内燃機関の排ガス浄化装置。
【課題】 燃費悪化等の弊害を生ずることなく、燃料カットからの復帰直後のＮＯx排出量の増加を抑制できる内燃機関の排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】 酸素ストレージ剤を添加した下流側触媒５に対して、上流側触媒４には酸素ストレージ剤を添加せずにＦ／Ｃ中の酸素吸着を抑制すると共に、Ｆ／Ｃからの復帰後には、上流側触媒４の狭いウインドに空燃比変調の振幅が収まるように、小さなＦ／Ｂゲインに基づくＦ／Ｃ復帰後制御を実施して空燃比変調の振幅を縮小し、上流側触媒４の浄化作用によりＦ／Ｃ復帰後のＮＯx排出量の増加を抑制する。
【解決手段】 酸素ストレージ剤を添加した下流側触媒５に対して、上流側触媒４には酸素ストレージ剤を添加せずにＦ／Ｃ中の酸素吸着を抑制すると共に、Ｆ／Ｃからの復帰後には、上流側触媒４の狭いウインドに空燃比変調の振幅が収まるように、小さなＦ／Ｂゲインに基づくＦ／Ｃ復帰後制御を実施して空燃比変調の振幅を縮小し、上流側触媒４の浄化作用によりＦ／Ｃ復帰後のＮＯx排出量の増加を抑制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の排ガス浄化装置に係り、詳しくは内燃機関の排気通路に設けられた触媒により排ガス中のＮＯxを浄化する排ガス浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
セリアやジルコニア等の酸素ストレージ剤（ＯＳＣ：Oxygen Storage Component）は、触媒の酸素ストレージ機能を強化してウインド（理論空燃比を中心としＮＯx，ＨＣ等の複数の成分の浄化効率が高い空燃比範囲）を拡大する特性があることから、触媒への添加物として広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。当該特許文献１に開示された排ガス浄化装置では、排気通路の下流側のメイン触媒に酸素ストレージ剤を添加した上で、上流側のウォームアップ触媒は酸素ストレージ剤を無添加とし、これによりエンジン始動直後にウォームアップ触媒への酸素吸着によりＨＣの酸化反応が阻害される事態を防止している。
【特許文献１】特開２０００−８４３６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、触媒への酸素ストレージ剤の添加にはデメリットもある。即ち、車両減速に伴う燃料カット中には、触媒の貴金属上のみならず酸素ストレージ剤上にも排ガス中の酸素が大量に吸着されるため、燃料カットから復帰しても酸素が脱離・消費されるまでは触媒上が酸素過剰の酸化雰囲気となる。三元触媒等では酸化雰囲気でＮＯx浄化率が低下する特性のため、結果として燃料カットからの復帰毎にＮＯx排出量が増大してしまう現象が発生した。
【０００４】
そこで、燃料カット復帰直後に所定期間だけ空燃比をリッチ化して還元剤の供給量を増加する対策が実施されているが、燃費が悪化するという弊害があった。
一方、特許文献１の排ガス浄化装置では、燃料カット直後でも酸素ストレージ剤が添加されていないウォームアップ触媒がＮＯx浄化作用を奏するものの、ウォームアップ触媒はウインドが狭いことから、例えば減速後の加速時等には簡単に空燃比がウインドから外れて浄化効率を低下させてしまい、上記対策とはなり得なかった。
【０００５】
本発明の目的は、燃費悪化等の弊害を生ずることなく、燃料カットからの復帰後のＮＯx排出量の増加を抑制することができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、少なくとも排ガス中のＮＯxを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置において、内燃機関の排気通路に配置されて酸素ストレージ剤が添加された下流側触媒と、排気通路の下流側触媒より上流側に配置されて、下流側触媒より酸素ストレージ剤の添加量が少ない上流側触媒と、内燃機関の空燃比を理論空燃比に制御する空燃比制御手段と、内燃機関の燃料カットからの復帰後に、空燃比制御手段の制御による空燃比変調より振幅又は周期を縮小した変調制御を実行するＦ／Ｃ復帰後制御手段とを備えたものである。
【０００７】
従って、上流側触媒は下流側触媒に比較して酸素ストレージ剤の添加量が少ないため、酸素ストレージ機能が低くてウインドが狭い特性を有する。内燃機関の空燃比は空燃比制御手段により理論空燃比に制御され、結果として理論空燃比を中心とした空燃比変調が行われる。このときの排ガス浄化はウインドが狭い上流側触媒では十分でないものの、より広いウインドを有する下流側触媒が浄化作用の不足分を補うことで良好な排ガス浄化が達成される。
【０００８】
そして、車両減速により燃料カットが開始されると、上流側触媒及び下流側触媒には酸素過剰の排ガスが流通するが、下流側触媒に比較して酸素ストレージ剤の添加量が少ない上流側触媒は酸素の吸着量が少ない。よって、燃料カットからの復帰後に上流側触媒は酸化雰囲気に陥ることなく本来のＮＯx浄化作用を奏し、一方、このときにはＦ／Ｃ復帰後制御手段により振幅又は周期を縮小した変調制御が実行されて、上流側触媒のウインド内で空燃比変調が行われるため、結果として上流側触媒によりＮＯxが十分に浄化されると共に、ＮＯx浄化のために空燃比をリッチ化する必要がないことから、リッチ化による燃費悪化等の弊害が未然に防止される。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１において、上流側触媒が、酸素ストレージ剤を無添加とされたものである。
従って、酸素ストレージ剤が無添加の上流側触媒は燃料カット時の酸素の吸着量が更に少ないため、燃料カットからの復帰後には酸化雰囲気に陥ることなく本来のＮＯx浄化作用を確実に奏する。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１において、排気通路の下流側触媒の下流側に第１の空燃比検出手段を備え、Ｆ／Ｃ復帰後制御手段は、振幅又は周期を減少させた変調制御の実行中に第１の空燃比検出手段の出力が理論空燃比又はリッチ空燃比になると、該変調制御を中止するものである。
従って、燃料カットからの復帰後には燃料カット中に下流側触媒に吸着した酸素が次第に離脱・消費されるため、第１の空燃比検出手段の出力はリーン空燃比の値を継続し、第１の空燃比検出手段の出力が理論空燃比又はリッチ空燃比となった時点では、下流側触媒の酸素の離脱・消費が完了して本来の浄化性能を回復したと見なせる。
【００１１】
空燃比制御手段の制御に比較して、空燃比変調の振幅又は周期を縮小したＦ／Ｃ復帰後制御手段の変調制御ではロバスト性が低いため、当該変調制御を必要以上に継続することは好ましくないが、第１の空燃比検出手段の出力に基づいて下流側触媒が本来の浄化性能を回復した適切なタイミングでＦ／Ｃ復帰後制御手段による変調制御が中止されて、より外乱に強い安定した空燃比制御手段の制御に復帰する。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１において、排気通路の上流側触媒と下流側触媒との間に第２の空燃比検出手段を備え、Ｆ／Ｃ復帰後制御手段は、振幅又は周期を減少させた変調制御の実行中に第２の空燃比検出手段の出力が理論空燃比から所定値以上にリッチ側又はリーン側に外れると、変調制御を中止するものである。
空燃比制御手段のフィードバック制御に比較して、空燃比変調の振幅又は周期を縮小したＦ／Ｃ復帰後制御手段の変調制御では平均としての中心空燃比の補正には時間を要してロバスト性が低いため、何らかの外乱が生じたとき、例えば車両減速から急激な加速に移行したとき等には、空燃比が上流側触媒のウインドから外れてＮＯx浄化が期待できなくなる。
【００１３】
そして、このときには第２の空燃比検出手段の出力が理論空燃比から所定値以上にリッチ側又はリーン側に外れるため、Ｆ／Ｃ復帰後制御手段の変調制御が中止されてより外乱に強い安定した空燃比制御手段のフィードバック制御に復帰し、空燃比は速やかに理論空燃比に収束される。空燃比制御手段のフィードバック制御では上流側触媒の狭いウインドに空燃比を常に収めることはできないが、空燃比が触媒ウインドから完全に外れた場合に比較するとＮＯx浄化が期待できる。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項４において、Ｆ／Ｃ復帰後制御手段が、振幅又は周期を減少させた変調制御の中止と共に、内燃機関の空燃比をリッチ側に制御するものである。
従って、空燃比が上流側触媒のウインドから外れたときには、Ｆ／Ｃ復帰後制御手段の変調制御が中止されると共に、内燃機関の空燃比がリッチ側に制御されて還元剤が供給されるため、下流側触媒の浄化性能が早急に回復してより確実にＮＯxの排出が抑制される。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように請求項１の発明の内燃機関の排ガス浄化装置によれば、燃費悪化等の弊害を生ずることなく、燃料カットからの復帰直後のＮＯx排出量の増加を抑制することができる。
請求項２の発明の内燃機関の排ガス浄化装置によれば、請求項１に加えて、上流側触媒への酸素の吸着量をより減少させて、燃料カット復帰後に上流側触媒によるＮＯx浄化を一層確実に行うことができる。
【００１６】
請求項３の発明の内燃機関の排ガス浄化装置によれば、請求項１に加えて、下流側触媒の浄化性能が回復した適切なタイミングでＦ／Ｃ復帰後制御手段の変調制御を中止して、より外乱に強い安定した空燃比制御手段の制御に復帰することができる。
請求項４の発明の内燃機関の排ガス浄化装置によれば、請求項１に加えて、空燃比が上流側触媒のウインドから外れたときにＦ／Ｃ復帰後制御手段の変調制御を中止して、より外乱に強い安定した空燃比制御手段の制御により空燃比を速やかに理論空燃比に収束でき、もってＮＯx排出量の増加を最小限に抑制することができる。
【００１７】
請求項５の発明の内燃機関の排ガス浄化装置によれば、請求項４に加えて、空燃比をリッチ化することで、より確実にＮＯxの排出を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［第１実施形態］
以下、本発明を具体化した内燃機関の排ガス浄化装置の第１実施形態を説明する。
図１は本実施形態の内燃機関の排ガス浄化装置を示す全体構成図である。内燃機関１の排気側には排気マニホールド２を介して排気通路３が接続され、排気通路３には車両床下に相当する位置に前後一対の三元触媒４，５が配置されている。以下、上流の触媒を上流側触媒４、下流の触媒を下流側触媒５と称する。排気通路３の上流側触媒４の上流には上流Ｏ2センサ６が設けられ、下流側触媒５の下流には下流Ｏ2センサ７（第１の空燃比検出手段）が設けられている。
【００１９】
上流側触媒４及び下流側触媒５は、担体上にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属を担持して構成され、下流側触媒５には加えてセリア（ＣeＯ2）やジルコニア（ＺrＯ2）等の酸素ストレージ剤が添加され、一方、上流側触媒４には酸素ストレージ剤は一切添加されていない。酸素ストレージ剤の添加により下流側触媒５は酸素ストレージ機能を強化されて比較的広いウインドを有し、これに対して上流側触媒４は主に貴金属による多少の酸素ストレージ機能を有するだけで、そのウインドは下流側触媒５に比較すると狭くなっている。
【００２０】
内燃機関１には各気筒毎に燃料噴射弁８及び点火プラグ９が設けられ、これらの燃料噴射弁８及び点火プラグ９は車室内に設置されたＥＣＵ１１（電子コントロールユニット）に接続されている。又、ＥＣＵ１１には上記した上流Ｏ2センサ６及び下流Ｏ2センサ７が接続されると共に、図示しない機関回転速度を検出する回転速度センサやアクセル操作量を検出するアクセルセンサ等が接続されている。
【００２１】
ＥＣＵ１１は各種センサ類からの検出情報に基づき、空燃比制御及び点火時期制御を実行して内燃機関１を運転する。例えば空燃比制御については、主に機関回転速度及び機関負荷が低い運転領域では上流Ｏ2センサ６及び下流Ｏ2センサ７の出力に基づいて空燃比をストイキオ（理論空燃比）にフィードバック制御し（空燃比制御手段）、より回転及び負荷が高い運転領域では空燃比をリッチ側に設定してオープンループ制御する。
【００２２】
次に、このように構成された本実施形態の内燃機関１の排ガス浄化装置において、フューエルカット（以下、Ｆ／Ｃと略す）からの復帰後にＥＣＵ１１が実行する空燃燃比制御を説明する。
ＥＣＵ１１は図２に示すＦ／Ｃ復帰後制御ルーチンを所定の制御インターバルで実行する。まず、ステップＳ２でＦ／Ｃから復帰したか否を判定する。ＥＣＵ１１は図示しないメインルーチンで内燃機関１の空燃比制御を実行しており、当該メインルーチンで車両減速から加速若しくは停車に移行して、Ｆ／Ｃ中の燃料噴射を再開するときにＦ／Ｃ復帰と見なす。ＥＣＵ１１はステップＳ２の判定がＮｏ（否定）のときには一旦ルーチンを終了し、判定がＹｅｓ（肯定）のときにはステップＳ４に移行する。
【００２３】
ステップＳ４ではメインルーチンの処理に優先してＦ／Ｃからの復帰専用の空燃比制御（以下、Ｆ／Ｃ復帰後制御と称する）を実行する。当該処理は空燃比をストイキオにフィードバック制御するものであるが、上記した通常制御時のストイキオフィードバックに比較して、より小さなＦ／Ｂゲインに基づいて実行される。具体的にはＰＩ制御のＰゲイン及びＩゲインが縮小設定されることにより、図３に破線で示す通常制御のフィードバックによる空燃比変調の振幅に対して、Ｆ／Ｃ復帰後制御では実線で示すようにより縮小した振幅で空燃比変調が行われ、結果として空燃比は常に上記した上流側触媒４のウインドに常に収まる（Ｆ／Ｃ復帰後制御手段）。
【００２４】
ＥＣＵ１１は続くステップＳ６で下流Ｏ2センサ７の出力がストイキオ又はリッチ側の値となったか否かを判定し、判定がＮｏのときは上記ステップＳ４に戻る。そして、ステップＳ６の判定がＹｅｓになるまでステップＳ４の処理を繰り返し、ステップＳ６の判定がＹｅｓになるとルーチンを終了する。従って、その後の空燃比制御はメインルーチンの通常制御に移行する。
【００２５】
以上のＥＣＵ１１の空燃比制御によりＦ／Ｃからの復帰後には上流側触媒４及び下流側触媒５が以下のように浄化作用を奏する。
まず、Ｆ／Ｃ復帰後以外の通常制御時には、上流側触媒４及び下流側触媒５が協調して排ガス浄化を行う。即ち、フィードバック制御に伴う空燃比変調の振幅やオープンループ制御時の空燃比の変動に対して、ウインドが狭い上流側触媒４では浄化作用が十分でないものの、より広いウインドを有する下流側触媒５が浄化作用の不足分を補うことで良好な排ガス浄化が達成される。
【００２６】
そして、車両減速によりＦ／Ｃが開始されると、上流側触媒４及び下流側触媒５には酸素過剰の排ガスが流通する。酸素ストレージ剤が添加された下流側触媒５は排ガス中の酸素を大量に吸着するが、酸素ストレージ剤が無添加の上流側触媒４は、貴金属への若干の酸素吸着を除いて酸素をほとんど吸着しない。
従って、その後にＦ／Ｃから復帰した時点では、酸素を吸着して酸化雰囲気となった下流側触媒５によるＮＯx浄化は期待できないものの、酸素を吸着していない上流側触媒４は酸化雰囲気に陥ることなく本来のＮＯx浄化作用を奏する。そして、このときにはステップＳ４の処理により小さなＦ／Ｂゲインに基づくＦ／Ｃ復帰後制御が実施されるため、図３に示すように空燃比変調の振幅が縮小されて上流側触媒４のウインドで空燃比変調が行われる。結果として、振幅の縮小により変調時のリーン度合が小さくなるため上流側触媒４に流入する酸素が減少する一方、リッチ度合も小さくなるため上流側触媒４に流入する還元剤も減少することから、酸素ストレージ機能に頼らない空燃比制御及び浄化作用が奏されて、上流側触媒４によりＮＯxが十分に浄化される。
【００２７】
一方、Ｆ／Ｃからの復帰後に下流側触媒５では吸着した酸素が次第に離脱・消費され、排ガス中の酸素により下流Ｏ2センサ７の出力はリーン側の値を継続する。下流Ｏ2センサ７の出力がストイキオ又はリッチ側の値となった時点（ステップＳ６がＹｅｓ）では、下流側触媒５の酸素が完全に離脱・消費されて本来の浄化性能を回復したと見なせ、上流側触媒４のウインドを対象としたＦ／Ｃ復帰後制御を中止して通常制御に復帰し、その後は上記のように上流側触媒４及び下流側触媒５の協調により排ガスが浄化される。
【００２８】
以上のように本実施形態の内燃機関１の排ガス浄化装置では、酸素ストレージ剤を添加した下流側触媒５に対して、上流側触媒４には酸素ストレージ剤を添加せずにＦ／Ｃ中の酸素吸着を抑制すると共に、Ｆ／Ｃからの復帰後には、上流側触媒４の狭いウインドに空燃比変調の振幅が収まるように、小さなＦ／Ｂゲインに基づくＦ／Ｃ復帰後制御を実施して空燃比変調の振幅を縮小しているため、Ｆ／Ｃ復帰後においても上流側触媒４は十分な浄化作用を奏してＮＯx排出量の増加を確実に抑制することができる。
【００２９】
図４はＦ／Ｃ時における排気空燃比とテールパイプ（下流側触媒５通過後）でのＮＯx排出量とを測定した試験結果を示すタイムチャートである。車両減速によるＦ／Ｃに伴って一旦リーン側に変化した排気空燃比はＦ／Ｃ復帰後にストイキオに制御され、このとき触媒への酸素吸着の対策（リッチ化も含めて）を何ら実施していない従来技術では、破線で示すようにＮＯx排出量が急増するが、本実施形態では実線で示すようにＮＯx排出量の増加をほぼ完全に抑制できることが判る。
【００３０】
しかも、Ｆ／Ｃ復帰後制御では空燃比をストイキオに制御しているため、空燃比のリッチ化により還元剤を供給してＮＯxを抑制する従来技術に比較して、燃費悪化等の弊害を未然に防止できるという利点もある。
一方、小さなＦ／Ｂゲインに基づくＦ／Ｃ復帰後制御は、空燃比を狭い触媒ウインドに収めるには好適であるものの、空燃比制御の安定性が良好でなくロバスト性が低いという欠点を併せ持つため、当該空燃比制御を必要以上に継続することは好ましくない。本実施形態では下流Ｏ2センサ７の出力に基づいて下流側触媒５が本来の浄化性能を回復したか否かを判定しているため、適切なタイミングでＦ／Ｃ復帰後制御を中止して、より安定した外乱に強い通常制御に復帰できるという利点もある。
［第２実施形態］
次に、本発明を別の内燃機関１の排ガス浄化装置に具体化した第２実施形態を説明する。
【００３１】
本実施形態は、Ｆ／Ｃ復帰後制御中に何らかの外乱で空燃比がストイキオから外れた場合の対策を講じたものであり、その他の構成は上記図１に示す第１実施形態と同様である。よって、共通する構成の箇所は同一部材番号を付して重複する説明を省略し、相違点を重点的に説明する。
図１に破線で示すように、上流側触媒４と下流側触媒５との間には中間Ｏ2センサ２１（第２の空燃比検出手段）が設けられ、中間Ｏ2センサ２１の出力がＥＣＵ１１に入力されるようになっている。
【００３２】
ＥＣＵ１１は図５に示すＦ／Ｃ復帰後制御ルーチンを所定の制御インターバルで実行し、Ｆ／Ｃから復帰したときにはステップＳ２からステップＳ４に移行してＦ／Ｃ復帰後制御を実行する。当該空燃比制御は第１実施形態と同じく、小さなＦ／Ｂゲインの適用により空燃比変調の振幅を上流側触媒４のウインドに収めるものであるが、本実施形態では上流Ｏ2センサ６に加えて中間Ｏ2センサ２１の出力もフィードバック制御に利用される。中間Ｏ2センサ２１の出力は下流側触媒５の影響を受けることなく上流側触媒４を通過後の排ガス空燃比のみを応答性よく反映しているため、この情報を加えることで上流側触媒４の狭いウインドにより確実に空燃比を保持できる。
【００３３】
続くステップＳ１２では、空燃比が上流側触媒４のウインドを外れたか否かを判定する。具体的な判定は中間Ｏ2センサ２１の出力に基づいて行われ、例えば中間Ｏ2センサ２１の出力（電圧）が所定値（例えば、０．８Ｖ）以上、又は所定値（例えば、０．２Ｖ）未満の状態が所定時間（例えば、５sec）継続した場合、或いは空燃比のフィードバック制御において、中間Ｏ2センサ２１の出力に基づくリッチ判定又はリーン判定が所定サイクル継続した場合には、空燃比が上流側触媒４のウインドを外れたと見なす。
【００３４】
ステップＳ１２の判定がＮｏのときにはステップＳ６に移行して、第１実施形態と同じく下流Ｏ2センサ７の出力に基づいて下流側触媒５の浄化性能の回復を判定し、判定がＮｏのときにはステップＳ４，１２の処理を繰り返す。ステップＳ６又はステップＳ１２でＹｅｓの判定を下したときにはルーチンを終了し、その後はメインルーチンの通常制御に復帰する。
【００３５】
このように本実施形態の内燃機関１の排ガス浄化装置では、空燃比が上流側触媒４のウインドを外れたときに通常制御に復帰している。第１実施形態で述べたように、小さなＦ／Ｂゲインに基づくＦ／Ｃ復帰後制御は平均としての中心空燃比を補正するのに時間を要してロバスト性が低いため、何らかの外乱が生じたとき、例えば車両減速から急激な加速に移行したとき等には、空燃比が触媒ウインドから完全に外れた後に復帰するのに時間を要し、結果として上流側触媒４によるＮＯx浄化はほとんど期待できなくなり、一方、この時点では未だ下流側触媒５の浄化性能は回復していない。
【００３６】
そこで、通常制御に復帰することで大きなＦ／Ｂゲインに基づくフィードバック制御により空燃比を速やかにストイキオに収束させているのである。通常制御では上流側触媒４の狭いウインドに空燃比を常に収めることはできないが、空燃比が触媒ウインドから完全に外れた場合に比較すると、ある程度のＮＯx浄化が期待できるため、ＮＯx排出量の増加を最小限に抑制できるという利点が得られる。
【００３７】
尚、ステップＳ１２で空燃比が上流側触媒４のウインドを外れたときには、図６に示すように、通常制御への復帰と共にステップＳ２２で空燃比を所定時間に亘ってリッチ化してもよい。空燃比のリッチ化により還元剤が供給されるため、より確実にＮＯxの排出を抑制できる。そして、この場合のリッチ化は、ステップＳ４でのＦ／Ｃ復帰後制御では対処しきれない空燃比の変動が生じた場合のみ実施されるため、Ｆ／Ｃ復帰毎にリッチ化する従来技術に比較すれば燃費悪化を最小限に抑制した上で、上記作用効果を得ることができる。
【００３８】
又、リッチ化の期間は、下流Ｏ2センサ７がリッチを検出するまでとしてもよい。この場合、下流側触媒５の浄化性能回復以上のリッチ運転を行わず、燃費に有利である。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではなく、例えば触媒や空燃比制御に関して種々に変更可能であり、以下に変更例について述べる。
１）触媒に関して、
上記実施形態では上流側触媒４及び下流側触媒５を三元触媒として構成したが、酸素ストレージ機能により酸化雰囲気でＮＯx浄化率が低下する特性を有するものであれば、三元触媒に限らず本発明を適用できるため、触媒の種類を種々に変更可能である。
【００３９】
又、上記実施形態では上流側触媒４に酸素ストレージ剤を一切添加しなかったが、Ｆ／Ｃ復帰後に酸化雰囲気に陥ることなく浄化作用を維持できれば、一切の酸素ストレージ剤の添加を妨げるものではない。よって、一般的な酸素ストレージ剤の添加量（例えば、下流側触媒５に対する添加量）に比較して、上流側触媒４の酸素ストレージ剤の添加量を制限してもよい。
【００４０】
上記実施形態では一対の触媒４，５を備えたが、触媒の数は３つ以上であってもよく、この場合には、例えば上流側触媒４に相当する酸素ストレージ剤が無添加の触媒を最上流に配置し、下流側触媒５に相当する酸素ストレージ剤を添加した触媒を最下流に配置すればよい。
又、上記実施形態では上流側触媒４及び下流側触媒５を車両床下に前後に配置したが、図７に示すように上流側触媒４を内燃機関１に近接配置した近接触媒として構成することで、下流触媒５に対して離間させてもよい。又、図８に示すように単一の担体上の前半部に上流側触媒４の成分を担持させ、後半部に下流側触媒５の成分を担持させて、上流側触媒４及び下流側触媒５を所謂ゾーンタイプとして構成してもよい。
２）Ｆ／Ｃ復帰後の空燃比制御に関して、
上記実施形態では空燃比変調の振幅を縮小したが、振幅に代えて周期を縮小してもよい。上流Ｏ2センサ６や中間Ｏ2センサ２１は排気系容積に起因する応答遅れを有するため、必然的に上流側触媒４での空燃比は振幅を縮小したときと同様に変動幅が小さくなって上流側触媒４のウインドに収まり、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。勿論、空燃比の振幅と周期の双方を縮小してもよい。
【００４１】
上記実施形態ではフィードバック制御に小さなＦ／Ｂゲインを適用することで空燃比変調の振幅を縮小したが、これに代えてＥＣＵ１１により強制的に空燃比を変調する強制変調制御を実施し、このときの空燃比変調の振幅か周期の少なくとも一方を通常制御に比較して縮小してもよい。上流Ｏ2センサ６や中間Ｏ2センサ２１の出力に基づくフィードバック制御では、排気系容積に起因するセンサ応答遅れにより空燃比変調の振幅や周期の縮小に限界があるが、強制変調制御ではセンサ出力に関係なく空燃比の振幅や周期をＥＣＵ１１側で任意に設定できるため、センサ応答遅れの制限を受けることなく上流側触媒４のウインドに対して最適な振幅や周期の空燃比変調を実現できる利点が得られる。
【００４２】
上記実施形態では下流Ｏ2センサ７の出力に基づいて下流側触媒５の浄化性能の回復を判定したが、この判定をＦ／Ｃ復帰からの経過時間に基づいて実施してもよい。この場合には、予め試験を実施してＦ／Ｃ復帰から下流側触媒５が回復するまでの所要時間を機関の運転領域（機関回転速度及び機関負荷）毎に求めてマップ化し、Ｆ／Ｃ復帰後には現在の運転領域に対応する所要時間を読み出し、この所要時間が経過した時点で下流側触媒５の浄化性能が回復したと見なして通常制御に復帰すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施形態の内燃機関の排ガス浄化装置を示す全体構成図である。
【図２】第１実施形態のＥＣＵが実行するＦ／Ｃ復帰後制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】通常制御とＦ／Ｃ復帰後制御との空燃比変調を示すタイムチャートである。
【図４】Ｆ／Ｃ時における排気空燃比とテールパイプでのＮＯx排出量とを測定した試験結果を示すタイムチャートである。
【図５】第２実施形態のＥＣＵが実行するＦ／Ｃ復帰後制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】第２実施形態のＥＣＵが実行するＦ／Ｃ復帰後制御ルーチンの別例を示すフローチャートである。
【図７】上流側触媒を近接触媒として構成した別例を示す図である。
【図８】上流側触媒及び下流側触媒をゾーンタイプとして構成した別例を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
３ 排気通路
４ 上流側触媒
５ 下流側触媒
７ 下流Ｏ2センサ（第１の空燃比検出手段）
１１ ＥＣＵ（空燃比制御手段、Ｆ／Ｃ復帰後制御手段）
２１ 中間Ｏ2センサ（第２の空燃比検出手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の排ガス浄化装置に係り、詳しくは内燃機関の排気通路に設けられた触媒により排ガス中のＮＯxを浄化する排ガス浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
セリアやジルコニア等の酸素ストレージ剤（ＯＳＣ：Oxygen Storage Component）は、触媒の酸素ストレージ機能を強化してウインド（理論空燃比を中心としＮＯx，ＨＣ等の複数の成分の浄化効率が高い空燃比範囲）を拡大する特性があることから、触媒への添加物として広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。当該特許文献１に開示された排ガス浄化装置では、排気通路の下流側のメイン触媒に酸素ストレージ剤を添加した上で、上流側のウォームアップ触媒は酸素ストレージ剤を無添加とし、これによりエンジン始動直後にウォームアップ触媒への酸素吸着によりＨＣの酸化反応が阻害される事態を防止している。
【特許文献１】特開２０００−８４３６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、触媒への酸素ストレージ剤の添加にはデメリットもある。即ち、車両減速に伴う燃料カット中には、触媒の貴金属上のみならず酸素ストレージ剤上にも排ガス中の酸素が大量に吸着されるため、燃料カットから復帰しても酸素が脱離・消費されるまでは触媒上が酸素過剰の酸化雰囲気となる。三元触媒等では酸化雰囲気でＮＯx浄化率が低下する特性のため、結果として燃料カットからの復帰毎にＮＯx排出量が増大してしまう現象が発生した。
【０００４】
そこで、燃料カット復帰直後に所定期間だけ空燃比をリッチ化して還元剤の供給量を増加する対策が実施されているが、燃費が悪化するという弊害があった。
一方、特許文献１の排ガス浄化装置では、燃料カット直後でも酸素ストレージ剤が添加されていないウォームアップ触媒がＮＯx浄化作用を奏するものの、ウォームアップ触媒はウインドが狭いことから、例えば減速後の加速時等には簡単に空燃比がウインドから外れて浄化効率を低下させてしまい、上記対策とはなり得なかった。
【０００５】
本発明の目的は、燃費悪化等の弊害を生ずることなく、燃料カットからの復帰後のＮＯx排出量の増加を抑制することができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、少なくとも排ガス中のＮＯxを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置において、内燃機関の排気通路に配置されて酸素ストレージ剤が添加された下流側触媒と、排気通路の下流側触媒より上流側に配置されて、下流側触媒より酸素ストレージ剤の添加量が少ない上流側触媒と、内燃機関の空燃比を理論空燃比に制御する空燃比制御手段と、内燃機関の燃料カットからの復帰後に、空燃比制御手段の制御による空燃比変調より振幅又は周期を縮小した変調制御を実行するＦ／Ｃ復帰後制御手段とを備えたものである。
【０００７】
従って、上流側触媒は下流側触媒に比較して酸素ストレージ剤の添加量が少ないため、酸素ストレージ機能が低くてウインドが狭い特性を有する。内燃機関の空燃比は空燃比制御手段により理論空燃比に制御され、結果として理論空燃比を中心とした空燃比変調が行われる。このときの排ガス浄化はウインドが狭い上流側触媒では十分でないものの、より広いウインドを有する下流側触媒が浄化作用の不足分を補うことで良好な排ガス浄化が達成される。
【０００８】
そして、車両減速により燃料カットが開始されると、上流側触媒及び下流側触媒には酸素過剰の排ガスが流通するが、下流側触媒に比較して酸素ストレージ剤の添加量が少ない上流側触媒は酸素の吸着量が少ない。よって、燃料カットからの復帰後に上流側触媒は酸化雰囲気に陥ることなく本来のＮＯx浄化作用を奏し、一方、このときにはＦ／Ｃ復帰後制御手段により振幅又は周期を縮小した変調制御が実行されて、上流側触媒のウインド内で空燃比変調が行われるため、結果として上流側触媒によりＮＯxが十分に浄化されると共に、ＮＯx浄化のために空燃比をリッチ化する必要がないことから、リッチ化による燃費悪化等の弊害が未然に防止される。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１において、上流側触媒が、酸素ストレージ剤を無添加とされたものである。
従って、酸素ストレージ剤が無添加の上流側触媒は燃料カット時の酸素の吸着量が更に少ないため、燃料カットからの復帰後には酸化雰囲気に陥ることなく本来のＮＯx浄化作用を確実に奏する。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１において、排気通路の下流側触媒の下流側に第１の空燃比検出手段を備え、Ｆ／Ｃ復帰後制御手段は、振幅又は周期を減少させた変調制御の実行中に第１の空燃比検出手段の出力が理論空燃比又はリッチ空燃比になると、該変調制御を中止するものである。
従って、燃料カットからの復帰後には燃料カット中に下流側触媒に吸着した酸素が次第に離脱・消費されるため、第１の空燃比検出手段の出力はリーン空燃比の値を継続し、第１の空燃比検出手段の出力が理論空燃比又はリッチ空燃比となった時点では、下流側触媒の酸素の離脱・消費が完了して本来の浄化性能を回復したと見なせる。
【００１１】
空燃比制御手段の制御に比較して、空燃比変調の振幅又は周期を縮小したＦ／Ｃ復帰後制御手段の変調制御ではロバスト性が低いため、当該変調制御を必要以上に継続することは好ましくないが、第１の空燃比検出手段の出力に基づいて下流側触媒が本来の浄化性能を回復した適切なタイミングでＦ／Ｃ復帰後制御手段による変調制御が中止されて、より外乱に強い安定した空燃比制御手段の制御に復帰する。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１において、排気通路の上流側触媒と下流側触媒との間に第２の空燃比検出手段を備え、Ｆ／Ｃ復帰後制御手段は、振幅又は周期を減少させた変調制御の実行中に第２の空燃比検出手段の出力が理論空燃比から所定値以上にリッチ側又はリーン側に外れると、変調制御を中止するものである。
空燃比制御手段のフィードバック制御に比較して、空燃比変調の振幅又は周期を縮小したＦ／Ｃ復帰後制御手段の変調制御では平均としての中心空燃比の補正には時間を要してロバスト性が低いため、何らかの外乱が生じたとき、例えば車両減速から急激な加速に移行したとき等には、空燃比が上流側触媒のウインドから外れてＮＯx浄化が期待できなくなる。
【００１３】
そして、このときには第２の空燃比検出手段の出力が理論空燃比から所定値以上にリッチ側又はリーン側に外れるため、Ｆ／Ｃ復帰後制御手段の変調制御が中止されてより外乱に強い安定した空燃比制御手段のフィードバック制御に復帰し、空燃比は速やかに理論空燃比に収束される。空燃比制御手段のフィードバック制御では上流側触媒の狭いウインドに空燃比を常に収めることはできないが、空燃比が触媒ウインドから完全に外れた場合に比較するとＮＯx浄化が期待できる。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項４において、Ｆ／Ｃ復帰後制御手段が、振幅又は周期を減少させた変調制御の中止と共に、内燃機関の空燃比をリッチ側に制御するものである。
従って、空燃比が上流側触媒のウインドから外れたときには、Ｆ／Ｃ復帰後制御手段の変調制御が中止されると共に、内燃機関の空燃比がリッチ側に制御されて還元剤が供給されるため、下流側触媒の浄化性能が早急に回復してより確実にＮＯxの排出が抑制される。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように請求項１の発明の内燃機関の排ガス浄化装置によれば、燃費悪化等の弊害を生ずることなく、燃料カットからの復帰直後のＮＯx排出量の増加を抑制することができる。
請求項２の発明の内燃機関の排ガス浄化装置によれば、請求項１に加えて、上流側触媒への酸素の吸着量をより減少させて、燃料カット復帰後に上流側触媒によるＮＯx浄化を一層確実に行うことができる。
【００１６】
請求項３の発明の内燃機関の排ガス浄化装置によれば、請求項１に加えて、下流側触媒の浄化性能が回復した適切なタイミングでＦ／Ｃ復帰後制御手段の変調制御を中止して、より外乱に強い安定した空燃比制御手段の制御に復帰することができる。
請求項４の発明の内燃機関の排ガス浄化装置によれば、請求項１に加えて、空燃比が上流側触媒のウインドから外れたときにＦ／Ｃ復帰後制御手段の変調制御を中止して、より外乱に強い安定した空燃比制御手段の制御により空燃比を速やかに理論空燃比に収束でき、もってＮＯx排出量の増加を最小限に抑制することができる。
【００１７】
請求項５の発明の内燃機関の排ガス浄化装置によれば、請求項４に加えて、空燃比をリッチ化することで、より確実にＮＯxの排出を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［第１実施形態］
以下、本発明を具体化した内燃機関の排ガス浄化装置の第１実施形態を説明する。
図１は本実施形態の内燃機関の排ガス浄化装置を示す全体構成図である。内燃機関１の排気側には排気マニホールド２を介して排気通路３が接続され、排気通路３には車両床下に相当する位置に前後一対の三元触媒４，５が配置されている。以下、上流の触媒を上流側触媒４、下流の触媒を下流側触媒５と称する。排気通路３の上流側触媒４の上流には上流Ｏ2センサ６が設けられ、下流側触媒５の下流には下流Ｏ2センサ７（第１の空燃比検出手段）が設けられている。
【００１９】
上流側触媒４及び下流側触媒５は、担体上にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属を担持して構成され、下流側触媒５には加えてセリア（ＣeＯ2）やジルコニア（ＺrＯ2）等の酸素ストレージ剤が添加され、一方、上流側触媒４には酸素ストレージ剤は一切添加されていない。酸素ストレージ剤の添加により下流側触媒５は酸素ストレージ機能を強化されて比較的広いウインドを有し、これに対して上流側触媒４は主に貴金属による多少の酸素ストレージ機能を有するだけで、そのウインドは下流側触媒５に比較すると狭くなっている。
【００２０】
内燃機関１には各気筒毎に燃料噴射弁８及び点火プラグ９が設けられ、これらの燃料噴射弁８及び点火プラグ９は車室内に設置されたＥＣＵ１１（電子コントロールユニット）に接続されている。又、ＥＣＵ１１には上記した上流Ｏ2センサ６及び下流Ｏ2センサ７が接続されると共に、図示しない機関回転速度を検出する回転速度センサやアクセル操作量を検出するアクセルセンサ等が接続されている。
【００２１】
ＥＣＵ１１は各種センサ類からの検出情報に基づき、空燃比制御及び点火時期制御を実行して内燃機関１を運転する。例えば空燃比制御については、主に機関回転速度及び機関負荷が低い運転領域では上流Ｏ2センサ６及び下流Ｏ2センサ７の出力に基づいて空燃比をストイキオ（理論空燃比）にフィードバック制御し（空燃比制御手段）、より回転及び負荷が高い運転領域では空燃比をリッチ側に設定してオープンループ制御する。
【００２２】
次に、このように構成された本実施形態の内燃機関１の排ガス浄化装置において、フューエルカット（以下、Ｆ／Ｃと略す）からの復帰後にＥＣＵ１１が実行する空燃燃比制御を説明する。
ＥＣＵ１１は図２に示すＦ／Ｃ復帰後制御ルーチンを所定の制御インターバルで実行する。まず、ステップＳ２でＦ／Ｃから復帰したか否を判定する。ＥＣＵ１１は図示しないメインルーチンで内燃機関１の空燃比制御を実行しており、当該メインルーチンで車両減速から加速若しくは停車に移行して、Ｆ／Ｃ中の燃料噴射を再開するときにＦ／Ｃ復帰と見なす。ＥＣＵ１１はステップＳ２の判定がＮｏ（否定）のときには一旦ルーチンを終了し、判定がＹｅｓ（肯定）のときにはステップＳ４に移行する。
【００２３】
ステップＳ４ではメインルーチンの処理に優先してＦ／Ｃからの復帰専用の空燃比制御（以下、Ｆ／Ｃ復帰後制御と称する）を実行する。当該処理は空燃比をストイキオにフィードバック制御するものであるが、上記した通常制御時のストイキオフィードバックに比較して、より小さなＦ／Ｂゲインに基づいて実行される。具体的にはＰＩ制御のＰゲイン及びＩゲインが縮小設定されることにより、図３に破線で示す通常制御のフィードバックによる空燃比変調の振幅に対して、Ｆ／Ｃ復帰後制御では実線で示すようにより縮小した振幅で空燃比変調が行われ、結果として空燃比は常に上記した上流側触媒４のウインドに常に収まる（Ｆ／Ｃ復帰後制御手段）。
【００２４】
ＥＣＵ１１は続くステップＳ６で下流Ｏ2センサ７の出力がストイキオ又はリッチ側の値となったか否かを判定し、判定がＮｏのときは上記ステップＳ４に戻る。そして、ステップＳ６の判定がＹｅｓになるまでステップＳ４の処理を繰り返し、ステップＳ６の判定がＹｅｓになるとルーチンを終了する。従って、その後の空燃比制御はメインルーチンの通常制御に移行する。
【００２５】
以上のＥＣＵ１１の空燃比制御によりＦ／Ｃからの復帰後には上流側触媒４及び下流側触媒５が以下のように浄化作用を奏する。
まず、Ｆ／Ｃ復帰後以外の通常制御時には、上流側触媒４及び下流側触媒５が協調して排ガス浄化を行う。即ち、フィードバック制御に伴う空燃比変調の振幅やオープンループ制御時の空燃比の変動に対して、ウインドが狭い上流側触媒４では浄化作用が十分でないものの、より広いウインドを有する下流側触媒５が浄化作用の不足分を補うことで良好な排ガス浄化が達成される。
【００２６】
そして、車両減速によりＦ／Ｃが開始されると、上流側触媒４及び下流側触媒５には酸素過剰の排ガスが流通する。酸素ストレージ剤が添加された下流側触媒５は排ガス中の酸素を大量に吸着するが、酸素ストレージ剤が無添加の上流側触媒４は、貴金属への若干の酸素吸着を除いて酸素をほとんど吸着しない。
従って、その後にＦ／Ｃから復帰した時点では、酸素を吸着して酸化雰囲気となった下流側触媒５によるＮＯx浄化は期待できないものの、酸素を吸着していない上流側触媒４は酸化雰囲気に陥ることなく本来のＮＯx浄化作用を奏する。そして、このときにはステップＳ４の処理により小さなＦ／Ｂゲインに基づくＦ／Ｃ復帰後制御が実施されるため、図３に示すように空燃比変調の振幅が縮小されて上流側触媒４のウインドで空燃比変調が行われる。結果として、振幅の縮小により変調時のリーン度合が小さくなるため上流側触媒４に流入する酸素が減少する一方、リッチ度合も小さくなるため上流側触媒４に流入する還元剤も減少することから、酸素ストレージ機能に頼らない空燃比制御及び浄化作用が奏されて、上流側触媒４によりＮＯxが十分に浄化される。
【００２７】
一方、Ｆ／Ｃからの復帰後に下流側触媒５では吸着した酸素が次第に離脱・消費され、排ガス中の酸素により下流Ｏ2センサ７の出力はリーン側の値を継続する。下流Ｏ2センサ７の出力がストイキオ又はリッチ側の値となった時点（ステップＳ６がＹｅｓ）では、下流側触媒５の酸素が完全に離脱・消費されて本来の浄化性能を回復したと見なせ、上流側触媒４のウインドを対象としたＦ／Ｃ復帰後制御を中止して通常制御に復帰し、その後は上記のように上流側触媒４及び下流側触媒５の協調により排ガスが浄化される。
【００２８】
以上のように本実施形態の内燃機関１の排ガス浄化装置では、酸素ストレージ剤を添加した下流側触媒５に対して、上流側触媒４には酸素ストレージ剤を添加せずにＦ／Ｃ中の酸素吸着を抑制すると共に、Ｆ／Ｃからの復帰後には、上流側触媒４の狭いウインドに空燃比変調の振幅が収まるように、小さなＦ／Ｂゲインに基づくＦ／Ｃ復帰後制御を実施して空燃比変調の振幅を縮小しているため、Ｆ／Ｃ復帰後においても上流側触媒４は十分な浄化作用を奏してＮＯx排出量の増加を確実に抑制することができる。
【００２９】
図４はＦ／Ｃ時における排気空燃比とテールパイプ（下流側触媒５通過後）でのＮＯx排出量とを測定した試験結果を示すタイムチャートである。車両減速によるＦ／Ｃに伴って一旦リーン側に変化した排気空燃比はＦ／Ｃ復帰後にストイキオに制御され、このとき触媒への酸素吸着の対策（リッチ化も含めて）を何ら実施していない従来技術では、破線で示すようにＮＯx排出量が急増するが、本実施形態では実線で示すようにＮＯx排出量の増加をほぼ完全に抑制できることが判る。
【００３０】
しかも、Ｆ／Ｃ復帰後制御では空燃比をストイキオに制御しているため、空燃比のリッチ化により還元剤を供給してＮＯxを抑制する従来技術に比較して、燃費悪化等の弊害を未然に防止できるという利点もある。
一方、小さなＦ／Ｂゲインに基づくＦ／Ｃ復帰後制御は、空燃比を狭い触媒ウインドに収めるには好適であるものの、空燃比制御の安定性が良好でなくロバスト性が低いという欠点を併せ持つため、当該空燃比制御を必要以上に継続することは好ましくない。本実施形態では下流Ｏ2センサ７の出力に基づいて下流側触媒５が本来の浄化性能を回復したか否かを判定しているため、適切なタイミングでＦ／Ｃ復帰後制御を中止して、より安定した外乱に強い通常制御に復帰できるという利点もある。
［第２実施形態］
次に、本発明を別の内燃機関１の排ガス浄化装置に具体化した第２実施形態を説明する。
【００３１】
本実施形態は、Ｆ／Ｃ復帰後制御中に何らかの外乱で空燃比がストイキオから外れた場合の対策を講じたものであり、その他の構成は上記図１に示す第１実施形態と同様である。よって、共通する構成の箇所は同一部材番号を付して重複する説明を省略し、相違点を重点的に説明する。
図１に破線で示すように、上流側触媒４と下流側触媒５との間には中間Ｏ2センサ２１（第２の空燃比検出手段）が設けられ、中間Ｏ2センサ２１の出力がＥＣＵ１１に入力されるようになっている。
【００３２】
ＥＣＵ１１は図５に示すＦ／Ｃ復帰後制御ルーチンを所定の制御インターバルで実行し、Ｆ／Ｃから復帰したときにはステップＳ２からステップＳ４に移行してＦ／Ｃ復帰後制御を実行する。当該空燃比制御は第１実施形態と同じく、小さなＦ／Ｂゲインの適用により空燃比変調の振幅を上流側触媒４のウインドに収めるものであるが、本実施形態では上流Ｏ2センサ６に加えて中間Ｏ2センサ２１の出力もフィードバック制御に利用される。中間Ｏ2センサ２１の出力は下流側触媒５の影響を受けることなく上流側触媒４を通過後の排ガス空燃比のみを応答性よく反映しているため、この情報を加えることで上流側触媒４の狭いウインドにより確実に空燃比を保持できる。
【００３３】
続くステップＳ１２では、空燃比が上流側触媒４のウインドを外れたか否かを判定する。具体的な判定は中間Ｏ2センサ２１の出力に基づいて行われ、例えば中間Ｏ2センサ２１の出力（電圧）が所定値（例えば、０．８Ｖ）以上、又は所定値（例えば、０．２Ｖ）未満の状態が所定時間（例えば、５sec）継続した場合、或いは空燃比のフィードバック制御において、中間Ｏ2センサ２１の出力に基づくリッチ判定又はリーン判定が所定サイクル継続した場合には、空燃比が上流側触媒４のウインドを外れたと見なす。
【００３４】
ステップＳ１２の判定がＮｏのときにはステップＳ６に移行して、第１実施形態と同じく下流Ｏ2センサ７の出力に基づいて下流側触媒５の浄化性能の回復を判定し、判定がＮｏのときにはステップＳ４，１２の処理を繰り返す。ステップＳ６又はステップＳ１２でＹｅｓの判定を下したときにはルーチンを終了し、その後はメインルーチンの通常制御に復帰する。
【００３５】
このように本実施形態の内燃機関１の排ガス浄化装置では、空燃比が上流側触媒４のウインドを外れたときに通常制御に復帰している。第１実施形態で述べたように、小さなＦ／Ｂゲインに基づくＦ／Ｃ復帰後制御は平均としての中心空燃比を補正するのに時間を要してロバスト性が低いため、何らかの外乱が生じたとき、例えば車両減速から急激な加速に移行したとき等には、空燃比が触媒ウインドから完全に外れた後に復帰するのに時間を要し、結果として上流側触媒４によるＮＯx浄化はほとんど期待できなくなり、一方、この時点では未だ下流側触媒５の浄化性能は回復していない。
【００３６】
そこで、通常制御に復帰することで大きなＦ／Ｂゲインに基づくフィードバック制御により空燃比を速やかにストイキオに収束させているのである。通常制御では上流側触媒４の狭いウインドに空燃比を常に収めることはできないが、空燃比が触媒ウインドから完全に外れた場合に比較すると、ある程度のＮＯx浄化が期待できるため、ＮＯx排出量の増加を最小限に抑制できるという利点が得られる。
【００３７】
尚、ステップＳ１２で空燃比が上流側触媒４のウインドを外れたときには、図６に示すように、通常制御への復帰と共にステップＳ２２で空燃比を所定時間に亘ってリッチ化してもよい。空燃比のリッチ化により還元剤が供給されるため、より確実にＮＯxの排出を抑制できる。そして、この場合のリッチ化は、ステップＳ４でのＦ／Ｃ復帰後制御では対処しきれない空燃比の変動が生じた場合のみ実施されるため、Ｆ／Ｃ復帰毎にリッチ化する従来技術に比較すれば燃費悪化を最小限に抑制した上で、上記作用効果を得ることができる。
【００３８】
又、リッチ化の期間は、下流Ｏ2センサ７がリッチを検出するまでとしてもよい。この場合、下流側触媒５の浄化性能回復以上のリッチ運転を行わず、燃費に有利である。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではなく、例えば触媒や空燃比制御に関して種々に変更可能であり、以下に変更例について述べる。
１）触媒に関して、
上記実施形態では上流側触媒４及び下流側触媒５を三元触媒として構成したが、酸素ストレージ機能により酸化雰囲気でＮＯx浄化率が低下する特性を有するものであれば、三元触媒に限らず本発明を適用できるため、触媒の種類を種々に変更可能である。
【００３９】
又、上記実施形態では上流側触媒４に酸素ストレージ剤を一切添加しなかったが、Ｆ／Ｃ復帰後に酸化雰囲気に陥ることなく浄化作用を維持できれば、一切の酸素ストレージ剤の添加を妨げるものではない。よって、一般的な酸素ストレージ剤の添加量（例えば、下流側触媒５に対する添加量）に比較して、上流側触媒４の酸素ストレージ剤の添加量を制限してもよい。
【００４０】
上記実施形態では一対の触媒４，５を備えたが、触媒の数は３つ以上であってもよく、この場合には、例えば上流側触媒４に相当する酸素ストレージ剤が無添加の触媒を最上流に配置し、下流側触媒５に相当する酸素ストレージ剤を添加した触媒を最下流に配置すればよい。
又、上記実施形態では上流側触媒４及び下流側触媒５を車両床下に前後に配置したが、図７に示すように上流側触媒４を内燃機関１に近接配置した近接触媒として構成することで、下流触媒５に対して離間させてもよい。又、図８に示すように単一の担体上の前半部に上流側触媒４の成分を担持させ、後半部に下流側触媒５の成分を担持させて、上流側触媒４及び下流側触媒５を所謂ゾーンタイプとして構成してもよい。
２）Ｆ／Ｃ復帰後の空燃比制御に関して、
上記実施形態では空燃比変調の振幅を縮小したが、振幅に代えて周期を縮小してもよい。上流Ｏ2センサ６や中間Ｏ2センサ２１は排気系容積に起因する応答遅れを有するため、必然的に上流側触媒４での空燃比は振幅を縮小したときと同様に変動幅が小さくなって上流側触媒４のウインドに収まり、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。勿論、空燃比の振幅と周期の双方を縮小してもよい。
【００４１】
上記実施形態ではフィードバック制御に小さなＦ／Ｂゲインを適用することで空燃比変調の振幅を縮小したが、これに代えてＥＣＵ１１により強制的に空燃比を変調する強制変調制御を実施し、このときの空燃比変調の振幅か周期の少なくとも一方を通常制御に比較して縮小してもよい。上流Ｏ2センサ６や中間Ｏ2センサ２１の出力に基づくフィードバック制御では、排気系容積に起因するセンサ応答遅れにより空燃比変調の振幅や周期の縮小に限界があるが、強制変調制御ではセンサ出力に関係なく空燃比の振幅や周期をＥＣＵ１１側で任意に設定できるため、センサ応答遅れの制限を受けることなく上流側触媒４のウインドに対して最適な振幅や周期の空燃比変調を実現できる利点が得られる。
【００４２】
上記実施形態では下流Ｏ2センサ７の出力に基づいて下流側触媒５の浄化性能の回復を判定したが、この判定をＦ／Ｃ復帰からの経過時間に基づいて実施してもよい。この場合には、予め試験を実施してＦ／Ｃ復帰から下流側触媒５が回復するまでの所要時間を機関の運転領域（機関回転速度及び機関負荷）毎に求めてマップ化し、Ｆ／Ｃ復帰後には現在の運転領域に対応する所要時間を読み出し、この所要時間が経過した時点で下流側触媒５の浄化性能が回復したと見なして通常制御に復帰すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施形態の内燃機関の排ガス浄化装置を示す全体構成図である。
【図２】第１実施形態のＥＣＵが実行するＦ／Ｃ復帰後制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】通常制御とＦ／Ｃ復帰後制御との空燃比変調を示すタイムチャートである。
【図４】Ｆ／Ｃ時における排気空燃比とテールパイプでのＮＯx排出量とを測定した試験結果を示すタイムチャートである。
【図５】第２実施形態のＥＣＵが実行するＦ／Ｃ復帰後制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】第２実施形態のＥＣＵが実行するＦ／Ｃ復帰後制御ルーチンの別例を示すフローチャートである。
【図７】上流側触媒を近接触媒として構成した別例を示す図である。
【図８】上流側触媒及び下流側触媒をゾーンタイプとして構成した別例を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
３ 排気通路
４ 上流側触媒
５ 下流側触媒
７ 下流Ｏ2センサ（第１の空燃比検出手段）
１１ ＥＣＵ（空燃比制御手段、Ｆ／Ｃ復帰後制御手段）
２１ 中間Ｏ2センサ（第２の空燃比検出手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、少なくとも排ガス中のＮＯxを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置において、
上記内燃機関の排気通路に配置されて酸素ストレージ剤が添加された下流側触媒と、
上記排気通路の上記下流側触媒より上流側に配置されて、該下流側触媒より酸素ストレージ剤の添加量が少ない上流側触媒と、
上記内燃機関の空燃比を理論空燃比に制御する空燃比制御手段と、
上記内燃機関の燃料カットからの復帰後に、上記空燃比制御手段の制御による空燃比変調より振幅又は周期を縮小した変調制御を実行するＦ／Ｃ復帰後制御手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
【請求項２】
上記上流側触媒は、酸素ストレージ剤が無添加であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
【請求項３】
上記排気通路の上記下流側触媒の下流側に第１の空燃比検出手段を備え、
上記Ｆ／Ｃ復帰後制御手段は、上記振幅又は周期を減少させた変調制御の実行中に上記第１の空燃比検出手段の出力が理論空燃比又はリッチ空燃比になると、該変調制御を中止することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
【請求項４】
上記排気通路の上記上流側触媒と上記下流側触媒との間に第２の空燃比検出手段を備え、
上記Ｆ／Ｃ復帰後制御手段は、上記振幅又は周期を減少させた変調制御の実行中に上記第２の空燃比検出手段の出力が理論空燃比から所定値以上にリッチ側又はリーン側に外れると、該変調制御を中止することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
【請求項５】
上記Ｆ／Ｃ復帰後制御手段は、振幅又は周期を減少させた変調制御の中止と共に、上記内燃機関の空燃比をリッチ側に制御することを特徴とする請求項４記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、少なくとも排ガス中のＮＯxを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置において、
上記内燃機関の排気通路に配置されて酸素ストレージ剤が添加された下流側触媒と、
上記排気通路の上記下流側触媒より上流側に配置されて、該下流側触媒より酸素ストレージ剤の添加量が少ない上流側触媒と、
上記内燃機関の空燃比を理論空燃比に制御する空燃比制御手段と、
上記内燃機関の燃料カットからの復帰後に、上記空燃比制御手段の制御による空燃比変調より振幅又は周期を縮小した変調制御を実行するＦ／Ｃ復帰後制御手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
【請求項２】
上記上流側触媒は、酸素ストレージ剤が無添加であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
【請求項３】
上記排気通路の上記下流側触媒の下流側に第１の空燃比検出手段を備え、
上記Ｆ／Ｃ復帰後制御手段は、上記振幅又は周期を減少させた変調制御の実行中に上記第１の空燃比検出手段の出力が理論空燃比又はリッチ空燃比になると、該変調制御を中止することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
【請求項４】
上記排気通路の上記上流側触媒と上記下流側触媒との間に第２の空燃比検出手段を備え、
上記Ｆ／Ｃ復帰後制御手段は、上記振幅又は周期を減少させた変調制御の実行中に上記第２の空燃比検出手段の出力が理論空燃比から所定値以上にリッチ側又はリーン側に外れると、該変調制御を中止することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
【請求項５】
上記Ｆ／Ｃ復帰後制御手段は、振幅又は周期を減少させた変調制御の中止と共に、上記内燃機関の空燃比をリッチ側に制御することを特徴とする請求項４記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−２２７７９（Ｐ２００６−２２７７９Ａ）
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２０３４６８（Ｐ２００４−２０３４６８）
【出願日】平成１６年７月９日（２００４．７．９）
【出願人】（０００００６２８６）三菱自動車工業株式会社 (2,892)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月９日（２００４．７．９）
【出願人】（０００００６２８６）三菱自動車工業株式会社 (2,892)
【Ｆターム（参考）】
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