JP4485564B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
リーン空燃比のもとで燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸蔵しているＮＯｘを放出して還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒内に吸蔵されたＮＯｘが放出し還元すべきときにはＮＯｘ吸蔵還元触媒への流入排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り換えるようにした内燃機関が公知である（特許文献１参照）。この内燃機関では、排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵される。ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘ量は時間の経過と共に次第に増加する。そこで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が飽和する前に一時的にＮＯｘ吸蔵還元触媒への流入排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り換え、それによってＮＯｘ吸蔵還元触媒内に吸蔵されたＮＯｘを放出し還元するようにしている。この場合、ＮＯｘ吸蔵還元触媒への流入排気ガスの空燃比をリッチに切り換えるために例えば内燃機関における空燃比がリッチに切り換えられる。
一方、機関排気通路内に配置された共通のケーシング内に前段触媒及び後段触媒を互いに直列配置して収容し、前段触媒及び後段触媒をそれぞれ単層構造又は多層構造から構成した内燃機関が公知である（特許文献２参照）。
特開平１１−４４２３４号公報 特開２００６−２９１８１２号公報
ＮＯｘ吸蔵還元触媒への流入排気ガスの空燃比が頻繁にリッチに切り換えられると燃料消費量が増大するので、ＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ吸蔵能力はできるだけ大きいのが好ましい。しかしながら、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置するための空間は限られているので、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の寸法ないし容量をできるだけ小さく維持しつつＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ吸蔵能力を高めることが必要である。
また、ＮＯｘ吸蔵還元触媒への流入排気ガスの空燃比がリッチに切り換えられた直後に、多量のＮＯｘが還元されることなくＮＯｘ吸蔵還元触媒から排出される場合があり、このようなＮＯｘの排出を抑制することも必要である。
これらの問題点を解決するために、特許文献２に記載されたようにＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流又は下流に追加の触媒を配置し又はＮＯｘ吸蔵還元触媒を多層構造から構成することも考えられるが、満足のいく解決策となっていないのが現状である。
本発明によれば、機関排気通路内に配置された共通のケーシング内に前段触媒及び後段触媒を互いに直列配置して収容した内燃機関の排気浄化装置において、前段触媒を、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸蔵しているＮＯｘを放出して還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒から構成すると共に、後段触媒を三元触媒又はＮＯｘ吸蔵還元触媒から構成し、前段触媒の酸化性を後段触媒の酸化性よりも高くなるように調製すると共に後段触媒の還元性を前段触媒の還元性よりも高くなるように調製し、前段触媒を上層及び下層を具備した多層構造から構成し、前段触媒において上層の酸化性を下層の酸化性よりも高くなるように調製すると共に下層の還元性を上層の還元性よりも高くなるように調製している。
ＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ吸蔵能力及びＮＯｘ浄化率を高めることができる。
図１は本発明を火花点火式内燃機関に適用した場合を示している。本発明を圧縮着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はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポート、１０は点火栓をそれぞれ示す。各気筒の吸気ポート７は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結される。サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内にはエアフロメータ１５と、ステップモータ１６によって駆動されるスロットル弁１７とが配置される。また、各吸気ポート７には燃料噴射弁１８が取り付けられる。各燃料噴射弁１８はコモンレール１９に連結され、コモンレール１９は吐出量を制御可能な燃料ポンプ２０を介して燃料タンク２１に連結される。コモンレール１９には燃料圧センサ２２が取り付けられており、コモンレール１９内の燃料圧が目標圧に一致するように燃料ポンプ２０の吐出量が制御される。
一方、各気筒の排気ポート９は対応する排気マニホルド２３及び排気管２４を介してケーシング２５に連結され、ケーシング２５は排気管２６に連結される。排気管２４内には空燃比センサ２７が取り付けられており、ケーシング２５内には触媒２８が収容されている。
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を介し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（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。アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏込量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４０が接続される。エアフロメータ１５、燃料圧センサ２２、空燃比センサ２７、及び負荷センサ４０の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６にそれぞれ入力される。さらに、クランク角センサ４１はクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３４ではこの出力パルスに基づいて機関回転数Ｎｅが算出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して点火栓１０、ステップモータ１６、燃料噴射弁１８、及び燃料ポンプ２０に接続される。
さて、触媒２８はケーシング２５内において互いに直列に配置された前段触媒２８Ｕ及び後段触媒２８Ｄを具備する。本発明による実施例では、前段触媒２８ＵはＮＯｘ吸蔵還元触媒から構成され、後段触媒２８Ｄは三元触媒から構成される。なお、後段触媒２８ＤをＮＯｘ吸蔵還元触媒から構成することもできる。また、本発明による実施例では、前段触媒２８Ｕの容量は後段触媒２８Ｄの容量と同じかそれよりも大きくされる。しかしながら、前段触媒２８Ｕの容量を後段触媒２８Ｄの容量よりも小さくすることもできる。
図２は前段触媒すなわちＮＯｘ吸蔵還元触媒２８Ｕの構造を示している。図２に示される実施例ではＮＯｘ吸蔵還元触媒２８Ｕはハニカム構造をなしており、薄肉の隔壁５０により互いに分離された複数個の排気ガス流通路５１を具備する。各隔壁ないし基材５０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３（Ａ）及び（Ｂ）はこの触媒担体５５の表面部分の断面を図解的に示している。図３（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように触媒担体５５の表面上には貴金属触媒５６が分散して担持されており、更に触媒担体５５の表面上にはＮＯｘ吸収剤５７の層が形成されている。
貴金属触媒５６として白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、オスミウムＯｓ、金Ａｕ、ロジウムＲｈ、イリジウムＩｒ、ルテニウムＲｕから選ばれた少なくとも一つが用いられ、ＮＯｘ吸収剤５７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る。
機関吸気通路、燃焼室５及びＮＯｘ吸蔵還元触媒２８Ｕ上流の排気通路内に供給された空気及び燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯｘ吸収剤５７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を放出するＮＯｘの吸放出作用を行う。
すなわち、貴金属触媒５６として白金Ｐｔを用いＮＯｘ吸収剤５７を構成する成分としてバリウムＢａを用いた場合を例にとって説明すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき、すなわち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれるＮＯは図３（Ａ）に示されるように白金Ｐｔ５６上において酸化されてＮＯ２となり、次いでＮＯｘ吸収剤５７内に吸収されて炭酸バリウムＢａＣＯ３と結合しながら硝酸イオンＮＯ３ −の形でＮＯｘ吸収剤５７内に拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ吸収剤５７内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ５６の表面でＮＯ２が生成され、ＮＯｘ吸収剤５７のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限りＮＯ２がＮＯｘ吸収剤５７内に吸収されて硝酸イオンＮＯ３ −が生成される。
これに対し、排気ガスの空燃比がリッチにされると排気ガス中の酸化濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ３ −→ＮＯ２）に進み、斯くして図３（Ｂ）に示されるようにＮＯｘ吸収剤５７内の硝酸イオンＮＯ３ −がＮＯ２の形でＮＯｘ吸収剤５７から放出される。次いで放出されたＮＯｘは排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ，ＣＯによって還元される。
また、本発明による実施例では、図４に示されるようにＮＯｘ吸蔵還元触媒２８Ｕが上層２８ＵＵ及び下層２８ＵＬを備えた多層構造から構成される。すなわち、基材５０の上に下層２８ＵＬ及び上層２８ＵＵが順次積層される。この場合、上層２８ＵＵ及び下層２８ＵＬはそれぞれＮＯｘ吸蔵還元触媒を構成しており、すなわち上述した貴金属触媒５６及びＮＯｘ吸収剤５７を備えている。なお、上層２８ＵＵと下層２８ＵＬとの間又は下層２８ＵＬと触媒担体５５との間に追加の層を設けることもできる。
上層２８ＵＵの貴金属触媒５６として、酸化性の高い貴金属、すなわち白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、オスミウムＯｓ、金Ａｕから選ばれた少なくとも一つが用いられる。一方、下層２８ＵＬの貴金属触媒５６として、還元性の高い貴金属、すなわちロジウムＲｈ、イリジウムＩｒ、ルテニウムＲｕから選ばれた少なくとも一つが用いられる。この場合、上層２８ＵＵには還元性の高い貴金属が含まれていない。
図５には上層２８ＵＵ及び下層２８ＵＬの貴金属触媒５６の種々の例が示される。すなわち、上層２８ＵＵの貴金属触媒５６として、図５（Ａ）の例では白金Ｐｔが用いられており、図５（Ｂ）の例ではパラジウムＰｄが用いられており、図５（Ｃ）の例では白金Ｐｔ及びパラジウムＰｄが用いられている。これに対し、下層２８ＵＬの貴金属触媒５６としては、いずれの例でもロジウムＲｈが用いられている。
このように上層２８ＵＵ及び下層２８ＵＬの貴金属触媒５６を選択すると、上層２８ＵＵの酸化性が下層２８ＵＬの酸化性よりも高くなり、下層２８ＵＬの還元性が上層２８ＵＵの還元性よりも高くなる。
一方、後段触媒すなわち三元触媒２８Ｄも、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２８Ｕと同様にハニカム構造をなしており、薄肉の隔壁により互いに分離された複数個の排気ガス流通路を具備する。各隔壁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、触媒担体の表面上には貴金属成分を含む触媒成分が担持されている。
また、本発明による実施例では、三元触媒２８Ｄも上層２８ＤＵ及び下層２８ＤＬを備えた多層構造から構成される。この場合、上層２８ＤＵ及び下層２８ＤＬはそれぞれ三元触媒を構成している。
三元触媒２８Ｄでは、上層２８ＤＵの貴金属成分として還元性の高い貴金属から選ばれた少なくとも一つが用いられ、下層２８ＤＬの貴金属成分として酸化性の高い貴金属から選ばれた少なくとも一つが用いられる。図６（Ａ）に示される例では、上層２８ＤＵの貴金属成分としてロジウムＲｈが用いられており、下層２８ＤＬの貴金属成分として白金Ｐｔが用いられている。
このように上層２８ＤＵ及び下層２８ＤＬの貴金属成分を選択すると、上層２８ＤＵの還元性が下層２８ＤＬの還元性よりも高くなり、下層２８ＤＬの酸化性が上層２８ＤＵの酸化性よりも高くなる。
あるいは、三元触媒２８Ｄを単層構造から構成することもできる。この場合、貴金属成分として少なくとも還元性の高い貴金属が用いられる。酸化性の高い金属は用いてもよいし用いなくてもよい。図６（Ｂ）に示される例では、貴金属成分としてロジウムＲｈ及び白金Ｐｔが用いられている。
このように前段触媒すなわちＮＯｘ吸蔵還元触媒２８Ｕの貴金属触媒５６及び後段触媒すなわち三元触媒２８Ｄの貴金属成分を選択すると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２８の酸化性が三元触媒２８Ｄの酸化性よりも高くなり、三元触媒２８Ｄの還元性がＮＯｘ吸蔵還元触媒２８Ｕの還元性よりも高くなる。
本発明による実施例では、前段触媒すなわちＮＯｘ吸蔵還元触媒２８Ｕ及び後段触媒すなわち三元触媒２８Ｄを別個の基材にそれぞれ担持し、これら基材を互いに直列に結合することによって触媒２８が形成される。なお、共通の基材の上流側にＮＯｘ吸蔵還元触媒２８Ｕを担持し、下流側に三元触媒２８Ｄを担持するようにしてもよい。
一方、多層構造のＮＯｘ吸蔵還元触媒２８Ｕは例えば次のようにして製造される。下層２８ＵＬの貴金属触媒５６としてロジウムＲｈを用い上層２８ＵＵの貴金属触媒５６として白金Ｐｔを用いた場合を例にとって説明すると、まず、下層２８ＵＬの触媒担体を形成する担体粉末及びロジウム粉末を分散させたスラリーが調製され、このスラリーが基材上に適用される。この場合、下層２８ＵＬの触媒担体として、例えばジルコニウムＺｒ、アルミナＡｌ２Ｏ３、セリアＣｅＯ２、ＺｒＯ２−Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２を用いることができる。また、ロジウム粉末はＰＭ粉末から形成され、硝酸塩又は酢酸塩の形でスラリー中に分散される。このスラリーの粘度は例えば３０％前後が好ましく、コート量は５０ｇ／Ｌから２００ｇ／Ｌが好ましい。次いで、乾燥（２００℃、２時間）及び焼成（４００℃、４時間）が行われ、斯くして下層２８ＵＬが形成される。
次いで、上層２８ＵＵの触媒担体を形成する担体粉末及び白金粉末を分散させたスラリーが調製され、このスラリーが下層２８ＵＬ上に適用される。この場合、上層２８ＵＵの触媒担体として、例えばジルコニウムＺｒ、アルミナＡｌ２Ｏ３、セリアＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３−ＣｅＯ２、ＺｒＯ２−Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２を用いることができる。また、白金粉末はテトラクロロ白金塩やジニトロ白金塩といった硝酸塩又は酢酸塩の形でスラリー中に分散される。このスラリーの粘度は例えば３０％前後が好ましく、コート量は５０ｇ／Ｌから２００ｇ／Ｌが好ましい。次いで、乾燥（２００℃、２時間）及び焼成（４００℃、４時間）が行われ、斯くして上層２８ＵＵが形成される。あるいは、下層２８ＵＬ上に触媒担体をまず形成し、次いでテトラクロロ白金塩又はジニトロ白金塩の水溶液をこの触媒担体に含浸させるようにしてもよい。
なお、多層構造の三元触媒２８Ｄも、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２８Ｕと同様に製造することができる。
ところで、本発明による実施例では、図７に示されるように機関負荷率ＫＬがあらかじめ定められた設定負荷率ＫＬＸよりも小さい低負荷運転時には、リーン空燃比のもとで燃焼を行うリーン運転が行われ、機関負荷率ＫＬが設定負荷率ＫＬＸよりも大きい高負荷運転時には、理論空燃比のもとで燃焼を行う理論空燃比運転が行われる。ここで、機関負荷率ＫＬは全負荷に対する機関負荷の割合をいう。なお、この場合、リーン運転が行われる内燃機関において、機関運転状態に応じ理論空燃比運転に一時的に切り換えられるという見方もできる。
したがって、リーン運転が行われているときにはＮＯｘ吸蔵還元触媒２８Ｕ内に流入する排気ガスの空燃比はリーンとなり、このとき排気ガス中のＮＯｘがＮＯｘ吸蔵還元触媒２８Ｕ内に吸蔵される。しかしながらリーン運転が継続して行われるとその間にＮＯｘ吸蔵還元触媒２８ＵのＮＯｘ吸蔵能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯｘ吸蔵還元触媒２８ＵによりＮＯｘを吸蔵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吸蔵還元触媒２８Ｕの吸蔵能力が飽和する前に排気ガスの空燃比を一時的にリッチし、それによってＮＯｘ吸蔵還元触媒２８ＵからＮＯｘを放出させ、排気中のＨＣ，ＣＯによりＮ２等に還元するようにしている。
すなわち、本発明による実施例ではＮＯｘ吸蔵還元触媒２８Ｕに単位時間当り吸蔵されるＮＯｘ量が例えば機関負荷率Ｌ及び機関回転数Ｎｅといった機関運転状態の関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、このＮＯｘ量を積算することによってＮＯｘ吸蔵還元触媒２８Ｕに吸蔵されているＮＯｘ量の積算値ＳＮが算出される。その上で、この吸蔵ＮＯｘ量積算値ＳＮが上限値ＭＡＸを越えるごとに、リッチ空燃比のもとで燃焼を行うリッチ運転が一時的に行われる。その結果、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２８ＵからＮＯｘが放出され還元される。
図８は本発明による実施例の機関運転制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。
図８を参照すると、まずステップ１００では機関負荷率ＫＬが設定負荷率ＫＬＸ（図７）よりも大きいか否かが判別される。ＫＬ≦ＫＬＸのときには次いでステップ１０１に進み、リーン運転が行われる。続くステップ１０２では吸蔵ＮＯｘ量積算値ＳＮが算出される。続くステップ１０３では吸蔵ＮＯｘ量積算値ＳＮが上限値ＭＡＸよりも大きいか否かが判別される。ＳＮ≦ＭＡＸのときには処理サイクルを終了し、したがってリーン運転が継続される。これに対し、ＳＮ＞ＭＡＸのときには次いでステップ１０４に進み、リッチ運転が例えば一定時間だけ行われる。続くステップ１０５では吸蔵ＮＯｘ量積算値ＳＮがクリアされる。一方、機関負荷率ＫＬが設定負荷率ＫＬＸよりも大きいときにはステップ１００からステップ１０６に進み、理論空燃比運転が行われる。
さて、本発明による実施例では、触媒２８ないしＮＯｘ吸蔵還元触媒２８ＵのＮＯｘ吸蔵能力を大きくすることができる。
図９（Ａ）は触媒２８のＮＯｘ吸蔵容量ＳＴの実験結果を示している。図９（Ａ）において、比較例Ｃａでは、触媒２８は単層構造のＮＯｘ吸蔵還元触媒のみから構成され、貴金属触媒として白金Ｐｔ及びロジウムＲｈが用いられている。実施例Ｅａ１では、触媒２８は二層構造のＮＯｘ吸蔵還元触媒のみから構成され、上層の貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられ、下層の貴金属触媒としてロジウムＲｈが用いられている。実施例Ｅａ２では、触媒２８は二層構造のＮＯｘ吸蔵還元触媒のみから構成され、上層の貴金属触媒として白金Ｐｔ及びパラジウムＰｄが用いられ、下層の貴金属触媒としてロジウムＲｈが用いられている。
図９（Ａ）からわかるように、実施例Ｅａ１，Ｅａ２では触媒２８のＮＯｘ吸蔵容量ＳＴが大きくなり、実施例Ｅａ２ではさらに大きくなる。これは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を多層構造から構成したことによるものと考えられる。したがって、触媒２８への流入排気ガスの空燃比をリッチに切り換える切り換え作用の頻度を低減することができ、燃料消費量を低減することができる。
一方、図１０に示されるように触媒２８への流入排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチに切り換えられると、単位時間当たりに触媒２８から排出されるＮＯｘ量ＥＸＮが急激に増大してピーク値ＰＫＮに達し、その後減少する。本発明による実施例では、この排出ＮＯｘ量ピーク値ＰＫＮを低減することができる。
図９（Ｂ）は触媒２８の排出ＮＯｘ量ピーク値ＰＫＮの実験結果を示している。図９（Ｂ）において、比較例Ｃｂ１では、触媒２８は単層構造のＮＯｘ吸蔵還元触媒のみから構成され、貴金属触媒として白金Ｐｔ及びロジウムＲｈが用いられている。比較例Ｃｂ２では、触媒２８は二層構造のＮＯｘ吸蔵還元触媒のみから構成され、上層の貴金属成分として白金Ｐｔが用いられており、下層の貴金属成分としてロジウムＲｈが用いられている。実施例Ｅｂでは、触媒２８は前段触媒及び後段触媒から構成される。前段触媒は二層構造のＮＯｘ吸蔵還元触媒から構成され、上層の貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられ、下層の貴金属触媒としてロジウムＲｈが用いられている。後段触媒は単層構造の三元触媒から構成され、貴金属成分として白金Ｐｔ及びロジウムＲｈが用いられている。
図９（Ｂ）からわかるように、比較例Ｃｂ２では比較例Ｃｂ１よりも排出ＮＯｘ量ピーク値ＰＫＮが増大する。しかしながら、実施例Ｅｂでは排出ＮＯｘ量ピーク値ＰＫＮを大幅に低減することができる。これは、前段触媒すなわちＮＯｘ吸蔵還元触媒から放出されたＮＯｘが後段触媒で還元されることによるものと考えられる。したがって、ＮＯｘ吸蔵容量を大きくしつつリーン運転時におけるＮＯｘ浄化率を高く維持できるということになる。
さらに、本発明による実施例では、高負荷運転時のように流入排気ガスの空燃比が理論空燃比の場合の触媒２８のＮＯｘ浄化率ＥＦＦＳを高く維持することができる。
図９（Ｃ）は流入排気ガスの空燃比が理論空燃比の場合の触媒２８のＮＯｘ浄化率ＥＦＦＳの実験結果を示している。図９（Ｃ）において、比較例Ｃｃ１では、触媒２８は単層構造のＮＯｘ吸蔵還元触媒のみから構成され、貴金属触媒として白金Ｐｔ及びロジウムＲｈが用いられている。比較例Ｃｃ２では、触媒２８は二層構造の三元触媒のみから構成され、上層の貴金属触媒としてロジウムＲｈが用いられており、下層の貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられている。実施例Ｅｃでは、触媒２８は前段触媒及び後段触媒から構成される。前段触媒は二層構造のＮＯｘ吸蔵還元触媒から構成され、上層の貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられ、下層の貴金属触媒としてロジウムＲｈが用いられている。後段触媒は単層構造の三元触媒から構成され、貴金属成分として白金Ｐｔ及びロジウムＲｈが用いられている。なお、単位時間当たりの触媒２８内への流入ＮＯｘ量及び触媒２８からの流出ＮＯｘ量をそれぞれＩＮＮ，ＥＸＮとすると、触媒２８のＮＯｘ浄化率ＥＦＦは次式によって表すことができる。
ＥＦＦ＝（ＩＮＮ−ＥＸＮ）／ＩＮＮ
図９（Ｃ）からわかるように、実施例Ｅｃでは比較例Ｃｃ１よりもＮＯｘ浄化率ＥＦＦＳが高められ、比較例Ｃｃ２と同等のＮＯｘ浄化率ＥＦＦＳを得ることができる。
上述の本発明による実施例では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２８Ｕへの流入排気ガスの空燃比をリッチにするためにリッチ運転を行うようにしている。しかしながら、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた内燃機関では膨張行程又は排気行程に燃料噴射を行うことにより流入排気ガスの空燃比をリッチにするようにしてもよい。あるいは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２８Ｕ上流の排気通路内に還元剤ないし燃料を二次的に供給することにより流入排気ガスの空燃比をリッチにするようにすることもできる。
また、上述の本発明による実施例では、低負荷運転時にリーン運転を行い、高負荷運転時に理論空燃比運転を行うようにしている。しかしながら、加速運転時にも理論空燃比運転を行うようにしてもよい。
内燃機関の全体図である。 ＮＯｘ吸蔵還元触媒の断面図である。 触媒担体の表面部分の断面図である。 ＮＯｘ吸蔵還元触媒の拡大断面図である。 ＮＯｘ吸蔵還元触媒の種々の例を示す図である。 三元触媒の種々の例を示す図である。 設定負荷率ＫＬＸを説明する図である。 機関運転制御ルーチンを実行するためのフローチャートである。 種々の実験結果を示す図である。 排出ＮＯｘ量ピーク値を説明するための図である。
符号の説明
１ 機関本体
２４，２６ 排気管
２５ ケーシング
２８ 触媒
２８Ｕ 前段触媒（ＮＯｘ吸蔵還元触媒）
２８Ｄ 後段触媒（三元触媒）

Claims (5)

  1. 機関排気通路内に配置された共通のケーシング内に前段触媒及び後段触媒を互いに直列配置して収容した内燃機関の排気浄化装置において、前段触媒を、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸蔵しているＮＯｘを放出して還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒から構成すると共に、後段触媒を三元触媒又はＮＯｘ吸蔵還元触媒から構成し、前段触媒の酸化性を後段触媒の酸化性よりも高くなるように調製すると共に後段触媒の還元性を前段触媒の還元性よりも高くなるように調製し、前段触媒を上層及び下層を具備した多層構造から構成し、前段触媒において上層の酸化性を下層の酸化性よりも高くなるように調製すると共に下層の還元性を上層の還元性よりも高くなるように調製した内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記後段触媒を上層及び下層を具備した多層構造から構成し、後段触媒において上層の還元性を下層の還元性よりも高くなるように調製すると共に下層の酸化性を上層の酸化性よりも高くなるように調製した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記後段触媒を単層構造から構成した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 内燃機関における空燃比がリーンに設定されており、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒内に吸蔵されたＮＯｘを放出し還元すべきときにはＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り換えられる請求項１から３までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 内燃機関における空燃比が機関運転状態に応じて一時的に理論空燃比に切り換えられる請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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