JP2008202523A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、排気エミッションの低減と粒子状物質ＰＭの除去とを良好に両立させることを目的とする。
【解決手段】内燃機関１０の排気マニホールド１２の直下の排気管１４上に、ＯＳＣ材を含まない上流側三元触媒１８を配置する。上流側三元触媒１８の下流側に、排気ガス中に含まれる粒子状物質ＰＭを捕集するパティキュレートフィルタ（ＰＭフィルタ）２０を配置する。ＰＭフィルタ２０の下流側に、ＯＳＣ材を含む下流側三元触媒２２を配置する。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関の排気ガスを浄化するための排気浄化装置に関する。
従来、例えば特許文献１には、エンジンの排気口に、カーボンの除去を行う触媒層を有するカーボン除去器と、窒素酸化物ＮＯｘ、炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯの酸化還元を行う三元触媒層を有する三元触媒器とを直列に配置した排気浄化装置が開示されている。このような従来の技術によれば、三元成分（ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ）と、カーボンを主として含む粒子状物質ＰＭとを浄化することができる。
実開平４−３４４２６号公報 実開昭６４−３０１７号公報 特開昭６０−４３１１３号公報
内燃機関の排気通路に配置される排気浄化装置には、例えば冷間始動時における排気エミッションを低減させるために、触媒の暖機性能が高く要求される。しかしながら、上記従来の排気浄化装置は、触媒の暖機性能確保による排気エミッションの低減と粒子状物質ＰＭの除去とを両立させるという点について、何らの配慮もされていない。この点、上記従来の技術は、排気エミッションの低減と粒子状物質ＰＭの除去とを良好に両立させ得る排気浄化装置を実現するうえで、未だ検討の余地を残すものであった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、排気エミッションの低減と粒子状物質ＰＭの除去とを良好に両立させ得る内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
第１の発明は、内燃機関の排気通路に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
前記パティキュレートフィルタより上流側の排気通路に配置された上流側三元触媒と、
前記パティキュレートフィルタより下流側の排気通路に配置され、酸素吸蔵能を有する下流側三元触媒とを備え、
前記上流側三元触媒は、酸素吸蔵能を有しない、或いは前記下流側三元触媒に比して小さい酸素吸蔵能を有することを特徴とする。
また、第２の発明は、第１の発明において、前記下流側三元触媒より下流側の排気通路に配置され、排気空燃比に関する情報を取得する空燃比センサと、
前記空燃比センサの出力に基づいて、燃料噴射量の補正を行うフィードバック手段とを更に備え、
前記下流側三元触媒は、前記フィードバック手段による酸素供給量の調整を受ける触媒であることを特徴とする。
また、第３の発明は、第２の発明において、前記上流側三元触媒より上流側の排気通路に配置され、排気空燃比に関する情報を取得する上流側空燃比センサを更に備え、
前記フィードバック手段は、前記上流側空燃比センサの出力に基づいて、前記上流側三元触媒の上流の排気空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を補正するメインフィードバック手段と、
前記空燃比センサの出力に基づいて、前記メインフィードバック手段による前記補正に修正を施すサブフィードバック手段とを含むことを特徴とする。
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、前記下流側三元触媒は、その容量が前記上流側三元触媒の容量に比して大きいことを特徴とする。
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、前記上流側三元触媒は、その長さが２０〜５０ｍｍであることを特徴とする。
また、第６の発明は、内燃機関の排気通路に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集する機能と三元触媒機能とを有する触媒付きパティキュレートフィルタと、
前記触媒付きパティキュレートフィルタより下流側の排気通路に配置され、酸素吸蔵能を有する下流側三元触媒とを備え、
前記触媒付きパティキュレートフィルタは、酸素吸蔵能を有しない、或いは前記下流側三元触媒に比して小さい酸素吸蔵能を有することを特徴とする。
また、第７の発明は、第６の発明において、前記下流側三元触媒より下流側の排気通路に配置され、排気空燃比に関する情報を取得する空燃比センサと、
前記空燃比センサの出力に基づいて、燃料噴射量の補正を行うフィードバック手段とを更に備え、
前記下流側三元触媒は、前記フィードバック手段による酸素供給量の調整を受ける触媒であることを特徴とする。
また、第８の発明は、第７の発明において、前記触媒付きパティキュレートフィルタより上流側の排気通路に配置され、排気空燃比に関する情報を取得する上流側空燃比センサを更に備え、
前記フィードバック手段は、前記上流側空燃比センサの出力に基づいて、前記触媒付きパティキュレートフィルタの上流の排気空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を補正するメインフィードバック手段と、
前記空燃比センサの出力に基づいて、前記メインフィードバック手段による前記補正に修正を施すサブフィードバック手段とを含むことを特徴とする。
また、第９の発明は、第６乃至第８の発明の何れかにおいて、前記下流側三元触媒は、その容量が前記触媒付きパティキュレートフィルタにおいて三元触媒機能を有する部位の容量に比して大きいことを特徴とする。
また、第１０の発明は、内燃機関の排気通路に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
前記パティキュレートフィルタより下流側の排気通路に配置され、酸素吸蔵能を有する三元触媒と、
前記三元触媒より下流側の排気通路に配置され、排気空燃比に関する情報を取得する空燃比センサと、
前記空燃比センサの出力に基づいて、内燃機関の燃料噴射量の補正を行うフィードバック手段とを更に備え、
前記三元触媒は、前記フィードバック手段による酸素供給量の調整を受ける触媒であることを特徴とする。
また、第１０の発明は、第１１の発明において、前記パティキュレートフィルタより上流側の排気通路に配置され、排気空燃比に関する情報を取得する上流側空燃比センサを更に備え、
前記フィードバック手段は、前記上流側空燃比センサの出力に基づいて、前記パティキュレートフィルタの上流の排気空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を補正するメインフィードバック手段と、
前記空燃比センサの出力に基づいて、前記メインフィードバック手段による前記補正に修正を施すサブフィードバック手段とを含むことを特徴とする。
第１の発明によれば、排気ガスの流れの最上流側に上流側三元触媒を配置したことにより、始動時における当該上流側三元触媒の暖機性能を十分に確保することができる。また、上流側三元触媒に次ぐ上流側の位置にパティキュレートフィルタを配置したことにより、当該パティキュレートフィルタを高温の排気ガスに晒される環境下に置くことができる。更に、パティキュレートフィルタの上流側に配置された上流側三元触媒の酸素吸蔵能が下流側三元触媒に比して小さくされるような配慮がなされているため、パティキュレートフィルタに酸素が供給され易い環境を整えることができる。このため、当該フィルタに捕集された粒子状物質ＰＭを良好に除去することが可能となる。また、パティキュレートフィルタの下流側に酸素吸蔵能を有する下流側三元触媒を配置したことにより、三元成分（特にＮＯｘ）の低減能力を適切に確保することが可能となる。このように、本発明によれば、排気エミッションの低減と粒子状物質ＰＭの除去とを良好に両立させることができる。
第２の発明によれば、酸素吸蔵能を有する触媒であって、かつ空燃比センサを利用して酸素供給量の調整を受ける下流側三元触媒より上流側に、パティキュレートフィルタが配置されることになる。このため、下流側三元触媒がそのような酸素供給量の調整を受ける状況下においても、パティキュレートフィルタに酸素をより供給できる環境を整えつつ（すなわち、粒子状物質ＰＭをより好適に除去できる環境を整えつつ）、排気エミッション（特にＮＯｘ）を低減させることができる。このように、本発明によれば、排気エミッションの低減と粒子状物質ＰＭの除去とを更に良好に両立させることができる。
第３の発明によれば、上流側空燃比センサを利用するメインフィードバック制御と空燃比センサ（下流側）を利用するサブフィードバック制御とが実行される状況下において、これら２つのセンサ間に配置される上流側三元触媒、パティキュレートフィルタ、および下流側三元触媒に対して上記第１または第２の発明における配慮がなされていることにより、排気エミッションの低減と粒子状物質ＰＭの除去とを更に良好に両立させることができる。
第４の発明によれば、ＮＯｘを良好に浄化させるうえで有効な酸素吸蔵能を十分に確保して、ＮＯｘ排出量を良好に抑制することができ、これにより、排気エミッションの低減と粒子状物質ＰＭの除去とを更に充実化して両立させることができる。
第５の発明によれば、上流側三元触媒の暖機性能を良好に確保することができる。また、本発明によれば、上流側三元触媒が酸素吸蔵能を有している場合には、当該上流側三元触媒の下流側に配置されているパティキュレートフィルタに対して、より十分な量の酸素を供給できるようになる。
第６の発明によれば、排気ガスの流れの最上流側に三元触媒機能を有する触媒付きパティキュレートフィルタを配置したことにより、始動時における当該触媒付きパティキュレートフィルタの三元触媒の暖機性能を十分に確保することができるとともに、パティキュレートフィルタを高温の排気ガスに晒される環境下に置くことができる。更に、触媒付きパティキュレートフィルタに含まれる三元触媒の酸素吸蔵能が下流側三元触媒に比して小さくされるような配慮がなされているため、パティキュレートフィルタに酸素が供給され易い環境を整えることができる。このため、粒子状物質ＰＭを良好に除去することが可能となる。また、触媒付きパティキュレートフィルタの下流側に酸素吸蔵能を有する下流側三元触媒を配置したことにより、三元成分（特にＮＯｘ）の低減能力を適切に確保することが可能となる。このように、本発明によれば、排気エミッションの低減と粒子状物質ＰＭの除去とを良好に両立させることができる。
第７の発明によれば、酸素吸蔵能を有する触媒であって、かつ空燃比センサを利用して酸素供給量の調整を受ける下流側三元触媒より上流側に、触媒付きパティキュレートフィルタが配置されることになる。このため、下流側三元触媒がそのような酸素供給量の調整を受ける状況下においても、触媒付きパティキュレートフィルタに酸素をより供給できる環境を整えつつ（すなわち、粒子状物質ＰＭをより好適に除去できる環境を整えつつ）、排気エミッション（特にＮＯｘ）を低減させることができる。このように、本発明によれば、排気エミッションの低減と粒子状物質ＰＭの除去とを更に良好に両立させることができる。
第８の発明によれば、上流側空燃比センサを利用するメインフィードバック制御と空燃比センサ（下流側）を利用するサブフィードバック制御とが実行される状況下において、これら２つのセンサ間に配置される触媒付きパティキュレートフィルタおよび下流側三元触媒に対して上記第６または第７の発明における配慮がなされていることにより、排気エミッションの低減と粒子状物質ＰＭの除去とを更に良好に両立させることができる。
第９の発明によれば、ＮＯｘを良好に浄化させるうえで有効な酸素吸蔵能を十分に確保して、ＮＯｘ排出量を良好に抑制することができ、これにより、排気エミッションの低減と粒子状物質ＰＭの除去とを更に充実化して両立させることができる。
第１０の発明によれば、パティキュレートフィルタを三元触媒より上流側に配置したことにより、当該パティキュレートフィルタを高温の排気ガスに晒される環境下に置くことができる。このため、粒子状物質ＰＭを良好に除去することが可能となる。また、本発明によれば、酸素吸蔵能を有する触媒であって、かつ空燃比センサを利用して酸素供給量の調整を受ける三元触媒より上流側に、パティキュレートフィルタが配置されることになる。このため、三元触媒がそのような酸素供給量の調整を受ける状況下においても、パティキュレートフィルタに酸素をより供給できる環境を整えつつ（すなわち、粒子状物質ＰＭをより好適に除去できる環境を整えつつ）、排気エミッション（特にＮＯｘ）を低減させることができる。このように、本発明によれば、排気エミッションの低減と粒子状物質ＰＭの除去とを良好に両立させることができる。
第１１の発明によれば、上流側空燃比センサを利用するメインフィードバック制御と空燃比センサ（下流側）を利用するサブフィードバック制御とが実行される状況下において、これら２つのセンサ間に配置されるパティキュレートフィルタおよび三元触媒に対して上記第１０の発明における配慮がなされていることにより、排気エミッションの低減と粒子状物質ＰＭの除去とを更に良好に両立させることができる。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関の排気浄化装置を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態の排気浄化装置は、内燃機関１０の排気通路に配置されている。ここでは、本実施形態の内燃機関１０は、ガソリンを燃料とする火花点火式の内燃機関であるものとする。
内燃機関１０の排気通路は、内燃機関の各気筒と接続される排気マニホールド１２と、排気マニホールド１２に接続される排気管１４とを備えている。筒内から排出される排気ガスは、排気マニホールド１２に集められ、排気マニホールド１２を介して排気管１４に排出される。排気マニホールド１２には、その位置で排気空燃比を検出するためのメインリニアＡ／Ｆセンサ（以下、単に「Ａ／Ｆセンサ」と略する）１６が配置されている。Ａ／Ｆセンサ１６は、排気ガスの空燃比に対してほぼリニアな出力を発するセンサである。
Ａ／Ｆセンサ１６の下流側、言い換えれば、排気マニホールド１２の直下の排気管１４には、排気ガス中に含まれる三元成分（ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ）を浄化可能な上流側三元触媒１８が配置されている。この上流側三元触媒１８は、セリアなどの酸素吸蔵放出材（以下、単に「ＯＳＣ(Oxygen Storage Capacity)材」と略する）を含まない三元触媒として構成されている。つまり、上流側三元触媒１８は、酸素吸蔵能を有しない三元触媒として構成されている。また、上流側三元触媒１８は、その長さ（排気ガスの流れ方向の長さ）が２０〜５０ｍｍとなるように構成されている。
上流側三元触媒１８の下流側には、排気ガス中に含まれる粒子状物質ＰＭを捕集して除去可能なパティキュレートフィルタ（以下、「ＰＭフィルタ」と称する）２０が配置されている。ＰＭフィルタ２０に捕集されたＰＭは、ＰＭフィルタ２０が高温環境下に置かれた際に燃焼されて除去される。このＰＭフィルタ２０は、その容量が内燃機関１０の排気量の０．１〜０．５倍となるように構成されている。また、ＰＭフィルタ２０には、Ｐｔ系の貴金属が塗布されている。このようにＰＭフィルタ２０に貴金属を塗布することとすれば、塗布しない場合に比して、例えば５０℃程度ＰＭの燃焼温度を下げることができ、塗布しない場合に対してＰＭフィルタ２０の床温が比較的低い温度（例えば、５５０℃程度）からＰＭを燃焼除去することが可能となる。
ＰＭフィルタ２０の下流側には、排気ガス中に含まれる上記三元成分を浄化可能な下流側三元触媒２２が配置されている。この下流側三元触媒２２は、上流側三元触媒１８とは異なり、セリアなどのＯＳＣ材を含む三元触媒として構成されている。つまり、下流側三元触媒２２は、酸素吸蔵能を有する三元触媒として構成されている。また、下流側三元触媒２２は、その容量が上流側三元触媒１８の容量の１．５〜２．５倍となるように構成されている。
下流側三元触媒２２の下流側には、その位置の空燃比がリッチであるかリーンであるかに応じた信号を発するサブＯ２センサ２４が配置されている。
本実施形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０を備えている。ＥＣＵ３０には、上述したＡ／Ｆセンサ１６やサブＯ２センサ２４とともに内燃機関１０を制御するための各種センサ（図示省略）が接続されている。また、ＥＣＵ３０には、スロットルバルブ、燃料噴射弁、点火プラグ等の各種アクチュエータ（図示省略）が接続されている。
以上説明した本実施形態の排気浄化装置を備える内燃機関１０のシステムでは、上流側のＡ／Ｆセンサ１６の出力に基づいてメインのフィードバック制御が実行される。そして、下流側のサブＯ２センサ２４の出力に基づいてサブのフィードバック制御が実行される。メインフィードバック制御では、上流側三元触媒１８に流入する排気ガスの空燃比が制御目標空燃比と一致するように燃料噴射量の制御が行われる。また、サブフィードバック制御では、下流側三元触媒２２の下流に流出してくる排気ガスの空燃比が理論空燃比となるように、メインフィードバック制御の内容が修正される。このようなフィードバック制御（特に下流側のサブＯ２センサ２４を利用するフィードバック制御）を行うことで、ＥＣＵ３０は、下流側三元触媒２２への酸素供給量を調整することができる。
［実施の形態１の排気浄化装置による効果］
以上説明した本実施形態の排気浄化装置では、次の３つの観点の配慮、すなわち、三元触媒（上流側三元触媒１８）の暖機性能向上のための配慮、ＰＭ除去のための配慮、およびＮＯｘ排出抑制のための配慮がなされており、これにより、排気ガス中に含まれる三元成分（ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ）とＰＭを同時に良好に低減することが可能となる。以下、それぞれの配慮について具体的に説明する。
（１）三元触媒（上流側三元触媒１８）の暖機性能向上のための配慮
ガソリンエンジンである内燃機関１０においては、冷間始動時の排気エミッション（特にＨＣ）を低減させたいという要求がある。本実施形態では、上述したように、ＰＭフィルタ２０よりも上流側に、上流側三元触媒１８を配置させている。このような配置としたことで、筒内から排出される排気ガスが有する熱エネルギを上流側三元触媒１８に最初に直接的に与えることができ、上流側三元触媒１８の十分な暖機性能を確保することができる。
図２は、始動後の暖機性能を上流側三元触媒の長さとの関係で表した図である。図２より、上流側三元触媒１８の長さが２０ｍｍより短くなると、始動時の暖機性能が悪化しているのが判る。その理由は、触媒の長さが十分でないと、触媒の内部で十分な触媒反応が進行できなくなり、十分な反応熱を触媒の暖機に用いることができなくなるからである。本実施形態では、上記のように上流側三元触媒１８の長さが２０〜５０ｍｍとされており、この点においても、上流側三元触媒１８の暖機性能の向上に貢献している。
（２）ＰＭ除去のための配慮（ＰＭフィルタ２０に酸素を良好に供給できるようにする配慮を含む）
先ず、本実施形態では、ＰＭフィルタ２０の配置場所ができるだけ上流側となるようにすべく、上述したように、最上流位置に配置される上流側三元触媒１８に次いで内燃機関１０の燃焼室に近い位置にＰＭフィルタ２０を配置させている。ＰＭフィルタ２０に捕集されたＰＭは、上記のように５５０℃以上となることで燃焼させて除去することができる。このようなＰＭフィルタ２０の配置によれば、ＰＭフィルタ２０をできるだけ高い温度の排気ガスに晒されるようにすることができ、これにより、ＰＭを連続的に燃焼除去できる環境を整えることができる。その結果、ＰＭの堆積に起因する排気管１４内の圧力損失の変動を抑制することができる。
また、ＰＭフィルタ２０を高温環境下に置くことによってＰＭが燃焼除去されるようにするためには、ＰＭフィルタ２０の雰囲気に酸素が存在していることが前提となる。一般的にストイキ（理論空燃比）となるように制御された状態で運転されるガソリンエンジンである内燃機関１０の場合には、一般的に空気過剰な状態で運転されるディーゼルエンジンとは異なり、基本的には燃焼により酸素がすべて消費されることになる。このため、筒内から排出される排気ガス中に酸素が存在しにくい状況となる。従って、そのようなガソリンエンジンにおいてＰＭを良好に除去できるようにするためには、ＰＭフィルタ２０に酸素を供給できる環境を整えることが重要となってくる。
本実施形態では、ＰＭフィルタ２０に酸素をより供給できるような環境を整えるべく、第一に、ＰＭフィルタ２０より上流側に配置される上流側三元触媒１８には、上述したようにＯＳＣ材を含まないようにし、ＰＭフィルタ２０より下流側に配置される下流側三元触媒２２にＯＳＣ材を含ませるようにしている。これにより、ＰＭフィルタ２０にまで酸素が供給され易くすることができる。
更に、本実施形態では、ＰＭフィルタ２０に酸素をより供給できるような環境を整えるべく、下流側三元触媒２２の下流側に配置されたサブＯ２センサ２４の出力に従って酸素供給量が調整される下流側三元触媒２２（およびサブＯ２センサ２４）より上流側に、ＰＭフィルタ２０を配置させている。サブＯ２センサ２４を利用したフィードバック制御では、サブＯ２センサ２４の出力がリッチ出力に反転した場合には排気空燃比がリーンとなるように、また、サブＯ２センサ２４の出力がリーン出力に反転した場合には排気空燃比がリッチとなるように、燃料噴射量のフィードバック制御が行われている。このため、仮に下流側三元触媒２２のようなＯＳＣ材を含む三元触媒よりも下流側にＰＭフィルタを配置した場合には、筒内から排出される排気ガスの空燃比がストイキよりもリーンな状態（すなわち、酸素を多く含む状態）であっても、ＯＳＣ材を含む三元触媒の酸素吸蔵能に余裕がある間は、当該三元触媒より下流に酸素が流出してこなくなってしまう。
その結果、当該三元触媒より下流側のＰＭフィルタが酸素を含む排気ガス（リーン雰囲気）に晒される時間が十分に確保されにくくなってしまう。これに対し、本実施形態の配置順番によれば、ＯＳＣ材を含む触媒であって、かつサブＯ２センサ２４を利用してフィードバック制御がなされる下流側三元触媒２２より上流側に、ＰＭフィルタ２０が配置されることになる。このため、そのようなフィードバック制御が実行される状況下においても（更に付け加えれば、Ａ／Ｆセンサ１６を利用するメインフィードバック制御およびサブＯ２を利用するサブフィードバック制御が実行される状況下においても）、ＰＭフィルタ２０に酸素をより供給できる環境を整えることができる。
以上のように、本実施形態の構成によれば、ＰＭフィルタ２０をできるだけ高温の排気ガスに晒される位置に配置したことと、上記のように酸素供給環境を整えたこととにより、基本的にストイキとなるように制御されることでＰＭフィルタ２０のために酸素を確保しにくいガソリンエンジンであっても、ＰＭを良好に除去することが可能となる。
（３）ＮＯｘ排出抑制のための配慮
本実施形態では、上述したように、排気ガスの上流側から順に、ＰＭフィルタ２０、ＯＳＣ材を含みサブＯ２センサ２４を利用して酸素供給量が制御される下流側三元触媒、サブＯ２センサ２４という配置としたことで、ＰＭフィルタ２０への酸素供給環境の整備と排気エミッション（特にＮＯｘ）の排出低減とを好適に両立することができる。
図３は、上流側三元触媒１８と下流側三元触媒２２の容量比をＮＯｘ排出量との関係で表した図である。尚、図３は、上流側三元触媒１８と下流側三元触媒２２の容量比が１／１であるときのＮＯｘ排出量を１００として、当該容量比とＮＯｘ排出量（相対比）との関係で示すものである。
図３より、下流側三元触媒２２の容量が上流側三元触媒１８の容量よりも大きくなると、それらの容量比が１／１である場合に比して、ＮＯｘ排出量が低減されているのか判る。本実施形態では、下流側三元触媒２２の容量は、上流側三元触媒１８の容量の１．５〜２．５倍とされている。これにより、ＮＯｘ排出量を好適に低減することができる。また、三元触媒１８、２２において進行するＮＯｘの還元反応は、他の酸化反応に比して長い反応時間を要する。このため、上記の容量比とされた下流側三元触媒２２によれば、ＮＯｘを良好に浄化させるうえで有効な酸素吸蔵能を十分に確保して、ＮＯｘ排出量を良好に抑制することができる。
（４）その他の効果
三元触媒にＯＳＣ材を含ませることによって得られる酸素吸蔵能は、三元触媒の劣化度合いを表す指標として用いることができるものである。本実施形態の構成によれば、下流側三元触媒２２にＯＳＣ材を含ませていることによって、酸素吸蔵能を利用した触媒の劣化検出性（ＯＢＤ検出性）を確保することもできる。
（５）まとめ
以上説明した通り、本実施形態の排気浄化装置によれば、排気管１４内に酸素を確保しにくいガソリンエンジンであっても、始動時の三元触媒（上流側三元触媒１８）の暖機性能の確保と、ＰＭの除去と、ＮＯｘなどの排気エミッションの低減とを好適に両立させることが可能となる。
ところで、上述した実施の形態１においては、上流側三元触媒１８にはＯＳＣ材を含めないようにしている（すなわち、上流側三元触媒１８が酸素吸蔵能を有しないようにしている）が、本発明において、ＰＭフィルタ２０への酸素供給の確保のために上流側三元触媒と下流側三元触媒に対して与える酸素吸蔵能についての配慮は、上記の手法に限定されるものではない。すなわち、下流側三元触媒の酸素吸蔵能に対して上流側三元触媒の酸素吸蔵能が小さくなってさえいればよく、下流側三元触媒よりも少ない量のＯＳＣ材を上流側三元触媒に含めるようにしてもよい。
また、上記のように上流側三元触媒にＯＳＣ材を含めるようにした場合においては、上述した実施の形態１のように、上流側三元触媒の長さを２０〜５０ｍｍ（５０ｍｍ以下）とすることは、以下のような理由によりＰＭフィルタ２０への酸素供給を確保できる環境を整えることに寄与する。図４は、排気空燃比をリッチとリーンに交互に切り替えた際に三元触媒から流出する排気ガス中の各種成分（酸素Ｏ２、ＴＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）の挙動を示す図である。尚、図４（Ｂ）に示す試験結果は、図４（Ａ）に示すように、触媒長さを２０ｍｍ、５３ｍｍ、および８５ｍｍとした三元触媒を３種類用意して行ったものである。また、図４（Ｂ）においては、２０ｍｍの場合の波形を実線で、５３ｍｍの場合の波形を細い破線で、８５ｍｍの場合の波形を太い破線で、それぞれ示している。
図４（Ｂ）の試験結果によれば、三元触媒がリッチ雰囲気（酸素不足状態）に晒された場合には、触媒長さが５０ｍｍを超えると、そのリッチ雰囲気以前のリーン雰囲気状況下で三元触媒に吸蔵されていた酸素が、ＨＣやＣＯとの反応により消失しているのが判る。従って、このような酸素の消費を抑制するという面で、上流側三元触媒の触媒長さを２０〜５０ｍｍ（約５０ｍｍ以下）とすることは、上流側三元触媒より下流側のＰＭフィルタ２０に酸素をより供給できる環境を整えるうえで有効である。
尚、上述した実施の形態１においては、サブＯ２センサ２４が前記第２の発明における「空燃比センサ」に相当しているとともに、ＥＣＵ３０がメインフィードバック制御およびサブフィードバック制御を実行することにより前記第２の発明における「フィードバック手段」が実現されている。
また、メインリニアＡ／Ｆセンサ１６が前記第３の発明における「上流側空燃比センサ」に相当しているとともに、ＥＣＵ３０が、メインリニアＡ／Ｆセンサ１６の出力を利用してメインフィードバック制御を実行することにより前記第３の発明における「メインフィードバック手段」が、サブＯ２センサ２４の出力を利用してサブフィードバック制御を実行することにより前記第３の発明における「サブフィードバック手段」が、それぞれ実現されている。
実施の形態２．
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
図５は、本発明の実施の形態２における内燃機関の排気浄化装置を説明するための図である。尚、図５において、上記図１に示す構成要素と同一の要素については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
図５に示す排気浄化装置は、上述した実施の形態１における上流側三元触媒１８とＰＭフィルタ２０に相当する構成要素が、一体化され、三元触媒の機能とＰＭフィルタの機能とを有する触媒付きＰＭフィルタ４０として構成されている点を除き、上述した実施の形態１と同様に構成されている。より具体的には、触媒付きＰＭフィルタ４０は、ＰＭフィルタ２０に三元触媒を担持させたものである。
すなわち、本実施形態では、排気ガスの上流側から順に、触媒付きＰＭフィルタ４０、下流側三元触媒２２という配置とされており、また、下流側三元触媒２２の下流側に配置されたサブＯ２センサ２４を利用して、下流側三元触媒２２への酸素供給量が調整される。また、下流側三元触媒２２は、その容量が触媒付きＰＭフィルタ４０において三元触媒機能を有する部位の容量に比して大きくなるように構成されている。尚、上述した実施の形態１の変形例と同様に、触媒付きＰＭフィルタ４０には、下流側三元触媒２２よりも少ない量であればＯＳＣ材を含めるようにしてもよい。
以上説明した本実施の形態２の構成によっても、上述した実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
実施の形態３．
次に、図６を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
図６は、本発明の実施の形態３における内燃機関の排気浄化装置を説明するための図である。尚、図６において、上記図１に示す構成要素と同一の要素については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
図６に示す排気浄化装置は、ＰＭフィルタ２０の上流側にＯＳＣ材を含まない上流側三元触媒１８を備えていない点を除き、上述した実施の形態１と同様に構成されている。すなわち、本実施形態では、排気ガスの上流側から順に、ＰＭフィルタ２０、ＯＳＣ材を含む（すなわち、酸素吸蔵能を有する）三元触媒５０という配置とされており、また、三元触媒５０の下流側に配置されたサブＯ２センサ２４を利用して、三元触媒５０への酸素供給量が調整される。
以上説明した本実施の形態３の構成によれば、ＰＭフィルタ２０が三元触媒５０より上流側に配置されていることにより、ＰＭフィルタ２０ができるだけ高い温度の排気ガスに晒されるようにすることができる。そして、本実施形態の構成によれば、ＯＳＣ材を含む触媒であってかつサブＯ２センサ２４を利用してフィードバック制御がなされる三元触媒５０より上流側に、ＰＭフィルタ２０が配置されることになる。このため、そのようなフィードバック制御が実行される状況下においても、既述した理由によって、ＰＭフィルタ２０に酸素をより供給できる環境を整えることができる。
これにより、本実施形態の構成によれば、基本的にストイキとなるように制御されることでＰＭフィルタ２０のために酸素を確保しにくいガソリンエンジンであっても、ＰＭの除去と排気エミッション（特にＮＯｘ）の排出低減とを好適に両立させることが可能となる。また、その他として、三元触媒５０にＯＳＣ材を含ませたことによって、酸素吸蔵能を利用した触媒の劣化検出性（ＯＢＤ検出性）を確保することもできる。
ところで、上述した実施の形態１乃至３においては、排気管１４中に配置される１つのケーシング内に上流側三元触媒１８、ＰＭフィルタ２０、下流側三元触媒２２などの複数の触媒やパティキュレートフィルタが配置されているが、本発明における触媒やパティキュレートフィルタの配置順番が守られてさえいれば、１つのケーシング内に配置されていなくてもよく、例えば、個々の触媒やパティキュレートフィルタがそれぞれのケーシング内に配置されるようになっていてもよい。
本発明の実施の形態１における内燃機関の排気浄化装置を説明するための図である。 始動後の暖機性能を上流側三元触媒の長さとの関係で表した図である。 上流側三元触媒と下流側三元触媒の容量比をＮＯｘ排出量との関係で表した図である。 排気空燃比をリッチとリーンに交互に切り替えた際に三元触媒から流出する排気ガス中の各種成分（酸素Ｏ２、ＴＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）の挙動を示す図である。 本発明の実施の形態２における内燃機関の排気浄化装置を説明するための図である。 本発明の実施の形態３における内燃機関の排気浄化装置を説明するための図である。
符号の説明
１０内燃機関
１２ 排気マニホールド
１４ 排気管
１６ メインリニアＡ／Ｆセンサ
１８ 上流側三元触媒
２０ パティキュレートフィルタ（ＰＭフィルタ）
２２ 下流側三元触媒
２４ サブＯ２センサ
３０ ECU(Electronic Control Unit)
４０ 触媒付きＰＭフィルタ
５０ 三元触媒

Claims (11)

  1. 内燃機関の排気通路に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
    前記パティキュレートフィルタより上流側の排気通路に配置された上流側三元触媒と、
    前記パティキュレートフィルタより下流側の排気通路に配置され、酸素吸蔵能を有する下流側三元触媒とを備え、
    前記上流側三元触媒は、酸素吸蔵能を有しない、或いは前記下流側三元触媒に比して小さい酸素吸蔵能を有することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記下流側三元触媒より下流側の排気通路に配置され、排気空燃比に関する情報を取得する空燃比センサと、
    前記空燃比センサの出力に基づいて、燃料噴射量の補正を行うフィードバック手段とを更に備え、
    前記下流側三元触媒は、前記フィードバック手段による酸素供給量の調整を受ける触媒であ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。
  3. 前記上流側三元触媒より上流側の排気通路に配置され、排気空燃比に関する情報を取得する上流側空燃比センサを更に備え、
    前記フィードバック手段は、前記上流側空燃比センサの出力に基づいて、前記上流側三元触媒の上流の排気空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を補正するメインフィードバック手段と、
    前記空燃比センサの出力に基づいて、前記メインフィードバック手段による前記補正に修正を施すサブフィードバック手段とを含むことを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記下流側三元触媒は、その容量が前記上流側三元触媒の容量に比して大きいことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 前記上流側三元触媒は、その長さが２０〜５０ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 内燃機関の排気通路に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集する機能と三元触媒機能とを有する触媒付きパティキュレートフィルタと、
    前記触媒付きパティキュレートフィルタより下流側の排気通路に配置され、酸素吸蔵能を有する下流側三元触媒とを備え、
    前記触媒付きパティキュレートフィルタは、酸素吸蔵能を有しない、或いは前記下流側三元触媒に比して小さい酸素吸蔵能を有することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  7. 前記下流側三元触媒より下流側の排気通路に配置され、排気空燃比に関する情報を取得する空燃比センサと、
    前記空燃比センサの出力に基づいて、燃料噴射量の補正を行うフィードバック手段とを更に備え、
    前記下流側三元触媒は、前記フィードバック手段による酸素供給量の調整を受ける触媒であ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。
  8. 前記触媒付きパティキュレートフィルタより上流側の排気通路に配置され、排気空燃比に関する情報を取得する上流側空燃比センサを更に備え、
    前記フィードバック手段は、前記上流側空燃比センサの出力に基づいて、前記触媒付きパティキュレートフィルタの上流の排気空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を補正するメインフィードバック手段と、
    前記空燃比センサの出力に基づいて、前記メインフィードバック手段による前記補正に修正を施すサブフィードバック手段とを含むことを特徴とする請求項７記載の内燃機関の制御装置。
  9. 前記下流側三元触媒は、その容量が前記触媒付きパティキュレートフィルタにおいて三元触媒機能を有する部位の容量に比して大きいことを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
  10. 内燃機関の排気通路に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
    前記パティキュレートフィルタより下流側の排気通路に配置され、酸素吸蔵能を有する三元触媒と、
    前記三元触媒より下流側の排気通路に配置され、排気空燃比に関する情報を取得する空燃比センサと、
    前記空燃比センサの出力に基づいて、内燃機関の燃料噴射量の補正を行うフィードバック手段とを更に備え、
    前記三元触媒は、前記フィードバック手段による酸素供給量の調整を受ける触媒であることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  11. 前記パティキュレートフィルタより上流側の排気通路に配置され、排気空燃比に関する情報を取得する上流側空燃比センサを更に備え、
    前記フィードバック手段は、前記上流側空燃比センサの出力に基づいて、前記パティキュレートフィルタの上流の排気空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を補正するメインフィードバック手段と、
    前記空燃比センサの出力に基づいて、前記メインフィードバック手段による前記補正に修正を施すサブフィードバック手段とを含むことを特徴とする請求項１０記載の内燃機関の制御装置。
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