JP4494201B2 - Spark ignition engine including a three-way catalyst containing NOx storage components - Google Patents

Spark ignition engine including a three-way catalyst containing NOx storage components Download PDF

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本発明は、通常走行条件では化学量論的空燃比で走行し、エンジン速度/負荷マップの特定部分の間は化学量論的空燃比のリーン側で走行するようにエンジンの空燃比を制御するようにプログラム化されたエンジン制御装置および触媒を備えてなる排気機構を備えてなる火花点火エンジンに関する。特に、本発明は、触媒が、NOx貯蔵成分を包含する三元触媒(TWC)である、そのようなエンジンに関する。   The present invention controls the air / fuel ratio of the engine so that it travels at a stoichiometric air / fuel ratio under normal driving conditions and travels on the lean side of the stoichiometric air / fuel ratio during a specific portion of the engine speed / load map. The present invention relates to a spark ignition engine including an engine control device programmed as described above and an exhaust mechanism including a catalyst. In particular, the present invention relates to such engines where the catalyst is a three way catalyst (TWC) that includes a NOx storage component.

化学量論的に作動している火花点火式燃焼エンジンから出る排ガス中の酸化窒素(NOx)、一酸化炭素(CO)および未燃焼炭化水素(HC)を同時に転化し得る不均質触媒は、三元触媒(TWC)と呼ばれる。NOx還元は、空燃比が化学量論のリッチ側である時にTWC上で容易に起こるのに対し、COおよびHC反応は不十分な酸素(O)により阻害される。リーン側では、COおよびHC転化率が高くなるが、酸化性化学種が過剰であるためにNOx還元は困難になる。従って、効果的な三元転化は比較的狭い空燃比寛容度内で起こる。実際には、酸素センサーを使用し、TWCの上流にある排ガスのラムダ組成を検出し、それに従って空燃比を調節し、排ガスを平衡化する。 Heterogeneous catalysts capable of simultaneously converting nitric oxide (NOx), carbon monoxide (CO) and unburned hydrocarbons (HC) in the exhaust gas from a stoichiometrically operated spark ignition combustion engine are It is called a former catalyst (TWC). NOx reduction occurs easily on the TWC when the air-fuel ratio is on the stoichiometric rich side, whereas the CO and HC reactions are inhibited by insufficient oxygen (O 2 ). On the lean side, the CO and HC conversion rates are high, but NOx reduction becomes difficult due to the excess of oxidizing species. Therefore, effective ternary conversion occurs within a relatively narrow air-fuel ratio tolerance. In practice, an oxygen sensor is used to detect the lambda composition of the exhaust gas upstream of the TWC and adjust the air / fuel ratio accordingly to equilibrate the exhaust gas.

典型的なTWCは、好適な高表面積酸化物担体、例えばアルミナ(Al)上の、酸化触媒として白金(Pt)および/またはパラジウム(Pd)および還元触媒としてロジウム(Rh)、および酸素貯蔵成分(OSC)、例えばセリア−ジルコニア混合酸化物、を含んでなる。様々な少量の卑金属助触媒、安定剤および硫化水素抑制剤も含むことができる。より詳しくは、国際特許第WO98/03251号明細書(ここに参考として含める)参照。 A typical TWC is platinum (Pt) and / or palladium (Pd) as an oxidation catalyst and rhodium (Rh) as a reduction catalyst and oxygen on a suitable high surface area oxide support such as alumina (Al 2 O 3 ). A storage component (OSC), for example, a ceria-zirconia mixed oxide. Various small amounts of base metal promoters, stabilizers and hydrogen sulfide inhibitors can also be included. For more details, see International Patent No. WO 98/03251 (included here as a reference).

検出された酸素濃度を使用して空燃比を制御する結果、調節される空燃比に関連する時間的遅れがある。このために、制御設定点のあたりに混乱が生じる。例えば、リッチ作動する場合、未反応COおよびHCを消費するために少量のOを与える必要がある。反対に、排ガスが僅かに酸化性になる場合、過剰のOを消費する必要がある。混乱に関連する排気の問題を低減するために採用されたTWC技術における一つの開発は、TWC組成物にO貯蔵成分を配合することである。この成分は、リーン環境でOを吸着(または吸収)し、それをリッチ環境で放出し、それによって排ガスが設定点にある時間を効果的に延長する。加速の際のように空燃比を維持するためにより大量のHC燃料が必要になると、例えば燃料噴射期間を調節することにより、燃料を供給する。 As a result of controlling the air / fuel ratio using the detected oxygen concentration, there is a time delay associated with the adjusted air / fuel ratio. This creates confusion around the control set point. For example, in a rich operation, it is necessary to provide a small amount of O 2 to consume unreacted CO and HC. Conversely, if the exhaust gas becomes slightly oxidizing, it is necessary to consume excess O 2 . One development in the TWC technology that has been adopted to reduce emissions problems associated with disruption is to incorporate an O 2 storage component into the TWC composition. This component adsorbs (or absorbs) O 2 in a lean environment and releases it in a rich environment, thereby effectively extending the time that the exhaust gas is at the set point. When a larger amount of HC fuel is required to maintain the air-fuel ratio as in acceleration, the fuel is supplied by adjusting the fuel injection period, for example.

より最近では、ガソリン燃焼エンジン、例えばガソリン直噴エンジン、をリーンで運転する動きがある。この理由付けは、化学量論のリーン側で走行することにより、燃料の経済性を改善(従って、COの排出を低減)することである。この戦略を推し進める際の第一の問題は、リーン環境がTWCにおけるNOx還元を妨害することである。この問題に対処するために開発された一つの技術は、NOx吸収装置/触媒、リーンNOxトラップ(LNT)またはNOxトラップと様々に呼ばれており、酸−塩基ウォッシュコート化学反応に基づいている。この方法では、リーン走行条件の際は触媒ウォッシュコート中にNOxを吸着(または吸収)および貯蔵し、リッチ運転下で放出する。放出されたNOxは、TWC中と同様に触媒作用により窒素に転化される。 More recently, there is a movement to drive a gasoline combustion engine, such as a gasoline direct injection engine, lean. The reasoning is that, by running at a lean side of stoichiometry, improved fuel economy (thus, reduces the emission of CO 2) that is to. The first problem in pushing this strategy is that the lean environment prevents NOx reduction in the TWC. One technique that has been developed to address this problem is referred to variously as NOx absorber / catalyst, lean NOx trap (LNT) or NOx trap, and is based on acid-base washcoat chemistry. In this method, during lean running conditions, NOx is adsorbed (or absorbed) and stored in the catalyst washcoat and released under rich operation. The released NOx is converted to nitrogen by catalysis as in TWC.

典型的なNOxトラップ組成物は、高表面積酸化物、例えばAl、の担体上にPtおよびRh、およびNOx貯蔵成分、例えば酸化バリウム(BaO(例えばここに参考として含めるヨーロッパ特許第EP0758713号明細書参照))を含んでなる。一般的に、NOxトラップウォッシュコート中のNOx貯蔵成分の含有量は50重量%まで、さらにはそれ以上でよい。 A typical NOx trap composition includes Pt and Rh on a support of a high surface area oxide, such as Al 2 O 3 , and a NOx storage component, such as barium oxide (BaO, eg European Patent EP 0 758 713, incorporated herein by reference. See the description))). Generally, the content of NOx storage component in the NOx trap washcoat can be up to 50% by weight or even higher.

NOxトラップ技術の使用に関わる大きな問題は、NOx貯蔵成分をリッチ再生するためにエンジンの複雑な制御を非常に注意深く行う必要があることである。さらに、NOxトラップの機能およびNOx貯蔵容量を制御するための多くのフィードバックセンサー、例えば保存されているエンジンマップを利用してエンジンから出る蓄積NOxを推定するセンサー、およびNOx貯蔵成分のNOx吸収効率は温度に依存するので、NOxトラップ温度センサー、を使用する。   A major problem with the use of NOx trap technology is that complex control of the engine needs to be done very carefully in order to regenerate rich NOx storage components. In addition, many feedback sensors for controlling NOx trap function and NOx storage capacity, such as sensors that estimate stored NOx from the engine using stored engine maps, and NOx absorption efficiency of NOx storage components are Since it depends on temperature, a NOx trap temperature sensor is used.

TWCの技術では、少量(1〜3%)のBaOまたは酸化ランタン(La)を使用し、高温エージングの際の焼結からガンマ−Alを安定化させることが知られている。卑金属助触媒、例えばバリウム(Ba)、セリウム、ランタン、マグネシウム、カルシウムおよびストロンチウム、も使用できる(上記の国際特許第WO98/03251号明細書参照)。 The TWC technology, using BaO or lanthanum oxide minor (1~3%) (La 2 O 3), are known to stabilize the gamma -Al 2 O 3 sintered during high temperature aging Yes. Base metal promoters such as barium (Ba), cerium, lanthanum, magnesium, calcium and strontium can also be used (see the above-mentioned International Patent No. WO 98/03251).

我々の国際特許第WO99/00177号明細書(ここに参考として含める)で、我々は、リーンバーン内燃機関、例えば直噴式ガソリンエンジン、用の、NOxを貯蔵できる触媒成分を含んでなる触媒転化装置を開示している。一実施態様では、この触媒転化装置は、第一の白金族金属(PGM)、例えばPt、およびNOx貯蔵成分、例えばBa、を含む第一の内側層、および非Al担体上に担持された第二の異なったPGM、例えばRh、を含む第二の外側層を有する担持された層状触媒、および所望によりOSC、例えばセリアとジルコニアの混合酸化物、を含んでなる。 In our International Patent No. WO 99/00177, which is hereby incorporated by reference, we have a catalytic converter comprising a catalytic component capable of storing NOx for a lean burn internal combustion engine, such as a direct injection gasoline engine. Is disclosed. In one embodiment, the catalytic converter is supported on a first inner layer comprising a first platinum group metal (PGM), such as Pt, and a NOx storage component, such as Ba, and a non-Al 2 O 3 support. And a supported layered catalyst having a second outer layer comprising a second different PGM, eg, Rh, and optionally an OSC, eg, a mixed oxide of ceria and zirconia.

日本国未審査特許公開第5−317,652号明細書(ここに参考として含める)は、基材、および基材上に担持されたアルカリ土類金属化合物およびPtを含んでなる触媒を記載している。この説明文は、都市部走行の際、自動車は頻繁に加速および減速することを記載している。その結果、空燃比が、より定常的な状態、例えばアイドリング、中の化学量論点に近い値の範囲から、燃料リッチ側に頻繁に変化し得る。例えば都市部走行条件中の燃料消費を下げるために、ガソリンエンジンは燃料リーン側、例えば23:1(wt./wt.)までの空燃比、で運転される。この触媒は、リーン走行条件中はNOxをアルカリ土類金属上に吸着(吸収)し、空燃比のリッチ側への自然変動を利用して貯蔵されたNOxを放出、還元し、それによってアルカリ土類金属化合物のNOx貯蔵能力を再生するように設計されている。   Japanese unexamined patent publication No. 5-317,652, which is incorporated herein by reference, describes a substrate and a catalyst comprising an alkaline earth metal compound and Pt supported on the substrate. ing. This description states that the car frequently accelerates and decelerates when traveling in urban areas. As a result, the air-fuel ratio can frequently change to a fuel rich side from a more steady state, for example, idling, within a range of values close to the stoichiometric point. For example, in order to reduce fuel consumption during urban driving conditions, the gasoline engine is operated on the fuel lean side, for example up to 23: 1 (wt./wt.) Air-fuel ratio. This catalyst adsorbs (absorbs) NOx on the alkaline earth metal during lean running conditions, and releases and reduces the stored NOx by utilizing the natural fluctuation of the air-fuel ratio to the rich side, thereby causing alkaline earth. It is designed to regenerate the NOx storage capacity of similar metal compounds.

米国特許第5,575,983号明細書(ここに参考として含める)は、日本国未審査特許公開第5−317,652号明細書の触媒のNOx吸収能力が、硫酸塩により被毒することを記載している。これに対処するために、この特許は、リチウムで安定化したAl上に担持されたPtまたはPdおよびアルカリ金属、アルカリ土類金属およびランタン(La)を包含する希土類元素を含んでなる触媒を提案している。 US Pat. No. 5,575,983 (included here as reference) shows that the NOx absorption capacity of the catalyst of Japanese unexamined patent publication No. 5-317,652 is poisoned by sulfate. Is described. To address this, this patent comprises Pt or Pd supported on lithium stabilized Al 2 O 3 and rare earth elements including alkali metals, alkaline earth metals and lanthanum (La). A catalyst is proposed.

我々は、直噴式ガソリンエンジン以外のリーンバーンガソリンエンジン、例えば日本国未審査特許公開第5−317,652号明細書および米国特許第5,575,983号明細書に記載されているエンジン、は自動車工業界で広く普及しておらず、この理由の一つは、既存および将来の排ガス規制に適合させるためのNOx排出抑制が困難なことであると考える。   We have lean burn gasoline engines other than direct-injection gasoline engines, such as those described in Japanese unexamined patent publication No. 5-317,652 and US Pat. No. 5,575,983. It is not widely used in the automobile industry, and one reason for this is thought to be the difficulty in suppressing NOx emissions to meet existing and future emissions regulations.

ここで我々は、非常に驚くべきことに、NOx貯蔵成分を包含するTWCを備えてなる火花点火エンジン、例えばポート燃料噴射ガソリンエンジン、を、高価で複雑な制御機構を必要とせずに、リーン走行条件の際の燃費向上の恩恵が受けられるように操作できることを見出した。   Here we are very surprising that a spark ignition engine with a TWC containing a NOx storage component, such as a port fuel injection gasoline engine, runs lean without the need for expensive and complex control mechanisms. It has been found that it can be operated so as to receive the benefits of improved fuel economy under conditions.

一態様で、本発明は、通常走行条件の間は化学量論的空燃比で走行し、エンジン速度/負荷マップの特定部分の間は化学量論的空燃比のリーン側で走行するようにエンジンの空燃比を制御するようにプログラム化されたエンジン制御装置、および触媒(該触媒は、NOx貯蔵成分を包含する三元触媒(TWC)を備えてなる)を備えてなる排気機構を備えてなる火花点火エンジンであって、該エンジン制御装置が、リーン走行運転の際、センサー手段から入力されるデータに応答して、TWCと接触するNOxの量を決定し、それによってTWCの残留NOx貯蔵容量を決定し、残留NOx貯蔵容量が予め決められた値より低い場合に空燃比を化学量論に戻すようにさらにプログラム化されており、化学量論的モードで連続的に運転される火花点火エンジンと比較して、エンジンサイクル中により多くのNOxが大気中に放出されるのを実質的に阻止するように設定されていることを特徴とするエンジンを提供する。   In one aspect, the present invention provides an engine that runs at a stoichiometric air / fuel ratio during normal driving conditions and runs on the lean side of the stoichiometric air / fuel ratio during a particular portion of the engine speed / load map. An engine control device programmed to control the air-fuel ratio of the engine, and an exhaust mechanism comprising a catalyst (the catalyst comprises a three-way catalyst (TWC) containing a NOx storage component) A spark ignition engine, wherein the engine controller determines the amount of NOx in contact with the TWC in response to data input from the sensor means during lean driving, thereby the residual NOx storage capacity of the TWC And is further programmed to return the air-fuel ratio to stoichiometry when the residual NOx storage capacity is lower than a predetermined value, and is operated continuously in stoichiometric mode. Compared to ignition engines, many of the NOx by the engine cycle to provide an engine, characterized by being configured to substantially prevent from being released into the atmosphere.

ここで「エンジンサイクル」とは、キーonとキーoffの間の時間を意味する。   Here, “engine cycle” means the time between key on and key off.

本発明は、化学量論的空燃比で運転されている火花点火エンジンの排ガスの組成が、例えば加速の際に、リッチラムダ値に自然変動し、NOx貯蔵成分を再生する利点を活かしている。λ=1の条件では、NOx貯蔵成分上に貯蔵されたNOxは放出されず、NOx貯蔵成分は再生されない、すなわちラムダ=1のリッチ側の条件が必要になる。我々は、TWC中でNOx貯蔵成分を再生し易くする触媒も考案したが、この触媒は、本発明の好ましい実施態様で使用する。   The present invention takes advantage of the advantage that the composition of the exhaust gas of a spark ignition engine operated at a stoichiometric air-fuel ratio naturally fluctuates to a rich lambda value upon acceleration, for example, and regenerates the NOx storage component. Under the condition of λ = 1, NOx stored on the NOx storage component is not released, and the NOx storage component is not regenerated, that is, the rich side condition of lambda = 1 is required. We have also devised a catalyst that facilitates the regeneration of NOx storage components in TWC, but this catalyst is used in the preferred embodiment of the present invention.

本発明は、数多くの非常に実質的な利点を提供する。そのような利点の一つは、本発明により、火花点火エンジンにより駆動される自動車が、実質的に化学量論的条件で連続的に運転される類似の自動車よりも、燃料を節約しながら走行することができる。そのような効率増加により、自動車用の法定試験サイクルでCO排出を下げることができる。法定試験サイクルにおけるCO排出の低下は、「現実世界」の走行条件でCO排出が低下することを意味する。従って、本発明の自動車は、より「環境に好ましい」と言える。さらに、自動車が放出するCOの量によって課税(いわゆる「グリーンタックス」)される国々、例えば英国、では、消費者に対する税金の負担が軽減される。 The present invention provides a number of very substantial advantages. One such advantage is that, according to the present invention, a vehicle driven by a spark ignition engine travels while saving fuel over a similar vehicle operated continuously at substantially stoichiometric conditions. can do. Such efficiency increasing, it is possible to reduce the CO 2 emissions in the legal test cycle for a motor vehicle. Reduction of CO 2 emissions in the statutory test cycle, it means that the CO 2 emission is reduced in the driving conditions of the "real world". Therefore, it can be said that the automobile of the present invention is more “preferred for the environment”. Furthermore, in countries where taxation (so-called “green tax”) is imposed by the amount of CO 2 emitted by automobiles, such as the UK, the tax burden on consumers is reduced.

第二のそのような利点は、火花点火エンジンを包含する既存の自動車が、特定の構成部品を後付けすることにより、本発明の恩恵を受けられることである。これは、既存のTWCを、十分なNOx貯蔵成分を包含するTWCで置き換え、エンジン制御装置を、(i)エンジン速度/負荷マップの特定部分の間は化学量論的空燃比のリーン側でエンジンを作動させ、(ii)リーン走行運転の際、センサー手段から入力されるデータに応答して、TWCと接触するNOxの量を決定し、それによってTWCの残留NOx貯蔵容量を決定し、残留NOx貯蔵容量が予め決められた値より低い場合に空燃比を化学量論に戻し、それによって、化学量論的モードで連続的に運転される火花点火エンジンと比較して、エンジンサイクル中により多くのNOxが大気中に放出されるのを実質的に阻止するようにプログラム化されたエンジン制御装置に置き換えるだけで達成される。   A second such advantage is that existing vehicles including spark ignition engines can benefit from the present invention by retrofitting certain components. This replaces the existing TWC with a TWC that contains sufficient NOx storage components and allows the engine controller to (i) engine on the lean side of the stoichiometric air / fuel ratio during a particular portion of the engine speed / load map. And (ii) in lean driving, in response to data input from the sensor means, determine the amount of NOx in contact with the TWC, thereby determining the residual NOx storage capacity of the TWC, and the residual NOx When the storage capacity is lower than a predetermined value, the air / fuel ratio is returned to stoichiometry, thereby allowing for more during the engine cycle compared to a spark ignition engine operating continuously in stoichiometric mode. This is accomplished simply by replacing the engine controller programmed to substantially prevent NOx from being released into the atmosphere.

特に好ましい実施態様では、エンジン速度/負荷マップの特定部分がエンジンアイドリングである。これは、NOx貯蔵成分を再生するための安全保障機構を与えるので、特に有利な設定である。これは、アイドリング後にエンジンに起こり得るのが、エンジンが加速され、それに続いてTWCと接触する排ガスが一時的にリッチになるだけであり、その後でエンジン制御装置が排ガスを等価(equivalence)に戻すためである。アイドリングに続いてエンジンのスイッチをoffにしても、NOxはキーonまで貯蔵され、続いてエンジンが加速されることになる。従って、この好ましい設定は、排ガスの組成が加速の際にリッチ側に自然変動し、NOx貯蔵成分を再生する利点を活かしている。同様の理由から、エンジン速度/負荷マップの特定部分は、エンジンから排出されるNOxレベルがエンジンアイドリング時の10倍まで、例えば5倍または2倍多くなる低速走行も含むことができる。   In a particularly preferred embodiment, a specific part of the engine speed / load map is engine idling. This is a particularly advantageous setting because it provides a security mechanism for regenerating the NOx storage component. This can happen to the engine after idling, but the engine is only accelerated and subsequently the exhaust gas in contact with the TWC is only temporarily rich, after which the engine controller returns the exhaust gas to equivalence. Because. Even if the engine switch is turned off following idling, NOx is stored up to the key on, and the engine is subsequently accelerated. Therefore, this preferable setting takes advantage of the advantage that the composition of the exhaust gas naturally fluctuates to the rich side during acceleration and regenerates the NOx storage component. For similar reasons, certain parts of the engine speed / load map can also include low speed running where the NOx level exhausted from the engine is up to 10 times, for example, 5 times or 2 times higher than during engine idling.

この好ましい方式の非常に大きな利点は、現在NOxトラップ採用の障害になっている、排ガス規制に適合させるための複雑で高価なセンサーおよび制御装置を必要としないことである。   A very significant advantage of this preferred approach is that it does not require complex and expensive sensors and control devices to meet exhaust emission regulations that are currently an obstacle to NOx trap adoption.

エンジン制御装置にデータを入力し、TWCと接触するNOxの量、およびそこからNOx貯蔵成分の残留NOx貯蔵容量を決定する多くの手段を、単独で、または機械的/電子的に実行し得るどのような組合せででも使用できる。この情報を集めるのに必要なセンサー手段の多くは、エンジンおよび/またはエンジンを取り付けた自動車中にすでに含まれており、エンジンおよび/または自動車の他の機能を制御するためのエンジン制御装置により使用されている。これが、エンジン制御装置を、NOx貯蔵成分を包含するTWCと共に、自動車に後付けすることにより、本発明を採用できる理由の一つである。   Which can be performed alone or mechanically / electronically to enter data into the engine controller and determine the amount of NOx in contact with the TWC, and from it the residual NOx storage capacity of the NOx storage component, alone or mechanically / electronically It can be used in such combinations. Many of the sensor means necessary to gather this information are already contained in the engine and / or the vehicle in which the engine is mounted and are used by the engine controller to control the engine and / or other functions of the vehicle. Has been. This is one of the reasons why the present invention can be employed by retrofitting an engine control device to a vehicle with a TWC containing NOx storage components.

本発明のTWC中の残留NOx貯蔵容量を監視するのに使用できるそのような検出データには、好適な時計手段の状態を検知することにより、予め決められた、または予知される、リーン運転操作の開始から経過した時間、TWC上の空気流またはマニホルド真空、点火タイミング、エンジン速度、スロットル位置、例えばラムダセンサー、好ましくはリニアラムダセンサーを使用する排ガスレドックス組成、エンジン中に噴射される燃料の量、自動車が排ガス再循環(EGR)回路を包含する場合、EGRバルブの位置およびそれによって検出されるEGR量、エンジン冷却剤温度、および排気機構がNOxセンサーを包含する場合、TWCの上流および/または下流で検出されるNOx量が挙げられる。時計の実施態様を使用する場合、予知される時間を、続いてデータ入力に応答して調節することができる。   Such detection data that can be used to monitor the residual NOx storage capacity in the TWC of the present invention includes a lean operation that is predetermined or foreseeed by sensing the state of a suitable clock means. Elapsed time from start of air, air flow or manifold vacuum on TWC, ignition timing, engine speed, throttle position, eg exhaust gas redox composition using lambda sensor, preferably linear lambda sensor, amount of fuel injected into engine, automobile If an exhaust gas recirculation (EGR) circuit is included, the position of the EGR valve and the amount of EGR detected thereby, the engine coolant temperature, and if the exhaust mechanism includes a NOx sensor, upstream and / or downstream of the TWC The amount of NOx detected is mentioned. When using a clock embodiment, the predicted time can subsequently be adjusted in response to data input.

火花点火エンジンは、通常運転条件の際に化学量論的空燃比で操作できるすべてのエンジンでよい。一実施態様では、エンジンはガソリンにより駆動することができ、エンジンはポート燃料噴射または直噴型でよい。所望により、エンジンは代替燃料、例えば液体石油ガス(LPG)、天然ガス(NG)、メタノール、エタノールを包含する炭化水素混合物または水素ガス、を使用することができる。本発明は、全等級の硫黄含有燃料に使用できるが、重量で50ppm未満の硫黄、最も好ましくは重量で10ppm未満の硫黄を含む等級で特に優れた効率が得られる。   The spark ignition engine may be any engine that can operate at a stoichiometric air-fuel ratio during normal operating conditions. In one embodiment, the engine can be driven by gasoline and the engine may be port fuel injection or direct injection. If desired, the engine can use alternative fuels such as liquid petroleum gas (LPG), natural gas (NG), hydrocarbon mixtures including methanol, ethanol or hydrogen gas. The present invention can be used with all grades of sulfur-containing fuels, but particularly good efficiencies are obtained with grades containing less than 50 ppm by weight of sulfur, most preferably less than 10 ppm by weight of sulfur.

本発明は、所望の機能を遂行するために十分なNOx貯蔵成分が含まれていれば、公知のどのようなTWC組成物でも使用できる。   The present invention can be used with any known TWC composition provided that it contains sufficient NOx storage components to perform the desired function.

典型的なTWC組成物は、Pt、Pd、Rh、ルテニウム、オスミウムおよびイリジウムからなる群から選択された少なくとも一種のPGMおよびこれらの2種類以上の組合せを含んでなる。   A typical TWC composition comprises at least one PGM selected from the group consisting of Pt, Pd, Rh, ruthenium, osmium and iridium and combinations of two or more thereof.

先行技術では多くのNOx貯蔵成分が開示されており、どれでも本発明で使用できる。典型的なNOx貯蔵成分は、アルカリ金属、例えばカリウムまたはセシウム、アルカリ土類金属、例えばマグネシウム、カルシウム、ストロンチウムまたはBa、希土類金属、ランタニド族金属、好ましくはLa、またはこれらのいずれか2種類以上の、あらゆる実行可能な組合せ、例えば混合酸化物、を含んでなる。   The prior art discloses many NOx storage components, any of which can be used in the present invention. Typical NOx storage components include alkali metals such as potassium or cesium, alkaline earth metals such as magnesium, calcium, strontium or Ba, rare earth metals, lanthanide group metals, preferably La, or any two or more thereof. Any viable combination, for example a mixed oxide.

現状技術水準のTWCの一般的な成分はOSCであり、これらも本発明のTWCに効果的に使用できる。実際、OSCは、化学量論点およびその僅かにリッチ側でHCの燃焼を支援するので、NOxトラップ組成物がOSCを含まないことは当業者には当たり前の知識である。この特性は、空燃比調整から得られる還元性化学種、例えば排気中のHC、を使用してNOx貯蔵成分を再生するNOxトラップ組成物を包含する機構の必要条件に逆行する。従って、NOxトラップ組成物中にOSCが存在すると、OSCを含まないNOxトラップ組成物と比較して、同量のNOx貯蔵成分を再生するための燃料消費が増加することになろう。   A common component of state-of-the-art TWC is OSC, which can also be used effectively in the TWC of the present invention. In fact, since OSC supports HC combustion at the stoichiometric point and its slightly richer side, it is common knowledge to those skilled in the art that the NOx trap composition does not contain OSC. This property goes against the requirements of a mechanism that includes a NOx trap composition that regenerates NOx storage components using reducing chemical species obtained from air-fuel ratio adjustment, such as HC in the exhaust. Thus, the presence of OSC in the NOx trap composition will increase the fuel consumption to regenerate the same amount of NOx storage components as compared to the NOx trap composition without OSC.

公知のOSCには、所望により安定化したセリア、ペロブスキー石、NiO、MnO、Al含有混合酸化物上に担持されたマンガン系化合物(ここに参考として含める国際特許出願第PCT/GB01/05124号明細書参照)、マンガンとジルコニウムの混合酸化物(ここに参考として含める国際特許第WO99/34904号明細書参照)、Prまたはこれらの2種類以上の組合せが挙げられる。セリア安定剤は、ジルコニウム、ランタン、アルミニウム、イットリウム、プラセオジムまたはネオジムでよい。 Known OSCs include manganese-based compounds supported on optionally stabilized ceria, perovskite, NiO, MnO 2 , Al 2 O 3 containing mixed oxides (International Patent Application No. PCT / GB01, incorporated herein by reference). / 05124), mixed oxides of manganese and zirconium (see International Patent No. WO99 / 34904, which is incorporated herein by reference), Pr 2 O 3 or combinations of two or more thereof. The ceria stabilizer may be zirconium, lanthanum, aluminum, yttrium, praseodymium or neodymium.

本発明で使用するのに好ましいTWCは、第一内側層中の第一PGM、好ましくはPt、およびNOx貯蔵成分、および第二外側層中のOSCおよび第二PGM、好ましくはRh、を含んでなる。   Preferred TWCs for use in the present invention include the first PGM, preferably Pt, and NOx storage components in the first inner layer, and the OSC and second PGM, preferably Rh, in the second outer layer. Become.

この処方は、下記の理由から有利である。化学量論的走行の際、Rh/OSC成分はNOx還元および他の反応に対して活性であるのに対し、Pt成分は、酸化反応に対して活性である。酸素リッチ条件の際は、Rhは比較的不活性であり、PtはNO、HCおよびCO酸化に対して活性であり、形成されたNOは吸着剤中に硝酸塩として貯蔵される。 This formulation is advantageous for the following reasons. During stoichiometric running, the Rh / OSC component is active for NOx reduction and other reactions, while the Pt component is active for oxidation reactions. Under oxygen-rich conditions, Rh is relatively inert, Pt is active against NO, HC and CO oxidation, and the formed NO 2 is stored as nitrate in the adsorbent.

続いてラムダ=1に戻ると、第二層中のOSC成分は、貯蔵されたNOxが還元性ガスを「求める」のを阻止するので、NOxは硝酸塩として貯蔵されたままである。RhはCOによるNOx還元に対して活性であり、PtはHCとCOの酸化に対して活性である。   Subsequently, returning to lambda = 1, the OSC component in the second layer prevents the stored NOx from “seeking” for reducing gas, so NOx remains stored as nitrate. Rh is active against NOx reduction by CO, and Pt is active against HC and CO oxidation.

加速により、ガス混合物はリッチに移行し、OSC材料を還元するので、硝酸塩が熱力学的に不安定になり、貯蔵されたNOxが放出される。次いで、放出されたNOxは、過剰の還元体を含むRh層により還元される。   Due to the acceleration, the gas mixture moves rich and reduces the OSC material, so that the nitrate becomes thermodynamically unstable and the stored NOx is released. The released NOx is then reduced by the Rh layer containing excess reductant.

別の態様により、本発明は、本発明のエンジンを備えてなる自動車を提供する。   According to another aspect, the present invention provides an automobile comprising the engine of the present invention.

TWCは、一般的に、意図する目的により、自動車中の2つの位置、すなわちTWCが排気マニホルドのできるだけ近くに配置される接近(close-coupled)位置、および床下位置、の一方または両方に配置される。TWCを接近位置に配置する理由は、冷間始動直後の排気を制御することにあるが、これは、制御される排気の多くは法定試験サイクルの際に冷間始動の直後に排出されるためである。TWCをエンジンの近くに配置することにより、キーonの直後に触媒は高温の排ガスと接触するので、より低温の床下位置よりも早く、COおよびHC酸化のための低温活性温度に達する。しかし、排気機構が効率的に三元転化する温度に上昇すると、床下触媒が排ガス処理負担の多くを引き受ける。この間、接近位置のTWCは、例えば1000℃までの非常に高い温度にさらされる。実際、ある自動車製造業者は、接近位置のTWCを少なくとも970℃〜1010℃までの触媒床温度で50時間試験することを要求している。このような温度では、焼結、活性化学種の細孔中への移行、および成分の相互作用のために材料がそれらの表面積を失うので、触媒が活性を失うことがある。従って、接近位置にあるTWCは、未使用触媒と比較して活性の一部を失うことが予想される。NOx貯蔵成分も、この高温エージングにより表面積が低下するので、NOx貯蔵容量を失うことがある。   The TWC is typically located at one or both of two locations in the vehicle, depending on the intended purpose: a close-coupled location where the TWC is located as close as possible to the exhaust manifold, and an underfloor location. The The reason for placing the TWC in the approach position is to control the exhaust immediately after the cold start, because many of the controlled exhausts are exhausted immediately after the cold start during the legal test cycle. It is. By placing the TWC close to the engine, the catalyst comes into contact with the hot exhaust gas immediately after the key on, thus reaching the cold activation temperature for CO and HC oxidation earlier than the colder underfloor position. However, when the exhaust mechanism rises to a temperature at which the three-way conversion is efficiently performed, the underfloor catalyst takes on much of the exhaust gas treatment burden. During this time, the TWC at the approach position is exposed to very high temperatures, for example up to 1000 ° C. In fact, some automobile manufacturers require that the in-situ TWC be tested at a catalyst bed temperature of at least 970 ° C. to 1010 ° C. for 50 hours. At such temperatures, the catalyst may lose activity because materials lose their surface area due to sintering, migration of active species into the pores, and interaction of components. Thus, the TWC in the close position is expected to lose some of its activity compared to the unused catalyst. The NOx storage component may also lose its NOx storage capacity because the surface area is reduced by this high temperature aging.

特に接近位置に配置されたTWCで高温エージングのためにNOx貯蔵容量が低下することは本発明に好ましくないが、NOx貯蔵活性の比率が維持されれば、本発明の有益性はなお得られる。そこで、本発明の一実施態様では、未使用TWCが、例えば接近位置における高温エージングの後でも十分なNOx貯蔵容量を維持するのに十分なNOx貯蔵成分を包含する。   It is not preferred for the present invention that the NOx storage capacity is reduced due to high temperature aging, particularly with the TWC placed in the close position, but the benefits of the present invention are still obtained if the ratio of NOx storage activity is maintained. Thus, in one embodiment of the present invention, the unused TWC includes sufficient NOx storage components to maintain sufficient NOx storage capacity, for example, even after high temperature aging at an approach location.

別の実施態様により、本発明は、NOx貯蔵成分を包含するTWCを備えてなる排気機構を備えてなる火花点火エンジン用のエンジン制御装置を提供するが、このエンジン制御装置は、通常走行条件の間は化学量論的空燃比で走行し、エンジン速度/負荷マップの特定部分の間は化学量論のリーン側で走行するようにエンジンの空燃比を制御し、リーン走行運転の際、センサー手段から入力されるデータに応答して、TWCと接触するNOxの量を決定し、それによってTWCの残留NOx貯蔵容量を決定し、残留NOx貯蔵容量が予め決められた値より低い場合に空燃比を化学量論に戻すようにプログラム化されており、化学量論的モードで連続的に運転される火花点火エンジンと比較して、エンジンサイクル中により多くのNOxが大気中に放出されるのを実質的に阻止するように設定されている。   According to another embodiment, the present invention provides an engine control device for a spark ignition engine comprising an exhaust mechanism comprising a TWC containing a NOx storage component, the engine control device being adapted for normal driving conditions. The engine air / fuel ratio is controlled so that the engine travels on the lean side of the stoichiometry during a specific portion of the engine speed / load map. In response to data input from the TWC to determine the amount of NOx in contact with the TWC, thereby determining the residual NOx storage capacity of the TWC and, if the residual NOx storage capacity is lower than a predetermined value, the air / fuel ratio. Compared to a spark ignition engine that is programmed to return to stoichiometry and operates continuously in stoichiometric mode, more NOx is released into the atmosphere during the engine cycle. It is set so as to substantially prevent from being released to.

さらに別の態様により、本発明は、通常走行条件の間は化学量論的空燃比で走行する火花点火エンジン(該エンジンは、NOx貯蔵成分を包含するTWCを備えてなる排気機構を備えてなる)の排ガス処理方法であって、エンジン速度/負荷マップの特定部分の間は化学量論のリーン側で走行するようにエンジンの空燃比を制御する工程、およびリーン走行運転の際、センサー手段から入力されるデータに応答して、TWCと接触するNOxの量を決定し、それによってTWCの残留NOx貯蔵容量を決定し、残留NOx貯蔵容量が予め決められた値より低い場合に空燃比を化学量論に戻す工程を含んでなり、化学量論的モードで連続的に運転される火花点火エンジンと比較して、エンジンサイクル中により多くのNOxが大気中に放出されるのを実質的に阻止するように設定されている、方法を提供する。   According to yet another aspect, the present invention comprises a spark ignition engine that travels at stoichiometric air-fuel ratio during normal travel conditions (the engine comprises an exhaust mechanism comprising a TWC that contains NOx storage components). ) In which the engine air-fuel ratio is controlled to run on the lean side of the stoichiometry during a specific part of the engine speed / load map, and during the lean running operation, the sensor means In response to the input data, determine the amount of NOx that comes into contact with the TWC, thereby determining the residual NOx storage capacity of the TWC and chemistry the air / fuel ratio when the residual NOx storage capacity is lower than a predetermined value. More NOx is released into the atmosphere during the engine cycle as compared to a spark ignition engine comprising a stoichiometric step and continuously operated in stoichiometric mode. It is set so as to substantially prevent the provides methods.

本発明をより深く理解するために、添付の図面を参照しながら下記の例を例示のためにのみ記載する。   For a better understanding of the present invention, the following examples are given by way of illustration only with reference to the accompanying drawings.

例1−総炭化水素低温活性
3種類の触媒ウォッシュコートをを試験した。比較触媒Aは、現状技術水準の、熱安定性の高表面積担体上に5Pt:1Rhの比、および総貴金属担持量60gft−3で担持されたPt/RhTWCである。
Example 1-Total hydrocarbon low temperature activity Three catalyst washcoats were tested. Comparative catalyst A is a state of the art Pt / RhTWC supported on a heat stable high surface area support at a ratio of 5Pt: 1Rh and a total noble metal loading of 60 gft- 3 .

触媒Bは、同等の担体上に担持された、本発明のNOx貯蔵成分を包含するTWCである。この触媒は、PtおよびNOx貯蔵成分、例えばBaO、を含浸させた高表面積Alの第一内側層、およびRhを含浸させた混合酸化物OSCの第二外側層を含んでなる。Pt:Rhの比および総貴金属担持量は、触媒Aと等しい。 Catalyst B is a TWC containing the NOx storage component of the present invention supported on an equivalent support. The catalyst comprises a first inner layer of high surface area Al 2 O 3 impregnated with Pt and NOx storage components such as BaO, and a second outer layer of mixed oxide OSC impregnated with Rh. The Pt: Rh ratio and total noble metal loading are equal to catalyst A.

比較触媒Cは、Pt、RhおよびNOx貯蔵成分を含浸させた高表面積Al系混合酸化物担体を含んでなるNOxトラップ組成物である。Pt:1Rhの比は6:1であり、総貴金属担持量は70gft−3であった。 Comparative catalyst C is a NOx trap composition comprising a high surface area Al 2 O 3 mixed oxide support impregnated with Pt, Rh and NOx storage components. The ratio of Pt: 1Rh was 6: 1 and the total noble metal loading was 70 gft −3 .

各ウォッシュコートを、4.66x6インチ(11.9x15.2cm)セラミック基材、400セル/平方インチ((cpsi)62セルcm−2)、壁厚0.15mm、上に塗布し、得られた被覆基材を、10%O/10%HO/残りが窒素の下、800℃で5時間水熱的にエージングさせた。 Each washcoat was applied on a 4.66 × 6 inch (11.9 × 15.2 cm) ceramic substrate, 400 cells / in 2 ((cpsi) 62 cell cm −2 ), wall thickness 0.15 mm, resulting The coated substrate was hydrothermally aged at 800 ° C. for 5 hours under 10% O 2 /10% H 2 O / balance nitrogen.

これらの触媒を、Bosch ME7制御装置により制御される4気筒、2.0リットルポート燃料噴射式の、作業台に取り付けたエンジンの排気機構に取り付けた。触媒温度は、排気ラインの触媒の前に取り付けた熱交換機の調節により増加させた。   These catalysts were attached to an exhaust mechanism of an engine mounted on a work table of a 4-cylinder, 2.0 liter port fuel injection type controlled by a Bosch ME7 controller. The catalyst temperature was increased by adjusting a heat exchanger installed in front of the exhaust line catalyst.

HC低温活性(反応が50%効率に触媒作用を受ける温度)に関する結果を図1に示すが、そこから、触媒Bに対するHC低温活性温度は、比較例Aのそれと類似していることが分かる。また、比較触媒CのHC低温活性は、比較触媒Aより約30℃高いことも分かる。   The results for HC low temperature activity (the temperature at which the reaction is catalyzed to 50% efficiency) are shown in FIG. 1, from which it can be seen that the HC low temperature activation temperature for catalyst B is similar to that of Comparative Example A. It can also be seen that the low temperature activity of the comparative catalyst C is about 30 ° C. higher than that of the comparative catalyst A.

この結果は、NOx貯蔵成分を包含するTWC(触媒B)は、NOx貯蔵成分が存在するにもかかわらず、現状技術水準のTWC(比較触媒A)と比較して、HC活性に関して非常に良く似た活性を有することを示している。NOxトラップ(比較触媒C)の性能は、Pt担持量が高いにもかかわらず、触媒Bまたは比較触媒A程良くない。   This result shows that the TWC containing the NOx storage component (Catalyst B) is very similar in terms of HC activity compared to the state of the art TWC (Comparative Catalyst A) despite the presence of the NOx storage component. It has shown that it has activity. The performance of the NOx trap (comparative catalyst C) is not as good as that of catalyst B or comparative catalyst A despite the high Pt loading.

例2
混乱したラムダの走査
例1と同じエンジンを使用し、触媒入口を温度450℃にした。ラムダ走査は、10%混乱(ラムダ=1より10%低い、すなわち0.147ラムダ低い値からラムダ=1より10%高い(1.147ラムダ)値の間のサイクル)および周波数1Hzを使用して行った。これらの条件は、排気機構(該排気機構は、触媒入口の上流に、ラムダ=1の条件を維持するために、エンジン制御装置にフィードバックするラムダセンサーを包含する)中に配置されたTWCへの入口における排ガス組成を模擬するように選択した。
Example 2
The same engine as in the confused lambda scan example 1 was used and the catalyst inlet was at a temperature of 450 ° C. Lambda scan uses 10% confusion (cycle between 10% lower than lambda = 1, ie 0.147 lambda lower value to 10% higher than lambda = 1 (1.147 lambda) value) and frequency 1Hz. went. These conditions are related to the TWC located in the exhaust mechanism (which includes a lambda sensor that feeds back to the engine controller to maintain the lambda = 1 condition upstream of the catalyst inlet). A choice was made to simulate the exhaust gas composition at the inlet.

結果を図2、3および4に示す。NOxトラップ(比較触媒C)は、より多くのPtを有するにも関わらず、ラムダ走査性能が劣っており(転化率が低い)、NOx貯蔵成分を包含するTWC(触媒B)はTWC(比較触媒A)と同様の性能を示すことが分かる。   The results are shown in FIGS. Although the NOx trap (comparative catalyst C) has more Pt, the lambda scanning performance is inferior (low conversion), and the TWC (catalyst B) containing the NOx storage component is TWC (comparative catalyst). It can be seen that the same performance as in A) is exhibited.

例3
エンジン試験
ベンチテスト室で、4気筒、1.8リットル、1997年製の、日本国市場用に校正された自動車から得た三菱直噴エンジンに直流ダイナモメーターを取り付けた。例1により製造した触媒基材をエンジン排気マニホルドから約30cmの接近位置に取り付けた。基材体積は、エンジン掃気容積(swept volume)(ESV)の22%にあたる。2列のMEXA(Motor Exhaust Gas Analyser)9500センサーを使用してNOx、EC、CO、およびOの濃度を測定し、触媒の上流および下流におけるガス濃度を連続的に測定した。触媒入口の温度は熱電対で測定した。
Example 3
In the engine test bench test room, a DC dynamometer was attached to a Mitsubishi direct injection engine obtained from a 4-cylinder, 1.8-liter, 1997-made automobile calibrated for the Japanese market. The catalyst substrate produced according to Example 1 was mounted at an approximate position of about 30 cm from the engine exhaust manifold. The substrate volume is 22% of the engine sweep volume (ESV). The concentration of NOx, EC, CO 2 and O 2 was measured using two rows of MEXA (Motor Exhaust Gas Analyzer) 9500 sensors, and the gas concentrations upstream and downstream of the catalyst were measured continuously. The temperature at the catalyst inlet was measured with a thermocouple.

エンジンを2組のマップ、一方は均質モード用、他方はリーンの層状(stratified)モード用、から操作した。点火と噴射のタイミングおよび持続時間用の基本マップは、先ず、ベンチテスト用に使用したエンジンと同じモデルのエンジンを包含する自動車のECUからデータを記録し、次いで、この情報に基づいて逆処理(reverse engineering)により作製した。均質モードで、ある範囲のエンジン速度および負荷でエンジンを作動させ、λ=1運転の下でのNOx、COおよびHC排出の最良排出に関して、基本マップに対する補足マップを作製した。リーンの層状モードは、同じ速度および負荷要求における均質モードで達成したトルクを適合させることにより、マップ作製した。   The engine was operated from two sets of maps, one for homogeneous mode and the other for lean stratified mode. The basic map for the timing and duration of ignition and injection first records data from the vehicle's ECU containing the same model engine as the engine used for bench testing, and then reverses processing based on this information ( reverse engineering). The engine was operated in a range of engine speeds and loads in homogeneous mode, and a supplemental map to the basic map was created for the best emission of NOx, CO and HC emissions under λ = 1 operation. The lean layered mode was mapped by adapting the torque achieved in the homogeneous mode at the same speed and load requirements.

試験の前に、アイドリング状態でエンジンを十分に温めた。次いで、均質モードで、接近配置した触媒の入口温度が300℃になるようにエンジンを作動させた。次いで運転をリーンの層状操作に切り換え、エンジンから出るNOxが300ppmになるまでEGRバルブ位置を調節した。このEGRバルブ位置を記録し、リーン設定点と呼ぶことにした。エンジンを均質モードに戻し、EGRバルブを閉じた。ラムダ0.80が得られるように燃料噴射器パルス幅を増加することにより、リッチ設定点を得た。一連のリーン/リッチサイクルを下記のように行った。リーンモードでは、機構のNOx効率が75%未満に落ちるまで、EGRバルブをリーン設定点位置に合わせた。次いで、噴射器持続時間をリッチ設定点にしたまま、エンジンを均質モードに15秒間戻した。このサイクルを5回繰り返し、各サイクルで得られた結果を記録した。排気機構をエンジンに取り付け、上記の手順に従い、リーンの層状モードで、アイドリング時のポート燃料噴射の排気機構における接近配置したTWCに典型的な触媒入口温度である触媒入口温度300℃でデータを集めた。   Prior to testing, the engine was fully warmed in idling condition. The engine was then operated in homogeneous mode so that the inlet temperature of the closely placed catalyst was 300 ° C. The operation was then switched to lean stratified operation and the EGR valve position was adjusted until the NOx exiting the engine was 300 ppm. This EGR valve position was recorded and called the lean set point. The engine was returned to homogeneous mode and the EGR valve was closed. A rich set point was obtained by increasing the fuel injector pulse width to obtain a lambda of 0.80. A series of lean / rich cycles were performed as follows. In lean mode, the EGR valve was adjusted to the lean set point position until the NOx efficiency of the mechanism dropped below 75%. The engine was then returned to homogeneous mode for 15 seconds, with the injector duration at the rich set point. This cycle was repeated 5 times and the results obtained in each cycle were recorded. Attach the exhaust mechanism to the engine and follow the above procedure to collect data in a lean stratified mode at a catalyst inlet temperature of 300 ° C, which is a typical catalyst inlet temperature for the closely located TWC in the exhaust mechanism for port fuel injection during idling. It was.

表1は、比較触媒AとCおよび触媒BのそれぞれがNOxを貯蔵するNOx貯蔵効率、および特に各触媒がNOx30、40、50および60mgをどのような効率で貯蔵するかを示している。例えば、NOxトラップ(比較触媒C)はNOx60mgを97%効率で貯蔵する、すなわち触媒と接触するNOxの97%を貯蔵するのに対し、化WCO(比較触媒A)はNOx60mgを9%効率で貯蔵する、すなわちNOx60mgを貯蔵するのに要する時間中に、触媒と接触するNOxの91%がすり抜ける。   Table 1 shows the NOx storage efficiency in which each of Comparative Catalysts A and C and Catalyst B stores NOx, and in particular how efficiently each catalyst stores NOx 30, 40, 50 and 60 mg. For example, the NOx trap (Comparative Catalyst C) stores NOx 60 mg with 97% efficiency, ie, 97% of NOx in contact with the catalyst, whereas the WCO (Comparative Catalyst A) stores NOx 60 mg with 9% efficiency. During the time required to store 60 mg of NOx, 91% of the NOx that comes into contact with the catalyst slips through.

表1

NOx貯蔵効率
比較触媒C 触媒B 比較触媒A
貯蔵されるNOx (NOxトラップ) (NOx貯蔵成分を (TWC)
(mg) 包含するTWC)
30 98% 77% 18%
40 98% 73% 16%
50 97% 68% 12%
60 97% 64% 9%
Table 1

NOx storage efficiency
Comparative catalyst C Catalyst B Comparative catalyst A
NOx stored (NOx trap) (NOx storage component (TWC)
(mg) TWC included)
30 98% 77% 18%
40 98% 73% 16%
50 97% 68% 12%
60 97% 64% 9%

例1、2および3の結果は、NOx貯蔵成分を包含するTWCが、NOx貯蔵成分を包含するにもかかわらず、TWC性能を維持しており、NOx貯蔵容量は現状技術水準のTWC組成物より数倍高いことを示している。   The results of Examples 1, 2, and 3 show that the TWC containing the NOx storage component maintains the TWC performance despite the inclusion of the NOx storage component, and the NOx storage capacity is higher than the state-of-the-art TWC composition. It is several times higher.

図1は、本発明のNOx貯蔵成分を包含するTWC、現状技術水準のTWCおよびNOxトラップの、エージング後のHC転化率と温度の関係を示すグラフである。FIG. 1 is a graph showing the relationship between HC conversion after aging and temperature of TWC including the NOx storage component of the present invention, TWC of the current state of the art, and NOx trap. 図2は、本発明のNOx貯蔵成分を包含するTWCの、CO、HCおよびNOxの転化率%とラムダの関係を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the relationship between lambda and CO, HC and NOx conversion% in TWC containing the NOx storage component of the present invention. 図3は、現状技術水準のTWCの、CO、HCおよびNOxの転化率%とラムダの関係を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the conversion rate% of CO, HC and NOx and the lambda in the current state of the art TWC. 図4は、NOxトラップ組成物の、CO、HCおよびNOxの転化率%とラムダの関係を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the relationship between CO, HC and NOx conversion% and lambda in the NOx trap composition.

Claims (12)

排気機構を備えてなる火花点火エンジンであって、
前記排気機構が、三元触媒と、エンジン制御装置を備えてなり、
前記三元触媒が、少なくとも一種の白金族金属及びNOx貯蔵成分を含んでなる第一内側層と、少なくとも一種の白金族金属及び酸素貯蔵成分とを含んでなる第二外側層とを備えてなるものであり、
前記エンジン制御装置が、エンジンの空燃比を制御し、通常走行条件の間は化学量論的空燃比で走行し、及び、エンジン速度/負荷マップの特定部分の間は化学量論的空燃比のリーン側で走行するようにプログラムされてなり、前記エンジン速度/負荷マップの特定部分が、アイドリング条件であり、
リーン走行運転の間、センサー手段から入力されるデータに応答して、前記三元触媒と接触するNOxの量を決定し、それによって前記三元触媒の残留NOx貯蔵容量を決定し、かつ、前記残留NOx貯蔵容量が予め決められた値より低い場合に、空燃比を化学量論に戻すようにプログラムされてなり、
前記化学量論的走行の際に、前記三元触媒において、前記第二外側層における白金族金属がNOxを還元し、かつ、前記第二外側層における酸素貯蔵成分がNOxを貯蔵することにより、NOxが大気中に放出されるのを実質的に阻止するように設計されてなる、エンジン。
A spark ignition engine having an exhaust mechanism,
The exhaust mechanism comprises a three-way catalyst and an engine control device,
The three-way catalyst comprises a first inner layer comprising at least one platinum group metal and a NOx storage component, and a second outer layer comprising at least one platinum group metal and an oxygen storage component. Is,
The engine controller controls the air / fuel ratio of the engine, runs at stoichiometric air / fuel ratio during normal driving conditions, and stoichiometric air / fuel ratio during a specific portion of the engine speed / load map. Programmed to run on the lean side, the specific part of the engine speed / load map is idling conditions,
During lean travel operation, in response to data input from the sensor means, determine the amount of NOx in contact with the three-way catalyst, thereby determining the residual NOx storage capacity of the three-way catalyst; and Programmed to return the air-fuel ratio to stoichiometry when the residual NOx storage capacity is lower than a predetermined value;
During the stoichiometric running, in the three-way catalyst, the platinum group metal in the second outer layer reduces NOx, and the oxygen storage component in the second outer layer stores NOx . An engine that is designed to substantially prevent NOx from being released into the atmosphere.
時計を備えてなり、及び、前記センサー手段から入力されるデータが、予め決められた、リーン走行運転の開始から経過した時間を包含するものである、請求項1に記載のエンジン。  2. The engine according to claim 1, comprising a timepiece, and the data input from the sensor means includes a predetermined time elapsed from the start of lean driving. 前記センサー手段が、
マニホルド真空、
点火タイミング、
エンジン速度、
スロットル位置、
前記TWCの上流および/または下流で検出されたラムダ値、
前記エンジン中に噴射された燃料の量、
前記エンジンが排ガス再循環回路を備えてなり、該排ガス再循環回路バルブの位置、
前記エンジンの冷却剤温度、
前記三元触媒の上流および/または下流で検出されたNOxの量、の少なくとも一つを検出するものである、請求項1又は2に記載のエンジン。
The sensor means comprises:
Manifold vacuum,
Ignition timing,
Engine speed,
Throttle position,
Lambda values detected upstream and / or downstream of the TWC,
The amount of fuel injected into the engine,
The engine comprises an exhaust gas recirculation circuit, the position of the exhaust gas recirculation circuit valve,
Coolant temperature of the engine,
The engine according to claim 1 or 2, wherein at least one of the amounts of NOx detected upstream and / or downstream of the three-way catalyst is detected.
ポート燃料噴射エンジン又は直噴式エンジンである、請求項1〜3のいずれか一項に記載のエンジン。  The engine according to any one of claims 1 to 3, which is a port fuel injection engine or a direct injection engine. 液体石油ガス、天然ガス、メタノール、エタノールを包含する炭化水素混合物または水素ガスを燃料とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載のエンジン。  The engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel is a hydrocarbon mixture or hydrogen gas including liquid petroleum gas, natural gas, methanol, ethanol. 前記少なくとも一種の白金族金属が、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミウム又はイリジウム及びそれらのいずれか2種類以上の組合せからなる群から選択されてなる、請求項1〜5のいずれか一項に記載のエンジン。The at least one platinum group metal is selected from the group consisting of platinum, palladium, rhodium, ruthenium, osmium, iridium, and a combination of any two or more thereof. The listed engine. 前記NOx貯蔵成分が、カリウムまたはセシウムから選択されてなるアルカリ金属、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム又はバリウムから選択されてなるアルカリ土類金属、ランタニド族の金属から選択されてなる希土類金属、又はこれらのいずれか2種類以上の組合せを含んでなる、請求項1〜6のいずれか一項に記載のエンジン。  The NOx storage component is an alkali metal selected from potassium or cesium, an alkaline earth metal selected from magnesium, calcium, strontium or barium, a rare earth metal selected from lanthanide group metals, or any of these The engine according to any one of claims 1 to 6, comprising a combination of two or more kinds. 前記三元触媒が、安定化したセリア、ペロブスキー石、NiO、MnO、アルミナ含有混合酸化物上に担持されたマンガン系化合物、マンガンとジルコニウムの混合酸化物、Pr及びこれらの2種類以上の組合せからなる群から選択されてなる酸素貯蔵成分を含んでなる、請求項1〜7のいずれか一項に記載のエンジン。The three-way catalyst is stabilized ceria, perovskite, NiO, MnO 2 , a manganese-based compound supported on an alumina-containing mixed oxide, a mixed oxide of manganese and zirconium, Pr 2 O 3 and these two types The engine according to any one of claims 1 to 7, comprising an oxygen storage component selected from the group consisting of the above combinations. 前記セリアの安定剤が、ジルコニウム、ランタン、アルミニウム、イットリウム、プラセオジムまたはネオジムである、請求項8に記載のエンジン。  The engine of claim 8, wherein the ceria stabilizer is zirconium, lanthanum, aluminum, yttrium, praseodymium or neodymium. 請求項1〜9のいずれか一項に記載のエンジンを備えてなる、車両。  A vehicle comprising the engine according to any one of claims 1 to 9. 排気機構を備えてなる火花点火エンジン用のエンジン制御装置であって、
前記排気機構が、三元触媒を備えてなり、
前記三元触媒が、少なくとも一種の白金族金属及びNOx貯蔵成分を含んでなる第一内側層と、少なくとも一種の白金族金属及び酸素貯蔵成分とを含んでなる第二外側層とを備えてなるものであり、
エンジンの空燃比を制御し、通常走行条件の間は化学量論的空燃比で走行し、及び、エンジン速度/負荷マップの特定部分の間は化学量論的空燃比のリーン側で走行するようし、前記エンジン速度/負荷マップの特定部分が、アイドリング条件であり、及び、
リーン走行運転の間、センサー手段から入力されるデータに応答して、前記三元触媒と接触するNOxの量を決定し、
それによって、前記三元触媒の残留NOx貯蔵容量を決定し、かつ、前記残留NOx貯蔵容量が予め決められた値より低い場合に、空燃比を化学量論に戻すようにプログラムされており、
前記化学量論的走行の際に、前記三元触媒において、前記第二外側層における白金族金属がNOxを還元し、かつ、前記第二外側層における酸素貯蔵成分がNOxを貯蔵することにより、NOxが大気中に放出されるのを実質的に阻止するように設計されてなる、エンジン制御装置。
An engine control device for a spark ignition engine provided with an exhaust mechanism,
The exhaust mechanism comprises a three-way catalyst;
The three-way catalyst comprises a first inner layer comprising at least one platinum group metal and a NOx storage component, and a second outer layer comprising at least one platinum group metal and an oxygen storage component. Is,
Control the air / fuel ratio of the engine, drive at stoichiometric air / fuel ratio during normal driving conditions, and drive on the lean side of the stoichiometric air / fuel ratio during specific parts of the engine speed / load map. And the specific part of the engine speed / load map is the idling condition, and
During lean travel operation, in response to data input from the sensor means, determine the amount of NOx that contacts the three-way catalyst;
Thereby determining the residual NOx storage capacity of the three-way catalyst and, when the residual NOx storage capacity is lower than a predetermined value, programmed to return the air-fuel ratio to stoichiometry,
During the stoichiometric running, in the three-way catalyst, the platinum group metal in the second outer layer reduces NOx, and the oxygen storage component in the second outer layer stores NOx . An engine control device designed to substantially prevent NOx from being released into the atmosphere.
通常走行条件の間は化学量論的空燃比で走行する火花点火エンジンの排ガス処理方法であって、
前記エンジンが、三元触媒を備えてなり、
前記三元触媒が、少なくとも一種の白金族金属及びNOx貯蔵成分を含んでなる第一内側層と、少なくとも一種の白金族金属及び酸素貯蔵成分とを含んでなる第二外側層とを備えてなるものであり、
NOx貯蔵成分を包含する前記三元触媒を備えてなる排気機構を備えてなり、かつ、
エンジン速度/負荷マップの特定部分の間は化学量論的空燃比のリーン側で走行するようにエンジンの空燃比を制御し、前記エンジン速度/負荷マップの特定部分が、アイドリング条件であり、及び、
リーン走行運転の間、センサー手段から入力されるデータに応答して、前記三元触媒と接触するNOxの量を決定し、前記三元触媒の残留NOx貯蔵容量を決定し、かつ、前記残留NOx貯蔵容量が予め決められた値より低い場合に、空燃比を化学量論に戻すことを含んでなり、
前記化学量論的走行の際に、前記三元触媒において、前記第二外側層における白金族金属がNOxを還元し、かつ、前記第二外側層における酸素貯蔵成分がNOxを貯蔵することにより、NOxが大気中に放出されるのを実質的に阻止するように設計されてなる、排ガス処理方法。
An exhaust gas treatment method for a spark ignition engine that travels at stoichiometric air-fuel ratio during normal driving conditions,
The engine comprises a three-way catalyst;
The three-way catalyst comprises a first inner layer comprising at least one platinum group metal and a NOx storage component, and a second outer layer comprising at least one platinum group metal and an oxygen storage component. Is,
An exhaust mechanism comprising the three-way catalyst containing the NOx storage component; and
Controlling the air / fuel ratio of the engine to run on the lean side of the stoichiometric air / fuel ratio during a specific portion of the engine speed / load map , wherein the specific portion of the engine speed / load map is an idling condition; and ,
During lean travel operation, in response to data input from the sensor means, determine the amount of NOx in contact with the three-way catalyst, determine the residual NOx storage capacity of the three-way catalyst, and the residual NOx If storage capacity is lower than a predetermined value, Ri Na comprise returning the air-fuel ratio to stoichiometry,
During the stoichiometric running, in the three-way catalyst, the platinum group metal in the second outer layer reduces NOx, and the oxygen storage component in the second outer layer stores NOx . An exhaust gas treatment method designed to substantially prevent NOx from being released into the atmosphere.
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