JPH05272330A

JPH05272330A - ＮＯｘ浄化装置

Info

Publication number: JPH05272330A
Application number: JP9738892A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Takeshima; 伸一竹島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-03-25
Filing date: 1992-03-25
Publication date: 1993-10-19
Anticipated expiration: 2014-06-28
Also published as: JP2913993B2

Abstract

(57)【要約】【目的】空間速度を変動させてリーンＮＯｘ触媒のＮ
Ｏｘ浄化率を向上させる場合、低温時、高温時にも良好
なＮＯｘ浄化率向上を得るようにする。【構成】排気系４に複数のリーンＮＯｘ触媒８を並列
に配置して空間速度変化手段１０により各リーンＮＯｘ
触媒６での空間速度を増減可能にするとともに、空間速
度変化手段制御手段により、空間速度変動の周期を、排
気高温時には短かくし排気低温時には長くした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、いわゆるリーンＮＯｘ
触媒を備えたＮＯｘ浄化装置に関し、とくにＮＯｘ浄化
率を向上させるためのＮＯｘ浄化システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＯ₂排出量軽減による地球温暖化防止
と燃費の改善との両方に貢献できる自動車用内燃機関と
して、希薄燃焼可能な内燃機関（ディーゼルエンジンを
含む）の開発が進められており、一部実用化されてい
る。

【０００３】しかし、リーンバーンエンジンの排気ガス
中では、三元触媒はＮＯｘ還元能力をほとんどもたない
ので、空燃比リーンでの燃焼の排気中でのＮＯｘを浄化
できるリーンＮＯｘ触媒の開発が望まれている。

【０００４】このようなリーンＮＯｘ触媒の一例とし
て、特開平１−１３９１４５号公報は、Ｃｕ等の遷移金
属をイオン交換してゼオライトに担持したリーンＮＯｘ
触媒を提案している。このゼオライト系リーンＮＯｘ触
媒は、酸化雰囲気中（すなわち、空燃比リーンでの燃焼
の排気中）で、ＨＣ存在下でＮＯｘを還元する。

【０００５】このようなリーンＮＯｘ触媒を車両用内燃
機関のＮＯｘ浄化装置として利用するためには、リーン
ＮＯｘ触媒が高ＮＯｘ浄化率で作動するシステムが開発
される必要がある。

【０００６】この意味で、本出願人は、先に、内燃機関
の排気系に複数のリーンＮＯｘ触媒を並列に配置し、そ
の上流に、弁からなる空間速度変化手段を設けて、各リ
ーンＮＯｘ触媒に流れる排気流量を所定の温度域内にて
一定の周期で増減させ各リーンＮＯｘ触媒での排気の空
間速度を所定の温度域内にて一定の周期で増減するＮＯ
ｘ浄化装置を提案した。こうすることによって、空間速
度が高速から低速に変った方のリーンＮＯｘ触媒で過渡
的に大幅なＮＯｘ浄化率向上が得られ、これを繰り返す
ことによってシステムのＮＯｘ浄化率が向上する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、本発明者の更
なる開発試験において、先願のように所定の温度域内に
て一定の周期で空間速度を増減させても、該所定の温度
域内の高温側部分および低温側部分では、中間部分に比
べて、リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率が低下すること
が判明した。

【０００８】本発明の目的は、所定の温度域内にて一定
の周期でリーンＮＯｘ触媒での空間速度を変動させてＮ
Ｏｘ浄化率を向上させるＮＯｘ浄化装置において、前記
所定の温度域内の高温側部分および低温側部分でのＮＯ
ｘ浄化率の低下を抑制することにある。

【０００９】

【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ＮＯｘ浄化装置によって達成される。すなわ
ち、排気系に互いに並列に配置された、第１のリーンＮ
Ｏｘ触媒および第２のリーンＮＯｘ触媒を含む複数のリ
ーンＮＯｘ触媒と、前記排気系に設けられ、前記第１の
リーンＮＯｘ触媒における排気流速と前記第２のリーン
ＮＯｘ触媒における排気流速を、一方が高速のとき他方
が低速となり前記一方が低速に変ったとき前記他方が高
速に変るように、交互にかつ周期的に増減させる空間速
度変化手段と、前記空間速度変化手段による空間速度の
増減の周期を排気温が高いときには短かくし排気温が低
いときには長くするように、前記空間速度変化手段を制
御する空間速度変化手段制御手段と、を備えたＮＯｘ浄
化装置。

【００１０】

【作用】発明者による開発試験において、リーンＮＯｘ
触媒での排気の空間速度が変化すると、リーンＮＯｘ触
媒のＮＯｘ浄化率が、一時的に数分間変化し、やがて定
常のＮＯｘ浄化率に戻ることが判明した。具体的には、
空間速度が高速から低速に変化したときにＮＯｘ浄化率
が一時的に著しく高くなり、低速から高速に変化したと
きにはＮＯｘ浄化率の向上はほとんどみられず、場合に
よっては定常のＮＯｘ浄化率にくらべて一時的に若干悪
化する。

【００１１】本発明のように、複数のリーンＮＯｘ触媒
を並列にしておいて、排気流れ割合を変動させると、シ
ステムとしてＮＯｘ浄化率が向上する。すなわち、一方
の触媒では空間速度が高速から低速に変化してＮＯｘ浄
化率が大幅に向上し、他方の触媒では空間速度が低速か
ら高速に変化してＮＯｘ浄化率が若干低下するが、ＮＯ
ｘ浄化率の向上の効きの方がＮＯｘ浄化率低下の効きよ
りも大きいので、全体として、ＮＯｘ浄化率が向上す
る。

【００１２】このようなＮＯｘ浄化率の向上効果は、空
間速度が変化した時点より数分間続くのみであり、それ
を過ぎると定常時のＮＯｘ浄化率に戻る。したがって、
周期的に切替えると、ＮＯｘ浄化率向上が繰返し作り出
され、長時間にわたって、平均して、高いＮＯｘ浄化率
を得る。

【００１３】また、発明者による開発試験において、空
間速度を高速から低速に切替えたときのリーンＮＯｘ触
媒のＮＯｘ浄化率の向上は、排気温が高いときは速やか
に表われ、かつ通常状態への戻りも早く、排気温が低い
ときは緩慢に表われ、かつ通常状態への復帰も遅いこと
が判明した。

【００１４】したがって、排気温高温時に空間速度の変
動サイクルを緩慢にするとＨＣの生成速度と生成ＨＣの
ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏへの直接完全酸化が激しくなって、活性
種の保持が難しくなり、空間速度を変動させてもＮＯｘ
浄化率向上効果があらわれにくくなる。しかし、本発明
では、排気高温時に空間速度変動サイクルの周期を短か
くするので、ＨＣの保持と利用が適量になりＮＯｘ浄化
率向上効果があらわれる。

【００１５】また、排気温低温時に空間速度の変動サイ
クルを短かくすると、排気温低温時は活性種の生成速度
が遅いのにもかかわらず十分に生成される前に切替わる
ことになるため、活性種量が十分でなく、ＮＯｘ浄化率
が向上しにくい。しかし、本発明では、排気低温時に空
間速度変動サイクルの周期を長くするので、切替前に十
分な量のＨＣが生成され、ＮＯｘ浄化率が向上する。

【００１６】

【実施例】以下に、本発明に係るＮＯｘ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におい
て、希薄燃焼可能な内燃機関（ディーゼル機関を含む）
２の排気系４には、並行な複数の通路を有する並行通路
部６が設けられている。並行通路部６は、図示例では、
互いに並列な第１の通路６ａおよび第２の通路６ｂを有
している。

【００１７】並行通路部６には複数のリーンＮＯｘ触媒
８が並列に設けられている。具体的には第１の通路６ａ
に第１のリーンＮＯｘ触媒８ａが設けられており、第２
の通路６ｂに第２のリーンＮＯｘ触媒８ｂが設けられて
いる。並行通路部６に３個以上の通路が設けられてもよ
く、その場合は通路が２つの群に分けられ、第１の群の
通路に各々第１のリーンＮＯｘ触媒が設けられ、第２の
群の通路に各々第２のリーンＮＯｘ触媒が設けられるこ
とになる。

【００１８】並行通路部６の複数通路６ａ、６ｂの上流
側の分岐部には、空間速度変化手段１０が設けられてい
る。この空間速度変化手段１０は、第１のリーンＮＯｘ
触媒８ａにおける排気流速と第２のリーンＮＯｘ触媒８
ｂにおける排気流速を、一方８ａが高速のとき他方８ｂ
が低速となり前記一方８ａが低速に変ったとき前記他方
８ｂが高速に変るように、交互に、かつ周期的に、増減
させる弁からなる。

【００１９】たとえば、図１において、空間速度変化手
段１０は、弁体１０ａと弁体１０ａを周期的に上下に動
かすアクチュエータ１０ｂとから成る。弁体１０ａは、
通路６ａ、６ｂを完全に閉塞することはなく、機関運転
中には常時何れの通路６ａ、６ｂにも排気ガスが流れて
おり、通路６ａ、６ｂに流れる排気流量を増減させる。
ただし、空間速度の変動は、排気温が所定温度域（たと
えば３３０℃〜４７０℃）内にあるときにだけ行われ、
それを外れると空間速度を変動させても後述のＮＯｘ浄
化率向上効果があらわれにくくなるので、変動させな
い。

【００２０】図２、図３は、空間速度変化手段１０によ
る、第１のリーンＮＯｘ触媒８ａまたは第２のリーンＮ
Ｏｘ触媒８ｂの流速の変化のパターンを示す。ただし、
内燃機関から排出される排気流量を一定としてある。図
２、図３に示すように、各触媒８ａ、８ｂにて、大流速
と小流速とを交互に周期的に繰り返す。たとえば、一方
のリーンＮＯｘ触媒８ａにａ％の排気が流れているとき
は、他方のリーンＮＯｘ触媒８ｂは（１００−ａ）％の
排気が流れており、前記一方のリーンＮＯｘ触媒８ａの
流量が（１００−ａ）％に変わると前記他方のリーンＮ
Ｏｘ触媒８ｂの流量はａ％に変わるといった具合であ
る。

【００２１】また、図２、図３に示すように、所定温度
域内の高温側部分では、空間速度変動サイクルの周期を
短かくし、たとえば３０秒〜１分程度とし、所定温度域
内の低温側部分では、空間速度変動サイクルの周期を長
くし、たとえば１分〜２分程度とする。

【００２２】また、図２、図３に示すように、所定温度
域内の高温側部分では、変動差量を大にし、たとえば流
量を９５％と５％との間に大きく振るようにし、所定温
度域内の低温側部分では、変動差量を小にし、たとえば
６０％と４０％との間に小さく振るようにする。

【００２３】上記のような空間速度変動パターンが得ら
れるように、空間速度変化手段１０は、電子制御装置
（ＥＣＵ）１２からの指令によって制御される。ＥＣＵ
１２はマイクロコンピュータからなり、インプットイン
タフェース、アウトプットインタフェース、読み出し専
用記憶要素であるリードオンリメモリ（ＲＯＭ）、一時
記憶用の記憶要素であるランダムアクセスメモリ（ＲＡ
Ｍ）、演算を実行するセントラルプロセッサユニット
（ＣＰＵ）を有する。

【００２４】ＥＣＵ１２の入力インタフェースには、エ
ンジン負荷センサ１４、エンジン回転速度センサ１６、
また、必要に応じて排気温センサ１８の出力が入力され
る。ただし、入力値がアナログ信号である場合は、アナ
ログ／ディジタル変換器でディジタル信号にされて入力
される。

【００２５】ＥＣＵ１２のＲＯＭには、空間速度変化手
段制御手段である図４の制御ルーチンおよび図５〜図７
のマップが格納されており、ＣＰＵに読み出されて演算
が実行される。図４の制御ルーチンは所定時間間隔△Ｔ
毎に割込みされる。図４において、ステップ１０２で、
エンジン負荷センサ１４の出力であるエンジン負荷Ｐ
Ｍ、エンジン回転速度センサ１６の出力であるエンジン
回転速度ＮＥが読込まれる。続いて、ステップ１０４に
進み、図５のマップを用いて、現在の機関運転状態が空
間速度の変動制御を行う領域にあるか否かを判定し、あ
ればステップ１０６に進み、なければそのままリンドス
テップに進む。高ＰＭ、高ＮＥのときは高排気温であ
り、低ＰＭ、低ＮＥのときは低排気温であるが、排気温
が所定域を外れたときは、空間速度を変動させてもＮＯ
ｘ浄化率が向上しにくいので、排気温が所定域内にある
ときのみステップ１０６に進んで空間速度を変動させ
る。

【００２６】ステップ１０６では、前回の空間速度変動
サイクルが１サイクル終了したか否かを判定する。すな
わち、前回の空間速度変動開始からカウントされ始めた
時間Ｔが、前回の空間速度変動の周期Ｓを越えたか否か
を判定する。ＴがＳを越えていなければステップ１１４
に進んでさらに時間を、１回の割込みあたり△Ｔづつカ
ウントアップしていき、Ｓを越えたなら前回サイクルが
終了したので、ステップ１０８に進み、今回サイクル用
にＴを０とおいてクリアする。

【００２７】ステップ１０８からステップ１１０に進
み、図６のマップを用いて、現在のエンジン負荷、エン
ジン回転速度に応じた、空間速度変動の周期Ｓを求め
る。図６のマップに示すように、空間速度変動領域内に
おいて、高エンジン負荷、高エンジン回転速度程、すな
わち高排気温程、空間速度変動サイクルＳは短かく設定
してあり、低エンジン負荷、低エンジン回転速度程、す
なわち低排気温程、空間速度変動サイクルＳは長く設定
してある。

【００２８】また、ステップ１１０においては、図７の
マップを用いて、現在のエンジン負荷、エンジン回転速
度に応じた、空間速度変動量Ｄを求める。図７のマップ
に示すように、空間速度変動領域内において、高エンジ
ン負荷、高エンジン回転速度程、すなわち高排気温程、
空間速度変動量Ｄは大きく設定してあり、低エンジン負
荷、低エンジン回転速度程、すなわち低排気温程、空間
速度変動量Ｄは小さく設定してある。

【００２９】続いて、ステップ１１２に進み、空間速度
変化手段１０（弁１０ａおよびアクチュエータ１０ｂ）
をＯＮにして、ステップ１１０で求めたＳ、Ｄに従って
空間速度の１サイクル分の変動を実行する。ステップ１
１２からはエンドステップに進む。続くルーチンへの割
込みにおいては、前回の１サイクル分の空間速度の変動
が終了する迄、ステップ１０６からステップ１１４を経
由してエンドすることを続け、前回の１サイクル分の変
動が終了すると、ステップ１０８、１１０、１１２へと
進んで、再び空間速度の変動を開始する。以下、これを
繰返す。

【００３０】つぎに、上記実施例の作用を説明する。発
明者により、図８に示すように、リーンＮＯｘ触媒８に
おける排気の空間速度に変化があると、この変化の直後
数分間にわたって、ＮＯｘ浄化率に変化が生じることが
見い出された。

【００３１】さらに詳しくは、リーンＮＯｘ触媒８にお
ける空間速度が高速から低速に変化したときは、ＮＯｘ
浄化率が定常時のＮＯｘ浄化率に比べて過渡的に著しく
向上し、したがってＮＯｘ濃度は減少する。逆に、リー
ンＮＯｘ触媒８における空間速度が低速から高速に変化
したときは、ＮＯｘ浄化率が定常時のＮＯｘ浄化率に比
べてほとんど向上せず、場合によっては少量悪化する。

【００３２】このような現象を生じる理由は次のように
推定される。高速から低速に変化したときにＮＯｘ浄化
率が向上するのは、高速時には排気ガスが触媒細孔表面
に十分に接触せずに吹抜けるので、リーンＮＯｘ触媒上
のＮＯｘ浄化のための活性点が余り消費されずに残り、
活性点の数が増える。しかし、低速に切替わると、排気
ガスが触媒細孔表面に十分に接触し、高速のときに増え
た活性点を消費する。したがって、一時的にＮＯｘ浄化
率が向上するが、貯えていた活性点を消費し尽くすと、
定常時のＮＯｘ浄化率に戻る。ただし、低速から高速に
変っても、低速では活性点は増えないので、高速切替え
直後にＮＯｘ浄化率だ増えることはなく逆に若干低下す
る。したがって、高速に切替え直後には、排気温、触媒
床温は増えるが、昇温過程によるＮＯｘ浄化率向上が空
間速度が高くなる過渡的ＮＯｘ浄化率低下を上まわる時
点までは、ＮＯｘ浄化率が若干低下する。

【００３３】上記本発明実施例装置では、第１のリーン
ＮＯｘ触媒８ａと第２のリーンＮＯｘ触媒８ｂでの排気
の空間速度が周期的に変動されるので、空間速度が高速
から低速に変った方のリーンＮＯｘ触媒で大幅なＮＯｘ
浄化率向上が得られ、全体システムとしてのＮＯｘ浄化
率も向上される。

【００３４】たとえば、第１のリーンＮＯｘ触媒８ａに
０．８、第２のリーンＮＯｘ触媒８ｂに０．２の割合で
流れていた状態が、第１のリーンＮＯｘ触媒８ａに０．
２、第２のリーンＮＯｘ触媒８ｂに０．８の割合で流れ
る状態に変ったとする。この場合、第１のリーンＮＯｘ
触媒８ａでは高速から低速に変わるので大幅なＮＯｘ浄
化率向上、たとえば定常時のＮＯｘ浄化率４５％に比べ
て一時的に８５％のＮＯｘ浄化率に変ったとすると、全
体システムへの効きは（８５％−４５％）×０．２＝８
％のＮＯｘ浄化率向上となる。一方、第２のリーンＮＯ
ｘ触媒８ｂでは低速から高速に変わるので、若干のＮＯ
ｘ浄化率低下、たとえば定常時のＮＯｘ浄化率４５％に
比べて一時的に４２％の浄化率に変ったとすると、全体
システムへの効きは（４２％−４５％）×０．８＝−
２．４％となる。したがって、全体システムとしては、
８％−２．４％＝５．６％ものＮＯｘ浄化率向上が見ら
れることになる。

【００３５】しかし、上記のようなＮＯｘ浄化率向上
は、空間速度を温度の変化にかかわらず一定とした場合
には、所定温度域の中央部分、たとえば図５において空
間速度変動制御を行う領域の中央部分においては得られ
るが、上記領域内の高温側部分および低温側部分では、
ＮＯｘ浄化率向上効果が低下することがわかってきた。

【００３６】この理由は、次のように推定される。すな
わち、空間速度を高速から低速に変えてからの活性種の
量と時間経過ｔとの関係は図９に示すようになってい
る。高温側では、特性Ａのように速やかに活性種が生成
されて速やかに消費されるが、低温側では、特性Ｂのよ
うに活性種の生成が遅く消費も遅い。排気温が中間温の
ときの特性はＣのようになり、これに合せて空間速度変
動の周期ｔ₀を設定すると、排気温が高温のときは、活
性種の保持が難しく消費されて保持量が低下したところ
で空間速度変動を行わせることになるので、高いＮＯｘ
浄化率を得ることが難しい。また、排気温が低温のとき
は、活性種が生成する途中の過程で、十分に活性種がで
きていない段階で空間速度を切替えて変動させるので、
活性種量が少なく、やはり十分なＮＯｘ浄化率の向上が
得られない。

【００３７】しかし、本発明では、空間速度変動の周期
は一定（ｔ₀）ではなく、排気高温時には周期を図５に
おいて左側にずらして、排気高温時の活性種量のピーク
点に近づけ、排気低温時には周期を図５において右側に
ずらして、排気低温時の活性種量のピーク点に近づける
ように制御するので、排気高温時にも、排気低温時に
も、十分な量の活性種量を利用でき、空間速度変動によ
るＮＯｘ浄化率向上効果が高く維持される。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、排気系に複数のリーン
ＮＯｘ触媒を並列に配置して、空間速度変化手段により
各リーンＮＯｘ触媒での排気の空間速度を、周期的に増
減させるようにするとともに、空間速度変化手段制御手
段により、空間速度の変動の周期を排気高温時には短か
くし排気低温時には長くしたので、低温時にも高温時に
も、空間速度変動による過渡的ＮＯｘ浄化率向上効果が
高く得られ、比較的広い温度範囲において、高い過渡的
ＮＯｘ浄化率向上を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るＮＯｘ浄化装置の系統
図である。

【図２】図１のＮＯｘ浄化装置の各リーンＮＯｘ触媒に
おける排気高温時の空間速度変動パターン図である。

【図３】図１のＮＯｘ浄化装置の各リーンＮＯｘ触媒に
おける排気低温時の空間速度変動パターン図である。

【図４】図１のＮＯｘ浄化装置の空間速度変化手段制御
手段の制御ルーチンのフローチャートである。

【図５】図４の制御ルーチンで用いられる、エンジン負
荷およびエンジン回転速度から空間速度変動制御を行う
領域を求めるマップ図である。

【図６】図４の制御ルーチンで用いられる、エンジン負
荷およびエンジン回転速度から空間速度変動の周期を求
めるマップ図である。

【図７】図４の制御ルーチンで用いられる、エンジン負
荷およびエンジン回転速度から空間速度変動量を求める
マップである。

【図８】図１のＮＯｘ浄化装置における、空間速度変化
時の、ＮＯｘ濃度、温度対時間特性図である。

【図９】リーンＮＯｘ触媒の空間速度変化時の、活性種
量対時間特性図である。

【符号の説明】

２内燃機関４排気系６並行通路部６ａ第１の通路６ｂ第２の通路８リーンＮＯｘ触媒８ａ第１のリーンＮＯｘ触媒８ｂ第２のリーンＮＯｘ触媒１０空間速度変化手段１０ａ弁体１０ｂアクチュエータ１２ＥＣＵ１４エンジン負荷センサ１６エンジン回転速度センサ１８排気温センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０２Ｄ 45/00 ３１０Ｒ 7536−3Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気系に互いに並列に配置さ
れた、第１のリーンＮＯｘ触媒および第２のリーンＮＯ
ｘ触媒を含む複数のリーンＮＯｘ触媒と、前記排気系に設けられ、前記第１のリーンＮＯｘ触媒に
おける排気流速と前記第２のリーンＮＯｘ触媒における
排気流速を、一方が高速のとき他方が低速となり前記一
方が低速に変ったとき前記他方が高速に変るように、交
互にかつ周期的に増減させる空間速度変化手段と、前記空間速度変化手段による空間速度の増減の周期を排
気温が高いときには短かくし排気温が低いときには長く
するように、前記空間速度変化手段を制御する空間速度
変化手段制御手段と、を備えたことを特徴とするＮＯｘ
浄化装置。