JP3644365B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置、排気中のＮＯｘを浄化する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から内燃機関の排気通路には、例えば三元触媒に代表される排気浄化触媒が設けられているが、機関始動直後等の低温状態では、前記排気浄化触媒が活性化されていないため、排気浄化を十分に行えない。
このため、前記排気浄化触媒が未活性の間は、排気エミッションを吸着剤に吸着させ、触媒活性化後に吸着した排気エミッションを脱離させて、触媒により酸化、還元して排気浄化を行うものがある。
【０００３】
ところで、排気中のＮＯｘをトラップするものとしてはゼオライトが知られているが、該ゼオライトは排気中の水分も吸着するため、ＮＯｘの平衡吸着量が低下してしまうという問題がある。
そこで、ゼオライトをＮＯｘ吸着剤としての機能を維持しつつ、使用するためには、水分の吸着を防止する必要がある。
【０００４】
例えば、特開平１−１５５９３４号公報には、自動車がトンネル内に排出したＮＯｘをゼオライトにより吸着、浄化させる技術が開示されており、トンネル内の排出された排気をシリカゲル系の吸湿剤により乾燥させた後にゼオライトに導くことで、水分の吸着によるゼオライトのＮＯｘ吸着能の低下を防止している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ゼオライトを内燃機関の排気通路におけるＮＯｘ吸着剤として使用する場合には、上記従来の技術を利用しても以下の問題が考えられる。
すなわち、排気通路における排気の水分濃度は、上記トンネル内の排気に比べて高いので、シリカゲル等の吸湿剤を設けたとしても該吸湿剤が短時間で飽和してしまい、その後は、ゼオライトが水分を吸着するため、やはり排気浄化触媒が活性化する前にＮＯｘ吸着能が低下してしまうと考えられる。
【０００６】
また、前記吸湿剤の容量を拡大することも考えられるが、車両積載性の面で問題であり、排気圧力損失が増大して燃費が悪化するおそれがあるため現実的でない。
そこで、本発明は上記問題を鑑みてなされたものであって、排気中の水分によるＮＯｘ吸着能の低下を抑制しつつ、ＮＯｘを確実に吸着、浄化することができる排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、内燃機関の排気通路に介装され、低温状態でＮＯｘをトラップするゼオライトを含む排気浄化触媒を含んで構成され、前記ゼオライトを含む排気浄化触媒の層を、一方の側が排気に曝されるように配設し、排気中の汚染物質を透過せずに水分を透過可能な水分透過層を該排気浄化触媒層の排気側とは反対側に隣接させて配設して構成したことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、前記水分透過層の前記排気浄化触媒の層に隣接しない側を、排気よりも水分濃度の低い気体に曝すよう構成したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明は、前記水分透過層の前記排気浄化触媒の層に隣接しない側を、水分を透過可能な多孔質の保持層を介して排気よりも水分濃度の低い気体に曝すよう構成したことを特徴とする。
請求項４に係る発明は、前記排気よりも水分濃度の低い気体を、前記水分透過層の一方の側に供給する手段を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項５に係る発明は、前記排気よりも水分濃度の低い気体を供給する手段は、該気体のＮＯｘトラップ期間における供給流量又は流速を、ＮＯｘをトラップしない期間における供給流量又は流速よりも増加させることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、前記排気よりも水分濃度の低い気体を冷却する手段を備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項７に係る発明は、前記排気よりも水分濃度の低い気体を冷却する手段は、該気体のＮＯｘトラップ期間における温度を、ＮＯｘをトラップしない期間における温度よりも低下させることを特徴とする。
請求項８に係る発明は、本排気浄化装置の上流側に、リーン運転時において排気中のＮＯｘをトラップし、トラップしたＮＯｘをリッチ運転時に浄化するＮＯｘトラップ触媒を設け、該上流側のＮＯｘトラップ触媒が未活性でＮＯｘトラップ能力が低下する低温状態で本装置によりＮＯｘをトラップすることを特徴とする。
【００１２】
【発明の効果】
本願発明者らは、水分をトラップしてＮＯｘ吸着能が飽和したゼオライトであっても、該ゼオライト中の水分を除去すれば、再びＮＯｘをトラップすることを実験により確認した。
従って、ゼオライトを含む排気浄化触媒から水分を除去することにより、水分吸着によるＮＯｘトラップ能の低下を防止して該ゼオライトによる排気中のＮＯｘトラップ能を長期間維持することができる。また、触媒活性化後においては、トラップしたＮＯｘを浄化してゼオライトを再生することができる。
ここで、請求項１に係る発明によれば、ゼオライトにトラップされたＮＯｘを含む汚染物質及び水分のうち水分のみを選択的に排気浄化触媒から除去することができるので、汚染物質の排出を防止しつつ、ゼオライトのＮＯｘトラップ能を長期間維持できる。
【００１３】
請求項２に係る発明によれば、前記水分透過層の排気浄化触媒の層に隣接しない側を、排気よりも水分濃度の低い気体に曝すことにより、排気浄化触媒側との水の分圧差が拡大されるので、水分透過層内での水の透過速度を速めることができ、もって、前記排気浄化触媒から水分を効率的に除去することができる。
【００１４】
請求項３に係る発明によれば、ゼオライトを含む排気浄化触媒の層と水分透過層を保持層により保持することで装置の強度アップ、耐久性の向上が図れる。また、前記保持層は水分を透過可能な多孔質であるので、該保持層を介して前記水分透過層の排気浄化触媒の層に隣接しない側を排気よりも水分濃度の低い気体に曝すことができ、水分透過層での水の透過速度を速めることができる。
【００１５】
請求項４に係る発明によれば、前記排気よりも水分濃度の低い気体を連続的に供給することにより、前記水分透過層の排気触媒の層に隣接しない側を常に水分濃度の低い気体に曝すことができるので、前記水の透過速度を大きく維持できるとともに、該供給された気体が水分を排気浄化装置外へと運び出すので、排気浄化触媒からの水分除去をより効率的に行うことができる。
【００１６】
請求項５に係る発明によれば、ＮＯｘトラップ期間においては、前記排気よりも水分濃度の低い気体の流量又は流速を相対的に増加させることで、前記水分透過層の排気浄化触媒の層に隣接しない側の水分濃度を低く維持することができ、前記排気浄化触媒からの水分除去を効率的に行うことができる。また、ＮＯｘをトラップしない期間においては、例えば該気体の供給を停止することにより、消費電力を節減でき、燃費を向上できる。
【００１７】
請求項６に係る発明によれば、前記排気よりも水分濃度の低い気体を冷却することにより、ゼオライトを含む排気浄化触媒の温度も低下するので、吸着（トラップ）可能なＮＯｘ量を増加させることができる。
請求項７に係る発明によれば、ＮＯｘトラップ期間においては、前記排気よりも水分濃度の低い空気を冷却して低温にすることで、ゼオライトによるＮＯｘトラップ効率を向上できる。
【００１８】
また、ＮＯｘをトラップしない期間においては、例えば冷却を停止することにより、消費電力を節減でき、燃費を向上できる。
請求項８に係る発明によれば、上流側のＮＯｘトラップ触媒はリーン運転中のＮＯｘをトラップし、該ＮＯｘトラップ触媒が未活性な低温状態では本装置によりＮＯｘをトラップし、その後浄化することでＮＯｘの排出を確実に防止できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１に、本発明の一実施形態における内燃機関のシステム構成図を示す。
図１において、エンジン１の吸気通路２には、吸入空気量を検出するエアフローメータ７、吸入空気量を制御するスロットル弁３が設けられている。
【００２０】
燃料噴射弁４は、コントロールユニット５からの噴射信号により開弁駆動し、設定された量の燃料を噴射供給する。
コントロールユニット５には、クランク角センサ６からの基準位置信号と単位角度信号、エアフローメータ７からの吸入空気量信号、水温センサ８からのエンジン冷却水温度信号、アクセル開度信号、図示しないトランスミッションのギヤ位置信号、図示しない車速センサからの車速信号等が入力される。
【００２１】
そして、コントロールユニット５は、これらの入力信号に基づいて運転状態を判断し、図５に示すように、負荷が比較的小さい運転域においては、リーン空燃比による運転を行い、それ以外の運転域においては空燃比を理論空燃比へと制御する。
エンジン１の排気通路には上流側から三元触媒９、ＮＯｘトラップ触媒１０が設けられており、前記三元触媒９がＮＯｘを浄化できないリーン運転時においては、前記ＮＯｘトラップ触媒１０がＮＯｘをトラップする。
【００２２】
ＮＯｘトラップ触媒１０にトラップされたＮＯｘは、例えば、所定期間毎に強制的に行う数秒間のリッチ運転時に脱離、浄化され、ＮＯｘトラップ触媒１０は再生される。
また、ＮＯｘトラップ触媒１０には、触媒の温度を検出する触媒温度センサ１２が設けられており、該触媒温度センサ１２からの信号はコントロールユニット５へと出力される。
【００２３】
ＮＯｘトラップ触媒１０の更に下流側には、前記三元触媒９が未活性状態（低温時）にＮＯｘをトラップするためのゼオライトを含んだ本発明に係るコールドＮＯｘトラップ触媒１１が設けられており、該コールドＮＯｘトラップ触媒１１は、排気よりも乾燥している（水分濃度が低い）外部空気を導入する外気導入管１３、外部空気を送り込むエアポンプ１４、外部空気を冷却するエアクーラー１５を備えている。
【００２４】
図２にコールドＮＯｘトラップ触媒１１を示す。
コールドＮＯｘトラップ触媒１１のケーシング１９には、図２（Ａ）に示すように、排気流入口２２、排気流出口２３の他に、外部空気をケーシング１９内に導入するため前記外気導入管１３に連結する空気導入口１６及び導入した外部空気を外へ排出するための空気排出口１７が設けられている。
【００２５】
前記空気排出口１７はコールドＮＯｘトラップ触媒１１の下側に設けられ、また、ケーシング１９の下側は水分等が排出され易いように前記空気排出口１７に向かって傾斜して形成されている。
また、前記ケーシング１９内には、多数本の触媒管１８が、コールドＮＯｘトラップ触媒１１に流入した排気が漏れなく通過するように、その両端部を上流側保持部材２０及び下流側保持部材２１により保持されている。
【００２６】
前記触媒管１８の外側で上流側保持部材２０と下流側保持部材２１とに挟まれた空間には前記空気導入口１６から外部空気が導入され、前記触媒管１８の周りを通過して、前記空気排出口１７から排出される。
図３（Ｂ）に拡大して示されるように、前記触媒管１８は内側からゼオライトを含む触媒層３３と、その外側の水分を透過する水分透過膜若しくは水分透過物質をコーティングした水分透過層３２（水分透過膜、水分透過物質等）と、さらにその外側の多孔質セラミック等で形成された保持層３１が担持された三層構造からなり、触媒層３３の内側表面は触媒管１８内を流通する排気に曝され、保持層３１の外側表面は触媒管１８外側の空間を流通する外部空気に曝される。
【００２７】
また、図３（Ｃ）に示すように、前記三層は、それぞれ多数の細孔を有する。
前記ゼオライトを含む触媒層３３は、例えばβゼオライトの上面に三元触媒をコーティングし、若しくは練り込んだものであり、１０Å程度の細孔を多数有する。前記水分透過層３２は、例えばＳｉＯ2からなり、水分子を透過し、ＮＯｘ分子を透過しない３Å程度の細孔を多数有する。前記保持層３１は、例えばＡｌ2Ｏ3からなり、１００Å程度の細孔を多数有する。
【００２８】
なお、ゼオライトとしては、上記βゼオライト以外にも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、フェリエライト等があり、これらを用いてもよい。
次に、以上のように構成されたコールドＮＯｘトラップ触媒１１によるＮＯｘのトラップと触媒からの水分除去について説明する。
【００２９】
エンジンからの排気は、排気流入口２２よりコールドＮＯｘトラップ触媒１１内に流入し、前記三元触媒９が未活性状態（低温時）においては、前記触媒管１８通過の際に、排気中に含まれるＮＯｘ及び水分が前記ゼオライトを含む触媒層３３にトラップされる。トラップされた水分は、トラップされた際に、一度凝縮するが、その後は排気温度により気化した状態にある。
【００３０】
水分子は前記ゼオライトを含む触媒層３３の細孔（１０Å程度）に対して十分に小さいので、前記トラップされた水分は該触媒中を移動可能である（水分子は３Å以下の細孔を持つ合成ゼオライトに良好にトラップされ、ＮＯｘ分子は１０Åの細孔を持つ合成ゼオライトに良好にトラップされることが確認されており、このことから１０Åの細孔を有するβゼオライト中では、ＮＯｘ分子は移動しにくく、相対的に水分子は移動し易いと考えられる）。
【００３１】
前記水分透過層３２付近の水分子は、前記ゼオライトを含んだ触媒層３３側の濃度が高く、その反対側の保持層３１の外側表面は外気導入管１３を通して導入した外部空気（排気よりも水分濃度が低い外気）に曝されており、水分濃度が低いので、該水分濃度差によって生じる吸引力により、水分は次第に保持層３１側へと移動する。そして、保持層３１側へと移動した水分は気化し前記外部空気に持ち運ばれる。
【００３２】
ここで、エアポンプ１４及びエアクーラー１５は、前記保持層３１の外側へ前記外部空気を冷却しながら連続的に供給することができる。
これにより、保持層３１側へと移動した水分はエアポンプ１４により連続的に供給される水分濃度の低い低温空気に持ち運ばれ、ゼオライトにトラップされた水分を効率的に除去することが可能となり、ゼオライトのＮＯｘトラップ性能を長期間維持できる。また、エアクーラー１５により前記乾燥空気を冷却することで、ゼオライトを含む排気浄化触媒の温度も低下するので、ＮＯｘトラップ可能量を増加させることができる。
【００３３】
次に、本発明の動作を図４のフローチャートにより説明する。
図４において、ステップ１（図ではＳ１と記す。以下同じ）では、各種センサからの信号を読込む。
ステップ２では、コールドＮＯｘトラップ触媒１１がＮＯｘをトラップ可能か否かを判断する。具体的には、コールドＮＯｘトラップ触媒１１の上流側にあるＮＯｘトラップ触媒１０に設けられた温度センサ１２の温度履歴から以下のように判断する。
【００３４】
すなわち、温度センサ１２の検出した温度が所定値（例えば、３５０℃）以上かつ、所定時間（例えば、５分間）以上継続した場合は、コールドＮＯｘトラップ触媒１１にトラップされたＮＯｘが脱離、浄化されていると考えられるので、該コールドＮＯｘトラップ触媒１１は再生後の状態にあると推定し、ＮＯｘトラップ可能と判断する。
【００３５】
コールドＮＯｘトラップ触媒１１がＮＯｘトラップ可能と判断された場合は、ステップ３に進み、ＮＯｘトラップ不可能と判断された場合は、不要な動作を防止するため、ステップ４に進み、エアポンプ１４を停止した後、ステップ５に進んでエアクーラー１５を停止する。これにより、消費電力を節減でき、燃費を向上できる。
【００３６】
ステップ３では、コールドＮＯｘトラップ触媒１１の上流にあるＮＯｘトラップ触媒１０が活性化状態にあるか否かを以下のように判断する。
温度センサ１２の検出した温度が触媒の活性温度未満であれば、ＮＯｘトラップ触媒１０は活性化状態にないと判断し、ステップ６に進む。
ステップ６では、乾燥空気（排気よりも水分濃度の低い外気）をコールドＮＯｘトラップ触媒１１内に供給するエアポンプ１４を作動させる。これにより、前記保持部材３１の背面側（非保持面側）を常に水分濃度の低い外気に曝すことができ、ゼオライトにトラップされた水分を効率的に除去する。
【００３７】
ステップ７では、エアクーラー１５を作動させる。これにより、コールドＮＯｘトラップ触媒１１内に冷却した乾燥空気を供給することができ、ゼオライトを含む排気浄化触媒の温度も低下して、ＮＯｘトラップ可能量を増加させる。
一方、ステップ３において、温度センサ１２の検出した温度が触媒の活性温度以上であれば、ＮＯｘトラップ触媒１０（及びその上流にある三元触媒９）が活性化状態にあると判断する。この場合リーン運転時であれば、ＮＯｘはＮＯｘトラップ触媒１０にトラップされ、リッチ運転時であれば、ＮＯｘは三元触媒９により浄化されるので、その後のコールドＮＯｘトラップ触媒１１でＮＯｘをトラップする必要がない。
【００３８】
従って、不要な動作を防止するため、ステップ４に進み、エアポンプ１４を停止した後、ステップ５に進んでエアクーラー１５を停止する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関のシステム構成図。
【図２】本発明に係るコールドＮＯｘトラップ触媒の構成図。
【図３】本発明に係るコールドＮＯｘトラップ触媒の部分拡大図。
【図４】本発明の動作を示すフローチャート。
【図５】本発明の一実施形態に係る内燃機関の運転領域マップ。
【符号の説明】
１… エンジン本体
２… 吸気通路
３… スロットル弁
４… 燃料噴射弁
５… コントロールユニット
６… クランク角センサ
７… エアフローメータ
８… 水温センサ
９… 三元触媒
１０… ＮＯｘトラップ触媒
１１… コールドＮＯｘトラップ触媒
１２… 触媒温度センサ
１３… 外気導入管
１４… エアポンプ
１５… エアクーラー
１６… 空気導入口
１７… 空気排出口
１８… 触媒管
３１… 保持層
３２… 水分透過層
３３… ゼオライトを含む触媒層
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置、排気中のＮＯｘを浄化する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から内燃機関の排気通路には、例えば三元触媒に代表される排気浄化触媒が設けられているが、機関始動直後等の低温状態では、前記排気浄化触媒が活性化されていないため、排気浄化を十分に行えない。
このため、前記排気浄化触媒が未活性の間は、排気エミッションを吸着剤に吸着させ、触媒活性化後に吸着した排気エミッションを脱離させて、触媒により酸化、還元して排気浄化を行うものがある。
【０００３】
ところで、排気中のＮＯｘをトラップするものとしてはゼオライトが知られているが、該ゼオライトは排気中の水分も吸着するため、ＮＯｘの平衡吸着量が低下してしまうという問題がある。
そこで、ゼオライトをＮＯｘ吸着剤としての機能を維持しつつ、使用するためには、水分の吸着を防止する必要がある。
【０００４】
例えば、特開平１−１５５９３４号公報には、自動車がトンネル内に排出したＮＯｘをゼオライトにより吸着、浄化させる技術が開示されており、トンネル内の排出された排気をシリカゲル系の吸湿剤により乾燥させた後にゼオライトに導くことで、水分の吸着によるゼオライトのＮＯｘ吸着能の低下を防止している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ゼオライトを内燃機関の排気通路におけるＮＯｘ吸着剤として使用する場合には、上記従来の技術を利用しても以下の問題が考えられる。
すなわち、排気通路における排気の水分濃度は、上記トンネル内の排気に比べて高いので、シリカゲル等の吸湿剤を設けたとしても該吸湿剤が短時間で飽和してしまい、その後は、ゼオライトが水分を吸着するため、やはり排気浄化触媒が活性化する前にＮＯｘ吸着能が低下してしまうと考えられる。
【０００６】
また、前記吸湿剤の容量を拡大することも考えられるが、車両積載性の面で問題であり、排気圧力損失が増大して燃費が悪化するおそれがあるため現実的でない。
そこで、本発明は上記問題を鑑みてなされたものであって、排気中の水分によるＮＯｘ吸着能の低下を抑制しつつ、ＮＯｘを確実に吸着、浄化することができる排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、内燃機関の排気通路に介装され、低温状態でＮＯｘをトラップするゼオライトを含む排気浄化触媒を含んで構成され、前記ゼオライトを含む排気浄化触媒の層を、一方の側が排気に曝されるように配設し、排気中の汚染物質を透過せずに水分を透過可能な水分透過層を該排気浄化触媒層の排気側とは反対側に隣接させて配設して構成したことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、前記水分透過層の前記排気浄化触媒の層に隣接しない側を、排気よりも水分濃度の低い気体に曝すよう構成したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明は、前記水分透過層の前記排気浄化触媒の層に隣接しない側を、水分を透過可能な多孔質の保持層を介して排気よりも水分濃度の低い気体に曝すよう構成したことを特徴とする。
請求項４に係る発明は、前記排気よりも水分濃度の低い気体を、前記水分透過層の一方の側に供給する手段を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項５に係る発明は、前記排気よりも水分濃度の低い気体を供給する手段は、該気体のＮＯｘトラップ期間における供給流量又は流速を、ＮＯｘをトラップしない期間における供給流量又は流速よりも増加させることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、前記排気よりも水分濃度の低い気体を冷却する手段を備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項７に係る発明は、前記排気よりも水分濃度の低い気体を冷却する手段は、該気体のＮＯｘトラップ期間における温度を、ＮＯｘをトラップしない期間における温度よりも低下させることを特徴とする。
請求項８に係る発明は、本排気浄化装置の上流側に、リーン運転時において排気中のＮＯｘをトラップし、トラップしたＮＯｘをリッチ運転時に浄化するＮＯｘトラップ触媒を設け、該上流側のＮＯｘトラップ触媒が未活性でＮＯｘトラップ能力が低下する低温状態で本装置によりＮＯｘをトラップすることを特徴とする。
【００１２】
【発明の効果】
本願発明者らは、水分をトラップしてＮＯｘ吸着能が飽和したゼオライトであっても、該ゼオライト中の水分を除去すれば、再びＮＯｘをトラップすることを実験により確認した。
従って、ゼオライトを含む排気浄化触媒から水分を除去することにより、水分吸着によるＮＯｘトラップ能の低下を防止して該ゼオライトによる排気中のＮＯｘトラップ能を長期間維持することができる。また、触媒活性化後においては、トラップしたＮＯｘを浄化してゼオライトを再生することができる。
ここで、請求項１に係る発明によれば、ゼオライトにトラップされたＮＯｘを含む汚染物質及び水分のうち水分のみを選択的に排気浄化触媒から除去することができるので、汚染物質の排出を防止しつつ、ゼオライトのＮＯｘトラップ能を長期間維持できる。
【００１３】
請求項２に係る発明によれば、前記水分透過層の排気浄化触媒の層に隣接しない側を、排気よりも水分濃度の低い気体に曝すことにより、排気浄化触媒側との水の分圧差が拡大されるので、水分透過層内での水の透過速度を速めることができ、もって、前記排気浄化触媒から水分を効率的に除去することができる。
【００１４】
請求項３に係る発明によれば、ゼオライトを含む排気浄化触媒の層と水分透過層を保持層により保持することで装置の強度アップ、耐久性の向上が図れる。また、前記保持層は水分を透過可能な多孔質であるので、該保持層を介して前記水分透過層の排気浄化触媒の層に隣接しない側を排気よりも水分濃度の低い気体に曝すことができ、水分透過層での水の透過速度を速めることができる。
【００１５】
請求項４に係る発明によれば、前記排気よりも水分濃度の低い気体を連続的に供給することにより、前記水分透過層の排気触媒の層に隣接しない側を常に水分濃度の低い気体に曝すことができるので、前記水の透過速度を大きく維持できるとともに、該供給された気体が水分を排気浄化装置外へと運び出すので、排気浄化触媒からの水分除去をより効率的に行うことができる。
【００１６】
請求項５に係る発明によれば、ＮＯｘトラップ期間においては、前記排気よりも水分濃度の低い気体の流量又は流速を相対的に増加させることで、前記水分透過層の排気浄化触媒の層に隣接しない側の水分濃度を低く維持することができ、前記排気浄化触媒からの水分除去を効率的に行うことができる。また、ＮＯｘをトラップしない期間においては、例えば該気体の供給を停止することにより、消費電力を節減でき、燃費を向上できる。
【００１７】
請求項６に係る発明によれば、前記排気よりも水分濃度の低い気体を冷却することにより、ゼオライトを含む排気浄化触媒の温度も低下するので、吸着（トラップ）可能なＮＯｘ量を増加させることができる。
請求項７に係る発明によれば、ＮＯｘトラップ期間においては、前記排気よりも水分濃度の低い空気を冷却して低温にすることで、ゼオライトによるＮＯｘトラップ効率を向上できる。
【００１８】
また、ＮＯｘをトラップしない期間においては、例えば冷却を停止することにより、消費電力を節減でき、燃費を向上できる。
請求項８に係る発明によれば、上流側のＮＯｘトラップ触媒はリーン運転中のＮＯｘをトラップし、該ＮＯｘトラップ触媒が未活性な低温状態では本装置によりＮＯｘをトラップし、その後浄化することでＮＯｘの排出を確実に防止できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１に、本発明の一実施形態における内燃機関のシステム構成図を示す。
図１において、エンジン１の吸気通路２には、吸入空気量を検出するエアフローメータ７、吸入空気量を制御するスロットル弁３が設けられている。
【００２０】
燃料噴射弁４は、コントロールユニット５からの噴射信号により開弁駆動し、設定された量の燃料を噴射供給する。
コントロールユニット５には、クランク角センサ６からの基準位置信号と単位角度信号、エアフローメータ７からの吸入空気量信号、水温センサ８からのエンジン冷却水温度信号、アクセル開度信号、図示しないトランスミッションのギヤ位置信号、図示しない車速センサからの車速信号等が入力される。
【００２１】
そして、コントロールユニット５は、これらの入力信号に基づいて運転状態を判断し、図５に示すように、負荷が比較的小さい運転域においては、リーン空燃比による運転を行い、それ以外の運転域においては空燃比を理論空燃比へと制御する。
エンジン１の排気通路には上流側から三元触媒９、ＮＯｘトラップ触媒１０が設けられており、前記三元触媒９がＮＯｘを浄化できないリーン運転時においては、前記ＮＯｘトラップ触媒１０がＮＯｘをトラップする。
【００２２】
ＮＯｘトラップ触媒１０にトラップされたＮＯｘは、例えば、所定期間毎に強制的に行う数秒間のリッチ運転時に脱離、浄化され、ＮＯｘトラップ触媒１０は再生される。
また、ＮＯｘトラップ触媒１０には、触媒の温度を検出する触媒温度センサ１２が設けられており、該触媒温度センサ１２からの信号はコントロールユニット５へと出力される。
【００２３】
ＮＯｘトラップ触媒１０の更に下流側には、前記三元触媒９が未活性状態（低温時）にＮＯｘをトラップするためのゼオライトを含んだ本発明に係るコールドＮＯｘトラップ触媒１１が設けられており、該コールドＮＯｘトラップ触媒１１は、排気よりも乾燥している（水分濃度が低い）外部空気を導入する外気導入管１３、外部空気を送り込むエアポンプ１４、外部空気を冷却するエアクーラー１５を備えている。
【００２４】
図２にコールドＮＯｘトラップ触媒１１を示す。
コールドＮＯｘトラップ触媒１１のケーシング１９には、図２（Ａ）に示すように、排気流入口２２、排気流出口２３の他に、外部空気をケーシング１９内に導入するため前記外気導入管１３に連結する空気導入口１６及び導入した外部空気を外へ排出するための空気排出口１７が設けられている。
【００２５】
前記空気排出口１７はコールドＮＯｘトラップ触媒１１の下側に設けられ、また、ケーシング１９の下側は水分等が排出され易いように前記空気排出口１７に向かって傾斜して形成されている。
また、前記ケーシング１９内には、多数本の触媒管１８が、コールドＮＯｘトラップ触媒１１に流入した排気が漏れなく通過するように、その両端部を上流側保持部材２０及び下流側保持部材２１により保持されている。
【００２６】
前記触媒管１８の外側で上流側保持部材２０と下流側保持部材２１とに挟まれた空間には前記空気導入口１６から外部空気が導入され、前記触媒管１８の周りを通過して、前記空気排出口１７から排出される。
図３（Ｂ）に拡大して示されるように、前記触媒管１８は内側からゼオライトを含む触媒層３３と、その外側の水分を透過する水分透過膜若しくは水分透過物質をコーティングした水分透過層３２（水分透過膜、水分透過物質等）と、さらにその外側の多孔質セラミック等で形成された保持層３１が担持された三層構造からなり、触媒層３３の内側表面は触媒管１８内を流通する排気に曝され、保持層３１の外側表面は触媒管１８外側の空間を流通する外部空気に曝される。
【００２７】
また、図３（Ｃ）に示すように、前記三層は、それぞれ多数の細孔を有する。
前記ゼオライトを含む触媒層３３は、例えばβゼオライトの上面に三元触媒をコーティングし、若しくは練り込んだものであり、１０Å程度の細孔を多数有する。前記水分透過層３２は、例えばＳｉＯ2からなり、水分子を透過し、ＮＯｘ分子を透過しない３Å程度の細孔を多数有する。前記保持層３１は、例えばＡｌ2Ｏ3からなり、１００Å程度の細孔を多数有する。
【００２８】
なお、ゼオライトとしては、上記βゼオライト以外にも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、フェリエライト等があり、これらを用いてもよい。
次に、以上のように構成されたコールドＮＯｘトラップ触媒１１によるＮＯｘのトラップと触媒からの水分除去について説明する。
【００２９】
エンジンからの排気は、排気流入口２２よりコールドＮＯｘトラップ触媒１１内に流入し、前記三元触媒９が未活性状態（低温時）においては、前記触媒管１８通過の際に、排気中に含まれるＮＯｘ及び水分が前記ゼオライトを含む触媒層３３にトラップされる。トラップされた水分は、トラップされた際に、一度凝縮するが、その後は排気温度により気化した状態にある。
【００３０】
水分子は前記ゼオライトを含む触媒層３３の細孔（１０Å程度）に対して十分に小さいので、前記トラップされた水分は該触媒中を移動可能である（水分子は３Å以下の細孔を持つ合成ゼオライトに良好にトラップされ、ＮＯｘ分子は１０Åの細孔を持つ合成ゼオライトに良好にトラップされることが確認されており、このことから１０Åの細孔を有するβゼオライト中では、ＮＯｘ分子は移動しにくく、相対的に水分子は移動し易いと考えられる）。
【００３１】
前記水分透過層３２付近の水分子は、前記ゼオライトを含んだ触媒層３３側の濃度が高く、その反対側の保持層３１の外側表面は外気導入管１３を通して導入した外部空気（排気よりも水分濃度が低い外気）に曝されており、水分濃度が低いので、該水分濃度差によって生じる吸引力により、水分は次第に保持層３１側へと移動する。そして、保持層３１側へと移動した水分は気化し前記外部空気に持ち運ばれる。
【００３２】
ここで、エアポンプ１４及びエアクーラー１５は、前記保持層３１の外側へ前記外部空気を冷却しながら連続的に供給することができる。
これにより、保持層３１側へと移動した水分はエアポンプ１４により連続的に供給される水分濃度の低い低温空気に持ち運ばれ、ゼオライトにトラップされた水分を効率的に除去することが可能となり、ゼオライトのＮＯｘトラップ性能を長期間維持できる。また、エアクーラー１５により前記乾燥空気を冷却することで、ゼオライトを含む排気浄化触媒の温度も低下するので、ＮＯｘトラップ可能量を増加させることができる。
【００３３】
次に、本発明の動作を図４のフローチャートにより説明する。
図４において、ステップ１（図ではＳ１と記す。以下同じ）では、各種センサからの信号を読込む。
ステップ２では、コールドＮＯｘトラップ触媒１１がＮＯｘをトラップ可能か否かを判断する。具体的には、コールドＮＯｘトラップ触媒１１の上流側にあるＮＯｘトラップ触媒１０に設けられた温度センサ１２の温度履歴から以下のように判断する。
【００３４】
すなわち、温度センサ１２の検出した温度が所定値（例えば、３５０℃）以上かつ、所定時間（例えば、５分間）以上継続した場合は、コールドＮＯｘトラップ触媒１１にトラップされたＮＯｘが脱離、浄化されていると考えられるので、該コールドＮＯｘトラップ触媒１１は再生後の状態にあると推定し、ＮＯｘトラップ可能と判断する。
【００３５】
コールドＮＯｘトラップ触媒１１がＮＯｘトラップ可能と判断された場合は、ステップ３に進み、ＮＯｘトラップ不可能と判断された場合は、不要な動作を防止するため、ステップ４に進み、エアポンプ１４を停止した後、ステップ５に進んでエアクーラー１５を停止する。これにより、消費電力を節減でき、燃費を向上できる。
【００３６】
ステップ３では、コールドＮＯｘトラップ触媒１１の上流にあるＮＯｘトラップ触媒１０が活性化状態にあるか否かを以下のように判断する。
温度センサ１２の検出した温度が触媒の活性温度未満であれば、ＮＯｘトラップ触媒１０は活性化状態にないと判断し、ステップ６に進む。
ステップ６では、乾燥空気（排気よりも水分濃度の低い外気）をコールドＮＯｘトラップ触媒１１内に供給するエアポンプ１４を作動させる。これにより、前記保持部材３１の背面側（非保持面側）を常に水分濃度の低い外気に曝すことができ、ゼオライトにトラップされた水分を効率的に除去する。
【００３７】
ステップ７では、エアクーラー１５を作動させる。これにより、コールドＮＯｘトラップ触媒１１内に冷却した乾燥空気を供給することができ、ゼオライトを含む排気浄化触媒の温度も低下して、ＮＯｘトラップ可能量を増加させる。
一方、ステップ３において、温度センサ１２の検出した温度が触媒の活性温度以上であれば、ＮＯｘトラップ触媒１０（及びその上流にある三元触媒９）が活性化状態にあると判断する。この場合リーン運転時であれば、ＮＯｘはＮＯｘトラップ触媒１０にトラップされ、リッチ運転時であれば、ＮＯｘは三元触媒９により浄化されるので、その後のコールドＮＯｘトラップ触媒１１でＮＯｘをトラップする必要がない。
【００３８】
従って、不要な動作を防止するため、ステップ４に進み、エアポンプ１４を停止した後、ステップ５に進んでエアクーラー１５を停止する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関のシステム構成図。
【図２】本発明に係るコールドＮＯｘトラップ触媒の構成図。
【図３】本発明に係るコールドＮＯｘトラップ触媒の部分拡大図。
【図４】本発明の動作を示すフローチャート。
【図５】本発明の一実施形態に係る内燃機関の運転領域マップ。
【符号の説明】
１… エンジン本体
２… 吸気通路
３… スロットル弁
４… 燃料噴射弁
５… コントロールユニット
６… クランク角センサ
７… エアフローメータ
８… 水温センサ
９… 三元触媒
１０… ＮＯｘトラップ触媒
１１… コールドＮＯｘトラップ触媒
１２… 触媒温度センサ
１３… 外気導入管
１４… エアポンプ
１５… エアクーラー
１６… 空気導入口
１７… 空気排出口
１８… 触媒管
３１… 保持層
３２… 水分透過層
３３… ゼオライトを含む触媒層
Claims (8)
- 内燃機関の排気通路に介装され、低温状態でＮＯｘをトラップするゼオライトを含む排気浄化触媒を含んで構成され、
前記ゼオライトを含む排気浄化触媒の層を、一方の側が排気に曝されるように配設し、排気中の汚染物質を透過せずに水分を透過可能な水分透過層を該排気浄化触媒層の排気側とは反対側に隣接させて配設して構成したことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記水分透過層の前記排気浄化触媒の層に隣接しない側を、排気よりも水分濃度の低い気体に曝すよう構成したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記水分透過層の前記排気浄化触媒の層に隣接しない側を、水分を透過可能な多孔質の保持層を介して排気よりも水分濃度の低い気体に曝すよう構成したことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記排気よりも水分濃度の低い気体を、前記水分透過層の一方の側に供給する手段を備えたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記排気よりも水分濃度の低い気体を供給する手段は、該気体のＮＯｘトラップ期間における供給流量又は流速を、ＮＯｘをトラップしない期間における供給流量又は流速よりも増加させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記排気よりも水分濃度の低い気体を冷却する手段を備えたことを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記排気よりも水分濃度の低い気体を冷却する手段は、該気体のＮＯｘトラップ期間における温度を、ＮＯｘをトラップしない期間における温度よりも低下させることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 本排気浄化装置の上流側に、リーン運転時において排気中のＮＯｘをトラップし、トラップしたＮＯｘをリッチ運転時に浄化するＮＯｘトラップ触媒を設け、該上流側のＮＯｘトラップ触媒が未活性でＮＯｘトラップ能力が低下する低温状態で本装置によりＮＯｘをトラップすることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
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