JP2917431B2 - 内燃エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

内燃エンジンの排気浄化装置

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JP2917431B2 JP2160649A JP16064990A JP2917431B2 JP 2917431 B2 JP2917431 B2 JP 2917431B2 JP 2160649 A JP2160649 A JP 2160649A JP 16064990 A JP16064990 A JP 16064990A JP 2917431 B2 JP2917431 B2 JP 2917431B2
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、内燃エンジンの定常運転時あるいは低負
荷運転時には、理論空燃比より燃料希薄側の空燃比で運
転し、高負荷運転時や加速運転時には、理論空燃比近傍
の空燃比で運転する、いわゆる「リーンバーン」エンジ
ンに適用して好適な、内燃エンジンの排気浄化装置に関
する。
(従来の技術) 内燃エンジンの燃費を向上させるために、低負荷運転
時や定常運転時にはエンジンに供給される混合気の空燃
比を理論空燃比より燃料希薄(リーン)側の所定値に制
御する空燃比制御方法が知られている。この空燃比制御
方法では、高負荷運転時や加速運転時には空燃比を理論
空燃比近傍に制御するようにしている。このような空燃
比制御方法が採用される内燃エンジンの、排気ガス中の
有害成分である、窒素酸化物、一酸化炭素、未燃炭化水
素等を除去するためには、空燃比を理論空燃比より燃料
希薄側に制御する運転時(リーン空燃比運転時)には、
リーン空燃比運転でも窒素酸化物の浄化が可能な、例え
ばゼオライト系の触媒装置(リーンNOx触媒装置)によ
り窒素酸化物の浄化を行い、空燃比を理論空燃比近傍に
制御する運転時(ストイキオ空燃比運転時)には、上述
のリーンNOx触媒装置の下流に配設した、例えば三元触
媒装置により窒素酸化物を始め、一酸化炭素や未然炭化
水素の浄化を行っている。そして、リーンNOx触媒装置
の上流のエンジンの排気通路に配設した、例えばリニア
空燃比センサにより排気中の酸素濃度を検出し、リニア
空燃比センサの出力情報に基づきリーン空燃比運転およ
びストイキオ空燃比運転時の各空燃比を所定の空燃比に
それぞれ制御するようにしている。
(発明が解決しようとする課題) 上述のようなリーンNOx触媒装置と三元触媒装置とを
有し、リーン空燃比運転およびストイキオ空燃比運転時
の各運転状態を維持している間の排気ガス性能には特に
問題がないが、リーン空燃比運転とストイキオ空燃比運
転間の切り替わり時に、一時的に窒素酸化物の排出量が
増加するという問題がある。
本発明は、このような問題点を解決するためになされ
たもので、燃費特性がよい、いわゆる「リーンバーン」
エンジンに適用され、排気ガス特性の向上を図った内燃
エンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。
(課題を解決するための手段) 上述の目的を達成するために本発明に依れば、内燃エ
ンジンの排気通路に、理論空燃比より燃料希薄側の空燃
比で運転した場合の窒素酸化物を含む有害成分の除去に
好適な第1の触媒装置と、その下流に、理論空燃比近傍
の空燃比で運転した場合の窒素酸化物を含む有害成分の
除去に好適な第2の触媒装置とを備え、内燃エンジンの
運転状態に応じ、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度
検出手段の出力情報に基づいて空燃比を制御する内燃エ
ンジンの排気浄化装置において、少なくとも前記酸素濃
度検出手段を、前記第1の触媒装置と第2の触媒装置と
の間の排気通路に配設したことを特徴とする内燃エンジ
ンの排気浄化装置が提供される。
好ましい別の態様としては、前記酸素濃度検出手段を
前記第1の触媒装置の上流の排気通路に配設すると共
に、前記第1の触媒装置と第2の触媒装置との間の排気
通路に第2の酸素濃度検出手段を配設し、前記最初の酸
素濃度検出手段の出力情報を第2の酸素濃度検出手段の
出力情報で補正し、該補正した出力情報に基づいて空燃
比を制御することもできる。
(作用) 本発明は、発明者等による次のような知見に基づいて
得られたものである。
リーン空燃比運転時には、排気中の余剰酸素が第1の
触媒装置の触媒に吸着され、この吸着されていた酸素
が、リーン空燃比運転からストイキオ空燃比運転への移
行時に徐々に放出されるため、本来、空燃比が理論空燃
比近傍に制御されている場合に浄化効率が高い第2の触
媒装置がリーン雰囲気に晒されることになり、窒素酸化
物の浄化効率が著しく低下し、この状態が、第1の触媒
装置の触媒から酸素の放出が終了するまで(平衡状態に
達するまで)持続されることになる。
そこで、発明者等は、第1の触媒装置からの放出酸素
を含めて第2の触媒装置に流入する酸素濃度を検出しな
ければ、第2の触媒装置での高い浄化効率が得られない
との知見から、少なくとも酸素濃度検出手段を、第1の
触媒装置と第2の触媒装置との間の排気通路に配設し、
この酸素濃度検出手段の出力情報に基づいて、すなわ
ち、第1の触媒装置から放出される酸素を含む酸素濃度
情報に基づき、空燃比を、高い浄化効率が得られる所要
の空燃比に制御される。
(実施例) 以下本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明す
る。
第1図は、本発明による排気浄化装置の第1の実施例
を示し、同図中符号10は内燃エンジンであり、特に限定
されないが例えば4気筒ガソリンエンジンを示す。この
エンジン10の排気側には排気マニホルド11を介して排気
パイプ12が接続されている。この排気パイプ12には、上
流側からリーンNOx触媒装置14および三元触媒装置16が
この順に配設されている。
リーンNOx触媒装置14は、エンジン10に供給される混
合気の空燃比が理論空燃比より燃料リーン側の所定値に
制御される運転時に、窒素酸化物の浄化を効率よく行う
ものであり、例えば、特願平1−139145に開示されるよ
うなゼオライト系の触媒装置が好適に使用される。この
リーンNOx触媒装置14による窒素酸化物の浄化は、主と
して排気中の未燃炭化水素(HC)との還元反応によるも
のであるから、排気中に未燃炭化水素の存在が必要であ
り、リーンNOx触媒装置14は三元触媒装置16の上流に配
設される必要がある。
三元触媒装置16は、空燃比が理論空燃比近傍に制御さ
れる運転時に、最大の浄化効率で窒素酸化物、一酸化炭
素、未燃炭化水素等を同時に浄化するものであり、例え
ば、アルミナに白金、パラジウム等の貴金属を担持した
周知の触媒装置が使用される。
リーンNOx触媒装置14と三元触媒装置16間の排気パイ
プ12には排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段
22が配設されている。この酸素濃度検出手段22として
は、通常の酸素センサでもよいが、供給する電流値の変
化から空燃比を検出する、いわゆるリニア空燃比センサ
であってもよい。この酸素濃度検出手段22は、排気中の
酸素濃度を広い範囲に亘って検出できる必要があり、少
なくとも理論空燃比近傍での酸素濃度および例えば空燃
比23近傍での酸素濃度の検出ができなければならない。
酸素濃度検出手段22は電子制御装置20に電気的に接続さ
れ、検出した酸素濃度に応じた出力信号を電子制御装置
20に供給する。
電子制御装置20は、上述の酸素濃度検出手段22からの
出力情報の他、エンジン回転数センサ、負荷センサ、水
温センサ等の、図示しない各種センサからの運転情報に
応じ、これも図示しない燃料噴射弁を介してエンジン10
に所要量の燃料を噴射供給させるものである。
次に、排気浄化装置の作用を説明する。
電子制御装置20は、上述の各種センサによりエンジン
10が低負荷運転状態あるいは定常運転状態にあると判別
すると、酸素濃度検出手段22の出力情報に基づいてエン
ジン10に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリ
ーン側にある所定空燃比(例えば、空燃比23)にフィー
ドバック制御する(リーン空燃比運転)。このような空
燃比でエンジン10をリーン空燃比運転すると、燃費の向
上が図られる。また、このようなリーン空燃比運転時に
おける排気ガスの浄化は、主としてリーンNOx触媒装置1
4が受け持ち、窒素酸化物の浄化が行われる。
次に、電子制御装置20は、エンジン10の運転状態の変
化を検出して、エンジン10が高負荷運転状態あるいは加
速運転状態に移行したと判別すると、空燃比が理論空燃
比近傍に保持されるようにフィードバック制御を行う
(ストイキオ空燃比運転)。理論空燃比は三元触媒装置
16において最大の浄化効率が得られる空燃比である。こ
のとき、リーンNOx触媒装置14の下流、かつ、三元触媒
装置16の上流に酸素濃度検出手段22が配設されているの
で、リーン空燃比運転からストイキオ空燃比運転に切り
替えられた直後に、リーンNOx触媒装置16から放出され
る酸素も、この酸素濃度検出手段22により検出されるこ
とになり、三元触媒装置16に流入する排気ガスの空燃比
を正しく理論空燃比に制御することができることにな
る。
なお、酸素濃度検出手段22は理論的には三元触媒装置
16の下流に配設しても差し支えないが、応答性の点では
リーンNOx触媒装置14と三元触媒装置16間に配設するこ
とが好ましい。
上述の実施例では、酸素濃度検出手段22が一本で済む
という利点があるが、酸素濃度検出手段22がエンジン12
の排気ポートから離れた位置に配設されることになり、
コールドスタート時に酸素濃度検出手段22の活性化が遅
れる問題や制御の応答性に問題が生じる場合が考えられ
る。
このような問題を回避するには、第2図に示すような
第2の実施例の構成にするのがよい。すなわち、第1の
酸素濃度検出手段24を排気マニホルド11の集合管に配設
し、第2の酸素濃度検出手段26をリーンNOx触媒装置14
と三元触媒装置16間に配設するのである。第1の酸素濃
度検出手段24としては、酸素センサであってもよいしリ
ニア空燃比センサであってもよい。一方、第2の酸素濃
度検出手段26としては、いわゆるλセンサと呼ばれる酸
素センサでよい。
このような第2の実施例では、リーン空燃比運転から
ストイキオ空燃比運転に切り替えられた直後における、
リーンNOx触媒装置14に吸着されていた酸素の放出量を
第2の酸素濃度検出手段26により検出することができる
ので、第1の酸素濃度検出手段24の出力情報を第2の酸
素濃度検出手段26の出力情報により修正することによ
り、三元触媒装置16に流入する空燃比が正確に検出する
ことができることになる。
なお、上述の第1および第2の実施例における電子制
御装置20による空燃比制御の方法には公知の種々の方法
が適用でき、特に限定されないことは勿論のことである
から、その説明は省略する。
(発明の効果) 以上詳述したように本発明の内燃エンジンの排気浄化
装置に依れば、内燃エンジンの排気通路に、理論空燃比
より燃料希薄側の空燃比で運転した場合の窒素酸化物を
含む有害成分の除去に好適な第1の触媒装置を配設する
と共に、その下流に、理論空燃比近傍の空燃比で運転し
た場合の窒素酸化物を含む有害成分の除去に好適な第2
の触媒装置を配設し、第1の触媒装置と第2の触媒装置
との間の排気通路に酸素濃度検出手段を配設し、内燃エ
ンジンの運転状態に応じ、酸素濃度検出手段の出力情報
に基づいて空燃比を制御するようにしたので、リーン空
燃比運転からストイキオ空燃比運転に切り替えられた直
後における第2の触媒装置に流入する排気中の酸素濃度
を正確に検出することができ、排気ガス特性の向上を図
ることができる。
また、好ましい別の態様としては、酸素濃度検出手段
を第1の触媒装置の上流の排気通路に配設すると共に、
第1の触媒装置と第2の触媒装置との間の排気通路に第
2の酸素濃度検出手段を配設し、最初の酸素濃度検出手
段の出力情報を第2の酸素濃度検出手段の出力情報で補
正し、該補正した出力情報に基づいて空燃比を制御する
ようにすれば、上述の排気特性の向上が図れる他に、制
御の応答性の向上も図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る内燃エンジンの排気浄化装置の第
1の実施例の概略構成を示すブロック図、第2図は、本
発明の第2の実施例を示す、排気浄化装置の概略構成を
示すブロック図である。 10……内燃エンジン、11……排気マニホールド、12……
排気パイプ、14……リーンNOx触媒装置、16……三元触
媒装置、20……電子制御装置(ECU)、22,24,26……酸
素濃度検出手段。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−35180(JP,A) 特開 平3−242415(JP,A) 特開 昭61−210242(JP,A) 特開 昭58−48755(JP,A) 特公 昭57−7286(JP,B2) 特公 昭61−25890(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F02D 35/00 - 41/14 F01N 3/28

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内燃エンジンの排気通路に、理論空燃比よ
    り燃料希薄側の空燃比で運転した場合の窒素酸化物を含
    む有害成分の除去に好適な第1の触媒装置と、その下流
    に、理論空燃比近傍の空燃比で運転した場合の窒素酸化
    物を含む有害成分の除去に好適な第2の触媒装置とを備
    え、内燃エンジンの運転状態に応じ、排気中の酸素濃度
    を検出する酸素濃度検出手段の出力情報に基づいて空燃
    比を制御する内燃エンジンの排気浄化装置において、少
    なくとも前記酸素濃度検出手段を、前記第1の触媒装置
    と第2の触媒装置との間の排気通路に配設したことを特
    徴とする内燃エンジンの排気浄化装置。
  2. 【請求項2】内燃エンジンの排気通路に、理論空燃比よ
    り燃料希薄側の空燃比で運転した場合の窒素酸化物を含
    む有害成分の除去に好適な第1の触媒装置と、その下流
    に、理論空燃比近傍の空燃比で運転した場合の窒素酸化
    物を含む有害成分の除去に好適な第2の触媒装置とを備
    え、内燃エンジンの運転状態に応じ、排気中の酸素濃度
    を検出する酸素濃度検出手段の出力情報に基づいて空燃
    比を制御する内燃エンジンの排気浄化装置において、前
    記酸素濃度検出手段を前記第1の触媒装置の上流の排気
    通路に配設すると共に、前記第1の触媒装置と第2の触
    媒装置との間の排気通路に第2の酸素濃度検出手段を配
    設し、前記最初の酸素濃度検出手段の出力情報を第2の
    酸素濃度検出手段の出力情報で補正し、該補正した出力
    情報に基づいて空燃比を制御することを特徴とする内燃
    エンジンの排気浄化装置。
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