JP3246086B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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    • Y02T10/22

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の排気浄化装置
に関する。

【0002】

【従来の技術】機関排気通路内の或る位置よりも上流の
排気通路内、燃焼室内および吸気通路内に供給された全
空気量と全燃料量との比をその位置における排気ガスの
空燃比と称すると、燃焼室内においてリーン混合気を燃
焼せしめ、機関排気通路内に三元触媒を配置し、流入す
る排気ガスの空燃比がリーンのときにはNOxを吸収し
流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収したN
Oxを放出するNOx吸収剤を三元触媒下流の機関排気
通路内に配置した内燃機関が公知である(PCT国際公
開WO93/07363号参照)。

【0003】即ち、内燃機関においては理論空燃比より
もややリーンの混合気を燃焼せしめたときに最もNOx
が発生し、空燃比をこの混合気の空燃比よりもリーン側
或いはリッチ側に遠ざければ遠ざけるほど機関から排出
されるNOx量は少なくなる。またリーン混合気を燃焼
せしめた場合にはリッチ混合気を燃焼せしめた場合に比
べて機関から排出される未燃HC,COの量は大巾に少
なくなる。従って上述の内燃機関では燃焼室内で燃焼す
べき混合気の空燃比をかなりリーンにして機関から排出
されるNOxおよび未燃HC,COの量を極力低く抑
え、このとき排出されるNOxをできる限りNOx吸収
剤に吸収させると共にこのとき排出される未燃HC,C
Oをできる限り三元触媒により酸化せしめて大気中に排
出されるNOxおよび未燃HC,COの量を低減するよ
うにしている。

【0004】ところで排気ガス中の有害成分のうちで最
も取扱いに苦労するのがNOxであり、このNOxを三
元触媒により還元できれば排気ガス中のNOx量をかな
り低減することができる。しかしながら三元触媒は排気
ガスの空燃比がリーンになっているとNOxの還元作用
を行わない。従って上述の内燃機関におけるように混合
気の空燃比をリーンにすると、即ち排気ガスの空燃比が
リーンになっていると機関から排出されたNOxは三元
触媒において還元されず、従って上述の内燃機関ではN
Oxは三元触媒をそのまま通過してNOx吸収剤に流入
することになる。

【0005】即ち、上述の内燃機関においては混合気の
空燃比をリーンにすることによってまず第1段階のNO
x低減作用が行われる。この第1段階のNOx低減作用
によって機関から排出されるNOx量は低減するが機関
から排出されるNOxの絶対量は依然としてかなり多
い。次いで機関から排出されたNOxは三元触媒に流入
するがこのNOxは三元触媒において全く低減されるこ
となくNOx吸収剤に流入し、NOx吸収剤に吸収され
ることによって第2段階のNOx低減作用が行われる。

【0006】

【発明が解決しようとする課題】このようにこの内燃機
関では2段階に亘ってNOxの低減作用を図っているが
主なNOxの低減作用はNOx吸収剤によるNOx吸収
作用に頼っている。しかしながらNOx吸収剤と言えど
も特にNOx吸収剤に流入するNOxの絶対量が多い場
合には必ずしも全てのNOxをNOx吸収剤に吸収しえ
るわけではなく、従って主なNOxの低減作用をNOx
吸収剤によるNOx吸収作用のみに頼っている限り、大
気中に放出されるNOx量をほぼ零にするのは困難であ
る。

【0007】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明によれば、機関排気通路内に三元触媒を配置
し、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにNOx
を吸収するNOx吸収剤を三元触媒下流の機関排気通路
内に配置し、三元触媒とNOx吸収剤間の機関排気通路
内に2次空気を供給するための2次空気供給装置を具備
し、機関燃焼室内においてリッチな混合気を燃焼せしめ
て燃焼室内で発生するNOx量を低減すると共にこのと
き燃焼室から排出されるリッチ空燃比の排気ガスを三元
触媒に流入させて排気ガス中のNOxを還元させ、三元
触媒を通過した排気ガス中に2次空気供給装置から2次
空気を供給してNOx吸収剤に流入する排気ガスの空燃
比をリーンにし、排気ガス中に残存しているNOxをN
Ox吸収剤に吸収するようにしている。

【0008】また、本発明によれば上記問題点を解決す
るために、機関排気通路内に三元触媒を配置し、流入す
る排気ガスの空燃比がリーンのときにNOxを吸収する
NOx吸収剤および酸化触媒を三元触媒下流の機関排気
通路内に配置し、三元触媒の下流であってNOx吸収剤
および酸化触媒上流の機関排気通路内に2次空気を供給
するための2次空気供給装置を具備し、機関燃焼室内に
おいてリッチな混合気を燃焼せしめると共に2次空気供
給装置から供給される2次空気によってNOx吸収剤お
よび酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンにす
るようにしている。

【0009】また、本発明によれば上記問題点を解決す
るために、機関排気通路内に三元触媒を配置し、流入す
る排気ガスの空燃比がリーンのときにNOxを吸収する
と共に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収
したNOxを放出するNOx吸収剤を三元触媒下流の機
関排気通路内に配置し、NOx吸収剤下流の機関排気通
路内に酸化触媒を配置し、三元触媒とNOx吸収剤間の
機関排気通路およびNOx吸収剤と酸化触媒間の機関排
気通路内に2次空気を供給するための2次空気供給装置
を具備し、機関燃焼室内において理論空燃比よりもわず
かばかりリッチな混合気を燃焼せしめると共に通常は2
次空気供給装置から三元触媒とNOx吸収剤間に供給さ
れる2次空気によってNOx吸収剤および酸化触媒に流
入する排気ガスの空燃比をリーンにし、NOx吸収剤か
らNOxを放出すべきときには三元触媒とNOx吸収剤
間への2次空気の供給を停止してNOx吸収剤に流入す
る排気ガスの空燃比をリッチにすると共にNOx吸収剤
と酸化触媒間に2次空気を供給して酸化触媒に流入する
排気ガスの空燃比をリーンにするようにしている。

【0010】更に、上記問題点を解決するために上述の
第1番目から第3番目のいずれの発明においても機関燃
焼室内において燃焼せしめられる混合気の空燃比を理論
空燃比よりもわずかばかりリッチにするようにしてい
る。更に上記問題点を解決するために上述の第1番目か
ら第3番目のいずれの発明においても酸化触媒が設けら
れている場合には酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比
を理論空燃比よりもわずかばかりリーンにし、NOx吸
収剤に流入する排気ガスの空燃比がリーンとされるとき
にはNOx吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を理論空
燃比よりもわずかばかりリーンにするようにし更に、上
記問題点を解決するために上述の第1番目から第3番目
のいずれの発明においても三元触媒が通電加熱式触媒か
らなると共に酸化触媒が設けられている場合には酸化触
媒が通電加熱式触媒からなり、これら三元触媒および酸
化触媒が少くとも機関始動時に通電加熱せしめられる。

【0011】更に、上記問題点を解決するために上述の
第1番目から第3番目のいずれの発明においても機関が
始動されてから暫らくの間点火時期が遅角される。

【0012】

【作用】上記第1番目の発明では燃焼室内でリッチな混
合気を燃焼せしめることにより第1段階のNOx低減作
用が行われ、三元触媒によるNOxの還元作用によって
第2段階のNOx低減作用が行われ、NOx吸収剤によ
るNOxの吸収作用によって第3段階のNOx低減作用
が行われる。更に三元触媒による未燃HC,COの酸化
作用によって未燃HC,CO低減作用が行われる。

【0013】上記第2番目の発明では燃焼室内でリッチ
な混合気を燃焼せしめることにより第1段階のNOx低
減作用が行われ、三元触媒によるNOxの還元作用によ
って第2段階のNOx低減作用が行われ、NOx吸収剤
によるNOxの吸収作用によって第3段階のNOx低減
作用が行われる。更に三元触媒による未燃HC,COの
酸化作用によって第1段階の未燃HC,CO低減作用が
行われ、酸化触媒による未燃HC,COの酸化作用によ
って第2段階の未燃HC,CO低減作用が行われる。

【0014】上記第3番目の発明では燃焼室内でリッチ
な混合気を燃焼せしめることにより第1段階のNOx低
減作用が行われ、三元触媒によるNOxの還元作用によ
って第2段階のNOx低減作用が行われ、NOx吸収剤
によるNOxの吸収作用によって第3段階のNOx低減
作用が行われる。更に三元触媒による未燃HC,COの
酸化作用によって第1段階の未燃HC,CO低減作用が
行われ、酸化触媒による未燃HC,COの酸化作用によ
って第2段階の未燃HC,CO低減作用が行われる。更
に、必要に応じてNOx吸収剤からのNOx放出作用が
行われる。

【0015】

【0016】

【0017】

【実施例】図1を参照すると、1は機関本体、2はピス
トン、3は燃焼室、4は点火栓、5は吸気弁、6は吸気
ポート、7は排気弁、8は排気ポートを夫々示す。吸気
ポート6は対応する吸気枝管9を介してサージタンク1
0に連結され、吸気枝管9内には対応する吸気ポート6
内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁11が取付
けられる。サージタンク10は吸気ダクト12を介して
エアクリーナ13に連結され、吸気ダクト12内にはス
ロットル弁14が配置される。また、スロットル弁14
上流の吸気ダクト12内には吸入空気の質量流量を検出
しうる質量流量検出器15が配置される。

【0018】一方、排気ポート8は排気マニホルド16
を介して通電加熱式三元触媒17を内蔵した触媒コンバ
ータ18に連結され、触媒コンバータ18の出口部は排
気管19を介して通電加熱式酸化触媒20を内蔵した触
媒コンバータ21に連結される。更に、この触媒コンバ
ータ21の出口部は排気管22を介して一対のNOx吸
収剤23,24を内蔵したケーシング25に連結され
る。

【0019】また、図1に示されるように内燃機関は機
関により駆動されるエアポンプ26と、第1の2次空気
供給弁27と、第2の2次空気供給弁28からなる2次
空気供給装置を具備する。エアポンプ26の空気吸込口
は導管29を介してエアクリーナ13と質量流量検出器
15間の吸気通路内に連結される。これに対してエアポ
ンプ26の空気吐出口は一方では導管30および第1の
2次空気供給弁27を介して排気マニホルド16に連結
され、他方では導管30および第2の2次空気供給弁2
8を介して排気管19に連結される。また、第1の2次
空気供給弁27からの空気流入口よりも上流の排気マニ
ホルド16内には第1空燃比センサ31が配置され、第
2の2次空気供給弁28からの空気流入口よりも下流の
排気管19内には第2空燃比センサ3が配置される。
更に機関体体1には温度センサ33が取付けられる。

【0020】通電加熱式三元触媒17および通電加熱式
酸化触媒20は共に例えば図2に示されるように金属製
薄板34と金属製波形板35とを交互に同心円状に巻い
たような形をなしており、これら金属製薄板34および
金属製波形板35によって触媒粒子が担持される。更に
これら金属製薄板34および金属製波形板35に電流を
流すことによって金属製薄板34と金属製波形板35を
発熱させ、それによって金属製薄板34と金属製波形板
35により担持された触媒粒子が加熱される。従って金
属製薄板34と金属製波形板35は触媒担体を構成する
と共にヒータの役割を果す。このヒータは電子制御ユニ
ット40の出力信号により制御される。

【0021】電子制御ユニット40はディジタルコンピ
ュータからなり、双方向性バス41によって相互に接続
されたROM(リードオンリメモリ)42、RAM(ラ
ンダムアクセスメモリ)43、CPU(マイクロプロセ
ッサ)44、常時電源に接続されているバックアップR
AM45、入力ポート46および出力ポート47を具備
する。質量流量検出器15は吸入空気の質量流量に比例
した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するAD変
換器48を介して入力ポート46に入力される。また、
各空燃比センサ31,32は図3に示されるように排気
ガスの空燃比A/Fに対応した出力電圧Vを発生し、斯
くしてこれらの出力電圧Vから排気ガスの空燃比A/F
を検出することができる。これらの出力電圧Vは夫々対
応するAD変換器48を介して入力ポート46に入力さ
れる。また、温度センサ33は機関冷却水温に比例した
出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するAD変換器
48を介して入力ポート46に入力される。

【0022】また、入力ポート46には機関回転数を表
わす出力パルスを発生する回転数センサ36が接続さ
れ、また入力ポート46にはスタータモータを駆動する
ためのスタータスイッチ37の作動信号が入力される。
更に入力ポート46には通電加熱式三元触媒17および
通電加熱式触媒20への通電制御をするプリヒートスイ
ッチ38の作動信号が入力される。

【0023】一方、出力ポート47は夫々対応する駆動
回路49を介して点火栓4、燃噴射弁11、通電加熱
式三元触媒17への通電制御用リレー50、通電加熱式
酸化触媒20への通電制御用リレー51および各2次空
気供給弁27,28に接続される。各2次空気供給弁2
7,28は一定時間内における開弁時間割合、即ちデュ
ーティー比が制御され、デューティー比が大きくなるほ
ど各2次空気供給弁27,28から夫々排気マニホルド
16および排気管19内に供給される2次空気量が増大
せしめられる。

【0024】図4は燃焼室3内において燃焼せしめられ
る混合気の空燃比A/Fと燃焼室3内において発生する
NOxおよび未燃HC,COの濃度、即ち機関から排出
されるNOxおよび未燃HC,COの濃度との関係を示
している。図4に示されるように機関から排出されるN
Ox量は混合気の空燃比が理論空燃比よりもややリーン
のときに最も多くなり、空燃比がこの空燃比からリーン
側或いはリッチ側に遠ざかるに従って機関から排出され
るNOx量が減少する、一方、機関から排出される未燃
HC,COは混合気の空燃比A/Fがリッチになるほど
増大する。

【0025】図5は三元触媒17に流入する排気ガスの
空燃比A/Fと三元触媒17によるNOx、未燃HC,
COの浄化率との関係を示している。三元触媒17に流
入する排気ガスの空燃比A/Fがリーンのときには三元
触媒17によるNOxの還元作用は行われず、斯くして
図5において実線で示されるように三元触媒17に流入
する排気ガスの空燃比A/FがリーンになるとNOxの
浄化率は急速に低下する。これに対して三元触媒17に
流入する排気ガスの空燃比がリッチのときには極度にリ
ッチにならない限りNOxの浄化率は100%近くにな
る。

【0026】一方、図5において破線で示すように未燃
HC,COの浄化率は三元触媒17に流入する排気ガス
の空燃比A/Fが理論空燃比よりもややリーンのときに
最大となる。これに対して三元触媒17に流入する排気
ガスの空燃比A/Fがより一層リーンになるとリーンに
なるにつれて未燃HC,COの浄化率は徐々に低下し、
三元触媒17に流入する排気ガスの空燃比A/Fがリッ
チになるとリッチになるにつれて未燃HC,COの浄化
率は急速に低下する。

【0027】図6は酸化触媒20に流入する排気ガスの
空燃比A/Fと酸化触媒20による未燃HC,COの浄
化率との関係を示している。図6に示されるように未燃
HC,COの浄化率は酸化触媒20に流入する排気ガス
の空燃比A/Fが理論空燃比よりもややリーンのときに
最大となる。これに対して酸化触媒20に流入する排気
ガスの空燃比A/Fがより一層リーンになるとリーンに
なるにつれて未燃HC,COの浄化率は徐々に低下し、
酸化触媒20に流入する排気ガスの空燃比A/Fがリッ
チになるとリッチになるにつれて未燃HC,COの浄化
率は急速に低下する。

【0028】次にこれら三元触媒17および酸化触媒2
0の下流に配置されたNOx吸収剤23,24について
説明する。これらNOx吸収剤23,24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、鉄Feのような遷移金属から選ばれた少くとも一つ
と、白金Ptのような貴金属とが担持されている。これ
らのNOx吸収剤23,24はNOx吸収剤23,24
に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにはNOx
を吸収し、NOx吸収剤23,24に流入する排気ガス
中の酸素濃度が低下すると吸収したNOxを放出するN
Oxの吸放出作用を行う。

【0029】これらのNOx吸収剤23,24を機関排
気通路内に配置すればこれらNOx吸収剤23,24は
実際にNOxの吸放出作用を行うがこの吸放出作用の詳
細なメカニズムについては明らかでない部分もある。し
かしながらこの吸放出作用は図7に示すようなメカニズ
ムで行われているものと考えられる。次にこのメカニズ
ムについて担体上に白金Ptおよびバリウム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、遷移金属を用いても同
様なメカニズムとなる。

【0030】即ち、NOx吸収剤23,24に流入する
排気ガスの空燃比がリーンになると、即ち排気ガス中の
酸素濃度が大巾に増大すると図7(A)に示されるよう
にこれら酸素O2 がO2 - 又はO2-の形で白金Ptの表
面に付着する。一方、排気ガス中のNOは白金Ptの表
面上でO2 - 又はO2-と反応し、NO2 となる(2NO
+O2 →2NO2 )。次いで生成されたNO2 の一部は
白金Pt上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バ
リウムBaOと結合しながら図7(A)に示されるよう
に硝酸イオンNO3 - の形で吸収剤内に拡散する。この
ようにしてNOxがNOx吸収剤23,24内に吸収さ
れる。

【0031】これに対しNOx吸収剤23,24に流入
する排気ガス中の酸素濃度が低下してNO2 の生成量が
低下すると反応が逆方向(NO3 - →NO2 )に進み、
斯くして吸収剤内の硝酸イオンNO3 - がNO2 の形で
吸収剤から放出される。即ち、NOx吸収剤23,24
に流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると、例えば
NOx吸収剤23,24に流入する排気ガスの空燃比を
リーンからリッチに切換えるとNOx吸収剤23,24
からNOxが放出される。従ってNOx吸収剤23,2
4からNOxを放出させたくない場合にはNOx吸収剤
23,24に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持
しておく必要がある。

【0032】ところでNOxの吸収剤23,24のNO
x吸収率は担体上に担持されている金属の種類によって
夫々異なる温度特性を有する。即ち、図8に示されるよ
うに白金PtとバリウムBaの組合せからなるPt−B
a吸収剤は吸収剤の温度が200℃から500℃の中温
においてNOxの吸収率がピークとなり、これに対して
白金Pt、バリウムBaおよび鉄Feの組合せからなる
Pt−Ba−Fe吸収剤は200℃以下の低温において
NOx吸収率がピークとなる。即ち、Pt−Ba吸収剤
は低温になると白金Ptの表面上におけるNOxの酸化
作用が進まなくなり、また吸収剤へのNOxの吸収作用
が遅くなるためにNOx吸収率が低下してくる。一方、
高温になると吸収剤内において亜硝酸塩が分解されてN
Oxが放出されるためにNOx吸収率が低下してくる。
ところがこのようなNOxの酸化作用や吸収作用および
亜硝酸塩の分解作用と温度との関係は担体上に担持され
ている金属の種類によって異なり、従って図8に示すよ
うに担体上に担持される金属の種類によってNOx吸収
率がピークとなる温度領域が異なることになる。

【0033】このように担体上に担持される金属の種類
によってNOx吸収率がピークとなる温度領域が異なる
のでこれを考慮してNOx吸収剤を使用することが好ま
しい。そこで図1に示す実施例ではNOx吸収剤23と
してPt−Ba−Fe吸収剤のようにNOx浄化率が低
温でピークとなる吸収剤が用いられ、NOx吸収剤24
としてPt−Ba吸収剤のようにNOx吸収率が中温で
ピークとなる吸収剤が用いられる。このようにNOx吸
収率がピークになる温度領域が異なるNOx吸収剤2
3,24を直列に配置すると排気ガス温の低い機関始動
時から排気ガス温の高い機関高負荷運転時に至るまでの
広い運転領域に亘ってNOxをNOx吸収剤23,24
に吸収させることができる。

【0034】図9は暖機完了後において燃焼室3内で燃
焼せしめられる混合気の空燃比A/Fと、排気通路内に
おける排気ガスの空燃比A/Fとを図解的に示してい
る。即ち、大気中に放出されるNOx量を低減させるた
めにはまず初めに燃焼室3内で発生するNOx量を低減
させることが先決である。そのためには図4に示される
ように燃焼室3内で燃焼せしめられる混合気の空燃比を
極度にリーンにするか或いはリッチにするかのいずれか
である。ところが三元触媒17によるNOxの浄化作用
を考えると図5からわかるように三元触媒17に流入す
る排気ガスの空燃比はリッチにしなければならない。従
って本発明では燃焼室3内において燃焼せしめられる混
合気の空燃比をリッチにするようにしている。

【0035】一方、燃焼室3内で発生する未燃HC,C
Oの量は図4からわかるように混合気の空燃比A/Fが
リッチになるほど増大し、また三元触媒17による未燃
HC,COの浄化率は図5からわかるように混合気がリ
ッチになるほど減少する。従ってNOxの低減に加えて
未燃HC,COの低減のことも合わせて考えれば混合気
の空燃比はできるだけ理論空燃比に近づけることが好ま
しいことになる。ところが混合気の空燃比をあまり理論
空燃比に近づけるとちょっとした燃料量や吸入空気量の
変化によって混合気の空燃比がリーンとなってしまう。
ところが混合気の空燃比がリーンになると図4および図
5からわかるように三元触媒17から浄化されずに流出
するNOx量が極度に増大する。従って混合気の空燃比
はあまり理論空燃比に近づけることができないことにな
る。

【0036】そこで本発明による実施例ではちょっとし
た燃料量や吸入空気量の変化によっては混合気の空燃比
がリーンにならない限度内において混合気の空燃比を可
能な限り理論空燃比に近いリッチに維持し、それによっ
てNOxの高い浄化率と未燃HC,COの可能な限り高
い浄化率を確保するようにしている。具体的に云うと本
発明による実施例では混合気の空燃比A/Fが図11
(A)に示されるように14.3と14.5との間に維
持されるように混合気の空燃比が第1空燃比センサ31
の出力信号に基いてフィードバック制御される。なお、
このようにフィードバック制御を行ったときのNOxの
浄化率は99.9%近くになり、未燃HC,COの浄化
率は80%以上となる。従って三元触媒17を通過した
排気ガス中には若干量の未燃HC,COが含まれること
になるがこの排気ガス中に含まれているNOxは極めて
少量となる。

【0037】三元触媒17を通過した排気ガスは酸化触
媒20に流入し、次いでNOx吸収剤23,24に流入
する。ところで図6に示されるように酸化触媒20によ
る未燃HC,COの浄化率は酸化触媒20に流入する排
気ガスの空燃比A/Fが理論空燃比よりもややリーンの
ときに最も高くなり、酸化触媒20に流入する排気ガス
の空燃比がリッチになると未燃HC,COの浄化率が急
激に低下する。また、NOx吸収剤23,24にNOx
を吸収させるためにはNOx吸収剤23,24に流入す
る排気ガスの空燃比をリーンにしなければならず、NO
x吸収剤23,24に流入する排気ガスの空燃比をリッ
チにするとNOx吸収剤23,24からNOxが放出さ
れてしまう。従って三元触媒17を通過した排気ガス中
に含まれる未燃HC,COを酸化触媒20により良好に
浄化し、三元触媒17を通過した排気ガス中に含まれる
NOxをNOx吸収剤23,24に吸収させるためには
酸化触媒20およびNOx吸収剤23,24に流入する
排気ガスの空燃比をリーンに維持しなければならず、そ
のために図9に示されるように酸化触媒20およびNO
x吸収剤23,24上流の排気管19内に2次空気が供
給される。

【0038】ところで前述したように酸化触媒20によ
る未燃HC,COの浄化率を最大にするには排気ガスの
空燃比を理論空燃比よりもややリーンに維持しなければ
ならず、しかもこのときちょっとした燃料量、吸入空気
量或いは2次空気量の変化があっても排気ガスの空燃比
がリッチにならないようにしなければならない。従って
本発明による実施例では排気ガスの空燃比A/Fが図1
1(B)に示されるように15.1と15.3との間に
維持されるように排気管19内に供給される2次空気量
が第2空燃比センサ32の出力信号に基いてフィードバ
ック制御される。なお、このようにフィードバック制御
を行ったときの酸化触媒20による未燃HC,COの浄
化率はほぼ100%であり、また三元触媒17を通過し
た排気ガス中に含まれるNOxは極めて少量であるので
三元触媒17を通過した排気ガス中に含まれるほぼ全N
OxがNOx吸収剤23,24に吸収されることにな
る。従って本発明による実施例では大気中に放出される
NOxおよび未燃HC,COはほぼ零となる。

【0039】なお、三元触媒17を通過した排気ガス中
に含まれるNOx量は極めて少量であるのでNOx吸収
剤23,24の容量を大きくしておけば車両の使用期間
中にNOx吸収剤23,24のNOx吸収能力が飽和し
ないものと考えられる。従って図9に示す実施例ではN
Ox吸収剤23,24は基本的には交換する必要がない
ことになるがNOx吸収剤23,24の容量を十分に大
きくしえない場合にはNOx吸収剤23,24を定期的
に交換する必要がある。

【0040】図10は暖機完了前において燃焼室3内で
燃焼せしめられる混合気の空燃比A/Fと、排気通路内
における排気ガスの空燃比A/Fとを図解的に示してい
る。機関温度の低い機関暖機運転時には燃焼室3内にお
いて燃焼せしめられる混合気の空燃比は例えば13.0
から14.0程度のリッチとされ、従ってこのときには
図10からわかるように機関から排出される混合気の空
燃比は例えば13.0から14.0程度とリッチとなっ
ている。しかしながらこのとき機関暖機後と同様な三元
触媒17によるNOxおよび未燃HC,COの浄化率を
得るためには三元触媒17に流入する排気ガスの空燃比
を14.3から14.5程度のリッチにする必要があ
り、そのために本発明による実施例では図10に示され
る如く三元触媒17上流の排気マニホルド16内に2次
空気を供給するようにしている。またこのときには機関
暖機後と同様に酸化触媒20およびNOx吸収剤23,
24に流入する排気ガスの空燃比が15.1から15.
3程度のリーンとなるように排気管19内にも2次空気
が供給される。

【0041】なお、各空燃比センサ31,32は或る一
定温度を越えないと正規の出力信号を発生しない。従っ
て各空燃比センサ31,32が正規の出力を発生する前
は混合気の目標空燃比に基いて排気マニホルド16およ
び排気管19内に供給される2次空気量が定められ、各
空燃比センサ31,32が正規の出力を発生した後は排
気マニホルド16および排気管19内に供給される2次
空気量が各空燃比センサ31,32の出力信号に基いて
フィードバック制御される。

【0042】一方、図8からわかるようにNOx吸収剤
23はかなり低温でもNOxの吸収作用を開始し、従っ
て機関が始動されるとただちにNOx吸収剤23による
NOxの吸収作用が開始される。しかしながら三元触媒
17は三元触媒17の温度が比較的高い温度にならない
とNOxおよび未燃HC,COの浄化作用を開始せず、
同様に酸化触媒20も比較的高い温度にならないと未燃
HC,COの浄化作用を開始しない。従って機関始動後
ただちに三元触媒17によるNOxおよび未燃HC,C
Oの浄化作用および酸化触媒20による未燃HC,CO
の浄化作用を開始させるためには機関始動時に三元触媒
17および酸化触媒20の温度を或る程度高くしておか
なければならず、そのために本発明による実施例では三
元触媒17および酸化触媒20を機関始動前から通電加
熱せしめるようにしている。

【0043】例えば図12に示されるように機関を始動
する際にはまず初めに運転者がプリヒートスイッチ38
をオンにして三元触媒17のヒータおよび酸化触媒20
のヒータへ通電を開始する。次いで暫らくして運転者が
スタータスイッチ37をオンにして機関を始動させる。
機関が始動されるとただちに2次空気の供給が開始され
る。このような方法をとれば機関始動時から三元触媒1
7によるNOxおよび未燃HC,COの浄化作用および
酸化触媒20による未燃HC,COの浄化作用を開始さ
せることができる。

【0044】ところでこのような方法をとるには運転者
に対してプリヒートスイッチ38をオンにしてから一定
時間経過後にスタータスイッチ37をオンにすることを
義務付けなければならない。なお、この場合、この義務
を確実に覆行させるために例えばプリヒートスイッチ3
8をオンにしてから一定時間はスタータスイッチ37を
オンにしてもスタータモータが駆動されないようにする
こともできるし、三元触媒17および酸化触媒20の温
度を検出して三元触媒17および酸化触媒20の温度が
十分に上昇した後でなければスタータモータが駆動され
ないようにすることもできる。

【0045】また、本発明による実施例では図12に示
されるように機関始動後暫らくの間は点火時期が遅角さ
れる。点火時期が遅角されると爆発行程の末期まで燃焼
が長びくために排気ガス温が上昇する。排気ガス温が上
昇すると三元触媒17および酸化触媒20は排気ガス熱
によって高温に保持され、斯くして三元触媒17による
NOxおよび未燃HC,COの良好な浄化作用および酸
化触媒20による未燃HC,COの良好な浄化作用を確
保できることになる。

【0046】次に第13図から第16図に示すフローチ
ャートを参照しつつ内燃機関の制御ルーチンについて説
明する。図13を参照するとまず初めにステップ100
において例えば機関冷却水温に基き機関の暖機が完了し
たか否かが判別される。機関の暖機が完了したときには
ステップ101に進んで第1の2次空気供給弁27が閉
弁せしめられ、斯くして排気マニホルド16内への2次
空気の供給が停止される。次いでステップ102では燃
料噴射時間TAUが算出される。この燃料噴射時間TA
Uの算出ルーチンが図14に示される。

【0047】図14を参照するとステップ120では第
1空燃比センサ31により検出された排気ガスの空燃比
A/Fが14.5よりも小さいか否かが判別される。A
/F≧14.5のときにはステップ123に進んで補正
係数FAFRに一定値Aが加算され、次いでステップ1
24に進む。これに対してA/F<14.5のときには
ステップ121に進んで第1空燃比センサ31により検
出された排気ガスの空燃比A/Fが14.3よりも大き
いか否かが判別される。A/F≦14.3のときにはス
テップ122に進んで補正係数FAFRから一定値Bが
減算され、次いでステップ124に進む。一方、A/F
>14.3のときにはステップ124に進む。

【0048】ステップ124では次式に基いて燃料噴射
時間TAUが算出される。 TAU=K・Q/N・FAFR ここでQは質量流量検出器15により検出された吸入空
気の質量流量を表わしており、Nは機関回転数を表わし
ている。従ってQ/Nは一サイクル当り機関シリンダ内
に送り込まれる吸入空気の質量流量を表わしている。ま
た、Kは定数であってこのKはK・Q/Nなる量の燃料
を噴射したときに燃焼室3内に供給される混合気の空燃
比が理論空燃比となるように定められている。云い換え
るとK・Q/Nは混合気の空燃比を理論空燃比とするの
に必要な基本燃料噴射時間を表わしており、従って燃料
噴射時間TAUは基本燃料噴射時間K・Q/Nに補正係
数FAFRを乗算することによって求めていることにな
る。

【0049】図14からわかるようにA/F≧14.5
になれば補正係数FAFRが増大せしめられ、A/F≦
14.3になれば補正係数FAFRが減少せしめられ、
14.3<A/F<14.5であれば補正係数FAFR
はそのまま維持されるので燃焼室3内に供給される混合
気の空燃比A/Fは14.3と14.5との間に維持さ
れることがわかる。

【0050】再び図13に戻り、ステップ102におい
て燃料噴射時間TAUの算出が完了するとステップ10
3に進んで第2の2次空気制御弁28を制御するための
デューティー比DUTY2が算出される。このデューテ
ィー比DUTY2の算出ルーチンが図15に示される。
図15を参照するとステップ130において第2空燃比
センサ32により検出された排気ガスの空燃比A/Fが
15.1よりも大きいか否かが判別される。A/F≦1
5.1のときにはステップ133に進んでデューティー
比DUTY2に一定値Cが加算され、A/F>15.1
のときにはステップ131に進む。ステップ131では
第2空燃比センサ32により検出された排気ガスの空燃
比A/Fが15.3よりも小さいか否かが判別され、A
/F≧15.3のときにはステップ132に進んでデュ
ーティー比DUTY2から一定値Dが減算される。

【0051】図15からわかるようにA/F≦15.1
のときにはデューティー比DUTY2が増大せしめられ
て第2の2次空気供給弁28から排気管19内に供給さ
れる2次空気量が増大せしめられ、A/F≧15.3の
ときにはデューティー比DUTY2が減少せしめられて
第2の2次空気供給弁28から排気管19内に供給され
る2次空気量が減少せしめられ、15.1<A/F<1
5.3のときにはデューティー比DUTY2はそのまま
維持される。斯くして酸化触媒20およびNOx吸収剤
23,24に流入する排気ガスの空燃比A/Fは15.
1と15.3の間に維持されることになる。

【0052】再び図13に戻り、ステップ103におい
てDUTY2が算出されるとステップ104に進んで点
火時期θが算出される。この点火時期θは機関負荷Q/
N(吸入空気の質量流量Q/機関回転数N)および機関
回転数Nの関数として図17(A)に示すようなマップ
の形で予めROM42内に記憶されている。次いでステ
ップ105では機関始動後一定時間が経過したか否かが
判別される。機関始動後一定時間を経過したときには処
理サイクルを完了する。これに対して機関始動後一定時
間を経過していないときにはステップ106に進んで点
火時期θがαだけ遅角される。

【0053】一方、ステップ100において機関の暖機
が完了していないと判別されたときにはステップ107
に進んで基本燃料噴射時間K・Q/Nに対する補正係数
KRが算出される。この補正係数KRは例えば機関冷却
水温Twの関数であり、この補正係数KRは図17
(B)に示されるように機関冷却水温Twが低くなるほ
ど大きくなる。次いでステップ108では基本燃料噴射
時間K・Q/Nに補正係数KRを乗算することによって
燃料噴射時間TAUが算出され、このとき燃焼室3内に
供給される混合気の空燃比A/Fは補正係数KRに応じ
たリッチ空燃比となる。

【0054】次いでステップ109では各空燃比センサ
31,32によるフィードバック制御が可能になったか
否かが判別される。各空燃比センサ31,32によるフ
ィードバック制御が可能でない場合にはステップ110
に進んで第1の2次空気供給弁27を制御するためのデ
ューティー比DUTY1が算出される。このデューティ
ー比DUTY1は三元触媒17に流入する排気ガスの空
燃比を14.3から14.5程度にするのに必要なデュ
ーティー比であってこのデューティー比DUTY1は例
えば吸入空気の質量流量Qおよび補正係数KRの関数と
して図17(C)に示すようなマップの形で予めROM
42内に記憶されている。

【0055】次いでステップ111では第2の2次空気
供給弁28を制御するためのデューティー比DUTY2
が算出される。このデューティー比DUTY2は酸化触
媒20およびNOx吸収剤23,24に流入する排気ガ
スの空燃比を15.1から15.3程度にするのに必要
なデューティー比であってこのデューティー比DUTY
2は例えば吸入空気の質量流量Qおよび補正係数KRの
関数として図17(C)に示すようなマップの形で、或
いは吸入空気の質量流量Qの関数の形で予めROM42
内に記憶されている。

【0056】一方、ステップ109において各空燃比セ
ンサ31,32によるフィードバック制御が可能である
と判断されたときにはステップ112に進んで第1の2
次空気制御弁27を制御するためのデューティー比DU
TY1が算出される。このデューティー比DUTY1の
算出ルーチンが図16に示される。図16を参照すると
ステップ140において第1空燃比センサ31により検
出された排気ガスの空燃比A/Fが14.3よりも大き
いか否かが判別される。A/F≦14.3のときにはス
テップ143に進んでデューティー比DUTY1に一定
値Eが加算され、A/F>14.3のときにはステップ
141に進む。ステップ141では第1空燃比センサ3
1により検出された排気ガスの空燃比A/Fが14.5
よりも小さいか否かが判別され、A/F≧14.5のと
きにはステップ142に進んでデューティー比DUTY
1から一定値Fが減算される。

【0057】図16からわかるようにA/F≦14.3
のときにはデューティー比DUTY1が増大せしめられ
て第1の2次空気供給弁27から排気マニホルド16内
に供給される2次空気量が増大せしめられ、A/F≧1
4.5のときにはデューティー比DUTY1が減少せし
められて第1の2次空気供給弁27から排気マニホルド
16内に供給される2次空気量が減少せしめられ、1
4.3<A/F<14.5のときにはデューティー比D
UTY1はそのまま維持される。斯くして三元触媒17
に流入する排気ガスの空燃比A/Fは14.3と14.
5の間に維持されることになる。

【0058】次いでステップ103では酸化触媒20お
よびNOx吸収剤23,24内に流入する排気ガスの空
燃比A/Fが15.1から15.3の間となるように第
2空燃比センサ32の出力信号に基いて第2の2次空気
供給弁28から供給される2次空気がフィードバック制
御される。図18に第2実施例を示す。なお、図18に
おいて図1に示す構成要素と同様な構成要素は同一の符
号で示す。

【0059】この第2実施例において図1に示す第1実
施例と異なるところはまず第1に酸化触媒20とNOx
吸収剤23,24の配列が第1実施例とは逆になってい
ることである。即ち、この第2実施例では通電加熱式三
元触媒17を内蔵した触媒コンバータ18の出口部が排
気管19を介して一対のNOx吸収剤23,24を内蔵
したケーシング25に連結され、ケーシング25の出口
部が通電加熱式酸化触媒20を内蔵した触媒コンバータ
21に連結される。

【0060】第2にこの第2実施例では第1の2次空気
供給弁27、第2の2次空気供給弁28に加えて更に第
3の2次空気供給弁33が設けられ、エアポンプ26の
吐出口は導管30および第3の2次空気供給弁33を介
してNOx吸収剤23,24と酸化触媒20との間の排
気管22に連結される。この第3の2次空気供給弁33
は対応する駆動回路49を介して出力ポート47に接続
されており、この第3の2次空気供給制御弁33も電子
制御ユニット40の出力信号に基いてデューティー比制
御される。

【0061】第3にこの第2実施例では第3の2次空気
供給弁33の下流であって酸化触媒20上流の排気管2
2内に第2空燃比センサが配置される。この第2実施例
の最も大きな特徴はNOx吸収剤23,24を交換しな
くてすむように必要に応じてNOx吸収剤23,24か
らNOxを放出させるようにしたことであり、NOx吸
収剤23,24からのNOxの放出作用を行っていない
ときの制御は第1実施例と基本的には変りがない。即
ち、暖機完了後において燃焼室3内で燃焼せしめられる
混合気の空燃比A/Fと、排気通路内における排気ガス
の空燃比A/Fとを図解的に示している図19を参照す
るとこの第2実施例においても暖機完了後には燃焼室3
内に供給される混合気の空燃比A/Fが図11(A)に
示されるように14.3と14.5との間に維持される
ように混合気の空燃比が第1空燃比センサ31の出力信
号に基いてフィードバック制御され、NOx吸収剤2
3,24および酸化触媒20内に流入する排気ガスの空
燃比A/Fが図11(B)に示されるように15.1と
15.3との間に維持されるように排気管19内に供給
される2次空気量が第2空燃比センサ32の出力信号に
基いてフィードバック制御される。

【0062】従ってこの第2実施例においても三元触媒
17によるNOxの浄化率は99.9%近くになり、未
燃HC,COの浄化率は80%以上となるので三元触媒
17を通過した排気ガス中には若干量の未燃HC,CO
が含まれることになるがこの排気ガス中に含まれている
NOxは極めて少量となる。またこのように三元触媒1
7を通過した排気ガス中に含まれるNOxは極めて少量
であるので三元触媒17を通過した排気ガス中に含まれ
るほぼ全NOxがNOx吸収剤23,24に吸収され、
また未燃HC,COは酸化触媒20においてほぼ100
%浄化される。従ってこの第2実施例においても大気中
に放出されるNOxおよび未燃HC,COはほぼ零とな
る。

【0063】一方、暖機完了前において燃焼室3内で燃
焼せしめられる混合気の空燃比A/Fと、排気通路内に
おける排気ガスの空燃比A/Fとを図解的に示している
図20を参照するとこの第2実施例においても機関温度
の低い機関暖機運転時には燃焼室3内において燃焼せし
められる混合気の空燃比は例えば13.0から14.0
程度のリッチとされ、従ってこのとき機関から排出され
る混合気の空燃比は例えば13.0から14.0程度と
リッチとなっている。また、このとき三元触媒17に流
入する排気ガスの空燃比を14.3から14.5程度の
リッチにするために三元触媒17上流の排気マニホルド
16内に2次空気が供給され、NOx吸収剤23,24
および酸化触媒20に流入する排気ガスの空燃比が1
5.1から15.3程度のリーンとなるように排気管1
9内にも2次空気が供給される。

【0064】一方、図21はNOx吸収剤23,24か
らNOxを放出させるときの燃焼室3内で燃焼せしめら
れる混合気の空燃比A/Fと、排気通路内における排気
ガスの空燃比A/Fとを図解的に示している。図21か
らわかるようにNOx吸収剤23,24からNOxを放
出すべきときには三元触媒17上流の排気マニホルド1
6内への2次供給の供給が停止され、NOx吸収剤2
3,24上流の排気管19内への2次空気の供給が停止
される。従ってこのときNOx吸収剤23,24に流入
する排気ガスの空燃比はリッチとなり、斯くしてNOx
吸収剤23,24からNOxが放出される。

【0065】即ち、このとき三元触媒17を通過した排
気ガス中には未燃HC,COが含まれており、これら未
燃HC,COは白金Pt上の酸素O2 - 又はO2-と反応
して酸化せしめられる。また、NOx吸収剤23,24
に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると排気ガス
中の酸素濃度が低下するために吸収剤からNO2 が放出
され、このNO2 は図7(B)に示されるように未燃H
C,COと反応して還元せしめられる。このようにして
白金Ptの表面上にNO2 が存在しなくなると吸収剤か
ら次から次へとNO2 が放出される。従って流入排気ガ
スの空燃比をリッチにすると短時間のうちにNOx吸収
剤23,24からNOxが放出されることになる。

【0066】即ち、NOx吸収剤23,24に流入する
排気ガスの空燃比をリッチにするとまず初めに未燃H
C,COが白金Pt上のO2 - 又はO2-とただちに反応
して酸化せしめられ、次いで白金Pt上のO2 - 又はO
2-が消費されてもまだ未燃HC,COが残っていればこ
の未燃HC,COによって吸収剤から放出されたNOx
および排気ガス中のNOxが還元せしめられる。従って
NOx吸収剤23,24に流入する排気ガスの空燃比を
リッチにすれば短時間のうちにNOx吸収剤23,24
に吸収されているNOxが放出され、しかもこの放出さ
れたNOxが還元されるので、このとき大気中にNOx
が排出されないことになる。

【0067】一方、NOx吸収剤23,24からのNO
xの放出作用が行われている間、排気管22内に2次空
気が供給される。このとき排気管22内に供給される2
次空気は酸化触媒20内に流入する排気ガスの空燃比A
/Fが15.1から15.3の間となるように第2空燃
比センサ32の出力信号に基いてフィードバック制御さ
れ、従ってこのとき酸化触媒20において未燃HC,C
Oがほぼ100%浄化される。従ってNOx吸収剤2
3,24からNOxを放出させている間にもNOxおよ
び未燃HC,COが大気中に放出されることがないこと
になる。

【0068】次に第22図から第27図に示すフローチ
ャートを参照しつつ内燃機関の制御ルーチンについて説
明する。図22および図23を参照するとまず初めにス
テップ200において例えば機関冷却水温に基き機関の
暖機が完了したか否かが判別される。機関の暖機が完了
したときにはステップ201に進んで第1の2次空気供
給弁27が閉弁せしめられ、斯くして排気マニホルド1
6内への2次空気の供給が停止される。次いでステップ
202では燃料噴射時間TAUが算出される。この燃料
噴射時間TAUの算出ルーチンが図24に示される。

【0069】図24を参照するとステップ220では第
1空燃比センサ31により検出された排気ガスの空燃比
A/Fが14.5よりも小さいか否かが判別される。A
/F≧14.5のときにはステップ223に進んで補正
係数FAFRに一定値Aが加算され、次いでステップ2
24に進む。これに対してA/F<14.5のときには
ステップ221に進んで第1空燃比センサ31により検
出された排気ガスの空燃比A/Fが14.3よりも大き
いか否かが判別される。A/F≦14.3のときにはス
テップ222に進んで補正係数FAFRから一定値Bが
減算され、次いでステップ224に進む。一方、A/F
>14.3のときにはステップ224に進む。

【0070】ステップ224では次式に基いて燃料噴射
時間TAUが算出される。 TAU=K・Q/N・FAFR ここでQは質量流量検出器15により検出された吸入空
気の質量流量を表わしており、Nは機関回転数を表わし
ており、K・Q/Nは前述したように混合気の空燃比を
理論空燃比とするのに必要な基本燃料噴射時間を表わし
ている。

【0071】図24からわかるようにA/F≧14.5
になれば補正係数FAFRが増大せしめられ、A/F≦
14.3になれば補正係数FAFRが減少せしめられ、
14.3<A/F<14.5であれば補正係数FAFR
はそのまま維持されるので燃焼室3内に供給される混合
気の空燃比A/Fは14.3と14.5との間に維持さ
れることがわかる。

【0072】再び図22に戻り、ステップ202におい
て燃料噴射時間TAUの算出が完了するとステップ20
3に進んで第2の2次空気制御弁28を制御するための
デューティー比DUTY2が算出される。このデューテ
ィー比DUTY2の算出ルーチンが図25に示される。
図25を参照するとステップ230において第2空燃比
センサ32により検出された排気ガスの空燃比A/Fが
15.1よりも大きいか否かが判別される。A/F≦1
5.1のときにはステップ233に進んでデューティー
比DUTY2に一定値Cが加算され、A/F>15.1
のときにはステップ231に進む。ステップ231では
第2空燃比センサ32により検出された排気ガスの空燃
比A/Fが15.3よりも小さいか否かが判別され、A
/F≧15.3のときにはステップ232に進んでデュ
ーティー比DUTY2から一定値Dが減算される。

【0073】図25からわかるようにA/F≦15.1
のときにはデューティー比DUTY2が増大せしめられ
て第2の2次空気供給弁28から排気管19内に供給さ
れる2次空気量が増大せしめられ、A/F≧15.3の
ときにはデューティー比DUTY2が減少せしめられて
第2の2次空気供給弁28から排気管19内に供給され
る2次空気量が減少せしめられ、15.1<A/F<1
5.3のときにはデューティー比DUTY2はそのまま
維持される。斯くしてNOx吸収剤23,24および酸
化触媒20に流入する排気ガスの空燃比A/Fは15.
1と15.3の間に維持されることになる。

【0074】再び図22に戻り、ステップ203におい
てDUTY2が算出されるとステップ204に進んで図
17(A)に示すマップから点火時期θが算出される。
次いでステップ205では機関始動後一定時間が経過し
たか否かが判別される。機関始動後一定時間を経過した
ときにはステップ207に進む。これに対して機関始動
後一定時間を経過していないときにはステップ206に
進んで点火時期θがαだけ遅角され、次いでステップ2
07に進む。

【0075】ステップ207では現在の機関回転数NE
がΣNEに加算される。従ってこのΣNEは機関回転数
NEの累積値を表わしており、この累積値ΣNEはバッ
クアップRAM45に記憶される。次いでステップ20
8では機関回転数NEの累積値ΣNEが上限値MAXに
達したか否かが判別される。ΣNE≦MAXのときはN
Ox吸収剤23,24のNOx吸収能力が飽和していな
いものと考えられ、このときにはステップ209に進ん
で第3の2次空気供給弁33が閉弁せしめられる。次い
で処理サイクルを完了する。

【0076】一方、ステップ200において機関の暖機
が完了していないと判別されたときにはステップ210
に進んで基本燃料噴射時間K・Q/Nに対する補正係数
KRが算出される。この補正係数KRは例えば機関冷却
水温Twの関数であり、この補正係数KRは図17
(B)に示されるように機関冷却水温Twが低くなるほ
ど大きくなる。次いでステップ211では基本燃料噴射
時間K・Q/Nに補正係数KRを乗算することによって
燃料噴射時間TAUが算出され、このとき燃焼室3内に
供給される混合気の空燃比A/Fは補正係数KRに応じ
たリッチ空燃比となる。

【0077】次いでステップ212では各空燃比センサ
31,32によるフィードバック制御が可能になったか
否かが判別される。各空燃比センサ31,32によるフ
ィードバック制御が可能でない場合にはステップ213
に進んで第1の2次空気供給弁27を制御するためのデ
ューティー比DUTY1が算出される。このデューティ
ー比DUTY1は三元触媒17に流入する排気ガスの空
燃比を14.3から14.5程度にするのに必要なデュ
ーティー比であってこのデューティー比DUTY1は例
えば吸入空気の質量流量Qおよび補正係数KRの関数と
して図17(C)に示すようなマップの形で予めROM
42内に記憶されている。

【0078】次いでステップ214では第2の2次空気
供給弁28を制御するためのデューティー比DUTY2
が算出される。このデューティー比DUTY2はNOx
吸収剤23,24および酸化触媒20に流入する排気ガ
スの空燃比を15.1から15.3程度にするのに必要
なデューティー比であってこのデューティー比DUTY
2は例えば吸入空気の質量流量Qおよび補正係数KRの
関数として図17(C)に示すようなマップの形で、或
いは吸入空気の質量流量Qの関数の形で予めROM42
内に記憶されている。

【0079】一方、ステップ212において各空燃比セ
ンサ31,32によるフィードバック制御が可能である
と判断されたときにはステップ215に進んで第1の2
次空気制御弁27を制御するためのデューティー比DU
TY1が算出される。このデューティー比DUTY1の
算出ルーチンが図26に示される。図26を参照すると
ステップ240において第1空燃比センサ31により検
出された排気ガスの空燃比A/Fが14.3よりも大き
いか否かが判別される。A/F≦14.3のときにはス
テップ243に進んでデューティー比DUTY1に一定
値Eが加算され、A/F>14.3のときにはステップ
241に進む。ステップ241では第1空燃比センサ3
1により検出された排気ガスの空燃比A/Fが14.5
よりも小さいか否かが判別され、A/F≧14.5のと
きにはステップ242に進んでデューティー比DUTY
1から一定値Fが減算される。

【0080】図26からわかるようにA/F≦14.3
のときにはデューティー比DUTY1が増大せしめられ
て第1の2次空気供給弁27から排気マニホルド16内
に供給される2次空気量が増大せしめられ、A/F≧1
4.5のときにはデューティー比DUTY1が減少せし
められて第1の2次空気供給弁27から排気マニホルド
16内に供給される2次空気量が減少せしめられ、1
4.3<A/F<14.5のときにはデューティー比D
UTY1はそのまま維持される。斯くして三元触媒17
に流入する排気ガスの空燃比A/Fは14.3と14.
5の間に維持されることになる。

【0081】次いでステップ203ではNOx吸収剤2
3,24および酸化触媒20内に流入する排気ガスの空
燃比A/Fが15.1から15.3の間となるように第
2空燃比センサ32の出力信号に基いて第2の2次空気
供給弁28から供給される2次空気がフィードバック制
御される。一方、ステップ208においてΣNE>MA
Xであると判別されたとき、即ちNOx吸収剤23,2
4のNOx吸収能力が飽和状態に近づいたときにはステ
ップ216に進んで第2の2次空気供給弁28が閉弁せ
しめられる。その結果、NOx吸収剤23,24に流入
する排気ガスはリッチとなり、斯くしてNOx吸収剤2
3,24からのNOx放出作用が開始される。次いでス
テップ217に進んで第3の2次空気制御弁33を制御
するためのデューティー比DUTY3が算出される。こ
のデューティー比DUTY3の算出ルーチンが図27に
示される。

【0082】図27を参照するとステップ250におい
て第2空燃比センサ32により検出された排気ガスの空
燃比A/Fが15.1よりも大きいか否かが判別され
る。A/F≦15.1のときにはステップ253に進ん
でデューティー比DUTY3に一定値Cが加算され、A
/F>15.1のときにはステップ251に進む。ステ
ップ251では第2空燃比センサ32により検出された
排気ガスの空燃比A/Fが15.3よりも小さいか否か
が判別され、A/F≧15.3のときにはステップ25
2に進んでデューティー比DUTY3から一定値Dが減
算される。

【0083】図27からわかるようにA/F≦15.1
のときにはデューティー比DUTY3が増大せしめられ
て第3の2次空気供給弁33から排気管22内に供給さ
れる2次空気量が増大せしめられ、A/F≧15.3の
ときにはデューティー比DUTY3が減少せしめられて
第3の2次空気供給弁33から排気管22内に供給され
る2次空気量が減少せしめられ、15.1<A/F<1
5.3のときにはデューティー比DUTY3はそのまま
維持される。斯くして酸化触媒20に流入する排気ガス
の空燃比A/Fは15.1と15.3の間に維持される
ことになる。

【0084】再び図23に戻り、ステップ217におい
てDUTY3が算出されるとステップ218に進んでN
Oxの放出作用が開始されてから一定時間経過したか否
かが判別される。NOxの放出作用が開始されてから一
定時間経過したとき、即ちNOx吸収剤23,24から
全NOxが放出されたときにはステップ219に進んで
ΣNEが零とされ、次いで処理サイクルを完了する。次
の処理サイクルでは第2の2次空気制御弁28による2
次空気の供給制御が再開される。

【0085】

【発明の効果】大気中に放出されるNOxの量をほとん
ど零まで低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図1】内燃機関の全体図である。

【図2】通電加熱式三元触媒および通電加熱式酸化触媒
の断面図である。

【図3】空燃比センサの出力を示す図である。

【図4】機関から排出されるNOxおよび未燃HC,C
Oの濃度を示す線図である。

【図5】三元触媒の浄化率を示す線図である。

【図6】酸化触媒の浄化率を示す線図である。

【図7】NOxの吸放出作用を説明するための線図であ
る。

【図8】NOx吸収率を示す線図である。

【図9】暖機完了後において排気通路内の各位置におけ
る空燃比を示す図である。

【図10】暖機完了前において排気通路内の各位置にお
ける空燃比を示す図である。

【図11】空燃比の制御範囲を示す図である。

【図12】機関始動時における通電加熱制御等を示すタ
イムチャートである。

【図13】内燃機関の制御ルーチンを示すフローチャー
トである。

【図14】燃料噴射時間TAUを算出するためのフロー
チャートである。

【図15】デューティー比DUTY2を算出するための
フローチャートである。

【図16】デューティー比DUTY1を算出するための
フローチャートである。

【図17】点火時期θ等を示す線図である。

【図18】内燃機関の別の実施例を示す全体図である。

【図19】暖機完了後において排気通路内の各位置にお
ける空燃比を示す図である。

【図20】暖機完了前において排気通路内の各位置にお
ける空燃比を示す図である。

【図21】NOx吸収剤からNOxを放出させる際の排
気通路内の各位置における空燃比を示す図である。

【図22】内燃機関の制御ルーチンを示すフローチャー
トである。

【図23】内燃機関の制御ルーチンを示すフローチャー
トである。

【図24】燃料噴射時間TAUを算出するためのフロー
チャートである。

【図25】デューティー比DUTY2を算出するための
フローチャートである。

【図26】デューティー比DUTY1を算出するための
フローチャートである。

【図27】デューティー比DUTY3を算出するための
フローチャートである。

【符号の説明】

16…排気マニホルド 17…三元触媒 20…酸化触媒 23,24…NOx吸収剤 27,28,33…2次空気供給弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI F01N 3/22 ZAB F02D 41/04 305A F02D 41/04 305 41/14 310P 41/14 310 43/00 301B 43/00 301 301E 301T B01D 53/36 101B F02P 5/15 F02P 5/15 B (72)発明者 大仲 英己 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 国武 和久 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 棚橋 敏雄 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 平1−203609(JP,A) 特開 平5−76771(JP,A) 国際公開93/7363(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 3/24 B01D 53/94 F01N 3/20 F01N 3/22 F02D 41/04 F02D 41/14 F02D 43/00 F02P 5/15

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 機関排気通路内に三元触媒を配置し、流
    入する排気ガスの空燃比がリーンのときにNOxを吸収
    するNOx吸収剤を該三元触媒下流の機関排気通路内に
    配置し、該三元触媒とNOx吸収剤間の機関排気通路内
    に2次空気を供給するための2次空気供給装置を具備
    し、機関燃焼室内においてリッチな混合気を燃焼せしめ
    て燃焼室内で発生するNOx量を低減すると共にこのと
    き燃焼室から排出されるリッチ空燃比の排気ガスを三元
    触媒に流入させて排気ガス中のNOxを還元させ、三元
    触媒を通過した排気ガス中に該2次空気供給装置から2
    次空気を供給してNOx吸収剤に流入する排気ガスの空
    燃比をリーンにし、排気ガス中に残存しているNOxを
    NOx吸収剤に吸収するようにした内燃機関の排気浄化
    装置。
  2. 【請求項2】 機関燃焼室内において燃焼せしめられる
    混合気の空燃比を理論空燃比よりもわずかばかりリッチ
    にするようにした請求項1に記載の内燃機関の排気浄化
    装置。
  3. 【請求項3】 NOx吸収剤に流入する排気ガスの空燃
    比を理論空燃比よりもわずかばかりリーンにするように
    した請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 【請求項4】 機関排気通路内に三元触媒を配置し、流
    入する排気ガスの空燃比がリーンのときにNOxを吸収
    するNOx吸収剤および酸化触媒を該三元触媒下流の機
    関排気通路内に配置し、該三元触媒の下流であってNO
    x吸収剤および酸化触媒上流の機関排気通路内に2次空
    気を供給するための2次空気供給装置を具備し、機関燃
    焼室内においてリッチな混合気を燃焼せしめると共に該
    2次空気供給装置から供給される2次空気によってNO
    x吸収剤および酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比を
    リーンにするようにした内燃機関の排気浄化装置。
  5. 【請求項5】 機関燃焼室内において燃焼せしめられる
    混合気の空燃比を理論空燃比よりもわずかばかりリッチ
    にするようにした請求項4に記載の内燃機関の排気浄化
    装置。
  6. 【請求項6】 NOx吸収剤および酸化触媒に流入する
    排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもわずかばかりリー
    ンにするようにした請求項4に記載の内燃機関の排気浄
    化装置。
  7. 【請求項7】 機関排気通路内に三元触媒を配置し、流
    入する排気ガスの空燃比がリーンのときにNOxを吸収
    すると共に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると
    吸収したNOxを放出するNOx吸収剤を該三元触媒下
    流の機関排気通路内に配置し、該NOx吸収剤下流の機
    関排気通路内に酸化触媒を配置し、該三元触媒とNOx
    吸収剤間の機関排気通路および該NOx吸収剤と酸化触
    媒間の機関排気通路内に2次空気を供給するための2次
    空気供給装置を具備し、機関燃焼室内において理論空燃
    比よりもわずかばかりリッチな混合気を燃焼せしめると
    共に通常は該2次空気供給装置から三元触媒とNOx吸
    収剤間に供給される2次空気によってNOx吸収剤およ
    び酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンにし、
    NOx吸収剤からNOxを放出すべきときには三元触媒
    とNOx吸収剤間への2次空気の供給を停止してNOx
    吸収剤に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると共
    にNOx吸収剤と酸化触媒間に2次空気を供給して酸化
    触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンにするように
    した内燃機関の排気浄化装置。
  8. 【請求項8】 機関燃焼室内において燃焼せしめられる
    混合気の空燃比を理論空燃比よりもわずかばかりリッチ
    にするようにした請求項7に記載の内燃機関の排気浄化
    装置。
  9. 【請求項9】 酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比を
    理論空燃比よりもわずかばかりリーンにし、NOx吸収
    剤に流入する排気ガスの空燃比がリーンとされるときに
    はNOx吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃
    比よりもわずかばかりリーンにするようにした請求項7
    に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  10. 【請求項10】 上記三元触媒が通電加熱式触媒からな
    り、該三元触媒が少くとも機関始動時に通電加熱せしめ
    られる請求項1,4又は7のいずれか1項に記載の内燃
    機関の排気浄化装置。
  11. 【請求項11】 上記酸化触媒が通電加熱式触媒からな
    り、該酸化触媒が少くとも機関始動時に通電加熱せしめ
    られる請求項又はに記載の内燃機関の排気浄化装
    置。
  12. 【請求項12】 機関が始動されてから暫らくの間点火
    時期を遅角させるようにした請求項1,4又は7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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