(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒又は三元触媒を内側に配置し、その外側に酸化触媒を配置した触媒コンバータを、エンジンの排気通路内に介装し、上記分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒又は三元触媒に流入する排ガスの温度が予め設定された設定温度よりも低い時、当該分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒又は三元触媒を通過した排ガスを、上記酸化触媒に導くと共に、当該酸化触媒における反応熱により上記分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒又は三元触媒を加熱するように構成したことを特徴とするエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項２】
エンジンの排気通路に接続され、その内部に分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒又は三元触媒を収容した第１の排ガス通路と、上記第１排ガス通路内の触媒を囲繞してその外側に配置されその内部に酸化触媒を収容した第２の排ガス通路と、上記第１及び第２排ガス通路間に介装され、その第１位置では上記第１排ガス通路を上記第２排ガス通路を介して排ガス排出通路に連通させると共に、第２位置では上記第１排ガス通路を直接排ガス排出通路に連通させる弁装置と、上記エンジンの排気通路又は第１の排ガス通路に設けられ排ガス温度を検知する温度センサと、同温度センサにより検知された排ガス温度が設定値未満のときに上記弁装置を第１位置に位置させ、かつ設定値以上のときに同弁装置を上記第２位置に位置させる弁制御装置とを具備していることを特徴とするエンジンの排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン、特に車両用エンジンから排出される排ガスの浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン、特に自動車等車両用エンジンから排出される排ガス中の有害成分である窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）を同時に効率的に浄化する触媒として、コージェライト等の耐熱多孔質担体に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属の一種又は二種をベースとし、必要に応じニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）等の酸化物を添加したものを触媒成分として担持させた三元触媒が広く使用されている。しかし、この種の三元触媒は、一般に３００℃未満の低温領域では活性が低く、エンジンの始動直後に排出される低温の排ガス中の有害成分を十分に浄化することは困難である。
【０００３】
また、上記三元触媒は、排ガス中の酸素濃度が略１％以下の所謂理論空燃比運転領域では、効率的に有害成分の浄化を行なうことができるが、排ガス中の酸素濃度が数％以上の場合、即ちオットーサイクルエンジンのリーン燃焼領域及び本質的に酸素過剰状態で運転されるディーゼルエンジンから排出される排ガスでは、有害成分の浄化効率が著しく低い。
一方、各種の天然ゼオライト又は合成ゼオライト等の分子篩構造を有する物質に、遷移金属を担持させることによって、排ガス中の酸素濃度が高い上記リーン燃焼領域でも、ＮＯｘ及びＨＣを浄化することができるようにした触媒が開発されている。しかしながら、この種の分子篩構造の物質に遷移金属を担持させた触媒は、通常３００℃〜５００℃程度の温度領域で優れた活性を示すが、エンジンの始動直後に排出される３００℃未満の温度の排ガス中の有害成分を効率良く浄化することは、現状の技術では十分の成果が得られていない。
【０００４】
そこで、エンジンの始動直後等排ガス温度が低い運転領域で、上記三元触媒又は分子篩構造の物質に遷移金属を担持させた触媒による排ガス浄化効率を向上する手段として、これらの触媒を電熱により加熱して活性化の向上を図る手法が、既に提案されている。この既提案の排ガス浄化装置の概念的構成を、図２について説明する。
【０００５】
図２において、符号１は触媒コンバータを総括的に示し、同コンバータは、その内部に、上記三元触媒又は分子篩構造の物質に遷移金属を担持させた触媒２が収容され、同触媒２の外周には、電熱装置３が設けられている。また、同コンバータ１の上流側は、図示しない車両用エンジンの排気マニホールドを含む排気通路に入口通路４を介し接続され、かつ下流側は、図示しないマフラ及びテールパイプ等を介して大気に連通する排出通路５に接続されている。
【０００６】
上記入口通路４には排ガスの温度を検知する温度センサ６が設けられ、同温度センサ６によって検知された排ガス温度情報はコントロールユニット７に供給される。同コントロールユニット７は、上記温度センサ６により検知された排ガス温度Ｔｅと予め設定された設定温度Ｔｏとを比較し、排ガス温度Ｔｅが設定温度Ｔｏより低いときは、リレーコイル等のアクチュエータ８を付勢してスイッチ９を閉成し、電源例えば車載バッテリ１０から上記電熱装置３に電力を供給する。
【０００７】
電熱装置３により触媒２を加熱して昇温させることによって、触媒２の活性を高め、エンジンの始動直後に排出される低温の排ガス中の有害成分の浄化効率を改善することができる。
しかしながら、上記電熱装置３は、多大の電力を消費する不具合があり、特に電力容量に限界がある車両用エンジンの排ガス浄化装置には、好適とは謂えず、またエンジンの燃費が悪化する不具合があり、また電熱装置は屡々断線又はショート等の電気的故障が発生し易いので、耐久性及び信頼性に不安がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑み創案されたもので、電力等の外部エネルギを用いることなく、触媒コンバータ内に収容されている三元触媒又は分子篩構造の物質に遷移金属を担持させた触媒を昇温させることによって活性を向上させ、始動直後のエンジンから排出される低温の排ガス中の有害成分を効果的に浄化することができ、かつ耐久性及び信頼性が優れた排ガス浄化装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒又は三元触媒を内側に配置し、その外側に酸化触媒を配置した触媒コンバータを、エンジンの排気通路内に介装し、上記分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒又は三元触媒に流入する排ガスの温度が予め設定された設定温度よりも低い時、当該分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒又は三元触媒を通過した排ガスを、上記酸化触媒に導くと共に、当該酸化触媒における反応熱により上記分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒又は三元触媒を加熱するように構成したことを特徴とするエンジンの排ガス浄化装置を提案するものである。
【００１０】
また、本発明は、エンジンの排気通路に接続され、その内部に分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒又は三元触媒を収容した第１の排ガス通路と、上記第１排ガス通路内の触媒を囲繞してその外側に配置されその内部に酸化触媒を収容した第２の排ガス通路と、上記第１及び第２排ガス通路間に介装され、その第１位置では上記第１排ガス通路を上記第２排ガス通路を介して排ガス排出通路に連通させると共に、第２位置では上記第１排ガス通路を直接排ガス排出通路に連通させる弁装置と、上記エンジンの排気通路又は第１の排ガス通路に設けられ排ガス温度を検知する温度センサと、同温度センサにより検知された排ガス温度が設定値未満のときに上記弁装置を第１位置に位置させ、かつ設定値以上のときに同弁装置を上記第２位置に位置させる弁制御装置とを具備していることを特徴とするエンジンの排ガス浄化装置を提案するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の好ましい実施形態を、図１の概略構成図を参照して説明する。図中符号１０は概念的に示したエンジン、例えば自動車等車両用のエンジンであって、同エンジン１０は、図示しないエアクリーナを介して外気を取入れる吸気マニホールド１２、及び同エンジン１０内で発生した燃焼ガスを外気に排出する排気マニホールド１４を具え、同排気マニホールド１４はその排出端に連結された排気管と共に、エンジン１０の排気通路１６を形成する。
【００１２】
上記排気通路１６の下流に、総括的に符号１８で示した触媒コンバータが接続され、同触媒コンバータ１８は、その内部に三元触媒又は分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒２０（以下場合により、第１触媒という）を収容した第１排ガス通路２２を具えている。同第１排ガス通路２２の外周に第２の排ガス通路２４が形成され、同第２排ガス通路２４内には、上記第１触媒２０を囲繞するように酸化触媒又は燃焼触媒２６（以下場合により、第２触媒という）が環状をなして収容されている。
【００１３】
上記第２排ガス通路２４の外周に第３の排ガス通路２８が形成され、同第３排ガス通路２８は、図示を省略されているマフラ及びテールパイプを介して大気に連通する排ガス排出通路を形成している。
上記第１排ガス通路２２、第２排ガス通路２４及び第３排ガス通路又は排ガス排出通路２８は、通常、耐熱性を有しかつ耐食性を有する薄鋼板によって作られている。
【００１４】
図示のように、上記第１排ガス通路２２の下流端は、直接、第２排ガス通路２４の上流端に連通し、同第２排ガス通路２４の下流端は、直接、第３排ガス通路又は排ガス排出通路２８の上流端に連通する。上記第１排ガス通路２２の下流開口端３０に隣接する第２排ガス通路２４の上流端付近の通路壁に、弁開口３２が設けられ、同弁開口３２はバタフライ弁３４によって開閉される。
【００１５】
上記触媒コンバータ１８のケーシング１８′の外部に突出したバタフライ弁３４の弁軸３６に、弁制御腕３８の一端が固着され、同弁制御腕３８の他端自由端部にはアクチュエータ４０の作動ロッド４２が枢着されている。同アクチュエータ４０には、電磁式アクチュエータ、圧縮空気を作動媒体とするエアシリンダ、その他任意のアクチュエータを適宜採用することができる。
【００１６】
上記第１排ガス通路２２の第１触媒２０より上流側の部分、又はエンジンの排気通路１６の適所、好ましくは第１排ガス通路２２に隣接した排気通路部分に、第１触媒２０に流入する排ガス温度Ｔｅを検知するための温度センサ４４が設けられ、同温度センサ４４により検知された排ガス温度情報は、コントロールユニット４６に供給される。
【００１７】
同コントロールユニット４６は、上記排ガス温度Ｔｅを予め設定された設定温度Ｔｏ、例えば３００℃と比較し、排ガス温度Ｔｅが設定温度Ｔｏより低いときは、アクチュエータ４０を消勢させて、図示のように、バタフライ弁３４を閉弁位置に保持し、排ガス温度Ｔｅが設定温度Ｔｏ以上になると上記アクチュエータ４０を付勢して、作動ロッド４２を図において下方に変位させ、弁制御腕３４を点線で示されているように時計方向に廻動させ、バタフライ弁３４を開く。バタフライ弁３４の開弁により、上記第１排ガス通路２２の下流開口端３０が弁開口３２を介して直接第３排ガス通路又は排ガス排出通路２８に連通される。なお、上記コントロールユニット４６、アクチュエータ４０、作動ロッド４２及び弁制御腕３８によって弁制御装置が構成される。
【００１８】
上記第１触媒２０は、既に説明したように、三元触媒又は分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒であるが、ここに三元触媒は、アルミナ、コージェライト等の耐熱性が優れた粒状又はモノリス担体に、触媒成分としての白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属の一種又は二種をベースとし、必要に応じて、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、セリウム（Ｃｅ）等の酸化物を添加したものを、担持させた触媒を意味するものである。
【００１９】
また、上記分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒とは、一般にゼオライトと称せられ、主成分がシリカ及びアルミナで、Ｓｉ／Ａ１比が５〜１００程度であり、結晶構造がＸ型、Ｙ型、ＺＳＭ型等のメタロシリケート等、及びこれらのゼオライト、メタロシリケートを遷移金属でイオン交換したものを意味する。
【００２０】
さらに、上記第２触媒２６は、上述したように、酸化触媒又は燃焼触媒であるが、ここでは、排ガス中の酸素と炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）とを反応させてＨＣ，ＣＯを酸化しＣＯ２，Ｈ２Ｏに分解する触媒であって、アルミナ、コージェライト等の粒状又はモノリス担体に、触媒成分として、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金−パラジウム合金（Ｐｔ−Ｐｄ）、あるいはこれらに微量のロジウム（Ｒｈ）を加えた貴金属を担持させたものが典型的であるが、卑金属系のものも知られており、それらを総称した触媒を意味するものである。
【００２１】
さて、上記構成の排ガス浄化装置において、エンジン１０の始動直後、特に低温始動時には、同エンジン１０がガソリンを燃料とするオットーサイクルエンジンであれ、また軽油を燃料とするディーゼルエンジンであれ、その排ガスは低温であり、かつ未燃燃料としてのＨＣ、不完全燃焼に基づくＣＯを多く含んでいるのが通常であり、この低温の排ガスは、排気マニホールド１４を含むエンジンの排気通路１６を経て触媒コンバータ１８に流入する。
【００２２】
温度センサ４４により検知される排ガス温度Ｔｅが、第１触媒２０が十分な活性を有する温度を考慮して予め設定された設定温度Ｔｏ（例えば３００℃）より低いときは、コントロールユニット４６によりアクチュエータ４０が消勢されバタフライ弁３４が閉止されているので、第１排ガス通路２２１流れ第１触媒２０を通過した排ガスは、第２排ガス通路２４に流れて第２触媒２６に接触する。排ガス温度Ｔｅが低いため、第１触媒２０との接触によって、排ガス中の有害成分の浄化は十分には行なわれないが、第２排ガス通路２４内の第２触媒２６との接触によって、排ガス中のＨＣ，ＣＯが酸化分解されて発熱する。
【００２３】
第２触媒２６において発生した熱は、その半径方向内側に配置された第１触媒２０に伝達され、同第１触媒２０が加熱されて迅速に昇温する。第２触媒２６を通過した排ガスは、その中に含まれた有害成分のうちＨＣ，ＣＯの相当部分が浄化されて第３排ガス通路又は排ガス排出通路２８からマフラ、テールパイプを経て大気に排出されるので、第１触媒２０の加熱手段として電熱装置を用いた従前の装置と較べ、第２触媒２６によって排ガス中の有害成分が除去される分だけ浄化効率が増大する利点がある。
【００２４】
上記第１触媒２０の昇温により、同触媒２０の活性が効果的に向上するので、同触媒との接触による排ガス中の有害成分の浄化効率が増大し、上記第２触媒２６の酸化反応に基づく排ガス中の有害成分（ＨＣ，ＣＯ）の浄化と相俟って、最終的に大気に排出される排ガス中の有害成分の浄化が促進される。
【００２５】
エンジン１０の始動後、ウォームアップが進んで排ガス温度Ｔｅが設定温度Ｔｏ以上になると、コントロールユニット４６によりアクチュエータ４０が付勢されて作動ロッド４２が図において下方に駆動され、弁制御腕３８を介してバタフライ弁３４が開かれる。同バタフライ弁３４の開放により、第１排ガス通路２２が弁開口３２を介して、直接に第３排ガス通路又は排ガス排出通路２８の下流側に連通することとなる。
【００２６】
この結果、第１触媒２０を通過した排ガスは、第２触媒２６の存在により流通抵抗が大きい第２排ガス通路２４側には殆んど流れず、実質的全量が直接第３排ガス通路又は排ガス排出通路２８に流れ、マフラ及びテールパイプを経て大気に放出される。勿論、排ガス温度Ｔｅが、設定温度Ｔｏより高いので、第１触媒２０による排出ガス中の有害成分の浄化は、エンジン１０の始動直後排ガス温度Ｔｅが設定温度Ｔｏより低いときより、十分効果的に行なわれると共に、第２触媒２６に高温の排ガスが流れないので、その耐久性を確保することができる。
【００２７】
上記構成によれば、図２に示した従前の排ガス浄化装置のような電熱による触媒加熱装置を必要としないので、エンジン１０の電気負荷を増大させることがなく、電気容量に限界がある車両用エンジンの排ガス浄化装置に採用されて極めて好適であり、エンジン１０の電気負荷が少ない分だけ、上記従前の排ガス浄化装置より、エンジン１０の燃費を向上することができる。さらに、電熱装置の場合、屡々発生する断線やショート等の故障の発生がなく、耐久性及び信頼性が優れている利点がある。
【００２８】
なお、上記構成において、バタフライ弁３４に代え、スライド弁、ロータリ弁等他の弁装置を採用することができ、また触媒コンバータ１８の下流側に、１個以上の触媒コンバータを追加して設置することができる。なおまた、第１触媒２０には、三元触媒又は分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒を、夫々単体で用いることができ、又は両者の触媒を組み合わせて配置することもできる。
【００２９】
以上詳細に説明したように、本発明に係るエンジンの排ガス浄化装置は、分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒又は三元触媒を内側に配置し、その外側に酸化触媒を配置した触媒コンバータを、エンジンの排気通路内に介装し、上記分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒又は三元触媒を通過した排ガスを、上記酸化触媒に導くように構成したことを特徴とし、エンジンの始動時に排出される低温の排ガスを、電熱触媒加熱装置を用いることなく、効果的に浄化することができるので、電気容量に限界がある車両用エンジンに特に好適であり、同時に、エンジンの燃費を向上し得る利点があり、さらに優れた耐久性及び信頼性を確保し得る利点がある。
【００３０】
また、本発明に係るエンジンの排ガス浄化装置は、エンジンの排気通路に接続され、その内部に分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒又は三元触媒を収容した第１の排ガス通路と、上記第１排ガス通路内の触媒を囲繞してその外側に配置されその内部に酸化触媒を収容した第２の排ガス通路と、上記第１及び第２排ガス通路間に介装され、その第１位置では上記第１排ガス通路を上記第２排ガス通路を介して排ガス排出通路に連通させると共に、第２位置では上記第１排ガス通路を直接排ガス排出通路に連通させる弁装置と、上記エンジンの排気通路又は第１の排ガス通路に設けられ排ガス温度を検知する温度センサと、同温度センサにより検知された排ガス温度が設定値未満のときに上記弁装置を第１位置に位置させ、かつ設定値以上のときに同弁装置を上記第２位置に位置させる弁制御装置とを具備していることを特徴とし、電熱装置等の外部エネルギを用いることなく、エンジンの始動直後における低温排ガス中の有害成分の浄化を効果的に行ない得ると共に、ウォームアップが進んで排ガス温度が上昇したときに、上記酸化触媒に高温の排ガスが流れないので、その耐久性を向上し得る利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施形態を示す概略構成図である。
【図２】従来の電熱式触媒加熱装置を具えた排ガス浄化装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０…エンジン、１４…排気マニホールド、１６…排気通路、１８…触媒コンバータ、２０…第１触媒、２２…第１排ガス通路、２４…第２排ガス通路、２６…第２触媒、２８…第３排ガス通路又は排ガス排出通路、３４…バタフライ弁（弁装置）、３８…弁制御腕、４０…アクチュエータ、４４…温度センサ、４６…コントロールユニット。
【図１】
0003849183.tif 000002
【図２】
0003849183.tif 000003