JP2005120938A - 内燃機関の排気浄化装置及び内燃機関の排気浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを効率良く還元して浄化することができ、また、十分な量のＮＯｘを還元して浄化することができ、ＮＯｘ触媒を広範囲にわたって再生することができる排気浄化装置を備えた内燃機関を提供する。
【解決手段】 ＮＯｘ触媒３３に保持されたＮＯｘを放出・還元して浄化する処理を行う場合には、添加弁３７によって軽油を噴射して、軽油を排気と共にＮＯｘ触媒３３に供給し、ＮＯｘ触媒３３の全域に液滴状の軽油が付着した後に、排気流量を減少させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、排気中に含まれるＮＯｘを浄化する内燃機関の排気浄化装置及び内燃機関の排気浄化方法に関するものである。

従来、ＮＯｘを吸蔵還元する吸蔵還元型のＮＯｘ触媒を備え、排気中のＮＯｘを浄化する、内燃機関の排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１〜４参照）。かかる排気浄化装置においては、適時、ＮＯｘ触媒に還元剤を供給して、ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを還元して浄化することで、ＮＯｘ触媒の再生がなされる。

ここで、還元剤をＮＯｘ触媒に供給する方法としては、一般的に、液状の還元剤を気化させた後に気体の状態で供給する場合と、液状の還元剤をそのまま液滴の状態で供給する場合がある。気体の状態で還元剤を供給する場合には、短時間で所望の領域を還元雰囲気にすることができる長所があるものの、ＮＯｘ触媒全体を還元雰囲気にしなければ、ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを還元して浄化することができないという短所がある。これに対して、液滴の状態で還元剤を供給する場合には、ＮＯｘ触媒全体を還元雰囲気にする必要はなく、局所的に還元雰囲気を作って、ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを還元して浄化することができるという長所がある。

しかし、液滴状の還元剤を供給する場合には、局所的に還元雰囲気を作るが故に、ＮＯｘ触媒に保持されているＮＯｘを十分に還元して浄化することが難しいという問題がある。なお、供給する還元剤の量が多すぎると、ＮＯｘ触媒に付着されずに、還元剤がそのまま大気に放出されてしまうため、供給する還元剤の量は制限される。
特開２０００−２４０４２８号公報 特開平６−２００７４０号公報 特開２０００−３４５８３１号公報 特開昭６２−１０６８２６号公報

本発明の目的の一つとして、ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを効率良く還元して浄化することが挙げられる。

また、本発明の目的の一つとして、ＮＯｘ触媒に保持された十分な量のＮＯｘを還元して浄化することが挙げられる。

更に、本発明の目的の一つとして、ＮＯｘ触媒を広範囲にわたって再生することが挙げられる。

本願発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明においては、液滴状の還元剤が、ＮＯｘ触媒全体に行き渡った（付着した）後に、ＮＯｘ触媒を流れる排気流量を減少（流量をゼロにする場合も含む）させる構成を採用した。

本発明の構成によれば、還元剤の供給時には排気流量は減少されていないため、ＮＯｘ
触媒の上流側から下流側に至る全体に、還元剤を容易に満遍なく供給できる。すなわち、還元剤は排気と共に運ばれるため、排気流量が減少した状態では、還元剤を下流側に供給するのが困難になってしまう。これに対して、本願発明においては、排気流量を減少させない状態で還元剤を供給するため、還元剤を下流側に対しても十分に供給することができる。そして、還元剤がＮＯｘ触媒全体に行き渡った後に、排気流量を減少させるため、ＮＯｘ触媒に付着した液滴状の還元剤の周囲に形成される還元雰囲気の領域を広くすることができ、かつ、還元雰囲気を長時間保たせることが可能となる。すなわち、ＮＯｘ触媒に付着した還元剤は気化していくため、気化が進行する間、当該還元剤の周囲は還元雰囲気が形成される。ここで、液滴状の還元剤の周囲における還元雰囲気を形成する気体は、（還元雰囲気ではない）排気と共に流されていく。従って、排気流量が少ないほど、還元雰囲気の領域を広くして、かつ、還元雰囲気を長時間保たせることが可能になる。また、排気流量が少なく、還元雰囲気の領域が広く、かつ還元雰囲気が長時間持続することから、ＮＯｘ触媒の温度が早期に上昇する。従って、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの放出・還元速度が速くなり、相乗的にＮＯｘを浄化する効率が高まる。

より具体的な本願発明の内燃機関の排気浄化装置としては、
排気通路に設けられ、排気中のＮＯｘを吸蔵還元する吸蔵還元型のＮＯｘ触媒に、液滴状の還元剤を上流側から供給する還元剤供給手段を備え、
前記還元剤供給手段によって還元剤を供給することにより、前記ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを還元して浄化する内燃機関の排気浄化装置において、
前記還元剤供給手段によって供給される液滴状の還元剤が、少なくとも所定範囲内に行き渡ったか否かを判定する判定手段と、
前記ＮＯｘ触媒に送られる排気流量を調整する調整手段と、を備え、
前記判定手段によって行き渡ったと判定された場合には、前記調整手段によって排気流量が減少されることを特徴とするものが挙げられる。

ここで、「所定範囲」としては、ＮＯｘ触媒の全範囲であることが望ましいが、必ずしも全範囲である必要はない。また、本発明においては、調整手段による排気流量の減少処理が開始された後においても、還元剤の供給が持続されていても構わない。また、排気流量の調整手段としては、例えば、排気通路を複数設けておき、各通路への供給量を弁などにより変更する構成，可変動弁システムを採用した構成，吸気量や排気量を吸排気弁により調整する構成，ＥＧＲ量をＥＧＲ弁により調整する構成、及び吸入空気量をスロットル弁により調整する構成が挙げられる。また、還元剤の好適な例としては、燃料（ディーゼルエンジンの場合は軽油）が挙げられる。

本発明の構成によれば、還元剤の供給時には排気流量は減少されていないため、還元剤は、排気と共にＮＯｘ触媒の下流側まで容易に運ばれる。これにより、還元剤をＮＯｘ触媒の上流側から下流側に至る全体に容易に供給することができる。従って、還元剤を容易に所定範囲に満遍なく行き渡らせることができる。そして、還元剤が所定範囲に行き渡った後に、排気流量を減少させるため、ＮＯｘ触媒に付着した液滴状の還元剤の周囲に形成される還元雰囲気の領域を広くすることができ、かつ、還元雰囲気を長時間保たせることが可能となる。そして、ＮＯｘ触媒の温度が早期に高まり、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの放出・還元速度が速くなる。

また、前記判定手段によって行き渡ったと判定された場合には、前記還元剤供給手段による還元剤の供給が停止され、その後、前記調整手段によって排気流量が減少されると良い。

このようにすれば、必要以上に還元剤を消費してしまうことを防止できる。特に、還元剤としてＨＣが含まれたもの（例えば燃料）を用いた場合に、ＨＣが大気に放出されてし
まうことを抑制できる。

前記判定手段による判定の基準となる要素には、前記ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率，前記ＮＯｘ触媒よりも下流側に排出されたＨＣの量，前記ＮＯｘ触媒の温度，前記還元剤供給手段による還元剤の供給開始からの経過時間，触媒単位体積を単位時間内に通過する排気流量のうちの少なくともいずれか一つが含まれるとよい。

ここで、判定基準となる要素としてＮＯｘ浄化率を用いる場合には、還元剤供給によってＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを還元して浄化させる処理を行った後のＮＯｘ浄化率から、還元剤が所定範囲に行き渡っていたか否かを事後的に認識することが可能である。従って、次に還元剤供給を行う際に、還元剤供給時間を補正する、いわゆるフィードバック制御を行うことで、適切に還元剤を所定範囲に行き渡らせることができる。なお、ＮＯｘ浄化率とは、シリンダから排出されたＮＯｘのうち、ＮＯｘ触媒によって浄化した割合をいう。このＮＯｘ浄化率は、例えば、ＮＯｘ触媒の上流側と下流側にそれぞれＮＯｘセンサを設けておき、これらの検出結果から算出できる。

また、判定基準となる要素としてＮＯｘ触媒よりも下流側に排出されたＨＣを用いる場合には、ＮＯｘ触媒よりも下流側にＨＣが排出されたことが検出されたとき、あるいは、ＮＯｘ触媒よりも下流側に排出されるＨＣの量が所定量を超えたときに、還元剤が所定範囲に行き渡ったと判定することができる。このＨＣの検出は、ＨＣセンサを用いて行うことができる。なお、判定基準となる要素として、当該ＨＣを用いる場合には、還元剤の成分としてＨＣが含まれていることが条件となる。

また、判定基準となる要素としてＮＯｘ触媒の温度を用いる場合には、ＮＯｘ触媒の温度が所定温度（予め設定した基準温度や、基準温度に他の条件を加味した温度など）を超えたときに、還元剤が所定範囲に行き渡ったと判定することができる。なお、ＮＯｘ触媒の温度は、温度センサを用いて直接検出することもできるし、他の個所の温度から推定することもできる。

また、判定基準となる要素として、還元剤供給手段による還元剤の供給開始からの経過時間を用いる場合には、当該経過時間が所定時間を超えたときに、還元剤が所定範囲に行き渡ったと判定することができる。なお、経過時間はタイマーを用いて測定できる。ここで、上記所定時間は、予め設定した基準時間や、基準時間に他の条件を加味した時間などを用いることができる。そして、当該他の条件としては、触媒単位体積を単位時間内に通過する排気流量（ＳＶ）が、その好適な例として挙げられる。

なお、これらの判定の基準となる要素を一つだけ用いて判定しても良いし、適宜２以上の要素から総合的に判定しても良い。

また、前記調整手段による排気流量の減少調整を終了するか否かを判定する第２の判定手段を備えると好適である。

本発明の構成によれば、排気流量の減少処理を適切なときに終了することができる。従って、なるべく早期に通常の排気流量に戻すことができる。

前記第２の判定手段による判定の基準となる要素には、前記ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率，前記ＮＯｘ触媒よりも下流側に排出されたＨＣの量，前記ＮＯｘ触媒の温度，前記調整手段による排気流量の減少調整開始からの経過時間，触媒単位体積を単位時間内に通過する排気流量のうちの少なくともいずれか一つが含まれるとよい。

ここで、判定基準となる要素としてＮＯｘ浄化率を用いる場合には、還元剤供給によってＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを還元して浄化させる処理を行った後のＮＯｘ浄化率から、排気流量を減少させていた時間が適切であったか否かを事後的に認識できる。従って、次に還元剤供給を行う際に、当該時間を補正する、いわゆるフィードバック制御を行うことで、当該時間を適切にすることができる。

また、判定基準となる要素としてＮＯｘ触媒よりも下流側に排出されたＨＣを用いる場合には、ＮＯｘ触媒よりも下流側にＨＣが排出されなくなったとき、あるいは、ＮＯｘ触媒よりも下流側に排出されるＨＣの量が所定量未満となったときに、排気流量の減少処理を終了すると判定することができる。

また、判定基準となる要素としてＮＯｘ触媒の温度を用いる場合には、ＮＯｘ触媒の温度が所定温度（予め設定した基準温度や、基準温度に他の条件を加味した温度など）未満になったときに、排気流量の減少処理を終了すると判定することができる。

また、判定基準となる要素として、前記調整手段による排気流量の減少調整開始からの経過時間を用いる場合には、当該経過時間が所定時間を超えたときに、排気流量の減少処理を終了すると判定することができる。ここで、上記所定時間は、予め設定した基準時間や、基準時間に他の条件を加味した時間などを用いることができる。そして、当該他の条件としては、触媒単位体積を単位時間内に通過する排気流量（ＳＶ）が、その好適な例として挙げられる。

なお、これらの判定の基準となる要素を一つだけ用いて判定しても良いし、適宜２以上の要素から総合的に判定しても良い。

また、前記ＮＯｘ触媒の温度が低いほど、前記調整手段によって排気流量がより減少されると好適である。

これにより、ＮＯｘ触媒の温度に応じて、適切な排気流量とすることができる。すなわち、ＮＯｘ触媒の温度が低いほど、ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを還元する速度が低下する。そのため、ＮＯｘ触媒の温度が低いほど、還元雰囲気を長時間保たせる必要性が高くなる。従って、ＮＯｘ触媒の温度が低いほど、排気流量を減少させることで、還元雰囲気をより長時間保たせることが可能となり、ＮＯｘ触媒の温度に応じた排気流量とすることができる。

また、前記還元剤供給手段よりも下流側に設けられ、かつ、それぞれにＮＯｘ触媒が設けられた、第１排気経路及び第２排気経路と、
これらの排気経路に対する排気流量を調整する弁と、を備え、
ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを還元して浄化する処理が行われていない場合には、いずれの排気経路にも排気が流されており、
当該浄化する処理が行われる場合には、前記弁によって、当該処理がなされるＮＯｘ触媒が設けられた方の排気経路にのみ排気が流された状態で、前記還元剤供給手段による該ＮＯｘ触媒に対する還元剤の供給が開始されると共に、
前記調整手段による排気流量の減少処理が行われる場合には、前記弁によって、他方の排気経路にも排気が流されることで、前記浄化する処理がなされるＮＯｘ触媒が設けられた方の排気経路への排気流量が減少されるとよい。

本発明の構成によれば、排気経路が複数の経路で構成され、各経路への排気流量が適宜変更されることによって、排気流量の減少処理が実現される。そして、ＮＯｘを還元して浄化する処理が行われていない場合には、ＮＯｘ触媒が設けられた、第１排気経路及び第
２排気経路のいずれにも排気が流される。従って、各排気経路に設けられたＮＯｘ触媒はいずれも利用されるため、特別に触媒容量を増やす必要はない。また、ＮＯｘを還元して浄化する処理が行われる場合には、当該処理がなされるＮＯｘ触媒が設けられた方の排気経路にのみ還元剤が供給される。従って、還元剤を無駄なく利用できる。更に、排気流量の減少処理が行われる場合には、弁によって、他方の排気経路への排気流量が増加されることで、浄化する処理がなされるＮＯｘ触媒が設けられた方の排気経路への排気流量が減少される。従って、排気流量の総量を変更することなく、浄化するＮＯｘ触媒に対する排気流量の減少処理を行うことができる。

また、ＮＯｘ触媒に保持されたＳＯｘを還元して浄化する場合、及びＮＯｘ触媒がフィルタ機能を兼備している場合であって、該ＮＯｘ触媒に付着した微粒子を酸化除去する場合には、前記弁によって、該ＮＯｘ触媒が設けられた排気経路を流れる排気流量が増減される増減処理が少なくとも１回なされるとよい。

このようにすれば、ＳＯｘの還元浄化、あるいは微粒子の酸化除去を、ＮＯｘ触媒の全域にわたって好適に行うことができる。すなわち、これらを行う場合には、ＮＯｘ触媒の温度を一定以上にする必要がある。そして、ＮＯｘ触媒の全域に対して、これらの処理を行うためには、ＮＯｘ触媒の全域の温度を一定以上にしなければならない。ここで、排気流量が少ない場合には、主として、ＮＯｘ触媒の上流側に還元剤が供給される。従って、当該還元剤の還元反応により、主としてＮＯｘ触媒の上流側の温度が高くなる。そして、排気流量が多い場合には、ＮＯｘ触媒の下流側にも多くの還元剤が供給される。従って、当該還元剤の還元反応により、ＮＯｘ触媒の下流側の温度も高くなる。以上により、排気流量の増減処理が少なくとも１回なされることで、ＮＯｘ触媒の上流側から下流側まで満遍なく、その温度を高くすることができる。

また、前記弁は、排気を流す経路を、第１排気経路又は第２排気経路に切り替え可能な切り替え弁であり、
前記増減処理は、該切り替え弁によって、排気の流れる経路が交互に切り替えられることにより行われると共に、
前記還元剤供給手段によって還元剤が供給されるタイミングは、該切り替え弁によって、排気の流れる経路が切り替えられるタイミングに同期されているとよい。

このようにすれば、第１排気経路と第２排気経路の両者に対して、適切に、排気流量の増減処理を行わせることができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化方法は、
排気中に含まれるＮＯｘを浄化する内燃機関の排気浄化方法において、
ＮＯｘを吸蔵還元する吸蔵還元型のＮＯｘ触媒よりも上流側から還元剤を供給することによって、該ＮＯｘ触媒に液滴状の還元剤を付着させる工程と、
判定手段によって、液滴状の還元剤が、ＮＯｘ触媒中の少なくとも所定範囲内に行き渡ったと判定された後に、ＮＯｘ触媒に送られる排気流量を減少させる工程と、を有することを特徴とする。

なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。

以上説明したように、本発明によれば、ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを効率良く還元して浄化することができる。また、ＮＯｘ触媒に保持された十分な量のＮＯｘを還元して浄化することができる。更に、ＮＯｘ触媒を広範囲にわたって再生することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１〜図４を参照して、本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置及び内燃機関の排気浄化方法について説明する。図１は排気浄化装置を備えた内燃機関全体の概略構成図である。図２は液滴状の還元剤についての説明図である。すなわち、図２においては、液滴状の還元剤が還元雰囲気を作り出す様子と、ＮＯｘ触媒に液滴状の還元剤が付着した部分及びその周囲におけるＮＯｘの吸蔵量を示している。なお、図２ＡはＳＶ（触媒単位体積を単位時間内に通過する排気流量）が多い場合を示し、図２ＢはＳＶが少ない場合を示している。図３はＮＯｘ触媒の温度とＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを放出・還元する速度との関係を示したグラフである。図４は排気経路を切り替えるバルブを駆動するパルスと還元剤を添加するパルスとの関係を示すタイミングチャートである。なお、図４Ａは好適例を示し、図４Ｂは不適切な例を示している。

＜排気浄化装置を備えた内燃機関の全体説明＞
図１を参照して、本実施例に係る内燃機関１００の概要を説明する。本実施例においては、内燃機関１００として、ディーゼルエンジンの場合を例にして説明する。本実施例に係る内燃機関１００は、機関本体１０と、機関本体１０に新気を送り込む吸気管２０と、機関本体１０から排出される排気を浄化して大気に放出する排気浄化装置３０と、吸気に排気の一部を還流しＮＯｘの発生を制御する排気再循環装置（ＥＧＲ装置）４０とを備えている。排気再循環装置４０は、還流される排気（ＥＧＲガス）を冷却するためのＥＧＲクーラ４１と、ＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲ弁４２が設けられている。

＜排気浄化装置の説明＞
排気浄化装置３０は、排気管内に２つの排気経路、すなわち、第１排気経路３１と第２排気経路３２とを備えている。これらの排気経路内には、それぞれ吸蔵還元型のＮＯｘ触媒３３，３４が設けられている。なお、これらＮＯｘ触媒の具体例としては、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の他、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持したパティキュレートフィルタが挙げられる。また、これらの排気経路の上流側の分岐部分には、これらの排気経路に対する排気流量を制御可能な切り替え弁３５が設けられている。この切り替え弁３５は、第１排気経路３１の流路の入り口と第２排気経路３２の流路の入り口のいずれをも開口した状態、及びこれらの排気経路のうち、一方の流路の入り口を開口し、他方の流路の入り口を閉口した状態に切り替えることができる。また、この切り替え弁３５は、これらの排気経路に対する流路の入り口の開口面積を調整することによって、各排気経路への排気流量を調整することができる。

また、排気浄化装置３０には、ＮＯｘ触媒３３，３４の温度を測定するための温度センサ３６が設けられている。更に、第１排気経路３１と第２排気経路３２の分岐部よりも上流側である排気マニホルドには、これらの排気経路に対して還元剤を供給するための添加弁３７が設けられている。本実施例において、添加弁３７によって供給する還元剤は、燃料（軽油）である。

＜ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを放出・還元する処理の概要＞
本実施例に係る吸蔵還元型のＮＯｘ触媒３３，３４は、排気中に酸化性成分が多い条件下（酸化雰囲気）ではＮＯｘを吸収し、排気中に酸化性成分が低い条件下で、かつ還元剤（ＨＣなど）が存在する条件下（還元雰囲気）では、ＮＯｘを放出して還元する性質を有
する。

ここで、ＮＯｘ触媒３３，３４は、所定の限界量のＮＯｘを吸収すると、それ以上ＮＯｘを吸収しなくなる。そこで、ＮＯｘ触媒３３，３４に保持されたＮＯｘを放出・還元して浄化することにより、ＮＯｘ触媒３３，３４のＮＯｘ吸収能力を回復させる制御が、所定のインターバルで繰り返される。なお、当該制御は、ＮＯｘ浄化率や運転履歴等に基づいて行われる。

ＮＯｘ触媒３３，３４に保持されたＮＯｘを放出・還元する処理を行う場合には、添加弁３７により還元剤である軽油が噴射される。噴射された液滴状の軽油は、排気と共に排気経路の下流側へと運ばれる。これにより、ＮＯｘ触媒３３，３４に液滴状の軽油が付着される。ＮＯｘ触媒３３，３４に付着された液滴状の軽油は徐々に気化されて、その周囲に還元雰囲気を形成する。そして、還元雰囲気が形成された領域において、ＮＯｘ触媒３３，３４に保持されたＮＯｘが放出・還元されて浄化される。ここで、放出・還元されるＮＯｘの量は、還元雰囲気である時間が長いほど多くなる。

＜ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを放出・還元する処理手順＞
本実施例では、通常時（ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを放出・還元する処理を行っていない時）においては、切り替え弁３５によって、第１排気経路３１の流路の入り口と第２排気経路３２の流路の入り口は、いずれも開口されている。

以下、ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを放出・還元する処理手順について、処理を行う順序に従って説明する。なお、第１排気経路３１に設けられたＮＯｘ触媒３３、及び第２排気経路３２に設けられたＮＯｘ触媒３４のいずれについても同一の手順で当該処理が行われる。従って、ここでは、第１排気経路３１に設けられたＮＯｘ触媒３３について当該処理が行われる場合のみについて説明する。

＜＜処理手順＞＞
まず、切り替え弁３５によって、第２排気経路３２の流路の入り口が閉口され、かつ第１排気経路３１の流路の入り口が開口された状態で、添加弁３７から噴射された軽油が供給される。噴射された軽油は排気と共に第１排気経路３１の下流へと運ばれる。これにより、液滴状の軽油が、第１排気経路３１に設けられたＮＯｘ触媒３３に付着していく。ここで、本実施例においては、排気流量が十分な状態で液滴状の軽油が運ばれるため、ＮＯｘ触媒３３の下流側についても、十分に軽油が供給される。

そして、不図示の判定手段によって、軽油が所定範囲（本実施例では、ＮＯｘ触媒３３の全領域）に行き渡ったと判定されると、添加弁３７による軽油の供給が停止される。その後、切り替え弁３５によって、第２排気経路３２の流路の入り口が開口されて、第２排気経路３２へも排気が流れていくことで、第１排気経路３１を流れる排気流量が低減される。

その後、排気流量の減少調整を終了するか否かを判定する、不図示の第２の判定手段によって、減少調整を終了すると判定されると、切り替え弁３５は元の位置に戻る。ただし、第１排気経路３１に設けられたＮＯｘ触媒３３と第２排気経路３２に設けられたＮＯｘ触媒３４については、通常、同時期にＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを放出・還元する処理を行う必要がある。従って、ＮＯｘ触媒３３に対して当該処理を施した後に、続けて、ＮＯｘ触媒３４にも当該処理を施すのが望ましい。

＜＜軽油が所定範囲に行き渡ったか否かを判定する判定手段＞＞
軽油が所定範囲に行き渡ったか否かを判定する判定手段は、内燃機関１００に備えられ
た各種構成部品の動作を制御する不図示の制御装置（ＥＣＵ）が有する機能の一つである。このＥＣＵは、各種センサから入力される電気信号をマイクロコンピュータで演算処理し、出力処理回路を通じて各種のアクチュエータへ電気信号を出力する機器である。なお、当該判定手段による判定後に、ＥＣＵから電気信号を出力する対象となるアクチュエータは、本実施例の場合には、添加弁３７及び切り替え弁３５であることは言うまでもない。当該判定手段による判定手法としては、様々な手法を採用することができるが、ここでは、その例をいくつか説明する。

（１）ＮＯｘ浄化率を用いた判定
ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを還元して浄化させる処理を行った後のＮＯｘ浄化率から、還元剤である軽油が所定範囲に行き渡っていたか否かを事後的に認識することが可能である。何故ならば、通常、実際に軽油が所定範囲に行き渡っていれば、ＮＯｘ浄化率が目標値を超えるのに対して、行き渡っていないと、ＮＯｘ浄化率が目標値未満となるからである。従って、次に軽油の供給を行う際に、軽油の供給時間を補正する、いわゆるフィードバック制御を行うことで、適切に軽油を所定範囲に行き渡らせることができる。なお、ＮＯｘ浄化率とは、シリンダから排出されたＮＯｘのうち、ＮＯｘ触媒によって浄化（吸収）した割合をいう。このＮＯｘ浄化率は、例えば、ＮＯｘ触媒の上流側と下流側にそれぞれＮＯｘセンサを設けておき、これらの検出結果から算出できる。

すなわち、この場合、ＮＯｘ触媒の上流側と下流側のＮＯｘセンサから、ＥＣＵに電気信号がそれぞれ入力される。ＥＣＵはこれらの入力信号からＮＯｘ浄化率を算出し、この算出されたＮＯｘ浄化率が目標のＮＯｘ浄化率未満の場合には、これらの浄化率の差を算出する。そして、ＥＣＵは、この差から、次に軽油を供給する際の、軽油供給時間の補正値を算出することができる。

（２）ＮＯｘ触媒よりも下流側に排出されたＨＣを用いた判定
ＮＯｘ触媒よりも下流側にＨＣが排出されたことが検出されたとき、あるいは、ＮＯｘ触媒よりも下流側に排出されるＨＣの量が所定量を超えたときに、軽油が所定範囲に行き渡ったと判定することができる。何故ならば、ＮＯｘ触媒よりも下流側にＨＣが排出されれば、ＮＯｘ触媒の下流側の末端まで軽油が到達していると考えられ、ＮＯｘ触媒よりも下流側に排出されるＨＣの量が所定量を超えれば、ＮＯｘ触媒内に軽油が一定以上行き渡ったものと考えられるからである。なお、このＨＣの検出は、ＨＣセンサを用いて行うことができる。

（３）ＮＯｘ触媒の温度を用いた判定
ＮＯｘ触媒の温度が所定温度（予め設定した基準温度や、基準温度に他の条件を加味した温度など）を超えたときに、軽油が所定範囲に行き渡ったと判定することができる。何故ならば、軽油が供給された範囲が広いほど、ＮＯｘ触媒の温度が高くなるからである。なお、ＮＯｘ触媒の温度は、温度センサ３６により検出できる。

（４）経過時間を用いた判定
添加弁３７による軽油の供給開始からの経過時間が所定時間を超えたときに、軽油が所定範囲に行き渡ったと判定することができる。何故ならば、実験や解析により、軽油の供給時間と軽油の行き渡る範囲との関係が推定できるからである。なお、経過時間はタイマーを用いて測定できる。ここで、この「所定時間」は、予め設定した基準時間や、基準時間に他の条件を加味した時間などを用いることができる。そして、当該他の条件としては、触媒単位体積を単位時間内に通過する排気流量（ＳＶ）が、その好適な例として挙げられる。

（５）その他
（１）〜（４）の判定方法は単独で利用可能であるが、これらの判定方法を２以上用いて利用することもできる。例えば、（２）〜（４）の判定方法を採用して、これら全ての判定方法により「軽油が所定範囲に行き渡った」と判定された場合に、「軽油が所定範囲に行き渡った」と最終的な判定を行うことができる。また、（２）〜（４）のいずれかの判定方法と、（１）の判定方法を組み合わせることもできる。すなわち、（２）〜（４）のいずれかを採用した場合においては、判定結果に誤りが生じ得るため、これに対して（１）のフィードバック制御を適用することで、より適正な判定が可能となる。

＜＜排気流量とＮＯｘ触媒から放出・還元されるＮＯｘ量との関係＞＞
排気流量とＮＯｘ触媒から放出・還元されるＮＯｘ量との関係について、特に図２Ａ，図２Ｂを参照して説明する。これらの図においては、上部にＮＯｘ触媒表面に付着した液滴状の軽油の様子を簡略的に示し、下部にＮＯｘ触媒のＮＯｘの吸蔵量を示している。そして、図２ＡはＳＶが多い場合を示し、図２ＢはＳＶが少ない場合を示している。

図中、符号ＳはＮＯｘ触媒の表面を示しており、符号ＡはＮＯｘ触媒の表面Ｓに付着した液滴状の軽油を示しており、符号Ｂは還元雰囲気領域を示している。ＮＯｘ触媒の表面Ｓに付着した液滴状の軽油Ａは、その表面から気化して蒸発していき、その周囲に還元雰囲気領域Ｂを形成する。このように形成された還元雰囲気の状態が維持される時間は、ＮＯｘ触媒の表面Ｓに付着した液滴状の軽油Ａの中央（図中Ｔ）において最も長く、当該軽油Ａから離れるにしたがって短くなる。なお、図中０で示す部分が、還元雰囲気が形成される時間が０の部分である。すなわち、０で示す実線位置が、当該軽油Ａによって還元雰囲気を形成できる限界位置である。そして、ＮＯｘ触媒から放出・還元されるＮＯｘの量は、還元雰囲気である時間が長いほど多くなる。従って、ＮＯｘ触媒の表面に付着した軽油Ａの中央付近（図中Ｘで示す領域）では、多くのＮＯｘが放出・還元されるが、そこから離れるにしたがって（図中Ｙで示す領域）、放出・還元されるＮＯｘの量は不十分になり、還元雰囲気が形成されない領域（図中Ｚで示す領域）では、ＮＯｘは全く放出されない。

ところで、還元雰囲気を形成する気体は、排気と共に流されていく。ここで、ディーゼルエンジンの場合、排気は酸化雰囲気である。そのため、排気流量が多いほど、還元雰囲気を形成する気体は直ぐに流されてしまう。従って、排気流量が少ないほど、還元雰囲気の領域を広くして、かつ、還元雰囲気を長時間保たせることが可能になる。以上のことから、図２Ａと図２Ｂを比較すると分かるように、ＳＶが少ないほど、ＮＯｘ触媒から放出・還元されるＮＯｘ量を増やすことができ、また、より広範囲にわたってＮＯｘ触媒を再生することが可能となる。更に、ＳＶが少ないと、ＮＯｘ触媒の温度が早期に上昇する。そのため、ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを放出・還元する速度が速くなり、ＮＯｘを放出・還元する効率が相乗的に向上する。

＜＜ＮＯｘ触媒の温度に応じた排気流量調整＞＞
上記の通り、ＮＯｘ触媒は、その温度が高いほど、ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを放出・還元する速度が速くなる性質を有する（図３参照）。従って、ＮＯｘを放出・還元する処理を行う場合には、ＮＯｘ触媒の温度が高いほど、還元雰囲気が維持される時間は短くても良く、ＮＯｘ触媒の温度が低いほど、還元雰囲気が維持される時間を長くする必要がある。また、ＮＯｘ触媒の温度が低い場合には、還元雰囲気が維持される時間を長くし、かつ、還元雰囲気の領域をより広範囲にすることで、ＮＯｘ触媒の温度を早期に高めることが可能となる。

以上のことから、本実施例では、排気流量の減少調整を行う場合において、その減少調整の量は、温度センサ３６により検出される温度に応じて変えている。すなわち、その検出温度が低いほど、排気流量をより減少させるようにしている。こうすることで、ＮＯｘ
触媒の温度が低いほど、還元雰囲気が維持される時間を長くし、かつ、還元雰囲気の領域をより広範囲にすることが可能となる。以上のように、本実施例では、ＮＯｘ触媒の温度に応じて、最適な排気流量となるように当該排気流量が調整される。

＜＜排気流量の減少調整を終了するか否かを判定する第２の判定手段＞＞
ＮＯｘ触媒に付着された軽油が全て気化（蒸発）して、ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘの放出・還元処理が終了したら、排気流量を元に戻す必要がある。そこで、排気流量の減少調整を終了するか否かを判定する第２の判定手段を用い、第２の判定手段によって当該減少調整を終了すると判定された場合に、排気流量を元に戻すようにしている。このように、排気流量を適切なタイミングで通常に戻すことで、流量低下の制御に伴うドライバビリティの悪化を最小限に留めることができる。この第２の判定手段についても、上述した軽油が所定範囲に行き渡ったか否かを判定する判定手段と同様に、ＥＣＵが有する機能の一つである。

なお、第２の判定手段による判定手法についても、上述した軽油が所定範囲に行き渡ったか否かを判定する判定手段の場合と同様に、ＮＯｘ浄化率，ＮＯｘ触媒よりも下流側に排出されたＨＣ，ＮＯｘ触媒の温度，経過時間等を用いることができる。なお、第２の判定手段における判定手法において、これらを用いることができる理由は、上述の軽油が所定範囲に行き渡ったか否かを判定する判定手段における判定手法の説明内容から明白であるので、その詳細説明は省略する。

＜ＳＯｘ被毒回復及びＰＭの酸化除去＞
一般に、ＮＯｘ触媒は、排気中に含まれるＮＯｘだけではなく、ＳＯｘも吸収する性質を有する。そして、ＮＯｘ触媒に保持されるＳＯｘの量が増えると、ＮＯｘの吸収能力が低下する、いわゆるＳＯｘ被毒が生じる。そこで、かかるＳＯｘ被毒を解消するために、適時、ＮＯｘ触媒に保持されたＳＯｘを放出・還元して除去する処理（ＳＯｘ被毒回復処理）が行われる。また、一般に、ＮＯｘ触媒が、例えば、上述した吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持したパティキュレートフィルタである場合にように、ＮＯｘ触媒がフィルタ機能を兼備している場合には、適時、捕捉した粒子状物質（ＰＭ：パティキュレートマター）を酸化除去する処理（ＰＭの酸化除去処理）が行われる。

これらＳＯｘ被毒回復処理やＰＭの酸化除去処理を行う場合には、ＮＯｘ触媒の温度を高温（例えば６００℃）にする必要がある。従って、ＮＯｘ触媒の全域について、ＳＯｘ被毒回復やＰＭの酸化除去を行うには、ＮＯｘ触媒の全域を高温にしなければならない。

そこで、本実施例においては、これらの処理を行う場合には、切り替え弁３５によって、排気が流れる経路を、第１排気経路３１と第２排気経路３２に交互に切り替えるようにした。なお、少なくとも１回切り替えれば良い。これにより、各排気経路においては、ＳＶが少ない状態から高い状態（又はその逆）へと少なくとも１回は変化する。従って、この間に添加弁３７によって軽油を噴射することで、ＮＯｘ触媒３３，３４の全域に満遍なく軽油を供給できる。以上により、ＮＯｘ触媒３３，３４の全域を満遍なく高温にすることができる。

ここで、これらの処理を行う場合における、切り替え弁３５の駆動タイミングと、添加弁３７による軽油の噴射タイミングについて、図４を参照して説明する。図４は、切り替え弁３５に送るバルブ駆動パルスと添加弁３７に送る添加パルスとの関係を示すタイミングチャートである。添加パルスがＯＮのときは、添加弁３７によって軽油が噴射され、添加パルスがＯＦＦのときは添加弁３７は停止され、軽油は噴射されない。また、バルブ駆動パルスが１（Ｈｉｇｈ）のときは、切り替え弁３５によって第１排気経路３１の流路の入り口のみが開口され、バルブ駆動パルスが２（Ｌｏｗ）のときは、切り替え弁３５によ
って第２排気経路３２の流路の入り口のみが開口される。

図４Ａは好適な例を示している。図４Ａに示すタイミングチャートによれば、排気が流れる経路が第１排気経路３１へと切り替わるとき、及び第２排気経路３２へと切り替わるときに同期して、添加弁３７によって軽油が噴射される。この場合、第１排気経路３１と第２排気経路３２に対して、ほぼ同量の軽油を同様の排気流量の条件下で供給することができる。従って、ＮＯｘ触媒３３，３４の両者に対して適切な処理がなされる。

一方、図４Ｂは不適切な例を示している。図４Ｂに示すタイミングチャートによれば、排気が流れる経路が第１排気経路３１へと切り替わるときにのみ同期して、添加弁３７によって軽油が噴射される。この場合、第１排気経路３１と第２排気経路３２に対しては、供給する軽油の量が異なり、かつ、軽油が供給される際の排気流量も異なる。従って、ＮＯｘ触媒３３，３４に対して適切な処理を行うことができない。

＜本実施例に係る排気浄化装置を備えた内燃機関により得られる効果＞
以上説明したように、本実施例に係る排気浄化装置を備えた内燃機関及び内燃機関の排気浄化方法によれば、ＮＯｘ触媒３３，３４に保持されたＮＯｘを放出・還元する処理を行う場合に、液滴状の軽油を、ＮＯｘ触媒３３，３４の全域に容易に満遍なく付着させることができる。そして、個々の液滴状の軽油によって形成される還元雰囲気の領域を広くすることができ、かつ、還元雰囲気の状態を長時間維持できる。また、ＮＯｘ触媒３３，３４の温度が早期に高まるため、ＮＯｘ触媒３３，３４によるＮＯｘの放出・還元速度が向上する。従って、ＮＯｘ触媒３３，３４に保持されたＮＯｘを効率良く還元して浄化することができる。また、十分な量のＮＯｘを還元して浄化することができる。更に、ＮＯｘ触媒３３，３４を広範囲にわたって十分に再生することができる。

＜その他＞
本実施例においては、排気流量を減少させる処理方法として、排気経路を２つ設けて、各排気経路への排気流量を調整する方法を採用した。しかし、排気経路を３つ以上設けて、各排気経路への排気流量を調整することによって、排気流量を減少させる処理を行うことができることは言うまでもない。また、排気流量を減少させる処理方法としては、その他にも、可変動弁システムを採用した構成，吸気量や排気量を吸排気弁により調整する構成，ＥＧＲ量をＥＧＲ弁により調整する構成、及び吸入空気量をスロットル弁により調整する構成が挙げられる。すなわち、例えば、可変動弁システムにより吸排気弁の開弁期間を短くしたり、スロットル弁を閉じ側にすると共にＥＧＲ弁を開き側に制御することで排気流量を減少したり、排気絞り（＝排気通路に設けられた弁：トラックなどに設けられ、減速時に絞られエンジンブレーキとして用いられる、所謂ＶＶＴの排気弁とは異なる）を絞ったりすることにより、排気流量を減少させることができる。

また、本実施例においては、添加弁３７による軽油の噴射が終了した後に、排気流量を減少させる処理が行われるようにした。これは、主として軽油の無駄な消費をなくす観点によるものである。しかしながら、排気流量を減少させる処理が開始された後も、添加弁３７による軽油の噴射が多少継続されていても構わない。

また、本実施例においては、排気が流れる経路を第１排気経路３１と第２排気経路３２に切り替える切り替え弁３５を、これらの排気経路の上流側の分岐点に設ける構成を示した。しかし、排気が流れる経路を切り替える切り替え弁は、これらの経路の下流側の合流点などに設けても良い。軽油を所望の排気経路側に確実に導くためには、前者の方が良いが、環境温度を考慮すると後者の方が良い。

また、本実施例においては、添加弁３７を排気マニホルドに配置することで、添加弁３
７からＮＯｘ触媒３３，３４までの距離が十分に長くなっている。これにより、添加弁３７から噴射された軽油の燃料の温度は十分に高まるため、軽油は気化・蒸発し易い状態となる。更に、添加弁３７はターボ３８よりも上流側に設けられている。従って、ターボ３８に流入した燃料は攪拌されるので、比較的均一にＮＯｘ触媒３３，３４へ燃料を到達させることができる。

図１は排気浄化装置を備えた内燃機関全体の概略構成図である。 図２Ａは液滴状の還元剤についての説明図（ＳＶが多い場合）である。 図２Ｂは液滴状の還元剤についての説明図（ＳＶが少ない場合）である。 図３はＮＯｘ触媒の温度とＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを放出・還元する速度との関係を示したグラフである。 図４Ａは排気経路を切り替えるバルブを駆動するパルスと還元剤を添加するパルスとの関係を示すタイミングチャート（好適例）である。 図４Ｂは排気経路を切り替えるバルブを駆動するパルスと還元剤を添加するパルスとの関係を示すタイミングチャート（不適切な例）である。

符号の説明

１０ 機関本体
２０ 吸気管
３０ 排気浄化装置
３１ 第１排気経路
３２ 第２排気経路
３３，３４ 触媒
３５ 切り替え弁
３６ 温度センサ
３７ 添加弁
３８ ターボ
４０ 排気再循環装置
４１ ＥＧＲクーラ
４２ ＥＧＲ弁
１００ 内燃機関
Ａ 軽油
Ｂ 還元雰囲気領域
Ｓ （ＮＯｘ触媒の）表面

Claims (10)

1. 排気通路に設けられ、排気中のＮＯｘを吸蔵還元する吸蔵還元型のＮＯｘ触媒に、液滴状の還元剤を上流側から供給する還元剤供給手段を備え、
   前記還元剤供給手段によって還元剤を供給することにより、前記ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを還元して浄化する内燃機関の排気浄化装置において、
   前記還元剤供給手段によって供給される液滴状の還元剤が、少なくとも所定範囲内に行き渡ったか否かを判定する判定手段と、
   前記ＮＯｘ触媒に送られる排気流量を調整する調整手段と、を備え、
   前記判定手段によって行き渡ったと判定された場合には、前記調整手段によって排気流量が減少されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記判定手段によって行き渡ったと判定された場合には、前記還元剤供給手段による還元剤の供給が停止され、その後、前記調整手段によって排気流量が減少されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記判定手段による判定の基準となる要素には、前記ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率，前記ＮＯｘ触媒よりも下流側に排出されるＨＣ，前記ＮＯｘ触媒の温度，前記還元剤供給手段による還元剤の供給開始からの経過時間，触媒単位体積を単位時間内に通過する排気流量のうちの少なくともいずれか一つが含まれることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記調整手段による排気流量の減少調整を終了するか否かを判定する第２の判定手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記第２の判定手段による判定の基準となる要素には、前記ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率，前記ＮＯｘ触媒よりも下流側に排出されるＨＣ，前記ＮＯｘ触媒の温度，前記調整手段による排気流量の減少調整開始からの経過時間，触媒単位体積を単位時間内に通過する排気流量のうちの少なくともいずれか一つが含まれることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記ＮＯｘ触媒の温度が低いほど、前記調整手段によって排気流量がより減少されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記還元剤供給手段よりも下流側に設けられ、かつ、それぞれにＮＯｘ触媒が設けられた、第１排気経路及び第２排気経路と、
   これらの排気経路に対する排気流量を調整する弁と、を備え、
   ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを還元して浄化する処理が行われていない場合には、いずれの排気経路にも排気が流されており、
   当該浄化する処理が行われる場合には、前記弁によって、当該処理がなされるＮＯｘ触媒が設けられた方の排気経路にのみ排気が流された状態で、前記還元剤供給手段による該ＮＯｘ触媒に対する還元剤の供給が開始されると共に、
   前記調整手段による排気流量の減少処理が行われる場合には、前記弁によって、他方の排気経路にも排気が流されることで、前記浄化する処理がなされるＮＯｘ触媒が設けられた方の排気経路への排気流量が減少されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. ＮＯｘ触媒に保持されたＳＯｘを還元して浄化する場合、及びＮＯｘ触媒がフィルタ機能を兼備している場合であって、該ＮＯｘ触媒に付着した微粒子を酸化除去する場合には、前記弁によって、該ＮＯｘ触媒が設けられた排気経路を流れる排気流量が増減される増
   減処理が少なくとも１回なされることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記弁は、排気を流す経路を、第１排気経路又は第２排気経路に切り替え可能な切り替え弁であり、
   前記増減処理は、該切り替え弁によって、排気の流れる経路が交互に切り替えられることにより行われると共に、
   前記還元剤供給手段によって還元剤が供給されるタイミングは、該切り替え弁によって、排気の流れる経路が切り替えられるタイミングに同期されていることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 排気中に含まれるＮＯｘを浄化する内燃機関の排気浄化方法において、
    ＮＯｘを吸蔵還元する吸蔵還元型のＮＯｘ触媒よりも上流側から還元剤を供給することによって、該ＮＯｘ触媒に液滴状の還元剤を付着させる工程と、
    判定手段によって、液滴状の還元剤が、ＮＯｘ触媒中の少なくとも所定範囲内に行き渡ったと判定された後に、ＮＯｘ触媒に送られる排気流量を減少させる工程と、を有することを特徴とする内燃機関の排気浄化方法。

Images