(57)【要約】【課題】貴金属触媒のＮＯｘ保持機能を有効利用しつつ良好なＮＯｘ浄化作用を確保する。【解決手段】機関排気通路内に三元触媒２４及び三元触媒２５を配置する。機関始動時には空燃比をリーンにするリーン制御を行う。次いで、三元触媒２５の温度がＮＯｘ脱離温度に達すると空燃比を少しずつ減少させる。次いで三元触媒２５からの流出排気ガスの空燃比がリッチになると通常の空燃比制御を開始する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内に貴金属触媒を配置し、機関始動時から該貴金属触媒内に流入する排気ガスの空燃比がリーンに保持されるようにし、次いで該貴金属触媒の温度がＮＯｘ脱離温度に達すると該貴金属触媒内に流入する排気ガスの空燃比を少しずつ減少させるようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
機関排気通路内に貴金属触媒を配置し、該貴金属触媒の温度がＮＯｘ脱離温度よりも低いときには該貴金属触媒内に流入する排気ガスの空燃比をリーンに保持し、該貴金属触媒の温度がＮＯｘ脱離温度以上になると該貴金属触媒内に流入する排気ガスの空燃比を少しずつ減少させるようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記貴金属触媒から流出する排気ガスの空燃比がリッチに切り換わったときに通常の空燃比制御を開始するようにした請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記貴金属触媒が機関排気通路内の最下流に配置されている請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記貴金属触媒上流の機関排気通路内に補助触媒が配置されている請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【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】
機関排気通路内に三元触媒を配置し、機関始動時に空燃比をリーンにするリーン制御を行い、次いで機関始動から予め定められた時間が経過すると空燃比を理論空燃比に切り換えるようにした内燃機関が公知である（特許文献１参照）。この内燃機関では、機関始動時にリーン制御を行うことにより、燃焼温度を高くして三元触媒内に流入する排気ガスの温度を高くし、それにより三元触媒が速やかに昇温されるようにしている。また、三元触媒が十分に昇温された後には空燃比を理論空燃比に切り換えて三元触媒においてＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの三成分が同時に良好に浄化されるようにしている。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１８９７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、三元触媒のように例えば白金Ｐｔといった貴金属を含む触媒には、貴金属粒子表面上にＮＯｘを一時的に保持する機能があることが知られている。具体的には、触媒温度がＮＯｘ脱離温度よりも低いとき又は空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯｘを触媒に保持し、触媒温度がＮＯｘ脱離温度以上になると又は空燃比が減少すると触媒に保持されているＮＯｘが触媒から脱離する。
【０００５】
したがって、上述の内燃機関では機関始動時に機関から排出されたＮＯｘは三元触媒に保持されると考えられる。ところが、機関始動からの経過時間が長くなるにつれて三元触媒の温度が次第に上昇し三元触媒の温度がＮＯｘ脱離温度に達すると、三元触媒から保持されていたＮＯｘが脱離するようになる。しかしながら、リーンから理論空燃比への空燃比切換タイミングが、三元触媒の温度がＮＯｘ脱離温度に達するＮＯｘ脱離タイミングよりも後だとすると、三元触媒から脱離したＮＯｘを良好に還元することができず、空燃比切換タイミングがＮＯｘ脱離タイミングよりも前だとすると、三元触媒のＮＯｘ保持機能を有効に利用することができない。上述の内燃機関では機関始動から設定時間が経過すると空燃比がリーンから理論空燃比に切り換えられるようになっており、すなわち三元触媒のＮＯｘ保持機能をなんら考慮することなく空燃比切換タイミングが定められている。
【０００６】
そこで本発明は、貴金属触媒のＮＯｘ保持機能を有効利用しつつ良好なＮＯｘ浄化作用を確保することが可能な内燃機関の排気浄化装置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】
【０００７】
前記課題を解決するために１番目の発明によれば、機関排気通路内に貴金属触媒を配置し、機関始動時から該貴金属触媒内に流入する排気ガスの空燃比がリーンに保持されるようにし、次いで該貴金属触媒の温度がＮＯｘ脱離温度に達すると該貴金属触媒内に流入する排気ガスの空燃比を少しずつ減少させるようにしている。
【０００８】
また、前記課題を解決するために２番目の発明によれば、機関排気通路内に貴金属触媒を配置し、該貴金属触媒の温度がＮＯｘ脱離温度よりも低いときには該貴金属触媒内に流入する排気ガスの空燃比をリーンに保持し、該貴金属触媒の温度がＮＯｘ脱離温度以上になると該貴金属触媒内に流入する排気ガスの空燃比を少しずつ減少させるようにしている。
【発明の効果】
【０００９】
貴金属触媒のＮＯｘ保持機能を有効利用しつつ良好なＮＯｘ浄化作用を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は本発明を火花点火式内燃機関に適用した場合を示している。しかしながら、本発明を圧縮着火式内燃機関に適用することもできる。
【００１１】
図１を参照すると、１は例えば四つの気筒を備えた機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポート、１０は点火栓をそれぞれ示す。吸気ポート７は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には吸入空気質量流量Ｇａを検出するためのエアフローメータ１５と、ステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７とが配置される。
【００１２】
各気筒の吸気ポート７内には電気制御式の燃料噴射弁１８が配置される。燃料噴射弁１８は燃料蓄圧室すなわちコモンレール１９と、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２０とを介して燃料タンク２１に連結される。燃料タンク２１内の燃料は燃料ポンプ２０からコモンレール１９内に供給され、コモンレール１９から燃料噴射弁１８に供給される。コモンレール１９にはコモンレール１９内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ（図示しない）がそれぞれ取り付けられ、燃料圧センサの出力信号に基づいてコモンレール１９内の燃料圧が目標値に一致するように燃料ポンプ２０の吐出量が制御される。
【００１３】
一方、排気ポート９は排気マニホルド２２を介して排気管２３に連結され、排気管２３内には上流側から順に触媒２４と触媒２５とがそれぞれ配置される。触媒２４及び触媒２５はそれぞれ、貴金属例えば白金Ｐｔ粒子を含む三元触媒からなる。また、例えば触媒２４，２５間の排気管２３には空燃比を検出するための空燃比センサ２６が取り付けられ、触媒２５下流の排気管２３には触媒２５から流出する排気ガスの温度を検出するための温度センサ２７が取り付けられる。この排気ガスの温度は触媒２５の温度Ｔｃを表している。
【００１４】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。機関本体１には機関冷却水温ＴＨＷを検出するための水温センサ２８が取り付けられる。また、アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏み込み量Ｌを検出するための負荷センサ４０が接続される。アクセルペダル３９の踏み込み量は要求負荷を表している。エアフローメータ１５、空燃比センサ２６、温度センサ２７、及び負荷センサ４０の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４１と、スタータモータスイッチ４２とが接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４１の出力パルスに基づいて機関回転数Ｎｅが算出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して点火栓１０、ステップモータ１６、燃料噴射弁１８及び燃料ポンプ２０にそれぞれ接続され、これらは電子制御ユニット３０からの出力信号に基づいて制御される。
【００１５】
なお、図１に示される内燃機関では燃焼室における空燃比と、三元触媒２４内及び三元触媒２５内に流入する排気ガスの空燃比は一致する。
【００１６】
さて、本発明による実施例では、機関始動時に空燃比をリーンにするリーン制御が行われる。このようにすると、空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比にされた場合に比べて燃焼温度が高くなるので排気ガスの温度が高くなり、したがって三元触媒２４及び三元触媒２５を速やかに昇温することができる。また、リーン制御を行うことにより、機関始動時に機関から排出される未燃ＨＣ，ＣＯを低減することもできる。
【００１７】
次いで、通常の空燃比制御が開始される。この通常の空燃比制御は空燃比を目標の空燃比例えば理論空燃比に一致させるフィードバック制御から構成することができる。このようにすると、三元触媒２４又は三元触媒２５において未燃ＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘの三成分を同時に良好に浄化することが可能となる。なお、目標の空燃比をわずかばかりのリーン空燃比又はリッチ空燃比に設定することもできる。
【００１８】
したがって、本発明による実施例では、概略的に言えば、機関始動が行われると空燃比がまずリーンに制御され、その後理論空燃比に切り換えられるということになる。次に、本発明による実施例において空燃比をリーンから理論空燃比に切り換える方法を説明する。
【００１９】
ところで、冒頭でも説明したように、三元触媒はＮＯｘを一時的に保持するＮＯｘ保持機能を有している。まず、このことを図２を参照しながら説明する。
【００２０】
図２は、機関始動時からリーン制御を継続して行ったときの三元触媒２５への流入排気ガス中のＮＯｘ濃度である流入ＮＯｘ濃度ＣＮＩ及び三元触媒２５からの流出排気ガス中のＮＯｘ濃度である流出ＮＯｘ濃度ＣＮＯ、並びに三元触媒２５の温度Ｔｃを示す実験結果である。図２にＸ１で示されるように機関始動が開始されると、流入ＮＯｘ濃度ＣＮＩ及び流出ＮＯｘ濃度ＣＮＯが同じように大幅に増大する。次いで図２にＹ１で示されるように流出ＮＯｘ濃度ＣＮＯが流入ＮＯｘ濃度ＣＮＩよりも低くなる。これは流入排気ガス中のＮＯｘが三元触媒２５内に保持されているからと考えられる。時間の経過と共に三元触媒２５の温度Ｔｃが上昇し、次いで図２にＸ２で示されるように或る温度Ｔｄに達すると、図２にＹ２で示されるように流出ＮＯｘ濃度ＣＮＯが流入ＮＯｘ濃度ＣＮＩよりも高くなる。これは三元触媒２５から保持されていたＮＯｘが脱離したためであると考えられる。
【００２１】
そうすると、この温度ＴｄをＮＯｘ脱離温度と称すれば、三元触媒温度ＴｃがＮＯｘ脱離温度Ｔｄよりも低いときに流入排気ガス中のＮＯｘを保持し、三元触媒温度ＴｃがＮＯｘ脱離温度Ｔｄ以上になると保持されているＮＯｘが触媒から脱離するということになる。このＮＯｘ脱離温度Ｔｄは触媒の種類や空燃比に応じて定まるものであるが、図１に示される例では２５０℃程度であり、三元触媒の活性温度（例えば３５０℃程度）よりも低くなっている。更に、三元触媒への流入排気ガスの空燃比がリーンのときに流入排気ガス中のＮＯｘを保持し、流入排気ガスの空燃比が減少すると保持されているＮＯｘが触媒から脱離することも確認されている。なお、このＮＯｘ保持機能はＮＯｘが貴金属表面に吸着することによるものと考えられている。
【００２２】
したがって、上述したリーン制御から通常の空燃比制御への切換タイミングを図２の時期Ｘ２よりも後に設定すると三元触媒２５から脱離したＮＯｘがそのまま排出され、時期Ｘ２よりも前に設定すると三元触媒２５のＮＯｘ保持機能を有効に利用することができない。
【００２３】
一方、空燃比をリーンから理論空燃比に切り換えると流入排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯ量が増大し、この未燃ＨＣ，ＣＯによって三元触媒２５内のＮＯｘの少なくとも一部を還元することができ、三元触媒２５から排出されるＮＯｘ量を低減することができる。
【００２４】
ところが、上述したように、流入排気ガスの空燃比が減少したときにも三元触媒２５からＮＯｘが脱離し、空燃比が大幅に減少すると三元触媒２５に保持されているＮＯｘが一気に脱離する。
【００２５】
そこで本発明による実施例では、三元触媒２５の温度ＴｃがＮＯｘ脱離温度Ｔｄに達したときに、空燃比を少しずつ減少させるようにしている。すなわち、図３にＸ２で示されるように三元触媒２５の温度ＴｃがＮＯｘ脱離温度Ｔｄに達すると、空燃比が少しずつ減少される。その結果、三元触媒２５から多量のＮＯｘが脱離するのを阻止できると共に、三元触媒２５においてＮＯｘを還元することもできる。
【００２６】
次いで、図３にＸ３で示されるように三元触媒２５からの流出排気ガスの空燃比ＡＦＥＸがリッチになると、通常の空燃比制御が開始される。この場合、空燃比の減少作用を開始してから流出排気ガスの空燃比ＡＦＥＸがリッチに切り換わるまでに必要な時間を予め求めておき、空燃比の減少作用を開始してからこの必要時間だけ経過したときに流出排気ガスの空燃比ＡＦＥＸがリッチに切り換わったと判断するようにしてもよい。あるいは、三元触媒２５下流の排気管２３に空燃比センサを取り付け、流出排気ガスの空燃比ＡＦＥＸがリッチに切り換わったことをこの空燃比センサにより検出するようにしてもよい。
【００２７】
この場合の空燃比の減少速度は例えば次のようにして設定することができる。三元触媒２５上に保持されているＮＯｘはその上流側から徐々に脱離するものと考えられている。すなわち、図４に示されるように下流側に移行する仮想面Ｐｄ上において三元触媒２５からＮＯｘが脱離するのである。この場合、空燃比の減少速度を大きくすると、仮想面Ｐｄの移行速度が大きくなって三元触媒２５から多量のＮＯｘが一気に脱離し、還元されることなく三元触媒２５から排出され、空燃比の減少速度を小さくすると、三元触媒２５から脱離するＮＯｘを還元するために十分な量の未燃ＨＣ，ＣＯを供給できないおそれがある。そこで、三元触媒２５内に保持されているＮＯｘが十分に還元されるように空燃比の減少速度を設定するのが好ましい。
【００２８】
更に、通常の理論空燃比制御が開始される時点（図３のＸ３）で三元触媒２４が活性化しているのが好ましい。理論空燃比制御が開始されると三元触媒２４においても排気ガス中の三成分を同時に良好に浄化することが可能となる。これを達成するために、例えば三元触媒２４及び三元触媒２５の位置、又はこれら触媒２４，２５間の距離などを調節することができる。
【００２９】
図５は本発明による実施例の始動時空燃比制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンは例えばスタータモータスイッチ４２がオンにされたときに１回だけ実行される。
【００３０】
図５を参照すると、まず初めにステップ１００では空燃比がリーンになるようにするリーン制御が行われる。燃料噴射弁１８からは実際の空燃比を目標空燃比ＡＦＴに一致するのに必要な燃料量が噴射される。続くステップ１０１では機関暖機が未完了であるか否かが判別される。本発明による実施例では機関冷却水温ＴＨＷが予め定められた設定温度よりも低いときに機関暖機が未完了であり、機関冷却水温ＴＨＷが設定温度よりも高くなると機関暖機が完了したと判断される。機関暖機が未完了のときには次いでステップ１０２に進み、三元触媒２５の温度ＴｃがＮＯｘ脱離温度Ｔｄ以上か否かが判別される。Ｔｃ＜Ｔｄのときにはステップ１００から１０２を繰り返し、次いでＴｃ≧Ｔｄになるとステップ１０３に進み、目標空燃比ＡＦＴが一定値Δだけ減少される（ＡＦＴ＝ＡＦＴ−Δ）。続くステップ１０４では三元触媒２５からの流出排気ガスの空燃比ＡＦＥＸがリッチになったか否かが判別される。排気ガスの空燃比ＡＦＥＸがリーン又は理論空燃比のときにはステップ１０３及び１０４を繰り返し、流出排気ガスの空燃比ＡＦＥＸがリッチになるとステップ１０５に進み、通常の空燃比制御が開始される。一方、ステップ１０１において機関暖機が完了したときにはステップ１０５にジャンプして通常の空燃比制御が開始される。
【００３１】
図６は本発明による別の実施例を示している。図６に示される実施例では三元触媒２４上流の例えば排気マニホルド２２に、二次空気供給ノズル５１が取り付けられ、この二次空気供給ノズル５１は電子制御式の吐出量可変な空気ポンプ５２に連結される。二次空気供給ノズル５１から二次空気を供給することによって、燃焼室５内における空燃比をリッチ又は理論空燃比に維持しながら、触媒２４，２５内に流入する排気ガスの空燃比をリーンにすることができる。また、二次空気供給量を減少させることにより触媒２４，２５内に流入する排気ガスの空燃比を減少させることができる。なお、三元触媒２４，２５上流の排気通路内に二次空気が供給される場合には、燃焼室に供給された空気量及び二次空気量の合計と、燃焼室に供給された燃料量との比が排気ガスの空燃比ということになる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】流入ＮＯｘ濃度ＣＮＩ、流出ＮＯｘ濃度ＣＮＯ及び触媒温度Ｔｃを示すタイムチャートである。
【図３】本発明による実施例を説明するためのタイムチャートである。
【図４】三元触媒からのＮＯｘ脱離作用を説明するための概略図である。
【図５】本発明による実施例の始動時空燃比制御ルーチンを実行するためのフローチャートである。
【図６】別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    機関本体
１８    燃料噴射弁
２３    排気管
２４    三元触媒
２５    三元触媒
２７    温度センサ
【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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