JP3794468B2

JP3794468B2 - 内燃機関の排気ガス浄化装置

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Publication number: JP3794468B2
Application number: JP2000385164A
Authority: JP
Inventors: 秀昭片柴; 敏和知; 憲朗光田; 浩司浜野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-12-19
Filing date: 2000-12-19
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2020-12-19
Also published as: DE10142397B4; DE10142397A1; JP2002188431A; US6755017B2; US20020073692A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、有害ガス（ＮＯｘ）の浄化触媒として電気化学触媒を用いることにより、燃費を悪化させることなく、リーン運転状態においてもＮＯｘ浄化効率を向上させた内燃機関の排気ガス浄化装置にするものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、内燃機関（エンジン）の排気管には、排気ガスに含まれる有害ガス（ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯなど）を浄化するために、排気ガス浄化装置が設けられている。
【０００３】
従来から広く用いられている三元触媒は、空燃比ストイキモード運転状態で発生するＮＯｘ（酸化窒素）と、未燃の燃料成分であるＨＣ（炭化水素）と、不完全燃焼成分であるＣＯ（一酸化炭素）とを同時に反応させて浄化することにより、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの排出量を低減させている。
【０００４】
しかしながら、三元触媒は、エンジン運転状態がストイキ（空燃比フィードバック）モードの場合に機能するものの、リーンモード（Ｏ₂過剰状態）またはリッチモード（Ｏ₂不足状態）では十分に機能しない。
【０００５】
特に近年においては、燃費向上を目的として、リーンモードで運転することが一般的となっており、リーン運転状態での効率的な排気ガス浄化が要求されている。
【０００６】
そこで、リーン運転状態での排気ガスの浄化を目的として、三元触媒の下流側にＮＯｘ吸蔵型の触媒（ＮＯｘ吸蔵触媒）を配設し、三元触媒で還元しきれなかったＮＯｘを吸蔵させることも提案されている。
【０００７】
しかしながら、リーン運転状態においてＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘは、還元剤（ＨＣ、ＣＯ）により還元させる必要があるので、ＮＯｘ吸蔵後にエンジン運転状態をリッチモードから強制的にリッチモードに制御する必要があり、燃費の低下を招くことになる。
【０００８】
さらに、リーンモードでのＮＯｘを浄化するために、三元触媒に加えて選択型ＮＯｘ浄化触媒（選択還元触媒）を併用することも提案されている。
【０００９】
しかしながら、選択還元触媒は、リーンモード中のＮＯｘ浄化機能を具備しているものの、浄化効率が悪く、ＮＯｘ浄化用に多くの還元剤を必要とするうえ、還元剤を吸着する還元剤吸着機能も有していない。
【００１０】
したがって、選択還元触媒を三元触媒の下流側に設置した場合には、リーンモード中に三元触媒の下流側にＮＯｘ還元剤が流出しないので、還元剤不足により選択還元触媒は十分に機能せず、ＮＯｘの排出量を低減することが困難になる。
【００１１】
また、リーン雰囲気下において選択還元触媒にＮＯｘ還元剤（ＨＣ）を供給する装置（燃料の蒸散ガス供給装置）を設ける必要があるが、選択還元触媒が還元剤吸着機能を有していないことから、ＮＯｘ還元剤を連続的に供給し続けなければならず、大量の燃料を必要とし、燃費の悪化を招くことになる。
【００１２】
さらに、選択還元触媒に還元剤吸着材を添加したとしても、吸着された還元剤の大部分は空気中の酸素と反応してしまうので、未反応の還元剤のみがＮＯｘ浄化に用いられることになり、還元剤の使用効率が悪くなってしまう。
【００１３】
一方、選択還元触媒を三元触媒の上流側に設置した場合、リーンモードにおいては、選択還元触媒によるＮＯｘ浄化機能は確保されるものの、エンジン始動直後（リッチモード）においては、下流側の三元触媒が活性化温度に達するまでに長い時間がかかるので、三元触媒が十分に機能しなくなり、ＨＣ、ＣＯの排出量を低減することが困難になる。
【００１４】
また、近年厳しくなりつつある排気ガス規制をクリアするためには、始動直後での三元触媒の活性化を促進する必要があり、三元触媒をエンジンの直下におく必要がある。
【００１５】
したがって、必然的に選択還元触媒は三元触媒の下流側に設置されることになり、リーン運転状態では、選択還元触媒に必要なＮＯｘ還元剤（ＨＣ、ＣＯ）が十分に供給されない可能性がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の内燃機関の排気ガス浄化装置は以上のように、三元触媒のみを用いた場合にはリーン運転状態でＮＯｘを十分に浄化することができず、ＮＯｘ吸蔵触媒を併用した場合には、吸蔵されたＮＯｘを還元させるためにリッチ運転状態を繰り返す必要があり、燃費の低下を招くという問題点があった。
【００１７】
また、三元触媒の下流側に選択還元触媒を設置した場合には、選択還元触媒の浄化効率が悪いことから、還元剤供給装置を用いる必要があるうえ、燃費の低下を招くという問題点があった。
【００１８】
また、三元触媒の上流側に選択還元触媒を設置した場合には、三元触媒が活性化温度に達するのに時間がかかり、始動時において三元触媒の浄化機能を確保することができないという問題点があった。
【００１９】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、三元触媒の下流側に電気化学触媒を設置することにより、燃費の悪化を招くことなくリーン運転状態においても浄化効率を向上させた内燃機関の排気ガス浄化装置を得ることを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る内燃機関の排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気系に設けられた電気化学触媒および還元剤供給装置を備え、電気化学触媒は、電子伝導性物質およびイオン伝導性物質としてＮＯｘ吸蔵材およびＨＣ吸着材の少なくとも一方を含み、イオンおよび電子の伝導により酸化反応および還元反応を促進して排気系内の排気ガスを電気化学的に浄化し、還元剤供給装置は、電気化学触媒の直前の上流側に配置されて、排気系にＮＯｘ還元剤を供給するものである。
【００２３】
また、この発明に係る内燃機関の排気ガス浄化装置は、還元剤供給装置は、燃料タンクからの燃料蒸散ガスをＮＯｘ還元剤として供給するものである。
【００２４】
また、この発明に係る内燃機関の排気ガス浄化装置は、還元剤供給装置は、燃料蒸散ガスを吸着するキャニスタと、キャニスタに吸着された燃料蒸散ガスをＮＯｘ還元剤として内燃機関の排気系に供給する還元剤供給制御弁とを含み、還元剤供給制御弁の開弁時間は、電気化学触媒で要求されるＮＯｘ還元剤の量に応じて制御されるものである。
【００２５】
また、この発明に係る内燃機関の排気ガス浄化装置は、還元剤供給装置は、燃料タンク内の燃料をＮＯｘ還元剤として供給するものである。
【００２６】
また、この発明に係る内燃機関の排気ガス浄化装置は、還元剤供給装置は、燃料タンク内の燃料を一定圧力に調整して供給する燃料ポンプと、燃料ポンプから供給される燃料をＮＯｘ還元剤として内燃機関の排気系に供給する還元剤供給用インジェクタとを含み、還元剤供給用インジェクタ駆動時間は、電気化学触媒で要求されるＮＯｘ還元剤の量に応じて制御されるものである。
【００２７】
また、この発明に係る内燃機関の排気ガス浄化装置は、還元剤供給装置は、燃料を改質後にＮＯｘ還元剤として供給するものである。
【００２８】
また、この発明に係る内燃機関の排気ガス浄化装置は、還元剤供給装置は、燃料タンク内の燃料を一定圧力に調整して供給する燃料ポンプと、燃料ポンプから供給される燃料をＨ_２に改質する燃料改質装置と、Ｈ_２をＮＯｘ還元剤として内燃機関の排気系に供給する供給量制御装置とを含み、供給量制御装置によるＮＯｘ還元剤の供給量は、電気化学触媒で要求されるＮＯｘ還元剤の量に応じて制御されるものである。
【００２９】
また、この発明に係る内燃機関の排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気系に排出されるＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを含む排出ガスの量を推定する排出ガス量推定手段と、電気化学触媒の温度情報に基づいて電気化学触媒の活性状態を判定する電気化学触媒状態判定手段と、電気化学触媒の活性状態および反応速度と電気化学触媒による排出ガスの貯蔵状態とに基づいて電気化学触媒とＮＯｘとの反応状態を推定するとともに、排出ガス量推定手段による各推定値に基づいてＮＯｘ還元剤の供給の要否を判定する還元剤供給判定手段とを備え、還元剤供給判定手段は、ＮＯｘ還元剤の供給が必要と判定された場合に還元剤供給装置を駆動させるものである。
【００３０】
また、この発明に係る内燃機関の排気ガス浄化装置は、内燃機関の回転数、負荷状態および冷却水温度の少なくとも１つの運転状態を検出するセンサ手段を備え、排出ガス量推定手段は、内燃機関の運転状態に応じて排気ガスの量を推定するものである。
【００３３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。図１はこの発明の実施の形態１を示すブロック構成図である。
【００３４】
図１において、内燃機関すなわちエンジン１には、空気を取り込む吸気管２と、燃焼後の排気ガスを排出する排気管３とが設けられている。
【００３５】
ここでは図示しないが、吸気管２内には、吸気量Ｑａを調節するスロットルバルブと、燃料を噴射するインジェクタとが設けられ、エンジン１には、混合気を圧縮する燃焼室と、燃焼室内の混合気を爆発させる点火プラグと、爆発出力を車両の駆動輪に伝達するクランク軸とが設けられている。
【００３６】
また、エンジン１、三元触媒４および電気化学触媒５の周辺には、エンジン１の運転状態を示す情報を取得するための周知の各種センサ手段（クランク角センサ、回転センサ、エアフローセンサ、筒内圧センサ、冷却水温度センサ、空燃比センサ、触媒温度センサなど）が設けられており、各種センサ情報は、図示されない電子制御ユニット（ＥＣＵ）に入力されている。
【００３７】
排気管３の直下には、特に始動時の排気ガスＧを浄化するための三元触媒４が設けられており、三元触媒４の下流側には、排気ガスＧに含まれるＮＯｘを浄化する電気化学触媒５が設けられている。
【００３８】
電気化学触媒５は、ＮＯｘ吸蔵材およびＨＣ吸着材の少なくとも一方と、電子伝導性物質およびイオン伝導性物質とを含み、イオンおよび電子の伝導により酸化反応および還元反応を促進し、排気系内の排気ガスを電気化学的に浄化する。
【００３９】
また、電気化学触媒５の下流側には、理論空燃比運転状態（ストイキモード）での排気ガスＧ中のＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの三成分を大量に浄化するための別の三元触媒６が設けられている。
【００４０】
三元触媒４と電気化学触媒５との間には、電気化学触媒５の直前の上流側に位置するように還元剤供給装置７が設けられている。還元剤供給装置７は、還元剤供給判定手段１０（後述する）からの制御指令に応じて、ＮＯｘ浄化に必要な還元剤を電気化学触媒５の上流側から供給する。
【００４１】
排出ガス量推定手段８は、エンジン１の運転状態に応じて、排気管３に排出される排気ガスＧに含まれる排出ガス（ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ）の各成分毎の排出量（ＮＯｘ排出量ＧＮＯｘ、ＨＣ排出量ＧＨＣ、ＣＯ排出量ＧＣＯ）を推定演算する。
【００４２】
排出ガス量推定手段８による排出ガス量の推定演算に用いられる運転状態情報としては、エンジン回転数Ｎｅ、負荷状態を示す筒内圧Ｐｅおよび吸着量Ｑａ、ならびに、冷却水温度Ｔｗなどの少なくとも１つのセンサ情報が含まれる。
【００４３】
電気化学触媒状態判定手段９は、電気化学触媒５の温度情報（触媒温度Ｔｃａｔおよび活性化温度Ｔｒｅｃｔ）に基づいて電気化学触媒の活性状態Ｈを判定する。
【００４４】
還元剤供給判定手段１０は、電気化学触媒５の活性状態Ｈおよび反応速度と電気化学触媒５による排出ガスの貯蔵状態とに基づいて電気化学触媒５とＮＯｘとの反応状態を推定するとともに、排出ガス量推定手段８による各推定値ＧＮＯｘ、ＧＨＣおよびＧＣＯに基づいてＮＯｘ還元剤ＨＣの供給の要否を判定する。
【００４５】
すなわち、還元剤供給判定手段１０は、電気化学触媒５の活性状態Ｈに応じて、電気化学触媒５の吸蔵および吸着性能（ＮＯｘ最大吸着量ＳＮＯｘおよびＨＣ最大吸着量ＳＨＣ）から、電気化学触媒５におけるＮＯｘおよびＨＣの貯蔵状態、ならびに、電気化学触媒５のＮＯｘ浄化反応速度（反応状態）を推定演算する。
【００４６】
また、還元剤供給判定手段１０は、電気化学触媒５の活性状態Ｈと、排出ガス量の各推定値（ＮＯｘ排出量ＧＮＯｘ、ＧＨＣおよびＧＣＯ）とに基づいて、ＮＯｘ浄化用の還元剤ＨＣの供給が必要か否かを判定する。
【００４７】
さらに、還元剤供給判定手段１０は、ＮＯｘ還元剤の供給が必要であると判定された場合に、必要な還元剤供給量を算出して、所要供給量に応じて還元剤供給装置７を駆動制御する。
【００４８】
なお、排出ガス量推定手段８、電気化学触媒状態判定手段９および還元剤供給判定手段１０は、エンジン制御手段と同様に、マイクロコンピュータからなるＥＣＵにより構成されている。
【００４９】
ここで、電気化学触媒５内での固体電解質を介したイオン移動と、電子伝導物質を介した電子移動とに基づく酸化還元反応の原理について具体的に説明する。
【００５０】
電気化学触媒５においては、ＮＯｘが選択的に吸蔵されている貴金属表面と、ＮＯｘ還元剤（ＨＣ、ＣＯ）が選択的に吸着されている貴金属表面とが、固体電解質および電子伝導物質でそれぞれ接合されており、これにより、各貴金属間にイオンおよび電子が伝導して酸化還元反応が促進される。
【００５１】
ただし、電気化学的に反応を起こすためには、別々の貴金属表面上にＮＯｘとＮＯｘ還元剤ＨＣとを選択的に吸蔵および吸着させる必要があり、これを実現するためには、ＮＯｘ吸蔵材およびＨＣ吸着材の両方を設ける必要がある。
【００５２】
次に、電気化学触媒５の特性について、前述のＮＯｘ吸蔵型およびＮＯｘ選択還元型の各触媒との制御上および性能上の相違点を明確化しながら説明する。
【００５３】
まず、電気化学触媒とＮＯｘ吸蔵触媒とを比較すると、電気化学触媒５は、酸素過剰雰囲気（リーンモード）下において、ＮＯｘ吸蔵触媒よりも高いＮＯｘ浄化性能を維持することができる。
【００５４】
したがって、電気化学触媒５は、ＮＯｘ吸蔵触媒のようにＮＯｘを空燃比リーン状態で吸蔵し且つリッチ状態で脱離して還元浄化する必要がなく、空燃比を大きくリッチ側に制御にする必要がない。
【００５５】
すなわち、電気化学触媒５は、ＮＯｘ吸蔵触媒によるＮＯｘ浄化時のように頻繁に空燃比リッチ制御する必要がないので、燃費の悪化を抑制することができる。
【００５６】
また、電気化学触媒５と選択還元触媒とを比較すると、電気化学触媒５は、浄化効率が選択還元触媒よりも高いうえ、還元剤吸着機能を付加することができるので、リーン雰囲気下での還元剤供給量が少量で済み、燃費を悪化させることがない。
【００５７】
また、電気化学触媒５の場合、同一触媒表面でなくても、電子およびイオンの伝導によりＮＯｘ還元剤を供給することができるので、選択還元触媒よりも低濃度の還元ガスであっても、十分にＮＯｘを還元することができる。
【００５８】
したがって、電気化学触媒５は、三元触媒の下流側に設置されても十分に機能し、還元剤供給装置７も簡便な構成で済む。
【００５９】
次に、図２を参照しながら、エンジン１の始動直後からの運転状態に応じて変化するＮＯｘ浄化処理を例にとって、図１に示したこの発明の実施の形態１による具体的な動作について説明する。
【００６０】
図２はエンジン１の始動直後からの空燃比変化および排出ガス成分の排出量変化を示すタイミングチャートであり、図２内の横軸はエンジン１の始動からの経過時間ｔを示す。
【００６１】
また、図２内の縦軸は、排出ガス（ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ）の各成分毎の濃度ＣＮＯｘおよびＣＨＣ（ＣＣＯ）の時間変化と、エンジン１の空燃比Ａ／Ｆ（エンジン１に供給される吸気量Ｑａと燃料量との重量比）の時間変化とを、それぞれ示している。
【００６２】
ＮＯｘ排出濃度ＣＮＯｘは、エンジン１の暖機（燃焼温度の上昇）が進むにつれて増加し、ＨＣ排出濃度ＣＨＣおよびＣＯ排出濃度ＣＣＯは、ほぼ同等の傾向を示し、始動直後に急増した後に減少する。
【００６３】
図２内の始動領域（始動直後の運転状態）では、エンジン１の始動性能を確保しつつ安定した燃焼を実現するために、ドライバビリティを悪化させないように空燃比リッチモードで運転が行われる。
【００６４】
したがって、始動領域においては、排気ガス中に含まれるＨＣおよびＣＯの排出濃度ＣＨＣおよびＣＣＯが高く、ＮＯｘの排出濃度ＣＮＯｘは低い状態となる。
【００６５】
始動領域の温度状態では、電気化学触媒５はＮＯｘ浄化反応が始まる活性化温度Ｔｒｅｃｔまで昇温されておらず、電気化学触媒５に添加されたＨＣ吸着材には、ＨＣが吸着されているのみであり、電気化学反応によるＮＯｘ浄化反応は起こらない。
【００６６】
ただし、図２から明らかなように、始動領域の状態では、ＮＯｘ排出量は極めて少ないので、特に問題にならないレベルである。
【００６７】
その後、エンジン１の暖機が完了し、空燃比が理論空燃比（ストイキモード）までリーン化されると、活性領域に入り、電気化学触媒５は活性化された状態となる。
【００６８】
活性領域においては、エンジン１の暖機が完了しているので、ＮＯｘの排出濃度ＣＮＯｘが高くなるが、始動領域で貯蔵されたＨＣが還元剤として使用され、ＮＯｘの還元浄化反応が行われる。
【００６９】
活性領域の運転状態がさらに長く継続し、貯蔵された還元剤ＨＣがＮＯｘ浄化反応にすべて消費され、且つエンジン１からの排出ガス（ＨＣ、ＣＯ）の排出量ＧＨＣおよびＧＣＯがＮＯｘ浄化に不足する場合には、還元剤供給装置７を駆動することにより、ＨＣなどのＮＯｘ還元剤を電気化学触媒５に追加供給する。
【００７０】
暖機完了後に、さらに時間ｔが経過してリーン運転領域に入ると、エンジン１から排出されたＮＯｘは、電気化学触媒５に添加されたＮＯｘ吸蔵材に吸蔵され、排出ガス中に含まれるＮＯｘ還元剤（ＨＣ、ＣＯ）により、電気化学的に浄化還元される。
【００７１】
また、上記活性領域の場合と同様に、リーン運転領域においても、エンジン１から排出されるＮＯｘ還元剤（ＨＣ、ＣＯ）の排出量ＧＨＣおよびＧＣＯがＮＯｘ浄化に不足する場合には、還元剤供給装置７を駆動することにより、ＨＣなどのＮＯｘ還元剤を電気化学触媒５に追加供給する。
【００７２】
図１のように、エンジン１の排気管３内に、三元触媒４および６のみならず、ＮＯｘ浄化専用の電気化学触媒５を装着することにより、以下のような利点を奏する。
【００７３】
すなわち、電気化学触媒５は、電気化学的な浄化メカニズムでＮＯｘを還元するので、リーン運転状態でのＮＯｘ浄化（還元）ができるうえ、ＨＣおよびＣＯを効率的にＮＯｘ還元剤として使用することができるので、ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた場合のようなリーン／リッチの繰り返し制御を必要とせず、燃費の悪化を招くことがない。
【００７４】
また、電気化学触媒５を用いた場合、選択還元触媒を用いた場合と同様に還元剤供給装置７を必要とするが、浄化効率が高いことから、少量のＮＯｘ還元剤を供給すればよいので、燃費の悪化を抑制することができる。
【００７５】
次に、図３を参照しながら、図１に示したこの発明の実施の形態１による動作について、さらに具体的に説明する。
【００７６】
図３は電気化学触媒５を機能させる還元剤供給装置７の制御動作を示すフローチャートであり、排出ガス量推定手段８、電気化学触媒状態判定手段９および還元剤供給判定手段１０による処理手順を示している。
【００７７】
なお、図３においては、煩雑さを回避するために、電気化学触媒５に添加される排出ガス吸収材のうち、代表的に、ＮＯｘ還元剤ＨＣ（未燃燃料）を吸着するためのＨＣ吸着材の性能のみに注目した場合を示している。
【００７８】
図３において、まず、ＥＣＵ内の排出ガス量推定手段８は、エンジン１の運転状態として、各種センサ手段からエンジン回転数Ｎｅ、筒内平均有効圧Ｐｅ、冷却水温度Ｔｗおよび吸気量Ｑａなどを取り込む（ステップ１０１）。
【００７９】
続いて、排出ガス量推定手段８は、運転状態を示す入力情報から、たとえば排出ガス濃度マップを参照して、ＮＯｘ排出濃度ＣＮＯｘ、ＨＣ排出濃度ＣＨＣおよびＣＯ排出濃度ＣＣＯを検索演算する（ステップ１０２）。
【００８０】
また、吸気量Ｑａに基づいて、各排出濃度を排出ガス流量（質量）に変換し、それぞれ、ＮＯｘ排出量ＧＮＯｘ、ＨＣ排出量ＧＨＣおよびＣＯ排出量ＧＣＯとして推定演算する（ステップ１０３）。
【００８１】
一方、ＥＣＵ内の電気化学触媒状態判定手段９および還元剤供給判定手段１０は、電気化学触媒５の活性状態Ｈを判定して浄化反応状態を推定演算するために、電気化学触媒５の浄化性能を示す情報を取り込む（ステップ１０４）。
【００８２】
すなわち、電気化学触媒状態判定手段９は、電気化学触媒５の温度情報（触媒温度Ｔｃａｔ、活性化温度Ｔｒｅｃｔ）を取り込む。
【００８３】
また、還元剤供給判定手段１０は、電気化学触媒５内の排出ガス吸収材による各排出ガスの脱離温度（ＮＯｘ吸蔵材のＮＯｘ脱離温度ＴＮＯｘ、ＳＨＣ吸着材のＨＣ脱離温度ＴＨＣＳ）および最大吸収量（ＮＯｘ吸蔵材によるＮＯｘ最大吸蔵量ＳＮＯｘ、ＨＣ吸着材によるＨＣ最大吸着量ＳＨＣ）、ならびに、変換係数Ｃｒｅｃｔ、反応速度係数ｆ（Ｔｃａｔ）および脱離速度Ｇｅｖなどを取り込む。
【００８４】
続いて、電気化学触媒状態判定手段９は、触媒温度Ｔｃａｔと活性化判定温度Ｔｒｅｃｔとを比較し、触媒温度Ｔｃａｔが活性化温度Ｔｒｅｃｔに達したか否か（電気化学触媒５が活性状態か否か）を判定する（ステップ１０５）。
【００８５】
電気化学触媒状態判定手段９は、ステップ１０５において、Ｔｃａｔ＜Ｔｒｅｃｔ（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、電気化学触媒５が活性化していないので、活性状態Ｈの信号レベルを「Ｌ」とし、Ｔｃａｔ≧Ｔｒｅｃｔ（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、電気化学触媒５が活性化しているので、活性状態Ｈの信号レベルを「Ｈ」とする。
【００８６】
ステップ１０５の判定結果がＮＯ（電気化学触媒状態判定手段９から出力される活性状態ＨがＬレベル）を示す場合、続いて、還元剤供給判定手段１０は、触媒温度ＴｃａｔをＨＣ吸着材の脱離温度ＴＨＣＳ（＜Ｔｒｅｃｔ）と比較し、触媒温度Ｔｃａｔが脱離温度ＴＨＣＳよりも高いか否かを判定する（ステップ１０６）。
【００８７】
ステップ１０６において、Ｔｃａｔ＞ＴＨＣＳ（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、電気化学触媒５内のＨＣ吸着材がＨＣを脱離する状態にあるので、還元剤供給判定手段１０は、脱離演算ステップ１１７（後述する）の処理を実行して、図３の処理ルーチンを抜け出る。
【００８８】
また、ステップ１０６において、Ｔｃａｔ≦ＴＨＣＳ（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、ＨＣ吸着材がＨＣを吸着する状態にあるので、還元剤供給判定手段１０は、前回までのＨＣ吸着量ＧＳＨＣに今回推定されたＨＣ排出量ＧＨＣを加算し、今回推定演算されたＨＣ吸着量ＧＳＨＣとして更新する（ステップ１０７）。
【００８９】
続いて、還元剤供給判定手段１０は、ステップ１０７により更新されたＨＣ吸着量ＧＳＨＣがＨＣ最大吸着量ＳＨＣを越えたか否かを判定し（ステップ１０８）、ＧＳＨＣ≦ＳＨＣ（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、図３の処理ルーチンを抜け出る。
【００９０】
また、ステップ１０８において、ＧＳＨＣ＞ＳＨＣ（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、還元剤供給判定手段１０は、ＨＣ吸着量ＧＳＨＣをＨＣ最大吸着量ＳＨＣに制限して（ステップ１０９）、図３の処理ルーチンを抜け出る。
【００９１】
一方、ステップ１０５の判定結果がＹＥＳ（活性状態ＨがＨレベル）を示す場合には、電気化学触媒５が活性化しているので、還元剤供給判定手段１０は、電気化学触媒５においてＮＯｘを還元するのに要する還元剤の量Ｒを、排気ガス中のＮＯｘ排出量ＧＮＯｘに応じて、以下の（１）式により算出する（ステップ１１１）。
【００９２】
Ｒ＝ＧＮＯｘ・Ｃｒｅｃｔ・ｆ（Ｔｃａｔ）・・・（１）
ただし、（１）式において、ＣｒｅｃｔはＮＯｘ浄化に必要な還元剤量を求めるための変換係数、ｆ（Ｔｃａｔ）は触媒温度Ｔｃａｔの関数で表される反応速度係数である。
【００９３】
電気化学触媒５の場合、電気化学反応によって、同一の触媒表面のみならず離れた触媒表面間でも還元浄化反応が起こるので、通常の表面反応型の触媒と比べて変換係数Ｃｒｅｃｔが小さくなる。したがって、（１）式から求められる還元剤必要量Ｒは、通常の触媒を用いた場合よりも低減させることができる。
【００９４】
次に、還元剤供給判定手段１０は、還元剤必要量Ｒが、排出ガス中に含まれるＨＣ排出量ＧＨＣおよびＣＯ排出量ＧＣＯよりも多い（排出ガス量が不足）か否かを判定する（ステップ１１２）。
【００９５】
ステップ１１２において、Ｒ≦ＧＨＣ＋ＧＣＯ（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、排出ガス量のみで還元浄化が可能なので、還元剤供給判定手段１０は、脱離演算ステップ１１７（後述する）の処理を実行して、図３の処理ルーチンを抜け出る。
【００９６】
ステップ１１２において、Ｒ＞ＧＨＣ＋ＧＣＯ（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、排出ガス量のみでは還元浄化が不可能な状態なので、続いて、還元剤供給判定手段１０は、ＨＣ吸着量ＧＳＨＣが存在するか否かを判定する（ステップ１１３）。
【００９７】
ステップ１１３において、ＧＳＨＣ＝０（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、脱離すべきＨＣが存在しないので、還元剤供給判定手段１０は、脱離演算ステップ１１７（後述する）の処理を実行して、図３の処理ルーチンを抜け出る。
【００９８】
また、ステップ１１３において、ＧＳＨＣ＞０（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、脱離可能なＨＣが存在するので、続いて、還元剤供給判定手段１０は、還元剤必要量Ｒが、ＨＣ脱離後のＮＯｘ還元剤量よりも多い（ＨＣ脱離量を加えても、まだ還元剤不足）か否かを判定する（ステップ１１４）。
【００９９】
すなわち、ＨＣ吸着量ＧＳＨＣから脱離されたＨＣを排出ガス量に加えた値と、還元剤必要量Ｒとを比較して、以下の（２）式を満たすか否かを判定する。
【０１００】
Ｒ＞ＧＨＣ＋ＧＣＯ＋Ｇｅｖ・Δｔ・・・（２）
ただし、（２）式において、Δｔは演算周期、ＧｅｖはＨＣ吸着材からの単位時間Δｔ毎のＨＣの脱離速度である。
【０１０１】
ステップ１１４において、Ｒ≦ＧＨＣ＋ＧＣＯ＋Ｇｅｖ・Δｔ（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、排出ガス量およびＨＣ脱離量のみで還元浄化が可能なので、還元剤供給判定手段１０は、脱離演算ステップ１１７（後述する）の処理を実行して、図３の処理ルーチンを抜け出る。
【０１０２】
また、ステップ１１４において、Ｒ＞ＧＨＣ＋ＧＣＯ＋Ｇｅｖ・Δｔ（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、排出ガス量にＨＣ脱離量を加えても還元浄化が不可能な状態なので、還元剤供給判定手段１０は、以下の（３）式により、還元剤供給装置７からのＨＣ追加供給量ＰＨＣを求める（ステップ１１５）。
【０１０３】
ＰＨＣ＝Ｒ−（ＧＨＣ＋ＧＣＯ＋Ｇｅｖ・Δｔ）・・・（３）
次に、還元剤供給判定手段１０は、ＨＣ追加供給量ＰＨＣに応じて還元剤供給装置７を駆動し、電気化学触媒５の上流側からＨＣ追加供給量ＰＨＣを供給して還元剤不足量を補償する（ステップ１１６）。
【０１０４】
これにより、エンジン１の排出ガス中のＮＯｘは、ＮＯｘ排出量ＧＮＯｘによらず過不足なく還元浄化される。
【０１０５】
最後に、電気化学触媒５内のＨＣ吸着量ＧＳＨＣから、ＮＯｘ還元剤として脱離消費されたＨＣ量（＝Ｇｅｖ・Δｔ）を減算して、ＨＣ吸着量ＧＳＨＣを更新演算し（ステップ１１７）、図３の処理ルーチンを抜け出る。
【０１０６】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、還元剤供給装置７の具体的構成について言及しなかったが、燃料タンクからの燃料蒸散ガスをＮＯｘ還元剤として排気系に供給してもよい。
【０１０７】
図４は燃料蒸散ガスをＮＯｘ還元剤として用いたこの発明の実施の形態２による還元剤供給装置７の周辺を示す構成図であり、前述と同様のものについては、同一符号を付して詳述を省略する。
【０１０８】
図４において、エンジン１の排気管３には、電気化学触媒５の直前の上流側に位置するように還元剤供給口７０が設けられている。
【０１０９】
燃料タンク７１には、蒸発する燃料（ガソリン）の主成分ＨＣを吸着するキャニスタ７２が設けられている。
【０１１０】
キャニスタ７２は、還元剤供給制御弁７３を介して還元剤供給口７０に連通されており、燃料タンク７１からの蒸散燃料ＨＣを、還元剤供給制御弁７３の制御下で、ＮＯｘ還元剤として排気管３に供給するようになっている。
【０１１１】
ＮＯｘ還元剤ＨＣの供給量は、還元剤供給制御弁７３の開弁時間を、ＨＣ追加供給量ＰＨＣ（図３内のステップ１１５参照）に応じて制御することにより調節される。
【０１１２】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態２では、燃料タンク７１からの燃料蒸散ガスＨＣをＮＯｘ還元剤として用いたが、燃料タンク７１内の燃料そのものをＮＯｘ還元剤としてもよい。
【０１１３】
図５は燃料そのものをＮＯｘ還元剤として用いたこの発明の実施の形態３による還元剤供給装置７の周辺を示す構成図であり、前述と同様のものについては、同一符号を付して詳述を省略する。
【０１１４】
図５において、燃料タンク７１の上部（または、内部）には、燃料ポンプ７４が設置されており、燃料ポンプ７４は、一定圧力に調整された燃料を供給する。
【０１１５】
燃料ポンプ７４には、還元剤供給用インジェクタ７５が連通されており、還元剤供給用インジェクタ７５は、電気化学触媒５の直前の上流側に位置するように、排気管３に設けられている。
【０１１６】
還元剤供給用インジェクタ７５は、調圧された燃料ＨＣを、ＮＯｘ還元剤として電気化学触媒５の上流側から供給するようになっている。
【０１１７】
図５のように構成された還元剤供給装置７の場合、還元剤供給量は、還元剤供給用インジェクタ７５の駆動時間を、ＨＣ追加供給量ＰＨＣ（図３内のステップ１１５参照）に応じて制御することにより調節される。
【０１１８】
実施の形態４．
なお、上記実施の形態３では、燃料タンク７１内の燃料そのものをＮＯｘ還元剤として用いたが、燃料ＨＣをＨ₂に改質した後にＮＯｘ還元剤として用いてもよい。
【０１１９】
図６は燃料を改質後にＮＯｘ還元剤として用いたこの発明の実施の形態４による還元剤供給装置７の周辺を示す構成図であり、前述と同様のものについては、同一符号を付して、または符号の後に「Ａ」を付して詳述を省略する。
【０１２０】
図６において、燃料タンク７１の上部（または、内部）に設置された燃料ポンプ７４Ａは、一定圧力に調整された燃料を燃料改質装置７６に供給する。
【０１２１】
燃料改質装置７６は、供給された燃料ＨＣをＨ₂に改質してＮＯｘ還元剤とし、供給量制御装置７７を介して還元剤供給口７０に供給する。
【０１２２】
供給量制御装置７７は、改質後のＮＯｘ還元剤Ｈ₂の供給量を、ＨＣ追加供給量（図３内のステップ１１５参照）に応じて調節する。
【０１２３】
上記各実施の形態２〜４によれば、前述の実施の形態１と同様に、エンジン１のリーンモード運転時にＮＯｘ排出量を効率的に低減させることができる。
【０１２４】
【発明の効果】
以上のように、この発明の請求項１によれば、内燃機関の排気系に設けられた電気化学触媒および還元剤供給装置を備え、電気化学触媒は、電子伝導性物質およびイオン伝導性物質としてＮＯｘ吸蔵材およびＨＣ吸着材の少なくとも一方を含み、イオンおよび電子の伝導により酸化反応および還元反応を促進して排気系内の排気ガスを電気化学的に浄化し、還元剤供給装置は、電気化学触媒の直前の上流側に配置されて、排気系にＮＯｘ還元剤を供給するようにしたので、燃費の悪化を招くことなくリーン運転状態においても浄化効率を向上させた内燃機関の排気ガス浄化装置が得られる効果がある。
【０１２７】
また、この発明によれば、還元剤供給装置は、燃料タンクからの燃料蒸散ガスをＮＯｘ還元剤として供給するようにしたので、燃費の悪化を招くことなくリーン運転状態においても浄化効率を向上させた内燃機関の排気ガス浄化装置が得られる効果がある。
【０１２８】
また、この発明によれば、還元剤供給装置は、燃料蒸散ガスを吸着するキャニスタと、キャニスタに吸着された燃料蒸散ガスをＮＯｘ還元剤として内燃機関の排気系に供給する還元剤供給制御弁とを含み、還元剤供給制御弁の開弁時間は、電気化学触媒で要求されるＮＯｘ還元剤の量に応じて制御されるようにしたので、燃費の悪化を招くことなくリーン運転状態においても浄化効率を向上させた内燃機関の排気ガス浄化装置が得られる効果がある。
【０１２９】
また、この発明によれば、還元剤供給装置は、燃料タンク内の燃料をＮＯｘ還元剤として供給するようにしたので、燃費の悪化を招くことなくリーン運転状態においても浄化効率を向上させた内燃機関の排気ガス浄化装置が得られる効果がある。
【０１３０】
また、この発明によれば、還元剤供給装置は、燃料タンク内の燃料を一定圧力に調整して供給する燃料ポンプと、燃料ポンプから供給される燃料をＮＯｘ還元剤として内燃機関の排気系に供給する還元剤供給用インジェクタとを含み、還元剤供給用インジェクタ駆動時間は、電気化学触媒で要求されるＮＯｘ還元剤の量に応じて制御されるようにしたので、燃費の悪化を招くことなくリーン運転状態においても浄化効率を向上させた内燃機関の排気ガス浄化装置が得られる効果がある。
【０１３１】
また、この発明によれば、還元剤供給装置は、燃料を改質後にＮＯｘ還元剤として供給するようにしたので、燃費の悪化を招くことなくリーン運転状態においても浄化効率を向上させた内燃機関の排気ガス浄化装置が得られる効果がある。
【０１３２】
また、この発明によれば、還元剤供給装置は、燃料タンク内の燃料を一定圧力に調整して供給する燃料ポンプと、燃料ポンプから供給される燃料をＨ_２に改質する燃料改質装置と、Ｈ_２をＮＯｘ還元剤として内燃機関の排気系に供給する供給量制御装置とを含み、供給量制御装置によるＮＯｘ還元剤の供給量は、電気化学触媒で要求されるＮＯｘ還元剤の量に応じて制御されるようにしたので、燃費の悪化を招くことなくリーン運転状態においても浄化効率を向上させた内燃機関の排気ガス浄化装置が得られる効果がある。
【０１３３】
また、この発明によれば、内燃機関の排気系に排出されるＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを含む排出ガスの量を推定する排出ガス量推定手段と、電気化学触媒の温度情報に基づいて電気化学触媒の活性状態を判定する電気化学触媒状態判定手段と、電気化学触媒の活性状態および反応速度と電気化学触媒による排出ガスの貯蔵状態とに基づいて電気化学触媒とＮＯｘとの反応状態を推定するとともに、排出ガス量推定手段による各推定値に基づいてＮＯｘ還元剤の供給の要否を判定する還元剤供給判定手段とを備え、還元剤供給判定手段は、ＮＯｘ還元剤の供給が必要と判定された場合に還元剤供給装置を駆動させるようにしたので、燃費の悪化を招くことなくリーン運転状態においても浄化効率を向上させた内燃機関の排気ガス浄化装置が得られる効果がある。
【０１３４】
また、この発明によれば、内燃機関の回転数、負荷状態および冷却水温度の少なくとも１つの運転状態を検出するセンサ手段を備え、排出ガス量推定手段は、内燃機関の運転状態に応じて排気ガスの量を推定するようにしたので、燃費の悪化を招くことなくリーン運転状態においても浄化効率を向上させた内燃機関の排気ガス浄化装置が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１を示すブロック構成図である。
【図２】エンジン始動直後からの空燃比変化および排出ガス成分の排出量変化を示すタイミングチャートである。
【図３】この発明の実施の形態１による処理動作を示すタイミングチャートである。
【図４】この発明の実施の形態２による還元剤供給装置を示す構成図である。
【図５】この発明の実施の形態３による還元剤供給装置を示す構成図である。
【図６】この発明の実施の形態４による還元剤供給装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１エンジン、２吸気管、３排気管、４、６三元触媒、５電気化学触媒、７還元剤供給装置、８排出ガス量推定手段、９電気化学触媒状態判定手段、１０還元剤供給判定手段、７１燃料タンク、７２キャニスタ、７３還元剤供給制御弁、７４、７４Ａ燃料ポンプ、７５還元剤供給用インジェクタ、７６燃料改質装置、７７供給量制御装置、Ｃｒｅｃｔ還元剤変換係数、ｆ（Ｔｃａｔ）反応速度係数、Ｇｅｖ還元剤脱離速度、Ｈ活性状態、Ｇ排気ガス、ＧＮＯｘＮＯｘ排出量、ＧＨＣＨＣ排出量、ＧＣＯＣＯ排出量、Ｎｅエンジン回転数、Ｐｅ筒内圧、Ｑａ吸気量、Ｔｗ冷却水温度、Ｔｃａｔ触媒温度、Ｔｃａｔ活性化温度、ＳＮＯｘＮＯｘ最大吸蔵量、ＳＨＣＨＣ最大吸着量、ＴＮＯｘＳＮＯｘ脱離温度、ＴＨＣＳＨＣ脱離温度。

Claims

内燃機関の排気系に設けられた電気化学触媒および還元剤供給装置を備え、
前記電気化学触媒は、電子伝導性物質およびイオン伝導性物質としてＮＯｘ吸蔵材およびＨＣ吸着材の少なくとも一方を含み、イオンおよび電子の伝導により酸化反応および還元反応を促進して前記排気系内の排気ガスを電気化学的に浄化し、
前記還元剤供給装置は、前記電気化学触媒の直前の上流側に配置されて、前記排気系にＮＯｘ還元剤を供給することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記還元剤供給装置は、燃料タンクからの燃料蒸散ガスを前記ＮＯｘ還元剤として供給することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記還元剤供給装置は、
前記燃料蒸散ガスを吸着するキャニスタと、
前記キャニスタに吸着された燃料蒸散ガスを前記ＮＯｘ還元剤として前記内燃機関の排気系に供給する還元剤供給制御弁とを含み、
還元剤供給制御弁の開弁時間は、前記電気化学触媒で要求されるＮＯｘ還元剤の量に応じて制御されることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記還元剤供給装置は、燃料タンク内の燃料を前記ＮＯｘ還元剤として供給することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記還元剤供給装置は、
前記燃料タンク内の燃料を一定圧力に調整して供給する燃料ポンプと、
前記燃料ポンプから供給される燃料を前記ＮＯｘ還元剤として前記内燃機関の排気系に供給する還元剤供給用インジェクタとを含み、
前記還元剤供給用インジェクタ駆動時間は、前記電気化学触媒で要求されるＮＯｘ還元剤の量に応じて制御されることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記還元剤供給装置は、燃料を改質後に前記ＮＯｘ還元剤として供給することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記還元剤供給装置は、
前記燃料タンク内の燃料を一定圧力に調整して供給する燃料ポンプと、
前記燃料ポンプから供給される燃料をＨ_２に改質する燃料改質装置と、
前記Ｈ_２を前記ＮＯｘ還元剤として前記内燃機関の排気系に供給する供給量制御装置とを含み、
前記供給量制御装置によるＮＯｘ還元剤の供給量は、前記電気化学触媒で要求されるＮＯｘ還元剤の量に応じて制御されることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記内燃機関の排気系に排出されるＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを含む排出ガスの量を推定する排出ガス量推定手段と、
前記電気化学触媒の温度情報に基づいて前記電気化学触媒の活性状態を判定する電気化学触媒状態判定手段と、
前記電気化学触媒の活性状態および反応速度と前記電気化学触媒による前記排出ガスの貯蔵状態とに基づいて前記電気化学触媒と前記ＮＯｘとの反応状態を推定するとともに、前記排出ガス量推定手段による各推定値に基づいて前記ＮＯｘ還元剤の供給の要否を判定する還元剤供給判定手段とを備え、
前記還元剤供給判定手段は、前記ＮＯｘ還元剤の供給が必要と判定された場合に前記還元剤供給装置を駆動させることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記内燃機関の回転数、負荷状態および冷却水温度の少なくとも１つの運転状態を検出するセンサ手段を備え、
前記排出ガス量推定手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて前記排気ガスの量を推定することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。