JP6133940B2 - 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関する。

内燃機関の排気通路には、排気中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために三元触媒が設けられる場合がある。三元触媒は、排気中のＨＣ及びＣＯを還元剤としてＮＯｘを還元する。また三元触媒は、排気中の酸素を貯蔵する酸素貯蔵機能を有するものが用いられる。このため、減速時に内燃機関における燃料噴射を一時的に停止する燃料カットを行うと、三元触媒の酸素貯蔵量が最大となってしまい、燃料カット復帰直後の三元触媒におけるＮＯｘ浄化性能が低下する。

特許文献１の発明では、燃料カット復帰直後には一時的に空燃比をリッチ化し、三元触媒に貯蔵された酸素を短時間で還元処理することにより、燃料カット復帰直後における三元触媒のＮＯｘ浄化性能の低下を抑制する。

特許第５３３１９３１号公報

しかしながら特許文献１の発明のように、リッチ化によって三元触媒の還元処理を行う場合、リッチ化におけるシフト量が過剰であるとＨＣやＣＯの排出量が増えてしまったり燃費が悪化したりするおそれがある。またシフト量が過少であるとＮＯｘの排出を十分に抑制できない。

本発明は、三元触媒における排気浄化性能の低下を還元処理以外の方法で補うことができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気浄化装置（例えば、後述の排気浄化装置２）は、内燃機関の排気通路（例えば、後述の排気管１１）に設けられた三元触媒（例えば、後述の上流触媒コンバータ３１）と、前記排気通路に設けられかつゼオライトからなる担体及び当該担体に担持されたＰｄを有するＮＯｘ触媒（例えば、後述の中間触媒コンバータ３２）と、前記内燃機関の排気流路を、前記三元触媒を通過し前記ＮＯｘ触媒を迂回する第１流路と、前記三元触媒及び前記ＮＯｘ触媒の両方を通過する第２流路と、で切り替える切替機構（例えば、後述の排気流路切替機構３４）と、所定の条件に応じて前記切替機構を前記第１流路（例えば、後述の第１流路Ｆ１）側又は前記第２流路（例えば、後述の第２流路Ｆ２）側で切り替える排気流路制御手段（例えば、後述のＥＣＵ６及び図９の処理の実行に係る手段等）と、を備えることを特徴とする。

（２）この場合、前記排気浄化装置は、前記ＮＯｘ触媒の温度を取得する触媒温度取得手段（例えば、後述の排気温度センサ３６及びＥＣＵ６等）と、前記ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸着量を取得する吸着量取得手段（例えば、後述のＥＣＵ６及び図１１の処理の実行に係る手段等）と、を備え、前記排気流路制御手段は、前記取得したＮＯｘ触媒の温度及びＮＯｘ吸着量の両方又は何れかに基づいて前記切替機構を切り替えることが好ましい。

（３）この場合、前記排気流路制御手段は、前記内燃機関の始動開始直後の所定期間（例えば、後述の図１５中の時刻ｔ１〜ｔ４）には前記切替機構を前記第２流路側に設定することが好ましい。

（４）この場合、前記排気流路制御手段は、前記内燃機関における燃料噴射が一時的に停止される燃料カット期間中（例えば、後述の図１６中の時刻ｔ０〜ｔ１）は前記切替機構を前記第１流路側に設定することが好ましい。

（５）この場合、前記排気流路制御手段は、前記燃料カット期間が経過した後（例えば、後述の図１６中の時刻ｔ１以降）には前記切替機構を前記第１流路側から前記第２流路側に切り替えることが好ましい。

（６）この場合、前記排気浄化装置は、前記ＮＯｘ触媒の温度を所定の脱離温度より高くしかつ当該ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をストイキ又はリッチにするＮＯｘ触媒再生処理を実行し、前記ＮＯｘ触媒に吸着されたＮＯｘを還元浄化する再生制御手段（例えば、後述のＥＣＵ６）と、前記ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸着量が所定の上限閾値を超えた場合には前記再生制御手段に前記ＮＯｘ触媒再生処理の実行要求を発生する再生要求発生手段（例えば、後述のＥＣＵ６及び図８の処理の実行に係る手段等）と、を備え、前記排気流路制御手段は、前記ＮＯｘ触媒再生処理の実行が要求されている間は前記切替機構を前記第２流路側に設定することが好ましい。

（７）この場合、前記排気浄化装置は、前記三元触媒に流入する排気の空燃比を所定の基準よりもリッチ側へシフトさせる還元処理を実行し、前記三元触媒に貯蔵された酸素を還元する還元制御手段（例えば、後述のＥＣＵ６）を備え、前記排気流路制御手段は、前記還元処理を行っている間は、前記ＮＯｘ触媒の温度が所定の脱離温度よりも低い場合に前記切替機構を前記第２流路側に設定することが好ましい。

（８）この場合、前記排気浄化装置は、前記ＮＯｘ触媒の温度を所定の脱離温度より高くしかつ当該ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をストイキ又はリッチにするＮＯｘ触媒再生処理を実行し、前記ＮＯｘ触媒に吸着されたＮＯｘを還元浄化する再生制御手段（例えば、後述のＥＣＵ６）と、前記三元触媒に流入する排気の空燃比を所定の基準よりもリッチ側へシフトさせる還元処理を実行し、前記三元触媒に貯蔵された酸素を還元する還元制御手段（例えば、後述のＥＣＵ６）と、を備え、前記排気流路制御手段は、前記還元処理を行っている間は、前記ＮＯｘ触媒の温度が所定の脱離温度よりも低い場合又は前記ＮＯｘ触媒再生処理を行っている場合に前記切替機構を前記第２流路側に設定することが好ましい。

（９）この場合、前記還元制御手段は、前記切替機構が前記第２流路側に設定されている場合には、前記第１流路側に設定されている場合よりも前記還元処理の実行時における排気の空燃比のリッチ側へのシフト量を小さくすることが好ましい。

（１）本発明では、内燃機関の排気が通流し得る排気通路に、三元触媒と、ゼオライトからなる担体及びこの担体に担持されたＰｄを有するＮＯｘ触媒との２種の触媒を設ける。このＮＯｘ触媒は、低温時にＮＯｘを吸着し、吸着したＮＯｘを高温時に脱離する特性を有する。また本発明では、切替機構を用いることによって、三元触媒を通過しＮＯｘ触媒を迂回する第１流路と、三元触媒及びＮＯｘ触媒の両方を通過する第２流路との２つの排気流路を設定し、所定の条件に応じて第１流路と第２流路とを切り替える。これにより、例えば三元触媒で十分なＮＯｘ浄化性能を発揮できるような場合には切替機構を第１流路側に設定することにより、三元触媒のＮＯｘ浄化性能を十分に生かしながら、ＮＯｘ触媒の劣化を抑制することができる。また、例えば上述のような燃料カット復帰直後であって三元触媒のＮＯｘ浄化性能が不十分であるような場合には、切替機構を第２流路側に設定することにより、三元触媒で浄化できなかったＮＯｘをＮＯｘ触媒に吸着させておくことができるので、排気浄化装置全体でのＮＯｘ浄化性能の低下を抑制できる。

なお、上述のように２つの排気流路を設定した場合、ＮＯｘ触媒は間欠的に排気に晒されることとなるため、その温度は三元触媒よりも低くなる傾向がある。このため、排気流路を第１流路から第２流路へ切り替えた直後には、ＮＯｘ触媒が低温であることに起因して排気浄化装置全体でのＮＯｘ浄化性能が一時的に低下することが懸念される。しかしながら上述のようなＮＯｘ触媒は、エンジンの始動直後のような三元触媒が活性化する前の低温環境でもＮＯｘを吸着する機能を発揮する。このため、排気流路を第１流路から第２流路に切り替えた直後から、三元触媒で浄化できなかったＮＯｘをＮＯｘ触媒で吸着できるので、このＮＯｘが排気浄化装置の外へ排出されるのを防止できる。

（２）ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化性能は、その温度やＮＯｘ吸着量によって変化する。本発明では、ＮＯｘ触媒の温度やＮＯｘ吸着量を取得し、これらの両方又は何れかに基づいて切替機構を切り替えることにより、ＮＯｘ触媒の性能が生かされるような適切なタイミングで排気流路を切り替えることができる。

（３）上述のようにＮＯｘ触媒は三元触媒が活性に達する前の低温でＮＯｘを吸着する機能を発揮する。本発明では、内燃機関の始動開始直後の所定期間には、切替機構を第２流路側に設定し、三元触媒及びＮＯｘ触媒の両方に排気を通流させることにより、活性に達する前の三元触媒から排出されるＮＯｘをＮＯｘ触媒で吸着しておくことができる。

（４）本発明では、燃料カット期間中は切替機構を第１流路側に設定し、排気流路を流れる高温の空気がＮＯｘ触媒に流入しないようにする。これによりＮＯｘ触媒の温度をＮＯｘの吸着が可能な低温域に維持することができるので、燃料カット期間中にＮＯｘ触媒からＮＯｘが脱離してしまうのを防止できる。またＮＯｘ触媒への熱負荷を低減できるので、その劣化も抑制できる。

（５）本発明では、燃料カット期間が経過した後には、切替機構を第１流路側から第２流路側に切り替え、三元触媒とＮＯｘ触媒との両方に排気を通流させる。上述のように燃料カット期間中は三元触媒を空気が流れるため、燃料カット期間が経過した直後は酸素貯蔵量が最大となっており、そのＮＯｘ浄化性能が低下している。本発明では、燃料カット期間が経過した後は三元触媒とＮＯｘ触媒との両方に排気を通流させることにより、三元触媒で還元しきれなかったＮＯｘをＮＯｘ触媒で吸着させることができる。なお、上述のように燃料カット期間中はＮＯｘ触媒に高温の空気を通流させないようにしていることから、ＮＯｘ触媒の温度は低温に維持されているため、燃料カット期間の終了直後からＮＯｘ吸着機能を発揮できる。

（６）ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘ吸着量が増加するほどそのＮＯｘ吸着機能が低下する。そこで本発明では、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸着量が所定の上限閾値を超えた場合には、ＮＯｘ触媒再生処理の実行を要求する。また本発明では、ＮＯｘ触媒再生処理の実行が要求されている間は、切替機構を第２流路側に設定する。ＮＯｘ触媒再生処理とは、ＮＯｘ触媒の温度を脱離温度よりも高くしかつ空燃比をストイキ又はリッチにすることにより、ＮＯｘ触媒に吸着されていたＮＯｘを脱離させるとともに、これを還元浄化する処理である。これにより、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化性能を高く維持することができる。

（７）三元触媒は、酸素貯蔵量が増加するほどそのＮＯｘ浄化性能が低下する。このため、空燃比を所定の基準よりもリッチ側へシフトさせる還元処理を適宜行うことにより、三元触媒に貯蔵された酸素を還元する。上述のようにこのような還元処理を行っている間は、三元触媒で浄化しきれなかったＮＯｘが排出されるため、切替機構を第２流路側にし、この未浄化のＮＯｘをＮＯｘ触媒で吸着させることが好ましい。しかしながら、ＮＯｘ触媒の温度が所定の脱離温度よりも高い状態で、このＮＯｘ触媒に排気を通流させると、ＮＯｘ触媒からは多くのＮＯｘが脱離してしまい、排気浄化装置全体でのＮＯｘ浄化性能が低下してしまう場合がある。そこで本発明では、還元処理を行っている間は、ＮＯｘ触媒の温度が脱離温度よりも低い場合に切替機構を第２流路側に設定することにより、三元触媒の還元処理を行っている間における排気浄化装置全体でのＮＯｘ浄化性能の低下を抑制することができる。

（８）本発明では、三元触媒の還元処理を行っている間は、ＮＯｘ触媒の温度が脱離温度よりも低い場合又は還元処理と並行してＮＯｘ触媒再生処理を行っている場合に切替機構を第２流路側に設定する。これにより、三元触媒の還元処理を行っている間における排気浄化装置全体でのＮＯｘ浄化性能の低下を抑制できる。また、三元触媒の還元処理と、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ触媒再生処理とを同時に行うことができる。

（９）本発明では、切替機構が第２流路側に設定されている場合には、第１流路側に設定されている場合よりも還元処理の実行時における排気の空燃比のリッチ側へのシフト量を小さくする。切替機構が第２流路側に設定されている場合、排気は三元触媒とＮＯｘ触媒との両方を通流するため、三元触媒のＮＯｘ浄化性能の低下はＮＯｘ触媒で補われる。このため、急いで三元触媒のＮＯｘ浄化性能を回復させるべく、リッチ側へのシフト量を多くする必要がない。本発明では、切替機構が第２流路側に設定されている場合には、第１流路側に設定されている場合よりもリッチ側へのシフト量を小さくすることにより、排気浄化装置全体でのＮＯｘ浄化性能の低下を抑制しつつ、ＨＣやＣＯの排出を防止しかつ不必要な燃料の消費を抑制できる。

本発明の一実施形態に係るエンジン及びその排気浄化装置の構成を示す図である。 ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの吸着、脱離挙動を示す図である。 ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの吸着量と脱離量とを比較する図である。 ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの吸着量と熱劣化との関係を示す図である。 ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの吸着量と温度との関係を示す図である。 ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの吸着量と酸素濃度との関係を示す図である。 ＮＯｘ触媒の下流側におけるＮＯｘ濃度とＮＯｘ触媒の温度との関係を示す図である。 ＮＯｘ触媒の再生要求を発生するタイミングを決定する手順を示すフローチャートである。 排気流路を設定する手順を示すフローチャートである。 最大貯蔵量の推定値を用いて弱リッチ時補正係数の値を決定するマップの一例である。 ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸着量の推定値を算出する手順を示すフローチャートである。 ＮＯｘ吸着率を算出するマップの一例である。 ＮＯｘ吸着率の補正係数を算出するマップの一例である。 脱離量を算出するマップの一例である。 上記実施形態に係る排気浄化装置のエンジンの始動直後の動作例を示すタイムチャートである。 上記実施形態に係る排気浄化装置の燃料カット直後の動作例を示すタイムチャートである。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関（以下、「エンジン」という）１及びその排気を浄化する排気浄化装置２の構成を示す図である。

エンジン１は、燃焼空燃比をストイキよりもリーンとする所謂リーン燃焼を基本としたもの、より具体的にはディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジンなどである。エンジン１には、各シリンダに燃料を噴射する燃料噴射弁１７が設けられている。この燃料噴射弁１７を駆動するアクチュエータは、ＥＣＵ６に電磁的に接続されている。ＥＣＵ６は、後に説明する燃料噴射制御の下で燃料噴射弁１７からの燃料噴射量や燃料噴射時期を決定し、これが実現されるように燃料噴射弁１７を駆動する。

排気浄化装置３は、それぞれ排気管１１に設けられた上流触媒コンバータ３１、中間触媒コンバータ３２、下流触媒コンバータ３３、排気流路切替機構３４、空燃比センサ３５及び排気温度センサ３６を含んで構成される。

上流触媒コンバータ３１及び下流触媒コンバータ３３は、それぞれ、フロースルー型のハニカム構造体を基材として、この基材に三元触媒を担持して構成される。三元触媒では、ストイキ空燃比の排気の下においては、三元浄化反応、すなわちＨＣ及びＣＯの酸化反応とＮＯｘの還元反応とが同時に進行する。また三元触媒では、リーン空燃比の排気の下においては、ＨＣ及びＣＯの酸化反応が進行する。

中間触媒コンバータ３２は、排気管１１のうち上流触媒コンバータ３１と下流触媒コンバータ３３との間に設けられる。中間触媒コンバータ３２は、フロースルー型のハニカム構造体を基材として、この基材にＮＯｘ触媒を担持して構成される。ＮＯｘ触媒は、ゼオライトからなる担体と、この担体に担持されたＰｄと、を含んで構成される。このＮＯｘ触媒は、例えばエンジン１の始動直後の比較的低温の条件下（より具体的には、例えば上流触媒コンバータ３１の三元触媒が活性温度に達する前）において、三元触媒で浄化しきれなかったＮＯｘを吸着し、還元浄化する機能を有する。

上記ＮＯｘ触媒のゼオライトは、ストイキ又はリッチ空燃比の排気の下において、排気中に含まれるＨＣを低温条件下でその骨格中の細孔内に取り込んで吸着し、吸着したＨＣを高温条件下で脱離する特性を有する。ＨＣの脱離が開始されるＨＣ脱離温度は、後述するＰｄからＮＯｘが脱離し始めるＮＯｘ脱離温度とほぼ等しい。

ゼオライトとしては、ＺＳＭ−５、フェリエライト、モルデナイト、Ｙ型ゼオライト、ベータ型ゼオライト、ＣＨＡ型ゼオライトが挙げられる。本実施形態では、これらのうち何れかを単独で用いてもよいし、複数を併用してもよい。このようなゼオライトにＰｄを担持させることにより、優れたＮＯｘ吸着性能が発現する。

ここで、通常、ゼオライトは、ＮＯ_２として供給されたＮＯｘをその細孔内に吸着する特性を有する。そのため、主として排気中のＮＯｘを構成するＮＯをＮＯ_２に変換するためには、排気をリーンにし、高酸素濃度かつ高温雰囲気下にし、さらにＰｔ等の活性種が必要となる。これに対して、本実施形態のＮＯｘ触媒は、担体のゼオライトにＰｄを担持させることで、低温条件下で排気の空燃比がストイキ又はリッチのときにおいても優れたＮＯｘ吸着性能を発揮する。その理由は次の通りである。

すなわち、ＮＯｘ触媒では、Ｐｄは、ゼオライトを構成するＡｌ、Ｓｉ及びＯのうち、酸点であるＡｌの近傍に配置される。そのため、Ｐｄは、Ａｌとの相互作用によって電子状態が変化し、２価のＰｄ^２＋として存在する。この２価のＰｄ^２＋は、従来のゼオライトのＮＯｘ吸着とは異なり、ＮＯを酸化してＮＯ_２とするまでもなくＮＯをそのまま吸着する特性を有する。これにより、ＮＯｘ触媒は、低温条件下で排気の空燃比がストイキ又はリッチのときにおいても、優れたＮＯｘ吸着性能が得られるようになっている。

ＮＯｘ触媒全体に対するＰｄの含有量は、０．０１〜１０質量％であることが好ましい。Ｐｄの含有量がこの範囲内であれば、優れたＮＯｘ吸着性能が得られる。より好ましい含有量は、０．１〜３質量％である。

またＮＯｘ触媒としては、上述のようにゼオライトからなる担体にＰｄを担持したものに限らない。上記Ｐｄに加えて、Ｆｅ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｌａ、Ｇａ、Ｉｎ及びＭｎからなる群より選択される少なくとも１種の添加元素をゼオライトに共担持させてもよい。すなわち、Ｐｄの間に、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｌａ、Ｇａ、Ｉｎ及びＭｎからなる群より選択される少なくとも１種の添加元素が介在することで、２価のＰｄ^２＋が０価のＰｄ^０に還元されるのが抑制されるとともに、Ｐｄの移動及び凝集が抑制されるため、Ｐｄの分散性の悪化が抑制される。したがって、このようなＮＯｘ触媒によれば、優れたＮＯｘ吸着性能が維持され、低酸素濃度雰囲気における耐熱性が向上する。

図２は、上記ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの吸着、脱離挙動を示す図である。この図２は、下記に示すような組成のモデルガスをＮＯｘ触媒に供給し、ＮＯｘ触媒を酸素過剰雰囲気（酸素過剰率λ＝２）に維持しながら、ＮＯｘ触媒に流入するガスのＮＯｘ濃度及びＮＯｘ触媒の温度を変化させた場合における、ＮＯｘ触媒から流出するガスのＮＯｘ濃度を示す。図２中、横軸は時間（秒）であり、右縦軸はＮＯｘ触媒の温度［℃］であり、左縦軸はＮＯｘ濃度［ｐｐｍ］である。

モデルガスは、ＣＯを１０００ｐｐｍで一定とし、Ｏ_２を０．１％で一定とし、ＮＯを所定の態様で変化させるとともに、Ｎ_２をバランスガスとすることで全体の酸素過剰率λ＝２とした。ここで、ＮＯｘ触媒に流入するモデルガスのＮＯｘ濃度は、図２において破線で示すように、モデルガスの供給開始から約２００秒を経過するまでの間では０より大きな所定値とし、これ以降は０とした。またＮＯｘ触媒の温度は、図２において一点鎖線で示すようにモデルガスの供給開始から約１２００秒を経過するまでの間では約５０℃で一定とし、約１２００秒を経過した後は約５００℃に達するまで徐々に上昇させた。なお約４００〜１０００秒までの間ではＮＯｘ濃度やＮＯｘ触媒の温度等にほとんど変化がないため、図２ではこれらの間の図示を省略する。

図２に示すように、ＮＯｘ触媒が５０℃の低温の状態でかつＮＯｘを含むモデルガスをＮＯｘ触媒に供給し始めてから約２００秒経過するまでの間では、ＮＯｘ触媒から流出するガスのＮＯｘ濃度（実線）はＮＯｘ触媒に流入するガスのＮＯｘ濃度（破線）よりも低い。特に、モデルガスの供給を開始した直後（０〜１００秒程度）においては、ＮＯｘ触媒から流出する排気中のＮＯｘ濃度はほぼ０ｐｐｍである。これは、ＮＯｘ触媒に流入するガス中に含まれるＮＯｘ（ＮＯ）のほぼ全てがＮＯｘ触媒に吸着されていることを意味する。この結果から、中間触媒コンバータのＮＯｘ触媒は、上流触媒コンバータの三元触媒が活性に達する前の５０℃の低温条件下においてＮＯｘ（ＮＯ）を効率良く吸着可能であることが分かる。

モデルガスの供給を開始してから約２００秒が経過するまでの間において、ＮＯｘ触媒から流出するガス中のＮＯｘ濃度は徐々に上昇し、ＮＯｘ触媒に流入するガスのＮＯｘ濃度とほぼ同等になる（図２中の２００秒付近を参照）。これは、ＮＯｘ触媒で吸着できるＮＯｘの量には限界があり、またＮＯｘ触媒に吸着されているＮＯｘ量がこの限界量に近付くにつれてＮＯｘが吸着しにくくなる（ＮＯｘ吸着率の低下）ことを意味する。すなわち、約２００秒が経過した時点では、ＮＯｘ触媒にはほぼ限界量に近い量のＮＯｘが吸着されている。また、図２中の領域Ｔａｄの面積は、ＮＯｘ触媒が吸着したＮＯｘの総量（すなわち、ＮＯｘ吸着量）を表している。

約２００秒が経過した時点でモデルガスのＮＯｘ濃度を０ｐｐｍまで低下させると、これに応じてＮＯｘ触媒から流出するガスのＮＯｘ濃度も直ちに０ｐｐｍまで低下する。またこれ以降、図２に示すように、ＮＯｘ触媒から流出するガスのＮＯｘ濃度は、ほぼ０ｐｐｍである。すなわちＮＯｘ触媒は、０〜２００秒の間にＮＯｘ触媒に吸着したＮＯｘを、酸素過剰雰囲気下において保持し続ける機能を有する。

またＮＯｘ濃度を０ｐｐｍまで低下させた後、約１２００〜２５００秒までの間でほぼ一定の速度でＮＯｘ触媒の温度を上昇させる。この際、ＮＯｘ触媒から流出するガスのＮＯｘ濃度は、図２に示すように約１８００秒において０ｐｐｍから増加し始め、約２３００秒において再び０ｐｐｍに戻る。なお、ＮＯｘ触媒の温度は、約１８００秒においては約２５０℃であり、約２３００秒においては約４５０℃である。これは、ＮＯｘ触媒に吸着されていたＮＯｘは、ＮＯｘ触媒の温度が約２５０℃を超えてから４５０℃を超えるまでの間に脱離したことを意味する。以下では、このようにＮＯｘ触媒に吸着されていたＮＯｘの脱離が開始する温度（図２の例では、約２５０℃）をＮＯｘの脱離温度という。なおこの際、ＮＯｘ触媒から脱離するＮＯｘは、ほぼ全てＮＯであり、ＮＯ_２やＮ_２Ｏはほとんど観測されなかった。また図２中の領域Ｔｄｅｓの面積は、ＮＯｘ触媒から脱離したＮＯｘの総量（すなわち、ＮＯｘ脱離量）を表している。

図３は、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの吸着量と脱離量とを比較する図である。図３において、ＮＯｘ吸着量及びＮＯｘ脱離量はそれぞれ所定の空気過剰率のモデルガスを用いて図２と同様の手順に従ってＮＯｘ濃度及び温度を変化させる試験を行うことによって取得した。図３の左側は酸素過剰率λ＝２のガスを用いて取得した結果であり、図３の右側は酸素過剰率λ＝０．９のガスを用いて取得した結果である。

図３の左側に示すように、酸素過剰雰囲気（λ＝２）のモデルガスの下では、ＮＯｘ脱離量はＮＯｘ吸着量とほぼ等しい。すなわち酸素過剰雰囲気では、低温時にＮＯｘ触媒に吸着されたＮＯｘは、約５００℃まで昇温するとほぼ全てがそのまま脱離する。

一方、図３の右側に示すように、λ＝０．９のモデルガスの下では、ＮＯｘ吸着量はλ＝２の場合とほぼ同じであるにもかかわらず、ＮＯｘ脱離量はこのＮＯｘ吸着量よりも大幅に減少する。すなわち還元雰囲気では、低温時にＮＯｘ触媒に吸着されたＮＯｘは、約５００℃まで昇温する過程でほぼ全てが脱離するとともにＮ_２に還元浄化する。これはすなわち、ＮＯｘ触媒は、λが１以下の適正な空燃比の排気の下では、排気中に含まれるＨＣ及びＣＯや、上述のようにゼオライトに吸着されていたＨＣを還元剤として、脱離したＮＯｘを還元浄化する機能があることを意味する。

図４は、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの吸着量［ｇ／Ｌ］と、ＮＯｘ触媒の熱劣化との関係を示す図である。図４において左側は新品のＮＯｘ触媒で吸着できるＮＯｘの量を示し、右側は所定量の熱負荷をかけた後のＮＯｘ触媒で吸着できるＮＯｘの量を示す。この図４に示すように、ＮＯｘ触媒で吸着できるＮＯｘの量は、熱負荷が増加するほど少なくなる。

図５は、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの吸着量［ｇ／Ｌ］と、ＮＯｘ触媒の温度との関係を示す図である。図５に示すように、ＮＯｘ触媒は、約２５０℃の脱離温度以下、より具体的には約５０〜２００℃の間では、排気中のＮＯｘを吸着する機能を発揮する。また、ＮＯｘ触媒で吸着できるＮＯｘの量は、その温度が高くなるほど少なくなる。

図６は、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸着量［ｇ／Ｌ］と、ＮＯｘ触媒に流入する排気の酸素濃度との関係を示す図である。より具体的には、図６は、ＮＯｘ触媒を５０℃に保ちながら２％（左側）又は０％（右側）の酸素濃度の排気の下でＮＯｘを吸着させたときにおけるＮＯｘ吸着量を示す。図５を参照して説明したように、ＮＯｘ触媒は温度が高くなるほど吸着できるＮＯｘの量が少なくなる特性がある。しかしながら図６に示すように、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着機能は、これに流入する排気の酸素濃度には依存しない。

図７は、ＮＯｘ触媒の下流側におけるＮＯｘ濃度と、ＮＯｘ触媒の温度との関係を示す図である。より具体的には、ＮＯｘが吸着されたＮＯｘ触媒の温度を上昇させたときにおけるＮＯｘ触媒の下流側のＮＯｘ濃度の変化を示す図である。図７には、ＮＯｘ触媒に流入する排気の酸素濃度を３段階（０．１％、０．０５％、０．０４５％）に分けて変化させた場合を示す。この図に示すように、ＮＯｘ触媒の温度をその脱離温度より高い温度まで上昇させると、それまでに吸着していたＮＯｘが脱離し始める。この際、空燃比がリーンである場合には、ＮＯｘ触媒から脱離したＮＯｘは還元されることなくそのまま下流側へ排出される。このため、ＮＯｘ触媒の温度を上昇させると、ＮＯｘ触媒の下流側のＮＯｘ濃度が高くなる。これに対し、空燃比をストイキ又はリッチにすると、ＮＯｘ触媒から脱離したＮＯｘはＮＯｘ触媒上で還元浄化される。このため、ＮＯｘ触媒の下流側のＮＯｘ濃度はほとんど変化しない。

図１に戻り、排気管１１は、上流触媒コンバータ３１及び下流触媒コンバータ３３が設けられる主排気管１１１と、上流触媒コンバータ３１と下流触媒コンバータ３３の間において主排気管１１１から分岐したバイパス管１１２と、を備える。中間触媒コンバータ３３はバイパス管１１２に設けられる。

排気流路切替機構３４は、排気管１１内において開閉可能に設けられた流路切替弁３４１と、ＥＣＵ６からの指令に応じて流路切替弁３４１を開閉するアクチュエータ３４２と、を備える。流路切替弁３４１は、エンジン１から排出された排気の流路の一部を構成するものであり、閉じた状態及び開いた状態でそれぞれ異なる排気流路Ｆ１，Ｆ２を形成する。

流路切替弁３４１を閉じた状態にすると、バイパス管１１２が遮断されるので、主排気管１１１に設けられた上流触媒コンバータ３１及び下流触媒コンバータ３３を通過し、バイパス管１１２に設けられた中間触媒コンバータ３２を迂回する排気の流路（以下、「第１流路」という）Ｆ１が形成される。流路切替弁３４１を開いた状態にすると、主排気管１１１とバイパス管１１２とが接続されるので、上流触媒コンバータ３１、中間触媒コンバータ３２、及び下流触媒コンバータ３３を通過する排気の流路（以下、「第２流路」という）が形成される。

ＥＣＵ６は、後述の図９の処理によって更新される後述の流路フラグＦ＿ＰＺの値を参照して流路切替弁３４１を開閉する。より具体的には、ＥＣＵ６は、フラグＦ＿ＰＺが“０”である場合には流路切替弁３４１を閉じた状態にし、第１流路Ｆ１を排気流路とし、フラグＦ＿ＰＺが“１”である場合には流路切替弁３４１を開いた状態にし、第２流路Ｆ２を排気流路とする。

空燃比センサ３５は、主排気管１１のうち上流触媒コンバータ３１の上流側に設けられる。空燃比センサ３５は、上流触媒コンバータ３５に流入する排気の空燃比（排気中の酸素に対する燃料成分（ＨＣ，ＣＯ等）の比）を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。なおこの空燃比センサ３５としては、例えば、リッチな領域からリーンな領域までの間でリニアな出力特性を有するものが用いられる。

排気温度センサ３６は、バイパス管１１２のうち中間触媒コンバータ３２の下流側に設けられる。この排気温度センサ３６は、中間触媒コンバータ３２から流出する排気の温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。中間触媒コンバータ３２のＮＯｘ触媒の温度は、例えばこの排気温度センサ３６の出力に基づいて、ＥＣＵ６における演算によって推定される。

ＥＣＵ６は、センサの検出信号をＡ／Ｄ変換するＩ／Ｏインターフェース、以下で説明する燃料噴射制御や後述の図８〜図１４等に示すフローチャートに沿った処理を実行するＣＰＵ、この処理の下で決定した態様で各種デバイスを駆動する駆動回路、及び各種データを記憶するＲＡＭやＲＯＭ等で構成されるマイクロコンピュータである。

ＥＣＵ６における燃料噴射制御では、リーン運転モードと、ストイキ運転モードと、弱リッチ運転モードと、再生運転モードと、の主に４種の運転モードが定義されており、選択された運転モードの下で燃料噴射弁１７からの燃料噴射量等を決定する。

リーン運転モードとは、空燃比をストイキよりリーンにする運転モードであり、最も基本的な運転モードとなっている。リーン運転モードが選択されている場合には、ＥＣＵ６は、図示しないマップを検索することによって算出された基本噴射量Ｇｆｕｅｌ＿ｂｓを燃料噴射量Ｇｆｕｅｌとして決定する（下記式（１）参照）。
Ｇｆｕｅｌ＝Ｇｆｕｅｌ＿ｂｓ （１）

ストイキ運転モードとは、空燃比センサ３５の出力を用いたフィードバック制御によって空燃比をストイキにする運転モードであり、所定の条件が満たされたことに応じて選択される。ストイキ運転モードが選択されている場合には、ＥＣＵ６は、下記式（２）に示すように、基本噴射量Ｇｆｕｅｌ＿ｂｓに、所定のフィードバック補正係数ＫＡＦを乗算したものを燃料噴射量Ｇｆｕｅｌとして決定する。下記式（２）において、補正係数ＫＡＦは、空燃比センサ３５の出力がストイキになるように既知のフィードバック制御則に従って算出される。
Ｇｆｕｅｌ＝Ｇｆｕｅｌ＿ｂｓ×ＫＡＦ （２）

弱リッチ運転モードとは、空燃比をストイキよりややリッチ（所謂、弱リッチ）にする運転モードであり、後述の還元要求フラグＦ＿ＣＲＤが“１”である場合に選択される。上流触媒コンバータ３１に設けられる三元触媒は、排気中の酸素を貯蔵する機能を有する。したがって、減速に伴って燃料噴射を一時的に停止する燃料カット復帰直後や、リーン運転モードからストイキ運転モードへの移行直後等には、三元触媒の酸素貯蔵量が最大となっており、ＮＯｘ浄化性能が一時的に低下した状態となっている。

弱リッチ運転モードでは、三元触媒に流入する排気の空燃比を弱リッチにする還元処理を行うことにより、三元触媒に貯蔵された酸素を還元する。この弱リッチ運転モードが選択されている場合には、ＥＣＵ６は、下記式（３）に示すように、基本噴射量Ｇｆｕｅｌ＿ｂｓに、空燃比センサ３５の出力が弱リッチになるように既知のフィードバック制御則に従って算出されたフィードバック補正係数ＫＡＦと、所定の弱リッチ時補正係数ＫＣＲＤを乗算したものを燃料噴射量Ｇｆｕｅｌとして決定する。この補正係数ＫＣＲＤは、リッチシフト量を微調整するために導入される１以下の正の実数であり、後述の図９に示す手順に従って算出される。
Ｇｆｕｅｌ＝Ｇｆｕｅｌ＿ｂｓ×ＫＡＦ×ＫＣＲＤ （３）

再生運転モードとは、空燃比をストイキ又はストイキよりリッチにしながら昇温制御を実行する運転モードであり、後述の再生要求フラグＦ＿ｒｇｎが“１”である場合に選択される。中間触媒コンバータ３２に設けられるＮＯｘ触媒は、図２〜図７を参照して説明したように低温時にＮＯｘを吸着し、高温時に吸着したＮＯｘを脱離する特性がある。しかしながら、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの吸着量が増加するとその吸着性能も低下してしまうため、ＮＯｘ吸着量がある程度増加したら、ＮＯｘ触媒の温度を昇温し、ＮＯｘを強制的に脱離することが好ましい。

再生運転モードでは、ＮＯｘ触媒の温度を脱離温度より高くしかつＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をストイキ又はリッチにする再生処理を行うことにより、ＮＯｘに吸着されていたＮＯｘを還元浄化する。この再生運転モードが選択されている場合には、ＥＣＵ６は、下記式（４）に示すように、基本噴射量Ｇｆｕｅｌ＿ｂｓに、空燃比センサ３５の出力がストイキ又はストイキよりリッチになるように既知のフィードバック制御則に従って算出されたフィードバック補正係数ＫＡＦを乗算したものを燃料噴射量Ｇｆｕｅｌとして決定する。また排気の昇温制御は、例えば、通常の運転状態におけるエンジンの燃焼パラメータに対して、ポスト噴射、アフター噴射、及びメイン噴射等の噴射タイミングを遅角化することによって実現される。
Ｇｆｕｅｌ＝Ｇｆｕｅｌ＿ｂｓ×ＫＡＦ （４）

以上のように、還元要求フラグＦ＿ＣＲＤが“１”になると弱リッチ運転モードが選択され、再生要求フラグＦ＿ｒｇｎが“１”になると再生運転モードが選択されるが、両フラグが同時に“１”になる場合もある。すなわち、三元触媒の還元要求とＮＯｘ触媒の再生要求とが同時に発生する場合もあるが、このような場合には、三元触媒の還元処理とＮＯｘ触媒の再生処理とが同時に行われるように、燃料噴射量については上記式（３）に従って決定しつつ同時に昇温制御を実行することが好ましい。

図８は、ＮＯｘ触媒の再生要求を発生するタイミングを決定する手順を示すフローチャートである。図８の処理は、エンジンを始動するイグニッションスイッチ（図示せず）がオンにされたことに応じて、ＥＣＵにおいて所定の制御周期の下で繰り返し実行される。

以下で説明するように、図８の処理では、所定の条件に応じて再生要求フラグＦ＿ｒｇｎを“１”又は“０”の何れかにセットする。このフラグＦ＿ｒｇｎは、ＮＯｘ触媒の再生処理の実行が要求された状態であることを明示するフラグであり、エンジンのクランキング時には“０”にリセットされる。すなわち、図８の処理においてフラグＦ＿ｒｇｎが“１”にセットされると、上述のようにＮＯｘ触媒の再生処理が実行される。

Ｓ１では、ＥＣＵは、スタートフラグＦ＿ＳＴＭＯＤが“１”であるか否かを判定する。このフラグＦ＿ＳＴＭＯＤは、エンジンの始動開始直後であることを明示するフラグであり、エンジンのクランキング時に“１”にセットされ、後述のＳ３において“０”にリセットされる。また、フラグＦ＿ＳＴＭＯＤは、後述のＳ３においてリセットされた後は、再度エンジンのクランキング時に“１”にセットされるまで“０”に維持される。

Ｓ１の判定がＹＥＳである場合、すなわちエンジンの始動開始直後である場合には、ＥＣＵは、再生要求フラグＦ＿ｒｇｎを“１”にセットし（Ｓ２参照）、スタートフラグＦ＿ＳＴＭＯＤを“０”にリセットし（Ｓ３参照）、この処理を終了する。すなわち、図８の処理では、エンジンの始動開始直後には、強制的にフラグＦ＿ｒｇｎを“１”にし、ＮＯｘ触媒の再生処理を開始させる。Ｓ１の判定がＮＯである場合には、ＥＣＵは、再生要求フラグＦ＿ｒｇｎが“１”であるか否かを判定する（Ｓ４参照）。

Ｓ４の判定がＹＥＳである場合、すなわちＮＯｘ触媒の再生要求が生じている場合には、ＥＣＵは、現在のＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着量の推定値ΣＮＯｘを取得し、この推定値ΣＮＯｘを用いて再生処理を終了させる時期に達したか否かを判定する。より具体的には、推定値ΣＮＯｘが所定の下限閾値Ｌｉｍ＿Ｌより小さいか否かを判定する（Ｓ５参照）。なお現在のＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着量の推定値ΣＮＯｘは、後述の図１１の処理において所定の制御周期毎に更新される。ＮＯｘ触媒の再生処理が実行されると、ＮＯｘ触媒の温度が上昇し、それまでに吸着されていたＮＯｘは脱離し、還元浄化される。したがって、フラグＦ＿ｒｇｎが“１”にセットされている間は、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着量は徐々に減少する。ＥＣＵは、Ｓ５の判定がＮＯである場合には、ＮＯｘ触媒に吸着されていたＮＯｘは未だ十分に還元浄化されていないと判断し、フラグＦ＿ｒｇｎを“１”に維持したままこの処理を終了する。ＥＣＵは、Ｓ５の判定がＹＥＳである場合には、ＮＯｘは十分に還元浄化されたと判断し、再生処理を終了すべくフラグＦ＿ｒｇｎを“０”にリセットし（Ｓ６参照）、この処理を終了する。

Ｓ４の判定がＮＯである場合、すなわちＮＯｘ触媒の再生要求が生じていない場合には、ＥＣＵは、ＮＯｘ吸着量の推定値ΣＮＯｘを取得し、この推定値ΣＮＯｘを用いて再生処理を開始させる時期に達したか否かを判定する。より具体的には、推定値ΣＮＯｘが上記下限閾値Ｌｉｍ＿Ｌよりも大きな値に設定された上限閾値Ｌｉｍ＿Ｈより小さいか否かを判定する（Ｓ７参照）。ＥＣＵは、Ｓ７の判定がＹＥＳである場合には、まだ再生処理を開始する必要は無いと判断し、フラグＦ＿ｒｇｎを“０”に維持したままこの処理を終了する。ＥＣＵは、Ｓ７の判定がＮＯである場合には、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着機能を回復させる必要があると判断し、再生処理を開始すべくフラグＦ＿ｒｇｎを“１”にセットし（Ｓ８参照）、この処理を終了する。またここでフラグＦ＿ｒｇｎを“１”にセットされたことに応じて、排気流路は第２流路に設定される（後述の図９のＳ１５又はＳ１８参照）。

図９は、排気流路を設定する手順を示すフローチャートである。図９の処理は、図８の処理と同様に、エンジンを始動するイグニッションスイッチ（図示せず）がオンにされたことに応じて、ＥＣＵにおいて所定の制御周期の下で繰り返し実行される。

以下で説明するように、図９の処理では、所定の条件に応じて流路フラグＦ＿ＰＺを“１”又は“０”の何れかにセットする。このフラグＦ＿ＰＺは、ＮＯｘ触媒に排気を通流させることが要求された状態であることを明示するフラグである。すなわち排気流路としてＮＯｘ触媒を経由する第２流路が選択されている場合には、フラグＦ＿ＰＺは“１”に設定される。また排気流路としてＮＯｘ触媒を迂回する第１流路が選択されている場合には、フラグＦ＿ＰＺは“０”に設定される。

Ｓ１１では、ＥＣＵは、燃料カットフラグＦ＿ＦＣが“１”であるか否かを判定する。この燃料カットフラグＦ＿ＦＣは、減速時に燃料噴射を一時的に停止する燃料カットを実行している最中であることを示すフラグであり、車両の走行状態に応じて図示しない処理によって更新される。Ｓ１１の判定がＹＥＳである場合、すなわち現在燃料カット期間中である場合には、フラグＦ＿ＰＺを“０”にセットし（Ｓ１２参照）、この処理を終了する。したがって、燃料カット期間中である場合には、ＮＯｘ触媒がどのような状態であっても、排気流路はＮＯｘ触媒を迂回する第１流路に設定される。これにより、燃料カット期間中におけるＮＯｘ触媒の熱負荷を軽減するとともに、燃料カット復帰後に備えてＮＯｘ触媒の温度上昇を抑制することができる。

Ｓ１１の判定がＮＯである場合、ＥＣＵは、還元要求フラグＦ＿ＣＲＤが“１”であるか否かを判定する（Ｓ１３参照）。この還元要求フラグＦ＿ＣＲＤは、上流側の三元触媒の還元処理の実行が要求された状態であることを明示するフラグであり、エンジンのクランキング時には“０”にリセットされる。また、このフラグＦ＿ＣＲＤは、燃料カットが終了したことに応じて（すなわち、図示しない処理によりフラグＦ＿ＦＣが“１”から“０”にリセットされたことに応じて）、“０”から“１”にセットされる。また、フラグＦ＿ＣＲＤは、“１”にセットされた後は、所定時間が経過したことに応じて“０”にリセットされる。

Ｓ１３の判定がＮＯである場合、ＥＣＵは、再生要求フラグＦ＿ｒｇｎが“１”であるか否かを判定する（Ｓ１４参照）。ＥＣＵは、Ｓ１４の判定がＹＥＳである場合、すなわち、ＮＯｘ触媒の再生処理が要求されている場合には、フラグＦ＿ＰＺを“１”にセットし（Ｓ１５参照）、この処理を終了する。これにより、再生処理が実行されている間は、排気流路はＮＯｘ触媒を経由する第２流路に設定される。ＥＣＵは、Ｓ１４の判定がＮＯである場合には、フラグＦ＿ＰＺを“０”にセットし（Ｓ１６参照）、この処理を終了する。

Ｓ１３の判定がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、再生要求フラグＦ＿ｒｇｎが“１”であるか否かを判定する（Ｓ１７参照）。ＥＣＵは、Ｓ１７の判定がＹＥＳである場合、すなわち三元触媒の還元処理及びＮＯｘ触媒の再生処理の両方が要求されている場合には、フラグＦ＿ＰＺを“１”にセットし（Ｓ１８参照）、後述のＳ３０に移る。Ｓ１７の判定がＮＯである場合、すなわち還元処理の実行のみが要求されている場合には、ＥＣＵは、ＮＯｘ触媒の温度を取得し、触媒温度がＮＯｘ脱離温度よりも低いか否かを判定する（Ｓ１９参照）。ＥＣＵは、Ｓ１９の判定がＹＥＳである場合にはフラグＦ＿ＰＺを“０”にセットし（Ｓ２０参照）、後述のＳ３０に移り、Ｓ１９の判定がＮＯである場合にはフラグＦ＿ＰＺを“１”にセットし（Ｓ２１参照）、後述のＳ３１に移る。従って、以上のＳ１７〜Ｓ２１の処理をまとめると、三元触媒の還元処理を行っている間は、ＮＯｘ触媒の温度が脱離温度よりも低くＮＯｘ触媒でＮＯｘを吸着できる場合、又はＮＯｘ触媒の再生処理を行っている場合のみ、排気流路は第２流路に設定される。

Ｓ３０又はＳ３１の処理では、ＥＣＵは、弱リッチ時補正係数ＫＣＲＤの値を０から１の間で決定する。この補正係数ＫＣＲＤは、還元処理の実行時に空燃比を弱リッチにする際にストイキからのリッチシフト量を微調整するために上述のように基本噴射量に乗算して用いられる。すなわち、補正係数ＫＣＲＤの値が小さくなるほど、リッチシフト量は小さくなる。

ＥＣＵは、Ｓ１７の判定がＹＥＳである場合又はＳ１９の判定がＮＯである場合、すなわちＮＯｘ触媒の再生処理が行われているか又はＮＯｘ触媒の温度が脱離温度より高いためにＮＯｘ触媒がＮＯｘ吸着機能を発揮できない状態である場合には、三元触媒のＮＯｘ浄化性能を速やかに回復させるため、補正係数ＫＣＲＤの値を最大値である１に設定し（Ｓ３０参照）、この処理を終了する。

またＥＣＵは、Ｓ１７の判定がＮＯでありかつＳ１９の判定がＹＥＳである場合、すなわち三元触媒のＮＯｘ浄化性能の低下をＮＯｘ触媒で補うことができる状態である場合には、リッチシフト量を微調整すべくＳ３１に移る。Ｓ３１では、ＥＣＵは、三元触媒における酸素の最大貯蔵量の推定値又はこれと相関のある劣化パラメータの推定値を既知の方法によって取得し、この推定値を用いて補正係数ＫＣＲＤの値を１より小さな値で設定し（Ｓ３１参照）、この処理を終了する。

図１０は、最大貯蔵量の推定値を用いて補正係数ＫＣＲＤの値を決定するマップの一例である。図１０に示すように、補正係数ＫＣＲＤの値は、１より小さな範囲内において、最大貯蔵量が小さくなるほど小さくなるように設定される。

以上のＳ３０〜Ｓ３１の処理によれば、還元処理の実行時におけるリッチシフト量は、排気流路が第２流路側に設定されておりかつＮＯｘ触媒の再生処理が行われていない場合には、排気流路が第１流路側に設定されている場合よりも小さく設定される。

図１１は、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸着量の推定値ΣＮＯｘを算出する手順を示すフローチャートである。図１１の処理は、図８及び図９の処理と同様に、エンジンを始動するイグニッションスイッチ（図示せず）がオンにされたことに応じて、ＥＣＵにおいて所定の制御周期の下で繰り返し実行される。

Ｓ５１では、ＥＣＵは、流路フラグＦ＿ＰＺが“１”であるか否かを判定する。ＥＣＵは、Ｓ５１の判定がＮＯである場合、すなわち排気流路が第１流路に設定されている場合には、ＮＯｘ吸着量は変化しないと判断し、推定値ΣＮＯｘを前回値に維持したままこの処理を終了する。

Ｓ５１の判定がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、現在のＮＯｘ触媒の温度を取得し、これが脱離温度より低いか否かを判定する（Ｓ５２参照）。ＥＣＵは、Ｓ５２の判定がＹＥＳである場合、すなわちＮＯｘ触媒にＮＯｘが吸着し得る状態である場合には、以下のＳ５３〜Ｓ５４の処理を行うことによって推定値ΣＮＯｘを増加側へ更新する。またＥＣＵは、Ｓ５２の判定がＮＯである場合、すなわちＮＯｘ触媒からＮＯｘが脱離し得る状態である場合には、以下のＳ５５〜Ｓ５６の処理を行うことによって推定値ΣＮＯｘを減少側へ更新する。

Ｓ５３では、ＥＣＵは、ＮＯｘ触媒における新規吸着量ａｄｎｏｘを算出し、Ｓ５４に移る。この新規吸着量ａｄｎｏｘは、前回から今回までの制御周期の間にＮＯｘ触媒に新たに吸着したＮＯｘの量に相当する。この新規吸着量ａｄｎｏｘは、例えば下記式に示すように、ＮＯｘ流入量ｉｎｎｏｘに、ＮＯｘ吸着率ηｎｏｘ及び吸着率補正係数ｋηｎｏｘを乗算することによって算出される。Ｓ５４では、ＥＣＵは、推定値ΣＮＯｘの前回値に新規吸着量ａｄｎｏｘを加算することによって、推定値ΣＮＯｘを更新し、この処理を終了する。
ａｄｎｏｘ＝ｉｎｎｏｘ×ηｎｏｘ×ｋηｎｏｘ

ここで、ＮＯｘ流入量ｉｎｎｏｘとは、具体的には前回から今回までの制御周期の間にＮＯｘ触媒に流入したＮＯｘの量に相当する。この流入量ｉｎｎｏｘは、例えばエンジンの回転数及び負荷等に基づいて予め定められたマップ（図示せず）を検索することによって算出される。また吸着率ηｎｏｘは、ＮＯｘ触媒の温度を用いて図１２に示すような予め定められたマップを検索することによって算出される。また、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸着率は、そのＮＯｘ吸着量が増加するほど低下する。上記補正係数ｋηｎｏｘは、このＮＯｘ吸着量に応じたＮＯｘ吸着率の変化を考慮するために導入された係数である。この補正係数ｋηｎｏｘの具体的な値は、ＮＯｘ吸着量の推定値ΣＮＯｘを用いて図１３に示すようなマップを検索することによって算出される。補正係数ｋηｎｏｘは、例えば推定値ΣＮＯｘが０であるときに最大値である１になるように設定される（図１３参照）。

Ｓ５５では、ＥＣＵは、ＮＯｘ触媒における新規脱離量ｄｅｎｏｘを算出し、Ｓ５６に移る。この新規脱離量ｄｅｎｏｘは、前回から今回までの制御周期の間にＮＯｘ触媒から新たに脱離したＮＯｘの量に相当する。この脱離量ｄｅｎｏｘは、ＮＯｘ触媒の温度を用いて図１４に示すような予め定められたマップを検索することによって算出される。図１４に示すように、ＮＯｘ触媒から脱離するＮＯｘの量はＮＯｘ触媒の温度が高くなるほど多くなる。Ｓ５６では、ＥＣＵは、推定値ΣＮＯｘの前回値から新規脱離量ｄｅｎｏｘを減算することによって、推定値ΣＮＯｘを更新し、この処理を終了する。

次に、以上のような排気浄化装置の具体的な動作例について、タイムチャートを参照しながら説明する。

図１５は、エンジンの始動直後における排気浄化装置の動作例を示すタイムチャートである。図１５には、上段から順に、本実施形態の排気浄化装置における各種フラグ（Ｆ＿ＳＴＭＯＤ，Ｆ＿ｒｇｎ，Ｆ＿ＰＺ）、ＮＯｘ吸着量の推定値ΣＮＯｘ、ＮＯｘ触媒の温度、及びテールパイプから排出されるＮＯｘ量を示す。また図１５には、三元触媒のみを用いた従来の排気浄化装置におけるＮＯｘ量を、比較のため破線で示す。

始めに、時刻ｔ０においてイグニッションスイッチを操作してエンジンを始動した時点では、スタートフラグＦ＿ＳＴＭＯＤは“１”に設定される。これにより、時刻ｔ１では再生要求フラグＦ＿ｒｇｎは“１”に設定され（図８のＳ１→Ｓ２参照）、流路フラグＦ＿ＰＺも“１”に設定される（図９のＳ１１→Ｓ１３→Ｓ１４→Ｓ１５参照）。

従来の排気浄化装置では、三元触媒が活性温度に達する時刻ｔ３までの間、三元触媒で浄化できなかったＮＯｘがテールパイプから排出される場合がある（図１５の破線参照）。これに対し本実施形態の排気浄化装置では、以上のようにフラグが設定されたことに応じて、時刻ｔ１からフラグＦ＿ｒｇｎが“０”にリセットされる時刻ｔ４まで、排気流路はＮＯｘ触媒を経由する第２流路に設定されるとともに空燃比をストイキにしさらに昇温制御を行う再生処理が実行される。このため、三元触媒で浄化できなかったＮＯｘは、ＮＯｘ触媒によって吸着されるので、テールパイプからの排出を抑制できる。

図１５に示すようにＮＯｘ触媒の温度は、昇温制御を実行することによって時刻ｔ２において脱離温度を超える。このため時刻ｔ２では、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸着量は減少に転じる。なおこの際、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をストイキとすることにより、ＮＯｘ触媒から脱離したＮＯｘが還元されずにテールパイプから排出することもない。

その後時刻ｔ４では、吸着量の推定値ΣＮＯｘが下限閾値Ｌｉｍ＿Ｌを下回ったことに応じて、再生要求フラグＦ＿ｒｇｎが“１”から“０”にリセットされ、これにより再生処理が終了する（図８のＳ１→Ｓ４→Ｓ５→Ｓ６参照）。またフラグＦ＿ｒｇｎが“０”にリセットされたことに応じて、流路フラグＦ＿ＰＺも“０”にセットされる（図９のＳ１１→Ｓ１３→Ｓ１４→Ｓ１６参照）。これ以降は、エンジンから排出されるＮＯｘは、活性に達した三元触媒によって還元される。また、エンジンの始動直後は、ＮＯｘ触媒の再生処理が完了した後は、排気流路を第１流路に切り替えることにより、ＮＯｘ触媒にかかる熱負荷を低減できる。

図１６は、燃料カット直後における排気浄化装置の動作例を示すタイムチャートである。図１６には、上段から順に、本実施形態の排気浄化装置における各種フラグ（Ｆ＿ＦＣ，Ｆ＿ＣＲＤ，Ｆ＿ＰＺ）、テールパイプから排出されるＮＯｘ量、及び燃料噴射量を示す。また図１５には、三元触媒のみを用いた従来の排気浄化装置におけるＮＯｘ量及び燃料噴射量を比較のため破線で示す。

始めに、時刻ｔ０において燃料カットフラグＦ＿ＦＣが“１”にセットされ、燃料カットが開始すると、本実施形態の排気浄化装置では、流路フラグＦ＿ＰＺを“０”にし、排気流路を強制的に第１流路に設定する。この間、ＮＯｘ触媒には高温の排気が流入することが無いので、ＮＯｘ触媒にかかる熱負荷を軽減できる。

次に、時刻ｔ１において燃料カットフラグＦ＿ＦＣが“１”から“０”にリセットされ、燃料カット期間が経過すると、上述のように三元触媒の還元処理を開始すべく還元要求フラグＦ＿ＣＲＤが“０”から“１”に設定される。還元要求が発生すると、本実施形態の排気浄化装置では、ＮＯｘ触媒の再生処理中でないか否か（図９のＳ１７参照）、及びＮＯｘ触媒がＮＯｘを吸着できる状態であるか否か（図９のＳ１９参照）を判定し、これらの判定結果が何れも肯定的であった場合には、流路フラグＦ＿ＰＺを“１”に設定し（図９のＳ２１参照）、排気流路を第２流路に切り替える。

図１６において破線で示すように、従来の排気浄化装置では還元処理中の三元触媒において十分に還元浄化できなかったＮＯｘは、そのままテールパイプから排出してしまう場合がある。これに対し本実施形態の排気浄化装置では、燃料カット期間が経過した後には排気流路をＮＯｘ触媒を通過する第２流路に切り替えることにより、三元触媒で浄化できなかったＮＯｘをＮＯｘ触媒に吸着させることができるので、テールパイプから排出されるＮＯｘの量を従来よりも抑制できる。

また本実施形態の排気浄化装置では、三元触媒に貯蔵された酸素を還元するために空燃比を弱リッチにしている間に、排気流路を第２流路に設定する場合、弱リッチ時補正係数ＫＣＲＤの値を最大値である１よりも小さな値に設定し、リッチシフト量を小さくする（図９のＳ３１参照）。これにより、図１６に示すように、三元触媒の還元処理にかかる燃料噴射量を従来よりも抑制できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。

１…エンジン（内燃機関）
１１…排気管（排気通路）
２…排気浄化装置
３１…上流触媒コンバータ（三元触媒）
３２…中間触媒コンバータ（ＮＯｘ触媒）
３４…排気流路切替機構（切替機構）
３６…排気温度センサ（触媒温度取得手段）
６…ＥＣＵ（排気流路制御手段、触媒温度取得手段、吸着量取得手段、再生制御手段、再生要求発生手段、還元制御手段）

Claims (10)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた三元触媒と、
   前記排気通路に設けられかつゼオライトからなる担体及び当該担体に担持されたＰｄを有するＮＯｘ触媒と、を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記内燃機関の排気流路を、前記三元触媒を通過し前記ＮＯｘ触媒を迂回する第１流路と、前記三元触媒及び前記ＮＯｘ触媒の両方を通過する第２流路と、で切り替える切替機構と、
   所定の条件に応じて前記切替機構を前記第１流路側又は前記第２流路側で切り替える排気流路制御手段と、を備え、
   前記排気流路制御手段は、前記内燃機関における燃料噴射が一時的に停止される燃料カット期間中は前記切替機構を前記第１流路側に設定することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記ＮＯｘ触媒の温度を取得する触媒温度取得手段と、
   前記ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸着量を取得する吸着量取得手段と、を備え、
   前記排気流路制御手段は、前記取得したＮＯｘ触媒の温度及びＮＯｘ吸着量の両方又は何れかに基づいて前記切替機構を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記排気流路制御手段は、前記内燃機関の始動開始直後の所定期間には前記切替機構を前記第２流路側に設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記排気流路制御手段は、前記燃料カット期間が経過した後には前記切替機構を前記第１流路側から前記第２流路側に切り替えることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記ＮＯｘ触媒の温度を所定の脱離温度より高くしかつ当該ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をストイキ又はリッチにするＮＯｘ触媒再生処理を実行し、前記ＮＯｘ触媒に吸着されたＮＯｘを還元浄化する再生制御手段と、
   前記ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸着量が所定の上限閾値を超えた場合には前記再生制御手段に前記ＮＯｘ触媒再生処理の実行要求を発生する再生要求発生手段と、を備え、
   前記排気流路制御手段は、前記ＮＯｘ触媒再生処理の実行が要求されている間は前記切替機構を前記第２流路側に設定することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記ＮＯｘ触媒の温度を所定の脱離温度より高くしかつ当該ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をストイキ又はリッチにするＮＯｘ触媒再生処理を実行し、前記ＮＯｘ触媒に吸着されたＮＯｘを還元浄化する再生制御手段と、
   前記三元触媒に流入する排気の空燃比を所定の基準よりもリッチ側へシフトさせる還元処理を実行し、前記三元触媒に貯蔵された酸素を還元する還元制御手段と、を備え、
   前記排気流路制御手段は、前記還元処理を行っている間は、前記ＮＯｘ触媒の温度が所定の脱離温度よりも低い場合又は前記ＮＯｘ触媒再生処理を行っている場合に前記切替機構を前記第２流路側に設定することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 内燃機関の排気通路に設けられた三元触媒と、
   前記排気通路に設けられかつゼオライトからなる担体及び当該担体に担持されたＰｄを有するＮＯｘ触媒と、を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記内燃機関の排気流路を、前記三元触媒を通過し前記ＮＯｘ触媒を迂回する第１流路と、前記三元触媒及び前記ＮＯｘ触媒の両方を通過する第２流路と、で切り替える切替機構と、
   所定の条件に応じて前記切替機構を前記第１流路側又は前記第２流路側で切り替える排気流路制御手段と、
   前記三元触媒に流入する排気の空燃比を所定の基準よりもリッチ側へシフトさせる還元処理を実行し、前記三元触媒に貯蔵された酸素を還元する還元制御手段と、を備え、
   前記排気流路制御手段は、前記還元処理を行っている間は、前記ＮＯｘ触媒の温度が所定の脱離温度よりも低い場合に前記切替機構を前記第２流路側に設定することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記還元制御手段は、前記切替機構が前記第２流路側に設定されている場合には、前記第１流路側に設定されている場合よりも前記還元処理の実行時における排気の空燃比のリッチ側へのシフト量を小さくすることを特徴とする請求項６又は７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 内燃機関の排気通路に設けられた三元触媒と、
   前記排気通路に設けられかつゼオライトからなる担体及び当該担体に担持されたＰｄを有するＮＯｘ触媒と、を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記内燃機関の排気流路を、前記三元触媒を通過し前記ＮＯｘ触媒を迂回する第１流路と、前記三元触媒及び前記ＮＯｘ触媒の両方を通過する第２流路と、で切り替える切替機構と、
   所定の条件に応じて前記切替機構を前記第１流路側又は前記第２流路側で切り替える排気流路制御手段と、
   前記三元触媒に流入する排気の空燃比を所定の基準よりもリッチ側へシフトさせる還元処理を実行し、前記三元触媒に貯蔵された酸素を還元する還元制御手段と、を備え、
   前記排気流路制御手段は、前記還元処理を行っている間は、前記ＮＯｘ触媒の温度が所定の脱離温度以上である場合に前記切替機構を前記第１流路側に設定することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
10. 内燃機関の排気通路に設けられた三元触媒と、
    前記排気通路に設けられかつゼオライトからなる担体及び当該担体に担持されたＰｄを有するＮＯｘ触媒と、を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
    前記内燃機関の排気流路を、前記三元触媒を通過し前記ＮＯｘ触媒を迂回する第１流路と、前記三元触媒及び前記ＮＯｘ触媒の両方を通過する第２流路と、で切り替える切替機構と、
    所定の条件に応じて前記切替機構を前記第１流路側又は前記第２流路側で切り替える排気流路制御手段と、
    前記三元触媒に流入する排気の空燃比を所定の基準よりもリッチ側へシフトさせる還元処理を実行し、前記三元触媒に貯蔵された酸素を還元する還元制御手段と、を備え、
    前記還元制御手段は、前記切替機構が前記第２流路側に設定されている場合には、前記第１流路側に設定されている場合よりも前記還元処理の実行時における排気の空燃比のリッチ側へのシフト量を小さくすることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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