JP2024010982A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】触媒の活性度に応じた適切な空燃比制御を実行することによって、水素の影響による排気エミッションの悪化を抑制する。【解決手段】内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路２２に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒２０と、触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサ４２と、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６１と、触媒の活性度を推定する触媒状態推定部６２とを備える。空燃比制御部は、下流側空燃比センサによって検出された流出排気ガスの空燃比が目標空燃比に維持されるように流入排気ガスの空燃比を制御し、触媒の活性度が所定値以上であるときには、触媒の活性度が所定値未満であるときと比べて、目標空燃比をリッチにする。【選択図】図６

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
従来、内燃機関の排気通路に配置された触媒に流入する排気ガスの空燃比を空燃比センサの出力に基づいて制御することで触媒の排気浄化性能を高めることが知られている。
斯かる制御が実行されるときの問題点として、特許文献１及び非特許文献１には、排気ガス中の吸着種がセンサ素子に吸着することによって空燃比センサの出力にずれが生じることが記載され、特許文献２、３には、触媒において生成された水素の影響によって、触媒の下流側に配置された下流側空燃比センサの出力にずれが生じることが記載されている。
特開２０１１－０６９８３５号公報 特開２０００－００８９２０号公報 特開２００８－１２８１１０号公報
新型積層Ａ／Ｆセンサ開発、Vol.41、No.4、July 2010
ところで、内燃機関の始動直後のように触媒の活性度が低いときには、水素を生成するための水性ガスシフト反応及び水蒸気改質反応の反応性が低下し、触媒における水素の発生量が少なくなる。このため、触媒の活性度に応じて触媒から下流側空燃比センサに流入する水素の量が変化し、ひいては下流側空燃比センサの出力のずれ量が変化する。
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、触媒の活性度に応じた適切な空燃比制御を実行することによって、水素の影響による排気エミッションの悪化を抑制することにある。
本開示の要旨は以下のとおりである。
（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、前記触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、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、前記触媒の活性度を推定する触媒状態推定部とを備え、前記空燃比制御部は、前記下流側空燃比センサによって検出された前記流出排気ガスの空燃比が目標空燃比に維持されるように前記流入排気ガスの空燃比を制御し、前記触媒の活性度が所定値以上であるときには、該触媒の活性度が該所定値未満であるときと比べて、該目標空燃比をリッチにする、内燃機関の排気浄化装置。
（２）前記触媒状態推定部は前記触媒の温度に基づいて該触媒の活性度を推定し、前記空燃比制御部は、前記触媒の温度が所定温度以上であるときには、該触媒の温度が該所定温度未満であるときと比べて、前記目標空燃比をリッチにする、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（３）前記触媒状態推定部は、単位時間当たりに前記触媒からＨＣが脱離する量を積算することによって積算脱離量を算出し、該積算脱離量に基づいて該触媒の活性度を推定し、前記空燃比制御部は、前記積算脱離量が所定量以上であるときには、前記積算脱離量が該所定量未満であるときと比べて、前記目標空燃比をリッチにする、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（４）前記触媒状態推定部は、前記触媒の温度が所定の脱離温度未満であるときには、前記単位時間当たりに前記触媒からＨＣが脱離する量をゼロにする、上記（３）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（５）前記触媒状態推定部は、前記触媒の温度が高いほど、前記単位時間当たりに前記触媒からＨＣが脱離する量を多くする、上記（４）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（６）前記流入排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサを更に備え、前記触媒状態推定部は、前記上流側空燃比センサによって検出された前記流入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、前記単位時間当たりに前記触媒からＨＣが脱離する量をゼロにする、上記（３）から（５）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
（７）前記触媒状態推定部は、前記上流側空燃比センサによって検出された前記流入排気ガスのリーン度合が大きいほど、前記単位時間当たりに前記触媒からＨＣが脱離する量を多くする、上記（６）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（８）前記触媒状態推定部は、吸入空気量が多いほど、前記単位時間当たりに前記触媒からＨＣが脱離する量を多くする、上記（３）から（７）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
（９）前記空燃比制御部は、前記内燃機関が始動されたときの機関水温が所定の基準温度未満であるときには、該機関水温が該基準温度以上であるときと比べて、前記積算脱離量が所定値であるときの前記目標空燃比をリーンにする、上記（３）から（８）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
本発明によれば、触媒の活性度に応じた適切な空燃比制御を実行することによって、水素の影響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。
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は、三元触媒の浄化特性の一例を示す図である。 図３は、下流側空燃比センサの部分断面図である。 図４は、下流側空燃比センサにおける排気ガスの空燃比とセンサ素子の出力電流との関係を示す図である。 図５は、ＥＣＵの機能ブロック図である。 図６は、第一実施形態における空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図７は、本発明の第二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８は、第二実施形態における空燃比設定マップ選択処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図９Ａは、第二実施形態における空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図９Ｂは、脱離量積算処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１０は、第１空燃比設定マップの一例を示す図である。 図１１は、第２空燃比設定マップの一例を示す図である。 図１２は、触媒の温度と温度補正係数との関係を示すマップの一例を示す図である。 図１３は、流入排気ガスの空燃比と空燃比補正係数との関係を示すマップの一例を示す図である。
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。
＜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。
＜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る。内燃機関は、車両に搭載され、車両の動力源として用いられる。
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。
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。
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。
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。
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。
また、内燃機関は、排気マニホルド１９、触媒２０、ケーシング２１及び排気管２２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。
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。なお、本実施形態では、一つのＥＣＵ３１が設けられているが、機能毎に複数のＥＣＵが設けられていてもよい。
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、温度センサ４１、下流側空燃比センサ４２、負荷センサ４４及びクランク角センサ４５の出力がＥＣＵ３１に送信される。
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。
温度センサ４１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４１は触媒２０の温度（床温）を検出する。温度センサ４１はＥＣＵ３１に電気的に接続され、温度センサ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。
下流側空燃比センサ４２は、触媒２０の下流側の排気通路、具体的には排気管２２に配置される。下流側空燃比センサ４２は、排気管２２内を流れる排気ガス、すなわち触媒２０から流出する排気ガスの空燃比を検出する。下流側空燃比センサ４２はＥＣＵ３１に電気的に接続され、下流側空燃比センサ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。
負荷センサ４４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４３に接続され、アクセルペダル４３の踏み込み量を検出する。負荷センサ４４はＥＣＵ３１に電気的に接続され、負荷センサ４４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４４の出力に基づいて機関負荷を算出する。
クランク角センサ４５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４５はＥＣＵ３１に電気的に接続され、クランク角センサ４５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４５の出力に基づいて機関回転数を計算する。
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。
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。
＜内燃機関の排気浄化装置＞
以下、本発明の第一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、下流側空燃比センサ４２及びＥＣＵ３１を備える。
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、酸素を吸蔵可能であり、例えば、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。
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。
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。
図３は、下流側空燃比センサ４２の部分断面図である。下流側空燃比センサ４２は公知の構成を有するため、以下、その構成について簡単に説明する。
下流側空燃比センサ４２はセンサ素子４１１及びヒータ４２０を備える。本実施形態では、下流側空燃比センサ４２は、複数の層を積層して構成された積層型空燃比センサである。図３に示されるように、センサ素子４１１は、固体電解質層４１２、拡散律速層４１３、第１不透過層４１４、第２不透過層４１５、排気側電極４１６及び大気側電極４１７を有する。固体電解質層４１２と拡散律速層４１３との間には被測ガス室４１８が形成され、固体電解質層４１２と第１不透過層４１４との間には大気室４１９が形成されている。
被測ガス室４１８には、拡散律速層４１３を介して排気ガスが被測ガスとして導入され、大気室４１９には大気が導入される。センサ素子４１１に電圧が印加されると、排気側電極４１６上の排気ガスの空燃比に応じて排気側電極４１６と大気側電極４１７との間を酸化物イオンが移動し、この結果、排気ガスの空燃比に応じてセンサ素子４１１の出力電流が変化する。
図４は、下流側空燃比センサ４２における排気ガスの空燃比とセンサ素子４１１の出力電流Ｉとの関係を示す図である。図４の例では、０．４５Ｖの電圧がセンサ素子４１１に印加されている。図４からわかるように、排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに、出力電流Ｉはゼロとなる。また、下流側空燃比センサ４２では、排気ガスの酸素濃度が高いほど、すなわち排気ガスの空燃比がリーンであるほど、出力電流Ｉが大きくなる。したがって、下流側空燃比センサ４２は排気ガスの空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる。
なお、本実施形態では、下流側空燃比センサ４２として限界電流式の空燃比センサを用いている。しかしながら、排気ガスの空燃比に対して出力電流がリニアに変化するものであれば、下流側空燃比センサ４２として、限界電流式ではない空燃比センサが用いられてもよい。
図５は、ＥＣＵ３１の機能ブロック図である。本実施形態では、ＥＣＵ３１は空燃比制御部６１及び触媒状態推定部６２を有する。空燃比制御部６１及び触媒状態推定部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。
空燃比制御部６１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。本実施形態では、空燃比制御部６１は、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が目標空燃比に維持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６１は、下流側空燃比センサ４２の出力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ＰＩＤ制御等によってフィードバック制御する。ここで、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力値に相当する空燃比、すなわち空燃比センサによって検出される空燃比を意味する。
触媒状態推定部６２は触媒２０の活性度を推定する。基本的に、触媒２０の温度が高いほど、触媒２０の活性度が高くなる。このため、本実施形態では、触媒状態推定部６２は触媒２０の温度に基づいて触媒２０の活性度を推定する。
触媒２０が排気浄化に適した状態にあるときには、排気ガスが触媒２０において浄化され、触媒２０から流出する排気ガス（以下、「流出排気ガス」という）の空燃比は理論空燃比となる。このため、触媒２０の下流側に配置された下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が理論空燃比になるように流入排気ガスの空燃比を制御することが考えられる。
しかしながら、触媒２０に酸素枯渇領域が生じると、下記の水性ガスシフト反応（１）及び水蒸気改質反応（２）が生じ、触媒２０において水素が生成される。
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2…（１）
ＨＣ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋Ｈ2…（２）
この結果、水素を含む排気ガスが触媒２０から流出して下流側空燃比センサ４２に流入することになる。このとき、水素の分子量が酸素の分子量よりも小さいため、排気ガス中の水素が排気ガス中の酸素よりも早く拡散律速層４１３を通過して排気側電極４１６に到達する。このため、排気側電極４１６上における排気ガス中の酸素濃度が排気通路における排気ガス中の酸素濃度よりも低くなる。この結果、下流側空燃比センサ４２の出力にずれが生じ、下流側空燃比センサ４２の出力が実際の値よりもリッチ側にずれる。このため、触媒２０から水素が流出しているときには、触媒２０を排気浄化に適した状態に維持すべく、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな値に設定することが望ましい。
しかしながら、内燃機関の始動直後のように触媒２０の活性度が低いときには、上記の水性ガスシフト反応（１）及び水蒸気改質反応（２）の反応性が低下する。この結果、触媒２０における水素の発生量が少なくなり、下流側空燃比センサ４２の出力のずれ量が小さくなる。すなわち、触媒２０の活性度に応じて触媒２０から下流側空燃比センサ４２に流入する水素の量が変化し、ひいては下流側空燃比センサ４２の出力のずれ量が変化する。
そこで、空燃比制御部６１は、触媒２０の活性度が所定値以上であるときには、触媒２０の活性度が所定値未満であるときと比べて、目標空燃比をリッチにする。したがって、本実施形態では、触媒２０の活性度に応じた適切な空燃比制御を実行することによって、水素の影響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。
本実施形態では、触媒状態推定部６２は、触媒２０の温度が所定温度以上であるときには触媒２０の活性度が所定値以上であると判定し、触媒２０の温度が所定温度未満であるときには触媒２０の活性度が所定値未満であると判定する。すなわち、空燃比制御部６１は、触媒２０の温度が所定温度以上であるときには、触媒２０の温度が所定温度未満であるときと比べて、目標空燃比をリッチにする。
＜空燃比制御のフローチャート＞
以下、図６のフローチャートを用いて、上述した空燃比制御について詳細に説明する。図６は、第一実施形態における空燃比制御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によって所定の実行間隔で繰り返し実行される。
最初に、ステップＳ１０１において、空燃比制御部は、空燃比制御の実行条件が成立しているか否かを判定する。空燃比制御の実行条件は、例えば、下流側空燃比センサ４２の素子温度が所定の活性温度以上であるときに成立する。下流側空燃比センサ４２の素子温度は例えばセンサ素子のインピーダンスに基づいて算出される。なお、空燃比制御の実行条件は、内燃機関が始動してから所定時間が経過していること、内燃機関の所定部品（燃料噴射弁１１、触媒２０、下流側空燃比センサ４２等）が正常であること等を含んでいてもよい。
ステップＳ１０１において空燃比制御の実行条件が成立していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０１において空燃比制御の実行条件が成立していると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。
ステップＳ１０２では、触媒状態推定部６２は触媒２０の温度ＴＣＡＴを取得する。例えば、触媒状態推定部６２は温度センサ４１の出力に基づいて触媒２０の温度ＴＣＡＴを算出する。なお、温度センサ４１は触媒２０の上流側又は下流側の排気通路に設けられていてもよい。また、触媒状態推定部６２は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ＴＣＡＴを算出してもよい。
次いで、ステップＳ１０３において、空燃比制御部６１は、触媒２０の温度ＴＣＡＴが所定温度ＰＴ以上であるか否かを判定する。所定温度ＰＴは例えば３００℃～６００℃に設定される。
ステップＳ１０３において触媒２０の温度ＴＣＡＴが所定温度ＰＴ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、空燃比制御部６１は目標空燃比ＴＡＦを所定の上側設定空燃比ＴＡＦｕｐに設定する。上側設定空燃比ＴＡＦｕｐは例えば理論空燃比（１４．６）に設定される。
ステップＳ１０３において触媒２０の温度ＴＣＡＴが所定温度ＰＴ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、空燃比制御部６１は目標空燃比ＴＡＦを所定の下側設定空燃比ＴＡＦｌｏｗに設定する。下側設定空燃比ＴＡＦｌｏｗは、上側設定空燃比ＴＡＦｕｐよりもリッチな空燃比であり、理論空燃比よりもリッチな値（例えば１４．５８）に設定される。
ステップＳ１０４又はＳ１０５の後、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、空燃比制御部６１は、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が、ステップＳ１０４又はＳ１０５において設定された目標空燃比ＴＡＦに維持されるように流入排気ガスの空燃比を制御する。ステップＳ１０６の後、本制御ルーチンは終了する。
上記のように、本実施形態では、内燃機関の暖機に伴い、目標空燃比が理論空燃比から理論空燃比よりもリッチな値に切り替えられる。しかしながら、空燃比制御部６１は、触媒２０の温度が高くなるにつれて、目標空燃比を三つ以上の値に段階的に（ステップ状に）リッチにしてもよい。また、空燃比制御部６１は、触媒２０の温度が高くなるにつれて、目標空燃比を線形的に（リニアに）リッチにしてもよい。
＜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。
図７は、本発明の第二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。第二実施形態では、上流側空燃比センサ４６及び水温センサ４７が内燃機関に設けられ、エアフロメータ４０、温度センサ４１、下流側空燃比センサ４２、負荷センサ４４及びクランク角センサ４５に加えて、上流側空燃比センサ４６及び水温センサ４７の出力がＥＣＵ３１に送信される。
上流側空燃比センサ４６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。上流側空燃比センサ４６は、排気マニホルド１９内を流れる排気ガス、すなわち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。上流側空燃比センサ４６は、下流側空燃比センサ４２と同様の構成を有し、排気ガスの空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる。上流側空燃比センサ４６はＥＣＵ３１に電気的に接続され、上流側空燃比センサ４６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。
水温センサ４７は、内燃機関の冷却水路に配置され、内燃機関の冷却水の温度（機関水温）を検出する。水温センサ４７はＥＣＵ３１に電気的に接続され、水温センサ４７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。
上述したように、基本的に、触媒２０の温度が高いほど、触媒２０の活性度が高くなる。一方、本願の発明者は、内燃機関の始動前のような低温状態において排気管２２内のＨＣが触媒２０に吸着し、触媒２０に吸着しているＨＣの量が多いほど、触媒２０の活性度が低下することを見出した。
そこで、第二実施形態では、触媒状態推定部６２は、単位時間当たりに触媒２０からＨＣが脱離する量を積算することによって積算脱離量を算出し、積算脱離量に基づいて触媒２０の活性度を推定する。触媒状態推定部６２は、積算脱離量が所定量以上であるときには触媒２０の活性度が所定値以上であると判定し、積算脱離量が所定量未満であるときには触媒２０の活性度が所定値未満であると判定する。すなわち、空燃比制御部６１は、積算脱離量が所定量以上であるときには、積算脱離量が所定量未満であるときと比べて、目標空燃比をリッチにする。第二実施形態では、触媒２０の活性度をより精度良く推定することで目標空燃比をより適切な値に設定することができ、ひいては水素の影響による排気エミッションの悪化をより一層抑制することができる。
例えば、触媒状態推定部６２は、触媒２０の温度、流入排気ガスの空燃比及び吸入空気量の少なくとも一つに基づいて、単位時間当たりに触媒２０からＨＣが脱離する量（以下、「単位脱離量」という）を算出する。内燃機関の暖機によって触媒２０の温度が脱離温度に達すると、触媒２０に吸着しているＨＣが触媒２０から脱離し、触媒２０の温度が高いほど、ＨＣの脱離が促進される。このため、触媒状態推定部６２は、触媒２０の温度が所定の脱離温度未満であるときには単位脱離量をゼロにし、触媒２０の温度が高いほど、単位脱離量を多くする。
また、触媒２０に吸着しているＨＣは、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比以上であるときに触媒２０から脱離し、流入排気ガスのリーン度合が大きいほど、ＨＣの脱離が促進される。このため、触媒状態推定部６２は、上流側空燃比センサ４６の出力空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには単位脱離量をゼロにし、上流側空燃比センサ４６の出力空燃比のリーン度合が大きいほど、単位脱離量を多くする。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、吸入空気量が多いほど、触媒２０に流入する酸素の量が多くなり、触媒２０からのＨＣの脱離が促進される。このため、触媒状態推定部６２は、吸入空気量が多いほど、単位脱離量を多くする。
また、内燃機関の冷間始動時には触媒２０に多量のＨＣが吸着していることが予想される。触媒２０へのＨＣの吸着量の初期値が大きいときには、吸着量の初期値が小さいときと比べて、触媒２０を活性状態にするために多くのＨＣを触媒２０から脱離させる必要がある。すなわち、積算脱離量が同一であったとしても、触媒２０へのＨＣの吸着量の初期値が大きいときには、吸着量の初期値が小さいときと比べて、触媒２０の活性度が低くなる。このため、空燃比制御部６１は、内燃機関が始動されたときの機関水温が所定の基準温度未満であるときには、内燃機関が始動されたときの機関水温が基準温度以上であるときと比べて、積算脱離量が所定値であるときの目標空燃比をリーンにする。
以下、図８、図９Ａ及び図９Ｂのフローチャートを用いて、上述した制御のための処理フローについて説明する。図８は、第二実施形態における空燃比設定マップ選択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によって所定の実行間隔で繰り返し実行される。
最初に、ステップＳ２０１において、触媒状態推定部６２は、前回の制御ルーチンから今回の制御ルーチンまでの間に内燃機関が始動されたか否かを判定する。内燃機関が始動されていないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、内燃機関が始動されたと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０２に進む。
ステップＳ２０２では、触媒状態推定部６２は、内燃機関が始動されたときの機関水温ＴＨＷＳを取得する。機関水温ＴＨＷＳは例えば水温センサ４７によって検出される。
次いで、ステップＳ２０３において、触媒状態推定部６２は、機関水温ＴＨＷＳが所定の基準温度Ｔｒｅｆ（例えば６０℃）以上であるか否かを判定する。機関水温ＴＨＷＳが基準温度Ｔｒｅｆ以上であると判定された場合、すなわち触媒２０へのＨＣの吸着量が少ないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０４に進む。
ステップＳ２０４では、触媒状態推定部６２は、積算脱離量に基づいて目標空燃比を設定するためのマップとして第１空燃比設定マップを選択する。図１０は、第１空燃比設定マップの一例を示す図である。第１空燃比設定マップは積算脱離量ＣＤＡと目標空燃比ＴＡＦとの関係を示し、第１空燃比設定マップでは、積算脱離量ＣＤＡが多くなるにつれて、目標空燃比ＴＡＦが段階的に（ステップ状に）リッチにされる。
一方、ステップＳ２０３において機関水温ＴＨＷＳが基準温度Ｔｒｅｆ未満であると判定された場合、すなわち触媒２０へのＨＣの吸着量が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、触媒状態推定部６２は、積算脱離量に基づいて目標空燃比を設定するためのマップとして第２空燃比設定マップを選択する。
図１１は、第２空燃比設定マップの一例を示す図である。第２空燃比設定マップは積算脱離量ＣＤＡと目標空燃比ＴＡＦとの関係を示し、第２空燃比設定マップでは、積算脱離量ＣＤＡが多くなるにつれて、目標空燃比ＴＡＦが段階的に（ステップ状に）リッチにされる。また、第２空燃比設定マップでは、第１空燃比設定マップと比べて、積算脱離量ＣＤＡが所定値（例えば３００００）であるときの目標空燃比ＴＡＦがリーンにされる。言い換えれば、第２空燃比設定マップでは、第１空燃比設定マップと比べて、積算脱離量ＣＤＡが増加するときの目標空燃比ＴＡＦの低下度合いが小さくされる。
第１空燃比設定マップ及び第２空燃比設定マップから分かるように、本実施形態では、空燃比制御部６１は、積算脱離量ＣＤＡに基づいて、理論空燃比以下の範囲内で目標空燃比ＴＡＦを変化させる。なお、第１空燃比設定マップ及び第２空燃比設定マップにおいて、積算脱離量ＣＤＡが多くなるにつれて、目標空燃比ＴＡＦが線形的に（リニアに）リッチにされてもよい。
ステップＳ２０４又はＳ２０５の後、本制御ルーチンはステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６では、触媒状態推定部６２は積算脱離量ＣＤＡ及び脱離完了フラグＦｅをゼロにリセットする。ステップＳ２０６の後、本制御ルーチンは終了する。
図９Ａ及び図９Ｂは、第二実施形態における空燃比制御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によって所定の実行間隔で繰り返し実行される。
最初に、ステップＳ３０１において、空燃比制御部は、空燃比制御の実行条件が成立しているか否かを判定する。空燃比制御の実行条件は、例えば、上流側空燃比センサ４６及び下流側空燃比センサ４２の素子温度が所定の活性温度以上であるときに成立する。上流側空燃比センサ４６及び下流側空燃比センサ４２の素子温度はそれぞれ例えばセンサ素子のインピーダンスに基づいて算出される。なお、空燃比制御の実行条件は、内燃機関が始動してから所定時間が経過していること、内燃機関の所定部品（燃料噴射弁１１、触媒２０、上流側空燃比センサ４６、下流側空燃比センサ４２等）が正常であること等を含んでいてもよい。
ステップＳ３０１において空燃比制御の実行条件が成立していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ３０１において空燃比制御の実行条件が成立していると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０２に進む。
ステップＳ３０２では、空燃比制御部６１は、脱離完了フラグＦｅが１であるか否かを判定する。脱離完了フラグＦｅがゼロであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０３に進む。
ステップＳ３０３では、図６のステップＳ１０２と同様に、触媒状態推定部６２は触媒２０の温度ＴＣＡＴを取得する。
次いで、ステップＳ３０４において、触媒状態推定部６２は流入排気ガスの空燃比ＡＦｕｐを取得する。流入排気ガスの空燃比ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４６によって検出される。
次いで、ステップＳ３０５において、触媒状態推定部６２は、触媒２０の温度ＴＣＡＴが所定の脱離温度Ｔｄ以上であり且つ流入排気ガスの空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比以上であるか否かを判定する。触媒２０の温度ＴＣＡＴが所定の脱離温度Ｔｄ以上であり且つ流入排気ガスの空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０６に進む。
ステップＳ３０６では、図９Ｂに示されるサブルーチンが実行される。図９Ｂは、脱離量積算処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
最初に、ステップＳ４０１において、触媒状態推定部６２は吸入空気量ＧＡを取得する。吸入空気量ＧＡはエアフロメータ４０によって検出される。
次いで、ステップＳ４０２において、触媒状態推定部６２は、触媒２０の温度ＴＣＡＴに基づいて、単位脱離量を算出するために用いられる温度補正係数ＫＴを決定する。温度補正係数ＫＴが大きいほど、単位脱離量は多くなる。例えば、触媒状態推定部６２は、触媒２０の温度ＴＣＡＴと温度補正係数ＫＴとの関係を示すマップを用いて温度補正係数ＫＴを決定する。
図１２は、触媒２０の温度ＴＣＡＴと温度補正係数ＫＴとの関係を示すマップの一例を示す図である。このマップでは、触媒２０の温度ＴＣＡＴが３００℃～８００℃の範囲内において、触媒２０の温度ＴＣＡＴが高くなるにつれて、温度補正係数ＫＴが段階的に（ステップ状に）大きくされる。
次いで、ステップＳ４０３において、触媒状態推定部６２は、燃料カット制御が実行されているか否かを判定する。空燃比制御部６１は、所定の実行条件が成立したときに、内燃機関の運転中に燃焼室５への燃料供給を停止する燃料カット制御を実行する。燃料カット制御の実行条件は、例えば、アクセルペダル４３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の回転数以上であるときに成立する。
ステップＳ４０３において燃料カット制御が実行されていないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０４に進む。ステップＳ４０４では、触媒状態推定部６２は、上流側空燃比センサ４６によって検出された流入排気ガスの空燃比ＡＦｕｐに基づいて、単位脱離量を算出するために用いられる空燃比補正係数ＫＬを決定する。空燃比補正係数ＫＬが大きいほど、単位脱離量は多くなる。例えば、触媒状態推定部６２は、流入排気ガスの空燃比ＡＦｕｐと空燃比補正係数ＫＬとの関係を示すマップを用いて空燃比補正係数ＫＬを決定する。
図１３は、流入排気ガスの空燃比ＡＦｕｐと空燃比補正係数ＫＬとの関係を示すマップの一例を示す図である。このマップでは、流入排気ガスの空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比（１４．６）～１６の範囲内において、流入排気ガスの空燃比ＡＦｕｐがリーンになるにつれて、空燃比補正係数ＫＬが段階的に（ステップ状に）大きくされる。
一方、ステップＳ４０３において燃料カット制御が実行されていると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０５に進む。この場合、燃料カット制御中に触媒２０に供給される多量の酸素によってＨＣの脱離が急激に進行するため、ステップＳ４０５において、触媒状態推定部６２は、図１３のマップに示される値よりも大きな値（例えば１０）に空燃比補正係数ＫＬを設定する。
ステップＳ４０４又はＳ４０５の後、ステップＳ４０６において、触媒状態推定部６２は単位脱離量ＵＤＡを算出する。例えば、触媒状態推定部６２は吸入空気量ＧＡに温度補正係数ＫＴ及び空燃比補正係数ＫＬを乗算することによって単位脱離量ＵＤＡを算出する（ＵＤＡ＝ＧＡ×ＫＴ×ＫＬ）。
次いで、ステップＳ４０７において、触媒状態推定部６２は、積算脱離量ＣＤＡの現在値に単位脱離量ＵＤＡを加算することによって積算脱離量ＣＤＡを更新する。ステップＳ４０７の後、図９Ｂのサブルーチンが終了し、本制御ルーチンは図９ＡのステップＳ３０７に進む。一方、ステップＳ３０５において、触媒２０の温度ＴＣＡＴが所定の脱離温度Ｔｄ未満であり又は流入排気ガスの空燃比ＡＦｕｐが理論空燃比よりもリッチであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０６をスキップしてステップＳ３０７に進む。
ステップＳ３０７では、空燃比制御部６１は積算脱離量ＣＤＡに基づいて目標空燃比ＴＡＦを算出する。このとき、空燃比制御部６１は、図８のステップＳ２０４又はＳ２０５において選択された空燃比設定マップを用いて、積算脱離量ＣＤＡに基づいて目標空燃比ＴＡＦを設定する。
次いで、ステップＳ３０８において、空燃比制御部６１は、目標空燃比ＴＡＦが所定の下限値ＬＴＨ以下であるか否かを判定する。下限値ＬＴＨは、触媒２０からほぼ全てのＨＣが脱離したと判定されたときに設定される目標空燃比ＴＡＦの値であり、例えば１４．５８である。
ステップＳ３０８において目標空燃比ＴＡＦが下限値ＬＴＨ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Ｓ３０９に進む。ステップＳ３０９では、空燃比制御部６１は脱離完了フラグＦｅを１に設定する。ステップＳ３０９の後、本制御ルーチンはステップＳ３１０に進む。一方、ステップＳ３０８において目標空燃比ＴＡＦが下限値ＬＴＨよりもリーンであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０９をスキップしてステップＳ３１０に進む。
ステップＳ３１０では、空燃比制御部６１は、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が、ステップＳ３０７において設定された目標空燃比ＴＡＦに維持されるように流入排気ガスの空燃比を制御する。ステップＳ３１０の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ３０２において脱離完了フラグＦｅが１であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０３～Ｓ３０９をスキップしてステップＳ３１０に進む。この場合、空燃比制御部６１は、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が、下限値ＬＴＨに設定された目標空燃比ＴＡＦに維持されるように、流入排気ガスの空燃比を制御する。
＜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、内燃機関において、触媒２０の下流側の排気通路に触媒２０と同様の下流側触媒が配置されていてもよい。
２０ 触媒
２２ 排気管
３１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４２ 下流側空燃比センサ
６１ 空燃比制御部
６２ 触媒状態推定部

Claims (9)

  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、
    前記触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、
    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、
    前記触媒の活性度を推定する触媒状態推定部と
    を備え、
    前記空燃比制御部は、前記下流側空燃比センサによって検出された前記流出排気ガスの空燃比が目標空燃比に維持されるように前記流入排気ガスの空燃比を制御し、前記触媒の活性度が所定値以上であるときには、該触媒の活性度が該所定値未満であるときと比べて、該目標空燃比をリッチにする、内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記触媒状態推定部は前記触媒の温度に基づいて該触媒の活性度を推定し、
    前記空燃比制御部は、前記触媒の温度が所定温度以上であるときには、該触媒の温度が該所定温度未満であるときと比べて、前記目標空燃比をリッチにする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記触媒状態推定部は、単位時間当たりに前記触媒からＨＣが脱離する量を積算することによって積算脱離量を算出し、該積算脱離量に基づいて該触媒の活性度を推定し、
    前記空燃比制御部は、前記積算脱離量が所定量以上であるときには、前記積算脱離量が該所定量未満であるときと比べて、前記目標空燃比をリッチにする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記触媒状態推定部は、前記触媒の温度が所定の脱離温度未満であるときには、前記単位時間当たりに前記触媒からＨＣが脱離する量をゼロにする、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 前記触媒状態推定部は、前記触媒の温度が高いほど、前記単位時間当たりに前記触媒からＨＣが脱離する量を多くする、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 前記流入排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサを更に備え、
    前記触媒状態推定部は、前記上流側空燃比センサによって検出された前記流入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、前記単位時間当たりに前記触媒からＨＣが脱離する量をゼロにする、請求項３から５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 前記触媒状態推定部は、前記上流側空燃比センサによって検出された前記流入排気ガスのリーン度合が大きいほど、前記単位時間当たりに前記触媒からＨＣが脱離する量を多くする、請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  8. 前記触媒状態推定部は、吸入空気量が多いほど、前記単位時間当たりに前記触媒からＨＣが脱離する量を多くする、請求項３から５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  9. 前記空燃比制御部は、前記内燃機関が始動されたときの機関水温が所定の基準温度未満であるときには、該機関水温が該基準温度以上であるときと比べて、前記積算脱離量が所定値であるときの前記目標空燃比をリーンにする、請求項３から５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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