(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気系にリーンＮＯｘ  触媒を配置するとともに該リーンＮＯｘ  触媒の上流側にＨＣ添加手段を設けた内燃機関の排気浄化装置において、前記ＨＣ添加手段の上流側に前記リーンＮＯｘ  触媒の担体より大きな熱容量を有する第２の触媒担体を設けたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記第２の触媒担体を酸化触媒とするとともに前記第２の触媒担体の上流側に第２のＨＣ添加手段を備え、前記リーンＮＯｘ  触媒に流入する排気ガスの温度が低いときに前記第２のＨＣ添加手段を作動せしめることにより前記第２の触媒担体を加熱することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記第２の触媒担体を高温の広い範囲で浄化率が高い高温型リーンＮＯｘ  触媒とするとともに、下流側の前記リーンＮＯｘ  触媒を低温の狭い範囲で浄化率が高い低温型リーンＮＯｘ  触媒としたことを特徴とする、請求項１に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、排気系にリーンＮＯｘ  触媒を配置するとともにそのリーンＮＯｘ  触媒の上流側にＨＣ添加手段を設けた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の排気ガス浄化技術の進歩が著しい。排気ガス中の有害成分としては、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）及びＮＯｘ  （窒素酸化物）が挙げられる。多くのエンジンでは、Ｏ２  センサによるフィードバック制御にて理論空燃比での燃焼を達成するとともに三元触媒を使用することにより、排気ガスの浄化率の向上を図っている。三元触媒は、排気ガス中のＨＣ，ＣＯの酸化とＮＯｘ  の還元とを同時に促進するものであり、燃焼せしめられる混合気の空燃比が理論空燃比近傍にあるときに高い浄化率を示す。
【０００３】
しかし、理論空燃比の混合気を燃焼せしめることは、燃料の経済性という観点からみると必ずしも最良であるとは言えない。そのため、ガソリンエンジンにおいてリーンバーン（希薄燃焼）エンジンが開発されるとともに、ディーゼルエンジンの適用範囲が拡大されつつある。ディーゼルエンジンやリーンバーンエンジンでは、リーン混合気が燃焼せしめられるため、排気ガスにおける未反応Ｏ２  の量が多く、通常の三元触媒の作用ではＮＯｘ  の還元が不充分となる。
【０００４】
そこで、リーン状態すなわちＯ２  が過剰に存在する状態にある排気ガス中のＮＯｘ  を還元・浄化することが可能なリーンＮＯｘ  触媒が使用されている。リーンＮＯｘ  触媒としては、遷移金属又は貴金属を担持せしめたゼオライト系の触媒が使われることが多い。リーンＮＯｘ  触媒によるＮＯｘ  浄化においてはＨＣ等の還元剤の存在が必要であるが、排気ガス中に存在する還元剤の量では不充分であるため、リーンＮＯｘ  触媒の上流側に還元剤を添加する装置が設けられることが多い。特開平４−２１４９１９号公報は、排気系にリーンＮＯｘ  触媒を配置するとともにそのリーンＮＯｘ  触媒の上流側にＨＣ添加手段を設けた排気浄化装置に関するものであり、特に、リーンＮＯｘ  触媒とＨＣ添加手段とからなるユニットを複数直列に配置し、所定温度範囲にあるリーンＮＯｘ  触媒にＨＣを供給するようにして、ＮＯｘ  浄化率を向上させる技術を開示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
リーンＮＯｘ  触媒がＮＯｘ  を還元・浄化することができる温度範囲すなわちリーンＮＯｘ  触媒の温度ウィンドウは、図１に示されるように狭い範囲（ａ°Ｃからｂ°Ｃまで）である。従って、実際の車両走行時のように、触媒に流入する排気ガスの温度が、図２（Ａ）に示されるように急激に変化する状況下では、リーンＮＯｘ  触媒の温度ウィンドウ内に入っている時間が短く、その結果、図２（Ｂ）に示されるように、ＮＯｘ  浄化率は低くなる。
【０００６】
前記した特開平４−２１４９１９号公報に開示される技術は、リーンＮＯｘ  触媒とＨＣ添加手段とからなるユニットを複数設け、そのうち温度が上述のウィンドウ内にある触媒に対応するＨＣ添加手段を作動せしめようというものであるが、全てのユニットの触媒温度がウィンドウ内にないという場合も当然に起こり得るため、常時、高い浄化率を維持することは必ずしも可能ではない。
【０００７】
かかる実情に鑑み、本発明の目的は、排気系にリーンＮＯｘ  触媒を配置するとともにそのリーンＮＯｘ  触媒の上流側にＨＣ添加手段を設けた内燃機関の排気浄化装置において、リーンＮＯｘ  触媒の温度を常に浄化温度ウィンドウ内に維持することができるようにすることにより、ＮＯｘ  浄化率の向上を図ることにある。ひいては、本発明は、大気汚染防止に寄与することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく案出された、本発明の第１の態様に係る、内燃機関の排気浄化装置は、排気系にリーンＮＯｘ  触媒を配置するとともに該リーンＮＯｘ  触媒の上流側にＨＣ添加手段を設けた内燃機関の排気浄化装置において、前記ＨＣ添加手段の上流側に前記リーンＮＯｘ  触媒の担体（触媒の働きをする物質を分散させ、保持する物質）より大きな熱容量を有する第２の触媒担体を設けたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第２の態様に係る排気浄化装置は、前記第１の態様に係る排気浄化装置において、前記第２の触媒担体を酸化触媒とするとともに前記第２の触媒担体の上流側に第２のＨＣ添加手段を備え、前記リーンＮＯｘ  触媒に流入する排気ガスの温度が低いときに前記第２のＨＣ添加手段を作動せしめることにより前記第２の触媒担体を加熱することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の第３の態様に係る排気浄化装置は、前記第１の態様に係る排気浄化装置において、前記第２の触媒担体を高温の広い範囲で浄化率が高い高温型リーンＮＯｘ  触媒とするとともに、下流側の前記リーンＮＯｘ  触媒を低温の狭い範囲で浄化率が高い低温型リーンＮＯｘ  触媒としたことを特徴とする。
【００１１】
上述の如く構成された、本発明の第１の態様に係る、内燃機関の排気浄化装置においては、過渡運転時に排気ガスの温度が急激に変化する場合にも、第２の触媒担体の熱容量により下流側のリーンＮＯｘ  触媒の温度を常に浄化率の高い温度範囲内に収めることができる。また、本発明の第２の態様に係る排気浄化装置においては、冷間始動時にてリーンＮＯｘ  触媒の活性化が遅れるおそれがある場合にも、第２の触媒担体の上流側にＨＣを添加して第２の触媒担体内で酸化反応熱を発生させることができるため、かかる活性化の遅れを防止することができる。また、本発明の第３の態様に係る排気浄化装置においては、下流側の低温型リーンＮＯｘ  触媒の浄化温度範囲が狭いという欠点が、高温の広い範囲で高い浄化率を達成する上流側の高温型リーンＮＯｘ  触媒と組み合わされることによって解消され、その結果、低温から高温までの広い温度範囲でＮＯｘ  浄化率を向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１３】
図３は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。符号１はディーゼルエンジン、符号２は分配型燃料噴射ポンプを示し、また、符号３ａ、３ｂ及び３ｃは排気通路３を構成する各部分を示している。排気通路３の途中には、２つの触媒コンバータ４及び５が配置されている。上流側触媒コンバータ４は、酸化触媒（例えば、貴金属触媒）を収容しており、その酸化触媒を担持する担体として、コージェライト等の熱容量の大きなものが使用されている。一方、下流側触媒コンバータ５は、リーンＮＯｘ  触媒を収容しており、そのリーンＮＯｘ  触媒は、メタル等の熱容量の小さな担体に担持されている。
【００１４】
また、排気ガスに還元剤として燃料すなわち軽油（ＨＣ）を添加するために、リーンＮＯｘ  触媒を収容する下流側触媒コンバータ５の上流側の排気通路３ｂと燃料噴射ポンプ２とがＨＣ供給通路６ａ、６ｂ及び６ｃによって連通されるとともに、そのＨＣ供給通路６ｂと６ｃとの間に下流側ＨＣ添加制御弁７が設けられている。同様に、酸化触媒を収容する上流側触媒コンバータ４の上流側の排気通路３ａにもＨＣを添加することができるように、排気通路３ａと燃料噴射ポンプ２とがＨＣ供給通路６ａ、６ｄ及び６ｅによって連通されるとともに、そのＨＣ供給通路６ｄと６ｅとの間に上流側ＨＣ添加制御弁８が設けられている。
【００１５】
また、排気通路３ｂに２次空気を導入することができるように、２次空気導入通路９及び２次空気導入ポンプ１０が設けられている。さらに、下流側触媒コンバータ５に流入する排気ガスの温度を検出するために、排気温センサ１１が設けられている。排気浄化装置のコントロールユニット１２は、後述するように、排気温センサ１１の出力信号（触媒流入排気ガス温度）に応じて下流側ＨＣ添加制御弁７、上流側ＨＣ添加制御弁８、及び２次空気導入ポンプ１０を制御するための信号を出力するものである。
【００１６】
上述のように、上流側の触媒担体がコージェライト等の熱容量の大きなものであるため、図４に示されるように、その上流側触媒担体に流入する排気ガスの温度の変動幅が大きくとも、それから流出する排気ガスの温度の変動幅は、小さくなる。すなわち、上流側触媒担体から流出する排気ガスの温度の変動幅を所望の範囲内にすることが可能となり、本実施形態では、下流側のリーンＮＯｘ  触媒のＮＯｘ  浄化温度ウィンドウ内に排気ガス温度が入るように、担体の大きさを変えるなどしてその熱容量が調節されている。
【００１７】
ところで、エンジン始動時等、上流側触媒担体が冷えているときには、担体の熱容量が大きいため、流出ガス温度がＮＯｘ  浄化温度ウィンドウに達するまで時間を要することとなる。その場合には、上流側ＨＣ添加制御弁８を開き、ＨＣ供給通路６ａ、６ｄ及び６ｅを介して排気通路３ａにＨＣを添加するよう制御する。そうすると、酸化触媒４内においてＨＣが燃焼し、その燃焼熱により早期に触媒担体が温められるため、上述の冷間始動の問題は容易に解決される。このように、上流側のＨＣ添加手段と触媒担体に担持されている酸化触媒とは、加熱手段として設けられたものであり、かかる冷間始動の問題を考慮する必要がないときには、それらを省略することができ、すなわち、そのときには、上流側触媒コンバータ４の触媒担体上に被担持物質が存在しなくてもよい。
【００１８】
一方、登坂走行等の高負荷運転が継続したときには、熱容量大の上流側触媒担体から流出する排気ガスの温度が下流側リーンＮＯｘ  触媒におけるＮＯｘ  浄化温度ウィンドウよりも高温で安定してしまうおそれがある。その場合には、２次空気導入ポンプ１０をオンすることにより、２次空気が通路９を通って排気通路３ｂに導入されるように制御する。このように、２次空気導入通路９及び２次空気導入ポンプ１０は、冷却手段としての働きをするものであり、かかる高温状態の問題がないときには、それらを省略することができる。
【００１９】
以上の制御を具体化すべく、排気浄化装置のコントロールユニット１２は、排気温センサ１１の出力から得られるリーンＮＯｘ  触媒流入排気ガス温度Ｔに応じて、下流側ＨＣ添加制御弁７、上流側ＨＣ添加制御弁８、及び２次空気導入ポンプ１０を次のように制御する。すなわち、温度ＴがＮＯｘ  浄化温度ウィンドウ（図１参照）内にあるとき、すなわちａ≦Ｔ≦ｂのときには、下流側ＨＣ添加制御弁７を開いて、排気ガスの還元・浄化を達成する。また、温度ＴがＮＯｘ  浄化温度ウィンドウより低温であるとき、すなわちＴ＜ａのときには、上流側ＨＣ添加制御弁８を開いて、酸化触媒におけるＨＣ酸化を促進し、その燃焼熱による早期暖機を図る。また、温度ＴがＮＯｘ  浄化温度ウィンドウより高温であるとき、すなわちｂ＜Ｔのときには、２次空気導入ポンプ１０をオンして、排気ガスを冷却する。
【００２０】
このように、リーンＮＯｘ  触媒の上流に熱容量体を配置することにより、最初に排気通路３ａに流入する排気ガスの温度が大幅に変動するような運転領域においても、リーンＮＯｘ  触媒に流入する排気ガスの温度をＮＯｘ  浄化ウィンドウ内に抑えることができ、安定した高いＮＯｘ  浄化率を常に維持することができる。なお、本実施形態のように、リーンＮＯｘ  触媒は、全体の温度が均一となるように、メタル等の熱容量の小さな担体に担持されていることが好ましい。
【００２１】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。図３の構成要素と同一の構成要素に関しては、同一の符号を付すことにより、その説明を省略する。図５に示されるように、第２実施形態は、第１実施形態のうち、上流側触媒コンバータ４を改造したものである。すなわち、上流側触媒コンバータ４が２つの構成部分よりなり、その下流側構成部分４ｂは、第１実施形態と同様にコージェライトからなる担体に酸化触媒が担持されたものであるが、その上流側構成部分４ａは、電気ヒータ付三元触媒となっている。バッテリ１３からその電気ヒータへの通電は、コントロールユニット１２により制御される。この構成によれば、温度ＴがＮＯｘ  浄化温度ウィンドウより低温であるときの暖機を前記第１実施形態より迅速に行うことができる。
【００２２】
図６は、上述の第１実施形態及び第２実施形態による制御を行った場合に、排気通路流入直後の排気ガス温度変化（Ａ）が、リーンＮＯｘ  触媒直前ではどのような温度変化へと調節されているか（Ｂ１  ，Ｂ２  ）ということと、結果として得られるＮＯｘ  浄化率の変化（Ｃ１  ，Ｃ２  ）とを、リーンＮＯｘ  触媒及びＨＣ添加手段のみを備えた従来構成による制御を行った場合（Ｂ０  ，Ｃ０  ）と比較して示す図である。この図に示されるように、本発明によれば、常に安定した高いＮＯｘ  浄化率が達成される。なお、第２実施形態では、電気ヒータ付三元触媒の使用により、浄化の立ち上がりが迅速になっている。
【００２３】
最後に、本発明の第３実施形態について説明する。図７は、第３実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。図３の構成要素と同一の構成要素に関しては、同一の符号を付すことにより、その説明を省略する。第３実施形態においても、第１及び第２実施形態と同様に、上流側触媒コンバータ４の触媒担体にはコージェライト等の熱容量の大きなものが使用されるとともに、下流側触媒コンバータ５の触媒担体にはメタル等の熱容量の小さなものが使用されている。そのため、第１及び第２実施形態と同様に、下流側触媒に流入する排気ガスの温度を浄化率の高い温度範囲に維持することができる。
【００２４】
一方、第３実施形態においては、上流側触媒担体には高温型リーンＮＯｘ  触媒が担持されるとともに、下流側触媒担体には低温型リーンＮＯｘ  触媒が担持されている。ここで、低温型リーンＮＯｘ  触媒の例としては、Ｐｔなどの貴金属触媒があり、図８に示されるように、低温の狭い範囲（ｃ°Ｃからｄ°Ｃまで）でＮＯｘ  を浄化する。一方、高温型リーンＮＯｘ  触媒の例としては、Ｃｕ，Ｃｏ，Ａｇなどの卑金属触媒があり、同図に示されるように、高温の広い範囲（ｄ°Ｃからｅ°Ｃまで）でＮＯｘ  を浄化する。
【００２５】
従って、この構成では、第１及び第２実施形態と異なり、上流側触媒コンバータもＮＯｘ  浄化に寄与することができる。図９は、触媒流入排気ガス温度の変化を上流側の高温型リーンＮＯｘ  触媒（実線）及び下流側の低温型リーンＮＯｘ  触媒（破線）について例示する図である。この図に示されるように、下流側の低温型リーンＮＯｘ  触媒においては、排気ガス温度の変化が減衰せしめられており、図８に示される温度ウィンドウ（ｃ°Ｃからｄ°Ｃまで）内に維持されている。そして、下流側の低温型リーンＮＯｘ  触媒の浄化温度範囲が狭いという欠点が、高温の広い範囲（ｄ°Ｃからｅ°Ｃまで）で高い浄化率を達成する上流側の高温型リーンＮＯｘ  触媒と組み合わされることによって解消され、その結果、低温から高温までの広い温度範囲（ｃ°Ｃからｅ°Ｃまで）でＮＯｘ  浄化率を向上させることができる。
【００２６】
以上、本発明の実施形態について述べてきたが、もちろん本発明はこれに限定されるものではなく、様々な実施形態を案出することは当業者にとって容易なことであろう。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、排気系にリーンＮＯｘ  触媒を配置するとともにそのリーンＮＯｘ  触媒の上流側にＨＣ添加手段を設けた内燃機関の排気浄化装置において、リーンＮＯｘ  触媒の温度が常に浄化温度ウィンドウ内に維持されることにより、ＮＯｘ  浄化率の大幅な向上が図られる。ひいては、本発明は、大気汚染防止に寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】リーンＮＯｘ  触媒によるＮＯｘ  浄化率の温度特性を示す図である。
【図２】車両走行時において時間の変化に応じて触媒流入排気ガス温度（Ａ）及びＮＯｘ  浄化率（Ｂ）がどのように変化するかを例示する図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。
【図４】熱容量の大きな触媒担体内を排気ガスが通過することにより、その温度変動が緩和される様子を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。
【図６】第１実施形態及び第２実施形態による制御を行った場合に、排気通路流入直後の排気ガス温度変化（Ａ）が、リーンＮＯｘ  触媒直前ではどのような温度変化へと調節されているか（Ｂ１  ，Ｂ２  ）ということと、結果として得られるＮＯｘ  浄化率の変化（Ｃ１  ，Ｃ２  ）とを、リーンＮＯｘ  触媒及びＨＣ添加手段のみを備えた従来構成による制御を行った場合（Ｂ０  ，Ｃ０  ）と比較して示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。
【図８】低温型リーンＮＯｘ  触媒によるＮＯｘ  浄化率の温度特性と高温型リーンＮＯｘ  触媒によるＮＯｘ  浄化率の温度特性とを示す図である。
【図９】触媒流入排気ガス温度の変化を上流側の高温型リーンＮＯｘ  触媒（実線）及び下流側の低温型リーンＮＯｘ  触媒（破線）について例示する図である。
【符号の説明】
１…ディーゼルエンジン
２…分配型燃料噴射ポンプ
３ａ，３ｂ，３ｃ…排気通路
４…上流側触媒コンバータ
５…下流側触媒コンバータ
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ…ＨＣ供給通路
７…下流側ＨＣ添加制御弁
８…上流側ＨＣ添加制御弁
９…２次空気導入通路
１０…２次空気導入ポンプ
１１…排気温センサ
１２…コントロールユニット
１３…バッテリ
【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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【図８】
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【図９】
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