JP2013122177A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】卑金属触媒を担持してＮＯ_Xの還元性能が低いＮＯ_X還元触媒装置を備える内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_Xの還元のための燃料消費の悪化を改善する。
【解決手段】第一気筒群の第一排気通路１０と第二気筒群の第二排気通路２０との合流部１００より下流側に位置する第三排気通路３０に卑金属触媒を担持するＮＯ_X還元触媒装置４０が配置され、第二排気通路にはＮＯ_X吸蔵装置５０が配置され、第二排気通路のＮＯ_X吸蔵装置の下流側と第三排気通路のＮＯ_X還元触媒装置の下流側とを連通する連通路６０が設けられ、第一気筒群の燃焼空燃比をリッチとし、第二気筒群の燃焼空燃比をリーンにするときにはＮＯ_X吸蔵装置から流出する排気ガスは連通路を通過するようにされ、第二気筒群の燃焼空燃比をリッチにするときにはＮＯ_X吸蔵装置から流出する排気ガスはＮＯ_X還元触媒装置を通過するようにされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、及びＮＯ_Xを浄化するために、三元触媒装置を機関排気系に配置することが公知である。しかしながら、三元触媒装置に一般的に使用される白金等の貴金属触媒は高価であり、貴金属触媒に代えて卑金属触媒を使用することが提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、こうして三元触媒装置において、貴金属触媒を代えて卑金属触媒を使用したり、又は、貴金属触媒の一部を卑金属触媒に置き換えたりすると、ＮＯ_X還元触媒装置としてＮＯ_Xの還元性能が低下するために、燃焼空燃比を理論空燃比より僅かにリッチにして、排気ガス中にＨＣ及びＣＯ等の還元物質の濃度を高めてＮＯ_Xを還元し易くすることが考えられる。

特開２０１１−１２５８６２

前述のように、卑金属触媒を担持してＮＯ_Xの還元性能が低いＮＯ_X還元触媒装置を備える内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_Xを良好に還元するのに燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにしたのでは、燃料消費が大幅に悪化してしまう。

従って、本発明の目的は、卑金属触媒を担持してＮＯ_Xの還元性能が低いＮＯ_X還元触媒装置を備える内燃機関の排気浄化装置において、排気ガス中のＮＯ_Xの還元のための燃料消費の悪化を改善することである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、少なくとも一気筒からなる第一気筒群と、その他の気筒からなる第二気筒群とを有する多気筒内燃機関の排気浄化装置であって、前記第一気筒群の第一排気通路と前記第二気筒群の第二排気通路との合流部より下流側に位置する第三排気通路に卑金属触媒を担持するＮＯ_X還元触媒装置が配置され、前記第二排気通路には排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンであるときには排気ガス中のＮＯ_Xを吸蔵し、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチとなると吸蔵したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸蔵装置が配置され、前記第二排気通路の前記ＮＯ_X吸蔵装置の下流側と前記第三排気通路の前記ＮＯ_X還元触媒装置の下流側とを連通する連通路が設けられ、前記第一気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチとし、前記第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンにするときには前記ＮＯ_X吸蔵装置から流出する排気ガスは前記連通路を通過するようにされ、前記第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにするときには前記ＮＯ_X吸蔵装置から流出する排気ガスは前記ＮＯ_X還元触媒装置を通過するようにされることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯ_X吸蔵装置のＮＯ_X吸蔵量が設定量となると、前記第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンからリッチに切り換えることを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第三排気通路における前記連通路の接続位置より下流側には、酸化触媒装置が配置されていることを特徴とする。

本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記酸化触媒装置は、アンモニア吸蔵機能を備えていることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、少なくとも一気筒からなる第一気筒群と、その他の気筒からなる第二気筒群とを有する多気筒内燃機関の排気浄化装置であって、第一気筒群の第一排気通路と第二気筒群の第二排気通路との合流部より下流側に位置する第三排気通路に卑金属触媒を担持するＮＯ_X還元触媒装置が配置され、第二排気通路には排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンであるときには排気ガス中のＮＯ_Xを吸蔵し、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチとなると吸蔵したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸蔵装置が配置され、第二排気通路のＮＯ_X吸蔵装置の下流側と第三排気通路のＮＯ_X還元触媒装置の下流側とを連通する連通路が設けられ、第一気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチとし、第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンにするときにはＮＯ_X吸蔵装置から流出する排気ガスは連通路を通過するようにされている。それにより、理論空燃比よりリッチな第一気筒群の排気ガスは、第一排気通路を通って第三排気通路のＮＯ_X還元触媒装置へ流入し、卑金属触媒を担持してＮＯ_Xの還元性能が低いＮＯ_X還元触媒装置でも、排気ガス中のＮＯ_Xを排気ガス中のＨＣ及びＣＯを使用して良好に還元浄化することができる。

一方、理論空燃比よりリーンな第二気筒群の排気ガス中のＮＯ_Xは、ＮＯ_Xの還元性能が低いＮＯ_X還元触媒装置では良好に浄化することができないために、第二排気通路に配置されたＮＯ_X吸蔵装置に吸蔵される。こうして、内燃機関の各気筒から排出されるＮＯ_Xの大気放出を十分に抑制することができ、全気筒の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチとする場合に比較してＮＯ_Xの還元のための燃料消費の悪化を改善することができる。

また、第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにするときには、ＮＯ_X吸蔵装置は吸蔵したＮＯ_Xを放出するために、ＮＯ_X吸蔵装置から流出する排気ガスはＮＯ_X還元触媒装置を通過するようにされ、第一気筒群から排出されるＮＯ_Xと共にＮＯ_X吸蔵装置から放出されるＮＯ_Xは、第一気筒群及び第二気筒群からの理論空燃比よりリッチな排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯを使用して、ＮＯ_Xの還元性能が低いＮＯ_X還元触媒装置においても良好に浄化することができる。

また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_X吸蔵装置のＮＯ_X吸蔵量が設定量となると、第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンからリッチに切り換えるようになっている。それにより、ＮＯ_X吸蔵装置のＮＯ_X吸蔵量が飽和しても第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンとし続けることは抑制される。

また、本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、第三排気通路における連通路の接続位置より下流側には、酸化触媒装置が配置されている。それにより、第二気筒群の燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンとされているときに、理論空燃比よりリッチな第一気筒群の排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯの一部がＮＯ_X還元触媒装置から流出しても、酸化触媒装置において、理論空燃比よりリーンな第二気筒群の排気ガス中に含まれる酸素を使用して良好に酸化浄化することができる。

また、本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置において、酸化触媒装置は、アンモニア吸蔵機能を備えている。それにより、理論空燃比よりリッチな第一気筒群の排気ガス中のＮＯ_XがＮＯ_X還元触媒装置において還元されてアンモニアが生成されても、酸化触媒装置のアンモニア吸蔵機能により吸蔵することができる。こうして酸化触媒装置に吸蔵されたアンモニアは、ＮＯ_X吸蔵装置のＮＯ_X吸蔵量が設定量となって第二気筒群の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチにされ、ＮＯ_X吸蔵装置からＮＯ_Xが放出されるときに、ＮＯ_X還元触媒装置において一部のＮＯ_Xが浄化されずに流出しても、酸化触媒装置において、吸蔵されているアンモニアによって良好に還元浄化することができる。

本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。 図１の排気浄化装置の制御を示すフローチャートである。

図１は本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。内燃機関は例えば筒内噴射式火花点火の四気筒内燃機関である。＃１気筒は、少なくとも一気筒からなる第一気筒群であり、＃２気筒及び＃３気筒及び＃４気筒は、その他の気筒からなる第二気筒群である。もちろん、全気筒数、第一気筒群を構成する気筒数、第二気筒群を構成する気筒数は、例であり、いずれも任意に設定可能である。

１０は第一気筒群の第一排気通路であり、２０は第二気筒群の第二排気通路である。第一排気通路１０と第二排気通路２０との合流部１００より下流側に位置する第三排気通路３０には、ＮＯ_X還元触媒装置４０が配置されている。ＮＯ_X還元触媒装置４０は、ハニカム構造の基体上に、一般的な三元触媒装置のような白金Ｐｔ等の高価な貴金属触媒ではなく、銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ、銀Ａｇ、又は、金Ａｕ等の卑金属触媒をアルミナ又はセリア等を担体として担持したものである。また、ＮＯ_X還元触媒装置４０は、一般的な三元触媒装置の貴金属触媒の一部を卑金属触媒に置換するなどして、高価な貴金属触媒の使用量を減少させたものでも良い。

また、第二排気通路２０の排気マニホルド２１の下流側には、ＮＯ_X吸蔵装置５０が配置されている。ＮＯ_X吸蔵装置５０は、例えば、ハニカム構造の基体上に、パラジウムＰｄ等をジルコニアＺｒＯ₂等を担体として担持したものであり、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンであるときには排気ガス中のＮＯ_Xを吸蔵し、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチとなると吸蔵したＮＯ_Xを放出するものである。ＮＯ_X吸蔵装置５０は、例えば、アルミナ等を担体としてアルカリ金属（Ｋ，Ｎａ）又はアルカリ土類金属（Ｂａ，Ｓｒ）と貴金属（Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ）とを担持する一般的なＮＯ_X吸蔵還元触媒装置としても良い。

第二排気通路２０のＮＯ_X吸蔵装置５０の下流側と第三排気通路３０のＮＯ_X還元触媒装置４０の下流側とを連通する連通路６０が、第二排気通路２０のＮＯ_X吸蔵装置５０の下流側に配置された切換弁７０を介して接続されている。切換弁７０を第一位置とすることにより、第二気筒群の排気ガスは、実線矢印示すように、連通路６０を通過し第三排気通路３０のＮＯ_X還元触媒装置４０の下流側において第三排気通路３０へ合流する。一方、切換弁７０を第二位置とすることにより、第二気筒群の排気ガスは、点線矢印で示すように、連通路６０を通過せずに、第二排気通路２０をそのまま通過して合流部１００において第一気筒群の排気ガスと共に第三排気通路３０へ流入する。

前述のＮＯ_X還元触媒装置４０は、貴金属触媒を担持する一般的な三元触媒装置に比較して、還元性能が低下するために、理論空燃比の排気ガスではＮＯ_Xを十分に還元浄化することができず、燃焼空燃比を理論空燃比より僅かにリッチ（例えば空燃比１４）にして排気ガス中の還元物質の濃度を高めてＮＯ_Xを十分に還元できるようにしなければならない。しかしながら、全ての気筒において燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにしたのでは、燃料消費が悪化してしまう。

この問題を改善するために、本排気浄化装置は電子制御装置（図示せず）によって図２に示すフローチャートに従って制御される。先ず、ステップ１０１において、第一気筒群（＃１気筒）の燃焼空燃比を理論空燃比より僅かにリッチ（例えば空燃比１４）にする。このような第一気筒群の燃焼空燃比の制御を可能とするために、第一排気通路１０の合流部１００の上流側には、第一気筒群の排気ガスの空燃比を検出する第一空燃比センサ１１が配置されている。

次いで、ステップ１０２では、ＮＯ_X吸蔵装置５０のＮＯ_X吸蔵量Ａが設定量Ａ’に達したか否かが判断される。例えば、２２はＮＯ_X吸蔵装置５０の下流側に配置されたＮＯ_X濃度センサであり、ＮＯ_X吸蔵装置５０から流出するＮＯ_X濃度を検出することができる。それにより、ＮＯ_X濃度センサ２２により検出されたＮＯ_X濃度が設定濃度より高くなったときに、ＮＯ_X吸蔵装置５０のＮＯ_X吸蔵量Ａが設定量Ａ’に達して、ＮＯ_X吸蔵装置５０から流出するＮＯ_X量が増大したと判断することができる。

ステップ１０２の判断が否定されるときには、ステップ１０３において、第二気筒群（＃２気筒、＃３気筒、及び＃４気筒）の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーン（例えば空燃比１５）にする。このような第二気筒群の燃焼空燃比の制御を可能とするために、第二排気通路１０の排気マニホルド２１とＮＯ_X吸蔵装置５０との間には、第二気筒群の排気ガスの空燃比を検出する第二空燃比センサ２３が配置されている。次いで、ステップ１０４では、切換弁７０を第一位置として、第二気筒群の排気ガスは、実線で示すように、連通路６０を通過し第三排気通路３０のＮＯ_X還元触媒装置４０の下流側において第三排気通路３０へ合流するようにする。

例えば、ＮＯ_X濃度センサ２２を配置しなくても、ＮＯ_X吸蔵装置５０のＮＯ_X吸蔵量Ａが０であるときから、各時間の第二気筒群のリーン空燃比運転におけるＮＯ_X吸蔵装置５０へ新たに吸蔵されるＮＯ_X量（機関運転状態毎にマップ化することができる）を積算すれば、現在のＮＯ_X吸蔵量Ａを推定することができる。

理論空燃比よりリッチな第一気筒群の排気ガスは、第一排気通路１０を通って第三排気通路３０のＮＯ_X還元触媒装置４０へ流入し、ＮＯ_X還元触媒装置４０が卑金属触媒を担持するものでも、排気ガス中のＮＯ_Xを排気ガス中のＨＣ及びＣＯを使用して良好に還元浄化することができる。

一方、理論空燃比よりリーンな第二気筒群の排気ガス中のＮＯ_Xは、卑金属触媒を担持するＮＯ_X還元触媒装置４０では良好に浄化することができないために、第二排気通路２０に配置されたＮＯ_X吸蔵装置５０に吸蔵される。こうして、内燃機関の各気筒から排出されるＮＯ_Xの大気放出を十分に抑制することができ、全気筒の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチとする場合に比較して燃料消費の悪化を改善することができる。

このようなフローが繰り返されると、ＮＯ_X吸蔵装置５０のＮＯ_X吸蔵量Ａが設定量Ａ’となって、ステップ１０２の判断が肯定され、ステップ１０５において、第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比より僅かにリッチ（例えば空燃比１４）にする。次いで、ステップ１０６において、切換弁７０を第二位置とし、第二気筒群の排気ガスは、点線矢印で示すように、連通路６０を通過せずに、第二排気通路２０をそのまま通過して合流部１００において第一気筒群の排気ガスと共に第三排気通路３０へ流入するようにする。

それにより、リッチ空燃比の排気ガスがＮＯ_X吸蔵装置５０へ流入し、ＮＯ_X吸蔵装置からＮＯ_Xが放出され、こうして放出されたＮＯ_XはＮＯ_X還元触媒装置４０へ流入し、第一気筒群から排出されるＮＯ_Xと共に、第一気筒群及び第二気筒群からの理論空燃比よりリッチな排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯを使用して、卑金属触媒を担持するＮＯ_X還元触媒装置４０において良好に浄化することができる。

次いで、ステップ１０７において、第二気筒群の燃焼空燃比をリッチ空燃比としてからの経過時間ｔが設定時間ｔ’に達したか否かが判断され、この判断が否定されるときには、吸蔵ＮＯ_Xの放出が不十分であり、ＮＯ_X吸蔵装置５０のＮＯ_X吸蔵量Ａが０まで低下していないとして、ステップ１０５及び１０６の処理が継続される。一方、経過時間ｔが設定時間ｔ’に達したときには、ＮＯ_X吸蔵装置５０のＮＯ_X吸蔵量Ａが０まで低下したとして、ステップ１０３に進み、第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンにすると共に、ステップ１０４において、切換弁７０を第一位置とする。

ところで、本排気浄化装置において、第三排気通路３０における連通路６０の接続位置より下流側には、卑金属触媒（又は貴金属触媒）を担持する酸化触媒装置８０が配置されている。それにより、第二気筒群の燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンとされているときに、理論空燃比よりリッチな第一気筒群の排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯの一部がＮＯ_X還元触媒装置４０から流出しても、酸化触媒装置８０において、理論空燃比よりリーンな第二気筒群の排気ガス中に含まれる酸素を使用して良好に酸化浄化することができる。

酸化触媒装置８０は、例えば、ハニカム構造の基体上に、超強酸処理したジルコニアＺｒＯ₂や、銅Ｃｕ又は鉄ＦｅをゼオライトＺＳＭ５又はＳＡＰＯを担体として担持したものすることにより、アンモニア吸蔵機能を有するようにすることが好ましい。それにより、理論空燃比よりリッチな第一気筒群の排気ガス中のＮＯ_XがＮＯ_X還元触媒装置において還元されてアンモニアが生成されても（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂，２ＮＯ＋２ＣＯ＋３Ｈ₂→２ＮＨ₃＋２ＣＯ₂）、酸化触媒装置８０のアンモニア吸蔵機能により吸蔵することができる。こうして酸化触媒装置８０に吸蔵されたアンモニアは、ＮＯ_X吸蔵装置５０のＮＯ_X吸蔵量Ａが設定量Ａ’となって第二気筒群の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチにされ、ＮＯ_X吸蔵装置５０からＮＯ_Xが放出されるときに、ＮＯ_X還元触媒装置４０において一部のＮＯ_Xが浄化されずに流出しても、酸化触媒装置８０において、吸蔵されているアンモニアによって良好に還元浄化することができる（６ＮＯ＋４ＮＨ₃→５Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ）。また、第二気筒群の燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンとされているときに、ＮＯ_X吸蔵装置５０から僅かにＮＯ_Xが漏れ出ても、酸化触媒装置８０において、吸蔵アンモニアにより還元浄化することができる。

１０ 第一排気通路
２０ 第二排気通路
３０ 第三排気通路
４０ ＮＯ_X還元触媒装置
５０ ＮＯ_X吸蔵装置
６０ 連通路
７０ 切換弁
８０ 酸化触媒装置

Claims (4)

1. 少なくとも一気筒からなる第一気筒群と、その他の気筒からなる第二気筒群とを有する多気筒内燃機関の排気浄化装置であって、前記第一気筒群の第一排気通路と前記第二気筒群の第二排気通路との合流部より下流側に位置する第三排気通路に卑金属触媒を担持するＮＯ_X還元触媒装置が配置され、前記第二排気通路には排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンであるときには排気ガス中のＮＯ_Xを吸蔵し、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチとなると吸蔵したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸蔵装置が配置され、前記第二排気通路の前記ＮＯ_X吸蔵装置の下流側と前記第三排気通路の前記ＮＯ_X還元触媒装置の下流側とを連通する連通路が設けられ、前記第一気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチとし、前記第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンにするときには前記ＮＯ_X吸蔵装置から流出する排気ガスは前記連通路を通過するようにされ、前記第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにするときには前記ＮＯ_X吸蔵装置から流出する排気ガスは前記ＮＯ_X還元触媒装置を通過するようにされることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記ＮＯ_X吸蔵装置のＮＯ_X吸蔵量が設定量となると、前記第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンからリッチに切り換え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。
3. 前記第三排気通路における前記連通路の接続位置より下流側には、酸化触媒装置が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記酸化触媒装置は、アンモニア吸蔵機能を備えていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。

Images