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JP3402200B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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JP3402200B2
JP3402200B2 JP15140998A JP15140998A JP3402200B2 JP 3402200 B2 JP3402200 B2 JP 3402200B2 JP 15140998 A JP15140998 A JP 15140998A JP 15140998 A JP15140998 A JP 15140998A JP 3402200 B2 JP3402200 B2 JP 3402200B2
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Description

【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中に
含まれるＨＣ（炭化水素成分）を吸着する手段を備えた
排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】内燃機関の排気通路に
三元触媒とともにその下流側にＨＣ吸着機能を有する触
媒を介装したものが知られている（公知文献としては例
えば特開平７−１４４１１９号公報参照）。これは、三
元触媒が活性温度に達していない冷間始動後の運転時に
生じるＨＣを一時的にＨＣ吸着触媒に吸着しておき、そ
の後三元触媒が活性温度に達したときに空燃比を希薄化
して酸素過剰雰囲気を形成し、温度上昇にともなってＨ
Ｃ吸着触媒から離脱してきたＨＣを触媒により酸化処理
するというものである。
【０００３】ところで、三元触媒に適用されるＰｔ，Ｒ
ｈ，Ｐｄ等の触媒金属層には酸素を保持するストレージ
機能があり、特にこの機能を強化するために酸化セリウ
ム等の酸素ストレージ量の多い助触媒を併用したものに
おいては多量の酸素が触媒内に保持されるので、このス
トレージ酸素の作用により触媒の転化効率がより高めら
れるという特徴がある。この酸素ストレージ量は、酸素
過剰の希薄空燃比の雰囲気で多くなり、酸素不足の濃空
燃比の雰囲気下では触媒から酸素が放出されて減少する
特性がある。
【０００４】しかしながら、この三元触媒の酸素ストレ
ージ作用に原因して、上記ＨＣ吸着触媒が有効に機能し
ないという問題が生じる。これは、冷間始動直後の濃空
燃比の雰囲気下で三元触媒から酸素が放出されてしまう
からであり、その後に空燃比を希薄化しても上流側に位
置する三元触媒の酸素ストレージ作用により下流側のＨ
Ｃ吸着触媒が酸素過剰雰囲気になるまでに時間的遅れが
生じ、一時的にＨＣ吸着触媒に十分な酸素を供給できな
くなるからである。この結果、触媒温度の上昇に伴い脱
離したＨＣを十分に酸化することができず、それだけ排
出ＨＣ量が増えてしまうという問題が生じる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に三元触
媒を介装し、前記三元触媒の下流側に位置するように、
ＨＣ吸着手段と酸素ストレージ機能を有する触媒とを備
えた処理手段を介装し、所定の冷間運転時に空燃比を理
論値よりも希薄側に制御するようにした内燃機関を構成
し、前記処理手段の酸素ストレージ量を前記三元触媒に
比較して大に設定した。
【０００６】請求項２の発明は、上記請求項１の発明に
おいて、触媒金属の酸素ストレージ量と、該金属に適用
した助触媒の酸素ストレージ量との総和が、三元触媒に
比較して処理手段のほうが大であるように設定した。
【０００７】請求項３の発明は、上記請求項１の発明に
おいて、触媒金属に適用した助触媒の酸素ストレージ量
が、三元触媒に比較して処理手段のほうが大であるよう
に設定した。
【０００８】請求項４の発明は、上記請求項１の発明の
処理手段を、ＨＣ吸着手段としてＨＣ吸着材の被覆層を
有する触媒で構成した。
【０００９】請求項５の発明は、上記請求項１の発明の
処理手段を、ＨＣ吸着手段の下流側に触媒を配置した構
成のものとした。
【００１０】請求項６の発明は、上記請求項１の発明の
三元触媒を、内燃機関の排気マニホールド出口付近に位
置するように設けた。
【００１１】請求項７の発明は、上記請求項１の三元触
媒に例えば酸化バリウム等のＮＯｘ吸蔵材を適用したも
のとする。
【００１２】
【作用・効果】上記請求項１以下の各発明において、三
元触媒の下流側に位置する処理装置はその酸素ストレー
ジ量が相対的に多量であるため、脱離したＨＣの酸化処
理をはじめとして触媒としての機能が十分に高められ
る。一方、上流側の三元触媒の酸素ストレージ量は小さ
いので、冷間始動後に希薄空燃比運転を開始したときに
三元触媒に酸素が捕捉されて下流側の処理装置に供給さ
れる排気中の酸素量が一時的に減少してしまうという不
具合が抑えられ、希薄空燃比運転の開始当初から処理装
置に酸素過剰雰囲気を形成してＨＣの脱離およびその酸
化処理を有効に行わせることができる。
【００１３】上記酸素ストレージ量の設定としては、請
求項２の発明のように、触媒金属の酸素ストレージ量
と、該金属に適用した助触媒の酸素ストレージ量との総
和が、三元触媒に比較して処理手段のほうが大であるよ
うにした場合と、請求項３の発明のように、触媒金属に
適用した助触媒の酸素ストレージ量が、三元触媒に比較
して処理手段のほうが大であるようにした場合の何れも
有効である。
【００１４】また、処理手段としては、請求項４の発明
のように、ＨＣ吸着手段としてＨＣ吸着材の被覆層を有
する触媒で構成したものと、請求項５の発明のように、
ＨＣ吸着手段の下流側に触媒を配置した構成のものの何
れも有効である。
【００１５】また、三元触媒はできるだけ速やかに活性
温度にまで加熱するために、請求項６の発明のように、
内燃機関の排気マニホールド出口付近に位置するように
設けることが有効である。
【００１６】また、請求項７の発明によれば、希薄空燃
比運転の間に発生するＮＯｘが一時的にＮＯｘ吸蔵材に
吸蔵され、三元触媒が活性温度に達したときにこれが還
元処理されるので、希薄空燃比運転に伴うＮＯｘの排出
量をより抑制することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態を図面に基
づいて説明する。
【００１８】図１において、１は火花点火式の内燃機
関、２はその吸気通路、３は排気通路である。４は吸気
通路２の途中に設けられたエアフロメータ、５と６は同
じくスロットル弁とその開度を検出するためのスロット
ル開度センサである。７は吸入ポート部に燃料を噴射供
給する電磁燃料噴射弁、８は点火栓である。９と１０は
それぞれ排気通路３の途中に介装された三元触媒と処理
装置、１１は三元触媒の入口側に設けられた空燃比セン
サ、１２は処理装置１０の触媒温度を検出する温度セン
サである。１３はエアフロメータ４からの吸入空気量信
号や図示しないクランク角センサからの回転信号に基づ
いて空燃比や点火時期を制御するコントローラである。
【００１９】三元触媒９は始動後にできるだけ早期に活
性温度に達するように排気マニホールド３Ａの出口付近
に設けられている。一方、処理装置１０は図示したよう
に三元触媒９よりも下流側に設けられており、この場
合、ＨＣ吸着手段としてＨＣ吸着材の被覆層を触媒担体
に形成したＨＣ吸着型の三元触媒または酸化触媒で形成
されている。本発明の特徴は、このようなＨＣ吸着手段
を有する処理装置１０の酸素ストレージ量を上流側の三
元触媒９よりも大きくすることにある。すなわち、酸素
ストレージ量を増すために適用するセリア（酸化セリウ
ム）等の助触媒の量、またはこの助触媒による酸素スト
レージ量と触媒金属が本来有している酸素ストレージ量
との総和が、三元触媒９よりも処理装置１０の側が大と
なるように設定する。
【００２０】図２は上記コントローラ１３により周期的
に実行される主として始動暖機の間の空燃比制御の一手
法の概略を示した流れ図である。これに沿って本実施形
態における作用を説明すると、まず機関回転数、吸入空
気量、冷却水温、触媒温度等の運転状態信号を検出し
（ステップ２０１）、次に回転数信号等に基づき始動完
爆したか否かを判定する（ステップ２０２）。始動完爆
するまでは着火性を高めて始動性を良くするために理論
空燃比よりも若干濃い始動空燃比となるように空燃比を
制御する（ステップ２０７）。この始動空燃比は通常は
水温が低いほど濃空燃比となるように制御するので、冷
間時ほどＨＣ排出傾向となり、特に三元触媒９が活性温
度に達していない状態ではＨＣの排出量が増大する。処
理装置１０のＨＣ吸着材は、このようにして機関から排
出されたＨＣを一時的に吸着して大気中への放出を防止
する機能を発揮する。
【００２１】始動完爆した後は、次に機関がアイドリン
グを含む所定の低負荷運転状態であるか否かをスロット
ル開度や吸入空気量等により判定し、負荷が高いときに
は通常の空燃比制御を行う（ステップ２０３、２０
８）。空燃比制御そのものは、エンジン回転数と吸入空
気量とに基づいて定めた基本燃料噴射量（燃料噴射弁７
のパルス幅）を、空燃比センサ１１からの空燃比信号に
基づいて目標空燃比となるようにフィードバック制御す
る既知の手法による。前記通常の空燃比制御とは、例え
ば前記フィードバック制御の目標空燃比を、定常的な運
転状態ではストイキ（理論空燃比）に制御して三元触媒
の転化効率を高める一方、加速時等の負荷要求が高いと
きには濃空燃比に補正して出力を確保し、出力が不要な
減速時には燃料カットを行うといった制御である。
【００２２】一方、ステップ２０３で所定の低負荷運転
状態であると判定したときは、次に処理装置１０の触媒
温度ＴｃがＨＣの脱離温度Ｔｃ１に達しているか否か、
処理装置１０のＨＣが脱離完了しているか否かを判定
し、Ｔｃ≧Ｔｃ１かつＨＣ脱離未完の場合には上記空燃
比制御において目標空燃比として理論値よりも大きい希
薄空燃比に設定して希薄空燃比運転を行わせる（ステッ
プ２０３〜２０６）。これにより処理装置１０には酸素
過剰の排気が供給されるため処理装置内のＨＣ吸着材か
ら脱離されてきたＨＣを酸化処理することができる。
【００２３】これに対して、Ｔｃ＜Ｔｃ１またはＨＣ脱
離が完了した場合は空燃比を希薄側に制御する必要はな
いので、上述した通常の制御（ステップ２０８）に移行
する。なお、ＨＣ吸着型触媒におけるＨＣの吸着量は例
えば燃料噴射量または吸入空気量と既知の吸着効率の関
数として、同じくＨＣの脱離量は例えば吸入空気量と触
媒温度の関数として、それぞれ推定演算できるので、こ
れら吸着量と脱離量とを比較することによりＨＣの脱離
を完了したか否かを判定することができる。
【００２４】ところで、吸着材から脱離したＨＣを確実
に酸化するためにはＨＣの脱離温度に達したところで触
媒の周囲がある程度の酸素過剰雰囲気になっている必要
があり、このために上述したように希薄空燃比に制御す
るのであるが、この空燃比希薄化のときに三元触媒の酸
素ストレージ作用によりその下流側に流れる排ガス中の
酸素が一時的に不足気味になり、ＨＣの酸化作用が損な
われるおそれがある。これに対して、本構成では上述し
たようにＨＣ吸着材を有する処理装置１０に対してその
上流側の三元触媒９の酸素ストレージ量が小となってい
るので、希薄空燃比運転を開始したときに三元触媒９に
酸素がストレージされて下流側の処理装置１０に供給さ
れる酸素量が減少してしまうようなことがなく、希薄空
燃比化の当初から処理装置１０に適度な酸素過剰雰囲気
を形成してＨＣの脱離およびその酸化処理を有効に行わ
せることができる。
【００２５】なお、三元触媒９と処理装置１０の位置関
係ないし配置数は上記実施形態の構成に限られるもので
はなく、図３の（イ）〜（ト）に示したように種々のパ
ターンが可能である。図中のａは排気マニホールド３Ａ
の直後に設けられる三元触媒、ｃはより下流側に設けら
れる第２段目の三元触媒、ｂはＨＣ吸着材またはＨＣ吸
着材を備えた触媒、ｂ’はＨＣ吸着材を備えた触媒をそ
れぞれ示している。また、図中でａとｂ（ｂ’）、また
はｂとｃとを隣接させた構成は、それぞれ下流側のもの
が上流側のものの直下に隣接して位置するように触媒容
器内に配置されていることを示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の概略構成図。
【図２】上記実施形態の空燃比制御手法の一例を示す流
れ図。
【図３】本発明の他の実施形態の概略構成例を示す模式
図。
【符号の説明】
１ 内燃機関 ２ 吸気通路 ３ 排気通路 ４ エアフロメータ ５ スロットル弁 ６ スロットル開度センサ ７ 燃料噴射弁 ８ 点火栓 ９ 三元触媒 １０ 処理装置 １１ 空燃比センサ １２ 温度センサ １３ コントローラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｂ０１Ｄ 53/94 Ｆ０１Ｎ 3/28 ３０１Ｃ Ｆ０１Ｎ 3/08 Ｂ０１Ｄ 53/34 １２９Ａ 3/28 53/36 １０３Ｂ ３０１ (72)発明者 佐藤 立男 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日 産自動車株式会社内 (56)参考文献 特開 平７−144119（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−61426（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−66716（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−79026（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01N 3/08 - 3/28 B01D 53/56 B01D 53/81 B01D 53/94

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内燃機関の排気通路に三元触媒を介装し、 前記三元触媒の下流側に位置するように、ＨＣ吸着手段
    と酸素ストレージ機能を有する触媒とを備えた処理手段
    を介装し、 所定の冷間運転時に空燃比を理論値よりも希薄側に制御
    するようにした内燃機関であって、 前記処理手段の酸素ストレージ量を前記三元触媒に比較
    して大とした内燃機関の排気浄化装置
  2. 【請求項２】触媒金属の酸素ストレージ量と、該金属に
    適用した助触媒の酸素ストレージ量との総和が、三元触
    媒に比較して処理手段のほうが大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。
  3. 【請求項３】触媒金属に適用した助触媒の酸素ストレー
    ジ量が、三元触媒に比較して処理手段のほうが大である
    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。
  4. 【請求項４】処理手段は、ＨＣ吸着手段としてＨＣ吸着
    材の被覆層を有する触媒で構成した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。
  5. 【請求項５】処理手段は、ＨＣ吸着手段の下流側に触媒
    を配置した構成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。
  6. 【請求項６】三元触媒は内燃機関の排気マニホールド出
    口付近に位置す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。
  7. 【請求項７】三元触媒はＮＯｘ吸蔵材を有することを特
    徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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