JPH04287820A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、空燃比のフィードバ
ック制御と三元触媒との組み合わせによりＨＣやＮＯｘ
等の浄化を図った内燃機関の排気浄化装置の改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気系に三元触媒からなる触
媒コンバータを介装する一方、機関空燃比を、Ｏ２　セ
ンサ等の空燃比センサを用いたフィードバック制御によ
り略理論空燃比に保つようにして、ＨＣ等とＮＯｘを同
時に低減し得るようにした排気浄化装置が従来から広く
用いられている。上記触媒コンバータは、通常、車両床
下位置あるいは排気マニホルド出口部等に配設されてい
るが、このような構成では、触媒の昇温に多少時間が掛
かるため、機関の冷間時に発生し易いＨＣを速やかに処
理することができない。

【０００３】そこで、この触媒の昇温を早めるために、
小容量の触媒コンバータを、排気マニホルドの各ブラン
チ部の入口部に個々に配設した排気浄化装置が一部で提
案されている（例えば特開昭５６−２３５０９号公報、
実開昭６３−１３０６１３号公報等参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、三元触
媒と空燃比フィードバック制御とを組み合わせてなる排
気浄化装置に上記の構造を適用しようとすると、触媒コ
ンバータ上流側に空燃比センサの取付スペースを確保す
ることができないので、実際には、その適用は難しい。 尚、仮に空燃比センサを三元触媒からなる触媒コンバー
タの下流側に配置したとすると、三元触媒が有する酸素
ストレージ能力によって触媒通過後の排気中の残存酸素
濃度が大きく変動してしまうため、空燃比センサを用い
た空燃比フィードバック制御は実質的に不可能となる。 しかも、三元触媒は一般に耐熱性に乏しく、この点から
も排気ポート近傍に配置することは好ましくない。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、この発明は、酸
素ストレージ能力の低い酸化触媒と三元触媒の双方を用
い、冷間時におけるＨＣの処理と暖機完了後におけるＣ
ＯやＮＯｘの酸化，還元処理とをそれぞれに分担させる
ようにした。すなわち、この発明に係る内燃機関の排気
浄化装置は、排気マニホルドの各ブランチ部の入口部に
個々に配設された酸化触媒からなる補助触媒コンバータ
と、上記排気マニホルドの集合部より下流の排気通路に
介装された三元触媒からなる主触媒コンバータと、この
主触媒コンバータと上記補助触媒コンバータとの間に配
設された空燃比センサと、この空燃比センサの出力信号
に基づいて機関の空燃比をフィードバック制御する空燃
比制御機構と、機関冷間時にのみ作動し、上記補助触媒
コンバータ上流側に２次空気を導入する２次空気導入機
構とを備えて構成されている。

【０００６】

【作用】三元触媒はその酸化，還元作用を果たすために
高い酸素ストレージ能力が必要であるが、酸化触媒は基
本的には酸素ストレージ能力が必要ではなく、例えば触
媒担体上のコーティング層におけるセリウム（Ｃｅ）の
含有量を減少させることで酸素ストレージ能力の低い触
媒コンバータが得られる。そのため、上記構成では暖機
完了後に空燃比センサを用いた空燃比フィードバック制
御が可能であり、下流側の三元触媒によってＣＯ等の酸
化とＮＯｘの還元とを行うことができる。また、始動直
後の冷間時には、酸化触媒からなる補助触媒コンバータ
が速やかに昇温し、かつ２次空気の導入によってその活
性化が促進されるため、ＨＣの処理が早期に開始される
。

【０００７】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図面に基づいて
詳細に説明する。

【０００８】図１は、この発明に係る排気浄化装置の一
実施例を示す構成説明図であって、図中、１は内燃機関
のシリンダヘッド、２はこのシリンダヘッド１に形成さ
れた排気ポート、３は排気弁を示している。

【０００９】シリンダヘッド１の側面には、排気マニホ
ルド４が装着されている。この排気マニホルド４は、耐
熱性に富むステンレスパイプからなる複数のブランチ部
５を有し、その入口側の端部に設けた取付用フランジ６
がガスケット７を介して図示せぬボルトによりシリンダ
ヘッド１側面に固定されているとともに、各ブランチ部
５の出口側端部が一本の排気通路として集合しており、
この集合部２２に主触媒コンバータ６が装着されている
。この主触媒コンバータ６は、セラミックス製モノリス
担体もしくは金属板を巻回したメタル担体等からなる担
体に、触媒金属を担持させて三元触媒として構成したも
ので、外周面にセラミックスファイバ製の緩衝材７を挟
んでケーシング８内に収容してある。そして、この主触
媒コンバータ６のドーム状の入口部６ａに、空燃比セン
サとして例えばＯ２　センサ９が取り付けられている。 このＯ２　センサ９は、周知のように排気中の残存酸素
濃度に基づき理論空燃比を境として略ステップ状に起電
力が変化する特性を有している。このＯ２　センサ９の
出力信号は、マイクロコンピュータシステムを用いたコ
ントロールユニット１０に入力されており、空燃比制御
機構の主体をなす該コントロールユニット１０では、例
えばＯ２　センサ９の出力信号を所定のスライスレベル
と比較してリッチ，リーンの判定を行い、そのリッチ，
リーンの反転に基づく疑似的な比例積分制御等により図
示せぬ燃料噴射弁の噴射量を制御して空燃比を略理論空
燃比近傍にフィードバック制御するようになっている。 尚、この空燃比フィードバック制御は所定の運転条件下
でのみ実行され、例えばＯ２　センサ９が不活性な低温
時あるいは増量が必要な高速高負荷時等では実質的にオ
ープンループ制御となる。

【００１０】また排気マニホルド４の各ブランチ部５の
入口部には、酸化触媒からなる小容量の補助触媒コンバ
ータ１１が個々に配設されている。この補助触媒コンバ
ータ１１は、セラミックス製モノリス担体を用い、これ
をセラミックスファイバ製の緩衝材１２を介して排気マ
ニホルド４のハウジング部１３内に収容した構成であっ
て、担体の前後にはステンレス線材もしくはインコネル
等の耐熱合金線材からなる環状の緩衝材１４，１５が介
装されている。尚、セラミックス製モノリス担体は、格
子状に微細な通路が形成されているが、この補助触媒コ
ンバータ１１においては、圧力損失を極力低減するため
に、１平方インチ当たり２５〜１００個程度の比較的粗
い格子数に設定されている。

【００１１】上記補助触媒コンバータ１１の上流側とな
る排気ポート２には、２次空気導入通路１６が接続され
ている。この２次空気導入通路１６の上流側は、エアポ
ンプ１７に接続されており、かつこのエアポンプ１７と
の間に、２次空気遮断用の電磁弁１８および排気逆流防
止用の逆止弁１９が介装されている。エアポンプ１７の
吸入側には、エアフィルタ２０が設けられている。上記
エアポンプ１７および電磁弁１８は、コントロールユニ
ット１０によって制御され、機関低温時にのみ２次空気
の導入を行うようになっている。具体的には、水温セン
サ２１にて検出される機関冷却水温が４０〜８０℃程度
の設定温度以下のときに、２次空気の導入が行われる。

【００１２】上記実施例の構成によれば、機関の始動後
、排気ポート２の出口部に位置する小容量の補助触媒コ
ンバータ１１が速やかに昇温し、しかも２次空気の導入
によってその活性化が促進されるため、機関低温時に多
く排出されるＨＣはこの補助触媒コンバータ１１によっ
て酸化処理される。つまり、機関の冷間始動後、短時間
でＨＣの浄化を開始することができる。尚、この機関低
温時には、Ｏ２　センサ９を用いた空燃比フィードバッ
ク制御は実行されず、所定のオープンループ制御となる
。

【００１３】機関冷却水温が所定の設定温度に達すると
、２次空気の導入は停止される。また、これと略同時期
にＯ２　センサ９を用いた空燃比フィードバック制御が
開始され、高負荷域等を除いて理論空燃比近傍にフィー
ドバック制御される。この段階では、排気マニホルド４
の集合部２２に位置する主触媒コンバータ６も十分に昇
温して活性化しているので、該触媒コンバータ６におい
てＣＯ等の酸化とＮＯｘの還元とが効率良く行われる。 勿論、ＣＯ等の一部は上流側の補助触媒コンバータ６に
おいても浄化作用を受ける。尚、Ｏ２　センサ９は補助
触媒コンバータ６の下流側に位置しているが、この補助
触媒コンバータ６は酸化触媒であるため、酸素ストレー
ジ能力は小さく、Ｏ２　センサ９における応答遅れは殆
ど問題とならない。つまり、空燃比フィードバック制御
を精度良く維持でき、三元触媒による効果的な排気浄化
作用が得られる。また、酸化触媒は三元触媒に比して耐
熱性に優れているので、補助触媒コンバータ６における
熱的劣化は比較的少なく、十分な耐久性を確保すること
ができる。

【００１４】次に、上記補助触媒コンバータ６の具体的
な製造方法の一例を説明する。

【００１５】先ず、ムライトおよび酸化鉄を含むチタン
酸アルミニウムによって、格子状の微細流路を有する触
媒担体を形成する。この担体は、前述したように１平方
インチ当たり２５〜１００個の格子を有している。尚、
チタン酸アルミニウムに代えて、コーディエライトを用
いることもできる。

【００１６】一方、担体表面にコーティングするコーテ
ィング層の材料としては、α−アルミナもしくはθ−ア
ルミナの粉体を用い、これに少量のバリウムもしくはラ
ンタンを添加する。尚、バリウムとランタンの双方を加
えても良い。また、このコーティング層の材料中におけ
るセリウムの含有量は、極力少なくする。具体的には、
２０ｇ／リットル以下とする。このセリウムは、耐熱性
向上には寄与するものの、酸素ストレージ能力を大きく
する作用があるので、このセリウム含有量を少なくする
ことで、補助触媒コンバータ６における酸素ストレージ
能力を抑制できる。尚、バリウムおよびランタンは、こ
のセリウム含有量の減少に伴う耐熱性低下を補うものと
なる。

【００１７】そして、上記のα−アルミナもしくはθ−
アルミナの粉体を主体とするコーティング材料に、白金
およびパラジウムからなる触媒金属を担持させた上で、
このコーティング材料をスラリー状とする。尚、触媒金
属としては、白金あるいはパラジウムのいずれか一方を
用いることもできる。

【００１８】上記のスラリー状としたコーティング材料
を用いて、触媒担体表面にコーティングし、かつ乾燥さ
せた後に、９００℃以上の高温で焼成する。このように
高温で焼成することによって、酸素ストレージ能力は更
に低下する。

【００１９】尚、上記のようにα−アルミナもしくはθ
−アルミナを主に用いた場合は例えば５００℃前後の比
較的低温で焼成することも可能であるが、コーティング
材料の主体としてγ−アルミナの粉体を用いる場合は、
その表面積を低減させるために９００℃以上の高温で焼
成することが必要である。

【００２０】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、この発明
に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、排気マニホル
ドのブランチ部入口部に設けた酸化触媒と２次空気の導
入とによって機関低温時のＨＣを速やかに浄化すること
ができ、かつ機関の暖機完了後は三元触媒と空燃比フィ
ードバック制御との組み合わせによってＣＯやＮＯｘの
効果的な低減が図れる。特に、上流側の触媒を酸化触媒
とすることで酸素ストレージ能力を抑制でき、空燃比セ
ンサによる触媒下流側での空燃比検出が可能になる。ま
た耐熱性の確保も容易となり、十分な耐久性が得られる
。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る排気浄化装置の一実施例を示す
構成説明図。

【符号の説明】

２…排気ポート ４…排気マニホルド ５…ブランチ部 ６…主触媒コンバータ ９…Ｏ２　センサ １０…コントロールユニット １１…補助触媒コンバータ １６…２次空気導入通路 １７…エアポンプ ２２…集合部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　排気マニホルドの各ブランチ部の入口
   部に個々に配設された酸化触媒からなる補助触媒コンバ
   ータと、上記排気マニホルドの集合部より下流の排気通
   路に介装された三元触媒からなる主触媒コンバータと、
   この主触媒コンバータと上記補助触媒コンバータとの間
   に配設された空燃比センサと、この空燃比センサの出力
   信号に基づいて機関の空燃比をフィードバック制御する
   空燃比制御機構と、機関冷間時にのみ作動し、上記補助
   触媒コンバータ上流側に２次空気を導入する２次空気導
   入機構とを備えてなる内燃機関の排気浄化装置。