JP2015129506A - 高活性物質添加装置 - Google Patents

Abstract

【課題】還元剤を容易に、且つ十分に気化し、さらに、還元剤が付着することの抑制を図る。
【解決手段】内燃機関１０の排気通路１０ｅｘのうちＮＯｘ浄化装置１５の上流側へ還元剤を添加する高活性物質添加装置は、電気ヒータ３４（加熱手段）を備える。電気ヒータ３４は、液体の炭化水素を加熱して気化する気化加熱面、および気化した炭化水素をさらに加熱してクラッキングするクラッキング加熱面を有する。そして、電気ヒータ３４によりクラッキングされた炭化水素から高活性物質として改質還元剤を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＮＯｘの還元に用いる還元剤を添加する、高活性物質添加装置に関する。

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。そして、特許文献１には、静電気により微粒化した液体の還元剤を、放電する電極間に通過させることで改質し、改質された還元剤を触媒の上流側へ添加する高活性物質添加装置が開示されている。

特開２００９−１６２１７３号公報

しかし、上記従来の高活性物質添加装置では、還元剤を微粒化させる際の構成が比較的複雑であり、また、気化した還元剤が凝縮して、例えば空気通路や電極等に付着することがある。このような付着が生じると、付着した還元剤が気化するタイミングについては意図通りに制御できないので、改質した還元剤を触媒の上流側へ添加するにあたり、所望のタイミングで添加できなくなる。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、還元剤を容易に、且つ十分に気化し、さらに、還元剤が付着することの抑制を図った高活性物質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、ひとつの態様として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高活性物質添加装置である。この高活性物質添加装置は、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、供給された液体の炭化水素を加熱して、その炭化水素の炭素数を減少させるようにクラッキングさせる加熱手段（３４、３４Ａ、３４Ｂ）を備え、加熱手段は、液体の炭化水素を加熱して気化する気化加熱面（３４３、３４２Ａ）、および気化した炭化水素をさらに加熱してクラッキングするクラッキング加熱面（３４４、３４２Ｂ）を有し、加熱手段によりクラッキングされた炭化水素から高活性物質として改質還元剤を生成することを特徴とする。

この発明によれば、供給された炭化水素が気化された後にクラッキングされることにより、該炭化水素の沸点が低下する。そのため、供給された炭化水素は十分に気化され、凝縮して通路や電極等に付着することが抑制される。よって、改質した還元剤を排気通路へ添加するにあたり所望のタイミングで添加できなくなる、といった不具合を比較的容易に抑制できる。

本発明の第１実施形態に係る高活性物質添加装置、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。 第１実施形態において、加熱手段の詳細を示す模式図。 第１実施形態において、加熱手段の加熱面で生じる膜沸騰を説明する図。 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、放電リアクタの断面構造を模式的に示す図。 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手順を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態において、加熱手段の詳細を示す模式図。 本発明の第３実施形態において、加熱手段の詳細を示す模式図。 本発明の第４実施形態において、加熱手段の詳細を示す模式図。 本発明の第５実施形態において、加熱手段の詳細を示す模式図。 膜沸騰を抑制することによる効果を説明する図。 本発明の第６実施形態に係る高活性物質添加装置、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。

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）および高活性物質添加装置を備える。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。

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、高活性物質添加装置の供給管２４が接続されている。この供給管２４から排気通路１０ｅｘへ、高活性物質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４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を還元触媒上で改質還元剤と反応させて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、改質還元剤は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は改質還元剤により還元されて、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へ添加する高活性物質添加装置について説明する。高活性物質添加装置は、以下に詳述する放電リアクタ２０、エアポンプ３１、燃料噴射弁３３および電気ヒータ３４を備える。放電リアクタ２０は、接地電圧および高電圧となる一対の電極２１を複数組備える。各々の電極２１は平板形状であり、互いに平行に対向するように配置されている。電極２１への電圧印加は、電子制御装置（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の上流側には、内部に混合室３０ａを形成する混合ケース３０が取り付けられている。混合室３０ａには、エアポンプ３１により送風された空気が送風管３２を通じて流入する。エアポンプ３１は電動モータにより駆動し、その電動モータはマイコン８１により制御される。エアポンプ３１が送風する空気は、高活性物質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、酸素を含むガスをエアポンプ３１は混合室３０ａへ供給していると言える。以下、このように少なくとも酸素を含むガスのことを、単に酸素ガスと呼ぶ。エアポンプ３１は酸素ガスを放電リアクタ２０へ供給する「酸素供給手段」を提供する。

燃料タンク３３ｔ内の液体燃料は、ポンプ３３ｐにより燃料噴射弁３３に供給され、燃料噴射弁３３の噴孔から混合室３０ａへ噴射される。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。燃料噴射弁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。燃料噴射弁３３は、燃料を噴射することで電気ヒータ３４へ炭化水素を供給する「炭化水素噴射手段」を提供する。

ポンプ３３ｐにより燃料噴射弁３３に圧送された燃料は、燃料噴射弁３３の噴孔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電気ヒータ３４へ供給される。つまり、燃料噴射弁３３は、液体燃料を微粒化して電気ヒータ３４へ供給する「微粒化手段」も提供しており、例えば、液体燃料の粒径を６０μｍ以下の状態にして噴射する。

混合ケース３０には、燃料供給管３５ａにより気化ケース３５が接続されている。気化ケース３５には、燃料噴射弁３３および電気ヒータ３４が取り付けられている。図２に示すように、電気ヒータ３４は、通電により発熱する発熱体３４１と、発熱体３４１を覆って外部から絶縁保護する保護部材３４２とを備える。電気ヒータ３４のうち保護部材３４２の部分は、気化ケース３５内の気化室３５ｂに配置される。燃料噴射弁３３は、気化室３５ｂ内へ液体燃料を噴射する。噴射された微粒子状の液体燃料は電気ヒータ３４により加熱される。

保護部材３４２の表面は、燃料を加熱する加熱面として機能する。保護部材３４２は、上下方向に延びる棒状であり、加熱面の下方部分は、噴射された液体燃料を加熱して気化する気化加熱面３４３として機能する。加熱面の上方部分は、以下に説明するクラッキング加熱面３４４として機能する。クラッキング加熱面３４４は、気化加熱面３４３により気化された燃料をさらに加熱して、炭素数の少ない炭化水素に分解する。このように分解されることをクラッキングと呼び、クラッキングされた燃料は沸点が低くなる。

気化加熱面３４３およびクラッキング加熱面３４４は同一の熱源（発熱体３４１）を共有していると言える。発熱体３４１への通電状態はマイコン８１により制御される。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が発熱体３４１を制御することで、液体燃料は混合室３０ａ内で気化してクラッキングされる。また、クラッキング可能温度は気化温度よりも高いので、発熱体３４１をクラッキング可能温度以上に制御することで、気化加熱面３４３は必然的に気化温度以上になる。

図３に示すように気化ケース３５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、気化ケース３５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３５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。図中の符号Ｌは、気化ケース３５内に溜まった燃料の液面を示す。液面Ｌから蒸発した気体燃料は、液面Ｌの上方に位置するクラッキング加熱面３４４によりさらに加熱されてクラッキングされる。

燃料噴射弁３３は、気化加熱面３４３へ向けて液体燃料を噴き付けるように配置されている。また、燃料噴射弁３３は、気化加熱面３４３の上方側から液体燃料を噴き付けるように、上下方向に延びる棒状の保護部材３４２に対して傾けて配置されている。気化ケース３５内に液体燃料が溜まった状態では、燃料噴射弁３３から噴射された燃料は液面Ｌに噴き付けられる。

混合室３０ａでは、電気ヒータ３４により気化およびクラッキングされた燃料と、エアポンプ３１により供給された酸素ガスを含む空気とが混合される。その混合気は、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）を酸化させて高活性物質として改質還元剤を生成する。以下、図４を用いてその生成反応について説明する。

先ず、図４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、燃料噴射弁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５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、エアポンプ３１により送風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に電圧を印加してエアポンプ３１を作動させた状態にすれば、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、この状態で燃料が噴射されていれば、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、燃料噴射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高活性物質としてオゾンを生成する。生成された改質還元剤またはオゾンは、エアポンプ３１の送風圧力により電極２１間の電極間通路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。

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に電極２１が配置されている（図１参照）。以下、ハウジング２２内部における電極２１の配置状態を、図６を用いて詳細に説明する。図示されるように、電極２１は、絶縁基板２１ｂ、金属板２１ｃおよび絶縁保護膜２１ｄを備えて構成されている。絶縁基板２１ｂは、セラミック製であり、金属板２１ｃを保持する。金属板２１ｃに高電圧が印加されることにより流通路２２ａにおいて放電する。絶縁保護膜２１ｄは、金属板２１ｃが電極間通路２１ａに露出しないように、電極間通路２１ａ側から金属板２１ｃの表面を覆う。

複数の電極２１は、スペーサ２３を介して積層配置されている。これにより、平板形状の電極２１が互いに平行に対向するように配置される。また、一対の電極２１はスペーサ２３により所定の間隔に保たれ、電極２１間に電極間通路２１ａが形成される。放電リアクタ２０は、一対の電極２１を複数組備えている。各々の電極２１間において、図４および図５を用いて説明した通り改質還元剤およびオゾンが生成される。

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９１、機関回転速度センサ９２、スロットル開度センサ９３、吸気圧センサ９４、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９１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９２は、内燃機関１０の出力軸１０ａの回転速度を検出する。スロットル開度センサ９３はスロットルバルブ１３の開度を検出する。吸気圧センサ９４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、高活性物質添加装置の作動を制御する。すなわち、マイコン８１は、図７および図８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７のステップＳ１０において、マイコン８１はエアポンプ３１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５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４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８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燃料噴射弁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、気化潜熱によって気化加熱面３４３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、燃料噴射弁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、本実施形態に係る高活性物質添加装置は、電極２１の放電により酸素ガスを電離させる放電リアクタ２０と、液体燃料を加熱して、その燃料の炭素数を減少させるようにクラッキングさせる電気ヒータ３４とを備える。そして、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、電離された酸素ガスで部分的に酸化させて改質還元剤を生成する。

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。つまり、燃料供給管３５ａから供給される気体燃料が、凝縮して電極２１に付着することを抑制できる。よって、改質還元剤が低排気温時に意図に反して添加されたり、改質還元剤の添加が遅れたりする等の不具合、つまり、改質還元剤を排気通路１０ｅｘへ添加するタイミングを意図通りに制御できなくなる不具合を抑制できる。

さらに本実施形態では、電気ヒータ３４は、液体燃料を加熱して気化する気化加熱面３４３、および気化した燃料をさらに加熱してクラッキングさせるクラッキング加熱面３４４を有する。このように、気化用の気化加熱面３４３と、クラッキング用のクラッキング加熱面３４４とを別々に有するので、気化加熱面３４３を有しない場合に比べて、クラッキング加熱面３４４の熱負荷を軽減できる。

さらに本実施形態では、気化加熱面３４３およびクラッキング加熱面３４４は同一の熱源（発熱体３４１）を共有しており、発熱体３４１の温度は、クラッキング可能温度以上に設定されている。そのため、同一熱源で燃料の気化とクラッキングが可能となり、加熱手段の小型化を図ることができる。

ここで、気化加熱面３４３のうち液体燃料に埋没している部分で生じる可能性のある膜沸騰について、図３を用いて説明する。貯留された液体燃料は液面Ｌから蒸発して気化していくが、液体燃料がある温度に達すると、液面Ｌ以外の部分で気化して気泡状態になる核沸騰が生じるようになる。図３に示す例の場合、貯留された液体燃料のうち気化加熱面３４３に接触している部分が最も高温になるため、この部分で最初に核沸騰が生じる。その後、液体燃料をさらに加熱していくと、上記気泡の数が増えていき、気泡同士が繋がるようになる。すると、図中の一点鎖線に示すように、気体燃料の膜Ｍが気化加熱面３４３に生じるようになる。このように膜状に沸騰する状態を膜沸騰と呼ぶ。

気化加熱面３４３に気体燃料の膜Ｍが形成されると、気化加熱面３４３が液体燃料に接触することが阻害されてしまい、気化加熱面３４３から液体燃料への熱伝播が悪化する。つまり、気体燃料の膜Ｍが形成されていなければ、気化加熱面３４３からの熱伝導により液体燃料が加熱される。これに対し、気体燃料の膜Ｍが形成されると、気化加熱面３４３からの熱放射により液体燃料が加熱されることになるので、液体燃料の温度上昇が抑制される。

これに対し、本実施形態では、液体燃料を気化加熱面３４３へ向けて噴射するよう、燃料噴射弁３３を配置している。そのため、噴射された燃料が気体燃料の膜Ｍに衝突して膜Ｍが破壊される。或いは、噴射された燃料が液面Ｌに衝突することで、貯留している燃料が撹拌されて膜Ｍが破壊される。よって、貯留する液体燃料を気化加熱面３４３に接触させることを促進できるので、膜沸騰の発生により気化量が低下することを抑制できる。

さらに本実施形態では、電極２１は、互いに対向するように配置された平板形状であり、一対の電極２１の間に、酸素ガスが流通する電極間通路２１ａが形成されている。このように、放電リアクタ２０の電極２１が平行平板構造であった場合、限られた面積で効率よく放電が可能となるが、その背反として、燃料が付着する表面が広くなる。しかも、電極２１のうち電極間通路２１ａの端部を形成する部分に、表面張力により付着した燃料が滞留しやすくなる。そのため、電極２１への付着抑制といった先述の効果が、より一層効果的に発揮されるようになる。

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へ燃料を供給する燃料噴射弁３３とを備える。そして、図８のステップＳ２２によるオゾン生成制御手段、およびステップＳ２６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、液体燃料を微粒化した状態で電気ヒータ３４へ供給する燃料噴射弁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還元剤の添加の応答性を速くできる。

さらに本実施形態では、図８のステップＳ２３により必要還元剤量を算出し、必要還元剤量に応じてヒータ温度および燃料噴射量を制御する。これによれば、必要還元剤量が多い場合には、燃料噴射量を増大させるのみならず、ヒータ温度も上昇させて添加量を増大できる。一方、必要還元剤量が少ない場合には、燃料噴射量を減少させるとともにヒータ温度も低下させることで、電気ヒータ３４での消費電力軽減を図ることができる。

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。

（第２実施形態）
図９に示す本実施形態では、気化加熱面３４３およびクラッキング加熱面３４４の各々にメッシュ部材３４５、３４６が取り付けられている。気化加熱面３４３に取り付けられたメッシュ部材３４５は、気化ケース３５に溜まった液体燃料を毛細管現象により引き寄せて気化加熱面３４３へ付着させるように機能し、「毛細管部材」を提供する。これによれば、気化加熱面３４３に液体燃料が強制的に付着されるようになるので、図３に示す膜Ｍの形成が抑制される。よって、膜沸騰の発生により気化量が低下することを抑制できる。

クラッキング加熱面３４４に取り付けられたメッシュ部材３４６は、気化した燃料を加熱する面積を拡大させるように機能し、「加熱面積拡大部材」を提供する。これによれば、クラッキング加熱面３４４により加熱されたメッシュ部材３４６が気体燃料を加熱するので、クラッキング加熱面３４４およびメッシュ部材３４６の両方により気体燃料は加熱される。このことは、クラッキング加熱面３４４と気体燃料との接触面積をメッシュ部材３４６が増大させているとも言える。よって、気体燃料がクラッキング加熱面３４４により加熱されることが促進され、気体燃料のクラッキングが促進される。

（第３実施形態）
図２および図９に示す実施形態では、加熱面が上下方向に延びる向きに電気ヒータ３４を設置している。これに対し、図１０に示す本実施形態では、加熱面が左右方向に延びる向きに電気ヒータ３４を設置している。燃料噴射弁３３から噴射された液体燃料が気化加熱面３４３には直接付着し、クラッキング加熱面３４４には直接付着しないよう、燃料噴射弁３３および電気ヒータ３４は配置されている。

（第４実施形態）
図２、図９および図１０に示す実施形態では、気化加熱面３４３およびクラッキング加熱面３４４は同一の熱源（発熱体３４１）を共有している。これに対し、図１１に示す本実施形態では、気化加熱用の第１電気ヒータ３４Ａと、クラッキング加熱用の第２電気ヒータ３４Ｂとを別々に設けている。

各々の電気ヒータ３４Ａ、３４Ｂは、発熱体３４１Ａ、３４１Ｂと、発熱体３４１Ａ、３４１Ｂを覆って外部から絶縁保護する保護部材３４２Ａ、３４２Ｂとを備える。保護部材３４２Ａの表面は気化加熱用の加熱面として機能し、保護部材３４２Ｂの表面はクラッキング加熱用の加熱面として機能する。燃料噴射弁３３および第１電気ヒータ３４Ａが取り付けられた第１ケース３５１と、第２電気ヒータ３４Ｂが取り付けられた第２ケース３５２とが、連通管３５３により接続されている。

第１ケース３５１内の第１空間３５１ａでは、噴射された液体燃料が第１電気ヒータ３４Ａにより加熱されて気化する。気化した燃料は、連通管３５３を通じて第２ケース３５２内の第２空間３５２ａへ流入し、第２電気ヒータ３４Ｂにより加熱されてクラッキングされる。クラッキングされた気体燃料は、燃料供給管３５ａを通じて混合室３０ａへ流入する。

（第５実施形態）
図２、図９、図１０および図１１に示す実施形態では、燃料噴射弁３３の噴孔から液体燃料を噴射して微粒化させている。これに対し図１２に示す本実施形態では、燃料噴射弁３３を電磁バルブ３３Ａに置き換えている。マイコン８１により電磁バルブ３３Ａが開弁するように制御されると、ポンプ３３ｐから供給された燃料は微粒化されることなく電磁バルブ３３Ａから気化ケース３５へ流出し、気化ケース３５内に一旦貯留される。その後、貯留された液体燃料は、気化加熱面３４３により加熱されて液面Ｌから蒸発し、その後さらにクラッキング加熱面３４４により加熱されてクラッキングされる。

但し、電磁バルブ３３Ａを用いた本実施形態に係るバルブ方式によれば、燃料噴射弁３３を用いたインジェクタ方式の如く、先述した膜沸騰の抑制を十分に図ることができない。図１３は、インジェクタ方式による膜沸騰抑制の効果を示す試験結果であり、図中の符合Ｌ１はインジェクタ方式、符号Ｌ２はバルブ方式の試験結果である。この試験では、沸点Ｔａになっているヒータ温度をさらに上昇させていき、クラッキングが可能な温度Ｔｂ以上にまで上昇させた場合における、単位時間当りの気化量とヒータ温度との関係を計測している。

図示されるように、ヒータ温度が沸点Ｔａから上昇してある温度に達するまでは、インジェクタ方式およびバルブ方式のいずれにおいても気化量は同様に増加していく。しかし、バルブ方式の場合、ヒータ温度がある温度に達した時点で、膜沸騰が発生して気化量が急激に減少していく。これに対し、インジェクタ方式の場合には、クラッキングが可能な温度Ｔｂを超えてヒータ温度を上昇させていっても、直ぐには膜沸騰が発生せず気化量は増加していく。したがって、インジェクタ方式を採用して膜沸騰発生を抑制させれば、クラッキングが可能な温度Ｔｂにヒータ温度を制御しても、膜沸騰は発生しない。

（第６実施形態）
上記第１実施形態では、放電リアクタ２０は、電気ヒータ３４より空気流れ下流側に設置されている。これに対し本実施形態では、図１４に示すように、電気ヒータ３４より空気流れ上流側に放電リアクタ２０が設置されている。エアポンプ３１により送風された空気は先ず放電リアクタ２０に流入する。この放電リアクタ２０の電極２１間で放電させると、空気中の酸素からオゾンが生成される。このように生成されたオゾンは、空気とともに供給管２４へ供給される。

なお、本実施形態に係る放電リアクタ２０、気化ケース３５、燃料噴射弁３３、および電気ヒータ３４の構造は、上記第１実施形態と同じである。そして、燃料噴射弁３３および電気ヒータ３４の制御内容についても、本実施形態は上記第１実施形態と同じである。よって、燃料噴射弁３３から噴射された液体燃料は、気化室３５ｂにおいて気化およびクラッキングされる。

さて、上記第１実施形態では、クラッキングされた気体燃料を放電リアクタ２０へ供給し、放電リアクタ２０の内部で燃料を部分酸化させて改質させている。これに対し本実施形態では、主に供給管２４内で燃料を部分酸化させている。すなわち、気化室３５ｂで気化されてクラッキングされた燃料は、燃料供給管３５ａから流出した後、エアポンプ３１により送風される空気と供給管２４内で混合され、この空気に含まれる酸素により部分酸化（改質）される。このように改質された燃料（還元剤）は供給管２４を通じて排気通路１０ｅｘに添加される。また、エアポンプ３１により送風される空気には、放電リアクタ２０により生成されたオゾンが含まれており、このオゾンが、上記部分酸化の反応を促進させる。

以上に説明した通り、本実施形態においても、供給された液体の炭化水素を加熱して、その炭化水素の炭素数を減少させるようにクラッキングさせる電気ヒータ３４（加熱手段）を備える。加熱手段は、液体の炭化水素を加熱して気化する気化加熱面３４３、および気化した炭化水素をさらに加熱してクラッキングするクラッキング加熱面３４４を有する。そして、加熱手段によりクラッキングされた炭化水素から高活性物質として改質還元剤を生成する。

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、エアポンプ３１から送風される空気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。つまり、燃料供給管３５ａから供給される気体燃料が、凝縮して供給管２４の内壁面に付着することを抑制できる。よって、このように付着した燃料が意図に反した時期に排気通路１０ｅｘへ添加される不具合を抑制できる。

（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８のステップＳ２６において燃料噴射量を制御するにあたり、クラッキング加熱面３４４が埋没しないように噴射量を制御することが望ましい。これによれば、気化ケース３５内で気化した燃料が、クラッキングされないまま燃料供給管３５ａから流出することを抑制できる。

図１に示す実施形態では、液体の炭化水素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。また、図１に示す実施形態では、燃料噴射弁３３から混合室３０ａへ液体燃料を供給しているが、混合室３０ａの外部で液体燃料を加熱して気化させておき、気体燃料を混合室３０ａへ供給するようにしてもよい。

図１に示す実施形態では、車両搭載状態において板形状の電極２１が水平の向きになるように放電リアクタ２０を設置している。これに対し、板形状の電極２１の板面が水平方向に対して傾くように設置することで、電極２１に付着した液体燃料が重力で落下しやすくなるようにしてもよい。また、板形状の電極２１の板面が上下方向に対して平行な向きになるように設置してもよい。

図１に示す実施形態では、液体の炭化水素を微粒化して加熱手段へ供給する微粒化手段として、燃料噴射弁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、放電リアクタ２０へ酸素ガスを供給する酸素供給手段として、大気を送風するエアポンプ３１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もよい。この場合、コンプレッサ１１ｃの下流側に位置する吸気通路１０ｉｎのうち、冷却器１２の上流部分から吸気を分岐させてもよいし、冷却器１２の下流部分から吸気を分岐させてもよい。

また、冷却器１２の上流部分から冷却器１２により冷却される前の高温吸気を分岐させるモードと、冷却器１２の下流部分から冷却器１２により冷却された後の低温吸気を分岐させるモードとを切り替えるようにしてもよい。この場合、オゾン生成時には低温吸気を分岐させるモードにして、生成したオゾンが吸気の熱で破壊されることを抑制することが望ましい。また、改質還元剤生成時には高温吸気を分岐させるモードにして、電気ヒータ３４により加熱された燃料が、混合室３０ａ内で吸気により冷却されることを抑制することが望ましい。

オゾンの生成および改質還元剤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３１の作動を停止して酸素ガスの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、高活性物質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、高活性物質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還元剤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、高活性物質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。

上記第１実施形態では、図７のステップ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１０ａ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、車両に搭載された燃焼システムに高活性物質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高活性物質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高活性物質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高活性物質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。

図１４に示す実施形態では、高活性物質添加装置が放電リアクタ２０を備えているが、本発明は、放電リアクタ２０を備える装置に限定されるものではなく、放電リアクタ２０を廃止した装置にも適用可能である。この場合、部分酸化の反応をオゾンで促進できないものの、クラッキングされた気体燃料が空気中の酸素により部分酸化（改質）させることは可能であり、改質燃料を排気通路１０ｅｘに添加することができる。

図１４に示す実施形態では、気化ケース３５でクラッキングされた気体燃料、および放電リアクタ２０で生成されたオゾンは、供給管２４で混合される。つまり、気体燃料供給経路およびオゾン供給経路は、供給管２４に対して並列に接続されていると言える。これに対し、気化ケース３５へオゾンを供給し、気体燃料とオゾンを気化ケース３５内で混合させてから供給管２４へ送風してもよい。つまり、放電リアクタ２０を気化ケース３５の上流側に設置しつつ、オゾン供給経路、気体燃料供給経路および供給管２４を直列に接続してもよい。

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、２２ａ…流通路、３４、３４Ａ、３４Ｂ…電気ヒータ（加熱手段）。

Claims (8)

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高活性物質を添加する高活性物質添加装置において、
   供給された液体の炭化水素を加熱して、その炭化水素の炭素数を減少させるようにクラッキングさせる加熱手段（３４、３４Ａ、３４Ｂ）を備え、
   前記加熱手段は、前記液体の炭化水素を加熱して気化する気化加熱面（３４３、３４２Ａ）、および気化した炭化水素をさらに加熱してクラッキングするクラッキング加熱面（３４４、３４２Ｂ）を有し、
   前記加熱手段によりクラッキングされた炭化水素から前記高活性物質として改質還元剤を生成することを特徴とする高活性物質添加装置。
2. 少なくとも酸素を含んだ酸素ガスが流通する流通路（２２ａ）を形成するとともに、前記流通路に配置された電極（２１）を有し、前記電極の放電により前記酸素ガスを電離させる放電リアクタ（２０）を備え、
   前記クラッキングされた炭化水素を前記流通路へ供給することで、該炭化水素を、前記放電リアクタにより電離された酸素ガスで酸化させて前記高活性物質として改質還元剤を生成することを特徴とする請求項１に記載の高活性物質添加装置。
3. 前記気化加熱面および前記クラッキング加熱面は同一の熱源を共有しており、
   前記熱源の温度は、クラッキング可能温度以上に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高活性物質添加装置。
4. 前記液体の炭化水素を前記気化加熱面へ向けて噴射する炭化水素噴射手段（３３）を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の高活性物質添加装置。
5. 前記気化加熱面には、前記液体の炭化水素を毛細管現象により引き寄せて前記気化加熱面へ付着させる毛細管部材（３４５）が取り付けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の高活性物質添加装置。
6. 前記クラッキング加熱面には、炭化水素を加熱する面積を拡大させる加熱面積拡大部材（３４６）が取り付けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の高活性物質添加装置。
7. 前記電極は、互いに対向するように配置された平板形状であり、
   一対の前記電極の間に、前記酸素ガスが流通する電極間通路（２１ａ）が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の高活性物質添加装置。
8. 前記加熱手段への炭化水素の供給を停止させることで、前記放電リアクタにより前記電離された酸素ガスからオゾンを生成させるように制御するオゾン生成制御手段（Ｓ２２）と、
   前記加熱手段への炭化水素の供給を実施させることで、前記放電リアクタにより電離された酸素ガスで炭化水素を酸化させて前記改質還元剤を生成させるように制御する改質制御手段（Ｓ２６）と、
   を備えることを特徴とする請求項２または７に記載の高活性物質添加装置。

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