JP2018076839A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気通路内の排気エネルギが低い場合に還元剤を気液混合状態でＮＯｘ浄化触媒に供給することができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】内燃機関１の排気浄化装置は、ＮＯｘ浄化触媒２８と、還元剤を貯蔵する還元剤タンク３１と、ＮＯｘ浄化触媒よりも排気流れ方向上流側の排気通路に還元剤を供給する還元剤供給装置３５と、還元剤供給装置に供給される還元剤を排気通路内の圧力よりも高い圧力に昇圧する昇圧器３０と、還元剤供給装置に供給される還元剤を加熱する加熱器３４と、加熱器によって還元剤の温度を制御する温度制御部と、排気通路内の排気エネルギを推定するエネルギ推定部とを備える。温度制御部は、エネルギ推定部によって推定された排気エネルギが第１閾値未満のとき、還元剤供給装置によって供給される還元剤が前記排気通路内で気液混合状態となるように還元剤の温度を第１目標温度まで上昇させる。【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。

従来、内燃機関の排気通路にＮＯｘ浄化触媒を設け、還元剤をＮＯｘ浄化触媒に供給することでＮＯｘ浄化触媒においてＮＯｘを浄化することが知られている。例えば、特許文献１には、排気通路にＮＯｘ吸蔵還元触媒を設け、還元剤である燃料をＮＯｘ吸蔵還元触媒に供給することでＮＯｘを浄化することが記載されている。

特開２００６−２１４３３７号公報 特開２０１０−０６５５８１号公報

通常、排気管内の排気温度が低く、排気エネルギが低い状態では、排気管内に供給された還元剤は液体状態でＮＯｘ浄化触媒に供給される。これに対して、特許文献１には、高圧ポンプによって加圧された高温状態の燃料を排気管に導入することで減圧沸騰現象により燃料を早期に気化し、このことによってＮＯｘ浄化性能を向上することができると記載されている。

しかしながら、本願の発明者は、鋭意検討の結果、液体状態又は気体状態の還元剤ではなく、気液混合状態の還元剤をＮＯｘ浄化触媒に供給することによってＮＯｘをより効果的に浄化できることを見出した。この現象は、以下に説明するようなメカニズムに基づくものと考えられている。

排気管内で気化した還元剤がＮＯｘ浄化触媒に流入すると、触媒全体に還元成分が供給される。特に、ＮＯｘ浄化触媒がＮＯｘ吸蔵還元触媒である場合、気化した還元剤は、主に、触媒に付着している酸素と反応して触媒を昇温するのに用いられる。一方、液滴の還元剤は触媒上の還元成分の濃度を局所的に高めることができる。このため、気化した還元剤によって触媒上の酸素を除去しつつ、液滴の還元剤によって触媒上の還元成分の濃度を局所的に高めることによって、ＮＯｘ吸蔵還元触媒におけるＮＯｘの浄化反応を促進することができる。また、ＮＯｘ浄化触媒が選択還元型ＮＯｘ低減触媒（ＳＣＲ触媒）である場合も、還元剤である尿素水の加水分解によって生成される気体のアンモニアを触媒全体に供給しつつ、液滴の尿素水を触媒に供給して触媒上のアンモニア濃度を局所的に高めることで、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘの浄化反応を促進することができる。

そこで、本発明の目的は、排気通路内の排気エネルギが低い場合に還元剤を気液混合状態でＮＯｘ浄化触媒に供給することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

（１）内燃機関の排気通路に配置されたＮＯｘ浄化触媒と、還元剤を貯蔵する還元剤タンクと、前記ＮＯｘ浄化触媒よりも排気流れ方向上流側の前記排気通路に還元剤を供給する還元剤供給装置と、前記還元剤タンクから前記還元剤供給装置に供給される還元剤を前記排気通路内の圧力よりも高い圧力に昇圧する昇圧器と、前記還元剤タンクから前記還元剤供給装置に供給される還元剤を加熱する加熱器と、前記加熱器によって還元剤の温度を制御する温度制御部と、前記排気通路内の排気エネルギを推定するエネルギ推定部とを備え、前記温度制御部は、前記エネルギ推定部によって推定された排気エネルギが第１閾値未満のとき、前記還元剤供給装置によって供給される還元剤が前記排気通路内で気液混合状態となるように還元剤の温度を第１目標温度まで上昇させる、内燃機関の排気浄化装置。

（２）前記エネルギ推定部は、前記排気通路内の排気温度を検出又は推定し、検出又は推定した排気温度に基づいて前記排気通路内の排気エネルギを推定する、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（３）前記エネルギ推定部は、前記排気通路内の排気流量を推定し、検出又は推定した排気温度及び推定した排気流量に基づいて前記排気通路内の排気エネルギを推定する、上記（２）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（４）前記温度制御部は、前記エネルギ推定部によって推定された排気エネルギが前記第１閾値以上第２閾値未満のとき、還元剤の温度を前記第１目標温度よりも低い第２目標温度まで上昇させる、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

（５）前記温度制御部は、還元剤の温度を前記第１目標温度まで上昇させるとき、還元剤の温度を段階的に上昇させる、上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

（６）前記還元剤供給装置による還元剤の供給を制御する還元剤供給部を更に備え、該還元剤供給部は、前記エネルギ推定部によって推定された排気エネルギが、還元剤の温度が前記第１目標温度まで上昇した後に前記第１閾値以上になった場合には、前記第１目標温度の還元剤を前記排気通路に供給し、さらに、前記第１目標温度未満の還元剤を前記排気通路に供給する、上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

（７）前記温度制御部は、大気圧を検出又は推定し、検出又は推定した大気圧が相対的に低い場合には、該大気圧が相対的に高い場合に比べて、前記第１目標温度及び前記第１閾値の少なくとも一方を低く設定する、上記（１）から（６）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

本発明によれば、排気通路内の排気エネルギが低い場合に還元剤を気液混合状態でＮＯｘ浄化触媒に供給することができる内燃機関の排気浄化装置が提供される。

図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、ＮＳＲ触媒の触媒担体の表面部分の概略的な断面図である。 図３は、軽油の蒸気圧曲線を示す。 図４は、排気管内へ燃料を供給する際の機関回転数等のタイムチャートである。 図５は、本発明の第一実施形態における還元剤供給処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図６は、機関回転数及び燃料噴射弁からの燃料噴射量とＮＳＲ触媒に到達するＮＯｘの量との関係を示すマップである。 図７は、機関回転数及び燃料噴射弁からの燃料噴射量と排気通路内の排気温度との関係を示すマップである。 図８は、排気通路内の排気温度及び排気流量と排気通路内の排気エネルギとの関係を示すマップである。 図９は、排気管内へ燃料を供給する際の機関回転数等のタイムチャートである。 図１０は、本発明の第二実施形態における還元剤供給処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１１は、本発明の第三実施形態における還元剤供給処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１２は、本発明の第四実施形態における還元剤供給処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
以下、図１〜図８を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関１は圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。内燃機関１は例えば車両に搭載される。

図１を参照すると、１０は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射する電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気管６を介してターボチャージャ（過給機）７のコンプレッサ７ａの出口に連結される。コンプレッサ７ａの入口は吸気管６を介してエアクリーナ８に連結される。吸気管６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁９が配置される。さらに、吸気管６周りには吸気管６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１３が配置される。図１に示した内燃機関１では、機関冷却水が冷却装置１３内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。吸気マニホルド４及び吸気管６は、空気を燃焼室２に導く吸気通路を形成する。

一方、排気マニホルド５は排気管２７を介してターボチャージャ７のタービン７ｂの入口に連結される。タービン７ｂの出口は排気管２７を介してＮＯｘ吸蔵還元触媒２８に連結される。ＮＯｘ吸蔵還元触媒２８は排気管２７を介してディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）２９に連結される。排気マニホルド５及び排気管２７は、燃焼室２における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。ＤＰＦ２９は、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集すると共に、捕集したＰＭを燃焼させて浄化する。なお、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２８については後述する。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（ＥＧＲ）通路１４を介して互いに連結される。ＥＧＲ通路１４内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１５が配置される。また、ＥＧＲ通路１４周りにはＥＧＲ通路１４内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲ冷却装置２０が配置される。図１に示した内燃機関１では機関冷却水がＥＧＲ冷却装置２０内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。

燃料は燃料ポンプ３０によって燃料タンク３１から燃料配管３２を介してコモンレール１８内に供給される。燃料ポンプ３０は燃料タンク３１内の燃料を汲み上げると共に燃料を昇圧する。コモンレール１８内に供給された高圧の燃料は各燃料供給管１７を介して各燃料噴射弁３に供給される。各燃料噴射弁３は各燃焼室２内に燃料を噴射する。

内燃機関１の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）８０によって実行される。ＥＣＵ８０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス８１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）８２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）８３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）８４、入力ポート８５及び出力ポート８６を備える。負荷センサ１０１及びエアフロメータ１０２の出力が、対応するＡＤ変換器８７を介して入力ポート８５に入力される。

負荷センサ１０１は、アクセルペダル１２０の踏込み量に比例した出力電圧を発生させる。したがって、負荷センサ１０１は機関負荷を検出する。エアフロメータ１０２は、吸気通路においてエアクリーナ８とコンプレッサ７ａとの間に配置され、吸気管６内を流れる空気流量を検出する。さらに、入力ポート８５には、クランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ１０８が接続され、クランク角センサ１０８によって機関回転数が検出される。

一方、出力ポート８６は、対応する駆動回路８８を介して、燃料噴射弁３、スロットル弁駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１５及び燃料ポンプ３０に接続されている。

なお、内燃機関１は、燃焼室に点火プラグが配置された火花点火式内燃機関、特に希薄混合気燃焼（リーンバーン）方式のガソリンエンジンであってもよい。また、気筒配列、吸排気系の構成及び過給機の有無のような内燃機関１の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。

＜内燃機関の排気浄化装置の構成＞
以下、本発明の第一実施形態に係る内燃機関１の排気浄化装置の構成について説明する。内燃機関１の排気浄化装置は、内燃機関１の排気通路に配置されたＮＯｘ浄化触媒を備える。本実施形態では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、「ＮＳＲ触媒」）２８がＮＯｘ浄化触媒に相当する。ＮＳＲ触媒２８は、内燃機関１の排気通路において、ターボチャージャ７のタービン７ｂとＤＰＦ２９との間の排気管２７内に配置される。なお、ＮＳＲ触媒２８はＤＰＦ２９よりも排気流れ方向下流側に配置されてもよい。また、ＮＳＲ触媒２８はＤＰＦ２９と一体であってもよい。

以下、図２を参照して、ＮＳＲ触媒２８の構成及び作用について簡単に説明する。図２は、ＮＳＲ触媒２８の触媒担体２８ａの表面部分の概略的な断面図である。ＮＳＲ触媒２８は、触媒担体２８ａと、触媒担体２８ａ上に担持された貴金属２８ｂ及び吸蔵物質２８ｃとを含む。

触媒担体２８ａは例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）である。貴金属２８ｂは例えば白金（Ｐｔ）である。吸蔵物質２８ｃは、例えば、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属と、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）のようなアルカリ土類と、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）のような希土類とのうちの少なくとも一つである。

図２（Ａ）に示されるように、ＮＳＲ触媒２８では、排気ガス中の酸素濃度が高いとき、すなわち排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンなときには、排気ガスに含まれる窒素酸化物成分（ＮＯ）が貴金属２８ｂ上で酸化されてＮＯｘとして吸蔵物質２８ｃに吸蔵される。一方、図２（Ｂ）に示されるように、ＮＳＲ触媒２８では、排気ガス中の酸素濃度が低いとき、すなわち排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチなときには、吸蔵物質２８ｃに吸蔵されていたＮＯｘが放出され、放出されたＮＯｘが、排気ガス中の水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等の還元成分によって貴金属２８ｂ上で還元浄化される。したがって、ＮＳＲ触媒２８は、図２（Ａ）と図２（Ｂ）との状態を繰り返すことによって排気ガス中のＮＯｘを浄化することができる。

内燃機関１の排気浄化装置は、還元剤タンク、還元剤供給装置３５、昇圧器及び加熱器３４を更に備える。本実施形態では、還元剤は燃料であり、燃料タンク３１が還元剤タンクに相当する。燃料は例えば軽油である。

本実施形態では、各燃料噴射弁３にリーク燃料配管３３が連結されている。コモンレール１８から各燃料噴射弁３に供給された燃料のうち、燃焼室２内に噴射されなかった燃料はリーク燃料配管３３を介して還元剤供給装置３５に還元剤として供給される。還元剤供給装置３５は、ＮＳＲ触媒２８よりも排気流れ方向上流側の排気通路に還元剤を供給するように排気管２７に固定される。具体的には、還元剤供給装置３５は、ターボチャージャ７のタービン７ｂとＮＳＲ触媒２８との間の排気管２７内に還元剤を供給する。このことによって、還元剤供給装置３５は排気管２７を介してＮＳＲ触媒２８に還元剤を供給する。

還元剤供給装置３５は例えば燃料噴射弁３と同様の電子制御式噴射弁である。還元剤供給装置３５は、対応する駆動回路８８を介して、ＥＣＵ８０の出力ポート８６に接続される。ＥＣＵ８０は、還元剤供給装置３５から供給される還元剤の供給タイミング及び供給量を制御する。

昇圧器は、燃料タンク３１から還元剤供給装置３５に供給される還元剤を排気通路内の圧力よりも高い圧力に昇圧する。本実施形態では、燃料ポンプ３０が昇圧器に相当する。燃料ポンプ３０は、リーク燃料配管３３を介して還元剤供給装置３５に供給される燃料を排気管２７内の圧力（大気圧（１０１．３３ｋＰａ）程度）よりも高い圧力（例えば１．０Ｍｐａ）に昇圧する。

加熱器３４は、リーク燃料配管３３に配置され、燃料タンク３１から還元剤供給装置３５に供給される還元剤を加熱する。加熱器３４は、例えば、リーク燃料配管３３の外周を囲むようにリーク燃料配管３３に固定される。なお、加熱器３４はリーク燃料配管３３に埋め込まれてもよい。

加熱器３４は、例えば、通電によって発熱する発熱体である。加熱器３４は、対応する駆動回路８８を介して、ＥＣＵ８０の出力ポート８６に接続される。ＥＣＵ８０は、加熱器３４への通電量を制御し、ひいてはリーク燃料配管３３内の還元剤の温度を制御する。

なお、燃料噴射弁３に供給される燃料は、燃料ポンプ３０の代わりに、燃料タンク３１内に配置されたインタンクポンプによってコモンレール１８に供給されてもよい。この場合、還元剤を昇圧する昇圧器はインタンクポンプとは別個に燃料配管３２又はリーク燃料配管３３に設けられてもよい。また、還元剤は、燃料配管３２及びリーク燃料配管３３を通ることなく、燃料タンク３１と還元剤供給装置３５とを接続する還元剤配管（図示せず）を介して還元剤供給装置３５に供給されてもよい。この場合、昇圧器及び加熱器は還元剤配管に配置される。また、還元剤は燃料タンク３１とは別個の還元剤タンクに貯蔵されていてもよい。

内燃機関１の排気浄化装置は、温度制御部、エネルギ推定部及び還元剤供給部を更に備える。温度制御部は加熱器３４によって還元剤の温度を制御する。エネルギ推定部は排気通路（本実施形態では排気管２７）内の排気エネルギを推定する。還元剤供給部は還元剤供給装置３５による還元剤の供給を制御する。具体的には、還元剤供給部は、還元剤供給装置３５から排気管２７内に供給される還元剤の供給タイミング及び供給量を制御する。本実施形態では、ＥＣＵ８０が、温度制御部、エネルギ推定部及び還元剤供給部を含む。

＜内燃機関の排気浄化装置の制御＞
以下、内燃機関１の排気浄化装置の制御について説明する。上述したように、本実施形態では、還元剤として燃料、例えば軽油が用いられる。図３は、軽油の蒸気圧曲線を示す。軽油は様々な成分を含んでおり、成分毎に沸点が異なる。図３の左側の実線は軽油の最低沸点成分の蒸気圧曲線を示し、図３の右側の実線は軽油の最高沸点成分の蒸気圧曲線を示している。軽油は、各圧力において、最低沸点よりも低い温度では液体状態となり、最高沸点よりも高い温度では気体状態となり、最低沸点と最高沸点との間の温度（図３の斜線部）では気液混合状態となる。

排気管２７内の温度が低く、排気エネルギが低い状態において、低温の燃料が排気管２７内に噴射されると、噴射された燃料が排気管２７内の排気エネルギによって気化されないため、液体状態の燃料がＮＳＲ触媒２８に供給される。

しかしながら、本願の発明者は、鋭意検討の結果、液体状態又は気体状態の燃料ではなく、気液混合状態の燃料をＮＳＲ触媒２８に供給することによってＮＯｘをより効果的に浄化できることを見出した。この現象は、以下に説明するようなメカニズムに基づくものと考えられている。

排気管２７内で気化した還元剤がＮＳＲ触媒２８に流入すると、触媒全体に還元成分が供給される。気化した還元剤は、主に、触媒に付着している酸素と反応して触媒を昇温するのに用いられる。一方、液滴の還元剤は触媒上の還元成分の濃度を局所的に高めることができる。このため、気化した還元剤によって触媒上の酸素を除去しつつ、液滴の還元剤によって触媒上の還元成分の濃度を局所的に高めることによって、ＮＳＲ触媒２８におけるＮＯｘの浄化反応を促進することができる。

そこで、本実施形態では、排気管２７内の排気エネルギが低い場合に気液混合状態の燃料をＮＳＲ触媒２８に供給するために、排気管２７内で燃料の一部を減圧沸騰させる。燃料の一部を減圧沸騰させるために、燃料ポンプ３０が、還元剤供給装置３５に供給される燃料を排気管２７内の圧力よりも高い圧力に昇圧すると共に、温度制御部が加熱器３４によって燃料の温度を上昇させる。

具体的には、温度制御部は、エネルギ推定部によって推定された排気エネルギが第１閾値未満のとき、還元剤供給装置３５によって供給される燃料が排気管２７内で気液混合状態となるように燃料の温度を第１目標温度まで上昇させる。第１閾値は、例えば、低温（例えば〜３０℃）の燃料を部分的に気化させるのに必要な排気エネルギの下限値に設定される。第１目標温度は、排気管２７内に供給された燃料が排気管２７内で気液混合状態となるような温度、すなわち排気管２７内の圧力における燃料の最高沸点と最低沸点との間の温度領域（図３のＴＣ）内の温度に設定される。

例えば、温度制御部は、図３の右向きの矢印で示されるように、加熱器３４によってリーク燃料配管３３内の燃料の温度を上昇させる。この結果、排気管２７内の排気エネルギが低い場合であっても、図３の下向きの矢印で示されるように、排気管２７内に供給された燃料が減圧沸騰によって液体状態から気液混合状態に変化する。したがって、本実施形態の内燃機関１の排気浄化装置は、上述した制御によって、排気通路内の排気エネルギが低い場合に還元剤を気液混合状態でＮＯｘ浄化触媒に供給することができる。

なお、温度制御部は、燃料の温度が第１目標温度になるように、燃料の温度を検出する温度センサの出力に基づいて加熱器３４への通電量をフィードバック制御してもよい。温度センサは、加熱器３４と還元剤供給装置３５との間の還元剤供給路（本実施形態では、リーク燃料配管３３）に配置される。また、温度制御部は、内燃機関１の外気温を検出する外気温センサ又は内燃機関１の冷却水の温度を検出する水温センサの出力に基づいてリーク燃料配管３３内の燃料の温度を推定し、推定した燃料の温度に基づいて加熱器３４への通電量を制御してもよい。

＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図４のタイムチャートを参照して、内燃機関１の排気装置の制御について具体的に説明する。図４は、排気管２７内へ燃料を供給する際の機関回転数、燃料供給の要求の有無、加熱器３４のオンオフ、燃料温度及び排気エネルギの概略的なタイムチャートである。

図示した例では、時刻ｔ１において排気管２７内への燃料供給が要求されている。時刻ｔ１において排気管２７内の排気エネルギは第１閾値Ｔｒ１よりも小さい。また、時刻ｔ１において燃料供給が要求されるまで、加熱器３４はオフにされている（通電されていない）。このため、時刻ｔ１における燃料温度は第１目標温度ＴＴ１よりも低い。この状態で、燃料が排気管２７内に供給されると、燃料が排気管２７内で気化されず、液体状態の燃料がＮＳＲ触媒２８に供給される。

このため、時刻ｔ１において、燃料温度を第１目標温度ＴＴ１まで上昇させるべく、加熱器３４がオンにされる。この結果、時刻ｔ２において、燃料温度が第１目標温度ＴＴ１に達する。

時刻ｔ２では、還元剤供給装置３５によって排気管２７内に燃料が供給される。排気管２７内に供給された燃料の一部は排気管２７内で減圧沸騰される。この結果、気液混合状態の燃料がＮＳＲ触媒２８に供給される。排気管２７内への燃料供給が終了すると、加熱器３４が再びオフにされる。

＜還元剤供給処理＞
以下、図５のフローチャートを参照して、排気管２７内に還元剤を供給するための制御について説明する。図５は、本発明の第一実施形態における還元剤供給処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、還元剤供給部が、還元剤の供給要求が有るか否かを判定する。還元剤供給部は、例えば、ＮＳＲ触媒２８のＮＯｘ吸蔵量の推定値が所定値以上のときに還元剤の供給要求が有ると判定し、ＮＯｘ吸蔵量の推定値が所定値未満のときに還元剤の供給要求が無いと判定する。所定値は、ＮＳＲ触媒２８に吸蔵可能なＮＯｘの最大吸蔵量よりも少ない値とされる。

ＮＳＲ触媒２８のＮＯｘ吸蔵量は、例えば、ＮＳＲ触媒２８に到達するＮＯｘの量を積算することによって算出される。ＮＳＲ触媒２８に到達するＮＯｘの量は、例えば、ＥＣＵ８０のＲＯＭ８２に記憶されたマップ又は計算式を用いて、機関回転数及び燃料噴射弁３からの燃料噴射量に基づいて推定される。マップでは、図６に示したように、ＮＳＲ触媒２８に到達するＮＯｘの量ＡＮが機関回転数ＮＥ及び燃料噴射弁３からの燃料噴射量Ｑｅの関数として示される。

ステップＳ１０１において還元剤の供給要求が無いと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０１において還元剤の供給要求が有ると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、温度制御部が、エネルギ推定部によって推定された排気通路内の排気エネルギが第１閾値未満であるか否かを判定する。第１閾値は、例えば、低温（例えば〜３０℃）の燃料を部分的に気化させるのに必要な排気エネルギの下限値に設定される。

エネルギ推定部は、排気通路内の排気温度を検出又は推定し、検出又は推定した排気温度に基づいて排気通路内の排気エネルギを推定する。エネルギ推定部は、排気温度が高いほど排気エネルギを高く推定し、排気温度が第１温度未満のとき、排気エネルギが第１閾値未満であると判定する。第１温度は、第１閾値の排気エネルギに相当する温度であり、例えば２００℃である。

エネルギ推定部は、例えば、排気通路に配置された排気温センサ３６によって排気通路内の排気温度を検出する。本実施形態では、排気温センサ３６は、ＮＳＲ触媒２８よりも排気流れ方向上流側の排気通路に配置され、具体的には、ターボチャージャ７のタービン７ｂとＮＳＲ触媒２８との間の排気管２７内に配置される。

なお、エネルギ推定部は、ＥＣＵ８０のＲＯＭ８２に記憶されたマップ又は計算式を用いて、機関回転数及び燃料噴射弁３からの燃料噴射量に基づいて排気通路内の排気温度を推定してもよい。マップでは、図７に示したように、排気通路内の排気温度ＴＥが機関回転数ＮＥ及び燃料噴射弁３からの燃料噴射量Ｑｅの関数として示される。

また、エネルギ推定部は、排気通路内の排気流量を推定し、ＥＣＵ８０のＲＯＭ８２に記憶されたマップ又は計算式を用いて、検出又は推定した排気温度及び推定した排気流量に基づいて排気通路内の排気エネルギを推定してもよい。この場合、排気温センサ３６を内燃機関１に設ける必要はない。エネルギ推定部は、例えば、エアフロメータ１０２によって検出された吸入空気量に基づいて排気通路内の排気流量を推定する。マップでは、図８に示したように、排気通路内の排気エネルギＥＥが排気通路内の排気温度ＴＥ及び排気通路内の排気流量ＥＦの関数として示される。

ステップＳ１０２において排気エネルギが第１閾値以上であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０２において排気エネルギが第１閾値未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、温度制御部が、還元剤供給装置３５によって供給される還元剤が排気通路内で気液混合状態となるように、加熱器３４によって還元剤の温度を第１目標温度まで上昇させる。第１目標温度は、排気通路内に供給された燃料が排気通路内で気液混合状態となるような温度、すなわち排気通路内の圧力における燃料の最高沸点と最低沸点との間の温度領域内の温度に設定される。還元剤が軽油の場合、第１目標温度は例えば１８０℃〜３５０℃である。

次いで、ステップＳ１０４では、還元剤供給部が、ＮＳＲ触媒２８に還元剤を供給すべく、還元剤供給装置３５によって排気通路に還元剤を供給する。ステップＳ１０４の後、本制御ルーチンは終了する。

＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図４からわかるように、還元剤の温度を第１目標温度に上昇させるためには、ある程度の時間（ｔ１〜ｔ２）を要する。このため、還元剤の供給が要求されてから還元剤を第１目標温度に上昇させるまでの時間が長くなり、適切なタイミングで還元剤を排気管２７内に供給できないおそれがある。

そこで、第二実施形態では、温度制御部は、還元剤の温度を第１目標温度まで上昇させるとき、還元剤の温度を段階的に上昇させる。例えば、温度制御部は、還元剤の供給が予告されたときに還元剤の温度を所定温度まで上昇させ、還元剤の供給が要求されたときに還元剤の温度を所定温度から第１目標温度まで上昇させる。このことによって、第二実施形態では、還元剤の供給要求に対する応答性を高めることができる。

＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図９のタイムチャートを参照して、第二実施形態における内燃機関１の排気装置の制御について具体的に説明する。図９は、排気管２７内へ燃料を供給する際の機関回転数、燃料供給の予告の有無、燃料供給の要求の有無、加熱器３４のオンオフ、燃料温度及び排気エネルギの概略的なタイムチャートである。

図示した例では、時刻ｔ１において排気管２７内への燃料供給が予告されている。このため、時刻ｔ１において、燃料温度を所定温度Ｔまで上昇させるべく、加熱器３４がオンにされる。この結果、時刻ｔ２において、燃料温度が所定温度Ｔに達する。燃料温度が所定温度Ｔに達した後、燃料温度は所定温度Ｔに維持される。

その後、時刻ｔ３において排気管２７内への燃料供給が要求される。時刻ｔ３において排気管２７内の排気エネルギは第１閾値Ｔｒ１よりも小さい。このため、時刻ｔ３において、燃料温度を第１目標温度ＴＴ１まで上昇させるべく、加熱器３４への通電量が増加される。この結果、時刻ｔ４において、燃料温度が第１目標温度ＴＴ１に達する。

時刻ｔ４では、還元剤供給装置３５によって排気管２７内に燃料が供給される。排気管２７内に供給された燃料の一部は排気管２７内で減圧沸騰される。この結果、気液混合状態の燃料がＮＳＲ触媒２８に供給される。排気管２７内への燃料供給が終了すると、加熱器３４が再びオフにされる。

＜還元剤供給処理＞
図１０は、本発明の第二実施形態における還元剤供給処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、還元剤供給部が、還元剤の供給予告が有るか否かを判定する。還元剤供給部は、例えば、ＮＳＲ触媒２８のＮＯｘ吸蔵量の推定値が第１吸蔵量以上のときに還元剤の供給予告が有ると判定し、ＮＯｘ吸蔵量の推定値が第１吸蔵量未満のときに還元剤の供給予告が無いと判定する。第１吸蔵量は、ＮＳＲ触媒２８に吸蔵可能なＮＯｘの最大吸蔵量よりも少ない値とされる。

ステップＳ２０１において還元剤の供給予告が無いと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ２０１において還元剤の供給予告が有ると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０２に進む。

ステップＳ２０２では、温度制御部が加熱器３４によって還元剤を事前加熱する。具体的には、温度制御部は加熱器３４によって還元剤の温度を所定温度まで上昇させる。所定温度は、第１目標温度よりも低い温度である。還元剤が軽油の場合、所定温度は例えば８０〜１００℃である。

次いで、ステップＳ２０３では、還元剤供給部が、還元剤の供給要求が有るか否かを判定する。還元剤供給部は、例えば、ＮＳＲ触媒２８のＮＯｘ吸蔵量の推定値が第２吸蔵量以上のときに還元剤の供給要求が有ると判定し、ＮＯｘ吸蔵量の推定値が第２吸蔵量未満のときに還元剤の供給要求が無いと判定する。第２吸蔵量は、ＮＳＲ触媒２８に吸蔵可能なＮＯｘの最大吸蔵量よりも少なく且つ第１吸蔵量よりも多い値とされる。

ステップＳ２０４〜ステップＳ２０６は、図５におけるステップＳ１０２〜ステップＳ１０４と同様であることから説明を省略する。

＜第三実施形態＞
第三実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

排気通路内の排気エネルギが第１閾値よりも大きい場合には、排気エネルギによって還元剤を部分的に気化させることができるため、還元剤を減圧沸騰させる必要はない。しかしながら、還元剤が加熱器３４によって加熱されない場合には、還元剤の粘度が高くなり、排気管２７内に供給される還元剤の粒径が大きくなる。この結果、排気エネルギによる還元剤の気化が抑制される。このため、排気通路内の排気エネルギが第１閾値よりも大きい場合であっても、排気エネルギが比較的小さい場合には、還元剤の微粒化を促進するために、還元剤を加熱することが望ましい。

そこで、第三実施形態では、温度制御部は、エネルギ推定部によって推定された排気エネルギが第１閾値以上第２閾値未満のとき、還元剤の温度を第１目標温度よりも低い第２目標温度まで上昇させる。このことによって、排気エネルギに応じた還元剤の加熱が行われ、還元剤をより確実に気液混合状態にすることができる。

＜還元剤供給処理＞
図１１は、本発明の第三実施形態における還元剤供給処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

ステップＳ３０１〜ステップＳ３０６は、図１０におけるステップＳ２０１〜ステップＳ２０６と同様であることから説明を省略する。

本制御ルーチンは、ステップＳ３０４において排気エネルギが第１閾値以上であると判定された場合、ステップＳ３０７に進む。ステップＳ３０７では、温度制御部が、エネルギ推定部によって推定された排気通路内の排気エネルギが第２閾値未満であるか否かを判定する。第２閾値は第１閾値よりも大きな値である。温度制御部は、例えば、排気温度が第２温度未満のとき、排気エネルギが第２閾値未満であると判定する。第２温度は、第１温度よりも高い温度であり、例えば２５０℃である。

ステップＳ３０７において排気エネルギが第２閾値以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０６に進み、還元剤が排気通路に供給される。一方、ステップＳ３０７において排気エネルギが第２閾値未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０８に進む。

ステップＳ３０８では、温度制御部が、加熱器３４によって還元剤の温度を第１目標温度よりも低い第２目標温度まで上昇させる。第２目標温度は、還元剤の微粒化が促進されるような温度に設定される。還元剤が軽油の場合、第２目標温度は例えば１００℃〜１５０℃である。ステップＳ３０８の後、ステップＳ３０６において還元剤が排気通路に供給される。ステップＳ３０６の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、本制御ルーチンにおいてステップＳ３０１及びステップＳ３０２は省略されてもよい。

また、第１閾値、第１目標温度、第２閾値及び第２目標温度の少なくとも一つは大気圧に基づいて補正されてもよい。例えば、高地などにおいて大気圧が相対的に低い場合には、還元剤の減圧沸騰が発生する温度領域が低くなる。このため、温度制御部は、大気圧が相対的に低い場合には、大気圧が相対的に高い場合に比べて、第１閾値及び第１目標温度の少なくとも一方を低く設定してもよい。同様に、温度制御部は、大気圧が相対的に低い場合には、大気圧が相対的に高い場合に比べて、第２目標温度及び第２閾値の少なくとも一方を相対的に低く設定してもよい。温度制御部は、例えば、内燃機関１に設けられた大気圧センサによって大気圧を検出する。また、温度制御部は、吸気管６内圧力等に基づいて大気圧を推定してもよい。

＜第四実施形態＞
第四実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置と同様である。このため、以下、本発明の第四実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

上述したように、温度制御部は、排気通路内の排気エネルギが第１閾値未満であるとき、還元剤の温度を第１目標温度まで上昇させる。しかしながら、還元剤の昇温には時間を要するため、還元剤の温度が第１目標温度まで上昇したときに排気通路内の排気エネルギが第１閾値以上となっている場合がある。この場合、第１目標温度の還元剤を排気通路内に供給すると、供給された全ての還元剤が還元剤の減圧沸騰及び排気通路内の排気エネルギによって気化されるおそれがある。

そこで、第四実施形態では、還元剤供給部は、エネルギ推定部によって推定された排気エネルギが、還元剤の温度が第１目標温度まで上昇した後に第１閾値以上になった場合には、第１目標温度の還元剤を排気通路に供給し、さらに、第１目標温度未満の還元剤を排気通路に供給する。具体的には、還元剤供給部は、還元剤の供給量を増やすことによって、第１目標温度の還元剤に加えて、加熱器３４によって加熱されていない還元剤又は加熱器３４によって第１目標温度未満に加熱された還元剤を排気通路に供給する。このことによって、還元剤の昇温中に排気エネルギが過剰に上昇した場合であっても、気液混合状態の還元剤をＮＳＲ触媒２８に供給することができる。

＜還元剤供給処理＞
図１２は、本発明の第四実施形態における還元剤供給処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

ステップＳ４０１〜ステップＳ４０３は、図５におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０３と同様であることから説明を省略する。

本制御ルーチンは、ステップＳ４０３の後、ステップＳ４０４に進む。ステップＳ４０４では、ステップＳ４０２と同様に、温度制御部が、エネルギ推定部によって推定された排気通路内の排気エネルギが第１閾値未満であるか否かを判定する。

ステップＳ４０４において排気エネルギが第１閾値未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０６に進み、還元剤が排気通路に供給される。一方、ステップＳ４０４において排気エネルギが第１閾値以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０５に進む。

ステップＳ４０５では、還元剤供給部が、第１目標温度の還元剤に加えて第１目標温度未満の還元剤を排気通路に供給すべく、還元剤の供給量を増加させる。ステップＳ４０５の後、ステップＳ４０６において還元剤が排気通路に供給される。ステップＳ４０６の後、本制御ルーチンは終了する。

以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、還元剤としてバイオディーゼル燃料（ＢＤＦ）のような燃料が用いられてもよい。また、ＮＯｘ浄化触媒は選択還元型ＮＯｘ低減触媒（ＳＣＲ触媒）であってもよい。この場合、還元剤として尿素水が用いられる。なお、第１目標温度、第１閾値、第２目標温度及び第２閾値は、還元剤が排気通路内で気液混合状態となるように、還元剤の特性に合わせて適切な温度に設定される。

また、上述した実施形態は、任意に組み合わせて実施可能である。例えば、図１２におけるステップＳ４０４及びステップＳ４０５が、図１０におけるステップＳ２０５とステップＳ２０６との間又は図１１におけるステップＳ３０５とステップＳ３０６との間に実行されてもよい。

１ 内燃機関
２７ 排気管
２８ ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ触媒）
３０ 昇圧器
３１ 還元剤タンク
３４ 加熱器
３５ 還元剤供給装置
８０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路に配置されたＮＯｘ浄化触媒と、
   還元剤を貯蔵する還元剤タンクと、
   前記ＮＯｘ浄化触媒よりも排気流れ方向上流側の前記排気通路に還元剤を供給する還元剤供給装置と、
   前記還元剤タンクから前記還元剤供給装置に供給される還元剤を前記排気通路内の圧力よりも高い圧力に昇圧する昇圧器と、
   前記還元剤タンクから前記還元剤供給装置に供給される還元剤を加熱する加熱器と、
   前記加熱器によって還元剤の温度を制御する温度制御部と、
   前記排気通路内の排気エネルギを推定するエネルギ推定部とを備え、
   前記温度制御部は、前記エネルギ推定部によって推定された排気エネルギが第１閾値未満のとき、前記還元剤供給装置によって供給される還元剤が前記排気通路内で気液混合状態となるように還元剤の温度を第１目標温度まで上昇させる、内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記エネルギ推定部は、前記排気通路内の排気温度を検出又は推定し、検出又は推定した排気温度に基づいて前記排気通路内の排気エネルギを推定する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記エネルギ推定部は、前記排気通路内の排気流量を推定し、検出又は推定した排気温度及び推定した排気流量に基づいて前記排気通路内の排気エネルギを推定する、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記温度制御部は、前記エネルギ推定部によって推定された排気エネルギが前記第１閾値以上第２閾値未満のとき、還元剤の温度を前記第１目標温度よりも低い第２目標温度まで上昇させる、請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記温度制御部は、還元剤の温度を前記第１目標温度まで上昇させるとき、還元剤の温度を段階的に上昇させる、請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記還元剤供給装置による還元剤の供給を制御する還元剤供給部を更に備え、該還元剤供給部は、前記エネルギ推定部によって推定された排気エネルギが、還元剤の温度が前記第１目標温度まで上昇した後に前記第１閾値以上になった場合には、前記第１目標温度の還元剤を前記排気通路に供給し、さらに、前記第１目標温度未満の還元剤を前記排気通路に供給する、請求項１から５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記温度制御部は、大気圧を検出又は推定し、検出又は推定した大気圧が相対的に低い場合には、該大気圧が相対的に高い場合に比べて、前記第１目標温度及び前記第１閾値の少なくとも一方を低く設定する、請求項１から６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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