７を介してクランクシャフト８に連結されている。また、シリンダブロック２には、当該エンジン１の回転速度及びクランクシャフト８の位相を検出するクランク角センサ９が設けられている。そして、燃焼室１０は、シリンダヘッド３とシリンダ５とピストン６とで形成されている。

【0019】

シリンダヘッド３には、燃焼室１０に臨むようにして点火プラグ１１が設けられている。また、シリンダヘッド３には、燃焼室１０からシリンダヘッド３の一側面に向かって吸気ポート１２が形成されており、燃焼室１０からシリンダヘッド３の他側面に向かって排気ポート１３が形成されている。そして、シリンダヘッド３には、燃焼室１０と吸気ポート１２との連通及び遮断を行う吸気バルブ１４と、燃焼室１０と排気ポート１３との連通及び遮断を行う排気バルブ１５が設けられている。また、シリンダヘッド３の上部には吸気バルブ１４を駆動する吸気カム１６を有した吸気カムシャフト１８と、排気バルブ１５を駆動する排気カム１７を有した排気カムシャフト１９とがそれぞれ設けられている。また、シリンダヘッド３の一側面には吸気ポート１２と連通するように吸気マニホールド２０が接続されている。更にシリンダヘッド３の吸気マニホールド２０が接続された側面には、燃焼室１０内に臨むように筒内噴射用インジェクタ２１が設けられている。一方、シリンダヘッド３の吸気マニホールド２０が接続された側面とは反対側の側面には、排気ポート１３と連通するように排気マニホールド２３が接続されている。

【0020】

筒内噴射用インジェクタ２１には、図示しない燃料配管を介して燃料の供給圧力を可変可能であって、高圧の燃料を供給する高圧ポンプと、高圧ポンプに燃料タンク内の燃料を供給するフィードポンプが接続されている。そして、筒内噴射用インジェクタ２１は、燃焼室１０内に高圧の燃料を噴射するものである。
吸気マニホールド２０の吸気上流端には、図示しない吸気管、吸入空気流量を調節する図示しない電子制御スロットルバルブが設けられている。そして、電子制御スロットルバルブには、スロットルバルブの開き度合を検出する図示しないスロットルポジションセンサが備えられている。また、電子制御スロットルバルブの上流側の吸気管には、吸入空気流量を検出する図示しないエアフローセンサが設けられているとともに、吸気管の吸気上流端には、図示しないエアクリーナが設けられている。

【0021】

また、排気マニホールド２３の排気下流端には、排気管（排気通路）２４を介して、上流側より三元触媒２５と多機能触媒２６とが備えられている。そして、多機能触媒２６の上流側の排気管２４には、多機能触媒２６の上流の排気の圧力を検出する排気圧センサ２７と、排気の空燃比を検出する空燃比センサ２８とが設けられている。更に多機能触媒２６の下流側の排気管２４には、多機能触媒２６の下流の排気の圧力を検出する排気圧センサ２９と、排気の温度を検出する排気温センサ３０とが設けられている。

【0022】

三元触媒２５は、担体に貴金属触媒として白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属を有し、空燃比がストイキ近傍にあり、触媒が活性状態であるときに炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する機能を有するものである。なお、本発明では、三元触媒が約３００℃〜約４００℃であるときに、三元触媒が実用上有効な排気浄化性能を得られる活性開始状態であるとし、上記温度を活性温度と呼ぶ。

【0023】

図２に示すように、多機能触媒２６は、筒状のケーシング２６ａと、ケーシング２６ａ内に設けられるガソリンパティキュレートフィルタ（パティキュレートフィルタ）２６ｂと、低温ＨＣトラップ触媒層（第１触媒層）２６ｃと、低温ＮＯｘ吸着触媒層（第２触媒層）２６ｄと、ＰＭ燃焼触媒層（第３触媒層）２６ｅとで形成されている。
ガソリンパティキュレートフィルタ２６ｂは、排気が通過する通路２６ｆの上流側及び下流側を交互にプラグで閉鎖されたハニカム担体であるウォールフローフィルタである。そして、通路２６ｆは、多孔質の壁２６ｇで形成されている。なお、ガソリンパティキュレートフィルタ２６ｂは、排気中の微粒子状物質（ＰＭ）を捕集する機能を有している。

【0024】

低温ＨＣトラップ触媒層２６ｃは、第１所定温度（約２００℃）未満の低温でＨＣをトラップすることのできるゼオライト等のＨＣトラップ剤を含む触媒層である。なお、ゼオライトは、遷移金属（鉄（Ｆｅ）、銀（Ａｇ）など）で修飾した材料であってもよい。そして、低温ＨＣトラップ触媒層２６ｃは、図２、３及び４に示すようにガソリンパティキュレートフィルタ２６ｂの排気流れ方向の上流側に担持されている。なお、低温ＨＣトラップ触媒層２６ｃは、触媒層にＨＣトラップ剤としてのゼオライトを含んでおり、図６に示すように、低温ＨＣトラップ触媒層２６ｃの温度、即ち多機能触媒２６の温度である多機能触媒温度Ｔmが第１所定温度（約２００℃）未満の低温である時に排気中のＨＣをトラップし、低温ＨＣトラップ触媒層２６ｃの温度が第１所定温度以上で、且つ第２所定温度（約３００℃）未満であるときに、トラップしたＨＣを脱離する機能を有している。

【0025】

低温ＮＯｘ吸着触媒層２６ｄは、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等の母材に、三元触媒２５の活性温度であって吸着したＮＯｘの脱離を開始する温度である第２所定温度（約３００℃）未満の低温でＮＯｘを吸着することのできる遷移金属である鉄（Ｆｅ）或いは銀（Ａｇ）等のＮＯｘ吸着剤と、酸化セリウム（ＣｅＯ₂）や酸化チタン（ＴｉＯ₂）等の助触媒とを含む触媒層である。そして、低温ＮＯｘ吸着触媒層２６ｄは、図２、３及び４に示すように低温ＨＣトラップ触媒層２６ｃ上に担持されている。即ち、低温ＨＣトラップ触媒層２６ｃと低温ＮＯｘ吸着触媒層２６ｄは、ガソリンパティキュレートフィルタ２６ｂの排気流れ方向の上流側に積層して担持されている。なお、低温ＮＯｘ吸着触媒層２６ｄは、触媒層にＮＯｘ吸着剤としてのＦｅ或いはＡｇなどの遷移金属を含んでおり、図６に示すように、低温ＮＯｘ吸着触媒層２６ｄの温度、即ち多機能触媒２６の温度である多機能触媒温度Ｔmが第２所定温度（約３００℃）未満の低温である時に排気中のＮＯｘを吸着し、低温ＮＯｘ吸着触媒層２６ｄの温度が第２所定温度以上で第３所定温度（約４００℃）未満であるときに、即ち、三元触媒においてＮＯｘ浄化性能が得られる温度で、吸着したＮＯｘを脱離する機能を有している。

【0026】

三元触媒機能を有するＰＭ燃焼触媒層２６ｅは、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等の母材に、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属と、酸化セリウム（ＣｅＯ₂）やジルコニア（ＺｒＯ₂）等の助触媒とを含む触媒層である。そして、ＰＭ燃焼触媒層２６ｅは、図２、３及び５に示すように、低温ＨＣトラップ触媒層２６ｃと低温ＮＯｘ吸着触媒層２６ｄとの排気流れ方向の下流側のガソリンパティキュレートフィルタ２６ｂ上に担持されている。なお、ＰＭ燃焼触媒層２６ｅの排気流れ方向の長さＬ２は、低温ＨＣトラップ触媒層２６ｃと低温ＮＯｘ吸着触媒層２６ｄとが積層して形成される触媒層の排気流れ方向の担持長さＬ１より長くなるように担持されている。そして、ＰＭ燃焼触媒層２６ｅは、触媒層に貴金属を含んでいる。即ち、三元触媒としての機能を有しており、上記三元触媒２５と同様に、空燃比がストイキ近傍にあり、触媒が活性状態であるときに炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する機能を有する。さらに、図６に示すように、ＰＭ燃焼触媒層２６ｅの温度、即ち多機能触媒２６の温度である多機能触媒温度Ｔmが活性温度に達していない場合でも（第２所定温度未満であるとき）、空燃比をストイキよりもリーンとすることで低温ＨＣトラップ触媒層２６ｃより脱離したＨＣを浄化する機能を有している。また、ＰＭ燃焼触媒層２６ｅは、ＰＭ燃焼触媒層２６ｅの温度、即ち多機能触媒２６の温度である多機能触媒温度Ｔmを三元触媒のＰＭ燃焼が短時間に進行しやすい第５所定温度（約６５０℃）とし、ガソリンパティキュレートフィルタ２６ｂにて捕集され堆積したＰＭを燃焼するときに発生するＣＯ等の浄化する機能も有している。

【0027】

そして、上記水温センサ４、クランク角センサ９、排気圧センサ２７、空燃比センサ２８、排気圧センサ２９、排気温センサ３０、吸気圧センサ、スロットルポジションセンサ、エアフローセンサ及び車両の車速を検出する図示しない車速センサ等の各種センサ類は、車両に搭載されている電子コントロールユニット（空燃比制御手段）４０の入力側に電気的に接続されており、これらセンサ類からの検出情報が電子コントロールユニット４０に入力される。

【0028】

一方、電子コントロールユニット４０の出力側には、上記点火プラグ１１、筒内噴射用インジェクタ２１、電子制御スロットルバルブ等の各種装置が電気的に接続されており、これら各種装置には各種センサ類からの検出情報に基づき演算された点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等がそれぞれ出力される。
電子コントロールユニット４０は、排気温センサ３０にて検出される排気温より多機能触媒２６内の温度である多機能触媒温度（本発明の各触媒層の温度に相当）Ｔmを算出する。そして、電子コントロールユニット４０は、多機能触媒温度Ｔmに基づいて、所望の多機能触媒温度Ｔm及び所望の空燃比となるように筒内噴射用インジェクタ２１からの燃料噴射量を制御する多機能触媒２６の空燃比及び温度制御を行う。詳しくは、電子コントロールユニット４０は、多機能触媒温度Ｔmが第２所定温度未満であると、空燃比がリーンとなるように筒内噴射用インジェクタ２１の作動を制御する（図６のリーン運転）。また、多機能触媒温度Ｔmが第２所定温度以上で第３所定温度未満であると、空燃比がスライトリッチとなるように筒内噴射用インジェクタ２１の作動を制御する（図６のスライトリッチ運転）。図６のスライトリッチ運転では、図７に示すように、空燃比の平均値がスライトリッチとなるように、所定時間（例えば、約１ｓｅｃ）内に空燃比をリッチとリーンとに変化させるサイクルを複数回実施して、平均空燃比をスライトリッチ（例えば、平均空燃比が理論空燃比よりも０．３〜３．０％リッチ）とする。ここで、平均空燃比を過度のリッチ設定（理論空燃比より３．０％を上回るリッチ設定）にすると、ＮＯｘの還元性能は高まるが、ＨＣやＣＯの酸化性能が低下するため、好ましくない。また、平均空燃比を過少のリッチ設定（理論空燃比より０．３％を下回るリッチ設定）にすると、ＮＯｘの還元性能が低下するため、好ましくない。さらに、平均空燃比をスライトリッチにしたうえで、空燃比をリッチとリーンとに交互に変動させることで、ＮＯｘの還元性能だけでなく、ＨＣやＣＯの酸化性能の低下も抑制できる。そして、多機能触媒温度Ｔmが、第３所定温度以上であるときには、空燃比センサ２８にて検出される空燃比がストイキとなるように、筒内噴射用インジェクタ２１の作動を制御する（図６のストイキフィードバック運転）。

【0029】

また、電子コントロールユニット４０は、排気圧センサ２７にて検出される多機能触媒２６の上流側の排気圧力と、排気圧センサ２９にて検出される多機能触媒２６の下流側の排気圧力との差に基づき、多機能触媒２６内のＰＭ堆積量を推定する。そして、ＰＭ堆積量が閾値を越えると、多機能触媒温度Ｔmが第４所定温度（約５００℃）以上で、第５所定温度（約６５０℃）未満であれば、多機能触媒温度Ｔmが第５所定温度以上となるように、筒内噴射用インジェクタ２１の作動を制御する（図６の触媒昇温運転）。また、多機能触媒温度Ｔmが第５所定温度以上であれば、多機能触媒２６内のＰＭが燃焼するように筒内噴射用インジェクタ２１の作動を制御する（図６のＰＭ燃焼運転）。

【0030】

次に電子コントロールユニット４０での多機能触媒２６の空燃比及び温度制御について説明する。
図８は、電子コントロールユニット４０が実行する多機能触媒２６の空燃比及び温度制御のフローチャートの一部であり、図９は、電子コントロールユニット４０が実行する多機能触媒２６の空燃比及び温度制御のフローチャートの残部である。

【0031】

図８及び図９に示すように、ステップＳ１０では、エンジン１の運転条件を検出する。詳しくは、クランク角センサ９、吸気圧センサ、スロットルポジションセンサ、エアフローセンサ及び車速センサ等の各種センサ類での検出結果より、エンジン１の運転条件を検出する。そして、ステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２では、エンジン水温Ｔcを検出する。詳しくは、水温センサ４にてエンジン１の冷却水の温度であるエンジン水温Ｔcを検出する。そして、ステップＳ１４に進む。

【0032】

ステップＳ１４では、エンジン水温Ｔcが０℃以上であるか、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）でエンジン水温Ｔcが０℃以上であれば、ステップＳ１６に進む。また、判別結果が否（Ｎｏ）でエンジン水温Ｔcが０℃以上でなければ、本ルーチンをリターンする。
ステップＳ１６では、多機能触媒温度Ｔmを検出する。詳しくは、排気温センサ３０にて検出される多機能触媒２６の下流側の排気温度より、多機能触媒２６の温度である多機能触媒温度Ｔmを算出する。そして、ステップＳ１８に進む。

【0033】

ステップＳ１８では、多機能触媒温度Ｔmが第２所定温度未満か、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で多機能触媒温度Ｔmが第２所定温度未満であれば、ステップＳ２０に進む。また、判別結果が否（Ｎｏ）で多機能触媒温度Ｔmが第２所定温度未満でなければ、ステップＳ２２に進む。
ステップＳ２０では、リーン運転を実施する。詳しくは、空燃比がリーン空燃比となるように筒内噴射用インジェクタ２１の作動を制御するリーン運転を実施する（図６のリーン運転）。そして、本ルーチンをリターンする。

【0034】

一方、ステップＳ２２では、多機能触媒温度Ｔmが第３所定温度未満か、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で多機能触媒温度Ｔmが第３所定温度未満であれば、ステップＳ２４に進む。また、判別結果が否（Ｎｏ）で多機能触媒温度Ｔmが第３所定温度未満でなければ、ステップＳ２６に進む。
ステップＳ２４では、スライトリッチ運転を実施する。詳しくは、空燃比がスライトリッチとなるように筒内噴射用インジェクタ２１の作動を制御するスライトリッチ運転を実施する（図６のスライトリッチ運転）。スライトリッチ運転では、図７に示すように、空燃比の平均値がスライトリッチとなるように、所定時間（約１ｓｅｃ）内に空燃比をリッチとリーンとに変化させるサイクルを複数回実施して、空燃比をスライトリッチとする。そして、本ルーチンをリターンする。

【0035】

一方、ステップＳ２６では、ストイキフィードバック運転を実施する。詳しくは、空燃比センサ２８にて検出される空燃比がストイキとなるように、筒内噴射用インジェクタ２１の作動を制御するストイキフィードバック運転を実施する（図６のストイキフィードバック運転）。そして、ステップＳ２８に進む。
ステップＳ２８では、ＰＭ堆積量を推定する。詳しくは、排気圧センサ２７にて検出される多機能触媒２６の上流側の排気圧力と、排気圧センサ２９にて検出される多機能触媒２６の下流側の排気圧力との差に基づいて、ＰＭ堆積量を推定する。そして、ステップＳ３０に進む。

【0036】

ステップＳ３０では、ＰＭ再生条件が成立したか、否かを判別する。詳しくは、ＰＭ堆積量が閾値以上、且つ、ステップＳ１０にて検出されるエンジン運転条件が所定条件となるＰＭ再生条件が成立したか、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）でＰＭ堆積量が閾値を越え、エンジン運転条件が所定条件を満たしていれば、ＰＭ再生条件が成立したと判別し、ステップＳ３２に進む。また、判別結果が否（Ｎｏ）でＰＭ堆積量及びエンジン運転条件のいずれかが条件を満たしていなければ、ＰＭ再生条件が成立していないと判別し、本ルーチンをリターンする。

【0037】

ステップＳ３２では、多機能触媒温度Ｔmが第４所定温度以上であって、第５所定温度未満であるか、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で多機能触媒温度Ｔmが第４所定温度以上であって、第５所定温度未満であれば、ステップＳ３４に進む。また、判別結果が否（Ｎｏ）で多機能触媒温度Ｔmが第４所定温度以上であって、第５所定温度未満でなければ、ステップＳ３８に進む。

【0038】

ステップＳ３４では、昇温条件が成立しているか、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で昇温条件が成立していれば、ステップＳ３６に進む。また、判別結果が否（Ｎｏ）で昇温条件が成立していなければ、本ルーチンをリターンする。
ステップＳ３６では、触媒昇温運転を実施する。詳しくは、多機能触媒温度Ｔmが第５所定温度以上となるように、筒内噴射用インジェクタ２１の作動を制御する触媒昇温運転を実施する（図６の触媒昇温運転）。そして、本ルーチンをリターンする。

【0039】

一方、ステップＳ３８では、多機能触媒温度Ｔmが第５所定温度以上であるか、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で多機能触媒温度Ｔmが第５所定温度以上であれば、ステップＳ４０に進む。また、判別結果が否（Ｎｏ）で多機能触媒温度Ｔmが第５所定温度以上でなければ、本ルーチンをリターンする。
ステップＳ４０では、ＰＭ燃焼運転を実施する。詳しくは、多機能触媒２６に堆積したＰＭが燃焼するように、筒内噴射用インジェクタ２１の作動を制御するＰＭ燃焼運転を実施する（図６のＰＭ燃焼運転）。そして、本ルーチンをリターンする。

【0040】

このように本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、図６に示すように、エンジン１の始動時等で多機能触媒温度Ｔmが第２所定温度未満である場合には、エンジン１より排出されるＮＯｘを低温ＮＯｘ吸着触媒層２６ｄに吸着させることができる。そして、多機能触媒温度Ｔmが第２所定温度以上である場合には、空燃比をスライトリッチとすることで、下流のＰＭ燃焼触媒層２６ｅにて低温ＮＯｘ吸着触媒層２６ｄより脱離したＮＯｘを効率よく浄化することができる。また、多機能触媒温度Ｔmが第１所定温度未満である場合には、エンジン１から排出される炭化水素（ＨＣ）を低温ＨＣトラップ触媒層２６ｃにトラップすることができる。そして、多機能触媒温度Ｔmが第１所定温度以上である場合に、空燃比をリーンとすることで、下流のＰＭ燃焼触媒層２６ｅにて低温ＨＣトラップ触媒層２６ｃより脱離したＨＣをより高い効率で浄化することができる。また、エンジン１より排出される微粒子状物質（ＰＭ）は、ガソリンパティキュレートフィルタ２６ｂにて捕集することができる。

【0041】

このように、低温ＨＣトラップ触媒層２６ｃと低温ＮＯｘ吸着触媒層２６ｄとＰＭ燃焼触媒層２６ｅとを担持したガソリンパティキュレートフィルタ２６ｂと電子コントロールユニット４０とからなる簡単な構成とすることで、排気圧力の上昇によるエンジン１の性能低下を抑制しつつ、各触媒の温度が低温であっても確実に排気を浄化することができる。

【0042】

また、ＰＭ燃焼触媒層２６ｅの排気流れ方向の長さＬ２を低温ＨＣトラップ触媒層２６ｃと低温ＮＯｘ吸着触媒層２６ｄとが積層して形成される触媒層の排気流れ方向の担持長さＬ１より長く、即ちＰＭ燃焼触媒層２６ｅの排気との接触面積が大きくなるようにすることで、低温用ＮＯｘ吸着層２６ｄより脱離したＮＯｘ及び低温用ＨＣトラップ層２６ｃより脱離したＨＣを確実にＰＭ燃焼触媒層２６ｅで浄化することができる。

【0043】

以上で発明の実施形態の説明を終えるが、発明の形態は本実施形態に限定されるものではない。
本実施形態では、低温用ＮＯｘ吸着層２６ｄを低温用ＨＣトラップ層２６ｃ上に担持するようにしているが、これに限定されるものではなく、低温用ＨＣトラップ層２６ｃを低温用ＮＯｘ吸着層２６ｄ上に担持するようにしてもよい。

【0044】

また、ＰＭ燃焼触媒層２６ｅを低温ＨＣトラップ触媒層２６ｃと低温ＮＯｘ吸着触媒層２６ｄとが積層して形成される触媒層の排気流れ方向の下流側のガソリンパティキュレートフィルタ２６ｂのみに担持しているが、これに限定されるものではなく、低温ＮＯｘ吸着触媒層２６ｄとが積層して形成される触媒層の排気流れ方向の下流側と共に、低温ＨＣトラップ触媒層２６ｃと低温ＮＯｘ吸着触媒層２６ｄとが積層して形成される触媒層上側に担持してもよい。

【符号の説明】

【0045】

１ エンジン（内燃機関）
２１ 筒内噴射用インジェクタ（空燃比制御手段）
２４ 排気管（排気通路）
２５ 三元触媒
２６ 多機能触媒
２６ｂ ガソリンパティキュレートフィルタ（パティキュレートフィルタ）
２６ｃ 低温ＨＣトラップ触媒層（第１触媒層）
２６ｄ 低温ＮＯｘ吸着触媒層（第２触媒層）
２６ｅ ＰＭ燃焼触媒層（第３触媒層）
３０ 排気温センサ
４０ 電子コントロールユニット（空燃比制御手段）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】