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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】P2023180376
(43)【公開日】2023-12-21
(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 3/08 20060101AFI20231214BHJP
【ＦＩ】
F01N3/08 C ZHV
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022093627
(22)【出願日】2022-06-09
(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
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一
(74)【代理人】
【識別番号】100147555
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 公一
(74)【代理人】
【識別番号】100123593
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 宣夫
(74)【代理人】
【識別番号】100133835
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 努
(72)【発明者】
【氏名】萱沼 良介
(72)【発明者】
【氏名】佐久間 哲哉
【テーマコード（参考）】
3G091
【Ｆターム（参考）】
3G091AA02
3G091AA10
3G091AA14
3G091AB03
3G091AB14
3G091BA14
3G091BA15
3G091BA19
3G091CA24
3G091DC03
3G091EA18
3G091EA33
3G091EA34
3G091EA36
(57)【要約】
【課題】内燃機関の運転中に浄化対象の成分が排気浄化装置から流出することを抑制する。
【解決手段】機関本体１０から排出された排気ガスを浄化する内燃機関１の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路内に配置され且つ排気ガス中の対象成分を浄化することができる排気浄化触媒４４と、排気浄化触媒の排気流れ方向下流側において排気通路内に配置された電気化学リアクタ４５と、電気化学リアクタへの通電を制御する制御装置と、を備える。電気化学リアクタは通電されると排気ガス中の前記対象成分を浄化するように構成される。制御装置は、排気浄化触媒の活性状態を表す活性パラメータと、電気化学リアクタに流入する流入排気ガスの空燃比に関連する空燃比パラメータとに基づいて、電気化学リアクタへの通電を制御する。
【選択図】図４
【解決手段】機関本体１０から排出された排気ガスを浄化する内燃機関１の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路内に配置され且つ排気ガス中の対象成分を浄化することができる排気浄化触媒４４と、排気浄化触媒の排気流れ方向下流側において排気通路内に配置された電気化学リアクタ４５と、電気化学リアクタへの通電を制御する制御装置と、を備える。電気化学リアクタは通電されると排気ガス中の前記対象成分を浄化するように構成される。制御装置は、排気浄化触媒の活性状態を表す活性パラメータと、電気化学リアクタに流入する流入排気ガスの空燃比に関連する空燃比パラメータとに基づいて、電気化学リアクタへの通電を制御する。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
機関本体から排出された排気ガスを浄化する内燃機関の排気浄化装置であって、
前記内燃機関の排気通路内に配置され且つ排気ガス中の対象成分を浄化することができる排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側において前記排気通路内に配置された電気化学リアクタと、
前記電気化学リアクタへの通電を制御する制御装置と、を備え、
前記電気化学リアクタは通電されると排気ガス中の前記対象成分を浄化するように構成され、
前記制御装置は、前記排気浄化触媒の活性状態を表す活性パラメータと、前記電気化学リアクタに流入する流入排気ガスの空燃比に関連する空燃比パラメータとに基づいて、前記電気化学リアクタへの通電を制御する、内燃機関の排気浄化装置。
前記内燃機関の排気通路内に配置され且つ排気ガス中の対象成分を浄化することができる排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側において前記排気通路内に配置された電気化学リアクタと、
前記電気化学リアクタへの通電を制御する制御装置と、を備え、
前記電気化学リアクタは通電されると排気ガス中の前記対象成分を浄化するように構成され、
前記制御装置は、前記排気浄化触媒の活性状態を表す活性パラメータと、前記電気化学リアクタに流入する流入排気ガスの空燃比に関連する空燃比パラメータとに基づいて、前記電気化学リアクタへの通電を制御する、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項2】
前記制御装置は、前記活性パラメータが前記排気浄化触媒が活性していることを表す値であって且つ前記空燃比パラメータが前記流入排気ガスの空燃比が理論空燃比とは異なる空燃比であることを表す値であるときには、前記電気化学リアクタに通電する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項3】
前記制御装置は、前記活性パラメータが前記排気浄化触媒が活性していることを表す値であって且つ前記空燃比パラメータが前記流入排気ガスの空燃比が理論空燃比あることを表す値であるときには、前記電気化学リアクタに通電しない、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項4】
前記排気浄化触媒から流出して前記電気化学リアクタに流入する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサを更に備え、
前記空燃比パラメータは、前記空燃比センサによって検出された空燃比である、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記空燃比パラメータは、前記空燃比センサによって検出された空燃比である、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項5】
前記排気浄化触媒は、酸素を吸蔵することができるように構成され、
前記空燃比パラメータは、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量である、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記空燃比パラメータは、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量である、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項6】
前記制御装置は、前記活性パラメータが前記排気浄化触媒が活性していることを表す値であって且つ前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量であるときには、前記電気化学リアクタに通電する、請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項7】
前記制御装置は、前記活性パラメータが前記排気浄化触媒が活性していることを表す値であって且つ前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量でないときには、前記電気化学リアクタに通電しない、請求項５又は６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項8】
前記制御装置は、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量に到達してから所定時間の経過後に前記電気化学リアクタに通電し、
前記所定時間は、前記機関本体から排出された排気ガスの流速が速いときには遅いときに比べて短く設定される、請求項５又は６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記所定時間は、前記機関本体から排出された排気ガスの流速が速いときには遅いときに比べて短く設定される、請求項５又は６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項9】
前記制御装置は、前記活性パラメータが前記排気浄化触媒が活性していないことを表す値であるときには、前記空燃比パラメータの値にかかわらずに、前記電気化学リアクタに通電する、請求項１、２、５、６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項10】
前記排気浄化触媒から流出して前記電気化学リアクタに流入する前の排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを更に備え、
前記活性パラメータは前記ＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度又は該ＮＯｘ濃度に基づいて算出されるパラメータである、請求項１、２、５、６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記活性パラメータは前記ＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度又は該ＮＯｘ濃度に基づいて算出されるパラメータである、請求項１、２、５、６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】
本開示は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、イオン伝導性の固体電解質層と、固体電解質の表面上に配置されたアノード層と、固体電解質の表面上に配置されたカソード層とを備える電気化学リアクタを備える内燃機関の排気浄化装置が知られている（特許文献１、２）。
【0003】
特に、特許文献２には、排気浄化触媒の温度がその活性温度よりも低いときに電気化学リアクタに電流を供給して電気化学リアクタにて排気ガスの浄化を行い、排気浄化触媒の温度がその活性温度以上になると電気化学リアクタへの電流の供給を停止することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平８－２３８４２２号公報
【特許文献2】特開２０１９－１９６７４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献２では、排気浄化触媒の温度が活性温度以上になると電気化学リアクタへの電流の供給が停止される。しかしながら、排気浄化触媒の温度が活性温度以上の場合であっても、内燃機関の運転中に排気浄化触媒から浄化対象の成分が流出する場合がある。
【0006】
上記課題に鑑みて、本開示の目的は、電気化学リアクタを用いた排気浄化装置において、内燃機関の運転中に浄化対象の成分が排気浄化装置から流出することを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の要旨は以下のとおりである。
【0008】
（１）機関本体から排出された排気ガスを浄化する内燃機関の排気浄化装置であって、
前記内燃機関の排気通路内に配置され且つ排気ガス中の対象成分を浄化することができる排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側において前記排気通路内に配置された電気化学リアクタと、
前記電気化学リアクタへの通電を制御する制御装置と、を備え、
前記電気化学リアクタは通電されると排気ガス中の前記対象成分を浄化するように構成され、
前記制御装置は、前記排気浄化触媒の活性状態を表す活性パラメータと、前記電気化学リアクタに流入する流入排気ガスの空燃比に関連する空燃比パラメータとに基づいて、前記電気化学リアクタへの通電を制御する、内燃機関の排気浄化装置。
（２）前記制御装置は、前記活性パラメータが前記排気浄化触媒が活性していることを表す値であって且つ前記空燃比パラメータが前記流入排気ガスの空燃比が理論空燃比とは異なる空燃比であることを表す値であるときには、前記電気化学リアクタに通電する、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（３）前記制御装置は、前記活性パラメータが前記排気浄化触媒が活性していることを表す値であって且つ前記空燃比パラメータが前記流入排気ガスの空燃比が理論空燃比あることを表す値であるときには、前記電気化学リアクタに通電しない、上記（１）又は（２）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（４）前記排気浄化触媒から流出して前記電気化学リアクタに流入する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサを更に備え、
前記空燃比パラメータは、前記空燃比センサによって検出された空燃比である、上記（１）～（３）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
（５）前記排気浄化触媒は、酸素を吸蔵することができるように構成され、
前記空燃比パラメータは、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量である、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（６）前記制御装置は、前記活性パラメータが前記排気浄化触媒が活性していることを表す値であって且つ前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量であるときには、前記電気化学リアクタに通電する、上記（５）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（７）前記制御装置は、前記活性パラメータが前記排気浄化触媒が活性していることを表す値であって且つ前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量でないときには、前記電気化学リアクタに通電しない、上記（５）又は（６）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（８）前記制御装置は、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量に到達してから所定時間の経過後に前記電気化学リアクタに通電し、
前記所定時間は、前記機関本体から排出された排気ガスの流速が速いときには遅いときに比べて短く設定される、上記（５）～（７）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
（９）前記制御装置は、前記活性パラメータが前記排気浄化触媒が活性していないことを表す値であるときには、前記空燃比パラメータの値にかかわらずに、前記電気化学リアクタに通電する、上記（１）～（８）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
（１０）前記排気浄化触媒から流出して前記電気化学リアクタに流入する前の排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを更に備え、
前記活性パラメータは前記ＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度又は該ＮＯｘ濃度に基づいて算出されるパラメータである、上記（１）～（９）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記内燃機関の排気通路内に配置され且つ排気ガス中の対象成分を浄化することができる排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側において前記排気通路内に配置された電気化学リアクタと、
前記電気化学リアクタへの通電を制御する制御装置と、を備え、
前記電気化学リアクタは通電されると排気ガス中の前記対象成分を浄化するように構成され、
前記制御装置は、前記排気浄化触媒の活性状態を表す活性パラメータと、前記電気化学リアクタに流入する流入排気ガスの空燃比に関連する空燃比パラメータとに基づいて、前記電気化学リアクタへの通電を制御する、内燃機関の排気浄化装置。
（２）前記制御装置は、前記活性パラメータが前記排気浄化触媒が活性していることを表す値であって且つ前記空燃比パラメータが前記流入排気ガスの空燃比が理論空燃比とは異なる空燃比であることを表す値であるときには、前記電気化学リアクタに通電する、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（３）前記制御装置は、前記活性パラメータが前記排気浄化触媒が活性していることを表す値であって且つ前記空燃比パラメータが前記流入排気ガスの空燃比が理論空燃比あることを表す値であるときには、前記電気化学リアクタに通電しない、上記（１）又は（２）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（４）前記排気浄化触媒から流出して前記電気化学リアクタに流入する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサを更に備え、
前記空燃比パラメータは、前記空燃比センサによって検出された空燃比である、上記（１）～（３）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
（５）前記排気浄化触媒は、酸素を吸蔵することができるように構成され、
前記空燃比パラメータは、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量である、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（６）前記制御装置は、前記活性パラメータが前記排気浄化触媒が活性していることを表す値であって且つ前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量であるときには、前記電気化学リアクタに通電する、上記（５）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（７）前記制御装置は、前記活性パラメータが前記排気浄化触媒が活性していることを表す値であって且つ前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量でないときには、前記電気化学リアクタに通電しない、上記（５）又は（６）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（８）前記制御装置は、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量に到達してから所定時間の経過後に前記電気化学リアクタに通電し、
前記所定時間は、前記機関本体から排出された排気ガスの流速が速いときには遅いときに比べて短く設定される、上記（５）～（７）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
（９）前記制御装置は、前記活性パラメータが前記排気浄化触媒が活性していないことを表す値であるときには、前記空燃比パラメータの値にかかわらずに、前記電気化学リアクタに通電する、上記（１）～（８）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
（１０）前記排気浄化触媒から流出して前記電気化学リアクタに流入する前の排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを更に備え、
前記活性パラメータは前記ＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度又は該ＮＯｘ濃度に基づいて算出されるパラメータである、上記（１）～（９）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の効果】
【0009】
本開示によれば、電気化学リアクタを用いた排気浄化装置において、内燃機関の運転中に浄化対象の成分が排気浄化装置から流出することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【0012】
第一実施形態
＜内燃機関全体の説明＞
図１を参照して、第一実施形態に係る排気浄化装置が搭載された第一実施形態に係る排気浄化装置が搭載された内燃機関１の構成について説明する。図１は、内燃機関１の概略的な構成図である。図１に示されるように、内燃機関１は、機関本体１０、燃料供給装置２０、吸気系３０、排気系４０及び制御装置５０を備える。機関本体１０から排出された排気ガスを浄化する排気浄化装置は、排気系４０及び制御装置５０の各構成要素を有する。
＜内燃機関全体の説明＞
図１を参照して、第一実施形態に係る排気浄化装置が搭載された第一実施形態に係る排気浄化装置が搭載された内燃機関１の構成について説明する。図１は、内燃機関１の概略的な構成図である。図１に示されるように、内燃機関１は、機関本体１０、燃料供給装置２０、吸気系３０、排気系４０及び制御装置５０を備える。機関本体１０から排出された排気ガスを浄化する排気浄化装置は、排気系４０及び制御装置５０の各構成要素を有する。
【0013】
機関本体１０は、複数の気筒１１が形成されたシリンダブロックと、吸気ポート及び排気ポートが形成されたシリンダヘッドと、クランクケースとを備える。各気筒１１内にはピストンが配置されると共に、各気筒１１は吸気ポート及び排気ポートに連通している。
【0014】
燃料供給装置２０は、燃料噴射弁２１、デリバリパイプ２２、燃料供給管２３、燃料ポンプ２４及び燃料タンク２５を備える。燃料噴射弁２１は、各気筒１１内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッドに配置されている。燃料ポンプ２４によって圧送された燃料は、燃料供給管２３を介してデリバリパイプ２２に供給され、燃料噴射弁２１から各気筒１１内に噴射される。
【0015】
吸気系３０は、吸気マニホルド３１、吸気管３２、エアクリーナ３３、過給機５のコンプレッサ３４、インタークーラ３５、及びスロットル弁３６を備える。各気筒１１の吸気ポートは、吸気マニホルド３１及び吸気管３２を介してエアクリーナ３３に連通している。吸気管３２内には、吸入空気を圧縮して吐出する過給機５のコンプレッサ３４と、コンプレッサ３４によって圧縮された空気を冷却するインタークーラ３５とが設けられている。スロットル弁３６は、スロットル弁駆動アクチュエータ３７によって開閉駆動される。
【0016】
排気系４０は、排気マニホルド４１、排気管４２、過給機５のタービン４３、排気浄化触媒４４及び電気化学リアクタ（以下、単に「リアクタ」という）４５を備える。各気筒１１の排気ポートは、排気マニホルド４１及び排気管４２を介して排気浄化触媒４４に連通し、排気浄化触媒４４は排気管４２を介してリアクタ４５に連通している。排気管４２内には、排気ガスのエネルギによって回転駆動せしめられる過給機５のタービン４３が設けられている。排気ポート、排気マニホルド４１、排気管４２、排気浄化触媒４４及びリアクタ４５は排気通路を形成する。したがって、排気浄化触媒４４及びリアクタ４５は排気通路内に配置されている。また、リアクタ４５は、排気ガスの流れ方向（排気流れ方向）において、排気浄化触媒４４の下流側に配置される。
【0017】
排気浄化触媒４４は、例えば、三元触媒であり、一定の活性温度以上になると、排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときにＮＯｘや未燃ＨＣ、ＣＯ等の排気ガス中の成分を浄化する。また、排気浄化触媒４４は、酸素吸蔵能力を有する。したがって、排気浄化触媒４４は、排気浄化触媒４４内を流れる排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比である場合には排気ガス中の酸素を吸蔵し、排気浄化触媒４４内を流れる排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比である場合には吸蔵されている酸素を放出する。このため、排気浄化触媒４４にリーン空燃比の排気ガスが流入すると、排気ガス中の酸素が排気浄化触媒４４に吸蔵されて排気ガスの空燃比が理論空燃比になり、よって排気ガス中のＮＯｘや未燃ＨＣ、ＣＯ等が浄化される。ただし、排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がほぼ最大吸蔵可能酸素量になると、排気浄化触媒４４はそれ以上酸素を吸蔵することができなくなり、よって排気ガス中のＮＯｘを浄化することができなくなる。一方、排気浄化触媒４４にリッチ空燃比の排気ガスが流入すると、排気浄化触媒４４から酸素が放出されて排気ガスの空燃比が理論空燃比になり、よって排気ガス中のＮＯｘや未燃ＨＣ、ＣＯ等が浄化される。ただし、排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がほぼゼロになると、排気浄化触媒４４からはそれ以上酸素を放出することができなくなり、よって排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯ等を浄化することができなくなる。
【0018】
制御装置５０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）５１及び各種センサを備える。ＥＣＵ５１は、各種処理を行うプロセッサと、プロセッサで実行されるプログラムや各種データを記憶するメモリとを有する。制御装置５０は、各種センサとして、例えば、内燃機関１への吸入空気量を検出する空気量センサ５２、排気浄化触媒４４の温度を検出する温度センサ５３、リアクタ４５に流入する排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサ５４を有し、これらセンサはＥＣＵ５１に接続される。加えて、制御装置５０は、各種センサとして、例えば、内燃機関１の負荷を検出する負荷センサ５５、機関回転速度を検出するのに用いられるクランク角センサ５６を有し、これらセンサもＥＣＵ５１に接続される。また、ＥＣＵ５１は、内燃機関１の運転を制御する各アクチュエータに接続される。図１に示される例では、ＥＣＵ５１は、燃料噴射弁２１、燃料ポンプ２４及びスロットル弁駆動アクチュエータ３７に接続され、これらアクチュエータを制御している。
【0019】
＜電気化学リアクタの構成＞
次に、図２及び図３を参照して、本実施形態に係るリアクタ４５の構成について説明する。図２は、リアクタ４５の断面側面図である。図２に示されるように、リアクタ４５は、隔壁７１と、隔壁によって画定される通路７２とを備える。隔壁７１は、互いに平行に延びる複数の第１隔壁と、これら第１隔壁に対して垂直に且つ互いに平行に延びる複数の第２隔壁とを備える。通路７２は、これら第１隔壁及び第２隔壁によって画定され、互いに平行に延びる。したがって、本実施形態に係るリアクタ４５は、ハニカム構造を有する。リアクタ４５に流入した排気ガスは複数の通路７２を通って流れる。なお、隔壁７１は、互いに平行に延びる複数の隔壁のみから形成されて、これら複数の隔壁に対して垂直な隔壁は備えないように形成されてもよい。
次に、図２及び図３を参照して、本実施形態に係るリアクタ４５の構成について説明する。図２は、リアクタ４５の断面側面図である。図２に示されるように、リアクタ４５は、隔壁７１と、隔壁によって画定される通路７２とを備える。隔壁７１は、互いに平行に延びる複数の第１隔壁と、これら第１隔壁に対して垂直に且つ互いに平行に延びる複数の第２隔壁とを備える。通路７２は、これら第１隔壁及び第２隔壁によって画定され、互いに平行に延びる。したがって、本実施形態に係るリアクタ４５は、ハニカム構造を有する。リアクタ４５に流入した排気ガスは複数の通路７２を通って流れる。なお、隔壁７１は、互いに平行に延びる複数の隔壁のみから形成されて、これら複数の隔壁に対して垂直な隔壁は備えないように形成されてもよい。
【0020】
図３は、リアクタ４５の隔壁７１の拡大断面図である。図３に示されるように、リアクタ４５の隔壁７１は、固体電解質層７５と、固体電解質層７５の一方の表面上に配置されたアノード層７６と、アノード層７６が配置された表面とは反対側の固体電解質層７５の表面上に配置されたカソード層７７とを備える。これら固体電解質層７５、アノード層７６及びカソード層７７はセル７８を形成する。排気ガスの各通路７２には、少なくとも一つのセル７８のアノード層７６が曝されると共に、少なくとも一つの別のセル７８のカソード層７７が曝される。
【0021】
固体電解質層７５は、プロトン伝導性を有する多孔質の固体電解質を含む。固体電解質としては、例えば、ペロブスカイト型金属酸化物ＭＭ’1-xＲxＯ3-α（Ｍ＝Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍ’＝Ｃｅ，Ｚｒ、Ｒ＝Ｙ、Ｙｂであり、例えば、ＳｒＺｒxＹｂ1-xＯ3-α、ＳｒＣｅＯ3、ＢａＣｅＯ3、ＣａＺｒＯ3、ＳｒＺｒＯ3など）、リン酸塩（例えば、ＳｉＯ2－Ｐ2Ｏ5系ガラスなど）、金属ドープＳｎxＩｎ1-xＰ2Ｏ7（例えば、ＳｎＰ2Ｏ7など）又はゼオライト（例えば、ＺＳＭ－５）が使用される。
【0022】
アノード層７６及びカソード層７７は、共にＰｔ、Ｐｄ又はＲｈ等の貴金属を含む。また、アノード層７６は、水分子を保持可能（すなわち、吸着可能及び／又は吸収可能）な物質（水分子保持材）を含む。水分子を保持可能な物質としては、具体的には、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナ等が挙げられる。
【0023】
一方、カソード層７７は、ＮＯｘを保持可能（すなわち、吸着可能及び／又は吸収可能）な物質（ＮＯｘ保持材）を含む。ＮＯｘを保持可能な物質としては、具体的には、Ｋ、Ｎａ等のアルカリ金属、Ｂａ等のアルカリ土類金属、Ｌａ等の希土類等が挙げられる。
【0024】
また、内燃機関１は、電源装置８１、電流計８２及び電圧調整装置８３を備える。電源装置８１の正極はアノード層７６に接続され、電源装置８１の負極はカソード層７７に接続される。電圧調整装置８３は、アノード層７６とカソード層７７との間に印加される電圧を変化させることができるように構成される。また、電圧調整装置８３は、アノード層７６から固体電解質層７５を通ってカソード層７７に流れるようにリアクタ４５に供給される電流の大きさを変化させることができるように構成される。
【0025】
電源装置８１は、電流計８２と直列に接続されている。また、電流計８２は、ＥＣＵ５１に接続される。電圧調整装置８３は、ＥＣＵ５１に接続され、ＥＣＵ５１によって制御される。したがって、電圧調整装置８３及びＥＣＵ５１は、アノード層７６とカソード層７７との間に印加される電圧の大きさ（すなわち、リアクタ４５への通電）を制御する通電制御部として機能する。
【0026】
このように構成されたリアクタ４５では、電源装置８１からアノード層７６及びカソード層７７に電流が流されると、アノード層７６及びカソード層７７ではそれぞれ下記式のような反応が生じる。
アノード側： ２Ｈ2Ｏ→４Ｈ+＋Ｏ2＋４ｅ-
Ｈ2Ｏ→２Ｈ+＋Ｏ2-
カソード側： ２ＮＯ＋４Ｈ+＋４ｅ-→Ｎ2＋２Ｈ2Ｏ
アノード側： ２Ｈ2Ｏ→４Ｈ+＋Ｏ2＋４ｅ-
Ｈ2Ｏ→２Ｈ+＋Ｏ2-
カソード側： ２ＮＯ＋４Ｈ+＋４ｅ-→Ｎ2＋２Ｈ2Ｏ
【0027】
すなわち、アノード層７６では、アノード層７６に保持されている水分子が電気分解されて酸素及び酸素イオンとプロトンとが生成される。生成された酸素は排気ガス中に放出されると共に、生成されたプロトンは固体電解質層７５内をアノード層７６からカソード層７７へと移動する。カソード層７７では、カソード層７７に保持されているＮＯがプロトン及び電子と反応して窒素と水分子が生成される。
【0028】
したがって、本実施形態によれば、リアクタ４５の電源装置８１からアノード層７６及びカソード層７７に電流を流すことにより（すなわち、リアクタ４５に通電することにより）、カソード層７７のＮＯｘ保持材に保持されているＮＯをＮ2に還元、浄化することができる。
【0029】
また、アノード層７６では、排気ガス中に未燃ＨＣやＣＯ等が含まれる場合には、下記式のような反応により、酸素イオンがこれらＨＣやＣＯと反応して、二酸化炭素や水が生成される。なお、未燃ＨＣは、様々な成分を含むため、下記反応式中においてはＣmＨnとして表されている。したがって、本実施形態によれば、リアクタ４５の電源装置８１からアノード層７６及びカソード層７７に電流を流すことにより、排気ガス中のＨＣ及びＣＯを酸化、浄化することもできる。
ＣmＨn＋（２ｍ＋０．５ｎ）Ｏ2-→ｍＣＯ2＋０．５ｎＨ2Ｏ＋（４ｍ＋ｎ）ｅ-
ＣＯ＋Ｏ2-→ＣＯ2＋２ｅ-
ＣmＨn＋（２ｍ＋０．５ｎ）Ｏ2-→ｍＣＯ2＋０．５ｎＨ2Ｏ＋（４ｍ＋ｎ）ｅ-
ＣＯ＋Ｏ2-→ＣＯ2＋２ｅ-
【0030】
したがって、本実施形態では、リアクタ４５は通電されると、排気ガス中の浄化対象成分であるＮＯｘ、ＨＣ及びＣＯを浄化することができる。
【0031】
また、アノード層７６は未燃ＨＣを保持可能（すなわち、吸着可能及び／又は吸収可能）な物質（ＨＣ保持材）を含んでもよい。ＨＣを保持可能な物質としては、具体的には、ゼオライト等が挙げられる。アノード層７６がＨＣを保持可能な物質を含む場合には、保持されているＨＣと酸素イオンが反応して浄化される。
【0032】
なお、上記実施形態では、アノード層７６及びカソード層７７は固体電解質層７５の反対側の二つの表面上に配置されている。しかしながら、アノード層７６及びカソード層７７は、固体電解質層７５の同一の表面上に配置されてもよい。この場合、プロトンは、アノード層７６及びカソード層７７が配置された固体電解質層７５の表面近傍を移動することになる。
【0033】
また、本実施形態では、リアクタ４５の固体電解質層７５は、プロトン伝導性の固体電解質を含んでいる。しかしながら、固体電解質層７５は、プロトン伝導性の固体電解質の代わりに、酸素イオン伝導性の固体電解質等、他のイオン伝導性の固体電解質を含むように構成されてもよい。また、リアクタ４５は、通電することで未燃ＨＣ、ＣＯ又はＮＯｘを浄化することができれば、他の態様のリアクタであってもよい。
【0034】
【0035】
ところで、排気浄化触媒４４は、その温度が活性温度以上になると、基本的に、排気ガス中のＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等の浄化対象成分を十分に浄化することができる。一方で、排気浄化触媒４４の温度が活性温度未満であるときには、排気ガス中の浄化対象成分を十分に浄化することができない。また、排気浄化触媒４４の温度が活性温度以上であっても、例えば排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がほぼゼロであったり又はほぼ最大吸蔵可能酸素量であったりすると、排気ガス中の浄化対象成分を十分に浄化することができない。
【0036】
一方、リアクタ４５は、通電することによって排気ガス中の浄化対象成分を浄化することができる。しかしながら、リアクタ４５において浄化対象成分を浄化するためには、通電することが必要であるため、電力を消費する。したがって、リアクタ４５における消費電力を低減するという観点からは、できる限りリアクタ４５への通電時間は短いことが好ましい。
【0037】
そこで、本実施形態では、排気浄化触媒４４の活性状態を表す活性パラメータと、リアクタ４５に流入する流入排気ガスの空燃比に関連する空燃比パラメータとに基づいて、リアクタ４５への通電が制御される。具体的には、活性パラメータが排気浄化触媒４４が活性していることを表す値であって且つ空燃比パラメータが流入排気ガスの空燃比が理論空燃比とは異なる空燃比であることを表す値であるときには、リアクタ４５への通電が行われる。また、活性パラメータが排気浄化触媒４４が活性していることを表す値であって且つ空燃比パラメータが流入排気ガスの空燃比が理論空燃比あることを表す値であるときには、リアクタ４５への通電は行われない。一方、活性パラメータが排気浄化触媒４４が活性していないことを表す値であるときには、空燃比パラメータの値にかかわらずに、リアクタ４５への通電が行われる。
【0038】
図４は、第一実施形態に係るリアクタ４５の作動の制御を行った場合における、各種パラメータのタイムチャートである。図４における内燃機関１の運転要求は、ＯＮのときは内燃機関１の運転が要求されているとき、ＯＦＦのときは内燃機関１の運転が要求されていないときを表している。内燃機関１の運転要求は、例えば、ＥＣＵ５１において出力される。ＥＣＵ５１は、例えば、イグニッションスイッチがＯＮになったとき、ブレーキペダルの踏み込み量がゼロになったとき、ハイブリッド車両においてバッテリの充電率が所定値以下になったとき、などに運転要求がＯＮになる。また、図４における内燃機関１の運転状態は、ＯＮのときは内燃機関１が運転されているとき（クランクシャフトが回転されているとき）、ＯＦＦのときは内燃機関１が停止されているとき（クランクシャフトが停止しているとき）をそれぞれ表している。
【0039】
図４における触媒温度は、排気浄化触媒４４の温度を表しており、本実施形態では温度センサ５３によって検出された温度を表している。また、下流空燃比は、排気浄化触媒４４の下流側の排気ガス、すなわちリアクタ４５に流入する流入排気ガスの空燃比を表しており、本実施形態では下流側空燃比センサ５４によって検出された空燃比を表している。特に、図中の２本の一点鎖線は、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比と判断される範囲（例えば、実際の理論空燃比が１４．６である場合には、１４．４～１４．８の範囲）を表している。本実施形態では、内燃機関１は、機関本体１０から排出された排気ガスの空燃比が理論空燃比になるように制御される。
【0040】
また、図４におけるリアクタ４５の作動要求は、ＯＮのときはリアクタ４５の作動が要求されているとき、ＯＦＦのときはリアクタ４５の作動が要求されていないときを表している。リアクタ４５の作動が要求されているときにはリアクタ４５への通電が行われ、リアクタ４５の作動が要求されていないときにはリアクタ４５への通電が停止される。また、エミッション濃度は、リアクタ４５から流出する排気ガス中のエミッションの濃度、具体的には、斯かる排気ガス中のＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等の浄化対象成分の濃度を表している。図４では、リアクタ４５が用いられた場合のエミッションの濃度が実線で、リアクタ４５が用いられなかった場合のエミッション濃度が破線でそれぞれ示されている。
【0041】
図４に示された例では、内燃機関１が冷えている状態で、時刻ｔ1において内燃機関１の運転が要求される。時刻ｔ1において排気浄化触媒４４の温度が活性温度よりも低いことから、時刻ｔ1では排気浄化触媒４４による排気ガスの浄化能力が十分ではない。このため排気ガスを適切に浄化するために、内燃機関１の運転が要求された時刻ｔ1においてリアクタ４５の作動が要求される。
【0042】
リアクタ４５の作動が要求されてリアクタ４５への通電が開始されると、その後、時刻ｔ2において内燃機関１の運転が開始される。すなわち、本実施形態では、リアクタ４５への通電が開始された後に内燃機関１の運転が開始される。この結果、内燃機関１の運転開始直後においても、リアクタ４５によって排気ガス中の浄化対象成分を十分に浄化することができる。
【0043】
その後、排気浄化触媒４４の温度が活性温度未満である間、リアクタ４５への通電が継続される。この結果、排気浄化触媒４４から浄化対象成分を含む排気ガスが流出しても、浄化対象成分はリアクタ４５によって浄化される。時刻ｔ3において排気浄化触媒４４の温度が活性温度以上になると、リアクタ４５の作動要求が中止され、よってリアクタ４５への通電が停止される。しかしながら、排気浄化触媒４４の温度が活性温度以上であるため、排気ガス中の浄化対象成分は排気浄化触媒４４で浄化され、よってリアクタ４５への通電が停止された時刻ｔ3以降もリアクタ４５から流出する排気ガス中のエミッションの濃度はほぼゼロのまま維持される。
【0044】
図４に示される例では、その後、時刻ｔ4において内燃機関１の運転要求が中止され、時刻ｔ4以降、内燃機関１の運転が停止される。その結果、排気浄化触媒４４の温度は徐々に低下すると共に、排気管４２内には空気が流入することから、排気管４２内のガスの空燃比がリーン空燃比になる。
【0045】
その後、図４に示される例では、時刻ｔ5において内燃機関１の運転が再び要求されて内燃機関１の運転が開始される。このとき排気浄化触媒４４の温度は活性温度以上であり、また排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比であるため、リアクタ４５の作動要求は中止されたまま維持される。
【0046】
時刻ｔ6において、排気浄化触媒４４の温度が活性温度以上の状態で、排気浄化触媒４４から排出されてリアクタ４５に流入する流入排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍ではなくなると、リアクタ４５の作動が要求され、リアクタ４５への通電が行われる。流入排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍ではなくなると、流入排気ガス中には浄化対象成分が含まれることになるところ、リアクタ４５においてこれら浄化対象成分が浄化される。したがって、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍でないときでも、リアクタ４５から流出する排気ガス中のエミッションの濃度を低く抑えることができる。
【0047】
その後、時刻ｔ7において流入排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比になると、リアクタ４５の作動要求が中止され、リアクタ４５への通電が停止される。流入排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比であるため、排気浄化触媒４４から流出した排気ガス中には浄化対象成分はほとんど含まれておらず、よってリアクタ４５への通電を停止しても、リアクタ４５から流出する排気ガス中に浄化対象成分はほとんど含まれない。また、リアクタ４５への通電を停止することによって、内燃機関１における電力の消費を抑制することができる。
【0048】
図４に示される例では、時刻ｔ8及び時刻ｔ10においても同様に流入排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍ではなくなり、よってリアクタ４５への通電が行われる。そして、時刻ｔ9及び時刻ｔ11において流入排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比になると、リアクタ４５への通電が停止される。
【0049】
上述したように、本実施形態では、排気浄化触媒４４の活性状態と、リアクタ４５に流入する排気ガスの空燃比とに基づいて、リアクタ４５への通電が制御される。これにより、排気浄化触媒４４において浄化対象成分を十分に浄化できないときを検出するこができ、よって内燃機関１の運転中に浄化対象成分が排気浄化装置から流出することを抑制することができる。特に、本実施形態では、排気浄化触媒４４の温度が活性温度以上であっても流入排気ガスの空燃比が理論空燃比とは異なる空燃比（理論空燃比近傍でない空燃比）であるときにはリアクタ４５への通電が行われる。排気浄化触媒４４の温度が活性温度以上であっても、例えば酸素吸蔵量がほぼゼロ又はほぼ最大吸蔵可能酸素量であるような場合には、排気浄化触媒４４から浄化対象成分を含んだ排気ガスが流出するところ、このような場合でも排気浄化装置から浄化対象成分が流出することを抑制することができる。また、本実施形態では、排気浄化触媒４４の温度が活性温度以上であって流入排気ガスの空燃比が理論空燃比（ほぼ理論空燃比）であるときには、リアクタ４５への通電が行われない。このようなときには排気浄化触媒４４において浄化対象成分がほとんど浄化されているため排気浄化装置から浄化対象成分が流出することを抑制することができると共に、リアクタ４５への通電に伴う不必要な電力の消費を抑制することができる。一方、本実施形態では、排気浄化触媒４４の温度が活性温度未満であるときには、リアクタ４５への通電が行われる。このようなときには排気浄化触媒４４において浄化対象成分が十分に浄化されていないところ、リアクタ４５において浄化対象成分を浄化することができ。よって排気浄化装置から浄化対象成分が流出することを抑制することができる。
【0050】
また、上記実施形態では、リアクタ４５に流入する流入排気ガスの空燃比に関する空燃比パラメータとして、流入排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサ５４によって検出された空燃比が用いられる。したがって、流入排気ガスの空燃比を正確に検出することができる。また、上記実施形態では、排気浄化触媒４４の活性状態を表す活性パラメータとして温度センサ５３によって検出された排気浄化触媒４４の温度が用いられる。したがって、排気浄化触媒４４の活性状態を遅れることなく推定することができる。
【0051】
なお、上記実施形態では、排気浄化触媒４４が活性しているか否かを、排気浄化触媒４４の温度に基づいて判定している。しかしながら、排気浄化触媒４４が活性しているか否かは、排気浄化触媒４４の活性状態を表す他の活性パラメータに基づいて判定されてもよい。
【0052】
具体的には、例えば、排気浄化触媒４４の下流であってリアクタ４５の上流において排気管４２に、排気浄化触媒４４から流出してリアクタ４５に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ（図示せず）が設けられてもよい。そして、活性パラメータとして、このＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度が用いられてもよい。この場合、排気ガスの空燃比にかかわらず排気浄化触媒４４が活性してない場合には排気ガス中のＮＯｘ濃度が高いため、排気ガス中のＮＯｘ濃度が所定の基準値以上である場合には排気浄化触媒４４は活性していないと判定される。
【0053】
或いは、活性パラメータとして、ＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度に基づいて算出されるパラメータを用いてもよい。具体的には、例えば、活性パラメータとして、機関本体１０からのＮＯｘの排出濃度に対してＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ濃度の比率、すなわち排気浄化触媒４４におけるＮＯｘ浄化率が用いられてもよい。この場合、機関本体１０からのＮＯｘの排出濃度は、例えば、内燃機関１の運転状態に基づいて算出される。具体的には、機関本体１０からのＮＯｘの排出濃度は、例えば負荷センサ５５によって検出された内燃機関１の負荷及びクランク角センサ５６の出力に基づいて算出された機関回転速度に基づいて算出される。この場合、算出されたＮＯｘ浄化率が所定の基準値以下である場合に、排気浄化触媒４４は活性していないと判定される。
【0054】
このように活性パラメータとして、ＮＯｘ濃度又はＮＯｘ濃度に基づいて算出されたパラメータを用いることにより、多少の遅れはあるものの、排気浄化触媒４４が活性しているか否かを正確に推定することができる。
【0055】
図５は、リアクタ４５の作動の制御ルーチンのフローチャートである。図示した制御ルーチンは、ＥＣＵ５１において一定時間間隔毎に実行される。
【0056】
まず、ＥＣＵ５１は、内燃機関１が停止中であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。内燃機関１が停止中であるか否かは、例えば、機関本体１０のクランクシャフトの回転速度等に基づいて判定される。ステップＳ１１において内燃機関１が停止中でないと判定された場合には、ＥＣＵ５１は、内燃機関１の運転が要求されたか否かを判定する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２において内燃機関１の運転が要求されていないと判定された場合には、リアクタ４５への通電が停止される（ステップＳ１３）。
【0057】
一方、ステップＳ１２において内燃機関１の運転が要求されたと判定された場合には、ＥＣＵ５１は排気浄化触媒４４が未活性であるか否か、すなわち温度センサ５３によって検出された排気浄化触媒４４の温度が活性温度未満であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４において排気浄化触媒４４が未活性であると判定された場合には、リアクタ４５への通電が行われ（ステップＳ１５）、その後、内燃機関１の運転が開始される（ステップＳ１６）。一方、ステップＳ１４において排気浄化触媒４４が活性していると判定された場合には、リアクタ４５への通電が行われずに内燃機関１の運転が開始される（ステップＳ１６）。
【0058】
内燃機関１の運転が開始されると、その後の制御ルーチンでは、ステップＳ１１において内燃機関１が停止中ではないと判定される。ステップＳ１１において内燃機関１が停止中ではないと判定されると、ＥＣＵ５１は排気浄化触媒４４が未活性であるか否かを判定する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７において排気浄化触媒４４が未活性であると判定された場合には、リアクタ４５への通電が行われる（ステップＳ１８）。
【0059】
一方、ステップＳ１７において排気浄化触媒４４が活性していると判定された場合には、ＥＣＵ５１は下流側空燃比センサ５４によって検出された空燃比がほぼ理論空燃比であるか否かを判定する（ステップＳ１９）。ステップＳ１９において下流側空燃比センサ５４によって検出された空燃比がほぼ理論空燃比であると判定された場合には、リアクタ４５への通電が停止される（ステップＳ１３）。一方、ステップＳ１９において下流側空燃比センサ５４によって検出された空燃比が理論空燃比近傍ではないと判定された場合には、リアクタ４５への通電が行われる（ステップＳ１８）。
【0060】
第二実施形態
次に、図６～図１０を参照して、第二実施形態に係る排気浄化装置について説明する。第二実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御は基本的に第一実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御と同様である。以下では、第一実施形態に係る排気浄化装置とは異なる部分を中心に説明する。
次に、図６～図１０を参照して、第二実施形態に係る排気浄化装置について説明する。第二実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御は基本的に第一実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御と同様である。以下では、第一実施形態に係る排気浄化装置とは異なる部分を中心に説明する。
【0061】
上記第一実施形態では、リアクタ４５に流入する流入排気ガスの空燃比に関連する空燃比パラメータとして、下流側空燃比センサ５４によって検出された排気ガスの空燃比を用いていた。これに対して、本第二実施形態では、斯かる空燃比パラメータとして、排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量が用いられる。
【0062】
ここで、上述したように、排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がゼロと最大吸蔵可能酸素量との間の量である場合には、排気ガス中の浄化対象成分を浄化することができる。したがってこの場合、リアクタ４５に流入する流入排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となる。一方、排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がゼロである場合には未燃ＨＣ、ＣＯ等を浄化することができなくなり、よって流入排気ガスの空燃比はリッチ空燃比になる可能性がある。また、排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量である場合には酸素を吸蔵することができなくなり、よって流入排気ガスの空燃比はリーン空燃比になる可能性がある。これに伴って、流入排気ガスにはＮＯｘが含まれる可能性がある。したがって、排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量は、リアクタ４５に流入する流入排気ガスの空燃比に関連する空燃比パラメータであるといえる。
【0063】
そして、本実施形態では、活性パラメータが排気浄化触媒４４が活性していることを表す値であって且つ排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量（ほぼゼロ又はほぼ最大吸蔵可能酸素量を含む）であるときには、リアクタ４５への通電が行われる。一方、活性パラメータが排気浄化触媒４４が活性していることを表す値であって且つ排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量（ほぼゼロ又はほぼ最大吸蔵可能酸素量を含む）でないときには、リアクタ４５への通電は行われない。
【0064】
図６は、第二実施形態に係る排気浄化装置が搭載された内燃機関１の概略的な構成図である。図６に示されるように、本実施形態では、排気浄化触媒４４の下流側に下流側空燃比センサは設けられない。代わりに、本実施形態では、排気浄化触媒４４の上流側の排気管４２に、排気浄化触媒４４に流入する排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサ５７が設けられる。
【0065】
図７は、第二実施形態に係るリアクタ４５の作動の制御を行った場合における、各種パラメータのタイムチャートである。上流空燃比は、排気浄化触媒４４の上流側の排気ガス、すなわち排気浄化触媒４４に流入する排気ガスの空燃比を表しており、本実施形態では上流側空燃比センサ５７によって検出された空燃比を表している。特に、図７では、理論空燃比が一点鎖線で示されている。
【0066】
また、図７における酸素吸蔵量は、排気浄化触媒４４における酸素吸蔵量を表している。排気浄化触媒４４における酸素吸蔵量ＯＳＡは、上流側空燃比センサ５７によって検出された排気ガスの空燃比ＡＦupと、空気量センサ５２によって検出された吸入空気量Ｇａとに基づいて、例えば、下記式（１）によって算出される。
ＯＳＡ＝Σ（Ｋdosa×Ｇａ×（ＡＦup－ＡＦst）／ＡＦup …（１）
上記式（１）において、Ｋdosaは吸蔵効率係数であり、ＡＦstは理論空燃比（例えば、１４．６）である。
ＯＳＡ＝Σ（Ｋdosa×Ｇａ×（ＡＦup－ＡＦst）／ＡＦup …（１）
上記式（１）において、Ｋdosaは吸蔵効率係数であり、ＡＦstは理論空燃比（例えば、１４．６）である。
【0067】
図７に示される例では、図４に示される例と同様に、時刻ｔ1において内燃機関１の運転が要求され、時刻ｔ2において内燃機関１の運転が開始され、そして、時刻ｔ3において、排気浄化触媒４４の温度が活性温度以上になってリアクタ４５への通電が停止される。
【0068】
図７に示される例では、その後、時刻ｔ4において、排気浄化触媒４４の温度が活性温度以上の状態で、排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がほぼゼロになると、リアクタ４５の作動が要求されて、リアクタ４５への通電が開始される。排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がほぼゼロになると排気浄化触媒４４から未燃ＨＣ又はＣＯ等が流出する可能性があるところ、リアクタ４５への通電が行われることによって未燃ＨＣ又はＣＯ等が流出してもリアクタ４５において浄化される。その後、時刻ｔ5において排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がゼロ近傍ではなくなると、リアクタ４５の作動要求が中止されて、リアクタ４５への通電が停止される。
【0069】
また、図７に示される例では、時刻ｔ6において、排気浄化触媒４４の温度が活性温度以上の状態で、排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がほぼ最大吸蔵可能酸素量になると、リアクタ４５の作動が要求されて、リアクタ４５への通電が開始される。排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がほぼ最大吸蔵可能酸素量になると排気浄化触媒４４からＮＯｘ等が流出する可能性があるところ、リアクタ４５への通電が行われることによってＮＯｘ等が流出してもリアクタ４５において浄化される。その後、時刻ｔ7において排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量近傍ではなくなると、リアクタ４５の作動要求が中止されて、リアクタ４５への通電が停止される。なお、本実施形態では、最大吸蔵可能酸素量は、排気浄化触媒４４の種類に応じて予め定められた一定値とされる。
【0070】
上述したように、本実施形態では、排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量に基づいて、リアクタ４５への通電が制御される。第一実施形態のように下流側空燃比センサ５４の出力に基づいてリアクタ４５への通電を制御した場合、排気浄化触媒４４からリッチ空燃比又はリーン空燃比の排気ガスが流出した後にリアクタ４５への通電が開始される。これに対して、本実施形態のように排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量に基づいてリアクタ４５の通電が制御されると、排気浄化触媒４４からリッチ空燃比又はリーン空燃比の排気ガスが流出したとき又はその前からリアクタ４５への通電を開始することができ、よって排気浄化装置から浄化対象成分が流出することを抑制することができる。
【0071】
特に、本実施形態では、排気浄化触媒４４の温度が活性温度以上であっても排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量であるときにはリアクタ４５への通電が行われる。これにより、排気浄化装置から浄化対象成分が流出することを抑制することができる。また、排気浄化触媒４４の温度が活性温度以上であって排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量でないときにはリアクタ４５への通電が行われない。このようなときには排気浄化触媒４４において浄化対象成分がほとんど浄化されているため排気浄化装置から浄化対象成分が流出することを抑制することができると共に、リアクタ４５への通電に伴う不必要な電力の消費を抑制することができる。
【0072】
図８は、第二実施形態に係るリアクタ４５の作動の制御ルーチンのフローチャートである。図示した制御ルーチンは、ＥＣＵ５１において一定時間間隔毎に実行される。ステップＳ２１～Ｓ２８は、図５のステップＳ１１～Ｓ１８と同様であるため説明を省略する。
【0073】
ステップＳ２７において排気浄化触媒４４が活性していると判定された場合には、ＥＣＵ５１は、上流側空燃比センサ５７及び空気量センサ５２の出力に基づいて算出された排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量であるか否かを判定する（ステップＳ２９）。ステップＳ２９において酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量でないと判定された場合には、リアクタ４５への通電が停止される（ステップＳ２３）。一方、ステップＳ２９において酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量であると判定された場合には、リアクタ４５への通電が行われる（ステップＳ２８）。
【0074】
なお、上記第二実施形態では、排気浄化触媒４４の最大吸蔵可能酸素量は、排気浄化触媒４４の種類に応じて予め定められた一定値とされている。しかしながら、最大吸蔵可能酸素量は、劣化により、内燃機関１の運転時間に応じて徐々に低下する。したがって、最大吸蔵可能酸素量は、内燃機関１の累積運転時間に基づいて算出されてもよい。この場合、図９に示されるように、最大吸蔵可能酸素量は、内燃機関１の累積運転時間が長くなるにつれて少ない量に設定される。
【0075】
また、上記第二実施形態では、排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量になると直ぐにリアクタ４５の作動が要求され、リアクタ４５の作動が要求されると直ぐにリアクタ４５への通電が行われる。しかしながら、排気浄化触媒４４からリアクタ４５までは離れていることから、排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量になって直ぐにリアクタ４５に浄化対象成分が流入するのではなく、多少の時間が経過してからリアクタ４５に浄化対象成分が流入する。また、上記第二実施形態では、排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量ではなくなると直ぐにリアクタ４５の作動要求が中止され、リアクタ４５への通電が停止される。しかしながら、排気浄化触媒４４からリアクタ４５までは離れていることから、排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量ではなくなって直ぐにリアクタ４５に浄化対象成分が流入しなくなるのではなく、多少の時間が経過してからリアクタ４５に浄化対象成分が流入しなくなる。
【0076】
そこで、ＥＣＵ５１は、排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量に到達してから所定時間の経過後にリアクタ４５の通電を行ってもよい。また、このときの所定時間は、一定時間であってもよいし、機関本体１０から排出された排気ガスの流速が速いときには遅いときに比べて短く設定されてもよい。特に、所定時間は、機関本体１０から排出された排気ガスの流速が速いほど短く設定される。同様に、ＥＣＵ５１は、排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量がゼロ又は最大吸蔵可能酸素量でなくなってから所定時間の経過後にリアクタ４５の通電を停止してもよい。また、このときの所定時間は、一定時間であってもよいし、機関本体１０から排出された排気ガスの流速が速いときには遅いときに比べて短く設定されてもよい。特に、所定時間は、機関本体１０から排出された排気ガスの流速が速いほど短く設定される。
【0077】
図１０は、リアクタ４５の作動要求と、排気ガスの流速と、リアクタ４５の作動状態とのタイムチャートである。排気ガスの流速は、例えば、負荷センサ５５によって検出された内燃機関１の負荷と、クランク角センサ５６の出力に基づいて算出された機関回転速度とに基づいて算出される。
【0078】
図１０から分かるように、排気ガスの流速が遅いときには、リアクタ４５の作動が要求されてからリアクタ４５が実際に作動されるまでの時間が長い。一方、排気ガスの流速が速いときには、リアクタ４５の作動が要求されたからリアクタ４５が実際に作動されるまでの時間が短い。このときの時間は、例えば、排気浄化触媒４４からリアクタ４５までの排気管４２の長さ（又は機関本体１０からリアクタ４５までの排気管４２の長さ）を、算出された排気ガスの流速で除算することで求められた時間とされる。
【0079】
このように排気浄化触媒４４の酸素吸蔵量が変化してから所定時間が経過してからリアクタ４５の通電を制御することにより、浄化対象成分がリアクタ４５に未だ流入していないときにリアクタ４５に通電することがなくなると共に、浄化対象成分がリアクタ４５に未だ流入しているときにリアクタ４５への通電を停止することがなくなる。したがって、リアクタ４５への通電に伴う不必要な電力の消費を抑制することができると共に、排気浄化装置から浄化対象成分が流出することを抑制することができる。
【0080】
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。
【符号の説明】
【0081】
１ 内燃機関
１０ 機関本体
４４ 排気浄化触媒
４５ リアクタ
５３ 温度センサ
５４ 下流側空燃比センサ
１０ 機関本体
４４ 排気浄化触媒
４５ リアクタ
５３ 温度センサ
５４ 下流側空燃比センサ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】