JP4379232B2

JP4379232B2 - 排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP4379232B2
Application number: JP2004202666A
Authority: JP
Inventors: 誠二菊池; 均一岩知道
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2024-07-09
Also published as: JP2006022754A

Description

本発明は、自動車等内燃機関に好適な排気ガス浄化装置に係り、一層詳細には広い温度領域で触媒の高浄化性能を維持することができる排気ガス浄化装置に関するものである。

一般に、自動車用内燃機関（エンジン）の排気系には、例えば車両の床下に位置して床下触媒コンバータ（ＵＣＣ）が介装されており、この床下触媒コンバータでは、主として該触媒コンバータに内蔵された三元触媒によって排気ガス中のＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化・低減している。また、近年、床下触媒コンバータに三元触媒とともに、酸化雰囲気でＮＯｘを吸蔵するとともに還元雰囲気で当該吸蔵したＮＯｘを放出し還元するＮＯｘ吸蔵触媒（ＮＯｘトラップ触媒）を備えた車両も実用化されている。

さらに、最近では、床下触媒コンバータ以外に、触媒の早期活性化を図るべくエンジンからの高温の燃焼ガスを受け易い排気マニホールド内や排気マニホールド直後に別途前段触媒コンバータ（ＭＣＣ、ＦＣＣ）を介装するようにし、エンジンの冷態始動直後からでも高い排気浄化性能を発揮可能にした排気ガス浄化装置が開発され実用化されている。

特開平７−２７９７１３号公報

ところで、近年排気ガス規制強化に伴って、高い触媒浄化性能が要求されている。ところが、上述したような従来の触媒にあっては、高温のある温度域（触媒が機能する上で頻繁に曝される温度帯でもある）において、貴金属のＣＯ被毒によると考えられる排気ガス浄化性能の低下が見られる。

例えば、図４のＮＯｘ浄化温度特性を示すグラフでも解るように、ＮＯｘは、貴金属量（ＰＧＭ）如何にかかわらず、触媒のベッド（中心）温度が７００℃近傍で、性能が低下する特性があることが、本発明者等により確認されており、これはＨＣやＣＯにおいても同様の特性が確認されている。尚、図４において縦軸はＮＯｘ浄化効率で、横軸は触媒のベッド温度である。

これは、前記温度域が、セリア（ＣｅＯ₂：ＯＳＣ（酸素ストレージ機能）剤）の形態が変化する領域であることから、貴金属への酸素授受の反応性が低下し、ＮＯｘの浄化性能に悪影響を与えていると考えられる。

尚、特許文献１では、パラジウム触媒の温度が約５００℃を越えるとＣＯ被毒によりＮＯｘ浄化率の低下が生じ、また空燃比がリッチ側に傾くとＣＯ被毒が進むという知見に基づいて、この二つの特性を活かして、パラジウム触媒の温度が約５００℃以下の時には内燃機関の制御中心空気過剰率が０．９８９〜０．９９６となるようにリッチ側へ、また、約５００℃以上の時には内燃機関の制御中心空気過剰率が理論空燃比近傍の０．９９８〜１．００３となるようにリーン側へ、空燃比を変更する燃料噴射量制御手段を設定した技術が開示されている。

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、パラジウム触媒に限定され、かつ空燃比を変更する温度領域が約５００℃に限定されることから汎用性が低いという問題点がある。

そこで、本発明の目的は、エンジン制御に関係なく広い温度領域で触媒の高浄化性能を維持することができる排気ガス浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するための請求項１に係る発明は、酸素ストレージ機能を備えた触媒を有する排気ガス浄化装置において、前記触媒の下流に設けられ排気ガスの状態を検出する排気ガス状態検出手段と、前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、前記排気ガスの状態に基づいて触媒のＣＯ被毒を判定するＣＯ被毒判定手段と、前記触媒の温度に基づいてＣＯ被毒判定手段の判定閾値を変更する閾値変更手段と、前記触媒のＣＯ被毒を判定したとき、触媒に過剰酸素を供給する酸素供給手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、所要の条件下で２次空気供給装置等により触媒に過剰酸素を供給することで、貴金属活性点を覆うＣＯとの酸化反応を促進し、触媒活性の回復が図られると共に、触媒のＣＯ被毒をより的確に判定することができる。

以下、本発明に係る排気ガス浄化装置を実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施例を示す内燃機関の排気ガス浄化装置の概略構成図、図２は同じくＣＯ被毒回復制御のフローチャート、図３は同じくリーンスパイクによる被毒回復の試験結果を示すグラフである。

図１に示すように、内燃機関本体（以下、単にエンジンという）１としては、例えば、火花点火式ガソリンエンジンが採用される。このエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキオ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン運転）が実現可能である。

エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ３が取り付けられるとともに各吸気ポート毎に電磁式の燃料噴射弁４が取り付けられている。点火プラグ３には高電圧を出力する図示しない点火コイルが接続されている。燃料噴射弁４には、燃料パイプを介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続されている。

シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に吸気ポート５が形成されており、各吸気ポート５と連通するようにして吸気マニホールド６の一端がそれぞれ接続されている。また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポート７が形成されており、各排気ポート７と連通するようにして排気マニホールド８の一端がそれぞれ接続されている。図中９は吸気ポート５を開閉する吸気弁で、１０は排気ポート７を開閉する排気弁である。

排気マニホールド８には排気管（排気通路）１１が接続されており、この排気管１１には、ＵＣＣとしての三元触媒コンバータ１２が介装されている。この三元触媒コンバータ１２における触媒は、酸素ストレージ機能（Ｏ₂ＳｔｏｒａｇｅＣｏｍｐｏｎｅｎｔ：ＯＳＣ）としてセリア（ＣｅＯ₂）を担持している。また、三元触媒コンバータ１２直下の排気管１１には排温センサ（触媒温度算出手段）１３とＯ₂センサ（排気ガス状態検出手段で、リニアＡ／Ｆ（空燃比）センサやＮＯｘセンサでも良い）１４とが介装される。

そして、本実施例では、吸気マニホールド６と排気マニホールド８との間に、エアポンプ１５ａ，二次空気制御バルブ（ＡＣＶ）１５ｂ及び電磁弁１５ｃ等からなる公知の二次空気供給装置（酸素供給手段）１５が設けられ、後述する所定の状況下で排気マニホールド８内に大気（過剰酸素）を導入し得るようになっている。

また、車両には、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を有するＥＣＵ（電子制御ユニット）１６が設けられており、このＥＣＵ１６によりエンジン１を含めた総合的な制御が行なわれる。即ち、ＥＣＵ１６の入力側には、図示しないスロットルポジションセンサ、エアフローセンサ、クランク角センサ、アクセルポジションセンサの他に前述した排温センサ１３、Ｏ₂センサ１４等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。

一方、ＥＣＵ１６の出力側には、前述した点火コイルを介して点火プラグ３、燃料噴射弁４及び図示しないスロットル弁等が接続されており、これら点火プラグ３、燃料噴射弁４及びスロットル弁等には、各種センサ類からの検出情報に基づいて演算された点火時期、燃料噴射量及びスロットル開度ｔｈ等の最適値がそれぞれ出力される。これにより、点火プラグ３によって適正なタイミングで点火が実施されると共に、燃料噴射弁４から所定の空燃比（Ａ／Ｆ）となるように適正量の燃料が適正なタイミングで噴射される。

また、本実施例では、ＥＣＵ１６は、三元触媒コンバータ１２における触媒の一時的なＣＯ被毒による触媒性能低下（図４参照）を防止すべくＣＯ被毒回復制御を行うようになっている。即ち、所定の状況下で電磁弁１５ｃを開閉制御すると共にエアポンプ１５ａを駆動制御し、二次空気供給装置１５により排気マニホールド８内に大気を導入するのである。

前記ＣＯ被毒回復制御を図２に示すフローチャートに基づいて詳細に説明する。
先ず、ステップＰ１で三元触媒コンバータ１２における触媒がＣＯ被毒検出範囲内か否かを判断する。即ち、排温センサ１３により触媒の温度が例えば６００〜８００℃（好ましくは７００℃前後）の温度範囲にあるか否かを判断するのである。

そして、可であればステップＰ２でＯ₂センサ（リアＯ₂）１４からの出力をモニタした後、ステップＰ３で触媒がＣＯ被毒劣化しているか否かを判断する。即ち、Ｏ₂センサ１４の出力信号の振れと閾値を比較するのである（ＣＯ被毒判定手段）。

ステップＰ３で可であれば、ステップＰ４で二次空気供給装置１５により排気マニホールド８内に大気を導入する（Ｏ₂供給開始）。一方、否であればステップＰ１に戻る。

次に、ステップＰ５で触媒がＣＯ被毒解除したか否かを判断する。即ち、Ｏ₂センサ１４の出力信号の振れと閾値を比較するのである（ＣＯ被毒判定手段）。

そして、ステップＰ５で可であれば、ステップＰ６で二次空気供給装置１５により排気マニホールド８内に大気を導入するのを停止（Ｏ₂供給終了）してＣＯ被毒回復制御を終了する。

このようにして、触媒の温度が例えば６００〜８００℃の温度範囲（これは触媒温度の高温への推移に対し、一旦浄化効率が向上した後、浄化効率が低下する温度領域であり、セリアの形態が変化する温度領域でもある）内において、一時的なＣＯ被毒を検出した際には、酸素（二次空気）を短期間（数秒）供給することで、貴金属活性点を覆うＣＯとの酸化反応を促進させられ、触媒活性の回復を図ることができる。

本発明者等は、図３のリーンスパイクによる被毒回復の試験結果を示すグラフで解るように、空燃比フィードバック制御においてリッチ側にシフトされた状況下でリーンスパイクすることで触媒がＣＯ被毒から回復することを確認した。

また、本実施例では、二次空気供給装置１５により排気マニホールド８内に大気を導入するので、エンジン制御に関係なく排気ガスの空燃比を制御でき、ＥＣＵ１６による制御が簡単である。

尚、上記実施例では、三元触媒コンバータ１９に例をとって説明したが、ＮＯｘトラップ触媒に適用することもできる。また、ＣＯ被毒を判定する閾値を触媒の温度に基づいて変更しても良い（閾値変更手段）。この場合、酸素ストレージ剤の機能が低下する温度域（セリアの場合６００℃〜８００℃）においてＣＯ被毒の判定を低くしそれ以外の温度域を高くする。このようにすれば、触媒のＣＯ被毒判定が全温度域で行なえ、特に酸素ストレージ機能が低下する温度域では早期にＣＯ被毒を判定でき、それ以外の温度域では、一時的な運転状態（例えばリッチ運転）による過剰な判定を抑制できる。

本発明の一実施例を示す内燃機関の排気ガス浄化装置の概略構成図である。同じくＣＯ被毒回復制御のフローチャートである。同じくリーンスパイクによる被毒回復の試験結果を示すグラフである。ＮＯｘ浄化温度特性を示すグラフである。

符号の説明

１エンジン、２シリンダヘッド、３点火プラグ、４燃料噴射弁、５吸気ポート、６吸気マニホールド、７排気ポート、８排気マニホールド、９吸気弁、１０排気弁、１１排気管、１２三元触媒コンバータ、１３排温センサ、１４Ｏ₂センサ、１５二次空気供給装置、１６ＥＣＵ（電子制御ユニット）。

Claims

酸素ストレージ機能を備えた触媒を有する排気ガス浄化装置において、
前記触媒の下流に設けられ排気ガスの状態を検出する排気ガス状態検出手段と、
前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
前記排気ガスの状態に基づいて触媒のＣＯ被毒を判定するＣＯ被毒判定手段と、
前記触媒の温度に基づいてＣＯ被毒判定手段の判定閾値を変更する閾値変更手段と、
前記触媒のＣＯ被毒を判定したとき、触媒に過剰酸素を供給する酸素供給手段と、
を備えたことを特徴とする排気ガス浄化装置。