JP2004308549A

JP2004308549A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2004308549A
Application number: JP2003102897A
Authority: JP
Inventors: Shinya Hirota; 信也広田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】排気ガスの空燃比への影響を抑えつつ添加燃料の霧化または気化を促進することが可能な排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気ガス通路６に配置された排気ガス浄化手段１２と、該排気ガス浄化手段１２の上流側において上記排気ガス通路６に燃料を添加する燃料添加手段２４と、上記排気ガス通路６から排気ガスの一部を取り出して加圧し加圧排気ガスを生成すると共に、該加圧排気ガスを上記燃料添加手段２４により添加される燃料と共に上記排気ガス通路６の上記排気ガス浄化手段１２の上流側に供給する加圧排気ガス供給手段１５、１６、１８、２１、２２、２４と、を備える内燃機関の排気浄化装置２０を提供する。これによれば、排気ガス中の酸素量は空気中のそれよりも少ないので、上記排気ガス浄化手段１２を流通する排気ガスの空燃比への影響を抑えつつ添加燃料の霧化を促進することができる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガスを浄化する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車等に搭載される筒内噴射型の内燃機関、例えばディーゼルエンジンでは、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去することが要求されている。そしてこのような要求に対し、ＮＯｘ吸蔵剤を内燃機関の排気ガス通路に配置する方式の排気浄化装置が提案されている。
【０００３】
このような排気浄化装置に用いられるＮＯｘ吸蔵剤は、排気ガスの空燃比がリーンの時にはＮＯｘを吸蔵し、排気ガス中の空燃比が小さくなり、且つ排気ガス中にＨＣやＣＯ等の還元剤が存在していれば吸蔵したＮＯｘを離脱させ還元浄化する作用（ＮＯｘの吸蔵離脱及び還元浄化作用）を有する。そしてこの作用を利用して、排気ガスの空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵剤に吸蔵させ、一定期間使用してＮＯｘ吸蔵剤の吸蔵効率が低下した時または低下する前に、ＮＯｘ吸蔵剤に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにする制御（以下、この制御をリッチスパイク制御という）を行って、ＮＯｘ吸蔵剤に吸蔵したＮＯｘを離脱させ還元浄化するようにしている。
【０００４】
なお、本明細書において「吸蔵」という語は「吸収」及び「吸着」の両方の意味を含むものとして用いる。したがって、「ＮＯｘ吸蔵剤」は、「ＮＯｘ吸収剤」と「ＮＯｘ吸着剤」の両方を含み、前者はＮＯｘを硝酸塩等の形で蓄積し、後者はＮＯ_２等の形で吸着する。また、ＮＯｘ吸蔵剤からの「離脱」という語についても、「吸収」に対応する「放出」の他、「吸着」に対応する「脱離」の意味も含むものとして用いる。
【０００５】
ところで、内燃機関の燃料には硫黄（Ｓ）成分が含まれている場合があり、この場合には排気ガス中に硫黄酸化物（ＳＯｘ）が含まれることとなる。排気ガス中にＳＯｘが存在するとＮＯｘ吸蔵剤はＮＯｘの吸蔵作用を行うのと全く同じメカニズムで排気ガス中のＳＯｘの吸蔵を行う。
【０００６】
ところが、ＮＯｘ吸蔵剤に吸蔵されたＳＯｘは比較的安定であり、一般にＮＯｘ吸蔵剤に蓄積されやすい傾向がある。ＮＯｘ吸蔵剤のＳＯｘ蓄積量が増大すると、ＮＯｘ吸蔵剤のＮＯｘ吸蔵容量が減少して排気ガス中のＮＯｘの除去を十分に行うことができなくなるため、ＮＯｘの浄化効率が低下するいわゆる硫黄被毒（Ｓ被毒）の問題が生じる。特に、燃料として比較的硫黄成分を多く含む軽油を使用するディーゼルエンジンにおいてはこの硫黄被毒の問題が生じやすい。
【０００７】
一方、ＮＯｘ吸蔵剤に吸蔵されたＳＯｘについても、ＮＯｘと同じメカニズムで離脱させることが可能であることが知られている。従って、この場合にも上述したリッチスパイク制御が実施される。但し、ＳＯｘは比較的安定した形でＮＯｘ吸蔵剤に吸蔵されるため、通常のＮＯｘの離脱及び還元浄化が行われる温度（例えば２５０℃程度以上）でリッチスパイク制御を行ってもＮＯｘ吸蔵剤に吸蔵されたＳＯｘを放出等させることは困難である。このため、硫黄被毒を解消する（すなわち、硫黄被毒再生する）ためには、ＮＯｘ吸蔵剤を通常のＮＯｘの離脱及び還元浄化時よりも高い温度、すなわち硫黄分放出温度（例えば６００℃以上）に昇温してリッチスパイク制御が実施される。
【０００８】
以上のように、上記のようなＮＯｘ吸蔵剤を利用した排気浄化装置においては、そのＮＯｘ吸蔵剤を浄化（ＮＯｘの放出還元、硫黄被毒再生等）するための制御においてリッチスパイク制御もしくはＮＯｘ吸蔵剤を昇温してのリッチスパイク制御（以下、これらをまとめて単に「リッチスパイク制御」という）を実施する場合がある。そして、このリッチスパイク制御を行う方法として、ＮＯｘ吸蔵剤の上流側において排気ガス通路内に燃料（軽油）を添加する方法が公知である。
【０００９】
しかしながら、この方法は添加される燃料である軽油が霧化及び気化され難く、ＮＯｘ吸蔵剤のうちの上流側部分に多く付着してしまうという問題がある。すなわち、燃料（軽油）がＮＯｘ吸蔵剤全体に供給されず、その結果、浄化（ＮＯｘの放出還元、硫黄被毒再生等）が不充分になってしまう場合がある。またその一方、燃料をＮＯｘ吸蔵剤の下流側部分まで供給しようとすると、燃料の添加量が増えて燃費が悪化する上、添加された燃料が外部へ排出されて白煙を生じてしまう場合がある。
【００１０】
このような問題に対して、特許文献１には、過給空気の一部を利用して燃料（軽油）を噴霧することにより、燃料の霧化を促進する方法が開示されている。また、エアコンプレッサを備えていて同コンプレッサにより供給される圧縮空気を利用して燃料を噴霧し、燃料の霧化を促進する方法も公知である。
【００１１】
【特許文献１】
特開平８−２０００４７号公報
【特許文献２】
特開２００２−７０６００号公報
【特許文献３】
特開平６−２８２１８号公報
【特許文献４】
特開平６−９３８４２号公報
【特許文献５】
特開２０００−１１０５５２号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これらの空気を用いた霧化促進方法においては、霧化促進効果は得られるものの、燃料と共に供給される空気により排気ガスの空燃比が大きな影響を受け、排気ガスの空燃比をリッチ化する（リッチスパイク制御を実施する）ことがより困難になる。これは、霧化促進のために燃料と共に供給される空気により排気ガス中の空気量が多くなるので、目標とするリッチ空燃比とするために必要な燃料の量が多くなるためである。したがって、空気を用いた霧化促進を行いながらリッチスパイク制御を実施すると、燃費が悪化してしまう。
【００１３】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、ＮＯｘ吸蔵剤等の排気ガス浄化手段の上流側において排気ガス通路内に燃料を添加することのある排気浄化装置において、排気ガスの空燃比への影響を抑えつつ添加燃料の霧化または気化を促進することが可能な排気浄化装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された排気浄化装置を提供する。
１番目の発明は、排気ガス通路に配置された排気ガス浄化手段と、該排気ガス浄化手段の上流側において上記排気ガス通路に燃料を添加する燃料添加手段と、上記排気ガス通路から排気ガスの一部を取り出して加圧し加圧排気ガスを生成すると共に、該加圧排気ガスを上記燃料添加手段により添加される燃料と共に上記排気ガス通路の上記排気ガス浄化手段の上流側に供給する加圧排気ガス供給手段と、を備える内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【００１５】
排気ガス浄化手段の上流側において排気ガス通路内に燃料を添加する場合、添加する燃料が霧化及び気化され難いと、添加燃料が排気ガス浄化手段の上流側部分に付着してしまって排気ガス浄化手段全体に供給されず、所期の目的を充分に果たせない場合がある。そしてこのような場合に、燃料の霧化促進のために空気を添加燃料と共に供給するようにすると、目標の排気ガス空燃比とするために必要な燃料量が増加し、燃費が悪化してしまう。
【００１６】
これに対し、１番目の発明によれば、上記燃料添加手段により添加される燃料と共に加圧排気ガスが供給される。排気ガス中の酸素量は空気中のそれよりも少ないので、１番目の発明のようにすれば、上記排気ガス浄化手段を流通する排気ガスの空燃比への影響を抑えつつ添加燃料の霧化を促進することができる。また、供給される加圧排気ガスの温度が高ければ添加燃料の気化を促進する効果もある。そしてこれらにより、例えば燃費悪化を抑制しつつ添加燃料の霧化または気化を促進してリッチスパイク制御を実施することができる。この場合、霧化または気化の促進により燃料は排気ガス浄化手段全体もしくは排気ガス浄化手段のより広い範囲に供給されるようになるので、結果として燃費悪化を抑制しつつリッチスパイク制御の目的（例えば、排気ガス浄化手段の浄化（ＮＯｘの放出還元、硫黄被毒再生等）等を行うこと）を充分に果たすことが可能になる。
【００１７】
２番目の発明では１番目の発明において、上記加圧排気ガス供給手段は、上記排気ガス通路に設けられた排気ガス取り出し口を介して排気ガスを吸引し加圧する排気ガス吸引加圧手段と、加圧された上記排気ガスを貯蔵する加圧排気ガス貯蔵手段と、該加圧排気ガス貯蔵手段に貯蔵された加圧排気ガスの上記排気ガス通路への供給方法を制御する加圧排気ガス供給方法制御手段と、を備える。
２番目の発明によれば、比較的簡単な構成により１番目の発明と同様の作用及び効果を得ることができる。特に加圧排気ガスを貯蔵していることにより、応答性良く加圧排気ガスを供給することが可能となる。
【００１８】
３番目の発明では２番目の発明において、上記排気ガス取り出し口は、上記排気ガス浄化手段よりも下流側に設けられる。
３番目の発明によれば、上記排気ガス浄化手段により浄化された排気ガスの一部が再度上記排気ガス浄化手段の上流側に供給されることになるので、エミッションの向上を図ることができる。また、上記加圧排気ガス供給手段へ導入される排気ガスが上記排気ガス浄化手段によって浄化されたものとなるので、上記加圧排気ガス供給手段を構成する各構成要素における詰り等の発生を低減する効果もある。
【００１９】
４番目の発明では２番目または３番目の発明において、上記燃料添加手段による燃料添加が間欠的な複数回の燃料の噴射によって行われる場合に、上記加圧排気ガスの供給が、最初の燃料の噴射が開始される時から最後の燃料の噴射が終了するまでの間継続されるように上記加圧排気ガス供給方法制御手段によって制御される。
４番目の発明によれば、簡単化された制御により、排気ガスの空燃比への影響を抑えつつ確実に添加燃料の霧化または気化を促進することができる。
【００２０】
５番目の発明では２番目または３番目の発明において、上記加圧排気ガス供給方法制御手段が、上記加圧排気ガスの供給タイミングを制御し、該供給タイミングが上記燃料添加手段による燃料添加のための燃料噴射のタイミングと同期せしめられる。
５番目の発明によれば、上記加圧排気ガスを無駄なく使用して、排気ガスの空燃比への影響を抑えつつ添加燃料の霧化または気化を促進することができる。
【００２１】
６番目の発明では１番目から５番目の何れかの発明において、更に上記排気ガス浄化手段を流通する排気ガスの流量を制御する流量制御手段を有していて、上記燃料添加手段によって上記排気ガス通路に燃料を添加する時には、上記流量制御手段によって上記排気ガス浄化手段を流通する排気ガスの流量が低減せしめられると共に、上記加圧排気ガスが上記燃料添加手段により添加される燃料と共に上記排気ガス通路の上記排気ガス浄化手段の上流側に供給される。
【００２２】
上記排気ガス浄化手段を流通する排気ガスの流量を制御できる場合には、排気ガスの流量を低減して燃料添加を行うことにより、目標の排気ガス空燃比とするために必要な燃料量を低減することができるので燃費悪化を抑制することができる。しかしながら、この場合、排気ガスの流量が低下するので添加燃料の霧化を充分に行うことは一層困難になると考えられる。そしてその結果、添加燃料を排気ガス浄化手段全体に供給することも難しくなると考えられる。
【００２３】
６番目の発明によれば、このような上記排気ガス浄化手段を流通する排気ガスの流量を低減して燃料添加を行う場合において、上記加圧排気ガスが、燃料と共に上記排気ガス通路の上記排気ガス浄化手段の上流側に供給される。このようにすることにより、加圧排気ガスが燃料の霧化または気化を促進し、燃料の分散性を改善することができる。そしてその結果、添加燃料を排気ガス浄化手段全体もしくは排気ガス浄化手段のより広い範囲に供給することが可能になる。
【００２４】
７番目の発明では１番目から６番目の何れかの発明において、上記排気ガス浄化手段がＮＯｘ吸蔵剤を含み、該ＮＯｘ吸蔵剤に吸蔵されたＮＯｘまたはＳＯｘを離脱させる時に、上記加圧排気ガスが上記燃料添加手段により添加される燃料と共に上記排気ガス通路の上記排気ガス浄化手段の上流側に供給される。
【００２５】
７番目の発明によれば、燃費悪化を抑制しつつ添加燃料の霧化または気化を促進してリッチスパイク制御を実施することができる。そしてこの場合、霧化または気化の促進により燃料はＮＯｘ吸蔵剤を含む排気ガス浄化手段全体もしくは排気ガス浄化手段のより広い範囲に供給されるようになるので、結果として燃費悪化を抑制しつつＮＯｘ吸蔵剤のＮＯｘ放出還元または硫黄被毒再生を充分に行うことが可能になる。
【００２６】
８番目の発明では１番目から７番目の何れかの発明において、上記加圧排気ガス供給手段が、上記排気ガス通路から取り出した排気ガスの酸素濃度を低減する酸素濃度低減手段を有している。
８番目の発明によれば、酸素濃度の低減された加圧排気ガスが生成されるので、上記排気ガス浄化手段を流通する排気ガスの空燃比への影響をより一層抑制しつつ添加燃料の霧化または気化を促進することができる。そしてこれにより、例えば、燃費悪化をより一層抑制しつつ添加燃料の霧化または気化を促進してリッチスパイク制御を実施することができる。
【００２７】
９番目の発明では８番目の発明において、上記酸素濃度低減手段は、上記排気ガス通路から取り出した排気ガスが通る通路に配置された酸化触媒と、該酸化触媒の上流側において燃料を添加する前記燃料添加手段とは異なる燃料添加手段とを備える。
上記の前記燃料添加手段とは異なる燃料添加手段から燃料を添加し上記酸化触媒において反応させることによって上記排気ガス通路から取り出した排気ガス中の酸素を消費し、上記排気ガス通路から取り出した排気ガスの酸素濃度を低減することができる。すなわち、９番目の発明によれば、比較的簡単に上記酸素濃度低減手段を構成し、８番目の発明と同様の作用及び効果を得ることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明はＮＯｘ吸蔵剤であるＮＯｘ吸収剤とＮＯｘ吸着剤のどちらを用いても実施可能であるが、以下ではＮＯｘ吸収剤を用いた場合について説明する。また、各図面において、同一又は類似の構成要素には共通の参照番号を付す。
【００２９】
図１は本発明をディーゼルエンジンへ適用した場合を示している。なお、本発明はガソリンエンジン等その他のタイプの内燃機関へ適用することも可能である。
図１において、２は機関（エンジン）本体、４は吸気通路、６は排気ガス通路をそれぞれ示す。排気ガス通路６には本発明の排気浄化装置１０が設けられるが、この部分に設置される排気浄化装置１０については後に三つの異なる構成の排気浄化装置２０、３０、４０を挙げて詳細に説明する。
【００３０】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）８は、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、入出力ポートを双方向バスで接続した公知の形式のディジタルコンピュータからなり、機関本体２と信号をやり取りして燃料噴射量制御等のエンジンの基本制御を行う他、以下で述べるように本発明の各実施形態においては、排気浄化装置の各構成要素とも信号のやり取りを行いその制御も行う。
【００３１】
図２は、図１に示されている排気浄化装置１０の部分に設置されて排気ガス通路６の一部を構成する、排気浄化装置２０について示した図である。図２に示したように排気浄化装置２０は、排気ガス通路６に配置されたフィルタ１４を備え、同フィルタ１４は排気ガス中の排気微粒子を除去する機能を有する。フィルタ１４には後述するようにＮＯｘ吸収剤１２が担持され、排気ガス浄化手段が構成される。
【００３２】
ＮＯｘ吸収剤１２が担持されたフィルタ１４の上流側には、ＮＯｘ吸収剤１２等の浄化制御等の際に燃料（軽油）を排気ガス通路６内に添加するためのノズル２４が設けられている。ノズル２４は、添加する燃料の霧化または気化を促進するために添加燃料と共に後述する加圧排気ガスを供給できるような構成となっている。ノズル２４は、例えば公知の２流体ノズルあるいはエアーアシストノズルのような構成であってもよい。燃料の添加方法、すなわち添加燃料量や添加タイミング（噴射タイミング）等はノズル２４の動作をＥＣＵ８によって制御することで調整される。
【００３３】
ＮＯｘ吸収剤１２が担持されたフィルタ１４の下流側には排気ガス通路６から排気ガスの一部を取り出すための排気ガス取り出し口１５が設けられており、同取り出し口１５に接続されたポンプまたはコンプレッサ（以下、単に「ポンプ」という）１６によって排気ガスが上記取り出し口１５を介して吸引され加圧される。ポンプ１６はＥＣＵ８によって制御される。
【００３４】
ポンプ１６により吸引され加圧された排気ガスはタンク２１へ送られ加圧排気ガスとして貯蔵される。図１の実施形態においてはポンプ１６とタンク２１との間の加圧排気ガス通路にタンク２１からの逆流を防止するための逆止弁１８が設けられている。
タンク２１に貯蔵された加圧排気ガスは上述のノズル２４へと送られ添加燃料と共に排気ガス通路６内へと供給されることとなるが、この場合の加圧排気ガスの供給方法、すなわち供給量や供給タイミング等は、タンク２１とノズル２４との間に設けられた制御弁２２の動作をＥＣＵ８によって制御することで調整される。なお、制御弁２２に相当する制御手段をノズル２４内に組み込み、ＥＣＵ８によってノズル２４を制御することによって燃料の添加方法と加圧排気ガスの供給方法の両方を制御するようにしてもよい。
【００３５】
図３にフィルタ１４の拡大断面図を示す。図３を参照すると、フィルタ１４は多孔質セラミックから成り、排気ガスは矢印で示されるように図中左から右に向かって流れる。フィルタ１４内には、上流側に栓３４が施された第１通路３８と下流側に栓４２が施された第２通路４４とが交互に配置されハニカム状をなしている。排気ガスが図中左から右に向かって流れると、排気ガスは第２通路４４から多孔質セラミックの隔壁を通過して第１通路３８に流入し、下流側に流れる。この時、排気ガス中の排気微粒子（パティキュレート）は多孔質セラミックによって捕集されて排気ガス中から除去され、排気微粒子の大気への放出が防止される。
【００３６】
また、第１通路３８および第２通路４４の隔壁の表面及び内部の細孔内にはＮＯｘ吸収剤１２が担持されている。ＮＯｘ吸収剤１２は、例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とから成る。ＮＯｘ吸収剤１２は流入排気ガスの空燃比がリーンの時にはＮＯｘを吸収し、ＮＯｘ吸収剤流入排気ガスの空燃比が小さくなり、且つ還元剤が存在していれば吸収したＮＯｘを放出して還元浄化する作用（ＮＯｘの吸収放出及び還元浄化作用）を有する。
【００３７】
図１に示した構成ではディーゼルエンジンが使用されているため、通常状態の時の排気ガス空燃比はリーンであり、ＮＯｘ吸収剤１２は通常状態の時には排気ガス中のＮＯｘの吸収を行う。そして、一定期間使用してＮＯｘ吸収剤１２のＮＯｘ吸収効率が低下する等した場合には、ＮＯｘ吸収剤１２からＮＯｘを放出し還元する必要が生じる。本排気浄化装置２０においては、このようなＮＯｘ吸収剤１２からのＮＯｘの放出及び還元浄化が必要になった場合には、ノズル２４からＮＯｘ吸収剤１２（フィルタ１４）の上流側の排気ガス通路６に燃料（軽油）を供給することでリッチスパイク制御を行い、ＮＯｘ吸収剤１２が吸収したＮＯｘを放出すると共に放出したＮＯｘを還元浄化するようにする。
【００３８】
この吸収放出及び還元浄化作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もあるが、この吸収放出及び還元浄化作用は図４に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。次にこのメカニズムについて白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【００３９】
すなわち、ＮＯｘ吸収剤流入排気ガスの空燃比がかなりリーンになるとＮＯｘ吸収剤流入排気ガス中の酸素濃度が大幅に増大し、図４（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ_２がＯ_２ ⁻またはＯ^２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、ＮＯｘ吸収剤流入排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ_２ ⁻またはＯ^２−と反応し、ＮＯ_２となる（２ＮＯ＋Ｏ_２→２ＮＯ_２）。次いで生成されたＮＯ_２の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつＮＯｘ吸収剤１２内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、図４（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形でＮＯｘ吸収剤１２内に拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ吸収剤１２内に吸収される。
【００４０】
ＮＯｘ吸収剤流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ_２が生成され、ＮＯｘ吸収剤１２のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限りＮＯ_２がＮＯｘ吸収剤１２内に吸収されて硝酸イオンＮＯ_３ ⁻が生成される。これに対してＮＯｘ吸収剤流入排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ_２の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ_３ ⁻→ＮＯ_２）に進み、斯くしてＮＯｘ吸収剤１２内の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻がＮＯ_２の形でＮＯｘ吸収剤１２から放出される。すなわち、ＮＯｘ吸収剤流入排気ガス中の酸素濃度が低下するとＮＯｘ吸収剤１２からＮＯｘが放出されることになる。ＮＯｘ吸収剤流入排気ガスのリーンの度合いが低くなればＮＯｘ吸収剤流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、したがってＮＯｘ吸収剤流入排気ガスのリーンの度合いを低くすればＮＯｘ吸収剤１２からＮＯｘが放出されることになる。
【００４１】
一方、この時ＮＯｘ吸収剤流入排気ガスの空燃比を小さくすると、ＨＣ、ＣＯは白金Ｐｔ上の酸素Ｏ_２ ⁻またはＯ^２−と反応して酸化せしめられる。また、ＮＯｘ吸収剤流入排気ガスの空燃比を小さくするとＮＯｘ吸収剤流入排気ガス中の酸素濃度が極度に低下するためにＮＯｘ吸収剤１２からＮＯ_２が放出され、このＮＯ_２は図４（Ｂ）に示されるように未燃ＨＣ、ＣＯと反応して還元浄化せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ_２が存在しなくなるとＮＯｘ吸収剤１２から次から次へとＮＯ_２が放出される。したがってＮＯｘ吸収剤流入排気ガスの空燃比を小さくすると短時間のうちにＮＯｘ吸収剤１２からＮＯｘが放出されて還元浄化されることになる。
【００４２】
なお、ここでいう排気ガスの空燃比とはＮＯｘ吸収剤１２上流側の排気ガス通路６とエンジン燃焼室または吸気通路４に供給された空気と燃料との比率をいうものとする。したがって排気ガス通路６に空気や燃料が供給されていない時には排気ガスの空燃比はエンジンの運転空燃比（エンジン燃焼室内の燃焼空燃比）に等しくなる。
【００４３】
次にＮＯｘ吸収剤１２の硫黄被毒のメカニズムについて説明する。排気ガス中にＳＯｘ成分が含まれていると、ＮＯｘ吸収剤１２は上述のＮＯｘの吸収と同じメカニズムで排気ガス中のＳＯｘを吸収する。すなわち、排気ガスの空燃比がリーンの時、排気ガス中のＳＯｘ（例えばＳＯ_２）は白金Ｐｔ上で酸化されてＳＯ_３ ⁻、ＳＯ_４ ⁻となり、酸化バリウムＢａＯと結合してＢａＳＯ_４を形成する。ＢａＳＯ_４は比較的安定であり、また、結晶が粗大化しやすいため一旦生成されると分解放出されにくい。このため、ＮＯｘ吸収剤１２中のＢａＳＯ_４の生成量が増大するとＮＯｘの吸収に関与できるＢａＯの量が減少してしまいＮＯｘの吸収能力が低下してしまう。
【００４４】
この硫黄被毒を解消するためには、ＮＯｘ吸収剤１２中に生成されたＢａＳＯ_４を高温で分解するとともに、これにより生成されるＳＯ_３ ⁻、ＳＯ_４ ⁻の硫酸イオンをスライトリーンを含むほぼ理論空燃比またはリッチ雰囲気（以下、単にリッチ雰囲気という）下で還元し、気体状のＳＯ_２に転換してＮＯｘ吸収剤１２から放出させる必要がある。すなわち、硫黄被毒を解消するためには、ＮＯｘ吸収剤１２を高温且つリッチ雰囲気の状態にする必要がある。
【００４５】
本排気浄化装置２０においては、このような硫黄被毒を解消する必要が生じた場合には、ノズル２４からＮＯｘ吸収剤１２（フィルタ１４）の上流側の排気ガス通路６に燃料（軽油）を供給し、その反応によってＮＯｘ吸収剤１２を昇温すると共にリッチ雰囲気を作り出すようにし、ＮＯｘ吸収剤１２から硫黄分を放出するようにする。すなわち、ノズル２４から排気ガス通路に燃料（軽油）を添加することでリッチスパイク制御が実施され、硫黄分の放出が図られる。
【００４６】
以上のように、本排気浄化装置２０においては、ＮＯｘ吸収剤１２を浄化（上述のようなＮＯｘの放出還元、硫黄被毒再生等）する必要が生じた場合には、リッチスパイク制御を実施するためにＮＯｘ吸収剤１２（フィルタ１４）の上流側においてノズル２４から排気ガス通路６内に燃料（軽油）の添加が行われる。より詳細には、予め定めたリッチスパイク制御開始条件が成立した時に燃料添加が開始され、その後予め定めたリッチスパイク制御終了条件が成立した時に燃料添加が終了するようになっている。ここでのリッチスパイク制御開始条件は、すなわち上述したようなＮＯｘ吸収剤の浄化が必要となったことを示すものであり、例えば、前回ＮＯｘ吸収剤の浄化（ＮＯｘの放出還元または硫黄被毒再生等）を行った時からの車両走行距離が予め定めた値になった時にこの条件が成立するものとしてもよい。また、ここでのリッチスパイク制御終了条件はＮＯｘ吸収剤１２の浄化が完了したことを示すものであり、例えば今回のリッチスパイク制御の継続時間が予め定めた値になった時にこの条件が成立したものとすることができる。
【００４７】
そしてこのようなリッチスパイク制御を実施するために燃料添加を行う際、本排気浄化装置２０においては、予めポンプ１６によって吸引、加圧されてタンク２０に貯蔵されていた加圧排気ガスが添加燃料（軽油）と共にＮＯｘ吸収剤１２（フィルタ１４）の上流側に供給されるようになっている。これは、ＮＯｘ吸収剤１２を流通する排気ガスの空燃比への影響を抑えつつ添加燃料（軽油）の霧化または気化を促進し、その結果として燃費悪化を抑制しつつ上述したようなＮＯｘ吸収剤１２の浄化を効果的に行えるようにすることを目的とするものである。
【００４８】
すなわち、上述したようなＮＯｘ吸収剤１２の浄化を目的としてＮＯｘ吸収剤１２の上流側において排気ガス通路６内に燃料（軽油）を添加する場合、添加する燃料である軽油は一般に霧化及び気化され難いので、添加燃料がＮＯｘ吸収剤１２（フィルタ１４）の上流側部分に付着してしまってＮＯｘ吸収剤全体に供給されず、ＮＯｘ吸収剤１２の浄化を充分に行うことが困難である。そしてこのような場合に燃料の霧化促進のために空気を添加燃料と共に供給するようにすると、目標の排気ガス空燃比（もしくはリッチ雰囲気）とするために必要な燃料量が増加し、燃費が悪化してしまう。つまり、霧化促進のために供給される空気により排気ガス中の空気量が多くなるので、目標とする排気ガス空燃比（もしくはリッチ雰囲気）を実現するために必要な燃料の量が多くなってしまうのである。
【００４９】
これに対し、本排気浄化装置２０においては、添加燃料と共に加圧排気ガスが供給される。排気ガス中の酸素量は空気中のそれよりも少ないので、このようにすれば、ＮＯｘ吸収剤１２（フィルタ１４）を流通する排気ガスの空燃比への影響を抑えつつ添加燃料の霧化を促進することができる。また、排気ガスはある程度温度が高く、加圧される際にも温度が上昇するが、供給される際の加圧排気ガスの温度を高く維持しておけば添加燃料の気化を促進する効果も得られる。そしてこれらにより、燃費悪化を抑制しつつ添加燃料の霧化または気化を促進してリッチスパイク制御を実施することが可能となる。そうすると、霧化または気化の促進により燃料はＮＯｘ吸収剤１２（フィルタ１４）全体もしくはそのより広い範囲に供給されるようになるので、結果として燃費悪化を抑制しつつリッチスパイク制御の目的であるＮＯｘ吸収剤１２の浄化（ＮＯｘの放出還元、硫黄被毒再生等）を充分且つ効果的に行うことが可能になる。
【００５０】
また、燃料の添加タイミング（噴射タイミング）と加圧排気ガスの供給タイミングとの関係については、添加燃料の霧化または気化の促進の観点から適切に決定され得るが、通常、添加燃料の霧化または気化の促進の観点からは、燃料の添加（噴射）が実際に行われている間は加圧排気ガスの供給が行われていることが好ましい。すなわち、例えば、リッチスパイク制御のための燃料添加が間欠的な複数回の燃料噴射で行われる場合において、図５（ａ）に示したように、加圧排気ガスの供給が、最初の燃料の噴射が開始される時から最後の燃料の噴射が終了するまでの間継続されるようにする。この場合、簡単化された加圧排気ガス供給制御により、排気ガスの空燃比への影響を抑えつつ確実に添加燃料の霧化または気化を促進することができる。あるいは、図５（ｂ）に示したように、加圧排気ガスの供給タイミングと燃料噴射のタイミングとを同期させるようにしてもよい。この場合には加圧排気ガスを無駄なく使用して、排気ガスの空燃比への影響を抑えつつ添加燃料の霧化または気化を促進することができる。
【００５１】
なお、燃料の添加タイミング（噴射タイミング）と加圧排気ガスの供給タイミングとの関係は、上述の説明からも明らかなように制御弁２２とノズル２４との動作をＥＣＵ８によって制御することにより調整される。本排気浄化装置２０においては、加圧排気ガスを予め生成してタンク２１に貯蔵しているので、制御弁２２を制御することのみにより加圧排気ガスの供給が可能であり、必要な時になって加圧排気ガスを生成する場合に比べ、加圧排気ガスを応答性良く供給することができる。また、タンク２１内に貯蔵された加圧排気ガスは、排気ブレーキのためのバルブアクチュエータの駆動やその他の補機類の駆動等、通常、圧縮空気を用いている用途へも応用することができる。
【００５２】
また、本排気浄化装置２０においては、上記排気ガス取り出し口１５が、ＮＯｘ吸収剤１２が担持されたフィルタ１４よりも下流側に設けられている。そのため、ＮＯｘ吸収剤１２及びフィルタ１４により浄化された排気ガスの一部が再度これらによって浄化されることになるので、エミッションの向上を図ることができる。また、上記のポンプ１６、逆止弁１８、タンク２１、制御弁２２等を通る排気ガスがＮＯｘ吸収剤１２及びフィルタ１４により浄化されたものとなるので、これらの機器における詰りや固着等の発生を低減する効果もある。
【００５３】
次に図６を参照して別の構成の排気浄化装置３０について説明する。なお、ここでは上述の排気浄化装置２０と共通する構成、作用及び効果については原則として説明を省略する。
図６に示された排気浄化装置３０は、上述の排気浄化装置２０（図２参照）と同様、図１に示されている排気浄化装置１０の部分に設置されて排気ガス通路６の一部を構成する。排気浄化装置３０の構成を上述の排気浄化装置２０の構成と比較すると、排気浄化装置３０においては、ＮＯｘ吸収剤１２（フィルタ１４）をバイパスするバイパス通路６Ｂが設けられ、且つ、主通路６Ａとバイパス通路６ＢとのＮＯｘ吸収剤１２（フィルタ１４）の下流側合流部分に流量制御弁２６が設けられている点で異なっている。この流量制御弁２６はＥＣＵ８によって作動が制御され、必要に応じて両通路６Ａ、６Ｂを流れる排気ガスの流量の割合を制御してＮＯｘ吸収剤１２（フィルタ１４）を流通する排気ガスの流量を調整することができる。
【００５４】
本排気浄化装置３０において流量制御弁２６は、通常状態においては、図６に実線で示された位置にあり、ほぼ全ての排気ガスがＮＯｘ吸収剤１２（フィルタ１４）を通過するようにされているが、上述したような燃料添加によるリッチスパイク制御が実施される時にはその位置が調整されてＮＯｘ吸収剤１２（フィルタ１４）を流通する排気ガスの流量が低減される。これは、排気ガスの流量を低減して燃料添加を行うことにより、目標の排気ガス空燃比とするために必要な燃料量を低減しようとするものである。そして通常、このように排気ガスの流量が低下すると添加燃料の霧化を充分に行うことは一層困難になり、燃料の霧化もしく気化を促進する必要性はより高まることになる。
【００５５】
本排気浄化装置３０においては、このようにＮＯｘ吸収剤１２（フィルタ１４）を流通する排気ガスの流量を低減して燃料添加を行う場合において、タンク２１に貯蔵されている加圧排気ガスが、上記排気浄化装置２０の場合と同様、添加燃料と共に上記主通路６ＡのＮＯｘ吸収剤１２の上流側に供給されるようになっている。このようにすることにより、燃料の霧化または気化を促進する必要性のより高い状況において、加圧排気ガスにより燃料の霧化または気化が促進され、燃料の分散性が改善される。そしてその結果、添加燃料をＮＯｘ吸収剤１２（フィルタ１４）全体もしくはそのより広い範囲に供給することが可能になり、燃費悪化を抑制しつつリッチスパイク制御の目的であるＮＯｘ吸収剤１２の浄化（ＮＯｘの放出還元、硫黄被毒再生等）を充分且つ効果的に行うことが可能になる。
【００５６】
次に図７を参照して更に別の構成の排気浄化装置４０について説明する。なお、ここでも上述の排気浄化装置２０と共通する構成、作用及び効果については原則として説明を省略する。
図７に示された排気浄化装置４０は、上述の排気浄化装置２０（図２参照）及び排気浄化装置３０（図６参照）と同様、図１に示されている排気浄化装置１０の部分に設置されて排気ガス通路６の一部を構成する。排気浄化装置４０の基本的な構成は上述の排気浄化装置２０の構成とほぼ同様であるが、排気浄化装置４０においては、ポンプ１６と逆止弁１８との間に酸化触媒２７と、その酸化触媒２７の上流において燃料を添加するための燃料添加ノズル２９とが設けられている点で異なっている。
【００５７】
この燃料添加ノズル２９はＥＣＵ８によってその作動が制御され、必要に応じて、すなわち、ポンプ１６が作動されて加圧排気ガスが生成される時に、上記酸化触媒２７の上流に燃料を添加するように制御される。このようにすることによって、燃料添加ノズル２９から添加された燃料が酸化触媒２７で反応して排気ガス中の酸素が消費されるので、酸素濃度の低減された加圧排気ガスを得ることができる。
【００５８】
そして、このようにして酸素濃度の低減された加圧排気ガスはタンク２１に貯蔵され、上述した他の排気浄化装置２０、３０の場合と同様にリッチスパイク制御のための燃料添加において添加燃料と共に排気ガス通路へ供給され添加燃料の霧化または気化を促進するために利用される。このように酸素濃度の低減された加圧排気ガスを用いることによって、ＮＯｘ吸収剤１２を流通する排気ガスの空燃比への影響をより一層抑制しつつ添加燃料の霧化または気化を促進することができる。つまり、これによって、燃費悪化をより一層抑制しつつリッチスパイク制御を実施することができる。
【００５９】
なお、図７に示した排気浄化装置４０の構成では、酸化触媒２７と燃料添加ノズル２９がポンプ１６と逆止弁１８との間に設けられているが、酸化触媒２７と燃料添加ノズル２９は、燃料添加ノズル２９が酸化触媒２７の上流側にあれば排気ガス取り出し口１５とタンク２１との間のどこに設けられてもよく、例えば排気ガス取り出し口１５とポンプ１６との間に設けられてもよい。また、酸化触媒２７については、それを迅速に昇温して活性化させるため、排気ガス取り出し口１５とタンク２１との間のどこに設けられる場合においても、配管形状の工夫等によって排気ガス通路６（すなわち排気管）の近くに位置するようにすることが好ましい。
【００６０】
なお、上述の各排気浄化装置においては、排気ガス浄化手段としてＮＯｘ吸収剤１２が担持されたフィルタ１４が用いられていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、その代わりにＮＯｘ吸収剤のみ、ＮＯｘ吸蔵剤のみ、あるいはフィルタのみ、もしくはこれらの任意の組合せが用いられてもよい。
排気ガス浄化手段を燃料添加によって昇温しようとする場合には、加圧排気ガスによる添加燃料の霧化または気化の促進によって燃料が排気ガス浄化手段全体もしくは排気ガス浄化手段のより広い範囲に供給されることによって、排気ガス浄化手段の各部分間での温度差を抑制しつつ昇温することが可能になる。したがって、例えば、フィルタのみが用いられた場合においても、上述の各排気浄化装置についての説明のようにすれば、フィルタ全体もしくはフィルタのより広い範囲に燃料が供給され、フィルタの全体もしくはそのより広い範囲について温度差の発生を抑制しつつ昇温することが可能になる。そしてこれによりフィルタに捕集されていた排気微粒子をフィルタの全体もしくはそのより広い範囲について効率良く酸化除去することが可能になる。また、供給される加圧排気ガスの温度が高い場合には、添加燃料の気化が促進されるのに加え、迅速な昇温が可能になる。
【００６１】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、ＮＯｘ吸蔵剤等の排気ガス浄化手段の上流側において排気ガス通路内に燃料を添加することのある排気浄化装置において、排気ガスの空燃比への影響を抑えつつ添加燃料の霧化または気化を促進することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の排気浄化装置をディーゼルエンジンに適用した場合を示す図である。
【図２】図２は、本発明の排気浄化装置を示した説明図である。
【図３】図３は、ＮＯｘ吸収剤が担持されたフィルタの拡大断面図である。
【図４】図４は、ＮＯｘの吸収放出及び還元浄化作用を説明するための図である。
【図５】図５は、燃料の添加タイミング（噴射タイミング）と加圧排気ガスの供給タイミングとの関係について説明するための図である。
【図６】図６は、本発明の別の排気浄化装置を示した説明図である。
【図７】図７は、本発明の更に別の排気浄化装置を示した説明図である。
【符号の説明】
１０、２０、３０、４０…排気浄化装置
２…機関（エンジン）本体
４…吸気通路
６…排気ガス通路
８…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
１２…ＮＯｘ吸収剤
１４…フィルタ
１５…排気ガス取り出し口
１６…ポンプまたはコンプレッサ
１８…逆止弁
２１…タンク
２４…ノズル

Claims

排気ガス通路に配置された排気ガス浄化手段と、
該排気ガス浄化手段の上流側において上記排気ガス通路に燃料を添加する燃料添加手段と、
上記排気ガス通路から排気ガスの一部を取り出して加圧し加圧排気ガスを生成すると共に、該加圧排気ガスを上記燃料添加手段により添加される燃料と共に上記排気ガス通路の上記排気ガス浄化手段の上流側に供給する加圧排気ガス供給手段と、を備える内燃機関の排気浄化装置。
上記加圧排気ガス供給手段は、
上記排気ガス通路に設けられた排気ガス取り出し口を介して排気ガスを吸引し加圧する排気ガス吸引加圧手段と、
加圧された上記排気ガスを貯蔵する加圧排気ガス貯蔵手段と、
該加圧排気ガス貯蔵手段に貯蔵された加圧排気ガスの上記排気ガス通路への供給方法を制御する加圧排気ガス供給方法制御手段と、を備える請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記排気ガス取り出し口は、上記排気ガス浄化手段よりも下流側に設けられる、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記燃料添加手段による燃料添加が間欠的な複数回の燃料の噴射によって行われる場合に、上記加圧排気ガスの供給が、最初の燃料の噴射が開始される時から最後の燃料の噴射が終了するまでの間継続されるように上記加圧排気ガス供給方法制御手段によって制御される、請求項２または３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記加圧排気ガス供給方法制御手段は、上記加圧排気ガスの供給タイミングを制御し、該供給タイミングが上記燃料添加手段による燃料添加のための燃料噴射のタイミングと同期せしめられる、請求項２または３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記排気ガス浄化手段を流通する排気ガスの流量を制御する流量制御手段を有していて、上記燃料添加手段によって上記排気ガス通路に燃料を添加する時には、上記流量制御手段によって上記排気ガス浄化手段を流通する排気ガスの流量が低減せしめられると共に、上記加圧排気ガスが上記燃料添加手段により添加される燃料と共に上記排気ガス通路の上記排気ガス浄化手段の上流側に供給される、請求項１から５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記排気ガス浄化手段がＮＯｘ吸蔵剤を含み、該ＮＯｘ吸蔵剤に吸蔵されたＮＯｘまたはＳＯｘを離脱させる時に、上記加圧排気ガスが上記燃料添加手段により添加される燃料と共に上記排気ガス通路の上記排気ガス浄化手段の上流側に供給される、請求項１から６の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記加圧排気ガス供給手段は、上記排気ガス通路から取り出した排気ガスの酸素濃度を低減する酸素濃度低減手段を有している、請求項１から７の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記酸素濃度低減手段は、上記排気ガス通路から取り出した排気ガスが通る通路に配置された酸化触媒と、該酸化触媒の上流側において燃料を添加する前記燃料添加手段とは異なる燃料添加手段とを備える、請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。