内燃機関の排気浄化装置
【課題】内燃機関の燃料カットや内燃機関の停止による燃費の改善効果を損なわず、かつエミッションを悪化させることなく、排気中のＮＯｘを効率良く浄化できる排気浄化装置を提供すること。
【解決手段】エンジン２の排気管４に設けられ、排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを捕捉可能なＮＯｘ捕捉触媒４２と、排気管４のうちＮＯｘ捕捉触媒４２の下流側に設けられ、排気中のＮＯｘを浄化可能な三元触媒４３と、排気の空燃比を制御する排気空燃比制御手段と、を備え、ＮＯｘ捕捉触媒４２は、少なくともＡｇを含みかつ酸化物からなる担体を含んで構成され、排気空燃比制御手段は、所定の条件を満たすときには、エンジン２への燃料の供給を停止する燃料カット復帰後の所定時間の間、またはエンジン２の再始動後の所定時間の間、排気の空燃比をリーンに制御する。
【解決手段】エンジン２の排気管４に設けられ、排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを捕捉可能なＮＯｘ捕捉触媒４２と、排気管４のうちＮＯｘ捕捉触媒４２の下流側に設けられ、排気中のＮＯｘを浄化可能な三元触媒４３と、排気の空燃比を制御する排気空燃比制御手段と、を備え、ＮＯｘ捕捉触媒４２は、少なくともＡｇを含みかつ酸化物からなる担体を含んで構成され、排気空燃比制御手段は、所定の条件を満たすときには、エンジン２への燃料の供給を停止する燃料カット復帰後の所定時間の間、またはエンジン２の再始動後の所定時間の間、排気の空燃比をリーンに制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。より詳しくは、排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを捕捉可能なＮＯｘ捕捉触媒と、排気中のＮＯｘを浄化可能な三元触媒と、を備える内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関から排出される排気中に含まれる有害物質を浄化するための技術として、排気通路に三元触媒（以下、「ＴＷＣ」という）を設置して排気の空燃比を制御する技術が知られている。
また、排気中に含まれる有害物質のうち、特にＮＯｘの浄化率の向上を目的として、ＴＷＣに加えて、ＮＯｘ吸着触媒などを排気通路に併設する技術が知られている。
【０００３】
例えば、アルカリ金属やアルカリ土類金属を含むＮＯｘ吸着触媒を排気通路の上流側に配置し、貴金属を含むＴＷＣを下流側に配置する技術が提案されている（特許文献１参照）。
この技術によれば、上流側に配置されたＮＯｘ吸着触媒中に貴金属が含まれていないため、排気中のＳＯｘによる触媒の被毒を抑制でき、ＮＯｘ吸着能の低下を抑制できるとされている。また、下流側に配置されたＴＷＣ中には貴金属が含まれているため、排気中に含まれるＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）を還元剤として、ＮＯｘを効率良く還元浄化できるとされている。
【０００４】
また、例えば、排気通路の上流側から順に、ＮＯｘ吸着触媒とＴＷＣを配置するとともに、排気の空燃比を制御することによりＮＯｘを浄化する技術が提案されている（特許文献２参照）。
この技術によれば、排気の空燃比がリーンのときに、排気中のＮＯｘをニトロイルイオンとしてＮＯｘ吸着触媒にて吸着し、排気の空燃比がストイキまたはリッチのときに、吸着したＮＯｘを放出してＴＷＣにて還元浄化する。これにより、酸素過剰雰囲気の排気中に含まれるＮＯｘを効率良く浄化できるとされている。
【０００５】
ところで、近年では、車両停止中に内燃機関を停止させたり、電動モーターなどの内燃機関以外の駆動手段を備え、所定の運転状態において内燃機関を停止させることによって、有害物質のさらなる低減と燃費の改善を図る技術が検討されている。
【０００６】
上述のＴＷＣは、通常、酸素吸蔵能力（以下、「ＯＳＣ」という）を有し、ＯＳＣ材を含んで構成されるため、車両減速時や下り坂走行時などの場合に、燃料噴射を一時的に停止（以下、「燃料カット」という）したり、内燃機関を一時停止したりすると、酸素を多量に含んだ排気がＴＷＣに流入する。その結果、ＯＳＣ材の結晶格子中に酸素が多量に取り込まれ、ＴＷＣのＯＳＣ材が酸素過剰状態となる。ＮＯｘは還元されて浄化されるところ、ＴＷＣのＯＳＣ材が酸素過剰状態のときに燃料噴射を再開したり内燃機関を再始動したりすると、ＮＯｘ浄化率が一時的に低下する不具合が生じる。
【０００７】
そこで、上述のような一時的なＮＯｘ浄化率の低下を回避するため、内燃機関の燃料カット復帰直後や内燃機関の再始動直後において、燃料噴射量を増量するとともに排気の空燃比をリッチに制御する技術が提案されている（特許文献３参照）。
この技術によれば、燃料カット復帰直後や内燃機関の再始動直後において、排気中のＮＯｘを確実に浄化できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１４４３４３号公報
【特許文献２】特開２００３−３４３２５２号公報
【特許文献３】特開２００３−１７２１７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述の技術では、内燃機関の燃料カット復帰直後や内燃機関の再始動直後において、排気の空燃比をリッチにすべく燃料噴射量を増量するため、燃費の悪化の問題が生じ、燃料カットや内燃機関の停止による燃費の改善効果が小さくなる。また、燃料噴射量の増量により、排気中のＨＣ量が増加してエミッションの悪化を招く。
【００１０】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の燃料カットや内燃機関の停止による燃費の改善効果を損なわず、かつエミッションを悪化させることなく、排気中のＮＯｘを効率良く浄化できる排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため本発明に係る内燃機関（例えば、後述のエンジン２）の排気浄化装置（例えば、後述の排気浄化装置１）は、内燃機関の排気通路（例えば、後述の排気管４）に設けられ、排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを捕捉可能なＮＯｘ捕捉触媒（例えば、後述のＮＯｘ捕捉触媒４２）と、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ捕捉触媒の下流側に設けられ、排気中のＮＯｘを浄化可能な三元触媒（例えば、後述のＴＷＣ４３）と、排気の空燃比を制御する排気空燃比制御手段（例えば、後述のＥＣＵ７）と、を備え、前記ＮＯｘ捕捉触媒は、少なくともＡｇを含みかつ酸化物からなる担体を含んで構成され、前記排気空燃比制御手段は、所定の条件を満たすときには、前記内燃機関への燃料の供給を停止する燃料カット復帰後の所定時間の間、または前記内燃機関の再始動後の所定時間の間、排気の空燃比をリーンに制御することを特徴とする。
【００１２】
本発明では、少なくともＡｇを含むＮＯｘ捕捉触媒と、三元触媒と、を排気通路の上流側から順次配置し、所定の条件を満たすときには、燃料カット復帰後の所定時間の間、または内燃機関の再始動後の所定時間の間、排気空燃比をリーンに制御する。
これにより、燃料カット復帰直後やエンジン再始動直後において、三元触媒に含まれるＯＳＣ材が酸素過剰状態となってＮＯｘを効率良く浄化することができない状態になった場合には、三元触媒の上流側に配置されたＮＯｘ捕捉触媒によってＮＯｘを捕捉できる。特に、本発明では、燃料カット復帰直後や内燃機関の再始動直後において、従来とは異なり、排気の空燃比をリッチではなくリーンに制御して排気中の酸素濃度を高めることにより、少なくともＡｇを含むＮＯｘ捕捉触媒のＮＯｘ捕捉能を向上させることができ、ＮＯｘ捕捉触媒でＮＯｘを効率良く捕捉できる。
従って、本発明によれば、内燃機関の燃料カットや内燃機関の停止による燃費の改善効果を損なわず、かつＨＣなどのエミッションを悪化させることなく、排気中のＮＯｘを効率良く浄化できる。
【００１３】
ここで、少なくともＡｇを含むＮＯｘ捕捉触媒が、酸素濃度を高めることによりＮＯｘ捕捉能が向上する理由について説明する。
少なくともＡｇを含むＮＯｘ捕捉触媒にＮＯｘを含む排気が流入すると、下記式（１）で示されるＮＯの酸化反応が進行する。
［化１］
２ＮＯ＋Ｏ２→２ＮＯ２ …（１）
即ち、排気中に含まれるＮＯｘの大部分を占めるＮＯが、上記式（１）に従って酸化されてＮＯ２に変換される。次いで、生成したＮＯ２は、ＮＯｘ捕捉触媒の近傍に存在する余剰酸素によりＮＯ３−に変換された後、ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉される。具体的には、ＮＯｘ捕捉触媒中に含まれるＡｇが、ＮＯｘ捕捉能が非常に高い還元銀の状態となる際に、ＮＯｘ捕捉触媒の近傍に存在する余剰酸素に電子を供与し、この電子供与された酸素を通じてＮＯ２がＮＯ３−に変換され、ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉される。
従って、ＮＯｘ捕捉触媒の近傍に、ある程度の余剰酸素が存在していることがＮＯｘの捕捉には重要であることから、排気中の酸素濃度を高めることによって、ＮＯｘ捕捉触媒のＮＯｘ捕捉能を向上させることが可能となるのである。
【００１４】
また、この発明では、前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を検出または推定するＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段（例えば、後述の排気温度センサ９１、ＥＣＵ７）をさらに備え、前記排気空燃比制御手段は、前記ＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段により検出または推定された前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度が所定温度を超えたときには、前記内燃機関への燃料の供給を停止する燃料カット復帰後の所定時間の間、または前記内燃機関の再始動後の所定時間の間、排気の空燃比をストイキに制御することが好ましい。
【００１５】
この発明では、ＮＯｘ捕捉触媒の温度が所定温度を超えたときには、燃料カット復帰後の所定時間の間、または内燃機関の再始動後の所定時間の間、排気空燃比をストイキに制御する。
ＮＯｘ捕捉触媒が捕捉可能なＮＯｘの量は、温度に依存しており、温度が上昇するにつれて一旦増大した後は、温度の上昇とともに、捕捉可能なＮＯｘ量、即ちＮＯｘ最大捕捉量は減少する。このため、ＮＯｘ捕捉触媒の温度が、最低限必要なＮＯｘ最大捕捉量が得られる温度を超えたときには、排気の空燃比をリーンに制御したところで、ＮＯｘ捕捉能の向上は望めない。
そこで、本発明では、ＮＯｘ捕捉触媒の温度が所定温度を超えたときに、排気の空燃比をストイキに制御することにより、三元触媒のＮＯｘ浄化能を早期に回復させ、三元触媒によるＮＯｘの還元浄化を促進する。これにより、ＮＯｘをより効率良く浄化でき、ＮＯｘ排出量をより軽減できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、内燃機関の燃料カットや内燃機関の停止による燃費の改善効果を損なわず、かつエミッションを悪化させることなく、排気中のＮＯｘを効率良く浄化できる内燃機関の排気浄化装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るＮＯｘ浄化処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】ＮＯｘ捕捉触媒温度とＮＯｘ最大捕捉量ΣＮＯｘ＿ｍａｘとの関係を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るＮＯｘ浄化処理を説明するためのタイムチャートである。
【図５】ＮＯｘ捕捉触媒のＮＯｘ捕捉率と排気中の酸素濃度の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置１の構成を示す図である。内燃機関（以下、「エンジン」という）２は、多気筒（例えば４気筒）を有するガソリンエンジンであり、図示しないインジェクタからの燃料噴射量ＱＩＮＪは、後述する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）７によって設定される。また、このインジェクタの開弁時間は、設定された燃料噴射量ＱＩＮＪが得られるように、ＥＣＵ７からの駆動信号により制御される。
【００２０】
エンジン２には、吸気が流通する吸気管３と、排気が流通する排気管４と、が設けられている。吸気管３は、図示しない吸気マニホールドの複数の分岐部を介してエンジン２の各気筒の吸気ポートに接続されている。排気管４は、図示しない排気マニホールドの複数の分岐部を介してエンジン２の各気筒の排気ポートに接続されている。
【００２１】
吸気管３の上流側には、エンジン２の吸入空気量ＱＡＩＲを制御する図示しないスロットルバルブが設けられている。このスロットルバルブは、アクチュエータを介してＥＣＵ７に接続されており、その開度はＥＣＵ７により電磁的に制御される。
【００２２】
排気管４には、上流側から順に、ＮＯｘ捕捉触媒４２と、ＴＷＣ４３とが設けられている。排気管４のうち、ＮＯｘ捕捉触媒４２の上流側には、排気の温度を検出する排気温度センサ９１が設けられている。
【００２３】
ＮＯｘ捕捉触媒４２は、排気の空燃比がリーンのときに、排気中のＮＯｘを捕捉可能な触媒である。ここで、「リーン」とは、完全燃焼反応における化学量論比であるストイキに対して、空燃比が大きい（燃料濃度が希薄）状態を意味し、「リッチ」とは、空燃比が小さい（燃料濃度が高い）状態を意味する。また、本実施形態において「捕捉」とは、吸着、吸収、吸蔵のいずれも含むことを意味する。
【００２４】
ＮＯｘ捕捉触媒４２は、活性種として少なくともＡｇを含む。また、酸化物からなる担体を含んで構成される。好ましくは、ＮＯｘ捕捉触媒４２は、Ａｇに加えて、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、セリア、およびゼオライトからなる群より選択される少なくとも１種の酸化物を含んで構成される。
このような組成からなるＮＯｘ捕捉触媒４２は、例えば、約１００℃の低温領域から、ＮＯｘを酸化して捕捉することが可能である。
【００２５】
ＮＯｘ捕捉触媒４２の調製方法については特に限定されず、従来公知の方法により調製される。例えば、所定量の硝酸銀に蒸留水を加えて撹拌し、完全に溶解させた後、所定量のベーマイトを加えて撹拌した後、所定の条件で乾燥させる。乾燥後、所定の条件で焼成を行うと、ベーマイトがアルミナに転移する。このようにして得られた触媒を粉砕することにより、目的のＮＯｘ捕捉触媒粉末が得られる。
【００２６】
ＴＷＣ４３は、排気中に含まれるＣＯおよびＨＣを酸化して浄化するとともに、排気中に含まれるＮＯｘを還元して浄化する。
好ましくは、ＴＷＣ４３は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、セリア、およびゼオライトからなる群より選択される少なくとも１種の酸化物からなる担体に、ＰｔやＲｈなどの貴金属を担持させたものが用いられる。
【００２７】
また、ＴＷＣ４３は、排気の雰囲気変動を緩和する目的で、上記の担体に加えて、ＯＳＣ材としてＣｅＯ２を含んで構成される。好ましくは、ＣｅＯ２のＯＳＣ耐久性を向上させる目的で、ＣｅＯ２とＺｒＯ２との複合酸化物が用いられる。
【００２８】
ＴＷＣ４３の調製方法については特に限定されず、従来公知のスラリー法などにより調製される。具体的には、上記の酸化物、貴金属、ＯＳＣ材などを含むスラリーを調製後、調製したスラリーをコージェライト製ハニカム支持体にコートして焼成することにより調製される。
【００２９】
ＥＣＵ７には、排気温度センサ９１および図示しないエアフローセンサが接続されている。
排気温度センサ９１は、排気管４のうちＮＯｘ捕捉触媒４２の上流側に設けられており、ＮＯｘ捕捉触媒４２に流入する排気の温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。ＮＯｘ捕捉触媒４２の温度は、排気温度センサ９１の検出値に基づいて、ＥＣＵ７により算出される。
エアフローセンサは、エンジン２に吸入される吸入空気量ＱＡＩＲを検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。排気流量は、エアフローセンサの検出値に基づいて、ＥＣＵ７により算出される。
【００３０】
この他、ＥＣＵ７には、図示しないクランク角センサ、アクセル開度センサ、およびイグニッションスイッチが接続されている。
【００３１】
クランク角センサは、エンジン２のクランクシャフトの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号をＥＣＵ７に送信する。このＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０°）ごとに送信される。アクセル開度センサは、図示しないアクセルペダルの踏み込み量（以下、「アクセル開度」という）ＡＰを検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。イグニッションスイッチは、図示しない車両の運転席に設けられ、車両の起動または停止を指令する信号をＥＣＵ７に送信する。
【００３２】
ここで、エンジン２の回転数（以下、「エンジン回転数」という）ＮＥは、クランク角センサから送信されたＣＲＫ信号に基づいて、ＥＣＵ７により算出される。要求トルクＴＲＱは、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じ、予め格納されている所定のマップ（図示せず）を検索することによって、ＥＣＵ７により算出される。
【００３３】
ＥＣＵ７は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下、「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ７は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラムおよび演算結果などを記憶する記憶回路と、インジェクタやスロットルバルブなどに制御信号を出力する出力回路と、を備える。以上のようなハードウェア構成により、ＥＣＵ７には、以下に示すＮＯｘ浄化処理を実行するモジュールが構成される。
【００３４】
次に、本実施形態に係るＮＯｘ浄化処理の手順について説明する。
図２は、本実施形態に係るＮＯｘ浄化処理の手順を示すフローチャートである。本実施形態に係るＮＯｘ浄化処理は、エンジンの燃料カット復帰後の所定時間の間、ＮＯｘ捕捉触媒の温度に応じて排気の空燃比をリーンまたはストイキに制御することにより、ＮＯｘを浄化する処理である。このＮＯｘ浄化処理は、イグニッションスイッチがＯＮにされた後、ＥＣＵにより所定の周期で繰り返し実行される。
【００３５】
ステップＳ１では、エンジンの燃料カットを実行中であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ２に進み、ＮＯの場合には、ステップＳ３に進む。
ここで、エンジンの燃料カットは、例えば、車両が減速運転時や下り坂走行時において、アクセル開度ＡＰが所定の開度（例えば、０゜）にほぼ等しく、かつエンジン回転数ＮＥが所定の回転数（例えば、１０００ｒｐｍ）よりも高いときに、ＥＣＵ７により燃料噴射量ＱＩＮＪの値を０に制御して燃料の供給を停止することにより実行される。
【００３６】
ステップＳ２では、後述する排気空燃比のリーン制御のため、リーンタイマをセットする。リーンタイマをセット後、本処理を終了する。このように、車両走行中は、燃料カット実行中であるか否かを所定の周期で判別する。
【００３７】
ステップＳ３では、ＮＯｘ捕捉触媒の温度が所定温度を超えたか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ４に進み、ＮＯの場合には、ステップＳ５に進む。
具体的には、ＮＯｘ捕捉触媒の温度は、ＮＯｘ捕捉触媒の上流側の排気管に設けられた排気温度センサにより検出された排気温度に基づいて、ＥＣＵにより算出される。
また、所定温度は、予め実験により求めた図３に示すＮＯｘ捕捉触媒温度ＴＬＮＴとＮＯｘ最大捕捉量ΣＮＯｘ＿ｍａｘとの関係に基づいて、温度の上昇に伴ってＮＯｘ最大捕捉量がピークを超えた後に徐々に減少して最低限必要なＮＯｘ最大捕捉量ΣＮＯｘ＿ｍａｘ＿ＬＭＬとなるときのＮＯｘ捕捉触媒温度ＴＬＮＴ＿ＴＨに設定される。
【００３８】
ステップＳ４では、排気の空燃比をストイキに制御し、ステップＳ７に進む。即ち、本ステップでは、ステップＳ３でＮＯｘ捕捉触媒の温度が所定温度を超えたと判別され、最低限必要なＮＯｘ最大捕捉量ΣＮＯｘ＿ｍａｘ＿ＬＭＬが得られない場合であるため、排気の空燃比をリーンに制御することなく、ストイキに制御する。これにより、ＴＷＣでのＮＯｘ浄化能が早期に回復し、ＴＷＣによるＮＯｘの還元浄化が促進される。
具体的には、インジェクタの開弁時間を制御して燃料噴射量ＱＩＮＪを調整するとともに、スロットルバルブの開度を制御して吸入空気量ＱＡＩＲを調整するなどして、排気の空燃比をストイキに制御する。
【００３９】
ステップＳ５では、リーンタイマが「０」であるか否かを判別する。この判別がＮＯの場合には、ステップＳ６に進み、ＹＥＳの場合には、ステップＳ４に進んで、排気の空燃比をストイキに制御する。
【００４０】
ステップＳ６では、排気の空燃比をリーンに制御した後、ステップＳ７に進む。
具体的には、インジェクタの開弁時間を制御して燃料噴射量ＱＩＮＪを減量し、スロットルバルブの開度を制御して吸入空気量ＱＡＩＲを増量するなどして、排気の空燃比をリーンに制御する。
【００４１】
ステップＳ７では、リーンタイマを減算し、減算後は本処理を終了する。本ステップにより、排気空燃比のリーン制御中において、リーンタイマが減算される。予め設定されたリーンタイマの減算中は、排気空燃比のリーン制御を継続し、リーンタイマが「０」になったときに、リーン制御を終了して本処理を終了する。
【００４２】
なお、リーン制御終了後はストイキ制御に移行する。ここで、本実施形態では、ＮＯｘ捕捉触媒はエンジン直下の排気管に配置されているため、エンジンの運転条件によっては、排気の温度が例えば３５０℃以上の所定温度以上に達し、このとき、ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘは脱離する。従って、リーン制御からストイキ制御へ移行した後に、ＮＯｘ捕捉触媒の温度がＮＯｘ脱離温度に達するように制御することで、下流側に配置されたＴＷＣのＮＯｘ浄化作用を十分に発揮できる。
【００４３】
図４は、本実施形態に係るＮＯｘ浄化処理を説明するためのタイムチャートである。
図４は、イグニッションスイッチをＯＮにしてエンジンを始動させた後の車両走行時の例を示している。本実施形態では、通常、ストイキ運転が行われるため、排気の空燃比も通常はストイキの状態である。また、ＮＯｘ捕捉触媒温度は、時間の経過とともに上昇する。
【００４４】
先ず、時刻ｔ１において、燃料カットの実行を開始する。このとき、リーンタイマをセットする（ステップＳ１〜２参照）。
【００４５】
次いで、時刻ｔ２において、燃料カットの実行を停止して復帰し、リーンタイマの減算を開始する。このとき、ＮＯｘ捕捉触媒温度は、最低限必要な最大ＮＯｘ捕捉量ΣＮＯｘ＿ｍａｘ＿ＬＭＬが得られるＮＯｘ捕捉触媒温度ＴＬＮＴ＿ＴＨに達していないため、タイマ減算中は、排気の空燃比をリーンに制御する（ステップＳ３、６〜７参照）。
【００４６】
次いで、時刻ｔ３において、リーンタイマが「０」になると、排気の空燃比をリーン制御から通常のストイキ制御に移行する（ステップＳ５参照）。
【００４７】
次いで、時刻ｔ４になると、ＮＯｘ捕捉触媒温度が、最低限必要な最大ＮＯｘ捕捉量ΣＮＯｘ＿ｍａｘ＿ＬＭＬが得られるＮＯｘ捕捉触媒温度ＴＬＮＴ＿ＴＨに達する。
【００４８】
次いで、時刻ｔ５において、燃料カットの実行を再開する。このとき、リーンタイマをセットする（ステップＳ１〜２参照）。
【００４９】
次いで、時刻ｔ６において、燃料カットの実行を停止して復帰し、リーンタイマの減算を開始する。このとき、ＮＯｘ捕捉触媒温度は、最低限必要な最大ＮＯｘ捕捉量ΣＮＯｘ＿ｍａｘ＿ＬＭＬが得られるＮＯｘ捕捉触媒温度ＴＬＮＴ＿ＴＨを既に超えているため、タイマに関わらず、排気の空燃比をストイキに制御する（ステップＳ３〜４参照）。
【００５０】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、少なくともＡｇを含むＮＯｘ捕捉触媒４２と、ＴＷＣ４３と、を排気管４の上流側から順次配置し、所定の条件を満たすときには、エンジン２の燃料カット復帰後の所定時間の間、排気空燃比をリーンに制御する。
これにより、燃料カット復帰直後において、ＴＷＣ４３に含まれるＯＳＣ材が酸素過剰状態となってＮＯｘを効率良く浄化することができない状態になった場合には、ＴＷＣ４３の上流側に配置されたＮＯｘ捕捉触媒４２によってＮＯｘを捕捉できる。特に、本実施形態では、燃料カット復帰直後において、従来とは異なり、排気の空燃比をリッチではなくリーンに制御して排気中の酸素濃度を高めることにより、少なくともＡｇを含むＮＯｘ捕捉触媒４２のＮＯｘ捕捉能を向上させることができ、ＮＯｘ捕捉触媒４２でＮＯｘを効率良く捕捉できる。
従って、本実施形態によれば、エンジン２の燃料カットによる燃費の改善効果を損なわず、かつＨＣなどのエミッションを悪化させることなく、排気中のＮＯｘを効率良く浄化できる。
【００５１】
ここで、少なくともＡｇを含むＮＯｘ捕捉触媒４２が、酸素濃度を高めることによりＮＯｘ捕捉能が向上する理由について説明する。
図５は、ＮＯｘ捕捉触媒４２のＮＯｘ捕捉率と排気中の酸素濃度との関係を示す図である。ここで、ＮＯｘ捕捉率は、ＮＯｘ捕捉触媒４２を通過したＮＯｘのうち、ＮＯｘ捕捉触媒４２に捕捉されたＮＯｘの割合を意味する。図５に示すように、ＮＯｘ捕捉触媒４２のＮＯｘ捕捉率は、酸素濃度依存性を有する。具体的には、排気中の酸素濃度が０ｐｐｍの場合には、ＮＯｘ捕捉触媒４２のＮＯｘ捕捉率はほぼ０％であり、排気中の酸素濃度が５０００ｐｐｍ、１０％、２０％と高くなるに従って、ＮＯｘ捕捉率が向上していることが分かる。
【００５２】
少なくともＡｇを含むＮＯｘ捕捉触媒４２にＮＯｘを含む排気が流入すると、下記式（１）で示されるＮＯの酸化反応が進行する。
［化２］
２ＮＯ＋Ｏ２→２ＮＯ２ …（１）
即ち、排気中に含まれるＮＯｘの大部分を占めるＮＯが、上記式（１）に従って酸化されてＮＯ２に変換される。次いで、生成したＮＯ２は、ＮＯｘ捕捉触媒４２の近傍に存在する余剰酸素によりＮＯ３−に変換された後、ＮＯｘ捕捉触媒４２に捕捉される。具体的には、ＮＯｘ捕捉触媒４２中に含まれるＡｇが、ＮＯｘ捕捉能が非常に高い還元銀の状態となる際に、ＮＯｘ捕捉触媒４２の近傍に存在する余剰酸素に電子を供与し、この電子供与された酸素を通じてＮＯ２がＮＯ３−に変換され、ＮＯｘ捕捉触媒４２に捕捉される。
従って、ＮＯｘ捕捉触媒４２の近傍に、ある程度の余剰酸素が存在していることがＮＯｘの捕捉には重要であることから、排気中の酸素濃度を高めることによって、ＮＯｘ捕捉触媒４２のＮＯｘ捕捉能を向上させることが可能となるのである。
【００５３】
また、本実施形態では、ＮＯｘ捕捉触媒４２の温度が所定温度を超えたときには、エンジン２の燃料カット復帰後の所定時間の間、排気空燃比をストイキに制御する。
ＮＯｘ捕捉触媒４２が捕捉可能なＮＯｘの量は、温度に依存しており、温度が上昇するにつれて増大してピークを超えた後は、温度の上昇とともに、捕捉可能なＮＯｘ量、即ちＮＯｘ最大捕捉量ΣＮＯｘ＿ｍａｘは減少する（図３参照）。このため、ＮＯｘ捕捉触媒４２の温度が、最低限必要なＮＯｘ最大捕捉量ΣＮＯｘ＿ｍａｘ＿ＬＭＬが得られるＮＯｘ捕捉触媒温度ＴＬＮＴ＿ＴＨを超えたときには、排気の空燃比をリーンに制御したところで、ＮＯｘ捕捉能の向上は望めない。
そこで、本実施形態では、ＮＯｘ捕捉触媒４２の温度が所定のＴＬＮＴ＿ＴＨを超えたときに、排気の空燃比をストイキに制御することにより、ＴＷＣ４３のＮＯｘ浄化能を早期に回復させ、ＴＷＣ４３によるＮＯｘの還元浄化を促進する。これにより、ＮＯｘをより効率良く浄化でき、ＮＯｘ排出量をより軽減できる。
【００５４】
本実施形態では、ＥＣＵ７が、排気空燃比制御手段を構成する。また、図２のステップＳ１〜７の実行に係る手段が排気空燃比制御手段に相当する。
【００５５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
【００５６】
例えば、上記実施形態では、エンジンの燃料カット復帰後の所定時間の間、ＮＯｘ捕捉触媒の温度に応じて排気の空燃比をリーンまたはストイキに制御するものであるが、これを、エンジンを停止してから再始動後の所定時間の間に適用してもよい。これは、電動モーターなどのエンジン以外の駆動手段を備えたハイブリッド車において、エンジンと他の駆動手段との切替え時に好ましく適用できる。
この場合には、上記実施形態に係るＮＯｘ浄化処理のステップＳ３において、エンジンが停止中であるか否かを判別すればよい。ここで、エンジンが停止中であるか否かは、例えば、イグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態から推定でき、また、クランク角センサの検出信号からＥＣＵで算出されるエンジン回転数ＮＥに基づいて判別することもできる。これにより、上記実施形態と同様の効果が奏され、特に、ハイブリッド車の利用によるエミッションのさらなる改善が期待できる。
【００５７】
また、上記実施形態では、ガソリンエンジンに適用したが、これに限られず、ディーゼルエンジンに適用することもできる。
【符号の説明】
【００５８】
１ 排気浄化装置
２ エンジン（内燃機関）
４ 排気管（排気通路）
４２ ＮＯｘ捕捉触媒
４３ ＴＷＣ（三元触媒）
７ ＥＣＵ（排気空燃比制御手段、ＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段）
９１ 排気温度センサ（ＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。より詳しくは、排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを捕捉可能なＮＯｘ捕捉触媒と、排気中のＮＯｘを浄化可能な三元触媒と、を備える内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関から排出される排気中に含まれる有害物質を浄化するための技術として、排気通路に三元触媒（以下、「ＴＷＣ」という）を設置して排気の空燃比を制御する技術が知られている。
また、排気中に含まれる有害物質のうち、特にＮＯｘの浄化率の向上を目的として、ＴＷＣに加えて、ＮＯｘ吸着触媒などを排気通路に併設する技術が知られている。
【０００３】
例えば、アルカリ金属やアルカリ土類金属を含むＮＯｘ吸着触媒を排気通路の上流側に配置し、貴金属を含むＴＷＣを下流側に配置する技術が提案されている（特許文献１参照）。
この技術によれば、上流側に配置されたＮＯｘ吸着触媒中に貴金属が含まれていないため、排気中のＳＯｘによる触媒の被毒を抑制でき、ＮＯｘ吸着能の低下を抑制できるとされている。また、下流側に配置されたＴＷＣ中には貴金属が含まれているため、排気中に含まれるＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）を還元剤として、ＮＯｘを効率良く還元浄化できるとされている。
【０００４】
また、例えば、排気通路の上流側から順に、ＮＯｘ吸着触媒とＴＷＣを配置するとともに、排気の空燃比を制御することによりＮＯｘを浄化する技術が提案されている（特許文献２参照）。
この技術によれば、排気の空燃比がリーンのときに、排気中のＮＯｘをニトロイルイオンとしてＮＯｘ吸着触媒にて吸着し、排気の空燃比がストイキまたはリッチのときに、吸着したＮＯｘを放出してＴＷＣにて還元浄化する。これにより、酸素過剰雰囲気の排気中に含まれるＮＯｘを効率良く浄化できるとされている。
【０００５】
ところで、近年では、車両停止中に内燃機関を停止させたり、電動モーターなどの内燃機関以外の駆動手段を備え、所定の運転状態において内燃機関を停止させることによって、有害物質のさらなる低減と燃費の改善を図る技術が検討されている。
【０００６】
上述のＴＷＣは、通常、酸素吸蔵能力（以下、「ＯＳＣ」という）を有し、ＯＳＣ材を含んで構成されるため、車両減速時や下り坂走行時などの場合に、燃料噴射を一時的に停止（以下、「燃料カット」という）したり、内燃機関を一時停止したりすると、酸素を多量に含んだ排気がＴＷＣに流入する。その結果、ＯＳＣ材の結晶格子中に酸素が多量に取り込まれ、ＴＷＣのＯＳＣ材が酸素過剰状態となる。ＮＯｘは還元されて浄化されるところ、ＴＷＣのＯＳＣ材が酸素過剰状態のときに燃料噴射を再開したり内燃機関を再始動したりすると、ＮＯｘ浄化率が一時的に低下する不具合が生じる。
【０００７】
そこで、上述のような一時的なＮＯｘ浄化率の低下を回避するため、内燃機関の燃料カット復帰直後や内燃機関の再始動直後において、燃料噴射量を増量するとともに排気の空燃比をリッチに制御する技術が提案されている（特許文献３参照）。
この技術によれば、燃料カット復帰直後や内燃機関の再始動直後において、排気中のＮＯｘを確実に浄化できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１４４３４３号公報
【特許文献２】特開２００３−３４３２５２号公報
【特許文献３】特開２００３−１７２１７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述の技術では、内燃機関の燃料カット復帰直後や内燃機関の再始動直後において、排気の空燃比をリッチにすべく燃料噴射量を増量するため、燃費の悪化の問題が生じ、燃料カットや内燃機関の停止による燃費の改善効果が小さくなる。また、燃料噴射量の増量により、排気中のＨＣ量が増加してエミッションの悪化を招く。
【００１０】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の燃料カットや内燃機関の停止による燃費の改善効果を損なわず、かつエミッションを悪化させることなく、排気中のＮＯｘを効率良く浄化できる排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため本発明に係る内燃機関（例えば、後述のエンジン２）の排気浄化装置（例えば、後述の排気浄化装置１）は、内燃機関の排気通路（例えば、後述の排気管４）に設けられ、排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを捕捉可能なＮＯｘ捕捉触媒（例えば、後述のＮＯｘ捕捉触媒４２）と、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ捕捉触媒の下流側に設けられ、排気中のＮＯｘを浄化可能な三元触媒（例えば、後述のＴＷＣ４３）と、排気の空燃比を制御する排気空燃比制御手段（例えば、後述のＥＣＵ７）と、を備え、前記ＮＯｘ捕捉触媒は、少なくともＡｇを含みかつ酸化物からなる担体を含んで構成され、前記排気空燃比制御手段は、所定の条件を満たすときには、前記内燃機関への燃料の供給を停止する燃料カット復帰後の所定時間の間、または前記内燃機関の再始動後の所定時間の間、排気の空燃比をリーンに制御することを特徴とする。
【００１２】
本発明では、少なくともＡｇを含むＮＯｘ捕捉触媒と、三元触媒と、を排気通路の上流側から順次配置し、所定の条件を満たすときには、燃料カット復帰後の所定時間の間、または内燃機関の再始動後の所定時間の間、排気空燃比をリーンに制御する。
これにより、燃料カット復帰直後やエンジン再始動直後において、三元触媒に含まれるＯＳＣ材が酸素過剰状態となってＮＯｘを効率良く浄化することができない状態になった場合には、三元触媒の上流側に配置されたＮＯｘ捕捉触媒によってＮＯｘを捕捉できる。特に、本発明では、燃料カット復帰直後や内燃機関の再始動直後において、従来とは異なり、排気の空燃比をリッチではなくリーンに制御して排気中の酸素濃度を高めることにより、少なくともＡｇを含むＮＯｘ捕捉触媒のＮＯｘ捕捉能を向上させることができ、ＮＯｘ捕捉触媒でＮＯｘを効率良く捕捉できる。
従って、本発明によれば、内燃機関の燃料カットや内燃機関の停止による燃費の改善効果を損なわず、かつＨＣなどのエミッションを悪化させることなく、排気中のＮＯｘを効率良く浄化できる。
【００１３】
ここで、少なくともＡｇを含むＮＯｘ捕捉触媒が、酸素濃度を高めることによりＮＯｘ捕捉能が向上する理由について説明する。
少なくともＡｇを含むＮＯｘ捕捉触媒にＮＯｘを含む排気が流入すると、下記式（１）で示されるＮＯの酸化反応が進行する。
［化１］
２ＮＯ＋Ｏ２→２ＮＯ２ …（１）
即ち、排気中に含まれるＮＯｘの大部分を占めるＮＯが、上記式（１）に従って酸化されてＮＯ２に変換される。次いで、生成したＮＯ２は、ＮＯｘ捕捉触媒の近傍に存在する余剰酸素によりＮＯ３−に変換された後、ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉される。具体的には、ＮＯｘ捕捉触媒中に含まれるＡｇが、ＮＯｘ捕捉能が非常に高い還元銀の状態となる際に、ＮＯｘ捕捉触媒の近傍に存在する余剰酸素に電子を供与し、この電子供与された酸素を通じてＮＯ２がＮＯ３−に変換され、ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉される。
従って、ＮＯｘ捕捉触媒の近傍に、ある程度の余剰酸素が存在していることがＮＯｘの捕捉には重要であることから、排気中の酸素濃度を高めることによって、ＮＯｘ捕捉触媒のＮＯｘ捕捉能を向上させることが可能となるのである。
【００１４】
また、この発明では、前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を検出または推定するＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段（例えば、後述の排気温度センサ９１、ＥＣＵ７）をさらに備え、前記排気空燃比制御手段は、前記ＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段により検出または推定された前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度が所定温度を超えたときには、前記内燃機関への燃料の供給を停止する燃料カット復帰後の所定時間の間、または前記内燃機関の再始動後の所定時間の間、排気の空燃比をストイキに制御することが好ましい。
【００１５】
この発明では、ＮＯｘ捕捉触媒の温度が所定温度を超えたときには、燃料カット復帰後の所定時間の間、または内燃機関の再始動後の所定時間の間、排気空燃比をストイキに制御する。
ＮＯｘ捕捉触媒が捕捉可能なＮＯｘの量は、温度に依存しており、温度が上昇するにつれて一旦増大した後は、温度の上昇とともに、捕捉可能なＮＯｘ量、即ちＮＯｘ最大捕捉量は減少する。このため、ＮＯｘ捕捉触媒の温度が、最低限必要なＮＯｘ最大捕捉量が得られる温度を超えたときには、排気の空燃比をリーンに制御したところで、ＮＯｘ捕捉能の向上は望めない。
そこで、本発明では、ＮＯｘ捕捉触媒の温度が所定温度を超えたときに、排気の空燃比をストイキに制御することにより、三元触媒のＮＯｘ浄化能を早期に回復させ、三元触媒によるＮＯｘの還元浄化を促進する。これにより、ＮＯｘをより効率良く浄化でき、ＮＯｘ排出量をより軽減できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、内燃機関の燃料カットや内燃機関の停止による燃費の改善効果を損なわず、かつエミッションを悪化させることなく、排気中のＮＯｘを効率良く浄化できる内燃機関の排気浄化装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るＮＯｘ浄化処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】ＮＯｘ捕捉触媒温度とＮＯｘ最大捕捉量ΣＮＯｘ＿ｍａｘとの関係を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るＮＯｘ浄化処理を説明するためのタイムチャートである。
【図５】ＮＯｘ捕捉触媒のＮＯｘ捕捉率と排気中の酸素濃度の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置１の構成を示す図である。内燃機関（以下、「エンジン」という）２は、多気筒（例えば４気筒）を有するガソリンエンジンであり、図示しないインジェクタからの燃料噴射量ＱＩＮＪは、後述する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）７によって設定される。また、このインジェクタの開弁時間は、設定された燃料噴射量ＱＩＮＪが得られるように、ＥＣＵ７からの駆動信号により制御される。
【００２０】
エンジン２には、吸気が流通する吸気管３と、排気が流通する排気管４と、が設けられている。吸気管３は、図示しない吸気マニホールドの複数の分岐部を介してエンジン２の各気筒の吸気ポートに接続されている。排気管４は、図示しない排気マニホールドの複数の分岐部を介してエンジン２の各気筒の排気ポートに接続されている。
【００２１】
吸気管３の上流側には、エンジン２の吸入空気量ＱＡＩＲを制御する図示しないスロットルバルブが設けられている。このスロットルバルブは、アクチュエータを介してＥＣＵ７に接続されており、その開度はＥＣＵ７により電磁的に制御される。
【００２２】
排気管４には、上流側から順に、ＮＯｘ捕捉触媒４２と、ＴＷＣ４３とが設けられている。排気管４のうち、ＮＯｘ捕捉触媒４２の上流側には、排気の温度を検出する排気温度センサ９１が設けられている。
【００２３】
ＮＯｘ捕捉触媒４２は、排気の空燃比がリーンのときに、排気中のＮＯｘを捕捉可能な触媒である。ここで、「リーン」とは、完全燃焼反応における化学量論比であるストイキに対して、空燃比が大きい（燃料濃度が希薄）状態を意味し、「リッチ」とは、空燃比が小さい（燃料濃度が高い）状態を意味する。また、本実施形態において「捕捉」とは、吸着、吸収、吸蔵のいずれも含むことを意味する。
【００２４】
ＮＯｘ捕捉触媒４２は、活性種として少なくともＡｇを含む。また、酸化物からなる担体を含んで構成される。好ましくは、ＮＯｘ捕捉触媒４２は、Ａｇに加えて、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、セリア、およびゼオライトからなる群より選択される少なくとも１種の酸化物を含んで構成される。
このような組成からなるＮＯｘ捕捉触媒４２は、例えば、約１００℃の低温領域から、ＮＯｘを酸化して捕捉することが可能である。
【００２５】
ＮＯｘ捕捉触媒４２の調製方法については特に限定されず、従来公知の方法により調製される。例えば、所定量の硝酸銀に蒸留水を加えて撹拌し、完全に溶解させた後、所定量のベーマイトを加えて撹拌した後、所定の条件で乾燥させる。乾燥後、所定の条件で焼成を行うと、ベーマイトがアルミナに転移する。このようにして得られた触媒を粉砕することにより、目的のＮＯｘ捕捉触媒粉末が得られる。
【００２６】
ＴＷＣ４３は、排気中に含まれるＣＯおよびＨＣを酸化して浄化するとともに、排気中に含まれるＮＯｘを還元して浄化する。
好ましくは、ＴＷＣ４３は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、セリア、およびゼオライトからなる群より選択される少なくとも１種の酸化物からなる担体に、ＰｔやＲｈなどの貴金属を担持させたものが用いられる。
【００２７】
また、ＴＷＣ４３は、排気の雰囲気変動を緩和する目的で、上記の担体に加えて、ＯＳＣ材としてＣｅＯ２を含んで構成される。好ましくは、ＣｅＯ２のＯＳＣ耐久性を向上させる目的で、ＣｅＯ２とＺｒＯ２との複合酸化物が用いられる。
【００２８】
ＴＷＣ４３の調製方法については特に限定されず、従来公知のスラリー法などにより調製される。具体的には、上記の酸化物、貴金属、ＯＳＣ材などを含むスラリーを調製後、調製したスラリーをコージェライト製ハニカム支持体にコートして焼成することにより調製される。
【００２９】
ＥＣＵ７には、排気温度センサ９１および図示しないエアフローセンサが接続されている。
排気温度センサ９１は、排気管４のうちＮＯｘ捕捉触媒４２の上流側に設けられており、ＮＯｘ捕捉触媒４２に流入する排気の温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。ＮＯｘ捕捉触媒４２の温度は、排気温度センサ９１の検出値に基づいて、ＥＣＵ７により算出される。
エアフローセンサは、エンジン２に吸入される吸入空気量ＱＡＩＲを検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。排気流量は、エアフローセンサの検出値に基づいて、ＥＣＵ７により算出される。
【００３０】
この他、ＥＣＵ７には、図示しないクランク角センサ、アクセル開度センサ、およびイグニッションスイッチが接続されている。
【００３１】
クランク角センサは、エンジン２のクランクシャフトの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号をＥＣＵ７に送信する。このＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０°）ごとに送信される。アクセル開度センサは、図示しないアクセルペダルの踏み込み量（以下、「アクセル開度」という）ＡＰを検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。イグニッションスイッチは、図示しない車両の運転席に設けられ、車両の起動または停止を指令する信号をＥＣＵ７に送信する。
【００３２】
ここで、エンジン２の回転数（以下、「エンジン回転数」という）ＮＥは、クランク角センサから送信されたＣＲＫ信号に基づいて、ＥＣＵ７により算出される。要求トルクＴＲＱは、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じ、予め格納されている所定のマップ（図示せず）を検索することによって、ＥＣＵ７により算出される。
【００３３】
ＥＣＵ７は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下、「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ７は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラムおよび演算結果などを記憶する記憶回路と、インジェクタやスロットルバルブなどに制御信号を出力する出力回路と、を備える。以上のようなハードウェア構成により、ＥＣＵ７には、以下に示すＮＯｘ浄化処理を実行するモジュールが構成される。
【００３４】
次に、本実施形態に係るＮＯｘ浄化処理の手順について説明する。
図２は、本実施形態に係るＮＯｘ浄化処理の手順を示すフローチャートである。本実施形態に係るＮＯｘ浄化処理は、エンジンの燃料カット復帰後の所定時間の間、ＮＯｘ捕捉触媒の温度に応じて排気の空燃比をリーンまたはストイキに制御することにより、ＮＯｘを浄化する処理である。このＮＯｘ浄化処理は、イグニッションスイッチがＯＮにされた後、ＥＣＵにより所定の周期で繰り返し実行される。
【００３５】
ステップＳ１では、エンジンの燃料カットを実行中であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ２に進み、ＮＯの場合には、ステップＳ３に進む。
ここで、エンジンの燃料カットは、例えば、車両が減速運転時や下り坂走行時において、アクセル開度ＡＰが所定の開度（例えば、０゜）にほぼ等しく、かつエンジン回転数ＮＥが所定の回転数（例えば、１０００ｒｐｍ）よりも高いときに、ＥＣＵ７により燃料噴射量ＱＩＮＪの値を０に制御して燃料の供給を停止することにより実行される。
【００３６】
ステップＳ２では、後述する排気空燃比のリーン制御のため、リーンタイマをセットする。リーンタイマをセット後、本処理を終了する。このように、車両走行中は、燃料カット実行中であるか否かを所定の周期で判別する。
【００３７】
ステップＳ３では、ＮＯｘ捕捉触媒の温度が所定温度を超えたか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ４に進み、ＮＯの場合には、ステップＳ５に進む。
具体的には、ＮＯｘ捕捉触媒の温度は、ＮＯｘ捕捉触媒の上流側の排気管に設けられた排気温度センサにより検出された排気温度に基づいて、ＥＣＵにより算出される。
また、所定温度は、予め実験により求めた図３に示すＮＯｘ捕捉触媒温度ＴＬＮＴとＮＯｘ最大捕捉量ΣＮＯｘ＿ｍａｘとの関係に基づいて、温度の上昇に伴ってＮＯｘ最大捕捉量がピークを超えた後に徐々に減少して最低限必要なＮＯｘ最大捕捉量ΣＮＯｘ＿ｍａｘ＿ＬＭＬとなるときのＮＯｘ捕捉触媒温度ＴＬＮＴ＿ＴＨに設定される。
【００３８】
ステップＳ４では、排気の空燃比をストイキに制御し、ステップＳ７に進む。即ち、本ステップでは、ステップＳ３でＮＯｘ捕捉触媒の温度が所定温度を超えたと判別され、最低限必要なＮＯｘ最大捕捉量ΣＮＯｘ＿ｍａｘ＿ＬＭＬが得られない場合であるため、排気の空燃比をリーンに制御することなく、ストイキに制御する。これにより、ＴＷＣでのＮＯｘ浄化能が早期に回復し、ＴＷＣによるＮＯｘの還元浄化が促進される。
具体的には、インジェクタの開弁時間を制御して燃料噴射量ＱＩＮＪを調整するとともに、スロットルバルブの開度を制御して吸入空気量ＱＡＩＲを調整するなどして、排気の空燃比をストイキに制御する。
【００３９】
ステップＳ５では、リーンタイマが「０」であるか否かを判別する。この判別がＮＯの場合には、ステップＳ６に進み、ＹＥＳの場合には、ステップＳ４に進んで、排気の空燃比をストイキに制御する。
【００４０】
ステップＳ６では、排気の空燃比をリーンに制御した後、ステップＳ７に進む。
具体的には、インジェクタの開弁時間を制御して燃料噴射量ＱＩＮＪを減量し、スロットルバルブの開度を制御して吸入空気量ＱＡＩＲを増量するなどして、排気の空燃比をリーンに制御する。
【００４１】
ステップＳ７では、リーンタイマを減算し、減算後は本処理を終了する。本ステップにより、排気空燃比のリーン制御中において、リーンタイマが減算される。予め設定されたリーンタイマの減算中は、排気空燃比のリーン制御を継続し、リーンタイマが「０」になったときに、リーン制御を終了して本処理を終了する。
【００４２】
なお、リーン制御終了後はストイキ制御に移行する。ここで、本実施形態では、ＮＯｘ捕捉触媒はエンジン直下の排気管に配置されているため、エンジンの運転条件によっては、排気の温度が例えば３５０℃以上の所定温度以上に達し、このとき、ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘは脱離する。従って、リーン制御からストイキ制御へ移行した後に、ＮＯｘ捕捉触媒の温度がＮＯｘ脱離温度に達するように制御することで、下流側に配置されたＴＷＣのＮＯｘ浄化作用を十分に発揮できる。
【００４３】
図４は、本実施形態に係るＮＯｘ浄化処理を説明するためのタイムチャートである。
図４は、イグニッションスイッチをＯＮにしてエンジンを始動させた後の車両走行時の例を示している。本実施形態では、通常、ストイキ運転が行われるため、排気の空燃比も通常はストイキの状態である。また、ＮＯｘ捕捉触媒温度は、時間の経過とともに上昇する。
【００４４】
先ず、時刻ｔ１において、燃料カットの実行を開始する。このとき、リーンタイマをセットする（ステップＳ１〜２参照）。
【００４５】
次いで、時刻ｔ２において、燃料カットの実行を停止して復帰し、リーンタイマの減算を開始する。このとき、ＮＯｘ捕捉触媒温度は、最低限必要な最大ＮＯｘ捕捉量ΣＮＯｘ＿ｍａｘ＿ＬＭＬが得られるＮＯｘ捕捉触媒温度ＴＬＮＴ＿ＴＨに達していないため、タイマ減算中は、排気の空燃比をリーンに制御する（ステップＳ３、６〜７参照）。
【００４６】
次いで、時刻ｔ３において、リーンタイマが「０」になると、排気の空燃比をリーン制御から通常のストイキ制御に移行する（ステップＳ５参照）。
【００４７】
次いで、時刻ｔ４になると、ＮＯｘ捕捉触媒温度が、最低限必要な最大ＮＯｘ捕捉量ΣＮＯｘ＿ｍａｘ＿ＬＭＬが得られるＮＯｘ捕捉触媒温度ＴＬＮＴ＿ＴＨに達する。
【００４８】
次いで、時刻ｔ５において、燃料カットの実行を再開する。このとき、リーンタイマをセットする（ステップＳ１〜２参照）。
【００４９】
次いで、時刻ｔ６において、燃料カットの実行を停止して復帰し、リーンタイマの減算を開始する。このとき、ＮＯｘ捕捉触媒温度は、最低限必要な最大ＮＯｘ捕捉量ΣＮＯｘ＿ｍａｘ＿ＬＭＬが得られるＮＯｘ捕捉触媒温度ＴＬＮＴ＿ＴＨを既に超えているため、タイマに関わらず、排気の空燃比をストイキに制御する（ステップＳ３〜４参照）。
【００５０】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、少なくともＡｇを含むＮＯｘ捕捉触媒４２と、ＴＷＣ４３と、を排気管４の上流側から順次配置し、所定の条件を満たすときには、エンジン２の燃料カット復帰後の所定時間の間、排気空燃比をリーンに制御する。
これにより、燃料カット復帰直後において、ＴＷＣ４３に含まれるＯＳＣ材が酸素過剰状態となってＮＯｘを効率良く浄化することができない状態になった場合には、ＴＷＣ４３の上流側に配置されたＮＯｘ捕捉触媒４２によってＮＯｘを捕捉できる。特に、本実施形態では、燃料カット復帰直後において、従来とは異なり、排気の空燃比をリッチではなくリーンに制御して排気中の酸素濃度を高めることにより、少なくともＡｇを含むＮＯｘ捕捉触媒４２のＮＯｘ捕捉能を向上させることができ、ＮＯｘ捕捉触媒４２でＮＯｘを効率良く捕捉できる。
従って、本実施形態によれば、エンジン２の燃料カットによる燃費の改善効果を損なわず、かつＨＣなどのエミッションを悪化させることなく、排気中のＮＯｘを効率良く浄化できる。
【００５１】
ここで、少なくともＡｇを含むＮＯｘ捕捉触媒４２が、酸素濃度を高めることによりＮＯｘ捕捉能が向上する理由について説明する。
図５は、ＮＯｘ捕捉触媒４２のＮＯｘ捕捉率と排気中の酸素濃度との関係を示す図である。ここで、ＮＯｘ捕捉率は、ＮＯｘ捕捉触媒４２を通過したＮＯｘのうち、ＮＯｘ捕捉触媒４２に捕捉されたＮＯｘの割合を意味する。図５に示すように、ＮＯｘ捕捉触媒４２のＮＯｘ捕捉率は、酸素濃度依存性を有する。具体的には、排気中の酸素濃度が０ｐｐｍの場合には、ＮＯｘ捕捉触媒４２のＮＯｘ捕捉率はほぼ０％であり、排気中の酸素濃度が５０００ｐｐｍ、１０％、２０％と高くなるに従って、ＮＯｘ捕捉率が向上していることが分かる。
【００５２】
少なくともＡｇを含むＮＯｘ捕捉触媒４２にＮＯｘを含む排気が流入すると、下記式（１）で示されるＮＯの酸化反応が進行する。
［化２］
２ＮＯ＋Ｏ２→２ＮＯ２ …（１）
即ち、排気中に含まれるＮＯｘの大部分を占めるＮＯが、上記式（１）に従って酸化されてＮＯ２に変換される。次いで、生成したＮＯ２は、ＮＯｘ捕捉触媒４２の近傍に存在する余剰酸素によりＮＯ３−に変換された後、ＮＯｘ捕捉触媒４２に捕捉される。具体的には、ＮＯｘ捕捉触媒４２中に含まれるＡｇが、ＮＯｘ捕捉能が非常に高い還元銀の状態となる際に、ＮＯｘ捕捉触媒４２の近傍に存在する余剰酸素に電子を供与し、この電子供与された酸素を通じてＮＯ２がＮＯ３−に変換され、ＮＯｘ捕捉触媒４２に捕捉される。
従って、ＮＯｘ捕捉触媒４２の近傍に、ある程度の余剰酸素が存在していることがＮＯｘの捕捉には重要であることから、排気中の酸素濃度を高めることによって、ＮＯｘ捕捉触媒４２のＮＯｘ捕捉能を向上させることが可能となるのである。
【００５３】
また、本実施形態では、ＮＯｘ捕捉触媒４２の温度が所定温度を超えたときには、エンジン２の燃料カット復帰後の所定時間の間、排気空燃比をストイキに制御する。
ＮＯｘ捕捉触媒４２が捕捉可能なＮＯｘの量は、温度に依存しており、温度が上昇するにつれて増大してピークを超えた後は、温度の上昇とともに、捕捉可能なＮＯｘ量、即ちＮＯｘ最大捕捉量ΣＮＯｘ＿ｍａｘは減少する（図３参照）。このため、ＮＯｘ捕捉触媒４２の温度が、最低限必要なＮＯｘ最大捕捉量ΣＮＯｘ＿ｍａｘ＿ＬＭＬが得られるＮＯｘ捕捉触媒温度ＴＬＮＴ＿ＴＨを超えたときには、排気の空燃比をリーンに制御したところで、ＮＯｘ捕捉能の向上は望めない。
そこで、本実施形態では、ＮＯｘ捕捉触媒４２の温度が所定のＴＬＮＴ＿ＴＨを超えたときに、排気の空燃比をストイキに制御することにより、ＴＷＣ４３のＮＯｘ浄化能を早期に回復させ、ＴＷＣ４３によるＮＯｘの還元浄化を促進する。これにより、ＮＯｘをより効率良く浄化でき、ＮＯｘ排出量をより軽減できる。
【００５４】
本実施形態では、ＥＣＵ７が、排気空燃比制御手段を構成する。また、図２のステップＳ１〜７の実行に係る手段が排気空燃比制御手段に相当する。
【００５５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
【００５６】
例えば、上記実施形態では、エンジンの燃料カット復帰後の所定時間の間、ＮＯｘ捕捉触媒の温度に応じて排気の空燃比をリーンまたはストイキに制御するものであるが、これを、エンジンを停止してから再始動後の所定時間の間に適用してもよい。これは、電動モーターなどのエンジン以外の駆動手段を備えたハイブリッド車において、エンジンと他の駆動手段との切替え時に好ましく適用できる。
この場合には、上記実施形態に係るＮＯｘ浄化処理のステップＳ３において、エンジンが停止中であるか否かを判別すればよい。ここで、エンジンが停止中であるか否かは、例えば、イグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態から推定でき、また、クランク角センサの検出信号からＥＣＵで算出されるエンジン回転数ＮＥに基づいて判別することもできる。これにより、上記実施形態と同様の効果が奏され、特に、ハイブリッド車の利用によるエミッションのさらなる改善が期待できる。
【００５７】
また、上記実施形態では、ガソリンエンジンに適用したが、これに限られず、ディーゼルエンジンに適用することもできる。
【符号の説明】
【００５８】
１ 排気浄化装置
２ エンジン（内燃機関）
４ 排気管（排気通路）
４２ ＮＯｘ捕捉触媒
４３ ＴＷＣ（三元触媒）
７ ＥＣＵ（排気空燃比制御手段、ＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段）
９１ 排気温度センサ（ＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを捕捉可能なＮＯｘ捕捉触媒と、
前記排気通路のうち前記ＮＯｘ捕捉触媒の下流側に設けられ、排気中のＮＯｘを浄化可能な三元触媒と、
排気の空燃比を制御する排気空燃比制御手段と、を備え、
前記ＮＯｘ捕捉触媒は、少なくともＡｇを含みかつ酸化物からなる担体を含んで構成され、
前記排気空燃比制御手段は、所定の条件を満たすときには、前記内燃機関への燃料の供給を停止する燃料カット復帰後の所定時間の間、または前記内燃機関の再始動後の所定時間の間、排気の空燃比をリーンに制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を検出または推定するＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段をさらに備え、
前記排気空燃比制御手段は、前記ＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段により検出または推定された前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度が所定温度を超えたときには、前記内燃機関への燃料の供給を停止する燃料カット復帰後の所定時間の間、または前記内燃機関の再始動後の所定時間の間、排気の空燃比をストイキに制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを捕捉可能なＮＯｘ捕捉触媒と、
前記排気通路のうち前記ＮＯｘ捕捉触媒の下流側に設けられ、排気中のＮＯｘを浄化可能な三元触媒と、
排気の空燃比を制御する排気空燃比制御手段と、を備え、
前記ＮＯｘ捕捉触媒は、少なくともＡｇを含みかつ酸化物からなる担体を含んで構成され、
前記排気空燃比制御手段は、所定の条件を満たすときには、前記内燃機関への燃料の供給を停止する燃料カット復帰後の所定時間の間、または前記内燃機関の再始動後の所定時間の間、排気の空燃比をリーンに制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を検出または推定するＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段をさらに備え、
前記排気空燃比制御手段は、前記ＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段により検出または推定された前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度が所定温度を超えたときには、前記内燃機関への燃料の供給を停止する燃料カット復帰後の所定時間の間、または前記内燃機関の再始動後の所定時間の間、排気の空燃比をストイキに制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１０６３８３（Ｐ２０１１−１０６３８３Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６３９９３（Ｐ２００９−２６３９９３）
【出願日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]