内燃機関の制御装置および排気浄化装置
【課題】内燃機関の空燃比フィードバック制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる内燃機関の制御装置および排気浄化装置を提供する。
【解決手段】エンジンシステム１は、空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行するエンジン１００の排気通路１６に酸素吸蔵／放出材３３ｂを含有する排気浄化触媒３１ａを備え、排気浄化触媒３１ａの下流側の酸素吸蔵／放出材３３ｂを構成するＺｒ組成比率を上流側よりも小さい構成とすることで、エンジン１００の同一運転環境下において、下流側の酸素吸蔵速度をより小さくすることができることから、排気浄化触媒３１ａの下流側の空燃比をより早く検出することができる。よって、エンジン１００の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、エンジン１００の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【解決手段】エンジンシステム１は、空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行するエンジン１００の排気通路１６に酸素吸蔵／放出材３３ｂを含有する排気浄化触媒３１ａを備え、排気浄化触媒３１ａの下流側の酸素吸蔵／放出材３３ｂを構成するＺｒ組成比率を上流側よりも小さい構成とすることで、エンジン１００の同一運転環境下において、下流側の酸素吸蔵速度をより小さくすることができることから、排気浄化触媒３１ａの下流側の空燃比をより早く検出することができる。よって、エンジン１００の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、エンジン１００の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置および排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の燃費向上や排気エミッションの改善を目的として、様々な負荷状態における内燃機関の空燃比を目標とする空燃比に近づけるように制御し、燃焼を実行させるためのフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御が広く実行されている。
【０００３】
Ｆ／Ｂ制御は、例えば、排気浄化触媒の上流側と下流側に、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を検出するための空燃比（Ａ／Ｆ）センサと酸素濃度（Ｏ２）センサとをそれぞれ設ける。そして、これらセンサの検出結果に基づいてエンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）が目的とする空燃比となるよう燃料噴射量をフィードバック制御する。
【０００４】
すなわち、排気浄化触媒上流のＡ／Ｆセンサの検出結果から気筒内の混合気の空燃比を把握し、現状の負荷状態で要求される空燃比へと補正するための第１補正係数を演算して、第１補正係数に基づいてインジェクタからの燃料噴射量を調整するメインＦ／Ｂ制御が実行される。更に、メインＦ／Ｂ制御に加えて、排気浄化触媒下流のＯ２センサの検出結果に基づいて第２補正係数を演算し、メインＦ／Ｂ制御にて得られた第１補正係数を修正するサブＦ／Ｂ制御が実行される。このようなサブＦ／Ｂ制御を実行することにより、排気浄化触媒上流のＡ／Ｆセンサの出力特性のバラツキに基づく空燃比の誤差を、充分に撹拌されて酸素濃度が平衡状態となった排気浄化触媒下流の排気ガスからＯ２センサが検出した空燃比に基づいて修正可能であるために、空燃比制御の精度をより向上させることができる。
【０００５】
一方、自動車用内燃機関の排気浄化触媒として、不完全燃焼成分である炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）の酸化と、空気中の窒素と燃え残りの酸素とが反応して生成する窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元とを同時に促進させる三元触媒が広く適用されている。三元触媒は、近年、空燃比がリーン状態にあるときに排気ガス中の酸素を吸蔵し、空燃比がリッチ状態にあるときに吸蔵した酸素を放出する酸素ストレージ能（Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｃａｐａｃｉｔｙ：ＯＳＣ）を有するものが用いられている。
【０００６】
ＯＳＣを有する三元触媒としては、排気ガス通路に三元触媒として働く上流側触媒と下流側触媒とを配置するとともに、上流側触媒の酸素吸蔵材である複合酸化物の結晶格子点または格子点間にＲｈを配置することにより、触媒の耐熱性、浄化性能および酸素吸蔵能の向上を図り、さらに装置の小型化ないしはレイアウト性の向上を図る技術が特許文献１に開示されている。
【０００７】
また、このようなＯＳＣを有する三元触媒は、一般的に、内燃機関が所定の空燃比（例えば、理論空燃比１４．６近傍）のときに適切な酸素吸蔵量となり、安定した浄化性能を発揮するように設計されている。そのため、三元触媒に適切な浄化性能を発揮させるためには、様々な負荷状態における内燃機関の空燃比を所定の空燃比近傍に制御することが望ましい。
【０００８】
このような手法としては、触媒の下流に配置される酸素濃度センサの出力に基づき、触媒のリッチ側最大酸素吸蔵量とリーン側最大酸素吸蔵量とを等しくするような理論空燃比を算出することにより、触媒の内部で酸素の吸蔵量と脱離量とを均衡させ得る空燃比（真の理論空燃比）を精度よく見つけだし、真の理論空燃比に基づいてＦ／Ｂ制御を実行する技術が特許文献２に開示されている。
【０００９】
そして、触媒の酸素吸蔵量に対して上側しきい値および下側しきい値を設定し、酸素吸蔵量が上側しきい値および下側しきい値の範囲に収まるように内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行することにより、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力の低下を抑制すると共に、安定した空燃比制御を実行できる技術が特許文献３に開示されている。
【００１０】
更に、空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行する内燃機関の空燃比制御装置において、吸入空気量が所定量よりも小さく、且つ排気浄化触媒の下流側に配置されたＯ２センサにより検出された空燃比がリッチである場合に、排気浄化触媒雰囲気の空燃比のリーン化を抑制するように排気の目標空燃比を制御することにより、吸入空気量が急激に増大する運転が行われても、排気浄化触媒による排気ガス中のＮＯｘの充分な還元浄化を可能とする技術が特許文献４に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−２９１９１８号公報
【特許文献２】特開２００５−０９８２０５号公報
【特許文献３】特開２００２−１１５５９０号公報
【特許文献４】特開２００９−２０３９１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ＯＳＣを有する三元触媒は、三元触媒に酸素が充分に吸蔵されていないとき、すなわち、三元触媒がリッチ雰囲気のときは排気ガス中の酸素を吸蔵する速度が大きいために、三元触媒の下流側に充分な量の酸素が流出しない。そして、三元触媒は、吸蔵した酸素の量が増加し三元触媒がリーン雰囲気になると、酸素の吸蔵速度が低下するために、三元触媒の下流側に流出する酸素の量が大幅に増加する。このように、三元触媒に酸素が充分に吸蔵されるまでの間は下流側に充分な量の酸素が流出しないために、三元触媒の下流側に設けられたＯ２センサに空燃比の検出遅れが生じる場合がある（図３（ａ）参照）。このようなＯ２センサの検出遅れが生じると、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させることができないために、内燃機関の空燃比を目標空燃比に近づける制御に遅れが生じてしまう。
【００１３】
しかしながら、特許文献２〜４の技術では、三元触媒の下流側に設けられたＯ２センサの検出遅れを抑制するための手段を有していない。そのため、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることが困難である、といった問題点がある。
また、特許文献１の技術では、上流側触媒と下流側触媒との酸素吸蔵量を変えることで触媒の耐熱性や浄化性能を向上させることを目的としており、下流側に設けられたＯ２センサの検出遅れを抑制するものではない。そのため、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることが困難である、といった問題点がある。
【００１４】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる内燃機関の制御装置および排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気通路に１または複数設けられ、流入する排気ガス中の酸素濃度が過剰であるときに排気ガス中の酸素を吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が不足しているときに吸蔵している酸素を放出する酸素吸蔵／放出材を含有する排気浄化触媒を有する排気浄化装置と、前記排気浄化装置が有する排気浄化触媒の上流側に設けられ、前記排気浄化触媒を通過する前の排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、前記排気浄化装置が有する排気浄化触媒の下流側に設けられ、前記排気浄化触媒を通過した後の排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、前記内燃機関の空燃比を目標空燃比へと補正する空燃比制御手段と、を備え、前記空燃比制御手段が、前記上流側空燃比検出手段の検出結果に基づいて前記内燃機関の燃料噴射量を補正するメインフィードバック制御と、前記下流側空燃比検出手段の検出結果に基づいて前記メインフィードバック制御による燃料噴射量の補正を修正するサブフィードバック制御と、を実行し、更に、前記排気浄化触媒が、前記内燃機関の同一運転環境下において、前記上流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度よりも前記下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度が小さいことを特徴とする。
このように、同一運転環境下において、排気浄化触媒の下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度をより小さくすることで、排気ガス中の酸素をより早く下流側空燃比検出手段に到達させることができる。そのため、下流側空燃比検出手段が空燃比の変化を迅速に検出することができることから、検出結果に基づいてメインＦ／Ｂ制御による空燃比の補正を修正するサブＦ／Ｂ制御を迅速に実行することができる。よって、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【００１６】
特に、本発明の内燃機関の制御装置は、前記排気浄化触媒に含有される前記酸素吸蔵／放出材が、複合酸化物に貴金属を担持したものから構成され、前記排気浄化触媒が、前記上流側空燃比検出手段に対向する側の貴金属の担持量よりも前記下流側空燃比検出手段に対向する側の貴金属の担持量が少量である構成とすることができる。
このように、排気浄化触媒に含有される酸素吸蔵／放出材の貴金属の担持量を、下流側空燃比検出手段に対向する側をより少量とすることで、排気浄化触媒の下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度をより小さくすることができる。そのため、排気ガス中の酸素をより早く下流側空燃比検出手段に到達させることができる。よって、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【００１７】
また、本発明の内燃機関の制御装置は、前記排気浄化触媒に含有される前記酸素吸蔵／放出材は、ＣｅおよびＺｒを含有する複合酸化物から構成され、前記排気浄化触媒が、前記上流側空燃比検出手段に対向する側の前記複合酸化物のＺｒ組成比率よりも前記下流側空燃比検出手段に対向する側の前記複合酸化物のＺｒ組成比率が小さい構成とすることができる。
このように、排気浄化触媒に含有される酸素吸蔵／放出材のＺｒ組成比率を、下流側空燃比検出手段に対向する側をより小さくすることで、排気浄化触媒の下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度をより小さくすることができる。そのため、排気ガス中の酸素をより早く下流側空燃比検出手段に到達させることができる。よって、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【００１８】
そして、本発明の内燃機関の制御装置は、前記下流側空燃比検出手段が、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧値を示し、前記排気浄化触媒が、前記下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度が、前記下流側空燃比検出手段が示す電圧値が所定の上限値および下限値の範囲内になる酸素吸蔵速度とする構成とすることができる。
このように、排気浄化触媒の下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度を、下流側空燃比検出手段が示す電圧値が所定の範囲内になる酸素吸蔵速度とすることで、下流側空燃比検出手段が示す電圧の振幅を小さくして検出応答性を高めることができる。よって、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【００１９】
更に、本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に１または複数設けられ、流入する排気ガス中の酸素濃度が過剰であるときに排気ガス中の酸素を吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が不足しているときに吸蔵している酸素を放出する酸素吸蔵／放出材を含有する排気浄化触媒を有する排気浄化装置であって、前記排気浄化触媒が、前記内燃機関の同一運転環境下において、前記排気通路の上流側の酸素吸蔵速度よりも前記排気通路の下流側の酸素吸蔵速度が小さい構成とすることができる。
このように、同一運転環境下において、排気浄化触媒の排気通路の下流側の酸素吸蔵速度をより小さくすることで、排気ガス中の酸素をより早く排気通路の下流側に到達させることができる。そのため、排気浄化触媒の下流側の空燃比を迅速に検出することができることから、検出結果に基づいてメインＦ／Ｂ制御による空燃比の補正を修正するサブＦ／Ｂ制御を迅速に実行することができる。よって、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の内燃機関の制御装置および排気浄化装置によれば、同一運転環境下において、排気浄化触媒の下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度をより小さくすることで、排気浄化触媒の下流側の空燃比をより早く検出することができる。よって、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施例のエンジンシステムの一構成例を示した図である。
【図２】エンジンの空燃比とＯ２センサの出力電圧との相関を示している。
【図３】排気浄化触媒の下流側のＯ２濃度イメージを示している。
【図４】排気浄化触媒を通過する排気ガス中のＯ２濃度変化の一例を示している。
【図５】排気浄化触媒の下流側の酸素吸蔵速度とＯ２センサの出力電圧推移との相関を示している。
【図６】Ｏ２センサの出力電圧の振幅とＮＯｘエミッションとの相関を示している。
【図７】排気浄化触媒の下流側の酸素吸蔵速度とＯ２センサの出力電圧の振幅振幅および平均排気エミッション濃度との相関を示している。
【図８】実施例のエンジンシステムの一構成例を示した図である。
【図９】実施例のエンジンシステムの一構成例を示した図である。
【図１０】Ｏ２センサの出力電圧の振幅と排気エミッション濃度との相関を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の内燃機関の制御装置を搭載したエンジンシステム１の一構成例を示した図である。なお、図１にはエンジンの一部の構成のみを示している。
【００２４】
図１に示すエンジンシステム１は、動力源であるエンジン１００を備えており、エンジン１００の運転動作を総括的に制御するエンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１０を備えている。また、エンジンシステム１は、排気浄化触媒３１ａの上流側および下流側の排気通路１６にＡ／Ｆセンサ２１およびＯ２センサ２２を備えている。
【００２５】
エンジン１００は、車両に搭載される多気筒エンジンであって、各気筒は燃焼室１１を構成するピストン１２を備えている。各燃焼室のピストン１２は、エンジン１００のシリンダに摺動自在に嵌合されており、それぞれコネクティングロッドを介して出力軸部材であるクランクシャフトに連結されている。
エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサからのピストン１２の位置、および吸気カム角センサからのカム軸回転位相の情報に基づき、燃料噴射タイミングを決定しインジェクタ１８に信号を送る。インジェクタ１８は、エンジンＥＣＵ１０の信号に従って、指示された噴射タイミングで吸気ポート１３に燃料を噴射する。インジェクタ１８より噴射された燃料は、霧化して吸入空気と混合しつつ、吸気弁の開弁に伴って吸気ポート１３から燃焼室１１内へ流入する。燃焼室１１内へ流入した燃料と吸入空気との混合気は、ピストン１２の上昇運動により燃焼室１１内で圧縮されて点火プラグ１９により点火されることで燃焼し、燃焼室内を膨張させてピストン１２を下降させる。この下降運動がコネクティングロッドを介してクランクシャフトの軸回転に変更されることにより、エンジン１００は動力を得る。
この場合、エンジン１００は、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンに限られず、軽油を燃料とするディーゼルエンジン、ガソリンとアルコールとを任意の割合で混合した燃料を使用するフレキシブルフューエルエンジンのいずれでもよい。また、エンジンシステム１は、エンジン１００と複数の電動モータとを組み合わせたハイブリッドシステムであってもよい。
【００２６】
各気筒の燃焼室１１には、それぞれ燃焼室１１と連通する吸気ポート１３と、吸気ポート１３に連結し、吸入空気を吸気ポート１３から燃焼室１１へと導く吸気通路１４とが接続されている。更に、各気筒の燃焼室１１には、それぞれ燃焼室１１と連通する排気ポート１５と、燃焼室で発生した排気ガスをエンジン１００の外部へと導く排気通路１６が接続されている。
【００２７】
吸気通路１４には、エアフロメータ、スロットルバルブ１７およびスロットルポジションセンサが設置されている。エアフロメータおよびスロットルポジションセンサは、それぞれ吸気通路１４を通過する吸入空気量、スロットルバルブ１７の開度を検出し、検出結果をエンジンＥＣＵ１０に送信する。エンジンＥＣＵ１０は、送信された検出結果に基づいて吸気ポート１３および燃焼室１１へ導入される吸入空気量を認識し、スロットルバルブ１７の開度を調整することで吸入空気量を調節する。
スロットルバルブ１７は、ステップモータを用いたスロットルバイワイヤ方式を適用することが好ましいが、例えばステップモータの代わりにワイヤなどを介してアクセルペダル（図示しない）と連動し、スロットルバルブ１７の開度が変更されるような機械式スロットル機構を適用することもできる。
【００２８】
吸気ポート１３には、インジェクタ１８が装着されている。インジェクタ１８は、エンジンＥＣＵ１０の指示に基づいて、フューエルポンプから燃料配管を通じて高圧供給された燃料をノズルボディ先端部の円周方向に等間隔で設けられた燃料噴射孔より吸気ポート１３内へ噴射する。インジェクタ１８のリーク燃料は、リリーフ弁からリリーフ配管を通じて燃料タンクへと戻される。
この場合、インジェクタ１８は、吸気ポート１３に限られず、燃焼室１１の任意の位置に装着して燃焼室１１内に燃料を直接噴射する構成としてもよい。また、インジェクタ１８は、燃焼室１１と吸気ポート１３との両方に設けてもよい。
【００２９】
排気通路１６には、排気浄化触媒３１ａが設置されている。排気浄化触媒３１ａは、エンジン１００の排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができる三元触媒である。排気浄化触媒３１ａは、空燃比リーン時に排気ガス中に含まれる酸素（Ｏ２）を吸蔵して酸化雰囲気となり、空燃比リッチ時に排気ガス中に含まれる還元成分（ＨＣ，ＣＯ）によって酸素が放出されて還元雰囲気となる。このような排気浄化触媒３１ａの酸素吸蔵／放出の能力は、エンジン１００の仕様に基づいて、後述する酸素吸蔵／放出材３３ａ中のＣｅ２Ｏ３（ＣｅＯ２）の絶対量、Ｚｒの組成比率およびＰｔ担持量を調節することで決定する。この場合、排気浄化触媒３１ａは、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し、空燃比がストイキまたはリッチのときに吸蔵しているＮＯｘを還元成分（ＨＣ，ＣＯ）にて還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元型であってもよい。また、排気浄化触媒３１ａは、エンジン１００の排気量、使用地域等の違いによって複数個組み合わせて用いてもよい。
排気浄化触媒３１ａの具体的な構成については後述する。
【００３０】
また、排気通路１６には、Ａ／Ｆセンサ２１、Ｏ２センサ２２、排気温センサ（図示しない）が設けられており、燃焼室１１から排出される排気ガスの空燃比、温度を検出し、その結果をエンジンＥＣＵ１０へと送信する。また、排気浄化触媒３１ａには触媒温度センサ（図示しない）が設けられており、排気浄化触媒３１ａの温度を検出し、その結果をエンジンＥＣＵ１０へと送信する。
【００３１】
Ａ／Ｆセンサ２１は、排気浄化触媒３１ａの上流側に設けられており、排気ガス中の酸素濃度と未燃ガス濃度からエンジン１００内の空燃比を検出し、その結果をエンジンＥＣＵ１０へと送信する。それにより、エンジンＥＣＵ１０は、様々な負荷状態におけるエンジン１００の空燃比情報を取得することができる。Ａ／Ｆセンサ２１としては、ジルコニア表面に白金をコートし、外側電極の外周に拡散律速層を設けたものを適用するが、これに限られない。Ａ／Ｆセンサ２１は、素子に電圧を印加するとリーン側（Ａ／Ｆ＞１４．６）で排気ガス中の酸素濃度に、リッチ側（Ａ／Ｆ＜１４．６）で未燃ガス濃度に応じた酸素イオン電流が発生する。この場合、Ａ／Ｆセンサ２１の出力電流は空燃比に対して正の相関があることから、これにより広範囲での空燃比の検出が可能になる。
なお、Ａ／Ｆセンサ２１は、本発明の上流側空燃比検出手段の一構成例である。
【００３２】
Ｏ２センサ２２は、排気浄化触媒３１ａの下流側に設けられており、排気ガス中に残存している酸素濃度を検出し、その結果をエンジンＥＣＵ１０へと送信する。それにより、エンジンＥＣＵ１０は、排気浄化触媒３１ａを通過した排気ガスの空燃比情報を取得することができる。Ｏ２センサ２２としては、Ａ／Ｆセンサ２１と類似構造であって、ジルコニア表面に白金をコートしたものを適用するが、これに限られない。図２は、エンジン１００の空燃比とＯ２センサ２２の出力電圧との相関を示している。Ｏ２センサ２２は、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．６）付近で０．５［Ｖ］の電圧を示し、リッチ側（Ａ／Ｆ＜１４．６）で略０．９［Ｖ］、リーン側（Ａ／Ｆ＞１４．６）で略０．１［Ｖ］の電圧を示す。
なお、Ｏ２センサ２２は、本発明の下流側空燃比検出手段の一構成例である。
【００３３】
エンジンＥＣＵ１０は、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、データ等を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＮＶＲＡＭ（Ｎｏｎ Ｖｏｌａｔｉｌｅ ＲＡＭ）と、を備えるコンピュータである。エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサ、吸気カム角センサ、アクセル開度センサ、エアフロメータ、スロットルポジションセンサ、排気温センサ、触媒温度センサ、水温センサ等の検出結果を読み込み、スロットルバルブ１７の動作、吸気弁、排気弁の動作、インジェクタ１８の動作、点火プラグ１９の動作など、エンジン１００の運転動作を統合的に制御する。
【００３４】
また、エンジンＥＣＵ１０は、Ａ／Ｆセンサ２１およびＯ２センサ２２の検出結果に基づいて燃焼室１１の燃焼情報を取得し、最適な燃焼状態となるように気筒内への燃料噴射量を調整する空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行する。
まず、エンジンＥＣＵ１０は、排気浄化触媒３１ａ上流側のＡ／Ｆセンサ２１の検出結果から燃焼室１１内の混合気の空燃比を把握し、現状の負荷状態で要求される空燃比へと補正するための第１補正係数を演算して、第１補正係数に基づいて燃料噴射量を調整するメイン空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行する。
次に、エンジンＥＣＵ１０は、メイン空燃比Ｆ／Ｂ制御に加えて、排気浄化触媒３１ａ下流側のＯ２センサ２２の検出結果に基づいて第２補正係数を演算し、メイン空燃比Ｆ／Ｂ制御にて得られた第１補正係数を修正するサブ空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行する。このようなサブ空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行することにより、排気浄化触媒３１ａ上流側のＡ／Ｆセンサ２１の出力特性のバラツキに基づく空燃比の誤差を、充分に撹拌されて酸素濃度が平衡状態となった排気浄化触媒３１ａ下流側の排気ガスからＯ２センサ２２が検出した空燃比に基づいて修正可能であるために、空燃比制御の精度をより向上させることができる。
【００３５】
この制御を実行することにより、エンジン１００の運転に適した空燃比となるよう燃料噴射量を補正することができることから、広い運転領域において適切な内燃機関の空燃比を維持することができる。
なお、エンジンＥＣＵ１０は、本発明の空燃比制御手段の一構成例である。
【００３６】
この場合、本発明の内燃機関の制御装置は、排気浄化触媒３１ａのＯ２センサ２２に対向する側の酸素吸蔵速度をより小さくすることで、排気浄化触媒３１ａ下流側のＯ２センサ２２の空燃比の検出遅れを抑制することができる。よって、エンジン１００の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、エンジン１００の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
以下に、排気浄化触媒３１ａの具体的な構成を説明する。排気浄化触媒３１ａは、触媒担体３２ａと酸素吸蔵／放出材３３ａから構成される。
【００３７】
触媒担体３２ａは、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）系セラミックスからなるハニカム形状であり、その内部を排気ガスが通過可能な周知の構造を採用する。セラミックスとしては、Ａｌ２Ｏ３に限られず、コーディライト等の触媒担体として周知のセラミックスにＡｌ２Ｏ３をコートしたものを適用することができる。この場合、触媒担体３２ａは、周知のセラミックスに限られず、ステンレス（Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ）等のメタル担体にＡｌ２Ｏ３をコートしたものを適用してもよい。
【００３８】
酸素吸蔵／放出材３３ａは、触媒担体３２ａ壁の表面に層状に形成されており、複合酸化物に貴金属を担持したもので構成される。複合酸化物は、セリウム（Ｃｅ）およびジルコニウム（Ｚｒ）の複合酸化物であるＣｅ２Ｏ３（ＣｅＯ２）−ＺｒＯ２を主成分とする。また、複合酸化物に担持する貴金属としては、白金（Ｐｔ）を適用する。
【００３９】
Ｐｔは、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを酸化・還元してＨ２Ｏ、ＣＯ２、Ｎ２とする触媒反応を起こすための活性成分であり、ナノオーダーの粒径にて複合酸化物に担持される。また、Ｐｔは、複合酸化物と共存することで、複合酸化物がＯ２を取り込むことを助長する。
【００４０】
そして、酸素吸蔵／放出材３３ａは、触媒担体３２ａのＯ２センサ２２に対向する側の、すなわち、排気浄化触媒３１ａの下流側の複合酸化物のＺｒ組成比率が、Ａ／Ｆセンサ２１に対向する側（上流側）よりも小さい構成をとる。具体的には、例えば、触媒担体３２ａの上流側の端部から触媒担体３２ａの長軸方向の８分目以下の所定の位置までのＺｒ組成比率を２０％以上（好ましくは３０％以上）とする。そして、前記所定の位置から下流側の端部までのＺｒ組成比率を３０％以下（好ましくは１０％以下）であって、前記上流側のＺｒ組成比率を超えない比率とする。このような構成とすることで、排気浄化触媒３１ａの下流側の酸素吸蔵速度を上流側よりも小さくすることができる。なお、Ｚｒ組成比率は、複合酸化物中のＺｒのｍｏｌ比率であるが、ＺｒＯ２のｍｏｌ比率や重量比率等で表してもよい。
【００４１】
ここで、Ｏ２センサ２２に対向する側の酸素吸蔵／放出材３３ａのＺｒ組成比率を小さくする理由について説明する。Ｃｅを含有する酸化物（Ｃｅ系酸化物）が酸素を吸蔵・放出する際の化学反応式は、以下の通りである。
［酸素吸蔵／放出の化学反応式］
４ＣｅＯ２ ⇔ ２Ｃｅ２Ｏ３＋Ｏ２ ・・・（１）
上記（１）式のように、Ｃｅ系酸化物の酸素吸蔵メカニズムは、Ｃｅ３＋ → Ｃｅ４＋の酸化反応による。この酸化反応は、Ｃｅ２Ｏ３とＯ２とが瞬時に反応するために、Ｏ２が接触し易いＣｅ系酸化物のより表層部分から内部に向かって進行する。そのため、より多くのＯ２を迅速にＣｅ系酸化物のより内部まで侵入させることで、Ｃｅ系酸化物の単位時間当たりの酸化反応量が増大する、すなわち、酸素吸蔵速度が大きくなる。
ここで、Ｃｅ系酸化物とＺｒＯ２の固溶体は、Ｃｅ原子に対してＺｒ原子が極めて小さいために固溶体の結晶に歪みができる。そのため、結晶の歪みを通じて固溶体のより内部までＯ２が素早く侵入することができることから、Ｃｅ系酸化物の酸素吸蔵速度が大きくなる。そして、固溶体中のＺｒ組成比率がより大きいほど、Ｏ２が固溶体の内部に侵入するための通路が増加するために酸素吸蔵速度がより大きくなる。また、固溶体中のＺｒ組成比率がより小さいほど、Ｏ２が固溶体の内部に侵入するための通路が減少するために酸素吸蔵速度がより小さくなる。このように、酸素吸蔵／放出材３３ａのＺｒ組成比率をより小さくすることで、排気浄化触媒３１ａの酸素吸蔵速度をより小さくすることができる。
【００４２】
また、酸素吸蔵反応が進行するにつれて、反応速度の遅い酸素がより排気浄化触媒３１ａの下流側の、すなわち、よりＯ２センサ２２に対向する側の酸素吸蔵／放出材３３ａで吸蔵される。そのため、排気浄化触媒３１ａのＯ２センサ２２に対向する側の酸素吸蔵速度を小さく、すなわち、Ｚｒ組成比率を小さくすることで、排気浄化触媒３１ａがリーン雰囲気になる前に排気浄化触媒３１ａの下流側へ充分な量のＯ２を流出させることができる（図３（ｂ）参照）。
【００４３】
図４は、排気浄化触媒を通過する排気ガス中のＯ２濃度変化の一例を示している。例えば、排気浄化触媒の酸素吸蔵速度を１／３とした場合、判定電圧時の酸素量に達する前の段階での排気浄化触媒の下流側に漏れ出る酸素量が多くなる。このように、排気浄化触媒の下流側にＯ２が徐々に漏れ出ることで、排気浄化触媒の下流側に設けられたＯ２センサの出力が緩やかに変化する。そのため、Ｏ２センサ２２は、エンジン１００の空燃比の変化によって生じる排気ガス中のＯ２濃度の変化をより早く検出することが可能である。
【００４４】
図５は、排気浄化触媒３１ａの下流側の酸素吸蔵速度とＯ２センサ２２の出力電圧推移との相関を示している。前述のように、排気浄化触媒３１ａのＯ２センサ２２に対向する側のＺｒ組成比率を小さくすると、排気浄化触媒３１ａの下流側の酸素吸蔵速度が小さくなる。それによって、Ｏ２センサ２２は、より早くエンジン１００の空燃比の変化を検出して出力電圧を変化させることができる。そのため、エンジンＥＣＵ１０は、Ｏ２センサ２２の出力電圧に基づいてエンジン１００の空燃比の変化を迅速に判定することができる（図５（ａ）参照）。
この場合、特に、Ｏ２センサ２２の空燃比の判定電圧を０．５［Ｖ］からより高電圧側（リッチ側）に設定してもよい。それにより、エンジン１００の空燃比がリッチ側からリーン側へと変化する際に生じるＯ２センサ２２の空燃比の検出遅れをより効果的に抑制することができる（図５（ｂ）参照）。
【００４５】
更に、排気浄化触媒３１ａは、酸素吸蔵／放出材３３ａのＺｒ組成比率を変化させる所定の位置および比率を、排気浄化触媒３１ａの下流側に設けられるＯ２センサ２２の出力電圧の振幅に基づいて決定する。すなわち、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅が所定の上限値および下限値の範囲に収まるような任意の位置および比率でＺｒ組成比率を変化させることで、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅をより小さくして空燃比の検出応答性を高めることができる。この場合、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅の上限値および下限値は、例えば±０．３［Ｖ］以下に設定し、より好ましくは±０．１［Ｖ］以下に設定することができる。
【００４６】
図６は、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅とＮＯｘエミッションとの相関を示している。Ｏ２センサ２２は、エンジン１００の空燃比がよりリッチ側に偏ると、過度に還元されてその拡散層がＨＣ等により被毒されることで検出感度が低下する場合がある。このように、Ｏ２センサ２２の検出感度が低下すると、空燃比検出の応答遅れが生じることから、エンジン１００の排気エミッションが悪化してしまう。そのため、Ｏ２センサ２２は、高い検出感度を維持するために過度に還元されない領域（高感度領域）で使用されることが好ましく、すなわち、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅はより小さいほうが好ましい。
【００４７】
ここで、排気浄化触媒３１ａの下流側の複合酸化物のＺｒ組成比率をより小さくすると、すなわち、下流側の酸素吸蔵速度をより小さくすると、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅が小さくなる（図７（ａ）参照）。そのため、Ｏ２センサ２２を高感度領域で使用することができるために高い検出感度が維持されることから、空燃比検出の応答遅れを抑制することができる。更に、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅が小さくなることで、サブＦ／Ｂ制御を迅速に行うことができることから、エンジン１００の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させることができる。よって、エンジン１００の空燃比をより早く理論空燃比に近づけることができることから、排気エミッション濃度を大幅に低減させることができる（図７（ｂ）参照）。なお、排気浄化触媒３１ａの下流側の酸素吸蔵速度をゼロにすると、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅が発散してしまうために、排気エミッション濃度を効果的に低減することができなくなる点に留意する。
なお、排気浄化触媒３１ａは、本発明の排気浄化装置の一構成例である。
【００４８】
以上のように、本実施例のエンジンシステム１は、排気浄化触媒３１ａのＯ２センサ２２に対向する側の複合酸化物を構成するＺｒ組成比率を、Ａ／Ｆセンサ２１に対向する側よりも小さい構成とすることで、エンジン１００の同一運転環境下において、Ｏ２センサ２２に対向する側の酸素吸蔵速度をより小さくすることができることから、排気浄化触媒３１ａの下流側の空燃比をより早く検出することができる。よって、エンジン１００の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、エンジン１００の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【実施例２】
【００４９】
つづいて、本発明の実施例２について説明する。本実施例のエンジンシステム２は、排気浄化触媒３１ａに代えて、触媒担体３２ａのＯ２センサ２２に対向する側のＰｔ担持量をＡ／Ｆセンサ２１に対向する側よりも少量とする構成をとる排気浄化触媒３１ｂを備える点でエンジンシステム１と相違している。
【００５０】
本実施例のエンジンシステム２は、実施例１と同様に、エンジンＥＣＵ１０、Ａ／Ｆセンサ２１、Ｏ２センサ２２を備えている。これにより、Ａ／Ｆセンサ２１およびＯ２センサ２２の検出結果に基づいて燃焼室１１の燃焼情報を取得し、エンジン２００が最適な燃焼状態となるように気筒内への燃料噴射量を調整する空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行する。
更に、エンジンシステム２は、排気通路１６に排気浄化触媒３１ｂを備えることで、下流側に設けられたＯ２センサ２２の空燃比の検出遅れを抑制し、エンジン２００の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させることができる。
【００５１】
つづいて、排気浄化触媒３１ｂについて詳細に説明する。図８は、実施例のエンジンシステム２の一構成例を示した図である。排気浄化触媒３１ｂは、実施例１の排気浄化触媒３１ａと同様に、エンジン２００の排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができる三元触媒である。
排気浄化触媒３１ｂは、触媒担体３２ａと酸素吸蔵／放出材３３ｂから構成される。
【００５２】
酸素吸蔵／放出材３３ｂは、触媒担体３２ａ壁の表面に層状に形成されており、セリウム（Ｃｅ）およびジルコニウム（Ｚｒ）の複合酸化物であるＣｅ２Ｏ３（ＣｅＯ２）−ＺｒＯ２を主成分とする複合酸化物に貴金属のＰｔを担持したもので構成される。
また、酸素吸蔵／放出材３３ｂは、その複合酸化物を構成するＺｒ組成比率が、触媒担体３２ａの全体にわたって同じ比率をとる構成である。
【００５３】
そして、酸素吸蔵／放出材３３ｂは、触媒担体３２ａのＯ２センサ２２に対向する側の、すなわち、排気浄化触媒３１ｂの下流側の複合酸化物へのＰｔの担持量が、Ａ／Ｆセンサ２１に対向する側（上流側）の担持量よりも少量である構成をとる。具体的には、例えば、触媒担体３２ａの上流側の端部から触媒担体３２ａの長軸方向の８分目以下の所定の位置までのＰｔ担持量と、前記所定の位置から下流側の端部までのＰｔ担持量との比率を１０：１とする。このような構成とすることで、排気浄化触媒３１ｂの下流側の酸素吸蔵速度を上流側よりも小さくすることができる。この場合、触媒担体３２ａの上流側と下流側とのＰｔ担持量の比率は、後述するＯ２センサ２２の出力電圧の振幅に基づいて、例えば、１０：１から３：１の間の任意の比率に設定することができる。
【００５４】
ここで、Ｏ２センサ２２に対向する側の酸素吸蔵／放出材３３ｂのＰｔ担持量を少量とする理由について説明する。Ｃｅを含有する酸化物（Ｃｅ系酸化物）が酸素を吸蔵・放出する際の反応速度式は、以下の通りである。
［酸素吸蔵の反応速度式］
ｖ＝ｋ・［Ｏ２］・［Ｃｅ２Ｏ３］２ ・・・（２）
（ｖ：酸素吸蔵速度，ｋ：反応速度係数）
上記（２）式のように、Ｃｅ系酸化物の酸素吸蔵の反応速度は、Ｏ２の濃度に対してＣｅ２Ｏ３の濃度が二乗で関与する。そして、一般的に、Ｃｅ系酸化物は、Ｐｔ等の貴金属と共存することでＣｅ４＋ → Ｃｅ３＋の還元反応の速度が大きくなる、すなわち、Ｏ２の放出速度が大きくなる。そのため、Ｃｅ系酸化物の結晶子内にＰｔをより多量に分散させるほど、Ｃｅ系酸化物が吸蔵したＯ２を放出する際の速度が大きくなるために、Ｃｅ系酸化物中のＣｅ２Ｏ３の濃度が高まる。このように、Ｃｅ系酸化物中のＣｅ２Ｏ３の濃度が高まると、（２）式より、Ｃｅ系酸化物の酸素吸蔵速度がより大きくなる。また、ＮＯｘ吸蔵還元型においても、ＮＯｘ吸蔵／放出材に貴金属を担持することで、排気ガス中のＮＯｘが貴金属を滑り落ちてその近傍のＮＯｘ吸蔵／放出材に吸蔵するスピルオーバー効果によってＮＯｘの吸蔵・放出速度が大幅に向上する。そのため、複合酸化物へのＰｔ担持量を少量とすることで、酸素吸蔵／放出材３３ｂの酸素吸蔵速度を小さくすることができる。
また、酸素吸蔵反応が進行するにつれて、反応速度の遅い酸素がより排気浄化触媒３１ｂの下流側の、すなわち、よりＯ２センサ２２に対向する側の酸素吸蔵／放出材３３ｂで吸蔵される。そのため、排気浄化触媒３１ｂのＯ２センサ２２に対向する側の酸素吸蔵速度を小さく、すなわち、Ｐｔ担持量を少量にすることで、排気浄化触媒３１ｂがリーン雰囲気になる前に排気浄化触媒３１ｂの下流側へ充分な量のＯ２を流出させることができる（図３（ｂ）参照）。
このように、排気浄化触媒３１ｂのＯ２センサ２２に対向する側のＰｔ担持量を少量とすることで、排気浄化触媒３１ｂの下流側へ充分な量のＯ２を流出させることができることから、Ｏ２センサ２２の検出応答性を向上させることができる。よって、Ｏ２センサ２２の空燃比の検出遅れを抑制することができる。
【００５５】
更に、排気浄化触媒３１ｂは、酸素吸蔵／放出材３３ｂのＰｔ担持量を変化させる所定の位置および比率を、排気浄化触媒３１ｂの下流側に設けられるＯ２センサ２２の出力電圧の振幅に基づいて決定する。すなわち、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅が所定の上限値および下限値の範囲に収まるような任意の位置および比率でＰｔ担持量を変化させることで、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅をより小さくして空燃比の検出応答性を高めることができる。この場合、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅の上限値および下限値は、実施例１と同様に、例えば±０．３［Ｖ］以下に設定し、より好ましくは±０．１［Ｖ］以下に設定することができる。
【００５６】
前述のように、排気浄化触媒３１ｂの下流側の酸素吸蔵速度を小さくすると、すなわち、複合酸化物へのＰｔ担持量をより少量とすると、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅が小さくなる（図７（ａ）参照）。そのため、Ｏ２センサ２２を高感度領域で使用することができるために高い検出感度が維持されることから、空燃比検出の応答遅れを抑制することができる。更に、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅が小さくなることで、サブＦ／Ｂ制御を迅速に行うことができることから、エンジン２００の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させることができる。よって、エンジン２００の空燃比をより早く理論空燃比に近づけることができることから、排気エミッション濃度を大幅に低減させることができる（図７（ｂ）参照）。なお、排気浄化触媒３１ｂの下流側の酸素吸蔵速度をゼロにすると、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅が発散してしまうために、排気エミッション濃度を効果的に低減することができなくなる点に留意する。
なお、排気浄化触媒３１ｂは、本発明の排気浄化装置の一構成例である。
【００５７】
以上のように、本実施例のエンジンシステム２は、排気浄化触媒３１ｂのＯ２センサ２２に対向する側の複合酸化物へのＰｔ担持量を、Ａ／Ｆセンサ２１に対向する側よりも少量とすることで、エンジン２００の同一運転環境下において、Ｏ２センサ２２に対向する側の酸素吸蔵速度をより小さくすることができることから、排気浄化触媒３１ｂの下流側の空燃比をより早く検出することができる。よって、エンジン２００の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、エンジン２００の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【実施例３】
【００５８】
つづいて、本発明の実施例３について説明する。本実施例のエンジンシステム３は、排気浄化触媒３１ａおよび排気浄化触媒３１ｂに代えて、Ａ／Ｆセンサ２１に対向する側に酸素吸蔵速度がより大きい排気浄化触媒３１ｃと、Ｏ２センサ２２に対向する側に酸素吸蔵速度がより小さい排気浄化触媒３１ｄと、を備える点でエンジンシステム１および２と相違している。
【００５９】
本実施例のエンジンシステム３は、実施例１および２と同様に、エンジンＥＣＵ１０、Ａ／Ｆセンサ２１、Ｏ２センサ２２を備えている。これにより、Ａ／Ｆセンサ２１およびＯ２センサ２２の検出結果に基づいて燃焼室１１の燃焼情報を取得し、エンジン３００が最適な燃焼状態となるように気筒内への燃料噴射量を調整する空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行する。
更に、エンジンシステム３は、排気通路１６に排気浄化触媒３１ｃおよび排気浄化触媒３１ｄを備えることで、下流側に設けられたＯ２センサ２２の空燃比の検出遅れを抑制し、エンジン３００の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させることができる。
【００６０】
つづいて、排気浄化触媒３１ｃおよび排気浄化触媒３１ｄについて詳細に説明する。図９は、実施例のエンジンシステム３の一構成例を示した図である。排気浄化触媒３１ｃおよび排気浄化触媒３１ｄは、実施例１，２の排気浄化触媒３１ａおよび排気浄化触媒３１ｂと同様に、エンジン３００の排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができる三元触媒である。
排気浄化触媒３１ｃは、触媒担体３２ｂと酸素吸蔵／放出材３３ｃとから構成される。また、排気浄化触媒３１ｄは、触媒担体３２ｃと酸素吸蔵／放出材３３ｄとから構成される。そして、排気浄化触媒３１ｃは、排気通路１６の両センサ間のよりＡ／Ｆセンサ２１側（上流側）に設けられて、排気浄化触媒３１ｄは、排気通路１６の両センサ間のよりＯ２センサ２２側（下流側）に設けられる。
【００６１】
排気通路１６のより上流側に設けられる排気浄化触媒３１ｃは、実施例１の排気浄化触媒３１ａの上流側の端部から触媒担体３２ａの長軸方向の８分目以下の所定の位置までの部分と同じ構成をとる。また、より下流側に設けられる排気浄化触媒３１ｄは、実施例１の排気浄化触媒３１ａの前記所定の位置から下流側の端部までの部分と同じ構成をとる。すなわち、触媒担体３２ｂと触媒担体３２ｃとは、排気ガスの流通方向への触媒容量・容積の比が、例えば８：２（４：１）となっている。更に、酸素吸蔵／放出材３３ｃの複合酸化物を構成するＺｒ組成比率が２０％以上（好ましくは３０％以上）となっており、酸素吸蔵／放出材３３ｄのＺｒ組成比率が３０％以下（好ましくは１０以下）であって、前記酸素吸蔵／放出材３３ｃのＺｒ組成比率を超えない比率となっている。このような構成とすることで、より下流側に設けられる排気浄化触媒３１ｄの酸素吸蔵速度を、より上流側に設けられる排気浄化触媒３１ｃの酸素吸蔵速度よりも小さくすることができる。
【００６２】
そして、排気浄化触媒３１ｃおよび排気浄化触媒３１ｄは、触媒担体３２ｂおよび触媒担体３２ｃの触媒容量・容積、並びにそれぞれの複合酸化物を構成するＺｒ組成比率を、排気浄化触媒３１ｄの下流側に設けられるＯ２センサ２２の出力電圧の振幅に基づいて決定する。すなわち、排気浄化触媒３１ｃおよび排気浄化触媒３１ｄの酸素吸蔵速度を、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅が所定の上限値および下限値の範囲に収まるような酸素吸蔵速度とする。これによって、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅をより小さくして空燃比の検出応答性を高めることができる。この場合、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅の上限値および下限値は、実施例１および２と同様に、例えば±０．３［Ｖ］以下に設定し、より好ましくは±０．１［Ｖ］以下に設定することができる。
【００６３】
図１０は、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅と排気エミッション濃度との相関を示している。図１０中、（ａ）は、より上流側に排気浄化触媒３１ｃを配置し、より下流側に複合酸化物および貴金属を有さないダミー触媒（触媒担体３２ｃ）を配置したものである。また、（ｂ）は、本実施例と同様に、より上流側に排気浄化触媒３１ｃを配置し、より下流側に排気浄化触媒３１ｄを配置したものである。そして、（ｃ）は、より上流側に排気浄化触媒３１ｃを配置し、より下流側に排気浄化触媒３１ｃと酸素吸蔵速度が等しい排気浄化触媒を配置したものである。
より下流側に酸素吸蔵速度がゼロのダミー触媒を配置した（ａ）、および酸素吸蔵速度が等しい排気浄化触媒を配置した（ｃ）は、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅がより大きく、判定電圧付近に収束できていない。そのため、サブＦ／Ｂ制御を迅速に行うことができないために、エンジン３００の空燃比をより早く理論空燃比に近づけることができず、その結果、排気エミッション濃度を効果的に低減することができない。
一方、より下流側に酸素吸蔵速度の小さい排気浄化触媒３１ｄを配置した（ｂ）は、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅がより小さく、判定電圧付近に収束している。そのため、サブＦ／Ｂ制御を迅速に行うことができるために、エンジン３００の空燃比がより早く理論空燃比に近づき、その結果、排気エミッション濃度を効果的に低減することができる。
【００６４】
この場合、排気浄化触媒３１ｃおよび排気浄化触媒３１ｄは、実施例２と同様に、それぞれの複合酸化物のＺｒ組成比率を同じ比率にして、かつ、それぞれのＰｔ担持量を変えることによって排気浄化触媒３１ｄの酸素吸蔵速度をより小さくする構成としてもよい。
なお、排気浄化触媒３１ｃおよび排気浄化触媒３１ｄは、本発明の排気浄化装置の一構成例である。
【００６５】
以上のように、本実施例のエンジンシステム３は、Ａ／Ｆセンサ２１に対向する側に排気浄化触媒３１ｃと、Ｏ２センサ２２に対向する側に排気浄化触媒３１ｄと、を設置し、排気浄化触媒３１ｄの複合酸化物を構成するＺｒ組成比率を、排気浄化触媒３１ｃよりも小さい構成とすることで、エンジン３００の同一運転環境下において、より下流側に設けられる排気浄化触媒３１ｄの酸素吸蔵速度を、より上流側に設けられる排気浄化触媒３１ｃの酸素吸蔵速度よりも小さくすることができることから、排気浄化触媒３１ｄの下流側の空燃比をより早く検出することができる。よって、エンジン３００の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、エンジン３００の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【００６６】
上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００６７】
例えば、排気浄化触媒３１の上流側から下流側にかけて連続的に酸素吸蔵速度を小さくしてもよい。また、排気浄化触媒３１の酸素吸蔵／放出材３３は、触媒担体３２の壁面に他の複数の化合物（例えば、ゼオライトなど）と組み合わせて層状に形成されてもよい。
【００６８】
そして、複合酸化物を構成する成分としては、ＣｅおよびＺｒに限られず、カリウム（Ｋ），ナトリウム（Ｎａ），セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属、バリウム（Ｂａ），カルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ），イットリウム（Ｙ），ネオジム（Ｎｄ），プラセオジム（Ｐｒ）等の希土類から選ばれた少なくとも一つを用いたり、これら複数を組み合わせたりしてもよい。更に、複合酸化物としてＬｎ２Ｏ２ＳＯ４等の希土類オキシ硫酸塩を用いてもよい。
【００６９】
また、複合酸化物に担持する貴金属としては、Ｐｔに限られず、パラジウム（Ｐｄ），ロジウム（Ｒｈ），イリジウム（Ｉｒ），ルテニウム（Ｒｕ），オスミウム（Ｏｓ）等の白金族や、金（Ａｕ），銀（Ａｇ），レニウム（Ｒｅ）等に代表される排気浄化触媒に用いられる周知の金属から選ばれた少なくとも一つを用いたり、これら複数を組み合わせたりしてもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１〜３ エンジンシステム
１０ エンジンＥＣＵ（空燃比制御手段）
１１ 燃焼室
１２ ピストン
１８ インジェクタ
２１ Ａ／Ｆセンサ（上流側空燃比検出手段）
２２ Ｏ２センサ（下流側空燃比検出手段）
３１ 排気浄化触媒（排気浄化装置）
３２ 触媒担体
３３ 酸素吸蔵／放出材
１００，２００，３００ エンジン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置および排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の燃費向上や排気エミッションの改善を目的として、様々な負荷状態における内燃機関の空燃比を目標とする空燃比に近づけるように制御し、燃焼を実行させるためのフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御が広く実行されている。
【０００３】
Ｆ／Ｂ制御は、例えば、排気浄化触媒の上流側と下流側に、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を検出するための空燃比（Ａ／Ｆ）センサと酸素濃度（Ｏ２）センサとをそれぞれ設ける。そして、これらセンサの検出結果に基づいてエンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）が目的とする空燃比となるよう燃料噴射量をフィードバック制御する。
【０００４】
すなわち、排気浄化触媒上流のＡ／Ｆセンサの検出結果から気筒内の混合気の空燃比を把握し、現状の負荷状態で要求される空燃比へと補正するための第１補正係数を演算して、第１補正係数に基づいてインジェクタからの燃料噴射量を調整するメインＦ／Ｂ制御が実行される。更に、メインＦ／Ｂ制御に加えて、排気浄化触媒下流のＯ２センサの検出結果に基づいて第２補正係数を演算し、メインＦ／Ｂ制御にて得られた第１補正係数を修正するサブＦ／Ｂ制御が実行される。このようなサブＦ／Ｂ制御を実行することにより、排気浄化触媒上流のＡ／Ｆセンサの出力特性のバラツキに基づく空燃比の誤差を、充分に撹拌されて酸素濃度が平衡状態となった排気浄化触媒下流の排気ガスからＯ２センサが検出した空燃比に基づいて修正可能であるために、空燃比制御の精度をより向上させることができる。
【０００５】
一方、自動車用内燃機関の排気浄化触媒として、不完全燃焼成分である炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）の酸化と、空気中の窒素と燃え残りの酸素とが反応して生成する窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元とを同時に促進させる三元触媒が広く適用されている。三元触媒は、近年、空燃比がリーン状態にあるときに排気ガス中の酸素を吸蔵し、空燃比がリッチ状態にあるときに吸蔵した酸素を放出する酸素ストレージ能（Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｃａｐａｃｉｔｙ：ＯＳＣ）を有するものが用いられている。
【０００６】
ＯＳＣを有する三元触媒としては、排気ガス通路に三元触媒として働く上流側触媒と下流側触媒とを配置するとともに、上流側触媒の酸素吸蔵材である複合酸化物の結晶格子点または格子点間にＲｈを配置することにより、触媒の耐熱性、浄化性能および酸素吸蔵能の向上を図り、さらに装置の小型化ないしはレイアウト性の向上を図る技術が特許文献１に開示されている。
【０００７】
また、このようなＯＳＣを有する三元触媒は、一般的に、内燃機関が所定の空燃比（例えば、理論空燃比１４．６近傍）のときに適切な酸素吸蔵量となり、安定した浄化性能を発揮するように設計されている。そのため、三元触媒に適切な浄化性能を発揮させるためには、様々な負荷状態における内燃機関の空燃比を所定の空燃比近傍に制御することが望ましい。
【０００８】
このような手法としては、触媒の下流に配置される酸素濃度センサの出力に基づき、触媒のリッチ側最大酸素吸蔵量とリーン側最大酸素吸蔵量とを等しくするような理論空燃比を算出することにより、触媒の内部で酸素の吸蔵量と脱離量とを均衡させ得る空燃比（真の理論空燃比）を精度よく見つけだし、真の理論空燃比に基づいてＦ／Ｂ制御を実行する技術が特許文献２に開示されている。
【０００９】
そして、触媒の酸素吸蔵量に対して上側しきい値および下側しきい値を設定し、酸素吸蔵量が上側しきい値および下側しきい値の範囲に収まるように内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行することにより、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力の低下を抑制すると共に、安定した空燃比制御を実行できる技術が特許文献３に開示されている。
【００１０】
更に、空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行する内燃機関の空燃比制御装置において、吸入空気量が所定量よりも小さく、且つ排気浄化触媒の下流側に配置されたＯ２センサにより検出された空燃比がリッチである場合に、排気浄化触媒雰囲気の空燃比のリーン化を抑制するように排気の目標空燃比を制御することにより、吸入空気量が急激に増大する運転が行われても、排気浄化触媒による排気ガス中のＮＯｘの充分な還元浄化を可能とする技術が特許文献４に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−２９１９１８号公報
【特許文献２】特開２００５−０９８２０５号公報
【特許文献３】特開２００２−１１５５９０号公報
【特許文献４】特開２００９−２０３９１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ＯＳＣを有する三元触媒は、三元触媒に酸素が充分に吸蔵されていないとき、すなわち、三元触媒がリッチ雰囲気のときは排気ガス中の酸素を吸蔵する速度が大きいために、三元触媒の下流側に充分な量の酸素が流出しない。そして、三元触媒は、吸蔵した酸素の量が増加し三元触媒がリーン雰囲気になると、酸素の吸蔵速度が低下するために、三元触媒の下流側に流出する酸素の量が大幅に増加する。このように、三元触媒に酸素が充分に吸蔵されるまでの間は下流側に充分な量の酸素が流出しないために、三元触媒の下流側に設けられたＯ２センサに空燃比の検出遅れが生じる場合がある（図３（ａ）参照）。このようなＯ２センサの検出遅れが生じると、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させることができないために、内燃機関の空燃比を目標空燃比に近づける制御に遅れが生じてしまう。
【００１３】
しかしながら、特許文献２〜４の技術では、三元触媒の下流側に設けられたＯ２センサの検出遅れを抑制するための手段を有していない。そのため、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることが困難である、といった問題点がある。
また、特許文献１の技術では、上流側触媒と下流側触媒との酸素吸蔵量を変えることで触媒の耐熱性や浄化性能を向上させることを目的としており、下流側に設けられたＯ２センサの検出遅れを抑制するものではない。そのため、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることが困難である、といった問題点がある。
【００１４】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる内燃機関の制御装置および排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気通路に１または複数設けられ、流入する排気ガス中の酸素濃度が過剰であるときに排気ガス中の酸素を吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が不足しているときに吸蔵している酸素を放出する酸素吸蔵／放出材を含有する排気浄化触媒を有する排気浄化装置と、前記排気浄化装置が有する排気浄化触媒の上流側に設けられ、前記排気浄化触媒を通過する前の排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、前記排気浄化装置が有する排気浄化触媒の下流側に設けられ、前記排気浄化触媒を通過した後の排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、前記内燃機関の空燃比を目標空燃比へと補正する空燃比制御手段と、を備え、前記空燃比制御手段が、前記上流側空燃比検出手段の検出結果に基づいて前記内燃機関の燃料噴射量を補正するメインフィードバック制御と、前記下流側空燃比検出手段の検出結果に基づいて前記メインフィードバック制御による燃料噴射量の補正を修正するサブフィードバック制御と、を実行し、更に、前記排気浄化触媒が、前記内燃機関の同一運転環境下において、前記上流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度よりも前記下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度が小さいことを特徴とする。
このように、同一運転環境下において、排気浄化触媒の下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度をより小さくすることで、排気ガス中の酸素をより早く下流側空燃比検出手段に到達させることができる。そのため、下流側空燃比検出手段が空燃比の変化を迅速に検出することができることから、検出結果に基づいてメインＦ／Ｂ制御による空燃比の補正を修正するサブＦ／Ｂ制御を迅速に実行することができる。よって、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【００１６】
特に、本発明の内燃機関の制御装置は、前記排気浄化触媒に含有される前記酸素吸蔵／放出材が、複合酸化物に貴金属を担持したものから構成され、前記排気浄化触媒が、前記上流側空燃比検出手段に対向する側の貴金属の担持量よりも前記下流側空燃比検出手段に対向する側の貴金属の担持量が少量である構成とすることができる。
このように、排気浄化触媒に含有される酸素吸蔵／放出材の貴金属の担持量を、下流側空燃比検出手段に対向する側をより少量とすることで、排気浄化触媒の下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度をより小さくすることができる。そのため、排気ガス中の酸素をより早く下流側空燃比検出手段に到達させることができる。よって、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【００１７】
また、本発明の内燃機関の制御装置は、前記排気浄化触媒に含有される前記酸素吸蔵／放出材は、ＣｅおよびＺｒを含有する複合酸化物から構成され、前記排気浄化触媒が、前記上流側空燃比検出手段に対向する側の前記複合酸化物のＺｒ組成比率よりも前記下流側空燃比検出手段に対向する側の前記複合酸化物のＺｒ組成比率が小さい構成とすることができる。
このように、排気浄化触媒に含有される酸素吸蔵／放出材のＺｒ組成比率を、下流側空燃比検出手段に対向する側をより小さくすることで、排気浄化触媒の下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度をより小さくすることができる。そのため、排気ガス中の酸素をより早く下流側空燃比検出手段に到達させることができる。よって、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【００１８】
そして、本発明の内燃機関の制御装置は、前記下流側空燃比検出手段が、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧値を示し、前記排気浄化触媒が、前記下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度が、前記下流側空燃比検出手段が示す電圧値が所定の上限値および下限値の範囲内になる酸素吸蔵速度とする構成とすることができる。
このように、排気浄化触媒の下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度を、下流側空燃比検出手段が示す電圧値が所定の範囲内になる酸素吸蔵速度とすることで、下流側空燃比検出手段が示す電圧の振幅を小さくして検出応答性を高めることができる。よって、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【００１９】
更に、本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に１または複数設けられ、流入する排気ガス中の酸素濃度が過剰であるときに排気ガス中の酸素を吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が不足しているときに吸蔵している酸素を放出する酸素吸蔵／放出材を含有する排気浄化触媒を有する排気浄化装置であって、前記排気浄化触媒が、前記内燃機関の同一運転環境下において、前記排気通路の上流側の酸素吸蔵速度よりも前記排気通路の下流側の酸素吸蔵速度が小さい構成とすることができる。
このように、同一運転環境下において、排気浄化触媒の排気通路の下流側の酸素吸蔵速度をより小さくすることで、排気ガス中の酸素をより早く排気通路の下流側に到達させることができる。そのため、排気浄化触媒の下流側の空燃比を迅速に検出することができることから、検出結果に基づいてメインＦ／Ｂ制御による空燃比の補正を修正するサブＦ／Ｂ制御を迅速に実行することができる。よって、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の内燃機関の制御装置および排気浄化装置によれば、同一運転環境下において、排気浄化触媒の下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度をより小さくすることで、排気浄化触媒の下流側の空燃比をより早く検出することができる。よって、内燃機関の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、内燃機関の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施例のエンジンシステムの一構成例を示した図である。
【図２】エンジンの空燃比とＯ２センサの出力電圧との相関を示している。
【図３】排気浄化触媒の下流側のＯ２濃度イメージを示している。
【図４】排気浄化触媒を通過する排気ガス中のＯ２濃度変化の一例を示している。
【図５】排気浄化触媒の下流側の酸素吸蔵速度とＯ２センサの出力電圧推移との相関を示している。
【図６】Ｏ２センサの出力電圧の振幅とＮＯｘエミッションとの相関を示している。
【図７】排気浄化触媒の下流側の酸素吸蔵速度とＯ２センサの出力電圧の振幅振幅および平均排気エミッション濃度との相関を示している。
【図８】実施例のエンジンシステムの一構成例を示した図である。
【図９】実施例のエンジンシステムの一構成例を示した図である。
【図１０】Ｏ２センサの出力電圧の振幅と排気エミッション濃度との相関を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の内燃機関の制御装置を搭載したエンジンシステム１の一構成例を示した図である。なお、図１にはエンジンの一部の構成のみを示している。
【００２４】
図１に示すエンジンシステム１は、動力源であるエンジン１００を備えており、エンジン１００の運転動作を総括的に制御するエンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１０を備えている。また、エンジンシステム１は、排気浄化触媒３１ａの上流側および下流側の排気通路１６にＡ／Ｆセンサ２１およびＯ２センサ２２を備えている。
【００２５】
エンジン１００は、車両に搭載される多気筒エンジンであって、各気筒は燃焼室１１を構成するピストン１２を備えている。各燃焼室のピストン１２は、エンジン１００のシリンダに摺動自在に嵌合されており、それぞれコネクティングロッドを介して出力軸部材であるクランクシャフトに連結されている。
エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサからのピストン１２の位置、および吸気カム角センサからのカム軸回転位相の情報に基づき、燃料噴射タイミングを決定しインジェクタ１８に信号を送る。インジェクタ１８は、エンジンＥＣＵ１０の信号に従って、指示された噴射タイミングで吸気ポート１３に燃料を噴射する。インジェクタ１８より噴射された燃料は、霧化して吸入空気と混合しつつ、吸気弁の開弁に伴って吸気ポート１３から燃焼室１１内へ流入する。燃焼室１１内へ流入した燃料と吸入空気との混合気は、ピストン１２の上昇運動により燃焼室１１内で圧縮されて点火プラグ１９により点火されることで燃焼し、燃焼室内を膨張させてピストン１２を下降させる。この下降運動がコネクティングロッドを介してクランクシャフトの軸回転に変更されることにより、エンジン１００は動力を得る。
この場合、エンジン１００は、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンに限られず、軽油を燃料とするディーゼルエンジン、ガソリンとアルコールとを任意の割合で混合した燃料を使用するフレキシブルフューエルエンジンのいずれでもよい。また、エンジンシステム１は、エンジン１００と複数の電動モータとを組み合わせたハイブリッドシステムであってもよい。
【００２６】
各気筒の燃焼室１１には、それぞれ燃焼室１１と連通する吸気ポート１３と、吸気ポート１３に連結し、吸入空気を吸気ポート１３から燃焼室１１へと導く吸気通路１４とが接続されている。更に、各気筒の燃焼室１１には、それぞれ燃焼室１１と連通する排気ポート１５と、燃焼室で発生した排気ガスをエンジン１００の外部へと導く排気通路１６が接続されている。
【００２７】
吸気通路１４には、エアフロメータ、スロットルバルブ１７およびスロットルポジションセンサが設置されている。エアフロメータおよびスロットルポジションセンサは、それぞれ吸気通路１４を通過する吸入空気量、スロットルバルブ１７の開度を検出し、検出結果をエンジンＥＣＵ１０に送信する。エンジンＥＣＵ１０は、送信された検出結果に基づいて吸気ポート１３および燃焼室１１へ導入される吸入空気量を認識し、スロットルバルブ１７の開度を調整することで吸入空気量を調節する。
スロットルバルブ１７は、ステップモータを用いたスロットルバイワイヤ方式を適用することが好ましいが、例えばステップモータの代わりにワイヤなどを介してアクセルペダル（図示しない）と連動し、スロットルバルブ１７の開度が変更されるような機械式スロットル機構を適用することもできる。
【００２８】
吸気ポート１３には、インジェクタ１８が装着されている。インジェクタ１８は、エンジンＥＣＵ１０の指示に基づいて、フューエルポンプから燃料配管を通じて高圧供給された燃料をノズルボディ先端部の円周方向に等間隔で設けられた燃料噴射孔より吸気ポート１３内へ噴射する。インジェクタ１８のリーク燃料は、リリーフ弁からリリーフ配管を通じて燃料タンクへと戻される。
この場合、インジェクタ１８は、吸気ポート１３に限られず、燃焼室１１の任意の位置に装着して燃焼室１１内に燃料を直接噴射する構成としてもよい。また、インジェクタ１８は、燃焼室１１と吸気ポート１３との両方に設けてもよい。
【００２９】
排気通路１６には、排気浄化触媒３１ａが設置されている。排気浄化触媒３１ａは、エンジン１００の排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができる三元触媒である。排気浄化触媒３１ａは、空燃比リーン時に排気ガス中に含まれる酸素（Ｏ２）を吸蔵して酸化雰囲気となり、空燃比リッチ時に排気ガス中に含まれる還元成分（ＨＣ，ＣＯ）によって酸素が放出されて還元雰囲気となる。このような排気浄化触媒３１ａの酸素吸蔵／放出の能力は、エンジン１００の仕様に基づいて、後述する酸素吸蔵／放出材３３ａ中のＣｅ２Ｏ３（ＣｅＯ２）の絶対量、Ｚｒの組成比率およびＰｔ担持量を調節することで決定する。この場合、排気浄化触媒３１ａは、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し、空燃比がストイキまたはリッチのときに吸蔵しているＮＯｘを還元成分（ＨＣ，ＣＯ）にて還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元型であってもよい。また、排気浄化触媒３１ａは、エンジン１００の排気量、使用地域等の違いによって複数個組み合わせて用いてもよい。
排気浄化触媒３１ａの具体的な構成については後述する。
【００３０】
また、排気通路１６には、Ａ／Ｆセンサ２１、Ｏ２センサ２２、排気温センサ（図示しない）が設けられており、燃焼室１１から排出される排気ガスの空燃比、温度を検出し、その結果をエンジンＥＣＵ１０へと送信する。また、排気浄化触媒３１ａには触媒温度センサ（図示しない）が設けられており、排気浄化触媒３１ａの温度を検出し、その結果をエンジンＥＣＵ１０へと送信する。
【００３１】
Ａ／Ｆセンサ２１は、排気浄化触媒３１ａの上流側に設けられており、排気ガス中の酸素濃度と未燃ガス濃度からエンジン１００内の空燃比を検出し、その結果をエンジンＥＣＵ１０へと送信する。それにより、エンジンＥＣＵ１０は、様々な負荷状態におけるエンジン１００の空燃比情報を取得することができる。Ａ／Ｆセンサ２１としては、ジルコニア表面に白金をコートし、外側電極の外周に拡散律速層を設けたものを適用するが、これに限られない。Ａ／Ｆセンサ２１は、素子に電圧を印加するとリーン側（Ａ／Ｆ＞１４．６）で排気ガス中の酸素濃度に、リッチ側（Ａ／Ｆ＜１４．６）で未燃ガス濃度に応じた酸素イオン電流が発生する。この場合、Ａ／Ｆセンサ２１の出力電流は空燃比に対して正の相関があることから、これにより広範囲での空燃比の検出が可能になる。
なお、Ａ／Ｆセンサ２１は、本発明の上流側空燃比検出手段の一構成例である。
【００３２】
Ｏ２センサ２２は、排気浄化触媒３１ａの下流側に設けられており、排気ガス中に残存している酸素濃度を検出し、その結果をエンジンＥＣＵ１０へと送信する。それにより、エンジンＥＣＵ１０は、排気浄化触媒３１ａを通過した排気ガスの空燃比情報を取得することができる。Ｏ２センサ２２としては、Ａ／Ｆセンサ２１と類似構造であって、ジルコニア表面に白金をコートしたものを適用するが、これに限られない。図２は、エンジン１００の空燃比とＯ２センサ２２の出力電圧との相関を示している。Ｏ２センサ２２は、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．６）付近で０．５［Ｖ］の電圧を示し、リッチ側（Ａ／Ｆ＜１４．６）で略０．９［Ｖ］、リーン側（Ａ／Ｆ＞１４．６）で略０．１［Ｖ］の電圧を示す。
なお、Ｏ２センサ２２は、本発明の下流側空燃比検出手段の一構成例である。
【００３３】
エンジンＥＣＵ１０は、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、データ等を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＮＶＲＡＭ（Ｎｏｎ Ｖｏｌａｔｉｌｅ ＲＡＭ）と、を備えるコンピュータである。エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサ、吸気カム角センサ、アクセル開度センサ、エアフロメータ、スロットルポジションセンサ、排気温センサ、触媒温度センサ、水温センサ等の検出結果を読み込み、スロットルバルブ１７の動作、吸気弁、排気弁の動作、インジェクタ１８の動作、点火プラグ１９の動作など、エンジン１００の運転動作を統合的に制御する。
【００３４】
また、エンジンＥＣＵ１０は、Ａ／Ｆセンサ２１およびＯ２センサ２２の検出結果に基づいて燃焼室１１の燃焼情報を取得し、最適な燃焼状態となるように気筒内への燃料噴射量を調整する空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行する。
まず、エンジンＥＣＵ１０は、排気浄化触媒３１ａ上流側のＡ／Ｆセンサ２１の検出結果から燃焼室１１内の混合気の空燃比を把握し、現状の負荷状態で要求される空燃比へと補正するための第１補正係数を演算して、第１補正係数に基づいて燃料噴射量を調整するメイン空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行する。
次に、エンジンＥＣＵ１０は、メイン空燃比Ｆ／Ｂ制御に加えて、排気浄化触媒３１ａ下流側のＯ２センサ２２の検出結果に基づいて第２補正係数を演算し、メイン空燃比Ｆ／Ｂ制御にて得られた第１補正係数を修正するサブ空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行する。このようなサブ空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行することにより、排気浄化触媒３１ａ上流側のＡ／Ｆセンサ２１の出力特性のバラツキに基づく空燃比の誤差を、充分に撹拌されて酸素濃度が平衡状態となった排気浄化触媒３１ａ下流側の排気ガスからＯ２センサ２２が検出した空燃比に基づいて修正可能であるために、空燃比制御の精度をより向上させることができる。
【００３５】
この制御を実行することにより、エンジン１００の運転に適した空燃比となるよう燃料噴射量を補正することができることから、広い運転領域において適切な内燃機関の空燃比を維持することができる。
なお、エンジンＥＣＵ１０は、本発明の空燃比制御手段の一構成例である。
【００３６】
この場合、本発明の内燃機関の制御装置は、排気浄化触媒３１ａのＯ２センサ２２に対向する側の酸素吸蔵速度をより小さくすることで、排気浄化触媒３１ａ下流側のＯ２センサ２２の空燃比の検出遅れを抑制することができる。よって、エンジン１００の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、エンジン１００の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
以下に、排気浄化触媒３１ａの具体的な構成を説明する。排気浄化触媒３１ａは、触媒担体３２ａと酸素吸蔵／放出材３３ａから構成される。
【００３７】
触媒担体３２ａは、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）系セラミックスからなるハニカム形状であり、その内部を排気ガスが通過可能な周知の構造を採用する。セラミックスとしては、Ａｌ２Ｏ３に限られず、コーディライト等の触媒担体として周知のセラミックスにＡｌ２Ｏ３をコートしたものを適用することができる。この場合、触媒担体３２ａは、周知のセラミックスに限られず、ステンレス（Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ）等のメタル担体にＡｌ２Ｏ３をコートしたものを適用してもよい。
【００３８】
酸素吸蔵／放出材３３ａは、触媒担体３２ａ壁の表面に層状に形成されており、複合酸化物に貴金属を担持したもので構成される。複合酸化物は、セリウム（Ｃｅ）およびジルコニウム（Ｚｒ）の複合酸化物であるＣｅ２Ｏ３（ＣｅＯ２）−ＺｒＯ２を主成分とする。また、複合酸化物に担持する貴金属としては、白金（Ｐｔ）を適用する。
【００３９】
Ｐｔは、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを酸化・還元してＨ２Ｏ、ＣＯ２、Ｎ２とする触媒反応を起こすための活性成分であり、ナノオーダーの粒径にて複合酸化物に担持される。また、Ｐｔは、複合酸化物と共存することで、複合酸化物がＯ２を取り込むことを助長する。
【００４０】
そして、酸素吸蔵／放出材３３ａは、触媒担体３２ａのＯ２センサ２２に対向する側の、すなわち、排気浄化触媒３１ａの下流側の複合酸化物のＺｒ組成比率が、Ａ／Ｆセンサ２１に対向する側（上流側）よりも小さい構成をとる。具体的には、例えば、触媒担体３２ａの上流側の端部から触媒担体３２ａの長軸方向の８分目以下の所定の位置までのＺｒ組成比率を２０％以上（好ましくは３０％以上）とする。そして、前記所定の位置から下流側の端部までのＺｒ組成比率を３０％以下（好ましくは１０％以下）であって、前記上流側のＺｒ組成比率を超えない比率とする。このような構成とすることで、排気浄化触媒３１ａの下流側の酸素吸蔵速度を上流側よりも小さくすることができる。なお、Ｚｒ組成比率は、複合酸化物中のＺｒのｍｏｌ比率であるが、ＺｒＯ２のｍｏｌ比率や重量比率等で表してもよい。
【００４１】
ここで、Ｏ２センサ２２に対向する側の酸素吸蔵／放出材３３ａのＺｒ組成比率を小さくする理由について説明する。Ｃｅを含有する酸化物（Ｃｅ系酸化物）が酸素を吸蔵・放出する際の化学反応式は、以下の通りである。
［酸素吸蔵／放出の化学反応式］
４ＣｅＯ２ ⇔ ２Ｃｅ２Ｏ３＋Ｏ２ ・・・（１）
上記（１）式のように、Ｃｅ系酸化物の酸素吸蔵メカニズムは、Ｃｅ３＋ → Ｃｅ４＋の酸化反応による。この酸化反応は、Ｃｅ２Ｏ３とＯ２とが瞬時に反応するために、Ｏ２が接触し易いＣｅ系酸化物のより表層部分から内部に向かって進行する。そのため、より多くのＯ２を迅速にＣｅ系酸化物のより内部まで侵入させることで、Ｃｅ系酸化物の単位時間当たりの酸化反応量が増大する、すなわち、酸素吸蔵速度が大きくなる。
ここで、Ｃｅ系酸化物とＺｒＯ２の固溶体は、Ｃｅ原子に対してＺｒ原子が極めて小さいために固溶体の結晶に歪みができる。そのため、結晶の歪みを通じて固溶体のより内部までＯ２が素早く侵入することができることから、Ｃｅ系酸化物の酸素吸蔵速度が大きくなる。そして、固溶体中のＺｒ組成比率がより大きいほど、Ｏ２が固溶体の内部に侵入するための通路が増加するために酸素吸蔵速度がより大きくなる。また、固溶体中のＺｒ組成比率がより小さいほど、Ｏ２が固溶体の内部に侵入するための通路が減少するために酸素吸蔵速度がより小さくなる。このように、酸素吸蔵／放出材３３ａのＺｒ組成比率をより小さくすることで、排気浄化触媒３１ａの酸素吸蔵速度をより小さくすることができる。
【００４２】
また、酸素吸蔵反応が進行するにつれて、反応速度の遅い酸素がより排気浄化触媒３１ａの下流側の、すなわち、よりＯ２センサ２２に対向する側の酸素吸蔵／放出材３３ａで吸蔵される。そのため、排気浄化触媒３１ａのＯ２センサ２２に対向する側の酸素吸蔵速度を小さく、すなわち、Ｚｒ組成比率を小さくすることで、排気浄化触媒３１ａがリーン雰囲気になる前に排気浄化触媒３１ａの下流側へ充分な量のＯ２を流出させることができる（図３（ｂ）参照）。
【００４３】
図４は、排気浄化触媒を通過する排気ガス中のＯ２濃度変化の一例を示している。例えば、排気浄化触媒の酸素吸蔵速度を１／３とした場合、判定電圧時の酸素量に達する前の段階での排気浄化触媒の下流側に漏れ出る酸素量が多くなる。このように、排気浄化触媒の下流側にＯ２が徐々に漏れ出ることで、排気浄化触媒の下流側に設けられたＯ２センサの出力が緩やかに変化する。そのため、Ｏ２センサ２２は、エンジン１００の空燃比の変化によって生じる排気ガス中のＯ２濃度の変化をより早く検出することが可能である。
【００４４】
図５は、排気浄化触媒３１ａの下流側の酸素吸蔵速度とＯ２センサ２２の出力電圧推移との相関を示している。前述のように、排気浄化触媒３１ａのＯ２センサ２２に対向する側のＺｒ組成比率を小さくすると、排気浄化触媒３１ａの下流側の酸素吸蔵速度が小さくなる。それによって、Ｏ２センサ２２は、より早くエンジン１００の空燃比の変化を検出して出力電圧を変化させることができる。そのため、エンジンＥＣＵ１０は、Ｏ２センサ２２の出力電圧に基づいてエンジン１００の空燃比の変化を迅速に判定することができる（図５（ａ）参照）。
この場合、特に、Ｏ２センサ２２の空燃比の判定電圧を０．５［Ｖ］からより高電圧側（リッチ側）に設定してもよい。それにより、エンジン１００の空燃比がリッチ側からリーン側へと変化する際に生じるＯ２センサ２２の空燃比の検出遅れをより効果的に抑制することができる（図５（ｂ）参照）。
【００４５】
更に、排気浄化触媒３１ａは、酸素吸蔵／放出材３３ａのＺｒ組成比率を変化させる所定の位置および比率を、排気浄化触媒３１ａの下流側に設けられるＯ２センサ２２の出力電圧の振幅に基づいて決定する。すなわち、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅が所定の上限値および下限値の範囲に収まるような任意の位置および比率でＺｒ組成比率を変化させることで、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅をより小さくして空燃比の検出応答性を高めることができる。この場合、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅の上限値および下限値は、例えば±０．３［Ｖ］以下に設定し、より好ましくは±０．１［Ｖ］以下に設定することができる。
【００４６】
図６は、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅とＮＯｘエミッションとの相関を示している。Ｏ２センサ２２は、エンジン１００の空燃比がよりリッチ側に偏ると、過度に還元されてその拡散層がＨＣ等により被毒されることで検出感度が低下する場合がある。このように、Ｏ２センサ２２の検出感度が低下すると、空燃比検出の応答遅れが生じることから、エンジン１００の排気エミッションが悪化してしまう。そのため、Ｏ２センサ２２は、高い検出感度を維持するために過度に還元されない領域（高感度領域）で使用されることが好ましく、すなわち、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅はより小さいほうが好ましい。
【００４７】
ここで、排気浄化触媒３１ａの下流側の複合酸化物のＺｒ組成比率をより小さくすると、すなわち、下流側の酸素吸蔵速度をより小さくすると、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅が小さくなる（図７（ａ）参照）。そのため、Ｏ２センサ２２を高感度領域で使用することができるために高い検出感度が維持されることから、空燃比検出の応答遅れを抑制することができる。更に、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅が小さくなることで、サブＦ／Ｂ制御を迅速に行うことができることから、エンジン１００の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させることができる。よって、エンジン１００の空燃比をより早く理論空燃比に近づけることができることから、排気エミッション濃度を大幅に低減させることができる（図７（ｂ）参照）。なお、排気浄化触媒３１ａの下流側の酸素吸蔵速度をゼロにすると、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅が発散してしまうために、排気エミッション濃度を効果的に低減することができなくなる点に留意する。
なお、排気浄化触媒３１ａは、本発明の排気浄化装置の一構成例である。
【００４８】
以上のように、本実施例のエンジンシステム１は、排気浄化触媒３１ａのＯ２センサ２２に対向する側の複合酸化物を構成するＺｒ組成比率を、Ａ／Ｆセンサ２１に対向する側よりも小さい構成とすることで、エンジン１００の同一運転環境下において、Ｏ２センサ２２に対向する側の酸素吸蔵速度をより小さくすることができることから、排気浄化触媒３１ａの下流側の空燃比をより早く検出することができる。よって、エンジン１００の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、エンジン１００の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【実施例２】
【００４９】
つづいて、本発明の実施例２について説明する。本実施例のエンジンシステム２は、排気浄化触媒３１ａに代えて、触媒担体３２ａのＯ２センサ２２に対向する側のＰｔ担持量をＡ／Ｆセンサ２１に対向する側よりも少量とする構成をとる排気浄化触媒３１ｂを備える点でエンジンシステム１と相違している。
【００５０】
本実施例のエンジンシステム２は、実施例１と同様に、エンジンＥＣＵ１０、Ａ／Ｆセンサ２１、Ｏ２センサ２２を備えている。これにより、Ａ／Ｆセンサ２１およびＯ２センサ２２の検出結果に基づいて燃焼室１１の燃焼情報を取得し、エンジン２００が最適な燃焼状態となるように気筒内への燃料噴射量を調整する空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行する。
更に、エンジンシステム２は、排気通路１６に排気浄化触媒３１ｂを備えることで、下流側に設けられたＯ２センサ２２の空燃比の検出遅れを抑制し、エンジン２００の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させることができる。
【００５１】
つづいて、排気浄化触媒３１ｂについて詳細に説明する。図８は、実施例のエンジンシステム２の一構成例を示した図である。排気浄化触媒３１ｂは、実施例１の排気浄化触媒３１ａと同様に、エンジン２００の排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができる三元触媒である。
排気浄化触媒３１ｂは、触媒担体３２ａと酸素吸蔵／放出材３３ｂから構成される。
【００５２】
酸素吸蔵／放出材３３ｂは、触媒担体３２ａ壁の表面に層状に形成されており、セリウム（Ｃｅ）およびジルコニウム（Ｚｒ）の複合酸化物であるＣｅ２Ｏ３（ＣｅＯ２）−ＺｒＯ２を主成分とする複合酸化物に貴金属のＰｔを担持したもので構成される。
また、酸素吸蔵／放出材３３ｂは、その複合酸化物を構成するＺｒ組成比率が、触媒担体３２ａの全体にわたって同じ比率をとる構成である。
【００５３】
そして、酸素吸蔵／放出材３３ｂは、触媒担体３２ａのＯ２センサ２２に対向する側の、すなわち、排気浄化触媒３１ｂの下流側の複合酸化物へのＰｔの担持量が、Ａ／Ｆセンサ２１に対向する側（上流側）の担持量よりも少量である構成をとる。具体的には、例えば、触媒担体３２ａの上流側の端部から触媒担体３２ａの長軸方向の８分目以下の所定の位置までのＰｔ担持量と、前記所定の位置から下流側の端部までのＰｔ担持量との比率を１０：１とする。このような構成とすることで、排気浄化触媒３１ｂの下流側の酸素吸蔵速度を上流側よりも小さくすることができる。この場合、触媒担体３２ａの上流側と下流側とのＰｔ担持量の比率は、後述するＯ２センサ２２の出力電圧の振幅に基づいて、例えば、１０：１から３：１の間の任意の比率に設定することができる。
【００５４】
ここで、Ｏ２センサ２２に対向する側の酸素吸蔵／放出材３３ｂのＰｔ担持量を少量とする理由について説明する。Ｃｅを含有する酸化物（Ｃｅ系酸化物）が酸素を吸蔵・放出する際の反応速度式は、以下の通りである。
［酸素吸蔵の反応速度式］
ｖ＝ｋ・［Ｏ２］・［Ｃｅ２Ｏ３］２ ・・・（２）
（ｖ：酸素吸蔵速度，ｋ：反応速度係数）
上記（２）式のように、Ｃｅ系酸化物の酸素吸蔵の反応速度は、Ｏ２の濃度に対してＣｅ２Ｏ３の濃度が二乗で関与する。そして、一般的に、Ｃｅ系酸化物は、Ｐｔ等の貴金属と共存することでＣｅ４＋ → Ｃｅ３＋の還元反応の速度が大きくなる、すなわち、Ｏ２の放出速度が大きくなる。そのため、Ｃｅ系酸化物の結晶子内にＰｔをより多量に分散させるほど、Ｃｅ系酸化物が吸蔵したＯ２を放出する際の速度が大きくなるために、Ｃｅ系酸化物中のＣｅ２Ｏ３の濃度が高まる。このように、Ｃｅ系酸化物中のＣｅ２Ｏ３の濃度が高まると、（２）式より、Ｃｅ系酸化物の酸素吸蔵速度がより大きくなる。また、ＮＯｘ吸蔵還元型においても、ＮＯｘ吸蔵／放出材に貴金属を担持することで、排気ガス中のＮＯｘが貴金属を滑り落ちてその近傍のＮＯｘ吸蔵／放出材に吸蔵するスピルオーバー効果によってＮＯｘの吸蔵・放出速度が大幅に向上する。そのため、複合酸化物へのＰｔ担持量を少量とすることで、酸素吸蔵／放出材３３ｂの酸素吸蔵速度を小さくすることができる。
また、酸素吸蔵反応が進行するにつれて、反応速度の遅い酸素がより排気浄化触媒３１ｂの下流側の、すなわち、よりＯ２センサ２２に対向する側の酸素吸蔵／放出材３３ｂで吸蔵される。そのため、排気浄化触媒３１ｂのＯ２センサ２２に対向する側の酸素吸蔵速度を小さく、すなわち、Ｐｔ担持量を少量にすることで、排気浄化触媒３１ｂがリーン雰囲気になる前に排気浄化触媒３１ｂの下流側へ充分な量のＯ２を流出させることができる（図３（ｂ）参照）。
このように、排気浄化触媒３１ｂのＯ２センサ２２に対向する側のＰｔ担持量を少量とすることで、排気浄化触媒３１ｂの下流側へ充分な量のＯ２を流出させることができることから、Ｏ２センサ２２の検出応答性を向上させることができる。よって、Ｏ２センサ２２の空燃比の検出遅れを抑制することができる。
【００５５】
更に、排気浄化触媒３１ｂは、酸素吸蔵／放出材３３ｂのＰｔ担持量を変化させる所定の位置および比率を、排気浄化触媒３１ｂの下流側に設けられるＯ２センサ２２の出力電圧の振幅に基づいて決定する。すなわち、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅が所定の上限値および下限値の範囲に収まるような任意の位置および比率でＰｔ担持量を変化させることで、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅をより小さくして空燃比の検出応答性を高めることができる。この場合、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅の上限値および下限値は、実施例１と同様に、例えば±０．３［Ｖ］以下に設定し、より好ましくは±０．１［Ｖ］以下に設定することができる。
【００５６】
前述のように、排気浄化触媒３１ｂの下流側の酸素吸蔵速度を小さくすると、すなわち、複合酸化物へのＰｔ担持量をより少量とすると、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅が小さくなる（図７（ａ）参照）。そのため、Ｏ２センサ２２を高感度領域で使用することができるために高い検出感度が維持されることから、空燃比検出の応答遅れを抑制することができる。更に、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅が小さくなることで、サブＦ／Ｂ制御を迅速に行うことができることから、エンジン２００の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させることができる。よって、エンジン２００の空燃比をより早く理論空燃比に近づけることができることから、排気エミッション濃度を大幅に低減させることができる（図７（ｂ）参照）。なお、排気浄化触媒３１ｂの下流側の酸素吸蔵速度をゼロにすると、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅が発散してしまうために、排気エミッション濃度を効果的に低減することができなくなる点に留意する。
なお、排気浄化触媒３１ｂは、本発明の排気浄化装置の一構成例である。
【００５７】
以上のように、本実施例のエンジンシステム２は、排気浄化触媒３１ｂのＯ２センサ２２に対向する側の複合酸化物へのＰｔ担持量を、Ａ／Ｆセンサ２１に対向する側よりも少量とすることで、エンジン２００の同一運転環境下において、Ｏ２センサ２２に対向する側の酸素吸蔵速度をより小さくすることができることから、排気浄化触媒３１ｂの下流側の空燃比をより早く検出することができる。よって、エンジン２００の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、エンジン２００の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【実施例３】
【００５８】
つづいて、本発明の実施例３について説明する。本実施例のエンジンシステム３は、排気浄化触媒３１ａおよび排気浄化触媒３１ｂに代えて、Ａ／Ｆセンサ２１に対向する側に酸素吸蔵速度がより大きい排気浄化触媒３１ｃと、Ｏ２センサ２２に対向する側に酸素吸蔵速度がより小さい排気浄化触媒３１ｄと、を備える点でエンジンシステム１および２と相違している。
【００５９】
本実施例のエンジンシステム３は、実施例１および２と同様に、エンジンＥＣＵ１０、Ａ／Ｆセンサ２１、Ｏ２センサ２２を備えている。これにより、Ａ／Ｆセンサ２１およびＯ２センサ２２の検出結果に基づいて燃焼室１１の燃焼情報を取得し、エンジン３００が最適な燃焼状態となるように気筒内への燃料噴射量を調整する空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行する。
更に、エンジンシステム３は、排気通路１６に排気浄化触媒３１ｃおよび排気浄化触媒３１ｄを備えることで、下流側に設けられたＯ２センサ２２の空燃比の検出遅れを抑制し、エンジン３００の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させることができる。
【００６０】
つづいて、排気浄化触媒３１ｃおよび排気浄化触媒３１ｄについて詳細に説明する。図９は、実施例のエンジンシステム３の一構成例を示した図である。排気浄化触媒３１ｃおよび排気浄化触媒３１ｄは、実施例１，２の排気浄化触媒３１ａおよび排気浄化触媒３１ｂと同様に、エンジン３００の排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができる三元触媒である。
排気浄化触媒３１ｃは、触媒担体３２ｂと酸素吸蔵／放出材３３ｃとから構成される。また、排気浄化触媒３１ｄは、触媒担体３２ｃと酸素吸蔵／放出材３３ｄとから構成される。そして、排気浄化触媒３１ｃは、排気通路１６の両センサ間のよりＡ／Ｆセンサ２１側（上流側）に設けられて、排気浄化触媒３１ｄは、排気通路１６の両センサ間のよりＯ２センサ２２側（下流側）に設けられる。
【００６１】
排気通路１６のより上流側に設けられる排気浄化触媒３１ｃは、実施例１の排気浄化触媒３１ａの上流側の端部から触媒担体３２ａの長軸方向の８分目以下の所定の位置までの部分と同じ構成をとる。また、より下流側に設けられる排気浄化触媒３１ｄは、実施例１の排気浄化触媒３１ａの前記所定の位置から下流側の端部までの部分と同じ構成をとる。すなわち、触媒担体３２ｂと触媒担体３２ｃとは、排気ガスの流通方向への触媒容量・容積の比が、例えば８：２（４：１）となっている。更に、酸素吸蔵／放出材３３ｃの複合酸化物を構成するＺｒ組成比率が２０％以上（好ましくは３０％以上）となっており、酸素吸蔵／放出材３３ｄのＺｒ組成比率が３０％以下（好ましくは１０以下）であって、前記酸素吸蔵／放出材３３ｃのＺｒ組成比率を超えない比率となっている。このような構成とすることで、より下流側に設けられる排気浄化触媒３１ｄの酸素吸蔵速度を、より上流側に設けられる排気浄化触媒３１ｃの酸素吸蔵速度よりも小さくすることができる。
【００６２】
そして、排気浄化触媒３１ｃおよび排気浄化触媒３１ｄは、触媒担体３２ｂおよび触媒担体３２ｃの触媒容量・容積、並びにそれぞれの複合酸化物を構成するＺｒ組成比率を、排気浄化触媒３１ｄの下流側に設けられるＯ２センサ２２の出力電圧の振幅に基づいて決定する。すなわち、排気浄化触媒３１ｃおよび排気浄化触媒３１ｄの酸素吸蔵速度を、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅が所定の上限値および下限値の範囲に収まるような酸素吸蔵速度とする。これによって、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅をより小さくして空燃比の検出応答性を高めることができる。この場合、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅の上限値および下限値は、実施例１および２と同様に、例えば±０．３［Ｖ］以下に設定し、より好ましくは±０．１［Ｖ］以下に設定することができる。
【００６３】
図１０は、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅と排気エミッション濃度との相関を示している。図１０中、（ａ）は、より上流側に排気浄化触媒３１ｃを配置し、より下流側に複合酸化物および貴金属を有さないダミー触媒（触媒担体３２ｃ）を配置したものである。また、（ｂ）は、本実施例と同様に、より上流側に排気浄化触媒３１ｃを配置し、より下流側に排気浄化触媒３１ｄを配置したものである。そして、（ｃ）は、より上流側に排気浄化触媒３１ｃを配置し、より下流側に排気浄化触媒３１ｃと酸素吸蔵速度が等しい排気浄化触媒を配置したものである。
より下流側に酸素吸蔵速度がゼロのダミー触媒を配置した（ａ）、および酸素吸蔵速度が等しい排気浄化触媒を配置した（ｃ）は、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅がより大きく、判定電圧付近に収束できていない。そのため、サブＦ／Ｂ制御を迅速に行うことができないために、エンジン３００の空燃比をより早く理論空燃比に近づけることができず、その結果、排気エミッション濃度を効果的に低減することができない。
一方、より下流側に酸素吸蔵速度の小さい排気浄化触媒３１ｄを配置した（ｂ）は、Ｏ２センサ２２の出力電圧の振幅がより小さく、判定電圧付近に収束している。そのため、サブＦ／Ｂ制御を迅速に行うことができるために、エンジン３００の空燃比がより早く理論空燃比に近づき、その結果、排気エミッション濃度を効果的に低減することができる。
【００６４】
この場合、排気浄化触媒３１ｃおよび排気浄化触媒３１ｄは、実施例２と同様に、それぞれの複合酸化物のＺｒ組成比率を同じ比率にして、かつ、それぞれのＰｔ担持量を変えることによって排気浄化触媒３１ｄの酸素吸蔵速度をより小さくする構成としてもよい。
なお、排気浄化触媒３１ｃおよび排気浄化触媒３１ｄは、本発明の排気浄化装置の一構成例である。
【００６５】
以上のように、本実施例のエンジンシステム３は、Ａ／Ｆセンサ２１に対向する側に排気浄化触媒３１ｃと、Ｏ２センサ２２に対向する側に排気浄化触媒３１ｄと、を設置し、排気浄化触媒３１ｄの複合酸化物を構成するＺｒ組成比率を、排気浄化触媒３１ｃよりも小さい構成とすることで、エンジン３００の同一運転環境下において、より下流側に設けられる排気浄化触媒３１ｄの酸素吸蔵速度を、より上流側に設けられる排気浄化触媒３１ｃの酸素吸蔵速度よりも小さくすることができることから、排気浄化触媒３１ｄの下流側の空燃比をより早く検出することができる。よって、エンジン３００の空燃比Ｆ／Ｂ制御による補正を迅速に収束させて、エンジン３００の空燃比をより早く目標空燃比に近づけることができる。
【００６６】
上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００６７】
例えば、排気浄化触媒３１の上流側から下流側にかけて連続的に酸素吸蔵速度を小さくしてもよい。また、排気浄化触媒３１の酸素吸蔵／放出材３３は、触媒担体３２の壁面に他の複数の化合物（例えば、ゼオライトなど）と組み合わせて層状に形成されてもよい。
【００６８】
そして、複合酸化物を構成する成分としては、ＣｅおよびＺｒに限られず、カリウム（Ｋ），ナトリウム（Ｎａ），セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属、バリウム（Ｂａ），カルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ），イットリウム（Ｙ），ネオジム（Ｎｄ），プラセオジム（Ｐｒ）等の希土類から選ばれた少なくとも一つを用いたり、これら複数を組み合わせたりしてもよい。更に、複合酸化物としてＬｎ２Ｏ２ＳＯ４等の希土類オキシ硫酸塩を用いてもよい。
【００６９】
また、複合酸化物に担持する貴金属としては、Ｐｔに限られず、パラジウム（Ｐｄ），ロジウム（Ｒｈ），イリジウム（Ｉｒ），ルテニウム（Ｒｕ），オスミウム（Ｏｓ）等の白金族や、金（Ａｕ），銀（Ａｇ），レニウム（Ｒｅ）等に代表される排気浄化触媒に用いられる周知の金属から選ばれた少なくとも一つを用いたり、これら複数を組み合わせたりしてもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１〜３ エンジンシステム
１０ エンジンＥＣＵ（空燃比制御手段）
１１ 燃焼室
１２ ピストン
１８ インジェクタ
２１ Ａ／Ｆセンサ（上流側空燃比検出手段）
２２ Ｏ２センサ（下流側空燃比検出手段）
３１ 排気浄化触媒（排気浄化装置）
３２ 触媒担体
３３ 酸素吸蔵／放出材
１００，２００，３００ エンジン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に１または複数設けられ、流入する排気ガス中の酸素濃度が過剰であるときに排気ガス中の酸素を吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が不足しているときに吸蔵している酸素を放出する酸素吸蔵／放出材を含有する排気浄化触媒を有する排気浄化装置と、
前記排気浄化装置が有する排気浄化触媒の上流側に設けられ、前記排気浄化触媒を通過する前の排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、
前記排気浄化装置が有する排気浄化触媒の下流側に設けられ、前記排気浄化触媒を通過した後の排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、
前記内燃機関の空燃比を目標空燃比へと補正する空燃比制御手段と、を備え、
前記空燃比制御手段は、前記上流側空燃比検出手段の検出結果に基づいて前記内燃機関の燃料噴射量を補正するメインフィードバック制御と、前記下流側空燃比検出手段の検出結果に基づいて前記メインフィードバック制御による燃料噴射量の補正を修正するサブフィードバック制御と、を実行し、
更に、前記排気浄化触媒は、前記内燃機関の同一運転環境下において、前記上流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度よりも前記下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度が小さいことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記排気浄化触媒に含有される前記酸素吸蔵／放出材は、複合酸化物に貴金属を担持したものから構成され、
前記排気浄化触媒は、前記上流側空燃比検出手段に対向する側の貴金属の担持量よりも前記下流側空燃比検出手段に対向する側の貴金属の担持量が少量であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記排気浄化触媒に含有される前記酸素吸蔵／放出材は、ＣｅおよびＺｒを含有する複合酸化物から構成され、
前記排気浄化触媒は、前記上流側空燃比検出手段に対向する側の前記複合酸化物のＺｒ組成比率よりも前記下流側空燃比検出手段に対向する側の前記複合酸化物のＺｒ組成比率が小さいことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記下流側空燃比検出手段は、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧値を示し、
前記排気浄化触媒は、前記下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度が、前記下流側空燃比検出手段が示す電圧値が所定の上限値および下限値の範囲内になる酸素吸蔵速度とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
内燃機関の排気通路に１または複数設けられ、流入する排気ガス中の酸素濃度が過剰であるときに排気ガス中の酸素を吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が不足しているときに吸蔵している酸素を放出する酸素吸蔵／放出材を含有する排気浄化触媒を有する排気浄化装置であって、
前記排気浄化触媒は、前記内燃機関の同一運転環境下において、前記排気通路の上流側の酸素吸蔵速度よりも前記排気通路の下流側の酸素吸蔵速度が小さいことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項１】
内燃機関の排気通路に１または複数設けられ、流入する排気ガス中の酸素濃度が過剰であるときに排気ガス中の酸素を吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が不足しているときに吸蔵している酸素を放出する酸素吸蔵／放出材を含有する排気浄化触媒を有する排気浄化装置と、
前記排気浄化装置が有する排気浄化触媒の上流側に設けられ、前記排気浄化触媒を通過する前の排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、
前記排気浄化装置が有する排気浄化触媒の下流側に設けられ、前記排気浄化触媒を通過した後の排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、
前記内燃機関の空燃比を目標空燃比へと補正する空燃比制御手段と、を備え、
前記空燃比制御手段は、前記上流側空燃比検出手段の検出結果に基づいて前記内燃機関の燃料噴射量を補正するメインフィードバック制御と、前記下流側空燃比検出手段の検出結果に基づいて前記メインフィードバック制御による燃料噴射量の補正を修正するサブフィードバック制御と、を実行し、
更に、前記排気浄化触媒は、前記内燃機関の同一運転環境下において、前記上流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度よりも前記下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度が小さいことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記排気浄化触媒に含有される前記酸素吸蔵／放出材は、複合酸化物に貴金属を担持したものから構成され、
前記排気浄化触媒は、前記上流側空燃比検出手段に対向する側の貴金属の担持量よりも前記下流側空燃比検出手段に対向する側の貴金属の担持量が少量であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記排気浄化触媒に含有される前記酸素吸蔵／放出材は、ＣｅおよびＺｒを含有する複合酸化物から構成され、
前記排気浄化触媒は、前記上流側空燃比検出手段に対向する側の前記複合酸化物のＺｒ組成比率よりも前記下流側空燃比検出手段に対向する側の前記複合酸化物のＺｒ組成比率が小さいことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記下流側空燃比検出手段は、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧値を示し、
前記排気浄化触媒は、前記下流側空燃比検出手段に対向する側の酸素吸蔵速度が、前記下流側空燃比検出手段が示す電圧値が所定の上限値および下限値の範囲内になる酸素吸蔵速度とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
内燃機関の排気通路に１または複数設けられ、流入する排気ガス中の酸素濃度が過剰であるときに排気ガス中の酸素を吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が不足しているときに吸蔵している酸素を放出する酸素吸蔵／放出材を含有する排気浄化触媒を有する排気浄化装置であって、
前記排気浄化触媒は、前記内燃機関の同一運転環境下において、前記排気通路の上流側の酸素吸蔵速度よりも前記排気通路の下流側の酸素吸蔵速度が小さいことを特徴とする排気浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
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【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１１１９２２（Ｐ２０１１−１１１９２２Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６６８１２（Ｐ２００９−２６６８１２）
【出願日】平成２１年１１月２４日（２００９．１１．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２４日（２００９．１１．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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