JPH09133032A - 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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JPH09133032A
JPH09133032A JP7292906A JP29290695A JPH09133032A JP H09133032 A JPH09133032 A JP H09133032A JP 7292906 A JP7292906 A JP 7292906A JP 29290695 A JP29290695 A JP 29290695A JP H09133032 A JPH09133032 A JP H09133032A
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catalyst
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rich
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Yukio Kinugasa
幸夫 衣笠
Takehisa Yaegashi
武久 八重樫
Kohei Igarashi
幸平 五十嵐
Takaaki Ito
隆晟 伊藤
Naoto Suzuki
直人 鈴木
Toshiaki Tanaka
俊明 田中
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 触媒の耐久性を確保する。 【解決手段】 排気通路内に配置された三元触媒８の下
流にＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａとしての銅ゼオライト触
媒を配置する。機関にリーン運転とリッチ運転とを交互
に繰り返し行わせる。リッチ運転が行われると三元触媒
８において排気中のＮＯX からＮＨ3 が生成され、この
ＮＨ3 は銅ゼオライト触媒に一時的に蓄えられる。リー
ン運転が行われると銅ゼオライト触媒からＮＨ3 が放出
され、このＮＨ3 によって排気中のＮＯX を浄化する。
リッチ運転が行われているとき、またはリッチ運転を開
始すべきときに銅ゼオライト触媒の温度を代表する、銅
ゼオライト触媒に流入する排気の温度ＴＡＣを推定し、
ＴＡＣが銅ゼオライト触媒のリッチ耐久温度に相当する
温度ＵＴＲになったらリーン運転またはストイキ運転を
行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】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】各気筒の燃焼室内における混合気の空燃
比を機関空燃比と称すれば、多気筒内燃機関の排気浄化
装置であって、該多気筒内燃機関の気筒のうち一部の気
筒に機関空燃比がリッチであるリッチ運転を連続的に行
わせ、残りの気筒に機関空燃比がリーンであるリーン運
転を連続的に行わせる運転制御手段と、リッチ運転が行
われる気筒に接続された第１の排気通路と、リーン運転
が行われる気筒に接続された排気通路であって第１の排
気通路とは異なる第２の排気通路と、第１の排気通路内
に配置されて該第１排気通路内を流通する排気中の窒素
酸化物ＮＯX からアンモニアＮＨ3 を生成するＮＨ3 生
成触媒と、ＮＨ3 生成触媒下流の第１の排気通路と第２
の排気通路とを互いに合流させる合流通路と、合流通路
内に配置されて第１の排気通路から流入するＮＨ3 と第
２排気通路から流入するＮＯX とを反応せしめることに
よりＮＯX を浄化する排気浄化触媒とを備えた内燃機関
の排気浄化装置が公知である（特開平４−３６５９２０
号公報参照）。この排気浄化装置において、ＮＨ3 生成
触媒には例えば三元触媒が用いられ、一方、排気浄化触
媒には例えばゼオライトにコバルト、銅、ニッケル、鉄
などを担持させたいわゆるゼオライト触媒が用いられ
る。排気通路内の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼
室および吸気通路内に供給された全燃料量に対する全空
気量の比をその位置を流通する排気の排気空燃比と称す
ると、このようなゼオライト触媒は一般に、ゼオライト
触媒に流入する排気の排気空燃比がリーンであるときの
耐久温度であるリーン耐久温度が、ゼオライト触媒に流
入する排気の排気空燃比がリッチのときの耐久温度であ
るリッチ耐久温度よりも高くなっている。ゼオライト触
媒の温度が耐久温度を越えて高くなるとゼオライト触媒
が著しく劣化する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の内燃
機関では燃料消費率低減のためにリーン運転が行われる
気筒数ができるだけ多いことが好ましく、この場合ゼオ
ライト触媒に流入する排気の大部分の排気空燃比はリー
ンとなっている。したがってゼオライト触媒の温度がリ
ーン耐久温度を越えて高くならないように例えばゼオラ
イト触媒に流入する排気の温度を制御すればゼオライト
触媒の耐久性を確保でき、したがって良好な排気浄化作
用を確保できると考えられる。ところが、この場合ゼオ
ライト触媒の温度がリーン耐久温度を越えて高くならな
いようにしたとしてもリッチ耐久温度よりも高い場合が
ある。しかしながら、上述の排気浄化装置において微視
的にみるとゼオライト触媒には、排気空燃比がリーンで
ある排気と、排気空燃比がリッチである排気とが交互に
繰り返し流入しており、したがって排気空燃比がリッチ
である排気がゼオライト触媒に流入したときにゼオライ
ト触媒温度がリッチ耐久温度よりも高くなっているとゼ
オライト触媒が著しく劣化し、斯くして良好な排気浄化
作用を確保することができなくなるという問題点があ
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明によれば、機関排気通路内に、流入する排気の
排気空燃比がリーンまたは理論空燃比であるときの耐久
温度が、流入する排気の排気空燃比がリッチであるとき
の耐久温度であるリッチ耐久温度よりも高い触媒を備
え、機関運転状態に応じて該触媒に流入する排気の排気
空燃比がリッチとなるようにした内燃機関において、触
媒に流入する排気の排気空燃比をリッチにすべきときに
該触媒の温度を求めて該温度がリッチ耐久温度になった
ときまたはリッチ耐久温度以上のときに触媒に流入する
排気の排気空燃比をリーンまたは理論空燃比にする排気
空燃比制御手段を具備した排気浄化装置が提供される。
すなわち本発明では、触媒に流入する排気の排気空燃比
を継続してリッチにすべきときに触媒の温度が上昇して
リッチ耐久温度になったとき、または触媒に流入する排
気の排気空燃比をリーンからリッチに変更すべきときに
触媒の温度がリッチ耐久温度のときに触媒に流入する排
気の排気空燃比がリーンまたは理論空燃比とされ、この
とき触媒の温度は耐久温度よりも低いので触媒が著しく
劣化するのが阻止される。
【０００５】
【発明の実施の形態】一般に窒素酸化物ＮＯX には、一
酸化窒素ＮＯ、二酸化窒素ＮＯ2 、二酸化四窒素Ｎ2 Ｏ
４、一酸化二窒素Ｎ2 Ｏなどが含まれうる。以下ではＮ
ＯX を主としてＮＯ、ＮＯ2 とした場合について説明す
るが、本発明の排気浄化装置は他の窒素酸化物を浄化す
ることもできる。
【０００６】図１を参照すると、火花点火式内燃機関か
らなる機関本体１は４つの気筒、すなわち１番気筒＃
１、２番気筒＃２、３番気筒＃３、４番気筒＃４を備え
ている。各気筒＃１〜＃４はそれぞれ対応する吸気枝管
２を介して共通のサージタンク３に接続され、サージタ
ンク３は吸気ダクト４を介して図示しないエアクリーナ
に接続される。各吸気枝管２内にはそれぞれ対応する気
筒に燃料、すなわち例えばガソリンを供給するための燃
料噴射弁５が配置される。一方、吸気ダクト４内にはア
クセルペダルの踏み込み量が大きくなるにつれて開度が
大きくなるスロットル弁６が配置される。なお、各燃料
噴射弁５は電子制御ユニット２０からの出力信号に基づ
いて制御される。
【０００７】一方、各気筒は共通の排気マニホルド７に
接続され、排気マニホルド７はＮＨ 3 生成触媒８を内蔵
した触媒コンバータ９に接続される。触媒コンバータ９
は次いで排気浄化触媒１０を内蔵したマフラ１１に接続
され、このマフラ１１は次いでＮＨ3 浄化触媒１２を内
蔵した触媒コンバータ１３に接続される。さらに図１に
示されるように、マフラ１１と触媒コンバータ１３間に
はＮＨ3 浄化触媒１２に２次空気を供給する２次空気供
給装置１４が配置される。この２次空気供給装置１４は
電子制御ユニット２０からの出力信号に基づいて制御さ
れる。
【０００８】電子制御ユニット２０はデジタルコンピュ
ータからなり、双方向性バス２１を介して相互に接続さ
れたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２、ＲＡＭ（ラン
ダムアクセスメモリ）２３、ＣＰＵ（マイクロプロセッ
サ）２４、入力ポート２５、および出力ポート２６を具
備する。サージタンク３にはサージタンク３内の圧力に
比例した出力電圧を発生する圧力センサ２７が取り付け
られ、この圧力センサ２７の出力電圧はＡＤ変換器２８
を介して入力ポート２５に入力される。ＣＰＵ２４では
ＡＤ変換器２８からの出力信号に基づいて吸入空気量が
算出される。また、排気マニホルド７の集合部には、排
気マニホルド７の集合部を流通する排気の排気空燃比に
応じた出力電圧を発生する空燃比センサ２９が取り付け
られ、この空燃比センサ２９の出力電圧はＡＤ変換器３
０を介して入力ポート２５に入力される。さらに、入力
ポート２５にはクランクシャフトが例えば３０度回転す
る毎に出力パルスを発生するクランク角センサ３１が接
続される。ＣＰＵ２４ではこの出力パルスに基づいて機
関回転数が算出される。一方、出力ポート２６はそれぞ
れ対応する駆動回路３２を介して各燃料噴射弁５および
２次空気供給装置１４に接続される。
【０００９】図１に示す例においてＮＨ3 生成触媒８は
三元触媒から構成される。この三元触媒８は担体の表面
上に形成された例えばアルミナからなるウオッシュコー
ト層上に例えばパラジウムＰｄ、白金Ｐｔ、ロジウムＲ
ｈなどの貴金属が担持されて形成されている。図２は三
元触媒の浄化率を示している。排気通路内の或る位置よ
りも上流の排気通路、燃焼室および吸気通路内に供給さ
れた全燃料量に対する全空気量の比をその位置を流通す
る排気の排気空燃比と称すると、図２に示されるように
三元触媒８に流入する排気の排気空燃比が理論空燃比
（Ａ／Ｆ）Ｓ（＝約１４．６、λ＝１．０）よりもリー
ンのときには三元触媒８はこの排気中のＮＯX を通過さ
せ、三元触媒８に流入する排気の排気空燃比が理論空燃
比（Ａ／Ｆ）Ｓよりもリッチとなるとこの排気中のＮＯ
X をアンモニアＮＨ3 に変換する。この場合のＮＨ 3 生
成メカニズムは必ずしも明らかにされていないが、排気
空燃比がリッチである排気中のＮＯX の一部は以下に示
す式（１）〜（２）の反応によりＮＨ3 に転換されると
考えられている。
【００１０】 ５Ｈ2 ＋２ＮＯ →２ＮＨ3 ＋２Ｈ2 Ｏ （１） ７Ｈ2 ＋２ＮＯ2 →２ＮＨ3 ＋４Ｈ2 Ｏ （２） これに対し、残りのＮＯX は以下に示す式（３）〜
（６）の反応によりＮ2 に還元されると考えられてい
る。 ２ＣＯ＋２ＮＯ →Ｎ2 ＋２ＣＯ2 （３） ２Ｈ2 ＋２ＮＯ →Ｎ2 ＋２Ｈ2 Ｏ （４） ４ＣＯ＋２ＮＯ2 →Ｎ2 ＋４ＣＯ2 （５） ４Ｈ2 ＋２ＮＯ2 →Ｎ2 ＋４Ｈ2 Ｏ （６） したがって三元触媒８に流入する排気の排気空燃比がリ
ッチであるときには三元触媒８に流入したＮＯX はＮＨ
3 またはＮ2 のいずれかに変換され、すなわちＮＯX が
三元触媒８から排出されるのが阻止されている。
【００１１】三元触媒８に流入したＮＯX がＮＨ3 に変
換されるときの変換効率ＥＴＡは、図２に示すように三
元触媒８に流入する排気の排気空燃比が理論空燃比から
小さくなるにつれて大きくなり、極大値を越えると小さ
くなる。図２に示す例では三元触媒８に流入する排気の
排気空燃比が約１３．８（空気過剰率λが約０．９５）
のときに変換効率ＥＴＡが極大となる。なお、図１の内
燃機関では、後述する理由から、三元触媒８に流入する
排気の排気空燃比がリッチであるときにできるだけ多量
のＮＨ3 を発生させるのが好ましい。そこで三元触媒８
にはパラジウムＰｄを担持した三元触媒が用いられる。
パラジウムＰｄを担持した三元触媒では流入する排気の
排気空燃比がリッチであるときにＨＣの浄化率を高める
こともできる。また、ロジウムＲｈを担持した三元触媒
ではＮＨ3 の発生が抑制される。そこで三元触媒８には
ロジウムＲｈを担持していない三元触媒が好ましい。
【００１２】一方、図１に示す例において排気浄化触媒
１０はＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａを備えている。このＮ
Ｈ3 吸着酸化触媒１０ａは例えば担体の表面上に銅ゼオ
ライト、白金・銅ゼオライト、或いは鉄ゼオライトを担
持したいわゆるゼオライト系脱硝触媒から形成される。
しかしながら、ＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａを、ゼオライ
ト、シリカ、シリカアルミナ、チタニアなどの固体酸を
含むと共に鉄Ｆｅ、銅Ｃｕなどの遷移金属或いは白金Ｐ
ｔ、パラジウムＰｄなどの貴金属などを担持した触媒か
ら形成してもよい。
【００１３】このＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａは流入する
排気中のＮＨ3 を吸着すると共に流入する排気中のＮＨ
3 濃度が低くなると吸着しているＮＨ3 を放出し、この
とき酸化雰囲気であると、例えばＮＨ3 吸着酸化触媒１
０ａに流入する排気の排気空燃比がリーンであるとこの
ＮＨ3 の全量を酸化する。この場合のＮＨ3 酸化メカニ
ズムも必ずしも明らかにされていないがＮＨ3 吸着酸化
触媒１０ａから放出されたＮＨ3 は次式（７）〜（１
０）の反応により酸化されると考えられている。
【００１４】 ４ＮＨ3 ＋７Ｏ2 → ４ＮＯ2 ＋６Ｈ2 Ｏ （７） ４ＮＨ3 ＋５Ｏ2 → ４ＮＯ ＋６Ｈ2 Ｏ （８） ８ＮＨ3 ＋６ＮＯ2 →１２Ｈ2 Ｏ＋７Ｎ2 （９） ４ＮＨ3 ＋４ＮＯ＋Ｏ2 → ６Ｈ2 Ｏ＋４Ｎ2 （１０） 式（９）および（１０）の脱硝反応では式（７）および
（８）の反応により生じたＮＯX と、ＮＨ3 吸着酸化触
媒１０ａに流入する排気中のＮＯX とが還元される。
【００１５】ところで、ＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａを銅
ゼオライト触媒から構成した場合、ＮＨ3 吸着酸化触媒
１０ａの温度が２８０℃から５００℃程度のときにＮＨ
3 吸着酸化触媒１０ａが良好に酸化・脱硝反応を行うこ
とが実験により確かめられている。一方、ＮＨ3 吸着酸
化触媒１０ａをマフラ１１内に配置すればＮＨ3 吸着酸
化触媒１０ａの温度を２８０℃から５００℃程度に維持
できることも確かめられている。そこで本実施態様では
ＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａをマフラ１１内に配置し、そ
れによってＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａの良好な酸化・脱
硝反応を確保するようにしている。
【００１６】ＮＨ3 浄化触媒１２は担体の表面上に形成
された例えばアルミナからなるウオッシュコート層上に
例えば鉄Ｆｅ、銅Ｃｕなどの遷移金属或いは白金Ｐｔ、
パラジウムＰｄなどの貴金属などが担持されて形成され
ている。このＮＨ3 浄化触媒１２では酸化雰囲気である
と、すなわち例えばＮＨ3 浄化触媒１２に流入する排気
の排気空燃比がリーンであるとＮＨ3 が浄化される。こ
の場合、ＮＨ3 浄化触媒１２では上述の式（７）〜（１
０）の酸化・脱硝反応が行われ、それによってＮＨ3 が
浄化されると考えられている。本実施態様ではＮＨ3 吸
着酸化触媒１０ａから排出される排気中のＮＨ3 濃度は
基本的に零であるが、ＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａからＮ
Ｈ3 が排出されたとしてもこのＮＨ3 浄化触媒１２によ
って浄化されるのでＮＨ3 が大気中に排出されるのが阻
止されている。
【００１７】ところで、図１の内燃機関では次式に基づ
いて燃料噴射時間ＴＡＵが算出される。 ＴＡＵ＝ＴＢ・（（Ａ／Ｆ）Ｓ／（Ａ／Ｆ）Ｔ）・ＦＡ
Ｆ 各気筒の燃焼室内における混合気の空燃比を機関空燃比
と称すれば、ＴＢは機関空燃比を理論空燃比（Ａ／Ｆ）
Ｓとするのに最適な基本燃料噴射時間であって次式によ
り定められる。
【００１８】ＴＢ＝（Ｑ／Ｎ）・Ｋ ここでＱは吸入空気量、Ｎは機関回転数、Ｋは定数をそ
れぞれ表しており、したがって基本燃料噴射時間ＴＢは
機関１回転当たりの吸入空気量に定数を乗算したものと
して求められる。（Ａ／Ｆ）Ｔは機関空燃比の制御目標
値を表している。機関空燃比を理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓ
よりもリーンとすべく制御目標値（Ａ／Ｆ）Ｔを大きく
すると燃料噴射時間ＴＡＵが小さくなるので燃料噴射量
が減少され、機関空燃比を理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓより
もリッチとすべく制御目標値（Ａ／Ｆ）Ｔを小さくする
と燃料噴射時間ＴＡＵが大きくなるので燃料噴射量が増
大される。
【００１９】ＦＡＦは実際の機関空燃比を制御目標値
（Ａ／Ｆ）Ｔに一致させるためのフィードバック補正係
数を表している。このフィードバック補正係数ＦＡＦは
空燃比センサ２９の出力信号に基づいて定められる。図
１の内燃機関において空燃比センサ２９は排気空燃比の
広い範囲にわたって排気空燃比と１対１対応の連続信号
を発生するいわゆる全域空燃比センサから構成される。
全域空燃比センサ２９により検出された排気マニホルド
７内の排気の排気空燃比は機関空燃比に一致しており、
全域空燃比センサ２９により検出された機関空燃比が制
御目標値（Ａ／Ｆ）Ｔよりもリーンであるときにはフィ
ードバック補正係数ＦＡＦが増大されることにより燃料
噴射量が増大され、全域空燃比センサ２９により検出さ
れた機関空燃比が制御目標値（Ａ／Ｆ）Ｔよりもリッチ
であるときにはフィードバック補正係数ＦＡＦが減少さ
れることにより燃料噴射量が減少され、斯くして機関空
燃比が制御目標値（Ａ／Ｆ）Ｔに一致せしめられる。な
お、このフィードバック補正係数ＦＡＦは１．０を中心
として変動する。
【００２０】機関空燃比をさらに良好に検出するために
三元触媒８とＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａ間の排気通路、
またはＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａとＮＨ3 浄化触媒１２
間の排気通路内に追加の空燃比センサを設け、空燃比セ
ンサ２９の劣化に基づく機関空燃比の制御目標値（Ａ／
Ｆ）Ｔからのずれを補償するようにすることもできる。
これら空燃比センサには全域空燃比センサの他、例えば
排気空燃比が理論空燃比を越えて増大または低下したと
きに出力電圧がステップ状に変化するいわゆるＺ特性酸
素センサを用いることができる。また、これら複数の空
燃比センサの出力信号に基づいてこれら空燃比センサ間
に位置する触媒の劣化を検出するようにしてもよい。
【００２１】なお、図１の内燃機関では２次空気供給装
置１４上流の排気通路内に燃料または空気を２次的に供
給する装置が設けられていない。したがって２次空気供
給装置１４上流の排気通路内における排気の排気空燃比
は機関空燃比に一致することになる。すなわち、三元触
媒８に流入する排気の排気空燃比は機関空燃比に一致
し、排気浄化触媒１０に流入する排気の排気空燃比も機
関空燃比に一致する。これに対して２次空気供給装置１
４下流の排気通路内では、２次空気の供給が停止されて
いると２次空気供給装置１４下流の排気通路内における
排気の排気空燃比は機関空燃比に一致し、しかしながら
２次空気が供給されているときには機関空燃比よりもリ
ーンになる。
【００２２】次に、まず図３、図４（Ａ）、および図４
（Ｂ）を参照して図１の内燃機関の基本的な排気浄化方
法について説明する。図１の内燃機関では、排気空燃比
がリーンである排気とリッチである排気とを交互に繰り
返し形成してこれら排気を順次三元触媒８、排気浄化触
媒１０、およびＮＨ3 浄化触媒１２に流通させるように
している。すなわち、図３に示されるように三元触媒８
に流入する排気の排気空燃比が交互に繰り返しリーンと
リッチとにされる。三元触媒８に流入する排気の排気空
燃比がリッチとされると、図４（Ａ）に示されるように
この排気中のＮＯX は三元触媒８において上述の式
（１）および（２）の反応によりＮＨ3 またはＮ2 に変
換される。このＮＨ3 は次いでＮＨ3 吸着酸化触媒１０
ａに到る。この場合ＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａにおける
ＮＨ3 濃度は比較的高く、したがって排気中のほぼ全量
のＮＨ3 がＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａに吸着される。Ｎ
Ｈ3 がＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａに吸着されることなく
通過したとしてもこのＮＨ3 は下流のＮＨ3 浄化触媒１
３において酸化、浄化される。したがってＮＨ3 が大気
中に排出されるのが阻止されている。
【００２３】これに対し、三元触媒８に流入する排気の
排気空燃比がリーンとされたときには図４（Ｂ）に示さ
れるように排気中のＮＯX は三元触媒８を通過し、次い
でＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａに到る。この場合排気中の
ＮＨ3 濃度はほぼ零であるのでＮＨ3 吸着酸化触媒１０
ａから吸着されているＮＨ3 が放出される。このときＮ
Ｈ3 吸着酸化触媒１０ａに流入する排気の排気空燃比が
リーンであるのでＮＨ 3 吸着酸化触媒１０ａは酸化雰囲
気となっており、したがってＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａ
から放出されたＮＨ3 は上述の式（７）〜（１０）の反
応によって排気中のＮＯX を還元、浄化する。なお、浄
化すべきＮＯX 量に対し過剰のＮＨ3 がＮＨ3 吸着酸化
触媒１０ａから放出されたとしてもこのＮＨ3 は下流の
ＮＨ3 浄化触媒１１により酸化、浄化される。したがっ
てＮＨ3 が大気中に排出されるのが阻止されている。
【００２４】なお、ＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａに流入す
る排気中には炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ、または水
素Ｈ2 も含まれうる。これらＨＣおよびＣＯなどはＮＨ
3 と同様に還元剤として作用してＮＨ3 吸着酸化触媒１
０ａにおいてＮＯX の一部を還元すると考えられてい
る。しかしながら、ＮＨ3 の還元力はこれらＨＣおよび
ＣＯなどに比べて強く、したがってＮＨ3 を還元剤とし
て用いることによってＮＯX を確実に還元することがで
きる。
【００２５】このように三元触媒８に流入する排気の排
気空燃比がリッチのときには内燃機関から排出されたＮ
ＯX はＮＨ3 の形でＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａに吸着さ
れ、三元触媒８に流入する排気の排気空燃比がリーンの
ときには内燃機関から排出されたＮＯX はＮＨ3 吸着酸
化触媒１０ａから放出されたＮＨ3 によって還元され
る。したがって三元触媒８に流入する排気の排気空燃比
がリッチであってもリーンであってもＮＯX が大気中に
排出されるのが阻止されることになる。
【００２６】なお、ＮＨ3 浄化触媒１２の良好なＮＨ3
浄化作用を確保するためには上述したようにＮＨ3 浄化
触媒１２を酸化雰囲気に維持することが好ましく、した
がって２次空気供給装置１４はＮＨ3 浄化触媒１２に流
入する排気の排気空燃比が１５．３（λ＝１．０５）程
度に維持されるように２次空気を供給している。排気空
燃比がリッチである排気とリーンである排気とを形成す
るために、例えば排気マニホルド７内に空気を２次的に
供給する手段を設けて機関空燃比をリッチに維持しつつ
２次空気の供給を停止することにより排気空燃比がリッ
チの排気を形成し、機関空燃比をリッチに維持しつつ一
時的に２次空気を供給することにより排気空燃比がリー
ンの排気を形成するようにすることもできる。或いは、
排気マニホルド７内に燃料を２次的に供給する手段を設
けて機関空燃比をリーンに維持しつつ２次燃料の供給を
停止することにより排気空燃比がリーンの排気を形成
し、機関空燃比をリーンに維持しつつ一時的に２次燃料
を供給することにより排気空燃比がリッチの排気を形成
するようにすることもできる。一方、上述したように三
元触媒８に流入する排気の排気空燃比は機関空燃比に一
致している。そこで、図１の内燃機関では気筒の機関空
燃比を交互に繰り返しリーンとリッチとに制御すること
により三元触媒８に流入する排気の排気空燃比が交互に
繰り返しリーンとリッチとなるようにしている。すなわ
ち、内燃機関に機関空燃比がリッチであるリッチ運転を
行わせることにより三元触媒８に流入する排気の排気空
燃比がリッチとなるようにし、機関空燃比がリーンであ
るリーン運転を行わせることにより三元触媒８に流入す
る排気の排気空燃比がリーンとなるようにしている。
【００２７】三元触媒８に流入する排気の排気空燃比の
制御目標値を目標空燃比（Ａ／Ｆ）Ｔと称すると、機関
空燃比の制御目標値をこの目標空燃比（Ａ／Ｆ）Ｔにす
れば三元触媒８に流入する排気の排気空燃比が目標空燃
比（Ａ／Ｆ）Ｔに一致する。そこで、各気筒の機関空燃
比の制御目標値を目標空燃比（Ａ／Ｆ）Ｔに一致させて
この目標空燃比（Ａ／Ｆ）Ｔを図５に示されるように交
互に繰り返し理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓよりもリーンであ
るであるリーン空燃比（Ａ／Ｆ）Ｌと、理論空燃比（Ａ
／Ｆ）Ｓよりもリッチであるリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒ
とに制御し、それによって三元触媒８に流入する排気の
排気空燃比が交互に繰り返しリーンとリッチとになるよ
うにしている。この場合、リーン運転が行われる運転期
間をリーン運転期間ＴＬと称しかつリッチ運転が行われ
る運転期間をリッチ運転期間ＴＲと称すれば、互いに隣
接する１つのリーン運転期間ＴＬと１つのリッチ運転期
間ＴＲとによって周期が形成されることになる。
【００２８】このようにリッチ運転とリーン運転とを交
互に繰り返し行うことによって機関１から排出されるＮ
ＯX を良好に浄化することができ、したがってＮＯX が
大気中に排出されるのが阻止される。リッチ空燃比（Ａ
／Ｆ）Ｒはおよびリーン空燃比（Ａ／Ｆ）Ｌを機関運転
状態に応じて変動させるようにしてもよいが、本実施態
様では機関運転状態に依らずほぼ一定とされている。す
なわち、リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒは１４．０程度とさ
れ、リーン空燃比（Ａ／Ｆ）Ｌは２５．０程度とされて
いる。したがって、リッチ運転を行うべきときには目標
空燃比（Ａ／Ｆ）Ｔが約１４．０に維持され、リーン運
転を行うべきときには目標空燃比（Ａ／Ｆ）Ｔが約２
５．０に維持される。
【００２９】目標空燃比（Ａ／Ｆ）Ｔが２５．０のよう
に極めてリーンである場合、燃焼室内をほぼ均一に満た
す混合気を形成するとこの混合気は極度に希薄なために
点火プラグ（図示しない）により点火しても着火せず、
その結果失火してしまう。そこで図１の内燃機関では、
リーン運転を行うべきときには燃焼室内の限定された領
域内に着火可能な混合気を形成すると共にその他の領域
を空気のみまたは空気およびＥＧＲガスのみにより満た
して混合気を点火プラグにより着火するようにしてい
る。その結果、機関空燃比を極度にリーンとしたときに
も機関が失火するのが阻止される。或いは、燃焼室内に
均一混合気を形成すると共に旋回流を形成することによ
り失火しないようにすることもできる。
【００３０】ところで、冒頭で述べたように燃料消費率
はできるだけ小さいのが好ましく、したがってリーン運
転期間ＴＬをできるだけ長くしかつリッチ運転期間ＴＲ
をできるだけ短くするのが好ましい。特にＴＬ／ＴＲが
３以上であることが燃料消費率低減のために望ましい。
ところが、リーン運転期間ＴＬが長くなるにつれてＮＨ
3 吸着酸化触媒１０ａから放出されるＮＨ3 量が次第に
少なくなり、したがってリーン運転期間ＴＬが長くなり
すぎるとＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａに流入するＮＯX に
対しＮＨ3 が不足してＮＯX が還元されることなく大気
に放出される恐れがある。そこで本実施態様では、リー
ン運転が行われているときにＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａ
のＮＨ3 放出量を求めることによりＮＨ3 吸着酸化触媒
１０ａ内に残存しているＮＨ3 吸着量Ｓ（ＮＨ3 ）を求
め、このＮＨ3 吸着量Ｓ（ＮＨ3）が予め定められた最
小値ＭＩＮ（ＮＨ3 ）よりも少なくなったときにリーン
運転を停止し、すなわちリッチ運転を行うようにしてい
る。その結果、ＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａ内に流入した
ＮＯX が還元されることなく排出されるのが阻止され
る。
【００３１】一方、リッチ運転期間ＴＲは短いのが好ま
しいが、リッチ運転期間ＴＲが短すぎるとＮＯX を浄化
するのに十分なＮＨ3 がＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａに吸
着されず、ＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａに流入するＮＯX
量が大幅に増大したときにはＮＯX が浄化されることな
く排出される恐れがある。また、リッチ運転期間が短す
ぎると目標空燃比（Ａ／Ｆ）Ｔのリーン・リッチ変更作
用が頻繁に行われることになり、好ましくないドライバ
ビリティの悪化を招くことになる。ところが、リッチ運
転期間ＴＲが長くなりすぎるとＮＨ3 吸着酸化触媒１０
ａが飽和し、その結果多量のＮＨ3 がＮＨ3 吸着酸化触
媒１０ａから排出されることになる。そこで本実施態様
では、リッチ運転が行われているときにＮＨ3 吸着酸化
触媒１０ａのＮＨ3 吸着量Ｓ（ＮＨ3 ）を求め、このＮ
Ｈ3 吸着量がＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａの吸着容量に応
じて定まる最大値ＭＡＸ（ＮＨ3 ）よりも多くなったと
きにリッチ運転を停止し、すなわちリーン運転を行うよ
うにしている。したがって、本実施態様ではＮＨ3 吸着
酸化触媒１０ａのＮＨ3 吸着量に応じてリーン運転期間
ＴＬおよびリッチ運転期間ＴＲが定められることにな
る。
【００３２】ところでＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａに吸着
されているＮＨ3 量を直接求めることは困難である。そ
こで図１の内燃機関ではＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａに流
入するＮＨ3 量、すなわち三元触媒８において発生した
ＮＨ3 量からＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａに吸着されてい
るＮＨ3 量を推定するようにしている。この場合、三元
触媒８とＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａ間にＮＨ3 吸着酸化
触媒１０ａに流入するＮＨ3 流量を検出するセンサを取
り付け、このセンサにより検出されたＮＨ3 量に基づい
てＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａに吸着されているＮＨ3 量
を求めるようにしてもよい。しかしながら、三元触媒８
において発生するＮＨ3 量は三元触媒８に流入するＮＯ
X 量に基づいて推定することができる。そこで図１の内
燃機関では三元触媒８に流入するＮＯX 量に基づいて三
元触媒８において発生したＮＨ3量を推定し、このＮＨ
3 量に基づいてＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａに吸着されて
いるＮＨ3 量を推定するようにしている。すなわち、三
元触媒８に単位時間当たりに流入するＮＯX 量が増大す
るにつれて単位時間当たり三元触媒８で発生するＮＨ3
量が増大する。また、三元触媒８における変換効率ＥＴ
Ａが高くなるにつれて三元触媒８で発生するＮＨ3 量が
増大する。
【００３３】ところで機関回転数Ｎが高くなるにつれて
機関から単位時間に排出される排気量が増大するので機
関回転数Ｎが高くなるにつれて三元触媒８に単位時間当
たりに流入する流入ＮＯX 量が増大する。また、機関負
荷Ｑ／Ｎが高くなるにつれて機関から排出される排気量
が増大し、しかも燃焼温度が高くなるので流入ＮＯX量
が増大する。
【００３４】図６（Ａ）は一定のリーン空燃比（Ａ／
Ｆ）Ｌまたはリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒにおいて実験に
より求められた単位時間当たり機関から排出されるＮＯ
X 量Ｑ（ＮＯX ）と、機関負荷Ｑ／Ｎ、機関回転数Ｎと
の関係を示しており、図６（Ａ）において各曲線は同一
ＮＯX 量を示している。図６（Ａ）に示されるように単
位時間当たり機関から排出されるＮＯX 量Ｑ（ＮＯX ）
は機関負荷Ｑ／Ｎが高くなるにつれて多くなり、機関回
転数Ｎが高くなるにつれて多くなる。なお、図６（Ａ）
に示されるＮＯX 量Ｑ（ＮＯX ）は図６（Ｂ）に示すよ
うなマップの形で予めＲＯＭ２２内に記憶されている。
【００３５】一方、変換効率ＥＴＡは三元触媒８の温度
を代表する、三元触媒８に流入する排気の排気温度ＴＴ
Ｃに応じて変化する。すなわち変換効率ＥＴＡは一定の
リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒにおいて図７に示されるよう
にＴＴＣが低いときにはＴＴＣが上昇するにつれて増大
し、ＴＴＣが高いときにはＴＴＣが上昇するのにつれて
減少する。この変換効率ＥＴＡは図７に示すマップの形
で予めＲＯＭ２２内に記憶されている。
【００３６】なお、単位時間当たり機関から排出される
ＮＯX 量Ｑ（ＮＯX ）は機関空燃比に応じて変動する。
したがってリーン空燃比（Ａ／Ｆ）Ｌまたはリッチ空燃
比（Ａ／Ｆ）Ｒを例えば機関運転状態に応じて変動させ
るようにした場合には図６（Ｂ）のマップから求めたＱ
（ＮＯX ）をリーン空燃比（Ａ／Ｆ）Ｌまたはリッチ空
燃比（Ａ／Ｆ）Ｒに応じて補正する必要がある。また、
変換効率ＥＴＡも三元触媒８に流入する排気の排気空燃
比である目標空燃比（Ａ／Ｆ）Ｔ、すなわちリッチ空燃
比（Ａ／Ｆ）Ｒに応じて変動する（図２参照）。したが
ってリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒを例えば機関運転状態に
応じて変動させるようにした場合にはリッチ空燃比（Ａ
／Ｆ）Ｒに応じてＥＴＡを補正する必要がある。
【００３７】機関負荷Ｑ／Ｎと機関回転数Ｎとから算出
したＱ（ＮＯX ）と、排気温度ＴＴＣから算出した変換
効率ＥＴＡとの積は単位時間当たりＮＨ3 吸着酸化触媒
１０ａに流入するＮＨ3 量を表している。したがって、
リッチ運転期間中はＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａに吸着さ
れているＮＨ3 量Ｓ（ＮＨ3 ）は次式によって求められ
ることになる。
【００３８】Ｓ（ＮＨ3 ）＝Ｓ（ＮＨ3 ）＋Ｑ（Ｎ
ＯX ）・ＥＴＡ・ＤＥＬＴＡａ ここでＤＥＬＴＡａはＱ（ＮＯX ）およびＥＴＡの検出
時間間隔を表しており、したがってＱ（ＮＯX ）・ＥＴ
Ａ・ＤＥＬＴＡａは、前回の処理ルーチンから今回の処
理ルーチンまでの間にＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａに吸着
されたＮＨ3 量を表している。
【００３９】一方、図８（Ａ）はＮＨ3 吸着酸化触媒１
０ａに流入する排気の排気空燃比がリッチからリーンと
されたときに単位時間当たりＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａ
から放出されるＮＨ3 量Ｄ（ＮＨ3 ）の実験結果を示し
ている。図８（Ａ）に示されるようにＮＨ3 吸着酸化触
媒１０ａに吸着されているＮＨ3 量Ｓ（ＮＨ3 ）が多い
とき程Ｄ（ＮＨ3 ）が多くなる。また、ＮＨ3 吸着酸化
触媒１０ａの温度を代表する、ＮＨ3 吸着酸化触媒１０
ａに流入する排気の排気温度ＴＡＣが高くなるにつれて
Ｄ（ＮＨ3 ）が多くなる。このＤ（ＮＨ3 ）は図８
（Ｂ）に示すマップの形で予めＲＯＭ２２内に記憶され
ている。
【００４０】したがってリーン運転期間中はＳ（Ｎ
Ｈ3 ）は次式によって求められる。 Ｓ（ＮＨ3 ）＝Ｓ（ＮＨ3 ）−Ｄ（ＮＨ3 ）・ＤＥＬＴ
Ａｄ ＤＥＬＴＡｄはＤ（ＮＨ3 ）の検出時間間隔を表してお
り、したがってＤ（ＮＨ 3 ）・ＤＥＬＴＡｄは、前回の
処理ルーチンから今回の処理ルーチンまでの間にＮＨ3
吸着酸化触媒１０ａから放出されたＮＨ3 量を表してい
る。
【００４１】ところで、三元触媒８に流入する排気の排
気温度ＴＴＣおよびＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａに流入す
る排気の排気温度ＴＡＣを求めるために三元触媒８直上
流の排気通路およびＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａ直上流の
排気通路内に温度センサを設けてもよい。しかしながら
これら排気温度ＴＴＣおよびＴＡＣは機関運転状態、す
なわち例えば機関負荷Ｑ／Ｎと機関回転数Ｎとから推定
することができる。そこで、図１の内燃機関ではＴＴＣ
およびＴＡＣを図９（Ａ）および（Ｂ）にそれぞれ示す
マップの形で予め記憶しておき、これらのマップから得
られた排気温度に基づいてＥＴＡまたはＤ（ＮＨ3 ）を
決定するようにしている。
【００４２】本実施態様ではリーン運転期間ＴＬが例え
ば数分間行われ、これに対しリッチ運転期間ＴＲが数秒
程度行われるようになっている。したがって、本実施態
様では機関１において原則としてリーン運転が行われ、
一時的にリッチ運転が行われることになる。この場合、
リーン運転期間中には複数の気筒においてリーン運転が
行われることになり、リッチ運転期間中には複数の気筒
においてリッチ運転が行われることになる。なお、リー
ン運転期間およびリッチ運転期間を予め定めらた時間で
もって設定することもできる。
【００４３】ところで、触媒の耐久温度を、触媒の温度
が耐久温度を越えて高くなったときに触媒の劣化が速や
かに進行し、触媒の耐久性が著しく損なわれる温度と定
義すれば、ＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａを銅ゼオライト触
媒形成した場合に銅ゼオライト触媒の耐久温度が、銅ゼ
オライト触媒に流入する排気の排気空燃比に依存して変
化することが本願発明者らにより確認されている。すな
わち、銅ゼオライト触媒に流入する排気の排気空燃比が
リッチであるときの銅ゼオライト触媒の耐久温度である
リッチ耐久温度は５００℃程度である。これに対し銅ゼ
オライトに流入する排気の排気空燃比がリーンであると
きの銅ゼオライト触媒の耐久温度であるリーン耐久温度
はリッチ耐久温度よりも高く、６００℃程度である。ま
た、銅ゼオライトに流入する排気の排気空燃比が理論空
燃比であるときの銅ゼオライト触媒の耐久温度であるス
トイキ耐久温度もリッチ耐久温度より高いことが確認さ
れている。なお、以下ではＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａを
銅ゼオライト触媒から構成した場合について説明する
が、上述した他の構成のＮＨ3 吸着酸化触媒についても
同様である。
【００４４】銅ゼオライト触媒では銅Ｃｕが酸化銅Ｃｕ
Ｏの形で担持されており、銅ゼオライト触媒に流入する
排気の排気空燃比がリッチであるとき、すなわち銅ゼオ
ライト触媒が還元雰囲気にあるときに銅ゼオライト触媒
の温度がリッチ耐久温度を越えて高くなると酸化銅Ｃｕ
Ｏが銅Ｃｕに還元され、その結果銅粒子が担体から落下
してしまうことにより銅ゼオライト触媒の劣化が、通常
の使用による劣化と比べて速やかに進行すると考えられ
る。
【００４５】本実施態様におけるようにリッチ運転とリ
ーン運転とに交互に繰り返し行うと銅ゼオライト触媒に
は排気空燃比がリッチである排気と、リーンである排気
とが交互に繰り返し導かれることになる。この場合、銅
ゼオライト触媒に排気空燃比がリーンの排気が導かれた
ときには銅ゼオライト触媒の温度がリッチ耐久温度より
も高くてもリーン耐久温度を越えない限り銅ゼオライト
触媒が著しく劣化することはない。ところが、銅ゼオラ
イト触媒に流入する排気の排気空燃比をリッチとすべき
とき、すなわち銅ゼオライト触媒に排気空燃比がリッチ
の排気を継続して導くべきときに銅ゼオライト触媒の温
度がリッチ耐久温度を越えて上昇すると、または銅ゼオ
ライト触媒に導かれる排気の排気空燃比をリーンからリ
ッチに切り替えるべきときに銅ゼオライト触媒の温度が
リッチ耐久温度以上になっていると銅ゼオライト触媒が
著しく劣化してしまう。そこで、銅ゼオライト触媒に流
入する排気の排気空燃比をリッチとすべきときに銅ゼオ
ライト触媒の温度がリッチ耐久温度になったときまたは
リッチ耐久温度以上のときに銅ゼオライト触媒に流入す
る排気の排気空燃比がリッチとなるのを禁止すれば、す
なわち銅ゼオライト触媒に流入する排気の排気空燃比リ
ーンまたは理論空燃比とすれば銅ゼオライト触媒の耐久
温度が高められ、このとき銅ゼオライト触媒の温度はリ
ーン耐久温度またはストイキ耐久温度よりも低いので銅
ゼオライト触媒が著しく劣化するのを阻止できることに
なる。
【００４６】銅ゼオライト触媒の直上流に空気を２次的
に供給する装置を設け、銅ゼオライト触媒の直上流また
は直下流に空燃比センサを設けて銅ゼオライト触媒に流
入する排気の排気空燃比を逐次検出しながら２次空気量
を制御することにより銅ゼオライト触媒に流入する排気
の排気空燃比がリッチとならないようにしてもよい。し
かしながら、上述したように銅ゼオライト触媒に流入す
る排気の排気空燃比は機関空燃比に一致する。また、上
述したように銅ゼオライト触媒の温度は銅ゼオライト触
媒に流入する排気の温度ＴＡＣでもって代表できる。そ
こで本実施態様では、リッチ運転を行うべきときに排気
温度ＴＡＣが予め定められたリッチ上限温度ＵＴＲにな
ったらリーン運転を行うようにしている。すなわち、リ
ッチ運転を行っているとき、またはリーン運転からリッ
チ運転に切り替えるべきときにＴＡＣ≧ＵＴＲであると
きにはリーン運転に切り替えられまたはリーン運転が継
続される。なお、このリッチ上限温度ＵＴＲは予め実験
により求められる温度であって排気温度ＴＡＣがリッチ
上限温度ＵＴＲになると銅ゼオライト触媒がリッチ耐久
温度になっている。
【００４７】上述したようにリーン運転を行うと銅ゼオ
ライト触媒に吸着されているＮＨ3量Ｓ（ＮＨ3 ）が次
第に低下する。Ｓ（ＮＨ3 ）が最小値ＭＩＮ（ＮＨ3 ）
を越えて低下したとしてもＴＡＣ≧ＵＴＲである限りリ
ッチ運転が禁止され、それによって銅ゼオライト触媒の
耐久性が確保される。ところが、Ｓ（ＮＨ3 ）＜ＭＩＮ
（ＮＨ3 ）となった後にリーン運転を継続すると上述し
たように銅ゼオライト触媒に供給されるＮＯX を浄化す
るためのＮＨ3 が不足し、その結果ＮＯX が浄化される
ことなく銅ゼオライト触媒から排出されることになる。
そこで本実施態様ではリッチ運転を禁止すべきときにＳ
（ＮＨ3 ）＜ＭＩＮ（ＮＨ3 ）となったときには目標空
燃比（Ａ／Ｆ）Ｔを理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓとしてスト
イキ運転を行うようにしている。目標空燃比（Ａ／Ｆ）
Ｔを理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓとすれば図２からわかるよ
うに三元触媒８においてＮＯX 、ＨＣ、ＣＯを同時に良
好に浄化することができる。
【００４８】一方、リッチ運転が禁止されているときに
排気温度ＴＡＣがリッチ上限温度ＵＴＲよりも低くなっ
たらリッチ運転を再開する。その結果、ＮＯX を浄化す
るためのＮＨ3 の生成が再開される。すなわち、本実施
態様の基本的な排気浄化方法が再開され、斯くして排気
の良好な浄化作用が確保される。リッチ運転が禁止され
ているときに行われるリーン運転時のリーン空燃比（Ａ
／Ｆ）Ｌを、銅ゼオライト触媒の耐久性確保のためにど
のように定めてもよい。ところが、リッチ運転が禁止さ
れているときに理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓよりもわずかば
かりリーンにすると排気温度ＴＡＣが、リッチ空燃比
（Ａ／Ｆ）Ｒが１４．０のリッチ運転時に比べて高くな
ってしまい、この場合ＴＡＣ＜ＵＴＲとならないのでリ
ッチ運転を再開できない。そこで本実施態様ではリッチ
運転が禁止されているときのリーン空燃比（Ａ／Ｆ）Ｌ
を、排気温度ＴＡＣがリッチ運転時に比べて低くなるよ
うな空燃比にされる。すなわち、本実施態様では機関運
転状態に依らず一定の２５．０とされる。リーン空燃比
（Ａ／Ｆ）Ｌを２５．０のように大幅にリーンとすると
このときの排気温度ＴＡＣがリッチ運転時に比べて低く
なる。その結果、目標空燃比（Ａ／Ｆ）Ｔが２５．０で
あるリーン運転を行うことによって銅ゼオライト触媒が
速やかに冷却され、斯くして銅ゼオライト触媒の温度を
速やかにリッチ耐久温度よりも低くすることができる。
【００４９】図１０から図１４までは上述の運転期間制
御を実行するためのルーチンを示している。このルーチ
ンは一定クランク角度毎の割り込みによって実行され
る。図１０から図１４までを参照すると、まず図１０の
ステップ４０ではリッチ運転を禁止すべきときでありか
つストイキ運転を行うべきときに１とされ、それ以外は
零とされるＦＳＴＯＩＣが１であるか否かが判別され
る。ＦＳＴＯＩＣは通常零であるので次いでステップ４
１に進む。ステップ４１ではリッチ運転を禁止すべきと
きでありかつリーン運転を行うべきときに１とされ、そ
れ以外は零とされるＦＬＥＡＮが１であるか否かが判別
される。ＦＬＥＡＮは通常零であるので次いでステップ
４２に進む。ステップ４２ではリーン運転を行うべきと
きに零とされかつリッチ運転を行うべきときに１とされ
るＦＲＩＣＨが１であるか否かが判別される。ＦＲＩＣ
Ｈ＝１のときには次いでステップ４３に進んでＮＨ3 吸
着量Ｓ（ＮＨ3 ）が算出される。ＦＲＩＣＨ＝１であっ
てステップ４３に進んだときにはリッチ運転が行われて
いるので銅ゼオライト触媒のＮＨ3 吸着量が増大してお
り、したがってステップ４３ではＳ（ＮＨ3 ）の増大処
理が行われる。すなわち、ステップ４３では図１３に示
すＳ（ＮＨ3 ）の増大処理ルーチンが行われる（後述す
る）。次いでステップ４４に進み、ステップ４４ではＮ
Ｈ3 吸着量Ｓ（ＮＨ3 ）が最大値ＭＡＸ（ＮＨ3 ）より
も大きいか否かが判別される。Ｓ（ＮＨ3 ）＞ＭＡＸ
（ＮＨ3 ）のときには次いでステップ４５に進み、ＦＲ
ＩＣＨを零として処理サイクルを終了する。すなわち、
Ｓ（ＮＨ3 ）＞ＭＡＸ（ＮＨ3 ）のときにはＮＯX を浄
化するのに十分な量のＮＨ3 がＮＨ3 吸着酸化触媒１０
ａに吸着したと判断してリッチ運転を終了し、リーン運
転を開始する。したがって、ＦＲＩＣＨが１とされてか
らＳ（ＮＨ3 ）＞ＭＡＸ（ＮＨ3 ）となるまでの期間が
リッチ運転期間ＴＲである。
【００５０】これに対し、ステップ４４においてＳ（Ｎ
Ｈ3 ）≦ＭＡＸ（ＮＨ3 ）のときにはステップ４８にジ
ャンプする。ステップ４２においてＦＲＩＣＨ＝０のと
きには次いでステップ４６に進んでＮＨ3 吸着量Ｓ（Ｎ
Ｈ3 ）が算出される。ＦＲＩＣＨ＝０であってステップ
４６に進んだときにはリーン運転が行われているので銅
ゼオライト触媒のＮＨ3 吸着量が減少しており、したが
ってステップ４６ではＳ（ＮＨ3 ）の減少処理が行われ
る。すなわち、ステップ４６では図１４に示すＳ（ＮＨ
3 ）の減少処理ルーチンが行われる（後述する）。続く
ステップ４７ではＮＨ3 吸着量Ｓ（ＮＨ3 ）が最小値Ｍ
ＩＮ（ＮＨ3 ）よりも小さいか否かが判別される。Ｓ
（ＮＨ3 ）≧ＭＩＮ（ＮＨ3 ）のときには処理サイクル
を終了する。すなわち、Ｓ（ＮＨ3 ）≧ＭＩＮ（Ｎ
Ｈ3 ）のときにはＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａに、ＮＯX
を浄化するのに十分な量のＮＨ3 が残存していると判断
してリーン運転を継続する。これに対しステップ４７に
おいてＳ（ＮＨ3 ）＜ＭＩＮ（ＮＨ3 ）のときには次い
でステップ４８に進む。したがって、リッチ運転が行わ
れておりかつＳ（ＮＨ3 ）＞ＭＡＸ（ＮＨ3 ）のとき
（ステップ４４から）すなわちリッチ運転を継続すべき
とき、或いはリーン運転またはストイキ運転からリッチ
運転に切り替えるべきとき（ステップ４７から）にステ
ップ４８に進むことになる。
【００５１】ステップ４８では図７（Ｂ）のマップから
排気温度ＴＡＣが算出される。続くステップ４９では排
気温度ＴＡＣがリッチ上限温度ＵＴＲ以上であるか否か
が判別される。ＴＡＣ＜ＵＴＲのときにはステップ５０
に進んでＦＲＩＣＨが１とされまたは１に維持された後
に処理サイクルを終了する。すなわち、ＴＡＣ＜ＵＴＲ
のときには銅ゼオライト触媒の耐久性が確保されている
と判断してリッチ運転を開始しまたは継続する。すなわ
ち、ステップ４４からステップ５０に進んだときにはＳ
（ＮＨ3 ）≦ＭＡＸ（ＮＨ3 ）であり、この場合ＮＨ3
吸着酸化触媒１０ａに吸着されているＮＨ3 量がＮＯX
を浄化するのに不十分であると判断してリッチ運転を継
続する。一方、ステップステップ４７からステップ５０
に進んだときにはＳ（ＮＨ3 ）＜ＭＩＮ（ＮＨ3 ）であ
り、この場合ＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａのＮＨ3 吸着量
が不十分になったと判断してリーン運転を終了し、リッ
チ運転を開始する。したがって、ＦＲＩＣＨが零とされ
てからＳ（ＮＨ3 ）＜ＭＩＮ（ＮＨ3 ）となるまでの期
間がリーン運転期間ＴＬである。これに対し、ステップ
４９においてＴＡＣ≧ＵＴＲのときには次いでステップ
５１に進んでＦＬＥＡＮを１とした後に処理サイクルを
終了する。すなわち、ＴＡＣ≧ＵＴＲのときにはリッチ
運転を行うと銅ゼオライト触媒の耐久性が確保できない
と判断してリッチ運転を禁止する。
【００５２】ＦＬＥＡＮが１とされたときにはステップ
４１から次いで図１１のステップ５２に進む。ステップ
５２ではＮＨ3 吸着量Ｓ（ＮＨ3 ）が算出される。ＦＬ
ＥＡＮが１とされかつＦＳＴＯＩＣが零のときにはリー
ン運転が行われるのでステップ５２ではＳ（ＮＨ3 ）の
減少処理が行われる。次いでステップ５３に進んで排気
温度ＴＡＣが算出され、次いでステップ５４に進む。ス
テップ５４ではＴＡＣ≧ＵＴＲであるか否かが判別され
る。ＴＡＣ＜ＵＴＲのときにはステップ５５に進んでＦ
ＬＥＡＮを零とし、次いで処理サイクルを終了する。す
なわち、ＴＡＣ＜ＵＴＲのときにはリッチ運転を行って
も銅ゼオライト触媒の耐久性が損なわれないと判断して
リーン運転を停止し、このときＦＲＩＣＨ＝１であるの
でリッチ運転が行われる。
【００５３】これに対し、ＴＡＣ≧ＵＴＲのときには次
いでステップ５６に進んでＳ（ＮＨ 3 ）＜ＭＩＮ（ＮＨ
3 ）であるか否かが判別される。Ｓ（ＮＨ3 ）≧ＭＩＮ
（ＮＨ3 ）のときには処理サイクルを終了する。すなわ
ち、銅ゼオライト触媒に、ＮＯX を浄化するのに十分な
ＮＨ3 量が吸着されていると判断してリーン運転を継続
する。一方、Ｓ（ＮＨ3 ）＜ＭＩＮ（ＮＨ3 ）のときに
は次いでステップ５７に進んでＦＳＴＯＩＣを１とした
後に処理サイクルを終了する。すなわち、Ｓ（ＮＨ3 ）
＜ＭＩＮ（ＮＨ3 ）のときには銅ゼオライト触媒に吸着
されているＮＨ 3 量がＮＯX を浄化するのに不十分にな
ったと判断してストイキ運転を開始する。
【００５４】ＦＳＴＯＩＣ＝１とされたときにはステッ
プ４０から図１２のステップ５８に進む。ステップ５８
ではＮＨ3 吸着量Ｓ（ＮＨ3 ）が算出される。ＦＳＴＯ
ＩＣが１とされたときにはストイキ運転が行われるので
ステップ５８ではＳ（ＮＨ3）の減少処理が行われる。
次いでステップ５９に進んで排気温度ＴＡＣが算出さ
れ、次いでステップ６０に進む。ステップ６０ではＴＡ
Ｃ≧ＵＴＲであるか否かが判別される。ＴＡＣ＜ＵＴＲ
のときにはステップ６１に進んでＦＳＴＯＩＣを零と
し、次いで処理サイクルを終了する。すなわち、ＴＡＣ
＜ＵＴＲのときにはリッチ運転を行っても銅ゼオライト
触媒の耐久性が損なわれないと判断してストイキ運転を
停止し、このときＦＲＩＣＨ＝１であるのでリッチ運転
が行われる。これに対し、ＴＡＣ≧ＵＴＲのときには処
理サイクルを終了する。すなわち、ストイキ運転が継続
される。
【００５５】図１３はＮＨ3 吸着量Ｓ（ＮＨ3 ）の増大
処理ルーチンを示している。このルーチンは図１０のス
テップ４３において行われる。図１３を参照すると、ま
ずステップ７１では機関負荷Ｑ／Ｎと機関回転数Ｎとに
基づいて図６（Ｂ）に示すマップからＱ（ＮＯX ）が算
出される。続くステップ７２では図９（Ａ）に示すマッ
プから排気温度ＴＴＣが算出される。続くステップ７３
では排気温度ＴＴＣに基づいて図７に示すマップからＥ
ＴＡが算出される。続くステップ７４では次式に基づい
てＮＨ3 吸着量Ｓ（ＮＨ3 ）が算出される。
【００５６】Ｓ（ＮＨ3 ）＝Ｓ（ＮＨ3 ）＋Ｑ（Ｎ
ＯX ）・ＥＴＡ・ＤＥＬＴＡａ ここでＤＥＬＴＡａは前回の処理サイクルにおいてステ
ップ７４に進んでから今回の処理サイクルにおいてステ
ップ７４に進むまでの時間間隔であり、例えば図示しな
いタイマなどにより求められる。次いで処理サイクルを
終了する。図１４はＮＨ3 吸着量Ｓ（ＮＨ3 ）の減少処
理ルーチンを示している。このルーチンは図１０のステ
ップ４６、図１１のステップ５５、および図１２のステ
ップ５８においてそれぞれ行われる。
【００５７】図１４を参照すると、まずステップ７５で
は図７（Ｂ）のマップから排気温度ＴＡＣが算出され
る。続くステップ７６ではＴＡＣと現在のＳ（ＮＨ3 ）
とに基づいて図８（Ｂ）に示すマップからＮＨ3 放出量
Ｄ（ＮＨ3 ）が算出される。続くステップ７７では次式
に基づいてＮＨ3 吸着量Ｓ（ＮＨ3 ）が算出される。 Ｓ（ＮＨ3 ）＝Ｓ（ＮＨ3 ）−Ｄ（ＮＨ3 ）・ＤＥＬＴ
Ａｄ ここでＤＥＬＴＡｄは前回の処理サイクルにおいてステ
ップ７４に進んでから今回の処理サイクルにおいてステ
ップ７４に進むまでの時間間隔であり、例えば図示しな
いタイマなどにより求められる。次いで処理サイクルを
終了する。
【００５８】図１５は燃料噴射時間ＴＡＵの算出ルーチ
ンを示している。このルーチンは一定クランク角度毎の
割り込みによって実行される。図１５を参照すると、ま
ずステップ８０では吸入空気量Ｑおよび機関回転数Ｎか
ら次式に基づいて基本燃料噴射時間ＴＢが算出される。 ＴＢ＝（Ｑ／Ｎ）・Ｋ 続くステップ８１ではフィードバック補正係数ＦＡＦが
算出される。続くステップ８２では図１０から図１２の
ルーチンで零または１とされるＦＲＩＣＨが１であるか
否かが判別される。ＦＲＩＣＨ＝０のとき、すなわちリ
ーン運転を行うべきときにはステップ８３に進む。ステ
ップ８３ではリーン空燃比（Ａ／Ｆ）Ｌが算出される。
本実施態様ではリーン空燃比（Ａ／Ｆ）Ｌは機関運転状
態に依らず一定の２５．０とされており、したがってス
テップ８３では（Ａ／Ｆ）Ｌ＝２５．０とされる。続く
ステップ８４では目標空燃比（Ａ／Ｆ）Ｔがリーン空燃
比（Ａ／Ｆ）Ｌとされる。したがってリーン運転が行わ
れる。次いでステップ９０に進む。
【００５９】ステップ８２においてＦＲＩＣＨ＝１のと
き、すなわちリッチ運転を行うべきときには次いでステ
ップ８５に進み、ステップ８５では図１０から図１２の
ルーチンで零または１とされるＦＬＥＡＮが１であるか
否かが判別される。ＦＬＥＡＮ＝１のとき、すなわちリ
ッチ運転を禁止すべきでありかつリーン運転を行うべき
ときには次いでステップ８３，８４に進み、したがって
リーン運転が行われる。
【００６０】これに対してステップ８５においてＦＬＥ
ＡＮ＝０のとき、すなわちリッチ運転を禁止すべきとき
にリーン運転を行うべきでないときには次いでステップ
８６に進み、ステップ８６では図１０から図１２のルー
チンで零または１とされるＦＳＴＯＩＣが１であるか否
かが判別される。ＦＳＴＯＩＣ＝１のとき、すなわちリ
ッチ運転を禁止すべきでありかつストイキ運転を行うべ
きときには次いでステップ８７に進んで目標空燃比（Ａ
／Ｆ）Ｔが理論空燃比（Ａ／Ｆ）Ｓとされる。したがっ
てストイキ運転が行われる。次いでステップ９０に進
む。
【００６１】一方、ステップ８６においてＦＳＴＯＩＣ
＝０のとき、すなわちリッチ運転を行うべきとき、正確
に云うとリッチ運転を行うべきときでありかつリッチ運
転を禁止する必要がないときには次いでステップ８８に
進み、ステップ８８ではリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒが算
出される。本実施態様ではリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒは
機関運転状態に依らず一定の１４．０とされており、し
たがってステップ８８では（Ａ／Ｆ）Ｒ＝１４．０とさ
れる。続くステップ８９では目標空燃比（Ａ／Ｆ）Ｔが
リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒとされる。したがってリッチ
運転が行われる。次いでステップ９０に進む。
【００６２】ステップ９０では次式に基づいて燃料噴射
時間ＴＡＵが算出される。 ＴＡＵ＝ＴＢ・（（Ａ／Ｆ）Ｓ／（Ａ／Ｆ）Ｔ）・ＦＡ
Ｆ 各燃料噴射弁５からはこの燃料噴射時間ＴＡＵだけ燃料
が噴射される。本実施態様では、単一の排気通路を設け
て、云い換えると複数の排気通路を設けることなく排気
を良好に浄化することができる。したがって排気通路の
構成を小さく維持しかつ簡単にすることができる。
【００６３】ところで、１周期（図５参照）中において
リッチ運転が行われる気筒数に対するリーン運転が行わ
れる気筒数の比を気筒比ＲＡＴＩＯと称すると、気筒比
ＲＡＴＩＯをできるだけ大きくして燃料消費率ができる
だけ小さくなるようにするのが好ましい。ところが、冒
頭で述べたような従来の排気浄化装置におけるように多
気筒内燃機関のうちの一部の気筒にリッチ運転を行わせ
ると共に残りの気筒にリーン運転を行わせるようにした
場合では気筒比ＲＡＴＩＯは制限されることになる。す
なわち、例えば４気筒内燃機関では気筒比ＲＡＴＩＯは
３までに制限され、これを越えて大きくすることはでき
ない。したがってリーン空燃比（Ａ／Ｆ）Ｌおよびリッ
チ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒが同一である限り燃料消費率の低
減が抑制されることになる。これに対して本実施態様で
は、ＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａに供給されるＮＯX 量が
ＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａからのＮＨ3 放出量に対し過
剰とならない程度まで気筒比ＲＡＴＩＯを大きくするこ
とができる。特に、４気筒内燃機関において気筒比ＲＡ
ＴＩＯを、３を越えて大きくすることができる。その結
果、燃料消費率を小さくすることができる。
【００６４】また、従来の排気浄化装置におけるように
例えば１番気筒にリッチ運転を継続的に行わせると共に
２番気筒から４番気筒までにリーン運転を継続的に行わ
せるようにすると各気筒から排出される排気に大きな温
度差があるために機関本体１または排気マニホルド７内
に大きな温度差が生じて大きな熱歪が生じる恐れがあ
る。さらに、この場合１番気筒には多量のデポジットが
堆積することになる。これに対して本実施態様ではリッ
チ運転またはリーン運転が行われる気筒が特定されてお
らず、すなわち全ての気筒においてリッチ運転とリーン
運転との両方が行われる。したがって機関本体１または
排気マニホルド７内に大きな熱歪が生ずるのが阻止さ
れ、さらに特定の気筒に多量のデポジットが堆積するの
が阻止される。
【００６５】さらに、本実施態様の排気浄化装置は単気
筒内燃機関にも適用できる。また、上述の実施態様では
ＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａを銅ゼオライト触媒から形成
している。しかしながら、ＮＨ3 吸着酸化触媒１０ａ
を、金属類を担持した全てのゼオライト系触媒、または
パラジウムＰｄを担持した触媒から形成した場合にも本
発明を適用することができる。
【００６６】
【発明の効果】触媒の耐久性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】三元触媒の特性を示す線図である。
【図３】本発明の排気浄化方法を説明する図である。
【図４】図１の内燃機関の排気浄化方法を説明する図で
ある。
【図５】目標空燃比の時間的変化を示す線図である。
【図６】単位時間当たり機関から排出されるＮＯX 量を
示す線図である。
【図７】変換効率を示す線図である。
【図８】単位時間当たりＮＨ3 吸着酸化触媒から放出さ
れるＮＨ3 量を示す線図である。
【図９】排気温度を示す線図である。
【図１０】運転期間制御を実行するためのフローチャー
トである。
【図１１】運転期間制御を実行するためのフローチャー
トである。
【図１２】運転期間制御を実行するためのフローチャー
トである。
【図１３】ＮＨ3 吸着量が増大するときにＮＨ3 吸着量
を算出するためのフローチャートである。
【図１４】ＮＨ3 吸着量が減少するときにＮＨ3 吸着量
を算出するためのフローチャートである。
【図１５】燃料噴射時間を算出するためのフローチャー
トである。
【符号の説明】
１…機関本体 ５…燃料噴射弁 ７…排気マニホルド ８…ＮＨ3 生成触媒 １０…排気浄化触媒 １０ａ…ＮＨ3 吸着酸化触媒
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｄ 45/00 ３１２ Ｂ０１Ｄ 53/36 １０１Ｂ (72)発明者 伊藤 隆晟 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 鈴木 直人 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 田中 俊明 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 機関排気通路内に、流入する排気の排気
    空燃比がリーンまたは理論空燃比であるときの耐久温度
    が、流入する排気の排気空燃比がリッチであるときの耐
    久温度であるリッチ耐久温度よりも高い触媒を備え、機
    関運転状態に応じて該触媒に流入する排気の排気空燃比
    がリッチとなるようにした内燃機関において、触媒に流
    入する排気の排気空燃比をリッチにすべきときに該触媒
    の温度を求めて該温度がリッチ耐久温度になったときま
    たはリッチ耐久温度以上のときに触媒に流入する排気の
    排気空燃比をリーンまたは理論空燃比にする排気空燃比
    制御手段を具備した排気浄化装置。
JP7292906A 1995-11-10 1995-11-10 内燃機関の排気浄化装置 Pending JPH09133032A (ja)

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US08/746,056 US5782087A (en) 1995-11-10 1996-11-06 Device for purifying exhaust gas of an engine
EP96117852A EP0773354B1 (en) 1995-11-10 1996-11-07 Device for purifying exhaust gas of engine
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