(57)【要約】【課題】  始動後の三元触媒が活性化する以前に発生するＨＣを低減しつつ、ＮＯX の浄化が図れ、触媒活性改善も可能な触媒配列構造を提供する。【解決手段】  フロント触媒に三元触媒４を採用するとともにリア触媒にＨＣ吸着触媒５を採用し、前記フロント触媒４の上流および下流にそれぞれ２次エア供給口６、７を設置したことにより、三元触媒活性化以前には、フロント触媒上流６への２次エアの供給で、エンジンをリッチで運転して排気管内燃焼およびフロントの三元触媒４の酸化促進により、ＨＣおよびＮＯX の発生を抑制でき、未燃焼のＨＣ、ＣＯを効果的に燃焼させ、燃え残りのＨＣはリアのＨＣ吸着触媒５にて吸着させることが可能となる。しかも、２次エアの供給は酸素の供給を伴って酸化燃焼を引き起こし、触媒の早期の活性化を促す。【選択図】  図１                                                        
2005264890.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関における排気管内の上流および下流に排気ガス浄化用のフロント触媒およびリア触媒を配設した触媒配列構造において、前記フロント触媒に三元触媒を採用するとともにリア触媒にＨＣ吸着触媒を採用し、前記フロント触媒の上流および下流にそれぞれ２次エア供給口を設置したことを特徴とする触媒配列構造。
【請求項２】
前記上流および下流の２次エア供給口への２次エアの供給について、時期的かつ量的な配分を制御する制御手段を設置したことを特徴とする請求項１に記載の触媒配列構造。
【請求項３】
前記制御手段における２次エアの供給の配分が、それぞれの触媒の活性判定によりなされることを特徴とする請求項２に記載の触媒配列構造。  
【請求項４】
前記触媒の活性判定が、始動後経過時間あるいは始動後吸入空気流量積算値と空燃比もしくは供給２次エア流量により推定されることを特徴とする請求項３に記載の触媒配列構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関における排気管内の上流および下流に排気ガス浄化用のフロント触媒およびリア触媒を配設した触媒配列構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の内燃機関から排出される排気ガスの浄化手段として、有害ガスを燃焼あるいは吸着するために、排気管内に各種の触媒を組み合わせて配列した多くの提案がなされている（例えば下記特許文献１および特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平３−１１７６１０号公報（特許請求の範囲参照）
【特許文献２】特開平７−１４５７２５号公報（請求項１参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記特許文献１に開示されたものは、２つの三元触媒のそれぞれの上流側にエア通路を開口させ、始動後の排気ガス温度が低い暖機運転のとき、上流側の第１のエア供給通路から触媒コンバータにエアを供給してＨＣ（非メタン炭化水素ＮＭＯＧ）の除去が優先され、排気ガス温度が高くなると、吸着されたＨＣが触媒から離脱し始めるが、リーン雰囲気にすることで効果的に吸着分を酸化させるために、下流側の第２のエア供給通路から下流の触媒コンバータにエアが供給されるように切り換えるものである。このような構成により、２次的なエア導入によって、ＨＣ、ＣＯの低減や触媒の早期活性化が図られることになるものの、エア導入時には、三元触媒内のリーン雰囲気中でＮＯX の還元が困難となるのは避けられない。
【０００４】
また、前記特許文献２に開示されたものは、図３に示すように、エンジンＥからの機関排気通路１６内に、三元触媒１７と、酸化触媒２０と、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯX を吸収するＮＯX 吸収剤２３、２４とを配置し、機関Ｅの燃焼室内においてリッチな混合気を燃焼せしめるとともに、三元触媒１７の上流に２次エアを供給して、三元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比を燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の空燃比よりもリッチ空燃比とする。さらに、酸化触媒２０の上流に２次エアを供給して酸化触媒２０およびＮＯX 吸収剤２３、２４に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりも僅かにリーンとするもので、このような構成により、確かにＮＯX の低減が実現できたものの、ＨＣの低減効果については依然として不充分であった。しかも、触媒活性化以前には、三元触媒や酸化触媒の温度を高めるための通電加熱する例も必要であることが開示（段落００４０）される等、装置が肥大化する虞れがあった。
【０００５】
そこで本発明は、このような従来の排気ガス浄化装置の諸課題を解決して、始動後の三元触媒が活性化する以前に発生するＨＣを低減しつつ、ＮＯX の浄化が図れ、触媒活性改善も可能な触媒配列構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため本発明は、内燃機関における排気管内の上流および下流に排気ガス浄化用のフロント触媒およびリア触媒を配設した触媒配列構造において、前記フロント触媒に三元触媒を採用するとともにリア触媒にＨＣ吸着触媒を採用し、前記フロント触媒の上流および下流にそれぞれ２次エア供給口を設置したことを特徴とする。また本発明は、前記上流および下流の２次エア供給口への２次エアの供給について、時期的かつ量的な配分を制御する制御手段を設置したことを特徴とする。また本発明は、前記制御手段における２次エアの供給の配分が、それぞれの触媒の活性判定によりなされることを特徴とする。また本発明は、前記触媒の活性判定が、始動後経過時間あるいは始動後吸入エア流量積算値と空燃比もしくは供給２次エア流量により推定されることを特徴とするもので、これらを課題解決のための手段とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、内燃機関における排気管内の上流および下流に排気ガス浄化用のフロント触媒およびリア触媒を配設した触媒配列構造において、前記フロント触媒に三元触媒を採用するとともにリア触媒にＨＣ吸着触媒を採用し、前記フロント触媒の上流および下流にそれぞれ２次エア供給口を設置したことにより、三元触媒活性化以前には、フロント触媒上流への２次エアの供給で、エンジンをリッチで運転して排気管内燃焼およびフロントの三元触媒の酸化促進により、ＨＣおよびＮＯX の発生を抑制でき、未燃焼のＨＣ、ＣＯを効果的に燃焼させ、燃え残りのＨＣはリアのＨＣ吸着触媒にて吸着させることが可能となる。しかも、２次エアの供給は酸素の供給を伴って酸化燃焼を引き起こし、触媒の早期の活性化を促す。
【０００８】
また、前記上流および下流の２次エア供給口への２次エアの供給について、時期的かつ量的な配分を制御する制御手段を設置した場合は、始動時からの時間経過に応じて、有害成分の浄化性能に影響を与えるところの各触媒の雰囲気生成のために適切に２次エアを配分・供給することができる。
【０００９】
さらに、前記制御手段における２次エアの供給の配分が、それぞれの触媒の活性判定によりなされる場合は、各有害成分の浄化性能に影響を与えるところの、始動後のフロントおよびリアの触媒の活性化の進み具合に応じて、上流あるいは下流の２次エア供給口への２次エアの配分・供給を行うことで、各触媒の活性化状態に応じてリッチ雰囲気あるいはリーン雰囲気を生成して、有害成分の効果的な浄化を得ることが可能となる。
【００１０】
さらにまた、前記触媒の活性判定が、始動後経過時間あるいは始動後吸入エア流量積算値と空燃比もしくは供給２次エア流量により推定される場合は、活性判定の基準が容易に得られる検出データをもとにして、比較的安定した時期の触媒の活性化の推定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明の触媒配列構造の１つの実施例を示すもので、図１はエンジンからの排気管における触媒の配列状態と２次エア供給装置との関連ブロック構成図、図２は簡略制御フロー図である。本発明の触媒配列構造の基本的な構成は、図１に示すように、内燃機関における排気管内の上流および下流に排気ガス浄化用のフロント触媒およびリア触媒を配設した触媒配列構造において、前記フロント触媒に三元触媒を採用するとともにリア触媒にＨＣ吸着触媒を採用し、前記フロント触媒の上流および下流にそれぞれ２次エア供給口を設置したことを特徴とするものである。
【００１２】
以下に詳述する。内燃機関であるエンジン１には、空燃混合気が吸入される吸気管２と、燃焼排気ガスが排気される排気管３とが接続されており、本発明では排気管３内には、三元触媒である上流側のフロント触媒４と、ＨＣ吸着触媒である下流側のリア触媒５が配設される。三元触媒４の上流で排気バルブの近傍には上流２次エア供給口６が設置され、三元触媒４とＨＣ吸着触媒５との間、すなわちＨＣ吸着触媒５の上流には下流２次エア供給口７が設置される。これらの２次エア供給口６、７は、メインの２次エア供給路Ｌ１から供給されたエアが切換バルブ８により配分・供給された上流ポート供給路Ｌ２と下流ポート供給路Ｌ３の先端に位置する。
【００１３】
前記メインの２次エア供給路Ｌ１では、エアフィルタ１１を介して大気中から取り入れたエアを、電動エアポンプ１０により供給量（通常、３００ｌ／分程度）を制御して逆止弁９を経て供給する。また、制御手段１２では、図示省略の始動後経過時間、始動後吸入エア流量積算値と空燃比、供給２次エア流量により推定される触媒活性化判定手段からの各種情報を入力して得られた制御情報を得て、適宜の媒体による切換バルブアクチュエータ１３および電動エアポンプアクチュエータ１４を作動させて、切換バルブ８による上下流２次エア供給口６、７へのエアの配分量および電動エアポンプ１０によるエア供給量を制御する。
【００１４】
次に三元触媒４の下流に配設されたＨＣ吸着触媒５について説明する。ＨＣ吸着触媒５は三元触媒４が活性化していないエンジン始動時の低温域において、大量に排出されるＨＣを一時的に吸着、保持し、次に排気ガス温度上昇により三元触媒が活性化したときにＨＣを徐々に離脱し、浄化するというものである。ＨＣ吸着触媒の具体的構成としては、例えば、モノリス担体上に、ゼオライトを主成分とする炭化水素吸着剤を含む第１層を設け、該第１層の上に触媒成分としてパラジウム、白金またはロジウム等よりなる触媒成分層を設けてなる。
【００１５】
次に、前記切換バルブ８による上下流２次エア供給口６、７へのエアの配分量について説明する。まず、エンジン１の始動直後には、好適には上流ポート供給路Ｌ２すなわちエンジンの排気弁近傍の上流２次エア供給口６に２次エアを殆ど全て供給する。その結果、三元触媒４の上流ではリーン雰囲気となり、相対的にエンジン１内での燃焼は比較的リッチでよい。そのため、排気管内燃焼およびフロントの三元触媒の酸化促進により、フロントの三元触媒の早期活性化によりＨＣおよびＮＯX の発生を抑制でき、未燃焼のＨＣ、ＣＯを効果的に燃焼させることができる。ただし、始動直後でフロントの三元触媒が活性化状態に到達するまでに発生した排気ガス中のＨＣは、フロントの三元触媒にて充分に活性化されることなく三元触媒内を通過する場合がある。したがって、フロントの三元触媒が活性化状態に到達するまでに発生し、三元触媒内で燃焼することなく通過したＨＣはリアのＨＣ吸着触媒５にて吸着させる。
【００１６】
次に、始動後に所定の時間が経過し触媒雰囲気の温度が上昇すると、フロント触媒である三元触媒が活性化するとともに、リア触媒であるＨＣ吸着触媒５においてＨＣの脱離が始まる（２００〜３００°Ｃ）。リア触媒であるＨＣ吸着触媒５の特性上、ＨＣの離脱開始温度がＨＣ酸化開始温度より低いため、この時点では、リアのＨＣ吸着触媒から離脱したＨＣが酸化されずにそのままリア触媒から流出する可能性がある。そこで、リア触媒の温度を急激に上昇させることで、リアのＨＣ吸着触媒５の酸化性能を活性化させ、ＨＣ吸着触媒から離脱したＨＣを酸化・燃焼して充分に浄化する。このために、前記切換バルブ８を制御して、２次エアの供給を上流２次エア供給口６からリア触媒であるＨＣ吸着触媒５の直前の下流２次エア供給口７に切り換える。これによって、エンジン１は理論空燃比燃焼に近い状態を維持し、充分に活性状態となったフロントの三元触媒４ではＨＣ、ＣＯ、ＮＯX が酸化・燃焼して充分に浄化される。始動直後にフロントの三元触媒４を素通り（１５０°Ｃ程度のとき）してリアのＨＣ吸着触媒５にて吸着されたＨＣが脱離し始め（２００〜３００°Ｃ）ても、前記下流２次エア供給口７から供給された２次エアによって、ＨＣ吸着触媒５内に充分な酸化雰囲気を生成して、効果的に吸着分を酸化・燃焼させることができる。
【００１７】
図２は本発明の触媒配列構造における２次エア供給を制御する簡略制御フロー図である。図１を参照しつつ説明する。ステップＳ１にてエンジン１が始動し、制御がスタートする。始動からあまり時間が経過せず、触媒温度も上昇していない時期では、フロント触媒である三元触媒４の活性化が判定されるまでは、ステップＳ２からステップＳ３の２次エアが上流２次エア供給口６から導入・供給される。次いで、ステップＳ４でのエンジン内でのリッチ化制御がなされる。始動後経過時間（温度上昇との相関関係も推定される）あるいは始動後吸入エア流量積算値と空燃比もしくは供給２次エア流量により推定される触媒の活性化の判定により、フロント触媒の活性化が判定されると、ステップＳ５に移行して、リア触媒であるＨＣ吸着触媒５の活性化が判定される。
【００１８】
温度や始動後経過時間、吸入エア流量積算値と空燃比もしくは供給２次エア流量等が規定値に達せず、リア触媒であるＨＣ吸着触媒５の充分な活性化が確認されない（ＨＣの吸着分が脱離し始めた状態）と、ステップＳ６により２次エアが下流２次エア供給口７から導入・供給される。それによって、理論空燃比燃焼によるフィードバック制御がなされる（ステップＳ７）。リア触媒であるＨＣ吸着触媒５の活性化が確認されると、定常状態によるルーチン制御がなされる。
【００１９】
以上、本発明の各実施の形態について説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、内燃機関の形状、形式、排気管の形状、形式、排気管におけるフロント触媒およびリア触媒の配設位置（排気管の配設位置によって低位や高位に配置される）、フロント触媒である三元触媒としての形状、形式、リア触媒としてのＨＣ吸着触媒の形状、形式、上流２次エア供給口および下流２エア供給口の設置形態（好適には、排気ガス流の流れを攪乱しないように２次エアを供給できる取付角度とされる）、エアフィルタおよび電動エアポンプ（補機駆動による流体ポンプ等も採用され得る）並びに逆止弁の形状、形式を含む２次エア供給路の形状、形式、切換バルブの形状、形式、切換バルブアクチュエータの形状、形式、電動エアポンプアクチュエータの形状、形式、制御手段の形状、形式、および制御形態（切換バルブの切換えについては、完全に２路択一的な切換えの他、適宜割合の配分をも含む。電動エアポンプの流量制御についても、触媒の活性具合に応じて２次エアの流量を適宜に変更できる）制御手段における触媒活性化の判定手段の判定情報の種類（始動後経過時間、始動後吸入エア流量積算値と空燃比、供給２次エア流量、温度等）等については適宜選定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の触媒配列構造の１つの実施例を示すもので、エンジンからの排気管における触媒の配列状態と２次エア供給装置との関連ブロック構成図である。
【図２】同、簡略制御フロー図である。
【図３】第２従来例の排気浄化装置の説明図である。
【符号の説明】
【００２１】
１        エンジン
２        吸気管
３        排気管
４        フロント触媒（三元触媒）
５        リア触媒（ＨＣ吸着触媒）
６        上流２次エア供給口
７        下流２次エア供給口
８        切換バルブ
９        逆止弁
１０        電動エアポンプ
１１        エアフィルタ
１２        制御手段
１３        切換バルブアクチュエータ
１４        電動エアポンプアクチュエータ
Ｌ１        ２次エア供給路（メイン）
Ｌ２        上流ポート供給路
Ｌ３        下流ポート供給路
【図１】
2005264890.tif 000003
【図２】
2005264890.tif 000004
【図３】
2005264890.tif 000005