(57)【要約】【課題】ＮＯｘを浄化する際に放電によって浄化性能を向上する構成を備えるとともに、投入電力や放電期間長が適切に制御される内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】エンジン２の排気管３に装備されたＮＯｘ吸蔵剤担体５に電極６２、６３を配置して、ＮＯｘ還元時に放電を実行する。放電の際に、担体５の後端におけるＮＯｘ分解量を、受光レンズ７１、７２によって受光された２４７ｎｍ波長の発光強度（再結合したＮＯの量を反映した数値）から推定する。担体５後端のＮＯｘ分解量が閾値（例えば０）より大きければ投入電力を増加し、閾値より小さければ投入電力を減少する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気が流通する排気通路に設置されたＮＯｘ浄化部（５）の内部に、離間して配置された複数の電極（６２、６３）と、
ＮＯｘ浄化部（５）における排気中のＮＯｘの分解のために、複数の前記電極の間で放電を行うように電力を供給する電力供給部（６）と、
その電力供給部によって電力を供給された前記電極間の放電において、ＮＯｘの分解量と相関を有する波長の光の強度を検出する検出部（７）と、
その検出部により検出された光の強度が所定の閾値よりも大きい場合には前記電力供給部により供給される電力量が増加するように制御し、前記検出部により検出された光の強度が所定の閾値よりも小さい場合には、前記電力供給部により供給される電力量が減少するように制御する制御部（８）と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
ＮＯｘの分解量と相関を有する波長の光は、ＮとＯの再結合により発生する波長の光である請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記検出部は、前記ＮＯｘ浄化部の下流側端部でのＮＯｘの分解量と相関を有する波長の光の強度の情報を取得する取得部を備えた請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記取得部は、
前記ＮＯｘ浄化部における複数位置に設置されてその位置での光の強度を検出する発光検出部（７１、７２）と、
その発光検出部によって検出された前記ＮＯｘ浄化部の複数位置における光の強度から、前記ＮＯｘ浄化部の下流側端部でのＮＯｘの分解量を推定する推定部（Ｓ７０）と、
を備えた請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記取得部は、前記ＮＯｘ浄化部における下流側後端に設置されてその位置での光の強度を検出する発光検出部（７１）を備えた請求項３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】
周知のとおり、内燃機関の排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するための技術が各種開発されてきている。たとえばＮＯｘ吸蔵還元触媒を用いる方法では、リーン雰囲気時に吸蔵剤によって排気中のＮＯｘを吸蔵する。そしてＮＯｘの吸蔵量が増加したたびにリッチ雰囲気に切り替えて、例えばＨＣを還元剤としてＮＯｘをＮ２（窒素）に還元、浄化する。
【０００３】
このようなＮＯｘ吸蔵還元触媒の改良策として下記特許文献１では、同触媒の内部と上流に放電のための電極を配置して、ＮＯｘ吸蔵時に上流で放電し、ＮＯｘ還元時に内部で放電する装置が開示されている。同文献では、放電によってＮＯｘの吸蔵および還元が促進されると主張している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−９８３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の手法では、放電によって発生した各種物質、イオン、ラジカルなどによってＮＯｘの還元反応などが促進される効果が得られる。しかし課題も存在すると思われる。例えば放電を行う際に投入電力や放電時間の長さをどのように制御するかに関して考慮されていない。投入電力が少なすぎたり放電時間が短すぎたりすればＮＯｘの浄化が不十分となる。逆に投入電力が過剰であったり放電時間が長すぎたりすればエネルギーロスとなってしまう。この点の改良が望まれる。
【０００６】
そこで本発明が解決しようとする課題は、上記に鑑み、ＮＯｘを浄化する際に放電によって浄化性能を向上する構成を備えるとともに、投入電力や放電期間長が適切に制御される内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するために、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気が流通する排気通路に設置されたＮＯｘ浄化部（５）の内部に、離間して配置された複数の電極（６２、６３）と、ＮＯｘ浄化部（５）における排気中のＮＯｘの分解のために、複数の前記電極の間で放電を行うように電力を供給する電力供給部（６）と、その電力供給部によって電力を供給された前記電極間の放電において、ＮＯｘの分解量と相関を有する波長の光の強度を検出する検出部（７）と、その検出部により検出された光の強度が所定の閾値よりも大きい場合には前記電力供給部により供給される電力量が増加するように制御し、前記検出部により検出された光の強度が所定の閾値よりも小さい場合には、前記電力供給部により供給される電力量が減少するように制御する制御部（８）と、を備えたことを特徴とする。このような構成により本発明では、ＮＯｘの分解量を検出することにより、過剰な電力投入と不十分なＮＯｘ浄化をともに回避する排気浄化装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の排気浄化装置の実施例１における構成図。
【図２】本発明の処理手順の例を示すフローチャート。
【図３】２４７ｎｍ波長の発光強度とＮＯｘ分解量との相関関係の例を示す図。
【図４】２４７ｎｍ波長の発光強度の担体内部での分布の例を示す図。
【図５】実施例１における担体後端でのＮＯｘ分解量の推定方法を示す図。
【図６】投入電力とＮＯｘ浄化率の関係の例を示す図。
【図７】本発明の排気浄化装置の実施例２における構成図。
【図８】投入電力と担体後端でのＮＯｘ浄化率の関係の例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。まず図１は、本発明に係る排気浄化システム１（以下、システム）の実施例１における構成図である。システム１は、エンジン２の排気管３に、上流側から順に酸化触媒４、ＮＯｘ吸蔵剤担体５（以下、担体）を備える。そして担体５に対して放電制御器６、受光器７を備え、全体の制御部としてＥＣＵ８を備える。
【００１０】
エンジン２はディーゼルエンジンやリーンバーンエンジンなどのように空気過剰なリーン燃焼をおこなうエンジンとする。酸化触媒４は担体５による排気浄化を補助する役割、例えば排気中のＮＯｘ（大部分がＮＯかＮＯ２）においてＮＯを酸化して、より還元しやすいＮＯ２を生成する等の機能を有する。
【００１１】
担体５は、例えばＮＯｘ吸蔵剤とＮＯｘ還元触媒とを担持し、リーン雰囲気においてＮＯｘ吸蔵剤によってＮＯｘを吸蔵し、リッチ雰囲気において、吸蔵されたＮＯｘをＮＯｘ還元触媒の作用のもとで窒素に還元して放出する。
【００１２】
放電制御器６は、担体５でのＮＯｘ還元時に担体５内部で発生させる放電を制御する。放電のための構成としてシステム１は、高電圧発生装置６１、放電電極６２、接地電極６３を備える。放電制御器６からの制御により高電圧発生装置６１はＮＯｘの還元に適した高電圧を発生させる。発生した高電圧により放電電極６２と接地電極６３との間で放電が発生する。
【００１３】
放電電極６２と接地電極６３の形状や設置位置は何ら限定はされず、また１対の電極であっても複数対の電極であってもよい。例えば円筒形状の担体５の中央に棒状の放電電極６２を設置し、担体５の周縁部に円筒形状の接地電極６３を設置するなどでよい。高電圧発生装置６１が発生する高電圧は、交流でも直流でもよく、交流の場合、正弦波状でもパルス状でもよい。なお後述の図２に示されているように、システム１ではリーン燃焼時には放電電極６２での放電は行わない。
【００１４】
次に、受光器７は、担体５内でのＮＯｘ還元時の放電による発光において所定の波長の発光強度を検出する。所定の波長とは、その波長の発光強度がＮＯｘ分解率を反映した数値となるような波長とする。この観点からこの実施例では、受光器７で検出する波長を２４７ｎｍとする。その理由は以下のとおりである。
【００１５】
本発明者の知見によれば、ＮＯｘの還元の際には、放電によって生成されたＮラジカルとＯラジカルとが一定の割合で再結合する。したがってＮＯの再結合量によりＮＯｘ分解量が把握できると考えられる。そしてＮラジカルとＯラジカルが結合してＮＯが生成されるときに出る光の波長が２４７ｎｍである。実際、図３の実験結果によって、ＮＯｘ分解量と波長２４７ｎｍでの発光強度とが相関を有していることが確認できる。以上の理由から受光器７は、ＮＯｘ分解量の情報を取得するために、２４７ｎｍの波長の発光強度を検出する。そのために受光器７は２４７ｎｍの波長を透過する光学フィルタを備える。
【００１６】
担体５ですべてのＮＯｘが分解されていない場合、担体５の後端（下流側端部）でもＮＯｘの分解が行われる。逆に、担体５ですべてのＮＯｘが分解される場合は、担体５の内部でＮＯｘの分解反応が十分に行われることにより、担体５の後端ではＮＯｘの分解が観測されない。この観点から受光器７は、担体５の後端でのＮＯｘ分解率の情報を得ることを目的とする。
【００１７】
この目的のためにシステム１では２個の受光レンズを担体５の内部に配置することとし、受光レンズ７１を上流側に、受光レンズ７２を下流側に配置して、これらから光ファイバ７０を通じて受光器７に光が送られる。後述するように、これらのレンズから得られる上流位置と下流位置での２４７ｎｍの発光強度の数値を担体５後端へ直線的に延長して、後端でのＮＯｘ分解率の情報を取得する。受光部７１、７２の配置位置は、担体５の内部で適切に受光できる位置であれば何ら限定されない。
【００１８】
次に、ＥＣＵ８はシステム１の上記構成を制御する部位である。ＥＣＵ８はコンピュータと同様の構成、すなわち各種演算や指令などを行うＣＰＵ、その作業領域としてのＲＡＭ、ＣＰＵでの情報処理に必要となるデータやプログラムを記憶する不揮発性の記憶部などを備える。
【００１９】
以上の構成のもとでシステム１は、図２に例示された手順によりＮＯｘ浄化処理を行う。図２の処理手順はあらかじめプログラム化しておいてＥＣＵ８の記憶部に記憶しておいて、ＥＣＵ８が自動的にそれを呼び出してエンジン２の運転中に例えば定期的に実行すればよい。
【００２０】
図２の手順ではまずＳ１０でＥＣＵ８は、担体５におけるＮＯｘ吸蔵量を算出する。システム１では、エンジン２がリーン燃焼の期間にはエンジン２から排出されたＮＯｘは、酸化触媒４によってＮＯ２に酸化されて担体５に担持された吸蔵剤に吸蔵されてゆく。その吸蔵量がＳ１０で算出される。算出方法は例えばマップによる算出でよい。
【００２１】
すなわち、エンジン２の運転状態ごとのＮＯｘ排出量を示すマップをあらかじめ作成して例えばＥＣＵ８の記憶部に記憶しておく。そして例えばエンジン回転数センサやエンジン２への燃料噴射量の情報からエンジン２の現在時点での運転状態（エンジン回転数とエンジン負荷）を求め、その情報とマップからＮＯｘ排出量を時々刻々算出する。この算出値を積算していけば担体５におけるＮＯｘ吸蔵量が算出できる。
【００２２】
次にＳ２０でＥＣＵ８は、Ｓ１０で算出したＮＯｘ吸蔵量Ｖａが所定の閾値Ｖａｃを越えたか否かを判断する。このＶａｃは、吸蔵したＮＯｘの還元処理の開始を判断するための閾値である。ＶａがＶａｃよりも大きい場合（Ｓ２０：Ｙｅｓ）はＳ３０に進み、ＶａがＶａｃ以下の場合（Ｓ２０：Ｎｏ）はＳ１３０に進む。
【００２３】
Ｓ３０に進んだらＥＣＵ８は、後述のＳ１２０までＮＯｘ還元制御を実行する。まずＳ３０ではエンジン２でリッチ排気を開始する。そしてＳ４０でＥＣＵ８は、担体５の温度Ｔａが所定の閾値Ｔａｃよりも低いか否かを判断する。閾値Ｔａｃは担体５でのＮＯｘ浄化において放電による反応促進が必要か否かを判断するための閾値である。ＴａがＴａｃよりも低い場合（Ｓ４０：Ｙｅｓ）はＳ５０に進み、ＴａがＴａｃ以上の場合（Ｓ４０：Ｎｏ）はＳ６０に進む。担体５の温度は担体５の内部に例えば排気温度センサを設置して検出すればよい。Ｓ６０に進んだら、担体５の温度が十分に高いので放電は行わずリッチ排気のみを所定時間継続する。
【００２４】
Ｓ５０に進んだらＥＣＵ８は、担体５の温度が低いので放電によってＮＯｘ還元（分解）反応を促進する処理を実行する。具体的にＥＣＵ８は、放電制御器６に電極６２、６３間での放電を指令する。これにより放電の周囲の排気がプラズマ化され、そこで発生する各種イオンやラジカルなどの還元剤によってＮＯｘの還元が促進される。
【００２５】
さらにＳ５０でＥＣＵ８は、受光器７により波長２４７ｎｍでの発光強度を検出する。上述のとおり波長２４７ｎｍでの発光強度は、再結合したＮＯの量、ひいてはＮＯｘ分解量を示す数値である。受光器７は、２つの受光レンズ７１、７２により担体５内部の上流位置と下流位置での波長２４７ｎｍの発光強度を検出する。
【００２６】
続いてＳ７０でＥＣＵ８は、担体５の後端でのＮＯｘ分解量を推定し、その推定値が０より小さいか否かを判断する。具体的な推定方法は、図５に示すように、受光レンズ７１の位置で検出された発光強度から求められたＮＯｘ分解量の推定値と、受光レンズ７２の位置で検出された発光強度から求められたＮＯｘ分解量の推定値とを直線的に繋いで、その直線を担体５の後方へ延長する。延長された直線と担体５の後端位置を示す直線との交点を求め、その交点におけるＮＯｘ分解量の推定値をＳ７０では求める。
【００２７】
受光レンズ７１、７２の位置でのＮＯｘ分解量を直線で繋いで延長してよいことの根拠は図４の実験結果である。この実験結果によれば、担体５内部の位置と２４７ｎｍ波長の発光強度との関係は、多少の波打ちはあるものの全体的な傾向としては上流側から下流側へ向けてほぼ直線的に低下する傾向となっている。この実験結果を根拠にしてＳ７０では２つの位置での数値を直線的に外挿している。
【００２８】
Ｓ７０では、このようにして求められた担体５後端のＮＯｘ分解量が０より小さい場合（Ｓ７０：Ｙｅｓ）はＳ８０へ進み、担体５後端のＮＯｘ分解量が０以上の場合（Ｓ７０：Ｎｏ）はＳ９０へ進む。Ｓ８０でＥＣＵ８は、放電制御器６に放電のための投入電力を減少するように指令する。またＳ９０でＥＣＵ８は、放電制御器６に放電のための投入電力を増加するように指令する。これらの制御を図４、図５によって説明する。
【００２９】
Ｓ７０で肯定判断（Ｙｅｓ）となる場合は、図４、図５ではＡの場合である。Ａの場合、図４では担体５の後端よりも上流でＮＯｘ分解量はゼロとなっており、図５では後端でのＮＯｘ分解量の推定値は負値となっている。したがって担体５の内部で十分にＮＯｘは分解されているが、逆に投入電力が過剰だと考えられる。そこでＳ８０では投入電力が減少される。
【００３０】
また、Ｓ７０で否定判断（Ｎｏ）となる場合は、図４、図５ではＣの場合である。Ｃの場合、図４、図５ともに担体５の後端でのＮＯｘ分解量はゼロとなっていない。したがって担体５の内部で十分にＮＯｘが分解されておらず後端でもまだＮＯｘ分解がされている状態である。したがって投入電力が不足していると考えられる。そこでＳ９０では投入電力が増加される。結局、図４、図５の例ではＢが最適である。
【００３１】
Ｓ８０の処理の後、ＥＣＵ８はＳ１００に進み、投入電力Ｗａが所定の閾値Ｗａｃよりも少ないか否かを判断する。この判断処理は放電を継続するか否かを判断する処理であり、Ｗａｃは電極６２、６３間で放電を起こすために最低限必要な電力値である。ＷａがＷａｃよりも少ない場合（Ｓ１００：Ｙｅｓ）はＳ１１０へ進み、ＷａがＷａｃ以上の場合（Ｓ１００：Ｎｏ）はＳ７０へ戻って上記手順を繰り返す。Ｓ１１０へ進んだらＥＣＵ８は放電を停止する。
【００３２】
そしてＳ１２０、Ｓ１３０でＥＣＵ８は、エンジン２をリーン運転（通常運転）にする。以上が図２の処理手順である。この処理手順により、過剰な電力投入が回避されつつ、十分なＮＯｘの浄化が達成される。図６はその効果を示す具体的な例である。同図のとおり、ＮＯｘ浄化率８０％を目標性能とした場合、本発明では従来技術の半分程度の投入電力でその目標が達成できている。
【００３３】
なおＳ８０、Ｓ９０での投入電力の増減制御では、例えば高電圧発生装置６１によって交流電圧が出力される場合には、振幅と周波数とのいずれを制御して電力量を増減させてもよい。またＳ９０では、投入電力を増加する処理に続けて、投入電力を増加しても十分な発光強度が検出できない場合は、排気流にＮＯｘが含まれていないか、放電自体が不具合を有している可能性を考慮して、放電を停止する処理追加してもよい。
【００３４】
次に実施例２を説明する。実施例２では図７に示されたシステム構成を用いる。図１と図７で同符号の部位は同様の部位とし、重複する説明は省略する。実施例２で用いられる処理手順は図２の一部変更とする。以下で実施例１と異なる部分を説明する。
【００３５】
図７のシステム１’においては、１個の受光レンズ７１のみが設置されている。この受光レンズ７１は、担体５の後端に配置して、担体５後端での２４７ｎｍ波長の発光強度、そしてＮＯｘ分解量の情報を直接的に検出する。そして実施例２では、図２においてＳ７０の手順を、受光レンズ７１によって直接的に取得された担体５後端におけるＮＯｘ分解量が０より小さいか否かを判断する手順に変更する。
【００３６】
このような実施例２によれば、１個の受光レンズのみを用いる構成で、適切な投入電力により、十分なＮＯｘ浄化が達成できる。図８は、実施例２における担体５後端の２４７ｎｍ波長の発光強度と投入電力の関係の例を示している。この例のように、初期を除いて投入電力が増加していくとＮＯｘの浄化が進行して担体５後端での発光強度が減少していくが、本発明では閾値を適切に設定することにより過剰な投入電力が回避される。なお受光レンズ７１の位置に関しては、担体５の容器から排気流に対して傾斜した方向で後端に向けて設置することが適切な検出のために望ましい。
【００３７】
上記実施例は特許請求の範囲に記載された趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更できる。例えば、受光レンズの設置数を実施例１では２個、実施例２では１個としたが、本発明では受光レンズの設置数はこれらに限定されない。任意の個数の受光レンズが設置された場合、それらの位置での検出値を近似的に補間する直線を求め、それを担体５後方に延長してもよい。あるいは上記のような直線補間ではなく、実験結果により適合する補間曲線を求め、それを担体５後方に延長してもよい。３個以上の受光レンズを設置する場合、等間隔に設置することが望ましい。
【００３８】
また担体５の内部に誘電体を充填してもよい。その際、放電による発光が不均一となる場合には、誘電体の直径の影響を無視できるように受光レンズの採光範囲を適切に設定する。具体的には、受光レンズ７１、７２の位置を採光範囲の分だけ内側に設置すればよい（図４のＳ）。また図２のＳ７０での閾値はゼロに限定されず、他の適当な数値を設定してもよい。
【００３９】
さらに、受光レンズ曇り防止の為に、受光レンズを加熱する電気ヒータ等の加熱手段を設けるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１、１’    排気浄化装置
５    担体（ＮＯｘ吸蔵剤担体、ＮＯｘ浄化部）
６    放電制御部（電力供給部）
７    受光器（検出部）
８    ＥＣＵ（制御部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図４】
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【図５】
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