JP2009162162A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運転状態によらず安定してＤＰＦ再生を行うことができる内燃機関の排気浄化装置を提供すること。
【解決手段】排気浄化装置は、エンジンの排気管に設けられ、排気中のＰＭを捕集するＤＰＦと、排気管とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、排気管のうちＤＰＦの上流側に設けられた導入口から、この排気管内に供給する燃料改質器と、排気管のうち導入口とＤＰＦとの間に設けられ、還元性気体を連続的に酸化する触媒コンバータと、燃料改質器により還元性気体を排気管内に供給しながら、ＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼させる再生処理を実行する再生手段と、を備える。
【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。詳しくは、排気中のＰＭ（パティキュレート）を捕集するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）を有する内燃機関の排気浄化装置に関する。

また、本発明において、「リッチ」という用語は、問題とする燃料の空気／燃料比率（以下、「空燃比」という）が化学量論的な空燃比よりも小さいことを示し、「リッチ」という用語は、問題とする燃料の空燃比が上述の化学量論的な空燃比よりも大きいことを示す。また、以下の説明では、エンジンへ流入する混合気における空気と燃料の重量比をエンジン空燃比といい、排気管内の空気と可燃性気体との重量比を排気空燃比という。

また、排気空燃比を制御する方法としては、エンジンの吸入空気量を低減しかつトルクに寄与する燃料噴射（以下、「主噴射」という）量を調整することで排気空燃比を低くする（以下、「リッチ化する」という）方法や、トルクに寄与しない燃料噴射（以下、「ポスト噴射」という）を行い未燃の燃料を排気通路に流すことで排気空燃比をリッチ化する方法とがある。また、この他、排気通路に燃料を直接噴射（以下、「排気噴射」という）する方法も知られている。

ディーゼルエンジンの排気系に、排気中のＰＭを捕集するＤＰＦを設け、ＰＭの排出量を低減する技術は広く用いられている。このＤＰＦが捕集できるＰＭ量には限界があるため、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼させるＤＰＦ再生処理が適宜実行される。近年では、このＤＰＦ再生処理の技術に関して、様々な提案がなされている。

例えば、特許文献１には、排気通路のうちＤＰＦの上流側に酸化性能の高い触媒を塗布した触媒コンバータを配置するとともに、排気通路内に未燃の燃料を排気噴射することで、この燃料を触媒コンバータで燃焼させて排気を昇温し、高温となった排気をＤＰＦに流入させることでＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼する排気浄化装置が示されている。
また、例えば、特許文献２には、上述の排気噴射の代わりポスト噴射を行うことで、特許文献１の排気浄化装置と同様に、燃料を触媒コンバータで燃焼させて排気を昇温し、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼する排気浄化装置が示されている。

ところで、これら排気噴射やポスト噴射の他に、排気空燃比をリッチにする方法として、改質反応により一酸化炭素や水素を含む還元性気体を製造する燃料改質器を排気通路に設ける方法が知られている。ここで、燃料改質器の改質触媒における改質反応としては、例えば、下記式（１）に示すような炭化水素の部分酸化反応により、水素と一酸化炭素とを含むガスを製造する反応が知られている。
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋１／２ｎＯ_２→ｎＣＯ＋１／２ｍＨ_２ （１）
この部分酸化反応は、燃料と酸素を用いた発熱反応であり、自発的に反応が進行する。このため、一旦、反応が始まると、外部から熱の供給をすることなく水素を製造し続けることができる。また、このような部分酸化反応において、燃料と酸素とを高温状態で共存させた場合には、下記式（２）に示すような燃焼反応も改質触媒において進行する。
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋（ｎ＋１／４ｍ）Ｏ_２→ｎＣＯ_２＋１／２ｍＨ_２Ｏ （２）
改質反応としては、部分酸化反応の他、下記式（３）のような水蒸気改質反応も知られている。
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋１／２ｍ）Ｈ_２ （３）
この水蒸気改質反応は、燃料と水蒸気とを用いた吸熱反応であり、自発的に進行する反応ではない。このため、水蒸気改質反応は、上述の部分酸化反応に対して制御しやすいものとなっている。その反面、外部からの熱供給などのエネルギーを投入することが必要である。
特許第３８３５２４１号公報 特開平８−４２３２６号公報

ところで、高温の排気をＤＰＦに流入させてＰＭを燃焼している間において、ＤＰＦに流入する酸素量が急激に増加すると、ＤＰＦにおける酸化反応が急激に進行しＤＰＦが溶損するおそれがある。ここで、排気中の酸素量が急激に増加する要因としては、例えば、車両の減速に伴い燃料噴射を中断（以下、「減速フューエルカット」という）した場合や、あるいは、エンジンがアイドル運転に移行した場合などが挙げられる。
このような事態を回避するために、例えば、上述の特許文献１，２に示された排気浄化装置のように、排気噴射やポスト噴射を行うことにより、ＤＰＦの上流に設けられた触媒コンバータで急増した酸素を消費して、ＤＰＦに流入する酸素量を低下させることが考えられる。

しかしながら、排気噴射を行った場合には、未燃燃料が直接触媒コンバータに接触してしまい、触媒表面の温度が局所的に高温となり、シンタリングなど触媒が劣化してしまうおそれがある。また、燃料が液滴状態で触媒に接触すると、この接触部分は気化潜熱により触媒表面の温度が局所的に低下してしまい、コーキングが発生するおそれもある。また、排気温度が低い場合に排気噴射を行うと、排気噴射により供給した燃料の気化潜熱により排気温度がさらに低下してしまい、液状の燃料が排気通路に溜まり、触媒が劣化したり、排気系の部品が腐食したりするおそれがある。

また、ポスト噴射を行った場合には、シリンダの壁面に噴射した燃料の一部が付着し、この燃料がエンジンオイルに混入する場合がある。このような場合、噴射した燃料はＰＭの燃焼に寄与しないばかりか、この燃料によりエンジンオイルが希釈されてしまう所謂オイルダイリューションが発生するおそれがある。

一方、燃料改質器を排気通路に設けた場合には、以下のような課題がある。
すなわち、上述のように、排気量が常時変動する排気通路に燃料改質器を設けた場合において、この燃料改質器で効果的に水素を製造するためには、燃料改質器の改質触媒と排気とが接する反応時間を増やす必要がある。しかしながら、このように反応時間を増やすためには、改質触媒を大型化する必要があり、コストがかかるおそれがある。
また、燃料改質器を安定した状態で運転するには、この燃料改質器の改質触媒における反応温度を一定に保つ必要がある。しかしながら、上述のように、酸素量、水蒸気量、及び温度が常に変化する排気通路に燃料改質器を設けると、燃料改質器を安定した状態で運転することが困難になってしまう。

本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、運転状態によらず安定してＤＰＦ再生を行うことができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の排気通路（４，５）に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ（３２）を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの上流側に設けられた導入口（１４）から、当該排気通路内に供給する燃料改質器（５０）と、前記排気通路のうち前記導入口と前記パティキュレートフィルタとの間に設けられ、還元性気体を連続的に酸化する触媒コンバータ（３１）と、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に供給しながら、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させる再生処理を実行する再生手段（４０）と、を備えることを特徴とする。

上記目的を達成するため請求項２に記載の発明は、内燃機関（１）の排気通路（４，５）に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを備える内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの上流側に設けられた導入口（１４）から、当該排気通路内に供給する燃料改質器（５０）、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に供給しながら、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させる再生処理を実行する再生手段（４０）と、を備え、前記パティキュレートフィルタには還元性気体を連続的に酸化する酸化機能を有する触媒が担持されることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒コンバータは、白金、パラジウム、及びロジウムよりなる群から選ばれる少なくとも１種を含むことを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記酸化機能を有する触媒は、パラジウム、ロジウム、白金、銀、及び金よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含むことを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタに流入する排気の酸素濃度（ＡＦ）を検出又は推定する酸素濃度検出手段（２３）をさらに備えることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１から５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器により製造された還元性気体は、水素よりも一酸化炭素を多く含むことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器により供給される還元性気体の温度は、前記排気通路のうち前記導入口を流通する排気の温度よりも高いことを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項１から７の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記再生手段により再生処理を実行する間において、前記パティキュレートフィルタに流入する排気の酸素濃度目標値（ＡＦＴＶ）を設定する目標濃度設定手段（４０）と、前記内燃機関の吸入空気量（ＧＡ）、前記内燃機関の排気還流率、前記内燃機関の燃料噴射量、及び前記燃料改質器による還元性気体の供給量のうち少なくとも１つを調整することで、排気の酸素濃度（ＡＦ）を、前記目標濃度設定手段により設定された酸素濃度目標値（ＡＦＴＶ）に一致するように制御する酸素濃度制御手段（４０）と、をさらに備えることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記目標濃度設定手段は、前記排気通路を流通する排気の流量（ＧＥ）、排気の温度（ＴＥ）、及び前記パティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートの堆積量（ＱＰＭ）のうち少なくとも１つに基づいて酸素濃度目標値（ＡＦＴＶ）を設定することを特徴とする。
請求項１０に記載の発明は、請求項８又は９に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記目標濃度設定手段は、前記内燃機関がアイドル運転状態である場合には、アイドル運転状態でない場合と比較して、酸素濃度目標値を低く設定することを特徴とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項８から１０の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記目標濃度設定手段は、前記内燃機関が減速運転状態である場合には、減速運転状態でない場合と比較して、酸素濃度目標値を低く設定することを特徴とする。
請求項１２に記載の発明は、請求項１から１１の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器は、炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により、一酸化炭素を主成分とする還元性気体を製造することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、排気通路のうち、パティキュレートフィルタと燃料改質器により製造された還元性気体が供給される導入口との間に、還元性気体を連続的に酸化する触媒コンバータを設け、さらに、還元性気体を排気通路内に供給しながらパティキュレートを燃焼させる再生処理を実行する再生手段を設けた。
これにより、再生処理を実行する間において、還元性気体を排気通路内に供給することで、内燃機関の運転状態にかかわらずパティキュレートフィルタに流入する排気の酸素濃度を制御できる。このため、上述のようなアイドル運転時や減速フューエルカット時などパティキュレートフィルタが溶損するおそれがある場合であっても、酸素濃度を低くすることでこれを回避することができる。これにより、内燃機関の運転状態によらず安定して再生処理を実行することができる。
また、このように還元性気体を用いることにより、排気噴射やポスト噴射などのように未燃燃料を供給することなく排気の温度を上昇させることができる。これにより、上述のようなコーキングの発生、排気通路の触媒及び部品の劣化や腐食、燃費の悪化、及びオイルダイリューションの発生などの課題を回避することができる。
また、還元性気体に含まれる一酸化炭素や水素の分子径は、排気噴射やポスト噴射により供給される炭化水素の分子径と比較して小さい。このため、パティキュレートフィルタに大量のパティキュレートが堆積している場合であっても、その深部まで還元性気体を酸素とともに供給することができる。これにより、効率的にパティキュレートの燃焼を促進することができる。
また、還元性気体を製造する燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、パティキュレートフィルタの再生時期を、内燃機関の状態と独立して決めることができる。したがって、内燃機関を常に最適な状態で制御しつつ、必要に応じてパティキュレートフィルタの再生処理を適宜実行することができる。また、燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、内燃機関の運転状態や、排気の酸素濃度及び水蒸気濃度などによらず、常に最適な効率で還元性気体を製造できるとともに、この還元性気体を排気通路内に供給することができる。
一方、燃料改質器を排気通路内に設けた場合には、排気の成分、温度、流速に影響することなく運転できるように、燃料改質器を大型にする必要があるが、この発明によれば、燃料改質器を排気通路とは別に設けることで、装置を大型にすることなく安定した運転を行うことができる。また、燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、内燃機関の制御とは別系統の制御を行うことで、燃料改質器が備える触媒を早期に活性化することも可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、上記請求項１と同様の効果に加えて、酸化機能を有する触媒をパティキュレートフィルタに担持させることにより、排気浄化装置をコンパクトにできるとともに、パティキュレートの燃焼反応をさらに促進することができる。したがって、還元性気体を供給してからパティキュレートの燃焼が始まるまでの時間をさらに短縮することができる。

請求項３に記載の発明によれば、触媒コンバータは、白金、パラジウム、及びロジウムよりなる群から選ばれる少なくとも１種を含む。これら活性種を含むことにより、還元性気体に含まれる水素、一酸化炭素、及び軽質の炭化水素などの触媒燃焼反応を促進することができる。
請求項４に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタに担持された触媒は、パラジウム、ロジウム、白金、銀、及び金よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含む。これにより、上記請求項３と同様の効果を奏することができる。
請求項５に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタに流入する排気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を設けた。これにより、パティキュレートフィルタに流入する排気の酸素濃度を所定の目標値に精度よく制御することができる。また、パティキュレートフィルタに流入する排気の酸素濃度を制御することで、再生処理の実行中におけるパティキュレートフィルタの過昇温を防止できる。
請求項６に記載の発明によれば、還元性気体には水素よりも一酸化炭素が多く含まれる。一酸化炭素は、水素よりも低温で燃焼する。このような一酸化炭素を含む還元性気体を供給することでパティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートを効率的に燃焼することができる。

請求項７に記載の発明によれば、排気通路のうち導入口を流通する排気の温度よりも高い温度の還元性気体を供給する。これにより、触媒コンバータに流入する排気の温度を上昇させ、パティキュレートの燃焼を促進できる。
請求項８に記載の発明によれば、再生処理を実行する間において、吸入空気量、排気還流率、燃料噴射量、及び還元性気体の供給量のうち少なくとも１つを調整することで、パティキュレートフィルタに流入する排気の酸素濃度が目標酸素濃度に一致するように制御する。これにより、排気の酸素濃度を精度良く目標酸素濃度に一致させることができる。
請求項９に記載の発明によれば、排気通路を流通する排気の流量、排気の温度、及びパティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートの堆積量のうち少なくとも１つに基づいて酸素濃度目標値を設定する。これにより、適切な温度でパティキュレートを燃焼させるように、目標酸素濃度を設定することができる。

請求項１０に記載の発明によれば、内燃機関がアイドル運転状態である場合には、アイドル運転状態でない場合と比較して、酸素濃度目標値を低く設定する。これにより、内燃機関がアイドル運転状態に移行したことに伴い排気中の酸素量が増加する場合であっても、酸素濃度目標値を低く設定することで、パティキュレートフィルタにおける酸化反応を抑制し、このパティキュレートフィルタの過昇温を防止できる。
請求項１１に記載の発明によれば、内燃機関が減速運転状態である場合には、減速運転状態でない場合と比較して、酸素濃度目標値を低く設定する。これにより、内燃機関が減速運転状態に移行し、減速フューエルカットが行われたことに伴い排気中の酸素量が増加する場合であっても、酸素濃度目標値を低く設定することで、パティキュレートフィルタにおける酸化反応を抑制し、このパティキュレートフィルタの過昇温を防止できる。
請求項１２に記載の発明によれば、部分酸化反応により還元性気体を製造することにより、この燃料改質器を小型なものにできる。つまり、上述のように部分酸化反応は発熱反応であり、一旦反応が開始すれば自発的に反応が進行するため、外部から余分なエネルギーを供給し続ける装置を設ける必要がないためである。また、シフト反応などの水素を濃縮するためのコンバータやシステムも設ける必要もない。また、このように燃料改質器を小型にすることで、燃料改質器のライトオフ時間を短縮できる。したがって、必要に応じて速やかに還元性気体を排気通路内に供給することができる。
また、この部分酸化反応において副次的に生成される軽質の炭化水素も一酸化炭素や水素とともに触媒コンバータに導入して、排気の昇温に使用することもできる。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、各気筒７の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒７には図示しない燃料噴射弁が設けられている。これら燃料噴射弁は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）４０により電気的に接続されており、燃料噴射弁の開弁時間及び閉弁時間は、ＥＣＵ４０により制御される。

エンジン１には、吸気が流通する吸気管２と、排気が流通する排気管４と、排気管４内の排気の一部を吸気管２に還流する排気還流通路６と、吸気管２に吸気を圧送する過給機８とが設けられている。

吸気管２は、吸気マニホールド３の複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒７の吸気ポートに接続されている。排気管４は、排気マニホールド５の複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒７の排気ポートに接続されている。排気還流通路６は、排気マニホールド５から分岐し吸気マニホールド３に至る。

過給機８は、排気管４に設けられた図示しないタービンと、吸気管２に設けられた図示しないコンプレッサと、を備える。タービンは、排気管４を流通する排気の運動エネルギにより駆動される。コンプレッサは、タービンにより回転駆動され、吸気を加圧し吸気管２内へ圧送する。また、タービンは、図示しない複数の可変ベーンを備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービンのベーン開度は、ＥＣＵ４０により電磁的に制御される。

吸気管２のうち過給機８の上流側には、エンジン１の吸入空気量ＧＡを制御するスロットル弁９が設けられている。このスロットル弁９は、アクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。また、吸気管２のうち過給機８の下流側には、過給機８により加圧された吸気を冷却するためのインタークーラ１１が設けられている。

排気還流通路６は、排気マニホールド５と吸気マニホールド３とを接続し、エンジン１から排出された排気の一部を還流する。排気還流通路６には、還流される排気を冷却するＥＧＲクーラ１２と、還流する排気の流量を制御するＥＧＲ弁１３と、が設けられている。ＥＧＲ弁１３は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その弁開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。

排気管４のうち過給機８の下流側には、触媒コンバータ３１と、ＤＰＦ３２とが上流側からこの順で設けられている。

触媒コンバータ３１は、後述の燃料改質器５０から供給される還元ガスを連続的に酸化する三元触媒を備える。この触媒コンバータ３１は、後述の還元ガスに含まれる一酸化炭素、水素、及び軽質の炭化水素などの触媒燃焼反応における貴金属活性種として、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、及びロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選ばれる少なくとも１種と、酸素貯蔵能力を有するセリア（ＣｅＯ_２）とを含む。このような触媒コンバータ３１に還元ガスを供給することで、排気温度が低い状態であっても速やかに温度を上昇させることができる。また、セリアを含むことにより、急激な酸素濃度変化などにおいても安定した触媒作用を発揮することができる。
本実施形態では、触媒コンバータ３１として、白金を２．４（ｇ／Ｌ）と、ロジウムを１．２（ｇ／Ｌ）と、パラジウムを６．０（ｇ／Ｌ）と、セリアを５０（ｇ／Ｌ）と、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を１５０（ｇ／Ｌ）と、バインダーを１０と、を水系媒体とともにボールミルで攪拌・混合することでスラリーを製造し、このスラリーをＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金製担体にコーティングした後、これを６００℃で２時間に亘り乾燥・焼成して調製されたものを用いる。

ＤＰＦ３２は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素を主成分とするＰＭを、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。フィルタ壁の構成材料としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）などのセラミックスや金属多孔体が使用される。
ＤＰＦ３２の捕集能力の限界、すなわち堆積限界までＰＭを捕集すると、圧損が大きくなるので、捕集したＰＭを燃焼させるＤＰＦ再生処理を適宜行う必要がある。このＤＰＦ再生処理は、ＤＰＦ３２に流入する排気の温度を、ＤＰＦ３２に捕集されたＰＭの燃焼温度まで上昇することで行われる。このＤＰＦ再生処理の手順については、後に図２を参照して詳述する。

また、排気管４のうち触媒コンバータ３１及びＤＰＦ３２の上流側には、燃料ガスを改質して、水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）を含む改質ガスを製造する燃料改質器５０が接続されている。この燃料改質器５０は、製造した改質ガスを還元ガスとして、排気管４のうち触媒コンバータ３１及びＤＰＦ３２の上流側に形成された導入口１４から、排気管４内に供給する。

燃料改質器５０は、排気管４にその一端側が接続されたガス通路５１と、このガス通路５１の他端側から燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置５２と、ガス通路５１に設けられた改質触媒としての改質触媒５３と、を含んで構成される。

燃料ガス供給装置５２は、燃料タンクに貯留された燃料と、コンプレッサにより供給された空気とを所定の割合で混合して燃料ガスを製造し、この燃料ガスをガス通路５１に供給する。この燃料ガス供給装置５２は、ＥＣＵ４０に接続されており、燃料ガスの供給量及びその混合比は、ＥＣＵ４０により制御される。また、この燃料ガスの供給量を制御することで、排気管４に供給される還元ガスの供給量ＧＲＧ（単位時間当りに排気管４内に供給される還元ガスの量）を制御することが可能となっている。

改質触媒５３は、ロジウム及びセリアを含む。この改質触媒５３は、燃料ガス供給装置５２から供給された燃料ガスを改質し、水素、一酸化炭素、及び炭化水素を含む改質ガスを製造する触媒である。より具体的には、この改質触媒５３は、燃料ガスを構成する炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により、大気圧よりも高い圧力であり、かつ、体積比で水素よりも一酸化炭素を多く含む改質ガスを製造する。また、上述のように部分酸化反応は発熱反応である。これにより、燃料改質器５０は、排気管４のうち導入口１４付近における排気よりも高い温度の還元性気体を、排気管４内に供給することが可能となる。

また、この改質触媒５３には、グロープラグやスパークプラグなどを含んで構成された図示しない加熱ヒータが接続されており、燃料改質器５０の始動とともに、改質触媒５３を加熱することが可能となっている。また、この燃料改質器５０は、排気管４とは別に設けられている。すなわち、燃料改質器５０の燃料ガス供給装置５２及び改質触媒５３は、排気管４内には設けられていない。

ＥＣＵ４０には、エンジン１の吸入空気量ＧＡ（単位時間当りにエンジン１に新規に吸入される空気量）を検出するエアフローメータ２１、排気管４のうち触媒コンバータ３１及びＤＰＦ３２に流入する排気の温度ＴＥを検出する排気温度センサ２２、排気管４のうち触媒コンバータ３１及びＤＰＦ３２に流入する排気の酸素濃度ＡＦを検出するＵＥＧＯセンサ２３、排気管４のうちＤＰＦ３２の下流側における排気の圧力ＰＥを検出する圧力センサ２６が接続されており、これらセンサの検出信号は、ＥＣＵ４０に供給される。

ＥＣＵ４０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ４０は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、燃料改質器５０、スロットル弁９、ＥＧＲ弁１３、過給機８、及びエンジン１の燃料噴射弁などに制御信号を出力する出力回路とを備える。

図２は、ＥＣＵによるＤＰＦ再生処理の手順を示すフローチャートである。図２に示すように、ＤＰＦ再生処理は、燃料改質器により製造された還元ガスを排気管４内に供給しながらＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼させることが可能となっている。

ステップＳ１では、ＤＰＦ再生要求フラグＦＤＰＦＲＲが「１」であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ２に移り、ＮＯの場合には直ちにこの処理を終了する。ここで、このＤＰＦ再生要求フラグＦＤＰＦＲＲは、燃料の消費量が所定値に達したとき、あるいは、車両の走行距離が所定値に達したときに「１」に設定される。また、このＤＰＦ再生要求フラグＦＤＰＦＲＲは、一旦「１」に設定されると、所定の再生時間が経過した後に図示しない処理により「０」に戻される。

ステップＳ２では、エンジンがアイドル運転状態であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ５に移り、ＮＯの場合にはステップＳ３に移る。

ステップＳ３では、エンジンが減速運転状態であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ５に移り、ＮＯの場合にはステップＳ４に移る。

ステップＳ４では、図示しない第１制御マップに基づいて、ＤＰＦ再生処理実行時においてＤＰＦに流入する排気の酸素濃度目標値ＡＦＴＶを設定し、ステップＳ６に移る。
ステップＳ５では、図示しない第２制御マップに基づいて、ＤＰＦ再生処理実行時においてＤＰＦに流入する排気の酸素濃度目標値ＡＦＴＶを設定し、ステップＳ６に移る。
これら第１制御マップ及び２制御マップは、それぞれ、ＤＰＦに流入する排気の流量ＧＥ、排気温度センサにより検出された排気温度ＴＥ、及びＤＰＦに堆積したＰＭ堆積量ＱＰＭのうち少なくとも１つをパラメータとして、ＤＰＦに流入する排気の酸素濃度ＡＦの目標値ＡＦＴＶを設定する。
例えば、排気流量ＧＥをパラメータとして含む場合には、酸素濃度目標値ＡＦＴＶは、排気流量ＧＥが少なくなるほど低くなるように設定される。排気温度ＴＥをパラメータとして含む場合には、酸素濃度目標値ＡＦＴＶは、排気温度ＴＥが高くなるほど低くなるように設定される。また、ＰＭ堆積量ＱＰＭをパラメータとして含む場合には、ＰＭ堆積量ＱＰＭが多くなるほど低くなるように設定される。
またここで、第１制御マップと第２制御マップとを比較すると、第１制御マップは第２制御マップよりも高い濃度の酸素濃度目標値ＡＦＴＶを設定する。すなわち、同じ値のパラメータを用いた場合、第１制御マップに基づいて設定した酸素濃度目標値は、第２制御マップに基づいて設定した酸素濃度目標値よりも大きい。換言すれば、アイドル運転状態や減速運転状態にある場合には、より低い濃度の酸素濃度目標値が設定される。
なおこのステップＳ４，Ｓ５において、ＤＰＦに流入する排気の流量ＧＥは、吸入空気量ＧＡに基づいて推定し、ＰＭ堆積量ＱＰＭは、圧力センサにより検出された圧力ＰＥに基づいて推定する。

ステップＳ６では、還元ガスの供給を開始し、さらに、ＤＰＦに流入する排気の酸素濃度ＡＦが設定された酸素濃度目標値ＡＦＴＶに一致するように、還元ガスの供給量ＧＲＧ及び吸入空気量ＧＡを調整し、この処理を終了する。
またここで、還元ガスの供給量ＧＲＧ及び吸入空気量ＧＡは、ＤＰＦに流入する排気の排気空燃比が化学量論比を下回らないように調整される。

図３は、以上のようなＤＰＦ再生処理の制御例を示す図である。
図３の（ａ）は、ＰＭ堆積量ＱＰＭの時間変化を示す。この図において、時刻ｔ_０をＤＰＦ再生処理開始時刻として、この時刻ｔ_０以降、ＰＭ堆積量ＱＰＭは徐々に減少する。
図３の（ｂ）は、酸素濃度目標値ＡＦＴＶの時間変化を示す図である。この図において、実線９１は第１制御マップに基づいて設定した場合における酸素濃度目標値の時間変化を示し、実線９２は第２制御マップに基づいて設定した場合における酸素濃度目標値の時間変化を示す。また、時刻ｔ_１は、通常運転状態からアイドル運転状態に移行した時刻を示す。図３の（ｂ）に示すように、時刻ｔ_０においてＤＰＦ再生処理を開始してから時刻ｔ_１においてアイドル運転状態に移行するまでの間は、第１制御マップに基づいて酸素濃度目標値が決定され（図２のステップＳ４参照）、時刻ｔ_１以降は、第２制御マップに基づいて、より低い濃度の酸素濃度目標値が決定される（図２のステップＳ５参照）。

以上詳述したように、本実施形態によれば、排気管４のうち、ＤＰＦ３２と燃料改質器５０により製造された還元ガスが供給される導入口１４との間に、還元ガスを連続的に酸化する触媒コンバータ３１を設け、さらに、還元ガスを排気管４内に供給しながらＰＭを燃焼させる再生処理を実行する。
これにより、再生処理を実行する間において、還元ガスを排気管４内に供給することで、エンジン１の運転状態にかかわらずＤＰＦ３２に流入する排気の酸素濃度を制御できる。このため、上述のようなアイドル運転時や減速フューエルカット時などＤＰＦ３２が溶損するおそれがある場合であっても、酸素濃度を低くすることでこれを回避することができる。これにより、エンジン１の運転状態によらず安定して再生処理を実行することができる。
また、このように還元ガスを用いることにより、排気噴射やポスト噴射などのように未燃燃料を供給することなく排気の温度を上昇させることができる。これにより、上述のようなコーキングの発生、排気通路の触媒及び部品の劣化や腐食、燃費の悪化、及びオイルダイリューションの発生などの課題を回避することができる。
また、還元ガスに含まれる一酸化炭素や水素の分子径は、排気噴射やポスト噴射により供給される炭化水素の分子径と比較して小さい。このため、ＤＰＦ３２に大量のＰＭが堆積している場合であっても、その深部まで還元ガスを酸素とともに供給することができる。これにより、効率的にＰＭの燃焼を促進することができる。
また、還元ガスを製造する燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることにより、ＤＰＦ再生時期を、エンジン１の状態と独立して決めることができる。したがって、エンジン１を常に最適な状態で制御しつつ、必要に応じてＤＰＦ再生処理を適宜実行することができる。また、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることにより、エンジン１の運転状態や、排気の酸素濃度及び水蒸気濃度などによらず、常に最適な効率で還元ガスを製造できるとともに、この還元ガスを排気管４内に供給することができる。
一方、燃料改質器５０を排気管４内に設けた場合には、排気の成分、温度、流速に影響することなく運転できるように、燃料改質器を大型にする必要があるが、本実施形態によれば、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることで、装置を大型にすることなく安定した運転を行うことができる。また、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることにより、エンジン１の制御とは別系統の制御を行うことで、燃料改質器５０が備える改質触媒５３を早期に活性化することも可能となる。

また、本実施形態によれば、触媒コンバータ３１は、白金、パラジウム、及びロジウムよりなる群から選ばれる少なくとも１種を含む。これら活性種を含むことにより、還元ガスに含まれる水素、一酸化炭素、及び軽質の炭化水素などの触媒燃焼反応を促進することができる。
また、本実施形態によれば、ＤＰＦ３２に流入する排気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を設けた。これにより、ＤＰＦ３２に流入する排気の酸素濃度を所定の目標値に精度よく制御することができる。また、ＤＰＦ３２に流入する排気の酸素濃度を制御することで、再生処理の実行中におけるＤＰＦ３２の過昇温を防止できる。
また、本実施形態によれば、還元ガスには水素よりも一酸化炭素が多く含まれる。一酸化炭素は、水素よりも低温で燃焼する。このような一酸化炭素を含む還元性気体を供給することでパティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートを効率的に燃焼することができる。

また、本実施形態によれば、排気管４のうち導入口１４を流通する排気の温度よりも高い温度の還元ガスを供給する。これにより、触媒コンバータ３１に流入する排気の温度を上昇させ、ＰＭの燃焼を促進できる。
また、本実施形態によれば、再生処理を実行する間において、吸入空気量、排気還流率、燃料噴射量、及び還元ガスの供給量のうち少なくとも１つを調整することで、ＤＰＦ３２に流入する排気の酸素濃度が目標酸素濃度に一致するように制御する。これにより、排気の酸素濃度を精度良く目標酸素濃度に一致させることができる。
また、本実施形態によれば、排気管４を流通する排気の流量、排気の温度、及びＤＰＦ３２に堆積したＰＭの堆積量のうち少なくとも１つに基づいて酸素濃度目標値を設定する。これにより、適切な温度でＰＭを燃焼させるように、目標酸素濃度を設定することができる。

また、本実施形態によれば、エンジン１がアイドル運転状態である場合には、アイドル運転状態でない場合と比較して、酸素濃度目標値を低く設定する。これにより、エンジン１がアイドル運転状態に移行したことに伴い排気中の酸素量が増加する場合であっても、酸素濃度目標値を低く設定することで、ＤＰＦ３２における酸化反応を抑制し、このＤＰＦ３２の過昇温を防止できる。
また、本実施形態によれば、エンジン１が減速運転状態である場合には、減速運転状態でない場合と比較して、酸素濃度目標値を低く設定する。これにより、エンジン１が減速運転状態に移行し、減速フューエルカットが行われたことに伴い排気中の酸素量が増加する場合であっても、酸素濃度目標値を低く設定することで、ＤＰＦ３２における酸化反応を抑制し、このパＤＰＦ３２の過昇温を防止できる。
また、本実施形態によれば、部分酸化反応により還元ガスを製造することにより、この燃料改質器５０を小型なものにできる。つまり、上述のように部分酸化反応は発熱反応であり、一旦反応が開始すれば自発的に反応が進行するため、外部から余分なエネルギーを供給し続ける装置を設ける必要がないためである。また、シフト反応などの水素を濃縮するためのコンバータやシステムも設ける必要もない。また、このように燃料改質器５０を小型にすることで、燃料改質器５０のライトオフ時間を短縮できる。したがって、必要に応じて速やかに還元ガスを排気管４内に供給することができる。
また、この部分酸化反応において副次的に生成される軽質の炭化水素も一酸化炭素や水素とともに触媒コンバータ３１に導入して、排気の昇温に使用することもできる。

本実施形態では、ＥＣＵ４０が再生手段、目標濃度設定手段、及び酸素濃度制御手段を構成する。具体的には、図２のステップＳ１〜Ｓ６に係る手段が再生手段に相当し、ステップＳ４，Ｓ５に係る手段が目標濃度設定手段に相当し、ステップＳ６に係る手段が酸素濃度制御手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
上記実施形態では、排気管４のうちＤＰＦ３２の上流側に、還元ガスを連続的に酸化する酸化機能を有する触媒コンバータ３１を設けたがこれに限らない。例えば、触媒コンバータをＤＰＦと別体で設けることなく、同様の酸化機能を有する触媒をＤＰＦに担持してもよい。また、この場合、ＤＰＦに担持させる触媒は、パラジウム、ロジウム、白金、銀、及び金からなる群から選ばれる少なくとも１種を含むことが好ましい。
これにより、上記実施形態の効果に加えて、以下のような効果を奏することができる。つまり、酸化機能を有する触媒をＤＰＦに担持させることにより、排気浄化装置をコンパクトにできるとともに、ＰＭの燃焼反応をさらに促進することができる。したがって、還元ガスを供給してからＰＭの燃焼が始まるまでの時間をさらに短縮することができる。

上記実施形態では、ステップＳ６において、ＤＰＦに流入する排気の酸素濃度ＡＦが設定された酸素濃度目標値ＡＦＴＶに一致するように、還元ガスの供給量ＧＲＧと吸入空気量ＧＡを調整したが、これに限らない。これら、還元ガスの供給量ＧＲＧ及び吸入空気量ＧＡの他、エンジンの排気還流率や、エンジンの燃料噴射量などを調整してもよい。

また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進用エンジンなどの排気浄化装置にも適用が可能である。

本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。 前記実施形態に係るＥＣＵによるＤＰＦ再生処理の手順を示すフローチャートである。 前記実施形態に係るＤＰＦ再生処理の制御例を示す図である。

符号の説明

１…エンジン（内燃機関）
４…排気管（排気通路）
５…排気マニホールド（排気通路）
１４…導入口
２３…ＵＥＧＯセンサ（酸素濃度検出手段）
３１…触媒コンバータ
３２…ＤＰＦ
４０…電子制御ユニット（再生手段、目標濃度設定手段、酸素濃度制御手段）
５０…燃料改質器

Claims (12)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを備える内燃機関の排気浄化装置において、
   前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの上流側に設けられた導入口から、当該排気通路内に供給する燃料改質器と、
   前記排気通路のうち前記導入口と前記パティキュレートフィルタとの間に設けられ、還元性気体を連続的に酸化する触媒コンバータと、
   前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に供給しながら、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させる再生処理を実行する再生手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを備える内燃機関の排気浄化装置において、
   前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの上流側に設けられた導入口から、当該排気通路内に供給する燃料改質器と、
   前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に供給しながら、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させる再生処理を実行する再生手段と、を備え、
   前記パティキュレートフィルタには還元性気体を連続的に酸化する酸化機能を有する触媒が担持されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記触媒コンバータは、白金、パラジウム、及びロジウムよりなる群から選ばれる少なくとも１種を含む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。
4. 前記酸化機能を有する触媒は、パラジウム、ロジウム、白金、銀、及び金よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタに流入する排気の酸素濃度を検出又は推定する酸素濃度検出手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記燃料改質器により製造された還元性気体は、水素よりも一酸化炭素を多く含むことを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記燃料改質器により供給される還元性気体の温度は、前記排気通路のうち前記導入口を流通する排気の温度よりも高いことを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記再生手段により再生処理を実行する間において、前記パティキュレートフィルタに流入する排気の酸素濃度目標値を設定する目標濃度設定手段と、
   前記内燃機関の吸入空気量、前記内燃機関の排気還流率、前記内燃機関の燃料噴射量、及び前記燃料改質器による還元性気体の供給量のうち少なくとも１つを調整することで、排気の酸素濃度を、前記目標濃度設定手段により設定された酸素濃度目標値に一致するように制御する酸素濃度制御手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記目標濃度設定手段は、前記排気通路を流通する排気の流量、排気の温度、及び前記パティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートの堆積量のうち少なくとも１つに基づいて酸素濃度目標値を設定す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. 前記目標濃度設定手段は、前記内燃機関がアイドル運転状態である場合には、アイドル運転状態でない場合と比較して、酸素濃度目標値を低く設定することを特徴とする請求項８又は９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 前記目標濃度設定手段は、前記内燃機関が減速運転状態である場合には、減速運転状態でない場合と比較して、酸素濃度目標値を低く設定することを特徴とする請求項８から１０の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 前記燃料改質器は、炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により、一酸化炭素を主成分とする還元性気体を製造することを特徴とする請求項１から１１の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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