JP5053163B2 - 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を吸着又は吸蔵し、この吸着又は吸蔵したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化触媒を備える内燃機関の排気浄化装置に関する。

また、本発明において、「リッチ」という用語は、問題とする燃料の空気／燃料比率（以下、「空燃比」という）が化学量論的な空燃比よりも小さいことを示し、「リーン」という用語は、問題とする燃料の空燃比が上述の化学量論的な空燃比よりも大きいことを示す。また、以下の説明では、内燃機関（以下、エンジンともいう）へ流入する混合気における空気と燃料の質量比をエンジン空燃比といい、排気通路内の空気と可燃性気体との質量比を排気空燃比という。

従来より、排気に含まれる窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という）を浄化する技術が知られている。
例えば、特許文献１、２、及び非特許文献１には、排気通路にＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、「ＬＮＴ」という）を設け、排気が酸素過剰となるリーン運転時に、排気を酸化触媒に通してＮＯｘをアルカリ金属又はアルカリ土類金属などと反応させて吸蔵し、排気の酸素濃度が低くなるリッチ運転時に、吸蔵したＮＯｘを還元する排気浄化装置が示されている。この排気浄化装置では、リーン運転とリッチ運転とを繰り返すことで、ＮＯｘの吸蔵とＮＯｘの還元とを周期的に行うことができる。

また、例えば非特許文献２には、排気が酸素過剰となるリーン運転時にＮＯｘを触媒上に吸着し、次いでリーン運転を行って排気中の酸素濃度が低い状態を周期的に形成するとともに、一酸化炭素を周期的に合成して供給することにより、リーン運転時に吸着したＮＯｘを周期的に還元する方法が示されている。

より具体的には、この非特許文献２に示された方法では、先ず、排気が酸素過剰となるリーン運転時に、下記式（１）〜（３）により、排気中に存在する一酸化窒素及び二酸化窒素を触媒に吸着させる。
ＮＯ→ＮＯ（吸着） （１）
２ＮＯ＋Ｏ_２→２ＮＯ_２ （２）
ＮＯ_２→ＮＯ_２（吸着） （３）
次に、リッチ運転を行うとともに、一酸化炭素を合成する。ここで合成された一酸化炭素は、酸素分圧が低い環境において、下記式（４）に示す水性ガスシフト反応により水素を生成する。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２ （４）
さらに、この水素が還元雰囲気において一酸化窒素と反応してアンモニアが生成され、下記式（５）により、このアンモニアが触媒に吸着される。
５Ｈ_２＋２ＮＯ→２ＮＨ_３（吸着）＋２Ｈ_２Ｏ （５）
以上のようにして、一酸化炭素により生成されたアンモニアを最終還元剤として、下記式（６）〜（８）により、排気中のＮＯｘ又は触媒に吸着したＮＯｘが還元される。
４ＮＨ_３＋４ＮＯ＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ （６）
２ＮＨ_３＋ＮＯ_２＋ＮＯ→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ （７）
８ＮＨ_３＋６ＮＯ_２→７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ （８）

この他、例えば特許文献３、４には、排気通路にＬＮＴを設け、さらにこのＬＮＴの上流に、炭化水素燃料を改質して水素や一酸化炭素を含む還元性気体を製造する燃料改質器を設けた排気浄化システムが示されている。特にこの排気浄化システムでは、体積比で一酸化炭素よりも水素が大きくなる様な還元性気体を製造する燃料改質器が用いられる。このシステムによれば、ＬＮＴの上流側から水素を含む還元性気体を排気中に添加することで、排気中のＮＯｘを選択的に還元することが可能となる。

ここで、炭化水素燃料から還元性気体を製造する方法としては、例えば、下記式（９）に示すように、酸化剤として酸素を用いた部分酸化反応が知られている。
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋１／２ｎＯ_２→ｎＣＯ＋１／２ｍＨ_２ （９）
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を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、下記式（１０）に示すような燃焼反応も進行する。
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋（ｎ＋１／４ｍ）Ｏ_２→ｎＣＯ_２＋１／２ｍＨ_２Ｏ （１０）
また、酸化剤として水蒸気を用いた、下記式（１１）に示すような水蒸気改質反応が知られている。
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋１／２ｍ）Ｈ_２ （１１）
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易いものとなっている。

また、例えば特許文献５、６には、エンジンからの排気に含まれるＮＯｘを低減させるための技術として、排気の一部を再び吸気通路に還流させる技術（以下、ＥＧＲともいう）が示されている。この技術では、排気の一部を吸気通路に還流させるための通路内（以下、ＥＧＲ通路という）に大量の炭化水素や煤を含んだ排気が流入した場合には、ＥＧＲ通路内で炭化水素や煤が凝縮し、ＥＧＲ通路が閉塞するおそれがある。このため、ＥＧＲ通路の手前に触媒（以下、ＥＧＲ触媒という）を設置し、このＥＧＲ触媒の作用により排気を浄化してからＥＧＲ通路内に排気を導入するなどの工夫がなされている。
特許第２５８６７３８号公報 特許第２６００４９２号公報 特許第３６４２２７３号公報 特開２００２−８９２４０号公報 特開２０００−３８９６２号公報 特開２００３−２５４１７０号公報 「ＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒システムの開発」自動車技術会論文集 Ｖｏｌ．２６， Ｎｏ．４， Ｏｃｔｏｂｅｒ １９９５ "Ａ ＮＯｘ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ Ａｍｍｏｎｉａ Ｓｔｏｒａｇｅ− Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｒｉｃｈ ａｎｄ Ｌｅａｎ Ｐｏｅｒａｔｉｏｎｓ"，１５ Ａａｃｈｅｎｅｒ Ｋｏｌｌｏｑｕｉｕｍ Ｆａｈｒｚｅｕｇ− ｕｎｄ Ｍｏｔｏｒｅｎｔｅｃｈｎｉｋ ２００６ ｐ．２５９−２７０

しかしながら、例えば上述の特許文献１、２、及び非特許文献１、２に示された技術のように、エンジンのリーン運転とリッチ運転とを繰り返す場合には、以下のような課題がある。
即ち、リッチ運転を行って排気空燃比をリッチにすると、ＬＮＴに吸蔵されたＮＯｘが脱離するものの、ＬＮＴのＮＯｘ吸蔵量が多い場合には、ＮＯｘが還元されずにＬＮＴの下流に流出してしまい、ＮＯｘ浄化性能が低下するおそれがある。
そこで、ＬＮＴにおけるＮＯｘ吸蔵量が多くならないように、リッチ運転を行う頻度を増やし、頻繁にＮＯｘを還元することが考えられる。しかしながら、回転数やトルクなどのエンジンの運転状態によって、リッチ運転を行うことができる領域が限定されている。このため、エンジンの運転状態によらずに頻繁にＮＯｘを還元することは困難である。

また、特許文献３、４の排気浄化システムは、上述の特許文献１、２に示された技術とは異なり、基本的にはリーン運転及びリッチ運転によらず、酸素過剰の排気中に水素、一酸化炭素、及び炭化水素を添加する技術である。
しかしながら、このように酸素過剰の排気中に水素、一酸化炭素などの還元剤を添加してＬＮＴを浄化する場合、ＮＯｘを浄化できるのは２００℃程度が限界である。例えば、ＬＮＴの温度が２００℃以上であると、添加した水素や一酸化炭素が燃焼してしまう。このため、このような温度下では、還元剤の添加量が不足してしまい、ＮＯｘ還元反応の進行が十分でない。

また、特許文献３、４の排気浄化システムのように、排気量が常時変動する排気通路に燃料改質器を設けた場合にあっては、燃料改質器で効果的に水素を製造するためには、燃料改質器の改質触媒と排気とが接して反応する時間を増やす必要がある。このように反応時間を増やすためには、改質触媒を大型化する必要があり、コストの増加に繋がる。
また、燃料改質器を安定した状態で運転するためには、この燃料改質器の改質触媒における反応温度を一定に保つ必要がある。しかしながら、上述の特許文献３、４の排気浄化システムのように、酸素量、水蒸気量、及び温度が常に変化する排気通路に燃料改質器を設けた場合には、燃料改質器を安定した状態で運転することが困難である。

また、特許文献５、６の技術では、より多くのＥＧＲガスを吸気通路内に導入するため、ＥＧＲ通路には内部を通過する排気を冷却するための冷却装置（以下、ＥＧＲクーラーという）などが設けられているのが通例である。
ところで、上述した通り、ＬＮＴに流入する排気空燃比をリッチにするために、リッチ燃焼を実施した場合には、排気中には一酸化炭素などの他に炭化水素が含まれる。また、ポスト燃焼を実施した場合には、これに加えて未燃燃料分が含まれる。このため、リッチ運転中に、排気中のＮＯｘを低減する目的でＥＧＲを導入すると、炭化水素や未燃燃料分が混入された排気がＥＧＲ通路を通過することになる。このため、ＥＧＲクーラーにより排気が冷却されると、ＥＧＲ通路内に炭化水素や末燃燃料分がデポジットとして付着し、堆積する結果、ＥＧＲ通路が狭くなり、最悪の場合には閉塞を生じ、ＥＧＲ導入が不可能になる。

また、エンジン始動直後において排気は低温であるため、リーン運転においてもＥＧＲ通路内に炭化水素や未燃燃料分が付着し易い。これを抑制するために、ＥＧＲ通路の上流に酸化触媒を設置するなどの工夫がなされているものの、エンジン始動直後は酸化触媒が活性していないため、十分なＥＧＲ浄化性能が得られない。このため、始動直後はＥＧＲを導入することができず、ＮＯｘ排出量の増大を招いてしまう。

本発明は以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＥＧＲ通路内におけるデポジットの付着、堆積を軽減してＥＧＲ導入を行い、エンジンからの排気に含まれるＮＯｘを低減したリッチ運転を実現するとともに、運転状態によらずエンジン始動直後からでもＥＧＲを導入でき、ＮＯｘの排出を低減できる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、内燃機関の排気通路とは別に燃料改質器を設けるとともに、燃料改質器で製造される還元性気体を、排気通路のうちＮＯｘ浄化触媒の上流側から排気通路内に導入するための第１導入通路と、排気の一部を吸気通路内に還流する還流通路内に導入するための第２導入通路と、を設けることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。

請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置は、周期的なリーン及びリッチ制御が行われる内燃機関の排気通路に設けられ、前記排気通路を流通する排気の空燃比を排気空燃比として、前記排気空燃比をリーンにしたときに、排気中のＮＯｘを吸着若しくは吸蔵し、前記排気空燃比をリッチにしたときに、前記吸着若しくは吸蔵したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化触媒を少なくとも有するＮＯｘ浄化手段を備える排気浄化装置において、前記ＮＯｘ浄化手段は、第１浄化触媒と、前記第１浄化触媒の下流側に設けられた前記ＮＯｘ浄化触媒である第２浄化触媒と、を有し、前記内燃機関の排気浄化装置は、前記排気空燃比をリッチ化するリッチ化手段と、排気の一部を前記内燃機関の吸気通路内に還流する還流通路と、前記還流通路内に設けられた酸化性能を有する還流触媒と、前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して還元性気体を製造する燃料改質器と、前記燃料改質器で製造された還元性気体を、前記排気通路のうち前記第１浄化触媒よりも上流側から前記排気通路内に導入するための第１導入通路と、前記燃料改質器で製造された還元性気体を、前記還流通路のうち前記還流触媒の上流側から前記還流通路内に導入するための第２導入通路と、をさらに備えることを特徴とする。

請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第１導入通路は、前記燃料改質器で製造された還元性気体を、前記排気通路のうち前記第１浄化触媒よりも上流側から前記排気通路内に導入することを特徴とする。

請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記還流触媒の活性状態を測定又は推定する還流触媒活性推定手段と、前記第１導入通路と前記第２導入通路とを切り替える導入通路切り替え手段と、をさらに備え、前記導入通路切り替え手段は、前記還流触媒活性推定手段により前記還流触媒が活性であると推定された場合には、前記第１導入通路へ切り替えをし、未活性であると推定された場合には、前記第２導入通路へ切り替えをすることを特徴とする。

請求項４記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から３いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器で製造された還元性気体を、前記第１導入通路を通じて前記還流通路内に導入する場合には、前記内燃機関の燃焼室に吸入される吸気の空燃比がリッチにならないように、前記燃料改質器に供給する空気量及び燃料量のうち少なくとも一方を調整することにより、前記還元性気体の導入量を制御する燃料改質器制御手段をさらに備えることを特徴とする。

請求項５記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から４いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記内燃機関の回転数及び前記内燃機関の発生トルクに基づいてＮＯｘ排出量を推定するＮＯｘ排出量推定手段と、前記ＮＯｘ排出量推定手段により推定されたＮＯｘ排出量、前記内燃機関の吸入空気量、前記内燃機関の燃料消費量、前記内燃機関の運転時間、及び排気中の酸素濃度のうち少なくとも１つに基づいて、前記第２浄化触媒の吸着ＮＯｘ量を推定する吸着ＮＯｘ量推定手段と、をさらに備え、前記リッチ化手段は、前記吸着ＮＯｘ量推定手段により推定された吸着ＮＯｘ量が所定の吸着ＮＯｘ量判定値以上である場合に、前記排気空燃比をリッチ化することを特徴とする。

請求項６記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項５記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第１浄化触媒及び前記第２浄化触媒の少なくとも一方の温度を推定又は検出する触媒温度推定手段と、前記触媒温度推定手段により推定された触媒温度に基づいて前記所定の吸着ＮＯｘ量判定値を決定する吸着ＮＯｘ量判定値決定手段と、をさらに備えることを特徴とする。

請求項７記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項６記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記リッチ化手段は、前記燃料改質器で製造された還元性気体の導入による第１リッチ化制御手段と、ポスト燃焼又はリッチ燃焼による第２リッチ化制御手段と、を有し、且つ、前記内燃機関の運転状態に応じて、前記排気空燃比を前記第１リッチ化制御手段によりリッチ化するか、前記第２リッチ化制御手段によりリッチ化するかを選択することを特徴とする。

請求項８記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項７記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記リッチ化手段は、前記触媒温度推定手段により推定された前記第１浄化触媒の温度、前記触媒温度推定手段により推定された前記第２浄化触媒の温度、前記吸着ＮＯｘ量推定手段により推定された吸着ＮＯｘ量、前記内燃機関の回転数、及び前記内燃機関の発生トルクのうち少なくとも１つに応じて、前記排気空燃比を前記第１リッチ化制御手段によりリッチ化するか、前記第２リッチ化制御手段によりリッチ化するかを選択することを特徴とする。

請求項９記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項６から８いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記リッチ化手段は、前記排気空燃比をリッチ化する際における排気空燃比が所定の目標値に一致するように、前記内燃機関の主噴射量、前記内燃機関の副噴射量、前記内燃機関の吸入空気量、及び前記燃料改質器で製造された還元性気体の導入量のうち少なくとも１つを調整することを特徴とする。

請求項１０記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項９記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気空燃比の所定の目標値を、前記触媒温度推定手段により推定された第１浄化触媒の温度、前記触媒温度推定手段により推定された第２浄化触媒の温度、前記吸着ＮＯｘ量推定手段により推定された吸着ＮＯｘ量、前記リッチ化手段によるリッチ化制御の継続時間、前記内燃機関の回転数、及び前記内燃機関の発生トルクのうち少なくとも１つに基づいて決定する排気空燃比目標値決定手段をさらに備えることを特徴とする。

請求項１１記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から１０いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器で製造された還元性気体は、一酸化炭素、水素、及び炭化水素を含み、これらのうち体積分率が最も多いのが一酸化炭素であり、体積分率が最も少ないのが炭化水素であることを特徴とする。

請求項１２記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から１１いずれか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、圧縮着火式の内燃機関であり、且つ使用する燃料が軽油であることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、燃料改質器で製造された還元性気体を、第１導入通路を通じて第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）よりも上流側から排気通路内に導入できるうえ、第２導入通路を通じて還流触媒（以下、ＥＧＲ触媒という）の上流側から還流通路（以下、ＥＧＲ通路という）内に導入することができる。ＥＧＲ通路内に配置されたＥＧＲ触媒は、低温条件下では活性が低いところ、燃料改質器で製造された高温の還元性気体を導入できるため、ＥＧＲ触媒の温度を高めることができる。還元性気体中には低温酸化性に優れる一酸化炭素及び水素が含まれているため、より低温領域から一酸化炭素及び水素の酸化反応（発熱反応）が進行する結果、ＥＧＲ触媒の温度を早期に上昇させることができ、早期活性化が可能である。このため、デポジットの付着、堆積を軽減でき、ＥＧＲ通路の閉塞を回避できる。従って、エンジンからの排気に含まれるＮＯｘを低減したリッチ運転を実現できるとともに、運転状態によらず、例えばエンジン始動直後からでもＥＧＲを導入でき、ＮＯｘの排出を低減できる。
また、低温領域でのＥＧＲガスがクリーンであるため、エンジン始動直後からＥＧＲガスを導入できる結果、燃焼室内での燃焼温度を低下させることができ、エンジンからのＮＯｘ排出量を低減させることができる。さらには、ＥＧＲ触媒上で一酸化炭素及び水素が酸化した場合に生成する二酸化炭素及び水蒸気といったＥＧＲ効果ガスは、燃焼温度の高温化を抑制することができ、ＮＯｘ排出量の低減に寄与できる。
また、還元性気体を排気通路内に導入することで、エンジン空燃比制御をリーンにし、内燃機関における燃焼を最適な状態に保ちつつ、第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）に流入する排気の排気空燃比をリッチすることができる。従って、内燃機関の運転状態によらずＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。エンジン空燃比をリーンに保つことができるので、ポスト噴射などにより燃料を供給して排気空燃比を変化させた場合のように、オイルダイリューションが生じたりすることもない。
また、還元性気体を製造する燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、内燃機関の運転状態や、排気の酸素濃度及び水蒸気濃度などによらず、常に最適な効率で還元性気体を製造できるとともに、この還元性気体をＥＧＲ通路内又は排気通路内に導入することができる。燃料改質器を排気通路内に設けた場合には、排気の成分、温度、流速に影響することなく運転できるように、燃料改質器を大型化する必要があるが、請求項１記載の発明によれば、燃料改質器を排気通路とは別に設けることで、装置を大型化する必要がなく、安定した運転が可能である。さらには、燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、内燃機関の制御とは別系統の制御が可能となり、燃料改質器が備える改質触媒を早期に活性化できる。
また、水素を含む還元性気体を導入することにより、第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）における還元反応速度を向上させることができる。これにより、排気空燃比をリッチにしたときに、第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）に吸着又は吸蔵されたＮＯｘが還元されずに脱離するのを防止することができる。

請求項２記載の発明によれば、燃料改質器で製造された還元性気体を、第１導入通路を通じて、第１浄化触媒よりも上流側から排気通路内に導入することができる。このため、第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）にてＮＯｘを還元処理する前に、還元性気体を第１浄化触媒に流入させることができ、第２浄化触媒に流入するＮＯｘ濃度を減少させることができる。従って、第２浄化触媒にてＮＯｘを還元処理する際のＮＯｘスリップ量を低減させることができ、ＮＯｘ浄化率を向上させることができる。

請求項３記載の発明によれば、ＥＧＲ触媒の活性状態に応じて、第１導入通路と第２導入通路との切り替えができる。即ち、ＥＧＲ触媒の活性状態に応じて、燃料改質器で製造された還元性気体をＥＧＲ通路内に導入するか、排気通路内に導入するかを選択できる。具体的には、ＥＧＲ触媒が活性化されていないと推定された場合には、第２導入通路への切り替えをして還元性気体をＥＧＲ通路内に導入することにより、ＥＧＲ触媒の温度を高め、ＥＧＲ触媒の早期活性化が可能となる結果、排気に含まれるＮＯｘをより効果的に低減できる。

請求項４記載の発明によれば、燃料改質器で製造された還元性気体を、第１導入通路を通じてＥＧＲ通路内に導入する場合には、内燃機関の燃焼室に吸入される吸気の空燃比がリッチにならないように、燃料改質器に供給する空気量及び燃料量のうち少なくとも一方を調整して還元性気体の導入量を制御する。このため、ＥＧＲ通路内に還元性気体を導入した場合であっても、燃焼室に吸入される吸気の空燃比がリッチになることを回避でき、安定した運転が可能である。

請求項５記載の発明によれば、先ず、内燃機関の回転数及び発生トルクに基づいてＮＯｘ排出量を推定し、推定されたＮＯｘ排出量、内燃機関の吸入空気量、内燃機関の燃料消費量、内燃機関の運転時間、及び排気中の酸素濃度のうち少なくとも１つに基づいて、第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）の吸着ＮＯｘ量を推定する。次いで、推定された吸着ＮＯｘ量が所定の吸着ＮＯｘ量判定値以上である場合に、排気空燃比をリッチ化する。これにより、ＮＯｘ触媒に吸着又は吸蔵したＮＯｘの量が増大しすぎて、リッチ化したときに還元されずに流出してしまうＮＯｘ量を低減することができる。また、必要以上にリッチ化頻度が高くなることで燃費が大幅に悪化することを回避できる。

請求項６記載の発明によれば、第１浄化触媒及び前記第２浄化触媒の少なくとも一方の触媒温度に基づいて、所定の吸着ＮＯｘ量判定値を決定することから、より効果的なタイミングでリッチ化できる。このため、還元剤の供給量を常に適切に調整することができる。

請求項７記載の発明によれば、内燃機関の運転状態に応じて、燃料改質器で製造された還元性気体の導入により排気空燃比をリッチ化するか、ポスト燃焼又はリッチ燃焼により排気空燃比をリッチ化するかが選択される。
また、請求項８記載の発明によれば、第１浄化触媒の温度、第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）の温度、吸着ＮＯｘ量、内燃機関の回転数、及び内燃機関の発生トルクのうち少なくとも１つに応じて、燃料改質器で製造された還元性気体の導入により排気空燃比をリッチ化するか、ポスト燃焼又はリッチ燃焼により排気空燃比をリッチ化するかが選択される。
即ち、第１浄化触媒の温度、第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）の温度、吸着ＮＯｘ量、内燃機関の回転数、及び内燃機関の発生トルクといった運転状態に応じて、還元性気体の導入によるリッチ化、あるいはポスト燃焼又はリッチ燃焼によるリッチ化が選択されることから、還元されずに流出してしまうＮＯｘ量をより効果的に低減でき、第１浄化触媒及び第２浄化触媒の温度が高温になり、熱劣化が助長されることを回避できる。

請求項９記載の発明によれば、排気空燃比をリッチ化する際における排気空燃比が所定の目標値に一致するように、内燃機関の主噴射量、内燃機関の副噴射量、内燃機関の吸入空気量、及び燃料改質器で製造された還元性気体の導入量のうち少なくとも１つを調整する。これにより、リッチ化する際の排気空燃比を所望の値に設定できるため、ＮＯｘが還元されるのに最適な空燃比を常に実現することで、高効率なＮＯｘ浄化を可能にする。

請求項１０記載の発明によれば、排気空燃比の所定の目標値を、第１浄化触媒の温度、第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）の温度、吸着ＮＯｘ量、リッチ化手段によるリッチ化制御の継続時間、内燃機関の回転数、及び内燃機関の発生トルクのうち少なくとも１つに基づいて決定する。これにより、常に最適な排気空燃比の排気を、第１浄化触媒や第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）に流入させることができる。

請求項１１記載の発明によれば、燃料改質器で製造された還元性気体は、一酸化炭素、水素、及び炭化水素を含む。また、これらのうち、体積分率が最も多いのが一酸化炭素であり、体積分率が最も少ないのが炭化水素である。
炭化水素燃料を改質する燃料改質器では、炭化水素燃料と空気のみを原料とする部分酸化反応のみにより、一酸化炭素、水素、及び軽質の炭化水素を含む還元性気体が製造されるが、本発明に係る排気浄化装置では、水素よりも一酸化炭素を多く含む還元性気体が好ましく用いられる。このため、本発明では、シフト反応など水素を濃縮する触媒やシステムが不要であり、また、部分酸化反応は発熱反応であることから、一旦反応が開始すれば外部からエネルギーを供給する必要もないため、小型で簡素な燃料改質器とすることができる。燃料改質器を小型化できることにより、燃料改質器のライトオフ時間を短縮でき、必要に応じて速やかに還元性気体を排気通路内や還流通路内に導入できる。
また、副次的に生成する軽質の炭化水素成分も、第１浄化触媒や第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）に導入することにより、ＮＯｘの還元に寄与できる。

請求項１２記載の発明によれば、適用される内燃機関は圧縮着火式の内燃機関であり、且つ使用する燃料は軽油である。ディーゼルなどの圧縮着火式内燃機関では、通常、リーン状態で運転が行われるため、従来よりＮＯｘの浄化が課題とされていたところ、本発明に係る排気浄化装置を適用することにより、効率的なＮＯｘの浄化が可能である。

以下、本発明の第一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の第一実施形態に係るエンジン及びその排気浄化装置の構成を示す図である。エンジン１は、各気筒７の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒７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２と、排気が流通する排気通路４と、排気通路４内の排気の一部を吸気通路２に還流するＥＧＲ通路６と、吸気通路２に吸気を圧送する過給機８とが設けられている。

吸気通路２は、吸気マニホールド３（吸気通路２の一部を兼ねる）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。排気通路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。ＥＧＲ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、排気通路４に設けられた図示しないタービンと、吸気通路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、排気通路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、吸気を加圧し吸気通路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。

吸気通路２のうち過給機８の上流側には、エンジン１の吸入空気量を制御するスロットル弁９が設けられている。このスロットル弁９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、吸気通路２のうち過給機８の下流側には、過給機８により加圧された吸気を冷却するためのインタークーラ１５が設けられている。

ＥＧＲ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。ＥＧＲ通路６には、還流される排気を冷却するＥＧＲクーラ１２と、還流する排気の流量を制御するＥＧＲ弁１３と、ＥＧＲクーラ１２の上流に酸化性能を有するＥＧＲ触媒１１と、ＥＧＲガス温度センサ１４と、が設けられている。ＥＧＲ弁１３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。ＥＧＲガス温度センサ１４は、ＥＣＵ４０に接続され、ＥＧＲガス温度センサ１４の検出信号は、ＥＣＵ４０に供給される。

ＥＧＲ触媒１１は、酸化性能を有する触媒であれば特に限定されず、従来公知の酸化触媒や三元触媒などを用いることができる。以下、ＥＧＲ触媒の調製法の一例を示す。例えば、Ｐｔ＝２．４ｇ／Ｌ、Ｐｄ＝６．０ｇ／Ｌ、Ａｌ_２Ｏ_３＝１５０ｇ／Ｌ、バインダー＝１０ｇ／Ｌの配合組成となるように、これら各成分を含む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得る。得られたスラリーを、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金製担体にコーティングし、６００℃×２時間の乾燥、焼成を行うことにより、ＥＧＲ触媒を調製できる。

ＥＧＲ通路６のうち、ＥＧＲ触媒１１の上流側には、燃料ガスを改質して一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ_２）、及び炭化水素（ＨＣ）を含む還元性気体を製造する燃料改質器５０が、第２導入通路５８を介して接続されている。燃料改質器５０で製造された還元性気体は、ＥＧＲ触媒１１の上流側からＥＧＲ通路６内に導入され、ＮＯｘ浄化触媒３２に流入する。

排気通路４の下流側には、三元触媒（第１浄化触媒）３１と、ＮＯｘ浄化触媒（第２浄化触媒）３２とが設けられている。また、これら三元触媒（以下、ＴＷＣという）３１とＮＯｘ浄化触媒３２には、図示しない触媒温度センサが備えられている。
第１浄化触媒としてのＴＷＣ３１は、例えば、以下に示す調製法により調製することができる。Ｐｔ＝２．４ｇ／Ｌ、Ｒｈ＝１．２ｇ／Ｌ、Ｐｄ＝６．０ｇ／Ｌ、ＣｅＯ_２＝５０ｇ／Ｌ、Ａｌ_２Ｏ_３＝１５０ｇ／Ｌ、バインダー＝１０ｇ／Ｌの配合組成となるように、これら各成分を含む材料を水系媒体とともにボールミルに投入し、攪拌・混合することでスラリーを得る。得られたスラリーを、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金製担体にコーティングし、６００℃×２時間の乾燥、焼成を行うことにより、ＴＷＣ３１を調製できる。

第２浄化触媒としてのＮＯｘ浄化触媒３２は、ＮＯｘの還元能力を強化するためにロジウム（Ｒｈ）を含有していることが好ましい。また、急激な酸素濃度変化などにおいても、安定した触媒作用を発揮するために酸素貯蔵能力を強化する必要があり、元素としてセリウム（Ｃｅ）を含有していることが好ましい。
より詳しくは、ＮＯｘ浄化触媒３２は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、セリア（ＣｅＯ_２）、及びセリウムと希土類の複合酸化物（以下、セリア系複合酸化物という）の担体に担持された、触媒として作用する白金（Ｐｔ）及びロジウム（Ｒｈ）と、ＮＯｘ吸着能力を有するセリア又はセリア系複合酸化物と、生成したアンモニア（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ことが好ましい。

ＮＯｘ浄化触媒３２としては、２層構造のＮＯｘ浄化触媒がより好ましく用いられる。以下、２層構造のＮＯｘ浄化触媒の調製法の一例を示す。例えば、下層として、Ｐｔ＝４．５ｇ／Ｌ、Ｒｈ＝１．０ｇ／Ｌ、ＣｅＯ_２＝６０ｇ／Ｌ、Ａｌ_２Ｏ_３＝３０ｇ／Ｌ、Ｃｅ−Ｐｒ−Ｌａ−Ｏｘ＝６０ｇ／Ｌ、Ｎｄ−Ｚｒ−Ｏｘ＝２０ｇ／Ｌの配合組成となるように、これら各成分を含む材料を水系媒体とともにボールミルに投入し、攪拌・混合することでスラリーを得る。得られたスラリーを、コーディエライト製担体にコーティングして形成される。
また、上層として、Ｆｅ・Ｃｅイオン交換βゼオライト＝７５ｇ／Ｌ、Ａｌ_２Ｏ_３＝７ｇ／Ｌ、バインダー＝８ｇ／Ｌの配合組成となるように、これら各成分を含む材料を水系媒体とともにボールミルに投入し、攪拌・混合することでスラリーを得る。得られたスラリーを上述の下層にコーティングし、６００℃×２時間の乾燥、焼成を行うことにより、ＮＯｘ浄化触媒３２を調製できる。

ＮＯｘ浄化触媒３２の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３２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、例えば、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９による吸入空気量の減量とによってエンジン１の燃焼室内の混合気の空燃比（エンジン空燃比）を化学量論比よりリッチ側にすることにより、還元剤をＮＯｘ浄化触媒３２に供給することにより行われる。
具体的には、ポスト燃焼又はリッチ燃焼により、エンジン１から排出される排気の空燃比（排気空燃比）をリッチ化することにより、ＮＯｘ浄化触媒３２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。また、後述するように、燃料改質器で製造された還元性気体を排気通路４内又はＥＧＲ通路内に導入することにより、排気空燃比をリッチ化して還元化が実行される。

以下、ＮＯｘ浄化触媒３２におけるＮＯｘの浄化について説明する。
先ず、エンジン空燃比を化学量論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３２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としてセリア又はセリア系複合酸化物に吸着される。

次に、エンジン空燃比を化学量論比よりリッチ側に設定するいわゆるリッチ運転を行い、排気空燃比をリッチ化する。即ち、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（Ｈ_２）が生成される。またさらに、排気中に含まれるＮＯｘ、及び、セリア又はセリア系複合酸化物（及び白金）に吸着されているＮＯｘ（ＮＯ、ＮＯ_２）と、生成された水素（Ｈ_２）とが触媒の作用で反応し、アンモニア（ＮＨ_３）及び水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。また、ここで生成されたアンモニア（ＮＨ_３）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、エンジン空燃比を化学量論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３２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、セリア又はセリア系複合酸化物に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（ＮＨ_４ ^＋）が吸着した状態では、排気中のＮＯｘ及び酸素（Ｏ_２）と、アンモニア（ＮＨ_３）とが反応して、窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。

このように、ＮＯｘ浄化触媒３２によれば、還元剤供給中に生成されるアンモニア（ＮＨ_３）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（ＮＨ_３）がＮＯｘと反応するので、ＮＯｘの浄化を効率良く行うことができる。

また、排気通路４のうちＮＯｘ浄化触媒３２の上流側であって、且つＴＷＣ３１の下流側には、燃料ガスを改質して一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ_２）、及び炭化水素（ＨＣ）を含む還元性気体を製造する燃料改質器５０が、第１導入通路５７を介して接続されている。燃料改質器５０で製造された還元性気体は、ＴＷＣ３１とＮＯｘ浄化触媒３２との間から排気通路４内に導入され、ＮＯｘ浄化触媒３２に流入する。

燃料改質器５０は、排気通路４にその一端側が接続された第１導入通路５７とＥＧＲ通路６にその一端側が接続された第２導入通路５８とに導入通路切り替え弁５６から分岐した導入通路と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置５２と、燃料ガス供給装置５２により供給された燃料ガス量を調整する燃料ガス調整弁５１と、コンプレッサ５４と、コンプレッサにより供給された空気量を調整する空気調整弁５３と、導入通路に設けられた改質触媒５５と、を含んで構成される。導入通路切り替え弁５６はＥＣＵ４０に接続されている。

燃料ガス供給装置５２は、燃料タンクに貯留された燃料をガス化し、燃料調整弁５１により流量を調整しながら改質触媒５５に燃料ガスを供給する。また、コンプレッサにより供給された空気は、空気調整弁５３によりその流量が調整された後、燃料ガスと均一に混合されて改質触媒５５に供給される。燃料改質器５０は、ＥＣＵ４０に接続されており、燃料ガスの供給量及び空気の供給量は、ＥＣＵ４０により制御される。また、燃料ガス及び空気の供給量を制御することで、排気通路４に導入される還元性気体の導入量を制御することが可能となっている。

改質触媒５５は、ロジウム及びセリアを含む。この改質触媒５５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。より具体的には、この改質触媒５５は、燃料ガス中の炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により、大気圧よりも高い圧力であり、且つ、体積分率で水素よりも一酸化炭素を多く含む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、ＥＧＲ通路６のうちＥＧＲ触媒１１の上流側を流通するＥＧＲガスよりも高温の還元性気体を、ＥＧＲ通路６内に導入することができる。また、排気通路４のうちＮＯｘ浄化触媒３２よりも上流側を流通する排気よりも高温の還元性気体を、排気通路４内に導入することができる。

以下、改質触媒５５の調製法の一例を示す。例えば、Ｐｔ＝０．８ｇ／Ｌ、Ｒｈ＝０．８ｇ／Ｌ、ＣｅＯ_２＝１５０ｇ／Ｌ、バインダー＝１０ｇ／Ｌの配合組成となるように、これら各成分を含む材料を水系媒体とともにボールミルに投入し、攪拌・混合することでスラリーを得る。得られたスラリーを、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金製担体にコーティングし、６００℃×２時間の乾燥、焼成を行うことにより、改質触媒５５を調製できる。

また、この改質触媒５５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５５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、排気通路４とは別に設けられている。即ち、燃料改質器５０の燃料ガス供給装置５２及び改質触媒５５は、排気通路４内には設けられていない。

ＥＣＵ４０には、エンジン１のクランク軸の回転角度を検出するクランク角度位置センサ（図示せず）、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ（図示せず）、エンジン１の吸入空気量（単位時間当りにエンジン１に新規に吸入される空気量）を検出するエアフローメータ２１、ＴＷＣ３１及びＮＯｘ浄化触媒３２に流入する排気の温度を検出する排気温度センサ３４、ＴＷＣ３１及びＮＯｘ浄化触媒３２に流入する排気の酸素濃度、即ち排気空燃比を検出するＵＥＧＯセンサ３３が接続されており、これらセンサの検出信号は、ＥＣＵ４０に供給される。
ここで、エンジン１の回転数は、クランク角度位置センサの出力に基づいて、ＥＣＵ４０により算出される。また、エンジン１の発生トルクは、図示しないアクセルペダルの踏み込み量に応じて決定される燃料噴射弁の燃料噴射量に基づいて、ＥＣＵ４０により算出される。

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、導入通路切り替え弁５６、スロットル弁９、ＥＧＲ弁１３、過給機８、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。

エンジン１は、通常はエンジン空燃比が化学量論比よりもリーン側に設定して運転され、エンジン空燃比を化学量論比よりもリッチ側に設定するリッチ化制御が周期的に行われる。

図３は、第一実施形態におけるエンジン制御の手順を示すフローチャートである。先ず、ステップＳ１では、ＥＧＲ触媒１１の活性状態を測定又は推定し、ＥＧＲ触媒１１が活性状態にあるか未活性状態にあるかを推定する。ＥＧＲ触媒１１が活性状態でＹＥＳと推定された場合にはステップＳ２に移り、未活性状態でＮＯと推定された場合にはステップＳ３に移る。
ここで、ＥＧＲ触媒１１の活性状態は、ＥＧＲ触媒１１の下流に配置されたＥＧＲガス温度センサ１４により測定されるＥＧＲガス温度に基づいて推定する。より詳しくは、ＥＧＲガス温度が一定値以下の場合にはＥＧＲ触媒１１が未活性状態と判断し、還元性気体をＥＧＲ触媒１１の上流部へと導く。ＥＧＲ触媒１１の下流のＥＧＲガス温度が一定値以上の場合には、ＥＧＲ触媒１１が活性化したものと判断し、還元性気体の導入通路を、排気通路４側に接続された第１導入通路５７へと切り替える。

ステップＳ２では、導入通路切り替え弁５６により第１導入通路５７への切り替えが行われ、ＥＧＲ通路６内へのＨ_２ガス（還元性気体）の添加が停止される。また、ステップＳ３では、導入通路切り替え弁５６により第２導入通路５８への切り替えが行われ、ＥＧＲ通路６内へのＨ_２ガス（還元性気体）の添加が実施される。なお、ステップＳ３では、エンジン１の燃焼室に吸入される吸気の空燃比がリッチにならないように、燃料改質器５０に供給する空気量を空気量調整弁５３で調整するとともに、燃料改質器５０に供給する燃料量を燃料量調整弁５１で調整することにより、還元性気体の導入量を制御する。

次いでステップＳ４に移り、ステップＳ４では、リッチ化手段によるリッチ化制御が実施される。

図４は、ステップＳ４で実施されるリッチ化制御の手順を示すフローチャートである。先ず、ステップＳ２１では、ＮＯｘ浄化触媒の吸着ＮＯｘ量を推定し、推定された吸着ＮＯｘ量が所定の吸着ＮＯｘ量判定値以上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Ｓ２２に移り、ＮＯの場合にはリッチ化制御を終了する。
ここで、ＮＯｘ浄化触媒の吸着ＮＯｘ量は、エンジン１の回転数及び発生トルクに基づいてＮＯｘ排出量を推定し、推定されたＮＯｘ排出量、エアフローメータ２１により測定されたエンジン１の吸入空気量、エンジン１の燃料消費量、エンジン１の運転時間、ＵＥＧＯセンサにより測定された排気中の酸素濃度のうち少なくとも１つに基づいて推定される。
また、吸着ＮＯｘ量判定値は、ＴＷＣ３１の温度及びＮＯｘ浄化触媒３２の温度の少なくとも一方の温度を推定又は検出し、推定された触媒温度に基づいて決定する。触媒温度の推定又は検出は、ＴＷＣ３１及びＮＯｘ浄化触媒３２それぞれに備えられた触媒温度センサにより推定又は検出される。

ステップＳ２２では、ＮＯｘ浄化触媒（ＬＮＣ）３２の温度が一定値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Ｓ２７に移り、ＮＯの場合にはステップＳ２３に移る。
ここで、ＮＯｘ浄化触媒３２の温度は触媒温度センサにより推定又は検出される。また、ＮＯｘ浄化触媒３２の温度に加えて、ＴＷＣ３１の温度、吸着ＮＯｘ量、エンジン１の回転数、及び発生トルクのうち少なくとも１つが、一定値以下であるか否かを判別してもよい。なお、ＴＷＣ３１の温度は、ＴＷＣ３１に備えられた触媒温度センサにより推定又は検出し、吸着ＮＯｘ量は、上記ステップＳ４と同様の手順により推定する。

ステップＳ２３では、通常リッチ制御（第２リッチ化制御）用の排気空燃比目標値を決定する。この排気空燃比目標値は、ＴＷＣ３１の温度、ＮＯｘ浄化触媒３２の温度、吸着ＮＯｘ量、リッチ化制御の継続時間、エンジン１の回転数、及び発生トルクのうち少なくとも１つに基づいて決定する。

ステップＳ２４では、通常リッチ化制御（第２リッチ化制御）を実施する。ここで、通常リッチ化制御としては、ポスト燃焼又はリッチ燃焼が実施される。
また、通常リッチ化制御中の排気空燃比はＵＥＧＯセンサによってモニタされ、ステップＳ２３で決定した排気空燃比の目標値に一致するように、通常リッチ化制御を実施する。より詳しくは、エンジン１の主噴射量、副噴射量、及び吸入空気量のうち少なくとも１つを調整してリッチ化制御する。

ステップＳ２５では、通常リッチタイマが０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Ｓ２６に移り、通常リッチタイマをスタートした後にステップＳ３３に移り、ＮＯの場合にはステップＳ３３に移る。

ステップＳ２２に戻って、ＮＯｘ浄化触媒（ＬＮＣ）３２の温度が一定値以下である場合にはステップＳ２７に移り、ステップＳ２７ではＨ_２リッチ化制御（第１リッチ化制御）用の排気空燃比目標値を決定する。この排気空燃比目標値は、通常リッチ化制御と同様の手順により決定する。

ステップＳ２８では、Ｈ_２リッチ化制御（第１リッチ化制御）を実施する。ここで、Ｈ_２リッチ化制御は、燃料改質器５０で製造された還元性気体を排気通路４内に導入することにより実施する。具体的には、吸気スロットル９を絞ることによりエンジン１の吸入空気量が低減され、燃料改質器５０から排気通路４内への還元性気体の添加が開始される。
また、Ｈ_２リッチ化制御中の排気空燃比はＵＥＧＯセンサによってモニタされ、ステップＳ２７で決定した排気空燃比の目標値に一致するように、還元性気体の導入量を調整してＨ_２リッチ化制御を実施する。

ステップＳ２９では、Ｈ_２リッチ化制御タイマと通常リッチタイマをスタートしてステップＳ３０に移る。ステップＳ３０では、ＮＯｘ浄化触媒（ＬＮＣ）３２の温度が一定値以上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Ｓ３２に移り、Ｈ_２リッチ化制御を停止し、Ｈ_２リッチ化制御タイマをセットしてステップＳ３３に移る。
判別がＮＯの場合には、ステップＳ３１に移り、Ｈ_２リッチ化制御タイマが一定時間を経過しているか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ３２に移り、Ｈ_２リッチ化制御を停止し、Ｈ_２リッチ化制御タイマをセットしてステップＳ３３に移る。また、判別がＮＯの場合にはステップＳ３３に移る。

ステップＳ３３では、通常リッチタイマが一定時間を経過しているか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ３４に移り、リッチ化制御を停止して通常リッチタイマをセットし、リッチ化制御を終了する。また、判別がＮＯの場合には、リッチ化制御を継続してリッチ化制御を終了する。

以上詳述したように、本実施形態によれば、燃料改質器５０で製造された還元性気体を、第１導入通路５７を通じて第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）３２よりも上流側から排気通路４内に導入できるうえ、第２導入通路５７を通じて還流触媒（以下、ＥＧＲ触媒という）１１の上流側から還流通路（以下、ＥＧＲ通路という）６内に導入することができる。ＥＧＲ通路６内に配置されたＥＧＲ触媒１１は、低温条件下において活性が低い場合、燃料改質器５０で製造された高温の還元性気体を導入できるため、ＥＧＲ触媒１１の温度を高めることができる。還元性気体中には低温酸化性に優れる一酸化炭素及び水素が含まれているため、より低温領域から一酸化炭素及び水素の酸化反応（発熱反応）が進行する結果、ＥＧＲ触媒１１の温度を早期に上昇させることができ、早期活性化が可能である。このため、デポジットの付着、堆積を軽減でき、ＥＧＲ通路６の閉塞を回避できる。従って、エンジン１からの排気に含まれるＮＯｘを低減したリッチ運転を実現できるとともに、運転状態によらず、例えばエンジン始動直後からでもＥＧＲを導入でき、ＮＯｘの排出を低減できる。
また、低温領域でのＥＧＲガスがクリーンであるため、エンジン始動直後からＥＧＲガスを導入できる結果、燃焼室内での燃焼温度を低下させることができ、エンジン１からのＮＯｘ排出量を低減させることができる。さらには、ＥＧＲ触媒１１上で一酸化炭素及び水素が酸化した場合に生成する二酸化炭素及び水蒸気といったＥＧＲ効果ガスは、燃焼温度の高温化を抑制することができ、ＮＯｘ排出量の低減に寄与できる。
また、還元性気体を排気通路４内に導入することで、エンジン空燃比をリーンにし、エンジン１における燃焼を最適な状態に保ちつつ、第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）３２に流入する排気の排気空燃比をリッチすることができる。従って、エンジン１の運転状態によらずＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。エンジン空燃比をリーンに保つことができるので、ポスト噴射などにより燃料を供給して排気空燃比を変化させた場合のように、オイルダイリューションが生じたりすることもない。
また、還元性気体を製造する燃料改質器５０を排気通路４とは別に設けることにより、エンジン１の運転状態や、排気の酸素濃度及び水蒸気濃度などによらず、常に最適な効率で還元性気体を製造できるとともに、この還元性気体をＥＧＲ通路６内又は排気通路４内に導入することができる。燃料改質器５０を排気通路４内に設けた場合には、排気の成分、温度、流速に影響することなく運転できるように、燃料改質器５０を大型化する必要があるが、本実施形態によれば、燃料改質器５０を排気通路４とは別に設けることで、装置を大型化する必要がなく、安定した運転が可能である。さらには、燃料改質器５０を排気通路４とは別に設けることにより、エンジン１の制御とは別系統の制御が可能となり、燃料改質器５０が備える改質触媒を早期に活性化できる。
また、水素を含む還元性気体を導入することにより、第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）３２における還元反応速度を向上させることができる。これにより、排気空燃比をリッチにしたときに、第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）３２に吸着又は吸蔵されたＮＯｘが還元されずに脱離するのを防止することができる。

また、本実施形態によれば、ＥＧＲ触媒１１の活性状態に応じて、第１導入通路５７と第２導入通路５８との切り替えができる。即ち、ＥＧＲ触媒１１の活性状態に応じて、燃料改質器５０で製造された還元性気体をＥＧＲ通路６内に導入するか、排気通路４内に導入するかを選択できる。具体的には、ＥＧＲ触媒１１が活性化されていない場合には、還元性気体をＥＧＲ通路６内に導入することにより、ＥＧＲ触媒１１の温度を高め、ＥＧＲ触媒１１の早期活性化が可能となる結果、排気に含まれるＮＯｘをより効果的に低減できる。

また、本実施形態によれば、燃料改質器５０で製造された還元性気体を、第１導入通路５７を通じてＥＧＲ通路６内に導入する場合には、エンジン１の燃焼室に吸入される吸気の空燃比がリッチにならないように、燃料改質器５０に供給する空気量及び燃料量のうち少なくとも一方を調整して還元性気体の導入量を制御する。このため、ＥＧＲ通路６内に還元性気体を導入した場合であっても、燃焼室に吸入される吸気の空燃比がリッチになることを回避でき、安定した運転が可能である。

また、本実施形態によれば、先ず、エンジン１の回転数及び発生トルクに基づいてＮＯｘ排出量を推定し、推定されたＮＯｘ排出量、エンジン１の吸入空気量、エンジン１の燃料消費量、エンジン１の運転時間、及び排気中の酸素濃度のうち少なくとも１つに基づいて、第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）３２の吸着ＮＯｘ量を推定する。次いで、推定された吸着ＮＯｘ量が所定の吸着ＮＯｘ量判定値以上である場合に、排気空燃比をリッチ化する。これにより、ＮＯｘ触媒３２に吸着又は吸蔵したＮＯｘの量が増大しすぎて、リッチ化したときに還元されずに流出してしまうＮＯｘ量を低減することができ、同時に過剰なリッチ化に伴う燃費の大幅な悪化を回避することができる。

また、本実施形態によれば、第１浄化触媒３１及び第２浄化触媒３２の少なくとも一方の触媒温度に基づいて、所定の吸着ＮＯｘ量判定値を決定することから、より効果的なタイミングでリッチ化できる。このため、還元剤の供給量を常に適切に調整することができる。
また、本実施形態によれば、エンジン１の運転状態に応じて、燃料改質器５０で製造された還元性気体の導入により排気空燃比をリッチ化するか、ポスト燃焼又はリッチ燃焼により排気空燃比をリッチ化するかが選択される。
また、本実施形態によれば、第１浄化触媒３１の温度、第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）３２の温度、吸着ＮＯｘ量、エンジン１の回転数、及びエンジン１の発生トルクのうち少なくとも１つに応じて、燃料改質器５０で製造された還元性気体の導入により排気空燃比をリッチ化するか、ポスト燃焼又はリッチ燃焼により排気空燃比をリッチ化するかが選択される。
即ち、第１浄化触媒３１の温度、第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）３２の温度、吸着ＮＯｘ量、エンジン１の回転数、及びエンジン１の発生トルクといった運転状態に応じて、還元性気体の導入によるリッチ化、あるいはポスト燃焼又はリッチ燃焼によるリッチ化が選択されることから、還元されずに流出してしまうＮＯｘ量をより効果的に低減でき、第１浄化触媒及び第２浄化触媒が高温になり、熱劣化が助長されることを回避できる。

また、本実施形態によれば、排気空燃比をリッチ化する際における排気空燃比が所定の目標値に一致するように、エンジン１の主噴射量、エンジン１の副噴射量、エンジン１の吸入空気量、及び燃料改質器５０で製造された還元性気体の導入量のうち少なくとも１つを調整する。これにより、リッチ化する際の排気空燃比を所望の値に設定できるため、ＮＯｘが還元されるのに最適な空燃比を常に実現することで、高効率なＮＯｘ浄化を可能にする。
また、本実施形態によれば、排気空燃比の所定の目標値を、第１浄化触媒３１の温度、第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）３２の温度、吸着ＮＯｘ量、リッチ化手段によるリッチ化制御の継続時間、エンジン１の回転数、及びエンジン１の発生トルクのうち少なくとも１つに基づいて決定する。これにより、常に最適な排気空燃比の排気を、第１浄化触媒３１や第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）３２に流入させることができる。

また、本実施形態によれば、燃料改質器５０で製造された還元性気体は、一酸化炭素、水素、及び炭化水素を含む。また、これらのうち、体積分率が最も多いのが一酸化炭素であり、体積分率が最も少ないのが炭化水素である。
炭化水素燃料を改質する燃料改質器５０では、炭化水素燃料と空気のみを原料とする部分酸化反応のみにより、一酸化炭素、水素、及び軽質の炭化水素を含む還元性気体が製造されるが、本実施形態では、水素よりも一酸化炭素を多く含む還元性気体が好ましく用いられる。このため、本実施形態では、シフト反応など水素を濃縮する触媒やシステムが不要であり、また、部分酸化反応は発熱反応であることから、一旦反応が開始すれば外部からエネルギーを供給する必要もないため、小型で簡素な燃料改質器５０とすることができる。燃料改質器５０を小型化できることにより、燃料改質器５０のライトオフ時間を短縮でき、必要に応じて速やかに還元性気体を排気通路４内や還流通路６内に導入できる。
また、副次的に生成する軽質の炭化水素成分も、第１浄化触媒３１や第２浄化触媒（ＮＯｘ触媒）３２に導入することにより、ＮＯｘの還元に寄与できる。
また、本実施形態によれば、適用されるエンジン１は圧縮着火式の内燃機関であり、且つ使用する燃料は軽油である。ディーゼルなどの圧縮着火式内燃機関では、通常、リーン状態で運転が行われるため、従来よりＮＯｘの浄化が課題とされていたところ、本実施形態に係る排気浄化装置を適用することにより、効率的なＮＯｘの浄化が可能である。

本実施形態では、ＥＣＵ４０がリッチ化手段、還流触媒活性推定手段の一部、導入通路切り替え手段の一部、燃料改質器制御手段の一部、ＮＯｘ排出量推定手段の一部、触媒温度推定手段の一部、吸着ＮＯｘ量判定値決定手段の一部、第１リッチ化制御手段、第２リッチ化制御手段、排気空燃比目標値決定手段の一部を構成する。具体的には、図３のステップＳ１が還流触媒活性推定手段に相当し、ステップＳ２〜３が導入通路切り替え手段に相当し、ステップＳ４がリッチ化手段に相当し、図４のステップＳ２１がＮＯｘ排出量推定手段及び吸着ＮＯｘ量判定値決定手段に相当し、ステップＳ２２が触媒温度推定手段に相当し、ステップ２３〜２６が第２リッチ化制御手段に相当し、ステップＳ２７〜３２が第１リッチ化制御手段に相当し、ステップＳ２３及び２７が排気空燃比目標値決定手段に相当する。

次に、本発明の第二実施形態について、図面を参照しながら説明するが、第一実施形態と同様の構成については、その説明を省略する。また、本実施形態におけるエンジン制御の手順は第一実施形態と同様であるため、フローチャート及びその説明についても省略する。

図２は、本発明の第二実施形態に係るエンジン及びその排気浄化装置の構成を示す図である。図２に示されるように、本実施形態に係る排気浄化装置の基本構成は第一実施形態と同様であり、相違点は、第１導入通路５７がＴＷＣ３１の上流側に接続されている点のみである。

本実施形態によれば、第一実施形態と同様の効果が得られる他、燃料改質器５０で製造された還元性気体を、第１導入通路５７を通じて、ＴＷＣ（第１浄化触媒）３１よりも上流側から排気通路４内に導入することができる。このため、ＮＯｘ触媒（第２浄化触媒）３２にてＮＯｘを還元処理する前に、還元性気体をＴＷＣ（第１浄化触媒）３１に流入させることができ、ＮＯｘ触媒（第２浄化触媒）３２に流入するＮＯｘ濃度を減少させることができる。従って、ＮＯｘ触媒（第２浄化触媒）３２にてＮＯｘを還元処理する際のＮＯｘスリップ量を低減させることができ、ＮＯｘ浄化率をより向上させることができる。

第一実施形態に係るエンジン及びその排気浄化装置の構成を示す図である。 第二実施形態に係るエンジン及びその排気浄化装置の構成を示す図である。 第一実施形態に係るエンジン制御の手順を示すフローチャートである。 第一実施形態に係るエンジン制御の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン
４ 排気通路
６ ＥＧＲ通路
１１ ＥＧＲ触媒
１４ ＥＧＲガス温度センサ
２１ エアフローメータ
３１ ＴＷＣ
３２ ＮＯｘ浄化触媒
３３ ＵＥＧＯセンサ
３４ 排気ガス温度センサ
４０ ＥＣＵ
５０ 燃料改質器
５６ 導入通路切り替え弁
５７ 第１導入通路
５８ 第２導入通路

Claims (11)

1. 周期的なリーン及びリッチ制御が行われる内燃機関の排気通路に設けられ、前記排気通路を流通する排気の空燃比を排気空燃比として、前記排気空燃比をリーンにしたときに、排気中のＮＯｘを吸着若しくは吸蔵し、前記排気空燃比をリッチにしたときに、前記吸着若しくは吸蔵したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化触媒を少なくとも有するＮＯｘ浄化手段を備える内燃機関の排気浄化装置において、
   前記ＮＯｘ浄化手段は、第１浄化触媒と、前記第１浄化触媒の下流側に設けられた前記ＮＯｘ浄化触媒である第２浄化触媒と、を有し、
   前記内燃機関の排気浄化装置は、
   前記排気空燃比をリッチ化するリッチ化手段と、
   排気の一部を前記内燃機関の吸気通路内に還流する還流通路と、
   前記還流通路内に設けられた酸化性能を有する還流触媒と、
   前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して還元性気体を製造する燃料改質器と、
   前記燃料改質器で製造された還元性気体を、前記排気通路のうち前記第２浄化触媒よりも上流側から前記排気通路内に導入するための第１導入通路と、
   前記燃料改質器で製造された還元性気体を、前記還流通路のうち前記還流触媒の上流側から前記還流通路内に導入するための第２導入通路と、
   前記還流触媒の活性状態を測定又は推定する還流触媒活性推定手段と、
   前記第１導入通路と前記第２導入通路とを切り替える導入通路切り替え手段と、をさらに備え、
   前記導入通路切り替え手段は、前記還流触媒活性推定手段により前記還流触媒が活性であると推定された場合には、前記第１導入通路へ切り替えをし、未活性であると推定された場合には、前記第２導入通路へ切り替えをすることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記第１導入通路は、前記燃料改質器で製造された還元性気体を、前記排気通路のうち前記第１浄化触媒よりも上流側から前記排気通路内に導入することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記燃料改質器で製造された還元性気体を、前記第１導入通路を通じて前記還流通路内に導入する場合には、前記内燃機関の燃焼室に吸入される吸気の空燃比がリッチにならないように、前記燃料改質器に供給する空気量及び燃料量のうち少なくとも一方を調整することにより、前記還元性気体の導入量を制御する燃料改質器制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記内燃機関の回転数及び前記内燃機関の発生トルクに基づいてＮＯｘ排出量を推定するＮＯｘ排出量推定手段と、
   前記ＮＯｘ排出量推定手段により推定されたＮＯｘ排出量、前記内燃機関の吸入空気量、前記内燃機関の燃料消費量、前記内燃機関の運転時間、及び排気中の酸素濃度のうち少なくとも１つに基づいて、前記第２浄化触媒の吸着ＮＯｘ量を推定する吸着ＮＯｘ量推定手段と、をさらに備え、
   前記リッチ化手段は、前記吸着ＮＯｘ量推定手段により推定された吸着ＮＯｘ量が所定の吸着ＮＯｘ量判定値以上である場合に、前記排気空燃比をリッチ化することを特徴とする請求項１から３いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記第１浄化触媒及び前記第２浄化触媒の少なくとも一方の温度を推定又は検出する触媒温度推定手段と、
   前記触媒温度推定手段により推定された触媒温度に基づいて前記所定の吸着ＮＯｘ量判定値を決定する吸着ＮＯｘ量判定値決定手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項４記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記リッチ化手段は、前記燃料改質器で製造された還元性気体の導入による第１リッチ化制御手段と、ポスト燃焼又はリッチ燃焼による第２リッチ化制御手段と、を有し、且つ、前記内燃機関の運転状態に応じて、前記排気空燃比を前記第１リッチ化制御手段によりリッチ化するか、前記第２リッチ化制御手段によりリッチ化するかを選択することを特徴とする請求項５記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記リッチ化手段は、前記触媒温度推定手段により推定された前記第１浄化触媒の温度、前記触媒温度推定手段により推定された前記第２浄化触媒の温度、前記吸着ＮＯｘ量推定手段により推定された吸着ＮＯｘ量、前記内燃機関の回転数、及び前記内燃機関の発生トルクのうち少なくとも１つに応じて、前記排気空燃比を前記第１リッチ化制御手段によりリッチ化するか、前記第２リッチ化制御手段によりリッチ化するかを選択することを特徴とする請求項６記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記リッチ化手段は、前記排気空燃比をリッチ化する際における排気空燃比が所定の目標値に一致するように、前記内燃機関の主噴射量、前記内燃機関の副噴射量、前記内燃機関の吸入空気量、及び前記燃料改質器で製造された還元性気体の導入量のうち少なくとも１つを調整することを特徴とする請求項５から７いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記排気空燃比の所定の目標値を、前記触媒温度推定手段により推定された第１浄化触媒の温度、前記触媒温度推定手段により推定された第２浄化触媒の温度、前記吸着ＮＯｘ量推定手段により推定された吸着ＮＯｘ量、前記リッチ化手段によるリッチ化制御の継続時間、前記内燃機関の回転数、及び前記内燃機関の発生トルクのうち少なくとも１つに基づいて決定する排気空燃比目標値決定手段をさらに備えることを特徴とする請求項８記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 前記燃料改質器で製造された還元性気体は、一酸化炭素、水素、及び炭化水素を含み、これらのうち体積分率が最も多いのが一酸化炭素であり、体積分率が最も少ないのが炭化水素であることを特徴とする請求項１から９いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 前記内燃機関は、圧縮着火式の内燃機関であり、且つ使用する燃料が軽油であることを特徴とする請求項１から１０いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。

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