JP5358629B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
そこで本発明では、従来、NOxの浄化効率が大きく低下していた燃料カットから復帰後の所定時間の間、排気浄化触媒上でSR反応が進行して水素が生成するように、内燃機関の燃焼室内における混合気(以下、「混合気」という)の空気過剰率を制御した。即ち、SR反応の反応種となる炭化水素(以下、「HC」という)が排気浄化触媒に供給されるように、混合気の空気過剰率を制御した。
これにより、従来、NOxの浄化効率が大きく低下していた燃料カットから復帰後の所定時間の間において、排気浄化触媒上でSR反応を進行させて水素を生成させることができ、NOxを効率良く浄化できる。
図1は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置1の構成を示す図である。内燃機関(以下、「エンジン」という)2は、多気筒(例えば、4気筒)のガソリンエンジンであり、図示しないインジェクタからの燃料噴射量は、後述する電子制御ユニット(以下、「ECU」という)5によって設定される。また、インジェクタの開弁時間は、設定された燃料噴射量が得られるように、ECU5からの駆動信号により制御される。
また、触媒担体の表面には、アルカリ土類金属のリン酸塩、具体的にはリン酸Ba層が形成されており、これによりAl2O3及びCeO2のリン被毒が抑制される。
図2(A)は、従来の三元触媒の構成を模式的に示した図であり、図2(B)は、本実施形態に係る第1TWC41及び第2TWC42の構成を模式的に示した図である。
また、OSC材のCe含有酸化物に担持された金属状態のRhは、経時にて、Ce含有酸化物に被覆される。
このように従来の三元触媒は、経時にて、NOx浄化の活性点となる金属状態のRhが減少する結果、NOx浄化性能が低下する特性を有する。
このように本実施形態に係る第1TWC41及び第2TWC42では、NOx浄化の活性点となる金属状態のRhが維持される結果、高いNOx浄化性能が維持される。また、Zrの凝集が抑制され、高い耐熱性が発揮される。
クランク角センサは、エンジン2のクランク軸の回転角度を検出するとともに、クランク角6度毎にパルスを発生し、そのパルス信号をECU5に供給する。エンジン2の回転数は、このパルス信号に基づいてECU5により算出される。
以上のようなハードウェア構成により、ECU5には、エンジン2の混合気の空気過剰率を制御することでNOxを効率良く浄化するためのモジュールとして、図示しない空気過剰率制御部が設けられている。
ここで、「空気過剰率」とは、混合気の空燃比を理論空燃比で割った値である。また、「リッチ」とは、完全燃焼反応における化学量論比であるストイキに対して、空燃比が小さい(燃料濃度が高い)状態を意味する。
図4は、本実施形態に係る排気浄化装置1の混合気の空燃比と、排気中のHC濃度及びNOx濃度との関係を示す図である。図4において、Feed_HCとは、排気管4の上流側に設けられた第1TWC41に供給された排気中のHC濃度であり、Feed_NOxとは、第1TWC41に供給された排気中のNOx濃度である。また、F/Cとは、燃料カットを表し、図4中の矢印で示された時間、燃料カットが実行されていることを意味する。
次いで、燃料の供給を開始するとともに、空気過剰率制御部によって、燃料の供給開始直後から所定時間の間(図4中の斜線領域)、混合気の空燃比(図4では目標A/F)をリッチ(即ち、空気過剰率が1未満)に制御する。すると、Feed_NOxはほとんど上昇しない一方で、Feed_HCは急激に上昇する。即ち、NOxの発生が抑制されるとともに、多量のHCが第1TWC41や第2TWC42に供給され、NOxが還元浄化される。
先ず、燃料カットから復帰直後の混合気の空燃比を、従来通りストイキに制御する以外は排気浄化装置1と同様の構成を備える排気浄化装置を用い、燃料カット前後における排気中のNOx濃度及び水素濃度を調査した。
図5において、Feed_NOxとは、第1TWC41に供給された排気中のNOx濃度であり、CAT後_NOxとは、第2TWC42を通過後の排気中のNOx濃度である。同様に図6において、Feed_H2とは、第1TWC41に供給された排気中のH2濃度であり、CAT後_H2とは、第2TWC42を通過後の排気中のH2濃度である。
これらの結果から、燃料カットから復帰直後は、第1TWC41及び第2TWC42が酸素過剰状態にあるため、第1TWC41及び第2TWC42のうち少なくともいずれかにおいてSR反応による水素を生成させないと、NOxを十分に還元浄化できないことが示唆される。
図7は、燃料カットから復帰直後の所定時間の間、混合気の空気過剰率を0.9(即ち、空燃比をストイキに対して10%リッチ)に制御したときの排気中のNOx濃度の挙動を示す図である。また、図8は、このときの排気中の水素濃度の挙動を示す図である。
図7におけるFeed_NOx及びCAT後_NOxは、図5と同様のものを表しており、図8にけるFeed_H2及びCAT後_H2は、図6と同様のものを表している。
これらの結果から、燃料カットから復帰直後の所定時間の間、第1TWC41及び第2TWC42の少なくともいずれかにおいてSR反応が進行して水素が生成するように、混合気の空気過剰率を制御することにより、NOxを効率良く浄化できることが検証された。
図9は、混合気の空気過剰率と第2TWC42を通過後の排気中の水素濃度との関係を示す図である。また、図10は、混合気の空気過剰率と第2TWC42を通過後の排気中のNOx濃度との関係を示す図である。
また図10に示すように、混合気の空気過剰率が0.8〜0.9のときに、第2TWC42を通過後の排気中のNOx濃度が最も低く、このときにNOxが最も効率良く浄化されることが分かる。
これらの結果から、燃料カットから復帰直後の所定時間の間、混合気の空気過剰率を0.8〜0.9の範囲内に制御することにより、NOxをより効率良く浄化できることが検証された。
本実施形態では、排気浄化触媒として、ランタノイド及びZrを含む複合酸化物にRhが担持された第1TWC41及び第2TWC42を用いた。これにより、従来問題となっていたRhのAl2O3中への固溶やCe含有酸化物によるRhの被覆を回避でき、金属状態のRhを維持できる。ここで、金属状態のRhは、SR反応を効率良く進行させる特性を有し、このSR反応により生成する水素は、NOxの還元剤として作用する。
そこで本実施形態では、従来、NOxの浄化効率が大きく低下していた燃料カットから復帰直後の所定時間の間、第1TWC41及び第2TWC42のうち少なくともいずれかにおいてSR反応が進行して水素が生成するように、混合気の空気過剰率を制御した。即ち、SR反応の反応種となるHCが少なくとも第1TWC41に供給されるように、混合気の空気過剰率を制御した。
これにより、従来、NOxの浄化効率が大きく低下していた燃料カットから復帰直後の所定時間の間において、第1TWC41及び第2TWC42のうち少なくともいずれかにおいてSR反応を進行させて水素を生成させることができ、NOxを効率良く浄化できる。
例えば上記実施形態では、排気浄化触媒として、第1TWC41及び第2TWC42の2ベッドを採用したがこれに限定されず、1ベッドとしてもよい。
2…エンジン(内燃機関)
4…排気管(排気通路)
5…ECU(空気過剰率制御手段)
41…第1TWC(排気浄化触媒)
42…第2TWC(排気浄化触媒)
Claims (1)
- 内燃機関の排気通路に設けられ、ランタノイド及びZrを含む複合酸化物にRhが担持された排気浄化触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、
燃料カットから復帰後の所定時間の間、前記排気浄化触媒上で水蒸気改質反応が進行して水素が生成するように、前記内燃機関の燃焼室内における混合気の空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段を備え、
前記排気浄化触媒は、支持体上に形成され且つAl 2 O 3 及びCeO 2 からなる触媒担体にPdが担持された第1触媒層と、当該第1触媒層上に形成され且つ前記ランタノイド及びZrを含む複合酸化物からなる触媒担体にRhが担持された第2触媒層と、有し、
前記空気過剰率制御手段は、燃料カットから復帰後の所定時間の間、前記燃焼室内における混合気の空気過剰率を0.8〜0.9の範囲内に制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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