JP2000345829A

JP2000345829A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2000345829A
Application number: JP11158714A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Ito; 隆晟伊藤; Kazuhiro Sakurai; 計宏桜井; Hiroshi Tanaka; 比呂志田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 1999-06-04
Publication date: 2000-12-12

Abstract

(57)【要約】【課題】低温始動時のＨＣの大気放出を低減する。【解決手段】希薄燃焼可能な内燃機関に接続された主
排気通路に、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０と、吸蔵還元型
ＮＯx触媒２０よりも上流における主排気通路をバイパ
スする排気通路４３，４４と、排気通路４３に設けられ
たＨＣ吸着剤２１と、ＨＣ吸着剤２１がＨＣ吸着温度域
にあるとき及び吸蔵還元型ＮＯx触媒２０からＮＯxを放
出すべく排気ガスの酸素濃度を低下させるときに排気ガ
スを前記排気通路４３，４４及びＨＣ吸着材２１に流す
べく排気ガスの流れを制御する制御弁２７を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、希薄燃焼可能な内
燃機関より排出される排気ガスから窒素酸化物（ＮＯ
x）を浄化することができる排気浄化装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】現在、希薄燃焼可能な内燃機関より排出
される排気ガスからＮＯxを浄化することができるリー
ンＮＯx触媒には、選択還元型ＮＯx触媒と吸蔵還元型Ｎ
Ｏx触媒と称される２つのタイプの触媒がある。

【０００３】選択還元型ＮＯx触媒は、酸素過剰の雰囲
気で炭化水素の存在下でＮＯxを還元または分解する触
媒であり、この選択還元型ＮＯx触媒には、ゼオライト
にＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒、ゼ
オライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒、等が
含まれる。

【０００４】一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流入排気
ガスの空燃比がリーンのときはＮＯxを吸収し、流入排
気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出
しＮ₂に還元する触媒であり、この吸蔵還元型ＮＯx触媒
は、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカ
リウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣ
ｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣ
ａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウム
Ｙのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金
Ｐｔのような貴金属とが担持されて構成される。

【０００５】尚、排気ガスの空燃比とは、機関吸気通路
及びリーンＮＯx触媒より上流の排気通路内に供給され
た空気及び燃料（炭化水素）の比をいう。これらリーン
ＮＯx触媒には活性温度域があり、リーンＮＯx触媒はそ
の活性温度域に入っていないと全くあるいは殆ど機能し
ない。したがって、内燃機関の冷間始動時などにおいて
排出される未燃ＨＣを含む低温の排気ガスをリーンＮＯ
x触媒に流しても、排気ガスは浄化されず、ＨＣが大気
に放出される虞れがある。

【０００６】そこで、リーンＮＯx触媒より上流の排気
通路にＨＣ吸着剤を設けるとともにこのＨＣ吸着剤をバ
イパスするバイパス通路を設け、内燃機関の運転状態に
応じて排気ガスをＨＣ吸着剤あるいはバイパス通路に流
すことが考えられた。

【０００７】例えば、特開平７−１１９４７号公報に開
示された排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に上流
から順にＨＣ吸着剤と選択還元型ＮＯx触媒を設けると
ともに、ＨＣ吸着剤をバイパスして選択還元型ＮＯx触
媒に排気ガスを流せるようにバイパス通路を設け、バイ
パス通路の始端部に排気経路切替弁を設け、内燃機関の
始動時であって排気ガス温度が所定温度に達するまでは
排気ガスをＨＣ吸着剤に流すことにより排気ガス中のＨ
Ｃを吸着し、排気ガス温度が所定温度以上になると排気
ガスをバイパス通路に流すようにし、さらに、内燃機関
がリーン空燃比で運転されていて排気ガス温度が所定の
高温域にあるときに排気ガスをＨＣ吸着剤に流してＨＣ
吸着剤に吸着されていたＨＣを放出させて、このＨＣを
選択還元型ＮＯx触媒に流しＮＯx浄化に利用している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の排気浄化装
置の場合には、リーンＮＯx触媒が選択還元型ＮＯx触媒
であるので、ＨＣ吸着剤に吸着されていたＨＣを内燃機
関のリーン運転時に放出させることにより、放出された
ＨＣをＮＯx浄化に利用することができるが、リーンＮ
Ｏx触媒が吸蔵還元型ＮＯx触媒にこの技術をそのまま適
用することはできない。

【０００９】なんとなれば、吸蔵還元型ＮＯx触媒にお
いては、ＨＣ吸着剤から放出されるＨＣをＮＯx浄化に
利用し得るのは、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収されてい
るＮＯxを放出・還元せしめるとき、即ち排気ガスの空
燃比を理論空燃比あるいはリッチ空燃比にするときであ
り、吸蔵還元型ＮＯx触媒にＮＯxを吸収させるとき、即
ち排気ガスの空燃比をリーンにするときではないからで
ある。

【００１０】本発明はこのような従来の技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする
課題は、冷間始動時のＨＣの大気放出を低減するととも
に、ＨＣ吸着剤から放出されるＨＣを吸蔵還元型ＮＯx
触媒によるＮＯx浄化に利用できるようにすることにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するために、以下の手段を採用した。本発明は、（イ）
希薄燃焼可能な内燃機関に連通する主排気通路に設けら
れ、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯx
を吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収
したＮＯxを放出しＮ₂に還元する吸蔵還元型ＮＯx触媒
と、（ロ）前記吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも上流におけ
る主排気通路をバイパスするバイパス通路と、（ハ）前
記バイパス通路に設けられ、低温でＨＣを吸着し高温で
ＨＣを放出するＨＣ吸着剤と、（ニ）前記ＨＣ吸着剤が
ＨＣ吸着温度域にあるとき及び前記吸蔵還元型ＮＯx触
媒からＮＯxを放出すべく排気ガスの酸素濃度を低下さ
せるときに排気ガスを前記バイパス通路に導入すべく制
御する排気流れ制御手段と、を備えることを特徴とする
内燃機関の排気浄化装置である。

【００１２】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にお
いては、内燃機関の始動時などにおいてＨＣ吸着材がＨ
Ｃ吸着温度域にあるときには、排気ガスがＨＣ吸着材に
流れるように、前記排気流れ制御手段を制御する。これ
により、排気ガス中のＨＣがＨＣ吸着材に吸着されるの
で、冷間始動時におけるＨＣの大気放出を低減すること
ができる。

【００１３】そして、ＨＣ吸着材によるＨＣ吸着が終わ
った後において、吸蔵還元型ＮＯx触媒からＮＯxを放出
すべく排気ガスの酸素濃度を低下させるときに、これと
同期して排気ガスがＨＣ吸着材に流れるように、前記排
気流れ制御手段を制御する。このときには、ＨＣ吸着材
がＨＣ放出温度域に入っているので、ＨＣ吸着材に排気
ガスを流すと、ＨＣ吸着材に吸着されていたＨＣが脱離
して排気ガスとともに吸蔵還元型ＮＯx触媒に導入され
る。その結果、ＨＣ吸着材から脱離したＨＣを、吸蔵還
元型ＮＯx触媒においてＮＯxを放出・還元浄化するため
に必要とされる還元剤の一部として利用することができ
る。

【００１４】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にお
いて、希薄燃焼可能な内燃機関としては、筒内直接噴射
式のリーンバーンガソリンエンジンやディーゼルエンジ
ンを例示することができる。リーンバーンガソリンエン
ジンの場合には、排気ガスの空燃比制御は燃焼室に供給
される混合気の空燃比制御により実現可能である。ディ
ーゼルエンジンの場合の排気ガスの空燃比制御は、吸気
行程または膨張行程または排気行程で燃料を噴射する所
謂副噴射を行うか、あるいは、吸蔵還元型ＮＯx触媒よ
りも上流の主排気通路内に還元剤を供給することにより
実現可能である。

【００１５】ここで、排気ガスの空燃比とは、機関吸気
通路及び吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも上流での主排気通
路内に供給された空気及び燃料（炭化水素）の比をい
う。本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、吸
蔵還元型ＮＯx触媒は、例えばアルミナを担体とし、こ
の担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウ
ムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウム
Ｂａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタン
Ｌａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少な
くとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されて
なるもの例示することができる。また、ＨＣ吸着材とし
てはゼオライト等を例示することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る内燃機関の排
気浄化装置の実施の形態を図１から図７の図面に基いて
説明する。〔第１の実施の形態〕図１は本発明を希薄燃焼可能な車
両用ガソリンエンジンに適用した場合の概略構成を示す
図である。この図において、符号１は機関本体、符号２
はピストン、符号３は燃焼室、符号４は点火栓、符号５
は吸気弁、符号６は吸気ポート、符号７は排気弁、符号
８は排気ポートを夫々示す。

【００１７】吸気ポート６は対応する枝管９を介してサ
ージタンク１０に連結され、各枝管９には夫々吸気ポー
ト６内に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁１１が取り付
けられている。サージタンク１０は吸気ダクト１２およ
びエアフロメータ１３を介してエアクリーナ１４に連結
され、吸気ダクト１２内にはスロットル弁１５が配置さ
れている。

【００１８】一方、排気ポート８は排気マニホルド１６
を介して三元触媒１７を内蔵したケーシング１８に連結
され、ケーシング１８の出口部は排気管１９を介して吸
蔵還元型ＮＯx触媒２０及びＨＣ吸着材２１を内蔵した
ケーシング４０の上流側端部に連結され、ケーシング４
０の下流側は排気管２２を介して三元触媒２３を内蔵し
たケーシング２４に連結され、ケーシング２４は排気管
２５を介して図示しないマフラーに接続されている。以
下、この吸蔵還元型ＮＯx触媒２０をＮＯx触媒２０と略
す。

【００１９】ケーシング４０の内部構造について説明す
ると、ケーシング４０の内部には中パイプ４１と内パイ
プ４２がケーシング４０と同心上に且つ互いに径方向に
隙間を有して設けられている。中パイプ４１は、上流側
が小径部、下流側が大径部となっており、中パイプ４１
の両端部をケーシング４０の対応する端部近くまで延ば
すとともにケーシング４０内において開放した状態にし
て設置されている。内パイプ４２はケーシング４０の下
流側端部を貫通して設置されており、内パイプ４２の下
流側端部に排気管２２が連結されている。内パイプ４２
の上流側端部は中パイプ４１の大径部内に挿入されると
ともに中パイプ４１内において開放した状態にして設置
されている。そして、ケーシング４０と中パイプ４１の
大径部との間に形成された環状空間に前記ＨＣ吸着材２
１が設けられており、内パイプ４２の内部に前記ＮＯx
触媒２０が設けられている。

【００２０】また、中パイプ４１の小径部には、アクチ
ュエータ２６によって弁体が作動される制御弁（排気流
れ制御手段）２７が設けられている。この制御弁２７は
アクチュエータ２６によって、図１及び図２に示すよう
に中パイプ４１の小径部を閉塞する全閉位置と図３に示
すように前記小径部を開放する全開位置の間で所望の開
度で停止させることができるようになっている。そし
て、制御弁２７の開度制御によって、排気ガスの流れを
制御することができるようになっている。

【００２１】図３に示すように、制御弁２７を全開位置
にしたときには、ケーシング４０の上流側端部からケー
シング４０内に流入した排気ガスは、中パイプ４１の上
流側端部から中パイプ４１内に入り、中パイプ４１の小
径部を通って内パイプ４２内に入り、ＮＯx触媒２０を
通って内パイプ４２の下流側端部から排気管２２に流れ
る。つまり、このときには、ＨＣ吸着材２１には殆ど排
気ガスは流れないこととなる。このように制御弁２７を
全開位置にしたときに排気ガスが流れる流路、即ち、排
気管１６、ケーシング１８、排気管１９、ケーシング４
０の上流側端部、中パイプ４１の小径部、内パイプ４
２、排気管２２、ケーシング２４、排気管２５は、主排
気通路を構成する。

【００２２】一方、図２に示すように、制御弁２７を全
閉位置にしたときには、ケーシング４０の上流側端部か
らケーシング４０内に流入した排気ガスは、ケーシング
４０と中パイプ４１との間に形成された環状断面の排気
通路４３内に入り、ＨＣ吸着材２１を通った後、排気ガ
スの流れの向きを反転させて中パイプ４１と内パイプ４
２との間に形成された環状断面の排気通路４４内に入
り、この排気通路４４を通った後、再び排気ガスの流れ
の向きを反転させて内パイプ４２内に入り、ＮＯx触媒
２０を通って内パイプ４２の下流側端部から排気管２２
に流れる。このように、排気通路４３，４４は、ＮＯx
触媒２０よりも上流における主排気通路をバイパスする
バイパス通路を構成する。

【００２３】エンジンコントロール用の電子制御ユニッ
ト（ＥＣＵ）３０はデジタルコンピュータからなり、双
方向バス３１によって相互に接続されたＲＯＭ（リード
オンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモ
リ）３３、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）３
４、入力ポート３５、出力ポート３６を具備する。エア
フロメータ１３は吸入空気量に比例した出力電圧を発生
し、この出力電圧がＡＤ変換器３７を介して入力ポート
３５に入力される。

【００２４】一方、三元触媒１７の下流の排気管１９内
には三元触媒１７を通過した排気ガスの温度に比例した
出力電圧を発生する温度センサ２８が取り付けられ、こ
の温度センサ２８の出力電圧がＡＤ変換器３８を介して
入力ポート３５に入力される。また、入力ポート３５に
は機関回転数を表す出力パルスを発生する回転数センサ
２９が接続されている。出力ポート３６は対応する駆動
回路３９を介して夫々点火栓４および燃料噴射弁１１、
アクチュエータ２６に接続されている。

【００２５】このガソリンエンジンでは、例えば次式に
基づいて燃料噴射時間ＴＡＵが算出される。ＴＡＵ＝ＴＰ・Ｋここで、ＴＰは基本燃料噴射時間を示しており、Ｋは補
正係数を示している。基本燃料噴射時間ＴＰは機関シリ
ンダ内に供給される混合気の空燃比を理論空燃比とする
のに必要な燃料噴射時間を示している。この基本燃料噴
射時間ＴＰは予め実験により求められ、機関負荷Ｑ／Ｎ
（吸入空気量Ｑ／機関回転数Ｎ）および機関回転数Ｎの
関数として図４に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３
２内に記憶されている。補正係数Ｋは機関シリンダ内に
供給される混合気の空燃比を制御するための係数であっ
て、Ｋ＝１．０であれば機関シリンダ内に供給される混
合気は理論空燃比となる。これに対してＫ＜１．０にな
れば機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比は理論
空燃比よりも大きくなり、即ちリーン空燃比となり、Ｋ
＞１．０になれば機関シリンダ内に供給される混合気の
空燃比は理論空燃比よりも小さくなり、即ちリッチ空燃
比となる。

【００２６】この実施の形態のガソリンエンジンでは、
機関低中負荷運転領域では補正係数Ｋの値が１．０より
も小さい値とされてリーン空燃比制御が行われ、機関高
負荷運転領域、エンジン始動時の暖機運転時、加速時、
及び１２０ｋｍ／ｈ以上の定速運転時には補正係数Ｋの
値が１．０とされて理論空燃比制御が行われ、機関全負
荷運転領域では補正係数Ｋの値は１．０よりも大きな値
とされてリッチ空燃比制御が行われるように設定してあ
る。

【００２７】内燃機関では通常、低中負荷運転される頻
度が最も高く、したがって運転期間中の大部分において
補正係数Ｋの値が１．０よりも小さくされて、リーン混
合気が燃焼せしめられることになる。

【００２８】図５は燃焼室３から排出される排気ガス中
の代表的な成分の濃度を概略的に示している。この図か
らわかるように、燃焼室３から排出される排気ガス中の
未燃ＨＣ，ＣＯの濃度は燃焼室３内に供給される混合気
の空燃比がリッチになるほど増大し、燃焼室３から排出
される排気ガス中の酸素Ｏ₂の濃度は燃焼室３内に供給
される混合気の空燃比がリーンになるほど増大する。

【００２９】内パイプ４２内に収容されているＮＯx触
媒２０は、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例
えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシ
ウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシ
ウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イット
リウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つ
と、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されてなる。機関
吸気通路およびＮＯx触媒２０より上流の排気通路内に
供給された空気および燃料（炭化水素）の比をＮＯx触
媒２０への流入排気ガスの空燃比と称する（以下、排気
空燃比と略称する）と、このＮＯx触媒２０は、排気空
燃比がリーンのときにはＮＯxを吸収し、流入排気ガス
の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出するＮＯx
の吸放出作用を行う。

【００３０】なお、ＮＯx触媒２０より上流の排気通路
内に燃料（炭化水素）あるいは空気が供給されない場合
には、排気空燃比は燃焼室３内に供給される混合気の空
燃比に一致し、したがってこの場合には、ＮＯx触媒２
０は燃焼室３内に供給される混合気の空燃比がリーンの
ときにはＮＯxを吸収し、燃焼室３内に供給される混合
気の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出するこ
とになる。

【００３１】ＮＯx触媒２０によるＮＯxの吸放出作用は
図６に示すようなメカニズムで行われているものと考え
られる。以下、このメカニズムについて担体上に白金Ｐ
ｔおよびバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説
明するが、他の貴金属，アルカリ金属，アルカリ土類，
希土類を用いても同様なメカニズムとなる。

【００３２】まず、流入排気ガスの空燃比がかなりリー
ンになると流入排気ガスの酸素濃度が大巾に増大し、図
６（Ａ）に示されるように酸素Ｏ₂がＯ₂ ^-又はＯ^2-の形
で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入排気ガスに含
まれるＮＯは、白金Ｐｔの表面上でＯ₂ ^-又はＯ^2-と反応
し、ＮＯ₂となる（２ＮＯ＋Ｏ₂→２ＮＯ₂）。

【００３３】次いで、生成されたＮＯ₂の一部は、白金
Ｐｔ上で酸化されつつＮＯx触媒２０内に吸収されて酸
化バリウムＢａＯと結合しながら、図６（Ａ）に示され
るように硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形でＮＯx触媒２０内に拡
散する。このようにしてＮＯxがＮＯx触媒２０内に吸収
される。

【００３４】流入排気ガスの酸素濃度が高い限り白金Ｐ
ｔの表面でＮＯ₂が生成され、ＮＯx触媒２０のＮＯx 吸
収能力が飽和しない限り、ＮＯ₂がＮＯx触媒２０内に吸
収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

【００３５】これに対して、流入排気ガスの酸素濃度が
低下してＮＯ₂の生成量が低下すると反応が逆方向（Ｎ
Ｏ₃ ^-→ＮＯ₂）に進み、ＮＯx触媒２０内の硝酸イオンＮ
Ｏ₃ ^-がＮＯ₂またはＮＯの形でメイン触媒２０から放出
される。即ち、流入排気ガス中の酸素濃度が低下する
と、ＮＯx触媒２０からＮＯxが放出されることになる。
図３に示されるように、流入排気ガスのリーンの度合い
が低くなれば流入排気ガスの酸素濃度が低下し、したが
って流入排気ガスのリーンの度合いを低くすればＮＯx
触媒２０からＮＯxが放出されることとなる。

【００３６】一方、このとき、燃焼室３内に供給される
混合気がストイキまたはリッチにされて排気空燃比が理
論空燃比またはリッチ空燃比になると、図５に示される
ように機関からは多量の未燃ＨＣ，ＣＯが排出され、こ
れら未燃ＨＣ，ＣＯは、白金Ｐｔ上の酸素Ｏ₂ ^-又はＯ^2-
と反応して酸化せしめられる。

【００３７】また、排気空燃比が理論空燃比またはリッ
チ空燃比になると流入排気ガスの酸素濃度が極度に低下
するためにＮＯx触媒２０からＮＯ₂またはＮＯが放出さ
れ、このＮＯ₂またはＮＯは、図６（Ｂ）に示されるよ
うに未燃ＨＣ、ＣＯと反応して還元せしめられてＮ₂と
なる。

【００３８】即ち、流入排気ガス中のＨＣ，ＣＯは、ま
ず白金Ｐｔ上の酸素Ｏ₂ ^-又はＯ^2-とただちに反応して酸
化せしめられ、次いで白金Ｐｔ上の酸素Ｏ₂ ^-又はＯ^2-が
消費されてもまだＨＣ，ＣＯが残っていれば、このＨ
Ｃ，ＣＯによってＮＯx触媒から放出されたＮＯxおよび
エンジンから排出されたＮＯxがＮ₂に還元せしめられ
る。

【００３９】このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ₂
またはＮＯが存在しなくなると、ＮＯx触媒２０から次
から次へとＮＯ₂またはＮＯが放出され、さらにＮ₂に還
元せしめられる。したがって、排気空燃比を理論空燃比
またはリッチ空燃比にすると短時間の内にＮＯx触媒２
０からＮＯxが放出されることになる。

【００４０】このように、排気空燃比がリーンになると
ＮＯxがＮＯx触媒２０に吸収され、排気空燃比を理論空
燃比あるいはリッチ空燃比にするとＮＯxがＮＯx触媒２
０から短時間のうちに放出され、Ｎ₂に還元される。し
たがって、大気中へのＮＯxの排出を阻止することがで
きる。

【００４１】ところで、この実施の形態では前述したよ
うに、全負荷運転時には燃焼室３内に供給される混合気
がリッチ空燃比とされ、また高負荷運転時、エンジン始
動時の暖機運転時、加速時、及び１２０ｋｍ／ｈ以上の
定速運転時には混合気が理論空燃比とされ、低中負荷運
転時には混合気がリーン空燃比とされるので、低中負荷
運転時に排気ガス中のＮＯxがＮＯx触媒２０に吸収さ
れ、全負荷運転時及び高負荷運転時にＮＯx触媒２０か
らＮＯxが放出され還元されることになる。しかしなが
ら、全負荷運転あるいは高負荷運転の頻度が少なく、低
中負荷運転の頻度が多くその運転時間が長ければ、ＮＯ
xの放出・還元が間に合わなくなり、ＮＯx触媒２０のＮ
Ｏxの吸収能力が飽和してＮＯxを吸収できなくなってし
まう。

【００４２】そこで、この実施の形態では、リーン混合
気の燃焼が行われている場合、即ち中低負荷運転を行っ
ているときには、比較的に短い周期でスパイク的（短時
間）にストイキまたはリッチ混合気の燃焼が行われるよ
うに混合気の空燃比を制御し、短周期的にＮＯxの放出
・還元を行っている。このようにＮＯxの吸放出のため
に、排気空燃比（この実施の形態では混合気の空燃比）
が比較的に短い周期で「リーン」と「スパイク的な理論
空燃比またはリッチ空燃比」を交互に繰り返されるよう
に制御することを、以下の説明ではリーン・リッチスパ
イク制御と称す。

【００４３】前述したように、このガソリンエンジンに
おいては、エンジン始動時の暖機運転時には理論空燃比
で運転されること、及び、エンジン始動時には未だＮＯ
x触媒２０が活性温度域（例えば２５０゜Ｃ〜５５０゜
Ｃ）に達していないことから、エンジンの暖機運転の間
は、ＮＯx触媒２０では排気浄化が行われにくい。そこ
で、このガソリンエンジンでは、ＮＯx触媒２０よりも
上流側の主排気通路に三元触媒１７を設けることによ
り、理論空燃比による暖機運転時にはこの三元触媒１７
によって排気浄化を行うようにしているのである。

【００４４】しかしながら、三元触媒１７にも活性温度
域（例えば２５０゜Ｃ以上）があり、三元触媒１７が機
関本体１の直ぐ下流に配置されているといっても、エン
ジン始動直後は三元触媒１７は活性温度域に達していな
い。このように三元触媒１７が非活性の状態では三元触
媒１７による排気浄化は行われにくく、未燃ＨＣを含む
排気ガスが殆ど浄化されないまま三元触媒１７を通過し
てしまう。

【００４５】そこで、このガソリンエンジンにおいて
は、三元触媒１７が非活性の間は三元触媒１７を通過し
た排気ガスをＨＣ吸着材２１に導入することにより排気
ガス中の未燃ＨＣをＨＣ吸着材２１で吸着し、これによ
って、エンジンの冷間時におけるＨＣの大気放出を低減
するようにしている。さらに、三元触媒１７が活性化し
た後では、ＨＣ吸着材２１への排気ガスの導入を原則的
に停止し、エンジンの暖機完了後に空燃比のリーン・リ
ッチスパイク制御が行われるようになったときに、リッ
チスパイクのタイミングに同期させて排気ガスをＨＣ吸
着材２１に導入してＨＣ吸着材２１に吸着されていたＨ
Ｃを脱離させ、脱離したＨＣをＮＯx触媒２０に導入し
て、ＮＯx触媒２０における排気浄化の際に必要な還元
剤の一部として利用するようにしている。以下、これに
ついて詳述する。

【００４６】まず、エンジンが暖機運転状態であって且
つ三元触媒１７が活性温度域に達していない場合には、
ＥＣＵ３０は、図１及び図２に示すように制御弁２７を
全閉位置にする。尚、この実施の形態で三元触媒１７が
活性温度域にあるか否かの判定は、温度センサ２８によ
って検出した三元触媒１７の出口における排気ガス温度
を三元触媒１７の触媒温度として代用して、ＥＣＵ３０
が行う。

【００４７】制御弁２７を全閉位置にした場合には、前
述したように、排気管１９からケーシング４０に流入し
た排気ガスは、排気通路４３→ＨＣ吸着材２１→排気通
路４４→内パイプ４２→ＮＯx触媒２０→排気管２２の
経路で流れる。ここで、三元触媒１７が活性温度域に達
するまではＨＣ吸着材２１がＨＣ吸着温度域（例えば１
００゜Ｃ以下）に入っていてＨＣ脱離温度に達しないよ
うに、三元触媒１７からＨＣ吸着材２１に至るまでの放
熱を考慮して、予め排気管１９及びケーシング４０の設
置位置や寸法（長さ、径）等を設定しておく。このよう
に設定しておくと、三元触媒１７では殆ど浄化されずに
三元触媒１７を通過した排気ガスは、その後、ＨＣ吸着
材２１を通過する際に排気ガス中の未燃ＨＣがＨＣ吸着
材２１に吸着されて排気ガス中のＨＣ濃度が低減され、
ＨＣ濃度の低減された排気ガスがＮＯx触媒２０を通過
して排気管２２へと流れる。その結果、エンジンの冷間
始動時に未燃ＨＣが大気に放出されるのを大幅に低減す
ることができる。この運転状態を継続していると徐々に
三元触媒１７の温度が上昇していく。

【００４８】そして、エンジンの暖機運転中に三元触媒
１７が活性温度域に達したと判定されると、ＥＣＵ３０
は、図３に示すように制御弁２７を全開位置にする。制
御弁１７を全開位置にすると、前述したように、排気管
１９からケーシング４０に流入した排気ガスは、中パイ
プ４１→内パイプ４２→ＮＯx触媒２０→排気管２２の
経路で流れるようになり、ＨＣ吸着材２１には殆ど流れ
なくなる。そして、このとき、エンジンはまだ暖機運転
中であり理論空燃比で運転しているので、機関本体１か
ら排出された排気ガスは三元触媒１７を通過する際に浄
化され、ＮＯx触媒２０を通って排気管２２へと流れ
る。

【００４９】その後、ＥＣＵ３０によりエンジンの暖機
が完了したと判定されると、機関本体１は暖機後の空燃
比制御に切り替えられる。エンジンの暖機後は、前述の
如くエンジンの運転状態に応じて機関本体１に対して、
リッチ空燃比制御、理論空燃比制御、リーン・リッチス
トイキ制御が実行される。そして、エンジンの暖機完了
後は、原則として制御弁２７を全開位置に保持し、排気
ガスをＨＣ吸着材２１に流さない。

【００５０】エンジンの暖機完了後にはＮＯx触媒２０
も活性温度域に達している。したがって、リーン・リッ
チスパイク制御におけるリーン運転時に排気ガス中のＮ
ＯxはＮＯx触媒２０に吸収され、ストイキ運転時、リッ
チ運転時、リーン・リッチスパイク制御におけるリッチ
スパイク運転時に、ＮＯx触媒２０に吸収されていたＮ
Ｏxが放出されＮ₂に還元浄化される。

【００５１】尚、ＮＯx触媒２０の下流に配置された三
元触媒２３は、リーン・リッチスパイク制御におけるリ
ーン運転時にＮＯx触媒２０で浄化できなかったガス成
分（主にＨＣやＣＯ）を浄化するとともに、ストイキ運
転時やリッチ運転時やリーン・リッチスパイク制御にお
けるリッチスパイク運転時にＮＯx触媒２０で浄化でき
なかったガス成分（主にＮＯx）を浄化する。

【００５２】このようにエンジンの暖機完了後は原則と
してＨＣ吸着材２１に排気ガスを流さないのであるが、
次の場合には、エンジンの暖機後であってもＨＣ吸着材
２１に排気ガスが流れるように制御弁２７を作動制御す
る。

【００５３】（１）ＨＣ脱離処理を行う場合エンジンの暖機完了後にＨＣ吸着材２１に排気ガスを流
す第１のケースは、エンジン始動時にＨＣ吸着材２１に
吸着されたＨＣをＨＣ吸着材２１から脱離し、これをＮ
Ｏx触媒２０におけるＮＯxの放出・還元に必要な還元剤
の一部として利用する場合である。

【００５４】この場合には、リーン・リッチスパイク制
御におけるリッチスパイク時に同期させて制御弁２７を
全閉位置あるいは所定の弁開度による部分的閉位置に
し、リーン・リッチスパイク制御のリーン時には制御弁
２７を全開位置に保持する。

【００５５】リーン・リッチスパイク制御におけるリッ
チスパイク時に同期して制御弁２７を全閉位置あるいは
部分的閉位置にさせると、このリッチスパイクが実行さ
れている間は排気ガスの全部あるいは一部がＨＣ吸着材
２１に流れる。エンジン暖機完了後においてはＨＣ吸着
材２１もＨＣ脱離温度に達している。したがって、ＨＣ
吸着材２１に排気ガスが流れると、ＨＣ吸着材２１に吸
着されているＨＣが脱離して排気ガスともにＮＯx触媒
２０に流入する。その結果、ＨＣ吸着材２１から脱離し
たＨＣも排気ガス中の還元成分とともにＮＯx触媒２０
におけるＮＯxの還元に利用されることとなる。

【００５６】そして、このようにＨＣ吸着材２１から脱
離させたＨＣを還元剤の一部として利用している間は、
リッチスパイクによりＮＯx触媒２０に導入される還元
剤量を、ＨＣ吸着材２１から脱離してＮＯx触媒２０に
流入するＨＣ量に相当する分、通常時（制御弁２７を全
開位置にしてのリッチスパイク時）よりも少なくなるよ
うに、補正制御する。

【００５７】リーン・リッチスパイク制御におけるリー
ン時に制御弁２７を全開位置に戻すのは、ＨＣ吸着材２
１から脱離したＨＣをリーン時にＮＯx触媒２０に導入
したくないからである。つまり、ＨＣ吸着材２１から脱
離したＨＣをリーン時にＮＯx触媒２０に導入しても、
このＨＣを有効に利用せしめることができず、また、Ｈ
Ｃ吸着材２１から脱離したＨＣを排気ガスとともにＮＯ
x触媒２０に導入すると、排気ガスの空燃比を小さくさ
せることになり、ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収作用を低下
させる虞れもあるからである。

【００５８】そして、リッチスパイク時に同期してＨＣ
吸着材２１に排気ガスが流れるように制御弁２７を開閉
制御しＨＣ吸着材２１からＨＣを脱離させる処理、即ち
ＨＣ脱離処理を、ＨＣ吸着材２１に吸着されているＨＣ
が殆どなくなるまで、即ちＨＣの脱離完了まで繰り返
す。ＨＣ吸着材２１のＨＣ脱離が完了した後は、制御弁
２７を再び全開位置に保持し、排気ガスをＨＣ吸着材２
１に導入しないようにする。

【００５９】ここで、ＨＣ吸着材２１のＨＣ脱離完了の
判定は、制御弁２７の開閉回数が予め設定しておいた所
定回数に達したときをＨＣ脱離完了と推定し判定しても
よいし、ケーシング４０の上流及び下流に空燃比センサ
を設けておき、リッチスパイク時における前記両空燃比
センサの出力に差がなくなったときをＨＣ脱離完了と判
定してもよい。

【００６０】（２）高速運転時次に、エンジンの暖機完了後にＨＣ吸着材２１に排気ガ
スを流す第２のケースは、車両を高速運転している場合
である。この場合には、車両が所定速度以上の高速運転
となったときに、制御弁２７を全閉位置にして、排気ガ
スの全量をＨＣ吸着材２１に流す。

【００６１】高速運転時には排気ガス温度が高温になる
が、この高温の排気ガスを制御弁２７を全開位置にして
ＮＯx触媒２０に流すと、ＮＯx触媒２０がその活性温度
域よりも高温側に外れて、ＮＯx浄化率が低下する場合
がある。このようなときに、制御弁２７を全閉位置にし
て排気ガスをＨＣ吸着材２１を通る経路に流すと、機関
本体１からＮＯx触媒２０に至るまでの流路長さが長く
なり放熱量も多くなるので、ＮＯx触媒２０に流入する
排気ガスの温度を低くすることができ、ＮＯx触媒２０
を活性温度域に収めることができるようになる。これに
よって、高速域における排気浄化の向上を図ることがで
きる。また、高温の排気ガスをＨＣ吸着材２１に流すこ
とによって、前述のＨＣ脱離処理を行ってもまだＨＣ吸
着材２１内に残留しているＨＣを完全に脱離させること
ができ、次回のエンジン始動時におけるＨＣ吸着材２１
のＨＣ吸着能を最大限に復活させることができる。

【００６２】〔第２の実施の形態〕図７は本発明に係る
内燃機関の排気浄化装置の第２の実施の形態の要部構成
を示す図である。前述した第１の実施の形態では、ＮＯ
x触媒２０とＨＣ吸着材２１を一つのケーシング４０内
に内蔵しユニット化したが、この第２の実施の形態で
は、ＮＯx触媒２０とＨＣ吸着材２１をそれぞれ別のケ
ーシングに内蔵し、これらを分離して配置している。

【００６３】即ち、第２の実施の形態では、三元触媒１
７を内蔵したケーシング１８に排気管１９の一端が連結
され、この排気管１９の他端にＨＣ吸着材２１を内蔵し
たケーシング５０の一端が連結され、ケーシング５０の
他端が排気管５１を介してＮＯx触媒２０を内蔵したケ
ーシング５２の一端に連結され、ケーシング５２の他端
が排気管２２を介して三元触媒２３を内蔵したケーシン
グ２４の一端に連結され、ケーシング２４の他端が排気
管２５に連結されている。

【００６４】前記ケーシング５０の内部には、中パイプ
５３が同心上に、且つケーシング５０に対して径方向に
隙間を有して、さらに両端部を開放した状態にして設置
されている。ケーシング５０と中パイプ５３との間には
環状断面の排気通路５４が形成されており、この排気通
路５４に前記ＨＣ吸着材２１が設けられている。そし
て、中パイプ５３の下流端部には、図示しないアクチュ
エータによって弁体が作動せしめられる制御弁２７が設
けられている。この実施の形態においては、中パイプ５
３内は主排気通路の一部を構成し、排気通路５４は、Ｎ
Ｏx触媒２０よりも上流における主排気通路をバイパス
するバイパス通路を構成する。

【００６５】この第２の実施の形態の場合も、制御弁２
７を全開位置にしたときには、排気ガスの殆どが排気管
１９から中パイプ５３を通って排気管５１に流れ、排気
通路５４及びＨＣ吸着材２１には殆ど流れない。また、
制御弁２７を全閉位置あるいは部分的閉位置にすると、
排気管１９からケーシング５０内に流入した排気ガスの
全部あるいは一部を排気通路５４及びＨＣ吸着材２１に
流すことができる。このように構成した第２の実施の形
態においても、第１の実施の形態の場合と同様の作用・
効果を得ることができる。

【００６６】

【発明の効果】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置に
よれば、低温時に排気ガス中のＨＣをＨＣ吸着材で吸着
することによりＨＣの大気放出を低減することができる
とともに、ＨＣ吸着材で吸着したＨＣを、吸蔵還元型Ｎ
Ｏx触媒におけるＮＯx浄化に必要な還元剤として利用す
ることができるという優れた効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置におけ
る第１の実施の形態の概略構成図である。

【図２】前記第１の実施の形態における排気浄化装置
の要部を拡大して示す図であり、制御弁を全閉位置にし
た状態を示す図である。

【図３】前記第１の実施の形態における排気浄化装置
の要部を拡大して示す図であり、制御弁を全開位置にし
た状態を示す図である。

【図４】基本燃料噴射時間のマップの一例を示す図で
ある。

【図５】機関から排出される排気ガス中の未燃ＨＣ，
ＣＯおよび酸素の濃度を概略的に示す線図である。

【図６】吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸放出作用を説
明するための図である。

【図７】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置におけ
る第２の実施の形態の要部構成を示す図である。

【符号の説明】

１機関本体（内燃機関）３燃焼室４点火栓１１燃料噴射弁１６，１９，２２，２５，５１排気管（主排気通路）１７三元触媒２０吸蔵還元型ＮＯx触媒２１ＨＣ吸着材２３三元触媒２７制御弁（排気流れ制御手段）２８温度センサ３０ＥＣＵ４０ケーシング４２内パイプ（主排気通路）４３，４４，５４排気通路（バイパス通路）５３中パイプ（主排気通路）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中比呂志愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G091 AA02 AA12 AA13 AA17 AA18 AA23 AA24 AB03 AB06 AB10 BA14 BA15 CA13 CA18 CA26 CB02 DA04 DB06 DC01 EA01 EA05 EA17 EA34 FA02 FA04 FA11 FA13 FA14 FA17 FB02 FB03 FB06 FB07 FB10 FB11 FB12 GB02W GB03W GB04W GB05W GB06W GB09Y GB10X HA09 HA10 HA12 HA19 HA20 HA36 HA37 HB03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（イ）希薄燃焼可能な内燃機関に連通す
る主排気通路に設けられ、流入する排気ガスの空燃比が
リーンのときにＮＯxを吸収し流入する排気ガスの酸素
濃度が低いときに吸収したＮＯxを放出しＮ₂に還元する
吸蔵還元型ＮＯx触媒と、（ロ）前記吸蔵還元型ＮＯx触
媒よりも上流における主排気通路をバイパスするバイパ
ス通路と、（ハ）前記バイパス通路に設けられ、低温で
ＨＣを吸着し高温でＨＣを放出するＨＣ吸着剤と、
（ニ）前記ＨＣ吸着剤がＨＣ吸着温度域にあるとき及び
前記吸蔵還元型ＮＯx触媒からＮＯxを放出すべく排気ガ
スの酸素濃度を低下させるときに排気ガスを前記バイパ
ス通路に導入すべく制御する排気流れ制御手段と、を備
えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。