JP2015108356A - 還元剤添加装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極への燃料付着を抑制しつつ還元剤を改質することと、還元剤の添加タイミングの応答遅れを抑制することを可能にする。
【解決手段】内燃機関の排気通路のうちＮＯｘ浄化装置の上流側へ還元剤を添加する還元剤添加装置は、噴射弁３３、および電気ヒータ３４を備える。噴射弁３３は、液体の還元剤を噴霧状態にして噴射する噴孔を有する。電気ヒータ３４は、噴射弁３３から噴射された還元剤を加熱して気化させる。そして、噴孔から噴射される還元剤の噴霧中心線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４と電気ヒータ３４の加熱面３４ａとの交差角度θ１、θ２、θ３、θ４が鋭角になるように、噴射弁３３は配置されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、ＮＯｘの還元に用いる還元剤を添加する、還元剤添加装置に関する。

従来より、内燃機関の排気に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を、触媒上で還元剤と反応させて浄化する技術が知られている。この技術に関し、特許文献１に記載の還元剤添加装置では、内燃機関の燃焼に用いる燃料（炭化水素）を還元剤として用いている。そして、噴射弁から液体の燃料を霧状に噴射して、放電する電極間に通過させることで改質し、改質した液体燃料を排気通路へ添加している。

特開２００９−１６２１７３号公報

しかし、上記従来の装置では、霧状の液体燃料が電極に付着することにより次の問題が生じる。すなわち、電極に付着した液体燃料は気化するまで付着したままであり、気化して電極から放出されるタイミングが不確定になる。そのため、所望のタイミングで還元剤を排気通路へ添加することが困難になる。

この問題に対し本発明者らは、液体燃料をヒータで加熱して気化させてから電極間を通過させる構成を検討した。この構成の場合、改質された燃料が排気通路へ添加されるタイミングが、液体燃料を噴射弁から噴射したタイミングよりも遅れるといった応答遅れの問題が生じる。したがって、このような応答遅れを抑制するべく、噴射弁から噴射された液体燃料を迅速に気化させることが要求される。

なお、電極による燃料の改質を行わない装置においても、液体燃料をヒータで加熱気化させてから排気通路へ添加することが要求される場合がある。この場合においても、迅速に気化させなければ上記応答遅れの問題が生じることとなる。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、還元剤の添加タイミングの応答遅れを抑制することを可能にした還元剤添加装置を提供することにある。

ここに開示される発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

開示される発明のひとつは還元剤添加装置である。この還元剤添加装置は、内燃機関（１０）の排気に含まれるＮＯｘを還元触媒上で浄化するＮＯｘ浄化装置（１５）が排気通路（１０ｅｘ）に備えられた燃焼システムに設けられ、排気通路のうち還元触媒の上流側へ還元剤を添加することを前提とする。そして、液体の還元剤を噴霧状態にして噴射する噴孔（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）を有した噴射弁（３３）と、噴孔に対向するように配置された加熱面（３４ａ）を有し、加熱面に付着した液体の還元剤を加熱して気化させる加熱手段（３４、３４ｐ、３４ｑ、３４ｒ）と、を備え、噴孔から噴射される還元剤の噴霧中心線（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）と加熱面との交差角度（θ１、θ２、θ３、θ４）が鋭角になるように、噴射弁は配置されていることを特徴とする。

この発明によれば、噴射される還元剤の噴霧中心線と加熱面との交差角度が鋭角であるため、加熱面に対して噴霧が斜めに付着することとなる。よって、上記交差角度が直角である場合に比べて噴霧の付着面積が拡大されるので、加熱面による還元剤の加熱が促進され、液体の還元剤を迅速に気化させることを促進できる。よって、加熱手段により気化された還元剤が排気通路へ添加されるタイミングが、液体の還元剤を噴射弁から噴射したタイミングよりも遅れるといった応答遅れの問題を抑制できる。

本発明の第１実施形態に係る還元剤添加装置、およびその装置が適用される燃焼システムを示す模式図。 図１に示す還元剤添加装置を模式的に示す断面図。 図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図。 第１実施形態に係る噴射弁の断面図であって、噴孔の断面形状を示す図。 第１実施形態において、燃料の噴霧中心線とヒータ加熱面との交差角度を模式的に示す図。 第１実施形態において、ヒータ加熱面における燃料噴霧の投影範囲を模式的に示す図。 第１実施形態において、改質ＨＣが生成されるメカニズムを説明する模式図。 第１実施形態において、オゾンが生成されるメカニズムを説明する模式図。 第１実施形態において、オゾン生成と改質ＨＣ生成とを切り替える制御の手順を示すフローチャート。 第１実施形態において、燃料供給量およびヒータ温度を制御する処理手順を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態に係る電気ヒータの断面図。 本発明の第３実施形態に係る電気ヒータの断面図。 本発明の第４実施形態に係る電気ヒータの断面図。

以下、図面を参照しながら発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において、先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において、構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を参照し適用することができる。

（第１実施形態）
図１に示す燃焼システムは、以下に詳述する内燃機関１０、過給機１１、微粒子捕集装置（ＤＰＦ１４）、ＮＯｘ浄化装置１５、還元剤浄化装置（ＤＯＣ１６）および還元剤添加装置を備える。燃焼システムは車両に搭載されたものであり、当該車両は、内燃機関１０の出力を駆動源として走行する。内燃機関１０は、圧縮自着火式のディーゼルエンジンであり、燃焼に用いる燃料には軽油を用いている。

過給機１１は、タービン１１ａ、回転軸１１ｂおよびコンプレッサ１１ｃを備える。タービン１１ａは、内燃機関１０の排気通路１０ｅｘに配置され、排気の運動エネルギにより回転する。回転軸１１ｂは、タービン１１ａおよびコンプレッサ１１ｃの各インペラを結合することで、タービン１１ａの回転力をコンプレッサ１１ｃに伝達する。コンプレッサ１１ｃは、内燃機関１０の吸気通路１０ｉｎに配置され、吸気を圧縮して内燃機関１０へ過給する。

吸気通路１０ｉｎのうちコンプレッサ１１ｃの下流側には、コンプレッサ１１ｃで圧縮された吸気を冷却する冷却器１２が配置されている。冷却器１２により冷却された圧縮吸気は、スロットルバルブ１３により流量調整された後、吸気マニホールドにより内燃機関１０の複数の燃焼室へ分配される。

複数の燃焼室から排出された排気は、排気マニホールド１０ｍにより集合される。排気マニホールド１０ｍには、排気の一部をＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスとして吸気通路１０ｉｎへ還流させる還流配管１０ｅｇｒが取り付けられている。このようにＥＧＲガスを吸気に混合させることで、燃焼室での燃焼温度を低下させてＮＯｘ低減が図られる。還流配管１０ｅｇｒには、ＥＧＲクーラ１７およびＥＧＲバルブ１８が取り付けられている。ＥＧＲクーラ１７は、ＥＧＲガスを冷却することで燃焼温度をさらに低下させてＮＯｘ低減を促進させる。ＥＧＲバルブ１８は、ＥＣＵ８０により制御され内燃機関１０の運転状態に応じてＥＧＲガスの流量を制御する。

排気通路１０ｅｘのうちタービン１１ａの下流側には、ＤＰＦ１４（Diesel Particulate Filter）、ＮＯｘ浄化装置１５、ＤＯＣ１６（Diesel Oxidation Catalyst）が順に配置されている。ＤＰＦ１４は、排気に含まれている微粒子を捕集する。排気通路１０ｅｘのうちＤＰＦ１４の下流側かつＮＯｘ浄化装置１５の上流側には、還元剤添加装置の供給管２４が接続されている。この供給管２４から排気通路１０ｅｘへ、還元剤添加装置により生成された改質還元剤が添加される。改質還元剤とは、還元剤として用いる炭化水素（燃料）を部分的に酸化して部分酸化炭化水素に改質したものであり、図７を用いて後に詳述する。

ＮＯｘ浄化装置１５は、還元触媒を担持するハニカム状の担体１５ｂと、担体１５ｂを内部に収容するハウジング１５ａとを備える。ＮＯｘ浄化装置１５は、排気中のＮＯｘを還元触媒上で燃料と反応させてＮ_２に還元することで、排気に含まれているＮＯｘを浄化する。なお、排気中にはＮＯｘの他にＯ_２も含まれているが、添加された還元剤はＯ_２存在下においてＮＯｘと選択的に反応する。

還元触媒には、ＮＯｘを吸着する機能を有したものが用いられている。詳細には、還元反応が可能となる活性化温度よりも触媒温度が低い場合には、還元触媒は排気中のＮＯｘを吸着する機能を発揮する。そして、触媒温度が活性化温度以上の場合には、吸着されていたＮＯｘは燃料により還元されて、還元触媒から放出される。例えば、担体１５ｂに担持された銀アルミナによる還元触媒により、ＮＯｘ吸着機能を有したＮＯｘ浄化装置１５が提供される。

ＤＯＣ１６は、酸化触媒を担持する担体をハウジング内に収容して構成されている。ＤＯＣ１６は、還元触媒上にてＮＯｘ還元に用いられずにＮＯｘ浄化装置１５から流出した還元剤を、酸化触媒上で酸化する。これにより、排気通路１０ｅｘの出口から還元剤が大気に放出されることを防止する。なお、酸化触媒の活性化温度（例えば２００℃）は、還元触媒の活性化温度（例えば２５０℃）よりも低い。

次に、改質還元剤を生成して供給管２４から排気通路１０ｅｘへ添加する還元剤添加装置について、図１および図２を用いて説明する。

還元剤添加装置は、排気通路１０ｅｘの外部に配置されており、以下に詳述する放電リアクタ２０、エアポンプ３２ｐ、噴射弁３３、電気ヒータ３４および電子制御装置（ＥＣＵ８０）を備える。放電リアクタ２０、エアポンプ３２ｐ、噴射弁３３および電気ヒータ３４への通電は、ＥＣＵ８０が備えるマイクロコンピュータ（マイコン８１）により制御される。

放電リアクタ２０は、内部に流通路２２ａを形成するハウジング２２を備え、流通路２２ａには複数の電極２１が配置されている。これらの電極２１は、互いに平行に対向するように配置された平板形状であり、高電圧が印加される電極と接地電圧の電極とが交互に配置されている。

放電リアクタ２０の上流側には、連結部材３０が取り付けられており、連結部材３０の内部空間３０ａには、混合室３１ａを内部に形成する筒状の混合容器３１が配置されている。混合容器３１の下流側開口部は、ハウジング２２により形成される流通路２２ａに接続される。混合容器３１の上流側開口部は、連結部材３０に設けられた筒状部材３０ｂの開口部と、所定の隙間ＣＬを介して対向する。

したがって、混合容器３１と筒状部材３０ｂとの間に形成された隙間ＣＬを介して、混合室３１ａと内部空間３０ａとは連通する。詳細には、流通路２２ａに連通する混合室３１ａの周囲には内部空間３０ａが存在する。そして、内部空間３０ａの空気が、環状の隙間ＣＬを通じて混合室３１ａへ流入し、流通路２２ａ、供給管２４へと順に流れるように構成されている。

連結部材３０の上流側には、後に詳述する気化ケース３６、噴射弁３３および電気ヒータ３４を保持する保持部材３５が取り付けられている。保持部材３５の下方部分には空気通路３５ａが形成されている。エアポンプ３２ｐにより送風された空気は、送風管３２を通じて空気通路３５ａへ流入する。エアポンプ３２ｐが送風する空気は、還元剤添加装置の周囲に存在する常温常圧の大気である。空気には酸素分子が含まれているので、少なくとも酸素を含んだ酸素ガスをエアポンプ３２ｐは混合室３１ａへ供給していると言える。以上により、エアポンプ３２ｐから送風管３２へ導入された空気は、空気通路３５ａ、内部空間３０ａおよび隙間ＣＬを順に流れて混合室３１ａへ流入する。

図３に示すように、気化ケース３６は、断面円形の気化室３６ａを内部に形成する。気化室３６ａには電気ヒータ３４の加熱面３４ａが配置されている。ヒータは、通電により発熱する発熱体３４ｂ、および発熱体３４ｂを内部に収容する伝熱カバー３４０を備える。伝熱カバー３４０の外周面が先述した加熱面３４ａに相当し、伝熱カバー３４０が発熱体３４ｂにより加熱されることで、加熱面３４ａは温度上昇する。

伝熱カバー３４０および発熱体３４ｂは、保持部材３５に形成された挿入穴３５ｃに挿入され、伝熱カバー３４０は、挿入穴３５ｃへの挿入方向Ａ（図２の左右方向）に延びる有底円筒形状である。この挿入方向Ａは、還元剤添加装置を車両に搭載した状態において水平の方向である。つまり、伝熱カバー３４０の中心線Ｃｈは水平方向に延びる。伝熱カバー３４０の挿入方向Ａの長さつまり長手方向長さは、伝熱カバー３４０のうち挿入方向Ａに垂直な方向の長さよりも長い。

気化ケース３６の周壁の上方部分には開口部３６ｃが形成されており、開口部３６ｃの上方には噴射弁３３が配置されている。噴射弁３３は、複数の噴孔Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４（図３、図４参照）が形成された噴孔プレート３３ａを備える。複数の噴孔Ｄ１〜Ｄ４は、伝熱カバー３４０の挿入方向Ａつまり中心線Ｃｈの方向に、並べて配置されている。

噴射弁３３は、保持部材３５に形成された挿入穴３５ｂに挿入されることで保持されている。噴射弁３３は、挿入穴３５ｂへの挿入方向Ｂに延びる棒状の形状である。この挿入方向Ｂは、噴射弁３３の中心線Ｃｉが延びる方向と一致しており、還元剤添加装置を車両に搭載した状態において鉛直の方向に対して傾いている。つまり、電気ヒータ３４の中心線Ｃｈと噴射弁３３の中心線Ｃｉとは斜めに交差する。

図４に示すように、噴孔Ｄ１〜Ｄ４はストレートに延びる形状である。噴孔Ｄ１〜Ｄ４の通路断面形状は円形であり、その通路断面積は一定である。噴孔Ｄ１〜Ｄ４の中心線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は、噴射弁３３の中心線Ｃｉに対して傾いている。各々の噴孔Ｄ１〜Ｄ４から噴射された霧状の液体燃料である噴霧は、下流側に進むほど拡がる円錐形状である。この噴霧の中心線は噴孔Ｄ１〜Ｄ４の中心線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４とする。

図５に示すように、噴孔Ｄ１〜Ｄ４から噴射された噴霧は、開口部３６ｃを通じて気化室３６ａへ流入し、加熱面３４ａに噴き付けられる。噴霧中心線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４と加熱面３４ａとの交差角度θ１、θ２、θ３、θ４は９０度未満の鋭角である。上記交差角度θ１〜θ４は、厳密には、加熱面３４ａの最上端部における水平面と噴霧中心線Ｃ１〜Ｃ４との角度である。

挿入方向Ａにおける噴孔Ｄ１〜Ｄ４の位置は、加熱面３４ａよりも挿入方向Ａの手前側（図５の左側）に位置する。そして、複数の噴孔Ｄ１〜Ｄ４のうち挿入方向Ａの手前側に位置する噴孔ほど、噴霧の交差角度θ１〜θ４が大きい。なお、上下方向においては、噴孔Ｄ１〜Ｄ４は加熱面３４ａよりも上方に位置する。

交差角度θ１〜θ４が鋭角であるため、円錐形状の噴霧が加熱面３４ａに斜めに噴き付けられる。よって、図６に示すように、加熱面３４ａのうち噴霧が噴き付けられる領域Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４は、挿入方向Ａを長手方向とする楕円形状となる。交差角度θ１〜θ４の小さい噴霧ほど、噴き付け領域Ａ１〜Ａ４の楕円長手方向が長くなる。また、噴孔Ｄ１〜Ｄ４の直径を大きくしたり、噴孔Ｄ１〜Ｄ４と加熱面３４ａとの距離を長くしたりすると、領域Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の面積が大きくなり、加熱面３４ａからはみ出ることとなる。このようにはみ出ることのないよう、上記直径および距離は設定されている。

気化室３６ａに流入した液体燃料は、電気ヒータ３４により加熱されて気化する。また、加熱面３４ａは、気化された燃料をさらに加熱することで、炭素数の少ない炭化水素に燃料を分解するクラッキングを生じさせる。例えば、軽油がクラッキングされる温度（３５０℃〜５００℃）に燃料を加熱するよう、マイコン８１が電気ヒータ３４への通電を制御する。クラッキングされた燃料は沸点が低くなり凝縮しにくくなる。気化してクラッキングされた燃料は、気化ケース３６の軸方向先端部分に形成された複数の噴出口３６ｂから噴出する。噴出口３６ｂから噴出した気体燃料は、隙間ＣＬから導入された空気と混合室３１ａで混合し、その後、放電リアクタ２０へ流入する。

噴射弁３３および電気ヒータ３４は、図示しないシール材を介して気化ケース３６に取り付けられている。したがって、気化室３６ａのうち噴出口３６ｂを除く部分については、密閉された空間になっている。よって、燃料が気化することに伴い気化室３６ａは高圧になる。この圧力で、気化室３６ａの気体燃料は噴出口３６ｂから混合室３１ａへ噴出する。

なお、燃料タンク３３ｔ内の液体燃料は、ポンプ３３ｐにより噴射弁３３に供給され、噴射弁３３の噴孔Ｄ１〜Ｄ４から噴射されて減圧することにより、微粒化された状態で気化室３６ａへ供給される。つまり、噴射弁３３は、液体の燃料を液体燃料を微粒化する「微粒化装置」を提供しており、例えば、液体燃料の粒径を６０μｍ以下の噴霧状態にして噴射する。

燃料タンク３３ｔ内の燃料は、先述した燃焼用の燃料としても用いられており、内燃機関１０の燃焼に用いる燃料と、還元剤として用いる燃料は共用される。噴射弁３３は、電磁ソレノイドによる電磁力により開弁作動させる構造であり、その電磁ソレノイドへの通電はマイコン８１により制御される。

気化ケース３６内へ噴射される液体燃料の単位時間当たりの噴射量が、単位時間当たりに気化する気化量よりも多くなると、噴き付け領域Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４から燃料が液ダレして、自重で加熱面３４ａから落下するようになる。すると、気化ケース３６内に液体燃料が貯留されることとなる。この場合、気化ケース３６は、噴射された液体燃料を気化するまで一時的に貯留する貯留槽を提供する。但し、貯留される燃料の液面が開口部３６ｃに達することのないよう、噴孔Ｄ１〜Ｄ４からの燃料噴射量は制御される。

気体燃料と空気とが混合室３１ａにて混合した混合気は、放電リアクタ２０の電極２１間の電極間通路２１ａを流通し、供給管２４を通じて排気通路１０ｅｘへ添加される。放電リアクタ２０は、混合気に含まれる燃料（炭化水素）を酸化させて改質燃料を生成する。以下、図７を用いてその生成反応について説明する。

先ず、図７中の符号（１）に示すように、電極２１から放出された電子が、混合気に含まれる酸素ガス（酸素分子）に衝突する。すると、酸素分子は電離して活性酸素の状態になる（符号（２）参照）。次に、活性酸素は、混合気に含まれる気体燃料（炭化水素）と反応して炭化水素を部分的に酸化する（符号（３）参照）。これにより、炭化水素が部分的に酸化された状態の改質還元剤が生成される（符号（４）参照）。改質還元剤の具体例としては、炭化水素の一部がヒドロキシ基（ＯＨ）、アルデヒド基（ＣＨＯ）に酸化された状態の部分酸化物が挙げられる。

さらに放電リアクタ２０は、噴射弁３３による燃料噴射が停止されて燃料が流入していない状態では、図８に示すようにオゾンを活発に生成するようになる。すなわち、先ず、電極２１から放出された電子が、導入されてくる酸素ガス（酸素分子）に衝突する（符号（１）参照）。すると、酸素分子は電離して活性酸素の状態になる（符号（２）参照）。そして活性酸素は、送風されてくる酸素分子と反応して酸化する（符号（５）参照）。

要するに、電極２１に電圧を印加して酸素ガスが導入される状態にすれば、放電リアクタ２０は、酸素ガスをグロー放電によりプラズマ状態にして、酸素分子を電離させて活性酸素にする。そして、この状態で噴出口３６ｂから燃料が噴出されていれば、放電リアクタ２０は活性酸素により燃料を部分的に酸化させて改質還元剤を生成する。一方、噴出口３６ｂからの燃料噴出が停止されていれば、放電リアクタ２０は活性酸素により酸素ガスからオゾンを生成する。生成されたアルデヒドまたはオゾンは、空気の供給圧力、つまりエアポンプ３２ｐによる圧力により、電極間通路２１ａから流出し、供給管２４を通じて排気通路１０ｅｘへ添加される。

ＥＣＵ８０が備えるマイコン８１は、プログラムを記憶する記憶装置と、記憶されたプログラムにしたがって演算処理を実行する中央演算処理装置と、を備える。ＥＣＵ８０は、各種センサの検出値に基づき内燃機関１０の作動を制御する。上記各種センサの具体例として、アクセルペダルセンサ（図示せず）、機関回転速度センサ（図示せず）、スロットル開度センサ（図示せず）、吸気圧センサ（図示せず）、吸気量センサ９５、排気温度センサ９６等が挙げられる。

アクセルペダルセンサは、ユーザのアクセルペダル踏込量を検出する。機関回転速度センサは、内燃機関１０の出力軸の回転速度を検出する。スロットル開度センサはスロットルバルブ１３の開度を検出する。吸気圧センサは、吸気通路１０ｉｎのうちスロットルバルブ１３の下流側の圧力を検出する。吸気量センサ９５は吸気の質量流量を検出する。

概略、ＥＣＵ８０は、出力軸１０ａの回転速度および内燃機関１０の負荷に応じて、図示しない燃料噴射弁から噴射される燃焼用燃料の噴射量および噴射時期を制御する。さらにＥＣＵ８０は、排気温度センサ９６により検出された排気温度に基づき、還元剤添加装置の作動を制御する。すなわち、マイコン８１は、図９および図１０に示す手順のプログラムを所定周期で繰り返し実行することで、改質還元剤の生成とオゾンの生成を切り替えるように制御する。これらのプログラムは、イグニッションスイッチがオン操作されたことをトリガとして始動し、内燃機関１０の運転期間中は常時実行される。

先ず、図９のステップＳ１０において、マイコン８１はエアポンプ３２ｐを作動させる。続くステップＳ１１では、電極２１へ電圧を印加して放電リアクタ２０での放電を実施する。続くステップＳ１２では、ＮＯｘ浄化装置１５が有する還元触媒の温度（ＮＯｘ触媒温度）が、活性化温度未満であるか否かを判定する。ＮＯｘ触媒温度は、排気温度センサ９６により検出された排気温度から推定される。ここで、還元触媒の活性化温度とは、改質還元剤によりＮＯｘを還元浄化できる温度を示す。

ＮＯｘ触媒温度が活性化温度未満であると判定された場合には、ステップＳ１３においてオゾン生成フラグをオンに設定する。このオゾン生成フラグは、図８の如くオゾンを生成するように指令するものである。一方、ＮＯｘ触媒温度が活性化温度未満でないと判定された場合には、ステップＳ１４において改質フラグをオンに設定する。この改質フラグは、図７の如く改質還元剤を生成するように指令するものである。

次に、図１０のステップＳ２０では、改質フラグがオンに設定されているか否かを判定する。改質フラグがオンでないと判定されれば、続くステップＳ２１にて電気ヒータ３４への通電を停止させるとともに、ステップＳ２２において、燃料噴射を停止させるように噴射弁３３を閉弁作動させる。ステップＳ２２の処理を実行している時のマイコン８１は「オゾン生成制御手段」を提供する。

一方、改質フラグがオンであると判定されれば、続くステップＳ２３にて、ＮＯｘ浄化装置１５が単位時間当りに必要とする改質還元剤の量（必要還元剤量）を算出する。このステップＳ２３の処理を実行している時のマイコン８１は「必要量算出手段」を提供する。以下、必要還元剤量を算出する具体例を説明する。

先ず、内燃機関１０の負荷、出力軸１０ａの回転速度および燃焼用の燃料の噴射量等、内燃機関１０の運転状態に基づき、排気中のＮＯｘ濃度および排気量を算出する。次に、算出したＮＯｘ濃度および排気量に基づき排気中のＮＯｘ量（ＮＯｘ排出量）を算出する。次に、算出したＮＯｘ排出量、供給した改質還元剤量およびＮＯｘ触媒温度等の履歴に基づき、ＮＯｘ浄化装置１５で吸着されているＮＯｘ量（ＮＯｘ吸着量）を算出する。次に、算出したＮＯｘ吸着量に現時点でのＮＯｘ排出量を加算してＮＯｘ総量を算出する。次に、ＮＯｘ総量を浄化するのに必要な改質還元剤の量を、必要還元剤量として算出する。

以上の如くステップＳ２３にて必要還元剤量を算出した後、続くステップＳ２４では、算出した必要還元剤量に基づき目標ヒータ温度を算出する。具体的には、必要還元剤量が多いほど目標ヒータ温度を高く設定する。但し、目標ヒータ温度の下限値はクラッキング可能温度以上に設定される。

続くステップＳ２５では、目標ヒータ温度となるように電気ヒータ３４への供給電力を制御する。例えば、電気ヒータ３４へ印加する電圧のパルス幅をデューティ制御することで供給電力を制御する。燃料が気化する際に、気化潜熱によって加熱面３４ａから熱量を持ち去るため、気化潜熱による温度低下分を考慮して、目標ヒータ温度となるように電気ヒータ３４へ電力供給する。続くステップＳ２６では、単位時間当たりの燃料噴射量が必要還元剤量になるよう、噴射弁３３の開弁時間を制御して燃料噴射を実施する。ステップＳ２６の処理を実行している時のマイコン８１は「改質制御手段」を提供する。

以上に説明した通り、本実施形態に係る還元剤添加装置は、液体の燃料を電気ヒータ３４で気化させてから放電リアクタ２０へ供給するので、液体の燃料が電極２１に付着する不具合を抑制しつつ、燃料を改質できる。加えて、噴孔Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４から噴射される燃料の噴霧中心線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４と電気ヒータ３４の加熱面３４ａとの交差角度θ１、θ２、θ３、θ４が鋭角である。よって、上記交差角度θ１〜θ４が直角である場合に比べて噴霧の付着面積が拡大される。具体的には、上記直角の場合には噴き付け領域Ａ１〜Ａ４が円形になるのに対し、交差角度θ１〜θ４が鋭角である本実施形態では、噴き付け領域Ａ１〜Ａ４が噴射方向に拡大した楕円になる。よって、加熱面３４ａによる還元剤の加熱が促進され、液体の還元剤を迅速に気化させることを促進できる。したがって、電極２１への燃料付着を抑制しつつ燃料を改質することと、燃料の添加タイミングの応答遅れを抑制することを可能にできる。

さらに本実施形態では、電気ヒータ３４は、保持部材３５に形成された挿入穴３５ｃに挿入され、加熱面３４ａは、挿入穴３５ｃへの挿入方向Ａに延びる形状である。さて、挿入穴３５ｃでは、電気ヒータ３４と保持部材３５との間をシールする必要があるので、挿入穴３５ｃの開口面積を小さくしてシール長を短くすることが望ましい。一方、加熱面３４ａの面積を大きくして迅速な気化の促進を図ることが望ましい。

そこで本実施形態では、加熱面３４ａを挿入方向Ａに延びる形状にすることで、挿入穴３５ｃの開口面積を拡大させることなく、加熱面３４ａの面積拡大をさせている。さらに本実施形態では、噴霧中心線Ｃ１〜Ｃ４が挿入方向Ａに傾くように噴射弁３３を配置している。そのため、噴霧の付着面積が拡大される方向が、挿入方向Ａと一致する、つまり加熱面３４ａが延びる方向と一致する。よって、加熱面３４ａのうち噴霧が付着しない領域が少なくなるので、挿入方向Ａに拡大された加熱面３４ａを有効に利用できる。

さらに本実施形態では、噴孔Ｄ１〜Ｄ４は噴射弁３３に複数設けられており、複数の噴孔Ｄ１〜Ｄ４は電気ヒータ３４の挿入方向Ａに並べて配置されている。これによれば、噴孔Ｄ１〜Ｄ４の形状を円形にして噴霧を円錐形状にしつつも、噴き付け領域Ａ１〜Ａ４を挿入方向Ａに拡大できる。よって、非円形の噴孔を噴孔プレート３３ａに穴あけ加工することを不要にしつつ、加熱面３４ａのうち噴霧が付着しない領域を少なくでき、挿入方向Ａに拡大された加熱面３４ａを有効に利用できる。

ここで、噴射弁３３から噴射された液体燃料が電極２１に付着すると、改質した燃料を排気通路１０ｅｘへ供給するタイミングを意図通りに制御できなくなるおそれがある。例えば、改質還元剤の供給が遅れたり、改質還元剤が低排気温時に意図に反して添加される懸念が生じる。この懸念に対し、本実施形態では、噴射弁３３から噴射された液体燃料を電気ヒータ３４により加熱して気化させている。そのため、電極２１に液体燃料が付着することを抑制でき、上記懸念を軽減できる。

さらに本実施形態では、供給された酸素ガスを放電により電離させて活性酸素にする放電リアクタ２０と、放電リアクタ２０へ燃料を供給する噴射弁３３とを備える。そして、図９のステップＳ１３によるオゾン生成制御手段、およびステップＳ１４による改質制御手段がマイコン８１により提供される。そのため、オゾン生成制御手段により燃料噴射を停止させれば、活性酸素によりオゾンが生成され、改質制御手段により燃料を噴射させれば、活性酸素により燃料が酸化（改質）されて改質還元剤が生成される。よって、１つの放電リアクタ２０で、還元剤の改質とオゾン生成の両方を実現できる。

ここで、液体燃料が電極２１に付着すると、改質還元剤の生成からオゾンの生成に切り替えた場合に、燃料供給を停止させているにも拘わらず、付着していた燃料が気化して電極間通路２１ａ内に燃料が存在することとなる。すると、放電により生成された活性酸素は、燃料を酸化させて改質還元剤を生成してしまい、酸素分子を酸化させてオゾンを生成する量が少なくなる。これに対し本実施形態によれば、上述の如く電極２１への燃料付着を抑制できるので、オゾン生成フラグオン時に改質還元剤が生成されるといった不具合を抑制できる。

さらに本実施形態では、還元触媒がＮＯｘを吸着する機能を有している。そのため、放電リアクタ２０にて生成されたオゾンを排気通路１０ｅｘに添加すると、排気中のＮＯがＮＯ_２に酸化され、還元触媒に吸着されやすくなる。よって、生成したオゾンを、還元触媒でのＮＯｘ吸着性向上に利用することができる。

さらに本実施形態では、還元触媒が活性化温度未満であることを条件としてオゾンを生成させ、還元触媒が活性化温度以上であることを条件として改質還元剤を生成させる。そのため、還元触媒が還元能力を発揮できない低温時に改質還元剤が排気通路１０ｅｘに添加されることを回避できる。そして、上記低温時には排気通路１０ｅｘにオゾンを添加してＮＯをＮＯ_２に酸化させ、ＮＯｘ吸着性を向上させるので、低温時にＮＯｘが浄化されないままＮＯｘ浄化装置１５から流出することを抑制できる。

また、オゾンは高温であるほど熱分解しやすくなるが、本実施形態では、上記低温時にオゾンが排気通路１０ｅｘに添加され、低温時以外では添加されない。よって、添加したオゾンが排気熱で熱分解するおそれを低減できる。

さらに本実施形態では、少なくとも酸素を含んだ酸素ガスとして大気を用いており、エアポンプ３２ｐで大気を放電リアクタ２０へ供給する。そのため、例えば内燃機関１０の排気を酸素ガスとして用いた場合に比べて、酸素濃度の高い酸素ガスを放電リアクタ２０へ供給できる。

さらに本実施形態では、電気ヒータ３４によりクラッキングされた燃料を放電リアクタ２０へ供給することで、該燃料を、放電リアクタ２０により電離された酸素ガスで部分的に酸化させて改質燃料を生成する。そのため、燃料の沸点がクラッキングされることにより低下するので、気化した燃料が酸素ガスによって冷却されて温度低下する際に、燃料が再度液化することが抑制される。その結果、気体燃料が凝縮して電極２１に付着することの抑制を促進できる。

さらに本実施形態では、液体燃料を微粒化した状態で電気ヒータ３４へ供給する噴射弁３３を備える。そのため、電気ヒータ３４にて液体燃料を気化してクラッキングするのに要する時間が短縮される。よって、必要還元剤量に対する改質燃料の添加の応答性を速くできる。

（第２実施形態）
図３に示す実施形態では、電気ヒータ３４の伝熱カバー３４０が円筒形状である。したがって、加熱面３４ａのうち噴霧が噴き付けられる領域Ａ１〜Ａ４の部分は、上側を凸とする円弧形状である。これに対し、図１１に示す本実施形態に係る電気ヒータ３４ｐの伝熱カバー３４１は、四角柱の内部に発熱体３４ｂの挿入穴が形成された筒形状である。そして、加熱面３４ａのうち噴孔Ｄ１〜Ｄ４と対向する対向面３４１ａの部分であって、噴霧が噴き付けられる噴き付け領域Ａ１〜Ａ４の部分は、水平方向に拡がる平坦形状である。なお、図中の上下方向を示す矢印は、還元剤添加装置を車両に搭載した状態における上下方向を示す。

さて、図３に示す実施形態の場合、加熱面３４ａが上側に凸となる湾曲形状であるため、噴き付け領域Ａ１〜Ａ４に付着した燃料が加熱面３４ａの周方向に沿って自重で流れ落ちるといった液ダレが生じ易い。これに対し、図１１に示す本実施形態によれば、加熱面３４ａのうち噴き付け領域Ａ１〜Ａ４の部分である対向面３４１ａは、水平方向に拡がる平坦形状である。そのため、対向面３４１ａに付着した燃料が加熱面３４ａの短手方向（図１１の左右方向）に沿って自重で流れ落ちることを抑制できる。よって、液体燃料を迅速に気化させることを促進できる。

（第３実施形態）
図１２に示すように、本実施形態に係る電気ヒータ３４ｑの伝熱カバー３４２には、加熱面３４ａのうち噴き付け領域Ａ１〜Ａ４の部分に凹部３４２ａが形成されている。なお、図中の上下方向を示す矢印は、還元剤添加装置を車両に搭載した状態における上下方向を示す。

したがって、本実施形態によれば、噴き付け領域Ａ１〜Ａ４に付着した燃料が加熱面３４ａの短手方向（図１２の左右方向）に沿って自重で流れ落ちることを抑制できる。よって、液体燃料を迅速に気化させることを促進できる。

（第４実施形態）
図１３に示すように、本実施形態に係る電気ヒータ３４ｒの伝熱カバー３４３には、加熱面３４ａのうち噴き付け領域Ａ１〜Ａ４の部分は、複数の凹部３４３ａを有する凹凸形状に形成されている。なお、図中の上下方向を示す矢印は、還元剤添加装置を車両に搭載した状態における上下方向を示す。

したがって、本実施形態によれば、噴き付け領域Ａ１〜Ａ４に付着した燃料が加熱面３４ａの短手方向（図１３の左右方向）に沿って自重で流れ落ちることを抑制できる。しかも、凹凸形状に形成されることで加熱面３４ａの表面積が増大しているので、液体燃料を迅速に気化させることを促進できる。

（他の実施形態）
以上、発明の好ましい実施形態について説明したが、発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、以下に例示するように種々変形して実施することが可能である。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

図３に示す実施形態では、複数の噴孔Ｄ１〜Ｄ４を１列に並べて設けているが、２列以上に並べて設けてもよい。或いは、噴孔は１つであってもよい。また、複数の交差角度θ１〜θ４の全てが鋭角である必要は無く、少なくとも１つの交差角度が鋭角であればよい。また、図６に示す実施形態では、加熱面３４ａから噴霧がはみ出ないように設定されているが、はみ出るような設定であってもよい。

図５に示す実施形態では、加熱面３４ａの長手方向、つまり電気ヒータ３４の挿入方向Ａのうち、挿入方向Ａの手前側（図５の左側）から燃料を噴射させる向きに噴霧中心線Ｃ１〜Ｃ４を傾けている。これに対し、挿入方向Ａの奥側（図５の右側）から燃料を噴射させる向きに噴霧中心線Ｃ１〜Ｃ４を傾けてもよい。また、図５に示す実施形態では、加熱面３４ａが挿入方向Ａに延びる形状であるが、加熱面３４ａは、このように一方向に延びる形状でなくてもよい。

図４に示す実施形態では、噴孔Ｄ１〜Ｄ４はストレートに延びる形状であり、噴孔Ｄ１〜Ｄ４の通路断面形状は円形である。これに対し、噴孔は、通路断面が下流側であるほど拡大するテーパ形状であってもよい。また、通路断面形状は円形であることに限定されるものではなく、例えば楕円であってもよい。この場合、楕円の長手方向を加熱面３４ａの延出方向に一致させることが望ましい。

図２に示す実施形態では、気化ケース３６と保持部材３５とが別体に形成されており、保持部材３５の内部に気化ケース３６を組み付けて構成されているが、気化ケースと保持部材を樹脂で一体成形してもよい。

図１に示す実施形態では、放電リアクタ２０へ空気を供給する手段として、大気を送風するエアポンプ３２ｐを採用している。これに対し、内燃機関１０の吸気の一部を分岐させて放電リアクタ２０へ流入させるようにして、エアポンプ３２ｐの廃止を図ってもよい。例えば、吸気通路１０ｉｎのうちコンプレッサ１１ｃの下流かつ冷却器１２の上流部分から、高温の吸気を分岐させればよい。或いは、吸気通路１０ｉｎのうちコンプレッサ１１ｃの下流かつ冷却器１２の下流部分から、低温の吸気を分岐させればよい。放電リアクタ２０へ供給する空気を加熱する手段を設けて、気化した燃料が空気により冷却されることの抑制を図ってもよい。

図１に示す実施形態では、液体燃料を微粒化して加熱手段へ供給する微粒化手段として、噴射弁３３を採用している。これに対し、超音波等の高周波数で振動する振動板に液体燃料を接触させることで、液体燃料を振動させて微粒化させる振動装置を、微粒化手段として採用してもよい。

図１に示す実施形態では、液体燃料を加熱して気化させる加熱手段として電気ヒータ３４を採用しているが、内燃機関１０の廃熱を利用した熱交換器を加熱手段として採用してもよい。

オゾンの生成および改質燃料の生成をともに停止させている完全停止の場合には、放電リアクタ２０による放電を停止させて、無駄な電力消費の抑制を図るようにしてもよい。上記完全停止させるケースの具体例としては、ＮＯｘ触媒温度が活性化温度未満であり、かつ、ＮＯｘ吸着量が飽和状態になっているケースや、ＮＯｘ触媒温度が還元可能範囲を超えて高温になっているケースが挙げられる。また、上記完全停止の場合には、エアポンプ３２ｐの作動を停止してエア供給を停止させることで、電力消費の低減を図ってもよい。

図１に示す上記実施形態では、ＮＯｘを物理的に捕捉（つまり吸着）する還元触媒が採用されているが、ＮＯｘを化学的結合により捕捉（つまり吸蔵）する還元触媒が採用された燃焼システムに、還元剤添加装置を適用させてもよい。

内燃機関１０が理論空燃比よりもリーンな状態で燃焼させている時に、ＮＯｘ浄化装置１５がＮＯｘを吸着し、リーン燃焼以外の時にＮＯｘを還元させる燃焼システムに、還元剤添加装置を適用させてもよい。この場合、リーン燃焼時にはオゾンを生成し、リーン燃焼以外の時に改質燃料を生成させればよい。このようにリーン燃焼時にＮＯｘを捕捉する触媒の具体例としては、担体に担持された白金とバリウムによる吸蔵還元触媒が挙げられる。

吸着または吸蔵の機能を有しないＮＯｘ浄化装置１５が採用された燃焼システムに、還元剤添加装置を適用させてもよい。この場合、放電リアクタ２０で生成されたオゾンをＤＰＦ１４の再生に用いればよい。すなわち、ＤＰＦ１４の上流へオゾンを添加することで、排気中のＮＯをＮＯ_２に酸化してＤＰＦ１４へ流入させる。すると、ＤＰＦ１４で捕集されて堆積した微粒子の炭素成分が、ＮＯ_２と反応して酸化される。これにより、ＤＰＦ１４に堆積した微粒子が除去されて、ＤＰＦ１４が再生される。

図９に示す実施形態では、ステップＳ１２で用いるＮＯｘ触媒温度を、排気温度センサ９６により検出された排気温度から推定している。これに対し、ＮＯｘ浄化装置１５に温度センサを取り付けて、ＮＯｘ触媒温度を直接計測してもよい。或いは、出力軸の回転速度および内燃機関１０の負荷等に基づき、ＮＯｘ触媒温度を推定してもよい。

図１に示す実施形態では、放電リアクタ２０は、平板形状の電極２１を互いに平行に対向するように配置して構成されている。これに対し、放電リアクタは、針状に突出した形状の針状電極と、針状電極を環状に取り囲む環状電極とから構成されていてもよい。

図１に示す実施形態では、電気ヒータ３４の下流側に放電リアクタ２０を配置しているが、電気ヒータ３４の上流側に放電リアクタ２０を配置してもよい。また、放電リアクタ２０を廃止してもよい。

図１に示す実施形態では、車両に搭載された燃焼システムに還元剤添加装置を適用させている。これに対し、定置式の燃焼システムに還元剤添加装置を適用させてもよい。図１に示す実施形態では、圧縮自着火式のディーゼルエンジンに還元剤添加装置を適用させており、燃焼用の燃料として用いる軽油を還元剤として用いている。これに対し、点火着火式のガソリンエンジンに還元剤添加装置を適用させて、燃焼用の燃料として用いるガソリンを還元剤として用いてもよい。

１０…内燃機関、１０ｅｘ…排気通路、１５…ＮＯｘ浄化装置、２０…放電リアクタ、２１…電極、３３…噴射弁、３４…ヒータ、３４ａ…加熱面、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４…噴霧中心線、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４…噴孔、θ１、θ２、θ３、θ４…交差角度。

Claims (5)

1. 内燃機関（１０）の排気に含まれるＮＯｘを還元触媒上で浄化するＮＯｘ浄化装置（１５）が排気通路（１０ｅｘ）に備えられた燃焼システムに設けられ、前記排気通路のうち前記還元触媒の上流側へ還元剤を添加する還元剤添加装置において、
   液体の還元剤を噴霧状態にして噴射する噴孔（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）を有した噴射弁（３３）と、
   前記噴孔に対向するように配置された加熱面（３４ａ）を有し、前記加熱面に付着した前記液体の還元剤を加熱して気化させる加熱手段（３４、３４ｐ、３４ｑ、３４ｒ）と、
   を備え、
   前記噴孔から噴射される還元剤の噴霧中心線（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）と前記加熱面との交差角度（θ１、θ２、θ３、θ４）が鋭角になるように、前記噴射弁は配置されていることを特徴とする還元剤添加装置。
2. 前記噴射弁から噴射された還元剤が気化する気化室（３６ａ）を内部に有するとともに、前記気化室に前記加熱面が位置するように前記加熱手段を保持する保持部材（３５）を備え、
   前記加熱手段は、前記保持部材に形成された挿入穴（３５ｃ）に挿入され、
   前記加熱面は、前記挿入穴への挿入方向（Ａ）に延びる形状であり、
   前記噴霧中心線が前記挿入方向に傾くように前記噴射弁は配置されていることを特徴とする請求項１に記載の還元剤添加装置。
3. 前記噴孔は、前記噴射弁に複数設けられており、
   複数の前記噴孔は、前記挿入方向に並べて配置されていることを特徴とする請求項２に記載の還元剤添加装置。
4. 前記噴射弁は前記加熱面の上方側に配置されており、
   前記加熱面のうち前記噴孔と対向する対向面（３４１ａ）は、水平方向に拡がる平坦形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の還元剤添加装置。
5. 少なくとも酸素を含んだ酸素ガスを放電により電離させる電極（２１）を有し、前記加熱手段により気化された還元剤を、電離させた酸素ガスにより酸化させて改質還元剤を生成させる放電リアクタ（２０）を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の還元剤添加装置。

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