JP4881288B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。詳しくは、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒を備える内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来より、排気が酸化雰囲気にあるとき（排気中の酸素濃度が、還元成分（ＨＣ，ＣＯ）濃度に対して相対的に高いとき）、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収し、排気が還元雰囲気にあるとき（排気中の還元成分濃度が、酸素濃度に対して相対的に高いとき）、吸収したＮＯｘを還元するリーンＮＯｘ触媒が知られている。このようなリーンＮＯｘ触媒を備える排気浄化装置においては、排気空燃比（排気通路内の空気と可燃性気体との重量比）をリーンにしたりリッチにしたりすることにより、ＮＯｘの吸収と還元とを繰り返す。

排気空燃比を制御する方法としては、エンジンの吸入空気量を低減しかつトルクに寄与する燃料噴射（以下、「主噴射」という）量を調整することで排気空燃比を低くする（以下、「リッチ化する」という）方法（以下、「燃焼リッチによる方法」という）や、トルクに寄与しない燃料噴射（以下、「ポスト噴射」という）を行い未燃の燃料を排気通路に流すことで排気空燃比をリッチ化する方法（以下、「ポストリッチによる方法」という）とがある。また、この他、排気通路に燃料を直接噴射する方法（以下、「排気噴射による方法」という）も知られている。

特許文献１や特許文献２には、この排気噴射による方法を応用したものが示されている。
具体的には、特許文献１には、排気通路にリーンＮＯｘ触媒を設け、このリーンＮＯｘ触媒の上流に酸化触媒を配置し、さらにこの酸化触媒の上流から軽油などの還元剤を供給する排気浄化装置が示されている。特にこの排気浄化装置では、還元剤を供給する期間のうち初期段階において、還元剤に低温酸化性の高い水素などを含ませることにより、酸化触媒において還元剤の燃焼を促進し、排気温度が低い場合であっても排気を還元雰囲気にするとともに、リーンＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの還元を促進している。
また、特許文献２には、ディーゼル機関の排気通路に酸化触媒を有し、この酸化触媒に軽油などの還元剤を供給する排気浄化装置が示されている。特にこの排気浄化装置では、ディーゼル機関への吸入空気流量が所定値以下であり、かつ、酸化触媒や排気の温度が、酸化触媒によりＮＯが酸化されてＮＯ_２が生成される所定の温度以上である場合に、還元剤を供給しており、これにより、ＮＯ_２が排出するのを抑制している。

しかしながら、これら特許文献１，２に示されるような排気噴射による方法や、上述のポストリッチによる方法では、排気温度が低い状態で還元剤を供給すると、還元剤の気化潜熱により排気温度がさらに低下したり、還元剤が気化せずに排気通路に残留したりするおそれがある。また、エンジンの始動直後など、リーンＮＯｘ触媒が活性化温度に達していない状態である場合には、このような還元剤を供給して排気空燃比を低くしても、ＮＯｘの還元を促進することはできない。

また、上述の燃焼リッチの方法により排気空燃比をリッチ化するには、その運転条件が限定される。例えば、燃焼が急峻となる高負荷運転時においては、燃焼音が悪化する。また、エンジンの始動直後やアイドリング時などの低負荷運転時においては、シリンダへの充填効率が低下し燃焼が不安定になる場合がある。

そこで、より還元性の高い水素（Ｈ_２）や一酸化炭素（ＣＯ）などの還元性気体を改質触媒で燃料を改質して製造し、この還元性気体を用いて、低温時におけるリーンＮＯｘ触媒の還元性能を向上させる排気浄化装置が提案されている。

ここで、改質触媒における改質反応としては、例えば、次式に示すような炭化水素の部分酸化反応により、水素と一酸化炭素とを含むガスを製造する反応が知られている。
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋１／２ｎＯ_２→ｎＣＯ＋１／２ｍＨ_２

この部分酸化反応は、燃料と酸素を用いた発熱反応であり、自発的に反応が進行する。このため、一旦、反応が始まると、外部から熱の供給をすることなく水素の製造し続けることができる。また、このような部分酸化反応において、燃料と酸素とを高温状態で共存させた場合には、次式に示すような燃焼反応も改質触媒において進行する。
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋（ｎ＋１／４ｍ）Ｏ_２→ｎＣＯ_２＋１／２ｍＨ_２Ｏ

改質反応としては、部分酸化反応の他、次式のような水蒸気改質反応も知られている。
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋１／２ｍ）Ｈ_２
この水蒸気改質反応は、燃料と水蒸気とを用いた吸熱反応であり、自発的に進行する反応ではない。このため、水蒸気改質反応は、上述の部分酸化反応に対して制御しやすいものとなっている。その反面、外部からの熱供給などのエネルギーを投入することが必要である。

特許文献３には、以上のような改質触媒を、排気通路にリーンＮＯｘ触媒の上流に設けたものが示されている。特にこの排気浄化装置では、改質触媒として、部分酸化反応、水蒸気改質反応、及び水性シフト反応などの複数の異なる改質反応を行うことが可能なものが用いられる。また、リーンＮＯｘ触媒からＮＯｘを脱離する際には、排気空燃比をリッチ化するとともに、排気の温度に応じて排気空燃比のリッチ化制御を切り換えることにより、改質触媒において主となる改質反応をも切り換える。この排気浄化装置は、温度に応じて改質反応を切り換えることにより、排気の温度にかかわらずＮＯｘの還元浄化に必要な水素を製造することを目的としている。
特許第３４５４３３６号公報 特許第３６２７３７２号公報 特許第３７４０９８７号公報

この特許文献３に示された排気浄化装置は、改質触媒において主となる改質反応を排気の温度に応じて切り換えることで、排気の温度によらず安定して水素を製造することをねらったものである。しかしながら、部分酸化反応や水蒸気改質反応を行う場合には少なくとも６００℃まで、また、水性シフト反応を行う場合には少なくとも２００℃まで、改質触媒を昇温する必要がある。したがって、始動直後で排気の温度が低い状態では、改質触媒を上述のような活性化温度まで昇温することは難しく、還元性気体を作り出すことが難しい。したがって、このような排気が低温の状態で効率的にＮＯｘを還元浄化することは困難である。

本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒を備える内燃機関の排気浄化装置であって、内燃機関の始動直後からＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘの還元を促進できる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の排気通路（４）に設けられ、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒（３３）を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して一酸化炭素、水素、及び炭化水素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒の上流側に供給する燃料改質器（５０）と、前記排気通路を流通する排気の温度（Ｔ_ＥＸ）、あるいは、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度（Ｔ_ＣＡ）を検出する温度検出手段（３４）と、前記温度検出手段により検出された温度が所定の第１温度（Ｔ_１）以下である場合には、前記燃料改質器の制御を開始して前記排気通路への還元性気体の供給を開始し、前記温度検出手段により検出された温度が前記第１温度よりも高い第２温度（Ｔ_２）以上になった場合には、前記燃料改質器の制御を停止して前記排気通路への還元性気体の供給を停止する改質器制御手段（４１）と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記改質器制御手段は、前記排気通路への還元性気体の単位時間当りの供給量が所定の目標供給量に達してからは、当該目標供給量を維持するように前記燃料改質器を制御することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ浄化触媒は、排気空燃比がリーンのときに排気中の窒素酸化物を吸収し、排気空燃比がリッチのときに吸収した窒素酸化物を還元するものであり、前記燃料改質器による還元性気体の供給が停止した後において、前記内燃機関の燃焼室に噴射する燃料の主噴射量又はポスト噴射量を制御する排気空燃比制御手段（４２１）をさらに備えることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器は、空気と燃料とを混合した燃料ガスを改質して還元性気体を製造する改質触媒（５３）を備え、前記改質器制御手段は、前記改質触媒に供給される空気の供給量、空気の供給圧力、燃料の供給量、及び燃料の供給圧力の何れかを制御することで、前記目標供給量の還元性気体を製造することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記内燃機関の吸気通路（２）に設けられた吸気量制御弁（１２）と、前記排気通路を流通する排気の一部を前記吸気通路に還流する排気還流通路（６）に設けられた排気還流量制御弁（２０）と、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路に供給する間において、前記ＮＯｘ浄化触媒における排気の空間速度が所定の下限目標速度を下回るように、前記吸気量制御弁を閉じて吸気量を減少するか、又は、前記排気還流量制御弁を開いて排気還流量を増加する空間速度制御手段と、をさらに備えることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路に供給する間には、少なくとも１回は、前記排気の空間速度が前記下限目標速度を下回ることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項３又は４に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記内燃機関の吸気通路（２）に設けられた吸気量制御弁（１２）と、前記排気通路を流通する排気の一部を前記吸気通路に還流する排気還流通路（６）に設けられた排気還流量制御弁（２０）と、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路に供給する間において、前記ＮＯｘ浄化触媒における排気の酸素濃度が所定の下限目標濃度を下回るように、前記吸気量制御弁を閉じて吸気量を減少するか、前記排気還流量制御弁を開いて排気還流量を増加するか、又は、前記内燃機関の燃焼室に噴射する燃料噴射量を増加する酸素濃度制御手段と、をさらに備えることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路に供給する間には、少なくとも１回は、前記酸素濃度が前記下限目標濃度を下回ることを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、請求項１から８の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器は、炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により還元性気体を製造することを特徴とする。
請求項１０に記載の発明は、請求項１から９の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器は、ロジウム及びセリアを含む触媒を備えることを特徴とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項１から１０の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ浄化触媒は、白金及びセリアを含むことを特徴とする。
請求項１２に記載の発明は、請求項１から１１の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器が供給する還元性気体の温度は、前記排気通路のうち前記燃料改質器により還元性気体が供給される部分を流通する排気の温度よりも高いことを特徴とする。
請求項１３に記載の発明は、請求項１から１２の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記内燃機関は、軽油を燃料として用い、この燃料を圧縮着火により燃焼することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、温度検出手段により検出された温度が第１温度以下である場合には、燃料改質器の制御を開始して、排気通路へ還元性気体の供給を開始し、その後、温度検出手段により検出された温度が第２温度以上になった場合には、燃料改質器の制御を停止して、排気通路への還元性気体の供給を停止する。
これにより、排気の温度あるいはＮＯｘ浄化触媒の温度が第１温度以下であり、上述の燃焼リッチ、ポスト噴射、又は排気噴射などの方法により排気を還元雰囲気にできない場合であっても、燃料改質器で製造された還元性気体を供給することにより、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気を還元雰囲気にすることができる。これにより、内燃機関の始動直後で、排気が低温である場合であっても、ＮＯｘ浄化触媒でＮＯｘを還元、浄化することが可能となる。

また、このようにしてＮＯｘ浄化触媒に還元性気体を供給することで、排気を還元雰囲気にしてＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘの還元、浄化を促進するとともに、ここで余剰となった還元性気体の一部を燃焼することで、ＮＯｘ浄化触媒を昇温することができる。したがって、複雑な燃焼制御を行って排気の温度を上昇させたり、付加装置を設けたりすることなく、内燃機関の始動直後などにおいてＮＯｘ浄化触媒の温度を速やかに昇温することができる。

また、燃料改質器を排気通路とは別に設けた。これにより、燃料改質器と内燃機関とを別系統で制御することが可能となる。つまり、上述の特許文献３に示された排気浄化装置とは異なり、燃料改質器を制御するにあたって、内燃機関から排出される排気の状態を制御する必要が無くなる。これにより、内燃機関の燃焼条件が最適な範囲となるように、内燃機関を制御することが可能となる。また同時に、燃料改質器を内燃機関の制御と独立して最適な条件で運転することもできる。

請求項２に記載の発明によれば、改質器制御手段は、排気通路への還元性気体の単位時間当りの供給量が目標供給量で一定になるように燃料改質器を定常運転する。すなわち、請求項２に記載の発明によれば、内燃機関の運転状態や、排気の状態などに応じて還元性気体の供給量を変更するような複雑な制御を行わない。これにより、燃料改質器の制御にかかる装置の構造を簡単なものにし、コストを低減することができる。

請求項３に記載の発明によれば、燃料改質器による還元性気体の供給を停止した後において、主噴射量又はポスト噴射量を制御することで排気空燃比をリーンにしたりリッチにしたりする。これにより、還元性気体の供給を停止した後であっても、ＮＯｘ浄化触媒によりＮＯｘを浄化し続けることが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、改質触媒に供給される空気の供給量、空気の供給圧力、燃料の供給量、燃料の供給圧力の何れかを制御することで目標供給量の還元性気体が製造される。すなわち、目標供給量一定の還元性気体を製造するために、複雑な制御を行う必要がない。これにより、燃料改質器の制御にかかる装置の構造を簡単なものにし、コストを低減することができる。

請求項５に記載の発明によれば、還元性気体は、上述のように、排気通路へ一定の目標供給量で供給される。したがって、吸気量を減少したり排気還流量を増加したりして、ＮＯｘ浄化触媒における排気の空間速度を下げると、ＮＯｘ浄化触媒における排気の還元性気体の濃度は上昇する。
特にここで、ＮＯｘ浄化触媒における排気の空間速度が所定の下限目標速度を下回るように、吸気量を減少するか排気還流量を増加することにより、ＮＯｘ浄化触媒における排気を還元雰囲気にすることができる。これにより、ＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘの還元、浄化をさらに促進することができる。

請求項６に記載の発明によれば、燃料改質器により還元性気体を排気通路に供給する間において、少なくとも１回は、ＮＯｘ浄化触媒における排気の空間速度が下限目標速度を下回る。これにより、低温時におけるＮＯｘ浄化触媒の浄化性能を向上させることができる。

請求項７に記載の発明によれば、吸気量を減少したり、排気還流量を増加したり、燃料噴射量を増加したりすることにより、ＮＯｘ浄化触媒における排気の酸素濃度は低くなる。
特にここで、ＮＯｘ浄化触媒における排気の酸素濃度が所定の下限目標濃度を下回るように、吸気量を減少するか、排気還流量を増加するか、燃料噴射量を増加することにより、ＮＯｘ浄化触媒における排気を還元雰囲気にすることができる。これにより、ＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘの還元、浄化をさらに促進することができる。

請求項８に記載の発明によれば、燃料改質器により還元性気体を排気通路に供給する間において、少なくとも１回は、ＮＯｘ浄化触媒における排気の酸素濃度が下限目標濃度を下回る。これにより、低温時におけるＮＯｘ浄化触媒の浄化性能を向上させることができる。

請求項９に記載の発明によれば、部分酸化反応により還元性気体を製造することにより、安定して還元性気体を製造することができるとともに、高温の還元性気体を排気通路に供給することができる。

請求項１２に記載の発明によれば、排気よりも高い温度の還元性気体を供給することにより、排気の温度を上昇させて、ＮＯｘ浄化触媒をその活性化温度まで速やかに昇温することができる。これにより、ＮＯｘの浄化効率をさらに向上できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、燃焼室内に燃料を直接噴射し、圧縮着火によりこの燃料を燃焼するディーゼルエンジンであり、燃料として軽油が用いられる。また、各気筒７の燃焼室には図示しない燃料噴射弁が設けられている。これら燃料噴射弁は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）４０により電気的に接続されており、燃料噴射弁の開弁時間及び閉弁時間、すなわち燃料噴射量及び燃料噴射時期などは、ＥＣＵ４０により制御される。

エンジン１には、吸気が流通する吸気通路としての吸気管２と、排気が流通する排気通路としての排気管４と、排気管４内の排気の一部を吸気管２に還流する排気還流通路６と、吸気管２に吸気を圧送する過給機８とが設けられている。

吸気管２は、吸気マニホールド３の複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒７の吸気ポートに接続されている。排気管４は、排気マニホールド５の複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒７の排気ポートに接続されている。排気還流通路６は、排気マニホールド５から分岐し吸気マニホールド３に至る。

過給機８は、排気管４に設けられた図示しないタービンと、吸気管２に設けられた図示しないコンプレッサと、を備える。タービンは、排気管４を流通する排気の運動エネルギにより駆動される。コンプレッサは、タービンにより回転駆動され、吸気を加圧し吸気管２内へ圧送する。また、タービンは、図示しない複数の可変ベーンを備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービンのベーン開度は、ＥＣＵ４０により電磁的に制御される。

吸気管２の過給機８下流には、加圧された空気を冷却するためのインタークーラ１１や、吸気管２を流通する空気の流量（以下、「吸気量」という）を制御する吸気量制御弁としてのスロットル弁１２が設けられている。スロットル弁１２は、アクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。また、吸気管２の過給機８上流には、吸入する空気を濾過するエアクリーナ９が設けられている。

排気還流通路６は、排気マニホールド５と吸気マニホールド３とを接続し、エンジン１から排出された排気の一部を還流する。排気還流通路６には、還流される排気を冷却するＥＧＲクーラ２１と、還流する排気の流量（以下、「排気還流量」という）を制御する排気還流量制御弁としてのＥＧＲ弁２０と、が設けられている。ＥＧＲ弁２０は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その弁開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。

排気管４には、排気を浄化する排気コンバータが設けられている。この排気コンバータは、触媒コンバータ３１と、粒子状物質捕集装置（以下「ＤＰＦ」（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）という）３２と、ＮＯｘ浄化触媒３３とを含んで構成され、排気管４に上流側から、触媒コンバータ３１、ＤＰＦ３２、ＮＯｘ浄化触媒３３の順で設けられている。

触媒コンバータ３１は、酸化触媒を内蔵し、この触媒と排気との反応により排気を浄化するとともに、排気を昇温する。より具体的には、触媒コンバータ３１は、例えば、触媒として作用する白金（Ｐｔ）を、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）担体に担持させたものに、炭化水素（ＨＣ）の吸着作用に優れたゼオライトと、ＨＣの水蒸気改質作用に優れたロジウム（Ｒｈ）を加えた酸化触媒を内蔵する。

ＤＰＦ３２は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素を主成分とするパティキュレートとしてのスート（ｓｏｏｔ）を、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。フィルタ壁の構成材料としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）などのセラミックスや金属多孔体が使用される。

ＮＯｘ浄化触媒３３は、排気中のＮＯｘを浄化するものである。より具体的には、このＮＯｘ浄化触媒３３は、排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを吸収し、排気空燃比がリッチのときに吸収したＮＯｘを還元、浄化する。

ＮＯｘ浄化触媒３３は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）担体に担持された、触媒として作用する白金（Ｐｔ）と、ＮＯｘ吸着能力を有するセリア（ＣｅＯ_２）と、排気中のアンモニア（ＮＨ_３）を、アンモニウムイオン（ＮＨ_４ ^＋）として保持する機能を有するゼオライトとを備える。

本実施形態では、ＮＯｘ浄化触媒３３として、触媒担体に２つの層からなるＮＯｘ還元触媒を担持させることによって形成されたものを用いる。
ＮＯｘ還元触媒の下層は、β型のゼオライトに鉄（Ｆｅ）及びセリウム（Ｃｅ）をイオン交換したものを７５（ｇ／Ｌ）と、アルミナを７（ｇ／Ｌ）と、バインダーを８（ｇ／Ｌ）と、で構成される材料を、水系媒体とともにボールミルに投入して攪拌、混合することでスラリーを製造し、このスラリーを触媒担体にコーティングして形成される。
また、ＮＯｘ還元触媒の上層は、白金を４．５（ｇ／Ｌ）と、セリアを６０（ｇ／Ｌ）と、を３０（ｇ／Ｌ）と、Ｃｅ−Ｐｒ−Ｌａ−Ｏｘを６０（ｇ／Ｌ）と、Ｚｒ−Ｏｘを２０（ｇ／Ｌ）と、で構成される材料を水系媒体とともにボールミルに投入して攪拌、混合することでスラリーを製造し、このスラリーを上述の下層にコーティングして形成される。

以上のように形成されたＮＯｘ浄化触媒３３において、吸着アンモニア量が少なくなると、ＮＯｘの浄化能力が低下するので、適宜ＮＯｘを還元するために、ＮＯｘ浄化触媒３３への還元剤の供給（以下「還元化」という）が行われる。この還元化では、燃料噴射弁から噴射される燃料量の増量とスロットル弁による吸入空気量の減量とによって燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側にすることにより、還元剤をＮＯｘ浄化触媒３３に供給する。すなわち、排気空燃比をリッチ化することにより、ＮＯｘ浄化触媒３３へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より高くなり、還元化が実行される。

このＮＯｘ浄化触媒３３におけるＮＯｘの浄化について説明する。
先ず、エンジン１で燃焼する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定し、いわゆるリーンバーン運転を行うと、ＮＯｘ浄化触媒３３へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より低くなる。その結果、排気中の一酸化窒素（ＮＯ）と酸素（Ｏ_２）とが触媒の作用で反応し、ＮＯ_２としてセリアに吸着される。また、酸素と反応していない一酸化炭素（ＣＯ）も、セリアに吸着される。

次に、排気中の還元剤濃度を酸素濃度より高くする還元化を実行すると、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）が水（Ｈ_２Ｏ）と反応して、二酸化炭素（ＣＯ_２）と水素（Ｈ_２）が生成され、また排気中の炭化水素（ＨＣ）が水と反応して、一酸化炭素（ＣＯ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）とともに、水素が生成される。またさらに、排気中に含まれるＮＯｘ、及びセリア（及び白金）に吸着されているＮＯｘ（ＮＯ，ＮＯ_２）と、生成された水素とが触媒の作用で反応し、アンモニア（ＮＨ_３）及び水が生成される。また、ここで生成されたアンモニアは、アンモニウムイオン（ＮＨ_４ ^＋）の形でゼオライトに吸着される。

次に、空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーンバーン運転を行い、ＮＯｘ浄化触媒３３へ流入する排気中の還元剤濃度を、酸素濃度より低い側に設定すると、セリアにＮＯｘが吸着される。さらにゼオライトにアンモニウムイオンが吸着した状態では、排気中のＮＯｘ及び酸素と、アンモニアとが反応して、窒素（Ｎ_２）と水が生成される。

このように、ＮＯｘ浄化触媒３３によれば、還元剤供給中に生成されるアンモニアがゼオライトに吸着され、リーンバーン運転中に吸着したアンモニアがＮＯｘと反応するので、ＮＯｘの浄化を効率よく行うことができる。

また、排気管４のうちＤＰＦ３２とＮＯｘ浄化触媒３３との間には、燃料ガスを改質して、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び炭化水素（ＨＣ）を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、排気管４のうちＮＯｘ浄化触媒３３の上流側に供給する燃料改質器５０が接続されている。

燃料改質器５０は、排気管４にその一端側が接続されたガス通路５１と、このガス通路５１の他端側から燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置５２と、ガス通路５１に設けられた改質触媒としての改質触媒５３と、を含んで構成される。

燃料ガス供給装置５２は、燃料タンクに貯留された燃料と、コンプレッサにより供給された空気とを所定の割合で混合して燃料ガスを製造し、この燃料ガスをガス通路５１に供給する。この燃料ガス供給装置５２は、ＥＣＵ４０に接続されており、燃料ガスの供給量及びその混合比は、ＥＣＵ４０により制御される。

改質触媒５３は、燃料ガス供給装置５２から供給された燃料ガスを改質し、水素、一酸化炭素、及び炭化水素を含む還元性気体を製造する触媒である。より具体的には、この改質触媒５３は、燃料ガスを構成する炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により還元性気体を製造する。また、上述のように、部分酸化反応は発熱反応である。これにより、燃料改質器５０は、排気管４のうちガス通路５１との接続部における排気よりも高い温度の還元性気体を、排気管４内に供給することが可能となる。

また、この改質触媒５３は、ロジウム及びセリアを含む。本実施形態では、この改質触媒５３として、セリア及びロジウムの粉末を、セリアに対するロジウムの質量比が１％となるように秤量し、この粉末を水系媒体とともにボールミルに投入して攪拌・混合することでスラリーを製造し、このスラリーをＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金製の担体にコーティングした後、これを６００℃で２時間に亘り乾燥・焼成して調製されたものを用いる。

また、この改質触媒５３には、グロープラグやスパークプラグなどを含んで構成された図示しない加熱ヒータが接続されており、燃料改質器５０の始動とともに、改質触媒５３を加熱することが可能となっている。また、この燃料改質器５０は、排気管４とは別に設けられている。すなわち、燃料改質器５０の燃料ガス供給装置５２及び改質触媒５３は、排気管４内には設けられていない。

ＥＣＵ４０には、排気管４のうちＮＯｘ浄化触媒３３の上流側の排気の温度Ｔ_ＥＸを検出する排気温度センサ３４が接続されており、このセンサの検出信号はＥＣＵ４０に供給される。

ＥＣＵ４０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ４０は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、燃料改質器５０、スロットル弁１２、ＥＧＲ弁２０、及びエンジン１の燃料噴射弁などに制御信号を出力する出力回路とを備える。

また、ＥＣＵ４０は、これら入力回路、ＣＰＵ、記憶回路、及び出力回路などのハードウェアの構成により機能する複数の制御ブロックを備える。具体的には、ＥＣＵ４０は、燃料改質器５０を制御する改質器制御部４１と、スロットル弁１２、ＥＧＲ弁２０、及びエンジン１の燃料噴射弁を制御する吸排気制御部４２と、を備える。

図２は、改質器制御部４１による燃料改質器の制御の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される燃料改質器の制御は、例えば、イグニッションがオンにされたことに基づいて開始する。

ステップＳ１では、排気温度センサからの出力に基づいて排気温度Ｔ_ＥＸを取得し、この排気温度Ｔ_ＥＸが所定の第１判定温度Ｔ_１以下であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ２に移り、ＮＯの場合には燃料改質器の制御を終了する。

ステップＳ２では、燃料改質器の制御を開始して排気管への還元性気体の供給を開始し、還元性気体の単位時間当りの供給量が所定の目標供給量に達したら、この目標供給量を維持するように燃料改質器を定常運転する（ステップＳ３）。また、この定常運転では、燃料ガス供給装置を制御して、改質触媒に供給される空気の供給量（空気供給量）、空気の供給圧力（空気供給圧）、燃料の供給量（燃料供給量）、及び燃料の供給圧力（燃料供給圧）の何れかを制御することで、目標供給量の還元性気体を製造する。

ステップＳ４では、排気温度センサからの出力に基づいて排気温度Ｔ_ＥＸを取得し、この排気温度Ｔ_ＥＸが所定の第２判定温度Ｔ_２以上であるか否かを判別する。ここで、この第２判定温度Ｔ_２は、上述の第１判定温度Ｔ_１よりも大きな値に設定される。この判別がＹＥＳの場合には、燃料改質器の制御を停止して排気管への還元性気体の供給を停止する。また、この判別がＮＯの場合には、ステップＳ３に移り、燃料改質器の定常運転を継続する。

図１に戻って、吸排気制御部４２は、排気空燃比制御部４２１と、空間速度制御部４２３と、酸素濃度制御部４２５とを備える。

排気空燃比制御部４２１は、上述の燃料改質器５０による還元性気体の供給が停止した後において、エンジン１の燃料噴射弁を駆動してエンジン１の燃焼室に噴射する燃料の主噴射量又はポスト噴射量を制御するとともに、スロットル弁１２を駆動して吸気量を制御することにより、排気管４内の排気空燃比をリーンにしたりリッチにしたりする。

空間速度制御部４２３は、上述の燃料改質器５０により還元性気体を排気管４に供給する間において、スロットル弁１２又はＥＧＲ弁２０を開閉駆動してエンジン１の吸気量又は排気還流量を増減することで、ＮＯｘ浄化触媒３３における排気の空間速度を制御する。
酸素濃度制御部４２５は、上述の燃料改質器５０により還元性気体を排気管４に供給する間において、スロットル弁１２、ＥＧＲ弁２０、又はエンジン１の燃料噴射弁を開閉してエンジン１の吸気量、排気還流量、又は燃料噴射量を増減することで、ＮＯｘ浄化触媒３３における排気の酸素濃度を制御する。

次に、これら空間速度制御部及び酸素濃度制御部による排気の空間速度及び酸素濃度の制御について図３及び図４を参照して詳述する。

図３は、排気管４の構成を示す断面図である。
排気管４には、ＮＯｘ浄化触媒３３が収納される収納部３５が形成されている。また、排気管４のうち、収納部３５の上流側には、燃料改質器５０のガス通路５１が接続されている。

図３に示すように、燃料改質器５０から排気管４に供給された還元性気体は、エンジンから排出された排気とともに収納部３５内に設けられたＮＯｘ浄化触媒３３に流入する。

エンジンから排出され、収納部３５に流入する排気の空間速度や酸素濃度は、エンジンの運転状態、具体的には、エンジンの吸気量、還流排気量、及び燃料噴射量などにより変化する。すなわち、吸気量が減少すると、収納部３５における排気の空間速度及び酸素濃度は減少する。また、排気還流量が増加すると、収納部３５における排気の空間速度及び酸素濃度は減少する。また、燃料噴射量が増加すると、収納部３５における排気の酸素濃度は減少する。

また、上述のように、燃料改質器５０を定常運転する間においては、還元性気体は、排気管４内へ目標供給量を維持するように、ほぼ一定の流量で供給される。したがって、収納部３５における排気の空間速度が変化すると、これに応じて収納部３５における還元性気体の濃度も変化する。より具体的には、収納部３５における排気の空間速度が減少すると収納部３５における排気の還元性気体の濃度は高くなる。

図４は、排気管の収納部における還元性気体の濃度と、排気の空間速度及び酸素濃度との関係を示す図である。ここで、還元性気体の濃度とは、より具体的には、還元性気体に含まれる水素の濃度を示す。

図４に示すように、収納部における排気の空間速度及び酸素濃度は、ともにエンジンの運転状態に合わせて略周期的に増減する。このような状況において、還元性気体を一定の目標供給量で供給し続けると、収納部における還元性気体の濃度は、排気の空間速度に合わせて変化する。

図４に示すように、排気の空間速度が低くなる領域においては、還元性気体の濃度は高くなり、かつ、酸素濃度が低くなるため、収納部における排気は還元雰囲気となり、ＮＯｘ浄化触媒において還元反応が進行する。一方、排気の空間速度が高くなる領域においては、還元性気体の濃度は低くなり、かつ、酸素濃度は高くなるため、収納部における排気は酸化雰囲気となり、ＮＯｘ浄化触媒においてＮＯｘの吸着反応が進行する。

特にここで、空間速度制御部は、以上のようにして燃料改質器により還元性気体を排気管に供給する間において、図４中破線９１に示すように、排気の空間速度が所定の下限目標速度を下回るように、スロットル弁を閉じて吸気量を減少するか、又は、ＥＧＲ弁を開いて排気還流量を増加する。
また、この空間速度制御部の制御に合わせて、酸素濃度制御部は、図４中破線９２に示すように、排気の酸素濃度が所定の下限目標濃度を下回るように、スロットル弁を閉じて吸気量を減少するか、ＥＧＲ弁を開いて排気還流量を増加するか、又は、燃料噴射弁を開いて燃料噴射量を増加する。

このように、燃料改質器により還元性気体を供給する間において、排気の空間速度及び酸素濃度が所定の下限目標を下回るような制御を、少なくとも１回行うことにより、低温時におけるＮＯｘ浄化触媒の浄化性能を向上させることができる。

以上をまとめると、燃料改質器による還元性気体の供給を停止した後には、主噴射量又はポスト噴射量を制御することで、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気を還元雰囲気にしたり酸化雰囲気にしたりする。
一方、燃料改質器により還元性気体を供給している間には、吸気量、排気還流量、又は燃料噴射量を制御することで、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気を還元雰囲気にしたり酸化雰囲気にしたりする。

以上詳述したように、本実施形態では、排気温度センサ３４により検出された温度Ｔ_ＥＸが第１判定温度Ｔ_１以下である場合には、燃料改質器５０の制御を開始して、排気管４へ還元性気体の供給を開始し、その後、排気温度センサ３４により検出された温度Ｔ_ＥＸが第２判定温度Ｔ_２以上になった場合には、燃料改質器５０の制御を停止して、排気管４への還元性気体の供給を停止する。
これにより、排気の温度あるいはＮＯｘ浄化触媒３３の温度が第１判定温度Ｔ_１以下であり、燃焼リッチ、ポスト噴射、又は排気噴射などの方法により排気を還元雰囲気にできない場合であっても、燃料改質器５０で製造された還元性気体を供給することにより、ＮＯｘ浄化触媒３３に流入する排気を還元雰囲気にすることができる。これにより、エンジン１の始動直後で、排気が低温である場合であっても、ＮＯｘ浄化触媒３３でＮＯｘを還元、浄化することが可能となる。

また、このようにしてＮＯｘ浄化触媒３３に還元性気体を供給することで、排気を還元雰囲気にしてＮＯｘ浄化触媒３３におけるＮＯｘの還元、浄化を促進するとともに、ここで余剰となった還元性気体の一部を燃焼することで、ＮＯｘ浄化触媒３３を昇温することができる。したがって、複雑な燃焼制御を行って排気の温度を上昇させたり、付加装置を設けたりすることなく、エンジン１の始動直後などにおいてＮＯｘ浄化触媒３３の温度を速やかに昇温することができる。

また、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けた。これにより、燃料改質器５０とエンジン１とを別系統で制御することが可能となる。つまり、燃料改質器５０を制御するにあたって、エンジン１から排出される排気の状態を制御する必要が無くなる。これにより、エンジン１の燃焼条件が最適な範囲となるように、エンジン１を制御することが可能となる。また同時に、燃料改質器５０をエンジン１の制御と独立して最適な条件で運転することもできる。

また、改質器制御部４１は、排気管４への還元性気体の単位時間当りの供給量が目標供給量で一定になるように燃料改質器５０を定常運転する。すなわち、エンジン１の運転状態や、排気の状態などに応じて還元性気体の供給量を変更するような複雑な制御を行わない。これにより、燃料改質器５０の制御にかかる装置の構造を簡単なものにし、コストを低減することができる。

また、燃料改質器５０による還元性気体の供給を停止した後において、主噴射量又はポスト噴射量を制御することで排気空燃比をリーンにしたりリッチにしたりする。これにより、還元性気体の供給を停止した後であっても、ＮＯｘ浄化触媒３３によりＮＯｘを浄化し続けることが可能となる。
また、改質触媒５３に供給される空気の供給量、空気の供給圧力、燃料の供給量、燃料の供給圧力の何れかを制御することで目標供給量の還元性気体が製造される。すなわち、目標供給量一定の還元性気体を製造するために、複雑な制御を行う必要がない。これにより、燃料改質器５０の制御にかかる装置の構造を簡単なものにし、コストを低減することができる。
また、ＮＯｘ浄化触媒３３における排気の空間速度が所定の下限目標速度を下回るように、吸気量を減少するか排気還流量を増加することにより、ＮＯｘ浄化触媒３３における排気を還元雰囲気にすることができる。これにより、ＮＯｘ浄化触媒３３におけるＮＯｘの還元、浄化をさらに促進することができる。

また、ＮＯｘ浄化触媒３３における排気の酸素濃度が所定の下限目標濃度を下回るように、吸気量を減少するか、排気還流量を増加するか、燃料噴射量を増加することにより、ＮＯｘ浄化触媒３３における排気を還元雰囲気にすることができる。これにより、ＮＯｘ浄化触媒３３におけるＮＯｘの還元、浄化をさらに促進することができる。
また、部分酸化反応により還元性気体を製造することにより、安定して還元性気体を製造することができるとともに、高温の還元性気体を排気通路に供給することができる。
また、排気よりも高い温度の還元性気体を供給することにより、排気の温度を上昇させて、ＮＯｘ浄化触媒３３をその活性化温度まで速やかに昇温することができる。これにより、ＮＯｘの浄化効率をさらに向上できる。

本実施形態では、ＥＣＵ４０の改質器制御部４１が改質器制御手段を構成し、排気空燃比制御部４２１が排気空燃比制御手段を構成し、空間速度制御部４２３が空間速度制御手段を構成し、酸素濃度制御部４２５が酸素濃度制御手段を構成する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
上述した実施形態では、温度検出手段として排気の温度を検出する排気温度センサ３４を設け、この排気温度センサ３４により検出された温度Ｔ_ＥＸに基づいて、燃料改質器５０を制御したが、これに限らない。例えば、排気温度センサの代わりに、ＮＯｘ浄化触媒の温度Ｔ_ＣＡを検出する触媒温度センサを設け、この触媒温度センサにより検出された温度Ｔ_ＣＡに基づいて、燃料改質器の制御を行うようにしてもよい。

また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進用エンジンなどの排気浄化装置にも適用が可能である。

本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。 前記実施形態に係る改質器制御部による燃料改質器の制御の手順を示すフローチャートである。 前記実施形態に係る排気管の構成を示す断面図である。 前記実施形態に係る排気管の収納部における排気の還元性気体の濃度と、排気の空間速度及び濃度との関係を示す図である。

符号の説明

１…エンジン（内燃機関）
２…吸気管（吸気通路）
４…排気管（排気通路）
６…排気還流通路（排気還流通路）
１２…スロットル弁（吸気量制御弁）
２０…ＥＧＲ弁（排気還流量制御弁）
３３…ＮＯｘ浄化触媒
３４…排気温度センサ（温度検出手段）
５０…燃料改質器（燃料改質器）
５３…改質触媒
４０…電子制御ユニット
４１…改質器制御部（改質器制御手段）
４２…吸排気制御部
４２１…排気空燃比制御部（排気空燃比制御手段）
４２３…空間速度制御部（空間速度制御手段）
４２５…酸素濃度制御部（酸素濃度制御手段）

Claims (12)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、
   前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して一酸化炭素、水素、及び炭化水素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒の上流側に供給する燃料改質器と、
   前記排気通路を流通する排気の温度、あるいは、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段により検出された温度が所定の第１温度以下である場合には、前記燃料改質器の制御を開始して前記排気通路への還元性気体の供給を開始し、前記温度検出手段により検出された温度が前記第１温度よりも高い第２温度以上になった場合には、前記燃料改質器の制御を停止して前記排気通路への還元性気体の供給を停止する改質器制御手段と、
   前記内燃機関の吸気通路に設けられた吸気量制御弁と、
   前記排気通路を流通する排気の一部を前記吸気通路に還流する排気還流通路に設けられた排気還流量制御弁と、
   前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路に供給する間において、前記ＮＯｘ浄化触媒における排気の空間速度が所定の下限目標速度を下回るように、前記吸気量制御弁を閉じて吸気量を減少するか、又は、前記排気還流量制御弁を開いて排気還流量を増加する空間速度制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、
   前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して一酸化炭素、水素、及び炭化水素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒の上流側に供給する燃料改質器と、
   前記排気通路を流通する排気の温度、あるいは、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段により検出された温度が所定の第１温度以下である場合には、前記燃料改質器の制御を開始して前記排気通路への還元性気体の供給を開始し、前記温度検出手段により検出された温度が前記第１温度よりも高い第２温度以上になった場合には、前記燃料改質器の制御を停止して前記排気通路への還元性気体の供給を停止する改質器制御手段と、
   前記内燃機関の吸気通路に設けられた吸気量制御弁と、
   前記排気通路を流通する排気の一部を前記吸気通路に還流する排気還流通路に設けられた排気還流量制御弁と、
   前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路に供給する間において、前記ＮＯｘ浄化触媒における排気の酸素濃度が所定の下限目標濃度を下回るように、前記吸気量制御弁を閉じて吸気量を減少するか、前記排気還流量制御弁を開いて排気還流量を増加するか、又は、前記内燃機関の燃焼室に噴射する燃料噴射量を増加する酸素濃度制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記改質器制御手段は、前記排気通路への還元性気体の単位時間当りの供給量が所定の目標供給量に達してからは、当該目標供給量を維持するように前記燃料改質器を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記ＮＯｘ浄化触媒は、排気空燃比がリーンのときに排気中の窒素酸化物を吸収し、排気空燃比がリッチのときに吸収した窒素酸化物を還元するものであり、
   前記燃料改質器による還元性気体の供給が停止した後において、前記内燃機関の燃焼室に噴射する燃料の主噴射量又はポスト噴射量を制御する排気空燃比制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記燃料改質器は、空気と燃料とを混合した燃料ガスを改質して還元性気体を製造する改質触媒を備え、
   前記改質器制御手段は、前記改質触媒に供給される空気の供給量、空気の供給圧力、燃料の供給量、及び燃料の供給圧力の何れかを制御することで、前記目標供給量の還元性気体を製造することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路に供給する間には、少なくとも１回は、前記排気の空間速度が前記下限目標速度を下回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。
7. 前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路に供給する間には、少なくとも１回は、前記酸素濃度が前記下限目標濃度を下回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。
8. 前記燃料改質器は、炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により還元性気体を製造することを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記燃料改質器は、ロジウム及びセリアを含む触媒を備えることを特徴とする請求項１から８の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 前記ＮＯｘ浄化触媒は、白金及びセリアを含むことを特徴とする請求項１から９の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 前記燃料改質器が供給する還元性気体の温度は、前記排気通路のうち前記燃料改質器により還元性気体が供給される部分を流通する排気の温度よりも高いことを特徴とする請求項１から１０の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 前記内燃機関は、軽油を燃料として用い、この燃料を圧縮着火により燃焼することを特徴とする請求項１から１１の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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