JP5366976B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。特に、排気通路を流通する排気を浄化する触媒コンバータを備えるものに関する。

従来、内燃機関の排気系には、排気を浄化するために触媒コンバータが設けられる。この触媒コンバータは、例えば、白金、パラジウム、及びロジウムなどの貴金属を活性種とする三元触媒を担体で担持することにより構成される。三元触媒は、排気中の一酸化炭素（以下、「ＣＯ」という）、非メタン炭化水素（以下、「ＮＭＯＧ（Non Methane Organic Gas）」という）、及び窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という）の３種を無害な成分に変化させることにより排気を浄化する。

ところで、近年では、排気の浄化性能を向上するために、触媒コンバータを２段で構成した排気浄化装置が提案されている（特許文献１参照）。この排気浄化装置では、触媒コンバータを２段で構成するとともに、上流側の触媒コンバータに含まれるセリアの量を、下流側の触媒コンバータに比べて多くする。これにより、異臭の原因となる硫化水素の発生を抑制することができる。
特開２００７−１１１６５０号公報

ところで、三元触媒には、ウィンドウと呼ばれる理論空燃比を中心とした空燃比の幅内で燃焼させた場合に、排気を効果的に浄化するという特性がある。しかしながら、実際には、車両の運転状態に応じて空燃比がウィンドウから外れてしまい、浄化性能が大きく低下する場合がある。

そこで、従来、セリアなどの酸素吸蔵能のある成分を多く加えたり、触媒貴金属の量を増やしたりすることでウィンドウの幅を広げ、三元触媒による浄化性能の低下を防止する技術が提案されている。しかしながら、触媒コンバータに用いられる白金、パラジウム、及びロジウムなどの触媒貴金属は、非常に高価なものであるため、コストを低減するためには、その使用量を出来るだけ少なくすることが好ましい。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、浄化性能を低下することなく、触媒コンバータの触媒貴金属の使用量を低減できる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（１）の排気通路に設けられ、当該排気通路を流通する排気を浄化する触媒コンバータ（３）を備え、前記触媒コンバータは、ＮＯｘ浄化能を有する触媒貴金属に加えて酸素吸蔵能を有する成分を含有するとともに、上流触媒コンバータ（３１）と、当該上流触媒コンバータよりも下流側に設けられた下流触媒コンバータ（３２）とを含む内燃機関の排気浄化装置（２）を提供する。前記上流触媒コンバータは前記下流触媒コンバータよりも前記酸素吸蔵能を有する成分を多く含み、かつ、前記下流触媒コンバータは前記上流触媒コンバータよりも前記ＮＯｘ浄化能を有する触媒貴金属を多く含む。前記排気浄化装置は、前記上流触媒コンバータに流入する排気の成分に応じた信号（ＫＡＣＴ）を出力する上流排気センサ（６１）と、前記下流触媒コンバータに流入する排気の成分に応じた信号（ＶＯ２）を出力する下流排気センサ（６２）と、前記上流排気センサ及び前記下流排気センサから出力された信号に基づいて、前記下流触媒コンバータに流入する排気の空燃比が理論空燃比の近傍に設定された目標値に一致するように内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御手段（５，５１，５２）と、をさらに備える。

本発明によれば、排気を浄化する触媒コンバータを、上流触媒コンバータと下流触媒コンバータとの２段で構成し、さらに、上流触媒コンバータの酸素吸蔵能を有する成分の含有量を、下流触媒コンバータの酸素吸蔵能を有する成分の含有量よりも多くした。これにより、上流触媒コンバータに流入する排気の空燃比が不安定な場合であっても、その下流側の排気、すなわち下流触媒コンバータに流入する排気の空燃比を安定させることができる。また、これに加えて、下流触媒コンバータの熱容量を小さくし、下流触媒コンバータの昇温性能を向上することができる。
また、本発明によれば、上流排気センサ及び下流排気センサを設け、これらセンサから出力された信号に基づいて、下流触媒コンバータに流入する排気の空燃比が理論空燃比の近傍に設定された目標値に一致するように内燃機関の空燃比を制御する。これにより、下流触媒コンバータに流入する排気の空燃比を理論空燃比の近傍でさらに安定させることができる。
以上のように、本発明によれば、下流触媒コンバータに流入する排気の空燃比を理論空燃比の近傍に安定させることができるので、特に下流触媒コンバータにより効率的に排気を浄化することが可能となる。つまり、上流触媒コンバータ及び下流触媒コンバータ全体として余分な触媒貴金属を加えることなく、排気の浄化性能を維持することができる。換言すれば、上述の従来の排気浄化装置と比較して、排気の浄化性能を低下することなく、触媒貴金属の使用量を低減することができる。
また、本発明によれば、下流触媒コンバータのＮＯｘ浄化能を有する触媒貴金属の含有量を、上流触媒コンバータの含有量よりも多くした。上述のように、本発明では、下流触媒コンバータに流入する排気の空燃比を理論空燃比の近傍で安定させることができる。したがって、空燃比が安定した下流触媒コンバータの触媒貴金属の含有量を多くすることにより、全体として触媒貴金属を効率的に使用することができる。したがって、触媒貴金属の使用量をさらに低減できる。また、上流触媒コンバータは下流触媒コンバータよりも内燃機関に近いため、熱劣化による影響が大きい。したがって、上流触媒コンバータの触媒貴金属の含有量を下流触媒コンバータよりも少なくすることにより、全体としての触媒貴金属の熱劣化による影響を小さくすることができる。したがって、触媒コンバータによる浄化性能をより長く維持することができる。

この場合、前記ＮＯｘ浄化能を有する触媒貴金属は、ロジウム、パラジウム、及び白金よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含むことが好ましい。

本発明によれば、触媒貴金属として、ロジウム、パラジウム、及び白金よりなる群から選ばれる少なくとも１種を用いる。これにより、触媒コンバータによるＮＯｘ浄化性能を確保することができる。

この場合、前記酸素吸蔵能を有する成分は、セリウム、及びジルコニウムよりなる群から選ばれる少なくとも１種を含むことが好ましい。

本発明によれば、酸素吸蔵能を有する成分として、セリウム、及びジルコニウムよりなる群から選ばれる少なくとも１種を用いる。これにより、触媒コンバータによる酸素吸蔵能を確保することができる。

この場合、前記上流触媒コンバータは、担体（３１１）と、この担体に層状に担持された３層の触媒層（３１Ｌ）とを含み、前記上流触媒コンバータの３層の触媒層は、パラジウムを含む第１層（３１２）と、ロジウムを含む第２層（３１３）と、パラジウムを含む第３層（３１４）と、を担体側から表面側へ向かいこの順で含んで構成されることが好ましい。

本発明によれば、上流触媒コンバータの触媒層を３層で構成するとともに、担体側から表面側へ向かって順に、第１層にパラジウムを含め、第２層にロジウムを含め、第３層にパラジウムを含めた。ところで、ＮＯｘ浄化能を有する触媒貴金属の中でも、特にロジウムが高価でありかつ浄化性能が高い。このため、ロジウムは、その使用量を出来るだけ少なくしながら、燐や硫黄による被毒を出来るだけ避ける必要がある。本発明では、ロジウムを最も表面側ではない第２層に設けることにより、ロジウムの燐や硫黄による被毒を抑制することができる。したがって、触媒コンバータ全体としてのＮＯｘ浄化性能を安定させることができる。

この場合、前記下流触媒コンバータは、担体（３２１）と、この担体に層状に担持された２層の触媒層（３２Ｌ）とを含み、前記下流触媒コンバータの２層の触媒層は、パラジウムを含む第１層（３２２）と、ロジウムを含む第２層（３２３）と、を担体側から表面側へ向かいこの順で含んで構成されることが好ましい。

本発明によれば、下流触媒コンバータの触媒層を２層で構成するとともに、担体側から表面側へ向かって順に、第１層にパラジウムを含め、第２層にロジウムを含めた。このように、触媒層を２層で構成することにより、上流触媒コンバータと比較して熱容量を小さくできる。これにより、下流触媒コンバータを速やかに昇温し、活性化することができる。また、最も表面側となる第２層に、特に浄化性能が高いロジウムを設けることにより、効率的にＮＯｘを浄化することができる。
ところで、最も表面側となる第２層にロジウムを設けることにより、ロジウムの燐や硫黄による被毒の影響が懸念される。しかしながら、下流触媒コンバータには、上流触媒コンバータを通過した排気が流入するので、上流触媒コンバータと比較して、燐や硫黄による被毒の影響は小さい。したがって、長期間に亘って効率的に排気を浄化することができる。

この場合、前記上流触媒コンバータ及び前記下流触媒コンバータは、それぞれ、担体（３１１，３２１）と、この担体に層状に担持された複数の触媒層（３１Ｌ，３２Ｌ）を含み、前記上流触媒コンバータの複数の触媒層のうち最も表面側（３１４）の層にはロジウムが含まれておらず、前記下流触媒コンバータの複数の触媒層のうち最も表面側の層（３２３）にはロジウムが含まれていることが好ましい。

本発明によれば、上流触媒コンバータを、担体と、この担体に担持された複数の触媒層で構成するとともに、最も表面側の層にはロジウムを含めない。これにより、触媒貴金属として特に高価でありかつ浄化性能が高いロジウムの燐や硫黄による被毒を抑制することができる。
また、本発明によれば、下流触媒コンバータを、担体と、この担体に担持された複数の触媒層で構成するとともに、最も表面側の層にロジウムを含める。これにより、浄化性能の高いロジウムにより効率的に排気を浄化することができる。ここで、最も表面側にロジウムを設けることにより、ロジウムの燐や硫黄による被毒の影響が懸念されるものの、下流触媒コンバータは、上流触媒コンバータを通過した排気が流入するので、上流触媒コンバータと比較して、燐や硫黄による被毒の影響は小さい。したがって、長期間に亘って効率的に排気を浄化することができる。

この場合、前記上流触媒コンバータ及び前記下流触媒コンバータは、ともに前記内燃機関の直下に設けられることが好ましい。

本発明によれば、上流触媒コンバータ及び下流触媒コンバータを内燃機関の直下に設けることにより、昇温しにくい下段の下流触媒コンバータを速やかに昇温することができる。これにより、車両の始動直後などの低温時における浄化性能の低下を防止できる。

本発明の一実施形態に係るエンジン及びその排気浄化装置の構成を示す模式図である。 上記実施形態に係る触媒コンバータユニットの構成を示す側面図である。 上記実施形態に係る上流触媒コンバータの構成を示す断面図である。 上記実施形態に係る下流触媒コンバータの構成を示す断面図である。 上記実施形態に係る排気の浄化に関わる反応を模式的に示した図である。 上記実施形態に係る排気の浄化に関わる反応を模式的に示した図である。 上記実施形態に係る上流触媒コンバータの温度の変動を示す図である。 上記実施形態に係る下流触媒コンバータの温度の変動を示す図である。 ＮＯｘの単位時間当りの排出量を示す図である。 各触媒貴金属のＮＭＯＧ浄化率の温度依存性を示す図である。 各触媒貴金属のＮＯｘ浄化率の温度依存性を示す図である。 ロジウムのＮＯｘ浄化性能の空燃比依存性を示す図である。

１…エンジン（内燃機関）
２…排気浄化装置
３…触媒コンバータユニット（触媒コンバータ）
３１…上流触媒コンバータ
３１１…担体
３１Ｌ…触媒層
３１２…第１層
３１３…第２層
３１４…第３層
３２…下流触媒コンバータ
３２１…担体
３２Ｌ…触媒層
３２２…第１層
３２３…第２層
５…電子制御ユニット（空燃比制御手段）
５１…目標空燃比算出部（空燃比制御手段）
５２…燃料噴射量算出部（空燃比制御手段）
６１…ＬＡＦセンサ（上流排気センサ）
６２…酸素濃度センサ（下流排気センサ）

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関１（以下単に「エンジン」という）及びその排気浄化装置２の構成を示す模式図である。

エンジン１は、図示しない複数の気筒と、これら気筒に連通する吸気管１１及び排気管１２とを備える。吸気管１１には、図示しないスロットル弁、燃料噴射弁１３、及び吸気弁が設けられている。

燃料噴射弁１３は、スロットル弁と各気筒の吸気弁との間において、気筒毎に設けられている。燃料噴射弁１３は、図示しない燃料ポンプに接続されているとともに、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）５に電気的に接続されており、この燃料噴射弁１３の開弁時間は、ＥＣＵ５により制御される。

排気浄化装置２は、排気管１２のうちエンジン１の直下に設けられた触媒コンバータユニット３と、燃料噴射弁１３を制御するＥＣＵ５と、を含んで構成される。

触媒コンバータユニット３は、上流触媒コンバータ３１と、この上流触媒コンバータ３１よりも下流側に設けられた下流触媒コンバータ３２と、の２段の触媒コンバータを含んで構成される。これら上流触媒コンバータ３１及び下流触媒コンバータ３２は、それぞれ、ＮＭＯＧ及びＣＯの酸化、並びにＮＯｘの還元を行う三元触媒をハニカム構造の担体で担持して構成され、エンジン１から排出された排気を浄化する。

図２は、触媒コンバータユニット３の構成を示す側面図である。
触媒コンバータユニット３は、上流触媒コンバータ３１及び下流触媒コンバータ３２と、これら触媒コンバータ３１，３２を収容するケーシング３３と、このケーシング３３の上流側及び下流側にそれぞれ設けられた上流側集合部３４及び下流側集合部３５と、を含んで構成される。なお図２では、ケーシング３３の一部を破断したものを示す。

ケーシング３３は、略円筒状であり、略円柱状の上流触媒コンバータ３１を収容する第１収容室３３１と、略円柱状の下流触媒コンバータ３２を収容する第２収容室３３２と、を備える。また、第１収容室３３１と第２収容室３３２との間には、これら収容室３３１，３３２の内径よりも縮径された縮径部３３３が形成されている。

上流側集合部３４の下流側の端部はケーシング３３に接続され、上流側の端部は多岐管を備えた排気マニホルドを介してエンジンの各気筒に接続される。
下流側集合部３５の上流側の端部はケーシング３３に接続され、下流側の端部は車両の床下を延びる排気管に接続される。

以上のように構成された触媒コンバータユニット３において、排気は以下のように流通する。
エンジンの各気筒から排出された排気は、排気マニホルドを介して上流側集合部３４で合流及び整流された後、ケーシング３３内に導入される。ケーシング３３内に導入された排気は、第１収容室３３１内で上流触媒コンバータ３１により浄化された後、縮径部３３３を通過し、第２収容室３３２内で下流触媒コンバータ３２により浄化され、ケーシング３３から排出される。ケーシング３３から排出された排気は、下流側集合部３５を通過した後、排気管を通って車外に排出される。

特にここで、上述のように触媒コンバータユニット３はエンジン１の直下に設けられる。換言すれば、触媒コンバータユニット３は、車両の床下に設けられていない。したがって、上流触媒コンバータ３１及び下流触媒コンバータ３２は、ともにエンジンの直下に設けられ、比較的高温の排気が供給される。以上のようにして、触媒コンバータユニット３は、エンジン１の排気通路の一部となり、この排気通路を流通する排気を浄化する。

また、触媒コンバータユニット３には、ＬＡＦセンサ６１及び酸素濃度センサ６２が設けられている。ＬＡＦセンサ６１は、その検出部が上流側集合部３４の内部に位置するように、上流側集合部３４に固定される。酸素濃度センサ６２は、その検出部が縮径部３３３の内部に位置するように、ケーシング３３に固定される。なお、これらセンサ６１，６２の動作については、後に詳述する。

次に、上流触媒コンバータ３１及び下流触媒コンバータ３２の具体的な構成について詳細に説明する。
これら触媒コンバータ３１，３２に担持された三元触媒は、ＮＯｘ浄化能を有する触媒貴金属に加えて酸素吸蔵能を有するＯＳＣ材を含有する。ＮＯｘ浄化能を有する触媒貴金属としては、具体的には、ロジウム、パラジウム、及び白金よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含むことが好ましい。これら触媒貴金属の中でも、特にロジウムはＮＯｘ浄化性能が高い。また、酸素吸蔵能を有するＯＳＣ材としては、具体的には、セリウム、及びジルコニウムよりなる群から選ばれる少なくとも１種を含むことが好ましい。

図３は、上流触媒コンバータ３１の構成を示す断面図である。
上流触媒コンバータ３１は、ハニカム構造の担体３１１と、この担体３１１に担持された３層の触媒層３１Ｌと、を備える。この３層の触媒層３１Ｌは、第１層３１２と、第２層３１３と、第３層３１４とを、担体３１１側から表面側へ向かってこの順で含んで構成される。

第１層３１２は、ＮＯｘ浄化能を有する触媒貴金属としてのパラジウム（Ｐｄ）を含み、このパラジウムの作用により主にＮＯｘを還元する。この過程が進行すると、パラジウムの酸化が進行し、やがてＮＯｘ還元能が低下してしまうため、ＯＳＣ材からなる支持体上にパラジウムが担持されていることが好ましい。これにより、酸素がＯＳＣ材に貯蔵されて、パラジウムの酸化が抑制されるため、ＮＯｘの還元能を維持しつつパラジウムの使用量を低減できる（図５参照）。

第２層３１３は、ＮＯｘ浄化能を有する触媒貴金属としてのロジウム（Ｒｈ）を含み、このロジウムの作用により主にＮＭＯＧ及びＮＯｘの浄化を行う。この過程が進行すると、ロジウムは、酸化が進行したりアルミナなどの支持体に固溶（埋没）したりし、やがてＮＭＯＧ及びＮＯｘの浄化性能が低下してしまう傾向がある。このため、ロジウムは、支持体上に被覆された非還元性金属酸化物に担持されていることが好ましい。これにより、ロジウムの酸化や支持体への固溶が抑制されるため、ＮＭＯＧ及びＮＯｘの浄化性能を維持しつつ、必要なロジウムの使用量を低減できる。かかる非還元性金属酸化物は、特に限定されないが、バリウム、カルシウム、マグネシウム、及びストロンチウムからなる群より選ばれる１種以上の金属の酸化物であることが好ましい。また、第２層３１３では、第１層３１２と同様に、ＯＳＣ材からなる支持体上にロジウムが担持されていることが好ましい。

第３層３１４は、ＮＯｘ浄化能を有する触媒貴金属としてのパラジウム（Ｐｄ）を含み、このパラジウムの作用により主にＮＭＯＧの酸化を行う。また、上流触媒コンバータ３１の最も表面側となる第３層３１４には、ＮＯｘ浄化性能が特に高いロジウムは含まれていないことが好ましい。ここで第３層３１４は、卑金属酸化物（ＢＭＯ）をさらに含むことが好ましい。これにより、パラジウムに卑金属酸化物が近接するため、パラジウムの酸化（ＰｄＯ化）が促進され、ＮＭＯＧやＣＯの浄化性能をより向上できる（図６参照）。第３層３１４でも、他の層と同様に、アルミナなどの公知の支持体上にパラジウムが担持されていることが好ましい。卑金属酸化物としては、特に限定されないが、バリウム、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウムなどの酸化物が挙げられる。

図４は、下流触媒コンバータ３２の構成を示す断面図である。
下流触媒コンバータ３２は、ハニカム構造の担体３２１と、この担体３２１に担持された２層の触媒層３２Ｌと、を備える。この２層の触媒層３２Ｌは、第１層３２２と、第２層３２３とを、担体３２１から表面側へ向かってこの順で含んで構成される。

第１層３２２は、ＮＯｘ浄化能を有する貴金属触媒としてのパラジウム（Ｐｄ）を含み、このパラジウムの作用により主にＮＯｘの還元を行う。一般に、パラジウムは白金やロジウムとの相性が悪く、これらと合金化して触媒性能を低下させる傾向があるが、本実施形態では、第１層３２２と第２層３２３とが別々に分けられているため、触媒性能の低下を抑制できる。また、パラジウムは高温ガスに晒されると、粒形成して他の触媒表面を覆って性能を低下させる傾向もあるが、本実施形態では、第２層３２３で被覆されて高温ガスの直撃が回避されているため、浄化性能の低下を抑制できる。

また、第１層３２２では、ＮＯｘ還元の過程でパラジウムの酸化が進行していくと、やがてＮＯｘ還元能が低下してしまうため、ＯＳＣ材からなる支持体上にパラジウムが担持されていることが好ましい。これにより、酸素がＯＳＣ材に貯蔵されてパラジウムの酸化が抑制されるため、ＮＯｘの還元能を維持しつつパラジウムの使用量を低減できる。

第２層３２３は、ＮＯｘ浄化能を有する貴金属触媒としてのロジウムを含み、このロジウムの作用により主にＮＭＯＧ及びＮＯｘの浄化を行う。本実施形態における第２層３２３は白金をさらに含むため、水蒸気改質（ＳＲ）反応が促進されてＮＯｘの酸化をより向上できる。なお、一般に白金は高温ガスに晒されると、粒形成して他の触媒表面を覆って性能を低下させる傾向もあるが、本実施形態では、上流触媒コンバータ３１及び縮径部３３３を通過して、ある程度低温化したガスが第２層３２３に接触するため、第２層３２３によるＮＯｘ浄化性能の低下を抑制できる。

以上のような層構造を有する触媒コンバータ３１，３２は、以下の手順で調整される。まず、支持体の原料粉末及び貴金属成分を溶媒（例えば、水）中に分散して、スラリーを作製する。このスラリー中に担体としてのハニカム基材を浸漬し、引き上げて乾燥した後、焼成することで、担体上にウォッシュコート層（第１層）を形成する。なお、スラリーの濃度は、所定のウォッシュコート層厚になるように適宜調整してある。第２層以降は、このような工程を順次繰り返すことで、既に形成されたウォッシュコート層上に形成される。

次に、上流触媒コンバータ３１と下流触媒コンバータ３２とのＯＳＣ材の含有量を比較する。下記表は、上流触媒コンバータのＯＳＣ材の含有量を１とした場合における、下流触媒コンバータのＯＳＣ材の含有量の好ましい形態を示す。

この表に示すように、これら触媒コンバータ３１，３２を比較すると、上流触媒コンバータ３１のＯＳＣ材の含有量は、下流触媒コンバータ３２のＯＳＣ材の含有量よりも多いことが好ましい。より具体的には、上流触媒コンバータ３１のＯＳＣ材の含有量を１とした場合、下流触媒コンバータ３２のＯＳＣ材の含有量は、１以下０．３以上であることが好ましい。本実施形態では、下流触媒コンバータ３２のＯＳＣ材含有量の上流触媒コンバータ３１のＯＳＣ材含有量に対する割合を０．３５とする。

ここで、上流触媒コンバータ３１及び下流触媒コンバータ３２のＯＳＣ材の含有量を決定する方法について説明する。ＯＳＣ材の含有量は、ＯＳＣ材の劣化後であってもその酸素吸蔵能を補償できるように設定する必要がある。また、ＯＳＣ材の劣化の要因としては、熱による劣化が最も大きい。したがって、ＯＳＣ材の含有量は、排気通路内における上流触媒コンバータ３１及び下流触媒コンバータ３２にかかる熱負荷に応じて適切に設定する必要がある。

図７は、上流触媒コンバータ３１の温度の変動を示す図である。
図８は、下流触媒コンバータ３２の温度の変動を示す図である。これら図７及び図８において、一点鎖線は車速を示し、実線は所定のレイアウトにおける触媒コンバータ３１，３２の温度の変動を示す。

これら図７及び図８に示すように、各触媒コンバータ３１，３２の温度は、所定の範囲内で車速に応じて変動する。図７に示すように、上流触媒コンバータ３１の温度は、約４００℃から約７５０℃の間を変動する。また、図８に示すように、下流触媒コンバータ３２の温度は、上流触媒コンバータ３１の温度よりも低く、かつ、約２５０℃から約５５０℃の間を変動する。

このように、同じ運転を行った場合であっても、上流触媒コンバータ３１には、下流触媒コンバータ３２と比較して大きな熱負荷がかかる。そこで、これら上流触媒コンバータ３１及び下流触媒コンバータ３２のＯＳＣ材の含有量は、かかる熱負荷を考慮して、熱による劣化後であっても酸素吸蔵能を補償できるように適切な割合で設定される。

次に、上流触媒コンバータ３１と下流触媒コンバータ３２との触媒貴金属の含有量を比較する。これら２つの触媒コンバータ３１，３２を比較すると、下流触媒コンバータ３２の触媒貴金属の含有量は、上流触媒コンバータ３１の触媒貴金属の含有量よりも多いことが好ましい。上述のように、本実施形態では、触媒貴金属として、ロジウム、パラジウム、及び白金が用いられる。そこで、これら触媒貴金属の中でも、最も浄化性能が高いロジウムの含有量について、２つの触媒コンバータ３１，３２で比較する。下記表は、上流触媒コンバータのロジウムの含有量を１とした場合における、下流触媒コンバータのロジウムの含有量の好ましい形態を示す。

この表に示すように、これら触媒コンバータ３１，３２を比較すると、下流触媒コンバータ３２のロジウムの含有量は、上流触媒コンバータ３１のロジウムの含有量よりも多いことが好ましい。より具体的には、上流触媒コンバータ３１のロジウムの含有量を１とした場合、下流触媒コンバータ３２のロジウムの含有量は、１以上１．５以下であることが好ましい。本実施形態では、下流触媒コンバータ３２のロジウム含有量の上流触媒コンバータ３１のロジウム含有量に対する割合を１．５とする。

図１に戻って、ＥＣＵ５には、上述のＬＡＦセンサ６１及び酸素濃度センサ６２が接続されている。

ＬＡＦセンサ６１は、排気通路のうち上流触媒コンバータ３１に流入する排気の成分に応じた信号をＥＣＵ５に出力する。より具体的には、ＬＡＦセンサ６１は、上流触媒コンバータ３１に流入する排気の空燃比を検出し、検出した空燃比に応じた信号ＫＡＣＴをＥＣＵ５に出力する。

酸素濃度センサ６２は、排気通路のうち下流触媒コンバータ３２に流入する排気の成分に応じた信号をＥＣＵ５に出力する。より具体的には、酸素濃度センサ６２は、上流触媒コンバータ３１から排出され下流触媒コンバータ３２に流入する排気の酸素濃度（空燃比）を検出し、検出した酸素濃度に応じた信号ＶＯ２をＥＣＵ５に出力する。

ここで、ＬＡＦセンサ６１と酸素濃度センサ６２の出力特性について比較する。ＬＡＦセンサ６１は、酸素濃度センサ６２よりも、より広範囲の空燃比に亘ってそれに略比例したレベルの出力ＫＡＣＴを生成する。すなわち、ＬＡＦセンサ６１は、酸素濃度センサ６２よりもより広範囲に亘る空燃比の検出が可能となっている。酸素濃度センサ６２は、排気の酸素濃度が理論空燃比近傍の範囲Δ内にあるとき、排気の酸素濃度に略比例した高感度なレベルの出力ＶＯ２を生成する。また、酸素濃度センサ６２は、上述の範囲Δを逸脱した酸素濃度では、略一定のレベルの出力ＶＯ２を生成する。

ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ５は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、燃料噴射弁１３を駆動するアクチュエータに制御信号を出力する出力回路を備える。

図１には、上述のようなハードウェアを備えるＥＣＵ５により構成されるモジュールのうち、燃料噴射弁１３の制御に係る構成のみを示す。図１に示すモジュールは、エンジン１の目標空燃比ＫＣＭＤを算出する目標空燃比算出部５１と、目標空燃比ＫＣＭＤに応じて燃料噴射量を算出する燃料噴射量算出部５２と、を備える。ここで、目標空燃比ＫＣＭＤは、ＬＡＦセンサ６１の出力ＫＡＣＴの目標値である。

燃料噴射量算出部５２は、図示しない各種センサから得られるエンジン１の回転数や吸気管内絶対圧力値などに基づいて、エンジン１の燃料噴射量の基準値を算出した後、エンジン１の種々の条件を考慮して基準値を補正し、これを燃料噴射量とする。
次いで、燃料噴射量算出部５２は、ＬＡＦセンサ５の出力ＫＡＣＴが、目標空燃比算出部５１が算出する目標空燃比ＫＣＭＤに収束するように、先に算出した燃料噴射量を調整することで、エンジン１の空燃比をフィードバック制御する。燃料噴射量算出部５２により算出された燃料噴射量は、燃料噴射弁１３に送信される。燃料噴射弁１３は、エンジン１の所定のクランク角度に合わせて燃料を噴射し、エンジン１において燃焼が行われる。

なお、空燃比制御の具体的な制御手法については、本願出願人による特開２００１−１８２５２８号公報などに詳しく説明されているので、ここではこれ以上詳細な説明を省略する。

目標空燃比算出部５１は、ＬＡＦセンサ６１の出力ＫＡＣＴ及び酸素濃度センサ６２の出力ＶＯ２に基づいて、エンジン１の目標空燃比ＫＣＭＤを逐次算出する。
本実施形態では、酸素濃度センサ６２の出力の目標値の収束制御の安定性や信頼性を高めるために、外乱などに対して高い安定性を持つフィードバック制御の一手法であるスライディングモード制御によって、酸素濃度センサ６２の出力ＶＯ２を目標値に収束させるように目標空燃比ＫＣＭＤを算出する。このスライディングモード制御は制御対象のモデルを必要とする。本実施形態では、エンジン１の下流のうち、ＬＡＦセンサ６１、上流触媒コンバータ３１、及び酸素濃度センサ６２で構成される排気系を、スライディングモード制御の制御対象Ｐとする。

適応スライディングモードコントローラ５１１は、この上述の制御対象Ｐを、ＬＡＦセンサ６１の出力ＫＡＣＴから無駄時間要素及び応答遅れ要素を介して酸素濃度センサ６２の出力ＶＯ２を生成する系とみなし、この系の挙動を離散時間系で予めモデル化する。そして、適応スライディングモードコントローラ５１１は、この系が有する無駄時間や、エンジン１及びＥＣＵ５が有する無駄時間や、制御対象の挙動変化などを考慮しつつ、適応スライディングモード制御により、酸素濃度センサ６２の出力ＶＯ２をその目標値に一致させるように、目標空燃比ＫＣＭＤを逐次算出する。

ここで、酸素濃度センサ６２の出力ＶＯ２の目標値は、例えば、理論空燃比の近傍に設定される。これにより、下流触媒コンバータ３２に流入する排気の空燃比が理論空燃比に一致するようにエンジン１の空燃比が制御され、この下流触媒コンバータ３２により効率的に排気が浄化される。

リアルタイム同定器５１２は、モデル化した制御対象Ｐの挙動変化の影響を補償するために、モデルに含まれるパラメータを、ＬＡＦセンサ６１の出力ＫＡＣＴ及び酸素濃度センサ６２の出力ＶＯ２のデータを用いて逐次同定する。
状態予測器５１３は、上述の無駄時間を補償するために、酸素濃度センサ６２の出力ＶＯ２の予測値を算出する。適応スライディングモードコントローラ５１１では、状態予測器５１３により予測された酸素濃度センサ６２の出力ＶＯ２の予測値と、リアルタイム同定器５１２により同定されたパラメータとを用いて、モデルに基づく適応スライディングモードアルゴリズムによって、目標空燃比ＫＣＭＤを逐次生成する。

なお、このスライディングモード制御を用いた空燃比制御については、本願出願人による上述の特開２００１−１８２５２８号公報の他、特開２０００−２３０４５１号公報に説明されているので、ここではこれ以上詳細な説明を省略する。

次に、以上のように構成された実施形態に基づく実施例について、そのＮＯｘの排出量を比較例と比較する。
図９は、上述の図７及び図８に示す車速で走行した場合におけるＮＯｘの単位時間当りの排出量（g/mile）を示す。この図９において、「発明品」とは本実施例の結果を示す。また、「従来品Ａ」及び「従来品Ｂ」とは、それぞれ、従来の技術に基づいて構成された比較例の結果を示す。

ここで、従来品Ｂとしては、従来品Ａに対してロジウムの使用量を５０％削減したものを準備した。また、発明品も、従来品Ａに対してロジウムの使用量を５０％削減したものを準備した。

図９に示すように、従来品では、ロジウムの使用量を５０％にすると、浄化性能が低下し、ＮＯｘの排出量が大幅に増加する。これに対して本実施例では、従来品Ａと比較してロジウムの使用量を５０％削減したにもかかわらず、ＮＯｘの排出量を従来品Ａよりも少なくすることができる。したがって、本実施例では、従来品に対して少ない量のロジウムを効率的に用いることで、高い浄化性能を達成できることが確認された。

以上詳述したように、本実施形態によれば、排気を浄化する触媒コンバータユニット３を、上流触媒コンバータ３１と下流触媒コンバータ３２との２段で構成し、さらに、上流触媒コンバータ３１のＯＳＣ材の含有量を、下流触媒コンバータ３２のＯＳＣ材の含有量よりも多くした。これにより、上流触媒コンバータ３１に流入する排気の空燃比が不安定な場合であっても、その下流側の排気、すなわち下流触媒コンバータ３２に流入する排気の空燃比を安定させることができる。また、これに加えて、下流触媒コンバータ３２の熱容量を小さくし、下流触媒コンバータ３２の昇温性能を向上することができる。
また、本実施形態によれば、ＬＡＦセンサ６１及び酸素濃度センサ６２を設け、これらセンサ６１，６２から出力された信号ＫＡＣＴ，ＶＯ２に基づいて、下流触媒コンバータ３２に流入する排気の空燃比が理論空燃比の近傍に設定された目標値に一致するようにエンジン１の空燃比を制御する。これにより、下流触媒コンバータ３２に流入する排気の空燃比を理論空燃比の近傍でさらに安定させることができる。
以上のように、本実施形態によれば、下流触媒コンバータ３２に流入する排気の空燃比を理論空燃比の近傍に安定させることができるので、特に下流触媒コンバータ３２により効率的に排気を浄化することが可能となる。つまり、上流触媒コンバータ３１及び下流触媒コンバータ３２全体として余分な触媒貴金属を加えることなく、排気の浄化性能を維持することができる。換言すれば、従来の排気浄化装置と比較して、排気の浄化性能を低下することなく、触媒貴金属の使用量を低減することができる。
また、本実施形態によれば、下流触媒コンバータ３２の触媒貴金属の含有量を、上流触媒コンバータ３１の含有量よりも多くした。上述のように、本実施形態では、下流触媒コンバータ３２に流入する排気の空燃比を理論空燃比の近傍で安定させることができる。したがって、空燃比が安定した下流触媒コンバータ３２の触媒貴金属の含有量を多くすることにより、全体として触媒貴金属を効率的に使用することができる。したがって、触媒貴金属の使用量をさらに低減できる。また、上流触媒コンバータ３１は下流触媒コンバータ３２よりもエンジン１に近いため、熱劣化による影響が大きい。したがって、上流触媒コンバータ３１の触媒貴金属の含有量を下流触媒コンバータ３２よりも少なくすることにより、全体としての触媒貴金属の熱劣化による影響を小さくすることができる。したがって、触媒コンバータユニット３による浄化性能をより長く維持することができる。

また、本実施形態によれば、触媒貴金属として、ロジウム、パラジウム、及び白金よりなる群から選ばれる少なくとも１種を用いる。これにより、触媒コンバータユニット３によるＮＯｘ浄化性能を確保することができる。ここで、これらロジウム、パラジウム、及び白金の浄化性能を比較する。

図１０は、各触媒貴金属のＮＭＯＧ浄化率の温度依存性を示す図である。
図１０に示すように、ロジウムは、パラジウム及び白金と比較して、触媒温度が低温の状態から高いＮＭＯＧ浄化率を示す。

図１１は、各触媒貴金属のＮＯｘ浄化率の温度依存性を示す図である。
図１１に示すように、ロジウムは、パラジウム及び白金と比較して、触媒温度が低温の状態から高いＮＯｘ浄化率を示す。また、活性温度に達した後であっても、ロジウムは特に高いＮＯｘ浄化率を示す。以上のように、触媒貴金属の中でもロジウムは特に高い浄化性能を有する。

図１２は、ロジウムのＮＯｘ浄化性能の空燃比依存性を示す図である。図１２において、破線はロジウムの使用量をＡとした場合におけるＮＯｘ排出量（ｐｐｍ）の空燃比依存性を示し、実線はロジウムの使用量をＡに対し３０％のＢとした場合におけるＮＯｘ排出量（ｐｐｍ）の空燃比依存性を示す。
図１２に示すように、ロジウムのＮＯｘ浄化性能は、理論空燃比の近傍において特に高く、理論空燃比からリーン側及びリッチ側に外れると低くなる。特に、理論空燃比からリーン側に外れると、ＮＯｘ浄化性能は急激に著しく低下する。

ここで、ロジウムの使用量をＡとした場合とＢとした場合とで比較する。図１２に示すように、ロジウムの使用量を少なくすると、ＮＯｘ浄化性能のリーン側での低下は、より急激になる。すなわち、ロジウムの使用量を少なくすると、リーン側でのウィンドウの幅は急激に狭くなる。これは、換言すると、ロジウムの使用量を少なくしても、狭いウィンドウの範囲内に空燃比を保つことにより、ＮＯｘ浄化性能を維持できることを示す。本実施形態では、上述のように、より多くのロジウムを含む下流触媒コンバータ３２に流入する排気の空燃比を理論空燃比の近傍で安定させることにより、このようにロジウムの使用量を少なくしながらも、高いＮＯｘ浄化性能を維持することが可能となる。

また、本実施形態によれば、ＯＳＣ材として、セリウム、及びジルコニウムよりなる群から選ばれる少なくとも１種を用いる。これにより、触媒コンバータユニット３による酸素吸蔵能を確保することができる。

また、本実施形態によれば、上流触媒コンバータ３１の触媒層３１Ｌを３層で構成するとともに、担体３１１側から表面側へ向かって順に、第１層３１２にパラジウムを含め、第２層３１３にロジウムを含め、第３層３１４にパラジウムを含めた。ところで、触媒貴金属の中でも、特にロジウムが高価でありかつ上述のように浄化性能が高い。このため、ロジウムは、その使用量を出来るだけ少なくしながら、燐や硫黄による被毒を出来るだけ避ける必要がある。本実施形態では、ロジウムを最も表面側ではない第２層３１３に設けることにより、ロジウムの燐や硫黄による被毒を抑制することができる。したがって、触媒コンバータユニット３全体としてのＮＯｘ浄化性能を安定させることができる。

また、本実施形態によれば、下流触媒コンバータ３２の触媒層３２Ｌを２層で構成するとともに、担体３２１側から表面側へ向かって順に、第１層３２２にパラジウムを含め、第２層３２３にロジウムを含めた。このように、触媒層３２Ｌを２層で構成することにより、上流触媒コンバータ３１と比較して熱容量を小さくできる。これにより、下流触媒コンバータ３２を速やかに昇温し、活性化することができる。また、最も表面側となる第２層３２３に、特に浄化性能が高いロジウムを設けることにより、効率的にＮＯｘを浄化することができる。
ところで、最も表面側となる第２層３２３にロジウムを設けることにより、ロジウムの燐や硫黄による被毒の影響が懸念される。しかしながら、下流触媒コンバータ３２には、上流触媒コンバータ３１を通過した排気が流入するので、上流触媒コンバータ３１と比較して、燐や硫黄による被毒の影響は小さい。したがって、長期間に亘って効率的に排気を浄化することができる。

また、本実施形態によれば、上流触媒コンバータ３１を、担体３１１と、この担体３１１に担持された複数の触媒層３１Ｌで構成するとともに、最も表面側の層にはロジウムを含めない。これにより、触媒貴金属として特に高価でありかつ浄化性能が高いロジウムの燐や硫黄による被毒を抑制することができる。
また、本実施形態によれば、下流触媒コンバータ３２を、担体３２１と、この担体３２１に担持された複数の触媒層３２Ｌで構成するとともに、最も表面側の層にロジウムを含める。これにより、浄化性能の高いロジウムにより効率的に排気を浄化することができる。ここで、最も表面側にロジウムを設けることにより、ロジウムの燐や硫黄による被毒の影響が懸念されるものの、上述のように、下流触媒コンバータ３２は、上流触媒コンバータ３１を通過した排気が流入するので、上流触媒コンバータ３１と比較して、燐や硫黄による被毒の影響は小さい。したがって、長期間に亘って効率的に排気を浄化することができる。

本実施形態によれば、上流触媒コンバータ３１及び下流触媒コンバータ３２をエンジン１の直下に設けることにより、昇温しにくい下段の下流触媒コンバータ３２を速やかに昇温することができる。これにより、車両の始動直後などの低温時における浄化性能の低下を防止できる。

本実施形態では、ＥＣＵ５が空燃比制御手段を構成する。より具体的には、ＥＣＵ５により構成される目標空燃比算出部５１及び燃料噴射量算出部５２が空燃比制御手段を構成する。また、ＬＡＦセンサ６１が上流排気センサを構成し、酸素濃度センサ６２が下流排気センサを構成する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である
例えば、上記実施形態では、上流触媒コンバータ３１及び下流触媒コンバータ３２を一つのケーシング３３内に収容するとともに、エンジン１の直下に設けたが、これに限らない。例えば、上流触媒コンバータをエンジンの直下に設け、さらに下流触媒コンバータを上流触媒コンバータから間隔を空けて車両の床下に設けてもよい。これにより、下流触媒コンバータの劣化の進行を遅らせることができる。

また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進用エンジンなどの排気浄化装置にも適用が可能である。

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、当該排気通路を流通する排気を浄化する触媒コンバータを備え、
   前記触媒コンバータは、ＮＯｘ浄化能を有する触媒貴金属に加えて酸素吸蔵能を有する成分を含有するとともに、上流触媒コンバータと、当該上流触媒コンバータよりも下流側に設けられた下流触媒コンバータとを含む内燃機関の排気浄化装置において、
   前記上流触媒コンバータは前記下流触媒コンバータよりも前記酸素吸蔵能を有する成分を多く含み、かつ、前記下流触媒コンバータは前記上流触媒コンバータよりも前記ＮＯｘ浄化能を有するロジウムを多く含み、
   前記上流触媒コンバータに流入する排気の成分に応じた信号を出力する上流排気センサと、
   前記下流触媒コンバータに流入する排気の成分に応じた信号を出力する下流排気センサと、
   前記上流排気センサ及び前記下流排気センサから出力された信号に基づいて、前記下流触媒コンバータに流入する排気の空燃比が理論空燃比の近傍に設定された目標値に一致するように内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御手段と、をさらに備え、
   前記上流触媒コンバータは、担体と、この担体に層状に担持された３層の触媒層とを含み、
   前記上流触媒コンバータの３層の触媒層は、パラジウムを含む第１層と、ロジウムを含み白金を含まない第２層と、パラジウムを含む第３層と、を担体側から表面側へ向かいこの順で含んで構成され、
   前記下流触媒コンバータは、前記上流触媒コンバータの担体とは別の担体と、この担体に層状に担持された２層の触媒層とを含み、
   前記下流触媒コンバータの２層の触媒層は、パラジウムを含む第１層と、ロジウムと白金とを含む第２層と、を担体側から表面側へ向かいこの順で含んで構成され、
   前記上流触媒コンバータは前記内燃機関の直下に設けられることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記酸素吸蔵能を有する成分は、セリウム、及びジルコニウムよりなる群から選ばれる少なくとも１種を含む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。
3. 前記上流触媒コンバータ及び前記下流触媒コンバータは、それぞれ、担体と、この担体に層状に担持された複数の触媒層を含み、
   前記上流触媒コンバータの複数の触媒層のうち最も表面側の層にはロジウムが含まれておらず、
   前記下流触媒コンバータの複数の触媒層のうち最も表面側の層にはロジウムが含まれていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記下流触媒コンバータは、車両の床下に設けられることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記上流触媒コンバータ及び前記下流触媒コンバータは、ともに前記内燃機関の直下に設けられることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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