JP2010196552A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、内燃機関からの粒子状物質排出量が多い場合であっても、触媒コンバータをすり抜ける粒子状物質の量を十分に抑制することを目的とする。
【解決手段】本発明の内燃機関の排気浄化装置は、粒子状物質を燃焼させる触媒コンバータと、内燃機関からの粒子状物質の排出量が所定水準を超える粒子状物質過多状態であるか否かを判定する手段と、粒子状物質過多状態であると判定された場合に、内燃機関の空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で振動させる空燃比パータベーション制御を実行する手段と、粒子状物質過多状態でないと判定された場合に、空燃比を理論空燃比の近傍に維持させる手段とを備える。粒子状物質過多状態においては、空燃比パータベーション制御を実行することにより、触媒コンバータで活性酸素を発生させ、その活性酸素により、粒子状物質の燃焼を促進することができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気ガス中には、カーボンを主体とする微粒子、すなわち粒子状物質（Particulate Matter）が含まれている。従来より、排気通路にフィルターを設置し、粒子状物質をこのフィルターによって捕集する排気浄化装置が広く用いられている。フィルターに粒子状物質が堆積するにつれて、フィルターの圧力損失（通気抵抗）が増大していく。このため、そのようなフィルターを備えた排気浄化装置では、フィルターに堆積した粒子状物質を燃焼させて除去するための再生制御を定期的に実行することが必要となる。

フィルターに堆積した粒子状物質を燃焼させるためには、フィルターを５５０〜６００℃程度の高温にすることが必要となる。特開２００４−３２４４５５号公報には、ＮＯｘ吸蔵触媒とＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）とを備えたディーゼルエンジンの排気浄化装置において、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸着した硫黄成分を脱離させるためのＳパージと、ＤＰＦの強制再生とを同時並行的に行うことにより、総再生時間を短縮する技術が開示されている。この装置では、ＮＯｘ吸蔵触媒およびＤＰＦの温度を所定温度（約６００℃）以上に上昇させた後、排気空燃比をリッチ側とリーン側とに複数回に亘って短い周期で切り換える。これにより、排気空燃比がリッチの期間においてはＮＯｘ触媒のＳパージが行われ、排気空燃比がリーンの期間においてはＤＰＦの強制再生が行われる（同公報の段落００２５〜００２６参照）。この装置では、ＮＯｘ吸蔵触媒のＳ堆積量と、ＤＰＦのＰＭ堆積量とをそれぞれ推定し、それらの値から、Ｓパージに必要な総リッチ期間と、ＰＭ燃焼に必要な総リーン期間とを導出する。そして、その導出された総リッチ期間と総リーン期間とのデューティ比に応じて、１周期当たりのリッチ保持期間およびリーン保持期間を設定するようにしている。

特開２００４−３２４４５５号公報 特開２００６−２０７５２４号公報

上述したようなＰＭフィルターを備えた排気浄化装置では、ＰＭフィルターを再生する際に、ＰＭフィルターを高温にするためのエネルギーが必要となる。このため、内燃機関の燃費が悪化するという問題がある。

そこで、ＰＭフィルターに代えて、粒子状物質を堆積させずに、触媒コンバータにおいて粒子状物質を連続的に燃焼（酸化）させる排気浄化装置が提案されている。特に、ディーゼルエンジンと比べて粒子状物質の排出量が少ない筒内直接噴射式ガソリンエンジンなどでは、そのような触媒コンバータを用いて粒子状物質を連続的に燃焼させることが有効であると考えられている。

しかしながら、高負荷運転時、特に加速を伴う場合など、エンジンから排出される粒子状物質の量が多い場合には、触媒コンバータでの粒子状物質燃焼処理が追いつかなくなり、触媒コンバータをすり抜けて流出する粒子状物質の量が増大し易いという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関からの粒子状物質排出量が多い場合であっても、触媒コンバータをすり抜ける粒子状物質の量を十分に抑制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を目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気浄化装置であって、
内燃機関から排出される粒子状物質を燃焼させる触媒コンバータと、
前記内燃機関からの粒子状物質の排出量が所定水準を超える粒子状物質過多状態であるか否かを判定する粒子状物質排出量判定手段と、
前記内燃機関が前記粒子状物質過多状態にあると判定された場合に、前記内燃機関の空燃比を理論空燃比よりリッチな空燃比と理論空燃比よりリーンな空燃比との間で所定の周期で振動させる空燃比パータベーション制御を実行する空燃比パータベーション手段と、
前記内燃機関が前記粒子状物質過多状態にないと判定された場合に、前記内燃機関の空燃比を理論空燃比の近傍に維持させる空燃比制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記空燃比パータベーション手段は、前記内燃機関の一部の気筒群から排出される排気ガスの平均空燃比を理論空燃比よりややリッチ側に制御し、前記内燃機関の他の気筒群から排出される排気ガスの平均空燃比を理論空燃比よりややリーン側に制御することにより、前記一部の気筒群から排出された排気ガスと前記他の気筒群から排出された排気ガスとが混合した後の排気ガスの空燃比を理論空燃比の近傍に維持させることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記空燃比パータベーション手段は、前記一部の気筒群の空燃比の振動周期を、前記他の気筒群の空燃比の振動周期より長くすることを特徴とする。

また、第４の発明は、第２または第３の発明において、
前記内燃機関の排気ガスの一部を取り出して吸気通路へ還流させるＥＧＲ通路を備え、
前記ＥＧＲ通路の途中に前記触媒コンバータが設置されており、
前記ＥＧＲ通路は、前記他の気筒群の排気通路に連通しており、前記一部の気筒群の排気通路には連通していないことを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記触媒コンバータの劣化度合いが高くなるにつれて、前記周期を短くする方向に補正する周期補正手段を備えることを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、
前記周期は、前記触媒コンバータをすり抜ける粒子状物質の量が最少となるように予め設定された値であることを特徴とすることを特徴とする。

また、第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れかにおいて、
前記触媒コンバータは、触媒成分として、Ｐｒ（プラセオジム）を主成分とするＰｒ材とセリアとの少なくとも一方と、Ｎｄ（ネオジム）を主成分とするＮｄ材とを有していることを特徴とする。

また、第８の発明は、第１乃至第７の発明の何れかにおいて、
前記触媒コンバータにおいて、前記粒子状物質の少なくとも一部の炭素は、窒素酸化物と反応して［ＣＮＯ］_nで表されるオリゴマーを生成した後、ＣＯ₂へ転化されることを特徴とする。

第１の発明によれば、内燃機関からの粒子状物質の排出量が所定水準を超える粒子状物質過多状態であると判定された場合には、内燃機関の空燃比を理論空燃比よりリッチな空燃比と理論空燃比よりリーンな空燃比との間で所定の周期で振動させる空燃比パータベーション制御を実行することができる。空燃比パータベーション制御を行うことにより、触媒コンバータ内で活性酸素を発生させることができ、この活性酸素により、粒子状物質の燃焼を促進することができる。このため、内燃機関から排出される粒子状物質の量が多い場合であっても、粒子状物質が触媒コンバータの下流側にすり抜けることを確実に抑制することができる。また、第１の発明によれば、内燃機関が粒子状物質過多状態にないと判定された場合には、空燃比パータベーション制御を行わず、理論空燃比制御を実行するので、空燃比パータベーション制御に起因する弊害、すなわち、燃費の悪化や、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘの各成分の浄化率の低下などの弊害を確実に抑制することができる。

第２の発明によれば、空燃比パータベーション制御において、内燃機関の一部の気筒群から排出される排気ガスの平均空燃比を理論空燃比よりややリッチ側に制御し、他の気筒群から排出される排気ガスの平均空燃比を理論空燃比よりややリーン側に制御することにより、上記一部の気筒群から排出された排気ガスと上記他の気筒群から排出された排気ガスとが混合した後の排気ガスの空燃比を理論空燃比の近傍に維持させることができる。このため、空燃比パータベーション制御の実行中においても、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する三元触媒作用を十分に発揮させることができる。よって、それらの三成分が大気中へ放出されることを確実に防止することができる。特に、上記一部の気筒群から排出される排気ガス中の酸素と、上記他の気筒群から排出される排気ガス中の未燃燃料とが反応（燃焼）することにより、触媒床温が上昇するので、三元触媒活性を十分に高めることができる。

第３の発明によれば、空燃比パータベーション制御において、平均空燃比がリッチ側にシフトされた一部の気筒群の空燃比の振動周期を、平均空燃比がリーン側にシフトされた他の気筒群の空燃比の振動周期より長くすることができる。これにより、上記一部の気筒群からの１周期当たりの投入酸素量と、上記他の気筒群からの１周期当たりの投入酸素量とを等しくすることができるので、両方の気筒群について、１周期当たりの投入酸素量を最適値に合わせることができる。このため、粒子状物質の燃焼を更に促進することができる。

第４の発明によれば、空燃比パータベーション制御において、ＥＧＲ触媒に連通する気筒群の平均空燃比をリーン側にシフトし、ＥＧＲ触媒に連通しない気筒群の平均空燃比をリッチ側にシフトすることができる。このため、ＥＧＲ触媒において活性酸素がより発生し易くなり、粒子状物質の燃焼を更に促進することができる。よって、吸気系への粒子状物質の流入をより確実に抑制することができるので、吸気ポートや吸気弁にデポジットが堆積することをより確実に防止することができる。

第５の発明によれば、空燃比パータベーション制御において、触媒コンバータの劣化度合いに応じて、空燃比の振動周期を適切に補正することができる。このため、触媒コンバータをすり抜ける粒子状物質の量を更に低減することができる。

第６の発明によれば、空燃比パータベーション制御における空燃比振動周期を、触媒コンバータをすり抜ける粒子状物質の量が最少となるように予め設定した値とすることにより、触媒コンバータをすり抜ける粒子状物質の量をより確実に低減することができる。

第７の発明によれば、触媒コンバータにおいてより多くの活性酸素を発生させるとともに、その活性酸素をより高い効率で粒子状物質と反応させることができる。このため、触媒コンバータをすり抜ける粒子状物質の量をより確実に低減することができる。

第８の発明によれば、触媒コンバータにおいて、粒子状物質の少なくとも一部の炭素を、窒素酸化物と反応させ、［ＣＮＯ］_nなるオリゴマーを経由して、ＣＯ₂へ転化させることができる。このような反応により、粒子状物質の燃焼を促進することができ、触媒コンバータをすり抜ける粒子状物質の量を更に低減することができる。特に、空燃比パータベーション制御が実行されずに理論空燃比制御が実行される場合においても、上記の反応により、粒子状物質の燃焼を促進することができる。

本発明の実施の形態１における内燃機関を示す図である。 本発明の実施の形態１における内燃機関を制御する制御装置のブロック図である。 空燃比パータベーション制御実行時の内燃機関の目標空燃比を示す図である。 空燃比パータベーション制御実行時の排気ガスの空燃比の変化を示す図である。 ＰＭ燃焼触媒の下流側にすり抜けるＰＭ粒子数を示すグラフである。 セリアを主成分としたセリア系触媒と、Ｎｄ材を主成分としたＮｄ系触媒とについて、それぞれの最適周期と、１周期当たりの酸素量との関係を示した図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 空燃比パータベーション制御における空燃比の振動周期を、ＰＭ燃焼触媒の劣化度合いに応じて補正するためのマップである。 本発明の実施の形態２の空燃比パータベーション制御における内燃機関の左バンクおよび右バンクの各々の空燃比の変化を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関を示す図である。図１に示す内燃機関１０は、例えば車両の動力源として用いられる。本実施形態の内燃機関１０は、火花点火式内燃機関である。この内燃機関１０は、気筒内に直接に燃料を噴射する筒内直接噴射式のもの、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射式のもの、筒内直接噴射とポート噴射とを併用するもの、のいずれでもよい。

図示の内燃機関１０は、Ｖ型６気筒であり、１番（＃１）〜６番（＃６）の６個の気筒を有している。それらの気筒のうち、１番気筒、３番気筒および５番気筒により左バンクＬＨが構成され、２番気筒、４番気筒および６番気筒により右バンクＲＨが構成されている。ただし、本発明における内燃機関の気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。

図１では吸気系の図示を省略しているが、内燃機関１０の各気筒は、吸気マニホールドを介して、吸気管に接続されている。吸気管から供給される吸入空気は、吸気マニホールドによって分配されて、各気筒に流入する。

内燃機関１０の左バンクＬＨ、すなわち１番気筒、３番気筒および５番気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド１２によって集合されて、排気管１４に流入する。排気管１４の途中には、排気ガスを浄化するスタートコンバータ（スタート触媒）１６が設置されている。同様にして、内燃機関１０の右バンクＲＨ、すなわち２番気筒、４番気筒および６番気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド１８によって集合されて、排気管２０に流入する。排気管２０の途中には、スタートコンバータ２２が設置されている。

排気管１４と排気管２０とは、下流側で合流して、排気管２４に接続されている。排気管２４の途中には、アンダーフロアコンバータ２６が設置されている。このアンダーフロアコンバータ２６は、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘの三成分を同時に浄化可能な三元触媒としての機能を有している。

内燃機関１０には、排気ガスの一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を行うためのＥＧＲ通路２８が備えられている。このＥＧＲ通路２８は、スタートコンバータ１６より上流側の排気管１４から分岐している。ＥＧＲ通路２８の下流側は、３つに分岐し、１番、３番および５番の各気筒の吸気ポートにそれぞれ接続されている。ただし、このような構成に限らず、ＥＧＲ通路２８の下流側が分岐せずに吸気通路のサージタンク等に接続されていてもよい。ＥＧＲ通路２８には、ＥＧＲ触媒３０と、ＥＧＲ量を制御するためのＥＧＲ弁３２とが設置されている。なお、本実施形態では、内燃機関１０の左バンクＬＨのみにＥＧＲ装置が設けられているが、本発明では、両バンクにＥＧＲ装置が設けられていてもよい。

図２は、上述した内燃機関１０を制御する制御装置のブロック図である。本実施形態の制御装置は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０には、上述したＥＧＲ弁３２に加えて、各気筒に燃料を供給する燃料噴射装置３４と、気筒内の混合気に点火する点火装置３６と、吸入空気量を調節するために吸気管に設置されたスロットル弁３８と、内燃機関１０のクランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ４０と、吸入空気量を検出するエアフローメータ４２と、内燃機関１０を搭載した車両のアクセルペダル位置を検出するアクセルポジションセンサ４４と、車速を検出する車速センサ４６とが電気的に接続されている。

ＥＣＵ５０は、エアフローメータ４２により検出される吸入空気量と、クランク角センサ４０により検出されるエンジン回転数と、目標空燃比とに基づいて、燃料噴射装置３４による燃料噴射量を制御することにより、内燃機関１０の空燃比を制御することができる。また、排気ガスの空燃比を検出する酸素センサや空燃比センサ（図示省略）を設け、そのセンサの出力に基づいて、空燃比フィードバック制御を行うようにしてもよい。

スタートコンバータ１６，２２およびＥＧＲ触媒３０は、排気ガス中の粒子状物質（Particulate Matter）を燃焼（酸化）させる酸化触媒としての機能を有している。粒子状物質（以下「ＰＭ」と称する）は、すす（soot）やＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）等の、カーボンを主体とする微粒子である。スタートコンバータ１６，２２およびＥＧＲ触媒３０は、このような粒子状物質を燃焼させてＣＯ₂等へ転化させることにより、これを浄化する。特に、本実施形態におけるスタートコンバータ１６，２２およびＥＧＲ触媒３０は、フィルターのようにＰＭを溜めるのではなく、流入してくるＰＭを連続的に燃焼（反応）させるように構成されている。

本実施形態によれば、スタートコンバータ１６，２２でＰＭを燃焼させることにより、大気中へのＰＭ排出量を低減することができる。また、ＥＧＲ触媒３０でＰＭを燃焼させることにより、吸気系へのＰＭの流入を抑制することができる。このため、吸気ポートや吸気弁等に、ＰＭに起因するデポジットが堆積（付着）することを確実に抑制することができる。

なお、スタートコンバータ１６，２２は、ＰＭを燃焼させる機能に加えて、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘの三成分を同時に浄化する三元触媒機能を兼ね備えていてもよい。

内燃機関１０から排出されるＰＭの量は、運転状態によって大きく変化する。一般に、低中負荷運転時には、ＰＭ排出量は少ない。一方、高負荷運転時、特に加速を伴う場合には、ＰＭ排出量が多くなる。内燃機関１０からのＰＭ排出量が比較的少ない場合には、スタートコンバータ１６，２２やＥＧＲ触媒３０（以下、これらを総称して「ＰＭ燃焼触媒」と言う）は、流入してくるＰＭを十分に燃焼処理することができ、ＰＭのすり抜けを十分に抑制することができる。これに対し、内燃機関１０からのＰＭ排出量が多い場合には、ＰＭ燃焼触媒は、流入してくるＰＭに対する燃焼処理が追いつかなくなり、下流側にすり抜けるＰＭの量が多くなり易いという問題がある。

本発明者らは、内燃機関１０からのＰＭ排出量が多い場合であってもＰＭ燃焼触媒の下流側にすり抜けるＰＭの量を十分に抑制するべく鋭意研究を重ねた結果、以下に説明する空燃比パータベーション制御を行うことが極めて有効であることを見出した。

空燃比パータベーション制御とは、内燃機関１０の空燃比を、理論空燃比よりリッチな空燃比（以下「リッチ空燃比」と称する）と、理論空燃比よりリーンな空燃比（以下「リーン空燃比」と称する）との間で、所定の周期で振動させる制御である。本実施形態では、理論空燃比の値を１４．５とし、リッチ空燃比の値を１４．０とし、リーン空燃比の値を１５．０とする。

図３は、空燃比パータベーション制御実行時の内燃機関１０の目標空燃比を示す図である。図３に示すように、空燃比パータベーション制御では、内燃機関１０の目標空燃比を、リッチ空燃比とリーン空燃比とに所定の周期で切り替える。図４は、空燃比パータベーション制御実行時の排気ガスの空燃比の変化を示す図である。図４に示すように、空燃比パータベーション制御を実行することにより、内燃機関１０から排出される排気ガスの空燃比は、理論空燃比を中心として、上記所定の周期で、リーン側とリッチ側とに交互に変動する。

本発明者らの知見によれば、適切な周期の空燃比パータベーション制御を行った場合には、空燃比パータベーション制御を行わない場合（すなわち空燃比一定の場合）と比べて、ＰＭ燃焼触媒の下流側にすり抜けるＰＭの量を大幅に低減することができる。図５は、ＰＭ燃焼触媒の下流側にすり抜けるＰＭの粒子数を示すグラフである。図５中で一番で左の棒グラフは、空燃比パータベーション制御を行わず、内燃機関１０の空燃比を理論空燃比近傍に維持した場合を示している。それ以外のグラフは、周期（周波数）の異なる４つの空燃比パータベーション制御を行った場合を示している。図５に示すように、空燃比パータベーション制御を実行した場合には、ＰＭ燃焼触媒をすり抜けるＰＭの量が最少となるような、最適な周期が存在する。

空燃比パータベーション制御がＰＭすり抜け量の低減に有効である理由は、次のようなものであると考えられる。内燃機関１０の空燃比がリッチ空燃比であるときの排気ガス中には、酸素（Ｏ₂）がほとんど残存していない。一方、内燃機関１０の空燃比がリーンになるほど、排気ガス中に含まれる酸素濃度が高くなる。このため、空燃比パータベーション制御を行うと、周期毎に一定量の酸素がＰＭ燃焼触媒に間欠的に投入される。１周期当たりに投入される酸素量は、主として、空燃比の振動周期と、空燃比の振幅とによって決定される。このようにして周期毎にＰＭ燃焼触媒に酸素が投入されると、その酸素の一部が活性酸素（スーパーオキシドアニオンラジカルＯ₂ ^-等）に転化する。この活性酸素によって、ＰＭの燃焼が促進され、ＰＭすり抜け量が低減すると考えられる。

最適な空燃比の振動周期（すなわち、ＰＭすり抜け量が最少となる振動周期）が存在する理由については、以下のように考えることができる。空燃比の振動周期が短くなるにつれて、１周期当たりに投入される酸素量は少なくなる。よって、空燃比の振動周期が短すぎると、ＰＭ燃焼触媒における活性酸素の発生量が少なくなるために、ＰＭすり抜け量が増加すると考えられる。一方、内燃機関１０から排出されるＰＭの量は、リーン空燃比のときよりもリッチ空燃比のときの方が多い。空燃比の振動周期が長すぎると、１周期当たりのリッチ空燃比の期間が長くなり、１周期当たりにＰＭ燃焼触媒に流入するＰＭの量が多くなるので、ＰＭの燃焼処理が追いつかなくなり、ＰＭすり抜け量が増加すると考えられる。

ＰＭ燃焼触媒の好ましい触媒成分は、貴金属成分としてはＰｔ（白金）やＰｄ（パラジウム）等が挙げられ、金属酸化物成分としてはセリアや、Ｐｒ（プラセオジム）を主成分とするＰｒ材、Ｎｄ（ネオジム）を主成分とするＮｄ材等が挙げられる。セリアやＰｒ材は、活性酸素を効率良く生成する特性を有している。また、Ｎｄ材は、活性酸素を浄化せずに表面に沿って移動させる特性（酸素伝導性）に優れている。このため、セリアおよびＰｒ材の少なくとも一方と、Ｎｄ材とを共存させることがより好ましい。セリアおよびＰｒ材の少なくとも一方と、Ｎｄ材とを共存させることにより、活性酸素によるＰＭ燃焼促進効果を更に高めることができ、特に優れたＰＭ浄化性能が得られる。この場合、Ｎｄ材の重量が、セリアおよびＰｒ材の合計重量以上となるように配合することがより好ましい。

また、ＰＭ燃焼触媒には、ＰＭを一瞬だけ保持するための保持材（例えばゼオライト）が設けられていてもよい。このような保持材を設けることにより、ＰＭを一瞬だけ保持し、その間にＰＭをより確実に燃焼させることができる。

最適な空燃比の振動周期（以下、単に「最適周期」と称する）は、触媒成分等の仕様によって異なる。図６は、セリアを主成分としたセリア系触媒と、Ｎｄ材を主成分としたＮｄ系触媒とについて、それぞれの最適周期と、１周期当たりの酸素量との関係を示した図である。図６に示すように、セリア系触媒での最適周期は例えば１６０ｍｓｅｃとなり、Ｎｄ系触媒での最適周期は、例えば９００ｍｓｅｃとなる。これらの最適周期の場合における、１周期当たりの、投入酸素量、触媒に吸蔵される酸素量（ＯＳＣ消費酸素量）、ＰＭとの反応で消費される酸素量、および、触媒をスルーする酸素量は、図６に示すような値となる。なお、図６に示す最適周期等の値は、一例であり、ＰＭ燃焼触媒の具体的な仕様に応じて異なった値となる。

本実施形態では、使用されるＰＭ燃焼触媒について、ＰＭすり抜け量が最少となる最適周期を実験等によって予め調べておき、その最適周期で空燃比パータベーション制御を実行することとした。これにより、ＰＭすり抜け量を十分に低減することができる。

なお、本実施形態では、スタートコンバータ１６，２２と、ＥＧＲ触媒３０とは、最適周期が概ね等しくなるように、触媒仕様が設定されていることが好ましい。スタートコンバータ１６，２２の最適周期と、ＥＧＲ触媒３０の最適周期とが異なる場合には、何れかの最適周期に合わせて、あるいは両者の中間の周期で、空燃比パータベーション制御を実行すればよい。

以上説明したように、適切な周期の空燃比パータベーション制御を行うことにより、ＰＭ燃焼触媒をすり抜けるＰＭの量を十分に低減することができる。その一方で、空燃比パータベーション制御を行うと、大気中へのＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘの排出量が増加し易い。これは、三元触媒においては、リッチ空燃比になるとＨＣおよびＣＯの浄化率が低下し、リーン空燃比になるとＮＯｘの浄化率が低下するからである。

また、空燃比パータベーション制御を行うと、空燃比一定の場合と比べて、燃費も悪化する。

そこで、本実施形態では、内燃機関１０からのＰＭ排出量が特に多くなる運転状態のときに限って空燃比パータベーション制御を実行し、それ以外の運転状態のときには、内燃機関１０の空燃比を理論空燃比の近傍に維持する制御（以下、「理論空燃比制御」と称する）を実行することとした。これにより、空燃比パータベーション制御の実行機会を限定することができ、大半の時間は排気ガスの空燃比を理論空燃比の近傍に維持することができる。このため、三元触媒におけるＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘの各成分の高浄化率を維持することができ、それらが大気中へ排出されることを確実に抑制することができる。また、燃費の悪化も最小限に抑制することができる。

また、理論空燃比制御を行った場合には、内燃機関１０が希薄燃焼を行う場合と比べて、ＰＭの浄化率を良好な値に維持することができる。この理由について、以下に説明する。

本実施形態のＰＭ燃焼触媒においては、一部のＰＭは、ＮＯｘが介在した反応によって燃焼する。ＮＯｘが介在した場合のＰＭの反応は、次のようなものである。まず、Ｐｔ等の貴金属の作用により、ＮＯｘ中の一酸化窒素（ＮＯ）が酸素（Ｏ₂）と反応し、二酸化窒素（ＮＯ₂）に転化される。次いで、ＰＭの主成分たる炭素（Ｃ）がこの二酸化窒素と反応することにより、［ＣＮＯ］_nで表されるオリゴマーが生成される。そして、この［ＣＮＯ］_nが分解し、無害なＣＯ₂とＮ₂とに転化する。このような反応によれば、ＰＭを効率良く燃焼させることができ、特に、ＰＭ燃焼触媒の温度が低い場合であっても、ＰＭの燃焼を促進することができる。

上述したＮＯｘを介したＰＭの燃焼反応においては、ＮＯがＮＯ₂へ転化する酸化反応と、［ＣＮＯ］_nがＣＯ₂とＮ₂とに転化する還元反応との両方が必要である。このため、内燃機関１０で希薄燃焼が行われ、ＰＭ燃焼触媒内に多量の酸素が存在している場合には、［ＣＮＯ］_nの還元反応が起きにくくなる。よって、ＮＯｘを介したＰＭ燃焼が起きにくくなり、ＰＭ浄化率が低下する。

これに対し、本実施形態では、空燃比パータベーション制御を実行しない場合に理論空燃比制御を行うことにより、ＮＯｘを介したＰＭの燃焼反応を促進することができる。このため、空燃比パータベーション制御を実行しない期間においても、良好なＰＭ浄化率が得られる。

［実施の形態１における具体的処理］
図７は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行されるものとする。

図７に示すルーチンによれば、まず、車速が７０ｋｍ／ｈ以上であるか否かが判別される（ステップ１００）。このステップ１００で、車速が７０ｋｍ／ｈ未満であると認められた場合には、内燃機関１０の運転状態は高負荷域ではないので、内燃機関１０から排出されるＰＭの量は特に多くはないと判断できる。このような場合には、空燃比パータベーション制御を実行せず、理論空燃比制御が実行される（ステップ１０６）。すなわち、ステップ１０６においては、内燃機関１０の目標空燃比が理論空燃比に維持される。

一方、ステップ１００で、車速が７０ｋｍ／ｈ以上であると認められた場合には、次に、加速が行われているか否かが判定される（ステップ１０２）。加速が行われているか否かは、例えば、アクセルペダルの位置（踏込み量）や、吸入空気量の増加率などに基づいて判定することができる。このステップ１０２で、加速が行われていないと認められた場合には、内燃機関１０から排出されるＰＭの量は特に多くはないと判断できる。従って、この場合には、空燃比パータベーション制御を実行せず、理論空燃比制御が実行される（ステップ１０６）。

一方、上記ステップ１０２で、加速が行われていると判定された場合には、内燃機関１０の運転状態が、高負荷域で且つ加速をしている状態であるので、ＰＭの排出量が特に多い状態であると判断できる。そこで、この場合には、空燃比パータベーション制御が実行される（ステップ１０４）。このステップ１０４において、空燃比の振動周期は、ＥＣＵ５０に予め記憶された最適周期になるように制御される。このような空燃比パータベーション制御を実行することにより、スタートコンバータ１６，２２やＥＧＲ触媒３０の下流側にすり抜けるＰＭの量を十分に低減することができる。よって、大気中へのＰＭの排出を十分に抑制することができる。また、吸気系にＰＭが流入することを十分に抑制することができるので、吸気ポートや吸気弁にデポジットが堆積することを確実に抑制することができる。

なお、上述した図７のルーチンでは、内燃機関１０が高負荷域にあるか否かを車速に基づいて判定しているが、このような判定方法に限定されるものではなく、吸入空気量や燃料噴射量に基づいて判定してもよい。

また、本実施形態では、内燃機関１０が高負荷域且つ加速を行っている状態を、内燃機関１０からのＰＭ排出量が特に多い状態（ＰＭ過多状態）として規定し、内燃機関１０がこのＰＭ過多状態にあると判定された場合に、空燃比パータベーション制御を実行するようにしている。しかしながら、本発明では、空燃比パータベーション制御を実行する運転状態は、高負荷域且つ加速を行っている状態に限定されるものではない。本発明では、内燃機関１０からのＰＭ排出量が所定水準（許容水準）を超えているか否かを判定し、ＰＭ排出量がその所定水準を超えていると判定された場合に空燃比パータベーション制御を実行するようにすればよく、空燃比パータベーション制御を実行するときの内燃機関１０の運転状態は特に限定されるものではない。また、内燃機関１０からのＰＭ排出量が所定水準を超えているか否かを判定する方法としては、内燃機関１０の運転状態に基づいて判定する方法に限定されるものではなく、排気通路にＰＭセンサを設け、そのＰＭセンサによって検出されるＰＭ量によって判定するようにしてもよい。

また、本発明では、空燃比パータベーション制御における空燃比の振動周期を、ＰＭ燃焼触媒の劣化度合いに応じて補正してもよい。本発明者らの知見によれば、ＰＭ燃焼触媒の劣化が進行するにつれて、ＰＭすり抜け量が最少となる最適周期が短くなる傾向がある。よって、空燃比パータベーション制御を実行するに際して、ＰＭ燃焼触媒の劣化度合いに応じて空燃比の振動周期を補正することにより、この傾向に対応して、より適切な周期で空燃比を振動させることができる。このため、ＰＭ燃焼触媒の劣化度合いにかかわらず、下流側にすり抜けるＰＭの量を確実に低減することができる。

図８は、空燃比パータベーション制御における空燃比の振動周期を、ＰＭ燃焼触媒の劣化度合いに応じて補正するためのマップである。図８に示すマップによれば、車両の総走行距離に応じてＰＭ燃焼触媒の劣化度合いを判定し、その劣化度合いに応じた最適な周期を算出することができる。本実施形態では、このようにして算出された最適周期を用いて、上記ステップ１０４の空燃比パータベーション制御を実行するようにしてもよい。なお、ＰＭ燃焼触媒の劣化度合いを判定する方法は、車両の総走行距離に基づいて判定する方法に限定されるものではなく、いかなる方法であってもよい。例えば、ＰＭ燃焼触媒の酸素吸蔵容量を測定し、その測定結果に基づいてＰＭ燃焼触媒の劣化度合いを判定してもよい。

なお、上述した実施の形態１では、スタートコンバータ１６，２２とＥＧＲ触媒３０との双方のＰＭ燃焼を促進することを目的として空燃比パータベーション制御を実行する場合を例に説明したが、本発明は、スタートコンバータ１６，２２とＥＧＲ触媒３０との何れか一方のＰＭ燃焼を促進することを目的として空燃比パータベーション制御を実行する場合にも適用可能である。

上述した実施の形態１においては、スタートコンバータ１６，２２およびＥＧＲ触媒３０が前記第１の発明における「触媒コンバータ」に相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１００および１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「粒子状物質排出量判定手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「空燃比パータベーション手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「空燃比制御手段」が、図８に示すマップに基づいて空燃比パータベーション制御における空燃比振動周期を補正することにより前記第５の発明における「周期補正手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図９を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

本実施形態における内燃機関１０は、前述した実施の形態１と同様に、図１に示す構成である。図９は、本実施形態の空燃比パータベーション制御における内燃機関１０の左バンクＬＨおよび右バンクＲＨの各々の空燃比の変化を示す図である。

前述した実施の形態１の空燃比パータベーション制御においては、内燃機関１０の空燃比を、理論空燃比を境に、リーン側とリッチ側とに同じ振幅で振動させるようにしている。

これに対し、本実施形態の空燃比パータベーション制御においては、図９に示すように、左バンクＬＨの気筒群（１番気筒、３番気筒および５番気筒）については、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．５）を境に、リーン側への振幅がリッチ側への振幅より大きくなるように、空燃比を振動させる。すなわち、空燃比の振動中心を、理論空燃比よりややリーン側にシフトさせる。一方、右バンクＲＨの気筒群（２番気筒、４番気筒および６番気筒）については、理論空燃比を境に、リッチ側への振幅がリーン側への振幅より大きくなるように、空燃比を振動させる。すなわち、空燃比の振動中心を、理論空燃比よりややリッチ側にシフトさせる。

このような本実施形態の空燃比パータベーション制御によれば、左バンクＬＨの気筒群から排出される排気ガスの平均空燃比（空燃比の時間平均値）は、理論空燃比よりもややリーンになる一方、右バンクＲＨの気筒群から排出される排気ガスの平均空燃比（空燃比の時間平均値）は、理論空燃比よりもややリッチになる。そして、左バンクＬＨの気筒群から排出されるややリーンな排気ガスと、右バンクＲＨの気筒群から排出されるややリッチな排気ガスとが合流して混合し、アンダーフロアコンバータ２６に流入する。このため、アンダーフロアコンバータ２６内の雰囲気を理論空燃比の近傍に精度良く維持することができる。よって、左バンクＬＨのスタートコンバータ１６で浄化し切れなかったＮＯｘと、右バンクＲＨのスタートコンバータ２２で浄化し切れなかったＨＣおよびＣＯとを、アンダーフロアコンバータ２６の三元触媒作用によって確実に浄化することができる。更に、左バンクＬＨの気筒群から排出される排気ガス中の酸素と、右バンクＲＨの気筒群から排出される排気ガス中の未燃燃料とがアンダーフロアコンバータ２６で反応（燃焼）することにより、触媒床温が上昇するので、触媒活性を十分に高めることができる。このため、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯをより確実に浄化することができ、大気への放出を確実に防止することができる。

なお、本実施形態の内燃機関１０では、左バンクＬＨにのみＥＧＲ装置が設けられているため、左バンクＬＨからの排気ガスと右バンクＲＨからの排気ガスとが混合するアンダーフロアコンバータ２６内の空燃比を理論空燃比に一致させるには、左バンクＬＨの平均空燃比と、右バンクＲＨの平均空燃比とが、理論空燃比を挟んで非対称となるように設定する必要がある。具体的には、左バンクＬＨの平均空燃比をＡ／Ｆ_LH、右バンクＲＨの平均空燃比をＡ／Ｆ_RH、左バンクＬＨの気筒群の筒内におけるＥＧＲ率をＲ_EGR、理論空燃比を１４．５としたとき、次式を満足するように設定すればよい。
（Ａ／Ｆ_LH−１４．５）（１−Ｒ_EGR×２）−（１４．５−Ａ／Ｆ_RH）＝０

ところで、空燃比の振動中心（平均空燃比）が理論空燃比よりリーン側あるいはリッチ側にシフトしていても、理論空燃比を跨いで空燃比を振動させれば、ＰＭ燃焼触媒に周期毎に酸素が流入するので、ＰＭ燃焼触媒内で活性酸素が発生する。従って、本実施形態の空燃比パータベーション制御によれば、スタートコンバータ１６，２２およびＥＧＲ触媒３０のいずれにおいても、活性酸素の作用により、ＰＭ燃焼を十分に促進することができる。

ただし、空燃比の振動中心が理論空燃比よりリーン側にシフトしている場合の方が、空燃比の振動中心が理論空燃比よりリッチ側にシフトしている場合と比べて、ＰＭ燃焼触媒内で活性酸素が発生し易いので、ＰＭ浄化率はより高くなる。そこで、本実施形態の空燃比パータベーション制御では、ＥＧＲ触媒３０に連通する左バンクＬＨの気筒群の空燃比の振動中心を理論空燃比よりリーン側にシフトさせるようにした。これにより、ＥＧＲ触媒３０で活性酸素をより多く発生させることができるので、ＥＧＲ触媒３０でのＰＭ燃焼を特に促進することができる。このため、吸気ポートや吸気弁にデポジットが堆積することをより確実に防止することができる。

また、本実施形態の空燃比パータベーション制御では、図９に示すように、右バンクＲＨの気筒群の空燃比振動周期Ｔ_RHを、左バンクＬＨの気筒群の空燃比振動周期Ｔ_LHより長くすることとしている。実施の形態１で述べたように、空燃比パータベーション制御を行った場合のＰＭ浄化率は、１周期当たりにＰＭ燃焼触媒に投入される酸素量と関係がある。すなわち、ＰＭ浄化率が最良となるような、最適な１周期当たりの投入酸素量が存在する。しかるに、本実施形態においては、右バンクＲＨは左バンクＬＨと比べて平均空燃比がリッチであるので、右バンクＲＨの空燃比振動周期Ｔ_RHと、左バンクＬＨの空燃比振動周期Ｔ_LHとが仮に等しいとすると、右バンクＲＨの１周期当たりの投入酸素量は、左バンクＬＨの１周期当たりの投入酸素量より少なくなる。よって、何れか一方のバンクの１周期当たりの投入酸素量を最適値に合わせると、他方のバンクの１周期当たりの投入酸素量は最適値から外れることとなる。

そこで、本実施形態のように、右バンクＲＨの空燃比振動周期Ｔ_RHを、左バンクＬＨの空燃比振動周期Ｔ_LHより長くすれば、右バンクＲＨの１周期当たりの投入酸素量と、左バンクＬＨの１周期当たりの投入酸素量とを等しくすることができるので、両方のバンクについて、１周期当たりの投入酸素量を最適値に合わせることができる。このため、右バンクＲＨと左バンクＬＨの双方について、ＰＭ浄化率を最大限に高めることができる。

本実施形態は、上述した点以外は実施の形態１と同様であるので、これ以上の説明は省略する。上述した実施の形態２においては、右バンクＲＨの気筒群（２番気筒、４番気筒および６番気筒）が前記第２乃至第４の発明における「一部の気筒群」に、左バンクＬＨの気筒群（１番気筒、３番気筒および５番気筒）が前記第２乃至第４の発明における「他の気筒群」に、それぞれ相当している。

１０ 内燃機関
１２，１８ 排気マニホールド
１６，２２ スタートコンバータ
２６ アンダーフロアコンバータ
２８ ＥＧＲ通路
３０ ＥＧＲ触媒
３２ ＥＧＲ弁
５０ ＥＣＵ

Claims (8)

1. 内燃機関から排出される粒子状物質を燃焼させる触媒コンバータと、
   前記内燃機関からの粒子状物質の排出量が所定水準を超える粒子状物質過多状態であるか否かを判定する粒子状物質排出量判定手段と、
   前記内燃機関が前記粒子状物質過多状態にあると判定された場合に、前記内燃機関の空燃比を理論空燃比よりリッチな空燃比と理論空燃比よりリーンな空燃比との間で所定の周期で振動させる空燃比パータベーション制御を実行する空燃比パータベーション手段と、
   前記内燃機関が前記粒子状物質過多状態にないと判定された場合に、前記内燃機関の空燃比を理論空燃比の近傍に維持させ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。
2. 前記空燃比パータベーション手段は、前記内燃機関の一部の気筒群から排出される排気ガスの平均空燃比を理論空燃比よりややリッチ側に制御し、前記内燃機関の他の気筒群から排出される排気ガスの平均空燃比を理論空燃比よりややリーン側に制御することにより、前記一部の気筒群から排出された排気ガスと前記他の気筒群から排出された排気ガスとが混合した後の排気ガスの空燃比を理論空燃比の近傍に維持させ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。
3. 前記空燃比パータベーション手段は、前記一部の気筒群の空燃比の振動周期を、前記他の気筒群の空燃比の振動周期より長くすることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記内燃機関の排気ガスの一部を取り出して吸気通路へ還流させるＥＧＲ通路を備え、
   前記ＥＧＲ通路の途中に前記触媒コンバータが設置されており、
   前記ＥＧＲ通路は、前記他の気筒群の排気通路に連通しており、前記一部の気筒群の排気通路には連通していないことを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記触媒コンバータの劣化度合いが高くなるにつれて、前記周期を短くする方向に補正する周期補正手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記周期は、前記触媒コンバータをすり抜ける粒子状物質の量が最少となるように予め設定された値であることを特徴とすることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記触媒コンバータは、触媒成分として、Ｐｒ（プラセオジム）を主成分とするＰｒ材とセリアとの少なくとも一方と、Ｎｄ（ネオジム）を主成分とするＮｄ材とを有していることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記触媒コンバータにおいて、前記粒子状物質の少なくとも一部の炭素は、窒素酸化物と反応して［ＣＮＯ］_nで表されるオリゴマーを生成した後、ＣＯ₂へ転化されることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。

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