CN102224328A - 内燃机的废气净化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内燃机的废气净化装置，该装置能够减少催化转换器的催化剂贵金属的用量，而不降低净化性能。催化转换器3除了含有催化剂贵金属之外还含有OSC材料，同时包含上游催化转换器31、以及设置在该上游催化转换器31的下游侧的下游催化转换器32。上游催化转换器31比下游催化转换器32含有更多的OSC材料，并且，下游催化转换器32比上游催化转换器31含有更多的催化剂贵金属。废气净化装置2具备LAF传感器61、氧浓度传感器62和ECU5，该ECU5根据由LAF传感器61和氧浓度传感器62输出的信号KACT、VO2，控制发动机1的空燃比，以使流入下游催化转换器32中的废气的空燃比与设定于理论空燃比附近的目标值一致。

Description

内燃机的废气净化装置

技术领域

本发明涉及一种内燃机的废气净化装置。特别是涉及一种具备对流经废气通路的废气进行净化的催化转换器的内燃机的废气净化装置。

背景技术

以往，在内燃机的废气系统中设置了催化转换器以净化废气。该催化转换器是通过用载体负载例如以铂、钯和铑等贵金属作为活性组分的三元催化剂而构成的。三元催化剂通过将废气中的一氧化碳(在下文中，称作“CO”)、非甲烷有机气体(在下文中，称作“NMOG(Non Methane Organic Gas)”)以及氮氧化物(在下文中，称作“NOx”)这3种成分转变成无害的成分来对废气进行净化。

另外，近年来，为了提高废气的净化性能，提出了以双级来构成催化转换器的废气净化装置(参见专利文献1)。在该废气净化装置中，以双级来构成催化转换器的同时，使得上游侧的催化转换器所含有的二氧化铈的量多于下游侧的催化转换器。由此，能够抑制成为异臭原因的硫化氢的产生。

专利文献1：日本特开2007-111650号公报

发明内容

但是，三元催化剂具有这样的特性：在使燃料在以理论空燃比为中心的被称为空燃比窗的范围内进行燃烧的情况下，有效地对废气进行净化。但是，实际上，根据车辆的行驶状态，空燃比偏离空燃比窗，因而有时净化性能大大降低。

于是，以往，提出了这样的技术：通过增加二氧化铈等具有储氧能力的成分或增加催化剂贵金属的量来扩大空燃比窗的范围，防止三元催化剂的净化性能的降低。但是，催化转换器中所使用的铂、钯以及铑等催化剂贵金属价格非常高，因此为了降低成本，优选的是尽量减少其用量。

本发明鉴于上述的课题而进行的，本发明的目的在于提供一种内燃机的废气净化装置，该装置能够在不降低净化性能的情况下减少催化转换器的催化剂贵金属的用量。

为了实现上述目的，本发明提供如下内燃机的废气净化装置：该装置具备催化转换器(3)，其设置在内燃机(1)的废气通路中，净化流通过该废气通路的废气；上述催化转换器除了含有具有NOx净化能力的催化剂贵金属之外还含有具有储氧能力的成分，同时包含上游催化转换器(31)、以及相对于该上游催化转换器设置在下游侧的下游催化转换器(32)。上述上游催化转换器比上述下游催化转换器更多地含有上述具有储氧能力的成分，并且，上述下游催化转换器比上述上游催化转换器更多地含有上述具有NOx净化能力的催化剂贵金属。上述废气净化装置还具备：上游废气传感器(61)，其输出对应流入上述上游催化转换器中的废气成分的信号(KACT)；下游废气传感器(62)，其输出对应流入述下游催化转换器中的废气成分的信号(VO2)；以及空燃比控制器(5、51、52)，其根据由上游废气传感器和下游废气传感器输出的信号，控制内燃机的空燃比，使得流入下游催化转换器中的废气的空燃比与设定于理论空燃比附近的目标值一致。

根据本发明，以上游催化转换器和下游催化转换器这样的双级催化转换器来构成净化废气的催化转换器，而且，使得上游催化转换器的具有储氧能力的成分的含量多于下游催化转换器的具有储氧能力的成分的含量。由此，即使在流入上游催化转换器中的废气的空燃比不稳定的情况下，也能够稳定其下游侧的废气、即流入下游催化转换器中的废气的空燃比。除此之外，能够减少下游催化转换器的热容量，以提高下游催化转换器的升温性能。

此外，根据本发明，设置上游废气传感器和下游废气传感器，根据由这些传感器输出的信号，控制内燃机的空燃比，以使流入下游催化转换器中的废气的空燃比与设定于理论空燃比附近的目标值一致。由此，能够使流入下游催化转换器中的废气空燃比进一步稳定在理论空燃比附近。

如上所述，根据本发明，能够使流入下游催化转换器中的废气空燃比进一步稳定在理论空燃比附近，因此，可以特别地通过下游催化转换器有效净化废气。即，对于上游催化转换器和下游催化转换器整体来说，不加入多余的催化剂贵金属的情况下，就能够维持废气的净化性能。换言之，与上述的现有的废气净化装置比较，能够降低催化剂贵金属的用量而不降低对废气的净化性能。

此外，根据本发明，使得下游催化转换器的具有NOx净化能力的催化剂贵金属的含量多于上游催化转换器的含量。如上所述，在本发明中，能够使流入下游催化转换器中的废气空燃比稳定在理论空燃比附近。因此，通过增加空燃比稳定的下游催化转换器的催化剂贵金属的含量，能够从整体上有效地使用催化剂贵金属。因而，能够进一步降低催化剂贵金属的用量。此外，上游催化转换器比下游催化转换器更接近于内燃机，因而由热老化所导致的影响大。因此，通过使上游催化转换器的催化剂贵金属的含量少于下游催化转换器，能够减小热老化对整体上的催化剂贵金属的影响。因此，能够更长期维持催化转换器的净化性能。

这种情况下，上述具有NOx净化性能的催化剂贵金属优选含有选自由铑、钯以及铂组成的组中的至少一种。

根据本发明，作为催化剂贵金属，使用选自由铑、钯以及铂组成的组的至少一种。由此，能够确保催化转换器的NOx净化性能。

这种情况下，上述具有储氧能力的成分优选含有选自由铈以及锆组成的组中的至少一种。

根据本发明，作为具有储氧能力的成分，使用选自由铈以及锆组成的组中的至少一种。由此，能够确保催化转换器的储氧能力。

这种情况下，优选的是，上述上游催化转换器包含载体(311)、以及在该载体上以层状负载的三层催化剂层(31L)，上述上游催化转换器的三层催化剂层的构成中，由载体侧朝向表面侧依次包括含有钯的第一层(312)、含有铑的第二层(313)和含有钯的第三层(314)。

根据本发明，以三层来构成上游催化转换器的催化剂层，同时由载体侧朝向表面侧依次在第一层含有钯、在第二层含有铑、在第三层含有钯。另外，具有NOx净化性能的催化剂贵金属之中，铑的价格特别地高，且净化性能高。因此，必需尽量减少铑的用量，同时要尽量避免由磷或硫导致的铑的中毒。在本发明中，通过将铑设置在不是最表面侧的第二层，能够抑制由磷或硫导致的铑的中毒。因此，能够稳定催化转换器整体的NOx净化性能。

这种情况下，优选的是，上述下游催化转换器包含载体(321)、以及在该载体上以层状负载的两层催化剂层(32L)，上述下游催化转换器的两层催化剂层的构成中，由载体侧朝向表面侧依次包括含有钯的第一层(322)、含有铑的第二层(323)。

根据本发明，以两层来构成下游催化转换器的催化剂层，同时由载体侧朝向表面侧依次在第一层含有钯、在第二层含有铑。这样，通过以两层来构成催化剂层，与上游催化转换器比较，能够减小热容量。由此，能够使下游催化转换器迅速升温，活化。此外，在成为最表面侧的第二层中，特别地设置净化性能高的铑，由此能够有效净化NOx。

另外，由于在成为最表面侧的第二层中设置铑，因而可能存在由磷或硫导致的铑的中毒的影响。但是，流入下游催化转换器的是通过上游催化转换器的废气，因此与上游催化转换器比较，由磷或硫导致的中毒的影响小。因此，能够长期有效净化废气。

这种情况下，优选的是，上述上游催化转换器和上述下游催化转换器分别包含载体(311，321)、以及在该载体上以层状负载的2层以上催化剂层(31L，32L)，上述上游催化转换器的2层以上催化剂层之中最表面侧(314)的层中不含铑，上述下游催化转换器的2层以上催化剂层之中最表面侧的层(323)含有铑。

根据本发明，以载体、以及负载于该载体上的2层以上催化剂层来构成上游催化转换器，同时在最表面侧的层中不含铑。由此，能够抑制由磷或硫导致的催化剂贵金属中价格特别高且净化性能高的铑的中毒。

此外，根据本发明，以载体、以及负载于该载体上的2层以上催化剂层来构成下游催化转换器，同时在最表面侧的层中含有铑。由此，能够利用净化性能高的铑有效对废气进行净化。此处，由于在最表面侧设置铑，因而可能存在由磷或硫导致的铑的中毒的影响，但是在下游催化转换器中，流入的是通过上游催化转换器的废气，因此与上游催化转换器比较，由磷或硫导致的中毒的影响小。因此，能够长期有效净化废气。

这种情况下，优选的是，上述上游催化转换器和上述下游催化转换器均设置在上述内燃机的正下方。

根据本发明，通过将上游催化转换器和下游催化转换器设置在内燃机的正下方，能够使难以升温的下级下游催化转换器迅速升温。由此，能够防止车辆刚刚启动后等低温时的净化性能降低。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式中的发动机及其废气净化装置的构成的示意图。

图2是示出上述实施方式中的催化转换器单元的构成的侧面图。

图3是示出上述实施方式中的上游催化转换器的构成的截面图。

图4是示出上述实施方式中的下游催化转换器的构成的截面图。

图5是示意性示出涉及上述实施方式中废气的净化的反应的图。

图6是示意性示出涉及上述实施方式中废气的净化的反应的图。

图7是示出上述实施方式中的上游催化转换器的温度变化的图。

图8是示出上述实施方式中的下游催化转换器的温度变化的图。

图9是示出每单位时间的NOx的排出量的图。

图10是示出各催化剂贵金属的NMOG净化率的温度依赖性的图。

图11是示出各催化剂贵金属的NOx净化率的温度依赖性的图。

图12是示出铑的NOx净化性能的空燃比依赖性的图。

符号的说明

1...发动机(内燃机)

2...废气净化装置

3...催化转换器单元(催化转换器)

31...上游催化转换器

311...载体

31L...催化剂层

312...第一层

313...第二层

314...第三层

32...下游催化转换器

321...载体

32L...催化剂层

322...第一层

323...第二层

5...电子控制单元(空燃比控制器)

51...目标空燃比计算部(空燃比控制器)

52...燃料喷射量计算部(空燃比控制器)

61...LAF传感器(上游废气传感器)

62...氧浓度传感器(下游废气传感器)

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的一个实施方式。

图1是示出本实施方式中的内燃机1(在下文中，简称为“发动机”)及其废气净化装置2的构成的示意图。

发动机1具备未图示的多个气缸、以及连通这些气缸的吸气管11和排气管12。在吸气管11设置了未图示的节流阀、燃料喷射阀13以及吸气阀。

燃料喷射阀13被设置于喷射阀节流阀和各气缸的吸气阀之间，每个气缸设置1个。燃料喷射阀13与未图示的燃料泵连接，同时与电子控制单元(在下文中称作“ECU”)5电连接，该燃料喷射阀13的开阀时间由ECU5控制。

废气净化装置2的构成中包含催化转换器单元3(在排气管12之中其设置在发动机1的正下方)和ECU5(其控制燃料喷射阀13)。

所构成的催化转换器单元3包含双级催化转换器，所述双级催化转换器是上游催化转换器31、相对于该上游催化转换器31设置在下游侧的下游催化转换器32。这些上游催化转换器31和下游催化转换器32分别是以蜂窝结构的载体负载三元催化剂而构成的，对由发动机1排出的废气进行净化，所述三元催化剂进行NMOG和CO的氧化、以及NOx的还原。

图2是示出催化转换器单元3的构成的侧面图。

所构成的催化转换器单元3包含上游催化转换器31和下游催化转换器32；收纳这些催化转换器31、32的外壳33；以及分别设置在该外壳33的上游侧和下游侧的上游侧集中部34和下游侧集中部35。另外，在图2中，示出外壳33的一部分断裂的构成。

外壳33为类圆筒状，其具备收纳类圆柱状的上游催化转换器31的第1收纳室331、以及收纳略圆柱状的下游催化转换器32的第2收纳室332。此外，在第1收纳室331和第2收纳室332之间，形成了比这些收纳室331，332的内径小的缩径部333。

上游侧集中部34的下游侧的端部连接于外壳33，上游侧的端部藉由具备多支管的废气总管连接于发动机的各气缸。

下游侧集中部35的上游侧的端部连接于外壳33，下游侧的端部连接于在车辆的车底板下延伸的排气管。

如上述构成的催化转换器单元3中，废气流经如下。

由发动机的各气缸排出的废气藉由废气总管在上游侧集中部34被合流并整流后，引入到外壳33内。引入到外壳33内的废气在第1收纳室331内被上游催化转换器31净化后，通过缩径部333，在第2收纳室332内被下游催化转换器32净化，从外壳33排出。从外壳33排出的废气通过下游侧集中部35后，经由排气管排出到车外。

特别是，此处如上所述那样将催化转换器单元3设置在发动机1的正下方。换言之，催化转换器单元3未设置在车辆的车底板下。因此，上游催化转换器31和下游催化转换器32均设置在发动机的正下方，所供给废弃温度较高。这样，催化转换器单元3成为发动机1的废气通路的一部分，对流经该废气通路的废气进行净化。

此外，在催化转换器单元3中设置了LAF传感器61和氧浓度传感器62。LAF传感器61固定在上游侧集中部34，并使其检测部位于上游侧集中部34的内部。氧浓度传感器62固定在外壳33，并使其检测部位于缩径部333的内部。需要说明的是，关于这些传感器61、62的运行将在后面详述。

下面，对上游催化转换器31和下游催化转换器32的具体的构成进行详细说明。

这些催化转换器31、32所负载的三元催化剂除了含有具有NOx净化性能的催化剂贵金属之外还含有具有储氧能力的OSC材料。作为具有NOx净化性能的催化剂贵金属，具体地说，优选含有选自由铑、钯以及铂组成的组中的至少一种。这些催化剂贵金属之中，特别是铑的NOx净化性能高。此外，作为具有储氧能力的OSC材料，具体地说，优选含有选自由铈以及锆组成的组中的至少一种。

图3是示出游催化转换器31的构成的截面图。

上游催化转换器31具备蜂窝结构的载体311、以及负载于该载体311的三层催化剂层31L。所构成的该三层催化剂层31L由载体311侧朝向表面侧依次包含第一层312、第二层313和第三层314。

第一层312含有作为具有NOx净化性能的催化剂贵金属的钯(Pd)，通过该钯的作用主要对NOx进行还原。该过程的进行时，则钯的氧化随之进行，最终NOx还原能降低，因此，优选的是，在由OSC材料构成的支持体上负载有钯。由此，氧气被储藏在OSC材料中而抑制了钯的氧化，所以能够在维持NOx的还原能的同时降低钯的用量(参见图5)。

第二层313含有作为具有NOx净化性能的催化剂贵金属的铑(Rh)，通过该的作用主要对NMOG和NOx进行净化。该过程进行时，铑的趋势是随之进行氧化，或固溶(埋入)于氧化铝等支持体，不久NMOG和NOx的净化性能降低。因此，优选的是，铑由覆盖在支持体上的非还原性金属氧化物负载。由此，可以抑制铑的氧化或铑固溶于支持体中，因此能够在维持NMOG和NOx的净化性能的同时降低所需要的铑的用量。对所使用的非还原性金属氧化物没有特别的限定，但可以是选自由钡、钙、镁以及锶组成的组中的一种以上的金属的氧化物。此外，与第一层312相同，在第二层313中，优选在由OSC材料构成的支持体上负载铑。

第三层314含有作为具有NOx净化性能的催化剂贵金属的钯(Pd)，通过该钯的作用主要进行NMOG的氧化。此外，优选在成为上游催化转换器31的最表面侧的第三层314中不含有NOx净化性能特别高的铑。此处，第三层314优选进一步含有贱金属氧化物(BMO)。由此，贱金属氧化物接近钯，因而促进了钯的氧化(PdO 化)，可以进一步提高对NMOG或CO的净化性能(参见图6)。与其他的层相同，在第三层314中，也优选在氧化铝等公知的支持体上负载钯。对贱金属氧化物没有特别的限定，但可以举出钡、钙、镁、锶等的氧化物。

图4是示出下游催化转换器32的构成的截面图。

下游催化转换器32具备蜂窝结构的载体321、以及负载于该载体321的两层催化剂层32L。所构成的该两层催化剂层32L由载体321朝向表面侧依次包含第一层322和第二层323。

第一层322含有作为具有NOx净化性能的贵金属催化剂的钯(Pd)，通过该钯的作用主要进行NOx的还原。通常，钯与铂或铑的相性不良，有与它们进行合金化而催化剂性能降低的趋势，但在本实施方式中，第一层322和第二层323各自分开，因而可以抑制催化剂性能降低。另外，钯如果暴露在高温气体中，则发生粒化并覆盖其他的催化剂表面，从而有使性能降低的趋势，但在本实施方式中，钯由第二层323包覆，可以避免高温气体的直接攻击，能够抑制净化性能降低。

此外，在第一层322中，在NOx还原过程中随着钯的氧化的进行，不久NOx还原能降低，因此优选在由OSC材料构成的支持体上负载钯。由此，氧气被储藏在OSC材料中而抑制了钯的氧化，因此能够在维持对NOx的还原能的同时降低钯的用量。

第二层323含有作为具有NOx净化性能的贵金属催化剂的铑，通过该铑的作用主要进行对NMOG和NOx的净化。本实施方式中的第二层323还含有铂，因而能够促进水蒸气改质(SR)反应而进一步增进对NOx的氧化。另外，通常，铂如果暴露在高温气体中，则发生粒化并覆盖其他的催化剂表面，从而有使性能降低的趋势，但在本实施方式中，与第二层323接触的是通过了上游催化转换器31和缩径部333而被一定程度低温化了的气体，因此能够抑制第二层323的净化性能降低。

具有如上所述的层结构的催化转换器31、32可通过下述的步骤来调整。首先，将支持体的原料粉末和贵金属成分分散在溶剂(例如水)中，从而制作浆状物。在该浆状物中浸渍作为载体的蜂窝基材，将其取出并干燥后，进行烧制，由此在载体上形成水涂层(第一层)。另外，适当调整浆状物的浓度，以形成预定的水涂层厚度。通过将这种工序依次反复进行，在已形成的水涂层上形成第二层及以后的水涂层。

【表1】

	OSC材料含量
		上游催化转换器	1
下游催化转换器	0.35(1～0.3)

如上表所示，比较这些催化转换器31、32时，上游催化转换器31的OSC材料的含量优选多于下游催化转换器32的OSC材料的含量。更具体地说，在将上游催化转换器31的OSC材料的含量定为1的情况下，下游催化转换器32的OSC材料的含量优选为1以下0.3以上。在本实施方式中，将下游催化转换器32的OSC材料含量相对于上游催化转换器31的OSC材料含量的比例设定为0.35。

此处，对决定上游催化转换器31和下游催化转换器32的OSC材料的含量的方法进行说明。必需如下设定OSC材料的含量：即使在OSC材料劣化后，也能够补偿其储氧能力。此外，作为OSC材料的劣化的主要原因，由热导致的劣化是最大的。因此，OSC材料的含量必需根据施加到废气通路内的上游催化转换器31和下游催化转换器32的热负荷适当设定。

图7是示出上游催化转换器31的温度变动的图。

图8是示出下游催化转换器32的温度变动的图。这些图7和图8中，点划线表示车速，实线表示预定设计中催化转换器31、32的温度的变化。

如这些图7和图8所示，各催化转换器31、32的温度对应车速在预定的范围内变动。如图7所示，上游催化转换器31的温度在约400℃至约750℃之间进行变动。此外，如图8所示，下游催化转换器32的温度低于上游催化转换器31的温度，并且在约250℃至约550℃的间进行变动。

这样，即使在进行相同的运行的情况下，与下游催化转换器32比较，上游催化转换器31上承受更大的热负荷。于是，考虑上述的热负荷，以适当的比例设定这些上游催化转换器31和下游催化转换器32的OSC材料的含量，使得即使在由热造成劣化后也能够补偿储氧能力。

下面，比较上游催化转换器31和下游催化转换器32的催化剂贵金属的含量。比较这两个催化转换器31、32时，下游催化转换器32的催化剂贵金属的含量优选多于上游催化转换器31的催化剂贵金属的含量。如上所述，在本实施方式中，作为催化剂贵金属，使用铑、钯和铂。于是，以两个催化转换器31、32对这些催化剂贵金属之中净化性能最高的铑的含量进行比较。下表示出在将上游催化转换器的铑的含量定为1时的下游催化转换器的铑的含量的优选形态。

【表2】

	铑的含量
		上游催化转换器	1
下游催化转换器	1.5(1～1.5)

如上表所示，比较这些催化转换器31、32时，下游催化转换器32的铑的含量优选多于下游催化转换器32的铑的含量。更具体地说，在将上游催化转换器31的铑的含量定为1的情况下，下游催化转换器32的铑的含量优选为1～1.5。在本实施方式中，将下游催化转换器32的铑的含量相对于上游催化转换器31的铑的含量的比例设定为1.5。

再看图1可知，ECU5连接着上述的LAF传感器61和氧浓度传感器62。

LAF传感器61将对应废气通路之中流入上游催化转换器31的废气成分的信号输出到ECU5。更具体地说，LAF传感器61检测流入上游催化转换器31中的废气的空燃比，将对应所检测的空燃比的信号KACT输出到ECU5。

氧浓度传感器62将对应废气通路之中流入下游催化转换器32的废气成分的信号输出到ECU5。更具体地说，氧浓度传感器62检测由上游催化转换器31排出且流入下游催化转换器32的废气的氧浓度(空燃比)，将对应所检测的氧浓度的信号VO2输出到ECU5。

此处，对于LAF传感器61和氧浓度传感器62的输出特性进行比较。与氧浓度传感器62相比，LAF传感器61在更广范围的空燃比范围生成与其大致呈比例的水平的输出KACT。即，与氧浓度传感器62相比，LAF传感器61可以检测更广范围内的空燃比。当废气的氧浓度在理论空燃比附近的范围Δ内时，氧浓度传感器62生成高灵敏度的水平的输出VO2，与废气的氧浓度大致呈比例。此外，当氧浓度偏离上述的范围Δ时，氧浓度传感器62生成大致恒定的水平的输出VO2。

ECU5具备输入电路和中央处理单元(在下文中，称为“CPU”)，所述输入电路具有整形来自各种传感器的输入信号波形、将电平校正为预定的水平、并将模拟信号值转换成数字信号值等功能。此外，ECU5具备记忆电路，其记忆在CPU中进行的各种计算程序和计算结果等；和输出电路，其将控制信号输出到驱动燃料喷射阀13的执行机构。

在图1中，由具备如上所述的硬件的ECU5构成的模块之中仅示出涉及控制燃料喷射阀13的构成。图1所示的模块具备目标空燃比计算部51，其计算出发动机1的目标空燃比KCMD；和燃料喷射量计算部52，其根据目标空燃比KCMD计算出燃料喷射量。此处，目标空燃比KCMD是LAF传感器61的输出KACT的目标值。

根据由未图示的各种传感器得到的发动机1的转速、吸气管内绝对压力值等，燃料喷射量计算部52计算出发动机1的燃料喷射量的基准值，然后，考虑发动机1的各种条件，校正基准值，并将其作为燃料喷射量。

接下来，燃料喷射量计算部52调整预先计算出的燃料喷射量，以使LAF传感器5的输出KACT收敛到目标空燃比计算部51计算出的目标空燃比KCMD内，由此对发动机1的空燃比进行反馈控制。燃料喷射量计算部52计算出的燃料喷射量传输到燃料喷射阀13。燃料喷射阀13按照发动机1的预定的曲柄角度喷射燃料，在发动机1中进行燃烧。

需要说明的是，关于控制空燃比的具体控制方法，本申请申请人在日本特开2001-182528号公报等中有详细说明，因此在此省略更详细的说明。

目标空燃比计算部51根据LAF传感器61的输出KACT和氧浓度传感器62的输出VO2，逐次计算出发动机1的目标空燃比KCMD。

在本实施方式中，为了提高氧浓度传感器62的输出的目标值收敛控制的稳定性或可靠性，利用滑模控制(一种反馈控制方法，对干扰等具有高的稳定性)，按照使氧浓度传感器62的输出VO2收敛到目标值的方式，计算出目标空燃比KCMD。该滑模控制需要控制对象模型。在本实施方式中，将发动机1的下游之中的以LAF传感器61、上游催化转换器31以及氧浓度传感器62构成的排气系统作为滑模控制的控制对象P。

自适应滑模控制器511看作为一个系统，将该上述的控制对象P从LAF传感器61的输出KACT藉由时滞元件和响应滞后元件生成氧浓度传感器62的输出VO2，预先将该系统的行为用离散时间系统进行模型化。然后，自适应滑模控制器511考虑该系统所具有的时滞、发动机1和ECU5所具有的时滞、控制对象的行为变化等，通过自适应滑模控制，按照使氧浓度传感器62的输出VO2与其目标值一致的方式，逐次计算出目标空燃比KCMD。

此处，氧浓度传感器62的输出VO2的目标值设定在例如理论空燃比附近。由此，发动机1的空燃比被控制成流入下游催化转换器32的废气的空燃比与理论空燃比一致，废气被该下游催化转换器32有效净化。

实时识别器512采用LAF传感器61的输出KACT和氧浓度传感器62的输出VO2的数据逐次识别模型所含有的参数，以便补偿模型化的控制对象P的行为变化的影响。

状态预测器513计算出氧浓度传感器62的输出VO2的预测值，以便补偿上述的时滞。在自适应滑模控制器511中，采用由状态预测器513预测的氧浓度传感器62的输出VO2的预测值、以及由实时识别器512识别的参数，通过基于模型的自适应滑模算法，逐次生成目标空燃比KCMD。

需要说明的是，关于采用该滑模控制的空燃比控制，除了在上述的日本特开2001-182528号公报之外，本申请申请人还在日本特开2000-230451号公报中有说明，因此在此省略更详细的说明。

下面，对于基于如上构成的实施方式的实施例，将其NOx的排出量与比较例进行比较。

图9示出在以上述的图7和图8所示的车速行驶时的每单位时间的NOx的排出量(g/mile)。该图9中，“发明品”表示本实施例的结果。此外，“现有品A”和“现有品B”分别表示根据现有技术构成的比较例的结果。

此处，作为现有品B，准备了相对于现有品A将铑的用量削减了50％的制品。此外，发明品也准备了相对于现有品A将铑的用量削减了50％的制品。

如图9所示，在现有品中，将铑的用量定为50％时，净化性能降低，NOx的排出量大幅度增加。与此相对，在本实施例中，即使是与现有品A相比铑的用量削减了50％的制品，也能够使NOx的排出量少于现有品A。由此确认了在本实施例中通过有效地使用相对于现有品少量的铑，能够实现高的净化性能。

如上详述，根据本实施方式，以上游催化转换器31和下游催化转换器32这样的双级来构成净化废气的催化转换器单元3，而且，使上游催化转换器31的OSC材料的含量多于下游催化转换器32的OSC材料的含量。由此，即使在流入上游催化转换器31中的废气的空燃比不稳定的情况下，也能够稳定其下游侧的废气、即流入下游催化转换器32中的废气的空燃比。除此之外，还能够减少下游催化转换器32的热容量，提高下游催化转换器32的升温性能。

此外，根据本实施方式，设置LAF传感器61和氧浓度传感器62，基于由这些传感器61、62输出的信号KACT、VO2，控制发动机1的空燃比，以使流入下游催化转换器32中的废气的空燃比与设定于理论空燃比附近的目标值一致。由此，能够使流入下游催化转换器32中的废气空燃比进一步稳定在理论空燃比附近。

如上所述，根据本实施方式，能够使流入下游催化转换器32中的废气空燃比稳定在理论空燃比附近，因此，能够特别地通过下游催化转换器32有效地净化废气。即，对于上游催化转换器31和下游催化转换器31整体来说，不加入多余的催化剂贵金属的情况下，就能够维持废气的净化性能。换言之，与现有的废气净化装置比较，能够降低催化剂贵金属的用量，而不降低废气的净化性能。

此外，根据本实施方式，使得下游催化转换器32的催化剂贵金属的含量多于上游催化转换器31的含量。如上所述，在本实施方式中，能够使流入下游催化转换器32中的废气空燃比稳定在理论空燃比附近。因此，通过增加空燃比稳定的下游催化转换器32的催化剂贵金属的含量，能够从整体上有效地使用催化剂贵金属。因而，能够进一步降低催化剂贵金属的用量。此外，上游催化转换器31比下游催化转换器32更接近于内燃机，因而由热劣化导致的影响大。因此，通过使上游催化转换器31的催化剂贵金属的含量少于下游催化转换器32，能够从整体上减小催化剂贵金属因热劣化所导致的影响。因此，能够更长期维持利用催化转换器单元3的净化性能。

此外，根据本实施方式，作为催化剂贵金属，使用选自由铑、钯以及铂组成的组的至少一种。由此，能够确保利用催化转换器单元3的NOx净化性能。此处，比较这些铑、钯以及铂的净化性能。

图10是示出各催化剂贵金属的NMOG净化率的温度依赖性的图。

如图10所示，与钯和铂相比较，铑从催化剂温度为低温的状态就显示高的NMOG净化率。

图11是示出各催化剂贵金属的NOx净化率的温度依赖性的图。

如图11所示，与钯和铂相比较，铑从催化剂温度为低温的状态就显示高的NOx净化率。而且，即使在达到活性温度之后，铑也显示特别高的NOx净化率。如上所述，催化剂贵金属之中，特别是铑具有高的净化性能。

图12是示出铑的NOx净化性能的空燃比依赖性的图。图12中，虚线表示在将铑的用量定为A时的NOx排出量(ppm)的空燃比依赖性，实线表示在将铑的用量定为B(A的30％)时的NOx排出量(ppm)的空燃比依赖性。

如图12所示，铑的NOx净化性能在理论空燃比附近特别高，而如果从理论空燃比向贫燃侧和富燃侧偏离，则降低。特别是，从理论空燃比向贫燃侧偏离时，NOx净化性能急剧显著降低。

此处，将铑的用量定为A的情况与定为B的情况相比较。如图12所示，减少铑的用量时，NOx净化性能在贫燃侧的降低更加激烈。即，减少铑的用量时，贫燃侧的空燃比窗的范围急剧变窄。换言之，这说明即使减少铑的用量，通过将空燃比保持在窄的空燃比窗的范围内，也能够维持NOx净化性能。如上所述，在本实施方式中，通过使流入含有更多铑的下游催化转换器32中的废气的空燃比稳定在理论空燃比附近，可以在如此减少铑的用量的同时维持高的NOx净化性能。

此外，根据本实施方式，作为OSC材料，使用选自由铈以及锆组成的组中的至少一种。由此能够确保催化转换器单元3的储氧能力。

此外，根据本实施方式，以三层来构成上游催化转换器31的催化剂层31L，同时由载体321侧朝向表面侧依次在第一层312含有钯、在第二层313含有铑、在第三层314含有钯。另外，催化剂贵金属之中，特别是铑的价格高且净化性能高。因此，必需尽量减少铑的用量的同时，尽量避免由磷或硫导致的铑的中毒。在本实施方式中，通过将铑设置在不是最表面侧的第二层313，能够抑制由磷或硫导致的铑的中毒。因此，能够使催化转换器单元3整体的NOx净化性能稳定。

此外，根据本实施方式，以两层来构成下游催化转换器32的催化剂层32L，同时由载体321侧朝向表面侧依次在第一层32 2含有钯、在第二层323含有铑。这样，通过以两层构成催化剂层32L，与上游催化转换器31比较，能够减小热容量。由此，能够使下游催化转换器32迅速升温，活化。此外，在成为最表面侧的第二层323中，特别设置净化性能高的铑，由此能够有效净化NOx。

然而，由于在成为最表面侧的第二层323中设置铑，因而可能存在由磷或硫导致的铑的中毒的影响。但是，流入下游催化转换器32的是通过上游催化转换器31的废气，因此与上游催化转换器31比较，由磷或硫导致的毒化的影响小。因此，能够长期有效净化废气。

另外，根据本实施方式，以载体311、以及负载于该载体311上的2层以上催化剂层31L来构成上游催化转换器31，同时在最表面侧的层中不含铑。由此，能够抑制催化剂贵金属中价格特别高且净化性能高的铑由磷或硫导致的中毒。

此外，根据本实施方式，以载体321、以及负载于该载体321上的2层以上催化剂层32L来构成下游催化转换器32，同时在最表面侧的层中含有铑。由此，能够利用净化性能高的铑有效地对废气进行净化。此处，由于在最表面侧设置铑，因而可能存在由磷或硫导致的铑的中毒的影响，但是，流入下游催化转换器32的是通过上游催化转换器31的废气，因此与上游催化转换器31比较，由磷或硫导致的毒化的影响小。因此，能够长期有效净化废气。

根据本实施方式，通过将上游催化转换器31和下游催化转换器32设置在发动机1的正下方，能够使难以升温的下级下游催化转换器32迅速升温。由此，能够防止车辆刚刚启动后等低温时的净化性能降低。

在本实施方式中，ECU5构成空燃比控制器。更具体地说，由ECU5构成的目标空燃比计算部51和燃料喷射量计算部52构成空燃比控制器。此外，LAF传感器61构成上游废气传感器，氧浓度传感器62构成下游废气传感器。

需要说明的是，本发明并不限于上述的实施方式，可以进行各种变形。

例如，在上述实施方式中，虽然将上游催化转换器31和下游催化转换器32设置在发动机1的正下方，同时收纳在一个外壳33内，但并不限于此。例如，可以将上游催化转换器设置在发动机的正下方，并将下游催化转换器与上游催化转换器保持间隔地设置在车辆的车底板下。由此，能够延缓下游催化转换器的劣化的进展。

此外，本发明也可适用于诸如将曲柄轴定为垂直方向的舷外发动机等之类的船舶推进用发动机等废气净化装置。

Claims (7)

1.一种内燃机的废气净化装置，其中，

该装置具备催化转换器，其设置在内燃机的废气通路中，净化流通过该废气通路的废气，

上述催化转换器除了含有具有NOx净化能力的催化剂贵金属之外还含有具有储氧能力的成分，同时包含上游催化转换器、以及设置在该上游催化转换器的下游侧的下游催化转换器，

该内燃机的废气净化装置的其特征在于，

上述上游催化转换器比上述下游催化转换器更多地含有上述具有储氧能力的成分，并且，上述下游催化转换器比上述上游催化转换器更多地含有上述具有NOx净化能力的催化剂贵金属，

该废气净化装置还具备：

上游废气传感器，其根据流入上述上游催化转换器中的废气成分输出信号；

下游废气传感器，其根据流入上述下游催化转换器中的废气成分输出信号；以及

空燃比控制器，其基于由上述上游废气传感器和上述下游废气传感器输出的信号，控制内燃机的空燃比，以使流入上述下游催化转换器中的废气的空燃比与设定于理论空燃比附近的目标值一致。

2.如权利要求1所述的内燃机的废气净化装置，其特征在于，

所述具有NOx净化能力的催化剂贵金属包含选自由铑、钯以及铂组成的组中的至少一种。

3.如权利要求1或2所述的内燃机的废气净化装置，其特征在于，

所述具有储氧能力的成分包含选自由铈以及锆组成的组中的至少一种。

4.如权利要求1～3中任一项所述的内燃机的废气净化装置，其特征在于，

所述上游催化转换器包括载体、以及在载体上以层状负载的三层催化剂层，

所述上游催化转换器的三层催化剂层是由载体侧朝向表面侧依次包括含有钯的第一层、含有铑的第二层、含有钯的第三层而构成的。

5.如权利要求4所述的内燃机的废气净化装置，其特征在于，

所述下游催化转换器包括载体、以及在该载体上以层状负载的两层催化剂层，

所述下游催化转换器的两层催化剂层是由载体侧朝向表面侧依次包括含有钯的第一层和含有铑的第二层而构成的。

6.如权利要求1～3中任一项所述的内燃机的废气净化装置，其特征在于，

所述上游催化转换器和所述下游催化转换器分别包括载体、以及在该载体上以层状负载的2层以上催化剂层，

所述上游催化转换器的2层以上催化剂层之中最表面侧的层中不含铑，

所述下游催化转换器的2层以上催化剂层之中最表面侧的层中含有铑。

7.如权利要求1～6中任一项所述的内燃机的废气净化装置，其特征在于，

所述上游催化转换器和所述下游催化转换器均设置在所述内燃机的正下方。

Images