JP2009138692A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関から排出される排ガスの温度が低い場合でも、内燃機関から排出される排ガスを適切に浄化することができる内燃機関の排気浄化システムを提供する。
【解決手段】予混合圧縮着火燃焼と通常燃焼とを有する内燃機関と、前記内燃機関から排気される排ガスを浄化するための第１触媒及び第２触媒と、前記第１触媒側と前記第２触媒側との間で前記排ガスの流れを切換える切換え手段と、前記排ガスの温度が所定値未満の時は、前記排ガスが前記第１触媒側に流れるように、前記排ガスの温度が所定値以上の時は、前記排ガスが前記第２触媒側に流れるように前記切換え手段の切換えを制御する切換え制御手段とを有し、前記第１触媒は、前記排ガスの温度が所定値未満の時に触媒活性を示し、前記第２触媒は、前記排ガスの温度が所定値以上の時に触媒活性を示す。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化システムの技術に関する。

内燃機関から排出される排気の排出特性を向上させるため予混合圧縮着火燃焼を行うことができる内燃機関が採用されている。予混合圧縮着火燃焼によれば、内燃機関から排出される排気のうち、ＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）やスモーク等の発生を抑制することができる。しかし、その一方で、ＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）等の未燃燃料成分が多く発生してしまう。また、上記内燃機関が通常燃焼により運転される場合には、予混合圧縮着火燃焼よりＮＯ_Ｘやスモークが多く発生してしまう。そして、このような内燃機関から排出される排ガス（ＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）、スモーク、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）等）を適切に浄化する必要がある。

例えば、特許文献１には、内燃機関の燃焼方法に応じて排出される排気物を適切に浄化するために、予混合圧縮着火燃焼時又は低温燃焼時には、予混合圧縮着火燃焼時又は低温燃焼時に生じる排ガスを浄化（酸化）する第１の触媒側に、通常燃焼時には通常燃焼時に生じる排ガスを浄化する第２の触媒側に切換える内燃機関の排気浄化装置が提案されている。

特開２００５−３０２８４号公報

しかし、内燃機関の始動時、冷間時等の低負荷運転等では、内燃機関から排出される排ガスの温度は低いため、特許文献１の内燃機関の排気浄化装置のように、燃焼モードで排ガスを浄化する触媒を切換えているものでは、触媒がライトオフせず、排ガスを充分に浄化することができない場合がある。

そこで、本発明の目的は、内燃機関から排出される排ガスの温度が低い場合でも、内燃機関から排出される排ガスを適切に浄化することができる内燃機関の排気浄化システムを提供することにある。

本発明の内燃機関の排気浄化システムは、予混合圧縮着火燃焼と通常燃焼とを有する内燃機関と、前記内燃機関から排出される排ガスを浄化するための第１触媒及び第２触媒と、前記第１触媒側と前記第２触媒側との間で前記排ガスの流れを切換える切換え手段と、前記排ガスの温度が所定値未満の時は、前記排ガスが前記第１触媒側に流れるように、前記排ガスの温度が所定値以上の時は、前記排ガスが前記第２触媒側に流れるように前記切換え手段の切換えを制御する切換え制御手段とを有し、前記第１触媒は、前記排ガスの温度が所定値未満の時に触媒活性を示し、前記第２触媒は、前記排ガスの温度が所定値以上のときに触媒活性を示す。

また、前記内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記第２触媒は前記第１触媒より下流側に配置され、前記第１触媒の上流側から分岐して前記第２触媒の上流側に合流するバイパス部を有し、前記排ガスの温度が所定値未満の時に第１触媒側に切換えられた排ガスは、前記第１触媒に流れた後、前記第２触媒に流れ、前記排ガスの温度が所定値以上の時に第２触媒側に切換えられた排ガスは、前記バイパスを通り、前記第２触媒に流れることが好ましい。

また、前記内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記第１触媒は前記第２触媒より下流側に配置され、前記第２触媒の下流側であって前記第１触媒の上流側から分岐して前記第１触媒の下流側に合流するバイパス路を有し、前記排ガスの温度が所定値未満の時に第１触媒側に切換えられた排ガスは、前記第１触媒に流れる前に前記第２触媒に流れ、前記排ガスの温度が所定値以上の時に第２触媒側に切換えられた排ガスは、前記第２触媒に流れた後、前記バイパス路を通ることが好ましい。

また、前記内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記内燃機関は、燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁を複数有し、前記燃料噴射弁の噴孔径は、０．０６〜０．１ｍｍの範囲であることが好ましい。

また、前記内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記第１触媒は酸化触媒であり、前記第２触媒は、ＮＯ_Ｘ触媒であることが好ましい。

また、前記内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記第１触媒は、ＣｅＯ_２を含む金属酸化物に貴金属が担持されたものであることが好ましい。

また、前記内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記第１触媒の上流側に、前記排ガス中のＨＣ及びＣＯを吸着し、温度上昇とともに前記吸着したＨＣ及びＣＯを離脱するＨＣ・ＣＯ吸着材を備え、前記ＨＣ・ＣＯ吸着材は炭素系材料であることが好ましい。

本発明によれば、内燃機関と内燃機関から排出される排ガスを浄化するための第１触媒及び第２触媒と、排ガスの温度が所定値未満の時は第１触媒側に、排ガスの温度が所定値以上の時は第２触媒側に、排ガスの流れを切換える切換え制御手段と、を有し、第１触媒には、排ガスの温度が所定値未満の時に触媒活性を示す触媒、第２触媒には、排ガスの温度が所定値以上の時に触媒活性を示す触媒を用いることにより、内燃機関から排出される排ガスの温度が低い場合でも、内燃機関から排出される排気を適切に浄化することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。

本発明の実施の形態について以下説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムの構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、内燃機関の排気浄化システム１は、内燃機関１０と、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１２と、排気浄化部１４とを有する。

内燃機関１０は、吸気工程、圧縮工程、爆発工程及び排気工程の４サイクルを繰り返して出力を得るディーゼルエンジンである。また、内燃機関１０は、予混合圧縮着火燃焼と通常燃焼とを選択的に行うことができる。

予混合圧縮着火燃焼とは、吸気工程中又は圧縮工程中に、内燃機関１０の燃料噴射弁１６から燃焼室１８内に燃料を噴射することで、燃焼室１８内に燃料と吸気との予混合気が形成される。そして、予混合気は、ピストン２０の上昇とともに圧縮されて温度が上昇し、圧縮工程上死点付近で着火し、燃焼する。予混合圧縮着火燃焼は、通常燃焼と比べてＮＯ_Ｘやスモークの発生を抑えることができるが、ＨＣやＣＯが発生しやすい。一方、圧縮工程上死点付近で燃料を噴射する通常燃焼は、予混合圧縮着火燃焼と比べて、ＨＣやＣＯの発生量は少ないが、ＮＯ_Ｘやスモークが発生しやすい。

ＥＣＵ１２は、中央処理装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等の論理演算回路を備えるものである。ＥＣＵ１２は、後述する内燃機関１０から排出される排ガスの温度に応じて、排ガスの流れを第１触媒側又は第２触媒側に切換え制御する切換え制御手段として機能するものである。また、ＥＣＵ１２は、内燃機関１０の予混合圧縮着火燃焼又は通常燃焼等の燃焼モードの切換えを制御する機能を有するものであってもよい。燃焼モードの切換え制御は、内燃機関１０の回転数、負荷等の運転状態に基づき、予め設定されたマップ等を参照して行われる。

排気浄化部１４は、主に内燃機関１０から排出される排ガスを浄化するためのものである。図１に示すように排気浄化部１４は、第１触媒２２と、第２触媒２４と、第１触媒２２及び第２触媒２４の上流側に排ガスの温度を検出する温度センサ２６と、第１触媒２２側と第２触媒２４側との間で排ガスの流れを切換える切換え手段としての切換え弁２８とを有する。

温度センサ２６及び切換え弁２８は、上記説明したＥＣＵ１２と電気的に接続されている。温度センサ２６により検出された排ガスの温度データに基づいて、ＥＣＵ１２は、第１触媒２２側又は第２触媒２４側に排ガスが流れるように切換え弁２８を切換える。具体的には、温度センサ２６により検出された排ガスの温度が所定値未満の時は、ＥＣＵ１２は、第１触媒２２側に排ガスが流れるように切換え弁２８を切換え、排ガスの温度が所定値以上の時は、第２触媒２４側に排ガスが流れるように切換え弁２８を切換える。また、排ガスの温度は、必ずしも上記温度センサ２６により検出されるものに限られない。例えば、ＥＣＵ１２が内燃機関１０の回転数、負荷等の運転状態に基づき、予め設定されたマップ等を参照して、排ガス温度を予測するものであってもよい。そして、予測した排ガス温度値に基づいて、ＥＣＵ１２が、第１触媒２２側又は第２触媒２４側に排ガスが流れるように切換え弁２８を切換えてもよい。

始動時、冷間時等の低負荷運転、部分負荷で用いられる予混合圧縮着火燃焼等では、内燃機関から排出される排ガス温度は低い（すなわち排ガス温度が所定値未満）。そして、温度の低い排ガスを浄化するために、本実施形態では、第１触媒２２に排ガス温度の所定値未満で触媒活性を示すもの（低温活性触媒）が用いられる。

第１触媒（低温活性触媒）２２は、排ガスの温度が所定値未満の時にも、触媒活性を示すものであれば特に制限されるものではないが、通常、排ガスの浄化触媒として用いられるＮＯ_Ｘ触媒、三元触媒等は、一般的に例えば３００℃以上の高温で触媒活性を示すため、第１触媒２２は、３００℃未満の低温で触媒活性を示すものであることが好ましい。これにより、ＮＯ_Ｘ触媒等（本実施形態では、第２触媒に相当）では、排ガスの温度が低く浄化することが困難な排ガスを浄化することができる。低負荷運転時等において内燃機関１０が通常燃焼又は予混合圧縮着火燃焼を行うと、内燃機関１０から未燃燃料成分が多く発生するため、第１触媒２２は、未燃燃料成分を酸化する酸化触媒であることが好ましい。

第１触媒２２を構成する材料としては、例えばＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＣｕ等から選択される２種以上の卑金属の複合酸化物、例えばＣｕ−Ｍｎ複合酸化物等が用いられる。また、ＭｎＯ_２及びＣｕＯを主成分とする金属酸化物の混合物に、フッ素樹脂を添加して加熱処理したもの等も用いることができる。さらに、ＣｅＯ_２を含む金属酸化物に貴金属が担持されたもの及びＣｅＯ_２を含む金属酸化物に貴金属が担持されたものを熱処理したもの等も用いることができる。特に、第１触媒２２を構成する材料としては、低温での酸化活性に優れている点で、ＣｅＯ_２を含む金属酸化物に貴金属が担持されたもの（熱処理したものも含む）であることが好ましい。以下、ＣｅＯ_２を含む金属酸化物に貴金属が担持された触媒について説明する。

ＣｅＯ_２を含む金属酸化物を担体として用いると、担体上に粒子径が小さく且つ均一に制御された貴金属粒子を形成することができる。担体中のＣｅ原子の含有率は、担体中の全金属原子量の１０原子％以上であることが好ましい。Ｃｅ原子の含有率が上記下限未満になると粒子径が小さく且つ均一に制御された貴金属粒子を形成することが困難になり、触媒の酸化活性が低下する傾向にある。

ＣｅＯ_２を含む金属酸化物（担体）としては、ＣｅＯ_２単独のもの、ＣｅＯ_２と他の金属酸化物とを含む混合酸化物、ＣｅＯ_２と他の金属酸化物との複合酸化物及びその混合物、ならびにＣｅＯ_２と他の金属酸化物と該複合酸化物との混合物等が挙げられる。これらのうち、触媒の耐熱性が向上し、比表面積の低下を抑制することができ、触媒の酸化活性の低下を抑制することができる点で、ＣｅＯ_２と他の金属酸化物との複合酸化物を含むものが好ましい。

上記他の金属酸化物としては、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、及びこれらの複合酸化物等が挙げられる。上記他の金属酸化物としては、ＣｅＯ_２と固溶して耐熱性を向上させることができる点で、ＺｒＯ_２が好ましく、複合酸化物の耐熱性を向上させることができる点で、Ａｌ_２Ｏ_３が好ましく、低温での酸化活性に優れた触媒が得られる点で、ＺｒＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との複合酸化物が好ましい。

ＣｅＯ_２と他の金属酸化物との複合酸化物において、複合酸化物中のＣｅ原子と他の金属原子との比（Ｃｅ／他の金属）は１／９〜９／１であることが好ましく、３／７〜７／３であることがより好ましい。原子比が上記下限未満になると粒子径が小さく且つ均一な貴金属粒子を形成することが困難となり、触媒の酸化活性が低下する傾向にあり、上記上限を超えると複合酸化物の安定性が低下して触媒の酸化活性が低下する傾向にある。

ＣｅＯ_２と他の金属酸化物との複合酸化物がＣｅＯ_２とＺｒＯ_２と他の金属酸化物との三元系複合酸化物である場合、還元性雰囲気下での還元処理によりパイロクロア相等の規則相が形成され、Ｃｅカチオン及びＺｒカチオンのうち少なくとも一部は規則的に配列する。これにより、他の金属酸化物がＣｅＯ_２とＺｒＯ_２と間に介在するため、還元性雰囲気下での還元処理においてＣｅＯ_２−ＺｒＯ_２複合酸化物と他の金属酸化物とが互いに障壁となって互いの粒子の成長が抑制される。また、格子の歪みが小さいため、酸素原子が放出され易く、高い酸化活性を有する触媒が得られる。

三元系複合酸化物において、上記他の金属原子とＣｅ原子及びＺｒ原子との比（他の金属／（Ｃｅ＋Ｚｒ））は１／５〜５／１であることが好ましく、１／３〜３／１であることがより好ましい。原子比が上記下限未満になると比表面積が小さくなり触媒の酸化活性が低下する傾向にあり、上記上限を超えると相対的にＣｅＯ_２の含有量が減少して粒子径が小さく且つ均一な貴金属粒子を形成することが困難になり、触媒の酸化活性が低下する傾向にある。

また、三元系複合酸化物において、上記他の金属酸化物がＡｌ_２Ｏ_３を含むものである場合、他の金属酸化物はさらに希土類元素酸化物が含まれていてもよい。担体中に含まれる希土類元素酸化物のうちの７０モル％以上はＡｌ_２Ｏ_３中に固溶していることが好ましく、９０モル％以上固溶していることがより好ましい。これによりＡｌ_２Ｏ_３の耐熱性が向上して触媒の酸化活性の低下を抑制することができる。希土類元素としては、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、及びＰｒ等が挙げられる。

ＣｅＯ_２を含む金属酸化物の担体は、特開２００３−２６５９５８号公報に記載された共沈法等の公知の方法により製造することができる。本発明に用いられる貴金属としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、及びＲｕ等が挙げられる。上記貴金属のうち、酸化活性が高く且つ劣化が進行し難いとうい観点からＰｔ、Ｐｄ、及びＲｈが好ましい。ＣｅＯ_２を含む金属酸化物の担体に貴金属を担持させる方法としては、吸着担持法、吸水担持法等公知の方法が挙げられる。

また、貴金属を担持させたＣｅＯ_２を含む金属酸化物に、還元性雰囲気下、６００〜８００℃の範囲の温度で熱処理（還元処理）を施し、次いで、酸化性雰囲気下、６００〜８００℃の範囲の温度で熱処理（酸化処理）を施し、さらに還元性雰囲気下、６００〜８００℃の範囲の温度で熱処理（還元処理）を施すことにより、担持した貴金属の粒子径を小さく且つ均一化させ、低温での触媒活性をより向上させることができる。

還元性雰囲気としては、Ｈ_２又はＣＯ等の還元性ガス雰囲気が挙げられる。還元性ガス雰囲気は、還元性ガスと窒素等の不活性ガスとの混合ガス雰囲気でもよい。最初の還元処理により、担持された貴金属がある程度粒子成長するとともにＣｅＯ_２に酸素空孔が形成される。また、最初の還元処理時間は、担体を十分に還元できる時間であれば特に制限されるものではない。酸化性雰囲気としては、Ｏ_２等の酸化性ガス雰囲気が挙げられる。また、酸化性ガス雰囲気は、酸化性ガスと窒素等の不活性ガスとの混合ガス雰囲気でもよい。酸化処理と２回目の還元処理により、担体上の貴金属粒子は、粒子径が小さく且つ均一なものとなり、この貴金属微粒子を備える触媒は低温での酸化活性に優れたものとなる。酸化処理時間は、担体を十分に酸化できる時間であれば特に制限されるものではなく、また、２回目の還元処理は、担体を十分に還元できる時間であれば特に制限されるものではない。

貴金属を担持させたＣｅＯ_２を含む金属酸化物では、貴金属粒子が、ＣＯパルス法により測定した平均粒子径が２〜８ｎｍのものであることが好ましい。また、ＸＲＤにより測定した粒度分布における最大粒子径に対するＣＯパルス法により測定した平均粒子径の誤差が３５％以内であることが好ましく、２０％以内であることがより好ましく、１５％以内であることが特に好ましい。このような粒子径が小さく且つ均一な貴金属粒子を担持させたＣｅＯ_２を含む金属酸化物の酸化触媒は、低温（例えば１００〜１３０℃）での酸化活性に優れている。

本実施形態のように、上記説明した第１触媒を使用することによって、温度の低い排ガスのＨＣ、ＣＯの浄化効率を向上させることができるため、第２触媒（後述するＮＯ_Ｘ触媒等）に使用される金属触媒の量を減らすことができる。

一方、高負荷運転では、内燃機関１０から排出される排ガス温度は高い（すなわち、排ガス温度が所定値以上）。そして、温度の高い排ガスを浄化するために、本実施形態では、第２触媒２４に排ガス温度の所定値以上で触媒活性を示すものが用いられる。

第２触媒２４は、排ガスの温度が所定値以上の時に、触媒活性を示すものであれば特に制限されるものではない。しかし、一般的に高負荷運転時での内燃機関１０は通常燃焼が行われている。そして、高負荷運転時における通常燃焼は、未燃燃料成分よりＮＯ_Ｘ、スモークが多く発生するため、ＮＯ_Ｘ、スモークを浄化する触媒であることが好ましい。

第２触媒２４としては、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒、選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒等のＮＯ_Ｘ触媒等が用いられる。特に、耐熱性、浄化効率等の点で、ＮＯ_Ｘ触媒が好ましい。

吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒は、排ガスの空燃比が所定値（典型的には理論空燃比）よりリーンのときにはＮＯ_Ｘを吸収し、これに流入される排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ_Ｘを放出し、排ガス中に含まれている未燃燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）と還元反応せしめることでＮ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２二酸化炭素に浄化するものである。吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒を構成する材料は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の酸化物からなる基材表面に、触媒成分としての白金のような貴金属と、ＮＯ_Ｘ吸収成分とが担持されたもの等が用いられる。ＮＯ_Ｘ吸収成分は、例えばカリウム、ナトリウム、リチウム、セシウムのようなアルカリ金属、バリウム、カルシウムのようなアルカリ土類、ランタン、イットリウムのような希土類から少なくとも１つを選択したものである。

選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒は、排ガスの空燃比がリーンという条件下で、排ガス中のＨＣ、ＮＯ_Ｘが定常的に且つ同時に反応されてＮ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２といったように浄化される。ただしＮＯ_Ｘの浄化には未燃燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）の存在が必須である。空燃比がリーンであっても、排気ガス中には未燃燃料成分が必ず含まれているので、これを利用してＮＯ_Ｘの還元浄化が可能である。選択還元型ＮＯ_Ｘ触媒を構成する材料は、ゼオライトまたはアルミナ等の基材表面にＰｔなどの貴金属を担持したものや、その基材表面にＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持させたもの、その基材表面にチタニア／バナジウム触媒（Ｖ_２Ｏ_５／ＷＯ_３／ＴｉＯ_２）を担持させたもの等が用いられる。

三元触媒は、理論空燃比付近で燃焼させた排気中のＣＯ 、ＨＣ、ＮＯ_Ｘを、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ及びＮ_２にする触媒であり、例えば活性成分であるＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ等の群より選ばれる貴金属を担持させたＡｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＣｅＯ_２に基づく酸化物担体として用いられる。

第１触媒２２及び第２触媒２４は、排ガス温度によって排ガスの流れが切換えられるように配置されていれば、図１に示すように並列的な配置であっても、後述するような直列的な配置であっても特に制限されるものではない。第１触媒２２及び第２触媒２４の排気浄化効率を向上させることができる点で、第１触媒２２及び第２触媒２４は後述する直列的な配置であることが好ましい。

内燃機関の排気浄化システムのその他の構成について説明する。図１に示す内燃機関１０の吸気通路３０は、燃焼室１８内に供給される吸気の通路であり、吸気バルブ３２を介して燃焼室１８に接続される。また、排気通路３４は、燃焼室１８から排出される排ガスの通路であり、排気バルブ３６を介して燃焼室１８に接続される。

燃料噴射弁１６は、高圧ポンプ（不図示）等により加圧された燃料を燃焼室１８に噴射供給する弁である。燃料噴射弁１６は複数有するものであってもよい。また、燃料噴射弁１６の噴孔径は、燃焼室１８に燃料を噴射する際の貫徹力を小さくすることができ、広範囲で予混合圧縮着火燃焼を行うことができる点で、０．０６〜０．１ｍｍの範囲であることが好ましい。燃料噴射弁１６の噴孔径が上記範囲外であると、内燃機関が通常燃焼で運転する場合が多くなり、上記第１触媒２２又は第２触媒２４で排ガスを十分に浄化できない場合がある。

内燃機関１０は、その他に各種センサ（不図示）を備える。各種センサは、例えば、運転者によるアクセルペダルの踏込量に応じた信号を出力するアクセルポジションセンサ（不図示）、エンジン回転数に応じた信号を出力する回転速度センサ、及び冷却水の温度に応じた信号を出力する水温センサ、燃焼室１８内に導入される空気の流量（吸入空気量）に応じた信号を出力するエアフロメータ等が挙げられる。これら各種センサの信号は、ＥＣＵ１２に入力される。

また、本実施形態の内燃機関１０は、不図示であるがＥＧＲ装置を備えるものであってもよい。ＥＧＲ装置は、吸気通路３０と排気通路３４とを接続するＥＧＲ通路と、ＥＧＲクーラ、ＥＧＲ弁とを有する。ＥＧＲ通路には、ＥＧＲ通路内を流れるガスの上流から下流にかけ、ＥＧＲクーラ、ＥＧＲ弁が順次配置される。

排気通路３４を流れる排ガスの一部が、ＥＧＲ通路に流入し、流入したガスはＥＧＲクーラにより冷やされ、ＥＧＲ弁を介して吸気通路３０の吸気と混ざり、燃焼室１８内で燃料とともに燃焼に供される。このようなＥＧＲ装置を用いることによって、排ガス中のＮＯ_Ｘ、スモークの発生を抑制することができる。

次に、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムの制御手順の一例について説明する。

図２は、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムの制御手順の一例を示すフローチャートである。内燃機関１０の運転中に制御がスタートされると、図２に示すように、ステップＳ１０において、内燃機関１０から排出された排ガスの温度Ｔ_１が温度センサ２６により計測される。そして、この温度センサ２６からの温度検出信号がＥＣＵ１２に送られ、排ガス温度Ｔ_１が所定値Ｔ_０未満である場合、ステップＳ１２に進み、第１触媒２２側に排ガスが流れるように切換え弁２８が切替えられる。また、排ガス温度Ｔ_１が所定値Ｔ_０以上である場合、ステップＳ１４に進み、第２触媒２４側に排ガスが流れるように切換え弁２８が切換えられる。ステップＳ１６では、各種センサにより内燃機関１０の負荷、回転速度等の運転情報（パラメータ）が検出される。そして、ＥＣＵ１２により運転中であるか否かが判断され、運転中であれば、再度ステップＳ１０に戻される。

次に、本発明の他の実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムについて説明する。

図３は、本発明の他の実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムの構成の一例を示す模式図である。図３に示すように、内燃機関の排気浄化システム２は、内燃機関１０と、ＥＣＵ１２と、排気浄化部３８とを有する。図３に示す内燃機関の排気浄化システム２において、図１に示す内燃機関の排気浄化システム１と同様の構成については同一の符号を付している。

図３に示すように排気浄化部３８は、第１触媒２２と、第２触媒２４と、ＨＣ・ＣＯ吸着材４０と、ＤＰＦ（ディーゼルパーティキュレートフィルタ）４２と、第１触媒２２及び第２触媒２４の上流側に排ガスの温度を検出する温度センサ２６、第１触媒２２側か第２触媒２４側かに排ガスの流れを切換える切換え手段としての切換え弁２８とを有する。

図３に示すように、ＨＣ・ＣＯ吸着材４０は、第１触媒２２の上流側に、ＨＣ及びＣＯ脱離温度に達するまでは排ガス中のＨＣ及びＣＯを吸着し、ＨＣ及びＣＯ脱離温度以上となると吸着していたＨＣ及びＣＯを脱離させるものである。本実施形態に用いられる第１触媒とＨＣ・ＣＯ吸着材４０との組み合わせは、第１触媒２２の排気浄化効率を向上させることができる点で好ましい。例えば、初めにＨＣ・ＣＯ吸着材４０から脱離されるＣＯを第１触媒２２が浄化することによって第１触媒２２の温度が上昇するため、第１触媒２２は、その後ＨＣ・ＣＯ吸着材４０から脱離されるＨＣを効率的に浄化することができる。

ＨＣ・ＣＯ吸着材４０を構成する材料としては、やしがら活性炭、ＰＡＮ系活性炭、ピッチ系活性炭、活性炭素繊維等の活性炭、フラーレン、カーボンナノチューブ等の炭素系材料、アルミナ、ゼオライト、シリカ、マグネシア、チタニア等のセラミック系材料を使用することができる。特に、大きな比表面積を有しＨＣ及びＣＯの吸着量が高い点で、炭素系材料を使用することが好ましい。

また、使用する炭素系材料の種類によって、ＨＣ・ＣＯの吸着・脱離する温度領域が異なる。そのため、炭素材料がＨＣ・ＣＯを吸着・脱離する温度領域、特にＨＣ・ＣＯを脱離する温度領域内に第１触媒の触媒活性温度が含まれることが好ましい。

図３に示すように、内燃機関の排気浄化システム２は、第１触媒２２及び第２触媒２４の下流側に、排気ガス中の粒状物質（高沸点のＨＣ等や炭素を主成分とするもの）を捕集し、大気への放出を抑制するＤＰＦ４２を備えることが好ましい。ＤＰＦ４２を構成する材料としては、例えば、コージェライト、シリカ、アルミナ等のセラミックス材料等で形成されるハニカム構造体を備えたいわゆるウォールフロー型等を使用することができる。

以下、本発明の他の実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムでは、上記説明したＨＣ・ＣＯ吸着材４０、ＤＰＦ４２を備えたものを例とするが、必ずしもＨＣ・ＣＯ吸着材、ＤＰＦを備える必要はない。

図４は、本発明の他の実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムの構成の一例を示す模式図である。図４に示すように、内燃機関の排気浄化システム３は、内燃機関１０と、ＥＣＵ１２と、排気浄化部４４とを有する。図４に示す内燃機関の排気浄化システム３において、図１に示す内燃機関の排気浄化システム１と同様の構成については同一の符号を付している。

図４に示すように排気浄化部４４は、第１触媒２２と、第２触媒２４と、バイパス路４６と、第１触媒２２及び第２触媒２４の上流側に排ガスの温度を検出する温度センサ２６、第１触媒２２側か第２触媒２４側かに排ガスの流れを切換える切換え手段としての切換え弁２８とを有する。

図４に示すように第２触媒２４は第１触媒２２より下流側に配置されている。そして、第１触媒２２に流れた排ガスは、第２触媒２４にも流れるように直列的に接続されている。このような構成にすることによって、所定値未満の温度を有する排ガスで第２触媒２４を温めることができるため、第２触媒２４が触媒活性温度に達するまでの時間を短縮することができる。すなわち、排ガスの流れが第２触媒２４側に切換わった直後でも、効率的に排ガスを浄化することができる。

図４に示すようにバイパス路４６は、第１触媒２２の上流側から分岐して第２触媒２４の上流側に合流するものである。このようなバイパス路４６は、所定値未満の温度で触媒活性を有する第１触媒２２の耐熱性を考慮し、所定値以上の温度の排ガスが、第１触媒２２側に流れることを防止するものである。

図２により、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化システム３の制御手順について説明する。図２に示すように、ステップＳ１０において、内燃機関１０から排出された排ガスの温度Ｔ_１が温度センサ２６により計測される。そして、この温度センサ２６からの温度検出信号がＥＣＵ１２に送られ、排ガス温度Ｔ_１が所定値Ｔ_０未満である場合、ステップＳ１２に進み、第１触媒２２側に排ガスが流れるように切換え弁２８が切換えられる。この際、上記説明したように第１触媒２２側に切換えられた排ガスは、第１触媒２２に流れた後、第２触媒２４に流れる。

また、排ガス温度Ｔ_１が所定値Ｔ_０以上である場合、ステップＳ１４に進み、第２触媒２４側に排ガスが流れるように切換え弁２８が切換えられる。この際、第１触媒２２側には排ガスは流れず、バイパス路４６を通り、第２触媒２４に流れる。ステップＳ１６では、各種センサによりエンジン負荷およびエンジン回転速度等の運転情報（パラメータ）が検出される。そして、ＥＣＵ１２により運転中であるか否かが判断され、運転中であれば、再度ステップＳ１０に戻される。

本実施形態の第１触媒２２、第２触媒２４及びバイパス路４６の配置は上記に必ずしも制限されるものではない。図５は、本発明の他の実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムの構成の一例を示す模式図である。図５に示す内燃機関の排気浄化システム４において、図４に示す内燃機関の排気浄化システム３と同様の構成については同一の符号を付している。

図５に示すように、排気浄化部４８の第１触媒２２が第２触媒２４より下流側に配置されている。そして、第１触媒２２に流れる排ガスは、第１触媒２２に流れる前に第２触媒２４にも流れるように直列的に接続されている。そして、バイパス路５０は、第２触媒２４の下流側であって、第１触媒２２の上流側から分岐して第１触媒２２の下流側に合流するものである。このバイパス路５０も上記同様に、所定値未満の温度で触媒活性を有する第１触媒２２の耐熱性を考慮し、所定値以上の温度の排ガスが、第１触媒２２側に流れることを防止するものである。

本実施形態に係る内燃機関の排気浄化システム４の制御手順は上記と同様であるが、図２に示すステップＳ１２において、第１触媒２２側に切換えられた排ガスは、第２触媒２４に流れた後、第１触媒２２に流れる。また、ステップＳ１４において、第２触媒側に切換えられた排ガスは、第１触媒２２側に流れないようにバイパス路５０を通る。

以上のように、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムにおいて、排ガスの温度が所定値未満の時は、排ガスが当該所定値温度未満の時に触媒活性を示す第１触媒側に流れるように、排ガスの温度が所定値以上の時は、排ガスが当該所定値温度以上の時に触媒活性を示す第２触媒側に流れるように切換えることにより、適切に排ガスを浄化することができる。特に、低負荷運転等で内燃機関から排出される排ガスの温度が低い場合でも、内燃機関から排出される排ガスを適切に浄化することができる。

また、第２触媒を第１触媒より下流側又は第１触媒を第２触媒より下流側に配置し、排ガス温度が所定値未満の時は、第１触媒及び第２触媒に排ガスを流すことによって、第２触媒を排ガスで温めることができるため、第２触媒が触媒活性を示す温度に達するまでの時間を短縮することができる。また、排ガス温度が所定値以上の時は、第２触媒にのみに排ガスを流すためのバイパス路を設けることによって、第１触媒の熱による劣化を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムの構成の一例を示す模式図である。 本実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムの制御手順の一例を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムの構成の一例を示す模式図である。 本発明の他の実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムの構成の一例を示す模式図である。 本発明の他の実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムの構成の一例を示す模式図である。

符号の説明

１〜４ 排気浄化システム、１０ 内燃機関、１４，３８，４４，４８ 排気浄化部、１６ 燃料噴射弁、１８ 燃焼室、２０ ピストン、２２ 第１触媒、２４ 第２触媒、
２６ 温度センサ、２８ 切換え弁、３０ 吸気通路、３２ 吸気バルブ、３４ 排気通路、３６ 排気バルブ、４０ ＨＣ・ＣＯ吸着材、４６ バイパス路、５０ バイパス路。

Claims (7)

1. 予混合圧縮着火燃焼と通常燃焼とを有する内燃機関と、前記内燃機関から排気される排ガスを浄化するための第１触媒及び第２触媒と、前記第１触媒側と前記第２触媒側との間で前記排ガスの流れを切換える切換え手段と、前記排ガスの温度が所定値未満の時は、前記排ガスが前記第１触媒側に流れるように、前記排ガスの温度が所定値以上の時は、前記排ガスが前記第２触媒側に流れるように前記切換え手段の切換えを制御する切換え制御手段とを有し、
   前記第１触媒は、前記排ガスの温度が所定値未満の時に触媒活性を示し、前記第２触媒は、前記排ガスの温度が所定値以上の時に触媒活性を示すことを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 請求項１記載の内燃機関の排気浄化システムであって、前記第２触媒は前記第１触媒より下流側に配置され、前記第１触媒の上流側から分岐して前記第２触媒の上流側に合流するバイパス路を有し、
   前記排ガスの温度が所定値未満の時に前記第１触媒側に切換えられた排ガスは、前記第１触媒に流れた後、前記第２触媒に流れ、前記排ガスの温度が所定値以上の時に前記第２触媒側に切換えられた排ガスは、前記バイパス路を通り、前記第２触媒に流れることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
3. 請求項１記載の内燃機関の排気浄化システムであって、前記第１触媒は前記第２触媒より下流側に配置され、前記第２触媒の下流側であって前記第１触媒の上流側から分岐して前記第１触媒の下流側に合流するバイパス路を有し、
   前記排ガスの温度が所定値未満の時に前記第１触媒側に切換えられた排ガスは、前記第１触媒に流れる前に前記第２触媒に流れ、前記排ガスの温度が所定値以上の時に前記第２触媒側に切換えられた排ガスは、前記第２触媒に流れた後、前記バイパス路を通ることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、前記内燃機関は、燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁を複数有し、前記燃料噴射弁の噴孔径は、０．０６〜０．１ｍｍの範囲であることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記第１触媒は酸化触媒であり、前記第２触媒はＮＯ_Ｘ触媒であることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、前記第１触媒は、ＣｅＯ_２を含む金属酸化物に貴金属が担持されたものであることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の排気浄化システムであって、前記第１触媒の上流側に、前記排ガス中のＨＣ及びＣＯを吸着し、温度上昇とともに前記吸着したＨＣ及びＣＯを離脱するＨＣ・ＣＯ吸着材を備え、前記ＨＣ・ＣＯ吸着材は炭素系材料であることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。

Images