JP3565096B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【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関し、特に、排気浄化手段を流れる排気ガスの流れ方向を必要に応じて切り替えることができる内燃機関の排気浄化装置に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関から排出される排気ガスを浄化するために、一般に、内燃機関の排気通路には排気浄化装置が設置される。この排気浄化装置に内燃機関の排気ガスを流していると、排気浄化装置における上流側から徐々に堆積物が付着する。この堆積物が何であるかは、排気ガスの組成により、あるいは、排気浄化装置の構成および排気浄化のメカニズムにより異なり、例えば酸化物、硫化物、硝酸塩、硫酸塩などがある。この堆積物は、排気浄化装置の浄化性能を低下させたり排気抵抗の増大を招く場合があり、所定のタイミングで除去する必要がある。
【０００３】
例えば、リーン空燃比の燃焼を行う内燃機関から排出される排気ガスのＮＯｘを浄化する排気浄化装置として、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒がある。この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯｘを放出し、Ｎ２に還元する触媒であり、排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を配置して、リーン空燃比の排気ガスから窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収させ、ＮＯｘ吸収後に内燃機関に供給する燃料を増量等して前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることにより、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒から吸収したＮＯｘを放出させるとともに、放出されたＮＯｘを排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯ等の還元成分によりＮ２に還元浄化する。
【０００４】
ところで、一般に、内燃機関の燃料には硫黄分が含まれており、内燃機関で燃料を燃焼すると、燃料中の硫黄分が燃焼して硫黄酸化物（ＳＯｘ）が発生する。前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘの吸収作用を行うのと同じメカニズムで排気ガス中のＳＯｘの吸収を行うので、内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を配置すると、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒にはＮＯｘのみならずＳＯｘも吸収される。
【０００５】
ところが、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸収されたＳＯｘは時間経過とともに安定な硫酸塩を形成するため、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒からのＮＯｘの放出、還元浄化（以下、ＮＯｘ放出・還元処理という）を行う条件では、分解、放出されにくく吸蔵還元型ＮＯｘ触媒内に蓄積され易い傾向がある。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒内のＳＯｘ蓄積量が増大すると、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収容量が減少して排気ガス中のＮＯｘの除去を十分に行うことができなくなりＮＯｘ浄化効率が低下する、いわゆるＳＯｘ被毒が生じる。そこで、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能を長期に亘って高く維持するためには、触媒に吸収されているＳＯｘを適宜のタイミングで放出させる必要がある。
【０００６】
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸収されたＳＯｘを放出させるには、流入排気ガスの空燃比をリッチにし、且つ、ＮＯｘ放出・還元処理時よりも吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を高温にする必要があることが分かっている。
【０００７】
ところで、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒内のＳＯｘの吸収量の分布は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒においては排気ガスの入口側に近いほど多くなっており、そのため、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸収されたＳＯｘを放出させる際に、リッチ空燃比の排気ガスをＮＯｘ吸収時の排気ガスの流れ方向と同じ方向に流したのでは、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒において前記入口側に吸収されていたＳＯｘが放出されても、放出されたＳＯｘが吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の中を排気ガスの出口側に移動するだけで吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に再吸収されてしまい、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒から効率よく排出することができないという問題がある。
【０００８】
そこで、特開平７−２５９５４２号公報に開示されているように、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸収されたＳＯｘを放出させるときには、リッチ空燃比の排気ガスをＮＯｘ吸収時とは逆方向に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流す技術が提案されている。このように排気ガスの流れを逆にしてＳＯｘの放出を行う逆流機能を備えていると、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒から放出されたＳＯｘは、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒内での移動距離が少なく直ちに吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の外に排出されるようになるので、放出されたＳＯｘが吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に再吸収されることを防止することができる。
【０００９】
前記公報に開示されている逆流機能付き内燃機関の排気浄化装置の場合には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒をバイパスさせるバイパス通路を設け、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に連なる排気通路と前記バイパス通路との合流部分にそれぞれ流路切替弁を設け、さらに、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒とこれよりも内燃機関に近い側の前記流路切替弁との間を排気ポンプの吸い込み口に接続し、排気ポンプの吐出口をバイパス通路に接続し、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒からＳＯｘを放出させるときには、内燃機関の排気の全量がバイパス通路に流れるように前記２つの流路切替弁の弁位置を切り替えるとともに、排気ポンプを運転することによって、通常のＮＯｘ吸収時とは逆方向に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を流れる排気の流れを発生させている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の逆流機能付き内燃機関の排気浄化装置では、排気ポンプや複数の流路切替弁が必要であり、部品点数が多くなって、コストアップになった。また、部品点数が多くなると、それだけ保守点検に手間がかかることになる。
【００１１】
また、上述した吸蔵還元型ＮＯｘ触媒において逆流を伴うＳＯｘ放出処理は、ＳＯｘ放出の際のＳＯｘの移動距離を短くすることによってＳＯｘの再吸収を回避することに着眼した処理方法ではあるが、その一方で、この処理方法を採用すると、排気ガスが吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に至るまでの距離が長くなるため、その長い経路を流通してくる間の排気ガスの温度低下が大きく、ＳＯｘ放出時の温度条件の観点からすると必ずしもＳＯｘ放出に最良の方法と言えない場合もある。
【００１２】
そこで、本出願人は、このような逆流機能付き内燃機関の排気浄化装置を簡単な構造とし、部品点数を少なくしてコストダウンを図れるようにした技術を既に提案した（特願平１１−０１１０２５）。
【００１３】
この技術は、内燃機関の排気通路に排気浄化手段を有し、この排気浄化手段よりも上流の排気通路に４つのポートを備えた流れ方向切替手段を設け、この流れ方向切替手段の第１ポートには内燃機関に接続された第１排気通路を接続し、第２ポートには大気に接続された第２排気通路を接続し、第３ポートには排気浄化手段の一方側に接続された第３排気通路を接続し、第４ポートには排気浄化手段の他方側に接続された第４排気通路を接続し、流れ方向切替手段は、第１ポートと第３ポートとを接続するとともに第２ポートと第４ポートとを接続して排気浄化手段に第１の方向に排気ガスを流す第１の位置と、第１ポートと第４ポートとを接続するとともに第２ポートと第３ポートとを接続して排気浄化手段に第１の方向と逆の第２の方向に排気ガスを流す第２の位置とに切り替え可能に構成したものである。
【００１４】
この排気浄化装置では、温度ウインドウを持つ触媒の床温度制御を排気管の長さを利用して行うことができるように、排気ガスを流す第１の方向とその第１の方向とは逆の第２の方向との排気通路の長さを異ならせている。即ち、排気ガスを排気管に流すと放熱現象により排気ガス温度が低下し、排気通路の長さが長くなるほど温度降下は大きい。一方、排気浄化手段に用いるＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率は触媒温度と相関があり、ＮＯｘを吸収する最適な温度ウインドウを有しており、このＮＯｘ吸収温度ウインドウから外れるとＮＯｘ吸収能力が大幅に低下する。したがって、流れ方向切替手段によって排気ガスの流れ方向を切り替えることにより、ＮＯｘの吸収及び放出制御やＳＯｘの放出制御等を効率的に行うことができる。
【００１５】
しかしながら、この排気浄化装置においては、排気ガスの流れ方向を切り替えるために流れ方向切替手段の弁体を作動させると、排気ガスの流れが第１の方向から第２の方向へ、あるいは第２の方向から第１の方向へ切り替わる途中で、一時的に排気浄化手段をバイパスする流れが生じ、浄化されない排気ガスが車外に排出される問題が生じていた。
【００１６】
よって、本発明が解決しようとする課題の一つは、排気ガスの流れ方向切替手段の作動中に、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが生じたとしてもこれを浄化して排出することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする課題の他の一つは、排気ガスの流れ方向切替手段の切替制御において、排気浄化手段のＳＯｘ被毒が生じないように排気ガスの流れを制御することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする課題のさらに他の一つは、流れ方向切替手段を浄化率が低い触媒活性温度範囲外で切り替えるようにすることで、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れができるだけ生じないようにし、全体として排気浄化性能を向上させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
本発明の第１の手段は、内燃機関の排気通路に排気浄化手段を有し、この排気浄化手段よりも上流の排気通路に４つのポートを備えた流れ方向切替手段が設けられ、該流れ方向切替手段の第１ポートには内燃機関に接続された第１排気通路が接続され、第２ポートには大気に接続された第２排気通路が接続され、第３ポートには前記排気浄化手段の一方側に接続された第３排気通路が接続され、第４ポートには前記排気浄化手段の他方側に接続された第４排気通路が接続されており、前記流れ方向切替手段は、前記第１ポートと前記第３ポートとを接続するとともに前記第２ポートと前記第４ポートとを接続して前記排気浄化手段に第１の方向に排気ガスを流す第１の位置と、前記第１ポートと前記第４ポートとを接続するとともに前記第２ポートと前記第３ポートとを接続して前記排気浄化手段に第１の方向と逆の第２の方向に排気ガスを流す第２の位置と、前記第１ポートと前記第２ポートとを接続して前記排気浄化手段をバイパスして排気ガスを流す第３の位置とに切り替え可能な排気浄化装置であり、前記流れ方向切替手段が前記第１の位置と第２の位置をとることで内燃機関から排気浄化手段までの距離が異なる排気通路を有し、前記排気浄化手段の触媒温度により前記流れ方向切替手段が作動するものにおいて、前記排気通路に三元触媒が設けられ、前記第１の位置から前記第２の位置へ前記流れ方向切替手段が作動するときには内燃機関の排気空燃比がストイキに制御されることを特徴とする。
【００１８】
この内燃機関の排気浄化装置では、流れ方向切替手段を切り替えて第１の位置あるいは第２の位置のいずれか一方を選択することによって、排気ガスを排気浄化手段に順方向に流したり、逆方向に流したりすることができる。流れ方向切替手段の作動時に、排気浄化手段をバイパスする第３の位置に切り替えられたときには、内燃機関の排気空燃比がストイキに制御されることで三元触媒が機能し、排気ガスが浄化されて排出される。したがって、排気ガスの流れ方向切替手段の作動中に、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが生じたとしてもこれを浄化して排出することができる。三元触媒については、排気浄化手段の上流側あるいは下流側のいずれの排気通路にも設けることができる。
【００１９】
本発明の第２の手段では、前記三元触媒は前記内燃機関の排気空燃比がリーンでＳＯｘを吸収するＳＯｘ吸収機能を有し、前記第１の位置から前記第２の位置へ前記流れ方向切替手段が作動するときには内燃機関の排気空燃比をストイキに制御し、前記第３の位置に前記流れ方向切替手段を作動させた後に第２の位置に切り替えることを特徴とする。
【００２０】
このように、三元触媒にＳＯｘ吸収機能を持たせたものにおいては、内燃機関の排気空燃比がストイキ時に三元触媒よりＳＯｘが放出されるため、流れ方向切替手段の作動を排気バイパス位置である第３の位置で一時的に停止させ、ＳＯｘ放出が完了してから、流れ方向切替手段を第２の位置に切り替えるように制御される。これにより、排気浄化手段のＳＯｘ被毒を効果的に防止できる。
【００２１】
本発明の第三の手段では、内燃機関の排気通路に排気浄化手段を有し、この排気浄化手段よりも上流の排気通路に４つのポートを備えた流れ方向切替手段が設けられ、該流れ方向切替手段の第１ポートには内燃機関に接続された第１排気通路が接続され、第２ポートには大気に接続された第２排気通路が接続され、第３ポートには前記排気浄化手段の一方側に接続された第３排気通路が接続され、第４ポートには前記排気浄化手段の他方側に接続された第４排気通路が接続されており、前記流れ方向切替手段は、前記第１ポートと前記第３ポートとを接続するとともに前記第２ポートと前記第４ポートとを接続して前記排気浄化手段に第１の方向に排気ガスを流す第１の位置と、前記第１ポートと前記第４ポートとを接続するとともに前記第２ポートと前記第３ポートとを接続して前記排気浄化手段に第１の方向と逆の第２の方向に排気ガスを流す第２の位置と、前記第１ポートと前記第２ポートとを接続して前記排気浄化手段をバイパスして排気ガスを流す第３の位置とに切り替え可能な排気浄化装置であり、前記流れ方向切替手段の第１の位置と第２の位置をとることで内燃機関から排気浄化手段までの距離が異なる排気通路を有し、前記排気浄化手段の触媒温度により前記流れ方向切替手段が作動するものにおいて、排気浄化手段の触媒温度が排気浄化率の高い温度ウインドウ内にあるときには、前記切替弁の作動を禁止することを特徴とする。
【００２２】
このように、排気ガスの流れ方向切替手段の切り替え制御に工夫を凝らすことにより、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れができるだけ生じないようにし、これにより必要最低限の排気浄化手段で排気ガスを効率的に浄化できる。排気浄化手段が例えばＮＯｘ触媒である場合、触媒活性温度内であれば、排気ガスの流れ方向切替手段は作動させず、その切替手段を第１の位置又は第２の位置の何れかに保持した状態とする。そして、触媒温度が触媒活性温度（温度ウインドウ）以上あるいは以下になったときに初めて流れ方向切替手段の切り替え制御を行う。これにより、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが存在する問題を、流れ方向切替手段の切り替え制御のみの簡便な方法で対処することができる。即ち、流れ方向切替手段をそもそも浄化率が低い触媒活性温度範囲外で切り替えるようにしているため、全体として排気浄化性能が向上する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を、リーン空燃比で燃焼可能なガソリンエンジン（いわゆるリーンバーンガソリンエンジン）に適用した場合の実施の形態における概略構成を示す図である。
【００２４】
この図において、エンジン１は直列４気筒であり、吸気管２及び吸気マニホルド３を介して各気筒に吸気が供給される。吸気管２には、図示しないアクセルペダルと連動して吸気管２内の吸気通路を開閉するスロットル弁４が設けられ、このスロットル弁４には、スロットル弁４の開度に対応した出力信号をエンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００に出力するスロットルポジションセンサ５が取り付けられている。
【００２５】
吸気管２においてスロットル弁４よりも上流側には、吸気管２内を流れる吸入空気量（吸入空気質量）Ｑに対応した出力信号をＥＣＵ１００に出力するエアフロメータ６が取り付けられている。
【００２６】
エンジン１の各気筒に連なる各吸気通路には燃料噴射弁７から燃料（ガソリン）が噴射される。燃料噴射弁７の開弁時期及び開弁期間は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ１００によって制御される。
【００２７】
エンジン１の各気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド８及び排気管（第１排気通路）９を介して排気される。排気管９の途中には三元触媒４０が設けられている。この三元触媒４０は、エンジン１の排気空燃比がストイキのときに、排気ガス中のＮＯｘやＳＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等を浄化する機能を有するものである。
【００２８】
排気管９は、４つのポートを備えた排気切替弁（流れ方向切替手段）２０の第１ポートに接続されている。排気切替弁２０の第２ポートは排気ガスを大気に排出する排気管（第２排気通路）１０に接続され、排気切替弁２０の第３ポートは排気管（第３排気通路）１１を介して触媒コンバータ（排気浄化手段）３０の入口３０ａに接続され、排気切替弁２０の第４ポートは排気管（第４排気通路）１２を介して触媒コンバータ（排気浄化手段）３０の出口３０ｂに接続されている。触媒コンバータ３０には吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＯｘ触媒と略す）３１が収容されている。ＮＯｘ触媒３１については後で詳述する。
【００２９】
排気切替弁２０は、その弁体を図１に示す順流位置と図２に示す逆流位置に切り替えることによって、触媒コンバータ３０を流れる排気ガスの流れ方向を変えることができるバルブである。前記弁体が順流位置に位置しているとき、排気切替弁２０は、排気管９と排気管１１とを接続するとともに排気管１０と排気管１２とを接続し、この時、排気ガスは、三元触媒４０→排気管９→排気管１１→触媒コンバータ３０→排気管１２→排気管１０の順に流れて、大気に放出される。このように触媒コンバータ３０の入口３０ａから出口３０ｂに向かって流れる排気ガスの流れを、以下の説明においては「順流」と称す。
【００３０】
また、排気切替弁２０の弁体が図２に示す逆流位置に位置しているとき、排気切替弁２０は、排気管９と排気管１２とを接続するとともに排気管１０と排気管１１とを接続し、この時、排気ガスは、三元触媒４０→排気管９→排気管１２→触媒コンバータ３０→排気管１１→排気管１０の順に流れて、大気に放出される。このように触媒コンバータ３０の出口３０ｂから入口３０ａに向かって流れる排気ガスの流れを、以下の説明においては「逆流」と称す。
【００３１】
また、排気切替弁２０の弁体が図３に示す中立位置に位置しているとき、排気切替弁２０は、排気管９と排気管１０とを接続し、この時、排気ガスは、三元触媒４０→排気管９→排気管１０の順に流れて、大気に放出される。このように触媒コンバータ３０を流れずにバイパスする排気ガスのながれを、以下の説明では「ショートパス」と称す。
【００３２】
この排気切替弁２０はアクチュエータ２１に駆動されて弁***置の切り替えが行われるようになっており、アクチュエータ２１はＥＣＵ１００により制御される。この実施の形態では、アクチュエータ２１とＥＣＵ１００は制御手段を構成する。排気切替弁２０の弁***置の切り替え制御については後で詳述する。
【００３３】
排気管１１において触媒コンバータ３０の入口３０ａの近傍には、排気管１１内を流れる排気ガスの温度に対応した出力信号をＥＣＵ１００に出力する排気温センサ１３が取り付けられている。
【００３４】
ＥＣＵ１００はデジタルコンピュータからなり、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入力ポート、出力ポートを具備し、エンジン１の空燃比制御等の基本制御を行うほか、この実施の形態では、触媒コンバータ３０のＳＯｘ放出処理制御等を行っている。
【００３５】
これら制御のために、ＥＣＵ１００の入力ポートには、前記エアフロメータ６からの入力信号、排気温センサ１３からの入力信号が入力されるほか、回転数センサ１４からの入力信号が入力される。回転数センサ１４はエンジン１の回転数に応じた出力信号をＥＣＵ１００に出力し、この出力信号からＥＣＵ１００はエンジン回転数Ｎを演算する。また、ＥＣＵ１００はエアフロメータ６の出力信号から吸入空気量Ｑを演算し、エンジン負荷Ｑ／Ｎ（吸入空気量Ｑ／エンジン回転数Ｎ）を演算する。そして、ＥＣＵ１００は、エンジン回転数Ｎとエンジン負荷Ｑ／Ｎからエンジン１の運転状態を判定し、その運転状態に応じて燃料噴射弁から噴射する燃料量を制御し、リーン空燃比とストイキまたはリッチ空燃比に切り替える空燃比制御を行う。この空燃比制御の一例を挙げれば、暖機運転時および高負荷運転域ではストイキまたはリッチ空燃比とし、低中負荷運転域ではリーン空燃比とする制御方法がある。
【００３６】
触媒コンバータ３０に収容されているＮＯｘ触媒３１、即ち吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。
【００３７】
このＮＯｘ触媒３１は、流入排気ガスの空燃比（以下、排気空燃比と称す）がリーンのときは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を放出し、Ｎ２ に還元する。尚、排気空燃比とは、ここではＮＯｘ触媒３１の上流側の排気通路やエンジン燃焼室、吸気通路等にそれぞれ供給された空気量の合計と燃料（炭化水素）の合計の比を意味するものとする。したがって、ＮＯｘ触媒３１上流の排気通路内に燃料、還元剤あるいは空気が供給されない場合には、排気空燃比はエンジン燃焼室内に供給される混合気の空燃比に一致することになる。
【００３８】
この実施の形態では、リーン空燃比での燃焼が可能ないわゆるリーンバーンガソリンエンジンを内燃機関として使用しており、エンジン１の運転状態に応じて混合気の空燃比を制御している。それゆえ、エンジン１がリーン空燃比で運転されている時には排気空燃比はリーンになり、酸素濃度は高くなる。一方、エンジン１がストイキまたはリッチ空燃比で運転されている時には排気空燃比はストイキまたはリッチになり、排気ガス中の酸素濃度は大幅に低下するとともに、エンジン１から排出される未燃ＨＣ、ＣＯ等の成分が増大する。
【００３９】
ＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ吸放出作用のメカニズムについては明らかでない部分もあるが、図４に示すようなメカニズムで行われると考えられている。このメカニズムについて、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明するが、他の貴金属，アルカリ金属，アルカリ土類，希土類を用いても同様のメカニズムとなる。
【００４０】
まず、流入排気ガスがかなりリーンになると流入排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大するため、図４（Ａ）に示すように、酸素Ｏ２ がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。次に、排気ガスに含まれるＮＯは、白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＮＯ２ となる（２ＮＯ＋Ｏ２ →２ＮＯ２ ）。
【００４１】
その後、生成されたＮＯ２は、ＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限り、白金Ｐｔ上で酸化されながらＮＯｘ触媒３１内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合し、図４（Ａ）に示すように硝酸イオンＮＯ３ −の形でＮＯｘ触媒３１内に拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ触媒３１内に吸収される。
【００４２】
これに対し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下した場合は、ＮＯ２の生成量が低下し、前記反応とは逆の反応（ＮＯ３ − →ＮＯ２）によって、ＮＯｘ触媒３１内の硝酸イオンＮＯ３ −は、ＮＯ２またはＮＯの形でＮＯｘ触媒３１から放出される。
【００４３】
一方、流入排気ガス中にＨＣ，ＣＯ等の還元成分が存在すると、これらの成分は白金Ｐｔ上の酸素Ｏ２ −又はＯ２−と反応して酸化され、排気ガス中の酸素を消費して排気ガス中の酸素濃度を低下させる。また、排気ガス中の酸素濃度低下によりＮＯｘ触媒３１から放出されたＮＯ２ またはＮＯは、図４（Ｂ）に示すように、ＨＣ，ＣＯと反応して還元される。このようにして白金Ｐｔ上のＮＯ２ またはＮＯが存在しなくなると、ＮＯｘ触媒３１から次から次へとＮＯ２またはＮＯが放出される。
【００４４】
即ち、流入排気ガス中のＨＣ，ＣＯは、まず白金Ｐｔ上の酸素Ｏ２ −又はＯ２−とただちに反応して酸化せしめられ、次いで白金Ｐｔ上の酸素Ｏ２ −又はＯ２−が消費されてもまだＨＣ，ＣＯが残っていれば、このＨＣ，ＣＯによってＮＯｘ触媒３１から放出されたＮＯｘおよびエンジンから排出されたＮＯｘがＮ２に還元せしめられる。
【００４５】
このように、排気空燃比がリーンになるとＮＯｘがＮＯｘ触媒３１に吸収され、排気空燃比をストイキあるいはリッチにするとＮＯｘがＮＯｘ触媒３１から短時間のうちに放出され、Ｎ２に還元される。したがって、大気中へのＮＯｘの排出を阻止することができる。
【００４６】
次に、ＮＯｘ触媒３１のＳＯｘ被毒のメカニズムについて説明する。排気ガス中に硫黄酸化物（ＳＯｘ）が含まれていると、ＮＯｘ触媒３１は上述のＮＯｘの吸収と同じメカニズムで排気ガス中のＳＯｘを吸収する。即ち、排気空燃比がリーンのときには、酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形でＮＯｘ触媒３１の白金Ｐｔの表面に付着しており、流入排気ガス中のＳＯｘ（例えばＳＯ２）は白金Ｐｔの表面上で酸化されてＳＯ３となる。
【００４７】
その後、生成されたＳＯ２は、白金Ｐｔの表面で更に酸化されながらＮＯｘ触媒３１内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合し、硫酸イオンＳＯ４ ２−の形でＮＯｘ触媒３１内に拡散し硫酸塩ＢａＳＯ４を形成する。ＢａＳＯ４は結晶が粗大化し易く、比較的安定し易いため、一旦生成されると分解放出されにくい。このため、時間の経過とともにＮＯｘ触媒３１中のＢａＳＯ４の生成量が増大するとＮＯｘ触媒３１の吸収に関与できるＢａＯの量が減少してＮＯｘの吸収能力が低下してしまう。これが即ちＳＯｘ被毒である。したがって、ＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ吸収能力を高く維持するためには、適宜のタイミングでＮＯｘ触媒３１に吸収されたＳＯｘを放出させる必要がある。
【００４８】
ＮＯｘ触媒３１からＳＯｘを放出させるには、ＮＯｘを放出させる場合と同様に排気ガスの酸素濃度を低下させればよいことが分かっており、また、ＮＯｘ触媒３１の温度が高いほど放出し易いことが分かっている。
【００４９】
本出願人の研究により、ＮＯｘ触媒３１に吸収されたＳＯｘを放出させるには、流入排気空燃比をストイキまたはリッチにし、且つ、ＮＯｘ触媒３１からＮＯｘを放出させる通常のＮＯｘ放出・還元処理時よりもＮＯｘ触媒３１の温度を高くする必要があることがわかった。
【００５０】
また、触媒コンバータ３０におけるＳＯｘの吸収状態は、触媒コンバータ３０の入口３０ａに近く位置しているＮＯｘ触媒３１の方が、入口３０ａから遠くに位置しているＮＯｘ触媒３１よりもＳＯｘ吸収量が多くなるため、ＮＯｘ触媒３１からＳＯｘを放出させる際には、排気空燃比がストイキまたはリッチで且つ高温の排気ガスを触媒コンバータ３０の出口３０ｂ側から入口３０ａ側に向けて流すと、ＳＯｘを短時間で放出することができる。
【００５１】
触媒コンバータ３０の排気通路への配置位置については、排気ガスの流れが順流のときのＮＯｘ触媒床温度を確保するため、触媒コンバータ３０の入口３０ａが排気切替弁２０の近くに位置する配置としている。即ち、排気切替弁２０の弁体を順流位置に位置させた状態を示す図１と、排気切替弁２０の弁体を逆流位置に位置させた状態を示す図２とからもわかるように、排気ガスが触媒コンバータ３０に流入するまでの流路長さは、排気切替弁２０の弁体を順流位置にしたときの方が、弁体を逆流位置にしたときよりも短い。そのため、排気ガスを排気管に流すと放熱現象により排気ガス温度が低下し、流路長さが長くなるほど温度降下は大きい。したがって、排気切替弁２０の弁体を順流位置に位置させたときよりも、弁体を逆流位置に位置させたときの方が触媒コンバータ３０に流入するまでの排気ガスの温度降下が大きい。
【００５２】
一方、図５に示すように、ＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ浄化率は触媒温度と相関があり、ＮＯｘを吸収するのに最適な温度ウインドウ（以下ＮＯｘ吸収ウインドウという）を有しており、このＮＯｘ吸収ウインドウから外れるとＮＯｘ吸収能力が大幅に低下する。また、ＮＯｘ触媒３１からＮＯｘを放出・還元させるときには、ＮＯｘ触媒３１の温度をそれほど高くしなくてもＮＯｘを放出させることができるものの、ＮＯｘ触媒３１からＳＯｘを放出させるときには、前述したようにＮＯｘ触媒３１の温度を高温にした方がＳＯｘを効率的に放出することができる。
【００５３】
他方、排気切替弁２０の弁体を作動させると、弁体作動中に排気ガスが図３に示すようにショートパスして触媒コンバータ３０をバイパスするために、排気空燃比がリーンであるとその排気ガスが三元触媒によって浄化されない。
【００５４】
そこで、本実施の形態では、排気ガスの流れ方向を順流あるいは逆流とする際に必要な排気切替弁２０の切替操作に基づく弁体作動中に、排気ガスがショートパスする弁***置（第３の位置）では、排気空燃比をストイキに制御することとした。この弁体の作動を伴う排気切替弁２０の切換操作については、例えば、ＮＯｘ，ＳＯｘの吸収時には触媒コンバータ３０における排気ガスの流れを順流にし、ＮＯｘ，ＳＯｘの放出時には触媒コンバータ３０における排気ガスの流れを逆流にするとき、あるいはＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ浄化率が触媒温度と相関する点を考慮し、触媒温度が温度ウインドーから外れないように排気ガスの流れ方向を順流又は逆流に切り替えるとき、などを例示することができる。
【００５５】
次に、本実施の形態における排気浄化装置の作動について、ＮＯｘあるいはＳＯｘ放出時に排気ガスを逆流させる制御を例にとり説明する。前述したように、エンジン１はリーンバーンガソリンエンジンであり、エンジン１の運転状態に応じて空燃比がＥＣＵ１００により制御され、エンジン１がリーン空燃比で運転されている時には排気空燃比はリーンになって、酸素濃度は高くなり、エンジン１がストイキまたはリッチ空燃比で運転されている時には排気空燃比はストイキまたはリッチになり、排気ガス中の酸素濃度は大幅に低下するとともに、エンジン１から排出される未燃ＨＣ、ＣＯ等の成分が増大する。
【００５６】
そこで、エンジン１がリーン空燃比で運転されているときには、排気切替弁２０の弁体が図１に示す順流位置に保持されるように、ＥＣＵ１００によってアクチュエータ２１の作動を制御する。これにより、エンジン１の排気ガスは、三元触媒４０→排気管９→排気管１１→触媒コンバータ３０→排気管１２→排気管１０の順に流れて、大気に放出されるようになり、触媒コンバータ３０では入口３０ａから出口３０ｂに向かって流れる順流となる。この時、排気ガス中のＮＯｘ及びＳＯｘが触媒コンバータ３０のＮＯｘ触媒３１に吸収される。またこの時、排気空燃比がリーンであるため三元触媒４０はほとんど機能しない。
【００５７】
そして、エンジン１がストイキ又はリッチ空燃比で運転されているときには、排気切替弁２０の弁体が図２に示す逆流位置に保持されるように、ＥＣＵ１００によってアクチュエータ２１の作動を制御する。これにより、エンジン１の排気ガスは、三元触媒４０→排気管９→排気管１２→触媒コンバータ３０→排気管１１→排気管１０の順に流れて、大気に放出されるようになり、触媒コンバータ３０では出口３０ｂから入口３０ａに向かって流れる逆流となる。また、エンジン１をストイキまたはリッチ空燃比で運転している時には、ＮＯｘ触媒３１からＳＯｘが放出され易い排気ガス温度となるように、ＥＣＵ１００によってエンジン１の運転制御がなされるようにしておく。
【００５８】
これにより、触媒コンバータ３０内をストイキまたはリッチ空燃比の高温の排気ガスが、ＮＯｘ，ＳＯｘ吸収時とは逆の方向に通過するようになり、ＮＯｘ触媒３１からＮＯｘが放出され、さらに排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯ等によりＮ２に還元浄化される。また、排気ガスが触媒コンバータ３０を逆流することによって、ＮＯｘ触媒３１に吸収されているＳＯｘを短時間のうちにＮＯｘ触媒３１から放出させることができる。
【００５９】
また、エンジン１の運転条件によりリーン空燃比運転が長時間続いた時には、エンジン１を強制的にストイキまたはリッチ空燃比で運転されるように制御して上述のようにＮＯｘ，ＳＯｘの放出処理を行い、触媒コンバータ３０がＮＯｘやＳＯｘで飽和しないようにする。このようなエンジン１の空燃比制御方法を以下の説明ではリーン・リッチスパイク制御と称す。尚、リーン・リッチスパイク制御について具体的に数値を挙げて説明すると、エンジン１の「リーン空燃比運転」が数十秒（例えば４０〜６０秒）続くと、「ストイキまたはリッチ空燃比運転」が数秒（例えば２〜３秒）続き、この「リーン空燃比運転」と「ストイキまたはリッチ空燃比運転」が交互に実行されるといった具合である。
【００６０】
このように排気切替弁２０の弁体が順流位置から逆流位置にあるいは逆流位置から順流位置に切り替わる途中では、図３に示すように排気ガスが排気管９から排気管１０へとショートパスして触媒コンバータ３０をバイパスする。このとき、ショートパスする排気ガスがリーンであると、三元触媒４０は機能せず、排気ガスは浄化されない。したがって、排気切替弁２０の弁体作動中においては、エンジン１の運転制御により、排気空燃比を強制的にストイキに制御して三元触媒４０を機能させ、ショートパスする排気ガスを三元触媒４０により浄化してから大気に放出させる。
【００６１】
図６は、このようにエンジン１の運転制御により、排気空燃比を強制的にストイキに制御するときにＥＣＵ１００が実行する制御手順を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１では、ＥＣＵ１００はバルブ作動時期か否かを判定する。この判定については、どのような条件を満たしたときに排気ガスの流れ方向を切り替えるか否か、排気浄化の全体システムや排気浄化手段の特性によって決定されるが、例えばＥＣＵ１００がエンジン１の運転時間を積算し、その積算値が所定量に達した場合にＳＯｘ放出処理必要と判定したり、ＥＣＵ１００がＮＯｘ触媒３１に吸収されたＳＯｘ量を積算し、積算値が所定量に達した時にＳＯｘ放出必要と判定するなどを例示することができる。また、リーン空燃比で燃焼可能なリーンバーンガソリンエンジンの場合には、エンジンの運転状態によってリーン空燃比による燃焼とリッチ空燃比による燃焼に切り替えられるので、このエンジンの運転状態応じて排気切換弁２０を切替制御する場合なども例示することができる。
【００６２】
ステップＳ１において、バルブ作動時期でないことを判定したらリターンしてスタートへ戻る。バルブ作動時期であることを判定した場合には、ステップＳ２においてエンジン１の排気空燃比を強制的にストイキに制御する。エンジン１の排気空燃比をストイキに制御したら、次にステップＳ３において、アクチュエータ２１の作動制御により排気切替弁２０の弁体（バルブ）を順流位置から逆流位置へ切り替える。
【００６３】
バルブの切り替え制御を完了したら、ステップＳ４に移行する。ステップＳ４では、ＥＣＵ１００はエンジン１の運転状態に応じた空燃比に、あるいは強制的にリーン・リッチスパイク運転等に制御する。ステップＳ４へ移行後はリターンしてスタートへ戻る。
【００６４】
なお、バルブ作動中において、エンジン１の排気空燃比を強制的にストイキに制御することは、ＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ浄化率が触媒温度と相関する点を考慮し、触媒温度が温度ウインドーから外れないように排気ガスの流れ方向を順流又は逆流に切り替えるときにおいても同様である。
【００６５】
この実施の形態では、排気ガスが順流に流れる方向が第１の方向となり、逆流に流れる方向が第２の方向となる。また、排気管９、排気管１１、排気管１２、排気管１０、排気切替弁２０、アクチュエータ２１、ＥＣＵ１００等は排気ガスの逆流手段を構成している。また、ＳＯｘ除去に必要な排気ガスの空燃比（リーン又はリッチ）と排気ガス温度（高温）をエンジン１の運転制御によって得ているので、この実施の形態ではエンジン１の運転制御を行うための各センサーを含むＥＣＵ１００が制御手段を構成している。
【００６６】
また、この実施の形態では、三元触媒４０を触媒コンバータ３０の上流側に設けた例を示したが、三元触媒４０を触媒コンバータ３０の下流側に設けてもよい。三元触媒４０を触媒コンバータ３０の下流側に設ける例としては、排気管１０の途中に設ける例を挙げることができる。
【００６７】
〔実施の形態２〕
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第２の実施の形態について、図７のフロー図を参照して説明する。
【００６８】
この第２の実施の形態では、第１の実施の形態で示した三元触媒４０に、Ｓトラップ材の機能を持たせた場合における制御例を示したものである。この場合の三元触媒４０は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときにＳＯｘを吸収し、酸素濃度の低いストイキ又はリッチ空燃比のときに吸収したＳＯｘを放出する。
【００６９】
このように三元触媒４０にＳトラップ機能を持たせると、図１に示すように排気切替弁２０の弁体を順流位置にしたとき（即ち、ＮＯｘ吸収時）には、三元触媒４０が触媒コンバータ３０よりも上流に位置することになるので、排気ガス中のＳＯｘは三元触媒４０に吸着され、触媒コンバータ３０へのＳＯｘの流入を阻止することができ、ＮＯｘ触媒３１のＳＯｘ被毒を阻止することができる。しかし、エンジン１の排気空燃比をストイキに制御すると、三元触媒４０からＳＯｘが放出されるため、ＮＯｘ触媒３１のＳＯｘ被毒の問題が生じる。
【００７０】
そこで、この実施の形態では、ＥＣＵ１００は次のように排気切替弁２０の弁***置の切り替え制御を行う。
まず、ステップＳ１１において、ＥＣＵ１００はバルブ作動時期か否かを判定する。バルブ作動時期でないことを判定したらリターンしてスタートへ戻る。バルブ作動時期であることを判定した場合には、ステップＳ１２に進み、エンジン１の排気空燃比を強制的にストイキに制御するとともに、アクチュエータ２１の作動制御により排気切替弁２０の弁体（バルブ）を順流位置から逆流位置へ切り替える途中で、バルブをバイパス位置（第３の位置）に位置させる。
【００７１】
排気空燃比がストイキに制御されると、三元触媒４０からＳＯｘが放出されるが、バルブがバイパス位置にあるため、ＳＯｘを含む排気ガスはＮＯｘ触媒３１をバイパスして大気に放出される。これによりＮＯｘ触媒３１のＳＯｘ被毒が防止される。
【００７２】
ステップＳ１２の実行により、バルブをバイパス位置に位置させた状態でステップＳ１３へ移行する。このステップＳ１３では、三元触媒４０のＳＯｘ放出が完了したか否かを判定し、ＳＯｘ放出未完了と判定した場合はステップＳ１２へ戻る。ＳＯｘ放出完了と判定した場合はステップＳ１４へ進み、目的とするバルブ切替位置（逆流位置）へ切り替えてバルブの切替制御を完了する。
【００７３】
ステップＳ１４においてバルブの切り替え制御を完了するとステップＳ１５へ移行する。ステップＳ１５では、ＥＣＵ１００はエンジン１をその運転状態に応じた空燃比に、あるいは強制的にリーン・リッチスパイク運転等に制御する。ステップＳ１５移行後はリターンしてスタートへ戻る。
【００７４】
なお、以上の制御フローは、バルブを逆流位置から順流位置へ切り替える場合においても同様に実行される。また、このようにエンジン１の排気空燃比を強制的にストイキに制御するとき、バルブの作動を一旦排気バイパス位置で停止させることは、ＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ浄化率が触媒温度と相関する点を考慮し、触媒温度が温度ウインドーから外れないように排気ガスの投げれ方向を順流又は逆流に切り替えるときにおいても同様に実行される。
【００７５】
尚、上述した実施の形態では、ＮＯｘ触媒３１からのＮＯｘ，ＳＯｘの放出処理を同時に行っているが、エンジンの排気ガス、特にガソリンエンジンの排気ガスに含まれるＳＯｘ量は極めて僅かであるため、ＮＯｘの放出処理と同一の頻度でＳＯｘの放出処理を行う必要はない。そこで、ＮＯｘの放出処理を行う場合には、ストイキまたはリッチ空燃比の運転域であっても排気ガス温度が比較的に低いエンジン１の運転状態の時には、排気ガスを触媒コンバータ３０にＮＯｘ吸収時と同じ順流で流してＮＯｘ触媒３１からＮＯｘを放出・還元させるようにし、一方、ストイキまたはリッチ空燃比の運転域であって且つ排気ガス温度が上昇して高温になるエンジン１の運転状態（加速時や高負荷運転時など）のとき、即ち排気ガスの状態がＳＯｘ放出に有利なストイキまたはリッチ空燃比且つ高温になった時にのみ、排気切替弁２０の弁体を逆流位置に切り替えて、触媒コンバータ３０を流れる排気ガスの流れを逆流にし、ＳＯｘの放出処理を行うように制御してもよい。
【００７６】
また、ＥＣＵ１００によってＮＯｘ触媒３１のＳＯｘ放出処理が必要か否かを判定し、ＳＯｘ放出処理の必要なしと判定されたときには排気切替弁２０の弁体を順流位置に保持して触媒コンバータ３０を流れる排気ガスの流れを順流にし、必要があると判定されたときに排気切替弁２０の弁体を逆流位置に切り替え、触媒コンバータ３０を流れる排気ガスの流れを逆流にし、且つ、ＥＣＵ１００が、ＳＯｘの放出に最適な目標空燃比や目標触媒温度を算出し、さらに還元剤添加装置を備えた場合には目標還元剤量を算出し、これら目標値となるようにエンジン１や還元剤添加装置等を制御して、ＳＯｘの放出処理を行うようにしてもよい。
【００７７】
〔実施の形態３〕
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第３の実施の形態について、図８〜図１１を参照して説明する。
【００７８】
図８は、第３の実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。同図に示す例では、排気通路に三元触媒が設けられていない点を除けば、先の第１及び第２の実施形態と基本的に同じである。
【００７９】
即ち、エンジン１は直列４気筒のリーンバーンガソリンエンジンであり、吸気管２及び吸気マニホールド３を介して各気筒に吸気が供給され、各気筒に連なる各吸気通路に燃料噴射弁７から燃料が噴射され、各気筒から排出される排気ガスは排気マニホールド８及び排気管９を介して排気され、吸気管２にはスロットルポジションセンサ５を備えたスロットル弁４とエアフロメータ６が設置され、排気管１１には排気温センサ１３が設置され、エンジン１には回転数センサ１４が設置され、スロットルポジションセンサ５、エアフロメータ６、排気温センサ１３、回転数センサ１４の各出力信号がＥＣＵ１００に出力され、ＥＣＵ１００からの出力信号に基づいて燃料噴射弁７が作動制御される構成である。
【００８０】
また、排気管９は、４つのポートを備えた排気切替弁（流れ方向切替手段）２０の第１ポートに接続されている。排気切替弁２０の第２ポートは排気ガスを大気に排出する排気管（第２排気通路）１０に接続され、排気切替弁２０の第３ポートは排気管（第３排気通路）１１を介して触媒コンバータ（排気浄化手段）３０の入口３０ａに接続され、排気切替弁２０の第４ポートは排気管（第４排気通路）１２を介して触媒コンバータ（排気浄化手段）３０の出口３０ｂに接続されている。触媒コンバータ３０には吸蔵還元型ＮＯｘ触媒３１が収容されている。
【００８１】
排気切替弁２０は、その弁体を図８に示す順流位置（第１の位置）と図９に示す逆流位置（第２の位置）に切り替えることによって、触媒コンバータ３０を流れる排気ガスの流れ方向を変えることができるバルブである。前記弁体が順流位置に位置しているとき、排気切替弁２０は、排気管９と排気管１１とを接続するとともに排気管１０と排気管１２とを接続し、この時、排気ガスは、排気管９→排気管１１→触媒コンバータ３０→排気管１２→排気管１０の順に流れて、大気に放出される。
【００８２】
また、排気切替弁２０の弁体が図９に示す逆流位置に位置しているとき、排気切替弁２０は、排気管９と排気管１２とを接続するとともに排気管１０と排気管１１とを接続し、この時、排気ガスは、排気管９→排気管１２→触媒コンバータ３０→排気管１１→排気管１０の順に流れて、大気に放出される。
【００８３】
また、排気切替弁２０の弁体が中立位置（図３参照）に位置しているとき、排気切替弁２０は、排気管９と排気管１０とを接続し、この時、排気ガスは、排気管９→排気管１０の順に流れて、大気に放出される。
【００８４】
触媒コンバータ３０の排気通路への配置位置についても、排気ガスの流れが順流のときのＮＯｘ触媒床温度を確保するため、触媒コンバータ３０の入口３０ａが排気切替弁２０の近くに位置する配置としている。即ち、排気ガスが触媒コンバータ３０に流入するまでの流路長さは、排気切替弁２０の弁体を順流位置にしたときの方が、弁体を逆流位置にしたときよりも短い。そのため、排気ガスを排気管に流すと放熱現象により排気ガス温度が低下し、流路長さが長くなるほど温度降下は大きい。したがって、排気切替弁２０の弁体を順流位置に位置させたときよりも、弁体を逆流位置に位置させたときの方が触媒コンバータ３０に流入するまでの排気ガスの温度降下が大きい。
【００８５】
一方、図５に示すように、ＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ浄化率は触媒温度と相関があり、ＮＯｘを吸収するのに最適な温度ウインドウを有しており、このＮＯｘ吸収温度ウインドウから外れるとＮＯｘ吸収能力が大幅に低下する。また、ＮＯｘ触媒３１からＮＯｘを放出・還元させるときには、ＮＯｘ触媒３１の温度をそれほど高くしなくてもＮＯｘを放出させることができる。
【００８６】
また、ＮＯｘ触媒３１の排気ガス浄化温度ウインドウは、図１０に示すように２５０℃〜５５０℃程度であるが、高い浄化率が得られるのは４００℃前後である。通常、このＮＯｘ触媒の床温度を制御するのに、触媒の温度が４００℃付近になるように制御するようにしていたが、排気切替弁２０の弁体を作動させると、弁体作動中に排気ガスがショートパスして触媒コンバータ３０を一時的にバイパスするために、排気ガスが浄化されないで車外に排出される問題が生じる。
【００８７】
即ち、先の第１及び第２の実施の形態では、排気切替弁２０を積極的に切り替える一方、排気ガスのバイパス時にエンジンの排気空燃比をストイキに制御する考え方を採用しているが、排気ガスがバイパスする問題を可能な限り少なくするためには、排気切替弁２０の切替制御をできるだけ行わないようにすることも有効である。
【００８８】
そこで、この実施の形態では、ＮＯｘ触媒３１の温度が触媒活性温度内であれば、排気切替弁２０の弁体を作動させず、触媒活性温度以上、あるいは触媒活性温度以下になったときに切替制御を行うようにした。この触媒活性温度については、触媒の種類によっても左右されるが、概ね２５０℃〜５５０℃の範囲である。この温度範囲は、最高の活性が得られる４００℃付近におけるＮＯｘ吸蔵能力（単位時間に吸収できるＮＯｘ量）の半分以下の能力とするのが好ましい。
【００８９】
図１１は、このようにＮＯｘ触媒３１の温度が触媒活性温度内であれば、排気切替弁２０の弁体を作動させず、触媒活性温度以上、あるいは触媒活性温度以下になったときにＥＣＵ１００が排気切替弁２０の弁体作動を実行する制御手順を示すフローチャートである。
【００９０】
まず、ステップＳ２１において、ＥＣＵ１００はＮＯｘ触媒３１の触媒床温度が５５０℃以上か、又は２５０℃以下かの判定を行う。ここで、触媒床温度が５５０℃以上であることを判定した場合にはステップＳ２２に移行し、２５０℃以下であることを判定した場合には排気切替弁２０の弁***置を現状維持とし、リターンしてスタートへ戻る。
【００９１】
ステップＳ２２では、触媒床温度が５５０℃以上か否かを判定し、５５０℃以上の場合はステップＳ２３へ移行し、５５０℃以下の場合はステップＳ２５へ移行する。ステップＳ２３では、排気切替弁２０の弁体が順流位置（第１の位置）にあるか否かを判定し、順流位置にあるときはステップＳ２４へ移行し、排気切替弁２０の弁体を逆流位置（第２の位置）へ切り替えた後リターンしてスタートへ戻る。排気ガスが逆流するときの方が排気通路の長さが長く温度降下が大きいため、触媒床温度を低下させることができる。ステップＳ２３において、排気切替弁２０の弁体が逆流位置にあると判定した場合は、リターンしてスタートへ戻る。
【００９２】
一方、触媒床温度が５５０℃以下であるときに移行するステップＳ２５では、排気切替弁２０の弁体が順流位置にあるか否かを判定する。順流位置にあるときは現状維持とし、リターンしてスタートへ戻る。このステップＳ２５において、排気切替弁２０の弁体が逆流位置にあることを判定した場合には、ステップＳ２６へ移行し、排気切替弁２０の弁体を順流位置へ切り替える制御を実行した後、スタートへ戻る。
【００９３】
このように、第３の実施の形態によれば、ＮＯｘ触媒３１の触媒活性温度内であれば、排気ガスの流れ方向を切り替える排気切替弁２０の弁体は作動させず、その排気切替弁２０の弁体を順流位置又は逆流位置の何れかに保持した状態とする。そして、触媒温度が触媒活性温度以上あるいは以下になったときに初めて流れ方向切替手段の切り替え制御を行う。これにより、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが存在する問題を、排気切替弁２０の切り替え制御のみの簡便な方法で対処することができる。即ち、排気切替弁２０をそもそも浄化率が低い触媒活性温度範囲外で切り替えるようにしているため、全体として排気浄化性能を向上させることができる。
【００９４】
【発明の効果】
本発明の第１の手段に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、流れ方向切替手段の作動時に、排気浄化手段をバイパスする位置に流れ方向切替手段が排切り替えられたときには、内燃機関の排気空燃比をストイキに制御することで、三元触媒を機能させ、排気ガスを浄化してから排出させることができる。したがって、排気ガスの流れ方向切替手段の作動中に、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが生じたとしてもこれを浄化して排出することができる。
【００９５】
本発明の第２の手段に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、三元触媒にＳＯｘ吸収機能を持たせたものにおいては、内燃機関の排気空燃比がストイキ時に三元触媒よりＳＯｘが放出されるため、流れ方向切替手段の作動を排気バイパス位置で一時的に停止させ、ＳＯｘ放出が完了してから、流れ方向切替手段を切り替えるようにすることで、排気浄化手段のＳＯｘ被毒を効果的に防止できる。
【００９６】
本発明の第３の手段に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、排気浄化手段の触媒が触媒活性温度内であれば、排気ガスの流れ方向切替手段は作動させず、その切替手段を順流位置又は逆流位置の何れかに保持した状態とする。そして、触媒温度が触媒活性温度以上あるいは以下になったときに初めて流れ方向切替手段の切り替え制御を行うことで、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが存在する問題を、流れ方向切替手段の切り替え制御のみの簡便な方法で対処することができる。即ち、流れ方向切替手段をそもそも浄化率が低い触媒活性温度範囲外で切り替えるようにすることで、全体として排気浄化性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第１の実施の形態における概略構成図であり、排気切替弁を順流位置に位置させたときを示す図である。
【図２】第１の実施の形態の排気浄化装置において、排気切替弁を逆流位置に位置させたときの要部を示す図である。
【図３】第１の実施の形態の排気浄化装置において、排気切替弁を中立位置に位置させたときの要部を示す図である。
【図４】吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸放出・還元作用を説明する図である。
【図５】吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率の温度特性を示す図である。
【図６】第１の実施の形態の排気浄化装置における制御手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第２の実施の形態における制御手順を示すフローチャートである。
【図８】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第３の実施の形態における概略構成図であり、排気切替弁を順流位置に位置させたときを示す図である。
【図９】第２の実施の形態の排気浄化装置において、排気切替弁を逆流位置に位置させたときの要部を示す図である。
【図１０】吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率の温度特性に基づく触媒活性温度範囲を示す図である。
【図１１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第３の実施の形態における制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ リーンバーンガソリンエンジン（内燃機関）
２ 吸気管（吸気通路）
６ エアフロメータ
７ 燃料噴射弁
９ 排気管
１０ 排気管
１１ 排気管
１２ 排気管
１３ 排気温センサ
１４ 回転数センサ
２０ 排気切替弁（流れ方向切替手段）
２１ アクチュエータ（制御手段）
３０ 触媒コンバータ
３１ ＮＯｘ触媒（ＳＯｘ吸収剤）
３０ａ 入口
３０ｂ 出口
４０ 三元触媒
１００ ＥＣＵ（制御手段）
【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関し、特に、排気浄化手段を流れる排気ガスの流れ方向を必要に応じて切り替えることができる内燃機関の排気浄化装置に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関から排出される排気ガスを浄化するために、一般に、内燃機関の排気通路には排気浄化装置が設置される。この排気浄化装置に内燃機関の排気ガスを流していると、排気浄化装置における上流側から徐々に堆積物が付着する。この堆積物が何であるかは、排気ガスの組成により、あるいは、排気浄化装置の構成および排気浄化のメカニズムにより異なり、例えば酸化物、硫化物、硝酸塩、硫酸塩などがある。この堆積物は、排気浄化装置の浄化性能を低下させたり排気抵抗の増大を招く場合があり、所定のタイミングで除去する必要がある。
【０００３】
例えば、リーン空燃比の燃焼を行う内燃機関から排出される排気ガスのＮＯｘを浄化する排気浄化装置として、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒がある。この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯｘを放出し、Ｎ２に還元する触媒であり、排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を配置して、リーン空燃比の排気ガスから窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収させ、ＮＯｘ吸収後に内燃機関に供給する燃料を増量等して前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることにより、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒から吸収したＮＯｘを放出させるとともに、放出されたＮＯｘを排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯ等の還元成分によりＮ２に還元浄化する。
【０００４】
ところで、一般に、内燃機関の燃料には硫黄分が含まれており、内燃機関で燃料を燃焼すると、燃料中の硫黄分が燃焼して硫黄酸化物（ＳＯｘ）が発生する。前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘの吸収作用を行うのと同じメカニズムで排気ガス中のＳＯｘの吸収を行うので、内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を配置すると、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒にはＮＯｘのみならずＳＯｘも吸収される。
【０００５】
ところが、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸収されたＳＯｘは時間経過とともに安定な硫酸塩を形成するため、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒からのＮＯｘの放出、還元浄化（以下、ＮＯｘ放出・還元処理という）を行う条件では、分解、放出されにくく吸蔵還元型ＮＯｘ触媒内に蓄積され易い傾向がある。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒内のＳＯｘ蓄積量が増大すると、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収容量が減少して排気ガス中のＮＯｘの除去を十分に行うことができなくなりＮＯｘ浄化効率が低下する、いわゆるＳＯｘ被毒が生じる。そこで、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能を長期に亘って高く維持するためには、触媒に吸収されているＳＯｘを適宜のタイミングで放出させる必要がある。
【０００６】
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸収されたＳＯｘを放出させるには、流入排気ガスの空燃比をリッチにし、且つ、ＮＯｘ放出・還元処理時よりも吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を高温にする必要があることが分かっている。
【０００７】
ところで、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒内のＳＯｘの吸収量の分布は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒においては排気ガスの入口側に近いほど多くなっており、そのため、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸収されたＳＯｘを放出させる際に、リッチ空燃比の排気ガスをＮＯｘ吸収時の排気ガスの流れ方向と同じ方向に流したのでは、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒において前記入口側に吸収されていたＳＯｘが放出されても、放出されたＳＯｘが吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の中を排気ガスの出口側に移動するだけで吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に再吸収されてしまい、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒から効率よく排出することができないという問題がある。
【０００８】
そこで、特開平７−２５９５４２号公報に開示されているように、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸収されたＳＯｘを放出させるときには、リッチ空燃比の排気ガスをＮＯｘ吸収時とは逆方向に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流す技術が提案されている。このように排気ガスの流れを逆にしてＳＯｘの放出を行う逆流機能を備えていると、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒から放出されたＳＯｘは、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒内での移動距離が少なく直ちに吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の外に排出されるようになるので、放出されたＳＯｘが吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に再吸収されることを防止することができる。
【０００９】
前記公報に開示されている逆流機能付き内燃機関の排気浄化装置の場合には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒をバイパスさせるバイパス通路を設け、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に連なる排気通路と前記バイパス通路との合流部分にそれぞれ流路切替弁を設け、さらに、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒とこれよりも内燃機関に近い側の前記流路切替弁との間を排気ポンプの吸い込み口に接続し、排気ポンプの吐出口をバイパス通路に接続し、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒からＳＯｘを放出させるときには、内燃機関の排気の全量がバイパス通路に流れるように前記２つの流路切替弁の弁位置を切り替えるとともに、排気ポンプを運転することによって、通常のＮＯｘ吸収時とは逆方向に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を流れる排気の流れを発生させている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の逆流機能付き内燃機関の排気浄化装置では、排気ポンプや複数の流路切替弁が必要であり、部品点数が多くなって、コストアップになった。また、部品点数が多くなると、それだけ保守点検に手間がかかることになる。
【００１１】
また、上述した吸蔵還元型ＮＯｘ触媒において逆流を伴うＳＯｘ放出処理は、ＳＯｘ放出の際のＳＯｘの移動距離を短くすることによってＳＯｘの再吸収を回避することに着眼した処理方法ではあるが、その一方で、この処理方法を採用すると、排気ガスが吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に至るまでの距離が長くなるため、その長い経路を流通してくる間の排気ガスの温度低下が大きく、ＳＯｘ放出時の温度条件の観点からすると必ずしもＳＯｘ放出に最良の方法と言えない場合もある。
【００１２】
そこで、本出願人は、このような逆流機能付き内燃機関の排気浄化装置を簡単な構造とし、部品点数を少なくしてコストダウンを図れるようにした技術を既に提案した（特願平１１−０１１０２５）。
【００１３】
この技術は、内燃機関の排気通路に排気浄化手段を有し、この排気浄化手段よりも上流の排気通路に４つのポートを備えた流れ方向切替手段を設け、この流れ方向切替手段の第１ポートには内燃機関に接続された第１排気通路を接続し、第２ポートには大気に接続された第２排気通路を接続し、第３ポートには排気浄化手段の一方側に接続された第３排気通路を接続し、第４ポートには排気浄化手段の他方側に接続された第４排気通路を接続し、流れ方向切替手段は、第１ポートと第３ポートとを接続するとともに第２ポートと第４ポートとを接続して排気浄化手段に第１の方向に排気ガスを流す第１の位置と、第１ポートと第４ポートとを接続するとともに第２ポートと第３ポートとを接続して排気浄化手段に第１の方向と逆の第２の方向に排気ガスを流す第２の位置とに切り替え可能に構成したものである。
【００１４】
この排気浄化装置では、温度ウインドウを持つ触媒の床温度制御を排気管の長さを利用して行うことができるように、排気ガスを流す第１の方向とその第１の方向とは逆の第２の方向との排気通路の長さを異ならせている。即ち、排気ガスを排気管に流すと放熱現象により排気ガス温度が低下し、排気通路の長さが長くなるほど温度降下は大きい。一方、排気浄化手段に用いるＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率は触媒温度と相関があり、ＮＯｘを吸収する最適な温度ウインドウを有しており、このＮＯｘ吸収温度ウインドウから外れるとＮＯｘ吸収能力が大幅に低下する。したがって、流れ方向切替手段によって排気ガスの流れ方向を切り替えることにより、ＮＯｘの吸収及び放出制御やＳＯｘの放出制御等を効率的に行うことができる。
【００１５】
しかしながら、この排気浄化装置においては、排気ガスの流れ方向を切り替えるために流れ方向切替手段の弁体を作動させると、排気ガスの流れが第１の方向から第２の方向へ、あるいは第２の方向から第１の方向へ切り替わる途中で、一時的に排気浄化手段をバイパスする流れが生じ、浄化されない排気ガスが車外に排出される問題が生じていた。
【００１６】
よって、本発明が解決しようとする課題の一つは、排気ガスの流れ方向切替手段の作動中に、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが生じたとしてもこれを浄化して排出することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする課題の他の一つは、排気ガスの流れ方向切替手段の切替制御において、排気浄化手段のＳＯｘ被毒が生じないように排気ガスの流れを制御することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする課題のさらに他の一つは、流れ方向切替手段を浄化率が低い触媒活性温度範囲外で切り替えるようにすることで、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れができるだけ生じないようにし、全体として排気浄化性能を向上させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
本発明の第１の手段は、内燃機関の排気通路に排気浄化手段を有し、この排気浄化手段よりも上流の排気通路に４つのポートを備えた流れ方向切替手段が設けられ、該流れ方向切替手段の第１ポートには内燃機関に接続された第１排気通路が接続され、第２ポートには大気に接続された第２排気通路が接続され、第３ポートには前記排気浄化手段の一方側に接続された第３排気通路が接続され、第４ポートには前記排気浄化手段の他方側に接続された第４排気通路が接続されており、前記流れ方向切替手段は、前記第１ポートと前記第３ポートとを接続するとともに前記第２ポートと前記第４ポートとを接続して前記排気浄化手段に第１の方向に排気ガスを流す第１の位置と、前記第１ポートと前記第４ポートとを接続するとともに前記第２ポートと前記第３ポートとを接続して前記排気浄化手段に第１の方向と逆の第２の方向に排気ガスを流す第２の位置と、前記第１ポートと前記第２ポートとを接続して前記排気浄化手段をバイパスして排気ガスを流す第３の位置とに切り替え可能な排気浄化装置であり、前記流れ方向切替手段が前記第１の位置と第２の位置をとることで内燃機関から排気浄化手段までの距離が異なる排気通路を有し、前記排気浄化手段の触媒温度により前記流れ方向切替手段が作動するものにおいて、前記排気通路に三元触媒が設けられ、前記第１の位置から前記第２の位置へ前記流れ方向切替手段が作動するときには内燃機関の排気空燃比がストイキに制御されることを特徴とする。
【００１８】
この内燃機関の排気浄化装置では、流れ方向切替手段を切り替えて第１の位置あるいは第２の位置のいずれか一方を選択することによって、排気ガスを排気浄化手段に順方向に流したり、逆方向に流したりすることができる。流れ方向切替手段の作動時に、排気浄化手段をバイパスする第３の位置に切り替えられたときには、内燃機関の排気空燃比がストイキに制御されることで三元触媒が機能し、排気ガスが浄化されて排出される。したがって、排気ガスの流れ方向切替手段の作動中に、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが生じたとしてもこれを浄化して排出することができる。三元触媒については、排気浄化手段の上流側あるいは下流側のいずれの排気通路にも設けることができる。
【００１９】
本発明の第２の手段では、前記三元触媒は前記内燃機関の排気空燃比がリーンでＳＯｘを吸収するＳＯｘ吸収機能を有し、前記第１の位置から前記第２の位置へ前記流れ方向切替手段が作動するときには内燃機関の排気空燃比をストイキに制御し、前記第３の位置に前記流れ方向切替手段を作動させた後に第２の位置に切り替えることを特徴とする。
【００２０】
このように、三元触媒にＳＯｘ吸収機能を持たせたものにおいては、内燃機関の排気空燃比がストイキ時に三元触媒よりＳＯｘが放出されるため、流れ方向切替手段の作動を排気バイパス位置である第３の位置で一時的に停止させ、ＳＯｘ放出が完了してから、流れ方向切替手段を第２の位置に切り替えるように制御される。これにより、排気浄化手段のＳＯｘ被毒を効果的に防止できる。
【００２１】
本発明の第三の手段では、内燃機関の排気通路に排気浄化手段を有し、この排気浄化手段よりも上流の排気通路に４つのポートを備えた流れ方向切替手段が設けられ、該流れ方向切替手段の第１ポートには内燃機関に接続された第１排気通路が接続され、第２ポートには大気に接続された第２排気通路が接続され、第３ポートには前記排気浄化手段の一方側に接続された第３排気通路が接続され、第４ポートには前記排気浄化手段の他方側に接続された第４排気通路が接続されており、前記流れ方向切替手段は、前記第１ポートと前記第３ポートとを接続するとともに前記第２ポートと前記第４ポートとを接続して前記排気浄化手段に第１の方向に排気ガスを流す第１の位置と、前記第１ポートと前記第４ポートとを接続するとともに前記第２ポートと前記第３ポートとを接続して前記排気浄化手段に第１の方向と逆の第２の方向に排気ガスを流す第２の位置と、前記第１ポートと前記第２ポートとを接続して前記排気浄化手段をバイパスして排気ガスを流す第３の位置とに切り替え可能な排気浄化装置であり、前記流れ方向切替手段の第１の位置と第２の位置をとることで内燃機関から排気浄化手段までの距離が異なる排気通路を有し、前記排気浄化手段の触媒温度により前記流れ方向切替手段が作動するものにおいて、排気浄化手段の触媒温度が排気浄化率の高い温度ウインドウ内にあるときには、前記切替弁の作動を禁止することを特徴とする。
【００２２】
このように、排気ガスの流れ方向切替手段の切り替え制御に工夫を凝らすことにより、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れができるだけ生じないようにし、これにより必要最低限の排気浄化手段で排気ガスを効率的に浄化できる。排気浄化手段が例えばＮＯｘ触媒である場合、触媒活性温度内であれば、排気ガスの流れ方向切替手段は作動させず、その切替手段を第１の位置又は第２の位置の何れかに保持した状態とする。そして、触媒温度が触媒活性温度（温度ウインドウ）以上あるいは以下になったときに初めて流れ方向切替手段の切り替え制御を行う。これにより、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが存在する問題を、流れ方向切替手段の切り替え制御のみの簡便な方法で対処することができる。即ち、流れ方向切替手段をそもそも浄化率が低い触媒活性温度範囲外で切り替えるようにしているため、全体として排気浄化性能が向上する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を、リーン空燃比で燃焼可能なガソリンエンジン（いわゆるリーンバーンガソリンエンジン）に適用した場合の実施の形態における概略構成を示す図である。
【００２４】
この図において、エンジン１は直列４気筒であり、吸気管２及び吸気マニホルド３を介して各気筒に吸気が供給される。吸気管２には、図示しないアクセルペダルと連動して吸気管２内の吸気通路を開閉するスロットル弁４が設けられ、このスロットル弁４には、スロットル弁４の開度に対応した出力信号をエンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００に出力するスロットルポジションセンサ５が取り付けられている。
【００２５】
吸気管２においてスロットル弁４よりも上流側には、吸気管２内を流れる吸入空気量（吸入空気質量）Ｑに対応した出力信号をＥＣＵ１００に出力するエアフロメータ６が取り付けられている。
【００２６】
エンジン１の各気筒に連なる各吸気通路には燃料噴射弁７から燃料（ガソリン）が噴射される。燃料噴射弁７の開弁時期及び開弁期間は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ１００によって制御される。
【００２７】
エンジン１の各気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド８及び排気管（第１排気通路）９を介して排気される。排気管９の途中には三元触媒４０が設けられている。この三元触媒４０は、エンジン１の排気空燃比がストイキのときに、排気ガス中のＮＯｘやＳＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等を浄化する機能を有するものである。
【００２８】
排気管９は、４つのポートを備えた排気切替弁（流れ方向切替手段）２０の第１ポートに接続されている。排気切替弁２０の第２ポートは排気ガスを大気に排出する排気管（第２排気通路）１０に接続され、排気切替弁２０の第３ポートは排気管（第３排気通路）１１を介して触媒コンバータ（排気浄化手段）３０の入口３０ａに接続され、排気切替弁２０の第４ポートは排気管（第４排気通路）１２を介して触媒コンバータ（排気浄化手段）３０の出口３０ｂに接続されている。触媒コンバータ３０には吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＯｘ触媒と略す）３１が収容されている。ＮＯｘ触媒３１については後で詳述する。
【００２９】
排気切替弁２０は、その弁体を図１に示す順流位置と図２に示す逆流位置に切り替えることによって、触媒コンバータ３０を流れる排気ガスの流れ方向を変えることができるバルブである。前記弁体が順流位置に位置しているとき、排気切替弁２０は、排気管９と排気管１１とを接続するとともに排気管１０と排気管１２とを接続し、この時、排気ガスは、三元触媒４０→排気管９→排気管１１→触媒コンバータ３０→排気管１２→排気管１０の順に流れて、大気に放出される。このように触媒コンバータ３０の入口３０ａから出口３０ｂに向かって流れる排気ガスの流れを、以下の説明においては「順流」と称す。
【００３０】
また、排気切替弁２０の弁体が図２に示す逆流位置に位置しているとき、排気切替弁２０は、排気管９と排気管１２とを接続するとともに排気管１０と排気管１１とを接続し、この時、排気ガスは、三元触媒４０→排気管９→排気管１２→触媒コンバータ３０→排気管１１→排気管１０の順に流れて、大気に放出される。このように触媒コンバータ３０の出口３０ｂから入口３０ａに向かって流れる排気ガスの流れを、以下の説明においては「逆流」と称す。
【００３１】
また、排気切替弁２０の弁体が図３に示す中立位置に位置しているとき、排気切替弁２０は、排気管９と排気管１０とを接続し、この時、排気ガスは、三元触媒４０→排気管９→排気管１０の順に流れて、大気に放出される。このように触媒コンバータ３０を流れずにバイパスする排気ガスのながれを、以下の説明では「ショートパス」と称す。
【００３２】
この排気切替弁２０はアクチュエータ２１に駆動されて弁***置の切り替えが行われるようになっており、アクチュエータ２１はＥＣＵ１００により制御される。この実施の形態では、アクチュエータ２１とＥＣＵ１００は制御手段を構成する。排気切替弁２０の弁***置の切り替え制御については後で詳述する。
【００３３】
排気管１１において触媒コンバータ３０の入口３０ａの近傍には、排気管１１内を流れる排気ガスの温度に対応した出力信号をＥＣＵ１００に出力する排気温センサ１３が取り付けられている。
【００３４】
ＥＣＵ１００はデジタルコンピュータからなり、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入力ポート、出力ポートを具備し、エンジン１の空燃比制御等の基本制御を行うほか、この実施の形態では、触媒コンバータ３０のＳＯｘ放出処理制御等を行っている。
【００３５】
これら制御のために、ＥＣＵ１００の入力ポートには、前記エアフロメータ６からの入力信号、排気温センサ１３からの入力信号が入力されるほか、回転数センサ１４からの入力信号が入力される。回転数センサ１４はエンジン１の回転数に応じた出力信号をＥＣＵ１００に出力し、この出力信号からＥＣＵ１００はエンジン回転数Ｎを演算する。また、ＥＣＵ１００はエアフロメータ６の出力信号から吸入空気量Ｑを演算し、エンジン負荷Ｑ／Ｎ（吸入空気量Ｑ／エンジン回転数Ｎ）を演算する。そして、ＥＣＵ１００は、エンジン回転数Ｎとエンジン負荷Ｑ／Ｎからエンジン１の運転状態を判定し、その運転状態に応じて燃料噴射弁から噴射する燃料量を制御し、リーン空燃比とストイキまたはリッチ空燃比に切り替える空燃比制御を行う。この空燃比制御の一例を挙げれば、暖機運転時および高負荷運転域ではストイキまたはリッチ空燃比とし、低中負荷運転域ではリーン空燃比とする制御方法がある。
【００３６】
触媒コンバータ３０に収容されているＮＯｘ触媒３１、即ち吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。
【００３７】
このＮＯｘ触媒３１は、流入排気ガスの空燃比（以下、排気空燃比と称す）がリーンのときは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を放出し、Ｎ２ に還元する。尚、排気空燃比とは、ここではＮＯｘ触媒３１の上流側の排気通路やエンジン燃焼室、吸気通路等にそれぞれ供給された空気量の合計と燃料（炭化水素）の合計の比を意味するものとする。したがって、ＮＯｘ触媒３１上流の排気通路内に燃料、還元剤あるいは空気が供給されない場合には、排気空燃比はエンジン燃焼室内に供給される混合気の空燃比に一致することになる。
【００３８】
この実施の形態では、リーン空燃比での燃焼が可能ないわゆるリーンバーンガソリンエンジンを内燃機関として使用しており、エンジン１の運転状態に応じて混合気の空燃比を制御している。それゆえ、エンジン１がリーン空燃比で運転されている時には排気空燃比はリーンになり、酸素濃度は高くなる。一方、エンジン１がストイキまたはリッチ空燃比で運転されている時には排気空燃比はストイキまたはリッチになり、排気ガス中の酸素濃度は大幅に低下するとともに、エンジン１から排出される未燃ＨＣ、ＣＯ等の成分が増大する。
【００３９】
ＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ吸放出作用のメカニズムについては明らかでない部分もあるが、図４に示すようなメカニズムで行われると考えられている。このメカニズムについて、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明するが、他の貴金属，アルカリ金属，アルカリ土類，希土類を用いても同様のメカニズムとなる。
【００４０】
まず、流入排気ガスがかなりリーンになると流入排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大するため、図４（Ａ）に示すように、酸素Ｏ２ がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。次に、排気ガスに含まれるＮＯは、白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＮＯ２ となる（２ＮＯ＋Ｏ２ →２ＮＯ２ ）。
【００４１】
その後、生成されたＮＯ２は、ＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限り、白金Ｐｔ上で酸化されながらＮＯｘ触媒３１内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合し、図４（Ａ）に示すように硝酸イオンＮＯ３ −の形でＮＯｘ触媒３１内に拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ触媒３１内に吸収される。
【００４２】
これに対し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下した場合は、ＮＯ２の生成量が低下し、前記反応とは逆の反応（ＮＯ３ − →ＮＯ２）によって、ＮＯｘ触媒３１内の硝酸イオンＮＯ３ −は、ＮＯ２またはＮＯの形でＮＯｘ触媒３１から放出される。
【００４３】
一方、流入排気ガス中にＨＣ，ＣＯ等の還元成分が存在すると、これらの成分は白金Ｐｔ上の酸素Ｏ２ −又はＯ２−と反応して酸化され、排気ガス中の酸素を消費して排気ガス中の酸素濃度を低下させる。また、排気ガス中の酸素濃度低下によりＮＯｘ触媒３１から放出されたＮＯ２ またはＮＯは、図４（Ｂ）に示すように、ＨＣ，ＣＯと反応して還元される。このようにして白金Ｐｔ上のＮＯ２ またはＮＯが存在しなくなると、ＮＯｘ触媒３１から次から次へとＮＯ２またはＮＯが放出される。
【００４４】
即ち、流入排気ガス中のＨＣ，ＣＯは、まず白金Ｐｔ上の酸素Ｏ２ −又はＯ２−とただちに反応して酸化せしめられ、次いで白金Ｐｔ上の酸素Ｏ２ −又はＯ２−が消費されてもまだＨＣ，ＣＯが残っていれば、このＨＣ，ＣＯによってＮＯｘ触媒３１から放出されたＮＯｘおよびエンジンから排出されたＮＯｘがＮ２に還元せしめられる。
【００４５】
このように、排気空燃比がリーンになるとＮＯｘがＮＯｘ触媒３１に吸収され、排気空燃比をストイキあるいはリッチにするとＮＯｘがＮＯｘ触媒３１から短時間のうちに放出され、Ｎ２に還元される。したがって、大気中へのＮＯｘの排出を阻止することができる。
【００４６】
次に、ＮＯｘ触媒３１のＳＯｘ被毒のメカニズムについて説明する。排気ガス中に硫黄酸化物（ＳＯｘ）が含まれていると、ＮＯｘ触媒３１は上述のＮＯｘの吸収と同じメカニズムで排気ガス中のＳＯｘを吸収する。即ち、排気空燃比がリーンのときには、酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形でＮＯｘ触媒３１の白金Ｐｔの表面に付着しており、流入排気ガス中のＳＯｘ（例えばＳＯ２）は白金Ｐｔの表面上で酸化されてＳＯ３となる。
【００４７】
その後、生成されたＳＯ２は、白金Ｐｔの表面で更に酸化されながらＮＯｘ触媒３１内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合し、硫酸イオンＳＯ４ ２−の形でＮＯｘ触媒３１内に拡散し硫酸塩ＢａＳＯ４を形成する。ＢａＳＯ４は結晶が粗大化し易く、比較的安定し易いため、一旦生成されると分解放出されにくい。このため、時間の経過とともにＮＯｘ触媒３１中のＢａＳＯ４の生成量が増大するとＮＯｘ触媒３１の吸収に関与できるＢａＯの量が減少してＮＯｘの吸収能力が低下してしまう。これが即ちＳＯｘ被毒である。したがって、ＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ吸収能力を高く維持するためには、適宜のタイミングでＮＯｘ触媒３１に吸収されたＳＯｘを放出させる必要がある。
【００４８】
ＮＯｘ触媒３１からＳＯｘを放出させるには、ＮＯｘを放出させる場合と同様に排気ガスの酸素濃度を低下させればよいことが分かっており、また、ＮＯｘ触媒３１の温度が高いほど放出し易いことが分かっている。
【００４９】
本出願人の研究により、ＮＯｘ触媒３１に吸収されたＳＯｘを放出させるには、流入排気空燃比をストイキまたはリッチにし、且つ、ＮＯｘ触媒３１からＮＯｘを放出させる通常のＮＯｘ放出・還元処理時よりもＮＯｘ触媒３１の温度を高くする必要があることがわかった。
【００５０】
また、触媒コンバータ３０におけるＳＯｘの吸収状態は、触媒コンバータ３０の入口３０ａに近く位置しているＮＯｘ触媒３１の方が、入口３０ａから遠くに位置しているＮＯｘ触媒３１よりもＳＯｘ吸収量が多くなるため、ＮＯｘ触媒３１からＳＯｘを放出させる際には、排気空燃比がストイキまたはリッチで且つ高温の排気ガスを触媒コンバータ３０の出口３０ｂ側から入口３０ａ側に向けて流すと、ＳＯｘを短時間で放出することができる。
【００５１】
触媒コンバータ３０の排気通路への配置位置については、排気ガスの流れが順流のときのＮＯｘ触媒床温度を確保するため、触媒コンバータ３０の入口３０ａが排気切替弁２０の近くに位置する配置としている。即ち、排気切替弁２０の弁体を順流位置に位置させた状態を示す図１と、排気切替弁２０の弁体を逆流位置に位置させた状態を示す図２とからもわかるように、排気ガスが触媒コンバータ３０に流入するまでの流路長さは、排気切替弁２０の弁体を順流位置にしたときの方が、弁体を逆流位置にしたときよりも短い。そのため、排気ガスを排気管に流すと放熱現象により排気ガス温度が低下し、流路長さが長くなるほど温度降下は大きい。したがって、排気切替弁２０の弁体を順流位置に位置させたときよりも、弁体を逆流位置に位置させたときの方が触媒コンバータ３０に流入するまでの排気ガスの温度降下が大きい。
【００５２】
一方、図５に示すように、ＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ浄化率は触媒温度と相関があり、ＮＯｘを吸収するのに最適な温度ウインドウ（以下ＮＯｘ吸収ウインドウという）を有しており、このＮＯｘ吸収ウインドウから外れるとＮＯｘ吸収能力が大幅に低下する。また、ＮＯｘ触媒３１からＮＯｘを放出・還元させるときには、ＮＯｘ触媒３１の温度をそれほど高くしなくてもＮＯｘを放出させることができるものの、ＮＯｘ触媒３１からＳＯｘを放出させるときには、前述したようにＮＯｘ触媒３１の温度を高温にした方がＳＯｘを効率的に放出することができる。
【００５３】
他方、排気切替弁２０の弁体を作動させると、弁体作動中に排気ガスが図３に示すようにショートパスして触媒コンバータ３０をバイパスするために、排気空燃比がリーンであるとその排気ガスが三元触媒によって浄化されない。
【００５４】
そこで、本実施の形態では、排気ガスの流れ方向を順流あるいは逆流とする際に必要な排気切替弁２０の切替操作に基づく弁体作動中に、排気ガスがショートパスする弁***置（第３の位置）では、排気空燃比をストイキに制御することとした。この弁体の作動を伴う排気切替弁２０の切換操作については、例えば、ＮＯｘ，ＳＯｘの吸収時には触媒コンバータ３０における排気ガスの流れを順流にし、ＮＯｘ，ＳＯｘの放出時には触媒コンバータ３０における排気ガスの流れを逆流にするとき、あるいはＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ浄化率が触媒温度と相関する点を考慮し、触媒温度が温度ウインドーから外れないように排気ガスの流れ方向を順流又は逆流に切り替えるとき、などを例示することができる。
【００５５】
次に、本実施の形態における排気浄化装置の作動について、ＮＯｘあるいはＳＯｘ放出時に排気ガスを逆流させる制御を例にとり説明する。前述したように、エンジン１はリーンバーンガソリンエンジンであり、エンジン１の運転状態に応じて空燃比がＥＣＵ１００により制御され、エンジン１がリーン空燃比で運転されている時には排気空燃比はリーンになって、酸素濃度は高くなり、エンジン１がストイキまたはリッチ空燃比で運転されている時には排気空燃比はストイキまたはリッチになり、排気ガス中の酸素濃度は大幅に低下するとともに、エンジン１から排出される未燃ＨＣ、ＣＯ等の成分が増大する。
【００５６】
そこで、エンジン１がリーン空燃比で運転されているときには、排気切替弁２０の弁体が図１に示す順流位置に保持されるように、ＥＣＵ１００によってアクチュエータ２１の作動を制御する。これにより、エンジン１の排気ガスは、三元触媒４０→排気管９→排気管１１→触媒コンバータ３０→排気管１２→排気管１０の順に流れて、大気に放出されるようになり、触媒コンバータ３０では入口３０ａから出口３０ｂに向かって流れる順流となる。この時、排気ガス中のＮＯｘ及びＳＯｘが触媒コンバータ３０のＮＯｘ触媒３１に吸収される。またこの時、排気空燃比がリーンであるため三元触媒４０はほとんど機能しない。
【００５７】
そして、エンジン１がストイキ又はリッチ空燃比で運転されているときには、排気切替弁２０の弁体が図２に示す逆流位置に保持されるように、ＥＣＵ１００によってアクチュエータ２１の作動を制御する。これにより、エンジン１の排気ガスは、三元触媒４０→排気管９→排気管１２→触媒コンバータ３０→排気管１１→排気管１０の順に流れて、大気に放出されるようになり、触媒コンバータ３０では出口３０ｂから入口３０ａに向かって流れる逆流となる。また、エンジン１をストイキまたはリッチ空燃比で運転している時には、ＮＯｘ触媒３１からＳＯｘが放出され易い排気ガス温度となるように、ＥＣＵ１００によってエンジン１の運転制御がなされるようにしておく。
【００５８】
これにより、触媒コンバータ３０内をストイキまたはリッチ空燃比の高温の排気ガスが、ＮＯｘ，ＳＯｘ吸収時とは逆の方向に通過するようになり、ＮＯｘ触媒３１からＮＯｘが放出され、さらに排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯ等によりＮ２に還元浄化される。また、排気ガスが触媒コンバータ３０を逆流することによって、ＮＯｘ触媒３１に吸収されているＳＯｘを短時間のうちにＮＯｘ触媒３１から放出させることができる。
【００５９】
また、エンジン１の運転条件によりリーン空燃比運転が長時間続いた時には、エンジン１を強制的にストイキまたはリッチ空燃比で運転されるように制御して上述のようにＮＯｘ，ＳＯｘの放出処理を行い、触媒コンバータ３０がＮＯｘやＳＯｘで飽和しないようにする。このようなエンジン１の空燃比制御方法を以下の説明ではリーン・リッチスパイク制御と称す。尚、リーン・リッチスパイク制御について具体的に数値を挙げて説明すると、エンジン１の「リーン空燃比運転」が数十秒（例えば４０〜６０秒）続くと、「ストイキまたはリッチ空燃比運転」が数秒（例えば２〜３秒）続き、この「リーン空燃比運転」と「ストイキまたはリッチ空燃比運転」が交互に実行されるといった具合である。
【００６０】
このように排気切替弁２０の弁体が順流位置から逆流位置にあるいは逆流位置から順流位置に切り替わる途中では、図３に示すように排気ガスが排気管９から排気管１０へとショートパスして触媒コンバータ３０をバイパスする。このとき、ショートパスする排気ガスがリーンであると、三元触媒４０は機能せず、排気ガスは浄化されない。したがって、排気切替弁２０の弁体作動中においては、エンジン１の運転制御により、排気空燃比を強制的にストイキに制御して三元触媒４０を機能させ、ショートパスする排気ガスを三元触媒４０により浄化してから大気に放出させる。
【００６１】
図６は、このようにエンジン１の運転制御により、排気空燃比を強制的にストイキに制御するときにＥＣＵ１００が実行する制御手順を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１では、ＥＣＵ１００はバルブ作動時期か否かを判定する。この判定については、どのような条件を満たしたときに排気ガスの流れ方向を切り替えるか否か、排気浄化の全体システムや排気浄化手段の特性によって決定されるが、例えばＥＣＵ１００がエンジン１の運転時間を積算し、その積算値が所定量に達した場合にＳＯｘ放出処理必要と判定したり、ＥＣＵ１００がＮＯｘ触媒３１に吸収されたＳＯｘ量を積算し、積算値が所定量に達した時にＳＯｘ放出必要と判定するなどを例示することができる。また、リーン空燃比で燃焼可能なリーンバーンガソリンエンジンの場合には、エンジンの運転状態によってリーン空燃比による燃焼とリッチ空燃比による燃焼に切り替えられるので、このエンジンの運転状態応じて排気切換弁２０を切替制御する場合なども例示することができる。
【００６２】
ステップＳ１において、バルブ作動時期でないことを判定したらリターンしてスタートへ戻る。バルブ作動時期であることを判定した場合には、ステップＳ２においてエンジン１の排気空燃比を強制的にストイキに制御する。エンジン１の排気空燃比をストイキに制御したら、次にステップＳ３において、アクチュエータ２１の作動制御により排気切替弁２０の弁体（バルブ）を順流位置から逆流位置へ切り替える。
【００６３】
バルブの切り替え制御を完了したら、ステップＳ４に移行する。ステップＳ４では、ＥＣＵ１００はエンジン１の運転状態に応じた空燃比に、あるいは強制的にリーン・リッチスパイク運転等に制御する。ステップＳ４へ移行後はリターンしてスタートへ戻る。
【００６４】
なお、バルブ作動中において、エンジン１の排気空燃比を強制的にストイキに制御することは、ＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ浄化率が触媒温度と相関する点を考慮し、触媒温度が温度ウインドーから外れないように排気ガスの流れ方向を順流又は逆流に切り替えるときにおいても同様である。
【００６５】
この実施の形態では、排気ガスが順流に流れる方向が第１の方向となり、逆流に流れる方向が第２の方向となる。また、排気管９、排気管１１、排気管１２、排気管１０、排気切替弁２０、アクチュエータ２１、ＥＣＵ１００等は排気ガスの逆流手段を構成している。また、ＳＯｘ除去に必要な排気ガスの空燃比（リーン又はリッチ）と排気ガス温度（高温）をエンジン１の運転制御によって得ているので、この実施の形態ではエンジン１の運転制御を行うための各センサーを含むＥＣＵ１００が制御手段を構成している。
【００６６】
また、この実施の形態では、三元触媒４０を触媒コンバータ３０の上流側に設けた例を示したが、三元触媒４０を触媒コンバータ３０の下流側に設けてもよい。三元触媒４０を触媒コンバータ３０の下流側に設ける例としては、排気管１０の途中に設ける例を挙げることができる。
【００６７】
〔実施の形態２〕
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第２の実施の形態について、図７のフロー図を参照して説明する。
【００６８】
この第２の実施の形態では、第１の実施の形態で示した三元触媒４０に、Ｓトラップ材の機能を持たせた場合における制御例を示したものである。この場合の三元触媒４０は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときにＳＯｘを吸収し、酸素濃度の低いストイキ又はリッチ空燃比のときに吸収したＳＯｘを放出する。
【００６９】
このように三元触媒４０にＳトラップ機能を持たせると、図１に示すように排気切替弁２０の弁体を順流位置にしたとき（即ち、ＮＯｘ吸収時）には、三元触媒４０が触媒コンバータ３０よりも上流に位置することになるので、排気ガス中のＳＯｘは三元触媒４０に吸着され、触媒コンバータ３０へのＳＯｘの流入を阻止することができ、ＮＯｘ触媒３１のＳＯｘ被毒を阻止することができる。しかし、エンジン１の排気空燃比をストイキに制御すると、三元触媒４０からＳＯｘが放出されるため、ＮＯｘ触媒３１のＳＯｘ被毒の問題が生じる。
【００７０】
そこで、この実施の形態では、ＥＣＵ１００は次のように排気切替弁２０の弁***置の切り替え制御を行う。
まず、ステップＳ１１において、ＥＣＵ１００はバルブ作動時期か否かを判定する。バルブ作動時期でないことを判定したらリターンしてスタートへ戻る。バルブ作動時期であることを判定した場合には、ステップＳ１２に進み、エンジン１の排気空燃比を強制的にストイキに制御するとともに、アクチュエータ２１の作動制御により排気切替弁２０の弁体（バルブ）を順流位置から逆流位置へ切り替える途中で、バルブをバイパス位置（第３の位置）に位置させる。
【００７１】
排気空燃比がストイキに制御されると、三元触媒４０からＳＯｘが放出されるが、バルブがバイパス位置にあるため、ＳＯｘを含む排気ガスはＮＯｘ触媒３１をバイパスして大気に放出される。これによりＮＯｘ触媒３１のＳＯｘ被毒が防止される。
【００７２】
ステップＳ１２の実行により、バルブをバイパス位置に位置させた状態でステップＳ１３へ移行する。このステップＳ１３では、三元触媒４０のＳＯｘ放出が完了したか否かを判定し、ＳＯｘ放出未完了と判定した場合はステップＳ１２へ戻る。ＳＯｘ放出完了と判定した場合はステップＳ１４へ進み、目的とするバルブ切替位置（逆流位置）へ切り替えてバルブの切替制御を完了する。
【００７３】
ステップＳ１４においてバルブの切り替え制御を完了するとステップＳ１５へ移行する。ステップＳ１５では、ＥＣＵ１００はエンジン１をその運転状態に応じた空燃比に、あるいは強制的にリーン・リッチスパイク運転等に制御する。ステップＳ１５移行後はリターンしてスタートへ戻る。
【００７４】
なお、以上の制御フローは、バルブを逆流位置から順流位置へ切り替える場合においても同様に実行される。また、このようにエンジン１の排気空燃比を強制的にストイキに制御するとき、バルブの作動を一旦排気バイパス位置で停止させることは、ＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ浄化率が触媒温度と相関する点を考慮し、触媒温度が温度ウインドーから外れないように排気ガスの投げれ方向を順流又は逆流に切り替えるときにおいても同様に実行される。
【００７５】
尚、上述した実施の形態では、ＮＯｘ触媒３１からのＮＯｘ，ＳＯｘの放出処理を同時に行っているが、エンジンの排気ガス、特にガソリンエンジンの排気ガスに含まれるＳＯｘ量は極めて僅かであるため、ＮＯｘの放出処理と同一の頻度でＳＯｘの放出処理を行う必要はない。そこで、ＮＯｘの放出処理を行う場合には、ストイキまたはリッチ空燃比の運転域であっても排気ガス温度が比較的に低いエンジン１の運転状態の時には、排気ガスを触媒コンバータ３０にＮＯｘ吸収時と同じ順流で流してＮＯｘ触媒３１からＮＯｘを放出・還元させるようにし、一方、ストイキまたはリッチ空燃比の運転域であって且つ排気ガス温度が上昇して高温になるエンジン１の運転状態（加速時や高負荷運転時など）のとき、即ち排気ガスの状態がＳＯｘ放出に有利なストイキまたはリッチ空燃比且つ高温になった時にのみ、排気切替弁２０の弁体を逆流位置に切り替えて、触媒コンバータ３０を流れる排気ガスの流れを逆流にし、ＳＯｘの放出処理を行うように制御してもよい。
【００７６】
また、ＥＣＵ１００によってＮＯｘ触媒３１のＳＯｘ放出処理が必要か否かを判定し、ＳＯｘ放出処理の必要なしと判定されたときには排気切替弁２０の弁体を順流位置に保持して触媒コンバータ３０を流れる排気ガスの流れを順流にし、必要があると判定されたときに排気切替弁２０の弁体を逆流位置に切り替え、触媒コンバータ３０を流れる排気ガスの流れを逆流にし、且つ、ＥＣＵ１００が、ＳＯｘの放出に最適な目標空燃比や目標触媒温度を算出し、さらに還元剤添加装置を備えた場合には目標還元剤量を算出し、これら目標値となるようにエンジン１や還元剤添加装置等を制御して、ＳＯｘの放出処理を行うようにしてもよい。
【００７７】
〔実施の形態３〕
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第３の実施の形態について、図８〜図１１を参照して説明する。
【００７８】
図８は、第３の実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。同図に示す例では、排気通路に三元触媒が設けられていない点を除けば、先の第１及び第２の実施形態と基本的に同じである。
【００７９】
即ち、エンジン１は直列４気筒のリーンバーンガソリンエンジンであり、吸気管２及び吸気マニホールド３を介して各気筒に吸気が供給され、各気筒に連なる各吸気通路に燃料噴射弁７から燃料が噴射され、各気筒から排出される排気ガスは排気マニホールド８及び排気管９を介して排気され、吸気管２にはスロットルポジションセンサ５を備えたスロットル弁４とエアフロメータ６が設置され、排気管１１には排気温センサ１３が設置され、エンジン１には回転数センサ１４が設置され、スロットルポジションセンサ５、エアフロメータ６、排気温センサ１３、回転数センサ１４の各出力信号がＥＣＵ１００に出力され、ＥＣＵ１００からの出力信号に基づいて燃料噴射弁７が作動制御される構成である。
【００８０】
また、排気管９は、４つのポートを備えた排気切替弁（流れ方向切替手段）２０の第１ポートに接続されている。排気切替弁２０の第２ポートは排気ガスを大気に排出する排気管（第２排気通路）１０に接続され、排気切替弁２０の第３ポートは排気管（第３排気通路）１１を介して触媒コンバータ（排気浄化手段）３０の入口３０ａに接続され、排気切替弁２０の第４ポートは排気管（第４排気通路）１２を介して触媒コンバータ（排気浄化手段）３０の出口３０ｂに接続されている。触媒コンバータ３０には吸蔵還元型ＮＯｘ触媒３１が収容されている。
【００８１】
排気切替弁２０は、その弁体を図８に示す順流位置（第１の位置）と図９に示す逆流位置（第２の位置）に切り替えることによって、触媒コンバータ３０を流れる排気ガスの流れ方向を変えることができるバルブである。前記弁体が順流位置に位置しているとき、排気切替弁２０は、排気管９と排気管１１とを接続するとともに排気管１０と排気管１２とを接続し、この時、排気ガスは、排気管９→排気管１１→触媒コンバータ３０→排気管１２→排気管１０の順に流れて、大気に放出される。
【００８２】
また、排気切替弁２０の弁体が図９に示す逆流位置に位置しているとき、排気切替弁２０は、排気管９と排気管１２とを接続するとともに排気管１０と排気管１１とを接続し、この時、排気ガスは、排気管９→排気管１２→触媒コンバータ３０→排気管１１→排気管１０の順に流れて、大気に放出される。
【００８３】
また、排気切替弁２０の弁体が中立位置（図３参照）に位置しているとき、排気切替弁２０は、排気管９と排気管１０とを接続し、この時、排気ガスは、排気管９→排気管１０の順に流れて、大気に放出される。
【００８４】
触媒コンバータ３０の排気通路への配置位置についても、排気ガスの流れが順流のときのＮＯｘ触媒床温度を確保するため、触媒コンバータ３０の入口３０ａが排気切替弁２０の近くに位置する配置としている。即ち、排気ガスが触媒コンバータ３０に流入するまでの流路長さは、排気切替弁２０の弁体を順流位置にしたときの方が、弁体を逆流位置にしたときよりも短い。そのため、排気ガスを排気管に流すと放熱現象により排気ガス温度が低下し、流路長さが長くなるほど温度降下は大きい。したがって、排気切替弁２０の弁体を順流位置に位置させたときよりも、弁体を逆流位置に位置させたときの方が触媒コンバータ３０に流入するまでの排気ガスの温度降下が大きい。
【００８５】
一方、図５に示すように、ＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ浄化率は触媒温度と相関があり、ＮＯｘを吸収するのに最適な温度ウインドウを有しており、このＮＯｘ吸収温度ウインドウから外れるとＮＯｘ吸収能力が大幅に低下する。また、ＮＯｘ触媒３１からＮＯｘを放出・還元させるときには、ＮＯｘ触媒３１の温度をそれほど高くしなくてもＮＯｘを放出させることができる。
【００８６】
また、ＮＯｘ触媒３１の排気ガス浄化温度ウインドウは、図１０に示すように２５０℃〜５５０℃程度であるが、高い浄化率が得られるのは４００℃前後である。通常、このＮＯｘ触媒の床温度を制御するのに、触媒の温度が４００℃付近になるように制御するようにしていたが、排気切替弁２０の弁体を作動させると、弁体作動中に排気ガスがショートパスして触媒コンバータ３０を一時的にバイパスするために、排気ガスが浄化されないで車外に排出される問題が生じる。
【００８７】
即ち、先の第１及び第２の実施の形態では、排気切替弁２０を積極的に切り替える一方、排気ガスのバイパス時にエンジンの排気空燃比をストイキに制御する考え方を採用しているが、排気ガスがバイパスする問題を可能な限り少なくするためには、排気切替弁２０の切替制御をできるだけ行わないようにすることも有効である。
【００８８】
そこで、この実施の形態では、ＮＯｘ触媒３１の温度が触媒活性温度内であれば、排気切替弁２０の弁体を作動させず、触媒活性温度以上、あるいは触媒活性温度以下になったときに切替制御を行うようにした。この触媒活性温度については、触媒の種類によっても左右されるが、概ね２５０℃〜５５０℃の範囲である。この温度範囲は、最高の活性が得られる４００℃付近におけるＮＯｘ吸蔵能力（単位時間に吸収できるＮＯｘ量）の半分以下の能力とするのが好ましい。
【００８９】
図１１は、このようにＮＯｘ触媒３１の温度が触媒活性温度内であれば、排気切替弁２０の弁体を作動させず、触媒活性温度以上、あるいは触媒活性温度以下になったときにＥＣＵ１００が排気切替弁２０の弁体作動を実行する制御手順を示すフローチャートである。
【００９０】
まず、ステップＳ２１において、ＥＣＵ１００はＮＯｘ触媒３１の触媒床温度が５５０℃以上か、又は２５０℃以下かの判定を行う。ここで、触媒床温度が５５０℃以上であることを判定した場合にはステップＳ２２に移行し、２５０℃以下であることを判定した場合には排気切替弁２０の弁***置を現状維持とし、リターンしてスタートへ戻る。
【００９１】
ステップＳ２２では、触媒床温度が５５０℃以上か否かを判定し、５５０℃以上の場合はステップＳ２３へ移行し、５５０℃以下の場合はステップＳ２５へ移行する。ステップＳ２３では、排気切替弁２０の弁体が順流位置（第１の位置）にあるか否かを判定し、順流位置にあるときはステップＳ２４へ移行し、排気切替弁２０の弁体を逆流位置（第２の位置）へ切り替えた後リターンしてスタートへ戻る。排気ガスが逆流するときの方が排気通路の長さが長く温度降下が大きいため、触媒床温度を低下させることができる。ステップＳ２３において、排気切替弁２０の弁体が逆流位置にあると判定した場合は、リターンしてスタートへ戻る。
【００９２】
一方、触媒床温度が５５０℃以下であるときに移行するステップＳ２５では、排気切替弁２０の弁体が順流位置にあるか否かを判定する。順流位置にあるときは現状維持とし、リターンしてスタートへ戻る。このステップＳ２５において、排気切替弁２０の弁体が逆流位置にあることを判定した場合には、ステップＳ２６へ移行し、排気切替弁２０の弁体を順流位置へ切り替える制御を実行した後、スタートへ戻る。
【００９３】
このように、第３の実施の形態によれば、ＮＯｘ触媒３１の触媒活性温度内であれば、排気ガスの流れ方向を切り替える排気切替弁２０の弁体は作動させず、その排気切替弁２０の弁体を順流位置又は逆流位置の何れかに保持した状態とする。そして、触媒温度が触媒活性温度以上あるいは以下になったときに初めて流れ方向切替手段の切り替え制御を行う。これにより、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが存在する問題を、排気切替弁２０の切り替え制御のみの簡便な方法で対処することができる。即ち、排気切替弁２０をそもそも浄化率が低い触媒活性温度範囲外で切り替えるようにしているため、全体として排気浄化性能を向上させることができる。
【００９４】
【発明の効果】
本発明の第１の手段に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、流れ方向切替手段の作動時に、排気浄化手段をバイパスする位置に流れ方向切替手段が排切り替えられたときには、内燃機関の排気空燃比をストイキに制御することで、三元触媒を機能させ、排気ガスを浄化してから排出させることができる。したがって、排気ガスの流れ方向切替手段の作動中に、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが生じたとしてもこれを浄化して排出することができる。
【００９５】
本発明の第２の手段に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、三元触媒にＳＯｘ吸収機能を持たせたものにおいては、内燃機関の排気空燃比がストイキ時に三元触媒よりＳＯｘが放出されるため、流れ方向切替手段の作動を排気バイパス位置で一時的に停止させ、ＳＯｘ放出が完了してから、流れ方向切替手段を切り替えるようにすることで、排気浄化手段のＳＯｘ被毒を効果的に防止できる。
【００９６】
本発明の第３の手段に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、排気浄化手段の触媒が触媒活性温度内であれば、排気ガスの流れ方向切替手段は作動させず、その切替手段を順流位置又は逆流位置の何れかに保持した状態とする。そして、触媒温度が触媒活性温度以上あるいは以下になったときに初めて流れ方向切替手段の切り替え制御を行うことで、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが存在する問題を、流れ方向切替手段の切り替え制御のみの簡便な方法で対処することができる。即ち、流れ方向切替手段をそもそも浄化率が低い触媒活性温度範囲外で切り替えるようにすることで、全体として排気浄化性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第１の実施の形態における概略構成図であり、排気切替弁を順流位置に位置させたときを示す図である。
【図２】第１の実施の形態の排気浄化装置において、排気切替弁を逆流位置に位置させたときの要部を示す図である。
【図３】第１の実施の形態の排気浄化装置において、排気切替弁を中立位置に位置させたときの要部を示す図である。
【図４】吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸放出・還元作用を説明する図である。
【図５】吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率の温度特性を示す図である。
【図６】第１の実施の形態の排気浄化装置における制御手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第２の実施の形態における制御手順を示すフローチャートである。
【図８】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第３の実施の形態における概略構成図であり、排気切替弁を順流位置に位置させたときを示す図である。
【図９】第２の実施の形態の排気浄化装置において、排気切替弁を逆流位置に位置させたときの要部を示す図である。
【図１０】吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率の温度特性に基づく触媒活性温度範囲を示す図である。
【図１１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第３の実施の形態における制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ リーンバーンガソリンエンジン（内燃機関）
２ 吸気管（吸気通路）
６ エアフロメータ
７ 燃料噴射弁
９ 排気管
１０ 排気管
１１ 排気管
１２ 排気管
１３ 排気温センサ
１４ 回転数センサ
２０ 排気切替弁（流れ方向切替手段）
２１ アクチュエータ（制御手段）
３０ 触媒コンバータ
３１ ＮＯｘ触媒（ＳＯｘ吸収剤）
３０ａ 入口
３０ｂ 出口
４０ 三元触媒
１００ ＥＣＵ（制御手段）
Claims (3)
- 内燃機関の排気通路に排気浄化手段を有し、この排気浄化手段よりも上流の排気通路に４つのポートを備えた流れ方向切替手段が設けられ、該流れ方向切替手段の第１ポートには内燃機関に接続された第１排気通路が接続され、第２ポートには大気に接続された第２排気通路が接続され、第３ポートには前記排気浄化手段の一方側に接続された第３排気通路が接続され、第４ポートには前記排気浄化手段の他方側に接続された第４排気通路が接続されており、前記流れ方向切替手段は、前記第１ポートと前記第３ポートとを接続するとともに前記第２ポートと前記第４ポートとを接続して前記排気浄化手段に第１の方向に排気ガスを流す第１の位置と、前記第１ポートと前記第４ポートとを接続するとともに前記第２ポートと前記第３ポートとを接続して前記排気浄化手段に第１の方向と逆の第２の方向に排気ガスを流す第２の位置と、前記第１ポートと前記第２ポートとを接続して前記排気浄化手段をバイパスして排気ガスを流す第３の位置とに切り替え可能な排気浄化装置であり、前記流れ方向切替手段が前記第１の位置と第２の位置をとることで内燃機関から排気浄化手段までの距離が異なる排気通路を有し、前記排気浄化手段の触媒温度により前記流れ方向切替手段が作動するものにおいて、前記排気通路に三元触媒が設けられ、前記第１の位置から前記第２の位置へ前記流れ方向切替手段が作動するときには内燃機関の排気空燃比がストイキに制御されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 前記三元触媒は前記内燃機関の排気空燃比がリーンでＳＯｘを吸収するＳＯｘ吸収機能を有し、前記第１の位置から前記第２の位置へ前記流れ方向切替手段が作動するときには内燃機関の排気空燃比をストイキに制御し、前記第３の位置に前記流れ方向切り替え手段を作動させた後に第２の位置に切り替え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。
- 内燃機関の排気通路に排気浄化手段を有し、この排気浄化手段よりも上流の排気通路に４つのポートを備えた流れ方向切替手段が設けられ、該流れ方向切替手段の第１ポートには内燃機関に接続された第１排気通路が接続され、第２ポートには大気に接続された第２排気通路が接続され、第３ポートには前記排気浄化手段の一方側に接続された第３排気通路が接続され、第４ポートには前記排気浄化手段の他方側に接続された第４排気通路が接続されており、前記流れ方向切替手段は、前記第１ポートと前記第３ポートとを接続するとともに前記第２ポートと前記第４ポートとを接続して前記排気浄化手段に第１の方向に排気ガスを流す第１の位置と、前記第１ポートと前記第４ポートとを接続するとともに前記第２ポートと前記第３ポートとを接続して前記排気浄化手段に第１の方向と逆の第２の方向に排気ガスを流す第２の位置と、前記第１ポートと前記第２ポートとを接続して前記排気浄化手段をバイパスして排気ガスを流す第３の位置とに切り替え可能な排気浄化装置であり、前記流れ方向切替手段の第１の位置と第２の位置をとることで内燃機関から排気浄化手段までの距離が異なる排気通路を有し、前記排気浄化手段の触媒温度により前記流れ方向切替手段が作動するものにおいて、排気浄化手段が排気浄化率の高い温度ウインドウ内にあるときには、前記流れ方向切り替え手段の作動を禁止することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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