(57)【要約】【課題】排気中の酸素を貯蔵する酸素貯蔵層とＮＯｘの還元能力を持つ層を有する排気浄化用の触媒を備える内燃機関において、酸素貯蔵層の酸素貯蔵量に応じた最適なタイミングで排気のリッチ化を行う。【解決手段】触媒は、排気リーン時には酸素貯蔵層に酸素を貯蔵することによってＮＯｘ還元能力を維持するが、貯蔵された酸素量が増加するとＮＯｘ還元能力が低下する。従って、前記酸素貯蔵層において貯蔵可能な酸素量である余裕貯蔵量を推定しておき、余裕貯蔵量が所定の値を下回ったときに排気のリッチ化を開始し、酸素貯蔵層に貯蔵された酸素を消費してＮＯｘ還元能力を回復させる。これによって、過剰なリッチ頻度による燃費悪化の防止、またはリッチ化の遅れによるＮＯｘ浄化性能の低下といった問題が解消する。【選択図】図２
2004360621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気中の酸素を貯蔵する酸素貯蔵層と、ＮＯｘの還元能力を持つ層とを備える排気浄化用の触媒であって、排気リーン時には酸素を貯蔵することによってＮＯｘ還元能力を維持し、貯蔵された酸素量が増加してＮＯｘ還元能力が低下した場合には、排気をリッチ化することにより貯蔵した酸素を消費して酸素貯蔵能力を再生する触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、
前記酸素貯蔵層において貯蔵可能な酸素量である余裕貯蔵量を推定し、前記余裕貯蔵量が所定の値を下回ったときに排気をリッチ化することを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記余裕貯蔵量に基づいて排気のリッチ化を終了する時期を決定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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主にリーンバーンエンジンにおける排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、排気中に含まれるＮＯｘは、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等の酸素蓄積能力のある材料からなる三元触媒によって、理論空燃比の近辺において、Ｈ２、ＣＯ及びＨＣを還元剤として使用してＮＯｘを還元することによって浄化されていた。しかし、排気が酸素過剰の状態においては、還元剤はＮＯｘと反応するのでなく、酸素と反応してしまう。
【０００３】
リーンバーンエンジンにおいて排気中のＮＯｘを低減する技術として、以下のような構造の触媒が提案されている（特許文献１参照）。この触媒は、セリア（ＣｅＯ２）、Ｐｒ酸化物、または、セリア、Ｚｒ酸化物、Ｐｒ酸化物、Ｎｄ酸化物、Ｇｄ酸化物、Ｌａ酸化物のグループから選択された混合酸化物のいずれかからなる第一のコンパウンドを含む外層触媒と、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ酸化物、Ｐｔ酸化物、Ｐｄ酸化物、及びこれらの混合物から選択された第二のコンパウンドを含む内層触媒と、を有する構造を持つ。
【０００４】
この触媒では、外層に多くの酸素貯蔵材（ＯＳＣ：Ｏｘｙｇｅｎ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を配置して、ここに排気中の酸素を貯蔵するので、酸素過剰の場合でも内層の貴金属表面が還元雰囲気を保つことができる。従って、リーンの排気中においてもＮＯｘの浄化が可能になる。
【０００５】
運転を継続すると、次第にＯＳＣには酸素が蓄積されていくため、内層の貴金属表面の還元雰囲気を保つために、ＯＳＣに蓄積された酸素を消費する必要がある。そこで、燃料供給を周期的にリッチ／リーンを繰り返す制御を実行する。この場合、リッチの継続時間は約０．５秒から１０秒、リーンの継続時間は約４．５秒から９０秒に設定される（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
国際公開第０２／０８９９７７号パンフレット
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＯＳＣに貯蔵される酸素量は、運転状態や触媒の状態によって異なる。従って、上述の従来技術のように、リーン／リッチの周期を予め設定した時間に固定すると、種々の問題が生ずることになる。例えば、必要以上に短い周期でリッチ化を繰り返すと、ＮＯｘ浄化性能は高いまま保たれるものの、過剰なリッチスパイクにより燃費が悪化する上に、ＨＣやＣＯが排出される。反対に、リッチ化の開始が遅れた場合には、ＮＯｘ浄化性能が低下してエミッションが悪化する。
【０００８】
従って、本発明は、上記構造の触媒を備える内燃機関において、触媒のＯＳＣの酸素貯蔵量に応じて最適なタイミングでリッチ化を行う排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態は、排気中の酸素を貯蔵する酸素貯蔵層と、ＮＯｘの還元能力を持つ層とを備える排気浄化用の触媒であって、排気リーン時には酸素を貯蔵することによってＮＯｘ還元能力を維持し、貯蔵された酸素量が増加してＮＯｘ還元能力が低下した場合には、排気をリッチ化することにより貯蔵した酸素を消費して酸素貯蔵能力を再生する触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記酸素貯蔵層において貯蔵可能な酸素量である余裕貯蔵量を推定し、前記余裕貯蔵量が所定の値を下回ったときに排気をリッチ化することを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置である。
【００１０】
この形態によると、リッチ化の開始の判断を酸素貯蔵層における酸素貯蔵能力の余裕分に応じて行うので、リッチ化のタイミングの最適化が図れ、過剰なリッチ頻度による燃費悪化の防止、またはリッチ化の遅れによるＮＯｘ浄化性能の低下といった問題が解消する。リッチ化開始の判断は、ＮＯｘ浄化性能に関連する他のパラメータに応じて行ってもよい。
【００１１】
本発明の別の形態では、前記余裕貯蔵量に基づいて排気のリッチ化を終了する時期を決定する。この形態によると、貯蔵した酸素を消費するのに適切な時間だけ排気リッチ化を実行するので、燃費の向上を図ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。
【００１３】
図１は本発明の一実施形態である空燃比制御装置を備えた内燃機関（以下「エンジン」という）の概略構成図である。エンジン１は、例えばピストン１ａ及びシリンダ１ｂを備えた直列４気筒タイプのガソリンエンジン（図１には一気筒のみを示す）であり、ピストンとシリンダヘッドの間には燃焼室１ｃが形成されている。燃焼室１ｃには点火プラグ１８が取り付けられている。エンジン１の吸気管２には各気筒毎に燃料噴射弁６が設けられている。燃料噴射弁６は燃料供給ポンプ（図示せず）に接続されており、電子制御装置（以下「ＥＣＵ」という）５の制御の下で燃料を噴射する。燃料噴射弁６から燃料が噴射されると、エンジン１の各気筒の燃焼室１ｃに混合気が供給され、燃焼室１ｃ内で燃焼が行われ、排気管１４に排気が排出される。また、エンジン１の各気筒には、吸気・排気を行う吸気弁１７と排気弁１９とが備えられている。
【００１４】
エンジン１への燃料供給量は、ＥＣＵ５からの駆動信号により燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＯＵＴを制御することによって決定される。また、ＥＣＵ５からの駆動信号により点火プラグ１８が放電することによって、燃焼室内で混合気のＳＩ燃焼が行われる。
【００１５】
ＥＣＵ５は、各種センサにより検出されたエンジン回転数、吸気温、エンジン水温などに応じて吸気弁１７と排気弁１９の開閉タイミングを変化させて、運転条件に応じた最適なバルブタイミングを実現する。
【００１６】
吸気管２の途中には吸気管内を流れる空気の流量を調節する吸気絞り弁（ＤＢＷ：Ｄｒｉｖｅ  Ｂｙ  Ｗｉｒｅ）３が取り付けられ、開度θＴＨを制御するためのアクチュエータ（図示せず）に連結されている。アクチュエータはＥＣＵ５に電気的に接続されており、ＥＣＵ５からの信号によって吸気絞り弁開度θＴＨ、すなわち吸気量を変化させる。吸気管２の吸気絞り弁３より下流側には、吸気圧センサ８及び吸気温センサ９が取り付けられており、それぞれ吸気官内の圧力ＰＢ及び温度ＴＡを検出して、その信号をＥＣＵ５に送る。
【００１７】
エンジン１の本体には、水温センサ１０が取り付けられており、エンジンの冷却水温ＴＷを検出してその信号をＥＣＵ５に送る。またエンジンには回転数センサ１３も取り付けられており、エンジン回転数ＮＥを検出してその信号をＥＣＵ５に送る。
【００１８】
エンジンのクランクシャフト（図示せず）にはクランク角センサが取り付けられている。クランク角センサは、クランクシャフトの回転に伴い、各シリンダにおけるピストンの吸気行程開始時の上死点位置付近の所定タイミングでＴＤＣパルス信号を出力する。
【００１９】
排気管１４の途中には、排気管１４と吸気管２とを接続する排気再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ  ｇａｓ  ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）通路１２が設けられており、通路の途中にはＥＧＲ弁１１が配置されている。ＥＧＲ弁１１の開度を調整することで、排気管１４から吸気管２内に還流する排気量を制御する。ＥＧＲ通路１２を介して吸気管２に還流された排気は、吸気管２の上流から流れてきた新気と混ざり合ってエンジン１の各気筒の燃焼室へ導かれて燃焼される。ＥＧＲ弁１１にはＥＧＲ弁１１を駆動するアクチュエータ（図示せず）が取り付けられており、ＥＣＵ５からの信号により制御される。
【００２０】
排気管１４を通過した排気は、排気浄化装置１５に流入する。排気浄化装置１５の上流側には、排気の広範囲の空燃比に渡ってそれに比例したレベルの出力を生成する空燃比センサ（以下、「ＬＡＦセンサ」という）１６が設けられる。検出された出力は、ＥＣＵ５に送られる。
【００２１】
ＥＣＵ５はコンピュータで構成されており、各種センサからの入力信号を処理する入力インターフェース５ａ、プログラム及びデータを格納するＲＯＭや実行時に必要なプログラム及びデータを一時記憶して演算作業領域を提供するＲＡＭからなるメモリ５ｃ、各種制御プログラムを実行するＣＰＵ５ｂ、及び各部に制御信号を送る出力インターフェース５ｄを備えている。上記各センサからの信号は入力インターフェースにより受信され、ＲＯＭに格納されたプログラムに従って処理される。
【００２２】
ＥＣＵ５は、エンジン回転速度やアクセル開度といった運転条件を検出し、予め定められているマップを検索して要求トルクを算出する。続いて、要求トルクに対応した基本燃料噴射量を算出し、さらに燃料を噴射する時期を決定する。
【００２３】
またＥＣＵ５は、各センサの入力に基づいて、エンジン１の運転状態を判別する。そして、ＲＯＭに記憶された制御プログラム等に従って種々の演算を実行し、演算結果に応じた駆動信号を出力インターフェース５ｄを介して出力して、燃料噴射弁６、点火プラグ１８、吸気絞り弁３、吸気弁１７及び排気弁１９等を制御する。
【００２４】
続いて、排気浄化装置１５について説明する。排気浄化装置１５は、外層の触媒は排気に近く、内側の触媒が排気から遠くに位置する二層構造の触媒を担体上に担持させた構造をしている。
【００２５】
外層の触媒は、セリア（ＣｅＯ２）、Ｐｒ酸化物、または、セリア、Ｚｒ酸化物、Ｐｒ酸化物、Ｎｄ酸化物、Ｇｄ酸化物、Ｌａ酸化物のグループから選択された混合酸化物のいずれかからなる第一のコンパウンドを含む。内層の触媒は、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ酸化物、Ｐｔ酸化物、Ｐｄ酸化物、及びこれらの混合物から選択された第二のコンパウンドを含む。内層触媒は外層触媒の直ぐ内側に配置されるか、または不活性の層を中間に挟んで配置される。上記のコンパウンドは、粉状や粒子等の種々の形態で得ることができるので、ハニカム、環状、球形等の種々の担体上に担持させることが可能である。
【００２６】
この触媒構造は、排気中の酸素を貯蔵する機能を持つ酸素貯蔵材（ＯＳＣ）を外層に配置することによって、酸素過剰の雰囲気でも内層の貴金属表面が還元雰囲気を保てるので、排気が空燃比よりリーンであってもＮＯｘの浄化が可能であるという特徴を持つ。排気がリーンの状態が続くと、外層のＯＳＣに貯蔵可能な酸素量が次第に減少してくるので、内層の貴金属表面の還元雰囲気を保つために、ＯＳＣに貯蔵されている酸素を消費してやる必要がある。これを達成するために、周期的にリッチ／リーンを繰り返すような燃料供給制御を実行する。
【００２７】
このとき、触媒において以下のような反応が起こる。
【００２８】
リーン時
Ｍ＋ＮＯ→ＭＯｘ＋Ｎ２
ＨＣ＋ＮＯ→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋Ｎ２
リッチ時
ＭＯｘ＋ＨＣ→Ｍ＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２
このように、排気リーン時には、排気ガス中の酸素を外層のＯＳＣに貯蔵することで貴金属近傍に還元雰囲気を作り、還元状態の触媒とＮＯの接触分解及びＨＣとの選択還元反応を行う。逆に、排気リッチ時には、ＯＳＣに吸着した酸素をＨＣとの反応により還元して酸素を消費し、また内層の貴金属表面を強い還元状態に戻すのである。従って、排気のリーン／リッチを繰り返すことで、Ｏ２、ＳＯｘの存在するときでさえも、ＮＯｘをＮ２とＯ２に安定かつ効率的に分解することができる。
【００２９】
ＯＳＣに貯蔵される酸素量は、運転状態や触媒の状態によって異なる。従って、上述の従来技術のように、リーン／リッチの周期を予め設定した時間に固定すると、種々の問題が生ずることになる。例えば、必要以上に短い周期でリッチ化を繰り返すと、ＮＯｘ浄化性能は高いまま保たれるものの、過剰なリッチスパイクにより燃費が悪化する上に、ＨＣやＣＯが排出される。反対に、リッチ化の開始が遅れた場合には、ＮＯｘ浄化性能が低下してエミッションが悪化する。
【００３０】
そこで、本発明の一実施形態では、触媒における酸素貯蔵量に応じて最適なタイミングで排気リッチ化する制御を実行する。以下、図２に示すフローチャートを参照して、この制御を説明する。
【００３１】
まず、ステップＳ３０で、ＯＳＣにおける酸素貯蔵量の余裕分を次式により計算する。
【００３２】
リーン時
ＱＯ２＝Ｋ１×Ｑａｉｒ×（Ａ／Ｆ−１４．７）／（Ａ／Ｆｍａｘ−１４．７）
ＯＳＣ余裕量＝Ｋ２×ＯＳＣｍａｘ−ΣＱＯ２
リッチ時
ＱＯ２＝Ｋ３×Ｑａｉｒ×（Ａ／Ｆ−１４．７）
ＯＳＣ余裕量＝Ｋ２×ＯＳＣｍａｘ−ΣＱＯ２
ここで、ＱＯ２は今回ＯＳＣに貯蔵された酸素量の推定値である。Ｋ１はリーン時のＯＳＣへの酸素吸着率であり、Ｑａｉｒは空気流量であり、Ａ／ＦはＬＡＦセンサ出力値（空燃比）であり、Ａ／Ｆｍａｘは燃料カット中のＬＡＦセンサ出力値である。また、Ｋ２はＯＳＣの温度補正係数であり、ＯＳＣｍａｘはＯＳＣの最大酸素貯蔵量であり、Ｋ３はリッチ時のＯＳＣにおける酸素消費率である。
【００３３】
次に、算出したＯＳＣ余裕量が予め定められたしきい値（例えば、ＮＯｘの浄化率約７０％に対応するＯＳＣ余裕量）を下回ったか否かを判定する（Ｓ３２）。しきい値以上の場合はリッチ化を行わない。しきい値未満の場合は、リッチ化を開始する（Ｓ３４）。
【００３４】
このリッチ化によりＯＳＣに貯蔵された酸素が還元されるので、Ｓ３０で算出されるＯＳＣ余裕量は次第に大きくなっていく。ＯＳＣ余裕量が予め定められたしきい値（例えば、ＯＳＣ余裕量が最大となる値）以上となったか否かを判定し（Ｓ３６）、しきい値以上となった場合はリッチ化を終了する（Ｓ３８）。
【００３５】
このように、本発明ではＯＳＣにおける酸素貯蔵量の余裕分に基づいて排気リッチ化を実行し、十分な余裕ができたときにリッチ化を終了するので、上述した従来技術の問題を解決することが可能になる。
【００３６】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ディーゼルエンジンやクランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、ＯＳＣにおける酸素貯蔵量の余裕分を推定し、この余裕分が不足した場合にリッチ化を行うため、触媒におけるＮＯｘの浄化率の低下に対応してＮＯｘの還元能力を再生することができ、またリッチ化のタイミングが最適となるので、過剰なリッチ頻度による燃費悪化の防止、またはリッチ化の遅れによるＮＯｘ浄化性能の低下といった問題が解消する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排気浄化装置を備えた内燃機関の概略構成図である。
【図２】リッチ化開始を判断するフローチャートである。
【符号の説明】
１    内燃機関（エンジン）
２    吸気管
３    吸気絞り弁
５    電子制御装置（ＥＣＵ）
６    燃料噴射弁
１１    ＥＧＲ通路
１２    ＥＧＲ弁
１６    ＬＡＦセンサ
１７    吸気弁
１８    点火プラグ
１９    排気弁
【図１】
2004360621.tif 000003
【図２】
2004360621.tif 000004