JP2001027114A

JP2001027114A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2001027114A
Application number: JP11198153A
Authority: JP
Inventors: Shinya Hirota; 信也広田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2001-01-30
Anticipated expiration: 2019-07-12
Also published as: JP3565096B2

Abstract

(57)【要約】【課題】排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れ
が生じたとしてもこれを浄化して排出することができる
内燃機関の排気浄化装置を提供すること。【解決手段】排気浄化手段３０よりも上流の排気通路
に設けられた４つのポートを備えた流れ方向切替手段２
０は、排気浄化手段３０に第１の方向に排気ガスを流す
第１の位置と、第１の方向と逆の第２の方向に排気ガス
を流す第２の位置と、排気浄化手段３０をバイパスして
排気ガスを流す第３の位置とに切り替え可能な排気浄化
装置であり、流れ方向切替手段２０が第１の位置と第２
の位置をとることで内燃機関１から排気浄化手段３０ま
での距離が異なる排気通路を有し、排気浄化手段３０の
触媒温度により流れ方向切替手段２０が作動するものに
おいて、排気通路９に三元触媒を設け、第１の位置から
第２の位置へ流れ方向切替手段２０が作動するときには
内燃機関１の排気空燃比をストイキに制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気浄
化装置に関し、特に、排気浄化手段を流れる排気ガスの
流れ方向を必要に応じて切り替えることができる内燃機
関の排気浄化装置に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関から排出される排気ガスを浄化
するために、一般に、内燃機関の排気通路には排気浄化
装置が設置される。この排気浄化装置に内燃機関の排気
ガスを流していると、排気浄化装置における上流側から
徐々に堆積物が付着する。この堆積物が何であるかは、
排気ガスの組成により、あるいは、排気浄化装置の構成
および排気浄化のメカニズムにより異なり、例えば酸化
物、硫化物、硝酸塩、硫酸塩などがある。この堆積物
は、排気浄化装置の浄化性能を低下させたり排気抵抗の
増大を招く場合があり、所定のタイミングで除去する必
要がある。

【０００３】例えば、リーン空燃比の燃焼を行う内燃機
関から排出される排気ガスのＮＯxを浄化する排気浄化
装置として、吸蔵還元型ＮＯx触媒がある。この吸蔵還
元型ＮＯx触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーンのと
きにＮＯxを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下
したときに吸収したＮＯxを放出し、Ｎ₂に還元する触媒
であり、排気通路に吸蔵還元型ＮＯx触媒を配置して、
リーン空燃比の排気ガスから窒素酸化物（ＮＯx）を吸
収させ、ＮＯx吸収後に内燃機関に供給する燃料を増量
等して前記吸蔵還元型ＮＯx触媒に流入する排気ガスの
空燃比をリッチにすることにより、前記吸蔵還元型ＮＯ
x触媒から吸収したＮＯxを放出させるとともに、放出さ
れたＮＯxを排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯ等の還元成分
によりＮ₂に還元浄化する。

【０００４】ところで、一般に、内燃機関の燃料には硫
黄分が含まれており、内燃機関で燃料を燃焼すると、燃
料中の硫黄分が燃焼して硫黄酸化物（ＳＯx）が発生す
る。前記吸蔵還元型ＮＯx触媒は、ＮＯxの吸収作用を行
うのと同じメカニズムで排気ガス中のＳＯxの吸収を行
うので、内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯx触媒を
配置すると、吸蔵還元型ＮＯx触媒にはＮＯxのみならず
ＳＯxも吸収される。

【０００５】ところが、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収さ
れたＳＯxは時間経過とともに安定な硫酸塩を形成する
ため、吸蔵還元型ＮＯx触媒からのＮＯxの放出、還元浄
化（以下、ＮＯx放出・還元処理という）を行う条件で
は、分解、放出されにくく吸蔵還元型ＮＯx触媒内に蓄
積され易い傾向がある。吸蔵還元型ＮＯx触媒内のＳＯx
蓄積量が増大すると、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収
容量が減少して排気ガス中のＮＯxの除去を十分に行う
ことができなくなりＮＯx浄化効率が低下する、いわゆ
るＳＯx被毒が生じる。そこで、吸蔵還元型ＮＯx触媒の
ＮＯx浄化能を長期に亘って高く維持するためには、触
媒に吸収されているＳＯxを適宜のタイミングで放出さ
せる必要がある。

【０００６】吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収されたＳＯxを
放出させるには、流入排気ガスの空燃比をリッチにし、
且つ、ＮＯx放出・還元処理時よりも吸蔵還元型ＮＯx触
媒を高温にする必要があることが分かっている。

【０００７】ところで、吸蔵還元型ＮＯx触媒内のＳＯx
の吸収量の分布は、吸蔵還元型ＮＯx触媒においては排
気ガスの入口側に近いほど多くなっており、そのため、
吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収されたＳＯxを放出させる際
に、リッチ空燃比の排気ガスをＮＯx吸収時の排気ガス
の流れ方向と同じ方向に流したのでは、吸蔵還元型ＮＯ
x触媒において前記入口側に吸収されていたＳＯxが放出
されても、放出されたＳＯxが吸蔵還元型ＮＯx触媒の中
を排気ガスの出口側に移動するだけで吸蔵還元型ＮＯx
触媒に再吸収されてしまい、吸蔵還元型ＮＯx触媒から
効率よく排出することができないという問題がある。

【０００８】そこで、特開平７−２５９５４２号公報に
開示されているように、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収さ
れたＳＯxを放出させるときには、リッチ空燃比の排気
ガスをＮＯx吸収時とは逆方向に吸蔵還元型ＮＯx触媒に
流す技術が提案されている。このように排気ガスの流れ
を逆にしてＳＯxの放出を行う逆流機能を備えている
と、吸蔵還元型ＮＯx触媒から放出されたＳＯxは、吸蔵
還元型ＮＯx触媒内での移動距離が少なく直ちに吸蔵還
元型ＮＯx触媒の外に排出されるようになるので、放出
されたＳＯxが吸蔵還元型ＮＯx触媒に再吸収されること
を防止することができる。

【０００９】前記公報に開示されている逆流機能付き内
燃機関の排気浄化装置の場合には、吸蔵還元型ＮＯｘ触
媒をバイパスさせるバイパス通路を設け、吸蔵還元型Ｎ
Ｏｘ触媒に連なる排気通路と前記バイパス通路との合流
部分にそれぞれ流路切替弁を設け、さらに、吸蔵還元型
ＮＯｘ触媒とこれよりも内燃機関に近い側の前記流路切
替弁との間を排気ポンプの吸い込み口に接続し、排気ポ
ンプの吐出口をバイパス通路に接続し、吸蔵還元型ＮＯ
ｘ触媒からＳＯｘを放出させるときには、内燃機関の排
気の全量がバイパス通路に流れるように前記２つの流路
切替弁の弁位置を切り替えるとともに、排気ポンプを運
転することによって、通常のＮＯｘ吸収時とは逆方向に
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を流れる排気の流れを発生させて
いる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】この従来の逆流機能付
き内燃機関の排気浄化装置では、排気ポンプや複数の流
路切替弁が必要であり、部品点数が多くなって、コスト
アップになった。また、部品点数が多くなると、それだ
け保守点検に手間がかかることになる。

【００１１】また、上述した吸蔵還元型ＮＯx触媒にお
いて逆流を伴うＳＯx放出処理は、ＳＯx放出の際のＳＯ
xの移動距離を短くすることによってＳＯxの再吸収を回
避することに着眼した処理方法ではあるが、その一方
で、この処理方法を採用すると、排気ガスが吸蔵還元型
ＮＯx触媒に至るまでの距離が長くなるため、その長い
経路を流通してくる間の排気ガスの温度低下が大きく、
ＳＯx放出時の温度条件の観点からすると必ずしもＳＯx
放出に最良の方法と言えない場合もある。

【００１２】そこで、本出願人は、このような逆流機能
付き内燃機関の排気浄化装置を簡単な構造とし、部品点
数を少なくしてコストダウンを図れるようにした技術を
既に提案した（特願平１１−０１１０２５）。

【００１３】この技術は、内燃機関の排気通路に排気浄
化手段を有し、この排気浄化手段よりも上流の排気通路
に４つのポートを備えた流れ方向切替手段を設け、この
流れ方向切替手段の第１ポートには内燃機関に接続され
た第１排気通路を接続し、第２ポートには大気に接続さ
れた第２排気通路を接続し、第３ポートには排気浄化手
段の一方側に接続された第３排気通路を接続し、第４ポ
ートには排気浄化手段の他方側に接続された第４排気通
路を接続し、流れ方向切替手段は、第１ポートと第３ポ
ートとを接続するとともに第２ポートと第４ポートとを
接続して排気浄化手段に第１の方向に排気ガスを流す第
１の位置と、第１ポートと第４ポートとを接続するとと
もに第２ポートと第３ポートとを接続して排気浄化手段
に第１の方向と逆の第２の方向に排気ガスを流す第２の
位置とに切り替え可能に構成したものである。

【００１４】この排気浄化装置では、温度ウインドウを
持つ触媒の床温度制御を排気管の長さを利用して行うこ
とができるように、排気ガスを流す第１の方向とその第
１の方向とは逆の第２の方向との排気通路の長さを異な
らせている。即ち、排気ガスを排気管に流すと放熱現象
により排気ガス温度が低下し、排気通路の長さが長くな
るほど温度降下は大きい。一方、排気浄化手段に用いる
ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率は触媒温度と相関があり、Ｎ
Ｏｘを吸収する最適な温度ウインドウを有しており、こ
のＮＯｘ吸収温度ウインドウから外れるとＮＯｘ吸収能
力が大幅に低下する。したがって、流れ方向切替手段に
よって排気ガスの流れ方向を切り替えることにより、Ｎ
Ｏｘの吸収及び放出制御やＳＯｘの放出制御等を効率的
に行うことができる。

【００１５】しかしながら、この排気浄化装置において
は、排気ガスの流れ方向を切り替えるために流れ方向切
替手段の弁体を作動させると、排気ガスの流れが第１の
方向から第２の方向へ、あるいは第２の方向から第１の
方向へ切り替わる途中で、一時的に排気浄化手段をバイ
パスする流れが生じ、浄化されない排気ガスが車外に排
出される問題が生じていた。

【００１６】よって、本発明が解決しようとする課題の
一つは、排気ガスの流れ方向切替手段の作動中に、排気
浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが生じたとして
もこれを浄化して排出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にある。また、本発明が解決し
ようとする課題の他の一つは、排気ガスの流れ方向切替
手段の切替制御において、排気浄化手段のＳＯｘ被毒が
生じないように排気ガスの流れを制御することができる
内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。また、
本発明が解決しようとする課題のさらに他の一つは、流
れ方向切替手段を浄化率が低い触媒活性温度範囲外で切
り替えるようにすることで、排気浄化手段をバイパスす
る排気ガスの流れができるだけ生じないようにし、全体
として排気浄化性能を向上させ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にある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するために、以下の手段を採用した。本発明の第１の手
段は、内燃機関の排気通路に排気浄化手段を有し、この
排気浄化手段よりも上流の排気通路に４つのポートを備
えた流れ方向切替手段が設けられ、該流れ方向切替手段
の第１ポートには内燃機関に接続された第１排気通路が
接続され、第２ポートには大気に接続された第２排気通
路が接続され、第３ポートには前記排気浄化手段の一方
側に接続された第３排気通路が接続され、第４ポートに
は前記排気浄化手段の他方側に接続された第４排気通路
が接続されており、前記流れ方向切替手段は、前記第１
ポートと前記第３ポートとを接続するとともに前記第２
ポートと前記第４ポートとを接続して前記排気浄化手段
に第１の方向に排気ガスを流す第１の位置と、前記第１
ポートと前記第４ポートとを接続するとともに前記第２
ポートと前記第３ポートとを接続して前記排気浄化手段
に第１の方向と逆の第２の方向に排気ガスを流す第２の
位置と、前記第１ポートと前記第２ポートとを接続して
前記排気浄化手段をバイパスして排気ガスを流す第３の
位置とに切り替え可能な排気浄化装置であり、前記流れ
方向切替手段が前記第１の位置と第２の位置をとること
で内燃機関から排気浄化手段までの距離が異なる排気通
路を有し、前記排気浄化手段の触媒温度により前記流れ
方向切替手段が作動するものにおいて、前記排気通路に
三元触媒が設けられ、前記第１の位置から前記第２の位
置へ前記流れ方向切替手段が作動するときには内燃機関
の排気空燃比がストイキに制御されることを特徴とす
る。

【００１８】この内燃機関の排気浄化装置では、流れ方
向切替手段を切り替えて第１の位置あるいは第２の位置
のいずれか一方を選択することによって、排気ガスを排
気浄化手段に順方向に流したり、逆方向に流したりする
ことができる。流れ方向切替手段の作動時に、排気浄化
手段をバイパスする第３の位置に切り替えられたときに
は、内燃機関の排気空燃比がストイキに制御されること
で三元触媒が機能し、排気ガスが浄化されて排出され
る。したがって、排気ガスの流れ方向切替手段の作動中
に、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが生じ
たとしてもこれを浄化して排出することができる。三元
触媒については、排気浄化手段の上流側あるいは下流側
のいずれの排気通路にも設けることができる。

【００１９】本発明の第２の手段では、前記三元触媒は
前記内燃機関の排気空燃比がリーンでＳＯｘを吸収する
ＳＯｘ吸収機能を有し、前記第１の位置から前記第２の
位置へ前記流れ方向切替手段が作動するときには内燃機
関の排気空燃比をストイキに制御し、前記第３の位置に
前記流れ方向切替手段を作動させた後に第２の位置に切
り替えることを特徴とする。

【００２０】このように、三元触媒にＳＯｘ吸収機能を
持たせたものにおいては、内燃機関の排気空燃比がスト
イキ時に三元触媒よりＳＯｘが放出されるため、流れ方
向切替手段の作動を排気バイパス位置である第３の位置
で一時的に停止させ、ＳＯｘ放出が完了してから、流れ
方向切替手段を第２の位置に切り替えるように制御され
る。これにより、排気浄化手段のＳＯｘ被毒を効果的に
防止できる。

【００２１】本発明の第三の手段では、内燃機関の排気
通路に排気浄化手段を有し、この排気浄化手段よりも上
流の排気通路に４つのポートを備えた流れ方向切替手段
が設けられ、該流れ方向切替手段の第１ポートには内燃
機関に接続された第１排気通路が接続され、第２ポート
には大気に接続された第２排気通路が接続され、第３ポ
ートには前記排気浄化手段の一方側に接続された第３排
気通路が接続され、第４ポートには前記排気浄化手段の
他方側に接続された第４排気通路が接続されており、前
記流れ方向切替手段は、前記第１ポートと前記第３ポー
トとを接続するとともに前記第２ポートと前記第４ポー
トとを接続して前記排気浄化手段に第１の方向に排気ガ
スを流す第１の位置と、前記第１ポートと前記第４ポー
トとを接続するとともに前記第２ポートと前記第３ポー
トとを接続して前記排気浄化手段に第１の方向と逆の第
２の方向に排気ガスを流す第２の位置と、前記第１ポー
トと前記第２ポートとを接続して前記排気浄化手段をバ
イパスして排気ガスを流す第３の位置とに切り替え可能
な排気浄化装置であり、前記流れ方向切替手段の第１の
位置と第２の位置をとることで内燃機関から排気浄化手
段までの距離が異なる排気通路を有し、前記排気浄化手
段の触媒温度により前記流れ方向切替手段が作動するも
のにおいて、排気浄化手段の触媒温度が排気浄化率の高
い温度ウインドウ内にあるときには、前記切替弁の作動
を禁止することを特徴とする。

【００２２】このように、排気ガスの流れ方向切替手段
の切り替え制御に工夫を凝らすことにより、排気浄化手
段をバイパスする排気ガスの流れができるだけ生じない
ようにし、これにより必要最低限の排気浄化手段で排気
ガスを効率的に浄化できる。排気浄化手段が例えばＮＯ
ｘ触媒である場合、触媒活性温度内であれば、排気ガス
の流れ方向切替手段は作動させず、その切替手段を第１
の位置又は第２の位置の何れかに保持した状態とする。
そして、触媒温度が触媒活性温度（温度ウインドウ）以
上あるいは以下になったときに初めて流れ方向切替手段
の切り替え制御を行う。これにより、排気浄化手段をバ
イパスする排気ガスの流れが存在する問題を、流れ方向
切替手段の切り替え制御のみの簡便な方法で対処するこ
とができる。即ち、流れ方向切替手段をそもそも浄化率
が低い触媒活性温度範囲外で切り替えるようにしている
ため、全体として排気浄化性能が向上する。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る内燃機関の排
気浄化装置の実施の形態について、図面を参照して説明
する。〔第１の実施の形態〕図１は、本発明に係る内燃機関の
排気浄化装置を、リーン空燃比で燃焼可能なガソリンエ
ンジン（いわゆるリーンバーンガソリンエンジン）に適
用した場合の実施の形態における概略構成を示す図であ
る。

【００２４】この図において、エンジン１は直列４気筒
であり、吸気管２及び吸気マニホルド３を介して各気筒
に吸気が供給される。吸気管２には、図示しないアクセ
ルペダルと連動して吸気管２内の吸気通路を開閉するス
ロットル弁４が設けられ、このスロットル弁４には、ス
ロットル弁４の開度に対応した出力信号をエンジンコン
トロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００に出力す
るスロットルポジションセンサ５が取り付けられてい
る。

【００２５】吸気管２においてスロットル弁４よりも上
流側には、吸気管２内を流れる吸入空気量（吸入空気質
量）Ｑに対応した出力信号をＥＣＵ１００に出力するエ
アフロメータ６が取り付けられている。

【００２６】エンジン１の各気筒に連なる各吸気通路に
は燃料噴射弁７から燃料（ガソリン）が噴射される。燃
料噴射弁７の開弁時期及び開弁期間は、エンジン１の運
転状態に応じてＥＣＵ１００によって制御される。

【００２７】エンジン１の各気筒から排出される排気ガ
スは、排気マニホールド８及び排気管（第１排気通路）
９を介して排気される。排気管９の途中には三元触媒４
０が設けられている。この三元触媒４０は、エンジン１
の排気空燃比がストイキのときに、排気ガス中のＮＯｘ
やＳＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等を浄化する機能を有するもので
ある。

【００２８】排気管９は、４つのポートを備えた排気切
替弁（流れ方向切替手段）２０の第１ポートに接続され
ている。排気切替弁２０の第２ポートは排気ガスを大気
に排出する排気管（第２排気通路）１０に接続され、排
気切替弁２０の第３ポートは排気管（第３排気通路）１
１を介して触媒コンバータ（排気浄化手段）３０の入口
３０ａに接続され、排気切替弁２０の第４ポートは排気
管（第４排気通路）１２を介して触媒コンバータ（排気
浄化手段）３０の出口３０ｂに接続されている。触媒コ
ンバータ３０には吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、ＮＯx触
媒と略す）３１が収容されている。ＮＯx触媒３１につ
いては後で詳述する。

【００２９】排気切替弁２０は、その弁体を図１に示す
順流位置と図２に示す逆流位置に切り替えることによっ
て、触媒コンバータ３０を流れる排気ガスの流れ方向を
変えることができるバルブである。前記弁体が順流位置
に位置しているとき、排気切替弁２０は、排気管９と排
気管１１とを接続するとともに排気管１０と排気管１２
とを接続し、この時、排気ガスは、三元触媒４０→排気
管９→排気管１１→触媒コンバータ３０→排気管１２→
排気管１０の順に流れて、大気に放出される。このよう
に触媒コンバータ３０の入口３０ａから出口３０ｂに向
かって流れる排気ガスの流れを、以下の説明においては
「順流」と称す。

【００３０】また、排気切替弁２０の弁体が図２に示す
逆流位置に位置しているとき、排気切替弁２０は、排気
管９と排気管１２とを接続するとともに排気管１０と排
気管１１とを接続し、この時、排気ガスは、三元触媒４
０→排気管９→排気管１２→触媒コンバータ３０→排気
管１１→排気管１０の順に流れて、大気に放出される。
このように触媒コンバータ３０の出口３０ｂから入口３
０ａに向かって流れる排気ガスの流れを、以下の説明に
おいては「逆流」と称す。

【００３１】また、排気切替弁２０の弁体が図３に示す
中立位置に位置しているとき、排気切替弁２０は、排気
管９と排気管１０とを接続し、この時、排気ガスは、三
元触媒４０→排気管９→排気管１０の順に流れて、大気
に放出される。このように触媒コンバータ３０を流れず
にバイパスする排気ガスのながれを、以下の説明では
「ショートパス」と称す。

【００３２】この排気切替弁２０はアクチュエータ２１
に駆動されて弁体位置の切り替えが行われるようになっ
ており、アクチュエータ２１はＥＣＵ１００により制御
される。この実施の形態では、アクチュエータ２１とＥ
ＣＵ１００は制御手段を構成する。排気切替弁２０の弁
体位置の切り替え制御については後で詳述する。

【００３３】排気管１１において触媒コンバータ３０の
入口３０ａの近傍には、排気管１１内を流れる排気ガス
の温度に対応した出力信号をＥＣＵ１００に出力する排
気温センサ１３が取り付けられている。

【００３４】ＥＣＵ１００はデジタルコンピュータから
なり、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リ
ードオンメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモ
リ）、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入力
ポート、出力ポートを具備し、エンジン１の空燃比制御
等の基本制御を行うほか、この実施の形態では、触媒コ
ンバータ３０のＳＯx放出処理制御等を行っている。

【００３５】これら制御のために、ＥＣＵ１００の入力
ポートには、前記エアフロメータ６からの入力信号、排
気温センサ１３からの入力信号が入力されるほか、回転
数センサ１４からの入力信号が入力される。回転数セン
サ１４はエンジン１の回転数に応じた出力信号をＥＣＵ
１００に出力し、この出力信号からＥＣＵ１００はエン
ジン回転数Ｎを演算する。また、ＥＣＵ１００はエアフ
ロメータ６の出力信号から吸入空気量Ｑを演算し、エン
ジン負荷Ｑ／Ｎ（吸入空気量Ｑ／エンジン回転数Ｎ）を
演算する。そして、ＥＣＵ１００は、エンジン回転数Ｎ
とエンジン負荷Ｑ／Ｎからエンジン１の運転状態を判定
し、その運転状態に応じて燃料噴射弁から噴射する燃料
量を制御し、リーン空燃比とストイキまたはリッチ空燃
比に切り替える空燃比制御を行う。この空燃比制御の一
例を挙げれば、暖機運転時および高負荷運転域ではスト
イキまたはリッチ空燃比とし、低中負荷運転域ではリー
ン空燃比とする制御方法がある。

【００３６】触媒コンバータ３０に収容されているＮＯ
x触媒３１、即ち吸蔵還元型ＮＯx触媒は例えばアルミナ
を担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウ
ムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ
金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ
土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類か
ら選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属
とが担持されている。

【００３７】このＮＯx触媒３１は、流入排気ガスの空
燃比（以下、排気空燃比と称す）がリーンのときはＮＯ
xを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸
収したＮＯxを放出し、Ｎ₂に還元する。尚、排気空燃
比とは、ここではＮＯx触媒３１の上流側の排気通路や
エンジン燃焼室、吸気通路等にそれぞれ供給された空気
量の合計と燃料（炭化水素）の合計の比を意味するもの
とする。したがって、ＮＯx触媒３１上流の排気通路内
に燃料、還元剤あるいは空気が供給されない場合には、
排気空燃比はエンジン燃焼室内に供給される混合気の空
燃比に一致することになる。

【００３８】この実施の形態では、リーン空燃比での燃
焼が可能ないわゆるリーンバーンガソリンエンジンを内
燃機関として使用しており、エンジン１の運転状態に応
じて混合気の空燃比を制御している。それゆえ、エンジ
ン１がリーン空燃比で運転されている時には排気空燃比
はリーンになり、酸素濃度は高くなる。一方、エンジン
１がストイキまたはリッチ空燃比で運転されている時に
は排気空燃比はストイキまたはリッチになり、排気ガス
中の酸素濃度は大幅に低下するとともに、エンジン１か
ら排出される未燃ＨＣ、ＣＯ等の成分が増大する。

【００３９】ＮＯx触媒３１のＮＯx吸放出作用のメカニ
ズムについては明らかでない部分もあるが、図４に示す
ようなメカニズムで行われると考えられている。このメ
カニズムについて、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａ
を担持させた場合を例にとって説明するが、他の貴金
属，アルカリ金属，アルカリ土類，希土類を用いても同
様のメカニズムとなる。

【００４０】まず、流入排気ガスがかなりリーンになる
と流入排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大するため、図
４（Ａ）に示すように、酸素Ｏ₂がＯ₂ ^-又はＯ^2-の形で
白金Ｐｔの表面に付着する。次に、排気ガスに含まれる
ＮＯは、白金Ｐｔの表面上でＯ₂ ^-又はＯ^2-と反応し、Ｎ
Ｏ₂となる（２ＮＯ＋Ｏ₂→２ＮＯ₂）。

【００４１】その後、生成されたＮＯ₂は、ＮＯx触媒３
１のＮＯx吸収能力が飽和しない限り、白金Ｐｔ上で酸
化されながらＮＯx触媒３１内に吸収されて酸化バリウ
ムＢａＯと結合し、図４（Ａ）に示すように硝酸イオン
ＮＯ₃ ^-の形でＮＯx触媒３１内に拡散する。このように
してＮＯxがＮＯx触媒３１内に吸収される。

【００４２】これに対し、流入排気ガス中の酸素濃度が
低下した場合は、ＮＯ₂の生成量が低下し、前記反応と
は逆の反応（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂）によって、ＮＯx触媒３
１内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-は、ＮＯ₂またはＮＯの形でＮ
Ｏx触媒３１から放出される。

【００４３】一方、流入排気ガス中にＨＣ，ＣＯ等の還
元成分が存在すると、これらの成分は白金Ｐｔ上の酸素
Ｏ₂ ^-又はＯ^2-と反応して酸化され、排気ガス中の酸素を
消費して排気ガス中の酸素濃度を低下させる。また、排
気ガス中の酸素濃度低下によりＮＯx触媒３１から放出
されたＮＯ₂またはＮＯは、図４（Ｂ）に示すように、
ＨＣ，ＣＯと反応して還元される。このようにして白金
Ｐｔ上のＮＯ₂またはＮＯが存在しなくなると、ＮＯx
触媒３１から次から次へとＮＯ₂またはＮＯが放出され
る。

【００４４】即ち、流入排気ガス中のＨＣ，ＣＯは、ま
ず白金Ｐｔ上の酸素Ｏ₂ ^-又はＯ^2-とただちに反応して酸
化せしめられ、次いで白金Ｐｔ上の酸素Ｏ₂ ^-又はＯ^2-が
消費されてもまだＨＣ，ＣＯが残っていれば、このＨ
Ｃ，ＣＯによってＮＯx触媒３１から放出されたＮＯxお
よびエンジンから排出されたＮＯxがＮ₂に還元せしめら
れる。

【００４５】このように、排気空燃比がリーンになると
ＮＯxがＮＯx触媒３１に吸収され、排気空燃比をストイ
キあるいはリッチにするとＮＯxがＮＯx触媒３１から短
時間のうちに放出され、Ｎ₂に還元される。したがっ
て、大気中へのＮＯxの排出を阻止することができる。

【００４６】次に、ＮＯx触媒３１のＳＯx被毒のメカニ
ズムについて説明する。排気ガス中に硫黄酸化物（ＳＯ
x）が含まれていると、ＮＯx触媒３１は上述のＮＯxの
吸収と同じメカニズムで排気ガス中のＳＯxを吸収す
る。即ち、排気空燃比がリーンのときには、酸素Ｏ₂が
Ｏ₂ ^-又はＯ^2-の形でＮＯx触媒３１の白金Ｐｔの表面に
付着しており、流入排気ガス中のＳＯx（例えばＳＯ₂）
は白金Ｐｔの表面上で酸化されてＳＯ₃となる。

【００４７】その後、生成されたＳＯ₂は、白金Ｐｔの
表面で更に酸化されながらＮＯx触媒３１内に吸収され
て酸化バリウムＢａＯと結合し、硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の
形でＮＯx触媒３１内に拡散し硫酸塩ＢａＳＯ₄を形成す
る。ＢａＳＯ₄は結晶が粗大化し易く、比較的安定し易
いため、一旦生成されると分解放出されにくい。このた
め、時間の経過とともにＮＯx触媒３１中のＢａＳＯ₄の
生成量が増大するとＮＯx触媒３１の吸収に関与できる
ＢａＯの量が減少してＮＯxの吸収能力が低下してしま
う。これが即ちＳＯx被毒である。したがって、ＮＯx触
媒３１のＮＯx吸収能力を高く維持するためには、適宜
のタイミングでＮＯx触媒３１に吸収されたＳＯxを放出
させる必要がある。

【００４８】ＮＯx触媒３１からＳＯxを放出させるに
は、ＮＯxを放出させる場合と同様に排気ガスの酸素濃
度を低下させればよいことが分かっており、また、ＮＯ
x触媒３１の温度が高いほど放出し易いことが分かって
いる。

【００４９】本出願人の研究により、ＮＯx触媒３１に
吸収されたＳＯxを放出させるには、流入排気空燃比を
ストイキまたはリッチにし、且つ、ＮＯx触媒３１から
ＮＯxを放出させる通常のＮＯx放出・還元処理時よりも
ＮＯx触媒３１の温度を高くする必要があることがわか
った。

【００５０】また、触媒コンバータ３０におけるＳＯx
の吸収状態は、触媒コンバータ３０の入口３０ａに近く
位置しているＮＯx触媒３１の方が、入口３０ａから遠
くに位置しているＮＯx触媒３１よりもＳＯx吸収量が多
くなるため、ＮＯx触媒３１からＳＯxを放出させる際に
は、排気空燃比がストイキまたはリッチで且つ高温の排
気ガスを触媒コンバータ３０の出口３０ｂ側から入口３
０ａ側に向けて流すと、ＳＯxを短時間で放出すること
ができる。

【００５１】触媒コンバータ３０の排気通路への配置位
置については、排気ガスの流れが順流のときのＮＯｘ触
媒床温度を確保するため、触媒コンバータ３０の入口３
０ａが排気切替弁２０の近くに位置する配置としてい
る。即ち、排気切替弁２０の弁体を順流位置に位置させ
た状態を示す図１と、排気切替弁２０の弁体を逆流位置
に位置させた状態を示す図２とからもわかるように、排
気ガスが触媒コンバータ３０に流入するまでの流路長さ
は、排気切替弁２０の弁体を順流位置にしたときの方
が、弁体を逆流位置にしたときよりも短い。そのため、
排気ガスを排気管に流すと放熱現象により排気ガス温度
が低下し、流路長さが長くなるほど温度降下は大きい。
したがって、排気切替弁２０の弁体を順流位置に位置さ
せたときよりも、弁体を逆流位置に位置させたときの方
が触媒コンバータ３０に流入するまでの排気ガスの温度
降下が大きい。

【００５２】一方、図５に示すように、ＮＯｘ触媒３１
のＮＯｘ浄化率は触媒温度と相関があり、ＮＯｘを吸収
するのに最適な温度ウインドウ（以下ＮＯｘ吸収ウイン
ドウという）を有しており、このＮＯｘ吸収ウインドウ
から外れるとＮＯｘ吸収能力が大幅に低下する。また、
ＮＯｘ触媒３１からＮＯｘを放出・還元させるときに
は、ＮＯｘ触媒３１の温度をそれほど高くしなくてもＮ
Ｏｘを放出させることができるものの、ＮＯｘ触媒３１
からＳＯｘを放出させるときには、前述したようにＮＯ
ｘ触媒３１の温度を高温にした方がＳＯｘを効率的に放
出することができる。

【００５３】他方、排気切替弁２０の弁体を作動させる
と、弁体作動中に排気ガスが図３に示すようにショート
パスして触媒コンバータ３０をバイパスするために、排
気空燃比がリーンであるとその排気ガスが三元触媒によ
って浄化されない。

【００５４】そこで、本実施の形態では、排気ガスの流
れ方向を順流あるいは逆流とする際に必要な排気切替弁
２０の切替操作に基づく弁体作動中に、排気ガスがショ
ートパスする弁体位置（第３の位置）では、排気空燃比
をストイキに制御することとした。この弁体の作動を伴
う排気切替弁２０の切換操作については、例えば、ＮＯ
x，ＳＯxの吸収時には触媒コンバータ３０における排気
ガスの流れを順流にし、ＮＯx，ＳＯxの放出時には触媒
コンバータ３０における排気ガスの流れを逆流にすると
き、あるいはＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ浄化率が触媒温度
と相関する点を考慮し、触媒温度が温度ウインドーから
外れないように排気ガスの流れ方向を順流又は逆流に切
り替えるとき、などを例示することができる。

【００５５】次に、本実施の形態における排気浄化装置
の作動について、ＮＯｘあるいはＳＯｘ放出時に排気ガ
スを逆流させる制御を例にとり説明する。前述したよう
に、エンジン１はリーンバーンガソリンエンジンであ
り、エンジン１の運転状態に応じて空燃比がＥＣＵ１０
０により制御され、エンジン１がリーン空燃比で運転さ
れている時には排気空燃比はリーンになって、酸素濃度
は高くなり、エンジン１がストイキまたはリッチ空燃比
で運転されている時には排気空燃比はストイキまたはリ
ッチになり、排気ガス中の酸素濃度は大幅に低下すると
ともに、エンジン１から排出される未燃ＨＣ、ＣＯ等の
成分が増大する。

【００５６】そこで、エンジン１がリーン空燃比で運転
されているときには、排気切替弁２０の弁体が図１に示
す順流位置に保持されるように、ＥＣＵ１００によって
アクチュエータ２１の作動を制御する。これにより、エ
ンジン１の排気ガスは、三元触媒４０→排気管９→排気
管１１→触媒コンバータ３０→排気管１２→排気管１０
の順に流れて、大気に放出されるようになり、触媒コン
バータ３０では入口３０ａから出口３０ｂに向かって流
れる順流となる。この時、排気ガス中のＮＯx及びＳＯx
が触媒コンバータ３０のＮＯx触媒３１に吸収される。
またこの時、排気空燃比がリーンであるため三元触媒４
０はほとんど機能しない。

【００５７】そして、エンジン１がストイキ又はリッチ
空燃比で運転されているときには、排気切替弁２０の弁
体が図２に示す逆流位置に保持されるように、ＥＣＵ１
００によってアクチュエータ２１の作動を制御する。こ
れにより、エンジン１の排気ガスは、三元触媒４０→排
気管９→排気管１２→触媒コンバータ３０→排気管１１
→排気管１０の順に流れて、大気に放出されるようにな
り、触媒コンバータ３０では出口３０ｂから入口３０ａ
に向かって流れる逆流となる。また、エンジン１をスト
イキまたはリッチ空燃比で運転している時には、ＮＯx
触媒３１からＳＯxが放出され易い排気ガス温度となる
ように、ＥＣＵ１００によってエンジン１の運転制御が
なされるようにしておく。

【００５８】これにより、触媒コンバータ３０内をスト
イキまたはリッチ空燃比の高温の排気ガスが、ＮＯx，
ＳＯx吸収時とは逆の方向に通過するようになり、ＮＯx
触媒３１からＮＯxが放出され、さらに排気ガス中の未
燃ＨＣ，ＣＯ等によりＮ２に還元浄化される。また、排
気ガスが触媒コンバータ３０を逆流することによって、
ＮＯx触媒３１に吸収されているＳＯxを短時間のうちに
ＮＯx触媒３１から放出させることができる。

【００５９】また、エンジン１の運転条件によりリーン
空燃比運転が長時間続いた時には、エンジン１を強制的
にストイキまたはリッチ空燃比で運転されるように制御
して上述のようにＮＯx，ＳＯxの放出処理を行い、触媒
コンバータ３０がＮＯxやＳＯxで飽和しないようにす
る。このようなエンジン１の空燃比制御方法を以下の説
明ではリーン・リッチスパイク制御と称す。尚、リーン
・リッチスパイク制御について具体的に数値を挙げて説
明すると、エンジン１の「リーン空燃比運転」が数十秒
（例えば４０〜６０秒）続くと、「ストイキまたはリッ
チ空燃比運転」が数秒（例えば２〜３秒）続き、この
「リーン空燃比運転」と「ストイキまたはリッチ空燃比
運転」が交互に実行されるといった具合である。

【００６０】このように排気切替弁２０の弁体が順流位
置から逆流位置にあるいは逆流位置から順流位置に切り
替わる途中では、図３に示すように排気ガスが排気管９
から排気管１０へとショートパスして触媒コンバータ３
０をバイパスする。このとき、ショートパスする排気ガ
スがリーンであると、三元触媒４０は機能せず、排気ガ
スは浄化されない。したがって、排気切替弁２０の弁体
作動中においては、エンジン１の運転制御により、排気
空燃比を強制的にストイキに制御して三元触媒４０を機
能させ、ショートパスする排気ガスを三元触媒４０によ
り浄化してから大気に放出させる。

【００６１】図６は、このようにエンジン１の運転制御
により、排気空燃比を強制的にストイキに制御するとき
にＥＣＵ１００が実行する制御手順を示すフローチャー
トである。まず、ステップＳ１では、ＥＣＵ１００はバ
ルブ作動時期か否かを判定する。この判定については、
どのような条件を満たしたときに排気ガスの流れ方向を
切り替えるか否か、排気浄化の全体システムや排気浄化
手段の特性によって決定されるが、例えばＥＣＵ１００
がエンジン１の運転時間を積算し、その積算値が所定量
に達した場合にＳＯｘ放出処理必要と判定したり、ＥＣ
Ｕ１００がＮＯｘ触媒３１に吸収されたＳＯｘ量を積算
し、積算値が所定量に達した時にＳＯｘ放出必要と判定
するなどを例示することができる。また、リーン空燃比
で燃焼可能なリーンバーンガソリンエンジンの場合に
は、エンジンの運転状態によってリーン空燃比による燃
焼とリッチ空燃比による燃焼に切り替えられるので、こ
のエンジンの運転状態応じて排気切換弁２０を切替制御
する場合なども例示することができる。

【００６２】ステップＳ１において、バルブ作動時期で
ないことを判定したらリターンしてスタートへ戻る。バ
ルブ作動時期であることを判定した場合には、ステップ
Ｓ２においてエンジン１の排気空燃比を強制的にストイ
キに制御する。エンジン１の排気空燃比をストイキに制
御したら、次にステップＳ３において、アクチュエータ
２１の作動制御により排気切替弁２０の弁体（バルブ）
を順流位置から逆流位置へ切り替える。

【００６３】バルブの切り替え制御を完了したら、ステ
ップＳ４に移行する。ステップＳ４では、ＥＣＵ１００
はエンジン１の運転状態に応じた空燃比に、あるいは強
制的にリーン・リッチスパイク運転等に制御する。ステ
ップＳ４へ移行後はリターンしてスタートへ戻る。

【００６４】なお、バルブ作動中において、エンジン１
の排気空燃比を強制的にストイキに制御することは、Ｎ
Ｏｘ触媒３１のＮＯｘ浄化率が触媒温度と相関する点を
考慮し、触媒温度が温度ウインドーから外れないように
排気ガスの流れ方向を順流又は逆流に切り替えるときに
おいても同様である。

【００６５】この実施の形態では、排気ガスが順流に流
れる方向が第１の方向となり、逆流に流れる方向が第２
の方向となる。また、排気管９、排気管１１、排気管１
２、排気管１０、排気切替弁２０、アクチュエータ２
１、ＥＣＵ１００等は排気ガスの逆流手段を構成してい
る。また、ＳＯx除去に必要な排気ガスの空燃比（リー
ン又はリッチ）と排気ガス温度（高温）をエンジン１の
運転制御によって得ているので、この実施の形態ではエ
ンジン１の運転制御を行うための各センサーを含むＥＣ
Ｕ１００が制御手段を構成している。

【００６６】また、この実施の形態では、三元触媒４０
を触媒コンバータ３０の上流側に設けた例を示したが、
三元触媒４０を触媒コンバータ３０の下流側に設けても
よい。三元触媒４０を触媒コンバータ３０の下流側に設
ける例としては、排気管１０の途中に設ける例を挙げる
ことができる。

【００６７】〔実施の形態２〕次に、本発明に係る内燃
機関の排気浄化装置の第２の実施の形態について、図７
のフロー図を参照して説明する。

【００６８】この第２の実施の形態では、第１の実施の
形態で示した三元触媒４０に、Ｓトラップ材の機能を持
たせた場合における制御例を示したものである。この場
合の三元触媒４０は、流入排気ガスの空燃比がリーンの
ときにＳＯｘを吸収し、酸素濃度の低いストイキ又はリ
ッチ空燃比のときに吸収したＳＯｘを放出する。

【００６９】このように三元触媒４０にＳトラップ機能
を持たせると、図１に示すように排気切替弁２０の弁体
を順流位置にしたとき（即ち、ＮＯx吸収時）には、三
元触媒４０が触媒コンバータ３０よりも上流に位置する
ことになるので、排気ガス中のＳＯxは三元触媒４０に
吸着され、触媒コンバータ３０へのＳＯxの流入を阻止
することができ、ＮＯx触媒３１のＳＯx被毒を阻止する
ことができる。しかし、エンジン１の排気空燃比をスト
イキに制御すると、三元触媒４０からＳＯｘが放出され
るため、ＮＯｘ触媒３１のＳＯｘ被毒の問題が生じる。

【００７０】そこで、この実施の形態では、ＥＣＵ１０
０は次のように排気切替弁２０の弁体位置の切り替え制
御を行う。まず、ステップＳ１１において、ＥＣＵ１０
０はバルブ作動時期か否かを判定する。バルブ作動時期
でないことを判定したらリターンしてスタートへ戻る。
バルブ作動時期であることを判定した場合には、ステッ
プＳ１２に進み、エンジン１の排気空燃比を強制的にス
トイキに制御するとともに、アクチュエータ２１の作動
制御により排気切替弁２０の弁体（バルブ）を順流位置
から逆流位置へ切り替える途中で、バルブをバイパス位
置（第３の位置）に位置させる。

【００７１】排気空燃比がストイキに制御されると、三
元触媒４０からＳＯｘが放出されるが、バルブがバイパ
ス位置にあるため、ＳＯｘを含む排気ガスはＮＯｘ触媒
３１をバイパスして大気に放出される。これによりＮＯ
ｘ触媒３１のＳＯｘ被毒が防止される。

【００７２】ステップＳ１２の実行により、バルブをバ
イパス位置に位置させた状態でステップＳ１３へ移行す
る。このステップＳ１３では、三元触媒４０のＳＯｘ放
出が完了したか否かを判定し、ＳＯｘ放出未完了と判定
した場合はステップＳ１２へ戻る。ＳＯｘ放出完了と判
定した場合はステップＳ１４へ進み、目的とするバルブ
切替位置（逆流位置）へ切り替えてバルブの切替制御を
完了する。

【００７３】ステップＳ１４においてバルブの切り替え
制御を完了するとステップＳ１５へ移行する。ステップ
Ｓ１５では、ＥＣＵ１００はエンジン１をその運転状態
に応じた空燃比に、あるいは強制的にリーン・リッチス
パイク運転等に制御する。ステップＳ１５移行後はリタ
ーンしてスタートへ戻る。

【００７４】なお、以上の制御フローは、バルブを逆流
位置から順流位置へ切り替える場合においても同様に実
行される。また、このようにエンジン１の排気空燃比を
強制的にストイキに制御するとき、バルブの作動を一旦
排気バイパス位置で停止させることは、ＮＯｘ触媒３１
のＮＯｘ浄化率が触媒温度と相関する点を考慮し、触媒
温度が温度ウインドーから外れないように排気ガスの投
げれ方向を順流又は逆流に切り替えるときにおいても同
様に実行される。

【００７５】尚、上述した実施の形態では、ＮＯx触媒
３１からのＮＯx，ＳＯxの放出処理を同時に行っている
が、エンジンの排気ガス、特にガソリンエンジンの排気
ガスに含まれるＳＯx量は極めて僅かであるため、ＮＯx
の放出処理と同一の頻度でＳＯxの放出処理を行う必要
はない。そこで、ＮＯxの放出処理を行う場合には、ス
トイキまたはリッチ空燃比の運転域であっても排気ガス
温度が比較的に低いエンジン１の運転状態の時には、排
気ガスを触媒コンバータ３０にＮＯx吸収時と同じ順流
で流してＮＯx触媒３１からＮＯxを放出・還元させるよ
うにし、一方、ストイキまたはリッチ空燃比の運転域で
あって且つ排気ガス温度が上昇して高温になるエンジン
１の運転状態（加速時や高負荷運転時など）のとき、即
ち排気ガスの状態がＳＯx放出に有利なストイキまたは
リッチ空燃比且つ高温になった時にのみ、排気切替弁２
０の弁体を逆流位置に切り替えて、触媒コンバータ３０
を流れる排気ガスの流れを逆流にし、ＳＯxの放出処理
を行うように制御してもよい。

【００７６】また、ＥＣＵ１００によってＮＯx触媒３
１のＳＯx放出処理が必要か否かを判定し、ＳＯx放出処
理の必要なしと判定されたときには排気切替弁２０の弁
体を順流位置に保持して触媒コンバータ３０を流れる排
気ガスの流れを順流にし、必要があると判定されたとき
に排気切替弁２０の弁体を逆流位置に切り替え、触媒コ
ンバータ３０を流れる排気ガスの流れを逆流にし、且
つ、ＥＣＵ１００が、ＳＯxの放出に最適な目標空燃比
や目標触媒温度を算出し、さらに還元剤添加装置を備え
た場合には目標還元剤量を算出し、これら目標値となる
ようにエンジン１や還元剤添加装置等を制御して、ＳＯ
xの放出処理を行うようにしてもよい。

【００７７】〔実施の形態３〕次に、本発明に係る内燃
機関の排気浄化装置の第３の実施の形態について、図８
〜図１１を参照して説明する。

【００７８】図８は、第３の実施の形態における内燃機
関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。同図に示
す例では、排気通路に三元触媒が設けられていない点を
除けば、先の第１及び第２の実施形態と基本的に同じで
ある。

【００７９】即ち、エンジン１は直列４気筒のリーンバ
ーンガソリンエンジンであり、吸気管２及び吸気マニホ
ールド３を介して各気筒に吸気が供給され、各気筒に連
なる各吸気通路に燃料噴射弁７から燃料が噴射され、各
気筒から排出される排気ガスは排気マニホールド８及び
排気管９を介して排気され、吸気管２にはスロットルポ
ジションセンサ５を備えたスロットル弁４とエアフロメ
ータ６が設置され、排気管１１には排気温センサ１３が
設置され、エンジン１には回転数センサ１４が設置さ
れ、スロットルポジションセンサ５、エアフロメータ
６、排気温センサ１３、回転数センサ１４の各出力信号
がＥＣＵ１００に出力され、ＥＣＵ１００からの出力信
号に基づいて燃料噴射弁７が作動制御される構成であ
る。

【００８０】また、排気管９は、４つのポートを備えた
排気切替弁（流れ方向切替手段）２０の第１ポートに接
続されている。排気切替弁２０の第２ポートは排気ガス
を大気に排出する排気管（第２排気通路）１０に接続さ
れ、排気切替弁２０の第３ポートは排気管（第３排気通
路）１１を介して触媒コンバータ（排気浄化手段）３０
の入口３０ａに接続され、排気切替弁２０の第４ポート
は排気管（第４排気通路）１２を介して触媒コンバータ
（排気浄化手段）３０の出口３０ｂに接続されている。
触媒コンバータ３０には吸蔵還元型ＮＯx触媒３１が収
容されている。

【００８１】排気切替弁２０は、その弁体を図８に示す
順流位置（第１の位置）と図９に示す逆流位置（第２の
位置）に切り替えることによって、触媒コンバータ３０
を流れる排気ガスの流れ方向を変えることができるバル
ブである。前記弁体が順流位置に位置しているとき、排
気切替弁２０は、排気管９と排気管１１とを接続すると
ともに排気管１０と排気管１２とを接続し、この時、排
気ガスは、排気管９→排気管１１→触媒コンバータ３０
→排気管１２→排気管１０の順に流れて、大気に放出さ
れる。

【００８２】また、排気切替弁２０の弁体が図９に示す
逆流位置に位置しているとき、排気切替弁２０は、排気
管９と排気管１２とを接続するとともに排気管１０と排
気管１１とを接続し、この時、排気ガスは、排気管９→
排気管１２→触媒コンバータ３０→排気管１１→排気管
１０の順に流れて、大気に放出される。

【００８３】また、排気切替弁２０の弁体が中立位置
（図３参照）に位置しているとき、排気切替弁２０は、
排気管９と排気管１０とを接続し、この時、排気ガス
は、排気管９→排気管１０の順に流れて、大気に放出さ
れる。

【００８４】触媒コンバータ３０の排気通路への配置位
置についても、排気ガスの流れが順流のときのＮＯｘ触
媒床温度を確保するため、触媒コンバータ３０の入口３
０ａが排気切替弁２０の近くに位置する配置としてい
る。即ち、排気ガスが触媒コンバータ３０に流入するま
での流路長さは、排気切替弁２０の弁体を順流位置にし
たときの方が、弁体を逆流位置にしたときよりも短い。
そのため、排気ガスを排気管に流すと放熱現象により排
気ガス温度が低下し、流路長さが長くなるほど温度降下
は大きい。したがって、排気切替弁２０の弁体を順流位
置に位置させたときよりも、弁体を逆流位置に位置させ
たときの方が触媒コンバータ３０に流入するまでの排気
ガスの温度降下が大きい。

【００８５】一方、図５に示すように、ＮＯｘ触媒３１
のＮＯｘ浄化率は触媒温度と相関があり、ＮＯｘを吸収
するのに最適な温度ウインドウを有しており、このＮＯ
ｘ吸収温度ウインドウから外れるとＮＯｘ吸収能力が大
幅に低下する。また、ＮＯｘ触媒３１からＮＯｘを放出
・還元させるときには、ＮＯｘ触媒３１の温度をそれほ
ど高くしなくてもＮＯｘを放出させることができる。

【００８６】また、ＮＯｘ触媒３１の排気ガス浄化温度
ウインドウは、図１０に示すように２５０℃〜５５０℃
程度であるが、高い浄化率が得られるのは４００℃前後
である。通常、このＮＯｘ触媒の床温度を制御するの
に、触媒の温度が４００℃付近になるように制御するよ
うにしていたが、排気切替弁２０の弁体を作動させる
と、弁体作動中に排気ガスがショートパスして触媒コン
バータ３０を一時的にバイパスするために、排気ガスが
浄化されないで車外に排出される問題が生じる。

【００８７】即ち、先の第１及び第２の実施の形態で
は、排気切替弁２０を積極的に切り替える一方、排気ガ
スのバイパス時にエンジンの排気空燃比をストイキに制
御する考え方を採用しているが、排気ガスがバイパスす
る問題を可能な限り少なくするためには、排気切替弁２
０の切替制御をできるだけ行わないようにすることも有
効である。

【００８８】そこで、この実施の形態では、ＮＯｘ触媒
３１の温度が触媒活性温度内であれば、排気切替弁２０
の弁体を作動させず、触媒活性温度以上、あるいは触媒
活性温度以下になったときに切替制御を行うようにし
た。この触媒活性温度については、触媒の種類によって
も左右されるが、概ね２５０℃〜５５０℃の範囲であ
る。この温度範囲は、最高の活性が得られる４００℃付
近におけるＮＯｘ吸蔵能力（単位時間に吸収できるＮＯ
ｘ量）の半分以下の能力とするのが好ましい。

【００８９】図１１は、このようにＮＯｘ触媒３１の温
度が触媒活性温度内であれば、排気切替弁２０の弁体を
作動させず、触媒活性温度以上、あるいは触媒活性温度
以下になったときにＥＣＵ１００が排気切替弁２０の弁
体作動を実行する制御手順を示すフローチャートであ
る。

【００９０】まず、ステップＳ２１において、ＥＣＵ１
００はＮＯｘ触媒３１の触媒床温度が５５０℃以上か、
又は２５０℃以下かの判定を行う。ここで、触媒床温度
が５５０℃以上であることを判定した場合にはステップ
Ｓ２２に移行し、２５０℃以下であることを判定した場
合には排気切替弁２０の弁体位置を現状維持とし、リタ
ーンしてスタートへ戻る。

【００９１】ステップＳ２２では、触媒床温度が５５０
℃以上か否かを判定し、５５０℃以上の場合はステップ
Ｓ２３へ移行し、５５０℃以下の場合はステップＳ２５
へ移行する。ステップＳ２３では、排気切替弁２０の弁
体が順流位置（第１の位置）にあるか否かを判定し、順
流位置にあるときはステップＳ２４へ移行し、排気切替
弁２０の弁体を逆流位置（第２の位置）へ切り替えた後
リターンしてスタートへ戻る。排気ガスが逆流するとき
の方が排気通路の長さが長く温度降下が大きいため、触
媒床温度を低下させることができる。ステップＳ２３に
おいて、排気切替弁２０の弁体が逆流位置にあると判定
した場合は、リターンしてスタートへ戻る。

【００９２】一方、触媒床温度が５５０℃以下であると
きに移行するステップＳ２５では、排気切替弁２０の弁
体が順流位置にあるか否かを判定する。順流位置にある
ときは現状維持とし、リターンしてスタートへ戻る。こ
のステップＳ２５において、排気切替弁２０の弁体が逆
流位置にあることを判定した場合には、ステップＳ２６
へ移行し、排気切替弁２０の弁体を順流位置へ切り替え
る制御を実行した後、スタートへ戻る。

【００９３】このように、第３の実施の形態によれば、
ＮＯｘ触媒３１の触媒活性温度内であれば、排気ガスの
流れ方向を切り替える排気切替弁２０の弁体は作動させ
ず、その排気切替弁２０の弁体を順流位置又は逆流位置
の何れかに保持した状態とする。そして、触媒温度が触
媒活性温度以上あるいは以下になったときに初めて流れ
方向切替手段の切り替え制御を行う。これにより、排気
浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが存在する問題
を、排気切替弁２０の切り替え制御のみの簡便な方法で
対処することができる。即ち、排気切替弁２０をそもそ
も浄化率が低い触媒活性温度範囲外で切り替えるように
しているため、全体として排気浄化性能を向上させるこ
とができる。

【００９４】

【発明の効果】本発明の第１の手段に係る内燃機関の排
気浄化装置によれば、流れ方向切替手段の作動時に、排
気浄化手段をバイパスする位置に流れ方向切替手段が排
切り替えられたときには、内燃機関の排気空燃比をスト
イキに制御することで、三元触媒を機能させ、排気ガス
を浄化してから排出させることができる。したがって、
排気ガスの流れ方向切替手段の作動中に、排気浄化手段
をバイパスする排気ガスの流れが生じたとしてもこれを
浄化して排出することができる。

【００９５】本発明の第２の手段に係る内燃機関の排気
浄化装置によれば、三元触媒にＳＯｘ吸収機能を持たせ
たものにおいては、内燃機関の排気空燃比がストイキ時
に三元触媒よりＳＯｘが放出されるため、流れ方向切替
手段の作動を排気バイパス位置で一時的に停止させ、Ｓ
Ｏｘ放出が完了してから、流れ方向切替手段を切り替え
るようにすることで、排気浄化手段のＳＯｘ被毒を効果
的に防止できる。

【００９６】本発明の第３の手段に係る内燃機関の排気
浄化装置によれば、排気浄化手段の触媒が触媒活性温度
内であれば、排気ガスの流れ方向切替手段は作動させ
ず、その切替手段を順流位置又は逆流位置の何れかに保
持した状態とする。そして、触媒温度が触媒活性温度以
上あるいは以下になったときに初めて流れ方向切替手段
の切り替え制御を行うことで、排気浄化手段をバイパス
する排気ガスの流れが存在する問題を、流れ方向切替手
段の切り替え制御のみの簡便な方法で対処することがで
きる。即ち、流れ方向切替手段をそもそも浄化率が低い
触媒活性温度範囲外で切り替えるようにすることで、全
体として排気浄化性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第１の
実施の形態における概略構成図であり、排気切替弁を順
流位置に位置させたときを示す図である。

【図２】第１の実施の形態の排気浄化装置において、排
気切替弁を逆流位置に位置させたときの要部を示す図で
ある。

【図３】第１の実施の形態の排気浄化装置において、排
気切替弁を中立位置に位置させたときの要部を示す図で
ある。

【図４】吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸放出・還元作用
を説明する図である。

【図５】吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx浄化率の温度特性
を示す図である。

【図６】第１の実施の形態の排気浄化装置における制御
手順を示すフローチャートである。

【図７】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第２の
実施の形態における制御手順を示すフローチャートであ
る。

【図８】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第３の
実施の形態における概略構成図であり、排気切替弁を順
流位置に位置させたときを示す図である。

【図９】第２の実施の形態の排気浄化装置において、排
気切替弁を逆流位置に位置させたときの要部を示す図で
ある。

【図１０】吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx浄化率の温度特
性に基づく触媒活性温度範囲を示す図である。

【図１１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第３
の実施の形態における制御手順を示すフローチャートで
ある。

【符号の説明】

１リーンバーンガソリンエンジン（内燃機関）２吸気管（吸気通路）６エアフロメータ７燃料噴射弁９排気管１０排気管１１排気管１２排気管１３排気温センサ１４回転数センサ２０排気切替弁（流れ方向切替手段）２１アクチュエータ（制御手段）３０触媒コンバータ３１ＮＯｘ触媒（ＳＯｘ吸収剤）３０ａ入口３０ｂ出口４０三元触媒１００ＥＣＵ（制御手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｄ 41/04 ３０５Ｆ０２Ｄ 41/04 ３０５ＡＦターム(参考） 3G091 AA12 AA13 AA17 AA23 AA28 AB03 AB06 AB08 AB09 BA04 BA11 BA14 BA15 BA19 BA20 BA32 BA33 BA36 CA12 CA13 CB02 CB03 DA01 DA02 DA03 DB06 DB10 EA01 EA05 EA07 EA17 EA30 EA31 FA04 FA12 FA13 FA14 FB11 FB12 GA21 GB01X GB02W GB03W GB04W GB05W GB06W GB10X GB16X HA08 HA18 HA36 HA37 HB02 HB03 3G301 HA01 HA06 HA15 JA15 JA25 JA26 JA33 JB09 LA01 LB02 MA01 MA11 MA18 NA06 NA08 NE13 NE14 NE15 PA01B PA01Z PA18B PA18Z PD11B PD11Z PE01B PE01Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気通路に排気浄化手段を有
し、この排気浄化手段よりも上流の排気通路に４つのポ
ートを備えた流れ方向切替手段が設けられ、該流れ方向
切替手段の第１ポートには内燃機関に接続された第１排
気通路が接続され、第２ポートには大気に接続された第
２排気通路が接続され、第３ポートには前記排気浄化手
段の一方側に接続された第３排気通路が接続され、第４
ポートには前記排気浄化手段の他方側に接続された第４
排気通路が接続されており、前記流れ方向切替手段は、
前記第１ポートと前記第３ポートとを接続するとともに
前記第２ポートと前記第４ポートとを接続して前記排気
浄化手段に第１の方向に排気ガスを流す第１の位置と、
前記第１ポートと前記第４ポートとを接続するとともに
前記第２ポートと前記第３ポートとを接続して前記排気
浄化手段に第１の方向と逆の第２の方向に排気ガスを流
す第２の位置と、前記第１ポートと前記第２ポートとを
接続して前記排気浄化手段をバイパスして排気ガスを流
す第３の位置とに切り替え可能な排気浄化装置であり、
前記流れ方向切替手段が前記第１の位置と第２の位置を
とることで内燃機関から排気浄化手段までの距離が異な
る排気通路を有し、前記排気浄化手段の触媒温度により
前記流れ方向切替手段が作動するものにおいて、前記排
気通路に三元触媒が設けられ、前記第１の位置から前記
第２の位置へ前記流れ方向切替手段が作動するときには
内燃機関の排気空燃比がストイキに制御されることを特
徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】前記三元触媒は前記内燃機関の排気空燃
比がリーンでＳＯｘを吸収するＳＯｘ吸収機能を有し、
前記第１の位置から前記第２の位置へ前記流れ方向切替
手段が作動するときには内燃機関の排気空燃比をストイ
キに制御し、前記第３の位置に前記流れ方向切り替え手
段を作動させた後に第２の位置に切り替えることを特徴
とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】内燃機関の排気通路に排気浄化手段を有
し、この排気浄化手段よりも上流の排気通路に４つのポ
ートを備えた流れ方向切替手段が設けられ、該流れ方向
切替手段の第１ポートには内燃機関に接続された第１排
気通路が接続され、第２ポートには大気に接続された第
２排気通路が接続され、第３ポートには前記排気浄化手
段の一方側に接続された第３排気通路が接続され、第４
ポートには前記排気浄化手段の他方側に接続された第４
排気通路が接続されており、前記流れ方向切替手段は、
前記第１ポートと前記第３ポートとを接続するとともに
前記第２ポートと前記第４ポートとを接続して前記排気
浄化手段に第１の方向に排気ガスを流す第１の位置と、
前記第１ポートと前記第４ポートとを接続するとともに
前記第２ポートと前記第３ポートとを接続して前記排気
浄化手段に第１の方向と逆の第２の方向に排気ガスを流
す第２の位置と、前記第１ポートと前記第２ポートとを
接続して前記排気浄化手段をバイパスして排気ガスを流
す第３の位置とに切り替え可能な排気浄化装置であり、
前記流れ方向切替手段の第１の位置と第２の位置をとる
ことで内燃機関から排気浄化手段までの距離が異なる排
気通路を有し、前記排気浄化手段の触媒温度により前記
流れ方向切替手段が作動するものにおいて、排気浄化手
段が排気浄化率の高い温度ウインドウ内にあるときに
は、前記流れ方向切り替え手段の作動を禁止することを
特徴とする内燃機関の排気浄化装置。