JP2008309043A

JP2008309043A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2008309043A
Application number: JP2007156831A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sakurai; 健治櫻井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2008-12-25

Abstract

【課題】アルコール成分を含有する燃料を用いた場合でも、排気ガス中の空燃比を制御することで、アルデヒドの発生を抑制し、ＮＯ_Xの浄化性能を向上させた内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気浄化装置３０は、内燃機関１の排気経路７に設けられ、排気経路７を流れるアルコール成分を含有する排気ガスを浄化する上流側触媒１１と、上流側触媒１１より排気ガスの流れ方向の下流側に設けられる下流側触媒１２と、排気ガスの空燃比を検出するＡ／Ｆセンサ１５と、排気ガスの水素濃度を検出する水素濃度センサ１６と、排気ガスの窒素酸化物濃度を検出するＮＯ_Xセンサ１７とを備える排気浄化装置であって、ＮＯ_X排出量、水素濃度から排気ガスの空燃比を制御し、ＮＯ_X排出量が所定値以下となるように水素の発生量を制御することで、アルコールから生成されるアルデヒドを酸にまで反応を進め、アルデヒドの発生を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルコール、ガソリンを単独または混合した燃料が使用可能な内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関本体から排出される排気ガス中には、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯ_X）等の有害成分が含まれており、これら有害成分を除去する必要がある。このため、従来の内燃機関の排気浄化装置では、排気系に排気ガス中の炭化水素類から水素を生成する三元触媒と、リーン運転時に排出されるＮＯ_Xを吸着するＮＯ_X吸着触媒とが設けられている。

一般に、内燃機関が理論空燃比よりもリーンで運転されている場合、従来の三元触媒では排出されるＮＯ_Xの浄化が困難となるため、リーン運転時に排出されるＮＯ_Xを吸着するＮＯ_X吸着触媒が用いられる。ＮＯ_X吸着触媒として例えばＮＯ_X吸蔵還元触媒が挙げられる。このＮＯ_X吸蔵還元触媒は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンであり、排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中のＮＯ_Xを吸蔵する。また、排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比（ストイキ）又はリッチであり、排気ガス中の酸素濃度が低いときには吸蔵しているＮＯ_Xを脱離させる。このＮＯ_Xが脱離されるときには排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比又はリッチであるため、排気ガス中にはＨＣやＣＯが存在し、脱離されたＮＯ_Xは排気ガス中のＨＣ、ＣＯ等の還元剤によって還元・浄化され、排気ガス中のＮＯ_Xを除去している。

また、三元触媒で生成された水素を還元剤として用い、排出される窒素酸化物量から水素の生成量を制御することで、ＮＯ_X吸着触媒に吸収されたＮＯ_Xの浄化を行ない、ＮＯ_Xを効率よく浄化していた（特許文献１）。

また、燃料として、例えば重質油ではリッチスパイク（ＲＳ）を行なう時間を短めとし、軽質油ではリッチスパイクを行なう時間を長めとし、燃料性状によって触媒昇温を行なう際の昇温制御を行なうようにしていた。これにより、燃料性状に依らず触媒を早期活性化させ、空燃比を最適に保ち、触媒床温を低下させないようにすることにより有害な排気成分を効率よく浄化していた（特許文献２）。

特開２００１−３０４０３１号公報特開２００５−２３８５６号公報

ここで、近年ではガソリン燃料に加え、代替燃料としてアルコールを同時に使用可能なシステムが搭載された自動車などの車両（ＦＦＶ; ＦｌｅｘｉｂｌｅＦｕｅｌＶｅｈｉｃｌｅ）が実用化され、ガソリン、アルコール、およびこれらの混合燃料により走行が可能となっている。

このＦＦＶシステムにおいて燃料として例えばアルコール燃料を用いる場合、燃料に含有するアルコール成分は、下記式（１）〜式（３）の状態に化学変化する。即ち、アルコールが酸化されアルデヒドとなった時は下記式（１）となり、アルデヒドが酸化され酸となった時は下記式（２）となり、酸から最終的に水、二酸化炭素に分解される時は下記式（３）となる。

しかしながら、水素は強還元物質であるため、水素が多く存在するとこの反応がアルデヒドでとどまるか（上記式（１）の酸化反応）、又は酸からアルデヒドに還元され、毒性が強いアルデヒドが残る（上記式（２）の還元反応）、という問題がある。

また、スモッグの原因として、水蒸気や硫酸ミストがあるが、硫酸ミストは下記式のように水素によって二硫化硫黄が脱離されるため、水素が存在することで光化学スモッグの原因ともなりうる、という問題がある。
ＳＯ₂ ＋Ｈ₂Ｏ＋１／２Ｏ₂ → Ｈ₂ＳＯ₄・・・（４）

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、アルコール成分を含有する燃料を用いた場合でも、排気ガス中の空燃比を制御することで、アルデヒドの発生を抑制し、ＮＯ_Xの浄化性能を向上させた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。

上記の目的を達成するために、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、燃料としてアルコール燃料を用いる内燃機関の排気経路に設けられ、前記排気経路を流れる排気ガスを浄化する上流側触媒を収容する上流側触媒装置と、前記上流側触媒装置より前記排気ガスの流れ方向の下流側に設けられ、前記排気ガスの空燃比がリーンのときに窒素酸化物を吸蔵すると共に、理論空燃比ないしリッチのときに吸蔵している窒素酸化物を脱離する下流側触媒を収容する少なくとも一つ以上の下流側触媒装置と、前記上流側触媒装置の上流側に設けられ、前記排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記排気経路における前記上流側触媒装置と前記下流側触媒装置との間に設けられ、前記排気ガスの水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、前記下流側触媒装置の下流側に設けられ、前記排気ガスの窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物濃度検出手段とを有する排気浄化装置であって、前記排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンであるとき、前記排気ガスの空燃比を理論空燃比ないしリッチとなるように水素を発生させて前記窒素酸化物を還元すると共に、前記窒素酸化物濃度検出手段による検出結果に基づいて、前記窒素酸化物の濃度が所定値以下となるように水素の発生量を制御することを特徴とする。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記窒素酸化物濃度検出手段による前記窒素酸化物の排出量が所定値以上の場合、水素を発生させ、前記窒素酸化物を還元することを特徴とする。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、水素を発生させる場合、前記上流側触媒の触媒温度がアルコールから酸へのシフト反応が起こる所定温度以下であることを特徴とする。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記所定温度が、６００℃以下であることを特徴とする。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記窒素酸化物濃度検出手段による前記窒素酸化物の排出量が所定値未満の場合、水素の発生を制御することを特徴とする。

本発明によれば、アルコール成分を含有する燃料を用いた場合でも、排気ガス中の空燃比を制御し、窒素酸化物の濃度が所定値以下となるように水素の発生量を制御することで、アルデヒドの発生を抑制し、ＮＯ_Xの浄化性能を向上させることができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

[実施の形態]
図１は、本実施の形態に係る排気浄化装置の概略構成図である。
図１に示すように、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置３０は、燃料としてアルコール燃料を用いる内燃機関１の排気経路７に設けられ、排気経路７を流れるアルコール成分を含有する排気ガスを浄化する上流側触媒を収容する上流側触媒装置１１と、前記上流側触媒装置１１より前記排気ガスの流れ方向の下流側に設けられ、前記排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）がリーンのときに窒素酸化物を吸蔵すると共に、理論空燃比ないしリッチのときに吸蔵している窒素酸化物を脱離する下流側触媒を収容する下流側触媒装置１２と、前記上流側触媒装置１１の上流側に設けられ、前記排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を検出するＡ／Ｆセンサ１５と、前記上流側触媒装置１１と前記下流側触媒装置１２との間に設けられ、前記排気ガスの水素濃度を検出する水素濃度センサ１６と、前記下流側触媒装置１２の下流側に設けられ、前記排気ガスの窒素酸化物濃度を検出するＮＯ_Xセンサ１７とを有する。

また、内燃機関１は、シリンダブロック２を有し、前記シリンダブロック２には、シリンダブロック２の内部を往復動可能なピストン４が設けられている。前記ピストン４の上方には、燃焼室５が形成されている。シリンダブロック２の上方には、シリンダヘッド３が設けられている。シリンダヘッド３には、吸気管６及び排気管（排気経路）７が接続されている。吸気管６と燃焼室５との接続部には、吸気弁８が設けられている。排気経路７と燃焼室５との接続部には、排気弁９が設けられている。吸気管６には、吸気に燃料を噴射する燃料噴射弁１０が設けられている。

また、排気経路７には、排気ガスを浄化するための上流側触媒を収容する上流側触媒装置１１及び下流側触媒を収容する下流側触媒装置１２が設けられている。上流側触媒装置１１内の上流側触媒は、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯ_X）の３つの物質を酸化・還元反応によって同時に除去することができる三元触媒である。即ち、排気ガス中の有害なＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_Xを無害なＨ₂Ｏ、ＣＯ₂、Ｎ₂へと還元又は酸化させている。

また、下流側触媒装置１２内の下流側触媒は、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比（ストイキ）のときに排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_Xを酸化還元反応によりＨ₂Ｏ，ＣＯ₂，Ｎ₂へと同時に浄化処理すると共に、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）がリーンのときに排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを一旦吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下したリッチ燃焼領域にあるときに、吸蔵したＮＯ_Xを放出し、添加した還元剤としての燃料によりＮＯ_Xを還元するものである。下流側触媒１２として、具体的には、ＮＳＲ（ＮＯ_X ＳｔｏｒａｇｅＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）やＤＰＮＲ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅ−ＮＯｘＲｅｄｕｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）が知られている。ＮＳＲとは、リーン運転モードでの運転中にＮＯｘを硝酸塩の形で触媒中に吸蔵し、その硝酸塩を酸素濃度の低下した還元雰囲気でＮ₂に還元するＮＯｘ吸蔵還元型触媒のことである。また、ＤＰＮＲとは、粒子状物質（ＰＭ）とＮＯｘを同時に連続して浄化させることが可能なシステムのことであり、例えば、ＰＭ捕集装置であるＤＰＦ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）にＮＯ_X吸蔵還元型触媒を担持させたものである。尚、本実施例においては、下流側触媒装置１２内の下流側触媒として、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ）を適用する。

ここでは、下流側触媒装置１２を上流側触媒装置１１よりも排気ガス流動方向下流に配置して、その上流側触媒装置１１内の上流側触媒においてＨＣやＮＯ_Xを酸化させ、この上流側触媒で浄化しきれなかったＮＯ_Xを下流側触媒で吸着させる。また、上流側触媒装置１１内の上流側触媒や下流側触媒装置１２内の下流側触媒が活性状態にあるか否かについては、その夫々の触媒床温を検出することで判断してもよく、また、図示しない水温センサから検出した内燃機関の冷却水温から判断してもよい。

また、下流側触媒装置１２の排気ガス流れ方向の下流側には、ＮＯ_Xセンサ１７が設けられている。下流側触媒装置１２内の下流側触媒はＮＯ_X吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ）である。このため、吸着できるＮＯ_X量に限界があるため、一定量を吸収すると、排気ガス中に吸着しきれなかったＮＯ_Xが増加し、ＮＯ_Xセンサ１７により、下流側触媒装置１２から流出される排気ガスのＮＯ_X濃度が検出される。

また、上流側触媒装置１１と下流側触媒装置１２との間には、水素センサ１６が設けられている。水素センサ１６により、上流側触媒装置１１から流出される排気ガス中の水素濃度が検出される。

上流側触媒装置１１より排気ガスの流れ方向における上流側には、Ａ／Ｆセンサ１５が設けられている。Ａ／Ｆセンサ１５により、エンジン１から排出された排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）が検出される。

ＮＯ_Xセンサ１７により検出される下流側触媒装置１２内の下流側触媒から流出される排気ガスのＮＯ_X濃度の値と、水素センサ１６により検出される排気ガスの水素濃度の値と基づいて、上流側触媒装置１１内の上流側触媒の触媒床温を調整する。これにより、上流側触媒での水素の発生量を調整する。

また、上流側触媒装置１１内の上流側触媒では、下記式（I）、（II）のように部分酸化反応及び水蒸気改質反応により水素を発生している。部分酸化反応は、下記式（I）のように高温で炭化水素類と酸素とを反応させると、ＣＯとＨ₂の混合ガスが生成する反応であり、例えばメタン１モルから水素２モルが生成される。また、蒸気改質反応は、下記式（II）のように、例えばメタン１モルから水素が３モル生成される。
２ＣＨ₄ ＋Ｏ₂ → ２ＣＯ＋４Ｈ₂ ・・・（I）
ＣＨ₄ ＋Ｈ₂Ｏ→ ＣＯ＋３Ｈ₂ ・・・（II）

排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を一時的にリッチとし、水素の発生量をフィードバック制御し、水素濃度を調整した排気ガスを上流側触媒装置１１に供給し、Ａ／Ｆセンサ１５により検出された空燃比（Ａ／Ｆ）の値を所定の範囲となるように制御する。
ここで、所定の範囲とは、ＮＯ_Xが脱離して水素が発生しない空燃比をいう。

即ち、Ａ／Ｆセンサ１５による検出結果に基づいて、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比よりもリーンであるとき、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を理論空燃比ないしリッチとして水素を発生させ、窒素酸化物を還元する。また、ＮＯ_Xセンサ１７による検出結果に基づいて、窒素酸化物の濃度が所定値以下となるように水素の発生量を制御する。

ＮＯ_Xセンサ１７により検出されたＮＯ_X濃度が所定値以上でリーンの場合には、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）をリッチ側の値に補正する。これにより、空燃比がリッチ化された排気ガスが上流側触媒装置１１に流入し、排気ガス中のＨＣが部分酸化され、水素を発生させることができる。

また、水素センサ１６により検出された水素濃度に基づき、例えば水素濃度が所定値以上の場合、ＮＯ_Xの脱離をすることができるため、同様に、排気ガスの空燃比はそのままリッチ側の値で維持する。

また、上流側触媒装置１１内の上流側触媒の触媒床温が所定温度（例えば６００℃）以下であれば、上流側触媒装置１１内の上流側触媒でのアルコールから酸へのシフト反応を進行することができるため、そのまま維持する。

また、水素を発生させる場合には、触媒床温を下げる必要があるため進角制御し、一方水素を発生させない場合には、触媒床温を上げて遅角制御するようにしてもよい。

また、上流側触媒装置１１と下流側触媒装置１２との間には、酸素センサ１８が設けられている。酸素センサ１８により、上流側触媒装置１１から流出される排気ガス中の酸素濃度が検出される。酸素センサ１８の検出結果に基づいて、酸素センサ１８により検出される酸素濃度が低い場合には、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）がほぼ理論空燃比又はリッチであるため、下流側触媒装置１２内の下流側触媒のリッチ化を制御し、リーンとなるようにしてもよい。また、酸素センサ１８により検出される酸素濃度が高い場合には、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）がリーンであるため、下流側触媒１２のリッチ化を制御し、理論空燃比又はリッチとなるようにしてもよい。

また、エンジン１が搭載された車両（図示せず）には、車両各部を制御するＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）を有する車両制御部２０が設けられている。Ａ／Ｆセンサ１５、水素センサ１６、酸素センサ１８及びＮＯ_Xセンサ１７は、車両制御部２０に接続されており、それぞれの計測結果が車両制御部２０に入力される。燃料噴射弁１０及び図示しない流量制御弁は、車両制御部２０に接続されており、それぞれの動作が車両制御部２０により制御される。

これにより、アルコール成分を含有する燃料を用いた場合でも、Ａ／Ｆセンサ１５、水素センサ１６及びＮＯｘセンサ１７の検出結果に基づいて、ＮＯ_X濃度が所定値以下となるように水素の発生量を制御し、排気ガス中の空燃比（Ａ／Ｆ）を制御することで、アルコールから生成されるアルデヒドをそのままとさせず酸にまで反応を一気に進めることができる。この結果、アルコールを含有する燃料を用いたとしてもＮＯ_Xの排出量を制御しつつ、アルデヒドの発生を大幅に抑制することができる。

ここで、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置を用いた制御方法について説明する。

図２−１〜図２−３は、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置の動作を示すフローチャートである。図２−１は、本来の制御動作の一例を示すフローチャートであり、図２−２は、ステップＳ１１の時の制御動作の一例を示すフローチャートであり、図２−３は、ステップＳ１２の時の制御動作の一例を示すフローチャートである。
図２−１に示すように、まず、ステップＳ１１では、ＮＯ_Xセンサ１７において排気ガス中のＮＯ_X排出量が所定値以上であるか否かについて判定される。ステップＳ１１の判定の結果、ＮＯ_X排出量が所定値以上と判定された（ステップＳ１１肯定）場合には、ステップＳ１２へ移行する。

ステップＳ１２では、水素センサ１６において水素濃度が所定値以上であるか否かについて判定される。ステップＳ１２の判定の結果、水素濃度が所定値以上と判定された（ステップＳ１２肯定）場合には、ステップＳ１３へ移行する。

ステップＳ１３では、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を制御し、所定の範囲の空燃比（Ａ／Ｆ）に調整する。

ここで、空燃比（Ａ／Ｆ）の制御について説明する。
Ａ／Ｆセンサ１５により検出された空燃比（Ａ／Ｆ）がリッチ及びリーンである場合の空燃比（Ａ／Ｆ）の調整は、予め定められたマップを参照して決定される。

アルコール燃料を用いた時の空燃比、窒素酸化物排出量及び水素濃度の関係を図３、図４に示す。
図３、図４は、Ｅ１３（エタノールがガソリンに１３％混入した燃料）を用いた時における排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）、窒素酸化物濃度及び水素濃度の関係を示す関係図である。図３は、排気ガス温度が６００℃の時のものであり、図４は、排気ガス温度が７００℃の時のものである。

図３に示す６００℃の時では、水素が発生する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）は例えば１４．５付近よりリッチ側からであり、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）は例えば１４．５付近よりリーン側のリーン雰囲気下では、水素が発生していないのが確認された。

図４に示す７００℃の時では、水素が発生する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）が例えば１５．０付近よりリッチ側からであり、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）は例えば１５．０付近よりリーン側のリーン雰囲気下では、水素が発生していないのが確認された。

よって、Ａ／Ｆセンサ１１、水素センサ１６及びＮＯ_Xセンサ１７の検出結果と、予め定められた燃料の空燃比（Ａ／Ｆ）、窒素酸化物濃度及び水素濃度の関係を示すマップに基づいて、水素をフィードバック制御するか否か判定し、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を制御する。

排気ガスが理論空燃比ないしリッチとなるように制御して水素を発生させて前記窒素酸化物を還元すると共に、前記ＮＯ_Xセンサ１７による検出結果に基づいて、前記窒素酸化物の濃度が所定値以下となるように水素の発生量を制御する。

水素の発生量を制御することにより、酸からアルデヒドに還元されるのを抑制すると共に、アルコールから酸への反応を一気に進めることができるため、アルデヒドの生成を抑制することができる。

その後、図２−１に示すステップＳ１４では、触媒温度が所定温度（例えば６００℃）以下であるか否かについて判定される。これは、前記上流側触媒の触媒温度がアルコールから酸へのシフト反応が起こる所定温度以下とすることが必要であり、例えば６００℃以下でこのシフト反応が起こるためである。

ステップＳ１４の判定の結果、触媒昇温が所定温度（例えば６００℃）以下と判定された（ステップＳ１４肯定）場合には、排ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）の制御を終了する。

また、ステップＳ１４の判定の結果、触媒床温が所定温度以上と判定された（ステップＳ１４否定）場合には、ステップＳ１５へ移行する。ステップＳ１５では、上流側触媒１１の触媒床温を所定温度（例えば６００℃）以下に下げ、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）の制御を終了する。

また、ステップＳ１１の判定の結果、ＮＯｘ排出量が所定値以下と判定された（ステップＳ１１否定）場合には、図２−２に示すステップＳ２１へ移行する。

ステップＳ２１では、水素センサ１６において水素濃度が所定値以上であるか否かについて判定される。ステップＳ２１の判定の結果、水素濃度が所定値以上と判定された（ステップＳ２１肯定）場合には、ステップＳ２２へ移行する。

ステップＳ２２では、上流側触媒装置１１内の前記上流側触媒の触媒床温を上げて、水素の発生量を減らし、ステップＳ２３へ移行する。

ステップＳ２３では、上流側触媒装置１１内の前記上流側触媒の触媒床温が所定温度（例えば６００℃）以下であるか否かについて判定される。ステップＳ２３の判定の結果、上流側触媒装置１１内の前記上流側触媒の触媒床温が所定温度（例えば６００℃）以下と判定された（ステップＳ２３肯定）場合には、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）の制御を終了する。

また、ステップＳ２１の判定の結果、水素濃度が所定値以下と判定された（ステップＳ２１否定）場合には、ステップＳ２４へ移行し、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を制御し、ステップＳ２３へ移行する。

ステップＳ２３で、上述のように上流側触媒装置１１内の前記上流側触媒の触媒床温が所定温度（例えば６００℃）以下であるか否かについて判定され、判定の結果、上流側触媒装置１１内の前記上流側触媒の触媒昇温が所定温度以下と判定された（ステップＳ２３肯定）場合には、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）の制御を終了する。

また、ステップＳ２３の判定の結果、触媒昇温が所定温度以上と判定された（ステップＳ２３否定）場合には、ステップＳ２５へ移行し、上流側触媒装置１１内の前記上流側触媒の触媒床温を下げた後、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）の制御を終了する。

また、図２−１においてステップＳ１２の判定の結果、水素濃度が所定値以下と判定された（ステップＳ１２否定）場合には、図２−３に示すステップＳ３１へ移行し、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を制御し、所定の空燃比（Ａ／Ｆ）に調整する。

その後、ステップＳ３２では、上流側触媒装置１１内の前記上流側触媒の触媒温度が所定温度（例えば６００℃）以下であるか否かについて判定される。ステップＳ３２の判定の結果、上流側触媒装置１１内の前記上流側触媒の触媒床温が所定温度（例えば６００℃）以下と判定された（ステップＳ３２肯定）場合には、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）の制御を終了する。

また、ステップＳ３２の判定の結果、上流側触媒装置１１内の前記上流側触媒の触媒床温が所定温度以上と判定された（ステップＳ２３否定）場合には、ステップＳ３３へ移行し、触媒床温を所定温度（例えば６００℃）以下に下げ、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）の制御を終了する。

また、本実施の形態では、一連の制御方法をアルコール成分を含有する燃料としてＥ１３（エタノールがガソリンに１３％混入した燃料）を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく他のアルコール成分を含有する燃料を用いるようにしてよい。

この一連の制御方法により、アルコール成分を含有する燃料を用いた場合でも、ＮＯ_X濃度が所定値以下となるように水素の発生量を調整し、排気ガス中の空燃比（Ａ／Ｆ）を制御することで、水素により酸が還元されアルコールが生成されるのを抑止すると共に、アルコールから生成されるアルデヒドをアルデヒドの状態で反応が停止することなく、一気に酸にまで反応を進めることができる。この結果、ＮＯ_Xの排出量を制御しつつ、アルデヒドの発生を大幅に抑制することができる。

また、下流側触媒装置１２を一つとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、下流側触媒装置１２を二つ以上配設してもよい。
ＦＦＶシステムで燃料としてアルコール燃料を用いる場合、通常、下流側触媒装置１２を２つ設けるようにしている。排気ガス流れ方向の前段の下流側触媒装置で排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を理論空燃比よりリッチ側となるように調整した後、後段の下流側触媒装置で排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を下流側触媒装置で調整した排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を例えば１４．１よりリーン側となるように調整するようにしている。これにより水素が発生しないようにすることができる。

図５は、下流側触媒装置１２を二つ配設した内燃機関の排気浄化装置である。図５に示すように下流側触媒装置１２として第一の下流側触媒装置１２−１、第二の下流側触媒装置１２−２を設けている。

第一の下流側触媒装置１２−１は、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を理論空燃比よりリッチ側となるように調整する。また、第二の下流側触媒装置１２−２は、第一の下流側触媒装置１２−１でリッチ側とした排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）をリーン側に調整するようにしている。

第一の下流側触媒装置１２−１では、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を理論空燃比より例えば１２．０〜１３．０程度とリッチ側となるように調整するようにしている。

そして、第二の下流側触媒装置１２−２では、第一の下流側触媒装置１２−１で調整した排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を例えば１４．１程度よりリーン側に調整するようにしている。

Ｅ１３（エタノールがガソリンに１３％混入した燃料）を用いた時、上流側触媒装置１１内の前記上流側触媒の触媒床温が所定温度（例えば６００℃）の場合、図３、４に示すように水素の発生し始める排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）が１４．５付近である。よって、第二の下流側触媒装置１２−２の排出側の空燃比を例えば１４．５よりリーン側の値である例えば１４．５又は１４．６とし、理論空燃比（ストイキ）乃至リッチとすることにより、ＮＯ_Xを脱離して反応させることができると共に、水素が発生しない空燃比とすることができる。

このように本実施例の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯ_X排出量、水素濃度から排気ガス中の空燃比を制御し、ＮＯ_X排出量が所定値以下となるように水素の発生量を制御することができる。このため、アルコール成分を含有する燃料を用いた場合でも、アルコールから生成されるアルデヒドを酸にまで一気に反応を進めることができるため、ＮＯ_Xの排出量を制御しつつ、アルデヒドの発生を大幅に抑制することができる。

以上のように、本実施例の内燃機関の排気浄化装置は、排気ガス中の空燃比を制御し、ＮＯ_X排出量が所定値以下となるように水素の発生量を制御することで、アルコール燃料中のアルコールから生成されるアルデヒドを酸にまで反応を進め、ＮＯ_X排出量を制御しつつ、アルデヒドの発生の抑制を図るものであり、自動車に搭載されるガソリン機関、特にアルコール燃料を用いたＦＦＶシステムに有用である。

本実施の形態に係る排気浄化装置の構成を示す概略図である。本実施形態の本来の制御動作の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１１の時の制御動作の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１２の時の制御動作の一例を示すフローチャートである。Ｅ１３を用いた時における空燃比、窒素酸化物排出量及び水素濃度の関係を示す関係図である。Ｅ１３を用いた時における空燃比と、窒素酸化物濃度、水素濃度との関係を示す他の関係図である。本実施の形態に係る排気浄化装置の他の構成を示す概略図である。

符号の説明

１内燃機関（エンジン）
２シリンダブロック
３シリンダヘッド
４ピストン
５燃焼室
６吸気管
７排気管（排気経路）
８吸気弁
９排気弁
１０燃料噴射弁
１１上流側触媒
１２下流側触媒
１２−１第一の下流側触媒装置
１２−２第二の下流側触媒装置
１５Ａ／Ｆセンサ
１６水素濃度センサ
１７ＮＯ_Xセンサ
２０車両制御部
３０排気浄化装置

Claims

燃料としてアルコール燃料を用いる内燃機関の排気経路に設けられ、前記排気経路を流れる排気ガスを浄化する上流側触媒を収容する上流側触媒装置と、
前記上流側触媒装置より前記排気ガスの流れ方向の下流側に設けられ、前記排気ガスの空燃比がリーンのときに窒素酸化物を吸蔵すると共に、理論空燃比ないしリッチのときに吸蔵している窒素酸化物を脱離する下流側触媒を収容する少なくとも一つ以上の下流側触媒装置と、
前記上流側触媒装置の上流側に設けられ、前記排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段と、
前記排気経路における前記上流側触媒装置と前記下流側触媒装置との間に設けられ、前記排気ガスの水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、
前記下流側触媒装置の下流側に設けられ、前記排気ガスの窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物濃度検出手段とを有する排気浄化装置であって、
前記排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンであるとき、前記排気ガスの空燃比を理論空燃比ないしリッチとなるように水素を発生させて前記窒素酸化物を還元すると共に、
前記窒素酸化物濃度検出手段による検出結果に基づいて、前記窒素酸化物の濃度が所定値以下となるように水素の発生量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１において、
前記窒素酸化物濃度検出手段による前記窒素酸化物の排出量が所定値以上の場合、水素を発生させ、前記窒素酸化物を還元することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１又は２において、
水素を発生させる場合、前記上流側触媒の触媒温度がアルコールから酸へのシフト反応が起こる所定温度以下であることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項２又は３において、
前記所定温度が、６００℃以下であることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１乃至４に何れか一つにおいて、
前記窒素酸化物濃度検出手段による前記窒素酸化物の排出量が所定値未満の場合、水素の発生を制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。