(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、当該排気通路を流通する排気の空燃比を排気空燃比として、当該排気空燃比をリーンにしたときに、排気中のＮＯｘを吸着もしくは吸蔵し、前記排気空燃比をリッチにしたときに、前記吸着もしくは吸蔵したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、
前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒の上流側に設けられた導入口から、当該排気通路内に供給する燃料改質器と、
前記排気空燃比をリッチ化することでＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ再生処理を実行する再生手段と、を備え、
前記再生手段は、
前記内燃機関の要求トルクが所定のトルク判定値より小さいか否かを判定するトルク判定手段と、
前記トルク判定手段により前記要求トルクが前記トルク判定値より小さいと判定された場合には、前記燃料改質器により製造された還元性気体を前記排気通路内に供給することで前記排気空燃比をリッチ化する第１リッチ化手段と、
前記トルク判定手段により前記要求トルクが前記トルク判定値以上であると判定された場合には、前記燃料改質器により製造された還元性気体を前記排気通路内に供給することなく前記排気空燃比をリッチ化する第２リッチ化手段と、を有し、
前記第１リッチ化手段及び前記第２リッチ化手段は、それぞれ、所定の第１排気空燃比目標値及び第２排気空燃比目標値に一致するように前記排気空燃比を制御するとともに、
前記第１排気空燃比目標値は、前記第２排気空燃比目標値よりも大きく、
前記第２リッチ化手段は、前記内燃機関の燃料噴射量を調整することで、前記第２排気空燃比目標値に一致するように前記排気空燃比を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】
前記燃料改質器により製造された還元性気体は、大気圧より高い圧力であり、かつ、体積比で水素よりも一酸化炭素を多く含む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】
前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に導入する際において、当該排気通路を流通する排気には酸素が含まれることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記排気通路のうち前記導入口と前記ＮＯｘ浄化触媒との間を流通する排気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記トルク判定値は、前記内燃機関の回転数に基づいて決定されることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記第１リッチ化手段は、前記燃料改質器による還元性気体の供給量を調整することで、前記第１排気空燃比目標値に一致するように前記排気空燃比を制御することを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記第１リッチ化手段及び前記第２リッチ化手段により前記排気空燃比をリッチ化する際において、前記内燃機関の吸入空気量、排気還流率、及び過給圧を制御する吸気制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記内燃機関が、その減速運転に伴い燃料の噴射が停止された状態であるか否かを判定する減速判定手段をさらに備え、
前記第１リッチ化手段は、前記減速判定手段により前記燃料の噴射が停止された状態であると判定された場合には、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に供給することで前記排気空燃比をリッチ化し、
前記吸気制御手段は、前記減速判定手段により前記燃料の噴射が停止された状態であると判定された場合には、前記吸入空気量を最小にする制御及び前記排気還流率を最大にする制御のうち少なくとも１つを行うことを特徴とする請求項７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。詳しくは、排気中のＮＯｘを吸着又は吸蔵し、この吸着又は吸蔵したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化触媒を備える内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
また、本発明において、「リッチ」という用語は、問題とする燃料の空気／燃料比率（以下、「空燃比」という）が化学量論的な空燃比よりも小さいことを示し、「リーン」という用語は、問題とする燃料の空燃比が上述の化学量論的な空燃比よりも大きいことを示す。また、以下の説明では、エンジンへ流入する混合気における空気と燃料の重量比をエンジン空燃比といい、排気管内の空気と可燃性気体との重量比を排気空燃比という。
【背景技術】
【０００３】
内燃機関の排気系にＮＯｘ（窒素酸化物）浄化触媒を設けることにより、排気中のＮＯｘを吸収して、ＮＯｘの排出量を低減する技術は、従来より知られている。一方、内燃機関から排出される排気中には、燃料やエンジンオイル中の硫黄成分が含まれている。このような硫黄成分がＮＯｘ浄化触媒に蓄積すると触媒が被毒し、ＮＯｘ浄化性能が低下してしまう。そこで、このようなＮＯｘ浄化触媒の被毒により浄化性能が低下するのを防止することを目的として、以下のような複数の技術が提案されている。
【０００４】
最も一般的な方法は、所定の時間に亘って排気空燃比を化学量論比よりも低くするとともに、ＮＯｘ浄化触媒を高温にすることで、ＮＯｘ浄化触媒に付着した硫黄成分を浄化する再生処理を実行することである。
ここで、再生処理を実行する際に、排気空燃比を制御する方法としては、エンジンの吸入空気量を低減しかつトルクに寄与する燃料噴射（以下、「主噴射」という）量を調整することで排気空燃比を低くする（以下、「リッチ化する」という）方法（以下、「燃焼リッチによる方法」という）や、トルクに寄与しない燃料噴射（以下、「ポスト噴射」という）を行い未燃の燃料を排気通路に流すことで排気空燃比をリッチ化する方法（以下、「ポストリッチによる方法」という）とがある。また、この他、排気通路に燃料を直接噴射する方法（以下、「排気噴射による方法」という）も知られている。
【０００５】
この他、特許文献１には、水素や一酸化炭素などを含む還元性気体を改質反応により製造する燃料改質器をＮＯｘ浄化触媒の上流に設けた排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置によれば、ＮＯｘ浄化触媒の再生処理を実行する際に、燃料改質器により製造された水素を排気に添加することで硫黄成分の除去を促進する。
ここで、燃料改質器の改質触媒における改質反応としては、例えば、下記式（１）に示すような炭化水素の部分酸化反応により、水素と一酸化炭素とを含むガスを製造する反応が知られている。
ＣｎＨｍ＋１／２ｎＯ２→ｎＣＯ＋１／２ｍＨ２  （１）
この部分酸化反応は、燃料と酸素を用いた発熱反応であり、自発的に反応が進行する。このため、一旦、反応が始まると、外部から熱の供給をすることなく水素の製造し続けることができる。また、このような部分酸化反応において、燃料と酸素とを高温状態で共存させた場合には、下記式（２）に示すような燃焼反応も改質触媒において進行する。
ＣｎＨｍ＋（ｎ＋１／４ｍ）Ｏ２→ｎＣＯ２＋１／２ｍＨ２Ｏ  （２）
改質反応としては、部分酸化反応の他、下記式（３）のような水蒸気改質反応も知られている。
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋１／２ｍ）Ｈ２  （３）
この水蒸気改質反応は、燃料と水蒸気とを用いた吸熱反応であり、自発的に進行する反応ではない。このため、水蒸気改質反応は、上述の部分酸化反応に対して制御しやすいものとなっている。その反面、外部からの熱供給などのエネルギーを投入することが必要である。
【０００６】
特許文献２には、プラズマ発生装置により炭化水素と水蒸気から水素を製造して、この水素をＮＯｘ浄化触媒に添加することで排気中のＮＯｘを浄化するとともに、ＳＯ２の酸化を抑制することでこの硫黄成分がＮＯｘ浄化触媒に付着するのを防止する排気浄化装置が提案されている。
【０００７】
また、特許文献３には、水素を燃料として使用するエンジンの排気浄化装置において、水素とガソリンをＮＯｘ浄化触媒の温度に応じて選択的に供給することで、効率的かつ短時間でＮＯｘ浄化触媒の再生処理を実行するものが提案されている。
【特許文献１】特許第３８９６９２３号公報
【特許文献２】特開２００４−２７０５８７号公報
【特許文献３】特開２００６−３０７６７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、以上のような技術には、以下のような課題がある。
まず、ＮＯｘ浄化触媒の再生処理において、排気噴射の方法により排気空燃比を制御すると、未燃燃料が直接ＮＯｘ浄化触媒やその他の触媒に接触してしまい、酸素雰囲気では、触媒表面の温度が局所的に高温となり、シンタリングなど触媒が劣化してしまうおそれがある。また、燃料が液滴状態で触媒に接触すると、この接触部分は気化潜熱により触媒表面の温度が局所的に低下してしまい、コーキングが発生するおそれもある。特に、排気温度が低い場合に排気噴射を行うと、排気噴射により供給した燃料の気化潜熱により排気温度がさらに低下してしまい、液状の燃料が排気通路に溜まり、触媒が劣化したり、排気系の部品が腐食したりするおそれがある。
【０００９】
また、ＮＯｘ浄化触媒の再生処理において、ポスト噴射の方法により排気空燃比を制御すると、シリンダの壁面に噴射した燃料の一部が付着し、この燃料がエンジンオイルに混入する場合がある。このような場合、噴射した燃料は硫黄成分の浄化に寄与しないばかりか、この燃料によりエンジンオイルが希釈されてしまう所謂オイルダイリューションが発生するおそれがある。
【００１０】
また、ＮＯｘ浄化触媒の再生処理において、燃焼リッチの方法により排気空燃比を制御する場合、例えば、低負荷運転時など吸入空気量を大幅に低減する必要がある状態が継続すると、燃焼が不安定になるおそれがある。このため、アイドル運転や減速運転に移行した場合には、その度に排気空燃比をリーンに戻す必要がある。
ところで、ＮＯｘ浄化触媒は、排気空燃比がリーンのときに排気中の酸素を吸着する機能を有する。このため、排気空燃比をリーンからリッチに切り換えた直後には、排気中の還元剤がリーン中に吸着した酸素と反応してしまい、ＮＯｘ浄化触媒に付着した硫黄成分を脱離しにくくなる。したがって、上述のように排気空燃比をリーンに戻す頻度が増えてしまうと、これに伴い、硫黄を脱離させるための制御が余分に必要となってしまい、ＮＯｘ浄化触媒が劣化したり、燃費が悪化したりするおそれがある。
【００１１】
特許文献１の排気浄化装置のように、燃料改質器を排気通路に設けた場合には、以下のような課題がある。
すなわち、燃料改質器を排気通路に設けることで、ＮＯｘ浄化触媒の上流側の熱容量が増加してしまうため、エンジンを始動してからＮＯｘ浄化触媒が活性温度に達するまでの時間が長くなってしまう。このため、特にエンジン始動直後におけるＮＯｘ浄化性能が低下するおそれがある。そこで、これを回避するために昇温装置を設けることも考えられるが、コストがかかるおそれがある。
また、排気量が常時変動する排気通路に燃料改質器を設けた場合において、この燃料改質器で効果的に水素を製造するためには、燃料改質器の改質触媒と排気とが接する反応時間を増やす必要がある。しかしながら、このように反応時間を増やすためには、改質触媒を大型化する必要があり、コストがかかるおそれがある。
また、燃料改質器を安定した状態で運転するには、この燃料改質器の改質触媒における反応温度を一定に保つ必要がある。しかしながら、上述のように、酸素量、水蒸気量、流速、及び温度が常に変化する排気通路に燃料改質器を設けると、燃料改質器を安定した状態で運転することが困難になってしまう。
【００１２】
特許文献２の排気浄化装置では、プラズマを発生させて水素を常時製造する必要があるため、燃費が悪化するおそれがある。
また、特許文献３の排気浄化装置では、水素とガソリンを別々に供給するために複数の燃料タンクを設ける必要がある。このため、装置が大型化したり、メンテナンス性が低下したり、制御が複雑になったりするおそれがある。
【００１３】
本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、ＮＯｘ浄化触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、運転状態によらず安定してＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ再生処理を実行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する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の排気通路（４，５）に設けられ、当該排気通路を流通する排気の空燃比を排気空燃比として、当該排気空燃比をリーンにしたときに、排気中のＮＯｘを吸着もしくは吸蔵し、前記排気空燃比をリッチにしたときに、前記吸着もしくは吸蔵したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化触媒（３３）を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒の上流側に設けられた導入口（１４）から、当該排気通路内に供給する燃料改質器（５０）と、前記排気空燃比をリッチ化することでＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ再生処理を実行する再生手段（４０）と、を備え、前記再生手段は、前記内燃機関の要求トルク（ＴＲＱ）が所定のトルク判定値（ＴＲＱＴＨ）より小さいか否かを判定するトルク判定手段（４０）と、前記トルク判定手段により前記要求トルクが前記トルク判定値より小さいと判定された場合には、前記燃料改質器により製造された還元性気体を前記排気通路内に供給することで前記排気空燃比をリッチ化する第１リッチ化手段（４０）と、前記トルク判定手段により前記要求トルク（ＴＲＱ）が前記トルク判定値（ＴＲＱＴＨ）以上であると判定された場合には、前記燃料改質器により製造された還元性気体を前記排気通路内に供給することなく前記排気空燃比をリッチ化する第２リッチ化手段（４０）と、を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器により製造された還元性気体は、大気圧より高い圧力であり、かつ、体積比で水素よりも一酸化炭素を多く含むことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に導入する際において、当該排気通路を流通する排気には酸素が含まれることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路のうち前記導入口と前記ＮＯｘ浄化触媒との間を流通する排気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段（２３）をさらに備えることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記トルク判定値（ＴＲＱＴＨ）は、前記内燃機関の回転数（ＮＥ）に基づいて決定されることを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項１から５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第１リッチ化手段及び前記第２リッチ化手段は、それぞれ、所定の第１排気空燃比目標値（ＡＦＡＴＶ）及び第２排気空燃比目標値（ＡＦＢＴＶ）に一致するように前記排気空燃比（ＡＦ）を制御するとともに、前記第１排気空燃比目標値は、前記第２排気空燃比目標値よりも大きいことを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第１リッチ化手段は、前記燃料改質器による還元性気体の供給量を調整することで、前記第１排気空燃比目標値（ＡＦＡＴＶ）に一致するように前記排気空燃比（ＡＦ）を制御することを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項６又は７に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第２リッチ化手段は、前記内燃機関の燃料噴射量を調整することで、前記第２排気空燃比目標値（ＡＦＢＴＶ）に一致するように前記排気空燃比（ＡＦ）を制御することを特徴とする。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、請求項１から８の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第１リッチ化手段及び前記第２リッチ化手段により前記排気空燃比をリッチ化する際において、前記内燃機関の吸入空気量、排気還流率、及び過給圧を制御する吸気制御手段をさらに備えることを特徴とする。
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記内燃機関が、その減速運転に伴い燃料の噴射が停止された状態であるか否かを判定する減速判定手段（４０）をさらに備え、前記第１リッチ化手段は、前記減速判定手段により前記燃料の噴射が停止された状態であると判定された場合には、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に供給することで前記排気空燃比をリッチ化し、前記吸気制御手段は、前記減速判定手段により前記燃料の噴射が停止された状態であると判定された場合には、前記吸入空気量を最小にする制御及び前記排気還流率を最大にする制御のうち少なくとも１つを行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に記載の発明によれば、ＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ再生処理を実行する際、要求トルクが所定のトルク判定値より小さいと判定した場合には、還元性気体を排気通路内に供給することで排気空燃比をリッチ化し、要求トルクがトルク判定値以上であると判定した場合には、還元性気体を排気通路内に供給することなく排気空燃比をリッチ化する。これにより、要求トルクが所定のトルク判定値より小さい場合であっても、還元性気体でリッチ化することにより、排気空燃比を化学量論比以下に維持することができる。つまり、上述のように燃焼リッチの方法により排気空燃比を制御する場合、特に低負荷運転時においては、排気空燃比を化学量論比以下に維持することが難しい。この発明によれば、燃焼リッチの方法によりＳＯｘ再生処理を行う場合と比較して、ＳＯｘ再生処理にかかる時間を短縮し、ＮＯｘ浄化触媒の劣化や燃費の悪化を軽減できる。したがって、運転状態によらず、安定してＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ再生処理を実行できる。
また、このように還元性気体を用いることにより、排気噴射やポスト噴射などのように未燃燃料を供給することなく排気空燃比を制御できる。これにより、上述のようなコーキングの発生、排気通路の触媒及び部品の劣化や腐食、燃費の悪化、及びオイルダイリューションの発生などの課題を回避することができる。
また、還元性気体に含まれる一酸化炭素や水素の分子径は、排気噴射やポスト噴射により供給される炭化水素の分子径と比較して小さい。このため、ＮＯｘ浄化触媒の上流側に、排気中のパティキュレート（以下、「ＰＭ」という）を捕集するＤＰＦを設け、例えば、このＤＰＦに大量のＰＭが堆積した場合であっても、ＤＰＦの下流側のＮＯｘ浄化触媒まで、還元性気体を供給してＳＯｘ再生処理を実行できる。
また、燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、ＮＯｘ浄化触媒の上流の熱容量を増加することなく、還元性気体を供給することができる。これにより、エンジン始動直後などの低温時におけるＮＯｘ浄化性能を低下することなくＳＯｘ再生処理を実行できる。
また、還元性気体を製造する燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、ＳＯｘ再生処理の実行時期を、内燃機関の状態と独立して決めることができる。したがって、内燃機関を常に最適な状態で制御しつつ、必要に応じてＳＯｘ再生処理を適宜実行することができる。また、燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、内燃機関の運転状態や、排気の酸素濃度及び水蒸気濃度などによらず、常に最適な効率で還元性気体を製造できるとともに、この還元性気体を排気通路内に供給することができる。
一方、燃料改質器を排気通路内に設けた場合には、排気の成分、温度、流速に影響することなく運転できるように、燃料改質器を大型にする必要があるが、この発明によれば、燃料改質器を排気通路とは別に設けることで、装置を大型にすることなく安定した運転を行うことができる。また、燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、内燃機関の制御とは別系統の制御を行うことで、燃料改質器が備える触媒を早期に活性化することも可能となる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、還元性気体には水素よりも一酸化炭素が多く含まれる。また触媒上で一酸化炭素が燃焼を開始する温度は、水素が燃焼を開始する温度よりも低温である。ＳＯｘ再生処理において、このような一酸化炭素を含む還元性気体を供給することで、ＮＯｘ浄化触媒を速やかに昇温しＳＯｘの浄化を促進することができる。
また、大気圧より高い圧力の還元性気体を製造することにより、余分な装置を追加することなく、製造した還元性気体を排気通路内に供給できる。
請求項４に記載の発明によれば、導入口とＮＯｘ浄化触媒との間を流通する酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を設けた。これにより、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の酸素濃度を所定の目標値に精度よく制御することができる。また、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の酸素濃度を制御することで、ＮＯｘ浄化触媒の過昇温を防止することもできる。また、このような過昇温を防止する制御を行うことにより、ＳＯｘ再生処理の立ち上がりを速くすること、すなわち、ＮＯｘ浄化触媒を所定の目標温度まで速やかに昇温することが可能となる。
請求項５に記載の発明によれば、内燃機関の回転数に基づいてトルク判定値を決定する。これにより、ＳＯｘ再生処理を実行する際において還元性気体を排気通路に供給してリッチ化するか否かの判断を、内燃機関の状態に応じてより適切に判断することができる。
【００２０】
請求項６に記載の発明によれば、第１リッチ化手段及び第２リッチ化手段によりリッチ化する場合、それぞれ、第１排気空燃比目標値及び第２排気空燃比目標値に一致するように排気空燃比を制御する。また、ここで、第１排気空燃比目標値は第２排気空燃比目標値よりも大きい。これにより、還元性気体を供給する場合と供給しない場合とで、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気を、ＳＯｘ再生処理を行うために適した排気空燃比に制御することができる。
請求項７に記載の発明によれば、還元性気体を供給することで排気空燃比をリッチ化する場合、還元性気体の供給量を調整することで、第１排気空燃比目標値に一致するように排気空燃比を制御する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気を、ＳＯｘ再生処理を行うために適した排気空燃比に制御することができる。
請求項８に記載の発明によれば、還元性気体を供給することなく排気空燃比をリッチ化する場合、燃料噴射量を調整することで、第２排気空燃比目標値に一致するように排気空燃比を制御する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気を、ＳＯｘ再生処理を行うために適した排気空燃比に制御することができる。
【００２１】
請求項９に記載の発明によれば、ＳＯｘ再生処理を実行する際には、吸入空気量、排気還流率、及び過給圧を制御する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気を、ＳＯｘ再生処理を行うために適した排気空燃比に制御することができる。
請求項１０に記載の発明によれば、内燃機関が、その減速運転に伴い燃料の噴射が停止された状態、所謂減速フューエルカットを行っている場合には、吸入空気量を最小にする制御及び排気還流率を最大にする制御のうち少なくとも１つを行い、さらに、還元性気体を供給することで排気空燃比をリッチ化する。これにより、減速フューエルカットを行いながら、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を化学量論比以下に維持し、ＳＯｘ再生処理を継続することができる。したがって、ＳＯｘ再生処理にかかる時間をさらに短縮しかつ燃費の悪化を軽減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、各気筒７の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒７には図示しない燃料噴射弁が設けられている。これら燃料噴射弁は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）４０により電気的に接続されており、燃料噴射弁の開弁時間及び閉弁時間は、ＥＣＵ４０により制御される。
【００２３】
エンジン１には、吸気が流通する吸気管２と、排気が流通する排気管４と、排気管４内の排気の一部を吸気管２に還流する排気還流通路６と、吸気管２に吸気を圧送する過給機８とが設けられている。
【００２４】
吸気管２は、吸気マニホールド３の複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒７の吸気ポートに接続されている。排気管４は、排気マニホールド５の複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒７の排気ポートに接続されている。排気還流通路６は、排気マニホールド５から分岐し吸気マニホールド３に至る。
【００２５】
過給機８は、排気管４に設けられた図示しないタービンと、吸気管２に設けられた図示しないコンプレッサと、を備える。タービンは、排気管４を流通する排気の運動エネルギにより駆動される。コンプレッサは、タービンにより回転駆動され、吸気を加圧し吸気管２内へ圧送する。また、タービンは、図示しない複数の可変ベーンを備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービンのベーン開度は、ＥＣＵ４０により電磁的に制御される。
【００２６】
吸気管２のうち過給機８の上流側には、エンジン１の吸入空気量ＧＡを制御するスロットル弁９が設けられている。このスロットル弁９は、アクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。また、吸気管２のうち過給機８の下流側には、過給機８により加圧された吸気を冷却するためのインタークーラ１１が設けられている。
【００２７】
排気還流通路６は、排気マニホールド５と吸気マニホールド３とを接続し、エンジン１から排出された排気の一部を還流する。排気還流通路６には、還流される排気を冷却するＥＧＲクーラ１２と、還流する排気の流量を制御するＥＧＲ弁１３と、が設けられている。ＥＧＲ弁１３は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その弁開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。
【００２８】
排気管４のうち過給機８の下流側には、排気を浄化するＮＯｘ浄化触媒３３が設けられている。
ＮＯｘ浄化触媒３３は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、セリア（ＣｅＯ２）、及びセリウムと希土類の複合酸化物（以下、「セリア系複合酸化物」という）の担体に担持された、触媒として作用する白金（Ｐｔ）と、ＮＯｘ吸着能力を有するセリアもしくはセリア系複合酸化物と、触媒に生成されたアンモニア（ＮＨ３）を、アンモニウムイオン（ＮＨ４＋）として保持する機能を有するゼオライトとを備える。
【００２９】
本実施形態では、ＮＯｘ浄化触媒３３として、触媒担体に２つの層からなるＮＯｘ還元触媒を担持させることによって形成されたものを用いる。
ＮＯｘ還元触媒の下層は、白金を４．５（ｇ／Ｌ）と、セリアを６０（ｇ／Ｌ）と、アルミナを３０（ｇ／Ｌ）と、Ｃｅ−Ｐｒ−Ｌａ−Ｏｘを６０（ｇ／Ｌ）と、Ｚｒ−Ｏｘを２０（ｇ／Ｌ）と、で構成される材料を水系媒体とともにボールミルに投入して攪拌、混合することでスラリーを製造し、このスラリーを触媒担体にコーティングして形成される。
また、ＮＯｘ還元触媒の上層は、β型のゼオライトに鉄（Ｆｅ）及びセリウム（Ｃｅ）をイオン交換したものを７５（ｇ／Ｌ）と、アルミナを７（ｇ／Ｌ）と、バインダーを８（ｇ／Ｌ）と、で構成される材料を、水系媒体とともにボールミルに投入して攪拌、混合することでスラリーを製造し、このスラリーを上述の下層にコーティングして形成される。
【００３０】
ＮＯｘ浄化触媒３３の吸着アンモニア量が少なくなると、ＮＯｘの浄化能力が低下するので、適宜ＮＯｘを還元するために、ＮＯｘ浄化触媒３３への還元剤の供給（以下「還元化」という）が行われる。この還元化では、例えば、燃料噴射弁から噴射される燃料量の増量とスロットル弁９による吸入空気量ＧＡの減量とによってエンジン１の燃焼室内の混合気の空燃比（エンジン空燃比）を化学量論比よりリッチ側にすることにより、還元剤をＮＯｘ浄化触媒３３に供給する。すなわち、エンジン１から排出される排気の空燃比（排気空燃比）をリッチ化することにより、ＮＯｘ浄化触媒３３へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より高くなり、還元化が実行される。
【００３１】
このＮＯｘ浄化触媒３３におけるＮＯｘの浄化について説明する。
先ず、エンジン空燃比を化学量論比よりリーン側に設定し、いわゆるリーンバーン運転を行うと、ＮＯｘ浄化触媒３３へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より低くなる。その結果、排気中の一酸化窒素（ＮＯ）と酸素（Ｏ２）とが触媒の作用で反応し、ＮＯ２としてセリアもしくはセリア系複合酸化物に吸着される。また、酸素と反応していない一酸化炭素（ＣＯ）も、セリアもしくはセリア系複合酸化物に吸着される。
【００３２】
次に、エンジン空燃比を化学量論比よりリッチ側に設定するいわゆるリッチ運転を行い、排気空燃比をリッチ化する。すなわち、排気中の還元剤濃度を酸素濃度より高くする還元化を実行すると、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）が水（Ｈ２Ｏ）と反応して、二酸化炭素（ＣＯ２）と水素（Ｈ２）が生成され、また排気中の炭化水素（ＨＣ）が水と反応して、一酸化炭素（ＣＯ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）とともに、水素が生成される。またさらに、排気中に含まれるＮＯｘ、及びセリアもしくはセリア系複合酸化物（及び白金）に吸着されているＮＯｘ（ＮＯ，ＮＯ２）と、生成された水素とが触媒の作用で反応し、アンモニア（ＮＨ３）及び水が生成される。また、ここで生成されたアンモニアは、アンモニウムイオン（ＮＨ４＋）の形でゼオライトに吸着される。
【００３３】
次に、エンジン空燃比を化学量論比よりリーン側に設定するリーンバーン運転を行い、ＮＯｘ浄化触媒３３へ流入する排気中の還元剤濃度を、酸素濃度より低い側に設定すると、セリアもしくはセリア系複合酸化物にＮＯｘが吸着される。さらにゼオライトにアンモニウムイオンが吸着した状態では、排気中のＮＯｘ及び酸素と、アンモニアとが反応して、窒素（Ｎ２）と水が生成される。
このように、ＮＯｘ浄化触媒３３によれば、還元剤供給中に生成されるアンモニアがゼオライトに吸着され、リーンバーン運転中に吸着したアンモニアがＮＯｘと反応するので、ＮＯｘの浄化を効率よく行うことができる。
【００３４】
また、排気管４のうちＮＯｘ浄化触媒３３の上流側には、燃料ガスを改質して、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）を含む改質ガスを製造する燃料改質器５０が接続されている。この燃料改質器５０は、製造した改質ガスを還元ガスとして、排気管４のうちＮＯｘ浄化触媒３３の上流側に形成された導入口１４から、排気管４内に供給する。
【００３５】
燃料改質器５０は、排気管４にその一端側が接続されたガス通路５１と、このガス通路５１の他端側から燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置５２と、ガス通路５１に設けられた改質触媒としての改質触媒５３と、を含んで構成される。
【００３６】
燃料ガス供給装置５２は、燃料タンクに貯留された燃料と、コンプレッサにより供給された空気とを所定の割合で混合して燃料ガスを製造し、この燃料ガスをガス通路５１に供給する。この燃料ガス供給装置５２は、ＥＣＵ４０に接続されており、燃料ガスの供給量及びその混合比は、ＥＣＵ４０により制御される。また、この燃料ガスの供給量を制御することで、排気管４に供給される還元ガスの供給量（単位時間当りに排気管４内に供給される還元ガスの量）を制御することが可能となっている。
【００３７】
改質触媒５３は、ロジウム及びセリアを含む。この改質触媒５３は、燃料ガス供給装置５２から供給された燃料ガスを改質し、水素、一酸化炭素、及び炭化水素を含む改質ガスを製造する触媒である。より具体的には、この改質触媒５３は、燃料ガスを構成する炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により、大気圧よりも高い圧力であり、かつ、体積比で水素よりも一酸化炭素を多く含む改質ガスを製造する。また、上述のように部分酸化反応は発熱反応である。これにより、燃料改質器５０は、排気管４のうち導入口１４付近における排気よりも高い温度の還元性気体を、排気管４内に供給することが可能となる。
【００３８】
本実施形態では、この改質触媒５３として、セリア及びロジウムの粉末を、セリアに対するロジウムの質量比が１％となるように秤量し、この粉末を水系媒体とともにボールミルに投入して攪拌・混合することでスラリーを製造し、このスラリーをＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金製の担体にコーティングした後、これを６００℃で２時間に亘り乾燥・焼成して調製されたものを用いる。
【００３９】
また、この改質触媒５３には、グロープラグやスパークプラグなどを含んで構成された図示しない加熱ヒータが接続されており、燃料改質器５０の始動とともに、改質触媒５３を加熱することが可能となっている。また、この燃料改質器５０は、排気管４とは別に設けられている。すなわち、燃料改質器５０の燃料ガス供給装置５２及び改質触媒５３は、排気管４内には設けられていない。
【００４０】
ＥＣＵ４０には、エンジン１のクランク軸の回転角度を検出するクランク角度位置センサ（図示せず）、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量ＡＰを検出するアクセルセンサ（図示せず）、エンジン１の吸入空気量ＧＡ（単位時間当りにエンジン１に新規に吸入される空気量）を検出するエアフローメータ２１、及び排気管４のうち導入口１４とＮＯｘ浄化触媒３３との間を流通する排気の酸素濃度、すなわち排気空燃比ＡＦを検出するＵＥＧＯセンサ２３が接続されており、これらセンサの検出信号は、ＥＣＵ４０に供給される。
ここで、エンジン１の回転数ＮＥは、クランク角度位置センサの出力に基づいて、ＥＣＵ４０により算出される。また、エンジン１の要求トルクＴＲＱは、アクセルペダルの踏み込み量ＡＰに基づいて、ＥＣＵ４０により算出される。
【００４１】
ＥＣＵ４０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ４０は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、燃料改質器５０、スロットル弁９、ＥＧＲ弁１３、過給機８、及びエンジン１の燃料噴射弁などに制御信号を出力する出力回路とを備える。
【００４２】
エンジン１は、通常はエンジン空燃比が化学量論比よりもリーン側に設定して運転され、排気空燃比を化学量論比よりもリッチ側に設定することでＮＯｘ浄化触媒に吸着したＳＯｘを浄化するＳＯｘ再生処理が周期的に実行される。
【００４３】
図２は、ＥＣＵによるＳＯｘ再生処理の手順を示すフローチャートである。図２に示すように、ＳＯｘ再生処理は、燃料改質器により製造された還元ガスを供給することで排気空燃比をリッチ化する第１リッチ化制御と、エンジン空燃比を制御することで排気空燃比をリッチ化する第２リッチ化制御とを、所定の条件に応じて選択的に実行可能となっている。
【００４４】
ステップＳ１では、ＳＯｘ再生処理を実行するか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ２に移り、ＮＯの場合には直ちにこの処理を終了する。ここで、ＳＯｘ再生処理を実行するか否かの判断は、例えば、ＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ被毒量や、ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化率などに基づいて行う。
【００４５】
ステップＳ２では、エンジンが、その減速運転に伴い燃料の噴射が停止された減速フューエルカット状態であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ６に移り、ＮＯの場合にはステップＳ３に移る。
ステップＳ３では、エンジンが低負荷運転状態であるか否か、すなわち要求トルクＴＲＱが、所定のトルク判定値ＴＲＱＴＨより小さいか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ４に移り、ＮＯの場合にはステップＳ５に移る。
図３は、トルク判定値ＴＲＱＴＨとエンジン回転数ＮＥとの関係を示す図である。
図３に示すように、トルク判定値ＴＲＱＴＨはエンジンの回転数ＮＥに基づいて決定される。また、要求トルクＴＲＱがこのトルク判定値ＴＲＱＴＨよりも小さい場合には低負荷運転状態であると判定し第１リッチ化制御を実行し、要求トルクＴＲＱがトルク判定値ＴＲＱＴＨ以上である場合には、通常運転状態であると判定し第２リッチ化制御を実行する。
【００４６】
図２に戻って、ステップＳ４では、図示しない第１リッチ化制御用の制御マップに基づいて、吸入空気量、排気還流率、及び過給圧を制御し、ステップＳ９に移る。
ステップＳ５では、図示しない第２リッチ化制御用の制御マップに基づいて、吸入空気量、排気還流率、及び過給圧を制御し、ステップＳ７に移る。
ステップＳ６では、減速フューエルカット状態であると判定されたことに応じて、スロットル弁を全閉して吸入空気量を最小にするとともに、ＥＧＲ弁を全開して排気還流率を最大にし、ステップＳ７に移る。
【００４７】
ステップＳ７では、第１リッチ化制御を実行する際における排気空燃比の目標値である第１排気空燃比目標値ＡＦＡＴＶを設定し、ステップＳ８に移る。ここで、この第１排気空燃比目標値ＡＦＡＴＶは、後述の第２排気空燃比目標値ＡＦＢＴＶよりも大きな値に設定する。
ステップＳ８では、燃料改質器により製造された還元ガスを排気管内に供給することで排気空燃比をリッチ化する第１リッチ化制御を実行し、この処理を終了する。より具体的には、この第１リッチ化制御では、還元ガスを供給するとともに、ＵＥＧＯセンサにより検出された排気空燃比ＡＦが第１排気空燃比目標値ＡＦＡＴＶに一致するように、この還元ガスの供給量を調整する。
またここで、還元ガスを排気管内に供給する際において、この排気管を流通する排気には酸素が含まれていることが好ましい。
【００４８】
ステップＳ９では、第２リッチ化制御を実行する際における排気空燃比の目標値である第２排気空燃比目標値ＡＦＢＴＶを設定し、ステップＳ１０に移る。
ステップＳ１０では、エンジン空燃比をリッチにすることで排気空燃比をリッチ化する第２リッチ化制御を実行し、この処理を終了する。より具体的には、この第２リッチ化制御では、ＵＥＧＯセンサにより検出された排気空燃比ＡＦが第２排気空燃比目標値ＡＦＢＴＶに一致するように、燃料噴射量を調整する。
【００４９】
以上詳述したように、本実施形態によれば、ＮＯｘ浄化触媒３３のＳＯｘ再生処理を実行する際、要求トルクＴＲＱがトルク判定値ＴＲＱＴＨより小さいと判定した場合には、還元ガスを排気管４内に供給することで排気空燃比をリッチ化し、要求トルクＴＲＱがトルク判定値ＴＲＱＴＨ以上であると判定した場合には、還元ガスを排気管２内に供給することなく排気空燃比をリッチ化する。これにより、要求トルクＴＲＱがトルク判定値ＴＲＱＴＨより小さい場合であっても、還元ガスでリッチ化することにより、排気空燃比を化学量論比以下に維持することができる。つまり、上述のように燃焼リッチの方法により排気空燃比を制御する場合、特に低負荷運転時において排気空燃比を化学量論比以下に維持することが難しい。本実施形態によれば、燃焼リッチの方法によりＳＯｘ再生処理を行う場合と比較して、ＳＯｘ再生処理にかかる時間を短縮し、ＮＯｘ浄化触媒３３の劣化や燃費の悪化を軽減できる。したがって、運転状態によらず、安定してＮＯｘ浄化触媒３３のＳＯｘ再生処理を実行できる。
また、このように還元ガスを用いることにより、排気噴射やポスト噴射などのように未燃燃料を供給することなく排気空燃比を制御できる。これにより、上述のようなコーキングの発生、排気管４の触媒及び部品の劣化や腐食、燃費の悪化、及びオイルダイリューションの発生などの課題を回避することができる。
また、還元ガスに含まれる一酸化炭素や水素の分子径は、排気噴射やポスト噴射により供給される炭化水素の分子径と比較して小さい。このため、ＮＯｘ浄化触媒３３の上流側にＤＰＦを設け、例えば、このＤＰＦに大量のＰＭが堆積した場合であっても、ＤＰＦの下流側のＮＯｘ浄化触媒３３まで、還元ガスを供給してＳＯｘを浄化することができる。
また、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることにより、ＮＯｘ浄化触媒３３の上流の熱容量を増加することなく、還元ガスを供給することができる。これにより、エンジン始動直後などの低温時におけるＮＯｘ浄化性能を低下することなくＳＯｘ再生処理を行うことができる。
また、還元ガスを製造する燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることにより、ＳＯｘ再生処理の実行時期を、エンジン１の状態と独立して決めることができる。したがって、エンジン１を常に最適な状態で制御しつつ、必要に応じてＳＯｘ再生処理を適宜実行することができる。また、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることにより、エンジン１の運転状態や、排気の酸素濃度及び水蒸気濃度などによらず、常に最適な効率で還元ガスを製造できるとともに、この還元ガスを排気管４内に供給することができる。
一方、燃料改質器５０を排気管４内に設けた場合には、排気の成分、温度、流速に影響することなく運転できるように、燃料改質器５０を大型にする必要があるが、本実施形態によれば、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることで、装置を大型にすることなく安定した運転を行うことができる。また、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることにより、エンジン１の制御とは別系統の制御を行うことで、改質触媒５３を早期に活性化することも可能となる。
【００５０】
また、本実施形態によれば、還元ガスには水素よりも一酸化炭素が多く含まれる。また触媒上では、一酸化炭素が燃焼を開始する温度は、水素よりも低温である。ＳＯｘ再生処理において、このような一酸化炭素を含む還元性気体を供給することで、ＮＯｘ浄化触媒３３を速やかに昇温しＳＯｘの浄化を促進することができる。
また、大気圧より高い圧力の還元性気体を製造することにより、余分な装置を追加することなく、製造した還元性気体を排気管４内に供給できる。
また、本実施形態によれば、導入口１４とＮＯｘ浄化触媒３３との間を流通する酸素濃度を検出するＵＥＧＯセンサ２３を設けた。これにより、ＮＯｘ浄化触媒３３に流入する排気の酸素濃度を所定の目標値に精度よく制御することができる。また、ＮＯｘ浄化触媒３３に流入する排気の酸素濃度を制御することで、ＮＯｘ浄化触媒３３の過昇温を防止することもできる。また、このような過昇温を防止する制御を行うことにより、ＳＯｘ再生処理の立ち上がりを速くすること、すなわち、ＮＯｘ浄化触媒３３を所定の目標温度まで速やかに昇温することが可能となる。
また、本実施形態によれば、回転数ＮＥに基づいてトルク判定値ＴＲＱＴＨを決定する。これにより、ＳＯｘ再生処理を実行する際において還元ガスを排気管４に供給してリッチ化するか否かの判断を、エンジン１の状態に応じてより適切に判断することができる。
【００５１】
また、本実施形態によれば、第１リッチ化制御及び第２リッチ化制御を実行する場合、それぞれ、第１排気空燃比目標値ＡＦＡＴＶ及び第２排気空燃比目標値ＡＦＢＴＶに一致するように排気空燃比ＡＦを制御する。また、ここで、ＡＦＡＴＶはＡＦＢＴＶよりも大きい。これにより、還元ガスを供給する場合と供給しない場合とで、ＮＯｘ浄化触媒３３に流入する排気を、ＳＯｘ再生処理を行うために適した排気空燃比に制御することができる。
また、本実施形態によれば、第１リッチ化制御を実行する場合、還元ガスの供給量を調整することで第１排気空燃比目標値ＡＦＡＴＶに一致するように排気空燃比ＡＦを制御し、第２リッチ化制御を実行する場合、燃料噴射量を調整することで第２排気空燃比目標値ＡＦＢＴＶに一致するように排気空燃比ＡＦを制御する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒３３に流入する排気を、ＳＯｘ再生処理を行うために適した排気空燃比に制御することができる。
【００５２】
また、本実施形態によれば、ＳＯｘ再生処理を実行する際には、吸入空気量、排気還流率、及び過給圧を制御する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒３３に流入する排気を、ＳＯｘ再生処理を行うために適した排気空燃比に制御することができる。
また、本実施形態によれば、エンジン１が、減速フューエルカットを行っている場合には、スロットル弁９を全閉し、ＥＧＲ弁１３を全開にする制御のうち少なくとも１つを行い、さらに、還元ガスを供給することで排気空燃比をリッチ化する。これにより、減速フューエルカットを行いながら、ＮＯｘ浄化触媒３３に流入する排気の排気空燃比を化学量論比以下に維持し、ＳＯｘ再生処理を継続することができる。したがって、ＳＯｘ再生処理にかかる時間をさらに短縮しかつ燃費の悪化を軽減できる。
【００５３】
本実施形態では、ＥＣＵ４０が再生手段、トルク判定手段、第１リッチ化手段、第２リッチ化手段、吸気制御手段、及び減速判定手段を構成する。より具体的には、図２のステップＳ１〜Ｓ１０に係る手段が再生手段に相当し、ステップＳ３に係る手段がトルク判定手段に相当し、ステップＳ７，Ｓ８に係る手段が第１リッチ化手段に相当し、ステップＳ９，Ｓ１０に係る手段が第２リッチ化手段に相当し、ステップＳ４〜Ｓ６に係る手段が吸気制御手段に相当し、ステップＳ２に係る手段が減速判定手段に相当する。
【００５４】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、本発明をディーゼル内燃機関に適用した例を示したが、本発明はガソリン内燃機関にも適用可能である。また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進用エンジンなどの排気浄化装置にも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】前記実施形態に係るＥＣＵによるＳＯｘ再生処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】前記実施形態に係るトルク判定値とエンジン回転数との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…エンジン（内燃機関）
４…排気管（排気通路）
５…排気マニホールド（排気通路）
１４…導入口
３３…ＮＯｘ浄化触媒
４０…電子制御ユニット（再生手段、トルク判定手段、第１リッチ化手段、第２リッチ化手段、吸気制御手段、減速判定手段）
５０…燃料改質器
【図１】
0005006805.tif 000002
【図２】
0005006805.tif 000003
【図３】
0005006805.tif 000004