JP2008121575A

JP2008121575A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2008121575A
Application number: JP2006306783A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sakurai; 健治櫻井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-11-13
Filing date: 2006-11-13
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2026-11-13
Also published as: JP4710803B2

Abstract

【課題】水素生成触媒によって生成される水素を還元剤としてＮＯｘ触媒に供給する排気浄化装置において、より好適にＮＯｘ還元処理を実行可能にする技術を提供する。
【解決手段】吸蔵還元型のＮＯｘ触媒と、該ＮＯｘ触媒より上流に配置され排気中の炭化水素や一酸化炭素から水素を生成する水素生成触媒と、害すイソ生成触媒に流入する排気の空燃比を一時的にリッチにするリッチスパイク手段と、を備え、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元する還元処理実行時に、水素生成触媒の温度Ｔ_ＣＡＴが、第１基準温度Ｔ_１より低ければ水素生成触媒を温度低下させて深いリッチスパイクを実行し、第１基準温度Ｔ_１以上第２基準温度Ｔ_２以下であれば水素生成触媒を昇温して深いリッチスパイクを実行し、第２基準温度Ｔ_２より高ければ浅いリッチスパイクを実行する。水素生成触媒は白金層とロジウム層との２層コートとし、ロジウム層の一部に微量のセリアを含有させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の空燃比がリーンに維持される内燃機関の排気通路内に、流入する排気の空燃比がリーンの時に流入する排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘ）を蓄え、流入する排気の空燃比が低下した時に排気中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯｘを還元して蓄えているＮＯｘの量が減少するＮＯｘ触媒を配置し、流入する排気の空燃比がリッチの時に流入する排気中の炭化水素（ＨＣ）から水素（Ｈ_２）を生成する水素生成触媒をＮＯｘ触媒上流の排気通路内に配置し、ＮＯｘ触媒内に蓄えられている硫黄の量を減少させるべき時に、水素生成触媒上流の排気通路内にＨＣを供給することによって水素生成触媒に流入する排気の空燃比が一時的にリッチになるようにして、ＮＯｘ触媒にＨ_２を供給可能にした内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

ＮＯｘ触媒内に形成された硫酸塩を分解するためにＮＯｘ触媒に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を供給することが一般的であるが、ＮＯｘ触媒内の硫酸塩はＨ_２によってより容易に分解される性質を有するため、ＨＣやＣＯの代わりにＨ_２をＮＯｘ触媒に供給することによってより速やかにＮＯｘ触媒内の硫黄成分を減少させることを図ったものである。
特開２００４−６８６２３号公報特開２００５−９０４２６号公報特開２００１−３００２６２号公報特開平１１−２１０５２５号公報

本発明の目的は、このような水素生成触媒とＮＯｘ触媒とを組み合わせた排気浄化装置において、より好適にＮＯｘ触媒の硫黄被毒回復処理やＮＯｘ還元処理を実行可能にする技術を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、流入する排気の空燃比がリーンの時には流入する排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の空燃比がストイキ又はリッチで且つ排気中に還元剤が含まれている時には吸蔵されているＮＯｘを還元してＮＯｘの吸蔵量が減少するＮＯｘ触媒と、前記ＮＯｘ触媒より上流の排気通路に設けられ、流入する排気の空燃比がリッチの時に流入する排気中の炭化水素又は一酸化炭素から水素を生成する水素生成触媒と、前記水素生成触媒より上流の排気通路を流れる排気中に還元剤を供給することで前記水素生成触媒に流入する排気の空燃比を一時的に理論空燃比より低い所定の目標空燃比に制御するリッチスパイク手段と、を備えている。

リッチスパイク手段としては、例えば、内燃機関の運転状態を変更することや、水素生成触媒より上流の排気中に燃料などの還元剤を添加することや、膨張行程又は排気行程において筒内に追加燃料を噴射すること等を例示できる。また、「目標空燃比」とは、水素生成触媒において排気中のＨＣ又はＣＯからＨ_２を生成させることが可能なリッチな空燃比であって、予め求められる。また、「排気の空燃比を一時的に目標空燃比に制御する」とは、排気の空燃比を間欠的に目標空燃比に制御することや、周期的に目標空燃比に制御
することを含んでもよい。

上述のように、ＮＯｘ触媒内に蓄えられた硫黄成分を減少させる際にＮＯｘ触媒に供給する還元剤としてＨ_２を用いると、還元剤としてＨＣやＣＯをＮＯｘ触媒に供給する場合より速やかにＮＯｘ触媒内の硫黄成分を減少させることができる。同様のメカニズムによって、ＮＯｘ触媒内に吸蔵されたＮＯｘを還元してＮＯｘの吸蔵量を減少させる（以下、ＮＯｘ還元処理）時にも、ＮＯｘ触媒に供給する還元剤としてＨ_２を用いることによって、ＮＯｘ触媒にＨＣやＣＯを供給する場合より速やかにＮＯｘ還元処理を行うことができる。

還元剤としてＨＣやＣＯをＮＯｘ触媒に供給してＮＯｘ還元処理を行った場合、ＨＣやＣＯによるＮＯｘ還元反応の速度が遅いことに起因して、ＮＯｘ還元処理の実行初期においてＮＯｘ触媒から放出されたＮＯｘがＨＣやＣＯによって十分に還元されない（すなわち浄化されない）ままＮＯｘ触媒下流に流出してしまう場合があった。それに対し、上記のように、還元剤としてＨ_２をＮＯｘ触媒に供給すると、ＮＯｘ触媒から放出されるＮＯｘが速やかに還元されるため、ＮＯｘ還元処理実行初期におけるエミッションを改善することができる。

上記のように、本発明では、還元剤としてのＨ_２をＮＯｘ触媒に供給する手段として、流入する排気がリッチ雰囲気の時に排気中のＨＣやＣＯからＨ_２を生成する水素生成触媒をＮＯｘ触媒上流に設けた。

水素生成触媒では、水蒸気改質反応（ＨＣ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２−２１５ｋＪ／ｍｏｌ・Ｋ）及び／又は水性ガスシフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２＋４１ｋＪ／ｍｏｌ・Ｋ）によって排気中のＨＣやＣＯからＨ_２が生成されると考えられている。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、高温環境下で反応が進行し易く、具体的には水素生成触媒の温度が約６００℃以上の時に水蒸気改質反応が進行し易いことが判っている。また、水蒸気改質反応は、十分高温の環境下では、比較的リッチ度合いの低いリッチ空燃比環境下においても十分に進行する傾向を有することが判っている。一方、水性ガスシフト反応は発熱反応であり、水蒸気改質反応と比較して低温の環境下で反応が進行し易い。具体的には水素生成触媒の温度が約４００℃程度の時に水性ガスシフト反応が進行し易いことが判っている。また、水性ガスシフト反応は比較的リッチ度合いの高いリッチ空燃比環境下において進行し易い傾向を有することが判っている。

このような水素生成触媒における水素生成反応の特性の相違に鑑みて、本発明では、水素生成触媒によってＨ_２を生成させるべき時、換言するとＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元すべく還元剤としてのＨ_２をＮＯｘ触媒に供給すべき時に、水素生成触媒の温度に応じて、水素生成触媒の温度を制御するとともに、リッチスパイク手段によるリッチスパイクの目標空燃比を設定するようにした。

すなわち、ＮＯｘ還元処理を実行すべき時の水素生成触媒の温度が、水性ガスシフト反応が進行し易い温度と水蒸気改質反応が進行し易い温度とのどちらに近いか（或いはどちらに近付けるのがより容易であるか）を判断し、より近い方（或いはより近付けるのが容易な方）の温度に水素生成触媒の温度を近付けるように、水素生成触媒の温度制御（昇温、温度低下、又は温度維持）を行うようにした。

具体的には、（イ）ＮＯｘ還元処理を実行すべき時の水素生成触媒の温度が水性ガスシフト反応が進行し易い温度に近い（或いは該温度に近付けるのがより容易である）場合は、水素生成触媒の温度を低下させる温度低下制御を行う。そして、好適に水性ガスシフト反応を進行させるようにリッチスパイクの目標空燃比を比較的リッチ度合いの高い第１リ
ッチ空燃比に設定してリッチスパイクを実行する。

本発明では、水素生成触媒の温度が第１基準温度より低い場合に、水素生成触媒に対して温度低下制御を行うようにした。ここで、「第１基準温度」とは、水素生成触媒を温度低下させて水性ガスシフト反応が進行し易い温度に近付ける方が水素生成触媒を昇温させて水蒸気改質反応が進行し易い温度に近付けるより容易であると判断可能な水素生成触媒の温度の上限値であり、予め実験等により求められる。また、「第１リッチ空燃比」とは、水素生成触媒の温度が第１基準温度より低い温度環境下で水性ガスシフト反応を好適に進行させることが可能となような排気空燃比であり、予め実験等により求められる。

また、（ロ）ＮＯｘ還元処理を実行すべき時の水素生成触媒の温度が水蒸気改質反応が進行し易い温度に近い（或いは該温度に近付けるのがより容易である）場合は、水素生成触媒の温度を上昇させる昇温制御を行う。そして、好適に水蒸気改質反応を進行させるようにリッチスパイクの目標空燃比を比較的リッチ度合いの高い第２リッチ空燃比に設定してリッチスパイクを実行する。

本発明では、水素生成触媒の温度が第１基準温度以上第２基準温度以下である場合に、水素生成触媒に対して昇温制御を行うようにした。ここで、「第２基準温度」とは、水素生成触媒の温度が十分高く、それ以上昇温しなくても水蒸気改質反応を十分好適に進行させることが可能であると判断可能な水素生成触媒の温度の下限値であり、予め実験等により求められる。また、「第２リッチ空燃比」とは、水素生成触媒の温度が第１基準温度以上第２基準温度以下の温度環境下で水蒸気改質反応を好適に進行させることが可能となるような排気空燃比であり、予め実験等により求められる。

また、（ハ）ＮＯｘ還元処理を実行すべき時の水素生成触媒の温度が、既に水蒸気改質反応を好適に進行させることが可能なほど十分に高温である場合は、水素生成触媒の温度制御を行わず現在の温度を維持する。そして、この場合水蒸気改質反応が進行し易い状況になっているので、リッチスパイク制御の目標排気空燃比を比較的リッチ度合いの低い第３リッチ空燃比に設定してリッチスパイクを実行する。

本発明では、水素生成触媒の温度が第２基準温度より高い場合に、水素生成触媒に対して温度制御を行わず、浅いリッチスパイクを実行するようにした。なお、「第３リッチ空燃比」とは、第２基準温度より高い温度環境下で水蒸気改質反応を好適に進行させることが可能となるような排気空燃比であり、予め実験等により求められる。

本発明によれば、水素生成触媒の温度に応じて、水蒸気改質反応又は水性ガスシフト反応を促進するように水素生成触媒の温度が制御されるので、水素生成触媒においてより多くのＨ_２を発生させることができ、より確実にＮＯｘ触媒に還元剤としてのＨ_２を供給することが可能になる。また、水素生成触媒の温度が十分に高温の場合にはリッチスパイクの目標空燃比が浅く設定されるので、リッチスパイクの実施に伴う燃料消費量を抑制することができ、燃費特性の点でも有利である。

本発明において、前記水素生成触媒は、その排気上流部分と排気下流部分とで触媒成分を異ならせた構成を有し、その一方をロジウム以外の貴金属の層と該貴金属層の上部に設けられるロジウム層とから成る２層構造の水素生成触媒部とし、他方を酸化触媒部としてもよい。

ここで、「ロジウム以外の貴金属」としては、例えば白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）等を例示できる。以下、便宜上、ロジウム以外の貴金属層を白金層とした構成に基づいて説明する。

水素生成触媒部を基材側の白金層と該白金層より上層部に設けられた排気流路側のロジウム層との２層構造で構成することによって、水素生成触媒としての活性が向上し、より多くのＨ_２を生成することができる。さらに、このような２層構造の水素生成触媒部の上流側又は下流側に酸化触媒部を併設することによって、水素生成触媒の使用に伴ってロジウムが酸化しても、酸化したロジウムからロジウムより酸化され易い白金に酸素が移動し、ロジウムを再びメタル化することができる。これにより、水素生成触媒としての活性が低下することが抑制され、より多くのＨ_２を発生させることが可能になる。

なお、酸化触媒部は、貴金属層の上部に酸化触媒を設けた２層構造としても良い。また、以上の説明は「ロジウム以外の貴金属」としてパラジウムやイリジウムを採用した場合にも同様である。

本発明において、前記水素生成触媒は、その排気上流部分と排気下流部分とで触媒成分を異ならせた構成を有し、その一方をロジウム以外の貴金属の層と該貴金属層の上部に設けられるロジウム層とから成る２層構造の水素生成触媒部とし、他方をロジウム以外の貴金属の層と該貴金属層の上部に設けられるロジウム層とから成り該ロジウム層に所定の微量のセリアを含有させた２層構造のセリア含有水素生成触媒部としてもよい。

この構成においても上述の構成と同様に、「ロジウム以外の貴金属」として白金、パラジウム、イリジウム等を採用し得る。以下の説明では「ロジウム以外の貴金属層」を白金層とした場合について説明する。

基材側の白金層と該白金層より上層部に設けられた排気流路側のロジウム層との２層構造で構成された水素生成触媒において、ロジウム層にセリアを含有させると水素生成反応の活性を失ってしまうと考えられていたため、ロジウム層にセリアを含有させることは従来行われなかった。しかし、本発明者による鋭意の研究により、微量のセリアをロジウム層に含有させることによってむしろ水素生成量が大幅に増大することが見出された。これは、酸化したロジウムからセリアに酸素が移動し、ロジウムが再びメタル化することによると考えられている。これにより、水素生成触媒としての活性が高められ、より多くのＨ_２を発生させることが可能になる。なお、「所定の微量」とは、水素生成触媒の活性を向上させることが可能なロジウム層へのセリアの混入量であって、予め実験等により求められる。

上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。

本発明により、水素生成触媒とＮＯｘ触媒とを組み合わせた排気浄化装置において、より確実にＮＯｘ触媒に水素を供給することができ、ＮＯｘ触媒における硫黄被毒回復処理やＮＯｘ還元処理をより好適に実行することが可能になる。

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例示的に詳しく説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本実施例の内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関の吸気系、排気系、及び制御系の概略構成を模式的に示す図である。図１に示す内燃機関１は４つの気筒２を有
する水冷式４サイクルディーゼルエンジンである。

内燃機関１の気筒２には、吸気マニホールド１７及び排気マニホールド１８が接続されている。吸気マニホールド１７には吸気管３が接続されている。吸気マニホールド１７の上流の吸気管３には、吸気管３の流路面積を変更することで吸気管３を流れる吸気の流量を調節可能な第２スロットル９が設けられている。第２スロットル９は、電動アクチュエータによって開閉される。第２スロットル９より上流の吸気管３には、吸気を冷却するインタークーラ８が設けられている。インタークーラ８より上流の吸気管３には、排気のエネルギーを駆動源として作動するターボチャージャのコンプレッサ１１が設けられている。コンプレッサ１１より上流の吸気管３には、吸気管３の流路面積を変更することで吸気管３を流れる吸気の流量を調節可能な第１スロットル６が設けられている。第１スロットル６は、電動アクチュエータによって開閉される。

一方、排気マニホールド１８には排気管４が接続されている。排気管４の途中には、ターボチャージャのタービン１２が設けられている。このターボチャージャは、タービン１２の排気流量特性を変更可能なノズルベーン５を備えた可変容量型のターボチャージャである。タービン１２より上流の排気管４には、排気管４を流れる排気中に燃料を添加する燃料添加弁１９が設けられている。また、タービン１２のより下流の排気管４には、水素生成触媒２１が設けられている。水素生成触媒２１より下流の排気管４にはＮＯｘ触媒２２が設けられている。ＮＯｘ触媒２２より下流の排気管４には、排気管４の流路面積を変更することで排気管４を流れる排気の流量を調節可能な排気絞り弁２３が設けられている。排気絞り弁２３は、電動アクチュエータによって開閉される。

本実施例の水素生成触媒２１は、基材側の白金（Ｐｔ）層と、該Ｐｔ層より上部（排気流路側）に設けられたロジウム（Ｒｈ）層とによる２層構造とした。このような２層構造とすることによって、水素生成触媒の活性が向上し、生成されるＨ_２の量を増大させることができる。このような２層構造で構成された水素生成触媒において、Ｒｈ層にセリアを混入させると水素生成反応の活性が失われると考えられ、実際にそれを支持する実験結果も得られていた。しかしながら、本発明者の研究によって、Ｒｈ層に混入させるセリアの量が微量であればむしろ水素生成触媒における水素生成量が大幅に増大することが見出された。

そこで、本実施例の水素生成触媒２１は、排気上流部１３と排気下流部１０とで触媒成分を異ならせた構成とし、排気上流部１３には基材側のＰｔ層と該Ｐｔ層より上部（排気流路側）に設けられたＲｈ層とから成る２層コート水素生成触媒部を形成するとともに、排気下流部１０には基材側のＰｔ層と該Ｐｔ層より上部（排気流路側）に設けられたＲｈ層とから成り、該Ｒｈ層に所定の微量のセリアを含有させた２層コートセリア含有水素生成触媒部を形成した。ここで、「所定の微量」とは、水素生成触媒の活性を失わせることなく、且つ水素生成触媒における水素発生量を増大させることが可能なセリアの含有量であり、実験等により求められる。上記構成において、Ｐｔ層はＰｄやＩｒ等、Ｒｈ以外の貴金属の層としても良い。

なお、排気下流部１０においては、セリアを微量含有するＲｈ層の代わりに酸化触媒を設けても良い。また、排気上流部１３と排気下流部１０とで上記の触媒成分を入れ替えても良い。

水素生成触媒２１は、流入する排気の空燃比がリッチの時に流入する排気中のＨＣやＣＯからＨ_２を生成し、流入する排気の空燃比がストイキ又はリーンの時にはほとんどＨ_２を生成しない。また、本実施例ではＰｔ層とＲｈ層と２層構造としているので、水素生成触媒としての活性が向上してより多くのＨ_２を生成することが可能となっている。さらに
、水素生成触媒２１を排気上流部１３と排気下流部１０との２領域に分割して一方の領域を酸化触媒又はセリアを微量含有する水素生成触媒とすることによって、水素生成触媒１３の使用に伴ってＲｈ層のＲｈが酸化しても、酸化したＲｈから酸素をＰｔ層に移動させ、Ｒｈを再びメタル化することができる。そのため、長期間に亘って水素生成触媒１３の活性を高く維持することが可能となっている。

また、ＮＯｘ触媒２２は、流入する排気中の粒子状物質（以下、ＰＭ）を捕集するパティキュレートフィルタ（以下、フィルタ）の隔壁（例えば排気流路壁面、細孔内壁面等）上に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持させて構成されている。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は例えばアルミナを担体とし、この担体上にＮＯｘ吸蔵剤（アルカリ金属、アルカリ土類金属、又は希土類から選ばれる少なくとも一つの元素から成る）と酸化触媒（白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム等の貴金属）とを担持して構成される。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、流入する排気が酸化雰囲気（酸素過剰雰囲気）の時には排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気が還元雰囲気（酸素濃度低下雰囲気）になった時に吸蔵しているＮＯｘを放出する。ＮＯｘ触媒からＮＯｘが放出された時に周囲に還元成分が存在すれば、放出されたＮＯｘは該還元成分によって還元浄化される。ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元浄化する処理を以下ではＮＯｘ還元処理という。

内燃機関１には、機関の制御を行う電子制御装置（ＥＣＵ）２０が併設されている。ＥＣＵ２０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ、入出力ポート、Ｄ／Ａコンバータ等を双方向バスで接続したマイクロコンピュータとして構成されている。

ＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転状態や運転者による要求に応じて燃料噴射制御等のディーゼルエンジンにおいて既知の基本制御を行う。そのために、本実施例における内燃機関１には、吸気管３に流入する新気の流量を検出するエアフローメータ７、吸気の過給圧を検出する過給圧センサ１４、運転者によるアクセルペダル（図示省略）の踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ１５、内燃機関１のクランクシャフト（図示省略）の回転位相（クランク角度）を検出するクランクポジションセンサ１６の他、ディーゼルエンジンが一般的に備えているセンサ類（図示省略）が設けられている。

これらのセンサは電気配線を介してＥＣＵ２０に接続され、各センサからの出力信号がＥＣＵ２０に入力されるようになっている。また、ＥＣＵ２０には、第１スロットル６、第２スロットル９、排気絞り弁２３、燃料添加弁１９、ノズルベーン５等を駆動するための駆動装置が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２０から出力される制御信号に従ってこれらの機器が制御される。

ＥＣＵ２０は、各センサによる検出値に基づいて内燃機関１の運転状態や運転者の要求を把握する。例えば、ＥＣＵ２０はクランクポジションセンサ１６から入力されるクランク角度から機関回転数を算出するとともに、アクセル開度センサ１５から入力されるアクセル開度から機関負荷を算出し、機関回転数と機関負荷とに基づいて内燃機関１の運転状態を把握する。

内燃機関の稼働時間の経過に伴って、ＮＯｘ触媒２２に吸蔵されるＮＯｘの量は次第に増大し、ＮＯｘ触媒２２のＮＯｘ吸蔵能力が低下していく。従来の排気浄化装置では、例えばＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの吸蔵量が所定の許容量を超えた場合に、ＮＯｘ触媒より上流の排気中に燃料を添加したり、内燃機関の膨張行程又は排気行程において追加燃料の噴射を行ったりすることで、一時的にＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチにするリッチスパイクを実行することが一般的であった。この場合、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比となることによってＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＮＯｘが放出されるとともに、リッチスパイクによってＮＯｘ触媒に供給されるＨＣやＣＯが還元剤とし
て作用して放出されたＮＯｘが還元浄化される。

しかしながら、還元剤としてＨＣやＣＯをＮＯｘ触媒に供給してＮＯｘ還元処理を行った場合、ＨＣやＣＯによるＮＯｘ還元反応の速度が遅いことに起因して、ＮＯｘ還元処理の実行初期においてＮＯｘ触媒から放出されたＮＯｘがＨＣやＣＯによって十分に還元されない（すなわち浄化されない）ままＮＯｘ触媒下流に流出してしまう場合があった。

それに対して、ＮＯｘ触媒内の硝酸塩はＨ_２によってより容易に分解される性質を有するため、還元剤としてＨＣやＣＯの代わりにＨ_２をＮＯｘ触媒に供給すると、ＮＯｘ触媒から放出されたＮＯｘがより速やかに還元されるようになり、ＮＯｘ還元処理の実行初期においてもより確実にＮＯｘを還元浄化することが可能になる。

そこで、本実施例では、ＮＯｘ触媒２２におけるＮＯｘ吸蔵量を減少させるべき時には、ＮＯｘ触媒２２より上流に配置された水素生成触媒２１に流入する排気の空燃比を一時的にリッチにするリッチスパイクを実行することによって水素生成触媒２１においてＨ_２を生成させ、このＨ_２を還元剤としてＮＯｘ触媒２２に供給するようにした。

具体的には、ＮＯｘ触媒２２におけるＮＯｘ吸蔵量が所定の許容量を超えた時に、燃料添加弁１９から排気中に燃料を添加することによって水素生成触媒２１に未燃燃料を供給する。或いは、内燃機関の膨張行程又は排気行程において追加燃料を噴射することによって水素生成触媒２１に未燃燃料を供給することもできる。

このようにして水素生成触媒２１に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比とされると、水素生成触媒２１においては、次の式１に示すような水蒸気改質反応及び／又は式２に示すような水性ガスシフト反応によって、排気中のＨＣやＣＯからＨ_２が生成される。
ＨＣ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２−２１５ｋＪ／ｍｏｌ・Ｋ・・・（式１）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２＋４１ｋＪ／ｍｏｌ・Ｋ・・・・（式２）

式１に示されるように、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、高温環境下で反応が進行し易い性質を有する。具体的には、水素生成触媒２１の温度が６００℃近傍の温度の時に水蒸気改質反応が進行し易いことが判っている。また、水蒸気改質反応は、十分高温の環境下では、比較的リッチ度合いの低いリッチ空燃比環境下においても十分に進行することが判っている。

また、式２に示されるように、水性ガスシフト反応は発熱反応であり、水蒸気改質反応と比較して低温の環境下で反応が進行し易い。具体的には、水素生成触媒２１の温度が妬く４００℃近傍の温度の時に水性ガスシフト反応が進行し易いことが判っている。また、水性ガスシフト反応は比較的リッチ度合いの高いリッチ空燃比環境下において好適に進行することが判っている。

このような水素生成触媒２１における水素生成反応の特性の相違に鑑みて、本実施例では、水素生成触媒２１によってＨ_２を生成させるべき時、換言するとＮＯｘ触媒２２に吸蔵されたＮＯｘを還元すべく還元剤としてのＨ_２をＮＯｘ触媒２２に供給すべき時に、水素生成触媒２１の温度に応じて、水素生成触媒２１の温度を制御するとともに、リッチスパイクの目標空燃比を設定するようにした。

すなわち、ＮＯｘ還元処理を実行すべき時の水素生成触媒２１の温度が、水性ガスシフト反応が進行し易い温度と水蒸気改質反応が進行し易い温度とのどちらに近いか（或いはどちらに近付けるのがより容易であるか）を判断し、より近い方（或いはより近付けるのが容易な方）の温度に水素生成触媒２１の温度を近付けるように、水素生成触媒２１の温
度制御（昇温、温度低下、又は温度維持）を行うようにした。

具体的には、（イ）水素生成触媒２１の温度Ｔ_ＣＡＴが第１基準温度Ｔ_１より低い場合は、水素生成触媒２１に対して温度低下制御を実行する。そして、リッチスパイクの目標空燃比を比較的リッチ度合いの高い第１リッチ空燃比Ａ／Ｆ_１に設定してリッチスパイクを実行する。

ここで、第１基準温度Ｔ_１は、水素生成触媒２１を温度低下させて水性ガスシフト反応が進行し易い温度に近付ける方が水素生成触媒２１を昇温させて水蒸気改質反応が進行し易い温度に近付けるより容易であると判断可能な水素生成触媒２１の温度の上限値であり、予め実験により求められ、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されている。また、第１リッチ空燃比Ａ／Ｆ_１は、水素生成触媒２１の温度が第１基準温度Ｔ_１より低い温度環境下で水性ガスシフト反応を好適に進行させることが可能となるような排気空燃比であり、予め実験により求められ、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されている。温度低下制御としては、吸入空気量の増加、燃料噴射時期の進角、燃料噴射量の低減等を例示できる。

また、（ロ）水素生成触媒２１の温度Ｔ_ＣＡＴが第１基準温度Ｔ_１以上第２基準温度Ｔ_２以下である場合は、水素生成触媒２１に対して昇温制御を実行する。そして、リッチスパイクの目標空燃比を比較的リッチ度合いの高い第２リッチ空燃比Ａ／Ｆ_２に設定してリッチスパイクを実行する。

これは、水素生成触媒２１の温度が第１基準温度Ｔ_１以上の場合には、水素生成触媒２１を昇温させて水蒸気改質反応が進行し易い温度に近付ける方が水素生成触媒２１を温度低下させて水性ガスシフト反応が進行し易い温度に近付けるより容易であると判断できるからである。また、第２基準温度Ｔ_２は、水素生成触媒２１の温度が十分に高く、それ以上昇温しなくても水蒸気改質反応を十分好適に進行させることが可能であると判断可能な水素生成触媒２１の温度の下限値であり、予め実験により求められ、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されている。水素生成触媒２１の温度が第２基準温度Ｔ_２より高い場合には、後述するように、昇温制御を行わない。また、第２リッチ空燃比Ａ／Ｆ_２は、水素生成触媒２１の温度が第１基準温度Ｔ_１以上第２基準温度Ｔ_２以下である温度環境下において水蒸気改質反応を好適に進行させることが可能となるような排気空燃比であり、予め実験により求められ、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されている。昇温制御としては、吸入空気量の低減、燃料噴射時期の遅角、燃料噴射量の増加等を例示できる。

第２リッチ空燃比Ａ／Ｆ_２は第１リッチ空燃比Ａ／Ｆ_１と略等しい値としても良い。第１リッチ空燃比Ａ／Ｆ_１及び第２リッチ空燃比Ａ／Ｆ_２はともに比較的リッチ度合いの大きいリッチ空燃比であり、目標空燃比を第１リッチ空燃比Ａ／Ｆ_１又は第２リッチ空燃比Ａ／Ｆ_２に設定して導入されるリッチスパイクを「深いリッチスパイク」と称する。

また、（ハ）水素生成触媒２１の温度Ｔ_ＣＡＴが第２基準温度Ｔ_２より高い場合は、水素生成触媒２１に対して温度制御を行わず、リッチスパイクの目標空燃比を比較的リッチ度合いの低い第３リッチ空燃比Ａ／Ｆ_３に設定してリッチスパイクを実行する。

ここで、第３リッチ空燃比Ａ／Ｆ_３は、第２基準温度Ｔ_２より高い温度環境下で水蒸気改質反応を好適に進行させることが可能となるような排気空燃比であり、予め実験により求められ、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されている。第３リッチ空燃比Ａ／Ｆ_３は上記第１リッチ空燃比Ａ／Ｆ_１及び第２リッチ空燃比Ａ／Ｆ_２と比較してリッチ度合いの小さいリッチ空燃比であり、目標空燃比を第３リッチ空燃比Ａ／Ｆ_３に設定して導入されるリッチスパイクを「浅いリッチスパイク」と称する。

以上説明したようなＮＯｘ還元処理に係る水素生成触媒２１に対する温度制御及びリッチスパイク制御を実行することによって、水素生成触媒２１の温度に応じて、水蒸気改質反応又は水性ガスシフト反応をより促進するように水素生成触媒２１の温度が制御されることになるので、水素生成触媒２１においてより多くの水素を発生させることができる。これにより、より確実に還元剤としてのＨ_２をＮＯｘ触媒に供給することが可能になる。また、水素生成触媒２１の温度が十分に高温の場合には、浅いリッチスパイクが導入されるので、リッチスパイクの実施に伴う燃料消費量の増大を抑制することができ、燃費特性の点でも有利である。

以下、上述した本実施例のＮＯｘ還元処理に係る制御の具体的な実行手順について、図２に基づいて説明する。図２は本実施例の水素生成触媒２１の温度制御及びリッチスパイク制御ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは内燃機関１の稼働中所定期間毎に繰り返し実行される。

ＮＯｘ触媒２２におけるＮＯｘ吸蔵量を減少させるべきであると判定されると、本ルーチンが実行され、まずステップＳ１０１において、ＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転状態を取得する。具体的には、クランクポジションセンサ１６によって検出されるクランク角度から機関回転数を算出するとともに、アクセル開度センサ１５によって検出されるアクセル開度から機関負荷を算出する。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ２０は、水素生成触媒２１の温度Ｔ_ＣＡＴを取得する。具体的には、内燃機関１の運転状態に基づいて所定のモデル計算によって水素生成触媒２１の温度Ｔ_ＣＡＴを推定する。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ２０は、前記ステップＳ１０２において取得した水素生成触媒２１の温度Ｔ_ＣＡＴがどの温度領域に属しているか判定する。ステップＳ１０３において、Ｔ_ＣＡＴ＜Ｔ_１であると判定された場合は、ステップＳ１０４に進む。また、Ｔ_１≦Ｔ_ＣＡＴ≦Ｔ_２であると判定された場合は、ステップＳ１０６に進む。また、Ｔ_ＣＡＴ＞Ｔ_２であると判定された場合は、ステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ２０は、水素生成触媒２１に対して温度低下制御を実行する。そして、ステップＳ１０５において、目標空燃比を第１リッチ空燃比Ａ／Ｆ_１に設定してリッチスパイクを実行する。

ステップＳ１０６において、ＥＣＵ２０は、水素生成触媒２１に対して昇温制御を実行する。そして、ステップＳ１０７において、目標空燃比を第２リッチ空燃比Ａ／Ｆ_２に設定してリッチスパイクを実行する。

ステップＳ１０８において、ＥＣＵ２０は、水素生成触媒２１に対して温度制御を行わず、目標空燃比を第３リッチ空燃比Ａ／Ｆ_３に設定してリッチスパイクを実行する。

ＥＣＵ２０が以上説明したルーチンを実行することにより、水素生成触媒２１の温度が比較的低温の時には水素生成触媒２１の温度が低下させられることで水性ガスシフト反応が促進される。また、水素生成触媒２１の温度が比較的高温での時には水素生成触媒２１の温度が上昇させられることで水蒸気改質反応が促進される。また、水素生成触媒２１の温度が水蒸気改質反応が十分好適に進行するほど高温に達している時には水素生成触媒２１の温度は現状維持されるとともに、前記２通りの場合と比較して浅いリッチスパイクが実行される。これによりリッチスパイクに要する燃料量を少なくすることができ、燃費特性の点でも有利になる。

なお、本実施例では、現時点での内燃機関１の運転状態（機関回転数、機関負荷等）に基づいて水素生成触媒２１の温度を推定しているが、水素生成触媒２１の温度を測定する手段はこれに限られない。例えば温度センサを水素生成触媒２１に取り付けて直接水素生成触媒２１の温度を測定するようにすることもできる。

実施例１における内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関の吸気系、排気系、及び制御系の概略構成を示す概念図である。実施例１における水素生成触媒の温度制御及びリッチスパイク制御のルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１内燃機関
２気筒
３吸気管
４排気管
５ノズルベーン
６第１スロットル
７エアフローメータ
８インタークーラ
９第２スロットル
１０２層コートセリア含有水素生成触媒部
１１コンプレッサ
１２タービン
１３２層コート水素生成触媒部
１４過給圧センサ
１５アクセル開度センサ
１６クランクポジションセンサ
１７吸気マニホールド
１８排気マニホールド
１９燃料添加弁
２０ＥＣＵ
２１水素生成触媒
２２ＮＯｘ触媒
２３排気絞り弁

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、流入する排気の空燃比がリーンの時には流入する排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の空燃比がストイキ又はリッチで且つ排気中に還元剤が含まれている時には吸蔵されているＮＯｘを還元してＮＯｘの吸蔵量が減少するＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒より上流の排気通路に設けられ、流入する排気の空燃比がリッチの時に流入する排気中の炭化水素又は一酸化炭素から水素を生成する水素生成触媒と、
前記水素生成触媒より上流の排気通路を流れる排気中に還元剤を供給することで前記水素生成触媒に流入する排気の空燃比を一時的に理論空燃比より低い所定の目標空燃比に制御するリッチスパイク手段と、
を備え、
前記リッチスパイク手段は、前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘを還元してＮＯｘの吸蔵量を減少させるべき時に、
（イ）前記水素生成触媒の温度が所定の第１基準温度より低い場合は、前記水素生成触媒の温度を低下させる温度低下制御を実行するとともに、前記目標空燃比をリッチ度合いが比較的大きい所定の第１リッチ空燃比に設定してリッチスパイクを実行し、
（ロ）前記水素生成触媒の温度が前記第１基準温度以上且つ前記第１基準温度より高い所定の第２基準温度以下である場合は、前記水素生成触媒の温度を上昇させる昇温制御を実行するとともに、前記目標空燃比をリッチ度合いが比較的大きい所定の第２リッチ空燃比に設定してリッチスパイクを実行し、
（ハ）前記水素生成触媒の温度が前記第２基準温度より高い場合は、前記目標空燃比をリッチ度合いが比較的小さい所定の第３リッチ空燃比に設定してリッチスパイクを実行する
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１において、
前記水素生成触媒は、その排気上流部分と排気下流部分とで触媒成分を異ならせた構成を有し、その一方をロジウム以外の貴金属の層と該貴金属層の上部に設けられるロジウム層とから成る２層構造の水素生成触媒部とし、他方を酸化触媒部としたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１において、
前記水素生成触媒は、その排気上流部分と排気下流部分とで触媒成分を異ならせた構成を有し、その一方をロジウム以外の貴金属の層と該貴金属層の上部に設けられるロジウム層とから成る２層構造の水素生成触媒部とし、他方をロジウム以外の貴金属の層と該貴金属層の上部に設けられるロジウム層とから成り該ロジウム層に所定の微量のセリアを含有させた２層構造のセリア含有水素生成触媒部としたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。