JPH08270434A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 リーンな空燃比の混合気で主に運転される内
燃機関の排気浄化装置において、機関の冷機時のみなら
ずリーン運転領域のときにおいても外気へのＮＯｘ排出
量が低減されるようにし、さらに、ＨＣ及びＣＯの浄化
率を高めるために２次エアを供給する際に、その２次エ
アによる排気ガス中の酸素濃度の変化でＮＯｘ吸着部材
のＮＯｘ吸着能が損なわれることのないようにする。 【構成】 リーン運転領域のときに排気ガス中のＮＯｘ
を吸着する一方、理論空燃比運転領域ないしリッチ運転
領域のときに上記吸着したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着
能を有するＮＯｘ吸着部材３と、このＮＯｘ吸着部材３
の下流側に配設され、三元触媒に、該三元触媒を加熱可
能な電気ヒータが併設されてなるヒータ付触媒４（ＥＨ
Ｃ）と、これらＮＯｘ吸着部材３及びＥＨＣ４間の排気
通路２に２次エアを供給する２次エア供給部５とを備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車のリーンバーン
エンジン等、リーンな空燃比の混合気で主に運転される
内燃機関の排気浄化装置に関し、特に排気ガス中のＮＯ
ｘ（窒素酸化物）の外気への排出量を低減する対策に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば特開平５−３０２５０
８号公報に記載されているように、リーンバーンエンジ
ンの排気系に、リーンな空燃比の混合気で運転される領
域（以下、リーン運転領域という）のとき、つまり排気
ガス中の酸素濃度の高いときに該排気ガス中のＮＯｘを
吸着する一方、理論空燃比の混合気で運転される領域
（以下、理論空燃比運転領域という）のとき、つまり排
気ガス中の酸素濃度の低いときに上記吸着したＮＯｘを
放出するＮＯｘ吸着部材を配置した排気浄化装置は知ら
れている。そして、上記ＮＯｘ吸着部材の下流側に、Ｈ
Ｃ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）及びＮＯｘ浄化能
を有する三元触媒（以下、単に三元触媒という）を配置
しておけば、理論空燃比運転領域のときにＮＯｘ吸着部
材から放出されたＮＯｘを三元触媒により浄化できるの
で、リーン運転領域で発生したＮＯｘの外気への排出量
を低減することができる。

【０００３】一方、冷機時のエンジン始動直後の早い時
期から排気ガスを浄化できるものとして、例えば特開平
５−１３３２２２号公報等に記載されているように、三
元触媒に、該三元触媒を加熱可能な電気ヒータが併設さ
れてなるヒータ付触媒（以下、ＥＨＣという）が知られ
ている。このＥＨＣは、エンジンの始動と同時にヒータ
に通電されることで例えば４０秒後に三元触媒をその活
性温度である３００℃に加熱して排気ガスの浄化を行う
ようにされたものである。また、排気ガス中のＨＣ及び
ＣＯに対する浄化能を高めることを主な目的として、上
記ＥＨＣの上流側に２次エアを供給して排気ガス中の酸
素濃度を高めるようにすることも知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
従来例では、三元触媒が活性温度域に達していない冷機
時には、理論空燃比運転領域のときであっても上記三元
触媒によるＮＯｘの浄化が行われないので、ＮＯｘ吸着
部材から放出されたＮＯｘは、浄化されないままで外気
に排出されるという問題がある。

【０００５】一方、後者の従来例では、リーン運転領域
のときには、ＥＨＣの三元触媒が活性温度域に達してい
ても、該三元触媒によるＮＯｘの浄化が行われないの
で、やはり、ＮＯｘが未浄化の状態で外気に排出される
という問題がある。

【０００６】本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、リーンな空燃比の混合気で主に運
転される内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ吸着
部材、ＥＨＣ及び２次エア供給手段を適正に組み合わせ
ることで、機関の冷機時のみならず、リーン運転領域の
ときにおいても外気へのＮＯｘ排出量が低減されるよう
にし、さらに、２次エアの供給による排気ガス中の酸素
濃度の変化でＮＯｘ吸着部材のＮＯｘ吸着能が損なわれ
るという事態が生じないようにすることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、請求項１の発明では、内燃機関の排気系にＮＯｘ吸
着部材を配置することで、リーン運転領域のときに発生
したＮＯｘの外気への排出量を低減できるようにすると
ともに、上記ＮＯｘ吸着部材の下流側にＥＨＣを配置す
ることで、排気ガス温度が低温度域にある冷機時におい
ても機関始動直後の早い時期からＮＯｘ浄化能を発揮で
きるようにした。そして、これらＮＯｘ吸着部材とＥＨ
Ｃとの間に２次エアが供給されるようにすることで、２
次エア供給時においてもＮＯｘ吸着部材のＮＯｘ吸着能
を正常に機能させることができるようにした。

【０００８】具体的には、本発明では、内燃機関の排気
系に配置されていて、リーン運転領域のときに排気ガス
中のＮＯｘを吸着する一方、理論空燃比運転領域ないし
リッチ運転領域のときに上記吸着したＮＯｘを放出する
ＮＯｘ吸着能を有するＮＯｘ吸着部材と、このＮＯｘ吸
着部材の下流側に配置されていて、理論空燃比運転領域
での排気ガスに対するＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘ浄化能の三
元能（以下、単に三元能という）を少なくとも有する排
気浄化用触媒に、該排気浄化用触媒を加熱可能なヒータ
が併設されてなるヒータ付触媒と、これらＮＯｘ吸着部
材及びヒータ付触媒間の排気系に２次エアを供給する２
次エア供給手段とを備えるようにする。

【０００９】請求項２の発明では、上記請求項１の発明
において、ヒータ付触媒の排気浄化用触媒は三元触媒で
構成されているものとする。

【００１０】

【作用】以上の構成により、請求項１の発明では、内燃
機関のリーン運転領域のときには、排気ガス中のＮＯｘ
はＮＯｘ吸着部材に吸着される。そして、理論空燃比な
いしリッチ運転領域のときに、上記ＮＯｘ吸着部材に吸
着されていたＮＯｘは該ＮＯｘ吸着部材から放出され、
排気ガス中のＨＣ及びＣＯと共にＥＨＣの排気浄化用触
媒により浄化される。よって、上記リーン運転領域で発
生したＮＯｘの外気への排出量が低減されるようにな
る。

【００１１】一方、冷機時の機関始動の際には、ＥＨＣ
のヒータにより該ＥＨＣの排気浄化用触媒は機関始動か
ら短時間のうちに活性温度域に加熱され、この排気浄化
用触媒により排気ガス中のＮＯｘは浄化される。よっ
て、冷機時の機関始動直後の早い時期から、外気へのＮ
Ｏｘ排出量が低減されるようになる。

【００１２】そして、２次エア供給手段により２次エア
が供給されて排気ガス中のＨＣ及びＣＯの浄化率が高め
られる際に、その２次エアは上記ＮＯｘ吸着部材の下流
側に供給されるので、該２次エアの供給による排気ガス
中の酸素濃度の変化に起因してＮＯｘ吸着部材のＮＯｘ
吸着能が損なわれるという事態は生じない。

【００１３】請求項２の発明では、上記理論空燃比ない
しリッチ運転領域のときには、ＮＯｘ吸着部材から放出
されたＮＯｘは、排気ガス中のＨＣ及びＣＯと共にＥＨ
Ｃの三元触媒により浄化される。一方、冷機時の機関始
動の際には、排気ガス中のＮＯｘは上記三元触媒により
浄化される。よって、上記請求項１の発明での作用が具
体的に営まれることとなる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例に係る自動車用リーン
バーンエンジンの排気浄化装置を図面に基づいて説明す
る。

【００１５】上記排気浄化装置では、図１に示すよう
に、内燃機関としてのエンジン１の排気系である排気通
路２の上流側には、リーン運転領域のときに排気ガス中
のＮＯｘを吸着する一方、理論空燃比ないしリッチ運転
領域のときに上記吸着したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着
能を有するＮＯｘ吸着部材３が配設されている。また、
上記排気通路２の下流側には、理論空燃比運転領域での
排気ガスに対する三元能を有する排気浄化用触媒として
の三元触媒に、該三元触媒を加熱可能な電気ヒータが併
設されてなるＥＨＣ４（ヒータ付触媒）が配置されてい
る。そして、これらＮＯｘ吸着部材３及びＥＨＣ４間の
排気通路２に２次エアを供給する２次エア供給手段とし
ての２次エア供給部５が備えられている。

【００１６】上記ＮＯｘ吸着部材３の材料構成としては
ＮＯｘ吸着能を有するものであれば特に限定されない
が、その一例としては、ランタノイド系の酸化物が担体
に多量に担持されてなるものが挙げられる。具体的に
は、硝酸ランタン（Ｌａ₂ Ｏ₃ ）や硝酸バリウム（Ｂａ
Ｏ）が５０〜７０％の割合で、またＰｔ（白金）が１リ
ットルの担体当たり０．５〜３ｇの割合でそれぞれ担持
されたものが挙げられる。

【００１７】上記ＥＨＣ４のヒータは、基本的には、自
動車のエンジン１を始動する際にイグニッションスイッ
チがオンされると同時に通電されて昇温を開始し、所定
の温度に達すると上記通電が自動的に停止されるように
なされている。その加熱性能は、例えば２５℃の雰囲気
下で通電された時点から４０秒程度が経過した時点で３
００℃に昇温する。

【００１８】上記ＥＨＣ４の三元触媒の材料構成として
は、理論空燃比運転領域での排気ガスに対する三元能を
有するものであれば特に限定されないが、その一例とし
ては、母材としてのアルミナ（酸化アルミニウム）及び
セリア（酸化セリウム）に活性種としてのＰｔ及びＲｈ
（ロジウム）が担持されてなる触媒パウダーを、コージ
ェライト製ハニカム担体に該担体１リットル当たり１．
６ｇの割合となるように担持させてなるものが挙げられ
る。その際に、Ｐｔ及びＲｈはＰｔ：Ｒｈ＝５：１の比
率とされる。また、その容量は１．０リットルである。

【００１９】上記２次エア供給部５は、エンジン１のク
ランク軸により駆動されて２次エアを吐出する図外のエ
アポンプと、このエアポンプから吐出されたエアをＮＯ
ｘ吸着部材３及びＥＨＣ４間の排気通路２内に供給する
ためのエア供給通路５ａと、このエア供給通路５ａの排
気通路２との接続部に介設されていて、該エア供給通路
５ａを開閉する開閉弁５ｂとからなっている。その酸素
供給能力としては、例えば理論空燃比運転領域のときの
排気ガスの酸素濃度を０．７５％から１．２％程度に引
き上げ得ることができる。因みに、このことで、排気ガ
スでは、空燃比Ａ／ＦがＡ／Ｆ＝１４．７からＡ／Ｆ＝
１５〜１６に変化したのと同じ状態になる。

【００２０】次に、上記排気浄化装置の作動を説明す
る。先ず、エンジン１のリーン運転領域のときには、排
気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ吸着部材３に吸着される。そ
して、理論空燃比ないしリッチ運転領域のときには、Ｎ
Ｏｘ吸着部材３に吸着されていたＮＯｘは該ＮＯｘ吸着
部材３から放出され、排気ガス中のＨＣ及びＣＯと共に
ＥＨＣ４の三元触媒により浄化されるようになる。

【００２１】一方、冷機時のエンジン始動の際には、Ｅ
ＨＣ４のヒータにより該ＥＨＣの三元触媒はエンジン始
動から４０秒程度の短時間のうちに３００℃に加熱され
るので、排気ガス中のＮＯｘはＨＣ及びＣＯと共に上記
三元触媒により浄化されるようになる。

【００２２】そして、２次エア供給部５により２次エア
が供給されて排気ガス中のＨＣ及びＣＯの浄化率が高め
られる際に、その２次エアは上記ＮＯｘ吸着部材３の下
流側に供給されるので、該２次エアの供給による排気ガ
ス中の酸素濃度の変化に起因してＮＯｘ吸着部材３のＮ
Ｏｘ吸着能が損なわれるという事態は生じない。つま
り、雰囲気が酸素過剰であると、上記ＮＯｘ吸着部材３
はＮＯｘを吸着し続けて短時間のうちに吸着能力が限界
に達し、その後はＮＯｘを吸着し難くなるのである。

【００２３】したがって、本実施例によれば、冷機時の
エンジン始動直後の早い時期からＮＯｘの浄化を行って
その外気への排出量を低減できるのみならず、リーン運
転領域のときに発生したＮＯｘの外気への排出量を低減
することができ、さらに、２次エアの供給による排気ガ
ス中の酸素濃度の変化でＮＯｘ吸着部材３のＮＯｘ吸着
能が損なわれるという事態が生じるのを回避することも
できる。

【００２４】尚、上記実施例では、ＥＨＣ４の排気浄化
用触媒として三元触媒を使用しているが、上記排気浄化
用触媒としては、理論空燃比運転領域で三元能を少なく
とも有するものであれば上記三元触媒に限定する必要は
なく、例えば、上記三元能にリーン運転領域でのＮＯｘ
浄化能を併せ持つＮＯｘ浄化用触媒（いわゆる、リーン
バーン用三元触媒）を使用するようにしてもよい。

【００２５】−具体例−ここで、上記排気浄化装置の排
気浄化能を調べるために行った実験について説明する。
実験に際し、加速時及び定速時の大部分をエンジンのリ
ーン領域での運転で走行する車両の排気通路に、上記排
気浄化装置を配置してなる本発明システム（図１に示し
たもの）を本発明例とした。尚、上記車両には、１５０
０ｃｃの排気量を持つ直列４気筒のＤＯＨＣエンジンが
搭載されたものを用いた。上記エンジンのリーン限界は
空燃比Ａ／ＦでＡ／Ｆ＝２７である。また、車両重量は
１３００ｋｇである。

【００２６】上記本発明例と比較するために、４つの比
較例１〜４をそれぞれ用意した。すなわち、比較例１で
は、本発明例の場合と同じ三元触媒のみからなる排気浄
化装置とした。比較例２では、上記比較例１の三元触媒
の上流側に本発明例の場合と同じＮＯｘ吸着部材を配置
した。比較例３では、本発明例の場合と同じＥＨＣのみ
を配置するようにした。また、比較例４では、比較例３
のＥＨＣの上流側に本発明例の場合と同じＮＯｘ吸着部
材を配置するようにし、２次エアの供給については行わ
ないものとした。そして、各々、２５℃の雰囲気温度下
での冷機時に理論空燃比のみで運転した場合の排気浄化
率（Ｙ１浄化率）、及びアイドル運転以外の略全域をリ
ーンな空燃比の混合気で運転した場合の排気浄化率（Ｆ
ＴＰ浄化率）についてそれぞれ調べた。その結果を、次
の表１に併せて示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】上記の表１から判るように、先ず、全体と
して、Ｙ１浄化率よりもＦＴＰ浄化率の方がＨＣ、ＣＯ
及びＮＯｘの各浄化率において向上している。これは、
各々の触媒が活性温度域以上になっていてその浄化能が
十分に発揮されているためであると考えられる。

【００２９】そして、ＥＨＣの備えられていない比較例
１及び２と、ＥＨＣの備えられている比較例３及び４と
を対比して判るのは、比較例３及び４ではＨＣ、ＣＯ及
びＮＯｘに対する各浄化率が共に向上している。特に、
Ｙ１浄化率において大幅に向上している。これは、上記
ＥＨＣのヒータにより該ＥＨＣの三元触媒がその活性温
度域に短時間のうちに加熱されて冷機時のエンジン始動
直後の早い時点から浄化能を発揮していることによるも
のと考えられる。

【００３０】また、ＮＯｘ吸着部材の備えられていない
比較例１及び３と、ＮＯｘ吸着部材の備えられている比
較例２及び４とを対比すると、比較例２及び４ではＮＯ
ｘ浄化率の向上していることが判る。これは、上記ＮＯ
ｘ吸着部材により排気ガス中のＮＯｘが吸着されること
によるものと考えられる。

【００３１】そして、２次エアの供給されない比較例４
と、２次エアの供給される本発明例とを対比すると、本
発明例ではＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘに対する各浄化率が共
に向上している。これは、ＨＣ及びＣＯについては、２
次エアの供給により各浄化率が向上したことによるもの
と考えられる。そして、その際に、本発明例において、
上記２次エアの供給により酸素濃度が変化するにも拘ら
ず、ＮＯｘ浄化率が高いレベルに維持されているのは、
２次エアがＮＯｘ吸着部材の下流側に供給されるように
なっていることによるものと考えられる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、内燃機関の排気浄化装置として、リーン運転領
域のときに排気ガス中のＮＯｘを吸着する一方、理論空
燃比運転領域ないしリッチ運転領域のときに上記吸着し
たＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着能を有するＮＯｘ吸着部
材と、このＮＯｘ吸着部材の下流側に配置され、理論空
燃比運転領域での排気ガスに対する三元能を少なくとも
有する排気浄化用触媒に、該排気浄化用触媒を加熱可能
なヒータが併設されてなるＥＨＣと、これらＮＯｘ吸着
部材及びＥＨＣ間の排気系に２次エアを供給する２次エ
ア供給手段とを備えるようにしたので、冷機時のみなら
ずリーン運転領域のときに発生したＮＯｘの外気への排
出量を低減することができ、しかもＮＯｘ吸着部材のＮ
Ｏｘ吸着機能が２次エアの供給による排気ガス中の酸素
濃度変化により損なわれるのを回避することができる。

【００３３】請求項２の発明によれば、上記ＥＨＣの排
気浄化用触媒を三元触媒により構成するようにしたの
で、上記請求項１の発明による効果を具体的に得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る排気浄化装置を示す概略
図である。

【符号の説明】

１ エンジン（内燃機関） ２ 排気通路（排気系） ３ ＮＯｘ吸着部材 ４ ＥＨＣ（ヒータ付触媒） ５ ２次エア供給部（２次エア供給手段）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気系に配置され、リーン運
   転領域のときに排気ガス中のＮＯｘを吸着する一方、理
   論空燃比運転領域ないしリッチ運転領域のときに上記吸
   着したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着能を有するＮＯｘ吸
   着部材と、 上記ＮＯｘ吸着部材の下流側に配置され、理論空燃比運
   転領域での排気ガスに対するＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘ浄化
   能の三元能を少なくとも有する排気浄化用触媒に、該排
   気浄化用触媒を加熱可能なヒータが併設されてなるヒー
   タ付触媒と、 上記ＮＯｘ吸着部材及びヒータ付触媒間の排気系に２次
   エアを供給する２次エア供給手段とを備えていることを
   特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置
   において、 ヒータ付触媒の排気浄化用触媒は、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯ
   ｘ浄化能を有する三元触媒であることを特徴とする内燃
   機関の排気浄化装置。