JP4424495B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、排気浄化性能を高く維持しながら触媒コンバータの劣化を判定する技術に関する。

内燃機関から排出される排ガスを浄化する排気浄化装置の一つとして、内燃機関の排気通路には貴金属等を触媒として有した触媒コンバータが設けられている。触媒コンバータの性能を十分に発揮させるには触媒コンバータに流入する排ガスの平均的な排気空燃比を目標空燃比（例えば、ストイキ）近傍に制御する必要があり、係る目的を達成するため、通常は触媒コンバータの入口近傍にはＯ₂センサ等の排気センサが設置され、この排気センサからの出力をトリガとして内燃機関の燃焼空燃比をリッチ空燃比及びリーン空燃比に変調させて排気空燃比を調整している。

ところで、触媒コンバータにおいては、触媒はＨＣ、ＣＯ、ＮＯxを吸着する機能とともに酸素ストレージ能力を有し、当該酸素ストレージ能力が触媒性能と相関性が高いことから、触媒劣化検出方法として、当該酸素ストレージ能力の経時変化を監視することで触媒コンバータの劣化を判定する手法が採用されている。
この触媒劣化検出方法では、触媒コンバータに流入する排ガスの空燃比（排気空燃比）を上記の如く空燃比変調させると、酸素ストレージ能力が高ければ酸素が触媒に吸蔵されるために触媒下流における排気センサ（Ｏ₂センサ等）の応答が遅く或いは振幅が小さくなり、一方酸素ストレージ能力が低いと酸素は触媒にあまり吸蔵されることなく排出されるために触媒下流における排気センサの応答が速く或いは振幅が大きくなるという特性を利用している。即ち、触媒下流に設けた排気センサ（Ｏ₂センサ等）の出力振幅を監視し、当該振幅が所定の基準値以上であると、酸素ストレージ能力が破過して低下し、触媒コンバータが劣化したと判定するようにしている（特許文献１）。

一方、触媒性能、即ちＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの浄化性能を向上させるためには、これらＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの触媒への吸着能力を持続させる必要があり、例えば上記空燃比変調を高速化してＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの触媒への吸着と離脱を高速で繰り返すことが行われている。このように空燃比変調を高速化すると、触媒コンバータに流入する排ガスの空燃比変動が抑制され、排気系容積に起因する変調振幅の低振幅化と相俟って上記排気成分の吸着に必要な吸着サイト数（吸着に必要な貴金属量）が減少する。これにより、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの触媒への吸着能力が破過することなく良好に持続され、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの浄化効率が特性図上のクロスオーバポイント（ＣＯＰ）において向上し、全体としてＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの浄化性能が高く維持される。
特開２００４−１９４６７号公報

しかしながら、上記のように空燃比変調を高速化した場合、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxのＣＯＰでの浄化効率が向上する一方（図７（ｂ）参照）、空燃比変動に対する余裕度、即ち空燃比のずれを吸収して所定の浄化効率を維持できる空燃比幅（所謂ウィンドウ幅）が狭くなり、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの浄化性能を高く維持し難いという問題がある（図７（ａ）参照）。

また、このように空燃比変調を高速化して必要となる吸着サイト数が減少すると、酸素ストレージ能力に余裕を生じさせることになるため、触媒下流に設けた排気センサの出力が変化せず、触媒コンバータの劣化を判定す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、触媒コンバータに流入する排ガスの空燃比変動を抑制しつつ触媒コンバータの浄化性能を高く維持でき、当該浄化性能の悪化を最小限に抑えながら触媒コンバータの劣化を確実に判定可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に配設され、排気浄化を行う触媒コンバータと、内燃機関における燃焼空燃比の変調振幅に対し前記触媒コンバータに流入する排ガスの排気空燃比の振幅が低減するよう該燃焼空燃比を変調させる空燃比変調手段と、前記空燃比変調手段により変調される前記排気空燃比の変調周期間の平均空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に設定する平均空燃比設定手段と、前記空燃比変調手段に拘わらず前記燃焼空燃比を所定期間に亘り単発的にリーン化する単発リーン化手段とを備えたことを特徴とする。

即ち、内燃機関における燃焼空燃比が燃焼空燃比の変調振幅に対し触媒コンバータに流入する排ガスの排気空燃比の変調振幅が低減するよう変調させられると、上述したようにＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの吸着に必要な吸着サイト数が減少することになり、さらに、排気空燃比の変調周期間の平均空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となるように変調させられることで、破過に対し比較的余裕のあるＨＣ、ＣＯの吸着サイトに比べて破過に対し厳しい傾向にある酸素やＮＯxの吸着サイトが十分に確保される。これより、触媒コンバータにはＨＣ、ＣＯが吸着し堆積することになるが、このように堆積したＨＣ、ＣＯは単発的なリーン化により酸素が供給されて良好にパージされ、ＨＣ、ＣＯの吸着サイトについても良好に確保される。

また、請求項２の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１において、前記空燃比変調手段は、前記排気空燃比が実質的に変動しないように前記燃焼空燃比を変調させることを特徴としている。
これより、必要な吸着サイト数がさらに減少し、破過に対して厳しい傾向にある酸素やＮＯxの吸着サイトがより一層十分に確保される。

また、請求項３の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１または２において、前記空燃比変調手段は、燃焼空燃比の変調周波数を高めることで前記排気空燃比の変調振幅を低減させることを特徴とする。
即ち、燃焼空燃比の変調周波数を高め、変調を高速化すると、上述したように触媒コンバータに流入する排ガスの空燃比変動が抑制されることになり、排気空燃比の変調振幅が容易に低減する。

また、請求項４の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記排気通路の前記触媒コンバータよりも排気下流側に排ガスの成分濃度を検出し出力する下流側排気センサを備え、前記単発リーン化手段は、前記下流側排気センサの出力が所定のリッチ空燃比に相当する値に達したとき前記燃焼空燃比をリーン化することを特徴とする。

即ち、下流側排気センサの出力が所定のリッチ空燃比に相当する値に達したときには、触媒コンバータにおけるＨＣ、ＣＯの吸着能力が破過したとみなすことができ、当該ＨＣ、ＣＯの吸着能力が破過したタイミングで燃焼空燃比がリーン化されて酸素が供給され、触媒コンバータに堆積したＨＣ、ＣＯが適切にして効率よくパージされる。
また、請求項５の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記排気通路の前記触媒コンバータよりも排気下流側に排ガスの成分濃度を検出し出力する下流側排気センサを備え、前記単発リーン化手段による前記燃焼空燃比のリーン化により変化する前記下流側排気センサの出力に基づいて前記触媒コンバータの劣化を判定する劣化判定手段をさらに備えたことを特徴とする。

即ち、燃焼空燃比がリーン化されると、触媒コンバータに吸着し堆積したＨＣ、ＣＯが良好にパージされ、その後一時的に酸素が触媒コンバータに吸着し堆積することになるが、酸素ストレージ能力が破過して酸素が触媒コンバータの下流に流出すると、触媒コンバータの下流の酸素濃度が高くなり、触媒コンバータにおける酸素ストレージ能力の破過状態が下流側排気センサによって良好に検出される。

これより、例えば酸素ストレージ能力の破過するタイミングが早くなっていれば、酸素ストレージ能力が低下し、触媒コンバータが劣化したと判定される。
また、請求項６の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記排気通路の前記触媒コンバータよりも排気上流側に排ガスの成分濃度を検出し出力する上流側排気センサをさらに備え、前記空燃比変調手段は、前記上流側排気センサの出力に基づいて燃焼空燃比を変調させることを特徴とする。

これより、上流側排気センサの出力に基づいて容易に燃焼空燃比の変調が行われる。
また、請求項７の内燃機関の排気浄化装置では、請求項６において、内燃機関は複数の気筒を有する多気筒内燃機関であって、前記複数の気筒の各排気ポートから延び且つ前記排気通路に合流する複数の枝排気通路のうちの少なくとも２つ以上の枝排気通路を連通する排気連通路を備え、前記上流側排気センサは、前記排気連通路に前記各排気ポートからの距離が該各排気ポートから前記触媒コンバータまでの距離よりも短くなるように設けられていることを特徴とする。

このように、上流側排気センサが複数の枝排気通路のうちの少なくとも２つ以上の枝排気通路を連通する排気連通路に比較的排気ポートに接近して設けられていると、排気ポートから上流側排気センサに至るまでの排ガスの輸送遅れが削減されるとともに上流側排気センサ位置において排気空燃比の変調振幅がそれほど低減せず、上流側排気センサを一つとしながら、当該上流側排気センサの出力に基づいて燃焼空燃比が内燃機関のサイクル程度の短周期で高速変調される。

また、請求項８の内燃機関の排気浄化装置では、請求項７において、前記複数の枝排気通路の各周縁は前記各排気ポート毎に貫通孔が穿設されたスペーサ部を介して前記各排気ポートの周縁に接続されており、前記排気連通路は前記スペーサ部に形成されていることを特徴とする。
即ち、排気連通路が複数の枝排気通路の各周縁と各排気ポートの周縁との間に介装されたスペーサ部に形成されていると、排気連通路がコンパクトに配設されるとともに排気ポートから上流側排気センサに至るまでの排ガスの輸送遅れが殆ど無くなり、上流側排気センサの出力に基づいて燃焼空燃比が内燃機関のサイクル程度の短周期で確実に高速変調される。

請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒コンバータにおいて、流入する排ガスの排気空燃比の変調振幅を低減することでＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの吸着に要求される吸着サイト数を減少させることができるとともに、排気空燃比の変調周期間の平均空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比となるように変調させて破過に対し厳しい傾向にある酸素やＮＯxの吸着サイトを十分に確保でき、さらに、触媒コンバータに吸着し堆積したＨＣ、ＣＯを単発的なリーン化によりパージすることでＨＣ、ＣＯの吸着サイトについても良好に確保することができる。

従って、例え酸素ストレージ能力が低下し触媒コンバータが劣化したとしても、またウィンドウ幅が減少したとしても、触媒コンバータにおけるＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの浄化性能を全体として高く維持することができる。
また、請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気空燃比が実質的に変動しないように燃焼空燃比を変調させるので、触媒コンバータにおいて、必要な吸着サイト数をさらに減少させ、破過に対して厳しい傾向にある酸素やＮＯxの吸着サイトをより一層十分に確保でき、触媒コンバータの浄化性能をさらに高く維持することができる。

また、請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、燃焼空燃比の変調周波数を高めることで排気空燃比の変調振幅を容易に低減することができる。
また、請求項４の内燃機関の排気浄化装置によれば、下流側排気センサの出力が所定のリッチ空燃比に相当する値に達したとき、即ち触媒コンバータにおけるＨＣ、ＣＯの吸着能力が破過したタイミングで燃焼空燃比をリーン化するので、触媒コンバータに堆積したＨＣ、ＣＯを適切にして効率よくパージすることができる。

また、請求項５の内燃機関の排気浄化装置によれば、燃焼空燃比がリーン化されると、触媒コンバータに吸着し堆積したＨＣ、ＣＯがパージされるとともに酸素が一時的に触媒コンバータに吸着し堆積することになるが、このときの触媒コンバータにおける酸素ストレージ能力の破過状態を下流側排気センサによって検出するので、触媒コンバータにおけるＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの浄化性能を高く維持し、単発的なリーン化により当該浄化性能の悪化を最小限に抑えながら、触媒コンバータの劣化を良好に判定することができる。

また、請求項６の内燃機関の排気浄化装置によれば、上流側排気センサが安価なＯ₂センサ等であっても、当該上流側排気センサの出力に基づいて容易に燃焼空燃比の変調を行うようにできる。
また、請求項７の内燃機関の排気浄化装置によれば、複数の枝排気通路のうちの少なくとも２つ以上の枝排気通路を連通する排気連通路に比較的排気ポートに接近して上流側排気センサを設けることにより、上流側排気センサを一つとしながら、上流側排気センサの出力に基づいて燃焼空燃比を内燃機関のサイクル程度の短周期で高速変調させることができる。

また、請求項８の内燃機関の排気浄化装置によれば、複数の枝排気通路の各周縁と各排気ポートの周縁との間に介装されたスペーサ部に排気連通路を形成するので、排気連通路をコンパクトに配設しつつ、上流側排気センサの出力に基づいて燃焼空燃比を内燃機関のサイクル程度の短周期で確実に高速変調させることができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１には、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が示されており、以下、当該排気浄化装置の構成を説明する。
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、例えば吸気管噴射型（Multi Point Injection：ＭＰＩ）４気筒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（＃１気筒〜＃４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１１が形成されており、各吸気ポート１１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。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。

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。
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１４が設けられており、併せてスロットル弁１４の弁開度θthを検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１６が設けられている。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、例えばカルマン渦式エアフローセンサが使用される。

また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に排気ポート２１が形成されており、各排気ポート２１と連通するようにして排気マニホールド２０の各ブランチ（枝排気通路）の一端がそれぞれ接続されている。
詳しくは、排気マニホールド２０は、各ブランチの周縁に一体化して設けられた周縁フランジ２２が別体のスペーサ部としてのマニ側スペーサ部材２４及びヘッド側スペーサ部材２６を介して各排気ポート２１の周縁に固定されることでシリンダヘッド２に接続されている。なお、スペーサ部を排気マニホールド２０やシリンダヘッド２に一体に形成するようにしてもよい。そして、詳細は後述するように、マニ側スペーサ部材２４にはＯ₂センサ（上流側排気センサ）２８が設けられている。

図２にはマニ側スペーサ部材２４のシリンダヘッド２側から見た正面図が示され、図３にはヘッド側スペーサ部材２６のシリンダヘッド２側から見た正面図が示され、図４には各スペーサ部材の組付状態の拡大断面図が示されており、以下これら図２〜図４を参照してマニ側スペーサ部材２４及びヘッド側スペーサ部材２６の構成について説明する。
これら図２〜図４に示すように、マニ側スペーサ部材２４及びヘッド側スペーサ部材２６は、排気マニホールド２０の周縁フランジ２２と近似する外形の板状をなし、マニ側スペーサ部材２４には各気筒毎に排気ポート２１と同径の貫通孔２４ａが穿設され、ヘッド側スペーサ部材２６にはやはり各気筒毎に排気ポート２１と同径の貫通孔２６ａが穿設されている。そして、これらマニ側スペーサ部材２４及びヘッド側スペーサ部材２６は、それぞれボルト孔２４ｅ、２６ｄを貫通するボルト２３により周縁フランジ２２とともにシリンダヘッド２の各排気ポート２１の周縁に共締めされている。これより、両スペーサ部材２４、２５に穿設された各４つの貫通孔２４ａ、２６ａを介して各排気ポート２１からの排ガスが排気マニホールド２０側に流通する。

マニ側スペーサ部材２４の排気マニホールド２０側の面には、＃２気筒と＃３気筒の貫通孔２４ａ、２４ａ間の若干上方に位置して円形状をなすセンサ固定ベース２５が溶接されており、当該センサ固定ベース２５の中央には上記Ｏ₂センサ２８固定用のねじ孔２５ａが形成されるとともに、当該ねじ孔２５ａに対応してマニ側スペーサ部材２４には挿入孔２４ｂが穿設されている。

また、マニ側スペーサ部材２４の挿入孔２４ｂに対応して、ヘッド側スペーサ部材２６の排気マニホールド２０側の面には屈曲路２６ｂの一端が開口している。屈曲路２６ｂはヘッド側スペーサ部材２６内を上方に向けて略直角に屈曲形成されており、屈曲路２６ｂの他端はねじ孔２６ｃを介してヘッド側スペーサ部材２６の上縁に開口している。
そして、センサ固定ベース２５のねじ孔２５ａにＯ₂センサ２８が螺合して固定されており、Ｏ₂センサ２８の検出部２８ａは挿入孔２４ｂ内及び屈曲路２６ｂ内に位置している。

マニ側スペーサ部材２４のシリンダヘッド２側の面には、隣り合う２つの貫通孔２４ａ、２４ａを連通する一対の溝２４ｃ、２４ｃと、これら溝２４ｃ、２４ｃと挿入孔２４ｂとを連通する溝２４ｄが形成されている。これら溝２４ｃ及び溝２４ｄは、図４に示すように、マニ側スペーサ部材２４とヘッド側スペーサ部材２６が重ね合わされた状態では各溝２４ｃ及び溝２４ｄがヘッド側スペーサ部材２６により閉塞され、各排気ポート２１からの排ガスの一部をＯ₂センサ２８に導く排気連通路２９をコンパクトに構成する。

詳しくは、溝２４ｄはそれぞれ溝２４ｃ、２４ｃの中央と挿入孔２４ｂとを等距離で結ぶようにしており、これより、排気連通路２９は各気筒（＃１気筒〜＃４気筒）の各排気ポート２１からＯ₂センサ２８までの距離が略等しくなるよう構成されている。
また、ヘッド側スペーサ部材２６のねじ孔２６ｃには、吸気連通路３０の一端が接続されており、吸気連通路３０は、図１に示すように、連通路３１を介してエンジン１の吸気マニホールド１０と連通している。つまり、排気連通路２９は吸気連通路３０を介して吸気マニホールド１０と連通している。このように、排気連通路２９が吸気マニホールド１０と連通していると、排気連通路２９内の排ガスが吸気負圧によって吸気マニホールド１０に還流し、排気連通路２９に設けられたＯ₂センサ２８のガス交換が促進され、Ｏ₂センサ２８の検出精度が向上する。

さらに、図１に示すように、吸気連通路３０にはＰＣＶバルブ３２が介装されている。ＰＣＶバルブ３２は、排気連通路２９側の排気圧と吸気連通路３０側の吸気圧との圧力差に応じて吸気連通路３０の排気側から吸気側への排ガスの還流量を調節するバルブである。これにより、排気連通路２９から吸気マニホールド１０に還流される排ガスはＥＧＲガスとしても機能し、その還流量が多すぎるとエンジン１が燃焼悪化を引き起こすおそれがあるのであるが、当該還流する排ガス、即ちＥＧＲガスの流量が排気圧と吸気圧との差に応じて適宜調節され、燃焼悪化が防止される。

排気マニホールド２０の他端には排気管４０が接続されており、当該排気管４０には、排気浄化触媒装置として三元触媒コンバータ（触媒コンバータ、以下三元触媒という）５０が介装されている。
三元触媒５０は、担体に貴金属として銅（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）のいずれかを有している。これより、三元触媒５０は、排気空燃比（排気Ａ／Ｆ）が理論空燃比（ストイキ）近傍であるときにおいて、炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯx）を貴金属に吸着し、ＨＣ、ＣＯの酸化反応を促進するとともにＮＯxの還元反応を促進する機能を有している。

また、貴金属は、セリウム（Ｃｅ）、ジルコニア（Ｚｒ）等の酸素吸着材を含む場合の他、当該酸素吸着材を含まない場合においても、酸素ストレージ機能を有している。故に、三元触媒５０は、排気Ａ／Ｆがリーン空燃比（リーンＡ／Ｆ）である酸化雰囲気中において酸素（Ｏ₂）を吸着すると、排気Ａ／Ｆがリッチ空燃比（リッチＡ／Ｆ）となり還元雰囲気となるまで当該吸着したＯ₂を保持し、当該吸着したＯ₂を還元雰囲気において放出（供給）することで、還元雰囲気状態においてもＨＣやＣＯさらには水素（Ｈ₂）を酸化除去可能である。即ち、当該三元触媒５０は、酸化雰囲気でＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂を浄化できるのは勿論のこと、Ｏ₂を吸着してＮＯxの発生をもある程度抑えることが可能であり、還元雰囲気中においてＮＯxの浄化のみならず吸着されたＯ₂の放出によってＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂をもある程度浄化可能である。

そして、排気管４０の三元触媒５０の直下流には、上記Ｏ₂センサ２８と同様のＯ₂センサ（下流側排気センサ）４２が配設されている。
ＥＣＵ（電子コントロールユニット）６０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ＥＣＵ６０により、エンジン１を含めた排気浄化装置の総合的な制御が行われる。

ＥＣＵ６０の入力側には、上述したＴＰＳ１６、エアフローセンサ１８、Ｏ₂センサ２８、Ｏ₂センサ４２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６２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。
一方、ＥＣＵ６０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１４の他、車室内に設けられた警告灯６４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る。詳しくは、各種センサ類からの検出情報に基づき目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、当該目標Ａ／Ｆに応じて燃焼空燃比（燃焼室における空燃比、燃焼Ａ／Ｆ）が設定され、適正な量の燃料が適正なタイミングで燃料噴射弁６から噴射されるとともにスロットル弁１４が適正な開度に調整される。また、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。

より詳しくは、目標Ａ／Ｆが設定されると、当該目標Ａ／Ｆを維持すべく、燃焼Ａ／ＦはＯ₂センサ２８からの検出情報、即ち排気Ａ／Ｆに基づいてフィードバック制御される。即ち、燃焼Ａ／Ｆは、Ｏ₂センサ２８の検出情報に基づき、排気Ａ／Ｆの変調周期間の平均空燃比（変調中心空燃比、平均Ａ／Ｆ）が目標Ａ／Ｆに維持されるよう、所定振幅でリッチＡ／Ｆ側及びリーンＡ／Ｆ側に繰り返し変調させられる（空燃比変調手段）。

そして、三元触媒５０下流のＯ₂センサ４２の出力情報に基づいて三元触媒５０の劣化判定が行われる（劣化判定手段）。
以下、上記のように構成された本発明に係る排気浄化装置における空燃比変調制御内容について説明する。
図５には、本発明に係る空燃比変調制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下図５に基づき本発明に係る空燃比変調制御について説明する。

同フローチャートに示すように、空燃比変調制御では、先ずステップＳ１０〜Ｓ１４においてＯ₂センサ２８の検出情報に基づくフィードバック制御を行う。
ステップＳ１０では、三元触媒５０上流側のＯ₂センサ２８の検出情報に基づき、Ｏ₂センサ２８の出力が所定値Ｘ1より大であるか否かを判別する。即ち、排気Ａ／Ｆが所定値Ｘ1に対応する所定のＡ／Ｆ値よりもリッチＡ／Ｆ側であるか否かを判別する。ここに、所定値Ｘ1は目標Ａ／Ｆであって且つ変調制御における平均Ａ／Ｆである。

ステップＳ１０の判別結果が真（Ｙｅｓ）でＯ₂センサ２８の出力が所定値Ｘ1より大と判定された場合には、排気Ａ／Ｆが目標Ａ／ＦよりもリッチＡ／Ｆ寄りと判定でき、この場合にはステップＳ１２に進み、燃焼Ａ／Ｆをリーン化する。具体的には、燃焼Ａ／Ｆを目標Ａ／Ｆに対し所定振幅だけリーンＡ／Ｆ側に設定し、これに応じた量の燃料を燃料噴射弁６により噴射する。一方、ステップＳ１０の判別結果が偽（Ｎｏ）でＯ₂センサ２８の出力が所定値Ｘ1以下と判定された場合には、排気Ａ／Ｆが目標Ａ／ＦよりもリーンＡ／Ｆ寄りと判定でき、この場合にはステップＳ１４に進み、燃焼Ａ／Ｆをリッチ化する。具体的には、燃焼Ａ／Ｆを目標Ａ／Ｆに対し所定振幅だけリッチＡ／Ｆ側に設定し、これに応じた量の燃料を燃料噴射弁６により噴射する。

これにより、Ｏ₂センサ２８の出力に基づいて燃焼Ａ／Ｆがフィードバック制御されることになり、排気Ａ／Ｆの平均Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆに維持される。
ところで、上述したように、Ｏ₂センサ２８はマニ側スペーサ部材２４とヘッド側スペーサ部材２６とにより形成された排気連通路２９を介して各気筒の各排気ポート２１から供給される排ガスの排気Ａ／Ｆを検出可能に構成されている。従って、Ｏ₂センサ２８は、一つでありながら、燃焼Ａ／Ｆの変調により変動する排気Ａ／Ｆを排気ポート２１に極めて近い位置で検出することが可能である。このようにＯ₂センサ２８が排気ポート２１を出た直後の排ガスの排気Ａ／Ｆを各気筒毎に検出可能であると、排気ポート２１からＯ₂センサ２８までの排気通路容積が小さいことで、従来のようにＯ₂センサが触媒の直上流にある場合に比べて排ガスの輸送遅れによるＯ₂センサ２８の検出遅れが殆どなくなり、各気筒の燃焼サイクル毎の短い変調周期（内燃機関のサイクル程度の短周期）、即ち高い変調周波数で燃焼Ａ／Ｆを高速変調させることが可能である。

燃焼Ａ／Ｆを高速変調させることが可能になると、上述したように、三元触媒５０に流入する排ガスのＡ／Ｆ変動がなまされて抑制され、排気ポート２１から三元触媒５０までの排気系容積に起因して三元触媒５０に流入する排ガスの変調振幅が燃焼Ａ／Ｆの変調振幅に対し低振幅化される。これにより、排気Ａ／Ｆが実質的に変動しなくなる。そして、当該低振幅化と相俟ってＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの吸着に必要とされる三元触媒５０の吸着サイト数（吸着に必要な貴金属量）が減少する。これにより、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの三元触媒５０への吸着能力が破過することなく良好に持続され、上記図７（ｂ）に示すように、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの浄化効率が特性図上のクロスオーバポイント（ＣＯＰ）において向上する。

なお、ここではＯ₂センサ２８を排気ポート２１に極めて近い位置に配設するようにしたが、Ｏ₂センサ２８は少なくとも三元触媒５０上流側に排ガスに臨んで配設されていればよい。例えば上記排気連通路２９よりも長い排気連通路を設けた場合には、各排気ポート２１からＯ₂センサ２８までの距離が該各排気ポート２１から三元触媒５０までの距離よりも短くなるようにＯ₂センサ２８を排気連通路に設けるようにすればよい。これにより、三元触媒５０に流入する排ガスの変調振幅を燃焼Ａ／Ｆの変調振幅に対して低振幅化することが可能である。

また、ここでは、上記所定値Ｘ1は例えばストイキよりもややリッチ寄りの所定のリッチＡ／Ｆに対応した値に設定される（平均空燃比設定手段）。つまり、燃焼Ａ／Ｆは排気Ａ／Ｆの平均Ａ／Ｆが所定のリッチＡ／Ｆとなるようにフィードバック制御される。
このように平均Ａ／Ｆが所定のリッチＡ／Ｆとされると、三元触媒５０において、破過に対し比較的余裕のあるリッチＡ／Ｆ側のＨＣ、ＣＯの吸着サイトに比べ破過に対して厳しい傾向にあるリーンＡ／Ｆ側のＯ₂やＮＯxの吸着サイトが十分に確保されることになる。これにより、特にＮＯxやＯ₂の三元触媒５０への吸着能力が一層良好に持続される。

従って、例えば三元触媒５０の酸素ストレージ能力が低下し、Ｏ₂の三元触媒５０への吸着能力が破過し易くなって三元触媒５０が劣化したとしても、三元触媒５０におけるＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの浄化性能を高く維持することができる。
また、燃焼Ａ／Ｆの変調を高速化すると、上述したように、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxのＣＯＰでの浄化効率が向上する一方、Ａ／Ｆ変動に対する余裕度、即ちウィンドウ幅が狭くなり、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの浄化性能を高く維持し難いのであるが、このようなウィンドウ幅の減少にも拘わらず、やはり三元触媒５０におけるＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの浄化性能を高く維持することができる。

なお、所定値Ｘ1は上記の如く所定のリッチＡ／Ｆに固定されてもよいが、好ましくは、所定値Ｘ1はエンジン１の運転条件（例えば、エンジン回転速度、体積効率、正味平均有効圧、吸気マニホールド圧、排気温度、触媒温度、排気Ａ／Ｆ、排気センサ２８、４２の出力、冷却水温、潤滑油温、エンジン１の始動後経過時間、排気流量、吸気流量等）に応じて適宜調整（例えば、０．４Ｖ〜０．８Ｖ）されるのがよい。

また、所定値Ｘ1をストイキ相当値に固定し、リーン化ゲインに対してリッチ化ゲインを大きく設定するようにしてもよい。
また、ここでは、所定値Ｘ1をストイキよりもややリッチ寄りとしたが、所定値Ｘ1はストイキ相当値であってもよく、或いは所定値Ｘ1をストイキ相当値に固定してリーン化ゲインに対しリッチ化ゲインを同等値とするようにしてもよい。このようにしても上記同様の効果を得ることができる。

一方、所定値Ｘ1が所定のリッチＡ／Ｆに設定され、燃焼Ａ／Ｆが当該所定のリッチＡ／Ｆとなるようにフィードバック制御されることになると、三元触媒５０の吸着サイトにはＨＣ、ＣＯが吸着し続けて堆積することになる。このように三元触媒５０にＨＣ、ＣＯが堆積すると、ＨＣ、ＣＯの吸着能力がいずれ破過し、ＨＣ、ＣＯが三元触媒５０の下流側に流出し兼ねず好ましいことではない。

そこで、次のステップＳ１６では、三元触媒５０下流側のＯ₂センサ４２の検出情報に基づき、Ｏ₂センサ４２の出力が所定値Ｘ2より大であるか否か、即ち三元触媒５０下流側の排気Ａ／ＦがＨＣ、ＣＯの流出により所定値Ｘ２に対応する所定のＡ／Ｆ値よりもリッチＡ／Ｆ側であるか否かを判別し、ＨＣ、ＣＯの三元触媒５０下流側への流出を検出する。ここに、所定値Ｘ２は微小なリッチＡ／Ｆ（所定のリッチ空燃比）に対応した値に設定されており、これよりＨＣ、ＣＯの流出を速やかに検出可能である。

ステップＳ１６の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には何もせず当該ルーチンを抜ける。一方、ステップＳ１６の判別結果が真（Ｙｅｓ）でＯ₂センサ４２の出力が所定値Ｘ2より大と判定された場合には、三元触媒５０におけるＨＣ、ＣＯの吸着能力が破過してＨＣ、ＣＯが三元触媒５０下流側へ流出していると判断でき、この場合には、ステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８では、三元触媒５０におけるＨＣ、ＣＯの吸着サイトを確保すべく、所定期間（所定サイクル）に亘り燃焼Ａ／Ｆを単発的にリーン化する（単発リーン化手段）。詳しくは、少なくともＨＣ、ＣＯの吸着サイトに吸着したＨＣ、ＣＯ量に相当する量のＯ₂が供給されるとともに、後述する劣化判定が可能な量のＯ₂が供給されるように燃焼Ａ／Ｆを所定のリーンＡ／Ｆ（例えば、目標Ａ／Ｆ＋０．１〜１．０）に設定し、所定期間を設定する。

なお、当該単発的なリーン化のリーン化度合いは、このように所定のリーンＡ／Ｆに固定してもよいが、好ましくはエンジン１の運転条件（例えば、エンジン回転速度、体積効率、正味平均有効圧、吸気マニホールド圧、排気温度、触媒温度、排気Ａ／Ｆ、排気センサ２８、４２の出力、冷却水温、潤滑油温、エンジン１の始動後経過時間、排気流量、吸気流量等）に応じて適宜調整（例えば、目標Ａ／Ｆ＋０．１〜１．０）されるのがよく、或いは三元触媒５０下流側のＯ₂センサ４２の出力に基づき調整されるようにしてもよい。

また、単発的なリーン化の波形は方形波であってもよいが、三角波等の多角波であってもよいし、正弦波等の三角関数波であってもよい。
これにより、三元触媒５０に堆積したＨＣ、ＣＯが当該単発的なリーン化により効率よくパージされ、ＨＣ、ＣＯの吸着サイトについても良好に確保される。
従って、三元触媒５０におけるＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの浄化性能の悪化を最小限に抑え、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの浄化性能を全体として高く維持することができる。

なお、ここでは三元触媒５０下流側のＯ₂センサ４２の検出情報に基づいて単発的なリーン化を開始し、所定期間経過後に終了するようにしているが、これに限られず、例えば、共に経過期間に基づいて単発的なリーン化を開始及び終了するようにしてもよい。また、後述の触媒劣化判定をしないような場合には、単発的なリーン化を経過期間に基づいて開始するとともに三元触媒５０下流側のＯ₂センサ４２の検出情報（例えば、所定値以下）に基づいて終了するようにしてもよいし、三元触媒５０下流側のＯ₂センサ４２の検出情報に基づいて開始及び終了するようにしてもよい。

また、ここでは、三元触媒５０下流側のＯ₂センサ４２の出力が所定値Ｘ2より大であるか否かを判定するようにしたが、所定期間のＯ₂センサ４２の出力平均値が所定値より大か否かで判定するようにしてもよい。
ところで、このようにしてＨＣ、ＣＯの吸着サイトが良好に確保されると、所定期間が経過するまではさらに単発的なリーン化が継続され、三元触媒５０にはＯ₂が吸着し始める。そして、酸素ストレージ能力が破過すると、Ｏ₂が三元触媒５０から流出することになり、これにより触媒劣化判定が実施される。

図６には、本発明に係る触媒劣化判定の判定ルーチンがフローチャートで示されており、以下図６に基づき本発明に係る触媒劣化判定について説明する。
上述のように燃焼Ａ／Ｆを単発的に所定期間（所定サイクル）だけ所定のリーンＡ／Ｆに設定すると、三元触媒５０に供給されるＯ₂の量は略一定であり、酸素ストレージ能力が変化しなければ酸素ストレージ能力が破過した後における三元触媒５０下流側のＯ₂センサ４２の出力値は一定のはずである。しかしながら、三元触媒５０が劣化して酸素ストレージ能力が低下すると、酸素ストレージ能力が破過し易くなり、所定期間経過時における三元触媒５０下流側のＯ₂センサ４２の出力の変化幅が大きくなる。

従って、ここでは、ステップＳ２０において、三元触媒５０下流側のＯ₂センサ４２の検出情報に基づき、Ｏ₂センサ４２の出力の変化幅が所定幅Ｙ1より大であるか否かを判別する。
ステップＳ２０の判別結果が真(Ｙｅｓ）でＯ₂センサ４２の出力の変化幅が所定幅Ｙ1より大と判定された場合には、三元触媒５０が劣化して酸素ストレージ能力が破過し易くなっていると判断でき、この場合には、ステップＳ２２に進み、触媒劣化と判定するとともに、警告灯６４を点灯する。一方、ステップＳ２０の判別結果が偽(Ｎｏ）でＯ₂センサ４２の出力の変化幅が所定幅Ｙ1以下と判定された場合には、酸素ストレージ能力は低下しておらず、ステップＳ２４に進み、触媒正常と判定するとともに、警告灯６４を消灯状態に保持する。

なお、ここでは三元触媒５０下流側のＯ₂センサ４２の出力の変化幅が所定幅Ｙ1より大であるか否かに基づいて触媒劣化判定を行うようにしているが、これに限られず、例えばＯ₂センサ４２の出力が所定値以下（即ち、リーンＡ／Ｆ側）となる期間が所定期間以上継続したか否かで判定するようにしてもよいし、三元触媒５０上流側のＯ₂センサ２８と下流側のＯ₂センサ４２の出力値、変化幅または所定値以下となる期間の比率或いは差が規定値以上か否かで判定するようにしてもよい。また、複数のサイクル間の平均的な値で判定するようにしてもよい。

このように、単発的にリーン化する場合であっても、三元触媒５０の劣化を良好に判定することができる。
以上説明したように、本発明に係る排気浄化装置によれば、三元触媒５０において、流入する排ガスの排気Ａ／Ｆの変調振幅を低減することでＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの吸着に必要な吸着サイト数を減少させることができ、また、排気Ａ／Ｆの変調周期間の平均Ａ／ＦをリッチＡ／Ｆとなるように変調させてＯ₂やＮＯxの吸着サイトを十分に確保できるとともに三元触媒５０に吸着し堆積したＨＣ、ＣＯを単発的なリーン化によりパージすることでＨＣ、ＣＯの吸着サイトについても良好に確保することができ、三元触媒５０におけるＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの浄化性能の悪化を最小限に抑え、触媒コンバータにおけるＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの浄化性能を全体として高く維持することができる。そして、このように三元触媒５０におけるＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの浄化性能の悪化を最小限に抑えながら、三元触媒５０の劣化を確実に判定することができる。

以上で本発明に係る排気浄化装置の実施形態の説明を終えるが、本発明の実施形態は上記に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、三元触媒５０の劣化を判定するようにしたが、劣化判定の対象は三元触媒に限られず、ＮＯx触媒等如何なる触媒コンバータであってもよい。
また、上記実施形態では、排気センサ２８、４２としてＯ₂センサを用いるようにしたが、排気センサはＡ／Ｆセンサ（ＬＡＦＳ等）、ＮＯxセンサ等であってもよい。

また、上記実施形態では、排気センサ２８の出力に基づくフィードバック制御において燃焼Ａ／Ｆを高速変調させるようにしたが、燃焼Ａ／Ｆを強制変調させた場合であっても上記効果を得ることができる。
また、上記実施形態では、燃焼Ａ／Ｆの変調周波数を高めることで三元触媒５０に流入する排ガスの排気Ａ／Ｆの振幅を低減させるようにしたが、三元触媒５０に流入する排ガスの排気Ａ／Ｆの振幅を低減させることができれば、その他の方法を用いるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、エンジン１として吸気管噴射型４気筒ガソリンエンジンを用いるようにしたが、エンジン１は筒内噴射型ガソリンエンジン、２サイクルガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等如何なるエンジンであってもよく、気筒数も４気筒に限定されず如何なる気筒数であってもよい。

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。 マニ側スペーサ部材をシリンダヘッド側から見た正面図である。 ヘッド側スペーサ部材をシリンダヘッド側から見た正面図である。 各スペーサ部材の組付状態の拡大断面図である。 本発明に係る空燃比変調制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 本発明に係る触媒劣化判定の判定ルーチンを示すフローチャートである。 ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxのＣＯＰでの浄化効率、ウィンドウ幅と変調周期との関係を示す図である。

符号の説明

１ エンジン
２０ 排気マニホールド
２１ 排気ポート
２４ マニ側スペーサ部材
２６ ヘッド側スペーサ部材
２８ Ｏ₂センサ（上流側排気センサ）
２９ 排気連通路
４０ 排気管
４２ Ｏ₂センサ（下流側排気センサ）
５０ 三元触媒（触媒コンバータ）
６０ ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
６４ 警告灯

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路に配設され、排気浄化を行う触媒コンバータと、
   内燃機関における燃焼空燃比の変調振幅に対し前記触媒コンバータに流入する排ガスの排気空燃比の振幅が低減するよう該燃焼空燃比を変調させる空燃比変調手段と、
   前記空燃比変調手段により変調される前記排気空燃比の変調周期間の平均空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に設定する平均空燃比設定手段と、
   前記空燃比変調手段に拘わらず前記燃焼空燃比を所定期間に亘り単発的にリーン化する単発リーン化手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記空燃比変調手段は、前記排気空燃比が実質的に変動しないように前記燃焼空燃比を変調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. 前記空燃比変調手段は、燃焼空燃比の変調周波数を高めることで前記排気空燃比の変調振幅を低減させることを特徴とする、請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記排気通路の前記触媒コンバータよりも排気下流側に排ガスの成分濃度を検出し出力する下流側排気センサを備え、
   前記単発リーン化手段は、前記下流側排気センサの出力が所定のリッチ空燃比に相当する値に達したとき前記燃焼空燃比をリーン化することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記排気通路の前記触媒コンバータよりも排気下流側に排ガスの成分濃度を検出し出力する下流側排気センサを備え、
   前記単発リーン化手段による前記燃焼空燃比のリーン化により変化する前記下流側排気センサの出力に基づいて前記触媒コンバータの劣化を判定する劣化判定手段をさらに備えたことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記排気通路の前記触媒コンバータよりも排気上流側に排ガスの成分濃度を検出し出力する上流側排気センサをさらに備え、
   前記空燃比変調手段は、前記上流側排気センサの出力に基づいて燃焼空燃比を変調させることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 内燃機関は複数の気筒を有する多気筒内燃機関であって、
   前記複数の気筒の各排気ポートから延び且つ前記排気通路に合流する複数の枝排気通路のうちの少なくとも２つ以上の枝排気通路を連通する排気連通路を備え、
   前記上流側排気センサは、前記排気連通路に前記各排気ポートからの距離が該各排気ポートから前記触媒コンバータまでの距離よりも短くなるように設けられていることを特徴とする、請求項６記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記複数の枝排気通路の各周縁は前記各排気ポート毎に貫通孔が穿設されたスペーサ部を介して前記各排気ポートの周縁に接続されており、
   前記排気連通路は前記スペーサ部に形成されていることを特徴とする、請求項７記載の内燃機関の排気浄化装置。

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