(57)【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、排気の空燃比が理論空燃比近傍にある条件下で該排気中の有害成分を浄化する触媒機能と、前記有害成分のうちＨＣを再離脱可能に吸着する吸着離脱機能とを併せ備えた排気浄化触媒を有し、
前記ＨＣが再離脱する際、
前記再離脱するＨＣの量に見合う量のＮＯｘが前記排気浄化触媒に供給されるように前記排気中のＮＯｘを増量させるとともに、
前記排気中の空燃比は前記理論空燃比近傍に保持することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記排気浄化触媒の触媒機能は、排気の空燃比が理論空燃比で該排気中の有害成分を浄化するものであり、
前記ＨＣが再離脱する際、
前記再離脱するＨＣの量に見合う量のＮＯｘが前記排気浄化触媒に供給されるように前記排気中のＮＯｘを増量させるとともに、
前記排気中の空燃比は理論空燃比に制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
当該内燃機関の運転状態に関するパラメータを制御することによって、前記排気中のＮＯｘを増量させることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
当該内燃機関の運転状態に関するパラメータには、吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方の動作特性、排気再循環量、点火時期、燃焼室に導入される混合気流の動態、及び圧縮比のうち少なくとも１つが含まれることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関から排出される排気中の有害成分をその空燃比に応じて異なる浄化率で浄化する機能と、排気中のＨＣを再離脱可能に吸着し、再離脱したＨＣを酸化させる機能とを併せ備えた排気浄化触媒を有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関の排気通路には一般に、排気中の有害成分を浄化するための排気浄化触媒が設けられている。
【０００３】
排気浄化触媒として代表的なものに三元触媒がある。三元触媒は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属をアルミナやセラミックス等の担体に担持させて構成される。この三元触媒は、排気の空燃比が理論空燃比近傍にある条件下で、その排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）といった有害成分を、高い転化効率で窒素（Ｎ2）、水（Ｈ2Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ2）といった無害成分に転化（浄化）する。
【０００４】
ところで、三元触媒が十分な浄化機能を発揮するためには、排気中の空燃比が理論空燃比近傍にあるといった条件の他、三元触媒の温度が所定の温度領域（以下、活性温度領域という）内にあるといった条件が満たされる必要がある。このため、例えば機関始動直後等、三元触媒の温度が比較的低い場合、同触媒はその浄化機能を十分に発揮できない。一方、機関始動時には、機関運転に供される燃料の供給量が通常運転時よりも増量されるのが一般的である。この結果、三元触媒下流で観測される排気中のＨＣ成分濃度は、機関始動時において特に高くなる傾向があった。
【０００５】
そこで、温度条件の変化に応じて排気中のＨＣ成分を吸着及び再脱離させる特性を備えたＨＣ吸着材を、三元触媒に付加した構成からなる触媒（いわゆるＨＣ吸着浄化型触媒）も知られている。ＨＣ吸着浄化型触媒の構成要素であるＨＣ吸着材は、機関始動時等、自身の温度が低い条件下では排気中のＨＣ成分を吸着し、温度が上昇すると再離脱させる。
【０００６】
ＨＣ吸着材からＨＣ成分が離脱すると周囲の排気の空燃比が濃くなるため（リッチ側に移行するため）、三元触媒によるＨＣやＣＯの浄化効率は低下する傾向がある。
【０００７】
そこで、例えば特開２０００−２１３３号公報に記載された内燃機関の排気浄化装置は、２個のＨＣ吸着浄化型触媒を排気通路に沿って直列に配設するとともに、何れか一方の触媒でＨＣ成分が離脱している場合、離脱しているＨＣ成分の濃度を検出する（離脱したＨＣ成分の量を見積もる）。そして、当該内燃機関から排出される排気の空燃比を、検出されたＨＣ成分の濃度に基づいてリーン側（理論空燃比より高い比率）に制御することにより、ＨＣ成分の離脱が生じている触媒下流での排気の空燃比が、結果的に理論空燃比となるよう排気性状の調整を行う。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報記載の装置によるように、ＨＣ吸着材から離脱するＨＣ成分の量を見積もり、その見積もり量に基づいて排気中の空燃比を調整するといった制御を行えば、三元触媒による排気の浄化効率の低下抑制と、ＨＣ吸着材から脱離するＨＣ成分の浄化促進とを両立させることが可能ではある。
【０００９】
しかしながら、三元触媒の浄化効率が排気中の各有害成分に対して最適化される空燃比は理論空燃比近傍のごく限られた範囲に限定されるため、排気中の空燃比をリーン側に調整することで、離脱したＨＣ成分に起因する空燃比のリッチ側へのずれを正確に修正し、排気の空燃比を理論空燃比近傍のごく限られた範囲内に調整することは、実際のところ極めて困難であった。
【００１０】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関から排出される排気中の有害成分をその空燃比に応じて異なる浄化率で浄化する機能と、排気中のＨＣを再離脱可能に吸着し、再離脱したＨＣを酸化させる機能とを併せ備えた排気浄化触媒を有する内燃機関の排気浄化装置において、三元触媒による排気の浄化効率を低下させることなく、ＨＣ吸着材から脱離するＨＣ成分を効率的に浄化させることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気の空燃比が理論空燃比近傍にある条件下で該排気中の有害成分を浄化する触媒機能と、前記有害成分のうちＨＣを再離脱可能に吸着する吸着離脱機能とを併せ備えた排気浄化触媒を有し、前記ＨＣが再離脱する際、前記排気中のＮＯｘを増量させるとともに、前記排気中の空燃比は前記理論空燃比近傍に保持することを要旨とする。
【００１２】
また、前記理論空燃比近傍に理論空燃比を含むことが好ましい。
【００１３】
また、他の発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気の空燃比が理論空燃比である場合に該排気中の有害成分を浄化する触媒機能と、前記有害成分のうちＨＣを再離脱可能に吸着する吸着離脱機能とを併せ備えた排気浄化触媒を有し、前記ＨＣが再離脱する際、前記排気中のＮＯｘを増量させるとともに、前記排気中の空燃比は理論空燃比に制御することを要旨とする。
【００１４】
なお、上記「排気の空燃比が理論空燃比近傍にある条件下で該排気中の有害成分を浄化する」とは、排気の空燃比が理論空燃比近傍（例えば理論空燃比）にある場合、当該理論空燃比近傍外にある場合に比べ、該排気中の有害成分をより高い効率で浄化することを意味する。従って、排気の空燃比が当該理論空燃比近傍外にある場合に上記有害成分を浄化しないことを意味するものではない。
【００１５】
また、前記排気浄化触媒は、触媒機能として、排気中の有害成分のうち少なくとも炭化水素（ＨＣ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を該排気中の空燃比に応じて異なる浄化効率（転化効率）で浄化する（無害成分に転化する）機能を備えるのが好ましい。
【００１６】
同構成によれば、排気の空燃比が理論空燃比である場合のように、排気浄化触媒の触媒機能が高められた条件下で、同触媒から再離脱したＨＣ成分と、排気中において増量したＮＯｘ成分とが効率的に反応して、無害成分である窒素（Ｎ2）、水（Ｈ2Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ2）に転化されることになる。
【００１７】
このような触媒機能を有する要素としては、例えば排気中に含まれるＨＣ、ＮＯｘ及びＣＯ（一酸化炭素）の三成分を、当該排気の空燃比が理論空燃比（近傍）にある条件下で最も効率的に浄化する三元触媒を好適に適用することができる。
【００１８】
また、前記有害成分のうちＨＣを再離脱可能に吸着する吸着離脱機能を有する要素としては、前記三元触媒が有効に機能する温度領域よりも、低い温度領域においてＨＣ成分を吸着し、同三元触媒が有効に機能する温度領域の中では、吸着したＨＣ成分を再離脱させる特性を有するＨＣ吸着材を好適に適用することができる。
【００１９】
上記のような三元触媒とＨＣ吸着材とを併用した構成では、例えば当該内燃機関の始動直後のように、前記排気浄化触媒の温度が比較的低く、前記三元触媒が有効に機能する温度領域の外にあるときには、排気中のＨＣ成分はＨＣ吸着材によって吸着されることになる。そして、前記排気浄化触媒の温度が上昇し、前記三元触媒が有効に機能する温度領域の中に移行した後、ＨＣ吸着材に吸着されたＨＣ成分が再離脱を開始する。このとき同構成によれば、排気中のＮＯｘの増量といった操作を通じて、再離脱したＨＣ成分の量に見合う量のＮＯｘ成分が排気浄化触媒に供給されるとともに、排気の空燃比を理論空燃比にするといった操作を通じて、排気浄化触媒の触媒機能が活性化されることとなる。結果として三元触媒は、ＮＯｘその他の有害成分に対する浄化性能が最適化された状態で、言い換えれば、ＮＯｘその他の有害成分に対する浄化性能を損なうことなく、ＨＣ吸着材から再脱離したＨＣ成分を効率的に浄化することができる。
【００２０】
また、当該内燃機関の運転状態に関するパラメータを制御することによって、前記排気中のＮＯｘを増量させるのがよい。
【００２１】
また、当該内燃機関の運転状態に関するパラメータには、吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方の動作特性、排気再循環量、点火時期、燃焼室に導入される混合気流の動態、及び圧縮比のうち少なくとも１つが含まれるのがよい。
【００２２】
上記各構成によれば、前記排気浄化触媒（三元触媒）による効率的な排気浄化作用、すなわち、ＮＯｘその他の有害成分に対する浄化性能を損なうことなく、ＨＣ吸着材から再脱離したＨＣ成分を効率的に浄化するといった作用が、装置構成の複雑化を伴うことなくしかも簡易な制御構造によって得られるようになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施の形態について説明する。本実施の形態の装置は、車載用エンジンに設けられる排気浄化装置である。
【００２４】
図１において、内燃機関としての車載用エンジン（以下、エンジンという）１は、複数のシリンダ１１を備えて構成される。
【００２５】
各シリンダ１１内に往復動可能に設けられたピストン１２は、コネクティングロッド１３を介して、エンジン１の出力軸であるクランクシャフト１４に接続されている。シリンダ１１内においてピストン１２の上側には燃焼室１５が形成されている。イグナイタ１６は、適宜のタイミングで高電圧を誘起し、点火プラグ１７に電気火花を発生させる。燃焼室１５に導入された混合気は、点火プラグ１７の発生する電気火花によって点火される。燃焼室１５は、吸気ポート３０を通じて吸気通路３１に、また、排気ポート４０を通じて排気通路４１に連通している。
【００２６】
また、吸気ポート３０に噴孔を臨ませるように燃料噴射弁１８が設けられている。燃料噴射弁１８は、加圧ポンプ（図示略）を介し燃料タンク（図示略）から移送された燃料（ガソリン）を、吸気ポート３０内（燃焼室へ向かう方向）に噴射供給する。吸気通路３１の通路途中には、吸気の脈動を抑制するためのサージタンク３２や、吸気中の塵や埃等を取り除くためのエアクリーナボックス３３が設けられている他、同通路３１内を流れる新気の質量（吸入空気質量）に対応した電気信号を出力するエアフローメータ５１が取り付けられている。吸気通路３１においてエアフローメータ５１より下流の部位には、同吸気通路３１内を流れる吸気の流量を調整するスロットルバルブ３４が設けられている。
【００２７】
スロットルバルブ３４には、同バルブ３４を開閉駆動するスロットル用アクチュエータ３４ａや、スロットルバルブ３４の開度に対応した電気信号を電子制御装置（ＥＣＵ）５０に出力するスロットルポジションセンサ５２の他、アクセルペダル３５に機械的に接続され同アクセルペダル３５の操作量に対応した電気信号をＥＣＵ５０に出力するアクセルポジションセンサ５３が取り付けられている。
【００２８】
また、クランクシャフト１４の端部に取り付けられたタイミングロータ５５ａと、タイミングロータ５５ａ近傍に取り付けられた電磁ピックアップ５５ｂとを備えて構成されるクランク角センサ５５は、クランクシャフト１４の回転位相に応じた電気信号をＥＣＵ５０に出力する。また、シリンダ１１の外郭をなすシリンダブロック１ａや、吸気ポート３０や排気ポート４０の外郭をなすシリンダヘッド１ｂの内部には、冷却水通路１ｃが形成されている。冷却水通路１ｃの所定部位には水温センサ５６が設けられており、同冷却水通路１ｃ内を流れる冷却水の温度（冷却水温）に応じた電気信号をＥＣＵ５０に出力する。
【００２９】
燃焼室１５に臨む吸気ポート３０の開口端は、シリンダヘッド１ｂに進退自在に支持された吸気バルブ３６によって開閉される。また、燃焼室に臨む排気ポート４０の開口端は、同じくシリンダヘッド１ｂに進退自在に支持された排気バルブ４６によって開閉される。これらバルブ３６，４６は、それぞれ吸気カムシャフト３７および排気カムシャフト４７の回転動作に連動する。また、吸気カムシャフト３７及び排気カムシャフト４７各々の先端部に取り付けられたカムスプロケット（図示略）は、タイミングチェーン（図示略）を介してクランクシャフト１４につながっている。
【００３０】
エンジン１の運転時には、クランクシャフト１４の回転力がタイミングチェーンおよび各カムスプロケットを介して各カムシャフト３７，４７に伝達される。この結果、各カムシャフト３７，４７がクランクシャフト１４の回転に同期して回転し、ピストン１２の往復動に対応する所定のタイミングで各バルブ３６，４６を開閉する。すなわち、各バルブ３６，４６は、ピストン１２の上下動に応じたエンジン１の吸気行程、圧縮行程、爆発・膨張行程及び排気行程に同期して、所定のタイミングで作動可能となっている。
【００３１】
また、吸気カムスプロケットが取り付けられる吸気カムシャフト３７の先端部は、吸気カムスプロケットおよび吸気カムシャフト３７間の相対的な回転位相、言い換えるとクランクシャフト１４および吸気カムシャフト３７間の相対的な回転位相（吸気バルブ３６のバルブタイミング）を可変調整するためのバルブタイミング可変機構１００を構成する。なお、バルブタイミング可変機構１００は、ＥＣＵ５０の指令信号に基づく油圧制御によって作動する。また、吸気カムシャフト３７の端部に取り付けられたタイミングロータ（図示略）と、同タイミングロータの近傍に取り付けられた電磁ピックアップ５７ｂとを備えて構成されるカム角センサ５７は、吸気カムシャフト３７の回転位相に応じた電気信号をＥＣＵ５０に出力する。
【００３２】
また、シリンダブロック１ａの外壁には、ノックセンサ５８が取り付けられている。ノックセンサ５８は、エンジン１の各気筒から発せられる所定範囲の周波数の振動を検出し、その振動の大きさに応じた信号を出力する。
【００３３】
また本実施の形態では、一気筒（一燃焼室１５）に２本の吸気ポート３０が連通している。各吸気ポート３０には、吸気通路３１の下流側端部が分岐することによって形成された分岐通路が連結されている。各燃焼室１５に２本ずつ連通する吸気通路３１（分岐通路）のうち、一方の分岐通路には気流制御弁３８が設けられている。気流制御弁３８は、ＥＣＵ５０の指令信号に基づいて動作するバタフライ弁であり、各燃焼室１５に連通する２本の吸気ポート３０のうち、一方の吸気ポート内の吸気流量を調整することによって他方の吸気ポート内の吸気の流速を変化させることができる。気流制御弁３８は、燃焼室１５内の混合気に適宜乱流（スワール）を発生させ、燃焼室１５内における混合気の燃焼状態を好適化する機能を有する。気流制御弁３８近傍に取り付けられた気流制御弁開度センサ５９は、気流制御弁３８の動作状態（開度）に応じた電気信号をＥＣＵ５０に出力する。
【００３４】
一方、エンジン１には、燃焼室１５の上流（吸気通路３１）及び下流（排気通路４１）をバイパスする排気還流通路（ＥＧＲ通路）６０が形成されている。このＥＧＲ通路６０は、排気の一部を適宜吸気通路３１に戻す機能を有する。ＥＧＲ通路６０には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れるガス流量を自在に調整することができるＥＧＲ弁６１が設けられている。
【００３５】
また、排気通路４１において、同排気通路４１及びＥＧＲ通路６０の連絡部位の下流には、排気中の空燃比に対応した電気信号をＥＣＵ５０に出力する空燃比センサ５４が取り付けられている。排気通路４１において、空燃比センサ５４が取り付けられている部位のさらに下流には上流触媒ケーシング４２及び下流触媒ケーシング４３が順次配設されている。
【００３６】
上流触媒ケーシング４２は、同ケーシング４２に流入する排気に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯx）といった各種有害成分を浄化する三元触媒を収容している。三元触媒は、排気中の空燃比が理論空燃比近傍の所定の空燃比である場合に、排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯx）を最も高い効率で浄化する特性を有する。
【００３７】
また、下流触媒ケーシング４３は、上流触媒ケーシング４２内のものと同等の特性を有する三元触媒と、ＨＣ吸着材とが積層構造をなして構成されるＨＣ吸着浄化型触媒を収容している。ＨＣ吸着材は、自身の温度が所定値以下である場合には下流触媒ケーシング４３に流入する排気に含まれるＨＣを吸着し、当該温度が所定値を上回った場合に再離脱させる特性を有する。
【００３８】
ＥＣＵ５０は、周知のマイクロコンピュータである。ＥＣＵ５０の内部では、中央処理装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、バックアップＲＡＭ、タイマーカウンタ、Ａ／Ｄ変換器を含む外部入力回路、外部出力回路等が相互に接続され、論理演算回路を構成している。
【００３９】
このように構成されたＥＣＵ５０は、上記スロットルポジションセンサ５２、アクセルポジションセンサ５３、空燃比センサ５４、クランク角センサ５５、水温センサ５６、カム角センサ５７およびノックセンサ５８の他、エンジン１の各部位に取り付けられた各種センサの出力する検出信号を外部入力回路を介して入力し、エンジン１の運転状態に関連する各種情報を把握する。そして、これら各種情報に基づき、イグナイタ１６、燃料噴射弁１８、スロットルバルブ３４やバルブタイミング可変機構１００等、エンジン１の各構成部材を駆動する。すなわち、ＥＣＵ５０は、燃料噴射弁１８を通じて行う吸気ポート３０への燃料噴射の制御（燃料噴射制御）、燃焼室１５に導入された混合気の点火時期（イグナイタ１６に電流を付与するタイミング）を決定する制御（点火時期制御）、バルブタイミング可変機構１００の駆動制御（バルブタイミング制御）、或いはＥＧＲ弁６１の開度調整を通じて行うＥＧＲ通路６０内のガス流量制御（ＥＧＲ制御）等、エンジン１の運転に関する各種制御を併せて実行する。
【００４０】
次に、上流触媒ケーシング４２に収容された三元触媒の機能と、下流触媒ケーシング４３に備えられたＨＣ吸着浄化型触媒の機能とについて詳しく説明する。
【００４１】
図２（ａ）及び図２（ｂ）には、上流触媒ケーシング４２の内部構造を概略的に示す。
【００４２】
図２（ａ）に示すように、上流触媒ケーシング４２の内部には、格子断面を有する柱状のセラミック担体４２ａにより、通路空間の束が形成されている。図２（ｂ）に拡大して示すように、セラミック担体４２ａによって形成された各通路の内壁には、三元触媒４２ｂがコーティングされている。上流触媒ケーシング４２に流入した排気は矢指方向αに向かって各通路内を進行しつつ、同通路の内壁にコーティングされた三元触媒４２ｂと接触し、浄化されることになる。
【００４３】
図３は、排気に晒された三元触媒４２ｂが、その排気に含まれる有害成分（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ）を無害成分（Ｈ2Ｏ，ＣＯ2）に転化する場合の転化効率と、当該排気の空燃比（Ａ／Ｆ）との関係を示すグラフである。
【００４４】
同図３に示すように、三元触媒は一般に、排気中の空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比（１４．７）近傍の特定範囲にある場合に限り、全ての有害成分（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ）を高い転化効率（例えば９０％以上）で無害成分に転化する特性を有する。なお、排気中の有害成分に対し三元触媒がこのような浄化能力を発揮するためには、同触媒の温度が所定温度（例えば２００〜３００℃）を上回ることが必要になる。
【００４５】
次に、図４（ａ）及び図４（ｂ）には、下流触媒ケーシング４３の内部構造を概略的に示す。
【００４６】
図４（ａ）に示すように、下流触媒ケーシング４３の内部にも、上流触媒ケーシング４２と同様、格子断面を有する柱状のセラミック担体４３ａにより、通路空間の束が形成されている。また、図４（ｂ）に拡大して示すように、下流触媒ケーシング４３内においてセラミック担体４３ａにより形成された各通路の内壁には、三元触媒４３ｃとＨＣ吸着材４３ｂとが、三元触媒４３ｃを上層、ＨＣ吸着材４３ｂを下層とし積層状態でコーティングされ、ＨＣ吸着浄化型触媒４４を構成する。ＨＣ吸着材４３ｂは例えばゼオライトを主成分とし、周囲の温度が所定値以下である場合にはＨＣを吸着し、周囲の温度が所定値を上回った場合にはＨＣを脱離するといった特性を有する。下流触媒ケーシング４３に流入し、矢指方向βに向かって各通路内を進行する排気中では、三元触媒４３ｃの作用に基づくＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの転化反応の他、ＨＣ吸着材４３ｂの作用に基づくＨＣの吸着・脱離反応が生じることになる。
【００４７】
図５は、三元触媒４２ｂ，４３ｃによる排気の浄化率（例えば、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの転化率の平均値）と同触媒の温度との関係、及びＨＣ吸着材４３ｂによるＨＣの吸着率と同吸着材の温度との関係を併せ示すグラフである。なお、同グラフ上に示された浄化率や吸着率は、両触媒を取り巻く排気の空燃比が理論空燃比である場合のものであるとする。また、ＨＣの吸着率が「０％」を下回る場合、その絶対値はＨＣの離脱率に相当することになる。
【００４８】
同図５に示すように、所定値Ｔ１を境界とし、ＨＣ吸着材４３ｂは、同境界（Ｔ１）よりも低温の領域では排気中のＨＣを吸着し、高温の領域では吸着したＨＣを再離脱することになる。一方、三元触媒４２ｂ，４３ｃは、所定値Ｔ１を上回る値Ｔ２を境界とし、同境界（Ｔ２）よりも低温の領域ではその浄化機能をほとんど発揮せず、同境界（Ｔ２）より高温の領域でのみその浄化機能を発揮するようになる。
【００４９】
図６（ａ）及び図６（ｂ）には、下流触媒ケーシング４３内のＨＣ吸着浄化型触媒４４が、同下流触媒ケーシング４３に流入する排気に対し、異なる温度条件下でどのように作用するかを模式的に示す。
【００５０】
図６（ａ）に示すように、ＨＣ吸着浄化型触媒４４の温度が所定値Ｔ１以下である低温条件下（図４及び図５を併せ参照）では、排気に含まれるＨＣ成分がＨＣ吸着浄化型触媒の上層部をなす三元触媒（多孔質）透過し、下層部のＨＣ吸着材に吸着される。
【００５１】
図６（ｂ）に示すように、ＨＣ吸着浄化型触媒４４の温度が所定値Ｔ２を上回る高温条件下（図４及び図５を併せ参照）では、ＨＣ吸着材４３ｂからＨＣが離脱する。このとき、三元触媒４３ｃが十分な浄化能力を発揮するようになっているため、排気中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの浄化とＨＣ吸着材から離脱したＨＣの浄化とが、併せて行われるようになる。なお、三元触媒は一般に、酸素（Ｏ２）を吸蔵する特性を有するため、三元触媒によって促されるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘからＨ2Ｏ，ＣＯ2への転化（反応）には、同触媒に吸蔵されたＯ２も参加することになる。
【００５２】
ところで、ＨＣ吸着材４３ｂから脱離したＨＣの全てをＨ2ＯやＣＯ2に転化するためには、脱離したＨＣに対して化学量論的に見合った量の酸素（Ｏ）の供給が必要になる。
【００５３】
本実施の形態にかかる排気浄化装置では、ＨＣ吸着材４３ｂからのＨＣの脱離に同期して、下流触媒ケーシング４３に流入する排気中のＮＯｘの量を積極的に増量させ、ＮＯｘ起源の酸素（Ｏ）とＨＣ吸着材４３ｂから脱離したＨＣとの反応を促す制御（以下、脱離ＨＣ処理制御という）を実施する。
【００５４】
以下、本実施の形態のエンジン１が行う脱離ＨＣ処理制御に関し、その基本的な制御手順についてフローチャートを参照して説明する。
【００５５】
図７には、脱離ＨＣ処理制御を実施するための制御ルーチンを示す。本ルーチンは、ＥＣＵ５０を通じてエンジン１の運転中、所定時間毎に実行される。
【００５６】
同ルーチンに処理が移行すると、ＥＣＵ５０は先ずステップＳ１０１において、下流触媒ケーシング４３に収容されたＨＣ吸着浄化型触媒４４の温度（以下、単に触媒温度という）を推定する。触媒温度は、冷却水温及び吸気温等といった各種パラメータの履歴に基づいて演算する。
【００５７】
ステップＳ１０２においてＥＣＵ５０は、下流触媒ケーシング４３内のＨＣ吸着浄化型触媒（ＨＣ吸着材）に吸着されているＨＣの量（以下、ＨＣ吸着量という）を推定する。ＨＣ吸着量は、エンジン１の始動時以来計測された冷間燃料増量比、冷却水温、吸気温等、運転状態に関する各種パラメータの履歴に基づき、予め設定されたマップを参照して求める。なお、冷間燃料増量比とは、冷間時において機関燃焼の安定化を図るべく多量に供給した燃料の量に対し、機関燃焼に供されなかったと推定される燃料の量の比率に相当する。この冷間燃料増量比の履歴としては、例えばエンジン１始動時から現時点までの積算値を採用する。この積算値は、エンジン１の始動から現時点に至るまで、機関燃焼に供されることなく余分に供給された燃料の量を反映するパラメータであるといえる。
【００５８】
図８には、上記ステップＳ１０２でＨＣ吸着量を推定するために採用するマップ上における冷間燃料増量比とＨＣ吸着量との関係を概略的に示す。同図８に示すように、冷間燃料増量比が増大するほどＨＣ吸着量も増大する傾向にある。
【００５９】
ステップＳ１０３においてＥＣＵ５０は、これまでＨＣ吸着材に吸着されていたＨＣのうち、今から脱離すると推定されるＨＣの量（以下、ＨＣ脱離量という）を演算する。ＨＣ脱離量は、ＨＣ吸着量及び触媒温度に基づき、予め設定されたマップを参照して求める。
【００６０】
図９には、上記ステップＳ１０３でＨＣ離脱量を推定するために採用するマップ上における触媒温度、ＨＣ吸着材によるＨＣ吸着量、及びＨＣ吸着材からのＨＣ脱離量の関係を概略的に示す。同図９に示すように、ＨＣ吸着量が一定である場合、ＨＣ離脱量は、触媒温度が所定値Ｔｍ近傍にあるとき最大となり、触媒温度が所定値Ｔｍより低くなるにつれ、また高くなるにつれ、徐々に減少する傾向にある。また、触媒温度が一定である場合、ＨＣ吸着量が高くなるほどＨＣ脱離量も高くなる傾向にある。
【００６１】
ステップＳ１０４においてＥＣＵ５０は、触媒温度が所定範囲内（例えば先の図５において示した所定値Ｔ２を上回る領域）にあるか否かを判断する。そしてその判断が肯定であれば処理をステップＳ１０５に移行し、その判断が否定であれば本ルーチンを一旦抜ける。
【００６２】
ステップＳ１０５においてＥＣＵ５０は、ＨＣ脱離量に基づき、下流触媒ケーシング４３に流入する排気中のＮＯｘ量を増量させ、脱離したＨＣに対し、化学量論的に見合う量の酸素（ＮＯｘ起源の酸素）を供給する制御を行う。このとき、排気中のＮＯｘ量の増量は、エンジン１の燃焼に伴うＮＯｘ排出量の制御を通じて行う。以下、その具体的な制御内容を例示する。
（１）吸気バルブ３６のバルブタイミングの進角ステップＳ１０５においてＥＣＵ５０は、バルブタイミング可変機構１００の駆動制御を通じて吸気バルブ３６のバルブタイミングを進角させ、バルブオーバーラップ期間（吸気バルブ３６及び排気バルブ４６が共に開弁状態となる期間）を短くする（若しくはなくす）。この結果、排気行程における排気ポート４０から燃焼室１５への排気の吹き返し量（いわゆる内部ＥＧＲ量）が低減され、排気中のＮＯｘ成分量が一時的に増大するようになる。
【００６３】
なお、バルブタイミングの目標値は、例えば要求されるＮＯｘの排出量に基づき予め設定されたマップを参照して求める。当該マップ上におけるＮＯｘ排出量とバルブタイミングとの概略的な関係は、図１０に示す通りである。
（２）気流制御弁３８の閉弁
ステップＳ１０５においてＥＣＵ５０は、気流制御弁３８を閉弁することによって燃焼室１５内に発生する混合気の乱流（スワール）を強化する。この結果、混合気の燃焼速度が高められ、排気中のＮＯｘ成分量が一時的に増大するようになる。
【００６４】
なお、気流制御弁３８の開度の目標値は、例えば要求されるＮＯｘの排出量に基づき予め設定されたマップを参照して求める。当該マップ上におけるＮＯｘ排出量と気流制御弁の開度との概略的な関係は、図１１に示す通りである。
（３）ＥＧＲ弁６１の閉弁ステップＳ１０５においてＥＣＵ５０は、ＥＧＲ弁６１の開度を小さくし（或いは閉弁状態とし）、ＥＧＲ通路６０を通じて吸気通路３１内に還流する排気の流量（ＥＧＲ量）を低減する（若しくはなくす）。この結果、排気中のＮＯｘ成分量が一時的に増大するようになる。
【００６５】
なお、ＥＧＲ量の目標値は、例えば要求されるＮＯｘの排出量に基づき予め設定されたマップを参照して求める。当該マップ上におけるＮＯｘ排出量とＥＧＲ量との概略的な関係は、図１２に示す通りである。
（４）点火時期の進角
ステップＳ１０５においてＥＣＵ５０は、燃焼室１５に導入された混合気の点火時期を早める（進角させる）。この結果、排気中のＮＯｘ成分量が一時的に増大するようになる。
【００６６】
なお、点火時期の目標値は、例えば要求されるＮＯｘの排出量に基づき予め設定されたマップを参照して求める。当該マップ上におけるＮＯｘ排出量と点火時期との概略的な関係は、図１３に示す通りである。
（５）圧縮比の増大
例えば、燃焼室１５に連通する空間であって、その容量を変更することのできる副室、或いはピストン１２の往復動方向の厚みを変化させることのできる機構等を備え、エンジン１の圧縮比を自在に変更する周知の可変圧縮比装置を採用することもできる。すなわち、ステップＳ１０５においてＥＣＵ５０は、このような可変圧縮比装置（図示略）を駆動制御することにより、エンジン１の圧縮比を増大させる。この結果、排気中のＮＯｘ成分量が一時的に増大するようになる。
【００６７】
なお、エンジン１の圧縮比の目標値は、例えば要求されるＮＯｘの排出量に基づき予め設定されたマップを参照して求める。当該マップ上におけるＮＯｘ排出量とエンジン１の圧縮比との概略的な関係は、図１４に示す通りである。
上記ステップＳ１０５を経た後、ＥＣＵ５０は本ルーチンを一旦抜ける。
【００６８】
なお、上記脱離ＨＣ処理制御にかかるルーチンの実施中であるか否かに係わらず、ＥＣＵ５０は別途のルーチンに従い、空燃比センサ５４の検出信号に基づいてエンジン１への燃料噴射量を調整することで、排気中の空燃比を理論空燃比に収束・保持する周知の空燃比フィードバック制御を実施する。
【００６９】
このように、本実施の形態の排気浄化装置では、例えば冷間始動直後、ＨＣ吸着浄化型触媒（ＨＣ吸着材）に一時吸着されたＨＣについて、その吸着量及び触媒温度から決定づけられる離脱態様の特性に基づいて離脱量を推定する。さらに、この離脱量に対し、化学量論的に見合った量のＮＯｘを排気中成分として積極的に供給する制御を行う。このような制御を実施することで、ＨＣ吸着材から離脱したＨＣ（還元剤）と供給されたＮＯｘ（酸化剤）とが互いに反応しあう。この結果、エンジン１の始動後、ＨＣ吸着浄化型触媒（ＨＣ吸着材）に一旦吸着され、再離脱したＨＣが簡易な制御構造を適用し、しかも確実に行われるようになる。
【００７０】
さらにこのとき、空燃比フィードバック制御の実施を通じ、排気中の空燃比は理論空燃比近傍に保持されているため、言い換えると、空燃比を理論空燃比に保持しておいても差し支えがないため、ＮＯｘ成分等、他の有害成分に対する三元触媒の浄化性能も十分に確保される。すなわち、三元触媒によるＮＯｘ、ＣＯ及びＨＣの浄化機能を好適に保持して、且つ、ＨＣ吸着材から離脱したＨＣの浄化を効率的に行うことができる。
【００７１】
なお、本実施の形態で適用することとしたＨＣ吸着浄化型触媒は、ＨＣ吸着材と三元触媒とが二層構造を有するものであるが、これに替え、ＨＣ吸着材と三元触媒とを混合して形成したものをＨＣ吸着浄化型触媒として適用することもできる。さらに、排気流路の上流側（ＨＣ吸着材）と、下流側（三元触媒）とに分離して配設しても、本実施の形態にかかるＨＣ吸着浄化型触媒と、同等若しくはこれに準ずる機能を発揮させることはできる。
【００７２】
また、本実施の形態で用いた三元触媒に替え、排気中の空燃比が特定範囲（好適には理論空燃比を含む範囲、さらに好適には理論空燃比）にある条件下において、排気中の各種有害成分を高い転化効率で無害成分に転化する機能を有するものであれば、他のタイプの排気浄化触媒を適用しても、本実施の形態と同等若しくはこれに準ずる効果を奏することはできる。
【００７３】
また、排気中のＮＯｘ成分量を検出する機能を有するＮＯｘセンサを排気通路４１に設けて排気中のＮＯｘ成分量を実測することにより、上記制御ルーチン（図７）のステップＳ１０５におけるバルブタイミング、気流制御弁３８の開度、ＥＧＲ量、点火時期、或いは圧縮比の変更に際し、実測された排気中のＮＯｘ成分量をフィードバックすることによりＮＯｘ排出量を目標値に収束させる制御を行うこととしてもよい。
【００７４】
また、本実施の形態では、排気通路４１において上流触媒ケーシング４２の上流部位のみに空燃比センサ５４を備えることとしたが、これと同等の機能を有する空燃比センサ５４を、例えば上流触媒ケーシング４２の下流にも備える構成を適用してもよい。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、前記排気浄化触媒（三元触媒）による効率的な排気浄化作用、すなわち、ＮＯｘその他の有害成分に対する浄化性能を損なうことなく、ＨＣ吸着材から再脱離したＨＣ成分を効率的に浄化するといった作用が、装置構成の複雑化を伴うことなくしかも簡易な制御構造によって得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかる排気浄化装置が設けられたエンジンの概要を示す略図。
【図２】同実施の形態にかかる上流触媒ケーシングの内部構造を示す略図。
【図３】排気に晒された三元触媒がその排気に含まれる有害成分を無害成分に転化する場合の転化効率と、当該排気の空燃比との関係を示すグラフ。
【図４】同実施の形態にかかる下流触媒ケーシングの内部構造を示す略図。
【図５】三元触媒による排気の浄化率と同触媒の温度との関係、及びＨＣ吸着材によるＨＣの吸着率と同吸着材の温度との関係を併せ示すグラフ。
【図６】下流触媒ケーシング内のＨＣ吸着浄化型触媒が、同下流触媒ケーシンに流入する排気に対し、異なる温度条件下でどのように作用するのかを説明する模式図。
【図７】同実施の形態にかかる脱離ＨＣ処理制御の手順を示すフローチャート。
【図８】冷間燃料増量比とＨＣ吸着材へのＨＣ吸着量との関係を示すグラフ。
【図９】触媒温度、ＨＣ吸着材によるＨＣ吸着量、及びＨＣ吸着材からのＨＣ脱離量のマップ上での関係を例示するグラフ。
【図１０】脱離ＨＣ処理制御に適用されるマップ上でのＮＯｘ排出量とバルブタイミングとの関係を例示するグラフ。
【図１１】脱離ＨＣ処理制御に適用されるマップ上でのＮＯｘ排出量と気流制御弁開度との関係を例示するグラフ。
【図１２】脱離ＨＣ処理制御に適用されるマップ上でのＮＯｘ排出量とＥＧＲ量との関係を例示するグラフ。
【図１３】脱離ＨＣ処理制御に適用されるマップ上でのＮＯｘ排出量と点火時期進角量との関係を例示するグラフ。
【図１４】脱離ＨＣ処理制御に適用されるマップ上でのＮＯｘ排出量と圧縮比との関係を例示するグラフ。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
１ａ シリンダブロック
１ｂ シリンダヘッド
１ｃ 冷却水通路
１１ シリンダ
１２ ピストン
１３ コネクティングロッド
１４ クランクシャフト
１５ 燃焼室
１６ イグナイタ
１７ 点火プラグ
１８ 燃料噴射弁
３０ 吸気ポート
３１ 吸気通路
３２ サージタンク
３３ エアクリーナボックス
３４ スロットルバルブ
３４ａ スロットル用アクチュエータ
３５ アクセルペダル
３６ 吸気バルブ
３７ 吸気カムシャフト
３８ 気流制御弁
４０ 排気ポート
４１ 排気通路
４２ 上流触媒ケーシング
４２ａ セラミック担体
４２ｂ 三元触媒
４３ 下流触媒ケーシング
４３ａ セラミック担体
４３ｂ ＨＣ吸着材
４３ｃ 三元触媒
４４ ＨＣ吸着浄化型触媒
４６ 排気バルブ
４７ 排気カムシャフト
５０ 電子制御装置（ＥＣＵ）
５１ エアフローメータ
５２ スロットルポジションセンサ
５３ アクセルポジションセンサ
５４ 空燃比センサ
５５ クランク角センサ
５５ａ タイミングロータ
５５ｂ 電磁ピックアップ
５６ 水温センサ
５７ カム角センサ
５７ｂ 電磁ピックアップ
５８ ノックセンサ
５９ 気流制御弁開度センサ
６０ ＥＧＲ通路
６１ ＥＧＲ弁
１００ バルブタイミング可変機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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