JP4301098B2

JP4301098B2 - 排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP4301098B2
Application number: JP2004202667A
Authority: JP
Inventors: 浩棚田; 康之初田; 健児守本; 賢治橋本; 圭介田代
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2024-07-09
Also published as: JP2006022755A

Description

本発明は、内燃機関からの排ガスを浄化する排ガス浄化装置に関する。

自動車等の内燃機関からの排ガスは、排気通路に設けられた三元触媒により、当該排ガス中のＣＯやＮＯｘやＨＣ（未燃成分）等の物質がＨ₂Ｏ，ＣＯ₂，Ｎ₂に分解されて浄化処理された後、外部へ排出されている。特に、上記ＨＣは、内燃機関の始動時等のような排ガス温度が低い場合（約３００℃未満）、上記三元触媒で酸化されにくく、浄化処理されずに外部へ排出されてしまう可能性があることから、低温時には当該ＨＣを吸着保持する一方、高温時には当該ＨＣを放出すると同時に酸化処理するＨＣ（未燃成分）吸着触媒を排気通路にさらに設けることにより、確実に浄化処理されるようになっている。

特許第３４１２４９１号公報

ところで、前述したようにしてＨＣ吸着触媒から放出されるＨＣを酸化処理する際には、酸素が必要であることから、内燃機関の空燃比をリーン化（酸素過剰化）して、ＨＣ吸着触媒に酸素を供給するように内燃機関の空燃比を制御している。しかしながら、内燃機関の空燃比をリーン化（酸素過剰化）すると、三元触媒によるＮＯｘの還元処理能力が低下してしまい、ＮＯｘを十分に還元処理することが難しくなってしまう。このため、ＮＯｘの還元処理とＨＣの酸化処理とのどちらか一方を優先しなければならず、従来は、リーン化（酸素過剰化）により発生するＮＯｘの量が三元触媒でのＮＯｘの還元処理能力を超えない程度に、ＨＣを酸化処理するために行うリーン化の期間を抑えるように内燃機関の空燃比のリーン化を終了させて、ＨＣ吸着触媒から放出されるＨＣを当該リーン期間だけ酸化処理するようにしており、ＨＣの十分な酸化処理を行うことができなかった。

このようなことから、本発明は、ＮＯｘの還元処理とＨＣの酸化処理とを両者共に最も効率よく行うことができる排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための、本発明に係る排ガス浄化装置は、内燃機関からの排ガスを流通させる排気通路に配設され、低温時には、排ガス中の未燃成分を吸着し、高温時には、吸着した未燃成分を放出する未燃成分吸着機能を有すると共に、排ガスがリーン状態のときには、排ガス中の酸素を吸着保持し、排ガスがリッチ状態のときには、吸着保持している酸素を放出する酸素貯蔵機能を有する排ガス浄化触媒を備えている排ガス浄化装置において、前記排ガス浄化触媒の前記排ガス流通方向下流側に配設されて当該排ガスの空燃比の検出を行う下流側空燃比検出手段と、前記排ガス浄化触媒が規定温度以上であるか否かを検知する排ガス浄化触媒温度検知手段と、前記排ガス浄化触媒温度検知手段からの情報に基づいて前記排ガス浄化触媒から未燃成分が放出されていると判断すると、前記排ガス浄化触媒に酸素を飽和状態まで吸着させるべく前記内燃機関からの排ガスの空燃比をリーン状態とするように前記内燃機関からの排ガスの空燃比を調整する空燃比調整手段を制御した後に、前記下流側空燃比検出手段でリーン状態の空燃比を検出すると前記内燃機関からの排ガスの空燃比をストイキ状態とするように当該空燃比調整手段を制御し、その後に前記下流側空燃比検出手段でリッチ状態の空燃比を所定時間内に検出したとき、前記内燃機関からの排ガスの空燃比を再びリーン状態とするように当該空燃比調整手段を制御することを繰り返して行う制御手段とを備えていることを特徴とする。

また、本発明に係る排ガス浄化装置は、上述した排ガス浄化装置において、前記規定温度が、前記排ガス浄化触媒が吸着した未燃成分を放出する温度であることを特徴とする。

また、本発明に係る排ガス浄化装置は、上述した排ガス浄化装置において、前記排ガス浄化触媒の前記排ガス流通方向上流側に配設されて当該排ガスの空燃比の検出を行う上流側空燃比検出手段を備え、前記制御手段が、前記下流側空燃比検出手段からの情報に基づいて、前記内燃機関の空燃比を決定し、決定した当該空燃比となるように、前記上流側空燃比検出手段からの情報に基づいて、前記空燃比調整手段を制御するものであることを特徴とする。

本発明に係る排ガス浄化装置によれば、排ガス浄化触媒に対して、まず、酸素を飽和状態にまで吸着させるのに必要最小限のリーン状態での運転を行って、その後にストイキ状態での運転を行うことにより、リーン状態での運転を最も少なくしながら、排ガス浄化触媒で吸着した未燃成分をほぼすべて酸化処理することができるので、窒素酸化物の還元処理と未燃成分の酸化処理とを最も効率よく行うことができる。

本発明に係る排ガス浄化装置の実施形態を図１〜３に基づいて以下に説明する。図１は、排ガス浄化装置の概略構成図、図２は、排ガス浄化に係るフロー図、図３は、排ガス浄化の作用説明図である。

図１に示すように、内燃機関であるエンジン１００に連結された排気通路１０１の途中には、排ガス浄化触媒器１０が設けられている。この排ガス浄化触媒器１０のケーシング１１内の排ガス流通方向上流側には、当該排ガス中のＣＯやＮＯｘやＨＣ（未燃成分）等の物質をＨ₂Ｏ，ＣＯ₂，Ｎ₂に分解して浄化処理する三元触媒１２が配設されている。上記ケーシング１１内の排ガス流通方向下流側には、低温時にＨＣを吸着保持する一方、高温時（例えば約１５０℃以上）に、吸着しているＨＣを放出すると同時に酸化処理すると共に、排ガスがリーン状態（酸素過剰）のときには、排ガス中の酸素を吸着保持する一方、排ガスがリッチ状態（酸素不足）のときには、吸着保持している酸素を放出する酸素貯蔵機能（Oxygen Storage Capability：ＯＳＣ）を有する本発明に係る排ガス浄化触媒であるＨＣ（未燃成分）吸着触媒１３が配設されている。

前記排ガス浄化触媒器１０の入口側、すなわち、三元触媒１２及びHC吸着触媒１３の排ガス流通方向上流側には、排ガス中の空燃比の検出を行う第一の酸素センサ２１が配設されている。排ガス浄化触媒器１０内の三元触媒１２とＨＣ吸着触媒１３との間、すなわち、ＨＣ吸着触媒１３の排ガス流通方向上流側には、排ガス中の空燃比の検出を行う本発明に係る上流側空燃比検出手段である第二の酸素センサ２２が配設されている。排ガス浄化触媒器１０の出口側、すなわち、ＨＣ吸着触媒１３の排ガス流通方向下流側には、排ガス中の空燃比の検出を行う本発明に係る下流側空燃比検出手段である第三の酸素センサ２３が配設されている。これら酸素センサ２１〜２３には、当該センサ２１〜２３の活性化を図るヒータ（図示省略）が設けられている。また、前記ＨＣ吸着触媒１３の排ガス流通方向下流側には、当該ＨＣ吸着触媒１３の温度を検出して規定温度以上であるか否かを検知する本発明に係る排ガス浄化触媒温度検知手段である温度センサ２４が取り付けられている。

前記センサ２１〜２４は、本発明に係る制御手段である電子コントロールユニット（ＥＣＵ）３０の入力部に電気的に接続されている。ＥＣＵ３０の出力部は、前記エンジン１００の空燃比（Ａ／Ｆ）を調整する空燃比調整手段である燃料噴射装置１００ａに電気的に接続しており、当該ＥＣＵ３０は、前記センサ２１〜２４等からの情報に基づいて、上記燃料噴射装置１００ａを制御して、エンジン１００の空燃比を調整することができるようになっている（詳細は後述する）。また、ＥＣＵ３０の出力部には、前記ヒータが電気的に接続している。

このような本実施形態に係る排ガス浄化装置の作動を図２に基づいて次に説明する。

イグニッションスイッチを作動してエンジン１００を始動すると（Ｓ１）、前記ＥＣＵ３０は、前記ヒータを作動して酸素センサ２１〜２３の活性化を図ると共に（Ｓ２）、エンジン１００での空燃比（エンジン１００からの排ガスの空燃比）が目的の状態であるストイキ状態（理論空燃比）となるように、前記第一、第二の酸素センサ２１，２２からの情報に基づいて、エンジン１００の燃料噴射装置１００ａをストイキフィードバック制御する（Ｓ３）。

続いて、上記ＥＣＵ３０は、前記温度センサ２４からの情報に基づいて、排ガス浄化触媒器１０のＨＣ吸着触媒１３が規定温度（１５０℃）以上であるか否かを判断し（Ｓ４）、当該規定温度（１５０℃）未満（例えば運転開始時等の低温時）の場合、すなわち、ＨＣ吸着触媒１３が排ガス中のＨＣを吸着除去している場合には、そのままストイキフィードバック制御を継続する。

そして、排ガス浄化触媒器１０のＨＣ吸着触媒１３が規定温度（１５０℃）以上となると、前記ＥＣＵ３０は、ＨＣ吸着触媒１３からＨＣが放出されていると判断し、エンジン１００での空燃比（エンジン１００からの排ガスの空燃比）が目的の状態であるリーン状態（酸素過剰）となるように、前記第一、第二の酸素センサ２１，２２からの情報に基づいて、エンジン１００の燃料噴射装置１００ａをリーン制御する（Ｓ５）。

すると、前記ＨＣ吸着触媒１３は、排ガス中の酸素が過剰であることから、当該酸素を吸着保持するため、図３に示すように、入口側での排ガスがリーン状態（酸素過剰）であるものの、出口側での排ガスがストイキ状態（理論空燃比）となる（図３中のＡ領域）。

このようにして上記ＨＣ吸着触媒１３が酸素を吸着して飽和状態になると、当該ＨＣ吸着触媒１３の出口側での排ガスもリーン状態（酸素過剰）となる（図３中のＢ領域）。ここで、前記ＥＣＵ３０は、第三の酸素センサ２３で検出された空燃比がリーン状態であるか否か判断して（Ｓ６）、当該第三の酸素センサ２３でリーン状態の空燃比を検出すると、エンジン１００での空燃比（エンジン１００からの排ガスの空燃比）が目的の状態であるストイキ状態（理論空燃比）となるように、前記第一、第二の酸素センサ２１，２２からの情報に基づいて、エンジン１００の燃料噴射装置１００ａをストイキフィードバック制御する（Ｓ７）。

エンジン１００がストイキフィードバック制御され、エンジン１００からの排ガスの空燃比がストイキ状態（理論空燃比）となると、上記ＨＣ吸着触媒１３に吸着保持されていた酸素が、当該ＨＣ吸着触媒１３に吸着保持されているＨＣと共に放出されて、当該ＨＣと当該酸素とが酸化反応し、当該ＨＣが浄化処理される（図３中のＣ領域）。
ここで、この排ガス浄化装置の原理を説明する。

エンジン１００からの排ガスをリーン状態（酸素過剰）にすることにより、規定温度以上のＨＣ吸着触媒１３に吸着保持されているＨＣを酸化処理する場合、従来は、ＨＣ吸着触媒１３から放出されるＨＣが、排ガス中の過剰な酸素と反応することにより浄化処理される、すなわち、リーン状態での運転中に酸化反応が進行すると考えていたため、ＨＣ吸着触媒１３に吸着保持されているすべてのＨＣが酸化処理されるまでリーン状態で運転する必要があると考えられていた。

ところが、本願発明者らが鋭意研究を行ったところ、ＨＣ吸着触媒１３に吸着保持されているＨＣは、リーン状態での運転中に進行する酸化反応量がそれほど多くなく、リーン状態での運転からストイキ状態での運転に移行した後に酸化反応が著しく進行することが新たに判明した。

この理由は、定かではないが、ＨＣ吸着触媒１３は、リーン状態であると、酸素を吸着保持しているために、触媒としての活性能力が阻害されて、ＨＣの酸化処理能力が低下してしまうが、ストイキ状態であると、フィードバック制御の際のリッチ状態への変動時に、吸着保持している酸素を放出するために、触媒としての活性能力が十分に発揮できるようになって、放出した酸素を使用してＨＣを効率よく酸化処理するようになるからではないかと推察される。

そこで、本願発明者らは、ＨＣ吸着触媒１３に対して、まず、酸素を飽和状態にまで吸着させるのに必要最小限のリーン状態での運転を行って、その後にストイキ状態での運転を行うようにすれば、ＨＣ吸着触媒１３で吸着したＨＣをほぼすべて酸化処理するにあたって、リーン状態での運転を最も少なくすることができる、すなわち、ＮＯｘの還元処理とＨＣの酸化処理とを最も効率よく行うことができると考え、本発明を完成したのである。

上述したように、ステップＳ７においてストイキフィードバック制御を行った後、前記制御装置３０は、第三の酸素センサ２３で検出される空燃比が所定時間内にリッチ状態（酸素不足）となったか否か判断し（Ｓ８）、第三の酸素センサ２３でリッチ状態（酸素不足）の空燃比を所定時間内に検出したとき、すなわち、ＨＣ吸着触媒１３に吸着保持されている酸素がすべて放出されても、ＨＣ吸着触媒１３にＨＣがまだ吸着保持されている場合には（図３中のＤ領域）、前記ＥＣＵ３０は、前述したステップＳ５に戻り、エンジン１００での空燃比（エンジン１００からの排ガスの空燃比）が目的の状態であるリーン状態（酸素過剰）となるように、前記第一、第二の酸素センサ２１，２２からの情報に基づいて、エンジン１００の燃料噴射装置１００ａを再びリーン制御する。

他方、第三の酸素センサ２３でリッチ状態（酸素不足）の空燃比を所定時間内に検出しないときには、前記ＥＣＵ３０は、ＨＣ吸着触媒１３に吸着保持されているＨＣがすべて酸化処理されたと判断し、通常モードの制御に移行する（Ｓ９）。

つまり、本実施形態は、先に説明したように、ＨＣ吸着触媒１３に対して、まず、酸素を飽和状態にまで吸着させるのに必要最小限のリーン状態での運転を行って、その後にストイキ状態での運転を行うことにより、リーン状態での運転を最も少なくしながら、ＨＣ吸着触媒１３で吸着したＨＣをほぼすべて酸化処理できるようにしたのである。

したがって、本実施形態に係る排ガス浄化装置によれば、ＮＯｘの還元処理とＨＣの酸化処理とを最も効率よく行うことができる。

また、ＨＣ吸着触媒１３で吸着したＨＣをほぼすべて酸化処理するにあたってのリーン状態での運転を最も少なくすることができるので、エンジン１００の出力低下も大幅に抑制することができる。

なお、本実施形態では、前記空燃比検出手段に酸素センサ２１〜２３を適用したが、他の実施形態として、前記空燃比検出手段に空燃比（Ａ／Ｆ）センサを適用することも可能である。

また、本実施形態では、排ガス浄化触媒温度検知手段に温度センサ２４を適用したが、他の実施形態として、排ガス浄化触媒温度検知手段にタイマを適用することも可能である。

また、本実施形態では、三元触媒１２及びＨＣ吸着触媒１３をケーシング１１に内装した排ガス浄化触媒器１０の場合について説明したが、これら触媒１２，１３の機能を一体化させた単一の排ガス浄化触媒をケーシングに内装した排ガス浄化触媒器であっても、本実施形態の場合と同様にして適用することができる。このような場合には、前記第二の酸素センサ２２を省略して、前記第一の酸素センサ２１で対応するようにする。

本発明に係る排ガス浄化装置は、自動車等の内燃機関からの排ガス中のＮＯｘの還元処理とＨＣの酸化処理とを最も効率よく行うことができるので、自動車産業等において極めて有益に利用することができる。

本発明に係る排ガス浄化装置の実施形態の概略構成図である。本発明に係る排ガス浄化装置の実施形態に係る排ガス浄化のフロー図である。本発明に係る排ガス浄化装置の排ガス浄化の作用説明図である。

符号の説明

１０排ガス浄化触媒器
１１ケーシング
１２三元触媒
１３ＨＣ（未燃成分）吸着触媒
２１第一の酸素センサ
２２第二の酸素センサ
２３第三の酸素センサ
２４温度センサ
３０電子コントロールユニット（ＥＣＵ）
１００エンジン
１００ａ燃料噴射装置
１０１排気通路

Claims

内燃機関からの排ガスを流通させる排気通路に配設され、低温時には、排ガス中の未燃成分を吸着し、高温時には、吸着した未燃成分を放出する未燃成分吸着機能を有すると共に、排ガスがリーン状態のときには、排ガス中の酸素を吸着保持し、排ガスがリッチ状態のときには、吸着保持している酸素を放出する酸素貯蔵機能を有する排ガス浄化触媒を備えている排ガス浄化装置において、
前記排ガス浄化触媒の前記排ガス流通方向下流側に配設されて当該排ガスの空燃比の検出を行う下流側空燃比検出手段と、
前記排ガス浄化触媒が規定温度以上であるか否かを検知する排ガス浄化触媒温度検知手段と、
前記排ガス浄化触媒温度検知手段からの情報に基づいて前記排ガス浄化触媒から未燃成分が放出されていると判断すると、前記排ガス浄化触媒に酸素を飽和状態まで吸着させるべく前記内燃機関からの排ガスの空燃比をリーン状態とするように前記内燃機関からの排ガスの空燃比を調整する空燃比調整手段を制御し、その後に前記下流側空燃比検出手段でリーン状態の空燃比を検出すると前記内燃機関からの排ガスの空燃比をストイキ状態とするように当該空燃比調整手段を制御し、その後に前記下流側空燃比検出手段でリッチ状態の空燃比を所定時間内に検出したとき、前記内燃機関からの排ガスの空燃比を再びリーン状態とするように当該空燃比調整手段を制御することを繰り返して行う制御手段と
を備えていることを特徴とする排ガス浄化装置。
請求項１において、
前記規定温度が、前記排ガス浄化触媒が吸着した未燃成分を放出する温度である
ことを特徴とする排ガス浄化装置。
請求項１又は請求項２において、
前記排ガス浄化触媒の前記排ガス流通方向上流側に配設されて当該排ガスの空燃比の検出を行う上流側空燃比検出手段を備え、
前記制御手段が、前記下流側空燃比検出手段からの情報に基づいて、前記内燃機関の空燃比を決定し、決定した当該空燃比となるように、前記上流側空燃比検出手段からの情報に基づいて、前記空燃比調整手段を制御するものである
ことを特徴とする排ガス浄化装置。