(57)【要約】【課題】本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、リーン燃焼モードと理論空燃比燃焼モードとの何れにおいても優れた排気浄化率を得るとともに、背圧を低減して高出力化を図ることを目的とする。【解決手段】本発明の内燃機関の排気浄化装置は、リーン燃焼モードと理論空燃比燃焼モードとを切り換える燃焼モード切換手段と、並行する第１排気通路３６および第２排気通路３７と、第１排気通路３６に設置されたＮＯｘ触媒３４と、第２排気通路３７に設置された三元触媒３５とを備える。ＮＯｘ触媒３４の長さＬ1を断面積で除した値は、三元触媒３５の長さＬ2を断面積で除した値より大きい。リーン燃焼モードでは排気ガスを三元触媒３５には流入させずにＮＯｘ触媒３４に流入させ、理論空燃比燃焼モードではＮＯｘ触媒３４および三元触媒３５の双方に排気ガスを流入させる。【選択図】図１
2010101198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の運転状況に応じてリーン燃焼モードと理論空燃比燃焼モードとを切り換える燃焼モード切換手段と、
前記内燃機関の排気系に設けられ、並行する第１排気通路および第２排気通路と、
前記第１排気通路に設置されたＮＯｘ触媒と、
前記第２排気通路に設置された三元触媒と、
を備え、
前記ＮＯｘ触媒の排気ガス流れ方向の寸法を断面積で除した値が、前記三元触媒の排気ガス流れ方向の寸法を断面積で除した値より大きいことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記三元触媒の通気抵抗が前記ＮＯｘ触媒の通気抵抗より小さいことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記リーン燃焼モードが選択されているときには排気ガスを前記三元触媒には流入させずに前記ＮＯｘ触媒に流入させ、前記理論空燃比燃焼モードが選択されているときには前記ＮＯｘ触媒および前記三元触媒の双方に排気ガスを流入させるように、排気ガスの経路を切り換える排気経路切換手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記ＮＯｘ触媒の排気ガス流れ方向の寸法が、前記三元触媒の排気ガス流れ方向の寸法より大きいことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記三元触媒の断面積が前記ＮＯｘ触媒の断面積より大きいことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記ＮＯｘ触媒の容量またはセル密度が前記三元触媒の容量またはセル密度より大きいことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関の排気ガスを浄化するための三元触媒が広く用いられている。三元触媒は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比の近傍にないと、高い浄化率が得られない。このため、理論空燃比より希薄な空燃比で燃焼させること、すなわちリーン燃焼が可能な内燃機関の場合には、リーン空燃比の下でＮＯｘを吸蔵することのできるＮＯｘ触媒を設けた排気浄化装置が用いられている。
【０００３】
特開平５−２８８０４４号公報には、リーン燃焼可能な内燃機関の排気浄化装置であって、主ＮＯｘ触媒と並列に副ＮＯｘ触媒を設けた装置が開示されている。この装置では、排気ガス流量が少ないときには主ＮＯｘ触媒のみに排気ガスを流入させ、排気ガス流量が多いときには主ＮＯｘ触媒および副ＮＯｘ触媒の双方に排気ガスを流入させるようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２８８０４４号公報
【特許文献２】特開平６−１０８８３４号公報
【特許文献３】特開２００３−３０７１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リーン燃焼を行う内燃機関であっても、高負荷領域など、運転領域によっては、理論空燃比燃焼が行われる。特開平５−２８８０４４号公報に開示された装置では、理論空燃比燃焼のときの排気ガスを浄化するため、主ＮＯｘ触媒および副ＮＯｘ触媒の下流側に、三元触媒および白金系触媒を設けている（同公報の図１および段落００１２参照）。この従来の装置では、高価なＮＯｘ触媒を２個設置している上に、更に三元触媒および白金系触媒を設けているので、製造コストが高いという問題がある。
【０００６】
また、ＮＯｘ触媒は、通気抵抗が比較的大きい。このため、上記従来の装置においては、高負荷運転時に主ＮＯｘ触媒および副ＮＯｘ触媒の双方に排気ガスを流入させたとしても、背圧が高くなり易い。その結果、内燃機関の充填効率の低下やポンプ損失の増大を招来し、出力が低下し易い。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、リーン燃焼モードと理論空燃比燃焼モードとの何れにおいても優れた排気浄化率が得られ、且つ、背圧を低減することができ高出力化に有利な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気浄化装置であって、
内燃機関の運転状況に応じてリーン燃焼モードと理論空燃比燃焼モードとを切り換える燃焼モード切換手段と、
前記内燃機関の排気系に設けられ、並行する第１排気通路および第２排気通路と、
前記第１排気通路に設置されたＮＯｘ触媒と、
前記第２排気通路に設置された三元触媒と、
を備え、
前記ＮＯｘ触媒の排気ガス流れ方向の寸法を断面積で除した値が、前記三元触媒の排気ガス流れ方向の寸法を断面積で除した値より大きいことを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記三元触媒の通気抵抗が前記ＮＯｘ触媒の通気抵抗より小さいことを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記リーン燃焼モードが選択されているときには排気ガスを前記三元触媒には流入させずに前記ＮＯｘ触媒に流入させ、前記理論空燃比燃焼モードが選択されているときには前記ＮＯｘ触媒および前記三元触媒の双方に排気ガスを流入させるように、排気ガスの経路を切り換える排気経路切換手段を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記ＮＯｘ触媒の排気ガス流れ方向の寸法が、前記三元触媒の排気ガス流れ方向の寸法より大きいことを特徴とする。
【００１２】
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記三元触媒の断面積が前記ＮＯｘ触媒の断面積より大きいことを特徴とする。
【００１３】
また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、
前記ＮＯｘ触媒の容量またはセル密度が前記三元触媒の容量またはセル密度より大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、並行する第１排気通路および第２排気通路を形成し、第１排気通路にＮＯｘ触媒を設置し、第２排気通路に三元触媒を設置している。そして、ＮＯｘ触媒の排気ガス流れ方向の寸法を断面積で除した値（以下、「Ｌ／Ｓ」と称する）が、三元触媒のＬ／Ｓより大きくなるように、両触媒を構成している。ＮＯｘ触媒のＬ／Ｓを大きくすることにより、排気ガス中のＮＯｘが、貴金属や吸蔵材に接触する頻度を十分に高くすることができる。その結果、流入したＮＯｘが貴金属触媒によって確実にＮＯ2に酸化されるとともに、そのＮＯ2が吸蔵材に確実に吸収される。よって、リーン燃焼モードでのＮＯｘ浄化率を十分に向上することができる。しかしながら、Ｌ／Ｓを大きくすると通気抵抗が増大するので、ＮＯｘ触媒のみに排気ガスを流入させると、高負荷運転時に背圧が高くなり、出力が低下するという問題がある。この問題に対し、第１の発明によれば、Ｌ／Ｓの小さい三元触媒をＮＯｘ触媒と並行して設け、高負荷運転時等の理論空燃比燃焼モードにおいては、排気ガスを三元触媒に流入させることとしている。これにより、高負荷運転時の背圧の上昇を十分に抑制することができ、機関出力を十分に高めることができる。また、三元触媒は、理論空燃比での排気浄化に特化した仕様になっているので、ＮＯｘ触媒と比べ、より高い三元活性を発揮する。第１の発明によれば、理論空燃比燃焼モードのとき、三元活性の高い三元触媒を用いて排気ガスを浄化することができるので、高い浄化率が得られる。更に、第１の発明によれば、ＮＯｘ触媒のＬ／Ｓを大きくすることにより、Ｓ再生制御においてＳＯｘをより迅速且つ確実に脱離させることができるという利点もある。ＮＯｘ触媒のＬ／Ｓを大きくする、つまりＮＯｘ触媒を細長い形状にすると、ＮＯｘ触媒の各セルの中を流れる排気ガスの流速が速くなる。このため、Ｓ再生制御のとき、吸蔵材から脱離したＳＯｘの再吸着を抑制することができ、ＳＯｘを速やかにＮＯｘ触媒の外へ出すことができる。よって、ＳＯｘをより迅速且つ確実に脱離させることができる。
【００１５】
第２の発明によれば、三元触媒の通気抵抗がＮＯｘ触媒の通気抵抗より小さくされている。このため、高負荷運転時の背圧を更に低減することができ、機関出力を更に高めることができる。
【００１６】
第３の発明によれば、リーン燃焼モードが選択されているときには排気ガスを三元触媒には流入させずにＮＯｘ触媒に流入させ、理論空燃比燃焼モードが選択されているときにはＮＯｘ触媒および三元触媒の双方に排気ガスを流入させることができる。すなわち、理論空燃比燃焼モードのときには、並列に配置されたＮＯｘ触媒および三元触媒の双方に排気ガスを流入させることにより、背圧を大幅に低下させることができる。この際、排気ガスは、通気抵抗の小さい三元触媒の方により多く流れる。このため、排気ガスの大半を、三元活性の高い三元触媒によって浄化することができるので、高い浄化率が得られる。
【００１７】
第４の発明によれば、ＮＯｘ触媒の排気ガス流れ方向の寸法（以下、「長さ」と称する）が、三元触媒の長さより大きいことにより、次のような効果が得られる。ＮＯｘ触媒の長さを長くすることにより、排気ガス中のＮＯｘが、ＮＯｘ触媒中の貴金属や吸蔵材と接触する頻度を更に高くすることができる。このため、リーン燃焼モードのときのＮＯｘ浄化率を更に高めることができる。その一方で、三元触媒の長さを比較的短くすることにより、三元触媒の通気抵抗を更に小さくすることができる。このため、理論空燃比燃焼モードのときの背圧を更に低下させることができるので、機関出力を更に高めることができる。
【００１８】
第５の発明によれば、三元触媒の断面積がＮＯｘ触媒の断面積より大きいことにより、次のような効果が得られる。三元触媒の断面積を大きくすることにより、三元触媒の通気抵抗を更に小さくすることができる。このため、理論空燃比燃焼モードのときの背圧を更に低下させることができるので、機関出力を更に高めることができる。その一方で、ＮＯｘ触媒の断面積を比較的小さくすることにより、ＮＯｘ触媒の各セルの中を流れる排気ガスの流速を更に速くすることができる。このため、ＮＯｘ触媒のＳ再生制御のとき、吸蔵材から脱離したＳＯｘの再吸着をより確実に抑制することができ、ＳＯｘをより速やかにＮＯｘ触媒の外へ出すことができる。よって、ＳＯｘを更に迅速且つ確実に脱離させることができる。
【００１９】
第６の発明によれば、ＮＯｘ触媒の容量またはセル密度が三元触媒の容量またはセル密度より大きいことにより、次のような効果が得られる。ＮＯｘ触媒の容量やセル密度を大きくすることにより、より多くの吸蔵材を担持させることができるとともに、排気ガス中のＮＯｘが貴金属や吸蔵材と接触する頻度を更に高くすることができる。このため、ＮＯｘ吸蔵能力をより高くすることができるので、リーン燃焼モードのときのＮＯｘ浄化率を更に高めることができる。その一方で、三元触媒の容量を比較的小さくすることにより、迅速な触媒暖機が可能となる。このため、内燃機関の始動直後におけるエミッションを十分に低減することができる。また、三元触媒のセル密度を比較的低くすることにより、三元触媒の通気抵抗を更に小さくすることができる。このため、理論空燃比燃焼モードのときの背圧を更に低下させることができるので、機関出力を更に高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本発明の実施の形態１のシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、例えば車両の動力源として用いられる。図１に示す内燃機関１０は、直列４気筒型であるが、本発明では、気筒数および気筒配置は特に限定されるものではない。
【００２１】
内燃機関１０の各気筒には、図示を省略するが、ピストン、吸気弁、排気弁、点火プラグ等が設けられている。また、内燃機関１０には、各気筒の吸気ポートあるいは筒内に燃料を噴射する燃料インジェクタを有する燃料噴射装置１２が設けられている。
【００２２】
この内燃機関１０は、理論空燃比燃焼のほかに、燃料を理論空燃比より希薄な空燃比で燃焼させるリーン燃焼を行うことができる。リーン燃焼としては、均質燃焼、成層燃焼、の何れでもよい。
【００２３】
内燃機関１０には、吸気系２０および排気系３０が接続されている。吸気系２０は、エアクリーナ２２と、吸気通路２４と、吸気マニホールド２６と、スロットル弁２８とを有している。エアクリーナ２２から流入した空気は、吸気通路２４を流れ、吸気マニホールド２６によって各気筒に分配される。吸入空気量は、スロットル弁２８の開度によって調整される。
【００２４】
排気系３０は、排気マニホールド３１と、排気通路３２と、スタート触媒３３と、ＮＯｘ触媒３４と、三元触媒３５とを有している。各気筒から排出された排気ガスは、排気マニホールド３１によって集められ、排気通路３２に流入する。排気通路３２の途中には、スタート触媒３３が設置されている。スタート触媒３３は、排気マニホールド３１の直下にあり、且つ、容量が比較的小さい。このため、スタート触媒３３は、内燃機関１０の始動後、早期に活性化して、排気ガスを浄化することができる。
【００２５】
排気通路３２の下流側には、第１排気通路３６と第２排気通路３７とが並行して設けられている。すなわち、排気通路３２の下流側は、第１排気通路３６と第２排気通路３７とに分岐している。
【００２６】
第１排気通路３６には、ＮＯｘ触媒３４が設置されている。本実施形態のＮＯｘ触媒３４は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである場合にはＮＯｘを吸蔵することができ、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比以下である場合には吸蔵したＮＯｘを脱離させて還元浄化することのできる吸蔵還元型のＮＯｘ触媒（ＮＳＲ: NOx Storage Reduction）である。なお、本明細書において、「吸蔵」という用語には、「保持」、「吸着」、「吸収」等に類似するすべての概念が含まれる。
【００２７】
ＮＯｘ触媒３４の触媒層としては、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の表面に、触媒作用を有する白金Ｐｔ等の貴金属と、ＮＯｘを吸収して硝酸塩として保持することのできるバリウムＢａ等の吸蔵材とを分散させたものを用いることができる。本実施形態のＮＯｘ触媒３４は、そのような触媒層がモノリス形の担体の表面に担持された構成となっている。モノリス形の担体は、排気ガスの流れ方向に貫通する多数の貫通孔（セル）を有している。
【００２８】
第２排気通路３７には、三元触媒３５が設置されている。三元触媒３５は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比の近傍であるとき、ＨＣ、ＣＯ、およびＮＯｘを同時に浄化することができる。本実施形態の三元触媒３５は、貴金属を含む触媒層がモノリス形の担体に担持された構成となっている。この三元触媒３５には、ＮＯｘを吸蔵する吸蔵材は含まれていない。すなわち、三元触媒３５は、理論空燃比下での排気浄化に特化した仕様となっている。
【００２９】
第２排気通路３７の入口付近には、この入口を開閉する排気制御弁３８が設置されている。排気制御弁３８を開いたときには、排気ガスはＮＯｘ触媒３４と三元触媒３５との双方に流れる。これに対し、排気制御弁３８を閉じると、排気ガスは、三元触媒３５には流れず、ＮＯｘ触媒３４にのみ流れる。
【００３０】
第１排気通路３６および第２排気通路３７の下流側は、一つに合流し、図示しないマフラーに接続されている。
【００３１】
本実施形態のシステムは、更に、内燃機関１０のエンジン回転数を検出する回転数センサ１４と、内燃機関１０の冷却水温を検出する水温センサ１５と、内燃機関１０から排出される排気ガスの空燃比（スタート触媒３３に流入する排気ガスの空燃比）を検出する空燃比センサ１６と、内燃機関１０が搭載された車両の運転席のアクセルペダルの位置（アクセル開度）を検出するアクセルポジションセンサ１８と、内燃機関１０の吸入空気量を検出するエアフローメータ２１と、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０とを備えている。ＥＣＵ５０には、上述した各種のアクチュエータおよびセンサが電気的に接続されている。
【００３２】
ＥＣＵ５０は、内燃機関１０の運転状態に応じて、リーン燃焼モードと、理論空燃比燃焼モードとを切り換える。例えば、内燃機関１０の始動直後の暖機時や、高出力が要求される高負荷運転時には、理論空燃比燃焼モードが選択される。一方、暖機完了後の低中負荷運転時には、リーン燃焼モードが選択される。ＥＣＵ５０は、リーン燃焼と理論空燃比燃焼との切り換えに際しては、スロットル弁２８の開度を調整することによって吸入空気量を変更するとともに、燃料噴射装置１２からの燃料噴射量を制御することにより、燃焼空燃比を制御する。
【００３３】
リーン燃焼モードにおいては、原則として理論空燃比よりリーンな空燃比で燃焼が行われるが、空燃比を一時的に理論空燃比以下とするリッチスパイク制御が周期的に実行される。リッチスパイク制御によれば、ＮＯｘ触媒３４に還元剤としての燃料を流入させることができる。これにより、ＮＯｘ触媒３４に吸蔵されたＮＯｘを脱離させ、Ｎ2へと還元浄化することができる。
【００３４】
理論空燃比燃焼モードにおいては、原則として理論空燃比の近傍で燃焼が行われる。理論空燃比燃焼モードにおいては、空燃比センサ１６の信号に基づいて燃料噴射量を制御する空燃比フィードバック制御を行うことにより、空燃比を理論空燃比の近傍に精度良く維持することができる。
【００３５】
本実施形態のシステムでは、リーン燃焼モードが選択されている場合には、排気制御弁３８を閉じることにより、スタート触媒３３を通過した排気ガスをＮＯｘ触媒３４にのみ流入させる。
【００３６】
一方、理論空燃比燃焼モードが選択されている場合には、排気制御弁３８を開くことにより、スタート触媒３３を通過した排気ガスをＮＯｘ触媒３４および三元触媒３５の双方に流入させる。ＮＯｘ触媒３４は、貴金属を含んでおり、三元活性を有している。このため、理論空燃比燃焼モードのときには、ＮＯｘ触媒３４は、ＨＣ、ＣＯ、およびＮＯｘを同時に浄化することができる。
【００３７】
本明細書では、触媒に関して、排気ガス流れ方向の寸法（以下、単に「長さ」と称する）Ｌを、排気ガス流れ方向に垂直な断面の面積（以下、単に「断面積」と称する）Ｓで除した値をＬ／Ｓと表記する。本実施形態のシステムでは、ＮＯｘ触媒３４のＬ／Ｓが、三元触媒３５のＬ／Ｓより大きくなるように、両触媒の長さＬおよび断面積Ｓが設定されている。換言すれば、ＮＯｘ触媒３４は、三元触媒３５よりも細長い形状をなしている。
【００３８】
以下、本発明者が本発明に想到するに至った技術的経緯について説明する。図２は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」と言う）に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしてＮＯｘを還元した後、排気ガスの空燃比をリーンに切り換えた場合の、触媒出ガスのＮＯｘ濃度を示すグラフである。
【００３９】
ＮＯｘ触媒のコストの大半は、貴金属の価格である。このため、使用できる貴金属の量には制約がある。本発明者は、限られた貴金属使用量の中でＮＯｘ触媒の浄化性能を可能な限り高めるべく鋭意研究を重ねた結果、Ｌ／Ｓを大きくすることが浄化性能向上に極めて有効であることを見出した。
【００４０】
図２では、Ｌ／Ｓが比較的大きいＮＯｘ触媒を使用した場合と、これに比してＬ／Ｓが小さいＮＯｘ触媒とを使用した場合との二つの場合の実験結果が示されている。図２中の吸蔵率９０％のラインは、流入したＮＯｘのうちで吸収できた割合が９０％となるラインである。全体で例えば９５％のＮＯｘ浄化率を目標とする場合には、吸蔵率が概ね９０％以上となる範囲内でＮＯｘ触媒を使用することが必要である。すなわち、図２中で触媒出ガスのＮＯｘ濃度が吸蔵率９０％のラインを超えた時点でリッチスパイクを行うことが必要となる。
【００４１】
図２に示すように、Ｌ／Ｓが小さいＮＯｘ触媒では、空燃比がリーンに切り換わった直後から触媒出ガスのＮＯｘ濃度が上昇し始める。これに対し、Ｌ／Ｓが大きいＮＯｘ触媒では、空燃比がリーンに切り換わった後、３０秒程度の間は、触媒出ガスのＮＯｘ濃度がゼロ（つまり吸蔵率１００％）に保たれる。従って、吸蔵率９０％以上の範囲における平均吸蔵率を考えると、Ｌ／Ｓが大きいＮＯｘ触媒の方が、Ｌ／Ｓが小さいＮＯｘ触媒よりも高くなる。
【００４２】
また、空燃比がリーンに切り換わった後、触媒出ガスのＮＯｘ濃度が吸蔵率９０％のラインを超えるまでの時間に関して見ても、Ｌ／Ｓが小さいＮＯｘ触媒と比べて、Ｌ／Ｓが大きいＮＯｘ触媒の方が長い。このため、Ｌ／Ｓが大きいＮＯｘ触媒は、Ｌ／Ｓが小さいＮＯｘ触媒と比べて、リッチスパイクの実行周期を長くすることができる。
【００４３】
図３は、リーン燃焼とリッチスパイクを繰り返した場合のＮＯｘ浄化率を、Ｌ／Ｓが大きいＮＯｘ触媒と、Ｌ／Ｓが小さいＮＯｘ触媒とで比較した図である。上述したように、Ｌ／Ｓが大きいＮＯｘ触媒は、Ｌ／Ｓが小さいＮＯｘ触媒と比べて、実際の使用範囲である吸蔵率９０％以上の範囲における平均吸蔵率が高いとともに、リッチスパイクの実行周期を長くすることもできる。このため、図３に示すように、Ｌ／Ｓが大きいＮＯｘ触媒は、Ｌ／Ｓが小さいＮＯｘ触媒と比べて、高いＮＯｘ浄化率が得られる。
【００４４】
Ｌ／Ｓが大きいＮＯｘ触媒が高いＮＯｘ浄化率を発揮する理由は、次のように考えられる。図４は、Ｌ／Ｓが大きいＮＯｘ触媒と、Ｌ／Ｓが小さいＮＯｘ触媒とを模式的に示した図である。Ｌ／Ｓが大きいＮＯｘ触媒では、Ｌ／Ｓが小さいＮＯｘ触媒と比べて、排気ガス流れ方向の長さＬが長い。このため、流入した排気ガス中のＮＯｘが、貴金属や吸蔵材に接触する頻度が高くなる。その結果、流入したＮＯｘが貴金属触媒によって確実にＮＯ2に酸化されるとともに、そのＮＯ2が吸蔵材に確実に吸収されるものと考えられる。
【００４５】
特に、モノリス形担体を用いた触媒の場合には、流入した排気ガスが個々のセルの中を通過し、周囲に拡散しない。このため、容量が同じであっても、長さＬの長い触媒の方が、ＮＯｘと貴金属や吸蔵材との接触頻度を確実に高めることができるものと考えられる。
【００４６】
なお、図２に示すように、吸蔵率が９０％以下となる範囲の触媒出ガスのＮＯｘ濃度を見てみると、Ｌ／Ｓが大きいＮＯｘ触媒の方が、Ｌ／Ｓが小さいＮＯｘ触媒よりも急に上昇し、やがて両者は逆転する。しかしながら、吸蔵率が９０％以下となる範囲は、実際に使用する範囲ではないので、ＮＯｘ浄化率には無関係である。
【００４７】
一方の三元触媒３５は、ＮＯｘ等の有害成分を吸蔵するというプロセスがなく、浄化メカニズムがＮＯｘ触媒３４とは異なる。このため、三元触媒３５の浄化性能は、Ｌ／Ｓの影響をほとんど受けない。よって、三元触媒３５では、むしろ、Ｌ／Ｓを小さくした方が、通気抵抗が小さくなるので、内燃機関１０の背圧を低下させることができる点において有益である。
【００４８】
前述したように、本実施形態のシステムでは、ＮＯｘ触媒３４のＬ／Ｓを三元触媒３５のＬ／Ｓより大きくしている。このため、ＮＯｘ触媒３４のＬ／Ｓを十分に大きくし、ＮＯｘ吸蔵性能を十分に向上することができる。よって、リーン燃焼モードにおいてＮＯｘ触媒３４に排気ガスを流入させた際、高いＮＯｘ浄化率を得ることができる。
【００４９】
しかしながら、ＮＯｘ触媒のＬ／Ｓが大きくなると、通気抵抗が増大するため、エンジンの背圧が高くなり易いという背反がある。図５は、排気ガス流量と背圧との関係を、Ｌ／Ｓが大きいＮＯｘ触媒と、Ｌ／Ｓが小さいＮＯｘ触媒とで比較した図である。この図に示すように、Ｌ／Ｓが大きいＮＯｘ触媒は、Ｌ／Ｓが小さいＮＯｘ触媒と比べ、背圧が高くなるとともに、その差は排気ガス流量が多くなるほど大きくなる。従って、Ｌ／Ｓの大きいＮＯｘ触媒を使用した場合には、排気ガス流量の多い高負荷領域において、エンジンの背圧が高くなるという問題がある。背圧が高くなると、充填効率が低下したり、ポンプ損失が増大したりするので、出力を十分に高めることが困難となる。
【００５０】
上記の問題に対し、本実施形態のシステムでは、高負荷運転時には、理論空燃比燃焼モードが選択されることにより、排気ガスをＮＯｘ触媒３４および三元触媒３５の双方に流入させることができる。すなわち、排気ガスを二手に分けて、ＮＯｘ触媒３４と三元触媒３５とのそれぞれに流すことができる。このように、並列に配置された複数の触媒に排気ガスを流すことにより、背圧を大幅に低下させることができる。しかも、本実施形態では、三元触媒３５は、ＮＯｘ触媒３４と比べ、Ｌ／Ｓが小さいため、通気抵抗も小さい。このため、背圧を更に低下させることができる。よって、本実施形態のシステムによれば、高負荷運転時においても、充填効率の低下やポンプ損失の増大を確実に抑制することができ、内燃機関１０の出力を十分に高めることができる。
【００５１】
これに対し、ＮＯｘ触媒を二つ並列に配置したシステムの場合には、両触媒とも通気抵抗が比較的大きいため、両触媒に排気ガスを流入させたとしても、背圧を低下させる効果が本発明より小さい。このため、機関出力を十分に高めることが困難である。
【００５２】
ところで、三元触媒３５は、理論空燃比での使用に特化した仕様になっているので、ＮＯｘ触媒３４と比べ、より高い三元活性を発揮する。そして、三元触媒３５は、ＮＯｘ触媒３４よりも通気抵抗が小さいので、排気ガスが流れ易い。このため、排気ガスをＮＯｘ触媒３４および三元触媒３５の双方に流入させた場合、三元触媒３５を通過する排気ガス量は、ＮＯｘ触媒３４を通過する排気ガス量よりも多くなる。すなわち、本実施形態では、理論空燃比燃焼モードのとき、排気ガスの大半を、三元活性の高い三元触媒３５によって浄化することができる。このため、高い浄化率が得られる。
【００５３】
これに対し、ＮＯｘ触媒を二つ並列に配置したシステムの場合には、両触媒に排気ガスを流入させたとしても、三元活性が三元触媒より低い。このため、本発明と比べ、排気浄化率は低くなる。
【００５４】
［実施の形態１における具体的処理］
図６は、本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行されるものとする。図６に示すルーチンによれば、まず、内燃機関１０の運転条件（エンジン回転数、吸入空気量、冷却水温、スロットル弁開度、アクセル開度等）が各種センサの出力に基づいて検出される（ステップ１００）。
【００５５】
次いで、内燃機関１０が冷間状態であるか否か、すなわち暖機途中であるか否かが、例えば冷却水温に基づいて判定される（ステップ１０２）。本実施形態では、内燃機関１０の暖機が完了するまでは、暖機を促進するため、理論空燃比燃焼モードを選択することにしている。このため、上記ステップ１０２で、内燃機関１０が暖機途中であると判定された場合には、排気ガスをＮＯｘ触媒３４と三元触媒３５との双方に流入させるべく、排気制御弁３８が開に制御される（ステップ１１４）。
【００５６】
一方、上記ステップ１０２で、内燃機関１０の暖機が完了していると判定された場合には、次に、スロットル弁開度が所定値αより大きいか否かが判別される（ステップ１０４）。本実施形態では、スロットル弁開度が所定値αより大きい高負荷領域においては原則として理論空燃比燃焼モードを選択し、スロットル弁開度が所定値α以下の低中負荷領域においては原則としてリーン燃焼モードを選択することとしている。このため、上記ステップ１０４でスロットル弁開度が所定値αより大きいと判別された場合には、理論空燃比燃焼モードで内燃機関１０が運転されていると判断できる。そこで、この場合には、排気ガスをＮＯｘ触媒３４と三元触媒３５との双方に流入させるべく、排気制御弁３８が開に制御される（ステップ１１４）。
【００５７】
これに対し、上記ステップ１０４でスロットル弁開度が所定値α以下であると判別された場合には、次に、空燃比センサ１６により、排気ガスの空燃比が検出される（ステップ１０６）。続いて、このステップ１０６で検出された空燃比が理論空燃比よりリーンであるか否かが判定される（ステップ１０８）。
【００５８】
上記ステップ１０８で、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンであると判別された場合には、内燃機関１０がリーン燃焼で運転中であると判断できる。そこで、この場合には、排気ガスを三元触媒３５には流入させずにＮＯｘ触媒３４のみに流入させるようにするため、排気制御弁３８が閉に制御される（ステップ１１４）。
【００５９】
一方、上記ステップ１０８で、排気ガスの空燃比が理論空燃比以下であると判別された場合には、次に、リッチスパイク制御が実行中であるか否かが判定される。リッチスパイク制御の実行中は、ＮＯｘ触媒３４に吸蔵されたＮＯｘを還元するための還元剤（未燃燃料）が排気ガスに含まれている。このため、この排気ガスは、ＮＯｘ触媒３４のみに流入させることが好ましい。よって、上記ステップ１０８で、リッチスパイク制御が実行中であると判定された場合には、排気ガスをＮＯｘ触媒３４のみに流入させるようにするため、排気制御弁３８が閉に制御される（ステップ１１４）。
【００６０】
これに対し、上記ステップ１０８で、リッチスパイク制御が実行されていないと判定された場合には、次に、Ｓ再生制御が実行中であるか否かが判定される（ステップ１１２）。
【００６１】
ＮＯｘ触媒３４の吸蔵材は、燃料に含まれる硫黄分が燃焼して生成される硫黄酸化物（ＳＯｘ）をも吸収し、硫酸塩として保持する。硫酸塩は硝酸塩よりも安定であるため、吸蔵材中には次第にＳＯｘが蓄積していく。その結果、ＮＯｘ触媒３４のＮＯｘ吸蔵能力が低下していく。Ｓ再生制御は、ＮＯｘ触媒３４に吸着したＳＯｘを脱離させ、ＮＯｘ吸蔵能力を回復させるために、定期的に（例えば２０００ｋｍ走行毎程度）実行される制御である。Ｓ再生制御では、ＮＯｘ触媒３４を高温（例えば６００〜６５０℃）にした状態で、理論空燃比よりリッチな空燃比の排気ガスを例えば５〜１０分間程度ＮＯｘ触媒３４に流入させる。これにより、ＮＯｘ触媒３４からＳＯｘを脱離させることができる。
【００６２】
Ｓ再生制御の実行中は、排気ガスをＮＯｘ触媒３４のみに流入させることが好ましい。よって、上記ステップ１１２で、Ｓ再生制御が実行中であると判定された場合には、排気制御弁３８が閉に制御される（ステップ１１４）。
【００６３】
一方、上記ステップ１１２で、Ｓ再生制御が実行されていないと判定された場合には、内燃機関１０は理論空燃比で燃焼していると判断することができる。そこで、この場合には、排気ガスをＮＯｘ触媒３４と三元触媒３５との双方に流入させるべく、排気制御弁３８が開に制御される（ステップ１１４）。
【００６４】
上述した図６に示すルーチンの処理によれば、リーン燃焼が行われているときには排気ガスをＮＯｘ触媒３４のみに流入させることができる。前述したように、本実施形態のＮＯｘ触媒３４は、Ｌ／Ｓが大きく設定されているため、優れたＮＯｘ浄化性能を発揮する。このため、リーン燃焼モードのとき、高いＮＯｘ浄化率が得られる。
【００６５】
また、ＮＯｘ触媒３４のＬ／Ｓが大きいことにより、Ｓ再生制御においてＳＯｘをより迅速且つ確実に脱離させることができるという利点もある。Ｓ再生制御では、前述したように、ＮＯｘ触媒３４を高温にするととともにリッチな空燃比の排気ガスを流入させることにより、強固に吸蔵されているＳＯｘを脱離させる。しかしながら、ＳＯｘは吸蔵材に極めて吸着され易い性質を有している。このため、吸蔵材から脱離したＳＯｘがＮＯｘ触媒３４の各セルの中を流れる間に再び吸蔵材に吸着されてしまうという再吸着現象が生ずる。すなわち、Ｓ再生制御において、ＳＯｘは、ＮＯｘ触媒３４のセルの中で、吸蔵材からの脱離と再吸着とを繰り返しながら徐々に下流側に移行し、やがてＮＯｘ触媒３４の外へ出ていく。このようなことから、Ｓ再生制御は、例えば５〜１０分程度の比較的長い時間を要する。ＮＯｘ触媒３４のＬ／Ｓを大きくする、つまりＮＯｘ触媒３４を細長い形状にすると、ＮＯｘ触媒３４の各セルの中を流れる排気ガスの流速が速くなる。その結果、吸蔵材から脱離したＳＯｘの再吸着を抑制することができ、ＳＯｘを速やかにＮＯｘ触媒３４の外へ出すことができる。よって、ＳＯｘをより迅速且つ確実に脱離させることができる。
【００６６】
また、上述した図６に示すルーチンの処理によれば、理論空燃比燃焼が行われているときには排気ガスをＮＯｘ触媒３４と三元触媒３５との双方に流入させることができる。このとき、排気ガスの経路が二手に分かれることによる背圧低減効果が発揮されることに加えて、三元触媒３５の通気抵抗がＮＯｘ触媒３４の通気抵抗より小さいことにより、背圧を更に低下させることができる。このため、排気ガス流量が特に多くなる高負荷運転時においても、背圧の上昇を十分に抑制することができる。よって、充填効率の低下やポンプ損失の増大を確実に抑制することができ、内燃機関１０の出力を十分に高めることができる。
【００６７】
また、三元触媒３５は、ＮＯｘ触媒３４よりも通気抵抗が小さいので、排気ガスが流れ易い。このため、排気ガスをＮＯｘ触媒３４および三元触媒３５の双方に流入させた場合、三元触媒３５を通過する排気ガス量は、ＮＯｘ触媒３４を通過する排気ガス量よりも多くなる。よって、理論空燃比燃焼が行われているときには、排気ガスの大半を、三元活性の高い三元触媒３５で浄化することができる。このため、高い浄化率が得られる。
【００６８】
前述したように、本発明では、ＮＯｘ触媒３４のＬ／Ｓを三元触媒３５のＬ／Ｓより大きくしている。これに加えて、本発明では、ＮＯｘ触媒３４の長さ（図１中のＬ1）が三元触媒３５の長さ（図１中のＬ2）より長いことが好ましい。ＮＯｘ触媒３４の長さＬ1を長くすることにより、排気ガス中のＮＯｘが、ＮＯｘ触媒３４中の貴金属や吸蔵材と接触する頻度を更に高くすることができる。このため、リーン燃焼モードのときのＮＯｘ浄化率を更に高めることができる。その一方で、三元触媒３５の長さＬ2を比較的短くすることにより、三元触媒３５の通気抵抗を更に小さくすることができる。このため、理論空燃比燃焼モードのときの背圧を更に低下させることができるので、内燃機関１０の出力を更に高めることができる。
【００６９】
また、本発明では、三元触媒３５の断面積がＮＯｘ触媒３４の断面積より大きいことが好ましい。三元触媒３５の断面積を大きくすることにより、三元触媒３５の通気抵抗を更に小さくすることができる。このため、理論空燃比燃焼モードのときの背圧を更に低下させることができるので、内燃機関１０の出力を更に高めることができる。その一方で、ＮＯｘ触媒３４の断面積を比較的小さくすることにより、ＮＯｘ触媒３４の各セルの中を流れる排気ガスの流速を更に速くすることができる。その結果、吸蔵材から脱離したＳＯｘの再吸着をより確実に抑制することができ、ＳＯｘをより速やかにＮＯｘ触媒３４の外へ出すことができる。よって、ＳＯｘを更に迅速且つ確実に脱離させることができる。
【００７０】
また、本発明では、ＮＯｘ触媒３４の容量（容量は、例えば、断面積×長さで計算される）が三元触媒３５の容量より大きいことが好ましい。ＮＯｘ触媒３４のＮＯｘ吸蔵能力は、吸蔵材の総量を多くするほど、向上する。しかしながら、吸蔵材の担持密度には限界がある。ＮＯｘ触媒３４の容量を大きくすれば、より多くの吸蔵材を担持させることができる。このため、ＮＯｘ吸蔵能力をより高くすることができるので、リーン燃焼モードのときのＮＯｘ浄化率を更に高めることができる。その一方で、三元触媒３５の容量を比較的小さくすることにより、迅速な触媒暖機が可能となる。このため、内燃機関１０の始動直後におけるエミッションを十分に低減することができる。
【００７１】
また、本発明では、ＮＯｘ触媒３４のセル密度（セル密度は、単位断面積当たりのセルの個数で定義される）が三元触媒３５のセル密度より高いことが好ましい。セル密度を高くすると、容量を大きくすることと同様の効果が得られる。すなわち、ＮＯｘ触媒３４のセル密度を高くすることにより、ＮＯｘ触媒３４の表面積が大きくなるので、より多くの吸蔵材を担持させることができ、また、排気ガス中のＮＯｘが貴金属や吸蔵材と接触する頻度を更に高くすることができる。このため、ＮＯｘ触媒３４のＮＯｘ吸蔵率が更に高まり、リーン燃焼モードのときのＮＯｘ浄化率を更に高めることができる。その一方で、三元触媒３５のセル密度を比較的低くすることにより、三元触媒３５の通気抵抗を更に小さくすることができる。このため、理論空燃比燃焼モードのときの背圧を更に低下させることができるので、内燃機関１０の出力を更に高めることができる。
【００７２】
なお、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、内燃機関１０の運転状態に応じてリーン燃焼モードと理論空燃比燃焼モードとを切り換えることにより前記第１の発明における「燃焼モード切換手段」が、図６に示すルーチンの処理を実行することにより前記第３の発明における「排気経路切換手段」が、それぞれ実現されている。
【００７３】
また、上述した実施の形態１では、理論空燃比燃焼モードのときにＮＯｘ触媒３４および三元触媒３５の双方に排気ガスを流入させるようにしているが、本発明では、理論空燃比燃焼モードのときに排気ガスをＮＯｘ触媒３４に流入させずに三元触媒３５のみに流入させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。
【図２】ＮＯｘ触媒のリッチスパイク後における触媒出ガスのＮＯｘ濃度を示すグラフである。
【図３】Ｌ／Ｓが大きいＮＯｘ触媒と、Ｌ／Ｓが小さいＮＯｘ触媒とでＮＯｘ浄化率を比較した図である。
【図４】Ｌ／Ｓが大きいＮＯｘ触媒と、Ｌ／Ｓが小さいＮＯｘ触媒とを模式的に示した図である。
【図５】排気ガス流量と背圧との関係を、Ｌ／Ｓが大きいＮＯｘ触媒と、Ｌ／Ｓが小さいＮＯｘ触媒とで比較した図である。
【図６】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００７５】
１０  内燃機関
１２  燃料噴射装置
１４  エンジン回転数センサ
１５  水温センサ
１６  空燃比センサ
１８  アクセルポジションセンサ
２０  吸気系
２１  エアフローメータ
２２  エアクリーナ
２４  吸気通路
２６  吸気マニホールド
２８  スロットル弁
３０  排気系
３１  排気マニホールド
３２  排気通路
３３  スタート触媒
３４  ＮＯｘ触媒
３５  三元触媒
３６  第１排気通路
３７  第２排気通路
３８  排気制御弁
５０  ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2010101198.tif 000006
【図５】
2010101198.tif 000007
【図６】
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