JP4051537B2 - 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、冷態時においてHC(炭化水素)及びNOx(窒素酸化物)の双方を効率よく浄化可能な排気浄化装置に関する。
【0002】
【関連する背景技術】
一般に、エンジン(内燃機関)は排気中の有害物質(HC、CO、NOx等)を三元触媒を用いて浄化する排気浄化装置を備えている。しかしながら、当該三元触媒は活性温度に達するまでは浄化性能を十分に発揮できないので、三元触媒をエンジン本体に近接配置して早期活性化を図るようにしても、エンジンの冷態始動時には排出されるHCを十分に浄化できないという問題がある。
【0003】
この問題を解決するため、HCの吸着に有効なゼオライト層上に触媒層を備えたHC吸着触媒の製造方法が特開平7−124468号公報等において提案されている。また、この種のHC吸着触媒のHC浄化能をさらに改良するものとして、三元触媒層をコーティングした触媒を排気流入側に配置するとともに、活性セリアやアルミナを主成分とした粉末に白金、パラジウム、ロジウムなどの貴金属を含む触媒層をゼオライト層上にコーティングした吸蔵触媒を排気流出側に配置した構成の排気浄化装置が例えば特許第3052710号公報に開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、現在存在しているHC吸着触媒(HCトラップ)は、低温域において排気中のHCを吸着し、触媒温度が約100℃以上になると吸着したHCを脱離するという特性を有したものである。従って、このようにHC吸着触媒から脱離したHCを浄化してやる必要があり、例えばHCが脱離したときにHC吸着触媒近傍の排気空燃比をリーン空燃比に制御して排気中に酸素を含ませ、これにより脱離したHCを酸化除去することが考えられている。
【0005】
しかしながら、このようにHC吸着触媒近傍の排気空燃比をリーン空燃比に制御すると、HCの酸化に寄与しない余剰酸素によってNOxが発生し易いという問題がある。この場合、三元触媒や吸蔵型NOx触媒等のNOx浄化機能を有する触媒によりNOxを処理することが考えられるが、一般に三元触媒や吸蔵型NOx触媒は活性温度が約300℃程度と高く、上記のように約100℃からHCの脱離が開始され、HC吸着触媒近傍の排気空燃比をリーン空燃比に制御すると、触媒温度が約100℃から約300℃までの間は、HCについては良好に酸化除去できるものの、NOxについては十分に浄化できないという問題もある。
【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、冷態時にHC及びNOxの双方を効率よく浄化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の内燃機関の排気浄化装置ではHC吸着機能を有するβ型ゼオライトからなるHC吸着材を含む第1触媒層と、該第1触媒層の表面に形成され且つ白金、ロジウム及びパラジウムからなる群より選択される少なくとも一つの貴金属、並びにNOx吸蔵機能を有するアルカリ土類金属からなる低温活性型NOx吸蔵材及びNOx吸蔵機能を有するアルカリ金属からなる高温活性型NOx吸蔵材を含む第2触媒層とを備えたHCトラップを設けたことを特徴としている。
【0008】
従って、HCトラップ(HC吸着触媒)は、HC吸着材を含む第1触媒層とNOx吸蔵材を含む第2触媒層から一体に構成されて排気通路に設けられており、内燃機関の冷態始動時であっても、第1触媒層のHC吸着材の有するHC吸着機能によってHC(主としてオレフィン系HC)が良好に吸着され、一方第2触媒層のNOx吸蔵材の有するNOx吸蔵機能によってNOxが良好に吸蔵され、HC及びNOxの双方が効率よく浄化可能とされる。
【0009】
好ましくは、当該HCトラップの上流側と下流側には三元触媒を配設するのがよく、これにより排気浄化性能が向上する。この場合、上流側の三元触媒に関しては、早期活性化を実現すべく熱劣化を来さない範囲で内燃機関本体にできるだけ近接して配設するのがよい。
【0010】
また、ゼオライト等のHC吸着材は温度上昇に伴ってHCを脱離することが知られており、図3を参照すると、細孔径、即ち各種ゼオライトに応じたHC脱離開始温度特性(実線●印)及びHC脱離終了温度特性(実線○印)が比較して示されているが、β型ゼオライトは他のMFI型ゼオライトやY型ゼオライトに比べて脱離開始温度が高く、また脱離終了温度も高いために高温域でのHC脱離割合が高いという特性を有しており、故に、HC吸着材として細孔径の比較的大きなβ型ゼオライトを使用することで、できるだけ高温域までHCを吸着保持することが可能とされる。
【0011】
従って、内燃機関の冷態始動時であっても、HCが効率よく浄化可能とされる。
なお、NOx吸蔵材(特にカリウム)は、触媒層中を移動して触媒担体の組成成分と反応して酸化物を形成するが、第1触媒層中にHC吸着材としてβ型ゼオライトを含むようにすると、かかるNOx吸蔵材の移動が抑制され、酸化物形成によるクラックの発生ひいては触媒の耐久性低下が防止されるという利点もある。
【0013】
また、NOx吸蔵材を低温活性型のNOx吸蔵材と高温活性型のNOx吸蔵材とで構成することにより、比較的低温域から高温域まで広範囲に亘りNOx吸蔵材のNOx吸蔵機能を発揮させることが可能となり、NOxがより一層効率よく浄化可能とされる。
【0014】
例えば、図6を参照すると、低温活性型のNOx吸蔵材(アルカリ土類金属、例えばバリウム主体)(実線)と高温活性型のNOx吸蔵材(アルカリ金属、例えばカリウム主体)(破線)のそれぞれのNOx吸蔵性能が示されているが、このように低温活性型のNOx吸蔵材と高温活性型のNOx吸蔵材とを用いることにより、NOxを吸蔵可能な温度範囲が拡大する。
また、請求項2の内燃機関の排気浄化装置では、前記第2触媒層は、NOx吸蔵可能時期が前記第1触媒層のHC吸着材に吸着されたHCが脱離される時期と略一致するように、前記低温活性型NOx吸蔵材及び前記高温活性型NOx吸蔵材が調整されていることを特徴としている。
【0015】
また、請求項3の内燃機関の排気浄化装置では、さらに、前記HCトラップの周辺の酸素濃度を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記第1触媒層のHC吸着材に吸着されたHCが脱離するとき、前記HCトラップの周辺の酸素濃度が大きくなるよう制御し、前記第2触媒層のNOx吸蔵材に吸蔵されたNOxをパージする条件が成立したとき、前記HCトラップの周辺の酸素濃度が小さくなるよう制御することを特徴としている。
【0016】
従って、第1触媒層のHC吸着材に吸着されたHCが脱離すると、HCトラップの周辺の酸素濃度が大きくなるよう制御されて脱離したHCが良好に酸化除去され、この際、余剰酸素によってNOxが生成され、当該NOxは第2触媒層のNOx吸蔵材に吸蔵されるが、NOx吸蔵材に吸蔵されたNOxをパージする条件が成立すると、HCトラップの周辺の酸素濃度が小さくなるよう制御され、NOx吸蔵材に吸蔵されたNOxが良好にパージ(還元除去)される。
【0017】
また、請求項4の内燃機関の排気浄化装置では、さらに、前記HCトラップの温度相関値を検出する温度相関値検出手段を備え、前記制御手段は、前記温度相関値検出手段により検出される温度相関値が前記第1触媒層のHC吸着材からHCが脱離する所定温度に相関する温度相関値に達したとき、前記HCトラップの周辺の酸素濃度が大きくなるよう制御することを特徴としている。
【0018】
即ち、HC吸着材では、一般に触媒の温度相関値(触媒温度、排気温度、内燃機関の冷却水温、始動後経過時間等)がある程度高温域の所定脱離温度相関値に達するとHCが多く脱離することが知られており、故に、温度相関値検出手段により温度相関値が所定脱離温度相関値に達したことを検出することで、HC吸着材に吸着されたHCが脱離していることを容易に検出可能である。
【0019】
また、請求項5の内燃機関の排気浄化装置では、前記制御手段は、内燃機関の燃焼空燃比をリーン空燃比側に設定することで前記HCトラップの周辺の酸素濃度が大きくなるよう制御するものであり、前記NOx吸蔵材は、前記制御手段により前記HC吸着材に吸着されたHCが脱離して前記内燃機関の燃焼空燃比がリーン空燃比側に設定されたことに伴い発生するNOxを吸蔵可能に形成されていることを特徴としている。
【0020】
即ち、制御手段によりHC吸着材に吸着されたHCが脱離して内燃機関の燃焼空燃比がリーン空燃比側に設定されると余剰酸素によりNOxが生成されるが、NOx吸蔵材は、このように生成されたNOxを吸蔵可能に形成されている。つまり、HC吸着材に吸着されたHCの脱離に合わせて燃焼空燃比がリーン空燃比側に設定されて余剰酸素によりNOxが生成されるが、NOx吸蔵材は、当該NOxの生成されるときからNOx吸蔵機能を発揮可能なように例えば低温活性型のNOx吸蔵材を含んで構成されている。
【0021】
これにより、内燃機関の冷態始動時であっても、HCとともにNOxが効率よく浄化可能とされる。
また、請求項6の内燃機関の排気浄化装置では、さらに、前記第1触媒層からのHCの脱離終了時期相関値を検出する脱離終了時期相関値検出手段を備え、前記制御手段は、前記脱離終了時期相関値検出手段により前記第1触媒層のHC吸着材からのHCの脱離終了時期相関値が検出された後に前記第2触媒層のNOx吸蔵材に吸蔵されたNOxをパージすべく前記HCトラップの周辺の酸素濃度が小さくなるよう制御することを特徴としている。
【0022】
従って、脱離終了時期相関値検出手段によってHC吸着材からのHCの脱離終了時期相関値(脱離終了時期に相当する触媒温度、排気温度、内燃機関の冷却水温、始動後経過時間等)が検出された後に第2触媒層のNOx吸蔵材に吸蔵されたNOxがパージされることになり、HCの酸化除去とNOxの還元除去とが重複して実施されることがなくなり、制御の複雑化が防止される。
【0023】
また、請求項7の内燃機関の排気浄化装置では、前記制御手段は、前記脱離終了時期相関値検出手段により前記第1触媒層のHC吸着材からのHCの脱離終了時期相関値が検出される前に前記第2触媒層のNOx吸蔵材に吸蔵されたNOxをパージする条件が成立したときには、前記脱離終了時期相関値が検出されるまで前記NOxのパージを禁止すべく前記HCトラップの周辺の酸素濃度を大きいままに保持することを特徴としている。
【0024】
従って、脱離終了時期相関値検出手段によってHC吸着材からのHCの脱離終了時期相関値が検出されるまではNOxのパージが禁止されてHC吸着材から脱離するHCの酸化除去が優先実施され、HCの浄化が緩慢になることが防止される。
【0025】
【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形態を添付図面に基づき説明する。
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内燃機関の排気浄化装置の構成を説明する。
【0026】
内燃機関本体(以下、単にエンジンという)1としては、ここでは、吸気行程で燃料噴射を実施して予混合燃焼(均一燃焼)を行う吸気行程噴射モードと圧縮行程で燃料噴射を実施して層状燃焼を行う圧縮行程噴射モードとに切り換えて運転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ている。この筒内噴射型のエンジン1では、吸気行程噴射モードにおいて、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の他、リーン空燃比での予混合燃焼運転を実現可能であり、圧縮行程噴射モードにおいて、リーン空燃比或いは超リーン空燃比(例えば、値25〜値50)での層状燃焼運転を実現可能である。
【0027】
図1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、燃焼室内に燃料を直接噴射可能である。
燃料噴射弁6には、燃料パイプを介して燃料タンクを擁した燃料供給装置(共に図示せず)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。
【0028】
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。吸気マニホールド10の他端にはスロットル弁11が接続されており、該スロットル弁11にはスロットル開度を検出するスロットルポジションセンサ(TPS)11aが設けられている。
【0029】
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。
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り、その本体構造の詳細についてはここでは説明を省略する。
【0030】
排気マニホールド12には排気管(排気通路)14が接続されており、この排気管14には、前段触媒(FCC)として三元触媒16が介装され、さらに床下触媒(UCC)としてHCトラップ20が介装されている。
三元触媒16は従来公知の如く構成されるものであり、ここでは説明を省略する。
【0031】
HCトラップ20は、多数のセルからなる多孔質ハニカム(モノリス)型のコージライト担体を有し、各セルは例えば断面四角形状に形成されている。
図2を参照すると、HCトラップ20の一つのセルの四半部が示されており、同図に示すように、コージライト担体21は、例えば、アルミナ源の粉末、シリカ源の粉末及びマグネシア源の粉末をアルミナ、シリカ、マグネシアの割合がコージライト組成になるように混合して水に分散させ、その固形分をハニカム状に成形し、このハニカム成形体を焼成して生成されている。
【0032】
そして、コージライト担体21には、下層(第1触媒層)23と上層(第2触媒層)24とからなる2層の触媒層22が形成されている。
本実施形態では、下層23はHC吸着材としてβ型ゼオライトを含んで構成されている。β型ゼオライトは、HC、特にオレフィン系HC(不飽和HC)を吸着し、触媒温度が上昇して所定温度に達すると当該吸着したHCを脱離させる機能を有している。そして、β型ゼオライトは、上記図3に示すように、細孔径が7.6〜7.8Åと他のゼオライト(MFI型、Y型等)よりも大きく、これより脱離開始温度が高く、また脱離終了温度も高いために高温域でのHC脱離割合が高いという特性を有している。つまり、HC吸着材としてβ型ゼオライトを使用することで、下層23はできるだけ高温域までHCを吸着保持することが可能である。
【0033】
また、図4を参照すると、β型ゼオライトからなるHC吸着材のSi/Al比とHC吸着量との関係が新品の場合(実線)と耐久品の場合(破線)とで比較して示されているが、同図によれば、Si/Al比が小さいと新品のときのHC吸着量は十分大きい一方、耐久品では急激に減少していることが分かる。また、Si/Al比は値102を越えるとHC吸着量が少なくなることが知られている。従って、ここでは、Si/Al比は、例えば値102前後の好適値に設定されている。
【0034】
また、図5を参照すると、β型ゼオライトからなるHC吸着材の吸着材担持量とHC吸着割合(吸着HC量/排出HC量)との関係が示されているが、同図に示すように、吸着材担持量が小さいとHC吸着割合は低い値を示すことが分かり、ここでは、吸着材担持量は、例えば100〜150g/Lに設定されている。
一方、上層24は、貴金属として白金(Pt)、ロジウム(Rh)及びパラジウム(Pd)の少なくともいずれか一つを含み、さらに、NOx吸蔵材としてアルカリ金属(カリウム(K))及びアルカリ土類金属(バリウム(Ba))を含んでいる。つまり、上層24は、HCトラップ20が酸素濃度の高いリーン雰囲気にあるときにはNOxを吸蔵し、酸素濃度の低いリッチ雰囲気にあるときには当該吸蔵したNOxを放出し、白金、ロジウム及びパラジウムの触媒作用によって還元除去する機能を備えている。
【0035】
また、上記図6に示すように、アルカリ金属であるカリウム(K)は高温活性型のNOx吸蔵材として機能し(破線)、アルカリ土類金属であるバリウム(Ba)は低温活性型のNOx吸蔵材として機能する(実線)ので、カリウム(K)とともにバリウム(Ba)を含むことで、上層24は低温域から高温域に亘り広い温度範囲でNOxを良好に吸蔵可能である。
【0036】
詳しくは、ここでは、上層24は触媒温度が例えば230℃〜400℃の範囲でNOxを十分に吸蔵可能なよう、バリウム(Ba)の含有量は例えば10〜40g/Lに設定され、一方、カリウム(K)の含有量は、15g/Lを越えるとHCの浄化性能を著しく低下させるという問題があることが分かっており、例えば5〜15g/Lに設定されている。
【0037】
製造方法について述べると、触媒層22は、先ず、ゼオライトを主成分とするスラリーを調製してコージライト担体21を当該スラリー中に浸漬し、これを乾燥後に焼成することでコージライト担体21の表面に下層23を形成し、次いで、白金、ロジウム、パラジウム、バリウム及びカリウムを主成分とするスラリーを調製して上記コージライト担体21を浸漬し、これを乾燥後に焼成することで下層23の表面に上層24を形成して生成される。
【0038】
このように、HCトラップ20は、HC吸着機能とNOx吸蔵機能の双方の機能を合わせ持ちながら簡単な構造で構成されている。
図1に戻り、排気管14には、HCトラップ20に流入する排ガスに含まれる酸素濃度を検出するO2センサ(酸素センサ、λセンサ)18が設けられており、HCトラップ20にはHCトラップ20の温度(温度相関値)を検出する温度センサ28が設けられている(温度相関値検出手段、脱離終了時期相関値検出手段)。
【0039】
さらに、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たECU(電子コントロールユニット)40が設置されており、このECU40により、エンジン1や本発明に係る内燃機関の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TPS11a、O2センサ18、温度センサ28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。
【0040】
一方、ECU40の出力側には、点火コイル5を介して上述した点火プラグ4や燃料噴射弁6等が接続されており、これら点火コイル5、燃料噴射弁6等には、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、燃料噴射時期や点火時期、スロットル開度等の最適値がそれぞれ出力される。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によって適正なタイミングで点火が実施され、スロットル弁11が適正に開閉制御される。詳しくは、ECU40では各種センサ類の情報に基づいて目標燃焼空燃比(目標A/F)が設定され、燃料噴射量やスロットル開度は当該目標A/Fに応じて設定される(制御手段)。
【0041】
以下、上記構成の排気浄化装置の作用を説明する。
図7を参照すると、ECU40によるHCトラップ制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、また図8を参照すると、HCトラップ制御を実施した場合の制御結果がタイムチャートで示されており、以下図8を参照しながらフローチャートに沿い説明する。
【0042】
なお、図8(a)ではFCC16の触媒温度(一点鎖線)及びHCトラップ20の触媒温度(実線)を示し、図8(b)では排気中の酸素量を示し、図8(c)ではHCトラップ20下流のNOx量を示し、図8(d)ではHCトラップ20上流のHC量(一点鎖線)及びHCトラップ20下流のHC量(実線)を示し、図8(e)では燃焼空燃比、即ちA/Fを示している。
【0043】
ステップS10では、エンジン1が冷態始動状態にあるか否かを判別する。判別結果が真(Yes)で、エンジン1が冷態始動状態にあると判定された場合にはステップS12に進む。
ステップS12では、点火時期のリタード(遅角)を行う。つまり、点火時期をリタードさせて燃焼を緩慢とし、排気温度を上昇させて三元触媒16やHCトラップ20の早期活性化を図る。
【0044】
ステップS14では、HCトラップ20において、HC脱離開始条件が成立したか否かを判別する。つまり、エンジン1の始動直後は、排気中のHCは下層23のHC吸着材であるβ型ゼオライトに良好に吸着されるが、ここでは、触媒温度が上昇し、当該吸着したHCが脱離しているか否かを判別する。詳しくは、上記図3に示したように、β型ゼオライトでは高温域(例えば、230℃以上)でのHC脱離割合が高くなっており、ここでは、温度センサ28により検出される触媒温度がHCが脱離して酸化可能となる所定温度(所定脱離温度相関値)に達したか否かを判別する。なお、触媒温度以外に排気温度、内燃機関の冷却水温、始動後経過時間等(所定脱離温度相関値)に基づいて所定温度を求めることも可能である。
【0045】
ステップS14の判別結果が真(Yes)で、HC脱離開始条件が成立したと判定された場合には、ステップS16に進み、目標A/Fをリーン空燃比としてA/Fのリーン化を図る。
このようにA/Fをリーン化すると、排気中の酸素量が増加し、HC吸着材であるβ型ゼオライトから脱離するHCが良好に酸化除去され、三元触媒16が未だ不活性状態にあってもHCの大気中への排出量が大幅に低減される。即ち、図8(d)には、A/Fのリーン化を行わない場合の排出HC量(破線)が併せて示されているが、A/Fのリーン化を行うことで排出HC量が大幅に低減される(実線)。
【0046】
また、上述したように、NOx吸蔵材は例えば230℃〜400℃の範囲でNOxを十分に吸蔵可能なように調製されているため、A/Fのリーン化で余剰となった酸素によってNOxが生成されても、当該NOxはNOx吸蔵材によって良好に吸蔵され、NOxの大気中への排出量も大幅に低減される。即ち、図8(c)には、HCトラップ20がNOx吸蔵機能を有さない場合(破線)が併せて示されているが、HCトラップ20に上記のように調製されたNOx吸蔵材を備えることで排出NOx量がほぼ値0となるまで大幅に低減される(実線)。
【0047】
つまり、本発明では、HC脱離開始条件の成立時期、即ちリーン化開始時期とNOx吸蔵材のNOx吸蔵可能時期とが略一致するようにHC吸着材とNOx吸蔵材とを形成しHCトラップ20を構成するようにしており、これにより、エンジン1の冷態始動時において、HC及びNOxの双方を効率よく浄化することができる。
【0048】
なお、HCトラップ20の温度に応じてリーン化時のA/Fを可変制御するようにしてもよく、これによりHC及びNOxの双方をさらに効率よく浄化することができる。
ステップS18では、HC脱離終了条件が成立したか否かを判別する。即ち、HC吸着材であるβ型ゼオライトからHCが完全に脱離し終えたか否かを判別する。ここでは、上記図3に基づき、温度センサ28により検出される触媒温度がHC脱離終了温度(脱離終了時期相関値)に達したか否かを判別する。なお、HC脱離終了時期に相当する排気温度、内燃機関の冷却水温、始動後経過時間等(脱離終了時期相関値)に基づいてHC脱離終了温度を求めることも可能である。
【0049】
ステップS18の判別結果が偽(No)で、HC脱離終了条件が未だ成立していないと判定された場合には、ステップS16においてA/Fのリーン化を継続実施する。一方、ステップS18の判別結果が真(Yes)で、HC脱離終了条件が成立したと判定された場合には、ステップS20に進む。なお、このとき、A/Fのリーン化については中止しても継続してもよい。
【0050】
ステップS20では、NOx吸蔵材に関し、NOxパージ条件が成立したか否かを判別する。ここでは、例えばNOx吸蔵時間を積算しておき、NOx吸蔵時間の積算値が所定時間に達したか否かを判別する。判別結果が真(Yes)で、NOxパージ条件が成立したと判定された場合には、ステップS22に進み、NOxパージを行う。即ち、目標A/Fをリッチ空燃比としてA/Fのリッチ化を図り、排気中の酸素濃度を小さくする。
【0051】
これにより、NOx吸蔵材に吸蔵されたNOxがNOx吸蔵材から放出されるとともに還元除去され、NOx吸蔵材が再生される。
なお、ここでは、HC脱離終了条件が成立したか否かを判別した後にNOxパージ条件が成立したか否かを判別している。つまり、HC脱離終了条件が成立する前にNOxパージ条件が成立したとしても、HC吸着材であるβ型ゼオライトからHCが完全に脱離し終えてからNOxパージを行うようにしている。これにより、HCの酸化除去とNOxの還元除去とが重複して実施されることが無くなり、或いはβ型ゼオライトからHCが脱離して目標A/Fをリーン空燃比としている最中に目標A/Fがリッチ空燃比に切り替わるという事態が回避され、HCの浄化が緩慢になることを防止でき、制御の複雑化を防止することができる。
【0052】
なお、エンジン1の暖機が完了し、ステップS10の判別結果が偽(No)でエンジン1が冷態始動状態にあると判定された場合には、何もせずに当該ルーチンを抜けるが、この場合には三元触媒16は活性化した状態にあり、以後、HC、NOx等は当該三元触媒16によって良好に浄化される。但し、リーン空燃比域での運転中は、HCトラップ20のNOx吸蔵材が上記同様にNOx吸蔵機能を十分に発揮することになる。
【0053】
ところで、NOx吸蔵材にカリウム(K)を用いる場合、カリウム(K)がコージライト担体21内に浸透すると、該カリウム(K)は高温の水蒸気存在下においてコージライトと反応し、コージライトと熱膨張率を異にするカリウム、アルミニウム及び珪素の酸化物を形成し、担体にクラックを発生させて触媒の強度低下を招くが、本実施形態のように下層23にβ型ゼオライトを含むようにすると、当該β型ゼオライトによりカリウム(K)の移動が抑制され、コージライト担体21のクラック発生や上層24からのカリウムの消失によるNOx吸蔵性能の低下が防止されるという利点もある。
【0054】
以上で本発明の実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限るものではない。
例えば、上記実施形態では、上層24に高温活性型のNOx吸蔵材として機能するカリウム(K)と高温活性型のNOx吸蔵材として機能するバリウム(Ba)とを含むようにしたが、低温活性型のNOx吸蔵材として機能するバリウムのみ含ませるようにしても十分な効果が得られる。
【0055】
また、上記実施形態では、コージライト担体21としてハニカム型コージライト担体を用いたが、本発明は、コージライト以外の材料からなる担体を備えた触媒にも適用可能である。また、ハニカム型コージライト担体を用いる場合、コージライト担体のセルは四角形状のものに限定されず、例えば三角形状や六角形状のものでも良い。
【0056】
さらに、上記実施形態では、最下流にHCトラップ20を配置するものとしたが、HCトラップ20の下流に床下触媒(UCC)として後段の三元触媒を配設するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、本発明を筒内噴射型ガソリンエンジンの排気浄化装置に適用した場合について説明したが、本発明は吸気管噴射型ガソリンエンジンやディーゼルエンジンの排気浄化装置にも適用可能である。
【0057】
【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用触媒によれば、HC吸着材を含む第1触媒層とNOx吸蔵材を含む第2触媒層とを一体に形成してHCトラップ(HC吸着触媒)を構成し排気通路に設けるようにできるとともに、内燃機関の冷態始動時であっても、第1触媒層のHC吸着材の有するHC吸着機能によってHC(主としてオレフィン系HC)を良好に吸着でき、一方第2触媒層のNOx吸蔵材の有するNOx吸蔵機能によってNOxを良好に吸蔵でき、HC及びNOxの双方を効率よく浄化することができる。
【0058】
また、HC吸着材をβ型ゼオライトとすることにより、できるだけ高温域までHCを吸着保持することが可能となり、内燃機関の冷態始動時であっても、HCを効率よく浄化することができる。
【0059】
また、NOx吸蔵材を低温活性型のNOx吸蔵材と高温活性型のNOx吸蔵材とで構成することにより、比較的低温域から高温域まで広範囲に亘りNOx吸蔵材のNOx吸蔵機能を発揮させることが可能となり、NOxをより一層効率よく浄化することができる。
また、請求項2の内燃機関の排気浄化装置によれば、HC脱離開始条件の成立時期、即ちリーン化開始時期とNO x 吸蔵材のNO x 吸蔵可能時期とが略一致するようにHC吸着材とNO x 吸蔵材とを形成しHCトラップを構成するようにしており、これにより、エンジン1の冷態始動時において、HC及びNOxの双方を効率よく浄化することができる。
また、請求項3の内燃機関の排気浄化装置によれば、第1触媒層のHC吸着材に吸着されたHCが脱離するときには、HCトラップの周辺の酸素濃度が大きくなるよう制御されて脱離したHCを良好に酸化除去でき、一方、このとき余剰酸素によりNOxが生成されて第2触媒層のNOx吸蔵材に吸蔵されるが、NOx吸蔵材に吸蔵されたNOxをパージする条件が成立したときには、HCトラップの周辺の酸素濃度が小さくなるよう制御されて当該NOx吸蔵材に吸蔵されたNOxを良好にパージ(還元除去)することができる。
【0060】
また、請求項4の内燃機関の排気浄化装置によれば、温度相関値(触媒温度、排気温度、内燃機関の冷却水温、始動後経過時間等)が所定温度に相関する温度相関値に達したことを検出することで、HC吸着材に吸着されたHCが脱離していることを容易に検出することができる。
また、請求項5の内燃機関の排気浄化装置によれば、HC吸着材に吸着されたHCの脱離に合わせて燃焼空燃比がリーン空燃比側に設定されて余剰酸素によりNOxが生成されるが、NOx吸蔵材は、当該NOxの生成されるときからNOx吸蔵機能を発揮可能なように例えば低温活性型のNOx吸蔵材を含んで構成されているので、内燃機関の冷態始動時であっても、HCとともにNOxを効率よく浄化することができる。
【0061】
また、請求項6の内燃機関の排気浄化装置によれば、HC吸着材からのHCの脱離終了時期相関値(脱離終了時期に相当する触媒温度、排気温度、内燃機関の冷却水温、始動後経過時間等)が検出された後に第2触媒層のNOx吸蔵材に吸蔵されたNOxをパージするので、HCの酸化除去とNOxの還元除去とを重複して実施しないようにでき、制御の複雑化を防止できる。
【0062】
また、請求項7の内燃機関の排気浄化装置によれば、HC吸着材からのHCの脱離終了時期相関値が検出されるまではNOxのパージを禁止してHC吸着材から脱離するHCの酸化除去を優先実施するので、HCの浄化が緩慢になることを防止できる。
【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】HCトラップの一つのセルの四半部を示す部分拡大断面図である。
【図3】細孔径、即ち各種ゼオライトに応じたHC脱離開始温度特性(実線●印)及びHC脱離終了温度特性(実線○印)を比較して示した図である。
【図4】β型ゼオライトからなるHC吸着材のSi/Al比とHC吸着量との関係を新品の場合(実線)と耐久品の場合(破線)とで比較して示した図である。
【図5】β型ゼオライトからなるHC吸着材の吸着材担持量とHC吸着割合(吸着HC量/排出HC量)との関係を示す図である。
【図6】低温活性型のNOx吸蔵材(アルカリ土類金属、例えばバリウム主体)(実線)と高温活性型のNOx吸蔵材(アルカリ金属、例えばカリウム主体)(破線)のそれぞれのNOx吸蔵性能を示す図である。
【図7】HCトラップ制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図8】図7のHCトラップ制御を実施した場合の制御結果を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
1 エンジン
14 排気通路
16 三元触媒
20 HCトラップ
21 コージライト担体
22 触媒層
23 下層
24 上層
28 温度センサ
40 ECU(電子コントロールユニット)
Claims (7)
- 排気通路に、HC吸着機能を有するβ型ゼオライトからなるHC吸着材を含む第1触媒層と、該第1触媒層の表面に形成され且つ白金、ロジウム及びパラジウムからなる群より選択される少なくとも一つの貴金属、並びにNOx吸蔵機能を有するアルカリ土類金属からなる低温活性型NOx吸蔵材及びNOx吸蔵機能を有するアルカリ金属からなる高温活性型NOx吸蔵材を含む第2触媒層とを備えたHCトラップを設けたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 前記第2触媒層は、NOx吸蔵可能時期が前記第1触媒層のHC吸着材に吸着されたHCが脱離される時期と略一致するように、前記低温活性型NOx吸蔵材及び前記高温活性型NOx吸蔵材が調整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。
- さらに、前記HCトラップの周辺の酸素濃度を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記第1触媒層のHC吸着材に吸着されたHCが脱離するとき、前記HCトラップの周辺の酸素濃度が大きくなるよう制御し、前記第2触媒層のNOx吸蔵材に吸蔵されたNOxをパージする条件が成立したとき、前記HCトラップの周辺の酸素濃度が小さくなるよう制御す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。 - さらに、前記HCトラップの温度相関値を検出する温度相関値検出手段を備え、
前記制御手段は、前記温度相関値検出手段により検出される温度相関値が前記第1触媒層のHC吸着材からHCが脱離する所定温度に相関する温度相関値に達したとき、前記HCトラップの周辺の酸素濃度が大きくなるよう制御することを特徴とする、請求項3記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記制御手段は、内燃機関の燃焼空燃比をリーン空燃比側に設定することで前記HCトラップの周辺の酸素濃度が大きくなるよう制御するものであり、
前記NOx吸蔵材は、前記制御手段により前記HC吸着材に吸着されたHCが脱離して前記内燃機関の燃焼空燃比がリーン空燃比側に設定されたことに伴い発生するNOxを吸蔵可能に形成されていることを特徴とする、請求項3または4記載の内燃機関の排気浄化装置。 - さらに、前記第1触媒層からのHCの脱離終了時期相関値を検出する脱離終了時期相関値検出手段を備え、
前記制御手段は、前記脱離終了時期相関値検出手段により前記第1触媒層のHC吸着材からのHCの脱離終了時期相関値が検出された後に前記第2触媒層のNOx吸蔵材に吸蔵されたNOxをパージすべく前記HCトラップの周辺の酸素濃度が小さくなるよう制御することを特徴とする、請求項3乃至5のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記制御手段は、前記脱離終了時期相関値検出手段により前記第1触媒層のHC吸着材からのHCの脱離終了時期相関値が検出される前に前記第2触媒層のNOx吸蔵材に吸蔵されたNOxをパージする条件が成立したときには、前記脱離終了時期相関値が検出されるまで前記NOxのパージを禁止すべく前記HCトラップの周辺の酸素濃度を大きいままに保持することを特徴とする、請求項6記載の内燃機関の排気浄化装置。
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