JP4178379B2

JP4178379B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4178379B2
Application number: JP2002275992A
Authority: JP
Inventors: 浩棚田; 英夫中井
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2022-09-20
Also published as: JP2004108345A

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に係り、詳しくは、内燃機関の冷態始動時においてＨＣ（炭化水素）を確実に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ず、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三元触媒層を備え、ゼオライト層にＨＣを吸着するとともに一定温度に達して脱離したＨＣを三元触媒層で浄化するＨＣ吸着触媒が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
一方、排気通路上にゼオライト等のＨＣ吸着物質と三元触媒とを別体に設けるとともに三元触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比に保持し、ＨＣ吸着物質から脱離するＨＣを三元触媒で浄化させる構成の装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
また、炭化水素捕捉器と炭化水素を無害にする触媒組成物からなる触媒とを別体に設けるとともに触媒上流で酸素含有ガスを排ガスに混流させ、触媒を電気的加熱手段で加熱させて触媒の早期活性を図る構成の装置が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１２４４６８号公報
【特許文献２】
特開平５−１４９１３０号公報
【特許文献３】
特表平１０−５１３５２６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＨＣ吸着触媒のＨＣの脱離が開始される温度は約７０℃〜１５０℃と低いのに対し三元成分の活性温度は約２５０℃〜３５０℃と高く、上記特許文献１や特許文献２の場合にあっては、一体に担持された三元成分或いは三元触媒が活性するまでは脱離したＨＣが浄化されずに排出されるという問題がある。
【０００７】
この場合、始動時のエンジン制御において空燃比をリーン空燃比とし且つ点火時期をリタードさせて三元成分や三元触媒の早期昇温を図ることも考えられるが、同時にゼオライトからのＨＣの脱離も早くなり効果は低い。また、ＨＣ吸着触媒やＨＣ吸着物質及び三元触媒を上記の如くエンジン本体に近接配置することも考えられるが、ゼオライトの耐熱温度は低く、ＨＣ吸着触媒やＨＣ吸着物質の耐熱耐久性を確保できず、また排気圧が高くなりエンジンの出力性能が劣ることにもなり好ましいことではない。
【０００８】
また、特許文献３に開示されるように触媒を電気的加熱手段で加熱させる場合には、電気的加熱手段を別途設ける必要があり、コストアップに繋がり好ましいことではない。
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、内燃機関の冷態始動時においてＨＣを効率よく確実に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。
【０００９】
【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、排気通路に設けられ、触媒層に少なくともニッケルを含んだ遷移金属を包含してなる三元触媒と、前記三元触媒の排気上流側に位置して設けられ、ＨＣを吸着するとともに該吸着したＨＣを一定温度以上で放出する機能を有し、触媒機能を有しないＨＣトラップと、前記三元触媒の排気上流側に酸素を供給する酸素供給手段と、三元触媒の温度を検出する触媒温度検出手段とを備え、酸素供給手段は、触媒温度検出手段により検出される三元触媒の温度が三元触媒の活性温度よりも低く且つニッケルよるＣＯの酸化反応が開始される温度に達したとき、酸素の供給を開始するものとなっている。
【００１０】
このように、三元触媒が触媒層にニッケルを含んだ遷移金属を包含していると、該遷移金属はＣＯ（一酸化炭素）を吸着し酸化する能力が高いことから、内燃機関から排出されたＣＯが遷移金属に多く吸着される。特に、ＨＣトラップは触媒機能を有していないことから、内燃機関から排出されたＣＯはＨＣトラップ上で酸化されることなく良好に三元触媒の遷移金属によって吸着される。
そして、三元触媒の温度がその活性温度よりも低く且つニッケルによるＣＯの酸化反応が開始される温度（例えば１００℃）に達したとき、酸素供給手段によって三元触媒に酸素が供給されることでＣＯの酸化反応が促進されることになり、当該酸化反応の反応熱で三元触媒が加熱昇温されて早期に活性温度（約２５０℃〜３５０℃）に到達する。即ち、適切なタイミングでＣＯの酸化が促進され、三元触媒の昇温が一層効率良く実施される。
【００１１】
具体的には、ＣＯの酸化反応の開始温度は、ＨＣトラップからのＨＣの放出温度よりも低い（請求項２）。
従って、内燃機関の冷態始動時には、内燃機関からＣＯとともにＨＣが排出されてＨＣトラップに吸着され、該吸着されたＨＣは一定温度（約１５０℃）以上で脱離されて下流の三元触媒に向け放出されることになるが、この時点では三元触媒は既に活性温度に達していることになり、脱離したＨＣが三元触媒によって効率よく確実に浄化される。
【００１２】
この場合、三元触媒を内燃機関本体に近接させなくてもよいので、ＨＣトラップの耐熱耐久性も確保され、排気圧の上昇による内燃機関の出力低下もない。
また、三元触媒に高価な貴金属（Ｐｔ等）を大量に担持させなくてもＨＣを確実に浄化できるので、三元触媒の製造コストが削減される。
なお、酸素供給手段は内燃機関をリーン空燃比に設定して排気中の余剰酸素を増加させることによっても実現可能であるが、好ましくは、酸素供給手段はエアポンプからなる外部供給手段であるのがよく、このようにすれば内燃機関をリッチ空燃比側に設定して燃焼安定性を確保でき、内燃機関の出力性能の低下が防止される。
【００１４】
好ましくは、三元触媒に包含される遷移金属は、触媒層全体に対し少なくともニッケル成分を１０グラム／リットル以上含むようにするのがよい。
これにより、三元触媒でのＣＯの酸化反応量が不足なく十分に確保されて三元触媒が良好に昇温し、ＨＣが確実に浄化される。
また、請求項３の内燃機関の排気浄化装置では、前記ＨＣトラップはβ型ゼオライトからなることを特徴としている。
【００１５】
即ち、β型ゼオライトは特にＨＣ吸着能力が高く、三元触媒が活性化するまでＨＣをＨＣトラップに十分に保持でき、ＨＣがより一層確実に浄化される。
【００１７】
【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。
【００１８】
内燃機関（以下、単にエンジンという）１としては、吸気管噴射型の火花点火式ガソリンエンジンが採用される。吸気管噴射型の火花点火式ガソリンエンジンは公知であるため、構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
エンジン１のシリンダヘッドには、各気筒毎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。
【００１９】
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、車両の床下に位置してＨＣトラップ２０が介装され、該ＨＣトラップ２０の下流に位置して三元触媒２２が介装されている。
ＨＣトラップ２０は、多数のセルからなる多孔質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。
【００２０】
ＨＣトラップ２０のコージライト担体の表面には、β型ゼオライトを主成分とするＨＣ吸着材が形成されている。β型ゼオライトは、ＨＣ、特にオレフィン系ＨＣを吸着し、温度が上昇して一定温度（約１５０℃）に達すると当該吸着したＨＣを脱離させ放出する機能を有している。そして、β型ゼオライトは、細孔径が７．６〜７．８Åと他のゼオライト（ＭＦＩ型、Ｙ型等）よりも吸着量が多く、脱離開始温度が高く（約１５０℃）、脱離終了温度も高く、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トラップ２０のＨＣ吸着材としてβ型ゼオライトを使用することで、ＨＣ吸着能力を高め、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。
【００２１】
なお、ＨＣトラップ２０には触媒層が形成されておらず、当該ＨＣトラップ２０ではＣＯ、ＮＯxは浄化されることはない。
三元触媒２２は、やはり多数のセルからなる多孔質モノリス型のコージライト担体２３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、三元触媒２２の一つのセルの四半部が示されており、以下同図に基づき三元触媒２２の構成を説明する。
【００２２】
同図に示すように、三元触媒２２は、コージライト担体２３の表面に、下層側に三元触媒層２４が形成され、上層側に三元触媒にニッケル（Ｎｉ）を含む三元触媒ニッケル層２６が形成されて構成されている。
下層側の三元触媒層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、排気空燃比が理論空燃比（ストイキオ）近傍にあるときにＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの３成分を良好に浄化可能に構成されている。
【００２３】
一方、上層側の三元触媒ニッケル層２６は、上記同様に貴金属として白金（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むとともに、さらに遷移金属の一つであるニッケル（Ｎｉ）を含んで構成されている。実際には、三元触媒中に酸化ニッケル（ＮｉＯ）を含んで構成されている。詳しくは、三元触媒ニッケル層２６は、ＮｉＯを触媒層全体に対し少なくとも１０ｇ（グラム）／Ｌ（リットル）以上含んでいる。
【００２４】
Ｎｉ或いはＮｉＯは、排ガス中のＣＯを吸着するとともに、酸素存在のもとで吸着したＣＯの酸化反応を促進する機能を有し、且つその機能が高いことが確認されており、Ｎｉ或いはＮｉＯの含有量が多いほど排ガス中のＣＯを多く吸着し、酸化反応を促進させることができる。なお、三元触媒ニッケル層２６を上層側に形成しているのは、排ガスに対する暴露面積を増やしてＣＯを吸着し易くするためである。
【００２５】
図１に戻り、三元触媒ニッケル層２６の上流部分からはエア通路３０が延びており、エア通路３０はチェックバルブ３１、エアフィルタ３２を介してエアポンプ（酸素供給手段）３４の吐出口に接続されている。つまり、エアポンプ３４が作動すると、三元触媒ニッケル層２６の上流部分にエアポンプ３４の作動量に応じた量の空気が供給され、排ガスとともに酸素が三元触媒ニッケル層２６に流入する。
【００２６】
また、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ことで排気空燃比を検出するリニア空燃比センサ１６が設けられており、三元触媒２２には三元触媒２２の温度、即ち触媒温度Ｔcatを検出する温度センサ（触媒温度検出手段）２８が設けられている。
さらに、入出力装置、メモリ、ＣＰＵ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。
【００２７】
ＥＣＵ４０の入力側には、上述したリニア空燃比センサ１６、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。
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、エンジン１の燃料噴射弁や点火コイル（共に図示せず）、上記エアポンプ３４等の各種デバイス類が接続されており、燃料噴射弁や点火コイルには、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された目標空燃比に応じた燃料噴射量、点火時期等の最適制御信号がそれぞれ出力され、エアポンプ３４には、各種センサ類からの検出情報に基づきポンプ作動量、ポンプ作動時期等の最適制御信号が出力される。
【００２８】
以下、上記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。エンジン１が冷態にあり、三元触媒２２が未だ活性状態にないような場合には、エンジン１自体の暖機や三元触媒２２の活性化を図るべく、目標空燃比をリッチ空燃比としてエンジン１を始動させる。
このように目標空燃比をリッチ空燃比としてエンジン１を始動させると、エンジン１が冷態であり且つ酸素量が少ないことから、エンジン１から排気管１４に排出される排ガス中にはＨＣとともにＣＯが多く含まれる。
【００２９】
このように排出されたＨＣとＣＯとは、それぞれＨＣについてはＨＣトラップ２０に吸着され、ＣＯについては触媒層を有しないＨＣトラップ２０を浄化されることなく通過して三元触媒２２の三元触媒ニッケル層２６に吸着される。詳しくは、ＣＯは三元触媒ニッケル層２６のＮｉに保持される。
エンジン１の暖機が進み、排ガスの昇温により三元触媒２２の温度Ｔcatが上昇し始めるが、温度センサ２８からの温度情報により、三元触媒２２の温度Ｔcatが所定温度（Ｎｉ或いはＮｉＯによるＣＯの酸化反応が開始される温度であって、例えば１００℃）に達したら、エアポンプ３４をＣＯ量（例えば、目標空燃比）に応じた作動量で作動させる。これにより、三元触媒２２に酸素が供給されることになり、三元触媒ニッケル層２６に吸着されたＣＯが当該酸素と酸化反応を引き起こす。
【００３０】
このように三元触媒ニッケル層２６に吸着されたＣＯがエアポンプ３４により供給される空気中の酸素と一気に酸化反応すると、酸化反応に応じた大量の反応熱が不足なく十分に発生することになり、当該反応熱によって三元触媒２２が急速に加熱され昇温することになる。
図３を参照すると、三元触媒２２に三元触媒ニッケル層２６を備えるとともに三元触媒２２の上流に空気供給を行った場合の触媒温度Ｔcatの時間変化がそれぞれ実線（ＮｉＯ量：１１．６ｇ／Ｌ）、破線（ＮｉＯ量：２３．２ｇ／Ｌ）、一点鎖線（ＮｉＯ量：３４．８ｇ／Ｌ）で示されているが、空気供給を行うことにより、このように触媒温度Ｔcatが急激に上昇することになる。特に、ＮｉＯ量が多いほど触媒温度Ｔcatは大きく昇温する。
【００３１】
これにより、三元触媒２２の温度Ｔcatが容易に活性温度（約２５０℃〜３５０℃）に到達することになり、三元触媒２２の早期活性化が図られる。
なお、三元触媒２２の温度Ｔcatが活性温度（約２５０℃）に達したら、エアポンプ３４の作動は停止する。
一方、ＨＣトラップ２０に吸着されたＨＣは、上述したようにＨＣトラップ２０が一定温度（約１５０℃）に達すると脱離を開始し、ＨＣトラップ２０から放出された当該ＨＣは、下流側の三元触媒２２に流入することになる。
【００３２】
ところが、三元触媒２２は、上述のように急速に昇温することになるため、ＨＣトラップ２０からＨＣが脱離を開始した時点では三元触媒２２は既に活性状態になっており、ＨＣトラップ２０から放出され三元触媒２２に流入するＨＣは三元触媒２２によって確実に浄化処理される。
これにより、エンジン１の冷態始動時であっても、エンジン１から排出されるＨＣが効率よく確実に浄化される。なお、ＣＯについても三元触媒ニッケル層２６で良好に酸化処理されるため、エンジン１の冷態始動時における排気浄化効率が全体的に向上することになる。
【００３３】
また、ＨＣトラップ２０は比較的耐熱性が低いのであるが、三元触媒２２を床下に配置させたままとし、エンジン１に近接させなくてもよいので、ＨＣトラップ２０の耐熱耐久性も確保され、排気圧の上昇によるエンジン１の出力低下もない。
さらに、三元触媒２２に高価な貴金属（Ｐｔ等）を大量に担持させなくてもＨＣを確実に浄化できるので、三元触媒２２の製造コストを削減することもできる。
【００３４】
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、三元触媒２２を下層側の三元触媒層２４と上層側の三元触媒ニッケル層２６とで構成するようにしているが、図４に示すように、三元触媒ニッケル層２６を単層で設けるようにしてもよい。また、三元触媒ニッケル層の耐熱性が三元触媒層に比べて劣ることを考慮すると、図５に示すように、下層側に三元触媒ニッケル層２６を設け、上層側に三元触媒層２４を設けるようにしてもよい。この場合には、ＣＯの吸着能力はやや低下するものの、三元触媒２２の耐久性が向上する。
【００３５】
また、上記実施形態では、遷移金属としてＣＯの吸着及び酸化能力の高いニッケル（Ｎｉ）を用いるようにしたが、遷移金属であればマンガン（Ｍｎ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等如何なる元素を更に含んでいてもよい。
また、上記実施形態では、三元触媒２２の上流に空気を供給するようにしたが、ＨＣの吸着性能に影響を与えない範囲でＨＣトラップ２０の上流に空気を供給するようにしてもよい。
【００３６】
また、上記実施形態では、エンジン１が吸気管噴射型ガソリンエンジンである場合を例に説明したが、エンジン１は筒内噴射型ガソリンエンジンであってもよいしディーゼルエンジンであってもよい。
また、上記実施形態では、エアポンプ３４を用いて空気を供給するようにしたが、ＣＯと酸素とを同時に排出可能なエンジン（例えば、筒内噴射型ガソリンエンジン）においては、エンジン１をリーン空燃比運転（例えば、スライトリーン運転）することで三元触媒２２に余剰酸素を供給するようにしてもよい。但し、上記実施形態のように外部供給手段たるエアポンプ３４を用いるようにした方が、エンジン１をリッチ空燃比に設定して燃焼安定性を確保でき、エンジン１の低水温時の出力性能の低下を防止することができるという利点がある。
【００３７】
また、上記実施形態では、温度センサ２８を用いて三元触媒２２の温度を検出するようにしたが、排気温度を検出する手段を設け、排気温度から三元触媒２２の温度を推定することもできる。
【００３８】
【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、三元触媒に少なくともニッケルを含んだ遷移金属を包含するようにしたので、内燃機関から排出されたＣＯがＨＣトラップ上での酸化なく遷移金属に多く吸着される。そして、三元触媒の温度が活性温度よりも低くニッケルによるＣＯの酸化反応が開始される温度に達ししたとき、酸素供給手段によって三元触媒に酸素が供給されることで三元触媒におけるＣＯの酸化反応が促進されることになり、当該酸化反応の反応熱によって三元触媒を加熱昇温させて早期に活性温度（約２５０℃〜３５０℃）に到達させることができる。
【００３９】
具体的には、ＣＯの酸化反応が開始される温度がＨＣトラップからのＨＣの放出温度よりも低いので（請求項２）、内燃機関の冷態始動時において、ＨＣトラップから吸着されたＨＣが一定温度（約１５０℃）以上で脱離されて下流の三元触媒に向け放出されても、この時点において三元触媒を活性状態にしておくことができ、ＨＣを三元触媒によって効率よく確実に浄化させることができる。
また、遷移金属にＣＯの吸着及び酸化能力の高いニッケルを含むようにしたので、三元触媒でのＣＯの酸化反応量を十分に確保して三元触媒を良好に昇温させ早期活性化を図るようにでき、ＨＣを確実に浄化させることができる。
【００４０】
また、請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＨＣトラップはＨＣ吸着能力の高いβ型ゼオライトからなるようにしたので、三元触媒が活性化するまでＨＣをＨＣトラップに十分に保持でき、ＨＣをより一層確実に浄化させることができる。
【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】本発明に係る三元触媒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】三元触媒に三元触媒ニッケル層を備えるとともに三元触媒の上流に空気供給を行った場合の触媒温度Ｔcatの時間変化を示すタイムチャートである。
【図４】他の実施例に係る三元触媒の一つのセルの四半部を示す部分拡大断面図である。
【図５】さらに他の実施例に係る三元触媒の一つのセルの四半部を示す部分拡大断面図である。
【符号の説明】
１エンジン
１４排気管
１６リニア空燃比センサ
２０ＨＣトラップ
２２三元触媒
２３コージライト担体
２４三元触媒層
２６三元触媒ニッケル層
２８温度センサ（触媒温度検出手段）
３０エア通路
３４エアポンプ（酸素供給手段）
４０ＥＣＵ（電子コントロールユニット）

Claims

排気通路に設けられ、触媒層に少なくともニッケルを含んだ遷移金属を包含してなる三元触媒と、
前記三元触媒の排気上流側に位置して設けられ、ＨＣを吸着するとともに該吸着したＨＣを一定温度以上で放出する機能を有し、触媒機能を有しないＨＣトラップと、
前記三元触媒の排気上流側に酸素を供給する酸素供給手段と、
前記三元触媒の温度を検出する触媒温度検出手段とを備え、
前記酸素供給手段は、前記触媒温度検出手段により検出される前記三元触媒の温度が前記三元触媒の活性温度よりも低く且つ前記ニッケルによるＣＯの酸化反応が開始される温度に達したとき、酸素の供給を開始することを特徴とする、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記酸化反応の開始温度は、前記ＨＣトラップからのＨＣの放出温度よりも低い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ＨＣトラップはβ型ゼオライトからな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。