JPH05200249A - エンジンの排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】エンジンの燃焼状態が安定なときに空燃比を空
気過剰率が高い希薄空燃比に設定するものにおいて、ホ
ットスタート時に排気ガスが未浄化のままで排出される
ことを防止する。 【構成】エンジン１の排気系に希薄空燃比において排気
ガス中のＮＯｘの浄化が可能なＮＯｘ浄化用触媒３を設
け、温度センサ５によって検出される触媒温度が所定値
以上であるときに、空気過剰率が高くなるように空燃比
変更手段２を作動させるようにし、触媒温度が低いにも
拘らず希薄空燃比になることを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンの排気ガス浄
化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジンの排気ガス浄化用触媒として、
ＣＯ（一酸化炭素）及びＨＣ（炭化水素）の酸化と、Ｎ
Ｏｘ（窒素酸化物）の還元とを同時に行なう三元触媒が
一般に知られている。この三元触媒は、例えばγ−アル
ミナにＰｔ（白金）及びＲｈ（ロジウム）を担持させて
なるもので、エンジンの空燃比（Ａ／Ｆ）を理論空燃比
１４．７付近に制御したときに、高い浄化効率が得られ
る。

【０００３】そして、上記三元触媒を用いた排気ガスの
浄化装置として、上記三元触媒の上流側にＨＣ吸着剤を
配置するという提案はある（特開平２−７５３２７号公
報参照）。すなわち、このものは、排気ガス温度が低い
時にはＨＣを上記吸着剤によって吸着し、排気ガス温度
が高くなったときに上記吸着剤をバイパスさせて排気ガ
スを三元触媒に流すことにより、ＨＣが未浄化のままで
排出されることを防止するものである。

【０００４】これに対して、自動車の分野では、上記空
燃比を高くしてエンジンの低燃費化を図るという要望が
あり、そのために、希薄燃焼方式のエンジンが開発され
ている。すなわち、このエンジンは、混合気の霧化の改
善等を図って希薄混合気であっても安定な燃焼を実現で
きるようにしたものであり、エンジン温度が低い時には
空燃比を理論空燃比付近に設定し、エンジン温度が上昇
して混合気の燃焼安定性が高くなってから、空燃比が希
薄（リーン）側に切換えて設定されるのが通常である。
その場合、排気ガスは酸素過剰となるため、上記三元触
媒では、ＣＯやＨＣは酸化浄化することができても、Ｎ
Ｏｘの還元浄化ができなくなる。

【０００５】そこで、近年は、遷移金属をイオン交換担
持させてなるゼオライト（結晶性アルミノシリケート）
系のＮＯｘ浄化用触媒の研究が進められている。この触
媒の場合、リーン雰囲気においても、ＮＯｘを直接、あ
るいは共存する還元剤（例えば、ＣＯ，ＨＣ等）によ
り、Ｎ₂ とＯ₂ とに分解させることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記ＮＯｘ浄
化用触媒の場合、一般にその温度によって浄化性能が異
なり、触媒温度が低いときにはＮＯｘの浄化が円滑に行
なわれない、という性質がある。これに対して、上述の
希薄燃焼方式のエンジンは、その空燃比が基本的にはエ
ンジン温度に基づいて変更設定されるため、触媒温度が
低い場合でも空燃比がリーン設定になる。

【０００７】すなわち、例えば、エンジンの運転を停止
した後、このエンジンが冷える前に再起動（ホットスタ
ート）された場合、エンジン温度が高いため、再起動と
略同時に空燃比がリーン設定になる。しかし、触媒温度
は先のエンジンの停止によって比較的速く冷えるため、
上記ホットスタート時にはまだＮＯｘの浄化に適した温
度になっていないことがある。従って、その場合は、空
燃比がリーン設定になった後のＮＯｘの浄化が暫時不十
分になる。

【０００８】また、エンジンが冷えた状態で起動された
場合（コールドスタート）、自動車の低速走行では、エ
ンジン温度が上昇しても排気ガス温度がそれほど高くな
いために、触媒温度が低いまま、空燃比が理論空燃比か
らリーン設定に切り換えられることがある。その場合、
空燃比がリーンになることによって排気ガス温度の上昇
が遅くなるから、触媒温度の上昇も遅れ、ＮＯｘの浄化
が不十分となる。そして、排気ガス中のＮＯｘ成分が触
媒に吸着されて十分に浄化されない結果、その後にエン
ジンを停止し、再起動させたときに、先に飽和吸着され
ていたＮＯｘ成分が排出されてしまう。

【０００９】一方、上記ＮＯｘ浄化用触媒を過昇温によ
る劣化から保護するためには、排気系に触媒をバイパス
させて排気ガスを流すためのバイパス通路を設けること
が望ましいが、コールドスタート時に排気ガスをバイパ
ス通路に流すと、逆に排気ガスによる触媒の昇温が充分
に図れない。従って、エンジン温度の上昇に伴って空燃
比をリーン設定に切り換えるとともに排気ガスのバイパ
スをやめて触媒に排気ガスを流すようにしても、触媒温
度はまだ低いという状態を生ずる。

【００１０】

【課題を解決するための手段及びその作用】本発明は、
このような課題に対し、上記空燃比の設定の切換条件に
触媒温度を加味するものである。

【００１１】すなわち、上記課題を解決する手段の一つ
は、エンジンの燃焼室に供給される混合気の空燃比を変
更するための空燃比変更手段と、上記エンジンの排気系
に設けられ希薄空燃比において排気ガス中のＮＯｘの浄
化が可能なＮＯｘ浄化用触媒と、上記ＮＯｘ浄化用触媒
の温度を検出する触媒温度センサと、上記触媒温度セン
サによって検出される触媒温度が所定値以上であるとき
に、空気過剰率が高くなるように上記空燃比変更手段を
作動させる空燃比制御手段とを備えていること特徴とす
るエンジンの排気ガス浄化装置である。

【００１２】上記手段では、コールドスタート、ホット
スタートいずれにおいても、空燃比はエンジン温度が高
いだけでは空気過剰率が高いリーン設定にはならず、例
えば理論空燃比の設定のままであり、触媒温度が所定値
以上という条件が成立して初めて、空燃比がリーン設定
になる。従って、触媒温度が低いにも拘らず、空燃比が
リーン設定されて排気ガスが未浄化で排出されてしまう
ことが防止される。そして、触媒温度が低い場合には、
エンジンが空気過剰率の低い混合気で運転されることに
より、高温の排気ガスが得られ、触媒温度が短時間で上
昇してＮＯｘ浄化が効率良く行なわれる。

【００１３】上記空燃比の変更は、例えば、エンジンの
吸気系に或いは燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射手段の
作動を制御することにより実施することができる。

【００１４】上記手段は、排気系に上記ＮＯｘ浄化用触
媒をバイパスして排気ガスを排出するバイパス通路を設
ける場合にも有効である。その場合には、上記排気ガス
の流れを上記ＮＯｘ浄化用触媒側と上記バイパス通路側
との間で切換えるバイパスバルブと、上記エンジン温度
センサによって検出されるエンジン温度が所定値よりも
低いときに上記排気ガスが上記バイパス通路に流れ、上
記エンジン温度が所定値以上のときに上記排気ガスが上
記ＮＯｘ浄化用触媒に流れるよう、上記バイパスバルブ
の駆動を制御するバルブ制御手段とを設ければよい。

【００１５】これにより、エンジン温度が低いときにエ
ンジンが例えば理論空燃比で運転されて高温の排気ガス
が排出されても、それは触媒をバイパスして排出される
ため、この高温の排気ガスによる触媒の過昇温、すなわ
ち、熱劣化が防止される。そして、エンジン温度が上昇
した後は、上記高温の排気ガスがバイパス通路ではなく
触媒側を流れるため、この高温の排気ガスを利用して触
媒を早期に昇温せしめることができ、ＮＯｘ浄化の点で
有利になる。

【００１６】さらに、上記バイパス通路よりも下流側に
三元触媒を設けることが好適であり、このような三元触
媒を設けると、上記ＮＯｘ浄化触媒を通過し若しくはこ
れをバイパスしてその後方へ流れる排気ガス中のＮＯｘ
成分を三元触媒で浄化させることができ、特に理論空燃
比でのエンジン運転時にＮＯｘを効率良く浄化させるこ
とができる。

【００１７】上記ＮＯｘ浄化用触媒としてはゼオライト
のようなミクロの細孔を有する金属含有シリケートに遷
移金属を担持せしめたものが好適である。この金属含有
シリケートとしては、ゼオライトが好適であるが、これ
に代えて、例えば、結晶の骨格を形成する金属として、
ＡｌとＦｅ、Ｃｅ、Ｍｎ、Ｔｂ、Ｃｕ、Ｂ、Ｐなど他の
金属（半金属）とを組み合わせてなる金属含有シリケー
トや、Ａｌを含まない非アルミノシリケートも採用する
ことができ、これらは耐熱性を得る上で有効である。ま
た、耐熱性を向上せしめる観点からは、Ｎａ型よりもＨ
型の方が好ましく、特にＨ型ゼオライトが好適である。
上記ゼオライトとしては、ＺＳＭ−５が好適であるが、
Ａ型、Ｘ型、Ｙ型等であってもよい。

【００１８】遷移金属としては、Ｃｕが好適であるが、
それ以外のＣｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ等のような他
の遷移金属を用いることもできる。また、この遷移金属
は、上記金属含有シリケートにイオン交換によって担持
せしめることが好適であるが、含浸法もしくは加熱によ
り水分を除去してゼオライトに担持させる乾固法、溶液
状態で共存イオンにより担持させる共沈法等を採用する
こともできる。

【００１９】また、上記触媒は、その使用にあたって
は、ペレットタイプとすることができるが、担体に担持
せしめることもでき、その場合の担体としては、コーデ
ィライトが好適であり、また、他の無機多孔質体を用い
ることもできる。

【００２０】

【発明の効果】従って、上記エンジンの排気ガス浄化装
置によれば、ＮＯｘ浄化用触媒の温度が所定値以上に上
昇してからエンジンの空燃比を空気過剰率が高いリーン
設定にするようにしたから、エンジンのホットスタート
時でも触媒温度が低い限りは上記空燃比はリーン設定に
はならず、排気ガスが未浄化のままで排出されることを
防止することができ、また、触媒温度が低いときには例
えば理論空燃比でのエンジン運転により触媒温度を早期
に上昇させることができ、ＮＯｘの浄化を効率良く行な
わせることができる。

【００２１】また、上記装置においてバイパス通路を別
途設けてエンジン温度が低いときに排気ガスをバイパス
通路に流し、エンジン温度が上昇してから排気ガスを触
媒側に流すようにしたものによれば、エンジン温度が上
昇する前に高温の排気ガスによって触媒が過度に昇温し
劣化することを防止しながら、エンジン温度の上昇後
は、上記触媒を上記高温の排気ガスによってＮＯｘ浄化
に好適な温度まで早期に上昇させて、空燃比をリーン設
定にすることができる。

【００２２】さらに、上記バイパス通路よりも下流側に
三元触媒を配置したものによれば、上記ＮＯｘ浄化触媒
を通過し若しくはこれをバイパスしてその後方へ流れる
排気ガスを浄化することができ、特に理論空燃比でのエ
ンジン運転時にＮＯｘが未浄化のまま排出されてしまう
ことを防止することができる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１には
実施例装置の構成が記載されている。同図において、１
はエンジン、２はエンジン１の吸気系に設けられた空燃
比変更手段、３はエンジン１の排気系に設けられたＮＯ
ｘ浄化用触媒、４はエンジン１の温度（エンジン冷却水
温度）を検出するエンジン温度センサ、５は上記ＮＯｘ
浄化用触媒３の温度を検出する触媒温度センサ、６はＮ
Ｏｘ浄化用触媒３の下流側に設けられた三元触媒、７は
ＮＯｘ浄化用触媒３の上流側においてメイン通路８より
分岐しＮＯｘ浄化用触媒３と三元触媒６との間において
メイン通路８に合流したバイパス通路、９はバイパス通
路８の分岐点に設けられ排気ガスの排出方向をメイン通
路８とバイパス通路９との間で切り換えるバイパスバル
ブ、１０は上記空燃比変更手段２及びバイパスバルブ９
を作動させる制御手段である。また、１１はＮＯｘ浄化
用触媒３の入口の温度を検出する入口温度センサであ
る。

【００２４】上記空燃比変更手段２はエンジンの燃焼室
に供給される混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を理論空燃比と
空気過剰率が高い希薄空燃比との間で変更設定するもの
である。上記ＮＯｘ浄化用触媒４は、理論空燃比での排
気ガス地中のＮＯｘの浄化が可能であるとともに、希薄
空燃比においても排気ガス中のＮＯｘの浄化が可能な触
媒であって、ゼオライト（ＺＳＭ−５）にＣｕをイオン
交換によって担持せしめてなる。上記三元触媒６はγ−
アルミナに貴金属を担持してなる。

【００２５】また、上記制御手段１０は、上記エンジン
温度センサ４によって検出されるエンジン温度Ｔｅと、
上記触媒温度センサ５によって検出される触媒温度Ｔｃ
と、入口温度センサ１１によって検出される触媒入口温
度Ｔｉと、エンジンのイグニッションスイッチ（IG）か
らの信号とに基づいて、以下の条件に従って上記空燃比
変更手段２及びバイパスバルブ９の作動を制御する。

【００２６】−空燃比変更手段２の作動− 理論空燃比への設定；次の〜のいずれかの条件が成
立するとき Ｔｅ＜Ｔeo Ｔｃ＜Ｔco Ｔｃ≧Ｔco（IGオンからの経過時間ｔ＜ｔ1 の時）
且つＴｉ≦Ｔio且つ ｔ＜ｔ2 希薄空燃比への設定；上記〜のいずれも成立しない
とき −バイパスバルブ９の作動− バイパス通路開；Ｔｅ＜ＴeoまたはＴｉ＞Ｔio バイパス通路閉；Ｔｅ≧Ｔeo且つＴｉ≦Ｔio 但し、Ｔeoは希薄空燃比でも安定な燃焼状態が得られる
エンジン温度、Ｔc1はＮＯｘ浄化用触媒３が所定値以上
のＮＯｘ浄化率を示す触媒温度（実施例では３５０
℃）、ＴioはＮＯｘ浄化用触媒３の熱劣化を生じない安
全温度（実施例では６００℃）、ｔ1 はホットスタート
を判定するための時間、ｔ2 は先にＮＯｘ浄化用触媒３
に吸着していたＮＯｘを分解除去するに必要な時間ない
しは当該触媒全体がＮＯｘ浄化に適した温度になるまで
の時間（この点については後で詳述する）である。な
お、ｔ1 ＜ｔ2 である。

【００２７】次に実際のエンジン運転テスト及びその結
果について説明する。 −バイパス制御を行なわない場合− 図２は実施例のテスト結果を示し、図３は従来例のテス
ト結果を示す。従来例はエンジン温度ＴｅがＴeoになる
と直に空燃比を希薄空燃比に設定したものである。

【００２８】コールドスタートをみると、実施例と従来
例とは、空燃比の設定の切換条件が前者が触媒温度に基
づき、後者がエンジン温度に基づく点で相違するが、Ｎ
Ｏｘ浄化率及びＨＣ燃焼率について両者間に大差はなか
った。これは、中車速での走行を行なうようにした結
果、エンジン温度の上昇と触媒温度の上昇とが時期的に
一致したためである。低車速で走行した場合には、触媒
温度の上昇が遅れるため、実施例の場合は理論空燃比か
ら希薄空燃比への切換が遅くなる。その結果、実施例で
は触媒温度が早期に上昇し、従来例よりもＮＯｘ浄化率
及びＨＣ燃焼率は高くなる。

【００２９】ホットスタートをみると、従来例の場合は
触媒温度が低いにも拘らず、スタート後、比較的短時間
で空燃比がリーン設定になっているのに対し、実施例の
場合は、エンジン温度が上昇しても空燃比はリーン設定
にならず、さらに触媒温度ＴｃがＴco（３５０℃）を越
えても暫くは理論空燃比のままである。そして、ホット
スタートから所定時間ｔ2 を経過した後に、空燃比がリ
ーン設定に切換わっている。その結果として、実施例の
場合は、従来例よりも触媒温度Ｔｃが早期に高くなり、
ＨＣ燃焼率及びＮＯｘ浄化率も早くから高い値になって
いる。

【００３０】すなわち、エンジン１はホットスタート後
も暫くは理論空燃比で運転されることにより、良好な燃
焼が得られ、排気ガス温度が高くなるものであり、その
ためにＮＯｘ浄化用触媒３の温度が早期に上昇してい
る。従って、ホットスタート後、ＨＣ燃焼率が短時間で
高い値になるとともにＮＯｘ浄化率も早期に高くなって
いるものである。

【００３１】また、ホットスタート前のエンジンの運転
においては、それがアイドル運転であれば、触媒温度が
高くならないために、排気ガス中のＮＯｘ成分が触媒３
で分解されず、当該触媒に吸着されてしまう。また、エ
ンジンの停止時においても触媒温度が低下していく結
果、排気ガス中のＮＯｘ成分が分解されずに当該触媒に
吸着されてしまうことがある。

【００３２】これに対して、上述の如く、触媒温度が上
昇した後も暫くは（ｔ2 経過までは）理論空燃比でエン
ジン１が運転されているため、その間に先に当該触媒３
に吸着していたＮＯｘが分解除去され、また、その間に
ＮＯｘ浄化用触媒３の全体がＮＯｘ浄化に適した温度に
なるものである。さらに、ＮＯｘ浄化用触媒３は、その
全体がＮＯｘ浄化に適した温度になるまでの間は浄化能
が不安定であるが、浄化し易い排気ガスが得られる理論
空燃比でのエンジン運転により、ＮＯｘ浄化率が低くな
ることが防止される。

【００３３】−バイパス制御を行なった場合− 図４は実施例のテスト結果を示し、図５は従来例のテス
ト結果を示す。従来例は、エンジン温度Ｔｅが所定温度
Ｔeoになるまでバイパス通路を開とし、Ｔｅ＞Ｔeoでバ
イパス通路を閉として排気ガスをＮＯｘ浄化用触媒に流
すようにしたものである。なお、同図において、「バイ
パスＯＮ」あるいは「ＯＮ」はバイパス通路に排気ガス
を流していることを示す。

【００３４】コールドスタートをみると、実施例ではエ
ンジン温度ＴｅがＴeoに上昇しバイパス通路を閉にした
（排気ガスをＮＯｘ浄化用触媒３に流すようにした）後
も、暫くは理論空燃比でエンジン１が運転されている。
その結果、実施例では従来例よりも触媒温度Ｔｃが比較
的早くＴcoに達しており、その後に空燃比がリーン設定
に切換わっている。このため、従来例の場合は、排気ガ
スがＮＯｘ浄化用触媒に流されるようになっても、当該
触媒温度が低いために暫くは未浄化の排気ガスが排出さ
れてしまうのに対し、実施例の場合は従来例よりもＮＯ
ｘ浄化率の上昇が早い。

【００３５】また、触媒入口温度Ｔｉが所定温度Ｔioを
越えると、バイパス通路が開となって、触媒温度Ｔｃが
下がり。当該触媒３の熱劣化が防止されている。

【００３６】ホットスタートに関しては、先に説明した
バイパス制御がない例の場合と同様である。

【００３７】なお、上記実施例においては、ホットスタ
ートの判定をＴｃ≧Ｔco（IGオンからの経過時間ｔ＜ｔ
1 の時）という条件に基づいて行なったが、エンジン温
度Ｔｅ≧Ｔeo（IGオンからの経過時間ｔ＜ｔ1 の時）と
いう条件に基づいて行なうこともできる。

【００３８】また、上記実施例では触媒の熱劣化を防止
するために、触媒入口温度Ｔｉをみるようにしたが、触
媒温度Ｔｃをみるようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のエンジンの排気ガス浄化装置の構成図

【図２】実施例に関するバイパス制御がない場合のＮＯ
ｘ浄化率等のタイムチャート図

【図３】従来例に関するバイパス制御がない場合のＮＯ
ｘ浄化率等のタイムチャート図

【図４】実施例に関するバイパス制御がある場合のＮＯ
ｘ浄化率等のタイムチャート図

【図５】従来例に関するバイパス制御がある場合のＮＯ
ｘ浄化率等のタイムチャート図

【符号の説明】

なし

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹本 崇 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンの燃焼室に供給される混合気の空
   燃比を変更するための空燃比変更手段と、 上記エンジンの排気系に設けられ希薄空燃比において排
   気ガス中のＮＯｘの浄化が可能なＮＯｘ浄化用触媒と、 上記ＮＯｘ浄化用触媒の温度を検出する触媒温度センサ
   と、 上記触媒温度センサによって検出される触媒温度が所定
   値以上であるときに、空気過剰率が高くなるように上記
   空燃比変更手段を作動させる空燃比制御手段とを備えて
   いること特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。
2. 【請求項２】上記エンジンの温度を検出するエンジン温
   度センサと、 上記排気系に設けられ上記ＮＯｘ浄化用触媒をバイパス
   して排気ガスを排出するバイパス通路と、 上記排気ガスの流れを上記ＮＯｘ浄化用触媒側と上記バ
   イパス通路側との間で切換えるバイパスバルブと、 上記エンジン温度センサによって検出されるエンジン温
   度が所定値よりも低いときに上記排気ガスが上記バイパ
   ス通路に流れ、上記エンジン温度が所定値以上のときに
   上記排気ガスが上記ＮＯｘ浄化用触媒に流れるよう、上
   記バイパスバルブの駆動を制御するバルブ制御手段とを
   備えている請求項１に記載のエンジンの排気ガス浄化装
   置。
3. 【請求項３】上記排気系における上記バイパス通路より
   も下流側に三元触媒が設けられている請求項２に記載の
   エンジンの排気ガス浄化装置。