(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に、貴金属をセリア（ＣｅＯ2 ）のみに担持してなるトラップ成分又はゼオライトを含有する低温ＮＯｘトラップ触媒と、この低温ＮＯｘトラップ触媒の上流側にあって、活性すると排気中の酸素を消費又は吸収する触媒とを設ける一方、
前記上流側の触媒の活性・非活性を判定する活性判定手段と、
前記低温ＮＯｘトラップ触媒を用いてＮＯｘをトラップする際に前記低温ＮＯｘトラップ触媒に酸素を供給するように、前記上流側の触媒の非活性時は内燃機関の空燃比を理論空燃比に制御し、活性時はリーン空燃比に制御する空燃比制御手段と、を設けたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記活性判定手段は、前記上流側の触媒の温度を検出し、これに基づいて活性・非活性を判定するものであることを特徴とする請求項１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、内燃機関の排気浄化装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化抑制の観点から内燃機関の燃費向上の必要性が高まり、特定運転領域にて希薄燃焼、すなわち理論空燃比よりもリーンで運転される内燃機関が広く普及しつつある。
このような内燃機関の排気浄化装置としては、従来内燃機関で広く用いられてきた三元触媒の他、当該機関におけるＮＯｘ浄化能を高めた選択還元型ＮＯｘ触媒、ＮＯｘを一時トラップしておき理論空燃比又はリッチの時に放出するＮＯｘトラップ触媒が用いられている。
【０００３】
ＮＯｘトラップ触媒の代表的な例は、特開平７−１６６９１３号公報に示されており、ここで用いられているＮＯｘトラップ触媒は、アルミナを担体とし、この担体上に、アルカリ金属（Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ，Ｃｓ等）、アルカリ土類（Ｂａ，Ｃａ等）、希土類（Ｌａ，Ｙ等）から選ばれた少なくとも１つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されたもので、活性状態においては、排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップし、理論空燃比又はリッチの時にトラップしたＮＯｘを放出するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなＮＯｘトラップ触媒は、活性を得るために所定の温度まで暖機される必要があり、例えば冷機始動後、触媒活性が得られるまでの間は、十分なＮＯｘトラップ能力を得ることができないという問題点がある。
一方、発明者らは、ゼオライトの吸着作用に着目し、ゼオライト単体もしくはゼオライトを混ぜ込んだ触媒の低温でのＮＯｘトラップ特性について実験を行った。図３にその結果の概略を示す。尚、内燃機関の排気中のＮＯｘの主成分はＮＯであることから、本実験はゼオライトを含有する触媒のＮＯトラップ能力を調査したものであり、実験時の触媒及びガス温度は前記従来のＮＯｘトラップ触媒の活性温度下限とされる約２００℃よりも低い。
【０００５】
本実験結果によれば、ゼオライトを含有する触媒のＮＯｘトラップ率（ＮＯトラップ率）は酸素濃度に依存しており、微量の酸素を共存させることにより、高いＮＯｘトラップ率を得ることが可能である。
さらに本発明者らは、貴金属をセリア（ＣｅＯ2 ）のみに担持してなるトラップ成分を含有する触媒（以下セリアベース触媒という）についてゼオライトを含有する触媒と同様の実験を行った結果、このセリアベース触媒も低温ＮＯｘトラップ機能を有しており、ＮＯｘトラップ率の酵素濃度依存特性についてもゼオライトを含有する触媒と同様の特性を有していることを確認した。
【０００６】
本発明は、このような点に着目してなされたものであり、貴金属をセリア（ＣｅＯ2 ）のみに担持してなるトラップ成分又はゼオライトを含有する触媒を内燃機関の排気浄化装置として効果的に利用することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、内燃機関の排気系に、貴金属をセリア（ＣｅＯ2 ）のみに担持してなるトラップ成分又はゼオライトを含有する低温ＮＯｘトラップ触媒と、この低温ＮＯｘトラップ触媒の上流側にあって、活性すると排気中の酸素を消費又は吸収する触媒とを設ける一方、前記上流側の触媒の活性・非活性を判定する活性判定手段と、前記低温ＮＯｘトラップ触媒を用いてＮＯｘをトラップする際に前記低温ＮＯｘトラップ触媒に酸素を供給するように、前記上流側の触媒の非活性時は内燃機関の空燃比を理論空燃比に制御し、活性時はリーン空燃比に制御する空燃比制御手段と、を設けたことを特徴とする。
【０００８】
尚、ここでいう排気中の酸素を消費する触媒としては、代表的には、排気中に含まれるＨＣ，ＣＯ等の未燃成分を酸化させることにより酸素を消費する三元触媒を挙げることができ、また、酸素を吸収する触媒としては、三元触媒の他、リーンＮＯｘトラップ触媒、選択還元型ＮＯｘ触媒、ＨＣ吸着触媒等において、セリア成分を含有することで、酸素ストレージ機能を有するものを挙げることができる。
【０００９】
請求項２に係る発明では、前記活性判定手段は、前記上流側の触媒の温度を検出し、これに基づいて活性・非活性を判定するものであることを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、内燃機関の排気系に、貴金属をセリア（ＣｅＯ2 ）のみに担持してなるトラップ成分又はゼオライトを含有する低温ＮＯｘトラップ触媒を設ける一方、前記低温ＮＯｘトラップ触媒に酸素を供給する構成としたので、前記低温ＮＯｘトラップ触媒を用いて冷機時により高いトラップ率で排気中のＮＯｘをトラップすることができるという効果が得られる。
【００１１】
また、低温ＮＯｘトラップ触媒に酸素を供給すべく、内燃機関の空燃比を制御、一般的には理論空燃比よりもリーンに制御して、内燃機関での燃焼後の排気ガス中に余剰分の酸素が残存するようにすることで、ＮＯｘトラップ率向上のための酸素供給を目的とした特別な装置の追加を行う必要がなく、またリーン化により同時に燃費も向上するという効果が得られる。
【００１２】
また、低温ＮＯｘトラップ触媒の上流側に活性状態で酸素を消費又は吸収する特性を有する触媒（例えば三元触媒、リーンＮＯｘトラップ触媒、選択還元型ＮＯｘ触媒、ＨＣ吸着触媒等）を備える内燃機関において、上流側の触媒が活性化するまでの間は、理論空燃比で運転を行うことにより、排気温度が高められて上流側の触媒の暖機が促進される一方、上流側の触媒の未活性時は活性時よりも上流側の触媒での酸素消費量又は吸収量が少ないため、理論空燃比の排気ガス中に含まれる酸素は触媒を通過して下流側の低温ＮＯｘトラップ触媒に到達するので、この間も高率でのＮＯｘトラップが可能となる。そして、上流側の触媒の活性後は、リーン空燃比で運転を行うことにより、上流側の触媒により酸素が消費又は吸収されても、排気ガス中の余剰酸素が十分に低温ＮＯｘトラップ触媒に到達するので、高率でのＮＯｘトラップが可能となる。このように上流側の触媒の活性状態に応じて、理論空燃比、リーン空燃比を切換える構成としたので、冷機始動時も上流側の触媒の早期活性化を妨げることなく高いトラップ率でＮＯｘをトラップすることが可能となる。
【００１３】
請求項２に係る発明によれば、上流側の触媒の活性・非活性を判定する際に、上流側の触媒の温度を検出して、これに基づくことで、活性判定を正確に行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示す内燃機関（以下エンジンという）のシステム図である。
エンジン１に吸入される空気は、エアクリーナ２を通過後、エアフローメータ３で計量され、電制スロットル弁４に導かれる。ここで吸入空気量の制御が行われる。吸入空気はその後吸気マニホールド（コレクタ）５、吸気ポート６を通り、吸気弁７を介してシリンダ８内に導入される。シリンダ８の内部には往復運動を行うピストン９が配設されている。シリンダ８内の空気に対して、燃料噴射弁１０より燃料を噴射し、点火プラグ１１で着火燃焼させる。その後、排気弁１２を開き、排気を排気ポート１３に排出する。
【００１５】
排気ポート１３にはＥＧＲ通路１４が連結され、排気の一部を吸気通路（コレクタ５）に還流する。ＥＧＲ流量はＥＧＲ通路１４に設けたＥＧＲ制御弁１５で制御する。
また、排気ポート１３の下流に接続された排気マニホールド１６には、Ｏ2 センサ１７が設けられ、ここで排気中の酸素濃度を計測し、エンジン１を理論空燃比で運転するときは、燃料噴射量制御に際し、この信号に基づき空燃比フィードバック制御を行う。
【００１６】
排気マニホールド１６下流の排気通路には、排気浄化触媒として、三元触媒１８が設けられ、三元触媒１８には温度検出手段として温度センサ１９が取付けられている。
更に三元触媒１８下流の排気通路には、低温ＮＯｘトラップ触媒として、ゼオライトを含有する触媒（以下ゼオライト触媒という）２０が設けられている。
【００１７】
上流側の三元触媒１８は、例えば、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の貴金属を少なくとも１成分担持したアルミナをハニカム担体にコーティングしたものであり、排気ガスが理論空燃比の時にはＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを同時に浄化し、空燃比がリーンの時にはＨＣ，ＣＯを酸化反応で浄化する特性を有するものである。
【００１８】
下流側のゼオライト触媒２０は、低温でＮＯｘをトラップ可能なゼオライト（例えばβ−ゼオライト、Ａ型ゼオライト、Ｙ型ゼオライト、Ｘ型ゼオライト、ＺＳＭ−５、ＵＳＹ、モルデナイト、フェリエライト等）をハニカム担体にコーティングした構造を有するものである。
尚、ゼオライト触媒２０に替えてセリアベース触媒を使用しても良い。このセリアベース触媒は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、及びその他の貴金属の群から選択される一種又は二種以上の貴金属をセリア（ＣｅＯ2 ）のみに担持してなるトラップ成分を含有する触媒である。このような触媒は、粉末状にした前記のトラップ成分をハニカム担体に直接コーティングしたり、ハニカム担体に施したアルミナ等のウォッシュコート上にトラップ成分をコーティングしたり、トラップ成分をアルミナ等と混合したものをハニカム担体にコーティングしたりして得ることができる。
【００１９】
ここにおいて、エンジン１の電制スロットル弁４のスロットル開度制御、燃料噴射弁１０の燃料噴射量及び噴射時期制御、点火プラグ１１の点火時期制御、ＥＧＲ制御弁１５のＥＧＲ流量制御は、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）２１にて行う。
ＥＣＵ２１には、エアフローメータ３の信号、Ｏ2 センサ１７の信号、三元触媒温度センサ１９の信号の他、図示しないクランク角及びエンジン回転数検出用のクランク角センサの信号、エンジン水温検出用の水温センサの信号、アクセル開度検出用のアクセルセンサの信号などが入力されており、これらの信号を基に上記の各制御を行う。
【００２０】
図２に第１実施形態でのエンジンの空燃比制御のフローチャートを示す。本フローにより、ゼオライト触媒２０への酸素供給のための空燃比制御手段が構成される。
Ｓ１では、アクセル開度Ａｐｏ、エンジン回転数Ｎｅ、吸入空気量Ｑａ、エンジン水温Ｔｗ、三元触媒温度Ｔｃを読込む。
【００２１】
Ｓ２では、アクセル開度Ａｐｏから目標トルクＴＴＣを算出する。
Ｓ３では、エンジン回転数Ｎｅと目標トルクＴＴＣとから燃焼フラグＦＣｍｂを求める。このＦＣｍｂが０の領域では成層リーン燃焼、１の領域では均質リーン燃焼、２の領域では理論空燃比での燃焼（均質ストイキ燃焼）を行うが、次のＳ４において水温Ｔｗが所定値ＴｗＬ未満と判定された場合は、リーン燃焼を行った場合に安定性が得られないと判断して、Ｓ６に進み、ＦＣｍｂに２を代入してリーン燃焼を禁止し、理論空燃比での運転を行うようにする。
【００２２】
Ｓ５では、三元触媒温度Ｔｃが所定値ＴｃＬ未満か否かにより、三元触媒１８の活性状態を判定する（活性判定手段）。ここで、Ｔｃ＜ＴｃＬの場合は、未活性と判断して、Ｓ６に進み、ＦＣｍｂに２を代入して、理論空燃比での運転を行うようにする。
Ｓ７では、ＦＣｍｂ＝２か否かを判定する。
【００２３】
ＦＣｍｂ≠２（ＦＣｍｂ＝０又はＦＣｍｂ＝１）で、リーン運転条件と判定された場合は、Ｓ８に進み、エンジン回転数Ｎｅと目標トルクＴＴＣとからマップを参照して、目標燃空比ＴＦＢＹＡを求める。ここで、ＴＦＢＹＡは空気過剰率λの逆数であり、理論空燃比では１、リーン時は１よりも小さな値をとる。
一方、ＦＣｍｂ＝２、すなわち理論空燃比での運転時は、Ｓ９に進み、ＴＦＢＹＡに１を代入する。
【００２４】
このようにして目標燃空比ＴＦＢＹＡが設定されると、吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎｅとから定まる理論空燃比相当の基本燃料噴射量（Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ；Ｋは定数）に、目標燃空比ＴＦＢＹＡが乗算されて、燃料噴射量が設定され、更に各種補正により、最終的な燃料噴射量が設定されて、対応するパルス幅の燃料噴射パルスにより燃料噴射弁１０が駆動されて燃料噴射がなされる。尚、燃料噴射時期は、均質燃焼の場合は吸気行程であり、これによりシリンダ８内に均質な混合気が形成されるが、成層燃焼の場合は圧縮行程であり、これにより点火プラグ１１回りに集中的に層状の混合気が形成される。
【００２５】
以上の動作により、上流側の三元触媒１８の活性前は、エンジン１は理論空燃比で運転され、これにより上流側の三元触媒１８の早期活性化が促進される共に、上流側の三元触媒１８にて酸素が消費されないので、下流側のゼオライト触媒２０に酸素が供給される。
上流側の三元触媒１８が活性化し酸素を消費するようになった後は、エンジン１はリーン空燃比で運転されるため、排気中には上流側の三元触媒１８で消費される以上の酸素が含まれており、下流側のゼオライト触媒２０にその余剰分が供給される。
【００２６】
よって、上流側の三元触媒１８の活性状態にかかわらず、ゼオライト触媒２０には酸素が供給されるので、高い効率で排気中のＮＯｘをトラップすることが可能となる。
【００２７】
尚、以上の実施形態では、ゼオライト触媒２０の上流側で活性状態で酸素を消費又は吸収する触媒が、三元触媒１８である例で説明したが、リーンＮＯｘトラップ触媒、選択還元型ＮＯｘ触媒、ＨＣ吸着触媒等であってもよく、また、ゼオライト触媒２０の上流側に複数の触媒を備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態を示すエンジンのシステム図
【図２】  第１実施形態での空燃比制御のフローチャート
【図３】  ゼオライト触媒のＮＯｘトラップ特性を示す図
【符号の説明】
１  エンジン
２  エアクリーナ
３  エアフローメータ
４  電制スロットル弁
５  吸気マニホールド
６  吸気ポート
７  吸気弁
８  シリンダ
９  ピストン
１０  燃料噴射弁
１１  点火プラグ
１２  排気弁
１３  排気ポート
１４  ＥＧＲ通路
１５  ＥＧＲ制御弁
１６  排気マニホールド
１７  Ｏ2 センサ
１８  三元触媒
１９  三元触媒温度センサ
２０  ゼオライト触媒
２１  ＥＣＵ
【図１】
0003945198.tif 000002
【図２】
0003945198.tif 000003
【図３】
0003945198.tif 000004