JP2009221873A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘ触媒においてアンモニアを生成し、且つ当該アンモニアを吸着触媒に吸着させる内燃機関の排気浄化システムにおいて、吸着触媒におけるアンモニアの吸着量を充分に確保し、ＮＯｘの選択還元能を向上させることのできる技術を提供する。
【解決手段】吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６および吸着酸化触媒７を通過する通過ガス量ＶＥが基準ガス量ＶＥｂ以下であるときに、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６においてアンモニアが生成され、且つ添加された燃料の少なくとも一部が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６からすり抜けるように、燃料添加弁８に燃料を添加させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。

内燃機関、特に希薄燃焼を行う内燃機関から排出される排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」という。）を具備した排気浄化システムが公知である。このＮＯｘ触媒は、同触媒の周囲雰囲気が酸化雰囲気のときにＮＯｘを吸蔵し、還元雰囲気のときに吸蔵しているＮＯｘを還元する。また、ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気を還元雰囲気にすべく、ＮＯｘ触媒よりも上流を流れる排気に燃料を添加する方法が公知である。

近年、排気エミッションを向上させるため、ＮＯｘ触媒の下流に排気成分の吸着能を有する吸着触媒を配置する技術も提案されている。この技術では、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘ、或いは排気中のＮＯｘからアンモニアを同触媒において生成させる。そして、このアンモニアを吸着触媒に吸着させることで、排気中のＮＯｘを選択的に還元することができる。
特開２００５−１２７２５７号公報 特表平１１−５１１２２７号公報 特開２００５−２６４９２７号公報 特開２００５−１６３５８６号公報

吸着触媒におけるＮＯｘの選択還元能を向上させるには、アンモニアの吸着量を充分に確保する必要がある。しかしながら、ＮＯｘ触媒および吸着触媒を通過する通過ガス量が多いときに、ＮＯｘ触媒においてアンモニアを生成させようとしても、アンモニアの吸着量を充分に確保することができない場合があった。すなわち、アンモニアを生成するためには、ＮＯｘ触媒にリッチ度合いの高い還元雰囲気を形成し、且つ還元剤としての燃料とＮＯｘとの反応時間を充分に確保する必要がある。しかしながら、通過ガス量が多いとそれが困難となり、アンモニアの生成量が不足する虞がある。

また、通過ガス量が多いと、吸着触媒に対して供給されるアンモニアのうち、吸着触媒をすり抜けるアンモニアの量が多くなり、吸着触媒に充分な量のアンモニアを吸着させることが困難となる。また、通過ガス量が多いと、排気中の酸素をＮＯｘ触媒において充分に消費することができず、酸素が比較的多く残存する排気が吸着触媒に流入する場合がある。その結果、吸着触媒に吸着されているアンモニアが酸素と反応することによって酸化され、ＮＯｘとして大気中に放出される虞がある。以上のように、従来においては、吸着触媒においてアンモニアの吸着量を充分に確保することが困難となり、ＮＯｘの選択還元能が低下するという実情があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＮＯｘ触媒においてアンモニア生成し、且つ当該アンモニアを吸着触媒に吸着させる内燃機関の排気浄化システムにおいて、吸着触媒におけるアンモニアの吸着量を充分に確保し、ＮＯｘの選択還元能を向上させることのできる技術を提供することである。

上記目的を達成するための本発明に係る内燃機関の排気浄化システムは、以下の手段を
採用する。
すなわち、内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも下流の排気通路に設けられ、少なくとも排気中の燃料成分およびアンモニアの吸着能を有する吸着触媒と、
当該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも上流を流れる排気に燃料を添加する燃料添加手段と、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒周囲を還元雰囲気にすべく、前記燃料添加手段に燃料を添加させて当該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を低下させる制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒および前記吸着触媒を通過する通過ガス量が基準ガス量以下であるときに、当該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒においてアンモニアが生成され、且つ燃料の少なくとも一部が当該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒からすり抜けるように前記燃料添加手段に燃料を添加させる制御（以下、「ＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御」という）を実行することを特徴とする。

ＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御の実行によって、ＮＯｘ触媒においてアンモニアが生成されると、このアンモニアは下流に配置される吸着触媒に供給および吸着される。これによれば、吸着触媒に流入する排気に含まれるＮＯｘを、吸着しているアンモニアを還元剤として選択的に還元し、浄化することができる。

ここで、通過ガス量が多いときにＮＯｘ触媒でアンモニアを生成させても、吸着触媒におけるアンモニアの吸着率が低下し、生成されたアンモニアの多くが吸着触媒をすり抜けてしまう可能性が高い。アンモニアの吸着率とは、吸着触媒に吸着可能なアンモニアの吸着量を、同触媒に流入するアンモニアの総流入量で除した値で表すことができる。そこで、本発明では、通過ガス量が基準ガス量以下となる場合にＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御を行い、上記不具合を解消することとした。

本発明における基準ガス量は、ＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御の実行の可否を判断するときの基準となる通過ガス量であり、同制御の実行が許容される通過ガス量の上限値と言うこともできる。また、基準ガス量は、ＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御を実行するに際して、吸着触媒におけるアンモニアの吸着率を高く維持するための観点から定めることができる。例えば、アンモニア吸着率の許容値を予め定めておくこともできる。そして、当該吸着率がその許容値以上となるような通過ガス量の上限値を実験的に求め、その値を基準ガス量として設定することもできる。

本発明では、ＮＯｘ触媒を通過する排気の体積速度が低い状態で燃料添加手段による燃料添加を行うことができるので、ＮＯｘ触媒の周囲に還元雰囲気が形成される期間をより長くすることができる。つまり、添加された燃料とＮＯｘとの反応時間をより長く確保することができるので、ＮＯｘ触媒におけるアンモニアの生成量を増やすことができる。

また、本発明においては、ＮＯｘ触媒から燃料がすり抜ける程度の過剰な燃料がＮＯｘ触媒に対して供給されるので、ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気におけるリッチ度合いを、より高めることができる。その結果、ＮＯｘ触媒におけるアンモニアの生成量を増やすことができる。なお、本発明においてアンモニアの生成の為に用いられるＮＯｘは、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘの他、ＮＯｘ触媒に流入する排気に含まれるＮＯｘも包含される。

上記のように、ＮＯｘ触媒において大量に生成されたアンモニアは吸着触媒に供給される。その際、通過ガス量が基準ガス量以下に維持されているので、吸着触媒におけるアンモニアの吸着率は高く、供給されるアンモニアのうち大部分のアンモニアを吸着触媒に吸着させることができる。その結果、ＮＯｘの選択還元能を向上することができる。また、アンモニアが吸着触媒を多量にすり抜ける虞がないので、排気エミッションを向上するこ
とができる。

ここで、吸着触媒に流入する排気中の酸素、或いはＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御の実行前（例えば、内燃機関の希薄燃焼運転時など）に吸着触媒に吸着された酸素について考える。吸着触媒に吸着されたアンモニアと酸素とが共存してしまうと、このアンモニアが酸化されてしまう可能性が高まる。その結果、アンモニアがＮＯｘに変換され、ＮＯｘとして大気中に放出されてしまう。そうすると、ＮＯｘの選択還元能が低下するばかりか、排気エミッションが悪化する原因と成り得る。

これに対して、本発明では、以下の点から上記不具合を抑制することができる。すなわち、本発明におけるＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御は、内燃機関から排出される排気の流量が少ないときに行われるため、排気がＮＯｘ触媒に流入する時点において、排気中の酸素の絶対量を少なくすることができる。その上、同制御の実行時には、ＮＯｘ触媒の周囲にリッチ度合いの高い還元雰囲気が長期に亘り形成されるので、ＮＯｘ触媒において排気中の酸素を好適に消費することができる。

さらに、燃料添加手段によって添加された燃料の一部はＮＯｘ触媒からすり抜けるため、当該燃料をアンモニアと共に吸着触媒に供給させることができる。ここで、通過ガス量は非常に少ないため吸着触媒における燃料の吸着率は高く維持されている。燃料の吸着率とは、吸着触媒に吸着可能な燃料の吸着量を同触媒に流入する燃料の総流入量で除した値で表すことができる。従って、吸着触媒に供給された燃料が多量に吸着触媒をすり抜けてしまう虞はない。

これによれば、もともと吸着触媒に酸素が吸着し、あるいは同触媒に流入する排気中に酸素が残存している場合であっても、吸着触媒に吸着させた燃料と酸素とを反応させることで、アンモニアが酸化されることを抑制することができる。その結果、吸着触媒に吸着したアンモニアがＮＯｘとして放出されることを抑制し、アンモニアの吸着量を充分に確保することができる。

以上のように、本発明においてはＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御を実行することによって、ＮＯｘ触媒においてアンモニアを大量に生成することができる。また、吸着触媒に供給されたアンモニアが吸着触媒をすり抜け、あるいは酸化によってＮＯｘとして放出されること抑制することができる。これにより、吸着触媒におけるアンモニアの吸着量を充分に確保できるので、吸着触媒におけるＮＯｘの選択還元能を向上させることができる。また、吸着触媒に供給されたアンモニア、燃料が多量に大気中に放出されることがないので、排気エミッションを向上させることができる。

また、本発明においては、通過ガス量を変更可能なガス量変更手段を、さらに備え、制御手段は、内燃機関の運転状態が通過ガス量を基準ガス量以下に低減できる所定の低流量化可能状態であり、且つ通過ガス量が基準ガス量より多い場合に、ガス量変更手段に通過ガス量を基準ガス量以下に低減させてＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御を実行しても良い。

これによれば、通過ガス量が基準ガス量より多い場合であっても、通過ガス量を基準ガス量以下にすることができるので、好適にＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御を実行し、上記作用効果を奏することができる。なお、所定の低流量化可能状態としては、内燃機関の減速運転時、アイドル運転時、機関停止時、低負荷〜中負荷運転時等を例示できる。

また、本発明においては、ＮＯｘ触媒よりも上流の排気通路に排気中の燃料成分を改質する改質触媒が備えられ、且つ燃料添加手段は当該改質触媒よりも上流を流れる排気に燃料を添加すると好適である。

そうすると、燃料添加手段により排気中に添加された燃料は改質触媒によって軽質化されるので、ＮＯｘの還元剤として好適なＨ_２、ＣＯを燃料から生成することができる。これにより、ＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御の実行に際してアンモニアの生成量をより好適に増やすことができる。また、通過ガス量が非常に少なくなる条件下においても、燃料を軽質化されることによって当該燃料を確実に吸着触媒まで到達させることができる。つまり、吸着触媒に燃料を確実に供給し、吸着させることができる。

ここで、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘ吸蔵量が過度に少ない場合には、ＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御を実行した場合に、所望される目標量のアンモニアを生成することができない可能性がある。そこで、本発明における制御手段は、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘ吸蔵量が目標量のアンモニアを生成するために要求される量（以下、「下限吸蔵量」という）以上である場合に、ＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御を実行すると好適である。

上記の目標量とはアンモニアを生成する際の目標とする量であり、予め求めておくことができる。本発明によれば、ＮＯｘ吸蔵量が下限吸蔵量以上である場合に限りＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御が実行されるので、確実に目標量のアンモニアをＮＯｘ触媒において生成することができる。

また、本発明において、制御手段がＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御を実行する場合に、通過ガス量が基準ガス量より多いときと比較して、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比が低くなるように燃料添加手段に燃料を添加させると好適である。そうすることによって、ＮＯｘ触媒周囲のリッチ度合いがより一層高まるからである。これによれば、ＮＯｘ触媒におけるアンモニアの生成量、およびＮＯｘ触媒からの燃料のすり抜け量を更に増加させることができる。その結果、吸着触媒におけるＮＯｘの選択還元能、および排気エミッションを更に向上させることができる。

なお、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。

本発明にあっては、ＮＯｘ触媒においてアンモニアを生成し、且つ当該アンモニアを吸着触媒に吸着させる内燃機関の排気浄化システムにおいて、吸着触媒におけるアンモニアの吸着量を充分に確保し、ＮＯｘの選択還元能を向上させることができる。

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例示的に詳しく説明する。尚、本実施の形態に記載されている構成要素の寸法、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。

本発明における第１の実施例について説明する。図１は本実施例におけるエンジン１と、その吸排気系の概略構成を示した図である。図１に示すエンジン１は、４サイクル・ディーゼルエンジンである。

エンジン１には吸気管２および排気管３（排気通路）が接続されており、この排気管２は図示しないマフラーに接続されている。吸気管２の途中には、該吸気管２内を流通する吸気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ４が設けられている。このエアフロ
ーメータ４により、エンジン１への吸入空気量が測定される。また、吸気管２におけるエアフローメータ４よりも下流側には、吸気管２の流路断面積を変更可能なスロットル弁５が設けられている。スロットル弁５は、その弁開度が制御される事で、吸気管２を流れる吸気の流量が調節される。

排気管３の途中には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、「ＮＯｘ触媒」という）６が備えられている。ＮＯｘ触媒６は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元成分（例えば、燃料等）が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを還元する機能を有する。

排気管３におけるＮＯｘ触媒６の下流には、排気成分の吸着能および酸化能を有する吸着酸化触媒７が備えられている。本実施例における吸着酸化触媒７の詳しい機能、作用は後述するが、当該吸着酸化触媒７は、少なくとも排気中の燃料成分（ＨＣ）およびアンモニア（ＮＨ_３）の吸着能および酸化能を有する。

ＮＯｘ触媒６よりも上流の排気管３には、排気中に燃料（ＨＣ）を添加する燃料添加弁８が設置されている。また、エンジン１には、該エンジン１の気筒内に、燃焼に供される燃料を供給する燃料噴射弁９が備えられている。

また、エンジン１には、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じて運転状態を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０が併設され
ている。このＥＣＵ１０は、エンジン１の制御に係る各種演算処理を実行するＣＰＵ、その制御に必要なプログラムやデータの記憶されたＲＯＭ、ＣＰＵの演算結果等が一時記憶されるＲＡＭ、外部との間で信号を入・出力するための入・出力ポート等を備えて構成される。

上記ＥＣＵ１０には、エアフローメータ４の他、エンジン１のクランク角を検出するクランクポジションセンサ１１や、アクセルペダルの踏み込み量に応じた電気信号を出力するアクセル開度センサ１２等が電気配線を介して接続され、これらの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。また、ＥＣＵ１０には、スロットル弁５、燃料添加弁８、燃料噴射弁９等が電気配線を介して接続され、これらがＥＣＵ１０によって制御される。ＥＣＵ１０は、クランクポジションセンサ１１の出力値に基づいて機関回転数を検出し、アクセル開度センサ１２の出力値に基づいてエンジン１の機関負荷を検出することができる。

次に、燃料添加弁８から排気中に燃料を添加する燃料添加制御について説明する。この燃料添加制御はＥＣＵ１０により実行される。ここで、ＮＯｘ触媒６のＮＯｘ吸蔵容量には限りがあるため、ＮＯｘ吸蔵量が当該吸蔵容量に達する前にＮＯｘ触媒６に吸蔵されているＮＯｘを還元させるＮＯｘ還元処理が行われる。ＮＯｘ還元処理では、燃料添加弁８から還元剤としての燃料を排気中に添加させることにより、ＮＯｘ触媒６に流入する排気空燃比Ａ／Ｆを低下させ、且つ還元剤としての燃料を供給する。

ＮＯｘ触媒６には、ＮＯｘの他、排気中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）が吸蔵される。ＮＯｘ触媒６に吸蔵されたＳＯｘはＮＯｘよりも放出され難く、ＮＯｘ触媒６に蓄積されてしまう。その結果、ＳＯｘが吸蔵されている分だけＮＯｘの吸蔵能が低下する硫黄被毒（ＳＯｘ被毒）が起こる。そこで、ＮＯｘ触媒６を高温（例えば６００乃至６５０℃程度）まで昇温すると共に排気空燃比Ａ／Ｆを低下させてＳＯｘ被毒を解消するＳＯｘ被毒回復処理が行われる。

燃料添加制御において、排気空燃比Ａ／Ｆを低下させる際の目標となる目標空燃比Ａ／Ｆｔは、理論空燃比（ストイキ）〜リッチ空燃比の範囲で設定される。そして、ＥＣＵ１
０は、機関回転数、機関負荷、吸入空気量を検出し、これらをパラメータとしてＥＣＵ１０のＲＯＭに予め記憶している燃料添加量マップへとアクセスし、燃料添加弁８に添加させる燃料添加量Ｑａｄを算出することができる。そして、ＥＣＵ１０は、算出された燃料添加量Ｑａｄを添加させるために必要な燃料添加弁８の開弁時間を算出し、燃料添加弁８の開閉についての制御を行う。本実施例においては燃料添加弁８が本発明における燃料添加手段に相当し、燃料添加制御を実行するＥＣＵ１０が本発明における制御手段に相当する。

なお、本実施例では、燃料添加弁８から燃料を排気管３に添加させて排気空燃比Ａ／Ｆを低下させる実施形態について説明するが、エンジン１から排出される排気の空燃比を低下させることで排気空燃比Ａ／Ｆを低下させる、いわゆる燃焼リッチ制御を行っても良い。また、燃料添加弁８による燃料添加と燃焼リッチ制御とを併せて実行することにより排気空燃比Ａ／Ｆを目標空燃比Ａ／Ｆｔまで低下させても良い。燃焼リッチ制御を行う場合には、例えば燃料噴射弁９から主噴射を行った後の膨張行程若しくは排気行程中に再度燃料を噴射するポスト噴射を行うことによって、エンジン１から排出される排気の空燃比を低下させても良い。

次に、本実施例における吸着酸化触媒７について詳しく説明する。本実施例では、吸着酸化触媒７にアンモニアを吸着させることにより、排気中のＮＯｘを選択的に還元する選択還元触媒として吸着酸化触媒７を機能させる。すなわち、本実施例では、燃料添加弁８からの燃料添加制御によってＮＯｘ触媒６に吸蔵されているＮＯｘをＮ_２に還元する他、ＮＯｘ触媒６に吸蔵されているＮＯｘ或いはＮＯｘ触媒６に流入する排気中のＮＯｘからアンモニアを生成させる。このようにＮＯｘ触媒６において生成されたアンモニアは、排気の流れによって吸着酸化触媒７へと供給される。そして、吸着酸化触媒７にアンモニアを吸着させておくことで、吸着酸化触媒７に流入してくる排気中のＮＯｘを還元することができる。

吸着酸化触媒７におけるＮＯｘの選択還元能を向上させるには、アンモニアの吸着量を充分に確保する必要がある。しかしながら、ＮＯｘ触媒６および吸着酸化触媒７を通過する通過ガス量（以下、単に「通過ガス量」という）が多いと、アンモニアの吸着量を充分に確保することが困難となる。その理由として、第一に、アンモニアを生成するためには、ＮＯｘ触媒６の周囲をリッチ度合いの高い還元雰囲気に維持し、且つ燃料とＮＯｘとの反応時間を充分に確保する必要がある。しかしながら、通過ガス量が多いとそれが困難となり、アンモニアの生成量自体が不足する可能性が高まる。

第二に、通過ガス量が多いと、吸着酸化触媒７に対して供給されるアンモニアのうち吸着酸化触媒７をすり抜けるアンモニアの量が多くなってしまう。第三に、通過ガス量が多いと酸素が残存したままの排気が吸着酸化触媒７に流入してしまう。その結果、吸着酸化触媒７に吸着されたアンモニアが酸化され、ＮＯｘとして排出されてしまう。

本実施例では上記不具合を解消するため、ＥＣＵ１０は、通過ガス量ＶＥが基準ガス量ＶＥｂ以下であるときに燃料添加弁８からの燃料添加を行い、ＮＯｘ触媒６においてアンモニアを生成させ、且つ添加された燃料の少なくとも一部をＮＯｘ触媒６からすり抜けさせる制御（以下、「ＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御」という）を実行する。

基準ガス量ＶＥｂは、ＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御の実行の可否を判断するときの基準となる通過ガス量ＶＥであり、同制御の実行が許容される通過ガス量ＶＥの上限値である。例えば、基準ガス量ＶＥｂは、吸着酸化触媒７にアンモニアを供給する場合のアンモニアの吸着率が許容値以上に維持できるような通過ガス量ＶＥの上限値を実験的に求めておき、その上限値を基準ガス量ＶＥｂとして採用することができる。アンモニアの吸着率
は、吸着酸化触媒７に吸着可能なアンモニアの吸着量を同触媒に流入するアンモニアの総流入量で除した値で表すことができる。また、上記許容値は予め実験等により適合値を求めておくことが可能である。

また、通過ガス量ＶＥが基準ガス量ＶＥｂ以下であるか否かの判定はＥＣＵ１０によって行われる。通過ガス量ＶＥは、エンジン１への吸入空気量と相関がある。従って、ＥＣＵ１０は、エアフローメータ４の出力値に基づいて通過ガス量ＶＥを測定することで、上記判定を行うことができる。なお、通過ガス量ＶＥが基準ガス量ＶＥｂ以下となる状況として、エンジン１の減速運転時、アイドル運転時、低負荷〜中負荷運転時、エンジン停止時等が想定できる。そして、ＥＣＵ１０は、通過ガス量ＶＥが基準ガス量ＶＥｂ以下であると判定された場合に、ＮＯｘ触媒６においてアンモニアが生成し且つ添加燃料の一部がＮＯｘ触媒６からすり抜けるように、燃料添加弁８から燃料を添加させる。

図２は、燃料添加制御に係る燃料添加量Ｑａｄと通過ガス量ＶＥとの関係を例示したマップである。図中の縦軸は燃料添加量Ｑａｄを表し、横軸は通過ガス量ＶＥを表す。本実施例において燃料添加量Ｑａｄと通過ガス量ＶＥとの関係は、通過ガス量ＶＥが多いほど燃料添加量Ｑａｄが多くなる。通過ガス量ＶＥが多いほど、排気空燃比Ａ／Ｆを目標空燃比Ａ／Ｆｔまで低下させるためにより多くの燃料添加量Ｑａｄが必要となるからである。

ここで、燃料添加量Ｑａｄと通過ガス量ＶＥとの関係を示すＬは、通過ガス量ＶＥが基準ガス量ＶＥｂのときを境に傾きが変化している。ここで、通過ガス量ＶＥが基準ガス量ＶＥｂ以下のときをＬ１、基準ガス量ＶＥｂよりも多いときをＬ２で表す。Ｌ１はＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御の実行時における通過ガス量ＶＥと燃料添加量Ｑａｄとの関係を表し、Ｌ２は同制御の非実行時における通過ガス量ＶＥと燃料添加量Ｑａｄとの関係を表すことになる。なお、ＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御の非実行時における燃料添加量Ｑａｄとは、ＮＯｘ触媒６において積極的にアンモニアの生成を行わず、ＮＯｘ還元処理やＳＯｘ被毒回復処理等に係る燃料添加制御が実行されるときに燃料添加弁８から添加される燃料添加量である。

図中においてＬ１とＬ２とを比較すると、通過ガス量ＶＥに対する燃料添加量Ｑａｄの割合は前者（Ｌ１）の方が高い。つまり、本実施例では、ＥＣＵ１０がＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御を実行する場合に、通過ガス量ＶＥが基準ガス量ＶＥｂより多いときと比較して、排気空燃比Ａ／Ｆが低くなる（リッチになる）ように燃料添加弁８から燃料を添加させる。なお、図２において図示したＬ１、Ｌ２との傾きの差は適宜変更することができる。また、図中のＬ１、Ｌ２は直線的に表されているが、曲線的に表されても良い。

このように、ＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御の実行時には、同制御非実行時に比べて目標空燃比Ａ／Ｆｔをリッチ側に設定することで、ＮＯｘ触媒６の周囲に一層リッチ度合いの高い還元雰囲気を形成することができる。その上、ＮＯｘ触媒６を通過する排気の体積速度は低く維持されるため、添加された燃料とＮＯｘとの反応時間が長く確保される。その結果、ＮＯｘ触媒６において生成されるアンモニアの生成量を増やすことができる。

ＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御の実行時に添加された添加燃料は、ＮＯｘ触媒６に吸蔵されているＮＯｘの還元、アンモニアの生成に使用され、残りの一部がＮＯｘ触媒６をすり抜ける。ＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御においては、燃料添加弁８から過剰な燃料を添加させることで、同制御の非実行時に比べてＮＯｘ触媒６からの燃料のすり抜け量を増加させることができる。

このように、ＮＯｘ触媒６をすり抜けた燃料、およびアンモニアは吸着酸化触媒７に供給される。その際、通過ガス量ＶＥが基準ガス量ＶＥｂ以下に維持されているので、吸着
酸化触媒７における燃料およびアンモニアの吸着率は高い。従って、ＮＯｘ触媒６をすり抜けた燃料、およびアンモニアの殆どが吸着酸化触媒７に吸着される。吸着酸化触媒７における燃料の吸着率は、吸着酸化触媒７に吸着可能な燃料の吸着量を、同触媒に流入する燃料の総流入量で除した値で表すことができる。これによれば、吸着酸化触媒７から多量のアンモニア、あるいは燃料がすり抜ける虞がなく、エミッションを向上することができる。

次に、本制御において、添加燃料の一部をＮＯｘ触媒６からすり抜けさせ、吸着酸化触媒７に吸着させる狙いについて説明する。エンジン１はディーゼルエンジンであるため、吸着酸化触媒７には、エンジン１の希薄燃焼運転時において排出された排気中の酸素が多く吸着されている。このような状態で、吸着酸化触媒７にアンモニアを吸着させても、このアンモニアが酸化されてしまいＮＯｘとして放出されてしまう。その結果、アンモニアの吸着量が減少しＮＯｘの選択還元能が低下するばかりか、排気エミッションが悪化することが懸念される。

そこで、本実施例におけるＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御では、添加燃料をアンモニアと共に吸着酸化触媒７に供給、吸着させることで、上記不具合が生じることを抑制する。すなわち、吸着酸化触媒７に吸着されている酸素、および排気中に残存し新たに吸着酸化触媒７に流入する酸素を、吸着酸化触媒７に吸着させた燃料と反応させることで、アンモニアの酸化を抑制する。その結果、アンモニアの吸着量の確保、および排気エミッションの向上を実現することができる。

更に、ＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御は、エンジン１から排出される排気の流量が少ないときに行われるため、排気がＮＯｘ触媒６に流入する時点において、排気中の酸素の絶対量は少ない。その上、ＮＯｘ触媒６周囲には非常にリッチ度合いの高い還元雰囲気が長期に亘り形成されるため、ＮＯｘ触媒６に流入した排気中の酸素の多くを同触媒上で消費させることができる。これによれば、吸着酸化触媒７においてアンモニアが酸化することをより好適に抑制することができる。

以上のように、本実施例におけるＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御では、ＮＯｘ触媒６においてアンモニアを大量に生成し、吸着触媒６にこのアンモニアを供給することが可能である。また、吸着酸化触媒７に供給されたアンモニアが吸着酸化触媒７をすり抜けたり、酸化されることによってＮＯｘとして放出されること抑制できる。これにより、吸着酸化触媒７におけるアンモニアの吸着量を充分に確保でき、吸着酸化触媒７におけるＮＯｘの選択還元能を向上させることができる。

次に、本発明における第２の実施例について説明する。図３は、本実施例におけるエンジン１と、その吸排気系の概略構成を示した図である。ここで、図１に示した構成と同等の構成については、同一符号を付すことで説明を割愛する。図３に示すように、本実施例における排気浄化システムでは、排気管３における燃料添加弁８とＮＯｘ触媒６と間には、燃料添加弁８からの添加燃料を改質する燃料改質触媒１３が設けられている。燃料改質触媒１３は、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。本実施例においては燃料改質触媒１３が本発明における改質触媒に相当する。

燃料改質触媒１３の外径は排気管３の内径よりも小さい。つまり、燃料改質触媒１３における排気の流れ方向と垂直方向の断面積は、排気管３における排気の流れ方向と垂直方向の断面積よりも小さい。このような構成により、燃料改質触媒１３の外周面と排気管３の内周面との間を排気が流れる構成となっている。

また、本実施例における燃料添加弁８は、燃料の噴射孔が燃料改質触媒１３の上流側端面と対向するように燃料改質触媒１３に近接して配置されている。これにより、燃料添加弁８からの燃料を効率良く燃料改質触媒１３に供給し、燃料の軽質化・改質を行うことができる。

次に、本実施例におけるＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御の特徴について説明する。本実施例において、ＥＣＵ１０は、エンジン１の運転状態が、通過ガス量ＶＥを基準ガス量ＶＥｂ以下に低減できる低流量化可能状態（所定の低流量化可能状態）であるかどうかを判定する。そして、エンジン１の運転状態が低流量化可能状態であり、且つ通過ガス量ＶＥが当該基準ガス量ＶＥｂより多い場合に、スロットル弁５の開度を減少させて通過ガス量ＶＥを基準ガス量ＶＥｂ以下に低減させる。本実施例においてはスロットル弁５が本発明におけるガス量変更手段に相当する。なお、本実施例では、低流量化可能状態としてエンジン１の減速運転時、アイドル運転時を例として説明する。

図４は、第一のＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御ルーチンを示したフローチャートである。本ルーチンは、エンジン１の稼働時に所定周期毎にＥＣＵ１０により実行される。本ルーチンが実行されると、ステップＳ１０１において、エンジン１の運転状態が低流量化可能状態であるか否かが判定される。具体的には、エンジン１が減速運転中、またはアイドル運転中であるかどうかが判定される。そして、エンジン１が減速運転中、またはアイドル運転中である場合にはステップＳ１０２に進み、そうでないと判定された場合には本ルーチンを一旦終了する。

ここで、エンジン１の運転状態が減速運転中であるかどうか、またアイドル運転中であるかどうかの判定は、公知の方法によって検出することができる。例えば、ＥＣＵ１０は、アクセル開度センサ１２の出力値に基づいてアクセルペダルの踏み込み量や、ブレーキ開度センサ（不図示）の出力値に基づいてブレーキペダルの踏み込み量を検出し、これらの検出結果に基づいてエンジン１が減速運転中かどうかを判断することができる。また、例えば車速を検出する車速センサ（不図示）からの出力値と、上記ブレーキ開度センサから出力値とに基づいて、エンジン１がアイドル運転中であるかどうかを判断することができる。なお、これらは例示であり他の種々の方法を採用することができる。

ステップＳ１０２では、エアフローメータ４の出力値に基づいて通過ガス量ＶＥを取得し、通過ガス量ＶＥが基準ガス量ＶＥｂよりも多いか否かが判定される。ここで、肯定判定された場合（ＶＥ＞ＶＥｂ）には、通過ガス量ＶＥを減少させる必要があると判断され、ステップＳ１０３に進む。一方、否定判定された場合（ＶＥ≦ＶＥｂ）には、通過ガス量ＶＥを減少させる必要がないと判断され、ステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０３では、ステップＳ１０２で取得された通過ガス量ＶＥが基準ガス量ＶＥｂ以下となるように、現在のスロットル弁５の開度に基づいてスロットル弁５の開度を減少させる目標値（以下、「目標絞り量」という）を算出する。そして、ＥＣＵ１０は、スロットル弁５を、上記目標絞り量だけ閉弁方向に制御する。

ステップＳ１０４では、図２に示したマップを参照し、燃料添加弁８から添加させる燃料添加量Ｑａｄを算出する。ここで、上記ステップＳ１０２において否定判定されていた場合には、ステップＳ１０２で取得した通過ガス量ＶＥの値を上記マップに代入して燃料添加量Ｑａｄを算出することができる。また、ステップＳ１０３においてスロットル弁５が閉弁方向に制御された場合には、当該閉弁制御された後における通過ガス量ＶＥを推定、或いは再び通過ガス量ＶＥを取得し、その値を上記マップに代入して燃料添加量Ｑａｄを算出することができる。

ステップＳ１０５では、ＥＣＵ１０が燃料添加弁８に指令を出し、ステップＳ１０４において算出された燃料添加量Ｑａｄに基づいて燃料添加制御を実行する。そして、本ステップの処理が終了すると、本ルーチンを一旦終了する。

以上のように、本制御によればエンジン１の運転状態が低流量化可能状態である場合には、通過ガス量ＶＥが当該基準ガス量ＶＥｂより多い場合であっても、スロットル弁５の開度を減少させて通過ガス量ＶＥを基準ガス量ＶＥｂ以下に低減させることができる。これにより、ＮＯｘ触媒６においてアンモニアを大量に生成し、このアンモニアを燃料と共に吸着触媒７に対して供給できる。

本実施例では添加燃料を燃料改質触媒１３において軽質化することができるので、ＮＯｘ触媒６に対して還元性の高いＨ_２やＣＯをより多く供給することが可能である。その結果、アンモニアの生成量の更なる増加とＮＯｘ触媒６から流出する排気中の酸素量の更なる低減を実現できる。また、液体の添加燃料を軽質化することによって、通過ガス量ＶＥが非常に少ない状態であっても確実に添加燃料を吸着酸化触媒７まで到達させることができる。

その結果、吸着酸化触媒７に吸着されるアンモニアの吸着量を充分に確保することが可能となり、吸着酸化触媒７におけるＮＯｘの選択還元能を好適に向上させることができる。従って、エンジン１が減速運転状態、またはアイドル運転状態から加速した際に、ＮＯｘ触媒６をすり抜けてきたＮＯｘを吸着酸化触媒７において確実に浄化させることができる。

なお、本実施例においては、エンジン１の低流量化可能状態として減速運転時、アイドル運転時を例示しているが、これに限定されるものではない。例えば、エンジン１の運転状態が低負荷〜中負荷運転状態である場合においても、上記低流量化可能状態であると判定することもできる。この場合に、エンジン１の機関負荷と通過ガス量ＶＥとの関係を実験等によって求めておき、低流量化可能状態として判定され得る機関負荷の上限値を設定しておくと好適である。そうすれば、アクセル開度センサ１２の出力値に基づいて機関負荷を検出し、その検出結果値と上記上限値との対比によって、運転状態が低流量化可能状態であるかどうかを好適に判定できる。

なお、本実施例においては、スロットル弁５の開度を減少させて通過ガス量ＶＥを減少させているが、その他の方法で通過ガス量ＶＥを減少させても良いのは勿論である。例えば、本排気浄化システムにおいて、ＮＯｘ触媒６よりも上流の排気管３を流れる排気の一部を吸気管２に再循環させる再循環装置（ＥＧＲ装置）を備えていても良い。その場合には、再循環ガス（ＥＧＲガス）を増量させることによって通過ガス量ＶＥを減少させても良い。例えば、上記ＥＧＲ装置は、燃料添加弁８の上流の排気管３および吸気管２を接続するＥＧＲ管と、ＥＧＲ管を流れる排気の流量を調節可能なＥＧＲ弁とを有している場合、ＥＧＲ弁の開度を増加させることによって通過ガス量ＶＥを減少させることができる。なお、ＥＧＲ管と排気管３とが燃料添加弁８よりも上流の部分で接続されることで、燃料添加弁８から添加された燃料が吸気管２に再循環されるのを抑制できる。

次に、本発明における第３の実施例について説明する。本実施例においては、適用対象となるエンジン１や、その他ハードウェアの基本構成については、実施例２と共通であり、その説明を割愛する。本実施例におけるＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御はエンジン１を停止させる時に実行されることを特徴とする。すなわち、エンジン１に対してエンジン停止指令が出され、燃料噴射弁９からエンジン１の気筒への燃料供給が停止される際に、ＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御を実行する。

また、本実施例においては、ＮＯｘ触媒６に吸蔵されているＮＯｘ吸蔵量Ｑｎｏｘを推定し、推定されたＮＯｘ吸蔵量Ｑｎｏｘが下限吸蔵量Ｑｎｏｘｍ以上である場合に、ＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御を実行することとした。ＮＯｘ吸蔵量Ｑｎｏｘが過度に少ない場合には、ＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御において所望される量のアンモニアを生成することが困難となるからである。下限吸蔵量Ｑｎｏｘｍとは、目標量のアンモニアを生成するために要求されるＮＯｘ吸蔵量Ｑｎｏｘである。ＮＯｘ触媒６にて生成させるアンモニアの目標量、およびこれに対応する下限吸蔵量Ｑｎｏｘｍは予め実験等によって求めておくことができる。

図５は、第二のＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御ルーチンを示したフローチャートである。本ルーチンは、エンジン１の稼働時に所定周期毎にＥＣＵ１０により実行される。

本ルーチンが実行されると、ステップＳ２０１において、エンジン１に対してエンジン停止指令が出されているか否かが判定される。具体的には、イグニッション（ＩＧ）のＯＮ／ＯＦＦを検出するイグニッションスイッチ（不図示）からの出力信号に基づき、イグニッションのＯＦＦが検出されたか否かが判定される。本ステップにおいて、肯定判定された場合（ＩＧ−ＯＦＦ）には、ステップＳ２０２に進む。一方、肯定判定された場合（ＩＧ−ＯＮ）には、本ルーチンを一旦終了する。

ステップＳ２０２では、ＮＯｘ触媒６に吸蔵されているＮＯｘ吸蔵量Ｑｎｏｘを推定し、推定されたＮＯｘ吸蔵量Ｑｎｏｘが下限吸蔵量Ｑｎｏｘｍ以上であるか否かを判定する。本ステップにおいて、肯定判定された場合（Ｑｎｏｘ≧Ｑｎｏｘｍ）には、ステップＳ２０３に進む。一方、否定判定された場合（Ｑｎｏｘ＜Ｑｎｏｘｍ）には、ＮＯｘ触媒６において目標量のアンモニアを生成することが困難であると判断されるため、本ルーチンを一旦終了する。

ステップＳ２０３では、エアフローメータ４の出力値に基づいて通過ガス量ＶＥを取得し、通過ガス量ＶＥが基準ガス量ＶＥｂ以下であるか否かが判定される。本ステップにおいて、肯定判定された場合（ＶＥ≦ＶＥｂ）には、ステップＳ２０４に進む。一方、否定判定された場合（ＶＥ＞ＶＥｂ）には、再びステップＳ２０３に戻る。すなわち、通過ガス量ＶＥが基準ガス量ＶＥｂ以下となるまでステップＳ２０３の処理が繰り返される。

ここで、上述したステップＳ２０１では、エンジン１のイグニッションのＯＦＦが検出されているため、ステップＳ２０３において取得された通過ガス量ＶＥは基準ガス量ＶＥｂ以下になっている可能性が高い。エンジン１のイグニッションがＯＦＦされる直前の運転状態としてはアイドル運転であることが多いからである。なお、ステップＳ２０３において否定判定された場合には、第一のＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御ルーチンで説明したステップＳ１０３の処理の様に、通過ガス量ＶＥが基準ガス量ＶＥｂ以下となるようにスロットル弁５を閉弁方向に制御することもできる。これにより、ステップＳ２０３の処理が肯定判定（ＶＥ≦ＶＥｂ）されるため、ステップＳ２０４に進むことになる。

ステップＳ２０４では、ステップＳ２０３で取得した通過ガス量ＶＥをパラメータとして図２に示したマップを参照し、燃料添加弁８に添加させる燃料添加量Ｑａｄを算出する。ステップＳ２０５では、ＥＣＵ１０が燃料添加弁８に指令を出し、ステップＳ２０４において算出された燃料添加量Ｑａｄに基づいて燃料添加制御を実行する。続くステップＳ２０６では、ＥＣＵ１０が燃料噴射弁９に指令信号を出力し、エンジン１への燃料の供給停止（フューエルカット）を実行させる。その結果、エンジン１が停止する。本ステップの処理が終了すると、本ルーチンを一旦終了する。

以上のように、本制御によれば、ＮＯｘ触媒６におけるＮＯｘ吸蔵量Ｑｎｏｘが下限吸蔵量Ｑｎｏｘｍ以上であるときに限りＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御が実行されるので、ＮＯｘ触媒６において目標量のアンモニアを確実に生成することができる。その結果、エンジン１が再始動された際に、ＮＯｘ触媒６をすり抜けてきたＮＯｘを吸着酸化触媒７において確実に浄化することができる。

なお、上記制御では、エンジン１のフューエルカットを実行する直前にＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御に係る燃料添加を行っているがこれらの順番を入れ替えたり、燃料添加のタイミングをその他の異なるタイミングに変更しても構わない。例えば、上述したステップＳ２０３〜Ｓ２０５までの一連の処理を行う前にステップＳ２０６の処理、エンジン１のフューエルカットを実行しても良い。この場合には、エンジン１のクランクシャフト（出力軸）が停止するまでの過渡状態や、このクランクシャフトが完全に停止した直後に燃料添加弁８からの燃料添加が行われることになる。このように、通過ガス量ＶＥが極めて低い状態（排気の流れが殆ど内状態）であっても、本実施例においては燃料添加弁８から添加された燃料を吸着酸化触媒７へと好適に供給することが可能である。これは、燃料添加弁８から添加された燃料を燃料改質触媒１３において気化膨脹させることによって、この燃料が吸着酸化触媒７に到達し易くなるからである。このように、通過ガス量ＶＥが極めて低い状況下で燃料添加制御を行う場合には、添加燃料を燃料改質触媒１３において気化膨脹させることは、極めて有効と考えられる。

なお、本実施例においては、エンジン１に対しエンジン停止指令が出されているか否かを、イグニッション（ＩＧ）のＯＮ／ＯＦＦに基づいて判定しているが、これに限定されるものではない。例えば、エンジン１が搭載される車両が、いわゆるアイドリングストップ機能を有するエコラン車や、ハイブリッド車である場合には、車両の一時停車時等にエンジン１が自動で停止される場合がある。また、ハイブリッド車においては、車両の走行中であっても、その走行条件によってエンジン１が自動で停止される場合がある。このように、エンジン１が自動停止される場合においても本発明を適用することができるのは勿論である。

実施例１におけるエンジンと、その吸排気系の概略構成を示した図である。 燃料添加制御に係る燃料添加量Ｑａｄと通過ガス量ＶＥとの関係を例示したマップである。 実施例２におけるエンジンと、その吸排気系の概略構成を示した図である。 第一のＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御ルーチンを示したフローチャートである。 第二のＮＨ_３生成・ＨＣすり抜け制御ルーチンを示したフローチャートである。

符号の説明

１・・・エンジン
２・・・吸気管
３・・・排気管
４・・・エアフローメータ
５・・・スロットル弁
６・・・吸蔵還元型ＮＯｘ触媒
７・・・吸着酸化触媒
８・・・燃料添加弁
９・・・燃料噴射弁
１０・・ＥＣＵ
１１・・クランクポジションセンサ
１２・・アクセル開度センサ
１３・・燃料改質触媒

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも下流の排気通路に設けられ、少なくとも排気中の燃料成分およびアンモニアの吸着能を有する吸着触媒と、
   当該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも上流を流れる排気に燃料を添加する燃料添加手段と、
   前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒周囲を還元雰囲気にすべく、前記燃料添加手段に燃料を添加させて当該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を低下させる制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒および前記吸着触媒を通過する通過ガス量が基準ガス量以下であるときに、当該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒においてアンモニアが生成され、且つ燃料の少なくとも一部が当該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒からすり抜けるように前記燃料添加手段に燃料を添加させる制御を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記通過ガス量を変更可能なガス量変更手段を、さらに備え、
   前記制御手段は、前記内燃機関の運転状態が前記通過ガス量を前記基準ガス量以下に低減できる所定の低流量化可能状態であり、且つ当該通過ガス量が当該基準ガス量より多い場合に、前記ガス量変更手段に当該通過ガス量を当該基準ガス量以下まで低減させて前記制御を実行す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システム。
3. 前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも上流の排気通路に排気中の燃料成分を改質する改質触媒が備えられ、且つ前記燃料添加手段は当該改質触媒よりも上流を流れる排気に燃料を添加することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
4. 前記制御手段は、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘ吸蔵量が目標量のアンモニアを生成するために要求される量以上である場合に、前記制御を実行することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化システム。
5. 前記制御手段が前記制御を実行する場合に、前記通過ガス量が前記基準ガス量より多いときと比較して、前記排気の空燃比が低くなるように前記燃料添加手段に燃料を添加させることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化システム。
   

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