JP4765991B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスの浄化を促進するための活性酸素供給手段を備えたエンジンの排気ガス浄化装置に関する。

エンジンの冷間始動時は排気ガス温度が低いことから、触媒の活性化に時間がかかり、排気ガス浄化率が低いことが問題になっている。具体的には、ライトオフと呼ばれる５０％の浄化率が得られる温度まで触媒が昇温するには、一般にはエンジンの始動から数十秒かかる。

これに対して、特許文献１には、活性酸素であるオゾンを利用して排気ガス中のＨＣ（炭化水素）の一部をＣＯに転化し、触媒による排気ガスの浄化効率を高めること、並びに空気中に無声放電してオゾンを生成することが記載されている。

また、特許文献２には、ディーゼルエンジンの排気ガス中にプラズマを発生させることにより、二酸化窒素及びオゾンを発生させ、これらによって、排気ガス中の粒子状物質を酸化させることが記載されている。
特開２００５−２０７３１６号公報 特開２００４−１６９６４３号公報

しかし、無声放電による活性酸素生成装置の場合、空気中の酸素の一部しか活性酸素に転化しないから、その活性酸素と共に酸素の残部も排気通路に供給されることになる。従って、排気通路の三元触媒にその上流側から活性酸素を供給するようにした場合、三元触媒は残酸素の影響により酸素過剰の排気ガスに晒されることになり、ＮＯｘ（窒素酸化物）の還元浄化には不利になる。

特に、三元触媒による排気ガス浄化効率を高めるべく、排気ガスの空燃比をリーンとリッチとに交互に変化させる空燃比変調制御を行なった場合、リーン時には活性酸素と共に供給される残酸素により過度のリーンになり、三元触媒によるＮＯｘの浄化を期待することができなくなる。

これに対して、三元触媒にＮＯｘ吸蔵材を含ませることが考えられるが、そのようなＮＯｘ吸蔵材もＮＯｘ吸蔵可能な温度になるまでは十分に機能しない。

このように、単に活性酸素を三元触媒にその上流側から供給するだけでは、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの全てを効率良く浄化することはできない。

本発明は、このような課題に対して、三元触媒よりも下流側の排気通路にＮＯｘ吸蔵材を配置し、排気ガスの空燃比がリッチのときは三元触媒にその上流側から活性酸素を供給し、リーンになったときは活性酸素を三元触媒の下流側からＮＯｘ吸蔵材に供給するようにした。

すなわち、請求項１に係る発明は、エンジンの排気通路に三元触媒とＮＯｘ吸蔵材とが排気ガス流れの上流側から順に配設されている排気ガス浄化装置であって、
上記三元触媒に活性酸素を供給すべく該三元触媒よりも上流側の上記排気通路に配置された第１活性酸素供給部と、
上記ＮＯｘ吸蔵材に活性酸素を供給すべく該ＮＯｘ吸蔵材と上記三元触媒との間の上記排気通路に配置された第２活性酸素供給部とを備え、
上記第１活性酸素供給部による活性酸素の供給は上記エンジンから排出される排気ガスの空燃比がリッチであるときに実行され、上記第２活性酸素供給部による活性酸素の供給は上記排気ガスの空燃比がリーンであるときに実行されることを特徴とする。

従って、排気ガスの空燃比がリッチのときは三元触媒にその上流側から活性酸素が供給される。この活性酸素により排気ガス中のＨＣ及びＣＯの酸化燃焼が進み、また、三元触媒でのＨＣやＣＯの酸化燃焼が促進される。この酸化燃焼によって発生する熱により、ＮＯｘ吸蔵材に流れる排気ガス温度が高くなり、該ＮＯｘ吸蔵材の昇温が図れる。

一方、排気ガスの空燃比がリーンのときは、活性酸素が三元触媒の下流側からＮＯｘ吸蔵材に供給される。従って、三元触媒で浄化されずにＮＯｘ吸蔵材へ流れる排気ガス中のＮＯが当該活性酸素によってＮＯｘ吸蔵材に吸蔵され易いＮＯ_２ないしはＮＯ_３ ⁻に酸化される。このＮＯの酸化と、上述のＮＯｘ吸蔵材の昇温とによって、このＮＯｘ吸蔵材によるＮＯｘの吸蔵効率が高まる。

しかも、排気ガスの空燃比がリーンのときには三元触媒には活性酸素が供給されないから、この三元触媒の雰囲気が過度のリーンになることがなく、該三元触媒によるＮＯｘの浄化効率が大きく低下することは避けられる。

請求項２に係る発明は、請求項１において、
上記第１活性酸素供給部よりも上流側の上記排気通路において排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段を備え、該空燃比検出手段によって検出される排気ガスの空燃比に基いて、上記第１及び第２の活性酸素供給部による活性酸素の供給が実行されることを特徴とする。

従って、エンジンから排出される排気ガスの空燃比の変動に応じて、リッチ時には三元触媒にその上流側から活性酸素が供給され、リーン時には三元触媒の下流側においてＮＯｘ吸蔵材に活性酸素が供給されるように、活性酸素の供給を上記第１活性酸素供給部側と第２活性酸素供給部側とで切り換えることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２において、
上記三元触媒と上記第２活性酸素供給部との間の上記排気通路において排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段を備え、該空燃比検出手段によって検出される排気ガスの空燃比のリーン度合いに応じて、上記第２活性酸素供給部による活性酸素の供給量が補正されることを特徴とする。

すなわち、上記活性酸素の供給切換えは、エンジンの運転状態（燃料供給制御）に基いて排気ガスの空燃比を検出（推定）して実行することができ、或いはエンジンがリッチ・リーンを周期的に繰り返すように制御されているときは、タイマーによって当該供給切換えを行なうことができ、或いは請求項２のように第１活性酸素供給部よりも上流側の排気ガスの空燃比を空燃比検出手段で検出して当該供給切換えを行なうことができる。

しかし、第２活性酸素供給部からの活性酸素の供給は、排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯｘ吸蔵材に吸蔵され易くするためであるから、効率の良いＮＯｘ吸蔵の実現には三元触媒を通過した排気ガスの空燃比が問題になる。

これに対して、排気ガスの流れは常に一定であるわけではなく、エンジンの運転状態によって流量ないしは流速が変化する。このため、排気ガスは、三元触媒を通過することにより、エンジンの運転状態によって、或いは第１活性酸素供給部よりも上流側の空燃比検出手段等によって把握されるリーン状態とは異なるリーン状態になることがある。

そこで、本発明では、リーン時に実行する活性酸素の供給については、三元触媒を通過した排気ガスの空燃比を検出し、そのリーン度合いに応じて、ＮＯｘ吸蔵に有利になるように、その供給量を補正するようにした。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段と、
上記排気ガス温度検出によって検出される排気ガス温度が所定値以上のときに、上記三元触媒よりも下流側から上記ＮＯｘ吸蔵材をバイパスして排気ガスを排出するバイパス通路とを備えていることを特徴とする。

すなわち、ＮＯｘ吸蔵材は、三元触媒の活性が低いときにＮＯｘを吸蔵するためのものであるが、排気ガス温度が高くなると、三元触媒の活性が高くなってＮＯｘが還元浄化されるから、ＮＯｘ吸蔵材の必要性は小さくなる。かえって、このＮＯｘ吸蔵材の存在によってエンジンの背圧が高くなる不具合がある。

そこで、本発明では、排気ガス温度が所定値以上になったときは、バイパス通路により、ＮＯｘ吸蔵材をバイパスして排気ガスを排出するようにして、上記背圧の上昇を抑え、燃費の悪化を避けるようにした。

以上のように、請求項１に係る発明によれば、排気ガスの空燃比がリッチであるときは三元触媒にその上流側から活性酸素が供給され、該空燃比がリーンであるときは三元触媒の下流側からＮＯｘ吸蔵材に活性酸素が供給されるように排気ガス浄化装置を構成したから、エンジンの冷間始動時に排気ガスの空燃比が変動するケースにおいて、活性酸素を利用してＨＣ及びＣＯの浄化効率を高めることができるとともに、三元触媒でのＮＯｘ浄化効率が大きく低下することを避けながら、ＮＯｘ吸蔵材でＮＯｘの吸蔵効率を高めることができ、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの排出を防止する上で有利になる。

請求項２に係る発明によれば、三元触媒に活性酸素を供給するための第１活性酸素供給部よりも上流側において排気ガスの空燃比を検出し、これに基いて三元触媒への活性酸素の供給とＮＯｘ吸蔵材への活性酸素の供給とが実行されるように排気ガス浄化装置を構成したから、エンジンから排出される排気ガスの空燃比の変動に応じて、リッチ時には三元触媒に活性酸素が供給され、リーン時にはＮＯｘ吸蔵材に活性酸素が供給されるように、活性酸素の供給を切り換えることができる。

請求項３に係る発明によれば、は、請求項１又は請求項２において、
ＮＯｘ吸蔵材に活性酸素を供給するための第２活性酸素供給部と三元触媒との間で排気ガスの空燃比を検出し、そのリーン度合いに応じて、ＮＯｘ吸蔵材への活性酸素の供給量が補正されるように排気ガス浄化装置を構成したから、排気ガスの流量ないしは流速等の変化に拘わらず、ＮＯｘ吸蔵材への活性酸素の供給を適切に制御して、該ＮＯｘ吸蔵材によるＮＯｘ吸蔵効率に高めることができる。

請求項４に係る発明によれば、排気ガス温度が所定値以上になったときは、バイパス通路により、ＮＯｘ吸蔵材をバイパスして排気ガスを排出するように排気ガス浄化装置を構成したから、エンジンの背圧の上昇を抑え、燃費の悪化を避けることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１に示すエンジンの排気ガス浄化装置において、１はエンジン、２はその排気通路である。この排気通路２には、三元触媒３とＮＯｘ吸蔵触媒４とが、前者が排気ガス流れの上流側に、後者が下流側になるように、排気ガス流れ方向に並べて配設されている。三元触媒３よりも上流側の排気通路２には第１活性酸素供給部５が設けられ、三元触媒３とＮＯｘ吸蔵触媒４との間の排気通路２には第２活性酸素供給部６が設けられている。

三元触媒３は、コージェライト等によるハニカム担体に触媒層が形成されたものであり、その触媒層はＣｅＺｒ系複酸化物等のＯＳＣ（酸素吸蔵材）と、Ｐｔ等の触媒金属とを含有する。ＮＯｘ吸蔵触媒４は、コージェライト等によるハニカム担体に触媒層が形成されたものであり、その触媒層はＮＯｘ吸着材として働くアルカリ土類金属と、Ｐｔ等の触媒金属とを含有する。

第１活性酸素供給部５は、活性酸素生成装置７によって生成された活性酸素を三元触媒３にその上流側から供給するためのものであり、第２活性酸素供給部６は、上記活性酸素を三元触媒３の下流側からＮＯｘ吸蔵触媒４に供給するためのものである。この両活性酸素供給部５，６は、活性酸素生成装置７より延びる活性酸素供給路８を途中で分岐させて排気通路２に接続することによって構成されている。

活性酸素生成装置７は、空気に無声放電をすることによって活性酸素としてのオゾンを生成するものであり、該装置７に空気を供給するポンプ９が接続されている。活性酸素供給路８の分岐部には活性酸素の供給方向を第１活性酸素供給部５側と第２活性酸素供給部６側とで切り換える通路切換えバルブ１１が設けられている。活性酸素生成装置７では、ポンプ９で送られる空気中の酸素の一部しか活性酸素に転化しないから、その活性酸素と共に酸素の残部及び窒素（以下、「残空気」という。）も活性酸素供給路８により排気通路２に供給される。

排気通路２には、ＮＯｘ吸蔵触媒４をバイパスして排気ガスを排出するためのバイパス通路１２が設けられている。このバイパス通路１２の上流端は、ＮＯｘ吸蔵触媒４と第２活性酸素供給部６との間の排気通路２に接続され、下流端はＮＯｘ吸蔵触媒４よりも下流側の排気通路２に接続されている。バイパス通路１２の上流端には排気ガスのバイパス量を調節する流量制御バルブ１３が設けられている。

活性酸素生成装置７、ポンプ９、通路切換えバルブ１１及び流量制御バルブ１３は、マイクロコンピュータを利用したコントローラ（エンジンコントロールユニット）１５によって作動が制御される。その制御のために、第１活性酸素供給部５よりも上流側において排気ガスの空燃比を検出する第１空燃比検出手段１６と、三元触媒３と第２活性酸素供給部６との間において排気ガスの空燃比を検出する第２空燃比検出手段１７と、三元触媒３よりも上流側（三元触媒３と第１活性酸素供給部５との間）において排気ガスの温度を検出する温度検出手段１８とが設けられている。

図２はコントローラ１５による制御の態様を示すフロー図である。スタート後のステップＳ１において温度検出手段１８によって検出される排気ガス温度Ｔ、第１空燃比検出手段１６によって検出される上流側空燃比及び第２空燃比検出手段１７によって検出される下流側空燃比を読み込む。

続くステップＳ２で排気ガス温度Ｔが所定値Ｔｏ以下であるか否かが判定され、所定値Ｔ_Ｏ以下であるときにステップＳ３に進み、流量制御バルブ１３によってバイパス通路１２が閉じられる。すなわち、エンジン始動時のように排気ガス温度が低いときは三元触媒３だけでなくＮＯｘ吸蔵触媒４を排気ガス浄化に利用するものである。

続くステップＳ４で第１空燃比検出手段１６によって検出される上流側の排気ガス空燃比がリッチであるか否かが判定され、リッチであるときはステップＳ５に進み、通路切換えバルブ１１は第１活性酸素供給部５側へ、すなわち三元触媒３側へ活性酸素を供給するように制御される。この活性酸素の供給により、排気ガス中のＨＣ及びＣＯの酸化燃焼が進み、また、三元触媒でのＨＣやＣＯの酸化燃焼が促進される。このＨＣ及びＣＯの酸化燃焼によって発生する熱により、ＮＯｘ吸蔵触媒４に流れる排気ガス温度が高くなり、該ＮＯｘ吸蔵触媒４の昇温が図れる。

続くステップＳ６で排気ガス温度Ｔが所定値Ｔ_１以上であるか否かが判定され、所定値Ｔ_１以上であるときはステップＳ７に進み、流量制御バルブ１３によってバイパス通路１２が開とされる。ここに、Ｔ_１＞Ｔ_Ｏである。すなわち、排気ガス温度Ｔが所定値Ｔ_１以上になったときは、三元触媒３がそのライトオフ温度を超えて活性状態になったことを意味し、その場合はバイパス通路１２が開（ＮＯｘ吸蔵触媒４側の通路は閉）とされ、ＮＯｘ吸蔵触媒４によってエンジンの背圧が高くなることを避け、エンジンの燃費の向上を図るものである。

ステップＳ４において、上流側の排気ガス空燃比がリッチではないと判定されたときはステップＳ８に進み、該空燃比がリーンであるか否かが判定される。リーンであるときはステップＳ９に進み、通路切換えバルブ１１は第２活性酸素供給部６側へ、すなわちＮＯｘ吸蔵触媒４側へ活性酸素を供給するように制御される。さらにステップＳ１０に進み、第２空燃比検出手段１７によって検出される下流側空燃比の検出値（リーン度合い）に応じて活性酸素（オゾン）の供給量が補正される。すなわち、リーン度合いが低いときは、活性酸素生成装置７の出力電圧を高めて活性酸素生成量を増大させることにより、ＮＯｘ吸蔵触媒４に供給される活性酸素量を増やし、或いは該出力電圧を高めるとともに、ポンプ９による空気供給量を多くして、ＮＯｘ吸蔵触媒４に供給される活性酸素量及び空気量を増やす。これにより、ＮＯｘ吸蔵触媒４に流入する排気ガス中のＮＯがＮＯ_２ないしはＮＯ_３ ⁻に酸化され易くなり、該ＮＯｘ吸蔵触媒４に効率良く吸蔵される。

続くステップＳ１１で排気ガス温度Ｔが所定値Ｔ_１以上であるか否かが判定され、所定値Ｔ_１以上であるときはステップＳ７に進み、流量制御バルブ１３によってバイパス通路１２が開とされる。

ステップＳ８において、上流側空燃比がリーンではないと判定されたときはステップＳ１２に進み、排気ガス温度Ｔが所定値Ｔ_１以上であるか否かが判定され、所定値Ｔ_１以上であるときはステップＳ７に進み、流量制御バルブ１３によってバイパス通路１２が開とされる。

ＮＯｘ吸蔵触媒４のＮＯｘ吸蔵量が多くなってくると、排気ガスの空燃比がストイキないしはリッチになったときに放出されるが、そのＮＯｘは活性が高くなっているＮＯｘ吸蔵触媒４の触媒金属によって還元浄化される。

図３は上記制御による第２活性酸素供給部６よりも下流側での排気ガスの空燃比の経時変化を実線で示している。２点鎖線は空燃比変調制御によってエンジン１から排出される排気ガスの空燃比変化である。

すなわち、２点鎖線で示すように、エンジン排気ガスの空燃比が一定周期（例えば１Ｈｚ）でリッチ・リーンに交互に変化するとき、リーン時には三元触媒３の下流側においてＮＯｘ吸蔵触媒４に活性酸素及び残空気が供給されることにより、排気ガス空燃比のリーン度合いが高くなる。このとき、三元触媒３の下流側において排気ガス中のＮＯが活性酸素によって酸化されることにより、ＮＯｘ吸蔵触媒４によるＮＯｘ吸蔵効率が高まるものである。

一方、リッチ時には三元触媒３に活性酸素及び残空気が供給されることにより、排気ガス空燃比はストイキレベルまで上昇する。このとき、三元触媒３に供給される排気ガス中のＨＣ及びＣＯが活性酸素によって酸化され、それによって排気ガス温度が高まるため、三元触媒でもＨＣやＣＯの酸化燃焼、ＮＯｘの還元が進む。さらに、ＮＯｘ吸蔵触媒４に流れる排気ガス温度が高くなるため、ＮＯｘ吸蔵触媒４の昇温が図れ、ＮＯｘの吸蔵に有利になるものである。

なお、排気ガス温度Ｔが所定値Ｔ_１以上になったときは、ＮＯｘ吸蔵触媒４を通過する排気が流量が少なくなるように、排気ガスの一部をバイパス通路１２に流すようにしてもよい。

本発明に係る排気ガス浄化装置の構成を示す図である。 同装置の制御フロー図である。 同制御による排気ガス空燃比の経時変化を示す図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 排気通路
３ 三元触媒
４ ＮＯｘ吸蔵触媒
５ 第１活性酸素供給部
６ 第２活性酸素供給部
７ 活性酸素生成装置
１１ 通路切換えバルブ
１２ バイパス通路
１３ 流量制御バルブ
１５ コントローラ
１６ 第１空燃比検出手段
１７ 第２空燃比検出手段
１８ 排気ガス温度検出手段

Claims (4)

1. エンジンの排気通路に三元触媒とＮＯｘ吸蔵材とが排気ガス流れの上流側から順に配設されている排気ガス浄化装置であって、
   上記三元触媒に活性酸素を供給すべく該三元触媒よりも上流側の上記排気通路に配置された第１活性酸素供給部と、
   上記ＮＯｘ吸蔵材に活性酸素を供給すべく該ＮＯｘ吸蔵材と上記三元触媒との間の上記排気通路に配置された第２活性酸素供給部とを備え、
   上記第１活性酸素供給部による活性酸素の供給は上記エンジンから排出される排気ガスの空燃比がリッチであるときに実行され、上記第２活性酸素供給部による活性酸素の供給は上記排気ガスの空燃比がリーンであるときに実行されることを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 請求項１において、
   上記第１活性酸素供給部よりも上流側の上記排気通路において排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段を備え、該空燃比検出手段によって検出される排気ガスの空燃比に基いて、上記第１及び第２の活性酸素供給部による活性酸素の供給が実行されることを特徴とする排気ガス浄化装置。
3. 請求項１又は請求項２において、
   上記三元触媒と上記第２活性酸素供給部との間の上記排気通路において排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段を備え、該空燃比検出手段によって検出される排気ガスの空燃比のリーン度合いに応じて、上記第２活性酸素供給部による活性酸素の供給量が補正されることを特徴とする排気ガス浄化装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
   排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段と、
   上記排気ガス温度検出によって検出される排気ガス温度が所定値以上のときに、上記三元触媒よりも下流側から上記ＮＯｘ吸蔵材をバイパスして排気ガスを排出するバイパス通路とを備えていることを特徴とする排気ガス浄化装置。

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