(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出される排気を浄化する排気浄化装置であって、
前記内燃機関の吸気通路に設けられ、吸気圧を調節可能なスロットル弁と、
前記内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のＮＯｘを吸着及び吸蔵するＮＯｘ浄化触媒と、
前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質する改質触媒を有する燃料改質器と、
前記燃料改質器から放出される放出ガスを前記内燃機関に供給する供給手段と、を備え、
前記供給手段は、前記燃料改質器を前記排気通路における前記ＮＯｘ浄化触媒よりも上流側の位置に連通する供給路と、前記燃料改質器を前記吸気通路における前記スロットル弁よりも下流側の位置に連通する回復路と、を有し、前記供給路及び／又は前記回復路を通じて、前記放出ガスが前記内燃機関に供給されるものであり、
前記供給手段は、前記供給路及び前記回復路の各々を流通する前記放出ガスの流量割合を調節する流量割合調節手段を更に有し、
前記流量割合調節手段を制御する流量割合制御手段を更に備え、
前記流量割合制御手段は、前記放出ガスにおける白煙成分量が許容量を超える非許容条件下では、前記放出ガスにおける白煙成分量が許容量以下である許容条件下よりも、前記回復路の流量割合を増加させる排気浄化装置。
【請求項２】
前記改質触媒の温度、前記放出ガスの空燃比、及び前記放出ガスの組成からなる群より選ばれる１種以上を検出する検出手段を更に備え、
前記流量割合制御手段は、前記検出手段による検出値に基づいて、前記非許容条件又は前記許容条件のいずれかを選択する条件選択手段を有する請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記吸気通路を流通する吸気の空燃比（吸気空燃比）を所定値以上に制御する吸気空燃比制御手段を更に備え、前記吸気の自己着火が抑制される請求項１又は２記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記所定値は、予め設定された値である請求項３記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記吸気の自己着火を検知する自己着火検知手段を更に備え、
前記吸気空燃比制御手段は、前記自己着火検知手段で自己着火が検知された場合に、前記吸気空燃比を増加する吸気空燃比修正手段を有する請求項３又は４記載の排気浄化装置。
【請求項６】
前記吸気空燃比制御手段は、前記スロットル弁の開度を調節する開度調節手段を有し、
前記開度調節手段は、前記スロットル弁の開度の増減を介して、前記吸気空燃比を増減する請求項３から５いずれか記載の排気浄化装置。
【請求項７】
吸気通路に設けられ、吸気圧を調節可能なスロットル弁と、
排気通路に設けられ、排気中のＮＯｘを吸着及び吸蔵するＮＯｘ浄化触媒と、
前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質する改質触媒を有する燃料改質器と、を備える内燃機関から排出される排気を浄化する排気浄化方法であって、
前記燃料改質器から放出される放出ガスに含有される白煙成分を、前記吸気通路における前記スロットル弁よりも下流側の位置に供給するものであって、
前記燃料改質器を前記排気通路における前記ＮＯｘ浄化触媒よりも上流側の位置に連通する供給路、及び／又は、前記燃料改質器を前記吸気通路における前記スロットル弁よりも下流側の位置に連通する回復路を通じて、前記放出ガスが前記内燃機関に供給されるものであり、
前記供給路及び前記回復路の各々を流通する前記放出ガスの流量割合を調節可能であり、
前記放出ガスにおける白煙成分量が許容量を超える非許容条件下では、前記放出ガスにおける白煙成分量が許容量以下である許容条件下よりも、前記回復路の流量割合を増加させる排気浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から排出される排ガスを浄化する排気浄化装置及び排気浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の排気通路に、三元触媒（ＴＷＣ）、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＬＮＴ）、又はＮＯｘ吸着還元触媒（ＬＮＣ）といったＮＯｘ浄化触媒を設けることで、排気ガスの浄化が行われている。しかし、内燃機関の始動直後のようにＮＯｘ浄化触媒（とりわけＬＮＴ）が活性化されていない間、ＮＯｘが充分に除去されず、大気へ排出されてしまう。
【０００３】
そこで、特許文献１には、内燃機関の始動直後、燃料改質器で燃料から製造される還元性気体をＮＯｘ浄化触媒の上流に供給するとともに、ＮＯｘ浄化触媒に導入される排気をリッチ条件にする技術が開示されている。これにより、ＮＯｘ浄化触媒の浄化性能が向上するため、内燃機関の始動直後から排気ガスを充分に浄化できることが期待される。
【０００４】
しかし、燃料（とりわけ軽油）の改質反応は、８００〜１０００℃程度の高温条件を必要とする。このため、特許文献１に示される技術では、かかる高温条件に燃料改質器内の改質触媒が達するまでの間、燃料から気化した炭化水素が燃料改質器から放出され、大気へと排出されてしまう。
【０００５】
そこで、特許文献２には、燃料改質器内の改質触媒に供給される燃料を、ヒータが設けられた酸化触媒や、バーナで予め昇温する技術が開示されている。この技術によれば、改質触媒に昇温された燃料が供給されるため、燃料改質器内の改質触媒が高温条件に達するまでの時間を短縮できる。
【特許文献１】特開２００１−２３４７３７号公報
【特許文献２】特開２００６−２４２０２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献２に示される技術では、酸化触媒やバーナの温度が充分に上昇するまでの間、有機可溶性成分（ＳＯＦ）や炭化水素（ＨＣ）を主成分とする白煙が大量に発生し、燃料改質器から放出され、大気へと排出されてしまう。また、昇温速度を上昇するべく、ヒータやバーナの出力を増加することも考えられるが、大幅な燃費の低下が不可避になる。
【０００７】
本発明は、以上の実情に鑑みてなされたものであり、燃費を維持しつつ低温条件下における排気ガスの浄化性能を向上できる排気浄化装置及び排気浄化方法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】
【０００８】
本発明者らは、白煙を吸気通路に戻し、内燃機関にて燃焼させることで、ＮＯｘ浄化触媒に供給されるガス中への白煙及び炭化水素の混入が抑制されることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。
【０００９】
（１）  内燃機関から排出される排気を浄化する排気浄化装置であって、
前記内燃機関の吸気通路に設けられ、吸気圧を調節可能なスロットル弁と、
前記内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のＮＯｘを吸着及び吸蔵するＮＯｘ浄化触媒と、
前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質する改質触媒を有する燃料改質器と、
前記燃料改質器から放出される放出ガスを前記内燃機関に供給する供給手段と、を備え、
前記供給手段は、前記燃料改質器を前記排気通路における前記ＮＯｘ浄化触媒よりも上流側の位置に連通する供給路と、前記燃料改質器を前記吸気通路における前記スロットル弁よりも下流側の位置に連通する回復路と、を有し、前記供給路及び／又は前記回復路を通じて、前記放出ガスが前記内燃機関に供給される排気浄化装置。
【００１０】
（１）の発明によれば、供給路を設けたので、ＮＯｘ浄化触媒よりも上流側に放出ガスが供給され、放出ガス中の還元性気体を用いたＮＯｘ浄化触媒によるＮＯｘの除去が促進される。
しかも、回復路を設けたので、放出ガスは吸気通路にも供給され、やがて内燃機関に導入される。このため、低温条件下に改質触媒を大出力で昇温しない等のために、放出ガスに白煙成分が含まれたとしても、かかる白煙成分の少なくとも一部は内燃機関で燃焼されるため、排気ガスへの混入量が低減する。
従って、燃費を維持しつつ低温条件下における排気ガスの浄化性能を向上できる。
【００１１】
また、燃料改質器をスロットル弁の下流に連通したので、スロットル弁の開度を減少させると、スロットル弁の下流及び燃料改質器の差圧が拡大する。これにより、燃料改質器側で過度に昇圧しなくとも充分な差圧が得られ、白煙成分を含む放出ガスが吸気通路に供給される。よって、燃料改質器側の昇圧手段（例えば、コンプレッサ、ポンプ）を小型化でき、設計の自由度を向上できる。
【００１２】
なお、「ＮＯｘ浄化触媒よりも上流側」とは、少なくとも１個のＮＯｘ浄化触媒よりも上流側であることを意味し、ＮＯｘ浄化触媒が複数個設置されている場合に、必ずしも全ＮＯｘ浄化触媒の上流側であることを意味するものではない。
【００１３】
また、本明細書における「白煙」とは、燃料由来の有機可溶成分（ＳＯＦ）や炭化水素（ＨＣ）が過度に存在する気体を指す。有機可溶成分（ＳＯＦ）や炭化水素（ＨＣ）の濃度によっては、白煙が目視できない場合もあるが、かかる気体も「白煙」に包含される。
【００１４】
（２）  前記供給手段は、前記供給路及び前記回復路の各々を流通する前記放出ガスの流量割合を調節する流量割合調節手段を更に有する（１）記載の排気浄化装置。
【００１５】
（２）の発明によれば、供給路及び回復路の各々を流通する放出ガスの流量割合を調節できるので、種々の条件に応じて、ＮＯｘ浄化触媒でのＮＯｘ除去及び内燃機関での燃焼の優先度を変更できる。例えば、低温条件下のように放出ガスに含まれる白煙成分量が多い場合には、回復路の流量割合を増加させて白煙成分を燃焼させ、白煙成分量が少ない場合には、供給路の流量割合を増加させＮＯｘを除去してもよい。
【００１６】
（３）  前記流量割合調節手段を制御する流量割合制御手段を更に備え、
前記流量割合制御手段は、前記放出ガスにおける白煙成分量が許容量を超える非許容条件下では、前記放出ガスにおける白煙成分量が許容量以下である許容条件下よりも、前記回復路の流量割合を増加させる（２）記載の排気浄化装置。
【００１７】
（３）の発明によれば、低温条件のような非許容条件下では、回復路の流量割合が許容条件下よりも増加し、白煙成分が内燃機関で燃焼される傾向が強まる。これにより、許容量を超える白煙成分量が大気へ排出されることがより抑制される。
また、許容条件下になると、回復路の流量割合が非許容条件下よりも減少し、還元性気体に富む放出ガスがＮＯｘ浄化触媒に供給されて、ＮＯｘの除去が促進される傾向が強まる。
このように、放出ガスの状態に応じて、放出ガスが供給される箇所が適切に選択されるので、排気ガスの浄化性能をより向上できる。
【００１８】
（４）  前記改質触媒の温度、前記放出ガスの空燃比、及び前記放出ガスの組成からなる群より選ばれる１種以上を検出する検出手段を更に備え、
前記流量割合制御手段は、前記検出手段による検出値に基づいて、前記非許容条件又は前記許容条件のいずれかを選択する条件選択手段を有する（３）記載の排気浄化装置。
【００１９】
放出ガスにおける白煙発生の程度を直接検出することは、技術的に困難である。また、内燃機関の始動後の経過時間に基づいて、放出ガスにおける白煙発生の程度を推測することも考えられるが、極低温始動時のような場合には、許容条件及び非許容条件の判定精度が極度に悪くなる。
そこで（４）の発明によれば、改質触媒の温度、放出ガスの空燃比、及び放出ガスの組成といった容易に検出可能なパラメータを採用したので、容易且つ正確に許容条件及び非許容条件が判定される。これにより、放出ガスが供給される箇所が高精度且つ適切に選択されるので、排気ガスの浄化性能をより向上できる。
【００２０】
（５）  前記吸気通路を流通する吸気の空燃比（吸気空燃比）を所定値以上に制御する吸気空燃比制御手段を更に備え、前記吸気の自己着火が抑制される（１）から（４）いずれか記載の排気浄化装置。
【００２１】
吸気通路に供給される白煙成分量が過多、即ち吸気空燃比が過少になると、吸気の自己着火が生じ、ＮＶＨやドライバビリティが悪化するおそれがある。
そこで（５）の発明によれば、吸気空燃比が所定値以上に制御されるので、吸気の自己着火が抑制され、ＮＶＨやドライバビリティを向上できる。
【００２２】
（６）  前記所定値は、予め設定された値である（５）記載の排気浄化装置。
【００２３】
（６）の発明によれば、温度、圧力、湿度、グローヒータの有無等といった種々の環境条件の変動や、各構成部品のばらつきを考慮して、吸気の自己着火の確率が充分に低い値を所定値とすることで、吸気の自己着火の発生を高確率で予防できる。
【００２４】
これにより、自己着火を検知する手段を設ける必要性が低下し、かかる手段を設けない場合にはコストを削減できる。
【００２５】
（７）  前記吸気の自己着火を検知する自己着火検知手段を更に備え、
前記吸気空燃比制御手段は、前記自己着火検知手段で自己着火が検知された場合に、前記吸気空燃比を増加する吸気空燃比修正手段を有する（５）又は（６）記載の排気浄化装置。
【００２６】
温度、圧力、湿度、グローヒータの有無等といった種々の環境条件の変動や、各構成部品のばらつきのため、吸気が自己着火する際の吸気空燃比は一定せず、自己着火を完全に防止することは困難である。
（７）の発明によれば、吸気の自己着火が生じた場合であっても、自己着火検知手段で自己着火が検知され、この検知に応じて吸気空燃比が増加され、自己着火が解消される。よって、ＮＶＨやドライバビリティをより向上できる。
【００２７】
このように自己着火はたとえ生じても解消されるので、上記の環境条件や各構成部品のばらつきといった多岐にわたる要因を考慮し、自己着火が予防されるよう吸気空燃比を適合させる複雑な作業の必要性が低下する。
【００２８】
（８）  前記吸気空燃比制御手段は、前記スロットル弁の開度を調節する開度調節手段を有し、
前記開度調節手段は、前記スロットル弁の開度の増減を介して、前記吸気空燃比を増減する（５）から（７）いずれか記載の排気浄化装置。
【００２９】
（８）の発明によれば、スロットル弁の開度を調節するだけで、スロットル弁の下流及び燃料改質器の差圧が増減し、吸気通路への放出ガスの供給量が変動して、吸気空燃比が増減する。よって、ＮＶＨやドライバビリティを向上しつつも、燃料改質器側の昇圧手段（例えば、コンプレッサ、ポンプ）の負担を軽減でき、設計の自由度を向上できる。
【００３０】
（９）  吸気通路に設けられ、吸気圧を調節可能なスロットル弁と、
排気通路に設けられ、排気中のＮＯｘを吸着及び吸蔵するＮＯｘ浄化触媒と、
前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質する改質触媒を有する燃料改質器と、を備える内燃機関から排出される排気を浄化する排気浄化方法であって、
前記燃料改質器から放出される放出ガスに含有される白煙成分を、前記吸気通路における前記スロットル弁よりも下流側の位置に供給する排気浄化方法。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、供給路を設けたので、ＮＯｘ浄化触媒よりも上流側に放出ガスが供給され、放出ガス中の還元性気体を用いたＮＯｘ浄化触媒によるＮＯｘの除去が促進される。
しかも、回復路を設けたので、放出ガスは吸気通路にも供給され、やがて内燃機関に導入される。このため、低温条件下に改質触媒を大出力で昇温しない等のために、放出ガスに白煙成分が含まれたとしても、かかる白煙成分の少なくとも一部は内燃機関で燃焼されるため、排気ガスへの混入量が低減する。
従って、燃費を維持しつつ低温条件下における排気ガスの浄化性能を向上できる。
【００３２】
また、燃料改質器をスロットル弁の下流に連通したので、スロットル弁の開度を減少させると、スロットル弁の下流及び燃料改質器の差圧が拡大する。これにより、燃料改質器側で過度に昇圧しなくとも充分な差圧が得られ、白煙成分を含む放出ガスが吸気通路に供給される。よって、燃料改質器側の昇圧手段（例えば、コンプレッサ、ポンプ）を小型化でき、設計の自由度を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関及び排気浄化装置の構成を示す図である。本実施形態における内燃機関（以下「エンジン」という）１は、燃焼室内に燃料を直接噴射し、圧縮着火によりこの燃料を燃焼するディーゼルエンジンであり、燃料として軽油が用いられる。また、各気筒７の燃焼室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、即ち燃料噴射量及び燃料噴射時期等は、ＥＣＵ４０により制御される。
【００３４】
＜内燃機関＞
エンジン１には、吸気が流通する吸気通路としての吸気管２と、排気が流通する排気通路としての排気管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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
吸気管２のうち過給機８の上流側には、図示しないエアクリーナケースが設けられており、このエアクリーナケースを通過した外気が過給機８へと吸入される。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、及び過給機８よりも下流側における吸気管２の内圧を調節するためのスロットル弁２６が設けられている。このスロットル弁２６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。このように、ＥＧＵ４０は、開度調節手段を構成する。
【００３８】
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、その開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。
【００３９】
＜ＮＯｘ浄化触媒＞
排気管４には、第１触媒コンバータ３１と、ＤＰＦ３２と、第２触媒コンバータ３３と、が上流側からこの順で設けられている。なお、これらの部材の個数及び順序は適宜設定されてよい。例えば、触媒コンバータをＤＰＦと別体で設けることなく、同様の酸化機能を有する触媒をＤＰＦに担持してもよい。これにより、上記実施形態と同様の効果に加えて、排気浄化装置を小型化できる。
【００４０】
本実施形態における第１触媒コンバータ３１は三元触媒（ＴＷＣ）を備え、このＴＷＣは、排気に含まれる軽質の炭化水素等の触媒燃焼反応における貴金属活性種としてのロジウム（Ｒｈ）と、酸素貯蔵能力を有するセリア（ＣｅＯ２）とを含む。このような第１触媒コンバータ３１に排気が供給されると、排気温度が低い状態であっても速やかに温度を上昇させることができる。また、セリアを含むことにより、急激な酸素濃度変化等においても安定した触媒作用を発揮することができる。
【００４１】
本実施形態では、第１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撹拌し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時間に亘り乾燥し焼成して調製されたものを用いる。
【００４２】
ＤＰＦ３２は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素を主成分とするＰＭを、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。フィルタ壁の構成材料としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミックスや金属多孔体が使用される。
【００４３】
本実施形態における第２触媒コンバータ３３は、ＮＯｘ吸着還元触媒（ＬＮＣ）であり、具体的にはアルミナ（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。
【００４４】
本実施形態では、第２触媒コンバータ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。
【００４５】
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撹拌、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。
【００４６】
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撹拌、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。
【００４７】
第２触媒コンバータ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。そこで、ＮＯｘを還元するために、第２触媒コンバータ３３への還元剤の供給（以下「還元化」という）が適宜行われる。この還元では、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、還元剤を第２触媒コンバータ３３に供給する。即ち、エンジン１から排出される排気空燃比をリッチ化することにより、第２触媒コンバータ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、還元が実行される。
【００４８】
この第２触媒コンバータ３３におけるＮＯｘの浄化について説明する。
まず、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、第２触媒コンバータ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。
【００４９】
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。即ち、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。また更に、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。
【００５０】
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、第２触媒コンバータ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。更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。
【００５１】
このように、第２触媒コンバータ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の浄化を効率良く行うことができる。
【００５２】
排気中のＳＯｘが第２触媒コンバータ３３に吸収されると、第２触媒コンバータ３３のＮＯｘ浄化性能が低下する。このため、第２触媒コンバータ３３に吸収されたＳＯｘを浄化するＳＯｘ再生処理を行う必要がある。具体的には、第２触媒コンバータ３３に流入する排気を還元雰囲気にするとともに、この第２触媒コンバータ３３を昇温することで行われてよい。
【００５３】
＜燃料改質器＞
排気管４のうち第２触媒コンバータ３３の上流には、供給路としての供給管５４が設けられており、この供給管５４には燃料改質器５０が接続されている。これにより、燃料改質器５０は排気管４とは別に設けられ、換言すれば、後述の燃料ガス供給装置５２及び改質触媒５３１が排気管４内には設けられていない。なお、本実施形態では、供給管５４がＤＰＦ３２及び第２触媒コンバータ３３の間に接続されているが、これに限られず、第１触媒コンバータ３１及びＤＰＦ３２の間、又は第１触媒コンバータ３１の上流であってもよい。
【００５４】
燃料改質器５０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し、放出ガスとして放出する。かかる燃料改質器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に設けられた触媒ケーシング５３と、を備える。
【００５５】
触媒ケーシング５３と燃料タンクとの間には燃料弁５２１が設けられ、外部空気を圧送するエアコンプレッサ５２３との間には空気弁５２５が設けられている。これら燃料弁５２１及び空気弁５２５の開度はそれぞれＥＣＵ４０によって調節されるため、燃料及び空気が所望の割合で混合された燃料ガスが触媒ケーシング５３に供給されることになる。なお、燃料ガスがリーン雰囲気であると、後述の改質触媒５３１の昇温は加速するが、改質触媒５３１の温度制御が困難になる。一方、燃料ガスがリッチ雰囲気であると、後述の改質触媒５３１の昇温は遅延するが、改質触媒５３１の温度制御は容易になる。特に限定されないが、本実施形態では、燃料ガスをリッチ雰囲気にする。
【００５６】
また、この燃料ガスの供給量がＥＣＵ４０で制御されることで、排気管４に供給される放出ガスの供給量ＧＲＧ（単位時間当りに排気管４内に供給される放出ガスの量）を制御することが可能となっている。
【００５７】
ここで、燃料改質器５０には、上流から順に、電気ヒータ５３３、及び改質触媒５３１が格納されている。電気ヒータ５３３はエンジン１の始動と同時又は直後に稼動し、改質触媒５３１を加熱することが可能となっている。なお、電気ヒータ５３３に代わり、もしくは電気ヒータ５３３とともに、点火装置及びバーナを設けてもよい。これにより、燃料及び空気が燃焼して昇温された後に改質触媒５３１へ導入されるため、改質触媒５３１の触媒機能が迅速に向上する。
【００５８】
改質触媒５３１は、ロジウム及びセリアを含む。本実施形態では、改質触媒５３１として、ＣｅＯ２粉末に対して１質量％のＲｈを水系媒体とともにボールミルに投入し、撹拌し混合することで製造されるスラリーを、Ｆｅ合金製担体にコーティングし、６００℃で２時間に亘り乾燥し、焼成することで調製されたものを用いる。
【００５９】
かかる改質触媒５３１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、及び一酸化炭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、改質触媒５３１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且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。
【００６０】
しかし、エンジン１の始動直後のような低温条件下では、改質触媒５３１が活性化されていないために改質反応が生じず、有機可溶性成分（ＳＯＦ）や炭化水素（ＨＣ）を主成分とする白煙が大量に発生する傾向にある。かかる白煙が排気管４に供給されると、そのまま大気へ放出されるおそれがある。
【００６１】
そこで、本実施形態におけるガス通路５１には、供給管５４に加えて、回復路としての回復管５５が設けられ、この回復管５５は吸気管２に燃料改質器５０を連通する。これにより、放出ガスに白煙成分が含まれたとしても、かかる白煙成分の少なくとも一部はエンジン１で燃焼されるため、排気ガスへの混入量が低減する。以上の供給管５４及び回復管５５は供給手段を構成する。
【００６２】
回復管５５は、特に、吸気管２におけるスロットル弁２６よりも下流側の位置に接続されている。スロットル弁２６の開度によって、スロットル弁２６より下流側における吸気管２の内圧が上下し、燃料改質器５０との差圧が拡大及び縮小するため、吸気通路への放出ガスの供給量を容易に制御できる。
【００６３】
また、供給管５４及び回復管５５は、流量割合調節手段としての切換弁５１３を隔ててガス通路５１の下流に接続されている。この切換弁５１３は、供給管５４及び回復管５５への開度を変動することで、供給管５４及び回復管５５の各々を流通する放出ガスの流量割合を調節する。回復管５５の流量割合に応じて吸気管２に供給される放出ガスの量が変動し、結果としてエンジン１に導入される吸気の空燃比も変動する。この吸気空燃比は過剰になると、自己着火を生じ、ＮＶＨやドライバビリティの悪化をもたらすおそれがある。
【００６４】
＜電子制御ユニット＞
ＥＣＵ４０には、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、ガス通路５１内を流通する放出ガスの温度Ｔａｆｃａｔを検出する放出ガス温度センサ２３、各気筒７の内圧を検出する筒内圧センサ２５、及びスロットル弁２６の下流側における吸気管２内の圧力を検出する圧力センサ２７、及び第２触媒コンバータ３３の温度を検出する触媒温度センサ２９が接続され、これらセンサの検出信号がＥＣＵ４０に供給される。
【００６５】
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等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等を記憶する記憶回路と、スロットル弁２６、切換弁５１３、ＥＧＲ弁１３、過給機８、及びエンジン１の燃料噴射弁等に制御信号を出力する出力回路とを備える。
【００６６】
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、ＤＰＦ３２に堆積したＰＭを燃焼させる場合や、第２触媒コンバータ３３に吸着したＳＯｘを浄化する場合には、再生処理が行われる。
【００６７】
次に、図２を参照して、本実施形態の再生処理について説明する。図２は、ＥＣＵ４０による放出ガスの供給の手順を示すフローチャートである。
【００６８】
まず、触媒温度センサ２９の検出値に基づいて、第２触媒コンバータ３３の温度が所定温度以下であるか否かを判別する（ＳＴ１）。この「所定温度」とは、第２触媒コンバータ３３が放出ガス中の還元性気体が供給されなくともＮＯｘを充分に除去できる程度の活性状態に達するために必要な温度を指し、第２触媒コンバータ３３の性能や排気組成等に応じて適宜設定されてよい。ＳＴ１における判別が“ＮＯ”の場合には、放出ガスを供給する必要がないため、放出ガスの供給を行わず（ＳＴ２）、“ＹＥＳ”の場合には、ＳＴ３に移る。
【００６９】
ＳＴ３では、状況が、放出ガスにおける白煙成分量が許容量を超える非許容条件にあるか否かを判別する。本実施形態では、放出ガス温度センサ２３の検出値に基づいて、改質触媒５３１からの放出ガスの温度Ｔａｆｃａｔが、放出ガスにおける白煙成分量が許容量を超えることが想定される温度Ｔｓｍｏｋｅ以下か否かを判別する。放出ガスの温度Ｔａｆｃａｔは、改質触媒５３１の温度に対応する。なお、この判別は、放出ガスの空燃比、放出ガスの組成（例えば、水素濃度、一酸化炭素濃度、酸素濃度、及び炭化水素濃度の少なくとも１種）、燃料改質器５０の稼動開始後の経過時間等に基づいて行ってもよい。
【００７０】
ＳＴ３での判別が“ＹＥＳ”の場合には、非許容条件を選択し、切換弁５１３に回復管５５の流量割合を増加させる（ＳＴ４）。エンジン１の始動直後等の低温条件下では、通常、ＳＴ３での判別が“ＹＥＳ”になるため、ＳＴ４に移ることになる。続いて、スロットル弁２６の開度を調節し、目標差圧を取得する（ＳＴ５）。「目標差圧」とは、放出ガスを吸気管２に容易に供給するために必要な差圧ΔＰであり、適宜設定される。
【００７１】
次に、ＳＴ６では、吸気の自己着火の有無を判別する。具体的には、筒内圧センサ２５の検出値に基づいて、自己着火を推定させる現象（例えば、圧力変動（ｄｐ／ｄΘ）、熱発生パターン）の有無を判別する。その他、ノック信号、角速度変動、イオン電流等の検出に基づいて判別を行ってもよい。
【００７２】
ＳＴ６での判別が“ＹＥＳ”の場合には、スロットル弁２６の開度を増加する（ＳＴ７）。これにより、吸気空燃比が上昇し、自己発火が解消されやすくなる。ただし、スロットル弁２６の開度増加に伴って差圧が減少するため、エアコンプレッサ５２３の圧力を増加することで差圧の減少を補い（ＳＴ８）、その後に後述のＳＴ１１に移る。
【００７３】
「所定値」は、吸気の自己着火が所望の程度まで抑制される範囲の吸気空燃比を指し、本実施形態では所定値は事後的に設定される。ただし、「所定値」は予め設定されていてもよく、この場合には「所定値」の吸気空燃比が得られるよう、以下に示すスロットル弁２６の開度の適合作業を行う。
【００７４】
図３の上図はスロットル弁２６の開度と吸気空燃比との関係を示すグラフであり、下図はスロットル弁２６の開度と、スロットル弁２６よりも下流側における吸気管２内部及び燃料改質器５０の差圧との関係を示すグラフである。なお、これらのグラフは、改質触媒５３１に供給される燃料が一定であり、且つ、改質触媒５３１に供給される燃料ガスの空燃比も一定であるという前提条件に基づいて作成される。
【００７５】
まず、所定値の下限として、上記の前提条件において、吸気の自己着火が想定される吸気空燃比の臨界値（自己着火ライン）を求める。この臨界値を与えるスロットル弁２６の開度を開度の最小値とする（図３の上図参照）。なお、所定値は、温度、圧力、湿度等といった種々の環境条件の変動や、各構成部品のばらつきを考慮して、下限から余分に離れた範囲に設定されることが好ましい。これにより、吸気の自己着火の発生を高確率で予防できる。
【００７６】
また、スロットル弁２６の開度の上限は、上記の前提条件において、エアコンプレッサ５２３が最大圧力を発揮すれば、放出ガスを吸気管２に容易に供給するために必要な差圧（目標差圧）を確保できる開度の最大値である（図３の下図参照）。なお、差圧ΔＰは、エアコンプレッサ５２３の出力と、圧力センサ２７の検出値とに基づいて算出される。
【００７７】
本実施形態におけるスロットル弁２６の開度は、エアコンプレッサ５２３の小型化を実現するべく、エアコンプレッサ５２３の圧力が大気圧に近い（つまり、略開放状態）場合であっても必要な差圧を確保できる開度（目標開度）に設定される（図３の下図参照）。
【００７８】
なお、このような範囲にスロットル弁２６の開度を設定すると、吸気空燃比が所定値となり、吸気の自己発火は理論的には生じないはずである。このため、筒内圧センサ２５を設置する必要性が低下し、筒内圧センサ２５を設けない場合にはコストを削減できる。ただし、種々の要因により吸気の自己発火が生じる場合も考えられ、かかる場合に自己発火を放置することはＮＶＨやドライバビリティの悪化につながる。そこで、筒内圧センサ２５を設け、ＳＴ８を行ってもよい。
【００７９】
図２に戻って、時間の経過とともに改質触媒５３１が充分に温まると、ＳＴ３での判別が“ＮＯ”になる。この場合、許容条件を選択し、切換弁５１３に供給管５４の流量割合を増加させる（ＳＴ９）。続いて、スロットル弁２６の開度を増加、通常は全開にし、エンジン１の出力を最大限に発揮させる（ＳＴ１０）。その後、ＳＴ１１に移る。
【００８０】
ＳＴ１１では、放出ガスの供給を行う。ＳＴ４〜ＳＴ８を通じてＳＴ１１に移ってきた場合、回復管５５の流量割合が増加されているため、許容量を超える白煙成分を含む放出ガスは優先的にエンジン１に導入され、燃料として使用される。また、ＳＴ９〜ＳＴ１０を通じてＳＴ１１に移ってきた場合、回復管５５の流量割合が減少されているため、白煙成分量が許容量以下であり且つ還元性気体に富む放出ガスは優先的に第２触媒コンバータ３３に導入され、ＮＯｘの除去に使用される。
【００８１】
［作用効果］
本実施形態によれば、以下のような作用効果が得られる。
【００８２】
供給管５４を設けたので、第２触媒コンバータ３３よりも上流側に放出ガスが供給され、放出ガス中の還元性気体を用いたＮＯｘの除去が促進される。
しかも、回復管５５を設けたので、放出ガスは吸気管２にも供給され、やがてエンジン１に導入される。このため、低温条件下に電気ヒータ５３３の出力が小さい等のために、放出ガスに白煙成分が含まれたとしても、かかる白煙成分の少なくとも一部はエンジン１で燃焼されるため、排気ガスへの混入量が低減する。
従って、燃費を維持しつつ低温条件下における排気ガスの浄化性能を向上できる。
【００８３】
燃料改質器５０をスロットル弁２６の下流に連通したので、スロットル弁２６の開度を減少させると、スロットル弁２６の下流及び燃料改質器５０の差圧が拡大する。これにより、エアコンプレッサ５２３で過度に昇圧しなくとも充分な差圧が得られ、白煙成分を含む放出ガスが吸気管２に供給される。よって、エアコンプレッサ５２３を小型化でき、設計の自由度を向上できる。
【００８４】
切換弁５１３を設けたので、供給管５４及び回復管５５の各々を流通する放出ガスの流量割合を調節できる。これにより、種々の条件に応じて、第２触媒コンバータ３３でのＮＯｘ除去及びエンジン１での燃焼の優先度を変更できる。
【００８５】
低温条件のような非許容条件下では、回復管５５の流量割合が許容条件下よりも増加する制御が行われるので、白煙成分がエンジン１で燃焼される傾向が強まる。これにより、許容量を超える白煙成分量が大気へ排出されることがより抑制される。
また、許容条件下になると、回復管５５の流量割合が非許容条件下よりも減少し、還元性気体に富む放出ガスが第２触媒コンバータ３３に供給されて、ＮＯｘの除去が促進される傾向が強まる。
このように、放出ガスの状態に応じて、放出ガスが供給される箇所が適切に選択されるので、排気ガスの浄化性能をより向上できる。
【００８６】
改質触媒５３１の温度という容易に検出可能なパラメータを採用したので、容易且つ正確に許容条件及び非許容条件が判定される。これにより、放出ガスが供給される箇所が高精度且つ適切に選択されるので、排気ガスの浄化性能をより向上できる。
【００８７】
吸気空燃比が所定値以上に制御されるので、吸気の自己着火が抑制され、ＮＶＨやドライバビリティを向上できる。
【００８８】
吸気の自己着火が生じた場合であっても、筒内圧センサ２５で自己着火が検知され、この検知に応じて吸気空燃比が増加され、自己着火が解消される。よって、ＮＶＨやドライバビリティをより向上できる。
【００８９】
スロットル弁２６の開度を調節するだけで、スロットル弁２６の下流及び燃料改質器５０の差圧ΔＰが増減し、吸気管２への放出ガスの供給量が変動して、吸気空燃比が増減する。よって、ＮＶＨやドライバビリティを向上しつつも、エアコンプレッサ５２３の負担を軽減でき、設計の自由度を向上できる。
【００９０】
＜変形例＞
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。例えば、前記実施形態では、内燃機関としてディーゼルエンジンを採用したが、これに限られず、ガスタービンエンジン、ジェットエンジン、直噴ガソリンエンジン等であってもよい。内燃機関及び燃料の種類に応じて、目標差圧やＴｓｍｏｋｅを適宜設定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関及び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による放出ガス供給の手順を示すフローチャートである。
【図３】スロットル弁２６の開度と吸気空燃比との関係を示すグラフ（上側）、及びスロットル弁２６の開度と、スロットル弁２６よりも下流側における吸気管２内部及び燃料改質器５０の差圧との関係を示すグラフ（下側）である。
【符号の説明】
【００９２】
１  エンジン（内燃機関）
２  吸気管（吸気通路）
４  排気管（排気通路）
２３  放出ガス温度センサ（検出手段）
２５  筒内圧センサ（自己着火検知手段）
２６  スロットル弁（スロットル弁）
３１  触媒コンバータ
３２  ＤＰＦ（パティキュレートフィルタ）
３３  ＮＯｘ浄化触媒
４０  電子制御ユニット（流量割合制御手段、吸気空燃比制御手段、吸気空燃比修正手段、開度調節手段）
５０  燃料改質器
５４  供給管（供給路、供給手段）
５５  回復管（回復路、供給手段）
５１３  切換弁（流量割合調節手段）
５３１  改質触媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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