(57)【要約】【課題】リーン運転からストイキ運転への切り替え過渡時の排ガスを効率的に浄化できる排ガス浄化装置を提供すること。【解決手段】排ガス浄化装置は、混合気の空燃比をリーンにするリーン運転モードと混合気の空燃比をストイキにするストイキ運転モードとを所定の条件で切り換えるエンジン１の排気通路２に設けられ、三元浄化機能を有する酸化触媒を備えた第１浄化部１１と、第１浄化部１１の下流に設けられ、排ガス中のスートを捕集する第２浄化部１２と、第２浄化部１２の下流に設けられ、排ガス中のＮＯｘをＮＨ３の存在下で選択的に還元する選択還元触媒を備えた第３浄化部１３と、を備える。第１浄化部１１は、酸素吸蔵放出材を含まず、第２浄化部１２は、酸化触媒が塗布されたフィルタであり、且つ酸素吸蔵放出材を含む。【選択図】図１
2013238163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合気の空燃比をリーンにするリーン運転モードと混合気の空燃比をストイキにするストイキ運転モードとを所定の条件で切り換える内燃機関の排ガス浄化装置であって、
前記機関の排ガス流路に設けられ、三元浄化機能を有する触媒を備えた第１浄化部と、
前記第１浄化部の下流に設けられ、排ガス中のスートを捕集する第２浄化部と、
前記第２浄化部の下流に設けられ、排ガス中のＮＯｘをＮＨ３の存在下で選択的に還元する選択還元触媒を備えた第３浄化部と、
前記第３浄化部に、ＮＨ３又はその前駆体を供給する還元剤供給部と、
を備え、
前記第１浄化部は、酸素吸蔵放出材を含まず、
前記第２浄化部は、酸化触媒が塗布されたフィルタであり、且つ酸素吸蔵放出材を含む、
ことを特徴とする排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排ガス浄化装置に関する。より詳しくは、ＮＨ３の存在下でＮＯｘを還元する選択還元触媒を備えた排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排ガス浄化装置は、機関の排ガスに含まれるＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、及びＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化する。排気浄化システムは、排気通路に設けられた様々な種類の触媒における反応を利用して排ガス中の上記三元成分を浄化するものが主流となっている。排ガスを浄化する触媒には、酸化触媒（ＤＯＣ（Diesel  Oxidation  Catalyst））、三元触媒（ＴＷＣ（Three-Way  Catalyst））、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＮＳＣ（NOx  Storage  Catalyst））、及び選択還元触媒（ＳＣＲ触媒（Selective  Catalytic  Reduction  Catalyst））等、機能が異なる様々な触媒が提案されている。
【０００３】
酸化触媒は、混合気の空燃比をリーンとし酸素を多く含んだ排ガス（リーン空燃比の排ガス）下でＨＣ及びＣＯの酸化反応を進行させることで、ＨＣ及びＣＯを浄化する酸化機能を有する。内燃機関で通常用いられる酸化触媒は、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈから選ばれる貴金属の少なくとも１種類以上を含み、混合気の空燃比をストイキとした排ガス（ストイキ空燃比の排ガス）下ではＨＣ及びＣＯの酸化反応とＮＯｘの還元反応とが同時に高効率で進行する三元浄化機能も備える。また上記酸化触媒に酸素吸蔵放出材（ＯＳＣ材）を付加して構成される三元触媒は、上記酸化触媒と比較して、三元浄化ウィンドウ、即ち三元浄化機能を発揮する空燃比幅が広くなっている。
【０００４】
選択還元触媒は、ＮＨ３の存在下でＮＯｘを還元する。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、リーン空燃比の排ガス下で排ガス中のＮＯｘを吸蔵しておき、ストイキ又はストイキよりリッチ空燃比の排ガス下で吸蔵しておいたＮＯｘを還元剤によって還元する。リーン燃焼式のガソリンエンジンやディーゼルエンジン等、リーン燃焼を基本とした機関の排ガス浄化装置は、リーン空燃比の排ガス下でのＮＯｘ浄化性能を確保するために、これら選択還元触媒やＮＯｘ吸蔵還元型触媒等のＤｅＮＯｘ触媒と呼称される触媒を、上述のような酸化触媒や三元触媒と組み合わせて用いる場合が多い。
【０００５】
しかしながら、ＮＯｘ排出量が多くなる加速運転時には、選択還元触媒やＮＯｘ吸蔵還元型触媒のみでは十分にＮＯｘを浄化しきれなくなる場合がある。そこで、特許文献１に開示されているシステムのように、加速運転時には選択還元触媒の上流側に設けられた三元触媒における三元浄化反応を利用してＮＯｘを浄化することが考えられる。特許文献２の排気浄化システムでは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側に三元触媒を設けたシステムにおいて、加速運転時には三元触媒における三元浄化反応を利用すべく、混合気の空燃比をリーン側からストイキに切り替える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２９３５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように、三元触媒と呼称されている触媒は、その三元浄化ウィンドウを広げるために酸素吸蔵放出材が添加されている。したがって、特許文献１の排ガス浄化装置では、空燃比をリーン側からストイキへの切り替えたとき、リーン運転時に酸素吸蔵放出材に吸蔵されていた酸素によって、三元触媒内部の雰囲気の切り替えが遅延するおそれがある。このため、空燃比をリーン側からストイキに切り替えてから、触媒内部が実際にストイキ雰囲気なり、三元浄化機能を発揮できるようになるまでに時間がかかってしまう。
【０００８】
そこで、このような三元触媒の替わりに、酸素吸蔵放出材が添加されていない酸化触媒を用いることが考えられる。しかしこの場合、触媒内部が酸素を殆ど含まないストイキ雰囲気に速やかに切り替わることにより、ＮＯをＮＯ２に酸化する反応も進行しなくなる。したがって、空燃比をリーン側からストイキに切り替えると、酸化触媒の下流側の排ガスのＮＯ２及び酸素の割合も速やかに低下する。このため、下流側のＮＯｘ吸蔵還元型触媒の替わりに選択還元触媒を利用した場合、リーン運転からストイキ運転への切り替え時に、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化性能も速やかに低下してしまう。これは、選択還元触媒では、ＮＯを還元するために少なくともＮＯ２及び酸素の何れかが必要とされているからである。
【０００９】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、選択還元触媒を備えた排ガス浄化装置であって、リーン運転からストイキ運転への切り替え過渡時に排ガスを効率的に浄化する排ガス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】
【００１０】
上記目的を達成するため本発明は、混合気の空燃比をリーンにするリーン運転モードと混合気の空燃比をストイキにするストイキ運転モードとを所定の条件で切り換える内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排ガス浄化装置（例えば、後述の排ガス浄化装置１０）であって、前記機関の排ガス流路（例えば、後述の排気通路２）に設けられ、三元浄化機能を有する触媒を備えた第１浄化部（例えば、後述の第１浄化部１１）と、前記第１浄化部の下流に設けられ、排ガス中のスートを捕集する第２浄化部（例えば、後述の第２浄化部１２）と、前記第２浄化部の下流に設けられ、排ガス中のＮＯｘをＮＨ３の存在下で選択的に還元する選択還元触媒を備えた第３浄化部（例えば、後述の第３浄化部１３）と、前記第３浄化部に、ＮＨ３又はその前駆体を供給する還元剤供給部（例えば、後述の還元剤供給部１４）と、を備え、前記第１浄化部は、酸素吸蔵放出材を含まず、前記第２浄化部は、酸化触媒が塗布されたフィルタであり、且つ酸素吸蔵放出材を含む、ことを特徴とする排ガス浄化装置。
【００１１】
このように構成される排ガス浄化装置は、選択還元触媒を備えた第３浄化部よりも上流の第２浄化部に酸素吸蔵放出材を添加することとしている。このため、リーン空燃比からストイキ空燃比に切り替えたとき、酸化触媒と酸素吸蔵放出材を備えた第２浄化部では、リーン時に酸素吸蔵放出材に吸蔵されていた酸素を利用して排ガス中のＮＯをＮＯ２に酸化する反応が過渡的に進行する。その結果、第３浄化部の選択還元触媒には、第２浄化部で生成されたＮＯ２と、酸素吸蔵放出材から放出された酸素とを多く含んだ排ガスが流入する。したがって、リーンからストイキへの過渡時における第３浄化部のＮＯｘ浄化率を向上できる。
また、本発明の排ガス浄化装置は、酸素吸蔵放出材を、三元浄化機能を有する触媒を備えた第１浄化部には添加せず、第１浄化部の下流である第２浄化部に添加することとしている。このため、リーン空燃比からストイキ空燃比に切り替えたとき、第１浄化部の内部を速やかにストイキ雰囲気に移行できる。したがって、第１浄化部では、リーンからストイキへの過渡時から、速やかに三元浄化機能を発揮させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、リーン運転からストイキ運転への切り替え過渡時における排ガス浄化性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る排ガス浄化装置の構成を示す模式図である。
【図２】リーン空燃比からストイキ空燃比へと切り替えた場合のＮＯｘ挙動に対する酸素吸蔵放出材の影響を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る排ガス浄化装置による排ガスの浄化の流れを示す図である。
【図４】混合気の空燃比をリーン側からストイキへ向けて変化させたときにおける第１、第２浄化部の酸化触媒及び第３浄化部のＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率の変化を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る排ガス浄化装置１０の概略構成を図１に示す。図１に示されるように、排ガス浄化装置１０は、内燃機関（以下、「エンジン」という）１の排気通路２に設けられ、エンジン１の排ガスを浄化する。ここで、エンジン１は、混合気の空燃比をストイキよりもリーン側にする所謂リーン燃焼を基本としたもの、より具体的にはディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジン等である。
【００１５】
排ガス浄化装置１０は、エンジン１の下流側の排気通路２に第１浄化部１１、第２浄化部１２及び第３浄化部１３の順に３つの浄化部を有する。また、排ガス浄化装置１０は、第３浄化部１３の上流側に還元剤を供給する還元剤供給部１４を備え、また、各種センサ２０から供給される入力信号に応じてエンジン１や還元剤供給部１４を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）１５を備える。
【００１６】
エンジン１には、各シリンダに燃料を噴射する燃料噴射弁が設けられている（図示せず）。この燃料噴射弁を駆動するアクチュエータは、ＥＣＵ１５に電磁的に接続されている。エンジン１の混合気の空燃比は、シリンダ内に導入される新気の量、図示しない排気還流装置を介してシリンダ内に導入されるＥＧＲガスの量、並びに燃料噴射弁からの燃料噴射量等を調整することによって制御される。
【００１７】
ＥＣＵ１５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ１５は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路と、エンジン１及び還元剤供給部１４等に制御信号を出力する出力回路と、を備える。
また、ＥＣＵ１５は、エンジン１や排ガス浄化装置１０の状態を検出するため、各種のセンサ２０が接続されている。なお、センサ２０としては、例えば、排気の空燃比（酸素濃度）を検出する空燃比センサ、第３浄化部１３の下流側の排気のＮＨ３濃度を検出するＮＨ３センサ、及びアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ等がある。
【００１８】
このような構成のＥＣＵ１５は、センサ２０からの入力信号に応じてエンジン１の混合気の空燃比を制御する。より具体的には、ＥＣＵ１５は、エンジン１の適切な運転モードを判断するとともに、運転モードごとに定められたアルゴリズムに従って新気量、ＥＧＲ量、及び燃料噴射量等を調整することにより、エンジン１の混合気の空燃比を制御する。エンジン１の運転モードとしては、混合気の空燃比をストイキよりリーン側に制御するリーン運転モードと、空燃比センサの出力に基づいて混合気の空燃比をストイキに制御するストイキ運転モードとの２つが設定されている。例えば、ＥＣＵ１５は、定常運転時にはエンジンの運転モードをリーン運転モードとし、アクセル開度センサからの出力信号に基づいて高負荷運転状態になったと判定された場合には運転モードをリーン運転モードからストイキ運転モードに切り替える。
【００１９】
第１浄化部１１は、排気通路２のうちエンジン１の直下であって第２浄化部１２及び第３浄化部１３よりも上流側に設けられる。第１浄化部１１は、排ガス中に含まれるＨＣ，ＣＯ及びＮＯを酸化・還元することによって排ガスを浄化する三元浄化機能を有する第１触媒を備える。ここで、三元浄化機能とは、ストイキ空燃比の排ガスの下で、三元浄化反応、即ちＨＣ及びＣＯの酸化とＮＯｘの還元とが同時に行われる反応が進行する機能を言う。このような三元浄化機能を有する第１触媒としては、より具体的には、酸素吸蔵放出材（以下、「ＯＳＣ材」という）が添加されていない既知の酸化触媒（ＤＯＣ）と呼称されているものが用いられる。なお、酸化触媒としては、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈから選ばれる貴金属の少なくとも１種類以上を含む触媒が良く知られているが、本実施形態では酸化触媒として、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）及びβゼオライトからなる担体にＰｔ及びＰｄ（Ｐｔ／Ｐｄ＝１：１  ６ｇ／Ｌ）からなる酸化活性成分を担持させたものを用いることとしている。
【００２０】
以上のような第１触媒を備えた第１浄化部１１は、混合気の空燃比をリーン側にするリーン運転モードでは、ＨＣ及びＣＯを酸化することで排ガスを浄化するとともに、ＮＯの一部をＮＯ２に酸化し下流の第２浄化部１２及び第３浄化部１３に供給する。また、第１浄化部１１は、ストイキ運転モードでは、上記三元浄化機能によってＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘを酸化・還元することで排ガスを浄化する。
【００２１】
第２浄化部１２は、排気通路２のうち第１浄化部１１よりも下流側であって第３浄化部１３よりも上流側に設けられる。第２浄化部１２は、排ガスがフィルタ壁の微細な孔を通過する際に、排ガス中の炭素を主成分とするスートを、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の穴に堆積させることによって捕集するフィルタである。このような第２浄化部１２としては、フィルタ壁に酸化触媒が塗布されたＣＳＦ（Ｃａｔａｌｙｚｅｄ  Ｓｏｏｔ  Ｆｉｌｔｅｒ）を用いることができる。このように第２浄化部１２は、酸化触媒を有するため、上述の第１浄化部１１と同様に、排ガス中のＨＣ，ＣＯ及びＮＯを酸化する機能を有する。
【００２２】
また、この第２浄化部１２のフィルタには、酸化触媒に加えて、排ガスの雰囲気変動を吸収できる程度に有意な酸素吸蔵放出機能を有するＯＳＣ材が添加されている。この第２浄化部１２に添加するＯＳＣ材としては、代表的には、酸化セリウム（ＣｅＯ２）や酸化セリウムにジルコニウム（Ｚｒ）、ネオジム（Ｎｄ）又はランタン（Ｌａ）等が添加された複合酸化物が挙げられる。この他、例えば、ペロブスカイト（ＬａＦｅＯ３，ＬａＭｎＯ３）、Ｆｅ系酸化物にアルカリ土類金属を添加した材料、又はＹＭｎＯ３（Ｙ２Ｍｎ２Ｏ５）等が挙げられる。ＯＳＣ材には、以上例示列挙したものの他、排ガスの雰囲気変動を吸収できる程度の酸素吸蔵放出機能を有するものであればどのようなものを用いてもよい。なお、第２浄化部１２に添加するＯＳＣ材の量は、空燃比をリーン側からストイキに切り替えた過渡期における排ガスの雰囲気変動を吸収できる程度の量であればよい。より具体的には、後に図２を参照して説明するように、４０ｇ／Ｌ程度の量のＯＳＣ材を添加することにより、確実に有意な効果を奏することが検証されている。
【００２３】
還元剤供給部１４は、還元剤（ＮＨ３）の前駆体としての尿素水を貯蔵する尿素水タンク１４１と、尿素水を排気通路２内に噴射する尿素水噴射弁１４２と、を備える。尿素水噴射弁１４２は、排気通路２のうち第３浄化部１３よりも上流側に設けられる。尿素水噴射弁１４２は、図示しないアクチュエータで駆動されると開閉し、尿素水タンク１４１内の尿素水を排気通路２内に噴射する。尿素水噴射弁１４２から噴射された尿素水は、排気又は第３浄化部１３の熱により熱分解又は加水分解されて還元剤としてのアンモニア（ＮＨ３）となる。尿素水噴射弁１４２のアクチュエータは、ＥＣＵ１５に接続されている。ＥＣＵ１５は、ＮＨ３センサの出力に応じて必要な尿素水噴射量を算出するとともに、この噴射量に応じた量の尿素水が噴射されるように尿素水噴射弁１４２を制御する。
【００２４】
第３浄化部１３は、排気通路２のうち第１浄化部１１、第２浄化部１２及び還元剤供給部１４よりも下流側に設けられる。第３浄化部１３は、還元剤としてのＮＨ３の存在する雰囲気下で、排ガス中のＮＯｘを選択的に還元する選択還元触媒（以下、「ＳＣＲ触媒」という）を備える。ここで、ＮＨ３の存在下にある第３浄化部１３において進行するＮＯ及びＮＯ２の還元反応の反応式は、下記式（１−１）、（１−２）、（１−３）のようになっている。式（１−１）に示す反応は、排ガス中のＮＯとＮＯ２とを同時に還元する反応であり、Ｆａｓｔ  ＳＣＲと称される。式（１−２）に示す反応は、排ガス中のＮＯのみを還元する反応であり、Ｓｔａｎｄａｒｄ  ＳＣＲと称される。式（１−３）に示す反応は、排ガス中のＮＯ２のみを還元する反応であり、Ｓｌｏｗ  ＳＣＲと称される。
【数１】
2013238163.tif 000003
【００２５】
このようなＳＣＲ触媒における上記（１−１）乃至（１−３）に示す反応では、上記式（１−１）に示す反応が最も反応速度が速い。そのため、ＳＣＲ触媒によるＮＯｘ浄化率は、第３浄化部１３に供給される排ガスのＮＯ２−ＮＯｘ比（ＮＯとＮＯ２を合わせたＮＯｘに対するＮＯ２のモル比）が、０．５近傍の最適値に近づくほど高くなる。なお、エンジン１から排出されるＮＯｘの大部分はＮＯで構成されており、ＮＯに比してＮＯ２は少ない。このため、第３浄化部１３に流入する排ガスのＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５に近づけるためには、第３浄化部１３より上流側の第１、第２浄化部１１，１２において排ガス中のＮＯの一部を酸化して生成する必要がある。このため、ＮＯ２の生成効率を左右する第１、第２浄化部１１，１２の酸化触媒の組成や貴金属量は、リーン運転中に第３浄化部１３に流入する排ガスのＮＯ２−ＮＯｘ比が概ね０．５近傍になるように調製されることが好ましい。
【００２６】
次に、図２を参照して、第１浄化部１１ではなく第２浄化部１２のみにＯＳＣ材を添加することの利点について説明する。
図２（１）は、リーン運転モードからストイキ運転モードへの切り替え後に第３浄化部の選択還元触媒に流入する排ガスのＮＯ２−ＮＯｘ比を示すグラフであり、選択還元触媒の上流の酸化触媒を有する浄化部に４０ｇ／ＬのＯＳＣ材を添加した場合のＮＯ２−ＮＯｘ比（図中、実線）と、選択還元触媒の上流の浄化部に酸素吸蔵放出材を添加しない場合のＮＯ２−ＮＯｘ比（図中、破線）と、の関係を示す。図２（１）には、選択還元触媒に流入する排ガスのＮＯ２−ＮＯｘ比が０．５の近傍に保たれた状態から、２点破線で示すタイミングで、排ガスの酸素濃度を６％から０％に切り替えた場合におけるＮＯ２−ＮＯｘ比の変化を示す。
【００２７】
図２（１）に示すように、排ガスの酸素濃度が低下すると、即ちリーン運転からストイキ運転に切り替えると、選択還元触媒の上流側の浄化部におけるＮＯ酸化効率が低下するため、ＮＯ２−ＮＯｘ比は低下する。ここで、酸素吸蔵放出材を上流の浄化部に添加した場合としない場合とを比較して明らかなように、選択還元触媒の上流に酸素吸蔵放出材を添加した場合の方が、ＮＯ２−ＮＯｘ比が減少しにくい。これは、酸化触媒を有する浄化部に酸素吸蔵放出材を添加した場合、低酸素濃度のストイキ雰囲気に切り替わった後も、酸素吸蔵放出材に吸蔵されていた酸素を利用してＮＯをＮＯ２に酸化する反応が進行するためである。そのため、リーン運転モードからストイキ運転モードへの切り替え過渡期において、第３浄化部１３のＳＣＲ触媒によるＮＯｘ浄化率の低下を抑制するためには、第３浄化部１３の上流の浄化部には、ＯＳＣ材を添加することが好ましいことが判る。
【００２８】
また、図２（２）は、リーン運転モードからストイキ運転モードへの切り替え後に選択還元触媒に流入する排ガスのＮＯｘ濃度を示すグラフ、即ち第１浄化部１１の下流の排ガスのＮＯｘ濃度を示すグラフである。図２（２）では、第１浄化部１１にＯＳＣ材を添加した場合のＮＯｘ濃度（図中、実線）と、第１浄化部１１にＯＳＣ材を添加しない場合のＮＯｘ濃度（図中、破線）と、の関係を示している。図２（２）には、２点破線で示すタイミングで混合気の空燃比をリーン側からストイキに切り替えた場合におけるＮＯｘ濃度の変化を示す。
【００２９】
図２（２）に示すように、第１浄化部１１にはＯＳＣ材を添加しない場合の方が、ＳＣＲ触媒に流入する排ガスのＮＯｘ濃度の減少速度が速い。即ち、第１浄化部１１は、ＯＳＣ材を添加しない場合の方が、リーン空燃比からストイキ空燃比への切り替え後に素早く三元浄化機能を発揮することができる。これは、第１浄化部１１にＯＳＣ材を添加した場合には、ストイキ空燃比への切り替え時にＯＳＣ材から酸素が放出されるため第１浄化部１１内が直ちにストイキ雰囲気に切り替わらず三元浄化機能の発揮が遅延するのに対して、第１浄化部１１にＯＳＣ材を添加しない場合には、ストイキ空燃比への切り替えに伴い第１浄化部１１内が直ちにストイキ雰囲気に切り替わる結果、三元浄化機能が早急に発揮されることになるためである。
以上より、リーン運転モードからストイキ運転モードへの切り替え過渡期において、第３浄化部１３の選択還元触媒のＮＯｘ浄化率の低下を抑制し、且つ、第１浄化部１１の酸化触媒のＮＯｘ浄化率を速やかに向上させるためには、酸素吸蔵放出材は、第３浄化部１３の上流側且つ第１浄化部１１の下流側の第２浄化部１２に添加することが好ましいことが検証された。
【００３０】
以上、本実施形態の排ガス浄化装置１０の構成について説明した。続いて、排ガス浄化装置１０による排ガスの浄化の流れを、図３を参照して説明する。図３（１）は、リーン運転モード中、即ちエンジン１の混合気をリーン側にしている場合の排ガス浄化装置１０による排ガス浄化の流れを示し、図３（２）は、混合気の空燃比がリーン側からストイキに切り替わる切り替え過渡期における排ガス浄化装置１０による排ガス浄化の流れを示し、図３（３）は、ストイキ運転モード中、即ちエンジン１の混合気をストイキに制御している場合の排ガス浄化装置１０による排ガス浄化の流れを示す。
【００３１】
図３（１）に示すように、リーン運転中のエンジン１の排ガスには酸素が含まれるため、排ガスの成分は、第１浄化部１１及び第２浄化部１２の酸化触媒を介して酸化することになる。即ち、排ガス中のＨＣ，ＣＯは、Ｈ２ＯやＣＯ２に酸化し浄化される一方で、排ガス中のＮＯは、ＮＯ２に酸化し下流の第３浄化部１３（選択還元触媒）に供給される。第１浄化部１１及び第２浄化部１２を通過したＮＯｘは、還元剤の存在下にある第３浄化部１３において選択的に還元されることになる。ここで、第３浄化部１３には、第１、第２浄化部１１，１２において生成されたＮＯ２とＮＯの両方が流入するため、最も反応速度の速いＦａｓｔ  ＳＣＲが主体的に進行する。
このように、排ガス浄化装置１０は、リーン運転中に排出される排ガスを、第１浄化部１１乃至第３浄化部１３を用いて浄化する。特に、排ガス中のＮＯｘについては、第１浄化部１１及び第２浄化部１２において適切なＮＯ２−ＮＯｘ比にした上で第３浄化部１３に供給するため、第３浄化部１３において高い割合で浄化することができる。
このとき、第１浄化部１１及び第２浄化部１２は、排ガスによりリーン雰囲気に保たれることになるが、第１浄化部１１は、ＯＳＣ材を備えないため酸素を殆ど吸蔵しない。一方、第２浄化部１２は、ＯＳＣ材を備えるため排ガス中に含まれる酸素を吸蔵する。
【００３２】
図３（２）に示すように、混合気の空燃比をリーン側からストイキに切り替えると、エンジン１から排出される排ガスの酸素濃度は減少し、第１浄化部１１内は次第にリーン雰囲気からストイキ雰囲気に切り替わるため、第１浄化部１１では三元浄化反応が進行するようになる。このため、第１浄化部１１におけるＮＯｘ浄化率が徐々に上昇する。また、第１浄化部１１では、その内部がストイキ雰囲気に切り替わるまでは三元浄化機能が完全に発揮されない。このため、第１浄化部１１において浄化しきれないＮＯｘが第２浄化部１２に流入する。
【００３３】
ここで、ストイキ空燃比の排ガスには酸素が殆ど含まれないものの、第２浄化部１２が有するＯＳＣ材にはリーン運転中に吸蔵した酸素が蓄えられている。そのため、第２浄化部１２では、ＯＳＣ材に蓄えられた酸素を用いて、第１浄化部１１から排出されるＮＯの一部をＮＯ２に酸化する。即ち、切り替え過渡時に第１浄化部１１で浄化し切れなかったＮＯは、第２浄化部１２のＯＳＣ材に蓄えられた酸素を用いてＮＯ２に酸化され、第３浄化部１３に供給されることになる。その結果、第３浄化部１３にはＮＯとＮＯ２との両方が流入するため、最も反応速度の速いＦａｓｔ  ＳＣＲが過渡的に進行する。即ち、混合気の空燃比をリーン側からストイキに切り替えると、第３浄化部１３に供給される排ガスのＮＯ２−ＮＯｘ比は、図２（１）を参照して説明したように最適な値（０．５）から減少するものの、第３浄化部１３の上流の第２浄化部１２にＯＳＣ材を添加することにより、ＮＯ２−ＮＯｘ比の減少速度を抑制でき、ひいては切り替え過渡期における第３浄化部１３のＮＯｘ浄化率を向上させることができる。
また、第２浄化部１２において、ＯＳＣ材に吸蔵されていた酸素のうちＮＯの酸化に供されなかった分は、そのまま第３浄化部１３へ放出される。これにより第３浄化部１３のＳＣＲ触媒では、酸素濃度が低いストイキ雰囲気では発生しないＳｔａｎｄａｒｄ  ＳＣＲが進行し、排ガス中のＮＯが還元される。即ち、切り替え過渡期における第３浄化部１３のＮＯｘ浄化率は、第３浄化部１３にＮＯ２が供給されることだけでなく、酸素が供給されることによっても向上する。
【００３４】
また、第１浄化部１１にはＯＳＣ材が添加されていないため、空燃比の切り替えに伴い、第１浄化部１１内はリーン雰囲気からストイキ雰囲気へと迅速に切り替わる。したがって、第１浄化部１１では三元浄化反応によるＮＯｘの浄化が速やかに開始する（図２（２）参照）。その結果、第１浄化部１１にＯＳＣ材を添加する場合に比べて、リーン空燃比からストイキ空燃比への切り替え過渡期における第１浄化部１１のＮＯｘ浄化率を向上できる。
【００３５】
図３（３）に示すように、リーン空燃比からストイキ空燃比へと切り替わり、第１浄化部１１内がストイキ雰囲気に完全に切り替わると、排ガスは、第１浄化部１１における三元浄化反応によって浄化される。また、ＯＳＣ材が添加されているためストイキ雰囲気に切り替わるまでに第１浄化部１１と比較すれば時間がかかるものの、ストイキ雰囲気に完全に切り替わった後は、第２浄化部１２においても三元浄化反応が進行する。以上のように、ストイキ運転モード中の排ガスは、第１、第２浄化部１１，１２によって浄化される。
【００３６】
図４（１）は、混合気の空燃比をリーン側からストイキへ向けて変化させたときにおける第１、第２浄化部１１，１２の酸化触媒及び第３浄化部１３のＳＣＲ触媒のそれぞれのＮＯｘ浄化率の変化を模式的に示す図である。図４（１）中、「ＤＯＣ浄化率」は第１浄化部１１及び第２浄化部１２を合わせたものＮＯｘ浄化率を示し、「ＳＣＲ浄化率」は第３浄化部１３のＮＯｘ浄化率を示す。図４（２）は、これらＤＯＣ浄化率及びＳＣＲ浄化率を合わせた装置全体のＮＯｘ浄化率の変化を模式的に示す図である。
【００３７】
図４（１）に示すように、空燃比がリーン側からストイキに向けて変化すると、ＤＯＣ浄化率はストイキに近づくに従い上昇し、ＳＣＲ浄化率はストイキに近づくに従い低下する。このとき、第２浄化部１２にＯＳＣ材を添加しない場合（図中２点破線）、第３浄化部１３のＮＯｘ浄化率はストイキに近づくに従い急激に減少する。これに対し、第２浄化部１２にＯＳＣ材を添加する場合（図中細実線）、上述のようにＳＣＲ触媒にはＮＯ２及び酸素が供給されるため、ＳＣＲ浄化率の減少は緩やかになる。また、このようにＳＣＲ浄化率の低下を抑制することにより、図４（２）に示すように、切り替え過渡期における装置全体のＮＯｘ浄化率も向上できる。
【００３８】
以上説明したように、排ガス浄化装置１０は、排気通路２の上流側から順に酸化触媒を備える第１浄化部１１、フィルタである第２浄化部１２、及びＳＣＲ触媒を備える第３浄化部１３を設け、最上流の第１浄化部１１にはＯＳＣ材を添加することなく、第１浄化部１１の下流であり、且つ第３浄化部１３の上流である第２浄化部１２に酸化触媒及びＯＳＣ材を添加することとしている。
これにより、リーン空燃比からストイキ空燃比への切り替え過渡期においても、第３浄化部１３の上流で排ガス中のＮＯをＮＯ２に酸化することができ、第３浄化部１３のＮＯｘ浄化率を高めることができる。また、第１浄化部１１にＯＳＣ材を添加しないため、第１浄化部１１内の雰囲気を迅速にストイキ雰囲気に切り替えることができ、第１浄化部１１の三元浄化機能を迅速に発揮させることができる。その結果、図４（２）に示すように、リーン空燃比からストイキ空燃比への切り替え過渡期における、第１浄化部１１及び第３浄化部１３を合わせたＮＯｘ浄化率を向上させることができる。
【符号の説明】
【００３９】
１…エンジン（内燃機関）
２…排気通路（流路）
１０…排ガス浄化装置（排ガス浄化装置）
１１…第１浄化部（第１浄化部）
１２…第２浄化部（第２浄化部）
１３…第３浄化部（第３浄化部）
１４…還元剤供給部（還元剤供給部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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