(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に三元触媒を備え、その下流側に、リーン運転時にＮＯｘを吸収し、ストイキ又はリッチ運転時にＮＯｘを放出するＮＯｘ吸蔵触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、
前記三元触媒の触媒担体の排気通路中心側のセル密度を排気通路周辺側のセル密度に比べて小さくしたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記三元触媒の触媒担体は、平板と波板とを交互に積層してなり、波板の波のピッチを排気通路中心側のものについて排気通路周辺側のものより大きくして、セル密度を変化させた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】
セル密度を排気通路中心側と排気通路周辺側とで２段階に変化させたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
セル密度を排気通路中心側から排気通路周辺側へ連続的に変化させたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三元触媒とＮＯｘ吸蔵触媒とを備える内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気浄化装置として、排気通路に、ストイキ運転時に効率良くＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを処理可能な三元触媒と、リーン運転時にＮＯｘを吸収し、ストイキ又はリッチ運転時にＮＯｘを放出してＨＣと反応させることにより還元処理するＮＯｘ吸蔵触媒とを備えるものがある（例えば特開平８−２７０４４０号公報参照）。
【０００３】
ところで、三元触媒は、内燃機関のコールドスタート対策のため（コールドスタート時にも触媒転化効率を確保してＨＣ低減を図るため）、排気温度の低下の少ない排気通路の比較的上流側（例えば排気マニホールド出口部）に配置するのがよく、特に燃焼室内に直接ガソリン燃料を噴射する直噴ガソリンエンジンでは、熱効率が良く排気温度が低くなるため、このように配置する必要がある。
【０００４】
その一方、ＮＯｘ吸蔵触媒は、高負荷時などに吸収材の熱劣化が問題となるなど、耐熱性に乏しいことから、排気通路の比較的下流側にいわゆる床下触媒として配置する必要がある。
従って、排気通路の上流側に三元触媒を配置し、下流側にＮＯｘ吸蔵触媒を配置する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように排気通路の上流側に三元触媒を配置し、下流側にＮＯｘ吸蔵触媒を配置すると、ストイキ又はリッチ運転時にＮＯｘ吸蔵触媒からＮＯｘを放出する際、この放出したＮＯｘを還元するのに必要なＨＣが上流側の三元触媒によって浄化処理されてしまい、ＮＯｘ吸蔵触媒によるＮＯｘの還元処理が不十分となるという問題点があった。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、ストイキ又はリッチ運転時に三元触媒下流側のＮＯｘ吸蔵触媒からＮＯｘを放出する際に、十分なＮＯｘ還元処理性能を確保できるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、排気通路に三元触媒を備え、その下流側に、リーン運転時にＮＯｘを吸収し、ストイキ又はリッチ運転時にＮＯｘを放出するＮＯｘ吸蔵触媒を備える内燃機関において、前記三元触媒の触媒担体の排気通路中心側のセル密度を、排気通路周辺側（外周側）のセル密度に比べて小さくしたことを特徴とする。
【０００８】
このようにすることで、次のような作用が得られる。
三元触媒の触媒担体の中心側のセル密度を周辺側のセル密度に比べて小さくすれば、中心側での触媒表面積を小さくして、中心側での転化効率を低下させることができる。
一方、リーン運転とストイキ又はリッチ運転とを切換可能な内燃機関において、ストイキ又はリッチ運転に切換えるのは、加速時などで、比較的空気流量（従って排気流量）が多いときである。
【０００９】
そして、排気流量が小さい時は、触媒の中心側と周辺側との流速差は小さく、排気が均一に流れるが、排気流量が大きい時は、触媒の中心側の流速が周辺側の流速に比べ極めて大きくなり、中心側を流れる割合が多くなる。
よって、三元触媒の中心側のセル密度を小さくして、中心側での転化効率を低下させておくことにより、排気流量が大となって、三元触媒の中心側を流れる割合が多くなるストイキ又はリッチ運転時に、三元触媒の転化効率を実質的に低下させることが可能となる。
【００１０】
このため、ストイキ又はリッチ運転時に、ＮＯｘ吸蔵触媒からＮＯｘを放出した際に、上流側の転化効率が低下した三元触媒からある程度のＨＣが供給され、ＮＯｘ還元処理性能を確保することが可能となる。
また、加速時などに、排気の多くが流れる触媒中心側のセル密度が小さいため、排気系の圧力損失も減少し、出力向上も図れる。
【００１１】
請求項２に係る発明では、前記三元触媒の触媒担体は、平板と波板とを交互に積層してなり、波板の波のピッチを排気通路中心側のものについて排気通路周辺側のものより大きくして、セル密度を変化させたことを特徴とする。
請求項３に係る発明では、セル密度を排気通路中心側と排気通路周辺側とで２段階に変化させたことを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明では、セル密度を排気通路中心側から排気通路周辺側へ連続的に変化させたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、ストイキ又はリッチ運転時に三元触媒下流側のＮＯｘ吸蔵触媒からＮＯｘを放出する際に、三元触媒の転化効率を低下させて、ＮＯｘの還元に必要なＨＣを供給することができ、十分なＮＯｘ還元処理性能を確保できるという効果が得られる。また、排気系の圧力損失を低減して、出力向上を図ることができるという効果も得られる。
【００１４】
請求項２に係る発明によれば、セル密度を変化させる際に、波板の波のピッチを変えることで、簡単に実施できるという効果が得られる。
請求項３に係る発明によれば、セル密度を２段階に変化させることで、簡単に実施できるという効果が得られる。
請求項４に係る発明によれば、セル密度を連続的に変化させることで、ＮＯｘ還元処理性能等を更に向上させることができるという効果が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明を適用する自動車用内燃機関の排気系のシステム図である。
内燃機関１は、例えば燃焼室内に直接ガソリン燃料を噴射する直噴ガソリンエンジンであり、空燃比の制御により、少なくともリーン運転とストイキ運転とに切換可能である。具体的には、図４に走行パターン例を示すように、定常及び減速時にリーン運転を行い、加速時にストイキ運転に切換える。
【００１６】
内燃機関１の排気通路２には、その比較的上流側（例えば排気マニホールド出口部）に三元触媒３が配置されている。三元触媒３は、ストイキ運転時に効率良くＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを処理可能である。
そして、排気通路２の比較的下流側（床下位置）にＮＯｘ吸蔵触媒４が配置されている。
【００１７】
ＮＯｘ吸蔵触媒４は、リーン運転時にＮＯｘを吸収し、ストイキ運転時にＮＯｘを放出してＨＣと反応させることにより還元処理するもので、特性上、ＮＯｘを吸収するときはＨＣが少ないほどよく、放出するときはＨＣが多いほど転化率が向上する。
すなわち、図５はある一定の流量、ＨＣ，ＮＯｘ濃度である排気ガスの下で、ＮＯｘ吸蔵触媒にＮＯｘを吸収させたときの飽和吸収量を示した図であり、ＨＣ／ＮＯｘが小さい程、すなわちＨＣが少ない程、吸収量が向上することを示している。また、図６は上記の吸収したＮＯｘをある一定時間転化できるＮＯｘ転化率について流入させるＨＣ濃度を変化させたときの傾向を示した図であり、ＨＣ濃度が大きい程、ＮＯｘ転化率が向上することを示している。
【００１８】
ここにおいて、三元触媒３の触媒担持用のメタル担体は、例えば図２又は図３に示すように、共に一定の厚さ（例えば３０〜５０μｍ）のメタル箔材からなる平板１１と波板１２とを交互に積層して、同心円状に巻いたものであり、隣り合う平板１１，１１間で波板１２の波のピッチ毎に、セル（小空間）が形成される。
【００１９】
そして、波板１２の波のピッチを排気通路中心側のものについて排気通路周辺側のものより大きくして、セル密度を変化させ、三元触媒３のメタル担体の中心側のセル密度を周辺側のセル密度に比べて小さく（粗く）してある。
この場合、図２に示すように、セル密度を中心側と周辺側とで２段階に変化させるようにしてもよいし、図３に示すように、セル密度を中心側から周辺側へ連続的に変化させるようにしてもよい。
【００２０】
また、中心側のセル密度は、５０〜２００ｃｐｓｉ、周辺側のセル密度は、４００〜１０００ｃｐｓｉ程度が適当である（ｃｐｓｉ＝セル・パー・スクエア・インチ）。
尚、メタル担体には、この例のように同心円状に巻くものと、Ｓ字状に巻くものとがあり、Ｓ字状に巻くものに適用してもよい。
【００２１】
次に作用を説明する。
三元触媒３のメタル担体の中心側のセル密度を周辺側のセル密度に比べて小さくすれば、中心側での触媒表面積を小さくして、中心側での転化効率を低下させることができる。
一方、ストイキ運転に切換えるのは、加速時などで、比較的空気流量（従って排気流量）が多いときである。
【００２２】
そして、図７に触媒での流速分布を示すように、排気流量が小さい時は、触媒の中心側と周辺側との流速差は小さく、排気が均一に流れるが、排気流量が大きい時は、触媒の中心側の流速が周辺側の流速に比べ極めて大きくなり、中心側を流れる割合が多くなる。
よって、三元触媒３の中心側のセル密度を小さくして、中心側での転化効率を低下させておくことにより、排気流量が大となって、三元触媒３の中心側を流れる割合が多くなるストイキ運転時に、三元触媒３の転化効率を実質的に低下させることが可能となる。
【００２３】
このため、ストイキ運転時に、ＮＯｘ吸蔵触媒４からＮＯｘを放出した際に、三元触媒３からある程度のＨＣが供給され、ＮＯｘ還元処理性能を確保することが可能となる。
すなわち、リーン運転時のように比較的排気流量が少なく触媒中の流速分布が均一な時は、三元触媒３でなるべくＨＣを転化して、下流側のＮＯｘ吸蔵触媒４での吸収性能を向上させ、ストイキ運転時のように比較的排気流量が多く触媒の中心流速が速い時には、三元触媒３でなるべくＨＣを転化せずに、下流側のＮＯｘ吸蔵触媒４へＨＣを供給し、ＮＯｘ還元反応を促進させるのである。
【００２４】
また、ストイキ運転を行う加速時などに、排気の多くが流れる触媒中心側のセル密度が小さいため、排気系の圧力損失も減少し、出力向上も図れる。
尚、セル密度を変化させる際に、平板１１の間隔を変え、この間に入る波板１２の波の高さを変化させるようにすることもできるが、波板１２の波のピッチを変える方が比較的容易に実施できる。
【００２５】
また、メタル担体を用いる場合、通電が可能であるので、ヒータ付き触媒（ＥＨＣ）として構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態を示す内燃機関の排気系のシステム図
【図２】  三元触媒のセル構造の一例を示す図１のＡ−Ａ断面図
【図３】  三元触媒のセル構造の他の例を示す図１のＡ−Ａ断面図
【図４】  走行パターン例を示す図
【図５】  ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸収特性を示す図
【図６】  ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ還元特性を示す図
【図７】  触媒での流速分布を示す図
【符号の説明】
１  内燃機関
２  排気通路
３  三元触媒
４  ＮＯｘ吸蔵触媒
１１  平板
１２  波板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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