排気浄化システム
【課題】 本発明は、コストの高騰を抑えて浄化性能を向上できる浄化装置を提供する。
【解決手段】 排気浄化装置５０は、内燃機関１０の排気通路３０に設けられる前段三元触媒６２と後段三元触媒７２と、空燃比を制御する制御部４０とインジェクタ１５とを備える。後段三元触媒７２は、少なくともロジウムを含む第１の後段触媒層７４と、少なくとも、パラジウムと第１の後段触媒層７４よりも多くのアルカリ金属とを含む第２の後段触媒層７５とが、後段担体７３に積層してなる。制御部４０は、後段三元触媒７２の温度が活性温度のとき、空燃比を、高性能範囲Ａ内となるようにインジェクタ１５から噴射される燃料の質量を制御する。
【解決手段】 排気浄化装置５０は、内燃機関１０の排気通路３０に設けられる前段三元触媒６２と後段三元触媒７２と、空燃比を制御する制御部４０とインジェクタ１５とを備える。後段三元触媒７２は、少なくともロジウムを含む第１の後段触媒層７４と、少なくとも、パラジウムと第１の後段触媒層７４よりも多くのアルカリ金属とを含む第２の後段触媒層７５とが、後段担体７３に積層してなる。制御部４０は、後段三元触媒７２の温度が活性温度のとき、空燃比を、高性能範囲Ａ内となるようにインジェクタ１５から噴射される燃料の質量を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば自動車の内燃機関から排出される排気中の炭化水素（ＨＣ）と、一酸化炭素（ＣＯ）と、窒素酸化物（ＮＯｘ）とを浄化するために、内燃機関に連結される排気通路中に排気浄化装置が配置されている。排気浄化装置としては、触媒に白金、パラジウム、ロジウムなどを用いた三元触媒装置が広く用いられている。また、かかる触媒にアルカリ金属とコバルトもしくはマンガンを添加することで、炭化水素濃度が高く酸素濃度が低い排気に対してより高い浄化性能を得たものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１６４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、三元触媒は長期間使用すると熱劣化し、その排気浄化性能は低下してしまう。そのため、あらかじめ多くの貴金属を担持することを余儀なくされており、コストの増大や資源の浪費を招いている。また、アルカリ金属は熱安定性が低いため、長期の高温耐久後には触媒層から飛散してしまい、排気浄化性能が低下してしまうことがある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑み、コストの高騰を抑えつつ、排気浄化性能を向上できる排気浄化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明の排気浄化システムは、内燃機関の排気を浄化する。前記排気浄化システムは、前記内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化手段と、空燃比を制御する制御手段とを備える。前記排気浄化手段は、排気浄化用三元触媒を備える。前記排気浄化用三元触媒は、少なくともロジウムを含む上層と、少なくとも、パラジウムと前記上層よりも多くのアルカリ金属とを含む下層とが、担体上に積層してなる。前記制御手段は、前記排気浄化用三元触媒の温度が所定温度以上のとき、前記空燃比を、理論空燃比を挟む所定の範囲内となるように制御する。
【０００７】
請求項２に記載の発明の排気浄化システムでは、請求項１に記載の発明において、前記排気浄化用三元触媒が備えるアルカリ金属は、前記下層にのみ担持されている。
【０００８】
請求項３に記載の発明の排気浄化システムでは、請求項１または請求項２の発明において、前記排気浄化手段は、前記排気浄化用三元触媒よりも前記排気通路の上流側に配置され、アルカリ金属を含まない前段三元触媒をさらに備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、コストの高騰を抑えつつ、排気浄化性能を向上できる排気浄化システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を示す概略図。
【図２】図１に示された排気浄化装置の前段触媒を示す斜視図。
【図３】図１に示された排気浄化装置の後段触媒を示す斜視図。
【図４】図１に示された後段触媒の、活性温度での活性炭化水素を水と二酸化炭素とへ変換する性能を示すグラフ。
【図５】図１に示された排気浄化装置の動作を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態にかかる排気浄化システムを、図１から５を用いて説明する。図１は、排気浄化装置５０が設けられる、内燃機関１０と吸気通路２０と排気通路３０とを示す概略図である。内燃機関１０と吸気通路２０と排気通路３０とは、一例として図示しない自動車に搭載されている。
【００１２】
図１に示すように、内燃機関１０は、本実施形態では、一例として、４つの燃焼室を備えるレシプロ式内燃機関である。内燃機関１０は、シリンダブロック１１と、クランクシャフト１２と、シリンダブロック１１上に取り付けられるシリンダヘッド１３と、オイルパン１４と、燃焼室１６内に燃料を噴射するインジェクタ１５とを備えている。
【００１３】
燃焼室１６内には、ピストン１７が設けられている。ピストン１７は、コネクティングロッド１８を介してクランクシャフト１２に連結されている。燃焼室１６内での燃料の爆発によって、ピストン１７が往復動する。ピストン１７の往復動がコネクティングロッド１８を介してクランクシャフト１２に伝達され、クランクシャフト１２が回転する。クランクシャフト１２の回転が自動車の車輪に伝達されることによって、自動車が走行する。
【００１４】
燃焼室１６には、吸気通路２０と、排気通路３０とが連通している。吸気通路２０は、燃焼室１６内に空気を導く。
【００１５】
インジェクタ１５の動作およびインジェクタ１５から噴射される燃料の質量は、制御部４０によって制御される。制御部４０は、自動車の様々な制御も行っている。排気通路３０は、燃焼室１６から排出される排気を外部へ導く。制御部４０は、内燃機関１０が駆動しているか否かを判定する。制御部４０は、運転者が図示しないキーを自動車に設けられるキーシリンダに挿入して回転することによって自動車の電機系統がオン状態になると、動作可能となる。このため、制御部４０は、内燃機関１０が駆動を開始する前、つまり、燃焼室１６に燃料が噴射されて爆発がおこる前から動作を開始している。制御部４０は、例えば、キーの位置が内燃機関１０を駆動するオン状態になったか否かを判定することによって内燃機関１０が駆動しているか否かを判定することができる。なお、内燃機関１０が駆動しているか否かは、他の方法によって判定されてもよい。
【００１６】
排気浄化装置５０は、上記された制御部４０と、前段排気浄化装置６０と、後段排気浄化装置７０と、酸素センサ８０と、温度センサ９０とを備えている。排気浄化装置５０は、本発明でいう排気浄化システムの一例である。
【００１７】
前段排気浄化装置６０は、本実施形態では、一例として１つ用いられる。前段排気浄化装置６０は、排気通路３０中に設けられており、排気通路３０の一部を構成する排気マニホルド３１のすぐ下流に配置されている。前段排気浄化装置６０は、前段用ハウジング６１と、前段三元触媒６２とを備えている。
【００１８】
前段用ハウジング６１は、排気マニホルド３１に連通するとともに、排気通路３０において前段排気浄化装置６０の下流の部分と連通している。前段三元触媒６２は、三元触媒であって、排気Ｈ中に含まれる炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを、酸化もしくは還元することによって、水と二酸化炭素と窒素とに変換する。前段三元触媒６２は、前段担体６３と、前段担体６３に設けられる第１の前段触媒層６４と、第１の前段触媒層６４に設けられる第２の前段触媒層６５とを備える。
【００１９】
図２は、前段三元触媒６２を示す斜視図である。図２に示すように、前段担体６３は、ハニカム構造であって、前段担体６３を貫通する複数の貫通孔６６が形成されている。前段担体６３は、前段用ハウジング６１内に収容される。貫通孔６６の内側を排気Ｈが流れる。
【００２０】
図２中、前段担体６３において２点鎖線で囲まれる範囲Ｆ２を拡大して示している。範囲Ｆ２は、前段担体６３において貫通孔６６を形成する壁部６７の一部を拡大して示している。範囲Ｆ２中に示すように、第１の前段触媒層６４は、前段担体６３において貫通孔６６を形成する壁部６７に設けられている。第１の前段触媒層６４は、触媒活性成分と、触媒活性成分を担持するウォッシュコートとを備えている。触媒活性成分は、排気Ｈを浄化する機能を有する。触媒活性成分として、パラジウムが用いられる。ウォッシュコートとして、一例として、酸化アルミニウムが用いられる。
【００２１】
第２の前段触媒層６５は、第１の前段触媒層６４においての貫通孔６６の内側に向く表面６４ａ上に設けられている。第２の前段触媒層６５は、触媒活性成分と、触媒活性成分を担持するウォッシュコートとを備えている。触媒活性成分としてのロジウムが用いられる。ウォッシュコートとしては、一例として、酸化アルミニウムが用いられる。
【００２２】
第１，２の前段触媒層６４，６５の構造は、前段担体６３に形成される他の貫通孔６６においても同じである。排気Ｈは、前段排気浄化装置６０を通過する際に、貫通孔６６内を通り第１，２の前段触媒層６４，６５によって浄化されて下流に流れる。
【００２３】
前段担体６３と第１の前段触媒層６４と第２の前段触媒層６５との上下について説明する。前段担体６３に対して、第１，２の前段触媒層６４，６５が積層される方向が上下方向となり、前段担体６３に対して積層される側が上方となる。このため、第１，２の前段触媒層６４，６５では、第１の前段触媒層６４が下層となり、第２の前段触媒層６５が上層となる。
【００２４】
後段排気浄化装置７０は、排気通路３０中において前段排気浄化装置６０よりも下流に設けられている。後段排気浄化装置７０は、後段用ハウジング７１と、後段三元触媒７２とを備えている。
【００２５】
後段用ハウジング７１は、排気通路３０の一部を構成している。後段三元触媒７２は、後段用ハウジング７１内に収容されている。後段三元触媒７２は、三元触媒であって、排気Ｈ中に含まれる炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを、酸化もしくは還元することによって、水と二酸化炭素と窒素とに変換する。後段三元触媒７２は、後段担体７３と、後段担体７３に設けられる第１の後段触媒層７４と、第１の後段触媒層７４に設けられる第２の後段触媒層７５とを備える。
【００２６】
図３は、後段三元触媒７２を示す斜視図である。図３に示すように、後段担体７３は、ハニカム構造であって、後段担体７３を貫通する複数の貫通孔７６が形成されている。
【００２７】
図３中に、後段担体７３に２点鎖線で囲まれて示される範囲Ｆ３を拡大して示している。範囲Ｆ３は、後段担体７３において貫通孔７６を形成する壁部７７の一部を拡大して示している。範囲Ｆ３中に示すように、第１の後段触媒層７４は、壁部７７に設けられている。第１の後段触媒層７４は、触媒活性成分と、触媒活性成分を担持するウォッシュコートとを備えている。触媒活性成分は、パラジウムと、アルカリ金属の一例であるカリウムとが用いられる。ウォッシュコートは、一例として、酸化アルミニウムが用いられる。
【００２８】
第２の後段触媒層７５は、第１の後段触媒層７４において貫通孔７６の内側に向く面７４ａ上に設けられている。第２の後段触媒層７５は、触媒活性成分と、触媒活性成分を担持するウォッシュコートとを備える。触媒活性成分は、ロジウムが用いられる。ウォッシュコートの一例として、酸化アルミニウムが用いられる。
【００２９】
後段担体７３と第１の後段触媒層７４と第２の後段触媒層７５との上下について説明する。後段担体７３に対して、第１，２の後段触媒層７４，７５が積層される方向が上下方向となり、後段担体７３に対して積層される側が上方となる。このため、第１，２の後段触媒層７４，７５では、第１の後段触媒層７４が下層となり、第２の後段触媒層７５が上層となる。
【００３０】
後段三元触媒７２は、本発明で言う排気浄化用三元触媒の一例である。前段三元触媒６２と後段三元触媒７２とは、本発明で言う排気浄化手段を構成する。
【００３１】
本実施形態では、後段排気浄化装置７０の後段三元触媒７２は、第１の後段触媒層７４が触媒活性成分としてカリウムを備える点を除いて、前段排気浄化装置６０の前段三元触媒６２と同じである。第１，２の後段触媒層７４，７５の構造は、後段担体７３に形成される他の貫通孔７６においても同様である。排気Ｈは、後段排気浄化装置７０を通過する際に、貫通孔７６を通り第１，２の後段触媒層７４，７５によって浄化されて下流に流れる。排気Ｈは、浄化すべき被浄化流体の一例である。貫通孔７６は、被浄化流体を通すための通路の一例である。
【００３２】
つぎに、後段三元触媒７２が活性状態となる活性温度であるときの特性について説明する。図４は、後段三元触媒７２の、後述される活性状態での炭化水素を水と二酸化炭素とへ変換する性能を示すグラフである。
【００３３】
図４の横軸は、燃焼室１６に供給される空気と燃料との混合気の空燃比を示している。図中、横軸の中心位置Ｐは、理論空燃比を示す。本実施形態では、理論空燃比を、１４．６とする。図４の横軸は、図中右側に進むにつれて値が大きくなる。横軸において理論空燃比を示す位置Ｐよりも図中右側は空燃比がリーンであることを示す。そして、横軸は、図中右側に進むにつれて、言い換えると矢印ｘに沿って進むにつれて空燃比のリーンの程度が大きくなることを示す。横軸において理論空燃比を示す位置Ｐよりも図中左側は空燃比がリッチであることを示す。そして、横軸は、図中左側に進むにつれて、言い換えると矢印ｙに沿って進むにつれて空燃比のリッチの程度が大きくなることを示す。図４の縦軸は、炭化水素を水と二酸化炭素とへ変換する性能を示している。縦軸は、図中上方に進むにつれて、つまり縦軸の矢印に沿って進むにつれて炭化水素を水と二酸化炭素とへの変換する性能が高いことを示している。
【００３４】
図４中では、後段排気浄化装置７０の特性を実線で示している。図４中実線で示すように、後段排気浄化装置７０は、触媒活性成分としてカリウムを備えることによって、炭化水素の浄化性能は、略理論空燃比で最も高くなる。
【００３５】
また、カリウムは、熱安定性が低いので、高温状態が長く続くと、飛散することがある。後段排気浄化装置７０では、排気Ｈが流れる貫通孔７６の内側に対して第２の後段触媒層７５を挟んで外側に位置する第１の後段触媒層７４がカリウムを備えることによって、カリウムの外部への飛散が抑制されるので、カリウムの特性を維持することができる。
【００３６】
ロジウムは、排気浄化性能が高く、空燃比がリッチであると炭化水素を水と一酸化炭素へ変換する性能が高くなる。ロジウムとカリウムとを同一触媒層に用いると、炭化水素の浄化性能（炭化水素を水と二酸化炭素とに変換する性能）が低下する場合がある。後段排気浄化装置７０では、第１の後段触媒層７４に触媒活性成分としてパラジウムとカリウムとを用い、第２の後段触媒層７５に触媒活性成分としてロジウムを用いることによって、ロジウムの炭化水素の浄化性能の低下を抑制することができる。
【００３７】
上記理由により、後段排気浄化装置７０は、図４中実線で示す特性を有するとともに、この特性を長期間維持することができる。
【００３８】
また、図４では、第１，２の後段触媒層７４，７５の他の例として、第１の後段触媒層７４がカリウムを備えていない場合の後段排気浄化装置の特性を、点線で示している。また、第２の後段触媒層７５がカリウムを備えて、第１の後段触媒層７４がカリウムを備えていない場合の後段排気浄化装置の特性を、１点鎖線で示している。なお、１点鎖線の特性を備える構造において、第２の後段触媒層７５が備えるカリウムの質量は、後段排気浄化装置７０の第１の後段触媒層７４が備えるカリウムの質量と同じである。
【００３９】
図４中に点線で示される特性を有する、第１の後段触媒層７４がカリウムを備えていない場合の後段排気浄化装置は、第１の後段触媒層７４がカリウムを備えていない点を除いて、上記説明された第１の後段触媒層７４がカリウムを備えている後段排気浄化装置７０と同じである。このため、図４中に点線で示される、後段用第１，２の触媒層がカリウムを備えない後段排気浄化装置の特性は、前段排気浄化装置６０の特性と同じである。
【００４０】
同様に、図４中に１点鎖線で示される特性を有する、第１の後段触媒層７４がカリウムを備えておらず、かつ、第２の後段触媒層７５がカリウムを備える後段排気浄化装置は、第１の後段触媒層７４がカリウムを備えず、かつ、第２の後段触媒層７５がカリウムを備える点を除いて、上記された、第１の後段触媒層７４がカリウムを備えて第２の後段触媒層７５がカリウムを備えない後段排気浄化装置７０と同じである。
【００４１】
図４に示すように、後段排気浄化装置７０は、燃焼室１６に供給される空気と燃料との混合気の空燃比が理論空燃比の近傍の範囲内にある状態では、図４中に点線で示す特性を有するカリウムを備えない後段排気浄化装置と１点鎖線で示す特性を有する第２の後段触媒層７５にカリウムを備える後段排気浄化装置とよりも炭化水素を水と二酸化炭素へ変換する性能が高いことがわかる。
【００４２】
本実施形態では、本発明で言う理論空燃比を挟む所定の範囲の一例として、高性能範囲Ａとしている。高性能範囲Ａ内では、後段用第１，２の触媒層がアルカリ金属（本実施形態では、一例としてカリウム）を備えない構造と、後段用第２の触媒層がアルカリ金属（本実施形態では、一例としてカリウム）を備えかつ後段用第１の触媒層がアルカリ金属を備えない構造とよりも、炭化水素の浄化性能が高い。
【００４３】
本実施形態では、理論空燃比−０．３から理論空燃比＋０．３の範囲（理論空燃比−０．３と、理論空燃比＋０．３とを含む）を高性能範囲Ａとしている。本実施形態では、理論空燃比を１４．６としているので、高性能範囲Ａは、１４．３〜１４．９（１４．３と１４．９とを含む）の範囲となる。
【００４４】
なお、高性能範囲Ａは、第１，２の後段触媒層がアルカリ金属（本実施形態では、一例としてカリウム）を備えない構造と、後段用第２の触媒層がアルカリ金属（本実施形態では、一例としてカリウム）を備えかつ後段用第１の触媒層がアルカリ金属を備えない構造とよりも炭化水素の浄化性能が高い範囲をこえなければよい。
【００４５】
言い換えると、高性能範囲Ａは、後段用第１，２の触媒層がアルカリ金属（本実施形態では、一例としてカリウム）を備えない構造と、後段用第２の触媒層がアルカリ金属（本実施形態では、一例としてカリウム）を備えかつ後段用第１の触媒層がアルカリ金属を備えない構造とよりも炭化水素の浄化性能が高い範囲と同じ、または、この高い範囲よりも狭い範囲であってもよい。
【００４６】
本実施形態では、理論空燃比＋０．３は、図４に示される実線グラフと点線グラフの交わる２点のうち値が大きい方と同じであるが、理論空燃比−０．３は、図４に示される実線グラフと点線グラフとの交わる２点のうち値が小さい方よりも大きい。
【００４７】
なお、本実施形態では、後段排気浄化装置７０は、アルカリ金属の一例としてカリウムを用いているが、カリウム以外のアルカリ金属を用いた場合であっても、図４の実線で記載した特性と同様の特性が得られる。さらに、この特性を長期間維持することができる。これは、カリウム以外のアルカリ金属も、触媒活性成分としてカリウムと同様の機能を備えているからである。
【００４８】
図１に示すように、酸素センサ８０は、排気通路３０において前段排気浄化装置６０の前段三元触媒６２よりも上流に設けられている。酸素センサ８０は、排気Ｈ中の酸素濃度を検出する。酸素センサ８０の検出結果は、制御部４０に送信される。制御部４０は、酸素センサ８０から受信した排気Ｈ中の酸素濃度を示す情報に基づいて、燃焼室１６に供給される空気と燃料との混合気の空燃比を算出する。
【００４９】
温度センサ９０は、排気通路３０において後段排気浄化装置７０よりも下流の位置に設けられている。温度センサ９０は、排気通路３０内を流れる排気Ｈの温度を検出する。温度センサ９０は、検出結果を制御部４０に送信する。制御部４０は、温度センサ９０の検出結果に基づいて、言い換えると、後段排気浄化装置７０の下流を流れる排気Ｈの温度に基づいて、後段三元触媒７２の温度を求める。後段三元触媒７２の温度は、第１，２の後段触媒層７４，７５の温度と同じである。
【００５０】
制御部４０は、温度センサ９０の検出結果に対応する後段三元触媒７２の温度の情報（例えばマップなど）を予め備えている。この情報は、後段排気浄化装置７０と温度センサ９０との位置関係、内燃機関１０の運転状態などを考慮したものである。制御部４０は、温度センサ９０と上記情報とに基づいて、後段三元触媒７２の温度を検出する。
【００５１】
つぎに、排気浄化装置５０の動作を説明する。図５は、排気浄化装置５０の動作を示すフローチャートである。まず、後段三元触媒７２の温度が、後段三元触媒７２が活性状態になる活性温度になっていない場合の動作を説明する。後段三元触媒７２が活性状態になるとは、第１，２の後段触媒層７４，７５の各々が備える触媒活性成分が全て活性化する状態である。
【００５２】
本実施形態では、一例として、後段三元触媒７２が活性状態となる活性開始温度は、３５０℃（摂氏温度）である。活性開始温度以上を活性温度とし、活性温度であると第１，２の後段触媒層７４，７５の活性状態が保たれる。活性開始温度は、本発明で言う所定温度の一例である。
【００５３】
図５に示すように、制御部４０は、ステップＳＴ１で、内燃機関１０が駆動しているか否かを判定する。この説明では、内燃機関１０が駆動しているので、制御部４０は、内燃機関１０が駆動していると判定して、ステップＳＴ２に進む。
【００５４】
ステップＳＴ２では、制御部４０は、後段三元触媒７２の温度を検出する。具体的には、内燃機関１０の運転が開始されると、温度センサ９０は、排気通路３０において後段排気浄化装置７０よりも下流を流れる排気Ｈの温度を検出し、この検出結果を制御部４０に送信する。制御部４０は、温度センサ９０から受信した送信結果に基づいて、後段三元触媒７２の温度を求める。後段三元触媒７２の温度が検出されると、ついで、ステップＳＴ３に進む。
【００５５】
ステップＳＴ３では、制御部４０は、後段三元触媒７２の温度が活性温度であるか否かを判定する。この説明では、後段三元触媒７２の温度は活性温度未満であるので、制御部４０は、後段三元触媒７２の温度が活性温度ではないと判定する。ついで、ステップＳＴ１に戻る。後段三元触媒７２の温度が活性温度未満であると、ステップＳＴ１〜ＳＴ３の動作が繰り返される。
【００５６】
つぎに、後段三元触媒７２の温度が活性温度になった場合の、排気浄化装置５０の動作を説明する。
【００５７】
後段三元触媒７２の温度が活性温度になると、制御部４０は、燃焼室１６に供給される空気と燃料との混合気の空燃比が、高性能範囲Ａ内になるように、インジェクタ１５から噴射される燃料の質量を制御する。具体的には、制御部４０は、ステップＳＴ４，ＳＴ５，ＳＴ６，ＳＴ７の動作を行う。
【００５８】
制御部４０は、ステップＳＴ３で、後段三元触媒７２が活性温度であると判定すると、ステップＳＴ４に進む。ステップＳＴ４では、制御部４０は、燃焼室１６に供給される空気と燃料との混合気の空燃比が高性能範囲Ａより大きいか否かを判定する。
【００５９】
具体的には、制御部４０は、空燃比が理論空燃比＋０．３より大きいか否かを判定する。制御部４０は、酸素センサ８０から送信される排気Ｈ中の酸素濃度を示す情報に基づいて、空燃比を算出する。空燃比が理論空燃比＋０．３より大きいと判定されると、ついで、ステップＳＴ５に進む。
【００６０】
ステップＳＴ５では、制御部４０は、各インジェクタ１５から噴射される燃料の質量を増大する。各インジェクタ１５で増大される燃料の質量は、予め決定された一定量である。または、各インジェクタ１５で増大される燃料の質量は、そのときの自動車の運転状態を考慮して決定されてもよい。ついで、ステップＳＴ１に戻る。
【００６１】
空燃比が高性能範囲Ａより大きい場合は、ステップＳＴ１〜ＳＴ５の動作が繰り返される。ステップＳＴ５での処理によって、各インジェクタ１５から噴射される燃料の質量が
多くなる。ステップＳＴ５での処理が繰り返されることによって、空燃比は、リーンである状態からリッチ側に変化し、それゆえ、高性能範囲Ａ内となる。
【００６２】
ステップＳＴ４において、制御部４０が、空燃比が理論空燃比＋０．３以下であると判定すると、ついで、ステップＳＴ６に進む。ステップＳＴ６では、制御部４０は、空燃比が、理論空燃比−０．３未満であるか否かを判定する。空燃比が理論空燃比−０．３以上である場合は、空燃比は、高性能範囲Ａ内にある。ついで、ステップＳＴ１に戻る。
【００６３】
ステップＳＴ６で、空燃比が高性能範囲Ａ未満であると判定されると、ついで、ステップＳＴ７に進む。ステップＳＴ７では、制御部４０は、各インジェクタ１５から噴射される燃料の質量を減少する。各インジェクタ１５で減少される燃料の質量は、予め決定された一定量である。または、各インジェクタ１５で減少される燃料の質量は、そのときの自動車の運転状態を考慮して決定されてもよい。
【００６４】
空燃比が高性能範囲Ａ未満である場合は、ステップＳＴ１〜Ｓ４，ＳＴ６，ＳＴ７が繰り返される。ステップＳＴ７での処理が繰り返されることによって、空燃比は、リッチである状態からリーン側に変化し、それゆえ、高性能範囲Ａ内となる。
【００６５】
このように構成される排気浄化装置５０では、後段排気浄化装置７０は、第１の後段触媒層７４がパラジウムとアルカリ金属の一例としてカリウムとを備えるとともに、第２の後段触媒層７５がロジウムを備えることによって、貴金属の量を多くしなくても、理論空燃比の近傍で炭化水素の浄化性能を向上させるとともに向上した状態を長期間維持することができる。さらに、空燃比が高性能範囲Ａ内にあるように空燃比を制御することによって、後段排気浄化装置７０を、炭化水素の浄化性能が高い状態で用いることができる。このため、後段排気浄化装置７０は、コストの高騰を抑えつつ、排気浄化性能を向上することができる。
【００６６】
また、後段用第２の触媒層がアルカリ金属を備えないことによって、ロジウムの高い炭化水素の浄化性能を損なうことがない。
【００６７】
また、後段三元触媒７２を、前段三元触媒６２の下流に配置することによって、後段三元触媒７２は、比較的温度の高い排気通路３０の上流部から離れることになるので、熱によるカリウムの飛散をより一層抑制することができる。このため、後段用触媒の炭化水素の浄化性能をより一層長期間維持することができる。
【００６８】
また、前段三元触媒６２にはカリウムを添加しないため、空燃比が高性能範囲Ａ以外となった場合でも、アルカリ金属の添加による排気浄化性能の悪化を抑制することができる。
【００６９】
また、本実施形態では、第１の後段触媒層７４は、触媒活性成分としてロジウムのみを備えている。しかしながら、第１の後段触媒層７４は、少なくともロジウムを備えていればよく、他の触媒活性成分を備えていてもよい。そして、第２の後段触媒層７５は、触媒活性成分としてカリウム（アルカリ金属の一例）と、パラジウムとを備えていればよく、さらに他の触媒活性成分を備えていてもよい。この構造の一例としては、前段排気浄化装置６０の第１，２の前段触媒層６４，６５と、後段排気浄化装置７０の第１，２の後段触媒層７４，７５とは、各々触媒活性成分として、さらに、プラチナ（Ｐｔ）を備えてもよい。また、すべての触媒層には、触媒活性成分の働きを補助するための添加剤（たとえば、酸化セリウムや酸化ジルコニウムなど）を含んでもよい。
【００７０】
また、本実施形態では、排気浄化装置５０は、後段排気浄化装置７０よりも上流に配置される前段排気浄化装置として、１つの前段排気浄化装置６０が用いられている。しかしながら、後段排気浄化装置よりも上流に配置される前段排気浄化装置６０は、１つに限定されず、複数あってもよい。この構造の場合、後段三元触媒７２と複数の前段三元触媒６２とが、排気浄化手段を構成する。
【００７１】
また、本実施形態では、触媒層を保持するためのハニカム担体６３，７３は、セラミックを用いた担体が用いられている。しかしながら、ハニカム担体としては、セラミックスに限定する必要はなく、メタル箔の担体を用いてもよい。
【００７２】
また、本実施形態では、前段排気浄化装置６０と、後段排気浄化装置７０とにおいて、第１，２の触媒層６４，６５，７４，７５は、触媒活性成分を担持するウォッシュコートを備えている。しかしながら、ウォッシュコートを備えず、触媒活性成分のみであってもよい。
【００７３】
また、本実施形態では、空燃比が高性能範囲Ａ内になるように制御する制御手段として、制御部４０と、インジェクタ１５とが用いられた。しかしながら、これに限定されない。例えば、制御部４０がスロットルバルブも制御してもよい。この場合、空燃比が高性能範囲Ａ内になるように制御する制御手段は、制御部４０と、インジェクタ１５と、スロットルバルブとなる。要するに、制御手段は、高性能範囲Ａ内になるように制御する機能を有していればよい。
【００７４】
また、本実施形態では、後段三元触媒７２の温度を検出するために、後段三元触媒７２の下流を流れる排気Ｈの温度を検出し、排気Ｈの温度に基づいて後段三元触媒７２の温度が検出された。しかしながら、これに限定されない。後段三元触媒７２の温度が直接検出されてもよい。要するに、後段三元触媒７２の温度を検出する検出手段を備えていればよい。この検出手段としては、センサなどの検出部であってもよい。
【００７５】
また、空燃比を検出するための手段として、酸素センサ８０が用いられた。しかしながら、これに限定されない。要するに、空燃比を検出する検出手段を備えていればよい。この検出手段は、例えばセンサなどの検出部であってもよい。
【００７６】
また、後段排気浄化装置７０のみを用いても、炭化水素の浄化性能が高いので、本実施形態と同様の効果を得ることができる。この場合、後段排気浄化装置７０は、排気通路３０において比較的温度が高い上流を避けて配置されることが好ましい。このことによって、触媒活性成分としてのアルカリ金属が飛散することを抑制できる。また、この構造の場合、後段三元触媒７２が排気浄化手段となる。
【００７７】
また、本実施形態では、活性開始温度を、本発明で言う所定温度の一例とした。しかしながら、所定温度として他の温度が用いられてもよい。
【００７８】
また、本実施形態では、高性能範囲Ａを、本発明で言う理論空燃比を挟む所定の範囲の一例とした。しかしながら、これに限定されない。所定の範囲は、図４に示されるように、点線で示される特性を備える構造と１点鎖線で示される特性を備える構造に対して炭化水素を浄化する性能が高い範囲をこえるように設定されてもよい。この場合であっても、所定の範囲として炭化水素を浄化する性能が高い範囲が用いられることが好ましい。なお、本発明で言う所定の範囲として高性能範囲以外を用いる場合は、制御手段は、空燃比を所定の範囲内に制御する機能を有していればよい。
【００７９】
この発明は、上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、上述した実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。
【符号の説明】
【００８０】
１０…内燃機関、３０…排気通路、４０…制御部（制御手段）、５０…排気浄化装置（排気浄化システム）、６２…前段三元触媒６２、７２…後段三元触媒（排ガス浄化用三元触媒）、７３…後段担体（担体）、７４…第１の後段触媒層（下層）、７５…第２の後段触媒層（上層）、Ａ…高性能範囲（所定の範囲）、Ｈ…排気。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば自動車の内燃機関から排出される排気中の炭化水素（ＨＣ）と、一酸化炭素（ＣＯ）と、窒素酸化物（ＮＯｘ）とを浄化するために、内燃機関に連結される排気通路中に排気浄化装置が配置されている。排気浄化装置としては、触媒に白金、パラジウム、ロジウムなどを用いた三元触媒装置が広く用いられている。また、かかる触媒にアルカリ金属とコバルトもしくはマンガンを添加することで、炭化水素濃度が高く酸素濃度が低い排気に対してより高い浄化性能を得たものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１６４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、三元触媒は長期間使用すると熱劣化し、その排気浄化性能は低下してしまう。そのため、あらかじめ多くの貴金属を担持することを余儀なくされており、コストの増大や資源の浪費を招いている。また、アルカリ金属は熱安定性が低いため、長期の高温耐久後には触媒層から飛散してしまい、排気浄化性能が低下してしまうことがある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑み、コストの高騰を抑えつつ、排気浄化性能を向上できる排気浄化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明の排気浄化システムは、内燃機関の排気を浄化する。前記排気浄化システムは、前記内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化手段と、空燃比を制御する制御手段とを備える。前記排気浄化手段は、排気浄化用三元触媒を備える。前記排気浄化用三元触媒は、少なくともロジウムを含む上層と、少なくとも、パラジウムと前記上層よりも多くのアルカリ金属とを含む下層とが、担体上に積層してなる。前記制御手段は、前記排気浄化用三元触媒の温度が所定温度以上のとき、前記空燃比を、理論空燃比を挟む所定の範囲内となるように制御する。
【０００７】
請求項２に記載の発明の排気浄化システムでは、請求項１に記載の発明において、前記排気浄化用三元触媒が備えるアルカリ金属は、前記下層にのみ担持されている。
【０００８】
請求項３に記載の発明の排気浄化システムでは、請求項１または請求項２の発明において、前記排気浄化手段は、前記排気浄化用三元触媒よりも前記排気通路の上流側に配置され、アルカリ金属を含まない前段三元触媒をさらに備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、コストの高騰を抑えつつ、排気浄化性能を向上できる排気浄化システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を示す概略図。
【図２】図１に示された排気浄化装置の前段触媒を示す斜視図。
【図３】図１に示された排気浄化装置の後段触媒を示す斜視図。
【図４】図１に示された後段触媒の、活性温度での活性炭化水素を水と二酸化炭素とへ変換する性能を示すグラフ。
【図５】図１に示された排気浄化装置の動作を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態にかかる排気浄化システムを、図１から５を用いて説明する。図１は、排気浄化装置５０が設けられる、内燃機関１０と吸気通路２０と排気通路３０とを示す概略図である。内燃機関１０と吸気通路２０と排気通路３０とは、一例として図示しない自動車に搭載されている。
【００１２】
図１に示すように、内燃機関１０は、本実施形態では、一例として、４つの燃焼室を備えるレシプロ式内燃機関である。内燃機関１０は、シリンダブロック１１と、クランクシャフト１２と、シリンダブロック１１上に取り付けられるシリンダヘッド１３と、オイルパン１４と、燃焼室１６内に燃料を噴射するインジェクタ１５とを備えている。
【００１３】
燃焼室１６内には、ピストン１７が設けられている。ピストン１７は、コネクティングロッド１８を介してクランクシャフト１２に連結されている。燃焼室１６内での燃料の爆発によって、ピストン１７が往復動する。ピストン１７の往復動がコネクティングロッド１８を介してクランクシャフト１２に伝達され、クランクシャフト１２が回転する。クランクシャフト１２の回転が自動車の車輪に伝達されることによって、自動車が走行する。
【００１４】
燃焼室１６には、吸気通路２０と、排気通路３０とが連通している。吸気通路２０は、燃焼室１６内に空気を導く。
【００１５】
インジェクタ１５の動作およびインジェクタ１５から噴射される燃料の質量は、制御部４０によって制御される。制御部４０は、自動車の様々な制御も行っている。排気通路３０は、燃焼室１６から排出される排気を外部へ導く。制御部４０は、内燃機関１０が駆動しているか否かを判定する。制御部４０は、運転者が図示しないキーを自動車に設けられるキーシリンダに挿入して回転することによって自動車の電機系統がオン状態になると、動作可能となる。このため、制御部４０は、内燃機関１０が駆動を開始する前、つまり、燃焼室１６に燃料が噴射されて爆発がおこる前から動作を開始している。制御部４０は、例えば、キーの位置が内燃機関１０を駆動するオン状態になったか否かを判定することによって内燃機関１０が駆動しているか否かを判定することができる。なお、内燃機関１０が駆動しているか否かは、他の方法によって判定されてもよい。
【００１６】
排気浄化装置５０は、上記された制御部４０と、前段排気浄化装置６０と、後段排気浄化装置７０と、酸素センサ８０と、温度センサ９０とを備えている。排気浄化装置５０は、本発明でいう排気浄化システムの一例である。
【００１７】
前段排気浄化装置６０は、本実施形態では、一例として１つ用いられる。前段排気浄化装置６０は、排気通路３０中に設けられており、排気通路３０の一部を構成する排気マニホルド３１のすぐ下流に配置されている。前段排気浄化装置６０は、前段用ハウジング６１と、前段三元触媒６２とを備えている。
【００１８】
前段用ハウジング６１は、排気マニホルド３１に連通するとともに、排気通路３０において前段排気浄化装置６０の下流の部分と連通している。前段三元触媒６２は、三元触媒であって、排気Ｈ中に含まれる炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを、酸化もしくは還元することによって、水と二酸化炭素と窒素とに変換する。前段三元触媒６２は、前段担体６３と、前段担体６３に設けられる第１の前段触媒層６４と、第１の前段触媒層６４に設けられる第２の前段触媒層６５とを備える。
【００１９】
図２は、前段三元触媒６２を示す斜視図である。図２に示すように、前段担体６３は、ハニカム構造であって、前段担体６３を貫通する複数の貫通孔６６が形成されている。前段担体６３は、前段用ハウジング６１内に収容される。貫通孔６６の内側を排気Ｈが流れる。
【００２０】
図２中、前段担体６３において２点鎖線で囲まれる範囲Ｆ２を拡大して示している。範囲Ｆ２は、前段担体６３において貫通孔６６を形成する壁部６７の一部を拡大して示している。範囲Ｆ２中に示すように、第１の前段触媒層６４は、前段担体６３において貫通孔６６を形成する壁部６７に設けられている。第１の前段触媒層６４は、触媒活性成分と、触媒活性成分を担持するウォッシュコートとを備えている。触媒活性成分は、排気Ｈを浄化する機能を有する。触媒活性成分として、パラジウムが用いられる。ウォッシュコートとして、一例として、酸化アルミニウムが用いられる。
【００２１】
第２の前段触媒層６５は、第１の前段触媒層６４においての貫通孔６６の内側に向く表面６４ａ上に設けられている。第２の前段触媒層６５は、触媒活性成分と、触媒活性成分を担持するウォッシュコートとを備えている。触媒活性成分としてのロジウムが用いられる。ウォッシュコートとしては、一例として、酸化アルミニウムが用いられる。
【００２２】
第１，２の前段触媒層６４，６５の構造は、前段担体６３に形成される他の貫通孔６６においても同じである。排気Ｈは、前段排気浄化装置６０を通過する際に、貫通孔６６内を通り第１，２の前段触媒層６４，６５によって浄化されて下流に流れる。
【００２３】
前段担体６３と第１の前段触媒層６４と第２の前段触媒層６５との上下について説明する。前段担体６３に対して、第１，２の前段触媒層６４，６５が積層される方向が上下方向となり、前段担体６３に対して積層される側が上方となる。このため、第１，２の前段触媒層６４，６５では、第１の前段触媒層６４が下層となり、第２の前段触媒層６５が上層となる。
【００２４】
後段排気浄化装置７０は、排気通路３０中において前段排気浄化装置６０よりも下流に設けられている。後段排気浄化装置７０は、後段用ハウジング７１と、後段三元触媒７２とを備えている。
【００２５】
後段用ハウジング７１は、排気通路３０の一部を構成している。後段三元触媒７２は、後段用ハウジング７１内に収容されている。後段三元触媒７２は、三元触媒であって、排気Ｈ中に含まれる炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを、酸化もしくは還元することによって、水と二酸化炭素と窒素とに変換する。後段三元触媒７２は、後段担体７３と、後段担体７３に設けられる第１の後段触媒層７４と、第１の後段触媒層７４に設けられる第２の後段触媒層７５とを備える。
【００２６】
図３は、後段三元触媒７２を示す斜視図である。図３に示すように、後段担体７３は、ハニカム構造であって、後段担体７３を貫通する複数の貫通孔７６が形成されている。
【００２７】
図３中に、後段担体７３に２点鎖線で囲まれて示される範囲Ｆ３を拡大して示している。範囲Ｆ３は、後段担体７３において貫通孔７６を形成する壁部７７の一部を拡大して示している。範囲Ｆ３中に示すように、第１の後段触媒層７４は、壁部７７に設けられている。第１の後段触媒層７４は、触媒活性成分と、触媒活性成分を担持するウォッシュコートとを備えている。触媒活性成分は、パラジウムと、アルカリ金属の一例であるカリウムとが用いられる。ウォッシュコートは、一例として、酸化アルミニウムが用いられる。
【００２８】
第２の後段触媒層７５は、第１の後段触媒層７４において貫通孔７６の内側に向く面７４ａ上に設けられている。第２の後段触媒層７５は、触媒活性成分と、触媒活性成分を担持するウォッシュコートとを備える。触媒活性成分は、ロジウムが用いられる。ウォッシュコートの一例として、酸化アルミニウムが用いられる。
【００２９】
後段担体７３と第１の後段触媒層７４と第２の後段触媒層７５との上下について説明する。後段担体７３に対して、第１，２の後段触媒層７４，７５が積層される方向が上下方向となり、後段担体７３に対して積層される側が上方となる。このため、第１，２の後段触媒層７４，７５では、第１の後段触媒層７４が下層となり、第２の後段触媒層７５が上層となる。
【００３０】
後段三元触媒７２は、本発明で言う排気浄化用三元触媒の一例である。前段三元触媒６２と後段三元触媒７２とは、本発明で言う排気浄化手段を構成する。
【００３１】
本実施形態では、後段排気浄化装置７０の後段三元触媒７２は、第１の後段触媒層７４が触媒活性成分としてカリウムを備える点を除いて、前段排気浄化装置６０の前段三元触媒６２と同じである。第１，２の後段触媒層７４，７５の構造は、後段担体７３に形成される他の貫通孔７６においても同様である。排気Ｈは、後段排気浄化装置７０を通過する際に、貫通孔７６を通り第１，２の後段触媒層７４，７５によって浄化されて下流に流れる。排気Ｈは、浄化すべき被浄化流体の一例である。貫通孔７６は、被浄化流体を通すための通路の一例である。
【００３２】
つぎに、後段三元触媒７２が活性状態となる活性温度であるときの特性について説明する。図４は、後段三元触媒７２の、後述される活性状態での炭化水素を水と二酸化炭素とへ変換する性能を示すグラフである。
【００３３】
図４の横軸は、燃焼室１６に供給される空気と燃料との混合気の空燃比を示している。図中、横軸の中心位置Ｐは、理論空燃比を示す。本実施形態では、理論空燃比を、１４．６とする。図４の横軸は、図中右側に進むにつれて値が大きくなる。横軸において理論空燃比を示す位置Ｐよりも図中右側は空燃比がリーンであることを示す。そして、横軸は、図中右側に進むにつれて、言い換えると矢印ｘに沿って進むにつれて空燃比のリーンの程度が大きくなることを示す。横軸において理論空燃比を示す位置Ｐよりも図中左側は空燃比がリッチであることを示す。そして、横軸は、図中左側に進むにつれて、言い換えると矢印ｙに沿って進むにつれて空燃比のリッチの程度が大きくなることを示す。図４の縦軸は、炭化水素を水と二酸化炭素とへ変換する性能を示している。縦軸は、図中上方に進むにつれて、つまり縦軸の矢印に沿って進むにつれて炭化水素を水と二酸化炭素とへの変換する性能が高いことを示している。
【００３４】
図４中では、後段排気浄化装置７０の特性を実線で示している。図４中実線で示すように、後段排気浄化装置７０は、触媒活性成分としてカリウムを備えることによって、炭化水素の浄化性能は、略理論空燃比で最も高くなる。
【００３５】
また、カリウムは、熱安定性が低いので、高温状態が長く続くと、飛散することがある。後段排気浄化装置７０では、排気Ｈが流れる貫通孔７６の内側に対して第２の後段触媒層７５を挟んで外側に位置する第１の後段触媒層７４がカリウムを備えることによって、カリウムの外部への飛散が抑制されるので、カリウムの特性を維持することができる。
【００３６】
ロジウムは、排気浄化性能が高く、空燃比がリッチであると炭化水素を水と一酸化炭素へ変換する性能が高くなる。ロジウムとカリウムとを同一触媒層に用いると、炭化水素の浄化性能（炭化水素を水と二酸化炭素とに変換する性能）が低下する場合がある。後段排気浄化装置７０では、第１の後段触媒層７４に触媒活性成分としてパラジウムとカリウムとを用い、第２の後段触媒層７５に触媒活性成分としてロジウムを用いることによって、ロジウムの炭化水素の浄化性能の低下を抑制することができる。
【００３７】
上記理由により、後段排気浄化装置７０は、図４中実線で示す特性を有するとともに、この特性を長期間維持することができる。
【００３８】
また、図４では、第１，２の後段触媒層７４，７５の他の例として、第１の後段触媒層７４がカリウムを備えていない場合の後段排気浄化装置の特性を、点線で示している。また、第２の後段触媒層７５がカリウムを備えて、第１の後段触媒層７４がカリウムを備えていない場合の後段排気浄化装置の特性を、１点鎖線で示している。なお、１点鎖線の特性を備える構造において、第２の後段触媒層７５が備えるカリウムの質量は、後段排気浄化装置７０の第１の後段触媒層７４が備えるカリウムの質量と同じである。
【００３９】
図４中に点線で示される特性を有する、第１の後段触媒層７４がカリウムを備えていない場合の後段排気浄化装置は、第１の後段触媒層７４がカリウムを備えていない点を除いて、上記説明された第１の後段触媒層７４がカリウムを備えている後段排気浄化装置７０と同じである。このため、図４中に点線で示される、後段用第１，２の触媒層がカリウムを備えない後段排気浄化装置の特性は、前段排気浄化装置６０の特性と同じである。
【００４０】
同様に、図４中に１点鎖線で示される特性を有する、第１の後段触媒層７４がカリウムを備えておらず、かつ、第２の後段触媒層７５がカリウムを備える後段排気浄化装置は、第１の後段触媒層７４がカリウムを備えず、かつ、第２の後段触媒層７５がカリウムを備える点を除いて、上記された、第１の後段触媒層７４がカリウムを備えて第２の後段触媒層７５がカリウムを備えない後段排気浄化装置７０と同じである。
【００４１】
図４に示すように、後段排気浄化装置７０は、燃焼室１６に供給される空気と燃料との混合気の空燃比が理論空燃比の近傍の範囲内にある状態では、図４中に点線で示す特性を有するカリウムを備えない後段排気浄化装置と１点鎖線で示す特性を有する第２の後段触媒層７５にカリウムを備える後段排気浄化装置とよりも炭化水素を水と二酸化炭素へ変換する性能が高いことがわかる。
【００４２】
本実施形態では、本発明で言う理論空燃比を挟む所定の範囲の一例として、高性能範囲Ａとしている。高性能範囲Ａ内では、後段用第１，２の触媒層がアルカリ金属（本実施形態では、一例としてカリウム）を備えない構造と、後段用第２の触媒層がアルカリ金属（本実施形態では、一例としてカリウム）を備えかつ後段用第１の触媒層がアルカリ金属を備えない構造とよりも、炭化水素の浄化性能が高い。
【００４３】
本実施形態では、理論空燃比−０．３から理論空燃比＋０．３の範囲（理論空燃比−０．３と、理論空燃比＋０．３とを含む）を高性能範囲Ａとしている。本実施形態では、理論空燃比を１４．６としているので、高性能範囲Ａは、１４．３〜１４．９（１４．３と１４．９とを含む）の範囲となる。
【００４４】
なお、高性能範囲Ａは、第１，２の後段触媒層がアルカリ金属（本実施形態では、一例としてカリウム）を備えない構造と、後段用第２の触媒層がアルカリ金属（本実施形態では、一例としてカリウム）を備えかつ後段用第１の触媒層がアルカリ金属を備えない構造とよりも炭化水素の浄化性能が高い範囲をこえなければよい。
【００４５】
言い換えると、高性能範囲Ａは、後段用第１，２の触媒層がアルカリ金属（本実施形態では、一例としてカリウム）を備えない構造と、後段用第２の触媒層がアルカリ金属（本実施形態では、一例としてカリウム）を備えかつ後段用第１の触媒層がアルカリ金属を備えない構造とよりも炭化水素の浄化性能が高い範囲と同じ、または、この高い範囲よりも狭い範囲であってもよい。
【００４６】
本実施形態では、理論空燃比＋０．３は、図４に示される実線グラフと点線グラフの交わる２点のうち値が大きい方と同じであるが、理論空燃比−０．３は、図４に示される実線グラフと点線グラフとの交わる２点のうち値が小さい方よりも大きい。
【００４７】
なお、本実施形態では、後段排気浄化装置７０は、アルカリ金属の一例としてカリウムを用いているが、カリウム以外のアルカリ金属を用いた場合であっても、図４の実線で記載した特性と同様の特性が得られる。さらに、この特性を長期間維持することができる。これは、カリウム以外のアルカリ金属も、触媒活性成分としてカリウムと同様の機能を備えているからである。
【００４８】
図１に示すように、酸素センサ８０は、排気通路３０において前段排気浄化装置６０の前段三元触媒６２よりも上流に設けられている。酸素センサ８０は、排気Ｈ中の酸素濃度を検出する。酸素センサ８０の検出結果は、制御部４０に送信される。制御部４０は、酸素センサ８０から受信した排気Ｈ中の酸素濃度を示す情報に基づいて、燃焼室１６に供給される空気と燃料との混合気の空燃比を算出する。
【００４９】
温度センサ９０は、排気通路３０において後段排気浄化装置７０よりも下流の位置に設けられている。温度センサ９０は、排気通路３０内を流れる排気Ｈの温度を検出する。温度センサ９０は、検出結果を制御部４０に送信する。制御部４０は、温度センサ９０の検出結果に基づいて、言い換えると、後段排気浄化装置７０の下流を流れる排気Ｈの温度に基づいて、後段三元触媒７２の温度を求める。後段三元触媒７２の温度は、第１，２の後段触媒層７４，７５の温度と同じである。
【００５０】
制御部４０は、温度センサ９０の検出結果に対応する後段三元触媒７２の温度の情報（例えばマップなど）を予め備えている。この情報は、後段排気浄化装置７０と温度センサ９０との位置関係、内燃機関１０の運転状態などを考慮したものである。制御部４０は、温度センサ９０と上記情報とに基づいて、後段三元触媒７２の温度を検出する。
【００５１】
つぎに、排気浄化装置５０の動作を説明する。図５は、排気浄化装置５０の動作を示すフローチャートである。まず、後段三元触媒７２の温度が、後段三元触媒７２が活性状態になる活性温度になっていない場合の動作を説明する。後段三元触媒７２が活性状態になるとは、第１，２の後段触媒層７４，７５の各々が備える触媒活性成分が全て活性化する状態である。
【００５２】
本実施形態では、一例として、後段三元触媒７２が活性状態となる活性開始温度は、３５０℃（摂氏温度）である。活性開始温度以上を活性温度とし、活性温度であると第１，２の後段触媒層７４，７５の活性状態が保たれる。活性開始温度は、本発明で言う所定温度の一例である。
【００５３】
図５に示すように、制御部４０は、ステップＳＴ１で、内燃機関１０が駆動しているか否かを判定する。この説明では、内燃機関１０が駆動しているので、制御部４０は、内燃機関１０が駆動していると判定して、ステップＳＴ２に進む。
【００５４】
ステップＳＴ２では、制御部４０は、後段三元触媒７２の温度を検出する。具体的には、内燃機関１０の運転が開始されると、温度センサ９０は、排気通路３０において後段排気浄化装置７０よりも下流を流れる排気Ｈの温度を検出し、この検出結果を制御部４０に送信する。制御部４０は、温度センサ９０から受信した送信結果に基づいて、後段三元触媒７２の温度を求める。後段三元触媒７２の温度が検出されると、ついで、ステップＳＴ３に進む。
【００５５】
ステップＳＴ３では、制御部４０は、後段三元触媒７２の温度が活性温度であるか否かを判定する。この説明では、後段三元触媒７２の温度は活性温度未満であるので、制御部４０は、後段三元触媒７２の温度が活性温度ではないと判定する。ついで、ステップＳＴ１に戻る。後段三元触媒７２の温度が活性温度未満であると、ステップＳＴ１〜ＳＴ３の動作が繰り返される。
【００５６】
つぎに、後段三元触媒７２の温度が活性温度になった場合の、排気浄化装置５０の動作を説明する。
【００５７】
後段三元触媒７２の温度が活性温度になると、制御部４０は、燃焼室１６に供給される空気と燃料との混合気の空燃比が、高性能範囲Ａ内になるように、インジェクタ１５から噴射される燃料の質量を制御する。具体的には、制御部４０は、ステップＳＴ４，ＳＴ５，ＳＴ６，ＳＴ７の動作を行う。
【００５８】
制御部４０は、ステップＳＴ３で、後段三元触媒７２が活性温度であると判定すると、ステップＳＴ４に進む。ステップＳＴ４では、制御部４０は、燃焼室１６に供給される空気と燃料との混合気の空燃比が高性能範囲Ａより大きいか否かを判定する。
【００５９】
具体的には、制御部４０は、空燃比が理論空燃比＋０．３より大きいか否かを判定する。制御部４０は、酸素センサ８０から送信される排気Ｈ中の酸素濃度を示す情報に基づいて、空燃比を算出する。空燃比が理論空燃比＋０．３より大きいと判定されると、ついで、ステップＳＴ５に進む。
【００６０】
ステップＳＴ５では、制御部４０は、各インジェクタ１５から噴射される燃料の質量を増大する。各インジェクタ１５で増大される燃料の質量は、予め決定された一定量である。または、各インジェクタ１５で増大される燃料の質量は、そのときの自動車の運転状態を考慮して決定されてもよい。ついで、ステップＳＴ１に戻る。
【００６１】
空燃比が高性能範囲Ａより大きい場合は、ステップＳＴ１〜ＳＴ５の動作が繰り返される。ステップＳＴ５での処理によって、各インジェクタ１５から噴射される燃料の質量が
多くなる。ステップＳＴ５での処理が繰り返されることによって、空燃比は、リーンである状態からリッチ側に変化し、それゆえ、高性能範囲Ａ内となる。
【００６２】
ステップＳＴ４において、制御部４０が、空燃比が理論空燃比＋０．３以下であると判定すると、ついで、ステップＳＴ６に進む。ステップＳＴ６では、制御部４０は、空燃比が、理論空燃比−０．３未満であるか否かを判定する。空燃比が理論空燃比−０．３以上である場合は、空燃比は、高性能範囲Ａ内にある。ついで、ステップＳＴ１に戻る。
【００６３】
ステップＳＴ６で、空燃比が高性能範囲Ａ未満であると判定されると、ついで、ステップＳＴ７に進む。ステップＳＴ７では、制御部４０は、各インジェクタ１５から噴射される燃料の質量を減少する。各インジェクタ１５で減少される燃料の質量は、予め決定された一定量である。または、各インジェクタ１５で減少される燃料の質量は、そのときの自動車の運転状態を考慮して決定されてもよい。
【００６４】
空燃比が高性能範囲Ａ未満である場合は、ステップＳＴ１〜Ｓ４，ＳＴ６，ＳＴ７が繰り返される。ステップＳＴ７での処理が繰り返されることによって、空燃比は、リッチである状態からリーン側に変化し、それゆえ、高性能範囲Ａ内となる。
【００６５】
このように構成される排気浄化装置５０では、後段排気浄化装置７０は、第１の後段触媒層７４がパラジウムとアルカリ金属の一例としてカリウムとを備えるとともに、第２の後段触媒層７５がロジウムを備えることによって、貴金属の量を多くしなくても、理論空燃比の近傍で炭化水素の浄化性能を向上させるとともに向上した状態を長期間維持することができる。さらに、空燃比が高性能範囲Ａ内にあるように空燃比を制御することによって、後段排気浄化装置７０を、炭化水素の浄化性能が高い状態で用いることができる。このため、後段排気浄化装置７０は、コストの高騰を抑えつつ、排気浄化性能を向上することができる。
【００６６】
また、後段用第２の触媒層がアルカリ金属を備えないことによって、ロジウムの高い炭化水素の浄化性能を損なうことがない。
【００６７】
また、後段三元触媒７２を、前段三元触媒６２の下流に配置することによって、後段三元触媒７２は、比較的温度の高い排気通路３０の上流部から離れることになるので、熱によるカリウムの飛散をより一層抑制することができる。このため、後段用触媒の炭化水素の浄化性能をより一層長期間維持することができる。
【００６８】
また、前段三元触媒６２にはカリウムを添加しないため、空燃比が高性能範囲Ａ以外となった場合でも、アルカリ金属の添加による排気浄化性能の悪化を抑制することができる。
【００６９】
また、本実施形態では、第１の後段触媒層７４は、触媒活性成分としてロジウムのみを備えている。しかしながら、第１の後段触媒層７４は、少なくともロジウムを備えていればよく、他の触媒活性成分を備えていてもよい。そして、第２の後段触媒層７５は、触媒活性成分としてカリウム（アルカリ金属の一例）と、パラジウムとを備えていればよく、さらに他の触媒活性成分を備えていてもよい。この構造の一例としては、前段排気浄化装置６０の第１，２の前段触媒層６４，６５と、後段排気浄化装置７０の第１，２の後段触媒層７４，７５とは、各々触媒活性成分として、さらに、プラチナ（Ｐｔ）を備えてもよい。また、すべての触媒層には、触媒活性成分の働きを補助するための添加剤（たとえば、酸化セリウムや酸化ジルコニウムなど）を含んでもよい。
【００７０】
また、本実施形態では、排気浄化装置５０は、後段排気浄化装置７０よりも上流に配置される前段排気浄化装置として、１つの前段排気浄化装置６０が用いられている。しかしながら、後段排気浄化装置よりも上流に配置される前段排気浄化装置６０は、１つに限定されず、複数あってもよい。この構造の場合、後段三元触媒７２と複数の前段三元触媒６２とが、排気浄化手段を構成する。
【００７１】
また、本実施形態では、触媒層を保持するためのハニカム担体６３，７３は、セラミックを用いた担体が用いられている。しかしながら、ハニカム担体としては、セラミックスに限定する必要はなく、メタル箔の担体を用いてもよい。
【００７２】
また、本実施形態では、前段排気浄化装置６０と、後段排気浄化装置７０とにおいて、第１，２の触媒層６４，６５，７４，７５は、触媒活性成分を担持するウォッシュコートを備えている。しかしながら、ウォッシュコートを備えず、触媒活性成分のみであってもよい。
【００７３】
また、本実施形態では、空燃比が高性能範囲Ａ内になるように制御する制御手段として、制御部４０と、インジェクタ１５とが用いられた。しかしながら、これに限定されない。例えば、制御部４０がスロットルバルブも制御してもよい。この場合、空燃比が高性能範囲Ａ内になるように制御する制御手段は、制御部４０と、インジェクタ１５と、スロットルバルブとなる。要するに、制御手段は、高性能範囲Ａ内になるように制御する機能を有していればよい。
【００７４】
また、本実施形態では、後段三元触媒７２の温度を検出するために、後段三元触媒７２の下流を流れる排気Ｈの温度を検出し、排気Ｈの温度に基づいて後段三元触媒７２の温度が検出された。しかしながら、これに限定されない。後段三元触媒７２の温度が直接検出されてもよい。要するに、後段三元触媒７２の温度を検出する検出手段を備えていればよい。この検出手段としては、センサなどの検出部であってもよい。
【００７５】
また、空燃比を検出するための手段として、酸素センサ８０が用いられた。しかしながら、これに限定されない。要するに、空燃比を検出する検出手段を備えていればよい。この検出手段は、例えばセンサなどの検出部であってもよい。
【００７６】
また、後段排気浄化装置７０のみを用いても、炭化水素の浄化性能が高いので、本実施形態と同様の効果を得ることができる。この場合、後段排気浄化装置７０は、排気通路３０において比較的温度が高い上流を避けて配置されることが好ましい。このことによって、触媒活性成分としてのアルカリ金属が飛散することを抑制できる。また、この構造の場合、後段三元触媒７２が排気浄化手段となる。
【００７７】
また、本実施形態では、活性開始温度を、本発明で言う所定温度の一例とした。しかしながら、所定温度として他の温度が用いられてもよい。
【００７８】
また、本実施形態では、高性能範囲Ａを、本発明で言う理論空燃比を挟む所定の範囲の一例とした。しかしながら、これに限定されない。所定の範囲は、図４に示されるように、点線で示される特性を備える構造と１点鎖線で示される特性を備える構造に対して炭化水素を浄化する性能が高い範囲をこえるように設定されてもよい。この場合であっても、所定の範囲として炭化水素を浄化する性能が高い範囲が用いられることが好ましい。なお、本発明で言う所定の範囲として高性能範囲以外を用いる場合は、制御手段は、空燃比を所定の範囲内に制御する機能を有していればよい。
【００７９】
この発明は、上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、上述した実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。
【符号の説明】
【００８０】
１０…内燃機関、３０…排気通路、４０…制御部（制御手段）、５０…排気浄化装置（排気浄化システム）、６２…前段三元触媒６２、７２…後段三元触媒（排ガス浄化用三元触媒）、７３…後段担体（担体）、７４…第１の後段触媒層（下層）、７５…第２の後段触媒層（上層）、Ａ…高性能範囲（所定の範囲）、Ｈ…排気。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムであって、
前記内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化手段と、
空燃比を制御する制御手段と
を備え、
前記排気浄化手段は、少なくともロジウムを含む上層と、少なくとも、パラジウムと前記上層よりも多くのアルカリ金属とを含む下層とが、担体上に積層してなる排気浄化用三元触媒を備え、
前記制御手段は、前記排気浄化用三元触媒の温度が所定温度以上のとき、前記空燃比を、理論空燃比を挟む所定の範囲内となるように制御する
ことを特徴とする排気浄化システム。
【請求項２】
前記排気浄化用三元触媒において、アルカリ金属は、前記下層にのみ担持されている
ことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化システム。
【請求項３】
前記排気浄化手段は、前記排気浄化用三元触媒よりも前記排気通路の上流側に配置され、アルカリ金属を含まない前段三元触媒をさらに具備する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の排気浄化システム。
【請求項１】
内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムであって、
前記内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化手段と、
空燃比を制御する制御手段と
を備え、
前記排気浄化手段は、少なくともロジウムを含む上層と、少なくとも、パラジウムと前記上層よりも多くのアルカリ金属とを含む下層とが、担体上に積層してなる排気浄化用三元触媒を備え、
前記制御手段は、前記排気浄化用三元触媒の温度が所定温度以上のとき、前記空燃比を、理論空燃比を挟む所定の範囲内となるように制御する
ことを特徴とする排気浄化システム。
【請求項２】
前記排気浄化用三元触媒において、アルカリ金属は、前記下層にのみ担持されている
ことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化システム。
【請求項３】
前記排気浄化手段は、前記排気浄化用三元触媒よりも前記排気通路の上流側に配置され、アルカリ金属を含まない前段三元触媒をさらに具備する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の排気浄化システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１５４２５０（Ｐ２０１２−１５４２５０Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４１０１（Ｐ２０１１−１４１０１）
【出願日】平成２３年１月２６日（２０１１．１．２６）
【出願人】（０００００６２８６）三菱自動車工業株式会社 (2,892)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２６日（２０１１．１．２６）
【出願人】（０００００６２８６）三菱自動車工業株式会社 (2,892)
【Ｆターム（参考）】
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