(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁をそなえ、空燃比を理論空燃比よりも大きくしてリーン燃焼運転を行ないうる筒内噴射型内燃機関において、
該燃焼室から排気ガスを排出する排気通路と、
該排気通路に設置されてリーン燃焼運転時に排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収するリーンＮＯｘ触媒と、
該内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
該運転状態検出手段によって検出された該内燃機関の運転状態に基づいて、該燃焼室での燃焼のために行なう通常の燃料噴射とは別に該燃焼室での燃焼に影響しないように該内燃機関の排気行程で該燃料噴射弁を作動させて該リーンＮＯｘ触媒へ追加燃料を供給する燃料噴射弁制御手段とをそなえ、
該燃料噴射弁制御手段は、該リーンＮＯｘ触媒の温度が該リーンＮＯｘ触媒に付着した浄化能力低下物質の分解可能な温度領域の下限値である所定温度未満の時には、該リーンＮＯｘ触媒を昇温させるために空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリーン側となるように噴射量を調整して該追加燃料の供給を行ない、該リーンＮＯｘ触媒の温度が該所定温度以上の時には、該リーンＮＯｘ触媒に付着した該浄化能力低下物質を分解してより害の少ない物質に還元するために空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチ側となるように噴射量を調整して該追加燃料の供給を行なう
ことを特徴とする、筒内噴射型内燃機関。
【請求項２】
該内燃機関が複数の気筒を有し、該燃料噴射弁が各気筒毎に配設されるとともに、
上記の複数の気筒のうちの少なくとも一部の気筒間で、それぞれの排気ポートの開放時期が部分的にオーバラップするように互いの作動位相が設定されて、
該燃料噴射制御手段が、これらの排気ポートの開放時期が互いにオーバラップする気筒については、各気筒にそなえられた該燃料噴射弁を同時に作動させるように構成されている
ことを特徴とする、請求項１記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項３】
内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁をそなえ、空燃比を理論空燃比よりも大きくしてリーン燃焼運転を行ないうる筒内噴射型内燃機関において、
該燃焼室から排気ガスを排出する排気通路と、
該排気通路に設置されてリーン燃焼運転時に排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収するリーンＮＯｘ触媒と、
該内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
該運転状態検出手段によって検出された該内燃機関の運転状態に基づいて、該燃焼室での燃焼のために行なう通常の燃料噴射とは別に該燃焼室での燃焼に影響しないように該内燃機関の排気行程で該燃料噴射弁を作動させて該リーンＮＯｘ触媒へ追加燃料を供給する燃料噴射弁制御手段とをそなえ、
該内燃機関が複数の気筒を有し、該燃料噴射弁が各気筒毎に配設されるとともに、
上記の複数の気筒のうちの少なくとも一部の気筒間で、それぞれの排気ポートの開放時期が部分的にオーバラップするように互いの作動位相が設定されて、
該燃料噴射制御手段が、これらの排気ポートの開放時期が互いにオーバラップする気筒については、各気筒にそなえられた該燃料噴射弁を同時に作動させるように構成されている
ことを特徴とする、筒内噴射型内燃機関。
【請求項４】
該運転状態検出手段が、該リーンＮＯｘ触媒への該浄化能力低下物質の付着量を推定し、該付着量が所定量に達したか否かを判定する付着量推定手段をそなえ、
該燃料噴射弁制御手段が、該付着量推定手段により該リーンＮＯｘ触媒への該浄化能力低下物質の付着量が所定量に達したと判定されると、該内燃機関の排気行程で該燃料噴射弁を作動させて該リーンＮＯｘ触媒へ該追加燃料の供給を行なうことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項５】
該付着量推定手段が、該リーン燃焼運転中の吸入空気量の積算値に基づいて該リーンＮＯｘ触媒への該浄化能力低下物質の付着量を推定するように構成されていることを特徴とする、請求項４記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項６】
該付着量推定手段が、該リーン燃焼運転中の燃料消費量の積算値に基づいて該リーンＮＯｘ触媒への該浄化能力低下物質の付着量を推定するように構成されていることを特徴とする、請求項４記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項７】
該付着量推定手段が、該リーン燃焼運転による走行距離の積算値に基づいて該リーンＮＯｘ触媒への該浄化能力低下物質の付着量を推定するように構成されていることを特徴とする、請求項４記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項８】
該付着量推定手段が、該リーン燃焼運転による走行時間の積算値に基づいて該リーンＮＯｘ触媒への該浄化能力低下物質の付着量を推定するように構成されていることを特徴とする、請求項４記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項９】
該燃料噴射弁制御手段が、一作動サイクル内の排気行程に該燃料噴射弁を複数回作動させながら複数回に分けて該追加燃料を噴射させるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項１０】
該リーンＮＯｘ触媒の温度状態を検出する触媒温度状態検出手段をそなえ、
該燃料噴射弁制御手段が、該追加燃料の供給開始後、該触媒温度状態検出手段の検出結果に基づいて該リーンＮＯｘ触媒の温度が所定温度以上の状態が所定時間以上に達したら該追加燃料の供給を停止するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項１１】
該リーンＮＯｘ触媒の温度状態を検出する触媒温度状態検出手段をそなえ、
該燃料噴射弁制御手段は、該触媒温度状態検出手段の検出結果に基づいて、上記の噴射量の調整による上記追加燃料の供給を行なう
ことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項１２】
該リーンＮＯｘ触媒が、カリウム等のアルカリ金属，バリウム等のアルカリ土類及びランタン等の希土類の中の少なくともいずれか一つの成分を担持していることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項１３】
燃料噴射弁制御手段は、該リーンＮＯｘ触媒を該所定温度へ昇温させた後に、該リーンＮＯｘ触媒をリッチ雰囲気にすると発熱が多過ぎて過昇温してしまう場合には、該追加噴射を行なわずに、該燃焼室での燃焼のために行なう通常の燃料噴射により空燃比がストイキオ又はリッチとなるようにする
ことを特徴とする、請求項１〜１２の何れか１項に記載の筒内噴射型内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射しリーン燃焼運転を行ないうる筒内噴射型内燃機関に関し、特に、リーンＮＯｘ触媒が浄化能力低下物質の付着により劣化した際にこの浄化能力低下物質を除去してリーンＮＯｘ触媒を再生できるようにした、筒内噴射型内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車に搭載された内燃機関（以下、エンジンという）をはじめとして、リーン混合気を燃焼させるようにしたエンジンがあるが、かかるエンジンでは、リーン運転時に、排出ガス中のＮＯｘ量が増大する。そこで、このようなエンジンにおいて排気ガスを浄化するために、排気系にリーンＮＯｘ触媒又はリーンＮＯｘ触媒と三元触媒とを組み合わせて設置するようにしたものがある。
【０００３】
このようなリーンＮＯｘ触媒には、流入排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯｘを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤を排気通路内に設置し、リーン混合気を燃焼させた際に発生するＮＯｘをＮＯｘ吸収剤で吸収して、ＮＯｘ吸収能力が飽和する前にこのＮＯｘ吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにすることで、ＮＯｘ吸収剤からＮＯｘを還元しこれを放出させるようにしたものがある。
【０００４】
このように、ＮＯｘ吸収剤からＮＯｘを還元する際には、排気ガスの空燃比を一時的にリッチにすることで排気ガス中に炭化水素（ＨＣ）を存在させるようにしてこの炭化水素（ＨＣ）を還元剤としてＮＯｘ吸収剤へ供給するのである。例えば特開平６−１１７２２５号には、このようなＮＯｘの還元にかかる技術が開示されている。この技術は、機関の膨張，排気行程の一時期に燃料の副噴射を行なって、燃焼熱を利用して炭化水素（ＨＣ）の分子構造をより小さいものに分解してＮＯｘを効率よく還元できるようにするものである。
【０００５】
ところで、燃料や機関の潤滑油内にはイオウが含まれているため排気ガス中にも硫酸塩等のイオウ分（以下、単にイオウという）が含まれ、このイオウもＮＯｘとともにＮＯｘ吸収剤に吸収される。しかしながら、このイオウは、ＮＯｘ吸収剤への流入排気ガスの空燃比を単にリッチにしてもＮＯｘ吸収剤から放出されないため、ＮＯｘ吸収剤内のイオウの量は次第に増大することになり、このイオウの吸収量の増大に応じて、ＮＯｘ吸収剤が吸収しうるＮＯｘの量が次第に低下し、ついにはＮＯｘ吸収剤がＮＯｘをほとんど吸着できなくなってしまう。
【０００６】
なお、上述の特開平６−１１７２２５号には、このようなリーンＮＯｘ触媒の性能を低下させるイオウ等の浄化能力を低下させる被毒物質がＮＯｘ吸収剤に吸着される点については特に示唆されていない。
ＮＯｘ吸収剤に吸収されたイオウは、ＮＯｘ吸収剤を加熱することで分解してＮＯｘ吸収剤から放出され、しかも、この時、空燃比をリッチ化又はストイキオ状態とすると、ＮＯｘ吸収剤から放出されたイオウが排気ガス中の未燃のＨＣやＣＯによって直ちに還元される。
【０００７】
そこで、例えば特開平６−６６１２９号に開示された技術では、このような特性に着目して、ある特定条件が満たされた場合に、ＮＯｘ吸収剤を昇温させてさらにリッチ運転又はストイキオ運転を行なうことで、ＮＯｘ吸収剤からイオウを放出してさらに酸化処理をして排出するように構成している。この場合の特定条件とは、ＮＯｘ吸収剤に吸収されたイオウの量が所定量に達したことであり、また、ＮＯｘ吸収剤の加熱は、排気系に設置した電気ヒータを作動させることで行なうようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の従来の各技術では、次のような課題がある。
つまり、特開平６−１１７２２５号の技術では、イオウ等の浄化能力低下物質によるリーンＮＯｘ触媒の性能低下に対処できない。
また、特開平６−６６１２９号の技術では、排気系に電気ヒータ等の触媒を加熱するための装置が必要となり、コスト増や排気系の大型化を招来する。
【０００９】
ところで、触媒を加熱する手段として、触媒に燃料を供給して触媒の近傍でこの燃料を燃焼させるようにすることも考えられる。触媒に燃料を供給するには、空燃比をリッチ状態にして機関の運転を行なうことが考えられ、例えばリーン燃焼運転とリッチ燃焼運転とを繰り返して行なえば、コスト増や排気系の大型化を招来することなく触媒を所要の温度に加熱することができ、リーンＮＯｘ触媒から浄化能力低下物質を除去して触媒復活処理を行なうことができる。
【００１０】
しかしながら、走行中に、空燃比をリーンからストイキオ又はリッチに変化させると、トルク変動が生じて運転性能を悪化させるため、これを回避するには、このような触媒復活処理は低負荷領域や低回転領域では用いないようにすることになり、確実な触媒復活を行ないにくい。
さらに、走行中に、空燃比をリーンからストイキオ又はリッチに変化させると、燃費が悪化するという課題もある。
【００１１】
本発明は、上述の課題に鑑み創案されたもので、トルク変動を招来することのないようにしながら、リーンＮＯｘ触媒に吸着された浄化能力低下物質の除去を確実且つ適切に行なえるようにした、筒内噴射型内燃機関を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の本発明の筒内噴射型内燃機関は、内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁をそなえ、空燃比を理論空燃比よりも大きくしてリーン燃焼運転を行ないうる筒内噴射型内燃機関において、該燃焼室から排気ガスを排出する排気通路と、該排気通路に設置されてリーン燃焼運転時に排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収するリーンＮＯｘ触媒と、該内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段によって検出された該内燃機関の運転状態に基づいて、該燃焼室での燃焼のために行なう通常の燃料噴射とは別に該燃焼室での燃焼に影響しないように該内燃機関の排気行程で該燃料噴射弁を作動させて該リーンＮＯｘ触媒へ追加燃料を供給する燃料噴射弁制御手段とをそなえ、該燃料噴射弁制御手段は、該リーンＮＯｘ触媒の温度が該リーンＮＯｘ触媒に付着した浄化能力低下物質の分解可能な温度領域の下限値である所定温度未満の時には、該リーンＮＯｘ触媒を昇温させるために空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリーン側となるように噴射量を調整して該追加燃料の供給を行ない、該リーンＮＯｘ触媒の温度が該所定温度以上の時には、該リーンＮＯｘ触媒に付着した該浄化能力低下物質を分解してより害の少ない物質に還元するために空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチ側となるように噴射量を調整して該追加燃料の供給を行なうことを特徴としている。
【００１３】
かかる構成により、燃料噴射弁から燃焼室内に直接燃料を噴射しながら機関を運転し、空燃比を理論空燃比よりも大きくしてリーン燃焼運転を行なうことができる。
このような機関のリーン燃焼運転時には、排気ガス中に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）が排気通路に設置されたリーンＮＯｘ触媒によって吸収されて、ＮＯｘの排出が抑制される。
【００１４】
このようなリーンＮＯｘ触媒には、ＮＯｘの吸着に伴いながら次第に浄化能力低下物質が付着していくが、内燃機関の運転状態に基づきながら、燃料噴射弁制御手段が、適宜、機関の排気行程で燃料噴射弁を作動させてリーンＮＯｘ触媒へ追加燃料を供給する。
この追加燃料は、排気行程で燃料噴射弁から噴射されるので、燃焼室内での燃焼には用いられず排気とともにリーンＮＯｘ触媒へ供給される。このような追加燃料の一部は、高温の排気ガスの熱によりリーンＮＯｘ触媒に到達する過程で燃焼し、リーンＮＯｘ触媒に到達した燃料は、触媒作用を受けて燃焼する。この燃焼により、リーンＮＯｘ触媒が加熱され、リーンＮＯｘ触媒に付着していた浄化能力低下物質が分解され除去される。追加燃料噴射を排気行程内で行なうことで、追加燃料の噴射が、通常の燃焼室での燃焼に影響しないようになる。
また、リーンＮＯｘ触媒の温度がリーンＮＯｘ触媒に付着した浄化能力低下物質の分解可能な温度領域の下限値である所定温度未満の時には、リーンＮＯｘ触媒を昇温させことを目的にして、空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリーン側となるように噴射量を調整して追加燃料の供給を行ない、リーンＮＯｘ触媒の温度が所定温度以上の時には、リーンＮＯｘ触媒に付着した浄化能力低下物質を分解してより害の少ない物質に還元するために空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチ側となるように噴射量を調整することで、浄化能力低下物質の分解可能な温度領域外で追加燃料量を用いることなき効率よく追加燃料が供給される。
請求項２記載の本発明の筒内噴射型内燃機関は、請求項１記載の構成において、該内燃機関が複数の気筒を有し、該燃料噴射弁が各気筒毎に配設されるとともに、上記の複数の気筒のうちの少なくとも一部の気筒間で、それぞれの排気ポートの開放時期が部分的にオーバラップするように互いの作動位相が設定されて、該燃料噴射制御手段が、これらの排気ポートの開放時期が互いにオーバラップする気筒については、各気筒にそなえられた該燃料噴射弁を同時に作動させるように構成されていることを特徴としている。これにより、燃料噴射弁の駆動動作にかかる制御が減少する。
請求項３記載の本発明の筒内噴射型内燃機関は、内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁をそなえ、空燃比を理論空燃比よりも大きくしてリーン燃焼運転を行ないうる筒内噴射型内燃機関において、該燃焼室から排気ガスを排出する排気通路と、該排気通路に設置されてリーン燃焼運転時に排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収するリーンＮＯｘ触媒と、該内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段によって検出された該内燃機関の運転状態に基づいて、該燃焼室での燃焼のために行なう通常の燃料噴射とは別に該燃焼室での燃焼に影響しないように該内燃機関の排気行程で該燃料噴射弁を作動させて該リーンＮＯｘ触媒へ追加燃料を供給する燃料噴射弁制御手段とをそなえ、該内燃機関が複数の気筒を有し、該燃料噴射弁が各気筒毎に配設されるとともに、上記の複数の気筒のうちの少なくとも一部の気筒間で、それぞれの排気ポートの開放時期が部分的にオーバラップするように互いの作動位相が設定されて、該燃料噴射制御手段が、これらの排気ポートの開放時期が互いにオーバラップする気筒については、各気筒にそなえられた該燃料噴射弁を同時に作動させるように構成されていることを特徴としている。
【００１５】
請求項４記載の本発明の筒内噴射型内燃機関は、請求項１〜３の何れか１項に記載の構成において、該運転状態検出手段が、該リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量を推定し、該付着量が所定量に達したか否かを判定する付着量推定手段をそなえ、該燃料噴射弁制御手段が、該付着量推定手段により該リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量が所定量に達したと判定されると、該内燃機関の排気行程で該燃料噴射弁を作動させて該リーンＮＯｘ触媒へ該追加燃料の供給を行なうことを特徴としている。
【００１６】
かかる構成により、リーンＮＯｘ触媒には、ＮＯｘの吸着に伴いながら次第に浄化能力低下物質が付着していくと、この浄化能力低下物質の付着量を付着量推定手段が推定する。この付着量推定手段による推定に基づいてリーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量が所定量に達したと判定できたら、燃料噴射弁制御手段が、機関の排気行程で燃料噴射弁を作動させてリーンＮＯｘ触媒へ追加燃料を供給する。
【００１７】
請求項５記載の本発明の筒内噴射型内燃機関は、請求項４記載の構成において、該付着量推定手段が、該リーン燃焼運転中の吸入空気量の積算値に基づいて該リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量を推定するように構成されていることを特徴としている。
このような推定は以下のような考えによる。つまり、イオウ等の浄化能力低下物質はＮＯｘとともにリーンＮＯｘ触媒に付着するので、リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量は、ＮＯｘの吸収量、更にはリーン燃焼運転でのＮＯｘの発生量に対応すると推測できる。そして、このＮＯｘ発生量は、リーン燃焼運転時における吸入空気量に対応するものと考えられる。したがって、リーン燃焼運転中の吸入空気量の積算値に基づいて該リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量を推定することができる。
【００１８】
請求項６記載の本発明の筒内噴射型内燃機関は、請求項４記載の構成において、該付着量推定手段が、該リーン燃焼運転中の燃料消費量の積算値に基づいて該リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量を推定するように構成されていることを特徴としている。
このような推定は上述と同様に、イオウ等の浄化能力低下物質はＮＯｘとともにリーンＮＯｘ触媒に付着するので、リーンＮＯｘ触媒における浄化能力低下物質の付着量は、ＮＯｘの吸収量、更にはリーン燃焼運転でのＮＯｘの発生量に対応すると推測でき、このＮＯｘ発生量は、リーン燃焼運転時における燃料消費量に対応するものと考えられる。したがって、リーン燃焼運転中の燃料消費量の積算値に基づいて該リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量を推定することができる。
【００１９】
請求項７記載の本発明の筒内噴射型内燃機関は、請求項４記載の構成において、該付着量推定手段が、該リーン燃焼運転による走行距離の積算値に基づいて該リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量を推定するように構成されていることを特徴としている。
このような推定は上述と同様に、イオウ等の浄化能力低下物質はＮＯｘとともにリーンＮＯｘ触媒に付着するので、リーンＮＯｘ触媒における浄化能力低下物質の付着量は、ＮＯｘの吸収量、更にはリーン燃焼運転でのＮＯｘの発生量に対応すると推測でき、このＮＯｘ発生量は、リーン燃焼運転による走行距離に対応するものと考えられる。したがって、リーン燃焼運転による走行距離の積算値に基づいて該リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量を推定することができる。
【００２０】
請求項８記載の本発明の筒内噴射型内燃機関は、請求項４記載の構成において、該付着量推定手段が、該リーン燃焼運転による走行時間の積算値に基づいて該リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量を推定するように構成されていることを特徴としている。
このような推定は上述と同様に、イオウ等の浄化能力低下物質はＮＯｘとともにリーンＮＯｘ触媒に付着するので、リーンＮＯｘ触媒における浄化能力低下物質の付着量は、ＮＯｘの吸収量、更にはリーン燃焼運転でのＮＯｘの発生量に対応すると推測でき、このＮＯｘ発生量は、リーン燃焼運転による走行時間に対応するものと考えられる。したがって、リーン燃焼運転による走行時間の積算値に基づいて該リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量を推定することができる。
【００２２】
請求項９記載の本発明の筒内噴射型内燃機関は、請求項１〜８の何れか１項に記載の構成において、該燃料噴射弁制御手段が、一作動サイクル内の排気行程に該燃料噴射弁を複数回作動させながら複数回に分けて該追加燃料を噴射させるように構成されていることを特徴としている。このように、複数回に分けて追加燃料の噴射を行なうことにより、一回の噴射時間を短くでき、燃料噴射弁による長時間噴射で生じやすい燃料の噴射圧力の低下が回避され、噴射燃料の霧化が確実に行なわれるようになって、追加燃料を無駄なく且つ速やかに燃焼させることができる。
【００２３】
請求項１０記載の本発明の筒内噴射型内燃機関は、請求項１〜９の何れか１項に記載の構成において、該リーンＮＯｘ触媒の温度状態を検出する触媒温度状態検出手段をそなえ、該燃料噴射弁制御手段が、該追加燃料の供給開始後、該触媒温度状態検出手段の検出結果に基づいて該リーンＮＯｘ触媒の温度が所定温度以上の状態が所定時間以上に達したら該追加燃料の供給を停止するように構成されていることを特徴としている。
【００２４】
請求項１１記載の本発明の筒内噴射型内燃機関は、請求項１〜１０の何れか１項に記載の構成において、該リーンＮＯｘ触媒の温度状態を検出する触媒温度状態検出手段をそなえ、該燃料噴射弁制御手段は、該触媒温度状態検出手段の検出結果に基づいて、上記の噴射量の調整による上記追加燃料の供給を行なうことを特徴としている。
【００２５】
請求項１２記載の本発明の筒内噴射型内燃機関は、請求項１〜１１の何れか１項に記載の構成において、該リーンＮＯｘ触媒が、カリウム等のアルカリ金属，バリウム等のアルカリ土類及びランタン等の希土類の中の少なくともいずれか一つの成分を担持していることを特徴としている。
請求項１３記載の本発明の筒内噴射型内燃機関は、請求項１〜１２の何れか１項に記載の構成において、燃料噴射弁制御手段は、該リーンＮＯｘ触媒を該所定温度へ昇温させた後に、該リーンＮＯｘ触媒をリッチ雰囲気にすると発熱が多過ぎて過昇温してしまう場合には、該追加噴射を行なわずに、該燃焼室での燃焼のために行なう通常の燃料噴射により空燃比がストイキオ又はリッチとなるようにすることを特徴としている。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
まず、図１〜図７を参照して第１実施形態としての筒内噴射型内燃機関について説明する。
図２は、この筒内噴射型内燃機関を示す概略構成図であり、図２において、符号１は自動車用内燃機関（以下、エンジンという）のガソリンエンジン本体であり、燃焼室をはじめ吸気系や点火系等がリーン燃焼可能に構成されている。
【００２７】
エンジン本体１は、特に、各気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射エンジンとして構成されており、このため、各気筒には、その燃焼室２に噴射口を直接臨ませるようにして、燃料供給手段としての燃料噴射弁（インジェクタ）３が取り付けられている。
また、この実施形態では、このエンジン本体１が４気筒の直列エンジンとして構成されるが、気筒数はこれに限定されず、エンジン形式についてもＶ型エンジンや水平対抗エンジン等の種々のエンジンに適用できる。
【００２８】
そして、燃焼室２に吸気弁４を介して連通する吸気通路５は、各気筒毎に形成された吸気ポート５Ａと、これらの各吸気ポート５Ａに結合された吸気マニホールド５Ｂと、吸気マニホールド５Ｂの上流部に設けられたサージタンク５Ｃと、吸気マニホールド５Ｂの上流端に結合された吸気管５Ｄとから構成される。このような吸気通路５には、上流側から、エアクリーナ６，吸入空気量Ａｆを検出するエアフローセンサ７、スロットルバルブ８，ＩＳＣ（アイドルスピードコントロール）バルブ（図示略）が備えられている。また、エアクリーナ６のケース内には、吸気温度センサ９及び大気圧センサ１０が設けられている。
【００２９】
エアフローセンサ７としては例えばカルマン渦式エアフローセンサ等が用いられている。また、ＩＳＣバルブは、アイドリング回転数を制御するためのものであり、図示しないエアコンの作動等によるエンジン負荷Ｌｅの変動に応じてバルブ開度を調節して吸入空気量を変化させ、アイドリング運転を安定させる。また、このＩＳＣバルブは、後述する空燃比補正制御時には開弁側に作動し、空燃比補正の実施に伴う出力低下を補うように作用する。
【００３０】
また、燃焼室２に排気弁１１を介して連通する排気通路１２は、各気筒毎に形成された排気ポート１２Ａと、これらの各排気ポート１２Ａに結合される排気マニホールド１２Ｂと、排気マニホールド１２Ｂの上流側に結合される排気管１２Ｃとから構成される。このような排気通路１２には、排気ガス浄化触媒（以下、触媒という）１３が設置されている。
【００３１】
触媒１３は、例えば車両の床下に設置された床下触媒として構成されており、リーンＮＯｘ触媒１３Ａと三元触媒１３Ｂとの２つの触媒を備え、リーンＮＯｘ触媒１３Ａの方が三元触媒１３Ｂよりも上流側に配設されている。リーンＮＯｘ触媒１３Ａは、ＮＯｘ吸収剤が設けられており、空燃比のリーンな状態での運転（リーン燃焼運転）の際のような酸化雰囲気においてＮＯｘ（窒素酸化物）を吸着させ、ＨＣ（炭化水素）の存在する還元雰囲気では、ＮＯｘをＮ2 （窒素）等に還元させる機能を持つものである。
【００３２】
このＮＯｘ触媒１３Ａとしては、例えば、耐熱劣化性を有するＰｔとランタン，セリウム等のアルカリ希土類からなる触媒が使用されている。一方、三元触媒１３Ｂは、ＨＣ、ＣＯ（一酸化炭素）を酸化させるとともに、ＮＯｘを還元する機能をもっており、この三元触媒１３ＢによるＮＯｘの還元は、理論空燃比（１４．７）付近において最大に促進されるようになっている。
【００３３】
この触媒１３の上流側の燃焼室２に近い箇所には空燃比センサ１４が装備されている。この空燃比センサ１４としては、例えばリニアＡ／Ｆセンサ（全域空燃比センサ）が用いられており、燃焼室２から排出された排気の酸素濃度に基づいて燃焼室２へ供給された混合気の空燃比を広い領域で検出できるようになっている。
【００３４】
また、触媒１３の下流側の触媒１３に近い箇所には酸素センサ１５が装備されている。この酸素センサ１５は、触媒１３から排出された排気の酸素濃度に基づいて触媒１３のうち特にリーンＮＯｘ触媒１３Ａへ供給された混合気の空燃比が理論空燃比よりも高いか否かを検出できるものであればよい。
さらに、触媒１３には触媒本体の温度を検出する触媒温度センサ１６が設けられている。この触媒温度センサ１６は、触媒ベッド（図示略）を通じて触媒本体の温度を検出するようになっており、特に、ＮＯｘ触媒１３Ａの温度を高温域まで検出できる高温センサとして構成されている。なお、触媒温度センサ１６は、エンジン１からの排気温度を推定する排気温度推定手段としても機能可能である。
【００３５】
また、エンジン本体１には、吸気ポート５Ａから燃焼室２に供給された空気と燃焼室２内にインジェクタ３から供給された燃料との混合気に着火するための点火プラグ１７が各気筒毎に配置されている。また、１８はスロットルバルブ７の開度θTHを検出するスロットル開度センサ（スロットルセンサ）、１９は冷却水温ＴＷを検出する水温センサである。
【００３６】
そして、このようなエンジンにおける空燃比制御や、点火時期制御や、吸気量制御や、後述する排気ガス浄化触媒１３に関する制御等を行なうために、ＥＣＵ（電子制御ユニット）２３が設置されている。
このＥＣＵ２３のハードウエア構成は、図３に示すようになるが、このＥＣＵ２３はその主要部としてＣＰＵ２７をそなえており、このＣＰＵ２７へは、上述の吸気温センサ９，大気圧センサ１０，空燃比センサ１４，酸素センサ１５，触媒温度センサ１６，スロットルセンサ１８，水温センサ１９からの検出信号の他に、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルポジションセンサ２４，バッテリの電圧を検出するバッテリセンサ２５，車両の走行距離を車速パルスの積算値等によりカウントする距離メータ２６からの各検出信号も入力インタフェイス２８およびアナログ／デジタルコンバータ３０を介して入力されるようになっている。
【００３７】
さらに、エアフローセンサ７，始動時を検出するクランキングスイッチ〔あるいはイグニッションスイッチ（キースイッチ）〕２０，カムシャフトと連動するエンコーダからクランク角同期信号θCRを検出するクランク角センサ２１，第１気筒（基準気筒）の上死点を検出するＴＤＣセンサ（気筒判別センサ）２２，アイドルスイッチ３３，イグニッションスイッチ等からの検出信号が入力インタフェイス２９を介して入力されようになっている。
【００３８】
なお、エンジン回転速度（エンジン回転数）Ｎｅは、クランク角センサ２１が検出するクランク角同期信号θCRの発生時間間隔から演算されるため、クランク角度を検出するクランク角センサ２１はエンジン回転数を検出する回転数センサも兼ねている。また、このクランク角センサ２１およびＴＤＣセンサ２２はそれぞれディストリビュータに設けられている。
【００３９】
さらに、ＣＰＵ２７は、バスラインを介して、プログラムデータや固定値データを記憶するＲＯＭ３１，更新して順次書き替えられるＲＡＭ３２，フリーランニングカウンタ４８およびバッテリが接続されている間はその記憶内容が保持されることによってバックアップされたバッテリバックアップＲＡＭ（図示せず）との間でデータの授受を行なうようになっている。
【００４０】
なお、ＲＡＭ３２内データはイグニッションスイッチをオフすると消えてリセットされるようになっている。
また、図３では、特に燃料噴射制御に関する部分を中心に示しているが、ＣＰＵ２７で演算結果に基づく燃料噴射制御信号は、各気筒毎の（ここでは、４つの）噴射ドライバ（燃料噴射弁駆動手段）３４に送られ、噴射ドライバ３４が、インジェクタ３のソレノイド（インジェクタソレノイド）３ａ（正確には、インジェクタソレノイド３ａ用のトランジスタ）へのバッテリからの電力供給をオンオフ制御しながらインジェクタ３を開閉させるようになっている。
【００４１】
今、燃料噴射制御（空燃比制御）に着目すると、ＣＰＵ２７で演算された燃料噴射用制御信号がドライバ３４を介して出力され、例えば４気筒エンジンであれば４つのインジェクタ３を順次駆動させてゆくようになっている。
そして、上述のような筒内噴射エンジンの特徴から、このエンジンでは、燃料噴射の態様として、リーン燃焼による運転（リーン運転）を実現するために圧縮行程後期で燃料噴射を行なう後期噴射モードと、理論空燃比燃焼による運転（理論空燃比運転又はストイキオ運転）を実現するために吸気行程の初期又は前期には燃料噴射を終える前期噴射モードとが設けられている。この理論空燃比運転時には、供給すべき燃料量が多い場合には、排気行程の後期又は終期から燃料噴射を始めて吸気行程の初期又は前期にかけて燃料噴射を終える場合もある。
【００４２】
ＥＣＵ２３の機能のうち本筒内噴射型内燃機関の特徴とするリーンＮＯｘ触媒に関する部分について説明すると、図１に示すように、ＥＣＵ２３には、リーン燃焼運転領域判定手段１０１と、付着量推定手段１０２と、燃料噴射弁制御手段１０３とがそなえられている。
このうち、リーン燃焼運転領域判定手段１０１は、エンジン回転数センサ（クランク角センサ）２１で検出されたエンジン回転数Ｎｅの情報と、スロットルセンサ１８で検出されたスロットル開度θTHの情報とに基づいて、例えば、低負荷域や低回転域ではリーン燃焼運転モードとしてリーン燃焼運転を行ない、高負荷域や高回転域では理論空燃比又はリッチ燃焼運転のモードとして理論空燃比運転又はリッチ燃焼運転を行なうようになっている。
【００４３】
付着量推定手段１０２は、リーンＮＯｘ触媒１３Ａへ付着したイオウ等の浄化能力低下物質（被毒物質）の付着量を推定する機能（付着量推定部）１０２Ａと、この推定値からイオウ等の浄化能力低下物質の付着量が所定の限度量に達したことを判定する機能（付着限度判定部）１０２Ｂとを有する。
つまり、燃料や機関の潤滑油内にはイオウが含まれているため排気ガス中にも硫酸塩等のイオウ分（以下、単にイオウという）が含まれ、このイオウもＮＯｘとともにＮＯｘ吸収剤に吸収されて、このイオウの吸収量の増大に応じて、ＮＯｘ吸収剤が吸収しうるＮＯｘの量の低下、即ち浄化能力低下が生じる。
【００４４】
しかしながら、リーンＮＯｘ触媒１３Ａに実際の付着したイオウ等の浄化能力低下物質の量を検出するのは困難である。
そこで、付着量推定手段１０２の付着量推定部１０２Ａでは、このイオウ等の浄化能力低下物質の付着量に対応すると考えられる量をパラメータとして浄化能力低下物質の付着量を推定するようにしているのである。
【００４５】
つまり、このようなイオウ等の付着量は、リーン燃焼運転時の排気ガスの浄化の量に対応するものと考えられ、リーン燃焼運転領域判定手段１０１からのリーン運転情報を前提に、例えばリーン燃焼運転中の吸入空気量の積算値、又は、リーン燃焼運転中の燃料消費量の積算値に基づいて、このようにリーンＮＯｘ触媒１３Ａに付着するイオウ等の浄化能力低下物質の付着量を推定することができるほか、より簡単には、リーン燃焼運転による走行距離やリーン燃焼運転による走行時間（リーン燃焼運転時間）でも推定することができる。
【００４６】
なお、リーン燃焼運転中の吸入空気量の積算値は、リーン燃焼運転中のエアフローセンサのパルス数ＡＰLEANで求めることができ、リーン燃焼運転中の燃料消費量の積算値は、リーン燃焼運転中のインジェクタ駆動時間ＴLEANで求めることができる。また、リーン燃焼運転による走行距離は、リーン燃焼運転中の走行距離メータ２６からのカウント情報ＤLEANを積算していくことで求めることができ、リーン燃焼運転時間は、リーン燃焼運転中にタイマを作動させてこのカウント情報ＴＲLEANから求めることができる。
【００４７】
ここでは、付着量推定部１０２Ａで、これらのエアフローセンサのパルス数ＡＰLEAN，インジェクタ駆動時間ＴLEAN，走行距離メータカウント情報ＤLEAN，又はタイマカウント情報ＴＲLEANのいずれかを積算していく。
そして、付着限度判定部１０２Ｂでは、かかる積算値（リーン状態積算値）ＡＰLEAN，ＴLEAN，ＤLEAN，又はＴＲLEANが、予め設定された閾値ＡＰ０，Ｔ０，Ｄ０，又はＴＲ０以上になったら、リーンＮＯｘ触媒１３Ａにイオウ等の浄化能力低下物質が限度量まで付着したと判定して、この場合には、リーンＮＯｘ触媒１３Ａからイオウ等の浄化能力低下物質を除去して触媒１３Ａの能力を復活（又は再生）させるための触媒復活信号（又は触媒再生信号）を出力するようになっている。
【００４８】
燃料噴射弁制御手段１０３は、燃料噴射弁３を制御するための２つの機能、即ち、通常燃料噴射制御部１０４と触媒復活用燃料噴射制御部１０５とを有し、通常燃料噴射制御部１０４では、燃焼室２での燃焼のための燃料噴射制御（吸気行程〜圧縮行程にかけての噴射）を行なうが、触媒復活用燃料噴射制御部１０５では、触媒復活のため制御、即ち、リーンＮＯｘ触媒１３Ａを加熱するとともにリッチ又はストイキオ雰囲気下におくための燃料噴射の制御を行なう。
【００４９】
この触媒復活用燃料噴射制御部１０５では、リーンＮＯｘ触媒１３Ａに燃料を供給することで、燃料の燃焼によりリーンＮＯｘ触媒１３Ａを昇温させ、リーンＮＯｘ触媒１３Ａが所定温度に昇温した後には、リーンＮＯｘ触媒１３Ａをリッチ又はストイキオ雰囲気下におくために、空燃比が理論空燃比以下の比較的燃料リッチな混合気をリーンＮＯｘ触媒１３Ａに供給するように制御を行なう。
【００５０】
特に、この触媒復活制御では、燃焼室２での燃焼に影響しないように、この触媒へ供給するための燃料噴射は、図６に示すように、各気筒の排気行程内（具体的には、膨張行程末期から排気行程の間）の排気弁５の開放中に行なわれるようになっている。なお、図６中に示す吸気行程での噴射は燃焼室２での燃焼のために行なう通常の燃料噴射である。また、触媒復活制御のために供給する燃料を通常の燃焼室２での燃焼のために供給する燃料と区別して、追加燃料という。
【００５１】
この触媒復活用燃料噴射制御部１０５には、触媒復活制御（追加燃料制御）の開始及び終了を判定する機能（開始・終了判定部）１０５Ａ、及び、触媒復活制御時に、リーンＮＯｘ触媒１３Ａへの供給ガスを、リーン側（リーン又はストイキオ）の状態となるように追加燃料噴射量を設定するか、リッチ側（リッチ又はストイキオ）の状態となるように追加燃料噴射量を設定する機能（追加燃料噴射量設定部）１０５Ｂがそなえられる。
【００５２】
開始・終了判定部１０５Ａでは、上述のような付着量推定手段１０２からの触媒復活信号を受けると触媒復活制御を開始すべきと判定して、触媒復活制御の開始後に、リーンＮＯｘ触媒１３Ａが第１所定温度（例えば６５０°Ｃ）に昇温して且つリッチ又はストイキオ状態にある時間の積算値が所定時間（例えば６００秒）以上になった場合、又はリーンＮＯｘ触媒１３Ａが第１所定温度よりも高い第２所定温度（例えば７５０°Ｃ）まで昇温した場合に、触媒復活が完了し触媒復活制御を終了すべきと判定する。なお、リーンＮＯｘ触媒１３Ａの温度は触媒温度センサ１６で求められ、時間の積算値は、所要条件下でタイマ３６を作動させて得られるタイマ値で求められる。
【００５３】
追加燃料噴射量設定部１０５Ｂでは、リーンＮＯｘ触媒１３Ａの温度が第１所定温度（例えば６５０°Ｃ）未満の時には、リーン側（リーン又はストイキオ）の状態となるように酸素センサ１５からの検出情報に基づくフィードバック制御により追加燃料噴射量を設定し、リーンＮＯｘ触媒１３Ａの温度が第１所定温度（例えば６５０°Ｃ）以上の時には、リッチ側（リッチ又はストイキオ）の状態となるように酸素センサ１５からの検出情報に基づくフィードバック制御により追加燃料噴射量を設定する。
【００５４】
このような復活モード制御時に、リーンＮＯｘ触媒１３Ａの温度に応じて追加燃料噴射量を調整するのは、リーンＮＯｘ触媒１３Ａの温度が第１所定温度未満の時にはリーンＮＯｘ触媒１３Ａを加熱して昇温させるための燃料供給を行ない、リーンＮＯｘ触媒１３Ａの温度が第１所定温度以上の時にはリーンＮＯｘ触媒１３Ａに付着したイオウ等の浄化能力低下物質（被毒物質）を分解してより害の少ない物質に還元して排出させようとするための燃料供給である。
【００５５】
つまり、燃料や機関の潤滑油内に含まれたイオウＳは最終的に硫酸酸バリウムＢ2 ＳＯ4 のような分解しにくい硫酸塩としてリーンＮＯｘ触媒１３ＡのＮＯｘ吸収剤に吸着しており、この硫酸塩は単に排気ガスの空燃比をリッチ側（リッチ又はストイキオ）としただけでは分解されない。しかし、この硫酸塩は、リーンＮＯｘ触媒１３ＡのＮＯｘ吸収剤が所要の温度まで昇温すると分解して硫酸イオンＳＯ42- が三酸化イオウＳＯ3 のかたちでＮＯｘ吸収剤から放出される。
【００５６】
そして、このようにＮＯｘ吸収剤から放出された三酸化イオウＳＯ3 を二酸化イオウＳＯ2 に還元して放出するには、未燃ガスをリーンＮＯｘ触媒１３Ａに供給すればよい。そこで、空燃比がリッチ又はストイキオの排気ガスがリーンＮＯｘ触媒１３Ａに供給されるように追加燃料の噴射量を調整して、排気ガス中の未燃のＨＣやＣＯによって還元作用が得られるようにしているのである。
【００５７】
なお、開始・終了判定部１０５Ａによる触媒復活の完了判定を、触媒１３Ａが第１所定温度以上に所定時間ある場合としているが、これは、触媒１３Ａが所定の温度状態におかれるとその時間に応じて硫酸塩が分解するので予めこのような特性を調べて第１所定温度及び所定時間を設定する。また、触媒復活の完了判定を、触媒１３Ａが第２所定温度以上になった場合としているが、これは触媒１３Ａの過昇温を防ぐ目的とともに、触媒１３Ａが第２所定温度以上に十分に高まったら既にＮＯｘ吸収剤から十分な硫酸塩が分解・放出されたと推定できるからである。
【００５８】
本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内燃機関は、上述のように構成されるため、その触媒復活制御（追加燃料制御）は例えは図４，図５に示すように行なわれる。
図４に示す制御は、触媒の復活が完了したら開始されて、予め設定された所定の制御周期で行なわれるが、まず、リーン燃焼運転領域判定手段１０１からの運転情報に基づいてリーン運転が成立しているか否かを判定して（ステップＡ１０）、リーン運転が成立していなければ何ら行なわないが、リーン運転が成立しているときには、ステップＡ２０に進んで、例えばリーン燃焼運転中の吸入空気量（エアフローセンサのパルス数ＡＰLEAN）、又はリーン燃焼運転中の燃料消費量（インジェクタ駆動時間ＴLEAN）、又はリーン燃焼運転による走行距離ＤLEAN、又は、リーン燃焼運転による走行時間ＴＲLEANをモニターしながら、その積算値（リーン状態積算値）ΣＡＰLEAN，ΣＴLEAN，ΣＤLEAN，又はΣＴＲLEANを算出する。以下、これらのリーン状態積算値についても、ＡＰLEAN，ＴLEAN，ＤLEAN，又はＴＲLEANと表記する。
【００５９】
ついで、ステップＡ３０に進んで、リーン状態積算値ＡＰLEAN，ＴLEAN，ＤLEAN，又はＴＲLEANが、予め設定された閾値ＡＰ０，Ｔ０，Ｄ０，又はＴＲ０以上になったか否かを判定する。なお、閾値のうち例えば走行距離の閾値Ｄ０は５０００ｋｍ程度に設定することができる。
リーン状態積算値ＡＰLEAN，ＴLEAN，ＤLEAN，又はＴＲLEANが閾値に達するまでは、ステップＡ１０，Ａ２０，Ａ３０を繰り返していき、リーン状態積算値ＡＰLEAN，ＴLEAN，ＤLEAN，又はＴＲLEANが閾値に達したら、復活モードの開始と判定して、ステップＡ４０に進んで、復活モードの制御を行なう。
【００６０】
この復活モード制御は、図５に示すように、リーンＮＯｘ触媒１３Ａの温度が第１所定温度（例えば６５０°Ｃ）以上あるか否かを判定して（ステップＢ１０）、リーンＮＯｘ触媒１３Ａの温度が第１所定温度以上なければ、リーンＮＯｘ触媒１３Ａへ供給される排気ガスがリーン側（リーン又はストイキオ）の状態となるように酸素センサ１５からの検出情報に基づくフィードバック制御により追加燃料噴射量を調整する（ステップＢ３０）。また、リーンＮＯｘ触媒１３Ａの温度が第１所定温度以上になったら、リーンＮＯｘ触媒１３Ａへ供給される排気ガスがリッチ側（リッチ又はストイキオ）の状態となるように酸素センサ１５からの検出情報に基づくフィードバック制御により追加燃料噴射量を調整する（ステップＢ２０）。
【００６１】
このような復活モード制御時には、例えば図６に示すように、復活モードの開始判定後、直近の気筒から各気筒の排気行程での燃料噴射を開始するが、この追加燃料の噴射時にリーンＮＯｘ触媒１３Ａの温度が低くて第１所定温度に達していなければ、単にリーンＮＯｘ触媒１３Ａを加熱して昇温させるために追加燃料を噴射する。このときに噴射される追加燃料の一部は、リーンＮＯｘ触媒１３Ａに到達する前に排気通路１２内で排気ガスの高熱によって燃焼し、その他の追加燃料は、リーンＮＯｘ触媒１３Ａに到達してリーンＮＯｘ触媒１３Ａの触媒作用で無駄なく完全に燃焼する。
【００６２】
また、リーンＮＯｘ触媒１３Ａの温度が高まり第１所定温度に達したら、例えば図７に示すように、リーンＮＯｘ触媒１３Ａにリッチ又はストイキオの排気ガスが供給されるように追加燃料を適宜増量して噴射する。このようにリーンＮＯｘ触媒１３Ａを所要の温度まで昇温させると、リーンＮＯｘ触媒１３Ａに吸着している硫酸塩等の浄化能力低下物質（被毒物質）が分解して放出され、さらに、放出された分解物（例えば三酸化イオウＳＯ3 ）は、追加燃料噴射によるリッチ又はストイキオの排気ガス中の未燃のＨＣやＣＯによってより害の少ない物質（例えば二酸化イオウＳＯ2 ）に還元されて排出される。
【００６３】
そして、このようにリーンＮＯｘ触媒１３Ａの温度が高まり第１所定温度（例えば６５０°Ｃ）に達した際には、図４のステップＡ６０に示すように、この触媒１３Ａの温度が第１所定温度以上の状態（触媒復活中の状態）の時間を積算して、この積算値が所定時間（例えば６００秒）に達したか否かを判定する（ステップＡ７０）。
【００６４】
このように、触媒１３Ａの温度が第１所定温度以上の状態の積算時間が所定時間に達したら触媒の復活が完了したとして（ステップＡ９０）、復活モードを終了する。また、触媒温度が第１所定温度以上の状態の積算時間が所定時間に達しなくても、触媒１３Ａの温度が第２所定温度（例えば７５０°Ｃ）以上になったか否かを判定して（ステップＡ８０）、触媒１３Ａの温度が第２所定温度（例えば７５０°Ｃ）以上になったら、触媒の復活が完了したとして（ステップＡ９０）、復活モードを終了する。そして、復活モードの終了時には、リーン状態積算値ＡＰLEAN，ＴLEAN，ＤLEAN，又はＴＲLEANを０にクリヤする（ステップＡ１００）。
【００６５】
このようにして、リーンＮＯｘ触媒１３Ａにイオウ等の浄化能力低下物質（被毒物質）が付着したら、触媒復活制御により、付着したイオウ等の浄化能力低下物質をより害の少ない物質に還元させながら除去していくので、復活制御時の排気ガス自体を浄化しながら、リーンＮＯｘ触媒１３ＡのＮＯｘ吸収能力を復活させることができ、リーン運転時等に排気ガス中に生じるＮＯｘを確実に吸収できるようになる。
【００６６】
特に、通常の燃焼のための燃料噴射とは切り離して、排気行程噴射により復活制御即ち加熱制御を行なうため、通常の燃焼に影響させずに、従って、トルク変動を生じさせることなく、復活制御を行なうことができる。
このため、例えば走行中にリーン運転中などの低負荷領域や低回転領域でもドライバに違和感を与えないでリーンＮＯｘ触媒の復活制御を行なうことができるという利点がある。
【００６７】
また、排気行程噴射によると、噴射燃料は燃焼室での燃焼にはほとんど供されることなく未燃の状態で排気ガスとともに触媒にほぼ直接的に供給されるため、少ない追加燃料で速やかに触媒の活性を促進して、復活を完了することができる利点がある。
さらに、排気行程噴射によると、復活制御を行なっている場合であっても、通常の燃料噴射（即ち、排気行程の末期から吸気行程での燃料噴射）の制御については、追加燃料噴射を行なっている場合であっても行なっていない場合であっても、同様に行なうことができる。
【００６８】
なお、復活モード開始の基準となるリーン状態積算値ＡＰLEAN，ＴLEAN，ＤLEAN，又はＴＲLEANの閾値ＡＰ０，Ｔ０，Ｄ０，又はＴＲ０は、リーンＮＯｘ触媒１３Ａへの浄化能力低下物質の付着特性等を調べてこの結果に基づいて設定することができ、また、復活モード終了の基準となる所定温度領域でのリッチ又はストイキオの排気ガス供給時間もリーンＮＯｘ触媒１３Ａの復活特性を調べてこの結果に基づいて設定することができる。
【００６９】
また、復活モード時に通常のエンジン運転への悪影響がないので、復活モード開始の基準となるリーン状態積算値ＡＰLEAN，ＴLEAN，ＤLEAN，又はＴＲLEANの閾値ＡＰ０，Ｔ０，Ｄ０，又はＴＲ０を安全側の小さな値に設定して、イオウ分等が過剰に滞留することのないように小まめに復活制御を行なうようにすることもできる。
【００７０】
また、リーンＮＯｘ触媒１３Ａの昇温段階では、空燃比がリーン又はストイキオ状態になるように排気行程の追加燃料噴射を行なうため、燃料を効率的に使用しながら触媒の復活制御を行なうことができるという利点がある。
さらに、触媒温度が第２所定温度以上となったら復活完了と判定するので、触媒の過昇温も防止することができる。
【００７１】
勿論、装置に触媒加熱用のヒータ等のハード構成を追加することなく触媒９の昇温を行なえるので、コスト増を抑制しながら触媒復活を実現できる。
なお、リーンＮＯｘ触媒１３Ａの第１設定温度への昇温後に、リーンＮＯｘ触媒１３Ａをリッチ雰囲気にすると発熱が多過ぎて過昇温してしまう場合に、エンジンそのものをストイキオ又はリッチで運転するようにして排気行程噴射を実施しないようにしてもよい。
【００７２】
つまり、エンジン本体がリーン状態で運転している場合、その排気ガスは酸素過多状態であり、ここで排気行程噴射を行なえば、排気系内の余剰酸素と追加燃料とが反応して発熱する。また、リーンＮＯｘ触媒やその後段の三元触媒でも反応して発熱する。
これらの発熱により、触媒が過昇温してしまうことが考えられるが、この過昇温を防止するには排気系内の余剰酸素と追加燃料との反応による発熱を抑制すればよい。
【００７３】
すなわち、エンジン本体をストイキオ又はリッチ状態で運転する一方で、排気行程噴射による追加燃料の噴射を実施しないようにすると、リーンＮＯｘ触媒や三元触媒はエンジン本体のストイキオ又はリッチ状態での運転による発熱量で過昇温することなく第１設定温度に保たれて、所定時間が経過することになり、触媒の復活が完了するのである。
【００７４】
もちろん、上述のように、リーンＮＯｘ触媒１３Ａの第１設定温度への昇温後にリッチ雰囲気にしても過昇温しなければ、エンジンそのものをリーン運転しながら、追加燃料でリーンＮＯｘ触媒１３Ａへ供給される排気ガスがストイキオ又はリッチとなるように運転することができる。
次に、本発明の第２実施形態としての筒内噴射型内燃機関について説明すると、本実施形態でも、第１実施形態と同様に、ＥＣＵ２３に、リーン燃焼運転領域判定手段１０１と、付着量推定手段１０２と、燃料噴射弁制御手段１０３とがそなえられており、触媒の復活制御が行なわれるようになっているが、ここでは、触媒の復活、即ち追加燃料噴射が、図８に示すように、同一行程内の追加燃料の噴射を複数回（ここでは、２回）に分けて行なえるようになっている。
【００７５】
ここでは、追加燃料の噴射時間ｔexを予め設定された所定時間（閾値）ｔ0 と比較し、噴射時間ｔexが閾値ｔ0 未満なら噴射回数を１回に設定し、噴射時間ｔexが閾値ｔ0 以上なら噴射回数を２回に設定するようになっている。
このように、燃料を複数回（ここでは、２回）に分けて行なうのは、以下の理由による。
【００７６】
つまり、追加燃料を一度に長時間に噴射すると、当然一度に多量の燃料が噴射されることになり、噴射後期で燃料圧力が低下して、噴射初期に比べて霧化状態が悪化して、噴射燃料が均一に混ざらないおそれがある。この場合には、追加燃料として排気行程中に噴射された燃料の一部が未燃のまま排出されることになり、触媒１３Ａの昇温化や活性化のための燃料効率が低下してしまう。
【００７７】
もちろん、一作動サイクルの排気行程内で噴射したい追加燃料量がはじめから少なければ、このようなおそれはない。
そこで、上述のような霧化状態の悪化を招くおそれがあるほどに、一作動サイクルの排気行程内で噴射したい追加燃料量が多い場合には、燃料噴射を開始したら、噴射後期の燃圧低下が僅かなうちに一旦燃料噴射を停止して、僅かなインターバルをおいて再び燃料噴射を行なうようにしているのである。
【００７８】
したがって、噴射回数を判定するための閾値ｔ0 は、このような一定以上の燃圧低下を招くおそれのある範囲を規定するように設定されている。
なお、追加燃料の噴射時間（一作動サイクル内での全噴射時間）ｔexは、エンジン回転数（エンジン回転速度）Ｎｅ等に応じて設定することができ、例えばエンジン回転数Ｎｅが高いほど噴射時間ｔexを短く設定することが考えられる。
【００７９】
これは、エンジン回転数Ｎｅが高いほど、一作動サイクルに要する時間が短くなるため、一作動サイクルにおける排気行程も短くなり、排気行程内において燃料噴射を行なえる時間も短くなる。したがって、エンジン回転数Ｎｅが高いほど追加燃料の噴射時間ｔexを短くしているのである。
また、噴射回数が２回の場合には、第１回目の噴射時間ｔex1 よりも第２回目の噴射時間ｔex2 が短くなるように各噴射時間ｔex1 ，ｔex2 を設定するようにしてもよい。このように、後の噴射回の方の噴射時間を短くしているのは、以下の理由による。
【００８０】
つまり、この排気ガスは排気行程のはじめには爆発直後のため高温で酸素も含まれている。このため、追加燃料の噴射量が比較的多くても燃料の霧化及び燃焼が速やかで確実に行なわれる。しかし、排気行程内での時間経過とともに、排気ガス温度は次第に低下して排気ガス中に含まれる酸素も次第に減少して、燃料の噴射量が多いと燃料の霧化及び燃焼を速やかで確実に行なわせにくくなる。
【００８１】
そこで、後の噴射回ほど短い噴射時間に設定して、追加燃料の霧化及び燃焼が速やかで確実に行なえるようにしているのである。
なお、この他の部分の構成は、第１実施形態と同様になっているので説明は省略する。
本発明の第２実施形態の筒内噴射型内燃機関は、上述のように構成されるので、第１実施形態とほぼ同様な作用及び効果が得られ、特に、追加燃料を分割して噴射することで燃料効率が向上して、より効率よく、低コストで速やかに触媒の復活を行なうことができる利点がある。
【００８２】
次に、本発明の第３実施形態としての筒内噴射型内燃機関について説明すると、この実施形態にかかる内燃機関（エンジン）は、１２気筒をそなえており、例えばＶ型１２気筒エンジンとして構成されている。勿論、このエンジンも、火花点火式の４サイクルエンジンであって、気筒内で燃料を直接噴射する筒内噴射エンジンとして構成されている。
【００８３】
この実施形態でも、第１実施形態と同様に、ＥＣＵ２３に、リーン燃焼運転領域判定手段１０１と、付着量推定手段１０２と、燃料噴射弁制御手段１０３とがそなえられており、触媒の復活制御が行なわれるようになっているが、この実施形態では、触媒の復活、即ち追加燃料噴射を複数気筒で同時に行なうようになっている。
【００８４】
つまり、気筒数の多いエンジンでは、複数の気筒間で排気行程がオーバラップ（重合）することがある。例えば、本実施形態のように１２気筒エンジンであれば、図９に示すように、同時に３つの気筒で排気行程がオーバラップする。
本実施形態では、１２気筒を、それぞれ互いに排気行程のオーバラップする３つの気筒からなる４つのグループに分けて、各グループ毎に、排気行程における追加燃料噴射を行なうようになっている。
【００８５】
この例では、図９に示すように、第１気筒（＃１）と第２気筒（＃２）と第９気筒（＃９）とのグループ（第１グループ）、第１０気筒（＃１０）と第５気筒（＃５）と第６気筒（＃６）とのグループ（第２グループ）、第１１気筒（＃１１）と第１２気筒（＃１２）と第３気筒（＃３）とのグループ（第３グループ）、第４気筒（＃４）と第７気筒（＃７）と第８気筒（＃８）とのグループ（第４グループ）、の４つのグループに分けており、各グループの気筒では、同時に排気行程における追加燃料噴射を行なうようになっているのである。
【００８６】
ところで、各グループ内の複数の気筒は、図９に示すように、いずれも同時に排気行程となる期間があるが、この期間は当然ながら単一の気筒の排気行程よりも短く、本実施形態のように１２気筒の場合には、グループ内の各気筒で排気行程の共通する期間は、単一の気筒の排気行程期間のほぼ三分の一である。
そこで、グループ内の各気筒がいずれも排気行程の時に追加燃料噴射が行なわれるように、噴射時間ｔexを制限するように構成されている。つまり、エンジン回転数Ｎｅに応じて噴射時間ｔexの上限値ｔex（Ｎｅ）MAX を、図９にグループ噴射の領域を示す破線で規定されるクランク角の変位量分に設定されており、噴射時間ｔexをこの上限値ｔex（Ｎｅ）MAX で制限することでグループ内の各気筒がいずれも排気行程の時に追加燃料噴射が行なわれるようになっている。
【００８７】
この他の部分については、第１実施形態と同様に構成されている。
本発明の第３実施形態としての筒内噴射型内燃機関は、上述のように構成されているので、同時に排気行程となる複数（ここでは、３つ）の気筒単位のグループで、各気筒がいずれも排気行程にあるときに限定しながら同時に追加燃料噴射を行なうので、第１実施形態と同様な作用および効果が得られる上に、燃料噴射弁を制御するためのＣＰＵの負荷を低減できて、ＣＰＵにかかるコストを低減できる利点もある。
【００８８】
なお、上述の実施形態では、浄化能力低下物質の付着量を推定して触媒の復活のための制御（排気行程燃料噴射制御又は追加燃料制御）を行なっているが、浄化能力低下物質の付着量を推定しないで、例えば単に所定時間が経過する毎にこの触媒復活用燃料噴射制御を行なったり、エンジンの運転状態に応じた時間間隔等によって触媒復活用燃料噴射制御を行なったりしてもほぼ同様の作用及び効果を得ることができる。
【００８９】
なお、リーンＮＯｘ触媒は、上記の実施形態のものに限定されるものでなく、カリウム等のアルカリ金属，バリウム等のアルカリ土類及びランタン等の希土類の中の少なくともいずれか一つの成分を担持するもの等、他の構成のものでもよい。
【００９０】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１，３記載の本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁をそなえ、空燃比を理論空燃比よりも大きくしてリーン燃焼運転を行ないうる筒内噴射型内燃機関において、該燃焼室から排気ガスを排出する排気通路と、該排気通路に設置されてリーン燃焼運転時に排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収するリーンＮＯｘ触媒と、該内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段によって検出された該内燃機関の運転状態に基づいて、該燃焼室での燃焼のために行なう通常の燃料噴射とは別に該燃焼室での燃焼に影響しないように該内燃機関の排気行程で該燃料噴射弁を作動させて該リーンＮＯｘ触媒へ追加燃料を供給する燃料噴射弁制御手段とをそなえるという構成により、通常の燃焼室での燃焼に影響しないようにしてトルク変動を招来することのないようにしながら、リーンＮＯｘ触媒に付着した浄化能力低下物質を分解・除去して、リーンＮＯｘ触媒を復活させることができる利点がある。
また、請求項１記載の本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、さらに、リーンＮＯｘ触媒の温度がリーンＮＯｘ触媒に付着した浄化能力低下物質の分解可能な温度領域の下限値である所定温度未満の時には、リーンＮＯｘ触媒を昇温させことを目的にして、空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリーン側となるように噴射量を調整して追加燃料の供給を行ない、リーンＮＯｘ触媒の温度が所定温度以上の時には、リーンＮＯｘ触媒に付着した浄化能力低下物質を分解してより害の少ない物質に還元するために空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチ側となるように噴射量を調整することで、浄化能力低下物質の分解可能な温度領域外で追加燃料量を余分に用いることを回避することができ、効率よく追加燃料が供給されるようになる。
請求項２，３記載の本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、該内燃機関が複数の気筒を有し、該燃料噴射弁が各気筒毎に配設されるとともに、上記の複数の気筒のうちの少なくとも一部の気筒間で、それぞれの排気ポートの開放時期が部分的にオーバラップするように互いの作動位相が設定されて、該燃料噴射制御手段が、これらの排気ポートの開放時期が互いにオーバラップする気筒については、各気筒にそなえられた該燃料噴射弁を同時に作動させるように構成されることにより、制御を単純化させながら低コストで、リーンＮＯｘ触媒の復活を行なうことができる利点がある。
【００９１】
請求項４記載の本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、請求項１〜３の何れか１項に記載の構成において、該運転状態検出手段が、該リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量を推定し、該付着量が所定量に達したか否かを判定する付着量推定手段をそなえ、該燃料噴射弁制御手段が、該付着量推定手段により該リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量が所定量に達したと判定されると、該内燃機関の排気行程で該燃料噴射弁を作動させて該リーンＮＯｘ触媒へ該追加燃料の供給を行なうように構成されることにより、浄化能力低下物質の付着が所定量に達したら、通常の燃焼室での燃焼に影響しないようにしてトルク変動を招来することのないようにしながら、リーンＮＯｘ触媒に付着した浄化能力低下物質を分解・除去して、リーンＮＯｘ触媒の復活を確実に行なうことができる利点がある。
【００９２】
請求項５記載の本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、請求項４記載の構成において、該付着量推定手段が、該リーン燃焼運転中の吸入空気量の積算値に基づいて該リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量を推定するように構成されることにより、リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量を容易に推定することができ、リーンＮＯｘ触媒の復活を適切に行なうことができる利点がある。
【００９３】
請求項６記載の本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、請求項４記載の構成において、該付着量推定手段が、該リーン燃焼運転中の燃料消費量の積算値に基づいて該リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量を推定するように構成されることにより、リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量を容易に推定することができ、リーンＮＯｘ触媒の復活を適切に行なうことができる利点がある。
【００９４】
請求項７記載の本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、請求項４記載の構成において、該付着量推定手段が、該リーン燃焼運転による走行距離の積算値に基づいて該リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量を推定するように構成されることにより、リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量を容易に推定することができ、リーンＮＯｘ触媒の復活を適切に行なうことができる利点がある。
【００９５】
請求項８記載の本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、請求項４記載の構成において、該付着量推定手段が、該リーン燃焼運転による走行時間の積算値に基づいて該リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量を推定するように構成されることにより、リーンＮＯｘ触媒への浄化能力低下物質の付着量を容易に推定することができ、リーンＮＯｘ触媒の復活を適切に行なうことができる利点がある。
【００９７】
請求項９記載の本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、請求項１〜８の何れか１項に記載の構成において、該燃料噴射弁制御手段が、一作動サイクル内の排気行程に該燃料噴射弁を複数回作動させながら複数回に分けて該追加燃料を噴射させるように構成されることにより、追加燃料をより効率よく噴射させながら、低コストで速やかに、リーンＮＯｘ触媒の復活を行なうことができる利点がある。
【００９８】
請求項１０記載の本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、請求項１〜９の何れか１項に記載の構成において、該リーンＮＯｘ触媒の温度状態を検出する触媒温度状態検出手段をそなえ、該燃料噴射弁制御手段が、該追加燃料の供給開始後、該触媒温度状態検出手段の検出結果に基づいて該リーンＮＯｘ触媒の温度が所定温度以上の状態が所定時間以上に達したら該追加燃料の供給を停止するように構成されることにより、追加燃料をより効率よく噴射させながら、低コストで無駄なく、リーンＮＯｘ触媒の復活を行なうことができる利点がある。
【００９９】
請求項１１記載の本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、請求項１〜１０の何れか１項に記載の構成において、該リーンＮＯｘ触媒の温度状態を検出する触媒温度状態検出手段をそなえ、該燃料噴射弁制御手段は、該触媒温度状態検出手段の検出結果に基づいて、上記の噴射量の調整による上記追加燃料の供給を行なうように構成されることにより、追加燃料をより効率よく噴射させながら、低コストで無駄なく且つ速やかに、リーンＮＯｘ触媒の復活を行なうことができる利点がある。
【０１００】
請求項１２記載の本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、請求項１〜１１の何れか１項に記載の構成において、該リーンＮＯｘ触媒が、カリウム等のアルカリ金属，バリウム等のアルカリ土類及びランタン等の希土類の中の少なくともいずれか一つの成分を担持するという構成により、具体的にリーンＮＯｘ触媒を構成することができる。
請求項１３記載の本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、請求項１〜１２の何れか１項に記載の構成において、燃料噴射弁制御手段は、該リーンＮＯｘ触媒を該所定温度へ昇温させた後に、該リーンＮＯｘ触媒をリッチ雰囲気にすると発熱が多過ぎて過昇温してしまう場合には、該追加噴射を行なわずに、該燃焼室での燃焼のために行なう通常の燃料噴射により空燃比がストイキオ又はリッチとなるようにするという構成により、排気系内の余剰酸素と追加燃料との反応による発熱が抑制され過昇温を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内燃機関の制御系の要部構成を模式的に示す制御ブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内燃機関の全体構成を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内燃機関の制御系を示すハードブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内燃機関の燃料噴射制御による触媒の復活モードを説明するためのフローチャートである。
【図６】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内燃機関の追加燃料の噴射タイミングを示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態としての筒内噴射型内燃機関の追加燃料の噴射タイミングを示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態としての筒内噴射型内燃機関の追加燃料の噴射タイミングを示す図である。
【図９】本発明の第３実施形態としての筒内噴射型内燃機関の追加燃料の噴射タイミングを示す図である。
【符号の説明】
１  エンジン本体
２  燃焼室
３  燃料供給手段としての燃料噴射弁（インジェクタ）
３ａ  インジェクタソレノイド
４  吸気弁
５  吸気通路
５Ａ  吸気ポート
５Ｂ  吸気マニホールド
５Ｃ  サージタンク
５Ｄ  吸気管
６  エアクリーナ
７  エアフローセンサ
８  スロットルバルブ
９  吸気温度センサ
１０  大気圧センサ
１１  吸気弁
１２  排気通路
１２Ａ  排気ポート
１２Ｂ  排気マニホールド
１２Ｃ  排気管
１３  排気ガス浄化触媒
１３Ａ  リーンＮＯｘ触媒
１３Ｂ  三元触媒
１４  空燃比センサ
１５  酸素センサ
１６  触媒温度センサ
１７  点火プラグ
１８  スロットル開度センサ（スロットルセンサ）
１９  水温センサ
２０  クランキングスイッチ〔イグニッションスイッチ（キースイッチ）〕
２１クランク角センサ（エンジン回転数センサ）
２２  ＴＤＣセンサ（気筒判別センサ）
２３  ＥＣＵ（電子制御ユニット）
２４  アクセルポジションセンサ
２５  バッテリセンサ
２６  距離メータ
２７  ＣＰＵ
２８，２９  入力インタフェイス
３０  アナログ／デジタルコンバータ
３１  ＲＯＭ
３２  ＲＡＭ
３３  アイドルスイッチ
３４  噴射ドライバ（燃料噴射弁駆動手段）
３６  タイマ
４８  フリーランニングカウンタ
１０１  リーン燃焼運転領域判定手段
１０２  付着量推定手段
１０２Ａ  付着量推定部
１０２Ｂ  付着限度判定部
１０３  燃料噴射弁制御手段
１０４  通常燃料噴射制御部
１０５  触媒復活用燃料噴射制御部
１０５Ａ  開始・終了判定部
１０５Ｂ  追加燃料噴射量設定部
【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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