JP2005127257A

JP2005127257A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2005127257A
Application number: JP2003365084A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Nakatani; 好一郎中谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-10-24
Filing date: 2003-10-24
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2023-10-24
Also published as: JP4320582B2

Abstract

【課題】ＮＯｘの還元効率が高く燃費の悪化を抑えることが可能な排気浄化装置を提供する。
【解決手段】本発明の排気浄化装置は、燃料添加弁３０と、燃料添加弁３０により噴射された燃料を改質する燃料改質触媒３１と、燃料改質触媒３１により改質された燃料が導入されるＮＯｘ触媒２３とを排気管２２内に備える。そして、排気管２２の内部に燃料改質触媒３１が配置され、この燃料改質触媒３１の外周又は内周に排気ガスを通過させる迂回流路２２ｂが設けられていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスを浄化する排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気ガスを浄化する装置として、排気ガス中のＮＯｘを吸収するＮＯｘ触媒等の排気浄化手段を備え、そのＮＯｘ吸収力が飽和に達する前に還元剤を供給し、ＮＯｘを放出してＮ_２に還元するものが知られている。この還元剤としては軽油等の燃料が用いられているが、ＮＯｘ触媒等の排気浄化手段に燃料をそのまま添加しても還元効率を十分に高めることができない。そこで、還元剤として好適なＨ_２やＣＯを生成するように当該燃料を改質させることが好ましい。

従来、添加燃料を改質させる排気浄化装置として、排気管から分岐する分岐管と、この分岐管の途中に設けられた燃料改質装置とを備え、この燃料改質装置に排気ガスの一部と添加燃料とを導入して改質ガスを生成し、この改質ガスを排気管に戻してＮＯｘ触媒に供給するものが知られている（例えば特許文献１参照）。その他本発明に関連する先行技術文献として特許文献２乃至４がある。
特開２００２−１６１７３５号公報特開平５−１０６４３０号公報特開平９−１６６０１４号公報特開平９−２２２００９号公報

しかしながら、上記特許文献１の排気浄化装置では、改質触媒（改質装置）が分岐管の途中に設けられているため、分岐管へ排気ガスの供給が停止すると分岐管から放熱し改質触媒の温度が低下し易くなる。燃料改質触媒の温度が低下すると、燃料を改質する能力（改質率）が低下して排気浄化手段の還元効率が悪化する。そして、還元効率が悪化すると排気浄化手段から所定量のＮＯｘを追い出す（Ｎ_２に還元する）ためにより多くの添加燃料が必要となり、燃費の悪化を招くおそれがある。従って、燃料改質触媒の改質率が高い状態で添加燃料を改質させ、これを排気浄化手段に供給することが望ましい。

そこで、本発明の目的は、ＮＯｘの還元効率が高く燃費の悪化を抑えることが可能な排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の排気浄化装置は、燃料噴射手段と、前記燃料噴射手段により噴射された燃料を改質する燃料改質触媒と、前記燃料改質触媒により改質された燃料が導入される排気浄化手段とを排気通路内に備え、前記排気通路の内部に前記燃料改質触媒が配置され、該燃料改質触媒の外周又は内周の少なくともいずれか一方に排気ガスを通過させる迂回流路が設けられていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の排気浄化装置によれば、迂回流路を通過する排気ガスによって燃料改質触媒の温度低下が抑制されるので、燃料改質触媒の改質率の低下を抑えることができる。しかも、迂回流路を通過する排気ガスと、燃料改質触媒を通過して改質された燃料を含む排気ガスとが混合し易いので、ＮＯｘ還元に有効な排気ガスの雰囲気を効果的に作ることができる。

上記本発明の排気浄化装置においては、前記燃料改質触媒が前記排気通路の中央部に配置され、前記迂回流路が前記燃料改質触媒の外周を取り囲むように設けられていてもよいし（請求項２）、また、前記排気通路の外周部に配置され、前記迂回流路が前記燃料改質触媒の内周に設けられていてもよい（請求項３）。このような態様としても上述した課題を解決することができる。

本発明の排気浄化装置において、前記燃料改質触媒を通過する排気ガスの前記迂回流路を通過する排気ガスに対する流量比が１以下となるように構成されていてもよい（請求項４）。この場合は、燃料改質触媒を通過する排気ガスの流量が全体の半分以下となる。このため、燃料改質触媒上で好適な空燃比となるように燃料を噴射すれば、燃料改質触媒を通過した排気ガスは迂回流路を通過する排気ガスと混合されるので、排気浄化手段の直前で好適な空燃比を実現することができ、還元効率を高めることができる。換言すると、排気浄化手段の直前でＮＯｘ還元に好適な空燃比（ストイキよりも若干燃料過剰の空燃比）となる分量の燃料を噴射すれば、燃料改質触媒上で燃料の改質に好適な空燃比とすることができる。

本発明の排気浄化装置において、前記改質触媒と前記燃料噴射手段との間に酸化触媒が配置されていてもよい（請求項５）。この場合、燃料噴射手段により噴射された燃料は燃料改質触媒へ導入される前に酸化触媒に導入され、酸化触媒に導入された燃料は酸化反応により排気ガスの温度を上昇させる。従って、高温の排気ガスを燃料改質触媒へ導入することができるので、改質効率を高めることが可能となる。

本発明の排気浄化装置において、前記酸化触媒は、前記燃料改質触媒及び前記迂回流路の両者に跨って配置されていてもよい（請求項６）。この場合は、迂回流路に跨って配置されている酸化触媒によって、あらかじめ排気ガス中のＮＯをＮＯ_２へ変化させることができるので、低床温時にＮＯからＮＯ_２への化学反応が律速反応となる排気浄化手段の低床温時の浄化性能を格段に向上させることができる。

本発明の排気浄化装置は、燃料噴射手段と、前記燃料噴射手段により噴射された燃料を改質する燃料改質触媒と、前記燃料改質触媒により改質された燃料が導入される排気浄化手段とを排気通路内に備えた内燃機関の排気浄化装置であって、前記燃料改質触媒の温度及び空燃比に基づいて前記燃料改質触媒の燃料改質率を推定する改質率推定手段と、前記改質率推定手段の推定結果に応じて前記燃料噴射手段による燃料の噴射状態を変化させる燃料噴射制御手段と、を具備することにより、上述した課題を解決する（請求項７）。

一般に、排気浄化手段の還元率は添加される還元剤の性質によって変化する。即ち、排気浄化手段の還元率は燃料改質触媒の改質率に影響する。従って、この発明のように燃料改質触媒の改質率を考慮して燃料の噴射状態を変化させれば、非効率な燃料噴射を抑えることができるので、燃費悪化を抑制できる。

本発明の排気浄化装置において、前記燃料噴射制御手段は、前記改質率推定手段の推定結果に応じて前記燃料の噴射及びその停止の実行時間及び実行間隔のうち少なくともいずれか一方を決定することとしてもよい（請求項８）。この場合は、燃料の噴射及びその停止（リッチスパイク）の実行時間又は実行間隔を燃料改質触媒の改質率に応じて決定するので、燃費悪化を効果的に抑制できる。

燃料噴射手段と、前記燃料噴射手段により噴射された燃料を改質する燃料改質触媒と、前記燃料改質触媒により改質された燃料が導入される排気浄化手段とを排気通路内に備え、前記燃料改質触媒の温度を考慮して燃料の噴射及びその停止を前記燃料噴射手段に実行させる燃料噴射制御手段を具備する内燃機関の排気浄化装置であって、前記燃料改質触媒の温度が所定値よりも低い場合には、前記燃料噴射制御手段は、前記燃料の噴射及びその停止の実行に先立って、前記燃料改質触媒の温度を上昇させるべく前記燃料噴射手段に燃料の噴射を実行させることにより、上述した課題を解決する（請求項９）。

この発明によれば、リッチスパイクの実行に先立ち燃料改質触媒の温度を上昇させておくことができるので、燃料改質触媒の改質率が高まった状態でリッチスパイクを実施することができる。

本発明の排気浄化装置において、前記燃料噴射制御手段は、前記燃料改質触媒の温度上昇に要する燃料量が該温度上昇により見込まれる燃料消費量の減少分よりも小さくなる関係を満足する範囲内で、前記燃料噴射手段に燃料の噴射を実行させてもよい（請求項１０）。この場合は、燃料改質触媒の改質率の向上よって得られる燃費メリットを越えない範囲内で燃料改質触媒の温度を上昇させるので、無駄な燃料噴射を効率的に抑制し、燃費悪化を防止できる。

燃料噴射手段と、前記燃料噴射手段により噴射された燃料を改質する燃料改質触媒と、前記燃料改質触媒により改質された燃料が導入される排気浄化手段とを排気通路内に備えた内燃機関の排気浄化装置であって、前記燃料改質触媒における空燃比を制御する改質用空燃比制御手段と、前記燃料改質触媒の温度及び空燃比に基づいて前記改質触媒の燃料改質率を推定する改質率推定手段と、前記改質率推定手段の推定結果及び前記排気浄化手段の温度に基づいて該排気浄化手段の浄化率を推定する浄化率推定手段と、を具備し、前記改質用空燃比制御手段は、前記浄化率推定手段により推定される浄化率が増加する方向に前記空燃比を制御してもよい（請求項１１）。

この発明によれば、排気浄化手段の浄化率が増加する方向に空燃比を制御できるので、効率的なリッチスパイクを実施できる。

本発明の排気浄化装置において、前記空燃比制御手段は、前記燃料改質触媒の温度が高いほど前記改質触媒の空燃比をリッチ側としてもよい（請求項１２）。この場合は、燃料改質触媒の温度に適した空燃比とすることができるので、好適な改質率が得られる状態でリッチスパイクを実施することができる。

本発明によれば、ＮＯｘの還元効率が高く燃費の悪化を抑えることが可能な排気浄化装置を提供することができる。

図１〜図３を用いて本発明に係る排気浄化装置の実施の形態を説明する。図１は、本発明に係る排気浄化装置を内燃機関としてのディーゼルエンジン１に適用した全体構成を示している。エンジン１は吸気系と排気系とを有する。エンジン１の排気系に本発明に係る排気浄化装置が適用されている。

この排気系は、排気ガスが流れる排気通路を含んでいる。排気通路は、排気マニホールド２０と排気管２２を含む。排気マニホールド２０の下流側には過給機６が接続され、この過給機６の下流側には排気管２２が接続されている。排気マニホールド２０は、気筒毎に設けられた分岐部２０ａとこれら分岐部２０ａが集合する集合部２０ｂとを有し、集合部２０ｂの端部に過給機６のタービン６ｂが接続される。排気管２２の途中には排気浄化手段としてのＮＯｘ触媒２３が設けられている。排気管２２に設けられたＮＯｘ触媒２３は、排気ガスの空燃比が空気過剰（リーン）のときはＮＯｘを吸収し、排気ガスの酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出しＮ_２に還元するいわゆる吸蔵還元型の触媒である。本実施の形態ではＮＯｘ触媒を用いたが、これに代えて排気浄化手段としてディーゼルパティキュレートフィルタにＮＯｘ吸着剤を付加し、浮遊粒子状物質（ＰＭ）とＮＯｘの同時削減を可能とする触媒を用いてもよい。

排気管２２内には、燃料噴射手段としての燃料添加弁３０が設けられ、この燃料添加弁３０とＮＯｘ触媒２３との間には燃料添加弁３０より噴射された燃料を改質させる燃料改質触媒３１が設けられている。燃料改質触媒３１は、軽油等の燃料（炭化水素：ＨＣ）を部分酸化させてＨ_２やＣＯを生成する機能を有する。この燃料改質触媒３１は、ゼオライト製の担体にロジウム等が担持されて構成されている。また、燃料改質触媒３１は、電気ヒータ（不図示）を内蔵しており、触媒の温度調整が可能である。本実施の形態においては、この電気ヒータにより燃料改質触媒３１はその上流側の端部に向かうほど温度が高くなる温度分布に設定されている。一般に、燃料改質触媒３１に向けて燃料を噴射すると、この上流側の端部ほど温度が低下し易くなる。従って、燃料改質触媒３１をこのような温度分布に設定すれば、燃料噴射の際に燃料改質触媒３１の温度を長手方向に関して略均一にすることができる。但し、上記電気ヒータ及びこれによる温度分布の設定の有無は本発明の実施において本質的なものではない。

図２にも示したように、上記燃料添加弁３０からＮＯｘ触媒２３までの排気管２２は、内管２２ａを含む二重管構造となっている。上記燃料改質触媒３１はこの内管２２ａに収容されている。この内管２２ａは排気管２２の断面に関して略中央に配置されている。この内管２２ａの外壁及び排気通路２２の内壁によって迂回流路２２ｂが形成され、燃料改質触媒３１の周囲を取り囲んでいる。迂回流路２２ｂは内管２２ａの外周（従って燃料改質触媒３１の外周）に沿って排気ガスを通過させる。内管２２ａ及び迂回流路２２ｂは燃料改質触媒３１を挟んで上流側及び下流側において合流している。また、内管２２ａの下流側の端部には、内管２２ａ内を流れる排気ガスの流量を調整する調整弁３２が取り付けられている。

その他、エンジン１には、吸気系として吸気管１１が設けられ、この吸気管１１は吸気マニホールド１０を介してシリンダブロック２に接続されている。また吸気管１１の途中には、空気をろ過するエアクリーナ１２、空気を圧縮する過給機６のコンプレッサ６ａ、及び吸入空気量を調整するスロットル弁１３がそれぞれ設けられている。また、吸気マニホールド１０と排気マニホールド２０とは排気還流管（ＥＧＲ管）２５で連結され、ＥＧＲ管２５の途中にはＥＧＲクーラ２６及びＥＧＲ弁２７がそれぞれ設けられている。

以上の構成により、燃料添加弁３０により噴射された燃料は、内管２２ａ内に流入する排気ガスと混合されて燃料改質触媒３１へ導かれて改質する。そして、燃料改質触媒３１を通過した排気ガスと、迂回流路２２ｂを通過した排気ガスとが下流側の合流箇所にて混合され、混合された排気ガスはＮＯｘ触媒２３に還元剤として供給される。なお、図１に示した形態では、この合流箇所に混合促進部としてのパンチングメタル３３が設けられており、また、図２に示した形態では、混合促進部としてのフィン３４が設けられている。従って、燃料改質触媒３１を通過した排気ガスと迂回流路２２ｂを通過した排気ガスは混合促進部３３、３４によって流れを乱されることになるので、これらのガスは均一に混合され易くなる。さらに、図１及び図２に示したように、燃料改質触媒３１の下流側の排気管２２は、上記合流箇所においてその外径が徐々に縮小し、そこから下流に向かって外径が徐々に拡大する構造を有している。このため、燃料改質触媒３１を通過した排気ガスと迂回流路２２ｂを通過した排気ガスは更に均一に混合されることになる。

また、本実施の形態においては、燃料の噴霧直径が燃料改質触媒３１の直径よりも小さくなるように、燃料添加弁３０の噴射角が調整されている。燃料改質触媒３１は上述の通り噴射された燃料の改質を目的としたものである。従って、噴射された燃料を触媒全体に広く行き渡らせるよりも、噴射燃料の全部を確実に燃料改質触媒３１へ導入しこれを改質させることを優先すべきである。これにより、燃料が導入された箇所が局部的に温度上昇するので燃料改質の効果の増大も期待できる。また、排気管２２の管壁（内管２２ａの管壁を含む）への噴射燃料の付着を防止することもできる。

また、図１及び図２に示したように、本実施の形態に係る排気浄化装置においては、燃料改質触媒３１を通過する排気ガスの迂回流路２２ｂを通過する排気ガスに対する流量比が１以下となるように迂回流路２２ｂの断面積が設定されている。従って、燃料改質触媒３１を通過する排気ガスの流量が全体の半分以下となる。このため、燃料改質触媒３１上で好適な空燃比となるように燃料を噴射すれば、燃料改質触媒を通過した排気ガスは迂回流路２２ｂを通過する排気ガスと混合されるので、ＮＯｘ触媒２３の直前で好適な空燃比（ストイキよりも若干燃料過剰の空燃比）を得ることができ、還元効率を高めることができる。逆に、ＮＯｘ触媒２３の直前でＮＯｘ還元に好適な空燃比となる分量の燃料を噴射すれば、燃料改質触媒３１上では燃料の改質に好適な空燃比とすることができる。燃料の改質に好適な空燃比としては、例えば５程度に設定することができる。また、このような構成によれば、調整弁３２を閉じて燃料改質触媒３１への排気ガスの流入を停止しても、過給機６の下流の圧力（背圧）の上昇を抑制することができる。

なお、燃料改質触媒３１による改質効率を高めるためには、好適な空燃比の排気ガスが均一な濃度にて燃料改質触媒３１へ導入されることが望ましい。そこで、燃料改質触媒３１の上流に燃料と排気ガスの混合部を設けてもよい。例えば、燃料改質触媒３１の直前に周囲に孔のあいた管を設け、その孔から排気ガスが流入するように構成してもよい。この場合は、上記内管２２ａに孔を形成してもよい。また、燃料改質触媒３１の上流の排気管２２に排気ガスを旋回させるフィンを設けてもよい。

また、図３に示したように、本実施の形態の変形例として、排気管２２の断面に関して略中央部に迂回流路２２ｂを設け、迂回流路２２ｂを取り囲むように円筒状の燃料改質触媒３１を排気管２２の外周部に配置し、これに燃料噴射弁３０にて燃料を噴射する態様としてもよい。この態様によっても図１及び図２に示した実施形態と同様の効果を得ることができる。また、図３に示した態様では、調整弁３２が迂回流路２２ｂの端部に設けられている。このため、燃料改質触媒３１の下流に調整弁３２を配置した図１及び図２の態様と比較して、燃料添加弁３０から噴射された燃料が調整弁３２に付着するおそれが格段に低減されるので、燃料の付着による調整弁３２の固着を効果的に防止することができる。

次に、本発明の他の実施の形態を図４及び図５に示す。この実施の形態と上述した実施の形態との相違点は、燃料添加弁３０と燃料改質触媒３１との間に酸化触媒３３Ａ又は３３Ｂを配置した点である。これ以外の点は上述した実施の形態と同一であるので、共通の参照符号を付して詳しい説明を省略する。図４に示したように、酸化触媒３３Ａは燃料改質触媒３１の上流側にこれと近接して配置されている。一般に、燃料の改質率は、燃料改質触媒に導入される排気ガスの温度が高いほど向上する。しかし、排気ガスの温度を上げるために燃料改質触媒全体の酸化能力を高めると、排気ガスとともに導入される燃料（炭化水素）はＮＯｘ触媒の還元剤として好適な部分酸化反応を越えて完全酸化してしまい、結果として燃料改質触媒の改質率が低下する事態を招く。そこで、本実施の形態では、燃料改質触媒３１の上流側に燃料を酸化させる能力の高い酸化触媒を配置して、燃料改質触媒３１へより高温の排気ガスを導入可能にしている。これにより、燃料改質触媒３１の改質率は向上する。なお、図４に示した態様では、酸化触媒３３Ａと燃料改質触媒３１とは別体であるが、燃料改質触媒３１の上流側に酸化機能を強化する物質を担持させて酸化触媒と燃料改質触媒とを一体化してもよい。

図５は、図４に示した態様の変形例を示したものである。図４に示した態様では、酸化触媒３３Ａは燃料改質触媒３１の上流側のみに配置されていたが、図５の態様では酸化触媒３３Ｂが燃料改質触媒３１及び迂回流路２２ｂの両者を跨ってこれらの上流側に配置されている。ＮＯｘ触媒２３は、これが低温の時（低床温時）にはＮＯからＮＯ_２への化学反応が律速反応となる。従って、迂回流路２２ｂの上流側にも酸化触媒３３Ｂが配置されている本実施態様によれば、上述した燃料改質触媒３１の改質率の向上に加え、排気ガスがＮＯｘ触媒２３に導入される前にあらかじめ排気ガス中のＮＯをＮＯ_２へ変化させておくことができるので、ＮＯｘ触媒２３の低床温時の浄化性能を格段に向上させることができる。

次に、本発明に係る排気浄化装置の制御について説明する。図１〜図５に示したように、燃料添加弁３０による燃料の噴射及びその停止（リッチスパイク）はエンジン１の運転状態を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４により行われる。ＥＣＵ４は、主にエンジン１の各気筒に対する燃料噴射を制御するコンピュータユニットとして設けられているが、本実施の形態においては、燃料添加弁３０による燃料の噴射状態を変化させる燃料噴射制御手段、燃料改質触媒３１の燃料改質率を推定する改質率推定手段、燃料改質触媒３１における空燃比を制御する改質用空燃比制御手段、又はＮＯｘ触媒２３の浄化率を推定する浄化率推定手段等の各種制御手段として機能する。ＥＣＵ４は、改質触媒温度センサ３５、改質触媒空燃比センサ３６及びＮＯｘ触媒温度センサ３７等の各種センサの出力信号を参照して燃料添加弁３０や調整弁３２等に制御信号を出力しこれらを制御する。ここに、改質触媒温度センサ３５は燃料改質触媒３１の温度を測定し、その温度に応じた電気信号を出力する温度検出手段であり、燃料改質触媒３１に取り付けられている。また、改質触媒空燃比センサ３６は燃料改質触媒３１を通過する排気ガスの空燃比を測定し、その空燃比に応じた電気信号を出力する温度検出手段として構成されている。改質触媒空燃比センサ３６は燃料改質触媒３１近傍の排気管２２内に取り付けられている。また、ＮＯｘ触媒温度センサ３７はＮＯｘ触媒２３に取り付けられており、ＮＯｘ触媒２３の温度を測定し、その温度に応じた電気信号を出力する温度検出手段である。以下、ＥＣＵ４による排気浄化装置の制御について詳しく説明する。

まず初めに、リッチスパイクの実行間隔を燃料改質触媒３１の改質率を考慮して決定する制御について説明する。図６に示したように、まずステップＳ６０１において、改質触媒温度センサ３５及び改質触媒空燃比センサ３６の出力信号に基づいて燃料改質触媒３１の触媒温度及び空燃比の値を取得する。次に、ステップＳ６０２において、燃料改質触媒３１の温度及び空燃比に基づいて作成された改質率マップを参照し、ステップＳ６０１にて取得した値から燃料改質触媒３１の現在の改質率を推定する。なお、この改質率マップは、燃料改質触媒３１の温度及び空燃比に対する改質率の関係を記述しているものであり、予め実験的に作成されてＥＣＵ４のスタティック・ラム（ＳＲＡＭ）等の記憶装置に保存されている。このステップＳ６０２をＥＣＵ４に実行させることにより、ＥＣＵ４は改質率推定手段として機能する。そして、ステップＳ６０３において、ステップＳ６０２において推定された推定結果に応じてリッチスパイクの実行時期を決定する。即ち、ＮＯｘ触媒の還元率（ＮＯｘ追い出し率）は、燃料改質触媒の改質率と相関し、改質率が高い場合ほどＮＯｘ触媒の浄化率は向上する。従って、改質率が高いときは実行時期を延ばし、また、改質率が低いときは実行時期を縮小するようにリッチスパイク時期を決定する。次に、ステップＳ６０４にてリッチスパイクを実行するためのリッチスパイク制御を行い、本ルーチンを一旦終了する。本ルーチンは所定間隔で繰り返し実行されるので、リッチスパイクの実行間隔は、改質率の高低に対応した効率的なものとなる。従って、改質率を考慮せずにリッチスパイクを行う場合と比較してリッチスパイクの実行間隔を延ばすことができるので、非効率な燃料噴射を抑えることができ燃費悪化を抑制できる。

次に、上記ステップＳ６０４において実行されるリッチスパイク制御の一例を図７を用いて説明する。この例は電気ヒータ内蔵型の改質触媒を用いた排気浄化装置に好適な制御であり、燃料改質触媒３１の温度を考慮してリッチスパイクを実行するものである。本制御をＥＣＵ４に実行させることにより、ＥＣＵ４は燃料噴射制御手段として機能する。図７に示したように、まずステップＳ７０１にて、改質触媒温度センサ３５からの出力信号に基づいて燃料改質触媒３１の温度の値を取得する。次に、ステップＳ７０２にて、この温度が所定値以下であるか否かを判定する。燃料改質触媒の温度が低下すると有効な燃料の改質が期待できないため、触媒温度に許容範囲を設け、その下限を所定値に設定する。従って、この所定値は燃料改質触媒の改質作用の程度を判断する閾値としての役割を果たす。このステップＳ７０２にて肯定判定されたときは、ステップＳ７０３に進み、燃料改質触媒３１に内蔵された電気ヒータの電源を入れて、燃料改質触媒３１の温度を上昇させてから、ステップＳ７０４に進む。一方、ステップＳ７０２にて否定判定されたときは、ステップＳ７０３を省略してステップＳ７０４に進む。次に、ステップＳ７０４では、調整弁３２を開弁して燃料改質触媒３１へ排気ガスを導くと同時に燃料添加弁３０により燃料を噴射させ、リッチスパイクを実行する。その後、ステップＳ７０５にて調整弁３２を閉じてこのルーチンを一旦終了する。なお、図３に示した態様のように、迂回流路の端部に調整弁が設けられている場合には、上記ステップＳ７０４及びＳ７０５における調整弁の開閉はそれぞれ逆に制御される。

次に、上記ステップＳ６０４において行われるリッチスパイク制御の他の例を図８〜図１０を参照しながら説明する。この例はＮＯｘ触媒２３の温度を考慮してリッチスパイクを実行するものである。本制御をＥＣＵ４に実行させることにより、ＥＣＵ４は燃料噴射制御手段として機能する。図８に示したように、まずステップＳ８０１にて、ＮＯｘ触媒温度センサ３７からの出力信号に基づいてＮＯｘ触媒２３の温度の値を取得する。次にステップＳ８０２において、この温度が所定値を超えているか否かを判定する。ＮＯｘ触媒の温度が低下するとＮＯｘの効果的な還元が期待できず、リッチスパイクが有効に機能しないため、ＮＯｘ触媒の温度に許容範囲を設け、その下限を所定値に設定する。ステップＳ８０２において肯定判定されたときは、次のステップＳ８０３に進む。ステップＳ８０３においては、燃料改質触媒３１の温度を上昇させる昇温制御が実行される。そして、ステップＳ８０４において、燃料添加弁３０により燃料を噴射させ、一旦このルーチンを終了する。一方、ステップＳ８０２において否定判定されたときは、上記ステップＳ８０３及びＳ８０４を省略してこのルーチンを終える。

上記ステップＳ８０３における昇温制御について、図９及び図１０を参照して説明する。一般に燃料改質触媒の温度が高いほど燃料の改質率は高まる。そこで、リッチスパイクの実施に先立って燃料改質触媒の温度を上昇させて改質率を高めるべく昇温制御を行うことが好適である。図９はかかる昇温制御の一例を示したものである。本制御をＥＣＵ４に実行させることにより、ＥＣＵ４は燃料噴射制御手段として機能する。この図に示したように、まず、ステップＳ９０１において、改質触媒温度センサ３５の出力信号に基づいて燃料改質触媒３１の温度の値を取得する。次に、ステップＳ９０２において、燃料改質触媒３１の温度が所定値Ａを超えているか否かを判定する。この所定値Ａは図７に示されたステップＳ７０２の所定値と同様に、触媒温度の許容範囲の下限に設定され、燃料改質触媒の改質作用の程度を判断する閾値としての役割を果たす。ステップＳ９０２において肯定判定された場合は、燃料改質触媒３１の温度を上昇させることなく本ルーチンを終了し、図８に示したステップＳ８０４にて直ちに燃料噴射が行われることになる。燃料改質触媒３１の温度が所定値Ａを超えていれば、十分な改質率であることが推定されるので、更に温度を上昇させる必要がないからである。一方、ステップＳ９０２において否定判定されたときは、ステップＳ９０３に進む。

ステップＳ９０３においては、燃料改質触媒３１の温度上昇ΔＴに要する燃料量Ｆと、当該温度上昇ΔＴにより見込まれる燃料消費量の減少分Ｆｍとが、Ｆｍ＞Ｆの条件を満足するΔＴの有無を判定する。そして、ステップ９０３においてこの条件を満足するΔＴが存在すると肯定判定されたときは、ステップＳ９０４に進み、当該ΔＴの温度上昇に必要な燃料を燃料添加弁３０から噴射させる。一方、ステップＳ９０３において否定判定されたときは、ステップＳ９０４を省略してこのルーチンを終了し、図８のステップＳ８０４にて直ちに燃料噴射が行われる。本昇温制御において上記の条件を満足するΔＴが存在しなければ、たとえ燃料改質触媒３１の温度を上昇させたとしても燃費を悪化させることになるためである。従って、本昇温制御により、燃料改質触媒の温度上昇のための無駄な燃料噴射を効果的に抑制し燃費悪化を防止することができる。

図１０は昇温制御の他の例を示したものである。この例と図９に示した例との相違点は、図９のステップＳ９０３の上流にステップＳ１１０及びＳ１１１を追加した点である。図１０のステップＳ１０１〜Ｓ１０４は、図９のステップＳ９０１〜Ｓ９０４にそれぞれ相当する。従って、これらの詳しい説明は省略し、以下、ステップＳ１１０及びＳ１１１についてのみ説明する。

ステップＳ１１０においては、燃料改質触媒３１の温度が所定値Ｂを超えているか否かを判定する（但し、所定値Ｂ＜所定値Ａ）。たとえ燃料改質触媒の温度が活性開始温度以上であっても、燃料の導入により十分な温度上昇が期待できず、導入される燃料が無駄になる場合がある。このため、燃料の導入により十分な温度上昇が期待できる触媒温度の範囲を設け、その下限を所定値Ｂに設定する。従って、この所定値Ｂは燃料改質触媒への燃料導入の可否を判断する閾値としての役割を果たす。そこで、ステップＳ１１０において否定判定されたときは、ステップＳ１１１に進み、エンジン１の運転状態を変更して排気ガスの温度を上昇させることにより、燃料改質触媒３１の温度を昇温させ本ルーチンを終了する。そして、図８のステップＳ８０４にて燃料噴射が行われる。なお、ステップＳ１１０により肯定判定されたときは、ステップＳ１０３に進み図９に示した制御と同様の制御が行われる。

次に、リッチスパイクの際に燃料の噴射率を変化させる制御について図１１及び図１２を参照して説明する。本制御は、図７及び図８に示したリッチスパイク制御の実施の際にこれらに組み込んで実施することができる。図１１は、リッチスパイクの時の単位時間当たりの噴射量（噴射率）、燃料改質触媒３１の温度（触媒床温）及びその改質率の変化を模式的に示したものである。噴射率を一定とした場合が細線４０ａで示されており、これに対応する触媒床温及び改質率がそれぞれ細線４１ａ、４２ａで示されている。この図から明らかなように、噴射初期の段階では、燃料改質触媒３１に導入される燃料が改質率の向上に寄与していない。改質率の向上にはまず触媒床温を上昇させることが必要なためである。従って、細線４０ａのように燃料の噴射率を一定にした場合には、噴射初期の燃料が無駄に消費されていることが理解できる。そこで、本制御においては、リッチスパイクの際に燃料添加弁３０による噴射率を太線４０ｂに示したように触媒床温の上昇に応じて右上がりに変化させている。これにより、噴射初期で無駄となった燃料を噴射後半に振り分けることができるので、一定の噴射率で行われた場合（４２ａ）と比較して、効率的に改質率を向上させることができる。

また、リッチスパイクの際に燃料の噴射を複数パルスに分割して実行する場合には、図１２に示すように噴射率を制御すればよい。即ち、図１２（ａ）に示したように、各パルス４０ｃに相当する一回あたりの噴射量をリッチスパイクの初期の段階から順次増加させていくことにより、リッチスパイク時の噴射率を右上がりに変化させることができる。また、図１２（ｂ）に示したように、各パルス４０ｄに相当する噴射量を一定としつつ各パルス４０ｄの間隔を順次短くしてもよい。

次に、燃料改質触媒３１における空燃比を好適なものとする制御について図１３及び図１４を参照して説明する。本制御は、図７及び図８に示したリッチスパイク制御を実施する際に、これらに組み入れて実施することができる。図１３に示したように、まずステップＳ１３１において、改質触媒温度センサ３５及び改質触媒空燃比センサ３６の出力信号に基づいて燃料改質触媒３１の触媒温度及び空燃比の値を取得する。次にステップＳ１３２においてＮＯｘ触媒温度センサ３７の出力信号に基づいてＮＯｘ触媒の温度の値を取得する。そしてステップＳ１３３において、図１４（ａ）に示した燃料改質触媒３１の温度及び空燃比に基づいて作成された改質率マップを参照し、ステップＳ１３１にて取得した温度及び空燃比の値から燃料改質触媒３１の改質率を推定する。このステップＳ１３３をＥＣＵ４に実行させることにより、ＥＣＵ４は改質率推定手段として機能する。次に、ステップＳ１３４において、燃料改質触媒３１及びＮＯｘ触媒の温度（床温）に基づいて作成されたＮＯｘ浄化率マップを参照し、ステップＳ１３３にて推定された改質率とステップＳ１３２において取得した値からＮＯｘ触媒２３の浄化率を推定する。なお、図１４に示した改質率マップ及び浄化率マップは、予め実験的に作成されてＥＣＵ４のスタティック・ラム（ＳＲＡＭ）等の記憶装置に保存されている。次に、ステップＳ１３５において、ステップＳ１３４にて推定された浄化率が増加するように燃料改質触媒３１の空燃比を決定する。最後にステップＳ１３６において、ステップＳ１３５にて決定された空燃比を目標値として調整弁３２の弁開度及び燃料添加弁３０の燃料噴射量を制御し、本ルーチンを終了する。本制御を実施することにより、ＮＯｘ触媒２３の浄化率が増加する方向に燃料改質触媒の空燃比を制御できるので、効率的なリッチスパイクを実施できる。

次に、燃料改質触媒３１における空燃比を好適なものとする他の例について図１５を参照して説明する。以下に説明する制御は、図７及び図８に示したリッチスパイク制御を実施する際に、これらに組み入れて実施することができる。また、上述した図１３及び図１４に示した制御と同時に実施してもよい。本制御をＥＣＵ４に実行させることにより、ＥＣＵ４は空燃比制御手段として機能する。図１５に示したように、まずステップＳ１５１において改質触媒温度センサ３５及び改質触媒空燃比センサ３６の出力信号に基づいて燃料改質触媒３１の温度の値及び空燃比を取得する。次にステップＳ１５２にて燃料改質触媒３１の温度が所定値を超えているか否かを判定する。燃料改質触媒の温度が高いほど改質率は向上するので、燃料の濃度を高めて触媒温度の上昇を促進することが好ましい。しかし、燃料改質触媒の温度が低下していると、いくら燃料濃度を高めても酸素が不足してしまい十分な温度上昇が期待できず、その結果改質率もさほど向上しない。そこで、触媒温度に許容範囲を設け、その下限を所定値に設定する。なお、所定値として、例えば６００℃を設定することができる。所定値を超えていると肯定判定されたときは、ステップＳ１５３に進み調整弁３２の弁開度及び燃料添加弁３０の燃料噴射量のいずれか又は両者を調整し、燃料改質触媒３１の空燃比を現在よりも燃料過剰な方向（リッチ側）に補正する。例えば、空燃比の目標値を５程度として現在の空燃比を補正することが好適である。

一方、ステップＳ１５２において否定判定されたときは、燃料改質触媒３１の温度が十分でない。そこで、ステップＳ１５４において、調整弁３２の弁開度及び燃料添加弁３０の燃料噴射量のいずれか又は両者を調整し、燃料改質触媒３１の空燃比を現在よりも空気過剰な方向（リーン側）に補正し、本ルーチンを一旦終了する。本制御により、燃料改質触媒による燃料の改質に適した空燃比とすることができるので、好適な改質率が得られる状態でリッチスパイクを実施することができる。

以上本発明に係る排気浄化装置の制御について説明したが、その実施の態様は以上に限定されない。例えば、上記リッチスパイク制御において、燃料噴射の直後に燃料改質触媒３１を通過する排気ガスの流量を一旦（一瞬）増加させ、直ちに元に戻す制御を行うことができる。これにより、燃料改質触媒３１を通過する排気ガスの流量が一瞬増加するとともに排気ガスの流れに乱れが生じるので、迂回流路を通過する排気ガスとの混合を促進することができる。また、ＮＯｘ触媒２３の温度（床温）が所定値より低い場合には、燃料改質触媒３１を通過する排気ガスの流量を増加させることもできる。これにより、燃料改質触媒３１の発熱が促進されるため、その下流に位置するＮＯｘ触媒の昇温が期待できる。ＮＯｘ触媒２３の床温が低い場合には、たとえ燃料改質触媒３１にて燃料の改質を行っても良好なＮＯｘの還元を期待できないためである。更に、リッチスパイク時の燃料改質触媒３１を通過する排気ガスの量を所定値以上とすることもできる。燃料改質触媒３１へ導入される排気ガス量が十分でないと、例えば、燃料添加弁３０により噴射された燃料が液滴として燃料改質触媒３１上に残り、燃料改質触媒３１を通過する排気ガスと十分に混合されないおそれがある。また、燃料改質触媒３１を通過した排気ガス及び迂回通路を流れた排気ガスがともに層流となり、これらが十分に混合されないおそれがある。その結果、下流のＮＯｘ触媒２３の浄化率を低下させてしまうからである。

また、以上説明した本発明に係る排気浄化装置の制御は、図１〜図５に示した構成の排気浄化装置に適用できるが、これらに限定されない。例えば、図１６に示したように、燃料改質触媒３１の上流側の排気管２２から迂回流路としての分岐管２４を分岐させ、これを燃料改質触媒の下流側の排気管２２に合流させる構成の排気浄化装置に対しても適用することができる。なお、この態様において、図１〜図５に示したものと同一の構成については、図１６に同一の参照符号を付して詳しい説明を省略する。

本発明に係る排気浄化装置を内燃機関に適用した全体構成を示す図。本発明に係る排気浄化装置の一実施形態を示した図。図２に示した実施形態の変形例を示した図。本発明に係る排気浄化装置の他の実施形態を示した図。図５に示した実施形態の変形例を示した図。リッチスパイクの実行時期（間隔）を決定する制御フロー図。リッチスパイク制御の一例を示したフロー図。リッチスパイク制御の他の例を示したフロー図。燃料改質触媒の昇温制御の一例を示したフロー図。燃料改質触媒の昇温制御の他の例を示したフロー図。リッチスパイクの時の噴射率、燃料改質触媒の温度及び改質率の変化を示した模式図。燃料の噴射が複数パルスに分けて実行される場合の燃料噴射状態を示した図。燃料改質触媒における空燃比の制御の一例を示したフロー図。燃料改質触媒の改質率マップ及びＮＯｘ触媒の浄化率マップの一例を示した図。燃料改質触媒における空燃比の制御の他の例を示したフロー図。排気浄化装置の他の例を示した図。

符号の説明

１エンジン（内燃機関）
４ＥＣＵ
２２排気管（排気通路）
２２ｂ迂回流路
２３ＮＯｘ触媒（排気浄化手段）
３０燃料添加弁（燃料噴射手段）
３１燃料改質触媒
３３酸化触媒

Claims

燃料噴射手段と、前記燃料噴射手段により噴射された燃料を改質する燃料改質触媒と、前記燃料改質触媒により改質された燃料が導入される排気浄化手段とを排気通路内に備え、前記排気通路の内部に前記燃料改質触媒が配置され、該燃料改質触媒の外周又は内周の少なくともいずれか一方に排気ガスを通過させる迂回流路が設けられていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記燃料改質触媒が前記排気通路の中央部に配置され、前記迂回流路が前記燃料改質触媒の外周を取り囲むように設けられてい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。
前記燃料改質触媒が前記排気通路の外周部に配置され、前記迂回流路が前記燃料改質触媒の内周に設けられてい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。
前記燃料改質触媒を通過する排気ガスの前記迂回流路を通過する排気ガスに対する流量比が１以下となるように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記改質触媒と前記燃料噴射手段との間に酸化触媒が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記酸化触媒は、前記燃料改質触媒及び前記迂回流路の両者に跨って配置されていることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
燃料噴射手段と、前記燃料噴射手段により噴射された燃料を改質する燃料改質触媒と、前記燃料改質触媒により改質された燃料が導入される排気浄化手段とを排気通路内に備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
前記燃料改質触媒の温度及び空燃比に基づいて前記燃料改質触媒の燃料改質率を推定する改質率推定手段と、前記改質率推定手段の推定結果に応じて前記燃料噴射手段による燃料の噴射状態を変化させる燃料噴射制御手段と、
を具備することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記燃料噴射制御手段は、前記改質率推定手段の推定結果に応じて前記燃料の噴射及びその停止の実行時間及び実行間隔のうち少なくともいずれか一方を決定す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。
燃料噴射手段と、前記燃料噴射手段により噴射された燃料を改質する燃料改質触媒と、前記燃料改質触媒により改質された燃料が導入される排気浄化手段とを排気通路内に備え、前記燃料改質触媒の温度を考慮して燃料の噴射及びその停止を前記燃料噴射手段に実行させる燃料噴射制御手段を具備する内燃機関の排気浄化装置であって、
前記燃料改質触媒の温度が所定値よりも低い場合には、前記燃料噴射制御手段は、前記燃料の噴射及びその停止の実行に先立って、前記燃料改質触媒の温度を上昇させるべく前記燃料噴射手段に燃料の噴射を実行させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記燃料噴射制御手段は、前記燃料改質触媒の温度上昇に要する燃料量が該温度上昇により見込まれる燃料消費量の減少分よりも小さくなる関係を満足する範囲内で、前記燃料噴射手段に燃料の噴射を実行させることを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
燃料噴射手段と、前記燃料噴射手段により噴射された燃料を改質する燃料改質触媒と、前記燃料改質触媒により改質された燃料が導入される排気浄化手段とを排気通路内に備えた内燃機関の排気浄化装置であって、前記燃料改質触媒における空燃比を制御する改質用空燃比制御手段と、前記燃料改質触媒の温度及び空燃比に基づいて前記改質触媒の燃料改質率を推定する改質率推定手段と、前記改質率推定手段の推定結果及び前記排気浄化手段の温度に基づいて該排気浄化手段の浄化率を推定する浄化率推定手段と、を具備し、
前記改質用空燃比制御手段は、前記浄化率推定手段により推定される浄化率が増加する方向に前記空燃比を制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記空燃比制御手段は、前記燃料改質触媒の温度が高いほど前記改質触媒の空燃比をリッチ側とすることを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。