(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に吸蔵還元型ＮＯX触媒が配置されるとともに該吸蔵還元型ＮＯX触媒より上流側の排気通路に又は該吸蔵還元型ＮＯX触媒と一体的にプラズマ発生装置が配置された内燃機関の排気浄化装置において、
前記プラズマ発生装置より上流側の排気通路に酸化触媒が配置され、
前記吸蔵還元型ＮＯX触媒に吸蔵された有害物質を放出させる処理が実行されるときに前記プラズマ発生装置を作動させる制御手段が設けられ、
前記制御手段は、前記プラズマ発生装置を作動させるとともに、空燃比の中心がストイキ又は弱リッチとなるように制御する、
ことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記吸蔵還元型ＮＯX触媒の温度が所定の第一の温度以下であるとき又は該第一の温度よりも高い所定の第二の温度以上であるときにも、更に前記プラズマ発生装置を作動させる、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記プラズマ発生装置への供給交流電圧の周波数を、触媒暖機後に比較して触媒暖機前において大きくする制御を行う、請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記吸蔵還元型ＮＯX触媒が微粒子物質を捕集可能なフィルタに担持されている、請求項１から請求項３まで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】
前記有害物質を放出させる処理は硫黄分を対象とするものである、請求項１から請求項４まで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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料の経済性の観点から、ガソリン機関において希薄燃焼（リーンバーン）機関が開発されるとともに、ディーゼル機関の適用範囲が拡大されつつある。ディーゼル機関や希薄燃焼ガソリン機関では、大きな空気過剰率の下で燃料が燃焼せしめられるため、不完全燃焼成分であるＨＣ（炭化水素）及びＣＯ（一酸化炭素）の排出量が少ない反面、空気中の窒素と燃え残りの酸素とが反応して生成されるＮＯX（窒素酸化物）の排出量が多くなる。
【０００３】
このように比較的多量に生成される有害なＮＯXの大気中への放出量を低減するために、機関排気系に吸蔵還元型ＮＯX触媒を配置することが知られている。吸蔵還元型ＮＯX触媒は、排気ガス中の酸素濃度が高いときにＮＯXを硝酸塩の形態で吸収する一方、排気ガス中の酸素濃度が低くなると吸収したＮＯXを放出するとともに、放出したＮＯXを排気ガス中のＨＣやＣＯ等の還元成分によって還元浄化させるものである。このように、吸蔵還元型ＮＯX触媒を備えた内燃機関では、酸素濃度が高い希薄燃焼の排気ガス中からＮＯXを良好に吸収し、定期的なリッチ混合気燃焼運転（リッチスパイク運転）によって、排気ガス中の酸素濃度を低下させるとともに排気ガス中にＨＣやＣＯ等の還元成分を存在させ、吸収したＮＯXを大気中に放出させることなく良好に還元・浄化することができる。
【０００４】
ところで、内燃機関の燃料には硫黄が含まれており、燃焼に際してＳＯXも生成される。ＳＯXは、吸蔵還元型ＮＯX触媒へＮＯXと同様に酸化されて硫酸塩の形態で吸収される。硫酸塩は、安定な物質であるために、通常のリッチ混合気燃焼運転を実施しても吸蔵還元型ＮＯX触媒から放出され難く、ＳＯX吸蔵量が徐々に増加してしまう。吸蔵還元型ＮＯX触媒中の硝酸塩又は硫酸塩の吸蔵可能量は有限であるため、吸蔵還元型ＮＯX触媒中の硫酸塩の吸蔵量が増加（以下、ＳＯX被毒と称する）すれば、硝酸塩の吸蔵可能な量がその分だけ減少することとなるので、吸蔵還元型ＮＯX触媒中の硫酸塩の吸蔵量を減少（以下、ＳＯX被毒回復又は硫黄脱離再生と称する）させなければ、遂には、全くＮＯXを吸収することができなくなってしまう。
【０００５】
硫酸塩は、吸蔵還元型ＮＯX触媒が６００°Ｃ程度の高温となり、かつ、周囲の酸素濃度が低下したときに、例えばＳＯ2に分解して気体として触媒から放出させることができる。それにより、硫黄脱離再生（ＳＯX被毒回復）のためには、例えば、吸蔵還元型ＮＯX触媒上でＨＣやＣＯを燃焼させて吸蔵還元型ＮＯX触媒を昇温させることが必要である。これを実施するために、定期的にリッチ空燃比で運転することが行われている。
【０００６】
硫黄脱離再生（ＳＯX被毒回復）は、Ｋ2ＳＯ4をＳＯ2に還元して放出することを目的としている。しかし、強度のリッチ空燃比で運転が行われているため、Ｈ2などの還元成分が存在しており、一旦脱離したＳＯ2が更にＳ又はＨ2Ｓへと還元されることがある。そして、このＳ又はＨ2Ｓが触媒に再びＫ2ＳＯ4の形で吸蔵されることとなり、触媒が毒されてしまう。かくして、次の脱離が抑制され、ＳＯ2として完全に硫黄分を触媒から放出させるのに長時間を要している。そのため、通常の走行では容易にＳＯX被毒回復処理を実施することができずにＮＯX浄化率が低下し、また、たとえＳＯX被毒回復処理を実施することができたにしても燃費の悪化を招いている。
【０００７】
硫黄脱離再生（ＳＯX被毒回復）の処理時間を短縮するために平均空燃比を弱リッチにしてリーン／リッチを繰り返すことにより、Ｓ又はＨ2Ｓまでの還元を抑制することが提案されている。しかし、やはり微視的にみて被毒と再酸化による被毒回復とが繰り返されることによって再生時間がわずかに短縮されるに過ぎない。また、再被毒を抑制するために、ストイキに近い空燃比の下で硫黄脱離を行おうとした場合には、還元力が弱く、硫黄脱離はほとんど起こらない。
【０００８】
一方、吸蔵還元型ＮＯX触媒によるＮＯX浄化率を向上させるためには、吸蔵されにくいＮＯを予めＮＯ2に酸化しておくことが有効である。そこで、特開平１１−３２４６５２号公報は、吸蔵還元型ＮＯX触媒の上流にプラズマ発生装置を配置し、ＮＯをＮＯ2に変換させて吸蔵能力の向上を図った排気浄化装置を開示している。しかし、この排気浄化装置では、常にプラズマ発生装置を作動させてプラズマを生成しておくようにすると、エネルギーロスが大きいという問題が生ずる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯX触媒及びプラズマ発生装置を配置した排気浄化装置において、プラズマ発生装置を効率よく作動させてエネルギー消費を抑制しつつ、触媒に吸蔵されたＮＯX、ＳＯX等の有害物質の放出・還元を迅速化することにより浄化率の向上を図ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第一の側面によれば、排気通路に吸蔵還元型ＮＯX触媒が配置されるとともに該吸蔵還元型ＮＯX触媒より上流側の排気通路に又は該吸蔵還元型ＮＯX触媒と一体的にプラズマ発生装置が配置された内燃機関の排気浄化装置において、前記吸蔵還元型ＮＯX触媒に吸蔵された有害物質を放出させる処理が実行されるときに前記プラズマ発生装置を作動させる制御手段が設けられていることを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１１】
この排気浄化装置においては、吸蔵還元型ＮＯX触媒に吸蔵された有害物質を放出させる処理の実行時、すなわちＮＯXの還元・浄化のためのリッチスパイク運転時又はＳＯXの被毒回復のためのリッチ運転時に、プラズマ発生装置が作動してプラズマが発生するため、有害物質の放出、還元反応が速やかに進むとともに、全ての領域でプラズマ発生装置が作動しないため、エネルギー消費が抑制される。
【００１２】
また、本発明の第二の側面によれば、好ましくは、前記制御手段は、前記吸蔵還元型ＮＯX触媒の温度が所定の第一の温度以下であるとき又は該第一の温度よりも高い所定の第二の温度以上であるときにも、更に前記プラズマ発生装置を作動させる。触媒温度が高いとき又は低いときにはＮＯXの吸収率が低くなるが、この排気浄化装置においては、このようなときにもプラズマ発生装置が作動してプラズマが発生するため、ＮＯX浄化率の向上が図られる。
【００１３】
また、本発明の第三の側面によれば、好ましくは、前記吸蔵還元型ＮＯX触媒の前段に酸化触媒が配置され、前記プラズマ発生装置が前記酸化触媒と前記吸蔵還元型ＮＯX触媒との間に配置される。この排気浄化装置においては、プラズマ発生装置の前段に酸化触媒が配置されることで余分な還元剤が酸化触媒で消費され、プラズマの作用で生成されたＮＯ2や活性酸素などの活性種が還元剤と反応する量が低減せしめられ、吸蔵還元型ＮＯX触媒へ十分な活性種が送られることとなる。
【００１４】
また、本発明の第四の側面によれば、前記吸蔵還元型ＮＯX触媒が微粒子物質を捕集可能なフィルタに担持される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の全体構成を示す概略図である。符号１０は、ディーゼル機関又は希薄燃焼ガソリン機関の本体を示す。機関本体１０には、機関本体１０によって駆動される発電機１２が接続されている。発電機１２によって発生せしめられた電気は、バッテリ１４に蓄えられる。
【００１７】
機関本体１０から延在する排気通路２０には、二つの触媒が配置されている。下流側の触媒は吸蔵還元型ＮＯX触媒２２であり、上流側の触媒は酸化触媒２４である。そして、酸化触媒２４と吸蔵還元型ＮＯX触媒２２との間には、プラズマ発生装置２６が配置されている。なお、プラズマ発生装置２６は、吸蔵還元型ＮＯX触媒２２に一体的に搭載されてもよい。
【００１８】
そのプラズマ発生装置２６には、電力供給装置２８から電力が供給される。電力供給装置２８は、バッテリ１４から供給される直流電圧を交流電圧へ変換するとともに、その周波数及び交流電圧値を調整してプラズマ発生装置２６への投入電力を変化させる。
【００１９】
電子制御装置（ＥＣＵ）３０は、機関本体１０及び電力供給装置２８を制御するものであり、バッテリ１４から電力の供給を受けて作動する。電子制御装置３０は、機関本体１０の運転状態を検出するとともに、酸化触媒２４より上流側に設けられた空燃比（Ａ／Ｆ）センサ３２、プラズマ発生装置２６と吸蔵還元型ＮＯX触媒２２との間に設けられた排気温センサ３４等の各種センサの出力信号を受け取る。また、電子制御装置３０は、機関が搭載された車両に設けられた走行距離カウンタ３６から走行距離を検出することができる。
【００２０】
図２は、ＥＣＵ３０によって実行される排気浄化処理の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ１０２では、Ａ／Ｆセンサ３２、排気温センサ３４及び走行距離カウンタ３６の各出力からそれぞれ空燃比、排気温度及び走行距離が検出されるとともに、機関運転状態から吸蔵還元型ＮＯX触媒２２の触媒温度が推定される。
【００２１】
次いで、ステップ１０４では、前回のＳＯX被毒回復処理の実行時からの走行距離が所定値以上か否かが判定される。その走行距離が所定値以上のときには、ステップ１０６に進み、ＳＯX被毒回復処理が実行される一方、走行距離が所定値未満のときには、ステップ１０８に進む。なお、ＮＯX触媒２２のＮＯX吸蔵量の低下により回復処理の実行時期を判定するようにしてもよい。
【００２２】
ステップ１０６では、排気温度と空燃比とに応じて供給交流電圧の周波数及び電圧値を調整してプラズマ発生装置２６を作動させつつ、ＳＯX被毒回復処理が実行される。このＳＯX被毒回復処理では、空燃比の中心がストイキ又は弱リッチとなるように制御される。そのため、排気ガス中のＨ2、ＣＯなどの還元成分の量は、強度のリッチ空燃比の下で行われていた従来のＳＯX被毒回復処理と比較して、わずかなものとなる。しかし、プラズマ発生装置２６の作動により、還元成分は活性化され、その還元力は強くなっているため、わずかな一定量の還元成分でも短時間に触媒から硫黄を脱離させることができる。
【００２３】
そして、Ｈ2などの還元成分がわずかしか生成されないため、硫酸塩の分解による主成分はＳＯ2となり、触媒の再被毒が抑制される。すなわち、水素が余剰に存在すると、
ＳＯ42-＋（ＨＣ＊  or  Ｈ2 or ＣＯ）→ＳＯ2＋ＣＯ2，Ｈ2Ｏ
ＳＯ2＋２Ｈ2→Ｓ＋２Ｈ2Ｏ
ＳＯ2＋３Ｈ2→Ｈ2Ｓ＋２Ｈ2Ｏ
という反応により、Ｓ及びＨ2Ｓが生成されて、再被毒が起こる。しかし、本実施形態では、ストイキ近傍の空燃比での運転により生じた少量の還元ガスをプラズマで活性化することによりＳＯX被毒回復処理を行っているため、硫酸塩を分解してＳＯ2として放出するのみで、Ｓ又はＨ2Ｓへの更なる還元は生ぜず、再被毒は起こらない。ステップ１０６の実行後、本ルーチンは、終了する。
【００２４】
ステップ１０４でＳＯX被毒回復処理の実行条件が成立しなかったときに実行されるステップ１０８では、リッチスパイク運転の実行中であるか否かが判定される。すなわち、本実施形態においては、別途実行されている燃料噴射制御において定期的にＮＯXの還元・浄化のためのリッチスパイク運転がなされているが、かかるリッチスパイク運転中であるか否かが判定される。
【００２５】
リッチスパイク運転中であれば、ステップ１１０に進み、排気温度と空燃比とに応じて供給交流電圧の周波数及び電圧値を調整しつつプラズマ発生装置２６が作動せしめられる。かくして、排気ガス中の還元成分（ＨＣ）が活性化され、吸蔵還元型ＮＯX触媒２２に吸蔵されたＮＯXの還元が促進される。ステップ１１０の実行後、本ルーチンは終了する。
【００２６】
ステップ１０８でリッチスパイク運転中にないと判定されたときには、ステップ１１２に進み、吸蔵還元型ＮＯX触媒２２の触媒温度ＴＣが所定の温度Ｔ1未満か否かが判定される。ＴＣ＜Ｔ1が成立する触媒低温領域にあっては、ステップ１１０に進み、プラズマ発生装置２６が作動せしめられる。かくして、
ＮＯ＋（１／２）Ｏ2→ＮＯ2
なる酸化反応が促進され、ＮＯは、ＮＯX触媒２２に吸蔵されやすいＮＯ2へと変換される。
【００２７】
ステップ１１２で低温領域にないと判定されたときには、ステップ１１４に進み、吸蔵還元型ＮＯX触媒２２の触媒温度ＴＣが所定の温度Ｔ2（Ｔ1＜Ｔ2）より大きいか否かが判定される。Ｔ2＜ＴＣが成立する触媒高温領域にあっては、ステップ１１０に進み、プラズマ発生装置２６が作動せしめられる。触媒高温領域では、ＮＯXの吸蔵がされにくくなるが、プラズマで生成された活性酸素がＮＯXと反応することにより、ＮＯXのＮＯ2への酸化が促進されて触媒への吸蔵が進み、ＮＯX浄化率が向上する。
【００２８】
ステップ１０４、１０８、１１２及び１１４の全てで条件が成立しなかったときには、ステップ１１６に進み、プラズマ発生装置２６の作動が停止される。かくして、全ての領域でプラズマ発生装置が作動するわけではないため、エネルギー消費が抑制される結果となる。
【００２９】
なお、プラズマ発生装置２６を作動させるべく、プラズマ発生装置２６へ供給する交流電圧の電圧値及び周波数を排気温度と空燃比とに応じて調整するに際し、吸蔵還元型ＮＯX触媒２２の暖機前と暖機後とで制御マップを切り換えることが好ましい。図３及び図４は、プラズマ発生装置への供給交流電圧の電圧値及び周波数を排気温度及び空燃比（Ａ／Ｆ）に応じて定めたマップを例示する図であって、図３は触媒暖機前、図４は触媒暖機後にそれぞれ適用されるものである。これらのマップによれば、触媒暖機後に比較して触媒暖機前では、周波数が大きくされているが、これは、触媒暖機前には触媒が活性化されていないことに対応させたものである。
【００３０】
また、本実施形態においては、吸蔵還元型ＮＯX触媒２２の前段に酸化触媒２４が配置され、プラズマ発生装置２６が酸化触媒２４と吸蔵還元型ＮＯX触媒２２との間に配置される構成となっている。したがって、余分な還元剤が酸化触媒２４で消費され、プラズマの作用で生成されたＮＯ2や活性酸素などの活性種が還元剤と反応する量が低減せしめられ、吸蔵還元型ＮＯX触媒２２へ十分な活性種が送られることとなる。
【００３１】
なお、吸蔵還元型ＮＯX触媒が微粒子物質を捕集可能なフィルタに担持される構成を採用してもよい。すなわち、ディーゼル機関では、パティキュレート（微粒子）の排出量が多くなるが、燃焼の改善のみでは十分にパティキュレートを低減することができないため、後処理として排気系にパティキュレートをトラップ（捕集）するフィルタが設けられる場合がある。かかる場合には、吸蔵還元型ＮＯX触媒をそのパティキュレートフィルタに担持させることが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プラズマ発生装置を効率よく作動させてエネルギー消費を抑制しつつ、触媒に吸蔵されたＮＯX、ＳＯX等の有害物質の放出・還元を迅速化することにより、排気ガスの浄化率の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】電子制御装置によって実行される排気浄化処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】プラズマ発生装置への供給交流電圧の電圧値及び周波数を排気温度及び空燃比に応じて定めたマップであって触媒暖機前に適用されるものを例示する図である。
【図４】プラズマ発生装置への供給交流電圧の電圧値及び周波数を排気温度及び空燃比に応じて定めたマップであって触媒暖機後に適用されるものを例示する図である。
【符号の説明】
１０…内燃機関本体
１２…発電機
１４…バッテリ
２０…排気通路
２２…吸蔵還元型ＮＯX触媒
２４…酸化触媒
２６…プラズマ発生装置
２８…電力供給装置
３０…電子制御装置（ＥＣＵ）
３２…空燃比（Ａ／Ｆ）センサ
３４…排気温センサ
３６…走行距離カウンタ
【図１】
0003642032.tif 000002
【図２】
0003642032.tif 000003
【図３】
0003642032.tif 000004
【図４】
0003642032.tif 000005