WO2015004779A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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宏太朗 鈴木
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust purification device for an internal combustion engine.
  • NSR catalyst NOx storage reduction catalyst
  • the NSR catalyst occludes NOx in the exhaust when the oxygen concentration of the inflowing exhaust gas is high, and reduces the stored NOx when the oxygen concentration of the inflowing exhaust gas decreases and a reducing agent is present.
  • the three-way catalyst can also have the same function as the NSR catalyst.
  • a selective reduction type NOx catalyst (hereinafter also referred to as an SCR catalyst) can be provided downstream of the three-way catalyst or the NSR catalyst.
  • This SCR catalyst is a catalyst that selectively reduces NOx with a reducing agent.
  • H 2 is generated from CO or HC in the exhaust
  • NH 3 is generated from this H 2 and NOx.
  • This NH 3 becomes a reducing agent in the SCR catalyst.
  • CO or HC can be discharged from the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is operated at a rich air-fuel ratio to supply NH 3 produced in the three-way catalyst or the NSR catalyst to the SCR catalyst as a reducing agent. be able to.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to increase the efficiency of NH 3 generation.
  • an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine comprises: And NH 3 synthesizing catalyst is a catalyst which produces NH 3 from NOx and H 2 when less than the stoichiometric air-fuel ratio of the exhaust is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine, A detection unit for detecting the temperature of the NH 3 production catalyst; An in-cylinder injection valve for injecting fuel into the cylinder of the internal combustion engine; A control device for generating the NH 3 in the NH 3 synthesizing catalyst air-fuel ratio of the exhaust to be lower than the stoichiometric air-fuel ratio,
  • an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine comprising: When the temperature of the NH 3 generation catalyst detected by the detector is within a first predetermined range when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lower than the stoichiometric air-fuel ratio, the control device The fuel injection timing from the second half of the compression stroke, and when the temperature of the NH 3 production catalyst detected by the detector is
  • the NH 3 production catalyst is, for example, a catalyst that reacts H 2 and NO to produce NH 3 .
  • This NH 3 is generated when the air-fuel ratio of the exhaust is a rich air-fuel ratio.
  • the NH 3 generation catalyst can be, for example, a three-way catalyst or an occlusion reduction type NOx catalyst (NSR catalyst).
  • the NH 3 generation catalyst may have a function of storing NOx, and may be stored in any state such as occlusion, adsorption, and adhesion. In the following description, it is assumed that the NH 3 production catalyst occludes NOx. In the NH 3 production catalyst, the stored NOx is released when the rich air-fuel ratio is at a rich air-fuel ratio, and NH 3 is produced from the released NOx.
  • CO or HC in the exhaust gas reacts with H 2 O by water gas shift reaction or steam reforming reaction to generate H 2 .
  • This H 2 reacts with NO to produce NH 3 .
  • the water gas shift reaction and the steam reforming reaction have different temperatures at which the reaction becomes active.
  • the water gas shift reaction is more active at a lower temperature than the steam reforming reaction.
  • the first predetermined range can be a range in which the water gas shift reaction is active
  • the second predetermined range can be a range in which the steam reforming reaction is active.
  • a temperature range in which the amount of H 2 generated is a predetermined amount or more may be set as a first predetermined range and a second predetermined range.
  • the present invention comprises an in-passage injection valve for injecting fuel into the intake passage of the internal combustion engine,
  • the control device reduces the fuel injection amount from the in-passage injection valve to the fuel injection amount required to reduce the air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the fuel injection amount from the in-cylinder injection valve may be the fuel injection amount required for the air-fuel ratio to decrease from the stoichiometric air-fuel ratio to the target rich air-fuel ratio.
  • the concentration of the air-fuel mixture in the cylinder is not uniform, oxygen may remain in the exhaust gas even if fuel is supplied so as to achieve a rich air-fuel ratio. This oxygen reacts with HC or CO in the NH 3 production catalyst. Then, since the HC or CO for producing H 2 is decreased, the generation efficiency of NH 3 is decreased.
  • the concentration of the air-fuel mixture in the cylinder becomes more uniform when the fuel is supplied from the in-passage injection valve than when the fuel is supplied from the in-cylinder injection valve. Therefore, the amount of oxygen remaining in the exhaust gas can be reduced by setting the fuel injection amount from the in-cylinder injection valve to the fuel injection amount necessary for the air-fuel ratio to decrease to the stoichiometric air-fuel ratio.
  • CO or HC can be generated by setting the fuel injection amount from the in-cylinder injection valve to the fuel injection amount necessary for the air-fuel ratio to decrease from the stoichiometric air-fuel ratio to the target rich air-fuel ratio.
  • the target rich air-fuel ratio may be an air-fuel ratio suitable for generating NH 3 or an air-fuel ratio suitable for releasing oxygen from the NH 3 production catalyst.
  • a selective reduction type NOx catalyst that reduces NOx using NH 3 as a reducing agent can be provided in an exhaust passage downstream of the NH 3 production catalyst.
  • the selective reduction type NOx catalyst (SCR catalyst) adsorbs NH 3 produced in the NH 3 production catalyst and reduces NOx by the NH 3 . If the SCR catalyst is provided in the exhaust passage downstream of the NH 3 production catalyst, the reducing agent can be supplied to the SCR catalyst by making the air-fuel ratio of the exhaust gas lower than the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the control device when the control device makes the air-fuel ratio of the exhaust gas lower than the stoichiometric air-fuel ratio, In the first predetermined period, the fuel injection timing from the in-cylinder injection valve is set to the latter half of the compression stroke, and the air-fuel ratio of the exhaust is made lower than the stoichiometric air-fuel ratio,
  • the in-cylinder injection valve is a second predetermined period that is a period after the first predetermined period, and the temperature of the NH 3 production catalyst detected by the detection unit is within a first predetermined range.
  • the fuel injection timing from the second half of the compression stroke the air-fuel ratio of the exhaust is made lower than the stoichiometric air-fuel ratio
  • the temperature of the NH 3 generation catalyst detected by the detection unit is within a second predetermined range that is higher than the first predetermined range during the second predetermined period
  • the air-fuel ratio of the exhaust can be made lower than the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the air-fuel ratio of the exhaust during the first predetermined period may be lower than the air-fuel ratio of the exhaust during the second predetermined period.
  • a catalyst having an oxygen storage capacity provided in an exhaust passage upstream of the NH 3 generation catalyst, a downstream of the catalyst having the oxygen storage capacity and an upstream of the NH 3 generation catalyst.
  • a gas sensor provided in the exhaust passage for detecting the air-fuel ratio of the exhaust, and The first predetermined period is a rich state in which the air-fuel ratio of the exhaust detected by the gas sensor is lower than the stoichiometric air-fuel ratio after the air-fuel ratio of the exhaust gas upstream of the catalyst having oxygen storage capacity becomes lower than the stoichiometric air-fuel ratio. It may be until the air-fuel ratio is reached.
  • the oxygen stored in the NH 3 production catalyst is released when the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes rich. Is done.
  • the oxygen makes the air-fuel ratio of the exhaust gas the stoichiometric air-fuel ratio. That is, the air-fuel ratio of the exhaust detected by the gas sensor becomes the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the release of oxygen from the catalyst having oxygen storage capacity is completed, the air-fuel ratio of the exhaust detected by the gas sensor becomes a rich air-fuel ratio. Further, when the release of oxygen from the catalyst having oxygen storage ability is completed, the production of NH 3 starts.
  • the period during which oxygen is occluded in the catalyst having oxygen storage capacity can be set as the first predetermined period.
  • the first predetermined period may be a period during which oxygen is released from the catalyst having oxygen storage capacity.
  • the second predetermined period may be a period in which NH 3 is generated in the NH 3 generation catalyst.
  • NH 3 is not generated in the NH 3 generation catalyst while the air-fuel ratio of the exhaust gas is the stoichiometric air-fuel ratio due to oxygen released from the catalyst having oxygen storage capacity. Therefore, by promptly releasing oxygen from the catalyst having oxygen storage ability, it is possible to advance the time when NH 3 production starts in the NH 3 production catalyst.
  • a lot of CO can be generated by setting the fuel injection timing from the in-cylinder injection valve to the latter half of the compression stroke. Since CO is more reactive than HC, release of oxygen from a catalyst having an oxygen storage ability can be promoted. As a result, oxygen can be quickly released from the catalyst having oxygen storage capacity, so that the fuel required for the production of NH 3 can be reduced and the time required for the production of NH 3 can be shortened.
  • the catalyst having oxygen storage capacity may be a three-way catalyst. Further, the catalyst having an oxygen storage capacity may be an NH 3 generation catalyst. In this case, the NH 3 production catalyst is provided in series. Further, the air-fuel ratio of the exhaust upstream of the catalyst having oxygen storage ability may be detected by a sensor, or may be estimated based on the intake air amount and the fuel supply amount of the internal combustion engine.
  • the efficiency of NH 3 generation can be increased.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an internal combustion engine 1 according to the present embodiment.
  • the internal combustion engine 1 is a gasoline engine having four cylinders 2.
  • An intake pipe 31 and an exhaust pipe 41 are connected to the cylinder head 11 of the internal combustion engine 1.
  • the cylinder head 11 is formed with an intake port 32 communicating from the intake pipe 31 into the cylinder 2 and an exhaust port 42 communicating from the exhaust pipe 41 into the cylinder 2.
  • An intake valve 5 is provided at the end of the intake port 32 on the cylinder 2 side.
  • An exhaust valve 6 is provided at the end of the exhaust port 42 on the cylinder 2 side.
  • the intake pipe 31 and the intake port 32 correspond to the intake passage in the present invention
  • the exhaust pipe 41 and the exhaust port 42 correspond to the exhaust passage in the present invention.
  • the piston 15 connected to the crankshaft 13 of the internal combustion engine 1 via the connecting rod 14 reciprocates in the cylinder 2.
  • the intake pipe 31 is provided with a throttle 16 for adjusting the amount of intake air flowing through the intake pipe 31.
  • An air flow meter 90 that outputs a signal corresponding to the amount of air flowing through the intake pipe 31 is attached to the intake pipe 31 upstream of the throttle 16. The air flow meter 90 detects the intake air amount of the internal combustion engine 1.
  • the three-way catalyst 7, the NOx storage reduction catalyst 8 (hereinafter referred to as NSR catalyst 8), and the selective reduction NOx catalyst 9 (hereinafter referred to as SCR catalyst 9) are sequentially arranged from the upstream side. Is provided.
  • the three-way catalyst 7 purifies NOx, HC and CO with maximum efficiency when the catalyst atmosphere is at the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the three-way catalyst 7 has an oxygen storage capability. That is, by storing excess oxygen when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is a lean air-fuel ratio, and releasing the insufficient oxygen when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is rich, the exhaust gas is reduced. Purify. By such an action of the oxygen storage capacity, the three-way catalyst 7 can purify HC, CO, and NOx even if the air / fuel ratio is other than the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the same NOx storage reduction catalyst as the NSR catalyst 8 may be disposed in place of the three-way catalyst 7.
  • the NSR catalyst 8 stores NOx in the exhaust when the oxygen concentration of the inflowing exhaust gas is high, and reduces the stored NOx when the oxygen concentration of the inflowing exhaust gas decreases and a reducing agent is present. .
  • HC or CO that is unburned fuel discharged from the internal combustion engine 1 can be used.
  • This NSR catalyst 8 also has an oxygen storage capability.
  • NOx in the exhaust gas may react with HC or H 2 to generate ammonia (NH 3 ).
  • NH 3 ammonia
  • the three-way catalyst 7 or the NSR catalyst 8 upon failure H 2 and CO and HC and of H 2 O in the exhaust by the water gas shift reaction or the steam reforming reaction is reacted, the H 2 is the NO reaction Thus, NH 3 is generated. That is, in this embodiment, the three-way catalyst 7 or the NSR catalyst 8 corresponds to the NH 3 production catalyst in the present invention.
  • the NSR catalyst 8 illustrating the NSR catalyst 8 as NH 3 synthesizing catalyst, it can be considered a three-way catalyst 7 as well as the NH 3 synthesizing catalyst.
  • the SCR catalyst 9 adsorbs a reducing agent and selectively reduces NOx by the adsorbing reducing agent when NOx passes.
  • NH 3 produced by the NSR catalyst 8 can be used as the reducing agent supplied to the SCR catalyst 9.
  • a first air-fuel ratio sensor 91 for detecting the air-fuel ratio of the exhaust is attached to the exhaust pipe 41 upstream of the three-way catalyst 7. Further, in the exhaust pipe 41 downstream of the three-way catalyst 7 and upstream of the NSR catalyst 8, a first temperature sensor 92 for detecting the temperature of the exhaust gas and a second air-fuel ratio sensor 93 for detecting the air-fuel ratio of the exhaust gas. And are attached.
  • the first air-fuel ratio sensor 91 can detect the air-fuel ratio of the exhaust from the internal combustion engine 1 or the air-fuel ratio of the exhaust flowing into the three-way catalyst 7.
  • the air-fuel ratio of the exhaust gas from the internal combustion engine 1 or the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the three-way catalyst 7 can be estimated based on the intake air amount and the fuel supply amount of the internal combustion engine 1. Further, the temperature of the three-way catalyst 7 or the temperature of the NSR catalyst 8 can be detected by the first temperature sensor 92. Further, the second air-fuel ratio sensor 93 can detect the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing out from the three-way catalyst 7 or the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NSR catalyst 8.
  • the second air-fuel ratio sensor 93 may be an oxygen concentration sensor. In the present invention, the second air-fuel ratio sensor 93 corresponds to the gas sensor in the present invention.
  • a second temperature sensor 94 for detecting the temperature of the exhaust is attached to the exhaust pipe 41 downstream of the NSR catalyst 8 and upstream of the SCR catalyst 9. The temperature of the NSR catalyst 8 or the temperature of the SCR catalyst 9 can be detected by the second temperature sensor 94.
  • a third temperature sensor 95 that detects the temperature of the exhaust is attached to the exhaust pipe 41 downstream of the SCR catalyst 9.
  • the temperature of the SCR catalyst 9 can be detected by the third temperature sensor 95. That is, in the present embodiment, the second temperature sensor 94 or the third temperature sensor 95 corresponds to the detection unit in the present invention.
  • the temperatures of the three-way catalyst 7, the NSR catalyst 8, and the SCR catalyst 9 change according to the operating state of the internal combustion engine 1 (for example, the engine speed and the engine load). Thus, the temperatures of the three-way catalyst 7, the NSR catalyst 8, and the SCR catalyst 9 may be estimated.
  • the temperature of the three-way catalyst 7, the NSR catalyst 8, and the SCR catalyst 9 may be detected by directly attaching temperature sensors to the three-way catalyst 7, the NSR catalyst 8, and the SCR catalyst 9. Note that it is not necessary to attach all of the above sensors, and they may be appropriately selected and attached.
  • an in-passage injection valve 81 for injecting fuel toward the intake pipe 31 or the intake port 32 is attached to the intake pipe 31 downstream of the throttle 16.
  • the internal combustion engine 1 is provided with an in-cylinder injection valve 82 that injects fuel into the cylinder 2.
  • a spark plug 83 that generates an electric spark in the cylinder 2 is attached to the internal combustion engine 1.
  • the internal combustion engine 1 is also provided with an ECU 10 that is an electronic control device for controlling the internal combustion engine 1.
  • the ECU 10 includes a ROM, a RAM, and the like that store various programs and maps in addition to the CPU, and controls the internal combustion engine 1 according to the operating conditions of the internal combustion engine 1 and the driver's request.
  • an accelerator opening sensor 96 and a crank position sensor 97 are electrically connected to the ECU 10.
  • the ECU 10 receives a signal corresponding to the accelerator opening from the accelerator opening sensor 96, and calculates an engine load and the like required for the internal combustion engine 1 according to this signal. Further, the ECU 10 receives a signal corresponding to the rotation angle of the crankshaft 13 of the internal combustion engine 1 from the crank position sensor 97, and calculates the engine speed.
  • an in-passage injection valve 81, an in-cylinder injection valve 82, and a spark plug 83 are connected to the ECU 10 through electrical wiring, and these devices are controlled by the ECU 10.
  • the ECU 10 controls the in-passage injection valve 81 and the in-cylinder injection valve 82 so as to supply fuel according to the intake air amount detected by the air flow meter 90.
  • the target air-fuel ratio set at this time is an air-fuel ratio set according to the operating state of the internal combustion engine 1.
  • the internal combustion engine 1 according to the present embodiment is subjected to lean burn operation.
  • the internal combustion engine 1 may be operated near the stoichiometric air-fuel ratio during high load operation or the like.
  • the engine in order to generate NH 3 or reduce NOx, the engine may be operated at an air-fuel ratio (rich air-fuel ratio) lower than the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the ECU 10 performs a reduction process of NOx stored in the NSR catalyst 8.
  • NOx stored in the NSR catalyst 8 When the NOx stored in the NSR catalyst 8 is reduced, the amount of fuel injected from the in-passage injection valve 81 and the in-cylinder injection valve 82 or the opening of the throttle 16 is adjusted to reduce the exhaust flowing into the NSR catalyst 8.
  • a so-called rich spike is performed to reduce the air-fuel ratio to a predetermined rich air-fuel ratio.
  • the rich spike sets the air-fuel ratio in the cylinder 2 to a predetermined rich air-fuel ratio in a plurality of cycles, thereby setting the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NSR catalyst 8 to a predetermined rich air-fuel ratio.
  • the rich spike is performed when the amount of NOx stored in the NSR catalyst 8 reaches a predetermined amount.
  • the amount of NOx stored in the NSR catalyst 8 is calculated, for example, by integrating the difference between the amount of NOx flowing into the NSR catalyst 8 and the amount of NOx flowing out of the NSR catalyst 8.
  • the amount of NOx flowing into the NSR catalyst 8 and the amount of NOx flowing out of the NSR catalyst 8 can be detected by attaching a sensor. Further, the rich spike may be performed every predetermined time or every predetermined traveling distance.
  • the ECU 10 generates NH 3 in the NSR catalyst 8 by performing the rich spike.
  • This rich spike is performed when the amount of NH 3 adsorbed by the SCR catalyst 9 is reduced to a predetermined amount. Since the amount of NH 3 adsorbed by the SCR catalyst 9 decreases, for example, according to the amount of NOx flowing into the SCR catalyst 9, the SCR catalyst 9 is detected by detecting the amount of NOx flowing into the SCR catalyst 9 with a sensor or the like. The amount of NH 3 adsorbed can be calculated. Further, a rich spike for generating NH 3 at a predetermined interval may be performed.
  • H 2 can be generated from CO and H 2 O.
  • H 2 can be generated from HC and H 2 O.
  • the temperature at which the reaction becomes active differs between the water gas shift reaction and the steam reforming reaction. That is, the water gas shift reaction and the steam reforming reaction have different temperatures at which the amount of H 2 produced is the largest.
  • the water gas shift reaction is more active in a lower temperature region than the steam reforming reaction.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the temperature of the NSR catalyst 8 and the amount of H 2 generated in the water gas shift reaction.
  • the amount of NH 3 produced is relatively large.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the temperature of the NSR catalyst 8 and the amount of H 2 generated in the steam reforming reaction.
  • the steam reforming reaction when the temperature of the NSR catalyst 8 is, for example, 600 ° C. or higher, the amount of H 2 generated is relatively large.
  • the CO concentration is increased to generate NH 3 by the water gas shift reaction, while when the temperature of the NSR catalyst 8 is 600 ° C. or more, the HC concentration If NH 3 is increased and NH 3 is generated by the steam reforming reaction, more NH 3 can be efficiently generated.
  • the CO concentration is increased to generate NH 3 by a water gas shift reaction.
  • HC The concentration may be increased to generate NH 3 by a steam reforming reaction.
  • predetermined temperature is the temperature at which and H 2 amount produced by the water gas shift reaction, is and H 2 amount generated by the steam reforming reaction is reversed. This predetermined temperature is obtained by comparing FIG. 2 and FIG. 3, and can be set to a temperature between 500 degrees and 600 degrees, for example.
  • the temperature range below the predetermined temperature corresponds to the first predetermined range in the present invention
  • the temperature range higher than the predetermined temperature corresponds to the second predetermined range in the present invention.
  • the fuel may be injected from the in-cylinder injection valve 82 in the latter half of the compression stroke only when the H 2 generation amount is a predetermined amount or more due to the water gas shift reaction.
  • the temperature range where the H 2 generation amount is equal to or greater than the predetermined amount corresponds to the first predetermined range in the present invention.
  • the fuel may be injected from the in-cylinder injection valve 82 in the first half of the intake stroke only at a temperature at which the H 2 generation amount becomes a predetermined amount or more due to the steam reforming reaction.
  • the temperature range in which the H 2 generation amount is equal to or greater than the predetermined amount corresponds to the second predetermined range in the present invention.
  • a predetermined amount may be a H 2 production amount of the amount of efficiency or NH 3 in the production of NH 3 is within the allowable range.
  • the amount of H 2 produced in the NSR catalyst 8 can be increased.
  • the amount of NH 3 produced can be increased by increasing the amount of H 2 produced.
  • the amount of CO or HC discharged from the internal combustion engine 1 can be increased by adjusting the fuel injection timing from the in-cylinder injection valve 82.
  • fuel may be injected from the in-cylinder injection valve 82 in the latter half of the compression stroke.
  • fuel may be injected from the in-cylinder injection valve 82 in the first half of the intake stroke.
  • the entire amount of fuel required to achieve the target air-fuel ratio may be injected from the in-cylinder injection valve 82. Further, at the time of rich spike, the amount of fuel required to reduce the air-fuel ratio to near the stoichiometric air-fuel ratio is injected from the in-passage injection valve 81, and the fuel amount required to reduce the stoichiometric air-fuel ratio to the target air-fuel ratio. May be injected from the in-cylinder injection valve 82.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the timing of injecting fuel from the in-cylinder injection valve 82 and the CO concentration in the exhaust gas.
  • the value of the crank angle is based on the compression top dead center, and the compression top dead center is 0 degree.
  • Each numerical value indicates a crank angle up to the compression top dead center. That is, the compression stroke is from 180 degrees to 0 degrees.
  • the CO concentration becomes relatively high by injecting fuel from the in-cylinder injection valve 82 between 90 degrees and 0 degrees before compression top dead center at the crank angle, that is, in the latter half of the compression stroke.
  • an air-fuel mixture in which the fuel and air are not sufficiently mixed is generated, so that the CO concentration increases.
  • the temperature of the NSR catalyst 8 is relatively low, if the CO concentration in the exhaust gas is increased by injecting fuel from the in-cylinder injection valve 82 in the latter half of the compression stroke, the water gas shift reaction in the NSR catalyst 8 is performed. Can be promoted. This makes it possible to produce more NH 3.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the time when fuel is injected from the in-cylinder injection valve 82 and the HC concentration in the exhaust.
  • the value of the crank angle is based on the compression top dead center, and the compression top dead center is 0 degree. Each numerical value indicates a crank angle up to the compression top dead center. That is, the intake stroke is from 360 degrees to 180 degrees.
  • the HC concentration becomes relatively high by injecting fuel from the in-cylinder injection valve 82 in the crank angle from 360 degrees to 270 degrees, that is, in the first half of the intake stroke. Moreover, the HC concentration can be further increased by injecting fuel with a crank angle between 340 degrees and 320 degrees. Note that the fuel may be injected from the in-cylinder injection valve 82 at a time when the HC concentration becomes equal to or higher than a predetermined concentration.
  • the normal injection timing in FIG. 5 is the fuel injection timing when the rich spike is not performed.
  • the HC concentration is increased by making the fuel injection timing from the in-cylinder injection valve 82 earlier than the normal injection timing.
  • the fuel injection timing from the in-cylinder injection valve 82 is delayed from the normal injection timing.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the internal combustion engine 1 when fuel is injected from the in-cylinder injection valve 82 in the first half of the intake stroke.
  • the fuel strikes a narrow range surrounded by the wall surface of the cylinder 2 and the outer peripheral surface of the piston 15.
  • the HC concentration can be increased by performing the fuel injection so that the fuel enters the range surrounded by the wall surface of the cylinder 2 and the outer peripheral surface of the piston 15.
  • the fuel may be injected from the in-cylinder injection valve 82 in the first half of the intake stroke. Therefore, when the temperature of the NSR catalyst 8 is relatively high, if the HC concentration in the exhaust gas is increased by injecting fuel from the in-cylinder injection valve 82 in the first half of the intake stroke, the steam reforming in the NSR catalyst 8 is performed. The reaction can be promoted. Thereby, more NH 3 can be generated.
  • the HC concentration is high even when the crank angle is around 180 degrees. At this time, the CO concentration is also high.
  • the temperature of the NSR catalyst 8 is relatively high, the water gas shift reaction is slow, so that it is difficult to generate NH 3 from CO. Further, when the reaction of CO becomes slow, there is a possibility that CO is released into the atmosphere. For this reason, in the latter half of the intake stroke, the CO emission amount is reduced by not injecting fuel from the in-cylinder injection valve 82.
  • the optimum value of the fuel injection timing for increasing the CO concentration or HC concentration can be obtained in advance by experiment or simulation. That is, the fuel injection timing at which the CO concentration becomes the highest in the second half of the compression stroke and the fuel injection timing at which the HC concentration becomes the highest in the first half of the intake stroke are obtained, respectively, and the fuel is supplied at these timings or at timings before and after them. You may make it inject.
  • the fuel injection timing may be adjusted so as to be positioned.
  • the fuel injected from the in-cylinder injection valve 82 reaches the wall surface of the cylinder 2 in a state where the fuel is spread to some extent, so that the fuel injection timing is such that the fuel enters the range surrounded by the wall surface of the cylinder 2 and the piston 15. Has a certain range.
  • the time from when the fuel is injected until it reaches the wall surface of the cylinder 2 can be calculated.
  • the distance that the piston 15 moves from when the fuel is injected until it reaches the wall surface of the cylinder 2 can be calculated based on the engine speed.
  • the fuel injection timing is calculated such that the fuel is injected between the wall surface of the cylinder 2 and the outer peripheral surface of the piston 15 when the fuel injected from the in-cylinder injection valve 82 hits the wall surface of the cylinder 2. You can also. For this, a known calculation formula can be used.
  • the air-fuel ratio may be relatively low immediately after the start of the rich spike so that NH 3 is generated quickly during the rich spike.
  • oxygen is stored in the three-way catalyst 7, oxygen is released from the three-way catalyst 7 when a rich air-fuel ratio gas is discharged from the internal combustion engine 1. Then, due to the oxygen released from the three-way catalyst 7, the air-fuel ratio of the exhaust downstream from the three-way catalyst 7 becomes the stoichiometric air-fuel ratio. For this reason, immediately after the start of the rich spike, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NSR catalyst 8 becomes the stoichiometric air-fuel ratio, so NH 3 is not generated immediately.
  • the three-way catalyst is implemented by performing a rich spike with an air-fuel ratio lower than the air-fuel ratio suitable for the generation of NH 3 as the target air-fuel ratio. 7 can release oxygen quickly. Thus, it is possible to advance the timing of generation of NH 3 is started in the NSR catalyst 8. Note that while the oxygen is being released from the three-way catalyst 7, the air-fuel ratio of the exhaust downstream of the three-way catalyst 7 becomes the stoichiometric air-fuel ratio, so the air-fuel ratio of the exhaust downstream of the three-way catalyst 7 is the theoretical air-fuel ratio.
  • the target air-fuel ratio may be set lower than the air-fuel ratio suitable for generating NH 3 . Further, the target air-fuel ratio may be set lower than the air-fuel ratio suitable for generating NH 3 for a predetermined period.
  • fuel injection from the in-passage injection valve 81 may be used in combination during a rich spike.
  • the fuel injection amount from the in-passage injection valve 81 is the fuel injection amount necessary for the air-fuel ratio to be reduced to the stoichiometric air-fuel ratio
  • the fuel injection amount from the in-cylinder injection valve 82 is the theoretical air-fuel ratio. It may be the fuel injection amount required to decrease from the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio.
  • FIG. 7 is a time chart showing transition of the air-fuel ratio at the time of rich spike.
  • PFI indicates a decrease in the air-fuel ratio due to the fuel injected from the in-passage injection valve 81
  • DI-1 indicates the fuel injected from the in-cylinder injection valve 82.
  • DI-2 indicates the fuel injected from the in-cylinder injection valve 82. This shows the decrease in the air-fuel ratio due to.
  • DI-1 fuel is injected in the latter half of the compression stroke.
  • DI-2 fuel is injected in the first half of the intake stroke or the second half of the compression stroke in accordance with the temperature of the NSR catalyst 8.
  • a period indicated by A is a period for releasing oxygen stored in the three-way catalyst 7
  • a period indicated by B is a period for generating NH 3 in the NSR catalyst 8.
  • the target air-fuel ratios in the periods A and B are both rich air-fuel ratios, but the target air-fuel ratio is lower in the period A than in the period B.
  • the period A corresponds to the first predetermined period in the present invention
  • the period B corresponds to the second predetermined period in the present invention.
  • the fuel diffusion proceeds and the concentration of the air-fuel mixture in the cylinder 2 becomes more uniform when the fuel is injected from the in-passage injection valve 81. For this reason, by injecting fuel from the in-passage injection valve 81, the amount of oxygen remaining after combustion can be reduced. Then, the amount of oxygen after combustion can be further reduced by setting the fuel injection amount from the in-passage injection valve 81 to be the stoichiometric air-fuel ratio. If the fuel injection amount from the in-passage injection valve 81 is set to be a lean air-fuel ratio, oxygen may remain in the exhaust.
  • the generation amount of HC or CO decreases and the generation amount of H 2 may also decrease.
  • the amount of CO or HC generated can be increased by setting the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the cylinder 2 to a rich air-fuel ratio by the fuel injection amount from the in-cylinder injection valve 82. That is, by using the in-passage injection valve 81 and the in-cylinder injection valve 82 in combination, it is possible to increase the amount of CO or HC while reducing the amount of oxygen remaining in the exhaust gas.
  • FIG. 8 is a time chart showing transition of various values when rich spike is performed.
  • TWC upstream A / F indicates the air-fuel ratio of the exhaust upstream of the three-way catalyst 7
  • “NSR upstream A / F” is the exhaust downstream of the three-way catalyst 7 and upstream of the NSR catalyst 8.
  • the “injection timing” indicates the fuel injection timing from the in-cylinder injection valve 82
  • the NSR temperature indicates the temperature of the NSR catalyst 8.
  • the first predetermined range is a temperature range in which the H 2 generation amount becomes a predetermined amount or more by the water gas shift reaction.
  • a temperature range in which the amount of H 2 produced by the steam reforming reaction is a predetermined amount or more is set as a second predetermined range.
  • the NSR temperature is initially within the first predetermined range, but gradually rises to be within the second predetermined range.
  • the fuel injection timing from the in-cylinder injection valve 82 is the latter half of the compression stroke.
  • the fuel injection timing from the in-cylinder injection valve 82 is set to the first half of the compression stroke in the first predetermined period, and to the first half of the intake stroke in the second predetermined period.
  • the TWC upstream A / F becomes lower than the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the NSR upstream A / F becomes the stoichiometric air-fuel ratio immediately after the rich spike is started, and becomes lower than the stoichiometric air-fuel ratio after the rich spike continues to some extent.
  • the period from when the TWC upstream A / F becomes lower than the stoichiometric air-fuel ratio to when the NSR upstream A / F becomes a rich air-fuel ratio lower than the stoichiometric air-fuel ratio is defined as a first predetermined period.
  • the first predetermined period may be a period during which the NSR upstream A / F is at the stoichiometric air-fuel ratio. Further, the period during which the NSR upstream A / F is lower than the stoichiometric air-fuel ratio is set as a second predetermined period.
  • the air-fuel ratio of the exhaust gas detected by the first air-fuel ratio sensor 91 is the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the air-fuel ratio may be lower than the fuel ratio.
  • FIG. 9 is a flowchart showing a flow of generating NH 3 according to the present embodiment. This routine is executed every predetermined time by the ECU 10.
  • step S101 it is determined whether or not a rich spike execution condition is satisfied. For example, when the operation state of the internal combustion engine 1 is a predetermined operation state suitable for the generation of NH 3 , it is determined that the rich spike execution condition is satisfied. Further, for example, when it is necessary to supply NH 3 to the SCR catalyst 9, it may be determined that the rich spike execution condition is satisfied. Further, the rich spike execution condition may be that the temperature of the NSR catalyst 8 is the activation temperature. If an affirmative determination is made in step S101, the process proceeds to step S102. On the other hand, if a negative determination is made, this routine is terminated.
  • step S102 the temperature TNSR of the NSR catalyst 8 is detected.
  • the temperature TNSR of the NSR catalyst 8 is obtained by the first temperature sensor 92. Then, the process proceeds to step S103.
  • step S103 it is determined whether the temperature TNSR of the NSR catalyst 8 is higher than a predetermined temperature T1.
  • the predetermined temperature T1 is an upper limit value of the temperature at which H 2 generated by the water gas shift reaction is higher than H 2 generated by the steam reforming reaction.
  • This predetermined temperature T1 is obtained by comparing FIG. 2 and FIG. 3, and is a temperature between 500 degrees and 600 degrees, for example.
  • step S104 fuel injection is performed during the period A in FIG. That is, in order to release the oxygen stored in the three-way catalyst 7, a rich spike is performed at a relatively low air-fuel ratio. Then, the process proceeds to step S105.
  • step S105 fuel injection is performed during period B in FIG. That is, in order to generate NH 3 in the NSR catalyst 8, a rich spike is performed at a relatively high air-fuel ratio even at a rich air-fuel ratio.
  • fuel injection from the cylinder injection valve 82 is performed in the first half of the intake stroke. Thereafter, this routine is terminated.
  • step S106 fuel injection is performed during the period A in FIG. That is, in order to release the oxygen stored in the three-way catalyst 7, a rich spike is performed at a relatively low air-fuel ratio. Then, the process proceeds to step S107.
  • step S107 fuel injection is performed during period B in FIG. That is, in order to generate NH 3 in the NSR catalyst 8, a rich spike is performed at a relatively high air-fuel ratio even at a rich air-fuel ratio.
  • fuel injection from the cylinder injection valve 82 is performed in the latter half of the compression stroke. Thereafter, this routine is terminated.
  • the ECU 10 that processes steps S103 to S107 corresponds to the control device in the present invention.
  • the air-fuel ratio is changed between the period A and the period B. Instead, the same air-fuel ratio may be set for the entire rich spike. Further, in the period A and the period B, the in-passage injection valve 81 and the in-cylinder injection valve 82 are used together to obtain a rich air-fuel ratio. Instead, the rich air-fuel ratio is obtained by using only the in-cylinder injection valve 82. It is good.
  • the first half of the intake stroke may be a time when the fuel injected from the in-cylinder injection valve 82 enters a range surrounded by the wall surface of the cylinder 2 and the outer peripheral surface of the piston 15, or the compression top dead center. It may be between 340 degrees and 320 degrees before. Further, when fuel is injected from the in-cylinder injection valve 82 in the first half of the intake stroke, when the fuel injected from the in-cylinder injection valve 82 hits the wall surface of the cylinder 2, the same height as the location where the fuel hits. Alternatively, the fuel injection timing may be determined so that the outer edge of the upper surface of the piston 15 is located. Further, when fuel is injected from the in-cylinder injection valve 82 in the first half of the intake stroke, the fuel injection timing is determined so that the fuel injected from the in-cylinder injection valve 82 hits the outer edge of the upper surface of the piston 15. Good.
  • the fuel injection timing from the in-cylinder injection valve 82 at the time of NH 3 generation may be a timing at which the HC concentration or the CO concentration becomes equal to or higher than a predetermined concentration. Further, the fuel injection timing from the in-cylinder injection valve 82 at the time of NH 3 generation may be a timing when the HC amount or the CO amount becomes a predetermined amount or more.
  • more NH 3 can be generated with less fuel by supplying a more reactive gas to the NSR based on the temperature of the NSR catalyst 8. This makes it possible to increase production efficiency of NH 3.

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Abstract

　ＮＨ３生成の効率を高めることを目的とする。リッチ空燃比のときにＮＯｘ及びＨ２からＮＨ３を生成する触媒であるＮＨ３生成触媒と、気筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、リッチ空燃比とする場合に、ＮＨ３生成触媒の温度が第一の所定の範囲内のときには、筒内噴射弁からの燃料噴射時期を圧縮行程後半とし、第一の所定の範囲よりも高い温度の範囲である第二の所定の範囲内のときには、筒内噴射弁からの燃料噴射時期を吸気行程前半とする制御装置と、を備える。

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。
　内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＳＲ触媒ともいう。）を配置する技術が知られている。このＮＳＲ触媒は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを還元する。また、三元触媒においても、ＮＳＲ触媒と同様の機能を持たせることができる。
　また、三元触媒またはＮＳＲ触媒よりも下流側に、選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒ともいう。）を設けることができる。このＳＣＲ触媒は、還元剤によりＮＯｘを選択還元する触媒である。そして、三元触媒またはＮＳＲ触媒において排気中のＣＯやＨＣからＨ２が生成され、このＨ２とＮＯｘとからＮＨ３が生成される。このＮＨ３は、ＳＣＲ触媒において還元剤となる。ここで、内燃機関において理論空燃比よりも低い空燃比（リッチ空燃比）で燃焼を行うと、該内燃機関からＣＯまたはＨＣを排出することができる。そして、三元触媒またはＮＳＲ触媒にＮＯｘが吸蔵されていれば、内燃機関をリッチ空燃比で運転することにより、三元触媒またはＮＳＲ触媒において生成されるＮＨ３を還元剤としてＳＣＲ触媒へ供給することができる。
　ここで、ＮＳＲ触媒よりも上流側にＨ２生成機能を有する改質触媒を設け、ＮＳＲ触媒に吸蔵されているＮＯｘを還元させるために空燃比をリッチ空燃比とする場合に、改質触媒の温度が所定値以下の場合は、主に部分酸化反応が起こるように空燃比を制御し、改質触媒の温度が所定値より高い場合は、主に水蒸気改質反応あるいは水性ガスシフト反応が起こるように空燃比を制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
　しかし、水蒸気改質反応または水性ガスシフト反応によりＨ２を生成させる場合には、効果的にＨ２を生成させるガス成分が、触媒の温度によって異なる。単に空燃比を制御するだけでは、Ｈ２の生成に適したガス成分になっているとは限らない。したがって、Ｈ２及びＮＨ３を生成するときの効率を高めるためには、改善の余地がある。
特開２００２－２３５５９４号公報 特開２００６－２９９８８６号公報 特開２００９－２１５９６０号公報 特開２００６－００９７０２号公報 特開２０１２－１２７２９５号公報 特開２０１０－００７６２１号公報
　本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＮＨ３生成の効率を高めることにある。
　上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
　内燃機関の排気通路に設けられて排気の空燃比が理論空燃比よりも低いときにＮＯｘ及びＨ２からＮＨ３を生成する触媒であるＮＨ３生成触媒と、
　前記ＮＨ３生成触媒の温度を検知する検知部と、
　前記内燃機関の気筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、
　前記排気の空燃比を理論空燃比よりも低くして前記ＮＨ３生成触媒においてＮＨ３を生成させる制御装置と、
　を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
　前記制御装置は、前記排気の空燃比を理論空燃比よりも低くする場合に、前記検知部により検知されるＮＨ３生成触媒の温度が第一の所定の範囲内のときには、前記筒内噴射弁からの燃料噴射時期を圧縮行程後半とし、前記検知部により検知されるＮＨ３生成触媒の温度が前記第一の所定の範囲よりも高い温度の範囲である第二の所定の範囲内のときには、前記筒内噴射弁からの燃料噴射時期を吸気行程前半とする。
　ＮＨ３生成触媒は、例えば、Ｈ２とＮＯとを反応させてＮＨ３を生成する触媒である。このＮＨ３は、排気の空燃比がリッチ空燃比のときに生成される。ＮＨ３生成触媒は、例えば、三元触媒または吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＳＲ触媒）とすることができる。ＮＨ３生成触媒にはＮＯｘを溜める機能があればよく、吸蔵、吸着、付着など、どのような状態で溜めておいてもよい。なお、以下では、ＮＨ３生成触媒がＮＯｘを吸蔵するものとして説明する。そして、ＮＨ３生成触媒では、吸蔵していたＮＯｘがリッチ空燃比のときに放出され、該放出されたＮＯｘからＮＨ３が生成される。
　ここで、ＮＨ３生成触媒では、水性ガスシフト反応または水蒸気改質反応により排気中のＣＯやＨＣとＨ２Ｏとが反応してＨ２が発生する。このＨ２がＮＯと反応してＮＨ３が生成される。水性ガスシフト反応及び水蒸気改質反応は、反応が活発になる温度が異なる。ここで、水蒸気改質反応よりも水性ガスシフト反応の方が、より低い温度で反応が活発になる。
　水性ガスシフト反応では、ＣＯとＨ２ＯとからＨ２を生成することができる。また、水蒸気改質反応では、ＨＣとＨ２ＯとからＨ２を生成することができる。したがって、ＮＨ３触媒の温度が、水性ガスシフト反応が活発になる温度の範囲内にあるときには、ＮＨ３生成触媒へＣＯを供給することで、Ｈ２をより多く生成することができる。また、ＮＨ３の温度が、水蒸気改質反応が活発になる温度の範囲内にあるときには、ＮＨ３生成触媒へＨＣを供給することで、Ｈ２をより多く生成することができる。したがって、第一の所定の範囲は、水性ガスシフト反応が活発となる範囲とし、第二の所定の範囲は、水蒸気改質反応が活発となる範囲とすることができる。例えば、Ｈ２の生成量が所定量以上となる温度の範囲を、第一の所定の範囲及び第二の所定の範囲としてもよい。
　そして、筒内噴射弁からの燃料噴射時期を調整することにより、ＣＯ及びＨＣの夫々の発生量を調整することができる。ここで、筒内噴射弁からの燃料噴射時期を圧縮行程後半とすることで、燃料と空気との混合が不十分な混合気が生成される。これにより、より多くのＣＯを発生させることができる。したがって、ＮＨ３生成触媒の温度が比較的低い場合には、圧縮行程後半に筒内噴射弁から燃料を噴射することで、ＣＯの発生量を増加させれば、ＮＨ３生成触媒における水性ガスシフト反応を促進させることができる。これにより、より多くのＮＨ３を生成することができる。
　一方、筒内噴射弁からの燃料噴射時期を吸気行程前半とすることで、気筒の壁面とピストンとに囲まれた狭い範囲に燃料が入る。このような燃料は、燃焼し難い。このため、より多くのＨＣを発生させることができる。したがって、ＮＨ３生成触媒の温度が比較的高い場合には、吸気行程前半に筒内噴射弁から燃料を噴射することで、ＨＣの発生量を増加させれば、ＮＨ３生成触媒における水蒸気改質反応を促進させることができる。これにより、より多くのＮＨ３を生成させることができる。
　本発明においては、前記内燃機関の吸気通路内に燃料を噴射する通路内噴射弁を備え、
　前記制御装置は、前記排気の空燃比を理論空燃比よりも低くする場合において、前記通路内噴射弁からの燃料噴射量を、空燃比が理論空燃比まで低下するのに必要となる燃料噴射量とし、前記筒内噴射弁からの燃料噴射量を、空燃比が理論空燃比から目標となるリッチ空燃比まで低下するのに必要となる燃料噴射量としてもよい。
　ここで、気筒内における混合気の濃度が均一でないと、リッチ空燃比となるように燃料を供給したとしても、排気中に酸素が残存することがある。この酸素は、ＮＨ３生成触媒においてＨＣまたはＣＯと反応する。そうすると、Ｈ２を生成するためのＨＣまたはＣＯが減少してしまうので、ＮＨ３の生成効率が低下する。ここで、筒内噴射弁から燃料を供給するよりも、通路内噴射弁から燃料を供給したほうが、気筒内における混合気の濃度が均一となる。したがって、筒内噴射弁からの燃料噴射量を、空燃比が理論空燃比まで低下するのに必要となる燃料噴射量とすることで、排気中に残存する酸素量を減少させることができる。そして、筒内噴射弁からの燃料噴射量を、空燃比が理論空燃比から目標となるリッチ空燃比まで低下するのに必要となる燃料噴射量とすることで、ＣＯまたはＨＣを発生させることができる。なお、目標となるリッチ空燃比は、ＮＨ３の生成に適した空燃比としてもよく、ＮＨ３生成触媒から酸素を放出させるのに適した空燃比としてもよい。
　本発明においては、前記ＮＨ３生成触媒よりも下流の排気通路に、ＮＨ３を還元剤としてＮＯｘを還元する選択還元型ＮＯｘ触媒を備えることができる。
　選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）は、ＮＨ３生成触媒において生成されたＮＨ３を吸着し、該ＮＨ３によりＮＯｘを還元する。ＮＨ３生成触媒よりも下流の排気通路にＳＣＲ触媒を備えておけば、排気の空燃比を理論空燃比よりも低くすることで、ＳＣＲ触媒へ還元剤を供給することができる。
　また、本発明においては、前記制御装置は、前記排気の空燃比を理論空燃比よりも低くする場合に、
　第一の所定期間においては、前記筒内噴射弁からの燃料噴射時期を圧縮行程後半として前記排気の空燃比を理論空燃比よりも低くし、
　前記第一の所定期間の後の期間である第二の所定期間であって、前記検知部により検知されるＮＨ３生成触媒の温度が第一の所定の範囲内のときには、前記筒内噴射弁からの燃料噴射時期を圧縮行程後半として、前記排気の空燃比を理論空燃比よりも低くし、
　前記第二の所定期間であって、前記検知部により検知されるＮＨ３生成触媒の温度が前記第一の所定の範囲よりも高い温度の範囲である第二の所定の範囲内のときには、前記筒内噴射弁からの燃料噴射時期を吸気行程前半として、前記排気の空燃比を理論空燃比よりも低くすることができる。
　ここで、第一の所定期間において筒内噴射弁からの燃料噴射時期を圧縮行程後半とすることで、多くのＣＯを発生させることができる。ＣＯはＨＣよりも反応性が高い。このため、ＮＨ３を早期に生成することができる。
　なお、前記第一の所定期間の排気の空燃比が、前記第二の所定期間の排気の空燃比よりも低くてもよい。
　また、本発明においては、前記ＮＨ３生成触媒よりも上流の排気通路に設けられ酸素吸蔵能を有する触媒と、前記酸素吸蔵能を有する触媒よりも下流で且つ前記ＮＨ３生成触媒よりも上流の排気通路に設けられ排気の空燃比を検知するガスセンサと、をさらに備え、
　前記第一の所定期間は、少なくとも前記酸素吸蔵能を有する触媒よりも上流の排気の空燃比が理論空燃比より低くなってから前記ガスセンサにより検知される排気の空燃比が理論空燃比より低いリッチ空燃比になるまでであってもよい。
　ここで、ＮＨ３生成触媒よりも上流に酸素吸蔵能を有する触媒を設けている場合には、排気の空燃比がリッチになったときに、該ＮＨ３生成触媒に吸蔵されていた酸素が放出される。そして、この酸素により排気の空燃比が理論空燃比となる。すなわち、ガスセンサにより検知される排気の空燃比が理論空燃比となる。そして、酸素吸蔵能を有する触媒からの酸素の放出が完了すると、ガスセンサにより検知される排気の空燃比がリッチ空燃比となる。また、酸素吸蔵能を有する触媒からの酸素の放出が完了すると、ＮＨ３の生成が始まる。そして、酸素吸蔵能を有する触媒に酸素が吸蔵されている期間を第一の所定期間とすることができる。なお、第一の所定期間は、酸素吸蔵能を有する触媒から酸素を放出させる期間としてもよい。また、第二の所定期間は、ＮＨ３生成触媒においてＮＨ３を生成させる期間としてもよい。
　ここで、酸素吸蔵能を有する触媒から放出される酸素により排気の空燃比が理論空燃比となっている間は、ＮＨ３生成触媒においてＮＨ３が生成されない。したがって、酸素吸蔵能を有する触媒から速やかに酸素を放出させることにより、ＮＨ３生成触媒においてＮＨ３の生成が始まる時期を早めることができる。ここで、筒内噴射弁からの燃料噴射時期を圧縮行程後半とすることで、多くのＣＯを発生させることができる。ＣＯはＨＣよりも反応性が高いため、酸素吸蔵能を有する触媒からの酸素の放出を促進させることができる。これにより、酸素吸蔵能を有する触媒から速やかに酸素を放出させることができるので、ＮＨ３の生成に要する燃料を減少させることができ、またＮＨ３の生成に要する時間を短縮することができる。
　なお、酸素吸蔵能を有する触媒は、三元触媒であってもよい。また、酸素吸蔵能を有する触媒は、ＮＨ３生成触媒であってもよい。この場合、ＮＨ３生成触媒を直列に設けることになる。また、酸素吸蔵能を有する触媒よりも上流の排気の空燃比は、センサにより検知してもよく、内燃機関の吸入空気量及び燃料供給量に基づいて推定してもよい。
　本発明によれば、ＮＨ３生成の効率を高めることができる。
実施例に係る内燃機関の概略構成を表す図である。 水性ガスシフト反応におけるＮＳＲ触媒の温度とＨ２生成量との関係を示した図である。 水蒸気改質反応におけるＮＳＲ触媒の温度とＨ２生成量との関係を示した図である。 筒内噴射弁から燃料を噴射する時期と、排気中のＣＯ濃度との関係を示した図である。 筒内噴射弁から燃料を噴射する時期と、排気中のＨＣ濃度との関係を示した図である。 吸気行程前半に筒内噴射弁から燃料噴射を実施するときの内燃機関の断面図である。 リッチスパイク時の空燃比の推移を示したタイムチャートである。 リッチスパイクを実施したときの各種値の推移を示したタイムチャートである。 実施例に係るＮＨ３を生成させるフローを示したフローチャートである。
　以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
　図１は、本実施例に係る内燃機関１の概略構成を表す図である。なお、本実施例においては、内燃機関１を簡潔に表示するため、一部の構成要素の表示を省略している。内燃機関１は、４つの気筒２を有するガソリン機関である。
　内燃機関１のシリンダヘッド１１には、吸気管３１及び排気管４１が接続されている。シリンダヘッド１１には、吸気管３１から気筒２内に通じる吸気ポート３２、及び、排気管４１から気筒２内に通じる排気ポート４２が形成されている。吸気ポート３２の気筒２側の端部には、吸気弁５が備わる。また、排気ポート４２の気筒２側の端部には、排気弁６が備わる。なお、本実施例においては吸気管３１及び吸気ポート３２が、本発明における吸気通路に相当し、排気管４１及び排気ポート４２が、本発明における排気通路に相当する。
　そして、内燃機関１のクランクシャフト１３にコネクティングロッド１４を介して連結されたピストン１５が、気筒２内で往復する。
　また、吸気管３１には、該吸気管３１を流れる吸気の量を調節するスロットル１６が備えられている。このスロットル１６よりも上流の吸気管３１には、該吸気管３１内を流れる空気の量に応じた信号を出力するエアフローメータ９０が取り付けられている。このエアフローメータ９０により内燃機関１の吸入空気量が検知される。
　排気管４１の途中には、上流側から順に、三元触媒７、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒８（以下、ＮＳＲ触媒８という。）、選択還元型ＮＯｘ触媒９（以下、ＳＣＲ触媒９という。）が備えられている。
　三元触媒７は、触媒雰囲気が理論空燃比のときにＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを最大効率で浄化する。また、三元触媒７は、酸素ストレージ能を有している。すなわち、流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときに過剰分の酸素を吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチ空燃比であるときに不足分の酸素を放出することにより、排気を浄化する。このような酸素吸蔵能の作用により、三元触媒７がＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘを理論空燃比以外であっても浄化することができる。
　なお、三元触媒７の代わりにＮＳＲ触媒８と同じ吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を配置してもよい。
　また、ＮＳＲ触媒８は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを還元する。ＮＳＲ触媒８に供給する還元剤には、内燃機関１から排出される未燃燃料であるＨＣまたはＣＯを利用することができる。このＮＳＲ触媒８も、酸素ストレージ能を有している。
　なお、三元触媒７またはＮＳＲ触媒８を排気が通過するときに、排気中のＮＯｘがＨＣまたはＨ２と反応してアンモニア（ＮＨ３）が生成されることがある。例えば、三元触媒７またはＮＳＲ触媒８において、水性ガスシフト反応または水蒸気改質反応により排気中のＣＯやＨＣとＨ２Ｏとが反応してＨ２が発生すれば、該Ｈ２がＮＯと反応してＮＨ３が生成される。すなわち、本実施例においては三元触媒７またはＮＳＲ触媒８が、本発明におけるＮＨ３生成触媒に相当する。なお、本実施例では、ＮＳＲ触媒８をＮＨ３生成触媒として説明するが、三元触媒７をＮＨ３生成触媒としても同様に考えることができる。
　ＳＣＲ触媒９は、還元剤を吸着しておき、ＮＯｘが通過するときに、吸着していた還元剤によりＮＯｘを選択還元する。ＳＣＲ触媒９へ供給する還元剤には、ＮＳＲ触媒８にて生成されるＮＨ３を利用することができる。
　また、三元触媒７よりも上流の排気管４１には、排気の空燃比を検知する第一空燃比センサ９１が取り付けられている。また、三元触媒７よりも下流で且つＮＳＲ触媒８よりも上流の排気管４１には、排気の温度を検知する第一温度センサ９２と、排気の空燃比を検知する第二空燃比センサ９３と、が取り付けられている。なお、第一空燃比センサ９１により、内燃機関１からの排気の空燃比、または、三元触媒７に流入する排気の空燃比を検知することができる。なお、内燃機関１からの排気の空燃比、または、三元触媒７に流入する排気の空燃比は、内燃機関１の吸入空気量及び燃料供給量に基づいて推定することもできる。また、第一温度センサ９２により三元触媒７の温度、または、ＮＳＲ触媒８の温度を検知することができる。また、第二空燃比センサ９３により、三元触媒７から流出する排気の空燃比、または、ＮＳＲ触媒８に流入する排気の空燃比を検知することができる。なお、第二空燃比センサ９３は、酸素濃度センサとしてもよい。そして、本発明においては第二空燃比センサ９３が、本発明におけるガスセンサに相当する。
　また、ＮＳＲ触媒８よりも下流で且つＳＣＲ触媒９よりも上流の排気管４１には、排気の温度を検知する第二温度センサ９４が取り付けられている。なお、第二温度センサ９４によりＮＳＲ触媒８の温度、または、ＳＣＲ触媒９の温度を検知することができる。
　また、ＳＣＲ触媒９よりも下流の排気管４１には、排気の温度を検知する第三温度センサ９５が取り付けられている。なお、第三温度センサ９５によりＳＣＲ触媒９の温度を検知することができる。すなわち、本実施例においては第二温度センサ９４または第三温度センサ９５が、本発明における検知部に相当する。なお、三元触媒７、ＮＳＲ触媒８及びＳＣＲ触媒９の温度は、内燃機関１の運転状態（例えば、機関回転数及び機関負荷）に応じて変化するため、該内燃機関１の運転状態に応じて、三元触媒７、ＮＳＲ触媒８及びＳＣＲ触媒９の温度を推定してもよい。また、三元触媒７、ＮＳＲ触媒８及びＳＣＲ触媒９に温度センサを直接取り付けて、該三元触媒７、ＮＳＲ触媒８及びＳＣＲ触媒９の温度を検知してもよい。なお、上記センサは、全て取り付ける必要はなく、適宜選択して取り付けてもよい。
　また、スロットル１６よりも下流の吸気管３１には、燃料を吸気管３１または吸気ポート３２へ向けて噴射する通路内噴射弁８１が取り付けられている。また、内燃機関１には、気筒２内へ燃料を噴射する筒内噴射弁８２が取り付けられている。さらに、内燃機関１には、気筒２内に電気火花を発生させる点火プラグ８３が取り付けられている。
　そして、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御装置であるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、ＣＰＵの他、各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。
　ここで、上記各種センサの他、アクセル開度センサ９６およびクランクポジションセンサ９７がＥＣＵ１０と電気的に接続されている。ＥＣＵ１０はアクセル開度センサ９６からアクセル開度に応じた信号を受け取り、この信号に応じて内燃機関１に要求される機関負荷等を算出する。また、ＥＣＵ１０はクランクポジションセンサ９７から内燃機関１のクランクシャフト１３の回転角に応じた信号を受け取り、機関回転数を算出する。
　一方、ＥＣＵ１０には、通路内噴射弁８１、筒内噴射弁８２、点火プラグ８３が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０によりこれらの機器が制御される。
　例えばＥＣＵ１０は、エアフローメータ９０において検知される吸入空気量に応じた燃料を供給するように通路内噴射弁８１及び筒内噴射弁８２を制御する。このときに設定される目標空燃比は、内燃機関１の運転状態に応じて設定される空燃比である。なお、本実施例に係る内燃機関１は、リーンバーン運転がなされている。ただし、高負荷運転時などにおいて、理論空燃比近傍で内燃機関１が運転されることもある。また、ＮＨ３を生成するため又はＮＯｘを還元するために理論空燃比よりも低い空燃比（リッチ空燃比）で運転することもある。
　また、ＥＣＵ１０は、ＮＳＲ触媒８に吸蔵されているＮＯｘの還元処理を実施する。ＮＳＲ触媒８に吸蔵されているＮＯｘの還元時には、通路内噴射弁８１及び筒内噴射弁８２から噴射する燃料の量またはスロットル１６の開度を調整することにより、ＮＳＲ触媒８に流入する排気の空燃比を所定のリッチ空燃比まで低下させる所謂リッチスパイクを実施する。本実施例に係るリッチスパイクは、複数のサイクルにおいて気筒２内の空燃比を所定のリッチ空燃比とすることで、ＮＳＲ触媒８に流入する排気の空燃比を所定のリッチ空燃比としている。
　このリッチスパイクは、ＮＳＲ触媒８に吸蔵されているＮＯｘ量が所定量となった場合に実施される。ＮＳＲ触媒８に吸蔵されているＮＯｘ量は、たとえば、ＮＳＲ触媒８に流入するＮＯｘ量と、ＮＳＲ触媒８から流出するＮＯｘ量と、の差を積算することにより算出される。ＮＳＲ触媒８に流入するＮＯｘ量と、ＮＳＲ触媒８から流出するＮＯｘ量とは、センサを取り付けることにより検知できる。また、所定の時間または所定の走行距離ごとにリッチスパイクを実施してもよい。
　また、ＥＣＵ１０は、リッチスパイクを実施することにより、ＮＳＲ触媒８においてＮＨ３を生成させる。このリッチスパイクは、ＳＣＲ触媒９が吸着しているＮＨ３量が所定量まで減少したときに実施される。ＳＣＲ触媒９が吸着しているＮＨ３量は、例えばＳＣＲ触媒９に流入するＮＯｘ量に応じて減少するため、ＳＣＲ触媒９に流入するＮＯｘ量をセンサ等により検知することで、ＳＣＲ触媒９が吸着しているＮＨ３量を算出することができる。また、所定の間隔でＮＨ３を生成させるためのリッチスパイクを実施してもよい。
　ここで、ＮＳＲ触媒８にてＮＨ３を生成させるためにリッチスパイクを実施すると、内燃機関１からＣＯまたはＨＣが排出される。このＣＯまたはＨＣは、水性ガスシフト反応または水蒸気改質反応により排気中のＨ２Ｏと反応し、その結果、Ｈ２が生成される。このように生成されるＨ２と、ＮＳＲ触媒８から放出されるＮＯｘと、が反応することでＮＨ３が生成される。このＮＨ３は、下流のＳＣＲ触媒９に吸着され、該ＳＣＲ触媒９においてＮＯｘを還元させる還元剤となる。
　水性ガスシフト反応では、ＣＯとＨ２ＯとからＨ２を生成させることができる。また、水蒸気改質反応では、ＨＣとＨ２ＯとからＨ２を生成させることができる。そして、水性ガスシフト反応と水蒸気改質反応とでは、反応が活発になる温度が異なる。すなわち、水性ガスシフト反応と水蒸気改質反応とでは、Ｈ２の生成量が最も多くなる温度が異なる。ここで、水蒸気改質反応よりも水性ガスシフト反応の方が、より低い温度領域で反応が活発になる。
　ここで、図２は、水性ガスシフト反応におけるＮＳＲ触媒８の温度とＨ２生成量との関係を示した図である。水性ガスシフト反応では、ＮＳＲ触媒８の温度が、例えば４００℃前後のときに、ＮＨ３生成量が比較的多くなる。また、図３は、水蒸気改質反応におけるＮＳＲ触媒８の温度とＨ２生成量との関係を示した図である。水蒸気改質反応では、ＮＳＲ触媒８の温度が、例えば６００℃以上のときに、Ｈ２生成量が比較的多くなる。
　したがって、ＮＳＲ触媒８の温度が４００℃前後の場合には、ＣＯ濃度を増加させて水性ガスシフト反応によりＮＨ３を生成し、一方、ＮＳＲ触媒８の温度が６００℃以上の場合には、ＨＣ濃度を増加させて水蒸気改質反応によりＮＨ３を生成すれば、より多くのＮＨ３を効率よく生成することができる。
　例えば、ＮＳＲ触媒８の温度が所定温度以下の場合には、ＣＯ濃度を増加させて水性ガスシフト反応によりＮＨ３を生成し、一方、ＮＳＲ触媒８の温度が所定温度よりも高い場合には、ＨＣ濃度を増加させて水蒸気改質反応によりＮＨ３を生成してもよい。ここでいう所定温度は、水性ガスシフト反応により生成されるＨ２量と、水蒸気改質反応により生成されるＨ２量とが逆転する温度である。この所定温度は、図２と図３とを比較することにより求まり、例えば５００度から６００度までの間の温度とすることができる。
　なお、本実施例においては所定温度以下の温度の範囲が、本発明における第一の所定の範囲に相当し、所定温度よりも高い温度の範囲が、本発明における第二の所定の範囲に相当する。
　また、本実施例では、水性ガスシフト反応によりＨ２生成量が所定量以上となる温度のときに限り、圧縮行程後半で筒内噴射弁８２から燃料を噴射するようにしてもよい。この場合、Ｈ２生成量が所定量以上となる温度の範囲が、本発明における第一の所定の範囲に相当する。一方、水蒸気改質反応によりＨ２生成量が所定量以上となる温度のときに限り、吸気行程前半で筒内噴射弁８２から燃料を噴射するようにしてもよい。この場合、Ｈ２生成量が所定量以上となる温度の範囲が、本発明における第二の所定の範囲に相当する。所定量は、ＮＨ３の生成の効率またはＮＨ３の生成量が許容範囲内となるＨ２生成量としてもよい。
　このように、ＮＳＲ触媒８の温度に応じて内燃機関１から排出させるＣＯまたはＨＣの量を調整することで、ＮＳＲ触媒８におけるＨ２の生成量をより多くすることができる。このようにＨ２の生成量が多くなることで、ＮＨ３の生成量をより多くすることができる。そして、筒内噴射弁８２からの燃料噴射時期を調整することにより、内燃機関１から排出されるＣＯ量またはＨＣ量を増加させることができる。
　ここで、リッチスパイク時において内燃機関１から排出されるＣＯ量を増加させるためには、圧縮行程後半に筒内噴射弁８２から燃料を噴射すればよい。一方、リッチスパイク時において内燃機関１から排出されるＨＣ量を増加させるためには、吸気行程前半に筒内噴射弁８２から燃料を噴射すればよい。
　なお、リッチスパイク時には、目標空燃比とするために必要となる燃料量の全量を筒内噴射弁８２から噴射させてもよい。また、リッチスパイク時には、空燃比を理論空燃比近傍まで低下させるために必要となる燃料量を通路内噴射弁８１から噴射し、理論空燃比から目標空燃比へ低下させるために必要となる燃料量を筒内噴射弁８２から噴射してもよい。
　ここで、図４は、筒内噴射弁８２から燃料を噴射する時期と、排気中のＣＯ濃度との関係を示した図である。クランクアングルの数値は、圧縮上死点が基準となっており、圧縮上死点が０度である。そして、夫々の数値は、圧縮上死点までのクランクアングルを示している。すなわち、１８０度から０度までが圧縮行程となる。
　クランクアングルで圧縮上死点前９０度から０度までの間、すなわち圧縮行程後半で筒内噴射弁８２から燃料を噴射することによりＣＯ濃度が比較的高くなることが分かる。ここで、圧縮行程後半に燃料噴射を実施することにより、燃料と空気との混合が不十分な混合気が生成されることで、ＣＯ濃度が高くなる。したがって、ＮＳＲ触媒８の温度が比較的低い場合には、圧縮行程後半に筒内噴射弁８２から燃料を噴射することで、排気中のＣＯ濃度を増加させれば、ＮＳＲ触媒８における水性ガスシフト反応を促進させることができる。これにより、より多くのＮＨ３を生成することができる。
　また、図５は、筒内噴射弁８２から燃料を噴射する時期と、排気中のＨＣ濃度との関係を示した図である。クランクアングルの数値は、圧縮上死点が基準となっており、圧縮上死点が０度である。そして、夫々の数値は、圧縮上死点までのクランクアングルを示している。すなわち、３６０度から１８０度までが吸気行程となる。
　クランクアングルで３６０度から２７０度までの間、すなわち吸気行程前半で筒内噴射弁８２から燃料を噴射することによりＨＣ濃度が比較的高くなることが分かる。また、クランクアングルが３４０度から３２０度の間で燃料を噴射することにより、ＨＣ濃度をより高くすることができる。なお、ＨＣ濃度が所定濃度以上となる時期に、筒内噴射弁８２から燃料を噴射してもよい。
　なお、図５における通常噴射時期とは、リッチスパイクを実施しない場合における燃料噴射時期である。そして、通常噴射時期よりも筒内噴射弁８２からの燃料噴射時期を早くすることで、ＨＣ濃度が高くなる。なお、ＣＯ濃度を高くする場合には、通常噴射時期よりも筒内噴射弁８２からの燃料噴射時期を遅くする。
　ここで、図６は、吸気行程前半に筒内噴射弁８２から燃料噴射を実施するときの内燃機関１の断面図である。吸気行程前半に燃料噴射を実施することにより、気筒２の壁面とピストン１５の外周面とに囲まれた狭い範囲に燃料が当たる。この範囲は、温度が低いために燃料が蒸発し難く、且つ、火炎も届き難いので、この範囲に入った燃料は、燃焼し難い。すなわち、気筒２の壁面とピストン１５の外周面とに囲まれた範囲に燃料が入るように、燃料噴射を実施することにより、ＨＣ濃度を高くすることができる。そして、気筒２の壁面とピストン１５の外周面とに囲まれた範囲に燃料を入れるためには、吸気行程前半に筒内噴射弁８２から燃料を噴射すればよい。したがって、ＮＳＲ触媒８の温度が比較的高い場合には、吸気行程前半に筒内噴射弁８２から燃料を噴射することで、排気中のＨＣ濃度を増加させれば、ＮＳＲ触媒８における水蒸気改質反応を促進させることができる。これにより、より多くのＮＨ３を生成させることができる。
　なお、図５において、クランクアングルが１８０度付近でもＨＣ濃度が高くなっているが、このときには、ＣＯ濃度も高くなる。ＮＳＲ触媒８の温度が比較的高い場合には、水性ガスシフト反応は緩慢であるため、ＣＯからＮＨ３を生成することが困難となる。また、ＣＯの反応が緩慢になると、ＣＯが大気中に放出される虞もある。このため、吸気行程後半では、筒内噴射弁８２から燃料を噴射しないようにしてＣＯの排出量を低減する。
　ＣＯ濃度又はＨＣ濃度を高める燃料噴射時期の最適値は、予め実験又はシミュレーションにより求めることができる。すなわち、圧縮行程後半において、ＣＯ濃度が最も高くなる燃料噴射時期、及び、吸気行程前半において、ＨＣ濃度が最も高くなる燃料噴射時期を夫々求めておき、これらの時期またはその前後の時期において燃料を噴射するようにしてもよい。
　また、吸気行程前半に筒内噴射弁８２から燃料を噴射させる場合には、噴射された燃料が気筒２の壁面に当たるときに、この燃料が当たる箇所と同じ高さにピストン１５の上面の外縁が位置するように、燃料噴射時期を調整してもよい。なお、筒内噴射弁８２から噴射された燃料は、ある程度広がった状態で気筒２の壁面に到達するため、燃料が気筒２の壁面とピストン１５とに囲まれた範囲に入るような燃料噴射時期には、ある程度の幅がある。
　ここで、筒内噴射弁８２から気筒２の壁面までの距離及び噴射された燃料の速度に基づいて、燃料が噴射されてから気筒２の壁面に到達するまでの時間を算出することができる。また、燃料が噴射されてから気筒２の壁面に到達するまでにピストン１５が移動する距離は、機関回転数に基づいて算出することができる。これらに基づいて、筒内噴射弁８２から噴射された燃料が気筒２の壁面に当たるときに、気筒２の壁面とピストン１５の外周面との間に燃料が入るような燃料噴射時期を算出することもできる。これには、公知の計算式を用いることができる。
　また、本実施例では、リッチスパイク時に速やかにＮＨ３を生成させるように、リッチスパイクの開始直後には空燃比を比較的低くしてもよい。ここで、三元触媒７に酸素が吸蔵されていると、リッチ空燃比のガスを内燃機関１から排出したときに、該三元触媒７から酸素が放出される。そして、三元触媒７から放出される酸素により、三元触媒７よりも下流の排気の空燃比が理論空燃比となる。このため、リッチスパイク開始直後には、ＮＳＲ触媒８に流入する排気の空燃比が理論空燃比となるので、ＮＨ３が直ぐには生成されない。これに対し、三元触媒７からの酸素の放出が完了するまでは、ＮＨ３の生成に適した空燃比よりもさらに低い空燃比を目標空燃比としてリッチスパイクを実施することで、三元触媒７から酸素を速やかに放出させることができる。これにより、ＮＳＲ触媒８においてＮＨ３の生成が始まる時期を早めることができる。なお、三元触媒７から酸素が放出されている間は、三元触媒７よりも下流の排気の空燃比が理論空燃比となるため、三元触媒７よりも下流の排気の空燃比が理論空燃比となっている間は、目標空燃比をＮＨ３の生成に適した空燃比より低くしてもよい。また、所定の期間だけ目標空燃比をＮＨ３の生成に適した空燃比より低くしてもよい。
　また、本実施例では、リッチスパイク時に通路内噴射弁８１からの燃料噴射を併用してもよい。この場合、通路内噴射弁８１からの燃料噴射量を、空燃比が理論空燃比まで低下するのに必要となる燃料噴射量とし、筒内噴射弁８２からの燃料噴射量を、空燃比が理論空燃比から目標空燃比まで低下するのに必要となる燃料噴射量としてもよい。
　ここで、図７は、リッチスパイク時の空燃比の推移を示したタイムチャートである。図７において「ＰＦＩ」は、通路内噴射弁８１から噴射された燃料による空燃比の低下分を示し、「ＤＩ－１」及び「ＤＩ－２」は、筒内噴射弁８２から噴射された燃料による空燃比の低下分を示している。また、「ＤＩ－１」では、圧縮行程後半に燃料を噴射している。また、「ＤＩ－２」では、ＮＳＲ触媒８の温度に応じて吸気行程前半または圧縮行程後半に燃料を噴射している。Ａで示される期間は、三元触媒７に吸蔵されている酸素を放出させるための期間であり、Ｂで示される期間は、ＮＳＲ触媒８においてＮＨ３を生成させる期間である。図７に示すように、Ａの期間及びＢの期間の目標空燃比は、共にリッチ空燃比であるが、Ｂの期間よりもＡの期間の方が、目標空燃比が低い。なお、本実施例においてはＡの期間が、本発明における第一の所定期間に相当し、Ｂの期間が、本発明における第二の所定期間に相当する。
　ここで、排気中に酸素が残存していると、三元触媒７において、ＣＯまたはＨＣと酸素とが反応する。これにより、三元触媒７に吸蔵されている酸素の放出のためのＣＯまたはＨＣが少なくなるので、三元触媒７からの酸素の放出が完了するまでの時間が長くなる。また、その後のＮＨ３の生成効率も低くなり、より多くの燃料を消費することになる。
　筒内噴射弁８２から燃料を噴射するよりも、通路内噴射弁８１から燃料を噴射したほうが、燃料の拡散が進み、気筒２内の混合気の濃度がより均一になる。このため、通路内噴射弁８１から燃料を噴射することにより、燃焼後に残存する酸素の量を減少させることができる。そして、通路内噴射弁８１からの燃料噴射量を、理論空燃比となるように設定することで、燃焼後の酸素量をより少なくすることができる。仮に、通路内噴射弁８１からの燃料噴射量を、リーン空燃比となるように設定すると、排気中に酸素が残存する虞がある。一方、通路内噴射弁８１からの燃料噴射量を、リッチ空燃比となるように設定すると、ＨＣまたはＣＯの発生量が少なくなり、Ｈ２の生成量も少なくなる虞がある。また、筒内噴射弁８２からの燃料噴射量により気筒２内の混合気の空燃比をリッチ空燃比とすることで、ＣＯまたはＨＣの発生量を増加させることができる。すなわち、通路内噴射弁８１と筒内噴射弁８２とを併用することにより、排気中に残存する酸素の量を減少させつつ、ＣＯまたはＨＣの量を増加させることができる。
　なお、図７におけるＤＩ－１では、筒内噴射弁８２から圧縮行程後半に燃料を噴射している。このようにすることで、内燃機関１からＣＯを多く排出させることができる。ここで、ＨＣよりもＣＯの方が反応性が高いため、ＣＯをより多く三元触媒７へ供給することにより、酸素を速やかに放出させることができる。
　図８は、リッチスパイクを実施したときの各種値の推移を示したタイムチャートである。「ＴＷＣ上流Ａ／Ｆ」は、三元触媒７よりも上流の排気の空燃比を示し、「ＮＳＲ上流Ａ／Ｆ」は、三元触媒７よりも下流で且つＮＳＲ触媒８よりも上流の排気の空燃比を示し、「噴射時期」は、筒内噴射弁８２からの燃料噴射時期を示し、ＮＳＲ温度は、ＮＳＲ触媒８の温度を示している。なお、図８においては、水性ガスシフト反応によりＨ２生成量が所定量以上となる温度の範囲を、第一の所定の範囲としている。一方、水蒸気改質反応によりＨ２生成量が所定量以上となる温度の範囲を、第二の所定の範囲としている。
　ＮＳＲ温度は、最初は第一の所定の範囲内であるが、徐々に上昇して、第二の所定の範囲内となる。そして、ＮＳＲ温度が第一の所定の範囲内のときには、筒内噴射弁８２からの燃料噴射時期を圧縮行程後半としている。また、ＮＳＲ温度が第二の所定の範囲内のときには、筒内噴射弁８２からの燃料噴射時期を、第一の所定期間には圧縮行程前半とし、第二の所定期間には吸気行程前半としている。リッチスパイクを実施したときには、ＴＷＣ上流Ａ／Ｆが理論空燃比よりも低くなる。一方、ＮＳＲ上流Ａ／Ｆは、リッチスパイクを開始した直後には理論空燃比となり、リッチスパイクがある程度継続した後に、理論空燃比よりも低くなる。
　そして、ＴＷＣ上流Ａ／Ｆが理論空燃比よりも低くなってから、ＮＳＲ上流Ａ／Ｆが理論空燃比よりも低いリッチ空燃比となるまでの期間を第一の所定期間としている。この第一の所定期間は、ＮＳＲ上流Ａ／Ｆが理論空燃比となっている期間としてもよい。また、ＮＳＲ上流Ａ／Ｆが理論空燃比よりも低くなっている期間を第二の所定期間としている。また、第一の所定期間は、第一空燃比センサ９１により検知される排気の空燃比が理論空燃比より低くなってから、第二空燃比センサ９３により検知される排気の空燃比が理論空燃比より低いリッチ空燃比になるまでとしてもよい。
　図９は、本実施例に係るＮＨ３を生成させるフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ１０により所定の時間毎に実行される。
　ステップＳ１０１では、リッチスパイクの実行条件が成立しているか否か判定される。例えば、内燃機関１の運転状態がＮＨ３の生成に適した所定の運転状態のときにリッチスパイクの実行条件が成立していると判定される。また、例えば、ＳＣＲ触媒９にＮＨ３を供給する必要がある場合にリッチスパイクの実行条件が成立していると判定してもよい。また、ＮＳＲ触媒８の温度が活性温度であることをリッチスパイクの実行条件としてもよい。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。
　ステップＳ１０２では、ＮＳＲ触媒８の温度ＴＮＳＲが検知される。ＮＳＲ触媒８の温度ＴＮＳＲは、第一温度センサ９２により得る。そして、ステップＳ１０３へ進む。
　ステップＳ１０３では、ＮＳＲ触媒８の温度ＴＮＳＲが、所定温度Ｔ１よりも高いか否か判定される。所定温度Ｔ１は、水性ガスシフト反応により発生するＨ２のほうが、水蒸気改質反応により発生するＨ２よりも多くなる温度の上限値である。この所定温度Ｔ１は、図２と図３とを比較することにより求まり、例えば５００度から６００度までの間の温度である。本ステップでは、ＮＳＲ触媒８の温度が、第二の所定の範囲内であるか否か判定している。ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進む。そして、ステップＳ１０４では、図７におけるＡの期間の燃料噴射が実施される。すなわち、三元触媒７に吸蔵されている酸素を放出させるために、比較的低い空燃比でリッチスパイクが実施される。そして、ステップＳ１０５へ進む。
　ステップＳ１０５では、図７におけるＢの期間の燃料噴射が実施される。すなわち、ＮＳＲ触媒８においてＮＨ３を生成させるために、リッチ空燃比であっても比較的高い空燃比でリッチスパイクが実施される。そして、本ステップでは、筒内噴射弁８２からの燃料噴射を吸気行程前半に行う。その後、本ルーチンを終了させる。
　一方、ステップＳ１０３で否定判定がなされた場合には、ステップＳ１０６へ進む。そして、ステップＳ１０６では、図７におけるＡの期間の燃料噴射が実施される。すなわち、三元触媒７に吸蔵されている酸素を放出させるために、比較的低い空燃比でリッチスパイクが実施される。そして、ステップＳ１０７へ進む。
　ステップＳ１０７では、図７におけるＢの期間の燃料噴射が実施される。すなわち、ＮＳＲ触媒８においてＮＨ３を生成させるために、リッチ空燃比であっても比較的高い空燃比でリッチスパイクが実施される。そして、本ステップでは、筒内噴射弁８２からの燃料噴射を圧縮行程後半に行う。その後、本ルーチンを終了させる。なお、本実施例においてはステップＳ１０３からステップＳ１０７を処理するＥＣＵ１０が、本発明における制御装置に相当する。
　なお、本ルーチンでは、Ａの期間とＢの期間とで空燃比を変えているが、これに代えて、リッチスパイク全体で同じ空燃比としてもよい。また、Ａの期間及びＢの期間において通路内噴射弁８１と筒内噴射弁８２とを併用してリッチ空燃比としているが、これに代えて、筒内噴射弁８２のみを用いてリッチ空燃比としてもよい。
　また、上記の吸気行程前半は、筒内噴射弁８２から噴射された燃料が気筒２の壁面とピストン１５の外周面とに囲まれた範囲に入るような時期としてもよいし、圧縮上死点前３４０度から３２０度までの間としてもよい。また、上記の吸気行程前半に筒内噴射弁８２から燃料を噴射する場合には、筒内噴射弁８２から噴射された燃料が気筒２の壁面に当たるときに、この燃料が当たる箇所と同じ高さにピストン１５の上面の外縁が位置するように燃料噴射時期を決定してもよい。また、上記の吸気行程前半に筒内噴射弁８２から燃料を噴射する場合には、筒内噴射弁８２から噴射された燃料がピストン１５の上面の外縁に当たるように燃料噴射時期を決定してもよい。
　また、ＮＨ３生成時における筒内噴射弁８２からの燃料噴射時期は、ＨＣ濃度またはＣＯ濃度が所定濃度以上となる時期としてもよい。また、ＮＨ３生成時における筒内噴射弁８２からの燃料噴射時期は、ＨＣ量またはＣＯ量が所定量以上となる時期としてもよい。
　以上説明したように本実施例によれば、ＮＳＲ触媒８の温度に基づいて、より反応し易いガスをＮＳＲに供給することで、より少ない燃料でＮＨ３をより多く生成することができる。これにより、ＮＨ３の生成効率を高めることができる。
１     内燃機関
２     気筒
７     三元触媒
８     吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＳＲ触媒）
９     選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）
１０   ＥＣＵ
１５   ピストン
３１   吸気管
３２   吸気ポート
４１   排気管
４２   排気ポート
８１   通路内噴射弁
８２   筒内噴射弁
８３   点火プラグ
９０   エアフローメータ
９１   第一空燃比センサ
９２   第一温度センサ
９３   第二空燃比センサ
９４   第二温度センサ
９５   第三温度センサ
９６   アクセル開度センサ
９７   クランクポジションセンサ

Claims (6)

  1. 　内燃機関の排気通路に設けられて排気の空燃比が理論空燃比よりも低いときにＮＯｘ及びＨ２からＮＨ３を生成する触媒であるＮＨ３生成触媒と、
    　前記ＮＨ３生成触媒の温度を検知する検知部と、
    　前記内燃機関の気筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、
    　前記排気の空燃比を理論空燃比よりも低くして前記ＮＨ３生成触媒においてＮＨ３を生成させる制御装置と、
    　を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
    　前記制御装置は、前記排気の空燃比を理論空燃比よりも低くする場合に、前記検知部により検知されるＮＨ３生成触媒の温度が第一の所定の範囲内のときには、前記筒内噴射弁からの燃料噴射時期を圧縮行程後半とし、前記検知部により検知されるＮＨ３生成触媒の温度が前記第一の所定の範囲よりも高い温度の範囲である第二の所定の範囲内のときには、前記筒内噴射弁からの燃料噴射時期を吸気行程前半とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 　前記内燃機関の吸気通路内に燃料を噴射する通路内噴射弁を備え、
    　前記制御装置は、前記排気の空燃比を理論空燃比よりも低くする場合において、前記通路内噴射弁からの燃料噴射量を、空燃比が理論空燃比まで低下するのに必要となる燃料噴射量とし、前記筒内噴射弁からの燃料噴射量を、空燃比が理論空燃比から目標となるリッチ空燃比まで低下するのに必要となる燃料噴射量とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 　前記ＮＨ３生成触媒よりも下流の排気通路に、ＮＨ３を還元剤としてＮＯｘを還元する選択還元型ＮＯｘ触媒を備える請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 　前記制御装置は、前記排気の空燃比を理論空燃比よりも低くする場合に、
    　第一の所定期間においては、前記筒内噴射弁からの燃料噴射時期を圧縮行程後半として前記排気の空燃比を理論空燃比よりも低くし、
    　前記第一の所定期間の後の期間である第二の所定期間であって、前記検知部により検知されるＮＨ３生成触媒の温度が第一の所定の範囲内のときには、前記筒内噴射弁からの燃料噴射時期を圧縮行程後半として、前記排気の空燃比を理論空燃比よりも低くし、
    　前記第二の所定期間であって、前記検知部により検知されるＮＨ３生成触媒の温度が前記第一の所定の範囲よりも高い温度の範囲である第二の所定の範囲内のときには、前記筒内噴射弁からの燃料噴射時期を吸気行程前半として、前記排気の空燃比を理論空燃比よりも低くする、
    　請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 　前記第一の所定期間の排気の空燃比が、前記第二の所定期間の排気の空燃比よりも低い請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 　前記ＮＨ３生成触媒よりも上流の排気通路に設けられ酸素吸蔵能を有する触媒と、前記酸素吸蔵能を有する触媒よりも下流で且つ前記ＮＨ３生成触媒よりも上流の排気通路に設けられ排気の空燃比を検知するガスセンサと、をさらに備え、
    　前記第一の所定期間は、少なくとも前記酸素吸蔵能を有する触媒よりも上流の排気の空燃比が理論空燃比より低くなってから前記ガスセンサにより検知される排気の空燃比が理論空燃比より低いリッチ空燃比になるまでである、
    　請求項４または５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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