(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、
前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒より上流側に設けられ、還元性気体を用いて排気中のＮＯｘを連続的に還元する触媒コンバータと、
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浄化触媒及び前記触媒コンバータ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、
前記内燃機関の吸気通路に設けられた吸気量制御弁と、
前記排気通路を流通する排気の一部を前記吸気通路に還流する排気還流通路に設けられた排気還流量制御弁と、
前記吸気通路を流通する吸気を加圧する過給機と、
前記排気空燃比をリーンに設定する間において、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に供給するとともに、前記吸気量制御弁、前記排気還流量制御弁、及び前記過給機のうち少なくとも１つを制御して、前記排気通路を流通する排気の排気流量を調整する制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
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、
前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒より上流側に設けられ、還元性気体を用いて排気中のＮＯｘを連続的に還元する触媒コンバータと、
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浄化触媒及び前記触媒コンバータ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、
前記内燃機関の吸気通路に設けられた吸気量制御弁と、
前記排気通路を流通する排気の一部を前記吸気通路に還流する排気還流通路に設けられた排気還流量制御弁と、
前記吸気通路を流通する吸気を加圧する過給機と、
前記排気空燃比をリーンに設定する間において、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に供給するとともに、前記吸気量制御弁、前記排気還流量制御弁、及び前記過給機のうち少なくとも１つを制御して、前記排気通路を流通する排気の排気空燃比を調整する制御手段と、を備えることを特徴とする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製造された還元性気体は、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】
前記触媒コンバータの温度を第１触媒温度として、当該第１触媒温度を推定又は検出する第１温度推定手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記第１温度推定手段により推定又は検出された第１触媒温度が、所定の第１判定温度より低い場合には、前記第１触媒温度が前記第１判定温度に達するまで、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第１活性化手段を有することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記ＮＯｘ浄化触媒の温度を第２触媒温度として、当該第２触媒温度を推定又は検出する第２温度推定手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記第１温度推定手段により推定又は検出された第１触媒温度が前記第１判定温度に達した後、前記第２温度推定手段により推定又は検出された第２触媒温度が、所定の第２判定温度より低い場合には、前記第２触媒温度が前記第２判定温度に達するまで、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第２活性化手段を有することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記第１活性化手段により還元性気体を供給する間において前記排気通路を流通する排気の流量は、前記第２活性化手段により還元性気体を供給する間において前記排気通路を流通する排気の流量よりも多いことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記第１活性化手段により還元性気体を供給する間における還元性気体の供給量は、前記第２活性化手段により還元性気体を供給する間における還元性気体の供給量より少ないことを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記第２活性化手段は、前記第１温度推定手段により推定又は検出された第１触媒温度が高くなるに従い、前記排気通路内に供給される還元性気体の供給量を多くすることを特徴とする請求項５から７の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
前記燃料改質器により還元性気体を供給している間において、前記触媒コンバータに流入する排気の排気空燃比は常に化学量論比以上であることを特徴とする請求項１から８の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
前記燃料改質器は、炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により、一酸化炭素を主成分とする還元性気体を製造することを特徴とする請求項１から９の何れか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。
【０００３】
また、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とがある。
【背景技術】
【０００４】
従来より、排気に含まれる窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という）を浄化する技術が知られている。
例えば、特許文献１，２及び非特許文献１には、排気通路にＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、「ＬＮＴ」という）を設け、排気が酸素過剰となるリーン運転時に、排気を酸化触媒に通してＮＯｘをアルカリ金属又はアルカリ土類金属などと反応させて吸蔵し、排気の酸素濃度が低くなるリッチ運転時に、吸蔵したＮＯｘを還元する排気浄化装置が示されている。この排気浄化装置では、リーン運転とリッチ運転とを繰り返すことで、ＮＯｘの吸蔵とＮＯｘの還元とを周期的に行うことができる。
【０００５】
また、例えば非特許文献２には、排気が酸素過剰となるリーン運転時にＮＯｘを触媒上に吸着し、次にリーン運転を行い排気中の酸素濃度が低い状態を周期的につくるとともに、一酸化炭素を周期的に合成し供給することで、リーン運転時に吸着したＮＯｘを周期的に還元する方法が示されている。
【０００６】
より具体的には、この非特許文献２に示された方法では、先ず、排気が酸素過剰となるリーン運転時に、下記式（１）〜（３）により、排気中に存在する一酸化窒素及び二酸化窒素を触媒に吸着させる。
ＮＯ→ＮＯ（吸着）             （１）
２ＮＯ＋Ｏ２→２ＮＯ２            （２）
ＮＯ２→ＮＯ２（吸着）            （３）
次に、リッチ運転を行うとともに、一酸化炭素を合成する。ここで合成された一酸化炭素は、酸素分圧が低い環境において、下記式（４）に示す水性ガスシフト反応により水素を生成する。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２          （４）
さらに、この水素が還元雰囲気において一酸化窒素と反応してアンモニアが生成され、下記式（５）により、このアンモニアが触媒に吸着される。
５Ｈ２＋２ＮＯ→２ＮＨ３（吸着）＋２Ｈ２Ｏ    （５）
以上のようにして一酸化炭素により生成されたアンモニアを最終還元剤として、下記式（６）〜（８）により、排気中のＮＯｘ又は触媒に吸着したＮＯｘが還元される。
４ＮＨ３＋４ＮＯ＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ    （６）
２ＮＨ３＋ＮＯ２＋ＮＯ→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ    （７）
８ＮＨ３＋６ＮＯ２→７Ｎ２＋１２Ｈ２Ｏ      （８）
【０００７】
ところで、エンジン始動直後など、ＬＮＴが所定の活性温度に達するまでの間には、ＬＮＴにおいてＮＯｘが還元されずに流出してしまう場合がある。ＬＮＴを速く昇温するために、エンジンのアイドル回転数を上昇したり、主噴射時期を遅角化したりする方法が知られているが、この方法によれば燃費が悪化するおそれがある。
そこで、例えば特許文献３には、燃費の悪化を抑制しながらＮＯｘ浄化率を最適にするＬＮＴの昇温方法が示されている。
【０００８】
この他、例えば特許文献４には、排気通路にＬＮＴを設け、さらにこのＬＮＴの上流に、炭化水素燃料を改質して水素や一酸化炭素を含む還元性気体を製造する燃料改質器を設けた排気浄化システムが示されている。特にこの排気浄化システムでは、体積比で一酸化炭素よりも水素が大きくなる様な還元性気体を製造する燃料改質器が用いられる。このシステムによれば、ＬＮＴの上流側から水素を含む還元性気体を排気中に添加することで、排気中のＮＯｘを選択的に還元することが可能となる。
【０００９】
ここで、例えば炭化水素燃料から還元性気体を製造する方法としては、例えば、下記式（９）に示すように、酸化剤として酸素を用いた部分酸化反応が知られている。
ＣｎＨｍ＋１／２ｎＯ２→ｎＣＯ＋１／２ｍＨ２    （９）
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を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（１０）に示すような燃焼反応も進行する。
ＣｎＨｍ＋（ｎ＋１／４ｍ）Ｏ２→ｎＣＯ２＋１／２ｍＨ２Ｏ    （１０）
また、酸化剤として水蒸気を用いた、下記式（１１）に示す水蒸気改質反応が知られている。
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋１／２ｍ）Ｈ２  （１１）
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。
【特許文献１】特許第２５８６７３８号公報
【特許文献２】特許第２６００４９２号公報
【特許文献３】特開２００５−２９０５号公報
【特許文献４】特許第３６４２２７３号公報
【非特許文献１】「ＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒システムの開発」自動車技術会論文集  Vol.26,  No.4,  October  1995
【非特許文献２】”A NOx  Reduction  System  Using  Ammonia  Storage-  Selective  Catalytic  Reduction  in  Rich  and  Lean  Poerations”，15  Aachener  Kolloquium  Fahrzeug-  und  Motorentechnik  2006  p．259−270
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、例えば上述の特許文献１，２，３及び非特許文献１，２に示されたように、エンジンのリーン運転とリッチ運転と繰り返す場合には、特に始動直後などの冷機時において、以下のような課題がある。
例えば、排気空燃比をリッチにするために吸入空気量を低減すると、エンジンが低温の状態では燃焼が不安定になる場合がある。また例えば、排気空燃比をリッチにするためにポスト噴射を実行すると、噴射した燃料の一部がエンジンオイルに混入する所謂オイルダイリューションが発生するおそれがある。特に冷機時には燃料が気化しにくいため、このようなオイルダイリューションが進行するおそれがある。また、ポスト噴射後の排気に含まれる還元剤のほとんどは未燃の炭化水素であるため、特に冷機時には酸化しにくく、炭化水素が排気通路の下流へ流出してしまうおそれがある。
【００１１】
また、特許文献４の排気浄化システムは、上述の特許文献１，２，３に示されたものとは異なり、基本的には、リーン運転及びリッチ運転によらず酸素過剰の排気中に水素、一酸化炭素、及び炭化水素を添加するものである。
【００１２】
しかしながら、この排気浄化システムのように、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。
【００１３】
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、上述の特許文献４の排気浄化システムのように、酸素量及び水蒸気量が常に変化する排気通路に燃料改質器を設けると、温度を一定に保てないため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。
【００１４】
また、特許文献４に示された排気浄化システムのように、排気通路に燃料改質器を設けることで、この燃料改質器からの放熱で、ＬＮＴを昇温することもできるが、十分ではない。そこで、燃料改質器を大型にすることも考えられるが、そのような場合は、燃費のロスも大きくなってしまい、また、炭化水素がそのまま排出されるおそれもある。
【００１５】
本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、排気通路に設けられた触媒を、その活性温度まで速やかに昇温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】
【００１６】
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、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒より上流側に設けられ、還元性気体を用いて排気中のＮＯｘを連続的に還元する触媒コンバータ（３１）と、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浄化触媒及び前記触媒コンバータ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、前記内燃機関の吸気通路（２，３）に設けられた吸気量制御弁（９）と、前記排気通路を流通する排気の一部を前記吸気通路に還流する排気還流通路（６）に設けられた排気還流量制御弁（１３）と、前記吸気通路を流通する吸気を加圧する過給機（８）と、前記排気空燃比をリーンに設定する間において、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に供給するとともに、前記吸気量制御弁、前記排気還流量制御弁、及び前記過給機のうち少なくとも１つを制御して、前記排気通路を流通する排気の排気流量を調整する制御手段（４０）と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
上記目的を達成するため請求項２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、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒より上流側に設けられ、還元性気体を用いて排気中のＮＯｘを連続的に還元する触媒コンバータ（３１）と、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浄化触媒及び前記触媒コンバータ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、前記内燃機関の吸気通路（２，３）に設けられた吸気量制御弁（９）と、前記排気通路を流通する排気の一部を前記吸気通路に還流する排気還流通路（６）に設けられた排気還流量制御弁（１３）と、前記吸気通路を流通する吸気を加圧する過給機（８）と、前記排気空燃比をリーンに設定する間において、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に供給するとともに、前記吸気量制御弁、前記排気還流量制御弁、及び前記過給機のうち少なくとも１つを制御して、前記排気通路を流通する排気の排気空燃比を調整する制御手段（４０）と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
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製造された還元性気体は、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ことを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒コンバータの温度を第１触媒温度（ＴＴＷＣ）として、当該第１触媒温度を推定又は検出する第１温度推定手段（２６，４０）をさらに備え、前記制御手段は、前記第１温度推定手段により推定又は検出された第１触媒温度が、所定の第１判定温度（ＴＡＴＨ）より低い場合には、前記第１触媒温度が前記第１判定温度に達するまで、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第１活性化手段（４０，５０）を有することを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度を第２触媒温度（ＴＬＮＣ）として、当該第２触媒温度を推定又は検出する第２温度推定手段（２７，４０）をさらに備え、前記制御手段は、前記第１温度推定手段により推定又は検出された第１触媒温度（ＴＴＷＣ）が前記第１判定温度（ＴＡＴＨ）に達した後、前記第２温度推定手段により推定又は検出された第２触媒温度（ＴＬＮＣ）が、所定の第２判定温度（ＴＢＴＨ）より低い場合には、前記第２触媒温度が前記第２判定温度に達するまで、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第２活性化手段（４０，５０）を有することを特徴とする。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第１活性化手段により還元性気体を供給する間において前記排気通路を流通する排気の流量（ＧＥＡＴＶ）は、前記第２活性化手段により還元性気体を供給する間において前記排気通路を流通する排気の流量（ＧＥＢＴＶ）よりも多いことを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第１活性化手段により還元性気体を供給する間における還元性気体の供給量（ＧＲＧＡＴＶ）は、前記第２活性化手段により還元性気体を供給する間における還元性気体の供給量（ＧＲＧＢＴＶ）より少ないことを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項５から７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２活性化手段は、前記第１温度推定手段により推定又は検出された第１触媒温度（ＴＴＷＣ）が高くなるに従い、前記排気通路内に供給される還元性気体の供給量（ＧＲＧＢＴＶ）を多くすることを特徴とする。
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、前記燃料改質器により還元性気体を供給している間において、前記触媒コンバータに流入する排気の排気空燃比は常に化学量論比以上であることを特徴とする。
請求項１０に記載の発明は、請求項１から９の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器は、炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により、一酸化炭素を主成分とする還元性気体を製造することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載の発明によれば、ＮＯｘ浄化触媒の上流側に触媒コンバータを設け、さらに、水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を、この触媒コンバータの上流側から供給する。このように、低温の酸化反応性に優れる水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を供給することにより、例えば内燃機関の始動直後であっても、触媒コンバータを速やかにその活性温度まで昇温することができる。また、排気空燃比をリーンに設定する間において、このような還元性気体を供給することにより、酸素濃度、水素濃度、及び一酸化炭素濃度が高い排気を触媒コンバータに供給することができる。したがって、触媒コンバータにおける酸化反応を低温から実現することができる。
以上のように、還元性気体を供給して触媒コンバータを昇温することにより、低温時に吸入空気量を低減したりポスト噴射を実行したりすることで発生する上述の課題、すなわち、燃費の悪化、オイルダイリューションの発生、内燃機関の燃焼の不安定化などを回避することができる。
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、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。また、燃料改質器を排気通路とは別に設けることで、内燃機関の運転状態など必要に応じて還元性気体を供給することが可能となる。
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、請求項１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。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の効果を奏することができる。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、還元性気体には体積比で水素よりも一酸化炭素の方が多く含まれる。一酸化炭素は水素よりも低温で触媒燃焼する。このような一酸化炭素を含む還元性気体を触媒コンバータに供給することにより、この触媒コンバータを低温から効果的に昇温することができる。また、このような還元性気体の供給に合わせて、触媒コンバータに一酸化炭素を多く吸着するパラジウムやロジウムなどを含ませることにより、この触媒コンバータをより効果的に昇温することができる。
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。
【００２３】
請求項４に記載の発明によれば、触媒コンバータの温度が所定の第１判定温度に達するまで、燃料改質器により製造された還元性気体を触媒コンバータの上流側に供給する。ここで例えば、第１判定温度を触媒コンバータの活性温度に設定することにより、触媒コンバータを活性温度まで速やかに昇温することができる。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、触媒コンバータが第１判定温度に達した後は、ＮＯｘ浄化触媒が第２判定温度に達するまで還元性気体を供給する。ここで例えば、第１判定温度を触媒コンバータの活性温度に設定すると、触媒コンバータが活性温度に達した後は、この触媒コンバータにおける酸化反応で排気の温度を上昇させ、これにより触媒コンバータの下流に設けたＮＯｘ浄化触媒を速やかに昇温することができる。
【００２５】
請求項６に記載の発明によれば、触媒コンバータの温度が第１判定温度に達するまでの間における排気の流量は、触媒コンバータの温度が第１判定温度に達した後における排気の流量よりも多い。すなわち、触媒コンバータの温度が第１判定温度に達した後に、排気の流量を絞ることにより、触媒コンバータにおける酸化反応を促進して、排気の温度をさらに上昇させることができる。これにより、触媒コンバータの下流側のＮＯｘ浄化触媒を速やかに昇温できる。
【００２６】
請求項７に記載の発明によれば、触媒コンバータの温度が第１判定温度に達するまでの間における還元性気体の供給量は、触媒コンバータの温度が第１判定温度に達した後における還元性気体の供給量よりも少ない。すなわち、触媒コンバータの温度が第１判定温度に達した後に、還元性気体の供給量を多くすることにより、触媒コンバータにおける酸化反応を促進して、排気の温度をさらに上昇させることができる。これにより、触媒コンバータの下流側のＮＯｘ浄化触媒を速やかに昇温できる。
【００２７】
請求項８に記載の発明によれば、触媒コンバータの温度上昇に伴い、還元性気体の供給量も増量される。すなわち、触媒コンバータの活性に応じた量の還元性気体を供給することができる。これにより、触媒コンバータで酸化しきれずに、下流側へ流出する余分な還元性気体の量を低減することができる。
【００２８】
請求項１０に記載の発明によれば、部分酸化反応により還元性気体を製造することにより、この燃料改質器を小型なものにできる。つまり、上述のように部分酸化反応は発熱反応であり、一旦反応が開始すれば自発的に反応が進行するため、外部から余分なエネルギーを供給する装置を設ける必要がないためである。また、シフト反応などの水素を濃縮するためのコンバータやシステムも設ける必要もない。また、このように燃料改質器を小型にすることで、燃料改質器のライトオフ時間を短縮できる。したがって、必要に応じて速やかに還元性気体を排気通路内に供給することができる。
ところで、部分酸化反応により燃料を改質すると、燃料改質器がライトオフする際に、燃焼温度が高い高級炭化水素が僅かながら発生する。このような高級炭化水素がＮＯｘ浄化触媒に流入すると浄化が困難になる場合がある。しかしながら、高級炭化水素は、低温又は僅かな量では触媒に吸着されやすい。そこで、上述のようにＮＯｘ浄化触媒の上流側に触媒コンバータを設けることで、このような高級炭化水素を一旦吸着し、触媒コンバータで浄化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、排気管４から分岐し吸気マニホールド３に至る。
【００３２】
過給機８は、排気管４に設けられたタービン１５と、吸気管２に設けられたコンプレッサ１６と、を備える。タービン１５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１６は、タービン１５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１５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）を変更し、過給圧（エンジンに流入する空気の圧力）を制御できるように構成されている。タービン１５のベーン開度は、ＥＣＵ４０により電磁的に制御される。
【００３３】
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。
【００３４】
排気還流通路６は、排気管４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、還流する排気の流量を制御するＥＧＲ弁１３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。
【００３５】
排気管４のうち過給機８の下流側には、触媒コンバータ３１及びＮＯｘ浄化触媒３３が上流側からこの順で設けられている。
触媒コンバータ３１は、後述の燃料改質器５０から供給される還元ガスを用いて排気中のＮＯｘを連続的に還元する三元触媒を備える。この触媒コンバータ３１は、排気中のＮＯｘを還元する能力を有するロジウム（Ｒｈ）と、酸素貯蔵能力を有するセリア（ＣｅＯ２）とを含む。
本実施形態では、触媒コンバータ３１として、白金（Ｐｔ）を２．４（ｇ／Ｌ）と、ロジウムを１．２（ｇ／Ｌ）と、パラジウム（Ｐｄ）を６．０（ｇ／Ｌ）と、セリアを５０（ｇ／Ｌ）と、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を１５０（ｇ／Ｌ）と、バインダーを１０と、を水系媒体とともにボールミルで攪拌・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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、所謂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。
【００４０】
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所謂リッチ運転を行い、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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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のうち触媒コンバータ３１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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。すなわち、改質ガスは、水素よりも一酸化炭素を多く含む。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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
ＥＣＵ４０には、排気管４のうち導入口１４と触媒コンバータ３１との間を流通する排気の温度ＴＵを検出する第１排気温度センサ２６、及び排気管４のうち触媒コンバータ３１とＮＯｘ浄化触媒３３との間を流通する排気の温度を検出する第２排気温度センサ２７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。
【００５０】
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の発生トルクは、図示しないアクセルペダルの踏み込み量ＡＰに応じて決定される燃料噴射弁の燃料噴射量に基づいて、ＥＣＵ４０により算出される。
【００５１】
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。
【００５２】
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（リーンバーン運転）され、エンジン空燃比を化学量論比よりもリッチ側に設定するリッチ化制御が周期的に行われる。
また、本実施形態では、燃料改質器５０により製造された還元ガスを用いることで、触媒コンバータ３１及びＮＯｘ浄化触媒３３を活性化温度まで速やかに昇温する早期活性制御が所定の時間ごとに実行される。
【００５３】
図２は、ＥＣＵによるリーンバーン運転時の早期活性制御の手順を示すフローチャートである。
ステップＳ１では、触媒コンバータの温度ＴＴＷＣを推定し、この触媒コンバータ温度ＴＴＷＣが所定の判定温度ＴＡＴＨよりも低いか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ３に移り、ＮＯの場合にはステップＳ２に移る。ここで、触媒コンバータ温度ＴＴＷＣは、第１排気温度センサにより検出された触媒コンバータの上流側の排気の温度ＴＵに基づいて推定される。また、この判定温度ＴＡＴＨは、例えば、触媒コンバータの活性温度に設定される。
ステップＳ２では、ＮＯｘ浄化触媒の温度ＴＬＮＣを推定し、このＮＯｘ浄化触媒温度ＴＬＮＣが所定の判定温度ＴＢＴＨよりも低いか否かを判別する。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Ｓ９に移る。ここで、ＮＯｘ浄化触媒温度ＴＬＮＣは、第２排気温度センサにより検出された触媒コンバータの下流側の排気の温度ＴＤに基づいて推定される。また、この判定温度ＴＢＴＨは、例えば、ＮＯｘ浄化触媒の活性温度に設定される。
【００５４】
ステップＳ３では、第１目標排気流量ＧＥＡＴＶを決定し、ステップＳ４に移る。この第１目標排気流量ＧＥＡＴＶは、排気管を流通する排気の流量の目標値である。本実施形態では、この第１目標排気流量ＧＥＡＴＶを、例えば、触媒コンバータ温度ＴＴＷＣが低くなるに従い低くなるように所定の制御マップにより決定するが、これに限らない。
ステップＳ４では、排気の流量が第１目標排気流量ＧＥＡＴＶに一致するように、スロットル弁、ＥＧＲ弁、及び過給機のうち少なくとも１つを制御し、ステップＳ５に移る。具体的には、スロットル弁を閉じて吸入空気量を低減するか、ＥＧＲ弁を開いて排気還流量を増量するか、又は過給機を制御して過給圧を低くするか、あるいは、これら制御を組み合わせて行うことにより、排気の流量を第１目標排気流量ＧＥＡＴＶに一致させる。
ステップＳ５では、所定の第１供給量（単位時間当りに排気管内に供給する還元ガスの量）ＧＲＧＡＴＶに応じて、燃料改質器により製造された還元ガスの供給を開始し、終了する。なお、この還元ガスの供給は、触媒コンバータ温度ＴＴＷＣが第１判定温度ＴＡＴＨに達するまで（上述のステップＳ１参照）実行される。
【００５５】
ステップＳ６では、第２目標排気流量ＧＥＢＴＶを決定し、ステップＳ７に移る。本実施形態ではこの第２目標排気流量ＧＥＢＴＶを、例えば、触媒コンバータ温度ＴＴＷＣが低くなるに従い少なくなるように所定の制御マップにより決定するが、これに限らない。
ステップＳ７では、排気の流量が第２目標排気流量ＧＥＢＴＶに一致するように、スロットル弁、ＥＧＲ弁、及び過給機のうち少なくとも１つを制御し、ステップＳ８に移る。
【００５６】
ステップＳ８では、触媒コンバータ温度ＴＴＷＣに基づいて第２供給量（単位時間当りに排気管内に供給する還元ガスの量）ＧＲＧＢＴＶを決定し、この第２供給量ＧＲＧＢＴＶに応じて還元ガスの供給を開始し、終了する。なお、この還元ガスの供給は、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣが第２判定温度ＴＢＴＨに達するまで（上述のステップＳ２参照）実行される。
図３は、触媒コンバータ温度ＴＴＷＣと第２供給量との関係を示す図であり、ステップＳ８において参照される制御マップの一例を示す図である。図３において、横軸は触媒コンバータ温度ＴＴＷＣを示し、縦軸は第２供給量を示す。図３に示すように、第２供給量は、触媒コンバータ温度ＴＴＷＣが高くなるに従い多くなる。
図２に戻って、ステップＳ９では、還元ガスの供給を停止し、終了する。
【００５７】
ここで、第１供給量ＧＲＧＡＴＶと第２供給量ＧＲＧＢＴＶとを比較すると、本実施形態では、第１供給量ＧＲＧＡＴＶは第２供給量ＧＲＧＢＴＶよりも少ない。また、第１目標排気流量ＧＥＡＴＶと第２目標排気流量ＧＥＢＴＶとを比較すると、本実施形態では、第１目標排気流量ＧＥＡＴＶは第２目標排気流量ＧＥＢＴＶよりも多い。
またこれら第１供給量ＧＲＧＡＴＶ、第２供給量ＧＲＧＢＴＶ、第１目標排気流量ＧＥＡＴＶ、及び第２目標排気流量ＧＥＢＴＶは、触媒コンバータに流入する排気の排気空燃比が常に化学量論比以上となるように設定される。
【００５８】
以上詳述したように、本実施形態によれば、ＮＯｘ浄化触媒３３の上流側に触媒コンバータ３１を設け、さらに、水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を、この触媒コンバータ３１の上流側から供給する。このように、低温の酸化反応性に優れる水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を供給することにより、例えばエンジン１の始動直後であっても、触媒コンバータ３１を速やかにその活性温度まで昇温することができる。また、排気空燃比をリーンに設定する間において、このような還元性気体を供給することにより、酸素濃度、水素濃度、及び一酸化炭素濃度が高い排気を触媒コンバータ３１に供給することができる。したがって、触媒コンバータ３１における酸化反応を低温から実現することができる。
以上のように、還元性気体を供給して触媒コンバータ３１を昇温することにより、低温時に吸入空気量を低減したりポスト噴射を実行したりすることで発生する上述の課題、すなわち、燃費の悪化、オイルダイリューションの発生、内燃機関の燃焼の不安定化などを回避することができる。
また、還元性気体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、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。また、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることで、エンジン１の運転状態など必要に応じて還元性気体を供給することが可能となる。
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、燃料改質器５０が備える触媒を早期に活性化することも可能となる。
【００５９】
また本実施形態によれば、還元性気体には水素よりも一酸化炭素の方が多く含まれる。一酸化炭素は水素よりも低温で触媒燃焼する。このような一酸化炭素を含む還元性気体を触媒コンバータ３１に供給することにより、この触媒コンバータ３１を低温から効果的に昇温することができる。また、このような還元性気体の供給に合わせて、触媒コンバータ３１に一酸化炭素を多く吸着するパラジウムやロジウムなどを含ませることにより、この触媒コンバータをより効果的に昇温することができる。
また本実施形態によれば、触媒コンバータ３１の温度ＴＴＷＣが所定の第１判定温度ＴＡＴＨに達するまで、燃料改質器５０により製造された還元性気体を触媒コンバータ３１の上流側に供給する。ここで例えば、第１判定温度ＴＡＴＨを触媒コンバータ３１の活性温度に設定することにより、触媒コンバータ３１を活性温度まで速やかに昇温することができる。
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。
【００６０】
また本実施形態によれば、触媒コンバータ３１が第１判定温度ＴＡＴＨに達した後は、ＮＯｘ浄化触媒３３が第２判定温度ＴＢＴＨに達するまで還元性気体を供給する。ここで例えば、第１判定温度ＴＡＴＨを触媒コンバータ３１の活性温度に設定すると、触媒コンバータ３１が活性温度に達した後は、この触媒コンバータ３１における酸化反応で排気の温度を上昇させ、これにより触媒コンバータ３１の下流に設けたＮＯｘ浄化触媒３３を速やかに昇温することができる。
また本実施形態によれば、触媒コンバータ３１の温度ＴＴＷＣが第１判定温度ＴＡＴＨに達するまでの間における排気の流量は、触媒コンバータ３１の温度ＴＴＷＣが第１判定温度ＴＡＴＨに達した後における排気の流量よりも多い。すなわち、触媒コンバータ３１の温度が第１判定温度ＴＡＴＨに達した後に、排気の流量を絞ることにより、触媒コンバータ３１における酸化反応を促進して、排気の温度をさらに上昇させることができる。これにより、触媒コンバータ３１の下流側のＮＯｘ浄化触媒３３を速やかに昇温できる。
【００６１】
また本実施形態によれば、触媒コンバータ３１の温度ＴＴＷＣが第１判定温度ＴＡＴＨに達するまでの間における還元性気体の供給量は、触媒コンバータ３１の温度ＴＴＷＣが第１判定温度ＴＡＴＨに達した後における還元性気体の供給量よりも少ない。すなわち、触媒コンバータ３１の温度が第１判定温度ＴＡＴＨに達した後に、還元性気体の供給量を多くすることにより、触媒コンバータ３１における酸化反応を促進して、排気の温度をさらに上昇させることができる。これにより、触媒コンバータ３１の下流側のＮＯｘ浄化触媒を速やかに昇温できる。
また本実施形態によれば、触媒コンバータ３１の温度上昇に伴い、還元性気体の供給量も増量される。すなわち、触媒コンバータ３１の活性に応じた量の還元性気体を供給することができる。これにより、触媒コンバータ３１で酸化しきれずに、下流側へ流出する余分な還元性気体の量を低減することができる。
【００６２】
また本実施形態によれば、部分酸化反応により還元性気体を製造することにより、この燃料改質器５０を小型なものにできる。つまり、上述のように部分酸化反応は発熱反応であり、一旦反応が開始すれば自発的に反応が進行するため、外部から余分なエネルギーを供給する装置を設ける必要がないためである。また、シフト反応などの水素を濃縮するためのコンバータやシステムも設ける必要もない。また、このように燃料改質器５０を小型にすることで、燃料改質器５０のライトオフ時間を短縮できる。したがって、必要に応じて速やかに還元性気体を排気管４内に供給することができる。
ところで、部分酸化反応により燃料を改質すると、燃料改質器５０がライトオフする際に、燃焼温度が高い高級炭化水素が僅かながら発生する。このような高級炭化水素がＮＯｘ浄化触媒３３に流入すると浄化が困難になる場合がある。しかしながら、高級炭化水素は、低温又は僅かな量では触媒に吸着されやすい。そこで、上述のようにＮＯｘ浄化触媒３３の上流側に触媒コンバータ３１を設けることで、このような高級炭化水素を一旦吸着し、触媒コンバータ３１で浄化することができる。
【００６３】
本実施形態では、ＥＣＵ４０が制御手段、第１活性化手段の一部、第２活性化手段の一部、第１温度推定手段及び第２温度推定手段の一部を構成する。具体的には、図２のステップＳ１〜Ｓ９に係る手段が制御手段に相当し、ステップＳ３〜Ｓ５に係る手段及び燃料改質器５０が第１活性化手段に相当し、ステップＳ６〜Ｓ８に係る手段及び燃料改質器５０が第２活性化手段に相当し、ステップＳ１に係る手段及び第１排気温度センサ２６が第１温度推定手段に相当し、ステップＳ２に係る手段及び第２排気温度センサ２７が第２温度推定手段に相当する。
【００６４】
次に、上記実施形態のように、還元ガスを排気管に供給することによる効果を検証するＮＯｘ浄化評価試験について図４及び図５を参照して説明する。
【００６５】
［ＮＯｘ浄化性能評価試験方法］
図４は、ＮＯｘ浄化性能評価試験の試験装置８０の構成を示す概略図である。
試験装置８０は、モデルガスを所定の組成で供給する供給装置８１と、吸着剤８４がその内部に設けられた加熱器８３と、モデルガスを分析するガス分析計８５及びデータ取り込み用計算機８６と、を含んで構成される。
【００６６】
供給装置８１は、Ｎ２、ＣＯ２、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ、及びＨ２で構成されるモデルガスを、加熱器８３に供給する。この供給装置８１は、モデルガスの各成分の流量を調整することが可能となっている。
加熱器８３は、その内部に、反応器８２と吸着剤８４とを備え、これら反応器８２及び吸着剤８４を加熱する。反応器８２は、供給装置８１から供給されたモデルガスを混合し吸着剤８４に供給する。
【００６７】
吸着剤８４は、三元触媒とＮＯｘ浄化触媒とで構成されるものを用いる。ここで、これら三元触媒及びＮＯｘ浄化触媒には、それぞれ、上記実施形態に記載された触媒コンバータ３１及びＮＯｘ浄化触媒３３（上述の図１参照）と同じものを用いたので、その説明を省略する。
【００６８】
ガス分析計８５は、加熱器８３内において、反応器８２から吸着剤８４に供給され、この吸着剤８４を通過したモデルガスのＮＯｘ濃度を測定する。データ取り込み用計算機８６は、このＮＯｘ濃度に関するデータを処理し、各温度に対するＮＯｘ浄化率を算出する。ＮＯｘ浄化率は、次式に基づいて算出する。
ＮＯｘ浄化率［％］＝（Ｃｉｎ−Ｃｏｕｔ）／Ｃｉｎ×１００
ここで、Ｃｉｎは、吸着剤８４の流入口におけるモデルガスのＮＯｘ濃度であり、Ｃｏｕｔは、吸着剤８４の流出口におけるモデルガスのＮＯｘ濃度である。また、モデルガスのＮＯｘ濃度は、ケミカル・ルミネッセン法により測定した。
【００６９】
本評価試験では、以上のように構成された試験装置８０において、モデルガスを供給しながら、このモデルガスを５０℃から４５０℃まで２０℃／分で加熱しつつ、吸着剤８４を通過したモデルガスのＮＯｘ浄化率を測定した。
また、モデルガスは、リーン雰囲気の組成のモデルガスと、リッチ雰囲気の組成のモデルガスと、をそれぞれ５５秒及び５秒に亘って交互に供給した。
【００７０】
［実施例］
実施例のモデルガスには、上記実施形態に係る燃料改質器により製造された還元ガス（一酸化炭素、水素、及び炭化水素を含む）を排気に添加したものを模したものとして、下記の組成を有するモデルガスを用いた。
リーン雰囲気
ＮＯ                  ：９０ｐｐｍ
ＣＯ                  ：６０００ｐｐｍ
ＨＣ（プロピレン）    ：５００ｐｐｍＣ（Ｃ３Ｈ６）
Ｏ２                  ：６％
ＣＯ２                ：６％
Ｈ２Ｏ                ：７％
Ｎ２                  ：バランスガス
Ｈ２                  ：５０００ｐｐｍ
ＳＶ＝５００００ｈ−１
リッチ雰囲気
ＮＯ                  ：９０ｐｐｍ
ＣＯ                  ：２．１％
ＨＣ（プロピレン）    ：５００ｐｐｍＣ（Ｃ３Ｈ６）
Ｏ２                  ：０％
ＣＯ２                ：６％
Ｈ２Ｏ                ：７％
Ｎ２                  ：バランスガス
Ｈ２                  ：６０００ｐｐｍ
ＳＶ＝５００００ｈ−１
【００７１】
［比較例］
比較例のモデルガスには、上述の還元ガスが添加されていない排気を模したものとして、下記の組成を有するモデルガスを用いた。
リーン雰囲気
ＮＯ                  ：９０ｐｐｍ
ＣＯ                  ：１０００ｐｐｍ
ＨＣ（プロピレン）    ：５００ｐｐｍＣ（Ｃ３Ｈ６）
Ｏ２                  ：６％
ＣＯ２                ：６％
Ｈ２Ｏ                ：７％
Ｎ２                  ：バランスガス
Ｈ２                  ：０ｐｐｍ
ＳＶ＝５００００ｈ−１
リッチ雰囲気
ＮＯ                  ：９０ｐｐｍ
ＣＯ                  ：２％
ＨＣ（プロピレン）    ：５００ｐｐｍＣ（Ｃ３Ｈ６）
Ｏ２                  ：０％
ＣＯ２                ：６％
Ｈ２Ｏ                ：７％
Ｎ２                  ：バランスガス
Ｈ２                  ：０ｐｐｍ
ＳＶ＝５００００ｈ−１
【００７２】
［試験結果］
図５は、実施例及び比較例の試験結果を示す図である。図５において、横軸はモデルガスの温度を示し、縦軸はＮＯｘ浄化率を示す。また、黒丸は実施例におけるガス温度とＮＯｘ浄化率との関係を示し、白丸は比較例におけるガス温度とＮＯｘ浄化率との関係を示す。
実施例のＮＯｘ浄化率と比較例のＮＯｘ浄化率とを比較すると、実施例のＮＯｘ浄化率は全温度域に亘りほぼ一定であるのに対し、比較例は低温域におけるＮＯｘ浄化率が特に小さくなっている。したがって、実施例のように一酸化炭素及び水素を含む還元ガスを添加することにより、特に低温域におけるＮＯｘ浄化性能を向上できることが検証された。
【００７３】
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、上述した実施形態では、還元ガスを排気通路内に供給する際には、スロットル弁９、ＥＧＲ弁１３、及び過給機８を制御することで、排気管４を流通する排気の流量を調整したが、これに限らない。例えば、スロットル弁９、ＥＧＲ弁１３、及び過給機８を制御することで、排気管４を流通する排気の排気空燃比を調整してもよい。このようにしても上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００７４】
上記実施形態では、触媒コンバータ３１として、三元触媒を含むものを用いたが、これに限らず酸化触媒を含むものを用いてもよい。
また、上記実施形態では、触媒コンバータ温度ＴＴＷＣ及びＮＯｘ浄化触媒温度ＴＬＮＣを、それぞれ、第１排気温度センサ２６及び第２排気温度センサ２７により検出された排気の温度ＴＵ，ＴＤに基づいて推定したが、これに限らない。これら触媒コンバータ温度ＴＴＷＣ及びＮＯｘ浄化触媒温度ＴＬＮＣは、それぞれ、直接検出してもよい。
【００７５】
また、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】
【００７６】
【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によるリーンバーン運転時の早期活性制御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触媒コンバータ温度と第２供給量との関係を示す図である。
【図４】ＮＯｘ浄化性能評価試験の試験装置の構成を示す概略図である。
【図５】実施例及び比較例の試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
１    エンジン（内燃機関）
２    吸気管（吸気通路）
３    吸気マニホールド（吸気通路）
４    排気管（排気通路）
５    排気マニホールド（排気通路）
６    排気還流通路（排気還流通路）
８    過給機
９    スロットル弁（吸気量制御弁）
１３    ＥＧＲ弁（排気還流量制御弁）
１４    導入口１４
２６    第１排気温度センサ（第１温度推定手段）
２７    第２排気温度センサ（第２温度推定手段）
３１    触媒コンバータ
３３    ＮＯｘ浄化触媒
４０    電子制御ユニット（制御手段、第１，２温度推定手段、第１，２活性化手段）
５０    燃料改質器（第１，２活性化手段）
【図１】
0005081635.tif 000002
【図２】
0005081635.tif 000003
【図３】
0005081635.tif 000004
【図４】
0005081635.tif 000005
【図５】
0005081635.tif 000006