(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１０）の吸気を加圧して供給する過給機（１１）と、前記内燃機関の排気通路（１０ｅｘ）に配置されて排気中のＮＯｘを還元触媒上で浄化するＮＯｘ浄化装置（１２）と、を備えた燃焼システムに設けられ、前記排気通路のうち前記還元触媒の上流側へ還元剤を添加する還元剤添加装置において、
空気中の酸素により前記還元剤を酸化させる反応室（２０ａ）を形成し、前記酸化により前記還元剤を改質させる反応容器（２０）と、
空気中の酸素からオゾンを生成するオゾン生成器（３０）と、
前記オゾン生成器へ空気を送風するエアポンプ（３０ｐ）と、
前記オゾン生成器により生成されたオゾンを含んだ空気である含オゾン空気を、前記反応室へ導く含オゾン空気配管（２６）と、
前記過給機により加圧された空気である加圧空気の一部を、前記反応室へ導く加圧空気配管（２５）と、
前記含オゾン空気を前記反応室へ供給するエアポンプモード、および前記加圧空気を前記反応室へ供給する過給機モードを切り替える切替装置（２５ｖ、２６ｖ）と、
前記還元触媒の温度である触媒温度および前記排気通路の圧力である排気圧力に基づき、前記切替装置による切替作動を制御する切替制御手段（４１ａ）と、
を備えることを特徴とする還元剤添加装置。
【請求項２】
前記触媒温度に基づき、前記還元触媒上でのＮＯｘの還元が可能な還元可能状態であるか否かを判定する還元可否判定手段（Ｓ２１）と、
前記触媒温度に基づき、前記還元可能状態である時に前記含オゾン空気を前記反応室へ供給する必要がある還元時オゾン要求状態であるか否かを判定する還元時オゾン要否判定手段（Ｓ２２）と、
前記排気圧力に基づき、前記エアポンプによる前記還元剤の前記排気通路への添加が可能な還元時低排圧状態であるか否かを判定する還元時エアポンプ可否判定手段（Ｓ２３）と、
を備え、
前記切替制御手段は、前記還元可能状態、かつ前記還元時オゾン要求状態、かつ前記還元時低排圧状態と判定されていることに基づき、前記エアポンプモードに切り替えることを特徴とする請求項１に記載の還元剤添加装置。
【請求項３】
前記切替制御手段は、前記還元可能状態であり、かつ前記還元時オゾン要求状態であり、かつ前記還元時低排圧状態でないと判定されていることに基づき、前記過給機モードに切り替えることを特徴とする請求項２に記載の還元剤添加装置。
【請求項４】
前記切替制御手段は、前記還元可能状態であり、かつ前記還元時オゾン要求状態でないと判定されていることに基づき、前記過給機モードに切り替えることを特徴とする請求項２または３に記載の還元剤添加装置。
【請求項５】
前記触媒温度に基づき、前記還元触媒へのＮＯｘの吸着が可能な吸着可能状態であるか否かを判定する吸着可否判定手段（Ｓ１２）と、
前記触媒温度に基づき、前記吸着可能状態である時に前記含オゾン空気の添加が要求される吸着時オゾン要求状態であるか否かを判定する吸着時オゾン要否判定手段（Ｓ１４）と、
前記排気圧力に基づき、前記エアポンプによる前記含オゾン空気の前記排気通路への添加が可能な吸着時低排圧状態であるか否かを判定する吸着時エアポンプ可否判定手段（Ｓ１５）と、
を備え、
前記切替制御手段は、前記吸着可能状態、かつ前記吸着時オゾン要求状態、かつ前記吸着時低排圧状態と判定されていることに基づき、前記エアポンプモードに切り替えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の還元剤添加装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＯｘの還元に用いる還元剤を、排気通路のうち還元触媒の上流側へ添加する還元剤添加装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載の還元剤添加装置は、オゾンを生成するオゾン生成器と、生成したオゾンを含む空気を送風するエアポンプと、還元剤としての燃料を噴射する噴射弁と、ヒータとを備える。そして、送風される空気と噴射された燃料との混合気をヒータで加熱することにより、空気中の酸素による燃料の酸化反応を生じさせ、燃料を改質する。そして、その改質燃料を、排気通路のうちＮＯｘ触媒上流側に添加することで、改質燃料によるＮＯｘの還元反応をＮＯｘ触媒上で生じさせ、排気中のＮＯｘを浄化する。なお、空気にオゾンを含ませることで、燃料の酸化反応が促進され、ＮＯｘ浄化率が向上する。
【０００３】
また、特許文献２に記載の還元剤添加装置は、過給機により加圧された吸気の一部を吸気管から取り出す分岐管を備え、分岐管により取り出された空気をエアポンプで送風させ、燃料と混合させて改質している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−５４８３３号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／００１１１８４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に係る装置の場合には以下の懸念がある。すなわち、例えば内燃機関の高負荷運転時等、排気通路内の圧力（排気圧）が高い場合には、エアポンプの吐出圧が不足して、混合気を排気通路へ添加できなくなる懸念がある。
【０００６】
この懸念に対し、上記特許文献２に係る装置の場合には、過給機による加圧空気をエアポンプで送風させるので、排気圧が高くても混合気を排気通路へ添加できるようになる。しかし、吸気には、ブローバイガスや内部ＥＧＲガス等により汚物が多く含まれる場合があるので、吸気を送風する特許文献２の装置の場合には、エアポンプが汚染されて故障する懸念が新たに生じる。特に、空気にオゾンを含ませてＮＯｘ浄化率向上を図ろうとした場合には、オゾン生成器も汚染されて故障する懸念が生じる。
【０００７】
本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、オゾンによるＮＯｘ浄化率向上を図るとともに、高排気圧であっても還元剤の排気通路への添加を可能にすることを、エアポンプの汚染を抑制しつつ実現できる還元剤添加装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ここに開示される発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。
【０００９】
開示される発明のひとつは、内燃機関（１０）の吸気を加圧して供給する過給機（１１）と、内燃機関の排気通路（１０ｅｘ）に配置されて排気中のＮＯｘを還元触媒上で浄化するＮＯｘ浄化装置（１２）と、を備えた燃焼システムに設けられ、排気通路のうち還元触媒の上流側へ還元剤を添加する還元剤添加装置において、空気中の酸素により還元剤を酸化させる反応室（２０ａ）を形成し、酸化により還元剤を改質させる反応容器（２０）と、空気中の酸素からオゾンを生成するオゾン生成器（３０）と、オゾン生成器へ空気を送風するエアポンプ（３０ｐ）と、オゾン生成器により生成されたオゾンを含んだ空気である含オゾン空気を、反応室へ導く含オゾン空気配管（２６）と、過給機により加圧された空気である加圧空気の一部を、反応室へ導く加圧空気配管（２５）と、含オゾン空気を反応室へ供給するエアポンプモード、および加圧空気を反応室へ供給する過給機モードを切り替える切替装置（２５ｖ、２６ｖ）と、還元触媒の温度である触媒温度および排気通路の圧力である排気圧力に基づき、切替装置による切替作動を制御する切替制御手段（４１ａ）と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、含オゾン空気を反応室へ導く含オゾン空気配管と、加圧空気を反応室へ導く加圧空気配管とを別々に備える。そして、エアポンプおよびオゾン生成器は含オゾン空気配管の経路に配置され、加圧空気配管の経路からは隔離されることとなる。そのため、エアポンプおよびオゾン生成器が、吸気に含まれる汚物で汚染されることを抑制できる。
【００１１】
さらに上記発明は、切替装置および切替制御手段を備える。そのため、排気通路の圧力（排気圧）が高くエアポンプでは添加困難な場合には、過給機モードに切り替えて、反応室で改質された還元剤を添加できる。また、エアポンプでの添加が可能な程度に排気圧が低く、かつ、オゾンによるＮＯｘ浄化率向上が見込めるような還元触媒温度である場合には、エアポンプモードに切り替えて、含オゾン空気で改質された還元剤を添加できる。
【００１２】
以上により、上記発明によれば、オゾンによるＮＯｘ浄化率向上を図ることができ、それでいて、高排気圧であっても改質還元剤の添加を可能にすることを、エアポンプおよびオゾン生成器の汚染を抑制しつつ実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る還元剤添加装置、およびその装置が適用される燃焼システムを示す模式図。
【図２】冷炎反応と熱炎反応の２段階で酸化反応が生じることを説明するグラフ。
【図３】冷炎反応の反応経路を説明する図。
【図４】雰囲気温度および当量比の、２段階酸化反応が生じる範囲を示す図。
【図５】図１に示す還元剤添加装置に係る、制御の処理手順を説明するフローチャート。
【図６】図５に示すフローチャートの続き。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において、先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において、構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を参照し適用することができる。
【００１５】
図１に示す燃焼システムは、以下に詳述する内燃機関１０、過給機１１、ＮＯｘ浄化装置１２、微粒子捕集装置（ＤＰＦ１３）、および還元剤添加装置を備える。燃焼システムは車両に搭載されたものであり、当該車両は、内燃機関１０の出力を駆動源として走行する。内燃機関１０は、圧縮自着火式のディーゼルエンジンであり、燃焼に用いる燃料には、炭化水素化合物である軽油を用いている。内燃機関１０は、基本的にはリーン状態で燃焼させるように作動する。つまり、燃焼室に噴射された燃料と燃焼室に吸入される空気との比率である空燃比が、空気過剰に設定された状態で燃焼（リーン燃焼）させている。
【００１６】
過給機１１は、タービン１１ａ、回転軸１１ｂおよびコンプレッサ１１ｃを備える。タービン１１ａは、内燃機関１０の排気通路１０ｅｘに配置され、排気の運動エネルギにより回転する。回転軸１１ｂは、タービン１１ａおよびコンプレッサ１１ｃの各インペラを結合することで、タービン１１ａの回転力をコンプレッサ１１ｃに伝達する。コンプレッサ１１ｃは、内燃機関１０の吸気通路１０ｉｎに配置され、吸気を圧縮して内燃機関１０へ過給する。
【００１７】
吸気通路１０ｉｎのうちコンプレッサ１１ｃの下流側には、コンプレッサ１１ｃで圧縮された吸気（加圧空気）を冷却する冷却器（図示せず）が配置されている。冷却器により冷却された圧縮吸気は、スロットルバルブ（図示せず）により流量調整され、内燃機関１０が有する複数の燃焼室へ分配される。排気通路１０ｅｘのうちタービン１１ａの下流側にはＮＯｘ浄化装置１２が配置され、さらにその下流側にはＤＰＦ１３（Diesel Particulate Filter）が配置されている。ＤＰＦ１３は、排気に含まれている微粒子を捕集する。
【００１８】
排気通路１０ｅｘのうちＮＯｘ浄化装置１２の上流側には、還元剤添加装置の供給管２３が接続されている。この供給管２３から排気通路１０ｅｘへ、還元剤添加装置により生成された改質燃料が還元剤として添加される。改質燃料とは、還元剤として用いる炭化水素化合物（燃料）を部分的に酸化して、アルデヒド等の部分酸化炭化水素に改質したものであり、図３を用いて後に詳述する。
【００１９】
ＮＯｘ浄化装置１２は、ハウジング内にハニカム状の担体を収容して構成される。担体の表面にはコーティング材が設けられており、そのコーティング材には還元触媒が担持されている。ＮＯｘ浄化装置１２は、排気中のＮＯｘを還元触媒上で改質燃料と反応させてＮ２に還元することで、排気に含まれているＮＯｘを浄化する。なお、排気中にはＮＯｘの他にＯ２（酸素）も含まれているが、改質燃料はＯ２存在下においてＮＯｘと選択的に反応する。
【００２０】
還元触媒には、ＮＯｘを吸着する機能を有したものが用いられている。詳細には、還元反応が可能となる活性化温度よりも触媒温度が低い場合に、還元触媒は排気中のＮＯｘを吸着する機能を発揮する。例えば、担体に担持された銀アルミナによる還元触媒により、ＮＯｘ吸着機能を有したＮＯｘ浄化装置１２が提供される。詳細には、担体表面にコーティングされたアルミナに、還元触媒としての銀を担持させた構造である。吸着されていたＮＯｘは、触媒温度が活性化温度以上の場合には、還元触媒から脱離する。そして、脱離したＮＯｘは改質燃料により還元されて浄化される。
【００２１】
次に、改質燃料を生成して供給管２３から排気通路１０ｅｘへ添加する還元剤添加装置について説明する。還元剤添加装置は、以下に詳述する反応容器２０、ヒータ２１、噴射弁２２、オゾン生成器３０およびエアポンプ３０ｐを備える。さらに還元剤添加装置は、以下に詳述する供給管２３、共用配管２４、加圧空気配管２５および含オゾン空気配管２６を備え、さらに電子制御装置（ＥＣＵ４０）を備える。
【００２２】
オゾン生成器３０は、内部に流通路３２ａを形成するハウジング３２を備え、流通路３２ａには複数の電極３１が配置されている。これらの電極３１は、互いに平行に対向するように配置された平板形状であり、高電圧が印加される電極と接地電圧の電極とが交互に配置されている。電極３１への電圧印加は、ＥＣＵ４０が備えるマイクロコンピュータ（マイコン４１）により制御される。
【００２３】
オゾン生成器３０のハウジング３２には、エアポンプ３０ｐにより送風された空気が流入する。エアポンプ３０ｐは電動モータにより駆動され、その電動モータはマイコン４１により制御される。エアポンプ３０ｐにより送風された空気は、ハウジング３２内の流通路３２ａに流入し、電極３１間の通路である電極間通路３１ａを流通する。
【００２４】
オゾン生成器３０は、含オゾン空気配管２６および共用配管２４を介して反応容器２０に接続される。すなわち、オゾン生成器３０の下流側部分には含オゾン空気配管２６の上流端部が接続され、含オゾン空気配管２６の下流端部は共用配管２４の上流端部に接続されている。共用配管２４の下流端部は反応容器２０の流入口２０ｉｎに接続されている。反応容器２０の流出口２０ｏｕｔには供給管２３の上流端部が接続されている。供給管２３の下流端部は、排気通路１０ｅｘのうちＮＯｘ浄化装置１２の上流側部分に接続されている。
【００２５】
含オゾン空気配管２６には、電磁駆動式の逆止弁２６ｖが取り付けられている。逆止弁２６ｖの開閉駆動はマイコン４１により制御される。したがって、エアポンプ３０ｐを駆動させて逆止弁２６ｖを開弁駆動させると、電極間通路３１ａを流通した空気は、含オゾン空気配管２６、共用配管２４、反応容器２０および供給管２３を順に流通して排気通路１０ｅｘへ流入することとなる。
【００２６】
加圧空気配管２５の上流端部は、吸気通路１０ｉｎのうちコンプレッサ１１ｃの下流側部分に接続され、加圧空気配管２５の下流端部は共用配管２４の上流端部に接続されている。要するに、共用配管２４の上流端部は、加圧空気配管２５および含オゾン空気配管２６の両方が接続するように分岐している。換言すれば、加圧空気配管２５および含オゾン空気配管２６は共用配管２４に対して並列に接続されている。
【００２７】
加圧空気配管２５には、電磁駆動式の調量弁２５ｖが取り付けられている。調量弁２５ｖの開閉駆動はマイコン４１により制御される。したがって、調量弁２５ｖを開弁駆動させると、吸気通路１０ｉｎを流通する加圧空気の一部は、加圧空気配管２５、共用配管２４、反応容器２０および供給管２３を順に流通して排気通路１０ｅｘへ流入することとなる。このような調量弁２５ｖの開弁時において、逆止弁２６ｖの作用により、加圧空気が含オゾン空気配管２６を通じてオゾン生成器３０およびエアポンプ３０ｐへ流入することが防止される。
【００２８】
逆止弁２６ｖの弁体は、全開位置と全閉位置とに切り替え制御される。一方、調量弁２５ｖの弁体については、反応容器２０へ流入させる加圧空気の流量を調整するように弁体の開度位置が制御（調量制御）される。また、逆止弁２６ｖおよび調量弁２５ｖの両方を同時に開弁させることのないよう、逆止弁２６ｖおよび調量弁２５ｖの一方を開弁させる場合には他方を閉弁させるようにマイコン４１は制御する。
【００２９】
反応容器２０には、ヒータ２１および噴射弁２２が取り付けられており、反応容器２０の内部には、流入口２０ｉｎおよび流出口２０ｏｕｔと連通する反応室２０ａが形成されている。ヒータ２１は、通電により発熱する発熱部を有し、発熱部への通電はマイコン４１により制御される。具体的には、発熱部への電力供給量をマイコン４１がデューティ制御することにより、発熱量が制御される。発熱部は反応室２０ａに配置され、噴射弁２２から反応室２０ａへ噴射された燃料を加熱する。反応室２０ａの温度は反応室温度センサ２７により検出される。反応室温度センサ２７は、検出した温度の情報（反応室温度）をＥＣＵ４０へ出力する。
【００３０】
噴射弁２２は、噴孔が形成されたボデー、電気アクチュエータおよび弁体を有する。電気アクチュエータを通電オンさせると、弁体が開弁作動して噴孔から反応室２０ａへ燃料が噴射され、通電オフさせると弁体が閉弁作動して燃料噴射が停止される。マイコン４１は、電気アクチュエータへの通電を制御することで、反応室２０ａへの単位時間当たりの燃料噴射量を制御する。図示しない燃料タンク内の液体燃料は、図示しない燃料ポンプにより噴射弁２２へ供給される。燃料タンク内の燃料は、先述した燃焼用の燃料としても用いられており、内燃機関１０の燃焼に用いる燃料と、還元剤として用いる燃料は共用される。
【００３１】
噴射弁２２から反応室２０ａへ噴射された燃料は、発熱部に衝突し、加熱されて気化する。気化した燃料は、流入口２０ｉｎから反応室２０ａへ流入した空気と混合される。その結果、空気中の酸素により気体燃料が部分的に酸化され、アルデヒド等の部分酸化炭化水素に改質される。このように改質された気体燃料（改質燃料）は、供給管２３を通じて排気通路１０ｅｘに流入する。
【００３２】
さて、オゾン生成器３０の電極３１へ通電すると、電極３１から放出された電子が、電極間通路３１ａの空気中に含まれる酸素分子に衝突する。すると、酸素分子からオゾンが生成される。つまり、オゾン生成器３０は、放電により酸素分子をプラズマ状態にして、活性酸素としてのオゾンを生成する。したがって、オゾン生成器３０への通電時には、含オゾン空気配管２６を流通する空気にオゾンが含まれる。
【００３３】
反応室２０ａでは以下に詳述する冷炎反応が生じている。この冷炎反応は、流入口２０ｉｎから流入する空気中の酸素により気体燃料が部分的に酸化される反応である。このように部分的に酸化された燃料（改質燃料）の具体例として、燃料（炭化水素化合物）の一部がアルデヒド基（ＣＨＯ）に酸化された状態の部分酸化物（例えばアルデヒド）が挙げられる。
【００３４】
ここで、冷炎反応について図２および図３を用いて詳述する。
【００３５】
図２は、燃料（ヘキサデカン）をヒータ２１に噴き付けて気化させ、気化した燃料がヒータ２１近傍に滞留して改質される現象を模擬したシミュレーション結果である。具体的には、気体燃料（ヘキサデカン）を４３０℃に暴露した場合における、暴露開始からの経過時間に対する各種物理量の変化を示す。すなわち、図中の（ａ）は雰囲気温度の変化を示す。（ｂ）は、燃料（ヘキサデカン）のモル濃度の変化を示す。（ｃ）は、酸化で消費された酸素分子、酸化で生成された水分子および二酸化炭素分子について、各々のモル濃度の変化を示す。（ｄ）は、冷炎反応により生成された改質燃料であるアセトアルデヒドおよびプロピオンアルデヒドのモル濃度の変化を示す。燃料噴射開始時点での初期条件は、１気圧、ヘキサデカン濃度２２００ｐｐｍ、酸素濃度２０％、二酸化炭素濃度９％、水濃度２％である。
【００３６】
図２に示されるように、燃料を噴射すると直ぐ、雰囲気温度が上昇するとともに燃料のモル濃度が減少し、かつ、改質燃料のモル濃度が増加している。この現象は、燃料が酸素に酸化されて発熱していることと、燃料から改質燃料が生成されていることを意味する。つまり、冷炎反応が生じていることを意味する。但し、このような温度上昇や各種モル濃度の変化は一時的なものであり、燃料噴射開始から４秒ほどの期間は、温度上昇やモル濃度の変化は現れない。
【００３７】
そして、約４秒経過した時点で、雰囲気温度がさらに上昇するとともに改質燃料のモル濃度が減少し、かつ、二酸化炭素および水の生成量と、酸素の消費量が増加している。この現象は、改質燃料が酸素に酸化されて発熱していることと、改質燃料が完全燃焼して二酸化炭素および水が生成されていることを意味する。つまり、熱炎反応が生じていることを意味する。なお、冷炎反応による温度上昇量は、熱炎反応による温度上昇量よりも小さい。また、冷炎反応による酸素消費量は、熱炎反応による酸素消費量よりも少ない。
【００３８】
２段階で酸化反応が生じる場合には、冷炎反応が為されてから熱炎反応が開始されるまでの期間に、改質燃料が中間生成物として現れる。中間生成物には、アルデヒドやケトン等、様々な炭化水素化合物が具体例として挙げられる。図３では、アルデヒドが生成される主要な反応経路の一例を示す。
【００３９】
先ず、図中の（１）に示すように、炭化水素（軽油）が酸素分子と反応して炭化水素ペルオキシラジカルが生成される。この炭化水素ペルオキシラジカルは、アルデヒドと炭化水素ラジカルに分解される（（２）参照）。この炭化水素ラジカルと酸素分子とが反応して別の炭化水素ペルオキシラジカルが生成される（（３）参照）。この炭化水素ペルオキシラジカルは、アルデヒドと炭化水素ラジカルに分解される（（４）参照）。この炭化水素ラジカルと酸素分子とが反応して別の炭化水素ペルオキシラジカルが生成される（（５）参照）。このように、炭素数を減らしながら繰り返し炭化水素ペルオキシラジカルが生成され、その生成の都度、アルデヒドが生成されていく。なお、熱炎反応では、燃料が完全燃焼して二酸化炭素と水が生成され、中間生成物は現れない。すなわち、冷炎反応により生成された中間生成物は、酸化されて二酸化炭素と水になる。
【００４０】
図２に示すシミュレーションでは、暴露温度を４３０℃としていた。これに対し、さらに本発明者らは、暴露温度を異ならせてシミュレーションによる解析を実施した。その結果、暴露温度が５３０℃の場合には冷炎反応で留まる期間が殆ど無く、１段で酸化反応が完了する。暴露温度を３３０℃にすると、４３０℃にした場合に比べて冷炎反応の開始時期が遅くなる。暴露温度を２３０℃以下にすると、冷炎反応および熱炎反応のいずれもが生じなくなり、酸化反応が生じない。
【００４１】
図２に示すシミュレーションでは、噴射した燃料と供給される空気の比率である当量比を０．２３としていた。これに対し、さらに本発明者らは、当量比を異ならせてシミュレーションによる解析を実施した。なお、当量比を厳密に定義すると、「実際の混合気が含む燃料の重量」を、「完全燃焼できる燃料の重量」で除算した値である。当量比を１．０にすると、冷炎反応で留まる期間が殆ど無く、１段で酸化反応が完了する。また、当量比を０．３７にすると、当量比を０．２３にした場合に比べて、冷炎反応の開始時期が早くなる。また、冷炎反応速度が速くなり、冷炎反応期間が短くなる。また、冷炎反応が終了した時点での雰囲気温度が高くなる。
【００４２】
図４は、これらの解析結果をまとめて表したものである。つまり暴露温度（雰囲気温度）および当量比と、冷炎反応発生有無との関係を表しており、図４の横軸はヒータ温度（雰囲気温度）、縦軸は当量比を示す。図中のドットを付した領域は、２段酸化反応が生じる領域を表す。図示されるように、雰囲気温度が下限値よりも低い領域では、酸化反応が生じない無反応領域となる。雰囲気温度が下限値よりも高い場合であっても、当量比が１．０以上の領域であれば、１段で酸化反応が完了する１段酸化反応領域となる。
【００４３】
また、２段酸化反応領域と１段酸化反応領域との境界線は、雰囲気温度および当量比に応じて変化する。つまり、雰囲気温度が所定の温度範囲であり、かつ、当量比が所定の当量比範囲である場合に、２段酸化反応が生じる。これらの温度範囲および当量比範囲は、図４中のドットを付した領域の範囲に相当する。所定の温度範囲のうち最適温度（例えば３７０℃）に雰囲気温度を調整すると、上記境界線における当量比が最大値（例えば１．０）となる。したがって、冷炎反応を早期に生じさせるには、ヒータ温度を最適温度に調整し、当量比を１．０にすればよい。但し、当量比が１．０を超えると冷炎反応が生じなくなるので、１．０よりも余裕分だけ小さい値に当量比を調整することが望ましい。
【００４４】
図２に示すシミュレーションでは、空気中のオゾン濃度をゼロにしている。これに対し、さらに本発明者らは、空気中のオゾン濃度を異ならせたシミュレーションによる解析を実施した。このシミュレーションでの初期条件は、１気圧、ヘキサデカン濃度２２００ｐｐｍ、雰囲気温度３３０℃である。その結果、オゾン濃度が大きいほど、冷炎反応の開始時期が早くなることが確認された。このようなオゾンによる現象は以下の理由により生じる。すなわち、図３中の（１）（３）（５）では、炭化水素ラジカルと酸素分子とが反応しているが、空気中にオゾンが含まれている場合にはこの反応が促進され、アルデヒドが短時間で生成されることとなる。
【００４５】
ＥＣＵ４０が備えるマイコン４１は、プログラムを記憶する記憶装置と、記憶されたプログラムにしたがって演算処理を実行する中央演算処理装置と、を備える。ＥＣＵ４０は、アクセルペダル踏込量（エンジン負荷）、機関回転速度（エンジン回転数）、吸気圧、排気圧等の各種検出値に基づき、内燃機関１０の作動を制御する。
【００４６】
概略、ＥＣＵ４０は、エンジン回転数およびエンジン負荷に応じて、図示しない燃料噴射弁から噴射される燃焼用燃料の噴射量および噴射時期を制御する。さらにＥＣＵ４０は、反応室温度センサ２７、触媒温度センサ４２および排気圧センサ４３により検出された物理量に基づき、還元剤添加装置の作動を制御する。
【００４７】
すなわち、図５および図６に示す手順のプログラムをマイコン４１が所定周期で繰り返し実行することで、反応室温度に基づき改質燃料の生成とオゾンの生成を切り替える。上記プログラムは、内燃機関１０の作動期間中は常時実行される。さらに、上記プログラムを実行するマイコン４１は、触媒温度および排気圧に基づき、エアポンプモードと過給機モードとを切り替えるように制御する。
【００４８】
エアポンプモードとは、含オゾン空気配管２６を通じて、エアポンプ３０ｐから送風される空気を反応室２０ａへ供給するモードである。エアポンプモードでは、オゾン生成器３０により生成されたオゾンを含んだ含オゾン空気をエアポンプ３０ｐで供給する場合と、オゾン生成器３０を停止させてオゾンを含まない空気をエアポンプ３０ｐで供給する場合がある。過給機モードとは、加圧空気配管２５を通じて、コンプレッサ１１ｃで加圧された吸気（加圧空気）の一部を反応室２０ａへ供給するモードである。
【００４９】
調量弁２５ｖおよび逆止弁２６ｖは、エアポンプモードおよび過給機モードを切り替える切替装置を提供する。調量弁２５ｖおよび逆止弁２６ｖの作動を制御している時のマイコン４１は、切替装置による切替作動を制御する切替制御手段４１ａ（図１参照）を提供する。なお、触媒温度センサ４２は、ＮＯｘ浄化装置１２に取り付けられ、還元触媒の雰囲気温度（触媒温度）を検出する。排気圧センサ４３は、排気管に取り付けられ、排気通路１０ｅｘのうち供給管２３が接続される部分での排気の圧力（排気圧）を検出する。
【００５０】
先ず、図５のステップＳ１０において、排気圧センサ４３により検出された排気管内の圧力（排気圧Ｐｅｘ）を取得する。続くステップＳ１１では、触媒温度センサ４２により検出された還元触媒の温度（触媒温度Ｔｃａｔ）を取得する。続くステップＳ１２では、吸着要求が生じているか否かを判定する。具体的には、取得した触媒温度Ｔｃａｔが、還元触媒の活性化温度（例えば２００℃）よりも低い場合、吸着要求ありと判定する。但し、ＮＯｘ吸着量が飽和状態になっていると推定された場合には、触媒温度Ｔｃａｔが活性化温度未満であっても吸着要求なしと判定する。ＮＯｘ吸着量は、内燃機関１０の運転状態とその時の触媒温度Ｔｃａｔの推移の履歴に基づき推定される。
【００５１】
ステップＳ１２で吸着要求ありと判定された場合には、続くステップＳ１３において、噴射弁２２およびヒータ２１への通電を停止させる。これにより、噴射弁２２による反応室２０ａへの燃料噴射が停止されるとともに、ヒータ２１による反応室２０ａの加熱が停止される。
【００５２】
続くステップＳ１４では、ＮＯｘを還元触媒に吸着させるにあたり、供給管２３から排気通路１０ｅｘへオゾンを添加させる要求が生じているか否かを判定する。具体的には、取得した触媒温度Ｔｃａｔが所定の第１温度Ｔ１未満であるか否かを判定する。第１温度Ｔ１は、触媒の酸化活性が生じる温度（例えば２００℃）よりも低い温度に設定されている。触媒温度Ｔｃａｔが所定の第１温度Ｔ１未満である場合、オゾン要求ありと判定する。
【００５３】
要するに、第１温度以上であれば、触媒の酸化活性によりＮＯがＮＯ２に酸化されるため、オゾンを添加せずとも十分にＮＯｘ（つまりＮＯ２）を吸着できる。これに対し、触媒温度Ｔｃａｔが第１温度未満であれば、オゾンを添加して排気中のＮＯをＮＯ２に酸化させることで、十分に吸着できるように図ることが要求される。
【００５４】
ステップＳ１４にてオゾン要求ありと判定された場合には、続くステップＳ１５において、エアポンプ３０ｐの空気吐出圧（エアポンプ吐出圧）が排気圧Ｐｅｘに対して十分に大きく、排気通路１０ｅｘへ含オゾン空気を添加できるか否かを判定する。具体的には、ステップＳ１０で取得した排気圧Ｐｅｘが、所定の閾値Ｐｔｈ未満であるか否かを判定する。閾値Ｐｔｈは、エアポンプ３０ｐによる最大吐出圧、または最大吐出圧よりも僅かに小さい値に設定されている。
【００５５】
ステップＳ１５により排気圧Ｐｅｘが閾値Ｐｔｈ未満と判定された場合、つまりエアポンプ吐出圧で添加可能であると判定された場合、続くステップＳ１６にて放電制御を実施してオゾンを生成する。具体的には、予め設定されている電力量でオゾン生成器３０の電極３１へ通電して放電を生じさせる。続くステップＳ１７ではエアポンプ制御を実施して、オゾン生成器３０へ空気を送風する。具体的には、予め設定されている電力量でエアポンプ３０ｐを作動させる。続くステップＳ１８では、調量弁２５ｖおよび逆止弁２６ｖをエアポンプモードで制御（バルブ制御）する。具体的には、調量弁２５ｖを閉弁作動させ、逆止弁２６ｖを開弁作動させる。
【００５６】
以上のステップＳ１６、Ｓ１７、Ｓ１８の作動によるエアポンプモードによれば、オゾン生成器３０でオゾンが生成される。そして、生成されたオゾンを含む含オゾン空気が、含オゾン空気配管２６、共用配管２４、反応容器２０および供給管２３を順に流通して排気通路１０ｅｘへ添加される。よって、排気中のＮＯが酸化されてＮＯ２に変化することがオゾンにより促進されるので、還元触媒へのＮＯｘ吸着量を増大できる。
【００５７】
なお、ヒータ２１への通電を実施していると、オゾンは加熱されて崩壊する。また、燃料噴射を実施していると、オゾンは燃料と反応してしまう。これらの点を鑑み、ステップＳ１４にてオゾン要求ありと判定されてエアポンプモードで作動している場合には、ステップＳ１３にてヒータ２１による加熱および燃料噴射を停止させるので、オゾンが燃料と反応することや加熱崩壊が回避される。よって、生成したオゾンがそのまま排気通路１０ｅｘへ添加されることとなる。
【００５８】
一方、ステップＳ１５にて排気圧Ｐｅｘが閾値Ｐｔｈ以上と判定された場合、つまりエアポンプ吐出圧では添加できないと判定された場合、或いはステップＳ１４にてオゾン要求なしと判定された場合には、次のステップＳ１９の処理を実行する。ステップＳ１９では、オゾン生成器３０およびエアポンプ３０ｐへの通電を停止させる。続くステップＳ２０では、調量弁２５ｖおよび逆止弁２６ｖを全閉モードで制御（バルブ制御）する。具体的には、調量弁２５ｖおよび逆止弁２６ｖを共に閉弁作動させる。
【００５９】
以上のステップＳ１９、Ｓ２０の作動による全閉モードによれば、オゾン生成器３０でのオゾン生成が停止され、エアポンプ３０ｐによる空気の送風も停止される。また、加圧空気配管２５からの加圧空気の供給も停止される。つまり、供給管２３から排気通路１０ｅｘへは、オゾンも空気も燃料も添加されない。
【００６０】
ステップＳ１４にて触媒温度Ｔｃａｔが第１温度Ｔ１以上であると判定されて、ステップＳ１９、Ｓ２０による全閉モードを実行した場合においては、不必要なオゾンの供給を回避できる。よって、オゾン生成器３０およびエアポンプ３０ｐを停止させることによる省電費を図ることができる。
【００６１】
ステップＳ１５にて排気圧Ｐｅｘが閾値Ｐｔｈ以上と判定されて、ステップＳ１９、Ｓ２０による全閉モードを実行した場合においては、排気通路１０ｅｘ中の排気が、含オゾン空気配管２６を逆流することを回避できる。よって、オゾン生成器３０およびエアポンプ３０ｐが排気で汚染されることを回避できる。
【００６２】
次に、ステップＳ１２にて吸着要求なしと判定された場合の処理について、図６を用いて説明する。
【００６３】
先ず、図６のステップＳ２１において、還元要求が生じているか否かを判定する。具体的には、ステップＳ１１で取得した触媒温度Ｔｃａｔが、還元触媒の活性化温度以上、かつ上限温度未満である場合に、還元要求ありと判定する。触媒温度Ｔｃａｔが活性化温度以上であっても上限温度以上であれば、還元剤を添加しても還元反応が殆ど生じなくなるからである。
【００６４】
ステップＳ２１で還元要求ありと判定された場合には、続くステップＳ２２において、還元剤でＮＯｘを還元させるにあたり、反応室２０ａへオゾンを供給させる要求が生じているか否かを判定する。具体的には、触媒温度Ｔｃａｔが所定の第２温度Ｔ２未満であるか否かを判定する。第２温度Ｔ２は、活性化温度よりも高い温度（例えば３００℃）に設定されている。触媒温度Ｔｃａｔが所定の第２温度Ｔ２未満である場合、オゾン要求ありと判定する。
【００６５】
要するに、触媒温度Ｔｃａｔが第２温度Ｔ２未満であれば、オゾンを供給することにより反応室２０ａで生じる図３の反応速度が速くなり、燃料の改質が促進される。しかし、触媒温度Ｔｃａｔが第２温度Ｔ２以上であれば、オゾンを供給しなくても反応速度が十分に速くなるので、オゾンを供給することによる改質促進の効果が小さくなる。この点を鑑み、ステップＳ２２では触媒温度Ｔｃａｔが第２温度Ｔ２未満である場合にオゾン要求ありと判定するので、第２温度Ｔ２以上である場合に無駄にオゾンを供給することを回避でき、オゾン生成器３０での消費電力を低減できる。
【００６６】
ステップＳ２２にてオゾン要求ありと判定された場合には、続くステップＳ２３において、エアポンプ３０ｐの空気吐出圧（エアポンプ吐出圧）が排気圧Ｐｅｘに対して十分に大きく、排気通路１０ｅｘへ改質還元剤を添加できるか否かを判定する。具体的には、ステップＳ１５と同様にして、排気圧Ｐｅｘが閾値Ｐｔｈ未満であるか否かを判定する。
【００６７】
ステップＳ２３により排気圧Ｐｅｘが閾値Ｐｔｈ未満と判定された場合、つまりエアポンプ吐出圧で添加可能であると判定された場合、続くステップＳ２４にて放電制御を実施してオゾンを生成する。具体的には、後述するステップＳ２７で設定される燃料噴射量に応じたオゾン生成量となるよう、電極３１への供給電力を調整する。
【００６８】
続くステップＳ２５ではエアポンプ制御を実施して、オゾン生成器３０へ空気を送風する。具体的には、ステップＳ２７で噴射される燃料と供給される空気の比率である当量比が、後述する目標当量比φｔｒｇとなるよう、エアポンプ３０ｐへの供給電力を調整して空気送風量を調整する。続くステップＳ２６では、調量弁２５ｖおよび逆止弁２６ｖをエアポンプモードで制御（バルブ制御）する。具体的には、調量弁２５ｖを閉弁作動させ、逆止弁２６ｖを開弁作動させる。
【００６９】
続くステップＳ２７では、ＮＯｘ浄化装置１２へ流入したＮＯｘの全てを還元するにあたり、過不足なくＮＯｘ浄化装置１２へ供給するための還元剤添加量を、目標燃料量Ｆｔｒｇとして設定する。上記目標燃料量Ｆｔｒｇとは、単位時間当たりにＮＯｘ浄化装置１２へ供給する燃料の質量である。
【００７０】
具体的には、以下に説明するＮＯｘ流入量および触媒温度Ｔｃａｔに基づき、目標燃料量Ｆｔｒｇを設定する。上記ＮＯｘ流入量とは、単位時間当たりにＮＯｘ浄化装置１２へ流入するＮＯｘの質量である。例えば、内燃機関１０の運転状態に基づき、ＮＯｘ流入量を推定できる。そして、ＮＯｘ流入量が多いほど、目標燃料量Ｆｔｒｇを増大させる。また、ＮＯｘ触媒温度に応じて還元触媒上でＮＯｘが還元される量（還元力）が異なってくるので、ＮＯｘ触媒温度による還元力の違いに応じて目標燃料量Ｆｔｒｇを設定する。そして、設定した目標燃料量Ｆｔｒｇに基づき、噴射弁２２の作動を制御して燃料噴射を実施する。具体的には、目標燃料量Ｆｔｒｇが多いほど噴射弁２２の開弁時間を長くする。或いは、今回の噴射終了から次回の噴射開始までのインターバルを短くする。
【００７１】
さらにステップＳ２７では、ステップＳ２５のエアポンプ制御で用いる目標当量比φｔｒｇを、反応室温度センサ２７により検出された反応室温度および目標燃料量Ｆｔｒｇに基づき、冷炎反応を生じさせるように設定する。具体的には、２段酸化反応領域における当量比の最大値であって、雰囲気温度に対応する当量比の最大値、またはその最大値から所定の余裕分だけ減算した値を、目標当量比φｔｒｇとしてマップ化してマイコン４１に記憶させておく。検出された反応室温度に対応する目標当量比φｔｒｇを、マップを参照して算出する。上述の如く余裕分を見込んで目標当量比φｔｒｇを設定することにより、実際の当量比が目標当量比φｔｒｇより大きくなったとしても、上記当量比の最大値を超えるおそれを低減でき、冷炎反応にとどまらず熱炎反応にまで至るおそれを低減できる。
【００７２】
続くステップＳ２８では、取得した反応室温度が、予め設定しておいた目標温度Ｔｔｒｇと一致するよう、ヒータ２１をフィードバック制御する。例えば、ヒータ２１への電力供給量を、反応室温度センサ２７による検出値と目標温度Ｔｔｒｇとの差分に応じてデューティ制御する。或いは、反応室温度が目標温度Ｔｔｒｇよりも所定以上高くなった場合にヒータ２１への電力供給量を停止させるといったオンオフ制御を実行する。目標温度Ｔｔｒｇは、図４に示す２段酸化反応領域のうち、当量比が最大となる雰囲気温度（例えば３７０℃）に設定されている。
【００７３】
以上のステップＳ２４、Ｓ２５、Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２８の作動によるエアポンプモードによれば、オゾン生成器３０でオゾンが生成される。そして、生成されたオゾンを含む含オゾン空気が、含オゾン空気配管２６および共用配管２４を流通して反応容器２０へ供給される。よって、反応容器２０での燃料の改質がオゾンにより促進されるので、還元触媒でのＮＯｘ浄化率を向上できる。
【００７４】
また、上述のごとく目標燃料量Ｆｔｒｇに応じてエアポンプ３０ｐおよびヒータ２１を制御することにより、反応室温度および当量比は、２段酸化反応領域に調整される。よって、冷炎反応を生じさせて先述した改質燃料が生成される。反応室温度が調整される温度範囲の下限は、１段酸化領域および２段酸化領域と無反応領域との境界線となる２６０℃である。上記温度範囲の上限は、１段酸化領域と２段酸化領域の境界線のうちの最大温度である。当量比が調整される範囲の上限は、１段酸化領域と２段酸化領域の境界線のうちの最大値であって、３７０℃に対応する当量比である。
【００７５】
一方、ステップＳ２３にて排気圧Ｐｅｘが閾値Ｐｔｈ以上と判定された場合、つまりエアポンプ吐出圧では添加できないと判定された場合、或いはステップＳ２２にてオゾン要求なしと判定された場合には、次のステップＳ２９の処理を実行する。ステップＳ２９では、コンプレッサ１１ｃにより圧縮された加圧空気の圧力（過給圧）を取得する。例えば、エンジン回転数やエンジン負荷等の内燃機関１０の運転状態に基づき、過給圧を推定する。続くステップＳ３０では、取得した過給圧が、ステップＳ１０で取得した排気圧Ｐｅｘより大きいか否かを判定する。
【００７６】
過給圧が排気圧Ｐｅｘより大きいと判定された場合には、次のステップＳ３１において、オゾン生成器３０およびエアポンプ３０ｐへの通電を停止させる。続くステップＳ３２では、調量弁２５ｖおよび逆止弁２６ｖを過給機モードで制御（バルブ制御）する。具体的には、調量弁２５ｖを開弁作動させ、逆止弁２６ｖを閉弁作動させる。次に、先述したステップＳ２７による燃料噴射制御、およびステップＳ２８によるヒータ制御を実行する。
【００７７】
以上のステップＳ３２、Ｓ２７、Ｓ２８の作動による過給機モードによれば、コンプレッサ１１ｃによる加圧空気が、加圧空気配管２５および共用配管２４を流通して反応室２０ａへ供給される。つまり、燃料の部分酸化反応に必要な酸素が反応室２０ａへ供給される。そして、排気圧Ｐｅｘが閾値Ｐｔｈ以上であるにも拘らず、加圧空気の圧力で、改質燃料が排気通路１０ｅｘへ添加される。このように、改質燃料がＮＯｘ浄化装置１２へ流入するので、未改質の燃料を添加する場合に比べれば、還元触媒でのＮＯｘ浄化率を向上できる。
【００７８】
一方、ステップＳ３０にて過給圧が排気圧Ｐｅｘ以下であると判定された場合、つまり加圧空気に係る過給圧では改質燃料を排気通路１０ｅｘに添加できないと判定された場合、次のステップＳ３３においてステップＳ１５と同様の判定を実行する。すなわち、エアポンプ吐出圧が排気圧Ｐｅｘに対して十分に大きく、排気通路１０ｅｘへ含オゾン空気を添加できるか否かを判定する。排気圧Ｐｅｘが閾値Ｐｔｈ未満と判定された場合、つまりエアポンプ吐出圧で添加可能であると判定された場合、続くステップＳ３４にてオゾン生成器３０への通電を停止させる。その後、先述したステップＳ２５によるエアポンプ制御、ステップＳ２６によるエアポンプモードでのバルブ制御、ステップＳ２７による燃料噴射制御、およびステップＳ２８によるヒータ制御を実行する。
【００７９】
なお、上述の如く排気圧Ｐｅｘが過給圧以上（Ｓ３０：ＮＯ）かつ閾値Ｐｔｈ未満である状態は、例えば次の状況で生じうる。すなわち、排気圧Ｐｅｘの上昇に伴い生じる過給圧の上昇にはタイムラグがある。そのため、排気圧Ｐｅｘが低圧の状態から上昇する際に、上記状態が生じうる。
【００８０】
以上のステップＳ２５、Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２８の作動によるエアポンプモードによれば、オゾンを含まない空気が、含オゾン空気配管２６および共用配管２４を流通して反応容器２０へ供給される。つまり、燃料の部分酸化反応に必要な酸素が反応室２０ａへ供給される。そして、過給圧が排気圧Ｐｅｘ以下であるにも拘らず、エアポンプ３０ｐの送風圧力で、改質燃料が排気通路１０ｅｘへ添加される。このように、改質燃料がＮＯｘ浄化装置１２へ流入するので、未改質の燃料を添加する場合に比べれば、還元触媒でのＮＯｘ浄化率を向上できる。
【００８１】
一方、ステップＳ３３において排気圧Ｐｅｘが閾値Ｐｔｈ以上であると判定された場合、つまり加給圧で添加できないのみならず、エアポンプ３０ｐの送風圧力でも添加できないと判定された場合、ＮＯｘ浄化装置１２の作動を停止させる。具体的には、次のステップＳ３５において、ステップＳ２０と同様にして調量弁２５ｖおよび逆止弁２６ｖを全閉モードで制御（バルブ制御）する。続くステップＳ３６では、オゾン生成器３０、エアポンプ３０ｐ、ヒータ２１および噴射弁２２への通電を停止させる。
【００８２】
要するに、還元要求があると判定された場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）であっても、エアポンプ３０ｐの送風圧力および過給圧のいずれもが排気圧Ｐｅｘより低圧である場合（Ｓ３３：ＮＯ）には、全閉モードにしてＮＯｘ浄化装置１２の作動を停止させる。また、吸着要求がなく（Ｓ１２：ＮＯ）、還元要求がないと判定された場合（Ｓ２１：ＮＯ）においても、全閉モードでＮＯｘ浄化装置１２の作動を停止させる。吸着要求および還元要求がない場面の具体例として、ＮＯｘ触媒温度が活性化温度未満であり、かつ、ＮＯｘ吸着量が飽和状態になっている場面や、ＮＯｘ触媒温度が還元可能範囲を超えて高温になっている場面が挙げられる。
【００８３】
また、触媒温度Ｔｃａｔが活性化温度未満であり、かつ、ＮＯｘ吸着量が飽和状態になっている場合や、触媒温度Ｔｃａｔが還元可能範囲を超えて高温になっている場合にも、全閉モードでのＮＯｘ浄化装置１２の作動停止が為されることとなる。
【００８４】
以上により、本実施形態に係る還元剤添加装置は、反応容器２０と、オゾン生成器３０と、エアポンプ３０ｐと、含オゾン空気配管２６と、加圧空気配管２５と、調量弁２５ｖおよび逆止弁２６ｖから構成される切替装置と、切替制御手段４１ａと、を備える。つまり、含オゾン空気を反応室２０ａへ導く含オゾン空気配管２６と、加圧空気を反応室２０ａへ導く加圧空気配管２５とを別々に備える。そして、エアポンプ３０ｐおよびオゾン生成器３０は、含オゾン空気配管２６の経路に配置され、加圧空気配管２５の経路からは隔離されることとなる。
【００８５】
そのため、エアポンプ３０ｐのインペラやインペラケース、オゾン生成器３０の電極３１等が、吸気に含まれる汚物で汚染されることを抑制できる。汚物の具体例としては、内燃機関１０の吸気に含まれる潤滑オイルの成分や未燃焼の燃料成分等が挙げられる。特に本実施形態では、含オゾン空気配管２６のうち、オゾン生成器３０およびエアポンプ３０ｐの下流側部分に逆止弁２６ｖが設けられている。この逆止弁２６ｖは、オゾン生成器３０およびエアポンプ３０ｐへ加圧空気が流入することを防止する流入防止手段を提供する。そのため、オゾン生成器３０およびエアポンプ３０ｐが吸気により汚染されることの回避の確実性を向上できる。
【００８６】
また、本実施形態では上述した切替装置および切替制御手段を備えるため、排気圧Ｐｅｘが高くエアポンプ３０ｐでは添加困難な場合（Ｓ２３：ＮＯ）には、過給機モードに切り替える（Ｓ３２）。よって、上記の場合であっても反応室２０ａで改質された還元剤を添加できる。また、エアポンプ３０ｐでの添加が可能な程度に排気圧Ｐｅｘが低く（Ｓ２３：ＹＥＳ）、かつ、オゾンによるＮＯｘ浄化率向上が見込めるような還元触媒温度である場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）には、エアポンプモードに切り替える（Ｓ２６）。よって、上記の場合には含オゾン空気で改質された還元剤を添加できる。
【００８７】
以上により、本実施形態によれば、オゾンによるＮＯｘ浄化率向上を図ることができ、それでいて、排気圧Ｐｅｘが高くても改質還元剤の添加を可能にすることを、エアポンプ３０ｐおよびオゾン生成器３０の汚染を抑制しつつ実現できる。
【００８８】
ここで、先述した特許文献２に記載の還元剤添加装置では、過給機で加圧された吸気をエアポンプでアシストして添加している。つまり、本実施形態に係る含オゾン空気配管２６を備えておらず、加圧空気配管２５にエアポンプを設けている。そのため、内燃機関の低負荷運転時には過給圧が低くなり、エアポンプに負荷をかける懸念が生じる。これに対し本実施形態では、含オゾン空気配管２６と加圧空気配管２５とを別々に備えるので、上記懸念を解消できる。
【００８９】
また、加圧空気配管２５には調量弁２５ｖが設けられており、エアポンプモード時には調量弁２５ｖを閉弁作動させるので、過給圧が低い場合であっても、エアポンプ３０ｐによる送風空気や排気が加圧空気配管２５に逆流することを防止できる。
【００９０】
さらに、本実施形態に係る還元剤添加装置は、還元可否判定手段と、還元時オゾン要否判定手段と、還元時エアポンプ可否判定手段と、を備える。還元可否判定手段は、ステップＳ２１の処理を実行しているマイコン４１により提供され、触媒温度Ｔｃａｔに基づき、還元触媒上でのＮＯｘの還元が可能な還元可能状態であるか否かを判定する。還元時オゾン要否判定手段は、ステップＳ２２の処理を実行しているマイコン４１により提供され、触媒温度Ｔｃａｔに基づき、還元可能状態である時に含オゾン空気を反応室２０ａへ供給する必要がある還元時オゾン要求状態であるか否かを判定する。還元時エアポンプ可否判定手段は、ステップＳ２３の処理を実行しているマイコン４１により提供され、排気圧Ｐｅｘに基づき、エアポンプ３０ｐによる還元剤の排気通路１０ｅｘへの添加が可能な還元時低排圧状態であるか否かを判定する。切替制御手段４１ａは、還元可能状態（Ｓ２１：ＹＥＳ）、かつ還元時オゾン要求状態（Ｓ２２：ＹＥＳ）、かつ還元時低排圧状態（Ｓ２３：ＹＥＳ）と判定されていることに基づき、エアポンプモードに切り替える。
【００９１】
これにより、エアポンプ３０ｐで添加できる程度に排気圧Ｐｅｘが低ければ、エアポンプモードに切り替えて含オゾン空気を反応室２０ａへ供給できるので、改質還元剤の活性化を促進でき、ＮＯｘ浄化率向上を図ることができる。
【００９２】
さらに、本実施形態に係る切替制御手段４１ａは、還元可能状態（Ｓ２１：ＹＥＳ）、かつ還元時オゾン要求状態（Ｓ２２：ＹＥＳ）、かつ還元時低排圧状態でない（Ｓ２３：ＮＯ）と判定されていることに基づき、過給機モードに切り替える。
【００９３】
これにより、エアポンプ３０ｐでは添加できない程度に排気圧Ｐｅｘが高くても、過給機モードに切り替えることで、オゾンの効果は得られないものの改質還元剤を排気通路１０ｅｘに添加できる。よって、改質還元剤を添加できない事態に陥る機会を低減できる。
【００９４】
さらに、本実施形態に係る切替制御手段４１ａは、還元可能状態（Ｓ２１：ＹＥＳ）、かつ還元時オゾン要求状態でない（Ｓ２２：ＮＯ）と判定されていることに基づき、過給機モードに切り替える。
【００９５】
これにより、エアポンプ３０ｐでは添加できない程度に排気圧Ｐｅｘが高くても、過給機モードに切り替えることで、改質還元剤を排気通路１０ｅｘに添加できる。よって、改質還元剤を添加できない事態に陥る機会を低減できる。なお、排気圧Ｐｅｘが高い場合には、内燃機関１０の高負荷運転に伴い排気温度が高く、還元時オゾン要求状態にならない程度に触媒温度Ｔｃａｔが高くなっていることが多い。
【００９６】
また、本実施形態に係る過給機モードでは、エアポンプ３０ｐおよびオゾン生成器３０への通電を停止させるので、エアポンプ３０ｐおよびオゾン生成器３０での消費電力を低減できる。
【００９７】
さらに、本実施形態に係る還元剤添加装置は、吸着可否判定手段と、吸着時オゾン要否判定手段と、吸着時エアポンプ可否判定手段と、を備える。吸着可否判定手段は、ステップＳ１２の処理を実行しているマイコン４１により提供され、触媒温度Ｔｃａｔに基づき、還元触媒へのＮＯｘの吸着が可能な吸着可能状態であるか否かを判定する。吸着時オゾン要否判定手段は、ステップＳ１４の処理を実行しているマイコン４１により提供され、触媒温度Ｔｃａｔに基づき、吸着可能状態である時に含オゾン空気の添加が要求される吸着時オゾン要求状態であるか否かを判定する。吸着時エアポンプ可否判定手段は、ステップＳ１５の処理を実行しているマイコン４１により提供され、排気圧力に基づき、エアポンプ３０ｐによる含オゾン空気の排気通路１０ｅｘへの添加が可能な吸着時低排圧状態であるか否かを判定する。切替制御手段４１ａは、吸着可能状態（Ｓ１２：ＹＥＳ）、かつ吸着時オゾン要求状態（Ｓ１４：ＹＥＳ）、かつ吸着時低排圧状態（Ｓ１５：ＹＥＳ）と判定されていることに基づき、エアポンプモードに切り替える。
【００９８】
これにより、エアポンプ３０ｐで添加できる程度に排気圧Ｐｅｘが低ければ、エアポンプモードに切り替えてオゾンを排気通路１０ｅｘへ添加できるので、排気中のＮＯをＮＯ２に酸化させることを促進でき、還元触媒にＮＯｘを吸着させることを促進できる。よって、還元触媒で吸着されずに大気に放出されてしまうＮＯｘ量を低減でき、ひいてはＮＯｘ浄化率を向上できる。
【００９９】
さらに本実施形態では、還元触媒は少なくとも銀を含む物質である。具体的には、担体にコーティングされたアルミナ上に銀触媒が担持されている。このように銀触媒を採用することで、例えば白金触媒を採用した場合に比べて図３の部分酸化反応が生じやすくなる。よって、銀触媒を採用する本実施形態によれば、白金触媒を採用した場合に比べてＮＯｘ浄化率を向上できる。特に、触媒温度Ｔｃａｔが活性化している温度領域のうち、低温の領域において、ＮＯｘ浄化率向上の効果が顕著に発揮されるようになる。
【０１００】
さらに本実施形態では、改質手段は、還元剤を加熱するヒータ２１（加熱手段）を有し、加熱手段により所定温度以上に加熱された還元剤を、空気中に含まれる酸素により部分的に酸化させて改質することを特徴とする。これによれば、燃料が部分酸化することを容易に実現でき、還元剤の改質を容易に実現できる。また、ヒータ２１で燃料を加熱することにより、炭素数の少ない炭化水素化合物に燃料を分解させるクラッキングが生じるようになる。そして、クラッキングにより炭素数が少なくなった炭化水素は沸点が低くなるので、気化した燃料が液体に戻ることが抑制される。
【０１０１】
さらに本実施形態では、オゾン生成器３０を備え、冷炎反応を生じさせる時には、オゾン生成器３０により生成されたオゾンを供給する。そのため、冷炎反応の開始時期の早期化と、冷炎反応時間の短縮化を図ることができる。よって、反応室２０ａでの燃料の滞留時間が短くなるように反応容器２０を小型化しても、上記滞留時間内に冷炎反応が完了するようにできる。よって、反応容器２０の小型化を図ることができる。
【０１０２】
さらに本実施形態では、触媒温度Ｔｃａｔが活性化温度よりも低温の場合には、噴射弁２２による燃料噴射を停止させつつ、オゾン生成器３０により生成されたオゾンを空気通路２３ｂへ供給させることで、排気通路１０ｅｘへオゾンを添加する。これによれば、ＮＯｘ浄化装置１２の還元触媒が活性化していないにも拘わらず還元剤を添加することを防止できる。そして、オゾンの添加により、排気中のＮＯをＮＯ２に酸化させてＮＯｘ浄化触媒に吸着させるので、ＮＯｘ浄化装置１２へのＮＯｘ吸着量を増大できる。
【０１０３】
（他の実施形態）
以上、発明の好ましい実施形態について説明したが、発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、以下に例示するように種々変形して実施することが可能である。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【０１０４】
図１に示す実施形態では、排気圧センサ４３を備え、排気通路１０ｅｘの圧力である排気圧Ｐｅｘを直接検出している。これに対し、排気圧センサ４３を廃止して、例えば内燃機関１０の運転状態やＤＰＦ１３での圧力損失等に基づき、排気圧Ｐｅｘを推定してもよい。
【０１０５】
図１に示す実施形態では、ＮＯｘ浄化装置１２に取り付けられた触媒温度センサ４２を備え、還元触媒の雰囲気温度（触媒温度Ｔｃａｔ）を直接検出している。これに対し、触媒温度センサ４２を廃止して、例えば内燃機関１０の運転状態等に基づき、触媒温度Ｔｃａｔを推定してもよい。
【０１０６】
図１に示す実施形態では、エアポンプ３０ｐを、含オゾン空気配管２６のうちオゾン生成器３０の上流側に配置しているが、オゾン生成器３０の下流側に配置してもよい。図１に示す実施形態では、ＤＰＦ１３を、排気通路１０ｅｘのうちＮＯｘ浄化装置１２の下流側に配置しているが、ＮＯｘ浄化装置１２の上流側に配置してもよい。
【０１０７】
図５に示す実施形態では、ステップＳ１４の判定に用いる第１温度Ｔ１を活性化温度よりも低い値に設定しているが、第１温度Ｔ１を活性化温度に設定してもよい。
【０１０８】
図５に示す実施形態では、触媒温度Ｔｃａｔに基づく吸着要求の有無判定（Ｓ１２）および排気圧Ｐｅｘに基づく判定（Ｓ１５）に応じて、エアポンプモードおよび全閉モードを切り替えている。これに対し、排気圧Ｐｅｘに拘らず、吸着要求有りの場合にはエアポンプモードに設定し、ステップＳ２０による全閉モードを廃止してもよい。
【０１０９】
図１に示す実施形態では、電磁駆動式の逆止弁２６ｖを採用し、逆止弁２６ｖの開閉作動をマイコン４１が電子制御している。これに対し、弁体を閉弁させる向きに弾性力を付与させ、弁体の上流側圧力が下流側圧力よりも高く、その差圧により弾性力に抗して弁体を開弁作動させる、機械式の逆止弁を採用してもよい。
【０１１０】
図１に示す実施形態では、調量弁２５ｖと逆止弁２６ｖを別体に構成しているが、一体に構成してもよい。図１に示す実施形態では、過給機１１は、排気の運動エネルギによりコンプレッサ１１ｃを回転させているが、電動モータによりコンプレッサ１１ｃを駆動させる過給機を採用してもよい。
【０１１１】
上記実施形態では、触媒温度Ｔｃａｔが活性化温度以上かつ第２温度Ｔ２未満であることを条件として、オゾンを用いた改質を実施する。これに対し、触媒温度Ｔｃａｔが活性化温度以上の場合において、触媒温度Ｔｃａｔが第２温度Ｔ２よりも高温の第３温度（例えば３５０℃）以上であれば、オゾン供給を停止させて酸素供給した状態で、加熱された燃料を部分酸化させるようにしてもよい。第３温度以上の高温であれば、オゾンを供給しなくても十分に燃料は部分酸化するので、上述の如くオゾン供給を停止させれば、オゾン生成器３０における電力消費を低減できる。要するに、オゾン無しでもヒータ２１により燃料を加熱して酸素と反応させれば、燃料の部分酸化は可能である。但し、オゾンを用いて改質した方が、図３の反応を促進できる。
【０１１２】
図１に示す吸気通路１０ｉｎに、コンプレッサ１１ｃで加圧された吸気を冷却する冷却器が備えられている場合において、加圧空気配管２５を冷却器の上流側に接続して冷却前の吸気を反応容器２０へ供給するように構成することが望ましい。但し、加圧空気配管２５を冷却器の下流側に接続して冷却後の吸気を反応容器２０へ供給するように構成してもよい。
【０１１３】
上記実施形態では、銀を含んだ触媒を還元触媒として用いているが、本発明はこのような銀触媒に限定されるものではなく、例えば銅または鉄を含んだ触媒を還元触媒として用いてもよい。
【０１１４】
また、図１に示す実施形態では、ＮＯｘを物理的に捕捉（つまり吸着）する還元触媒が採用されているが、ＮＯｘを化学的結合により捕捉（つまり吸蔵）する還元触媒が採用された燃焼システムに、還元剤添加装置を適用させてもよい。このように吸蔵する還元触媒の具体例として、バリウム等のアルカリ土類金属やリチウム等のアルカリ金属を白金に組合せた触媒が挙げられる。
【０１１５】
上記実施形態に係る改質では、還元剤に含まれるアルデヒドの割合が所定割合（例えば１０％）となるように改質している。これに対し、アルデヒドの割合がほぼ１００％になるように改質してもよい。また、本発明に係る改質還元剤は、アルデヒドを含むことに限定されるものではない。例えば、アルコール、アセテート、一酸化炭素、水素を部分酸化物として用いた還元剤添加装置であってもよい。
【０１１６】
内燃機関１０が理論空燃比よりもリーンな状態で燃焼させている時に、ＮＯｘ浄化装置１２がＮＯｘを吸着し、リーン燃焼以外の時にＮＯｘを還元させる燃焼システムに、還元剤添加装置を適用させてもよい。この場合、リーン燃焼時にはオゾンを生成し、リーン燃焼以外の時に改質燃料を生成させればよい。このようにリーン燃焼時にＮＯｘを捕捉する触媒の具体例としては、担体に担持された白金とバリウムによる吸蔵還元触媒が挙げられる。
【０１１７】
図１に示す実施形態では、車両に搭載された燃焼システムに還元剤添加装置を適用させている。これに対し、定置式の燃焼システムに還元剤添加装置を適用させてもよい。図１に示す実施形態では、圧縮自着火式のディーゼルエンジンに還元剤添加装置を適用させており、燃焼用の燃料として用いる軽油を還元剤として用いている。これに対し、点火着火式のガソリンエンジンに還元剤添加装置を適用させて、燃焼用の燃料として用いるガソリンを還元剤として用いてもよい。
【符号の説明】
【０１１８】
１０…内燃機関、１０ｅｘ…排気通路、１１…過給機、１２…ＮＯｘ浄化装置、２０ａ…反応室、２０…反応容器、２５…加圧空気配管、２５ｖ…調量弁（切替装置）、２６…含オゾン空気配管、２６ｖ…逆止弁（切替装置）、３０…オゾン生成器、３０ｐ…エアポンプ、４１ａ…切替制御手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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