JP3740987B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化技術に関し、特に、ＮＯｘ浄化性能を改善した技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関の排気中に含まれるＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する手段として、三元触媒が知られている。三元触媒は流入する排気の空燃比が理論空燃比のときにＨＣ，ＣＯ成分の酸化とＮＯｘの還元を同時に行い、浄化するものである。ところが、三元触媒はリーン空燃比でのＮＯｘの還元効率が悪く、リーン空燃比で運転し燃費を向上させるいわゆるリーンバーンエンジンの排気中のＮＯｘを低レベルまで浄化することは困難であった。
【０００３】
このようなリーン空燃比で運転される内燃機関から排出されるＮＯｘを浄化する方法としては、特許２６００４９２号で示されているような、排気が酸素過剰の時にＮＯｘをＮＯｘトラップ触媒に吸収させ、吸収させたＮＯｘを排気中の酸素濃度を低下させて放出させ、浄化処理するという浄化システムが用いられている。このＮＯｘが放出する時の浄化は、排気中に含まれるＣＯ，ＨＣといった還元剤により、ＮＯｘを還元処理するものである。
【０００４】
また、上記のようなＮＯｘ浄化を、還元剤としてＨ2（水素）を利用して行うものとして、特開平１０−３３９８４号公報に示されたものがある。これは、水蒸気改質反応および水性ガスシフト反応等の改質反応により、排気中のＣＯ，ＨＣからＨ2を生成する成分をＮＯｘトラップ触媒に混ぜ込んだものであり、排気がリーンの状態でＮＯｘを吸収した後、ＮＯｘを脱離浄化するために排気を一時的にリッチ化した場合に、上記改質反応により排気中のＣＯ，ＨＣをＨ2に改質するものである。このＨ2は、その強い還元力によりＮＯｘの還元浄化性能を向上できるとともに、ＮＯｘトラップ触媒に蓄積した硫黄の被毒解除にも有効となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、エンジン始動直後の触媒が低温である場合、あるいはエンジンがアイドル等の低負荷運転を継続し、触媒が比較的低温となった場合において、排気を一時的にリッチにした時に、ＣＯ，ＨＣからＨ2への改質に必要となる熱を供給できないため、Ｈ2を生成できず、脱離したＮＯｘの還元浄化の性能向上ができないという問題がある。また、水性ガスシフト反応によるＣＯからＨ2の改質反応は、一応発熱反応ではあるもののその発熱量は低く、上記水蒸気改質反応の場合と同様に触媒が低温条件ではＨ2の生成が困難となり、上記同様の問題がある。
【０００６】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、ＮＯｘトラップ触媒に吸着したＮＯｘの脱離浄化処理を、温度変化に対して触媒の耐久性も確保しつつ効率よく行えるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項1に係る発明は、
リーン燃焼運転可能な内燃機関の排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップし、流入する排気の空燃比がリッチの時にトラップしたＮＯｘを脱離、浄化するＮＯｘトラップ触媒を備えた排気浄化装置において、
排気中に含まれる還元物質から、複数の異なる改質反応により水素（Ｈ2）を生成する機能を有する改質触媒を前記ＮＯｘトラップ触媒上流の排気通路またはＮＯｘトラップ触媒と一体に設け、
前記ＮＯｘトラップ触媒からＮＯｘを脱離浄化するときに空燃比を一時的にリッチ化制御し、かつ、前記改質触媒の温度または該改質触媒に流入する排気の温度に応じて前記空燃比のリッチ化制御を切り換えて、前記水素（Ｈ2）を生成する改質反応のうち主となる改質反応を切り換えることを特徴とする。
【０００８】
請求項1に係る発明によると、
例えば、改質触媒の温度が比較的低温の条件では、充分な発熱を伴う改質反応を主となる改質反応とするような空燃比のリッチ化制御を行い、高温の条件では弱い発熱反応や吸熱反応である改質反応を主となる改質反応とするような空燃比のリッチ化制御に切り換えることにより、改質触媒の温度を過剰に昇温させずにＨ2の生成を可能とすることができる。したがって、結果として、低温から高温のあらゆる条件で、ＮＯｘ還元浄化のための一時的なリッチ化制御時に十分なＨ2を供給できるため、ＮＯｘの浄化性能を向上できる。
【０００９】
また、請求項2に係る発明は、
前記排気中に含まれる還元物質は、一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）であり、これらから水素（Ｈ2）を生成する前記複数の異なる改質反応は、部分酸化反応と、水蒸気改質反応あるいは水性ガスシフト反応とであることを特徴とする。
【００１０】
請求項2に係る発明によると、
排気中のＨＣとＯ2から、十分な発熱を伴う部分酸化反応が次式のように行われる。
ＣmＨn＋（ｍ／２）Ｏ2→（ｎ／２）Ｈ2＋ｍＣＯ・・・（１）
また、排気中のＨＣとＨ2Ｏ（水分）から、吸熱反応である水蒸気改質反応が次式のように行われる。
【００１１】
ＣmＨn＋ｍＨ2Ｏ→（ｍ＋ｎ／２）Ｈ2＋ｍＣＯ・・・・（２）
また、排気中のＣＯとＨ2Ｏ（水分）から、弱い発熱反応である水性ガスシフト反応が次式のように行われる。
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2・・・・・・・・・・・・・・（３）
また、請求項３に係る発明は、
前記改質触媒の温度または該改質触媒に流入する排気の温度が所定値以下の低温である場合は、前記部分酸化反応を主となる改質反応とし、前記温度が所定値より高温である場合は、水蒸気改質反応あるいは水性ガスシフト反応を主となる改質反応とするように、空燃比のリッチ化制御を切り換えることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明によると、
低温条件で十分な発熱を伴う部分酸化反応を主となる改質反応とし、高温条件で吸熱反応である水蒸気改質反応または弱い発熱反応である水性ガスシフト反応を主となる改質反応とするように、空燃比のリッチ化制御を切り換えることにより、前記請求項１で説明した効果が得られる。
【００１３】
また、請求項４に係る発明は、
前記部分酸化反応を主となる反応とするときは、排気中に酸素（Ｏ2）を所定量存在させるとともに、排気中のＣＯ濃度を増加させずにリーン燃焼運転時よりＨＣ濃度をより高くすることにより、トータルの排気中の空燃比をストイキ運転時よりリッチとするように空燃比のリッチ化制御を行い、
前記水蒸気改質反応あるいは水性ガスシフト反応を主となる改質反応とするときは、排気中のＯ2濃度を略０とするとともに、ＣＯ濃度及びＨＣ濃度の少なくとも一方をリーン燃焼運転時より高くすることにより、トータルの排気中の空燃比をストイキ運転時よりもリッチとするように空燃比のリッチ化制御を行うことを特徴とする。
【００１４】
請求項4に係る発明によると、
部分酸化反応は、前記（１）式に示したように排気中のＨＣとＯ2を用いて行われ、かつ、ＣＯは該反応を妨げる（逆方向の反応）。
そこで、排気中にＯ2を所定量存在させ、ＣＯ濃度を増加させずにＨＣ濃度を高くするようにして、トータルの排気中空燃比をリッチ化制御することによって、該部分酸化反応を、主となる改質反応とすることができる。
【００１５】
一方、水蒸気改質反応は、前記（２）式に示したように、排気中のＨＣとＨ2Ｏを用いて行われ、また、水性ガスシフト反応は、前記（３）式に示したように、排気中のＣＯとＨ2Ｏを用いて行われ（Ｈ2Ｏは燃焼によって必ず排気中に含まれる）、Ｏ2の存在は前記部分酸化反応を促進させることにつながる。
そこで、排気中のＯ2濃度を略０とするとともに、ＣＯ濃度及びＨＣ濃度の少なくとも一方を高くするようにして、トータルの排気中の空燃比をストイキ運転時よりもリッチとするように空燃比のリッチ化制御を行うことによって、これら水蒸気改質反応あるいは水性ガスシフト反応を、主となる改質反応とすることができる。
【００１６】
また、請求項５に係る発明は、
前記部分酸化反応を主となる反応とするときの空燃比のリッチ化制御は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁によって、吸気行程から圧縮行程の間にリーン空燃比となるように燃料噴射を行うとともに、膨張行程から排気行程の間に追加燃料噴射を行うことで、Ｏ2とＨＣを含むトータルでリッチの排気を生成する制御であることを特徴とする。
【００１７】
請求項5に係る発明によると、
燃料噴射弁による燃焼室への直接噴射を、吸気行程から圧縮行程の間にリーン空燃比となるように行ったときは、実際に燃焼に供する混合気の空燃比がリーンのため、該混合気の燃焼排気中にＯ2を含ませることができる一方、膨張行程から排気行程の間に追加して噴射される燃料は、実質的に燃焼に供されることなく、ＨＣ（未燃燃料）として排気中に含ませることができ、トータルの空燃比（シリンダ吸入空気量に対して噴射された合計の燃料量で定まる空燃比）ではリッチの排気を生成することができる。
【００１８】
これにより、簡易な燃料噴射方式のみで、排気中のＨＣとＯ2を用いる部分酸化反応を、主となる改質反応とする制御が可能となる。
また、請求項６に係る発明は、
排気中のＯ2濃度を、前記吸気行程から圧縮行程の間の燃料噴射における空燃比に基づいて算出するとともに、排気中のＨＣ濃度（Ｃ１換算）を膨張行程から排気行程の間の追加燃料噴射分における空燃比から算出し、前記算出したＯ2濃度がＨＣ濃度（Ｃ１換算）に対して所定の比率となるように、それぞれの燃料噴射を制御することを特徴とする。
【００１９】
請求項6に係る発明によると、
請求項５で説明したように、排気中のＯ2は、実質的に吸気行程から圧縮行程の間に噴射された燃料がリーン空燃比で燃焼することによって生成し、排気中のＨＣは主として膨張行程から排気行程の間に追加噴射された燃料がそのままＨＣ（未燃燃料）として排出されることにより生成するので、それぞれの噴射燃料分による空燃比に基づいて排気中のＯ2濃度及びＨＣ濃度（Ｃ１換算）を算出しつつ各噴射における燃料噴射量を設定して燃料噴射制御することにより、各濃度を高精度に制御して所望の改質反応を生じさせることができる。なお、ＨＣは種々の炭化水素全体の総称であり、その中には、カーボン数が異なる多種のものが含まれている。したがって、ＨＣの濃度を示す場合には、便宜上、カーボン数を固定して表現する必要があり、Ｃ１換算とは、一般的な、カーボン数１のＨＣ濃度に換算して表示するものである。
【００２０】
また、請求項7に係る発明は、
前記Ｏ2濃度のＨＣ濃度（Ｃ１換算）に対する比率は、略１／２であることを特徴とする。
請求項7に係る発明によると、
前記（１）式で示される部分酸化反応において、ＣmＨnで表されるＨＣ濃度（Ｃ１換算）の１／２のＯ2濃度の場合に、該部分酸化反応が過不足なく行れる。すなわち、これよりもＯ2が多い場合は生成したＨ2と反応してＨ2ＯとなりＨ2を無駄に消費し、またこれよりもＯ2が少ない場合は、（１）式の右側への反応が不足するので、これもＨ2の生成能力が悪化する。したがって、Ｏ2濃度がＨＣ濃度（Ｃ１換算）の概略１／２となるように制御することで、部分酸化反応をより効率的に生じさせることが可能となる。
【００２１】
また、請求項８に係る発明は、
前記水蒸気改質反応を主となる改質反応とするときの空燃比のリッチ化制御は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁によって、吸気行程から圧縮行程の間に略ストイキ空燃比となるように燃料噴射を行うとともに、膨張行程から排気行程の間に追加燃料噴射を行うことにより、Ｏ2を含まずにＨＣを含むトータルでリッチの排気を生成する制御であることを特徴とする。
【００２２】
請求項8に係る発明によると、
吸気行程から圧縮行程の間に略ストイキ空燃比となるように燃料噴射を行うことで、ストイキ燃焼によりＯ2が過不足なく消費され、ＣＯも殆ど発生せず、膨張行程から排気行程の間に追加噴射された燃料はＨＣとして排出されるので、排気中のＨＣとＨ2Ｏとを用いる水蒸気改質反応を、主となる改質反応とすることができる。
【００２３】
また、請求項９に係る発明は、
前記水性ガスシフト反応を主となる改質反応とするときの空燃比のリッチ化制御は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁によって、吸気行程から圧縮行程の間にリッチ空燃比となるように燃料噴射を行うことにより、Ｏ2を含まずにＣＯを含むトータルでリッチの排気を生成する制御であることを特徴とする。
【００２４】
請求項9に係る発明によると、
吸気行程から圧縮行程の間にリッチ空燃比となるように燃料噴射を行うことで、Ｏ2消費され尽くすと共に、ＣＯが生成され、追加燃料噴射は行わないので排気中のＨＣ（未燃燃料）は少なく、排気中のＣＯとＨ2Ｏとを用いる水性ガスシフト反応を、主となる改質反応とすることができる。
【００２５】
なお、以上の説明において、改質触媒温度あるいは改質触媒へ流入する排気の温度に応じて、低温時には部分酸化反応によるＨ2生成、高温時には水蒸気改質反応あるいは水性ガスシフト反応によるＨ2生成を行うと説明しているが、これはそれぞれの条件で改質反応を限定しているわけではなく、あくまでも主要な反応を示したに過ぎない。すなわち、低温時においても部分酸化反応によって生じたＣＯと、排気中に存在するＨ2Ｏにより水性ガスシフト反応も起こり、この反応によるＨ2の生成も生じる。また、高温時においてもＯ2は少量ではあるが残存しており、このＯ2と未燃ＨＣとにより、部分酸化反応は起る。このように異なる温度条件でも、副次的な反応は生じているため、本発明においては低温時は部分酸化反応、高温時は水蒸気改質反応、あるいは水性ガスシフト反応しか起きていないわけではなく、あくまでも主要な反応を示しているものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施例の構成を示すものである。エンジン１の吸気通路２の上流部には、吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ３が備えられ、その下流側には吸入空気量Ｑａを調節する電制スロットル弁４が備えられている。エンジン１の燃焼室には、燃料噴射弁５と点火プラグ６が備えられている。
【００２７】
エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）７には、アクセル開度（アクセル踏み込み量）を検出するアクセル開度センサ８、エンジン回転速度Ｎｅ等を検出するためのクランク角センサ９、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ１０などからの検出信号が入力される。ＥＣＵ７は、前記各検出信号に基づいてエンジン１に必要な負荷Ｌを算出し、必要な空気量を得るために電制スロットル弁４を駆動する。またエアフローメータ３により検出された吸入空気流量Ｑａと、クランク角センサ８により検出されたエンジン回転速度Ｎｅと、先に求めた負荷Ｌとにより燃料噴射パルス幅を演算し、それに基づいて燃料噴射弁５を駆動する。
【００２８】
エンジン１の排気通路１１には、排気空燃比を検出する空燃比センサ１２が備えられ、この検出された空燃比はＥＣＵ７に入力される。さらに前記空燃比センサ１２下流の排気通路１１には改質触媒１３が設けられ、その下流側にはＮＯｘトラップ触媒１４が設置されている。改質触媒１３には、その触媒温度Ｔｃａｔを検出する温度センサ１５が設けられており、この出力はＥＣＵ７に入力される。
【００２９】
前記改質触媒１３は、排気中のＨＣやＣＯを、Ｈ2に改質する機能を有し、部分改質反応、水蒸気改質反応、及び水性ガスシフト反応を起こす貴金属触媒（例えばロジウム等）、あるいはその他の助触媒を含む。
下流側のＮＯｘトラップ触媒１４は、例えばアルミナをコーティングしたハニカム担体に、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の貴金属を担持した触媒をベースに、バリウムＢａで代表されるアルカリ土類、セシウムＣｓで代表されるアルカリ金属から選ばれた少なくとも１つの成分を担持して構成される。そして、排気空燃比がリーンの条件で排気中のＮＯｘをトラップし、リッチの条件で排気中の還元成分（ＨＣ，ＣＯ，Ｈ2等）によりトラップしたＮＯｘを放出（脱離）すると同時に還元浄化する特性を有する。
【００３０】
次に、本発明の実施形態の作動を、図２のフローチャートにしたがって説明する。図２のフローチャートは、ＮＯｘトラップ触媒１４のＮＯｘ脱離浄化処理を行うためのリッチスパイク制御のフローチャートである。本ルーチンは、例えば１０ｍｓｅｃ毎に実行されるものである。
まずステップ(図ではＳと記す。以下同様)１では、ＮＯｘトラップ触媒１４にトラップしたＮＯｘの脱離浄化処理のためのリッチスパイク制御が必要かどうかを判定する。リッチスパイク制御の要否判断は、例えばＮＯｘトラップ触媒１４に流入するＮＯｘ量を推定し、その積算値が所定量を超えた場合にトラップされたＮＯｘ量が増大して、リッチスパイク制御によるＮＯｘの脱離浄化が必要と判断するものである。
【００３１】
ステップ１でリッチスパイク制御が必要と判定された場合にはステップ２に進み、改質触媒１３の温度Ｔｃａｔが所定値Ａ以上か否かを判定する。所定値Ａとしては、例えば２５０°Ｃとしており、これ以上の温度では水性ガスシフト反応によるＨ2の生成が十分行えると判断し、ステップ３に進む。
ステップ３では、吸入空気量に対する噴射燃料量の比率である燃空比ＴＦＢＹＡ１を１．３とする。ここで、燃料噴射弁５は１燃焼行程につき２度の燃料噴射を可能とし、前記ＴＦＢＹＡ１は、１度目の燃料噴射の燃空比を表すものである。ここでＴＦＢＹＡ１が１．３ということは、理論空燃比よりも１．３倍リッチとなるように燃料を噴射するということである。
【００３２】
ステップ４では、この１度目の燃料噴射の噴射時期ＩＴ１を設定する。ここでは、均質の混合気を筒内に形成するため、ＩＴ１を圧縮上死点前３００°という吸気行程中に設定する。
ステップ５では、１度目と２度目の燃料噴射の各燃料噴射量Ｔｉ１、Ｔｉ２を次式のように演算する。
【００３３】
Ｔｉ１＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ１＋Ｔｓ
Ｔｉ２＝０
ここで、Ｔｐは基本燃料噴射量であり、吸入空気量Ｑａとエンジン回転速度Ｎｅから求めるものである。Ｔｓはバッテリー電圧から決まる無効パルス幅である。また、高温時には、水性ガスシフト反応を主とした反応としてＨ2の生成を行わせるが、この場合、２度目の燃料噴射量Ｔｉ２は０、すなわち２度目の燃料噴射は行うことなく、設定された燃料噴射量Ｔｉ１を燃料噴射時期ＩＴ１において１度で噴射するように、ＥＣＵ９が燃料噴射弁５を駆動する。
【００３４】
これにより、リッチの燃焼が行われ、ＣＯを十分に含み、かつＯ2はほとんど含まない排気が改質触媒１３に流入することになり、またこの排気中には当然燃焼生成物である水分（Ｈ2Ｏ）も含まれているので、水性ガスシフト反応によりＨ2が生成される。
一方、ステップ２で改質触媒１３の温度Ｔｃａｔが２５０℃より低いと判断された場合は、水性ガスシフト反応によるＨ2生成は困難と判断し、部分酸化反応を生じさせるため、ステップ６に進む。
【００３５】
ステップ６では、１度目の燃料噴射の燃空比ＴＦＢＹＡ１を０．８５に設定し、ステップ７で２度目の燃料噴射の燃空比ＴＦＢＹＡ２を０．４５に設定する。ＴＦＢＹＡ１が０．８５（＜１）というのは、リーン燃焼を行うということであり、その結果、排気中には約３％のＯ2濃度が存在するようになる。また、ＴＦＢＹＡ２は後述するように膨張行程後期（排気行程初期）に噴射されるため、シリンダ内では燃焼せず、そのままＨＣとして排出されるが、その濃度はＣ１換算で約５〜６％となる。その結果、排気中ではＨＣ濃度（Ｃ１換算）に対してＯ2濃度が約１／２となるものである。この、ＴＦＢＹＡ１とＴＦＢＹＡ２は、０．８５と０．４５に限定されるわけではなく、排気中のＨＣ：Ｏ2の濃度比が略２：１になるように設定すればよい。なお、各燃空比ＴＦＢＹＡ１、ＴＦＢＹＡ２は、それぞれシリンダ吸入空気量に対する噴射燃料量の比として算出されるので、これらを合計した燃空比は１．３となり、トータルではリッチ空燃比に制御される。
【００３６】
ステップ８では、１度目の燃料噴射時期ＩＴ１を、低温時と同様、圧縮上死点前３００°という吸気行程に設定する。これは、ＴＦＢＹＡ１が０．８５と比較的小さ目なリーンであり、均質混合気でも充分燃焼可能であるためであるが、更に大きなリーン設定を行う場合は、圧縮行程噴射を行い、成層混合気を形成して燃焼性を確保するようにしてもよい。
【００３７】
ステップ９では、２度目の燃料噴射時期ＩＴ２を、圧縮上死点後１８０°という膨張行程後期（排気行程初期）に設定する。この噴射時期では、燃料はほとんどが燃焼せず、ＨＣとして排出される。
ステップ１０では、１度目と２度目の燃料噴射量Ｔｉ１とＴｉ２を演算する。
Ｔｉ１＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ１＋Ｔｓ
Ｔｉ２＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ２＋Ｔｓ
この設定された燃料噴射量Ｔｉ１，Ｔｉ２を、それぞれ燃料噴射時期ＩＴ１，ＩＴ２において２度に分けて噴射するように、ＥＣＵ９が燃料噴射弁５を駆動する。これにより、前述のように排気中に、約３％のＯ2と約５〜６％のＨＣ（Ｃ１換算）が含まれるようになり、改質触媒１３にて部分酸化反応が生じ、Ｈ2が生成されるようになる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態によれば、改質触媒１３の温度により、主となる改質反応として、部分改質反応と水性ガスシフト反応とを切り換えることにより、高温から低温までリッチスパイク時のＨ2の生成を促進できるため、ＮＯｘトラップ触媒14からのＮＯｘの脱離浄化性能を向上できる。また、高温時に、発熱反応ではあるが部分改質反応に比較して発熱の少ない水蒸気改質反応を主となる反応とすることにより、改質触媒１３の過剰な温度上昇を抑制でき触媒の耐久性を確保できる。
【００３９】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。これは、改質触媒１２として、高温時に水性ガスシフト反応よりも水蒸気改質反応によるＨ2生成が促進されるような触媒を用いた場合に適用するものである。水蒸気改質反応に優れる触媒構成としてはロジウムを多量に含むもの等がある。第２の実施形態のシステム構成は、図１に示した第１の実施形態と同様であり、その作動を図３のフローチャートにしたがって説明する。このフローチャートも、図２と同様、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘ脱離浄化処理を行うためのリッチスパイク制御のフローチャートである。本ルーチンは例えば１０ｍｓｅｃ毎に実行されるものである。
【００４０】
図２と異なる部分は、ステップ１３〜ステップ１７であり、それ以外は同様である。すなわち、ステップ１２で改質触媒１３の温度Ｔｃａｔが所定値Ａ未満の低温時と判定された場合は、ステップ１８〜ステップ２２で第１の実施形態と同様の部分酸化反応を主となる反応としてＨ2の生成を行わせ、ステップ１２で改質触媒１３の温度Ｔｃａｔが所定値Ａ（例えば２５０°Ｃ）より高いと判定されたとき、ステップ１３以降へ進んで、水蒸気改質反応を主となる反応としてＨ2の生成を行うように、燃料噴射を制御する部分が相違する。以下、この相違する部分について説明する。
【００４１】
ステップ１３では、１度目の燃料噴射の燃空比ＴＦＢＹＡ１を１．０に設定し、ステップ１４で２度目の燃料噴射の燃空比ＴＦＢＹＡ２を０．３に設定する。ＴＦＢＹＡ１が１．０というのは、ストイキ（理論空燃比）燃焼を行うということであり、その結果、排気中のＯ2濃度は、略０となる。また、ＴＦＢＹＡ２は後述するように膨張行程後期（排気行程初期）に噴射されるため、シリンダ内では燃焼せず、そのままＨＣとして排出される。なお、この場合も、２回の燃料噴射における合計の燃空比は１．３となり、トータルではリッチ空燃比に制御される。
【００４２】
ステップ１５では、１度目の燃料噴射時期ＩＴ１を、圧縮上死点前３００°という吸気行程中に設定する。これは、ＴＦＢＹＡ１が１．０であり、均質混合気での燃焼が最適なためである。
ステップ１６では、２度目の燃料噴射時期ＩＴ２を圧縮上死点後１８０°という膨張行程後期（排気行程初期）に設定する。この噴射時期では、燃料はほとんどが燃焼せず、ＨＣとして排出される。
【００４３】
ステップ１７では、１度目と２度目の燃料噴射量Ｔｉ１とＴｉ２を演算する。
Ｔｉ１＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ１＋Ｔｓ
Ｔｉ２＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ２＋Ｔｓ
この設定された燃料噴射量Ｔｉ１，Ｔｉ２を、それぞれ燃料噴射時期ＩＴ１，ＩＴ２において２度に分けて噴射するように、ＥＣＵ９が燃料噴射弁５を駆動する。これにより、前述のように排気中に、Ｏ2をほとんど含まずにＨＣを十分に含むようになり、改質触媒１３にて水蒸気改質反応が生じ、Ｈ2が生成されるようになる。
【００４４】
このように、第２の実施形態においても改質触媒１３の温度により、主となる改質反応として、部分改質反応と水蒸気改質反応とを切り換えることにより、高温から低温までリッチスパイク時のＨ2の生成を促進できるため、ＮＯｘトラップ触媒１４からのＮＯｘの脱離浄化性能を向上できる。また、高温時に吸熱反応である水蒸気改質反応を主となる反応とすることにより、改質触媒１３の過剰な温度上昇を抑制でき触媒の耐久性を確保できる。
【００４５】
以上の実施形態では、改質触媒１３とＮＯｘトラップ触媒１４を分割したものを示したが、これら両触媒を一体に構成したもの（ＮＯｘトラップ触媒そのものに、改質触媒材料を混入させて形成させたものを含む）でも、同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態のシステム構成を示す図
【図２】 第1の実施形態におけるＮＯｘ脱離浄化処理を行うためのリッチスパイク制御のフローチャート
【図３】 第２の実施形態におけるＮＯｘ脱離浄化処理を行うためのリッチスパイク制御のフローチャート
【符号の説明】
１ エンジン
２ 吸気通路
３ エアフローメータ
４ 電制スロットル弁
５ 燃料噴射弁
７ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
９ クランク角センサ
１１ 排気通路
１２ 空燃比センサ
１３ 改質触媒
１４ ＮＯｘトラップ触媒
１５ 温度センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化技術に関し、特に、ＮＯｘ浄化性能を改善した技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関の排気中に含まれるＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する手段として、三元触媒が知られている。三元触媒は流入する排気の空燃比が理論空燃比のときにＨＣ，ＣＯ成分の酸化とＮＯｘの還元を同時に行い、浄化するものである。ところが、三元触媒はリーン空燃比でのＮＯｘの還元効率が悪く、リーン空燃比で運転し燃費を向上させるいわゆるリーンバーンエンジンの排気中のＮＯｘを低レベルまで浄化することは困難であった。
【０００３】
このようなリーン空燃比で運転される内燃機関から排出されるＮＯｘを浄化する方法としては、特許２６００４９２号で示されているような、排気が酸素過剰の時にＮＯｘをＮＯｘトラップ触媒に吸収させ、吸収させたＮＯｘを排気中の酸素濃度を低下させて放出させ、浄化処理するという浄化システムが用いられている。このＮＯｘが放出する時の浄化は、排気中に含まれるＣＯ，ＨＣといった還元剤により、ＮＯｘを還元処理するものである。
【０００４】
また、上記のようなＮＯｘ浄化を、還元剤としてＨ2（水素）を利用して行うものとして、特開平１０−３３９８４号公報に示されたものがある。これは、水蒸気改質反応および水性ガスシフト反応等の改質反応により、排気中のＣＯ，ＨＣからＨ2を生成する成分をＮＯｘトラップ触媒に混ぜ込んだものであり、排気がリーンの状態でＮＯｘを吸収した後、ＮＯｘを脱離浄化するために排気を一時的にリッチ化した場合に、上記改質反応により排気中のＣＯ，ＨＣをＨ2に改質するものである。このＨ2は、その強い還元力によりＮＯｘの還元浄化性能を向上できるとともに、ＮＯｘトラップ触媒に蓄積した硫黄の被毒解除にも有効となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、エンジン始動直後の触媒が低温である場合、あるいはエンジンがアイドル等の低負荷運転を継続し、触媒が比較的低温となった場合において、排気を一時的にリッチにした時に、ＣＯ，ＨＣからＨ2への改質に必要となる熱を供給できないため、Ｈ2を生成できず、脱離したＮＯｘの還元浄化の性能向上ができないという問題がある。また、水性ガスシフト反応によるＣＯからＨ2の改質反応は、一応発熱反応ではあるもののその発熱量は低く、上記水蒸気改質反応の場合と同様に触媒が低温条件ではＨ2の生成が困難となり、上記同様の問題がある。
【０００６】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、ＮＯｘトラップ触媒に吸着したＮＯｘの脱離浄化処理を、温度変化に対して触媒の耐久性も確保しつつ効率よく行えるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項1に係る発明は、
リーン燃焼運転可能な内燃機関の排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップし、流入する排気の空燃比がリッチの時にトラップしたＮＯｘを脱離、浄化するＮＯｘトラップ触媒を備えた排気浄化装置において、
排気中に含まれる還元物質から、複数の異なる改質反応により水素（Ｈ2）を生成する機能を有する改質触媒を前記ＮＯｘトラップ触媒上流の排気通路またはＮＯｘトラップ触媒と一体に設け、
前記ＮＯｘトラップ触媒からＮＯｘを脱離浄化するときに空燃比を一時的にリッチ化制御し、かつ、前記改質触媒の温度または該改質触媒に流入する排気の温度に応じて前記空燃比のリッチ化制御を切り換えて、前記水素（Ｈ2）を生成する改質反応のうち主となる改質反応を切り換えることを特徴とする。
【０００８】
請求項1に係る発明によると、
例えば、改質触媒の温度が比較的低温の条件では、充分な発熱を伴う改質反応を主となる改質反応とするような空燃比のリッチ化制御を行い、高温の条件では弱い発熱反応や吸熱反応である改質反応を主となる改質反応とするような空燃比のリッチ化制御に切り換えることにより、改質触媒の温度を過剰に昇温させずにＨ2の生成を可能とすることができる。したがって、結果として、低温から高温のあらゆる条件で、ＮＯｘ還元浄化のための一時的なリッチ化制御時に十分なＨ2を供給できるため、ＮＯｘの浄化性能を向上できる。
【０００９】
また、請求項2に係る発明は、
前記排気中に含まれる還元物質は、一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）であり、これらから水素（Ｈ2）を生成する前記複数の異なる改質反応は、部分酸化反応と、水蒸気改質反応あるいは水性ガスシフト反応とであることを特徴とする。
【００１０】
請求項2に係る発明によると、
排気中のＨＣとＯ2から、十分な発熱を伴う部分酸化反応が次式のように行われる。
ＣmＨn＋（ｍ／２）Ｏ2→（ｎ／２）Ｈ2＋ｍＣＯ・・・（１）
また、排気中のＨＣとＨ2Ｏ（水分）から、吸熱反応である水蒸気改質反応が次式のように行われる。
【００１１】
ＣmＨn＋ｍＨ2Ｏ→（ｍ＋ｎ／２）Ｈ2＋ｍＣＯ・・・・（２）
また、排気中のＣＯとＨ2Ｏ（水分）から、弱い発熱反応である水性ガスシフト反応が次式のように行われる。
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2・・・・・・・・・・・・・・（３）
また、請求項３に係る発明は、
前記改質触媒の温度または該改質触媒に流入する排気の温度が所定値以下の低温である場合は、前記部分酸化反応を主となる改質反応とし、前記温度が所定値より高温である場合は、水蒸気改質反応あるいは水性ガスシフト反応を主となる改質反応とするように、空燃比のリッチ化制御を切り換えることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明によると、
低温条件で十分な発熱を伴う部分酸化反応を主となる改質反応とし、高温条件で吸熱反応である水蒸気改質反応または弱い発熱反応である水性ガスシフト反応を主となる改質反応とするように、空燃比のリッチ化制御を切り換えることにより、前記請求項１で説明した効果が得られる。
【００１３】
また、請求項４に係る発明は、
前記部分酸化反応を主となる反応とするときは、排気中に酸素（Ｏ2）を所定量存在させるとともに、排気中のＣＯ濃度を増加させずにリーン燃焼運転時よりＨＣ濃度をより高くすることにより、トータルの排気中の空燃比をストイキ運転時よりリッチとするように空燃比のリッチ化制御を行い、
前記水蒸気改質反応あるいは水性ガスシフト反応を主となる改質反応とするときは、排気中のＯ2濃度を略０とするとともに、ＣＯ濃度及びＨＣ濃度の少なくとも一方をリーン燃焼運転時より高くすることにより、トータルの排気中の空燃比をストイキ運転時よりもリッチとするように空燃比のリッチ化制御を行うことを特徴とする。
【００１４】
請求項4に係る発明によると、
部分酸化反応は、前記（１）式に示したように排気中のＨＣとＯ2を用いて行われ、かつ、ＣＯは該反応を妨げる（逆方向の反応）。
そこで、排気中にＯ2を所定量存在させ、ＣＯ濃度を増加させずにＨＣ濃度を高くするようにして、トータルの排気中空燃比をリッチ化制御することによって、該部分酸化反応を、主となる改質反応とすることができる。
【００１５】
一方、水蒸気改質反応は、前記（２）式に示したように、排気中のＨＣとＨ2Ｏを用いて行われ、また、水性ガスシフト反応は、前記（３）式に示したように、排気中のＣＯとＨ2Ｏを用いて行われ（Ｈ2Ｏは燃焼によって必ず排気中に含まれる）、Ｏ2の存在は前記部分酸化反応を促進させることにつながる。
そこで、排気中のＯ2濃度を略０とするとともに、ＣＯ濃度及びＨＣ濃度の少なくとも一方を高くするようにして、トータルの排気中の空燃比をストイキ運転時よりもリッチとするように空燃比のリッチ化制御を行うことによって、これら水蒸気改質反応あるいは水性ガスシフト反応を、主となる改質反応とすることができる。
【００１６】
また、請求項５に係る発明は、
前記部分酸化反応を主となる反応とするときの空燃比のリッチ化制御は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁によって、吸気行程から圧縮行程の間にリーン空燃比となるように燃料噴射を行うとともに、膨張行程から排気行程の間に追加燃料噴射を行うことで、Ｏ2とＨＣを含むトータルでリッチの排気を生成する制御であることを特徴とする。
【００１７】
請求項5に係る発明によると、
燃料噴射弁による燃焼室への直接噴射を、吸気行程から圧縮行程の間にリーン空燃比となるように行ったときは、実際に燃焼に供する混合気の空燃比がリーンのため、該混合気の燃焼排気中にＯ2を含ませることができる一方、膨張行程から排気行程の間に追加して噴射される燃料は、実質的に燃焼に供されることなく、ＨＣ（未燃燃料）として排気中に含ませることができ、トータルの空燃比（シリンダ吸入空気量に対して噴射された合計の燃料量で定まる空燃比）ではリッチの排気を生成することができる。
【００１８】
これにより、簡易な燃料噴射方式のみで、排気中のＨＣとＯ2を用いる部分酸化反応を、主となる改質反応とする制御が可能となる。
また、請求項６に係る発明は、
排気中のＯ2濃度を、前記吸気行程から圧縮行程の間の燃料噴射における空燃比に基づいて算出するとともに、排気中のＨＣ濃度（Ｃ１換算）を膨張行程から排気行程の間の追加燃料噴射分における空燃比から算出し、前記算出したＯ2濃度がＨＣ濃度（Ｃ１換算）に対して所定の比率となるように、それぞれの燃料噴射を制御することを特徴とする。
【００１９】
請求項6に係る発明によると、
請求項５で説明したように、排気中のＯ2は、実質的に吸気行程から圧縮行程の間に噴射された燃料がリーン空燃比で燃焼することによって生成し、排気中のＨＣは主として膨張行程から排気行程の間に追加噴射された燃料がそのままＨＣ（未燃燃料）として排出されることにより生成するので、それぞれの噴射燃料分による空燃比に基づいて排気中のＯ2濃度及びＨＣ濃度（Ｃ１換算）を算出しつつ各噴射における燃料噴射量を設定して燃料噴射制御することにより、各濃度を高精度に制御して所望の改質反応を生じさせることができる。なお、ＨＣは種々の炭化水素全体の総称であり、その中には、カーボン数が異なる多種のものが含まれている。したがって、ＨＣの濃度を示す場合には、便宜上、カーボン数を固定して表現する必要があり、Ｃ１換算とは、一般的な、カーボン数１のＨＣ濃度に換算して表示するものである。
【００２０】
また、請求項7に係る発明は、
前記Ｏ2濃度のＨＣ濃度（Ｃ１換算）に対する比率は、略１／２であることを特徴とする。
請求項7に係る発明によると、
前記（１）式で示される部分酸化反応において、ＣmＨnで表されるＨＣ濃度（Ｃ１換算）の１／２のＯ2濃度の場合に、該部分酸化反応が過不足なく行れる。すなわち、これよりもＯ2が多い場合は生成したＨ2と反応してＨ2ＯとなりＨ2を無駄に消費し、またこれよりもＯ2が少ない場合は、（１）式の右側への反応が不足するので、これもＨ2の生成能力が悪化する。したがって、Ｏ2濃度がＨＣ濃度（Ｃ１換算）の概略１／２となるように制御することで、部分酸化反応をより効率的に生じさせることが可能となる。
【００２１】
また、請求項８に係る発明は、
前記水蒸気改質反応を主となる改質反応とするときの空燃比のリッチ化制御は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁によって、吸気行程から圧縮行程の間に略ストイキ空燃比となるように燃料噴射を行うとともに、膨張行程から排気行程の間に追加燃料噴射を行うことにより、Ｏ2を含まずにＨＣを含むトータルでリッチの排気を生成する制御であることを特徴とする。
【００２２】
請求項8に係る発明によると、
吸気行程から圧縮行程の間に略ストイキ空燃比となるように燃料噴射を行うことで、ストイキ燃焼によりＯ2が過不足なく消費され、ＣＯも殆ど発生せず、膨張行程から排気行程の間に追加噴射された燃料はＨＣとして排出されるので、排気中のＨＣとＨ2Ｏとを用いる水蒸気改質反応を、主となる改質反応とすることができる。
【００２３】
また、請求項９に係る発明は、
前記水性ガスシフト反応を主となる改質反応とするときの空燃比のリッチ化制御は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁によって、吸気行程から圧縮行程の間にリッチ空燃比となるように燃料噴射を行うことにより、Ｏ2を含まずにＣＯを含むトータルでリッチの排気を生成する制御であることを特徴とする。
【００２４】
請求項9に係る発明によると、
吸気行程から圧縮行程の間にリッチ空燃比となるように燃料噴射を行うことで、Ｏ2消費され尽くすと共に、ＣＯが生成され、追加燃料噴射は行わないので排気中のＨＣ（未燃燃料）は少なく、排気中のＣＯとＨ2Ｏとを用いる水性ガスシフト反応を、主となる改質反応とすることができる。
【００２５】
なお、以上の説明において、改質触媒温度あるいは改質触媒へ流入する排気の温度に応じて、低温時には部分酸化反応によるＨ2生成、高温時には水蒸気改質反応あるいは水性ガスシフト反応によるＨ2生成を行うと説明しているが、これはそれぞれの条件で改質反応を限定しているわけではなく、あくまでも主要な反応を示したに過ぎない。すなわち、低温時においても部分酸化反応によって生じたＣＯと、排気中に存在するＨ2Ｏにより水性ガスシフト反応も起こり、この反応によるＨ2の生成も生じる。また、高温時においてもＯ2は少量ではあるが残存しており、このＯ2と未燃ＨＣとにより、部分酸化反応は起る。このように異なる温度条件でも、副次的な反応は生じているため、本発明においては低温時は部分酸化反応、高温時は水蒸気改質反応、あるいは水性ガスシフト反応しか起きていないわけではなく、あくまでも主要な反応を示しているものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施例の構成を示すものである。エンジン１の吸気通路２の上流部には、吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ３が備えられ、その下流側には吸入空気量Ｑａを調節する電制スロットル弁４が備えられている。エンジン１の燃焼室には、燃料噴射弁５と点火プラグ６が備えられている。
【００２７】
エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）７には、アクセル開度（アクセル踏み込み量）を検出するアクセル開度センサ８、エンジン回転速度Ｎｅ等を検出するためのクランク角センサ９、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ１０などからの検出信号が入力される。ＥＣＵ７は、前記各検出信号に基づいてエンジン１に必要な負荷Ｌを算出し、必要な空気量を得るために電制スロットル弁４を駆動する。またエアフローメータ３により検出された吸入空気流量Ｑａと、クランク角センサ８により検出されたエンジン回転速度Ｎｅと、先に求めた負荷Ｌとにより燃料噴射パルス幅を演算し、それに基づいて燃料噴射弁５を駆動する。
【００２８】
エンジン１の排気通路１１には、排気空燃比を検出する空燃比センサ１２が備えられ、この検出された空燃比はＥＣＵ７に入力される。さらに前記空燃比センサ１２下流の排気通路１１には改質触媒１３が設けられ、その下流側にはＮＯｘトラップ触媒１４が設置されている。改質触媒１３には、その触媒温度Ｔｃａｔを検出する温度センサ１５が設けられており、この出力はＥＣＵ７に入力される。
【００２９】
前記改質触媒１３は、排気中のＨＣやＣＯを、Ｈ2に改質する機能を有し、部分改質反応、水蒸気改質反応、及び水性ガスシフト反応を起こす貴金属触媒（例えばロジウム等）、あるいはその他の助触媒を含む。
下流側のＮＯｘトラップ触媒１４は、例えばアルミナをコーティングしたハニカム担体に、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の貴金属を担持した触媒をベースに、バリウムＢａで代表されるアルカリ土類、セシウムＣｓで代表されるアルカリ金属から選ばれた少なくとも１つの成分を担持して構成される。そして、排気空燃比がリーンの条件で排気中のＮＯｘをトラップし、リッチの条件で排気中の還元成分（ＨＣ，ＣＯ，Ｈ2等）によりトラップしたＮＯｘを放出（脱離）すると同時に還元浄化する特性を有する。
【００３０】
次に、本発明の実施形態の作動を、図２のフローチャートにしたがって説明する。図２のフローチャートは、ＮＯｘトラップ触媒１４のＮＯｘ脱離浄化処理を行うためのリッチスパイク制御のフローチャートである。本ルーチンは、例えば１０ｍｓｅｃ毎に実行されるものである。
まずステップ(図ではＳと記す。以下同様)１では、ＮＯｘトラップ触媒１４にトラップしたＮＯｘの脱離浄化処理のためのリッチスパイク制御が必要かどうかを判定する。リッチスパイク制御の要否判断は、例えばＮＯｘトラップ触媒１４に流入するＮＯｘ量を推定し、その積算値が所定量を超えた場合にトラップされたＮＯｘ量が増大して、リッチスパイク制御によるＮＯｘの脱離浄化が必要と判断するものである。
【００３１】
ステップ１でリッチスパイク制御が必要と判定された場合にはステップ２に進み、改質触媒１３の温度Ｔｃａｔが所定値Ａ以上か否かを判定する。所定値Ａとしては、例えば２５０°Ｃとしており、これ以上の温度では水性ガスシフト反応によるＨ2の生成が十分行えると判断し、ステップ３に進む。
ステップ３では、吸入空気量に対する噴射燃料量の比率である燃空比ＴＦＢＹＡ１を１．３とする。ここで、燃料噴射弁５は１燃焼行程につき２度の燃料噴射を可能とし、前記ＴＦＢＹＡ１は、１度目の燃料噴射の燃空比を表すものである。ここでＴＦＢＹＡ１が１．３ということは、理論空燃比よりも１．３倍リッチとなるように燃料を噴射するということである。
【００３２】
ステップ４では、この１度目の燃料噴射の噴射時期ＩＴ１を設定する。ここでは、均質の混合気を筒内に形成するため、ＩＴ１を圧縮上死点前３００°という吸気行程中に設定する。
ステップ５では、１度目と２度目の燃料噴射の各燃料噴射量Ｔｉ１、Ｔｉ２を次式のように演算する。
【００３３】
Ｔｉ１＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ１＋Ｔｓ
Ｔｉ２＝０
ここで、Ｔｐは基本燃料噴射量であり、吸入空気量Ｑａとエンジン回転速度Ｎｅから求めるものである。Ｔｓはバッテリー電圧から決まる無効パルス幅である。また、高温時には、水性ガスシフト反応を主とした反応としてＨ2の生成を行わせるが、この場合、２度目の燃料噴射量Ｔｉ２は０、すなわち２度目の燃料噴射は行うことなく、設定された燃料噴射量Ｔｉ１を燃料噴射時期ＩＴ１において１度で噴射するように、ＥＣＵ９が燃料噴射弁５を駆動する。
【００３４】
これにより、リッチの燃焼が行われ、ＣＯを十分に含み、かつＯ2はほとんど含まない排気が改質触媒１３に流入することになり、またこの排気中には当然燃焼生成物である水分（Ｈ2Ｏ）も含まれているので、水性ガスシフト反応によりＨ2が生成される。
一方、ステップ２で改質触媒１３の温度Ｔｃａｔが２５０℃より低いと判断された場合は、水性ガスシフト反応によるＨ2生成は困難と判断し、部分酸化反応を生じさせるため、ステップ６に進む。
【００３５】
ステップ６では、１度目の燃料噴射の燃空比ＴＦＢＹＡ１を０．８５に設定し、ステップ７で２度目の燃料噴射の燃空比ＴＦＢＹＡ２を０．４５に設定する。ＴＦＢＹＡ１が０．８５（＜１）というのは、リーン燃焼を行うということであり、その結果、排気中には約３％のＯ2濃度が存在するようになる。また、ＴＦＢＹＡ２は後述するように膨張行程後期（排気行程初期）に噴射されるため、シリンダ内では燃焼せず、そのままＨＣとして排出されるが、その濃度はＣ１換算で約５〜６％となる。その結果、排気中ではＨＣ濃度（Ｃ１換算）に対してＯ2濃度が約１／２となるものである。この、ＴＦＢＹＡ１とＴＦＢＹＡ２は、０．８５と０．４５に限定されるわけではなく、排気中のＨＣ：Ｏ2の濃度比が略２：１になるように設定すればよい。なお、各燃空比ＴＦＢＹＡ１、ＴＦＢＹＡ２は、それぞれシリンダ吸入空気量に対する噴射燃料量の比として算出されるので、これらを合計した燃空比は１．３となり、トータルではリッチ空燃比に制御される。
【００３６】
ステップ８では、１度目の燃料噴射時期ＩＴ１を、低温時と同様、圧縮上死点前３００°という吸気行程に設定する。これは、ＴＦＢＹＡ１が０．８５と比較的小さ目なリーンであり、均質混合気でも充分燃焼可能であるためであるが、更に大きなリーン設定を行う場合は、圧縮行程噴射を行い、成層混合気を形成して燃焼性を確保するようにしてもよい。
【００３７】
ステップ９では、２度目の燃料噴射時期ＩＴ２を、圧縮上死点後１８０°という膨張行程後期（排気行程初期）に設定する。この噴射時期では、燃料はほとんどが燃焼せず、ＨＣとして排出される。
ステップ１０では、１度目と２度目の燃料噴射量Ｔｉ１とＴｉ２を演算する。
Ｔｉ１＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ１＋Ｔｓ
Ｔｉ２＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ２＋Ｔｓ
この設定された燃料噴射量Ｔｉ１，Ｔｉ２を、それぞれ燃料噴射時期ＩＴ１，ＩＴ２において２度に分けて噴射するように、ＥＣＵ９が燃料噴射弁５を駆動する。これにより、前述のように排気中に、約３％のＯ2と約５〜６％のＨＣ（Ｃ１換算）が含まれるようになり、改質触媒１３にて部分酸化反応が生じ、Ｈ2が生成されるようになる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態によれば、改質触媒１３の温度により、主となる改質反応として、部分改質反応と水性ガスシフト反応とを切り換えることにより、高温から低温までリッチスパイク時のＨ2の生成を促進できるため、ＮＯｘトラップ触媒14からのＮＯｘの脱離浄化性能を向上できる。また、高温時に、発熱反応ではあるが部分改質反応に比較して発熱の少ない水蒸気改質反応を主となる反応とすることにより、改質触媒１３の過剰な温度上昇を抑制でき触媒の耐久性を確保できる。
【００３９】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。これは、改質触媒１２として、高温時に水性ガスシフト反応よりも水蒸気改質反応によるＨ2生成が促進されるような触媒を用いた場合に適用するものである。水蒸気改質反応に優れる触媒構成としてはロジウムを多量に含むもの等がある。第２の実施形態のシステム構成は、図１に示した第１の実施形態と同様であり、その作動を図３のフローチャートにしたがって説明する。このフローチャートも、図２と同様、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘ脱離浄化処理を行うためのリッチスパイク制御のフローチャートである。本ルーチンは例えば１０ｍｓｅｃ毎に実行されるものである。
【００４０】
図２と異なる部分は、ステップ１３〜ステップ１７であり、それ以外は同様である。すなわち、ステップ１２で改質触媒１３の温度Ｔｃａｔが所定値Ａ未満の低温時と判定された場合は、ステップ１８〜ステップ２２で第１の実施形態と同様の部分酸化反応を主となる反応としてＨ2の生成を行わせ、ステップ１２で改質触媒１３の温度Ｔｃａｔが所定値Ａ（例えば２５０°Ｃ）より高いと判定されたとき、ステップ１３以降へ進んで、水蒸気改質反応を主となる反応としてＨ2の生成を行うように、燃料噴射を制御する部分が相違する。以下、この相違する部分について説明する。
【００４１】
ステップ１３では、１度目の燃料噴射の燃空比ＴＦＢＹＡ１を１．０に設定し、ステップ１４で２度目の燃料噴射の燃空比ＴＦＢＹＡ２を０．３に設定する。ＴＦＢＹＡ１が１．０というのは、ストイキ（理論空燃比）燃焼を行うということであり、その結果、排気中のＯ2濃度は、略０となる。また、ＴＦＢＹＡ２は後述するように膨張行程後期（排気行程初期）に噴射されるため、シリンダ内では燃焼せず、そのままＨＣとして排出される。なお、この場合も、２回の燃料噴射における合計の燃空比は１．３となり、トータルではリッチ空燃比に制御される。
【００４２】
ステップ１５では、１度目の燃料噴射時期ＩＴ１を、圧縮上死点前３００°という吸気行程中に設定する。これは、ＴＦＢＹＡ１が１．０であり、均質混合気での燃焼が最適なためである。
ステップ１６では、２度目の燃料噴射時期ＩＴ２を圧縮上死点後１８０°という膨張行程後期（排気行程初期）に設定する。この噴射時期では、燃料はほとんどが燃焼せず、ＨＣとして排出される。
【００４３】
ステップ１７では、１度目と２度目の燃料噴射量Ｔｉ１とＴｉ２を演算する。
Ｔｉ１＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ１＋Ｔｓ
Ｔｉ２＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ２＋Ｔｓ
この設定された燃料噴射量Ｔｉ１，Ｔｉ２を、それぞれ燃料噴射時期ＩＴ１，ＩＴ２において２度に分けて噴射するように、ＥＣＵ９が燃料噴射弁５を駆動する。これにより、前述のように排気中に、Ｏ2をほとんど含まずにＨＣを十分に含むようになり、改質触媒１３にて水蒸気改質反応が生じ、Ｈ2が生成されるようになる。
【００４４】
このように、第２の実施形態においても改質触媒１３の温度により、主となる改質反応として、部分改質反応と水蒸気改質反応とを切り換えることにより、高温から低温までリッチスパイク時のＨ2の生成を促進できるため、ＮＯｘトラップ触媒１４からのＮＯｘの脱離浄化性能を向上できる。また、高温時に吸熱反応である水蒸気改質反応を主となる反応とすることにより、改質触媒１３の過剰な温度上昇を抑制でき触媒の耐久性を確保できる。
【００４５】
以上の実施形態では、改質触媒１３とＮＯｘトラップ触媒１４を分割したものを示したが、これら両触媒を一体に構成したもの（ＮＯｘトラップ触媒そのものに、改質触媒材料を混入させて形成させたものを含む）でも、同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態のシステム構成を示す図
【図２】 第1の実施形態におけるＮＯｘ脱離浄化処理を行うためのリッチスパイク制御のフローチャート
【図３】 第２の実施形態におけるＮＯｘ脱離浄化処理を行うためのリッチスパイク制御のフローチャート
【符号の説明】
１ エンジン
２ 吸気通路
３ エアフローメータ
４ 電制スロットル弁
５ 燃料噴射弁
７ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
９ クランク角センサ
１１ 排気通路
１２ 空燃比センサ
１３ 改質触媒
１４ ＮＯｘトラップ触媒
１５ 温度センサ
Claims (9)
- リーン燃焼運転可能な内燃機関の排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップし、流入する排気の空燃比がリッチの時にトラップしたＮＯｘを脱離、浄化するＮＯｘトラップ触媒を備えた排気浄化装置において、
排気中に含まれる還元物質から、複数の異なる改質反応により水素（Ｈ2）を生成する機能を有する改質触媒を前記ＮＯｘトラップ触媒上流の排気通路またはＮＯｘトラップ触媒と一体に設け、
前記ＮＯｘトラップ触媒からＮＯｘを脱離浄化するときに空燃比を一時的にリッチ化制御し、かつ、前記改質触媒の温度または該改質触媒に流入する排気の温度に応じて前記空燃比のリッチ化制御を切り換えて、前記水素（Ｈ2）を生成する改質反応のうち主となる改質反応を切り換えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記排気中に含まれる還元物質は、一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）であり、これらから水素（Ｈ2）を生成する前記複数の異なる改質反応は、部分酸化反応と、水蒸気改質反応あるいは水性ガスシフト反応とであ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。
- 前記改質触媒の温度または該改質触媒に流入する排気の温度が所定値以下の低温である場合は、前記部分酸化反応を主となる改質反応とし、前記温度が所定値より高温である場合は、水蒸気改質反応あるいは水性ガスシフト反応を主となる改質反応とするように、空燃比のリッチ化制御を切り換えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記部分酸化反応を主となる改質反応とするときは、排気中に酸素（Ｏ2）を所定量存在させるとともに、排気中のＣＯ濃度を増加させずにリーン燃焼運転時よりＨＣ濃度をより高くすることにより、トータルの排気中の空燃比をストイキ運転時よりリッチとするように空燃比のリッチ化制御を行い、
前記水蒸気改質反応あるいは水性ガスシフト反応を主となる反応とするときは、排気中のＯ2濃度を略０とするとともに、ＣＯ濃度及びＨＣ濃度の少なくとも一方をリーン燃焼運転時より高くすることにより、トータルの排気中の空燃比をストイキ運転時よりもリッチとするように空燃比のリッチ化制御を行うことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記部分酸化反応を主となる改質反応とするときの空燃比のリッチ化制御は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁によって、吸気行程から圧縮行程の間にリーン空燃比となるように燃料噴射を行うとともに、膨張行程から排気行程の間に追加燃料噴射を行うことで、Ｏ2とＨＣを含むトータルでリッチの排気を生成する制御であ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。
- 排気中のＯ2濃度を、前記吸気行程から圧縮行程の間の燃料噴射における空燃比に基づいて算出するとともに、排気中のＨＣ濃度（Ｃ１換算）を膨張行程から排気行程の間の追加燃料噴射分における空燃比から算出し、前記算出したＯ2濃度がＨＣ濃度（Ｃ１換算）に対して所定の比率となるように、それぞれの燃料噴射を制御することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記Ｏ2濃度のＨＣ濃度（Ｃ１換算）に対する比率は、略１／２であることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記水蒸気改質反応を主となる改質反応とするときの空燃比のリッチ化制御は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁によって、吸気行程から圧縮行程の間に略ストイキ空燃比となるように燃料噴射を行うとともに、膨張行程から排気行程の間に追加燃料噴射を行うことにより、Ｏ2を含まずにＨＣを含むトータルでリッチの排気を生成する制御であることを特徴とする請求項２〜請求項７のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記水性ガスシフト反応を主となる改質反応とするときの空燃比のリッチ化制御は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁によって、吸気行程から圧縮行程の間にリッチ空燃比となるように燃料噴射を行うことにより、Ｏ2を含まずにＣＯを含むトータルでリッチの排気を生成する制御であることを特徴とする請求項２〜請求項７のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
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