JP2008151107A - 排ガス浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＭをよりクリアにし、ＮＯｘの浄化をさらに高めることができる排ガス浄化システムを提供すること。
【解決手段】エンジン３の排気系に備えられる排ガス浄化システム１であって、排気ガスの空燃比に応じてＮＯｘの浄化を行う触媒機能を備える浄化部１６と、浄化部１６に供給される排気ガスの空燃比の調整をする空燃比制御手段２と、を備え、空燃比制御手段２は、混合気内の吸入空気量の低下をさせることによって排気ガスＡ／Ｆをストイキ近傍又はリッチにして排気ガスの浄化を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する排ガス浄化システムに関する。

従来より、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる可溶性有機成分（ＳＯＦ、ｓｏｌｕｂｌｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｆｒａｃｔｉｏｎ）を浄化するため、排気系に酸化触媒（ＤＯＣ、Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ）が配置された排ガス浄化システムが知られている。この排ガス浄化システムでは、排気ガスの空燃比がリーンのときに、酸化触媒（ＤＯＣ）でＳＯＦが酸化されることにより、排気ガスが浄化される。

また、内燃機関の排気系に、ＮＯｘ浄化触媒を配置された排ガス浄化システムが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。この排ガス浄化システムでは、排気ガスの空燃比がリーン又はストイキ近傍のときに可溶性有機成分（ＳＯＦ）やＣＯが浄化され、排気ガスの空燃比がストイキ近傍又はリッチのときにＮＯｘが浄化される。
特開２００４−１８３５６８号公報

ところで、酸化触媒（ＤＯＣ）によるＮＯｘの浄化は、通常、排気ガスの空燃比をストイキ以下に制御して行われる。空燃比がストイキ以下で、かつ酸化触媒（ＤＯＣ）の温度が十分に高温であれば、酸化触媒（ＤＯＣ）に還元剤を供給することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化することは可能である。しかしながら、圧縮着火式の内燃機関から排出される排気ガスの温度は、比較的低温であるため、酸化触媒（ＤＯＣ）の温度を高温に保持することが困難である結果、高いＮＯｘ浄化性能が得られない。

また、酸化触媒（ＤＯＣ）によるＮＯｘの浄化は、排気ガスの空燃比がストイキ以下であるときに限定される。このため、過渡運転等で排気ガスの空燃比がストイキよりもリーン側にずれた場合、ＮＯｘ浄化性能が低下してしまう。

これに対して、ＮＯｘ浄化触媒を用いた排ガス浄化システムによれば、酸素吸着能（ＯＳＣ）により、排気ガスの空燃比がリーンのときに、触媒上に酸素を吸着できるため、ＮＯｘ浄化のために排気ガスの空燃比がストイキ以下になった場合、触媒上での酸化反応が促進され、触媒温度をより上昇させることが可能となる。この結果、酸化触媒（ＤＯＣ）を用いた場合よりも高いＮＯｘ浄化性能が実現できる。

また、ＮＯｘ浄化触媒を用いた排ガス浄化システムの場合、排気ガスの空燃比がストイキよりも若干リーン側へずれた場合でも、酸素吸着能（ＯＳＣ）により、触媒上での空燃比をストイキに保つことが可能であるため、ＮＯｘ浄化性能の低下を抑制することが可能である。

そこで、本発明は、排気経路にＮＯｘ浄化触媒を設置し、内燃機関の空燃比をストイキ近傍、又はリッチに制御することにより、高いＮＯｘ浄化性能を実現できる排ガス浄化すステムを提供することを目的とする。

本発明に係る排ガス浄化システムは、上記課題を解決するために、圧縮着火式内燃機関の排気系に備えられる排ガス浄化システムであって、排気ガスの空燃比に応じてＮＯｘの浄化を行う触媒機能を備える浄化部と、前記浄化部に供給される排気ガスの空燃比の調整をする空燃比制御手段と、を備え、前記空燃比制御手段は、筒内混合気の充填効率を低下させることにより、排気ガスの空燃比をストイキ近傍又はリッチにして排気ガスの浄化を行うことを特徴とする。

本発明によれば、筒内混合気の充填効率を低下させることにより、排気ガスの空燃比をストイキ近傍又はリッチにして排気ガスの浄化を行うので、浄化部による排ガス性能を向上させることができる結果、ＥＭをよりクリアにし、ＮＯｘの浄化をさらに高めることができる。

また、本発明の排ガス浄化システムでは、前記空燃比制御手段は、排気ガスの還流率の変更及びスロットリングのうち、少なくとも１つをさらに実施することが好ましい。

本発明によれば、排気ガスの還流率の変更及びスロットリングのうち、少なくとも１つを実施することにより、混合気内の吸入空気量の低下をさせることによって排気ガスの空燃比をストイキ近傍又はリッチにして排気ガスの浄化を行うことができるので、それぞれの利点を考慮して制御方法を適宜選択することができる。

また、本発明の排ガス浄化システムでは、前記浄化部は、ＮＯｘの浄化を行う活物質として、Ｐｔ、Ｐｄ、及びＲｈからなる群より選ばれる１以上の貴金属を含み、かつ、酸素捕捉能を有する材料を含む触媒部位を備えることが好ましい。

Ｐｔ、Ｐｄ、及びＲｈからなる群より選ばれる１以上の貴金属は、排気ガスに対して高い浄化性能を発揮することができる。また、酸素捕捉能を有する材料は、排気ガスの空燃比の変動を吸収する助触媒としての機能を発揮することができる。

また、本発明の排ガス浄化システムでは、前記酸素捕捉能を有する材料は、ＣｅＯ_２又はＣｅを含有する複合酸化物であることが好ましい。

ＣｅＯ_２又はＣｅを含有する複合酸化物は、酸素を捕捉し、放出する機能を発揮することができる。具体的には、リッチのときに酸素を放出することでＨＣやＣＯの浄化率の低下を抑制する一方、リーンのときには酸素を捕捉することでＮＯｘの浄化率の低下を抑制することができる。

また、本発明の排ガス浄化システムでは、前記活物質として、少なくともＲｈを含み、かつ、Ｐｔ及びＰｄのいずれか又は両方を含むことが好ましい。

Ｐｔ、Ｐｄ、及びＲｈからなる群より選ばれる１以上の貴金属のうち、Ｒｈを必須成分としたものは、特にリッチのときにＮＯｘの浄化率の低下を抑制できる。したがって、活物質として、Ｐｔ／Ｒｈ、Ｐｄ／Ｒｈ、又はＰｔ／Ｐｄ／Ｒｈを含む場合には、特に高い排気ガス浄化性能を発揮することができる。

また、本発明の排ガス浄化システムの触媒部位には、担体として、さらにＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、及びゼオライトからなる群より選ばれる１以上の多孔質酸化物が含まれていることが好ましい。

これらの多孔質酸化物は、大きな表面積を有し、構造的に安定であるため、このような多孔質酸化物を担体とする触媒部位によれば、高い排気ガス浄化性能が発揮される。

また、本発明の排ガス浄化システムでは、前記担体は、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物であることが好ましい。

ペロブスカイト構造の複合酸化物は、Ａサイト及びＢサイトに金属イオンを取り込むことができるため、これを触媒担体として用いた場合には、金属の種類等を選定することにより触媒活性を制御できる。したがって、ペロブスカイト構造の複合酸化物を触媒担体として用いることにより、高い排気ガス浄化性能を有する排ガス浄化システムの提供が可能となる。

本発明によれば、排気ガスの空燃比をストイキ近傍又はリッチに制御して浄化部による排ガス浄化性能を向上させることにより、ＥＭをよりクリアにし、ＮＯｘの浄化をさらに高めることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明を適用した排ガス浄化システム１を、内燃機関（以下、「エンジン」という。）３とともに示している。また、エンジン３（圧縮着火式内燃機関）は、車両（図示せず）に搭載された、例えば、４気筒（１つのみ図示）の圧縮着火式内燃機関である。

エンジン３のピストン３ａとシリンダヘッド３ｂの間には、燃焼室３ｃが形成されている。シリンダヘッド３ｂには、吸気管４及び排気管５（排気系）がそれぞれ接続されるとともに、燃料噴射弁（以下、「インジェクタ」という。）６が、燃焼室３ｃに臨むように取り付けられている。

インジェクタ６は、燃焼室３ｃの天壁中央部に配置されており、コモンレールを介して、高圧ポンプ及び燃料タンク（いずれも図示せず）に順に接続されている。インジェクタ６の開弁時間である燃料噴射量ＴＯＵＴは、ＥＣＵ２（空燃比制御手段）からの駆動信号によって制御される（図２を参照。）。

また、エンジン３のクランクシャフト３ｄには、マグネットロータ３０ａが取り付けられており、このマグネットロータ３０ａとＭＲＥピックアップ３０ｂによって、クランク角センサ３０が構成されている。クランク角センサ３０は、クランクシャフト３ｄの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号及びＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。

ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０゜）ごとに出力される。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下、「エンジン回転数」という。）ＮＥを求める。ＴＤＣ信号は、各気筒のピストン３ａが吸気行程開始時のＴＤＣ（上死点）付近の所定クランク角度位置にあることを表す信号であり、４気筒タイプの本例では、クランク角１８０゜ごとに出力される。

吸気管４には、過給装置７が設けられており、過給装置７は、ターボチャージャーで構成された過給機８と、これに連結されたアクチュエータ９と、ベーン開度制御弁１０を備えている。

過給機８は、吸気管４に設けられた回転自在のコンプレッサブレード８ａと、排気管５に設けられた回転自在のタービンブレード８ｂ及び複数の回動自在の可変ベーン８ｃ（２つのみ図示）と、コンプレッサブレード８ａ及びタービンブレード８ｂを一体に連結するシャフト８ｄとを有している。過給機８は、排気管５内の排気ガスによりタービンブレード８ｂが回転駆動されるのに伴い、これと一体のコンプレッサブレード８ａが回転駆動されることによって、吸気管４内の吸入空気を加圧する過給動作を行う。

アクチュエータ９は、負圧によって作動するダイアフラム式のものであり、各可変ベーン８ｃに機械的に連結されている。アクチュエータ９には、負圧ポンプから負圧供給通路（いずれも図示せず）を介して負圧が供給され、この負圧供給通路の途中にベーン開度制御弁１０が設けられている。ベーン開度制御弁１０は、電磁弁で構成されており、その開度がＥＣＵ２からの駆動信号で制御されることにより、アクチュエータ９への供給負圧が変化し、それに伴い、可変ベーン８ｃの開度が変化することにより、過給圧が制御される。

吸気管４の過給機８よりも下流側には、上流側から順に、水冷式のインタークーラ１１及びスロットル弁１２が設けられている。インタークーラ１１は、過給装置７の過給動作により吸入空気の温度が上昇したとき等に、吸入空気を冷却するものである。スロットル弁１２には、例えば直流モータで構成されたアクチュエータ１２ａが接続されている。スロットル弁１２の開度（以下、「スロットル弁開度」という。）ＴＨは、アクチュエータ１２ａに供給される電流のデューティ比をＥＣＵ２で制御することによって、制御される。

ここで、本発明の好適な一実施形態によれば、スロットル弁１２の操作を伴わずに、可変ベーン８ｃの開度を変化させることにより、スロットリングを伴わずに筒内混合気の充填効率を低下させる。より具体的には、アクセルペダル（図示しない）の操作に応じたＥＣＵ２の制御にしたがって、スロットル弁１２の操作を伴わずに、可変ベーン８ｃを開状態にすることにより、過給機圧及び吸入空気量を低下（筒内混合気の充填効率を低下）させ、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆを理想空燃比（以下、「ストイキ」という。）近傍又はリッチにして排気ガスの浄化を行うようにしている。

また、図示しないが、エンジン３には、吸気工程で空気が吸入される吸気（ＩＮ）バルブと、排気工程で空気が排気される排気（ＥＸ）バルブとがある。ＩＮバルブ及びＥＸバルブは、ＥＣＵ２の制御に応じて開閉制御が行われる。

ここで、オーバーラップ量（ＩＮバルブとＥＸバルブとが同時に開いている時間）を拡大させると、空気量が増加し、また、オーバーラップ量を短縮させると、空気量が減少する。また、オーバーラップ量を拡大させると、ポンピングロスが減少する。

したがって、本発明に係る排ガス浄化システム１は、ＥＣＵ２によりＩＮバルブ及びＥＸバルブを制御して、充填効率を変化させ、オーバーラップ量を拡大することにより、空燃比Ａ／Ｆをリッチ側にすることができる。また、ＩＮバルブ及びＥＸバルブによるバルブタイミングによる充填効率の変化によれば、スロットリングを伴わないためポンピングロスを減少させることができ、燃料消費量の低減を図ることもできる。

また、吸気管４には、過給機８よりも上流側にエアフローセンサ３１が設けられており、また、インタークーラ１１とスロットル弁１２の間に過給圧センサ３２が設けられている。エアフローセンサ３１は、吸入空気量ＱＡを検出し、過給圧センサ３２は、吸気管４内の過給圧ＰＡＣＴを検出し、それらの検出信号は、ＥＣＵ２に出力される。

さらに、吸気管４の吸気マニホールド４ａは、その集合部から分岐部にわたって、スワール通路４ｂとバイパス通路４ｃに仕切られており、スワール通路４ｂとバイパス通路４ｃはそれぞれ、吸気ポートを介して各燃焼室３ｃに連通している。

バイパス通路４ｃには、燃焼室３ｃ内にスワールを発生させるためのスワール装置１３が設けられている。スワール装置１３は、スワール弁１３ａと、これを開閉するアクチュエータ１３ｂと、スワール制御弁１３ｃを備えている。アクチュエータ１３ｂ及びスワール制御弁１３ｃはそれぞれ、過給装置７のアクチュエータ９及びベーン開度制御弁１０と同様に構成されており、スワール制御弁１３ｃは、前記負圧ポンプに接続されている。以上の構成により、スワール制御弁１３ｃの開度がＥＣＵ２からの駆動信号で制御されることにより、アクチュエータ１３ｂに供給される負圧が変化し、スワール弁１３ａの開度が変化することによって、スワールの強さが制御される。

また、エンジン３には、ＥＧＲ管１４ａ及びＥＧＲ制御弁１４ｂを有するＥＧＲ装置１４が設けられている。ＥＧＲ管１４ａは、吸気管４と排気管５の間に、具体的には、吸気マニホールド４ａの集合部のスワール通路４ｂと排気管５の過給機８よりも上流側とをつなぐように接続されている。このＥＧＲ管１４ａを介して、エンジン３の排気ガスの一部が吸気管４にＥＧＲガスとして還流し、それにより、燃焼室３ｃ内の燃焼温度が低下することによって、排気ガス中のＮＯｘが低減される。

ＥＧＲ制御弁１４ｂは、ＥＧＲ管１４ａに取り付けられたリニア電磁弁で構成されており、そのバルブリフト量ＶＬＡＣＴが、ＥＣＵ２からのデューティ制御された駆動信号で制御されることによって、ＥＧＲガス量が制御される。

また、ＥＧＲ装置１４には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲ冷却装置１５が設けられており、ＥＧＲ冷却装置１５は、バイパス通路１５ａ、ＥＧＲ通路切替弁１５ｂ及びＥＧＲクーラ１５ｃを有している。バイパス通路１５ａは、ＥＧＲ管１４ａのＥＧＲ制御弁１４ｂよりも下流側に、ＥＧＲ管１４ａをバイパスするように設けられており、ＥＧＲ通路切替弁１５ｂはバイパス通路１５ａの分岐部に取り付けられ、ＥＧＲクーラ１５ｃはバイパス通路１５ａの途中に設けられている。ＥＧＲ通路切替弁１５ｂは、ＥＣＵ２による制御によって、ＥＧＲ通路切替弁１５ｂよりも下流側の部分を、ＥＧＲ管１４ａ側とバイパス通路１５ａ側に選択的に切り替える。

以上により、ＥＧＲ通路切替弁１５ｂがバイパス通路１５ａ側に切り替えられた場合には、ＥＧＲガスは、バイパス通路１５ａに通され、ＥＧＲクーラ１５ｃで冷却された後、吸気管４に還流する。一方、逆側に切り替えられた場合には、ＥＧＲガスは、ＥＧＲ管１４ａのみを介し、冷却されることなく吸気管４に還流する。

ここで、本発明の好適な一実施形態によれば、スロットル弁１２の操作を伴わずに、ＥＧＲ制御弁１４ｂを制御して排気ガス還流率（ＥＧＲ率）を変化させることにより、スロットリングを伴わずに混合気内の吸入空気量の低下をさせる。より具体的には、アクセルペダル（図示しない）の操作に応じたＥＣＵ２の制御にしたがって、ＥＧＲ制御弁１４ｂを開状態にして排気ガス還流率（ＥＧＲ率）を上げることによって、吸入空気量を低下させ、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆをストイキ近傍又はリッチにして排気ガスの浄化を行うようにしている。

また、排気管５の過給機８よりも下流側には、浄化部１６が設けられている。

浄化部１６は、ストイキ雰囲気下において、排気ガス中のＨＣ及びＣＯを酸化するとともに、ＮＯｘを還元することによって、排気ガスを浄化する。また、浄化部１６は、排気ガス中の酸素濃度が高い酸化雰囲気において、排気ガス中のＮＯｘを捕捉する。捕捉されたＮＯｘは、酸素濃度が低い還元雰囲気において、排気ガス中の還元剤によって還元され、浄化される。

また、浄化部１６に使用される触媒の組成について説明する。

浄化部１６は、ＮＯｘの捕捉／浄化を行う活物質として、Ｐｔ、Ｐｄ、及びＲｈからなる群より選ばれる１以上の貴金属を含み、かつ、酸素捕捉能（ＯＳＣ、ｏｘｙｇｅｎ ｓｔｏｒａｇｅ ｃａｐａｃｉｔｙ）を有する材料を含んでいる。また、酸素捕捉能を有する材料としては、ＣｅＯ_２又はＣｅを含有する複合酸化物が好ましく用いられる。なお、酸素捕捉能を有する材料は、空燃比がリッチ側からリーン側へ移行する際に、触媒表面上の酸素濃度の変動を緩和することにより、ＮＯｘの浄化率を高い状態で維持するために用いている。

また、活物質としては、少なくともＲｈを含み、かつ、Ｐｔ及びＰｄのいずれか又は両方を含むことが好ましい。このようにＰｔ及びＰｄを含むことにより、リーン側でのＨＣ、ＣＯの浄化性能を向上させることができる。また、Ｒｈ等は、リッチ側又はストイキ付近でＮＯｘの還元能が高い。

また、担体には、さらにＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、及びゼオライトからなる群より選ばれる１以上の多孔質酸化物が含まれている構成であっても良い。また、担体は、ペロブスカイト構造を持つ複合酸化物であっても良い。

また、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈの担持量は、トータルで０．１ｇ／Ｌ〜２０ｇ／Ｌであり、好ましくは１ｇ／Ｌ〜１０ｇ／Ｌである。ここで、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈの担持量がトータルで０．１ｇ／Ｌ未満である場合には、貴金属の活性点が少なくなり、浄化性能を発揮できない。一方、２０ｇ／Ｌを超える場合には、貴金属増加分の活性向上が得られず、コストが上がってしまう。また、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈのトータルの担持量は、エンジン３始動時の低温活性を考慮すると１ｇ／Ｌ以上が好ましく、ウォッシュコート中への貴金属の分散性を考慮すると１０ｇ／Ｌ以下が好ましい。

また、酸素捕捉能を有するＣｅＯ_２又はＣｅを含有する複合酸化物の担持量は、トータルで１ｇ／Ｌ〜２００ｇ／Ｌであり、好ましくは５ｇ／Ｌ〜１５０ｇ／Ｌである。ここで、ＣｅＯ_２又はＣｅを含有する複合酸化物の担持量がトータルで１ｇ／Ｌ未満である場合には、酸素の吸放出量が少なすぎて、雰囲気緩和機能がほとんど発揮されない。一方、２００ｇ／Ｌを超える場合には、触媒コート層が厚くなり過ぎて担持が困難になり、圧損が上がってしまう。また、ＣｅＯ_２又はＣｅを含有する複合酸化物のトータルの担持量は、雰囲気緩和機能を十分に持たせるためには５ｇ／Ｌ以上が好ましく、担持容易性や圧損上昇回避の観点より１５０ｇ／Ｌ以下が好ましい。

また、多孔質酸化物の担持量は、５ｇ／Ｌ〜３００ｇ／Ｌであり、好ましくは１０ｇ／Ｌ〜２００ｇ／Ｌである。ここで、多孔質酸化物の担持量が５ｇ／Ｌ未満である場合には、貴金属を分散担持させるには少な過ぎて貴金属のシンタリングが促進されてしまう。一方、３００ｇ／Ｌを超える場合には、触媒コート層が厚くなり過ぎて担持が困難になり、圧損が上がってしまう。また、多孔質酸化物の担持量は、貴金属を高分散担持するには１０ｇ／Ｌ以上が好ましく、担持容易性や圧損上昇回避の観点より２００ｇ／Ｌ以下が好ましい。

また、排気管５の浄化部１６の上流側には、Ａ／Ｆセンサ３３が設けられている。Ａ／Ｆセンサ３３は、リッチ領域からリーン領域までの広範囲な空燃比の領域において排気ガス中の酸素濃度Ａ／Ｆをリニアに検出する。ＥＣＵ２は、Ａ／Ｆセンサ３３で検出された酸素濃度Ａ／Ｆに基づいて、燃焼室３ｃで燃焼した実際のガスの空燃比を表す実空燃比Ａ／ＦＡＣＴを算出する。ＥＣＵ２にはさらに、アクセル開度センサ３５から、アクセルペダル（図示せず）の操作量（以下、「アクセル開度」という。）ＡＰを表す検出信号が出力される。

ＥＣＵ２は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ等からなるマイクロコンピュータで構成されている。前述した各種センサ３０〜３６からの検出信号は、それぞれ、Ｉ／ＯインターフェースでＡ／Ｄ変換や整形がなされた後、ＣＰＵに入力される。

ＣＰＵは、これらの入力信号に応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラム等にしたがって、エンジン３の運転状態を判別するとともに、判別した運転状態に応じて、燃料噴射量や吸入空気量の制御を含むエンジン３の制御を実行する。

また、排ガス浄化システム１は、筒内混合気の充填効率を低下させることにより、排気ガスＡ／Ｆをストイキ近傍又はリッチにして排気ガスの浄化を行うものである。また、排ガス浄化システム１は、ＥＧＲ制御弁１４ｂによる排気ガスの還流率の変更及びスロットル弁１２によるスロットリングのうち、少なくとも１つをさらに実施することによって、排気ガスＡ／Ｆをストイキ近傍又はリッチにして排気ガスの浄化を行うものである。より好適には、スロットリングを伴わずにエンジン３への吸入空気量を制御し、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆをストイキ近傍にする、あるいは排気ガスの空燃比Ａ／Ｆをリッチ側にすることにより、燃費の向上を図りつつ、浄化部１６によるＮＯｘの浄化性能を高めることができる。

ここで、エンジン３への吸入空気量を制御し、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆをストイキ近傍にする、あるいは、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆをリッチ側にする方法について、図１の簡略図である図３を用いて説明する。なお、以下では、図１と同一の構成要件には同一の名称及び番号を付す。

排ガス浄化システム１は、図３に示すように、エンジン３に空気を吸入する吸気管４と、エンジン３から排出される排気ガスを排出する排気管５とを備え、吸気管４には、エアフローセンサ３１と、スロットル弁１２と、スワール弁１３ａとが設けられ、排気管５には、Ａ／Ｆセンサ３３と、可変ベーン８ｃと、浄化部１６とが設けられている。また、排ガス浄化システム１は、エンジン３の排気ガスの一部を吸気管４にＥＧＲガスとして還流するＥＧＲ制御弁１４ｂが設けられ、また、吸気管４内の吸入空気を加圧する過給機８が設けられている。

また、ＥＧＲ制御弁１４ｂと、可変ベーン８ｃと、スロットル弁１２とは、それぞれ対応するアクチュエータにより開閉動作が行われる。また、当該アクチュエータは、ＥＣＵ２の制御にしたがって動作する。また、ＥＣＵ２は、ＥＧＲ制御弁１４ｂ、可変ベーン８ｃ、スロットル弁１２のいずれかを制御することにより、浄化部１６に供給される排気ガスの空燃比の制御を行う。

ここで、各アクチュエータの開閉動作に応じた、空気量の増減、空燃比Ａ／Ｆ、及びポンピングロスの関係について説明する。

ＥＧＲ制御弁１４ｂは、ＥＣＵ２の制御に応じて閉じられると、ＥＧＲ率が低下して、空気量が増加し、また、ＥＣＵ２の制御に応じて開かれると、ＥＧＲ率が上昇して、空気量が減少する。したがって、ＥＧＲ制御弁１４ｂを開状態にすると、空燃比Ａ／Ｆをリッチ側にすることができる。また、ＥＧＲ制御弁１４ｂによる開閉制御は、スロットリングを伴わないためポンピングロスを減少させることができ、燃料消費量の低減を図ることもできる。

また、過給機８の可変ベーン８ｃは、ＥＣＵ２の制御に応じて閉じられると、過給圧が上昇して、空気量が増加し、また、ＥＣＵ２の制御に応じて開かれると、過給圧が低下して、空気量が減少する。したがって、可変ベーン８ｃを開状態にすると、充填効率を変化させて、空燃比Ａ／Ｆをリッチ側にすることができる。また、可変ベーン８ｃの開閉制御による充填効率の変化によれば、スロットリングを伴わないためポンピングロスを減少させることができ、燃料消費量の低減を図ることもできる。

また、スロットル弁１２は、ＥＣＵ２の制御に応じて閉じられると、空気量が減少し、また、ＥＣＵ２の制御に応じて開かれると、空気量が増加する。スロットル弁１２は、吸入空気を直接的に絞るため、応答性に優れ、また、どのような運転状態においても空気を絞ることができる有利点がある。

また、スロットル弁１２によるスロットリングは、圧縮着火式内燃機関において一般的に用いられる機能ではない。本発明に係る排ガス浄化システム１では、スロットル弁１２によるスロットリングの機能を用いることにより、導入可能な最大ＥＧＲガス量の拡大を図ることができ（以下、理由１を参照。）、また、レスポンスの向上を図ることができる（以下、理由２を参照。）。

＜理由１＞
スロットリングにより吸気マニホールド４ａの内圧を低下（負ではない）させることにより、ＥＧＲ制御弁１４ｂの前後の差圧が拡大し、より大量のＥＧＲガスを導入することができる。これは、低負荷領域において、特に効果を発揮する。特に、低温燃焼によるＰＭ及びＮＯｘの同時低減を行うためには必須の機能であるといえる。

＜理由２＞
過給機８の過給圧を変更する方法の場合には、可変ベーン８ｃを開閉してから、タービンブレード８ｂの回転数が変化するまでにタイムラグがあるため、スロットル弁１２によるスロットリングの方が応答性に優れる。

また、ＥＧＲ制御弁１４ｂによりＥＧＲガスを導入する方法の場合には、エンジン３がリーン側で運転する、いわゆる希薄燃焼方式になっているので、ＥＧＲガス中に空気が含まれており、目標とする空気量に安定するまでには時間を要するため、スロットル弁１２によるスロットリングの方が応答性に優れる。また、高負荷領域で吸入空気量を低下させる場合には、ＰＭ発生量の観点から過給圧を低下させる方が好ましいが、過給圧を低下させるには、過給機８の可変ベーン８ｃを開くよりも、スロットル弁１２のインテークバルブを閉じた方が応答性が速く、有利である。

また、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆをストイキ近傍又はリッチ（すなわち還元状態）にして排気ガスの浄化を行うタイミングとしては、例えば、浄化部１６の温度及びエンジン３の負荷を検出し、検出された浄化部１６の温度が所定の温度よりも低く、かつ検出されたエンジン３の負荷が所定の負荷よりも高くなったとき等をあげることができる。

したがって、浄化部１６の温度が所定の温度よりも低く、かつエンジン３の負荷が所定の負荷よりも高いときに、排気ガスＡ／Ｆをストイキ近傍又はリッチ（すなわち還元状態）にすることによって、排気ガス特性を向上させることができる。

このようにして、排ガス浄化システム１は、筒内混合気の充填効率を低下させることにより、排気ガスＡ／Ｆをストイキ近傍又はリッチにして排気ガスの浄化を行うものである。また、排ガス浄化システム１は、ＥＧＲ制御弁１４ｂによる排気ガスの還流率の変更及びスロットル弁１２によるスロットリングのうち、少なくとも１つをさらに実施することによって、排気ガスＡ／Ｆをストイキ近傍又はリッチにし、浄化部１６による排気ガスの浄化性能を向上させることができる。したがって、排ガス浄化システム１は、ＥＭをよりクリアにし、ＮＯｘの浄化をさらに高めることができる。特に、筒内混合気の充填効率を変化させ、及び必要に応じて排気ガスの還流率（ＥＧＲ率）を変化させる構成を採用した場合にあっては、スロットリングを伴わないためポンピングロスを減少させることができ、燃費の向上を図りつつ排ガス浄化性能を向上させることができる。さらには、浄化部１６の触媒部位に対して、上述したような優れた浄化性能を発揮する構成を採用した場合にあっては、さらに排ガス浄化性能を高めることができる。

なお、本発明は、上述において説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。さらに、本発明は、車両に搭載されたエンジンに限らず、クランク軸が鉛直方向に配置された船外機等のような船舶推進機用エンジンを含む、様々な産業用の内燃機関に適用できることはもちろんである。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

本発明に係る排ガス浄化システム１の浄化部１６と、従来構成の浄化部（酸化触媒（ＤＯＣ、Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ）により構成される）とについて、リッチスパイク（燃料リッチ燃焼）を行った場合におけるＮＯｘ浄化率及び触媒温度の測定比較結果を図４に示す。なお、浄化部１６では、Ｐｔ、Ｐｄ、及びＲｈが２：５：１の比率で含まれてなる約１０ｇ／Ｌの活物質と、約１００ｇ／Ｌの複合化合物（Ｃｅ／Ｚｒ）と、約１００ｇ／Ｌの多孔質酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）とから組成される触媒を用いた。また、従来構成の浄化部（ＤＯＣ）では、ＰｔとＰｄとが２：１の比率で含まれてなる約１０ｇ／Ｌの活物質と、約１００ｇ／Ｌの多孔質酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）とから組成される触媒を用いた。

図４（Ａ）に示すように、浄化部１６は、リッチスパイクを行った際に、従来構成の浄化部に比してＮＯｘ浄化率が向上し（図４（Ａ）において、１００パーセントに近い浄化率）、リッチからリーンになった後一定期間（図４（Ａ）において、約５０〜６０ｓｅｃ間）は、従来構成の浄化部よりも高いＮＯｘ浄化率を維持している。

これは、図４（Ｂ）に示すように、浄化部１６は、リッチからリーンになった後一定期間（図４（Ｂ）において、約２０ｓｅｃ間）、従来構成の浄化部に比して高温状態を維持することが可能なためである。

このように、排ガス浄化システム１では、酸素捕捉能を有する材料により浄化部１６が構成されているので、リーン運転中の浄化部１６には、常にある程度の酸素が捕捉された状態になる。このため、排出ガスの空燃比Ａ／Ｆをリッチにすると、浄化部１６に流入する還元剤と浄化部１６に捕捉されていた酸素との間で酸化反応が生じ、浄化部１６の温度が上昇する（図４（Ｂ）を参照。）。これにより、排出ガスの温度が低い運転状態（リーン状態）からでも、高いＮＯｘ浄化性能を得ることができる高温状態に浄化部１６の触媒を昇温することが可能となる。つまり、空燃比Ａ／Ｆをリッチ化することにより、ＮＯｘ浄化率が向上する運転領域を拡大することができる。

また、浄化部１６が酸素捕捉能を有する材料により構成されていることにより、排出ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチからリーンになった後でも、一定期間、ＮＯｘ浄化率を高い状態で維持することができる。

本発明を適用した排ガス浄化システムを内燃機関とともに概略的に示す図である。 排ガス浄化装置の一部を示す図である。 図１に示す排ガス浄化システムの簡略図である。 本発明に係る排ガス浄化システムの作用効果を説明するための図である。

符号の説明

１ 排ガス浄化システム、２ ＥＣＵ、３ エンジン、４ 吸気管、５ 排気管、６ インジェクタ、８過給機、８ｃ 可変ベーン、１２ スロットル弁、１３ａ スワール弁、１４ｂ ＥＧＲ制御弁、１６ 浄化部、３０ クランク角センサ、３１ エアフローセンサ、３３ Ａ／Ｆセンサ

Claims (7)

1. 圧縮着火式内燃機関の排気系に備えられる排ガス浄化システムであって、
   排気ガスの空燃比に応じてＮＯｘの浄化を行う触媒機能を備える浄化部と、
   前記浄化部に供給される排気ガスの空燃比の調整をする空燃比制御手段と、を備え、
   前記空燃比制御手段は、筒内混合気の充填効率を低下させることにより、排気ガスの空燃比をストイキ近傍又はリッチにして排気ガスの浄化を行うことを特徴とする排ガス浄化システム。
2. 前記空燃比制御手段は、排気ガスの還流率の変更及びスロットリングのうち、少なくとも１つをさらに実施することを特徴とする請求項１記載の排ガス浄化システム。
3. 前記浄化部は、ＮＯｘの浄化を行う活物質として、Ｐｔ、Ｐｄ、及びＲｈからなる群より選ばれる１以上の貴金属を含み、かつ、酸素捕捉能を有する材料を含む触媒部位を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の排ガス浄化システム。
4. 前記酸素捕捉能を有する材料は、ＣｅＯ_２又はＣｅを含有する複合酸化物であることを特徴とする請求項３記載の排ガス浄化システム。
5. 前記活物質として、少なくともＲｈを含み、かつ、Ｐｔ及びＰｄのいずれか又は両方を含むことを特徴とする請求項３又は４記載の排ガス浄化システム。
6. 前記触媒部位には、担体として、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、及びゼオライトからなる群より選ばれる１以上の多孔質酸化物が含まれていることを特徴とする請求項３から５いずれか記載の排ガス浄化システム。
7. 前記担体は、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物であることを特徴とする請求項６記載の排ガス浄化システム。

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