JP2010007656A - 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、冷間始動時のような低温状態でも、排気ガス中のCOを確実に低減し、排気エミッションを向上させることを目的とする。
【解決手段】排気通路14には、排気ガスの流れ方向の上流側から下流側に向けて前段触媒16、CO吸着材18及びAg触媒20を順次配置する。また、Ag触媒20にオゾンを供給するオゾン発生器22を設ける。そして、ある程度の低温領域では、Ag触媒20とオゾンにより排気ガス中のCOを浄化する。また、オゾンを使用してもCO浄化率が低下する極端な低温領域では、排気ガス中のCOをCO吸着材18により吸着する。吸着されたCOは、吸着材18の温度がある程度上昇したときに、吸着材18から脱離し、Ag触媒20とオゾンにより浄化される。これにより、極端な低温を含む広い温度領域において、排気ガス中のCOを低減することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、内燃機関に好適に用いられる排気浄化装置に関し、特に、活性酸素を利用する構成とした内燃機関の排気浄化装置に関する。
従来技術として、例えば特許文献1(特開2007−152336号公報)に開示されているように、Agを触媒成分として含むAg触媒の直前にオゾンを添加する構成とした内燃機関の排気浄化装置が知られている。この排気浄化装置によれば、オゾンによりAg触媒の酸化能力を高め、排気ガス中に含まれるCOの浄化を促進することができる。
特開2007−152336号公報
ところで、上述した従来技術では、Ag触媒にオゾンを供給し、排気ガス中のCOを浄化する構成としている。Ag触媒は、オゾンとの共存状態において、100℃程度の低温からCOを浄化することができる。しかしながら、例えば100℃よりも低い温度領域においては、Ag触媒の活性が更に低下するため、オゾンを供給したとしても、CO浄化率を高めるのは難しい。
このため、従来技術では、Ag触媒にオゾンを供給するシステムであっても、例えば冷間始動時などに排気ガス中のCOを十分に浄化することができず、排気エミッションが悪化し易いという問題がある。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、冷間始動時のような低温状態でも、排気ガス中のCOを確実に低減させることができ、排気エミッションを向上させることが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的としている。
第1の発明は、内燃機関の排気ガスが流通する排気通路に設けられ、排気ガス中の一酸化炭素を吸着するCO吸着材と、
前記CO吸着材に対して排気ガスの流れ方向の下流側に配置され、活性酸素により酸化された状態で触媒活性温度以下のときに酸素が遊離可能となるメイン触媒と、
前記メイン触媒に活性酸素を供給する触媒用活性酸素供給手段と、
を備えることを特徴とする。
第2の発明によると、第1の発明において、
前記メイン触媒は、少なくともAgまたはAuを触媒成分として含む構成としている。
第3の発明は、第1または第2の発明において、
前記CO吸着材の温度を検出する吸着材温度検出手段と、
前記CO吸着材から一酸化炭素が脱離する脱離温度よりも前記CO吸着材の温度が高いときに、前記触媒用活性酸素供給手段により前記メイン触媒に活性酸素を供給する脱離対応制御手段と、
を備える構成としている。
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CO吸着材に吸着された一酸化炭素の吸着量を取得する吸着量取得手段と、
前記吸着量取得手段により取得した吸着量が前記CO吸着材の飽和吸着量に対応する飽和判定値よりも大きいときに、前記触媒用活性酸素供給手段により前記メイン触媒に活性酸素を供給する飽和対応制御手段と、
を備える構成としている。
第5の発明は、第4の発明において、
前記CO吸着材に流入する排気ガス中の一酸化炭素濃度を検出するCOセンサを備え、
前記吸着量取得手段は、前記COセンサの検出値を用いて前記一酸化炭素の吸着量を算出する構成としている。
第6の発明は、第4の発明において、
前記排気通路内の環境に応じて変化するパラメータを検出する検出手段と、
前記パラメータと排気ガス中の一酸化炭素濃度との関係をデータ化したCO濃度特性データと、を備え、
前記吸着量取得手段は、前記パラメータの検出値と前記CO濃度特性データとを用いて前記一酸化炭素の吸着量を算出する構成としている。
第7の発明によると、第6の発明において、
前記パラメータは、少なくとも内燃機関の運転状態に応じて変化する制御パラメータを含んでなる構成としている。
第8の発明は、第1乃至第7の発明の何れかにおいて、
前記CO吸着材の上流側で排気ガス中に活性酸素を供給する吸着材用活性酸素供給手段を備える構成としている。
第9の発明は、第8の発明において、
排気ガス中の炭化水素量または当該炭化水素量と関連するパラメータを取得する取得手段と、
前記炭化水素量と前記パラメータのうち少なくとも一方の取得値に応じて前記吸着材用活性酸素供給手段を制御し、前記CO吸着材の上流側に対する活性酸素の供給状態を変化させるHC対応制御手段と、
を備える構成としている。
第10の発明は、第9の発明において、
前記排気通路に設けられ、少なくとも排気ガス中の炭化水素を浄化する補助触媒と、
前記補助触媒の温度を前記パラメータとして検出する触媒温度検出手段と、を備え、
前記HC対応制御手段は、前記補助触媒の温度が当該触媒の活性化温度よりも低いときに、前記CO吸着材の上流側に活性酸素を供給する構成としている。
第11の発明によると、第10の発明において、
前記補助触媒は前記CO吸着材の上流側に配置し、前記吸着材用活性酸素供給手段は前記補助触媒と前記CO吸着材との間に活性酸素を供給する構成としている。
第12の発明は、第10または第11の発明において、
前記補助触媒の下流側における排気ガス中のHC濃度を取得するHC濃度取得手段を備え、
前記HC対応制御手段は、前記HC濃度取得手段により取得したHC濃度に応じて前記CO吸着材の上流側に供給する活性酸素の供給量を制御する構成としている。
第13の発明によると、第12の発明において、
前記HC濃度取得手段は、排気空燃比と、前記補助触媒の温度と、前記補助触媒のHC浄化率とを用いて前記HC濃度を算出する構成としている。
第14の発明は、第9乃至第13の発明の何れかにおいて、
排気ガスの空燃比を前記パラメータとして取得する空燃比取得手段を備え、
前記HC対応制御手段は、排気ガスの空燃比がリッチ状態となったときに、前記CO吸着材の上流側に活性酸素を供給する構成としている。
第15の発明は、第1乃至第9の発明の何れかにおいて、
前記排気通路に設けられ、排気ガス中の未浄化成分を浄化する補助触媒を備える構成としている。
第16の発明によると、第1乃至第15の発明の何れかにおいて、
前記活性酸素供給装置は、前記活性酸素としてオゾンを供給する構成としている。
第1の発明によれば、内燃機関がある程度の低温状態でも、メイン触媒と活性酸素により排気ガス中のCOを効率よく浄化することができる。また、活性酸素を使用してもメイン触媒のCO浄化率が低下する極端な低温領域では、CO吸着材により排気ガス中のCOを吸着することができる。これにより、例えば冷間始動時のように、メイン触媒の活性が低下した状態でも、この活性低下をCO吸着材により補うことができる。
そして、メイン触媒の温度がある程度上昇した後には、活性化したメイン触媒と活性酸素により、元々存在するCOだけでなく、吸着材から脱離したCOも効率よく浄化することができる。このため、極端な低温を含む広い温度領域において、排気ガス中のCOを確実に低減することができ、排気エミッションを安定的に向上させることができる。
第2の発明によれば、メイン触媒として、銀Ag及び/又は金Auを含む触媒を用いることができる。これらの触媒成分は、活性酸素の存在下で酸化されつつ、触媒活性温度以下のときに酸素を遊離させることができる。そして、遊離した酸素を排気ガス中の未浄化成分(CO等)と反応させることができる。これにより、低温でも未浄化成分を効率よく酸化し、排気ガスの浄化を行うことができる。
第3の発明によれば、脱離対応制御手段は、CO吸着材においてCOの脱離が生じるときにのみ、触媒用活性酸素供給手段を作動させることができる。また、COが脱離しない低温時には、触媒用活性酸素供給手段を停止させておくことができ、無駄な活性酸素の生成を防止することができる。従って、触媒用活性酸素供給手段の消費電力を低減し、省エネルギ化を図ることができる。
第4の発明によれば、吸着量取得手段は、CO吸着材に吸着された一酸化炭素の吸着量を取得することができる。飽和対応制御手段は、一酸化炭素の吸着量が飽和判定値を超えたときに、メイン触媒に活性酸素を供給することができる。これにより、排気ガス中のCO量がCO吸着材の吸着能力を超えた場合には、メイン触媒のCO浄化能力を活性酸素により向上させることができる。この結果、飽和状態となったCO吸着材からCOが流出した場合でも、メイン触媒と活性酸素によるCO浄化能力を利用して、吸着材を通り抜けたCOを確実に浄化することができる。従って、何らかの理由により排気ガス中の一酸化炭素濃度が高い状態が継続した場合でも、排気エミッションを良好に保持することができ、システムの信頼性を向上させることができる。
第5の発明によれば、吸着量取得手段は、COセンサにより排気ガス中の一酸化炭素濃度を検出することができる。これにより、例えば内燃機関の吸入空気量(≒排気ガスの流量)と、一酸化炭素濃度とを用いることにより、CO吸着材に吸着された一酸化炭素の吸着量を算出することができる。
第6の発明によれば、吸着量取得手段は、検出手段により検出したパラメータと、CO濃度特性データとを用いて、排気ガス中の一酸化炭素濃度を推定的に取得することができる。そして、この一酸化炭素濃度を用いて、前記第5の発明と同様の方法により一酸化炭素の吸着量を算出することができる。従って、COセンサ等を使用しなくても、飽和対応制御手段を作動させることができ、システムの構造を簡略化することができる。
この場合、排気ガス中の一酸化炭素濃度は、排気通路内の環境に応じて変化する。排気通路内の環境とは、内燃機関の運転状態だけでなく、例えばCO吸着材の上流側に配置された他の浄化機器(三元触媒、NOx吸蔵・還元触媒等)が一酸化炭素濃度に与える影響などである。一酸化炭素濃度を求めるためのパラメータとして、このような排気通路内の環境が反映されるものを用いることにより、各種の環境において排気ガス中の一酸化炭素濃度を正確に求めることができる。
第7の発明によれば、排気系統に配置された浄化機器等が一酸化炭素濃度に与える影響を考慮する必要がない場合には、内燃機関の運転状態に応じて変化する制御パラメータ(例えば燃料噴射量、排気空燃比等)と、CO濃度特性データとを用いて排気ガス中の一酸化炭素濃度を算出することができる。
第8の発明によれば、吸着材用活性酸素供給手段は、CO吸着材の上流側で排気ガス中に活性酸素を供給することができる。これにより、室温程度の極端な低温でも、活性酸素の強力な酸化力を利用して排気ガス中のHCを効率よく浄化することができる。また、この浄化時に生じたCOは、CO吸着材により吸着することができる。そして、吸着したCOは、元々存在するCOと一緒にメイン触媒上で浄化することができる。従って、排気ガス中のCOだけでなく、HCも低温から浄化することができ、排気浄化装置の性能を大幅に向上させることができる。
第9の発明によれば、排気ガス中の炭化水素量(HC量)が低いとき、または他のパラメータから炭化水素量が低いと推定されるときには、活性酸素の供給を停止させることができ、無駄な活性酸素の生成を防止することができる。また、排気ガス中のHC量が高くなったときには、CO吸着材の上流側に活性酸素を速やかに供給することができる。従って、活性酸素の供給,停止を適切なタイミングで行うことができ、吸着材用活性酸素供給手段を効率よく運転しつつ、排気エミッションを向上させることができる。
第10の発明によれば、補助触媒は、活性化した状態において、少なくとも排気ガス中のHCを浄化することができる。しかし、補助触媒の温度が活性化温度よりも低いときには、そのHC浄化能力が低下しているために、触媒下流側のHC量が増大すると判定することができる。そして、この場合には、HC対応制御手段によりCO吸着材の上流側に活性酸素を供給することができる。従って、活性酸素の供給,停止を適切なタイミングで行うことができる。
第11の発明によれば、補助触媒が十分に活性化していないときには、補助触媒を通過したHCをCO吸着材の手前側で分解することができる。この場合、補助触媒で浄化できなかったHCに応じて適量の活性酸素を供給すればよいから、活性酸素の供給量を最低限に抑えることができる。
第12の発明によれば、HC濃度取得手段により排気ガス中のHC濃度を取得することができるから、HC対応制御手段は、CO吸着材の上流側に供給する活性酸素の供給量をHC濃度に応じて適切に制御することができる。即ち、排気ガス中のHC濃度が高いときには、CO吸着材の上流側に活性酸素を速やかに供給したり、その供給量を増大させることができる。また、HC濃度が低いときには、活性酸素の供給を停止または減少させることができる。
第13の発明によれば、HC濃度取得手段は、例えば排気空燃比と排気ガス中のHC濃度との関係を示すマップデータを用いることにより、排気空燃比からHC濃度を求めることができる。また、例えば補助触媒の温度と、当該触媒のHC浄化率との関係を示すマップデータを用いることにより、触媒温度からHC浄化率を求めることができる。これらのHC濃度とHC浄化率とを乗算することにより、CO吸着材の上流側における排気ガス中のHC濃度を取得することができる。これにより、HC濃度センサ等を用いなくても、排気ガス中のHC濃度に応じてCO吸着材に対する活性酸素の供給量を適切に制御することができる。
第14の発明によれば、例えば排気空燃比が過剰なリッチ状態であるときには、排気空燃比が補助触媒のHC浄化ウィンドウを外れているために浄化率が低下し、触媒下流側のHC濃度が高くなると判定することができる。従って、この判定結果に応じて活性酸素の供給,停止を適切なタイミングで行うことができる。
第15の発明によれば、例えばメイン触媒のCO浄化率が低下する高温度領域では、補助触媒を活性化させることができ、補助触媒によりCOを効率よく浄化することができる。従って、補助触媒、CO吸着材およびメイン触媒は、CO浄化率が低下する温度領域を互いに補完することができ、広い温度領域でCO浄化率を高めることができる。
第16の発明によれば、活性酸素としてオゾンを用いることにより、上記第1乃至第15の発明の効果をより顕著に発揮させることができる。
実施の形態1.
[実施の形態1の構成]
以下、図1乃至図3を参照しつつ、本発明の実施の形態1について説明する。まず、図1は、実施の形態1のシステム構成を説明するための全体構成図を示している。図1に示すように、本実施の形態のシステムは、例えばディーゼルエンジンからなる内燃機関10を備えている。内燃機関10は、気筒内に吸入空気を吸込む吸気通路12と、気筒から排出された排気ガスが流れる排気通路14とを備えている。
排気通路14には、本実施の形態の補助触媒を構成する前段触媒16と、CO吸着材18と、Ag触媒20とが設けられている。前段触媒16は、例えば三元触媒、NOx吸蔵・還元触媒等により構成されている。三元触媒は、例えばPt、Pd、Rh等の金属をセラミックス材料に担持させた一般的に公知な触媒である。そして、前段触媒16は、300℃以上の高い温度で活性化する。活性化した前段触媒16は、排気空燃比が理論空燃比に近い状態において、排気ガス中に含まれる炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、酸化窒素(NOx)等の未浄化成分を浄化することができる。
CO吸着材18は、例えばAg−ZSM5、Cu−ZSM5等のように、イオン交換したゼオライトにより構成されており、前段触媒16に対して排気ガスの流れ方向の下流側に配置されている。そして、CO吸着材18は、例えば室温から100℃程度までの極端な低温領域において、排気ガス中のCOを吸着する。吸着されたCOは、CO吸着材18が所定の脱離温度よりも高温となったときに、CO吸着材18から脱離する。
この場合、Ag−ZSM5、Cu−ZSM5等の脱離温度は、ゼオライトを構成する珪素とアルミニウムの比率等に応じて変化する。本実施の形態に示す一例において、Ag−ZSM5の脱離温度は145℃程度に設定されており、Cu−ZSM5の脱離温度は150℃程度に設定されている。なお、本明細書において、「吸着」という用語には、「吸蔵」、「吸収」、「保持」等に類似するすべての概念が含まれるものとする。
一方、Ag触媒20は、CO吸着材18の下流側に配置されている。Ag触媒20は、少なくとも銀(Ag)を触媒成分として含む触媒の総称であり、本実施の形態では、その一例として、アルミナに銀を担持させたものを用いている。そして、Ag触媒20は、例えば100℃以上の温度領域において、オゾンと反応することにより、CO吸着材18から脱離したCOを効率よく浄化することができる。
なお、本実施の形態では、メイン触媒の一例としてAg触媒20を例に挙げたが、本発明はこれに限らず、例えばAu(金)を触媒成分として含むAu触媒を用いてもよい。また、本発明の触媒は、活性酸素の存在下で酸化されつつ、触媒活性温度以下のときに酸素を遊離させることが可能であれば、Ag,Au以外の触媒成分を含むものでもよい。
また、本実施の形態のシステムは、触媒用活性酸素供給手段としてのオゾン発生器22を備えている。オゾン発生器22は、Ag触媒20の上流側に配置されたオゾン供給口24を備えており、このオゾン供給口24からAg触媒20にオゾン(O)を供給するものである。また、オゾン発生器22としては、高電圧を印加可能な放電管内に、原料となる乾燥した空気または酸素を流しつつオゾンを発生させる形態や、他の任意の形式のものを用いることができる。この場合、原料となる乾燥した空気または酸素は、排気通路14の外部から取込まれる外気等の気体である。
さらに、本実施の形態のシステムは、A/Fセンサ26と吸着材温度センサ28を含むセンサ系統と、内燃機関10を運転制御するECU(Electronic Control Unit)30とを備えている。A/Fセンサ26は、前段触媒16の上流側で排気通路14に設けられており、この位置で排気ガスの空燃比(排気空燃比)を検出する。また、吸着材温度センサ28は、本実施の形態の温度検出手段を構成しており、CO吸着材18の温度を検出する。
センサ系統には、上記センサ26,28以外にも、内燃機関10のクランク角を検出するクランク角センサ、吸入空気量を検出するエアフロメータ、冷却水の温度を検出する水温センサ等が含まれている。一方、内燃機関10は、燃料噴射弁、点火プラグ等を含む各種のアクチュエータを備えている。
そして、ECU30は、センサ系統により内燃機関の運転状態を検出しつつ、各アクチュエータを制御する。この制御には、A/Fセンサ26により検出される排気空燃比が理論空燃比となるように、燃料噴射量を制御する空燃比フィードバック制御が含まれている。また、ECU30は、上記運転制御と並行してオゾン発生器22の作動状態を制御することにより、後述の脱離対応制御を実施する。
[実施の形態1の特徴]
本実施の形態では、Ag触媒20にオゾンを供給することにより、排気ガス中のCOを浄化する構成としている。Ag触媒20とオゾンが共存する状態では、触媒のCO酸化活性が低温から発現する。図2は、Ag触媒の温度とCO浄化率との関係を示している。
この図に示すように、Ag触媒20は、オゾンが共存していると、例えば100〜250℃程度の比較的低温な領域において、排気ガス中のCOを効率よく浄化することができる。この現象は、触媒20中のAgがオゾンと反応することにより、強力な酸化剤であるAg2OまたはAgOに変化し、これらの酸化剤によりCOがCO2に酸化されるものと考えられる。従って、Ag触媒20によれば、前段触媒16が不活性状態となる低温領域でも、高いCO浄化率を得ることができる。
しかし、オゾンが共存したとしても、室温から100℃程度までの極端な低温領域では、Ag触媒20のCO浄化率が低下する。このため、本実施の形態では、Ag触媒20の上流側にCO吸着材18を配置する構成としている。この構成によれば、オゾンを使用してもAg触媒20のCO浄化率が低下する極端な低温領域では、CO吸着材18により排気ガス中のCOを吸着することができる。
(脱離対応制御)
また、機関の暖機が進むことにより、CO吸着材18の温度が前述の脱離温度に達すると、CO吸着材18に吸着されていたCOは脱離し、排気ガス中に放出されるようになる。このため、本実施の形態では、以下に述べる脱離対応制御を実施することにより、COの脱離が生じる温度領域ではAg触媒20にオゾンを供給する。
図3は、ECU30により実行される脱離対応制御のフローチャートを示している。脱離対応制御では、まず、吸着材温度センサ28によりCO吸着材18の温度を検出する(ステップ100)。そして、CO吸着材18の温度が脱離温度よりも高いか否かを判定する(ステップ102)。この脱離温度は、前述したように、CO吸着材18の種類に応じて定まるものであり、ECU30に予め記憶されている。
上記判定が成立したときには、脱離温度よりも高温となった吸着材18からCOが脱離し、このCOは排気ガスと共にAg触媒20に向けて流通する。そこで、この場合には、オゾン発生器22を作動させることにより、Ag触媒20にオゾンを供給する(ステップ104)。この結果、Ag触媒20は、オゾンと反応しつつ、脱離したCOを効率よく浄化することができる。
また、上記判定が不成立のときには、COの脱離が生じないので、オゾン発生器22を停止状態に保持し、Ag触媒20にオゾンを供給しない(ステップ106)。このように、COの脱離が生じるときにのみ、オゾン発生器22を作動させることができる。また、COが脱離しない低温時には、オゾン発生器22を停止させておくことができ、無駄なオゾンの生成を防止することができる。従って、オゾン発生器22の消費電力を低減し、省エネルギ化を図ることができる。
以上詳述した通り、本実施の形態では、例えば冷間始動時のようにAg触媒20の活性が低下した状態でも、この活性低下をCO吸着材18により補うことができる。そして、Ag触媒20の温度がある程度上昇した後には、活性化したAg触媒20とオゾンにより、元々存在するCOだけでなく、吸着材18から脱離したCOも効率よく浄化することができる。このため、極端な低温を含む広い温度領域において、排気ガス中のCOを確実に低減することができ、排気エミッションを安定的に向上させることができる。
一方、図2に示すように、Ag触媒20の温度が300℃程度になると、CO浄化率は低下する。この場合、浄化率低下の一因は、高温になるにつれてオゾンの熱分解率が高くなるためと考えられる。そこで、本実施の形態では、三元触媒等からなる前段触媒16を併用する構成としている。
この構成によれば、Ag触媒20のCO浄化率が低下する高温度領域では、前段触媒16が活性化するので、前段触媒16によりCOを効率よく浄化することができる。従って、前段触媒16、CO吸着材18及びAg触媒20は、CO浄化率が低下する温度領域を互いに補完することができ、広い温度領域でCO浄化率を高めることができる。
実施の形態2.
次に、図4乃至図6を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。なお、本実施の形態では、前記実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
[実施の形態2の特徴]
図4は、本実施の形態によるシステム構成を示す全体構成図である。本実施の形態のシステムは、実施の形態1とほぼ同様に、オゾン発生器40を備えている。しかし、オゾン発生器40は、2つのオゾン供給口42,44を備えている点で、実施の形態1と構成が異なっている。
ここで、吸着材用オゾン供給口42は、前段触媒16とCO吸着材18との間で排気通路14に設けられており、CO吸着材18の上流側で排気ガス中にオゾンを供給する。また、触媒用オゾン供給口44は、実施の形態1におけるオゾン供給口24と同様に構成されている。これらのオゾン供給口42,44は、ECU30からオゾン発生器40に入力される制御信号に応じて、それぞれ異なるタイミングでオゾンを供給することが可能となっている。即ち、オゾン発生器40は、本実施の形態における触媒用活性酸素供給手段と吸着材用活性酸素供給手段を兼用している。
また、本実施の形態のシステムは、触媒温度検出手段としての触媒温度センサ46と、HC濃度取得手段としてのHC濃度センサ48とを備えている。触媒温度センサ46は、前段触媒16の温度(床温)を検出するものである。また、HC濃度センサ48は、CO吸着材18の上流側で排気通路14に設けられている。そして、HC濃度センサ48は、前段触媒16の下流側で排気ガス中に含まれるHCの濃度を検出する。
(HC対応制御)
本実施の形態では、オゾンの酸化力を利用して、排気ガス中のCOだけでなく、HCも分解する。図5は、HCをオゾンにより分解したときに生じる生成物を示している。この図に示すように、オゾンは強力な酸化力を有しているため、室温程度の極端な低温でもHCを分解することができる。HCの分解により生じた生成物中には、CO、CO2等が含まれており、生成したCOの濃度は、図5に示す実験例において、10〜20%程度となっている。
そこで、ECU30は、後述の制御開始条件が成立したときに、HC対応制御を実施する。このHC対応制御では、オゾン発生器40を作動させることにより、吸着材用オゾン供給口42からCO吸着材18の上流側にオゾンを供給する。これにより、CO吸着材18の上流側では、排気ガス中のHCがオゾンにより分解され、その一部がCOとなる。このCOは、実施の形態1の場合と同様に、吸着材18に一旦吸着された後に、Ag触媒20とオゾンにより浄化される。
ここで、HC対応制御の制御開始条件は、排気ガス中のHC濃度が通常よりも高い状態であるか、またはHC濃度が通常よりも高くなると予測される状態に対応して予め設定されている。制御開始条件の具体例を挙げれば、(1)排気ガス中のHC濃度が許容限度を超えたとき、(2)前段触媒16の温度が当該触媒の活性化温度よりも低いとき、(3)排気空燃比が過度のリッチ状態であるとき、などである。
この場合、前記条件(1)における許容限度は、排気エミッション等の制約により定められている。また、条件(2)は、前段触媒16が不活性であるために排気ガス中のHC濃度が上昇し易くなる状態を検出する。さらに、三元触媒である前段触媒16は、排気空燃比が過度のリッチ状態となった場合に、HCの浄化能力が低下する。条件(3)は、この浄化能力の低下によりHC濃度が上昇し易くなる状態を検出するものである。
そして、ECU30は、前記条件(1)〜(3)の何れかが成立した場合に、CO吸着材18の上流側にオゾンを供給し、それ以外の場合にはオゾンの供給を停止する。即ち、ECU30は、前段触媒16の下流側におけるHC濃度や、このHC濃度に影響を与える触媒温度、排気空燃比等のパラメータを取得し、これらの取得値に応じてオゾンの供給量を制御するものである。
なお、本実施の形態では、HC濃度、触媒温度、排気空燃比等に応じてオゾンを供給状態と停止状態の2値に切換えるものとした。しかし、本発明はこれに限らず、例えばHC濃度、触媒温度、排気空燃比等に応じてオゾンの供給量を連続的または段階的に変化させる構成としてもよい。
また、本実施の形態では、オゾンの供給量を変化させるパラメータとして、HC濃度、触媒温度および排気空燃比を用いるものとした。しかし、本発明はこれに限らず、HC濃度、触媒温度および排気空燃比のうち何れか1つまたは2つのパラメータに応じてオゾンの供給量を変化させる構成としてもよい。さらに、本発明は、パラメータの種類についても、上述のHC濃度、触媒温度および排気空燃比に限定するものではない。即ち、HC濃度と関連するものであれば、例えば燃料噴射量や冷却水温のような他のパラメータに応じてオゾンの供給量を変化させる構成としてもよい。
さらに、本実施の形態では、HC濃度センサ48によりHC濃度を取得する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば排気空燃比と、補助触媒(前段触媒16)の温度と、補助触媒のHC浄化率とを用いてHC濃度を求める構成としてもよい。この構成の一例を挙げれば、まず、ECU30には、排気空燃比と排気ガス中のHC濃度との関係を示す第1のマップデータを予め記憶させておく。また、ECU30には、補助触媒の温度と、当該触媒のHC浄化率との関係を示す第2のマップデータも記憶させておく。これらのマップデータは、実験等により容易に求められるものである。
そして、ECU30は、排気空燃比に応じて第1のマップデータから排気ガス中のHC濃度を求める。また、補助触媒の温度に応じて第2のマップデータから触媒のHC浄化率を求める。これらのHC濃度とHC浄化率との乗算値は、補助触媒の下流側におけるHC濃度となる。従って、上記算出方法をHC濃度取得手段として、CO吸着材18の上流側における排気ガス中のHC濃度を取得することができる。これにより、HC濃度センサ48を用いなくても、排気ガス中のHC濃度に応じてCO吸着材18に対するオゾンの供給量を適切に制御することができる。
[実施の形態2を実現するための具体的な処理]
図6は、本実施の形態において実行されるHC対応制御のフローチャートを示している。なお、本実施の形態では、実施の形態1によるフローチャート(図3)と並行して、図6のフロチャートを実行するものとする。
図6のルーチンでは、まず、HC濃度センサ48により排気ガス中のHC濃度dを検出する(ステップ200)。また、触媒温度センサ46により前段触媒16の温度Tcを検出し、A/Fセンサ26により排気空燃比を検出する(ステップ202,204)。
次に、HC濃度dが前述の許容濃度を超えているか否かを判定する(ステップ206)。また、温度Tcが前段触媒16の活性化温度よりも低いか否かを判定し(ステップ208)、更に排気空燃比が過度のリッチ状態であるか否かを判定する(ステップ210)。
そして、上記ステップ206〜210の何れかで判定が成立したときには、前段触媒16の下流側に比較的多量のHCが到達している。この状態は、前段触媒16のHC浄化能力が不十分であるか、または浄化能力を超えた量のHCが排気ガス中に含まれていると判断される。そこで、この場合には、オゾン発生器40を作動させ、オゾン供給口42からCO吸着材18の上流側にオゾンを供給する(ステップ212)。この場合、本実施の形態では、前段触媒16で浄化できなかったHCに応じて適量のオゾンを供給すればよいから、オゾンの供給量を最低限に抑えることができる。
また、ステップ206〜210の判定が何れも成立しないときには、排気ガス中のHCが前段触媒16により十分に浄化されている。従って、この場合には、オゾン供給口42によるオゾンの供給を停止する(ステップ214)。一方、オゾン供給口44からAg触媒20に対するオゾンの供給は、実施の形態1と同様に、CO吸着材18の温度が脱離温度よりも高くなったときに実施されるものである。
上述したように、本実施の形態によれば、CO吸着材18の上流側にオゾンを供給することができる。これにより、低温であっても、オゾンの酸化力を利用して排気ガス中のHCを効率よく浄化することができる。この浄化時に生じたCOは、吸着材18により吸着することができる。そして、吸着したCOは、実施の形態1と同様の脱離対応制御を行うことにより、排気ガス中に元々含まれていたCOと一緒にAg触媒20上で浄化することができる。従って、排気ガス中のCOだけでなく、HCも低温から浄化することができ、排気浄化装置の性能を大幅に向上させることができる。
また、本実施の形態では、HC濃度、触媒温度、排気空燃比等に応じてCO吸着材18の上流側に対するオゾンの供給状態を変化させる構成としている。この場合、前段触媒16の温度が低いときには、そのHC浄化能力が低下しているために、触媒下流側のHC濃度が高くなると判定することができる。また、排気空燃比が過剰なリッチ状態であるときには、排気空燃比が前段触媒16のHC浄化ウィンドウを外れているために浄化率が低下し、触媒下流側のHC濃度が高くなると判定することができる。
そして、排気ガス中のHC濃度が低いときには、オゾンの供給を停止させることができ、無駄なオゾンの生成を防止することができる。また、排気ガス中のHC濃度が高くなったときには、CO吸着材18の上流側にオゾンを速やかに供給することができる。従って、オゾンの供給,停止を適切なタイミングで行うことができ、オゾン発生器40を効率よく運転しつつ、排気エミッションを向上させることができる。
実施の形態3.
次に、図7乃至図9を参照して、本発明の実施の形態3について説明する。なお、本実施の形態では、前記実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
[実施の形態3の特徴]
図7は、本発明の実施の形態3によるシステム構成を示す全体構成図である。本実施の形態のシステムは、前記実施の形態1とほぼ同様の構成を採用しているものの、COセンサ60を備えており、この点で実施の形態1と構成が異なっている。COセンサ60は、CO吸着材18の上流側で排気通路14に配置されており、この位置で排気ガス中のCO濃度を検出する。COセンサ60の出力は、吸着材18により吸着されたCOの吸着量Qaを取得するために用いられる。
(飽和対応制御)
図8は、CO吸着材の稼働時間とCO通過率との関係を示す特性線図である。CO通過率とは、CO吸着材18に流入したCOのうち、吸着されずに流出するCOの割合を示している。ここで、CO吸着材18は、吸着量の限界値(吸着飽和量)を有しており、この吸着飽和量よりも多量のCOを吸着することはできない。また、実際の吸着量が吸着飽和量に近くなると、CO吸着材18の吸着能力は徐々に低下する。
このため、吸着材18のCO通過率は、図8に示すように、ある時点までは0%であるが、その後は稼働時間が長くなるにつれて徐々に増大する。そして、例えば稼動開始から4分程度の時間が経過した時点で、実際の吸着量が吸着飽和量に達すると、CO通過率は100%となり、殆ど全てのCOが吸着材18を通り抜けるようになる。そして、吸着材18を通過したCOは、Ag触媒20の位置に到達する。
このため、本実施の形態では、吸着材18のCO吸着量Qaが飽和判定値Q0を超えたときに、Ag触媒20にオゾンを供給する飽和対応制御を行う構成としている。ここで、CO吸着量Qaの取得方法について説明すると、まず、ECU30は、COセンサ60によりCO濃度を検出しつつ、エアフロメータにより吸入空気量(≒排気ガスの流量)を検出する。そして、これらのCO濃度と排気ガスの流量とを用いて単位時間当りのCO流量を算出する。さらに、例えば一定の時間毎に算出したCO流量を積算することにより、CO吸着材18に吸着されたCOの総吸着量であるCO吸着量Qaを取得する。なお、CO吸着量Qaの積算処理は、内燃機関の運転中に継続的に実行される。また、CO吸着量Qaは、吸着材18の温度が前述したCOの脱離温度に達したときに、零にリセットされる。
一方、飽和判定値Q0は、CO吸着材18の飽和吸着量に対応する判定値であり、ECU30に予め記憶されている。より詳しく述べると、飽和判定値Q0は、図8中の領域(A)+領域(B)において、吸着材18に吸着されたCOの総量として設定される。この領域(A)+領域(B)は、吸着材18がCOの吸着を開始してから飽和状態となるまでの期間に対応している。
さらに言えば、上記領域(B)では、吸着量が飽和状態に近づくことにより、吸着材18の吸着性能が低下し、CO通過率が徐々に増大している。このため、飽和判定値Q0は、CO通過率が0%に維持される領域(A)のみで吸着されたCOの総量として設定するのが好ましい。このように求められる飽和判定値Q0の具体例を挙げれば、例えば前述したAg−ZSM5の飽和判定値Q0は0.63(mmol/g)程度である。また、Cu−ZSM5の飽和判定値Q0は、0.61(mmol/g)程度である。
また、CO吸着材18の実際の吸着飽和量は、例えば連続使用による吸着材の劣化状態や、吸着材に流入するHO等の吸着阻害ガス成分によって変化する。このため、飽和対応制御では、吸着材18の劣化状態や吸着阻害ガス成分の流入状態等に応じて、飽和判定値Q0を変化させる構成としてもよい。
上述したように、飽和対応制御によれば、吸着材18のCO吸着量Qaが飽和判定値Q0を超えたときに、Ag触媒20にオゾンを供給することができる。これにより、排気ガス中のCO量が吸着材18の吸着能力を超えた場合には、Ag触媒20のCO浄化能力をオゾンにより向上させることができる。この結果、飽和状態となった吸着材18からCOが流出した場合でも、Ag触媒20とオゾンによるCO浄化能力を利用して、吸着材18を通り抜けたCOを確実に浄化することができる。従って、何らかの理由により排気ガス中のCO濃度が高い状態が継続した場合でも、排気エミッションを良好に保持することができ、システムの信頼性を向上させることができる。
[実施の形態3を実現するための具体的な処理]
図9は、本発明の実施の形態3において実行される飽和対応制御のフローチャートを示している。飽和対応制御では、まず、前述した処理により、CO吸着量Qaを取得する(ステップ300)。そして、CO吸着量Qaが飽和判定値Qよりも大きいか否かを判定する(ステップ302)。この判定が成立したときには、オゾン発生器22を作動させることにより、Ag触媒20にオゾンを供給する(ステップ304)。また、前記判定が不成立のときには、Ag触媒20へのオゾン供給を実施しない(ステップ306)。
実施の形態4.
次に、図10を参照して、本発明の実施の形態4について説明する。本実施の形態のシステムは、前記実施の形態3とほぼ同様の構成および制御(図7,図9)を採用しているものの、COセンサ60は廃止している。
[実施の形態4の特徴]
図10は、本発明の実施の形態4において、内燃機関の空燃比(A/F)と排気ガス中のCO濃度との関係を示す特性線図である。この図中の実測値(個々の点)に示すように、A/FとCO濃度との間には相関関係がある。図10中のCO濃度特性データは、両者の相関関係をデータ化したものであり、例えば任意のA/Fにおいて生じ得るCO濃度のほぼ最大値を与えるように設定されている。本実施の形態において、図10中に示すCO濃度特性データは、ECU30に予め記憶されている。
これにより、ECU30は、A/Fセンサ26により検出した排気ガスの空燃比と、CO濃度特性データとに基づいて、排気ガス中のCO濃度を推定的に取得することができる。この場合、空燃比は、内燃機関の運転状態に応じて変化する制御パラメータであり、A/Fセンサ26は、空燃比を検出する検出手段を構成している。そして、飽和対応制御では、推定的に取得したCO濃度と、エアフロメータにより検出した吸入空気量とを用いて、前記第3の実施の形態と同様の方法により単位時間当りのCO流量を算出し、更にCO吸着量Qaを取得することができる。
従って、本実施の形態によれば、前記第3の実施の形態で用いたCOセンサ60等を使用しなくても、飽和対応制御を実現することができ、システムの構造を簡略化することができる。なお、CO濃度を推定するための制御パラメータとしては、排気ガスの空燃比に加えて、吸入空気量、燃料噴射量、内燃機関の温度等を用いる構成としてもよい。
また、排気ガス中のCO濃度は、排気通路14内の環境に応じて変化する。排気通路内の環境とは、内燃機関の運転状態(例えば燃料噴射量、排気空燃比等)だけでなく、CO吸着材18の上流側に配置された前段触媒16(三元触媒、NOx吸蔵・還元触媒等)がCO濃度に与える影響も含むものである。CO濃度を求めるためのパラメータとして、このような排気通路14内の環境が反映されるもの(具体例としては、燃料噴射量、排気空燃比等に加えて、前段触媒16のCO浄化特性など)を用いることにより、各種の環境において排気ガス中のCO濃度を正確に求めることができる。
なお、前記実施の形態1では、図3中に示すステップ100〜106が脱離対応制御手段の具体例を示している。また、実施の形態2では、図6中に示すステップ200〜204が取得手段の具体例を示し、ステップ206〜212はHC対応制御手段の具体例を示している。さらに、実施の形態3では、図9中のステップ300が吸着量取得手段の具体例を示し、ステップ302〜306が飽和対応制御手段の具体例を示している。
また、前記実施の形態2では、2つのオゾン供給口42,44を有するオゾン発生器40を用いる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば実施の形態1と同様のオゾン発生器22を2台用意し、これらのオゾン発生器をCO吸着材18の上流側とAg触媒20の上流側にそれぞれ配置する構成としてもよい。
また、実施の形態2では、HC濃度センサ48によりHCの濃度を検出する構成を例示した。しかし、本発明はこれに限らず、例えばECU30により、内燃機関の運転状態に応じて排気ガス中のHC濃度を推定する構成としてもよい。
さらに、本発明では、図11に示す変形例のように、実施の形態2,3を組合わせる構成としてもよい。この変形例では、脱離対応制御により吸着材18の温度に応じてAg触媒20にオゾンを供給すると共に、飽和対応制御により吸着材18のCO吸着量Qaに応じてAg触媒20にオゾンを供給する。また、これらの制御と並行して、HC対応制御により必要に応じてCO吸着材18の上流側にオゾンを供給する構成となっている。これと同様に、本発明では、実施の形態1,3の組合わせ、実施の形態1,4の組合わせ、および実施の形態2,4の組合わせを実現する構成としてもよい。
一方、実施の形態では、補助触媒として、三元触媒からなる前段触媒16を例に挙げて説明した。しかし、本発明の補助触媒はこれに限らず、例えばNOx触媒を用いてもよく、さらに他の触媒を用いる構成としてもよい。
また、本発明は、補助触媒の位置についても、実施の形態に限定するものでない。即ち、補助触媒は、CO吸着材18とAg触媒20との間に配置してもよく、またAg触媒20の下流側に配置する構成としてもよい。そして、補助触媒をAg触媒20の上流側または下流側に配置する場合には、補助触媒とAg触媒20とを一体化してもよい。さらに、本発明は、必ずしも補助触媒を必要とするものではなく、補助触媒を搭載しないシステムにも広く適用することができる。
また、実施の形態では、Ag触媒20を用いる構成としたが、本発明の触媒は、Ag触媒に限定されるものではない。より詳しく述べると、本発明では、少なくともオゾンにより酸化された状態で、触媒活性温度以下のときに酸素を遊離させることが可能であれば(つまり、酸化された状態から酸素が遊離して元の状態に戻り易い材料であれば)、任意の触媒をメイン触媒として用いることができる。従って、本発明のメイン触媒としては、例えばAuを触媒成分として含むAu触媒を用いてもよく、更にはCu、Pt、Rh等の金属成分、金属錯体、有機触媒等を触媒成分として含む各種の触媒を広く用いることができる。
また、実施の形態では、排気ガス中に添加する活性酸素として、オゾンを例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、オゾンに代えて、他の種類の活性酸素(例えば、O-,O2-,O2 -,O3 -,On -等で表される酸素マイナスイオン)を排気ガス中に添加するようにしてもよい。
また、実施の形態では、オゾン発生器22,40を排気ガスの流路外に設け、CO吸着材18とAg触媒20とからなる2つの浄化機器とは別個に配置する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、オゾン発生器を排気ガスの流路中に配置したり、浄化機器の内部に配置する構成としてもよい。そして、このような配置を採用した場合には、例えば排気ガスの流路中や浄化機器の内部で高電圧放電等によりプラズマを発生させ、これにより活性酸素(オゾン等)を生成する構成としてもよい。
さらに、実施の形態では、ディーゼルエンジンからなる内燃機関10に適用する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、例えばガソリンエンジン等を含めて各種の内燃機関に広く適用し得るものである。
本発明の実施の形態1によるシステム構成を示す全体構成図である。 Ag触媒の温度とCO浄化率との関係を示す特性線図である。 本発明の実施の形態1において実行される脱離対応制御のフローチャートである。 本発明の実施の形態2によるシステム構成を示す全体構成図である。 HCをオゾンにより分解したときに生じる生成物を示す説明図である。 本発明の実施の形態2において実行されるHC対応制御のフローチャートである。 本発明の実施の形態3によるシステム構成を示す全体構成図である。 CO吸着材の稼働時間とCO通過率との関係を示す特性線図である。 本発明の実施の形態3において実行される飽和対応制御のフローチャートである。 本発明の実施の形態4において、内燃機関の空燃比と排気ガス中のCO濃度との関係を示す特性線図である。 本発明の変形例によるシステム構成を示す全体構成図である。
符号の説明
10 内燃機関
12 吸気通路
14 排気通路
16 前段触媒(補助触媒)
18 CO吸着材
20 Ag触媒(メイン触媒)
22,40 オゾン発生器(活性酸素供給手段)
24,42,44 オゾン供給口
26 A/Fセンサ
28 吸着材温度センサ(吸着材温度検出手段)
30 ECU
46 触媒温度センサ(触媒温度検出手段)
48 HC濃度センサ(HC濃度取得手段)
60 COセンサ

Claims (16)

  1. 内燃機関の排気ガスが流通する排気通路に設けられ、排気ガス中の一酸化炭素を吸着するCO吸着材と、
    前記CO吸着材に対して排気ガスの流れ方向の下流側に配置され、活性酸素により酸化された状態で触媒活性温度以下のときに酸素が遊離可能となるメイン触媒と、
    前記メイン触媒に活性酸素を供給する触媒用活性酸素供給手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記メイン触媒は、少なくともAgまたはAuを触媒成分として含む構成としてなる請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記CO吸着材の温度を検出する吸着材温度検出手段と、
    前記CO吸着材から一酸化炭素が脱離する脱離温度よりも前記CO吸着材の温度が高いときに、前記触媒用活性酸素供給手段により前記メイン触媒に活性酸素を供給する脱離対応制御手段と、
    を備えてなる請求項1または2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記CO吸着材に吸着された一酸化炭素の吸着量を取得する吸着量取得手段と、
    前記吸着量取得手段により取得した吸着量が前記CO吸着材の飽和吸着量に対応する飽和判定値よりも大きいときに、前記触媒用活性酸素供給手段により前記メイン触媒に活性酸素を供給する飽和対応制御手段と、
    を備えてなる請求項1乃至3のうち何れか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 前記CO吸着材に流入する排気ガス中の一酸化炭素濃度を検出するCOセンサを備え、
    前記吸着量取得手段は、前記COセンサの検出値を用いて前記一酸化炭素の吸着量を算出する構成としてなる請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 前記排気通路内の環境に応じて変化するパラメータを検出する検出手段と、
    前記パラメータと排気ガス中の一酸化炭素濃度との関係をデータ化したCO濃度特性データと、を備え、
    前記吸着量取得手段は、前記パラメータの検出値と前記CO濃度特性データとを用いて前記一酸化炭素の吸着量を算出する構成としてなる請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 前記パラメータは、少なくとも内燃機関の運転状態に応じて変化する制御パラメータを含んでなる請求項6に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  8. 前記CO吸着材の上流側で排気ガス中に活性酸素を供給する吸着材用活性酸素供給手段を備えてなる請求項1乃至7のうち何れか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  9. 排気ガス中の炭化水素量または当該炭化水素量と関連するパラメータを取得する取得手段と、
    前記炭化水素量と前記パラメータのうち少なくとも一方の取得値に応じて前記吸着材用活性酸素供給手段を制御し、前記CO吸着材の上流側に対する活性酸素の供給状態を変化させるHC対応制御手段と、
    を備えてなる請求項8に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  10. 前記排気通路に設けられ、少なくとも排気ガス中の炭化水素を浄化する補助触媒と、
    前記補助触媒の温度を前記パラメータとして検出する触媒温度検出手段と、を備え、
    前記HC対応制御手段は、前記補助触媒の温度が当該触媒の活性化温度よりも低いときに、前記CO吸着材の上流側に活性酸素を供給する構成としてなる請求項9に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  11. 前記補助触媒は前記CO吸着材の上流側に配置し、前記吸着材用活性酸素供給手段は前記補助触媒と前記CO吸着材との間に活性酸素を供給する構成としてなる請求項10に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  12. 前記補助触媒の下流側における排気ガス中のHC濃度を取得するHC濃度取得手段を備え、
    前記HC対応制御手段は、前記HC濃度取得手段により取得したHC濃度に応じて前記CO吸着材の上流側に供給する活性酸素の供給量を制御する構成としてなる請求項10または11に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  13. 前記HC濃度取得手段は、排気空燃比と、前記補助触媒の温度と、前記補助触媒のHC浄化率とを用いて前記HC濃度を算出する構成としてなる請求項12に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  14. 排気ガスの空燃比を前記パラメータとして取得する空燃比取得手段を備え、
    前記HC対応制御手段は、排気ガスの空燃比がリッチ状態となったときに、前記CO吸着材の上流側に活性酸素を供給する構成としてなる請求項9乃至13のうち何れか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  15. 前記排気通路に設けられ、排気ガス中の未浄化成分を浄化する補助触媒を備えてなる請求項1乃至9のうち何れか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  16. 前記活性酸素供給手段は、前記活性酸素としてオゾンを供給する構成としてなる請求項1乃至15のうち何れか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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