JP3636116B2

JP3636116B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3636116B2
Application number: JP2001259060A
Authority: JP
Inventors: 博文土田; 俊一椎野; 勇堀田; 隆福田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2005-04-06
Anticipated expiration: 2021-08-29
Also published as: EP1243766A2; EP1243766B1; EP1243766A3; DE60227735D1; JP2002349247A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等の内燃機関から排出される排気ガスを浄化する装置に係り、特に排気ガス中のＮＯｘを高効率で浄化するための排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の理論空燃比近傍で運転される内燃機関の排気ガスは三元触媒で浄化することができる。三元触媒は流入する排気の空燃比が理論空燃比のときにＨＣ、ＣＯ成分の酸化とＮＯｘの還元とを同時に行うものであり、リーン空燃比で運転し燃費を向上させるいわゆるリーンバーンエンジンの排気浄化には適しない。
【０００３】
このようなリーンバーンエンジンの場合、流入する排気の空燃比がリーンである場合にＮＯｘをトラップし、流入する排気の空燃比がリッチである場合にトラップしたＮＯｘを放出、浄化処理するＮＯｘトラップ触媒などを用いる。ＮＯｘトラップ触媒としては、アルカリ金属（Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｃｓ等）、アルカリ土類（Ｂａ、Ｃａ等）、希土類（Ｌａ、Ｙ等）から選ばれた少なくとも１つと貴金属（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等）とを担持させたものが知られているが、このようなＮＯｘトラップ触媒はそのＮＯｘトラップ機能を発揮するのに最低でも２００℃（一般的には３００℃前後）以上の活性温度が必要となる。従って、内燃機関の始動直後等の低温状態においては未活性の状態であり、ＮＯｘのトラップ及び浄化処理を行うことができない。
【０００４】
一方、特開平１−１５５９３４号公報には、道路トンネルにおける換気ガスの浄化（ＮＯｘ除去）のため、ゼオライトの吸着能を使用し、トンネル中に排出されたＮＯｘをゼオライトに吸着、浄化する技術について記載されている。この技術はＮＯｘを比較的低温（常温）でゼオライトに吸着させ、その再生、すなわちＮＯｘの脱離のためにゼオライトを１５０℃以上の高温にさらすというものである。また、ゼオライトヘのＮＯｘの吸着を促進するために、その上流部にてシリカゲル等により水分を除去するものとしている。
【０００５】
すなわち、予め乾燥させたガス中のＮＯｘを、ゼオライトにより低温時に吸着処理させ、高温にすることでこのＮＯｘを脱離させ、この時に還元剤により浄化するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来技術を内燃機関の排気系に適用した場合、始動後の低温時において乾燥させた排気ガス中のＮＯｘを、ゼオライトによりトラップすることは可能であるが、比較的低温（例えば２００℃以下）にてトラップしたＮＯｘが脱離してしまい、例えば貴金属を含む触媒を併用した場合でも、２００℃以下では触媒は十分に活性せず、このような条件で還元剤が存在しても低温のため還元反応が起きず、ＮＯｘが浄化できずに放出されてしまうという問題点があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点を解決することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題点の解決のために各種検討を行い、貴金属をセリア（ＣｅＯ₂）のみに担持してなるトラップ成分を含有する低温ＮＯｘトラップ触媒（以下、セリアベース排気浄化触媒という）やゼオライトを含有する低温ＮＯｘトラップ触媒（以下、ゼオライト排気浄化触媒という）が低温時にＮＯｘをトラップするときの条件に関し、流入する排気ガス中の水分量をコントロールすることで、上記問題点を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、低温時にゼオライト排気浄化触媒にＮＯｘをトラップさせる場合に、内燃機関から排出される水分量を減少させることでＮＯｘのトラップ量を増加させることができるが、この場合にゼオライト排気浄化触媒に流入する排気ガス中の水分を完全に除湿するのではなく、ある程度の濃度の水分を残した状態で、この水分と共にＮＯｘをトラップさせることで、温度上昇に伴うＮＯｘの脱離を特に２００℃程度までは大幅に抑制できることを見出したものである。
【００１０】
図１にその実験結果を示している。
図１に示すように、ＮＯｘトラップ期間中（ゼオライト排気浄化触媒が低温の期間）の水分濃度が０％（完全除湿の状態）の場合、ゼオライト排気浄化触媒の温度が２００℃以下でのＮＯｘ脱離割合（ＮＯｘトラップ量に対する脱離量の割合）が高く、半分以上が脱離するのに対し、水分濃度が増加すると、この２００℃以下でのＮＯｘ脱離割合が急激に減少し、特に水分濃度を概略１％（もしくはそれ以上）にコントロールすることで、低温時のＮＯｘの脱離を大幅に抑制できることが、本発明者らの検討によって明らかになった。
尚、セリアベース排気浄化触媒についても図１と同様の実験結果が得られた。
【００１１】
このような背景の下、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に、貴金属をセリア（ＣｅＯ₂）のみに担持してなるトラップ成分又はゼオライトを含有する低温ＮＯｘトラップ触媒を配置し、この低温ＮＯｘトラップ触媒により排気温度の低温時にＮＯｘをトラップし、トラップしたＮＯｘを高温時において脱離処理を行う内燃機関の排気浄化装置において、前記低温ＮＯｘトラップ触媒に流入する水分量をコントロールする手段を有し、この水分量コントロール手段により、前記低温ＮＯｘトラップ触媒に流入する水分量を、少なくとも内燃機関から排出される水分量よりも低減すると共に、かつ完全除湿ではない所定の水分濃度以上を供給するようにコントロールすることを特徴とし、かつ、前記水分量コントロール手段は、前記低温ＮＯｘトラップ触媒の上流の排気通路に、吸収、凝縮等により排気ガス中の水分を一時的にトラップする水分トラップを設けたものであり、かつこの水分トラップは、流入する排気ガスの一部をそのまま水分をトラップせずに下流に通過させる構造であることを特徴とする。
【００１２】
尚、前記水分量コントロール手段は、少なくとも低温からの内燃機関始動後の所定期間、あるいは前記低温ＮＯｘトラップ触媒の温度が所定温度よりも低温である期間において作動するものであればよい。
【００１３】
請求項２の発明では、前記水分トラップの構造は、その一部に上流から下流に排気ガスをそのまま通過させる排気通路を設けたものであることを特徴とする。
請求項３の発明では、前記水分トラップに設けた排気通路は、排気ガスが上流から下流にそのまま通過する割合が１／５から１／１２の範囲となるように構成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明では、前記水分トラップの構造はハニカム構造であり、そのハニカムの各セルの大きさを、排気ガスが上流から下流にそのまま通過する割合が１／５から１／１２の範囲となるように設定したことを特徴とする。
請求項５の発明では、前記水分トラップは、内燃機関の運転状態が所定の高速高負荷条件となった場合に、排気ガスが上流から下流にそのまま通過する割合が１／５から１／１２の範囲となるように構成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項６の発明では、前記水分トラップは、吸湿性を持つゼオライト、あるいはアルミナにより構成されたものであり、低温で一時的に水分をトラップし、高温時に脱離放出するものであることを特徴とする。
請求項７の発明では、内燃機関の排気通路に、貴金属をセリア（ＣｅＯ ₂ ）のみに担持してなるトラップ成分又はゼオライトを含有する低温ＮＯｘトラップ触媒を配置し、この低温ＮＯｘトラップ触媒により排気温度の低温時にＮＯｘをトラップし、トラップしたＮＯｘを高温時において脱離処理を行う内燃機関の排気浄化装置において、前記低温ＮＯｘトラップ触媒に流入する水分量をコントロールする手段を有し、この水分量コントロール手段により、前記低温ＮＯｘトラップ触媒に流入する水分量を、少なくとも内燃機関から排出される水分量よりも低減すると共に、かつ完全除湿ではない所定の水分濃度以上を供給するようにコントロールすることを特徴とし、かつ、前記水分量コントロール手段は、前記低温ＮＯｘトラップ触媒の一部に上流から下流に排気ガスをそのまま通過させる排気通路を設けたものであることを特徴とする。
【００１６】
請求項８の発明では、主にゼオライトで構成された低温ＮＯｘトラップ触媒には、高温時に脱離するＮＯｘと排気中の還元成分とを反応させ浄化するための、貴金属を含む触媒を担持したことを特徴とする。
請求項９の発明では、前記低温ＮＯｘトラップ触媒の温度、あるいは直前の排気ガスの温度を検出、推定する手段を有し、低温からの内燃機関始動後に前記温度が所定温度以上となった場合に、所定の期間、排気ガスの空燃比をリッチ化することを特徴とする。
【００１７】
請求項１０の発明では、前記低温ＮＯｘトラップ触媒の上流、あるいは下流の排気通路に、もしくは前記低温ＮＯｘトラップ触媒と一体で、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップし、流入する排気ガスの空燃比がリッチである時にトラップしたＮＯｘを脱離、浄化するＮＯｘトラップ触媒を備えていることを特徴とする。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１、７の発明によれば、水分量コントロール手段により、低温ＮＯｘトラップ触媒に流入する水分量を、少なくとも内燃機関から排出される水分量よりも低減すると共に、かつ完全除湿ではない所定の水分濃度以上を供給するようにコントロールすることで、前述のように、低温ＮＯｘトラップ触媒からのＮＯｘの脱離を、特に２００℃程度以下で大幅に抑制することが可能となり、この温度域でのＮＯｘ放出を低減することができる。
【００１９】
また、請求項１の発明によれば、前記水分量コントロール手段は、低温ＮＯｘトラップ触媒の上流に水分トラップを設けたものであり、かつこの水分トラップは、流入する排気ガスの一部をそのまま水分をトラップせずに下流に通過させる構造であることにより、内燃機関から排出される水分を除湿する場合に、完全に除湿するのではなく、一部の水分はそのまま下流に通過させるため、適切な水分濃度にコントロールすることができる。
【００２０】
尚、前記水分量コントロール手段は、少なくとも低温からの内燃機関始動後の所定期間、あるいは低温ＮＯｘトラップ触媒の温度が所定温度よりも低温である期間において作動するものであればよいので、水分コントロールを必要な期間のみに限定でき、例えば低温においては水分を吸着するシリカゲルや、同じく低温での水分吸着作用のあるゼオライト、あるいはアルミナ等で水分をコントロールすることが可能となり、すなわちシンプルな構成で水分コントロールすることができる。
【００２１】
請求項２の発明によれば、前記水分トラップの構造は、その一部に上流から下流に排気ガスをそのまま通過させる排気通路を設けたものであることにより、簡単な構成で水分濃度のコントロールができる。
請求項３の発明によれば、前記水分トラップに設けた排気通路は、排気ガスが上流から下流にそのまま通過する割合が１／５から１／１２の範囲となるように構成されていることにより、下流の低温ＮＯｘトラップ触媒に最適な水分濃度を供給することができる。
【００２２】
すなわち、一般に内燃機関から排出される排気ガス中の水分濃度は、空燃比（Ａ／Ｆ）によって変化するが、Ａ／Ｆ＝４０程度で水分濃度＝５％程度、理論空燃比近傍で水分濃度＝１２％程度であり、このうち、トラップされずに下流側に通過する割合を１／５から１／１２の範囲に調整することによって、下流の低温ＮＯｘトラップ触媒に流入する排気ガス中の水分濃度を概略１％前後（０．４％〜２．４％程度）にコントロールすることが可能となる。図１に実験結果を示したように、特に水分濃度を概略１％程度にすることで、低温時のＮＯｘの脱離を大幅に低減できることが、本発明者らの検討によって明らかになっており、これにより低温時の未浄化ＮＯｘの放出を大幅に低減できる。
【００２３】
また、ＮＯｘトラップ期間における内燃機関の空燃比の設定が基本的にほぼ固定されている場合、例えば内燃機関の常温始動からの所定期間は標準的な空燃比としてＡ／Ｆ＝４０が設定されている場合、排気ガス中の水分濃度は約５％であるから、水分トラップにおける排気ガスの上流から下流にそのまま通過する割合を１／５程度に設定することで、水分濃度を比較的精度よく約１％にコントロールすることができる。つまり、ＮＯｘトラップ期間中の標準空燃比が基本的にほぼ固定されている場合は、通過ガス割合をそれに応じて設定することで、上記低温時の未浄化ＮＯｘ放出の低減をより効果的に行うことができる。
【００２４】
請求項４の発明によれば、前記水分トラップの構造はハニカム構造であり、そのハニカムの各セルの大きさを、排気ガスが上流から下流にそのまま通過する割合が１／５から１／１２の範囲となるように設定したことにより、上記と同様な効果が得られる一方、上記のような排気通路加工を行う必要が無くなり、製造工程をより簡略化することができる。
【００２５】
請求項５の発明によれば、前記水分トラップは、内燃機関の運転状態が所定の高速高負荷条件となった場合に、排気ガスが上流から下流にそのまま通過する割合が１／５から１／１２の範囲となるように構成されていることにより、ＮＯｘの排出量の多い高速高負荷条件に適切な水分と共にＮＯｘをトラップすることになるため、この高速高負荷時にトラップした大量のＮＯｘについて、２００℃以下の低温時の脱離を抑制でき、より効率的にＮＯｘの放出量の低減ができる。
【００２６】
ここで、高速高負荷時に水分トラップをそのまま通過する排気ガス割合が１／５から１／１２となるように、例えばハニカム構造の各セルの大きさを設定した場合、アイドル等の低速低負荷では、水分トラップをそのまま通過する排気ガス割合がほぼ０に近くなる可能性があり、このような条件では低温ＮＯｘトラップ触媒に流入する排気ガス中の水分濃度がほぼ０％まで除湿されることになる。しかしながら、アイドル等の条件ではＮＯｘの排出量が非常に少なく、仮にこの条件でトラップされたＮＯｘが２００℃以下の低温で未浄化のまま放出されることになっても、高速高負荷時に大量に排出されるＮＯｘをトラップし、これを低温で未浄化のまま排出させないように設定する方が、結果としてＮＯｘの低減効果をより大きくできることとなる。
【００２７】
請求項６の発明によれば、前記水分トラップは、吸湿性を持つゼオライト、あるいはアルミナにより構成されたものであり、低温で一時的に水分をトラップし、高温時に脱離放出するものであることにより、水分のコントロールが必要な低温時に機能すると共に、内燃機関の排気系に装着した場合の耐久性も兼ね備えた水分トラップとすることができる。
【００２８】
請求項７の発明によれば、前記水分コントロール手段は、低温ＮＯｘトラップ触媒の一部に上流から下流に排気ガスをそのまま通過させる排気通路を設けたものであることにより、仮にゼオライト排気浄化触媒の上流側に水分トラップを配置しない構成においても、ゼオライト排気浄化触媒に流入する水分量をコントロールすることができる。
【００２９】
すなわち、内燃機関から排出された排気ガス中に含まれる水分は、その一部が低温ＮＯｘトラップ触媒に設けられた排気通路を通ってそのまま下流に流出するため、低温ＮＯｘトラップ触媒には内燃機関からの水分量がすべて流入するのではなく、一部低減された量が流入する。本発明者らは、低温ＮＯｘトラップ触媒でのＮＯｘのトラップは、同時に吸着する水分が飽和した時点で急激にＮＯｘのトラップ能力が落ちることを確認しており、流入する水分量が減少した場合は、その分だけＮＯｘトラップ能力が増大する（ＮＯｘトラップ期間が延びる）。また、実際に流入する分の排気ガスには当然ある程度の濃度の水分が含まれているため（上流側に水分トラップが無い場合は、水分濃度は内燃機関から排出される排気ガスの水分濃度と概略同等となり、上流側に水分トラップがある場合は、そこでコントロールされた水分濃度となる。）、この水分と共にトラップされたＮＯｘは、２００℃以下の低温時の脱離が抑制され、この温度域のＮＯｘの放出を大幅に低減できる。
【００３０】
ここで、低温ＮＯｘトラップ触媒に設けられた排気通路を通ってそのまま下流に流出する排気ガス中には、上記の水分の他に、当然ながらＮＯｘも含まれるため、このＮＯｘはトラップされずに、放出してしまうことになる。しかしながら、上記のように流入する水分量を低減した場合に、実際には低温ＮＯｘトラップ触媒への水分吸着が飽和するまでの期間を延ばすことができるようになり、これはＮＯｘをトラップできる期間を延長することになる。内燃機関からのＮＯｘの排出特性を考えてみると、ＮＯｘの排出は燃焼温度が高くなるにつれて、急激に増加することが解っている。内燃機関の始動直後は、燃焼室壁温等が低い状態であり、燃焼温度も低く、従ってＮＯｘの排出が比較的少ないが、暖機が進むにつれて各部温度の上昇に伴い燃焼温度も上昇するため、ＮＯｘの排出も増加する傾向となる。つまり、ＮＯｘをトラップする期間が延長した場合、より排出量の多い状態のＮＯｘをトラップすることが可能となり、ＮＯｘトラップ期間において、一部の排気ガス（ＮＯｘも含む）をそのまま放出したとしても、結果としてＮＯｘの低温での放出を抑制することが可能となる。
【００３１】
また、前述のように高速高負荷条件ではＮＯｘの排出量が増大するが、ＮＯｘをトラップできる期間が延長された場合、このような高速高負荷条件が含まれる可能性が増加する。つまり、実際の運転状態を考えると、始動直後はアイドル状態であり、ある期間アイドルのまま暖機した後に発進加速のために比較的高速高負荷状態に移行する。この期間の長さは条件によって大きく変動するものであるが、ＮＯｘトラップ期間が長いほど確率的に高速高負荷条件を含むことになることは間違いなく、このような排出量の多い高速高負荷条件のＮＯｘをトラップすることが可能となり、ＮＯｘトラップ期間において、一部の排気ガス（ＮＯｘも含む）をそのまま放出したとしても、実際に行われる各種の運転条件を総合的にみると、結果としてＮＯｘの低温での放出を抑制することが可能となる。
【００３２】
請求項８の発明によれば、低温ＮＯｘトラップ触媒にゼオライト排気浄化触媒を用いる場合に、高温時に脱離するＮＯｘと排気中の還元成分とを反応させ浄化するための、貴金属を含む触媒を担持したことにより、２００℃以下で抑制されていたＮＯｘが更なる昇温に伴って脱離する場合に、貴金属を含む触媒が活性し、排気中の還元成分をＮＯｘと反応させ、還元浄化することができるため、低温時にトラップしたＮＯｘを浄化せずに放出することを防止できる。
尚、セリアベース排気浄化触媒のＮＯｘトラップ成分はもともと貴金属を含んでおり、２００℃以上でＮＯｘが脱離するときにはこの貴金属によってＮＯｘを還元浄化することができる。
【００３３】
請求項９の発明によれば、前記低温ＮＯｘトラップ触媒の温度を直接あるいは間接的に検出する手段を有し、低温からの内燃機関始動後に前記温度が所定温度以上となった場合に、所定の期間、空燃比をリッチ化することにより、２００℃以下で抑制されていたＮＯｘが更なる昇温に伴って脱離する場合に、還元剤を十分に供給することができるため、より効率的にＮＯｘの還元浄化を行うことができる。
【００３４】
請求項１０の発明によれば、前記低温ＮＯｘトラップ触媒の上流、下流、あるいはこれと一体に、排気空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップし、排気空燃比がリッチである時にトラップしたＮＯｘを脱離、浄化するＮＯｘトラップ触媒を備えていることにより、前記低温ＮＯｘトラップ触媒による低温時におけるＮＯｘトラップ処理が機能しない高温時においてＮＯｘをトラップ浄化処理することが可能となり、内燃機関の低温から高温のあらゆる条件でＮＯｘ浄化を行うことができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図２は本発明の第１実施形態を示す内燃機関（以下エンジンという）のシステム図である。
エンジン１の吸気通路２には吸入空気量を制御する電制スロットル弁３が設置され、エンジン１の燃焼室４には燃料噴射弁５と点火プラグ６とが設置されており、これらはエンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）７により駆動される。
【００３６】
ＥＣＵ７には、吸気通路２の電制スロットル弁３上流に設けたエアフローメータ８により検出される吸入空気量Ｑａの他、アクセルペダルセンサ９により検出されるアクセル開度Ａｐｏ、クランク角センサ１０により検出されるエンジン回転数Ｎｅ、水温センサ１１により検出されるエンジン冷却水温Ｔｗなどが入力されている。
【００３７】
ＥＣＵ７では、主にアクセル開度Ａｐｏに基づいて、エンジン１に必要な負荷（要求トルク）Ｌを算出する。そして、負荷Ｌ、エンジン回転数Ｎｅ、エンジン冷却水温Ｔｗ等に基づいて、目標空燃比の指標として目標燃空比ＴＦＢＹＡを算出する。尚、ここでいう目標燃空比ＴＦＢＹＡは、空気過剰率λの逆数であり、理論空燃比では１．０、リーン空燃比では１より小さな値をとる。そして、この目標燃空比ＴＦＢＹＡを実現すべく必要な空気量を得るために電制スロットル弁３を駆動する。すなわち、同一の負荷で考えた場合、目標空燃比が理論空燃比よりもリーンであるほど、スロットル開度を大きくして吸気空気量Ｑａを増加させ、また理論空燃比に近づくほど、スロットル開度を小さくして吸入空気量Ｑａを減少させる。
【００３８】
また、実際の吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎｅとから、基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ（Ｋは定数）を演算し、これに目標燃空比ＴＦＢＹＡを乗じることで、最終的な燃料噴射量Ｔｉ＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ×ＣＯＥＦ（ＣＯＥＦは各種補正係数）を演算する。そして、このＴｉに対応するパルス幅の燃料噴射パルス信号により燃料噴射弁５を駆動する。尚、点火プラグ６の点火時期は、エンジン回転数Ｎｅ及び負荷Ｌに基づいて制御する。
【００３９】
エンジン１からの排気は排気通路１２より排出されるが、この排気通路１２には、低温ＮＯｘトラップ触媒としてゼオライト排気浄化触媒１３が設けられており、その上流に水分トラップ１４が設けられている。また、ゼオライト排気浄化触媒１３の下流にはＮＯｘトラップ触媒１５が設けられている。従って、排気は、水分トラップ１４、ゼオライト排気浄化触媒１３、ＮＯｘトラップ触媒１５の順で、これらを通過後、大気に放出される。
【００４０】
また、ゼオライト排気浄化触媒１３には触媒温度センサ１６が設置されており、ゼオライト排気浄化触媒１３の温度Ｔｃａｔを検出して、ＥＣＵ７に入力している。
ゼオライト排気浄化触媒１３は、主にゼオライトで構成されたものである。ここでゼオライトとしては、例えばβゼオライト、Ａ型ゼオライト、Ｙ型ゼオライト、Ｘ型ゼオライト、ＺＳＭ−５、ＵＳＹ、モルデナイト、フェリエライトを使用でき、これらのゼオライトをハニカム担体にコーティングして構成されたものである。
尚、ゼオライト排気浄化触媒１３に替えてセリアベース排気浄化触媒を使用しても良い。このセリアベース排気浄化触媒は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、及びその他の貴金属の群から選択される一種又は二種以上の貴金属をセリア（ＣｅＯ₂）のみに担持してなるトラップ成分を含有する触媒である。このような触媒は、粉末状にした前記のトラップ成分をハニカム担体に直接コーティングしたり、ハニカム担体に施したアルミナ等のウォッシュコート上にトラップ成分をコーティングしたり、トラップ成分をアルミナ等と混合したものをハニカム担体にコーティングしたりして得ることができる。
【００４１】
このようなゼオライト排気浄化触媒１３（又はセリアベース排気浄化触媒）では、触媒温度が１００℃以下というような低い条件でもＮＯｘをトラップすることができる。また、この触媒が昇温するに伴い、低温でトラップしたＮＯｘは脱離するが、これは前述したように、ＮＯｘトラップ期間中の水分をコントロールすることで、特に２００℃以下での脱離を抑制できることがわかった。
【００４２】
また、このゼオライト排気浄化触媒１３は、その表層にさらに白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の貴金属を担持したアルミナをコーティングしたものでも良い。このようにすると、触媒が昇温し、ＮＯｘが脱離する場合に、ＮＯｘの浄化を触媒作用により促進することが可能となる。このＮＯｘの浄化は、主に排気中の還元成分（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂等）や、ゼオライト排気浄化触媒１３自体に吸着したＨＣとの反応による還元作用である。本実施形態では、ゼオライト排気浄化触媒１３はその表層に貴金属の触媒を担持している構成であるとして説明する。
尚、セリアベース排気浄化触媒を使用する場合、このセリアベース排気浄化触媒のＮＯｘトラップ成分はもともと貴金属を含んでいるため、触媒が昇温して所定温度以上になった場合は還元触媒機能が活性化する。その結果、低温でトラップしたＮＯｘが脱離するときには、排気中の還元成分（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂等）により脱離ＮＯｘが還元浄化される。
【００４３】
上流側の水分トラップ１４としては、シリカゲル、活性炭、一部のゼオライト、アルミナ等を使用できるが、排気系での耐久性を考えた場合、一部のゼオライトか、アルミナが有効である。ここでは、低温での吸水性に優れるＡ型ゼオライトを使用し、これをハニカム担体にコーティングして、水分トラップ１４を構成した。
【００４４】
また、この水分トラップ１４は、その上流と下流とを連通する排気通路（バイパス通路）１４ａを中心部に有する構造である。この排気通路１４ａは、中心部にある必要はなく、任意の位置に配置しても構わないが、その開口面積は、流入する排気ガスがそのまま下流に通過する割合が１／５から１／１２となるように、予め実験的に設定したものである。排気ガスの流れが水分トラップ１４の中心部と外周部とでは異なる場合があるため、排気通路１４ａの開口位置によって、開口面積を最適な値に設定する必要がある。ここでいう排気ガスがそのまま下流に通過する割合とは、水分濃度の低下割合で代表されるものである。本実施形態では、水分トラップ１４は、その排気ガスがそのまま通過する割合がおよそ１／７となるように設定している。
【００４５】
下流側のＮＯｘトラップ触媒１５としては、例えば、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の貴金属を少なくとも１成分担持したアルミナをハニカム担体にコーティングした三元触媒に、さらにバリウムＢａで代表されるアルカリ土類、セシウムＣｓで代表されるアルカリ金属から選ばれた少なくとも１つの成分を添加してＮＯｘトラップ機能を持たせたものであり、触媒の活性温度以上（最低でも２００℃）に達すると、排気空燃比がリーンの条件で排気中のＮＯｘをトラップし、リッチの条件で排気中の還元成分（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂等）によりトラップしたＮＯｘを放出すると同時に還元浄化する特性を有するものである。このようなＮＯｘトラップ触媒１５は、最低でも２００℃以上の温度領域では、上記のようなＮＯｘのトラップ及び浄化を行うことが可能であるが、それ以下の温度ではＮＯｘの浄化は困難となる。
【００４６】
また、エンジン１は筒内直接燃料噴射式のエンジンであり、部分負荷域ではリーン燃焼が可能なものであり、冷機始動後の低温条件（例えば冷却水温が２５℃程度）から部分負荷域でリーン燃焼を行うものである。始動後、なるべく早くリーン燃焼とすることで、実用燃費を向上させることを狙い、本実施形態では、このような低温条件においても、通常の運転状態で使用する部分負荷領域は、平均空燃比Ａ／Ｆ＝２５程度で運転するように設定しているものである。
【００４７】
次に本実施形態の動作について説明する。
エンジン１が常温（約２５℃）から冷機始動した場合で説明する。上述のように始動直後からエンジン１は平均空燃比Ａ／Ｆ＝２５程度でリーン運転を行い、この場合、エンジン１から排出される排気ガス中の水分濃度は平均すると約７％となる。この排気ガスは、始動後の低温期間において水分トラップ１４にて大部分の水分がトラップされるが、この水分トラップ１４の一部に設けた排気通路１４ａを通って、一部の排気ガスは水分をトラップされずにそのまま下流に流出する。排気ガスがそのまま通過する割合は、１／７程度に設定されているため、水分トラップ１４の下流では、排気ガス中の水分濃度は平均約１％となり、この排気ガスがゼオライト排気浄化触媒１３に流入する。
【００４８】
ゼオライト排気浄化触媒１３は、１００℃以下の低温でも排気ガス中のＮＯｘをトラップすることが可能であり、流入する約１％の水分と共にＮＯｘをトラップし、ＮＯｘの脱離を防止できる。その後、触媒の暖機が進み、ゼオライト排気浄化触媒１３にトラップされたＮＯｘも脱離することになるが、前述のように水分と共にトラップされたＮＯｘは、約２００℃程度まで脱離を抑制されているため、未浄化のまま放出されるＮＯｘを大幅に低減できる。さらに、温度が上昇し、２００℃を超える条件になると、ゼオライト排気浄化触媒１３にトラップされていたＮＯｘが脱離を開始するが、ゼオライト排気浄化触媒１３の表層の貴金属触媒が２００℃以上では活性状態となるため、この時排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、あるいはゼオライト排気浄化触媒１３自体に吸着していたＨＣといった還元成分により、脱離したＮＯｘが還元浄化されるため、未浄化のまま放出されるＮＯｘを低減できる。
【００４９】
さらに本実施形態では、フローチャートに基づいて詳細は後述するが、ゼオライト排気浄化触媒１３の温度が２００℃以上となると、一定期間、エンジン１をリッチ運転するように制御している。これにより、ゼオライト排気浄化触媒１３の温度が２００℃を超え、ＮＯｘが脱離をしている期間に、リッチ運転によりＨＣ、ＣＯ等の還元剤が十分に供給されるため、ＮＯｘの還元浄化が促進され、ＮＯｘの放出を大幅に低減することができる。
【００５０】
さらにその後、エンジン１は通常のリーン運転に戻るが、このような条件では下流側のＮＯｘトラップ触媒１５も十分に昇温しており（例えば２００℃以上）、リーン排気ガス中のＮＯｘがトラップされ、また周期的なリッチ化制御により、ＮＯｘトラップ触媒１５中にトラップされたＮＯｘが還元浄化されるため、高温時にもＮＯｘの排出を低減できるものである。
【００５１】
このＮＯｘトラップ触媒１５は、ゼオライト排気浄化触媒１３の下流に設置することで説明したが、これはゼオライト排気浄化触媒１３の上流であっても問題は無く、あるいはゼオライト排気浄化触媒１３の表層の貴金属触媒に、バリウムＢａで代表されるアルカリ土類、セシウムＣｓで代表されるアルカリ金属から選ばれた少なくとも１つの成分を添加して、高温時のＮＯｘトラップ機能を持たせたものであっても問題は無い。
【００５２】
次に本実施形態での空燃比制御について図３のフローチャートに基づいて説明する。本ルーチンは例えば１０msec毎に実行されるものである。
Ｓ１では、エンジン１の冷却水温度Ｔｗを検出し、次のＳ２で、このＴｗが所定値ＴｗＬ（例えば２５℃）よりも高いか否かを判定する。
このＳ２での判定でエンジン冷却水温Ｔｗが所定値ＴｗＬ（２５℃）より高い場合は、リーン燃焼が可能と判断し、Ｓ３に進む。
【００５３】
Ｓ３では、ゼオライト排気浄化触媒１３の温度Ｔｃａｔを検出し、次のＳ４で、このＴｃａｔが所定値ＴｃａｔＬ（例えば２００℃）以下であるか否かを判定する。この所定値ＴｃａｔＬとしては、ゼオライト排気浄化触媒１３において、トラップしたＮＯｘの脱離浄化が開始する温度を設定するものであり、水分と共にトラップしたＮＯｘは概略２００℃程度から脱離を開始することを確認しているが、実際にはゼオライトの材質等によって多少異なるため、予め実験的に求めた値を設定することが望ましい。
【００５４】
このＳ４での判定でゼオライト排気浄化触媒温度ＴｃａｔがＴｃａｔＬ（２００℃）以下の場合、ゼオライト排気浄化触媒１３にトラップしたＮＯｘの脱離はまだ開始していないと判断し、Ｓ５に進む。
Ｓ５では、リーン運転を許可する。このようにリーン運転許可と判断された場合、エンジン１は、その回転数、負荷等に応じて、リーンの空燃比（例えばＡ／Ｆ＝２５）に設定され、その空燃比に基づいて運転される。
【００５５】
また、Ｓ４での判定でゼオライト排気浄化触媒温度Ｔｃａｔが所定値ＴｃａｔＬ（２００℃）を超えた場合は、ゼオライト排気浄化触媒１３からＮＯｘが脱離する状態と判断し、Ｓ６に進む。
Ｓ６では、ＴｃａｔがＴｃａｔＬ（２００℃）を超えてからの経過時間が、所定時間以内か否かを判定する。
【００５６】
このＳ６での判定で所定時間以内の場合は、ＮＯｘの脱離が終了していないと判断して、Ｓ７に進み、ＮＯｘの還元浄化を十分に行うため、リッチ空燃比（例えばＡ／Ｆ＝１３）に設定し、この空燃比で運転する。
Ｓ６での判定でＴｃａｔがＴｃａｔＬ（２００℃）を超えてから、所定時間以上経過した場合は、ＮＯｘの脱離が終了したと判断して、Ｓ８に進み、リーン運転を許可して、通常のリーン運転を行う。
【００５７】
ここで、Ｓ６での所定時間は、ゼオライト排気浄化触媒１３からのＮＯｘの脱離期間によるものであり、ゼオライト排気浄化触媒１３のＮＯｘトラップ量（容量や材質による）に応じて、予め実験的に求めたものである。
また、Ｓ８でのリーン運転許可後は、下流側のＮＯｘトラップ触媒１５がＮＯｘのトラップ及び浄化を行うことができる温度状態となっているので、通常は回転数、負荷等に応じたリーン空燃比に設定し、周期的にＮＯｘトラップ触媒１５にてトラップしたＮＯｘを還元浄化するためにリッチ空燃比（例えばＡ／Ｆ＝１１程度）に設定するものである。
【００５８】
Ｓ２の判定でエンジン冷却水温Ｔｗが所定値ＴｗＬ（２５℃）より低い場合は、エンジン１の安定燃焼の確保のため、Ｓ９に進み、Ｔｗに応じた空燃比に設定する。この場合、基本的には理論空燃比、あるいは低温化に伴いリッチ空燃比に設定する。
次に本発明の第２実施形態について説明する。
【００５９】
図４は第２実施形態でのエンジン排気系のシステム図であり、排気系以外の構成は第１実施形態（図１）と同じであるので省略してある。
第１実施形態と異なる点は、上流側の水分トラップ１４の構造であり、この水分トラップ１４は、第１実施形態で設けた排気通路１４ａが無いが、その代わりに、ハニカムの各セルの大きさが比較的大きい、すなわち単位面積あたりのセル数が少ないものである。そのセル数は、水分トラップ１４の容量やトラップ特性によって異なるが、例えば１平方インチあたり１００から２００セルという程度に設定している。
【００６０】
このような水分トラップ１４では、容量に応じてそのセル数、セルの大きさを最適化することによって、流入する排気ガス流量に応じた、排気ガスの下流側への通過割合（水分のトラップ割合）を変化させることができる。
図５に本実施形態の水分トラップ１４の排気ガス流量に応じた水分トラップ割合の特性を示す。点Ａはアイドル相当の排気ガス流量であり、この時の水分トラップ割合はほぼ１００％であるのに対し、一般的な加減速や一定速走行の領域であるＢ領域では、水分トラップ割合は８０〜９０％となっている。すなわち、エンジン１が常温始動後に平均的にＡ／Ｆ＝２５程度で運転され、排気ガス中の平均の水分濃度が約７％である場合、始動直後のアイドル条件ではそのほとんどが水分トラップ１４にトラップされ、ゼオライト排気浄化触媒１３にはほぼ乾燥した排気ガスが流入する。しかし、その後発進加速ために排気ガス流量が増加すると、１０〜２０％の排気ガスが水分トラップ１４で水分をトラップされずに下流に流出するため、ゼオライト排気浄化触媒１３には１％前後の水分を含んだ排気ガスが流入することになる。
【００６１】
本実施形態の動作を説明すると、先ずエンジン１の始動後、アイドル運転中は非常に低負荷のためＮＯｘの排出量は比較的少ない。ゼオライト排気浄化触媒１３には、この少ないＮＯｘが水分が無い状態でトラップされる。ここでトラップしたＮＯｘは、半分程度が２００℃以下で脱離するが、もともと量が少ないものである。また、このアイドル期間にはゼオライト排気浄化触媒１３には水分が流入していないため、ＮＯｘのトラップ期間を相対的に延長することが可能となり、その後の加速期間や定常走行期間のＮＯｘをよりトラップすることが可能となる。
【００６２】
アイドル後に発進のための加速を行った場合、比較的高速高負荷となり、ＮＯｘの排出量が増大する。この増大したＮＯｘは、１％前後の濃度の水分と共にゼオライト排気浄化触媒１３にトラップされる。ここでトラップされた大量のＮＯｘは、２００℃以下での脱離が大幅に抑制されるものである。その後は、第１実施形態と同様に、エンジン１を所定期間リッチ運転を行い、脱離するＮＯｘを還元浄化するものである。
【００６３】
このようにＮＯｘの排出量の多い高速高負荷条件にて適切な水分と共にＮＯｘをトラップすることになるため、この高速高負荷時にトラップした大量のＮＯｘについては、２００℃以下の低温時の脱離を抑制できる。また、アイドル等の低負荷条件で排出される比較的少量のＮＯｘは、その半分程度が２００℃以下の低温で未浄化のまま放出されることになるが、高速高負荷の大量に排出されるＮＯｘを相対的に長期間トラップし、これを低温で未浄化のまま排出させないようにできるため、結果としてＮＯｘの排出を大幅に低減できることとなる。
【００６４】
次に本発明の第３実施形態について説明する。
図６は第３実施形態でのエンジン排気系のシステム図であり、排気系以外の構成は第１実施形態（図１）と同じであるので省略してある。
第１実施形態と異なる点は、第１実施形態で設けた上流側の水分トラップ１４が無く、またゼオライト排気浄化触媒１３には、その上流から下流に連通する排気通路（バイパス通路）１３ａが設けられている点である。
【００６５】
このような構成では、ゼオライト排気浄化触媒１３の上流側に水分トラップを配置しない構成においても、ゼオライト排気浄化触媒１３に流入する水分量をコントロールすることができる。
すなわち、エンジン１から排出された排気ガス中に含まれる水分は、その一部がゼオライト排気浄化触媒１３に設けられた排気通路１３ａを通ってそのまま下流に流出するため、ゼオライト排気浄化触媒１３にはエンジン１からの水分量がすべて流入するのではなく、一部低減された量が流入する。ここではほぼ半分の排気ガスがそのまま下流に流出するものとする。低温時のゼオライトでのＮＯｘのトラップは、同時に吸着する水分が飽和した時点で急激にＮＯｘのトラップ能力が落ちるため、ゼオライト排気浄化触媒１３に流入する水分量が半減すると、ＮＯｘのトラップ期間はほぼ倍の期間となる。
【００６６】
また、始動後低温時の期間は、エンジン１から排出される排気ガスの水分濃度がそのままゼオライト排気浄化触媒１３に流入し、平均空燃比がＡ／Ｆ＝２５とすると、平均的に水分濃度＝７％程度の水分が流入する。この水分と共にトラップしたＮＯｘは、２００℃以下の低温時の脱離が抑制され、この温度域のＮＯｘの放出を大幅に低減できる。
【００６７】
ここで、ゼオライト排気浄化触媒１３に設けられた排気通路１３ａを通ってそのまま下流に流出する排気ガス中には、上記の水分の他に、当然ながらＮＯｘも含まれるため、このＮＯｘはトラップされずに放出してしまうことになる。しかしながら、上記のように流入する水分量を半減した場合には、ＮＯｘをトラップできる期間が倍増することになるため、例えば以下のような効果が得られる。
【００６８】
エンジン１からのＮＯｘの排出特性を考えてみると、ＮＯｘの排出は燃焼温度が高くなるにつれて、急激に増加することが解っている。エンジン１の始動直後は、燃焼室壁温等が低い状態であり、燃焼温度も低く、従ってＮＯｘの排出が比較的少ないが、暖機が進むにつれて各部温度の上昇に伴い燃焼温度も上昇するため、ＮＯｘの排出も増加する傾向となる。つまり、ＮＯｘをトラップする期間が延長した場合、より排出量の多い状態のＮＯｘをトラップすることが可能となり、ＮＯｘトラップ期間において、一部の排気ガス（ＮＯｘも含む）をそのまま放出したとしても、結果としてＮＯｘの低温での放出を抑制することができる。
【００６９】
また、前述のように高速高負荷条件ではＮＯｘの排出量が増大するが、ＮＯｘをトラップできる期間が延長された場合、このような高速高負荷条件が含まれる可能性が増加する。つまり、実際の運転状態を考えると、始動直後はアイドル状態であり、ある期間アイドルのまま暖機した後に発進加速のために比較的高速高負荷状態に移行する。この期間の長さは条件によって大きく変動するものであるが、ＮＯｘトラップ期間が長いほど確率的に高速高負荷条件を含むことになることは間違いなく、このような排出量の多い高速高負荷条件のＮＯｘをトラップすることが可能となり、ＮＯｘトラップ期間において、一部の排気ガス（ＮＯｘも含む）をそのまま放出したとしても、実際に行われる各種の運転条件を総合的にみると、結果としてＮＯｘの低温での放出を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のゼオライト排気浄化触媒における水分濃度（ＮＯｘトラップ期間中）とＮＯｘ脱離特性（２００℃以下）との関係を示す特性図
【図２】本発明の第１実施形態を示すエンジンのシステム図
【図３】本発明の第１実施形態での空燃比制御のフローチャート
【図４】本発明の第２実施形態を示すエンジン排気系のシステム図
【図５】本発明の第２実施形態での水分トラップにおける排気ガス流量と水分トラップ割合との関係を示す特性図
【図６】本発明の第３実施形態を示すエンジン排気系のシステム図
【符号の説明】
１エンジン
２吸気通路
３電制スロットル弁
４燃焼室
５燃料噴射弁
６点火プラグ
７ＥＣＵ
８エアフローメータ
９アクセルペダルセンサ
１０クランク角センサ
１１水温センサ
１２排気通路
１３ゼオライト排気浄化触媒
１３ａ排気通路
１４水分トラップ
１４ａ排気通路
１５ＮＯｘトラップ
１６ゼオライト排気浄化触媒温度センサ

Claims

内燃機関の排気通路に、貴金属をセリア（ＣｅＯ₂）のみに担持してなるトラップ成分又はゼオライトを含有する低温ＮＯｘトラップ触媒を配置し、この低温ＮＯｘトラップ触媒により排気温度の低温時にＮＯｘをトラップし、トラップしたＮＯｘを高温時において脱離処理を行う内燃機関の排気浄化装置において、
前記低温ＮＯｘトラップ触媒に流入する水分量をコントロールする手段を有し、この水分量コントロール手段により、前記低温ＮＯｘトラップ触媒に流入する水分量を、少なくとも内燃機関から排出される水分量よりも低減すると共に、かつ完全除湿ではない所定の水分濃度以上を供給するようにコントロールすることを特徴とし、
かつ、前記水分量コントロール手段は、前記低温ＮＯｘトラップ触媒の上流の排気通路に、排気ガス中の水分を一時的にトラップする水分トラップを設けたものであり、かつこの水分トラップは、流入する排気ガスの一部をそのまま水分をトラップせずに下流に通過させる構造であることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記水分トラップの構造は、その一部に上流から下流に排気ガスをそのまま通過させる排気通路を設けたものであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記水分トラップに設けた排気通路は、排気ガスが上流から下流にそのまま通過する割合が１／５から１／１２の範囲となるように構成されていることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記水分トラップの構造はハニカム構造であり、そのハニカムの各セルの大きさを、排気ガスが上流から下流にそのまま通過する割合が１／５から１／１２の範囲となるように設定したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記水分トラップは、内燃機関の運転状態が所定の高速高負荷条件となった場合に、排気ガスが上流から下流にそのまま通過する割合が１／５から１／１２の範囲となるように構成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記水分トラップは、吸湿性を持つゼオライト、あるいはアルミナにより構成されたものであり、低温で一時的に水分をトラップし、高温時に脱離放出するものであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関の排気通路に、貴金属をセリア（ＣｅＯ₂）のみに担持してなるトラップ成分又はゼオライトを含有する低温ＮＯｘトラップ触媒を配置し、この低温ＮＯｘトラップ触媒により排気温度の低温時にＮＯｘをトラップし、トラップしたＮＯｘを高温時において脱離処理を行う内燃機関の排気浄化装置において、
前記低温ＮＯｘトラップ触媒に流入する水分量をコントロールする手段を有し、この水分量コントロール手段により、前記低温ＮＯｘトラップ触媒に流入する水分量を、少なくとも内燃機関から排出される水分量よりも低減すると共に、かつ完全除湿ではない所定の水分濃度以上を供給するようにコントロールすることを特徴とし、
かつ、前記水分量コントロール手段は、前記低温ＮＯｘトラップ触媒の一部に上流から下流に排気ガスをそのまま通過させる排気通路を設けたものであることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
主にゼオライトで構成された低温ＮＯｘトラップ触媒には、高温時に脱離するＮＯｘと排気中の還元成分とを反応させ浄化するための、貴金属を含む触媒を担持したことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記低温ＮＯｘトラップ触媒の温度、あるいは直前の排気ガスの温度を検出、推定する手段を有し、低温からの内燃機関始動後に前記温度が所定温度以上となった場合に、所定の期間、排気ガスの空燃比をリッチ化することを特徴とする請求項８記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記低温ＮＯｘトラップ触媒の上流、あるいは下流の排気通路に、もしくは前記低温ＮＯｘトラップ触媒と一体で、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップし、流入する排気ガスの空燃比がリッチである時にトラップしたＮＯｘを脱離、浄化するＮＯｘトラップ触媒を備えていることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。