(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載された内燃機関の排気通路に設けられ、排気空燃比が少なくともリーン空燃比のときに排ガス中のＮＯx成分を吸蔵し、排気空燃比が少なくとも理論空燃比または理論空燃比よりもリッチ側のリッチ空燃比のときに前記吸蔵されたＮＯx成分を放出する特性を有するＮＯx触媒コンバータと、
前記ＮＯx触媒コンバータよりも上流側の排気通路に設けられ、酸素吸蔵機能を有する三元触媒コンバータとを備え、
前記三元触媒コンバータは、前記排気通路の上流側に位置し酸素吸蔵機能の高く設定された第１触媒部と、前記排気通路の該第１触媒部よりも下流側に位置し前記第１触媒部よりも酸素吸蔵機能の低く設定された第２触媒部とからなることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記ＮＯx触媒コンバータと前記三元触媒コンバータとは車両の床下に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記三元触媒コンバータの前記第１触媒部と前記第２触媒部とは連続して一体に形成されていることを特徴とする、請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記三元触媒コンバータの前記第１触媒部と前記第２触媒部とは別体であることを特徴とする、請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記三元触媒コンバータの酸素吸蔵機能は、前記第１触媒部及び前記第２触媒部に添加されるセリアの量により規定されることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記第２触媒部ではセリアの量が零に設定されていることを特徴とする、請求項５記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
さらに、前記ＮＯx触媒コンバータに吸蔵されたＮＯxを放出すべく内燃機関の燃焼空燃比をリーン空燃比と理論空燃比またはリッチ空燃比との間で切換制御するＮＯx放出制御手段を備え、
前記ＮＯx放出制御手段は、理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換えるとき、前記第１触媒部の温度に応じて設定された空燃比に切り換えることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
さらに、前記ＮＯx触媒コンバータに吸蔵されたＮＯxを放出すべく内燃機関の燃焼空燃比をリーン空燃比と理論空燃比またはリッチ空燃比との間で切換制御するＮＯx放出制御手段を備え、
前記ＮＯx放出制御手段は、理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換えるとき、前記第１触媒部の温度に応じて設定された期間に亘り理論空燃比またはリッチ空燃比の状態を維持することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
さらに、前記ＮＯx触媒コンバータに吸蔵されたＮＯxを放出すべく内燃機関の燃焼空燃比をリーン空燃比と理論空燃比またはリッチ空燃比との間で切換制御するＮＯx放出制御手段を備え、
前記ＮＯx放出制御手段は、前記第２触媒部が所定温度以上のときにはリーン空燃比での運転を禁止することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか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】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、吸蔵型ＮＯx触媒の上流に三元触媒を有した排気浄化装置において耐熱劣化性を確保しつつＮＯxパージ時の燃費悪化を防止する技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
吸蔵型ＮＯx触媒を備えた排気浄化装置においては、一般にその上流側にＨＣ、ＣＯを酸化除去する三元触媒を設けるようにしている。
しかしながら、基本的に三元触媒は排気空燃比がリーン空燃比であるときにはＨＣ、ＣＯを良好に酸化除去可能である一方、理論空燃比或いはリッチ空燃比ではＨＣ、ＣＯを十分に浄化できないという特性を有している。
【０００３】
そこで、最近では、三元触媒にセリア（Ｃｅ）等の酸素吸蔵機能（Ｏ2ストレージ機能）を有した物質（酸素吸蔵材）を添加するようにしており、これにより、リーン空燃比時において吸蔵型ＮＯx触媒に吸蔵したＮＯxを還元・放出（ＮＯxパージ）すべく排気空燃比をリッチ空燃比（または理論空燃比）とした場合であっても、ＮＯxの還元に寄与せずに余剰となったＨＣ、ＣＯをリーン空燃比時に貯蔵した酸素（Ｏ2）によって良好に酸化除去可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、三元触媒にセリア等の酸素吸蔵機能を有した物質を添加すると浄化効率が向上することになるが、一方、三元触媒に貯蔵される酸素量が多いと、ＮＯxパージを行う場合において、排気空燃比をリッチ空燃比としてもＨＣ、ＣＯの多くが吸蔵型ＮＯx触媒に達する前に当該貯蔵酸素によって酸化されてしまい、ＮＯxを良好に還元除去できないという問題がある。
【０００５】
この場合、排気空燃比のリッチ度合いを増大させることも考えられるが、燃費悪化に繋がり好ましいことではない。
また、セリア等の添加量を低減して酸素吸蔵機能を弱めることが考えられるが、排気浄化装置の浄化効率を維持するためには、ある程度の酸素吸蔵機能は必要であり、また、セリア等の添加量を減少させると、耐シンタリング性や耐高温酸化被毒性等の耐熱劣化性が低下してしまうという問題がある。
【０００６】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、吸蔵型ＮＯx触媒の上流に三元触媒を有した排気浄化装置において、三元触媒の酸素吸蔵機能を維持しながら、耐熱劣化性を確保しつつＮＯxパージを燃費悪化なく良好に実施可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１の発明では、車両に搭載された内燃機関の排気通路に設けられ、排気空燃比が少なくともリーン空燃比のときに排ガス中のＮＯx成分を吸蔵し、排気空燃比が少なくとも理論空燃比または理論空燃比よりもリッチ側のリッチ空燃比のときに前記吸蔵されたＮＯx成分を放出する特性を有するＮＯx触媒コンバータと、前記ＮＯx触媒コンバータよりも上流側の排気通路に設けられ、酸素吸蔵機能を有する三元触媒コンバータとを備え、前記三元触媒コンバータは、前記排気通路の上流側に位置し酸素吸蔵機能の高く設定された第１触媒部と、前記排気通路の該第１触媒部よりも下流側に位置し前記第１触媒部よりも酸素吸蔵機能の低く設定された第２触媒部とからなることを特徴としている。
【０００８】
従って、三元触媒コンバータは、内燃機関が高負荷運転状態にあるときは排気温度が高いために該高温の排ガスに曝される上流側の第１触媒部の温度の方が下流側の第２触媒部やＮＯx触媒コンバータよりも高くなるが、第１触媒部の酸素吸蔵機能が高く設定されることで、三元触媒コンバータひいては排気浄化装置の熱劣化が良好に防止される。
【０００９】
また、燃焼空燃比がリーン空燃比であるときには排気温度が低く、該低温の排ガスに曝される第１触媒部は活性が低い状態となるため、その後ＮＯxパージを行うべく燃焼空燃比をリッチ空燃比（または理論空燃比）としたとしても、ＨＣ、ＣＯ等が第１触媒部で酸化されてしまうことがなく、さらに第２触媒部は酸素吸蔵機能が低く設定されているので、やはりＨＣ、ＣＯ等が酸化されてしまうことがない。故に、ＨＣ、ＣＯ等は三元触媒コンバータを通過して確実にＮＯx触媒コンバータに到達することになり、リッチ度合いを大きくしなくてもＮＯxが良好に還元除去され、燃費の悪化なくＮＯxパージが良好に実施される。
【００１０】
また、請求項２の発明では、前記ＮＯx触媒コンバータと前記三元触媒コンバータとは車両の床下に配置されていることを特徴としている。
このように、内燃機関から遠く且つ空冷され易い車両の床下位置にＮＯx触媒コンバータと三元触媒コンバータとを配設することで、より一層良好に排気浄化装置の熱劣化が防止されるとともにＮＯxパージが実施される。
【００１１】
また、請求項３の発明では、前記三元触媒コンバータの前記第１触媒部と前記第２触媒部とは連続して一体に形成されていることを特徴としている。
このように、一体の三元触媒コンバータにおいて、前側の第１触媒部が酸素吸蔵機能の高い部分とされ、これと連続して後側の第２触媒部が酸素吸蔵機能の低い部分とされることで、第１触媒部の熱が良好に第２触媒部に伝達され、第１触媒部の過熱が防止される。
【００１２】
また、請求項４の発明では、前記三元触媒コンバータの前記第１触媒部と前記第２触媒部とは別体であることを特徴としている。
このように、三元触媒コンバータが分割され、前側の三元触媒コンバータが酸素吸蔵機能の高いものとされ、後側の三元触媒コンバータが酸素吸蔵機能の低いものとされることで、第１触媒部と第２触媒部にそれぞれ酸素吸蔵機能を持たせることが容易となり、三元触媒コンバータの生産性、メンテナンス性が向上する。
【００１３】
また、請求項５の発明では、前記三元触媒コンバータの酸素吸蔵機能は、前記第１触媒部及び前記第２触媒部に添加されるセリアの量により規定されることを特徴としている。
即ち、三元触媒コンバータの酸素吸蔵機能は酸素吸蔵材であるセリア（Ｃｅ）の量によって容易に調製される。
【００１４】
また、請求項６の発明では、請求項５の発明において、前記第２触媒部ではセリアの量が零に設定されていることを特徴としている。
即ち、高温の排ガスに直接曝されることのない第２触媒部については、それほど高い耐熱劣化性を必要としないため、ＮＯxパージ時にＨＣ、ＣＯを酸化してしまわないよう酸素吸蔵機能が無いのがよく、故に、第２触媒部のセリアの量を零にすることにより、ＮＯxパージがより一層良好に実施される。
【００１５】
この場合、酸素吸蔵機能を維持すべく、第２触媒部のセリアの量を零にした分だけ第１触媒部のセリアの量を増加させるのがよく、これにより同時に排気浄化装置の耐熱劣化性も向上する。
また、請求項７の発明では、請求項１乃至６の発明において、さらに、前記ＮＯx触媒コンバータに吸蔵されたＮＯxを放出すべく内燃機関の燃焼空燃比をリーン空燃比と理論空燃比またはリッチ空燃比との間で切換制御するＮＯx放出制御手段を備え、前記ＮＯx放出制御手段は、理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換えるとき、前記第１触媒部の温度に応じて設定された空燃比に切り換えることを特徴としている。
【００１６】
従って、例えば、ＮＯxパージを行う際、第１触媒部の温度が低く第１触媒部が活性の低い状態にあるときには、ＨＣ、ＣＯが酸素吸蔵機能によって酸化されてしまうことはないため、リッチ空燃比の度合いはリーン空燃比寄りとされ、第１触媒部の温度が高く、より活性状態にあるときには、ＨＣ、ＣＯが酸素吸蔵機能によって酸化され易いため、リッチ空燃比のリッチ度合いは大きく設定される。これにより、ＮＯxパージが燃費の悪化なく最適に実施されることになり、排気浄化効率が良好に維持される。
【００１７】
また、請求項８の発明では、請求項１乃至６の発明において、さらに、前記ＮＯx触媒コンバータに吸蔵されたＮＯxを放出すべく内燃機関の燃焼空燃比をリーン空燃比と理論空燃比またはリッチ空燃比との間で切換制御するＮＯx放出制御手段を備え、前記ＮＯx放出制御手段は、理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換えるとき、前記第１触媒部の温度に応じて設定された期間に亘り理論空燃比またはリッチ空燃比の状態を維持することを特徴としている。
【００１８】
従って、例えば、ＮＯxパージを行う際、第１触媒部の温度が低く第１触媒部が活性の低い状態にあるときには、ＨＣ、ＣＯが酸素吸蔵機能によって酸化されてしまうことなく良好にＮＯxの還元が行われるため、理論空燃比またはリッチ空燃比とされる期間は比較的短くされ、第１触媒部の温度が高く、より活性状態にあるときには、ＨＣ、ＣＯが酸素吸蔵機能によって酸化され易いため、理論空燃比またはリッチ空燃比とされる期間は長くされる。これにより、ＮＯxパージが燃費の悪化なく適正に実施されることになり、排気浄化効率が良好に維持される。
【００１９】
また、請求項９の発明では、請求項１乃至６の発明において、さらに、前記ＮＯx触媒コンバータに吸蔵されたＮＯxを放出すべく内燃機関の燃焼空燃比をリーン空燃比と理論空燃比またはリッチ空燃比との間で切換制御するＮＯx放出制御手段を備え、前記ＮＯx放出制御手段は、前記第２触媒部が所定温度以上のときにはリーン空燃比での運転を禁止することを特徴としている。
【００２０】
つまり、第２触媒部は酸素吸蔵機能が低いために熱劣化し易く、一方内燃機関の燃焼空燃比をリッチ空燃比とすると燃焼温度の上昇に伴って排気温度も上昇するが、第２触媒部が当該第２触媒部の耐熱劣化温度に相当する所定温度以上になったときに内燃機関の燃焼空燃比をリーン空燃比としないようにすることにより、第２触媒部ひいては排気浄化装置の熱劣化が防止される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下同図に基づいて本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
【００２２】
エンジン本体（以下、単にエンジンという）１としては、例えば、燃料噴射モードを切換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射）とともに圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射）を実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンが採用される。この筒内噴射型のエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキオ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能に構成されている。
【００２３】
同図に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃料を燃焼室内に直接噴射可能である。
点火プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。また、燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能である。
【００２４】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。
【００２５】
なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に公知のものであるため、その構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
吸気マニホールド１０には吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４及び当該スロットル弁１４の開度θthを検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１６が設けられている。
【００２６】
一方、排気マニホールド１２には排気管（排気通路）２０が接続されており、この排気管２０には、車両の床下に位置して排気浄化触媒ユニット３０が介装されている。
排気浄化触媒ユニット３０は、上流側三元触媒（上流側ＴＷＣ）３２、吸蔵型ＮＯx触媒３４、下流側三元触媒（下流側ＴＷＣ）３６が上流側から順に配設されて構成されている。
【００２７】
吸蔵型ＮＯx触媒３４は、排気空燃比がリーン空燃比のときに排ガス中のＮＯx成分を吸蔵し、排気空燃比が理論空燃比または理論空燃比よりもリッチ側のリッチ空燃比のときに吸蔵されたＮＯx成分を放出する特性を有する触媒である。なお、当該吸蔵型ＮＯx触媒３４の構成及び機能等については公知であり、ここでは説明を省略する。
【００２８】
上流側三元触媒３２と下流側三元触媒３６は、担体に活性貴金属として銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐt）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）のいずれかを有して構成されている。そして、さらに上流側三元触媒３２には、酸素吸蔵機能（Ｏ2ストレージ機能）を有するセリア（Ｃe）、ジルコニア（Ｚｒ）等が添加されている。
【００２９】
セリア（Ｃe）は排気空燃比がリーン空燃比である酸化雰囲気中において酸素（Ｏ2）を吸着すると、排気空燃比がリッチ空燃比となり還元雰囲気となるまでそのＯ2を保持する性質を有している。従って、当該上流側三元触媒３２は、吸蔵型ＮＯx触媒３４からＮＯx成分を放出すべく排気空燃比を理論空燃比或いはリッチ空燃比としても（以下、ＮＯxパージという）、吸蔵されたＯ2によって余剰のＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）を酸化除去可能である。つまり、Ｏ2ストレージ機能を有した上流側三元触媒３２は、酸化雰囲気でＨＣ、ＣＯを浄化できるのは勿論のこと、吸蔵されたＯ2により還元雰囲気中においてもＮＯxの放出のみならず余剰となるＨＣ、ＣＯを良好に浄化可能である。
【００３０】
また、セリア（Ｃe）は触媒の耐熱劣化性とも関係しており、セリア（Ｃe）の触媒への添加量が多くなるほど触媒の耐熱劣化性が高くなるという特質をも有している。
そして、上流側三元触媒３２は、セリア（Ｃe）の添加量の多い高ＯＳＣ−ＴＷＣ部（第１触媒部）３２ａとセリア（Ｃe）の添加量の少ない低ＯＳＣ−ＴＷＣ部（第２触媒部）３２ｂの２つの部分から構成されている。つまり、上流側三元触媒３２は、高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａでは高い酸素吸蔵機能（ＯＳＣ）を有し、低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂでは酸素吸蔵機能（ＯＳＣ）が低くなるよう設定されている。但し、上流側三元触媒３２に添加されているセリア（Ｃe）の全量は、ＮＯxパージにおいて余剰の酸素を浄化するのに必要十分な所定量に設定されている。さらに、ここでは高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａの容量と低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂの容量とを同一容量（例えば、０．５ｌ）としているが、それぞれ異なる容量にしてもよく、これに限られるものではない。
【００３１】
排気通路２０の排気浄化触媒ユニット３０よりも上流には、Ｏ2センサ２２が設けられている。また、上流側三元触媒３２の高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａ及び低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂには、それぞれ高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａの温度を検出する高温センサ２４及び低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂの温度を検出する高温センサ２６が設けられている。
【００３２】
ＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えており、このＥＣＵ４０により、エンジン１を含めた排気浄化装置の総合的な制御が行われる。
ＥＣＵ４０の入力側には、上述したＴＰＳ１６、Ｏ2センサ２２及び高温センサ２４、２６等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。
【００３３】
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述の燃料噴射弁６や点火コイル８等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等がそれぞれ出力され、これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施される。また、吸蔵型ＮＯx触媒３４のＮＯx吸蔵量に応じて、リーン空燃比と理論空燃比またはリッチ空燃比間での燃焼空燃比の切り換えが行われ、これによりＮＯxパージが適宜実施される（ＮＯx放出制御手段）。
【００３４】
以下、このように構成された本発明に係る排気浄化装置の作用を説明する。
上述したように、上流側三元触媒３２の高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａは、セリア（Ｃe）を多く含んでいるため、耐熱劣化性が高く、つまり耐熱温度が高くされている。
従って、例えばエンジン１が高負荷運転をしているような場合には、排気温度が高く、排気浄化触媒ユニット３０の最上流側に位置する上流側三元触媒３２のうち、高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａが最も加熱されて高温となるが、このような場合であっても、高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａの耐熱劣化性は高く設定されているため、上流側三元触媒３２の熱劣化が防止される。
【００３５】
つまり、図２を参照すると、高負荷運転時における上流側三元触媒３２の各部の温度分布が示されており、同図から、上流側三元触媒３２の最上流部分、即ち高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａが最も高温となり、下流側ではそれほど高温とならないことが分かるが、このような場合であっても、上流側の高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａの方が下流側の低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂよりも耐熱温度が高く設定されていることにより、上流側三元触媒３２の温度が高ＯＳＣ−ＴＷＣ耐熱温度、低ＯＳＣ−ＴＷＣ耐熱温度（ともに破線で示す）を越えなくなり、上流側三元触媒３２の熱劣化が防止されることになる。
【００３６】
また、ここでは高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａと低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂとが一体に成形されているため、高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａの熱が低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂに確実に伝達され、故に高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａの過熱が防止され、これによっても上流側三元触媒３２の熱劣化が防止される。
さらに、上流側三元触媒３２は、吸蔵型ＮＯx触媒３４とともにエンジン１から離れた車両の床下に位置しているので、空冷等による冷却効果もあり、これによっても上流側三元触媒３２の熱劣化が防止される。
【００３７】
一方で、上流側三元触媒３２の低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂは、セリア（Ｃe）の添加量が高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａよりも少ないため、耐熱劣化性は劣るものの酸素吸蔵機能が低く、排気空燃比をリッチ空燃比とした場合であっても、ＨＣ、ＣＯが当該低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂにおいて殆ど酸化されることがない。
従って、一般にリーン運転では、排気温度が低く、排気浄化触媒ユニット３０の最上流側に位置する上流側三元触媒３２の高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａは冷却されて低温不活性な状態となるが、この状態で排気空燃比がリッチ空燃比とされてＮＯxパージが開始されても、当該高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａではセリア（Ｃe）の添加量が多いにも拘わらず殆どＨＣ、ＣＯが酸化されることがなく、また、上述したようにセリア（Ｃe）の少ない低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂでも殆どＨＣ、ＣＯは酸化されないため、ＨＣ、ＣＯが良好に吸蔵型ＮＯx触媒３４に供給されることとなる。これにより、ＮＯxパージ時には、リッチ空燃比のリッチ度合いをそれほど大きくしなくても吸蔵型ＮＯx触媒３４に吸蔵されたＮＯxが確実に還元・放出されることとなる。
【００３８】
つまり、図３を参照すると、リーン運転時における上流側三元触媒３２の各部の温度分布が示されており、同図から、リーン運転時には上流側三元触媒３２の最上流部分、即ち高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａが最も低温となり触媒活性温度（一点鎖線）に達していないことが分かるが、このように高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａが活性の低い状態では、ＮＯxパージが開始されても、ＨＣ、ＣＯが高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａにおいて酸化されることなく低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂを素通りして吸蔵型ＮＯx触媒３４に供給され、吸蔵型ＮＯx触媒３４に吸蔵されたＮＯxが、燃費の悪化なく確実に還元・放出されることになる。
【００３９】
また、上流側三元触媒３２はエンジン１から離れた車両の床下に位置しているので、空冷等による冷却効果によって高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａが低温になり易く、これによって燃費悪化がより一層防止され、ＮＯxがより確実に還元・放出される。
なお、リーン運転が継続されると、上述の如く高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａについては低温になるが、図３に示すように、下流側の低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂについては殆ど冷却されることなく触媒活性温度が維持されている。従って、リーン運転時であっても、少なくとも低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂについては三元触媒機能が確保されていることになり、ＨＣ、ＣＯは当該低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂによって良好に酸化除去される。また、ＨＣ、ＣＯは、下流側三元触媒３６によっても酸化除去されるので、ＨＣ、ＣＯは排気浄化触媒ユニット３０によって確実に浄化される。
【００４０】
また、図４を参照すると、ＮＯxパージを行う場合のＮＯxパージＡ／Ｆ（ＮＯxパージ用燃焼空燃比）及びＮＯxパージ時間の設定制御ルーチンがフローチャートで示されているが、実際には、ＮＯxパージＡ／Ｆ及びＮＯxパージ時間は、当該フローチャートに基づき設定される。
当該フローチャートでは、先ずステップＳ１０において、高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａの温度、即ち高温センサ２４により検出される高ＯＳＣ−ＴＷＣ温度に基づいてＮＯxパージＡ／Ｆを設定する。詳しくは、図５に示すように、高ＯＳＣ−ＴＷＣ温度とＮＯxパージＡ／Ｆとの関係を示すマップが予め設けられており、当該マップに基づいてＮＯxパージＡ／Ｆを設定する。つまり、高ＯＳＣ−ＴＷＣ温度が低いときには空燃比を理論空燃比寄りのリッチ度合いの小さなリッチ空燃比とし、高ＯＳＣ−ＴＷＣ温度が高いときには空燃比をリッチ度合いの大きなリッチ空燃比とする。
【００４１】
そして、ステップＳ１２において、高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａの温度、即ち高ＯＳＣ−ＴＷＣ温度に基づいてさらにＮＯxパージ時間を設定する。詳しくは、図６に示すように、空燃比Ａ／Ｆ毎に、高ＯＳＣ−ＴＷＣ温度とＮＯxパージ時間との関係を示すマップが予め設けられており、当該マップに基づいてＮＯxパージ時間を設定する。即ち、ステップＳ１０においてＮＯxパージＡ／Ｆが設定されると、当該ＮＯxパージＡ／Ｆに基づいて適正なＮＯxパージ時間が設定される。
【００４２】
つまり、ＮＯxパージ時において高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａがかなり低温となっているような場合には、排気中のＨＣ、ＣＯの略全量を吸蔵型ＮＯx触媒３４に供給できるため、リッチ度合いを小さくＮＯxパージ時間を短くしてＨＣ、ＣＯの量を少なく抑え、一方、高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａが比較的高温で活性状態に近いような場合には、排気中のＨＣ、ＣＯの一部が高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａで酸化されるため、リッチ度合いを大きくＮＯxパージ時間を長くして吸蔵型ＮＯx触媒３４に供給するＨＣ、ＣＯの量を確保するように図る。
【００４３】
これにより、ＮＯxパージ時における燃料消費量を必要最低限に押さえて燃費の悪化を好適に防止しながらＮＯxパージを良好に実施することができ、排気浄化効率を向上させることができる。
さらに、図７を参照すると、リーン運転禁止制御の制御ルーチンがフローチャートで示されおり、以下当該フローチャートについて説明する。
【００４４】
ステップＳ２０では、低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂの温度、即ち低ＯＳＣ−ＴＷＣ温度が所定温度（触媒によって異なり、ここでは、例えば６００℃）より大きいか否かを判別する。詳しくは、所定温度は、例えば低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂの耐熱温度より若干低い温度であり、ここでは、低ＯＳＣ−ＴＷＣ温度がかかる温度より大きいか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で、低ＯＳＣ−ＴＷＣ温度が所定温度よりも大きいと判定された場合には、ステップＳ２２に進む。
【００４５】
ステップＳ２２では、エンジン１のリーン空燃比での運転、即ちリーン運転を禁止する。なお、リーン運転には燃料カットも含まれ、燃料カットの実施についても禁止する。
これにより、上流側三元触媒３２の熱劣化がより一層防止される。
一方、ステップＳ２０の判別結果が偽（Ｎｏ）で、低ＯＳＣ−ＴＷＣ温度が所定温度に達していない場合には、上流側三元触媒３２の熱劣化の可能性は少ないとみなすことができ、ステップＳ２４に進み、リーン運転を許可して吸蔵型ＮＯx触媒３４を通常通り機能させる。
【００４６】
ところで、上記実施形態では、上流側三元触媒３２において、上流側部分を高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａとし、下流側部分を低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂとするようにしたが、図８に示すように、高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａと低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂとを完全に分離して別体に構成するようにしてもよい。このようにすれば、高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａ、低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂへのセリア（Ｃe）の添加作業等が容易となり、排気浄化触媒ユニット３０の生産性、メンテナンス性が向上する。
【００４７】
また、上記実施形態では、吸蔵型ＮＯx触媒３４と下流側三元触媒（下流側ＴＷＣ）３６とを独立に設けるようにしたが、図９に示すように、これらを一体にした三元機能一体型吸蔵型ＮＯx触媒３７を用いるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂがセリア（Ｃe）を含有している場合について説明したが、低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂにセリア（Ｃe）を添加せず、セリアの量を零にするようにしてもよい。このようにすれば、ＮＯxパージ時においてＨＣ、ＣＯを低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂで酸化させることなく確実に吸蔵型ＮＯx触媒３４に供給するようにでき、ＮＯxパージをより一層良好に実施することができる。この場合、低ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ｂからセリア（Ｃe）を無くした分だけ高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａのセリア（Ｃe）の量を増加させることになり、高ＯＳＣ−ＴＷＣ部３２ａの耐熱劣化性がさらに向上することにもなる。
【００４８】
また、上記実施形態では、エンジン１として筒内噴射型エンジンを使用したが、エンジン１として吸気管噴射型エンジンを用いるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、酸素吸蔵材としてセリア（Ｃe）を用いたが、ジルコニア（Ｚｒ）であってもよい。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、三元触媒コンバータは、内燃機関が高負荷運転状態にあるときは排気温度が高いために該高温の排ガスに曝される上流側の第１触媒部の温度の方が下流側の第２触媒部やＮＯx触媒コンバータよりも高くなるが、第１触媒部の酸素吸蔵機能が高く設定されているので、三元触媒コンバータひいては排気浄化装置の熱劣化を良好に防止することができる。
【００５０】
また、燃焼空燃比がリーン空燃比であるときには排気温度が低く、該低温の排ガスに曝される第１触媒部は活性が低い状態となるため、その後ＮＯxパージを行うべく燃焼空燃比をリッチ空燃比（または理論空燃比）としたとしても、ＨＣ、ＣＯ等が第１触媒部で酸化されてしまうことがなく、さらに第２触媒部は酸素吸蔵機能が低く設定されていることから、やはりＨＣ、ＣＯ等が酸化されてしまうことはなく、故に、ＨＣ、ＣＯ等が三元触媒コンバータを通過して確実にＮＯx触媒コンバータに到達することになり、リッチ度合いを大きくしなくてもＮＯxを良好に還元除去でき、燃費の悪化なくＮＯxパージを良好に実施することができる。
【００５１】
また、請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関から遠く且つ空冷され易い車両の床下位置にＮＯx触媒コンバータと三元触媒コンバータとを配設するようにしたので、より一層良好に排気浄化装置の熱劣化を防止できるとともにＮＯxパージを実施することができる。
また、請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、一体の三元触媒コンバータにおいて、前側の第１触媒部を酸素吸蔵機能の高い部分とし、これと連続して後側の第２触媒部を酸素吸蔵機能の低い部分とするようにしたので、第１触媒部の熱を良好に第２触媒部に伝達させるようにでき、第１触媒部の過熱を防止できる。
【００５２】
また、請求項４の内燃機関の排気浄化装置によれば、三元触媒コンバータを分割し、前側の三元触媒コンバータを酸素吸蔵機能の高いものとし、後側の三元触媒コンバータを酸素吸蔵機能の低いものとするようにしたので、第１触媒部と第２触媒部にそれぞれ酸素吸蔵機能を持たせることが容易となり、三元触媒コンバータの生産性、メンテナンス性の向上を図ることができる。
【００５３】
また、請求項５の内燃機関の排気浄化装置によれば、三元触媒コンバータの酸素吸蔵機能を酸素吸蔵材であるセリア（Ｃｅ）の量によって容易に調製することができる。
また、請求項６の内燃機関の排気浄化装置によれば、高温の排ガスに直接曝されることのない第２触媒部については、それほど高い耐熱劣化性を必要としないため、ＮＯxパージ時にＨＣ、ＣＯを酸化してしまわないよう酸素吸蔵機能は無いのがよく、故に、第２触媒部のセリアの量を零にすることにより、ＮＯxパージをより一層良好に実施することができる。
【００５４】
この場合、酸素吸蔵機能を維持すべく、第２触媒部のセリアの量を零にした分だけ第１触媒部のセリアの量を増加させるのがよく、これにより同時に排気浄化装置の耐熱劣化性をも向上させることができる。
また、請求項７の内燃機関の排気浄化装置によれば、例えば、ＮＯxパージを行う際、第１触媒部の温度が低く第１触媒部が活性の低い状態にあるときには、ＨＣ、ＣＯが酸素吸蔵機能によって酸化されてしまうことはないことから、リッチ空燃比の度合いをリーン空燃比寄りとし、第１触媒部の温度が高く活性状態にあるときには、ＨＣ、ＣＯが酸素吸蔵機能によって酸化され易いことから、リッチ空燃比のリッチ度合いを大きく設定するので、ＮＯxパージを燃費の悪化なく最適に実施でき、排気浄化効率を良好に維持することができる。
【００５５】
また、請求項８の内燃機関の排気浄化装置によれば、例えば、ＮＯxパージを行う際、第１触媒部の温度が低く第１触媒部が活性の低い状態にあるときには、ＨＣ、ＣＯが酸素吸蔵機能によって酸化されてしまうことなく良好にＮＯxの還元が行われることから、理論空燃比またはリッチ空燃比とされる期間を比較的短くし、第１触媒部の温度が高く活性状態にあるときには、ＨＣ、ＣＯが酸素吸蔵機能によって酸化され易いことから、理論空燃比またはリッチ空燃比とされる期間を長くするので、ＮＯxパージを燃費の悪化なく適正に実施でき、排気浄化効率を良好に維持することができる。
【００５６】
また、請求項９の内燃機関の排気浄化装置によれば、第２触媒部は酸素吸蔵機能が低いために熱劣化し易く、一方内燃機関の燃焼空燃比をリッチ空燃比とすると燃焼温度の上昇に伴って排気温度も上昇するのであるが、第２触媒部が当該第２触媒部の耐熱劣化温度に相当する所定温度以上になったときには内燃機関の燃焼空燃比をリーン空燃比としないようにしたので、ＮＯxがＮＯx触媒コンバータに吸蔵されることがなくなり、故にＮＯxパージの必要がなくなり、排気温度の上昇を抑制して第２触媒部ひいては排気浄化装置の熱劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両に搭載された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】高負荷運転時における上流側三元触媒の各部の温度分布を示す図である。
【図３】リーン運転時における上流側三元触媒の各部の温度分布を示す図である。
【図４】ＮＯxパージを行う場合のＮＯxパージＡ／Ｆ及びＮＯxパージ時間の設定制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】高ＯＳＣ−ＴＷＣ温度とＮＯxパージＡ／Ｆとの関係を示すマップである。
【図６】高ＯＳＣ−ＴＷＣ温度とＮＯxパージ時間との関係を示すマップである。
【図７】リーン運転禁止制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】上流側三元触媒において高ＯＳＣ−ＴＷＣ部と低ＯＳＣ−ＴＷＣ部とを完全に分離して別体とした場合を示す図である。
【図９】吸蔵型ＮＯx触媒と下流側三元触媒とを一体とした場合を示す図である。
【符号の説明】
１  エンジン本体
４  点火プラグ
６  燃料噴射弁
２０  排気管
２２  Ｏ2センサ
２４  高温センサ
２６  高温センサ
３０  排気浄化触媒ユニット
３２  上流側三元触媒
３２ａ  高ＯＳＣ−ＴＷＣ部（第１触媒部）
３２ｂ  低ＯＳＣ−ＴＷＣ部（第２触媒部）
３４  吸蔵型ＮＯx触媒
３６  下流側三元触媒
４０  ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
【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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