JP3840815B2 - 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、内燃機関から排出される排気ガスを排気系に配置した触媒によって浄化する内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
触媒は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関から排出される排気ガスを浄化する手段として多用されている。排気浄化用の触媒としては、酸化触媒や三元触媒やリーンＮＯx触媒などがあるが、いずれの触媒の場合も、所定の浄化率を得るためには所定温度以上の触媒温度（触媒の活性温度）が必要であり、この活性温度より低温では浄化率が極めて低いか、あるいは殆ど浄化することができない。
【０００３】
そのため、車両用の内燃機関の排気浄化装置として触媒を用いた場合、内燃機関の始動時や軽負荷運転時などでは排気ガス温度が活性温度より低くなるため問題となり、その対策が従来から種々講じられている。特に、希薄燃焼可能な内燃機関では、そもそも希薄燃焼により排気ガス温度が比較的に低いため、顕著である。
【０００４】
例えば、特開平１０−３０４３０号公報には、ディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジンなどの希薄燃焼式内燃機関の排気通路に、上流側から順に、酸化触媒、吸蔵還元型ＮＯx触媒を設け、さらに酸化触媒よりも上流の排気通路内に、還元剤として軽油を供給する還元剤供給装置と、Ｈ2，Ｃ０等の低温活性の高いガスを供給する低温活性種供給装置とを設けた排気浄化装置が開示されている。
【０００５】
吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流入排気ガスの空燃比（以下、排気空燃比という）がリーンのときはＮＯxを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出し、Ｎ2へ還元する触媒であるが、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力は有限であるため、ＮＯx吸収能力が飽和する前に所定のタイミングで排気空燃比をストイキまたはリッチにすることによって酸素濃度を低下させ、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収されているＮＯxをＮＯ2を経由してＮ2に還元して放出し、ＮＯx吸収能力を回復させる必要がある。
【０００６】
前記公報の排気浄化装置では、この吸蔵還元型ＮＯx触媒を再生する際に、前記還元剤供給装置から排気通路内に軽油を供給する。供給された軽油は酸化触媒において燃焼し、これによって吸蔵還元型ＮＯx触媒を再生させるのに必要なストイキまたはリッチな雰囲気を形成する。しかしながら、排気ガスが低温の時には、排気ガス中に供給された軽油が酸化触媒あるいは吸蔵還元型ＮＯx触媒において燃焼せず、ストイキまたはリッチな雰囲気を形成することができず、その結果、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力を回復させることができない。
【０００７】
そこで、この排気浄化装置では、排気ガス低温時には、排気ガス中に還元剤供給装置から軽油を供給するとともに低温活性種供給装置からＣＯガスを供給し、酸化触媒においてＣＯを酸化させて反応熱を発生させ、この熱で軽油の燃焼を促し、吸蔵還元型ＮＯx触媒をストイキまたはリッチな雰囲気に形成しようとした。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低温活性の高いＣＯガスといえども、これを一般的な酸化触媒で酸化させるには、例えば供給されるＣＯの５０％を酸化させるためには２００゜Ｃ近い温度が必要であり、１００゜Ｃ程度の低温条件では殆どＣＯガスを酸化させることができず、したがって、軽油を燃焼させるという機能を果たし得ず、その結果、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力を回復させることができなかった。また、排気中に供給された軽油が無駄になるだけでなく、この軽油によって酸化触媒や吸蔵還元型ＮＯx触媒がＨＣ被毒するという問題が生じる。
【０００９】
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、吸気行程あるいは圧縮行程で燃料を副噴射することにより排気ガス中のＣＯ量を増大させ、このＣＯを低温で酸化活性可能なサブ触媒で酸化することにより、メイン触媒の触媒温度を素早く上昇させることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に、内燃機関の排気ガスを浄化するメイン触媒と、前記メイン触媒を暖機するための触媒であってメイン触媒の活性温度よりも低温でＣＯを酸化活性可能なサブ触媒とが設けられ、排気ガス温度または前記メイン触媒の温度が第１の所定温度よりも低いときに吸気行程あるいは圧縮行程で内燃機関の気筒内に燃料を副噴射して排気ガス中のＣＯ量を増大させるＣＯ量増大手段を備え、前記ＣＯ量増大手段は、排気ガス温度または前記メイン触媒の温度が、前記第１の所定温度よりも低い第２の所定温度以上のときであって、前記第１の所定温度よりも低いときに、吸気行程あるいは圧縮行程で副噴射を実行することを特徴とする。
【００１１】
この排気浄化装置によれば、排気ガス温度またはメイン触媒温度が第１の所定温度以下の時には、ＣＯ量増大手段により排気ガス中のＣＯ量が増大される。このＣＯはサブ触媒において酸化し、その時に発生する反応熱によって排気ガス温度が上昇し、前記所定温度以上になる。その結果、メイン触媒温度が上昇し、メイン触媒が活性化される。尚、第１の所定温度は、メイン触媒の活性温度下限値とすることができる。
【００１２】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記ＣＯ量増大手段は、排気ガス温度または前記メイン触媒の温度が、前記第１の所定温度よりも低い第２の所定温度以上のときであって、前記第１の所定温度よりも低いときに、吸気行程あるいは圧縮行程で副噴射を実行するようにすることができる。このようにすると、サブ触媒も活性化しないような極低温時には、ＣＯ量増大手段による吸気行程あるいは圧縮行程での副噴射を行わないようにすることができ、無駄な燃料噴射を防止することができる。また、未燃のままＣＯが放出されることを抑制することができる。ここで、第１の所定温度をメイン触媒の活性温度下限値とし、第２の所定温度をサブ触媒の活性温度下限値とすることができる。
【００１３】
低温でＣＯを酸化活性可能なサブ触媒は、例えばＡｕ（金）を坦持して構成することができる。ＡｕはＣＯに対する低温活性が高い金属である。
サブ触媒は、メイン触媒の暖機という機能を果たし得ることができる位置に配置されていればよく、したがって、排気通路の同じ部位にメイン触媒とサブ触媒を混在して配置するようにしてもよいし、あるいは、サブ触媒をメイン触媒よりも上流に配置してもよい。サブ触媒をメイン触媒よりも上流に配置した方が、より確実にメイン触媒の暖機を促進することができる。
【００１４】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記サブ触媒よりも上流にＨＣ吸着剤を配置してもよい。このようにすると、排気ガス温度またはメイン触媒温度の低温時に排気ガス中に含まれるＨＣがＨＣ吸着材に吸着され、それより下流にＨＣが流れなくなるので、サブ触媒やメイン触媒がＨＣ被毒されるのを防止することができる。尚、ＨＣ吸着剤に吸着されたＨＣは、排気ガス温度が上昇したときにＨＣ吸着剤から脱離し、下流のサブ触媒あるいはメイン触媒で酸化される。
【００１５】
本発明における内燃機関としては、理論空燃比で燃焼される一般的なガソリンエンジンや、希薄燃焼可能なリーンバーンガソリンエンジンやディーゼルエンジンを例示することができる。
【００１６】
本発明におけるメイン触媒としては、三元触媒、酸化触媒、リーンＮＯx触媒等を例示することができる。ここで、リーンＮＯx触媒には、選択還元型ＮＯx触媒と吸蔵還元型ＮＯx触媒が含まれる。
【００１７】
選択還元型ＮＯx触媒は、酸素過剰の雰囲気で炭化水素（ＨＣ）の存在下でＮＯxを還元または分解する触媒であり、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒、等が含まれる。
【００１８】
吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流入排気ガスの空燃比（排気空燃比）がリーンのときはＮＯxを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出し、Ｎ2へ還元する触媒であり、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されて、構成される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施の形態を図１から図４の図面に基いて説明する。尚、以下の実施の形態は、本発明に係る排気浄化装置を車両用内燃機関である筒内直接噴射式ディーゼルエンジンに適用した態様である。
【００２０】
〔第１の実施の形態〕
図１は本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における第１の実施の形態の全体構成を示す図である。エンジン１は筒内直接噴射式の６気筒ディーゼルエンジンであり、１番から６番の各気筒１１，１２，１３，１４，１５，１６の燃焼室には、吸気管２、吸気マニホールド３、及び吸気マニホールド３から分岐された吸気枝管２１，２２，，２３，２４，２５，２６を介して新気が導入される。吸気管２の途中には、ターボチャージャ４のコンプレッサ５と、インタークーラ６と、吸気絞り弁７が設けられている。吸気絞り弁７は、エンジン１の運転状態に応じてエンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００によって制御される。
【００２１】
また、エンジン１には、各気筒１１〜１６に燃料を噴射する燃料噴射弁３１，３２，３３，３４，３５，３６が設けられている。
１番から５番気筒１１〜１５の燃料噴射弁３１〜３５は、それぞれの気筒のピストン（図示せず）が圧縮上死点近傍に位置したときに対応する燃料噴射弁から燃料を主噴射するように、ＥＣＵ５０によって制御されている。１番から５番気筒１１〜１５の燃料噴射弁３１〜３５からは副噴射は行われず主噴射だけが行われるようになっている。
【００２２】
一方、６番気筒１６の燃料噴射弁３６は、ピストン（図示せず）が圧縮上死点近傍に位置したときに燃料を主噴射するだけでなく、所定の運転状態においては吸気行程あるいは圧縮行程で燃料を副噴射し（以下、この副噴射を吸気・圧縮行程噴射と称す）、別の所定の運転状態においては膨張行程あるいは排気行程で燃料を副噴射する（以下、この副噴射を膨張・排気行程噴射と称す）ように、ＥＣＵ５０によって制御されている。
【００２３】
ここで、吸気・圧縮行程噴射は排気ガス中のＣＯ濃度を増大することを目的として行われ、膨張・排気行程噴射は排気ガス中の酸素濃度を低減するとともに排気ガス中に還元剤としてのＨＣを増大させることを目的として行われるものである。図３は副噴射のタイミングと排気ガス中のＨＣ濃度及びＣＯ濃度の関係の一実験結果を示している。この図から、主噴射に近いタイミングで副噴射を行ったときにはＨＣ濃度及びＣＯ濃度がいずれも非常に低くなり、ＨＣ濃度については、膨張・排気行程噴射の方が吸気・圧縮行程噴射よりも高くなり、ＣＯ濃度については、吸気・圧縮行程噴射の方が膨張・排気行程噴射よりも高くなることがわかる。
【００２４】
尚、主噴射あるいは副噴射における燃料噴射弁３１〜３６の開弁時期及び開弁時間は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ１００により制御される。
各気筒１１〜１６の燃焼室で生じた排気ガスは、各気筒１１〜１６に対応して設けられた排気枝管４１，４２，４３，４４，４５，４６を介して排気マニホールド４０に排出される。
【００２５】
排気マニホールド４０に流入した排気ガスは、集合排気管８を介して大気に排出される。集合排気管８の途中には、上流側から順に、ターボチャージャ４のタービン９と、サブ触媒コンバータ６０と、メイン触媒コンバータ１０が設けられている。排気ガスはタービン９を駆動し、タービン９に連結されたコンプレッサ５を駆動して、吸気を過給する。
【００２６】
サブ触媒コンバータ６０には、チタニア（ＴｉＯ2）に金（Ａｕ）を坦持したサブ触媒６０ａが収容されている。ＡｕはＣＯに対する低温活性が高い金属であり、サブ触媒６０ａは低温でＣＯを酸化活性可能な触媒と言える。
【００２７】
メイン触媒コンバータ１０にはメイン触媒１０ａとしての選択還元型ＮＯx触媒が収容されている。選択還元型ＮＯx触媒は、酸素過剰の雰囲気で炭化水素の存在下でＮＯxを還元または分解する触媒であり、選択還元型ＮＯx触媒には、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒、等が含まれる。
【００２８】
集合排気管８においてサブ触媒コンバータ６０の入口近傍とメイン触媒コンバータ１０の入口近傍及び出口近傍には、サブ触媒コンバータ６０に流入する排気ガスの温度、メイン触媒コンバータ１０に流入する排気ガスの温度、メイン触媒コンバータ１０から流出する排気ガスの温度に対応した出力信号をＥＣＵ１００に出力するサブ触媒入ガス温度センサ５１、メイン触媒入ガス温度センサ５２、メイン触媒出ガス温度センサ５３が取り付けられている。
【００２９】
また、排気マニホールド４０に流入した排気ガスの一部はＥＧＲガスとして、ＥＧＲ管４７を介して吸気マニホールド３に再循環可能になっている。ＥＧＲ管４７の途中には、その上流側から順に、ＥＧＲクーラ４８、ＥＧＲ弁４９が設置されている。ＥＧＲ弁４９は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ１００によって開度制御され、ＥＧＲガスの還流量を制御する。
【００３０】
ＥＣＵ１００はデジタルコンピュータからなり、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入力ポート、出力ポートを具備し、エンジン１の燃料噴射量制御等の基本制御を行うほか、この実施の形態では、６番気筒１６への燃料の副噴射制御を行っている。
【００３１】
これら制御のために、ＥＣＵ１００の入力ポートには、アクセル開度センサ７１からの入力信号と、クランク角センサ７２からの入力信号が入力される。アクセル開度センサ７１はアクセル開度に比例した出力電圧をＥＣＵ１００に出力し、ＥＣＵ１００はアクセル開度センサ７１の出力信号に基づいてエンジン負荷を演算する。クランク角センサ７２はクランクシャフトが一定角度回転する毎に出力パルスをＥＣＵ１００に出力し、ＥＣＵ１００はこの出力パルスに基づいてエンジン回転速度を演算する。これらエンジン負荷とエンジン回転速度によってエンジン運転状態が判別される。
【００３２】
次に、この実施の形態における排気浄化装置の作用について説明する。ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態に応じて、各燃料噴射弁３１〜３６を所定の開弁時期に所定時間開弁して各気筒１１〜１６内に所定量の燃料を主噴射する。各気筒１１〜１６内に主噴射された燃料は、爆発・燃焼した後、排気ガスとして、各排気枝管４１〜４６、排気マニホールド４０、集合排気管８、サブ触媒コンバータ６０、メイン触媒コンバータ１０を通って大気に排気される。
【００３３】
また、ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態に応じて、前記主噴射された燃料の爆発・燃焼により生じた排気ガス中のＮＯxをメイン触媒コンバータ１０で浄化するのに必要な還元剤量に相当する燃料の副噴射量を演算し、この副噴射量の燃料を膨張・排気行程噴射するべく、６番気筒１６の燃料噴射弁３６を、６番気筒１６の膨張行程あるいは排気行程における所定の開弁時期に所定時間開弁する。副噴射された燃料のＨＣ成分は、爆発行程の熱により軽質なＨＣに改質されて、排気ガスと共に前記排気経路を通ってメイン触媒コンバータ１０に供給される。排気ガス中のＨＣ成分の一部はサブ触媒コンバータ６０を通過する際に酸化されるが、殆どのＨＣ成分はサブ触媒コンバータ６０を素通りするかあるいはサブ触媒コンバータ６０を通過する際に改質されてメイン触媒コンバータ１０に供給される。その結果、排気ガス中のＮＯxはメイン触媒コンバータ１０の選択還元型ＮＯx触媒１０ａにおいて還元され、Ｎ2、Ｈ2Ｏ、ＣＯ2となって大気に放出される。
【００３４】
尚、排気ガス中のＨＣ成分がサブ触媒コンバータ６０でより酸化されないようにするために、サブ触媒コンバータ６０の容量をメイン触媒コンバータ１０の容量よりも小さく設定するのが好ましい。
【００３５】
また、エンジン１の各気筒１１〜１６から排出される排気ガスの一部はＥＧＲガスとして、排気マニホールド４０からＥＧＲ管４７を通り、ＥＧＲクーラ４８、ＥＧＲ弁４９を通って吸気マニホールド３に還流し、吸気管２から吸気された新気と混合されて、各吸気枝管２１〜２６を介して各気筒１１〜１６内に吸気される。
【００３６】
ところで、メイン触媒１０ａの触媒温度Ｔ1がＮＯx浄化に必要な活性温度下限値Ｔa（例えば、１７０゜Ｃ以上）以上のときには、上述のように膨張・排気行程噴射の実行により排気ガス中のＨＣ濃度を増大させると、メイン触媒コンバータ１０のメイン触媒１０ａで排気ガス中のＮＯxを浄化することができるが、メイン触媒１０ａの触媒温度が前記活性温度下限値Ｔaに満たない場合には、膨張・排気行程噴射を実行して排気ガス中のＨＣ濃度を増大させても排気ガス中のＮＯxを浄化できず、膨張・排気行程噴射した燃料が無駄になるばかりでなく、却って排気ガス中のＨＣがメイン触媒１０ａを被毒して温度上昇後のＮＯx浄化に悪影響を与える。
【００３７】
そこで、この排気浄化装置では、例えば始動直後や軽負荷運転時などにおいて、メイン触媒１０ａの触媒温度Ｔ1がメイン触媒１０ａの活性温度下限値（第１の所定温度）Ｔa未満であるときには、膨張・排気行程噴射を実行せず、吸気・圧縮行程噴射を実行して排気ガス中のＣＯ濃度を増大させ、このＣＯをサブ触媒コンバータ６０のサブ触媒６０ａによって酸化し、その時に発生する反応熱によって排気ガスを昇温し、メイン触媒１０ａの触媒温度を上昇させるようにしている。
【００３８】
これについて、図２のフローチャートを参照して詳述する。尚、この実施の形態では、メイン触媒１０ａの触媒温度Ｔ1としてメイン触媒入ガス温度センサ５２で検出される排気ガス温度を代用し、サブ触媒６０ａの触媒温度Ｔ2としてサブ触媒入ガス温度センサ５１で検出される排気ガス温度を代用する。
【００３９】
まず、ＥＣＵ１００は、ステップ１０１において、メイン触媒入ガス温度センサ５２の出力を読み込み、メイン触媒入ガス温度（即ち、メイン触媒温度）Ｔ1がメイン触媒１０ａの活性温度下限値Ｔaよりも小さいか否かを判定する。
【００４０】
メイン触媒入ガス温度Ｔ1がメイン触媒１０ａの活性温度下限値Ｔa以上であると判定した場合には、メイン触媒１０ａは活性化されているので、ＥＣＵ１００は、ステップ１０４に進んで、６番気筒１６に対して前述した膨張・排気行程噴射を実行し、吸気・圧縮行程噴射は実行しない。これにより、排気ガス中のＨＣ濃度が増大し、メイン触媒コンバータ１０のメイン触媒１０ａによって排気ガス中のＮＯxが浄化される。
【００４１】
一方、メイン触媒入ガス温度Ｔ1がメイン触媒１０ａの活性温度下限値Ｔa未満であると判定した場合には、ＥＣＵ１００は、ステップ１０２に進んで、サブ触媒入ガス温度センサ５１の出力を読み込み、サブ触媒入ガス温度（即ち、サブ触媒温度）Ｔ2が、サブ触媒６０ａがＣＯを酸化活性するのに必要な活性温度下限値（第２の所定温度）Ｔb（例えば、７０゜Ｃ）以上か否かを判定する。
【００４２】
サブ触媒入ガス温度Ｔ2がサブ触媒６０ａの活性温度下限値Ｔb以上であると判定した場合には、サブ触媒６０ａは活性化されているので、ＥＣＵ１００は、ステップ１０３に進んで、６番気筒１６に対して吸気・圧縮行程噴射を実行し、膨張・排気行程噴射を停止する。即ち、ＥＣＵ１００は、６番気筒１６の燃料噴射弁３６を、６番気筒１６の吸気行程あるいは圧縮行程における所定の開弁時期に所定時間開弁する。
【００４３】
前述したように、吸気・圧縮行程噴射を実行すると排気ガス中のＣＯ濃度が上昇する。この排気ガス中のＣＯはサブ触媒コンバータ６０を通過する際にサブ触媒６０ａによって酸化されてＣＯ2となり、この時に発生する反応熱によって排気ガス温度が上昇し、昇温された排気ガスがメイン触媒コンバータ１０に流入する。また、吸気・圧縮行程噴射ではＨＣの生成量を減少させることができるので、サブ触媒６０ａ及びメイン触媒１０ａのＨＣ被毒を抑制することができる。
【００４４】
この吸気・圧縮行程噴射は、メイン触媒入ガス温度Ｔ1がメイン触媒１０ａの活性温度下限値Ｔa以上となるまで、即ち、ステップ１０１でＮＯと判定されるまで続行される。ステップ１０１でＮＯと判定されると、前述したようにステップ１０４に進んで、吸気・圧縮行程噴射が停止され、膨張・排気行程噴射が実行されて、排気ガス中のＮＯxが浄化される。
【００４５】
尚、メイン触媒入ガス温度Ｔ1がメイン触媒１０ａの活性温度下限値Ｔa未満のときには膨張・排気行程噴射を実行しないので、無駄な燃料噴射がなくなって燃費が向上し、メイン触媒１０ａのＨＣ被毒を防止することができる。
【００４６】
また、ステップ１０２において、サブ触媒入ガス温度Ｔ2がサブ触媒６０ａの活性温度下限値Ｔbよりも低いと判定した場合には、この温度条件では低温活性のサブ触媒６０ａといえどもＣＯを酸化することができず、吸気・圧縮行程噴射を実行しても燃料が無駄になるので、この場合には、ＥＣＵ１００は吸気・圧縮行程噴射も膨張・排気行程噴射も実行しない。
【００４７】
以上説明したように、この排気浄化装置では、排気ガス温度が低温でメイン触媒１０ａが活性していない時には、サブ触媒コンバータ６０においてＣＯを酸化することによって排気ガス温度を上昇させ、これによってメイン触媒１０ａの暖機を迅速に行うようにしている。したがって、メイン触媒１０ａが不活性な期間を短縮することができ、低温時におけるＮＯx，ＨＣ，ＣＯ，ＳＯＦの大気放出を最小限に抑えることができる。
【００４８】
さらに、メイン触媒１０ａの触媒温度の昇温速度が速くなり、また、膨張・排気行程噴射を行っている場合にもメイン触媒１０ａの上流にサブ触媒６０ａが配置されていることによりメイン触媒１０ａの触媒温度が高くなるので、メイン触媒１０ａにＰＭ（Particulate Matter）、ＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）、ＨＣが付着しにくくなり、あるいは付着しても燃焼され易くなるので、これらの付着によるメイン触媒コンバータ１０の目詰まりが抑制される。また、メイン触媒１０ａの触媒温度が高いことにより、排気臭の原因物質である酸化されたＨＣ（アルデヒドなど）も燃焼されるので、排気臭が少なくなる。
【００４９】
この実施の形態において、６番気筒１６の燃料噴射弁３６とＥＣＵ１００は、ＣＯ量増大手段を構成する。尚、この実施の形態では、吸気・圧縮行程噴射を６番気筒１６だけで実行しているが、これに限るものではなく、例えば全気筒について吸気・圧縮行程噴射を実行してＣＯ量を増大するようにしても構わない。
【００５０】
上述の実施の形態では、メイン触媒１０ａとサブ触媒６０ａをそれぞれ別々のケーシングに収容しているが、１つのケーシングの中にメイン触媒１０ａとサブ触媒６０ａを収容しても構わない。その場合、ケーシングの上流側にサブ触媒６０ａを収容し下流側にメイン触媒１０ａを収容してもよいし、メイン触媒１０ａとサブ触媒６０ａをケーシング内で完全に混在させるように収容してもよい。
【００５１】
上述の実施の形態では、ステップ１０４で膨張・排気行程噴射を実行するときには吸気・圧縮行程噴射を停止するようにしているが、場合によっては（例えば、メイン触媒１０ａの種類によっては）、ステップ１０４で膨張・排気行程噴射と吸気・圧縮行程噴射の両方を実行するようにしても構わない。
【００５２】
〔第２の実施の形態〕
図４は本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における第２の実施の形態の全体構成を示す図である。
【００５３】
この第２の実施の形態においては、集合排気管８の途中に触媒コンバータ８０が設けられており、この触媒コンバータ８０のケーシング８１内には、上流側から順に、ＨＣ吸着剤８２、サブ触媒８３、メイン触媒８４が収容されている。
【００５４】
ＨＣ吸着剤８２はゼオライトで構成されており、サブ触媒８３は第１の実施の形態と同様にＡｕ／ＴｉＯ2で構成されており、メイン触媒８４は第１の実施の形態と同様に選択還元型ＮＯx触媒で構成されている。
【００５５】
また、触媒コンバータ８０の入口近傍と出口近傍には、触媒コンバータ８０に流入する排気ガスの温度、触媒コンバータ８０から流出する排気ガスの温度に対応した出力信号をＥＣＵ１００に出力する入ガス温度センサ８５、出ガス温度センサ８６が取り付けられている。この実施の形態では、入ガス温度センサ８５で検出される入ガス温度をサブ触媒８３の触媒温度Ｔ2の代用とし、入ガス温度センサ８５で検出される入ガス温度と出ガス温度センサ８６で検出される出ガス温度の平均値温度をメイン触媒８４の触媒温度Ｔ1の代用とする。
【００５６】
その他の構成は第１の実施の形態と同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
この第２の実施の形態では、排気ガスの低温時に排気ガス中に含まれるＨＣがＨＣ吸着剤８２によって吸着されるので、排気ガス中のＨＣがサブ触媒８３やメイン触媒８４に流入しなくなる。その結果、排気ガス中のＨＣがサブ触媒８３あるいはメイン触媒８４に付着（被毒）して、サブ触媒８３あるいはメイン触媒８４の活性を低下させることを未然に防止することができる。また、低温時にＨＣが大気に排出されるのを抑制することができるという効果もある。尚、ＨＣ吸着剤８２に吸着されたＨＣは、排気ガス温度が上昇したときにＨＣ吸着剤から放出され、サブ触媒８３あるいはメイン触媒８４において燃焼する。
【００５７】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関の排気通路に、内燃機関の排気ガスを浄化するメイン触媒と、前記メイン触媒を暖機するための触媒であってメイン触媒の活性温度よりも低温でＣＯを酸化活性可能なサブ触媒とが設けられ、排気ガス温度または前記メイン触媒の温度が第１の所定温度よりも低いときに吸気行程あるいは圧縮行程で内燃機関の気筒内に燃料を副噴射して排気ガス中のＣＯ量を増大させるＣＯ量増大手段を備えたことにより、メイン触媒の暖機を迅速に行うことができ、未浄化の排気ガスの排出を減少することができるという優れた効果が奏される。
【００５８】
排気ガス温度または前記メイン触媒の温度が、前記第１の所定温度よりも低い第２の所定温度以上のときであって、前記第１の所定温度よりも低いときに、前記ＣＯ量増大手段により吸気行程あるいは圧縮行程で副噴射を実行するようにした場合には、サブ触媒も活性化しないような極低温時に吸気行程あるいは圧縮行程での副噴射を行わないようにすることができ、無駄な燃料噴射を防止することができる。
【００５９】
サブ触媒をメイン触媒よりも上流に配置した場合には、メイン触媒の暖機促進をより確実に行うことができる。
サブ触媒よりも上流にＨＣ吸着剤を配置した場合には、低温時に排気ガス中のＨＣによりサブ触媒やメイン触媒が被毒するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における第１の実施の形態の概略構成を示す図である。
【図２】 前記第１の実施の形態における副噴射制御のフローチャートである。
【図３】 副噴射タイミングと排気ガス中のＨＣ濃度及びＣＯ濃度との関係を示す図である。
【図４】 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における第２の実施の形態の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
８ 集合排気管（排気通路）
１０ａ メイン触媒
１１〜１６ 気筒
３６ 燃料噴射弁（ＣＯ量増大手段）
６０ａ サブ触媒
８２ ＨＣ吸着剤
８３ サブ触媒
８４ メイン触媒
１００ ＥＣＵ（ＣＯ量増大手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出される排気ガスを排気系に配置した触媒によって浄化する内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
触媒は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関から排出される排気ガスを浄化する手段として多用されている。排気浄化用の触媒としては、酸化触媒や三元触媒やリーンＮＯx触媒などがあるが、いずれの触媒の場合も、所定の浄化率を得るためには所定温度以上の触媒温度（触媒の活性温度）が必要であり、この活性温度より低温では浄化率が極めて低いか、あるいは殆ど浄化することができない。
【０００３】
そのため、車両用の内燃機関の排気浄化装置として触媒を用いた場合、内燃機関の始動時や軽負荷運転時などでは排気ガス温度が活性温度より低くなるため問題となり、その対策が従来から種々講じられている。特に、希薄燃焼可能な内燃機関では、そもそも希薄燃焼により排気ガス温度が比較的に低いため、顕著である。
【０００４】
例えば、特開平１０−３０４３０号公報には、ディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジンなどの希薄燃焼式内燃機関の排気通路に、上流側から順に、酸化触媒、吸蔵還元型ＮＯx触媒を設け、さらに酸化触媒よりも上流の排気通路内に、還元剤として軽油を供給する還元剤供給装置と、Ｈ2，Ｃ０等の低温活性の高いガスを供給する低温活性種供給装置とを設けた排気浄化装置が開示されている。
【０００５】
吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流入排気ガスの空燃比（以下、排気空燃比という）がリーンのときはＮＯxを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出し、Ｎ2へ還元する触媒であるが、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力は有限であるため、ＮＯx吸収能力が飽和する前に所定のタイミングで排気空燃比をストイキまたはリッチにすることによって酸素濃度を低下させ、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収されているＮＯxをＮＯ2を経由してＮ2に還元して放出し、ＮＯx吸収能力を回復させる必要がある。
【０００６】
前記公報の排気浄化装置では、この吸蔵還元型ＮＯx触媒を再生する際に、前記還元剤供給装置から排気通路内に軽油を供給する。供給された軽油は酸化触媒において燃焼し、これによって吸蔵還元型ＮＯx触媒を再生させるのに必要なストイキまたはリッチな雰囲気を形成する。しかしながら、排気ガスが低温の時には、排気ガス中に供給された軽油が酸化触媒あるいは吸蔵還元型ＮＯx触媒において燃焼せず、ストイキまたはリッチな雰囲気を形成することができず、その結果、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力を回復させることができない。
【０００７】
そこで、この排気浄化装置では、排気ガス低温時には、排気ガス中に還元剤供給装置から軽油を供給するとともに低温活性種供給装置からＣＯガスを供給し、酸化触媒においてＣＯを酸化させて反応熱を発生させ、この熱で軽油の燃焼を促し、吸蔵還元型ＮＯx触媒をストイキまたはリッチな雰囲気に形成しようとした。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低温活性の高いＣＯガスといえども、これを一般的な酸化触媒で酸化させるには、例えば供給されるＣＯの５０％を酸化させるためには２００゜Ｃ近い温度が必要であり、１００゜Ｃ程度の低温条件では殆どＣＯガスを酸化させることができず、したがって、軽油を燃焼させるという機能を果たし得ず、その結果、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力を回復させることができなかった。また、排気中に供給された軽油が無駄になるだけでなく、この軽油によって酸化触媒や吸蔵還元型ＮＯx触媒がＨＣ被毒するという問題が生じる。
【０００９】
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、吸気行程あるいは圧縮行程で燃料を副噴射することにより排気ガス中のＣＯ量を増大させ、このＣＯを低温で酸化活性可能なサブ触媒で酸化することにより、メイン触媒の触媒温度を素早く上昇させることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に、内燃機関の排気ガスを浄化するメイン触媒と、前記メイン触媒を暖機するための触媒であってメイン触媒の活性温度よりも低温でＣＯを酸化活性可能なサブ触媒とが設けられ、排気ガス温度または前記メイン触媒の温度が第１の所定温度よりも低いときに吸気行程あるいは圧縮行程で内燃機関の気筒内に燃料を副噴射して排気ガス中のＣＯ量を増大させるＣＯ量増大手段を備え、前記ＣＯ量増大手段は、排気ガス温度または前記メイン触媒の温度が、前記第１の所定温度よりも低い第２の所定温度以上のときであって、前記第１の所定温度よりも低いときに、吸気行程あるいは圧縮行程で副噴射を実行することを特徴とする。
【００１１】
この排気浄化装置によれば、排気ガス温度またはメイン触媒温度が第１の所定温度以下の時には、ＣＯ量増大手段により排気ガス中のＣＯ量が増大される。このＣＯはサブ触媒において酸化し、その時に発生する反応熱によって排気ガス温度が上昇し、前記所定温度以上になる。その結果、メイン触媒温度が上昇し、メイン触媒が活性化される。尚、第１の所定温度は、メイン触媒の活性温度下限値とすることができる。
【００１２】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記ＣＯ量増大手段は、排気ガス温度または前記メイン触媒の温度が、前記第１の所定温度よりも低い第２の所定温度以上のときであって、前記第１の所定温度よりも低いときに、吸気行程あるいは圧縮行程で副噴射を実行するようにすることができる。このようにすると、サブ触媒も活性化しないような極低温時には、ＣＯ量増大手段による吸気行程あるいは圧縮行程での副噴射を行わないようにすることができ、無駄な燃料噴射を防止することができる。また、未燃のままＣＯが放出されることを抑制することができる。ここで、第１の所定温度をメイン触媒の活性温度下限値とし、第２の所定温度をサブ触媒の活性温度下限値とすることができる。
【００１３】
低温でＣＯを酸化活性可能なサブ触媒は、例えばＡｕ（金）を坦持して構成することができる。ＡｕはＣＯに対する低温活性が高い金属である。
サブ触媒は、メイン触媒の暖機という機能を果たし得ることができる位置に配置されていればよく、したがって、排気通路の同じ部位にメイン触媒とサブ触媒を混在して配置するようにしてもよいし、あるいは、サブ触媒をメイン触媒よりも上流に配置してもよい。サブ触媒をメイン触媒よりも上流に配置した方が、より確実にメイン触媒の暖機を促進することができる。
【００１４】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記サブ触媒よりも上流にＨＣ吸着剤を配置してもよい。このようにすると、排気ガス温度またはメイン触媒温度の低温時に排気ガス中に含まれるＨＣがＨＣ吸着材に吸着され、それより下流にＨＣが流れなくなるので、サブ触媒やメイン触媒がＨＣ被毒されるのを防止することができる。尚、ＨＣ吸着剤に吸着されたＨＣは、排気ガス温度が上昇したときにＨＣ吸着剤から脱離し、下流のサブ触媒あるいはメイン触媒で酸化される。
【００１５】
本発明における内燃機関としては、理論空燃比で燃焼される一般的なガソリンエンジンや、希薄燃焼可能なリーンバーンガソリンエンジンやディーゼルエンジンを例示することができる。
【００１６】
本発明におけるメイン触媒としては、三元触媒、酸化触媒、リーンＮＯx触媒等を例示することができる。ここで、リーンＮＯx触媒には、選択還元型ＮＯx触媒と吸蔵還元型ＮＯx触媒が含まれる。
【００１７】
選択還元型ＮＯx触媒は、酸素過剰の雰囲気で炭化水素（ＨＣ）の存在下でＮＯxを還元または分解する触媒であり、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒、等が含まれる。
【００１８】
吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流入排気ガスの空燃比（排気空燃比）がリーンのときはＮＯxを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出し、Ｎ2へ還元する触媒であり、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されて、構成される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施の形態を図１から図４の図面に基いて説明する。尚、以下の実施の形態は、本発明に係る排気浄化装置を車両用内燃機関である筒内直接噴射式ディーゼルエンジンに適用した態様である。
【００２０】
〔第１の実施の形態〕
図１は本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における第１の実施の形態の全体構成を示す図である。エンジン１は筒内直接噴射式の６気筒ディーゼルエンジンであり、１番から６番の各気筒１１，１２，１３，１４，１５，１６の燃焼室には、吸気管２、吸気マニホールド３、及び吸気マニホールド３から分岐された吸気枝管２１，２２，，２３，２４，２５，２６を介して新気が導入される。吸気管２の途中には、ターボチャージャ４のコンプレッサ５と、インタークーラ６と、吸気絞り弁７が設けられている。吸気絞り弁７は、エンジン１の運転状態に応じてエンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００によって制御される。
【００２１】
また、エンジン１には、各気筒１１〜１６に燃料を噴射する燃料噴射弁３１，３２，３３，３４，３５，３６が設けられている。
１番から５番気筒１１〜１５の燃料噴射弁３１〜３５は、それぞれの気筒のピストン（図示せず）が圧縮上死点近傍に位置したときに対応する燃料噴射弁から燃料を主噴射するように、ＥＣＵ５０によって制御されている。１番から５番気筒１１〜１５の燃料噴射弁３１〜３５からは副噴射は行われず主噴射だけが行われるようになっている。
【００２２】
一方、６番気筒１６の燃料噴射弁３６は、ピストン（図示せず）が圧縮上死点近傍に位置したときに燃料を主噴射するだけでなく、所定の運転状態においては吸気行程あるいは圧縮行程で燃料を副噴射し（以下、この副噴射を吸気・圧縮行程噴射と称す）、別の所定の運転状態においては膨張行程あるいは排気行程で燃料を副噴射する（以下、この副噴射を膨張・排気行程噴射と称す）ように、ＥＣＵ５０によって制御されている。
【００２３】
ここで、吸気・圧縮行程噴射は排気ガス中のＣＯ濃度を増大することを目的として行われ、膨張・排気行程噴射は排気ガス中の酸素濃度を低減するとともに排気ガス中に還元剤としてのＨＣを増大させることを目的として行われるものである。図３は副噴射のタイミングと排気ガス中のＨＣ濃度及びＣＯ濃度の関係の一実験結果を示している。この図から、主噴射に近いタイミングで副噴射を行ったときにはＨＣ濃度及びＣＯ濃度がいずれも非常に低くなり、ＨＣ濃度については、膨張・排気行程噴射の方が吸気・圧縮行程噴射よりも高くなり、ＣＯ濃度については、吸気・圧縮行程噴射の方が膨張・排気行程噴射よりも高くなることがわかる。
【００２４】
尚、主噴射あるいは副噴射における燃料噴射弁３１〜３６の開弁時期及び開弁時間は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ１００により制御される。
各気筒１１〜１６の燃焼室で生じた排気ガスは、各気筒１１〜１６に対応して設けられた排気枝管４１，４２，４３，４４，４５，４６を介して排気マニホールド４０に排出される。
【００２５】
排気マニホールド４０に流入した排気ガスは、集合排気管８を介して大気に排出される。集合排気管８の途中には、上流側から順に、ターボチャージャ４のタービン９と、サブ触媒コンバータ６０と、メイン触媒コンバータ１０が設けられている。排気ガスはタービン９を駆動し、タービン９に連結されたコンプレッサ５を駆動して、吸気を過給する。
【００２６】
サブ触媒コンバータ６０には、チタニア（ＴｉＯ2）に金（Ａｕ）を坦持したサブ触媒６０ａが収容されている。ＡｕはＣＯに対する低温活性が高い金属であり、サブ触媒６０ａは低温でＣＯを酸化活性可能な触媒と言える。
【００２７】
メイン触媒コンバータ１０にはメイン触媒１０ａとしての選択還元型ＮＯx触媒が収容されている。選択還元型ＮＯx触媒は、酸素過剰の雰囲気で炭化水素の存在下でＮＯxを還元または分解する触媒であり、選択還元型ＮＯx触媒には、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒、等が含まれる。
【００２８】
集合排気管８においてサブ触媒コンバータ６０の入口近傍とメイン触媒コンバータ１０の入口近傍及び出口近傍には、サブ触媒コンバータ６０に流入する排気ガスの温度、メイン触媒コンバータ１０に流入する排気ガスの温度、メイン触媒コンバータ１０から流出する排気ガスの温度に対応した出力信号をＥＣＵ１００に出力するサブ触媒入ガス温度センサ５１、メイン触媒入ガス温度センサ５２、メイン触媒出ガス温度センサ５３が取り付けられている。
【００２９】
また、排気マニホールド４０に流入した排気ガスの一部はＥＧＲガスとして、ＥＧＲ管４７を介して吸気マニホールド３に再循環可能になっている。ＥＧＲ管４７の途中には、その上流側から順に、ＥＧＲクーラ４８、ＥＧＲ弁４９が設置されている。ＥＧＲ弁４９は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ１００によって開度制御され、ＥＧＲガスの還流量を制御する。
【００３０】
ＥＣＵ１００はデジタルコンピュータからなり、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入力ポート、出力ポートを具備し、エンジン１の燃料噴射量制御等の基本制御を行うほか、この実施の形態では、６番気筒１６への燃料の副噴射制御を行っている。
【００３１】
これら制御のために、ＥＣＵ１００の入力ポートには、アクセル開度センサ７１からの入力信号と、クランク角センサ７２からの入力信号が入力される。アクセル開度センサ７１はアクセル開度に比例した出力電圧をＥＣＵ１００に出力し、ＥＣＵ１００はアクセル開度センサ７１の出力信号に基づいてエンジン負荷を演算する。クランク角センサ７２はクランクシャフトが一定角度回転する毎に出力パルスをＥＣＵ１００に出力し、ＥＣＵ１００はこの出力パルスに基づいてエンジン回転速度を演算する。これらエンジン負荷とエンジン回転速度によってエンジン運転状態が判別される。
【００３２】
次に、この実施の形態における排気浄化装置の作用について説明する。ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態に応じて、各燃料噴射弁３１〜３６を所定の開弁時期に所定時間開弁して各気筒１１〜１６内に所定量の燃料を主噴射する。各気筒１１〜１６内に主噴射された燃料は、爆発・燃焼した後、排気ガスとして、各排気枝管４１〜４６、排気マニホールド４０、集合排気管８、サブ触媒コンバータ６０、メイン触媒コンバータ１０を通って大気に排気される。
【００３３】
また、ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態に応じて、前記主噴射された燃料の爆発・燃焼により生じた排気ガス中のＮＯxをメイン触媒コンバータ１０で浄化するのに必要な還元剤量に相当する燃料の副噴射量を演算し、この副噴射量の燃料を膨張・排気行程噴射するべく、６番気筒１６の燃料噴射弁３６を、６番気筒１６の膨張行程あるいは排気行程における所定の開弁時期に所定時間開弁する。副噴射された燃料のＨＣ成分は、爆発行程の熱により軽質なＨＣに改質されて、排気ガスと共に前記排気経路を通ってメイン触媒コンバータ１０に供給される。排気ガス中のＨＣ成分の一部はサブ触媒コンバータ６０を通過する際に酸化されるが、殆どのＨＣ成分はサブ触媒コンバータ６０を素通りするかあるいはサブ触媒コンバータ６０を通過する際に改質されてメイン触媒コンバータ１０に供給される。その結果、排気ガス中のＮＯxはメイン触媒コンバータ１０の選択還元型ＮＯx触媒１０ａにおいて還元され、Ｎ2、Ｈ2Ｏ、ＣＯ2となって大気に放出される。
【００３４】
尚、排気ガス中のＨＣ成分がサブ触媒コンバータ６０でより酸化されないようにするために、サブ触媒コンバータ６０の容量をメイン触媒コンバータ１０の容量よりも小さく設定するのが好ましい。
【００３５】
また、エンジン１の各気筒１１〜１６から排出される排気ガスの一部はＥＧＲガスとして、排気マニホールド４０からＥＧＲ管４７を通り、ＥＧＲクーラ４８、ＥＧＲ弁４９を通って吸気マニホールド３に還流し、吸気管２から吸気された新気と混合されて、各吸気枝管２１〜２６を介して各気筒１１〜１６内に吸気される。
【００３６】
ところで、メイン触媒１０ａの触媒温度Ｔ1がＮＯx浄化に必要な活性温度下限値Ｔa（例えば、１７０゜Ｃ以上）以上のときには、上述のように膨張・排気行程噴射の実行により排気ガス中のＨＣ濃度を増大させると、メイン触媒コンバータ１０のメイン触媒１０ａで排気ガス中のＮＯxを浄化することができるが、メイン触媒１０ａの触媒温度が前記活性温度下限値Ｔaに満たない場合には、膨張・排気行程噴射を実行して排気ガス中のＨＣ濃度を増大させても排気ガス中のＮＯxを浄化できず、膨張・排気行程噴射した燃料が無駄になるばかりでなく、却って排気ガス中のＨＣがメイン触媒１０ａを被毒して温度上昇後のＮＯx浄化に悪影響を与える。
【００３７】
そこで、この排気浄化装置では、例えば始動直後や軽負荷運転時などにおいて、メイン触媒１０ａの触媒温度Ｔ1がメイン触媒１０ａの活性温度下限値（第１の所定温度）Ｔa未満であるときには、膨張・排気行程噴射を実行せず、吸気・圧縮行程噴射を実行して排気ガス中のＣＯ濃度を増大させ、このＣＯをサブ触媒コンバータ６０のサブ触媒６０ａによって酸化し、その時に発生する反応熱によって排気ガスを昇温し、メイン触媒１０ａの触媒温度を上昇させるようにしている。
【００３８】
これについて、図２のフローチャートを参照して詳述する。尚、この実施の形態では、メイン触媒１０ａの触媒温度Ｔ1としてメイン触媒入ガス温度センサ５２で検出される排気ガス温度を代用し、サブ触媒６０ａの触媒温度Ｔ2としてサブ触媒入ガス温度センサ５１で検出される排気ガス温度を代用する。
【００３９】
まず、ＥＣＵ１００は、ステップ１０１において、メイン触媒入ガス温度センサ５２の出力を読み込み、メイン触媒入ガス温度（即ち、メイン触媒温度）Ｔ1がメイン触媒１０ａの活性温度下限値Ｔaよりも小さいか否かを判定する。
【００４０】
メイン触媒入ガス温度Ｔ1がメイン触媒１０ａの活性温度下限値Ｔa以上であると判定した場合には、メイン触媒１０ａは活性化されているので、ＥＣＵ１００は、ステップ１０４に進んで、６番気筒１６に対して前述した膨張・排気行程噴射を実行し、吸気・圧縮行程噴射は実行しない。これにより、排気ガス中のＨＣ濃度が増大し、メイン触媒コンバータ１０のメイン触媒１０ａによって排気ガス中のＮＯxが浄化される。
【００４１】
一方、メイン触媒入ガス温度Ｔ1がメイン触媒１０ａの活性温度下限値Ｔa未満であると判定した場合には、ＥＣＵ１００は、ステップ１０２に進んで、サブ触媒入ガス温度センサ５１の出力を読み込み、サブ触媒入ガス温度（即ち、サブ触媒温度）Ｔ2が、サブ触媒６０ａがＣＯを酸化活性するのに必要な活性温度下限値（第２の所定温度）Ｔb（例えば、７０゜Ｃ）以上か否かを判定する。
【００４２】
サブ触媒入ガス温度Ｔ2がサブ触媒６０ａの活性温度下限値Ｔb以上であると判定した場合には、サブ触媒６０ａは活性化されているので、ＥＣＵ１００は、ステップ１０３に進んで、６番気筒１６に対して吸気・圧縮行程噴射を実行し、膨張・排気行程噴射を停止する。即ち、ＥＣＵ１００は、６番気筒１６の燃料噴射弁３６を、６番気筒１６の吸気行程あるいは圧縮行程における所定の開弁時期に所定時間開弁する。
【００４３】
前述したように、吸気・圧縮行程噴射を実行すると排気ガス中のＣＯ濃度が上昇する。この排気ガス中のＣＯはサブ触媒コンバータ６０を通過する際にサブ触媒６０ａによって酸化されてＣＯ2となり、この時に発生する反応熱によって排気ガス温度が上昇し、昇温された排気ガスがメイン触媒コンバータ１０に流入する。また、吸気・圧縮行程噴射ではＨＣの生成量を減少させることができるので、サブ触媒６０ａ及びメイン触媒１０ａのＨＣ被毒を抑制することができる。
【００４４】
この吸気・圧縮行程噴射は、メイン触媒入ガス温度Ｔ1がメイン触媒１０ａの活性温度下限値Ｔa以上となるまで、即ち、ステップ１０１でＮＯと判定されるまで続行される。ステップ１０１でＮＯと判定されると、前述したようにステップ１０４に進んで、吸気・圧縮行程噴射が停止され、膨張・排気行程噴射が実行されて、排気ガス中のＮＯxが浄化される。
【００４５】
尚、メイン触媒入ガス温度Ｔ1がメイン触媒１０ａの活性温度下限値Ｔa未満のときには膨張・排気行程噴射を実行しないので、無駄な燃料噴射がなくなって燃費が向上し、メイン触媒１０ａのＨＣ被毒を防止することができる。
【００４６】
また、ステップ１０２において、サブ触媒入ガス温度Ｔ2がサブ触媒６０ａの活性温度下限値Ｔbよりも低いと判定した場合には、この温度条件では低温活性のサブ触媒６０ａといえどもＣＯを酸化することができず、吸気・圧縮行程噴射を実行しても燃料が無駄になるので、この場合には、ＥＣＵ１００は吸気・圧縮行程噴射も膨張・排気行程噴射も実行しない。
【００４７】
以上説明したように、この排気浄化装置では、排気ガス温度が低温でメイン触媒１０ａが活性していない時には、サブ触媒コンバータ６０においてＣＯを酸化することによって排気ガス温度を上昇させ、これによってメイン触媒１０ａの暖機を迅速に行うようにしている。したがって、メイン触媒１０ａが不活性な期間を短縮することができ、低温時におけるＮＯx，ＨＣ，ＣＯ，ＳＯＦの大気放出を最小限に抑えることができる。
【００４８】
さらに、メイン触媒１０ａの触媒温度の昇温速度が速くなり、また、膨張・排気行程噴射を行っている場合にもメイン触媒１０ａの上流にサブ触媒６０ａが配置されていることによりメイン触媒１０ａの触媒温度が高くなるので、メイン触媒１０ａにＰＭ（Particulate Matter）、ＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）、ＨＣが付着しにくくなり、あるいは付着しても燃焼され易くなるので、これらの付着によるメイン触媒コンバータ１０の目詰まりが抑制される。また、メイン触媒１０ａの触媒温度が高いことにより、排気臭の原因物質である酸化されたＨＣ（アルデヒドなど）も燃焼されるので、排気臭が少なくなる。
【００４９】
この実施の形態において、６番気筒１６の燃料噴射弁３６とＥＣＵ１００は、ＣＯ量増大手段を構成する。尚、この実施の形態では、吸気・圧縮行程噴射を６番気筒１６だけで実行しているが、これに限るものではなく、例えば全気筒について吸気・圧縮行程噴射を実行してＣＯ量を増大するようにしても構わない。
【００５０】
上述の実施の形態では、メイン触媒１０ａとサブ触媒６０ａをそれぞれ別々のケーシングに収容しているが、１つのケーシングの中にメイン触媒１０ａとサブ触媒６０ａを収容しても構わない。その場合、ケーシングの上流側にサブ触媒６０ａを収容し下流側にメイン触媒１０ａを収容してもよいし、メイン触媒１０ａとサブ触媒６０ａをケーシング内で完全に混在させるように収容してもよい。
【００５１】
上述の実施の形態では、ステップ１０４で膨張・排気行程噴射を実行するときには吸気・圧縮行程噴射を停止するようにしているが、場合によっては（例えば、メイン触媒１０ａの種類によっては）、ステップ１０４で膨張・排気行程噴射と吸気・圧縮行程噴射の両方を実行するようにしても構わない。
【００５２】
〔第２の実施の形態〕
図４は本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における第２の実施の形態の全体構成を示す図である。
【００５３】
この第２の実施の形態においては、集合排気管８の途中に触媒コンバータ８０が設けられており、この触媒コンバータ８０のケーシング８１内には、上流側から順に、ＨＣ吸着剤８２、サブ触媒８３、メイン触媒８４が収容されている。
【００５４】
ＨＣ吸着剤８２はゼオライトで構成されており、サブ触媒８３は第１の実施の形態と同様にＡｕ／ＴｉＯ2で構成されており、メイン触媒８４は第１の実施の形態と同様に選択還元型ＮＯx触媒で構成されている。
【００５５】
また、触媒コンバータ８０の入口近傍と出口近傍には、触媒コンバータ８０に流入する排気ガスの温度、触媒コンバータ８０から流出する排気ガスの温度に対応した出力信号をＥＣＵ１００に出力する入ガス温度センサ８５、出ガス温度センサ８６が取り付けられている。この実施の形態では、入ガス温度センサ８５で検出される入ガス温度をサブ触媒８３の触媒温度Ｔ2の代用とし、入ガス温度センサ８５で検出される入ガス温度と出ガス温度センサ８６で検出される出ガス温度の平均値温度をメイン触媒８４の触媒温度Ｔ1の代用とする。
【００５６】
その他の構成は第１の実施の形態と同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
この第２の実施の形態では、排気ガスの低温時に排気ガス中に含まれるＨＣがＨＣ吸着剤８２によって吸着されるので、排気ガス中のＨＣがサブ触媒８３やメイン触媒８４に流入しなくなる。その結果、排気ガス中のＨＣがサブ触媒８３あるいはメイン触媒８４に付着（被毒）して、サブ触媒８３あるいはメイン触媒８４の活性を低下させることを未然に防止することができる。また、低温時にＨＣが大気に排出されるのを抑制することができるという効果もある。尚、ＨＣ吸着剤８２に吸着されたＨＣは、排気ガス温度が上昇したときにＨＣ吸着剤から放出され、サブ触媒８３あるいはメイン触媒８４において燃焼する。
【００５７】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関の排気通路に、内燃機関の排気ガスを浄化するメイン触媒と、前記メイン触媒を暖機するための触媒であってメイン触媒の活性温度よりも低温でＣＯを酸化活性可能なサブ触媒とが設けられ、排気ガス温度または前記メイン触媒の温度が第１の所定温度よりも低いときに吸気行程あるいは圧縮行程で内燃機関の気筒内に燃料を副噴射して排気ガス中のＣＯ量を増大させるＣＯ量増大手段を備えたことにより、メイン触媒の暖機を迅速に行うことができ、未浄化の排気ガスの排出を減少することができるという優れた効果が奏される。
【００５８】
排気ガス温度または前記メイン触媒の温度が、前記第１の所定温度よりも低い第２の所定温度以上のときであって、前記第１の所定温度よりも低いときに、前記ＣＯ量増大手段により吸気行程あるいは圧縮行程で副噴射を実行するようにした場合には、サブ触媒も活性化しないような極低温時に吸気行程あるいは圧縮行程での副噴射を行わないようにすることができ、無駄な燃料噴射を防止することができる。
【００５９】
サブ触媒をメイン触媒よりも上流に配置した場合には、メイン触媒の暖機促進をより確実に行うことができる。
サブ触媒よりも上流にＨＣ吸着剤を配置した場合には、低温時に排気ガス中のＨＣによりサブ触媒やメイン触媒が被毒するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における第１の実施の形態の概略構成を示す図である。
【図２】 前記第１の実施の形態における副噴射制御のフローチャートである。
【図３】 副噴射タイミングと排気ガス中のＨＣ濃度及びＣＯ濃度との関係を示す図である。
【図４】 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における第２の実施の形態の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
８ 集合排気管（排気通路）
１０ａ メイン触媒
１１〜１６ 気筒
３６ 燃料噴射弁（ＣＯ量増大手段）
６０ａ サブ触媒
８２ ＨＣ吸着剤
８３ サブ触媒
８４ メイン触媒
１００ ＥＣＵ（ＣＯ量増大手段）
Claims (4)
- 内燃機関の排気通路に、内燃機関の排気ガスを浄化するメイン触媒と、前記メイン触媒を暖機するための触媒であってメイン触媒の活性温度よりも低温でＣＯを酸化活性可能なサブ触媒とが設けられ、排気ガス温度または前記メイン触媒の温度が第１の所定温度よりも低いときに吸気行程あるいは圧縮行程で内燃機関の気筒内に燃料を副噴射して排気ガス中のＣＯ量を増大させるＣＯ量増大手段を備え、
前記ＣＯ量増大手段は、排気ガス温度または前記メイン触媒の温度が、前記第１の所定温度よりも低い第２の所定温度以上のときであって、前記第１の所定温度よりも低いときに、吸気行程あるいは圧縮行程で副噴射を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記サブ触媒は、Ａｕが坦持されている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。
- 前記サブ触媒は前記メイン触媒よりも上流に配置されている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。
- 前記サブ触媒よりも上流にＨＣ吸着剤が配置されていることを特徴とする請求項１または３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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