JP2010043596A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化装置において、複数の触媒を備えている場合に、各触媒へ最適な比率で還元剤を分配する技術を提供する。
【解決手段】上流側から順に第１供給手段２８と、第１触媒９と、第２供給手段２９と、第２触媒１１と、第３触媒１２と、を備え、第３触媒１２に要求されるエネルギ量に相当する還元剤量を、第１触媒９の活性度又は内燃機関１の運転状態に基づいて、第１供給手段２８及び第２供給手段２９に分配する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

還元剤を改質させるために排気管径よりも小径の触媒を備える技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。ここで、近年のディーゼル機関の燃費の向上に伴って、排気の温度が低下している。このため、触媒の活性度を高いまま維持するためには、意図的に排気の温度を上昇させる必要がある。そして、複数の触媒を備え、該触媒へ還元剤を供給することで排気の温度を上昇させる場合には、夫々の触媒の活性度によりその効果が変わる。
特開２００５−１２７２５７号公報 特開平９−１１９３１０号公報 特開平１１−３５０９３９号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、複数の触媒を備えている場合に、各触媒へ最適な比率で還元剤を分配する技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による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酸化機能を有する第１触媒と、
前記第１触媒よりも下流に設けられ、酸化機能を有する第２触媒と、
前記第２触媒よりも下流に設けられ、酸化機能を有する第３触媒と、
前記第１触媒よりも上流側から還元剤を供給する第１供給手段と、
前記第１触媒よりも下流側で且つ前記第２触媒よりも上流側から還元剤を供給する第２供給手段と、
前記第３触媒に要求されるエネルギ量に相当する還元剤量を算出する算出手段と、
前記算出手段により算出される還元剤量を、前記第１触媒の活性度又は前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記第１供給手段及び前記第２供給手段に分配する分配手段と、
を備えることを特徴とする。

第１供給手段により供給される還元剤の一部は第１触媒で反応し、残りは該第１触媒よりも下流へ流れる。このすり抜けた還元剤及び第２供給手段により供給される還元剤の一部は第２触媒で反応し、残りは該第２触媒よりも下流へ流れる。そして、第３触媒へは温度の高い排気と還元剤とが到達する。この還元剤には、第１触媒または第２触媒で改質された還元剤も含まれる。そして、第３触媒へ到達する還元剤の少なくとも一部は、該第３触媒にて反応する。

ここで、第１触媒及び第２触媒で反応する還元剤量は、夫々の触媒における活性度によって変化する。また、第１触媒の活性度によって第２触媒の活性度が変化する。さらに、吸入空気量によって排気中の酸素濃度やガスにより各触媒から持ち去られる熱量が変化するため、各触媒における活性度が変化する。したがって、第１触媒の活性度又は内燃機関の運転状態に基づいて、第１供給手段及び第２供給手段に分配する還元剤量を調節すれば、より効率の高い還元剤供給が可能となる。例えば、各触媒の温度を速やかに上昇させた
り、還元剤の消費量を低減させたりできる。なお、第１供給手段及び第２供給手段により供給する還元剤の総量を一定としつつ分配比率を変更しても良く、総量及び分配比率を変更しても良い。

本発明においては、内燃機関の吸入空気量が所定空気量よりも少ないとき又は前記第１触媒の温度が所定温度よりも高いときは、そうでないときよりも、前記第１供給手段からの還元剤供給量を増加することができる。

第１触媒から第３触媒までは距離が長いため、該第１触媒で還元剤が反応して温度が上昇しても、第３触媒へ到達するまでに放熱により温度が低下する。つまり、同じ量の還元剤を供給するのであれば、第２触媒で還元剤を反応させたほうが、より温度の高いガスを第３触媒へ供給することができる。しかし、第２触媒の温度が活性温度の下限値まで上昇していない場合等では、第１触媒で熱を発生させなければならない。ここで、第１触媒の活性度が高いと、第１供給手段により供給される還元剤が該第１触媒で反応する量が多くなる。このときに、第１供給手段からの還元剤供給量を増加させることにより、放熱分の還元剤を補うことができる。また、第２触媒の温度を速やかに上昇させることができる。これにより、第２触媒の活性度を高くすることができれば、第２供給手段から還元剤を供給することができる。なお、所定空気量及び所定温度は、第３触媒へ要求されるエネルギを供給することができなくなる閾値として設定される。

本発明においては、前記第１触媒の温度が活性温度の下限値以上の場合には、前記第２供給手段により周期的に還元剤を供給して前記第２触媒へ還元剤を付着させておき、このときの還元剤供給量を、前記第２触媒の温度が活性温度の下限値以上の場合に、前記第２触媒の温度が活性温度の下限値より低い場合よりも、多くすることができる。

活性温度の下限値とは、触媒において還元剤が反応する温度の下限値、若しくは規定の率で還元剤が反応する温度とすることができる。つまり、第２触媒の温度が活性温度の下限値よりも低く、還元剤がほとんど反応しない場合であっても、第２供給手段により還元剤を供給する。これにより、第２触媒に還元剤を付着させておく。こうすると、第２触媒における温度上昇を促進させることができる。つまり、第１触媒においてガス中のＨＣやＣＯが酸化されてしまうため、第２触媒へ到達するＨＣやＣＯが少なくなり反応性が低下するが、還元剤を第２触媒に付着させておくことにより、第２触媒における反応性を向上させることができる。そして、第２触媒の温度が活性温度の下限値よりも低い場合には、還元剤が第２触媒に付着し易いため還元剤供給量を少なくする。

本発明においては、前記第１触媒及び前記第２触媒の温度が夫々の活性温度の下限値以上の場合であって、前記第１触媒の活性度が所定の活性度よりも高い場合には、低い場合よりも、前記第１供給手段からの還元剤供給量の割合を減少することができる。

つまり、第２供給手段からの還元剤供給量の割合を増加させている。ここで、第１触媒における活性度が高いと、該第１触媒へ供給される還元剤の多くが該第１触媒で反応する。そのため、第３触媒に供給される改質された還元剤量が少なくなる。また、第３触媒へ至るまでの放熱による損失が大きくなる。これに対し、第１供給手段による還元剤供給量の割合を減少し、第２供給手段による還元剤供給量の割合を増加させれば、第２触媒にて改質された還元剤をより多く第３触媒へ供給することができる。また、第２触媒へより多くの還元剤を供給することにより、放熱による損失を低減することができる。なお、所定の活性度とは、放熱による損失が許容値となる上限値、または改質された還元剤の供給量が許容値となる上限値として設定される。

なお、前記第２供給手段からの還元剤供給量の割合を増加することにより前記第２触媒
が過熱するときには、該増加の度合いを低くすることができる。

つまり、第２触媒で反応する還元剤量が増加するため、該第２触媒の温度が上昇する。しかし、温度が上がりすぎると第２触媒が過熱するため、第２触媒が過熱するときには、還元剤供給量を減少させる。還元剤供給量の割合の増加度を低くするとは、割合を増加するものの、その増加の程度を低くすることをいう。つまり、過熱しない程度に第２触媒の温度を上昇させる。また、過熱するときとは、実際に過熱するよりも余裕を持たせた低い温度となったときとしても良いし、過熱する虞があるときとしても良い。

本発明においては、前記第１供給手段により供給される還元剤が前記第１触媒で反応したガスが、前記第２触媒へ到達した後に、前記第２供給手段により供給される還元剤が前記第２触媒へ到達するように、該第２供給手段により還元剤を供給することができる。

つまり、第１供給手段により供給される還元剤により第２触媒の温度が上昇したときに、第２供給手段により還元剤を供給すれば、該第２供給手段により供給される還元剤の反応を促進させることができる。これにより、第２触媒の活性度を高めることができる。

本発明においては、前記第２供給手段により供給される還元剤が前記第３触媒で反応しているときに、前記第１供給手段により供給される還元剤が前記第３触媒へ到達するように、該第１供給手段により還元剤を供給することができる。

第２供給手段により供給される還元剤が第３触媒で反応したときに、第１供給手段により供給される還元剤が該第３触媒へ到達すれば、該第３触媒におけるＨＣの反応性を高めることができる。

さらに、第２供給手段により供給される還元剤により第３触媒に吸蔵されていた酸素量が低減したときに、第１供給手段により供給された還元剤が第３触媒へ到達するようにしても良い。このようにすることで、ＮＯxの還元剤等を行うことができる時期に第３触媒
へＨＣを到達させることができる。

本発明においては、前記第３触媒に供給されるエネルギが不足したときに、前記第１供給手段及び前記第２供給手段からの還元剤供給量を増加する場合には、前記第１供給手段よりも前記第２供給手段のほうの増加量を多くすることができる。

つまり、第３触媒におけるエネルギの不足分を補うために、第１供給手段及び第２供給手段による還元剤供給量を増加させるが、このときに、第２供給手段による還元剤供給量の増加分を第１供給手段よりも多くする。ここで、第２供給手段により還元剤を供給したほうが、放熱による損失が小さくなる。そのため、第２供給手段により供給する還元剤の増量分の割合を高くすれば、より多くのエネルギを第３触媒へ与えることができる。また、第２供給手段により還元剤を供給するほうが第３触媒に近いため、第３触媒の温度をより速やかに上昇させることができる。

本発明においては、内燃機関の負荷が高いときは低いときよりも、前記第１供給手段からの還元剤供給量の割合を減少することができる。

ここで、第１触媒の温度が上昇すると、排気が通過するときの抵抗が大きくなるため、圧力損失が大きくなる。つまり、第１触媒の温度は、加速性能に影響を与える。なお、第２触媒の温度が上昇しても加速性能に影響を与えるものの、第１触媒よりも下流側に設けられているため、与える影響の度合いは低い。そして、加速時に、圧力損失を減少させると、速やかな加速が可能となる。つまり、第１供給手段からの還元剤供給量の割合を減少
させることにより、第１触媒の温度を低下させれば、圧力損失を低減させることができるため、内燃機関の出力を増大させることができる。なお、内燃機関の負荷が高いほど、第１供給手段からの還元剤供給量の割合を減少させても良い。

本発明においては、内燃機関で異常燃焼又は失火が発生したときに、その程度が軽度であれば前記第１供給手段からの還元剤の供給を停止し、重度であれば前記第１供給手段及び前記第２供給手段からの還元剤の供給を停止することができる。

ここで、失火とは、混合気に着火しなかった場合、混合気に着火した後で火炎伝播が行われずに消炎した場合、火炎伝播が行われたが混合気が多く残った状態で火炎が消えた場合を含むことができる。また、気筒内に供給された混合気のうち許容される割合以上の混合気が燃焼しないまま残留している場合に失火しているとしてもよい。さらに、燃焼状態の悪化している場合に失火しているとしてもよい。異常燃焼は、例えばノックや表面着火のことをいう。

内燃機関で異常燃焼又は失火が発生したときには、内燃機関からの排気中に未燃燃料が多く含まれる等により、第１触媒の温度が上昇し易くなる。そのため、第１供給手段により還元剤を供給すると第１触媒が過熱する虞がある。排気中に含まれる未燃燃料量がさらに多くなると、第２触媒も過熱する虞がある。そのため、異常燃焼等の程度によって還元剤の供給割合及び供給量を調節する。つまり、異常燃焼等の程度が軽度の場合には、排気中に含まれる未燃燃料が第１触媒でほとんど反応するため、該第１触媒のみが過熱する虞がある。このような場合に、第１供給手段からの還元剤の供給を停止させることにより、第１触媒の過熱を抑制できる。このときには、第２還元剤供給手段による還元剤供給量を増加させて、第３触媒の昇温を継続することもできる。一方、異常燃焼等の程度が重度の場合には、第１触媒での昇温量も大きく、さらに排気中に含まれる未燃燃料が第２触媒にも到達するため、第１触媒及び第２触媒の両方が過熱する虞がある。このような場合には、第１供給手段及び第２供給手段からの還元剤の供給を停止させることにより、第１触媒及び第２触媒の過熱を抑制できる。なお、失火や異常燃焼の程度は、これらの継続時間が閾値を超えたときに重度とし、閾値以下のときに軽度とすることができる。また、第１触媒のみが過熱する虞のあるときを軽度とし、第１触媒及び第２触媒が過熱する虞のあるときを重度としても良い。

本発明においては、前記第１触媒、または該第１触媒よりも下流側で且つ前記第２触媒よりも上流側の排気通路に備わる部材に付着しているＰＭ量が閾値を超えたか否か判定する判定手段を備え、前記判定手段により付着しているＰＭ量が閾値を超えたと判定された場合には、前記第１供給手段及び前記第２供給手段により還元剤を供給することができる。

第１触媒又は該第１触媒よりも下流側で且つ第２触媒よりも上流側の排気通路に備わる部材にＰＭが付着している場合には、第１供給手段により還元剤を供給して排気の温度を上昇させることにより、ＰＭを除去することができる。また、このときには第２供給手段により還元剤を供給しなくてもＰＭを除去することができる。しかし、このときに第２触媒又は第３触媒にＰＭが付着して詰まりが発生する虞がある。これに対し、第２供給手段により還元剤を供給することで第２触媒にて排気の温度を上昇させれば、第２触媒及び第３触媒で詰まりが発生することを抑制できる。また、第１供給手段及び第２供給手段により還元剤を供給して第１触媒及び第２触媒の温度が上昇すれば、圧力損失が大きくなることにより内燃機関から排出されるガスの温度が上昇するため、詰まりの発生を抑制できる。

本発明においては、前記第１触媒よりも下流側で且つ前記第２供給手段よりも上流側に
ターボチャージャを備え、前記分配手段は、前記ターボチャージャを排気が通過するときに奪われるエネルギに基づいて前記第１供給手段及び前記第２供給手段に還元剤を分配することができる。

ここで、ターボチャージャには冷却水が流されているため、該ターボチャージャを通過するガスから多くのエネルギが奪われる。また、ターボチャージャでは、ガスのエネルギがタービンの回転に利用されるためガスの温度が低下する。したがって、第１触媒にてガスの温度を上昇させたとしても、ターボチャージャを通過するときに温度が下降してしまう。これに対し、ターボチャージャで多くのエネルギが奪われるときには、第２供給手段からの還元剤供給量の割合を高くすることにより、第３触媒へより多くのエネルギを与えることができる。

なお、ターボチャージャには、タービンを迂回するウェストゲートが備わる。このウェストゲートを通過した後のガスの温度と、タービンを通過した後のガスの温度と、は異なる。つまり、夫々で奪われるエネルギを考慮することにより、第２触媒の温度を算出することができる。この温度に基づいて第１供給手段及び第２供給手段から還元剤を供給することにより、各触媒の温度を適正化することができる。

本発明においては、前記第１触媒の活性度が高いときは低いときよりも、前記ターボチャージャのウェストゲートを通過する排気の量を増加することができる。

排気がウェストゲートを通過すると、奪われる熱が小さくなる。つまり、ウェストゲートを通過する排気の量を増加させることにより、ターボチャージャよりも下流側へより多くのエネルギを与えることができる。そして、第１触媒の活性度が高いときには、該第１触媒でより多くの還元剤が反応することになるため、ターボチャージャを通過するときに多くのエネルギが奪われることになる。これに対し、ウェストゲートを通過する排気の量を増加させることにより、奪われるエネルギを減少させることができるため、第２触媒及び第３触媒へより多くのエネルギを与えることができる。なお、第１触媒の活性度が高いときほど、ウェストゲートを通過する排気の量を増加しても良い。

本発明においては、前記第１触媒から硫黄成分が放出されるときに、前記第２触媒を通過する排気の空燃比がリッチとなるように前記第２供給手段により還元剤を供給することができる。

リーン空燃比のガス中に硫黄成分が含まれている場合、該ガスが第１触媒又は第２触媒を通過すると、夫々の触媒で硫黄被毒が生じる。また、夫々の触媒の温度が上昇すると硫黄成分が放出され得る。ここで、第１触媒から硫黄成分が放出されるときに、第２触媒を通過するガスの空燃比がリーンとなっていると、第１触媒から放出された硫黄成分が第２触媒に付着して該第２触媒の硫黄被毒が進行する虞がある。このときに、第２供給手段により還元剤を供給して第２触媒を通過する排気の空燃比をリッチとしておけば、第２触媒に硫黄成分が再度付着することを抑制できる。なお、第２触媒を通過する排気の空燃比をリッチとするのは、該第２触媒の温度が該第２触媒に硫黄成分が付着する温度、すなわち、硫黄成分が放出されない温度となっているときに限っても良い。これにより、還元剤供給量を低減することができる。

本発明においては、前記第１触媒は、ターボチャージャよりも上流に備わり、前記第２触媒は、前記内燃機関の排気通路の中心軸と直行する切断面による断面積が前記排気通路よりも小さくすることができる。

ここで、第１触媒をターボチャージャよりも上流に備えることにより、温度の高い排気
が第１触媒を通過することになるので、該第１触媒の温度を速やかに上昇させたり、該第１触媒の温度を高いまま維持したりできる。一方、排気通路の中心軸と直行する切断面による断面積が排気通路よりも小さい第２触媒を備えることにより、第２供給手段により供給される還元剤の一部は第２触媒の外側を通過して第３触媒へ到達する。つまり、全く反応していない還元剤を第３触媒へ供給することができるため、該第３触媒で還元剤を反応させて該第３触媒の温度を上昇させることができる。このように第３触媒で還元剤を反応させることにより、排気通路を通過するときの放熱量を減少させることができるため、より少ない還元剤でより速やかに第３触媒の温度を上昇させることができる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、複数の触媒を備えている場合に、各触媒へ最適な比率で還元剤を分配することができる。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。各気筒２には、該気筒２内に燃料を噴射する燃料噴射弁３が備えられている。

また、内燃機関１には、吸気マニホールド４が接続されており、該吸気マニホールド４は、各気筒２の燃焼室と吸気ポート（図示省略）を介して通じている。そして、吸気マニホールド４は、吸気管５に接続されている。

この吸気管５の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動するターボチャージャ６のコンプレッサハウジング６ａが設けられている。また、コンプレッサハウジング６ａよりも上流の吸気管５には、該吸気管５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７が設けられている。このエアフローメータ７により、内燃機関１の吸入空気量が測定される。

一方、内燃機関１には、排気マニホールド８が接続されており、該排気マニホールド８は、各気筒２の燃焼室と排気ポート（図示省略）を介して通じている。

そして排気マニホールド８は、ターボチャージャ６のタービンハウジング６ｂと接続されている。このタービンハウジング６ｂは排気管１０に接続されている。排気マニホールド８の集合部よりも下流で且つタービンハウジング６ｂよりも上流には、第１触媒９が設けられている。また、排気管１０の途中には、上流側から順に、第２触媒１１、第３触媒１２が設けられている。

第１触媒９、第２触媒１１、第３触媒１２は、夫々酸化能力を有する触媒であれば良く、例えば酸化触媒、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯx触媒等を用いることができる。第１触媒
９及び第２触媒１１は、第３触媒１２よりも小型で、容量が小さい。また、第２触媒１１は、円柱形状であり、その中心軸は排気管１０の中心軸上に位置している。そして、排気管１０の中心軸に直交する面で切断したときの断面積は、該排気管１０の断面積よりも小さい。つまり、排気管１０の内径よりも、第２触媒１１の外径のほうが小さい。なお、第１触媒９にＨＣを吸着する機能を持たせても良い。このような場合には、第１触媒９にてＨＣが吸着されるため、第２触媒１１及び第３触媒１２の温度が上昇し難くなる。このよ
うな場合であっても、本実施例を適用することができる。

第３触媒１２の直上流には、排気の温度に応じた信号を出力する第１温度センサ１５が取り付けられている。第１温度センサ１５により、第３触媒１２に流入する排気の温度を測定することができる。

第１触媒９よりも下流側で且つタービンハウジング６ｂよりも上流側と、タービンハウジング６ｂよりも下流側で且つ第２触媒１１よりも上流側と、を接続するウェストゲート通路６ｃが備えられている。このウェストゲート通路６ｃの途中には、該ウェストゲート通路６ｃを開閉するウェストゲートバルブ６ｄが設けられている。このウェストゲート通路６ｃ及びウェストゲートバルブ６ｄは、ターボチャージャの一部としても良い。

第１触媒９よりも上流の排気マニホールド８には、後述するＥＣＵ３０からの信号により開弁して排気中に還元剤たる燃料（ＨＣ）を噴射する第１添加弁２８が設けられている。また、タービンハウジング６ｂよりも下流で且つ第２触媒１１よりも上流の排気管１０には、後述するＥＣＵ３０からの信号により開弁して排気中に還元剤たる燃料（ＨＣ）を噴射する第２添加弁２９が設けられている。

内燃機関１には、該内燃機関１の回転数を測定するクランク角センサ２１と、ノッキングを検知するノックセンサ２２が取り付けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ３０が併設されている。このＥＣＵ３０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

ＥＣＵ３０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル２４を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出可能なアクセル開度センサ２５が電気配線を介して接続され、これらセンサの出力信号がＥＣＵ３０に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ３０には、燃料噴射弁３、ウェストゲートバルブ６ｄ、第１添加弁２８、第２添加弁２９が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ３０によりこれらの機器が制御される。

ここで、第３触媒１２の昇温時には、第１添加弁２８又は第２添加弁２９から燃料（ＨＣ）を添加する。このときに必要となるエネルギは、第３触媒１２の温度、排気の温度、ガスの流量、第３触媒１２の熱容量によって算出する。そして、エネルギ量と、第１添加弁２８又は第２添加弁２９からの燃料添加量と、の関係をＥＣＵ３０が算出する。なお、本実施例では第３触媒１２に要求されるエネルギ量に相当する燃料添加量を算出するＥＣＵ３０が本発明における算出手段に相当する。

そして、ＨＣを第１触媒９又は第２触媒１１にて反応させ、このときに発生する熱により第３触媒１２の温度を上昇させる。また、第１触媒９又は第２触媒１１で改質されたＨＣを第３触媒１２へ供給することができる。この改質されたＨＣは反応性が高いため、第３触媒１２の温度を速やかに上昇させたり、ＮＯxの還元を促進させたりできる。また、
第１添加弁２８からの燃料添加に代えて、内燃機関１から積極的にＨＣを排出させても良い。例えば主噴射の後に燃料を噴射して、該主噴射の後に噴射された燃料を改質して排出することもできる。また、主噴射の後に噴射された燃料を燃焼させて排気の温度を上昇させることにより第１触媒９等の温度を上昇させることもできる。さらに、ＥＧＲガス量を増加させたり、着火時期を変更したりしても、第１触媒９等へ、ＨＣやＣＯさらには熱を供給することができる。なお、第１添加弁２８からの燃料添加と共に内燃機関１から未燃
燃料（ＨＣ）を排出させても良い。本実施例では第１添加弁２８または内燃機関１が本発明における第１供給手段に相当する。また、本実施例では第２添加弁２９が本発明における第２供給手段に相当する。

また、第３触媒１２に吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、ＮＯx触媒という。）を採用している場合には、該ＮＯx触媒の硫黄被毒回復時に該ＮＯx触媒の温度を上昇させる必要がある。このときにも、同様に燃料添加が行われる。また、第３触媒１２よりも下流にフィルタを備えていたり、第３触媒１２がフィルタに担持されていたりする場合には、該フィルタの再生時にも燃料添加が行われる。

ここで、第１触媒９には温度の高い排気が流通するため、ＨＣやＣＯを浄化可能な温度まで速やかに上昇する。しかし、容積が小さいために高ＳＶとなり、排気の流量が少ないときにはＨＣの反応量が多く、排気の流量が多いときにはＨＣの反応量が少なくなる。つまり、排気の流量が多いときには、ＨＣやＣＯを浄化しきれなくなる。

また、第２触媒１１の外径が排気管１０の内径よりも小さいために、排気の一部は第２触媒１１の外側を通過する。そのため、排気中に含まれるＨＣの一部は第２触媒１１で反応しないまま第３触媒１２に到達する。さらに、第１触媒９及び第２触媒１１でＨＣを改質することもできる。このようにして改質されたＨＣは、第３触媒１２にて反応し易いため、該第３触媒１２の温度を速やかに上昇させる。

ここで、第１触媒９を排気が通過するときに、該第１触媒９の圧力損失により排気の脈動が減衰する。そのため、第２添加弁２９から燃料添加を行うときに、第２触媒１１を通過する燃料量を安定させることができる。これにより、第２触媒１１で反応させる燃料量を制御し易くなるため、第２触媒１１及び第３触媒１２の温度制御が容易となる。なお、第２触媒１１よりも上流側に整流効果のある部材を備えることによっても、排気の脈動を減衰させることができる。

第３触媒１２は、第１触媒９及び第２触媒１１と比較して容量が大きく、また下流側に備えられているため温度が上昇し難い。しかし、容量が大きいため、活性温度の下限値以上となれば排気の浄化能力が高い。そのため、第１触媒９及び第２触媒１１を用いて第３触媒１２の昇温を図る。ここで、第１触媒９は温度が上昇し易いが、該第１触媒９で熱を発生させても、第３触媒１２までの距離が長いために、排気管１０から外部への放熱量が多い。一方、第２触媒１１は温度が上昇し難いが、該第２触媒１１で熱を発生させても、第３触媒１２までの距離が短いために、排気管１０から外部への放熱量が少ない。これらを考慮して本実施例では、第１添加弁２８及び第２添加弁２９からの燃料添加量を決定する。

そこで本実施例では、第１触媒９におけるＨＣ及びＣＯの反応量が多い領域では少ない領域と比較して、該第３触媒１２の要求エネルギから得られる基準エネルギに対してより多くのエネルギを供給する。第３触媒１２の要求エネルギとは、該第３触媒１２の温度を活性温度の下限値まで上昇させるのに要するエネルギである。また、基準エネルギは、要求エネルギまでの不足分であり、要求エネルギと、内燃機関１から排出されるエネルギと、の差である。

図２は、エネルギの関係を示した図である。排出エネルギとは、内燃機関１から排出されるエネルギである。要求エネルギとは、第３触媒１２の要求エネルギである。供給エネルギとは、第１添加弁２８から供給されるエネルギである。

要求エネルギから排出エネルギを差し引いた値のエネルギ（図２のＡ）が、第３触媒１
２へ供給すべきエネルギであるが、実際に供給するエネルギは、途中で奪われるエネルギの分だけ増量している（図２のＢ）。

ここで、第１触媒９におけるＨＣの反応量が多い領域では、第１添加弁２８から添加されるＨＣや内燃機関１から排出されるＨＣが該第１触媒９で多く反応する。つまり、該第１触媒９で多くの熱が発生する。しかし、第１触媒９で多くの熱が発生すると、ターボチャージャ６や排気管１０を流通するときに奪われるエネルギも多くなる。つまり、第３触媒１２へ与えるエネルギが少なくなる。このようにして不足するエネルギを補うために、第１添加弁２８からの燃料添加量を増加させる。

第１触媒９に置けるＨＣ及びＣＯの反応量は、該第１触媒９の温度又は排気の温度や、該第１触媒９を通過する排気の流量によって変わる。例えば第１触媒９の温度をセンサで測定し、この温度が所定温度よりも高い場合にＨＣ及びＣＯの反応量が多い領域として供給エネルギを増加させても良い。なお、第１触媒９の温度は、内燃機関１の運転状態から推定しても良い。また、内燃機関１の吸入空気量が所定空気量よりも少ない場合に、ＨＣ及びＣＯの反応量が多い領域として供給エネルギを増加させても良い。この吸入空気量は排気の流量としても良い。なお、燃料添加量の増加量と第１触媒９等の温度又は第１触媒９を通過する排気の流量との関係を予め実験等により求めてマップ化しておいても良い。なお、本実施例では、第１触媒９の温度や内燃機関１の吸入空気量に基づいて、第１添加弁２８からの燃料添加量及び第２添加弁２９からの燃料添加量を決定するＥＣＵ３０が、本発明における分配手段に相当する。

以上説明したように本実施例によれば、第３触媒１２の要求エネルギよりも大きなエネルギを供給するため、放熱によるエネルギ不足を補うことができるので、第３触媒１２の温度を速やかに上昇させることができる。

本実施例では、第２触媒１１へＨＣを常に付着させておくことにより該第２触媒１１の反応性を向上させる。その他の装置については実施例１と同じため説明を省略する。

ここで、第１触媒９を排気が通過するときに、排気中のＨＣやＣＯが反応するため、第２触媒１１へ到達するＨＣやＣＯは少なくなる。そのため、第２触媒１１での反応性（着火性としても良い。）が低下する。

そこで本実施例では、第１触媒９の温度が活性温度の下限値以上となっているときに所定の周期で第２添加弁２９から燃料添加を行う。この燃料添加は、第２触媒１１の温度が活性温度の下限値に達しているか否かに関わらず行われる。そして燃料添加量は、第２触媒１１の温度に応じて変化させる。つまり、第２触媒１１の温度が活性温度の下限値よりも低い場合には、該第２触媒１１にてＨＣがほとんど反応しないため、燃料添加量を少なくする。これにより、ＨＣ付着量が過剰に多くなることを抑制する。一方、第２触媒１１の温度が活性温度の下限値以上の場合には、燃料添加量を多くする。なお、燃料添加量を、温度が高いほど多くし、温度が低いほど少なくしても良い。燃料添加量と温度との関係は予め実験等により求めておくこともできる。

このようにすることで、第２触媒１１での反応性が向上するため、第３触媒１２の温度を上昇させる必要が生じたときに、該第２触媒１１の温度を速やかに上昇させることができる。

本実施例では、第１触媒９の硫黄被毒が解消し且つ第２触媒１１で硫黄被毒が生じる虞
のある場合には、第２触媒１１を通過する排気の空燃比をリッチ空燃比とする。例えば、第１触媒９の温度が該第１触媒９から硫黄成分が放出されるか放出される虞のある温度となっており、且つ第２触媒１１の温度が該第２触媒１１から硫黄成分が放出されない温度となっている場合に、第２触媒１１を通過する排気の空燃比をリッチとする。このときには、第３触媒１２へ流入する排気の空燃比がリーンとなるように、第２添加弁２９からの燃料添加量を調節する。その他の装置については実施例１と同じため説明を省略する。

内燃機関１から排出されるＨＣやＣＯが多くなったり、第１添加弁２８から燃料添加を行ったりすると、第１触媒９の温度が硫黄成分の放出温度に達して、硫黄成分が放出される。この硫黄成分は、第２触媒１１を通過するが、このときに第２触媒１１に硫黄成分が付着する条件が整っていると、該第２触媒１１に硫黄成分が付着して該第２触媒１１の酸化能力が低下する。

ここで、硫黄成分は、第２触媒１１の雰囲気がリーン空燃比のときに該第２触媒１１に付着し得る。つまり、硫黄成分が通過するときに、第２触媒１１の雰囲気をリッチ空燃比としておけば、該第２触媒１１に硫黄成分が付着することを抑制できる。

なお、第２触媒１１の硫黄被毒を抑止すればよいため、該第２触媒１１の雰囲気をリッチ空燃比とし、それよりも下流側ではリーン空燃比となるようにしている。つまり、第２触媒１１の内側を通過する排気の空燃比をリッチ空燃比とし、第２触媒１１の内側を通過する排気と外側を通過する排気とが合流した後の排気の空燃比がリーン空燃比となるように、第２添加弁２９からの燃料添加量を調節する。これにより、必要最小限の燃料添加で第２触媒１１の硫黄被毒を抑制することができるため、燃費の悪化を抑制できる。

本実施例では、第１触媒９の反応性が高いときには、第１添加弁２８からの燃料添加量を減少させ、且つ第２添加弁２９からの燃料添加量を増加させる。つまり、全燃料添加量に占める第１添加弁２８からの燃料添加量の割合を低くする。これは、第１添加弁２８及び第２添加弁２９からの燃料添加量の分配比率を変化させているといえる。その他の装置については実施例１と同じため説明を省略する。

第１触媒９の反応性が高いと、該第１触媒でＨＣがほとんど反応してしまうため、下流側へ改質された還元剤を供給できなくなる虞がある。また、第１触媒９で多くの熱が発生すると、放熱による損失が大きくなる。これに対し、第１触媒９で多くのＨＣが反応し得る状態のときに該第１触媒９で反応するＨＣ量を減少させることにより、改質されたＨＣを第３触媒１２へより多く供給することができ、且つ放熱量を減少させることができる。

例えば、第１触媒９の温度が高いほど反応性が高くなるため、第１添加弁２８からの燃料添加量を減少させる。この場合、温度に応じて無段階に燃料添加量を減少させても良く、段階的に減少させても良い。同様に、吸入空気量又は排気の流量が少ないほど、第１添加弁２８からの燃料添加量を減少させても良い。

また、第２添加弁２９からの燃料添加量を増加させると、第２触媒１１が過熱する虞がある。そこで、第２触媒１１が過熱する虞のある場合には、第１添加弁２８からの燃料添加量の減少度合いを小さくし、且つ第２添加弁２９からの燃料添加量の増加度合いを小さくさせる。つまり、過熱する虞がある状態において、第１添加弁２８からの燃料添加量を増加し、且つ第２添加弁２９からの燃料添加量を減少させる。第２触媒１１が過熱する虞があるか否かは、温度センサにより温度を測定して判定しても良く、内燃機関１の運転状態から温度を推定して判定しても良い。

図３は、第１添加弁２８及び第２添加弁２９からの燃料添加量を示した図である。「通常」とは、第１触媒９の温度が閾値よりも低い場合である。つまり、第１添加弁２８からの燃料添加量を減少させていない場合である。「第１触媒高反応時」とは、第１触媒の温度が閾値よりも高く、第１添加弁２８からの燃料添加量を減少させている場合である。「第２触媒過熱時」とは、第２触媒１１が過熱する虞のあるときであって、第２添加弁２９からの燃料添加量を減少させたときである。

どの場合であっても、燃料添加量の総量は同じである。そして、この総量に対する夫々の燃料添加量の割合を変更している。

このように本実施例によれば、第１触媒９の反応性が高いときには、該第１添加弁２８からの燃料添加量の割合を減少させるため、第３触媒１２へより多くの還元剤を供給することができる。また、放熱による損失も低減することができる。その後、第２触媒１１が過熱しそうになった場合には、第２添加弁２９からの燃料添加量の割合を減少させるため、該第２触媒１１の過熱を抑制できる。

本実施例では、第１触媒９及び第２触媒１１によりＨＣを十分に改質して第３触媒１２へ供給する。つまり、第１触媒９へ酸素とＨＣを供給することによりＨＣを軽質化し、さらに第２触媒１１へ軽質化したＨＣと第２添加弁２９からのＨＣを供給することにより水素を生成する。その他の装置については実施例１と同じため説明を省略する。

なお、本実施例では第３触媒１２にＮＯx触媒を採用し、該ＮＯx触媒の硫黄被毒回復又はＮＯx還元時に行われる燃料添加について説明する。この硫黄被毒回復及びＮＯx還元時には、第３触媒１２に流入する排気の空燃比を周期的にリッチ空燃比とする。

まず第１触媒９では、流入する排気中に酸素が含まれている。この酸素によりＨＣが軽質化される。つまり、第１添加弁２８から燃料添加を行うことにより、第１触媒９では、酸素が減少し且つＨＣが軽質化される。そして、酸素が減少し且つ軽質化されたＨＣを含む排気が第２触媒１１へ流入する。そして、第２触媒１１では、ＣＯとＨＣによりＨ_２が生成される。

このＨ_２は、第３触媒１２での反応性が高いため、ＮＯxの還元又は硫黄被毒の回復を
速やかに完了させることができる。なお、第１添加弁２８及び第２添加弁２９からの燃料添加量は、実験等により最適値を求めておく。この値は、内燃機関１の運転状態を関連付けて記憶しておいても良い。

本実施例では、第１添加弁２８及び第２添加弁２９から燃料添加を行って第３触媒１２の温度を上昇させるときに、燃料添加時期を適正化することで改質されたＨＣをより多く第３触媒１２へ供給する。その他の装置については実施例１と同じため説明を省略する。

第１添加弁２８から燃料添加を行うと、排気の温度が上昇したり、第１触媒９にてＨＣが改質されたりする。温度の高いガスが第２触媒１１へ流入すると、該第２触媒１１の温度が上昇する。また、改質されたＨＣが第２触媒１１へ流入すると、該第２触媒１１で速やかにＨＣが反応して温度が上昇する。そして例えば第２触媒１１の温度が活性温度の下限値以上に上昇したときに第２添加弁２９からのＨＣが到達することにより、該第２触媒１１における温度上昇が促進される。またＨＣの改質が促進される。つまり、第１添加弁２８による燃料添加に遅れて第２添加弁２９による燃料添加を行うことにより、ＨＣの反応を促進させことができる。なお、第２添加弁２９と第２触媒１１との距離が十分に近い
場合には、第２添加弁２９から噴射される燃料がすぐに第２触媒１１へ到達する。このような場合には、第２触媒１１の温度が活性温度の下限値以上に上昇したときに第２添加弁２９から燃料添加を行えばよい。

そして、より温度の高いガスや、より多くの改質されたＨＣを第３触媒１２へ供給することができるため、該第３触媒１２の温度を速やかに上昇させることができる。

図４は、本実施例に係る第１添加弁２８と第２添加弁２９との燃料添加タイミングを示したタイムチャートである。これは、ＥＣＵ３０からの指令値を示し、ＯＮのときに開弁され、ＯＦＦのときに閉弁される。

このように、周期的に燃料添加を行うときに、第１添加弁２８の開弁時期と第２添加弁２９の開弁時期とをずらしている。なお、ずらす時間は、内燃機関１の吸入空気量や第１触媒９の温度及び第２触媒１１の温度によって変わるため、これらの関係を予め実験等により求めておいても良い。また、第２触媒１１の温度をセンサで測定するか、推定して該温度に応じて第２添加弁２９の開弁時期を決定しても良い。

本実施例では、第３触媒１２の温度をフィードバック制御しているときに、該第３触媒１２の温度を上昇させる必要が生じた場合には燃料添加量を増加し、この増加分の燃料添加量は第１添加弁２８よりも第２添加弁２９のほうを多くする。その他の装置については実施例１と同じため説明を省略する。

ここで、第３触媒１２の温度が目標温度よりも低い場合には、第１添加弁２８及び第２添加弁２９により燃料添加を行う。このときに、第１添加弁２８からの燃料添加では、放熱による損失が大きい。また、第１触媒９から第３触媒１２までの距離が長いため、第１添加弁２８から燃料添加を行うと温度制御の精度が低くなる。つまり、燃料添加量を補正するときに、第１添加弁２８よりも第２添加弁２９における補正量を多くしたほうが、第３触媒１２の温度を速やかに上昇させることができる。

図５は、目標温度とするために要する燃料添加量と、燃料添加量の補正量と、を示した値である。「目標床温」には、第３触媒１２の温度を目標温度とするために必要となる燃料添加量の総量が示される。「補正」には、補正前の燃料添加量の総量と、第１添加弁２８及び第２添加弁２９からの燃料添加量の増加分とが示される。第１添加弁２８よりも第２添加弁２９からの燃料添加量の増加分が多くなる。そして、補正前の燃料添加量の総量に、第１添加弁２８及び第２添加弁２９からの増加分を加えた量が、目標温度とするために要する燃料添加量と等しくなるようにする。なお、夫々の増加分の適正値は予め実験等により求めておいても良い。

以上説明したように本実施例によれば、第３触媒１２の温度制御が容易となるため、温度制御の精度を高めることができる。また、放熱による損失を低減することができるため、燃料消費量を低減することができる。

本実施例では、内燃機関１で失火や異常燃焼が発生したときに、その程度が軽度のときには第１添加弁２８からの燃料添加を停止し且つ第２添加弁２９からの燃料添加量をその分増加させ、その程度が重度のときには、第１添加弁２８及び第２添加弁２９からの燃料添加を停止させる。その他の装置については実施例１と同じため説明を省略する。

失火が発生したか否かは、機関回転数の変動に基づいて判定することができる。また、
例えばノッキングが発生したことはノックセンサ２２を用いることにより検知することができる。ここで、失火や異常燃焼が発生すると、内燃機関１から未燃燃料が排出される。そして、この未燃燃料は、まず第１触媒９へ流入し、該第１触媒９の温度を上昇させる。このときに、さらに第１添加弁２８から燃料添加を行うと、第１触媒９が過熱する虞がある。

そこで、失火や異常燃焼の程度が軽度の場合には、第１添加弁２８からの燃料添加を停止させて、第１触媒９の過熱を抑制する。しかし、この場合には、第３触媒１２の昇温に必要となるエネルギが得られなくなるため、第２添加弁２９からの燃料添加量を増加させる。これにより、第２触媒１１で発熱させたり、ＨＣを改質したりできるため、第３触媒１２の温度を上昇させることができる。第２添加弁２９からの燃料添加量の増加分は、第１添加弁２８から供給されるエネルギ量と等しくする。また、単に第１添加弁２８から添加するはずであった燃料量を増加分としても良い。失火や異常燃焼の程度に応じて第１添加弁２８からの燃料添加量を減少させ、第２添加弁２９からの燃料添加量を増加させても良い。燃料添加量は段階的に変化させても良い。

しかし、失火や異常燃焼の程度が重度の場合には、第１触媒９での発熱量が多くなり、さらに、第１触媒９をすり抜けた未燃燃料が第２触媒１１で発熱する。そのため、第２触媒１１も高温となる。これに対し、第２添加弁２９からの燃料添加も停止させて、第２触媒１１の過熱を抑制する。なお、失火や異常燃焼の程度に応じて、第２添加弁２９からの燃料添加量を減少させても良い。この減少は段階的に行っても良い。

失火や異常燃焼の程度は、これらの継続時間に応じて判定しても良い。つまり、これらの継続時間が閾値を超えれば重度と判定し、閾値以下であれば軽度と判定する。また、ノックセンサ２２により得られるノッキングの振動幅等が閾値を超えた場合を重度と判定しても良い。閾値は、予め実験等により求めておく。

以上説明したように本実施例によれば、失火や異常燃焼が発生したときに、第１触媒９及び第２触媒１１の過熱を抑制しつつ、第３触媒１２の昇温を継続して行うことができる。

本実施例では、第１触媒９及びその下流側であって、第２触媒１１よりも上流側で、詰まりや未燃燃料の固着等が発生した場合には、第１添加弁２８及び第２添加弁２９から燃料添加を行う。その他の装置については実施例１と同じため説明を省略する。

ここで、第１触媒９の詰まりやターボチャージャ６への未燃燃料の固着等が発生した場合には、第１添加弁２８のみから燃料添加を行っても、これらを解消することができる。つまり、第１添加弁２８からの燃料添加により、第１触媒９でＨＣが反応すれば、そのときに発生する熱により、第１触媒９に付着しているＰＭが酸化されることにより除去される。しかし、このときにＰＭが第１触媒９やターボチャージャ６から脱離して、第２触媒１１や第３触媒１２に再度付着する虞がある。また、第１触媒９でＨＣが反応しないまますり抜けて、第２触媒１１や第３触媒１２に付着する虞がある。これに対し、第２添加弁２９から燃料添加を行うことにより第２触媒１１の温度を上昇させれば、第２触媒１１や第３触媒１２にＰＭやＨＣが付着しないか、付着したとしてもすぐに酸化されるため、詰まりが発生することを抑制できる。

また、第１触媒９及び第２触媒１１の温度を上昇させることにより、圧力損失が増加するため、機関負荷が増加することになる。これにより、内燃機関１からの排気の温度が上昇するため、ＰＭやＨＣを除去し易くなる。この効果は、第１触媒９の温度のみを上昇さ
せるよりも、第１触媒９及び第２触媒１１の温度を上昇させるほうが高くなる。

なお、例えば第１触媒９の上流側と、タービンハウジング６ｂの下流側との差圧を測定する差圧センサを備え、該差圧が閾値を超えたときに詰まり等が発生していると判定することができる。また、過給圧の上昇率が閾値以下となったときに、ターボチャージャ６に未燃燃料が固着していると判定することができる。また、内燃機関１の回転変動や負荷変動に応じて判定することもできる。なお、本実施例では詰まり等が発生していると判定するＥＣＵ３０が、本発明における１触媒、または該第１触媒よりも下流側で且つ第２触媒よりも上流側の排気通路に備わる部材に付着しているＰＭ量が閾値を超えたか否か判定する判定手段に相当する

また、第１触媒９及びその下流側であって、第２触媒１１よりも上流側にＥＧＲ通路が接続されている場合には、該ＥＧＲ通路内に付着しているＰＭ等を除去するときにも同様にして適用可能である。また、実際に詰まり等が発生していなくても、詰まり等が発生する虞のあるとき、例えば内燃機関１からＰＭが多量に排出されるとき等に上記制御を行っても良い。

以上説明したように本実施例によれば、第１触媒９の詰まりやターボチャージャ６への未燃燃料の固着等を解消するときに、第２添加弁２９から燃料添加を行うことにより、第２触媒１１や第３触媒１２にＰＭやＨＣが付着することを抑制できる。また、内燃機関１からの排気の温度が上昇するため、詰まり等を速やかに解消することができる。

本実施例では、第３触媒１２にＮＯx触媒を採用している。そして、ＮＯx触媒のＮＯx
還元時や硫黄被毒回復時であって、第１添加弁２８及び第２添加弁２９から燃料添加を行って第３触媒１２へＨＣを供給するときに、効果的にＨＣが供給できるよう第１添加弁２８からの燃料添加のタイミングを調節する。その他の装置については実施例１と同じため説明を省略する。

第２添加弁２９から燃料添加を行うと、その一部は第２触媒１１へ付着し、その後、該第２触媒で反応する。また、第２触媒１１の外側を通過したＨＣや、第２触媒１１内で反応しないまま通過したＨＣは、第３触媒１２へ付着し、その後、該第３触媒１２で反応する。これらの夫々について、ある程度の時間がかかる。

そして、本実施例では、第２添加弁２９から添加されたＨＣが第３触媒１２で反応しているときに、第１添加弁２８から添加されたＨＣが第３触媒１２へ到達するように、該第１添加弁２８からの燃料添加時期を調節する。

例えば、第２添加弁２９から燃料添加を行い、ＨＣが第３触媒１２で反応を開始する前に、第１添加弁２８から燃料添加を行っても良い。つまり、第３触媒１２における反応開始の時期を、第１添加弁２８と第２添加弁２９とでずらしても良い。

また、第２添加弁２９から添加されたＨＣによって第３触媒１２に吸蔵されている酸素が放出された後に、第１添加弁２８から添加されたＨＣが第３触媒１２へ到達するように、該第１添加弁２８からの燃料添加時期を調節しても良い。

例えば、第２添加弁２９から燃料添加を行い、ＨＣが第３触媒１２で反応を開始してから所定時間後に、第１添加弁２８から燃料添加を行っても良い。つまり、第３触媒１２における反応開始の時期を、第１添加弁２８と第２添加弁２９とでずらしても良い。

また、第１添加弁２８からの燃料添加時期の適正値は、内燃機関１の吸入空気量や第１触媒９の温度、第２触媒１１の温度、第３触媒１２の温度等によって変わるため、これらの関係を予め実験等により求めておいても良い。

例えば、第３触媒１２の温度が低いと、ＨＣの蒸発に時間がかかるため、第１添加弁２８からの燃料添加開始時期を該第３触媒１２の温度に応じて補正しても良い。つまり、第３触媒１２の温度が低いほど、第１添加弁２８からの燃料添加開始時期を遅らせても良い。

また例えば、内燃機関１の吸入空気量が少ないと、ＨＣの蒸発に時間がかかるため、第１添加弁２８からの燃料添加開始時期を該吸入空気量に応じて補正しても良い。つまり、内燃機関１の吸入空気量が少ないほど、第１添加弁２８からの燃料添加開始時期を遅らせても良い。

以上説明したように本実施例によれば、第３触媒１２でＨＣが反応しているときにさらにＨＣを供給することができるため、ＨＣを効率良く供給することができる。また、第３触媒１２から酸素が放出された後にＨＣを供給できることによってもＨＣを効率良く供給することができる。

本実施例では、内燃機関１の負荷が高いときには、第１添加弁２８からの燃料添加を停止し且つ第２添加弁２９からの燃料添加量をその分増加させ、負荷が低いときには、第１添加弁２８及び第２添加弁２９から燃料添加を行う。その他の装置については実施例１と同じため説明を省略する。

第１添加弁２８から燃料添加を行うと、第１触媒９の温度が上昇して圧力損失が大きくなる。そのため、内燃機関１の出力を低下させる虞がある。これに対し、内燃機関１の負荷が高いときに、第１添加弁２８からの燃料添加を停止させれば、内燃機関１の出力の低下を抑制する。このようにすることで、速やかな加速が可能となる。また、このときに第２添加弁２９からの燃料添加量を増加させることにより、第３触媒１２の昇温を継続することができる。第２添加弁２９からの燃料添加量の増加分は、第１添加弁２８から供給されるエネルギ量と等しくする。また、単に第１添加弁２８から添加するはずであった燃料量を増加分としても良い。

一方、内燃機関１の負荷が低いときには、第１触媒９における圧力損失の影響が小さいため、第１添加弁２８からも燃料添加を行う。つまり、第１添加弁２８及び第２添加弁２９から燃料添加を行う。これにより、各触媒においてＨＣの改質等が促進されるため、第３触媒１２の温度をより効率良く高めることができる。

なお、内燃機関１の負荷に応じて第１添加弁２８からの燃料添加量を減少させ、第２添加弁２９からの燃料添加量を増加させても良い。このときに、燃料添加量は段階的に変化させても良い。

また、第１添加弁２８からの燃料添加を停止させる閾値となる負荷は、加速性能と第３触媒１２の昇温性能とを考慮して予め実験等により最適値を求めておく。

本実施例では、第２触媒１１に流入するガス温度、及び第２触媒の温度を、ウェストゲート通路６ｃを流通するガス量を考慮しつつ推定する。その他の装置については実施例１と同じため説明を省略する。

ここで、ウェストゲート通路６ｃを通過したガスの温度と、タービンハウジング６ｂ内を通過したガスの温度と、は異なる。つまり、タービンハウジング６ｂ内をガスが通過すると、冷却水に熱を奪われたり、タービンを回転させることによりエネルギが消費されたりするため、温度がより低くなる。

そこで本実施例では、第１触媒９におけるＨＣの反応量、ウェストゲート通路６ｃを通過するガスとタービンハウジング６ｂを通過するガスとの比率、タービンハウジング６ｂを通過するときに奪われる熱量、に基づいて第２触媒１１の温度を推定する。つまり、第２触媒１１の温度Ｔｃは次の式により推定することができる。
Ｔｃ＝Ｔｇｉｎ＋Ｔｐｃ−（Ａ×ΔＴｂ＋Ｂ×ΔＴｔｃ＋Δｔ）＋Ｃ×ΔＴｃ＋Ｋ
ただし、Ｔｇｉｎは第１触媒９に流入する排気の温度、Ｔｐｃは第１触媒９における発熱分、ΔＴｂはウェストゲート通路６ｃを通過するガスの放熱分、ΔＴｔｃはタービンハウジング６ｂを通過するガスの放熱分、Δｔはその他の放熱分ｎ、ΔＴｃは第２触媒１１における発熱分、Ａはウェストゲート通路６ｃを通過するガスの比率、Ｂはタービンハウジング６ｂを通過するガスの比率、Ｃはウェストゲート通路６ｃをガスが通過することにより第２触媒１１へ流入するガス量が変化することによる補正分、Ｋは熱容量による遅れ分である。

つまり、ウェストゲート通路６ｃを通過する分の温度変化と、タービンハウジング６ｂを通過するときの温度変化とを夫々算出することにより、第２触媒１１の温度をより正確に推定することができる。

なお、第１触媒９に流入する排気の温度Ｔｇｉｎは例えば温度センサで測定したり、機関回転数及び機関負荷から推定したりして得ることができる。また、第１触媒９における発熱分Ｔｐｃは、第１添加弁２８からの燃料添加量に基づいて得ることができる。ウェストゲート通路６ｃを通過するガスの放熱分ΔＴｂ、タービンハウジング６ｂを通過するガスの放熱分ΔＴｔｃ、その他の放熱分Δｔは、予め実験等により得ることができる。第２触媒１１における発熱分ΔＴｃは、第２添加弁２９からの燃料添加量及び第１触媒９からすり抜けるＨＣ量に基づいて得ることができる。ウェストゲート通路６ｃを通過するガスの比率Ａ、タービンハウジング６ｂを通過するガスの比率Ｂ、ウェストゲート通路６ｃをガスが通過することにより第２触媒１１へ流入するガス量が変化することによる補正分Ｃ、熱容量による遅れ分Ｋは予め実験等により得ることができる。

本実施例では、第１触媒９におけるＨＣの反応性が高い場合には、ウェストゲートバルブ６ｄを開いて第２触媒１１に流入するガス温度を流入させる。その他の装置については実施例１と同じため説明を省略する。

ここで、第１触媒９におけるＨＣの反応性が高い場合には、該第１触媒９において多くの熱が発生する。そのため、タービンハウジング６ｂをガスが通過すると、該タービンハウジング６ｂで多くの熱が奪われる。つまり、損失が大きくなる。これにより、第２触媒１１及び第３触媒１２の昇温量が小さくなる。

これに対し、ウェストゲートバルブ６ｄを開いてウェストゲート通路６ｃへガスを流せば、奪われる熱を減少させることができるため、第２触媒１１及び第３触媒１２の温度を上昇させることができる。また、第２触媒１１へ高温のガスが流入することにより、第２添加弁２９から添加される燃料の霧化を促進することができる。

また、本実施例では、第１触媒９へ積極的にＨＣを供給している場合には限らない。つ
まり、第１添加弁２８により燃料添加が行われているときに限らない。また、内燃機関１から積極的にＨＣを排出させる場合はもちろん、通常の運転状態の場合であっても適用できる。

なお、第１触媒９における反応性が高い場合に代えて、第１触媒９におけるＨＣの反応量が閾値以上の場合としても良い。また、タービンハウジング６ｂを通過するときの放熱量が閾値以上の場合としても良い。これらの閾値は、内燃機関１に要求される出力、及び第２触媒１１に要求される昇温量を考慮して決定する。これは、実験等により求めても良い。また、例えば第１触媒の反応性が高くなるほど、ウェストゲート通路６ｃを通過する排気の比率を高くしても良い。

本実施例では、図１に示した内燃機関の排気系とは異なる構成について説明する。なお、図１と同じ構成については図示及び説明を省略する。

図６は、ターボチャージャを並列に２つ備えている場合の概略構成図である。図１に示したターボチャージャ６と並列に第２ターボチャージャ６０を備えている。第２ターボチャージャ６０のタービンハウジング６０ｂの上流側は排気マニホールド８に接続され、下流側は第２排気管１００の一端に接続されている。第２排気管１００の他端は、ターボチャージャ６のタービンハウジング６ｂよりも下流側で且つ第２触媒１１よりも上流側の排気管１０（図６のＡで示した箇所）に接続されている。

なお、第２排気管１００の他端は、第２触媒１１よりも下流側で且つ第３触媒１２よりも上流側の排気管１０（図６のＢで示した箇所）に接続しても良い。また、第２排気管１００の他端は、第３触媒１２よりも下流側の排気管１０（図６のＣで示した箇所）に接続しても良い。なお、ターボチャージャを３つ以上備えていても良い。

図７は、第１触媒９がタービンハウジング６ｂよりも下流側に設けられている場合の概略構成図である。つまり、タービンハウジング６ｂよりも下流側に、第１触媒９、第２添加弁２９、第２触媒１１、第３触媒１２が順に設けられている。

図８は、ターボチャージャを並列に２つ備え、さらに第１触媒９がタービンハウジング６ｂよりも下流側に設けられている場合の概略構成図である。図１に示したターボチャージャ６と並列に第２ターボチャージャ６０を備えている。第２ターボチャージャ６０のタービンハウジング６０ｂの上流側は排気マニホールド８に接続され、下流側は第２排気管１００の一端に接続されている。第２排気管１００の他端は、ターボチャージャ６のタービンハウジング６ｂよりも下流側で且つ第１触媒９よりも上流側の排気管１０に接続されている。

図６，７，８で示した構成であっても、ＨＣを第１触媒９又は第２触媒１１にて反応させ、このときに発生する熱により第３触媒１２の温度を上昇させることができる。また、第１触媒９又は第２触媒１１で改質されたＨＣを第３触媒１２へ供給することができる。図６，７，８で示した構成は、可能な限り前記実施例と組み合わせることができる。

実施例１に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。 エネルギの関係を示した図である。 第１添加弁及び第２添加弁からの燃料添加量を示した図である。 実施例に係る第１添加弁と第２添加弁との燃料添加タイミングを示したタイムチャートである。 目標温度とするために要する燃料添加量と、燃料添加量の補正量と、を示した値である。 ターボチャージャを並列に２つ備えている場合の概略構成図である。 第１触媒がタービンハウジングよりも下流側に設けられている場合の概略構成図である。 ターボチャージャを並列に２つ備え、さらに第１触媒がタービンハウジングよりも下流側に設けられている場合の概略構成図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 燃料噴射弁
４ 吸気マニホールド
５ 吸気管
６ ターボチャージャ
６ａ コンプレッサハウジング
６ｂ タービンハウジング
６ｃ ウェストゲート通路
６ｄ ウェストゲートバルブ
７ エアフローメータ
８ 排気マニホールド
９ 第１触媒
１０ 排気管
１１ 第２触媒
１２ 第３触媒
１５ 温度センサ
２１ クランク角センサ
２２ ノックセンサ
２４ アクセルペダル
２５ アクセル開度センサ
２８ 第１添加弁
２９ 第２添加弁
３０ ＥＣＵ

Claims (15)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ酸化機能を有する第１触媒と、
   前記第１触媒よりも下流に設けられ、酸化機能を有する第２触媒と、
   前記第２触媒よりも下流に設けられ、酸化機能を有する第３触媒と、
   前記第１触媒よりも上流側から還元剤を供給する第１供給手段と、
   前記第１触媒よりも下流側で且つ前記第２触媒よりも上流側から還元剤を供給する第２供給手段と、
   前記第３触媒に要求されるエネルギ量に相当する還元剤量を算出する算出手段と、
   前記算出手段により算出される還元剤量を、前記第１触媒の活性度又は前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記第１供給手段及び前記第２供給手段に分配する分配手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 内燃機関の吸入空気量が所定空気量よりも少ないとき又は前記第１触媒の温度が所定温度よりも高いときは、そうでないときよりも、前記第１供給手段からの還元剤供給量を増加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装置。
3. 前記第１触媒の温度が活性温度の下限値以上の場合には、前記第２供給手段により周期的に還元剤を供給して前記第２触媒へ還元剤を付着させておき、このときの還元剤供給量を、前記第２触媒の温度が活性温度の下限値以上の場合に、前記第２触媒の温度が活性温度の下限値より低い場合よりも、多く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装置。
4. 前記第１触媒及び前記第２触媒の温度が夫々の活性温度の下限値以上の場合であって、前記第１触媒の活性度が所定の活性度よりも高い場合には、低い場合よりも、前記第１供給手段からの還元剤供給量の割合を減少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装置。
5. 前記第２供給手段からの還元剤供給量の割合を増加することにより前記第２触媒が過熱するときには、該増加の度合いを低くすることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記第１供給手段により供給される還元剤が前記第１触媒で反応したガスが、前記第２触媒へ到達した後に、前記第２供給手段により供給される還元剤が前記第２触媒へ到達するように、該第２供給手段により還元剤を供給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装置。
7. 前記第２供給手段により供給される還元剤が前記第３触媒で反応しているときに、前記第１供給手段により供給される還元剤が前記第３触媒へ到達するように、該第１供給手段により還元剤を供給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装置。
8. 前記第３触媒に供給されるエネルギが不足したときに、前記第１供給手段及び前記第２供給手段からの還元剤供給量を増加する場合には、前記第１供給手段よりも前記第２供給手段のほうの増加量を多く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装置。
9. 内燃機関の負荷が高いときは低いときよりも、前記第１供給手段からの還元剤供給量の割合を減少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装置。
10. 内燃機関で異常燃焼又は失火が発生したときに、その程度が軽度であれば前記第１供給
    手段からの還元剤の供給を停止し、重度であれば前記第１供給手段及び前記第２供給手段からの還元剤の供給を停止することを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 前記第１触媒、または該第１触媒よりも下流側で且つ前記第２触媒よりも上流側の排気通路に備わる部材に付着しているＰＭ量が閾値を超えたか否か判定する判定手段を備え、前記判定手段により付着しているＰＭ量が閾値を超えたと判定された場合には、前記第１供給手段及び前記第２供給手段により還元剤を供給することを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 前記第１触媒よりも下流側で且つ前記第２供給手段よりも上流側にターボチャージャを備え、前記分配手段は、前記ターボチャージャを排気が通過するときに奪われるエネルギに基づいて前記第１供給手段及び前記第２供給手段に還元剤を分配することを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
13. 前記第１触媒の活性度が高いときは低いときよりも、前記ターボチャージャのウェストゲートを通過する排気の量を増加することを特徴とする請求項１２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
14. 前記第１触媒から硫黄成分が放出されるときに、前記第２触媒を通過する排気の空燃比がリッチとなるように前記第２供給手段により還元剤を供給することを特徴とする請求項１から１３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
15. 前記第１触媒は、ターボチャージャよりも上流に備わり、前記第２触媒は、前記内燃機関の排気通路の中心軸と直行する切断面による断面積が前記排気通路よりも小さいことを特徴とする請求項１から１４の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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