JP5429378B2 - 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。

Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｕ，ＣｅおよびＭｎから選ばれた少くとも一つの金属元素の酸化物からなる担体上に金属が担持されており、担体上に担持された金属がＣｕ，Ｃｏ，ＡｇおよびＰｄから選ばれた一つであって担体に含まれている金属とは異なる金属からなるＮＯ_Ｘ吸着材を用い、このＮＯ_Ｘ吸着材にＮＯとＣＯを含むガスを流通させると常温であってもＮＯ_Ｘ吸着材にＮＯ_Ｘが吸着されることが既に知られている（特許文献１を参照）。

特開２００７−１６０１６７号公報

ところで本発明者は、このＮＯ_Ｘ吸着材の担体およびこの担体への担持金属と同様な担体および担持金属を含む触媒を用いた排気浄化システムについて以前より研究を行っており、この研究の過程においてこの触媒の排気浄化作用について検討が行われた際にこの触媒についても排気ガス中に或る程度以上の一酸化炭素ＣＯが存在すると機関の始動直後から、即ち常温において、排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘが触媒に良好に吸着されることが確認されたのである。
ところがこの触媒を用いてＮＯ_Ｘの吸着作用を行うようにした場合、排気ガス中に含まれる或る特定の炭化水素が触媒へのＮＯ_Ｘの吸着作用を阻害することが判明したのである。この或る特定の炭化水素とは標準状態（温度２５℃、圧力１００ｋＰａ）において液状となる高沸点炭化水素および不飽和炭化水素である。この特定の炭化水素が排気ガス中に多量に存在すると触媒へのＮＯ_Ｘの吸着作用が阻害され、従って触媒への良好なＮＯ_Ｘの吸着作用を確保するためには排気ガス中におけるこの特定の炭化水素の量を低下させる必要がある。しかしながら上述の特許文献１はこのことについて何ら言及していない。
本発明の目的は、機関始動後触媒が活性化するまでの間、排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを良好に触媒に吸着しうるようにした内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

本発明によれば、担体と担体上に担持された金属からなる触媒であって標準状態においてNO_Xを吸着しうる常温NO_X吸着触媒を機関排気通路内に配置し、触媒の担体がCo，Fe，Cu，CeおよびMnから選ばれた少くとも一つの金属元素の酸化物若しくはこの金属元素を含む複合酸化物からなると共に、担体上に担持された金属がCu，Co，Ag，Fe，Pt，RhおよびPdから選ばれた一つであって担体に含まれている金属とは異なる金属からなり、常温NO_X吸着触媒は、標準状態において一酸化炭素の存在のもとでNO_Xを吸着すると共に、触媒に流入する排気ガス中の炭化水素が標準状態において液状となる高沸点炭化水素或いは不飽和炭化水素である場合には触媒への炭化水素の付着又は吸着作用によりNO_Xの吸着作用が阻害される性質を有しており、燃料として、常温NO_X吸着触媒が活性化した後に用いられる触媒活性時用燃料と、常温NO_X吸着触媒が活性化する前に用いられかつ触媒活性時用燃料に比べて高沸点炭化水素および不飽和炭化水素の少ない触媒非活性時用燃料との少くとも２種類の燃料が用いられ、機関始動後常温NO_X吸着触媒が活性化するまでは燃料として触媒非活性時用燃料が用いられると共に常温NO_X吸着触媒に流入する排気ガス中の一酸化炭素濃度をNO_Xの吸着に必要な濃度以上に維持するようにした内燃機関の排気浄化装置が提供される。

機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒が活性化するまでの間、常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒への良好なＮＯ_Ｘの吸着作用を確保することができる。

図１は内燃機関の全体図である。
図２は共存ＣＯガス濃度とＮＯ_Ｘ吸着量との関係を示す図である。
図３は常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒の担体の表面を図解的に示す図である。
図４は常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒の担体の表面を図解的に示す図である。
図５は炭化水素の炭素数ＣとＨＣ付着率との関係を示す図である。
図６はＨＣ付着又は吸着量とＮＯ_Ｘ吸着量との関係を示す図である。
図７は圧縮天然ガス（ＣＮＧ）とガソリンとの成分の比較を示す図である。
図８は燃料の噴射制御を行うためのフローチャートである。
図９は燃料の噴射制御を行うためのフローチャートである。
図１０は内燃機関の別の実施例を示す全体図である。
図１１は内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
図１２は内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
図１３は燃料の噴射制御を行うためのフローチャートである。
図１４は燃料の噴射制御を行うためのフローチャートである。
図１５は燃料の噴射制御を行うためのフローチャートである。
図１６は燃料の噴射制御を行うためのフローチャートである。
図１７は内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
図１８は燃料の噴射制御を行うためのフローチャートである。
図１９は燃料の噴射制御を行うためのフローチャートである。
図２０は内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
図２１は燃料の噴射制御を行うためのフローチャートである。
図２２は燃料の噴射制御を行うためのフローチャートである。

図１に内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は内燃機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は燃焼室５の頂面中央部に配置された点火栓、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内にはアクチュエータによって駆動されるスロットル弁１５と吸入空気量検出器１６とが配置される。
図１に示される実施例では燃料として第１の燃料と第２の燃料との２種類の燃料が用いられている。図１に示されるように各吸気ポート８内には第１の燃料を噴射するための第１の燃料噴射弁１７が配置されており、各吸気枝管１１内には第２の燃料を噴射するための第２の燃料噴射弁１８が配置されている。第１の燃料噴射弁１７へは燃料タンク１９内に貯留された第１の燃料が供給ポンプ２０により供給され、この第１の燃料が第１の燃料噴射弁１７から噴射される。一方、第２の燃料噴射弁１８へは燃料タンク２１内に貯留された第２の燃料が圧力調整弁２２を介して供給され、この第２の燃料が第２の燃料噴射弁１８から噴射される。
図１に示される実施例では第１の燃料は植物由来のアルコール燃料、或いは植物由来のアルコール燃料とガソリンとの混合燃料からなり、第２の燃料は圧縮天然ガス（ＣＮＧ）からなる。従って図１に示される実施例では第１の燃料噴射弁１７から植物由来のアルコール燃料、或いは植物由来のアルコール燃料とガソリンの混合燃料が噴射され、第２の燃料噴射弁１８から圧縮天然ガスが噴射される。
一方、図１に示されるように各排気ポート１０は排気マニホルド２３を介して触媒２４に連結される。図１に示される実施例ではこの触媒２４は触媒２４が活性化する前は排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを吸収しうるＮＯ_Ｘ吸着触媒の役目を果し、触媒２４が活性化すると理論空燃比のもとで排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯ_Ｘを同時に低減可能な三元触媒の役目を果す。排気マニホルド２３には排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ２５が取付けられており、触媒２４には触媒２４が活性化したか否かを判断するための温度センサ２６が取付けられている。
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。吸入空気量検出器１６の出力信号、空燃比センサ２３の出力信号および温度センサ２６の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して点火栓６、スロットル弁１５の駆動用アクチュエータ、第１の燃料噴射弁１７、第２の燃料噴射弁１８および供給ポンプ２０に接続される。
さて、図１に示される触媒２４は担体と担体上に担持された金属からなり、この触媒２４においては触媒の担体がＣｏ，Ｆｅ，Ｃｕ，ＣｅおよびＭｎから選ばれた少くとも一つの金属元素の酸化物若しくはこの金属元素を含む複合酸化物からなると共に、担体上に担持された金属がＣｕ，Ｃｏ，Ａｇ，Ｆｅ，Ｐｔ，ＲｈおよびＰｄから選ばれた一つであって担体に含まれている金属とは異なる金属からなる。
触媒２４としては例えばセリアＣｅＯ_２からなる担体上に５重量パーセントのパラジウムＰｄを担持させた触媒が用いられており、図２はこの触媒片に標準状態（温度２５℃、圧力１００ｋＰａ）においてモデルガスを流通させたときのＮＯ_Ｘ吸着量の実験結果を示している。このモデルガスとしてはＮＯとＣＯとを含んだＮ_２ガスが用いられ、実験は１０００ｐｐｍのＮＯに対しＣＯガス濃度（ｐｐｍ）を種々に変化させた場合について行われている。
図２からわかるように共存するＣＯガス濃度がＮＯ濃度よりも低いときにはＣＯガス濃度が高くなるにつれてＮＯ_Ｘ吸着量が増大し、ＣＯガス濃度がＮＯ濃度より少し高くなるとＣＯガス濃度がそれ以上いくら高くなってもＮＯ_Ｘ吸着量は増大しなくなる。従ってこの触媒２４は標準状態において一酸化炭素ＣＯの存在のもとでＮＯ_Ｘを吸着する性質を有することになり、従って以後、この触媒２４は標準状態においてＮＯ_Ｘを吸着しうる常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒と称される。このような触媒２４へのＮＯ_Ｘの吸着作用は、触媒の担体としてセシウムＣｅ以外の他の金属元素Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｍｎの酸化物若しくはこれら金属元素を含む複合酸化物を用い、担体上への担持金属としてパラジウムＰｄ以外の他の金属Ｃｕ，Ｃｏ，Ａｇ，Ｆｅ，Ｐｔ，Ｒｈを用いた場合にも同様に生ずる。
図３はセリアＣｅＯ_２からなる担体４５の表面を図解的に示しており、更に図３には排気ガスの空燃比が理論空燃比かややリッチか或いはややリーンとされた場合に生ずると考えられるＮＯ_Ｘの吸着メカニズムが示されている。このＮＯ_Ｘ吸着メカニズムによると排気ガス中に含まれるＣＯがセリアＣｅＯ_２のＯを引出して担体４５上に吸着する。一方、排気ガス中に含まれるＮＯはパラジウムＰｄからなる担持金属４６上においてセリアＣｅＯ_２から引出されたＯと反応してＮＯ_２となり、このＮＯ_２がセリウムＣｅに化学吸着される。このようにしてＮＯ_Ｘが担体４５上に吸着される。
ＣＯはＯを引出す能力、即ち還元性が強く、ＣＯがセリアＣｅＯ_２のＯを引出して吸着することは確認されている。また、ＮＯ_２がセリウムＣｅに化学吸着されることも確認されている。これに対し、ＮＯはセリアＣｅＯ_２から引出されたＯと反応すると考えられるがこのことは推定の域を出ない。いずれにしてもＣＯとＮＯ_Ｘとが共吸着し、それによりＮＯ_Ｘが吸着されることは確かである。
ＮＯ_ＸはＮＯの形では吸着せず、ＮＯを吸着させるためにＮＯを酸化させてＮＯ_２にする必要がある。この場合、以前では排気ガス中にＣＯが含まれているとこのＣＯによって担持金属４６が被毒され、その結果ＮＯ_２の生成が阻害されるためにＮＯ_Ｘの吸着作用が阻害されると考えられていた。しかしながら本発明において用いられている方法によりＮＯ_Ｘを吸着させるためにはＣＯの存在が必要であり、従って本発明において用いられているＮＯ_Ｘの吸着方法は以前からの常識を覆した方法と言える。
また、本発明において用いられているＮＯ_Ｘ吸着方法では前述したようにＮＯ_２がセリウムＣｅに化学吸着される。このように化学吸着されるとＮＯ_２に対する保持力が強くなり、触媒２４の温度が３００℃以上まで上昇したときに吸着しているＮＯ_２が脱離することになる。触媒２４の温度が３００℃以上になると触媒２４は活性化しており、従って本発明において用いられているＮＯ_Ｘ吸着方法においては触媒２４が活性化しているときにＮＯ_２が脱離されることになる。触媒２４が活性化しているときにＮＯ_２が脱離されるとこの脱離したＮＯ_２は触媒２４において浄化されることになり、従ってＮＯ_Ｘが全く大気中に排出されないことになる。
さて、本発明による常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４はこれまで説明したように標準状態においてＣＯの存在のもとで排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを良好に吸着することができる。しかしながらこの常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４の排気浄化作用について検討している際に、この常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４はＣＯによる被毒を受けないが、特定の炭化水素ＨＣによる被毒を受けることが判明したのである。即ち、図４に示されるように担持金属４６の表面が炭化水素ＨＣで覆われると排気ガス中に含まれるＮＯはＮＯ_２になりずらくなり、斯くしてＮＯ_Ｘの吸着作用が阻害されることになる。
ところで担持金属４６の表面は炭化水素ＨＣが付着するか或いは吸着することによって次第に覆われるがこの場合、炭化水素ＨＣの種類によって担持金属４６の表面の炭化水素ＨＣによる覆われ度合いがかなり異なる。このことについて図５を参照しつつ説明する。
図５において縦軸のＨＣ付着率は標準状態において担持金属４６の表面に炭化水素ＨＣが付着又は吸着する率を表しており、横軸は炭化水素ＨＣの炭素数Ｃを示している。さて、図５において実線は燃料としてｎ−パラフィンを用い、ｎ−パラフィンの炭素数Ｃを増大していったときのＨＣ付着率の変化を示している。実線からわかるようにｎ−パラフィンは炭素数Ｃが４までは標準状態において気体となっており、この場合にはｎ−パラフィンは担持金属４６の表面上に付着することがないのでＨＣ付着率は０％となる。これに対し、ｎ−パラフィンは炭素数Ｃが５以上になると標準状態において液状となり、このときｎ−パラフィンは担持金属４６の表面上に付着しやすくなるのでＨＣ付着率が増大する。
一方、炭化水素ＨＣが分岐鎖を有すると炭素数Ｃが４でも標準状態において液状となるので図５において鎖線で示されるように炭化水素ＨＣが分岐鎖を有する場合には炭素数Ｃが４になるとＨＣ付着率が高くなる。このように標準状態において液状となる炭化水素を本出願の明細書では高沸点炭化水素と称している。
一方、オレフィンは標準状態において気体であったとしても二重結合部分の活発な化学吸着作用によって担持金属４６の表面上に付着しやすくなる。従って図５において破線で示されるように炭化水素がオレフィン、即ち不飽和炭化水素からなる場合にはＨＣ付着率が高くなる。なお、オレフィンの炭素数Ｃが標準状態において液状となる炭素数になると実線或いは鎖線で示されるようにＨＣ付着率は更に高くなる。
このように本発明による常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４は、触媒２４に流入する排気ガス中の炭化水素が標準状態において液状となる高沸点炭化水素或いは不飽和炭化水素で或る場合にはこれら炭化水素が触媒２４上に付着又は吸着し、この触媒２４への炭化水素の付着又は吸着作用によりＮＯ_Ｘの吸着作用が阻害される性質を有している。この場合、ＮＯ_Ｘの吸着量は図６に示されるように常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４へのＨＣ付着又は吸着量が増大するほど減少する。
常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化すれば触媒２４に付着又は吸着しているＮＯ_２は脱離せしめられ、この脱離したＮＯ_２および排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘは触媒２４において還元せしめられる。従って触媒２４が活性化した後はＮＯ_Ｘが大気中に排出されることはない。これに対し、触媒２４が活性化する前はＮＯ_Ｘを還元することはできず、従ってこのときＮＯ_Ｘが大気中に排出されるのを抑制するには排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘをできる限り触媒２４に付着又は吸着させておくことが必要となる。
そこで本発明では触媒２４が活性化するまでの間、できる限りＮＯ_Ｘを触媒２４に付着又は吸着しておくために、機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまで、触媒２４に流入する排気ガス中の一酸化炭素濃度、即ちＣＯ濃度をＮＯ_Ｘの吸着に必要な濃度以上に維持しつつ触媒２４に流入する排気ガス中に含まれる高沸点炭化水素の量或いは不飽和炭化水素の量を低下させるようにしている。
ここでＮＯ_Ｘの吸着に必要なＣＯ濃度は前述したようにほぼ排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘ濃度に等しく、従って本発明では機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまで、触媒２４に流入する排気ガス中のＣＯ濃度が排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度よりも高くされる。通常、内燃機関では機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまで排気ガス中のＣＯ濃度はＮＯ_Ｘ濃度よりも高くなる。しかしながら内燃機関によっては機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまでの間で排気ガス中のＣＯ濃度がＮＯ_Ｘ濃度よりも低くなる場合がある。この場合には空燃比を小さくすることによって、或いは点火時期を遅角することによって排気ガス中のＣＯ濃度がＮＯ_Ｘ濃度よりも高くされる。
一方、本発明では上述したように機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまで、触媒２４に流入する排気ガス中に含まれる高沸点炭化水素の量或いは不飽和炭化水素の量が低下せしめられる。この場合、本発明による第１実施例では触媒２４が活性化する前は触媒２４が活性化した後に比べて高沸点炭化水素および不飽和炭化水素の少ない燃料が用いられ、それによって機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまで、触媒２４に流入する排気ガス中に含まれる高沸点炭化水素の量および不飽和炭化水素の量が低下せしめられる。
別の言い方をすると本発明による第１実施例では、燃料として、常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化した後に用いられる触媒活性時用燃料と、常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化する前に用いられかつ触媒活性時用燃料に比べて高沸点炭化水素および不飽和炭化水素の少ない触媒非活性時用燃料との少くとも２種類の燃料が用いられ、機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまでは燃料として触媒非活性時用燃料が用いられる。
ところで触媒２４が非活性状態にあるときにＮＯ_Ｘをできるだけ触媒２４に吸着させるには触媒非活性時燃料として高沸点炭化水素および不飽和炭化水素の量ができるだけ少ない燃料を用いることが好ましい。そこで本発明による第１実施例では触媒非活性時用燃料としてメタンを主成分とする圧縮天然ガスが用いられている。
図７はこの圧縮天然ガス（ＣＮＧ）の成分をガソリンの成分と比較する形で示している。なお、図７においてＣ１，Ｃ２，・・・は夫々炭素数Ｃが１の炭化水素、炭素数Ｃが２の炭化水素、・・・を示している。図７からわかるように圧縮天然ガスは炭素数Ｃが１の炭化水素、即ちメタンが９０％近くを占めており、このメタンに加え、炭素数Ｃが２および３の炭化水素、即ちエタンおよびプロパンを含めると９０％以上を占めている。一方、図５から燃料として炭素数Ｃが１，２，３の炭化水素、即ちメタン、エタン、プロパンを用いるとＨＣ付着率が０になることがわかる。即ち、燃料として圧縮天然ガスを用いるとＨＣ付着率が極めて低くなり、斯くして排気ガス中に含まれるほとんど全てのＮＯ_Ｘは触媒２４に吸着されることになる。
事実、機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまでの間、燃料として圧縮天然ガスを用い、空燃比を理論空燃比又はややリッチ或いはややリーンに維持すると常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４から流出する排気ガス中にはＮＯ_Ｘがほとんど含まれていないことが実験により確かめられている。
無論、この圧縮天然ガスは常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化した後でも燃料として用いることができる。しかしながらこの圧縮天然ガスは液状燃料と比べて同じ量の燃料を貯留するのに大きな容積を必要とする。従って本発明による第１実施例では触媒２４が活性化するまで燃料として圧縮天然ガスを用い、触媒２４が活性化した後は燃料として液状燃料を用い、それによって燃料のための貯留容積を小さくするようにしている。
因みに図１に示される実施例では機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまでは第２の燃料噴射弁１８から燃料タンク２１内に貯留されている圧縮天然ガスが噴射され、触媒２４が活性化した後は第１の燃料噴射弁１７から燃料タンク１９内に貯留されている植物由来のアルコール燃料等の液状燃料が噴射される。なお、この実施例では機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまでは空燃比が理論空燃比又はややリッチに制御され、常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化した後は空燃比が理論空燃比に制御される。
図８は図１に示される実施例において実行されている噴射制御ルーチンを示している。
図８を参照すると、まず初めにステップ５０において温度センサ２６の出力信号に基づき常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４の温度ＴＣが活性温度ＴＣ_０を越えた否かが判別される。ＴＣ≦ＴＣ_０のとき、即ち触媒２４が活性化していないときにはステップ５１に進んで触媒非活性時用燃料、即ち圧縮天然ガスの噴射量が算出される。次いでステップ５２では第２の燃料噴射弁１８から圧縮天然ガスが噴射される。このとき空燃比は空燃比センサ２５の出力信号に基づいて理論空燃比又はややリッチに制御される。
これに対し、ステップ５０においてＴＣ＞ＴＣ_０になったと判断されたとき、即ち触媒２４が活性化したと判断されたときにはステップ５３に進んで触媒活性時用燃料、即ち植物由来のアルコール燃料等の噴射量が算出される。次いでステップ５４では第１の燃料噴射弁１７から植物由来のアルコール燃料等が噴射される。このとき空燃比は空燃比センサ２５の出力信号に基づいて理論空燃比に制御される。
図９は触媒２４の活性化前であろうと活性化後であろうと燃料として圧縮天然ガスを用いるようにした場合の噴射制御ルーチンを示している。この場合には図１において第１の燃料噴射弁１７は設ける必要がない。
図９を参照すると、まず初めにステップ６０において圧縮天然ガスの噴射量が算出される。次いでステップ６１では第２の燃料噴射弁１８から圧縮天然ガスが噴射される。なお。この場合も触媒２４が活性化する前は空燃比が理論空燃比又はややリッチに制御され、触媒２４が活性化した後は空燃比が理論空燃比に制御される。
図１０に別の実施例を示す。この実施例では図１０に示されるように常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４上流の機関排気通路内に、高沸点炭化水素および不飽和炭化水素を吸着するＨＣ吸着材７０が配置されている。このＨＣ吸着材７０としては、機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまで排気ガス中に含まれる高沸点炭化水素および不飽和炭化水素を吸着し、常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化した後に吸着高沸点炭化水素および不飽和炭化水素を脱離する性質を有するＨＣ吸着剤が用いられる。
従って、この実施例では、排気ガス中に高沸点炭化水素および不飽和炭化水素が含まれていたとしても機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまでこれらの高沸点炭化水素および不飽和炭化水素はＨＣ吸着材７０に吸着される。従って機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまで排気ガス中に含まれる高沸点炭化水素および不飽和炭化水素が常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４に流入するのが阻止され、斯くして触媒２４への良好なＮＯ_Ｘ吸着作用が確保される。
また、ＨＣ吸着材７０に代えて、機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまで排気ガス中に含まれる高沸点炭化水素および不飽和炭化水素を吸着し、常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化した後に吸着高沸点炭化水素および不飽和炭化水素を脱離する性質を有するＨＣ吸着触媒を用いることができる。
従ってこの場合にも機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまで排気ガス中に含まれる高沸点炭化水素および不飽和炭化水素はＨＣ吸着触媒７０に吸着され、斯くして常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４への良好なＮＯ_Ｘ吸着作用が確保される。
このＨＣ吸着触媒７０として常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４と同じ触媒を用いることもできる。この場合には機関排気通路内に吸着触媒２４に加えて追加の吸着触媒７０が配置されていることになる。また、ＨＣ吸着触媒７０として常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４と同じ触媒を用いた場合には図１１に示されるように追加の吸着触媒７０と常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４とを一体形成することもできる。
図１０および図１１に示される実施例では排気ガス中に高沸点炭化水素および不飽和炭化水素が含まれていたとしてもこれら高沸点炭化水素および不飽和炭化水素はＨＣ吸着材又は追加の吸着触媒７０に吸着される。従って図１０および図１１に示される実施例では、機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまで燃料として、高沸点炭化水素および不飽和炭化水素をほとんど含まない圧縮天然ガスに加え、高沸点炭化水素および不飽和炭化水素を多量に含んだ燃料、例えば植物由来のアルコール燃料、ガソリン、或いは植物由来のアルコール燃料とガソリンの混合燃料を用いることができる。
即ち、図１０および図１１に示される実施例では、燃料として、常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化した後に用いられる触媒活性時用燃料と、機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまで用いられかつ触媒活性時用燃料２４に比べて高沸点炭化水素および不飽和炭化水素の少ない触媒非活性時用燃料との少なくとも２種類の燃料を用いることもできるし、或いは燃料としてメタンを主成分とする圧縮天然ガスのみを用いることもできるし、或いは燃料として圧縮天然ガスに比べて高沸点炭化水素および不飽和炭化水素の多い燃料のみを用いることもできる。
図１２から図２２はこのように種々の燃料を用いることのできる種々の実施例を示している。
図１２を参照するとこの実施例では、排気マニホルド２３の出口と常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４の入口とを連結する主排気通路８０に対してバイパス通路８１が設けられており、バイパス通路８１の入口部および出口部に夫々流路切換弁８２および８３が配置されている。即ち、この実施例では常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４上流の機関排気通路にバイパス通路８１が併設されており、更にこの実施例ではバイパス通路８１内に高沸点炭化水素および不飽和炭化水素を吸着する吸着材又は追加の吸着触媒７０が配置されている。
この実施例では機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまでは図１２において実線で示されるように流路制御弁８２がバイパス通路８１の入口部を開口すると共に流路制御弁８３がバイパス通路８１の出口部を開口しており、それによって機関排出された排気ガスはバイパス通路８１を経て常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４に送り込まれる。このとき排気ガス中に含まれる高沸点炭化水素および不飽和炭化水素は吸着材又は吸着触媒７０に吸着され、次いで常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化すると吸着高沸点炭化水素および不飽和炭化水素が吸着材又は吸着触媒７０から脱離せしめられる。
一方、常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒が活性化するとその後、図１２において破線で示されるように流路切換弁８２がバイパス通路８１の入口部を閉鎖すると共に流路切換弁８３がバイパス通路８１の出口部を閉鎖する。その結果、機関から排出された排気ガスはバイパス通路８１を経ることなく常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４に送り込まれる。
図１３は図１２に示される実施例に対する噴射制御ルーチンを示している。
図１３を参照すると、まず初めにステップ９０において温度センサ２６の出力信号に基づき常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４の温度ＴＣが活性温度ＴＣ_０＋一定温度αを越えた否かが判別される。ＴＣ≦ＴＣ_０＋αのときにはステップ９１に進んで触媒非活性時用燃料、即ち例えば圧縮天然ガスの噴射量が算出される。次いでステップ９２では第２の燃料噴射弁１８から例えば圧縮天然ガスが噴射される。このとき空燃比は空燃比センサ２５の出力信号に基づいて理論空燃比又はややリッチに制御される。次いでステップ９３では流路切換弁８２，８３が図１２において実線で示す位置に保持される。
これに対し、ステップ９０においてＴＣ＞ＴＣ_０＋αになったと判断されたときにはステップ９４に進んで触媒活性時用燃料、例えば植物由来のアルコール燃料の噴射量が算出される。次いでステップ９５では第１の燃料噴射弁１７から例えば植物由来のアルコール燃料が噴射される。このとき空燃比は空燃比センサ２５の出力信号に基づいて理論空燃比に制御される。次いでステップ９６では流路切換弁８２，８３が図１２において破線で示す位置に保持される。
図１４は触媒２４の活性化前であろうと活性化後であろうと燃料として圧縮天然ガスのみ、或いは植物由来のアルコール燃料のみ、或いはガソリンのみ、或いは植物由来のアルコールとガソリンの混合燃料のみを用いるようにした場合の噴射制御ルーチンを示している。
図１４を参照すると、まず初めにステップ１００において燃料の噴射量が算出される。次いでステップ１０１では燃料の噴射処理が行われる。次いでステップ１０２では温度センサ２６の出力信号に基づき常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４の温度ＴＣが活性温度ＴＣ_０＋一定温度αを越えた否かが判別される。ＴＣ≦ＴＣ_０＋αのときにはステップ１０３に進み、流路切換弁８２，８３が図１２において実線で示す位置に保持される。
これに対し、ステップ１０２においてＴＣ＞ＴＣ_０＋αになったと判断されたときにはステップ１０４に進み、流路切換弁８２，８３が図１２において破線で示す位置に保持される。なお、この場合も触媒２４が活性化する前は空燃比が理論空燃比又はややリッチに制御され、触媒２４が活性化した後は空燃比は理論空燃比に制御される。
図１５および図１６は機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまで点火時期を遅角させることによって排気ガス中に含まれる高沸点炭化水素および不飽和炭化水素を常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４に流入する前に燃焼させ、それにより高沸点炭化水素および不飽和炭化水素が常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４に流入するのを抑制するようにした実施例を示している。
即ち、点火時期を遅角すると後燃え期間が長くなるために燃焼室５および触媒２４に至る排気通路内において燃焼せしめられる高沸点炭化水素および不飽和炭化水素が増大し、斯くして常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４に流入する高沸点炭化水素および不飽和炭化水素の量を低減することができる。
一方、図１に示される内燃機関では機関暖機完了後における機関の運転状態に応じた基準点火時期が予め設定されている。従ってこの実施例では高沸点炭化水素および不飽和炭化水素を燃焼室５内又触媒２４に至る排気通路内で燃焼させるために、機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまでは点火時期が基準点火時期に対して遅角される。
図１５はこの実施例を実行するための噴射制御ルーチンを示している。
図１５を参照すると、まず初めにステップ１１０において温度センサ２６の出力信号に基づき常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４の温度ＴＣが活性温度ＴＣ_０を越えた否かが判別される。ＴＣ≦ＴＣ_０のとき、即ち触媒２４が活性化していないときにはステップ１１１に進んで触媒非活性時用燃料、例えば圧縮天然ガスの噴射量が算出される。次いでステップ１１２では第２の燃料噴射弁１８から例えば圧縮天然ガスが噴射される。次いでステップ１１３では点火時期が基準点火時期に対して遅角される。
これに対し、ステップ１１０においてＴＣ＞ＴＣ_０になったと判断されたとき、即ち触媒２４が活性化したと判断されたときにはステップ１１４に進んで触媒活性時用燃料、例えば植物由来のアルコール燃料の噴射量が算出される。次いでステップ１１５では第１の燃料噴射弁１７から例えば植物由来のアルコール燃料が噴射される。
図１６は触媒２４の活性化前であろうと活性化後であろうと燃料として圧縮天然ガスのみ、或いは植物由来のアルコール燃料のみ、或いはガソリンのみ、或いは植物由来のアルコールとガソリンの混合燃料のみを用いるようにした場合の噴射制御ルーチンを示している。
図１６を参照するとまず初めにステップ１２０において燃料の噴射量が算出される。次いでステップ１２１では燃料の噴射処理が行われる。次いでステップ１２２では温度センサ２６の出力信号に基づき常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４の温度ＴＣが活性温度ＴＣ_０を超えた否かが判別される。ＴＣ≦ＴＣ_０のとき、即ち触媒２４が活性化していないときにはステップ１２３に進んで点火時期が基準点火時期に対して遅角される。なお、図１５および図１６のいずれに示す場合にも触媒２４が活性化する前は空燃比が理論空燃比又はややリッチに制御され、触媒２４が活性化した後は空燃比は理論空燃比に制御される。
図１７から図１９は機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまで排気弁９の開弁時期を遅角することによって排気ガス中に含まれる高沸点炭化水素および不飽和炭化水素を常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４に流入する前に燃焼させ、それにより高沸点炭化水素および不飽和炭化水素が常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４に流入するのを抑制するようにした実施例を示している。
即ち、排気弁９の開弁時期を遅角すると燃焼室５内において高沸点炭化水素および不飽和炭化水素が燃焼せしめられる期間が長くなる。その結果、燃焼室５内において燃焼せしめられる高沸点炭化水素および不飽和炭化水素が増大し、斯くして常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４に流入する高沸点炭化水素および不飽和炭化水素の量を低減することができる。
従ってこの実施例では高沸点炭化水素および不飽和炭化水素を燃焼室５内で燃焼させるために、機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまでは排気弁９の開弁時期が予め設定されている開弁時期に対して遅角される。なお、この実施例では排気弁９の開弁時期を制御するために図１７に示されるように排気弁９に対して可変バルブタイミング機構１３０が設けられている。
図１８はこの実施例を実行するための噴射制御ルーチンを示している。
図１８を参照すると、まず初めにステップ１４０において温度センサ２６の出力信号に基づき常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４の温度ＴＣが活性温度ＴＣ_０を越えた否かが判別される。ＴＣ≦ＴＣ_０のとき、即ち触媒２４が活性化していないときにはステップ１４１に進んで触媒非活性時用燃料、例えば圧縮天然ガスの噴射量が算出される。次いでステップ１４２では第２の燃料噴射弁１８から例えば圧縮天然ガスが噴射される。次いでステップ１４３では排気弁９の開弁時期が基準開弁時期に対して遅角される。
これに対して、ステップ１４０においてＴＣ＞ＴＣ_０になったと判断されたとき、即ち触媒２４が活性化したと判断されたときにはステップ１４４に進んで触媒活性時用燃料、例えば植物由来のアルコール燃料の噴射量が算出される。次いでステップ１４５では第１の燃料噴射弁１７から例えば植物由来のアルコール燃料が噴射される。
図１９は触媒２４の活性化前であろうと活性化後であろうと燃料として圧縮天然ガスのみ、或いは植物由来のアルコール燃料のみ、或いはガソリンのみ、或いは植物由来のアルコールとガソリンの混合燃料のみを用いるようにした場合の噴射制御ルーチンを示している。
図１９を参照するとまず初めにステップ１５０において燃料の噴射量が算出される。次いでステップ１５１では燃料の噴射処理が行われる。次いでステップ１５２では温度センサ２６の出力信号に基づき常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４の温度ＴＣが活性温度ＴＣ_０を越えた否かが判別される。ＴＣ≦ＴＣ_０のとき、即ち触媒２４が活性化していないときにはステップ１５３に進んで排気弁９の開弁時期が基準開弁時期に対して遅角される。なお、図１８および図１９のいずれに示す場合にも触媒２４が活性化する前は空燃比が理論空燃比又はややリッチに制御され、触媒２４が活性化した後は空燃比は理論空燃比に制御される。
図２０に更に別の実施例を示す。図２０を参照するとこの実施例ではサージタンク１２と排気マニホルド２３とが排気ガス再循環（ＥＧＲ）通路１６０を介して連結されており、ＥＧＲ通路１６０内にＥＧＲ制御弁１６１が配置されている。この実施例では機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまでＥＧＲ率を増大させることによって排気ガス中に含まれる高沸点炭化水素および不飽和炭化水素が常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４に流入する前に燃焼せしめられ、それにより高沸点炭化水素および不飽和炭化水素が常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４に流入するのが抑制される。
即ち、排気ガスを再循環すると排気マニホルド２３内に排出された高沸点炭化水素および不飽和炭化水素が燃焼室５内に再循環され、これら高沸点炭化水素および不飽和炭化水素は燃焼室５内において燃焼せしめられる。従ってＥＧＲ率を増大すると燃焼室５内において燃焼せしめられる高沸点炭化水素および不飽和炭化水素が増大し、斯くして常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４に流入する高沸点炭化水素および不飽和炭化水素の量を低減することができる。
一方、図２０に示される内燃機関では機関暖機完了後における機関の運転状態に応じた基準ＥＧＲ率が予め設定されている。従ってこの実施例では高沸点炭化水素および不飽和炭化水素を燃焼室５内で燃焼させるために、機関始動後常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４が活性化するまではＥＧＲ率が基準ＥＧＲ率に対して増大せしめられる。
図２１はこの実施例を実行するための噴射制御ルーチンを示している。
図２１を参照すると、まず初めにステップ１７０において温度センサ２６の出力信号に基づき常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４の温度ＴＣが活性温度ＴＣ_０を越えた否かが判別される。ＴＣ≦ＴＣ_０のとき、即ち触媒２４が活性化していないときにはステップ１７１に進んで触媒非活性時用燃料、例えば圧縮天然ガスの噴射量が算出される。次いでステップ１７２では第２の燃料噴射弁１８から例えば圧縮天然ガスが噴射される。次いでステップ１７３ではＥＧＲ率が基準ＥＧＲ率に対して増大せしめられる。
これに対し、ステップ１７０においてＴＣ＞ＴＣ_０になったと判断されたとき、即ち触媒２４が活性化したと判断されたときにはステップ１７４に進んで触媒活性時用燃料、例えば植物由来のアルコール燃料の噴射量が算出される。次いでステップ１７５では第１の燃料噴射弁１７から例えば植物由来のアルコール燃料が噴射される。
図２２は触媒２４の活性化前であろうと活性化後であろうと燃料として圧縮天然ガスのみ、或いは植物由来のアルコール燃料のみ、或いはガソリンのみ、或いは植物由来のアルコールとガソリンの混合燃料のみを用いるようにした場合の噴射制御ルーチンを示している。
図２２を参照するとまず初めにステップ１８０において燃料の噴射量が算出される。次いでステップ１８１では燃料の噴射処理が行われる。次いでステップ１８２では温度センサ２６の出力信号に基づき常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒２４の温度ＴＣが活性温度ＴＣ_０を越えた否かが判別される。ＴＣ≦ＴＣ_０のとき、即ち触媒２４が活性化していないときにはステップ１８３に進んでＥＧＲ率が基準ＥＧＲ率に対して増大せしめられる。なお、図２１および図２２のいずれに示す場合にも触媒２４が活性化する前は空燃比が理論空燃比又はややリッチに制御され、触媒２４が活性化した後は空燃比は理論空燃比に制御される。

５…燃焼室
６…点火栓
７…吸気弁
９…排気弁
１７…第１の燃料噴射弁
１８…第２の燃料噴射弁
２４…常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒

Claims (8)

1. 担体と該担体上に担持された金属からなる触媒であって標準状態においてNO_Xを吸着しうる常温NO_X吸着触媒を機関排気通路内に配置し、該触媒の担体がCo，Fe，Cu，CeおよびMnから選ばれた少くとも一つの金属元素の酸化物若しくは該金属元素を含む複合酸化物からなると共に、該担体上に担持された金属がCu，Co，Ag，Fe，Pt，RhおよびPdから選ばれた一つであって該担体に含まれている金属とは異なる金属からなり、上記常温NO_X吸着触媒は、標準状態において一酸化炭素の存在のもとでNO_Xを吸着すると共に、該触媒に流入する排気ガス中の炭化水素が標準状態において液状となる高沸点炭化水素或いは不飽和炭化水素である場合には該触媒への炭化水素の付着又は吸着作用によりNO_Xの吸着作用が阻害される性質を有しており、燃料として、上記常温NO_X吸着触媒が活性化した後に用いられる触媒活性時用燃料と、上記常温NO_X吸着触媒が活性化する前に用いられかつ該触媒活性時用燃料に比べて上記高沸点炭化水素および不飽和炭化水素の少ない触媒非活性時用燃料との少くとも２種類の燃料が用いられ、機関始動後上記常温NO_X吸着触媒が活性化するまでは燃料として該触媒非活性時用燃料が用いられると共に該常温NO_X吸着触媒に流入する排気ガス中の一酸化炭素濃度をNO_Xの吸着に必要な濃度以上に維持するようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. 上記触媒非活性時用燃料がメタンを主成分とする圧縮天然ガスからなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 上記常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒上流の機関排気通路内に、上記高沸点炭化水素および不飽和炭化水素を吸着する吸着材又は追加の吸着触媒を配置した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 上記追加の吸着触媒と常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒とが一体形成されている請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 上記常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒上流の機関排気通路にバイパス通路を併設して該バイパス通路内に上記高沸点炭化水素および不飽和炭化水素を吸着する吸着材又は追加の吸着触媒を配置し、機関始動後該常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒が活性化するまでは機関から排出された排気ガスは該バイパス通路を経て常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒に送り込まれ、常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒が活性化した後に機関から排出された排気ガスはバイパス通路を経ることなく常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒に送り込まれる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 機関暖機完了後における機関の運転状態に応じた基準点火時期が予め設定されており、機関始動後該常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒が活性化するまでは点火時期が該基準点火時期に対して遅角される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 機関始動後上記常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒が活性化するまでは排気弁の開弁時期が予め設定されている開弁時期に対して遅角される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 機関暖機完了後における機関の運転状態に応じた基準排気ガス再循環率が予め設定されており、機関始動後該常温ＮＯ_Ｘ吸着触媒が活性化するまでは排気ガス再循環率が該基準排気ガス再循環率よりも増大せしめられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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