JP2008240622A - 排気ガス浄化用触媒装置およびそれを備える内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、排気ガス浄化用触媒装置およびそれを備える内燃機関の制御装置に関し、内燃機関の再始動時等において、燃費悪化の抑制とＮＯｘ排出の抑制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の排気管１４に、ＯＳＣ材を含有する第１三元触媒１８を備える。当該第１三元触媒１８の上流側に、貴金属としてロジウムＲｈのみが担持され、かつ、ＯＳＣ材を含有しない第２三元触媒２０を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、排気ガス浄化用触媒装置およびそれを備える内燃機関の制御装置に係り、特に、内燃機関の筒内から排出される排気ガスを浄化するうえで好適な排気ガス浄化用触媒装置およびそれを備える内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、内燃機関の排気通路に配置される排気ガス浄化用触媒装置が開示されている。この従来の排気ガス浄化用触媒装置は、貴金属としてロジウムＲｈのみを担持するＲｈ領域が形成され、かつ、当該Ｒｈ領域の下流側に酸化領域が形成された触媒を備えている。そして、上記従来の装置では、当該触媒を用い、その触媒の下流における排気ガスの空燃比を第２センサ（酸素センサ）で検出することによって、内燃機関の空燃比を制御している。

上記従来の排気ガス浄化用触媒装置によれば、上述した構成を有する触媒を備えていることで、リッチ雰囲気下でＲｈ領域に生成したＨ_２が酸素領域で消費されるようになる。その結果、第２センサの出力急変点が変動するのを抑制することができる。従って、リッチ雰囲気となる時間が長くなり、ＮＯｘの浄化能力を向上させることができる。

特開２００６−２０５１３４号公報 特開平１１−２４７６５４号公報 特開平１１−２５３７５９号公報

ハイブリッド車両における内燃機関の停止中や、内燃機関のフューエルカットの実行中などには、排気通路に配置された三元触媒は、リーンなガスに晒されることになる。三元触媒がリーンなガスに晒された結果として酸化雰囲気状態になると、触媒内部の貴金属の表面が酸化状態となり、三元触媒の浄化能力が一旦低下してしまう。

上記のように低下した三元触媒の浄化能力を迅速に復活させるために、つまり、酸化雰囲気状態にある三元触媒を早期に還元状態にするために、内燃機関の再始動時などのタイミングにおいて、理論空燃比よりもリッチ側の空燃比となるような制御（空燃比が１２程度に大きくリッチ化される強リッチ制御）を実行することが知られている。しかしながら、そのように空燃比を大きくリッチ化することは燃費の悪化に繋がる。

上記の燃費悪化を回避するためには、比較的小さくリッチ化した空燃比制御（空燃比が１３〜１４程度となるような弱リッチ制御）を実行するようにしたい。ところが、三元触媒は、通常、セリアなどの酸素吸蔵放出材（ＯＳＣ材）を有している。セリアなどのＯＳＣ材は、三元触媒に投入された還元ガス（リッチガス）を貴金属よりも先に消費してしまう。

このため、弱リッチ制御では、三元触媒を十分に還元状態にすることはできず、内燃機関の再始動時等にＮＯｘの排出量が増えてしまう。そのようなＮＯｘの排出を抑制しようとすると、空燃比を大きくリッチ化させる強リッチ制御が必要となり、上記のように燃費の悪化を招く。以上のことから、従来においては、上記再始動時等に、燃費悪化の抑制とＮＯｘ排出の抑制とを両立することは困難であった。

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、内燃機関の再始動時等において、燃費悪化の抑制とＮＯｘ排出の抑制とを良好に両立させ得る排気ガス浄化用触媒装置およびそれを備える内燃機関の制御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、酸素吸蔵能を有する第１三元触媒と、
前記第１三元触媒より上流側の排気通路に配置され、貴金属としてロジウム、パラジウム、および白金のうちの少なくともロジウムが担持された第２三元触媒とを備え、
前記第２三元触媒は、酸素吸蔵能を有しない、或いは前記第１三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、前記第２三元触媒に担持された貴金属は、ロジウムのみであることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、前記第２三元触媒の長さが、当該第２三元触媒および前記第１三元触媒の合計長さの３０％以下であることを特徴とする。

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、前記第２三元触媒は、内燃機関の排気通路に配置される触媒のうちで最上流側に配置されていることを特徴とする。

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、前記排気ガス浄化用触媒装置を備え、内燃機関の停止および再始動を自動的に行う内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御手段と、
空燃比が比較的理論空燃比に近い弱リッチとなるように制御された状態で、内燃機関の再始動を行う始動制御手段と、
を更に備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、酸素吸蔵能を有する第１三元触媒の上流側に、当該第１三元触媒よりも酸素吸蔵能が小さくなるように配慮された第２三元触媒が配置されているので、酸化雰囲気状態にある触媒に対して内燃機関の再始動時等に還元ガスが導入された際に、第２三元触媒に担持された貴金属の還元が酸素吸蔵放出材によって阻害されないようにすることができる。このため、空燃比が比較的理論空燃比に近い弱リッチとなるように制御された還元ガスであっても、貴金属を良好に還元させて早期に活性化させることが可能となる。そして、貴金属が活性化されることで、第２三元触媒によって、ＮＯｘの排出を良好に抑制することができる。このように、本発明によれば、内燃機関の再始動時等において、燃費悪化の抑制とＮＯｘ排出の抑制とを良好に両立させることが可能となる。

第２の発明によれば、内燃機関の再始動時等において、ＮＯｘの還元浄化に最も適したのロジウムを酸化状態から還元状態に素早く変化させることができ、そのようなロジウムが担持された第２三元触媒によって、弱リッチ制御下であってもＮＯｘの排出を良好に抑制することができる。

第３の発明によれば、第２三元触媒と第１三元触媒とを合わせた触媒全体としてはＯＳＣ能を十分に確保しつつ、第２三元触媒に担持させた貴金属の還元性を良好なものとすることができる。

第４の発明によれば、酸素吸蔵放出材によって還元ガスが先に消費されるのを回避して、第２三元触媒に担持させた貴金属の還元性を良好なものとすることができる。

第５の発明によれば、燃費悪化の抑制とＮＯｘ排出の抑制とを良好に両立させつつ、内燃機関の停止および再始動を自動的に制御することが可能となる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における排気ガス浄化用触媒装置を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態の排気ガス浄化用触媒装置は、内燃機関１０の排気通路に配置されている。尚、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。また、内燃機関１０は図示しない車両駆動用モータと組み合わされて、車両システムの起動中に内燃機関１０の自動停止と再始動が行われるハイブリッド車両に搭載されているものとする。

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）を浄化可能な第１三元触媒１８が配置されている。この第１三元触媒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）を含有する三元触媒として構成されている。つまり、第１三元触媒１８は、酸素吸蔵能（ＯＳＣ能）を有する三元触媒として構成されている。

第１三元触媒１８の上流側には、易還元性を有する第２三元触媒２０が配置されている。つまり、第２三元触媒２０は、内燃機関１０の排気通路に配置される触媒のうちの最上流側に配置されている。第２三元触媒２０には、貴金属として、ＮＯｘの還元浄化に最も優れるロジウムＲｈのみが担持されている。

より具体的には、第２三元触媒２０は、セリアなどのＯＳＣ材を含有しないように構成されていることで、貴金属が還元され易いという性質（易還元性）を有する三元触媒である。言い換えれば、本実施形態の排気ガス浄化用触媒装置では、ＯＳＣ材を含有する第１三元触媒１８の上流側には、ＯＳＣ材を含有する触媒が配置されないようにしている。

更に、第２三元触媒２０は、その長さが上記第１三元触媒１８と第２三元触媒２０とを含めた合計の長さに対して３０％以下となるように構成されている。その理由は、３０％を超えると、第１三元触媒１８におけるＯＳＣ能が阻害されてしまうからである。

また、第１三元触媒１８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２２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２２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ガス浄化用触媒装置を備える内燃機関１０のシステムでは、メインリニアＡ／Ｆセンサ１６の出力とサブＯ２センサ２２の出力とに基づいて、空燃比のフィードバック制御が実行されている。このようなフィードバック制御が実行されることによって、第２三元触媒２０や第１三元触媒１８への酸素や還元ガスの供給が制御されている。また、ＥＣＵ３０は、内燃機関１０の所定の自動停止条件が成立した場合に、燃料噴射や点火を停止することにより、内燃機関１０の停止を制御することができる。更に、ＥＣＵ３０は、内燃機関１０の再始動要求が出された場合に、スタータとして機能するジェネレータ（図示省略）を制御しつつ燃料噴射や点火を制御することによって、内燃機関１０の始動を制御することができる。

図２は、上述した本実施形態の排気ガス浄化用触媒装置が適用されたシステムにおける特徴的な空燃比制御を実現するために、ＥＣＵ３０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、本ルーチンは、ハイブリッド車両に搭載された内燃機関１０が停止中である場合に起動されるルーチンであるものとする。

図２に示すルーチンでは、先ず、内燃機関１０の再始動要求があるか否かが、ＥＣＵ３０に接続された各種センサからの情報に基づいて判別される（ステップ１００）。

その結果、内燃機関１０の再始動要求があると判定された場合には、空燃比が比較的ストイキに近い１３〜１４程度の弱リッチとなるように制御された状態で、内燃機関１０の再始動が実行される（ステップ１０２）。

［実施の形態１の排気ガス浄化用触媒装置による効果］
ハイブリッド車両における内燃機関の停止中や、内燃機関のフューエルカットの実行中などには、排気通路に配置された三元触媒は、リーンなガスに晒されることになる。三元触媒がリーンなガスに晒された結果として酸化雰囲気状態になると、触媒内部の貴金属の表面は酸化状態となり、三元触媒の浄化能力が一旦低下してしまう。

上記のように低下した三元触媒の浄化能力を迅速に復活させるために、つまり、酸化雰囲気状態にある三元触媒を早期に還元状態にするために、内燃機関の再始動時などのタイミングにおいて、理論空燃比よりもリッチ側の空燃比となるような制御（空燃比が１２程度に大きくリッチ化される強リッチ制御）を実行することが知られている。しかしながら、そのように空燃比を大きくリッチ化することは燃費の悪化に繋がる。

上記の燃費悪化を回避するためには、比較的小さくリッチ化した空燃比制御（空燃比が１３〜１４程度となるような弱リッチ制御）を実行するようにしたい。ところが、三元触媒は、通常、セリアＣｅＯ_２などのＯＳＣ材を有している。図３は、酸化雰囲気状態にある三元触媒に還元剤としてのリッチガスが供給された際の、ＮＯｘ排出量と三元触媒へのセリアＣｅＯ_２の添加量との関係を示した図である。

図３より、三元触媒へのセリアＣｅＯ_２の添加量が増えるに従って、ＮＯｘ排出量が増加しているのが判る。これは、三元触媒に投入された還元ガス（リッチガス）を貴金属（Ｒｈなど）よりも先にＯＳＣ材であるセリアＣｅＯ_２が消費してしまい、三元触媒を十分に還元状態にすることができなくなるからである。

上記のように、セリアＣｅＯ_２などのＯＳＣ材は、三元触媒に投入された還元ガス（リッチガス）を貴金属よりも先に消費してしまう。このため、従来の一般的な構成を有する三元触媒を備えるシステムの場合は、弱リッチ制御では三元触媒を十分に還元状態にすることはできず、上記再始動時等にＮＯｘの排出量が増えてしまう。そのようなＮＯｘの排出を抑制しようとすると、空燃比を大きくリッチ化させた強リッチ制御が必要となり、上記のように燃費の悪化を招いてしまう。

これに対し、以上説明した図１に示す構成を有する本実施形態の排気ガス浄化用触媒装置では、排気通路の最上流位置に配置される第２三元触媒２０にはＯＳＣ材を含有しないようにしている。このため、上記再始動時等に還元ガスが排気通路に導入された際に、第２三元触媒２０に担持されたロジウムＲｈの還元が阻害されないようにすることができる。

その結果、空燃比が１３〜１４程度の弱リッチとなるように制御された還元ガスであっても、ＮＯｘの還元浄化に最も優れるロジウムＲｈを良好に還元させて早期に（素早く）活性化させることが可能となる。そして、ロジウムＲｈが早期に活性化されることで、第２三元触媒２０によって、ＮＯｘの排出を良好に抑制することができる。

本実施形態のシステムでは、上述した図２に示すルーチンが実行されることによって、内燃機関１０の再始動要求がある場合には、空燃比が１３〜１４程度の弱リッチに制御された状態で再始動がなされることとなる。貴金属としてロジウムＲｈのみが担持され、かつＯＳＣ材を含有しない第２三元触媒２０を最上流位置に配置していることにより、本実施形態の構成によれば、上述したように、弱リッチ制御下においてもＮＯｘの排出を抑制することが可能となる。つまり、ＮＯｘの浄化を損なうことなく燃費の低減が可能となる。更に付け加えると、本実施形態の構成によれば、空燃比を大きくリッチ化させる強リッチ制御に頼らずにＮＯｘの排出を良好に抑制することができる。

また、本実施形態では、第２三元触媒２０の長さが第１三元触媒１８と第２三元触媒２０とを含めた合計の長さに対して３０％以下とされている。このため、第１三元触媒１８と第２三元触媒２０とを合わせた触媒全体としてはＯＳＣ能を十分に確保しつつ、第２三元触媒２０に担持させたロジウムＲｈの還元性を良好なものとすることができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、第２三元触媒２０にはＯＳＣ材を含有させないようにしている（すなわち、第２三元触媒２０がＯＳＣ能を有しないようにしている）が、本発明においては、第１三元触媒の上流に配置される触媒に易還元性を持たせるようになっていればよく、すなわち、第１三元触媒のＯＳＣ能に対して第２三元触媒のＯＳＣ能が小さくなってさえいれば、第１三元触媒よりも少ない量のＯＳＣ材を第２三元触媒に含有させてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、第２三元触媒２０に貴金属としてロジウムＲｈのみを担持させるようにしているが、本発明における第２三元触媒は、ＮＯｘの還元浄化に最も適したロジウムＲｈが含まれるようになってさえいれば、貴金属としてロジウムＲｈとともに、パラジウムＰｄおよび白金Ｐｔの少なくとも一方が担持されたものであってもよい。

また、上述した実施の形態１においては、第２三元触媒２０とその下流側の第１三元触媒１８とを別体の触媒として構成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらの第２三元触媒および第１三元触媒は一体化されていてもよい。更には、上述した実施の形態１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第２三元触媒２０と第１三元触媒１８とが配置されているが、本発明における触媒配置の順番が守られてさえいれば、第２三元触媒と第１三元触媒と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。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ３０がメインリニアＡ／Ｆセンサ１６の出力とサブＯ２センサ２２の出力とに基づいて空燃比のフィードバック制御を実行することにより前記第５の発明における「空燃比制御手段」が、上記図２に示すルーチンの処理を実行することにより前記第５の発明における「始動制御手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態１における排気ガス浄化用触媒装置を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 酸化雰囲気状態にある三元触媒に還元剤としてのリッチガスが供給された際の、ＮＯｘ排出量と三元触媒へのセリアＣｅＯ_２の添加量との関係を示した図である。

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 三元触媒
２０ 易還元性触媒
２２ サブＯ２センサ
３０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に配置され、酸素吸蔵能を有する第１三元触媒と、
   前記第１三元触媒より上流側の排気通路に配置され、貴金属としてロジウム、パラジウム、および白金のうちの少なくともロジウムが担持された第２三元触媒とを備え、
   前記第２三元触媒は、酸素吸蔵能を有しない、或いは前記第１三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排気ガス浄化用触媒装置。
2. 前記第２三元触媒に担持された貴金属は、ロジウムのみであることを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化用触媒装置。
3. 前記第２三元触媒の長さが、当該第２三元触媒および前記第１三元触媒の合計長さの３０％以下であることを特徴とする請求項１または２記載の排気ガス浄化用触媒装置。
4. 前記第２三元触媒は、内燃機関の排気通路に配置される触媒のうちで最上流側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の排気ガス浄化用触媒装置。
5. 前記排気ガス浄化用触媒装置を備え、内燃機関の停止および再始動を自動的に行う内燃機関の制御装置であって、
   内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御手段と、
   空燃比が比較的理論空燃比に近い弱リッチとなるように制御された状態で、内燃機関の再始動を行う始動制御手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の排気ガス浄化用触媒装置を備える内燃機関の制御装置。

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