(57)【要約】【課題】触媒の浄化能力の低下が抑制される内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】本実施例にかかる内燃機関の排気浄化装置は、排気通路３６の上流側及び下流側にそれぞれ配設された触媒３８、４０と、触媒４０に酸素が供給されるように排気ガス中に含まれるＮＯｘを窒素と酸素とに分解するＮＯｘ触媒８０ａとを備えている。これにより、酸素供給不足によって触媒４０の浄化能力の低下した場合であっても、触媒４０に酸素を供給することにより、浄化能力の低下を抑制できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路の上流側及び下流側にそれぞれ配設された上流側触媒及び下流側触媒と、
前記下流側触媒に酸素が供給されるように排気ガス中に含まれるＮＯｘを窒素と酸素とに分解するＮＯｘ触媒とを備えた、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
内燃機関の排気通路の上流側及び下流側にそれぞれ配設された上流側触媒及び下流側触媒と、
前記下流側触媒に酸素を供給するエアポンプと、
前記エアポンプからの酸素供給量を制御する制御手段とを備えた、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記ＮＯｘ触媒に吸着した酸素を脱離する脱離手段を備える、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４】
前記上流側触媒及び下流側触媒の間に配置された排気ガスセンサからの出力に基づいて機関の空燃比を目標空燃比に近づけるようにフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段を備え、
前記フィードバック制御手段は、前記エアポンプから前記下流側触媒に酸素を供給されているときには、フィードバック制御を禁止する、ことを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。
【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】
内燃機関の排気浄化装置としては、排気通路に配置されて排気ガス中の有害成分を浄化する触媒を備えたものが一般的である（特許文献１乃至５参照）。
このような内燃機関の排気浄化装置としては、排気通路の上流側及び下流側にそれぞれ触媒を配置したものが知られている。例えば、上流側に比較的小容量の三元触媒を配置し、下流側に比較的容量の大きい三元触媒を配置したものや、上流側に三元触媒を配置し、下流側にＮＯｘ還元触媒を配置したものが知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−９１１３８号公報
【特許文献２】特開平９−２８７４３５号公報
【特許文献３】特開２００４−５７９４７号公報
【特許文献４】特開平１１−９０２２５号公報
【特許文献５】実開平４−７６９２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような内燃機関の排気浄化装置においては、上流側に配置された触媒の作用によって、ＨＣ（炭化水素）、又はＣＯ（一酸化炭素）が酸化される。この酸化反応により、上流側の触媒を通過した排気ガス中の酸素濃度は低下した状態となる。また、上流側の触媒が酸素吸蔵機能を有している場合にも、このような酸素濃度の低下が起こり得る。
従って、下流側に配置された触媒には、十分な酸素量が到達せずに、機関の運転状況によっては、リッチ雰囲気の排気ガスが継続的にさらされることになる。
このように、リッチ雰囲気の排気ガスが触媒に継続的にさらされることにより、触媒が被毒し、その浄化能力が低下する恐れがある。
【０００５】
したがって本発明の目的は、触媒の浄化能力の低下が抑制される内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、内燃機関の排気通路の上流側及び下流側にそれぞれ配設された上流側触媒及び下流側触媒と、前記下流側触媒に酸素が供給されるように排気ガス中に含まれるＮＯｘを窒素と酸素とに分解するＮＯｘ触媒とを備えた、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置によって達成できる。
この構成により、酸素供給不足によって下流側触媒の浄化能力の低下した場合であっても、下流側触媒に酸素を供給することにより、浄化能力の低下を抑制できる。また、排気ガス中に含まれるＮＯｘを浄化することができる。尚、上記「ＮＯｘ触媒」には、光の照射によりＮＯｘを窒素と酸素とに分解する光触媒も含む。
【０００７】
また、上記目的は、内燃機関の排気通路の上流側及び下流側にそれぞれ配設された上流側触媒及び下流側触媒と、前記下流側触媒に酸素を供給するエアポンプと、前記エアポンプからの酸素供給量を制御する制御手段とを備えた、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置によって達成できる。
この構成によって、下流側触媒への酸素供給量を最適なものとすることができる。
【０００８】
上記構成において、前記ＮＯｘ触媒に吸着した酸素を脱離する脱離手段を備える、構成を採用できる。
このような構成により、ＮＯｘ触媒の性能の低下を抑制できる。
【０００９】
上記構成において、前記上流側触媒及び下流側触媒の間に配置された排気ガスセンサからの出力に基づいて機関の空燃比を目標空燃比に近づけるようにフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段を備え、前記フィードバック制御手段は、前記エアポンプから前記下流側触媒に酸素を供給されているときには、フィードバック制御を禁止する、構成を採用できる。
エアポンプから下流側触媒に酸素が供給されているときに、フィードバック制御を実行すると、エアポンプから供給されている酸素の影響によって、適切な空燃比を検出することができないからである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、触媒の浄化能力の低下が抑制される内燃機関の排気浄化装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明に係る複数の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、実施例１に係る排気浄化装置が採用されているエンジンシステムの構成を示した模式図であり、自動車に搭載された多気筒ガソリンエンジン（以下「エンジン」と略す）２及びその電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と称す）４の概略構成を示している。図１では１つの気筒の構成を中心として示している。
ＥＣＵ４は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）などから構成され、エンジン全体の作動を制御する。
【００１３】
エンジン２には、燃焼室１０内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁１２と、この噴射された燃料に点火する点火プラグ１４とがそれぞれ設けられている。
【００１４】
燃焼室１０に接続している吸気ポート１６は吸気バルブ（図示略）の駆動により開閉される。吸気ポート１６に接続された吸気通路２０の途中にはサージタンク２２が設けられ、サージタンク２２の上流側にはスロットルモータ２４によって開度が調節されるスロットルバルブ２６が設けられている。
【００１５】
このスロットルバルブ２６の開度（スロットル開度ＴＡ）により吸気量が調整される。スロットル開度ＴＡはスロットル開度センサ２８により検出され、サージタンク２２内の吸気圧ＰＭは、サージタンク２２に設けられた吸気圧センサ３０により検出されて、ＥＣＵ４に読み込まれている。また、吸気通路２０にはエアフロメータ２１が配置されて、吸入空気量をＥＣＵ４に出力する。
【００１６】
燃焼室１０に接続している排気ポート３２は排気バルブ（図示略）の駆動により開閉される。排気ポート３２に接続された排気通路３６には、排気ガス中の未燃成分（ＨＣ，ＣＯ）の酸化と窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元とを行う、三元触媒である触媒３８、４０が、直列に配設されている。触媒３８は、上流側触媒として機能し、触媒４０は、下流側触媒として機能する。また、触媒３８、４０は、酸素吸蔵、放出機能を有する。
【００１７】
また、排気通路３６には、触媒３８の上流側に、空燃比センサ６４が、触媒３８と触媒４０との間に酸素センサ７０が、それぞれ配置されている。空燃比センサ６４として、触媒３８に流入する排気ガスの空燃比に応じた電圧信号を出力するリニア空燃比センサが使用されている。酸素センサ７０は、それぞれ排気ガス中の残留酸素濃度に基づき空燃比が理論空燃比よりもリッチかリーンかを感知するセンサである。
【００１８】
また、触媒３８と触媒４０との間に、ＮＯｘ触媒８０ａが配設されている。直接還元型ＮＯｘ触媒８０ａは、ＮＯｘを直接、窒素と酸素とに分解する。詳しくは後述する。
【００１９】
ＥＣＵ４は、クランク軸５４の回転からエンジン回転数ＮＥを検出するエンジン回転数センサ５８、空燃比センサ６４、酸素センサ７０からそれぞれ信号を入力している。
【００２０】
ＥＣＵ４は、上述した各種センサからの検出内容に基づいて、筒内噴射量、ポート噴射量、噴射時期、及びスロットル開度ＴＡを適宜制御する。
【００２１】
ＥＣＵ４は、触媒３８の酸化・還元能力を高めるために、触媒３８に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比になるように、燃料噴射量を、空燃比センサ６４の出力に基づいてフィードバック制御する。また、ＥＣＵ４は、酸素センサ７０の出力とに基づいて燃料噴射量をサブフィードバック制御する。
【００２２】
次に、ＮＯｘ触媒８０ａについて詳細に説明する。
ＮＯｘ触媒８０ａは、還元剤を必要とせずに、排気ガス中のＮＯｘを窒素と酸素とに分解するものであり、β型ゼオライト等の担体に触媒成分であるロジウム（Ｒｈ）やパラジウム（Ｐｄ）等の金属を担持させたものである。これにより、触媒３８を通過した排気ガスの空燃比がリッチ状態であっても、ＮＯｘ触媒８０ａがＮＯｘを分解することにより、酸素が生成され、触媒４０へ供給することができる。これにより、触媒４０が継続的にリッチ雰囲気の排気ガスにさらされることによる、浄化能力の低下を、酸素を供給することにより回復することができる。従って、触媒４０の浄化能力の低下を抑制することができる。
【００２３】
尚、触媒４０へ酸素を供給するためには、フューエルカット制御などによって、リーン雰囲気の排気ガスを触媒４０へと供給することは可能ではあるが、強制的にフューエルカットを入れることはドライビリティ上困難である。しかしながら、上述したように、ＮＯｘ触媒８０ａを触媒３８と触媒４０との間に配置することにより、触媒４０へ酸素を供給することができる。
【００２４】
またＮＯｘ触媒８０ａの作用により、排気ガス中のＮＯｘを浄化することもできる。
また、ＮＯｘ触媒８０ａは、触媒３８の真下に配設されている。これは、ＮＯｘ触媒８０ａが、６００℃〜８００℃の高温雰囲気の排気ガスにおいて、ＮＯｘを分解する能力を発揮しうるからである。
【００２５】
次に、実施例１に係る排気浄化装置の第１変形例について説明する。図２は、実施例１に係る排気浄化装置の変形例の説明図である。
図２（ａ）に示すように、ＮＯｘ触媒８０ｂを、触媒４０の直前に配置してもよい。ＮＯｘ触媒８０ｂの活性化温度が、５００℃程度の場合に有効な配置である。
【００２６】
次に、実施例１に係る排気浄化装置の第２変形例について説明する。
図２（ｂ）に示すように、触媒３８と触媒４０との間であって、ＮＯｘ触媒８０ｂよりも上流側の排気通路３６に、冷却水通路８１を形成してもよい。冷却水通路８１は、排気通路３６の周囲に沿って形成され、冷却水通路８１内に冷却水が流れることにより、ＮＯｘ触媒８０ｂへと流入する排気ガスの温度を低下させることができる。これにより、排気ガスの温度を、ＮＯｘ触媒８０ｂがＮＯｘ分解能力を維持できる温度に制御することができる。
【００２７】
次に、実施例１に係る排気浄化装置の第３変形例について説明する。
図２（ｃ）に示すように、触媒４０の直前に、ＮＯｘを酸素と窒素に分解する光触媒８０ｃと、光触媒８０ｃへ光を照射する光源８２とを配設するようにしてもよい。光触媒８０ｃは、二酸化チタンなどの酸化物やシリコンなどの半導体担体、これらに白金などの金属酸化物を担持したもの等からなり、光源８２としては、有機ＥＬ素子、ＬＥＤにより構成される。
【実施例２】
【００２８】
次に、実施例２に係る排気浄化装置について説明する。
図３は、実施例２に係る排気浄化装置の説明図である。尚、実施例１と同様の構成については同一の符号を付することによりその説明を省略する。尚、実施例２において、酸素センサ７０を、便宜上第１酸素センサ７０として説明する。
【００２９】
実施例２に係る排気浄化装置は、図３に示すように、排気通路３６ａの上流側から順に、触媒３８、ＮＯｘ触媒８０ｄ、触媒４０が配設されている。また、触媒３８とＮＯｘ触媒８０ｄとの間に、ＮＯｘセンサ９０が配設される。ＮＯｘセンサ９０は、排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じて出力が変化するものであり、ＥＣＵ４へ検出値を出力する。
【００３０】
また、ＮＯｘ触媒８０ｄには、温度センサ８３が搭載されている。温度センサ８３の検出値は、ＥＣＵ４へと出力される。また、ＮＯｘ触媒８０ｄには、ＮＯｘ触媒８０ｄを加熱するための加熱手段としてのヒータ（不図示）が内蔵されている。ヒータは、ＥＣＵ４によってその作動が制御されている。また、ＮＯｘ触媒８０ｄと触媒４０との間には、第２酸素センサ７１が配設される。
【００３１】
次に、ＥＣＵが実行する酸素脱離処理について説明する。
図４は、ＥＣＵが実行する酸素脱離処理の一例を示したフローチャート図である。
ＥＣＵ４は、まず、ＮＯｘセンサ９０からの出力により、触媒３８よりも下流側でありＮＯｘ触媒８０ｄよりも上流側での排気ガス中に、ＮＯｘが含まれているか否かを判定する（ステップＳ１）。
【００３２】
含まれていると判定した場合には、ＥＣＵ４は、第１酸素センサ７０、第２酸素センサ７１のそれぞれの出力が略一致するか否かを判定する（ステップＳ２）。ここで、第１酸素センサ７０、第２酸素センサ７１の出力が一致する場合とは、ＮＯｘ触媒８０ｄの通過前後で排気ガス中の酸素濃度が変化していないことを示している。即ち、ＮＯｘ触媒８０ｄによって、排気ガス中のＮＯｘが、酸素と窒素とに分解されていないことを示しており、ＮＯｘ触媒８０ｄの分解能が低下していることを示している。この原因は、ＮＯｘ触媒８０ｄの活性金属に酸素原子が化学吸着したことが影響していると考えられる。酸素原子を脱離させるためには、ＮＯｘ触媒８０ｄを６００℃〜１２００℃にすることにより可能であることが知られている。
【００３３】
従って、第１酸素センサ７０と第２酸素センサ７１との出力が略一致していると判定した場合には、ＥＣＵ４は、ヒータを作動させ（ステップＳ３）、ＥＣＵ４は、温度センサ８３からの出力に基づいて、ＮＯｘ触媒８０ｄから酸素が脱離可能となる温度に至ったか否かを判定する（ステップＳ４）。脱離可能な温度に至ったと判定した場合には、ヒータの作動を停止してこの処理を終了する。
【００３４】
尚、ステップＳ４において、ＮＯｘ触媒８０ｄの温度が、ＮＯｘ触媒８０ｄから酸素が脱離可能となる温度に至っていない場合には、ＥＣＵ４は、再度ステップＳ１以降の処理を実行する。また、ステップＳ１において、ＮＯｘが検出されなかった場合や、ステップＳ２において、第１酸素センサ７０と第２酸素センサ７１との出力が異なっている場合には、ＥＣＵ４は、ヒータを作動させない（ステップＳ５）。ＮＯｘが検出されない場合には、ＮＯｘ触媒８０ｄの性能の低下を判定できず、また、第１酸素センサ７０と第２酸素センサ７１との出力が異なっていれば、ＮＯｘ触媒８０ｄは正常に機能していると考えられるからである。
【００３５】
以上のように、第１酸素センサ７０、第２酸素センサ７１の出力差に基づいて、ＥＣＵ４は、ＮＯｘ触媒８０ｄの性能の低下を判定することができる。また、ＮＯｘ触媒８０ｄに内蔵されたヒータを作動することによって、ＮＯｘ触媒８０ｄの性能を回復することができる。
【００３６】
尚、本実施例においては、ヒータを用いてＮＯｘ触媒８０ｄの吸着した酸素を脱離したが、例えば、プラズマ放電を発生される電極を設けて、このプラズマ放電によって触媒層に吸着した酸素を脱離するようにしてもよい。
【実施例３】
【００３７】
次に、実施例３に係る排気浄化装置について説明する。
図５は、実施例３に係る排気浄化装置の説明図である。尚、実施例１と同様の構成については同一の符号を付することによりその説明を省略する。
【００３８】
図５に示すように、触媒３８と触媒４０との間には、エアポンプ８５が配設されている。エアポンプ８５は、ＥＣＵ４によってその作動を制御され、触媒４０へと酸素を供給するものである。エアポンプ８５によって供給される酸素により、触媒４０の浄化能力の低下が抑制される。エアポンプ８５の噴出口は、触媒４０へ向くように配設されている。ＥＣＵ４は、エアポンプ８５からの酸素供給量を制御する制御手段として機能する。詳しくは後述する。
【００３９】
尚、エアポンプ８５は、大気中の空気を取り込んで、触媒４０へ酸素を供給するように構成してもよいし、酸素ボンベと接続されて、触媒４０へ酸素を供給するように構成してもよい。エアポンプ８０の動作については以下に述べる。
【００４０】
次に、ＥＣＵが実行する酸素供給処理について説明する。
図６は、ＥＣＵが実行する酸素供給処理の一例を示したフローチャート図である。
ＥＣＵ４は、酸素センサ７０からの出力により、触媒３８よりも下流であり触媒４０よりも上流の排気ガスの空燃比がリーン状態からリッチ状態に移行したか否かを判定する（ステップＳ１０）。
【００４１】
反転したと判断した場合には、ＥＣＵ４は、エアフロメータ２１に基づいて、吸入空気量の積算を開始する（ステップＳ１１）。次に、ＥＣＵ４は、吸入空気量の積算値Ｇａが、規定値Ｇａ１を超えたか否かを判定する（ステップＳ１２）。この規定値Ｇａ１は、リッチ雰囲気の排気ガスが触媒４０へ十分流入したかどうかの基準となる値である。
【００４２】
超えたと判定された場合には、ＥＣＵ４は、酸素センサ７０の出力に基づくサブフィードバック制御を禁止する（ステップＳ１３）。これは、後述する処理によって触媒４０へ酸素が供給されるので、この供給によって酸素センサ７０の出力が変動し、適切にサブフィードバック制御することができない恐れがあるからである。
【００４３】
次に、ＥＣＵ４は、エアポンプ８５による酸素供給を開始し（ステップＳ１４）、エアポンプ８５による酸素供給量の積算を開始する（ステップＳ１５）。この際に、ＥＣＵ４は、吸入空気量の積算値Ｇａよりも、エアポンプ８５による酸素供給量が少なくなるように、エアポンプ８５を制御する。吸入空気量よりも酸素供給量が多いと、エアポンプ８５から供給された酸素が排気通路３６内で逆流し、触媒４０へ短期間で酸素を供給することができない恐れがあるからである。また、触媒４０へ酸素を供給する期間が長期化すると、サブフィードバック制御の禁止期間も長期化するからである。尚、エアポンプ８５による酸素供給量の積算は、エアポンプ８５の酸素供給量を計測するセンサを個別に設けるようにしてもよいし、また、エアポンプ８５により供給される単位時間当たりの酸素供給量を予め把握しておき、この単位時間当たりの酸素供給量と、供給時間とに基づいて、酸素供給量を算出するように構成してもよい。
【００４４】
次に、ＥＣＵ４は、エアポンプ８５による酸素供給量が、触媒４０の酸素吸蔵量以上であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。具体的には、触媒４０の酸素吸蔵量の、７割程度の酸素量を供給する。触媒４０の酸素吸蔵量は、触媒４０に添加されたセリアの量に基づいて算出でき、予めＥＣＵ４に酸素吸蔵量を設定しておくことにより、上記処理が可能となる。尚、触媒４０の酸素吸蔵量は長年の使用により劣化するため、例えば走行距離によって、触媒４０の酸素吸蔵量の劣化を予測し、それに応じた酸素量を供給するようにしてもよい。
【００４５】
エアポンプ８５による酸素供給量が、触媒４０の酸素吸蔵量未満の場合には、ステップＳ１６の処理を継続する。
エアポンプ８５による酸素供給量が、触媒４０の酸素吸蔵量以上であると判定した場合には、ＥＣＵ４はエアポンプ８５による酸素の供給を停止する（ステップＳ１７）。触媒４０へ十分酸素が供給されたと判断できるからである。
【００４６】
次に、エアフロメータ２１に基づき、ＥＣＵ４は、吸入空気量の積算を開始し（ステップＳ１８）、この積算値Ｇａが、規定値Ｇａ２を超えたか否かを判定する（ステップＳ１９）。この規定値Ｇａ２は、エアポンプ８５からの酸素供給が停止された後に、酸素センサ７０周辺の排気ガスの流れが正常に戻ったか否かの基準となる値である。
【００４７】
積算値Ｇａが、規定値Ｇａ２を超えたと判定された場合には、ＥＣＵ４は、サブフードバック制御の禁止を解除する（ステップＳ２０）。エアポンプ８５からの酸素供給が停止されてから所定期間経過し、酸素センサ７０周辺の排気ガスの流れが正常の状態になったと判断できるからである。積算値Ｇａが、規定値Ｇａ２を超えていないと判定された場合には、ステップＳ１８、Ｓ１９の処理を継続する。
【００４８】
以上のように、ＥＣＵ４はエアポンプ８５の作動を制御することにより、適切な時期に適切なタイミングで触媒４０への酸素を供給することができる。
また、ＥＣＵ４は、エアポンプ８５から触媒４０へ酸素が供給されているときには、酸素センサ７０は排気ガス中の酸素濃度を適切に検出することができないため、サブフィードバック制御を禁止する。
【００４９】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】実施例１に係る排気浄化装置が採用されているエンジンシステムの構成を示した模式図である。
【図２】実施例１に係る排気浄化装置の変形例の説明図である。
【図３】実施例２に係る排気浄化装置の説明図である。
【図４】、ＥＣＵが実行する酸素脱離処理の一例を示したフローチャートである。
【図５】実施例３に係る排気浄化装置の説明図である。
【図６】ＥＣＵが実行する酸素供給処理の一例を示したフローチャート図である。
【符号の説明】
【００５１】
２                      エンジン
４                      ＥＣＵ
１０                    燃焼室
１１                    ポート噴射弁
１２                    筒内噴射弁
１４                    点火プラグ
１６                    吸気ポート
２０                    吸気通路
２２                    サージタンク
２４                    スロットルモータ
２６                    スロットルバルブ
２８                    スロットル開度センサ
３０                    吸気圧センサ
３２                    排気ポート
３６                    排気通路
３８                    触媒（上流側触媒）
４０                    触媒（下流側触媒）
５４                    クランク軸
５８                    エンジン回転数センサ
６４                    空燃比センサ
７０                    酸素センサ
７１                    第２酸素センサ
８０ａ、８０ｂ、８０ｄ  ＮＯｘ触媒
８０ｃ                  光触媒
８１                    冷却水通路
８２                    光源
８３                    温度センサ
８５                    エアポンプ
９０                    ＮＯｘセンサ
【図１】
2008280872.tif 000003
【図２】
2008280872.tif 000004
【図３】
2008280872.tif 000005
【図４】
2008280872.tif 000006
【図５】
2008280872.tif 000007
【図６】
2008280872.tif 000008