JP2005193171A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 三元触媒(30)は、ウォッシュコートにHCの分子寸法よりも平均開口寸法の小さな小細孔群を有する小細孔触媒(30a)と、ウォッシュコートに該HCの分子寸法よりも平均開口寸法の大きな大細孔群を有する大細孔触媒(30b)とから構成される。
【選択図】 図1
Description
また、最近では、触媒を例えば多孔質構造とし、NOx、酸素(O2)やHC、COを細孔に捕捉し、還元雰囲気中においてHC、COを細孔に捕捉するとともに捕捉したNOx、O2で酸化する一方、酸化雰囲気中においてNOx、O2を細孔に捕捉するとともに捕捉したHC、COでNOxを還元する構成の排気浄化装置が開発されている。
しかしながら、還元雰囲気において排気中にはHCとCOが混在しており、従来の多孔質構造は特許文献1に開示の技術を含めてHCとCOとを分離して捕捉するようなものでないため、分子の大きなHCの存在が分子の小さなCOとNOxの酸化還元反応の妨げとなり、反応速度の速いCOとNOxとの酸化還元反応が促進されないという問題がある。また、このようにCOとNOxとの酸化還元反応が促進されなくなると、一部のCOがO2と反応してしまう結果、HCの酸化に使用するO2が不足するという問題もある。
また、請求項2の内燃機関の排気浄化装置では、前記三元触媒は、ウォッシュコートに所定寸法よりも平均開口寸法の小さな小細孔群を有する小細孔触媒と、ウォッシュコートに該所定寸法よりも平均開口寸法の大きな大細孔群を有する大細孔触媒とからなることを特徴としている。
また、請求項4の内燃機関の排気浄化装置では、前記小細孔触媒と前記大細孔触媒とが排気流方向で見て直列に配置されていることを特徴としている。
また、請求項6の内燃機関の排気浄化装置では、前記小細孔触媒と前記大細孔触媒とが層状に配置されていることを特徴としている。
また、請求項7の内燃機関の排気浄化装置では、前記小細孔触媒が表層側に配置され、前記大細孔触媒が内層側に配置されていることを特徴としている。
また、請求項5の内燃機関の排気浄化装置によれば、小細孔触媒が排気上流側に配設され、大細孔触媒が排気下流側に配置されているので、分子の小さな成分(CO)を排気上流側の小細孔触媒に、分子の大きな成分(HC)を排気下流側の大細孔触媒にそれぞれ分離して捕捉できることになり、排気上流側において反応速度の速いCOとNOxとの酸化還元反応をHCとNOxとの酸化還元反応に優先して確実に実施でき、NOxの浄化性能を向上させることができる。さらに、COとNOxとの酸化還元反応が優先して実施されることで、排気下流側においてO2を十分にHCの酸化反応に使用可能となり、HCの浄化性能をも向上させることができる。これにより、全体として排気浄化性能を向上させることができる。
また、請求項7の内燃機関の排気浄化装置によれば、小細孔触媒が表層側に配置され、大細孔触媒が内層側に配置されているので、分子の小さな成分(CO)を表層側の小細孔触媒に、分子の大きな成分(HC)を内層側の大細孔触媒にそれぞれ分離して捕捉できることになり、表層側において反応速度の速いCOとNOxとの酸化還元反応をHCとNOxとの酸化還元反応に優先して確実に実施でき、NOxの浄化性能を向上させることができる。さらに、COとNOxとの酸化還元反応が優先して実施されることで、内層側においてO2を十分にHCの酸化反応に使用可能となり、HCの浄化性能をも向上させることができる。これにより、全体として排気浄化性能を向上させることができる。
先ず、第1実施例を説明する。
図1を参照すると、車両に搭載された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下、当該排気浄化装置の構成を説明する。
同図に示すように、内燃機関であるエンジン本体(例えば、ガソリンエンジンであって、以下、単にエンジンという)1のシリンダヘッド2には、各気筒毎に点火プラグ4が取り付けられており、点火プラグ4には高電圧を出力する点火コイル8が接続されている。
吸気マニホールド10の燃料噴射弁6よりも上流側には、吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁14が設けられており、併せてスロットル弁14の弁開度を検出するスロットルポジションセンサ(TPS)16が設けられている。さらに、スロットル弁14の上流には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ18が介装されている。
排気マニホールド12の他端には排気管(排気通路)20が接続されており、当該排気管20には、排気浄化触媒装置としてモノリス型にして担体断面格子状の三元触媒30が介装されている。
さらに、三元触媒30には、活性金属を有する他、ウォッシュコートに多くの細孔が形成されている。詳しくは、三元触媒30は、細孔の平均開口寸法がHCの分子寸法(所定寸法)よりも小さな小細孔群を有する小細孔触媒30aと平均開口寸法がHCの分子寸法よりも大きな大細孔群を有する大細孔触媒30bとからなり、小細孔触媒30aが排気上流側に配置され、大細孔触媒30bが排気下流側に小細孔触媒30aと直列に配置されて構成されている。
小細孔触媒30aは、例えばゼオライト3A、Ca−モルデナイト等であり、その径は3〜3.8オングストローム程度である。また、大細孔触媒30bは、例えばゼオライト5A、ZSM−5、β等であり、その径は5〜6オングストローム程度である。なお、大細孔触媒30bは、上記の他に通常の触媒(例えば、Al2O3等を主成分とするもの)であってもよい。
ECU(電子コントロールユニット)40は、入出力装置、記憶装置(ROM、RAM、不揮発性RAM等)、中央処理装置(CPU)、タイマカウンタ等を備えており、当該ECU40により、エンジン1を含めた排気浄化装置の総合的な制御が行われる。
一方、ECU40の出力側には、上述の燃料噴射弁6、点火コイル8、スロットル弁14等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等がそれぞれ出力される。
より詳しくは、空燃比センサ22からの情報に基づき、排気A/Fが目標A/F(例えば、ストイキオ)となるようにO2フィードバック(O2F/B)制御が行われており、これに応じて燃料噴射量も変動し、実際には排気A/Fは目標A/Fを挟んでリッチ空燃比(リッチA/F)側とリーン空燃比(リーンA/F)側とに周期的に変動する(空燃比変調手段)。
図5を参照すると、O2F/B制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。
先ず、ステップS10では、空燃比センサ22であるO2センサからの情報に基づき、排気A/Fが現在リーンA/FであるかリッチA/Fであるかを判別する。判別によりリーンA/Fと判定された場合には、ステップS12においてリッチ運転を行う。具体的には燃料噴射量を増量補正する。
後述するように、三元触媒30が還元雰囲気となる直前においては小細孔触媒30aの小細孔SにはHCよりも分子寸法の小さいNOxやO2が捕捉されているため、三元触媒30が還元雰囲気になると、これらNOxやO2は放出されることになり、排気中のCO、HCと酸化還元反応を引き起こす。この際、COとNOxとの酸化還元反応の方がHCとNOxとの酸化還元反応よりも反応速度が速いため、放出されたNOxは優先的にCOと反応し、一方、放出されたO2はHCと良好に反応する。
このようにリーン運転を行うと、排気A/FはリーンA/Fとなって排気中にはO2とともにNOxが多く含まれることになり、三元触媒30は酸化雰囲気となる。
三元触媒30が酸化雰囲気になると、上述のように捕捉されたCO、H2やHCは放出されることになり、排気中のO2、NOxと酸化還元反応を引き起こす。この場合、上述の如くCOとHCとはそれぞれ小細孔触媒30aと大細孔触媒30bとに分離して捕捉されており、排気上流側の小細孔触媒30aではCO、H2が放出されることになるため、COとNOxとの酸化還元反応の方がHCとNOxとの酸化還元反応よりも反応速度が速いことと相俟って、排気上流側の小細孔触媒30aでは、放出されたCOが排気中のNOxと優先的且つ確実に反応する。そして、このようにCOがNOxとの反応に使用されることで、排気下流側の大細孔触媒30bでは、放出されたHCが排気中のO2と十分に反応する。
次に、第2実施例を説明する。
図7に示すように、三元触媒301は、細孔の平均開口寸法がHCの分子寸法よりも大きな大細孔触媒301aと平均開口寸法がHCの分子寸法よりも小さな小細孔触媒301bとからなり、大細孔触媒301aが排気上流側に配置され、小細孔触媒301bが排気下流側に配置されて構成されている。つまり、三元触媒301では、小細孔触媒と大細孔触媒とが上記三元触媒30とは逆の配置となっている。
O2F/B制御においてリッチ運転が行われ、三元触媒301が還元雰囲気になると、上記同様に、捕捉されていたNOxやO2が放出されることになり、排気中のCO、HCと酸化還元反応を引き起こす。この際、COとNOxとの酸化還元反応の方がHCとNOxとの酸化還元反応よりも反応速度が速いため、やはり放出されたNOxは優先的にCOと反応し、一方、放出されたO2はHCと良好に反応する。
なお、この場合にも、大細孔触媒301aと小細孔触媒301bとは必ずしも連結し一体化されている必要はなく、他の実施例として、図8に示すように、大細孔触媒301aと小細孔触媒301bとは排気流方向で離間していてもよい。
第3実施例においては、三元触媒30の代わりに三元触媒302を用いている点のみが上記第1実施例と異なっている。
図9を参照すると、三元触媒302の単位格子の四半部が示されているが、当該三元触媒302は、細孔の平均開口寸法がHCの分子寸法よりも小さな小細孔触媒302aと平均開口寸法がHCの分子寸法よりも大きな大細孔触媒302bとから層状に構成され、小細孔触媒302aが表層側に配置され、大細孔触媒302bが内層側に配置されて構成されている。
O2F/B制御においてリッチ運転が行われ、三元触媒302が還元雰囲気になると、上記同様に、捕捉されていたNOxやO2が放出されることになり、排気中のCO、HCと酸化還元反応を引き起こす。この際、COとNOxとの酸化還元反応の方がHCとNOxとの酸化還元反応よりも反応速度が速いため、やはり放出されたNOxは優先的にCOと反応し、一方、放出されたO2はHCと良好に反応する。
また、このように小細孔触媒302aと大細孔触媒302bとが層状に形成されていると、エンジン1の冷態始動時等において、小細孔触媒302aと大細孔触媒302bとが略同時に昇温し、良好に活性される。
第4実施例においては、三元触媒302の代わりに三元触媒303を用いている点のみが上記第3実施例と異なっている。
図10を参照すると、三元触媒303の単位格子の四半部が示されているが、当該三元触媒303は、細孔の平均開口寸法がHCの分子寸法よりも大きな大細孔触媒303aと平均開口寸法がHCの分子寸法よりも小さな小細孔触媒303bとから層状に構成され、大細孔触媒303aが表層側に配置され、小細孔触媒303bが内層側に配置されて構成されている。つまり、三元触媒303では、小細孔触媒と大細孔触媒とが上記三元触媒302とは逆の配置となっている。
O2F/B制御においてリッチ運転が行われ、三元触媒303が還元雰囲気になると、上記同様に、捕捉されていたNOxやO2が放出されることになり、排気中のCO、HCと酸化還元反応を引き起こす。この際、COとNOxとの酸化還元反応の方がHCとNOxとの酸化還元反応よりも反応速度が速いため、やはり放出されたNOxは優先的にCOと反応し、一方、放出されたO2はHCと良好に反応する。
また、この場合にも、大細孔触媒303aと小細孔触媒303bとが層状に形成されているので、エンジン1の冷態始動時等において、大細孔触媒303aと小細孔触媒303bとが略同時に昇温し、良好に活性される。
第5実施例においては、O2F/B制御の代わりに強制的にA/F変調(空燃比変調手段)を行っている点のみが上記第1実施例と異なっている。
図11を参照すると、A/F変調制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。
ステップS20の判別結果が偽(No)で未だ所定時間t1が経過していないと判定された場合には、COを十分捕捉可能と判断でき、ステップS22に進み、リッチ運転を行う、或いは継続する。一方、判別結果が真(Yes)で所定時間t1が経過したと判定された場合には、ステップS24に進む。
従って、当該第5実施例に係る排気浄化装置では、A/F変調制御により排気A/Fが効率よくリーンA/FとリッチA/F間で変調して酸化雰囲気と還元雰囲気とが良好に生起され、還元雰囲気においてCOとHCとが分離した状態で繰り返し三元触媒30に良好に捕捉され続けることになり、酸化雰囲気では、放出されたCOが放出されたHCによって妨げられることなく排気中のNOxと優先的に確実に反応することになり、NOxの浄化性能が向上する。また、このようにCOがNOxとの反応に使用されることで、放出されたHCが排気中のO2と十分に反応してHCの浄化性能も向上する。これにより、やはり三元触媒30の排気浄化性能が全体として向上し、常に高く維持される。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、三元触媒に細孔の平均開口寸法の異なる小細孔触媒と大細孔触媒とを設け、COとHC、即ち排気中の二つの成分を分離するようにしたが、捕捉する成分に応じて細孔の平均開口寸法をさらに細分化して触媒(細孔群)を三つ以上配置するようにし、排気中の三つ以上の成分を分離することもできる。また、分離する排気中の成分はCOとHCに限られるものではなく、必要に応じて適宜選択可能である。
20 排気管(排気通路)
22 空燃比センサ
30、301、302、303 三元触媒
30a、301b、302a、303b 小細孔触媒
30b、301a、302b、303a 大細孔触媒
40 ECU(電子コントロールユニット)
L 大細孔
S 小細孔
Claims (8)
- 内燃機関の排気通路に三元触媒を備え、
前記三元触媒は、一または二以上の触媒からなり、ウォッシュコートに二以上の異なる平均開口寸法の細孔群を有してな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、ウォッシュコートに所定寸法よりも平均開口寸法の小さな小細孔群を有する小細孔触媒と、ウォッシュコートに該所定寸法よりも平均開口寸法の大きな大細孔群を有する大細孔触媒とからな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。
- 前記三元触媒は、ウォッシュコートにHCの分子寸法よりも平均開口寸法の小さな小細孔群を有する小細孔触媒と、ウォッシュコートに該HCの分子寸法よりも平均開口寸法の大きな大細孔群を有する大細孔触媒とからなることを特徴とする、請求項2記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記小細孔触媒と前記大細孔触媒とが排気流方向で見て直列に配置されていることを特徴とする、請求項2または3記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記小細孔触媒が排気上流側に配設され、前記大細孔触媒が排気下流側に配置されていることを特徴とする、請求項4記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記小細孔触媒と前記大細孔触媒とが層状に配置されていることを特徴とする、請求項2または3記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記小細孔触媒が表層側に配置され、前記大細孔触媒が内層側に配置されていることを特徴とする、請求項6記載の内燃機関の排気浄化装置。
- さらに、前記三元触媒に流入する排気の空燃比を周期的にリーン空燃比及びリッチ空燃比間で変調させる空燃比変調手段を有することを特徴とする、請求項1乃至7のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
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