JP2009041480A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特に、触媒上流の排気通路が湾曲部を有することによって生じる排気ガスの流速の偏りが、触媒に部分的な破壊や劣化が生じないよう、触媒を全体として効率的に使用することが可能にする。
【解決手段】機関排気通路内に、ＳＯｘを捕集するＳＯｘトラップ触媒２４を配置し、ＳＯｘトラップ触媒２４下流排気通路内にＮＯｘ吸蔵還元触媒２５を配置し、機関排気通路が湾曲部を有し湾曲部外側を通過することによって排気通路内に流速の偏りが生じた状態で排気ガスがＳＯｘトラップ触媒２４に流入することによって流入量に部分的な偏りがある内燃機関において、流速制御弁６１が、湾曲部外側を通って流速が早くなっている排気通路内のＳＯｘトラップ触媒２４の上流に配置され、排気ガスの平均流速Ｖａｖに応じた予め定められた位置に制御されることによって、排気ガスの流れをＳＯｘトラップ触媒２４に均一に流入するように制御する。
【選択図】図１２

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気通路内に、内燃機関本体から排出された排気ガス中の有害成分を浄化する触媒が配置された内燃機関において、排気管の構造等による排気ガスの流動方向に対して垂直な面内に流速の偏りが存在する。そのため、触媒に流入する単位時間当たりの排気ガスの流量にも部分的な偏りが生じ、それによって触媒が部分的に加熱されて触媒担体の破壊を招いたり、部分的な早期劣化を招いたりしてしまうという問題がある。そして、触媒全体としてはまだ使用可能な部分が多くあるにも関わらず、破壊された部分や劣化した部分を通過した排気ガス中の有害成分を十分に浄化することができないので、触媒全体を廃棄し交換しなければならない。

触媒に流入する排気ガスの流速の偏りを均一化することによってこの問題を解決するために、内燃機関の複数の気筒から排出される排気ガスを、各気筒に対応する排気マニホルドを介して集合させて触媒に導く排気マニホルドの排出ポート構造であって、複数の排気マニホルドが、排気マニホルドの少なくとも排出側にて合体すると共に、複数の排気マニホルドの合体した部分にて排気マニホルドの各排気流路を隔てる隔壁部の排出側端部又は排出側端部近傍に、排気流路間を連通する連通部を形成したことによって、排気タイミングの違いによる排気ガスの脈動による偏りが生じないようにした排気マニホルドの排出ポート構造が公知である（特許文献１参照）。

特開平１１−１４８３４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構造は、複数の排気マニホルドの合体した部分の排出側端部又は排出側端部近傍における構造によって、排気ガスの流速の均一化を図っている。そのため、複数の排気マニホルドを有さない内燃機関には適用することができない。

また、後で構成を詳細に説明するように、機関排気通路内に、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、その上流の排気通路内に配置され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に排気ガス中のＳＯｘが流入しないようにＳＯｘを捕集するＳＯｘトラップ触媒を配置した内燃機関においてはさらに特有の問題が生じる。すなわち、ＳＯｘトラップ触媒は、触媒の活性温度に早期に昇温させたり、後述するように捕集したＳＯｘを内部に拡散して捕集能力を回復させるために高温にしたりしなければならない場合がある。そのため、排気ガスがより高温な内燃機関本体の近傍の排気通路内に配置されていることが好ましい。しかしながら内燃機関本体近傍では、排気通路が湾曲していることが多く、排気ガスが湾曲部を通過することによって排気通路内に流速の偏りが生じる。従って、湾曲部近傍に触媒が配置されることに起因した排気ガスの流速の偏りが、触媒の部分的な加熱による触媒担体の破壊や部分的な早期劣化の前述の問題を新たに引き起こしている。車両の小型化を目指すために設計上の観点からも、このような場所に配置しなければならないことがしばしばある。

本発明は上記問題に鑑み、特に、触媒上流の排気通路が湾曲部を有することによって生じる排気ガスの流速の偏りが、触媒に部分的な破壊や劣化を引き起こさず、触媒を全体として効率的に使用することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、機関排気通路内に、ＳＯｘを捕集するＳＯｘトラップ触媒を配置し、該ＳＯｘトラップ触媒下流排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置し、機関排気通路が湾曲部を有し該湾曲部を通過することによって排気通路内に流速の偏りが生じた状態で排気ガスが前記ＳＯｘトラップ触媒に流入することによって流入量に部分的な偏りがある内燃機関において、前記湾曲部外側を通って流速が早くなっている排気通路内の領域に配置され、ＳＯｘが前記ＳＯｘトラップ触媒に均一に捕集されるように排気ガスの流れを調整する排気ガス調整手段を具備した内燃機関の排気浄化装置が提供される。すなわち、請求項１に記載の発明では、ＳＯｘがＳＯｘトラップ触媒に均一に捕集されるように排気ガスの流れを調整することによって、触媒を全体として効率的に使用することが可能となる。

また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、前記排気ガス調整手段が、前記ＳＯｘトラップ触媒上流に配置され、排気ガスの平均流速に応じた予め定められた位置に制御されることによって、排気ガスの流れを前記ＳＯｘトラップ触媒に均一に流入するように制御する可動部材である内燃機関の排気浄化装置が提供される。すなわち、請求項２に記載の発明では、排気ガスの平均流速に応じて可動部材をその都度位置決めすることによって、ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの流量を常に均一になるようにし、触媒を全体として効率的に使用することが可能となる。

また、請求項３に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、前記排気ガス調整手段が、前記ＳＯｘトラップ触媒の上流又は前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の下流に配置され、前記ＳＯｘトラップ触媒の捕集能力が飽和した部分に排気ガスが流入しないように制限する位置に制御される可動部材である請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。すなわち、請求項３に記載の発明では、排気ガスの流れを使用期間の経過に伴って徐々に調整することによって最終的に触媒を全体として効率的に使用することが可能となる。

また、請求項４に記載の発明によれば、機関排気通路内に、ＳＯｘを捕集するＳＯｘトラップ触媒を配置し、該ＳＯｘトラップ触媒下流排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置し、機関排気通路が湾曲部を有し該湾曲部を通過することによって排気通路内に流速の偏りが生じた状態で排気ガスが前記ＳＯｘトラップ触媒に流入することによって流入量に部分的な偏りがある内燃機関において、前記ＳＯｘトラップ触媒のＳＯｘ捕集可能量を前記偏りに応じて予め偏らせた内燃機関の排気浄化装置が提供される。すなわち、請求項４に記載の発明ではＳＯｘ捕集可能量を予め偏らせることによって、排気通路内に付加的な機構を必要とすることなく、触媒を全体として効率的に使用することが可能となる。

また、請求項５に記載の発明によれば、機関排気通路内に、ＳＯｘを捕集するＳＯｘトラップ触媒を配置し、該ＳＯｘトラップ触媒下流排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置し、機関排気通路が湾曲部を有し該湾曲部を通過することによって排気通路内に流速の偏りが生じた状態で排気ガスが前記ＳＯｘトラップ触媒に流入することによって流入量に部分的な偏りがある内燃機関において、前記ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの圧力損失の傾向を前記偏りに応じて予め偏らせた内燃機関の排気浄化装置が提供される。すなわち、請求項５に記載の発明では、圧力損失の傾向を予め偏らせることによって、排気通路内に付加的な機構を必要とすることなく、触媒を全体として効率的に使用することが可能となる。

各請求項に記載の発明によれば、特に、触媒上流の排気通路が湾曲部を有することによって生じる排気ガスの流速の偏りが、触媒に部分的な破壊や劣化を引き起こさず、触媒を全体として効率的に使用することが可能となるという共通の効果を奏する。

図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。しかしながら本発明を火花点火式内燃機関に適用することもできる。

図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口はエアフローメータ８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内には電気制御式スロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は排気後処理装置２０に連結される。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１３が配置される。また、ＥＧＲ通路１２周りにはＥＧＲ通路１２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１４が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１４内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１５を介してコモンレール１６に連結される。このコモンレール１６内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１７から燃料が供給され、コモンレール１６内に供給された燃料は各燃料供給管１５を介して燃料噴射弁３に供給される。

排気後処理装置２０は排気タービン７ｂの出口に連結された排気管２１と、排気管２１に連結された触媒コンバータ２２と、触媒コンバータ２２に連結された排気管２３とを具備する。触媒コンバータ２２内には上流側から順にＳＯｘトラップ触媒２４及びＮＯｘ吸蔵還元触媒２５が配置される。また、排気管２３には触媒コンバータ２２から排出された排気ガスの温度を検出するための温度センサ２６と、触媒コンバータ２２から排出された排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ２７とが配置される。触媒コンバータ２２から排出された排気ガスの温度はＳＯｘトラップ触媒２４及びＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の温度を表している。

一方、図１に示されるように排気マニホルド５には燃料添加弁２８が取り付けられる。この燃料添加弁２８にはコモンレール１６から燃料が添加され、燃料添加弁２８から排気マニホルド５内に燃料が添加される。本発明による実施例ではこの燃料は軽油からなる。なお、燃料添加弁２８を排気管２１に取り付けることもできる。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続された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（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。エアフローメータ８、温度センサ２６、及び空燃比センサ２７の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏み込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４０が接続され、負荷センサ４０の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４１が接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４１からの出力パルスに基づいて機関回転数Ｎが算出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０駆動装置、ＥＧＲ制御弁１３、燃料ポンプ１７、及び燃料添加弁２８に接続される。

まず初めに図１に示されるＮＯｘ吸蔵還元触媒２５について説明する。このＮＯｘ吸蔵還元触媒２５は例えばアルミナからなる触媒担体を有しており、図２はこの触媒担体４５の表面部分の断面を図解的に示している。図２に示されるように触媒担体４５の表面上には貴金属触媒４６が分散して担持されており、更に触媒担体４５の表面上にはＮＯｘ吸収剤４７の層が形成されている。

本発明による実施例では貴金属触媒４６として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯｘ吸収剤４７を構成する成分としては例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、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が用いられている。

機関吸気通路、燃焼室２およびＮＯｘ吸蔵還元触媒２５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）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯｘ吸収剤４７は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを還元放出するＮＯｘの吸収放出作用を行う。しかしながらリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間にＮＯｘ吸収剤４７のＮＯｘ吸収能力が飽和してしまい、ＮＯｘ吸収剤４７によりＮＯｘを吸収できなくなってしまう。そこで本発明による実施例ではＮＯｘ吸収剤４７の吸収能力が飽和する前に燃料添加弁２８から燃料を供給することによって排気ガスの空燃比を一時的にリッチにし、それによってＮＯｘ吸収剤４７からＮＯｘを還元放出させるようにしている。さらに、圧縮着火式内燃機関は排気ガスの温度が低いため、触媒の温度が上がらず触媒の反応性が悪い場合がある。そのようなときにも燃料添加弁２８から燃料を供給し、その反応熱で触媒を昇温させることができる。

ところで排気ガス中にはＳＯｘ、すなわちＳＯ₂が含まれており、このＳＯ₂がＮＯｘ吸蔵還元触媒２５に流入するとこのＳＯ₂は白金Ｐｔ４６において酸化されてＳＯ₃となる。次いでこのＳＯ₃はＮＯｘ吸収剤４７内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形でＮＯｘ吸収剤４７内に拡散し、安定した硫酸塩ＢａＳＯ₄を生成する。しかしながらＮＯｘ吸収剤４７が強い塩基性を有するためにこの硫酸塩ＢａＳＯ₄は安定していて分解しづらく、排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけでは硫酸塩ＢａＳＯ₄は分解されずにそのまま残る。従ってＮＯｘ吸収剤４７内には時間が経過するにつれて硫酸塩ＢａＳＯ₄が増大することになり、こうして時間が経過するにつれてＮＯｘ吸収剤４７が吸収しうるＮＯｘ量が低下することになる。

そこで本発明ではＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の上流にＳＯｘトラップ触媒２４を配置してこのＳＯｘトラップ触媒２４により排気ガス中に含まれるＳＯｘを捕集し、それによってＮＯｘ吸蔵還元触媒２５にＳＯｘが流入しないようにしている。次にこのＳＯｘトラップ触媒２４について説明する。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）はＳＯｘトラップ触媒２４の構造を示している。なお、図３（Ａ）はＳＯｘトラップ触媒２４の正面図を示しており、図３（Ｂ）はＳＯｘトラップ触媒２４の中心軸線を通る図３（Ａ）の線Ａ−Ａにおける側面断面図を示している。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示される実施例ではＳＯｘトラップ触媒２４はハニカム構造のモノリス触媒からなり、ＳＯｘトラップ触媒２４の軸線方向にまっすぐに延び、薄肉の隔壁４８により互いに分離された複数個の排気ガス流通路４９を有する。各隔壁４８の両側表面上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図４はこの触媒担体５０の表面部分の断面を図解的に示している。図４に示されるように触媒担体５０の表面上にはＳＯｘ捕集材５１が形成されており、このＳＯｘ捕集材５１の表面上には貴金属触媒５２が分散して保持されている。

本発明による実施例では貴金属触媒５２として白金が用いられており、ＳＯｘ捕集材５１を構成する成分としては例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、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が用いられている。即ち、ＳＯｘトラップ触媒２４のＳＯｘ捕集材５１は強塩基性を呈している。

さて、排気ガス中に含まれるＳＯｘ、すなわちＳＯ₂は図４に示されるように白金Ｐｔ５２において酸化され、次いでＳＯｘ捕集材５１内に捕集される。即ち、ＳＯ₂は硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形でＳＯｘ捕集材５１内に拡散し、硫酸塩を形成する。なお、上述したようにＳＯｘ捕集材５１は強塩基性を呈しており、従って図４に示されるように排気ガス中に含まれるＳＯ₂の一部は直接ＳＯｘ捕集材５１内に捕集される。

図４においてＳＯｘ捕集材５１内における濃淡は捕集されたＳＯｘの濃度を示している。図４からわかるようにＳＯｘ捕集材５１内におけるＳＯｘ濃度はＳＯｘ捕集材５１の表面近傍が最も高く、奥部に行くに従って次第に低くなっていく。ＳＯｘ捕集材５１の表面近傍におけるＳＯｘ濃度が高くなるとＳＯｘ捕集材５１の表面の塩基性が弱まり、ＳＯｘの捕集能力が弱まる。ここで排気ガス中に含まれるＳＯｘのうちでＳＯｘトラップ触媒２４に捕集されるＳＯｘの割合をＳＯｘトラップ率と称すると、ＳＯｘ捕集材５１の表面の塩基性が弱まればそれに伴ってＳＯｘトラップ率が低下することになる。本発明による実施例ではＳＯｘトラップ率が予め定められた率よりも低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯｘトラップ触媒２４の温度を上昇させる昇温制御を行い、それによってＳＯｘトラップ率を回復させるようにしている。ここで昇温制御として、燃料添加弁２８から燃料を供給し、その反応熱で触媒を昇温させている。

すなわち、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯｘトラップ触媒２４の温度を上昇させるとＳＯｘ捕集材５１内の表面近傍に集中的に存在するＳＯｘはＳＯｘ捕集材５１内におけるＳＯｘ濃度が均一となるようにＳＯｘ捕集材５１の奥部に向けて拡散していく。すなわち、ＳＯｘ捕集材５１内に生成されている硝酸塩はＳＯｘ捕集材５１の表面近傍に集中している不安定な状態からＳＯｘ捕集材５１内の全体に亘って均一に分散した安定した状態に変化する。ＳＯｘ捕集材５１内の表面近傍に存在するＳＯｘがＳＯｘ捕集材５１の奥部に向けて拡散するとＳＯｘ捕集材５１の表面近傍のＳＯｘ濃度が低下し、このようにしてＳＯｘトラップ触媒２４の昇温制御が完了するとＳＯｘトラップ率が回復する。

ＳＯｘトラップ触媒２４の昇温制御を行ったときにＳＯｘトラップ触媒２４の温度をほぼ４５０℃程度にすればＳＯｘ捕集材５１の表面近傍に存在するＳＯｘをＳＯｘ捕集材５１内に拡散させることができ、ＳＯｘトラップ触媒２４の温度を６００℃程度まで上昇させるとＳＯｘ捕集材５１内のＳＯｘ濃度をかなり均一化することができる。従ってＳＯｘトラップ触媒２４の昇温制御時には排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯｘトラップ触媒２４の温度を６００℃程度まで昇温させることが好ましい。

さて、ここで図５は排気管２１が、図１に示すように触媒コンバータ２２との連結部付近で湾曲しているときの排気ガスの流速を図解的に示している。矢印が排気ガスの流れを表し、矢印の密度が濃い程流速が大きいことを表す。排気ガスの流れはその慣性力のために湾曲部の外側の流速が大きくなる。従って、ＳＯｘトラップ触媒２４に流入する排気ガスの流量もそれに相当する部分、すなわち、図５において左側が大きくなる。これをａ側と称し、反対側すなわち右側をｂ側と称すと、前述したように、ＳＯｘトラップ触媒２４のａ側が部分的に加熱されて触媒担体の破壊や、部分的な早期劣化といった上述の問題が生じてしまう。この問題について、以下により詳細に説明する。

図６（Ａ）は、当該内燃機関を長期間運転させ、その間にＳＯｘトラップ触媒２４に流入した排気ガス中に含まれるＳＯｘの総流入量の分布を、図３（Ｂ）に示すような断面における分布曲線として図解的に示している。図６（Ａ）において左側が、図５におけるａ側に相当し、右側が図５におけるｂ側に相当する。ここでＳＯｘトラップ触媒２４がＳＯｘを吸収しきれず捕集能力が飽和する量、すなわち限界捕集量をＳＯＸ０として図６（Ａ）に示す。分布曲線と限界捕集量ＳＯＸ０を比較すると、ａ側の一部の領域において分布曲線が限界捕集量ＳＯＸ０を上回っている。すなわち、この領域については、ＳＯｘトラップ触媒２４が、分布曲線が限界捕集量ＳＯＸ０を上回っている分のＳＯｘ量だけ捕集しきれず、そのまま下流のＮＯｘ吸蔵還元触媒２５に対して排出している。その結果、対応する位置のＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の領域において、ＮＯｘ吸収剤４７にその分のＳＯｘが流入してしまい（図６（Ｂ））、前述のようなＮＯｘ吸収剤４７が吸収しうるＮＯｘ量の低下という問題が生じる。

仮に、分布曲線に示すＳＯｘ量と同量のＳＯｘが、偏ることなく均一にＳＯｘトラップ触媒２４に流入したとすると、ＳＯＸＥに示すような直線となる。すなわち、排気ガスが均一にＳＯｘトラップ触媒２４に流入した場合には、ＳＯｘトラップ触媒２４のいずれの箇所においても限界捕集量ＳＯＸ０を超えず、ＮＯｘ吸収剤４７が吸収しうるＮＯｘ量の低下という問題が生じることはない。

そこで本発明による１番目の実施形態では、ＳＯｘトラップ触媒２４のＳＯｘの限界捕集量に予め偏りを持たせることによって、流入する排気ガスの流量が多い部分だけが限界捕集量を超えてしまうという上記問題を解決している。

まず、限界捕集量を偏らせる方法を説明する前に、基準となる偏り傾向をどのように決定するかについて説明する。そのために、実際にＳＯｘトラップ触媒２４に流入する排気ガス量の分布を測定し、排気ガス中に含まれるのＳＯｘの比率は一定であると仮定してＳＯｘ量の偏りを決定する。当然のことながら、実際にＳＯｘトラップ触媒２４に流入する排気ガス量の偏り傾向は内燃機関の構成、すなわち排気管の湾曲の程度、排気管の長さ及び太さ等に大きく関連している。従って、その構成に応じて個別に測定し、決定する必要がある。さらに、機関の運転状況に応じても様々に変化するが、これは運転条件を仮定する。１つの方法として、排気ガスの流速が最も早く最も偏りが大きいと考えられる、スロットル弁が全開状態且つ高負荷の場合に、ＳＯｘトラップ触媒２４に流入する排気ガス量の分布を測定することである。その他の方法としては、予め決められた車両の走行パターンに応じて内燃機関を運転させ、そのときのＳＯｘトラップ触媒２４に流入する排気ガス量の分布を測定すること等が考えらる。これら方法によって図６（Ａ）の分布曲線に示すような実際の偏り傾向が得られる。得られた実際の偏り傾向が図６（Ａ）の分布曲線に示すものであるとして、以下の実施形態において説明する。

限界捕集量の偏り傾向を実現する方法の１つとして、触媒担体量を偏らせる方法について図７を参照しながら説明する。図７は、ＳＯｘトラップ触媒２４の排気ガス流通路の内周壁面上の表面部分の断面を図解的に示している。これを更に拡大すると先に示した図４となる。基材５３上の触媒担体５０は複数の細孔５４を有している。触媒担体５０上の表面部分には、図４の拡大図に示すように、ＳＯｘ捕集材５１を介して貴金属触媒５２が分散して担持されている。従って、触媒担体５０量を増やしてより厚く基材上に堆積させれば、その分細孔も増えて表面積が大きくなる。結果として触媒担体５０表面のＳＯｘ捕集材５１の面積及び貴金属触媒５２量も増えることとなり、ＳＯｘの限界捕集量が向上する。

この方法によってａ側の触媒担体５０量をｂ側と比較して相対的に増やし、最終的に図８に示すように、ａ側及びｂ側間の触媒担体５０量すなわち表面積の分布傾向が図６（Ａ）の分布曲線の傾向と同じような傾向となるように形成する。その結果、ｂ側よりもａ側に多くの排気ガスが流入しても、限界捕集量に達するまでの運転時間はａ側及びｂ側間でほぼ同じとなる。従って、ＳＯｘトラップ触媒２４が部分的に使用不能となることはなく、触媒を全体として無駄なく使用することが可能となる。

その他の方法として、触媒の反応性を向上させるために、触媒の貴金属活性（例えば、貴金属触媒５２量）やＳＯｘ捕集材５１量の分布傾向が、図８のような傾向となるように形成することによっても同様の目的が達せられる。また、ＳＯｘトラップ触媒２４のハニカム構造の排気ガス流通路４９の単位面積当たりの数、すなわち排気ガス流通路４９の配置の密度を高くし、排気ガス流通路４９内の表面積の傾向を図６（Ａ）の傾向と同じ図８のような傾向となるように形成することによっても同様の目的が達せられる。

本発明による２番目の実施形態では、排気ガスがＳＯｘトラップ触媒２４に流入する際の圧力損失の傾向を偏らせることによって、排気ガスがＳＯｘトラップ触媒２４全体に均一に流入するようにして上記問題を解決している。すなわち、排気ガスの流速の多いａ側において圧力損失がより大きくなるようにすると、必然的にその部分に流入する排気ガスの量が減少する。そして減少した分、より圧力損失の小さいｂ側へ排気ガスの流れが移行し、ＳＯｘトラップ触媒２４に流入する排気ガスの量が全体として均一になる。それによって、触媒を全体として効率的に使用することが可能となる。

圧力損失を大きくする方法として、例えば、図９に示すように排気ガス流通路４９の口径を小さくし、その分排気ガス流通路４９の数を増やし、密度をより高くすることが考えられる。排気ガス流通路４９の口径を小さくし、配置の密度を高くすれば、それだけその部分の圧力損失が大きくなる。また、排気ガス流通路４９の口径及び配置の密度は変えずに触媒担体５０の量を増やし、実質的に隔壁４８の厚さを厚くすることも考えられる。すなわち、触媒担体５０量を増やすと１番目の実施形態において説明したように、表面積が大きくなるが、それと背反に隔壁４８が全体として厚くなるため排気ガス流通路の口径が小さくなり、圧力損失が大きくなる。さらに別の方法として、触媒全体として使用可能な部分が減少するが、図１０に示すように排気ガス流通路４９を栓５５で塞ぐことによって物理的に排気ガスが通り抜けないようにすることも考えられる。この場合、ＳＯｘトラップ触媒２４の上流である入口側を塞ぐか下流すである出口側を塞ぐか選択できるが、出口側を塞いだ方が塞がれた排気ガス流通路４９自体の触媒も少なからず利用できるのでより好ましい。

これらの方法によって圧力損失を調節することが可能となり、ａ側及びｂ側間の圧力損失の傾向を、図６（Ａ）の分布曲線の傾向と同じような傾向となるように形成することが可能となる。より詳しく説明すると、排気ガス流通路４９の口径を小さくし、配置の密度を高くする方法においては、ａ側の排気ガスの流通路４９の口径をより小さく、配置の密度をより高くし、触媒担体５０の量を増やす方法においては、ａ側の触媒担体５０をより多くし、排気ガス流通路を栓５５で塞ぐ方法においては、塞ぐ穴の配置、割合、間隔等を変える。それによって図１１に示すような圧力損失の傾向を実現でき、ＳＯｘトラップ触媒２４に流入する排気ガスの量が全体として均一になる。それによって、触媒を全体として効率的に使用することが可能となる。

次に、３番目の実施形態について説明する。本実施形態では、図１２に示すように、ＳＯｘトラップ触媒２４の上流の排気通路内に配置され、アクチュエータ６０によって制御可能な平面的な流速制御弁６１を用いることで、ＳＯｘトラップ触媒２４に流入する排気ガスの流量が均一になるように排気ガスの流れを調整している。ＳＯｘトラップ触媒２４は前述の実施形態とは異なり、限界捕集量又は圧力損失に偏りがないものを用いる。

流速制御弁６１は、実線で示された閉位置と破線で示された開位置との間で、アクチュエータ６０によって段階的又は無段階的に駆動させられる。アクチュエータ６０は電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０からの出力信号に基づいて制御される。閉位置とは、流速制御弁６１が排気通路の中心軸線と略直交する断面内に位置し、排気ガスをその流れに対して略垂直に受けて流れを阻止する位置であり、開位置とは、流速制御弁６１が排気ガスの流れと略平行な断面内に位置し、排気ガスを遮らない位置である。

内燃機関運転時、排気ガスが流速制御弁６１に衝突すると、流速制御弁６１後方に後流渦６２が発生する。この後流渦６２を以下に示すような流速制御弁６１を用いて変化させることによって、下流の排気通路内の排気ガスが整流され、偏り無く略均一な流速となってＳＯｘトラップ触媒２４に流入することとなる。

次に、流速制御弁６１の設計事項及び制御原理について説明する。排気通路の中心軸線と直交する或る断面を基準面と称し、その基準面内における排気ガスの流速分布の平均値を平均流速Ｖａｖと称す（図１３）。流速制御弁６１の形状及び大きさや、排気通路内の取り付け位置等の諸々の設計事項は、排気ガスの平均流速Ｖａｖが最大の時に、閉位置にある流速制御弁６１がＳＯｘトラップ触媒２４に流入する排気ガスの流速分布を均一とするように決定される。当然のことながら、上記流速制御弁６１の諸々の設計事項は、適用する排気通路の形状、大きさ、長さ、及び触媒の配置等に応じて決定しなければならない。

ここで、流速制御弁６１の実施例を図１４及び図１５に示す。これら実施例によると流速制御弁６１は、半月状の薄板であり、回転軸Ｘを中心に閉位置（図１４（Ａ）、図１５（Ａ））及び開位置（図１４（Ｂ）、図１５（Ｂ））間でアクチュエータ６０によって位置決めされる。

また、アクチュエータ６０によって位置決めされる流速制御弁６１の制御目標値Ｃは、平均流速Ｖａｖが或る値の時、ＳＯｘトラップ触媒２４に流入する排気ガスが均一となる後流渦６２を生成するような位置に決定される。制御目標値Ｃは、閉位置における流速制御弁６１の角度を０度とし、回転軸Ｘ回りの角度によって表すことができる。そして、本実施形態において、閉位置の流速制御弁６１を含む排気通路内の断面を基準面とすると、基準面での平均流速Ｖａｖは要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎに応じて変化する。したがって、平均流速Ｖａｖに応じた制御目標値Ｃも、要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎの関数で表すことができ、図１６に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

次に図１７を参照しながら流速均一化操作のフローチャートについて説明する。この操作は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０により予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行されるルーチンとして行われる。

図１７を参照すると、まず初めにステップ１００において、当該ルーチン実行時点での要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎを基に、ＲＯＭ３２に記憶された図１６に示すマップから制御目標値Ｃが読み込まれる。次いでステップ１０１では、流速制御弁６１が制御目標値Ｃとなるようにアクチュエータ６０によって位置決めし、そしてルーチンを終了する。

次に、４番目の実施形態について説明する。本実施形態においては、図１８に示すように、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２５のすぐ下流であって流速が早いａ側に、アクチュエータ６５によって制御可能な流入制限弁６６を配置する。アクチュエータ６５は電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０からの出力信号に基づいて制御される。流入制限弁６６を用いることによって、ＳＯｘトラップ触媒２４の捕集能力が飽和し、使用不能になった部分に排気ガスが流入しないように制御している。

流入制限弁６６の機能について図１８を用いて具体的に説明する。流入制限弁６６は、実線で示された閉位置と破線で示された開位置との間で、アクチュエータ６５によって段階的又は無段階的に駆動させられる。閉位置とは、流入制限弁６６がＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の排出側の平面的な端面と平行な平面内に配置された位置であり、開位置とは、流入制限弁６６がＮＯｘ吸蔵還元触媒２５から排出される排気ガスの流れを遮らない位置である。開位置以外に位置決めされた流入制限弁６６は、その位置に対応するＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の排気ガス流通路から排出される排気ガスの流れを遮って排出されにくくする。そうすると、排出が遮られた部分に対応するＳＯｘトラップ触媒２４の排気ガス流通路に流入する排気ガスの流入時の抵抗が大きくなる。その結果、流入する排気ガスの流れが、排気ガスの排出が遮られていない、よりｂ側の方向に変化し、流入量を調節することが可能となる。

この機能を利用した実際の使用方法について、ＳＯｘトラップ触媒２４のＳＯｘ捕集量を示す図１９を参照しながら説明する。まだ未使用の内燃機関において、流入制限弁６６は開位置にある。内燃機関の運転時間に比例してＳＯｘトラップ触媒２４に捕集されるＳＯｘ量は、図１９の線Ｉに示すようにａ側に偏りがあるまま全体として徐々に増加する。このような状態で運転を続けると、まずＳＯｘトラップ触媒２４のａ側の一番外周に近い部分が限界捕集量に達し、捕集能力が飽和する（線ＩＩ）。そうすると、この部分についてはもう使用することができないので、排出ガスの排出を遮るように流入制限弁６６を駆動する。そうするとその部分にはもう排気ガスが流入せず、よりｂ側に排気ガスの流れが変化する。それによってさらに内側の部分も限界捕集量に達すると（線ＩＩＩ）、さらに流入制限弁６６を駆動して流入を制限する。これを繰り返し、限界捕集量に達した部分について排気ガスの流入を制限するよう、流入制限弁６６を制御することでＳＯｘトラップ触媒２４を全体として効率的に使用することが可能となる。

次に平均流速Ｖａｖに応じたＳＯｘトラップ触媒２４に流入するＳＯｘの分布を推定し、推定されたＳＯｘ量に基づいて流入制限弁６６を操作する方法について説明する。本実施形態において、閉位置の流入制限弁６６を含む排気通路内の断面を基準面とする。平均流速Ｖａｖは要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎの関数として図２０に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。そして、ＳＯｘトラップ触媒２４に単位時間当たりに流入するＳＯｘ量ＳＯＸはａ側からｂ側に向かう座標軸によって示される位置Ｘと平均流速Ｖａｖの関数として図２１に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。従って、ＳＯｘ量ＳＯＸを積算することによって或る位置の或る時点におけるＳＯｘの総捕集量ΣＳＯＸが算出される。

そしてこのように算出された総捕集量ΣＳＯＸが限界捕集量ＳＯＸ０を超えている場合には、その部分のＳＯｘトラップ触媒２４は使用不能と判断して、流入制限弁６６を位置決めして前述のように排気ガスの流入を制限する。なお、流入制限弁６６の開位置を角度０度とし、回転軸Ｘ回りの角度で表される制御目標値Ｃと、それに対応する排気ガスの流入を制限可能な位置Ｘは予めＲＯＭ３２に記憶されている。

次に図２２を参照しながら流入制限操作のフローチャートについて説明する。この操作は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０により予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行されるルーチンとして行われる。

図２２を参照すると、まず初めにステップ２００において、当該ルーチン実行時点での要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎを基に、ＲＯＭ３２に記憶された図２０に示すマップから平均流速Ｖａｖが読み込まれる。次いでステップ２０１では、読み込まれた平均流速Ｖａｖから、まだ使用可能な範囲で一番ａ側寄りの位置ＸにおけるＳＯｘ量ＳＯＸが読み込まれる。次いでステップ２０２では、読み込まれたＳＯｘ量ＳＯＸを総捕集量ΣＳＯＸに加算する。次いでステップ２０３では、算出された総捕集量ΣＳＯＸが限界捕集量ＳＯＸ０を超えたかどうかが判定される。その結果、まだ限界捕集量ＳＯＸ０を超えていない場合、ルーチンを終了する。一方、総捕集量ΣＳＯＸが限界捕集量ＳＯＸ０を超えている場合、ステップ２０４に進む。ステップ２０４では、限界捕集量ＳＯＸ０を超えた位置Ｘに対応する制御目標値Ｃが読み込まれる。次いでステップ２０５では、流入制限弁６６が制御目標値Ｃとなるようにアクチュエータ６５によって位置決めし、そしてルーチンを終了する。

なお、本実施形態において、流入制限弁６６は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の下流に配置したが、これをＳＯｘトラップ触媒２４のすぐ上流に配置し、捕集能力が飽和した部分のＳＯｘトラップ触媒２４に排気ガスが流入しないように排気ガス流通路４９を塞ぐようにしても良い。

内燃機関の全体図である。 ＮＯｘ吸蔵還元触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。 ＳＯｘトラップ触媒の構造を示す図である。 ＳＯｘトラップ触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。 ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの流速のイメージ図である。 ＳＯｘトラップ触媒とＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入するＳＯｘ量を示す図である。 ＳＯｘトラップ触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。 ＳＯｘ捕集可能量の偏りを示す図である。 本発明によるＳＯｘトラップ触媒の構造を示す図である。 本発明によるＳＯｘトラップ触媒の構造を示す図である。 圧力損失の偏りを示す図である。 流速制御弁の構造と排気ガスの流れを示す図である。 平均流速の基本的な考え方を示す図である。 流速制御弁の形状及び構造を示す図である。 流速制御弁の形状及び構造を示す別の図である。 制御目標値Ｃのマップを示す図である。 流速制御弁を制御して流速を均一にするためのフローチャートである。 流入制限弁６６の構造と排気ガスの流れを示す図である。 ＳＯｘ捕集量の遷移を示す図である。 平均流速Ｖａｖのマップを示す図である。 単位時間当たりに流入するＳＯｘ量のマップを示す図である。 流入制限弁を制御して排気ガスの流入を制限するためのフローチャートである。

符号の説明

１ 機関本体
２１ 排気管
２４ ＳＯｘトラップ触媒
２５ ＮＯｘ吸蔵還元触媒

Claims (5)

1. 機関排気通路内に、ＳＯｘを捕集するＳＯｘトラップ触媒を配置し、該ＳＯｘトラップ触媒下流排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置し、機関排気通路が湾曲部を有し該湾曲部を通過することによって排気通路内に流速の偏りが生じた状態で排気ガスが前記ＳＯｘトラップ触媒に流入することによって流入量に部分的な偏りがある内燃機関において、前記湾曲部外側を通って流速が早くなっている排気通路内の領域に配置され、ＳＯｘが前記ＳＯｘトラップ触媒に均一に捕集されるように排気ガスの流れを調整する排気ガス調整手段を具備した内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記排気ガス調整手段が、前記ＳＯｘトラップ触媒上流に配置され、排気ガスの平均流速に応じた予め定められた位置に制御されることによって、排気ガスの流れを前記ＳＯｘトラップ触媒に均一に流入するように制御する可動部材である請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記排気ガス調整手段が、前記ＳＯｘトラップ触媒の上流又は前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の下流に配置され、前記ＳＯｘトラップ触媒の捕集能力が飽和した部分に排気ガスが流入しないように制限する位置に制御される可動部材である請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 機関排気通路内に、ＳＯｘを捕集するＳＯｘトラップ触媒を配置し、該ＳＯｘトラップ触媒下流排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置し、機関排気通路が湾曲部を有し該湾曲部を通過することによって排気通路内に流速の偏りが生じた状態で排気ガスが前記ＳＯｘトラップ触媒に流入することによって流入量に部分的な偏りがある内燃機関において、前記ＳＯｘトラップ触媒のＳＯｘ捕集可能量を前記偏りに応じて予め偏らせた内燃機関の排気浄化装置。
5. 機関排気通路内に、ＳＯｘを捕集するＳＯｘトラップ触媒を配置し、該ＳＯｘトラップ触媒下流排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置し、機関排気通路が湾曲部を有し該湾曲部を通過することによって排気通路内に流速の偏りが生じた状態で排気ガスが前記ＳＯｘトラップ触媒に流入することによって流入量に部分的な偏りがある内燃機関において、前記ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの圧力損失の傾向を前記偏りに応じて予め偏らせた内燃機関の排気浄化装置。

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