JP2008223576A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気ガス浄化装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ＮＯｘ吸蔵還元型触媒とパティキュレートフィルタとを備える排気ガス浄化装置において、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の有する本来のＮＯｘ吸蔵能力を十分に活用できるようにする。
【解決手段】ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２の上流にフィルタ４０を配置し、フィルタ４０に流れ込む排気ガスと混合するように燃料を供給する燃料供給手段４２と、フィルタ４０の下流においてＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２に流れ込む排気ガスと混合するようにオゾンを供給するオゾン供給手段３０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関し、詳しくは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒とパティキュレートフィルタとを備える排気ガス浄化装置に関する。
従来、例えば、以下の各特許文献に開示されているように、内燃機関、特に、ディーゼルエンジンにおいて、排気通路の上流側から順にフィルタとＮＯｘ吸蔵還元型触媒（以下、ＮＳＲ触媒という）とを配置した排気ガス浄化装置が知られている。この装置では、排気ガスに含まれるパティキュレートをフィルタによって捕捉することができ、また、リーン雰囲気下では浄化が不十分となるＮＯｘをＮＳＲ触媒によって捕捉することができる。
上記の排気ガス浄化装置では、フィルタの詰まりによる排気抵抗の増大を防止するため、捕捉したパティキュレートをフィルタから除去する処理（以下、この処理をフィルタの再生という）が必要となる。フィルタからパティキュレートを除去する方法としては、フィルタの上流で排気ガス中に燃料を添加し、フィルタの流れ込む排気ガスの温度を上昇させる方法が知られている。排気ガスの温度を高めることで、その熱を利用してパティキュレートを燃焼させることができる。
また、上記の排気ガス浄化装置では、ＮＳＲ触媒から吸蔵ＮＯｘを除去する処理（以下、この処理をＮＳＲ触媒の再生という）も必要となる。ＮＳＲ触媒から吸蔵ＮＯｘを除去する方法としては、ＮＳＲ触媒の上流において燃料を排気ガスに添加し、ＮＳＲ触媒に流れ込む排気ガスの空燃比をリッチにする方法が知られている。排気ガスの空燃比をリッチにすることで、排気ガスに含まれるＨＣ或いはＣＯによって吸蔵ＮＯｘを還元し浄化することができる。なお、ＨＣ或いはＣＯによる吸蔵ＮＯｘの還元反応は、ＮＳＲ触媒が十分に暖まっている場合に起きる反応である。このため、ＮＳＲ触媒の再生時に排気ガスに添加される燃料は、その化学ポテンシャルの全部が吸蔵ＮＯｘの還元に用いられるのでなく、その一部、或いは大部分をＮＳＲ触媒の加熱に用いられることになる。
特開２００２−８９２４０号公報 特表２００５−５３８２９５号公報 特表２００６−５２２２７２号公報 特開２０００−２９７６３３号公報 特開２００２−１８８４３２号公報
フィルタの再生やＮＳＲ触媒の再生に消費される燃料は何れも内燃機関の出力には寄与しない燃料であり、その消費量を減らすことができれば内燃機関の燃費を向上させることができる。その１つの方法としては、フィルタの再生によって発生した熱をＮＳＲ触媒の再生に利用することである。フィルタの再生時には、添加した燃料の燃焼によって熱が発生すると同時にパティキュレートの燃焼によっても熱が発生する。したがって、この熱を利用してＮＳＲ触媒を暖めることにすれば、ＮＳＲ触媒の再生のための燃料の消費量は吸蔵ＮＯｘの還元に必要な分で済むことになる。
ところが、実際にはフィルタの再生が実行される周期とＮＳＲ触媒の再生が実行される周期との間には大きな隔たりがある。フィルタの再生の周期に比較するとＮＳＲ触媒の再生の周期は極めて短く、フィルタの再生によって発生した熱をＮＳＲ触媒の再生に利用する機会はほとんどない。ＮＳＲ触媒の再生周期を長くするためには、ＮＳＲ触媒により多くの量のＮＯｘを吸蔵させることが必要である。しかし、従来の排気ガス浄化装置では、ＮＳＲ触媒が本来有するＮＯｘ吸蔵能力が十分に活かされていない。ＮＳＲ触媒の本来のＮＯｘ吸蔵能力を十分に活用することができるならば、ＮＳＲ触媒の再生の周期をフィルタの再生の周期に近づけることが可能となり、ひいては、フィルタの再生によって発生した熱をＮＳＲ触媒の再生に利用することも可能になる。
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒とパティキュレートフィルタとを備える排気ガス浄化装置において、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の有する本来のＮＯｘ吸蔵能力を十分に活用できるようにすることにある。
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気ガス浄化装置であって、
内燃機関の排気通路に配置されたＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、
前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流に配置されて排気ガスに含まれるパティキュレートを捕捉するフィルタと、
前記フィルタに流れ込む排気ガスと混合するように燃料を供給する燃料供給手段と、
前記フィルタの下流において前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流れ込む排気ガスと混合するようにオゾンを供給するオゾン供給手段と、
を備えることを特徴としている。
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記フィルタの下流において前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流れ込む排気ガスと混合するように燃料を供給する第２の燃料供給手段をさらに備えることを特徴としている。
第３の発明は、第１の発明において、
前記燃料供給手段は、前記フィルタの再生時、前記フィルタに流れ込む排気ガスの空燃比がリーンになるように供給量を調整しながら燃料供給を実行し、前記フィルタの再生後は、前記フィルタに流れ込む排気ガスの空燃比がリッチになるように供給量を調整しながら所定期間燃料供給を継続することを特徴としている。
第４の発明は、第２の発明において、
前記燃料供給手段は、前記フィルタの再生時、前記フィルタに流れ込む排気ガスの空燃比がリーンになるように供給量を調整しながら燃料供給を実行し、
前記第２の燃料供給手段は、前記燃料供給手段による燃料供給の実行時、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流れ込む排気ガスの空燃比がリッチになるように供給量を調整しながら所定期間燃料供給を実行することを特徴としている。
第１の発明によれば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流れ込む排気ガスと混合するようにオゾンを供給することで、排気ガス中のＮＯｘの酸化を促進し、ひいては、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒へのＮＯｘの吸蔵を促進することができる。特に、排気ガス中におけるオゾンのモル量がＮＯのモル量よりも大きくなるようにオゾン供給量を調整すれば、ＮＯ３やＮ２Ｏ５等、ＮＯ２よりも高次の窒素酸化物（水分が存在すればＨＮＯ３も生成）を生成することができる。これら高次の窒素酸化物を生成することで、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒におけるＮＯｘ吸蔵反応をより促進することができる。
ＮＯｘ吸蔵還元型触媒におけるＮＯｘの吸蔵を促進することで、より多くのＮＯｘを吸蔵させることができ、ひいては、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生の周期を長くすることができる。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生の周期が長くなれば、フィルタの再生によって発生した熱をＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生に利用する機会を増やすことができる。その結果、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒やフィルタの再生に必要となる燃料の消費量を抑制し、それにより内燃機関の燃費を向上させることが可能になる。
第２の発明によれば、フィルタを経由することなくＮＯｘ吸蔵還元型触媒に燃料を供給することができる。また、フィルタの上流とＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流との二箇所に分けて同時に燃料を供給することもできる。このように燃料の供給形態を複数選択可能にすることで、燃料をより有効に利用することができるようになる。
第３の発明によれば、フィルタを再生すると同時にフィルタの再生によって発生した熱でＮＯｘ吸蔵還元型触媒を暖めることができる。そして、フィルタの再生後は、十分に暖まった状態のＮＯｘ吸蔵還元型触媒に空燃比がリッチの排気ガスを供給することでＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生を効率良く行うことができる。
第４の発明によれば、フィルタを再生すると同時にフィルタの再生によって発生した熱でＮＯｘ吸蔵還元型触媒を暖めることができる。さらに、燃料を二箇所に分けて供給することでフィルタ内のリーン雰囲気とＮＯｘ吸蔵還元型触媒内のリッチ雰囲気とを同時に実現することができる。これによれば、フィルタの再生と同時にＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生も行うことができ、フィルタの再生によって発生する熱をより有効に利用することができる。
実施の形態１．
［実施の形態１の排気ガス浄化装置の構成］
本発明はリーンバーン運転を行う内燃機関、特に、ディーゼルエンジンに用いて好適であり、本実施の形態では、本発明をディーゼルエンジンに適用している。図１は本発明の実施の形態１の排気ガス浄化装置の構成を示す図である。以下、図１を用いて本実施の形態の排気ガス浄化装置の構成について説明する。
図１に示すように、本実施の形態の排気浄化装置は、ディーゼルエンジン（以下、エンジンという）１０の排気通路１２に、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）４０と触媒装置２０とを有している。触媒装置２０はＤＰＦ４０の下流に配置されている。このような構成によれば、エンジン１０から排出された排気ガスは、まず、ＤＰＦ４０にてパティキュレートを取り除かれ、続いて、触媒装置２０にてＮＯｘ，ＨＣ，ＣＯを浄化された後、大気へ放出される。
排気通路１２におけるＤＰＦ４０の入口付近には、燃料インジェクタ４２が取り付けられている。燃料インジェクタ４２からは、エンジン１０の運転に用いられるのと同じ燃料が噴射される。
触媒装置２０の内部には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（以下、ＮＳＲ触媒という）２２が収納されている。ＮＳＲ触媒２２は、Ｐｔ等の貴金属およびＢａＣＯ３が、セラミクス担体上に担持されることにより構成されている。Ｐｔは、ＣＯ、ＨＣの酸化反応とＮＯｘの還元反応とを同時に活性させる活性点として機能する。ＢａＣＯ３は、排気ガス中のＮＯｘを硝酸塩として吸蔵するＮＯｘ保持物質として機能する。具体的には、ＢａＣＯ３では、ＮＯｘがＢａ（ＮＯ３）２として吸蔵される。吸蔵されたＢａ（ＮＯ３）２は、主に排気ガスがリッチの状況下で還元、分解される。ただし、ＮＯｘ保持物質は、ＮＯｘを吸蔵するのみでなく、ＮＯｘを吸着する場合もありうる。このため、ＮＯｘ保持物質における「保持」とは、ＮＯｘを「吸蔵」する意味のみでなく、ＮＯｘを「吸着」する意味も含んでいる。
触媒装置２０内のＮＳＲ触媒２２の上流には、ガス噴射口３２が設けられている。このガス噴射口３２はオゾン供給装置３０に接続されている。オゾン供給装置３０の内部には、吸気口３４から得た空気を用いてオゾンを生成するオゾン生成装置が備えられる。オゾン生成装置の構成、機能等に関しては既に種々の技術が公知となっているため、その詳細な説明は省略する。オゾン供給装置３０は、内部で生成したオゾンをガス噴射口３２から触媒装置２０内に供給する。オゾン供給装置３０から供給されるオゾンは排気通路１２を流れて来る排気ガスと触媒装置２０内で混合し、当該混合ガスがＮＳＲ触媒２２へと流れ込むことになる。
本実施の形態の排気浄化装置は、その状態に関する情報を得るための複数のセンサを備えている。具体的には、ＤＰＦ４０には、その入口側と出口側の差圧に応じた信号を出力する差圧センサ５２が取り付けられている。排気通路１２におけるＤＰＦ４０の出口付近には、排気ガスの空燃比に応じた信号を出力する空燃比センサ５４が取り付けられている。また、排気通路１２における触媒装置２０の出口付近には、ＮＯｘを検知するＮＯｘセンサ５６が取り付けられている。
本実施の形態の排気浄化装置は、その動作を制御する制御装置５０を備えている。制御装置５０の出力部には、上述したオゾン供給装置３０と燃料インジェクタ４２が接続されている。一方、制御装置５０の入力部には、上述した複数のセンサ５２，５４，５６が接続されている。また、制御装置５０の入力部には、エンジン１０の運転条件および運転状態に関する情報も入力される。制御装置５０は、入力された各種の情報に基づいて所定の制御プログラムにしたがってオゾン供給装置３０及び燃料インジェクタ４２を制御する。
［実施の形態１の排気ガス浄化装置の動作］
次に、本実施の形態の排気ガス浄化装置の動作について説明する。
（オゾンの利用によるＮＳＲ触媒へのＮＯｘの吸蔵）
エンジン１０がリーンバーン運転を行う時、エンジン１０の排気ガス中にはＨＣやＣＯに比較して多くのＮＯｘが含まれる。図１に示す構成によれば、排気ガス含まれるＮＯｘはＮＳＲ触媒２２にて吸蔵することができる。本実施の形態では、以下に説明するようにオゾンの利用によってＮＳＲ触媒２２のＮＯｘ吸蔵能力の向上を図っている。
本実施の形態では、エンジン１０がリーンバーン運転を行う時には、オゾン供給装置３０を作動させて触媒装置２０にオゾンを供給する。オゾンを排気ガスに添加すると、気相反応により排気ガス中のＮＯｘが酸化されることが知られている。具体的には、ＮＯｘとオゾンとが反応し、下記の各反応式（１）〜（３）に示す反応が生じる。なお、反応式（３）は右方向への反応を示す矢印のみが記載されているが、括弧に示すような左方向への反応も生じうる。
ＮＯ＋Ｏ３ → ＮＯ２＋Ｏ２ ・・・（１）
ＮＯ２＋Ｏ３ → ＮＯ３＋Ｏ２ ・・・（２）
ＮＯ２＋ＮＯ３ → Ｎ２Ｏ５ （ＮＯ２＋ＮＯ３ ← Ｎ２Ｏ５） ・・・（３）
ＮＯｘ保持物質で生ずるＮＯｘ吸蔵は、ＮＯｘが酸化されて生じた高次の窒素酸化物（あるいは、これら窒素酸化物が水と反応して生成したＨＮＯ３）がＮＯｘ保持物質に吸蔵されることにより実現される。例えば、ＮＯ３が、Ｂａ（ＮＯ３）2などの硝酸塩となることによりＮＯｘ吸蔵材に吸蔵される。上記の各反応式（１）〜（３）に示すように、排気ガスにオゾンを添加すれば、ＮＯｘ保持物質に吸蔵されやすい高次の窒素酸化物を効率良く生成することができる。つまり、ＮＳＲ触媒２２のＮＯｘ吸蔵能力を高めることができる。
なお、ＮＯｘ吸蔵反応を効率よく行う観点からは、排気ガス中のＮＯｘがより多くＮＯ３やＮ２Ｏ５などのより高次の窒素酸化物となることが望ましい。そこで、本実施の形態では、排気ガスとオゾンとの混合ガスにおいてＮＯに対するオゾンのモル比が１よりも大きくなるようにオゾン供給量を制御する。オゾン供給量の制御は制御装置５０によって行われる。制御装置５０は、エンジン回転数や燃料噴射量等、エンジン１０の運転状態に関する情報に基づいて排気ガス中のＮＯ量を推定計算し、推定したＮＯ量に応じてオゾン供給装置３０によるオゾン供給量を制御する。
混合ガス中のＮＯに対するオゾンのモル比が１以下の状態では、上記の反応式（１）の反応によってＮＯ２が生成されるものの、反応式（２）又は（３）によるＮＯ３やＮ２Ｏ５の生成までには至らない。しかし、混合ガス中のＮＯに対するオゾンのモル比を１よりも大きくすれば、ＮＯを酸化してＮＯ３やＮ２Ｏ５とするのに十分な量のオゾンを供給することができる。その結果、排気ガス中の高次の窒素酸化物量を確実に増加させることができ、ＮＯｘ吸蔵をより効果的に行うことができる。
また、好ましくは、混合ガス中のＮＯに対するオゾンのモル比が２以上になるようにオゾン供給量を制御する。これによれば、大部分のＮＯをＮＯ３やＮ２Ｏ５まで酸化することができ、ＮＳＲ触媒２２のＮＯｘ吸蔵量を飛躍的に増大させることができる。
（ＤＰＦの再生とＮＳＲ触媒の再生）
ＤＰＦ４０の再生は、ＤＰＦ４０の詰まりによる排気抵抗の増大を防止するための処理であり、差圧センサ５２によってＤＰＦ４０の詰まりが検出された時点で実行される。具体的には、燃料インジェクタ４２から燃料を噴射し、その燃焼熱によってＤＰＦ４０を加熱する。加熱されることでＤＰＦ４０に捕捉されているパティキュレートは燃焼し、ＤＰＦ４０から除去される。なお、パティキュレートを燃焼させるには酸素が必要なため、燃料インジェクタ４２の燃料噴射量はＤＰＦ４０に流れ込む排気ガスの空燃比がリーンになるように調整される。
ＮＳＲ触媒２２の再生は、ＮＳＲ触媒２２から吸蔵ＮＯｘを除去してＮＳＲ触媒２２のＮＯｘ吸蔵能力を回復するための処理である。具体的には、ＮＳＲ触媒２２を加熱するとともに、ＮＳＲ触媒２２に流れ込む排気ガスの空燃比を一時的にリッチにする。ＮＳＲ触媒２２の吸蔵ＮＯｘは排気ガスに含まれるＨＣやＣＯによって還元され、ＮＳＲ触媒２２から除去される。ＮＳＲ触媒２２に流れ込む排気ガスの空燃比は、燃料インジェクタ４２の燃料噴射量によって調整することができる。
ＮＳＲ触媒２２の再生には、ＤＰＦ４０の再生によって発生した熱を利用することができる。ＤＰＦ４０の再生時には、燃料インジェク４２から噴射された燃料の燃焼によって熱が発生すると同時にパティキュレートの燃焼によっても熱が発生する。この熱を利用してＮＳＲ触媒２２を加熱することにすれば、燃料インジェクタ４２から噴射する燃料の多くを吸蔵ＮＯｘの還元に利用することができる。
ＤＰＦ４０の再生で発生した熱をＮＳＲ触媒２２の再生に利用するためには、ＮＳＲ触媒２２の再生の周期は可能な限り長いほうが良い。ＤＰＦ４０の再生の周期は極めて長いからである。本実施の形態の排気浄化装置によれば、上述のようにオゾンの利用によってＮＳＲ触媒２２のＮＯｘ吸蔵量を増大させることができ、ひいては、ＮＳＲ触媒２２の再生の周期を長くすることができる。
（制御装置による具体的処理）
以下、図２を用いて、制御装置５０が行う具体的処理を説明する。図２は、本実施の形態において制御装置５０が実行するルーチンをフローチャートで示したものである。上述のオゾン添加やＤＰＦ４０やＮＳＲ触媒２２の再生は、何れも図２に示すルーチンに従って実行される。
図２に示すルーチンの最初のステップＳ１００では、オゾン供給装置３０によって空気からオゾンが生成され、排気ガスへのオゾンの添加が実行される。触媒装置２０内ではオゾンとの気相反応によって排気ガス中のＮＯｘの酸化が促進され、ＮＳＲ触媒２２へのＮＯｘの吸蔵が促進される。
ステップＳ１０２では、差圧センサ５２によってＤＰＦ４０の詰まりが検知されているか否か判定される。ＤＰＦ４０の詰まりが検知された場合、ステップＳ１０４に進んでＤＰＦ４０の再生が実行される。
ステップＳ１０４では、燃料インジェクタ４２による燃料噴射が実行され、ＤＰＦ４０に流れ込む排気ガスに燃料が添加される。燃料インジェクタ４２の燃料噴射量は、ＤＰＦ４０に流れ込む排気ガスの空燃比がリーンになるように調整される。燃料噴射量の調整には空燃比センサ５４の出力信号がフィードバックされる。燃料インジェクタ４２から噴射された燃料は排気ガス中の酸素と反応して燃焼し、その熱によってＤＰＦ４０内は高温雰囲気となる。これによりＤＰＦ４０上のパティキュレートは排気ガス中の余剰の酸素と反応して燃焼し、次第にＤＰＦ４０から除去されていく。
ステップＳ１０６では、差圧センサ５２によってＤＰＦ４０の詰まりが検知されているか否か再び判定される。依然としてＤＰＦ４０の詰まりが検知されている場合、ステップＳ１０４の処理が引き続き実行される。一方、ＤＰＦ４０の詰まりが解消された場合にはＤＰＦ４０の再生は終了となり、ステップＳ１０８に進んで今度はＮＳＲ触媒２２の再生が実行される。
ステップＳ１０８では、オゾン供給装置３０によるオゾンの生成が停止され、排気ガスへのオゾンの添加も停止される。
次のステップＳ１１０では、燃料インジェクタ４２による燃料噴射が継続して実行され、ＤＰＦ４０に流れ込む排気ガスに燃料が添加される。ただし、今回の燃料インジェクタ４２の燃料噴射量は、ＤＰＦ４０に流れ込む排気ガスの空燃比がリッチになるように調整される。燃料噴射量の調整には空燃比センサ５４の出力信号がフィードバックされる。ＮＳＲ触媒２２の吸蔵ＮＯｘは排気ガスに含まれるＨＣやＣＯによって還元され、次第にＮＳＲ触媒２２から除去されていく。
ＤＰＦ４０の再生時、添加燃料とパティキュレートの燃焼によって発生した熱は触媒装置２０に流れ込む排気ガスの温度を上昇させる。そして、その高温の排気ガスによってＮＳＲ触媒２２は暖められ、ＤＰＦ４０の再生が完了した時点での触媒温度は再生に必要な温度まで、或いは、再生に必要な温度の近くまで上昇している。したがって、ＮＳＲ触媒２２の再生時にＮＳＲ触媒２２の加熱に用いる燃料の量は少なくてよく、燃料インジェクタ４２から噴射した燃料の多くを吸蔵ＮＯｘの還元に利用することができる。
ＮＳＲ触媒２２の再生のための燃料添加は、再生直前のＮＯｘの吸蔵量から計算した必要再生時間だけ実施される。ＮＯｘ吸蔵量は、ＮＳＲ触媒２２を前回再生した時点からの積算運転時間や積算走行距離から推定計算することができる。必要再生時間の経過後はステップＳ１１２に進み、燃料インジェクタ４２による燃料の添加が停止される。これにより、ＤＰＦ４０の再生に続いてＮＳＲ触媒２２の再生も完了する。
以上の一連の処理ではＤＰＦ４０の再生に合わせてＮＳＲ触媒２２の再生を行っているが、ＤＰＦ４０の再生が必要となる前にＮＳＲ触媒２２の再生が必要となる場合もある。ステップＳ１０２においてＤＰＦ４０の詰まりが検知されていない場合、ステップＳ１１４の判定が行われる。ステップＳ１１４では、ＮＯｘセンサ５６によってＮＯｘが検知されているか否か判定される。ＮＯｘが検知されていないならばステップＳ１０２の判定に戻り、ステップＳ１０２或いはＳ１１４の何れかの条件が成立するまで、判定が繰り返し実施される。
ＮＯｘセンサ５６によって検知されるＮＯｘは、ＮＳＲ触媒２２にて吸蔵されなかったＮＯｘである。ＮＳＲ触媒２２のＮＯｘ吸蔵量が飽和状態になることで、吸蔵しきれなかったＮＯｘが下流へ流出する。そこで、ＮＯｘセンサ５６によりＮＯｘが検知された場合には、ステップＳ１１６に進んでＮＳＲ触媒２２の再生が実行される。
ステップＳ１１６では、オゾン供給装置３０によるオゾンの生成が停止され、排気ガスへのオゾンの添加も停止される。
次のステップＳ１１８では、燃料インジェクタ４２による燃料噴射が実行され、ＤＰＦ４０に流れ込む排気ガスに燃料が添加される。燃料インジェクタ４２の燃料噴射量は、ＤＰＦ４０に流れ込む排気ガスの空燃比がリッチになるように調整される。燃料噴射量の調整には空燃比センサ５４の出力信号がフィードバックされる。燃料インジェクタ４２から噴射された燃料は排気ガス中の酸素と反応して燃焼し、その熱によって排気ガスが暖められる。また、余剰の燃料はそのまま排気ガスに含まれ、ＤＰＦ４０を通過してＮＳＲ触媒２２内に流れ込む。高温で且つ空燃比がリッチな排気ガスがＮＳＲ触媒２２に流れ込むことで、ＮＳＲ触媒２２の吸蔵ＮＯｘは排気ガスに含まれるＨＣやＣＯによって還元され、次第にＮＳＲ触媒２２から除去されていく。
ＮＳＲ触媒２２の再生のための燃料添加は、再生直前のＮＯｘの吸蔵量から計算した必要再生時間だけ実施される。ＮＯｘ吸蔵量は、ＮＳＲ触媒２２を前回再生した時点からの積算運転時間や積算走行距離から推定計算することができる。必要再生時間の経過後はステップＳ１２０に進み、燃料インジェクタ４２による燃料の添加が停止される。これにより、ＮＳＲ触媒２２の再生が完了する。
［実施の形態１の排気ガス浄化装置の効果］
以上説明したように、エンジン１０のリーンバーン運転時、オゾン供給装置３０によって触媒装置２０内にオゾンを供給することで、排気ガス中のＮＯｘの酸化を促進してＮＳＲ触媒２２へのＮＯｘの吸蔵量を増大させることができる。ＮＳＲ触媒２２のＮＯｘ吸蔵量が増大すればＮＳＲ触媒２２の再生の周期は長くなり、ＤＰＦ４０の再生によって発生した熱をＮＳＲ触媒２２の再生に利用する機会も増えることになる。したがって、本実施の形態の排気ガス浄化装置によれば、ＮＳＲ触媒２２やＤＰＦ４０の再生に必要となる燃料の消費量を抑制することが可能であり、それによりエンジン１０の燃費を向上させることができる。
実施の形態２．
［実施の形態２の排気ガス浄化装置の構成］
図３は本発明の実施の形態２の排気ガス浄化装置の構成を示す図である。以下、図３を用いて本実施の形態の排気ガス浄化装置の構成について説明する。なお、図３において実施の形態１の排気ガス浄化装置と共通する部位又は部品については同一の符号を付している。また、それら共通する部位や部品についての説明は、その必要がある場合を除いて省略し、実施の形態１とは異なる構成について重点的に説明する。
図３に示すように、本実施の形態の排気浄化装置は、ＤＰＦ４０の入口付近に配置される燃料インジェクタ４２とは別に、排気通路１２におけるＤＰＦ４０と触媒装置２０との間にも燃料インジェクタ４４を備えている。この燃料インジェクタ４４からも、燃料インジェクタ４２と同じく、エンジン１０の運転に用いられるのと同じ燃料が噴射される。
また、本実施の形態の排気浄化装置は、ＤＰＦ４０の出口付近に配置される空燃比センサ５４とは別に、燃料インジェクタ４４の下流であって触媒装置２０の入口付近にも、排気ガスの空燃比に応じた信号を出力する空燃比センサ５８が取り付けられている。上述の燃料インジェクタ４４は、二つの空燃比センサ５４，５８の間に取り付けられている。
本実施の形態では、制御装置５０の出力部には、オゾン供給装置３０と二つの燃料インジェクタ４２，４４が接続されている。また、制御装置５０の入力部には、上述の空燃比センサ５８を含む複数のセンサ５２，５４，５６，５８が接続されている。また、制御装置５０の入力部には、エンジン１０の運転条件および運転状態に関する情報も入力される。制御装置５０は、入力された各種の情報に基づいて所定の制御プログラムにしたがってオゾン供給装置３０及び各燃料インジェクタ４２，４４を制御する。
［実施の形態２の排気ガス浄化装置の動作］
次に、本実施の形態の排気ガス浄化装置の動作について説明する。なお、実施の形態１と共通する動作についての説明は、その必要がある場合を除いて省略し、実施の形態１とは異なる動作について重点的に説明する
（ＤＰＦの再生とＮＳＲ触媒の再生）
本実施の形態と実施の形態１との動作における相違点は、本実施の形態ではＤＰＦ４０の再生とＮＳＲ触媒２２の再生とを同時に行う点にある。実施の形態１でも説明したように、ＤＰＦ４０の再生のためにはＤＰＦ４０に流れ込む排気ガスの空燃比をリーンにしつつ燃料添加を行う必要がある。一方、ＮＳＲ触媒２２の再生のためにはＮＳＲ触媒２２に流れ込む排気ガスの空燃比はリッチである必要がある。実施の形態１の構成では、これら二つの条件を同時に満足することは不可能なため、ＤＰＦ４０の再生が完了した後に引き続いてＮＳＲ触媒２２の再生を実施することとしていた。
これに対し、本実施の形態の排気ガス浄化装置の構成によれば、ＤＰＦ４０を経由することなくＮＳＲ触媒２２に燃料を供給することができる。また、ＤＰＦ４０の上流とＮＳＲ触媒２２の上流との二箇所に分けて同時に燃料を供給することができる。そこで、本実施の形態では、各燃料インジェクタ４２，４４の燃料噴射量を適宜に調整することで、ＤＰＦ４０には空燃比がリーンな排気ガスを供給しつつ、ＮＳＲ触媒２２には空燃比がリッチな排気ガスを供給する。これにより、ＤＰＦ４０の再生とＮＳＲ触媒２２の再生とを同時に実施することが可能となる。
（制御装置による具体的処理）
以下、図４を用いて、制御装置５０が行う具体的処理を説明する。図４は、本実施の形態において制御装置５０が実行するルーチンをフローチャートで示したものである。上述のオゾン添加やＤＰＦ４０やＮＳＲ触媒２２の再生は、何れも図４に示すルーチンに従って実行される。
図４に示すルーチンの最初のステップＳ２００では、オゾン供給装置３０によって空気からオゾンが生成され、排気ガスへのオゾンの添加が実行される。触媒装置２０内ではオゾンとの気相反応によって排気ガス中のＮＯｘの酸化が促進され、ＮＳＲ触媒２２へのＮＯｘの吸蔵が促進される。
ステップＳ２０２では、差圧センサ５２によってＤＰＦ４０の詰まりが検知されているか否か判定される。ＤＰＦ４０の詰まりが検知された場合、ステップＳ２０４に進んでオゾン供給装置３０によるオゾンの生成が停止され、排気ガスへのオゾンの添加も停止される。そして、さらにステップＳ２０６に進み、ＤＰＦ４０の再生が実行される。
ステップＳ２０６では、燃料インジェクタ４２による燃料噴射が実行され、ＤＰＦ４０に流れ込む排気ガスに燃料が添加される。燃料インジェクタ４２の燃料噴射量は、ＤＰＦ４０に流れ込む排気ガスの空燃比がリーンになるように調整される。燃料噴射量の調整には空燃比センサ５４の出力信号がフィードバックされる。燃料インジェクタ４２から噴射された燃料は排気ガス中の酸素と反応して燃焼し、その熱によってＤＰＦ４０内は高温雰囲気となる。これによりＤＰＦ４０上のパティキュレートは排気ガス中の余剰の酸素と反応して燃焼し、次第にＤＰＦ４０から除去されていく。
次のステップＳ２０８では、ＮＳＲ触媒２２の再生処理が必要か否か判定される。その必要性の判定は、現時点におけるＮＯｘの吸蔵量に基づいて行われる。ＮＯｘ吸蔵量は、ＮＳＲ触媒２２を前回再生した時点からの積算運転時間や積算走行距離から推定計算することができる。推定されるＮＯｘ吸蔵量が所定の基準量を超える場合、ＮＳＲ触媒２２の再生処理の必要が有りと判断される。その場合にはステップＳ２１０に進み、ＤＰＦ４０の再生と同時進行でＮＳＲ触媒２２の再生も実行される。
ステップＳ２１０では、ＤＰＦ４０の下流でも燃料インジェクタ４４による燃料噴射が実行され、ＮＳＲ触媒２２に流れ込む排気ガスに燃料が添加される。燃料インジェクタ４４の燃料噴射量は、ＮＳＲ触媒２２に流れ込む排気ガスの空燃比がリッチになるように調整される。このときＤＰＦ４０の上流でも燃料インジェクタ４２による燃料の添加が継続して行われているので、燃料インジェクタ４４による燃料噴射量は多くは必要ない。燃料インジェクタ４４の燃料噴射量の調整には空燃比センサ５８の出力信号がフィードバックされる。ＮＳＲ触媒２２の吸蔵ＮＯｘは排気ガスに含まれるＨＣやＣＯによって還元され、次第にＮＳＲ触媒２２から除去されていく。
ＤＰＦ４０の再生時、添加燃料とパティキュレートの燃焼によってＤＰＦ４０を通過した排気ガスは高温になっている。ＮＳＲ触媒２２の再生にはこの高温の排気ガスの熱を利用することができるので、ＮＳＲ触媒２２の加熱のために新たに燃料を燃やす必要は無いか、有ったとしても僅かな量で良い。したがって、燃料インジェクタ４４から噴射する燃料の大部分は吸蔵ＮＯｘの還元に利用することができる。
燃料インジェクタ４４によるＮＳＲ触媒２２の再生のための燃料添加は、再生直前のＮＯｘの吸蔵量から計算した必要再生時間だけ実施される。ＮＯｘ吸蔵量は、ＮＳＲ触媒２２を前回再生した時点からの積算運転時間や積算走行距離から推定計算することができる。必要再生時間の経過後はステップＳ２１２に進み、燃料インジェクタ４４による燃料の添加が停止される。これにより、ＮＳＲ触媒２２の再生が完了する。
ＮＳＲ触媒２２の再生が完了した後は、ステップＳ２１４の判定が行われる。ステップＳ２１４では、差圧センサ５２によってＤＰＦ４０の詰まりが検知されているか否か再び判定される。依然としてＤＰＦ４０の詰まりが検知されている場合、ステップＳ２０６の処理が引き続き実行される。また、ＮＳＲ触媒２２の再生が完了した後は、ステップＳ２０８の判定では再生処理の必要は無しと判断される。したがって、ステップＳ２１０及びＳ２１２の処理はスキップされてステップＳ２１４の判定が行われる。
ステップＳ２１４の判定の結果、ＤＰＦ４０の詰まりが解消された場合にはステップＳ２１６に進む。ステップＳ２１６では、ＤＰＦ４０の上流での燃料インジェクタ４２による燃料の添加が停止される。これにより、ＤＰＦ４０の再生が完了する。
以上の一連の処理ではＤＰＦ４０の再生と同時にＮＳＲ触媒２２の再生を行っているが、ＤＰＦ４０の再生が必要となる前にＮＳＲ触媒２２の再生が必要となる場合もある。ステップＳ２０２においてＤＰＦ４０の詰まりが検知されていない場合、ステップＳ２１８の判定が行われる。ステップＳ２１８では、ＮＯｘセンサ５６によってＮＯｘが検知されているか否か判定される。ＮＯｘが検知されていないならばステップＳ２０２の判定に戻り、ステップＳ２０２或いはＳ２１８の何れかの条件が成立するまで、判定が繰り返し実施される。
ＮＯｘセンサ５６によりＮＯｘが検知された場合には、ステップＳ２２０に進んでＮＳＲ触媒２２の再生が実行される。ステップＳ２２０では、オゾン供給装置３０によるオゾンの生成が停止され、排気ガスへのオゾンの添加も停止される。
次のステップＳ２２２では、ＤＰＦ４０の下流において燃料インジェクタ４４による燃料噴射が実行され、ＮＳＲ触媒２２に流れ込む排気ガスに燃料が添加される。燃料インジェクタ４４の燃料噴射量は、ＮＳＲ触媒２２に流れ込む排気ガスの空燃比がリッチになるように調整される。燃料噴射量の調整には空燃比センサ５８の出力信号がフィードバックされる。燃料インジェクタ４４から噴射された燃料は排気ガス中の酸素と反応して燃焼し、その熱によって排気ガスが暖められる。また、余剰の燃料はそのまま排気ガスに含まれてＮＳＲ触媒２２内に流れ込む。高温で且つ空燃比がリッチな排気ガスがＮＳＲ触媒２２に流れ込むことで、ＮＳＲ触媒２２の吸蔵ＮＯｘは排気ガスに含まれるＨＣやＣＯによって還元され、次第にＮＳＲ触媒２２から除去されていく。
ＮＳＲ触媒２２の再生のための燃料添加は、再生直前のＮＯｘの吸蔵量から計算した必要再生時間だけ実施される。ＮＯｘ吸蔵量は、ＮＳＲ触媒２２を前回再生した時点からの積算運転時間や積算走行距離から推定計算することができる。必要再生時間の経過後はステップＳ２２４に進み、燃料インジェクタ４４による燃料の添加が停止される。これにより、ＮＳＲ触媒２２の再生が完了する。
［実施の形態２の排気ガス浄化装置の効果］
以上説明したように、本実施の形態の排気ガス浄化装置によれば、ＤＰＦ４０を再生すると同時にＤＰＦ４０の再生によって発生した熱でＮＳＲ触媒２２を暖めることができる。さらに、燃料をＤＰＦ４０の上流と下流と分けて供給することでＤＰＦ４０内のリーン雰囲気とＮＳＲ触媒２２内のリッチ雰囲気とを同時に実現することができる。これにより、ＤＰＦ４０の再生と同時にＮＳＲ触媒２２の再生も行うことができ、ＤＰＦ４０の再生によって発生する熱をより有効に利用することができる。
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において変形して実施することもできる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
図１又は図３に示す構成では、触媒装置２０内にガス噴射３２口が配置される構成としているが、オゾンを供給する位置はこれに限られない。ＮＳＲ触媒に流れ込む排気ガスに確実にオゾンを添加できるのであれば、排気通路における触媒装置の上流にてオゾンの供給を行ってもよい。
また、上述した実施の形態では、ＮＳＲ触媒のＮＯｘ保持物質としてＢａＣＯ３が使用されているが、材料はこれに限られない。すなわち、Ｎａ，Ｋ，Ｃｓ，Ｒｂなどのアルカリ金属、Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒなどのアルカリ土類金属、Ｙ，Ｃｅ，Ｌａ，Ｐｒなどの希土類元素を必要に応じて用いることとしてもよい。また、ＮＳＲ触媒の活性点の材料に関してもＰｔに限定されず、貴金属材料であるＲｈ，Ｐｄ等を必要に応じて用いることとしてもよい。
なお、ＮＳＲ触媒は、その機能面から「触媒」と「ＮＯｘ保持材」とに分解することができる。ＮＳＲ触媒において、活性点である貴金属とそれを担持している担体とが「触媒」に相当し、ＮＯｘ保持物質とそれを担持している担体とが「ＮＯｘ保持材」とに相当する。これら「触媒」と「ＮＯｘ保持材」とは必ずしも一体化されている必要はなく、別々の存在であってもよい。本発明にかかる「ＮＯｘ吸蔵還元型触媒」には、「触媒」と「ＮＯｘ保持材」との一体化物のみでなく、「触媒」と「ＮＯｘ保持材」とが別々に設けられたものも含まれている。
具体的には、独立した二つの担体を配置し、その一方は活性点である貴金属のみを担持させて「触媒」とし、もう一方はＮＯｘ保持物質のみを担持させて「ＮＯｘ保持材」としてもよい。ただし、この場合は、「ＮＯｘ保持材」から放出されるＮＯｘを「触媒」で処理できるように、「触媒」は「ＮＯｘ保持材」の下流に設けるのが望ましい。さらには、担体は共有するが、活性点である貴金属とＮＯｘ保持物質とを共有担体上の異なる領域に分けて担持する構造でもよい。例えば、共有担体の上流側と下流側とに分離して担持する構造や、上層側と下層側とに分離して担持する構造である。
また、上述した実施の形態では、ＮＳＲ触媒２２の再生時にはオゾンの添加を停止しているが（図２に示すルーチンのステップＳ１０８及びＳ１１６、図４に示すルーチンのステップＳ２０４及びＳ２２０）、ある条件下ではオゾンには燃料の成分を改質する効果も期待できる。したがって、条件によってはオゾンが共存する状態で燃料を添加したほうが吸蔵ＮＯｘを還元する効果が高まる場合があり、そのような場合には継続してオゾンを添加してもよい。
上述した実施の形態では、本発明をディーゼルエンジンに適用しているが、本発明が適用可能な内燃機関はディーゼルエンジンには限られない。ガソリンリーンバーンエンジンも含めて排気ガスにＮＯｘが含まれる内燃機関であれば、本発明を適用することで上述のような利益を得ることができる。
本発明の実施の形態１の排気ガス浄化装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２の排気ガス浄化装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンを示すフローチャートである。
符号の説明
１０ エンジン
１２ 排気通路
２０ 触媒装置
２２ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒
３０ オゾン供給装置
３２ ガス噴射口
４０ ＤＰＦ
４２，４４ 燃料インジェクタ
５０ 制御装置
５２ 差圧センサ
５４，５８ 空燃比センサ
５６ ＮＯｘセンサ

Claims (4)

  1. 内燃機関の排気通路に配置されたＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、
    前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流に配置されて排気ガスに含まれるパティキュレートを捕捉するフィルタと、
    前記フィルタに流れ込む排気ガスと混合するように燃料を供給する燃料供給手段と、
    前記フィルタの下流において前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流れ込む排気ガスと混合するようにオゾンを供給するオゾン供給手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
  2. 前記フィルタの下流において前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流れ込む排気ガスと混合するように燃料を供給する第２の燃料供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
  3. 前記燃料供給手段は、前記フィルタの再生時、前記フィルタに流れ込む排気ガスの空燃比がリーンになるように供給量を調整しながら燃料供給を実行し、前記フィルタの再生後は、前記フィルタに流れ込む排気ガスの空燃比がリッチになるように供給量を調整しながら所定期間燃料供給を継続することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
  4. 前記燃料供給手段は、前記フィルタの再生時、前記フィルタに流れ込む排気ガスの空燃比がリーンになるように供給量を調整しながら燃料供給を実行し、
    前記第２の燃料供給手段は、前記燃料供給手段による燃料供給の実行時、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流れ込む排気ガスの空燃比がリッチになるように供給量を調整しながら所定期間燃料供給を実行することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
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