(57)【要約】【課題】  硫黄被毒回復処理を必要とする排気浄化触媒を備えた排気浄化装置において、硫黄被毒回復処理実行中における排気浄化触媒温度の過昇温を抑制しつつ、排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理を促進することができる内燃機関の排気浄化装置を提供すること。【解決手段】  本内燃機関の排気浄化装置は、炭化水素系燃料を排気浄化触媒よりも上流の排気中に添加する炭化水素系燃料添加手段と、Ｈ2Ｏを排気浄化触媒よりも上流の排気中に添加するＨ2Ｏ添加手段とを有し、排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理が実行されている際、排気浄化触媒の温度が所定温度を越えた場合に水蒸気改質反応により排気浄化触媒の温度を降下させるべく、炭化水素系燃料添加手段およびＨ2Ｏ添加手段により排気浄化触媒よりも上流の排気中に炭化水素系燃料とＨ2Ｏとが供給されることを特徴とする。【選択図】      図１
2007100582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に排気浄化触媒が配置された内燃機関の排気浄化装置において、
炭化水素系燃料を前記排気浄化触媒よりも上流の排気中に添加する炭化水素系燃料添加手段と、
Ｈ2Ｏを前記排気浄化触媒よりも上流の排気中に添加するＨ2Ｏ添加手段と、
を有し、
前記排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理が実行されている際、前記排気浄化触媒の温度が所定温度を越えた場合に水蒸気改質反応により前記排気浄化触媒の温度を降下させるべく、前記炭化水素系燃料添加手段および前記Ｈ2Ｏ添加手段により前記排気浄化触媒よりも上流の排気中に炭化水素系燃料とＨ2Ｏとが添加される、
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記炭化水素系燃料添加手段は、プラズマ改質部を備えるプラズマインジェクタを有する、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】
前記Ｈ2Ｏ添加手段は、Ｈ2Ｏを霧状にして噴出するＨ2Ｏ噴霧インジェクタを有する、ことを特徴とする請求項１または請求項２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、特に、排気浄化性能を維持すべく硫黄被毒回復処理が必要となる排気浄化触媒を有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気浄化性能を維持すべく硫黄被毒回復処理が必要となると考えられる内燃機関の排気浄化触媒の一つに、ＮＯｘ吸蔵還元触媒がある。燃費の向上および排出ガス規制の観点から、ガソリン内燃機関において運転領域の大部分がリーン空燃比で運転される希薄燃焼内燃機関の実用化が進められているとともに、ディーゼル内燃機関の適用範囲が拡大されつつある。ディーゼル内燃機関や希薄燃焼ガソリン内燃機関では、リーン空燃比すなわち空気過剰のもとで燃料が燃焼せしめられるため、不完全な燃焼成分であるＨＣ（炭化水素）およびＣＯ（一酸化炭素）の排出量が少ない反面、ＮＯｘ（窒素酸化物）が多くなり、排出された有害なＮＯｘの放出を妨げる何らかの策を講ずる必要がある。
【０００３】
ＮＯｘの大気中への放出量を低減する一手段として、内燃機関排気系にＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置することが知られている。ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、流入する排気空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＮＯｘを硝酸塩の形態で吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵し、流入する排気空燃比がリッチ空燃比であるときに、吸蔵したＮＯｘを放出する役割を果たすものである。放出されたＮＯｘは、還元成分（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ２）により還元浄化せしめられる。
【０００４】
このようなＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えた排気浄化装置によれば、酸素濃度が高い希薄燃焼の排気中から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とも称す）によって、排気中の酸素濃度を低下させるとともに排気中に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。
【０００５】
しかしながら、このようなＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えた排気浄化装置においては、燃料中の硫黄成分に起因するＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ吸蔵能力の低下、いわゆる硫黄被毒が問題となる。
【０００６】
内燃機関の燃料、例えばガソリンや軽油などの燃料には、硫黄成分が含有している場合が多く、この場合、燃焼後の排気中には、ＳＯ2やＳＯ3などのＳＯｘ（硫黄酸化物）が含まれることになる。排気中にＳＯｘが存在すると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、ＮＯｘの吸蔵を行う一方で、排気中のＳＯｘも硫酸塩の形態で吸蔵することが知られている。
【０００７】
ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯｘは安定していて分解しづらく、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒から脱離しないことが明らかにされている。
【０００８】
このため、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が、排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域、例えば、３００℃〜４５０℃の温度領域で、ＳＯｘを含有する排気に対して使用される場合、ＮＯｘの吸蔵および還元浄化が行われる一方で、ＮＯｘ吸蔵還元触媒にはＳＯｘが分解されず残存する。従って、時間が経過するにつれてＮＯｘ吸蔵還元触媒内のＳＯｘ量が増大することになり、かくして、時間が経過するにつれてＮＯｘ吸蔵還元触媒が吸蔵することができるＮＯｘ量が低下することになり、いわゆる硫黄被毒（またはＳ被毒）の問題が生じる。
【０００９】
一方で、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させることで、例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を６００℃以上に上昇させることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯｘを熱分解させ放出させることができることが明らかにされている。
【００１０】
そこで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備える排気浄化装置においては、硫黄被毒を解消する一つの方法として、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比にしつつＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させる、硫黄被毒回復処理が適用されている。該硫黄被毒回復処理により、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯｘを熱分解し、この熱分解されたＳＯｘのＮＯｘ吸蔵還元触媒への再吸蔵を防止しつつＮＯｘ吸蔵還元触媒からＳＯｘを放出することが可能となる。
【００１１】
このような硫黄被毒回復処理を実施する方法としては、例えば、特開平１０−５４２７４号明細書においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備え且つ硫黄被毒回復処理が適用されている内燃機関の排気浄化装置が示されており、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からＳＯｘを放出させるべくＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させる方法として、点火時期を制御することが示されている。具体的には、点火時期を遅角させることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの温度を上昇させ、硫黄被毒回復処理に適した温度領域になるまで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させることが記載されている。また、ディーゼル内燃機関においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒よりも上流の排気中に軽油を添加することで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度の昇温および硫黄脱離反応を促進し、硫黄被毒回復処理を実行することが知られている。
【００１２】
【特許文献１】特開平１０−５４２７４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述したような硫黄被毒回復処理が適用されているＮＯｘ吸蔵還元触媒を備える内燃機関における一つの課題として、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の耐熱性能に起因する、硫黄被毒回復処理中におけるＮＯｘ吸蔵還元触媒温度の過昇温による触媒の熱劣化が考えられる。
【００１４】
硫黄被毒回復処理実行状態においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からの熱分解によるＳＯｘの放出をもたらすべく、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域（例えば、３００℃〜４５０℃）よりも、相当に高く設定され、例えば約６５０℃に設定されることになる。一方で、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の耐熱温度すなわちＮＯｘ吸蔵還元触媒が熱劣化を起こす温度は、自身の耐熱性能から、約７００℃前後とされる場合がありうる。このような場合、硫黄被毒回復処理実行温度とＮＯｘ吸蔵還元触媒の耐熱温度とに約５０℃の差しかなく、硫黄被毒回復処理実行中においてＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が過昇温されてしまう、すなわち、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が耐熱温度を越えて昇温されてしまう可能性がある。例えば、硫黄被毒回復処理実行中に急な上り坂を走行する場合など、硫黄被毒回復処理実行中に負荷が急激に上昇すると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が耐熱温度を越えて、触媒中の貴金属がシンタリングしてしまったり、ＮＯｘ吸蔵材が触媒中の担体と反応して失活してしまったりする可能性がある。
【００１５】
硫黄被毒回復処理においてＮＯｘ吸蔵還元触媒温度がその耐熱温度を越えて過昇温されてしまう問題を解決する方法として、硫黄被毒回復処理を実行すべくＮＯｘ吸蔵還元触媒よりも上流の排気中に軽油を添加するディーゼル内燃機関においては、排気中への軽油の添加を中断することが考えられる。
【００１６】
しかしながら、この方法では、排気中への還元剤となる軽油の添加が中断されている間は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒上での硫黄被毒脱離反応は促進されず、硫黄被毒回復処理時間のロスが発生してしまうことになる。
【００１７】
本発明は上記課題に鑑み、例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒のような硫黄被毒回復処理を必要とする排気浄化触媒を備えた排気浄化装置において、硫黄被毒回復処理実行中における排気浄化触媒温度の過昇温を抑制しつつ、排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理を促進することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
請求項１の発明によれば、排気通路に排気浄化触媒が配置された内燃機関の排気浄化装置において、炭化水素系燃料を前記排気浄化触媒よりも上流の排気中に添加する炭化水素系燃料添加手段と、Ｈ2Ｏを前記排気浄化触媒よりも上流の排気中に添加するＨ2Ｏ添加手段とを有し、前記排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理が実行されている際、前記排気浄化触媒の温度が所定温度を越えた場合に水蒸気改質反応により前記排気浄化触媒の温度を降下させるべく、前記炭化水素系燃料添加手段および前記Ｈ2Ｏ添加手段により前記排気浄化触媒よりも上流の排気中に炭化水素系燃料とＨ2Ｏとが添加される、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。
【００１９】
すなわち、請求項１の発明では、排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理実行中において排気浄化触媒の温度が所定温度を越えた場合に、該排気浄化触媒のよりも上流の排気中に炭化水素系燃料とＨ2Ｏとを添加し、水蒸気改質反応を排気浄化触媒上で起こさせることで、排気浄化触媒温度を降下させることが可能となる。
【００２０】
水蒸気改質反応は吸熱反応であり、排気浄化触媒上で水蒸気改質反応を起こさせることで、排気浄化触媒温度を降下させることができる。また、水蒸気改質反応の吸熱作用による排気浄化触媒温度降下の定量的な効果を予め把握あるいは推定した上で、水蒸気改質反応を起こさせる際の所定温度を適当に決定することで、排気浄化触媒の耐熱温度を越える過昇温を抑制することが可能となる。これにより、排気浄化触媒の熱劣化を防止することができるとともに、排気浄化触媒中の貴金属のシンタリングや、排気浄化触媒中の担体との反応によるＮＯｘ吸蔵材の失活の防止を図ることが可能となる。
【００２１】
また、炭化水素系燃料の水蒸気改質反応では、反応の結果物として水素（Ｈ2)が生成されるため、該水素を還元剤として排気浄化触媒上での硫黄脱離反応を促進することができ、効率的に硫黄被毒回復処理を実行することが可能となる。硫黄被毒回復処理実行中に排気浄化触媒温度を降下させるために排気中への軽油などの炭化水素系燃料の添加を中断するような排気浄化装置においては、排気浄化触媒温度が所定温度に降下するまでの間、硫黄脱離反応は促進されないこととなるが、水蒸気改質反応を利用する本排気浄化装置においては、排気浄化触媒温度を降下させつつ硫黄脱離反応を促進させることが可能であり、より迅速な硫黄被毒回復処理を実行することが可能となる。
【００２２】
請求項２の発明によれば、前記炭化水素系燃料添加手段は、プラズマ改質部を備えるプラズマインジェクタを有する、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が提供される。
【００２３】
すなわち、請求項２の発明では、排気浄化触媒よりも上流の排気中に炭化水素系燃料を添加する手段として、プラズマ改質部を有するプラズマインジェクタが使用される。あらかじめプラズマインジェクタによりプラズマ改質された炭化水素系燃料は、プラズマ改質されていない炭化水素系燃料よりも還元性が高く、排気浄化触媒上での硫黄脱離反応および水蒸気改質反応を、より促進することができる。これにより、より迅速な硫黄被毒回復処理および排気浄化触媒温度降下を実現することが可能となる。
【００２４】
請求項３の発明によれば、前記Ｈ2Ｏ添加手段は、Ｈ2Ｏを霧状にして噴出するＨ2Ｏ噴霧インジェクタを有する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２５】
すなわち、請求項３の発明では、排気浄化触媒よりも上流の排気中にＨ2Ｏを供給する手段として、Ｈ2Ｏを霧状にして噴出するＨ2Ｏ噴霧インジェクタが使用される。あらかじめ霧状にされ排気中に噴出されるＨ2Ｏは、液体状のＨ2Ｏよりも気化しやすく且つ拡散性を有し、排気浄化触媒上での水蒸気改質反応を、より促進させることができる。これにより、より迅速な排気浄化触媒温度降下を実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
各請求項に記載の発明によれば、適宜に排気浄化触媒上での水蒸気改質反応を起こさせることで、硫黄被毒回復処理実行中における排気浄化触媒温度の過昇温を抑制しつつ、排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理を促進することができ、排気浄化触媒の熱劣化の防止を図ることが可能となるとともに、硫黄被毒回復処理の効率化を図ることが可能となる共通の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。尚、本明細書中の記載の”Ｈ２Ｏ”は、”水”を意図するものである。
図１は、本発明の排気浄化装置を自動車用のディーゼル内燃機関あるいは希薄燃焼ガソリン内燃機関に適用した場合の一実施形態を示す模式図である。
図１において、１０はディーゼル内燃機関あるいは希薄内燃燃焼ガソリン内燃機関の内燃機関本体、１１は排気マニホルド、１２は排気管、１３はＮＯｘ吸蔵還元触媒、をそれぞれ示す。また、図１において、２１はＳＯｘ被毒判定手段、２２は電子制御装置（以下ＥＣＵと称す）、２３はプラズマインジェクタ、２４は第一バルブ、２５は炭化水素系燃料供給部、２６は活性種添加ポート、２７はＨ2Ｏ噴霧インジェクタ、２８は第二バルブ、２９はＨ2Ｏ供給部、３０はＨ2Ｏ添加ポート、３１は発電機、３２はバッテリ、３３は電力供給装置、をそれぞれ示す。
【００２８】
まず、図１に示されたディーゼル内燃機関あるいは希薄燃焼ガソリン内燃機関の基本構成となる内燃機関本体１０、排気マニホルド１１、排気管１２、発電機３１およびバッテリ３２、のそれぞれについて簡単に説明する。
【００２９】
内燃機関本体１０は、ディーゼル内燃機関あるいは運転領域の大部分がストイキよりもリーンな空燃比で運転される希薄燃焼ガソリン内燃機関の内燃機関本体であり、該内燃機関本体１０からの排気の通路となる排気系には、排気マニホルド１１、排気管１２、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が、それぞれ配置される。
排気マニホルド１１は、内燃機関本体１０に連結され、該内燃機関本体１０内に配置されている各気筒からの排気を１本の排気管１２に送り込む役割を果すものである。
発電機３１は、内燃機関本体１０に接続され、該内燃機関本体１０と協働して電気を発生せしめる役割を果すものであり、また、バッテリ３２は、発電機３１と接続されることで、発生せしめられた電気を蓄える役割を果すものである。
【００３０】
次に、図１に示された一実施形態となる内燃機関の排気浄化装置が有する各構成要素について説明する。
図１に示された実施形態における内燃機関の排気浄化装置は、概して、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３、ＳＯｘ被毒判定手段２１、ＥＣＵ２２、プラズマインジェクタ２３、第一バルブ２４、炭化水素系燃料供給部２５、活性種添加ポート２６、Ｈ2Ｏ噴霧インジェクタ２７、第二バルブ２８、Ｈ2Ｏ供給部２９、Ｈ2Ｏ添加ポート３０および電力供給装置３３を有する。
【００３１】
ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３は、該ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に流入する排気中の酸素濃度が高いときに、排気中のＮＯｘを吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵することで排気中からＮＯｘを除去し、該ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に流入する排気中の酸素濃度が低いときに、吸蔵したＮＯｘを放出する機能を有する。放出されたＮＯｘは、排気に含まれる還元成分となるＨＣ、ＣＯ等と反応して還元浄化せしめられる。
【００３２】
このようにＮＯｘ吸蔵還元触媒１３は、該ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に流入する排気中の酸素濃度が高いときに排気中のＮＯｘを吸蔵する一方で、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に流入する排気中にＳＯｘが含まれている場合には、ＮＯｘと同様にＳＯｘも吸蔵することが知られている。内燃機関本体１０に供給される燃料中には硫黄成分が含まれていることが多く、この場合、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に流入する排気中には硫黄分の燃焼により生じたＳＯｘが含まれることになり、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３には、ＮＯｘばかりでなく、ＳＯｘも吸蔵されることになる。
【００３３】
ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に吸蔵されたＳＯｘは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に吸蔵されたＮＯｘと比較して、安定度が高く分解しづらく、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域内でＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が使用されるかぎり、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に吸蔵されたＳＯｘは分解されずにＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に残存することが知られている。従って、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域内でＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が使用されるかぎり、時間が経過するにつれて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３内のＳＯｘ量は増大し、その結果、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が排気中から吸蔵することができるＮＯｘ量は低下することになる。
【００３４】
しかるに、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度を所定の温度以上に、例えば６００℃以上に上昇させ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に流入する排気空燃比をリッチ空燃比とすることで、硫黄被毒脱離反応をもたらすことができることも知られている。すなわち、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度を所定の温度以上に上昇させることで、硝酸塩の形態でＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に吸蔵されたＳＯｘを熱分解させ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３から脱離させ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３から脱離されたＳＯｘを、排気中のＨＣ、ＣＯ、Ｈ2などの還元成分によって還元浄化させることができることが知られている。
【００３５】
図１に示す実施形態の本排気浄化装置は、このことに基づいて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度の昇温のための燃焼反応を促進し且つ硫黄被毒脱離反応を促進すべく、プラズマインジェクタ２３、第一バルブ２４、炭化水素系燃料供給部２５および電力供給装置３３を備える炭化水素系燃料添加手段を有する。
【００３６】
プラズマインジェクタ２３は、反応性の高い活性種をプラズマ改質により炭化水素系燃料から生成し、あらかじめプラズマ改質された反応性の高い活性種をＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気中に添加し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の硫黄被毒を効率的に回復する役割を果すものである。
【００３７】
プラズマインジェクタ２３は、プラズマ改質部を有し、バッテリ３２に接続された電力供給装置３３と協働してプラズマ改質部に電圧を印加することによりプラズマを発生させ、炭化水素系燃料から反応性の高い活性種を生成することができる。プラズマインジェクタ２３により生成された反応性の高い活性種は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気管１２上に配置された活性種添加ポート２６を介して、排気中に添加される。
【００３８】
プラズマインジェクタ２３には、第一バルブ２４を介して、炭化水素系燃料供給部２５が流体連通されている。炭化水素系燃料供給部２５は、プラズマインジェクタ２３に供給する炭化水素系燃料の供給源となる部分である。また、第一バルブ２４は、炭化水素系燃料供給部２５からの炭化水素系燃料のプラズマインジェクタ２３への適宜な供給をもたらす役割を果すものである。炭化水素系燃料供給部２５は、内燃機関を作動すべく内燃機関本体１０に炭化水素系燃料を供給する構成要素と兼用されてもよく、また、内燃機関本体１０に炭化水素系燃料を供給する構成要素とは別個の構成要素として形成されてもよい。
【００３９】
ＳＯｘ被毒判定手段２１は、概して、ＳＯｘ吸蔵量検出手段、ＳＯｘ放出量検出手段およびＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段を有し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３のＳＯｘ被毒状態を推定する機能を有する。また、ＳＯｘ被毒判定手段２１は、ＥＣＵ２２に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に吸蔵されたＳＯｘ量、プラズマインジェクタ２３による硫黄被毒回復処理によりＮＯｘ吸蔵還元触媒１３から放出されたＳＯｘ量、およびＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度の各検出情報を伝達可能に構成されている。
【００４０】
ＳＯｘ吸蔵量検出手段は、流入する排気によりＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に吸蔵されたＳＯｘ量を推定する機能を有する。例えば、ＳＯｘ吸蔵量は、燃料中の硫黄成分の濃度および消費燃料から推定されうる。この場合、ＳＯｘ吸蔵量検出手段は、燃料中の硫黄成分の濃度および消費燃料量のそれぞれを検出する構成要素を有して構成されることになる。
【００４１】
ＳＯｘ放出量検出手段は、プラズマインジェクタ２３による硫黄被毒回復処理によりＮＯｘ吸蔵還元触媒１３から放出あるいは脱離されたＳＯｘ量を推定する機能を有する。例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３からのＳＯｘ放出量は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度および排気空燃比から推定されうる。この場合、ＳＯｘ放出量検出手段は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度および排気空燃比のそれぞれを検出する構成要素を有して構成されることになる。排気空燃比の検出には、排気空燃比センサーが使用されうる。
【００４２】
ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度を推定する機能を有する。ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度は、例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に近接して配置された排気温度センサーにより検出された温度情報に基づいて推定されうる。この場合、ＮＯｘ吸蔵還元触媒検出手段は、排気温度センサーを有して構成される。但し、この場合、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３と排気温度センサーとの間には、多少の隔たりがあり、この隔たりにおける温度勾配を推定すべく、回転負荷、空燃比、熱伝達係数、触媒反応速度等のパラメータを用いて補正が行わることになり、これらの各情報を検出する各構成要素もまた、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を推定するための構成要素となる。
【００４３】
ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３は、その耐熱温度を越えて昇温されると熱劣化を引き起こし、触媒中の貴金属がシンタリングしてしまったり、ＮＯｘ吸蔵材が触媒中の担体と反応して失活してしまったりする可能性がある。そこで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３を高温に昇温する硫黄被毒回復処理の実行においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が耐熱温度を越えて昇温されてしまうことを抑制する何らかの策を講じる必要がある。本排気浄化装置においては、この策として、水蒸気改質反応を活用する。水蒸気改質反応は、炭化水素系燃料（ＣｎＨｍ）と水（Ｈ2Ｏ）とが反応して水素（Ｈ2）と一酸化炭素（ＣＯ）とが生成される反応であるが、この反応は吸熱反応となる。従って、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３上で水蒸気改質反応をもたらすことで、硫黄被毒回復処理実行中におけるＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の過昇温を抑制することができる。また、水蒸気改質反応により生成された水素は硫黄被毒脱離反応を促進し、効率的に硫黄被毒回復処理を実行することが可能となる。
【００４４】
図１に示す実施形態の本排気浄化装置においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３上での水蒸気改質反応をもたらすべく、Ｈ2Ｏ噴霧インジェクタ２７、第二バルブ２８およびＨ2Ｏ供給部２９を備えるＨ2Ｏ添加手段を有する。
【００４５】
Ｈ2Ｏ噴霧インジェクタ２７は、霧状のＨ2ＯをＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気中に添加し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３上での水蒸気改質反応をもたらす役割を果すものである。Ｈ2Ｏ噴霧インジェクタ２７は、Ｈ2Ｏを霧状に噴出させることを可能にするノズル部を有し、該ノズル部から噴出されたＨ2Ｏは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気管１２上に配置されたＨ2Ｏ添加ポート３０を介して、排気中に添加される。
【００４６】
Ｈ2Ｏ噴霧インジェクタ２７には、第二バルブ２８を介して、Ｈ2Ｏ供給部２９が流体連通されている。Ｈ2Ｏ供給部２９は、Ｈ2Ｏ噴霧インジェクタ２７に供給するＨ2Ｏの供給源となる部分である。また、第二バルブ２８は、Ｈ2Ｏ供給部２９からのＨ2ＯのＨ2Ｏ噴霧インジェクタ２７への適宜な供給をもたらす役割を果すものである。Ｈ2Ｏ供給部２９は、Ｈ2Ｏの貯蔵が可能な独立したＨ2Ｏタンクから構成される。また、該Ｈ2Ｏタンク内に貯蔵されるＨ2Ｏは、使用者により適宜補給されてもよく、また、排気中に含まれるＨ2Ｏ成分を活用すべく構成されてもよい。
【００４７】
ＥＣＵ２２は、硫黄被毒回復処理を実行すべく、また必要に応じてＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の過昇温を抑制すべく、ＳＯｘ被毒判定手段２１の各検出情報に基づいて、プラズマインジェクタ２３に電圧を印加する電力供給装置３３、第一バルブ２４および第二バルブ２８の作動を制御する役割を果すものである。また、ＥＣＵ２２はバッテリ３２と接続され、バッテリ３２から電力の供給を受けることができるように構成される。
【００４８】
上述した各構成要素を有する図１に示す実施形態の内燃機関の本排気浄化装置の作用効果について以下に説明する。
図２は、本排気浄化装置が組み入れられた図１に示す内燃機関で実行される硫黄被毒回復処理制御の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。
【００４９】
図２に示す制御ルーチンでは、まず、ＳＯｘ被毒判定手段２１の検出情報に基づいて硫黄被毒回復処理の必要性の有無の判断がなされる。硫黄被毒回復処理が必要でないと判断された場合には本制御ルーチンは終了となるが、硫黄被毒回復処理が必要であると判断された場合には、次に、硫黄被毒回復処理が実行される。硫黄被毒回復処理実行中、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が予め設定された所定温度を越えているか否かが監視される。ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が所定温度を越えて昇温された判断されると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３上での水蒸気改質反応処理が実行され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を所定温度以下に降下させる。この水蒸気改質反応処理は、硫黄被毒回復処理が終了したと判断されるまでの間において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が所定温度を越えたと判断される都度、繰り返し実行される。そして、硫黄被毒回復処理が終了した判断されると、一連の硫黄被毒回復処理制御の制御ルーチンが終了される。
以下に各ステップの詳細について説明する。
【００５０】
まず、ステップ１０１では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に対する硫黄被毒回復処理の必要性の有無の判断がなされる。この判断は、ＳＯｘ被毒判定手段２１の一構成要素となるＳＯｘ吸蔵量検出手段からのＮＯｘ吸蔵還元触媒１３のＳＯｘ吸蔵量の検出情報に基づいてＥＣＵ２２によりなされる。硫黄被毒回復処理の必要性が無いと判断された場合には、本制御ルーチンは終了される。硫黄被毒回復処理の必要性が有ると判断された場合には、続くステップ１０２およびステップ１０３に進む。
【００５１】
ステップ１０２およびステップ１０３においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度の昇温のための燃焼反応を促進し且つＮＯｘ吸蔵還元触媒１３上での硫黄被毒脱離反応を促進すべく、プラズマインジェクタ２３による炭化水素系燃料からの反応性の高い活性種の生成がなされ、硫黄被毒回復処理が実行される。具体的には、まず、ＥＣＵ２２により第一バルブ２４および電力供給装置３３が制御され、炭化水素系燃料供給部２５からプラズマインジェクタ２３のプラズマ改質部に炭化水素系燃料が供給され、プラズマインジェクタ２３に電圧が印加され、炭化水素系燃料へのプラズマ改質なされ、反応性の高い活性種の生成がなされる。そして、あらかじめ炭化水素系燃料のプラズマ改質により生成された活性種は、活性種添加ポート２６を介して、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気中に添加され、これにより硫黄被毒回復処理が実行される。
【００５２】
ステップ１０２およびステップ１０３にて硫黄被毒回復処理が開始されると、続くステップ１０４に進み、ＳＯｘ被毒判定手段の一構成要素となるＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段からの検出情報に基づいてＥＣＵ２２により、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が監視され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が予め設定された所定温度を越えているか否かの判断がなされる。ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が所定温度以下であると判断された場合には、続くステップ１０７に進み硫黄被毒回復処理が継続して実行されるが、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が所定温度を越えて昇温されていると判断されると、続くステップ１０５およびステップ１０６に進み、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３上での水蒸気改質反応処理が実行されることになる。水蒸気改質反応処理を実行するか否かの判断基準として設定される所定温度は、水蒸気改質反応の吸熱作用によるＮＯｘ吸蔵還元触媒温度降下の定量的な効果を予め把握あるいは推定した上で、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が耐熱温度を越えないようにすべく適当に設定され、これにより、排気浄化触媒の耐熱温度を越える過昇温を抑制することが可能となる。
【００５３】
ステップ１０５およびステップ１０６においては、硫黄被毒脱離反応を中断させることなくＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を降下させるべく、プラズマインジェクタ２３による排気中へのプラズマ改質された炭化水素系燃料の添加がなされつつ、Ｈ2Ｏ噴霧インジェクタ２７により、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気中への霧状のＨ2Ｏの添加がなされ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３上での水蒸気改質反応処理が実行される。この水蒸気改質反応処理は、硫黄被毒回復処理が終了したと判断されるまでの間において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が所定温度を越えたと判断される都度、繰り返し実行される。
【００５４】
具体的には、まず、ＥＣＵ２２により第二バルブ２８が制御され、Ｈ2Ｏ供給部２９からＨ2Ｏ噴霧インジェクタ２７にＨ2Ｏが供給され、Ｈ2Ｏ添加ポート３０を介して、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気中にＨ2Ｏ噴霧インジェクタ２７により霧状とされたＨ2Ｏが添加される。これにより、プラズマインジェクタ２３により炭化水素系燃料からプラズマ改質された反応性高いＨＣ活性種と、Ｈ2Ｏ噴霧インジェクタ２７により噴霧されたＨ2ＯとによるＮＯｘ吸蔵還元触媒１３上で水蒸気改質反応をもたらすことができ、該水蒸気改質反応の吸熱作用によりＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を降下させることが可能となる。
【００５５】
また、水蒸気改質反応は、その反応の結果物として水素を生成するため、硫黄被毒脱離反応を促進することができる。このように、水蒸気改質反応処理が実行可能に構成された本排気浄化装置は、硫黄被毒回復処理実行中に排気浄化触媒温度を降下させるために排気中への還元剤の添加を中断するような排気浄化装置と比較して、硫黄被毒脱離反応を中断させることなくＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を降下させることができるため、より迅速で効率的な硫黄被毒回復処理の実行を図ることが可能となる。
【００５６】
ステップ１０４において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が所定温度以上に過昇温されていないことが確認されると、ステップ１０７に進み硫黄被毒回復処理が継続され、続くステップ１０８に進む。ステップ１０８においては、ステップ１０２からステップ１０７にて実行された硫黄被毒回復処理および必要に応じて実行された水蒸気改質反応処理により、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の硫黄被毒回復処理が終了したか否かの判断がなされる。この判断は、ＳＯｘ被毒判定手段２１の一構成要素となるＳＯｘ放出量検出手段からのＳＯｘ放出量情報にもとづいてＥＣＵ２２によりなされる。硫黄被毒回復処理が終了していないと判断された場合は、再びステップ１０２に戻り、プラズマインジェクタ２３による炭化水素系燃料のプラズマ改質処理が実行され、また、必要に応じてＨ2Ｏ噴霧インジェクタ２７による水蒸気改質反応処理が実行され、硫黄被毒回復処理が終了したと判断されるまでこれらの処理が繰り返し実行される。そして、ステップ１０８において、硫黄被毒回復処理が終了したと判断されると、次に、ステップ１０９に進み、プラズマインジェクタ２３への電力供給装置３３による電圧の印加がＥＣＵ２２により中止され、本硫黄被毒回復処理制御の制御ルーチンは終了する。
【００５７】
以上、図１および図２を参照して、本発明に係る排気浄化装置の構成および該排気浄化装置による硫黄被毒回復処理制御の制御ルーチンの一実施形態について述べてきたが、本排気浄化装置において最も留意すべき特徴は、硫黄被毒回復処理を必要とする例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒のような排気浄化触媒よりも上流の排気中に、炭化水素系燃料およびＨ2Ｏのそれぞれを添加する炭化水素系燃料添加手段とＨ2Ｏ添加手段とを本排気浄化触媒が有することである。これにより、硫黄被毒回復処理中に、排気浄化触媒上で水蒸気改質反応処理を実行することができ、硫黄被毒回復処理実行中における排気浄化触媒温度の過昇温を抑制しつつ、排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理を促進することが可能となることである。これにより、排気浄化触媒の熱劣化の防止を図ることが可能となるとともに、迅速で効率的な硫黄被毒回復処理の実行を図ることが可能となる。
【００５８】
尚、本実施形態においては、炭化水素系燃料を排気浄化触媒よりも上流の排気中に添加する炭化水素系燃料添加手段は、より反応性の高い活性種を排気中に添加すべく炭化水素系燃料のプラズマ改質が可能なプラズマインジェクタを有して構成されているが、プラズマ改質されていない炭化水素系燃料を排気中に添加することでも、硫黄被毒回復処理および水蒸気改質反応処理を実行することは可能である。従って、炭化水素系燃料添加手段は、プラズマインジェクタの代わりに、プラズマ改質部を有さない一般的なインジェクタを有するように構成されてもよく、あるいは、排気浄化触媒よりも下流の排気の一部を該排気浄化触媒よりも上流の排気中に再循環させる排気循環装置を有するように構成されてもよい。
【００５９】
炭化水素系燃料添加手段がプラズマインジェクタ２３を有する利点は、あらかじめプラズマインジェクタ２３によりプラズマ改質され、気化あるいは微粒子化された炭化水素系燃料を、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度の昇温のための燃焼反応、硫黄被毒脱離反応および水蒸気改質反応をもたらすべくＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気に添加させることが可能となることである。
【００６０】
例えばディーゼル内燃機関において、硫黄被毒回復処理を実行する一手段として、排気中に軽油などの液体炭化水素系燃料を噴霧することが知られている。液体燃料は、噴霧してもすぐには反応せず、ＮＯｘ吸蔵還元触媒などの排気浄化触媒や配管で気化してから燃焼反応を開始するため、燃料噴霧と酸化燃焼反応開始との間にタイムラグが生じる可能性がある。また、液体燃料は、気化された燃料あるいは微粒子化された燃料と比較して拡散性が低いため、排気浄化触媒上での反応促進領域が限定される可能性がある。
【００６１】
これに対して、炭化水素系燃料添加手段がプラズマインジェクタを有する場合においては、あらかじめ気化あるいは微粒子化された還元性の高い改質燃料を排気中に添加することができるため、排気浄化触媒上での燃焼反応の促進、硫黄被毒脱離反応の促進および硫黄被毒回復処理可能温度範囲の低温化を可能とし、硫黄被毒回復処理可能温度への到達時間および硫黄被毒回復処理時間の短縮化を図ることが可能となる。よって、硫黄被毒回復処理に費やすトータル時間を短縮化することを可能とする。これにより、燃費の向上を図ることが可能となる。また、硫黄被毒回復処理にかかる時間が短縮されることは、排気浄化触媒が高温にさらされる時間が短縮されることとなり、硫黄被毒回復処理の際に排気浄化触媒が受ける高熱に起因する排気浄化触媒の耐久性能劣化を抑制でき、触媒浄化能力の維持を図ることを可能とする。
【００６２】
また、硫黄被毒回復処理を実行する一手段として、排気自体をプラズマ改質することで硫黄被毒回復処理の効率化を図ることが知られているが、この場合、排気自体の容量が大きいためにプラズマ改質するためには多大なエネルギーの投入が必要となることが考えられる。これに対して、炭化水素系燃料添加手段としてプラズマインジェクタを有する図１に示された実施形態の本排気浄化装置においては、プラズマ改質する炭化水素系燃料量をＥＣＵ２２と第一バルブ２４とが協働して制御でき、且つ、あらかじめ気化あるいは微粒子化された還元性の高い改質燃料を排気中に添加することができるため、容量の大きい排気自体をプラズマ改質する場合と比較して、効率的に硫黄被毒回復処理を実行することが可能となる。
【００６３】
本実施形態においては、Ｈ2Ｏを排気浄化触媒よりも上流の排気中に添加するＨ2Ｏ添加手段は、排気中に霧状のＨ2Ｏを噴霧することができるＨ2Ｏ噴霧インジェクタ２７を有して構成されているが、霧状にされていない液体状のＨ2Ｏを排気中に添加することでも、水蒸気改質反応処理を実行することは可能である。従って、Ｈ2Ｏ添加手段は、Ｈ2Ｏ噴霧インジェクタ２７の代わりに、Ｈ2Ｏを霧状にするノズル部を有さない一般的な配管を有するように構成されてもよい。
【００６４】
Ｈ2Ｏ添加手段がＨ2Ｏ噴霧インジェクタ２７を有する利点は、霧状にされたＨ2Ｏを排気中に添加することができることであり、液体状のＨ2Ｏが排気中に添加される場合と比較して、Ｈ2Ｏが気化しやすく、Ｈ2Ｏの添加と水蒸気改質反応との間のタイムラグを少なくすることができる。また、霧状のＨ2Ｏは、液体状のＨ2Ｏと比較して拡散性がよく、排気浄化触媒上での水蒸気改質反応領域が限定されることなく広い範囲にわたり水蒸気改質反応をもたらすことが可能性となる。
【００６５】
また、本実施形態においては、排気浄化性能を維持すべく硫黄被毒回復処理が必要となる排気浄化触媒としてＮＯｘ吸蔵還元触媒１３を示したが、硫黄被毒回復処理を必要とする他の排気浄化触媒にも本排気浄化装置の適用は可能である。更に、本実施形態においては、炭化水素系燃料を排気中に添加すべく排気管１２上に配置された活性種添加ポート２６は、Ｈ2Ｏを排気中に添加すべく排気管１２上に配置されたＨ2Ｏ添加ポート３０よりも上流に配置されているが、活性種添加ポート２６およびＨ2Ｏ添加ポート３０は、それらのいずれもが硫黄被毒回復処理が必要な排気浄化触媒１３よりも上流に配置されていればよく、Ｈ2Ｏ添加ポート３０が活性種添加ポート２６よりも上流に配置されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の排気浄化装置を自動車用のディーゼル内燃機関あるいは希薄燃焼ガソリン内燃機関に適用した場合の一実施形態を示す模式図である。
【図２】本排気浄化装置が組み入れられた図１に示す内燃機関で実行される硫黄被毒回復処理制御の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００６７】
１０    内燃機関本体
１１    排気マニホルド
１２    排気管
１３    ＮＯｘ吸蔵還元触媒
２１    ＳＯｘ被毒判定手段
２２    ＥＣＵ
２３    プラズマインジェクタ
２４    第一バルブ
２５    炭化水素系燃料供給部
２６    活性種添加ポート
２７    Ｈ2Ｏ噴霧インジェクタ
２８    第二バルブ
２９    Ｈ2Ｏ供給部
３０    Ｈ2Ｏ添加ポート
３１    発電機
３２    バッテリ
３３    電力供給装置
【図１】
2007100582.tif 000003
【図２】
2007100582.tif 000004