(57)【要約】【課題】排気処理装置を備え、排気処理装置における反応性が向上する内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】内燃機関の排気浄化装置は、排気を浄化する排気処理装置を備え、燃料添加弁から排気ガス中に未燃燃料を供給し、グロープラグにより未燃燃料を着火させて火炎を生成し、生成された火炎が排気処理装置の上流側の端部に到達するように形成されている。生成される火炎が排気処理装置に到達する前に、未燃燃料を排気処理装置の上流側の端部に付着させ、排気処理装置の上流側の端部に付着させた未燃燃料を火炎により燃焼させて活性化物質を生成し、生成した活性化物質を排気処理装置に供給する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路に配置され、排気を浄化する排気処理装置と、排気ガスに含まれる未燃燃料を着火させて火炎を生成し、生成した火炎を排気処理装置の上流側の端部に到達させる火炎生成手段とを備え、
火炎生成手段により生成される火炎が排気処理装置に到達する前に、未燃燃料を排気処理装置の上流側の端部に付着させ、排気処理装置の上流側の端部に付着させた未燃燃料を前記火炎により燃焼させて活性化物質を生成することを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
火炎生成手段は、グロープラグとグロープラグより上流側の機関排気通路に未燃燃料を供給する燃料供給手段とを含み、
排気処理装置の上流側の端部に未燃燃料を付着させるために、グロープラグに通電してグロープラグの温度が未燃燃料の着火温度に到達する前に、燃料供給手段から未燃燃料を供給することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
火炎生成手段は、グロープラグとグロープラグより上流側の機関排気通路に未燃燃料を供給する燃料供給手段とを含み、
排気処理装置の上流側の端部に未燃燃料を付着させるために、グロープラグに通電してグロープラグの温度が未燃燃料の着火温度に到達した後に、燃料供給手段から火炎の生成に必要な最小の未燃燃料の量よりも多い未燃燃料を供給することを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
複数回の火炎生成を間欠的に行なうことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
複数回の火炎生成のうち１回目の火炎生成において排気処理装置に付着させる未燃燃料の量よりも、２回目以降のいずれかの火炎生成において排気処理装置に付着させる未燃燃料の量を少なくすることを特徴とする、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
複数回の火炎生成のうち２回目以降のいずれかの火炎生成の時間を、１回目の火炎生成の時間よりも長くすることを特徴とする、請求項４または５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
複数回の火炎生成のうち２回目以降のいずれかの火炎生成における火炎の温度を、１回目の火炎生成における火炎の温度よりも高くすることを特徴とする、請求項４から６のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
排気処理装置は、未燃燃料の吸着能力を有する酸化触媒を含み、
酸化触媒の温度を検出し、酸化触媒の温度が高いほど未燃燃料の吸着量を減少させることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
排気処理装置は、未燃燃料の吸着能力を有する酸化触媒を含み、
酸化触媒に付着する未燃燃料の量を検出し、酸化触媒に付着した未燃燃料の量が多いほど火炎の温度を低下させることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
排気処理装置は、排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯＸを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯＸを放出し、更に、ＮＯＸの吸蔵と同時にＳＯＸが吸蔵され、ＮＯＸ吸蔵触媒の温度をＳＯＸ放出可能な温度まで上昇させると共に、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＳＯＸを放出するＮＯＸ吸蔵触媒を含み、
ＮＯＸ吸蔵触媒からＮＯＸを放出させるＮＯＸ放出制御またはＮＯＸ吸蔵触媒からＳＯＸを放出させるＳＯＸ放出制御において、火炎生成手段により火炎を生成すると共にＮＯＸ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】
ＮＯＸ放出制御またはＳＯＸ放出制御の場合に、ＮＯＸ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比を間欠的にリッチにすることを特徴とする、請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１２】
ＮＯＸ放出制御またはＳＯＸ放出制御の場合に、火炎を生成する前または火炎を生成している期間中に、火炎生成手段に供給する排気ガスの酸素濃度を増加させることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１３】
ＮＯＸ放出制御またはＳＯＸ放出制御の場合に、火炎を生成する前または火炎を生成している期間中に、火炎生成手段に供給する排気ガスの酸素濃度を減少させることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１４】
ＮＯＸ放出制御またはＳＯＸ放出制御の場合に、火炎を生成している期間中または火炎の生成の終了後に、排気ガスの流量を減少させることを特徴とする、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１５】
火炎生成の期間中に、燃料供給手段から供給される未燃燃料の量を増加させることを特徴とする、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１６】
火炎により生成された活性化物質の量を検知する活性化物質検知手段を備え、
活性化物質検知手段により検出した活性化物質の量が判定値以下の場合には、火炎生成を行なう回数を増加することを特徴とする、請求項１０から１５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１７】
ＮＯＸ放出制御またはＳＯＸ放出制御が終了した後に、排気ガスの空燃比をリーンにすると共に排気ガスの流量を増加させることを特徴とする、請求項１０から１６のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１８】
ＮＯＸ吸蔵触媒は、火炎が到達したときに活性化物質によりＳＯＸを放出する活性化ＳＯＸ放出温度を有し、
ＮＯＸ放出制御のときに、ＮＯＸ吸蔵触媒の上流側の端部を活性化ＳＯＸ放出温度以上に昇温することを特徴とする、請求項１０から１７のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１９】
ＮＯＸ吸蔵触媒の下流の機関排気通路内に、ＳＯＸを捕捉するＳＯＸ吸着触媒が配置されていることを特徴とする、請求項１０から１８のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２０】
ＳＯＸ吸着触媒の温度を検知し、ＳＯＸ吸着触媒の温度が判定値未満の場合には、火炎の生成を規制することを特徴とする、請求項１９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２１】
排気処理装置は、酸化触媒を含み、酸化触媒の下流側に配置され、アンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯＸを選択的に還元するＮＯＸ選択還元触媒と、ＮＯＸ選択還元触媒の上流側に配置され、機関排気通路に尿素またはアンモニアを供給する還元剤供給手段とを更に備え、
火炎生成に伴って還元剤供給手段から尿素またはアンモニアを供給することにより、火炎生成の期間中に消費されるＮＯＸ選択還元触媒に吸着しているアンモニアを補充することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２２】
火炎が生成される前または火炎の生成が終了した後に、ＮＯＸ選択還元触媒に吸着するアンモニアの量が予め定められた量以上になるように還元剤供給手段から尿素またはアンモニアを供給することを特徴とする、請求項２１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２３】
ＮＯＸ選択還元触媒のＨＣ被毒量を検知する被毒検知手段を更に備え、
被毒検知手段により検出されたＨＣ被毒量が判定値以上の場合に、火炎生成手段により火炎を生成することを特徴とする、請求項２１または２２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２４】
排気処理装置は、排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを含み、
排気ガスを昇温して粒子状物質を燃焼することによりパティキュレートフィルタから粒子状物質を除去するときに火炎を生成することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２５】
排気処理装置は、排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタまたは酸化触媒を含み、
排気処理装置よりも下流の機関排気通路内に配置され、尿素を供給して該尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯＸを選択的に還元するＮＯＸ選択還元触媒と、ＮＯＸ選択還元触媒に尿素を供給する還元剤供給手段と、ＮＯＸ選択還元触媒のＨＣ被毒量を検知する被毒検知手段とを更に備え、
被毒検知手段により検出されたＨＣ被毒量が判定値以上である場合に、火炎を生成すると共に、ＨＣ被毒量が判定値未満のときの尿素の供給量より少ない供給量で尿素を供給することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２６】
火炎が生成されているか否かを判別する火炎状態判別手段を更に備え、
火炎が生成されている時の火炎生成時制御および火炎が生成されていない時の火炎未生成時制御が可能なように形成されており、
火炎状態判別手段により火炎が生成されているか否かを判別して、火炎生成時制御および火炎未生成時制御のうちいずれか一方の制御を選択することを特徴とする、請求項１から２５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２７】
火炎生成手段および排気処理装置のうち少なくとも一方に堆積する煤の堆積量を検出する堆積量検知手段を更に備え、
堆積量検知手段により検出された煤の堆積量が許容値に達した場合に火炎を生成することを特徴とする、請求項１から２６のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関の排気ガスには、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃燃料（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）または粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート）などの成分が含まれている。
【０００３】
内燃機関には、これらの成分を浄化するために、排気処理装置が取り付けられる。排気処理装置には、一酸化炭素などを酸化するための酸化触媒、窒素酸化物を除去するためのＮＯＸ吸蔵触媒又はＮＯＸ選択還元触媒、粒子状物質を除去するためのパティキュレートフィルタ等が含まれる。
【０００４】
内燃機関の排気浄化装置において火炎を生成することが知られている。特表平８−５０９０４４号公報においては、燃料供給体と、エンジンに関連した排気ガスの排出ライン中に、低発火温度燃料を供給する燃料ラインとを含む装置が開示されている。また、この装置は、空気ポンプを備え、空気ラインを通して排気ガス排出ライン中に燃焼空気を供給することが開示されている。粒子汚染物を除去するための粒子フィルタよりも上流の排気パイプ中で、排気ガス流中の粒子汚染物を焼却することが開示されている。
【０００５】
また、特表２０００−５１４９１１号公報においては、第１触媒リアクタとそれに直列に配置された第２触媒リアクタと含む燃焼器が開示されている。第１触媒リアクタが着火温度以上の温度に加熱され、その後、燃料と空気と混合気が第１触媒リアクタに導入されることにより、第１触媒リアクタで触媒燃焼が開始されることが開示されている。また、第１の触媒リアクタの着火後に混合気の流量が増加され、触媒燃焼を第２の触媒リアクタに移行して、第２の触媒リアクタの下流に配置されている暖房のための熱交換器を加熱することが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特表平８−５０９０４４号公報
【特許文献２】特表２０００−５１４９１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
排気処理装置の上流側で火炎を生成することにより、排気処理装置の温度を短時間で昇温することができる。火炎を生成することにより、排気ガスの温度を上昇させ、高温の排気ガスにより排気処理装置の温度を上昇させることができる。たとえば、酸化触媒の上流側で火炎を生成することにより酸化触媒を短時間で活性化温度まで昇温することができる。
【０００８】
機関排気通路で火炎を生成するときには、たとえば、排気管の内部に供給された未燃燃料を加熱することにより火炎を生成することができる。排気処理装置の上流側で火炎を生成することにより、排気ガスの温度を上昇させるほかに、燃焼する燃料を改質することができる。例えば、火炎を生成することにより、重質の未燃燃料を改質して軽質な未燃燃料を生成することができる。例えば、排気処理装置に還元剤の供給が必要な場合に、還元性に優れた軽質の還元剤を供給することができる。
【０００９】
ところで、燃料を燃焼させて火炎を生成することにより、火炎の内部に反応性の高い物質（活性化物質）が生成される。たとえば、ラジカルや中間生成物が生成される。この活性化物質は、酸化力や還元力が強いために、排気処理装置における酸化反応や還元反応に好適である。しかしながら、火炎に含まれる活性化物質は、不安定であり、火炎の外側では即座に安定した最終生成物に変化するという特性を有する。従来の技術においては、火炎により生成される活性化物質については考慮されておらず、この活性化物質を十分に利用していなかった。
【００１０】
本発明は、排気処理装置を備え、排気処理装置における反応性が向上す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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路に配置され、排気を浄化する排気処理装置と、排気ガスに含まれる未燃燃料を着火させて火炎を生成し、生成した火炎を排気処理装置の上流側の端部に到達させる火炎生成手段とを備える。火炎生成手段により生成される火炎が排気処理装置に到達する前に、未燃燃料を排気処理装置の上流側の端部に付着させ、排気処理装置の上流側の端部に付着させた未燃燃料を火炎により燃焼させて活性化物質を生成する。この構成により、排気処理装置における反応性を向上させることができる。
【００１２】
上記発明において、火炎生成手段は、グロープラグとグロープラグより上流側の機関排気通路に未燃燃料を供給する燃料供給手段とを含み、排気処理装置の上流側の端部に未燃燃料を付着させるために、グロープラグに通電してグロープラグの温度が未燃燃料の着火温度に到達する前に、燃料供給手段から未燃燃料を供給することができる。
【００１３】
上記発明において、火炎生成手段は、グロープラグとグロープラグより上流側の機関排気通路に未燃燃料を供給する燃料供給手段とを含み、排気処理装置の上流側の端部に未燃燃料を付着させるために、グロープラグに通電してグロープラグの温度が未燃燃料の着火温度に到達した後に、燃料供給手段から火炎の生成に必要な最小の未燃燃料の量よりも多い未燃燃料を供給することができる。
【００１４】
上記発明においては、複数回の火炎生成を間欠的に行なうことが好ましい。この構成により、未燃燃料が排気処理装置をすり抜けることを抑制することができる。
【００１５】
上記発明において、複数回の火炎生成のうち１回目の火炎生成において排気処理装置に付着させる未燃燃料の量よりも、２回目以降のいずれかの火炎生成において排気処理装置に付着させる未燃燃料の量を少なくすることができる。この構成により、火炎を生成するときの燃料の消費量を少なくすることができる。
【００１６】
上記発明において、複数回の火炎生成のうち２回目以降のいずれかの火炎生成の時間を、１回目の火炎生成の時間よりも長くすることができる。この構成により、排気処理装置において目的とする処理を短時間で行なうことができる。
【００１７】
上記発明において、複数回の火炎生成のうち２回目以降のいずれかの火炎生成における火炎の温度を、１回目の火炎生成における火炎の温度よりも高くすることができる。この構成により、排気処理装置において目的とする処理を短時間で行なうことができる。
【００１８】
上記発明において、排気処理装置は、未燃燃料の吸着能力を有する酸化触媒を含み、酸化触媒の温度を検出し、酸化触媒の温度が高いほど未燃燃料の吸着量を減少させることができる。この構成により、供給された未燃燃料が酸化触媒に付着せずに、酸化触媒をすり抜けてしまうことを抑制できる。
【００１９】
上記発明において、排気処理装置は、未燃燃料の吸着能力を有する酸化触媒を含み、酸化触媒に付着する未燃燃料の量を検出し、酸化触媒に付着した未燃燃料の量が多いほど火炎の温度を低下させることができる。この構成により、火炎の生成に伴って未燃燃料が多量に脱離して、酸化触媒から排出されることを抑制できる。
【００２０】
上記発明において、排気処理装置は、排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯＸを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯＸを放出し、更に、ＮＯＸの吸蔵と同時にＳＯＸが吸蔵され、ＮＯＸ吸蔵触媒の温度をＳＯＸ放出可能な温度まで上昇させると共に、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＳＯＸを放出するＮＯＸ吸蔵触媒を含み、ＮＯＸ吸蔵触媒からＮＯＸを放出させるＮＯＸ放出制御またはＮＯＸ吸蔵触媒からＳＯＸを放出させるＳＯＸ放出制御において、火炎生成手段により火炎を生成すると共にＮＯＸ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることができる。この構成により、排気ガスの空燃比を深いリッチにすることができる。
【００２１】
上記発明において、ＮＯＸ放出制御またはＳＯＸ放出制御の場合に、ＮＯＸ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比を間欠的にリッチにすることが好ましい。この構成により、未燃燃料のすり抜けを抑制しながら排気ガスの空燃比を深いリッチにすることができる。
【００２２】
上記発明において、ＮＯＸ放出制御またはＳＯＸ放出制御の場合に、火炎を生成する前または火炎を生成している期間中に、火炎生成手段に供給する排気ガスの酸素濃度を増加させることが好ましい。この構成により活性化物質を増量することができる。
【００２３】
上記発明において、ＮＯＸ放出制御またはＳＯＸ放出制御の場合に、火炎を生成する前または火炎を生成している期間中に、火炎生成手段に供給する排気ガスの酸素濃度を減少させることが好ましい。この構成により、酸素濃度が少ない好適な還元剤をＮＯＸ吸蔵触媒に供給することができる。
【００２４】
上記発明において、ＮＯＸ放出制御またはＳＯＸ放出制御の場合に、火炎を生成している期間中または火炎の生成の終了後に、排気ガスの流量を減少させることが好ましい。この構成により、ＮＯＸ吸蔵触媒における活性化物質の反応時間を長くすることができる。
【００２５】
上記発明において、火炎生成の期間中に、燃料供給手段から供給される未燃燃料の量を増加させることが好ましい。この構成により、ＮＯＸ吸蔵触媒における反応量を増加させることができる。
【００２６】
上記発明において、火炎により生成された活性化物質の量を検知する活性化物質検知手段を備える。活性化物質検知手段により検出した活性化物質の量が判定値以下の場合には、火炎生成を行なう回数を増加することができる。この構成により、活性化物質の量に応じて、最適な火炎生成を行なうことができる。
【００２７】
上記発明において、ＮＯＸ放出制御またはＳＯＸ放出制御が終了した後に、排気ガスの空燃比をリーンにすると共に排気ガスの流量を増加させることが好ましい。この構成により、ＮＯＸ吸蔵触媒の内部に残存する一酸化炭素等を除去することができる。
【００２８】
上記発明において、ＮＯＸ吸蔵触媒は、火炎が到達したときに活性化物質によりＳＯＸを放出する活性化ＳＯＸ放出温度を有する。ＮＯＸ放出制御のときに、ＮＯＸ吸蔵触媒の上流側の端部を活性化ＳＯＸ放出温度以上に昇温することができる。
【００２９】
上記発明において、ＮＯＸ吸蔵触媒の下流の機関排気通路内に、ＳＯＸを捕捉するＳＯＸ吸着触媒が配置されていることが好ましい。この構成により、大気中に一度に多量のＳＯＸが放出されることを抑制できる。
【００３０】
上記発明において、ＳＯＸ吸着触媒の温度を検知し、ＳＯＸ吸着触媒の温度が判定値未満の場合には火炎の生成を規制することが好ましい。この構成により、ＳＯＸがＳＯＸ吸着触媒をすり抜けてしまうことを抑制できる。
【００３１】
上記発明において、排気処理装置は、酸化触媒を含み、酸化触媒の下流側に配置され、アンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯＸを選択的に還元するＮＯＸ選択還元触媒と、ＮＯＸ選択還元触媒の上流側に配置され、機関排気通路に尿素またはアンモニアを供給する還元剤供給手段とを更に備えることができる。火炎生成に伴って還元剤供給手段から尿素またはアンモニアを供給することにより、火炎生成の期間中に消費されるＮＯＸ選択還元触媒に吸着しているアンモニアを補充することができる。
【００３２】
上記発明において、火炎が生成される前または火炎の生成が終了した後に、ＮＯＸ選択還元触媒に吸着するアンモニアの量が予め定められた量以上になるように還元剤供給手段から尿素またはアンモニアを供給することが好ましい。この構成により、火炎に接触することにより尿素またはアンモニアが改質されてしまうことを回避できる。
【００３３】
上記発明において、ＮＯＸ選択還元触媒のＨＣ被毒量を検知する被毒検知手段を更に備え、被毒検知手段により検出されたＨＣ被毒量が判定値以上の場合に、火炎生成手段により火炎を生成することができる。この構成により、ＨＣ被毒を容易に回復することができる。
【００３４】
上記発明において、排気処理装置は、排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを含み、排気ガスを昇温して粒子状物質を燃焼することによりパティキュレートフィルタから粒子状物質を除去するときに火炎を生成することが好ましい。この構成により、火炎を生成しない場合よりも低い温度でパティキュレートフィルタの再生を行なうことができる。
【００３５】
上記発明において、排気処理装置は、排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタまたは酸化触媒を含み、排気処理装置よりも下流の機関排気通路内に配置され、尿素を供給して該尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯＸを選択的に還元するＮＯＸ選択還元触媒と、ＮＯＸ選択還元触媒に尿素を供給する還元剤供給手段と、ＮＯＸ選択還元触媒のＨＣ被毒量を検知する被毒検知手段とを更に備え、被毒検知手段により検出されたＨＣ被毒量が判定値以上である場合に、火炎を生成すると共に、ＨＣ被毒量が判定値未満のときの尿素の供給量より少ない供給量で尿素を供給することが好ましい。この構成により、ＮＯＸ選択触媒からＮＯＸがすり抜けてしまうことを抑制できる。
【００３６】
上記発明において、火炎が生成されているか否かを判別する火炎状態判別手段を更に備え、火炎が生成されている時の火炎生成時制御および火炎が生成されていない時の火炎未生成時制御が可能なように形成されており、火炎状態判別手段により火炎が生成されているか否かを判別して、火炎生成時制御および火炎未生成時制御のうちいずれか一方の制御を選択することが好ましい。この構成により、火炎の生成または火炎の未生成に応じて最適な制御を行なうことができる。
【００３７】
上記発明において、火炎生成手段および排気処理装置のうち少なくとも一方に堆積する煤の堆積量を検出する堆積量検知手段を更に備え、堆積量検知手段により検出された煤の堆積量が許容値に達した場合に火炎を生成することが好ましい。この構成により、各部位に堆積する煤を容易に除去することができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、排気処理装置を備え、排気処理装置における反応性が向上する内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
（実施の形態１）
図１から図１２を参照して、実施の形態１における内燃機関の排気浄化装置について説明する。
【００４０】
図１に、本実施の形態における圧縮着火式の内燃機関の全体図を示す。本実施の形態においては、ディーゼルエンジンを例に取り上げて説明する。この内燃機関は、機関本体１と排気浄化装置とを備える。機関本体１は、各気筒の燃焼室２と、各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気マニホールド４と、排気マニホールド５とを含む。
【００４１】
吸気マニホールド４は、吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結されている。コンプレッサ７ａの入口は、吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結されている。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６の周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置されている。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００４２】
一方、排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結されている。排気タービン７ｂの出口は、排気管１２を介して排気処理装置５５に連結されている。排気処理装置５５は、機関本体１から排出される排気を浄化することができる装置である。排気処理装置５５としては、酸化触媒、ＨＣ吸着触媒、パティキュレートフィルタ、ＮＯＸ吸蔵触媒、またはＮＯＸ選択還元触媒を例示することができる。
【００４３】
排気処理装置５５の上流の機関排気通路内には、即ち排気管１２内には、排気管１２内に未燃燃料を供給するための燃料供給手段として、燃料添加弁１５が配置されている。燃料添加弁１５は、燃料を供給したり停止したりする燃料供給作用を有するように形成されている。燃料添加弁１５と排気処理装置５５との間には、加熱手段としてのグロープラグ５１が配置されている。グロープラグ５１は、周りを加熱したり停止したりすることができるように形成されている。グロープラグ５１は、燃料添加弁１５から噴射される燃料を着火する機能を有する。加熱手段としては、グロープラグに限られず、周りの雰囲気を加熱することができるように形成されていれば構わない。たとえば、加熱手段は、点火プラグを含んでいても構わない。
【００４４】
排気マニホールド５と吸気マニホールド４との間には、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うためにＥＧＲ通路１８が配置されている。ＥＧＲ通路１８内には電子制御式のＥＧＲ制御弁１９が配置されている。また、ＥＧＲ通路１８の周りにはＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０が配置されている。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２０内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００４５】
それぞれの燃料噴射弁３は、燃料供給管２１を介してコモンレール２２に連結されている。このコモンレール２２は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３を介して燃料タンク２４に連結されている。燃料タンク２４内に貯蔵されている燃料は、燃料ポンプ２３によってコモンレール２２内に供給される。コモンレール２２内に供給された燃料は、それぞれの燃料供給管２１を介して燃料噴射弁３に供給される。
【００４６】
電子制御ユニット３０は、デジタルコンピュータからなる。本実施の形態における電子制御ユニット３０は、排気浄化装置の制御手段として機能する。電子制御ユニット３０は、双方性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を備える。
【００４７】
排気処理装置５５の下流には、排気処理装置５５の温度を検出するための温度センサ２６が配置されている。また、排気処理装置５５の下流には、排気ガスに含まれるＨＣの濃度を検知する空燃比センサ５６が配置されている。本実施の形態においては、後述するように、空燃比センサ５６の出力により、火炎が生成されているか否かを検出することができる。これらの温度センサ２６および空燃比センサ５６の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
【００４８】
吸入空気量検出器８の出力信号は、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０には、アクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１の出力電圧は、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続されている。
【００４９】
一方、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１９および燃料ポンプ２３に接続されている。さらに、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して燃料添加弁１５およびグロープラグ５１に接続されている。本実施の形態における燃料添加弁１５およびグロープラグ５１は、電子制御ユニット３０により制御されている。
【００５０】
図２に、本実施の形態の排気浄化装置の燃料添加弁およびグロープラグが配置されている排気管の概略断面図を示す。排気管１２は、筒状に形成されている。燃料添加弁１５は、排気処理装置５５およびグロープラグ５１の上流側に配置されている。本実施の形態における燃料添加弁１５は、燃料を放射状に噴射する様に形成されている。また、燃料添加弁１５は、霧状に燃料を噴射するように形成されている。本実施の形態における排気浄化装置は、機関本体１の燃料である軽油が燃料添加弁１５から噴射されるように形成されている。燃料については、この形態に限られず機関本体１の燃料とは異なる燃料が供給されていても構わない。
【００５１】
グロープラグ５１は、燃料添加弁１５から供給される燃料を加熱するように配置されている。グロープラグ５１は、温度が上昇する発熱部５１ａを有する。この装置例における発熱部５１ａは、グロープラグ５１の先端に形成されている。なお、発熱部５１ａは、加熱手段の先端に配置されていなくても構わない。本実施の形態における燃料添加弁１５は、発熱部５１ａに向けて燃料を噴射するように形成されている。燃料添加弁１５の噴射口は、グロープラグ５１の発熱部５１ａに向いている。グロープラグ５１は、発熱部５１ａが燃料添加弁１５から噴射される燃料と接触する位置に配置されている。本実施の形態におけるグロープラグ５１および燃料添加弁１５は、それぞれが棒状に形成されているが、この形態に限られず、任意の形状のものを採用することができる。
【００５２】
本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、排気ガスに含まる未燃燃料を着火して火炎６０を生成し、生成した火炎を排気処理装置５５の上流側の端部に到達させる火炎生成手段を備える。本実施の形態における火炎生成手段は、加熱手段としてのグロープラグ５１およびグロープラグ５１よりも上流側に配置されている燃料添加弁１５を含む。グロープラグ５１は、生成される火炎６０が排気処理装置５５の上流側の端部に到達するように、排気処理装置５５に近接して配置されている。火炎生成手段としては、この形態に限られず、排気ガスに含まれる未燃燃料を着火して火炎を生成できるように形成されていれば構わない。
【００５３】
機関本体１から排出される排気ガスは、矢印９０に示すように、排気管１２の延びる方向に沿って流れる。火炎６０は、排気ガスの酸素濃度が所定値以上であり、さらに、排気ガスの流量が所定値以下の場合に生成することができる。生成された火炎６０は、排気ガスの流れに沿って移動する。本実施の形態においては、火炎６０が、排気処理装置５５の上流側の端部に到達している。すなわち、排気ガスと燃料添加弁１５から供給された未燃燃料との混合ガスは、燃焼した状態で排気処理装置５５に到達している。火炎６０は、高温である。火炎６０が排気処理装置５５に到達することにより、排気処理装置５５の温度を上昇させることができる。特に、排気処理装置５５の昇温が必要な場合には、短時間で目標温度まで昇温することができる。
【００５４】
図３に、未燃燃料が燃焼したときに火炎により生成される物質の説明図を示す。未燃燃料が燃焼して温度が上昇することにより、ラジカルや中間生成物が生成される。ラジカルは、イオン化されている物質である。中間生成物は、最終生成物が生成される前に一時的に存在する物質である。最終生成物としては、水および二酸化炭素の他に可燃性の還元剤が含まれる。本発明においては、火炎により一時的に生成されて、排気処理装置における酸化反応または還元反応の反応性を向上させる物質を活性化物質という。
【００５５】
ラジカルは、例えば、ＯＨラジカルやＯラジカルなどの酸化能力を有する酸化剤と、Ｈラジカルなどの還元能力を有する還元剤を含む。中間生成物は、酸化剤として機能するＨＯ２やＨ２Ｏ２等、および還元剤として機能するＣＮやＨＣＮ等を含む。最終生成物は、可燃性の還元剤として機能するＨ２やＣＯ等を含む。
【００５６】
ラジカルや中間生成物は、酸化力また還元力に優れており、好適な酸化剤または還元剤である。しかしながら、ラジカルは、火炎が生成されている領域から外れると温度が下がって安定な物質に変化する。中間生成物は、反応途中に生成される不安定な物質であるために、火炎が生成されている領域から外れると安定な物質に変化する。
【００５７】
本実施の形態においては、火炎生成手段により生成された火炎を直接的に排気処理装置５５に供給することができるため、排気処理装置５５の内部に活性化物質を供給することができる。この結果、排気処理装置５５における酸化反応または還元反応を促進することができる。
【００５８】
図４に、本実施の形態における排気浄化装置の第１の運転制御のタイムチャートを示す。本実施の形態における排気浄化装置は、排気処理装置５５に、活性化物質を多量に供給する制御を行う。本実施の形態においては、火炎が排気処理装置に到達する前に、未燃燃料を排気処理装置の上流側の端部に付着させる。本発明における未燃燃料の付着とは、未燃燃料の少なくとも一部が露出しながら対象物に付いていることを示し、物理的な吸着および化学的な吸着の両方の意味を含む。
【００５９】
排気処理装置の上流側の端部に未燃燃料が付着した状態で、火炎が端部に到達することにより、付着させた未燃燃料が燃焼して新たな活性化物質が生成される。排気処理装置の入口で活性化物質が生成されるために、多量の活性化物質を消滅する前に排気処理装置の内部に供給することができる。活性化物質は、排気処理装置５５の内部で酸化反応または還元反応を生じさせる。
【００６０】
図４および図２を参照して、時刻ｔ１において燃料添加弁から未燃燃料を供給する。本実施の形態においては、パルス状に未燃燃料を供給している。このときには、グロープラグ５１の通電を行っておらず、排気ガスの温度は、燃料添加弁１５から供給された未燃燃料が着火する温度よりも低い。未燃燃料は、排気ガスの流れに沿って排気処理装置５５に向かう。未燃燃料は、排気処理装置５５の上流側の端部に付着する。このように、火炎を生成する前に、予備的な燃料の供給を行なうことにより、未燃燃料を付着させることができる。
【００６１】
次に、時刻ｔ２において、グロープラグ５１を通電する。グロープラグ５１の通電により、発熱部５１ａの温度が上昇する。グロープラグ５１の通電により、発熱部５１ａの温度が上昇する。このように、燃料添加弁１５から供給する燃料を着火する前にグロープラグ５１の予熱を行なう。本実施の形態においては、発熱部５１ａの温度が、燃料添加弁１５により供給される未燃燃料を着火できる温度以上になるまでグロープラグの予熱を行なっている。グロープラグの予熱を行なうことにより、グロープラグの発熱部５１ａの周りの温度を上昇させることができる。
【００６２】
グロープラグ５１の発熱部５１ａの温度が未燃燃料の着火温度に達したら、時刻ｔ３において火炎を生成するために燃料添加弁１５から燃料を供給する。グロープラグの下流において火炎が生成される。排気処理装置５５に流入する排気ガスの温度が急激に上昇する。これに伴って、排気処理装置の温度を短時間に上昇させることができる。時刻ｔ４において、燃料添加弁１５からの燃料の供給を停止する。また、グロープラグ５１の通電を停止する。生成されていた火炎６０が消滅する。排気処理装置５５に流入する排気ガスの温度は元の排気ガスの温度に戻る。このように、一回の火炎生成を行なうことができる。
【００６３】
本実施の形態においては、間欠的に複数回の火炎の生成を行なっている。すなわち、火炎を生成しない期間を介在させて、複数回にわたって火炎を生成している。時刻ｔ５から時刻ｔ８までは、２回目の火炎を生成する期間であり、時刻ｔ１から時刻ｔ４までと同様の制御を行なっている。
【００６４】
時刻ｔ１において、燃料添加弁１５から予備的な燃料の供給を行なうことにより、着火に先立って排気処理装置５５の上流側の端部に未燃燃料を付着させることができる。時刻ｔ３において、火炎を生成することにより、付着させた未燃燃料を燃焼させることができる。特に、火炎に含まれる酸化力に富むＯＨラジカルやＯラジカルにより、上流側の端部に付着している未燃燃料を燃焼させることができる。この燃焼により温度が上昇すると共に活性化物質がさらに生成される。本実施の形態においては、排気処理装置５５の端部から内部までの距離が短く、また、火炎が排気処理装置５５に進入するために、排気処理装置５５の端部で生成された活性化物質を排気処理装置５５の内部にまで供給することができる。酸化性または還元性の高い活性化物質が供給されるため、排気処理装置５５において酸化反応または還元反応が促進される。
【００６５】
図５に、本実施の形態における第２の運転制御のタイムチャートを示す。第２の運転制御においては、時刻ｔ１においてグロープラグの通電を開始している。時刻ｔ２において、燃料添加弁１５から予備的な未燃燃料の供給を行なっている。予備的な供給においては、パルス状に未燃燃料を供給している。予備的な未燃燃料の供給と火炎生成のための未燃燃料の供給との間に、未燃燃料を供給しない期間を介在させている。このように、グロープラグの通電開始からグロープラグの温度が未燃燃料の着火温度に到達するまでの間に、燃料添加弁１５から未燃燃料を供給して、排気処理装置５５の上流側の端部に未燃燃料を付着させている。
【００６６】
グロープラグ５１の予熱により、グロープラグ５１の温度が未燃燃料の着火温度に到達するまで温度を上昇させる。グロープラグ５１の温度が未燃燃料の着火可能な温度に達したら、時刻ｔ３において、燃料添加弁１５から未燃燃料を供給することにより火炎を生成する。火炎の生成は、時刻ｔ４まで行なっている。時刻ｔ４においては、燃料添加弁による未燃燃料の供給を停止している。また、グロープラグ５１の通電を停止している。この後に、火炎を生成しない期間を介在させて、時刻ｔ５から時刻ｔ８まで、同様の火炎生成を繰り返している。
【００６７】
図４および図５に示すように、排気処理装置の上流側の端部に未燃燃料を付着させるための予備的な未燃燃料の供給は、未燃燃料が着火して火炎が到達する前に行なうことができる。未燃燃料を着火する時期については、例えば、グロープラグの通電開始の時刻から予め定められた時間の経過後を選定することができる。
【００６８】
図６に、本実施の形態における第３の運転制御のタイムチャートを示す。第３の運転制御は、比較例としての運転制御である。第３の運転制御においては、燃料添加弁から燃料を供給して排気処理装置の上流側の端部に未燃燃料を付着させた後に、グロープラグの通電を開始して、その後に時刻ｔＸにおいて着火して、時刻ｔＹまで火炎生成を継続している。この比較例では、複数回の火炎生成を行なわずに１回のみで終了させている。火炎を連続的に生成して、火炎生成の時間を長くしている。たとえば、排気処理装置の１回の酸化反応または１回の還元反応を行なうときに１回のみ火炎生成を行なっている。
【００６９】
比較例としての第３の運転制御においては、排気処理装置の上流側の端部に付着させた未燃燃料が火炎生成の期間の途中に消費されてしまう。すなわち、上流側の端部に付着させた未燃燃料を全て燃焼してしまい、排気処理装置の内部に供給する活性化物質の量が少なくなる。また、連続的に火炎生成を行なうことにより、排気処理装置の内部に存在する酸素が消費されてしまう。このため、排気処理装置をすり抜けて排気処理装置から放出される未燃燃料の排出量が徐々に大きくなる。
【００７０】
図４および図５を参照して、これに対して、第１の運転制御または第２の運転制御においては、複数回の火炎生成を間欠的に行なっている。排気処理装置において１回の酸化反応または１回の還元反応を行なうときに、複数回の火炎生成を間欠的に行なっている。この制御を行なうことにより、それぞれの火炎生成の前に、排気処理装置の上流側の端部に必要に応じた量の未燃燃料を付着させることができて、それぞれの火炎生成の期間中に端部に付着している未燃燃料が消失してしまうことを回避できる。この結果、多量の活性化物質を、安定して排気処理装置の内部に供給することができる。
【００７１】
また、複数回の火炎生成を間欠的に行なうことにより、火炎を生成していない期間に排気ガスから酸素を取り込むことができる。この結果、排気処理装置の内部で燃焼せずに排気処理装置から排出される未燃燃料の量を大幅に低減することができる。このように、火炎生成を行なう場合には、複数回の火炎生成を間欠的に行なうことが好ましい。
【００７２】
図７に、本実施の形態における第４の運転制御のタイムチャートを示す。第４の運転制御においては、複数回の火炎生成のうち、１回目の火炎生成において排気処理装置に付着させる未燃燃料の量よりも、２回目以降のいずれかの火炎生成において排気処理装置に付着させる未燃燃料の量を少なくしている。すなわち、１回目の火炎生成における予備的な未燃燃料の供給量Ｑｐよりも、２回目以降の火炎生成における未燃燃料の予備的な供給量Ｑｐを少なくしている。本実施の形態においては、火炎生成の回数が増加するにつれて、排気処理装置の上流側の端部に付着させる未燃燃料の量Ｑｐを徐々に減少させている。時刻ｔＸ１において１回目の火炎生成の着火を、時刻ｔＸ２において２回目の火炎生成の着火を、時刻ｔＸ３において３回目の火炎生成の着火をそれぞれ行なっている。
【００７３】
火炎生成を間欠的に行なう場合に、火炎生成に先立って付着させる未燃燃料が、１回の火炎生成で完全に消費されずに残る場合がある。このような予備的な供給を行なうことにより、火炎生成の期間中に上流側の端部に未燃燃料を常に付着させておくことができて、火炎生成の期間を通して付着させた未燃燃料から活性化物質を生成することができる。
【００７４】
しかしながら、排気処理装置の上流側の端部に付着させた未燃燃料は、１回目の火炎生成が終了した後にも残存する。このため、２回目以降のいずれかの火炎生成においては、火炎生成に先立って行なう予備的な未燃燃料の供給量を少なくする。この制御を行なうことにより、火炎生成の期間中に排気処理装置の上流側の端部から未燃燃料が消滅することを回避すると共に、未燃燃料が過剰に付着することを回避できる。この結果、排気処理装置をすり抜ける未燃燃料の量を低減することができる。または、排気処理装置において酸化反応、還元反応または昇温を行なうときに消費する燃料を低減することができる。
【００７５】
図８に、本実施の形態における第５の運転制御のタイムチャートを示す。第５の運転制御においては、複数回の火炎生成のうち、２回目以降のいずれかの火炎生成の時間を、１回目の火炎生成の時間よりも長くする。本実施の形態においては、火炎生成の回数が増加するにつれて、１回の火炎生成の時間を徐々に長くしている。時刻ｔＸ１、時刻ｔＸ２、または時刻ｔＸ３において着火している。それぞれの火炎生成を行なっている時間ＬＦは、１回目から３回目に向けて徐々に長くなっている。
【００７６】
排気処理装置には、排気処理装置の温度（床温）が上昇すると、酸化反応や還元反応が促進する場合がある。例えば、排気処理装置に酸化触媒が含まれる場合には、温度が上昇するとともに酸化反応が促進される。第５の運転制御においては、排気処理装置の温度上昇に対応させて、火炎生成の時間を長くしている。排気処理装置の温度が上昇すると排気処理装置における反応速度が速くなり、長い時間、火炎生成を行なっても未燃燃料のすり抜けを抑制することができる。このため、火炎生成の時間を長くすることができて、短時間で排気処理装置の目的の反応を行うことができる。
【００７７】
または、火炎生成の期間中に生成される火炎の温度を高くする制御を行なっても構わない。本実施の形態における第６の運転制御においては、２回目以降のいずれかの火炎生成における火炎の温度を、１回目の火炎生成における火炎の温度よりも上昇させている。２回目以降のいずれかの火炎生成において、燃料添加弁から供給する未燃燃料を１回目の火炎生成のときよりも増量する。たとえば、燃料添加弁から供給する未燃燃料が完全に燃焼する範囲のうち、最大量の未燃燃料を供給することにより火炎の温度を上昇させることができる。温度が上昇すると反応速度が速くなり、未燃燃料のすり抜けを抑制することができる。
【００７８】
火炎の温度を上昇させる制御を行なうことにより、排気処理装置をすり抜ける未燃燃料を少なくするとともに、排気処理装置の温度を短時間に上昇させることができる。高温の火炎を排気処理装置に供給することができるために、上流側の端部に付着している未燃燃料から多量の活性化物質を生成することができる。排気処理装置に多量の活性化物質を供給することができて、短時間で目的の反応を行なうことができる。更に、排気処理装置において酸化反応が生じる場合には、酸化熱によって迅速に排気処理装置の昇温を行なうことができる。
【００７９】
図９に、本実施の形態における第７の運転制御のタイムチャートを示す。第７の運転制御においては、グロープラグの温度が未燃燃料の着火温度に到達した後に、燃料添加弁から火炎の生成に必要な最小の量よりも多い量の未燃燃料を供給する。
【００８０】
時刻ｔ１において、燃料添加弁１５から予備的な燃料供給を行って排気処理装置５５の上流側の端部に燃料を付着させる。予備的な燃料供給はパルス状に行なっている。時刻ｔ２において、グロープラグ５１の通電を開始する。グロープラグ５１の温度が上昇する。グロープラグ５１の温度が未燃燃料の着火温度に到達したときに、時刻ｔ３において、燃料添加弁１５から燃料を供給することにより未燃燃料を着火する。
【００８１】
時刻ｔ３の未燃燃料の着火のときに、火炎の生成に必要な最小の未燃燃料の量よりも多い未燃燃料を供給する。たとえば、未燃燃料の一部が、完全に燃焼せずに排気処理装置に到達する量の未燃燃料を供給する。未燃燃料の一部を排気処理装置の上流側の端部に付着させることができる。すなわち、予備的な燃料供給による付着に加えて、燃焼初期において未燃燃料を排気処理装置の上流側の端部に付着させることができる。
【００８２】
着火直後においては、生成される火炎の温度が比較的低いために、未燃燃料を多く供給することにより完全燃焼せずに、未燃燃料の状態で排気処理装置に到達させることができる。または、周りの排気管の温度等が十分に上昇していないために、排気管の温度等の影響を受けて未燃燃料の状態で排気処理装置に到達させることができる。排気処理装置に既に付着している未燃燃料に加えて、さらにより多くの未燃燃料を排気処理装置に付着させることができる。
【００８３】
時刻ｔ４において燃料添加弁から供給する未燃燃料の量を減少させている。時刻ｔ４から時刻ｔ５まで火炎生成を継続している。時刻ｔ５において、火炎の生成を停止している。この後に、火炎を生成しない間隔を空けて、火炎の生成を繰り返している。時刻ｔ６から時刻ｔ１０までは、時刻ｔ１から時刻ｔ５までと同様の制御を行なっている。第７の運転制御においては、排気処理装置の上流側の端面に多量の未燃燃料を付着させることができる。火炎生成を行なうことにより、活性化物質を排気処理装置に供給することができる。
【００８４】
次に、排気浄化装置において、火炎が生成されているか否かの判別について説明する。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、火炎が生成されているか否かを判別する火炎状態判別手段を備える。図１を参照して、火炎状態判別手段は、空燃比センサ５６を含む。本実施の形態においては、空燃比センサ５６の出力信号を検出して、火炎が生成されているか否かを判別する。
【００８５】
図１０に、空燃比センサの出力信号を説明するグラフを示す。横軸が時間であり、縦軸が空燃比センサの出力電流である。本実施の形態における空燃比センサ５６は、全領域型空燃比センサである。機関吸気通路、燃焼室、または機関排気通路に供給された排気ガスの空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称すると、空燃比センサ５６は、排気ガスの空燃比が小さくなるほど（排気ガスの空燃比がリッチになるほど）、空燃比センサ５６の出力電流が小さくなる。本実施形態における空燃比センサ５６は、リニア空燃比センサであり、排気ガスのそれぞれの状態における空燃比を検出することができる。
【００８６】
図１０には、燃料添加弁から燃料を供給したときに、火炎が生成される場合と火炎が生成されない場合とが示されている。火炎が生成されない場合においては、未燃燃料が液体のまま排気処理装置に付着するために、排気処理装置をすり抜ける未燃燃料は少ない。グラフの形状は、ほぼ山形になり空燃比センサの出力電流の低下量Ｉ１は小さい。これに対して、火炎が生成されている場合には、未燃燃料が燃焼し、さらに、排気処理装置に付着した未燃燃料が燃焼して排気処理装置から離脱するために、排気処理装置から流出する未燃燃料は多くなる。空燃比センサの出力電流の低下量Ｉ２が大きくなる。例えば、空燃比センサの低下量の判定値Ｉｘを予め定める。燃料添加弁から燃料を供給したときに、空燃比センサの低下量が判定値Ｉｘよりも小さければ火炎が生成されており、判定値Ｉｘよりも大きければ火炎が生成されていないと判別することができる。なお、排気処理装置が酸化触媒を含む場合には、火炎を生成することにより触媒の温度が上昇して活性化されるとともに、排気ガスに含まれる酸素が消費されるために検出される空燃比はより小さくなる。
【００８７】
このように、本実施の形態においては、排気処理装置の下流側に空燃比センサを配置することにより着火判定を行なっているが、この形態に限られず、火炎状態判別手段は、火炎の生成を判別する任意の手段を採用することができる。例えば、火炎状態判別手段は、ＮＯＸセンサ、酸素センサ、または排気温度センサ等を含んでいても構わない。
【００８８】
火炎の生成の状況を判別するために、ＮＯＸセンサを配置した場合には、燃料添加弁から供給された未燃燃料が着火した場合には、ＮＯＸが生成されるために有意な量のＮＯＸが検出される。これに対して、燃料添加弁から供給された燃料が着火していない場合には、ＮＯＸセンサの出力信号は、ほぼ一定である。ＮＯＸセンサの出力信号が判定値以上である場合には、火炎が生成されていると判別することができる。ＮＯＸセンサの出力信号が判定値未満である場合には、火炎が生成されていないと判別することができる。
【００８９】
火炎の生成の状況を判別するために酸素センサを配置した場合には、空燃比センサと同様の判別を行なうことができる。または、火炎の生成の状況を判別するために排気ガスの温度を検知する温度センサを配置した場合には、火炎が生成されているときには排気温度が高く、また、火炎が生成されていないときには温度が低い。燃料添加弁から未燃燃料を供給したときの排気ガスの温度の判定値以上の場合には、火炎が生成されていると判別することができる。排気ガスの温度の判定値未満の場合には、火炎が生成されていないと判別することができる。
【００９０】
ところで、本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、火炎が生成されているときの火炎生成時制御および火炎が生成されていないときの火炎未生成時制御が可能なように形成されている。本実施の形態における排気浄化装置は、火炎状態判別手段により火炎が生成されているか否かを判別して、火炎生成時制御および火炎未生成時制御のうちいずれか一方の制御を選択するように形成されている。
【００９１】
この制御を採用することにより、火炎の生成または火炎の未生成に依存して変化する値を適切に検出することができる。例えば、排気処理装置の上流側の端部から下流側の端部までの床温を算出するためのマップが電子制御ユニットに記憶されている場合には、火炎が生成されているときのマップおよび火炎が生成されていないときのそれぞれのマップを記憶させる。火炎が生成されているか否かに対応して、マップを切替えることにより、上流側の端部から下流側の端部に向かう方向の床温を正確に算出することができる。
【００９２】
または、例えば、排気処理装置における酸化または還元の反応量や、排気処理装置における堆積物を除去するときの浄化量を算出するマップが電子制御ユニットに記憶されている場合には、火炎が生成されているときのマップと火炎が生成されていないときのマップを記憶させておき、火炎の生成状況に応じてマップを切り替えることにより、より正確な算出を行なうことができる。または、任意の制御を行なうときの判定値や許容値などについても火炎が生成されているときの値と火炎が生成されていないときの値を記憶させておいて、火炎の生成状態に応じて切り替えることにより、より正確な制御を行なうことができる。
【００９３】
本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、火炎生成手段または排気処理装置のうち、いずれか一方に堆積する煤の量を検出する堆積量検知手段を備える。火炎を生成することにより、グロープラグや排気処理装置等に煤が堆積する場合がある。例えば、排気ガスの温度が低くなる低温運転を継続したときや、燃料添加弁による未燃燃料の供給量を増加した直後のときに煤が堆積する。または、機関本体の回転数を増加した直後であったり、アイドリングのまま内燃機関を運転継続したりした場合などに煤が堆積する。または、パティキュレートフィルタの再生を行なった後から所定量の粒子状物質が機関本体から排出されたときには煤が堆積している。
【００９４】
本実施の形態における堆積量検知手段は、内燃機関の運転状態の履歴により煤の堆積量を検知する。たとえば、内燃機関の低温運転の場合には、排気ガスが所定温度以下の場合の時間を積算して煤の堆積量を検知する。または、たとえば燃料添加弁による未燃燃料の供給量の増加量を検知することにより煤の堆積量を検知してもする。堆積量検知手段としては、この形態に限られず、所定の部位に堆積する煤の量を検知できるように形成されていれば構わない。
【００９５】
本実施の形態においては、検知された堆積する煤の量が許容値を超えたときには、火炎生成手段により火炎を生成する。火炎を生成することにより、所定の部位に堆積する煤を燃焼させることができる。任意の他の制御により火炎を生成するときには、火炎を生成する回数を多くすることにより、所定の部位に堆積する煤を燃焼させても構わない。
【００９６】
または、火炎生成を行なわない場合においても、グロープラグを通電して、グロープラグの発熱や輻射によって堆積する煤を燃焼させることができる。例えば、着火を行なう前のグロープラグの予熱のときにグロープラグに通電する回数を増加させたり、または、通電時間を長くしたりすることにより、堆積する煤を燃焼させることができる。
【００９７】
図１１に、本実施の形態における他の内燃機関の排気浄化装置の拡大概略断面図を示す。図１１は、排気浄化装置の排気管の部分における拡大概略断面図である。他の内燃機関の排気浄化装置は、突出管１２ａを有する。突出管１２ａは、排気管１２に接続され、排気管１２の外側に向かって延びるように形成されている。突出管１２ａの外側の端部には、燃料添加弁１５が配置されている。燃料添加弁１５は、突出管１２ａの延びる方向に向かって燃料を噴射するように配置されている。突出管１２ａの延びる方向の延長上には、グロープラグ５１の発熱部５１ａが配置されている。
【００９８】
燃料添加弁１５から供給された未燃燃料は、矢印９１に示すように、突出管１２ａの壁部で反射して発熱部５１ａに向かう。未燃燃料が突出管１２ａの壁部で反射することにより、未燃燃料を微細化することができる。未燃燃料の粒子径が大きくなると、グロープラグ５１の発熱部５１ａに未燃燃料が到達したときに、未燃燃料の気化熱により発熱部５１ａの温度が低下する場合がある。未燃燃料を微細化することにより、発熱部５１ａの温度低下を抑制することができて着火性を向上させることができる。
【００９９】
また、未燃燃料を突出管１２ａに沿って供給することにより、燃料添加弁１５から供給された燃料が拡散することを抑制できる。供給された未燃燃料を収束させることができる。グロープラグ５１の発熱部５１ａにおける未燃燃料の密度を高くすることができる。発熱部５１ａの周りに未燃燃料が集中する。このため、燃料が燃焼するときには、瞬時にガス化されて火炎を急激に膨張させることができる。この結果、排気管１２の全体に火炎を拡げることができる。グロープラグ５１の下流に配置されている排気処理装置５５の端面全体により均一に火炎を供給することができる。
【０１００】
また、他の排気処理装置においては、グロープラグ５１と排気処理装置５５との間に、流れを乱す攪拌器が配置されている。図１１に示す装置例においては、攪拌器としてスワラー５２が配置されている。スワラー５２は、目の粗い金網等で形成されている。スワラー５２は、生成された火炎の流れが乱れるように形成されている。スワラー５２が配置されていることにより、矢印９２に示すように、火炎が拡がって排気処理装置５５の上流側の端面全体に火炎を供給することができる。
【０１０１】
このように、火炎の生成点と排気処理装置との間において、火炎の流れを乱す攪拌器が配置されていることにより、排気処理装置の端面全体に火炎を供給することができる。活性化物質を排気処理装置全体に供給することができる。攪拌器は、スワラーに限られず、火炎の流れを乱す任意の装置を採用することができる。例えば、攪拌器は、旋回流（スワール流）を生成するように形成されていても構わない。または、配管を曲げる部分を介在させたり、配管の径が徐々に異なるようにコーン部を形成したりすることにより、火炎の流れを乱して排気処理装置の上流側の端面全体に火炎を供給することができる。
【０１０２】
また、グロープラグ５１の下流側に、小型の酸化触媒を配置することができる。小型酸化触媒は、断面積が排気管の断面積よりも小さな酸化触媒である。小型酸化触媒は、たとえば、ハニカム状に形成され、複数の流路が排気管の延びる方向と略平行になるように配置される。小型酸化触媒は、排気管の内部のほぼ中央部に配置され、小型酸化触媒の周りには排気ガスの流路が形成される。小型酸化触媒を配置することにより、火炎の流れを乱す攪拌器として機能するほかに、小型酸化触媒の内部で未燃燃料の改質を行なうことができる。さらに、小型酸化触媒の出口温度が所定の温度以上になることにより、小型酸化触媒から流出するガスを燃焼させることができる。小型酸化触媒の出口において火炎を生成することができて、火炎の生成を促進することができる。
【０１０３】
他の排気浄化装置においては、突出管１２ａの壁面に煤が付着する場合がある。突出管１２ａの壁面に煤が付着することにより、未燃燃料が反射して微細化される性能が低下する。このような場合には、グロープラグ５１を通電して発熱部５１ａの輻射熱により煤を燃焼させることができる。
【０１０４】
本実施の形態においては、予め定められた時間のグロープラグの予熱を行なった後に着火しているが、この形態に限られず、排気ガスの温度や流量を検知して、グロープラグの予熱時間を変化させても構わない。すなわち、グロープラグの通電後に火炎生成のために、燃料添加弁から燃料を供給する時期を変化させても構わない。排気ガスの温度が高い場合にはグロープラグの昇温が早く、排気ガスの温度が低い場合にはグロープラグの昇温が遅い。また、排気ガスの流量が小さい場合にはグロープラグの昇温が早く、排気ガスの流量が大きい場合にはグロープラグの昇温が遅い。グロープラグの昇温が早い場合には、グロープラグの予熱時間を短くする制御を行なうことができる。
【０１０５】
本実施の形態においては、排気処理装置の上流側の端面に未燃燃料を付着させるために、火炎を生成するための未燃燃料の供給の前に、パルス状に燃料添加弁から燃料を供給しているが、この形態に限られず、未燃燃料を付着させるための燃料の供給と火炎を生成するための燃料の供給とを連続して行なっても構わない。
【０１０６】
排気ガスの温度は、例えば、排気処理装置の下流に配置されている温度センサにより検出することができる。排気ガスの流量は、例えば機関本体の吸入空気量や排気ガスの再循環量等から算出することができる。たとえば、検出した排気ガスの温度および排気ガスの流量を関数とする予熱時間のマップを記憶させておくことにより予熱時間を選定することができる。更には、排気ガスの流量や排気ガスの温度により、グロープラグの発熱部の温度、または発熱部の周りの排気ガスの温度を算出して、燃料を着火する時期を選定しても構わない。
【０１０７】
本実施の形態における燃料供給手段は、燃料添加弁を含むが、この形態に限られず、燃料供給手段は、未燃燃料を機関排気通路に供給するように形成されていれば構わない。たとえば、燃焼室における噴射パターンの変更により、機関排気通路に未燃燃料を供給することができる。
【０１０８】
図１２に、本実施の形態における機関排気通路に未燃燃料を供給するときの噴射パターンを示す。図１２は、燃焼室における燃料の噴射パターンである。通常運転時においては、略圧縮上死点ＴＤＣで主噴射ＦＭが行なわれる。クランク角が略０°において主噴射ＦＭが行なわれる。また、主噴射ＦＭの燃焼を安定化させるために、主噴射ＦＭの前にパイロット噴射ＦＰが行なわれる。機関排気通路に未燃燃料を供給する場合には、通常運転時における燃料噴射パターンに加えて、主噴射ＦＭの後にポスト噴射ＦＰＯを行なう。ポスト噴射ＦＰＯは、燃焼室において燃料が燃焼しない時期に行なう噴射である。ポスト噴射ＦＰＯは、例えば、圧縮上死点後のクランク角が略９０°から略１２０°の範囲内において行われる。ポスト噴射ＦＰＯを噴射することにより機関排気通路に未燃燃料を供給することができる。ポスト噴射ＦＰＯの噴射量を調整することにより、機関排気通路に供給する未燃燃料の量を調整することができる。
【０１０９】
また、本実施の形態における燃料供給手段は、１個の燃料添加弁により未燃燃料の供給を行なっているが、この形態に限られず、たとえば、燃料供給手段は、未燃燃料を供給する複数種類の装置が複数個配置されていても構わない。たとえば、燃料噴射パターンの変更および燃料添加弁からの未燃燃料の供給により、機関排気通路に未燃燃料が供給されていても構わない。
【０１１０】
（実施の形態２）
図１を参照して、実施の形態２における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態においては、実施の形態１において火炎が端面に到達する排気処理装置がＨＣ吸着能力を有する酸化触媒、パティキュレートフィルタ、またはＮＯＸ選択還元触媒からなる場合について説明する。
【０１１１】
図１を参照して、初めに、排気処理装置５５がＨＣ吸着能力を有する酸化触媒からなる場合について説明する。酸化触媒は、排気浄化を行うための酸化能力を有する触媒である。酸化触媒は、例えば、円筒形状のケース本体の内部に排気ガスの流れ方向に伸びる隔壁を有する基体を備える。基体は、例えばコージライトで形成されており、ハニカム構造を有する。本実施の形態における酸化触媒は、未燃燃料を吸着するためのＨＣ吸着層を含み、ＨＣ吸着層が基体の表面に形成されている。ＨＣ吸着層は、例えば、ゼオライト等の未燃燃料を吸着する材料から形成されている。ＨＣ吸着層の表面には、多孔質酸化物粉末よりなる酸化層が積層されている。酸化層には、白金Ｐｔ等の貴金属触媒が担持されている。
【０１１２】
排気ガスに含まれるＣＯまたはＨＣは、酸化層で酸化されて水や二酸化炭素等の物質に変換される。酸化層には、活性化温度があり、活性化温度以上で酸化反応が生じる。また、ＨＣ吸着層は、低温でＨＣを吸着する。ＨＣ吸着層を所定の温度まで上昇すると吸着していたＨＣを放出する。酸化触媒の温度が低温の場合には、ＨＣ吸着層がＨＣを吸着することにより排気ガスに含まれるＨＣを除去する。酸化触媒が高温になると、酸化層が活性化され、吸着されたＨＣがＨＣ吸着層から放出されると共に、酸化層の貴金属触媒により放出されたＨＣを酸化することができる。
【０１１３】
本実施の形態においては、火炎生成手段により、酸化触媒の上流側で火炎が生成される。酸化触媒の上流側で生成された火炎が酸化触媒の上流側の端面に到達していることにより、火炎の熱量によって酸化触媒を速やかに昇温することができる。酸化触媒の温度が活性化温度以下の場合は、速やかに活性化温度まで昇温することができる。酸化触媒が活性化温度以上の場合においても、酸化触媒の温度が高いほど酸化反応が活性化される。酸化触媒を昇温することにより、酸化能力を向上させることができる。また、酸化触媒において酸化反応が生じるときには反応熱が生じる。この反応熱により、さらに早く酸化触媒を昇温することができる。
【０１１４】
本実施の形態においては、火炎の生成前に酸化触媒の上流側の端部に未燃燃料を付着させておき、この後に、酸化触媒に火炎が到達するように火炎を生成する。火炎に含まれる活性化物質を酸化触媒に供給するとともに、端部に付着している未燃燃料の燃焼により活性化物質を生成して、この活性化物質を酸化触媒に供給することができる。
【０１１５】
活性化物質には、酸化力が高い物質が含まれているために、活性化物質を供給しないときの活性化温度よりも低い温度で酸化反応が生じさせることができる。すなわち、酸化触媒が活性化する温度を下げることができ、短時間で酸化触媒を昇温することができる。または、酸化触媒の下流に昇温が必要な排気処理装置が配置されている場合には、この排気処理装置の昇温を速やかに行なうことができる。例えば、排気処理装置の下流にパティキュレートフィルタが配置されている場合には、パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質を燃焼して除去するために、パティキュレートフィルタの温度を短時間で上昇させることができる。
【０１１６】
本実施の形態における酸化触媒は、ＨＣ吸着能力を有する。排気処理装置がＨＣ吸着能力を有することにより、より多くの未燃燃料を排気処理装置に付着させることができ、排気処理装置をすり抜ける未燃燃料を少なくすることができる。排気浄化装置は、酸化触媒の温度を検知する温度検知手段を備える。図１を参照して、本実施の形態における温度検知手段は、酸化触媒からなる排気処理装置５５の下流に配置されている温度センサ２６を含む。温度センサ２６により、酸化触媒の温度を検出することができる。
【０１１７】
本実施の形態においては、酸化触媒の温度が高いほど、酸化触媒に付着させる未燃燃料の量を減少させる制御を行う。すなわち、酸化触媒の温度が高いほど、燃料添加弁１５から供給する未燃燃料の量を減少させる制御を行う。ＨＣ吸着層は、温度が低いと多くの未燃燃料を吸着するが、温度が高くなると未燃燃料の吸着量が減少する。このため、酸化触媒の温度が高いときには、未燃燃料の付着量を少なくする制御を行う。
【０１１８】
未燃燃料を酸化触媒の端部に付着させるための燃料添加弁からの燃料の供給量は、例えば、酸化触媒の温度を関数にするマップを電子制御ユニットに記憶させる。酸化触媒の温度を検出した後に、このマップにより未燃燃料の供給量を選定することができる。または、予備的な未燃燃料の供給のための酸化触媒の判定温度を予め定めておいて、判定温度よりも高い温度では、予め定められた少ない量の未燃燃料を供給する。判定温度以下の場合には、予め定められた上記の少ない量よりも多い未燃燃料を供給することができる。このときの判定温度としては、例えば、ＨＣ吸着層が吸着している未燃燃料を放出する温度を採用することができ、２５０℃から３００℃の範囲内の一つの温度を判定温度として採用することができる。この制御を行なうことにより、酸化触媒に付着させるために供給した未燃燃料が酸化触媒をすり抜けてしまうことを抑制できる。
【０１１９】
また、本実施の形態における排気浄化装置は、酸化触媒に付着する未燃燃料の量を検出する付着量検知手段を備える。酸化触媒に付着する未燃燃料の量は、例えば、酸化触媒の温度と、燃料添加弁から供給した未燃燃料の量とを関数とするマップによって算出することができる。または、低温運転時において機関本体からのＨＣ排出量をマップにより算出し、酸化触媒の下流に空燃比センサを配置して酸化触媒から流出するＨＣ流出量を検出する。機関本体からのＨＣ排出量から酸化触媒から流出するＨＣ量を減算することにより、酸化触媒におけるＨＣ吸着量を検出することができる。
【０１２０】
本実施の形態における排気浄化装置は、着火すると同時に高温の火炎が酸化触媒に到達する。このため、酸化触媒に付着する未燃燃料の量が所定量以上の場合には、着火したときに、一度に多量の未燃燃料が離脱して酸化触媒をすり抜ける恐れがある。
【０１２１】
このため、本実施の形態においては、酸化触媒に付着した未燃燃料の量が多いほど、火炎の温度を低下させる制御を行う。酸化触媒に付着する未燃燃料の量は、付着量検知手段により検出することができる。酸化触媒に付着した未燃燃料の量が少ない場合には、ＨＣ吸着能力に余裕があり、火炎の温度を高くしても一度に多量の未燃燃料が離脱することを避けることができる。酸化触媒に付着した未燃燃料の量が多い場合には、ＨＣ吸着能力の余裕が小さいために、火炎の温度を低くして、多量の未燃燃料が離脱することを抑制する。
【０１２２】
たとえば、酸化触媒に付着した未燃燃料の量を検知して判定値以上の場合には、火炎の温度が予め定められた温度未満になるように制御を行なう。酸化触媒に付着した未燃燃料の量が判定値未満の場合には、火炎温度が予め定められた温度以上になるように制御を行なうことができる。火炎の温度は、前述したように火炎を生成したときに燃料添加弁から供給する燃料の量を調整することにより制御することができる。例えば、未燃燃料の付着量が大きい場合には、燃料添加弁からの燃料の供給量を少なくすることにより、火炎の温度を低くすることができる。
【０１２３】
次に、図１における排気処理装置５５が、パティキュレートフィルタからなる場合について説明する。パティキュレートフィルタは、排気ガス中に含まれる炭素微粒子、サルフェート等のイオン系微粒子等の粒子状物質（パティキュレート）を除去するフィルタである。パティキュレートフィルタは、例えば、ハニカム構造を有し、ガスの流れ方向に伸びる複数の流路を有する。複数の流路において、下流端が封止された流路と上流端が封止された流路とが交互に形成されている。流路の隔壁は、コージライトのような多孔質材料で形成されている。この隔壁を排気ガスが通過するときにパティキュレートが捕捉される。
【０１２４】
運転を継続するとパティキュレートフィルタには、次第に粒子状物質が堆積する。単位時間当りにパティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量は、機関回転数と燃焼室における燃料の噴射量とを関数にするマップにより求めることができる。このマップにより求められる単位時間当りに堆積する粒子状物質の量を積算することにより、任意の時刻における粒子状物質の堆積量を算出することができる。粒子状物質の量が許容値を超えているか否かを判別することができる。または、パティキュレートフィルタの前後差圧を検出する差圧センサを配置して、この差圧センサにより検出されたパティキュレートフィルタの前後差圧が許容値を越えたときに、パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたと判別することができる。
【０１２５】
粒子状物質の堆積量が許容量を越えたときには、堆積した粒子状物質を酸化除去する再生を行なう。パティキュレートフィルタの再生においては、排気ガスの空燃比がリーンのもとでパティキュレートフィルタの温度を再生温度まで上昇させ、堆積した粒子状物質を酸化することにより粒子状物質を除去する。
【０１２６】
本実施の形態においては、パティキュレートフィルタの上流側の端部に予め未燃燃料を付着させる。この後に火炎をパティキュレートフィルタの上流側の端部に到達するように生成する。火炎がパティキュレートフィルタに到達するために、パティキュレートフィルタの昇温を速やかに行なうことができる。
【０１２７】
また、パティキュレートフィルタに多量の活性化物質を供給することができる。活性化物質は強い酸化力を有するために、活性化物質を供給しないときの再生温度よりも低い温度で粒子状物質を酸化することができる。特に、活性化物質であるＯＨラジカルまたはＯラジカルなどによって、粒子状物質が燃焼する温度が低下する。この結果、パティキュレートフィルタの再生を短時間で行なうことができる。または、同じ時間をかけてパティキュレートフィルタの再生を行なう場合には、より多くの粒子状物質を除去することができて、パティキュレートフィルタの再生を行なう間隔を長くすることができる。
【０１２８】
パティキュレートフィルタの再生時間やパティキュレートフィルタの再生を行なう間隔は、火炎を生成する回数、火炎を生成している時間、またはパティキュレートフィルタの温度履歴などによって選定することができる。
【０１２９】
また、パティキュレートフィルタの下流側に、昇温が必要な排気処理装置が配置されている場合には、パティキュレートフィルタの温度を粒子状物質が燃焼する温度以上に昇温することにより、粒子状物質を除去するとともに、粒子状物質の燃焼熱を下流の排気処理装置の昇温に利用することができる。この結果、下流の排気処理装置の昇温を短時間で行なうことができる。
【０１３０】
次に、図１における排気処理装置５５が、ＮＯＸ選択還元触媒（ＳＣＲ:Selective Catalytic Reduction）からなる場合について説明する。この場合には、ＮＯＸ選択還元触媒よりも上流側の機関排気通路に、尿素またはアンモニアを供給するための還元剤供給手段が配置される。本実施の形態においては、尿素水を供給するための尿素供給弁が配置される。還元剤供給手段は、アンモニア水を供給するように形成されていても構わない。
【０１３１】
ＮＯＸ選択還元触媒は、アンモニアを還元剤としてＮＯＸを選択的に還元することができる触媒である。ＮＯＸ選択還元触媒は、たとえば、ゼオライト又はアルミナなどの基材の表面にＰｔなどの貴金属を担持したものを用いることができる。または、基材の表面にＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持させたもの等を用いることができる。
【０１３２】
尿素供給弁から機関排気通路を流れる排気ガス中に尿素が供給されることにより、尿素からアンモニアが生成される。生成されたアンモニアがＮＯＸ選択還元触媒に供給されることにより、ＮＯＸ選択還元触媒において、選択的に排気ガスに含まれるＮＯＸが窒素に還元される。
【０１３３】
ところで、ＮＯＸ選択還元触媒は、所定の温度以上にならないとＮＯＸの選択還元作用を行わない。すなわち、ＮＯＸ選択還元触媒には、活性化温度を有する。ＮＯＸ選択還元触媒においても、火炎の生成前に未燃燃料を付着させて、ＮＯＸ吸蔵触媒の上流側の端部に火炎が到達するように火炎を生成することにより、短時間に活性化温度以上に昇温することができる。
【０１３４】
本実施の形態においては、排気浄化装置において単体の排気処理装置が配置されている場合について説明を行なったが、火炎が到達する排気処理装置の下流側に、さらに他の排気処理装置が配置されていても構わない。たとえば、火炎が到達する酸化触媒の下流に、パティキュレートフィルタおよびＮＯＸ吸蔵還元触媒が配置されていても構わない。
【０１３５】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【０１３６】
（実施の形態３）
図１３から図１８を参照して、実施の形態３における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、火炎が到達する排気処理装置がＮＯＸ吸蔵触媒からなる。
【０１３７】
図１３に、本実施の形態における内燃機関の概略図を示す。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、グロープラグ５１の下流側に火炎が到達する排気処理装置としてＮＯＸ吸蔵触媒１７が配置されている。ＮＯＸ吸蔵触媒１７の下流側には、ＳＯＸ吸着触媒５７が配置されている。
【０１３８】
ＮＯＸ吸蔵触媒１７の下流には、ＮＯＸ吸蔵触媒１７の温度を検出するための温度センサ２６が配置されている。また、ＮＯＸ吸蔵触媒１７の下流には、空燃比センサ５６が配置されている。ＳＯＸ吸着触媒５７の下流側には、ＳＯＸ吸着触媒５７の温度を検出するための温度センサ２７が配置されている。温度センサ２６，２７および空燃比センサ５６の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して電子制御ユニット３０の入力ポート３５に入力される（図１参照）。
【０１３９】
ＮＯＸ吸蔵触媒（ＮＳＲ：NOX Storage-Reduction catalyst）１７は、たとえば基体上に例えばアルミナからなる触媒担体が担持されている。触媒担体の表面上には貴金属触媒が分散して担持されている。触媒担体の表面上にはＮＯＸ吸収剤の層が形成されている。貴金属触媒としては、例えば白金Ｐｔが用いられる。ＮＯＸ吸収剤を構成する成分としては、例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
【０１４０】
ＮＯＸ吸蔵触媒１７は、機関本体１から排出される排気ガスに含まれるＮＯＸを一時的に吸蔵して、吸蔵したＮＯＸを放出するときにＮ２に物質に変換する触媒である。ＮＯＸ吸蔵触媒は、排気ガスの空燃比がリーンの時にはＮＯＸを吸蔵する。ＮＯＸの吸蔵量が許容量に達した時に、排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にすることにより、吸蔵したＮＯＸが放出される。排気ガスの空燃比がリッチまたは理論空燃比の状態では、排気ガスに未燃燃料等の還元剤が多く含まれているために、放出されたＮＯＸを還元してＮ２に変換することができる。このように、ＮＯＸ放出制御を行なう。
【０１４１】
内燃機関の排気ガスには、硫黄酸化物（ＳＯＸ）が含まれる場合がある。この場合にＮＯＸ吸蔵触媒は、ＮＯＸの吸蔵と同時にＳＯＸを吸蔵する。ＳＯＸが吸蔵されると、ＮＯＸの吸蔵可能量が低下する。ＮＯＸ吸蔵触媒には、いわゆる硫黄被毒が生じる。硫黄被毒を解消するために、ＳＯＸを放出する硫黄被毒回復が行なわれる。ＳＯＸは、ＮＯＸに比べて安定な状態でＮＯＸ吸蔵触媒に吸蔵される。このため、硫黄被毒回復においては、ＮＯＸ吸蔵触媒を昇温した状態で、排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にすることによりＳＯＸを放出する。このように、ＳＯＸ放出制御を行なう。
【０１４２】
本実施の形態においては、ＳＯＸ放出制御の昇温のときに、火炎がＮＯＸ吸蔵触媒に到達する前に燃料添加弁１５から予備的な燃料の供給を行なって、ＮＯＸ吸蔵触媒の上流側の端部に未燃燃料を付着させる。この後に、燃料添加弁１５からの未燃燃料の供給およびグロープラグ５１の通電により、火炎を生成してＮＯＸ吸蔵触媒１７の上流側の端部に火炎を到達させる。火炎がＮＯＸ吸蔵触媒１７に到達することにより、速やかな昇温を行なうことができる。
【０１４３】
また、ＮＯＸ吸蔵触媒には、ＮＯＸを吸蔵する過程でＮＯＸを酸化するための酸化触媒が担持されている。このために、ＮＯＸ吸蔵触媒１７の内部において酸化反応が生じて、酸化反応熱により速やかな昇温を行なうことができる。特に、火炎の生成前に上流側の端部に未燃燃料を付着させておくことにより、活性化物質をＮＯＸ吸蔵触媒に多量に供給することができる。活性化物質の酸化反応により、ＮＯＸ吸蔵触媒の昇温を速やかに行なうことができる。
【０１４４】
次に、ＮＯＸ吸蔵触媒のＮＯＸ放出制御またはＳＯＸ放出制御において、排気ガスの空燃比をリッチにするリッチ制御について説明する。本実施の形態においては、排気ガスの空燃比を深いリッチにする制御を行なう。排気ガスの空燃比を深いリッチにする制御を行うことにより還元効率を向上させることができる。
【０１４５】
図１４に、本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の第１の運転制御のタイムチャートを示す。図１４は、本実施の形態におけるＮＯＸ放出制御のタイムチャートである。以下、主にＮＯＸ放出制御について説明するが、ＳＯＸ放出制御についてもＮＯＸ放出制御と同様の制御により、排気ガスの空燃比をリッチにすることができる。
【０１４６】
燃料添加弁１５から予備的な燃料の供給を行なって、ＮＯＸ吸蔵触媒１７の上流側の端部に未燃燃料を付着させる。この後に、時刻ｔＸにおいて、火炎を生成する。本実施の形態においては、火炎を生成するとともにＮＯＸ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしている。本実施の形態においては、間欠的に未燃燃料の供給を行なって排気ガスの空燃比をリッチにしている。複数回の未燃燃料の供給を行なうことにより、それぞれの供給において火炎を生成することができる。
【０１４７】
本実施の形態においては、火炎に含まれる活性化物質をＮＯＸ吸蔵触媒に供給することができる。さらに、ＮＯＸ吸蔵触媒の上流側の端部に付着させた未燃燃料を火炎により燃焼させることにより、ＮＯＸ吸蔵触媒に多量の活性化物質を供給することができる。活性化物質には、還元力の強い還元剤が含まれている。このため、ＮＯＸの放出および還元の性能に優れている。ＮＯＸ吸蔵触媒に流入する排気ガスに活性化物質が含まれていない場合と比較すると、同じ時間内により多くのＮＯＸを放出させて還元することができる。
【０１４８】
図１５に、本実施の形態におけるＮＯＸ放出制御を行なうときの第２の運転制御のタイムチャートを示す。図１５は、比較例としてのタイムチャートである。比較例の内燃機関の排気浄化装置は、燃料添加弁を有するが、グロープラグを有しない。すなわち、比較例においては、火炎を生成せずに燃料添加弁から未燃燃料を供給することにより、ＮＯＸ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしている。
【０１４９】
比較例の排気浄化装置においては、ＮＯＸ放出制御またはＳＯＸ放出制御のときに、ＮＯＸ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比を、理論空燃比または理論空燃比よりも僅かリッチになるように未燃燃料を供給する。また、燃料添加弁から間欠的に燃料を供給するものの、排気管の壁面に付着する未燃燃料などにより、ＮＯＸ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比が均一化されていた。すなわち、ＮＯＸ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比は略一定になっていた。
【０１５０】
図１４を参照して、これに対して第１の運転制御においては、還元性の高い活性化物質をＮＯＸ吸蔵触媒に供給することができるために、ＮＯＸ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比を深いリッチにすることができる。このときに、排気ガスの空燃比が深いリッチになるように燃料の供給を行なっているために、ＮＯＸ吸蔵触媒をすり抜ける未燃燃料が増加する恐れがある。第１の運転制御においては、未燃燃料がＮＯＸ吸蔵触媒をすり抜けることを抑制するために、燃料添加弁から未燃燃料を供給する間隔を長くしている。すなわち、未燃燃料の供給を停止する時間を長くしている。この結果、ＮＯＸ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比は、間欠的にリッチになる。または、ＮＯＸ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの期間が介在する。この制御により、未燃燃料がＮＯＸ吸蔵触媒をすり抜けることを抑制しながら、排気ガスの空燃比を深いリッチにすることができる。
【０１５１】
図１４に示す例については、１回のＮＯＸ放出制御について説明したが、放出させるＮＯＸ量やＳＯＸ量に応じて、この制御を複数回行なっても構わない。または、上記の例においては、排気ガスの空燃比を深いリッチにする制御を説明したが、この形態に限られず、排気ガスの空燃比を理論空燃比または理論空燃比よりややリッチにしても構わない。
【０１５２】
ところで、第１の運転制御においては、間欠的に火炎を生成している期間中に、排気ガスの流量を減少させている。たとえば、機関本体に流入する吸入空気量を減少させることにより、排気ガスの流量も減少させることができる。排気ガスの流量を減少することにより、機関排気通路の内部で火炎が拡散して燃焼性が向上する。また、ＮＯＸ吸蔵触媒における反応時間を長くすることができ、ＮＯＸ吸蔵触媒における反応性を向上させることができる。また、ラジカルによって活性化され、ＮＯＸ吸蔵触媒に付着している未燃燃料等の還元性も向上する。このように、活性化物質によるＮＯＸの還元性能を高めることができる。
【０１５３】
更に、排気ガスの流量を低減することにより、未燃燃料が燃焼するときの酸素濃度を低くすることができて、火炎に残存する酸素を少なくすることができる。酸素をほぼ消費した火炎をＮＯＸ吸蔵触媒に供給することができる。このため、より還元性の高い還元剤をＮＯＸ吸蔵触媒に供給することができて、ＮＯＸの還元性能を向上させることができる。本実施の形態においては、排気ガスの流量を減少させることにより酸素濃度を低くしているが、この形態に限られず、排気ガスの酸素濃度を低減させる任意の制御を行なうことができる。
【０１５４】
また、図１４に示す例においては、火炎を生成している期間中に、排気ガスの酸素濃度を低下させる制御を行なっているが、この形態に限られず、火炎を生成する前に排気ガスの酸素濃度を減少させる制御を行なっても構わない。さらに、火炎を生成している期間中に排気ガスの流量を減少させる場合には、排気ガスの流量を零にしても構わない。例えば、機関本体を停止することにより、排気ガスの流量を零にすることができる。内燃機関が自動車に搭載されている場合には、自動車が停止しているときに機関本体を停止することができる。または、内燃機関に加えて走行用モータを備えるハイブリッド自動車等の場合には、所定の運転条件で機関本体を停止させることができる。
【０１５５】
図１６に、本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の第３の運転制御のタイムチャートを示す。第３の運転制御においては、ＮＯＸ放出制御において、火炎を生成する前に排気ガスの流量を増加させる制御を行なっている。機関本体から流出する排気ガスの流量を増加させる制御を行なっている。本実施の形態においては、機関本体に流入する吸入空気量を増加させている。排気ガスの流量を増加させることにより、排気ガスに含まれる酸素濃度を増加させている。火炎を生成する場合に、酸素濃度を増加させることにより、未燃燃料の燃焼性を高めることができる。火炎により生成されるラジカル等の活性化物質の量を多くすることができる。この結果、ＮＯＸ吸蔵触媒におけるＮＯＸの放出および還元の性能をより高めることができる。
【０１５６】
第３の運転制御においては、火炎の生成前に排気ガスの酸素濃度を上昇させているが、この形態に限られず、火炎の生成期間中に酸素濃度を上昇させる制御を行なっても構わない。また、本実施の形態においては、排気ガスの流量を増加することにより酸素濃度を上昇させているが、この形態に限られず、酸素濃度を上昇させる任意の制御を行なうことができる。
【０１５７】
図１７に、本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の第４の運転制御のタイムチャートを示す。第４の運転制御においては、ＮＯＸ放出制御において、燃料添加弁から予備的な燃料の供給を行なった後に、時刻ｔＸにおいて火炎を生成することは、本実施の形態における第１の運転制御と同様である。
【０１５８】
第４の運転制御においては、火炎を生成している期間中に、燃料添加弁から供給する未燃燃料の量を増加させる制御を行なう。すなわち、燃料添加弁から間欠的に燃料を供給している複数回のうち、２回目以降のいずれかの火炎生成の際に、燃料添加弁からの未燃燃料の供給量を増加させる。第４の運転制御においては、時刻ｔＺにおいて燃料添加弁からの供給量を増加している。火炎を生成している期間中には、ＮＯＸ吸蔵触媒の温度が上昇する。ＮＯＸ吸蔵触媒の温度が上昇するために、ＮＯＸの放出および還元の性能が向上する。このため、ＮＯＸ吸蔵触媒に供給する燃料を増量して反応量を多くすることができる。
【０１５９】
本実施の形態においては、火炎の生成の期間中に一定の増量を行なって、その後に一定の供給量を持続しているが、この形態に限られず、未燃燃料の供給量は任意の回数時に変更することができる。または、未燃燃料の供給量を、火炎生成の回数の増加に伴って徐々に多くしても構わない。
【０１６０】
さらに、第４の運転制御においては、ＮＯＸ放出制御が終了した後に、排気ガスの空燃比をリーンにするとともに排気ガスの流量を増加させている。本実施の形態においては、ＮＯＸ放出制御のときに、ＮＯＸ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比を深いリッチにしている。このため、生成された一酸化炭素や未燃燃料が、ＮＯＸ吸蔵触媒の内部に残存する場合がある。このような残存物は、ＮＯＸ放出制御後の通常運転時におけるＮＯＸの吸蔵を妨げる。
【０１６１】
例えば、一酸化炭素が貴金属の表面に付着して残存する場合がある。ＮＯＸ放出制御の終了の後に、排気ガスの流量を増加することにより、ＮＯＸ吸蔵触媒に流入する酸素量を多くすることができる。ＮＯＸ吸蔵触媒に残存する一酸化炭素や未燃燃料を酸化させて除去することができる。この結果、ＮＯＸ吸蔵触媒のＮＯＸ吸蔵能力を向上させることができる。ＳＯＸ放出制御の終了した後についても同様に、排気ガスの空燃比をリーンにするとともに、排気ガスの流量を増加することにより、ＮＯＸ吸蔵触媒の内部に残存する一酸化炭素等を除去することができる。
【０１６２】
本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、火炎により生成された活性化物質の量を検知する活性化物質検知手段を備えている。図１３を参照して、本実施の形態における活性化物質検知手段は、ＮＯＸ吸蔵触媒１７の下流に配置されている温度センサ２６を含む。ＮＯＸ吸蔵触媒の温度を関数とする活性化物質の量を電子制御ユニット３０に記憶させる。ＮＯＸ吸蔵触媒１７の温度を検出することにより、活性化物質の量を算出することができる。活性化物質検知手段としては、この形態に限られず、活性化物質の量を検知できる任意の手段を採用することができる。
【０１６３】
本実施の形態においては、活性化物質検知手段により検出された活性化物質の量を検出して、排気ガスの空燃比をリッチにする回数を選定する。本実施の形態においては、活性化物質検知手段により検出された活性化物質の量が判定値以下の場合に、追加のＮＯＸ放出制御またはＳＯＸ放出制御を行なう。例えば、ＮＯＸ放出制御を行なっているときに活性化物質の量が判定値以下の場合には、ＮＯＸ吸蔵触媒のＮＯＸの放出量が不十分であると判別して、追加の火炎生成を伴う排気ガスの空燃比をリッチにする制御を行なうことができる。
【０１６４】
ところで、ＮＯＸ吸蔵触媒からＳＯＸを放出させるＳＯＸ放出制御を行うときには、ＮＯＸ吸蔵触媒をＳＯＸ放出可能な温度まで昇温する必要がある。火炎による活性化物質をＮＯＸ吸蔵触媒に供給しない場合のＳＯＸ放出温度は、たとえば６００℃である。ＳＯＸ放出制御においては、温度をＳＯＸ放出温度以上にしたうえで、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにする。このときに、ＮＯＸ吸蔵触媒に吸蔵されているＳＯＸは、ＮＯＸ吸蔵触媒の上流から下流に向かって移動する。ＮＯＸ吸蔵触媒の下流側の端部に到達したＳＯＸから順に排出される。このため、ＮＯＸ吸蔵触媒の上流側の部分に吸蔵されているＳＯＸの排出には所定の時間が必要になる。
【０１６５】
本実施の形態においては、ＮＯＸ吸蔵触媒に活性化物質が供給されることにより、ＳＯＸを放出できる温度を低下させることができる。ＮＯＸ吸蔵触媒に活性化物質が供給されたときの放出温度である活性化ＳＯＸ放出温度は、例えば４５０℃である。本実施の形態においては、ＮＯＸ放出制御のときにＮＯＸ吸蔵触媒の上流側の端部の温度を活性化ＳＯＸ放出温度以上にすることができる。たとえば、燃料添加弁からの未燃燃料の供給量やグロープラグの位置を調整することにより、火炎を生成したときに上流側の端部の温度が活性化ＳＯＸ放出温度以上になる。なお、上流側の端部の温度が活性化ＳＯＸ放出温度に達しない場合には、追加の火炎生成等を行なって温度を上昇させても構わない。
【０１６６】
図１８に、ＮＯＸ吸蔵触媒のＮＯＸ放出制御を行なっているときの温度分布を説明するグラフを示す。横軸は、グロープラグからＮＯＸ吸蔵触媒の下流側の端部までの位置を示している。グロープラグにより火炎が生成されることにより排気ガスの温度が上昇する。ＮＯＸ吸蔵触媒は、上流側の端部の温度が最も高温である。下流側の端部に向かうにしたがって温度が下降する。本実施の形態においては、ＮＯＸ吸蔵触媒の上流側の端部の温度が活性化ＳＯＸ放出温度以上になる。このため、ＮＯＸ吸蔵触媒の上流側の部分に吸蔵されているＳＯＸが下流側に移動する。
【０１６７】
ＮＯＸ放出制御のときに上流側の端部のＳＯＸを下流側に移動させることができるために、ＳＯＸ放出制御においてＳＯＸを下流側に移動させる時間を削減することができる。ＳＯＸ放出制御を短時間で行うことができる。また、ＮＯＸ吸蔵触媒の上流側の部分は、ＳＯＸ吸蔵量が少なくなる。内燃機関の始動時などの暖気のときに、ＮＯＸ吸蔵触媒は上流側から温度が上昇するために、ＳＯＸ吸蔵量の少ない上流側の端部からＮＯＸの吸蔵を行なうことができる。このように、短時間でＮＯＸの吸蔵を開始することができる。
【０１６８】
図１３を参照して、本実施の形態においては、ＮＯＸ吸蔵触媒の下流側にＳＯＸを捕捉するためのＳＯＸ吸着触媒５７が配置されている。ＳＯＸ吸着触媒５７としては、排気ガスに含まれるＳＯＸを吸蔵することにより、排気ガスからＳＯＸを除去する触媒を用いることができる。
【０１６９】
ＳＯＸ吸着触媒は、たとえば、基体上にアルミナやシリカからなる触媒担体が担持されている。触媒担体の表面上には、貴金属触媒が分散して担持されている。触媒担体の表面上には、ＳＯＸ吸収剤の層が形成されている。貴金属触媒は、たとえば、白金Ｐｔを用いることができる。ＳＯＸ吸収剤は、硫酸塩を形成できる物質を含む。ＳＯＸ吸収剤を構成する成分としては、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、および遷移金属のうち一つ以上の金属を用いることができる。
【０１７０】
前述のように、ＮＯＸ吸蔵触媒に活性化物質を供給してＳＯＸ放出制御を行なうことにより、ＳＯＸ放出性が向上する。また、従来の技術よりも低い温度でＳＯＸが放出される。このため、ＳＯＸ放出制御においては、ＮＯＸ吸蔵触媒１７に吸蔵されているＳＯＸが一度に多量に放出される可能性がある。本実施の形態においては、ＮＯＸ吸蔵触媒１７の下流側にＳＯＸ吸着触媒５７を配置することにより、ＳＯＸ吸着触媒５７で一時的にＳＯＸを吸蔵することができる。このため、一度に多量のＳＯＸが放出されることを抑制することができる。
【０１７１】
従来の技術においては、ＮＯＸ吸蔵触媒の下流側にＳＯＸ吸着触媒を配置していても、ＳＯＸ放出制御を行うときに、ＮＯＸ吸蔵触媒とともにＳＯＸ吸着触媒の温度が高温になってしまうために、ＳＯＸ吸着触媒によりＳＯＸを捕捉することが困難であった。本実施の形態においては、ＮＯＸ吸蔵触媒のＳＯＸ放出温度を低くすることができる。このために、ＳＯＸ吸着触媒５７の温度がＳＯＸを離脱させる温度以上になることを回避することができ、ＳＯＸ吸着触媒５７でＳＯＸを捕捉することができる。
【０１７２】
ＳＯＸ吸着触媒５７に吸着したＳＯＸは、排気ガスの温度を上昇させて放出することができる。または、排気ガスの温度を上昇させた上で、排気ガスの空燃比をリッチにすることによりＳＯＸを放出させることができる。例えば、内燃機関が高負荷のときに排気ガスの温度が上昇するため、このときにＳＯＸを放出させることができる。
【０１７３】
本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、ＳＯＸ吸着触媒５７の温度を検知する温度検知手段を備える。ＳＯＸ吸着触媒５７の温度を検知する温度検知手段は、温度センサ２７を含む。本実施の形態においては、ＳＯＸ吸着触媒の温度が判定値未満の場合に、火炎生成手段による火炎の生成を規制する。ＳＯＸ吸着触媒は、ＳＯＸの吸着能力が急激に小さくなる温度を有する。たとえば温度が３５０℃未満になるとＳＯＸの吸着能力が小さくなる。判定値としては、この温度を用いることができる。
【０１７４】
本実施の形態においては、ＳＯＸ吸着触媒の温度が判定値未満の場合に、火炎の生成を規制することにより、ＮＯＸ吸蔵触媒から流出するＳＯＸ量を低減させる制御を行う。例えば、排気ガスの空燃比をリッチにする制御を行なう場合に、火炎の生成をせずに排気ガスの空燃比をリッチにする制御を行なう。または、間欠的に火炎を生成する場合には、火炎を生成する間隔を長くする制御を行なう。または、既にＳＯＸ放出制御を行なっている場合には、ＳＯＸ放出制御を一時的に停止する制御を行う。この制御を行なうことにより、ＳＯＸ吸着触媒のＳＯＸの吸着能力が低いときに、ＳＯＸがＳＯＸ吸着触媒をすり抜けて大気中に放出されることを抑制することができる。
【０１７５】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１または２と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【０１７６】
（実施の形態４）
図１９から図２１を参照して、実施の形態４における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態における内燃機関の浄化装置は、上流側に酸化触媒が配置され、下流側にＮＯＸ選択還元触媒が配置されている。本実施の形態においては、排気ガスに含まれるＮＯＸをＮＯＸ選択還元触媒で処理するように形成されている。
【０１７７】
図１９は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、グロープラグ５１の下流側に、火炎が到達する排気処理装置として酸化触媒１３が配置されている。
【０１７８】
酸化触媒１３の下流側には、ＮＯＸ選択還元触媒５８が配置されている。ＮＯＸ選択還元触媒５８の下流側には、ＮＯＸ選択還元触媒５８の温度を検知するための温度センサ２８が配置されている。ＮＯＸ選択還元触媒５８の下流側には、ＮＯＸセンサ５９が配置されている。温度センサ２８およびＮＯＸセンサ５９のそれぞれの出力信号は、電子制御ユニット３０の対応するＡＤ変換器３７を介して、入力ポート３５に入力されている（図１参照）。ＮＯＸ選択還元触媒５８の上流側には、機関排気通路内に尿素を供給するための尿素添加弁５３が配置されている。尿素添加弁５３は、ＮＯＸを還元するための還元剤をＮＯＸ選択還元触媒に供給する還元剤供給手段として機能する。
【０１７９】
本実施の形態において、火炎生成の前の予備的な燃料の供給により、酸化触媒１３の上流側の端部に未燃燃料を付着させることは、実施の形態１と同様である。排気浄化装置において、酸化触媒１３の昇温等のときに酸化触媒１３の上流側の端部に火炎が到達する。火炎が生成されると共に、排気ガスに含まれるＮＯＸの量が増加する。火炎の生成により増加したＮＯＸは、ＮＯＸ選択還元触媒５８にて処理される。ＮＯＸは、ＮＯＸ選択還元触媒５８にて還元されてＮ２に変換される。
【０１８０】
図２０に、本実施の形態における第１の運転制御のタイムチャートを示す。本実施の形態においては、間欠的に尿素添加弁５３から尿素を供給している。本実施の形態においては、火炎を生成する期間中にＮＯＸ選択還元触媒にて消費される量のアンモニアを補充するように尿素の供給を行なう。
【０１８１】
第１の運転制御においては、火炎を生成する時刻ｔＸの前に尿素添加弁５３から尿素を供給する。火炎が生成される前に、予め定められた量以上のアンモニアがＮＯＸ選択還元触媒に吸着するように尿素の供給を行なう。第１の運転制御においては、火炎生成により消費されるアンモニアに対応する量の尿素を尿素添加弁５３から供給する。予め定められた量の尿素を尿素添加弁５３から供給する。このように、火炎生成に先立ってＮＯＸ選択還元触媒５８に、所定量以上のアンモニアを吸着させることにより、火炎の生成により増加するＮＯＸを十分に処理することができる。
【０１８２】
図２１に、本実施の形態における第２の運転制御のタイムチャートを示す。第２の運転制御においては、火炎の生成が終了した後に、火炎の生成の期間中に消費したアンモニアを補充するように尿素を供給する。時刻ｔＸにおいて火炎が生成され、時刻ｔＹにおいて火炎の生成が終了している。本実施の形態においては、時刻ｔＹ以降に尿素の供給量を増加させている。火炎を生成する前に供給する尿素の量よりも、火炎の生成が終了した後に供給する尿素の量を多くしている。本実施の形態においては、予め決められた量の尿素が火炎生成前と火炎生成後とに供給されている。
【０１８３】
火炎を生成しているときには、増加したＮＯＸの処理を行なうために、ＮＯＸ選択還元触媒のアンモニアの吸着量が減少する。第２の運転制御においては、火炎の生成が終了した後に、火炎を生成している期間に消失したアンモニアを補充することができる。このように、火炎生成により増加するＮＯＸを処理するために消費されるアンモニアの吸着を火炎生成の前後に補充することができる。
【０１８４】
図１９を参照して、本実施の形態における排気浄化装置は、酸化触媒１３の下流に尿素添加弁５３が配置され、尿素添加弁から供給される尿素が火炎に接触しないように形成されている。このため、尿素の供給は、火炎生成の前および火炎生成の終了後に限られず、火炎生成の期間中に行なっても構わない。
【０１８５】
また、内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯＸ選択還元触媒に吸着するアンモニアの量を検知する吸着量検知手段を備えていても構わない。吸着量検知手段は、たとえば、温度センサにより検出されるＮＯＸ選択還元触媒の温度、尿素添加弁から供給される尿素の量、およびＮＯＸ選択還元触媒に流入するＮＯＸ量などから任意の時刻におけるアンモニアの吸着量を算出することができる。
【０１８６】
排気浄化装置が吸着量検知手段を備えることにより、ＮＯＸ選択還元触媒に吸着しているアンモニアの量を検知することができ、より正確な制御を行なうことができる。たとえば、火炎生成の期間中に消費されたアンモニアの量を算出して、火炎生成中に消費されたアンモニアに対応する量の尿素を火炎生成後に供給することができる。または、ＮＯＸ選択還元触媒のアンモニアの吸着量の最大値を予め定めておいて、アンモニアの吸着量が最大になったときに尿素の供給を停止する制御を行なうことができる。
【０１８７】
ところで、ＮＯＸ選択還元触媒の上流側の排気処理装置で酸化しきれなかった未燃燃料がＮＯＸ選択還元触媒に流入してＮＯＸ選択還元触媒に付着する場合がある。ＮＯＸ選択還元触媒に未燃燃料が付着すると、ＮＯＸ選択還元触媒にアンモニアが吸着できなくなり、ＮＯＸ浄化率が低下する。いわゆるＮＯＸ選択還元触媒のＨＣ被毒が生ずる。ＮＯＸ選択還元触媒に付着した未燃燃料は、ＮＯＸ選択還元触媒を昇温することによってＮＯＸ選択還元触媒から脱離させることができる。
【０１８８】
本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯＸ選択還元触媒のＨＣ被毒量を検出する被毒検知手段を備える。本実施の形態における被毒検知手段は、ＮＯＸ選択還元触媒５８の下流に配置されているＮＯＸセンサ５９を含む。所定の運転状態の下で、ＮＯＸ選択還元触媒にて処理されずに流出するＮＯＸの量をＮＯＸセンサ５９で検知することにより、ＮＯＸ選択還元触媒のＨＣ被毒を検知することができる。被毒検知手段は、この形態に限られず、ＨＣ被毒を検知できる任意の手段を採用することができる。たとえば、被毒検知手段は、運転状態の履歴によりＨＣ被毒量を検出するように形成されていても構わない。
【０１８９】
本実施の形態の第３の運転制御においては、ＨＣ被毒検知手段により検出されたＨＣ被毒量が判定値以上である場合に、ＨＣ被毒の回復を行なう。第３の運転制御においては、火炎生成手段により火炎を生成する。火炎を生成することにより酸化触媒が昇温して、排気ガスの温度も上昇する。排気ガスの温度が上昇することによりＮＯＸ選択還元触媒の温度を上昇させることができて、ＮＯＸ選択還元触媒に付着するＨＣを離脱させることができる。
【０１９０】
ＨＣ被毒の回復のためにＮＯＸ選択還元触媒の昇温を行なうと、アンモニアがＮＯＸ選択還元触媒に吸着しにくくなる。または、ＮＯＸ選択還元触媒を昇温することにより、吸着しているがアンモニアがアンモニアまたはＮＯＸとして排出され易くなる。本実施の形態においては、ＨＣ被毒を回復させるために火炎を生成するときに、尿素添加弁から供給する尿素の供給量を少なくする。本実施の形態においては、ＨＣ被毒量が判定値未満の場合に供給する尿素の供給量よりも少なくする。しかしながら、ＨＣ被毒の回復の場合にも、ＮＯＸ選択還元触媒５８にはＮＯＸが流入するために、尿素の供給は継続する。例えば、火炎生成により増加するＮＯＸを処理するために必要最低限の量の尿素の供給を行なうことが好ましい。
【０１９１】
本実施の形態においては、火炎が到達する排気処理装置が酸化触媒からなる場合を例に取り上げて説明したが、排気処理装置としてパティキュレートフィルタを採用することができる。パティキュレートフィルタの場合には、ＮＯＸ選択還元触媒の昇温のために、粒子状物質が燃焼する温度まで温度を上昇させることにより、粒子状物質の燃焼熱をＮＯＸ選択還元触媒の昇温に利用することができる。
【０１９２】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１から３のいずれかと同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【０１９３】
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に含まれる変更が意図されている。
【図面の簡単な説明】
【０１９４】
【図１】実施の形態１における内燃機関の排気浄化装置の概略図である。
【図２】実施の形態１における排気浄化装置の排気管の部分の拡大概略断面図である。
【図３】未燃燃料を燃焼したときに生成される物質の説明図である。
【図４】実施の形態１における第１の運転制御のタイムチャートである。
【図５】実施の形態１における第２の運転制御のタイムチャートである。
【図６】実施の形態１における比較例としての第３の運転制御のタイムチャートである。
【図７】実施の形態１における第４の運転制御のタイムチャートである。
【図８】実施の形態１における第５の運転制御のタイムチャートである。
【図９】実施の形態１における第７の運転制御のタイムチャートである。
【図１０】火炎を生成したときの空燃比センサの出力電流の変化を説明するグラフである。
【図１１】実施の形態１における他の排気浄化装置の排気管の部分の拡大概略断面図である。
【図１２】燃焼室における噴射パターンの説明図である。
【図１３】実施の形態３における内燃機関の排気浄化装置の概略図である。
【図１４】実施の形態３における第１の運転制御のタイムチャートである。
【図１５】実施の形態３における比較例としての第２の運転制御のタイムチャートである。
【図１６】実施の形態３における第３の運転制御のタイムチャートである。
【図１７】実施の形態３における第４の運転制御のタイムチャートである。
【図１８】実施の形態３におけるＮＯＸ吸蔵触媒のＮＯＸ放出制御を行なうときの温度分布を説明するグラフである。
【図１９】実施の形態４における内燃機関の概略図である。
【図２０】実施の形態４における第１の運転制御のタイムチャートである。
【図２１】実施の形態４における第２の運転制御のタイムチャートである。
【符号の説明】
【０１９５】
１    機関本体
２    燃焼室
８    吸入空気量検出器
１２    排気管
１２ａ    突出管
１３    酸化触媒
１５    燃料添加弁
１７    ＮＯＸ吸蔵触媒
５１    グロープラグ
５１ａ    発熱部
５２    スワラー
５３    尿素添加弁
５５    排気処理装置
５７    ＳＯＸ吸着触媒
５８    ＮＯＸ選択還元触媒
６０    火炎
【図１】
2010163967.tif 000003
【図２】
2010163967.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2010163967.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2010163967.tif 000018
【図１７】
2010163967.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2010163967.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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