(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、
ストイキ又はリッチ運転中、ＮＯｘ吸蔵触媒にＨＣを供給して、ＮＯｘ吸蔵触媒から放出されるＮＯｘの還元反応を促進させるべく、排気の少なくとも一部を常に前記三元触媒をバイパスさせて前記ＮＯｘ吸蔵触媒に直接導くバイパス装置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】
前記バイパス装置は、前記三元触媒をバイパスするバイパス通路と、排気の少なくとも一部がバイパス通路側へ流れるように切換可能なバイパス制御弁と、このバイパス制御弁を制御する制御装置とを含んで構成される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】
三元触媒の温度を検出する温度センサを設け、
前記三元触媒の温度が所定値以下にならないようにバイパス制御弁の開度を制御することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記制御装置は、ストイキ又はリッチ運転時で、かつ機関冷却水温が所定値以上のときに、前記バイパス制御弁を排気の少なくとも一部が常にバイパス通路側へ流れるように制御するものであることを特徴とする請求項２または請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記バイパス制御弁は、バイパス通路に設けられた開閉弁であることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記バイパス制御弁は、排気通路とバイパス通路との分岐部に設けられた切換弁であることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つ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、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奪われるため、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の排気浄化装置において、ストイキ又はリッチ運転中、前記ＮＯｘ吸蔵触媒にＨＣを供給して、前記ＮＯｘ吸蔵触媒から放出されるＮＯｘの還元反応を促進すべく、排気の少なくとも一部を常に前記三元触媒をバイパスさせて前記ＮＯｘ吸蔵触媒に直接導くバイパス装置を設けたことを特徴とする。
【０００８】
すなわち、リーン運転時には、上流側の三元触媒でなるべくＨＣを浄化して、下流側のＮＯｘ吸蔵触媒でのＮＯｘ吸収性能を向上させる一方、ストイキ又はリッチ運転時には、排気の少なくとも一部を常に三元触媒をバイパスさせてＮＯｘ吸蔵触媒に直接導くことにより、ＮＯｘ吸蔵触媒になるべくＨＣを供給して、ＮＯｘ吸蔵触媒から放出されるＮＯｘの還元反応を促進させるのである。
【０００９】
また、ストイキ又はリッチ運転時に排気の少なくとも一部を常に三元触媒をバイパスさせることで、排気系の圧力損失が低減し、加速時の出力向上も図れる。
請求項２に係る発明では、前記バイパス装置は、前記三元触媒をバイパスするバイパス通路と、排気の少なくとも一部がバイパス通路側へ流れるように切換可能なバイパス制御弁と、このバイパス制御弁を制御する制御装置とを含んで構成されることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明では、三元触媒の温度を検出する温度センサを設け、三元触媒の温度が所定値以下にならないようにバイパス制御弁の開度を制御する。
請求項４に係る発明では、前記制御装置は、ストイキ又はリッチ運転時で、かつ機関冷却水温が所定値以上のときに、前記バイパス制御弁を排気の少なくとも一部が常にバイパス通路側へ流れるように制御するものであることを特徴とする。
請求項５に係る発明では、前記バイパス制御弁は、バイパス通路に設けられた開閉弁であることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に係る発明では、前記バイパス制御弁は、排気通路とバイパス通路との分岐部に設けられた切換弁であることを特徴とする。
【００１２】
【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、排気の少なくとも一部を常に三元触媒をバイパスさせて、ＮＯｘの還元に必要なＨＣをＮＯｘ吸蔵触媒に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。
【００１３】
請求項２に係る発明によれば、バイパス装置として、バイパス通路と、バイパス制御弁と、その制御装置とを設けることで、容易に実施できる。
請求項３に係る発明によれば、三元触媒の温度を検出する温度センサを設け、三元触媒の温度が所定値以下にならないようにバイパス制御弁の開度を制御することで、三元触媒３の温度低下を確実に防止し、活性状態を維持することができる。
請求項４に係る発明によれば、ストイキ又はリッチ運転時で、かつ機関冷却水温が所定値以上のときに、三元触媒をバイパスさせることで、コールドスタート時などには、バイパスさせることなく、三元触媒の活性化を促進して、排気浄化性能を確保することができる。
【００１４】
請求項５に係る発明によれば、バイパス制御弁として、バイパス通路に開閉弁を設けることで、簡単かつ安価に実施できる。
請求項６に係る発明によれば、バイパス制御弁として、排気通路とバイパス通路との分岐部に切換弁を設けることで、確実に実施でき、また分流割合を制御することも容易となる。
【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は本発明の第１実施例を示す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３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。尚、加速の程度によりリッチ運転に切換えるものであってもよい。
【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４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５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、ストイキ又はリッチ運転時に、排気の少なくとも一部を三元触媒３をバイパスさせてＮＯｘ吸蔵触媒４に直接導くバイパス装置として、以下の装置を設けてある。
すなわち、三元触媒３をバイパスするバイパス通路５と、排気の少なくとも一部がバイパス通路５側へ流れるように切換可能なバイパス制御弁として、バイパス通路５に装着された電磁式の開閉弁６と、この開閉弁６を制御する制御装置８とを設けてある。
【００１９】
制御装置８としては、各種センサからの信号が入力されて機関の空燃比（燃料噴射量）等を制御するコントロールユニットを共用している。
この制御装置（コントロールユニット）８では、図２のフローチャートに従って、開閉弁６の作動を制御する。
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、制御空燃比として、空気過剰率λの値を参照し、λ≦１（ストイキ又はリッチ）か否かを判定する。
【００２０】
また、ステップ２では、水温センサにより検出される機関冷却水温Ｔｗを読込み、水温Ｔｗ≧所定値（例えば５０℃）か否かを判定する。
これらの判定の結果、ストイキ又はリッチ運転（λ≦１）で、かつ水温Ｔｗ≧所定値のときは、ステップ３へ進んで、開閉弁６を開く。これにより、排気の一部を三元触媒３をバイパスさせて、バイパス通路５によりＮＯｘ吸蔵触媒４へ直接導く。このとき、三元触媒３側も全開であるので、ある程度の排気が三元触媒３側へ流れる。
【００２１】
また、リーン運転（λ＞１）のとき、あるいは、水温Ｔｗ＜所定値のときは、ステップ４へ進んで、開閉弁６を閉じる。これにより、排気をバイパス通路５側へ流すことなく、排気の全量を三元触媒３へ導く。
従って、リーン運転時には、上流側の三元触媒３でなるべくＨＣを浄化して、下流側のＮＯｘ吸蔵触媒４でのＮＯｘ吸収性能を向上させる一方、ストイキ又はリッチ運転時には、排気の一部を三元触媒３をバイパスさせてＮＯｘ吸蔵触媒４に直接導くことにより、ＮＯｘ吸蔵触媒４になるべくＨＣを供給して、ＮＯｘ吸蔵触媒４から放出されるＮＯｘの還元反応を促進させることができる。
【００２２】
また、ストイキ又はリッチ運転時に、排気の一部を三元触媒３をバイパスさせるようにして、残りの排気を三元触媒３に導くことで、三元触媒３の温度低下を防止し、活性状態を維持することができる。
また、機関冷却水温Ｔｗが所定値未満のときは、空燃比にかかわらず、排気の全量を三元触媒３に導くことで、コールドスタート時などに三元触媒３の早期活性化を促進することができる。
【００２３】
また、ストイキ又はリッチ運転時に、排気の一部を三元触媒３をバイパスさせることで、排気系の圧力損失が低減し、加速時の出力向上も図れる。
図６は本発明の第２実施例を示す自動車用内燃機関の排気系のシステム図である。
図１と異なる点は、排気の少なくとも一部がバイパス通路５側へ流れるように切換可能なバイパス制御弁として、排気通路２とバイパス通路５との分岐部に、電磁式の切換弁７を装着してある。
【００２４】
この場合のフローチャートを図７に示す。
ステップ１１では、制御空燃比として、空気過剰率λの値を参照し、λ≦１（ストイキ又はリッチ）か否かを判定する。
また、ステップ１２では、水温センサにより検出される機関冷却水温Ｔｗを読込み、水温Ｔｗ≧所定値（例えば５０℃）か否かを判定する。
【００２５】
これらの判定の結果、ストイキ又はリッチ運転（λ≦１）で、かつ水温Ｔｗ≧所定値のときは、ステップ１３へ進んで、切換弁７をバイパス通路５側に切換える。これにより、排気の全量を三元触媒３をバイパスさせて、バイパス通路５によりＮＯｘ吸蔵触媒４へ直接導く。あるいは、切換弁７をバイパス通路５側に切換えたときに、三元触媒３側が全閉とならず、ある程度の開度が維持されるようにしておいて、排気の一部を三元触媒３をバイパスさせて、バイパス通路５によりＮＯｘ吸蔵触媒４へ直接導き、残りの排気を三元触媒３側へ流すようにしてもよい。
【００２６】
また、リーン運転（λ＞１）のとき、あるいは、水温Ｔｗ＜所定値のときは、ステップ１４へ進んで、切換弁７を三元触媒３側に切換える。これにより、排気をバイパス通路５側へ流すことなく、排気の全量を三元触媒３へ導く。
従って、リーン運転時には、上流側の三元触媒３でなるべくＨＣを浄化して、下流側のＮＯｘ吸蔵触媒４でのＮＯｘ吸収性能を向上させる一方、ストイキ又はリッチ運転時には、排気の全量（又は一部）を三元触媒３をバイパスさせてＮＯｘ吸蔵触媒４に直接導くことにより、ＮＯｘ吸蔵触媒４になるべくＨＣを供給して、ＮＯｘ吸蔵触媒４から放出されるＮＯｘの還元反応を促進させることができる。
【００２７】
また、機関冷却水温Ｔｗが所定値未満のときは、空燃比にかかわらず、排気の全量を三元触媒３に導くことで、コールドスタート時などに三元触媒３の早期活性化を促進することができる。
また、ストイキ又はリッチ運転時に、排気の全量（又は一部）を三元触媒３をバイパスさせることで、排気系の圧力損失が低減し、加速時の出力向上も図れる。
【００２８】
尚、ストイキ又はリッチ運転時に、排気の一部を三元触媒３をバイパスさせるようにして、残りの排気を三元触媒３に導く場合、三元触媒３の温度を検出する温度センサを設け、この温度センサからの信号に基づいて、三元触媒３の温度が所定値以下にならないように、図１の開閉弁６又は図６の切換弁７の開度を制御するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例を示す内燃機関の排気系のシステム図
【図２】  第１実施例の制御のフローチャート
【図３】  走行パターン例を示す図
【図４】  ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸収特性を示す図
【図５】  ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ還元特性を示す図
【図６】  本発明の第２実施例を示す内燃機関の排気系のシステム図
【図７】  第２実施例の制御のフローチャート
【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
５  バイパス通路
６  開閉弁（バイパス制御弁）
７  切換弁（バイパス制御弁）
８  制御装置（コントロールユニット）
【図１】
0003695100.tif 000002
【図２】
0003695100.tif 000003
【図３】
0003695100.tif 000004
【図４】
0003695100.tif 000005
【図５】
0003695100.tif 000006
【図６】
0003695100.tif 000007
【図７】
0003695100.tif 000008