JP4324790B2

JP4324790B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4324790B2
Application number: JP2004188421A
Authority: JP
Inventors: 保樹田村; 川島　　一仁
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2024-06-25
Also published as: JP2006009695A

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、内燃機関の排気系に設けられた触媒の排気浄化性能を高く維持する技術に関する。

車両に搭載された内燃機関の排気通路には、当該内燃機関から排出されるＨＣ、ＣＯ、ＮＯx等の物質を浄化することを目的として触媒が設けられている。通常、触媒には貴金属が添加されており、これにより当該物質の酸化反応、還元反応が促進され、排気浄化性能の向上が図れている。
ところで、近年、燃焼空燃比をリーン空燃比として燃焼を行うリーンバーンエンジンが開発され実用化されており、当該リーンバーンエンジンにおいては、リーン空燃比での運転（高酸素濃度運転）を長期間に亘り行った後、リッチ空燃比或いはストイキ（理論空燃比）での運転（低酸素濃度運転）に切り換えると、上記触媒の存在によってもＮＯxが十分に浄化されず、所謂ＮＯxスパイクが発生するという問題がある。

また、最近では、燃料消費量の低減、触媒保護の観点から、主として車両の減速時において燃料供給を停止する所謂燃料カットが行われており、上記ＮＯxスパイクは、当該燃料カットを終了して燃料供給を復帰（燃料復帰）させる際において特に発生し易い傾向にある。
このようなＮＯxスパイクを防止するためには、リーン空燃比での運転直後或いは燃料カットからの燃料復帰時において短期的な空燃比のリッチ化を行い、触媒を低酸素濃度雰囲気（還元雰囲気）にすることが効果的である。

しかしながら、このように空燃比をリッチ化する場合であっても、ＮＯxスパイクが残存するという問題がある。
かかるＮＯxスパイクが残存する問題は、特に燃料カット実施直後において、吸気系及び排気系に酸素が多量に存在しているために起こると考えられ、例えば、燃料カット復帰後において排気管内の酸素濃度が低下するまで空燃比のリッチ化を禁止することが考えられている（特許文献１等参照）。
特開２００２−１３４２９号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術は、排気系に酸素が多量に存在しているときには内燃機関の燃焼空燃比をリッチ化しても排気空燃比が直ぐにはリッチ空燃比とならないことに鑑み、排気系内の酸素が掃気されるまではリッチ化を禁止して燃費悪化を防止することを主目的としたものであり、当該技術によっても、リッチ化したときには三元触媒はＮＯxを浄化できず、依然としてＮＯxスパイクは残存し、ＮＯxの浄化効率を十分に向上させることはできない。

その理由は以下のように考えられる。
ある種の触媒は、酸素濃度の高い高酸素濃度雰囲気（酸化雰囲気）にあるときに貴金属等の周りに酸素を捕捉（吸着、吸蔵等を含む）し、酸素濃度の低い低酸素濃度雰囲気（還元雰囲気）にあるときに低酸素濃度或いは還元剤により当該捕捉した酸素を放出する性質を有しており、酸化雰囲気下における当該酸素の貴金属等への捕捉量が多いと、触媒の浄化能力が低下し、主として排気中のＮＯxを十分に浄化できないという特性を有している（これを酸素被毒を含む概念として酸素被爆という）。さらに、このように貴金属等に捕捉された酸素を還元雰囲気下で放出しようとしても、酸素の放出にはある程度の時間を要し、触媒におけるＮＯxの浄化性能を直ぐには最適な状態に復活させることができないという特性を有している。

従って、例えば、内燃機関を排出酸素濃度の高いリーン空燃比で運転（高酸素濃度運転）した後、リッチ空燃比での運転（低酸素濃度運転）に切り換えるような場合、貴金属等に捕捉された酸素が直ぐには放出されないために障害となり、リーン空燃比からリッチ空燃比への遷移中に発生する排気中のＮＯxを十分に浄化しきれず、これがＮＯxスパイクを引き起こす要因となる。

つまり、ＮＯxを浄化するためには触媒の貴金属にＮＯxが吸着する必要があるのであるが、貴金属等に捕捉された酸素の放出にはある程度の時間（Ｏ₂パージ時間）を要するため、図６にＯ₂吸着量とＮＯx吸着速度とＮＯx流入速度との関係を示すように、低酸素濃度運転への切り換え後であってもＮＯx吸着速度がなかなか上がらず、この際、触媒へのＮＯx吸着速度よりもＮＯx流入速度が大きいと、ＮＯx流入速度とＮＯx吸着速度との差分に相当する量だけ貴金属に吸着されないＮＯxが生じ（図６の斜線部）、当該貴金属に吸着されない破過したＮＯxがＮＯxスパイクを引き起こすのである。

この問題を解決するための一つの手法として、Ｏ₂パージ時間を短縮すべく、低酸素濃度運転時における空燃比のリッチ化度合いを大きくして還元剤の供給速度を速めることが考えられる。
しかしながら、図７にＯ₂吸着量とＯ₂パージ速度と還元剤流入速度との関係を示すように、一定の排気圧のもとではＯ₂吸着量とＯ₂パージ速度との間には一定の関係があり、空燃比のリッチ化度合いを高めたとしてもＯ₂パージ速度（還元剤によるＯ₂放出速度）に対して還元剤流入速度が速すぎると、余剰の還元剤が生じ、ＮＯxスパイクはある程度抑制されるとしても、前記一定の排気圧下でのＯ₂パージ速度以上の速度でＯ₂が放出されることはなく、却ってＨＣ・ＣＯスパイク等を発生させるという新たな問題が発生する。

このようなＨＣ・ＣＯスパイク等の発生を抑えるためには、上記Ｏ₂パージ速度自体を促進させればよく、そのためには触媒を含む排気系の排気圧を上昇させるのが効果的であると考えられる（図７に破線で示す）。
ところが、低酸素濃度運転への切り換え直後に空燃比をリッチ化して低酸素濃度運転に切り換えると同時に触媒を含む排気系の排気圧を上昇させると、実際には排気系容積があることから排気圧は瞬時には上昇せず、当該排気圧が十分に上昇するまでの間、依然としてＯ₂パージ速度は遅いままであり、やはり余剰の還元剤が生じ、ＨＣ・ＣＯスパイク等の発生を確実に抑えることができないという問題がある。また、余剰の還元剤が生じることは、燃費の悪化にも繋がり好ましいことではない。

同様に、長時間のリッチ運転等による触媒のＨＣ被毒、ＣＯ被毒に対してＨＣパージ、ＣＯパージを実施する場合において、リーン化によるＮＯxスパイクの発生を十分に抑えることができないという問題がある。
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、燃料カット等の高酸素濃度運転後においてＨＣ・ＣＯスパイク等の発生や燃費の悪化を最小限に抑えつつ触媒を最適な状態に早期に復活させてＮＯxスパイクを効果的に抑制可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の内燃機関の排気浄化装置では、排気系に設けられ、排気中の所定の排気成分を捕捉及び放出可能な触媒と、排気空燃比を調整することにより前記触媒の雰囲気を酸化雰囲気と還元雰囲気との間で切換可能な排気空燃比調整手段と、前記所定の排気成分の捕捉による前記触媒の浄化能力低下を判定する浄化能力低下判定手段と、前記触媒を含む排気系内の排気圧を上昇させる排気圧上昇手段と、前記排気圧上昇手段により排気系内の排気圧が上昇したか否かを判定する排気圧上昇判定手段とを備え、前記排気圧上昇判定手段は、排気圧を検出する排気圧検出手段を含み、前記排気空燃比調整手段は、前記排気圧検出手段により検出される排気圧に応じて前記触媒の雰囲気が捕捉された所定の排気成分を放出させる雰囲気側になるよう排気空燃比を調整することを特徴とする。

即ち、例えば排気中の酸素濃度が高酸素濃度となる空燃比での運転終了後には、触媒の貴金属には多量の酸素または酸化物が捕捉され、浄化能力低下判定手段により触媒の浄化能力低下が判定されることになるが、このとき、排気圧上昇手段により触媒を含む排気系内の排気圧を上昇させ、排気圧検出手段により排気圧を検出し、排気圧の上昇開始から排気圧の上昇途中或いは排気圧が変動する場合においても、排気空燃比調整手段により触媒の雰囲気が還元雰囲気側になるよう排気空燃比が調整される。

つまり、触媒を含む排気系内の排気圧を上昇させると、図７に破線で示すように、酸素または酸化物の放出速度（Ｏ₂パージ速度）が速くなるが、このように酸素または酸化物の放出速度が速くなった後に、排気空燃比調整手段によって触媒の雰囲気が還元雰囲気側になるよう排気空燃比が調整される。なお、低酸素濃度となる空燃比での運転終了後には酸化雰囲気とする逆の制御が行われる。

従って、触媒の雰囲気が捕捉された所定の排気成分を放出させる雰囲気側になるよう排気空燃比が調整されたときには、捕捉された所定の排気成分の放出速度は十分に速くなっており、酸化または還元剤流入速度が比較的速いような場合であっても、当該酸化または還元剤流入速度がＨＣ、ＣＯまたは酸素の放出速度（Ｏ₂パージ速度等）を越え難く、例えば還元雰囲気側になるよう排気空燃比が調整される場合、ＨＣ・ＣＯスパイク等の発生が抑えられ、酸素の放出速度が十分に速くなるまでの間は不必要に空燃比がリッチ化されることがなく、燃費の悪化も抑制される。そして、酸素の放出速度（Ｏ₂パージ速度）が速くなることで酸素の放出時間（Ｏ₂パージ時間）が短縮され、比較的早期に触媒が最適な状態に復活してＮＯx吸着速度がＮＯx流入速度を上回り（図６の許容値以上）、ＮＯxスパイクが良好に防止される。また、酸化雰囲気側になるよう排気空燃比が調整される場合には、ＨＣまたはＣＯの放出速度が十分に速くなるまでの間は不必要に空燃比がリーン化されることがなく、ＮＯxの排出が抑制される。

また、請求項２の内燃機関の排気浄化装置では、前記浄化能力低下判定手段は酸素の捕捉による前記触媒の浄化能力低下を判定するものであって、前記排気空燃比調整手段は、前記浄化能力低下判定手段により酸素の捕捉による前記触媒の浄化能力低下が判定されたとき、排気空燃比をリッチ空燃比側に調整することを特徴とする。
即ち、例えば排気中の酸素濃度が高酸素濃度となる空燃比での運転終了後には、触媒の貴金属には多量の酸素が捕捉されて触媒の浄化能力が低下する傾向にあるため、浄化能力低下判定手段により酸素の捕捉による触媒の浄化能力低下が判定されると、触媒の雰囲気が還元雰囲気側になるよう排気空燃比をリッチ空燃比側に調整する。

従って、例えば排気中の酸素濃度が高酸素濃度となる空燃比での運転終了後において、ＨＣ・ＣＯスパイク等の発生や燃費の悪化を抑制しつつ、貴金属に捕捉された酸素が良好に放出（Ｏ₂パージ）されて比較的早期に触媒が最適な状態に復活し、ＮＯxスパイクが良好に防止される。

請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、例えば排気中の酸素濃度が高酸素濃度または低酸素濃度となる空燃比での運転終了後、浄化能力低下判定手段により触媒の浄化能力低下が判定されると、排気圧上昇手段により触媒を含む排気系内の排気圧を上昇させ、排気圧検出手段により排気圧を検出し、排気圧の上昇開始から排気圧の上昇途中或いは排気圧が変動する場合においても、排気空燃比調整手段により触媒の雰囲気を還元雰囲気側または酸化雰囲気側になるよう排気空燃比を調整するようにしたので、排気圧の上昇により捕捉された所定の排気成分の放出速度を十分に速くしておくようにでき、不必要な空燃比制御を抑制しながら、比較的早期に触媒を最適な状態に復活させることができる。

また、請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、浄化能力低下判定手段は酸素の捕捉による触媒の浄化能力低下を判定するものであるので、例えば排気中の酸素濃度が高酸素濃度となる空燃比での運転終了後において、触媒の貴金属には多量の酸素が捕捉されて触媒の浄化能力が低下する傾向にあるが、ＨＣ・ＣＯスパイク等の発生や燃費の悪化を抑制しながら、貴金属に捕捉された酸素を良好に放出（Ｏ_２パージ）して比較的早期に触媒を最適な状態に復活させ、ＮＯxスパイクを良好に防止することができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
先ず、第１実施例について説明する。
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を含む内燃機関のシステム構成図が概略的に示されている。
同図に示すように、内燃機関であるエンジン本体（以下、単にエンジンという）１としては、吸気管噴射型（Multi Point Injection：ＭＰＩ）リーンバーンガソリンエンジンが採用される。

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が取り付けられており、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。
シリンダヘッド２には、各気筒毎に吸気ポート９が形成されており、各吸気ポート９の燃焼室５側には、エンジン回転に応じて回転するカムシャフト１２のカムに倣って開閉作動し、各吸気ポート９と燃焼室５との連通と遮断とを行う吸気弁１１がそれぞれ設けられている。そして、各吸気ポート９には吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。吸気マニホールド１０には、電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、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。

吸気マニホールド１０の燃料噴射弁６よりも上流側には、吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１７が設けられており、併せてスロットル弁１７の弁開度を検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１８が設けられている。また、スロットル弁１７よりも上流側には、吸入空気量を検出するエアフローセンサ１９が設けられている。
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１３が形成されており、各排気ポート１３の燃焼室５側には、エンジン回転に応じて回転するカムシャフト１６のカムに倣って開閉作動し、各排気ポート１３と燃焼室５との連通と遮断とを行う排気弁１５がそれぞれ設けられている。そして、各排気ポート１３には排気マニホールド１４の一端がそれぞれ接続されている。

なお、当該ＭＰＩエンジンは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。
排気マニホールド１４の他端には排気管（排気通路）２０が接続されており、当該排気管２０には、排気浄化触媒装置として三元触媒３０が介装されている。
三元触媒３０は、貴金属として銅（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）の少なくともいずれか或いは酸素ストレージ材としてセリア（Ｃｅ），ジルコニア（Ｚｒ）の少なくともいずれかを有している。貴金属等は、酸素捕捉機能を有しており、排気空燃比（排気Ａ／Ｆ）がリーン空燃比（リーンＡ／Ｆ）である高酸素濃度雰囲気（酸化雰囲気）中において酸素（Ｏ₂）を捕捉（吸着、吸蔵等）すると、排気Ａ／Ｆがリッチ空燃比（リッチＡ／Ｆ）となり低酸素濃度雰囲気（還元雰囲気）となるまでその捕捉Ｏ₂を解離Ｏの状態で保持し、還元雰囲気中において当該捕捉Ｏ₂を脱離し放出する特性を有している。また、貴金属等はＮＯxやＳＯx等の酸化物をも一時的に捕捉する機能を有している。

また、排気管２０の三元触媒３０よりも上流側には、酸素濃度を検出する排気センサ（例えば、Ｏ₂センサ）２２とともに排気管２０内の排気圧を検出する排気圧センサ（排気圧上昇判定手段、排気圧検出手段）２４が配設されている。
さらに、排気管２０の三元触媒３０よりも下流側には、排気圧上昇弁ユニット（排気圧上昇手段）４０が介装されている。

排気圧上昇弁ユニット４０は、三元触媒３０を含む排気系内の排気圧を変更することが可能に構成されており、具体的には、排気圧上昇弁ユニット４０は、排気管２０の流路面積を調節可能なバタフライ弁（絞り弁）４２、バイパス通路２５及びバイパス通路２５の遮断と連通を行い排気圧の微調整を行う排気圧調整弁４４によって構成されている。
バイパス通路２５はバタフライ弁４２を迂回するように構成されており、排気圧調整弁４４は排気管２０とバイパス通路２５の上流側との分岐部に設けられている。

バタフライ弁４２にはアクチュエータ４３が設けられており、排気圧調整弁４４にはアクチュエータ４５が設けられており、バタフライ弁４２及び排気圧調整弁４４は、それぞれアクチュエータ４３、アクチュエータ４５によって開閉作動する。
ＥＣＵ５０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えており、当該ＥＣＵ５０により、排気浄化装置を含めたエンジン１等の総合的な制御が行われる。

ＥＣＵ５０の入力側には、上述したＴＰＳ１８、エアフローセンサ１９、排気センサ２２、排気圧センサ２４の他、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ５２、エンジン１の冷却水温度Ｔwを検出する水温センサ５４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。なお、クランク角センサ５２からのクランク角情報に基づいてエンジン回転速度Ｎeが検出される。

一方、ＥＣＵ５０の出力側には、上述の燃料噴射弁６、点火コイル８、スロットル弁１７、アクチュエータ４３、４５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、弁開閉制御量等がそれぞれ出力され、これにより、空燃比が適正な目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）に制御され、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、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、所望の排気圧となるよう適正なタイミングで排気圧上昇弁ユニット４０のバタフライ弁４２及び排気圧調整弁４４が作動制御される。なお、エンジン１において空燃比が制御されることで排気Ａ／Ｆが制御される（排気空燃比調整手段）。

特に、当該エンジン１は、リーンバーンエンジンであり、目標Ａ／ＦをリーンＡ／Ｆに設定してリーンＡ／Ｆ運転可能に構成されており、例えば通常は目標Ａ／ＦをリッチＡ／Ｆまたはストイキ（理論空燃比）とし、適宜リーンＡ／Ｆに切り換えるようにしている。これにより燃費の向上等が図られる。
また、当該エンジン１は、車両の減速走行時において燃料供給を停止し、燃料カットを実施することが可能に構成されている（燃料カット手段）。つまり、当該エンジン１では、運転者がアクセルペダル（図示せず）の踏み込みを中止し且つエンジン回転速度Ｎeが所定回転速度以上の場合において、燃料噴射弁６からの燃料噴射を停止して適宜燃料カットを行うようにしている。そして、当該エンジン１では、燃料カット復帰条件が成立し、燃料カットを終了して燃料供給を復帰させた直後、即ち燃料復帰直後には、十分なエンジン出力を得るべく、また燃料カットによって触媒３０に多量に吸着された捕捉Ｏ₂を放出すべく、目標Ａ／ＦをリッチＡ／Ｆに設定するようにしている。なお、燃料カットは、全気筒について実施するようにしてもよいし、一部気筒についてのみ実施するようにしてもよい。

ところで、エンジン１におけるＮＯxの発生について注目すると、上述したように、リーンＡ／Ｆでの運転を長時間に亘り実施した後、目標Ａ／ＦをリッチＡ／Ｆに切り換える場合や、燃料カット後の燃料復帰直後において、ＮＯxスパイクが発生する傾向にある。
かかるＮＯxスパイクは、目標Ａ／Ｆひいては排気Ａ／ＦをリッチＡ／Ｆにしても、酸素被爆により、三元触媒機能が求められている貴金属等に捕捉された捕捉Ｏ₂が直ぐには放出されないために障害となり、リーンＡ／ＦからリッチＡ／Ｆへの遷移中に発生する排気中のＮＯxを十分に浄化しきれないために発生すると考えられる。

つまり、ＮＯxを浄化するためには三元触媒３０の貴金属にＮＯxが吸着する必要があるのであるが、貴金属等に捕捉された捕捉Ｏ₂の放出にはある程度の時間（Ｏ₂パージ時間）を要するため、目標Ａ／ＦをリッチＡ／Ｆへ切り換えてもＮＯx吸着速度がなかなか上がらず（図６参照）、この際、三元触媒３０へのＮＯx吸着速度よりもＮＯx流入速度が大きいと、ＮＯx流入速度とＮＯx吸着速度との差分に相当する量だけ貴金属に吸着されないＮＯxが生じ（図６の斜線部）、当該貴金属に吸着されない破過したＮＯxがＮＯxスパイクを引き起こすと考えられる。

そこで、Ｏ₂パージ時間を短縮すべく、目標Ａ／Ｆのリッチ化度合いを大きくして還元剤（ＨＣ、ＣＯ等）の供給速度を速めることが考えられる。しかしながら、一定の排気圧のもとではＯ₂吸着量とＯ₂パージ速度との間には一定の関係があり（図７参照）、目標Ａ／Ｆのリッチ化度合いを高めたとしてもＯ₂パージ速度に対して還元剤流入速度が速すぎると、余剰の還元剤が生じ、ＮＯxスパイクについてはある程度抑制されるものの十分ではなく、却ってＨＣ・ＣＯスパイク等を発生させるという問題がある。

このようなＨＣ・ＣＯスパイク等の発生を抑えるためには、Ｏ₂パージ速度自体を促進させればよく、そのためには三元触媒３０を含む排気系内の排気圧を上昇させるのが効果的であると考えられる（図７に破線で示す）。ところが、目標Ａ／ＦをリッチＡ／Ｆに切り換えた直後や燃料カット後の燃料復帰直後から目標Ａ／Ｆをリッチ化すると同時に排気圧を上昇させると、実際には排気系容積があることから排気圧は瞬時には上昇せず、当該排気圧が十分に上昇するまでの間は依然としてＯ₂パージ速度は遅く、やはり余剰の還元剤が生じ、ＨＣ・ＣＯスパイク等の発生を確実に抑えることができない。また、余剰の還元剤が生じることは、燃費の悪化にも繋がる。

本発明に係る排気浄化装置では、このようなＨＣ・ＣＯスパイク等の発生や燃費の悪化を最小限に抑えながら、三元触媒３０を最適な状態に早期に復活させてＮＯxスパイクの発生を抑制するようにしており、以下、ＥＣＵ５０の実行する本発明に係る排気浄化装置の制御内容について説明する。
図２を参照すると、本発明の第１実施例に係る酸素被爆復活制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。

先ず、ステップＳ１０では、三元触媒３０が酸素被爆状態にあるか否かを判別する（浄化能力低下判定手段）。ここに、酸素被爆状態にあるか否かは、例えばリーンＡ／Ｆでの運転を禁止した直後或いは燃料カット後の燃料復帰直後から所定期間内であるか否かによって判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）で三元触媒３０が酸素被爆状態にないと判定された場合には、ステップＳ１９に進み、排気圧上昇手段を非作動状態、即ち排気圧上昇弁ユニット４０のバタフライ弁４２及び排気圧調整弁４４を共に開弁状態とする。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）で三元触媒３０が酸素被爆状態にあると判定された場合には、ステップＳ１２に進む。

なお、酸素被爆状態にあるか否かを判別するにあたり、次式のいずれか一方の条件を追加するようにしてもよい。
・燃料カット継続時間＞所定時間
・燃料カット中の触媒に流入する排気流量の積算値＞所定値
ここに、所定時間、所定値は、定数でもよいし、予め運転条件（エンジン回転速度Ｎe、体積効率、排気流量、吸入空気流量、吸気管圧、触媒温度、排気温度、冷却水温度のうちの少なくとも一つ以上）に応じて最適化された値を記憶しておき、種々運転条件に応じて記憶した設定期間を読み出すようにしてもよい。

また、これに代えて、三元触媒３０の下流に別途設けた排気センサ（例えば、Ｏ₂センサ）の検出値がリーンＡ／Ｆを示した時点以降、或いは、当該下流側の排気センサの検出値が上流側の排気センサ２２とほぼ同じ値を示した時点以降であることを条件として加えるようにしてもよい。
これにより、酸素被爆状態にあるか否かをより確実に判定することができる。

ステップＳ１２では、排気圧上昇手段を作動状態、即ち排気圧上昇弁ユニット４０のバタフライ弁４２及び排気圧調整弁４４をそれぞれ閉弁制御し、三元触媒３０を含む排気系の排気圧を上昇させる。
このように三元触媒３０を含む排気系の排気圧を上昇させると、上述したようにＯ₂パージ速度が促進される（図７に破線で示す）。

そして、ステップＳ１４では、排気圧が上昇したか否かを例えば排気圧センサ２４からの情報に基づき判別する（排気圧上昇判定手段）。具体的には、排気圧が予め設定された所定圧力まで上昇したか否かで判別すればよい。判別結果が偽（Ｎｏ）で排気圧が上昇していないと判定された場合には、ステップＳ１８に進み、目標Ａ／Ｆのリッチ化を禁止する。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）で排気圧が上昇したと判定された場合には、ステップＳ１６に進み、目標Ａ／Ｆのリッチ化を許容し、排気Ａ／ＦをリッチＡ／Ｆ側に、即ち三元触媒３０の雰囲気を還元雰囲気側に制御する。

なお、その後、ステップＳ１０の判別結果が偽（Ｎｏ）となり、三元触媒３０が酸素被爆状態ではなくなったときには、もはや排気圧を上昇させておく必要はなく、ステップＳ１９に進み、排気圧上昇手段を非作動状態とする。
この際、排気の風切り音が問題となるような場合には、例えばバタフライ弁４２を徐々に開弁させ、上昇した排気圧を徐々に低下させるようにするのがよい。

つまり、三元触媒３０が酸素被爆状態にあると判定された場合には、先ず、排気圧を上昇させてＯ₂パージ速度を促進させ、その後に目標Ａ／Ｆのリッチ化を行い、三元触媒３０の貴金属に捕捉された捕捉Ｏ₂を放出させるようにする。
このようにすれば、目標Ａ／Ｆのリッチ化を行うことにより還元剤（ＨＣ、ＣＯ等）の三元触媒３０への流入速度が上昇しても、その時点ではＯ₂パージ速度は還元剤流入速度を上回るほど速くなっており（図７参照）、ＨＣ・ＣＯスパイク等の発生が十分に抑制される。また、排気圧を上昇させている間、即ちＯ₂パージ速度が十分に速くなるまでの間は不必要に目標Ａ／Ｆがリッチ化されることがなく、燃費の悪化も抑制される。そして、Ｏ₂パージ速度が速くなることでＯ₂パージ時間が短縮され、比較的早期に三元触媒３０が最適な状態に復活してＮＯx吸着速度がＮＯx流入速度を上回り（図６の許容値以上）、ＮＯxスパイクが良好に防止される。

なお、ここでは、ステップＳ１０において、酸素被爆状態にあるか否かを、例えば燃料カット後の燃料復帰直後から所定期間内であるか否かによって判別するようにしたが、これに代えて燃料カット復帰条件成立後から所定期間内であるか否かによって判別するようにしてもよい。ここに、燃料カット復帰条件とは、例えば運転者がアクセルペダルの踏み込みを行ったか否か、エンジン回転速度Ｎeが復帰回転速度以下になったか否かである。

詳しくは、図３を参照すると、上記酸素被爆復活制御の具体例の一つである燃料カット復帰制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、同フローチャートに沿い制御を行うようにしてもよい。
つまり、ステップＳ１０’において燃料カット復帰条件が成立して所定期間内か否かを判別し、判別結果が真（Ｙｅｓ）で燃料カット復帰条件が成立して所定期間内と判定されると、ステップＳ１２において排気圧を上昇させ、ステップＳ１４の判別が真（Ｙｅｓ）の場合に、ステップＳ１６’において燃料カットを復帰させるとともに目標Ａ／Ｆをリッチ化し、一方、ステップＳ１４の判別が偽（Ｎｏ）の場合に、ステップＳ１８’において燃料カットを継続するようにしてもよい。

なお、上記ステップＳ１０ではリーンＡ／Ｆでの運転を禁止した直後或いは燃料カット後の燃料復帰直後から所定期間内であるか否かを判別し、ステップＳ１０’では燃料カット復帰条件が成立して所定期間内か否かを判別するようにしたが、これら所定期間については、予め運転条件（エンジン回転速度Ｎe、体積効率、排気流量、吸入空気流量、吸気管圧、触媒温度、排気温度、冷却水温度のうちの少なくとも一つ以上）に応じて最適化された値を記憶しておき、種々運転条件に応じて記憶した設定期間を読み出すようにするのがよい。また、これら所定期間に代えて、三元触媒３０の下流に別途設けた上記排気センサの検出値がリッチＡ／Ｆを示す時点まで、或いは、当該下流側の排気センサの検出値が上流側の排気センサ２２とほぼ同じ値を示す時点までとしてもよい。

次に、第２実施例について説明する。
第２実施例においても排気浄化装置のシステム構成は上記第１実施例の場合と同様であり、ここでは上記第１実施例と異なる部分についてのみ説明する。
図４を参照すると、第２実施例に係る酸素被爆復活制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。なお、当該フローチャートにおいても、上記図２と同一のステップについては説明を省略する。

ステップＳ１０において酸素被爆状態にあると判定され、ステップＳ１２において排気圧の上昇が行われたら、ステップＳ２０において排気圧の推定を行う。実際には、排気圧センサ２４からの情報に基づき現在の排気圧を推定する。
そして、ステップＳ２２において、上記推定された排気圧に応じて目標Ａ／Ｆをリッチ化する。

つまり、上記第１実施例では、排気圧が例えば予め設定された所定圧力まで上昇するのを待って目標Ａ／Ｆをリッチ化するようにしたが、当該第２実施例では、排気圧の上昇開始と同時に排気圧に応じて目標Ａ／Ｆをリッチ化するようにする。
このようにすれば、排気圧の上昇途中或いは排気圧が変動する場合等においても排気圧に応じて、即ちＯ₂パージ速度に応じてＯ₂パージが実施されることになり、ＨＣ・ＣＯスパイク等の発生を抑制しながら、三元触媒３０が効率よく速やかに最適な状態に復活してＮＯx吸着速度がＮＯx流入速度を上回り（図６の許容値以上）、ＮＯxスパイクが良好に防止される。

次に、第３実施例について説明する。
第３実施例においても排気浄化装置のシステム構成は上記第１実施例の場合と同様であり、ここでも上記第１実施例と異なる部分についてのみ説明する。
図５を参照すると、第３実施例に係る燃料カット復帰制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。なお、当該フローチャートは上記図３の燃料カット復帰制御の制御ルーチンに対応しており、上記図３と同一のステップについては説明を省略する。

ここでは、先ず、ステップＳ２において、燃料カットを実施中であるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、何もせず当該ルーチンを抜け、判別結果が真（Ｙｅｓ）で燃料カットを実施中と判定されたら、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４では、排気圧上昇手段を作動状態とし、即ち排気圧上昇弁ユニット４０のバタフライ弁４２及び排気圧調整弁４４をそれぞれ閉弁制御し、三元触媒３０を含む排気系の排気圧を上昇させる。つまり、当該第３実施例では、燃料カットを実施中から排気圧を上昇させるようにする。

そして、ステップＳ１０’において、燃料カット復帰条件が成立して所定期間内か否かを判別し、判別結果が真（Ｙｅｓ）で燃料カット復帰条件が成立して所定期間内と判定されると、ステップＳ１１に進む。
ステップＳ１１では、空気量を増量する。具体的には、スロットル弁１７を開弁側に制御して吸入空気量を増量させる。このようにすると、排気圧上昇手段については既に作動状態であることから、スロットル弁１７の開弁操作によって排気圧を比較的瞬時に上昇させることができる。

これにより、ステップＳ１４を経て極めて短時間のうちにステップＳ１６’において燃料カットを復帰させるとともに目標Ａ／Ｆをリッチ化するようにでき、ＨＣ・ＣＯスパイク等の発生を抑制しながら、三元触媒３０がより一層速やかに最適な状態に復活してＮＯx吸着速度がＮＯx流入速度を上回り（図６の許容値以上）、ＮＯxスパイクが良好に防止される。

ステップＳ１０’の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合であって、燃料カット復帰条件が成立する前である場合には、ステップＳ１３に進み、空気量については通常の状態とする。一方、燃料カット復帰条件が成立して所定期間が経過したような場合には、上記同様、ステップＳ１９に進み、排気圧上昇手段を非作動状態とする。
以上で本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施形態の説明を終えるが、実施形態は上記に限られるものではない。

例えば、上記実施形態では、エンジン１を吸気管噴射型ガソリンエンジンとしたが、エンジン１は筒内噴射型ガソリンエンジンであってもディーゼルエンジンであってもよい。
また、上記実施形態では、排気浄化触媒装置が三元触媒３０である場合を例に説明したが、本発明はＮＯx触媒、ＨＣトラップ触媒、その他の種々の触媒を用いた触媒システムにも適用可能である。

また、上記実施形態では、三元触媒３０の貴金属に主としてＯ₂が捕捉される場合、即ち酸素被爆を例に説明したが、貴金属にはその他の酸化物（ＳＯx等）も捕捉されるため、本発明は、酸素被爆に限られず、当該酸化物によって触媒の浄化能力が低下する場合においても良好に適用可能である。
また、上記実施形態では、酸素被爆を例に説明したが、始動リッチ運転解除後や高負荷運転時におけるＨＣ被爆やＣＯ被爆からの復活の際においても、排気圧を上昇させた後にリーン化することで、不必要なリーン化を行わず、ＮＯxの排出を抑制することができる。

また、排気圧上昇によって触媒上で排気成分であるアンモニアの酸化によるＮＯxの生成が促進されるような場合には、排気圧上昇中のアンモニア成分が多くなるリッチ化を抑制することが好ましい。例えば、排気圧上昇中の空燃比はストイキ近傍に止め、リッチ化を排気圧上昇終了後に行うようにしてもよい。

車両に搭載された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。本発明の第１実施例に係る酸素被爆復活制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。酸素被爆復活制御の具体例の一つである燃料カット復帰制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。本発明の第２実施例に係る酸素被爆復活制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。本発明の第３実施例に係る燃料カット復帰制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。Ｏ₂吸着量とＮＯx吸着速度とＮＯx流入速度との関係を示す図である。Ｏ₂吸着量とＯ₂パージ速度と還元剤流入速度との関係を示す図である。

符号の説明

１エンジン本体
６燃料噴射弁
１７スロットル弁
２２排気センサ
２４排気圧センサ（排気圧上昇判定手段、排気圧検出手段）
３０三元触媒
４０排気圧上昇弁ユニット（排気圧上昇手段）
４２バタフライ弁
４４排気圧調整弁
５０ＥＣＵ（電子コントロールユニット）

Claims

排気系に設けられ、排気中の所定の排気成分を捕捉及び放出可能な触媒と、
排気空燃比を調整することにより前記触媒の雰囲気を酸化雰囲気と還元雰囲気との間で切換可能な排気空燃比調整手段と、
前記所定の排気成分の捕捉による前記触媒の浄化能力低下を判定する浄化能力低下判定手段と、
前記触媒を含む排気系内の排気圧を上昇させる排気圧上昇手段と、
前記排気圧上昇手段により排気系内の排気圧が上昇したか否かを判定する排気圧上昇判定手段とを備え、
前記排気圧上昇判定手段は、排気圧を検出する排気圧検出手段を含み、前記排気空燃比調整手段は、前記排気圧検出手段により検出される排気圧に応じて前記触媒の雰囲気が捕捉された所定の排気成分を放出させる雰囲気側になるよう排気空燃比を調整することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記浄化能力低下判定手段は酸素の捕捉による前記触媒の浄化能力低下を判定するものであって、
前記排気空燃比調整手段は、前記浄化能力低下判定手段により酸素の捕捉による前記触媒の浄化能力低下が判定されたとき、排気空燃比をリッチ空燃比側に調整す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。