JP2019112973A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化装置において、排気ガス浄化能力の向上を図る技術を提供する。【解決手段】内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関から排出される排気ガスが流通する排気流路の相対的に上流側に配置される上流側触媒と、排気流路において、上流側触媒よりも下流側に設けられ、酸素吸蔵能を有する下流側触媒と、を備え、上流側触媒の酸素吸蔵能は、下流側触媒の酸素吸蔵能よりも能力が低く、上流側触媒と下流側触媒の少なくとも一方は、ＮＯｘ吸蔵還元機能を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来から、リーンバーンガソリンエンジンやディーゼルエンジンのように、空気燃料比が大きい状態（燃料濃度が希薄なリーン状態）で運転されることが多いエンジンから排出される排気ガスを処理するための排気浄化装置が知られている。例えば、引用文献１には、排気流路の上流側に、少なくともアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を含み、貴金属を実質的に含有しないＮＯｘトラップ触媒が配置され、下流側に貴金属触媒を含有する三元触媒が配置された排気浄化装置が開示されている。また、引用文献２には、排気流路の上流側から下流側に向かって順に、酸素吸蔵能（ＯＳＣ）を有さない三元触媒、ＰＭフィルタ、酸素吸蔵能（ＯＳＣ）を有する三元触媒が配置された排気浄化装置が開示されている。

特開２００５−１４４３４３号公報 特開２００８−２０２５２３号公報

しかしながら、特許文献１、２の技術においても、リーン状態が長いエンジンから排出される排気ガスの浄化能力に関しては、なお、改善の余地があった。例えば、引用文献１の排気浄化装置では、下流側の三元触媒が酸素吸蔵能（ＯＳＣ）を有している場合、エンジン側で空気燃料比が小さい状態（燃料濃度が高いリッチ状態）に推移しても、下流側の三元触媒の表面付近において酸素濃度が速やかに低下せず、ＮＯｘの浄化開始タイミングが遅れることがあった。これは、リッチ状態に推移した後の排気ガスが下流側の三元触媒に到達しても、到達した当初は触媒に吸蔵された酸素Ｏ₂が、流入してきた排気ガス中の一酸化炭素ＣＯや炭化水素ＨＣとの反応に利用され、排気ガス中の酸素濃度が低下せず、三元触媒が機能するストイキ状態になるまでにタイムラグが生じるためである。一方、下流側の三元触媒が酸素吸蔵能（ＯＳＣ）を有していない場合、リッチ状態に推移したときに三元触媒は速やかにＮＯｘ浄化を開始することができるが、リーン状態時に酸素を吸蔵する機能を持っていないため、リーン状態に推移したときにストイキ状態を維持することができず、三元触媒機能によるＮＯｘの浄化ができなくなるおそれがあった。引用文献２では、ストイキ状態では三元触媒によって排気ガスを浄化できるが、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えていないため、リーン状態時にＮＯｘの浄化が十分におこなえないおそれがあった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、リーン状態が長いエンジンから排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置において、排気ガス浄化能力の向上を図る技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、内燃機関の排気浄化装置が提供される。この排気浄化装置は、前記内燃機関から排出される排気ガスが流通する排気流路の相対的に上流側に配置される上流側触媒と、前記排気流路において、前記上流側触媒よりも下流側に設けられ、酸素吸蔵能を有する下流側触媒と、を備え、前記上流側触媒の酸素吸蔵能は、前記下流側触媒の酸素吸蔵能よりも能力が低く、前記上流側触媒と前記下流側触媒の少なくとも一方は、ＮＯｘ吸蔵還元機能を有している。

この構成によれば、上流側触媒の酸素吸蔵能は、下流側触媒の酸素吸蔵能よりも能力が低くいため、リッチ状態に推移したときに速やかにＮＯｘ浄化を開始することができる。一方、下流側触媒は酸素吸蔵能を有しているため、ストイキ状態への推移時にリッチ状態とリーン状態の間の変動が生じても、ストイキ状態を維持することができ、安定して排気ガスを浄化することができる。また、上流側触媒と下流側触媒の少なくとも一方は、ＮＯｘ吸蔵還元機能を有しているため、リーン時においてもＮＯｘ吸蔵還元触媒によって十分にＮＯｘの浄化をおこなうことができる。よって、この構成によれば、排気ガス浄化能力の向上を図ることができる。

（２）上記形態の排気浄化装置において、少なくとも前記上流側触媒は、ＮＯｘ吸蔵還元機能を有していてもよい。この構成によれば、エンジンの始動後、エンジンに近いため速やかにＮＯｘ吸蔵還元触媒を昇温させることができ、さらに排気ガス浄化能力の向上を図ることができる。

（３）上記形態の排気浄化装置において、前記上流側触媒と前記下流側触媒は、いずれもＮＯｘ吸蔵還元機能を有していてもよい。この構成によれば、上流側触媒と下流側触媒の両方のＮＯｘ吸蔵還元触媒によって、リーン時におけるＮＯｘの浄化性能をさらに向上させることができる。

（４）上記形態の排気浄化装置において、前記上流側触媒と前記下流側触媒は、いずれも三元触媒機能を有していてもよい。この構成によれば、上流側触媒と下流側触媒の両方の三元触媒によって、さらに排気ガス浄化能力の向上を図ることができる。また、上流側触媒と下流側触媒が三元触媒機能を備えることにより、別体の三元触媒を設けずに排気浄化装置の小型化を図ることができる。

（５）上記形態の排気浄化装置は、さらに、前記排気流路において、前記上流側触媒よりも下流側であって、前記下流側触媒よりも上流側に設けられる三元触媒を備えていてもよい。この構成によれば、排気ガスの流量が増加する高負荷・高回転時において、さらに、排気ガス浄化能力の向上を図ることができる。

（６）上記形態の排気浄化装置において、前記三元触媒は、相対的に上流側に配置される上流側三元触媒と、前記上流側三元触媒の下流側に配置される下流側三元触媒とを含んでおり、前記上流側三元触媒の酸素吸蔵能は、前記下流側三元触媒の酸素吸蔵能よりも能力が低くてもよい。この構成によれば、リッチ状態に推移したときのＮＯｘ浄化性能をさらに向上させることができる。また、リッチ状態とリーン状態の間の変動時の排気ガスの浄化性能をさらに向上させることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、排気浄化触媒、排気浄化装置を備える車両、排気浄化方法、排気浄化装置の製造装置、排気浄化装置の製造方法などの形態で実現することができる。

第１実施形態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。 燃焼切替制御装置の燃焼モード制御処理を示すフローチャートである。 燃焼状態切替時の上流側触媒出口の排気挙動を説明するための図である。 燃焼状態切替時の下流側触媒出口の排気挙動を説明するための図である。 第２実施形態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。 上流側触媒出口と上流側三元触媒出口の排気挙動の説明図である。 下流側三元触媒と下流側触媒の空燃比を説明するための図である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態における内燃機関の排気浄化装置３０を説明するための図である。図１には、本実施形態の排気浄化装置３０を備える車両１０の構成が例示されている。車両１０は、エンジン１１と、吸気流路２１と、排気流路２２と、排気還流流路２３と、過給装置２４と、排気浄化装置３０と、燃焼切替制御装置４０と、添加制御装置６０と、を備えている。

エンジン１１は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関であり、ここでは、一例としてのディーゼルエンジンが示されている。エンジン１１の各気筒１２には、燃料噴射装置１３から供給される燃料（軽油）が噴射制御装置４１の制御によって所定のタイミングで噴射される。また、エンジン１１の各気筒１２には、図示しない吸気弁を介して吸気流路２１から空気が供給される。なお、燃料は、吸気流路２１からエンジン１１に供給される空気に対して噴射されてもよい。エンジン１１の気筒１２内の排気ガスは、図示しない排気弁を介して排気流路２２に排出される。エンジン１１の回転数は、回転数センサ５１によって検出され、燃焼切替制御装置４０に出力される。

吸気流路２１は、１つまたは複数の吸気管を含んで構成されており、下流側の端部がエンジン１１に接続され、上流側の端部が図示しないエアフィルターに接続されている。エアフィルターを介して吸気流路２１に流入してきた空気は、過給装置２４の吸気コンプレッサー２５によって圧縮された後、エンジン１１に供給される。過給装置２４とエンジン１１との間の吸気流路２１には、吸気絞り弁２８が設けられており、吸排気制御装置４２の制御によって空気の流量が制御され、エンジン１１への吸気量が調整される。

排気流路２２は、１つまたは複数の排気管を含んで構成されており、上流側の端部がエンジン１１に接続され、下流側の端部が車両１０の外部に開放されている。エンジン１１から排出された排気ガスは、過給装置２４の排気タービン２６を駆動（回転）させた後、排気浄化装置３０を経由して車両１０の外部に排出される。排気浄化装置３０の上流側の排気流路２２には、第１ＮＯｘセンサ５２と、還元剤添加装置６１が設けられており、排気浄化装置３０の下流側の排気流路２２には、第２ＮＯｘセンサ５３と、排気温センサ５４が設けられている。

第１ＮＯｘセンサ５２は、排気浄化装置３０に流入する排気ガスのＮＯｘ濃度を測定する。第２ＮＯｘセンサ５３は、排気浄化装置３０から排出される排気ガスのＮＯｘ濃度を測定する。排気温センサ５４は、排気浄化装置３０から排出される排気ガスの温度を測定する。第１ＮＯｘセンサ５２、第２ＮＯｘセンサ５３、および、排気温センサ５４によって検出された情報は、燃焼切替制御装置４０に出力される。還元剤添加装置６１は、添加制御装置６０の制御によって所定のタイミングにおいて排気浄化装置３０の上流側の排気流路２２に還元剤を噴射する。ここでは、還元剤として軽油が噴射される。

排気還流流路２３は、１つまたは複数の排気還流管を含んで構成されており、上流側の端部が排気流路２２のうちの過給装置２４の上流側に接続され、下流側の端部が吸気流路２１のうちの吸気絞り弁２８の下流側に接続されている。排気還流流路２３には、排気還流量調整弁（ＥＧＲ弁）２９が設けられており、排気還流量調整弁２９の開弁時には、過給装置２４の上流側の排気流路２２を流通する排気ガスの一部が吸気絞り弁２８の下流側の吸気流路２１に排出される。排気流路２２から吸気流路２１に還流される排気ガスの流量は、吸排気制御装置４２によって制御される。

過給装置２４は、吸気コンプレッサー２５と、排気タービン２６と、シャフト２７とを備えており、排気ガスの運動エネルギーを用いてエンジン１１に供給される空気を圧縮するいわゆるターボチャージャーである。吸気コンプレッサー２５と排気タービン２６は、シャフト２７によって接続されており、排気タービン２６によって得られた動力（回転力）が吸気コンプレッサー２５に伝達される。

排気浄化装置３０は、排気流路２２を流通する排気ガスを浄化するための装置であり、上流側触媒３１と、下流側触媒３２と、を備えている。上流側触媒３１は、排気流路２２の相対的に上流側に配置されるＮＯｘ吸蔵還元触媒であり、三元触媒機能を有している一方、実質的に酸素吸蔵能（ＯＳＣ：Oxygen Storage Capacity）を有していない。下流側触媒３２は、排気流路２２の相対的に下流側に配置されるＮＯｘ吸蔵還元触媒であり、三元触媒機能と酸素吸蔵能の両方を有している。

上流側触媒３１は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒として少なくともアルカリ金属とアルカリ土類金属の一方を含み、さらに、マグネットブランバイトとＫ₂Ｔｉ₂Ｏ₅の一方または両方を含んでいる。窒素酸化物ＮＯｘを吸蔵するための主要成分であるアルカリ金属あるいはアルカリ土類金属としては、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａを例示することができる。本実施形態では、ＮＯｘを吸蔵還元できる触媒の機能をＮＯｘ吸蔵還元機能とも呼ぶ。触媒においてＮＯｘ吸蔵還元機能の有無は、ＮＯｘを吸蔵還元可能な成分を有しているか否かを意味する。

上流側触媒３１は、さらに、三元触媒機能を発揮するための貴金属を含んでいる。ここでの貴金属とは、銅よりも電気陰性度の高い金属であり、Ｒｈ，Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ａｕである。一方、上流側触媒３１は、セリアなどの酸素吸蔵放出材（ＯＳＣ材）を実質的に含んでおらず、酸素吸蔵能（ＯＳＣ）を実質的に備えていない。

上流側触媒３１は、三元触媒機能を有し実質的に酸素吸蔵能を有していないＮＯｘ吸蔵還元触媒が多孔質基材の表面に形成された構成を有している。このＮＯｘ吸蔵還元触媒は、多孔質基材の表面に直接付着していてもよいが、金属酸化物とともに、あるいは、金属酸化物を介して多孔質基材に担持されている方が好ましい。担体として使用可能な金属酸化物としては、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｓｉ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃等の金属酸化物、希土類の酸化物、および、ゼオライトなどを例示することができる。

下流側触媒３２は、上流側触媒３１と同様に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒として、少なくともアルカリ金属またはアルカリ土類金属を含み、マグネットブランバイトとＫ₂Ｔｉ₂Ｏ₅の一方または両方を含んでいる。また、下流側触媒３２は、上流側触媒３１と同様に、三元触媒機能を発揮するための貴金属を含んでいる。一方、下流側触媒３２は、上流側触媒３１と異なり、セリアなどの酸素吸蔵放出材（ＯＳＣ材）を含んでおり、酸素吸蔵能を備えている。下流側触媒３２は、三元触媒機能と酸素吸蔵能の両方を有しているＮＯｘ吸蔵還元触媒が多孔質基材の表面に形成された構成を有している。このＮＯｘ吸蔵還元触媒は、多孔質基材の表面に直接付着していてもよいし、金属酸化物とともに、あるいは、金属酸化物を介して多孔質基材に担持されていてもよい。

燃焼切替制御装置４０は、エンジン１１の燃焼状態（運転状態）を切り替えるための装置であり、噴射制御装置４１と、吸排気制御装置４２と、回転数センサ５１と、第１ＮＯｘセンサ５２と、第２ＮＯｘセンサ５３と、排気温センサ５４と、添加制御装置６０に電気的に接続されている。燃焼切替制御装置４０は、各センサから得られた情報に基づいて、エンジン１１の燃焼状態を、空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比よりも大きい状態（燃料濃度が希薄なリーン状態）、理論空燃比状態（ストイキ状態）、空燃比が理論空燃比よりも小さい状態（燃料濃度が高いリッチ状態）のいずれかに切り替える燃焼モード制御処理をおこなう。

図２は、燃焼切替制御装置４０の燃焼モード制御処理を示すフローチャートである。この燃焼モード制御処理は、エンジン１１のイグニッションＯＮにより開始され、所定の周期で繰り返し実行される。燃焼モード制御処理では、まず、燃焼切替制御装置４０は、エンジン回転数Ｎｅ、排気温度Ｔ、および、排気浄化装置３０の上流側と下流側のＮＯｘ濃度を取得する（ステップＳ１１）。具体的には、燃焼切替制御装置４０は、回転数センサ５１の検出値からエンジン回転数Ｎｅを取得し、排気温センサ５４の検出値から排気温度Ｔを取得し、第１ＮＯｘセンサ５２の検出値から排気浄化装置３０の上流側のＮＯｘ濃度を取得し、第２ＮＯｘセンサ５３の検出値から排気浄化装置３０の下流側のＮＯｘ濃度を取得する。

次に、燃焼切替制御装置４０は、吸気絞り弁２８の開度、排気還流量調整弁（ＥＧＲ弁）２９の開度、および、燃料の噴射量Ｑを取得する（ステップＳ１２）。具体的には、燃焼切替制御装置４０は、吸排気制御装置４２から吸気絞り弁２８の開度と排気還流量調整弁（ＥＧＲ弁）２９の開度に関する情報を取得し、噴射制御装置４１から燃料の噴射量Ｑに関する情報を取得する。次に、燃焼切替制御装置４０は、現在の燃焼状態（運転状態）を取得する（ステップＳ１３）。すなわち、燃焼切替制御装置４０は、現在の燃焼状態（燃焼モード）が、リーンか、ストイキか、リッチかについての情報を取得する。現在の燃焼状態（燃焼モード）は、例えば、燃焼切替制御装置４０内部の記憶装置から読み出されてもよいし、所定のマップを用いて特定されてもよい。

次に、燃焼切替制御装置４０は、排気浄化装置３０のＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘの量（ＮＯｘ吸蔵量Ｎｑ）を算出する（ステップＳ１４）。ＮＯｘ吸蔵量Ｎｑは、ステップＳ１１において取得された、排気浄化装置３０の上流側と下流側のＮＯｘ濃度から算出することができる。次に、燃焼切替制御装置４０は、現在のエンジン回転数Ｎｅ、噴射量Ｑにおいて選択可能な燃焼状態（運転状態）を判定する（ステップＳ１５）。具体的には、燃焼切替制御装置４０は、エンジン回転数Ｎｅと、噴射量Ｑと、選択可能な燃焼状態（運転状態）と、が対応づけられたマップを備えており、ステップＳ１１、Ｓ１２において取得したエンジン回転数Ｎｅと噴射量Ｑから選択可能な燃焼状態（燃焼モード）を特定する。

続いて、燃焼切替制御装置４０は、以下のステップＳ１６〜Ｓ２３で排気温度Ｔに応じて燃焼モードの切り替えをおこなう。まず、燃焼切替制御装置４０は、ステップＳ１１において取得した排気温度Ｔが閾値Ｔｈｔより高いか否かの判定をおこなう（ステップＳ１６）。閾値Ｔｈｔは予め設定された固定値である。排気温度Ｔが閾値Ｔｈｔよりも高い場合（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、燃焼切替制御装置４０は、燃焼状態（燃焼モード）の切り替え先としてストイキ燃焼を設定する（ステップＳ１７）。切り替え先のストイキ時のバルブ開度は所定のマップから特定できる。一方、排気温度Ｔが閾値Ｔｈｔよりも低い場合（ステップＳ１６：ＮＯ）、燃焼切替制御装置４０は、ステップＳ１４において算出したＮＯｘ吸蔵量Ｎｑが閾値Ｔｈｎよりも高いか否かの判定をおこなう（ステップＳ１８）。閾値Ｔｈｎは予め設定された固定値である。

ＮＯｘ吸蔵量Ｎｑが閾値Ｔｈｎよりも高い場合（ステップＳ１８：ＹＥＳ）、燃焼切替制御装置４０は、燃焼状態の切り替え先としてリッチ燃焼を設定する（ステップＳ１９）。切り替え先のリッチ時のバルブ開度は上述の所定のマップから特定できる。一方、ＮＯｘ吸蔵量Ｎｑが閾値Ｔｈｎよりも低い場合（ステップＳ１８：ＮＯ）、燃焼切替制御装置４０は、燃焼状態の切り替え先としてリーン燃焼を設定する（ステップＳ２０）。切り替え先のリーン時のバルブ開度は上述の所定のマップから特定できる。

次に、燃焼切替制御装置４０は、ステップＳ１７、Ｓ１９、Ｓ２０で設定された切り替え先の燃焼状態が、ステップＳ１５において選択可能な燃焼状態（燃焼モード）か否かの判定をおこなう（ステップＳ２１）そして、選択可能な燃焼状態である場合には（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、燃焼状態の切り替えをおこない（ステップＳ２２）、選択可能な燃焼状態ではない場合には、現在の燃焼状態を継続（維持）する（ステップＳ２３）。以上が燃焼モード制御処理の流れである。

排気浄化装置３０は、以下に説明するように、ストイキ燃焼、リッチ燃焼、リーン燃焼のいずれが選択実行された場合であっても、高い浄化率で排気ガスを浄化することができる。まず、上記のステップＳ１７、Ｓ２２によってストイキ燃焼への切り替えが実行された場合には、排気浄化装置３０は、上流側触媒３１と下流側触媒３２のそれぞれが持つ三元触媒機能によってＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯを浄化することができる。また、上記のステップＳ１９、Ｓ２２によってリッチ燃焼への切り替えが実行された場合には、排気浄化装置３０は、上流側触媒３１と下流側触媒３２のそれぞれが持つ三元触媒機能によってＮＯｘを浄化することができ、上流側触媒３１と下流側触媒３２のそれぞれに吸蔵されているＮＯｘを排気ガス中のＣＯ、ＨＣによって還元させることによってこれらを浄化することができる。また、上記のステップＳ２０、Ｓ２２によってリーン燃焼への切り替えが実行された場合には、排気浄化装置３０は、上流側触媒３１と下流側触媒３２のそれぞれが持つ三元触媒機能によってＨＣ、ＣＯを浄化することができ、上流側触媒３１と下流側触媒３２のそれぞれがＮＯｘを吸蔵することによって排気ガスを浄化することができる。

図３は、リーンからストイキへの切替時における上流側触媒３１の出口の排気挙動を説明するための図である。図３（Ａ）には、エンジン１１の燃焼状態が示され、図３（Ｂ）〜（Ｄ）には、エンジン１１の出口におけるガス成分の変化が示され、図３（Ｅ）〜（Ｇ）には、上流側触媒３１の出口におけるガス成分の変化が示されている。図３（Ｅ）、（Ｇ）には、比較例として上流側触媒が酸素吸蔵能を有している場合のガス成分の変化が太破線で示されている。ここでは、上流側触媒３１にはＮＯｘが十分に吸蔵されており、これ以上の吸蔵ができない状態であるものとして説明する。

図３（Ａ）に示すように、エンジン１１の燃焼状態がリーンからストイキに切り替わると、図３（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように、エンジン１１からは残存Ｏ₂、未燃のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ、が排出され上流側触媒３１に流入する。本実施形態の上流側触媒３１は、酸素吸蔵能を実質的に備えていないため、エンジン１１から排出された気相のＣＯ、ＨＣが触媒に吸蔵されたＯ₂と反応することがほぼない。そのため、排気ガス中の残存Ｏ₂の消費が遅れることによるストイキへの推移の遅れが生じにくい。よって、本実施形態の上流側触媒３１によれば、エンジン１１の燃焼状態がリーンからストイキに切り替わると、図３（Ｅ）の太実線に示すように、上流側触媒３１の出口の空燃比（Ａ／Ｆ）は速やかにストイキ状態に推移する。これにより、図３（Ｆ）、（Ｇ）の太実線に示すように、ストイキへの燃焼モードの切り替え後、速やかに三元触媒機能によって、エンジン１１から排出された排気ガス中（気相）のＣＯ、ＨＣと、排気ガス中の残存Ｏ₂、ＮＯｘを反応させて排気ガスを浄化することができる。

一方、比較例の上流側触媒は、酸素吸蔵能を有しているため、エンジン１１から排出された気相のＣＯ、ＨＣは吸蔵Ｏ₂と反応し、排気ガス中の残存Ｏ₂がすぐには消費されない。そのため、上流側触媒の出口の空燃比（Ａ／Ｆ）は、燃焼モードの切り替え後すぐにはストイキに推移せず、図３（Ｅ）の太破線に示すように、吸蔵Ｏ₂が消費されるに従って徐々にストイキに推移する。このように、比較例の上流側触媒ではストイキへの推移に遅れが生じるため、その間、図３（Ｇ）の太破線に示すように、三元触媒機能によるＮＯｘの浄化が十分におこなわれず一部が排出される。なお、下流側触媒においてもＮＯｘが十分に吸蔵できないため一部が車外に排出される。

図４は、リーンからストイキへの切替時における下流側触媒３２の出口の排気挙動を説明するための図である。図４（Ａ）には、エンジン１１の燃焼状態が示され、図４（Ｂ）〜（Ｄ）には、エンジン１１の出口におけるガス成分の変化が示され、図４（Ｅ）には、上流側触媒３１の触媒表面の空燃比が示され、図４（Ｆ）、（Ｇ）には、下流側触媒３２の出口におけるガス成分の変化が示されている。図４（Ｅ）〜（Ｇ）には、比較例として下流側触媒が酸素吸蔵能を有していない場合の空燃比またはガス成分の変化が太破線で示されている。ここでは、リーンからストイキに燃焼状態の切り替えが実行された後、リッチとリーンの間で燃焼状態の変動（ゆらぎ）があったときの下流側触媒３２の出口のガス成分の変化について説明する。

図４（Ａ）に示すように、リーンからストイキへの燃焼状態の切り替え後、リッチとリーンの間で燃焼状態の変動（ゆらぎ）があったとき、図４（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように、エンジン１１から残存Ｏ₂、未燃のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ、が排出される。これらのうち、上流側触媒３１によって処理されなかった一部が下流側触媒３２に流入する。本実施形態の下流側触媒３２は、酸素吸蔵能を有しているため、リッチの排気ガスが流入してきた場合には、吸蔵Ｏ₂が放出され、リーンの排気ガスが流入してきた場合には、排気ガス中のＯ₂が吸蔵されることで、触媒表面上がストイキ状態に維持される。そのため、エンジン１１においてリッチとリーンの間で燃焼状態の変動（ゆらぎ）があった場合であっても、図４（Ｅ）の太実線で示すように、触媒表面をストイキ状態に維持することができる。これにより、図４（Ｆ）、（Ｇ）の太実線に示すように、三元触媒機能によって、排気ガスを高い浄化率で浄化することができる。

一方、比較例の下流側触媒は、酸素吸蔵能を有していないため、触媒表面の空燃比は、エンジン１１の空燃比と連動する。そのため、図４（Ａ）に示すように、エンジン１１においてリッチとリーンの間で燃焼状態の変動（ゆらぎ）があった場合、図４（Ｅ）の太破線で示すように、触媒表面の空燃比もリッチとリーンの間で変動する。リッチ時には、三元触媒機能によるＣＯ、ＨＣの浄化が十分におこなわれず、図４（Ｆ）の太破線で示すように、ＣＯ、ＨＣが排出され、リーン時には三元触媒機能によるＮＯｘの浄化が十分におこなわれず、図４（Ｇ）の太破線で示すように、ＮＯｘが排出される。

以上説明した、第１実施形態の排気浄化装置３０によれば、上流側触媒３１は実質的に酸素吸蔵能（ＯＳＣ）を有していないＮＯｘ吸蔵還元触媒として構成され、下流側触媒３２は酸素吸蔵能を有するＮＯｘ吸蔵還元触媒として構成されている。これにより、排気ガス浄化能力の向上を図ることができる。一般的に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、リーン時にＮＯｘを吸蔵するが、ストイキ時にＮＯｘを吸蔵できない。ＮＯｘ吸蔵還元触媒の三元触媒機能は、ストイキ時には高い浄化率を有するが、リッチ時にはＣＯ、ＨＣの浄化ができず、リーン時にはＮＯｘが浄化できない。一方、本実施形態の排気浄化装置３０によれば、ストイキからリッチへ推移した場合には、酸素吸蔵能を有する下流側触媒３２では、吸蔵Ｏ₂が放出されて余剰のＣＯ、ＨＣを酸化し、触媒表面においてストイキ状態を維持することができる。そのため、三元触媒機能によって、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘを浄化することができる。さらに、リッチ状態では、上流側触媒３１および下流側触媒３２に吸蔵されているＮＯｘを余剰のＣＯ、ＨＣによって浄化することができる。すなわち、排気ガス中のＣＯ、ＨＣは、収蔵ＮＯｘの還元に使われるとともに、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の三元触媒機能によっても浄化される。一方、ストイキからリーンへ推移した場合には、上流側触媒３１においてＮＯｘが吸蔵されるとともに、下流側触媒３２では余剰のＯ₂が吸蔵され触媒表面においてストイキ状態を維持することができる。この結果、三元触媒機能によってＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘを浄化することができる。

一般的に、ディーゼルエンジンのようにリーン状態の期間が長いエンジンの下流に設けられた酸素吸蔵能を有するＮＯｘ吸蔵還元触媒にはＯ₂が十分に吸蔵されている。ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを還元するリッチスパイク時には、ガス中のＣＯ、ＨＣによって吸蔵Ｏ₂が消費されるまでＮＯｘの還元がおこなわれず、ＮＯｘの還元が遅れる問題があった。本実施形態の排気浄化装置３０によれば、上流側触媒３１は酸素吸蔵能を有していないため、リッチスパイク時にガス中のＣＯ、ＨＣが、吸蔵Ｏ₂ではなく、気相の残存Ｏ₂と反応し、残ったＣＯ、ＨＣによって吸蔵ＮＯｘを速やかに還元することができる。また、上流側触媒３１において残存Ｏ₂が消費されるため、下流側触媒３２においても、残ったＣＯ、ＨＣによって吸蔵されているＯ₂が速やかに消費され、吸蔵ＮＯｘを速やかに還元できる。

ディーゼルエンジンのようにリーン状態の期間が長いエンジンで、出力を上げるときにストイキで運転する場合、このときの排気ガスは三元触媒によって浄化される。しかし、実際には完全にストイキ状態を維持することは困難であり、多少、リッチやリーンに振れることがある。本実施形態の排気浄化装置３０は、下流側触媒３２に酸素吸蔵能と三元触媒機能を有しているため、リーンに振れたときには、残存Ｏ₂が吸蔵されてストイキ状態が維持される。また、リッチに振れたときには、吸蔵されているＯ₂が放出されてストイキ状態が維持される。これにより、多少のリッチやリーンへの変動に対しては、ストイキ状態が維持されるため、三元触媒機能によって排気ガスを浄化できる。

＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態における内燃機関の排気浄化装置３０Ａを説明するための図である。図５には、本実施形態の排気浄化装置３０Ａを備える車両１０Ａの構成が例示されている。第２実施形態の車両１０Ａは、第１実施形態の車両１０（図１）と比較して、排気浄化装置の構成のみが異なり、排気浄化装置以外の構成については同様であるため説明を省略する。第２実施形態の排気浄化装置３０Ａは、第１実施形態の排気浄化装置３０と同様に、上流側触媒３１と、下流側触媒３２を備えるほか、さらに、上流側三元触媒３３と、下流側三元触媒３４を備えている。

上流側触媒３１は、上述の４つの触媒３１〜３４のうち、最も上流側に配置されるＮＯｘ吸蔵還元触媒であり、第１実施形態と同様に、三元触媒機能を有している一方、実質的に酸素吸蔵能を有していない。下流側触媒３２は、上述の４つの触媒３１〜３４のうち、最も下流側に配置されるＮＯｘ吸蔵還元触媒であり、第１実施形態と同様に、三元触媒機能と酸素吸蔵能の両方を有している。上流側三元触媒３３と下流側三元触媒３４は、排気流路２２において、上流側触媒３１よりも下流側であって、下流側触媒３２よりも上流側となる位置に並んで配置されている。すなわち、上流側三元触媒３３と下流側三元触媒３４は、上流側触媒３１と下流側触媒３２によって挟まれている。

上流側三元触媒３３は、下流側三元触媒３４の上流側に配置される三元触媒であり、酸素吸蔵能を有していない。上流側三元触媒３３は、三元触媒機能を発揮するための貴金属を含み、セリアなどの酸素吸蔵放出材（ＯＳＣ材）を実質的に含んでいない触媒が多孔質基材の表面に形成された構成を有している。下流側三元触媒３４は、上流側三元触媒３３の下流側に配置される三元触媒であり、酸素吸蔵能を有している。下流側三元触媒３４は、貴金属と酸素吸蔵放出材を含んだ触媒が多孔質基材の表面に形成された構成を有している。

第２実施形態の燃焼切替制御装置４０は、第１実施形態と同様に、燃焼モード制御処理（図２）をおこなう。第２実施形態の排気浄化装置３０Ａは、以下に説明するように、ストイキ燃焼、リッチ燃焼、リーン燃焼のいずれが選択実行された場合であっても、高い浄化率で排気ガスを浄化することができる。まず、上記のステップＳ１７、Ｓ２２によってストイキ燃焼への切り替えが実行された場合には、排気浄化装置３０Ａは、上述の４つの触媒３１〜３４のそれぞれが持つ三元触媒機能によってＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯを浄化することができる。ストイキ状態において排気ガスがリッチとリーンの間で変動した場合には、下流側の２つの触媒（下流側三元触媒３４および下流側触媒３２）が有する酸素吸蔵能（ＯＳＣ）によって、これらの触媒表面はストイキ状態に維持される。これにより、三元触媒機能によってＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯを浄化することができる。本実施形態では、酸素吸蔵能（ＯＳＣ）を有する触媒が複数存在するため、より大きな変動に対しても十分に排気ガスを浄化することができる。

上記のステップＳ１９、Ｓ２２によってリッチ燃焼への切り替えが実行された場合には、排気浄化装置３０Ａは、上述の４つの触媒３１〜３４のそれぞれが持つ三元触媒機能によってＮＯｘを浄化することができ、上流側触媒３１と下流側触媒３２のそれぞれに吸蔵されているＮＯｘを、エンジン１１から排出されたＣＯ、ＨＣによって還元させてこれらを浄化することができる。排気浄化装置３０Ａは、上流側の２つの触媒（上流側触媒３１および上流側三元触媒３３）が酸素吸蔵能（ＯＳＣ）を有していない。そのため、リッチ時には上流側触媒３１に吸蔵されているＮＯｘが速やかに還元される。また、上流側三元触媒３３では、排気ガス中に残存するＨＣ、ＣＯが排気ガス中のＯ₂と反応して浄化される。残ったＨＣ、ＣＯは、下流側三元触媒３４に吸蔵されているＯ₂によって浄化される。または、下流側触媒３２の吸蔵ＮＯｘの還元によって浄化される。

上記のステップＳ２０、Ｓ２２によってリーン燃焼への切り替えが実行された場合には、排気浄化装置３０Ａは、上述の４つの触媒３１〜３４のそれぞれが持つ三元触媒機能によってＨＣ、ＣＯを浄化することができ、上流側触媒３１と下流側触媒３２のそれぞれがＮＯｘを吸蔵することによって排気ガスを浄化することができる。

排気浄化装置３０Ａは、２つのＮＯｘ吸蔵還元触媒（上流側触媒３１および下流側触媒３２）の間に三元触媒（上流側三元触媒３３および下流側三元触媒３４）が配置されているため、排気ガスがストイキ状態もしくはストイキに近いリーンまたはリッチ状態になった場合、より効率よくＮＯｘの浄化をおこなうことができる。具体的には、リーン状態からストイキ状態に推移した直後では、上流側三元触媒３３において速やかにＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの浄化をおこなうことができる。また、リッチ状態に推移した場合には、下流側三元触媒３４において吸蔵されているＯ₂を放出することで、触媒表面をストイキ状態にしてＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘを浄化することができる。リーン状態に推移した場合には、上流側触媒３１と下流側触媒３２のＮＯｘ吸蔵による浄化に加えて、下流側三元触媒３４においてＯ₂が吸蔵されてストイキ状態が維持され、三元触媒機能によってＮＯｘ浄化をおこなうことができる。このように、ストイキ状態からリーンまたはリッチ状態に変動した場合においても、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の間に三元触媒が配置されているため、さらに効率よくＮＯｘを浄化できる。

図６は、リーンからストイキへの切替時における上流側触媒３１と上流側三元触媒３３のそれぞれの出口の排気挙動を説明するための図である。図６（Ａ）には、エンジン１１の燃焼状態が示され、図６（Ｂ）、（Ｄ）には、上流側触媒３１の出口におけるガス成分の変化が示され、図６（Ｃ）、（Ｅ）には、上流側三元触媒３３の出口におけるガス成分の変化が示されている。図６（Ｂ）〜（Ｅ）には、排気ガスの流量が小さい低負荷・低回転時におけるガス成分の変化が太実線で示され、流量が大きい高負荷・高回転時におけるガス成分の変化が太破線で示されている。

図６（Ａ）に示すように、エンジン１１の燃焼状態がリーンからストイキに切り替わると、第１実施形態（図３）で示したように、エンジン１１から残存Ｏ₂、未燃のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ、が排出される。これらの排気ガスの流量は、エンジン１１の負荷状態・回転状態によって変化する。上流側触媒３１は、排気ガスの流量が比較的小さい場合には、図６（Ｂ）の太実線に示すように、排気ガス中のＣＯ、ＨＣを十分に浄化ができる。一方、図６（Ｂ）の太破線に示すように、高負荷・高回転時に排気ガスの流量が増加するとＣＯ、ＨＣの一部が浄化できなくなる。この場合であっても、第２実施形態の排気浄化装置３０Ａは、上流側触媒３１の下流側に上流側三元触媒３３を備えているため、図６（Ｃ）に示すように、上流側三元触媒３３においてＣＯ、ＨＣを十分に浄化することができる。ＮＯｘについても同様に、図６（Ｄ）の太破線に示すように、排気ガスの流量が増加すると上流側触媒３１においてＮＯｘの浄化が十分にできなくなる。この場合であっても、上流側触媒３１の下流側に上流側三元触媒３３が配置されているため、図６（Ｅ）に示すように、上流側三元触媒３３においてＮＯｘを十分に浄化することができる。

図７は、リーンからストイキへの切替時における下流側三元触媒３４と下流側触媒３２のそれぞれの空燃比の状態を説明するための図である。図７（Ａ）には、エンジン１１の燃焼状態が示され、図７（Ｂ）には、下流側三元触媒３４の触媒表面の空燃比が示され、図７（Ｃ）には、下流側触媒３２の触媒表面の空燃比が示され、図７（Ｄ）、（Ｅ）には車外に排出されるガス成分の変化が示されている。

第１実施形態（図４）のように、リーンからストイキへの燃焼状態の切り替え後、リッチとリーンの間の燃焼状態の変動（ゆらぎ）が比較的小さい場合には、下流側触媒３２の酸素吸蔵能（ＯＳＣ）のみによって触媒表面のストイキ状態を維持することができる。一方、図７（Ａ）に示すように、切り替え後のリッチとリーンの間の変動（ゆらぎ）が大きい場合には、下流側触媒３２の酸素吸蔵能のみでは触媒表面をストイキ状態に維持することが困難になる。第２実施形態の排気浄化装置３０Ａは、下流側触媒３２の上流に下流側三元触媒３４を備えているため、下流側三元触媒３４の酸素吸蔵能によって、排気ガスの空燃比の変動幅を低減させることができる。これにより、下流側触媒３２の酸素吸蔵能によって、触媒表面のストイキ状態を維持することができ、排気ガスを十分に浄化することができる。

以上説明した、第２実施形態の排気浄化装置３０Ａによれば、第１実施形態の排気浄化装置３０よりも、さらに排気ガスの浄化率を高めることができる。特に流量が増加する高負荷・高回転時においても、ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯをより確実に浄化することができる。また、リッチとリーンの間の燃焼状態の変動（ゆらぎ）が大きくなった場合においても、排気ガスをより確実に浄化することができる。

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

［変形例１］
第１、２実施形態では、上流側触媒３１と下流側触媒３２の両方の触媒がＮＯｘ吸蔵還元機能を有していると説明したが、一方のみが有していてもよい。この場合であっても排気ガス浄化能力の向上を図ることができる。具体的には、例えば、下流側触媒３２が、酸素吸蔵能を有しＮＯｘ吸蔵還元機能を有していない三元触媒によって構成されている場合、リーン時には、上流側触媒３１のＮＯｘ吸蔵還元機能によってＮＯｘを吸蔵することで排気ガスを浄化できる。ストイキ時には、上流側触媒３１の三元触媒機能によって排気ガスを浄化できる。上流側触媒３１は、酸素吸蔵能を有していないため、排気ガスがストイキに推移後、速やかに三元触媒機能により排気ガスを浄化できる。リッチ時には、上流側触媒３１に吸蔵されたＮＯｘの還元により排気ガスを浄化でき、下流側触媒３２の三元触媒機能によっても排気ガスを浄化できる。下流側触媒３２は酸素吸蔵能を有しているため、リッチ時には吸蔵Ｏ₂の放出によって触媒表面をストイキ状態に維持し、三元触媒によって排気ガスを浄化できる。なお、ＮＯｘ吸蔵還元機能を一方の触媒のみに設ける場合には、上流側触媒３１が好ましい。上流側触媒３１の方がよりエンジン１１に近く暖まりやすく、エンジンの始動後より早く触媒機能を発揮できるためである。ただし、上流側触媒３１と下流側触媒３２の両方がＮＯｘ吸蔵還元機能を備えている方がより好ましい。

［変形例２］
第１、２実施形態では、上流側触媒３１と下流側触媒３２の両方の触媒が三元触媒機能を有していると説明したが、一方のみが有していてもよい。この場合であっても、例えば、第２実施形態の排気浄化装置３０Ａのように、三元触媒機能を有する触媒を別に備えていれば、全体の構成として、排気ガス浄化能力の向上を図ることができる。ただし、上流側触媒３１と下流側触媒３２の少なくとも一方が三元触媒機能を有している方が好ましく、両方が有していることがより好ましい。

［変形例３］
第１、２実施形態では、上流側触媒３１は、実質的に酸素吸蔵能を有していないものと説明したが、下流側触媒３２の酸素吸蔵能よりも能力が低い程度であれば酸素吸蔵能を有していてもよい。ここで、酸素吸蔵能の能力が低いとは、触媒全体で吸蔵可能な酸素の量が小さいことを意味する。

［変形例４］
第２実施形態では、上流側触媒３１と下流側触媒３２の間に２つの三元触媒（上流側三元触媒３３および下流側三元触媒３４）が配置されていると説明したが、上流側触媒３１と下流側触媒３２の間に三元触媒が１つ配置されていてもよい。この場合であっても、無い場合よりも好ましい。また、上流側触媒３１と下流側触媒３２の間に３つ以上の三元触媒が配置されていてもよい。

［変形例５］
第１実施形態では、上流側触媒３１と下流側触媒３２は別体となっていると説明したが、１つの触媒として構成されていてもよい。すなわち、１つの触媒の上流側と下流側で構成が異なっていてもよい。また、第２実施形態においても、上流側触媒３１、上流側三元触媒３３、下流側三元触媒３４、および、下流側触媒３２は連続する２〜４つの触媒が１つの触媒として構成されていてもよい。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１０、１０Ａ…車両
１１…エンジン
１２…気筒
１３…燃料噴射装置
２１…吸気流路
２２…排気流路
２３…排気還流流路
２４…過給装置
２５…吸気コンプレッサー
２６…排気タービン
２７…シャフト
２８…吸気絞り弁
２９…排気還流量調整弁
３０…排気浄化装置
３０Ａ…排気浄化装置
３１…上流側触媒
３２…下流側触媒
３３…上流側三元触媒
３４…下流側三元触媒
４０…燃焼切替制御装置
４１…噴射制御装置
４２…吸排気制御装置
５１…回転数センサ
５２…第１ＮＯｘセンサ
５３…第２ＮＯｘセンサ
５４…排気温センサ
６０…添加制御装置
６１…還元剤添加装置

Claims (6)

1. 内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記内燃機関から排出される排気ガスが流通する排気流路の相対的に上流側に配置される上流側触媒と、
   前記排気流路において、前記上流側触媒よりも下流側に設けられ、酸素吸蔵能を有する下流側触媒と、を備え、
   前記上流側触媒の酸素吸蔵能は、前記下流側触媒の酸素吸蔵能よりも能力が低く、
   前記上流側触媒と前記下流側触媒の少なくとも一方は、ＮＯｘ吸蔵還元機能を有している、
   排気浄化装置。
2. 請求項１に記載の排気浄化装置において、
   少なくとも前記上流側触媒は、ＮＯｘ吸蔵還元機能を有している、
   排気浄化装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の排気浄化装置において、
   前記上流側触媒と前記下流側触媒は、いずれもＮＯｘ吸蔵還元機能を有している、
   排気浄化装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の排気浄化装置において、
   前記上流側触媒と前記下流側触媒は、いずれも三元触媒機能を有している、
   排気浄化装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の排気浄化装置は、さらに、
   前記排気流路において、前記上流側触媒よりも下流側であって、前記下流側触媒よりも上流側に設けられる三元触媒を備えている、
   排気浄化装置。
6. 請求項５に記載の排気浄化装置において、
   前記三元触媒は、相対的に上流側に配置される上流側三元触媒と、前記上流側三元触媒の下流側に配置される下流側三元触媒とを含んでおり、前記上流側三元触媒の酸素吸蔵能は、前記下流側三元触媒の酸素吸蔵能よりも能力が低い、
   排気浄化装置。

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