JPH05141230A

JPH05141230A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JPH05141230A
Application number: JP33160591A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kato; 健治加藤; Tokuta Inoue; 悳太井上; Kiyoshi Nakanishi; 清中西; Satoru Iguchi; 哲井口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1991-11-21
Filing date: 1991-11-21
Publication date: 1993-06-08
Anticipated expiration: 2014-09-06
Also published as: JP2946893B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ＮＯx 触媒とその下流に酸化能力を有する触
媒を備えた排気浄化装置に、ＨＣ、ＣＯの浄化能力を十
分に発揮させる。【構成】内燃機関２の排気通路４に、ＮＯx 触媒６を
設け、さらにその下流にヒータ８ａ付きの触媒８を設置
し、触媒８が活性開始温度以下になったときまたはなる
おそれがあるときにヒータ８ａへの通電をオンにして、
触媒８の温度をその活性開始温度以上に保つようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の排気通路に
ＮＯx 浄化触媒を備えた排気浄化装置で、耐久後の暖機
時にも十分にＨＣの排出を抑制できる内燃機関の排気浄
化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平１−１３９１４５号公報は、希薄
燃焼可能な内燃機関の排気通路に、Ｃｕをイオン交換し
てゼオライトに担持したＮＯx 触媒を設置して、空燃比
リーン域の排気中でもＮＯx を浄化できるようにし、さ
らにその下流に三元触媒または酸化触媒を配置してＨ
Ｃ、ＣＯを酸化できるようにした排気浄化装置を提案し
ている。

【０００３】また、空燃比リーン域の排気中でもＮＯx
を還元できる触媒として、Ｃｕ／ゼオライト触媒の他
に、Ｐｔをアルミナまたはゼオライトに担持した触媒も
ある。Ｐｔ／アルミナ触媒は、Ｃｕ／ゼオライト触媒に
比べて、ＮＯx 浄化率において若干劣るが、耐熱性にお
いて優っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のＣｕ／ゼオライ
ト触媒と三元触媒または酸化触媒の直列配列の排気浄化
装置において、Ｃｕ／ゼオライト触媒をＰｔ／アルミナ
触媒に置き換えて排気浄化装置の耐久性、耐熱性を向上
させる場合、次の問題がある。

【０００５】すなわち、図５に示すようにＰｔ／アルミ
ナ触媒には、Ｃｕ／ゼオライト触媒と同じように良好な
ＮＯx 浄化率を示す温度ウィンドゥがあり、Ｐｔ／アル
ミナ触媒の、最高ＮＯx 浄化率を示せる温度は約３００
°Ｃ近辺にある。したがって、Ｐｔ／アルミナ触媒を車
両に搭載する場合、エンジンから離れて排気ガス温度が
比較的低温となる車両床下とされるので、それより下流
の三元触媒または酸化触媒は約３００°Ｃより低い温度
となる。三元触媒、酸化触媒の活性開始温度は、初期に
おいて３００°Ｃを若干下まわったところにあるので、
通常運転時においても三元触媒、酸化触媒の温度は活性
開始温度に近いところにあり、その活性が問題となり、
ＨＣ、ＣＯの浄化が問題となる。

【０００６】しかも、耐久後においては、三元触媒、酸
化触媒の劣化によって活性開始温度が高温側にずれるの
で、耐久後のＨＣ、ＣＯの浄化は、使用初期に比べてさ
らに問題となる。

【０００７】本発明の目的は、ＮＯx 触媒とその下流に
三元触媒または酸化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装
置において、ＨＣ、ＣＯの浄化能力も十分に発揮させる
ようにすることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明によ
れば、次の内燃機関の排気浄化装置によって達成され
る。すなわち、希薄燃焼可能な内燃機関およびその排気
通路と、前記排気通路に設けられた、Ｐｔを担持したＮ
Ｏx 触媒と、前記排気通路の、前記ＮＯx 触媒より下流
側に設けられた、ヒータ付の、酸化能力を有するヒータ
付触媒と、を備えた内燃機関の排気浄化装置。

【０００９】

【作用】上記本発明の内燃機関の排気浄化装置において
は、ＮＯx 触媒の下流の酸化能力を有する触媒の温度が
活性開始温度より下った場合または下るかもしれない運
転条件にある場合、ヒータをオンとすることによって酸
化能力を有する触媒の温度を上げることができ、設置場
所や耐久後の如何を問わず、酸化能力を有する触媒をそ
の活性開始温度以上で用いることができるので、ＨＣ、
ＣＯの外部への排出を常に抑制することができる。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装
置の望ましい実施例を図面を参照して説明する。図１、
図２に示すように、希薄燃焼可能な内燃機関２の排気通
路４には、Ｐｔをアルミナまたはゼオライトに担持した
ＮＯx 触媒６が配置されている。内燃機関排気通路４
の、ＮＯx 触媒６よりも下流側の部分にはヒータ付の、
酸化能力を有する触媒８が配設されている。酸化能力を
有する触媒８は、三元触媒、または酸化触媒たとえばＰ
ｔ／アルミナ触媒から成る。

【００１１】ヒータ付触媒８は、たとえば通電時の抵抗
熱を発する金属板にアルミナ等の担体をコーティング
し、それにＰｔ／アルミナ触媒の場合はＰｔを、三元触
媒の場合はＰｔ、Ｒｈを担持させたものから成る。三元
触媒の場合はＲｈの担持によって、空燃比がストイキよ
りリッチ側の排気中におけるＮＯx 浄化率がＰｔのみを
担持させた触媒に比べて上がる。ヒータ付触媒のヒータ
は酸化能力を有する触媒８と切離して該触媒８のすぐ上
流に、ただしＮＯx 触媒６より下流に、設けてもよい。

【００１２】ＮＯx 触媒６は、約３００°Ｃ近辺におい
て最高ＮＯx 浄化率を示すので、排気ガス温が自然放熱
で３００°Ｃ近傍になる位置に内燃機関２から離して、
したがって車両の床下に、設置してある。また、高温と
したくないので、ヒータ付触媒８のヒータ８ａオン時の
熱が熱伝導によってＮＯx触媒６に伝わらないように、
両触媒６、８の間にはスペースを設けることが望まし
い。

【００１３】Ｐｔ／アルミナ触媒、三元触媒からなるヒ
ータ付触媒８の活性開始温度は、使用初期においては３
００°Ｃより若干低いところにあり、耐久後は３００°
Ｃを少し超えるかもしれない。ＮＯx 触媒６を排気ガス
が３００°Ｃ近傍になる位置に配置すると、それより下
流のヒータ付触媒８の温度は３００°Ｃ以下になるおそ
れがあるので、ヒータ付触媒８の温度が通常運転時に活
性開始温度以下になったときまたはなるおそれがあると
きに、活性開始温度以上にするように、ヒータ８ａへの
通電を制御するヒータ制御手段１０が設けられる。

【００１４】この制御が実行され得るように、種々のセ
ンサ、および制御装置１２が設けられる。センサとして
は、ヒータ付触媒８の触媒床温度を検出する触媒温度セ
ンサ１４（触媒床温度を代表する温度、たとえば触媒８
の出ガス温度を検出するセンサであってもよい）、機関
の負荷状態を検出するための、吸気圧力ＰＭを検出する
吸気圧力センサ１６、スロットル開度（吸気量ＱＮと相
関）を検出するスロットル開度センサ１８、機関の運転
状態を知るために機関回転速度ＮＥを検出する、ディス
トリビュータに内蔵されたクランク角センサ２０、等が
設けられる。

【００１５】制御装置（ＥＣＵ）１２はマイクロコンピ
ュータから成り、通常のマイクロコンピュータと同様
に、演算を実行するセントラルプロセッサユニット（Ｃ
ＰＵ）、読み出し専用のメモリであるリードオンリメモ
リ（ＲＯＭ）、一時記憶用のランダムアクセスメモリ
（ＲＡＭ）、アナログ入力量をディジタル量に変換する
アナログ／ディジタル変換器、入力インタフェース、出
力インタフェースを有する。クランク角センサ２０から
のディジタル入力量は入力インタフェースに入力され、
その他のセンサのアナログ量はアナログ／ディジタル変
換器でディジタル量に変換されて入力インタフェースに
入力される。ＣＰＵで演算された指令は制御装置１２の
出力インタフェースからヒータ制御スイッチ２４に送ら
れ、ヒータ８ａへの通電を制御する。なお、２２はバッ
テリである。

【００１６】制御装置１２のＲＯＭは、図３、図４の制
御プログラムを記憶しており、これらのプログラムはＣ
ＰＵに読み出されて、所定の演算が実行される。図３の
プログラムが、ヒータ制御手段１０を構成し、図４のプ
ログラムは通常の燃料噴射制御プログラムである。

【００１７】図４の燃料噴射制御のルーチンには、所定
時間間隔で、または所定クランク角毎に割込みされる。
まず、ステップ１０２にて、機関の運転状態を知るため
の入力値、すなわち機関回転速度ＮＥ（クランク角セン
サ２０の出力より演算可）、吸気圧力ＰＭ（吸気圧力セ
ンサ１６の出力）を読み込む。続いて、ステップ１０４
にて、ＮＥ、ＰＭより二次元マップを利用して基本燃料
噴射量を求め、それに各種の補正、たとえば水温補正
（機関冷却水温が低い始動直後等に燃料噴射量を増量す
る補正）、吸気温補正、ＥＧＲ補正等を施して、燃料噴
射量ＴＡＵを求める。続いて、ステップ１０６にて、燃
料噴射量ＴＡＵの場合と同様に、ＮＥ、ＰＭから二次元
マップを利用して点火時期ＳＡを求め、ステップ１０８
にて、求めた燃料噴射量ＴＡＵ、点火時期ＳＡに従っ
て、燃料噴射、点火を実行する。それからリターンし、
図３のルーチンに入る。

【００１８】図３のヒータ制御手段１０のルーチンを説
明する。ステップ２０２でヒータ付触媒８の触媒床温度
Ｔｃａｔ（触媒温度センサ１２の出力）を読込み、ステ
ップ２０４に進んで、触媒床温Ｔｃａｔが耐久後の触媒
活性開始温度Ｔｃａｔ０、たとえば３２０°Ｃ、より低
いか否かを判定する。Ｔｃａｔ＜Ｔｃａｔ０ならヒータ
付触媒８が活性開始温度以下で使用されるおそれがあっ
てＨＣ、ＣＯがほとんど浄化されない可能性があるか
ら、ステップ２０６に進み、ヒータ８ａをオン（ヒータ
制御スイッチ２４オン）として、ヒータ付触媒８を加温
する。

【００１９】ステップ２０４で触媒床温ＴｃａｔがＴｃ
ａｔ０以上と判定されると、ステップ２０８に進む。ス
テップ２０８で吸気圧力ＰＭ（吸気圧力センサ１６の出
力）あるいはスロットル開度センサ１８の出力から求め
たスロット開度、あるいは吸入空気量ＱＮなどから機関
負荷を求める。続いてステップ２１０に進み、軽負荷状
態（アイドル回転数よりは高い回転数だがスロットル開
度は全閉に近い状態）が一定時間以上連続しているか否
かを判定する。これは軽負荷時は排気ガス温も低く、そ
の状態が一定時間以上続くとヒータ付触媒８の触媒床温
が下って遂には活性開始温度以下となるが、そのような
場合を検知するためである。ステップ２１０で軽負荷が
所定時間以上連続したと判定されるとステップ２０６に
進んでヒータ８ａをオンにし、ヒータ付触媒８を昇温さ
せるようにする。ステップ２１０で軽負荷が所定時間以
上連続していないと判定されると、ステップ２１２に進
む。

【００２０】ステップ２１２では、現在の機関運転状態
がアイドル状態か否かが判定される。これはスロットル
開度全閉でかつ機関回転速度が所定回転速度（たとえば
８００ｒｐｍ）以下であることにより判定できる。アイ
ドル状態か否かを判定するのは、アイドル状態では排気
温が軽負荷時よりさらに低く、ヒータ付触媒８の温度が
低下していきやがて活性開始温度以下となるので、それ
を防止するためである。ステップ２１２で現在の機関運
転状態がアイドル状態にあると判定されると、ステップ
２０６に進んでヒータ８ａをオンとしヒータ付触媒８の
温度を昇温させるようにする。ステップ２１２でアイド
ル状態にないと判定されると、ステップ２１４に進む。

【００２１】ステップ２１４では、ヒータ付触媒８のヒ
ータ８ａへの通電はオフとされる。ステップ２１４に進
むということは、ヒータ付触媒８の温度は所定温度以上
あり、軽負荷時でもアイドル時でもないからヒータ付触
媒８の触媒温度は極端に低下することはない筈であるか
ら、活性開始温度より下らないと判断して、ヒータ８ａ
をオフとする。ステップ２０６またはステップ２１４か
らは次のステップに進んで、その割込みサイクルの演算
を終了する。

【００２２】図３に示したヒータ制御手段１０は、ステ
ップ２０２、２０４の触媒床温判定手段、ステップ２０
８、２１０、２１２の軽負荷、アイドル判定手段を含ん
でいるが、ヒータ制御手段１０はこれらのうち何れか少
なくとも１つの判定手段、または該１つの判定手段と同
等の判定手段（たとえば触媒床温を触媒出ガス温で判定
する等）、を含んでいればよい。

【００２３】つぎに作用を説明する。通常運転時に内燃
機関２から排出される排気ガスがＮＯx 触媒６に流れて
くる間に自然放熱により温度低下し、ＮＯx 触媒６での
温度が約３００°Ｃ近傍になるので、図５に示すように
Ｐｔ／アルミナ触媒から成るＮＯx 触媒６は最高ＮＯx
浄化率を示すことができ、ＮＯx の排出が抑制される。

【００２４】しかし、ＮＯx 触媒６よりもさらに下流に
あるヒータ付触媒８は、排気ガスがＮＯx 触媒６からヒ
ータ付触媒８に流れてくる間の自然放熱による温度低下
分だけ、ＮＯx 触媒６よりも低温となるので、ヒータ付
触媒８の温度は、ヒータオフ時に３００°Ｃより低くな
る可能性があり、ヒータ付触媒活性開始温度以下になる
おそれがある。活性開始温度以下になれば、ＨＣ、ＣＯ
に対するヒータ付触媒８の浄化率が、図５に示す如く下
るので、ＨＣ、ＣＯは外気に放出されてしまう。

【００２５】しかし、本発明では、ヒータ付触媒８の温
度がその活性開始温度以下になったり、なるおそれがあ
る時（たとえば、軽負荷運転が所定時間以上続いたり、
アイドル運転が続くとき）、ヒータ８ａをオンにしてヒ
ータ付触媒８を加温するので、ヒータ付触媒８は、常
に、触媒活性開始温度以上に保たれ、ＨＣ、ＣＯの排出
が抑制される。

【００２６】Ｐｔ／アルミナ触媒や、三元触媒と云えど
も、耐久劣化はあるが、耐久劣化によって触媒活性開始
温度が３００°Ｃ以上になっても、ヒータ８ａをオンと
することにより、ヒータ付触媒８を、通常運転時に活性
開始温度以上に保つことができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、ＮＯx 触媒の下流に設
けた触媒をヒータ付としたので、該ヒータ付触媒の温度
を、ヒータへの通電をオンとして、上げることができ、
通常運転時に常に活性開始温度以上に維持して、ＨＣ、
ＣＯの浄化をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る内燃機関の排気浄化装
置のＮＯx 触媒およびヒータ付触媒の配列を示す系統図
である。

【図２】本発明の一実施例に係る内燃機関の排気浄化装
置の全体系統図である。

【図３】本発明の一実施例に係る内燃機関の排気浄化装
置のうちヒータ制御手段の制御ルーチンを示すフロー図
である。

【図４】内燃機関の一般の燃料噴射制御ルーチンのフロ
ー図である。

【図５】Ｐｔ／アルミナ触媒のＮＯx 、ＨＣ、ＣＯ浄化
率対温度図である。

【符号の説明】

２内燃機関４排気系６ＮＯx 触媒８ヒータ付触媒８ａヒータ１０ヒータ制御手段１２制御装置１４触媒床温検出用の温度センサ１６吸気圧力センサ１８スロットル開度センサ２０クランク角センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井口哲愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】希薄燃焼可能な内燃機関およびその排気
通路と、前記排気通路に設けられた、Ｐｔを担持したＮＯx 触媒
と、前記排気通路の、前記ＮＯx 触媒より下流側に設けられ
た、ヒータ付の、酸化能力を有するヒータ付触媒と、を
備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。