JP2018178762A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気エミッションの悪化を抑制しつつ触媒の酸素吸蔵能力の低下を抑制することができる、内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】内燃機関１００、１００’、１００”の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路２２に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒２０と、排気通路において触媒の排気流れ方向下流側に配置されたアンモニア検出装置４６、７１及び空燃比検出装置４１、７２と、触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御部とを備える。空燃比制御部は、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行し、リッチ制御において、アンモニア検出装置の出力値が基準値まで上昇したときに目標空燃比のリッチ度合を小さくし、空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比まで低下したときにリッチ制御を終了する。【選択図】図８

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来、酸素を吸蔵可能な触媒を内燃機関の排気通路に配置し、排気ガス中の未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ等）及びＮＯｘを触媒において浄化することが知られている（例えば特許文献１）。触媒の酸素吸蔵能力が高いほど触媒に吸蔵可能な酸素の量が多くなり、触媒の排気浄化性能が向上する。

触媒の酸素吸蔵能力を維持するためには、酸素が触媒に吸蔵された状態が長期間維持されないように、触媒の酸素吸蔵量を定期的にゼロにすることが好ましい。また、触媒に吸蔵された酸素を完全に放出するためには、リッチ度合の高い空燃比の排気ガスを触媒に流入させる必要がある。一方、排気ガスの空燃比のリッチ度合が高いほど、触媒の酸素吸蔵量がゼロに近付いたときに触媒から流出する未燃ガスの量が多くなり、排気エミッションが悪化する。

このため、特許文献１に記載の内燃機関では、触媒に吸蔵された酸素を放出すべく、触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするリッチ制御を実行するとき、排気ガスの空燃比が二段階に制御される。具体的には、リッチ制御において、触媒の酸素吸蔵量の推定値が基準吸蔵量以下になったときに排気ガスの空燃比のリッチ度合が小さくされる。

国際公開第２０１４／１１８８８９号

しかしながら、特許文献１に記載の内燃機関では、リッチ制御において、排気ガスの空燃比のリッチ度合が高くされる期間が、排気ガスの空燃比のリッチ度合が低くされる期間に比べて非常に短い。このため、リッチ制御中に触媒から放出されずにリッチ制御後も触媒に残留する酸素の量が多くなり、触媒の酸素吸蔵能力の低下を効果的に抑制することができない。

そこで、本発明の目的は、排気エミッションの悪化を抑制しつつ触媒の酸素吸蔵能力の低下を抑制することができる、内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

本開示の要旨は以下のとおりである。

（１）内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒と、前記排気通路において前記触媒の排気流れ方向下流側に配置されたアンモニア検出装置と、前記排気通路において前記触媒の排気流れ方向下流側に配置された空燃比検出装置と、前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御部とを備え、前記空燃比制御部は、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行し、該リッチ制御において、前記アンモニア検出装置の出力値が基準値まで上昇したときに前記目標空燃比のリッチ度合を小さくし、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比まで低下したときに前記リッチ制御を終了する、内燃機関の排気浄化装置。

（２）前記空燃比制御部は、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御と、前記リッチ制御とを交互に実行する、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（３）前記触媒の温度又は該触媒から流出する排気ガスの温度を検出又は推定する温度検出部を更に備え、前記空燃比制御部は、前記温度検出部によって検出又は推定された温度が高いほど、前記リッチ制御において、前記アンモニア検出装置の出力値が前記基準値まで上昇する前の前記目標空燃比のリッチ度合を小さくする、上記（１）又は（２）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（４）前記触媒の温度又は該触媒から流出する排気ガスの温度を検出又は推定する温度検出部を更に備え、前記空燃比制御部は、前記リッチ制御において、前記アンモニア検出装置の出力値が前記基準値まで上昇する前に前記温度検出部によって検出又は推定された温度が所定温度に達した場合には、該温度検出部によって検出又は推定された温度が該所定温度に達したときに前記目標空燃比のリッチ度合を小さくする、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

（５）前記アンモニア検出装置はＮＯｘセンサのセンサセルである、上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

（６）前記空燃比検出装置は前記ＮＯｘセンサのポンプセルである、上記（５）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

本発明によれば、排気エミッションの悪化を抑制しつつ触媒の酸素吸蔵能力の低下を抑制することができる、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、触媒の酸素吸蔵量と触媒から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度又はＨＣ、ＣＯ濃度との関係を示す図である。 図３は、各排気空燃比におけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す図である。 図４は、センサ印加電圧を一定にしたときの排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。 図５は、酸素吸蔵量が少ない状態の上流側触媒を概略的に示す図である。 図６は、酸素吸蔵量がほぼゼロの状態の上流側触媒を概略的に示す図である。 図７は、酸素が吸蔵された上流側触媒にリッチ空燃比の排気ガスが流入し続けたときの流出排気ガス中の各成分濃度のタイムチャートである。 図８は、リッチ制御が実行されるときの流入排気ガスの目標空燃比等のタイムチャートである。 図９は、本発明の第一実施形態における目標空燃比設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１０は、第二実施形態における空燃比制御が実行されるときの流入排気ガスの目標空燃比等のタイムチャートである。 図１１は、本発明の第三実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が設けられた内燃機関の排気通路の一部を概略的に示す図である。 図１２は、流出排気ガスの温度と強リッチ設定空燃比との関係を示すマップである。 図１３は、本発明の第三実施形態における強リッチ設定空燃比設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１４は、本発明の第四実施形態における目標空燃比設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１５は、本発明の第五実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。 図１６は、ＮＯｘセンサのセンサ素子の断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
最初に図１〜図９を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が設けられた内燃機関１００を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関１００は火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）である。内燃機関１００は車両に搭載される。

図１を参照すると、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。シリンダブロック２は気筒２８を画定する。

図１に示したように、シリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。

各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５等は、空気を燃焼室５に導く吸気通路を形成する。また、吸気管１５内には、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。

一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結される。排気マニホルド１９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９の集合部は、上流側触媒２０を内蔵した上流側ケーシング２１に連結される。上流側ケーシング２１は、排気管２２を介して、下流側触媒２４を内蔵した下流側ケーシング２３に連結される。排気ポート９、排気マニホルド１９、上流側ケーシング２１、排気管２２、下流側ケーシング２３等は、燃焼室５における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。

内燃機関１００の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１によって実行される。電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ３９が配置され、エアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、排気マニホルド１９の集合部、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向上流側には、排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する上流側空燃比センサ４０が配置される。加えて、排気管２２内、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向下流側には、排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０から流出する排気ガス）の空燃比を検出する下流側空燃比センサ４１が配置される。空燃比センサ４０、４１の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、排気管２２内、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向下流側には、排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０から流出する排気ガス）中のアンモニア濃度（ＮＨ₃濃度）を検出するアンモニアセンサ（ＮＨ₃センサ）４６が配置される。アンモニアセンサ４６は、排気通路において下流側空燃比センサ４１に隣接して配置される。本実施形態では、アンモニアセンサ４６は下流側空燃比センサ４１よりも排気流れ方向下流側に配置される。また、下流側空燃比センサ４１及びアンモニアセンサ４６は排気流れ方向において上流側触媒２０と下流側触媒２４との間に配置される。なお、アンモニアセンサ４６は、上流側触媒２０の排気流れ方向下流側であれば、下流側空燃比センサ４１よりも排気流れ方向上流側に配置されてもよい。アンモニアセンサ４６の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、アクセルペダル４２にはアクセルペダル４２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４３が接続され、負荷センサ４３の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４４は例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではクランク角センサ４４の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路４５を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続される。

なお、上述した内燃機関１００は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、内燃機関１００の構成は、上記構成に限定されるものではない。したがって、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無のような内燃機関１００の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。例えば、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、内燃機関１００は、圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であってもよい。

＜触媒の説明＞
排気通路に配置された上流側触媒２０及び下流側触媒２４は同様な構成を有する。触媒２０、２４は酸素吸蔵能力を有する。触媒２０、２４は例えば三元触媒である。具体的には、触媒２０、２４は、セラミックから成る基材に、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））及び酸素吸蔵能力を有する物質（例えば、セリア（ＣｅＯ₂））を担持させたものである。触媒２０、２４は、所定の活性温度に達すると、未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ等）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを同時に浄化することができる。

触媒２０、２４は、触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比（以下、「リーン空燃比」という）であるときには排気ガス中の酸素を吸蔵する。一方、触媒２０、２４は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比（以下、「リッチ空燃比」という）であるときには、触媒２０、２４に吸蔵されている酸素を放出する。

触媒２０、２４は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有することにより、酸素吸蔵量に応じてＮＯｘ及び未燃ガスの浄化作用を有する。触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合、図２（Ａ）に示したように、酸素吸蔵量が少ないときには、排気ガス中の酸素が触媒２０、２４に吸蔵され、排気ガス中のＮＯｘが還元浄化される。また、酸素吸蔵量が多くなると、最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｕｐｌｉｍ）を境に、触媒２０、２４から流出する排気ガス中の酸素及びＮＯｘの濃度が急激に上昇する。

一方、触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合、図２（Ｂ）に示したように、酸素吸蔵量が多いときには、触媒２０、２４に吸蔵されている酸素が放出され、排気ガス中の未燃ガスが酸化浄化される。また、酸素吸蔵量が少なくなると、ゼロ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｌｏｗｌｉｍ）を境に、触媒２０、２４から流出する排気ガス中の未燃ガスの濃度が急激に上昇する。したがって、触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比及び触媒２０、２４の酸素吸蔵量に応じて、排気ガス中のＮＯｘ及び未燃ガスの浄化特性が変化する。

なお、触媒２０、２４は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、三元触媒とは異なる触媒であってもよい。また、下流側触媒２４は省略されてもよい。

＜空燃比センサの出力特性＞
次に、図３及び図４を参照して、空燃比センサ４０、４１の出力特性について説明する。図３は、空燃比センサ４０、４１の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を示す図である。図４は、印加電圧を一定に維持したときの、空燃比センサ４０、４１に供給される排気ガスの空燃比（以下、「排気空燃比」という）と、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉとの関係を示すグラフである。なお、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１は同一の構成を有する。

図３からわかるように、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは、排気空燃比が高くなるほど（リーンになるほど）、大きくなる。また、各排気空燃比におけるＶ−Ｉ線には、Ｖ軸にほぼ平行な領域、すなわち印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない領域が存在する。この電圧領域は限界電流領域と称され、このときの電流は限界電流と称される。図３では、排気空燃比が１８であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれＷ₁₈、Ｉ₁₈で示している。したがって、空燃比センサ４０、４１は限界電流式の空燃比センサである。

図４は、印加電圧を０．４５Ｖ程度で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。図４からわかるように、空燃比センサ４０、４１では、排気空燃比が高くなるほど（すなわち、リーンになるほど）、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが大きくなる。すなわち、排気空燃比に対して出力電流Ｉがリニアに（比例するように）変化する。加えて、空燃比センサ４０、４１は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉがゼロになるように構成される。

したがって、空燃比センサ４０、４１に所定電圧を印加した状態で空燃比センサ４０、４１の出力を検出することによって、空燃比センサ４０、４１に供給される排気ガスの空燃比を検出することができる。本実施形態では、上流側空燃比センサ４０を用いて、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比（以下、「流入排気ガス」という）を検出することができ、下流側空燃比センサ４１を用いて、上流側触媒２０から流出する排気ガス（以下、「流出排気ガス」という）の空燃比を検出することができる。

＜触媒の排気浄化メカニズム＞
以下、リッチ空燃比の排気ガスが上流側触媒２０に流入したときに上流側触媒２０において排気ガスが浄化されるメカニズムについて詳細に説明する。図５は、酸素吸蔵量が少ない状態の上流側触媒２０を概略的に示す図である。図５には、排気流れ方向が矢印で示されている。この例では、リッチ空燃比の排気ガスが上流側触媒２０に流入し続けている。リッチ空燃比の排気ガスが上流側触媒２０に流入すると、未燃ガスを浄化するために、上流側触媒２０に吸蔵された酸素が放出される。上流側触媒２０に吸蔵された酸素は上流側触媒２０の排気流れ方向上流側から順に放出される。このため、図５の例では、上流側触媒２０の下流側にのみ、酸素が吸蔵された酸素吸蔵領域２０ｃが残されている。

リッチ空燃比の排気ガスには、主に、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、酸素（Ｏ₂）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水（Ｈ₂Ｏ）、水素（Ｈ₂）及び窒素（Ｎ₂）が含まれる。空燃比のリッチ度合が大きいほど、排気ガス中の炭化水素及び一酸化炭素の濃度が高くなり、排気ガス中のＮＯｘの濃度が低くなる。図５に示した状態において排気ガスが上流側触媒２０に流入すると、最初に、上流側触媒２０の上流側領域２０ａにおいて、燃焼室５において燃焼されなかった未燃酸素が下記の酸素消費反応（１）によって消費される。
Ｏ₂＋ＨＣ＋ＣＯ＋Ｈ₂→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂…（１）

上流側領域２０ａと酸素吸蔵領域２０ｃとの間の領域は、吸蔵された酸素のほとんどが放出されたリッチ領域２０ｂである。リッチ領域２０ｂは図５において斜線で示されている。リッチ領域２０ｂでは、下記の水性ガスシフト反応（２）及び水蒸気改質反応（３）が生じる。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂…（２）
ＨＣ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂…（３）

また、リッチ領域２０ｂでは、下記のＮＯ浄化反応（４）によってアンモニア（ＮＨ₃）が生成される。
ＮＯ＋ＣＯ＋Ｈ₂→Ｎ₂＋Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂＋ＮＨ₃…（４）
また、リッチ領域２０ｂにも、酸素が僅かに残されている。また、水素はアンモニアよりも酸素との反応性が高い。このため、リッチ領域２０ｂにおいて、下記の水素酸化反応（５）が生じて、上記の水性ガスシフト反応（２）及び水蒸気改質反応（３）によって生成された水素の一部が酸化される。
Ｈ₂＋Ｏ→Ｈ₂Ｏ…（５）

一方、酸素吸蔵領域２０ｃには、十分な量の酸素が吸蔵されている。このため、リッチ領域２０ｂにおいて酸化されなかった水素は酸素吸蔵領域２０ｃにおいて上記の水素酸化反応（５）によって水に変化する。また、リッチ領域２０ｂにおいて上記のＮＯ浄化反応（４）によって生成されたアンモニアは酸素吸蔵領域２０ｃにおいて下記のアンモニア酸化反応（６）によって水及び窒素に浄化される。
ＮＨ₃＋Ｏ→Ｈ₂Ｏ＋Ｎ₂…（６）

上述した化学反応によって上流側触媒２０において排気ガス中の有害物質が浄化される。このため、上流側触媒２０に酸素が吸蔵されている状態では、流出排気ガスには主に二酸化炭素、水及び窒素が含まれる。

一方、図６は、酸素吸蔵量がほぼゼロの状態の上流側触媒２０を概略的に示す図である。図５の状態においてリッチ空燃比の排気ガスが上流側触媒２０に更に流入すると、酸素吸蔵領域２０ｃの酸素が放出され、図６に示されるように酸素吸蔵領域２０ｃがリッチ領域２０ｂに変化する。リッチ領域２０ｂは図６において斜線で示されている。

図６の例においても、リッチ空燃比の排気ガスが上流側触媒２０に流入している。リッチ空燃比の排気ガスが上流側触媒２０に流入すると、図５の例と同様に、最初に、上流側領域２０ａにおいて、燃焼室５において燃焼されなかった未燃酸素が上記の酸素消費反応（１）によって消費される。次いで、リッチ領域２０ｂにおいて、上記の水性ガスシフト反応（２）、水蒸気改質反応（３）、ＮＯ浄化反応（４）及び水素酸化反応（５）が生じる。

図６に示した上流側触媒２０には、酸素吸蔵領域２０ｃが存在しない。このため、リッチ領域２０ｂにおいて上記のＮＯ浄化反応（４）によって生成されたアンモニアは、酸化されることなく、上流側触媒２０から流出する。一方、リッチ領域２０ｂにおいて上記の水性ガスシフト反応（２）及び水蒸気改質反応（３）によって生成された水素の一部は、リッチ領域２０ｂの酸素が枯渇するまで、上記の水素酸化反応（５）によって酸化される。このため、流出排気ガス中の水素濃度の上昇速度は、流出排気ガス中のアンモニア濃度の上昇速度よりも遅くなる。

図７は、酸素が吸蔵された上流側触媒２０にリッチ空燃比の排気ガスが流入し続けたときの流出排気ガス中の各成分濃度のタイムチャートである。この例では、時刻ｔ１において、リッチ空燃比の排気ガスによって上流側触媒２０の酸素吸蔵領域２０ｃがなくなり、上流側触媒２０は図６の状態になっている。図６の状態では、アンモニアが酸化されないため、時刻ｔ１以降、排気ガス中のアンモニア濃度が急激に上昇する。一方、上述したように、水素はアンモニアよりも酸素との反応性が高い。このため、水素は、上流側触媒２０のリッチ領域２０ｂにおける酸素が枯渇するまで酸化される。この結果、時刻ｔ１以降、排気ガス中の水素濃度はアンモニア濃度よりもゆっくりと上昇する。

また、時刻ｔ１以降、上流側触媒２０のリッチ被毒が生じ、排気ガス中のリッチ成分（ＨＣ、ＣＯ等）によって上流側触媒２０の貴金属が覆われるため、水性ガスシフト反応の反応性が低下する。この結果、時刻ｔ１以降、上流側触媒２０から一酸化炭素が流出し、排気ガス中の一酸化炭素濃度が徐々に上昇する。このとき、排気ガス中の一酸化炭素濃度はアンモニア濃度よりもゆっくりと上昇する。その後、上流側触媒２０のリッチ被毒が進行し、水性ガスシフト反応の反応性が更に低下すると、排気ガス中の水素濃度は徐々に低下する。

また、上流側触媒２０のリッチ被毒が進行すると、水蒸気改質反応の反応性も低下する。このため、時刻ｔ１の後の時刻ｔ２以降、上流側触媒２０から炭化水素が流出し、排気ガス中の炭化水素濃度が徐々に上昇する。

アンモニアセンサ４６は、流出排気ガス中のアンモニアを分解することで、流出排気ガス中のアンモニア濃度を検出する。このため、流出排気ガス中のアンモニア濃度が高いほど、アンモニアセンサ４６の出力値は大きくなる。また、アンモニアに加えて、水素、一酸化炭素及び炭化水素の流出量が多くなると、流出排気ガス中の酸素濃度が更に低下し、下流側空燃比センサ４１によって検出される空燃比がリッチ側に変化する（低くなる）。上述したように、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近付くと、流出排気ガスにおいてアンモニア濃度が水素、一酸化炭素及び炭化水素の濃度よりも速く上昇する。このため、下流側空燃比センサ４１によって検出される空燃比変化よりも先にアンモニアセンサ４６の出力変化が検出される。

＜内燃機関の排気浄化装置＞
以下、本発明の第一実施形態に係る内燃機関１００の排気浄化装置（以下、単に「排気浄化装置」という）について説明する。排気浄化装置は、上流側触媒２０と、下流側触媒２４と、排気通路において上流側触媒２０の排気流れ方向下流側に配置されたアンモニア検出装置及び空燃比検出装置と、流入排気ガスの空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御部とを備える。本実施形態では、排気ガス中の有害物質は基本的に上流側触媒２０において浄化され、下流側触媒２４は補助的に用いられる。したがって、排気浄化装置は下流側触媒２４を備えていなくてもよい。

アンモニア検出装置は流出排気ガス中のアンモニア濃度を検出し、空燃比検出装置は流出排気ガスの空燃比を検出する。本実施形態では、アンモニアセンサ４６がアンモニア検出装置として機能し、下流側空燃比センサ４１が空燃比検出装置として機能する。また、ＥＣＵ３１が空燃比制御部として機能する。

空燃比制御部は、流入排気ガスの空燃比を目標空燃比に制御するとき、流入排気ガスの目標空燃比を設定し、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように、燃焼室５に供給される燃料量を制御する。空燃比制御部５１は、燃料噴射弁１１等を制御することによって、燃焼室５に供給される燃料量を制御することができる。

例えば、空燃比制御部は、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比が目標空燃比に一致するように、燃焼室５に供給される燃料量をフィードバック制御する。この場合、上流側空燃比センサ４０は排気浄化装置の構成要素として機能する。なお、空燃比制御部５１は、上流側空燃比センサ４０を用いることなく、燃焼室５に供給される燃料量を制御してもよい。この場合、空燃比制御部５１は、燃焼室５に供給される燃料と空気との比率が目標空燃比に一致するように、エアフロメータ３９等によって検出された吸入空気量と、目標空燃比とから算出された量の燃料を燃焼室５に供給する。したがって、上流側空燃比センサ４０は内燃機関１００から省略されてもよい。

内燃機関１００の排気エミッションを良好な状態に維持するためには、上流側触媒２０の酸素吸蔵能力を維持して上流側触媒２０排気浄化性能の低下を抑制する必要がある。上流側触媒２０の酸素吸蔵能力を維持するためには、酸素が上流側触媒２０に吸蔵された状態が長期間維持されないように、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を定期的にゼロにすることが好ましい。このため、空燃比制御部は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が減少するように目標空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行する。

また、上流側触媒２０に吸蔵された酸素を完全に放出するためには、リッチ度合の高い空燃比の排気ガスを上流側触媒２０に流入させる必要がある。一方、排気ガスの空燃比のリッチ度合が高いほど、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近付いたときに上流側触媒２０から流出する未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ等）の量が多くなり、排気エミッションが悪化する。

上述したように、流出ガス中のアンモニア濃度は流出ガス中の未燃ガス濃度よりも速く上昇する。このため、アンモニアセンサ４６の出力変化が検出されるときには、上流側触媒２０から流出する未燃ガスの量は未だ少ない。また、流出排気ガスの空燃比変化が下流側空燃比センサ４１によって検出されるときには、上流側触媒２０の酸素が枯渇し、多くの未燃ガスが上流側触媒２０から流出し始める。このため、空燃比制御部は、リッチ制御において、アンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇したときに目標空燃比のリッチ度合を小さくし、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比まで低下したときにリッチ制御を終了する。

このことによって、リッチ制御が開始されてからアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇するまでの間、リッチ度合の大きな空燃比の排気ガスを上流側触媒２０に流入させることができる。このため、リッチ制御によって上流側触媒２０から酸素を効果的に放出することができ、ひいては上流側触媒２０の酸素吸蔵能力の低下を抑制することができる。また、未燃ガスの流出量が多くなる前に目標空燃比のリッチ度合が小さくされる。この結果、上流側触媒２０に流入する未燃ガスの量が少なくなり、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がほぼゼロになるときに上流側触媒２０から流出する未燃ガスの量を少なくすることができる。したがって、本実施形態では、排気エミッションの悪化を抑制しつつ触媒の酸素吸蔵能力の低下を抑制することができる。

空燃比制御部は、例えば以下のように、リッチ制御中に流入排気ガスの目標空燃比のリッチ度合を小さくする。空燃比制御部は、リッチ制御が開始されてからアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇するまで流入排気ガスの目標空燃比を強リッチ設定空燃比に設定する。また、空燃比制御部は、アンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇してから下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比まで低下するまで流入排気ガスの目標空燃比を弱リッチ設定空燃比に設定する。すなわち、空燃比制御部は、リッチ制御の開始時に流入排気ガスの目標空燃比を強リッチ設定空燃比に設定し、リッチ制御中にアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇したときに、流入排気ガスの目標空燃比を強リッチ設定空燃比から弱リッチ設定空燃比に切り替える。

強リッチ設定空燃比及び弱リッチ設定空燃比は、予め定められ、理論空燃比（本実施形態では１４．６）よりもリッチな値に設定される。また、弱リッチ設定空燃比は、強リッチ設定空燃比よりもリッチ度合の小さい値、すなわち強リッチ設定空燃比よりもリーンな値に設定される。例えば、強リッチ設定空燃比は１２．５〜１４の範囲内に設定され、弱リッチ設定空燃比は１４〜１４．４の範囲内に設定される。なお、リッチ度合とは、理論空燃比よりもリッチな値に設定された目標空燃比と理論空燃比との差を意味する。

リッチ判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリッチな値に設定される。下流側空燃比センサ４１によって検出される空燃比は、上流側触媒２０に酸素が吸蔵されていても、理論空燃比から僅かにずれる場合がある。このため、リッチ判定空燃比は、理論空燃比に近いが、上流側触媒２０に酸素が残されているときには下流側空燃比センサ４１によって検出されないような値に設定される。リッチ判定空燃比は例えば１４．５５である。なお、強リッチ設定空燃比及び弱リッチ設定空燃比はリッチ判定空燃比よりもリッチな値に設定される。

基準値は、予め定められ、排気ガス中のアンモニアの所定濃度（例えば１０ｐｐｍ）に相当する値である。基準値は、アンモニアが上流側触媒２０から流出し始めたときにアンモニアセンサ４６によって検出される値である。また、リッチ判定空燃比及び基準値は、下流側空燃比センサ４１及びアンモニアセンサ４６の出力特性が正常である場合に、リッチ制御の開始後、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下する前にアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇するように設定される。

なお、空燃比制御部は、リッチ制御が開始されてからアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇するまで、流入排気ガスの目標空燃比を必ずしも一定に維持する必要はない。例えば、空燃比制御部は、リッチ制御が開始されてからアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇するまで、流入排気ガスの目標空燃比のリッチ度合を段階的に小さくしてもよい。

＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
以下、図８のタイムチャートを参照して、本実施形態におけるリッチ制御中の空燃比制御について具体的に説明する。図８は、リッチ制御が実行されるときの流入排気ガスの目標空燃比、上流側触媒２０の酸素吸蔵量、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比（下流側空燃比センサ４１の出力空燃比）及びアンモニアセンサ４６の出力値のタイムチャートである。

図示した例では、時刻ｔ０において、流入排気ガスの目標空燃比は理論空燃比（１４．６）に設定されている。また、時刻ｔ０において、上流側触媒２０には最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ未満の十分な量の酸素が吸蔵されている。このため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比であり、アンモニアセンサ４６の出力値はゼロである。

その後、時刻ｔ１において、リッチ制御が開始され、流入排気ガスの目標空燃比が理論空燃比から強リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈに切り替えられる。この結果、時刻ｔ１以降、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に低下する。

上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近付くと、上流側触媒２０におけるアンモニアの酸化反応が抑制され、アンモニアが上流側触媒２０から流出し始める。この結果、アンモニアセンサ４６の出力値が、ゼロから上昇し、時刻ｔ２において基準値Ｉｒｅｆに達する。このため、時刻ｔ２において、目標空燃比が強リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈから弱リッチ設定空燃比ＴＡＦｗｒｉｃｈに切り替えられる。

時刻ｔ２の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が更に減少すると、上流側触媒２０から流出する未燃ガスの量が急激に増加する。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が、理論空燃比から低下し、時刻ｔ３においてリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに達する。このため、時刻ｔ３においてリッチ制御が終了される。

この例では、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を増加させて上流側触媒２０から未燃ガスが流出することを抑制すべく、時刻ｔ３において目標空燃比がリーン空燃比に設定される。すなわち、目標空燃比が弱リッチ設定空燃比ＴＡＦｗｒｉｃｈからリーン空燃比に切り替えられる。目標空燃比がリーン空燃比に所定時間維持された後、時刻ｔ４において目標空燃比が再び理論空燃比に設定される。

＜目標空燃比設定処理＞
以下、図９のフローチャートを参照して、本実施形態におけるリッチ制御中の空燃比制御について説明する。図９は、本発明の第一実施形態における目標空燃比設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１００の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ１０１において、空燃比制御部は実行条件が成立しているか否かを判定する。例えば、空燃比制御部は、下流側空燃比センサ４１及びアンモニアセンサ４６が活性化している場合に実行条件が成立していると判定し、下流側空燃比センサ４１及びアンモニアセンサ４６の少なくとも一方が活性化していない場合に実行条件が成立していないと判定する。空燃比制御部は、下流側空燃比センサ４１及びアンモニアセンサ４６のセンサ素子の温度が所定温度以上である場合に、下流側空燃比センサ４１及びアンモニアセンサ４６が活性化していると判定する。センサ素子の温度はセンサ素子のインピーダンス等に基づいて算出される。

ステップＳ１０１において実行条件が成立していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０１において実行条件が成立していると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、空燃比制御部はリッチ制御が実行されているか否かを判定する。例えば、リッチ制御は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を定期的にゼロにすべく所定の実行間隔で実行される。また、内燃機関１００の燃焼室５への燃料供給が停止される燃料カット制御が実行された場合、上流側触媒２０に多量の酸素が流入し、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量に達する。このため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を減少させるべく、燃料カット制御が終了したときにもリッチ制御が開始される。空燃比制御部は、リッチ制御を開始するとき、流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦを強リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈに設定する。

ステップＳ１０２においてリッチ制御が実行されていないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０２においてリッチ制御が実行されていると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、空燃比制御部はアンモニアセンサ４６の出力値Ｉが基準値Ｉｒｅｆ以上であるか否かを判定する。アンモニアセンサ４６の出力値Ｉが基準値Ｉｒｅｆ未満であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、目標空燃比ＴＡＦは強リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈに維持される。一方、アンモニアセンサ４６の出力値Ｉが基準値Ｉｒｅｆ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、空燃比制御部は目標空燃比ＴＡＦを強リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈよりもリーンな弱リッチ設定空燃比ＴＡＦｗｒｉｃｈに設定する。したがって、空燃比制御部は目標空燃比ＴＡＦを強リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈから弱リッチ設定空燃比ＴＡＦｗｒｉｃｈに切り替える。すなわち、空燃比制御部は目標空燃比ＴＡＦのリッチ度合を小さくする。

次いで、ステップＳ１０５において、空燃比制御部は、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であるか否かを判定する。空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも高い（リーンである）と判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、目標空燃比ＴＡＦは弱リッチ設定空燃比ＴＡＦｗｒｉｃｈに維持される。一方、空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、空燃比制御部はリッチ制御を終了する。空燃比制御部は、リッチ制御を終了するとき、目標空燃比ＴＡＦをリーン空燃比に設定する。また、空燃比制御部は、目標空燃比ＴＡＦをリーン空燃比に所定時間維持した後、内燃機関１００の運転状態に応じて目標空燃比ＴＡＦを設定する。ステップＳ１０６の後、本制御ルーチンは終了する。

＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る排気浄化装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

第二実施形態では、空燃比制御部は、目標空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御と、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御とを交互に実行する。空燃比制御部はリーン制御において流入排気ガスの目標空燃比をリーン設定空燃比に設定する。リーン設定空燃比は、予め定められ、例えば１４．７〜１５．５の範囲内に設定される。また、空燃比制御部は第一実施形態と同様にリッチ制御を実行する。

空燃比制御部は、リッチ制御において下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下したときに目標空燃比を弱リッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替え、リーン制御において下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン判定空燃比まで上昇したときに目標空燃比をリーン設定空燃比から強リッチ設定空燃比に切り替える。また、第一実施形態と同様に、空燃比制御部は、リッチ制御においてアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇したときに目標空燃比を強リッチ設定空燃比から弱リッチ設定空燃比に切り替える。

リーン判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリーンな値に設定される。下流側空燃比センサ４１によって検出される空燃比は、上流側触媒２０の酸素量が最大吸蔵可能酸素量未満であっても、理論空燃比から僅かにずれる場合がある。このため、リッチ判定空燃比は、理論空燃比に近いが、上流側触媒２０の酸素量が最大吸蔵可能酸素量未満であるときには下流側空燃比センサ４１によって検出されないような値に設定される。リーン判定空燃比は例えば１４．６５である。なお、リーン設定空燃比はリーン判定空燃比よりもリーンな値に設定される。

＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
以下、図１０のタイムチャートを参照して、第二実施形態における空燃比制御について具体的に説明する。図１０は、第二実施形態における空燃比制御が実行されるときの流入排気ガスの目標空燃比、上流側触媒２０の酸素吸蔵量、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比（下流側空燃比センサ４１の出力空燃比）及びアンモニアセンサ４６の出力値のタイムチャートである。

図示した例では、時刻ｔ０において、流入排気ガスの目標空燃比はリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されている。すなわち、時刻ｔ０において、リーン制御が実行されている。このため、時刻ｔ０において上流側触媒２０の酸素吸蔵量は増加している。

時刻ｔ０の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに近付き、酸素及びＮＯｘが上流側触媒２０から流出し始める。この結果、時刻ｔ１において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎまで上昇する。このとき、上流側触媒２０の酸素吸蔵量は最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘである。

時刻ｔ１において、目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎから強リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈに切り替えられ、リッチ制御が開始される。このため、時刻ｔ１の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に減少し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比まで低下する。

上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近付くと、上流側触媒２０におけるアンモニアの酸化反応が抑制され、アンモニアが上流側触媒２０から流出し始める。この結果、アンモニアセンサ４６の出力値が、ゼロから上昇し、時刻ｔ２において基準値Ｉｒｅｆに達する。このため、時刻ｔ２において、目標空燃比が強リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈから弱リッチ設定空燃比ＴＡＦｗｒｉｃｈに切り替えられる。

時刻ｔ２の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が更に減少すると、上流側触媒２０から流出する未燃ガスの量が急激に増加する。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比から低下し、時刻ｔ３においてリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに達する。このとき、上流側触媒２０の酸素吸蔵量はゼロである。

時刻ｔ３において目標空燃比が弱リッチ設定空燃比ＴＡＦｗｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡｌｅａｎに切り替えられ、リーン制御が開始される。このため、時刻ｔ３の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に増加し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比まで上昇する。

上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに近付くと、酸素及びＮＯｘが上流側触媒２０から流出し始める。この結果、時刻ｔ４において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎまで上昇する。このため、時刻ｔ４において、目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎから強リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈに切り替えられ、リッチ制御が再び開始される。その後、上述した時刻ｔ１〜時刻ｔ４までの制御が繰り返される。

上流側触媒２０の酸素吸蔵量が一定に維持されると、上流側触媒２０の酸素吸蔵能力が低下する。第二実施形態では、図１０に示されるように、リーン制御とリッチ制御とを繰り返すことによって、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が常に変動する。したがって、上流側触媒２０の酸素吸蔵能力の低下をより一層抑制することができる。

また、第二実施形態においても、図９に示した目標空燃比設定処理の制御ルーチンが実行される。なお、空燃比制御部は、リーン制御を所定時間だけ実行してもよい。すなわち、空燃比制御部は、リーン制御が開始されてから所定時間が経過したときに目標空燃比をリーン設定空燃比から強リッチ設定空燃比に切り替えてもよい。所定時間は、予め定められ、リーン制御において上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量に達しないような値に設定される。

また、空燃比制御部は、リーン制御において上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値が基準量まで上昇したときに目標空燃比をリーン設定空燃比から強リッチ設定空燃比に切り替えてもよい。基準量は、予め定められ、上流側触媒２０の最大吸蔵可能酸素量よりも少ない値に設定される。上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値は、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比又は流入排気ガスの目標空燃比、燃料噴射弁１１の燃料噴射量等に基づいて算出される。これら代替的な制御が実行される場合、リーン制御の終了時、すなわちリッチ制御の開始時に上流側触媒２０からＮＯｘが流出することを抑制することができる。

＜第三実施形態＞
第三実施形態に係る排気浄化装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

流出排気ガスの温度が高い場合、上流側触媒２０から流出するアンモニアは排気ガスの熱によって分解される。このため、流出排気ガスの温度が高いほど、上流側触媒２０から流出するアンモニアの量が少なくなり、流出排気ガス中のアンモニア濃度の変化が検出されるときと流出排気ガスの空燃比変化が検出されるときとの時間差が短くなる。この結果、アンモニア濃度の変化が検出されたときに流入排気ガスの目標空燃比のリッチ度合を小さくしたとしても、上流側触媒２０から流出する未燃ガスの量を抑制できないおそれがある。そこで、第三実施形態では、流出排気ガスの温度に応じてリッチ制御における強リッチ設定空燃比の値を変化させる。

第三実施形態に係る排気浄化装置は、流出排気ガスの温度を検出する温度検出部を更に備える。第三実施形態では、ＥＣＵ３１が空燃比制御部及び温度検出部として機能する。

図１１は、本発明の第三実施形態に係る内燃機関１００’の排気浄化装置が設けられた内燃機関１００’の排気通路の一部を概略的に示す図である。例えば、温度検出部は、温度センサ４７を用いて流出排気ガスの温度を検出する。この場合、温度センサ４７は排気浄化装置の構成要素として機能する。図１１に示されるように、温度センサ４７は、上流側触媒２０よりも排気流れ方向下流側、具体的には上流側触媒２０と下流側触媒２４との間の排気管２２内に配置される。温度センサ４７の出力はＥＣＵ３１に送信される。

なお、温度検出部は上流側触媒２０の温度を検出してもよい。この場合、温度センサ４７は、上流側触媒２０を内蔵した上流側ケーシング２１に配置される。また、温度検出部は内燃機関１００’の運転状態に基づいて上流側触媒２０又は流出排気ガスの温度を推定してもよい。この場合、排気浄化装置は温度センサ４７を備えていなくてもよい。

例えば、温度検出部は吸入空気量に基づいて上流側触媒２０又は流出排気ガスの温度を推定する。吸入空気量は例えばエアフロメータ３９によって検出される。温度検出部５３は、吸入空気量が多いほど上流側触媒２０又は流出排気ガスの温度を高く推定する。

空燃比制御部は、温度検出部によって検出又は推定された温度が高いほど、リッチ制御において、アンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇する前の流入排気ガスの目標空燃比のリッチ度合を小さくする。言い換えれば、空燃比制御部は、温度検出部によって検出又は推定された温度が高いほど、強リッチ設定空燃比をリーン側に設定する（理論空燃比に近付ける）。なお、上述したように、強リッチ設定空燃比は、弱リッチ設定空燃比よりもリッチ度合の大きな値である。第三実施形態では、この制御によって、流入排気ガスの目標空燃比のリッチ度合を小さくするタイミングが遅れて多量の未燃ガスが上流側触媒２０から流出することを抑制できる。このため、排気エミッションの悪化をより一層抑制することができる。なお、上述したように吸入空気量が多いほど上流側触媒２０又は流出排気ガスの温度が高く推定されるため、空燃比制御部は、吸入空気量が多いほど、リッチ制御において、アンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇する前の流入排気ガスの目標空燃比のリッチ度合を小さくしてもよい。

例えば、空燃比制御部は、図１２に示したようなマップを用いて強リッチ設定空燃比を設定する。このマップでは、強リッチ設定空燃比が流出排気ガスの温度の関数として示される。図１２に実線で示したように、強リッチ設定空燃比は流出排気ガスの温度が高くなるにつれて線形的にリーンにされる（高くされる）。なお、強リッチ設定空燃比は、図１２に破線で示したように、流出排気ガスの温度が高くなるにつれて段階的（ステップ状）にリーンにされてもよい。

＜強リッチ設定空燃比設定処理＞
図１３は、本発明の第三実施形態における強リッチ設定空燃比設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１００’の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ２０１において、空燃比制御部は流出排気ガスの温度を取得する。流出排気ガスの温度は温度検出部によって検出又は推定される。次いで、ステップＳ２０２において、空燃比制御部は流出排気ガスの温度に基づいて強リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈを設定する。例えば、空燃比制御部は図１２に示したようなマップを用いて強リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈを設定する。ステップＳ２０２の後、本制御ルーチンは終了する。なお、ステップＳ２０１において、空燃比制御部は上流側触媒２０の温度を取得してもよい。上流側触媒２０の温度は温度検出部によって検出又は推定される。

第三実施形態においても、図９に示した目標空燃比設定処理の制御ルーチンが実行される。第三実施形態では、リッチ制御が開始されてからアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇するまで、流入排気ガスの目標空燃比が、図１３のステップＳ２０２において設定された強リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈに設定される。なお、ステップＳ２０２において、強リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈは、図９のステップＳ１０４における弱リッチ設定空燃比ＴＡＦｗｒｉｃｈよりもリッチな値に設定される。

＜第四実施形態＞
第四実施形態に係る排気浄化装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第四実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

上述したように、流出排気ガスの温度が高い場合、上流側触媒２０から流出するアンモニアは排気ガスの熱によって分解される。このため、流出排気ガスの温度が非常に高い場合には、流出排気ガス中のアンモニア濃度の変化が検出されない場合がある。この場合、上述した方法では、リッチ制御中に流入排気ガスの目標空燃比のリッチ度合を小さくすることができない。

このため、第四実施形態では、空燃比制御部は、リッチ制御において、アンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇する前に、温度検出部によって検出又は推定された上流側触媒２０の温度又は流出排気ガスの温度が所定温度に達した場合には、温度検出部によって検出又は推定された温度が所定温度に達したときに流入排気ガスの目標空燃比のリッチ度合を小さくする。所定温度は、実験的又は理論的に予め定められ、例えば７００°〜７５０°の範囲内に設定される。第四実施形態では、この制御によって、流出排気ガスの温度が非常に高いときに多量の未燃ガスが上流側触媒２０から流出することを抑制できるため、排気エミッションの悪化をより一層抑制することができる。

＜目標空燃比設定処理＞
図１４は、本発明の第四実施形態における目標空燃比設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１００の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図１４におけるステップＳ３０１及びステップＳ３０２は、図９におけるステップＳ１０１及びステップＳ１０２と同様であることから説明を省略する。

ステップＳ３０２においてリッチ制御が実行されていると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０３に進む。ステップＳ３０３では、空燃比制御部は流出排気ガスの温度が所定温度未満であるか否かを判定する。流出排気ガスの温度は温度検出部によって検出又は推定される。

ステップＳ３０３において流出排気ガスの温度が所定温度未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０４に進む。ステップＳ３０４〜ステップＳ３０７は、図９におけるステップＳ１０３〜ステップＳ１０６と同様であることから説明を省略する。

一方、ステップＳ３０３において流出排気ガスの温度が所定温度以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０４をスキップしてステップＳ３０５に進む。ステップＳ３０５では、空燃比制御部は目標空燃比ＴＡＦを弱リッチ設定空燃比ＴＡＦｗｒｉｃｈに設定する。その後のステップＳ３０６及びステップＳ３０７は、図９におけるステップＳ１０５及びステップＳ１０６と同様であることから説明を省略する。

なお、ステップＳ３０３において、空燃比制御部は上流側触媒２０の温度が所定温度未満であるか否かを判定してもよい。上流側触媒２０の温度は温度検出部によって検出又は推定される。

＜第五実施形態＞
第五実施形態に係る排気浄化装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第五実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図１５は、本発明の第五実施形態に係る内燃機関１００”の排気浄化装置が設けられた内燃機関１００”を概略的に示す図である。第五実施形態では、排気管２２内、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向下流側には、排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０から流出する排気ガス）中の窒素酸化物濃度（ＮＯｘ濃度）を検出する窒素酸化物センサ（ＮＯｘセンサ）４８が配置される。ＮＯｘセンサ４８は排気流れ方向において上流側触媒２０と下流側触媒２４との間に配置される。ＮＯｘセンサ４８の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

本実施形態では、ＮＯｘセンサ４８は、所定の電圧を印加したときにセンサ内に流れる限界電流を検出することによって排気ガス中のＮＯｘ濃度を算出する限界電流式ＮＯｘセンサである。ＮＯｘセンサ４８自体は公知であるため、以下、ＮＯｘセンサ４８の構成及びＮＯｘの検出原理について簡単に説明する。

図１６は、ＮＯｘセンサ４８のセンサ素子４８ａの断面図である。図１６に示されるように、ＮＯｘセンサ４８のセンサ素子４８ａは、被測ガス室６０、第一基準ガス室６１、第二基準ガス室６２、センサセル７１、ポンプセル７２、モニタセル７３及びヒータ７５を備える。被測ガス室６０には、拡散律速層６３を介して、流出排気ガスが被測ガスとして導入される。第一基準ガス室６１及び第二基準ガス室６２には基準ガスが導入される。基準ガスは例えば大気である。この場合、第一基準ガス室６１及び第二基準ガス室６２は大気に開放されている。

センサセル７１は、センサ用固体電解質層、第一電極８１及び第二電極８２を有する電気化学セルである。本実施形態では、第一固体電解質層８８がセンサ用固体電解質層として機能する。第一電極８１は、被測ガス室６０内の被測ガスに曝されるように第一固体電解質層８８の被測ガス室６０側の表面上に配置されている。一方、第二電極８２は、第一基準ガス室６１内の基準ガスに曝されるように第一固体電解質層８８の第一基準ガス室６１側の表面上に配置されている。第一電極８１と第二電極８２とは、第一固体電解質層８８を挟んで互いに対向するように配置されている。第一電極８１は、ＮＯｘ分解機能を有する材料から構成される。

ポンプセル７２は、ポンプ用固体電解質層、第三電極８３及び第四電極８４を有する電気化学セルである。本実施形態では、第二固体電解質層８９がポンプ用固体電解質層として機能する。第三電極８３は、被測ガス室６０内の被測ガスに曝されるように第二固体電解質層８９の被測ガス室６０側の表面上に配置されている。一方、第四電極８４は、第二基準ガス室６２内の基準ガスに曝されるように第二固体電解質層８９の第二基準ガス室６２側の表面上に配置されている。第三電極８３と第四電極８４とは、第二固体電解質層８９を挟んで互いに対向するように配置されている。第三電極８３は、ＮＯｘ分解機能を有しない材料から構成される。

モニタセル７３は、モニタ用固体電解質層、第五電極８５及び第六電極８６を有する電気化学セルである。本実施形態では、第一固体電解質層８８がモニタ用固体電解質層として機能する。したがって、本実施形態では、センサ用固体電解質層及びモニタ用固体電解質層は共通の固体電解質層である。第五電極８５は、被測ガス室６０内の被測ガスに曝されるように第一固体電解質層８８の被測ガス室６０側の表面上に配置されている。一方、第六電極８６は、第一基準ガス室６１内の基準ガスに曝されるように第一固体電解質層８８の第一基準ガス室６１側の表面上に配置されている。第五電極８５と第六電極８６とは、第一固体電解質層８８を挟んで互いに対向するように配置されている。第五電極８５は、ＮＯｘ分解機能を有しない材料から構成される。

図１６に示されるように、ポンプセル７２は、被測ガスの流れ方向において、センサセル７１よりも上流側に配置されている。モニタセル７３は、被測ガスの流れ方向において、ポンプセル７２とセンサセル７１との間に配置されている。ヒータ７５は、センサ素子４８ａ、特にセンサセル７１、ポンプセル７２及びモニタセル７３を加熱する。

なお、センサ素子４８ａの具体的な構成は、図１６に示した構成とは異なっていてもよい。例えば、センサ用固体電解質層、ポンプ用固体電解質層及びモニタ用固体電解質層はそれぞれ共通の固体電解質層であっても別個の固体電解質層であってもよい。

被測ガス中のＮＯｘ濃度は、ＮＯｘセンサ４８を用いて以下のように検出される。流出排気ガスは拡散律速層６３を通って被測ガス室６０内に被測ガスとして導入される。被測ガス室６０内に導入された被測ガスは最初にポンプセル７２に到達する。

被測ガス（排気ガス）はＮＯｘ（ＮＯ及びＮＯ₂）だけでなく酸素も含んでいる。センサセル７１に到達する被測ガスが酸素を含んでいる場合、酸素ポンピング作用によりセンサセル７１に電流が流れる。このため、被測ガス中の酸素濃度が変動すると、センサセル７１の出力も変動し、ＮＯｘ濃度の検出精度が低下する。このため、センサセル７１に到達する被測ガス中の酸素濃度を一定にすべく、ポンプセル７２によって被測ガス中の酸素を第二基準ガス室６２に排出する。

ポンプセル７２には、所定の電圧が印加される。この結果、被測ガス中の酸素は第三電極８３において酸化物イオンとなる。この酸化物イオンは、ポンプ用固体電解質層（本実施形態では第二固体電解質層８９）を介して第三電極（陰極）８３から第四電極（陽極）８４に移動し、第二基準ガス室６２に排出される（酸素ポンピング作用）。したがって、ポンプセル７２は被測ガス中の酸素を第二基準ガス室６２に排出することができる。また、ポンプセル７２には、被測ガス中の酸素濃度に応じた電流が流れる。このため、ポンプセル７２の出力を検出することによって被測ガス中の酸素濃度、ひいては被測ガスの空燃比を検出することもできる。したがって、ポンプセル７２は流出排気ガスの空燃比を検出することができる。

また、ポンプセル７２によって被測ガス中の酸素濃度が十分に低減されると、２ＮＯ₂→２ＮＯ＋Ｏ₂という反応が生じ、被測ガス中のＮＯ₂がＮＯに還元される。したがって、被側ガスがセンサセル７１に到達する前に被測ガス中のＮＯｘがＮＯに単ガス化される。

ポンプセル７２を通過した被測ガスは次にモニタセル７３に到達する。モニタセル７３は、被測ガス中の残留酸素濃度を検出する。モニタセル７３には、所定の電圧が印加される。この結果、モニタセル７３には、酸素ポンピング作用によって被測ガス中の酸素濃度に応じた電流が流れる。このため、モニタセル７３の出力を検出することによって、被測ガス中の残留酸素濃度を検出することができる。残留酸素濃度が所定の低濃度になるように、モニタセル７３の出力に基づいてポンプセル７２への印加電圧がフィードバック制御される。この結果、センサセル７１に到達する被測ガス中の酸素濃度が一定の値に制御される。

モニタセル７３を通過した被測ガスは次にセンサセル７１に到達する。センサセル７１は、被測ガス中のＮＯを分解することで、被測ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。センサセル７１には、所定の電圧が印加される。この結果、被測ガス中のＮＯは第一電極８１において還元分解されて酸化物イオンが発生する。この酸化物イオンは、センサ用固体電解質層（本実施形態では第一固体電解質層８８）を介して第一電極（陰極）８１から第二電極（陽極）８２に移動し、第一基準ガス室６１に排出される。センサセル７１に被測ガスが到達する前に被測ガス中のＮＯ₂がＮＯに単ガス化されているため、センサセル７１には、ＮＯの分解によって被測ガス中のＮＯｘ（ＮＯ及びＮＯ₂）濃度に応じた電流が流れる。このため、センサセル７１の出力を検出することによって被測ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。したがって、センサセル７１は流出排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。

なお、ポンプセル７２によって被測ガス中のほとんどの酸素を除去できる場合又はポンプセル７２によって被測ガス中の酸素濃度をほぼ一定の低濃度にできる場合には、モニタセル７３によって被測ガス中の残留酸素濃度を検出しなくてもよい。このため、ＮＯｘセンサ４８は、モニタセル７３を備えることなく、ポンプセル７２及びセンサセル７１によって被測ガス中のＮＯｘ濃度を検出してもよい。

＜内燃機関の排気浄化装置＞
本発明の第五実施形態に係る内燃機関１００”の排気浄化装置は、第一実施形態と同様に、上流側触媒２０と、下流側触媒２４と、排気通路において上流側触媒２０の排気流れ方向下流側に配置されたアンモニア検出装置及び空燃比検出装置と、流入排気ガスの空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御部とを備える。なお、排気浄化装置は下流側触媒２４を備えていなくてもよい。

ＮＯｘセンサ４８のセンサセル７１は、第一電極８１を構成する材料がアンモニア分解機能も有するため、被測ガス中のＮＯｘに加えて、被測ガス中のアンモニアも分解する。このため、流出排気ガスがアンモニアを含み且つＮＯｘをほとんど含んでいないときには、センサセル７１には、アンモニアの分解によって流出排気ガス中のアンモニア濃度に応じた電流のみが流れる。したがって、センサセル７１は流出排気ガス中のアンモニア濃度を検出することができる。また、上述したように、ＮＯｘセンサ４８のポンプセル７２は流出排気ガスの空燃比を検出することができる。

このため、第五実施形態では、ＮＯｘセンサ４８のセンサセル７１がアンモニア検出装置として機能し、ＮＯｘセンサ４８のポンプセル７２が空燃比検出装置として機能する。第五実施形態においても、図９に示した目標空燃比設定処理の制御ルーチンが実行され、リッチ制御において流入排気ガスの目標空燃比のリッチ度合が小さくされる。

なお、第五実施形態において、第一実施形態と同様に、内燃機関１００”の排気通路において上流側触媒２０の排気流れ方向下流側に下流側空燃比センサ４１が配置されてもよい。この場合、ＮＯｘセンサ４８のポンプセル７２の代わりに下流側空燃比センサ４１が空燃比検出装置として機能してもよい。

＜その他の実施形態＞
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、上流側空燃比センサ４０は、上流側触媒２０の排気流れ方向上流側に配置されると共に流入排気ガスの空燃比がリッチ又はリーンであることを検出する酸素センサであってもよい。同様に、下流側空燃比センサ４１（空燃比検出装置）は、上流側触媒２０の排気流れ方向下流側に配置されると共に流出排気ガスの空燃比がリッチ又はリーンであることを検出する酸素センサであってもよい。

また、上述した実施形態は、任意に組み合わせて実施可能である。例えば、第五実施形態は第二実施形態〜第四実施形態と組合せ可能である。この場合、アンモニア検出装置及び空燃比検出装置としてＮＯｘセンサ４８のセンサセル７１及びポンプセル７２が用いられる。また、第三実施形態又は第四実施形態において第二実施形態のようにリーン制御とリッチ制御とが交互に実行されてもよい。また、第二実施形態又は第四実施形態において、第三実施形態のように、図１３に示した強リッチ設定空燃比設定処理の制御ルーチンが実行されてもよい。

２０ 上流側触媒
２２ 排気管
３１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４１ 下流側空燃比センサ
４６ アンモニアセンサ
４８ ＮＯｘセンサ
７１ センサセル
７２ ポンプセル
１００、１００’、１００” 内燃機関

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒と、
   前記排気通路において前記触媒の排気流れ方向下流側に配置されたアンモニア検出装置と、
   前記排気通路において前記触媒の排気流れ方向下流側に配置された空燃比検出装置と、
   前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御部と
   を備え、
   前記空燃比制御部は、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行し、該リッチ制御において、前記アンモニア検出装置の出力値が基準値まで上昇したときに前記目標空燃比のリッチ度合を小さくし、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比まで低下したときに前記リッチ制御を終了する、内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記空燃比制御部は、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御と、前記リッチ制御とを交互に実行する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記触媒の温度又は該触媒から流出する排気ガスの温度を検出又は推定する温度検出部を更に備え、
   前記空燃比制御部は、前記温度検出部によって検出又は推定された温度が高いほど、前記リッチ制御において、前記アンモニア検出装置の出力値が前記基準値まで上昇する前の前記目標空燃比のリッチ度合を小さくする、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記触媒の温度又は該触媒から流出する排気ガスの温度を検出又は推定する温度検出部を更に備え、
   前記空燃比制御部は、前記リッチ制御において、前記アンモニア検出装置の出力値が前記基準値まで上昇する前に前記温度検出部によって検出又は推定された温度が所定温度に達した場合には、該温度検出部によって検出又は推定された温度が該所定温度に達したときに前記目標空燃比のリッチ度合を小さくする、請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記アンモニア検出装置はＮＯｘセンサのセンサセルである、請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記空燃比検出装置は前記ＮＯｘセンサのポンプセルである、請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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