JP2009264285A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、活性酸素を使用して排気ガス中の有害成分を浄化可能な内燃機関の排気ガス浄化装置において、活性酸素使用量を節減しつつ、優れた浄化性能を得ることを目的とする。
【解決手段】本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置は、内燃機関１０の排気通路１５に配置され、排気ガス中の未燃成分を酸化させる機能を有する酸化触媒２０と、酸化触媒２０の下流側に設置され、排気ガス中のＮＯｘを浄化する機能を有するＮＯｘ触媒２１と、酸化触媒２０とＮＯｘ触媒２１との間に活性酸素を供給する活性酸素供給装置２７と、酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１の温度に関する情報を取得する温度情報取得手段と、この情報に基づいて、活性酸素供給装置２７による活性酸素の供給を制御する制御手段と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置は、内燃機関１０の排気通路１５に配置され、排気ガス中の未燃成分を酸化させる機能を有する酸化触媒２０と、酸化触媒２０の下流側に設置され、排気ガス中のＮＯｘを浄化する機能を有するＮＯｘ触媒２１と、酸化触媒２０とＮＯｘ触媒２１との間に活性酸素を供給する活性酸素供給装置２７と、酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１の温度に関する情報を取得する温度情報取得手段と、この情報に基づいて、活性酸素供給装置２７による活性酸素の供給を制御する制御手段と、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する。
内燃機関の排気ガス中の有害成分を浄化するため、排気通路に触媒を設置する技術が広く用いられている。排気浄化触媒の活性は、ある温度以上にならないと発現しない。つまり、触媒の温度が低いときには、排気ガスを触媒で十分に浄化することができない。このため、エンジン始動直後などの触媒低温時において有害成分の排出を抑制することが重要な課題として残されている。
特開２００７−２８９８４４号公報には、排気通路内に配置された酸化触媒と、この酸化触媒の下流側に配置され、ＰＭ(Particulate Matter)を捕集するフィルタと、このＰＭフィルタの下流側の排気通路内に配置されたＮＯｘ触媒と、ＰＭフィルタとＮＯｘ触媒との間にオゾンを供給可能なオゾン供給手段とを備えた排気浄化装置が開示されている。この装置によれば、オゾンを用いてＰＭを酸化除去する際に、オゾンを効率的に使用することができる、とされている。
オゾン等の活性酸素は、酸化力が非常に高い。この活性酸素を利用することによって、触媒低温時における有害成分の排出を抑制することが考えられる。しかしながら、活性酸素を生成するためには、電力が必要である。このため、燃費の悪化を抑制するためには、活性酸素を無駄なく効率的に使用することが重要である。
上記従来の公報に記載された技術では、ＰＭフィルタに蓄積したＰＭを酸化除去する目的でオゾンを効率的に使用することに焦点が当てられている。その一方で、触媒低温時における有害成分の排出抑制については十分に考慮されていない。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、活性酸素を使用して排気ガス中の有害成分を浄化可能な内燃機関の排気ガス浄化装置において、活性酸素使用量を節減しつつ、優れた浄化性能を得ることができる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
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、排気ガス中の未燃成分を酸化させる機能を有する酸化触媒と、
前記酸化触媒の下流側に設置され、排気ガス中のＮＯｘを浄化する機能を有するＮＯｘ触媒と、
前記酸化触媒と前記ＮＯｘ触媒との間に活性酸素を供給する活性酸素供給装置と、
前記酸化触媒および前記ＮＯｘ触媒の温度に関する情報を取得する温度情報取得手段と、
前記情報に基づいて、前記活性酸素供給装置による活性酸素の供給を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記情報に基づいて、前記酸化触媒および前記ＮＯｘ触媒の温度が、所定の低温領域、中温領域および高温領域のうちの何れにあるかを判定する触媒温度判定手段と、
前記中温領域にあると判定された場合に前記ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度が、前記低温領域にあると判定された場合に前記ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度より高くなるように、活性酸素供給量を制御する活性酸素量制御手段と、
を含むことを特徴とする。
内燃機関の排気通路に配置され、排気ガス中の未燃成分を酸化させる機能を有する酸化触媒と、
前記酸化触媒の下流側に設置され、排気ガス中のＮＯｘを浄化する機能を有するＮＯｘ触媒と、
前記酸化触媒と前記ＮＯｘ触媒との間に活性酸素を供給する活性酸素供給装置と、
前記酸化触媒および前記ＮＯｘ触媒の温度に関する情報を取得する温度情報取得手段と、
前記情報に基づいて、前記活性酸素供給装置による活性酸素の供給を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記情報に基づいて、前記酸化触媒および前記ＮＯｘ触媒の温度が、所定の低温領域、中温領域および高温領域のうちの何れにあるかを判定する触媒温度判定手段と、
前記中温領域にあると判定された場合に前記ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度が、前記低温領域にあると判定された場合に前記ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度より高くなるように、活性酸素供給量を制御する活性酸素量制御手段と、
を含むことを特徴とする。
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記制御手段は、
前記低温領域にあると判定された場合に、排気ガス中のＮＯｘを浄化するために必要な量の活性酸素と、排気ガス中のＨＣを浄化するために必要な量の活性酸素とを、前記活性酸素供給装置により供給させる低温時活性酸素量制御手段と、
前記中温領域にあると判定された場合に、排気ガス中のＮＯｘを浄化するために必要な量の活性酸素と、排気ガス中のＨＣの一部を浄化するために必要な量の活性酸素とを、前記活性酸素供給装置により供給させる中温時活性酸素量制御手段と、
を含むことを特徴とする。
前記制御手段は、
前記低温領域にあると判定された場合に、排気ガス中のＮＯｘを浄化するために必要な量の活性酸素と、排気ガス中のＨＣを浄化するために必要な量の活性酸素とを、前記活性酸素供給装置により供給させる低温時活性酸素量制御手段と、
前記中温領域にあると判定された場合に、排気ガス中のＮＯｘを浄化するために必要な量の活性酸素と、排気ガス中のＨＣの一部を浄化するために必要な量の活性酸素とを、前記活性酸素供給装置により供給させる中温時活性酸素量制御手段と、
を含むことを特徴とする。
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記制御手段は、前記高温領域にあると判定された場合に、活性酸素の供給を抑制する供給抑制手段を含むことを特徴とする。
前記制御手段は、前記高温領域にあると判定された場合に、活性酸素の供給を抑制する供給抑制手段を含むことを特徴とする。
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記低温領域は、前記酸化触媒および前記ＮＯｘ触媒の活性が発現していない温度領域に対応し、前記中温領域は、前記酸化触媒および前記ＮＯｘ触媒の活性が発現し始める温度から、それらが十分に活性化するまでの温度に対応し、前記高温領域は、前記中温領域を超える温度領域に対応することを特徴とする。
前記低温領域は、前記酸化触媒および前記ＮＯｘ触媒の活性が発現していない温度領域に対応し、前記中温領域は、前記酸化触媒および前記ＮＯｘ触媒の活性が発現し始める温度から、それらが十分に活性化するまでの温度に対応し、前記高温領域は、前記中温領域を超える温度領域に対応することを特徴とする。
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記排気通路を流れる排気ガスの流速を算出する排気ガス流速算出手段と、
前記排気ガス流速が所定値を超える場合に、活性酸素の供給を抑制する手段と、
を備えることを特徴とする。
前記排気通路を流れる排気ガスの流速を算出する排気ガス流速算出手段と、
前記排気ガス流速が所定値を超える場合に、活性酸素の供給を抑制する手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、
前記活性酸素供給装置は、活性酸素としてオゾンを供給することを特徴とする。
前記活性酸素供給装置は、活性酸素としてオゾンを供給することを特徴とする。
第１の発明によれば、酸化触媒とＮＯｘ触媒との間に活性酸素を供給することができる。これにより、活性酸素を用いてＨＣやＮＯｘの浄化を促進することができる。このため、触媒低温時であっても、ＨＣやＮＯｘが大気中へ放出されることを確実に抑制することができる。また、第１の発明によれば、活性酸素の供給を、酸化触媒およびＮＯｘ触媒の温度に応じて制御することができる。これにより、活性酸素の過不足を防止することができる。このため、優れた浄化性能を実現しつつ、活性酸素使用量の節減することができるので、活性酸素生成に要する電力を低減することができる。更に、第１の発明によれば、中温領域においてＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度が、低温領域においてＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度より高くなるように、活性酸素供給量を制御することができる。低温領域においては、ＮＯｘ触媒に流入するＨＣがゼロに近いほど、ＮＯｘ浄化率は高くなる。これに対し、中温領域においては、ＮＯｘ浄化率が最大となるような、ＮＯｘ触媒へのＨＣ流入量の最適値が存在する。よって、第１の発明によれば、ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度を上記のように制御することにより、低温領域と中温領域との双方において、ＮＯｘ浄化率を更に高くすることができるとともに、活性酸素をより効率的に利用することができる。
第２の発明によれば、低温領域においては、排気ガス中のＮＯｘを浄化するために必要な量の活性酸素と、排気ガス中のＨＣを浄化するために必要な量の活性酸素とを供給し、中温領域においては、排気ガス中のＮＯｘを浄化するために必要な量の活性酸素と、排気ガス中のＨＣの一部を浄化するために必要な量の活性酸素と供給することができる。低温領域においては、ＮＯｘ触媒に流入するＨＣがゼロに近いほど、ＮＯｘ浄化率は高くなる。これに対し、中温領域においては、ＮＯｘ浄化率が最大となるような、ＮＯｘ触媒へのＨＣ流入量の最適値が存在する。上記のような第２の発明の制御によれば、中温領域においてＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度を、低温領域においてＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度より高くすることができる。このため、低温領域と中温領域との双方において、ＮＯｘ浄化率を更に高くすることができるとともに、活性酸素をより効率的に利用することができる。
第３の発明によれば、高温領域にある場合に、活性酸素の供給を抑制することができる。高温領域になると、活性酸素は、熱分解し易い。このため、活性酸素を供給しても、浄化性能の向上効果は薄い。また、高温領域では、酸化触媒およびＮＯｘ触媒が十分に活性化するので、活性酸素を供給しなくても、ＨＣやＮＯｘを十分に浄化することができる。第３の発明によれば、このような場合に活性酸素の供給を抑制することにより、活性酸素の使用量を節減することができる。このため、燃費の改善が図れる。
第４の発明によれば、低温領域は、酸化触媒およびＮＯｘ触媒の活性が発現していない温度領域に対応し、中温領域は、酸化触媒およびＮＯｘ触媒の活性が発現し始める温度から、それらが十分に活性化するまでの温度に対応し、高温領域は、中温領域を超える温度領域に対応する。これにより、各温度領域を適切に設定することができるので、活性酸素をより効率的に使用することができる。
第５の発明によれば、排気ガス流速が所定値を超える場合に、活性酸素の供給を抑制することができる。加速時などにおいて排気ガス流速が速くなった状態では、活性酸素がＮＯｘ触媒に到達するまでに、ＮＯと十分に反応する時間がない。このため、活性酸素によるＮＯｘ浄化促進効果が薄くなる。そのような場合に、活性酸素の供給を抑制することにより、活性酸素が無駄に供給されることを防止することができる。よって、活性酸素の生成に消費される電力を節減することができ、燃費の改善が図れる。
第６の発明によれば、活性酸素としてオゾンを用いることにより、上記効果をより顕著に発揮させることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。本実施形態において、内燃機関１０は、４つの気筒１３を備えた４気筒型の圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。本実施形態の内燃機関１０は、ターボチャージャ１９を備えている。ターボチャージャ１９のコンプレッサにより圧縮された吸入空気は、吸気マニホールド１１を介して各気筒１３に流入する。各気筒１３には、それぞれ、筒内に直接に燃料を噴射する燃料インジェクタ１４が設けられている。各燃料インジェクタ１４には、コモンレール１８に蓄えられた高圧の燃料が供給される。図示しない燃料タンク内の燃料は、サプライポンプ１７により加圧され、コモンレール１８に供給される。各気筒１３から排出される排気ガスは、排気マニホールド１２で合流し、ターボチャージャ１９のタービンに流入する。タービンを通過した排気ガスは、排気通路１５を流れる。
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。本実施形態において、内燃機関１０は、４つの気筒１３を備えた４気筒型の圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。本実施形態の内燃機関１０は、ターボチャージャ１９を備えている。ターボチャージャ１９のコンプレッサにより圧縮された吸入空気は、吸気マニホールド１１を介して各気筒１３に流入する。各気筒１３には、それぞれ、筒内に直接に燃料を噴射する燃料インジェクタ１４が設けられている。各燃料インジェクタ１４には、コモンレール１８に蓄えられた高圧の燃料が供給される。図示しない燃料タンク内の燃料は、サプライポンプ１７により加圧され、コモンレール１８に供給される。各気筒１３から排出される排気ガスは、排気マニホールド１２で合流し、ターボチャージャ１９のタービンに流入する。タービンを通過した排気ガスは、排気通路１５を流れる。
排気通路１５には、内燃機関１０に近い側から、酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１がこの順で設置されている。酸化触媒２０とＮＯｘ触媒２１との間には、オゾン供給ノズル２２が設置されている。オゾン供給ノズル２２には、複数のオゾン供給口２３が設けられている。オゾン供給ノズル２２には、オゾン供給通路２４を介して、オゾン発生器２５が接続されている。図示の構成では、オゾン供給ノズル２２は、ＮＯｘ触媒２１と共通のケーシング２６の内部であって、ＮＯｘ触媒２１の前方側（上流側）に配置されている。本実施形態では、上述したオゾン発生器２５、オゾン供給通路２４およびオゾン供給ノズル２２により、オゾン供給装置２７が構成されている。
オゾン発生器２５としては、高電圧を印加可能な放電管内に、原料となる乾燥した空気または酸素を流しつつオゾンを発生させる形態や、他の任意の形式のものを用いることができる。ここで原料となる乾燥した空気または酸素は、排気通路１５外から取り込まれる気体、例えば外気に含まれる気体である。
上述したようなオゾン供給装置２７によれば、オゾン発生器２５によってオゾン（Ｏ3）を生成させ、このオゾンをオゾン供給ノズル２２のオゾン供給口２３から噴射することができる。これにより、酸化触媒２０とＮＯｘ触媒２１との間において、排気ガス中にオゾンを添加することができる。
酸化触媒２０は、排気ガス中の未燃燃料成分である炭化水素（以下「ＨＣ」と記す）をＯ2と反応させてＣＯ2，Ｈ2Ｏ等とすることにより、ＨＣを浄化する機能を有している。この酸化触媒２０の触媒成分としては、例えばＰｔ／ＣｅＯ2、Ｍｎ／ＣｅＯ2、Ｆｅ／ＣｅＯ2、Ｎｉ／ＣｅＯ2、Ｃｕ／ＣｅＯ2等を用いることができる。
本実施形態のＮＯｘ触媒２１は、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒（ＮＳＲ: NOx Storage Reduction）である。ＮＯｘ触媒２１の触媒成分は、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の表面に、白金Ｐｔ等の貴金属と、ＮＯｘ吸蔵材とが担持された構成となっている。ＮＯｘ吸蔵材としては、例えば、カリウムＫ、ナトリウムＮａ，リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれる少なくとも一つを用いることができる。本実施形態のＮＯｘ触媒２１では、図２に示すように、貴金属としてＰｔが、ＮＯｘ吸蔵材としてＢａが、それぞれ用いられている。なお、本明細書において、「吸蔵」という用語には、「保持」、「吸着」、「吸収」等に類似するすべての概念が含まれるものとする。
本実施形態では、酸化触媒２０とＮＯｘ触媒２１との間には、他の触媒等は設けられておらず、両者は互いに近い距離に配置されている。このため、酸化触媒２０の温度とＮＯｘ触媒２１の温度とは、ほぼ同程度になる。図示の構成では、酸化触媒２０とＮＯｘ触媒２１とは、別々のケーシングに収容されているが、共通のケーシングに収容されていてもよい。
本実施形態のシステムは、酸化触媒２０の温度（床温）を検出する温度センサ２８と、ＮＯｘ触媒２１の温度（床温）を検出する温度センサ２９と、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０とを更に備えている。ＥＣＵ５０には、前述した燃料インジェクタ１４、オゾン発生器２５、温度センサ２８，２９のほか、クランク角センサ４６、エアフローメータ４７、アクセルポジションセンサ４８等の、内燃機関１０を制御するための各種のセンサおよびアクチュエータが電気的に接続されている。
ＮＯｘ触媒２１の吸蔵材は、硝酸塩（本実施形態ではＢａ（ＮＯ3）2）を形成することにより、ＮＯｘ（窒素酸化物）を吸収する。吸蔵材は、ＮＯｘのうち、ＮＯ2，ＮＯ3を良好に吸収することができる。一方、排気ガス中に元々含まれるＮＯｘの多くは、ＮＯ（一酸化窒素）である。ＮＯは、そのままでは、吸蔵材に吸収させることができない。そこで、通常は、ＮＯｘ触媒２１では、貴金属（本実施形態では白金Ｐｔ）が触媒となることにより、排気ガス中のＮＯと酸素Ｏ2とが反応してＮＯ2が生成され、このＮＯ2を吸蔵材に吸収させるようにしている。
しかしながら、貴金属触媒の活性は、ある温度以上（例えば２００℃以上）にならないと、発現しない。よって、内燃機関１０の始動直後など、ＮＯｘ触媒２１の温度が低いときには、ＮＯが貴金属触媒によってＮＯ2に酸化されないので、ＮＯｘを吸蔵することができない。
また、酸化触媒２０も、ある温度以上（例えば２００℃以上）にならないと、その活性が発現せず、ＨＣを酸化させて浄化することができない。
本実施形態では、酸化触媒２０やＮＯｘ触媒２１の温度が低い状態のときに、ＨＣやＮＯｘが大気中に放出されることを抑制するため、オゾン供給装置２７によりオゾンを供給し、これを排気ガス中に添加することとした。オゾンは、高い酸化力を有している。このため、ＮＯｘやＨＣと、オゾンとは、室温程度の低温から、気相中で反応することができる。ＨＣは、オゾンと反応することにより、ＣＯ2やＨ2Ｏへと浄化される。
図２は、ＮＯｘ触媒２１が低温状態にあるときにオゾンを供給した場合においてＮＯｘが浄化（吸収）される様子を示す図である。オゾンが供給されると、排気ガス中のＮＯは、オゾンと反応することにより、ＮＯ2やＮＯ3へと転換される。吸蔵材Ｂａは、室温程度の低温から、ＮＯ2やＮＯ3を十分に吸収して、硝酸塩を形成することができる。このため、ＮＯｘ触媒２１の活性が発現していない状態であっても、オゾンを供給することにより、ＮＯｘを吸蔵材に吸収させることができ、大気中へのＮＯｘの放出を抑制することができる。
ＮＯｘ触媒２１の温度が、ある温度以上（例えば２００℃以上）になると、触媒活性が発現し始め、排気ガス中のＮＯと酸素Ｏ2とを反応させてＮＯ2に転換することができるようになる。しかしながら、ＮＯｘ触媒２１の温度が十分に高い温度（例えば３００℃）になるまでは、触媒活性が十分でないため、排気ガス中のＮＯの全部を触媒によってＮＯ2に転換することはできない。このため、オゾンを供給しないと、一部のＮＯは、ＮＯｘ触媒２１をすり抜けてしまう。そこで、本実施形態では、ＮＯｘ触媒２１の温度が、活性発現温度（例えば２００℃）を超えた後も、十分に活性化する温度（例えば３００℃）に到達するまでは、オゾンの供給を継続することとした。
図３は、ＮＯｘ触媒２１が中温状態（触媒活性が発現しているが、活性化が十分ではない状態）にあるときにオゾンを供給した場合においてＮＯｘが浄化される様子を示す図である。ＮＯｘ触媒２１が中温状態にある場合には、Ｐｔ触媒の活性が一部発現している。このため、図３に示すように、排気ガス中の一部のＮＯについては、Ｐｔ触媒により酸素Ｏ2と反応させてＮＯ2に転換させ、吸蔵材に吸収させることができる。一方、Ｐｔ触媒によって処理し切れない分のＮＯについては、気相中でオゾンと反応させてＮＯ2やＮＯ3へ転換することにより、吸蔵材に吸収させることができる。
また、本発明者らの知見によれば、ＮＯｘ触媒２１が中温状態にあるときにオゾンを供給することによってＮＯｘの吸蔵を促進している場合において、ＨＣが共存すると、ＨＣによるＮＯｘの選択還元反応が並行して生ずることが確認されている。すなわち、図３に示すように、ＨＣが共存した場合には、ＮＯｘがＨＣにより還元されてＮ2，ＣＯ2，Ｈ2Ｏへと浄化される反応が、ＮＯｘの吸蔵反応と並行して起こる。このため、ＮＯｘ浄化率を更に高めることができる。
一方、本発明者らの知見によれば、ＮＯｘ触媒２１が低温状態にあるときにオゾンを供給することによってＮＯｘの吸蔵を促進している場合においては、ＨＣが共存しない方が良い。図４は、ＮＯｘ触媒２１が低温状態にあるときの、ＨＣ共存量とＮＯｘ浄化率との関係を示すグラフである。図４に示すように、ＮＯｘ触媒２１が低温状態にあるときには、ＨＣ共存量がゼロである場合にＮＯｘ浄化率は最大になる。そして、ＨＣ共存量が多くなるほどＮＯｘ浄化率は低下する。この理由は、次のようなものであると考えられる。ＮＯｘ触媒２１が低温状態、つまり活性が発現していない状態では、ＨＣが存在しても、上述したような選択還元反応は起こらない。その一方で、ＨＣが存在すると、ＨＣと反応することによってオゾンが消費されるので、その分だけ、オゾンとＮＯとの反応量が減少する。その結果、ＮＯｘの吸収量が減少し、ＮＯｘ浄化率が低下するものと考えられる。
これに対し、ＮＯｘ触媒２１が中温状態にあるときには、ある程度の量のＨＣが共存した場合の方が、ＮＯｘ浄化率を高めることができる。図５は、ＮＯｘ触媒２１が中温状態にあるときの、ＨＣ共存量とＮＯｘ浄化率との関係を示すグラフである。図５に示すように、ＮＯｘ触媒２１が中温状態であるときには、ＮＯｘ浄化率を最大にするような、ＨＣ共存量の最適値が存在する。これは、上述したように、ＨＣが存在する場合には、ＨＣによるＮＯｘの選択還元反応が、ＮＯｘ吸蔵反応と並行して起こるためであると考えられる。そして、ＨＣ共存量が上記最適値より多くなると、ＮＯｘ浄化率は徐々に低下する。これは、上記低温状態の場合と同様に、ＨＣによってオゾンが消費される結果、ＮＯｘの吸収量が減少するためであると考えられる。
以上説明した事項に鑑みて、本システムでは、オゾン供給装置２７による排気ガス中へのオゾン添加量を次のように制御することとした。図６は、酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１の温度と、オゾン添加量との関係を示す図である。以下、図６を参照して、本実施形態におけるオゾン供給制御について説明する。
（低温領域）
酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１の温度が低温領域（触媒活性が発現しない領域）にある場合には、ＨＣを浄化するために必要な量のオゾンと、ＮＯｘを浄化（吸収）するために必要な量のオゾンとを、オゾン供給装置２７により供給する。酸化触媒２０の活性が発現していない低温領域では、酸化触媒２０でＨＣを浄化することができない。その一方で、ＮＯｘ浄化率は、ＮＯｘ触媒２１中のＨＣ量がゼロに近いほど、大きくなる。そこで、上記の「ＨＣを浄化するために必要な量のオゾン」とは、好ましくは、ＨＣをほぼ全部除去することができるようなオゾン量に設定される。
酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１の温度が低温領域（触媒活性が発現しない領域）にある場合には、ＨＣを浄化するために必要な量のオゾンと、ＮＯｘを浄化（吸収）するために必要な量のオゾンとを、オゾン供給装置２７により供給する。酸化触媒２０の活性が発現していない低温領域では、酸化触媒２０でＨＣを浄化することができない。その一方で、ＮＯｘ浄化率は、ＮＯｘ触媒２１中のＨＣ量がゼロに近いほど、大きくなる。そこで、上記の「ＨＣを浄化するために必要な量のオゾン」とは、好ましくは、ＨＣをほぼ全部除去することができるようなオゾン量に設定される。
（中温領域）
酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１の温度が中温領域（触媒活性が発現し始める温度から、活性化が十分となる温度までの領域）にある場合には、ＨＣを一部浄化するために必要な量のオゾンと、ＮＯｘを浄化（吸収）するために必要な量のオゾンとを、オゾン供給装置２７により供給する。酸化触媒２０の活性が発現し始めている中温領域では、酸化触媒２０で一部のＨＣが浄化される。一方、前述したように、ＮＯｘ触媒２１においては、ＮＯｘ浄化率が最大となるような、ＨＣ共存量の最適値が存在する。このため、オゾンによってＨＣを完全に除去するのではなく、ＮＯｘ触媒２１に最適な量のＨＣを流入させることが最も望ましい。そこで、上記の「ＨＣを一部浄化するために必要な量のオゾン」とは、酸化触媒２０で浄化される分のＨＣと、ＮＯｘ触媒２１に流入させるべき最適な量のＨＣとを除いた残りのＨＣを浄化することができるようなオゾン量に設定される。また、ＮＯｘ触媒２１の活性が一部発現している中温領域では、前述したように、一部のＮＯについては、Ｐｔ触媒によってＮＯ2に転換させて、吸蔵材に吸収させることができる。このため、ＮＯｘを浄化するために必要なオゾンの量は、低温領域のときと比べて、少なくて済む。以上のことに鑑みて、中温領域では、図６に示すように、低温領域と比べ、オゾン供給量は少なくされる。
酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１の温度が中温領域（触媒活性が発現し始める温度から、活性化が十分となる温度までの領域）にある場合には、ＨＣを一部浄化するために必要な量のオゾンと、ＮＯｘを浄化（吸収）するために必要な量のオゾンとを、オゾン供給装置２７により供給する。酸化触媒２０の活性が発現し始めている中温領域では、酸化触媒２０で一部のＨＣが浄化される。一方、前述したように、ＮＯｘ触媒２１においては、ＮＯｘ浄化率が最大となるような、ＨＣ共存量の最適値が存在する。このため、オゾンによってＨＣを完全に除去するのではなく、ＮＯｘ触媒２１に最適な量のＨＣを流入させることが最も望ましい。そこで、上記の「ＨＣを一部浄化するために必要な量のオゾン」とは、酸化触媒２０で浄化される分のＨＣと、ＮＯｘ触媒２１に流入させるべき最適な量のＨＣとを除いた残りのＨＣを浄化することができるようなオゾン量に設定される。また、ＮＯｘ触媒２１の活性が一部発現している中温領域では、前述したように、一部のＮＯについては、Ｐｔ触媒によってＮＯ2に転換させて、吸蔵材に吸収させることができる。このため、ＮＯｘを浄化するために必要なオゾンの量は、低温領域のときと比べて、少なくて済む。以上のことに鑑みて、中温領域では、図６に示すように、低温領域と比べ、オゾン供給量は少なくされる。
（高温領域）
酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１の温度が高温領域（触媒の活性化が十分となる温度以上の領域）にある場合には、オゾン供給装置２７によるオゾンの供給を停止する。高温領域（例えば３００℃以上）になると、オゾンは、熱分解し易い。このため、オゾンを供給しても、その効果は薄い。また、触媒が十分に活性化する高温領域では、ＨＣおよびＮＯｘは、それぞれ、酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１において十分に浄化することができる。よって、オゾンを供給する必要性も少ない。そこで、高温領域では、オゾンの供給を停止することとした。これにより、高温領域では、オゾン供給装置２７に電力が消費されることがないため、燃費の改善が図れる。
酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１の温度が高温領域（触媒の活性化が十分となる温度以上の領域）にある場合には、オゾン供給装置２７によるオゾンの供給を停止する。高温領域（例えば３００℃以上）になると、オゾンは、熱分解し易い。このため、オゾンを供給しても、その効果は薄い。また、触媒が十分に活性化する高温領域では、ＨＣおよびＮＯｘは、それぞれ、酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１において十分に浄化することができる。よって、オゾンを供給する必要性も少ない。そこで、高温領域では、オゾンの供給を停止することとした。これにより、高温領域では、オゾン供給装置２７に電力が消費されることがないため、燃費の改善が図れる。
［実施の形態１における具体的処理］
図７は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図７に示すルーチンによれば、まず、酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１の温度が、低温領域（例えば２００℃未満）、中温領域（例えば２００℃〜３００℃）、高温領域（例えば３００℃以上）のうちの何れにあるかが判別される（ステップ１００）。本実施形態では、このステップ１００の判断は、温度センサ２８および２９の出力に基づいてなされる。なお、本実施形態では、酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１の両方に温度センサを設けているが、本発明では、酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１の何れかに設けた温度センサの出力に基づいてこのステップ１００の判断を行ってもよい。また、本発明では、温度センサによらず、内燃機関１０の運転状態（エンジン回転数、負荷、排気ガス温度等）に基づいて酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１の温度を推定することにより、ステップ１００の判断を行うようにしてもよい。
図７は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図７に示すルーチンによれば、まず、酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１の温度が、低温領域（例えば２００℃未満）、中温領域（例えば２００℃〜３００℃）、高温領域（例えば３００℃以上）のうちの何れにあるかが判別される（ステップ１００）。本実施形態では、このステップ１００の判断は、温度センサ２８および２９の出力に基づいてなされる。なお、本実施形態では、酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１の両方に温度センサを設けているが、本発明では、酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１の何れかに設けた温度センサの出力に基づいてこのステップ１００の判断を行ってもよい。また、本発明では、温度センサによらず、内燃機関１０の運転状態（エンジン回転数、負荷、排気ガス温度等）に基づいて酸化触媒２０およびＮＯｘ触媒２１の温度を推定することにより、ステップ１００の判断を行うようにしてもよい。
上記ステップ１００で、低温領域であると判別された場合には、次に、ＨＣを浄化するために必要なオゾンの量が算出される（ステップ１０２）。本実施形態において、ＥＣＵ５０には、内燃機関１０の運転状態（エンジン回転数、負荷、冷却水温等）と、排気ガス中のＨＣ量との関係を予め調べて作成されたＨＣ排出量マップが記憶されている。このステップ１０２では、まず、そのＨＣ排出量マップに基づいて、内燃機関１０から排出されるＨＣ量が算出される。次いで、そのＨＣ量に基づいて、これと反応させるために添加することが必要なオゾンの量が所定の計算方法により算出される。
上記ステップ１０２の処理に続いて、ＮＯｘを浄化（吸収）するために必要なオゾンの量が算出される（ステップ１０４）。本実施形態において、ＥＣＵ５０には、内燃機関１０の運転状態（エンジン回転数、負荷、冷却水温等）と、排気ガス中のＮＯｘ量との関係を予め調べて作成されたＮＯｘ排出量マップが記憶されている。このステップ１０４では、まず、そのＮＯｘ排出量マップに基づいて、内燃機関１０から排出されるＮＯｘ量が算出される。次いで、そのＮＯｘ量に基づいて、これと反応させるために添加することが必要なオゾンの量が所定の計算方法により算出される。
ＨＣを浄化するために必要なオゾンの量が上記ステップ１０２で算出され、ＮＯｘを浄化するために必要なオゾンの量が上記ステップ１０４で算出されると、それらを合計した量のオゾンが排気ガス中に添加されるように、オゾン供給装置２７を駆動する制御が実行される（ステップ１０６）。
一方、上記ステップ１００で、中温領域であると判別された場合には、次に、ＨＣを一部浄化するために必要なオゾンの量が算出される（ステップ１０８）。本実施形態において、ＥＣＵ５０には、酸化触媒２０の温度と、酸化触媒２０でのＨＣ浄化率との関係を予め調べて作成されたＨＣ浄化率マップと、ＮＯｘ触媒２１への最適なＨＣ流入量（ＮＯｘ浄化率が最大となるようなＨＣ流入量）とが記憶されている。このステップ１０８では、まず、前述したＨＣ排出量マップに基づいて、内燃機関１０からのＨＣ排出量が算出される。次いで、上記ＨＣ浄化率マップに基づいて算出される酸化触媒２０でのＨＣ浄化量と、ＮＯｘ触媒２１への最適なＨＣ流入量とを、上記ＨＣ排出量から差し引くことにより、オゾンによって浄化するべきＨＣ量が算出される。そして、その量のＨＣと反応させるために添加することが必要なオゾンの量が所定の計算方法により算出される。
上記ステップ１０８の処理に続いて、ＮＯｘを浄化（吸収）するために必要なオゾンの量が算出される（ステップ１１０）。本実施形態において、ＥＣＵ５０には、ＮＯｘ触媒２１の温度と、その温度の下でオゾンを用いずに浄化可能なＮＯｘ浄化率との関係を予め調べて作成されたマップが記憶されている。ステップ１１０では、まず、そのマップに基づいて、オゾンを用いずに浄化可能なＮＯｘ量が算出される。次いで、前述したＮＯｘ排出量マップに基づいて算出されるＮＯｘ排出量から、オゾンを用いずに浄化可能なＮＯｘ量を差し引くことにより、オゾンによって浄化するべきＮＯｘ量が算出される。そして、その量のＮＯｘと反応させるために添加することが必要なオゾンの量が所定の計算方法により算出される。
ＨＣを一部浄化するために必要なオゾンの量が上記ステップ１０８で算出され、ＮＯｘを浄化するために必要なオゾンの量が上記ステップ１１０で算出されると、それらを合計した量のオゾンが排気ガス中に添加されるように、オゾン供給装置２７を駆動する制御が実行される（ステップ１１２）。
また、上記ステップ１００で、高温領域であると判別された場合には、オゾン供給装置２７を停止させることにより、排気ガス中へのオゾン添加が停止される（ステップ１１４）。
以上説明したように、本実施形態によれば、酸化触媒２０やＮＯｘ触媒２１の温度が、活性が発現していない低温領域や、活性化が十分でない中温領域にある場合であっても、オゾン供給装置２７によってオゾンを排気ガス中に添加することにより、ＨＣやＮＯｘを十分に浄化することができる。このため、内燃機関１０の始動直後など、酸化触媒２０やＮＯｘ触媒２１の温度が十分に上昇していない場合であっても、ＨＣやＮＯｘを大気中へ放出することを確実に抑制することができる。
また、酸化触媒２０やＮＯｘ触媒２１の温度に応じてオゾン供給量や供給停止を制御することにより、オゾンを無駄なく効率的に利用することができる。このため、オゾンの生成に消費される電力を抑制することができ、燃費を改善することができる。
更に、本実施形態では、中温領域のときにＮＯｘ触媒２１に流入するＨＣ量（ＨＣ濃度）が、低温領域のときにＮＯｘ触媒２１に流入するＨＣ量（ＨＣ濃度）より高くなるように、オゾンの供給を制御している。これにより、低温領域、中温領域のそれぞれにおいて、ＮＯｘ浄化率を更に高めることができる。
なお、本実施形態では、内燃機関１０が圧縮着火式であるものとして説明したが、本発明は、火花点火式の内燃機関にも適用可能である。
また、本実施形態のオゾン供給装置２７では、オゾン発生器２５により生成されたオゾンをそのまま排気通路１５内に供給するように構成されているが、本発明では、オゾンを予め生成、貯留しておき、その貯留されたオゾンを必要時に排気通路１５内に供給するようにしてもよい。
また、本実施形態では、高温領域においてオゾンの供給を停止するようにしているが、本発明では、高温領域においてオゾンの供給を完全に停止せず、オゾン供給量を低下させるだけにしてもよい。
また、本実施形態では、活性酸素としてオゾンを排気ガス中に添加しているが、本発明では、オゾンに代えて、他の種類の活性酸素（例えば、Ｏ-，Ｏ2-，Ｏ2 -，Ｏ3 -，Ｏn -等で表される酸素マイナスイオン）を排気ガス中に添加するようにしてもよい。
また、本実施形態では、ＮＯｘ触媒２１が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であるものとして説明したが、本発明では、ＮＯｘ触媒２１が選択還元型のＮＯｘ触媒（ＳＣＲ: Selective Catalytic Reduction）である場合にも適用可能である。選択還元型ＮＯｘ触媒としては、例えば、ゼオライトの表面にＦｅを担持したものなどを好ましく用いることができる。選択還元型ＮＯｘ触媒の場合には、尿素等の還元剤が好ましく使用される。選択還元型ＮＯｘ触媒においては、ＮＯの量とＮＯ2の量との比が１：１である場合に、最良の浄化率が得られる。そこで、選択還元型ＮＯｘ触媒の場合には、低温領域あるいは中温領域において、その内部のＮＯの量とＮＯ2の量との比が１：１となるように、活性酸素供給量を制御することが好ましい。
上述した実施の形態１においては、オゾン供給装置２７が前記第１の発明における「活性酸素供給装置」に、温度センサ２８および２９が前記第１の発明における「温度情報取得手段」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、図７に示すルーチンの処理を実行することにより前記第１の発明における「制御手段」が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第１の発明における「触媒温度判定手段」が、上記ステップ１０２および１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「活性酸素量制御手段」が、上記ステップ１０２，１０４および１０６の処理を実行することにより前記第２の発明における「低温時活性酸素量制御手段」が、上記ステップ１０８，１１０および１１２の処理を実行することにより前記第２の発明における「中温時活性酸素量制御手段」が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより前記第３の発明における「供給抑制手段」が、それぞれ実現されている。
実施の形態２．
次に、図８および図９を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。
次に、図８および図９を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。
本実施形態のハードウェア構成は、前述した実施の形態１と同様に、図１に示す通りである。加速時など、内燃機関１０の排気ガス量が多くなる状態では、排気通路内の排気ガス流速が速くなる。排気ガス流速が速い場合には、オゾン供給口２３から添加されたオゾンがＮＯｘ触媒２１に到達するまでの時間が短くなる。その結果、オゾンと、排気ガス中のＮＯｘ（ＮＯ）とが反応するための十分な時間がとれなくなり、ＮＯｘ吸蔵促進効果が減殺されることが考えられる。
上記の事項を検証するため、次のような試験を行った。触媒として、Ａｌ2Ｏ3にＰｔを１％担持した１ｍｍ角ペレット３ｇを使用した。この触媒について、室温で、Ｎ2に１０％のＯ2と２００ｐｐｍのＮＯとを含む気流の中でのＮＯｘ吸蔵量を測定した。評価の際には、ガス流量を変えることにより、オゾンとＮＯとの反応時間を変化させた。ガス流量が変わると、単位時間当たりにＮＯｘが触媒を通過する量が変わる。そこで、触媒を通過するＮＯｘの総量が揃うように、評価毎にＮＯｘ吸蔵時間を変更した。評価毎の条件を下記表１に示す。
上記試験の結果を図８に示す。図８に示すように、オゾンとＮＯとの反応時間が短くなると、ＮＯｘ吸蔵量が少なくなっている。このように、オゾンとＮＯとの反応時間が短いと、オゾンによるＮＯｘ吸蔵促進効果が十分に得られないことが実証された。このような現象は、室温付近の温度領域だけでなく、より高い温度領域にある場合も同様である。そこで、本実施形態では、オゾンとＮＯとの反応時間が確保できない場合、つまり、加速時などで排気ガス流速が速い場合には、オゾン供給装置２７によるオゾンの供給を禁止することとした。
図９は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図９に示すルーチンによれば、まず、排気ガス流速が算出される（ステップ１２０）。この場合、排気ガス流速は、エアフローメータ４７で検出される吸入空気量に基づいて算出することができる。ついで、上記ステップ１２０で算出された排気ガス流速が、所定の判定値より大きいか否かが判別される（ステップ１２２）。
上記ステップ１２２で、排気ガス流速が判定値を超えていた場合には、オゾンを供給しても、十分なＮＯｘ吸蔵促進効果は得られないと判断できる。そこで、この場合には、オゾン供給装置２７によるオゾンの供給が禁止される（ステップ１２４）。これにより、オゾンが無駄に供給されることを防止することができるので、オゾン生成に消費される電力を節減することができ、燃費の改善が図れる。
一方、上記ステップ１２２で、排気ガス流速が判定値以下である場合には、オゾン供給装置２７によるオゾンの供給は禁止されない。この場合には、前述した図７に示すルーチンの処理に基づいて、オゾンの供給が制御される。
なお、本実施形態では、排気ガス流速が速い場合にオゾンの供給を禁止するようにしているが、本発明では、排気ガス流速が速い場合にオゾンの供給を抑制する（供給量を少なくする）だけであってもよい。
上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１２０の処理を実行することにより前記第５の発明における「排気ガス流速算出手段」が、上記ステップ１２２および１２４の処理を実行することにより前記第５の発明における「活性酸素の供給を抑制する手段」が、それぞれ実現されている。
１０ 内燃機関
１１ 吸気マニホールド
１２ 排気マニホールド
１３ 気筒
１４ 燃料インジェクタ
１５ 排気通路
１７ サプライポンプ
１８ コモンレール
１９ ターボチャージャ
２０ 酸化触媒
２１ ＮＯｘ触媒
２２ オゾン供給ノズル
２３ オゾン供給口
２４ オゾン供給通路
２５ オゾン発生器
２６ ケーシング
２７ オゾン供給装置
２８，２９ 温度センサ
５０ ＥＣＵ
１１ 吸気マニホールド
１２ 排気マニホールド
１３ 気筒
１４ 燃料インジェクタ
１５ 排気通路
１７ サプライポンプ
１８ コモンレール
１９ ターボチャージャ
２０ 酸化触媒
２１ ＮＯｘ触媒
２２ オゾン供給ノズル
２３ オゾン供給口
２４ オゾン供給通路
２５ オゾン発生器
２６ ケーシング
２７ オゾン供給装置
２８，２９ 温度センサ
５０ ＥＣＵ
Claims (6)
- 内燃機関の排気通路に配置され、排気ガス中の未燃成分を酸化させる機能を有する酸化触媒と、
前記酸化触媒の下流側に設置され、排気ガス中のＮＯｘを浄化する機能を有するＮＯｘ触媒と、
前記酸化触媒と前記ＮＯｘ触媒との間に活性酸素を供給する活性酸素供給装置と、
前記酸化触媒および前記ＮＯｘ触媒の温度に関する情報を取得する温度情報取得手段と、
前記情報に基づいて、前記活性酸素供給装置による活性酸素の供給を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記情報に基づいて、前記酸化触媒および前記ＮＯｘ触媒の温度が、所定の低温領域、中温領域および高温領域のうちの何れにあるかを判定する触媒温度判定手段と、
前記中温領域にあると判定された場合に前記ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度が、前記低温領域にあると判定された場合に前記ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度より高くなるように、活性酸素供給量を制御する活性酸素量制御手段と、
を含むことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。 - 前記制御手段は、
前記低温領域にあると判定された場合に、排気ガス中のＮＯｘを浄化するために必要な量の活性酸素と、排気ガス中のＨＣを浄化するために必要な量の活性酸素とを、前記活性酸素供給装置により供給させる低温時活性酸素量制御手段と、
前記中温領域にあると判定された場合に、排気ガス中のＮＯｘを浄化するために必要な量の活性酸素と、排気ガス中のＨＣの一部を浄化するために必要な量の活性酸素とを、前記活性酸素供給装置により供給させる中温時活性酸素量制御手段と、
を含む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。 - 前記制御手段は、前記高温領域にあると判定された場合に、活性酸素の供給を抑制する供給抑制手段を含むことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
- 前記低温領域は、前記酸化触媒および前記ＮＯｘ触媒の活性が発現していない温度領域に対応し、前記中温領域は、前記酸化触媒および前記ＮＯｘ触媒の活性が発現し始める温度から、それらが十分に活性化するまでの温度に対応し、前記高温領域は、前記中温領域を超える温度領域に対応することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
- 前記排気通路を流れる排気ガスの流速を算出する排気ガス流速算出手段と、
前記排気ガス流速が所定値を超える場合に、活性酸素の供給を抑制する手段と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。 - 前記活性酸素供給装置は、活性酸素としてオゾンを供給することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
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