特許 7605147 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】

(24)【登録日】2024-12-16

(45)【発行日】2024-12-24

(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 20060101AFI20241217BHJP

   F02D 41/32 20060101ALI20241217BHJP

【ＦＩ】

F01N3/24 U

F02D41/32

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2022018934

(22)【出願日】2022-02-09

(65)【公開番号】P2023116239

(43)【公開日】2023-08-22

【審査請求日】2024-03-20

(73)【特許権者】

【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

(74)【代理人】

【識別番号】100180194

【弁理士】

【氏名又は名称】利根 勇基

(72)【発明者】

【氏名】今井 大地

【審査官】小関 峰夫

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－３４９２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－３０９２５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０６８８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２０９８１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１７８７６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０２３８９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０７３５６１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００７８４９０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｎ ３／１０

Ｆ０２Ｄ ４１／００－４５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒と、
前記触媒の下流側部分の酸素吸蔵量を算出する酸素吸蔵量算出部と、
前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部と
を備え、
前記空燃比制御部は、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行し、前記酸素吸蔵量が相対的に多い場合には、該酸素吸蔵量が相対的に少ない場合に比べて、前記リッチ制御において前記触媒に供給される還元剤の量が多くなるように前記流入排気ガスの空燃比を制御する、内燃機関の排気浄化装置。

【請求項2】

前記空燃比制御部は、前記酸素吸蔵量が相対的に多い場合には、該酸素吸蔵量が相対的に少ない場合に比べて、前記リッチ制御における前記流入排気ガスの空燃比のリッチ度合いを大きくする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

【請求項3】

前記空燃比制御部は、前記酸素吸蔵量が相対的に多い場合には、該酸素吸蔵量が相対的に少ない場合に比べて、前記リッチ制御の実行時間を長くする、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4】

前記空燃比制御部は、前記酸素吸蔵量が予め定められた閾値以下であるときには、該酸素吸蔵量が増加するように前記流入排気ガスの空燃比を制御する、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。

【請求項5】

前記内燃機関の出力と、該内燃機関を搭載した車両に該車両の動力源として設けられたモータの出力とを制御する出力制御部を更に備え、
前記出力制御部は、前記還元剤の供給量の減少によって要求出力に対して前記内燃機関の出力が不足する場合には、該要求出力に対して不足する出力を前記モータに出力させる、請求項１から４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する。

【背景技術】

【0002】

従来、内燃機関の排気通路に触媒を配置し、排気ガス中の有害物質（ＨＣ、ＮＯｘ等）を触媒において浄化することが知られている。特許文献１には、触媒に還元剤を供給してＮＯｘの浄化性能を高めることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００２－３４９２４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、触媒に還元剤が供給されると、触媒における化学反応によってＮＯｘからアンモニアが生成され、生成されたアンモニアが触媒から流出するおそれがある。

【0005】

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、触媒におけるＮＯｘの浄化を促進しつつ、触媒からアンモニアが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】

【0006】

本開示の要旨は以下のとおりである。

【0007】

（１）内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒と、前記触媒の下流側部分の酸素吸蔵量を算出する酸素吸蔵量算出部と、前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部とを備え、前記空燃比制御部は、前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行し、前記酸素吸蔵量が相対的に多い場合には、該酸素吸蔵量が相対的に少ない場合に比べて、前記リッチ制御において前記触媒に供給される還元剤の量が多くなるように前記流入排気ガスの空燃比を制御する、内燃機関の排気浄化装置。

【0008】

（２）前記空燃比制御部は、前記酸素吸蔵量が相対的に多い場合には、該酸素吸蔵量が相対的に少ない場合に比べて、前記リッチ制御における前記流入排気ガスの空燃比のリッチ度合いを大きくする、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

【0009】

（３）前記空燃比制御部は、前記酸素吸蔵量が相対的に多い場合には、該酸素吸蔵量が相対的に少ない場合に比べて、前記リッチ制御の実行時間を長くする、上記（１）又は（２）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

【0010】

（４）前記空燃比制御部は、前記酸素吸蔵量が予め定められた閾値以下であるときには、該酸素吸蔵量が増加するように前記流入排気ガスの空燃比を制御する、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

【0011】

（５）前記内燃機関の出力と、該内燃機関を搭載した車両に該車両の動力源として設けられたモータの出力とを制御する出力制御部を更に備え、前記出力制御部は、前記還元剤の供給量の減少によって要求出力に対して前記内燃機関の出力が不足する場合には、該要求出力に対して不足する出力を前記モータに出力させる、上記（１）から（４）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】

【0012】

本発明によれば、触媒におけるＮＯｘの浄化を促進しつつ、触媒からアンモニアが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】

【0013】

【図1】図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が適用される内燃機関を概略的に示す図である。

【図2】図２は、三元触媒の浄化特性の一例を示す図である。

【図3】図３は、第一実施形態におけるＥＣＵの機能ブロック図である。

【図4】図４は、触媒下流部の酸素吸蔵量を変化させた場合にリッチ制御中に触媒から流出するＮＯｘ及びアンモニアの量を示す図である。

【図5】図５は、第一実施形態における還元剤供給処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

【図6】図６は、触媒下流部の酸素吸蔵量と触媒への還元剤の供給量との関係を示す図である。

【図7】図７は、第二実施形態における還元剤供給処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

【図8】図８は、触媒下流部の酸素吸蔵量と触媒への酸素の供給量との関係を示す図である。

【図9】図９は、第三実施形態におけるＥＣＵの機能ブロック図である。

【図10】図１０は、第三実施形態における還元剤供給処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して本発明の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。

【0015】

＜第一実施形態＞
最初に、図１～図６を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。

【0016】

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が適用される内燃機関を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関は、火花点火式内燃機関であり、具体的には、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンである。内燃機関は、車両に搭載され、車両の動力源として機能する。

【0017】

内燃機関は、シリンダブロック２及びシリンダヘッド４を含む機関本体１を備える。シリンダブロック２の内部には、複数（例えば４つ）の気筒が形成される。各気筒には、気筒の軸線方向に往復運動するピストン３が配置される。ピストン３とシリンダヘッド４との間には燃焼室５が形成される。

【0018】

シリンダヘッド４には吸気ポート７及び排気ポート９が形成される。吸気ポート７及び排気ポート９はそれぞれ燃焼室５に接続される。

【0019】

また、内燃機関は、シリンダヘッド４内に配置された吸気弁６及び排気弁８を備える。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。

【0020】

また、内燃機関は点火プラグ１０及び燃料噴射弁１１を備える。点火プラグ１０は、シリンダヘッド４の内壁面の中央部に配置され、点火信号に応じて火花を発生させる。燃料噴射弁１１は、シリンダヘッド４の内壁面周辺部に配置され、噴射信号に応じて燃料を燃焼室５内に噴射する。本実施形態では、燃料噴射弁１１に供給される燃料として、理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。

【0021】

また、内燃機関は、吸気マニホルド１３、サージタンク１４、吸気管１５、エアクリーナ１６及びスロットル弁１８を備える。各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気マニホルド１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気マニホルド１３、サージタンク１４、吸気管１５等は、空気を燃焼室５に導く吸気通路を形成する。スロットル弁１８は、サージタンク１４とエアクリーナ１６との間の吸気管１５内に配置され、スロットル弁駆動アクチュエータ１７（例えばＤＣモータ）によって駆動される。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって回動せしめられることで、その開度に応じて吸気通路の開口面積を変更することができる。

【0022】

また、内燃機関は、排気マニホルド１９、排気管２２及び触媒２０を備える。各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結される。排気マニホルド１９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９の集合部は、触媒２０を内蔵したケーシング２１に連結される。ケーシング２１は排気管２２に連結される。排気ポート９、排気マニホルド１９、ケーシング２１、排気管２２等は、燃焼室５における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。

【0023】

また、内燃機関を搭載した車両には、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１が設けられる。図１に示されるように、ＥＣＵ３１は、デジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を備える。

【0024】

ＥＣＵ３１は、車両又は内燃機関に設けられた各種センサの出力等に基づいて車両及び内燃機関の各種制御を実行する。このため、ＥＣＵ３１には、各種センサの出力が送信される。本実施形態では、エアフロメータ４０、空燃比センサ４１、温度センサ４２、負荷センサ４３及びクランク角センサ４４の出力がＥＣＵ３１に送信される。

【0025】

エアフロメータ４０は、内燃機関の吸気通路、具体的にはスロットル弁１８よりも上流側の吸気管１５内に配置される。エアフロメータ４０は、吸気通路を流れる空気の流量を検出する。エアフロメータ４０はＥＣＵ３１に電気的に接続され、エアフロメータ４０の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

【0026】

空燃比センサ４１は、触媒２０の上流側の排気通路、具体的には排気マニホルド１９の集合部に配置される。空燃比センサ４１は、内燃機関の気筒から排出されて触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を検出する。空燃比センサ４１はＥＣＵ３１に電気的に接続され、空燃比センサ４１の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

【0027】

温度センサ４２は、触媒２０を内蔵したケーシング２１に配置される。温度センサ４２は触媒２０の温度（床温）を検出する。温度センサ４２はＥＣＵ３１に電気的に接続され、温度センサ４２の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

【0028】

負荷センサ４３は、内燃機関を搭載した車両に設けられたアクセルペダル５０に接続され、アクセルペダル５０の踏み込み量を検出する。負荷センサ４３はＥＣＵ３１に電気的に接続され、負荷センサ４３の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。ＥＣＵ３１は負荷センサ４３の出力に基づいて機関負荷を算出する。

【0029】

クランク角センサ４４は、内燃機関のクランクシャフトが所定角度（例えば１０度）回転する毎に出力パルスを発生させる。クランク角センサ４４はＥＣＵ３１に電気的に接続され、クランク角センサ４４の出力は入力ポート３６に入力される。ＥＣＵ３１はクランク角センサ４４の出力に基づいて機関回転数を計算する。

【0030】

一方、ＥＣＵ３１の出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続され、ＥＣＵ３１はこれらを制御する。具体的には、ＥＣＵ３１は、点火プラグ１０の点火時期、燃料噴射弁１１から噴射される燃料の噴射時期及び噴射量、並びにスロットル弁１８の開度を制御する。

【0031】

なお、上述した内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。したがって、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無のような内燃機関の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。例えば、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、排気通路から吸気通路にＥＧＲガスを還流させるための構成が設けられていてもよい。

【0032】

＜内燃機関の排気浄化装置＞
以下、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置（以下、単に「排気浄化装置」という）について説明する。排気浄化装置は触媒２０及びＥＣＵ３１を備える。

【0033】

触媒２０は、内燃機関の排気通路に配置され、排気通路を流れる排気ガスを浄化するように構成される。本実施形態では、触媒２０は、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に浄化可能な三元触媒である。触媒２０は、セラミック又は金属から成る担体（基材）と、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等）と、酸素吸蔵能力を有する助触媒（例えば、セリア（ＣｅＯ₂）等）とを有する。貴金属及び助触媒は担体に担持される。

【0034】

図２は、三元触媒の浄化特性の一例を示す図である。図２に示されるように、三元触媒によるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの浄化率は、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍領域（図２における浄化ウィンドウＡ）にあるときに非常に高くなる。したがって、触媒２０は、排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍に維持されているときに、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを効果的に浄化することができる。

【0035】

また、触媒２０は助触媒によって排気ガスの空燃比に応じて酸素を吸蔵し又は放出する。具体的には、触媒２０は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには、排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵する。一方、触媒２０は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには、ＨＣ及びＣＯを酸化させるのに不足している酸素を放出する。この結果、排気ガスの空燃比が理論空燃比から若干ずれた場合であっても、触媒２０の表面上における空燃比が理論空燃比近傍に維持され、触媒２０においてＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが効果的に浄化される。

【0036】

図３は、第一実施形態におけるＥＣＵ３１の機能ブロック図である。本実施形態では、ＥＣＵ３１は酸素吸蔵量算出部６１及び空燃比制御部６２を有する。酸素吸蔵量算出部６１及び空燃比制御部６２は、ＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に記憶されたプログラムをＥＣＵ３１のＣＰＵ３５が実行することによって実現される機能モジュールである。

【0037】

酸素吸蔵量算出部６１は、触媒２０に吸蔵された酸素の量、すなわち触媒２０の酸素吸蔵量を算出する。特に、本実施形態では、詳しくは後述するように、吸蔵量算出部６１は触媒２０の下流側部分の酸素吸蔵量を算出する。

【0038】

空燃比制御部６２は、触媒２０に流入する排気ガス（以下、「流入排気ガス」という）の空燃比を制御する。具体的には、空燃比制御部６２は、目標空燃比を設定し、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃焼室５への燃料供給量を制御する。例えば、空燃比制御部６２は、空燃比センサ４１によって検出された空燃比が目標空燃比に一致するように燃焼室５への燃料供給量をフィードバック制御する。

【0039】

なお、空燃比制御部６２は、空燃比センサ４１を用いることなく、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃焼室５への燃料供給量を制御してもよい。この場合、空燃比制御部６２は、燃焼室５に供給される燃料と空気との比率が目標空燃比に一致するように、吸入空気量、機関回転数及び目標空燃比から燃焼室５への燃料供給量を算出する。

【0040】

本実施形態では、空燃比制御部６２は触媒２０を還元雰囲気にすることによって排気ガス中のＮＯｘを浄化する。すなわち、空燃比制御部６２は、排気ガス中のＮＯｘを浄化するために、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行する。このことによって、ＮＯｘの流出による排気エミッションの悪化を抑制することができる。

【0041】

しかしながら、リッチ制御によって触媒２０に還元剤が供給されると、触媒２０における化学反応によってＮＯｘからアンモニアが生成され、生成されたアンモニアが触媒２０から流出するおそれがある。触媒２０は上流側部分及び下流側部分から成り、アンモニアの生成は触媒２０の下流側部分よりも触媒２０の上流側部分において先に生じる。これに関して、本願の発明者は、鋭意検討の結果、触媒２０でアンモニアが生成されたとしても、触媒２０の下流側部分に酸素が吸蔵されている場合には、触媒２０からのアンモニアの流出が抑制されることを見出した。なお、触媒２０の下流側部分（以下、「触媒下流部」という）は内燃機関の排気通路において触媒２０の上流側部分（以下、「触媒上流部」という）よりも下流側に位置し、触媒上流部と触媒下流部との間の境界は例えば触媒２０の長手方向において中央の位置に設定される。

【0042】

図４は、触媒下流部の酸素吸蔵量を変化させた場合にリッチ制御中に触媒２０から流出するＮＯｘ及びアンモニア（ＮＨ₃）の量（積算値）を示す図である。この実験では、リッチ制御によって触媒２０に還元剤を供給する前に、触媒下流部の酸素吸蔵量が三段階（大、中及び小）に調整された。

【0043】

図４に示されるように、触媒下流部の酸素吸蔵量が最も多いときには、触媒下流部の酸素吸蔵量が最も少ないときと比べて、リッチ制御中に触媒２０から流出するアンモニアの量が４８％低減された。一方、リッチ制御中に触媒２０から流出するＮＯｘの量は触媒下流部の酸素吸蔵量に関わらずほぼ一定となった。この現象は、触媒上流部で生成されたアンモニアが触媒下流部の吸蔵酸素によって酸化消滅することで生じていると考えられる。このため、アンモニアの流出を抑制しつつＮＯｘの浄化を促進するためには、触媒下流部に吸蔵された酸素が枯渇しない程度の量の還元剤を触媒２０に供給することが望ましい。

【0044】

そこで、本実施形態では、酸素吸蔵量算出部６１が触媒下流部の酸素吸蔵量を算出し、空燃比制御部６２は、触媒下流部の酸素吸蔵量が相対的に多い場合には、触媒下流部の酸素吸蔵量が相対的に少ない場合と比べて、リッチ制御において触媒２０に供給される還元剤の量が多くなるように流入排気ガスの空燃比を制御する。このことによって、触媒下流部の酸素吸蔵量に応じた適切な量の還元剤を触媒２０に供給することができ、ひいては触媒２０におけるＮＯｘの浄化を促進しつつ、触媒２０からアンモニアが流出することを抑制することができる。

【0045】

＜還元剤供給処理＞
以下、図５のフローチャートを参照して、上述した制御のフローについて説明する。図５は、第一実施形態における還元剤供給処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

【0046】

最初に、ステップＳ１０１において、酸素吸蔵量算出部６１は触媒下流部の酸素吸蔵量ＯＳＡｄを算出する。例えば、酸素吸蔵量算出部６１は、マップ又は計算式を用いて、所定のパラメータに基づいて触媒下流部における酸素の吸放出量（酸素吸蔵量の変化量）を算出し、この吸放出量を積算することによって触媒下流部の酸素吸蔵量ＯＳＡｄを算出する。所定のパラメータは、例えば、触媒２０の温度、流入排気ガスの流量、及び流入排気ガスの空燃比である。

【0047】

酸素吸蔵量算出部６１は例えば温度センサ４２の出力に基づいて触媒２０の温度を推定する。なお、温度センサ４２は、流入排気ガスの温度を検出するように触媒２０の上流側の排気通路に配置され、又は触媒２０から流出する排気ガスの温度を検出するように触媒２０の下流側の排気通路に配置されてもよい。また、酸素吸蔵量算出部６１は、温度センサ４２を用いることなく、内燃機関の所定の状態量（例えば、機関水温、吸入空気量、機関負荷等）に基づいて触媒２０の温度を推定してもよい。

【0048】

また、酸素吸蔵量算出部６１は例えばエアフロメータ４０の出力に基づいて流入排気ガスの流量を推定する。なお、排気ガスの流量を検出する流量センサが触媒２０の上流側の排気通路に設けられ、酸素吸蔵量算出部６１はこの流量センサの出力に基づいて流入排気ガスの流量を推定してもよい。

【0049】

また、酸素吸蔵量算出部６１は例えば空燃比センサ４１の出力に基づいて流入排気ガスの空燃比を推定する。なお、流入排気ガスの空燃比として、空燃比センサ４１によって検出される空燃比の代わりに、空燃比制御部６２によって決定される流入排気ガスの目標空燃比が用いられてもよい。また、触媒下流部に流入する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ（触媒内空燃比センサ）が触媒上流部と触媒下流部との境界部に設けられ、流入排気ガスの空燃比として、空燃比センサ４１によって検出される空燃比の代わりに、触媒内空燃比センサによって検出される空燃比が用いられてもよい。

【0050】

また、内燃機関において、燃焼室５への燃料供給を停止する燃料カット制御が実行された場合には、酸素吸蔵量算出部６１は燃料カット制御の実行時間等に応じて触媒下流部の酸素吸蔵量ＯＳＡｄを増加させる。空燃比制御部６２は、例えば、アクセルペダル５０の踏込み量がゼロ又はほぼゼロ（すなわち、機関負荷がゼロ又はほぼゼロ）であり且つ機関回転数がアイドリング時の回転数よりも高い所定回転数以上であるときに燃料カット制御を実行する。

【0051】

また、触媒２０から流出する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ（下流側空燃比センサ）が触媒２０の下流側の排気通路に設けられ、酸素吸蔵量算出部６１は下流側空燃比センサの出力に基づいて触媒下流部の酸素吸蔵量ＯＳＡｄを補正してもよい。この場合、例えば、下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチなリッチ判定空燃比（例えば１４．５５）に達したときに酸素吸蔵量ＯＳＡｄがゼロに補正され、下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリーンなリーン判定空燃比（例えば１４．６５）に達したときに酸素吸蔵量ＯＳＡｄが最大値に補正される。なお、下流側空燃比センサの出力空燃比とは、下流側空燃比センサの出力電流に相当する空燃比、すなわち下流側空燃比センサによって検出された空燃比を意味する。

【0052】

次いで、ステップＳ１０２において、空燃比制御部６２は、酸素吸蔵量算出部６１によって算出された触媒下流部の酸素吸蔵量ＯＳＡｄに基づいて触媒２０への還元剤の供給量を決定する。このとき、空燃比制御部６２は、酸素吸蔵量ＯＳＡｄが相対的に多い場合には、酸素吸蔵量ＯＳＡｄが相対的に少ない場合に比べて、触媒２０への還元剤の供給量を多くする。例えば、空燃比制御部６２は、図６に示されるようなマップを用いて酸素吸蔵量ＯＳＡｄに基づいて還元剤の供給量を決定する。具体的には、図６に実線で示したように、空燃比制御部６２は、酸素吸蔵量ＯＳＡｄが多くなるにつれて、還元剤の供給量を線形的に多くする。なお、図６に破線で示したように、空燃比制御部６２は酸素吸蔵量ＯＳＡｄが多くなるにつれて、還元剤の供給量を段階的に大きくしてもよい。

【0053】

次いで、ステップＳ１０３において、空燃比制御部６２は、ステップＳ１０２において決定された供給量の還元剤が触媒２０に供給されるように、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行する。このとき、空燃比制御部６２は、還元剤の供給量が多いほど、リッチ制御における流入排気ガスの空燃比のリッチ度合を大きくする。すなわち、空燃比制御部６２は、酸素吸蔵量ＯＳＡｄが相対的に多い場合には、酸素吸蔵量ＯＳＡｄが相対的に少ない場合に比べて、リッチ制御における流入排気ガスの空燃比のリッチ度合を大きくする。なお、リッチ度合とは、理論空燃比よりもリッチな空燃比と理論空燃比との差を意味する。また、空燃比制御部６２は、還元剤の供給量が多いほど、リッチ制御の実行時間（継続時間）を長くしてもよい。すなわち、空燃比制御部６２は、酸素吸蔵量ＯＳＡｄが相対的に多い場合には、酸素吸蔵量ＯＳＡｄが相対的に少ない場合に比べて、リッチ制御の実行時間を長くしてもよい。ステップＳ１０３の後、本制御ルーチンは終了する。

【0054】

＜第二実施形態＞
第二実施形態における排気浄化装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態における排気浄化装置と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

【0055】

触媒下流部の酸素吸蔵量が少ない状態が維持されると、触媒２０への還元剤の供給量を制限したとしても、触媒下流部の酸素が枯渇し、触媒２０からアンモニアが流出するおそれがある。このため、第二実施形態では、空燃比制御部６２は、触媒下流部の酸素吸蔵量が予め定められた閾値以下であるときには、触媒下流部の酸素吸蔵量が増加するように流入排気ガスの空燃比を制御する。このことによって、触媒下流部の酸素吸蔵量を回復させることができ、ひいては触媒２０からアンモニアが流出することをより一層抑制することができる。

【0056】

図７は、第二実施形態における還元剤供給処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

【0057】

最初に、ステップＳ２０１において、図５のステップＳ１０１と同様に、酸素吸蔵量算出部６１は触媒下流部の酸素吸蔵量ＯＳＡｄを算出する。

【0058】

次いで、ステップＳ２０２において、空燃比制御部６２は、酸素吸蔵量算出部６１によって算出された触媒下流部の酸素吸蔵量ＯＳＡｄが閾値ＴＨ以下であるか否かを判定する。閾値ＴＨは、予め定められ、例えば触媒下流部の最大酸素吸蔵量の１／２未満の値に設定される。ステップＳ２０２において酸素吸蔵量ＯＳＡｄが閾値ＴＨ以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０３に進む。

【0059】

ステップＳ２０３では、空燃比制御部６２は、酸素吸蔵量算出部６１によって算出された触媒下流部の酸素吸蔵量ＯＳＡｄに基づいて触媒下流部への酸素の供給量を決定する。このとき、空燃比制御部６２は、酸素吸蔵量ＯＳＡｄが相対的に少ない場合には、酸素吸蔵量ＯＳＡｄが相対的に多い場合に比べて、触媒下流部への酸素の供給量を多くする。例えば、空燃比制御部６２は、図８に示されるようなマップを用いて酸素吸蔵量ＯＳＡｄに基づいて酸素の供給量を決定する。具体的には、図８に実線で示したように、空燃比制御部６２は、酸素吸蔵量ＯＳＡｄが少なくなるにつれて、酸素の供給量を線形的に多くする。なお、図８に破線で示したように、空燃比制御部６２は酸素吸蔵量ＯＳＡｄが少なくなるにつれて、酸素の供給量を段階的に大きくしてもよい。

【0060】

次いで、ステップＳ２０４において、空燃比制御部６２は、ステップＳ２０３において決定された供給量の酸素が触媒下流部に供給されるように、流入排気ガスの空燃比を制御する。例えば、空燃比制御部６２は、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御を実行する。このとき、空燃比制御部６２は、酸素の供給量が多いほど、リーン制御における流入排気ガスの空燃比のリーン度合を大きくする。すなわち、空燃比制御部６２は、酸素吸蔵量ＯＳＡｄが相対的に少ない場合には、酸素吸蔵量ＯＳＡｄが相対的に多い場合に比べて、リーン制御における流入排気ガスの空燃比のリーン度合を大きくする。なお、リーン度合とは、理論空燃比よりもリーンな空燃比と理論空燃比との差を意味する。また、空燃比制御部６２は、酸素の供給量が多いほど、リーン制御の実行時間（継続時間）を長くしてもよい。すなわち、空燃比制御部６２は、酸素吸蔵量ＯＳＡｄが相対的に少ない場合には、酸素吸蔵量ＯＳＡｄが相対的に多い場合に比べて、リーン制御の実行時間を長くしてもよい。

【0061】

また、空燃比制御部６２は燃料カット制御を実行することによって触媒下流部に酸素を供給してもよい。この場合、例えば、空燃比制御部６２は、酸素の供給量が多いほど、燃料カット制御の実行時間（継続時間）を長くし、又は酸素の供給量が多いほど、燃料カット制御中のスロットル弁１８の開度を大きくする。ステップＳ２０４の後、本制御ルーチンは終了する。

【0062】

一方、ステップＳ２０２において酸素吸蔵量ＯＳＡｄが閾値ＴＨよりも多いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５では、図５のステップＳ１０２と同様に、空燃比制御部６２は、酸素吸蔵量算出部６１によって算出された触媒下流部の酸素吸蔵量ＯＳＡｄに基づいて触媒２０への還元剤の供給量を決定する。

【0063】

次いで、ステップＳ２０６では、図５のステップＳ１０３と同様に、空燃比制御部６２は、ステップＳ２０５において決定された供給量の還元剤が触媒２０に供給されるようにリッチ制御を実行する。ステップＳ２０６の後、本制御ルーチンは終了する。

【0064】

＜第三実施形態＞
第三実施形態における排気浄化装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態における排気浄化装置と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

【0065】

図９は、第三実施形態におけるＥＣＵ３１の機能ブロック図である。第三実施形態では、ＥＣＵ３１は、酸素吸蔵量算出部６１及び空燃比制御部６２に加えて、出力制御部６３を有する。酸素吸蔵量算出部６１、空燃比制御部６２及び出力制御部６３は、ＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に記憶されたプログラムをＥＣＵ３１のＣＰＵ３５が実行することによって実現される機能モジュールである。

【0066】

第三実施形態では、内燃機関を搭載した車両が、車両の動力源として、内燃機関に加えてモータ（電動機）を備える。すなわち、第三実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が適用される車両はいわゆるハイブリッド車両（ＨＥＶ）又はプラグインハイブリッド車両（ＰＨＥＶ）である。出力制御部６３は、要求出力等に応じて、内燃機関の出力及びモータの出力を制御する。

【0067】

上述したように、空燃比制御部６２は、触媒下流部の酸素吸蔵量が少ない場合には、リッチ制御において触媒２０に供給される還元剤の量を制限する。この結果、内燃機関の出力が低下し、アクセル開度（アクセルペダル５０の踏込み量）等に応じた要求出力に対して内燃機関の出力が不足するおそれがある。

【0068】

そこで、第三実施形態では、出力制御部６３は、触媒２０への還元剤の供給量の減少によって要求出力に対して内燃機関の出力が不足する場合には、要求出力に対して不足する出力をモータに出力させる。このことによって、触媒２０からアンモニアが流出することを抑制しつつ、内燃機案の出力低下による車両の加速性能の低下等を抑制することができる。

【0069】

図１０は、第三実施形態における還元剤供給処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

【0070】

最初に、ステップＳ３０１において、図５のステップＳ１０１と同様に、酸素吸蔵量算出部６１は触媒下流部の酸素吸蔵量ＯＳＡｄを算出する。次いで、ステップＳ３０２において、図５のステップＳ１０２と同様に、空燃比制御部６２は、酸素吸蔵量算出部６１によって算出された触媒下流部の酸素吸蔵量ＯＳＡｄに基づいて触媒２０への還元剤の供給量を決定する。

【0071】

次いで、ステップＳ３０３において、空燃比制御部６２は、ステップＳ１０２において決定された供給量の還元剤が触媒２０に供給される場合に、要求出力に対して内燃機関の出力が不足するか否かを判定する。要求出力に対して内燃機関の出力が不足すると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０４に進む。

【0072】

ステップＳ３０４では、出力制御部６３は、内燃機関の出力低下が相殺されるように、バッテリからモータへの電力供給量の増加等によりモータの出力を増加させる。すなわち、出力制御部６３は、要求出力に対して不足する出力をモータに出力させる。次いで、ステップＳ３０５において、図５のステップＳ１０３と同様に、空燃比制御部６２は、ステップＳ１０２において決定された供給量の還元剤が触媒２０に供給されるように、リッチ制御を実行する。ステップＳ３０５の後、本制御ルーチンは終了する。

【0073】

一方、ステップＳ３０３において要求出力に対して内燃機関の出力が不足しないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０４をスキップしてステップＳ３０５に進む。ステップＳ３０５では、図５のステップＳ１０３と同様に、空燃比制御部６２は、ステップＳ１０２において決定された供給量の還元剤が触媒２０に供給されるように、リッチ制御を実行する。ステップＳ３０５の後、本制御ルーチンは終了する。

【0074】

＜その他の実施形態＞
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。例えば、上述した実施形態では触媒上流部及び触媒下流部が触媒２０として一体的に形成されているが、触媒上流部及び触媒下流部は別個の触媒として排気通路において離間して設けられてもよい。

【0075】

また、上述した実施形態は、任意に組み合わせて実施可能である。例えば、第二実施形態と第三実施形態とが組み合わされる場合、図７の還元剤供給処理の制御ルーチンにおいて、ステップＳ２０５とステップＳ２０６との間において、図１０のステップＳ３０３及びＳ３０４が実行される。

【符号の説明】

【0076】

２０ 触媒
３１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
６１ 酸素吸蔵量算出部
６２ 空燃比制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】