(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に供給される混合気の目標空燃比を設定する運転領域として、エンジンのアイドル運転状態において目標空燃比を理論空燃比に設定する理論空燃比領域と、理論空燃比よりも空燃比が大きい所定のリーン空燃比に目標空燃比を設定するリーン空燃比領域とが隣接して設けられていると共に、排気通路に前置触媒と主触媒とが直列に配置されたエンジンの排気ガス浄化装置であって、上記主触媒が、リーン雰囲気においてもＮＯｘを浄化するリーンＮＯｘ触媒で構成されていると共に、前置触媒の触媒容量に対する排気ガス容量の比率が所定値よりも小さい場合において、エンジンの運転状態が上記リーン空燃比領域から理論空燃比領域に移行したときは、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に変更する目標空燃比変更手段が設けられていることを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。
【請求項２】
主触媒を構成するリーンＮＯｘ触媒は、少なくとも理論空燃比よりもリッチ側におけるＨＣ及びＣＯに対する浄化特性が高く設定されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
【請求項３】
少なくとも理論空燃比よりもリッチ側におけるＨＣ及びＣＯに対する浄化特性が高く設定された触媒が、主触媒を構成するリーンＮＯｘ触媒の下流側に配設されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明はエンジンの排気ガス浄化装置、特に排気通路に前置触媒と主触媒とが直列に配置されていると共に、上記主触媒がリーンＮＯｘ触媒で構成されたエンジンの排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用などのエンジンにおいては、燃焼後の排気ガス中に含まれる有害成分を減少させるために、上記有害成分のうち特に環境に対する影響の大きいＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの３成分に対して優れた浄化特性を発揮する三元触媒を排気通路に設置すると共に、燃焼室に供給する混合気の空燃比（＝空気／燃料）を所定の目標空燃比（例えば、理論空燃比＝１４．７）に維持する空燃比制御を行うようにしたものがある。この空燃比制御は、例えば吸入空気量とエンジン回転数とに基づいて目標空燃比となるように燃料供給量（基本燃料供給量）を設定すると共に、三元触媒よりも上流側における排気通路に設置したＯ2センサの出力信号が目標空燃比よりも空燃比のリッチ状態（燃料が過濃な状態）を示すときには基本燃料供給量を減量補正し、また上記出力信号が目標空燃比よりも空燃比のリーン状態（燃料が希薄な状態）を示すときには基本燃料供給量を増量補正することにより空燃比を目標空燃比に収束させるように行われる。
【０００３】
ところで、近年においては、燃費性能の向上を図るために、所定の条件下で空燃比を理論空燃比よりもリーンな状態に制御する場合がある。その場合に、通常の三元触媒は、周知のように空気過剰率λ（＝空燃比／理論空燃比）が１よりも大きくなるとＮＯｘに対する浄化効率が著しく低下するため、大気中に排出されるＮＯｘ成分が逆に増加する場合がある。この問題に対しては、例えば特開平１−１３５５４１号公報には、リーン雰囲気におけるＮＯｘ成分に対する浄化特性を向上させたリーンＮＯｘ触媒が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種のエンジンにおいては、冷間時などの排気性能を向上を目的として、燃焼室に近接した排気通路に小容量の前置触媒を配設すると共に、該前置触媒の下流側に容量の大きい主触媒を配設する場合がある。その場合に、下流側の主触媒をリーンＮＯｘ触媒で構成すると、次のような問題を発生する可能性がある。
【０００５】
すなわち、この種のエンジンにおいては、エンジンの目標空燃比を理論空燃比に設定する運転領域（理論空燃比領域）と、理論空燃比よりも空燃比が大きい所定のリーン空燃比（例えば、２３．０）に目標空燃比を設定する運転領域（リーン空燃比領域）とが隣接して設けられる場合があり、その場合に、リーン運転中に運転状態が変化してリーン空燃比領域から理論空燃比領域に移行したときに、リーンＮＯｘ触媒から排出されるＮＯｘ成分が増加することがある。これは、燃焼室に供給される混合気の空燃比がリーン空燃比から理論空燃比に切り換えられて排気ガス中のＨＣ成分の量が減少することから、ＨＣ成分の殆ど全てが前置触媒に吸着されて下流側のリーンＮＯｘ触媒に到達せず、リーン運転中にリーンＮＯｘ触媒に吸着されていたＮＯｘ成分が、ＨＣ成分の不足によって有効に浄化されずに流出するものと思われる。特に、エンジンのアイドル運転状態に対応して理論空燃比領域が設けられている場合には、エンジンがアイドル運転となって排気ガスの全体量も減少することから、上記の現象が特に顕著となる。
【０００８】
この発明は、目標空燃比を設定する運転領域として、目標空燃比を理論空燃比に設定する理論空燃比領域と、理論空燃比よりも空燃比が大きい所定のリーン空燃比に目標空燃比を設定するリーン空燃比領域とが隣接して設けられていると共に、排気通路に前置触媒と主触媒とが直列に配置されたエンジンの排気ガス浄化装置において、主触媒をリーンＮＯｘ触媒で構成した場合における上記の問題に対処するもので、特にＮＯｘ成分の排出を効果的に抑制することを目的とする。
【００１５】
すなわち、本願の請求項１に係る発明（以下、第１発明という）は、燃焼室に供給される混合気の目標空燃比を設定する運転領域として、エンジンのアイドル運転状態において目標空燃比を理論空燃比に設定する理論空燃比領域と、理論空燃比よりも空燃比が大きい所定のリーン空燃比に目標空燃比を設定するリーン空燃比領域とが隣接して設けられていると共に、排気通路に前置触媒と主触媒とが直列に配置されたエンジンにおいて、上記主触媒をリーンＮＯｘ触媒で構成すると共に、前置触媒の触媒容量に対する排気ガス容量の比率が所定値よりも小さい場合において、エンジンの運転状態が上記リーン空燃比領域から理論空燃比領域に移行したときは、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に変更する目標空燃比変更手段を設けたことを特徴とする。
【００１８】
また、本願の請求項２に係る発明（以下、第２発明という）は、上記第１発明における主触媒を構成するリーンＮＯｘ触媒を、少なくとも理論空燃比よりもリッチ側におけるＨＣ及びＣＯに対する浄化特を高く設定したことを特徴とする。
【００１９】
また、本願の請求項３に係る発明（以下、第３発明という）は、上記第１発明の構成に加えて、少なくとも理論空燃比よりもリッチ側におけるＨＣ及びＣＯに対する浄化特性が高く設定された触媒を、主触媒を構成するリーンＮＯｘ触媒の下流側に配設したことを特徴とする。
【００２０】
【作用】
上記の構成によれば次のような作用が得られる。
【００２８】
そして、第１発明によれば、前置触媒の触媒容量に対する排気ガス容量の比率が所定値よりも小さくなったとき、換言すれば燃焼室から排出される排気ガスの総量が減少した場合において、エンジンの運転状態が上記リーン空燃比領域から理論空燃比領域に移行したときには、目標空燃比が理論空燃比よりもリッチ側に変更されることになるので、排気ガス中のＨＣ成分の割合が相対的に増加することになり、これによってリーンＮＯｘ触媒に到達するＨＣ成分の量が増加することになって、リーンＮＯｘ触媒に吸着されていたＮＯｘ成分がＨＣ成分の存在の下に効果的に還元浄化されることになる。
【００３１】
また、第２発明によれば、主触媒を構成するリーンＮＯｘ触媒が、理論空燃比よりもリッチ側におけるＨＣ及びＣＯに対する浄化特性が高く設定されているので、エンジンをリッチ運転したとしても過剰なＨＣ成分やＣＯ成分がリーンＮＯｘ触媒の触媒作用により効果的に酸化浄化されることになって、排気性能が総合的に向上することになる。
【００３２】
また、第３発明によれば、理論空燃比よりもリッチ側におけるＨＣ及びＣＯに対する浄化特性が高く設定された触媒が、主触媒を構成するリーンＮＯｘ触媒の下流側に配設されているので、エンジンをリッチ運転したとしても過剰なＨＣ成分やＣＯ成分がリーンＮＯｘ触媒の触媒作用により効果的に酸化浄化されることになって、排気性能が総合的に向上することになる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００３４】
図１に示すように、この実施例に係るエンジン１は、エンジン本体２に形成した上下方向のシリンダボア３に嵌挿されたピストン４を有すると共に、該エンジン本体２の上部に設けられたシリンダヘッド５と上記ピストン４との間に燃焼室６が形成されている。
【００３５】
また、このエンジン１には、吸、排気弁７，８を介して燃焼室６に通じる吸気通路１０及び排気通路２０が備えられている。そして、上記吸気通路１０には、上流側から、エアクリーナ１１、エアフローセンサ１２、スロットルバルブ１３、サージタンク１４及び燃料噴射弁１５が順次設けられている。
【００３６】
一方、上記排気通路２０には、前置触媒としての三元触媒２１を内蔵したプリコンバータ２２と、主触媒としてのリーンＮＯｘ触媒２３を内蔵したメインコンバータ２４とが直列に配置されていると共に、上記プリコンバータ２２の上流側には、排気ガス中の残存酸素濃度にほぼ比例した出力電圧を発生するリニアＯ2センサ２５が設置されている。その場合に、上記三元触媒２１は通常タイプのものであって、図２に示すように、浄化中心空燃比が理論空燃比（λ＝１）を示す１４．７となるように設定されている。また、リーンＮＯｘ触媒２３についても通常タイプのものであって、図３に示すように、浄化中心空燃比が理論空燃比（λ＝１）を示す１４．７となるように設定されていると共に、理論空燃比よりもリーン側におけるＮＯｘに対する浄化特性が上記三元触媒２１に比べて高められている。
【００３７】
そして、この実施例においては、上記プリコンバータ２２の触媒容量Ｖｃが、排気ガス中のＨＣ成分の一部（例えば、２０％）を下流側に通過させるように設定されている。
【００３９】
さらに、このエンジン１には電子制御式のコントロールユニット（以下、ＥＣＵという）３０が備えられている。このＥＣＵ３０には、エアフローセンサ１２からの信号、スロットルバルブ１３の開度を検出するスロットルセンサ３１からの信号、スロットルバルブ１３の全閉位置を検知するアイドルスイッチ３２からの信号、リニアＯ2センサ２５からの信号、エンジン回転数を検出するエンジン回転センサ３３からの信号、エンジン水温を検出する水温センサ３４からの信号などが入力される。そして、ＥＣＵ３０は、上記各信号に基づいて、燃料噴射弁１５からの燃料噴射量を制御するようになっている。
【００４０】
ここで、ＥＣＵ３０が行う燃料噴射制御を説明すると、この燃料噴射制御は概略次のように行われる。
【００４１】
すなわち、ＥＣＵ３０は、エンジン回転センサ３３からの信号が示すエンジン回転数Ｎｅと、スロットルセンサ３１からの信号が示すスロットル開度θとを図４に示す運転領域マップに照らし合わせて、現在の運転状態がいずれの領域に属するかを判定する。そして、低回転軽負荷側に設定された理論空燃比領域（以下、λ１領域という）に運転状態が属すると判定したときには、目標空燃比Ｙｏとして理論空燃比Ｙ１（＝１４．７）をセットし、このλ１領域に隣接して設けられたリーンバーン領域（以下、Ｌｂ領域という）に運転状態が属すると判定したときには、目標空燃比Ｙｏとして所定のリーン空燃比Ｙ２（例えば、２３．０）をセットする。また、このＬｂ領域の高負荷高回転側に隣接して設けられたエンリッチ領域（以下、Ｅｒ領域という）に運転状態が属すると判定しときには、目標空燃比Ｙｏとして所定のリッチ空燃比Ｙ３（例えば、１２．０）をセットする。
【００４２】
そして、ＥＣＵ３０は、エンジン回転数Ｎｅとエアフローセンサ１２からの信号が示す空気流量Ｑから１サイクルあたりに燃焼室６に吸入される空気量、すなわち充填効率Ｃｅを演算すると共に、この充填効率Ｃｅに基づいて上記目標空燃比Ｙｏを実現する基本燃料噴射量を算出する。
【００４３】
次いで、ＥＣＵ３０は、図４に斜線を付して示したＬｂ領域もしくはλ１領域のいずれかの領域に運転状態が属する判定したときには、フィードバック補正量を算出する。
【００４４】
すなわち、ＥＣＵ３０はリニアＯ2センサ２５からの信号が示す実空燃比Ｙｒと目標空燃比Ｙｏとを比較し、実空燃比Ｙｒが目標空燃比Ｙｏよりもリッチであると判定したときには、フィードバック補正量を減少させ、また実空燃比Ｙｒが目標空燃比Ｙｏよりもリーンであると判定したときには、フィードバック補正量を増加させる。さらに、必要ならばその他の補正量を求めて、これらの補正量を基本燃料噴射量に加算することにより最終燃料噴射量を求めると共に、この最終燃料噴射量で燃料が噴射されるように、燃料噴射信号を燃料噴射弁１５に出力する。
【００７６】
次に、図５のフローチャートを参照して空燃比変更処理について説明する。
【００７７】
すなわち、ＥＣＵ３０は、ステップＴ１１，Ｔ１２でエンジン回転数Ｎｅと充填効率Ｃｅとをそれぞれ読み込んだ上で、ステップＴ１３に進んでプリコンバータ２２（三元触媒２１）の触媒容量に対する排気ガス容量の比率を示す値（以下、ＳＶ値という）Ｓｖを、次の関係式（１）に従って算出する。
Ｓｖ＝Ｃｅ・Ｎｅ／Ｖｃ                         …（１）
ここで、充填効率Ｃｅは、前述したようにエンジン１に吸入される空気流量Ｑをエンジン回転数Ｎｅで徐算したものであるから、上記関係式（１）の右辺の分子は空気流量Ｑとなる。その場合に、排気ガス流量は空気流量Ｑで近似できることから、結局は関係式（１）の右辺でＳＶ値Ｓｖ値が近似的に求められることになる。
【００７８】
ＥＣＵ３０は、ステップＴ１３でＳＶ値Ｓｖを算出すると、ステップＴ１４に進んでＳＶ値Ｓｖが所定値αよりも小さいか否かを判定して、ＳＶ値Ｓｖが所定値αよりも小さくなければステップＴ１５を実行して、図４のマップに従って設定された目標空燃比Ｙｏをそのまま目標空燃比Ｙｏとしてセットする。
【００７９】
一方、ＥＣＵ３０は、上記ステップＴ１４においてＳＶ値Ｓｖが所定値αよりも小さいと判定すると、次にステップＴ１６に進んでスロットル開度θとエンジン回転数Ｎｅとが示す運転状態が、図４のマップにおけるλ１領域に属するか否かを判定し、λ１領域に属すると判定したときにステップＴ１７に進んで、図４のマップに従って設定された目標空燃比Ｙｏに所定値β（例えば０．９７５）を乗算した値を最終的に目標空燃比Ｙｏとしてセットする。
【００８０】
次に、この第１実施例の作用を説明する。すなわち、エンジン１の運転状態が図４のマップにおけるＬｂ領域に属するときには、目標空燃比Ｙｏがリーン空燃比Ｙ２に設定されることになって、エンジン１はリーン運転されることになる。そして、燃焼室６から排気通路２０に排出された排気ガスは、プリコンバータ２２を経て下流側のメインコンバータ２４に導かれることになる。これにより、排気ガス中のＨＣ成分やＣＯ成分は、その大部分がプリコンバータ２２に内蔵された三元触媒２１の触媒作用により酸化されると共に、酸化されなかったＨＣ成分やＣＯ成分の一部とほとんどのＮＯｘ成分はプリコンバータ２２を通過して、下流側のメインコンバータ２４へと導かれることになる。そして、ＮＯｘ成分はメインコンバータ２４に内蔵されたリーンＮＯｘ触媒２３に吸着されて、ＨＣ成分の存在の下に還元浄化されると共に、この還元反応に関与しなかったＨＣ成分の残部とＣＯ成分とはリーンＮＯｘ触媒２３の触媒作用により酸化浄化されることになる。
【００８１】
一方、エンジン１のリーン運転が暫く継続した後、エンジン１の運転状態が図４のマップにおけるＬｂ領域からλ１領域へ移行したときには、目標空燃比Ｙｏが理論空燃比Ｙ１に設定されることになる。その場合において、ＳＶ値Ｓｖが所定値αよりも小さくなると、換言すれば排気ガス流量が一定流量以下に減少したときには、上記フローチャートに示すところに従って目標空燃比Ｙｏが変更されることになる。この場合、変更する前の目標空燃比Ｙｏが１４．７であることから、変更後の目標空燃比Ｙｏは約１４．３となり、エンジン１はリッチ運転されることになる。
【００８２】
したがって、排気ガス中のＨＣ成分の割合が相対的に増大することになり、その分だけプリコンバータ２２を通過してメインコンバータ２４に到達するＨＣ成分が増量されることになって、リーンＮＯｘ触媒２３に吸着されていたＮＯｘ成分がＨＣ成分の存在の下に効果的に還元浄化されることになる。なお、上記還元反応に関与しなかったＨＣ成分の残部とＣＯ成分はリーンＮＯｘ触媒２３の触媒作用により酸化浄化される。
【００８３】
もちろん、ＨＣ成分が多量に発生するエンジン１の冷間運転時においては、この場合においても、目標空燃比Ｙｏを変更するのを禁止してもよい。
【００８７】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００８８】
この実施例においては、例えば白金量を増量することにより、図６に示すように、浄化中心空燃比が１４．３となるように設定されたリーンＮＯｘ触媒２３’が、図１におけるメインコンバータ２４に内蔵されている。
【００８９】
この場合には、エンジン１の運転状態が図４のマップにおけるＬｂ領域からλ１領域へ移行したときには、エンジン１が目標空燃比Ｙｏを例えば１４．３に設定した状態で運転されることになる。
【００９０】
したがって、排気ガス中のＨＣ成分の割合が相対的に増大することになり、その分だけプリコンバータ２２を通過してメインコンバータ２４に到達するＨＣ成分が増量されることになって、リーンＮＯｘ触媒２３’に吸着されていたＮＯｘ成分がＨＣ成分の存在の下に効果的に還元浄化されることになる。
【００９１】
そして、リーンＮＯｘ触媒２３’の理論空燃比よりもリッチ側におけるＨＣ及びＣＯに対する浄化特性が高くなっているので、過剰なＨＣ成分やＣＯ成分がリーンＮＯｘ触媒２３’の触媒作用により効果的に酸化浄化されることになる。
【００９２】
次に、図７、図８を参照して本発明の第３実施例について説明する。
【００９３】
この実施例においては、図７に示すように、メインコンバータ２４におけるリーンＮＯｘ触媒２３の下流側に第３触媒２９が配設されている。この第３触媒２９は、図８に示すように、浄化中心空燃比が１４．３となるように設定されている。
【００９４】
そして、この実施例においては、エンジン１′の運転状態が図４のマップにおけるＬｂ領域からλ１領域へ移行したときに、エンジン１′が目標空燃比Ｙｏを例えば上記第３触媒の浄化中心空燃比に設定した状態で運転されることになる。
【００９５】
したがって、この実施例においても、排気ガス中のＨＣ成分の割合が相対的に増大することになり、その分だけプリコンバータ２２を通過してインコンバータ２４に到達するＨＣ成分が増量されることになって、リーンＮＯｘ触媒２３に吸着されていたＮＯｘ成分がＨＣ成分の存在の下に効果的に還元浄化されることになる。
【００９６】
そして、第３触媒２９の理論空燃比よりもリッチ側におけるＨＣ及びＣＯに対する浄化特性が高くなっているので、過剰なＨＣ成分やＣＯ成分が第３触媒２９の触媒作用により効果的に酸化浄化されることになる。
【００９７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、主触媒がリーンＮＯｘ触媒で構成されているので、目標空燃比をリーン空燃比に設定したリーン運転時においてもＮＯｘ成分が効果的に還元浄化されることになる。
【０１０４】
そして、第１発明によれば、前置触媒の触媒容量に対する排気ガス容量の比率が所定値よりも小さくなったとき、換言すれば燃焼室から排出される排気ガスの総量が減少した場合において、エンジンの運転状態が上記リーン空燃比領域から理論空燃比領域に移行したときは、目標空燃比が理論空燃比よりもリッチ側に変更されることになるので、排気ガス中のＨＣ成分の割合が相対的に増加することになり、これによってリーンＮＯｘ触媒に到達するＨＣ成分の量が増加することになって、リーンＮＯｘ触媒に吸着されていたＮＯｘ成分がＨＣ成分の存在の下に効果的に還元浄化されることになる。
【０１０７】
また、第２発明によれば、主触媒を構成するリーンＮＯｘ触媒が、理論空燃比よりもリッチ側におけるＨＣ及びＣＯに対する浄化特性が高く設定されているので、エンジンをリッチ運転したとしても過剰なＨＣ成分やＣＯ成分がリーンＮＯｘ触媒の触媒作用により効果的に酸化浄化されることになって、排気性能が総合的に向上することになる。
【０１０８】
また、第３発明によれば、理論空燃比よりもリッチ側におけるＨＣ及びＣＯに対する浄化特性が高く設定された触媒が、主触媒を構成するリーンＮＯｘ触媒の下流側に配設されているので、エンジンをリッチ運転したとしても過剰なＨＣ成分やＣＯ成分がリーンＮＯｘ触媒の触媒作用により効果的に酸化浄化されることになって、排気性能が総合的に向上することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１〜第３実施例に共通するエンジンの制御システム図である。
【図２】 三元触媒の特性図である。
【図３】 リーンＮＯｘ触媒の特性図である。
【図４】 触媒活性時における空燃比制御領域を示すマップの説明図である。
【図５】 目標空燃比の変更処理に関するフローチャート図である。
【図６】 第２実施例で使用する三元触媒の特性図ある。
【図７】 第３実施例に係るエンジンの制御システム図である。
【図８】 第３実施例で使用する第３触媒の特性図ある。
【符号の説明】
１     エンジン
６     燃焼室
１２   エアフローセンサ
１５   燃料噴射弁
２０   排気通路
２１   三元触媒
２２   プリコンバータ
２３   リーンＮＯｘ触媒
２４   メインコンバータ
２５   リニアＯ2センサ
２９   第３触媒
３０   ＥＣＵ
３１   スロットルセンサ
３３   エンジン回転数センサ
３４   水温センサ
【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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【図７】
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【図８】
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