(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の気筒を一対の気筒群に分割し、これら気筒群に接続された一対の上流側排気通路が合流して形成される下流側排気通路内に酸化能を有する触媒を配置し、該触媒の温度を上昇させるために、一方の上流側排気通路から下流側排気通路内に流出する排気ガスの空燃比をリーンに保持しかつ他方の上流側排気通路から下流側排気通路内に流出する排気ガスの空燃比をリッチに保持すると共に、このとき下流側排気通路内に流入する排気ガス全体の平均空燃比が理論空燃比又はわずかばかりリッチになるようにした内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒上流の下流側排気通路内に、一方の上流側排気通路からの排気ガスと他方の上流側排気通路からの排気ガスとを混合する混合手段を配置し、前記混合手段と前記触媒間の下流側排気通路を互いに並列に延びる一対の分岐通路から形成し、これら分岐通路内にそれぞれ酸化能を有する追加の触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記混合手段を、排気ガスが下流側排気通路のほぼ中心軸線周りに旋回するように排気ガスを案内する旋回装置から形成した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記内燃機関において燃焼がリーン空燃比のもとで継続的に行われるようになっており、前記触媒を、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒から形成した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記追加の触媒を三元触媒から形成した請求項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】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の気筒を一対の気筒群に分割し、これら気筒群に接続された一対の上流側排気通路が合流して形成される下流側排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、ＮＯＸ触媒の温度を上昇させるために、一方の気筒群で燃焼される混合気の空燃比をリーンに保持しかつ他方の気筒群で燃焼される混合気の空燃比をリッチに保持すると共に、このときＮＯＸ触媒内に流入する排気ガス全体の平均空燃比が理論空燃比になるようにした内燃機関の排気浄化装置が公知である（特開平８−６１０５２号公報参照）。
【０００３】
この場合、一方の気筒群から排出される排気ガス中には多量の酸素が含まれており、他方の気筒群から排出される排気ガス中には多量の未燃ＨＣ，ＣＯが含まれている。従って、これら酸素及び未燃ＨＣ，ＣＯがＮＯＸ触媒に到りＮＯＸ触媒内で反応すると、ＮＯＸ触媒の温度が上昇せしめられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方の気筒群から排出された排気ガスと、他方の気筒群から排出された排気ガスとは共に下流側排気通路内に流入して合流する。しかしながら、これらの排気ガスがＮＯＸ触媒に到るまでに良好に混合ないし攪拌されるとは限らず、むしろ酸素及び未燃ＨＣ，ＣＯが偏在したままＮＯＸ触媒内に流入する恐れがある。この場合には、ＮＯＸ触媒に供給される未燃ＨＣ，ＣＯをＮＯＸ触媒の温度上昇のために有効に利用できなくなり、更に、ＮＯＸ触媒の温度を目標温度まで上昇させるのに長時間を要することにもなる。上述の公報はこの問題点について何ら示唆していない。
【０００５】
そこで本発明の目的は、触媒の温度を効果的にかつ速やかに上昇させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために１番目の発明によれば、複数の気筒を一対の気筒群に分割し、これら気筒群に接続された一対の上流側排気通路が合流して形成される下流側排気通路内に酸化能を有する触媒を配置し、該触媒の温度を上昇させるために、一方の上流側排気通路から下流側排気通路内に流出する排気ガスの空燃比をリーンに保持しかつ他方の上流側排気通路から下流側排気通路内に流出する排気ガスの空燃比をリッチに保持すると共に、このとき下流側排気通路内に流入する排気ガス全体の平均空燃比が理論空燃比又はわずかばかりリッチになるようにした内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒上流の下流側排気通路内に、一方の上流側排気通路からの排気ガスと他方の上流側排気通路からの排気ガスとを混合する混合手段を配置し、前記混合手段と前記触媒間の下流側排気通路を互いに並列に延びる一対の分岐通路から形成し、これら分岐通路内にそれぞれ酸化能を有する追加の触媒を配置している。
【０００９】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、前記混合手段を、排気ガスが下流側排気通路のほぼ中心軸線周りに旋回するように排気ガスを案内する旋回装置から形成している。
【００１０】
また、３番目の発明によれば１番目の発明において、前記内燃機関において燃焼がリーン空燃比のもとで継続的に行われるようになっており、前記触媒を、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒から形成している。
【００１１】
また、４番目の発明によれば１番目の発明において、前記追加の触媒を三元触媒から形成している。
【００１２】
なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室、及び吸気通路内に供給された空気と炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯとの比をその位置における排気ガスの空燃比と称している。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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。
【００１４】
図１を参照すると、機関本体１は複数例えば六つの気筒を備えている。これら気筒は機関本体１の中心軸線の一側において整列された例えば三つの気筒からなる第１の気筒群１ａと、機関本体１の中心軸線の他側において整列された例えば三つの気筒からなる第２の気筒群１ｂとに分割されている。第１及び第２の気筒群１ａ，１ｂはそれぞれ対応する排気マニホルド２ａ，２ｂを介してＹ字管３のそれぞれ対応する枝部３ａ，３ｂにそれぞれ接続され、Ｙ字管３の合流部３ｃはＹ字管４の合流部４ｃに接続される。Ｙ字管４の一対の枝部４ａ，４ｂにはそれぞれケーシング５の入口がそれぞれ接続され、これらケーシング５の出口はＹ字管６及び排気管７を介してケーシング８の入口に接続される。また、ケーシング８の出口には排気管９が接続される。なお、図１において符号１０は各気筒の燃焼室内に配置された電磁制御式燃料噴射弁を示している。
【００１５】
ケーシング８内には酸化能を有する触媒１１が収容され、本発明による実施例ではこの触媒１１はＮＯＸ触媒から形成される。ＮＯＸ触媒１１は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ、イリジウムＩｒのような貴金属とが担持されている。一方、ケーシング５内には酸化能を有する追加の触媒１２がそれぞれ収容される。本発明による実施例では、追加の触媒１２は三元触媒からそれぞれ形成される。
【００１６】
更に図１を参照すると、Ｙ字管３の枝部３ａ，３ｂが合流してからＹ字管４の枝部４ａ，４ｂが分岐するまでの、例えばＹ字管４の合流部４ｃ内には旋回装置１３が配置される。この旋回装置１３は図２に示されるように、Ｙ字管４の内壁面上に固定される外輪１３ａと、外輪１３ａのほぼ中央に配置される内輪１３ｂと、周方向に互いに離間しつつ外輪１３ａ及び内輪１３ｂにより支持される複数の羽根１３ｃとを具備する。図２においてハッチングが施された部分が羽根１３ｃを示している。
【００１７】
これら羽根１３ｃはＹ字管４の合流部４ｃの中心軸線に沿って螺旋状に延びており、従って排気ガスはこの旋回装置１３によって、Ｙ字管４の合流部４ｃのほぼ中心軸線周りに旋回するように案内される。なお、本発明による実施例ではこれら羽根１３ｃは回転できないが、排気ガスが旋回する限り、羽根１３ｃを回転可能に支持することもできる。
【００１８】
一方、第１及び第２の気筒群１ａ，１ｂはそれぞれ対応するサージタンク（図示しない）を介して共通の吸気ダクト（図示しない）に接続されている。
【００１９】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。排気管７にはＮＯＸ触媒１１内に流入する排気ガスの平均空燃比を検出するための空燃比センサ４９ｒが取り付けられ、排気管９にはＮＯＸ触媒１１から流出した排気ガスの温度を検出するための温度センサ４９ｔが取り付けられる。この排気ガスの温度はＮＯＸ触媒１１の温度を表している。これらセンサ４９ｒ，４９ｔの出力電圧はそれぞれ対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５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５２が接続される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁１０にそれぞれ接続される。
【００２０】
ＮＯＸ触媒１１は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときにはＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量を減少させる蓄積還元作用を行う。
【００２１】
ＮＯＸ触媒の蓄積還元作用の詳細なメカニズムについては完全には明らかにされていない。しかしながら、現在考えられているメカニズムを、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると次のようになる。
【００２２】
即ち、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになると流入する排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、酸素Ｏ２がＯ２−又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ２−又はＯ２−と反応し、ＮＯ２となる（ＮＯ＋Ｏ２→ＮＯ２）。次いで生成されたＮＯ２の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硝酸イオンＮＯ３−の形でＮＯＸ触媒内に拡散する。このようにしてＮＯＸがＮＯＸ触媒内に蓄えられる。
【００２３】
これに対し、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比になると、排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ２の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ３−→ＮＯ）に進み、斯くしてＮＯＸ触媒内の硝酸イオンＮＯ３−がＮＯの形でＮＯＸ触媒から放出される。この放出されたＮＯＸは排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯＸが存在しなくなるとＮＯＸ触媒から次から次へとＮＯＸが放出されて還元され、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量が次第に減少する。
【００２４】
なお、硝酸塩を形成することなくＮＯＸを蓄え、ＮＯＸを放出することなくＮＯＸを還元することも可能である。
【００２５】
図１に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、従ってＮＯＸ触媒１１内に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持されている。その結果、排気ガス中のＮＯＸはＮＯＸ触媒１１内に蓄えられる。
【００２６】
時間の経過と共にＮＯＸ触媒１１内の蓄積ＮＯＸ量は次第に増大する。そこで本発明による実施例では、例えばＮＯＸ触媒１１内の蓄積ＮＯＸ量が許容量を越えたときには、ＮＯＸ触媒１１内に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替えるようにしている。このようにすると、ＮＯＸ触媒１１内の蓄積ＮＯＸ量が減少し、このときＮＯＸ触媒１１からＮＯＸが流出しない。
【００２７】
ところが、排気ガス中にはイオウ分がＳＯＸの形で含まれており、ＮＯＸ触媒１１内にはＮＯＸばかりでなくＳＯＸも蓄えられる。このＳＯＸのＮＯＸ触媒１１内への蓄積メカニズムはＮＯＸの蓄積メカニズムと同じであると考えられる。即ち、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると、ＮＯＸ触媒１１に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには上述したように酸素Ｏ２がＯ２−又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、流入する排気ガス中のＳＯ２は白金Ｐｔの表面上でＯ２−又はＯ２−と反応し、ＳＯ３となる。次いで生成されたＳＯ３は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒１１内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硫酸イオンＳＯ４−の形でＮＯＸ触媒１１内に拡散する。この硫酸イオンＳＯ４−は次いでバリウムイオンＢａ＋と結合して硫酸塩ＢａＳＯ４を生成する。
【００２８】
この硫酸塩ＢａＳＯ４は分解しにくく、ＮＯＸ触媒１１内に流入する排気ガスの空燃比をただ単にリッチにしてもＮＯＸ触媒１１内の硫酸塩ＢａＳＯ４の量は減少しない。このため、時間が経過するにつれてＮＯＸ触媒１１内の硫酸塩ＢａＳＯ４の量が増大し、その結果ＮＯＸ触媒１１が蓄えうるＮＯＸの量が減少することになる。
【００２９】
しかしながら、ＮＯＸ触媒１１の温度を例えば５５０℃以上に維持しつつＮＯＸ触媒１１に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はわずかばかりリッチにすると、ＮＯＸ触媒１１内の硫酸塩ＢａＳＯ４が分解してＳＯ３の形でＮＯＸ触媒１１から放出される。この放出されたＳＯ３は排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応してＳＯ２に還元せしめられる。このようにしてＮＯＸ触媒１１内に蓄えられているＳＯＸの量が次第に減少し、このときＮＯＸ触媒１１からＳＯＸがＳＯ３の形で流出することがない。
【００３０】
そこで本発明による実施例では、例えばＮＯＸ触媒１１内の蓄積ＳＯＸ量が許容量を越えたときには、ＮＯＸ触媒１１内の蓄積ＳＯＸ量を減少させるために、ＮＯＸ触媒１１の温度を５５０℃まで上昇し次いで５５０℃以上に維持しながら、ＮＯＸ触媒１１内に流入する排気ガスの平均空燃比を理論空燃比又はわずかばかりリッチに保持するようにしている。
【００３１】
具体的には、三元触媒１２内に流入する排気ガス全体の平均空燃比を理論空燃比又はわずかばかりリッチになるようにしつつ、Ｙ字管３の枝部３ａ内を流通する排気ガスの空燃比をリーンに保持し、Ｙ字管３の枝部３ｂ内を流通する排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り替えられる。その結果、比較的多量の酸素を含む排気ガスと、比較的多量のＨＣ，ＣＯを含む排気ガスとが形成される。
【００３２】
これら排気ガスはＹ字管３の合流部３ｃ内及びＹ字管４の合流部４ｃ内で互いに合流した後に三元触媒１２内に流入し、その結果三元触媒１２内において排気ガス中に含まれる多量のＨＣ，ＣＯが多量の酸素の存在下で燃焼する。このため、三元触媒１２から流出する排気ガスの温度が上昇され、この高温の排気ガスが次いでＮＯＸ触媒１１内に流入することによりＮＯＸ触媒１１の温度が上昇される。
【００３３】
この場合、排気ガスは三元触媒１２内に流入する前に旋回装置１３によって旋回されており、その結果枝部３ａからの酸素と枝部３ｂからのＨＣ，ＣＯとが良好に攪拌され混合されている。従って、三元触媒１２に供給されたＨＣ，ＣＯが三元触媒１２内で燃焼しやすくなっており、即ちＮＯＸ触媒１１の温度を上昇させるために有効に利用されることになる。また、ＮＯＸ触媒１１の温度を目標温度まで上昇させるために必要な時間を短縮でき、更に、三元触媒１２から流出するＨＣ，ＣＯの量を低減することができる。
【００３４】
なお、Ｙ字管３の枝部３ｂ内を流通する排気ガスの空燃比をリッチに切り替えるには様々な方法がある。即ち、例えば第２の気筒群１ｂで燃焼される混合気の空燃比をリッチに切り替える方法や、或いは、第２の気筒群１ｂで燃焼される混合気の空燃比をリーンに保持しながら、排気マニホルド２ｂ又は枝部３ｂ内に追加の燃料を供給したり、爆発工程又は排気行程において第２の気筒群１ｂの燃焼室内に燃料噴射弁１０から追加の燃料を供給する方法がある。
【００３５】
図３は図１に示される実施例におけるＹ字管３の枝部３ａ，３ｂの出口と、Ｙ字管４の枝部４ａ，４ｂの入口とを概略的に示しており、この例ではＹ字管３の枝部３ａ，３ｂの出口中心を結ぶ直線Ｌ３と、Ｙ字管４の枝部４ａ，４ｂの出口中心を結ぶ直線Ｌ４とが互いにほぼ平行になっている。なお、図３においてＣＣはＹ字管３の合流部３ｃ及びＹ字管４の合流部４ｃにより形成される合流室を示している。
【００３６】
Ｙ字管３の枝部３ａ，３ｂ内をそれぞれ流通した排気ガスは合流室ＣＣ内にそれぞれ流出して合流し、次いでＹ字管４の枝部４ａ，４ｂ内に流入する。このことは結局のところ、Ｙ字管３の枝部３ａから流出した排気ガスがＹ字管４の枝部４ａ，４ｂに分配され、枝部３ｂから流出した排気ガスが枝部４ａ，４ｂに分配されることを意味している。
【００３７】
この場合、合流室ＣＣの容積は比較的小さく、ここでの排気ガスの混合は期待できない。従って、旋回装置１３が設けられていないとしたならば、Ｙ字管３の枝部３ａ，３ｂからそれぞれ流出した排気ガスは例えば枝部３ａ，３ｂの形状などに応じて定まる方向に、それらの慣性でもって進行することになる。このため、Ｙ字管３の例えば枝部３ａから流出した排気ガスのうちの大部分がＹ字管４の枝部４ａ内に流入し残りのわずかな一部が枝部４ｂ内に流入する場合もあれば、排気ガスの大部分が枝部４ｂ内に流入し残りのわずかな一部が枝部４ａ内に流入する場合もある。枝部３ｂから流出した排気ガスについても同様なことが言える。その結果、一方の三元触媒１２には過剰のＨＣ，ＣＯが供給され、他方の三元触媒１２には過剰の酸素が供給されるということになる。
【００３８】
そこで本発明による実施例では、排気ガスを旋回させて混合するための旋回装置１３を合流室ＣＣ内に配置している。その結果、Ｙ字管３の枝部３ａ，３ｂから流出した排気ガスが十分に混合された後に、Ｙ字管４の枝部４ａ，４ｂ内に流入する。従って、この場合には、Ｙ字管３の枝部３ａから流出した排気ガスがＹ字管４の枝部４ａ，４ｂ内にほぼ均等に流入し、Ｙ字管３の枝部３ｂから流出した排気ガスがＹ字管４の枝部４ａ，４ｂ内にほぼ均等に流入しているということになる。このため、各三元触媒１２に供給されるＨＣ，ＣＯ及び酸素に過不足が生じない。
【００３９】
図４はＹ字管３の枝部３ａ，３ｂの出口中心を結ぶ直線Ｌ３と、Ｙ字管４の枝部４ａ，４ｂの出口中心を結ぶ直線Ｌ４とが互いにほぼ垂直になっている場合を示しており、この場合にも本発明を適用することができる。この場合に旋回装置１３が設けられないとしたならば、各三元触媒１２の一部分に過剰のＨＣ，ＣＯが局所的に供給され、別の部分に過剰の酸素が局所的に供給される恐れがある。この場合に旋回装置１３を設ければ、このような不具合を解決することができ、即ち旋回装置１３を設けることによってＨＣ，ＣＯ及び酸素を各三元触媒１２全体に供給できるということになる。言い換えると、三元触媒１２全体を有効に利用できる。
【００４０】
これまで述べてきた実施例では、旋回装置１３とＮＯＸ触媒１１間の排気通路を互いに並列に延びる一対の分岐通路から形成し、これら分岐通路内にそれぞれ三元触媒１２を配置している。このようにすると各三元触媒１２の容量を小さくすることができ、従って機関背圧が上昇するのを抑制できる。しかしながら、旋回装置１３とＮＯＸ触媒１１間の排気通路を単一の排気通路から形成し、この単一の排気通路内に単一の三元触媒を配置した場合にも本発明を適用することができる。或いは、旋回装置１３とＮＯＸ触媒１１間に三元触媒を配置しない場合にも本発明を適用することができる。この場合には、枝部３ａからの酸素と枝部３ｂからのＨＣ，ＣＯとがＮＯＸ触媒１１内において互いに反応することになる。
【００４１】
【発明の効果】
触媒の温度を効果的にかつ速やかに上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】旋回装置の正面図である。
【図３】Ｙ字管３，４の出口及び入口を概略的に示す図である。
【図４】別の実施例におけるＹ字管３，４の出口及び入口を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１ａ…第１の気筒群
１ｂ…第２の気筒群
３，４…Ｙ字管
１１…ＮＯＸ触媒
１２…三元触媒
１３…旋回装置
【図１】
0004224984.tif 000002
【図２】
0004224984.tif 000003
【図３】
0004224984.tif 000004
【図４】
0004224984.tif 000005