JP3446646B2

JP3446646B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3446646B2
Application number: JP00722399A
Authority: JP
Inventors: 彰田山; 隆福田; 要長沼; 尚志青山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-01-14
Filing date: 1999-01-14
Publication date: 2003-09-16
Anticipated expiration: 2019-01-14
Also published as: JP2000204932A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、内燃機関の排気
浄化装置、特にリーン燃焼に伴って多く排出される窒素
酸化物（ＮＯｘ）を、効率よく浄化する排気浄化装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、燃費の向上、二酸化炭素の排出量
の削減といった観点から、理論空燃比よりも高い空燃比
でも運転し得るいわゆるリーンバーンエンジンが注目さ
れている。この種の内燃機関においては、リーン燃焼時
に排出される排気は酸素含有率が高く、一般に用いられ
ている三元触媒では、ＮＯｘの浄化が不十分となる。そ
のため、リーン運転時にＮＯｘを効率よく除去する技術
の開発が望まれている。

【０００３】その一つとして、特許第２６００４９２号
公報では、流入する排気の空燃比がリーンであるときに
ＮＯｘを吸収し、流入する排気の空燃比がリッチとなる
とＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤を用いた浄化装置が提
案されている。このものでは、リーン運転中に機関から
排出されるＮＯｘをＮＯｘ吸収剤に吸収させ、所定の時
期に、一時的に空燃比をリッチとした運転を行なって、
ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘを放出するようにして
いる。そして、放出されたＮＯｘは、ＮＯｘ吸収剤に担
持された触媒成分によって還元浄化される。

【０００４】ここで、ＮＯｘ吸収剤に担持する触媒成分
の還元力が弱い場合には、ＮＯｘ吸収剤上で還元されず
にＮＯｘ吸収剤から下流へ流出してしまうＮＯｘ量が多
くなるので、ＮＯｘ吸収剤の下流側に、ＮＯｘを還元し
得る触媒、例えば三元触媒を配置することも開示されて
いる。

【０００５】また、特開平６−６６１８５号公報には、
ＮＯｘ吸収剤の下流側に、酸素吸収能力（酸素ストレー
ジ能力）を有する三元触媒を配置し、ＮＯｘ吸収剤から
ＮＯｘを放出させる際に、空燃比を過度にリッチにする
ようにした排気浄化装置が開示されている。これは、Ｎ
Ｏｘ吸収剤に吸収されているＮＯｘを還元するのに必要
な還元成分の量よりも過剰に還元成分を与えることによ
り、放出されたＮＯｘを、ＮＯｘ吸収剤上で一層確実に
還元浄化するようにしているのであり、ＮＯｘの還元に
使用されなかった余剰の過剰成分を、下流側の三元触媒
で浄化するようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般に、三元触媒は、
白金等の触媒金属のほかに、セリア等の助触媒成分を担
持しており、この助触媒成分によって、酸素吸収能力を
高めている。この酸素吸収能力を有することによって、
三元触媒は、ある程度理論空燃比から外れた空燃比の排
気に対しても良好な排気浄化性能を発揮することができ
るのである。

【０００７】しかし、前述した特許第２６００４９２号
公報のように、ＮＯｘ吸収剤の下流側に、酸素吸収能力
を有する三元触媒を配置したとすると、ＮＯｘ吸収剤が
ＮＯｘを吸収しているリーン燃焼の間に、三元触媒に酸
素が蓄えられ、かつＮＯｘを放出すべく空燃比をリッチ
としたときに、この蓄えられていた酸素が放出される結
果、三元触媒内はリーン雰囲気となるので、ＮＯｘの還
元を効率よく行なうことができない。

【０００８】また、特開平６−６６１８５号公報の技術
では、ＮＯｘ吸収剤からＮＯｘを放出させる際に、空燃
比を過度にリッチにしているが、実際には、還元成分を
過剰に供給しても、ＮＯｘ放出の初期には、一部のＮＯ
ｘがＮＯｘ吸収剤上で還元されずに、そのまま排出され
てしまう。図７は、この現象を説明するもので、内燃機
関の空燃比を、（Ａ）の実線のように、リーン燃焼して
いる状態から適宜な期間Ｌ１の間、リッチにしたとする
と、ＮＯｘ吸収剤において吸収されていたＮＯｘや酸素
の放出が開始される。従って、ＮＯｘ吸収剤の出口側で
の空燃比は、（Ａ）の破線のように、一時的に（図のＬ
２の間）理論空燃比に保持され、その後、リッチとな
る。この区間Ｌ２の間は、ＮＯｘ吸収剤の内部の平均空
燃比はほぼ理論空燃比となっているが、ＮＯｘ吸収剤内
では、多くのＮＯｘおよび酸素が脱離しているために、
ＮＯｘ吸収剤の活性サイトは、部分的にリーンとなって
おり、そのため、ＮＯｘの還元は十分に行なわれない。
また、このＬ２の区間では、ＮＯｘ吸収剤の下流側の空
燃比は、ほぼ理論空燃比であり、この理論空燃比相当の
排気が下流の三元触媒に流入する。しかしながら、三元
触媒に酸素吸収能力を十分に与えてあると、前述したも
のと同様に、それまでに吸収されていた酸素によって触
媒活性サイトが部分的にリーン雰囲気となり、還元能力
が低下して、その結果、ＮＯｘを十分に還元することが
できない。従って、図７（Ｂ）に示すように、区間Ｌ２
において、一部のＮＯｘが外部へ流出してしまう。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで、この発明は、下
流側に配置される触媒を、特に、酸素吸収能力の低いも
のとし、放出されたＮＯｘの還元を図った。

【００１０】すなわち、請求項１に係る内燃機関の排気
浄化装置は、内燃機関の排気通路に、流入する排気の空
燃比に応じてＮＯｘを吸収，放出する作用を有する第１
の排気浄化用触媒と、この排気浄化用触媒の下流側に位
置する第２の触媒と、この第２の触媒のさらに下流に位
置する第３の触媒と、を備え、上記第２の触媒の酸素吸
収能力が上記第３の触媒の酸素吸収能力よりも小さいこ
とを特徴としている。そして、この請求項１の発明をさ
らに具体化した請求項２の発明は、上記第３の触媒が、
酸素吸収能力を十分に備えたものであり、上記第２の触
媒が、酸素吸収能力を可及的に小さくしたものであるこ
とを特徴としている。

【００１１】このものでは、内燃機関がリーン燃焼して
いる間に排出されたＮＯｘは、第１の排気浄化用触媒に
吸収される。この吸収されたＮＯｘは、内燃機関の空燃
比をリッチとしたときに、放出され、かつ該第１の排気
浄化用触媒の上で、還元される。このとき、第１の排気
浄化用触媒によって還元されなかった一部のＮＯｘは、
下流側の第２の触媒によって還元される。この第２の触
媒は、酸素吸収能力が低いので、リーン燃焼中に蓄積さ
れていた酸素の放出により部分的にリーン雰囲気となる
ことがなく、効率よく還元される。

【００１２】

【００１３】

【００１４】そして、第２の触媒のさらに下流側に酸素
吸収能力の高い第３の触媒を備えているので、第１の排
気浄化用触媒および第２の触媒においてＮＯｘ還元に使
用されなかった余剰の還元成分を、酸素吸収能力の高い
第３の触媒で浄化することが可能となる。

【００１５】一般に触媒として用いられる白金、ロジウ
ム、パラジウム等の触媒金属は、それ自体、多少の酸素
吸収能力を有している。そして、セリウム等の助触媒成
分を加えることにより、この酸素吸収能力をさらに高め
ることができる。請求項１または２の発明をさらに具体
化した請求項３の発明では、上記第２の触媒は、酸素吸
収能力を強化するための助触媒成分を担持していないこ
とを特徴としている。つまり、この場合でも、酸素吸収
能力は、完全に０とはならないが、白金等の触媒金属自
体が有する酸素吸収能力のみとなる。

【００１６】また請求項４に係る発明は、上記第１の排
気浄化用触媒からＮＯｘを脱離浄化するために空燃比を
積極的にリッチ化する空燃比リッチ化手段をさらに備
え、このリッチ化のときの空燃比が、第１の排気浄化用
触媒からＮＯｘを脱離浄化するのに必要な還元成分以上
の還元成分を与えるように過度にリッチな空燃比に設定
されることを特徴としている。

【００１７】またこの請求項４の発明をさらに具体化し
た請求項５に係る発明は、上記のＮＯｘ脱離浄化に必要
な還元成分が、リッチ化に伴って第１の排気浄化用触媒
から脱離するＮＯｘの濃度を予測し、この濃度に対応し
て定められることを特徴としている。

【００１８】上記のように、ＮＯｘの脱離浄化に際して
過度にリッチな空燃比とすることにより、第１の排気浄
化用触媒から放出されたＮＯｘの還元を、第１の排気浄
化用触媒および第２の触媒において確実に行なうことが
できる。

【００１９】

【発明の効果】この発明に係る内燃機関の排気浄化装置
によれば、ＮＯｘを吸収可能な第１の排気浄化用触媒の
下流側に酸素吸収能力を有する三元触媒を配置した従来
の構成に比べて、空燃比をリッチとしたときに放出され
て第１の排気浄化用触媒の上で完全に還元されなかった
一部のＮＯｘを、下流側の第２の触媒によって一層確実
に還元することができる。

【００２０】そして、第１の排気浄化用触媒および第２
の触媒においてＮＯｘ還元に使用されなかった余剰の還
元成分を、酸素吸収能力の高い第３の触媒で浄化するこ
とができる。

【００２１】また、請求項４および請求項５の発明によ
れば、還元成分を過剰に与えることで、ＮＯｘの還元を
さらに確実に行なうことができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施の
形態を図面に基づいて詳細に説明する。

【００２３】図１は、この発明に係る排気浄化装置の構
成を示すもので、火花点火式ガソリン機関からなる内燃
機関１の排気通路２に、流入する排気の空燃比に応じて
ＮＯｘを吸収，放出する作用を有する第１の排気浄化用
触媒３が介装されているとともに、この第１の排気浄化
用触媒３の下流側に、酸素吸収能力を小さくした第２の
触媒４が介装されており、さらに、この第２の触媒４の
下流側に、酸素吸収能力を十分に大きくした第３の触媒
５が介装されている。

【００２４】上記第１の排気浄化用触媒３は、例えばア
ルミナをコーティングしたハニカム担体に、白金Ｐｔ、
パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の貴金属を担持した触
媒をベースとし、これにバリウムＢａで代表されるアル
カリ土類金属もしくはセシウムＣｓで代表されるアルカ
リ金属の中から選ばれた少なくとも１つの成分を担持さ
せて構成されたものであり、排気空燃比がリーンの条件
では排気中のＮＯｘを吸収し、かつリッチの条件では排
気中の還元成分（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ２等）によって吸収し
ていたＮＯｘを放出すると同時に還元浄化する特性を有
している。

【００２５】また、第２の触媒４および第３の触媒５
は、いずれも、例えばアルミナをコーティングしたハニ
カム担体に、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ
等の貴金属を担持したものであり、第３の触媒５では、
さらに、酸素吸収能力を高めるために、助触媒成分とし
て例えばセリウムＣｅを担持している。このセリウムに
より、第３の触媒５は、排気空燃比がリーンの条件で
は、排気中の酸素を吸収し、かつリッチ条件では、流入
した還元成分を吸収していた酸素で還元する、すなわち
吸収していた酸素を流入する還元成分に応じて放出す
る、という酸素吸収能力（酸素ストレージ能力）を発揮
する。また、第２の触媒４では、酸素吸収能力を有する
セリウムのような助触媒成分を可及的に少なくしてあ
り、望ましくは、助触媒成分の使用を０としてある。

【００２６】一方、内燃機関１の吸気通路６には、各気
筒の吸気ポートへ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁７が
設けられているとともに、スロットルバルブ１１、エア
フロメータ８およびエアクリーナ１２が順次介装されて
いる。上記エアフロメータ８は、内燃機関１の吸入空気
量Ｑａを検出するものであり、その検出信号は、エンジ
ンコントロールユニット１０に入力されている。また、
内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ９
および車両のアクセル開度を検出するアクセル開度セン
サ１３が設けられており、これらの検出信号もエンジン
コントロールユニット１０に入力されている。エンジン
コントロールユニット１０は、これらの信号から機関回
転数Ｎｅおよび機関負荷Ｌを求め、かつ基本燃料噴射パ
ルス幅Ｔｐを演算するとともに、これに目標空燃比等の
各種の補正を加えて、最終的な燃料噴射パルス幅Ｔｉを
決定し、燃料噴射弁７に出力するようになっている。

【００２７】次に、具体的な制御の流れを図２のフロー
チャートに基づいて説明する。

【００２８】この図２のルーチンは、エンジンコントロ
ールユニット１０において例えば１０ｍｓ毎に繰り返し
実行されるものであって、まずステップ１でリッチスパ
イクフラグＦＲＳが１であるか否かを判定する。このリ
ッチスパイクフラグＦＲＳは、後述するように、第１の
排気浄化用触媒３に、所定量以上のＮＯｘが吸収され、
リッチ空燃比を与えてＮＯｘの脱離浄化が必要であると
判定された場合に「１」となり、これが「１」の間は目
標空燃比をリッチ空燃比とするものである。従って、こ
のフラグＦＲＳが０のときは、リーン空燃比での運転が
可能なことを示している。

【００２９】ステップ１で、ＦＲＳ≠１と判定された場
合は、ステップ２へ進み、負荷Ｌと機関回転数Ｎｅとか
ら、目標空燃比ＴＦＢＹＡを、図３のマップを参照して
求める。なお、この目標空燃比ＴＦＢＹＡの値は、この
実施例では、当量比として示されており、ＴＦＢＹＡ＝
１が理論空燃比に相当する。次のステップ３では、リー
ン運転であるか否かを、この目標空燃比ＴＦＢＹＡの値
から判定する。具体的には、ＴＦＢＹＡの値が１．０未
満であれば、リーン運転であると判定する。

【００３０】リーン運転である場合は、内燃機関１から
排出されたＮＯｘは第１の排気浄化用触媒３に吸収され
るので、ステップ４〜７へ進んで、ＮＯｘ吸収量の推定
ならびにリッチスパイクによるＮＯｘの脱離還元処理の
必要性の判定を行う。すなわち、ステップ３でリーン運
転であると判定したら、ステップ４へ進み、負荷Ｌと機
関回転数Ｎｅとから、ＮＯｘ排出濃度ＣＮＯｘを、図４
のマップを参照して求める。なお、この図４のマップ
は、予め実験により求めたものである。次にステップ５
へ進み、そのときの第１の排気浄化用触媒３におけるＮ
Ｏｘ吸収量ＴＮＯｘを演算する。これは、ＮＯｘ排出濃
度ＣＮＯｘに吸入空気量Ｑａおよび定数Ｋ１を乗じて、
ＮＯｘ吸収量ＴＮＯｘの微小増加分を求め、これを前回
のＮＯｘ吸収量ＴＮＯｘに加えることによって、逐次求
められる。そして、次のステップ６では、ＮＯｘ吸収量
ＴＮＯｘが、所定の上限値ＴＮＯｘ０を越えているか否
か判定する。この上限値ＴＮＯｘ０は、第１の排気浄化
用触媒３について予め実験的に求めた飽和ＮＯｘ吸収量
のある割合（例えば１／２）に設定される。なお、触媒
が劣化すると、飽和ＮＯｘ吸収量も低下するので、触媒
劣化を適宜な手段で推定し、その劣化の程度に応じて上
限値ＴＮＯｘ０を減少補正するようにしてもよい。ステ
ップ６で、ＮＯｘ吸収量ＴＮＯｘが、上限値ＴＮＯｘ０
を越えていると判定した場合には、ステップ７へ進ん
で、前述したリッチスパイクフラグＦＲＳを「１」とす
る。

【００３１】リッチスパイクフラグＦＲＳが「１」とな
ると、ステップ１からステップ８以降へ進むことにな
り、リッチスパイクによるＮＯｘの脱離浄化処理を行
う。先ず、ステップ８では、負荷Ｌと機関回転数Ｎｅと
から、第１の排気浄化用触媒３の触媒温度Ｔｃａｔを、
図５のマップを参照して推定する。なお、触媒温度セン
サを設けて直接検出することも勿論可能である。次にス
テップ９へ進み、リッチスパイクによるＮＯｘ放出濃度
ＲＮＯｘを推定する。具体的には、触媒温度Ｔｃａｔと
そのときのＮＯｘ吸収量ＴＮＯｘ（これは後述するよう
に放出に伴って逐次減少する）とをパラメータとして、
予め実験により求めた図６のマップを参照して、推定す
る。ステップ１０では、このＮＯｘ放出濃度ＲＮＯｘの
ＮＯｘの脱離浄化に必要な空燃比ＴＦＢＹＡＮＯｘを、
次式により算出する。

【００３２】ＴＦＢＹＡＮＯｘ＝１＋Ｋ３・ＲＮＯｘここで、１は理論空燃比の分であり、「Ｋ３・ＲＮＯ
ｘ」が脱離するＮＯｘの放出浄化に必要な空燃比の分で
ある。なお、Ｋ３は、ＮＯｘ濃度を空燃比に換算するた
めの定数である。

【００３３】次にステップ１１では、供給した還元成分
のＮＯｘ脱離浄化に使用される効率を考慮して、過剰に
還元成分を供給するように、上記必要空燃比ＴＦＢＹＡ
ＮＯｘを補正して、最終的な目標空燃比ＴＦＢＹＡとす
る。具体的には、必要空燃比ＴＦＢＹＡＮＯｘに、１よ
り大きな一定の係数（例えば１．２）を乗じて、目標空
燃比ＴＦＢＹＡとする。

【００３４】またステップ１２では、ＮＯｘの放出に伴
って徐々に減少するＮＯｘ吸収量ＴＮＯｘを求めてい
る。具体的には、ＮＯｘ放出濃度ＲＮＯｘに吸入空気量
Ｑａおよび定数Ｋ１を乗じて、ＮＯｘ吸収量ＴＮＯｘの
微小減少分を求め、これを前回のＮＯｘ吸収量ＴＮＯｘ
から減じることによって、逐次求められる。

【００３５】ステップ１３では、このＮＯｘ吸収量ＴＮ
Ｏｘが０より小さい値となったか判定し、小さくなって
いたら、ステップ１４でＮＯｘ吸収量ＴＮＯｘを０にリ
セットするとともに、ステップ１５でフラグＦＲＳを０
にリセットして、リッチスパイクを終了する。

【００３６】以上のようにして、リーン運転中ならびに
リッチスパイクの間の空燃比ＴＦＢＹＡの値が決定され
るのであるが、実際の燃料噴射量（燃料噴射弁７に印加
される噴射パルス幅）Ｔｉは、吸入空気量Ｑａおよび機
関回転数Ｎｅとから算出される基本燃料噴射量Ｔｐに、
上記空燃比ＴＦＢＹＡを乗じ、さらに無効噴射パルス幅
Ｔｓを加えて、次式のように求められる。

【００３７】Ｔｉ＝Ｔｐ・ＴＦＢＹＡ＋Ｔｓこのように、上記実施例では、リーン運転によりＮＯｘ
吸収量ＴＮＯｘがある値に達すると、空燃比が強制的に
リッチ化され、吸収していたＮＯｘの脱離が行われる。
脱離放出されたＮＯｘの大部分は、第１の排気浄化用触
媒３の上で浄化される。また、第１の排気浄化用触媒３
で還元されなかったＮＯｘは、下流側の第２の触媒４に
おいて還元される。ここで、第２の触媒４は、酸素吸収
能力が非常に小さいので、酸素の放出により局部的にリ
ーン雰囲気となることはなく、第２の触媒４に流入した
ＮＯｘは、効率よく還元される。しかも、上記のよう
に、放出されるＮＯｘの濃度ＲＮＯｘに対し必要となる
還元成分よりも過剰となるように空燃比が設定されるの
で、一層確実にＮＯｘが還元される。そして、第１の排
気浄化用触媒３ならびに第２の触媒４においてＮＯｘの
還元に使用されなかった余剰の還元成分は、酸素吸収能
力を有する第３の触媒５において十分に浄化される。

【００３８】なお、上記実施例では、吸気ポートへ向け
て燃料を噴射する形式となっているが、燃焼室内へ直接
燃料を噴射する筒内直噴型内燃機関にも同様に適用する
ことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る排気浄化装置の実施の形態を示
す構成説明図。

【図２】その制御の流れを示すフローチャート。

【図３】負荷Ｌおよび機関回転数Ｎｅに対する空燃比Ｔ
ＦＢＹＡのマップを示す特性図。

【図４】負荷Ｌおよび機関回転数Ｎｅに対するＮＯｘ排
出濃度ＣＮＯｘのマップを示す特性図

【図５】負荷Ｌおよび機関回転数Ｎｅに対する触媒温度
Ｔｃａｔのマップを示す特性図

【図６】触媒温度ＴｃａｔおよびＮＯｘ吸収量ＴＮＯｘ
に対するＮＯｘ放出濃度ＲＮＯｘのマップを示す特性
図。

【図７】従来におけるリッチスパイクによる空燃比変化
（Ａ）とＮＯｘ排出濃度（Ｂ）とを示す特性図。

【符号の説明】

１…内燃機関３…第１の排気浄化用触媒４…第２の触媒５…第３の触媒７…燃料噴射弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者青山尚志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７−102948（ＪＰ，Ａ) 特開平11−2114（ＪＰ，Ａ) 特開平８−296472（ＪＰ，Ａ) 特開平11−221448（ＪＰ，Ａ) 特許2600492（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01N 3/08 - 3/28 F02D 41/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気通路に、流入する排気の
空燃比に応じてＮＯｘを吸収，放出する作用を有する第
１の排気浄化用触媒と、この排気浄化用触媒の下流側に
位置する第２の触媒と、この第２の触媒のさらに下流に
位置する第３の触媒と、を備え、上記第２の触媒の酸素
吸収能力が上記第３の触媒の酸素吸収能力よりも小さい
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】上記第３の触媒が、酸素吸収能力を十分
に備えたものであり、上記第２の触媒が、酸素吸収能力
を可及的に小さくしたもの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。
【請求項３】上記第２の触媒は、酸素吸収能力を強化
するための助触媒成分を担持していないことを特徴とす
る請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】上記第１の排気浄化用触媒からＮＯｘを
脱離浄化するために空燃比を積極的にリッチ化する空燃
比リッチ化手段をさらに備え、このリッチ化のときの空
燃比が、第１の排気浄化用触媒からＮＯｘを脱離浄化す
るのに必要な還元成分以上の還元成分を与えるように過
度にリッチな空燃比に設定されることを特徴とする請求
項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】上記のＮＯｘ脱離浄化に必要な還元成分
は、リッチ化に伴って第１の排気浄化用触媒から脱離す
るＮＯｘの濃度を予測し、この濃度に対応して定められ
ることを特徴とする請求項４記載の内燃機関の排気浄化
装置。