WO2015001647A1 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

　本発明は、ＳＣＲ触媒を含む排気浄化装置が内燃機関の排気通路に配置された排気浄化システムにおいて、内燃機関の運転状態や排気浄化装置の浄化性能に悪影響が及ぶことを抑制しつつ、ＮＯ_２比率を調整することを課題とする。このような課題を解決するために、本発明の内燃機関の排気浄化システムは、排気のＮＯ_２比率を増加させる場合に、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比を増加させる処理、又はＥＧＲ装置により還流されるＥＧＲガスを増加させる処理の少なくとも一方を実行する処理手段と、排気浄化装置の温度が高い場合は低い場合に比べ、空燃比の増加量が大きくなるとともにＥＧＲガスの増加量が少なくなるように処理手段を制御する制御手段と、を備えるようにした。

Description

内燃機関の排気浄化システム

　本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。

　特許文献１には、選択還元型触媒（ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒）を含む排気浄化装置が内燃機関の排気通路に配置された構成において、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）のうち、二酸化窒素（ＮＯ_２）が占める割合（以下、「ＮＯ_２比率」と称する）が所望の比率より大きい場合に、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスの量を減少させることにより、ＮＯ_２比率を低減させる技術について記述されている。

　特許文献２には、内燃機関の気筒内で燃焼される混合気の空燃比が大きい場合（薄い場合）は小さい場合（濃い場合）に比べ、排気中のＮＯ_２比率が大きくなることが記述されている。

　特許文献３には、ＳＣＲ触媒を含む排気浄化装置が内燃機関の排気通路に配置された構成において、ＮＯ₂比率がほぼ１／２（５０パーセント）になるようにＥＧＲ率及び燃料噴射時期の何れか一方又は双方を制御する技術について記述されている。

特開２０１２－１６７５４９号公報 実開平０３－８７９１５号公報 特開２００８－２３１９５０号公報

　ところで、ＮＯ_２比率を調整するにあたり、混合気の空燃比やＥＧＲガスの量が不用意に変更されると、内燃機関の燃料消費量が増加したり、排気浄化装置の浄化性能が低下したりする可能性がある。

　本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、ＳＣＲ触媒を含む排気浄化装置が内燃機関の排気通路に配置された排気浄化システムにおいて、内燃機関の運転状態や排気浄化装置の浄化性能等に悪影響が及ぶことを抑制しつつ、ＮＯ_２比率を調整することができる技術の提供にある。

　本発明は、上記した課題を解決するために、内燃機関の排気通路に配置され、ＳＣＲ触媒を含む排気浄化装置と、内燃機関の排気通路から吸気通路へ排気の一部（ＥＧＲガス）を還流させるＥＧＲ装置と、を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、内燃機関の運転状態又は排気浄化装置の状態に適した方法を用いてＮＯ_２比率を調整するようにした。

　詳細には、本発明に係わる内燃機関の排気浄化システムの第一の態様は、
　内燃機関の排気通路に配置され、選択還元型触媒（ＳＣＲ触媒）を含む排気浄化装置と、
　排気通路を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路へ還流させるＥＧＲ装置と、
　排気中に含まれるＮＯ_Ｘにおいて二酸化窒素が占める割合であるＮＯ_２比率を増加させる場合に、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比を増加させる処理、又はＥＧＲ装置により還流されるＥＧＲガスを増加させる処理の少なくとも一方を実行する処理手段と、
　排気浄化装置の温度が高い場合は低い場合に比べ、空燃比の増加量が大きくなるとともにＥＧＲガスの増加量が少なくなるように前記処理手段を制御する制御手段と、
を備えるようにした。

　混合気の空燃比が大きい場合（混合気の燃料濃度が低い場合）は小さい場合（混合気の燃料濃度が高い場合）に比べ、内燃機関から排出される排気のＮＯ_２比率が大きくなる。また、ＥＧＲガスの量が多い場合やＥＧＲ率が大きい場合は、ＥＧＲガス量が少ない場合やＥＧＲ率が小さい場合に比べ、内燃機関から排出される排気のＮＯ_２比率が大きくなる。

　ところで、ＥＧＲガスの量が多い場合又はＥＧＲ率が大きい場合は、ＥＧＲガス量が少ない場合又はＥＧＲ率が小さい場合に比べ、内燃機関から排出される排気の温度が高くなり易い。そのため、排気浄化装置の温度が高い状況下において、ＥＧＲガスやＥＧＲ率が増加されると、排気浄化装置の温度が活性温度域（温度浄化ウインド）から外れてしまう可能性がある。その結果、排気浄化装置の浄化性能が低下し、エミッションの悪化を招く可能性がある。

　これに対し、混合気の空燃比が大きい場合は小さい場合に比べ、内燃機関から排出される排気の温度が低くなる。そのため、排気浄化装置の温度が高い状況において、空燃比が増加されると（混合気中の燃料濃度が低くされると）、排気浄化装置の温度上昇を抑制しつつ、ＮＯ_２比率を増加させることができる。

　したがって、排気浄化装置の温度が高い場合は低い場合に比べ、空燃比の増加量が大きくされるとともにＥＧＲガス（又はＥＧＲ率）の増加量が少なくされると、排気浄化装置の温度上昇量を少なく抑えつつ、ＮＯ_２比率を増加させることができる。その結果、排気浄化装置の浄化性能が高くなる。

　なお、「空燃比の増加量が大きくされるとともにＥＧＲガスの増加量が少なくされる」態様としては、ＥＧＲガスが増加されずに空燃比が増加される態様、ＥＧＲガスが減少されるとともに空燃比が増加される態様、及び、ＥＧＲガスがわずかに増加されるとともに空燃比が増加される態様を含む。これら三つの態様は、排気浄化装置の温度に応じて使い分けられてもよい。

　たとえば、排気浄化装置の温度が温度浄化ウインドの上限値を超えている場合は、ＥＧＲガスを減少させつつ混合気の空燃比を増加させてもよい。その場合、排気浄化装置の温度を低下させつつ、ＮＯ_２比率を増加させることができる。また、排気浄化装置の温度が温度浄化ウインドの上限値以下であり、且つ排気浄化装置の温度と上限値の差が比較的小さい場合は、ＥＧＲガスを増加させずに混合気の空燃比を増加させてもよい。その場合、排気浄化装置の温度上昇を抑えつつＮＯ_２比率を増加させることができる。さらに、排気浄化装置の温度が温度浄化ウインドの上限値以下であり、且つ排気浄化装置の温度と上限値の差が比較的大きい場合は、ＥＧＲガスをわずかに増加させつつ混合気の空燃比を増加させてもよい。その場合、排気浄化装置の過剰な温度上昇を抑えつつＮＯ_２比率を増加させることができる。さらに、ＥＧＲガスの増加によるＮＯ_Ｘ発生量の減少効果やノッキング抑制効果等を得ることもできる。

　なお、排気浄化装置の温度が温度浄化ウインドの下限値より低い場合は、制御手段は、空燃比の増加量が小さくなるとともにＥＧＲガスの増加量が多くなるように処理手段を制御してもよい。その場合、排気浄化装置の温度を高めつつ、ＮＯ_２比率を増加させることができる。

　次に、本発明に係わる内燃機関の排気浄化システムの第二の態様は、
　内燃機関の排気通路に配置され、選択還元型触媒（ＳＣＲ触媒）を含む排気浄化装置と、
　排気通路を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路へ還流させるＥＧＲ装置と、
　排気中に含まれるＮＯ_Ｘにおいて二酸化窒素が占める割合であるＮＯ_２比率を増加させる場合に、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比を増加させる処理、又はＥＧＲ装置によって還流されるＥＧＲガスを増加させる処理の少なくとも一方を実行する処理手段と、
　内燃機関が過渡運転状態にある場合は、少なくとも混合気の空燃比を増加させ、且つ過渡運転状態にない場合に比して空燃比の増加量が大きくなるように前記処理手段を制御する制御手段と、
を備えるようにしてもよい。

　ＥＧＲガスを増加させる処理がＮＯ_２比率に反映されるまでにかかる時間は、混合気の空燃比を増加させる処理がＮＯ_２比率に反映されるまでかかる時間より長くなる。そのため、内燃機関が過渡運転状態にあるときに、ＥＧＲガスを増加させる処理によってＮＯ_２比率の増加が図られると、ＮＯ_２比率が内燃機関の過渡運転状態に適した比率にならない可能性がある。これに対し、内燃機関が過渡運転状態にあるときに、混合気の空燃比を増加させる処理によってＮＯ_２比率の増加が図られると、ＮＯ_２比率が速やかに増加する。よって、ＮＯ_２比率を内燃機関の過渡運転状態に適した比率にすることが可能になる。

　なお、空燃比の増加量が大きくされた場合は、内燃機関のトルク変動が大きくなる可能性がある。しかしながら、内燃機関が過渡運転状態にあるときは過渡運転状態にない場合に比べ、運転者が許容することができるトルク変動が大きくなると考えられる。よって、運転者が覚える違和感を軽減しつつ、ＮＯ_２比率を変更することができる。

　前述した第一の態様又は第二の態様において、排気浄化装置は、ＳＣＲ触媒より上流に配置される三元触媒を含むようにしてもよい。ＳＣＲ触媒より上流に三元触媒が配置される場合は、排気中のＮＯ_２が三元触媒によって一酸化窒素（ＮＯ）に還元される。ただし、三元触媒の浄化能力が低い場合（たとえば、三元触媒の温度が温度浄化ウインドから逸脱している場合、三元触媒を通過する排気の流速が大きい場合、又は三元触媒が劣化している場合等）は、三元触媒によって還元されるＮＯ_２の量が少なくなる。その結果、ＳＣＲ触媒へ流入する排気のＮＯ_２比率が大きくなる。

　そこで、制御手段は、三元触媒の浄化能力が低い場合は高い場合に比べ、ＮＯ_２比率の増加量が小さくなるように処理手段を制御してもよい。このような制御が行われると、三元触媒の浄化能力が低い場合に、ＳＣＲ触媒へ流入する排気のＮＯ_２比率が過剰に大きくなることが抑制される。

　また、前述した第一の態様又は第二の態様において、排気浄化装置は、ＳＣＲ触媒より上流に配置される吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ（NO_X Storage Reduction）触媒）を含むようにしてもよい。ＳＣＲ触媒より上流にＮＳＲ触媒が配置される場合は、排気中のＮＯがＮＳＲ触媒によってＮＯ_２に酸化される。ただし、ＮＳＲ触媒の浄化能力が低い場合（たとえば、ＮＳＲ触媒の温度が温度浄化ウインドから逸脱している場合、ＮＳＲ触媒を通過する排気の流速が大きい場合、又はＮＳＲ触媒が劣化している場合等）は、ＮＳＲ触媒によって酸化されるＮＯの量が少なくなる。その結果、ＳＣＲ触媒へ流入する排気のＮＯ_２比率が小さくなる。

　そこで、制御手段は、ＮＳＲ触媒の浄化能力が低い場合は高い場合に比べ、ＮＯ_２比率の増加量が大きくなるように処理手段を制御してもよい。このような制御が行われると、ＮＳＲ触媒の浄化能力が低い場合に、ＳＣＲ触媒へ流入する排気のＮＯ_２比率が過剰に小さくなることが抑制される。

　なお、排気浄化装置は、ＳＣＲ触媒より上流に配置されるＮＳＲ触媒と、ＮＳＲ触媒より上流に配置される三元触媒と、を含むようにしてもよい。その場合、制御手段は、三元触媒の浄化性能とＮＳＲ触媒の浄化性能に応じて、ＮＯ_２比率の増加量を調整すればよい。

　たとえば、制御手段は、三元触媒の浄化性能が低く且つＮＳＲ触媒の浄化性能が適当である場合は、三元触媒及びＮＳＲ触媒の浄化性能が適当である場合に比べ、ＮＯ_２比率の増加量が小さくなるように処理手段を制御すればよい。制御手段は、三元触媒の浄化性能が適当であり且つＮＳＲ触媒の浄化性能が低い場合は、三元触媒及びＮＳＲ触媒の浄化性能が適当である場合に比べ、ＮＯ_２比率の増加量が大きくなるように処理手段を制御すればよい。制御手段は、三元触媒及びＮＳＲ触媒の浄化性能が低い場合は、各触媒の浄化性能の低下度合いに応じてＮＯ_２比率の増加量を調整すればよい。

　なお、火花点火式の内燃機関においては、ＥＧＲガスの量が多い場合又はＥＧＲ率が大きい場合は、ＥＧＲガス量が少ない場合又はＥＧＲ率が小さい場合に比べ、ノッキングが発生し難くなる傾向がある。そのため、ノッキングが発生し易い状況下において、ＥＧＲガスやＥＧＲ率が減少されると、ノッキングが発生し易くなる可能性がある。

　そこで、内燃機関の運転状態がノッキングの発生しやすい運転領域にある場合において、三元触媒の浄化性能の低下等によってＮＯ_２比率の増加量を小さくする必要があるときは、ＥＧＲガスの量を減少させずに、空燃比を調整することでＮＯ_２比率を調整してもよい。また、ＥＧＲガスの量をわずかに減少させつつ、空燃比を調整することによりＮＯ_２比率を調整してもよい。さらに、ＥＧＲガスの量を増加させつつ、空燃比を調整することによりＮＯ_２比率を調整してもよい。これらの方法によれば、ノッキングの発生を抑制しつつＮＯ_２比率を所望の比率にすることができる。

　なお、前述した第一の態様及び第二の態様において、ＥＧＲ装置は、排気通路と吸気通路を接続するＥＧＲ通路と該ＥＧＲ通路の通路断面積を変更するＥＧＲ弁等を含む装置であってもよく、又は吸気バルブの開閉タイミング又は排気バルブの開閉タイミングの少なくとも一方を変更することにより気筒内に残留する既燃ガス（内部ＥＧＲガス）の量を調整可能な可変動弁機構であってもよい。

　本発明によれば、ＳＣＲ触媒を含む排気浄化装置が内燃機関の排気通路に配置された排気浄化システムにおいて、内燃機関の運転状態や排気浄化装置の浄化性能等に悪影響が及ぶことを抑制しつつ、ＮＯ_２比率を調整することができる。

本発明を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。 内燃機関のリーン運転領域とストイキ運転領域を示す図である。 混合気の空燃比とＮＯ_２比率との相関を示す図である。 ＥＧＲ率とＮＯ_２比率との相関を示す図である。 ＮＯ_２比率調整処理の実行方法に応じた運転領域を示す図である。 排気の位置とＮＯ_２比率との関係を示す図である。 ＮＯ_２比率調整処理が実行される際にＥＣＵが実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。

　以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

　図１は、本発明が適用される内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、希薄燃焼運転される４ストローク・サイクルの火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）である。

　内燃機関１は、複数の気筒２を有している。なお、図１においては、内燃機関１は４つの気筒２を有しているが、気筒２の数は３つ以下、又は５つ以上であってもよい。内燃機関１は、各気筒２へ燃料を供給するための燃料噴射弁３を備えている。燃料噴射弁３は、気筒２内に燃料を噴射する弁装置であってもよく、又は吸気ポート内に燃料を噴射する弁装置であってもよい。

　内燃機関１は、吸気管４と接続されている。吸気管４は、大気中から取り込まれた新気（空気）を内燃機関１へ導くための管である。吸気管４の途中には、吸気絞り弁４０が配置されている。吸気絞り弁４０は、吸気管４内の通路断面積を変更することにより、吸気管４内を流れる空気の量を調整する。吸気絞り弁４０より下流の吸気管４には、遠心過給機（ターボチャージャ）６のコンプレッサ６０が配置されている。コンプレッサ６０は、後述するタービン６１の回転エネルギを利用して吸気を圧縮する。コンプレッサ６０より下流の吸気管４には、インタークーラ４１が配置されている。インタークーラ４１は、大気又は冷却水等と吸気との間で熱交換を行う。

　内燃機関１は、排気管５と接続されている。排気管５は、各気筒２から排出された既燃ガス（排気）を流通させるための管である。排気管５の途中には、ターボチャージャ６のタービン６１が配置されている。タービン６１は、排気の熱エネルギを回転エネルギに変換する。タービン６１より下流の排気管５には、排気浄化装置が配置されている。

　排気浄化装置は、第一触媒ケーシング５０、第二触媒ケーシング５１、及び第三触媒ケーシング５２を備えている。第一触媒ケーシング５０は、アルミナ等のコート層によって被覆されたハニカム構造体と、コート層に担持される貴金属（たとえば、白金、パラジウム、又はロジウム等）とから構成される三元触媒を収容する。

　第二触媒ケーシング５１は、第一触媒ケーシング５０の下流に配置される。第二触媒ケーシング５１は、アルミナ等のコート層によって被覆されたハニカム構造体と、コート層に担持される貴金属（白金、パラジウム、ロジウム等）と、コート層に担持されるＮＯ_Ｘ吸蔵剤（アルカリ類、アルカリ土類等）とから構成される吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ触媒）を収容する。

　第三触媒ケーシング５２は、第二触媒ケーシング５１の下流に配置される。第三触媒ケーシング５２は、コーディライトやＦｅ－Ｃｒ－Ａｌ系の耐熱鋼から成るハニカム構造体と、ハニカム構造体を被覆するアルミナ系又はゼオライト系のコート層と、コート層に担持される貴金属（白金やパラジウム等）とから構成されるＳＣＲ触媒を収容する。

　内燃機関１は、ＥＧＲ装置７を備えている。ＥＧＲ装置７は、ＥＧＲ通路７０と、ＥＧＲ弁７１と、ＥＧＲクーラ７２と、を備えている。ＥＧＲ通路７０は、排気管５におけるタービン６１より上流の部位と、吸気管４におけるインタークーラ４１より下流の部位とを接続する。ＥＧＲ通路７０は、排気管５を流れる排気の一部（ＥＧＲガス）を吸気管４へ導く通路である。ＥＧＲ弁７１とＥＧＲクーラ７２は、ＥＧＲ通路７０の途中に配置される。ＥＧＲ弁７１は、ＥＧＲ通路７０の通路断面積を変更することによりＥＧＲガス量を調整する弁装置である。ＥＧＲクーラ７２は、ＥＧＲ通路７０を流れるＥＧＲガスと冷却水又は大気との間で熱交換を行う機器である。

　このように構成された内燃機関１には、電子制御ユニット（ＥＣＵ）８が併設される。ＥＣＵ８は、空燃比センサ（空燃比センサ）９、酸素濃度センサ（Ｏ_２センサ）１０、第一温度センサ１１、第二温度センサ１２、第三温度センサ１３、クランクポジションセンサ１４、アクセルポジションセンサ１５、及びエアフローメータ４２等の各種センサと電気的に接続されている。

　空燃比センサ９は、第一触媒ケーシング５０より上流の排気管５に取り付けられ、第一触媒ケーシング５０へ流入する排気の空燃比に相関した電気信号を出力する。酸素濃度センサ１０は、第一触媒ケーシング５０と第二触媒ケーシング５１の間の排気管５に取り付けられ、第一触媒ケーシング５０から流出した排気の酸素濃度に相関した電気信号を出力する。第一温度センサ１１は、第一触媒ケーシング５０と第二触媒ケーシング５１の間の排気管５に取り付けられ、第一触媒ケーシング５０から流出した排気の温度に相関した電気信号を出力する。第二温度センサ１２は、第二触媒ケーシング５１と第三触媒ケーシング５２の間の排気管５に取り付けられ、第二触媒ケーシング５１から流出した排気の温度に相関した電気信号を出力する。第三温度センサ１３は、第三触媒ケーシング５２より下流の排気管５に取り付けられ、第三触媒ケーシング５２から流出した排気の温度に相関した電気信号を出力する。クランクポジションセンサ１４は、内燃機関１に取り付けられ、クランクシャフトの回転位置に相関した電気信号を出力する。アクセルポジションセンサ１５は、アクセルペダル１６に取り付けられ、アクセルペダル１６の操作量（アクセル開度）に相関した電気信号を出力する。エアフローメータ４２は、吸気絞り弁４０より上流の吸気管４に取り付けられ、吸気管４を流れる空気の質量（吸入空気量）に相関した電気信号を出力する。

　また、ＥＣＵ８は、燃料噴射弁３、吸気絞り弁４０、及びＥＧＲ弁７１等の各種機器と電気的に接続される。ＥＣＵ８は、前記した各種センサの出力信号に基づいて、前記した各種機器を制御する。

　たとえば、ＥＣＵ８は、クランクポジションセンサ１４の出力信号からクランクシャフトの回転速度（機関回転速度）を演算する。ＥＣＵ８は、機関回転速度やアクセルポジションセンサ１５の出力信号（アクセル開度）等に基づいて、内燃機関１の目標吸入空気量を演算する。ＥＣＵ８は、エアフローメータ４２の出力信号（吸入空気量）が目標吸入空気量と一致するように吸気絞り弁４０の開度を制御する。

　ＥＣＵ８は、エアフローメータ４２の出力信号（吸入空気量）、アクセル開度、機関回転速度等に基づいて、燃料噴射弁３の開弁タイミング（燃料噴射時期）や開弁期間（燃料噴射量）を制御する。その際、ＥＣＵ８は、空燃比センサ９の出力信号が目標空燃比と一致するように、燃料噴射量をフィードバック制御してもよい。

　なお、ＥＣＵ８は、図２に示すように、内燃機関１の運転状態が低回転・低負荷領域又は中回転・中負荷領域にある場合（図２中の領域Ａ）は、目標空燃比を理論空燃比より高いリーン空燃比に設定する。以下では、領域Ａをリーン運転領域と称する。ＥＣＵ８は、内燃機関１の運転状態が高負荷領域又は高回転領域にある場合（図２中の領域Ｂ）は、目標空燃比を理論空燃比に設定する。図２に示したような領域別に混合気の空燃比が調整されると、内燃機関１の燃料消費量を少なく抑えることができる。

　ところで、目標空燃比がリーン空燃比に設定された場合は、第一触媒ケーシング５０に収容された三元触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能が低くなる。そのため、目標空燃比がリーン空燃比に設定されている場合は、第二触媒ケーシング５１のＮＳＲ触媒と第三触媒ケーシング５２のＳＣＲ触媒によって排気中のＮＯ_Ｘを浄化する必要がある。

　ここで、ＮＳＲ触媒は、第二触媒ケーシング５１へ流入する排気の酸素濃度が高いときは、排気中のＮＯ_Ｘを吸蔵又は吸着する。ＮＳＲ触媒は、第二触媒ケーシング５１へ流入する排気の酸素濃度が低く、且つ炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が排気に含まれるときは、該ＮＳＲ触媒に吸蔵されていたＮＯ_Ｘを放出し、放出されたＮＯ_Ｘを窒素（Ｎ_２）に還元させる。

　そこで、ＥＣＵ８は、前記リーン運転領域においては、リッチスパイク処理を周期的に実行する。リッチスパイク処理は、排気中の酸素濃度が低く且つＨＣやＣＯの濃度が高くなるように、燃料噴射量や吸入空気量を調整する処理である。リッチスパイク処理は、ＮＳＲ触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量が一定量以上になったとき、前回のリッチスパイク処理終了時からの運転時間（好ましくは、目標空燃比がリーン空燃比に設定された運転時間）が一定時間以上になったとき、前回のリッチスパイク処理終了時からの走行距離（好ましくは、目標空燃比がリーン空燃比に設定された走行距離）が一定距離以上になったときに実行されればよい。

　リッチスパイク処理の具体的な実行方法としては、燃料噴射弁３の燃料噴射量を増加させる処理、又は吸気絞り弁４０の開度を減少させる処理の少なくなくとも一つを実行する方法を用いることができる。なお、燃料噴射弁３が気筒２内に直接燃料を噴射する構成においては、気筒２の排気行程中に燃料噴射弁３から燃料を噴射させる方法によりリッチスパイク処理が実行されてもよい。

　ＳＣＲ触媒は、排気中に含まれるアンモニア（ＮＨ_３）を吸着する。ＳＣＲ触媒は、該ＳＣＲ触媒に吸着されたＮＨ_３と排気中のＮＯ_Ｘを反応させることにより、ＮＯ_Ｘを窒素（Ｎ_２）に還元させる。なお、ＳＣＲ触媒へ供給されるＮＨ_３は、三元触媒やＮＳＲ触媒において生成される。たとえば、リッチスパイク処理が実行された場合に、三元触媒においてＮＯ_Ｘの一部がＮＨ_３に還元され、ＮＳＲ触媒において該ＮＳＲ触媒から放出されたＮＯ_Ｘの一部がＮＨ_３に還元される。その際、ＮＳＲ触媒において生成されるＮＨ_３の量は、リッチスパイク処理が実行される間隔や、リッチスパイク処理が実行されるときの空燃比等によって変化する。よって、ＳＣＲ触媒へＮＨ_３を供給する場合は、リッチスパイク処理の実行間隔がＮＨ_３の生成に適した間隔に設定され、又はリッチスパイク処理実行時の空燃比がＮＨ_３の生成に適した空燃比（たとえば、１４．１程度）に設定されればよい。

　ＳＣＲ触媒においてＮＯ_Ｘが還元される場合は、以下の３つの還元反応が起こり得る。
　（１）　４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ
　（２）　ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ
　（３）　６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ

　前記（２）の反応速度は、前記（１）及び前記（３）の反応速度より速い。また、前記（２）の還元反応は、前記（１）及び前記（３）より低い温度域で起こる。よって、前記（２）の反応を促進させることにより、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能を高めることができる。ここで、前記（２）の還元反応は、排気中に含まれる一酸化窒素（ＮＯ）の量（モル）と二酸化窒素（ＮＯ_２）の量（モル）が略同等であるときに起こりやすい。排気中のＮＯ_Ｘの大部分はＮＯとＮＯ_２が占めるため、前記（２）の還元反応はＮＯ_２比率が略１／２であるときに活発になる。

　そこで、本実施例の内燃機関の排気浄化システムは、三元触媒やＮＳＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能が低い場合、又はＳＣＲ触媒の温度が低い場合に、ＳＣＲ触媒へ流入する排気のＮＯ_２比率を１／２に近づける処理（以下、「ＮＯ_２比率調整処理」と称する）を行うようにした。以下、ＮＯ_２比率調整処理の実行方法について述べる。

　排気のＮＯ_２比率は、混合気の空燃比、又はＥＧＲガスの量に応じて変化する。図３は、混合気の空燃比とＮＯ_２比率の相関を示す図である。図３において、混合気の空燃比が大きい場合（リーンの場合）は小さい場合（リッチの場合）に比べ、ＮＯ_２比率が大きくなる。図４は、ＥＧＲ率（気筒２内に吸入されたガス量に対するＥＧＲガス量の比率）とＮＯ_２比率の相関を示す図である。図４において、ＥＧＲ率が大きい場合は小さい場合に比べ、ＮＯ_２比率が大きくなる。なお、ＥＧＲガス量が多くなるほどＥＧＲ率が大きくなるため、ＥＧＲガス量が多い場合は少ない場合に比べ、ＮＯ_２比率が大きくなるとも言える。

　ところで、ＮＯ_２比率を変更させる必要がある場合に、混合気の空燃比やＥＧＲ率（ＥＧＲガス量）が不用意に変更されると、内燃機関１の運転状態や排気浄化装置の浄化性能等に悪影響が及ぶ可能性がある。たとえば、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の少なくとも一つの温度が高い場合に、ＥＧＲ率が増加されると、排気の温度が上昇する。その結果、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の温度が温度浄化ウインドより高くなる可能性がある。三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の少なくとも一つの温度が温度浄化ウインドより高くなると、それら触媒の浄化性能が却って低下し、エミッションの悪化を招く可能性がある。

　また、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の少なくとも一つの温度が低い場合に、ＥＧＲ率が減少されたり、混合気の空燃比が増加（リーン側の空燃比へ変更）されたりすると、排気の温度が低下する。その結果、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の温度が温度浄化ウインドより低くなる可能性がある。三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の少なくとも一つの温度が温度浄化ウインドより低くなると、それら触媒の浄化性能が却って低下し、エミッションの悪化を招く可能性がある。

　さらに、内燃機関１が定常運転状態にある場合等に、混合気の空燃比が増減されると、内燃機関のトルク変動が発生する可能性がある。その場合、車両の運転者が違和感を覚える可能性がある。

　そこで、本実施例のＮＯ_２比率調整処理においては、ＥＣＵ８は、内燃機関１の運転状態が前述の図２の説明で述べたリーン運転領域（図２中の領域Ａ）に属するときに、ＮＯ_２比率を変更する必要が生じると、内燃機関の運転状態や排気浄化装置の状態等に応じた方法によりＮＯ_２比率調整処理を実行するようにした。

　先ず、ＥＣＵ８は、ＮＯ_２比率を増加させる必要がある場合に、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の少なくとも一つの温度が高ければ、それらの触媒の温度が低いときに比して、ＥＧＲガスの増加量を少なくするとともに、空燃比の増加量を大きくするようにした。たとえば、図５に示すように、リーン運転領域のうち機関負荷が小さく且つ機関回転速度が大きい領域（図５中の領域Ａ１）においては、他のリーン運転領域に比べ、ＥＧＲガスの増加量を少なく抑えつつ、空燃比の増加量を大きくする。好ましくは、ＥＣＵ８は、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の温度が所定温度（たとえば、温度浄化ウインドの上限値、又は該上限値から所定のマージンを差し引いた温度）より高い場合は、ＥＧＲガスを増加させずに、混合気の空燃比を増加させることにより、ＮＯ_２比率を増加させてもよい。また、ＥＣＵ８は、前記領域Ａ１においては、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の温度が高くなるほど、ＥＧＲガスの増加量を少なくするとともに、空燃比の増加量を大きくしてもよい。さらに、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の温度が温度浄化ウインドの上限値に近似している場合や前記上限値を超えている場合は、ＥＧＲガスの量を減少させつつ、空燃比を増加させてもよい。その場合、排気の温度が一層低くなるため、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の温度を温度浄化ウインド内に収めつつ、ＮＯ_２比率を大きくすることができる。

　このような方法によってＮＯ_２比率調整処理が実行されると、内燃機関１から排出される排気の温度を低く抑えつつ、ＮＯ_２比率を増加させることができる。その結果、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の過昇温を抑えつつ、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能を高めることができる。三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の過昇温が抑制されると、三元触媒、ＮＳＲ触媒、及びＳＣＲ触媒によるＮＯ_Ｘ以外の浄化率（たとえば、炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の浄化率）が低下することを抑制することができる。

　ところで、リーン運転領域のうち機関負荷が大きい領域（図５中の領域Ａ３）においては、ノッキングが発生しやすい。そのため、内燃機関１の運転状態が前記領域Ａ３に属するときに、ＥＧＲガスの量を減少させつつ空燃比を増加させる方法でＮＯ_２比率の増加が図られると、ノッキングが一層発生し易くなる可能性がある。また、前記領域Ａ３においてＮＯ_２比率を減少させる場合に、ＥＧＲガス量を減少させる方法でＮＯ_２比率の減少が図られると、ノッキングが一層発生し易くなる。そのため、ＮＯ_２比率を減少させる場合においても、内燃機関１の運転状態が前記領域Ａ３に属していれば、ＥＧＲガス量を減少させずに、混合気の空燃比を減少（リッチ側の空燃比へ変更）させる方法でＮＯ_２比率を減少させることが望ましい。以下では、前記領域Ａ３のようにノッキングが発生しやすい運転領域を「ノック領域」と記す。

　次に、ＥＣＵ８は、ＮＯ_２比率を増加させる必要がある場合に、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の少なくとも一つの温度が低ければ、それらの触媒の温度が高いときに比して、ＥＧＲガスの増加量を多くするとともに、空燃比の増加量を小さく抑えるようにした。たとえば、図５に示すように、リーン運転領域のうち機関負荷が小さく且つ機関回転速度が小さい領域（図５中の領域Ａ２）においては、他のリーン運転領域に比べ、ＥＧＲガスの増加量を多くするとともに、空燃比の増加量を小さくする。好ましくは、ＥＣＵ８は、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の温度が所定温度（たとえば、温度浄化ウインドの下限値、又は該下限値に所定のマージンを加算した温度）より低い場合は、空燃比を増加させずに、ＥＧＲガス量を増加させることにより、ＮＯ_２比率を増加させてもよい。また、ＥＣＵ８は、前記領域Ａ２においては、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の温度が低くなるほど、ＥＧＲガスの増加量を多くするとともに、空燃比の増加量を小さくしてもよい。なお、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の温度が温度浄化ウインドの下限値に近似している場合や前記下限値を下回っている場合は、空燃比を小さくしつつ、ＥＧＲガス量を増加させてもよい。その場合、排気の温度が一層高まるため、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の温度を温度浄化ウインド内に収めつつ、ＮＯ_２比率を大きくすることができる。

　このような方法によってＮＯ_２比率調整処理が実行されると、内燃機関１から排出された時点における排気の温度を高めつつ、ＮＯ_２比率を増加させることができる。その結果、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の過剰な温度低下を抑えつつ、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能を高めることができる。三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の過剰な温度低下が抑制されると、三元触媒、ＮＳＲ触媒、及びＳＣＲ触媒によるＮＯ_Ｘ以外の浄化率（たとえば、炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の浄化率）が低下することを抑制することができる。

　なお、内燃機関１が過渡運転状態にあるときは、ＥＧＲガス量を変更せずに、混合気の空燃比を変更する方法によってＮＯ_２比率調整処理が実行されることが望ましい。ＥＣＵ８がＥＧＲ弁７１の開度変更に関する指令値を出力してからＮＯ_２比率が変化するまでにはある程度の時間（応答遅れ時間）がかかる。そのため、内燃機関１が過渡運転にあるときに、ＥＧＲガス量の変更を伴うＮＯ_２比率調整処理が実施されても、実際のＮＯ_２比率が過渡運転状態に適した比率にならない可能性がある。その結果、内燃機関１が過渡運転されているときのエミッションが悪化する可能性がある。これに対し、ＥＣＵ８が空燃比の変更（燃料噴射量の変更）に関する指令値を出力してからＮＯ_２比率が変化するまでにかかる時間は、前記応答遅れ時間に比して十分に短い。よって、内燃機関１が過渡運転されているときは、ＥＧＲガス量を変更せずに空燃比を増加させる方法によってＮＯ_２比率調整処理が実行されれば、エミッションの悪化を抑制しつつＮＯ_２比率を調整することができる。ところで、ＥＧＲガス量を変更せずに混合気の空燃比を変更する方法は、ＥＧＲガス量の変更と空燃比の変更を併用する方法に比べ、内燃機関１のトルク変動が大きくなることが懸念される。しかしながら、内燃機関１が過渡運転状態にあるときは定常運転状態にあるとき等に比べ、運転者が許容することができるトルク変動が大きくなると考えられる。よって、運転者が覚える違和感を軽減しつつ、ＮＯ_２比率を調整することができる。

　上記したように内燃機関１の運転状態や排気浄化装置の状態等に応じてＮＯ_２比率調整処理の実行方法が変更されると、燃料消費量の増加、ノッキングの発生、運転者が覚える違和感、又はエミッションの悪化等を抑制しつつ、ＮＯ_２比率を調整することができる。

　なお、ＳＣＲ触媒へ流入する排気のＮＯ_２比率は、三元触媒やＮＳＲ触媒の状態によって変化する。ここで、排気の位置と各位置におけるＮＯ_２比率との関係を図６に示す。図６中の縦軸はＮＯ_２比率を示し、横軸は排気の位置を示す。また、図６中のＰ１は第一触媒ケーシング５０より上流の位置を示し、Ｐ２は第一触媒ケーシング５０と第二触媒ケーシング５１との間の位置を示し、Ｐ３は第二触媒ケーシング５１と第三触媒ケーシング５２との間の位置を示す。

　図６において、三元触媒及びＮＳＲ触媒の浄化性能が適正である場合は、図６中の実線の矢印で示すように、内燃機関１から排出されたＮＯ_２の一部は、三元触媒のパラジウムによってＮＯへ還元される。その結果、第一触媒ケーシング５０から流出する排気（図６中Ｐ２の位置における排気）のＮＯ_２比率は、第一触媒ケーシング５０へ流入する排気（図６中Ｐ１の位置における排気）のＮＯ_２比率より小さくなる。また、第二触媒ケーシング５１においては、排気中に含まれるＮＯの一部がＳＣＲ触媒の白金によってＮＯ_２へ酸化される。その結果、第二触媒ケーシング５１から流出する排気（図６中Ｐ３の位置における排気）のＮＯ_２比率（図６中Ｒ０）は、第二触媒ケーシング５１へ流入する排気（第一触媒ケーシング５０から流出する排気）のＮＯ_２比率より大きくなる。

　これに対し、三元触媒の浄化性能が低い場合は、三元触媒によって還元されるＮＯ_２の量が少なくなる。そのため、図６中の一点鎖線の矢印で示すように、Ｐ２の位置におけるＮＯ_２比率は、三元触媒及びＮＳＲ触媒の浄化性能が適正である場合より大きくなる。その結果、Ｐ３の位置におけるＮＯ_２比率（図６中Ｒ１）は、三元触媒及びＮＳＲ触媒の浄化性能が適正である場合のＮＯ_２比率Ｒ０より大きくなる。

　ＮＳＲ触媒の浄化性能が低い場合は、ＮＳＲ触媒において酸化されるＮＯの量が少なくなる。そのため、図６中の破線の矢印で示すように、Ｐ３の位置におけるＮＯ_２比率（図６中のＲ２）は、三元触媒及びＮＳＲ触媒の浄化性能が適正である場合のＮＯ_２比率Ｒ０より小さくなる。

　三元触媒及びＮＳＲ触媒の浄化性能が低い場合は、三元触媒によって還元されるＮＯ_２の量が少なくなるとともに、ＮＳＲ触媒によって酸化されるＮＯの量が少なくなる。そのため、図６中の二点鎖線の矢印で示すように、Ｐ３の位置におけるＮＯ_２比率（図６中のＲ３）は、Ｐ１の位置におけるＮＯ_２比率に近似した大きさになる。ただし、Ｐ３の位置におけるＮＯ_２比率Ｒ３は、三元触媒及びＮＳＲ触媒のそれぞれの性能低下度合いによって変化する。

　よって、三元触媒又はＮＳＲ触媒の少なくとも一方の浄化性能が低下している場合は、浄化性能の低下度合いに応じて、内燃機関１から排出される排気のＮＯ_２比率を変更する必要がある。

　先ず、三元触媒の浄化性能が低下している場合は、三元触媒及びＮＳＲ触媒の浄化性能が適正である場合に比べ、ＳＣＲ触媒へ流入する排気のＮＯ_２比率が大きくなる。よって、内燃機関１から排出される排気のＮＯ_２比率は、三元触媒及びＮＳＲ触媒の浄化性能が適正である場合より小さくされればよい。詳細には、三元触媒の浄化性能が低下している場合は、三元触媒及びＮＳＲ触媒の浄化性能が適正である場合に比べ、ＥＧＲガスの増加量又は空燃比の増加量の少なくとも一方が小さくされればよい。ただし、内燃機関１の運転状態が前述した図５の説明で述べた領域Ａ３（ノック領域）に属するときは、ＥＧＲガスの量を変更せずに、空燃比の増加量を小さくしてもよい。

　ＮＳＲ触媒の浄化性能が低下している場合は、三元触媒及びＮＳＲ触媒の浄化性能が適正である場合に比べ、ＳＣＲ触媒へ流入する排気のＮＯ_２比率が小さくなる。よって、内燃機関１から排出される排気のＮＯ_２比率は、三元触媒及びＮＳＲ触媒の浄化性能が適正である場合より大きくされればよい。詳細には、ＮＳＲ触媒の浄化性能が低下している場合は、三元触媒及びＮＳＲ触媒の浄化性能が適正である場合に比べ、ＥＧＲガスの増加量又は空燃比の増加量の少なくとも一方が大きくされればよい。

　三元触媒及びＮＳＲ触媒の浄化性能が低下している場合は、三元触媒とＮＳＲ触媒のそれぞれの性能の低下度合いに応じて、ＥＧＲガスの増加量又は空燃比の増加量を補正すればよい。ここで、三元触媒及びＮＳＲ触媒の浄化性能は、各触媒が劣化している場合、各触媒の温度が温度浄化ウインドから逸脱している場合、各触媒を通過する排気の流速が大きい場合等に低下する。

　なお、三元触媒及びＮＳＲ触媒は、酸素吸蔵能を有しているため、酸素吸蔵能の劣化度合いを特定することにより各々の触媒の劣化度合いを特定することができる。酸素吸蔵能の劣化度合いを特定する方法としては、特開平８－２６０９４９号公報に記載されているような既知の方法を用いることができる。三元触媒の劣化度合いと三元触媒のＮＯ_２還元率（三元触媒へ流入するＮＯ_２量に対して、三元触媒によって還元されるＮＯ_２の量の割合）との関係を予め求めておけば、三元触媒が劣化している場合に該三元触媒によって還元されるＮＯ_２の量を特定することができる。同様に、ＮＳＲ触媒の劣化度合いとＮＳＲ触媒のＮＯ酸化率（ＮＳＲ触媒へ流入するＮＯの量に対して、ＮＳＲ触媒によって酸化されるＮＯの量の割合）との関係を予め求めておけば、ＮＳＲ触媒が劣化している場合に該ＮＳＲ触媒によって酸化されるＮＯの量を特定することができる。

　三元触媒の温度とＮＳＲ触媒の温度は、第一温度センサ１１と第二温度センサ１２の測定値から各々特定することができる。三元触媒の温度と三元触媒のＮＯ_２還元率との関係を予め求めておけば、三元触媒の温度が温度浄化ウインドから逸脱している場合に該三元触媒によって還元されるＮＯ_２の量を特定することができる。同様に、ＮＳＲ触媒の温度とＮＳＲ触媒のＮＯ酸化率との関係を予め求めておけば、ＮＳＲ触媒の温度が温度浄化ウインドから逸脱している場合に該ＮＳＲ触媒によって酸化されるＮＯの量を特定することができる。

　三元触媒及びＮＳＲ触媒を通過する排気の流速は、エアフローメータ４２の測定値及び機関回転速度から特定することができる。三元触媒を通過する排気の流速と三元触媒のＮＯ_２還元率との関係を予め求めておけば、三元触媒を通過する排気の流速が大きい場合に該三元触媒によって還元されるＮＯ_２の量を特定することができる。同様に、ＮＳＲ触媒を通過する排気の流速とＮＳＲ触媒のＮＯ酸化率との関係を予め求めておけば、ＮＳＲ触媒を通過する排気の流速が高い場合に該ＮＳＲ触媒によって酸化されるＮＯの量を特定することができる。

　一方、内燃機関１から排出される排気のＮＯ_２比率は、混合気の空燃比、ＥＧＲガスの量、燃料噴射時期等をパラメータとして演算することができる。よって、内燃機関１から排出された排気のＮＯ_２比率と、三元触媒のＮＯ_２還元率と、ＮＳＲ触媒のＮＯ酸化率と、をパラメータとして、ＳＣＲ触媒へ流入する排気のＮＯ_２比率が演算されてもよい。その場合、内燃機関１から排出された排気のＮＯ_２比率と、三元触媒のＮＯ_２還元率と、ＮＳＲ触媒のＮＯ酸化率と、ＳＣＲ触媒へ流入する排気のＮＯ_２比率との関係を定めたマップ又は関数式がＥＣＵ８のＲＯＭに記憶されるようにしてもよい。

　上記したように、三元触媒及びＮＳＲ触媒の浄化性能に応じて、内燃機関１から排出される排気のＮＯ_２比率が変更されれば、三元触媒又はＮＳＲ触媒の少なくとも一方の浄化性能が低下している場合であっても、ＳＣＲ触媒へ流入する排気のＮＯ_２比率を所望の比率にすることが可能となる。

　また、第二触媒ケーシング５１と第三触媒ケーシング５２の間の排気管５にＮＯ_Ｘセンサが取り付けられる構成においては、内燃機関１から排出される排気のＮＯ_２比率がＮＯ_Ｘセンサの測定値に基づいてフィードバック制御されてもよい。ここで、排気中に含まれるＮＯ_２の量は、ＮＯ_２比率にかかわらず略一定である。よって、ＮＯ_２比率調整処理の実行前におけるＮＯ_Ｘセンサの測定値とＮＯ_２比率調整処理の実行後におけるＮＯ_Ｘセンサの測定値との差は、ＮＯの変化量に相当する。このような方法によってＮＯの変化量が特定されると、ＮＯ_２比率調整処理の実行後におけるＮＯ_２比率も特定することができる。よって、ＮＯ_２比率調整処理実行後のＮＯ_２比率と目標ＮＯ_２比率との差に基づいたフィードバック制御を行うことができる。このような方法によってフィードバック制御が実行されると、ＳＣＲ触媒へ流入するＮＯ_２比率をより確実に目標ＮＯ_２比率に近づけることができる。

　なお、ＳＣＲ触媒の温度とＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化率とＳＣＲ触媒へ流入する排気のＮＯ_２比率との間には相関があるため、ＳＣＲ触媒の温度とＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化率とを引数とするマップや関数式を用いて、ＳＣＲ触媒へ流入する排気のＮＯ_２比率が求められてもよい。その際、ＳＣＲ触媒の温度としては、第三温度センサ１３の測定値を用いることができる。ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化率は、第三触媒ケーシング５２へ流入する排気に含まれるＮＯ_Ｘの量（ＮＯ_Ｘ流入量）及び第三触媒ケーシング５２から流出する排気に含まれるＮＯ_Ｘの量（ＮＯ_Ｘ流出量）をパラメータとして演算することできる。ＮＯ_Ｘ流入量及びＮＯ_Ｘ流出量は、第三触媒ケーシング５２の前後の排気管５にＮＯ_Ｘセンサを取り付けることにより求めることができる。

　以下、本実施例におけるＮＯ_２比率調整処理の実行手順について図７に沿って説明する。図７は、ＮＯ_２比率調整処理が実行される際にＥＣＵ８が実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。この処理ルーチンは、予めＥＣＵ８のＲＯＭに記憶されており、ＥＣＵ８（ＣＰＵ）によって周期的に実行される。

　図７の処理ルーチンでは、ＥＣＵ８は、先ずＳ１０１の処理において、内燃機関１の運転状態が前述したリーン運転領域に属しているか否かを判別する。Ｓ１０１の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ８は、本ルーチンの実行を一旦終了する。Ｓ１０１の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ８は、Ｓ１０２の処理へ進む。

　Ｓ１０２の処理では、ＥＣＵ８は、ＳＣＲ触媒へ流入する排気のＮＯ_２比率が目標ＮＯ_２比率Ｒｎｏ２ｔｒｇより小さいか否かを判別する。ここでいう「目標ＮＯ_２比率Ｒｎｏ２ｔｒｇ」は、排気中に含まれるＮＯ_ＸのうちＮＯ_２が占める割合が１／２となるＮＯ_２比率、好ましくは排気中に含まれるＮＯとＮＯ_２の総量に対するＮＯ_２の量の割合が１／２となるＮＯ_２比率（ＮＯの量とＮＯ_２の量が同等になるＮＯ_２比率）である。ただし、前述の（２）の還元反応が最も活発となるＮＯ_２比率は、ＳＣＲ触媒へ流入するＨＣの量、又はＳＣＲ触媒に付着しているＨＣの量によって変化する場合がある。たとえば、ＳＣＲ触媒へ流入するＨＣの量、又はＳＣＲ触媒に付着しているＨＣの量が多くなると、前述の（２）の還元反応が最も活発になるＮＯ_２比率は、１／２より大きくなる。よって、前記目標ＮＯ_２比率は、ＳＣＲ触媒へ流入するＨＣの量やＳＣＲ触媒のＨＣ付着量に応じて変更されてもよい。

　前記Ｓ１０２の処理において、ＥＣＵ８は、三元触媒の浄化性能が適正であり、且つＮＳＲ触媒の浄化性能が低下していれば、ＮＯ_２比率Ｒｎｏ２が目標ＮＯ_２比率Ｒｎｏ２ｔｒｇより小さいと判定してもよい。また、ＥＣＵ８は、前述したように、内燃機関１から排出される排気のＮＯ_２比率と、三元触媒のＮＯ_２還元率と、ＮＳＲ触媒のＮＯ酸化率と、をパラメータとして、ＳＣＲ触媒へ流入する排気のＮＯ_２比率Ｒｎｏ２を演算し、そのＮＯ_２比率Ｒｎｏ２と目標ＮＯ_２比率Ｒｎｏ２ｔｒｇとを比較してもよい。さらに、ＥＣＵ８は、ＳＣＲ触媒の温度（第三温度センサ１３の測定値）と、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化率と、をパラメータとして、ＳＣＲ触媒へ流入する排気のＮＯ_２比率Ｒｎｏ２を演算し、そのＮＯ_２比率Ｒｎｏ２と目標ＮＯ_２比率Ｒｎｏ２ｔｒｇとを比較してもよい。

　前記Ｓ１０２の処理において肯定判定された場合（Ｒｎｏ２＜Ｒｎｏ２ｔｒｇ）は、ＥＣＵ８は、Ｓ１０３の処理へ進む。Ｓ１０３の処理では、ＥＣＵ８は、ＥＧＲ弁７１に異常が発生しているか否かを判別する。ＥＧＲ弁７１が異常であるか否かの判定は、別途の異常診断処理の診断結果に基づいて行われる。

　前記Ｓ１０３の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ８は、Ｓ１０４の処理へ進み、混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を増加させることによりＮＯ_２比率Ｒｎｏ２を増加させる。その場合、ＥＧＲ弁７１に異常が発生していても、ＮＯ_２比率Ｒｎｏ２を増加させることができる。

　前記Ｓ１０３の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ８は、Ｓ１０５の処理へ進み、内燃機関１が過渡運転状態にあるか否かを判別する。Ｓ１０５の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ８は、Ｓ１０４の処理へ進み、混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を増加させることによりＮＯ_２比率Ｒｎｏ２を増加させる。その場合、ＳＣＲ触媒へ流入する排気のＮＯ_２比率Ｒｎｏ２を速やかに増加させることができる。その結果、内燃機関１が過渡運転状態にある場合であっても、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能を高めることができる。

　前記Ｓ１０５の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ８は、Ｓ１０６の処理へ進み、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の少なくとも一つが高温状態にあるか否かを判別する。たとえば、ＥＣＵ８は、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の少なくとも一つの温度が温度浄化ウインドの上限値又は該上限値から所定のマージンを減算した値より高ければ、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又は三元触媒の少なくとも一つが高温状態にあると判定する。なお、ＥＣＵ８は、内燃機関１の運転状態が前述した図５の説明で述べた領域Ａ１に属するときに、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の少なくとも一つが高温状態にあると判定してもよい。

　前記Ｓ１０６の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ８は、Ｓ１０４の処理へ進み、混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を増加させることによりＮＯ_２比率Ｒｎｏ２を増加させる。その場合、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の温度を過剰に上昇させることなく、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能を高めることができる。

　前記Ｓ１０６の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ８は、Ｓ１０７の処理へ進み、ＥＧＲガス量を増加させることにより、ＮＯ_２比率Ｒｎｏ２を増加させる。その場合、ＮＯ_Ｘ発生量の増加やノッキングの発生等を抑制しつつ、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能を高めることが可能になる。

　なお、前記Ｓ１０５の処理と前記Ｓ１０６の処理の双方が実行される必要はなく、何れか一方の処理のみが実行されてもよい。すなわち、前記Ｓ１０５の処理又は前記Ｓ１０６の何れか一方の処理において肯定判定された場合に前記Ｓ１０４の処理が実行され、前記Ｓ１０５の処理又は前記Ｓ１０６の何れか一方の処理において否定判定された場合に前記Ｓ１０７の処理が実行されてもよい。

　また、前記Ｓ１０２の処理において否定判定された場合（Ｒｎｏ２≧Ｒｎｏ２ｔｒｇ）は、ＥＣＵ８は、Ｓ１０８の処理へ進み、ＳＣＲ触媒へ流入する排気のＮＯ_２比率Ｒｎｏ２が目標ＮＯ_２比率Ｒｎｏ２ｔｒｇより大きいか否かを判別する。Ｓ１０８の処理において否定判定された場合（Ｒｎｏ２＝Ｒｎｏ２ｔｒｇ）は、ＥＣＵ８は、本ルーチンの実行を一旦終了する。Ｓ１０８の処理において肯定判定された場合（Ｒｎｏ２＞Ｒｎｏ２ｔｒｇ）は、ＥＣＵ８は、Ｓ１０９の処理へ進む。

　Ｓ１０９の処理では、ＥＣＵ８は、内燃機関１の運転状態が前述した図５の説明で述べた領域Ａ３（ノック領域）に属するか否かを判別する。Ｓ１０９の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ８は、Ｓ１１０の処理へ進む。

　Ｓ１１０の処理では、ＥＣＵ８は、混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を小さくすることによりＮＯ_２比率Ｒｎｏ２を減少させる。その場合、ＥＧＲガスが減量されないため、ノッキングの発生を抑制しつつ、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能を高めることが可能になる。

　前記Ｓ１０９の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ８は、Ｓ１１１の処理へ進み、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の少なくとも一つが低温状態にあるか否かを判別する。たとえば、ＥＣＵ８は、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の少なくとも一つの温度が温度浄化ウインドの下限値又は該下限値に所定のマージンを加算した値より低ければ、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又は三元触媒の少なくとも一つが高温状態にあると判定する。なお、ＥＣＵ８は、内燃機関１の運転状態が前述した図５の説明で述べた領域Ａ２に属するときに、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の少なくとも一つが低温状態にあると判定してもよい。

　前記Ｓ１１１の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ８は、Ｓ１１０の処理へ進み、混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を小さくすることによりＮＯ_２比率Ｒｎｏ２を減少させる。その場合、ＥＧＲガスが減量されないため、排気温度の低下を抑制しつつ、ＮＯ_２比率Ｒｎｏ２を減少させることができる。その結果、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の温度を過剰に低下させることなく、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能を高めることができる。

　前記Ｓ１１１の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ８は、Ｓ１１２の処理へ進み、ＥＧＲガスを減量させることによりＮＯ_２比率Ｒｎｏ２を減少させる。その場合、混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）が小さくならないため、内燃機関１の燃料消費量を増加させることなく、ＮＯ_２比率Ｒｎｏ２を減少させることができる。

　以上述べたようにＥＣＵ８が図７の処理ルーチンを実行することにより、本発明に係わる制御手段が実現される。その結果、内燃機関１の運転状態や排気浄化装置の浄化性能に悪影響を与えることなく、排気浄化装置のＮＯ_Ｘ浄化性能を高めることができる。

　＜変形例１＞
　前述した実施例では、ＮＯ_２比率が目標ＮＯ_２比率より小さい場合であって、ＥＧＲ弁７１が故障していない場合において、内燃機関１が過渡運転状態にあると（図７のＳ１０５の処理において肯定判定されると）、ＥＧＲガス量を増加させずに空燃比を増加させているが、ＥＧＲガス量を増加させつつ空燃比を増加させてもよい。たとえば、内燃機関１が比較的穏やかな加速運転状態にある場合は、内燃機関１の過渡運転期間中にＥＧＲガス量の増加がＮＯ_２比率に反映される可能性がある。よって、ＥＧＲガス量を増加させつつ空燃比を増加させることにより、ＮＯ_Ｘ発生量の増加やノッキングの発生を抑制する効果を見込みつつ、ＮＯ_２比率を高めることができる。

　＜変形例２＞
　前述した実施例では、ＮＯ_２比率が目標ＮＯ_２比率より小さい場合であって、ＥＧＲ弁７１が故障していない場合において、排気浄化装置が高温状態にあると（図７のＳ１０６の処理において肯定判定されると）、ＥＧＲガス量を変化させずに空燃比を増加させているが、ＥＧＲガス量を変化させつつ空燃比を増加させてもよい。

　具体的には、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の少なくとも一つの温度が温度浄化ウインドの上限値を超えている場合は、ＥＧＲガスを減少させつつ空燃比を増加させてもよい。その場合、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の温度を低下させつつ、ＮＯ_２比率を増加させることができる。

　三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の少なくとも一つの温度が温度浄化ウインドの上限値以下であり、且つ上限値との差が比較的小さい場合は、ＥＧＲガスを増加させずに混合気の空燃比を増加させてもよい。その場合、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の温度上昇を抑えつつＮＯ_２比率を増加させることができる。

　三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の少なくとも一つの温度が温度浄化ウインドの上限値以下であり、且つ上限値との差が比較的大きい場合は、ＥＧＲガスをわずかに増加させつつ混合気の空燃比を増加させてもよい。その場合、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の過剰な温度上昇を抑えつつＮＯ_２比率を増加させることができる。さらに、ＥＧＲガスの増加によるＮＯ_Ｘ発生量の減少効果やノッキング抑制効果等を得ることもできる。

　＜変形例３＞
　前述した実施例では、ＮＯ_２比率が目標ＮＯ_２比率より小さく、且つＥＧＲ弁７１が故障していない場合において、内燃機関１が過渡運転状態になく、且つ排気浄化装置が高温状態になければ（図７のＳ１０６の処理において否定判定されると）、空燃比を変更せずにＥＧＲガス量を増加させているが、空燃比を変更しつつＥＧＲガス量を増加させてもよい。

　具体的には、内燃機関１のトルク変動が許容範囲に収まる範囲内で空燃比を増加させつつＥＧＲガス量を増加させてもよい。その場合、空燃比の増加による燃料消費量の低減効果を得つつ、ＮＯ_２比率を増加させることができる。

　＜変形例４＞
　前述した実施例では、ＮＯ_２比率が目標ＮＯ_２比率より大きい場合において、内燃機関１の運転状態がノック領域にあると（図７のＳ１０９の処理において肯定判定されると）、ＥＧＲガス量を変更せずに空燃比を減少させているが、ＥＧＲガス量を変更させつつ空燃比を減少させてもよい。

　具体的には、内燃機関１の運転状態がノック領域に属する場合において、機関負荷が比較的低い、又は気筒２内の雰囲気が比較的低温であれば、ＥＧＲガス量をわずかに減少させつつ、空燃比を減少させてもよい。その場合、空燃比の減少に伴う燃料消費量の増加を少なく抑えつつ、ＮＯ_２比率を小さくすることができる。

　また、内燃機関１の運転状態がノック領域に属する場合において、機関負荷が比較的高い、又は気筒２内の雰囲気が比較的高温であれば、ＥＧＲガス量を増加させつつ、空燃比を減少させてもよい。その場合、ノッキングの発生をより確実に抑制しつつ、ＮＯ_２比率を小さくすることができる。

　＜変形例５＞
　前述した実施例では、ＮＯ_２比率が目標ＮＯ_２比率より大きく、且つ内燃機関１の運転状態がノック領域に属さない場合において、排気浄化装置が低温状態にあると（図７のＳ１１１の処理において否定判定されると）、空燃比を変更せずにＥＧＲガス量を減少させているが、空燃比を変更させつつＥＧＲガス量を減少させてもよい。

　具体的には、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の少なくとも一つの温度が温度浄化ウインドの下限値を下回っている場合は、空燃比を減少させつつＥＧＲガス量を増加させてもよい。その場合、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の温度を上昇させつつ、ＮＯ_２比率を減少させることができる。

　三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の少なくとも一つの温度が温度浄化ウインドの下限値以上である場合は、空燃比をわずかに減少させつつＥＧＲガス量を増加させてもよい。その場合、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の温度低下を抑えつつＮＯ_２比率を減少させることができる。

　三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の少なくとも一つの温度が温度浄化ウインドの下限値以上であり、且つ下限値との差が比較的大きい場合は、空燃比を減少させずにＥＧＲガス量を増加させてもよい。その場合、三元触媒、ＮＳＲ触媒、又はＳＣＲ触媒の温度低下、及び空燃比の減少に伴う燃料消費量の増加を抑制しつつ、ＮＯ_２比率を減少させることができる。

　ここで、前述した変形例１乃至５は、適宜組み合わせることができる。その場合、燃料消費量の増加、ノッキングの発生、運転者が覚える違和感、又はエミッションの悪化等を適当に抑制しつつ、ＮＯ_２比率を調整することが可能になる。

　なお、前述した本実施例においては、第三触媒ケーシング５２の上流に第一触媒ケーシング５０と第二触媒ケーシング４が配置される例について述べたが、第一触媒ケーシング５０又は第二触媒ケーシング４の何れか一方のみが配置されていてもよく、或いは第一触媒ケーシング５０及び第二触媒ケーシング４が配置されていなくてもよい。

１     内燃機関
２     気筒
３     燃料噴射弁
４     吸気管
５     排気管
６     ターボチャージャ
７     ＥＧＲ装置
８     ＥＣＵ
９     空燃比センサ
１０   酸素濃度センサ
１１   第一温度センサ
１２   第二温度センサ
１３   第三温度センサ
１６   アクセルペダル
４０   吸気絞り弁
５０   第一触媒ケーシング
５１   第二触媒ケーシング
５２   第三触媒ケーシング
６０   コンプレッサ
６１   タービン
７０   ＥＧＲ通路
７１   ＥＧＲ弁
７２   ＥＧＲクーラ

Claims (4)

1. 　内燃機関の排気通路に配置され、選択還元型触媒を含む排気浄化装置と、
   　排気通路を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路へ還流させるＥＧＲ装置と、
   　排気中に含まれるＮＯ_Ｘのうち二酸化窒素が占める割合であるＮＯ_２比率を増加させる場合に、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比を増加させる処理、又はＥＧＲ装置によって還流されるＥＧＲガスを増加させる処理の少なくとも一方を実行する処理手段と、
   　排気浄化装置の温度が高い場合は低い場合に比べ、空燃比の増加量が大きくなるとともにＥＧＲガスの増加量が少なくなるように前記処理手段を制御する制御手段と、
   を備える内燃機関の排気浄化システム。
2. 　内燃機関の排気通路に配置され、選択還元型触媒を含む排気浄化装置と、
   　排気通路を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路へ還流させるＥＧＲ装置と、
   　排気中に含まれるＮＯ_Ｘのうち二酸化窒素が占める割合であるＮＯ_２比率を増加させる場合に、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比を増加させる処理、又は内燃機関の排気通路から吸気通路へ還流されるＥＧＲガスを増加させる処理の少なくとも一方を実行する処理手段と、
   　内燃機関が過渡運転状態にある場合は、少なくとも空燃比を増加させ、且つ過渡運転状態にない場合に比して空燃比の増加量が大きくなるように前記処理手段を制御する制御手段と、
   を備える内燃機関の排気浄化システム。
3. 　請求項１又は２において、前記排気浄化装置は、選択還元型触媒より上流に配置される三元触媒を含み、
   　前記制御手段は、前記三元触媒の浄化能力が低い場合は高い場合に比べ、ＮＯ_２比率の増加量が小さくなるように前記処理手段を制御する内燃機関の排気浄化システム。
4. 　請求項１乃至３の何れか１項において、前記排気浄化装置は、前記選択還元型触媒より上流に配置される吸蔵還元型触媒を含み、
   　前記制御手段は、前記吸蔵還元型触媒の浄化能力が低い場合は高い場合に比べ、ＮＯ_２比率の増加量が大きくなるように前記処理手段を制御する内燃機関の排気浄化システム。

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