WO2009087806A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Katsuji Wada
Shinya Ishimaru
Jun Iwamoto
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Honda Motor Co., Ltd.
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    • F02D41/1456—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio with sensor output signal being linear or quasi-linear with the concentration of oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/18—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow
    • F02D41/187—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow using a hot wire flow sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
    • F02D41/40—Controlling fuel injection of the high pressure type with means for controlling injection timing or duration
    • F02D41/402—Multiple injections
    • F02D41/405—Multiple injections with post injections
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/52—Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust purification device for an internal combustion engine. Specifically, the present invention relates to an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine that includes a NOx purification catalyst that adsorbs or occludes NOx in exhaust gas and reduces the adsorbed or occluded NOx.
  • the term “rich” indicates that the air / fuel ratio of the fuel in question (hereinafter referred to as “air-fuel ratio”) is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio, and is referred to as “lean”.
  • the term indicates that the air / fuel ratio of the fuel in question is greater than the stoichiometric air / fuel ratio described above.
  • the weight ratio of air to fuel in the air-fuel mixture flowing into the engine is referred to as engine air-fuel ratio
  • the weight ratio of air in the exhaust pipe to combustible gas is referred to as exhaust air-fuel ratio.
  • NOx nitrogen oxide
  • Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1 a NOx occlusion reduction catalyst (hereinafter referred to as “LNT”) is provided in the exhaust passage, and the exhaust gas is passed through an oxidation catalyst during a lean operation in which the exhaust gas has excess oxygen.
  • LNT NOx occlusion reduction catalyst
  • an exhaust emission control device that stores NOx by reacting with alkali metal or alkaline earth metal and stores the reduced NOx during a rich operation in which the oxygen concentration of the exhaust gas is reduced.
  • NOx occlusion and NOx reduction can be performed periodically by repeating the lean operation and the rich operation.
  • Non-Patent Document 2 NOx is adsorbed on the catalyst during a lean operation in which the exhaust gas is excessive in oxygen, and then a lean operation is performed to periodically create a state where the oxygen concentration in the exhaust gas is low.
  • a method is shown in which NOx adsorbed during lean operation is periodically reduced by periodically synthesizing and supplying carbon.
  • Non-Patent Document 2 first, during a lean operation in which the exhaust gas is excessive in oxygen, the following formulas (1) to (3) indicate that nitrogen monoxide present in the exhaust gas and Nitrogen dioxide is adsorbed on the catalyst.
  • rich operation is performed and carbon monoxide is synthesized.
  • the carbon monoxide synthesized here produces hydrogen by an aqueous gas shift reaction represented by the following formula (4) in an environment where the oxygen partial pressure is low.
  • a fuel reformer in which an LNT is provided in an exhaust passage and further, a hydrocarbon gas is reformed upstream of the LNT to produce a reducing gas containing hydrogen and carbon monoxide.
  • An exhaust purification system is provided with a vacuum vessel.
  • this exhaust purification system uses a fuel reformer that produces a reducing gas such that hydrogen is larger than carbon monoxide by volume ratio. According to this system, it is possible to selectively reduce NOx in the exhaust gas by adding a reducing gas containing hydrogen from the upstream side of the LNT into the exhaust gas.
  • a partial oxidation reaction using oxygen as an oxidant is known, for example, as shown in the following formula (9).
  • This partial oxidation reaction is an exothermic reaction using fuel and oxygen, and the reaction proceeds spontaneously. For this reason, once reaction starts, it can continue producing hydrogen, without supplying heat from the outside. Further, in such a partial oxidation reaction, when a fuel and oxygen coexist at a high temperature, a combustion reaction as shown in the following formula (10) also proceeds.
  • the temperature of the exhaust gas is raised by retarding the fuel injection timing or by reducing the intake throttle, thereby raising the temperature of the LNT.
  • the fuel consumption may deteriorate or the combustion stability of the engine may be impaired.
  • Patent Documents 3 and 4 are different from those shown in Patent Documents 1 and 2 described above. Basically, hydrogen and monoxide are contained in exhaust gas with excess oxygen regardless of lean operation and rich operation. Carbon and hydrocarbon are added.
  • a reducing agent such as hydrogen or carbon monoxide
  • NOx can be purified only at about 200 ° C. For example, when the temperature of LNT is 200 ° C. or higher, the added hydrogen and carbon monoxide are combusted. For this reason, at such a temperature, the amount of the additive is insufficient, and the reduction reaction of NOx does not proceed sufficiently.
  • the present invention has been made in consideration of the above-described points, and an object thereof is to provide an exhaust purification device for an internal combustion engine that can improve NOx purification performance regardless of the operating state of the engine.
  • the present invention provides an exhaust air-fuel ratio that is provided in an exhaust passage (4, 5) of an internal combustion engine, and that makes the exhaust air-fuel ratio lean, with the air-fuel ratio of the exhaust flowing through the exhaust passage being the exhaust air-fuel ratio.
  • An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine includes a NOx purification catalyst (33) that adsorbs or occludes NOx in exhaust gas and reduces the adsorbed or occluded NOx when the exhaust air-fuel ratio is made rich.
  • the exhaust purification device is provided separately from the exhaust passage, reforms the fuel to produce a reducing gas containing hydrogen and carbon monoxide, and the reducing gas is used as the NOx purification catalyst in the exhaust passage.
  • the enrichment means enriches the air-fuel ratio of the air-fuel mixture combusted in the internal combustion engine and satisfies the atmospheric pressure by the fuel reformer when one or more conditions are satisfied among the plurality of operating conditions.
  • the exhaust air / fuel ratio is enriched by supplying a reducing gas having a higher pressure into the exhaust passage. According to this configuration, when the exhaust air-fuel ratio is enriched, when one or more conditions are satisfied among the plurality of operating conditions, reducing gas containing hydrogen and carbon monoxide is supplied into the exhaust passage. To do.
  • the NOx reduction reaction in the NOx purification catalyst is promoted, and NOx is not reduced at the NOx purification catalyst, particularly at low temperatures. Can be prevented from flowing out.
  • the reducing gas produced by the fuel reformer is supplied into the exhaust passage, so that the engine The exhaust air / fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx purification catalyst can be made rich while making the air / fuel ratio lean and maintaining the combustion in the internal combustion engine in an optimum state. Therefore, the NOx purification performance can be improved regardless of the operating state of the internal combustion engine.
  • the engine air-fuel ratio can be kept lean, oil dilution does not occur and combustion of the internal combustion engine does not become unstable.
  • the reducing gas is always supplied with optimum efficiency regardless of the operating state of the internal combustion engine, the oxygen concentration and the water vapor concentration of the exhaust gas, etc. While being able to be manufactured, this reducing gas can be supplied into the exhaust passage.
  • the fuel reformer separately from the exhaust passage, it is possible to supply reducing gas as required, such as the operating state of the internal combustion engine.
  • the reducing gas can be supplied into the exhaust passage without adding an extra device.
  • the fuel reformer when the fuel reformer is provided in the exhaust passage, it is necessary to make the fuel reformer large so that it can be operated without affecting the exhaust gas component, temperature, and flow velocity. Accordingly, by providing the fuel reformer separately from the exhaust passage, stable operation can be performed without increasing the size of the apparatus. Further, by providing the fuel reformer separately from the exhaust passage, it is possible to activate the catalyst included in the fuel reformer at an early stage by performing control of a system different from the control of the internal combustion engine. Moreover, the reduction reaction rate in the NOx purification catalyst can be improved by supplying a reducing gas containing hydrogen. Thereby, when the exhaust air-fuel ratio is made rich, NOx adsorbed or stored in the NOx purification catalyst can be prevented from being desorbed without being reduced.
  • the plurality of operating conditions include that the internal combustion engine is in an idling operation state. According to this configuration, even when the internal combustion engine is in an idling state and it is difficult to make the engine air-fuel ratio rich, it is possible to promote the NOx reduction reaction in the NOx purification catalyst by supplying the reducing gas. be able to.
  • the plurality of operating conditions include that the internal combustion engine is in a decelerating operation state. According to this configuration, even when the internal combustion engine is in a decelerating operation state and it is difficult to make the engine air-fuel ratio rich, it is possible to promote the NOx reduction reaction in the NOx purification catalyst by supplying the reducing gas. be able to.
  • the plurality of operating conditions include a fuel injection amount of the internal combustion engine being smaller than a predetermined determination amount. According to this configuration, even when the fuel injection amount of the internal combustion engine is smaller than the predetermined determination amount and it is difficult to make the engine air-fuel ratio rich, in the NOx purification catalyst by supplying the reducing gas. The reduction reaction of NOx can be promoted.
  • the plurality of operating conditions include a generated torque (TRQ) of the internal combustion engine being smaller than a predetermined determination value.
  • TRQ generated torque
  • the plurality of operating conditions include a temperature (TE) of exhaust gas flowing through the exhaust passage being lower than a predetermined determination temperature.
  • TE temperature of exhaust gas flowing through the exhaust passage
  • the plurality of operating conditions include a temperature (TLNC) of the NOx purification catalyst being lower than a predetermined determination temperature (TATH).
  • TNL predetermined determination temperature
  • the exhaust purification device is configured to supply the reducing gas when the temperature (TLNC) of the NOx purification catalyst becomes equal to or higher than a predetermined determination temperature (TBTH) while the reducing gas is supplied from the fuel reformer.
  • Supply stop means (40) for stopping the supply of the reducing gas by the fuel reformer is provided.
  • the temperature of the NOx purification catalyst becomes equal to or higher than the predetermined determination temperature during the supply of the reducing gas, the supply of the reducing gas is stopped.
  • NOx can be efficiently reduced by stopping the supply of the reducing gas in response to the temperature rise and activation of the NOx purification catalyst.
  • the exhaust emission control device further includes a time measuring means (40) for measuring an elapsed time (TIMH) from the start of supply of the reducing gas by the fuel reformer.
  • the enrichment means stops the supply of reducing gas by the fuel reformer when the elapsed time measured by the timing means reaches a predetermined determination time (TIMHE).
  • TIMHE elapsed time
  • the exhaust purification device includes a temperature (TLNC) of the NOx purification catalyst, an estimated amount (TRN) of NOx adsorbed or stored in the NOx purification catalyst, a rotational speed (NE) of the internal combustion engine, and the internal combustion engine.
  • enrichment determination means for determining whether or not to enrich the exhaust air-fuel ratio based on at least one of engine generated torque (TRQ) is further provided. According to this configuration, it is possible to effectively enrich the exhaust air-fuel ratio according to the state of the internal combustion engine by determining whether or not to enrich the exhaust air-fuel ratio based on the NOx adsorption amount, the rotation speed, and the generated torque. it can.
  • the exhaust emission control device further includes an intake air amount reducing means for reducing an intake air amount (GA) of the internal combustion engine when the exhaust air-fuel ratio is made rich.
  • G intake air amount
  • the temperature of the exhaust gas can be raised and the NOx purification catalyst can be raised in temperature.
  • the exhaust purification device includes the temperature of the NOx purification catalyst (TLNC), the estimated amount of NOx adsorbed or stored in the NOx purification catalyst (TRN), the rich control duration (TIMNE, TIMHE), the internal combustion engine
  • Exhaust air / fuel ratio target value determining means (40) is further provided.
  • the enrichment means enriches the exhaust air / fuel ratio so that the exhaust air / fuel ratio (AF) matches the target values (NAFTV, HAFTV) determined by the exhaust air / fuel ratio target value determination means.
  • the target value of the exhaust air / fuel ratio is determined based on at least one of the temperature of the NOx purification catalyst, the NOx adsorption amount, the rich control time, the rotation speed, and the generated torque, and matches the target value.
  • the exhaust air-fuel ratio is enriched.
  • the enrichment means includes a main injection amount of the internal combustion engine such that the exhaust air / fuel ratio (AF) matches the target values (NAFTV, HAFTV) determined by the exhaust air / fuel ratio target value determination means, At least one of the post-injection amount of the internal combustion engine, the intake air amount (GA) of the internal combustion engine, and the supply amount (GRG) of reducing gas supplied from the fuel reformer to the exhaust passage is adjusted.
  • the exhaust air-fuel ratio is made to coincide with the target value by adjusting at least one of the main injection amount, the post injection amount, the intake air amount, and the reducing gas supply amount.
  • the exhaust air-fuel ratio can be more reliably matched with the target value.
  • the fuel reformer produces a reducing gas mainly composed of carbon monoxide by a partial oxidation reaction between a hydrocarbon fuel and air.
  • the fuel reformer can be made small by producing a reducing gas by a partial oxidation reaction. That is, as described above, the partial oxidation reaction is an exothermic reaction, and once the reaction starts, the reaction proceeds spontaneously, so that it is not necessary to provide a device for supplying extra energy from the outside. Further, there is no need to provide a converter or system for concentrating hydrogen such as shift reaction.
  • the light-off time of the fuel reformer can be shortened by reducing the size of the fuel reformer. Therefore, reducing gas can be quickly supplied into the exhaust passage as necessary.
  • light hydrocarbons produced as a secondary in the partial oxidation reaction can also be introduced into the NOx purification catalyst together with carbon monoxide and hydrogen and used for NOx reduction.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an internal combustion engine and an exhaust purification device thereof according to an embodiment of the present invention. It is a flowchart which shows the procedure of the enrichment control by ECU which concerns on the said embodiment. It is the schematic which shows the structure of the test apparatus of a NOx purification performance evaluation test. It is a figure which shows the test result of an Example and a comparative example.
  • Engine internal combustion engine
  • Exhaust pipe exhaust passage
  • Exhaust manifold exhaust passage
  • NOx purification catalyst 40
  • Electronic control unit riching means, enrichment determining means, supply stopping means, exhaust air / fuel ratio target value determining means, intake air amount reducing means, timing means 50 ...
  • Fuel reformer
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an internal combustion engine and an exhaust purification device thereof according to an embodiment of the present invention.
  • An internal combustion engine (hereinafter referred to as “engine”) 1 is a diesel engine that directly injects fuel into the combustion chamber of each cylinder 7, and each cylinder 7 is provided with a fuel injection valve (not shown).
  • These fuel injection valves are electrically connected by an electronic control unit (hereinafter referred to as “ECU”) 40, and the valve opening time and valve closing time of the fuel injection valve are controlled by the ECU 40.
  • ECU electronice control unit
  • the engine 1 includes an intake pipe 2 through which intake air circulates, an exhaust pipe 4 through which exhaust gas circulates, an exhaust gas recirculation passage 6 that recirculates part of the exhaust gas in the exhaust pipe 4 to the intake pipe 2, and intake air into the intake pipe 2. And a supercharger 8 for pressure-feeding.
  • the intake pipe 2 is connected to the intake port of each cylinder 7 of the engine 1 through a plurality of branch portions of the intake manifold 3.
  • the exhaust pipe 4 is connected to the exhaust port of each cylinder 7 of the engine 1 through a plurality of branch portions of the exhaust manifold 5.
  • the exhaust gas recirculation passage 6 branches from the exhaust manifold 5 and reaches the intake manifold 3.
  • the supercharger 8 includes a turbine (not shown) provided in the exhaust pipe 4 and a compressor (not shown) provided in the intake pipe 2.
  • the turbine is driven by the kinetic energy of the exhaust flowing through the exhaust pipe 4.
  • the compressor is rotationally driven by the turbine, pressurizes the intake air, and pumps it into the intake pipe 2.
  • the turbine includes a plurality of variable vanes (not shown), and is configured to change the turbine rotation speed (rotational speed) by changing the opening of the variable vanes.
  • the vane opening degree of the turbine is electromagnetically controlled by the ECU 40.
  • a throttle valve 9 for controlling the intake air amount GA of the engine 1 is provided upstream of the supercharger 8 in the intake pipe 2.
  • the throttle valve 9 is connected to the ECU 40 via an actuator, and the opening degree is electromagnetically controlled by the ECU 40.
  • an intercooler 11 for cooling the intake air pressurized by the supercharger 8 is provided on the downstream side of the supercharger 8 in the intake pipe 2.
  • the exhaust gas recirculation passage 6 connects the exhaust manifold 5 and the intake manifold 3 to recirculate part of the exhaust discharged from the engine 1.
  • the exhaust gas recirculation passage 6 is provided with an EGR cooler 12 that cools the exhaust gas that is recirculated, and an EGR valve 13 that controls the flow rate of the recirculated exhaust gas.
  • the EGR valve 13 is connected to the ECU 40 via an actuator (not shown), and the valve opening degree is electromagnetically controlled by the ECU 40.
  • a NOx purification catalyst 33 that purifies the exhaust gas is provided downstream of the supercharger 8 in the exhaust pipe 4.
  • the NOx purification catalyst 33 acts as a catalyst supported on a support of alumina (Al 2 O 3 ), ceria (CeO 2 ), and a composite oxide of cerium and rare earth (hereinafter referred to as “ceria-based composite oxide”).
  • Platinum (Pt) a ceria or ceria-based composite oxide having NOx adsorption ability, and a zeolite having a function of holding ammonia ammonia (NH 3 ) generated in the catalyst as ammonium ions (NH 4 + ).
  • the NOx purification catalyst 33 is formed by supporting a NOx reduction catalyst having two layers on a catalyst carrier.
  • the lower layer of the NOx reduction catalyst is platinum (4.5 g / L), ceria 60 (g / L), alumina 30 (g / L), and Ce—Pr—La—Ox 60 (g). / L) and 20 (g / L) of Zr—Ox together with an aqueous medium are put into a ball mill, stirred and mixed to produce a slurry, and this slurry is coated on a catalyst carrier. Formed.
  • the upper layer of the NOx reduction catalyst is 75 (g / L) obtained by ion-exchange of ⁇ -type zeolite with iron (Fe) and cerium (Ce), 7 (g / L) alumina, and 8 binders.
  • a material composed of (g / L) is put into a ball mill together with an aqueous medium, stirred and mixed to produce a slurry, and this slurry is coated on the lower layer.
  • the NOx purification capability decreases, so that a reducing agent is supplied to the NOx purification catalyst 33 (hereinafter referred to as “reduction”) in order to reduce NOx as appropriate.
  • a reducing agent is supplied to the NOx purification catalyst 33 (hereinafter referred to as “reduction”) in order to reduce NOx as appropriate.
  • the air-fuel ratio (engine air-fuel ratio) of the air-fuel mixture in the combustion chamber of the engine 1 is changed to a chemical amount by increasing the amount of fuel injected from the fuel injection valve and decreasing the intake air amount GA by the throttle valve 9.
  • the reducing agent is supplied to the NOx purification catalyst 33. That is, by enriching the air-fuel ratio (exhaust air-fuel ratio) of the exhaust discharged from the engine 1, the concentration of the reducing agent in the exhaust flowing into the NOx purification catalyst 33 becomes higher than the oxygen concentration, and reduction is performed.
  • the NOx purification in the NOx purification catalyst 33 will be described. First, when the engine air-fuel ratio is set leaner than the stoichiometric ratio and so-called lean burn operation is performed, the concentration of the reducing agent in the exhaust gas flowing into the NOx purification catalyst 33 becomes lower than the oxygen concentration. As a result, nitrogen monoxide (NO) and oxygen (O 2 ) in the exhaust gas react with each other by the action of the catalyst, and are adsorbed as NO 2 on the ceria or ceria-based composite oxide. In addition, carbon monoxide (CO) that has not reacted with oxygen is also adsorbed to ceria or ceria-based composite oxide.
  • NO nitrogen monoxide
  • O 2 oxygen
  • CO carbon monoxide
  • so-called rich operation is performed in which the engine air-fuel ratio is set to be richer than the stoichiometric ratio, and the exhaust air-fuel ratio is enriched. That is, when reduction is performed to make the reducing agent concentration in the exhaust gas higher than the oxygen concentration, carbon monoxide (CO) in the exhaust gas reacts with water (H 2 O), and carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen ( H 2 ) is generated, and hydrocarbons (HC) in the exhaust gas react with water to generate hydrogen together with carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ).
  • NOx contained in the exhaust gas NOx (NO, NO 2 ) adsorbed on ceria or ceria-based complex oxide (and platinum), and the produced hydrogen react with each other by the action of the catalyst, and ammonia (NH 3 ) and water are produced. Further, the ammonia generated here is adsorbed on the zeolite in the form of ammonium ions (NH 4 + ).
  • a fuel reformer 50 that reforms the fuel gas to produce a reformed gas containing hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). Is connected.
  • the fuel reformer 50 supplies the produced reformed gas as a reducing gas into the exhaust pipe 4 from the inlet 14 formed on the upstream side of the NOx purification catalyst 33 in the exhaust pipe 4.
  • the fuel reformer 50 is provided in the gas passage 51, a gas passage 51 whose one end is connected to the exhaust pipe 4, a fuel gas supply device 52 that supplies fuel gas from the other end of the gas passage 51, and the gas passage 51. And a reforming catalyst 53 as a reforming catalyst.
  • the fuel gas supply device 52 mixes fuel stored in the fuel tank and air supplied by the compressor at a predetermined ratio to produce fuel gas, and supplies the fuel gas to the gas passage 51.
  • the fuel gas supply device 52 is connected to the ECU 40, and the fuel gas supply amount and the mixing ratio thereof are controlled by the ECU 40. Further, by controlling the supply amount of the fuel gas, the supply amount GRG of the reducing gas supplied to the exhaust pipe 4 (the amount of reducing gas supplied into the exhaust pipe 4 per unit time) can be controlled. It is possible.
  • the reforming catalyst 53 contains rhodium and ceria.
  • the reforming catalyst 53 is a catalyst that reforms the fuel gas supplied from the fuel gas supply device 52 to produce a reformed gas containing hydrogen, carbon monoxide, and hydrocarbons. More specifically, the reforming catalyst 53 has a pressure higher than atmospheric pressure due to a partial oxidation reaction between the hydrocarbon fuel constituting the fuel gas and air, and has a volume ratio of carbon monoxide higher than hydrogen. A reformed gas containing a large amount of is produced. Further, as described above, the partial oxidation reaction is an exothermic reaction.
  • the fuel reformer 50 can supply reducing gas having a temperature higher than that of the exhaust gas in the vicinity of the inlet 14 in the exhaust pipe 4 into the exhaust pipe 4.
  • the reforming catalyst 53 is connected to a heater (not shown) including a glow plug, a spark plug, and the like, so that the reforming catalyst 53 can be heated when the fuel reformer 50 is started. It is possible.
  • the fuel reformer 50 is provided separately from the exhaust pipe 4. That is, the fuel gas supply device 52 and the reforming catalyst 53 of the fuel reformer 50 are not provided in the exhaust pipe 4.
  • the ECU 40 includes a crank angle position sensor (not shown) for detecting the rotation angle of the crankshaft of the engine 1, an accelerator sensor (not shown) for detecting an accelerator pedal depression amount AP of a vehicle driven by the engine 1, An air flow meter 21 for detecting the intake air amount GA of the engine 1 (the amount of air newly sucked into the engine 1 per unit time), an exhaust temperature sensor 22 for detecting the temperature TE of the exhaust gas flowing into the NOx purification catalyst 33, and A UEGO sensor 23 is connected to detect the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the NOx purification catalyst 33, that is, the exhaust air-fuel ratio AF, and detection signals from these sensors are supplied to the ECU 40.
  • the rotational speed NE of the engine 1 is calculated by the ECU 40 based on the output of the crank angle position sensor. Further, the generated torque TRQ of the engine 1 is calculated by the ECU 40 based on the fuel injection amount of the fuel injection valve determined according to the depression amount AP of an accelerator pedal (not shown).
  • the ECU 40 shapes an input signal waveform from various sensors, corrects a voltage level to a predetermined level, converts an analog signal value into a digital signal value, and a central processing unit (hereinafter, “ CPU ”).
  • the ECU 40 is a storage circuit that stores various calculation programs executed by the CPU, calculation results, and the like, a fuel reformer 50, a throttle valve 9, an EGR valve 13, a supercharger 8, and a fuel injection of the engine 1.
  • the engine 1 is normally operated with the engine air-fuel ratio set to a lean side with respect to the stoichiometric ratio, and the enrichment control for setting the exhaust air-fuel ratio to the rich side with respect to the stoichiometric ratio is periodically performed.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a procedure of enrichment control by the ECU.
  • the enrichment control includes a normal enrichment control for enriching the engine air-fuel ratio and an H 2 enrichment control for supplying the reducing gas produced by the fuel reformer to the exhaust pipe. It can be selectively executed according to the conditions.
  • step S1 it is determined whether or not to perform enrichment. If this determination is YES, the process proceeds to step S2, and if NO, the enrichment control is terminated. More specifically, the NOx adsorption amount TRN of the NOx purification catalyst is estimated based on the intake air amount GA, the fuel injection amount of the engine, and the like, and when this NOx adsorption amount TRN is equal to or greater than a predetermined determination amount TRNTH. Perform enrichment control. In step S2, it is determined whether or not the temperature TLNC of the NOx purification catalyst is lower than a predetermined determination temperature TATH. If this determination is YES, the process proceeds to step S8, and if NO, the process proceeds to step S3. In the present embodiment, the temperature TLNC of the NOx purification catalyst is estimated based on the exhaust temperature TE detected by the exhaust temperature sensor.
  • step S3 the target value NAFTV of the exhaust air-fuel ratio AF at the time of executing the normal enrichment control is determined, and the process proceeds to step S4.
  • the target exhaust air / fuel ratio NAFTV is determined based on at least one of the temperature TLNC of the NOx purification catalyst, the NOx adsorption amount TRN, the time TIMNE in which the rich control is continued, the rotational speed NE, and the generated torque TRQ.
  • step S4 the throttle valve is throttled to reduce the intake air amount GA, and the process proceeds to step S5.
  • step S5 execution of normal enrichment control is started, and the process proceeds to step S6.
  • step S6 it is determined whether or not the normal rich timer TIMN is 0. If this determination is YES, the process proceeds to step S7. After the normal rich timer TIMN is started, the process proceeds to step S15. Control goes to step S15.
  • step S8 the target value HAFTV of the exhaust air-fuel ratio AF at the time of executing the H 2 enrichment control is determined, and the process proceeds to step S9.
  • the target exhaust air-fuel ratio HAFTV is determined based on at least one of the temperature TLNC of the NOx purification catalyst, the NOx adsorption amount TRN, the time TIMHE for continuing the rich control, the rotational speed NE, and the generated torque TRQ.
  • the target exhaust air / fuel ratio HAFTV for H 2 enrichment control is set to a value different from the target exhaust air / fuel ratio NAFTV for normal enrichment control.
  • the throttle valve is throttled to reduce the intake air amount GA, and the process proceeds to step S10.
  • step S10 execution of H 2 enrichment control is started, and the process proceeds to step S11.
  • H 2 enrichment control at least one of the main injection amount of the engine, the post injection amount, the intake air amount GA, and the reducing gas supply amount GRG is set so that the exhaust air / fuel ratio AF matches the target exhaust air / fuel ratio HAFTV. Adjust.
  • step S11 the start of H 2 rich timer TIMH and usually rich timer TIMN, proceeds to step S12.
  • step S12 it is determined whether or not the temperature TLNC of the NOx purification catalyst is equal to or higher than a predetermined determination temperature TBTH. If this determination is YES, the process proceeds to step S14, and if NO, the process proceeds to step S13.
  • the determination temperature TBTH is set to a value larger than the above-described determination temperature TATH.
  • step S13 the measurement time TIMH of H 2 rich timer is determined whether or not a predetermined judgment time TIMHE smaller. If this determination is YES, the process proceeds to step S15, and if NO, the process proceeds to step S14. Determination time TIMHE of H 2 rich timer is set shorter than the determination time TIMNE normal rich timer described later.
  • step S14 supply of the reducing gas by the fuel reformer is stopped, the H 2 rich timer TIMH is reset, and the process proceeds to step S15.
  • step S15 it is determined whether or not the measurement time TIMN of the normal rich timer is smaller than a predetermined determination time TIMNE. If this determination is YES, the enrichment control is terminated, and if NO, the process proceeds to step S16.
  • step S16 the normal rich control is stopped, the normal rich timer TIMN is reset, and the rich control is terminated.
  • the exhaust air-fuel ratio is enriched, if one or more conditions are satisfied among the plurality of operating conditions, the reduction including hydrogen and carbon monoxide is performed.
  • a sex gas is supplied into the exhaust pipe 4.
  • the NOx reduction reaction in the NOx purification catalyst 33 is promoted.
  • NOx is reduced at the NOx purification catalyst 33 at low temperatures. It is possible to prevent outflow without being performed. Further, for example, even when the operating state of the engine 1 is applicable to a condition in which it is difficult to make the engine air-fuel ratio rich, the reducing gas produced by the fuel reformer 50 is supplied into the exhaust pipe 4.
  • the exhaust air / fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx purification catalyst 33 can be made rich while the engine air / fuel ratio is made lean and combustion in the engine 1 is kept in an optimal state. Therefore, the NOx purification performance can be improved regardless of the operating state of the engine 1.
  • the engine air-fuel ratio can be kept lean, oil dilution does not occur and combustion of the engine 1 does not become unstable.
  • the fuel reformer 50 for producing reducing gas separately from the exhaust pipe 4 the reducing performance can be always reduced with optimum efficiency regardless of the operating state of the engine 1 and the oxygen concentration and water vapor concentration of the exhaust gas. Gas can be produced and this reducing gas can be supplied into the exhaust pipe 4.
  • the fuel reformer 50 by providing the fuel reformer 50 separately from the exhaust pipe 4, it is possible to supply reducing gas as required, such as the operating state of the engine 1.
  • reducing gas such as the operating state of the engine 1.
  • the fuel reformer 50 when the fuel reformer 50 is provided in the exhaust pipe 4, it is necessary to make the fuel reformer 50 large so that the fuel reformer 50 can be operated without affecting the exhaust components, temperature, and flow velocity.
  • a stable operation can be performed without increasing the size of the apparatus.
  • the fuel reformer 50 separately from the exhaust pipe 4 it is possible to activate the catalyst included in the fuel reformer 50 at an early stage by controlling the system different from the control of the engine 1. It becomes.
  • the reducing gas can be supplied into the exhaust pipe 4 without adding an extra device.
  • the reduction reaction rate in the NOx purification catalyst 33 can be improved by supplying a reducing gas containing hydrogen.
  • a reducing gas containing hydrogen when the exhaust air-fuel ratio is made rich, NOx adsorbed or stored in the NOx purification catalyst 33 can be prevented from being desorbed without being reduced.
  • the reducing gas is supplied. The reduction reaction of NOx in the NOx purification catalyst 33 can be promoted.
  • the supply of the reducing gas is stopped.
  • NOx can be efficiently reduced by stopping the supply of the reducing gas in response to the temperature rise and activation of the NOx purification catalyst 33.
  • by continuously supplying the reducing gas for a long time it is possible to prevent wasteful consumption of fuel for producing the reducing gas.
  • the intake air amount GA is reduced, whereby the temperature of the exhaust gas can be raised and the NOx purification catalyst 33 can be raised in temperature. Further, it is possible to reduce the supply amount of reducing gas necessary for making the air-fuel ratio of the gas flowing into the NOx purification catalyst 33 rich.
  • the exhaust air / fuel ratio target values NAFTV, HAFTV based on at least one of the temperature TLNC of the NOx purification catalyst 33, the NOx adsorption amount TRN, the rich control time, the rotational speed NE, and the generated torque TRQ. And the exhaust air-fuel ratio is enriched so as to coincide with this target value. Thereby, it is possible to enrich the exhaust gas at an exhaust air / fuel ratio suitable for the state of the NOx purification catalyst 33 and the operating state of the engine 1.
  • the exhaust air-fuel ratio is matched with the target value by adjusting at least one of the main injection amount, the post injection amount, the intake air amount GA, and the reducing gas supply amount GRG.
  • the fuel reformer 50 can be made small by producing a reducing gas by a partial oxidation reaction. That is, as described above, the partial oxidation reaction is an exothermic reaction, and once the reaction starts, the reaction proceeds spontaneously, so that it is not necessary to provide a device for supplying extra energy from the outside. Further, there is no need to provide a converter or system for concentrating hydrogen such as shift reaction.
  • the light-off time of the fuel reformer 50 can be shortened by reducing the size of the fuel reformer 50 in this way. Therefore, the reducing gas can be quickly supplied into the exhaust pipe 4 as necessary.
  • light hydrocarbons produced as a secondary in the partial oxidation reaction can also be introduced into the NOx purification catalyst 33 together with carbon monoxide and hydrogen and used for NOx reduction.
  • the ECU 40 constitutes enrichment means, enrichment determination means, supply stop means, exhaust air / fuel ratio target value determination means, intake air amount reduction means, and timing means.
  • the means according to steps S1 to S16 in FIG. 2 correspond to the enrichment means
  • the means according to step S1 corresponds to the enrichment determination means
  • the means according to steps S12 and S14 correspond to the supply stop means.
  • the steps S3 and S8 correspond to the exhaust air / fuel ratio target value determining means
  • the steps S4 and S9 correspond to the intake air amount reducing means
  • the steps S7 and S11 correspond to the time measuring means.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the test apparatus 80 for the NOx purification performance evaluation test.
  • the test apparatus 80 includes a supply device 81 for supplying a model gas with a predetermined composition, a heater 83 in which an adsorbent 84 is provided, a gas analyzer 85 for analyzing the model gas, and a data acquisition computer 86. , Including.
  • the supply device 81 supplies a model gas composed of N 2 , CO 2 , O 2 , H 2 O, CO, HC, NOx, and H 2 to the heater 83.
  • the supply device 81 can adjust the flow rate of each component of the model gas.
  • the heater 83 includes a reactor 82 and an adsorbent 84 therein, and heats the reactor 82 and the adsorbent 84.
  • the reactor 82 mixes the model gas supplied from the supply device 81 and supplies it to the adsorbent 84.
  • the adsorbent 84 is composed of a three-way catalyst and a NOx purification catalyst. More specifically, in the three-way catalyst, a slurry having a composition described below is stirred and mixed with a water-based medium in a ball mill, and the slurry is coated on a Fe—Cr—Al alloy support. Use the one prepared by drying and baking at 2 ° C. for 2 hours.
  • the gas analyzer 85 is supplied from the reactor 82 to the adsorbent 84 and measures the NOx concentration of the model gas that has passed through the adsorbent 84.
  • the data acquisition computer 86 processes the data related to the NOx concentration and calculates the NOx purification rate for each temperature.
  • Cin is the NOx concentration of the model gas at the inlet of the adsorbent 84
  • Cout is the NOx concentration of the model gas at the outlet of the adsorbent 84.
  • the NOx concentration of the model gas was measured by the chemical luminescence method.
  • the model gas passed through the adsorbent 84 while being heated from 50 ° C. to 450 ° C. at 20 ° C./min.
  • the NOx purification rate of gas was measured.
  • a model gas having a lean atmosphere composition and a model gas having a rich atmosphere composition were alternately supplied over 55 seconds and 5 seconds, respectively.
  • Example 10 In the model gas of the example, the following gas is modeled on the one obtained by adding the reducing gas (including carbon monoxide, hydrogen, and hydrocarbon) produced by the fuel reformer according to the above embodiment to the exhaust gas.
  • a model gas having a composition was used.
  • a model gas of the comparative example a model gas having the following composition was used as a model of exhaust gas to which the above-described reducing gas was not added.
  • FIG. 4 is a diagram showing test results of Examples and Comparative Examples.
  • the horizontal axis represents the temperature of the model gas
  • the vertical axis represents the NOx purification rate.
  • a black circle shows the relationship between the gas temperature and the NOx purification rate in the example
  • a white circle shows the relationship between the gas temperature and the NOx purification rate in the comparative example. Comparing the NOx purification rate of the example and the NOx purification rate of the comparative example, the NOx purification rate of the example is substantially constant over the entire temperature range, whereas the comparative example has a particularly small NOx purification rate in the low temperature range. It has become. Therefore, it was verified that the NOx purification performance in the low temperature range can be improved by adding the reducing gas containing carbon monoxide and hydrogen as in the embodiment.
  • the NOx adsorption amount TRN is estimated, and it is determined whether or not the enrichment control is to be executed based on the NOx adsorption amount TRN (see step S1 in FIG. 2), but is not limited thereto. For example, it may be determined whether or not to execute the enrichment control based on the engine operating state such as the rotational speed NE and the generated torque TRQ. Alternatively, it may be determined whether to execute the enrichment control based on two or more of the NOx adsorption amount TRN, the rotational speed NE, and the generated torque TRQ. Thereby, it can enrich effectively according to the driving
  • the present invention is not limited to this. For example, whether the engine is in an idle operation state, whether the engine is in a deceleration operation state, whether the fuel injection amount of the engine is less than a predetermined determination amount, and the generated torque TRQ is smaller than a predetermined determination value And whether or not the temperature of the exhaust gas flowing through the exhaust pipe is lower than a predetermined determination temperature may be used. Moreover, you may judge based on two or more conditions among these several operating conditions.
  • the engine when the engine is in an idle operation state, in a deceleration operation state, when the fuel injection amount is smaller than a predetermined determination amount, or when the generated torque is smaller than a predetermined determination value, the engine Even when it becomes difficult to make the air-fuel ratio rich, it is possible to promote the NOx reduction reaction in the NOx purification catalyst by supplying the reducing gas. Further, even if the exhaust gas temperature is lower than a predetermined determination temperature and the reduction reaction in the NOx purification catalyst becomes difficult to occur, the reduction reaction of NOx in the NOx purification catalyst is promoted by supplying the reducing gas. Can do.
  • the present invention can also be applied to a gasoline internal combustion engine.
  • the present invention can also be applied to an exhaust emission control device such as a marine vessel propulsion engine such as an outboard motor having a vertical crankshaft.

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Abstract

　エンジンの運転状態によらずＮＯｘ浄化性能を向上できる内燃機関の排気浄化装置を提供すること。 　排気浄化装置は、内燃機関の排気管４に設けられ、排気空燃比をリーンにしたときに、排気中のＮＯｘを吸着もしくは吸蔵し、排気空燃比をリッチにしたときに、吸着もしくは吸蔵したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化触媒３３と、排気管４とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭素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の上流側から、排気管４内に供給する燃料改質器５０と、排気空燃比をリッチ化するリッチ化手段と、を備える。このリッチ化手段は、複数の運転条件のうち１つ又は複数の条件を満たす場合には、エンジンで燃焼させる混合気の空燃比をリッチにするとともに、燃料改質器５０により還元性気体を排気管４内に供給することで排気空燃比をリッチ化する。

Description

内燃機関の排気浄化装置
　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、エンジンへ流入する混合気における空気と燃料の重量比をエンジン空燃比といい、排気管内の空気と可燃性気体との重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、次にリーン運転を行い排気中の酸素濃度が低い状態を周期的につくるとともに、一酸化炭素を周期的に合成し供給することで、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＋Ｏ２→２ＮＯ２　　　　　　（２）
　ＮＯ２→ＮＯ２（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＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２　　　　　（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。
　５Ｈ２＋２ＮＯ→２ＮＨ３（吸着）＋２Ｈ２Ｏ　　（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。
　４ＮＨ３＋４ＮＯ＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ　　（６）
　２ＮＨ３＋ＮＯ２＋ＮＯ→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ　　（７）
　８ＮＨ３＋６ＮＯ２→７Ｎ２＋１２Ｈ２Ｏ　　　（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、例えば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。
　ＣｎＨｍ＋１／２ｎＯ２→ｎＣＯ＋１／２ｍＨ２　　（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。
　ＣｎＨｍ＋（ｎ＋１／４ｍ）Ｏ２→ｎＣＯ２＋１／２ｍＨ２Ｏ　　（１０）
　また、酸化剤として水蒸気を用いた、下記式（１１）に示す水蒸気改質反応が知られている。
　ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋１／２ｍ）Ｈ２　（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やすいものとなっている。
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 「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に示されたもののように、エンジンのリーン運転とリッチ運転と繰り返す場合には、以下のような課題がある。
　すなわち、リッチ運転を行い、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が活性温度より低い温度である場合には、一酸化炭素や炭化水素などの排気中の還元剤との還元反応が生じにくくなり、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、燃料噴射時期を遅角したり、吸気スロットルを絞ったりすることで、排気の温度を上昇させ、これによりＬＮＴの温度を上昇させることが考えられる。しかしながら、このような制御を行った場合、燃費が悪化したり、エンジンの燃焼安定性が損なわれたりするおそれがある。
　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に示されたものとは異なり、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ものである。
　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、このような温度では、添加剤の量が不足してしまい、ＮＯｘの還元反応が十分に進行しなくなってしまう。
　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おいて、この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する反応時間を増やす必要がある。しかしながら、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、コストがかかるおそれがある。
　また、燃料改質器を安定した状態で運転するには、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ると、燃料改質器を安定した状態で運転することが困難になってしまう。
　本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、エンジンの運転状態によらずＮＯｘ浄化性能を向上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本発明は、内燃機関の排気通路（４，５）に設けられ、当該排気通路を流通する排気の空燃比を排気空燃比として、当該排気空燃比をリーンにしたときに、排気中のＮＯｘを吸着もしくは吸蔵し、前記排気空燃比をリッチにしたときに、前記吸着もしくは吸蔵したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化触媒（３３）を備える内燃機関の排気浄化装置を提供する。前記排気浄化装置は、前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭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浄化触媒の上流側から、当該排気通路内に供給する燃料改質器（５０）と、前記排気空燃比をリッチ化するリッチ化手段（４０）と、を備える。当該リッチ化手段は、複数の運転条件のうち１つ又は複数の条件を満たす場合には、前記内燃機関で燃焼させる混合気の空燃比をリッチにするとともに、前記燃料改質器により、大気圧よりも高い圧力の還元性気体を前記排気通路内に供給することで前記排気空燃比をリッチ化する。
　この構成によれば、排気空燃比をリッチ化する際において、複数の運転条件のうち１つ又は複数の条件を満たす場合には、水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を排気通路内に供給する。このように、低温下における還元反応性に優れた水素を含む還元性気体を供給することにより、ＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘの還元反応を促進し、特に低温下においてＮＯｘ浄化触媒でＮＯｘが還元されずに流出するのを防止することができる。
　また、例えば、内燃機関の運転状態がエンジン空燃比をリッチにしにくい条件に当てはまるような場合であっても、燃料改質器により製造された還元性気体を排気通路内に供給することで、エンジン空燃比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、ＮＯｘ浄化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。したがって、内燃機関の運転状態によらずＮＯｘ浄化性能を向上することができる。またここで、エンジン空燃比はリーンに保つことができるので、オイルダイリューションが発生したり、内燃機関の燃焼が不安定になっ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、この還元性気体を排気通路内に供給することができる。また、燃料改質器を排気通路とは別に設けることで、内燃機関の運転状態など必要に応じて還元性気体を供給することが可能となる。また、大気圧より高い圧力の還元性気体を排気通路内に供給することにより、余分な装置を追加することなく還元性気体を排気通路内に供給できる。
　一方、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、燃料改質器を大型にする必要があるが、この構成によれば、燃料改質器を排気通路とは別に設けることで、装置を大型にすることなく安定した運転を行うことができる。また、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を行うことで、燃料改質器が備える触媒を早期に活性化することも可能となる。
　また、水素を含む還元性気体を供給することにより、ＮＯｘ浄化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、ＮＯｘ浄化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。
　好ましくは、前記複数の運転条件は、前記内燃機関がアイドル運転状態であることを含む。
　この構成によれば、内燃機関がアイドル運転状態となり、エンジン空燃比をリッチにしにくい状態になった場合であっても、還元性気体を供給することでＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘの還元反応を促進することができる。
　好ましくは、前記複数の運転条件は、前記内燃機関が減速運転状態であることを含む。
　この構成によれば、内燃機関が減速運転状態となり、エンジン空燃比をリッチにしにくい状態になった場合であっても、還元性気体を供給することでＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘの還元反応を促進することができる。
　好ましくは、前記複数の運転条件は、前記内燃機関の燃料噴射量が所定の判定量より少ないことを含む。
　この構成によれば、内燃機関の燃料噴射量が所定の判定量より少なくなり、エンジン空燃比をリッチにしにくい状態になった場合であっても、還元性気体を供給することでＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘの還元反応を促進することができる。
　好ましくは、前記複数の運転条件は、前記内燃機関の発生トルク（ＴＲＱ）が所定の判定値より小さいことを含む。
　この構成によれば、発生トルクが所定の判定値より小さくなり、エンジン空燃比をリッチにしにくい状態になった場合であっても、還元性気体を供給することでＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘの還元反応を促進することができる。
　好ましくは、前記複数の運転条件は、前記排気通路を流通する排気の温度（ＴＥ）が所定の判定温度より低いことを含む。
　この構成によれば、排気の温度が所定の判定温度より低く、ＮＯｘ浄化触媒における還元反応が生じにくくなった場合であっても、還元性気体を供給することでＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘの還元反応を促進することができる。
　好ましくは、前記複数の運転条件は、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度（ＴＬＮＣ）が所定の判定温度（ＴＡＴＨ）より低いことを含む。
　この構成によれば、ＮＯｘ浄化触媒の温度が所定の判定温度より低く、ＮＯｘ浄化触媒における還元反応が生じにくくなった場合であっても、還元性気体を供給することでＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘの還元反応を促進することができる。
　好ましくは、前記排気浄化装置は、前記燃料改質器により還元性気体を供給する間に、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度（ＴＬＮＣ）が所定の判定温度（ＴＢＴＨ）以上となった場合には、当該燃料改質器による還元性気体の供給を停止する供給停止手段（４０）を備える。
　この構成によれば、還元性気体を供給する間において、ＮＯｘ浄化触媒の温度が所定の判定温度以上となった場合には、この還元性気体の供給を停止する。このように、ＮＯｘ浄化触媒の温度が上昇し活性化されたことに応じて還元性気体の供給を停止することで、効率的にＮＯｘを還元することができる。
　好ましくは、前記排気浄化装置は、前記燃料改質器による還元性気体の供給を開始してからの経過時間（ＴＩＭＨ）を計測する計時手段（４０）をさらに備える。前記リッチ化手段は、前記計時手段により計測された経過時間が所定の判定時間（ＴＩＭＨＥ）になった場合には、前記燃料改質器による還元性気体の供給を停止する。
　この構成によれば、長時間に亘って還元性気体を供給し続けることによって、この還元性気体を製造するための燃料が無駄に消費するのを防止できる。
　好ましくは、前記排気浄化装置は、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度（ＴＬＮＣ）、前記ＮＯｘ浄化触媒に吸着又は吸蔵されたＮＯｘの推定量（ＴＲＮ）、前記内燃機関の回転数（ＮＥ）、及び前記内燃機関の発生トルク（ＴＲＱ）のうち少なくとも１つに基づいて、前記排気空燃比をリッチ化するか否かを判断するリッチ化判断手段をさらに備える。
　この構成によれば、ＮＯｘ吸着量、回転数、及び発生トルクに基づいて排気空燃比をリッチ化するか否かを判断することにより、内燃機関の状態に応じて効果的にリッチ化することができる。
　好ましくは、前記排気浄化装置は、前記排気空燃比をリッチにする際には、前記内燃機関の吸入空気量（ＧＡ）を低減する吸気量低減手段をさらに備える。
　この構成によれば、排気空燃比をリッチ化する際に吸入空気量を低減することにより、排気の温度を上昇しＮＯｘ浄化触媒を昇温することができる。また、ＮＯｘ浄化触媒に流入するガスの空燃比をリッチにするために必要な還元性気体の供給量を少なくすることができる。
　好ましくは、前記排気浄化装置は、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度（ＴＬＮＣ）、前記ＮＯｘ浄化触媒に吸着又は吸蔵されたＮＯｘの推定量（ＴＲＮ）、リッチ制御継続時間（ＴＩＭＮＥ，ＴＩＭＨＥ）、前記内燃機関の回転数（ＮＥ）、及び前記内燃機関の発生トルク（ＴＲＱ）のうち少なくとも１つに基づいて、前記排気空燃比をリッチ化する際における排気空燃比（ＡＦ）の目標値（ＮＡＦＴＶ，ＨＡＦＴＶ）を決定する排気空燃比目標値決定手段（４０）をさらに備える。前記リッチ化手段は、前記排気空燃比（ＡＦ）が前記排気空燃比目標値決定手段により決定された目標値（ＮＡＦＴＶ，ＨＡＦＴＶ）に一致するように、前記排気空燃比をリッチ化する。
　この構成によれば、ＮＯｘ浄化触媒の温度、ＮＯｘ吸着量、リッチ制御時間、回転数、及び発生トルクのうち少なくとも１つに基づいて排気空燃比の目標値を決定し、この目標値に一致するように排気空燃比をリッチ化する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒の状態、及び、内燃機関の運転状態に適した排気空燃比でリッチ化することができる。
　好ましくは、前記リッチ化手段は、前記排気空燃比（ＡＦ）が前記排気空燃比目標値決定手段により決定された目標値（ＮＡＦＴＶ，ＨＡＦＴＶ）に一致するように、前記内燃機関の主噴射量、前記内燃機関のポスト噴射量、前記内燃機関の吸入空気量（ＧＡ）、及び前記燃料改質器から前記排気通路に供給される還元性気体の供給量（ＧＲＧ）のうち、少なくとも１つを調整する。
　この構成によれば、主噴射量、ポスト噴射量、吸入空気量、還元性気体の供給量のうち少なくとも１つを調整することで、排気空燃比を目標値に一致させる。これにより、排気空燃比をより確実に目標値に一致させることができる。
　好ましくは、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、一酸化炭素を主成分とする還元性気体を製造する。
　この構成によれば、部分酸化反応により還元性気体を製造することにより、この燃料改質器を小型なものにできる。つまり、上述のように部分酸化反応は発熱反応であり、一旦反応が開始すれば自発的に反応が進行するため、外部から余分なエネルギーを供給する装置を設ける必要がないためである。また、シフト反応などの水素を濃縮するためのコンバータやシステムも設ける必要もない。また、このように燃料改質器を小型にすることで、燃料改質器のライトオフ時間を短縮できる。したがって、必要に応じて速やかに還元性気体を排気通路内に供給することができる。
　また、この部分酸化反応において副次的に生成される軽質の炭化水素も一酸化炭素や水素とともにＮＯｘ浄化触媒に導入して、ＮＯｘの還元に使用することもできる。
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ＥＣＵによるリッチ化制御の手順を示すフローチャートである。 ＮＯｘ浄化性能評価試験の試験装置の構成を示す概略図である。 実施例及び比較例の試験結果を示す図である。
符号の説明
　１…エンジン（内燃機関）
　４…排気管（排気通路）
　５…排気マニホールド（排気通路）
　３３…ＮＯｘ浄化触媒
　４０…電子制御ユニット（リッチ化手段、リッチ化判定手段、供給停止手段、排気空燃比目標値決定手段、吸気量低減手段、計時手段）
　５０…燃料改質器
発明を実施するための形態
　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、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管２と、排気が流通する排気管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のうち過給機８の上流側には、エンジン１の吸入空気量ＧＡ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、吸気管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１１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１２と、還流する排気の流量を制御するＥＧＲ弁１３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。
　排気管４のうち過給機８の下流側には、排気を浄化するＮＯｘ浄化触媒３３が設けられている。
　ＮＯｘ浄化触媒３３は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、セリア（ＣｅＯ２）、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）と、ＮＯｘ吸着能力を有するセリアもしくはセリア系複合酸化物と、触媒に生成されたアンモニアアンモニア（ＮＨ３）を、アンモニウムイオン（ＮＨ４ ＋）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、白金を４．５（ｇ／Ｌ）と、セリアを６０（ｇ／Ｌ）と、アルミナを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、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、このスラリーを上述の下層にコーティングして形成される。
　ＮＯｘ浄化触媒３３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、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ＧＡ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３３に供給する。すなわち、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（Ｏ２）とが触媒の作用で反応し、ＮＯ２としてセリアもしくはセリア系複合酸化物に吸着される。また、酸素と反応していない一酸化炭素（ＣＯ）も、セリアもしく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。すなわち、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（Ｈ２Ｏ）と反応して、二酸化炭素（ＣＯ２）と水素（Ｈ２）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（ＣＯ２）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、及びセリアもしくはセリア系複合酸化物（及び白金）に吸着されているＮＯｘ（ＮＯ，ＮＯ２）と、生成された水素とが触媒の作用で反応し、アンモニア（ＮＨ３）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（ＮＨ４ ＋）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、セリアもしく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（Ｎ２）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ＮＯｘ浄化触媒３３の上流側には、燃料ガスを改質して、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）を含む改質ガスを製造する燃料改質器５０が接続されている。この燃料改質器５０は、製造した改質ガスを還元ガスとして、排気管４のうちＮＯｘ浄化触媒３３の上流側に形成された導入口１４から、排気管４内に供給する。
　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。また、この燃料ガスの供給量を制御することで、排気管４に供給される還元ガスの供給量ＧＲＧ（単位時間当りに排気管４内に供給される還元ガスの量）を制御することが可能となっている。
　改質触媒５３は、ロジウム及びセリアを含む。この改質触媒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改質ガス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、大気圧よりも高い圧力であり、かつ、体積比で水素よりも一酸化炭素を多く含む改質ガスを製造する。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のうち導入口１４付近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、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ＡＰ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ＧＡ（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、ＮＯｘ浄化触媒３３に流入する排気の温度ＴＥを検出する排気温度センサ２２、及びＮＯｘ浄化触媒３３に流入する排気の酸素濃度、すなわち排気空燃比ＡＦを検出するＵＥＧＯセンサ２３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ＮＥ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ＴＲＱは、図示しないアクセルペダルの踏み込み量ＡＰ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、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、排気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２は、ＥＣＵによるリッチ化制御の手順を示すフローチャートである。図２に示すように、リッチ化制御は、エンジン空燃比をリッチ化する通常リッチ化制御と、燃料改質器で製造された還元ガスを排気管に供給するＨ２リッチ化制御とを、所定の条件に応じて選択的に実行可能となっている。
　ステップＳ１では、リッチ化を実行するか否かを判断し、この判断がＹＥＳの場合にはステップＳ２に移り、ＮＯの場合にはリッチ化制御を終了する。より具体的には、ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ吸着量ＴＲＮを、吸入空気量ＧＡ及びエンジンの燃料噴射量などに基づいて推定し、このＮＯｘ吸着量ＴＲＮが所定の判定量ＴＲＮＴＨ以上である場合にはリッチ化制御を実行する。
　ステップＳ２では、ＮＯｘ浄化触媒の温度ＴＬＮＣが所定の判定温度ＴＡＴＨより低いか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合はステップＳ８に移り、ＮＯの場合はステップＳ３に移る。本実施形態では、排気温度センサにより検出された排気温度ＴＥに基づいて、ＮＯｘ浄化触媒の温度ＴＬＮＣを推定する。
　ステップＳ３では、通常リッチ化制御実行時における排気空燃比ＡＦの目標値ＮＡＦＴＶを決定し、ステップＳ４に移る。ここで、この目標排気空燃比ＮＡＦＴＶは、ＮＯｘ浄化触媒の温度ＴＬＮＣ、ＮＯｘ吸着量ＴＲＮ、リッチ制御を継続する時間ＴＩＭＮＥ、回転数ＮＥ、及び発生トルクＴＲＱのうち少なくとも１つに基づいて決定される。
　ステップＳ４では、スロットル弁を絞り吸入空気量ＧＡを低減し、ステップＳ５に移る。
　ステップＳ５では、通常リッチ化制御の実行を開始し、ステップＳ６に移る。この通常リッチ化制御では、排気空燃比ＡＦが目標排気空燃比ＮＡＦＴＶに一致するように、エンジンの主噴射量、ポスト噴射量、吸入空気量ＧＡのうち少なくとも１つを調整する。
　ステップＳ６では、通常リッチタイマＴＩＭＮが０であるか否かを判別し、この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ７に移り、通常リッチタイマＴＩＭＮをスタートした後にステップＳ１５に移り、ＮＯの場合にはステップＳ１５に移る。
　ステップＳ８では、Ｈ２リッチ化制御実行時における排気空燃比ＡＦの目標値ＨＡＦＴＶを決定し、ステップＳ９に移る。ここで、この目標排気空燃比ＨＡＦＴＶは、ＮＯｘ浄化触媒の温度ＴＬＮＣ、ＮＯｘ吸着量ＴＲＮ、リッチ制御を継続する時間ＴＩＭＨＥ、回転数ＮＥ、及び発生トルクＴＲＱのうち少なくとも１つに基づいて決定される。またここで、Ｈ２リッチ化制御用の目標排気空燃比ＨＡＦＴＶは、通常リッチ化制御用の目標排気空燃比ＮＡＦＴＶと異なる値に設定される。
　ステップＳ９では、スロットル弁を絞り吸入空気量ＧＡを低減し、ステップＳ１０に移る。
　ステップＳ１０では、Ｈ２リッチ化制御の実行を開始し、ステップＳ１１に移る。このＨ２リッチ化制御では、排気空燃比ＡＦが目標排気空燃比ＨＡＦＴＶに一致するように、エンジンの主噴射量、ポスト噴射量、吸入空気量ＧＡ、及び還元ガス供給量ＧＲＧのうち少なくとも１つを調整する。
　ステップＳ１１では、Ｈ２リッチタイマＴＩＭＨ及び通常リッチタイマＴＩＭＮをスタートし、ステップＳ１２に移る。
　ステップＳ１２では、ＮＯｘ浄化触媒の温度ＴＬＮＣが所定の判定温度ＴＢＴＨ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Ｓ１４に移り、ＮＯの場合にはステップＳ１３に移る。ここで、判定温度ＴＢＴＨは、上述の判定温度ＴＡＴＨよりも大きな値に設定される。
　ステップＳ１３では、Ｈ２リッチタイマの計測時間ＴＩＭＨが所定の判定時間ＴＩＭＨＥより小さいか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ１５に移り、ＮＯの場合にはステップＳ１４に移る。Ｈ２リッチタイマの判定時間ＴＩＭＨＥは、後述の通常リッチタイマの判定時間ＴＩＭＮＥより短く設定される。
　ステップＳ１４では、燃料改質器による還元ガスの供給を停止し、Ｈ２リッチタイマＴＩＭＨをリセットし、ステップＳ１５に移る。
　ステップＳ１５では、通常リッチタイマの計測時間ＴＩＭＮが所定の判定時間ＴＩＭＮＥより小さいか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはリッチ化制御を終了し、ＮＯの場合にはステップＳ１６に移る。
　ステップＳ１６では、通常リッチ化制御を停止し、通常リッチタイマＴＩＭＮをリセットし、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、排気空燃比をリッチ化する際において、複数の運転条件のうち１つ又は複数の条件を満たす場合には、水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を排気管４内に供給する。このように、低温下における還元反応性に優れた水素を含む還元性気体を供給することにより、ＮＯｘ浄化触媒３３におけるＮＯｘの還元反応を促進し、特に低温下においてＮＯｘ浄化触媒３３でＮＯｘが還元されずに流出するのを防止することができる。
　また、例えば、エンジン１の運転状態がエンジン空燃比をリッチにしにくい条件に当てはまるような場合であっても、燃料改質器５０により製造された還元性気体を排気管４内に供給することで、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、ＮＯｘ浄化触媒３３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。したがって、エンジン１の運転状態によらずＮＯｘ浄化性能を向上することができる。またここで、エンジン空燃比はリーンに保つことができるので、オイルダイリューションが発生したり、エンジン１の燃焼が不安定になっ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を排気管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、この還元性気体を排気管４内に供給することができる。また、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることで、エンジン１の運転状態など必要に応じて還元性気体を供給することが可能となる。
　一方、燃料改質器５０を排気管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を大型にする必要があるが、本実施形態よれば、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることで、装置を大型にすることなく安定した運転を行うことができる。また、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることにより、エンジン１の制御とは別系統の制御を行うことで、燃料改質器５０が備える触媒を早期に活性化することも可能となる。また、大気圧より高い圧力の還元ガスを排気管４内に供給することにより、余分な装置を追加することなく還元ガスを排気管４内に供給できる。
　また、水素を含む還元性気体を供給することにより、ＮＯｘ浄化触媒３３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、ＮＯｘ浄化触媒３３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、ＮＯｘ浄化触媒３３の温度ＴＬＮＣが所定の判定温度ＴＡＴＨより低く、ＮＯｘ浄化触媒３３における還元反応が生じにくくなった場合であっても、還元性気体を供給することでＮＯｘ浄化触媒３３におけるＮＯｘの還元反応を促進することができる。
　また本実施形態によれば、還元性気体を供給する間において、ＮＯｘ浄化触媒３３の温度ＴＬＮＣが所定の判定温度ＴＢＴＨ以上となった場合には、この還元性気体の供給を停止する。このように、ＮＯｘ浄化触媒３３の温度が上昇し活性化されたことに応じて還元性気体の供給を停止することで、効率的にＮＯｘを還元することができる。
　また本実施形態によれば、長時間に亘って還元性気体を供給し続けることによって、この還元性気体を製造するための燃料が無駄に消費するのを防止できる。
　また本実施形態によれば、ＮＯｘ吸着量に基づいて排気空燃比をリッチ化するか否かを判断することにより、内燃機関の状態に応じて効果的にリッチ化することができる。
　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吸入空気量ＧＡを低減することにより、排気の温度を上昇しＮＯｘ浄化触媒３３を昇温することができる。また、ＮＯｘ浄化触媒３３に流入するガスの空燃比をリッチにするために必要な還元性気体の供給量を少なくすることができる。
　また本実施形態によれば、ＮＯｘ浄化触媒３３の温度ＴＬＮＣ、ＮＯｘ吸着量ＴＲＮ、リッチ制御時間、回転数ＮＥ、及び発生トルクＴＲＱのうち少なくとも１つに基づいて排気空燃比の目標値ＮＡＦＴＶ，ＨＡＦＴＶを決定し、この目標値に一致するように排気空燃比をリッチ化する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒３３の状態、及び、エンジン１の運転状態に適した排気空燃比でリッチ化することができる。
　また本実施形態によれば、主噴射量、ポスト噴射量、吸入空気量ＧＡ、還元性気体の供給量ＧＲＧのうち少なくとも１つを調整することで、排気空燃比を目標値に一致させる。これにより、排気空燃比をより確実に目標値に一致させることができる。
　また本実施形態によれば、部分酸化反応により還元性気体を製造することにより、この燃料改質器５０を小型なものにできる。つまり、上述のように部分酸化反応は発熱反応であり、一旦反応が開始すれば自発的に反応が進行するため、外部から余分なエネルギーを供給する装置を設ける必要がないためである。また、シフト反応などの水素を濃縮するためのコンバータやシステムも設ける必要もない。また、このように燃料改質器５０を小型にすることで、燃料改質器５０のライトオフ時間を短縮できる。したがって、必要に応じて速やかに還元性気体を排気管４内に供給することができる。
　また、この部分酸化反応において副次的に生成される軽質の炭化水素も一酸化炭素や水素とともにＮＯｘ浄化触媒３３に導入して、ＮＯｘの還元に使用することもできる。
　本実施形態では、ＥＣＵ４０が、リッチ化手段、リッチ化判定手段、供給停止手段、排気空燃比目標値決定手段、吸気量低減手段、及び計時手段を構成する。具体的には、図２のステップＳ１～Ｓ１６に係る手段がリッチ化手段に相当し、ステップＳ１に係る手段がリッチ化判定手段に相当し、ステップＳ１２，Ｓ１４に係る手段が供給停止手段に相当し、ステップＳ３、Ｓ８に係るが排気空燃比目標値決定手段に相当し、ステップＳ４，Ｓ９に係るが吸気量低減手段に相当し、ステップＳ７，Ｓ１１に係る手段が計時手段に相当する。
　次に、上記実施形態のように、還元ガスを排気管に供給することによる効果を検証するＮＯｘ浄化評価試験について図３及び図４を参照して説明する。
　［ＮＯｘ浄化性能評価試験方法］
　図３は、ＮＯｘ浄化性能評価試験の試験装置８０の構成を示す概略図である。
　試験装置８０は、モデルガスを所定の組成で供給する供給装置８１と、吸着剤８４がその内部に設けられた加熱器８３と、モデルガスを分析するガス分析計８５及びデータ取り込み用計算機８６と、を含んで構成される。
　供給装置８１は、Ｎ２、ＣＯ２、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ、及びＨ２で構成されるモデルガスを、加熱器８３に供給する。この供給装置８１は、モデルガスの各成分の流量を調整することが可能となっている。
　加熱器８３は、その内部に、反応器８２と吸着剤８４とを備え、これら反応器８２及び吸着剤８４を加熱する。反応器８２は、供給装置８１から供給されたモデルガスを混合し吸着剤８４に供給する。
　吸着剤８４は、三元触媒とＮＯｘ浄化触媒とで構成されるものを用いる。
　三元触媒には、より具体的には、後述の組成の材料を水系媒体とともにボールミルで攪拌・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合金製担体にコーティングし、６００℃で２時間に亘り乾燥・焼成した調製されたものを用いる。三元触媒の組成は、Ｐｔ＝２．４、Ｒｈ＝１．２、Ｐｄ＝６．０、ＣｅＯ２＝５０、Ａｌ２Ｏ３＝１５０、バインダー＝１０、となっている。
　ＮＯｘ浄化触媒には、上述の実施形態に記載されたＮＯｘ浄化触媒３３（上述の図１参照）と同じものを用いたので、その説明を省略する。
　ガス分析計８５は、加熱器８３内において、反応器８２から吸着剤８４に供給され、この吸着剤８４を通過したモデルガスのＮＯｘ濃度を測定する。データ取り込み用計算機８６は、このＮＯｘ濃度に関するデータを処理し、各温度に対するＮＯｘ浄化率を算出する。ＮＯｘ浄化率は、次式に基づいて算出する。
　ＮＯｘ浄化率［％］＝（Ｃｉｎ－Ｃｏｕｔ）／Ｃｉｎ×１００
　ここで、Ｃｉｎは、吸着剤８４の流入口におけるモデルガスのＮＯｘ濃度であり、Ｃｏｕｔは、吸着剤８４の流出口におけるモデルガスのＮＯｘ濃度である。また、モデルガスのＮＯｘ濃度は、ケミカル・ルミネッセン法により測定した。
　本評価試験では、以上のように構成された試験装置８０において、モデルガスを供給しながら、このモデルガスを５０℃から４５０℃まで２０℃／分で加熱しつつ、吸着剤８４を通過したモデルガスのＮＯｘ浄化率を測定した。
　また、モデルガスは、リーン雰囲気の組成のモデルガスと、リッチ雰囲気の組成のモデルガスと、をそれぞれ５５秒及び５秒に亘って交互に供給した。
　［実施例］
　実施例のモデルガスには、上記実施形態に係る燃料改質器により製造された還元ガス（一酸化炭素、水素、及び炭化水素を含む）を排気に添加したものを模したものとして、下記の組成を有するモデルガスを用いた。
　リーン雰囲気
　ＮＯ　　　　　　　　　：９０ｐｐｍ
　ＣＯ　　　　　　　　　：６０００ｐｐｍ
　ＨＣ（プロピレン）　　：５００ｐｐｍＣ（Ｃ３Ｈ６）
　Ｏ２　　　　　　　　　：６％
　ＣＯ２　　　　　　　　：６％
　Ｈ２Ｏ　　　　　　　　：７％
　Ｎ２　　　　　　　　　：バランスガス
　Ｈ２　　　　　　　　　：５０００ｐｐｍ
　ＳＶ＝５００００ｈ－１
　リッチ雰囲気
　ＮＯ　　　　　　　　　：９０ｐｐｍ
　ＣＯ　　　　　　　　　：２．１％
　ＨＣ（プロピレン）　　：５００ｐｐｍＣ（Ｃ３Ｈ６）
　Ｏ２　　　　　　　　　：０％
　ＣＯ２　　　　　　　　：６％
　Ｈ２Ｏ　　　　　　　　：７％
　Ｎ２　　　　　　　　　：バランスガス
　Ｈ２　　　　　　　　　：６０００ｐｐｍ
　ＳＶ＝５００００ｈ－１
　［比較例］
　比較例のモデルガスには、上述の還元ガスが添加されていない排気を模したものとして、下記の組成を有するモデルガスを用いた。
　リーン雰囲気
　ＮＯ　　　　　　　　　：９０ｐｐｍ
　ＣＯ　　　　　　　　　：１０００ｐｐｍ
　ＨＣ（プロピレン）　　：５００ｐｐｍＣ（Ｃ３Ｈ６）
　Ｏ２　　　　　　　　　：６％
　ＣＯ２　　　　　　　　：６％
　Ｈ２Ｏ　　　　　　　　：７％
　Ｎ２　　　　　　　　　：バランスガス
　Ｈ２　　　　　　　　　：０ｐｐｍ
　ＳＶ＝５００００ｈ－１
　リッチ雰囲気
　ＮＯ　　　　　　　　　：９０ｐｐｍ
　ＣＯ　　　　　　　　　：２％
　ＨＣ（プロピレン）　　：５００ｐｐｍＣ（Ｃ３Ｈ６）
　Ｏ２　　　　　　　　　：０％
　ＣＯ２　　　　　　　　：６％
　Ｈ２Ｏ　　　　　　　　：７％
　Ｎ２　　　　　　　　　：バランスガス
　Ｈ２　　　　　　　　　：０ｐｐｍ
　ＳＶ＝５００００ｈ－１
　［試験結果］
　図４は、実施例及び比較例の試験結果を示す図である。図４において、横軸はモデルガスの温度を示し、縦軸はＮＯｘ浄化率を示す。また、黒丸は実施例におけるガス温度とＮＯｘ浄化率との関係を示し、白丸は比較例におけるガス温度とＮＯｘ浄化率との関係を示す。
　実施例のＮＯｘ浄化率と比較例のＮＯｘ浄化率とを比較すると、実施例のＮＯｘ浄化率は全温度域に亘りほぼ一定であるのに対し、比較例は低温域におけるＮＯｘ浄化率が特に小さくなっている。したがって、実施例のように一酸化炭素及び水素を含む還元ガスを添加することにより、特に低温域におけるＮＯｘ浄化性能を向上できることが検証された。
　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。
　上記実施形態では、ＮＯｘ吸着量ＴＲＮを推定し、このＮＯｘ吸着量ＴＲＮに基づいてリッチ化制御を実行するか否かの判断を行った（図２中ステップＳ１参照）が、これに限らない。例えば、回転数ＮＥや、発生トルクＴＲＱなどのエンジンの運転状態に基づいてリッチ化制御を実行するか否かの判断を行ってもよい。あるいは、ＮＯｘ吸着量ＴＲＮ、回転数ＮＥ、及び発生トルクＴＲＱのうち２つ以上に基づいて、リッチ化制御を実行するか否かの判断を行ってもよい。これにより、エンジン１の運転状態に応じて効果的にリッチ化することができる。
　上記実施形態では、ＮＯｘ浄化触媒の温度ＴＬＮＣに基づいてＨ２リッチ化制御を実行するか否かの判断を行ったがこれに限らない。例えば、エンジンがアイドル運転状態であるか否か、エンジンが減速運転状態であるか否か、エンジンの燃料噴射量が所定の判定量より少ないか否か、発生トルクＴＲＱが所定の判定値より小さいか否か、及び、排気管を流通する排気の温度が所定の判定温度より小さいか否か、などの運転条件に基づいて判断してもよい。また、これら複数の運転条件のうち、２つ以上の条件に基づいて判断してもよい。
　これにより、エンジンがアイドル運転状態となった場合、減速運転状態となった場合、燃料噴射量が所定の判定量より少なくなった場合、発生トルクが所定の判定値より小さくなった場合など、エンジン空燃比をリッチにしにくい状態になった場合であっても、還元性気体を供給することでＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘの還元反応を促進することができる。また、排気の温度が所定の判定温度より低く、ＮＯｘ浄化触媒における還元反応が生じにくくなった場合であっても、還元性気体を供給することでＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘの還元反応を促進することができる。
　また、上記実施形態では、本発明をディーゼル内燃機関に適用した例を示したが、本発明はガソリン内燃機関にも適用可能である。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。

Claims (14)

  1. 　内燃機関の排気通路に設けられ、当該排気通路を流通する排気の空燃比を排気空燃比として、当該排気空燃比をリーンにしたときに、排気中のＮＯｘを吸着もしくは吸蔵し、前記排気空燃比をリッチにしたときに、前記吸着もしくは吸蔵した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おいて、
    　前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭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浄化触媒の上流側から、当該排気通路内に供給する燃料改質器と、
    　前記排気空燃比をリッチ化するリッチ化手段と、を備え、
    　当該リッチ化手段は、複数の運転条件のうち１つ又は複数の条件を満たす場合には、前記燃料改質器により、大気圧よりも高い圧力の還元性気体を前記排気通路内に供給することで前記排気空燃比をリッチ化することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 　前記複数の運転条件は、前記内燃機関がアイドル運転状態であることを含む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。
  3. 　前記複数の運転条件は、前記内燃機関が減速運転状態であることを含む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. 　前記複数の運転条件は、前記内燃機関の燃料噴射量が所定の判定量より少ないことを含む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. 　前記複数の運転条件は、前記内燃機関の発生トルクが所定の判定値より小さいことを含むことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 　前記複数の運転条件は、前記排気通路を流通する排気の温度が所定の判定温度より低いことを含むことを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 　前記複数の運転条件は、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度が所定の判定温度より低いことを含むことを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
  8. 　前記燃料改質器により還元性気体を供給する間に、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度が所定の判定温度以上となった場合には、当該燃料改質器による還元性気体の供給を停止する供給停止手段を備え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. 　前記燃料改質器による還元性気体の供給を開始してからの経過時間を計測する計時手段をさらに備え、
    　前記リッチ化手段は、前記計時手段により計測された経過時間が所定の判定時間になった場合には、前記燃料改質器による還元性気体の供給を停止す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浄化触媒の温度、前記ＮＯｘ浄化触媒に吸着又は吸蔵されたＮＯｘの推定量、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つに基づいて、前記排気空燃比をリッチ化するか否かを判断するリッチ化判断手段をさらに備える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. 　前記排気空燃比をリッチにする際には、前記内燃機関の吸入空気量を低減する吸気量低減手段をさらに備える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ＮＯｘ浄化触媒の温度、前記ＮＯｘ浄化触媒に吸着又は吸蔵されたＮＯｘの推定量、リッチ制御継続時間、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、前記排気空燃比をリッチ化する際における排気空燃比の目標値を決定する排気空燃比目標値決定手段をさらに備え、
    　前記リッチ化手段は、前記排気空燃比が前記排気空燃比目標値決定手段により決定された目標値に一致するように、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１１の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
  13. 　前記リッチ化手段は、前記排気空燃比が前記排気空燃比目標値決定手段により決定された目標値に一致するように、前記内燃機関の主噴射量、前記内燃機関のポスト噴射量、前記内燃機関の吸入空気量、及び前記燃料改質器から前記排気通路に供給される還元性気体の供給量のうち、少なくとも１つを調整することを特徴とする請求項１２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  14. 　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、一酸化炭素を主成分とする還元性気体を製造することを特徴とする請求項１から１３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
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