JP3925617B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【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に係り、詳しくは、吸蔵型NOx触媒の上流に三元触媒を有した排気浄化装置において耐熱劣化性を確保しつつNOxパージ時の燃費悪化を防止する技術に関する。
【0002】
【関連する背景技術】
吸蔵型NOx触媒を備えた排気浄化装置においては、一般にその上流側にHC、COを酸化除去する三元触媒を設けるようにしている。
しかしながら、基本的に三元触媒は排気空燃比がリーン空燃比であるときにはHC、COを良好に酸化除去可能である一方、理論空燃比或いはリッチ空燃比ではHC、COを十分に浄化できないという特性を有している。
【0003】
そこで、最近では、三元触媒にセリア(Ce)等の酸素吸蔵機能(O2ストレージ機能)を有した物質(酸素吸蔵材)を添加するようにしており、これにより、リーン空燃比時において吸蔵型NOx触媒に吸蔵したNOxを還元・放出(NOxパージ)すべく排気空燃比をリッチ空燃比(または理論空燃比)とした場合であっても、NOxの還元に寄与せずに余剰となったHC、COをリーン空燃比時に貯蔵した酸素(O2)によって良好に酸化除去可能である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、三元触媒にセリア等の酸素吸蔵機能を有した物質を添加すると浄化効率が向上することになるが、一方、三元触媒に貯蔵される酸素量が多いと、NOxパージを行う場合において、排気空燃比をリッチ空燃比としてもHC、COの多くが吸蔵型NOx触媒に達する前に当該貯蔵酸素によって酸化されてしまい、NOxを良好に還元除去できないという問題がある。
【0005】
この場合、排気空燃比のリッチ度合いを増大させることも考えられるが、燃費悪化に繋がり好ましいことではない。
また、セリア等の添加量を低減して酸素吸蔵機能を弱めることが考えられるが、排気浄化装置の浄化効率を維持するためには、ある程度の酸素吸蔵機能は必要であり、また、セリア等の添加量を減少させると、耐シンタリング性や耐高温酸化被毒性等の耐熱劣化性が低下してしまうという問題がある。
【0006】
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、その目的とするところは、吸蔵型NOx触媒の上流に三元触媒を有した排気浄化装置において、三元触媒の酸素吸蔵機能を維持しながら、耐熱劣化性を確保しつつNOxパージを燃費悪化なく良好に実施可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項1の発明では、車両に搭載された内燃機関の排気通路に設けられ、排気空燃比が少なくともリーン空燃比のときに排ガス中のNOx成分を吸蔵し、排気空燃比が少なくとも理論空燃比または理論空燃比よりもリッチ側のリッチ空燃比のときに前記吸蔵されたNOx成分を放出する特性を有するNOx触媒コンバータと、前記NOx触媒コンバータよりも上流側の排気通路に設けられ、酸素吸蔵機能を有する三元触媒コンバータとを備え、前記三元触媒コンバータは、前記排気通路の上流側に位置し酸素吸蔵機能の高く設定された第1触媒部と、前記排気通路の該第1触媒部よりも下流側に位置し前記第1触媒部よりも酸素吸蔵機能の低く設定された第2触媒部とからなることを特徴としている。
【0008】
従って、三元触媒コンバータは、内燃機関が高負荷運転状態にあるときは排気温度が高いために該高温の排ガスに曝される上流側の第1触媒部の温度の方が下流側の第2触媒部やNOx触媒コンバータよりも高くなるが、第1触媒部の酸素吸蔵機能が高く設定されることで、三元触媒コンバータひいては排気浄化装置の熱劣化が良好に防止される。
【0009】
また、燃焼空燃比がリーン空燃比であるときには排気温度が低く、該低温の排ガスに曝される第1触媒部は活性が低い状態となるため、その後NOxパージを行うべく燃焼空燃比をリッチ空燃比(または理論空燃比)としたとしても、HC、CO等が第1触媒部で酸化されてしまうことがなく、さらに第2触媒部は酸素吸蔵機能が低く設定されているので、やはりHC、CO等が酸化されてしまうことがない。故に、HC、CO等は三元触媒コンバータを通過して確実にNOx触媒コンバータに到達することになり、リッチ度合いを大きくしなくてもNOxが良好に還元除去され、燃費の悪化なくNOxパージが良好に実施される。
【0010】
また、請求項2の発明では、前記NOx触媒コンバータと前記三元触媒コンバータとは車両の床下に配置されていることを特徴としている。
このように、内燃機関から遠く且つ空冷され易い車両の床下位置にNOx触媒コンバータと三元触媒コンバータとを配設することで、より一層良好に排気浄化装置の熱劣化が防止されるとともにNOxパージが実施される。
【0011】
また、請求項3の発明では、前記三元触媒コンバータの前記第1触媒部と前記第2触媒部とは連続して一体に形成されていることを特徴としている。
このように、一体の三元触媒コンバータにおいて、前側の第1触媒部が酸素吸蔵機能の高い部分とされ、これと連続して後側の第2触媒部が酸素吸蔵機能の低い部分とされることで、第1触媒部の熱が良好に第2触媒部に伝達され、第1触媒部の過熱が防止される。
【0012】
また、請求項4の発明では、前記三元触媒コンバータの前記第1触媒部と前記第2触媒部とは別体であることを特徴としている。
このように、三元触媒コンバータが分割され、前側の三元触媒コンバータが酸素吸蔵機能の高いものとされ、後側の三元触媒コンバータが酸素吸蔵機能の低いものとされることで、第1触媒部と第2触媒部にそれぞれ酸素吸蔵機能を持たせることが容易となり、三元触媒コンバータの生産性、メンテナンス性が向上する。
【0013】
また、請求項5の発明では、前記三元触媒コンバータの酸素吸蔵機能は、前記第1触媒部及び前記第2触媒部に添加されるセリアの量により規定されることを特徴としている。
即ち、三元触媒コンバータの酸素吸蔵機能は酸素吸蔵材であるセリア(Ce)の量によって容易に調製される。
【0014】
また、請求項6の発明では、請求項5の発明において、前記第2触媒部ではセリアの量が零に設定されていることを特徴としている。
即ち、高温の排ガスに直接曝されることのない第2触媒部については、それほど高い耐熱劣化性を必要としないため、NOxパージ時にHC、COを酸化してしまわないよう酸素吸蔵機能が無いのがよく、故に、第2触媒部のセリアの量を零にすることにより、NOxパージがより一層良好に実施される。
【0015】
この場合、酸素吸蔵機能を維持すべく、第2触媒部のセリアの量を零にした分だけ第1触媒部のセリアの量を増加させるのがよく、これにより同時に排気浄化装置の耐熱劣化性も向上する。
また、請求項7の発明では、請求項1乃至6の発明において、さらに、前記NOx触媒コンバータに吸蔵されたNOxを放出すべく内燃機関の燃焼空燃比をリーン空燃比と理論空燃比またはリッチ空燃比との間で切換制御するNOx放出制御手段を備え、前記NOx放出制御手段は、理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換えるとき、前記第1触媒部の温度に応じて設定された空燃比に切り換えることを特徴としている。
【0016】
従って、例えば、NOxパージを行う際、第1触媒部の温度が低く第1触媒部が活性の低い状態にあるときには、HC、COが酸素吸蔵機能によって酸化されてしまうことはないため、リッチ空燃比の度合いはリーン空燃比寄りとされ、第1触媒部の温度が高く、より活性状態にあるときには、HC、COが酸素吸蔵機能によって酸化され易いため、リッチ空燃比のリッチ度合いは大きく設定される。これにより、NOxパージが燃費の悪化なく最適に実施されることになり、排気浄化効率が良好に維持される。
【0017】
また、請求項8の発明では、請求項1乃至6の発明において、さらに、前記NOx触媒コンバータに吸蔵されたNOxを放出すべく内燃機関の燃焼空燃比をリーン空燃比と理論空燃比またはリッチ空燃比との間で切換制御するNOx放出制御手段を備え、前記NOx放出制御手段は、理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換えるとき、前記第1触媒部の温度に応じて設定された期間に亘り理論空燃比またはリッチ空燃比の状態を維持することを特徴としている。
【0018】
従って、例えば、NOxパージを行う際、第1触媒部の温度が低く第1触媒部が活性の低い状態にあるときには、HC、COが酸素吸蔵機能によって酸化されてしまうことなく良好にNOxの還元が行われるため、理論空燃比またはリッチ空燃比とされる期間は比較的短くされ、第1触媒部の温度が高く、より活性状態にあるときには、HC、COが酸素吸蔵機能によって酸化され易いため、理論空燃比またはリッチ空燃比とされる期間は長くされる。これにより、NOxパージが燃費の悪化なく適正に実施されることになり、排気浄化効率が良好に維持される。
【0019】
また、請求項9の発明では、請求項1乃至6の発明において、さらに、前記NOx触媒コンバータに吸蔵されたNOxを放出すべく内燃機関の燃焼空燃比をリーン空燃比と理論空燃比またはリッチ空燃比との間で切換制御するNOx放出制御手段を備え、前記NOx放出制御手段は、前記第2触媒部が所定温度以上のときにはリーン空燃比での運転を禁止することを特徴としている。
【0020】
つまり、第2触媒部は酸素吸蔵機能が低いために熱劣化し易く、一方内燃機関の燃焼空燃比をリッチ空燃比とすると燃焼温度の上昇に伴って排気温度も上昇するが、第2触媒部が当該第2触媒部の耐熱劣化温度に相当する所定温度以上になったときに内燃機関の燃焼空燃比をリーン空燃比としないようにすることにより、第2触媒部ひいては排気浄化装置の熱劣化が防止される。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図1を参照すると、車両に搭載された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下同図に基づいて本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
【0022】
エンジン本体(以下、単にエンジンという)1としては、例えば、燃料噴射モードを切換えることで吸気行程での燃料噴射(吸気行程噴射)とともに圧縮行程での燃料噴射(圧縮行程噴射)を実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンが採用される。この筒内噴射型のエンジン1は、容易にして理論空燃比(ストイキオ)での運転やリッチ空燃比での運転(リッチ空燃比運転)の他、リーン空燃比での運転(リーン空燃比運転)が実現可能に構成されている。
【0023】
同図に示すように、エンジン1のシリンダヘッド2には、各気筒毎に点火プラグ4とともに電磁式の燃料噴射弁6が取り付けられており、これにより、燃料を燃焼室内に直接噴射可能である。
点火プラグ4には高電圧を出力する点火コイル8が接続されている。また、燃料噴射弁6には、燃料パイプ7を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置(図示せず)が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁6に対し低燃圧或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁6から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能である。
【0024】
シリンダヘッド2には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド10の一端がそれぞれ接続されている。また、シリンダヘッド2には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド12の一端がそれぞれ接続されている。
【0025】
なお、当該筒内噴射型のエンジン1は既に公知のものであるため、その構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
吸気マニホールド10には吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁14及び当該スロットル弁14の開度θthを検出するスロットルポジションセンサ(TPS)16が設けられている。
【0026】
一方、排気マニホールド12には排気管(排気通路)20が接続されており、この排気管20には、車両の床下に位置して排気浄化触媒ユニット30が介装されている。
排気浄化触媒ユニット30は、上流側三元触媒(上流側TWC)32、吸蔵型NOx触媒34、下流側三元触媒(下流側TWC)36が上流側から順に配設されて構成されている。
【0027】
吸蔵型NOx触媒34は、排気空燃比がリーン空燃比のときに排ガス中のNOx成分を吸蔵し、排気空燃比が理論空燃比または理論空燃比よりもリッチ側のリッチ空燃比のときに吸蔵されたNOx成分を放出する特性を有する触媒である。なお、当該吸蔵型NOx触媒34の構成及び機能等については公知であり、ここでは説明を省略する。
【0028】
上流側三元触媒32と下流側三元触媒36は、担体に活性貴金属として銅(Cu)、コバルト(Co)、銀(Ag)、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)のいずれかを有して構成されている。そして、さらに上流側三元触媒32には、酸素吸蔵機能(O2ストレージ機能)を有するセリア(Ce)、ジルコニア(Zr)等が添加されている。
【0029】
セリア(Ce)は排気空燃比がリーン空燃比である酸化雰囲気中において酸素(O2)を吸着すると、排気空燃比がリッチ空燃比となり還元雰囲気となるまでそのO2を保持する性質を有している。従って、当該上流側三元触媒32は、吸蔵型NOx触媒34からNOx成分を放出すべく排気空燃比を理論空燃比或いはリッチ空燃比としても(以下、NOxパージという)、吸蔵されたO2によって余剰のHC(炭化水素)やCO(一酸化炭素)を酸化除去可能である。つまり、O2ストレージ機能を有した上流側三元触媒32は、酸化雰囲気でHC、COを浄化できるのは勿論のこと、吸蔵されたO2により還元雰囲気中においてもNOxの放出のみならず余剰となるHC、COを良好に浄化可能である。
【0030】
また、セリア(Ce)は触媒の耐熱劣化性とも関係しており、セリア(Ce)の触媒への添加量が多くなるほど触媒の耐熱劣化性が高くなるという特質をも有している。
そして、上流側三元触媒32は、セリア(Ce)の添加量の多い高OSC−TWC部(第1触媒部)32aとセリア(Ce)の添加量の少ない低OSC−TWC部(第2触媒部)32bの2つの部分から構成されている。つまり、上流側三元触媒32は、高OSC−TWC部32aでは高い酸素吸蔵機能(OSC)を有し、低OSC−TWC部32bでは酸素吸蔵機能(OSC)が低くなるよう設定されている。但し、上流側三元触媒32に添加されているセリア(Ce)の全量は、NOxパージにおいて余剰の酸素を浄化するのに必要十分な所定量に設定されている。さらに、ここでは高OSC−TWC部32aの容量と低OSC−TWC部32bの容量とを同一容量(例えば、0.5l)としているが、それぞれ異なる容量にしてもよく、これに限られるものではない。
【0031】
排気通路20の排気浄化触媒ユニット30よりも上流には、O2センサ22が設けられている。また、上流側三元触媒32の高OSC−TWC部32a及び低OSC−TWC部32bには、それぞれ高OSC−TWC部32aの温度を検出する高温センサ24及び低OSC−TWC部32bの温度を検出する高温センサ26が設けられている。
【0032】
ECU(電子コントロールユニット)40は、入出力装置、記憶装置(ROM、RAM、不揮発性RAM等)、中央処理装置(CPU)、タイマカウンタ等を備えており、このECU40により、エンジン1を含めた排気浄化装置の総合的な制御が行われる。
ECU40の入力側には、上述したTPS16、O2センサ22及び高温センサ24、26等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。
【0033】
一方、ECU40の出力側には、上述の燃料噴射弁6や点火コイル8等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等がそれぞれ出力され、これにより、燃料噴射弁6から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ4により適正なタイミングで火花点火が実施される。また、吸蔵型NOx触媒34のNOx吸蔵量に応じて、リーン空燃比と理論空燃比またはリッチ空燃比間での燃焼空燃比の切り換えが行われ、これによりNOxパージが適宜実施される(NOx放出制御手段)。
【0034】
以下、このように構成された本発明に係る排気浄化装置の作用を説明する。
上述したように、上流側三元触媒32の高OSC−TWC部32aは、セリア(Ce)を多く含んでいるため、耐熱劣化性が高く、つまり耐熱温度が高くされている。
従って、例えばエンジン1が高負荷運転をしているような場合には、排気温度が高く、排気浄化触媒ユニット30の最上流側に位置する上流側三元触媒32のうち、高OSC−TWC部32aが最も加熱されて高温となるが、このような場合であっても、高OSC−TWC部32aの耐熱劣化性は高く設定されているため、上流側三元触媒32の熱劣化が防止される。
【0035】
つまり、図2を参照すると、高負荷運転時における上流側三元触媒32の各部の温度分布が示されており、同図から、上流側三元触媒32の最上流部分、即ち高OSC−TWC部32aが最も高温となり、下流側ではそれほど高温とならないことが分かるが、このような場合であっても、上流側の高OSC−TWC部32aの方が下流側の低OSC−TWC部32bよりも耐熱温度が高く設定されていることにより、上流側三元触媒32の温度が高OSC−TWC耐熱温度、低OSC−TWC耐熱温度(ともに破線で示す)を越えなくなり、上流側三元触媒32の熱劣化が防止されることになる。
【0036】
また、ここでは高OSC−TWC部32aと低OSC−TWC部32bとが一体に成形されているため、高OSC−TWC部32aの熱が低OSC−TWC部32bに確実に伝達され、故に高OSC−TWC部32aの過熱が防止され、これによっても上流側三元触媒32の熱劣化が防止される。
さらに、上流側三元触媒32は、吸蔵型NOx触媒34とともにエンジン1から離れた車両の床下に位置しているので、空冷等による冷却効果もあり、これによっても上流側三元触媒32の熱劣化が防止される。
【0037】
一方で、上流側三元触媒32の低OSC−TWC部32bは、セリア(Ce)の添加量が高OSC−TWC部32aよりも少ないため、耐熱劣化性は劣るものの酸素吸蔵機能が低く、排気空燃比をリッチ空燃比とした場合であっても、HC、COが当該低OSC−TWC部32bにおいて殆ど酸化されることがない。
従って、一般にリーン運転では、排気温度が低く、排気浄化触媒ユニット30の最上流側に位置する上流側三元触媒32の高OSC−TWC部32aは冷却されて低温不活性な状態となるが、この状態で排気空燃比がリッチ空燃比とされてNOxパージが開始されても、当該高OSC−TWC部32aではセリア(Ce)の添加量が多いにも拘わらず殆どHC、COが酸化されることがなく、また、上述したようにセリア(Ce)の少ない低OSC−TWC部32bでも殆どHC、COは酸化されないため、HC、COが良好に吸蔵型NOx触媒34に供給されることとなる。これにより、NOxパージ時には、リッチ空燃比のリッチ度合いをそれほど大きくしなくても吸蔵型NOx触媒34に吸蔵されたNOxが確実に還元・放出されることとなる。
【0038】
つまり、図3を参照すると、リーン運転時における上流側三元触媒32の各部の温度分布が示されており、同図から、リーン運転時には上流側三元触媒32の最上流部分、即ち高OSC−TWC部32aが最も低温となり触媒活性温度(一点鎖線)に達していないことが分かるが、このように高OSC−TWC部32aが活性の低い状態では、NOxパージが開始されても、HC、COが高OSC−TWC部32aにおいて酸化されることなく低OSC−TWC部32bを素通りして吸蔵型NOx触媒34に供給され、吸蔵型NOx触媒34に吸蔵されたNOxが、燃費の悪化なく確実に還元・放出されることになる。
【0039】
また、上流側三元触媒32はエンジン1から離れた車両の床下に位置しているので、空冷等による冷却効果によって高OSC−TWC部32aが低温になり易く、これによって燃費悪化がより一層防止され、NOxがより確実に還元・放出される。
なお、リーン運転が継続されると、上述の如く高OSC−TWC部32aについては低温になるが、図3に示すように、下流側の低OSC−TWC部32bについては殆ど冷却されることなく触媒活性温度が維持されている。従って、リーン運転時であっても、少なくとも低OSC−TWC部32bについては三元触媒機能が確保されていることになり、HC、COは当該低OSC−TWC部32bによって良好に酸化除去される。また、HC、COは、下流側三元触媒36によっても酸化除去されるので、HC、COは排気浄化触媒ユニット30によって確実に浄化される。
【0040】
また、図4を参照すると、NOxパージを行う場合のNOxパージA/F(NOxパージ用燃焼空燃比)及びNOxパージ時間の設定制御ルーチンがフローチャートで示されているが、実際には、NOxパージA/F及びNOxパージ時間は、当該フローチャートに基づき設定される。
当該フローチャートでは、先ずステップS10において、高OSC−TWC部32aの温度、即ち高温センサ24により検出される高OSC−TWC温度に基づいてNOxパージA/Fを設定する。詳しくは、図5に示すように、高OSC−TWC温度とNOxパージA/Fとの関係を示すマップが予め設けられており、当該マップに基づいてNOxパージA/Fを設定する。つまり、高OSC−TWC温度が低いときには空燃比を理論空燃比寄りのリッチ度合いの小さなリッチ空燃比とし、高OSC−TWC温度が高いときには空燃比をリッチ度合いの大きなリッチ空燃比とする。
【0041】
そして、ステップS12において、高OSC−TWC部32aの温度、即ち高OSC−TWC温度に基づいてさらにNOxパージ時間を設定する。詳しくは、図6に示すように、空燃比A/F毎に、高OSC−TWC温度とNOxパージ時間との関係を示すマップが予め設けられており、当該マップに基づいてNOxパージ時間を設定する。即ち、ステップS10においてNOxパージA/Fが設定されると、当該NOxパージA/Fに基づいて適正なNOxパージ時間が設定される。
【0042】
つまり、NOxパージ時において高OSC−TWC部32aがかなり低温となっているような場合には、排気中のHC、COの略全量を吸蔵型NOx触媒34に供給できるため、リッチ度合いを小さくNOxパージ時間を短くしてHC、COの量を少なく抑え、一方、高OSC−TWC部32aが比較的高温で活性状態に近いような場合には、排気中のHC、COの一部が高OSC−TWC部32aで酸化されるため、リッチ度合いを大きくNOxパージ時間を長くして吸蔵型NOx触媒34に供給するHC、COの量を確保するように図る。
【0043】
これにより、NOxパージ時における燃料消費量を必要最低限に押さえて燃費の悪化を好適に防止しながらNOxパージを良好に実施することができ、排気浄化効率を向上させることができる。
さらに、図7を参照すると、リーン運転禁止制御の制御ルーチンがフローチャートで示されおり、以下当該フローチャートについて説明する。
【0044】
ステップS20では、低OSC−TWC部32bの温度、即ち低OSC−TWC温度が所定温度(触媒によって異なり、ここでは、例えば600℃)より大きいか否かを判別する。詳しくは、所定温度は、例えば低OSC−TWC部32bの耐熱温度より若干低い温度であり、ここでは、低OSC−TWC温度がかかる温度より大きいか否かを判別する。判別結果が真(Yes)で、低OSC−TWC温度が所定温度よりも大きいと判定された場合には、ステップS22に進む。
【0045】
ステップS22では、エンジン1のリーン空燃比での運転、即ちリーン運転を禁止する。なお、リーン運転には燃料カットも含まれ、燃料カットの実施についても禁止する。
これにより、上流側三元触媒32の熱劣化がより一層防止される。
一方、ステップS20の判別結果が偽(No)で、低OSC−TWC温度が所定温度に達していない場合には、上流側三元触媒32の熱劣化の可能性は少ないとみなすことができ、ステップS24に進み、リーン運転を許可して吸蔵型NOx触媒34を通常通り機能させる。
【0046】
ところで、上記実施形態では、上流側三元触媒32において、上流側部分を高OSC−TWC部32aとし、下流側部分を低OSC−TWC部32bとするようにしたが、図8に示すように、高OSC−TWC部32aと低OSC−TWC部32bとを完全に分離して別体に構成するようにしてもよい。このようにすれば、高OSC−TWC部32a、低OSC−TWC部32bへのセリア(Ce)の添加作業等が容易となり、排気浄化触媒ユニット30の生産性、メンテナンス性が向上する。
【0047】
また、上記実施形態では、吸蔵型NOx触媒34と下流側三元触媒(下流側TWC)36とを独立に設けるようにしたが、図9に示すように、これらを一体にした三元機能一体型吸蔵型NOx触媒37を用いるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、低OSC−TWC部32bがセリア(Ce)を含有している場合について説明したが、低OSC−TWC部32bにセリア(Ce)を添加せず、セリアの量を零にするようにしてもよい。このようにすれば、NOxパージ時においてHC、COを低OSC−TWC部32bで酸化させることなく確実に吸蔵型NOx触媒34に供給するようにでき、NOxパージをより一層良好に実施することができる。この場合、低OSC−TWC部32bからセリア(Ce)を無くした分だけ高OSC−TWC部32aのセリア(Ce)の量を増加させることになり、高OSC−TWC部32aの耐熱劣化性がさらに向上することにもなる。
【0048】
また、上記実施形態では、エンジン1として筒内噴射型エンジンを使用したが、エンジン1として吸気管噴射型エンジンを用いるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、酸素吸蔵材としてセリア(Ce)を用いたが、ジルコニア(Zr)であってもよい。
【0049】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項1の内燃機関の排気浄化装置によれば、三元触媒コンバータは、内燃機関が高負荷運転状態にあるときは排気温度が高いために該高温の排ガスに曝される上流側の第1触媒部の温度の方が下流側の第2触媒部やNOx触媒コンバータよりも高くなるが、第1触媒部の酸素吸蔵機能が高く設定されているので、三元触媒コンバータひいては排気浄化装置の熱劣化を良好に防止することができる。
【0050】
また、燃焼空燃比がリーン空燃比であるときには排気温度が低く、該低温の排ガスに曝される第1触媒部は活性が低い状態となるため、その後NOxパージを行うべく燃焼空燃比をリッチ空燃比(または理論空燃比)としたとしても、HC、CO等が第1触媒部で酸化されてしまうことがなく、さらに第2触媒部は酸素吸蔵機能が低く設定されていることから、やはりHC、CO等が酸化されてしまうことはなく、故に、HC、CO等が三元触媒コンバータを通過して確実にNOx触媒コンバータに到達することになり、リッチ度合いを大きくしなくてもNOxを良好に還元除去でき、燃費の悪化なくNOxパージを良好に実施することができる。
【0051】
また、請求項2の内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関から遠く且つ空冷され易い車両の床下位置にNOx触媒コンバータと三元触媒コンバータとを配設するようにしたので、より一層良好に排気浄化装置の熱劣化を防止できるとともにNOxパージを実施することができる。
また、請求項3の内燃機関の排気浄化装置によれば、一体の三元触媒コンバータにおいて、前側の第1触媒部を酸素吸蔵機能の高い部分とし、これと連続して後側の第2触媒部を酸素吸蔵機能の低い部分とするようにしたので、第1触媒部の熱を良好に第2触媒部に伝達させるようにでき、第1触媒部の過熱を防止できる。
【0052】
また、請求項4の内燃機関の排気浄化装置によれば、三元触媒コンバータを分割し、前側の三元触媒コンバータを酸素吸蔵機能の高いものとし、後側の三元触媒コンバータを酸素吸蔵機能の低いものとするようにしたので、第1触媒部と第2触媒部にそれぞれ酸素吸蔵機能を持たせることが容易となり、三元触媒コンバータの生産性、メンテナンス性の向上を図ることができる。
【0053】
また、請求項5の内燃機関の排気浄化装置によれば、三元触媒コンバータの酸素吸蔵機能を酸素吸蔵材であるセリア(Ce)の量によって容易に調製することができる。
また、請求項6の内燃機関の排気浄化装置によれば、高温の排ガスに直接曝されることのない第2触媒部については、それほど高い耐熱劣化性を必要としないため、NOxパージ時にHC、COを酸化してしまわないよう酸素吸蔵機能は無いのがよく、故に、第2触媒部のセリアの量を零にすることにより、NOxパージをより一層良好に実施することができる。
【0054】
この場合、酸素吸蔵機能を維持すべく、第2触媒部のセリアの量を零にした分だけ第1触媒部のセリアの量を増加させるのがよく、これにより同時に排気浄化装置の耐熱劣化性をも向上させることができる。
また、請求項7の内燃機関の排気浄化装置によれば、例えば、NOxパージを行う際、第1触媒部の温度が低く第1触媒部が活性の低い状態にあるときには、HC、COが酸素吸蔵機能によって酸化されてしまうことはないことから、リッチ空燃比の度合いをリーン空燃比寄りとし、第1触媒部の温度が高く活性状態にあるときには、HC、COが酸素吸蔵機能によって酸化され易いことから、リッチ空燃比のリッチ度合いを大きく設定するので、NOxパージを燃費の悪化なく最適に実施でき、排気浄化効率を良好に維持することができる。
【0055】
また、請求項8の内燃機関の排気浄化装置によれば、例えば、NOxパージを行う際、第1触媒部の温度が低く第1触媒部が活性の低い状態にあるときには、HC、COが酸素吸蔵機能によって酸化されてしまうことなく良好にNOxの還元が行われることから、理論空燃比またはリッチ空燃比とされる期間を比較的短くし、第1触媒部の温度が高く活性状態にあるときには、HC、COが酸素吸蔵機能によって酸化され易いことから、理論空燃比またはリッチ空燃比とされる期間を長くするので、NOxパージを燃費の悪化なく適正に実施でき、排気浄化効率を良好に維持することができる。
【0056】
また、請求項9の内燃機関の排気浄化装置によれば、第2触媒部は酸素吸蔵機能が低いために熱劣化し易く、一方内燃機関の燃焼空燃比をリッチ空燃比とすると燃焼温度の上昇に伴って排気温度も上昇するのであるが、第2触媒部が当該第2触媒部の耐熱劣化温度に相当する所定温度以上になったときには内燃機関の燃焼空燃比をリーン空燃比としないようにしたので、NOxがNOx触媒コンバータに吸蔵されることがなくなり、故にNOxパージの必要がなくなり、排気温度の上昇を抑制して第2触媒部ひいては排気浄化装置の熱劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】車両に搭載された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図2】高負荷運転時における上流側三元触媒の各部の温度分布を示す図である。
【図3】リーン運転時における上流側三元触媒の各部の温度分布を示す図である。
【図4】NOxパージを行う場合のNOxパージA/F及びNOxパージ時間の設定制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図5】高OSC−TWC温度とNOxパージA/Fとの関係を示すマップである。
【図6】高OSC−TWC温度とNOxパージ時間との関係を示すマップである。
【図7】リーン運転禁止制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図8】上流側三元触媒において高OSC−TWC部と低OSC−TWC部とを完全に分離して別体とした場合を示す図である。
【図9】吸蔵型NOx触媒と下流側三元触媒とを一体とした場合を示す図である。
【符号の説明】
1 エンジン本体
4 点火プラグ
6 燃料噴射弁
20 排気管
22 O2センサ
24 高温センサ
26 高温センサ
30 排気浄化触媒ユニット
32 上流側三元触媒
32a 高OSC−TWC部(第1触媒部)
32b 低OSC−TWC部(第2触媒部)
34 吸蔵型NOx触媒
36 下流側三元触媒
40 ECU(電子コントロールユニット)
Claims (9)
- 車両に搭載された内燃機関の排気通路に設けられ、排気空燃比が少なくともリーン空燃比のときに排ガス中のNOx成分を吸蔵し、排気空燃比が少なくとも理論空燃比または理論空燃比よりもリッチ側のリッチ空燃比のときに前記吸蔵されたNOx成分を放出する特性を有するNOx触媒コンバータと、
前記NOx触媒コンバータよりも上流側の排気通路に設けられ、酸素吸蔵機能を有する三元触媒コンバータとを備え、
前記三元触媒コンバータは、前記排気通路の上流側に位置し酸素吸蔵機能の高く設定された第1触媒部と、前記排気通路の該第1触媒部よりも下流側に位置し前記第1触媒部よりも酸素吸蔵機能の低く設定された第2触媒部とからなることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記NOx触媒コンバータと前記三元触媒コンバータとは車両の床下に配置されてい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。
- 前記三元触媒コンバータの前記第1触媒部と前記第2触媒部とは連続して一体に形成されていることを特徴とする、請求項1または2記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記三元触媒コンバータの前記第1触媒部と前記第2触媒部とは別体であることを特徴とする、請求項1または2記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記三元触媒コンバータの酸素吸蔵機能は、前記第1触媒部及び前記第2触媒部に添加されるセリアの量により規定されることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記第2触媒部ではセリアの量が零に設定されていることを特徴とする、請求項5記載の内燃機関の排気浄化装置。
- さらに、前記NOx触媒コンバータに吸蔵されたNOxを放出すべく内燃機関の燃焼空燃比をリーン空燃比と理論空燃比またはリッチ空燃比との間で切換制御するNOx放出制御手段を備え、
前記NOx放出制御手段は、理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換えるとき、前記第1触媒部の温度に応じて設定された空燃比に切り換えることを特徴とする、請求項1乃至6のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。 - さらに、前記NOx触媒コンバータに吸蔵されたNOxを放出すべく内燃機関の燃焼空燃比をリーン空燃比と理論空燃比またはリッチ空燃比との間で切換制御するNOx放出制御手段を備え、
前記NOx放出制御手段は、理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換えるとき、前記第1触媒部の温度に応じて設定された期間に亘り理論空燃比またはリッチ空燃比の状態を維持することを特徴とする、請求項1乃至6のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。 - さらに、前記NOx触媒コンバータに吸蔵されたNOxを放出すべく内燃機関の燃焼空燃比をリーン空燃比と理論空燃比またはリッチ空燃比との間で切換制御するNOx放出制御手段を備え、
前記NOx放出制御手段は、前記第2触媒部が所定温度以上のときにはリーン空燃比での運転を禁止することを特徴とする、請求項1乃至6のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
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