JP2016023572A - 還元剤添加装置 - Google Patents

Abstract

【課題】還元剤の改質に用いる熱の損失低減を図る。【解決手段】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たものであり、排気通路１０ｅｘのうち還元触媒の上流側へ還元剤を添加する。この還元剤添加装置は、空気管２３、気化容器２５、噴射弁７０、ヒータ３０、熱板４０および混合板５０を備える。空気管２３は空気通路２３ｂを形成する。気化容器２５は、空気管２３に接続され、空気通路２３ｂから分岐する気化室２５ａを形成する。噴射弁７０は、液体燃料を還元剤として噴射する。ヒータ３０および熱板４０により提供される加熱手段は、気化室２５ａに配置され、噴射弁７０から噴射された液体燃料を加熱して気化させる。混合板５０は、熱板４０に接続され、気化室２５ａから空気通路２３ｂの中まで延出する。【選択図】図１

Description

本発明は、ＮＯｘの還元に用いる還元剤を、排気通路のうち還元触媒の上流側へ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、還元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。特許文献１に記載の浄化システムでは、プラズマ放電により還元剤を改質する装置を備え、改質された燃料を、排気通路のうち還元触媒の上流側へ添加している。なお、還元剤には、内燃機関の燃焼に用いる燃料（炭化水素化合物）が用いられている。

特開２００９−１６２１７３号公報

上述の如く燃料を改質する手法として、本発明者らは、所定温度にまで燃料を加熱して空気中の酸素と反応させることにより、燃料を部分酸化させて改質させることを検討した。このように部分酸化された燃料の還元力は高く、触媒が低温であっても十分なＮＯｘ還元率が得られる。

上記手法を実現させる構成について、本発明者らは以下のように検討した。すなわち、空気通路を形成する空気管に、液体燃料を噴射する噴射弁およびヒータを取り付けた構成である。これによれば、噴射された液体燃料がヒータにより所定温度にまで加熱されて気化し、空気通路内の酸素により部分酸化されて改質され、改質された気体燃料が空気とともに排気通路へ添加される。

しかしながら、空気通路にヒータを配置した上記構成では、空気通路を流通する空気によりヒータの熱が奪われていくので、燃料の改質に用いられない熱量が多く、熱損失が大きい。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、還元剤の改質に用いる熱の損失低減を図っ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、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還元剤添加装置において、空気通路（２３ｂ）を形成する空気管（２３）と、空気管に接続され、空気通路から分岐する気化室（２５ａ）を形成する気化容器（２５）と、液体の炭化水素化合物を還元剤として噴射する噴射弁（７０）と、気化室に配置され、噴射弁から噴射された還元剤を加熱して気化させる加熱手段（３０、４０）と、加熱手段に接続され、気化室から空気通路の中まで延出する混合板（５０）と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、空気通路から分岐する気化室に加熱手段が配置されるので、空気通路を流通する空気により加熱手段の熱が奪われていくことを抑制できる。よって、還元剤の改質に用いる熱の損失を低減できる。但し、このように気化室を設けて還元剤を加熱させると、以下に説明する混合性悪化の懸念が新たに生じることが、本発明者らの検討により明らかとなった。そして本発明では、この懸念を低減するために混合板を備えている。

すなわち、本発明に反して混合板を備えていない場合には、空気通路のうち気化室との接続部分（流入口）から空気通路へ流入する気体の還元剤は、その殆どが空気通路の壁面に沿って流れる。よって、空気管内において、空気流れに交差する方向に還元剤は拡散しにくい。すると、還元剤と空気との混合性が悪くなるので、加熱された還元剤を空気中の酸素と反応させて部分酸化させることが不十分になり、還元剤の改質が不十分になることが懸念される。

これに対し本発明では、気化室から空気通路の中まで延出する混合板を備えるので、気化室で加熱された還元剤が、混合板により空気通路の中まで案内される。そのため、空気管内において、空気流れに交差する方向に還元剤が拡散されることが促進されるので、還元剤と空気との混合性を向上できる。

以上により、本発明によれば、空気通路から分岐する気化室に加熱手段を配置することで熱損失低減を図ることができ、かつ、混合板を備えることで、還元剤と空気の混合性悪化といった新たに生じる懸念を低減できる。

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。 第１実施形態に係る還元剤添加装置を模式的に示す断面図。 図２に示す噴射弁の噴孔部分を表した断面図。 図３のIV矢視図。 図２のVI−VI線に沿う断面図。 図２のＶ矢視図。 図６のVII−VII線に沿う断面図。 図７のVIII−VIII線に沿う断面図。 図８に示す弾性部材を表した斜視図。 図９に示す弾性部材を展開した状態を表した斜視図。 冷炎反応と熱炎反応の２段階で酸化反応が生じることを説明するグラフ。 冷炎反応の反応経路を説明する図。 雰囲気温度および当量比の、２段階酸化反応が生じる範囲を示す図。 図１に示す還元剤添加装置において、オゾン生成と改質燃料生成とを切り替える制御の手順を示すフローチャート。 図１４に示す改質燃料生成制御に係る、サブルーチン処理の手順を示すフローチャート。 第１実施形態に係る還元剤添加装置による熱損失低減の効果を説明する、シミュレーション結果を表したグラフ。 本発明の第２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。

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）、ＤＰＦ再生装置（再生用ＤＯＣ１４ａ）、ＮＯｘ浄化装置１５、還元剤浄化装置（浄化用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、炭化水素化合物である軽油を用いている。

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、再生用ＤＯＣ１４ａ（Diesel Oxidation Catalyst）、ＤＰＦ１４（Diesel Particulate Filter）、ＮＯｘ浄化装置１５、浄化用ＤＯＣ１６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。再生用ＤＯＣ１４ａは、排気中の未燃燃料を酸化させて燃焼させる触媒を有する。この燃焼により、ＤＰＦ１４で捕集された微粒子を燃焼させて、ＤＰＦ１４を再生させて捕集能力を維持させる。なお、再生用ＤＯＣ１４ａへの未燃燃料供給による燃焼は、常時実施されるものではなく、再生が必要な時期に一時的に実施される。

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２６が接続されている。この供給管２６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燃料が還元剤として添加される。改質燃料とは、還元剤として用いる炭化水素化合物（燃料）を部分的に酸化して、アルデヒド等の部分酸化炭化水素に改質したものであり、図１２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（酸素）も含まれているが、改質燃料は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、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。

浄化用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。浄化用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、改質燃料を生成して供給管２６から排気通路１０ｅｘへ添加する還元剤添加装置について説明する。還元剤添加装置は、以下に詳述する放電リアクタ２０、エアポンプ２０ｐ、空気管２３、気化容器２５、ヒータ３０、熱板４０、混合板５０、保持部材６０および噴射弁７０等を備える。

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。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のハウジング２２には、エアポンプ２０ｐにより送風された空気が流入する。エアポンプ２０ｐは電動モータにより駆動され、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２０ｐにより送風された空気は、ハウジング２２内の流通路２２ａに流入し、電極２１間の通路である電極間通路２１ａを流通する。

放電リアクタ２０の下流側部分には、空気通路２３ｂを内部に形成する空気管２３が接続され、電極間通路２１ａを流通した空気は空気通路２３ｂを流通する。空気管２３の下流側部分には供給管２６が接続されている。空気管２３には、逆止弁２４が取り付けられている。逆止弁２４は、空気管２３に形成された弁座２３ａに着座することで空気通路２３ｂを閉弁する（図２参照）。エアポンプ２０ｐを駆動させて逆止弁２４の上流側圧力を上昇させると、スプリング２４ａの弾性力に抗して逆止弁２４が弁座２３ａから離座して開弁作動する。これにより、エアポンプ２０ｐを停止させている時に、供給管２６の側から放電リアクタ２０の側へ改質燃料が逆流することが防止される。

空気管２３のうち逆止弁２４の下流側部分には、内部に気化室２５ａを形成する気化容器２５が接続されている。気化室２５ａは、空気通路２３ｂから分岐して連通する袋小路の形状である。より詳細に説明すると、気化室２５ａは、空気通路２３ｂのうち上下方向に延びる部分において、空気通路２３ｂから水平方向に分岐し、空気管２３に形成された流入口２３ｃを通じて空気通路２３ｂと連通する。なお、空気管２３および気化容器２５は金属製である。

図２に示すように、気化容器２５には、ヒータ３０を挿入して取り付けるためのヒータ取付穴２５ｂ、および噴射弁７０を挿入して取り付ける噴射弁取付穴２５ｃが形成されている。噴射弁取付穴２５ｃは上下方向に延びる形状であり、ヒータ取付穴２５ｂは、噴射弁７０の挿入方向（上下方向）に対して交差した方向に延びる形状である。

ヒータ３０は、本体部３１と、本体部３１に保持された発熱部３２および電気コネクタ３３とを有する。発熱部３２は、電気コネクタ３３を通じて供給された電力により発熱する発熱体、および発熱体を覆う伝熱カバーを有する。発熱部３２は、ヒータ３０の挿入方向に延びる円柱形状であり、有底円筒形状である伝熱カバーの外周面が発熱面３２ａ（図５参照）として機能する。電気コネクタ３３への通電はマイコン８１により制御される。具体的には、発熱部３２への電力供給量をマイコン８１がデューティ制御することにより、発熱量が制御される。

噴射弁７０は、金属製のボデー７１と、ボデー７１内部に収容された弁体７２および電気アクチュエータ７３とを有する。ボデー７１の先端部分には複数の噴孔７１ａ、７１ｂ、７１ｃが形成されている。図１に示す燃料タンク７０ｔ（図１参照）内の液体燃料は、ポンプ７０ｐにより噴射弁７０へ供給され、噴孔７１ａ、７１ｂ、７１ｃから気化室２５ａへ噴射される。なお、燃料タンク７０ｔ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。

電気アクチュエータ７３を通電オンさせると、弁体７２が開弁作動して噴孔７１ａ、７１ｂ、７１ｃから燃料が噴射され、通電オフさせると弁体７２が閉弁作動して燃料噴射が停止される。マイコン８１は、電気アクチュエータ７３への通電を制御することで、気化室２５ａへの単位時間当たりの燃料噴射量を制御する。

図３および図４に示すように、複数の噴孔７１ａ、７１ｂ、７１ｃは、円形の通路断面がストレートに延びる形状である。したがって、各々の噴孔７１ａ、７１ｂ、７１ｃ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り、噴射時の勢いで熱板４０に衝突する。なお、噴孔７１ａ、７１ｂ、７１ｃは熱板４０よりも上方に位置する。図６中のドットを付した部分は噴霧の衝突部分を示す。図示されるように複数の噴霧の衝突部分が重ならず、かつ、噴霧が熱板４０からはみ出ることのないよう、噴孔７１ａ、７１ｂ、７１ｃの配置、形状および熱板４０までの距離等が設定されている。

熱板４０は、ヒータ３０により加熱されており、熱板４０に衝突した液体燃料は、熱板４０により加熱されて気化する。気化した燃料は気化室２５ａ内で、さらに所定温度以上にまで加熱される。これにより、炭素数の少ない炭化水素に燃料が分解されるといったクラッキングが生じる。クラッキングが生じた燃料は沸点が下がるので、気体燃料が液化しにくくなる。

より詳細に説明すると、熱板４０に衝突した液体燃料が熱板４０に跳ね返されて飛散するよう、ウェーバー数が８０以上の状態で液体燃料は噴射される。厳密には、塊状の液体燃料が複数集まって噴霧を構成し、各々の塊が、熱板４０に衝突して複数の塊に分裂して飛散する。分裂数が多いほど、飛散する各々の塊が小さくなるので、熱板４０の近傍を漂うようになる。その結果、飛散後の液体燃料が熱板４０から受ける熱量が多くなるので、気化およびクラッキングが促進される。

次に、図５〜図８を用いて、熱板４０、混合板５０および保持部材６０の構造について説明する。

熱板４０は、金属製（例えば銅、ステンレス）であり、有底円筒形状の筒部４１および板形状の板部４２を有する。熱板４０の板部４２の上面は平坦形状であり、燃料が衝突する衝突面４２ａを形成する。筒部４１は、ヒータ３０の発熱部３２に挿入されている。筒部４１と発熱部３２の間には、弾性部材４０ｓが、発熱部３２の径方向に弾性変形した状態で配置されている（図８参照）。

弾性部材４０ｓは、図１０に示す波形状の板材を、該板材の両端部４０１ｓを対向させるように弾性変形させた湾曲形状である（図９参照）。弾性部材４０ｓによる弾性力により、弾性部材４０ｓの波形状の内側凸部４０２ｓが発熱部３２の外周面に押し付けられ、かつ、外側凸部４０３ｓが筒部４１の内周面に押し付けられている。これにより、弾性部材４０ｓは、筒部４１および発熱部３２に押し付けられた状態で接触している。

弾性部材４０ｓは金属製である。但し、熱板４０に付着した燃料のデポジットを燃焼させる場合には、燃料の沸点よりも遥かに高温（例えば６００℃）に熱板４０を加熱する必要があり、そのような高温時にも弾性が発揮される材質を弾性部材４０ｓに用いることが望ましい。上記材質の具体例としては、ニッケルとクロムを主成分とする合金が挙げられる。

混合板５０は、金属製（例えば銅、ステンレス）であり、筒部４１に接続される接続部５１、接続部５１から筒部４１の径方向に延びる腕部５２、および板形状の混合板部５３を有する。混合板５０の混合板部５３の上面は平坦形状であり、衝突面４２ａに連続して拡がるガイド面５３ａを形成する。

図２に示すように、混合板部５３は、流入口２３ｃを跨いで気化室２５ａから空気通路２３ｂの中へ延びる形状である。先端部５３ｂは、空気通路２３ｂの流れ方向に対してガイド面５３ａの先端側が下流側へ傾くように配置されている。先端部５３ｂは、空気管２３の内壁面に沿う円弧形状であり、先端部５３ｂの縁部と空気管２３の内壁面との隙間ＣＬを空気が流れる。換言すれば、空気通路２３ｂの断面積は、隙間ＣＬの部分で小さく絞られている。そのため、空気通路２３ｂ内における空気の流速は、隙間ＣＬの部分で速くなる。

熱板４０の衝突面４２ａに衝突して気化した燃料は、混合板部５３のガイド面５３ａにより先端部５３ｂまで案内される。先端部５３ｂは空気通路２３ｂに露出しているため、空気通路２３ｂを流通する空気は先端部５３ｂに衝突し、ガイド面５３ａにより案内された気体燃料と混合される。その結果、空気中の酸素により気体燃料が部分的に酸化され、アルデヒド等の部分酸化炭化水素に改質される。このように混合板部５３上で改質された気体燃料（改質燃料）は、隙間ＣＬを通じて混合板部５３の下流側に流れ、供給管２６を通じて排気通路１０ｅｘに流入する。

図８に示すように、熱板４０の板部４２には、熱板４０の温度を検出する温度センサ４２ｔが取り付けられている。具体的には、板部４２に形成された挿入孔４２ｂに温度センサ４２ｔは挿入配置されている。挿入孔４２ｂは、筒部４１が延びる方向に対して垂直な方向に延びる形状、かつ、衝突面４２ａに平行に延びる形状である。温度センサ４２ｔは、検出した温度の情報（検出温度）をＥＣＵ８０へ出力する。

さて、放電リアクタ２０への通電を実施すると、電極２１から放出された電子が、電極間通路２１ａの空気中に含まれる酸素分子に衝突する。すると、酸素分子からオゾンが生成される。つまり、放電リアクタ２０は、放電により酸素分子をプラズマ状態にして、活性酸素としてのオゾンを生成する。したがって、放電リアクタ２０への通電時には、空気通路２３ｂを流通して混合板部５３に衝突する空気にオゾンが含まれる。

空気通路２３ｂのうち混合板部５３の上流側部分、または気化室２５ａでは、空気中の酸素またはオゾンにより気体燃料が部分的に酸化される冷炎反応が生じている。このように部分的に酸化された燃料を改質燃料と呼び、改質燃料の具体例として、燃料（炭化水素化合物）の一部がアルデヒド基（ＣＨＯ）に酸化された状態の部分酸化物（例えばアルデヒド）が挙げられる。

ここで、冷炎反応について図１１および図１２を用いて詳述する。

図１１は、燃料（ヘキサデカン）をヒータ３０に噴き付けて気化させ、気化した燃料がヒータ３０近傍に滞留して改質される現象を模擬したシミュレーション結果である。具体的には、気体燃料（ヘキサデカン）を４３０℃に暴露した場合における、暴露開始からの経過時間に対する各種物理量の変化を示す。すなわち、図中の（ａ）は雰囲気温度の変化を示す。（ｂ）は、燃料（ヘキサデカン）のモル濃度の変化を示す。（ｃ）は、酸化で消費された酸素分子、酸化で生成された水分子および二酸化炭素分子について、各々のモル濃度の変化を示す。（ｄ）は、冷炎反応により生成された改質燃料であるアセトアルデヒドおよびプロピオンアルデヒドのモル濃度の変化を示す。燃料噴射開始時点での初期条件は、１気圧、ヘキサデカン濃度２２００ｐｐｍ、酸素濃度２０％、二酸化炭素濃度９％、水濃度２％である。

図１１に示されるように、燃料を噴射すると直ぐ、雰囲気温度が上昇するとともに燃料のモル濃度が減少し、かつ、改質燃料のモル濃度が増加している。この現象は、燃料が酸素に酸化されて発熱していることと、燃料から改質燃料が生成されていることを意味する。つまり、冷炎反応が生じていることを意味する。但し、このような温度上昇や各種モル濃度の変化は一時的なものであり、燃料噴射開始から４秒ほどの期間は、温度上昇やモル濃度の変化は現れない。

そして、約４秒経過した時点で、雰囲気温度がさらに上昇するとともに改質燃料のモル濃度が減少し、かつ、二酸化炭素および水の生成量と、酸素の消費量が増加している。この現象は、改質燃料が酸素に酸化されて発熱していることと、改質燃料が完全燃焼して二酸化炭素および水が生成されていることを意味する。つまり、熱炎反応が生じていることを意味する。なお、冷炎反応による温度上昇量は、熱炎反応による温度上昇量よりも小さい。また、冷炎反応による酸素消費量は、熱炎反応による酸素消費量よりも少ない。

２段階で酸化反応が生じる場合には、冷炎反応が為されてから熱炎反応が開始されるまでの期間に、改質燃料が中間生成物として現れる。中間生成物には、アルデヒドやケトン等、様々な炭化水素化合物が具体例として挙げられる。図１２では、アルデヒドが生成される主要な反応経路の一例を示す。

先ず、図中の（１）に示すように、炭化水素（軽油）が酸素分子と反応して炭化水素ペルオキシラジカルが生成される。この炭化水素ペルオキシラジカルは、アルデヒドと炭化水素ラジカルに分解される（（２）参照）。この炭化水素ラジカルと酸素分子とが反応して別の炭化水素ペルオキシラジカルが生成される（（３）参照）。この炭化水素ペルオキシラジカルは、アルデヒドと炭化水素ラジカルに分解される（（４）参照）。この炭化水素ラジカルと酸素分子とが反応して別の炭化水素ペルオキシラジカルが生成される（（５）参照）。このように、炭素数を減らしながら繰り返し炭化水素ペルオキシラジカルが生成され、その生成の都度、アルデヒドが生成されていく。なお、熱炎反応では、燃料が完全燃焼して二酸化炭素と水が生成され、中間生成物は現れない。すなわち、冷炎反応により生成された中間生成物は、酸化されて二酸化炭素と水になる。

さらに本発明者らは、図１１に示すシミュレーション結果の蓋然性を確認するために次の試験を行った。すなわち、噴射弁７０から軽油を噴射させ、噴霧状に噴射された軽油を５００℃の熱板（図示せず）に衝突させた。そして、熱板から気化したガスの成分を分析した。この分析により、２０００ｐｐｍの軽油を衝突させた場合に約３０ｐｐｍのアセトアルデヒドが生成されていることが確認された。この分析結果は、冷炎反応によるアセトアルデヒドの生成が可能であることを示す。

図１１に示すシミュレーションでは、暴露温度を４３０℃としていた。これに対し、さらに本発明者らは、暴露温度を異ならせてシミュレーションによる解析を実施した。その結果、暴露温度が５３０℃の場合には冷炎反応で留まる期間が殆ど無く、１段で酸化反応が完了する。暴露温度を３３０℃にすると、４３０℃にした場合に比べて冷炎反応の開始時期が遅くなる。暴露温度を２３０℃以下にすると、冷炎反応および熱炎反応のいずれもが生じなくなり、酸化反応が生じない。

図１１に示すシミュレーションでは、噴射した燃料と供給される空気の比率である当量比を０．２３としていた。これに対し、さらに本発明者らは、当量比を異ならせてシミュレーションによる解析を実施した。なお、当量比を厳密に定義すると、「実際の混合気が含む燃料の重量」を、「完全燃焼できる燃料の重量」で除算した値である。当量比を１．０にすると、冷炎反応で留まる期間が殆ど無く、１段で酸化反応が完了する。また、当量比を０．３７にすると、当量比を０．２３にした場合に比べて、冷炎反応の開始時期が早くなる。また、冷炎反応速度が速くなり、冷炎反応期間が短くなる。また、冷炎反応が終了した時点での雰囲気温度が高くなる。

図１３は、これらの解析結果をまとめて表したものである。つまり暴露温度（雰囲気温度）および当量比と、冷炎反応発生有無との関係を表しており、図１３の横軸はヒータ温度（雰囲気温度）、縦軸は当量比を示す。図中のドットを付した領域は、２段酸化反応が生じる領域を表す。図示されるように、雰囲気温度が下限値よりも低い領域では、酸化反応が生じない無反応領域となる。雰囲気温度が下限値よりも高い場合であっても、当量比が１．０以上の領域であれば、１段で酸化反応が完了する１段酸化反応領域となる。

また、２段酸化反応領域と１段酸化反応領域との境界線は、雰囲気温度および当量比に応じて変化する。つまり、雰囲気温度が所定の温度範囲であり、かつ、当量比が所定の当量比範囲である場合に、２段酸化反応が生じる。これらの温度範囲および当量比範囲は、図１３中のドットを付した領域の範囲に相当する。所定の温度範囲のうち最適温度（例えば３７０℃）に雰囲気温度を調整すると、上記境界線における当量比が最大値（例えば１．０）となる。したがって、冷炎反応を早期に生じさせるには、ヒータ温度を最適温度に調整し、当量比を１．０にすればよい。但し、当量比が１．０を超えると冷炎反応が生じなくなるので、１．０よりも余裕分だけ小さい値に当量比を調整することが望ましい。

図１１に示すシミュレーションでは、空気中のオゾン濃度をゼロにしている。これに対し、さらに本発明者らは、空気中のオゾン濃度を異ならせたシミュレーションによる解析を実施した。このシミュレーションでの初期条件は、１気圧、ヘキサデカン濃度２２００ｐｐｍ、雰囲気温度３３０℃である。その結果、オゾン濃度が大きいほど、冷炎反応の開始時期が早くなることが確認された。このようなオゾンによる現象は以下の理由により生じる。すなわち、図１２中の（１）（３）（５）では、炭化水素ラジカルと酸素分子とが反応しているが、空気中にオゾンが含まれている場合にはこの反応が促進され、アルデヒドが短時間で生成されることとなる。

図５〜図７の説明に戻り、保持部材６０と混合板５０とは結合部材ＢＴにより結合されている。結合部材ＢＴにはボルトによる締結手段が用いられている。この結合により、熱板４０は、保持部材６０と混合板５０との間に挟み付けられて保持されている。保持部材６０は、金属製の容器側部材６１、金属製の熱板側部材６２およびセラミック製の中間部材６３を組み合わせて構成されている。

容器側部材６１は、気化容器２５のヒータ取付穴２５ｂ（図２参照）に挿入配置され、図示しないボルト等の締結手段により気化容器２５に固定されている。容器側部材６１には、結合部材ＢＴを挿入する挿入孔６１ａ（図５参照）が形成されており、挿入孔６１ａに挿入された結合部材ＢＴの一端は、混合板５０の腕部５２にネジ締結されている。容器側部材６１には、ヒータ３０が挿入されるヒータ挿入孔６１ｂが形成されている。ヒータ３０の発熱部３２は、ヒータ挿入孔６１ｂから挿入されて気化室２５ａに位置する。ヒータ３０の本体部３１は、ヒータ挿入孔６１ｂに組み付けられている。

熱板側部材６２および中間部材６３は環状に形成されたリング形状である。熱板側部材６２の環状内周面には筒部４１の外周面が嵌合し、熱板側部材６２の環状外周面には、中間部材６３の一端側の内周面が嵌合する。中間部材６３の他端側の内周面は、容器側部材６１に形成されたリング状の溝６１ｃに嵌合する。筒部４１に形成された突出部４１ａは接続部５１に形成された凹部５１ａに嵌合する。これらの嵌合により、熱板側部材６２、中間部材６３および筒部４１は、ヒータ３０の挿入方向（図５の左右方向）に対して垂直な方向に位置決めされる。

また、中間部材６３は、ヒータ３０の挿入方向、つまり結合部材ＢＴの締め付け方向において、容器側部材６１および熱板側部材６２と当接する当接部６３ａ、６３ｂを有する。これにより、中間部材６３は、熱板側部材６２と容器側部材６１の間で挟み込まれる。また、熱板側部材６２は、上記締め付け方向において、熱板側部材６２および腕部５２と当接する当接部４１ｂ、４１ｃを有する。これにより、熱板側部材６２は、中間部材６３と筒部４１の間で挟み込まれる。したがって、結合部材ＢＴを締め付けると、混合板５０の腕部５２と保持部材６０の容器側部材６１との間で、中間部材６３、熱板側部材６２および筒部４１が挟み込まれて保持される。なお、弾性部材４０ｓおよびヒータ３０が筒部４１に挿入されて保持されていることは、図８を用いて先述した通りである。

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（エンジン回転数）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、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１４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、改質燃料の生成とオゾンの生成を切り替えるように制御する。上記プログラムは、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１４のステップＳ１０において、内燃機関１０が運転中であるか否かを判定する。運転中でないと判定されれば、ステップＳ１８において還元剤添加装置の作動を停止させる。具体的には、放電リアクタ２０、エアポンプ２０ｐ、噴射弁７０、およびヒータ３０への通電が為されていた場合、それらの通電を停止させる。また、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場合や、ＮＯｘ触媒温度が還元可能範囲を超えて高温になっている場合にも、ステップＳ１８により装置の作動を停止させる。

一方、内燃機関１０が運転中であると判定されれば、ＮＯｘ浄化装置１５が有する還元触媒の温度（ＮＯｘ触媒温度）に応じて還元剤添加装置を作動させる。具体的には、先ずステップＳ１１において、ＮＯｘ触媒温度が所定温度Ｔ１より高温であるか否かを判定する。所定温度Ｔ１より低温であると判定された場合、続くステップＳ１２において、ＮＯｘ触媒温度が第２所定温度Ｔ２より高温であるか否かを判定する。第２所定温度より低温であると判定された場合、続くステップＳ１３において、ＮＯｘ触媒温度が活性化温度Ｔ３より高温であるか否かを判定する。

所定温度Ｔ１および第２所定温度Ｔ２は、活性化温度Ｔ３より高温に設定されている。所定温度Ｔ１は、第２所定温度Ｔ２より高温に設定されている。例えば、活性化温度Ｔ３が２５０℃である場合、第２所定温度Ｔ２を３５０℃、所定温度Ｔ１を４００℃に設定する。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Ｔ３とは、還元触媒上でＮＯｘを還元浄化できる最低温度のことである。

ステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３の判定により、触媒温度が活性化温度Ｔ３より低温と判定された場合、ステップＳ１４において、オゾン生成モードで還元剤添加装置を作動させる。触媒温度が活性化温度Ｔ３より高温、かつ第２所定温度Ｔ２より低温と判定された場合、ステップＳ１５において、強部分酸化モードで還元剤添加装置を作動させる。触媒温度が第２所定温度Ｔ２より高温、かつ所定温度Ｔ１より低温と判定された場合、ステップＳ１６において、弱部分酸化モードで還元剤添加装置を作動させる。触媒温度が所定温度Ｔ１より高温と判定された場合、ステップＳ１７において、酸化停止モードで還元剤添加装置を作動させる。

図１４のステップＳ１４にてオゾン生成モードに設定されると、予め設定されている電力量でエアポンプ２０ｐを作動させるとともに、予め設定されている電力量で放電リアクタ２０の電極２１へ通電して放電を生じさせる。また、ヒータ３０への通電を停止させるとともに、噴射弁７０への通電を停止させて燃料噴射を停止させる。

以上に説明したオゾン生成モードによれば、放電リアクタ２０でオゾンが生成され、生成されたオゾンは、空気管２３および供給管２６を通じて排気通路１０ｅｘへ添加される。ここで、ヒータ３０への通電を実施していると、オゾンは加熱されて崩壊する。また、燃料噴射を実施していると、オゾンは燃料と反応してしまう。これらの点を鑑み、オゾン生成モードではヒータ３０による加熱を停止させ、かつ、燃料噴射を停止させているので、オゾンが燃料と反応することや加熱崩壊を回避できる。よって、生成したオゾンがそのまま排気通路１０ｅｘへ添加されることとなる。

図１４のステップＳ１５にて強部分酸化モードに設定されると、図１５のサブルーチン処理が開始される。

この処理の概略を図中の一点鎖線にしたがって説明すると、先ずステップＳ３０において、熱板４０の温度を所定の温度範囲に調整する。この温度範囲は、基本的には燃料の沸点（例えば４００℃）以上の温度に設定されている。詳細には、軽油に含まれる各種の燃料成分のうち、最も沸点が高い燃料成分を対象に、上記温度範囲は設定されている。次に、ステップＳ４０において、燃料と空気の比率である当量比を所定の当量比範囲に調整する。これらの温度範囲および当量比範囲は、図１３中のドットに示される２段酸化反応領域の範囲である。これにより、冷炎反応を生じさせて先述した改質燃料を生成する。

温度範囲の下限は、１段酸化領域および２段酸化領域と無反応領域との境界線となる２６０℃に設定されている。温度範囲の上限は、１段酸化領域と２段酸化領域の境界線のうちの最大温度に設定されている。当量比範囲の上限は、１段酸化領域と２段酸化領域の境界線のうちの最大値であって、３７０℃に対応する当量比に設定されている。

さらに、ステップＳ５０において、ガイド面５３ａ上における燃料の濃度に応じて、放電リアクタ２０への供給電力を制御する。これにより、オゾンが生成され、そのオゾンが気化容器２５内に供給されるので、冷炎反応の開始時期の早期化と冷炎反応時間の短縮化が図られる。よって、ガイド面５３ａ上での燃料の滞留時間が短くなるように気化容器２５を小型化しても、上記滞留時間内に冷炎反応が完了するようにできる。よって、気化容器２５の小型化を図ることができる。

なお、放電リアクタ２０およびエアポンプ２０ｐは、還元剤としての気体燃料中にオゾンを供給することで、オゾンが存在する環境下で改質を実行させる「オゾン供給手段」を提供する。また、ステップＳ３０の処理を実行している時のマイコン８１は、熱板４０の温度を制御することで気化室２５ａの温度を所定の温度範囲に調整する「温度調整手段」を提供する。ステップＳ４０の処理を実行している時のマイコン８１は、気化室２５ａへ供給される燃料と空気の比率である当量比を所定の当量比範囲に調整する「当量比調整手段」を提供する。ステップＳ５０の処理を実行している時のマイコン８１は、第２所定温度Ｔ２より還元触媒が低温であることを条件としてオゾンを供給させるようにオゾン供給手段を制御する「オゾン制御手段」を提供する。

以下、これらのステップＳ３０、Ｓ４０、Ｓ５０の詳細について、図１５を用いて説明する。

先ず、温度調整手段に係るステップＳ３０の処理について説明する。先ずステップＳ３１において、温度センサ４２ｔによる検出温度（熱板４０の温度）を取得し、取得した検出温度に基づき気化室２５ａ内の雰囲気温度（暴露温度）を推定する。以下の説明では、このように検出した温度から推定された雰囲気温度を検出温度Ｔａｃｔと呼ぶ。続くステップＳ３２では、予め設定しておいた目標温度Ｔｔｒｇよりも検出温度Ｔａｃｔが高い値であるか否かを判定する。具体的には、検出温度Ｔａｃｔから目標温度Ｔｔｒｇを減算して得られた差分値ΔＴが、ゼロより大きいか否かを判定する。

ΔＴ＞０でないと否定判定されれば、ステップＳ３３に進み、ヒータ３０による加熱量を増加させる。具体的には、ヒータ３０への通電デューティ比を、差分値ΔＴの絶対値が大きいほど増大させる。一方、ΔＴ＞０であると肯定判定されれば、続くステップＳ３４にて差分値ΔＴが上限値（例えば５０℃）を超えているか否かを判定する。上限値を超えていないと否定判定されれば、ステップＳ３５に進み、ヒータ３０による加熱量を低減させる。具体的には、ヒータ３０への通電デューティ比を、差分値ΔＴの絶対値が大きいほど減少させる。但し、上限値を超えていると肯定判定された場合には、ステップＳ３６に進み、ヒータ３０への通電を停止させる。これにより、雰囲気温度を迅速に低下させることを図る。ステップＳ３２で用いる目標温度Ｔｔｒｇは、図１３に示す２段酸化反応領域のうち、当量比が最大となる雰囲気温度（例えば３７０℃）に設定されている。

次に、当量比調整手段に係るステップＳ４０の処理について説明する。ステップＳ４０の処理では、差分値ΔＴが５０℃以下であればステップＳ４１に進み、検出温度Ｔａｃｔに対応する、冷炎反応を生じさせる当量比の最大値φｍａｘを算出する。具体的には、２段酸化反応領域における当量比の最大値φｍａｘであって、雰囲気温度に対応する当量比の最大値φｍａｘ、またはその最大値φｍａｘから所定の余裕分だけ減算した値を、目標当量比φｔｒｇとしてマイコン８１に記憶させておく。例えば、図１３に示す２段酸化反応領域における当量比の最大値φｍａｘであって、雰囲気温度に対応する当量比の最大値φｍａｘを、マップ化してマイコン８１に記憶させておく。そして、検出温度Ｔａｃｔに対応する当量比の最大値φｍａｘを、マップを参照して算出する。

続くステップＳ４２では、ステップＳ４１で算出した当量比の最大値φｍａｘに基づき、目標当量比φｔｒｇを設定する。具体的には、所定の余裕分だけ最大値φｍａｘから減算した値を目標当量比φｔｒｇとして設定する。これにより、実際の当量比が目標当量比φｔｒｇより大きくなったとしても、最大値φｍａｘを超えるおそれを低減でき、冷炎反応にとどまらず熱炎反応にまで至るおそれを低減できる。

一方、差分値ΔＴが５０℃より大きく、上記ステップＳ３６にてヒータ３０を停止させている場合には、ステップＳ４３に進み、予め設定しておいた空冷用の値に目標当量比φｔｒｇを設定する。この空冷用の値は、目標温度Ｔｔｒｇに対応する当量比の最大値φｍａｘよりも小さい値に設定されている。つまり、ステップＳ４２の場合に比べて空気の流量を増大させることで、雰囲気温度の迅速な低下を促進させることを図る。

続くステップＳ４４では、ＮＯｘ浄化装置１５へ流入したＮＯｘの全てを還元するのに必要な燃料を、過不足なくＮＯｘ浄化装置１５へ供給するための値を、目標燃料流量Ｆｔｒｇとして設定する。上記目標燃料流量Ｆｔｒｇとは、単位時間当たりにＮＯｘ浄化装置１５へ供給する燃料の質量である。

具体的には、以下に説明するＮＯｘ流入流量およびＮＯｘ触媒温度に基づき、目標燃料流量Ｆｔｒｇを設定する。上記ＮＯｘ流入流量とは、単位時間当たりにＮＯｘ浄化装置１５へ流入するＮＯｘの質量である。例えば、内燃機関１０の運転状態に基づき、ＮＯｘ流入流量を推定できる。上記ＮＯｘ触媒温度とは、ＮＯｘ浄化装置１５が有する還元触媒の温度のことである。例えば、排気温度センサ９６により検出された温度に基づき、ＮＯｘ触媒温度を推定できる。

そして、ＮＯｘ流入流量が多いほど、目標燃料流量Ｆｔｒｇを増大させる。また、ＮＯｘ触媒温度に応じて還元触媒上でＮＯｘが還元される量（還元力）が異なってくるので、ＮＯｘ触媒温度による還元力の違いに応じて目標燃料流量Ｆｔｒｇを設定する。

続くステップＳ４５では、ステップＳ４２またはステップＳ４３で設定した目標当量比φｔｒｇ、およびステップＳ４４で設定した目標燃料流量Ｆｔｒｇに基づき、目標空気流量Ａｔｒｇを算出する。具体的には、φｔｒｇ＝Ｆｔｒｇ／Ａｔｒｇとなるように目標空気流量Ａｔｒｇを算出する。

続くステップＳ４６では、ステップＳ４５で算出した目標空気流量Ａｔｒｇに基づき、エアポンプ２０ｐの作動を制御する。具体的には、目標空気流量Ａｔｒｇが大きいほど、エアポンプ２０ｐへの通電デューティ比を増大させる。続くステップＳ４７では、ステップＳ４４で設定した目標燃料流量Ｆｔｒｇに基づき、噴射弁７０の作動を制御して燃料噴射を実施する。具体的には、目標燃料流量Ｆｔｒｇが大きいほど噴射弁７０の開弁時間を長くする。或いは、今回の噴射終了から次回の噴射開始までのインターバルを短くする。

次に、放電電力制御手段に係るステップＳ５０の処理について説明する。先ずステップＳ５１において、ステップＳ４４で設定した目標燃料流量Ｆｔｒｇに基づき、目標オゾン流量Ｏｔｒｇを算出する。具体的には、ガイド面５３ａ上におけるオゾン濃度の燃料濃度に対する比率が所定値（例えば０．２）となるように、目標オゾン流量Ｏｔｒｇを算出する。例えば、所定時間（例えば０．０２秒）内に冷炎反応を完了させるよう、上記比率を設定する。さらにステップＳ５１では、還元触媒が低温であるほど目標オゾン流量Ｏｔｒｇを増加させるように設定する。

続くステップＳ５２では、ステップＳ４５で算出した目標空気流量Ａｔｒｇ、およびステップＳ５１で算出した目標オゾン流量Ｏｔｒｇに基づき、放電リアクタ２０への目標通電量Ｐｔｒｇを算出する。具体的には、目標空気流量Ａｔｒｇが多いほど、電極間通路２１ａでの空気の滞留時間が短くなるので、目標通電量Ｐｔｒｇを大きくする。また、目標オゾン流量Ｏｔｒｇが多いほど、目標通電量Ｐｔｒｇを大きくする。続くステップＳ５３では、ステップＳ５２で算出した目標通電量Ｐｔｒｇに基づき、放電リアクタ２０への通電量を制御する。具体的には、目標通電量Ｐｔｒｇが大きいほど、放電リアクタ２０への通電デューティ比を増大させる。或いは、今回の通電終了から次回の通電開始までのインターバルを短くする。

以上により、図１５に示す強部分酸化モードによれば、放電リアクタ２０で生成されたオゾン、空気中の酸素、およびヒータ３０により気化された燃料が、ガイド面５３ａで空気中の酸素と混合され、オゾンが存在する環境下で燃料が部分酸化される。これに対し、図１４のステップＳ１６による弱部分酸化モードでは、オゾンの生成を停止させて、ヒータ３０により気化された燃料および空気中の酸素がガイド面５３ａ上で混合され、オゾンが存在しない環境下で燃料が部分酸化される。

詳細には、弱部分酸化モードでは、図１５に示すステップＳ３０、Ｓ４０と同様の処理を実施しつつ、ステップＳ５０の処理を廃止している。つまり、ステップＳ３０にて所定の温度範囲に調整するとともに、ステップＳ４０にて所定の当量比範囲に調整する。但し、ステップＳ５０によるオゾン生成を実施せず、放電リアクタ２０への通電を停止させる。

また、図１４のステップＳ１７による酸化停止モードでは、図１５に示すステップＳ３０と同様の処理を実施しつつ、図１５のステップＳ４０、Ｓ５０の処理を廃止している。つまり、ステップＳ３０にて所定の温度範囲に調整する。但し、ステップＳ４０による当量比の調整およびステップＳ５０によるオゾン生成を実施せず、放電リアクタ２０への通電を停止させる。また、エアポンプ２０ｐの作動を停止させて、気化室２５ａおよびガイド面５３ａ上への空気（酸素）の供給を停止させる。但し、燃料を気化室２５ａへ供給してヒータ３０により気化させることは実施する。そのため、酸素やオゾンによる酸化が為されることなく部分酸化していない気体燃料が、排気通路１０ｅｘへ添加される。

また、図１４の処理とは別に、熱板４０に付着した燃料のデポジットが所定量以上堆積したと推定される場合には、デポジットの燃焼温度よりも高温（例えば６００℃）に設定された燃焼温度にまで熱板４０を温度上昇させるデポジット除去制御を実施する。例えば、前回のデポジット除去制御以降における噴射弁７０からの燃料噴射量が所定量に達した場合に、デポジットが所定量以上堆積したと推定する。或いは、車両の走行距離が所定距離に達した毎にデポジット除去制御を実施する。

そして、熱板４０および弾性部材４０ｓには、デポジット除去制御に係る高温に対する耐熱性を有する材質が選定されている。特に弾性部材４０ｓには、上記高温時にも弾性が発揮される材質が用いられている。当該材質の具体例としては、ニッケルとクロムを主成分とする合金が挙げられる。

以上により、本実施形態によれば、空気通路２３ｂから分岐するように配置された気化室２５ａにヒータ３０が配置されるので、空気通路２３ｂを流通する空気によりヒータ３０の熱が奪われていくことを抑制できる。よって、燃料の改質に用いる熱の損失を低減できる。但し、このように気化室２５ａを配置すると、気体燃料と空気との混合性悪化が懸念されるようになる。

この懸念に対し本実施形態では、気化室２５ａから空気通路２３ｂの中まで延出する混合板５０を備える。そのため、気化室２５ａで加熱された気体燃料が、混合板５０により空気通路２３ｂの中まで案内される。また、空気通路２３ｂを流通する空気は、混合板５０のうち空気通路２３ｂ内に位置する先端部５３ｂに衝突し、混合板５０により案内された気体燃料と混合する。よって、混合板５０を備えることで混合性悪化の懸念を低減しつつ、空気通路２３ｂから分岐する気化室２５ａにヒータ３０を配置することで熱損失低減を図ることができる。

さらに本実施形態では、ヒータ３０は、噴射弁７０から噴射された液体燃料が噴き付けられる熱板４０、および熱板４０を加熱するヒータ３０を有し、混合板５０は熱板４０に接続されている。

そのため、熱板４０に噴き付けられた液体燃料は熱板４０から直接受熱する。よって、熱板４０衝突すること無く気化室２５ａ内の空中で受熱する場合に比べて、燃料を速やかに気化させることができる。しかも、このように直接受熱させる熱板を空気通路２３ｂの外に位置させているので、空気通路２３ｂを流通する空気で熱板４０から熱が奪われる量を低減でき、熱損失を抑制できる。

また、熱板４０に衝突した液体燃料が熱板４０に跳ね返されて飛散するように設定されているので、飛散する燃料の塊を小さくでき、熱板４０の近傍を漂うようにでき、その結果、飛散後の液体燃料が熱板４０から受ける熱量が多くなる。よって、液体燃料の気化およびクラッキングを促進できる。

さらに本実施形態によれば、混合板５０には、熱板４０に比べて熱伝導性の低い材質が用いられている。そのため、混合板５０を空気通路２３ｂに配置させつつ、空気通路２３ｂを流れる空気で混合板５０から熱が奪われることを抑制でき、ひいては、熱損失低減の効果を促進できる。

ここで、混合板５０を熱板４０と異なる金属にすると、互いの金属のイオン化傾向が異なることに起因して、接触する異種金属の一方に激しい腐食（電位差腐食）が生じることが懸念される。これに対し本実施形態では、混合板５０にステンレスを採用し、熱板４０に銅を採用している。ステンレスと銅は電位差腐食が生じにくい組み合わせであるため、混合板５０を熱板４０より低熱伝導性にしつつ電位差腐食のおそれも低減できる。

さらに本実施形態では、ヒータ３０と熱板４０の間には弾性部材４０ｓが配置されており、弾性部材４０ｓは、ヒータ３０および熱板４０に弾性変形した状態で接触している。そのため、ヒータ３０と弾性部材４０ｓとの接触、および熱板４０と弾性部材４０ｓとの接触を確実にできる。よって、ヒータ３０から熱板４０への伝熱を確実にできる。特に、熱板４０が温度に応じて膨張または収縮するといった熱変形が生じた場合であっても、弾性部材４０ｓにより上記接触を確実にでき、伝熱の確実性を向上できる。

弾性部材４０ｓには、熱板４０に付着したデポジットの燃焼温度にまで熱板４０を温度上昇させた場合であっても弾性が発揮される材質が用いられている。そのため、燃料の沸点よりも遥かに高温であるデポジット燃焼温度でも弾性が発揮されるので、デポジット除去制御が可能になる。

さらに本実施形態では、気化容器２５に取り付けられる保持部材６０と、保持部材６０と混合板５０とを結合する結合部材ＢＴとを備え、熱板４０は、保持部材６０と混合板５０との間に挟み付けられて保持されている。これによれば、熱板４０の一端が保持部材６０に支持され、熱板４０の他端が混合板５０に支持されるので、ヒータ挿入方向に延びる形状の熱板４０は、その両端が支持される。そのため、他端が支持されずに一端で支持させる構造を採用した場合に比べて、ヒータ３０を強固に支持できる。

さらに本実施形態では、保持部材６０は、容器側部材６１、熱板側部材６２および中間部材６３を有する。そして、容器側部材６１および熱板側部材６２は金属製であり、かつ、中間部材６３には、これらの部材６１、６２に比べて熱伝導性の低い材質（具体的にはセラミック）が用いられている。これによれば、熱伝導性の低い中間部材を保持部材６０が有することで、熱板４０から保持部材６０を伝って気化容器２５に逃げる熱を低減できる。それでいて、金属製の容器側部材６１および熱板側部材６２を有することで、気化容器２５および筒部４１への取り付けに適した形状に保持部材６０を加工することを容易にできる。上記取り付けに適した形状とは、例えば、当接部４１ｂと嵌合する形状、または挿入孔６１ａを有する形状である。

さらに本実施形態では、熱板側部材６２にステンレスを採用し、熱板４０に銅を採用している。ステンレスは銅に比べて熱伝導率が低いので、熱板側部材６２に銅を採用した場合に比べて、熱板４０から保持部材６０を伝って気化容器２５に逃げる熱を低減できる。それでいて、熱板４０には銅を採用するので、ヒータ３０から熱板４０への伝熱性を良好にでき、熱板４０の温度を目標温度にするのに要するヒータ３０への供給電力量を低減できる。また、ステンレスと銅は先述の電位差腐食が生じにくい組み合わせであるため、熱板側部材６２にステンレスを採用し熱板４０に銅を採用する本実施形態によれば、熱板側部材６２または熱板４０に電位差腐食が生じるおそれを低減できる。

図１６は、上述の如く各種部材の材質を選定することによる消費電力低減の効果を表した、シミュレーション解析結果を示す。このシミュレーションは、熱板４０の温度を４００℃にするのに要するヒータ３０の温度を解析したものであり、横軸に示す条件（４）は、本実施形態に係る材質の選定をした場合であり、ヒータ温度を５４３℃にすれば熱板４０を４００℃にできることを意味する。条件（４）の材質選定では、容器側部材６１、熱板側部材６２、混合板５０および結合部材ＢＴにステンレスを採用し、熱板４０に銅を採用し、中間部材６３にセラミックを採用している。

条件（３）では条件（４）に対して、ステンレス製の熱板側部材６２を銅に変更している。条件（２）では条件（３）に対して、ステンレス製の混合板５０を銅に変更している。条件（１）では条件（２）に対して、セラミック製の中間部材６３をステンレスに変更している。図１６に示すように、条件（４）（２）（３）（１）の順に、ヒータ温度を高温にすることが要求されるようになる。このように、条件（４）を採用する本実施形態によれば、熱板４０から保持部材６０を伝って気化容器２５に逃げる熱を低減でき、ヒータ３０での消費電力を低減できることが確認された。

さて、先述した強部分酸化モード、弱部分酸化モード、および酸化停止モードのいずれで還元剤を添加した場合であっても、ＮＯｘ触媒温度に応じてＮＯｘ浄化率は変化する。そして、いずれのモードにおいても、浄化率が最大となる場合の触媒温度（ピーク温度）が存在する。但し、そのピーク温度はモードによって異なる。つまり、強部分酸化モードのピーク温度は弱部分酸化モードのピーク温度よりも低く、弱部分酸化モードのピーク温度は酸化停止モードのピーク温度よりも低い。そして、ピーク温度に対応する浄化率の最大値は強部分酸化モードが最も高く、次に、弱部分酸化モードの浄化率最大値が高く、酸化停止モードの浄化率最大値が最も低い。

但し、第１境界温度よりも高温側の領域では、酸化停止モードの方が弱部分酸化モードよりも浄化率が高い。また、第２境界温度よりも高温側の領域では、弱部分酸化モードの方が強部分酸化モードよりも浄化率が高い。第２境界温度は第１境界温度よりも低温である。このような浄化率の逆転現象が生じる理由を、本発明者らは以下のように考察している。

すなわち、第１境界温度より高温側の領域では、部分酸化された改質燃料の一部が、ＮＯｘを還元する前に完全に酸化して二酸化炭素および水に変化（酸化変質）し、ＮＯｘ還元能力を失う。そのため、部分酸化による改質を行わない方が却って浄化率が高くなる。第２境界温度より高温側の領域においても同様にして、部分酸化された改質燃料の一部が酸化変質してＮＯｘ還元能力を失うこととなり、触媒温度が高温であるほど酸化変質する度合いが高くなる。よって、オゾンを供給しない方が却って浄化率が高くなる。但し、第２境界温度より低温側の領域においては、オゾンを供給して部分酸化を促進させても上記酸化変質が殆ど生じなくなるので、オゾンを供給した方が浄化率は高くなる。

以上の考察に基づき、図１４のモード判定に用いる所定温度Ｔ１は第１境界温度に基づき設定されている。すなわち、第１境界温度、または第１境界温度から所定範囲内の温度に所定温度Ｔ１は設定されている。そして、還元触媒温度が所定温度Ｔ１より高温である場合に、酸化停止モードに切り替えて改質を停止させる。これによれば、例えば触媒温度が上昇して第１境界温度の低温側から高温側に移行した場合には、弱部分酸化モードから酸化停止モードに切り替えられる。よって、部分酸化した燃料が酸化変質してＮＯｘ還元能力を失うといった事態に陥る機会が低減されて、浄化率が向上する。

さらに本実施形態では、オゾン供給手段およびオゾン制御手段を備える。オゾン供給手段は、還元剤にオゾンを供給することで、オゾンが存在する環境下で改質を実行させる。オゾン制御手段は、活性化温度以上かつ所定温度Ｔ１未満に設定された第２所定温度Ｔ２より還元触媒が低温であることを条件として、オゾンを供給させるようにオゾン供給手段を制御する。これによれば、例えば触媒温度が上昇して第２境界温度の低温側から高温側に移行した場合には、高部分酸化モードから弱部分酸化モードに切り替えられる。よって、部分酸化した燃料が酸化変質してＮＯｘ還元能力を失うといった事態に陥る機会が低減されて、浄化率が向上する。

さらに本実施形態では、オゾン制御手段は、強部分酸化モードにおいて還元触媒が低温であるほどオゾン供給量を増加させるようにオゾン供給手段を制御する。低部分酸化した燃料が酸化変質してＮＯｘ還元能力を失うといったリスクは、触媒温度が低温であるほど小さくなるので、低温であるほどオゾン供給量を増加させる本実施形態によれば、上記リスクが小さい状況でオゾンによる部分酸化を促進させることができる。

さらに本実施形態では、冷炎反応が生じるように燃料の雰囲気温度および当量比が調整され、冷炎反応により部分的に酸化された燃料（改質燃料）を、ＮＯｘ浄化用の還元剤として排気通路１０ｅｘに添加する。そのため、部分酸化されていない燃料を還元剤としてそのまま用いる場合に比べて、ＮＯｘ浄化率を向上させることができる。

さらに本実施形態では、放電リアクタ２０を備え、冷炎反応を生じさせる時には、放電リアクタ２０により生成されたオゾンを供給する。そのため、冷炎反応の開始時期の早期化と、冷炎反応時間の短縮化を図ることができる。よって、気化容器２５内での燃料の滞留時間が短くなるように気化容器２５を小型化しても、上記滞留時間内に冷炎反応が完了するようにできる。よって、気化容器２５の小型化を図ることができる。

さらに本実施形態では、還元触媒が活性化温度Ｔ３未満である場合には、噴射弁７０による燃料噴射を停止させつつ、放電リアクタ２０により生成されたオゾンを空気通路２３ｂへ供給させることで、排気通路１０ｅｘへオゾンを添加する。これによれば、ＮＯｘ浄化装置１５の還元触媒が活性化していないにも拘わらず、還元剤としての改質燃料を添加することを防止できる。そして、オゾンの添加により、排気中のＮＯをＮＯ_２に酸化させてＮＯｘ浄化触媒に吸着させるので、ＮＯｘ浄化装置１５へのＮＯｘ吸着量を増大できる。

さらに本実施形態では、ヒータ３０により炭素数の少ない炭化水素化合物に燃料を分解させるクラッキングを実施している。クラッキングにより炭素数が少なくなった炭化水素は沸点が低くなるので、気化した燃料が液体に戻ることが抑制される。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、図１０に示す波形状の板材を湾曲させて弾性部材４０ｓを形成している。これに対し本実施形態では、図１７に示すように、弾性を有する線材を編み込んだ網形状の部材を湾曲させて弾性部材４００ｓを形成している。そして、ヒータ３０と熱板４０の間に弾性部材４００ｓが配置されており、弾性部材４００ｓは、ヒータ３０および熱板４０に弾性変形した状態で接触している。

以上により、本実施形態によっても、図１０に示す弾性部材４０ｓと同様にして、ヒータ３０と弾性部材４００ｓとの接触、および熱板４０と弾性部材４００ｓとの接触を確実にできる。よって、熱板４０が熱変形しても、弾性部材４０ｓにより上記接触を確実にでき、ヒータ３０から熱板４０への伝熱を確実にできる。

（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５に示す実施形態では、ヒータ３０の発熱部３２に熱板４０を取り付け、熱板４０に液体燃料を衝突させているが、熱板４０を廃止して、ヒータ３０の発熱部３２に直接燃料を衝突させる構成にしてもよい。また、液体燃料を衝突させることを廃止して、噴射弁７０から噴射された液体燃料が気化室２５ａを浮遊する過程で気化させるように構成してもよい。

図２に示す実施形態では、混合板５０を熱板４０に接続させているが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、例えば、混合板５０をヒータ３０に接続させてもよい。

図８および図１７に示す実施形態では、ヒータ３０と熱板４０の間に弾性部材４０ｓ、４００ｓを配置している。これに対し、ヒータ３０と熱板４０の間に金属製の粉末を充填し、該粉末を介して、ヒータ３０から熱板４０へ伝熱させるように構成してもよい。

図５に示す実施形態では、保持部材６０と混合板５０との間に熱板４０を挟み付けて保持させることで、熱板４０の両端を支持させている。これに対し、結合部材ＢＴを廃止して、熱板４０の一端を保持部材６０に固定して、片持ち支持の構造にしてもよい。

図１に示す実施形態では、図１６の条件（４）に係る材質を選定しているが、本発明はこのような材質選定に限定されるものではなく、例えば、条件（１）（２）（３）に係る材質を選定してもよい。

図８に示す実施形態では、温度センサ４２ｔを挿入孔４２ｂに挿入して熱板４０に取り付けているが、気化室２５ａに露出するように温度センサ４２ｔを配置してもよい。

図１に示す実施形態では、エアポンプ２０ｐにより放電リアクタ２０へ空気を供給している。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へ流入させてもよい。具体的には、冷却器１２により冷却される前の高温吸気を放電リアクタ２０へ分岐させてもよいし、冷却器１２により冷却された後の低温吸気を放電リアクタ２０へ分岐させてもよい。

図１に示す実施形態では、放電リアクタ２０を備えることにより、空気通路２３ｂへオゾンを供給している。これに対し、放電リアクタ２０を廃止して強部分酸化モードを廃止し、部分酸化モードと酸化停止モードを切り替えてもよい。これによれば、オゾンの供給による燃料の反応速度を向上できないものの、放電リアクタ２０を廃止して、装置の小型化を図ることができる。

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、ＮＯｘ浄化装置１５には、リーン燃焼時に所定温度範囲でＮＯｘ還元性能を有する触媒として、鉄系、銅系等の触媒が考えられ、これらの触媒に還元剤として改質燃料を供給すれば良い。

上記第１実施形態では、図１４のステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３の判定で用いる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、還元剤として燃料（軽油）を用いているが、噴射弁７０から尿素水を噴射して、アンモニアを供給管２６から排気通路１０ｅｘへ添加するように構成してもよい。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、２３…空気管、２３ｂ…空気通路、２５…気化容器、２５ａ…気化室、３０…ヒータ（加熱手段）、４０…熱板（加熱手段）、５０…混合板、７０…噴射弁。

Claims (9)

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、
   空気通路（２３ｂ）を形成する空気管（２３）と、
   前記空気管に接続され、前記空気通路から分岐する気化室（２５ａ）を形成する気化容器（２５）と、
   液体の炭化水素化合物を還元剤として噴射する噴射弁（７０）と、
   前記気化室に配置され、前記噴射弁から噴射された還元剤を加熱して気化させる加熱手段（３０、４０）と、
   前記加熱手段に接続され、前記気化室から前記空気通路の中まで延出する混合板（５０）と、
   を備えることを特徴とする還元剤添加装置。
2. 前記加熱手段は、前記噴射弁から噴射された液体の還元剤が噴き付けられる熱板（４０）、および前記熱板を加熱するヒータ（３０）を有し、
   前記混合板は前記熱板に接続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. 前記混合板には、前記熱板に比べて熱伝導性の低い材質が用いら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. 前記混合板はステンレス製であり、前記熱板は銅製であることを特徴とする請求項３に記載の還元剤添加装置。
5. 前記ヒータと前記熱板の間には弾性部材（４０ｓ、４００ｓ）が配置されており、
   前記弾性部材は、前記ヒータおよび前記熱板に弾性変形した状態で接触していることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の還元剤添加装置。
6. 前記弾性部材には、前記熱板に付着したデポジットの燃焼温度にまで前記熱板を温度上昇させた場合であっても弾性が発揮される材質が用いられていることを特徴とする請求項５に記載の還元剤添加装置。
7. 前記気化容器に取り付けられる保持部材（６０）と、
   前記保持部材と前記混合板とを結合する結合部材（ＢＴ）とを備え、
   前記熱板は、前記保持部材と前記混合板との間に挟み付けられて保持されていることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１つに記載の還元剤添加装置。
8. 前記保持部材は、前記気化容器に取り付けられる容器側部材（６１）と、前記熱板と接触して挟み込む熱板側部材（６２）と、前記容器側部材および前記熱板側部材の間に介在する中間部材（６３）と、を有し、
   前記容器側部材および前記熱板側部材は金属製であり、かつ、前記中間部材には、前記容器側部材および前記熱板側部材に比べて熱伝導性の低い材質が用いられていることを特徴とする請求項７に記載の還元剤添加装置。
9. 前記熱板側部材はステンレス製であり、前記熱板は銅製であることを特徴とする請求項８に記載の還元剤添加装置。

Images