JP4887888B2

JP4887888B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP4887888B2
Application number: JP2006119708A
Authority: JP
Inventors: 将也井部; 裕人平田; 大垣花
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2026-04-24
Also published as: JP2007289844A

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、排気ガス中の粒子状物質を捕集・酸化すると共にＮＯｘを浄化する排気浄化装置に関する。

一般に、ディーゼルエンジンの排気ガスには、炭素を主成分とする粒子状物質（以下、ＰＭ（Particulate Matter）と称す）が含まれ、大気汚染の原因となることが知られている。そこで、排気ガスから、これらの粒子状物質を捕捉して除去するための装置または方法が種々提案されている。

例えば、燃料を強制的に噴射供給することにより粒子フィルタ（ＤＰＦ）の温度を上昇させて捕集したＰＭを酸化・燃焼させるもの、排気ガス中の一酸化窒素ＮＯから二酸化窒素ＮＯ₂を生成させ、ＮＯ₂によりＰＭを酸化させるもの（例えば、特許文献１）、あるいは、触媒化ＤＰＦを用いてＰＭの酸化を図るもの（例えば、特許文献２、特許文献３）等が提案されている。しかし、燃料を強制的に噴射供給するものでは、燃費の悪化を招くと共に、ＰＭの急激な燃焼の結果の温度上昇によるＤＰＦの破損の問題、特許文献１に記載のものでは、ＮＯ₂によるＰＭの酸化速度が十分でないために、エンジンから排出されるＰＭを完全に酸化除去するのが困難であるという問題、そして、特許文献２、特許文献３に記載の触媒化ＤＰＦを用いるものでは、触媒およびＰＭが共に固体であるために、両者が十分に接触せずＰＭの酸化反応が不十分であるという問題等を有している。

そこで、最近、ＮＯ₂に比較して酸化力の強いオゾン（O₃）を用いて、ＰＭを酸化して処理する技術が開示されている（例えば、特許文献４、特許文献５）。特許文献４に記載された装置では、粒子フィルタの上流に、プラズマにより、排出ガスから酸化剤としてのオゾンまたは二酸化窒素ＮＯ₂を生成する装置を設け、排出ガスの温度に応じて、低温時にはオゾン及び二酸化窒素を、高温時には二酸化窒素を選択的に用いることにより、粒子フィルタに捕集された煤を酸化除去するとしている。特許文献５に記載された装置では、粒子フィルタとＮＯｘ吸蔵触媒を直列に設け、それぞれの上流側に、空気からオゾンを生成する装置を接続して供給するとしている。

特表２００２−５３１７６２号公報特開平６−２７２５４１号公報特開平９−１２５９３１号公報特開２００５−５０２８２３号公報国際公開第２００４／０２４３０１号パンフレット

ところで、特許文献４および特許文献５に記載の装置では、ＮＯ₂に比較して酸化力の強いオゾンを用いていることからＰＭの酸化除去能力の向上については評価し得る。しかしながら、特許文献４に記載のものは、排出ガスの成分である酸素からプラズマによりオゾンを生成し、この生成されたオゾンと共にＮＯｘ等を含む排気ガスを粒子フィルタに導入するようにしているので、オゾンの生成量が十分であるとは云えない。また特許文献４および特許文献５に記載のものでは、酸化力の強いオゾンが、粒子フィルタに入る前に排気ガス中のＮＯｘ等と反応して消費されてしまうため、ＰＭの酸化除去に使用できるオゾンの量が少なくなり、十分な浄化効率が得られず、ＰＭの酸化速度が低下するおそれがあるという問題を有している。

そこで、本発明の目的は、オゾンを用いて排気ガスを浄化する際に、オゾンを効率的に使用可能とする内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、排気通路内に配置されて排気ガス中の未燃成分を酸化する酸化触媒と、前記酸化触媒の下流側の前記排気通路内に配置され、排気ガス中の粒子状物質を捕集する粒子フィルタと、前記粒子フィルタの下流側の前記排気通路内に配置され、排気ガス中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒と、前記粒子フィルタと前記ＮＯｘ触媒との間にオゾンを供給可能なオゾン供給手段と、前記オゾン供給手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記酸化触媒の温度と当該酸化触媒におけるＮＯからＮＯ _２への転化率との関係を示す酸化触媒特性マップと、前記酸化触媒の温度とに基づいて、酸化触媒生成ＮＯ _２量を算出し、前記粒子フィルタの温度と前記粒子フィルタにおけるＮＯ _２からＮＯへの転化率との関係を示す粒子フィルタ特性マップと、前記酸化触媒生成ＮＯ _２量および前記粒子フィルタの温度とに基づいて、粒子フィルタ生成ＮＯ量を算出し、前記ＮＯｘ触媒の温度と当該ＮＯｘ触媒における供給されたオゾンの残存率との関係を示すオゾン分解率特性マップと、前記粒子フィルタ生成ＮＯ量および前記ＮＯｘ触媒の温度とに基づいて、前記オゾン供給手段からの供給オゾン量を算出することを特徴とする。

本発明では、酸化触媒でＮＯとＯ_２との反応によってＮＯ_２が生成され、粒子フィルタではＮＯ_２とＣとの反応によってＣＯ_２とＮＯとが生成される。ＮＯｘ触媒では、オゾンの供給によってＮＯとオゾンとの反応が促進され、ＮＯ_２とＯ_２とが生成される。このように、本発明によれば、酸化触媒、粒子フィルタおよびＮＯｘ触媒を直列に接続した結果、粒子フィルタの上流側に設けた酸化触媒からのＮＯ_２によって粒子フィルタのＰＭが浄化されるので、粒子フィルタの上流側にオゾンを供給する場合に比べて、排気ガス中のＮＯｘやＨＣ等の所定物質によるオゾンの消費を抑制でき、また排気ガスの熱によるオゾンの分解を抑制できる。したがって、オゾンを効率的に使用可能とし、オゾンによるＰＭの浄化効率を向上することが可能となる。

本発明では、前記オゾン供給手段を制御する制御手段を更に備え、当該制御手段は、前記排気通路内の温度に基づいて、前記オゾン供給手段を制御するのが好適である。この場合には、車両の状態に応じた制御が可能になる。好ましくは、前記制御手段は、前記酸化触媒の温度、前記ＤＰＦの温度、および前記ＮＯｘ触媒の温度のうち複数のものに基づいて前記オゾン供給手段を制御する。この場合には、排気経路中の互いに異なる複数の構成要素から得られた複数種類のパラメータに基づいてオゾンの供給量が決定されるので、制御の精度を向上することが可能になる。

好ましくは、前記ＮＯｘ触媒は吸蔵還元型又は選択還元型である。

本発明におけるオゾン供給源は、好ましくは、前記排気通路外の気体からオゾンを発生させるオゾン発生手段である。例えばオゾン発生手段として高電圧放電を用いる方式を採用した場合、高温の原料気体を用いるよりも低温の原料気体を用いた方がオゾンの生成効率が高い。この好ましい形態によれば、排気通路外の気体を用いてオゾンを生成するので、特許文献４のように高温の排気ガスからオゾンを生成する場合に比べ、オゾン生成効率を向上することが可能となる。

本発明によれば、オゾンを用いて排気ガスを浄化する際に、オゾンを効率的に使用可能とすることができるという、優れた効果が発揮される。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を概略的に示すシステム図である。図中、１０は、圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、１１は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、１２は排気ポートに連通されている排気マニフォルド、１３は燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ１７に供給された燃料が、高圧ポンプ１７によりコモンレール１８に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール１８内の高圧燃料が燃料噴射弁１４から燃焼室１３内に直接噴射供給される。ディーゼルエンジン１０からの排気ガスは、排気マニフォルド１２からターボチャージャ１９を経た後にその下流の排気通路１５に流され、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。なお、ディーゼルエンジンの形態としてはこのようなコモンレール式燃料噴射装置を備えたものに限らない。またＥＧＲ装置などの他の排気浄化デバイスを含むことも任意である。

排気通路１５には、エンジン１０に最も近い位置から、酸化触媒２０、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）３０、およびＮＯｘ触媒５０が、この順序で直列に接続されている。

酸化触媒２０はＤＰＦ３０と共通のケーシング２１内に配設されている。ＮＯｘ触媒５０はケーシング５１内に配設されている。ケーシング３１，５１は、金属製であり、両端部が截頭円錐状に形成されたほぼ円筒形である。酸化触媒２０、ＤＰＦ３０およびＮＯｘ触媒５０は、ケーシング３１，５１内に不図示の支持部材を介して支持されている。支持部材は、絶縁性、耐熱性、緩衝性を備えており、例えばアルミナマットから構成されている。

そしてＤＰＦ３０とＮＯｘ触媒５０との間、言い換えればＤＰＦ３０の下流側且つＮＯｘ触媒５０の上流側に、ＮＯｘ触媒５０にオゾンを供給可能なオゾン供給手段としてのオゾン供給ノズル４０が配置されている。オゾン供給ノズル４０にはオゾン供給源としてのオゾン発生器４１が接続されている。オゾン発生器４１で発生したオゾンが、オゾン供給通路４２を介してオゾン供給ノズル４０に供給されると共に、このオゾン供給ノズル４０から下流側のＮＯｘ触媒５０に向かって排気通路１５内に噴射供給される。

オゾン供給ノズル４０は、これから噴射供給されたオゾンが排気ガス中のＮＯｘや未燃成分（ＣＯ，ＨＣ等）と反応して徒に消費されないように、ケーシング５１内であってＮＯｘ触媒５０の直上流位置に配置され、そこからＮＯｘ触媒５０に向かってオゾンを供給する。また、ＮＯｘ触媒５０の上流端面全体にまんべんなくオゾンを供給できるよう、ＮＯｘ触媒５０の上流端面の全直径に及ぶような複数のオゾン供給口４３を有している。オゾン供給ノズル４０は、ケーシング５１の直径方向に延在してケーシング５１に固定される。なお、オゾン供給手段の形態はこのようなオゾン供給ノズル４０以外にも種々の形態が可能であり、例えば一つのオゾン供給口しか有しないような場合は、オゾン供給口とＮＯｘ触媒の上流端面との距離を、その上流端面全体にまんべんなくオゾンが行き渡るような距離だけ離間させるのがよい。

図２に示すように、ＤＰＦ３０は、多孔質セラミックからなるハニカム構造体３２を備えたいわゆるウォールフロー型であり、ハニカム構造体３２は、コージェライト、シリカ、アルミナ等のセラミックス材料で形成される。排気ガスは矢印で示されるように図中左から右に向かって流れる。ハニカム構造体３２には、上流側に詰栓３３が施された第１通路３４と、下流側に詰栓３５が施された第２通路３６とが交互に区画形成され、ハニカム状をなしている。これら通路３４，３６はセルとも称され、いずれも排気ガスの流れ方向に平行である。排気ガスが図中左から右に向かって流れると、排気ガスは第２通路３６から多孔質セラミックの流路壁面３７を通過して第１通路３４に流入し、下流側に流れる。このとき、排気ガス中のＰＭは多孔質のセラミックスによって捕集され、ＰＭの大気への放出が防止される。このように排気ガスが流路壁面を通過し、その際にＰＭを濾過捕集するフィルタ形式がウォールフロー型と称される。

酸化触媒２０は、ＨＣ，ＣＯなどの未燃成分をＯ_２と反応させてＣＯ，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏ等とする触媒であり、触媒物質としては例えばＰｔ／ＣｅＯ_２、Ｍｎ／ＣｅＯ_２、Ｆｅ／ＣｅＯ_２、Ｎｉ／ＣｅＯ_２、Ｃｕ／ＣｅＯ_２等を用いることができる。

ＮＯｘ触媒５０は、好ましくは、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（NSR: NOx Storage Reduction）或いは選択還元型ＮＯｘ触媒（SCR: Selective Catalytic Reduction）のいずれかからなる。

吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の場合、ＮＯｘ触媒５０は、アルミナＡｌ_２Ｏ_３等の酸化物からなる基材表面に、触媒成分としての白金Ｐｔのような貴金属と、ＮＯｘ吸収成分とが担持されて構成されている。ＮＯｘ吸収成分は、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、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つから成る。

吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５０は、これに流入される排気ガスの空燃比が所定値（典型的には理論空燃比）よりリーンのときにはＮＯｘを吸収し、これに流入される排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出するという、ＮＯｘの吸放出作用を行う。本実施形態ではディーゼルエンジンが使用されているため、通常時の排気空燃比はリーンであり、ＮＯｘ触媒５０は排気中のＮＯｘの吸収を行う。また、ＮＯｘ触媒５０の上流側にて還元剤が供給され、流入排気ガスの空燃比がリッチになると、ＮＯｘ触媒５０は吸収したＮＯｘの放出を行う。そしてこの放出されたＮＯｘは還元剤と反応して還元浄化される。

このＮＯｘの吸放出及び還元浄化は図３に示すように以下のメカニズムに基づいて行われていると考えられる。このメカニズムについて、アルミナＡｌ_２Ｏ_３からなる基材表面に、白金ＰｔおよびカリウムＫを担持させた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の場合を例にとって説明する。なお他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。

まず図３（Ａ）に示されるように、流入排気ガスがリーンになると流入排気ガス中の酸素濃度及びＮＯｘ濃度が増大し、これら酸素Ｏ₂がＯ₂ ⁻またはＯ^２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ₂ ⁻またはＯ^２−と反応し、ＮＯ₂となる（２ＮＯ＋Ｏ₂→２ＮＯ₂）。次いで生成されたＮＯ₂は吸収成分であるカリウムＫに吸収されて硝酸塩即ち硝酸カリウムＫＮＯ_３の形となってＫに吸収される。流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ₂が生成され、ＫのＮＯｘ吸収能力が飽和しない限りＮＯ₂がＫに吸収されていく。これに対して流入排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ₂の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ₃→ＮＯ₂）に進み、斯くしてＫ内の硝酸カリウムＫＮＯ_３がＮＯ₂の形で吸収剤から放出される。即ち、流入排気ガス中の酸素濃度が低下するとＫからＮＯｘが放出されることになる。流入排気ガスのリーンの度合いが低くなれば流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、従って流入排気ガスのリーンの度合いを低くすればＫからＮＯｘが放出されることになる。

一方、このとき流入排気ガスの空燃比をリッチにすると、流入排気ガス中のＨＣ、ＣＯは白金Ｐｔ上の酸素Ｏ₂ ⁻またはＯ^２−と反応して酸化せしめられる。また、流入排気ガスの空燃比をリッチにすると流入排気ガス中の酸素濃度が極度に低下するためにＫからＮＯ₂が放出され、このＮＯ₂は図３（Ｂ）に示されるように、白金Ｐｔを反応の窓口として未燃ＨＣ，ＣＯと反応してＮ_２に還元浄化せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ₂が存在しなくなるとＫから次から次へとＮＯ₂が放出される。従って流入排気ガスの空燃比をリッチにすると短時間のうちにＫからＮＯ_Xが放出されて還元浄化されることになる。

ここで使用する還元剤としては、排気中で炭化水素ＨＣや一酸化炭素ＣＯ等の還元成分を発生するものであれば良く、水素、一酸化炭素等の気体、プロパン、プロピレン、ブタン等の液体又は気体の炭化水素、ガソリン、軽油、灯油等の液体燃料等が使用できる。本実施形態では貯蔵、補給等の際の煩雑さを避けるためディーゼルエンジンの燃料である軽油を還元剤として使用している。この還元剤としての軽油をＮＯｘ触媒５０に供給する方法としては、例えば、ＮＯｘ触媒５０の上流側の排気通路１５に別途設けられた還元剤噴射弁から軽油を噴射したり、燃料噴射弁１４から燃焼室１３に膨張行程後期又は排気行程で軽油を噴射するいわゆるポスト噴射を行う方法が可能である。なお、このようにＮＯｘ触媒５０におけるＮＯｘの放出還元を目的とする還元剤の供給をリッチスパイクと称する。

次に、選択還元型ＮＯｘ触媒の場合、ＮＯｘ触媒５０は、図４に示すように、ゼオライトまたはアルミナ等の基材表面にＰｔなどの貴金属を担持したものや、その基材表面にＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持させたもの、その基材表面にチタニア／バナジウム触媒（Ｖ_２Ｏ_５／ＷＯ_３／ＴｉＯ_２）を担持させたもの等が例示できる。この選択還元型ＮＯｘ触媒においては、流入排気ガスの空燃比がリーンという条件下で、排気ガス中のＨＣ、ＮＯが定常的に且つ同時に反応されてＮ_２，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏといったように浄化される。ただしＮＯｘの浄化にはＨＣの存在が必須である。空燃比がリーンであっても、排気ガス中には未燃ＨＣが必ず含まれているので、これを利用してＮＯｘの還元浄化が可能である。また、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のようにリッチスパイクを実施して還元剤を供給してもよい。この場合、還元剤としては前記に例示したもののほか、アンモニアや尿素を使用することもできる。

オゾン発生器４１としては、高電圧を印加可能な放電管内に、原料となる乾燥した空気または酸素を流しつつオゾンを発生させる形態や、他の任意の形式のものを用いることができる。ここで原料となる乾燥した空気または酸素は、排気通路１５外から取り込まれる気体、例えば外気に含まれる気体であり、特許文献４のように排気通路１５内の排気ガスに含まれる気体ではない。オゾン発生器４１においては、高温の原料気体を用いるよりも低温の原料気体を用いた方がオゾンの生成効率が高い。従ってこのように排気通路１５外の気体を用いてオゾンを生成することにより、特許文献４の場合に比べ、オゾン生成効率を向上することが可能である。なお、本発明に用いる空気または酸素は、乾燥状態に限定するものではない。

排気通路内の温度を検出する手段として、酸化触媒２０には温度センサ５３ａが、ＤＰＦ３０には温度センサ５３ｂが、またＮＯｘ触媒５０には温度センサ５３ｃが、それぞれ設けられている。ＥＣＵ１００は、これら温度センサ５３ａ，５３ｂ，５３ｃの検出信号に基づいて、酸化触媒２０、ＤＰＦ３０およびＮＯｘ触媒５０の床温を個別に算出する。温度センサ５３ａ，５３ｂ，５３ｃの温度検出部（熱電対の場合、その先端）は、酸化触媒２０、ＤＰＦ３０およびＮＯｘ触媒５０の内部に埋め込まれているが、温度センサ５３ａ，５３ｂ，５３ｃの温度検出部は酸化触媒２０、ＤＰＦ３０およびＮＯｘ触媒５０の上流端面の中心付近など、酸化触媒２０、ＤＰＦ３０およびＮＯｘ触媒５０の表面又は外部に設置されてもよい。

ＤＰＦ３０の上流側及び下流側の排気通路１５には、それぞれ排気圧力を検出する排気圧センサ３１ａ，３１ｂが設けられている。これら排気圧センサは制御手段としてのＥＣＵ１００に接続されており、ＥＣＵ１００は、ＤＰＦ３０の上流側と下流側の排気圧センサによって検出された排気圧の偏差すなわち差圧に基づいて、ＤＰＦ３０におけるＰＭの捕集量ないし詰まり具合を判断する。ＰＭの捕集量ないし詰まり具合を検出するための別構成として、ＤＰＦ３０の上流側に配置された一つの排気圧センサのみを用いてもよく、またＤＰＦの上流側に配置された煤センサの煤信号の時間的な積分を求めることにより詰まり具合を検出することもできる。同じく、煤生成に関する、ＥＣＵ内に保存されたエンジン特性マップデータを評価し、ＰＭの生成量を推定してこれを時間的に積分することもできる。

エンジン１０のクランク軸の近傍には、クランク角センサ６１が設置されている。酸化触媒２０の上流側に、酸化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を検出する手段として、空燃比センサ６２が設置されている。ＥＣＵ１００は、クランク角センサ６１の検出信号に基づいてエンジン回転数Ｎｅを算出し、また、空燃比センサ５４の検出信号に基づいて排気の空燃比Ａ／Ｆを算出する。

オゾン発生器４１は、ＥＣＵ１００の出力側に接続されており、ＥＣＵ１００の制御出力によって動作する。

図５、図６および図７に示される3種類の温度特性マップが予め作成され、ＥＣＵ１００のＲＯＭに記憶されている。

図５に示される酸化触媒特性マップは、酸化触媒２０の温度Ｔ１と、酸化触媒２０におけるＮＯ→ＮＯ_２の転化率Ｑ１との関係を示す。転化率Ｑ１は、酸化触媒２０への供給ＮＯ量に対する酸化触媒２０からの排出ＮＯ_２量の割合であり、概ね温度Ｔｂの近傍で最大となると共に、温度Ｔａよりも小さい領域、および温度Ｔｃよりも大きい領域では小となる。

図６に示されるＤＰＦ特性マップは、ＤＰＦ３０の温度Ｔ２と、ＤＰＦ３０におけるＮＯ_２→ＮＯの転化率Ｑ２との関係を示す。転化率Ｑ２は、ＤＰＦ３０への供給ＮＯ_２量に対するＤＰＦ３０からの排出ＮＯ量の割合であり、概ね温度Ｔｂより大きい領域で大となる。

図７に示されるオゾン分解率特性マップは、ＮＯｘ触媒５０の温度Ｔ３と、供給されたオゾンの残存率Ｑ３を示す。残存率Ｑ３は、オゾン供給ノズル４０からの供給オゾン量に対するＮＯｘ触媒５０の設置点における残存オゾン量の割合であり、概ね温度Ｔｂより大きい領域で漸減する。

各温度特性マップにおける温度は、概ね温度Ｔａが１００°Ｃ、温度Ｔｂが２５０°Ｃ、温度Ｔｃが４００°Ｃであるが、あくまで一例である。本実施形態では各温度特性マップに基づき、酸化触媒２０、ＤＰＦ３０およびＮＯｘ触媒５０の温度に応じて、オゾンの供給量が精度よく算出される。

以上のとおり構成された本実施形態の動作の一例について説明する。図８の処理ルーチンは、エンジンの動作中に所定時間おきに繰り返し実行される。まず、ＥＣＵ１００は、上述したクランク角センサ６１、Ａ／Ｆセンサ６２、温度センサ５３ａ，５３ｂ，５３ｃ等の各検出値を読み込む（Ｓ１００）。

次にＥＣＵ１００は、エンジン回転数Ｎｅおよび空燃比Ａ／Ｆに基づいて、酸化触媒２０に対する供給ＮＯｘ量Ｐ０を算出する（Ｓ１０１）。次に、ＥＣＵ１００は、温度センサ５３ａによって検出される酸化触媒２０の温度Ｔ１によって、図５の酸化触媒特性マップを参照し、現在の温度Ｔ１における酸化触媒２０のＮＯ_２転化率Ｑ１を算出する（Ｓ１０２）。そしてＥＣＵ１００は、ステップＳ１０１で算出された供給ＮＯｘ量Ｐ０と、ステップＳ１０２で算出されたＮＯ_２転化率Ｑ１とを乗算することにより、酸化触媒における生成ＮＯ_２量Ｐ１を算出する（Ｓ１０３）。

次にＥＣＵ１００は、温度センサ５３ｂによって検出されるＤＰＦ３０の温度Ｔ２によって、図６のＤＰＦ特性マップを参照し、現在の温度Ｔ２におけるＤＰＦ３０のＮＯ転化率Ｑ２を算出する（Ｓ１０４）。そしてＥＣＵ１００は、ステップＳ１０３で算出された生成ＮＯ２量Ｐ１と、ステップＳ１０４で算出されたＮＯ転化率Ｑ２とを乗算することにより、ＤＰＦ３０における生成ＮＯ量Ｐ２を算出する（Ｓ１０５）。なお、生成ＮＯ量Ｐ２の算出には、ＤＰＦ３０におけるＰＭの堆積量を考慮してもよい。

次にＥＣＵ１００は、温度センサ５３ｃによって検出されるＮＯｘ触媒５０の温度Ｔ３によって、図７のオゾン分解率特性マップを参照し、現在の温度Ｔ３におけるＮＯｘ触媒５０の位置でのオゾン残存率Ｑ３を算出する（Ｓ１０６）。そしてＥＣＵ１００は、ステップＳ１０５で算出された生成ＮＯ量Ｐ２と、ステップＳ１０６で算出されたオゾン残存率Ｑ３と、予め積算されている現在のＮＯｘ吸蔵量Ｐ４とに基づいて、所定の関数により、ＮＯｘ触媒５０に対する供給オゾン量を算出する（Ｓ１０６）。

最後に、このようにして算出されたオゾン供給量に基づいて、ＥＣＵ１００がオゾン発生器４０を駆動し、ＮＯｘ触媒５０にオゾンを供給する。

以上の処理の結果、酸化触媒２０、ＤＰＦ３０およびＮＯｘ触媒５０の温度に基づいた適切な量のオゾンがＮＯｘ触媒５０に供給され、これによってＮＯｘ触媒におけるＮＯ＋Ｏ_３→ＮＯ_２＋Ｏ２の反応が促進されることになる。

以上のとおり、本実施形態では、酸化触媒２０、ＤＰＦ３０およびＮＯｘ触媒５０を直列に接続した構成において、酸化触媒２０でＮＯとＯ_２との反応によってＮＯ_２が生成され、ＤＰＦ３０ではＮＯ_２とＣとの反応によってＣＯ_２とＮＯとが生成される。生成したＮＯと、供給されたオゾンとの反応によってＮＯ_２が生成され、ＮＯｘ触媒５０で浄化される。ここでＮＳＲまたはＳＣＲでの反応が促進されるのは、オゾンによりＮＯが予めＮＯ_２へ酸化されるためである。このように、本実施形態によれば、ＤＰＦ３０の上流側に設けた酸化触媒２０からのＮＯ_２によってＤＰＦ３０のＰＭが浄化されるので、ＤＰＦ３０の上流側にオゾンを供給する場合に比べて、排気ガス中のＮＯｘやＨＣ等の所定物質によるオゾンの消費を抑制でき、また排気ガスの熱によるオゾンの分解を抑制できる。したがって、オゾンを効率的に使用可能とし、オゾンによるＰＭの浄化効率を向上することが可能となる。

また本実施形態では、ＥＣＵ１００が、排気通路１５内の温度、すなわち酸化触媒２０の温度Ｔ１、ＤＰＦ３０の温度Ｔ２、およびＮＯｘ触媒５０の温度Ｔ３に基づいてオゾン供給手段を制御する。すなわち本実施形態では、排気経路１５中の互いに異なる複数の構成要素から得られた複数種類のパラメータに基づいてオゾンの供給量が決定されるので、車両の状態に適した制御が可能になる。

また本実施形態では、酸化触媒２０の温度Ｔ１に基づいて、酸化触媒生成ＮＯ_２量Ｐ１を算出し、当該酸化触媒生成ＮＯ_２量Ｐ１とＤＰＦ３０の温度Ｔ２とに基づいて、ＤＰＦ生成ＮＯ量Ｐ２を算出し、当該ＤＰＦ生成ＮＯ量とＮＯｘ触媒５０の温度Ｔ３とに基づいて、オゾン供給手段からの供給オゾン量を算出するので、簡易な構成によって本発明に所期の効果を実現することができる。

なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。例えば、上記実施形態では酸化触媒２０の温度Ｔ１、ＤＰＦ３０の温度Ｔ２、およびＮＯｘ触媒５０の温度Ｔ３の全てを利用して、オゾン供給量を算出することとしたが、オゾン供給量の算出には、これら温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３のうちの一部、すなわち１または２点の温度を利用することによっても、本発明による効果を相当程度に実現することができる。

また、上記実施形態では、オゾン供給時にオゾン発生器４１をオンにして生成されたオゾンを直ちに供給するが、オゾンを予め生成、貯留しておいて、バルブを切り替えることでオゾンを供給するようにしてもよい。またポンプやコンプレッサ等でオゾンを加圧して供給することも可能である。

また、上記実施形態では粒子フィルタとしてウォ−ルフロー型ＤＰＦを採用したが、他にも様々なフィルタ構造を採用することができる。例えば、静電捕集式のストレートフロー型フィルタであり、これは、排気ガス中に存在する一対の電極間に直流電圧を印加して放電を生成し、ＰＭを例えばマイナスに帯電させ、静電気力でプラス側若しくはアース側の電極に吸着させるものである。したがってＰＭ捕集装置はプラス側若しくはアース側の電極として形成される。基材の形状ないし構造も、前述のようなハニカム状のほか、板状、筒状、ペレット状、メッシュ状などが可能である。

本発明は、圧縮着火式内燃機関としてのディーゼルエンジン以外にも、ＰＭ発生の可能性のある全ての内燃機関に適用できる。例えば、直噴の火花点火式内燃機関、より具体的には直噴リーンバーンガソリンエンジンである。このエンジンでは筒内燃焼室に燃料が直接噴射されるが、例えば燃料噴射量が多い高負荷域では燃料が燃焼しきらず、ＰＭが発生する可能性がある。このようなエンジンに本発明を適用しても、前記同様の作用効果が十分期待できる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を概略的に示すシステム図である。ＤＰＦのウォールフロー型ハニカム構造体を示す断面図である。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸放出のメカニズムを説明するための概略図である。選択還元型ＮＯｘ触媒の構造を示す概略図である。実施形態における酸化触媒特性マップの設定例を示す概念図である。実施形態におけるＤＰＦ特性マップの設定例を示す概念図である。実施形態におけるオゾン分解率特性マップの設定例を示す概念図である。実施形態のＥＣＵにおける処理の一例を示すフロー図である。

符号の説明

１０エンジン
１５排気通路
２０酸化触媒
３０ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
４０オゾン供給ノズル
４１オゾン発生器
５０ＮＯｘ触媒
５１ａ，５１ｂ排気圧センサ
５３ａ，５３ｂ，５３ｃ温度センサ
１００電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims

排気通路内に配置されて排気ガス中の未燃成分を酸化する酸化触媒と、
前記酸化触媒の下流側の前記排気通路内に配置され、排気ガス中の粒子状物質を捕集する粒子フィルタと、
前記粒子フィルタの下流側の前記排気通路内に配置され、排気ガス中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒と、
前記粒子フィルタと前記ＮＯｘ触媒との間にオゾンを供給可能なオゾン供給手段と、
前記オゾン供給手段を制御する制御手段と、
を備え、前記制御手段は、
前記酸化触媒の温度と当該酸化触媒におけるＮＯからＮＯ _２への転化率との関係を示す酸化触媒特性マップと、前記酸化触媒の温度とに基づいて、酸化触媒生成ＮＯ _２量を算出し、
前記粒子フィルタの温度と前記粒子フィルタにおけるＮＯ _２からＮＯへの転化率との関係を示す粒子フィルタ特性マップと、前記酸化触媒生成ＮＯ _２量および前記粒子フィルタの温度とに基づいて、粒子フィルタ生成ＮＯ量を算出し、
前記ＮＯｘ触媒の温度と当該ＮＯｘ触媒における供給されたオゾンの残存率との関係を示すオゾン分解率特性マップと、前記粒子フィルタ生成ＮＯ量および前記ＮＯｘ触媒の温度とに基づいて、前記オゾン供給手段からの供給オゾン量を算出することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
前記ＮＯｘ触媒は吸蔵還元型又は選択還元型であることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
前記排気通路外の気体からオゾンを発生させるオゾン発生手段をさらに備え、前記オゾン供給手段は、前記オゾン発生手段で発生したオゾンを前記排気通路内に供給することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。