JP5459261B2 - 内燃機関の排気制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気制御装置に係り、特に、排気の浄化効率を高めるための技術に関する。

自動車等の内燃機関からの排気中には、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）等の化学物質が含まれている。このようなことから、内燃機関の排気通路には、三元触媒やＮＯｘ吸蔵触媒等の排気浄化触媒が配設されている。そして、排気浄化触媒で排気中のこれら化学物質を酸化或いは還元し、排気を浄化して大気中に放出するようにしている。

三元触媒は、空燃比が理論空燃比（ストイキ）の近傍で化学物質を高い効率で浄化できることや、排気浄化触媒が高温であるときに排気浄化触媒が活性化し化学物質を高い浄化効率で浄化できることが知られている。
このことから、特許文献１のように内燃機関の空燃比を理論空燃比を挟みリッチ側とリーン側とに変調させ、三元触媒に流入する酸素濃度を三元触媒の酸素ストレージ容量の範囲で可及的に大きくして、三元触媒の昇温を促進させる技術が開発されている。また、特許文献２のように内燃機関始動後のフィードバック制御開始前に空燃比を強制的に変調させると共に、このときの空燃比の変調の振幅及び周期をフィードバック制御時に比べて排気の酸素（Ｏ_２）濃度及びＣＯ濃度が共に高くなるように設定し、三元触媒上に十分な量のＣＯやＯ_２を供給して三元触媒の昇温を促進させる技術や、特許文献３のように、内燃機関始動後に空燃比の強制変調を実行すると共に、空燃比の中心空燃比を触媒温度の上昇に伴ってリーン空燃比側からリッチ空燃比側にシフトし、三元触媒上に適切な量のＣＯやＯ_２を供給して三元触媒の昇温を促進させる技術も開発されている。

特開２００８−２５５９７２号公報 特開２００８−１１１３５１号公報 特開２００８−１１１３５２号公報

このように上記特許文献１、２或いは３の技術では、三元触媒の昇温を促進して、三元触媒での化学物質の浄化効率を高めるようにしている。
しかしながら、排気流量の増大等により、排気中の化学物質の更なる低減を行うには、三元触媒の容量の増大が必要となる。三元触媒には白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の高価な貴金属が使用されており、三元触媒の容量の増加は、コストの増大につながり好ましいことではない。

本発明は、この様な問題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、排気浄化性能を向上させつつ、排気浄化触媒のコストを抑制することのできる内燃機関の排気制御装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の内燃機関の排気制御装置では、内燃機関の排気通路に設けられた前段排気浄化触媒と、前記前段排気浄化触媒の下流に設けられた後段排気浄化触媒と、前記前段排気浄化触媒の温度を検出する第１の温度検出手段と、後段排気浄化触媒の温度を検出する第２の温度検出手段と、前記内燃機関に吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、前記第１の温度検出手段、第２の温度検出手段及び前記吸入空気量検出手段に基づき、前記内燃機関の排気の空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比との間で強制的に変調させる空燃比変調制御手段と、を備え、前記空燃比変調制御手段は、前記吸入空気量が所定空気量以下である場合に、前記前段排気浄化触媒温度に基づき、リーン空燃比とリッチ空燃比との変調振幅を設定し、前記吸入空気量が前記所定空気量よりも多い場合に、前記後段排気浄化触媒温度に基づき、前記変調振幅を設定することを特徴とする。

また、請求項２の内燃機関の排気制御装置では、請求項１において、前記空燃比変調制御手段は、予め触媒温度と前記変調振幅とのマップを有し、前記前段排気浄化触媒温度或いは前記後段排気浄化触媒温度と前記マップとに基づき、前記変調振幅を設定することを特徴とする。
また、請求項３の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１或いは２において、前記空燃比変調制御手段は、予め触媒温度を触媒活性前温度領域と、前記触媒活性前温度領域よりも高い触媒暖機後温度領域と、前記触媒活性前温度領域よりも高く前記触媒暖機後温度領域よりも低い触媒活性促進温度領域とに分割された領域設定手段を有し、前記前段排気浄化触媒温度或いは前記後段排気浄化触媒温度と前記領域設定手段とに基づき、前記前段排気浄化触媒温度或いは前記後段排気浄化触媒温度が前記領域設定手段の前記触媒活性前温度領域内である場合に前記変調振幅を小さく設定し、前記前段排気浄化触媒温度或いは前記後段排気浄化触媒温度が前記領域設定手段の前記触媒暖機後温度領域内である場合に前記変調振幅を前記触媒活性前温度領域の変調振幅よりも大きく設定し、更に前記前段排気浄化触媒温度或いは前記後段排気浄化触媒温度が前記領域設定手段の前記触媒活性促進温度領域である場合に前記変調振幅を前記触媒暖機後温度領域の変調振幅よりも大きく設定することを特徴とする。

また、請求項４の内燃機関の排気制御装置では、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記前段排気浄化触媒と前記後段排気浄化触媒との間に設けられ、排気の酸素濃度を検出する第１の酸素濃度検出手段と、前記後段排気浄化触媒の下流に設けられ、排気の酸素濃度を検出する第２の酸素濃度検出手段と、を備え、前記空燃比変調制御手段は、前記吸入空気量が前記所定空気量以下であるときには、前記第１の酸素濃度検出手段の検出結果に基づき、リーン空燃比とリッチ空燃比との空燃比の平均値を設定し、前記吸入空気量が前記所定空気量よりも多いときには、前記第２の酸素濃度検出手段の検出結果に基づき、前記空燃比の平均値を設定することを特徴とする。

また、請求項５の内燃機関の排気制御装置では、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記空燃比変調制御手段は、前記リーン空燃比とリッチ空燃比との間での変調の１サイクルにおいて、リーン空燃比である期間をリッチ空燃比である期間よりも長くすることを特徴とする。
また、請求項６の内燃機関の排気制御装置では、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記空燃比変調制御手段は、前記リーン空燃比とリッチ空燃比との間での変調の１サイクルにおいて、リッチ空燃比での当量比と量論比との差の絶対値であるリッチ化度合いがリーン空燃比での当量比と前記量論比との差の絶対値であるリーン化度合いより大きいことを特徴とする。

また、請求項７の内燃機関の排気制御装置では、請求項１乃至６のいずれか１項において、前記前段排気浄化触媒の状態を検出する第１の触媒状態検出手段と、前記後段排気浄化触媒の状態を検出する第２の触媒状態検出手段と、を備え、前記空燃比変調制御手段は、前記吸入空気量が前記所定空気量以下であるときには、前記第１の触媒状態検出手段の検出結果に基づいて、前記前段排気浄化触媒の状態がリーン雰囲気である場合に前記空燃比の平均値をリッチ側にシフトし、前記前段排気浄化触媒の状態がリッチ雰囲気である場合に前記空燃比の平均値をリーン側にシフトして、当該シフト後に前記空燃比の平均値をシフト前の空燃比の平均値に復帰させるとともに、前記吸入空気量が前記所定空気量より多いときには、前記第２の触媒状態検出手段の検出結果に基づいて、前記後段排気浄化触媒の状態がリーン雰囲気である場合に前記空燃比の平均値をリッチ側にシフトし、前記後段排気浄化触媒の状態がリッチ雰囲気である場合に前記空燃比の平均値をリーン側にシフトして、当該シフト後に前記空燃比の平均値をシフト前の空燃比の平均値に復帰させることを特徴とする。

また、請求項８の内燃機関の排気制御装置では、請求項１乃至６のいずれか１項において、前記空燃比変調制御手段は、前記吸入空気量が前記所定空気量以下であるときには、前記第１の酸素濃度検出手段の検出結果に基づいて、前記前段排気浄化触媒の下流の空燃比がリーンである場合に前記空燃比の平均値をリッチ側にシフトし、前記空燃比がリッチである場合に前記空燃比の平均値をリーン側にシフトして、当該シフト後に前記空燃比の平均値をシフト前の空燃比の平均値に復帰させるとともに、前記吸入空気量が前記所定空気量より多いときには、前記第２の酸素濃度検出手段の検出結果に基づいて、前記後段排気浄化触媒の下流の空燃比がリーンである場合に前記空燃比の平均値をリッチ側にシフトし、前記空燃比がリッチである場合に前記空燃比の平均値をリーン側にシフトして、当該シフト後に前記空燃比の平均値をシフト前の空燃比の平均値に復帰させることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、吸入空気量が所定空気量以下である場合に、前段排気浄化触媒温度に基づき、リーン空燃比とリッチ空燃比との変調振幅を設定し、吸入空気量が所定空気量よりも多い場合に、後段排気浄化触媒温度に基づき、リーン空燃比とリッチ空燃比との変調振幅を設定している。
このように、吸入空気量によって、前段排気浄化触媒温度と後段排気浄化触媒温度とを使い分け、リーン空燃比とリッチ空燃比との変調の振幅を設定しているので、例えば、吸入空気量が少なく、故に排気流量が少なくなり、前段排気浄化触媒のみで排気中の化学成分を浄化可能な場合には、前段排気浄化触媒温度によって変調の振幅を変えることで、触媒の昇温の促進や触媒で浄化されずに排出されるＣＯ及びＨＣを抑制することができる。また、吸入空気量が多く、故に排気流量が多くなり、前段排気浄化触媒と後段排気浄化触媒とで排気中の化学成分を浄化する必要がある場合には、後段排気浄化触媒温度によって変調の振幅を変えることで、触媒の昇温の促進や触媒で浄化されずに排出されるＣＯ及びＨＣを抑制することができる。

従って、前段排気浄化触媒と後段排気浄化触媒とを効率的に使用し排気中の化学物質を浄化することができ、排気浄化触媒に用いる貴金属の使用量を抑え排気浄化触媒のコストを抑制することができる。
また、請求項２の発明によれば、触媒温度と変調振幅とのマップを有し、前段排気浄化触媒温度或いは後段排気浄化触媒温度とマップとに基づき、変調振幅を設定するようにしている。

このように、マップに基づき変調振幅を設定しており、触媒が活性前の温度であれば、ＣＯ及びＨＣの触媒のスリップを抑制し、触媒の昇温を促進する必要がある温度であれば、触媒の昇温を促進することができる。また、触媒の暖機が完了後の温度であれば、触媒の温度を適切な温度に維持しつつ、燃料噴射量を低減することができる。
従って、触媒活性前には触媒をスリップしてＣＯ及びＨＣが排出されることを抑制し、触媒の昇温が必要な場合には、触媒の昇温を促進し、更に触媒の昇温が完了すると触媒の温度を維持することができるので、前段排気浄化触媒と後段排気浄化触媒とを効率的に使用し排気中の化学物質を浄化することができ、排気浄化触媒に用いる貴金属の使用量を抑え、排気浄化触媒のコストを抑制することができる。また、触媒の暖機完了後の温度領域では、不要な燃料噴射を抑制しているので燃費を向上することができる。また、吸入空気量が所定空気量以下である場合と、吸入空気量が前記所定空気量よりも多い場合との夫々において、触媒温度に基づいて変調振幅を容易に設定することができる。

また、請求項３の発明によれば、前段排気浄化触媒温度或いは後段排気浄化触媒温度が触媒活性前温度領域であれば変調振幅を小さく設定し、前段排気浄化触媒温度或いは後段排気浄化触媒温度が触媒暖機後温度領域であれば変調振幅を触媒活性前温度領域の変調振幅よりも大きく設定し、更に前段排気浄化触媒温度或いは後段排気浄化触媒温度が触媒活性促進温度領域であれば変調振幅を触媒暖機後温度領域の変調振幅よりも大きく設定するようにしており、触媒の温度領域毎に変調振幅を設定するようにしているので制御を簡便にすることができる。

また、請求項４の発明によれば、吸入空気量により、前段排気浄化触媒の下流の第１の酸素濃度検出手段或いは第２の酸素濃度検出手段のいずれかの検出結果に基づいて、空燃比の平均値を設定するようにしている。
このように、吸入空気量により、前段排気浄化触媒下流の酸素濃度と後段排気浄化触媒下流の酸素濃度とを使い分け、リーン空燃比とリッチ空燃比との空燃比の平均値を設定しているので、例えば、吸入空気量が少なく、そして排気流量が少なく前段排気浄化触媒のみで排気中の化学成分を浄化可能な場合には、前段排気浄化触媒下流の酸素濃度によって空燃比の平均値を変えることで、触媒の昇温の促進や触媒で浄化されずに排出されるＣＯ及びＨＣを抑制することができる。また、吸入空気量が多く、そして排気流量が多く、前段排気浄化触媒と後段排気浄化触媒とで排気中の化学成分を浄化する必要がある場合には、後段排気浄化触媒下流の酸素濃度によって空燃比の平均値を変えることで、触媒の昇温の促進や触媒で浄化されずに排出されるＣＯ及びＨＣを抑制することができる。

従って、前段排気浄化触媒と後段排気浄化触媒とを更に効率的に使用し排気中の化学物質を浄化することができ、排気浄化触媒に用いる貴金属の使用量を抑えて、コストを抑制することができる。
また、請求項５の発明によれば、リーン空燃比とリッチ空燃比との間での変調の１サイクルにおいて、リーン空燃比である期間をリッチ空燃比である期間よりも長くするようにしているので、触媒でのＨＣ及びＮＯｘの浄化効率を高くすることができる。よって、排気浄化触媒に用いる貴金属の使用量を抑えてコストを抑制することができる。

また、請求項６の発明によれば、リーン空燃比とリッチ空燃比との間での変調の１サイクルにおいて、リッチ化度合いをリーン化度合いより大きくするので、触媒に排気中のＣＯ及びＨＣをより多く吸着させて、リーン空燃比時にＮＯｘ浄化効率を高くすることができる。これにより、排気浄化触媒に用いる貴金属の使用量を抑えてコストを抑制することができる。

また、請求項７の発明によれば、前段排気浄化触媒或いは後段排気浄化触媒の状態がリーン雰囲気直後には平均値をリッチ側にシフトし、前段排気浄化触媒の状態がリッチ雰囲気直後には平均値をリーン側にシフトし、シフト後に空燃比の平均値をシフト前の空燃比の平均値に復帰するようにしており、例えば、アクセルＯＦＦ等で燃料カットがされると空燃比が過剰なリーン状態となり前段排気浄化触媒でＯ_２が過剰となりリーン雰囲気後にはＮＯｘの浄化効率が低下する。また、登坂路等での急激なアクセルＯＮでの内燃機関の高負荷運転時には、空燃比が過剰なリッチ状態となりＣＯ或いはＨＣで前段排気浄化触媒の表面が覆われＨＣの浄化効率が低下する。

従って、空燃比の平均値をリーン雰囲気直後にはリッチ側に、リッチ雰囲気直後にはリーン側にシフトすることで、ＮＯｘ或いはＨＣの浄化効率を高くすることができるので、排気浄化触媒に用いる貴金属の使用量を抑えて、コストを抑制することができる。
また、請求項８の発明によれば、前段排気浄化触媒或いは後段排気浄化触媒の下流の空燃比がリーン直後には空燃比の平均値をリッチ側にシフトし、空燃比がリッチ直後には空燃比の平均値をリーン側にシフトし、シフト後に空燃比の平均値をシフト前の空燃比の平均値に復帰するようにしており、請求項３と同様に、排気浄化触媒に用いる貴金属の使用量を抑えて、コストを抑制することができる。

本発明に係る内燃機関の排気制御装置が適用されたエンジンの概略構成図である。 ＥＣＵが実行するＡ／Ｆ変調制御のフローチャートである。 本発明の実施形態に係る空燃比の波形パターンを時系列で示す図である。 本発明の実施形態に係る触媒温度における変調振幅を示すマップである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、内燃機関の排気制御装置が適用された吸気ポート燃料噴射エンジン（以下、エンジン１という）（内燃機関）の概略構成図である。
図１に示すように、エンジン１は、吸気マニホールド２１に配設された燃料噴射弁２２から吸気バルブ１４に向け吸気ポート１２内へ燃料を噴射する４サイクル直列４気筒型ガソリンエンジンである。図１にはエンジン１の１つの気筒についての縦断面が示されている。なお、他の気筒についても同様の構成をしているものとして図示及び説明を省略する。

図１に示すように、エンジン１は、シリンダブロック２にシリンダヘッド３が載置されて構成されている。
シリンダブロック２には、エンジン１を冷却する冷却水の温度を検出する水温センサ４が設けられている。また、シリンダブロック２に形成されているシリンダ５内には上下摺動可能にピストン６が設けられている。当該ピストン６はコンロッド７を介してクランクシャフト８に連結されている。また、シリンダブロック２には、当該エンジン１の回転速度及びクランクシャフト８の位相を検出するクランク角センサ９が設けられている。また、シリンダヘッド３とシリンダ５とピストン６で燃焼室１０が形成されている。

シリンダヘッド３には、燃焼室１０に臨むようにして点火プラグ１１が設けられている。また、シリンダヘッド３には、燃焼室１０からシリンダヘッド３の一側面に向かって吸気ポート１２が形成されており、燃焼室１０からシリンダヘッド３の他側面に向かって排気ポート１３が形成されている。そして、シリンダヘッド３には、燃焼室１０と吸気ポート１２との連通及び遮断を行う吸気バルブ１４と、燃焼室１０と排気ポート１３との連通及び遮断を行う排気バルブ１５がそれぞれ設けられている。また、シリンダヘッド３上部には吸気バルブ１４及び排気バルブ１５を駆動するカム１６、１７を有したカムシャフト１８、１９がそれぞれ設けられている。そして、シリンダヘッド３の上部には、カムシャフト１８の位相を検出するカム角センサ２０が設けられている。また、シリンダヘッド３の一側面には吸気ポート１２と連通するように吸気マニホールド２１が接続されている。

吸気マニホールド２１には、吸気ポート１２内に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁２２が設けられている。また、吸気マニホールド２１の吸気上流端には、吸気管２３、吸入した空気を一時的に貯留するサージタンク２４、吸入空気流量を調節する電子制御スロットルバルブ２５が設けられている。そして、サージタンク２４には、図示しない吸気圧センサが配設されている。また、電子制御スロットルバルブ２５には、スロットルバルブの開き度合を検出するスロットルポジションセンサ２６が備えられている。

電子制御スロットルバルブ２５の上流側の吸気管２３には、吸入空気流量を検出するエアフローセンサ（吸入空気量検出手段）２７が設けられているとともに、吸気管２３の吸気上流端には吸入した空気中のゴミ等を除去するエアクリーナ２８が設けられている。
一方、シリンダヘッド３の吸気マニホールド２１が接続された側面とは反対側の側面には、排気ポート１３と連通するように排気マニホールド２９が接続されている。排気マニホールド２９の排気下流端には、排気管（排気通路）３０が連通するように接続されている。また、排気管３０の排気下流には、排気中のＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘを浄化する機能を有する前段三元触媒（前段排気浄化触媒）３１が備えられている。そして、前段三元触媒３１には、前段三元触媒３１の温度を検出するフロント温度センサ（第１の温度検出手段）３２が配設されている。また、排気管３０の前段三元触媒３１の下流には、前段三元触媒３１を通過した排気中の酸素濃度を検出するフロントＯ_２センサ（第１の酸素濃度検出手段）３３が配設されている。更に、フロントＯ_２センサ３３の排気下流の排気管３０には、排気中のＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘを浄化する機能を有する後段三元触媒（後段排気浄化触媒）３４が備えられている。そして、後段三元触媒３４には、後段三元触媒３４の温度を検出するリヤ温度センサ（第２の温度検出手段）３５が配設されている。また、排気管３０の後段三元触媒３４の下流には、後段三元触媒３４を通過した排気中の酸素濃度を検出するリヤＯ_２センサ（第２の酸素濃度検出手段）３６が配設されている。

前段三元触媒３１及び後段三元触媒３４は、セラミックやステンレス等でハニカム状に排気が通過する通路が形成される担体と、当該担体に触媒層が内層と表層との２層で構成され担持されている。内層には、パラジウム（Ｐｄ）や三元機能を高めるセリア（ＣｅＯ_２）等が添加されている。また、表層には、ロジウム（Ｒｈ）等が添加されている。
そして、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成される電子コントロールユニット（空燃比変調制御手段）（ＥＣＵ）４０を備えている。

水温センサ４、クランク角センサ９、カム角センサ２０、吸気圧センサ、スロットルポジションセンサ２６、エアフローセンサ２７、フロント温度センサ３２、フロントＯ_２センサ３３、リヤ温度センサ３５、リヤＯ_２センサ３６及び車両の車速を検出する図示しない車速センサ等の各種センサ類は、車両に搭載されているＥＣＵ４０の入力側に電気的に接続されており、これらセンサ類からの検出情報がＥＣＵ４０に入力される。

一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上記点火プラグ１１、燃料噴射弁２２、電子制御スロットルバルブ２５等の各種装置が電気的に接続されており、これら各種装置には各種センサ類からの検出情報に基づき演算された点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等がそれぞれ出力される。
次にＥＣＵ４０での空燃比制御について説明する。

図２は、ＥＣＵ４０が実行するＡ／Ｆ変調制御（空燃比変調制御）のフローチャートである。また、図３は、空燃比の波形パターンを時系列で示す図であり、図中一点鎖線は、空燃比変調平均値ＡＦaveを、破線は理論空燃比ＡＦstをそれぞれ示している。また、図４は、触媒温度における変調振幅を示すマップであり、（ａ）は触媒活性前領域を、（ｂ）は触媒活性促進領域を、（ｃ）は触媒暖機後領域をそれぞれ示している。

図２に示すように、ステップＳ１０では、水温センサ４の検出信号よりエンジン１の冷却水温度を検出する。そして、ステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２では、フロントＯ_２センサ３３及びリヤＯ_２センサ３６の出力信号に基づき、当該Ｏ_２センサ３３，３６の活性条件を検出する。そして、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４では、フロント温度センサ３２とリヤ温度センサ３５との検出信号より、前段三元触媒３１と後段三元触媒３４との温度である前段三元触媒温度と後段三元触媒温度とを検出する。そして、ステップ１６に進む。
ステップＳ１６では、エアフローセンサ２７の検出信号より、吸入空気量を検出する。そして、ステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８では、前段三元触媒３１が制御対象か、否かを判別する。詳しくは、ステップＳ１６で検出した吸入空気量が所定空気量以下であるか、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で吸入空気量が所定空気量以下であれば、前段三元触媒３１制御対象とし、ステップＳ２０に進み、判別結果が否（Ｎｏ）で吸入空気量が所定空気量より多ければ、後段三元触媒３４を対象とし、ステップＳ２４に進む。

ステップＳ２０では、前段三元触媒３１のＡ／Ｆ変調制御の制御パラメータを決定する。詳しくは、図３に示すように、Ａ／Ｆ変調制御の１サイクルにおいてリーン空燃比ＡＦleanよりもリッチ空燃比ＡＦrichの期間が短くなるように設定する。また、リッチ空燃比ＡＦrichでの空気過剰率λrich、即ちリッチ空燃比ＡＦrichの当量比から量論比（＝１）を減算し絶対値として算出されるリッチ度合が、リーン空燃比ＡＦleanでの空気過剰率λlean、即ちリーン空燃比ＡＦleanの当量比から理論空燃比ＡＦstでの空気過剰率λst、即ち量論比（＝１）を減算し絶対値として算出されるリーン度合いよりも大きくなるように設定する。更にステップＳ１４で検出された前段三元触媒温度と図４に示す予め設定されたマップに基づき、空燃比の波形パターンの変調振幅を決定する。そして、ステップＳ２２に進む。

ステップＳ２２では、前段三元触媒３１の下流のフロントＯ_２センサ３３を用いたＡ／Ｆ変調制御を行う。詳しくは、フロントＯ_２センサ３３の検出結果、即ち前段三元触媒３１の下流の酸素濃度に基づき、図３に示す変調平均空燃比ＡＦaveをリーン側或いはリッチ側にシフトする。例えば、アクセルＯＦＦ等で燃料カットがされ、前段三元触媒３１の下流の空燃比がリーン状態となれば、変調平均空燃比ＡＦaveをリッチ側にシフトし、前段三元触媒３１の下流の空燃比がリッチ状態となれば、変調平均空燃比ＡＦaveをリーン側にシフトし、シフト後に変調平均空燃比ＡＦaveをシフト前の変調平均空燃比ＡＦaveに復帰させる。そして、ステップＳ２８に進む。

ステップＳ２４では、後段三元触媒３４のＡ／Ｆ変調制御の制御パラメータを決定する。詳しくは、ステップＳ２０と同様に、Ａ／Ｆ変調制御の１サイクルにおいてリーン空燃比ＡＦleanよりもリッチ空燃比ＡＦrichの期間が短くなるように設定する。また、リッチ度合がリーン度合いよりも大きくなるよう設定する。更にステップＳ１４で検出された後段三元触媒温度と図４に示す予め設定されたマップに基づき、空燃比の波形パターンの変調振幅を決定する。そして、ステップＳ２６に進む。

ステップＳ２６では、後段三元触媒３４の下流のリヤＯ_２センサ３６を用いたＡ／Ｆ変調制御を行う。詳しくは、リヤＯ_２センサ３６の検出結果、即ち後段三元触媒３４の下流の酸素濃度に基づき、図３に示す変調平均空燃比ＡＦaveをリーン側或いはリッチ側にシフトする。例えば、アクセルＯＦＦ等で燃料カットがされ、後段三元触媒３４の下流の空燃比がリーン状態となれば、変調平均空燃比ＡＦaveをリッチ側にシフトし、後段三元触媒３４の下流の空燃比がリッチ状態となれば、変調平均空燃比ＡＦaveをリーン側にシフトし、シフト後に変調平均空燃比ＡＦaveをシフト前の変調平均空燃比ＡＦaveに復帰させる。そして、ステップＳ２８に進む。

ステップＳ２８では、Ａ／Ｆ変調制御条件が終了したか、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）でＡ／Ｆ変調制御条件が終了していれば、本ルーチンをリターンし、判別結果が否（Ｎｏ）でＡ／Ｆ変調制御条件が終了していなければ、ステップＳ１０へ戻る。
このように本発明の内燃機関の排気制御装置では、Ａ／Ｆ変調制御は、吸入空気量が所定空気量以下である場合には前段三元触媒３１を制御対象とし前段三元触媒温度に基づいてＡ／Ｆ変調制御の変調振幅を設定し、吸入空気量が所定空気量より多い場合には後段三元触媒３４を制御対象とし後段三元触媒温度に基づいてＡ／Ｆ変調制御の変調振幅を設定している。

従って、吸入空気量によって、制御対象を前段三元触媒３１と後段三元触媒３４とを切り換え、前段三元触媒温度或いは後段三元触媒温度に基づいて変調振幅を設定しているので、例えば、吸入空気量が少なく、そして排気流量が少なく前段三元触媒３１のみで排気中の化学成分を浄化可能な場合には、前段三元触媒３１の温度によって変調振幅を制御することで、前段三元触媒３１の昇温の促進や前段三元触媒３１で浄化されずに排出されるＣＯ及びＨＣを抑制することができる。また、吸入空気量が多く、そして排気流量が多く、前段三元触媒３１と後段三元触媒３４とで排気中の化学成分を浄化する必要がある場合には、後段三元触媒３４の温度によって変調振幅を制御することで、後段三元触媒３４の昇温の促進や後段三元触媒３４で浄化されずに排出されるＣＯ及びＨＣを抑制することができる。

このことより、前段三元触媒３１と後段三元触媒３４とを効率的に使用し排気中の化学物質を浄化することができ、前段三元触媒３１と後段三元触媒３４とに用いる貴金属の使用量を抑えて、これらの三元触媒３１、３４のコストを抑制することができる。
また、変調振幅をマップと前段三元触媒温度或いは後段三元触媒温度とに基づいて決定しているので、触媒活性前には触媒をスリップしてＣＯ及びＨＣが排出されることを抑制し、触媒の昇温が必要な場合には、触媒の昇温を促進し、更に触媒の昇温が完了すると触媒の温度を維持することができるので、前段排気浄化触媒と後段排気浄化触媒とを効率的に使用し排気中の化学物質を浄化することができる。また、触媒の暖機完了後の温度領域では、不要な燃料噴射を抑制しているので燃費を向上することができる。

また、Ａ／Ｆ変調制御の１サイクルにおいてリーン空燃比ＡＦleanである期間をリッチ空燃比ＡＦrichである期間よりも長くなるように空燃比の波形パターンを決定するようにしているのでＮＯｘの浄化効率を高くすることができる。
また、Ａ／Ｆ変調制御の１サイクルにおいてリッチ度合がリーン度合いよりも大きくなるように、Ａ／Ｆ変調制御の空燃比の波形パターンを決定するようにしているので、内層のパラジウムに排気中のＣＯ及びＨＣをより多く吸着させることができ、リーン空燃比時にＮＯｘ浄化効率を高くすることができる。

また、吸入空気量によって、前段三元触媒３１の下流のフロントＯ_２センサ３３の検出結果或いは後段三元触媒３４の下流のリヤＯ_２センサ３６の検出結果に基づき、酸素濃度がリーン空燃比であれば変調平均空燃比ＡＦaveをリッチ側にシフトし、リッチ空燃比であれば、変調平均空燃比ＡＦaveをリーン側にシフトし、シフト後に変調平均空燃比ＡＦaveをシフト前の変調平均空燃比ＡＦaveに復帰するようにしており、例えば、アクセルＯＦＦ等で燃料カットがされると空燃比が過剰なリーン状態となり前段三元触媒３１でＯ_２が過剰となりリーン空燃比後にはＮＯｘの浄化効率が低下する。また、登坂路等での急激なアクセルＯＮでのエンジン１の高負荷運転時には、空燃比が過剰なリッチ状態となりＣＯ或いはＨＣで前段三元触媒３１の表面が覆われＨＣの浄化効率が低下する。

従って、変調平均空燃比ＡＦaveをリーン空燃比直後にはリッチ側に、リッチ空燃比直後にはリーン側にシフトすることで、ＮＯｘ或いはＨＣの浄化効率を高くすることができるので、排気浄化触媒に用いる貴金属の使用量を抑え、コストを抑制することができる。
以上で本発明の実施形態の説明を終えるが、本発明の実施形態は上記実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態では、Ｏ_２センサ３３により前段三元触媒３１の下流の酸素濃度を検出して、排気の空燃比によって、変調平均空燃比ＡＦaveを変化させるようにしているが、これに限定されるものではなく、触媒状態検出手段（例えば、リニアＡ／Ｆセンサ）によって前段三元触媒３１の状態を検出して、検出結果に基づいて変調平均空燃比ＡＦaveを変化させるようにしても良い。

また、上記実施形態では、変調波形を矩形波としているが、これに限定されるものではなく、三角波形であっても、鋸波形であっても良く、同様の効果を得ることができる。
また、マップと前段三元触媒温度或いは後段三元触媒温度とに基づいて変調振幅を決定するようにしているが、これに限定されるものではなく、例えば、図４に示すように、触媒温度により触媒の状態を示す領域を設定（ここでは、触媒活性前領域、触媒活性促進領域、触媒暖機後領域）し、領域に応じて、触媒活性前領域内であれば変調振幅を小さく設定し、触媒暖機後領域内であれば変調振幅を触媒活性前領域の変調振幅よりも大きく設定し、更に触媒活性促進領域である場合に変調振幅を触媒暖機後領域の変調振幅よりも大きく、それぞれの領域で一律的に変調振幅を決定しても良い。

1 エンジン（内燃機関）
２７ エアフローセンサ（吸入空気量検出手段）
３０ 排気管（排気通路）
３１ 前段三元触媒（前段排気浄化触媒）
３２ フロント温度センサ（第１の温度検出手段）
３３ フロントＯ_２センサ（第１の酸素濃度検出手段）
３４ 後段三元触媒（後段排気浄化触媒）
３５ リヤ温度センサ（第２の温度検出手段）
３６ リヤＯ_２センサ（第２の酸素濃度検出手段）
４０ ＥＣＵ（空燃比変調制御手段）

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた前段排気浄化触媒と、
   前記前段排気浄化触媒の下流に設けられた後段排気浄化触媒と、
   前記前段排気浄化触媒の温度を検出する第１の温度検出手段と、
   後段排気浄化触媒の温度を検出する第２の温度検出手段と、
   前記内燃機関に吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
   前記第１の温度検出手段、第２の温度検出手段及び前記吸入空気量検出手段に基づき、前記内燃機関の排気の空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比との間で強制的に変調させる空燃比変調制御手段と、を備え、
   前記空燃比変調制御手段は、前記吸入空気量が所定空気量以下である場合に、前記前段排気浄化触媒温度に基づき、リーン空燃比とリッチ空燃比との変調振幅を設定し、前記吸入空気量が前記所定空気量よりも多い場合に、前記後段排気浄化触媒温度に基づき、前記変調振幅を設定することを特徴とする内燃機関の排気制御装置。
2. 前記空燃比変調制御手段は、予め触媒温度と前記変調振幅とのマップを有し、
   前記前段排気浄化触媒温度或いは前記後段排気浄化触媒温度と前記マップとに基づき、前記変調振幅を設定することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気制御装置。
3. 前記空燃比変調制御手段は、予め触媒温度を触媒活性前温度領域と、前記触媒活性前温度領域よりも高い触媒暖機後温度領域と、前記触媒活性前温度領域よりも高く前記触媒暖機後温度領域よりも低い触媒活性促進温度領域とに分割された領域設定手段を有し、
   前記前段排気浄化触媒温度或いは前記後段排気浄化触媒温度と前記領域設定手段とに基づき、前記前段排気浄化触媒温度或いは前記後段排気浄化触媒温度が前記領域設定手段の前記触媒活性前温度領域内である場合に前記変調振幅を小さく設定し、前記前段排気浄化触媒温度或いは前記後段排気浄化触媒温度が前記領域設定手段の前記触媒暖機後温度領域内である場合に前記変調振幅を前記触媒活性前温度領域の変調振幅よりも大きく設定し、更に前記前段排気浄化触媒温度或いは前記後段排気浄化触媒温度が前記領域設定手段の前記触媒活性促進温度領域である場合に前記変調振幅を前記触媒暖機後温度領域の変調振幅よりも大きく設定することを特徴とする、請求項１或いは２に記載の内燃機関の排気制御装置。
4. 前記前段排気浄化触媒と前記後段排気浄化触媒との間に設けられ、排気の酸素濃度を検出する第１の酸素濃度検出手段と、
   前記後段排気浄化触媒の下流に設けられ、排気の酸素濃度を検出する第２の酸素濃度検出手段と、を備え、
   前記空燃比変調制御手段は、
   前記吸入空気量が前記所定空気量以下であるときには、前記第１の酸素濃度検出手段の検出結果に基づき、リーン空燃比とリッチ空燃比との空燃比の平均値を設定し、
   前記吸入空気量が前記所定空気量よりも多いときには、前記第２の酸素濃度検出手段の検出結果に基づき、前記空燃比の平均値を設定することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気制御装置。
5. 前記空燃比変調制御手段は、前記リーン空燃比とリッチ空燃比との間での変調の１サイクルにおいて、リーン空燃比である期間をリッチ空燃比である期間よりも長くすることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気制御装置。
6. 前記空燃比変調制御手段は、前記リーン空燃比とリッチ空燃比との間での変調の１サイクルにおいて、リッチ空燃比での当量比と量論比との差の絶対値であるリッチ化度合いがリーン空燃比での当量比と前記量論比との差の絶対値であるリーン化度合いより大きいことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気制御装置。
7. 前記前段排気浄化触媒の状態を検出する第１の触媒状態検出手段と、
   前記後段排気浄化触媒の状態を検出する第２の触媒状態検出手段と、を備え、
   前記空燃比変調制御手段は、前記吸入空気量が前記所定空気量以下であるときには、前記第１の触媒状態検出手段の検出結果に基づいて、前記前段排気浄化触媒の状態がリーン雰囲気である場合に前記空燃比の平均値をリッチ側にシフトし、前記前段排気浄化触媒の状態がリッチ雰囲気である場合に前記空燃比の平均値をリーン側にシフトして、当該シフト後に前記空燃比の平均値をシフト前の空燃比の平均値に復帰させるとともに、
   前記吸入空気量が前記所定空気量より多いときには、前記第２の触媒状態検出手段の検出結果に基づいて、前記後段排気浄化触媒の状態がリーン雰囲気である場合に前記空燃比の平均値をリッチ側にシフトし、前記後段排気浄化触媒の状態がリッチ雰囲気である場合に前記空燃比の平均値をリーン側にシフトして、当該シフト後に前記空燃比の平均値をシフト前の空燃比の平均値に復帰させることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気制御装置。
8. 前記空燃比変調制御手段は、前記吸入空気量が前記所定空気量以下であるときには、前記第１の酸素濃度検出手段の検出結果に基づいて、前記前段排気浄化触媒の下流の空燃比がリーンである場合に前記空燃比の平均値をリッチ側にシフトし、前記空燃比がリッチである場合に前記空燃比の平均値をリーン側にシフトして、当該シフト後に前記空燃比の平均値をシフト前の空燃比の平均値に復帰させるとともに、
   前記吸入空気量が前記所定空気量より多いときには、前記第２の酸素濃度検出手段の検出結果に基づいて、前記後段排気浄化触媒の下流の空燃比がリーンである場合に前記空燃比の平均値をリッチ側にシフトし、前記空燃比がリッチである場合に前記空燃比の平均値をリーン側にシフトして、当該シフト後に前記空燃比の平均値をシフト前の空燃比の平均値に復帰させることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気制御装置。

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