JP2002188485A

JP2002188485A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2002188485A
Application number: JP2000382117A
Authority: JP
Inventors: Yasuki Tamura; 保樹田村; Kojiro Okada; 公二郎岡田; Kazuhito Kawashima; 川島　　一仁
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2002-07-05

Abstract

(57)【要約】【課題】還元剤と酸化剤の吸着バランスを適切に制御
することにより、触媒コンバータの最適化を図り、浄化
効率を安定して高く維持可能な排気浄化装置を提供す
る。【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられた触媒コ
ンバータと、所定の周期、所定の振幅で空燃比を強制的
に変動させる空燃比強制変動手段とを備え、空燃比強制
変動手段は、触媒コンバータの活性化後も高周波数（Ｔ
＝３サイクル）で空燃比を変動させる(S10,S12)。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排気浄化装置に係
り、詳しくは、触媒コンバータを最適化し排気浄化効率
を高く維持する技術に関する。

【０００２】

【関連する背景技術】排気浄化触媒として使用される三
元触媒は、酸化雰囲気（リーン空燃比雰囲気）において
はＯ₂（酸素）がＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭
素）と反応し易くＨＣ、ＣＯを高効率で浄化可能である
一方ＮＯxを浄化し難く（この状態を酸化被毒とい
う）、還元雰囲気（リッチ空燃比雰囲気）においては還
元剤である多量のＨＣ、ＣＯ存在のもとＮＯxを高効率
で浄化可能である。

【０００３】また、三元触媒においては、酸化雰囲気に
おいて貴金属にＯ₂やＮＯxが吸着する一方、還元雰囲気
において貴金属にＨＣ、ＣＯが吸着するという性質を有
している。これにより、例えば、三元触媒の雰囲気を酸
化雰囲気と還元雰囲気の間で変動させるようにした場
合、三元触媒の雰囲気が還元雰囲気から酸化雰囲気に切
換わると、排気中のＨＣ、ＣＯや貴金属に吸着している
ＨＣ、ＣＯが排気中のＯ ₂、ＮＯxによって酸化除去さ
れ、その一方でＯ₂、ＮＯxが貴金属に吸着し、ＨＣ、Ｃ
ＯとともにＮＯxの排出も防止される。逆に、酸化雰囲
気から還元雰囲気に切り換わると、排気中のＮＯxや貴
金属に吸着しているＮＯxが排気中のＨＣ、ＣＯによっ
て還元除去されるとともに吸着しているＯ₂がＨＣ、Ｃ
Ｏを酸化し、その一方でＨＣ、ＣＯが貴金属に吸着し、
ＮＯxとともにＨＣ、ＣＯの排出も防止される。つま
り、三元触媒の雰囲気を酸化雰囲気と還元雰囲気の間で
変動させるように制御することで、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx
の全てが大気中への排出なく浄化処理可能とされる。

【０００４】具体的には、空燃比をリッチ空燃比とリー
ン空燃比との間で変調させることにより、排気空燃比を
平均空燃比が理論空燃比となるようリッチ空燃比とリー
ン空燃比との間で変動させ、三元触媒の雰囲気を酸化雰
囲気（リーン空燃比雰囲気）と還元雰囲気（リッチ空燃
比雰囲気）とに切換えるようにしている（特公平７−３
３７９３号公報、特開平９−１３７７４２号公報等参
照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、還元雰囲気
において排気中のＮＯxをＣＯ等の還元剤で還元するた
めには、三元触媒の貴金属上にＮＯxを一旦吸着させる
必要があるのであるが、還元雰囲気状態では、特に排気
温度が高く排気流量が多いような場合において、ＣＯ等
の還元剤が貴金属に吸着しやすく、還元雰囲気状態を長
期間に亘って継続すると、貴金属がＣＯ等に覆い尽くさ
れてＮＯxの貴金属への吸着が阻害され、還元雰囲気で
あってもＮＯxが浄化されずにそのままＣＯ等とともに
排出されるという還元被毒の問題がある。

【０００６】また、酸化雰囲気では、上述したようにＯ
₂、ＮＯxが貴金属に吸着するのであるが、やはり酸化雰
囲気状態を長期間に亘って継続すると、貴金属への
Ｏ₂、ＮＯxの吸着が飽和状態となり、排気中のＣＯ等は
Ｏ₂によって優先的に酸化されるために、ＮＯxが浄化さ
れずにそのまま排出されるという酸化被毒の問題もあ
る。

【０００７】一方、エンジン（内燃機関）の温度が低
く、排気温度が低いような場合には、排気成分であるＨ
Ｃ、ＣＯ、ＮＯxは、貴金属に吸着し難く、故に三元触
媒の雰囲気を酸化雰囲気と還元雰囲気の間で変動させる
ようにしても、次式で示す平衡反応の吸着反応（右方向
への反応）が起こり難く、例え三元触媒が既に活性状態
であっても、排気成分を十分に浄化処理できないという
問題がある。

【０００８】「平衡反応」：Ａ＋Ｍ←→Ａ’（＝
Ｍ’）ここに、Ａは貴金属への吸着種（Ｏ₂、ＮＯx、ＨＣ、Ｃ
Ｏ等）、Ｍは貴金属、Ａ’、Ｍ’はそれぞれ吸着種が貴
金属に吸着した状態及び貴金属が吸着種に吸着された状
態を示す。この場合、吸着種（Ｏ₂、ＮＯx、ＨＣ、ＣＯ
等）の濃度を増加させるようにすると、平衡反応を右方
向に進めてＡ’、Ｍ’を増加させるようにできるのであ
るが、同時に吸着反応の反応速度が増大することになる
ため、還元雰囲気状態の期間が長くなるとやはり上記還
元被毒の問題が生じ、酸化雰囲気状態の期間が長くなる
とやはり上記酸化被毒の問題が生じる。

【０００９】つまり、上記のように空燃比をリッチ空燃
比とリーン空燃比との間で変調させて三元触媒の雰囲気
を酸化雰囲気と還元雰囲気とに切換えるようにしても、
その酸化雰囲気期間及び還元雰囲気期間のいずれかが長
すぎたり、或いは全体として変調周期が長すぎたりする
と、三元触媒に供給するＨＣ、ＣＯ等の還元剤とＯ₂、
ＮＯx等の酸化剤の貴金属への吸着バランスが崩れ、排
気成分を適切に浄化処理できないおそれがある。

【００１０】このようなことから、例えば、空燃比を高
周波数でリーン側及びリッチ側に変調させるようにして
変調周期を短くした技術が特開平９−８８５６４号公報
に開示されている。しかしながら、当該公報に開示され
た技術は、機関始動時に、排出されるＣＯとＯ₂とを触
媒に供給して触媒反応を起こさせ、この反応熱によって
触媒を昇温させるための触媒昇温技術であり、三元触媒
に供給する還元剤と酸化剤の貴金属への吸着バランスを
適切なものとして触媒コンバータの最適化を図るような
ものではない。

【００１１】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたもので、その目的とするところは、還元剤と
酸化剤の吸着バランスを適切に制御することにより、触
媒コンバータの最適化を図り、浄化効率を安定して高く
維持可能な排気浄化装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に設
けられた触媒コンバータと、所定の周期、所定の振幅で
空燃比を強制的に変動させる空燃比強制変動手段とを備
え、前記空燃比強制変動手段は、前記触媒コンバータの
活性化後も高周波数で空燃比を変動させることを特徴と
している。

【００１３】このように、触媒コンバータの活性化後に
おいても高周波数で空燃比を変動させるようにすると、
酸化雰囲気期間及び還元雰囲気期間が長すぎることも短
すぎることもなくなり、三元触媒に供給するＨＣ、ＣＯ
等の還元剤とＯ₂、ＮＯx等の酸化剤の貴金属への吸着バ
ランスが適切なものとされて触媒コンバータの最適化が
図られる。これにより、浄化効率が安定して高く維持さ
れる。

【００１４】また、請求項２の発明では、前記空燃比強
制変動手段は、燃料噴射手段からの燃料噴射量を所定の
周期で増減させることにより空燃比を強制的に変動させ
るものであって、増量側燃料噴射または減量側燃料噴射
の連続回数が３回以下となるよう前記所定の周期を設定
して前記燃料噴射手段を制御することを特徴としてい
る。

【００１５】つまり、実験結果に基づけば、増量側燃料
噴射または減量側燃料噴射の連続回数が３回以下となる
ように所定の周期を設定し、高周波数で空燃比を変動さ
せるようにすると、確実に酸化雰囲気期間及び還元雰囲
気期間が長すぎることも短すぎることもなく、三元触媒
に供給するＨＣ、ＣＯ等の還元剤とＯ₂、ＮＯx等の酸化
剤の貴金属への吸着バランスが適切なものとされる。こ
れにより、触媒コンバータの最適化が図られ、浄化効率
が安定して高く維持される。

【００１６】また、請求項３の発明では、内燃機関は複
数の気筒を有し、前記空燃比強制変動手段は、同一の気
筒が連続して増量側燃料噴射または減量側燃料噴射とな
らないように前記燃料噴射手段を制御することを特徴と
している。このように同一の気筒が連続して増量側燃料
噴射または減量側燃料噴射とならないようにされること
により、一の気筒で常時リッチ空燃比燃焼となりプラグ
くすぶりが発生したり、常時リーン空燃比燃焼となり失
火確率が同じ気筒のみで増大するといった不具合が解消
される。つまり、一の気筒でリッチ空燃比燃焼とリーン
空燃比燃焼とが偏り無くバランスよく実施され、内燃機
関の劣化等が防止される。

【００１７】また、請求項４の発明では、前記空燃比強
制変動手段は、内燃機関の温度が低いほど高周波数また
は高振幅で空燃比を変動させることを特徴としている。
つまり、内燃機関の温度が低いと排気温度も低く、この
ように排気温度が低いときには、上述したように排気成
分であるＨＣ、ＣＯ、ＮＯxは、貴金属に吸着し難いの
であるが、空燃比の変動振幅を大きくしてＨＣ、ＣＯ、
ＮＯx等の濃度を高めることで、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの貴
金属への吸着量が増進され、浄化効率が高まり、同時に
変動周波数をも大きくすることで、吸着反応の反応速度
の増大にかかわらず、酸化雰囲気期間及び還元雰囲気期
間が長すぎることも短すぎることもなくなり、三元触媒
に供給するＨＣ、ＣＯ等の還元剤とＯ₂、ＮＯx等の酸化
剤の貴金属への吸着バランスが適切なものとされて触媒
コンバータの最適化が図られる。これにより、排気温度
が低くても浄化効率が安定して高く維持される。

【００１８】また、請求項５の発明では、前記空燃比強
制変動手段は、平均空燃比が理論空燃比近傍となるよう
に空燃比を変動させることを特徴としている。つまり、
実験結果に基づけば、平均空燃比が理論空燃比近傍とな
るように空燃比を高周波数で変動させると、貴金属の吸
着能力が最大限に発揮されてＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの浄化
効率がともに高く維持される。これにより、触媒コンバ
ータのさらなる最適化が図られる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面に
基づいて説明する。図１を参照すると、車両に搭載され
た本発明に係る排気浄化装置の概略構成図が示されてお
り、以下同図に基づいて本発明に係る排気浄化装置の構
成を説明する。

【００２０】同図に示すように、エンジン本体（以下、
単にエンジンという）１としては、例えば、燃料噴射モ
ードを切換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程
噴射）とともに圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射）
を実施可能な筒内噴射型火花点火式４気筒ガソリンエン
ジンが採用される。この筒内噴射型のエンジン１は、容
易にして理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃
比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比で
の運転（リーン空燃比運転）が実現可能である。

【００２１】同図に示すように、エンジン１のシリンダ
ヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式
の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃
料を燃焼室内に直接噴射可能である。点火プラグ４には
高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。ま
た、燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タン
クを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続されてい
る。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプ
と高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃
料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧或いは高
燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向
けて所望の燃圧で噴射可能である。この際、燃料噴射量
は高圧燃料ポンプの燃料吐出圧Ｐinjと燃料噴射弁６の
開弁時間、即ち燃料噴射時間Ｔinjとから決定される。

【００２２】シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立
方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連
通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞ
れ接続されている。また、シリンダヘッド２には、各気
筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排
気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の
一端がそれぞれ接続されている。排気マニホールド１２
は、クラムシェルタイプ、デュアルタイプ、シングルタ
イプのいずれであってもよい。

【００２３】なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に
公知のものであるため、その構成の詳細については説明
を省略する。同図に示すように、吸気マニホールド１０
には吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４及
び当該スロットル弁１４の開度θthを検出するスロット
ルポジションセンサ（ＴＰＳ）１６が設けられており、
さらに、スロットル弁１４の上流には、吸入空気量を計
測するエアフローセンサ１８が介装されている。エアフ
ローセンサ１８としては、カルマン渦式エアフローセン
サが使用される。

【００２４】一方、排気マニホールド１２には排気管
（排気通路）２０が接続されており、この排気管２０に
は、排気浄化触媒装置として三元触媒（触媒コンバー
タ）３０が介装されている。この三元触媒３０は、担体
に活性貴金属として銅（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀
（Ａｇ），白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），ロジウ
ム（Ｒｈ）のいずれかを有している。

【００２５】なお、活性貴金属は、酸化剤吸蔵機能（Ｏ
₂、ＮＯxストレージ機能）を有している。つまり、当該
三元触媒３０は、排気空燃比がリーン空燃比である酸化
雰囲気中において酸素（Ｏ₂）や窒素酸化物（ＮＯx）を
貴金属に吸着することにより、排気空燃比がリッチ空燃
比となり還元雰囲気となっても、その吸着したＯ₂によ
りＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）を酸化除去可
能であるとともにＨＣ、ＣＯによって吸着しているＮＯ
xを還元除去可能である。

【００２６】また、活性貴金属は、還元剤吸蔵機能（Ｈ
Ｃ、ＣＯストレージ機能）を有している。つまり、当該
三元触媒３０は、排気空燃比がリッチ空燃比である還元
雰囲気中においてＨＣやＣＯを貴金属に吸着することに
より、排気空燃比がリーン空燃比となり酸化雰囲気とな
っても、Ｏ₂、ＮＯxによって吸着しているＨＣ、ＣＯを
酸化除去可能である。或いは、吸着しているＨＣ、ＣＯ
によって排気中のＮＯxを還元除去可能である。

【００２７】即ち、当該三元触媒３０は、酸化雰囲気で
ＨＣ、ＣＯを浄化できるのは勿論のこと、還元雰囲気中
においてもＮＯxの浄化のみならずＨＣ、ＣＯを浄化可
能であり、還元雰囲気でＮＯxを浄化できるのは勿論の
こと、酸化雰囲気中においてもＨＣ、ＣＯの浄化のみな
らずＮＯxを浄化可能である。また、排気管２０の三元
触媒３０下流には、Ｏ₂センサ２４が配設されている。
Ｏ₂センサ２４は、酸素濃度に応じて出力電圧が変化す
るものであり、空燃比がリーン空燃比のときには低い電
圧値を示す一方、理論空燃比近傍で急増して空燃比がリ
ッチ空燃比のときには高い電圧値を示すようなセンサで
ある。

【００２８】また、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、Ｒ
ＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、
タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子コントロールユ
ニット）４０が設置されており、このＥＣＵ４０によ
り、エンジン１を含めた燃焼制御装置の総合的な制御が
行われる。ＥＣＵ４０の入力側には、上述したＴＰＳ１
６、エアフローセンサ１８及びＯ ₂センサ２４等の各種
センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出
情報が入力される。さらに、エンジン１には冷却水温度
を検出する水温センサ１９が設けられており、ＥＣＵ４
０の入力側には、当該水温センサ１９も接続されてい
る。

【００２９】一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述の燃
料噴射弁６や点火コイル８等の各種出力デバイスが接続
されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類
からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴
射時期、点火時期等がそれぞれ出力され、これにより、
燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴
射され（燃料噴射手段）、点火プラグ４により適正なタ
イミングで火花点火が実施される。

【００３０】以下、このように構成された本発明に係る
排気浄化装置の作用を説明する。本実施例の排気浄化装
置では、三元触媒３０の能力を十分発揮するために、先
ず、エンジン１の始動直後、点火時期リタードや二段燃
焼等により三元触媒３０の触媒昇温を行う。そして、触
媒昇温実施後の通常運転時には、ＥＣＵ４０によって空
燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で強制的に交
互に振るようにしている。つまり、ここでは、エンジン
１の始動後、図２に示すように、空燃比Ａ／Ｆを一定期
間（リーン時間）に亘りリーン空燃比とした後一定期間
リッチ空燃比とするように変調させ、リーン空燃比とリ
ッチ空燃比とを周期的に繰り返すようにしている（空燃
比強制変動手段）。なお、変調波形は、ここでは方形波
であるが三角波であってもよい。

【００３１】これにより、上述したように、排気空燃比
がリーン空燃比のときにはＨＣ、ＣＯが良好に浄化され
るとともにＯ₂、ＮＯxが貴金属に吸蔵され、排気空燃比
がリッチ空燃比のときにはＮＯxが良好に浄化されると
ともにＨＣ、ＣＯが貴金属に吸蔵される。図３を参照す
ると、空燃比強制変動の実施手順を示すルーチンがフロ
ーチャートで示されており、以下、本発明に係る空燃比
強制変動手法の詳細について説明する。

【００３２】当該ルーチンは、エンジン１の始動後から
開始され、ステップＳ１０では、空燃比強制変動の変調
周期Ｔと変調振幅Ｗの設定を行う。ここでは、先ず、変
調周期Ｔをエンジン１のサイクル数（行程数）で３サイ
クル（所定の周期）に設定する。つまり、当該エンジン
１の場合、４気筒ガソリンエンジンであるので、各気筒
を＃１、＃２、＃３、＃４とし、燃焼順序を＃１→＃３
→＃４→＃２とすると、＃１、＃３ではリッチ空燃比で
運転し、＃４ではリーン空燃比で運転するように設定
し、このリッチ空燃比（Ｒ）とリーン空燃比（Ｌ）の３
サイクル周期の変調パターン（例えば、ＲＲＬＲＲＬＲ
ＲＬ…）で燃料噴射を繰り返すようにする。

【００３３】このように、変調周期Ｔをエンジン１のサ
イクル数で３サイクルに設定するのは、実験結果に基づ
くものであり、以下説明する。排気流量が低流量である
場合、図４の実験データに示すように、変調周期ＴとＨ
Ｃ排出量との関係においては、変調周期Ｔが小さいほど
ＨＣ排出量が少なく、故に、ＨＣ等の排気成分を良好に
浄化するためには、変調周期Ｔをできるだけ小さく、即
ち変動周波数を高周波数にするのがよいといえる。

【００３４】また、図５の実験データには、排気流量が
低流量である場合における１周期当たりのリッチ空燃比
時間の比、即ちリッチ・デューティ比とＨＣ排出量との
関係が示されているが、同図より、リッチ・デューティ
比は６０％〜７５％程度であるのがよいといえる。つま
り、全体としてリッチ空燃比である期間をリーン空燃比
である期間の１．５倍〜３倍、即ち、リッチ空燃比期間
とリーン空燃比期間との比を３：１乃至３：２（２：１
を含む）とするのがよいといえる。

【００３５】一方、図６の実験データには、排気流量が
高流量である場合において、変調周期Ｔを２サイクル
（破線）、４サイクル（実線）、６サイクル（一点鎖
線）に変化させたとき及び変調無し（二点鎖線）とした
ときの平均Ａ／Ｆ（平均空燃比）とＨＣ排出量（ａ）或
いはＮＯx排出量（ｂ）との関係がそれぞれ示されてい
るが、同図によれば、平均Ａ／Ｆがストイキ近傍である
場合において、変調周期Ｔを２サイクル（破線）、４サ
イクル（実線）としたときにはＨＣ排出量及びＮＯx排
出量は極めて少ないものの、変調周期Ｔを６サイクル
（一点鎖線）とすると、ＨＣ排出量及びＮＯx排出量は
急激に増大し、変調無し（二点鎖線）の場合と殆ど同じ
量となることがわかる。このことから、変調周期Ｔは４
サイクル以下であるのがよいといえる。

【００３６】以上のことを鑑みると、できるだけ小さい
４サイクル以下の周期であり、且つ、リッチ・デューテ
ィ比が６０％〜７５％程度となるように変調周期Ｔを設
定すればよい。ここに、エンジン１の１サイクルの時間
は同一エンジン回転速度では一定であるため、リッチ空
燃比期間やリーン空燃比期間はエンジン１の１サイクル
の時間の倍数である。従って、４サイクル以下であって
且つリッチ・デューティ比が６０％〜７５％程度となる
ためのリッチ空燃比期間とリーン空燃比期間の組み合わ
せは、リッチ空燃比期間が３サイクルでリーン空燃比期
間が１サイクルの組み合わせ（リッチ・デューティ比７
５％）、或いは、リッチ空燃比期間が２サイクルでリー
ン空燃比期間が１サイクルの組み合わせ（リッチ・デュ
ーティ比６６％）の２通りである。

【００３７】そして、これらのうち、より高周波数であ
る後者を採ると、この場合の変調周期Ｔが３サイクルと
なるのである。なお、前者の場合には変調周期Ｔは４サ
イクルであり、変調周期Ｔを４サイクルとしてもよい。
次に、変調振幅Ｗをエンジン１の排気温度に応じて次式
のように排気温度の関数として設定する。

【００３８】Ｗ＝ｆ（排気温度）ここに、排気温度は、水温センサ１９からの冷却水温度
に比例するものであるため、ここでは水温センサ１９か
らの水温情報に基づいて変調振幅Ｗを設定する。なお、
排気管２０に温度センサを設け、排気温度を直接検出し
て変調振幅Ｗを設定するようにしてもよいことは勿論で
ある。

【００３９】実際には、予め実験により求めた図７に示
すマップに基づいて変調振幅Ｗは設定され、排気温度が
低いほど大きな値とされる。このように、排気温度が低
いほど変調振幅Ｗを大きく高振幅にするのは、上述した
ように、排気温度が低いと、排気成分であるＨＣ、Ｃ
Ｏ、ＮＯxは、貴金属に吸着し難く、故に、空燃比の変
調振幅Ｗを大きくしてＨＣ、ＣＯ、ＮＯx等の濃度を高
めるようにし、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの貴金属への吸着を
促進して浄化効率を高めるためである。

【００４０】なお、このように変調振幅Ｗを大きくする
と、吸着反応の反応速度が増大することになり、上述し
たように還元被毒や酸化被毒の問題が生ずるおそれがあ
る。しかしながら、この問題は、上記の如く変調周期Ｔ
を３サイクルと高周波数に設定することにより解消され
ている。このことは、図８の実験データから明らかであ
る。即ち、図８には、排気温度が低温で且つ排気流量が
低流量である場合（例えば、アイドル運転時）におい
て、変調振幅Ｗを高振幅且つ変調周期Ｔを３サイクル
（実線）としたとき及び高振幅且つ変調無し（二点鎖
線）としたときの平均Ａ／ＦとＨＣ排出量（ａ）、ＮＯ
x排出量（ｂ）、ＣＯ排出量（ｃ）との関係がそれぞれ
示されているが、同図に示すように、平均Ａ／Ｆがスト
イキ近傍である場合において、変調振幅Ｗを高振幅且つ
変調周期Ｔを３サイクル（実線）としたときには、高振
幅且つ変調無し（二点鎖線）としたときに比べて、ＨＣ
排出量、ＮＯx排出量、ＣＯ排出量はともに極めて少な
くなっており、これにより還元被毒や酸化被毒の問題は
解消されていると考えられる。

【００４１】このように、変調周期Ｔと変調振幅Ｗが設
定されたら、次にステップＳ１２において、空燃比強制
変動を実行する。つまり、変調振幅Ｗを図７のマップ値
とし、変調周期Ｔを３サイクルとして、リッチ空燃比
（Ｒ）とリーン空燃比（Ｌ）の３サイクル周期の変調パ
ターン（例えば、ＲＲＬＲＲＬＲＲＬ…）で燃料噴射を
繰り返す。なお、３サイクル周期の変調パターンは、上
記以外の不規則パターン（例えば、ＲＬＲＬＬＲＬＲＲ
ＬＲＬ…）であってもよい。

【００４２】また、上述したように、変調周期Ｔを４サ
イクルとしてもよく、この場合には、４サイクル周期の
変調パターン（例えば、ＲＲＲＬＲＲＲＬＲＲＲＬ…）
で燃料噴射を行うようにすればよい。つまり、上述した
４サイクル以下であって且つリッチ・デューティ比が６
０％〜７５％程度であることとの条件を満足するために
は、３サイクル周期でリッチ空燃比での燃料噴射が２回
連続のパターン、或いは、４サイクル周期でリッチ空燃
比での燃料噴射が３回連続のパターンの何れかで燃料噴
射を行うようにすればよい。また、リッチ・デューティ
比の条件を緩和して、リッチ空燃比での燃料噴射とリー
ン空燃比での燃料噴射とを１回毎に交互に実施してもよ
い。何れにしても、リッチ空燃比（増量側燃料噴射）で
の燃料噴射の連続回数は３回以下が好ましいといえる。
なお、単発的に連続回数が３回を越えることを妨げるも
のではない。

【００４３】次のステップＳ１４では、空燃比強制変動
の実行結果に基づき、平均Ａ／Ｆをストイキ近傍の範囲
に制御する。詳しくは、触媒下流のＯ₂センサ２４から
の情報に基づき、平均Ａ／Ｆを例えば次式に示す如くス
トイキ近傍の範囲にフィードバック制御する。０．９９２＜（平均Ａ／Ｆ）／（理論空燃比）＜１．０
０７この式は、上記図６及び図８の実験データに基づき設定
されている。つまり、これらの図によれば、平均Ａ／Ｆ
はストイキ近傍の所定の空燃比範囲（斜線部）であれば
全体として排気浄化効率は高いと考えられ、この式は当
該所定の空燃比範囲（斜線部）に対応して設定されてい
る。

【００４４】平均Ａ／Ｆの制御方法について述べると、
例えば、図９に示すように、触媒下流に設けた酸素セン
サ、即ちＯ₂センサ２４の出力値とＮＯx浄化効率との間
には、Ｏ₂センサ２４の出力値が所定範囲となるように
空燃比をバランスよく変調制御すると高いＮＯx浄化効
率が得られるという関係があることが確認されており、
Ｏ₂センサ２４の出力値が当該所定範囲に収まるように
平均Ａ／Ｆを調整する。つまり、変調周期Ｔを３サイク
ルとし且つ変調振幅Ｗを図７のマップより求めてリッチ
空燃比（Ｒ）とリーン空燃比（Ｌ）の３サイクル周期の
変調パターン（例えば、ＲＲＬＲＲＬＲＲＬ…）で燃料
噴射を繰り返すようにしながら、当該Ｏ ₂センサ２４の
出力値が当該所定範囲に収まるように平均Ａ／Ｆを調整
する。

【００４５】実際には、リッチ空燃比値またはリーン空
燃比値を増減変更する。また、不規則パターン（例え
ば、ＲＬＲＬＬＲＬＲＲＬＲＬ…）の場合には、ＲＬＬ
とＲＲＬとを適当に選択するようにして、上記デューテ
ィ比を変更することも可能である。この際、Ｏ₂センサ
２４の出力値が当該所定範囲に収まるよう変調振幅Ｗを
より最適な値に補正するようにしてもよい。このように
すれば、ＮＯx浄化効率が高くなることから、その平均
Ａ／Ｆは自ずとＮＯx浄化効率の高いストイキ近傍の所
定の空燃比範囲（斜線部）に収まることになる。

【００４６】なお、ここでは、平均Ａ／Ｆをストイキ近
傍の所定の空燃比範囲（斜線部）に制御しているが、図
６及び図８からわかるように、所定の空燃比範囲を多少
外れていても、全体として排気浄化効率は高いといえ、
本発明の効果は十分得られる。また、触媒上流にＯ₂セ
ンサ或いはＡ／Ｆセンサ（ＬＡＦＳ）等の排ガスセンサ
を別途設けるようにし、当該触媒上流側のＯ₂センサ等
からの情報に基づいて平均Ａ／Ｆを直接的に調整するよ
うにしてもよい。

【００４７】また、空燃比強制変動を行うとリーン空燃
比とリッチ空燃比とで空燃比が異なるためにトルク差が
生じトルクショックが発生することから、できるだけト
ルク差の少ないようなリーン空燃比とリッチ空燃比を選
択して空燃比を強制変動させるのがよく、トルク差を点
火時期の変更により低減するようにしてもよい。そし
て、図１０を参照すると、上記本発明に係る空燃比強制
変動の実施結果、即ちＮＯx排出量（ａ）、ＨＣ排出量
（ｂ）、並びに排気温度、触媒温度（ｃ）の時間変化が
それぞれ実線で示されているが、（ａ）、（ｂ）図に示
すように、適正な変調振幅Ｗ且つ高周波数の変調で空燃
比強制変動を行うようにすれば、変調無しの場合（破
線）よりも、ＨＣ排出量、ＮＯx排出量ともに大幅に低
減され、排気浄化効率が上昇することになる。

【００４８】また、同図では、エンジン１の始動直後に
点火時期リタード等により触媒昇温を行った後、例えば
アイドル運転を行っており、この場合、（ｃ）図に示す
ように、高周波数変調を継続すると触媒温度は高く維持
される一方、排気温度はそれほど高くならないのである
が、このように排気温度が低く、即ち貴金属への吸着種
であるＨＣ、ＣＯ、ＮＯx等が活性化しておらず貴金属
に吸着し難い状況であっても、（ａ）、（ｂ）図に示す
ように、本発明係る空燃比強制変動を実施することによ
り、排気浄化効率が高く維持される。

【００４９】つまり、本発明に係る空燃比強制変動手法
を用い、触媒昇温時のみならず触媒活性化後においても
高周波数で空燃比を変動させることにより、エンジン１
の運転中は常に酸化雰囲気期間及び還元雰囲気期間を長
すぎることも短すぎることもないようにでき、三元触媒
３０に供給するＨＣ、ＣＯ等の還元剤とＯ₂、ＮＯx等の
酸化剤の貴金属への吸着バランスを適切なものにでき
る。これにより、触媒コンバータの最適化を図ることが
でき、浄化効率を安定して高く維持できることになる。

【００５０】また、本発明に係る空燃比強制変動手法で
は、触媒活性化後において排気温度が低い場合には、高
振幅且つ高周波数で空燃比を変動させるようにしてい
る。従って、排気温度が低い場合であっても、酸化雰囲
気期間及び還元雰囲気期間を長すぎることも短すぎるこ
ともないようにし、三元触媒３０に供給するＨＣ、ＣＯ
等の還元剤とＯ₂、ＮＯx等の酸化剤の貴金属への吸着バ
ランスを適切なものにしながら、触媒コンバータの最適
化を図ることができる。

【００５１】ところで、当該実施例では、エンジン１は
４気筒ガソリンエンジンであり、その点火順序は、例え
ば＃１、＃３、＃４、＃２の順である。一方、上述した
ように、燃料噴射は３サイクル周期の変調パターン（Ｒ
ＲＬＲＲＬＲＲＬ…）で行っており、各気筒と空燃比
（燃料噴射量）との対応は次の通りとなっている。

【００５２】＃１＃３＃４＃２＃１＃３＃４＃２＃１＃３＃４＃２… ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ＲＲＬＲＲＬＲＲＬＲＲＬ… つまり、＃１気筒に注目してみると、リッチ空燃比が２
回連続した次はリーン空燃比が来るようになっている。
このことは他の気筒についても同じである。

【００５３】即ち、４気筒ガソリンエンジンにおいて
は、３サイクル周期の変調パターン（ＲＲＬＲＲＬＲＲ
Ｌ…）で燃料噴射を行うことにより、同一気筒におい
て、リッチ空燃比とリーン空燃比とを偏り無く実施する
ようにできる。これにより、プラグくすぶりが発生した
り、常時リーン空燃比燃焼となり失火確率が同じ気筒の
みで増大するといった不具合が解消される。

【００５４】なお、ここでは、気筒数が４気筒の場合に
ついて述べたが、気筒数が偶数気筒では、変調周期Ｔを
３サイクル以上の奇数サイクルとすればよく、気筒数が
奇数気筒では、２サイクル以上の偶数サイクルとすれば
よい。例えば、５気筒エンジンの場合には、変調周期Ｔ
を４サイクルとして上記４サイクル周期の変調パターン
（ＲＲＲＬＲＲＲＬＲＲＲＬ…）で燃料噴射を行うよう
にすればよい。これにより、同一気筒においてリッチ空
燃比とリーン空燃比とを偏り無く実施するようにでき
る。また、このようにすれば、上述したように４サイク
ル以下且つリッチ・デューティ比７５％以下の条件に該
当するため、触媒コンバータの最適化を図ることもで
き、浄化効率を安定して高く維持できる。

【００５５】なお、上記実施例では、三元触媒３０を例
に説明したが、酸化剤及び還元剤の吸着作用を利用する
ことができる触媒コンバータであれば、リーンＮＯx触
媒やＨＣトラップ触媒等であっても本発明を適用可能で
ある。また、上記実施例では、エンジン１として筒内噴
射型ガソリンエンジンを採用したが、排気空燃比を変調
可能であれば、本発明を吸気管噴射型ガソリンエンジン
やディーゼルエンジンに適用することも可能である。

【００５６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の請
求項１の排気浄化装置によれば、触媒コンバータの活性
化後においても高周波数で空燃比を変動させるようにす
るので、酸化雰囲気期間及び還元雰囲気期間を長すぎる
ことも短すぎることもないようにして、三元触媒に供給
するＨＣ、ＣＯ等の還元剤とＯ₂、ＮＯx等の酸化剤の貴
金属への吸着バランスを適切なものにできる。これによ
り、触媒コンバータの最適化を図ることができ、浄化効
率を安定して高く維持できる。

【００５７】また、請求項２の排気浄化装置によれば、
増量側燃料噴射または減量側燃料噴射の連続回数が３回
以下となるように所定の周期を設定し、高周波数で空燃
比を変動させるようにするので、確実に酸化雰囲気期間
及び還元雰囲気期間を長すぎることも短すぎることもな
いようにして、三元触媒に供給するＨＣ、ＣＯ等の還元
剤とＯ₂、ＮＯx等の酸化剤の貴金属への吸着バランスを
適切なものにできる。これにより、触媒コンバータの最
適化を図ることができ、浄化効率を安定して高く維持で
きる。

【００５８】また、請求項３の排気浄化装置によれば、
同一の気筒が連続して増量側燃料噴射または減量側燃料
噴射とならないようにされるので、一の気筒で常時リッ
チ空燃比燃焼となりプラグくすぶりが発生したり、常時
リーン空燃比燃焼となり失火確率が同じ気筒のみで増大
するといった不具合を解消できる。つまり、一の気筒で
リッチ空燃比燃焼とリーン空燃比燃焼とを偏り無くバラ
ンスよく実施でき、内燃機関の劣化等を防止することが
できる。

【００５９】また、請求項４の排気浄化装置によれば、
内燃機関の温度が低く排気温度が低いときには、空燃比
の変動振幅を大きく高振幅にしＨＣ、ＣＯ、ＮＯx等の
濃度を高めることで、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの貴金属への
吸着量を増進でき、浄化効率を高めることができるが、
同時に変動周波数を大きく高周波数にすることで、吸着
反応の反応速度の増大にかかわらず、酸化雰囲気期間及
び還元雰囲気期間を長すぎることも短すぎることもない
ようにして、三元触媒に供給するＨＣ、ＣＯ等の還元剤
とＯ₂、ＮＯx等の酸化剤の貴金属への吸着バランスを適
切なものにできる。これにより、触媒コンバータの最適
化を図ることができ、排気温度が低くても浄化効率を安
定して高く維持できる。

【００６０】また、請求項５の排気浄化装置によれば、
平均空燃比が理論空燃比近傍となるように空燃比を高周
波数で変動させるので、貴金属の吸着能力を最大限に発
揮させてＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの浄化効率をともに高く維
持でき、触媒コンバータのさらなる最適化を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】車両に搭載された本発明に係る排気浄化装置の
概略構成図である。

【図２】空燃比（Ａ／Ｆ）の変調波形を示す図である。

【図３】空燃比強制変動のルーチンを示すフローチャー
トである。

【図４】変調周期ＴとＨＣ排出量との関係を示す図であ
る。

【図５】リッチ・デューティ比とＨＣ排出量との関係を
示す図である。

【図６】排気流量が高流量である場合において、変調周
期Ｔを２サイクル（破線）、４サイクル（実線）、６サ
イクル（一点鎖線）に変化させたとき及び変調無し（二
点鎖線）としたときの平均Ａ／Ｆ（平均空燃比）とＨＣ
排出量（ａ）或いはＮＯx排出量（ｂ）との関係をそれ
ぞれ示す図である。

【図７】排気温度と変調振幅Ｗとの関係を示すマップで
ある。

【図８】排気温度が低温で且つ排気流量が低流量である
場合（例えば、アイドル運転時）において、変調振幅Ｗ
を高振幅且つ変調周期Ｔを３サイクル（実線）としたと
き及び高振幅且つ変調無し（二点鎖線）としたときの平
均Ａ／ＦとＨＣ排出量（ａ）、ＮＯx排出量（ｂ）、Ｃ
Ｏ排出量（ｃ）との関係をそれぞれ示す図である。

【図９】触媒下流Ｏ₂センサ出力とＮＯx浄化効率との関
係を示す図である。

【図１０】空燃比強制変動の実施結果を示す図であっ
て、ＮＯx排出量（ａ）、ＨＣ排出量（ｂ）、並びに排
気温度、触媒温度（ｃ）の時間変化をそれぞれ示す図で
ある。

【符号の説明】

１エンジン本体６燃料噴射弁２４Ｏ₂センサ３０三元触媒（触媒コンバータ）４０ＥＣＵ（電子コントロールユニット）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川島一仁東京都港区芝五丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内Ｆターム(参考） 3G091 AA24 AA28 AB03 AB06 BA01 CB02 CB05 DA01 DA02 EA16 EA17 EA34 FA04 FB02 FB10 FB11 FB12 GB05W GB06W GB07W HA37 3G301 HA04 HA06 HA18 JA25 JA26 KA01 LB04 MA01 MA19 NC02 ND41 NE13 NE15 NE23 PD11Z PE08Z

Claims

【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た触媒コ
ンバータと、所定の周期、所定の振幅で空燃比を強制的に変動させる
空燃比強制変動手段とを備え、前記空燃比強制変動手段は、前記触媒コンバータの活性
化後も高周波数で空燃比を変動させることを特徴とする
排気浄化装置。
【請求項２】前記空燃比強制変動手段は、燃料噴射手
段からの燃料噴射量を所定の周期で増減させることによ
り空燃比を強制的に変動させるものであって、増量側燃
料噴射または減量側燃料噴射の連続回数が３回以下とな
るよう前記所定の周期を設定して前記燃料噴射手段を制
御することを特徴とする、請求項１記載の排気浄化装
置。
【請求項３】内燃機関は複数の気筒を有し、前記空燃比強制変動手段は、同一の気筒が連続して増量
側燃料噴射または減量側燃料噴射とならないように前記
燃料噴射手段を制御することを特徴とする、請求項２記
載の排気浄化装置。
【請求項４】前記空燃比強制変動手段は、内燃機関の
温度が低いほど高周波数または高振幅で空燃比を変動さ
せることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載
の排気浄化装置。
【請求項５】前記空燃比強制変動手段は、平均空燃比
が理論空燃比近傍となるように空燃比を変動させること
を特徴とする、請求項１乃至４のいずれか記載の排気浄
化装置。