JP2003222018A

JP2003222018A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2003222018A
Application number: JP2002020119A
Authority: JP
Inventors: Makoto Suzuki; 鈴木　　誠
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2003-08-08

Abstract

(57)【要約】【課題】内燃機関の排気浄化装置において、燃費の悪化
を抑制しつつ排気浄化触媒に還元剤を供給することがで
きる技術を提供する。【解決手段】内燃機関からの排気を浄化する排気浄化触
媒９と、燃料が酸化される際に発生する化学エネルギを
電気エネルギとして取り出す燃料電池１１と、燃料電池
１１及び排気浄化触媒９に気体状の燃料を供給する燃料
供給手段１１と、を備え、燃料電池１１にて酸化される
前の気体状の燃料を排気浄化触媒９に還元剤として供給
することにより、内燃機関の運転状態によらずＮＯxの
還元、排気浄化触媒９の昇温等を行うことができるよう
にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気浄
化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置
として、排気通路に例えばＮＯx触媒を配置することが
ある。

【０００３】ＮＯx触媒は、ディーゼルエンジンやリー
ンバーンガソリンエンジンなど希薄燃焼可能な内燃機関
から排出される排気を浄化可能な触媒であり、これには
選択還元型ＮＯx触媒や吸蔵還元型ＮＯx触媒等が挙げら
れる。

【０００４】例えば、吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流入排
気の酸素濃度が高いときはＮＯxを吸蔵し、流入排気の
酸素濃度が低下すると吸蔵していたＮＯxの還元を行
う。

【０００５】この吸蔵還元型ＮＯx触媒の場合、前記内
燃機関では通常運転時の排気の空燃比がリーンとなるた
め、排気中のＮＯxがＮＯx触媒に吸蔵されることとな
る。しかしながら、リーン空燃比の排気がＮＯx触媒に
供給され続けると、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が飽和
し、それ以上ＮＯxを吸蔵できなくなり、ＮＯxがリーク
されることとなる。そこで、吸蔵還元型ＮＯx触媒で
は、ＮＯx吸蔵能力が飽和する前に所定のタイミングで
流入排気の酸素濃度を低下させるとともに排気中の炭化
水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等の還元剤成分量を
増加させ、ＮＯx触媒に吸蔵されていたＮＯxをＮ₂に還
元し、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力を解消させ
る必要がある。

【０００６】このようにリーンＮＯx触媒を利用した排
気浄化装置では、ＮＯxが浄化されるために間欠的に排
気の酸素濃度を低下させ、還元剤成分を供給する必要が
ある。そして、間欠的に排気の酸素濃度を低下させる方
法として排気中の燃料添加や気筒内で燃料が主噴射され
た後の膨張行程中に更に燃料を噴射する副噴射等が挙げ
られる。

【０００７】例えば、特開平６−１１７２２５号公報で
は、気筒内に燃料を噴射する電子制御式の燃料噴射弁を
備えた内燃機関の排気浄化装置において、機関の膨張行
程又は排気行程にて筒内噴射を実行させるようにしてい
る。このように燃料噴射弁を電子制御することにより、
副噴射の時期及び量を微調整可能とし、運転状態の変化
にも対応することができ、ＮＯx浄化率の向上、ＨＣエ
ミッション悪化の抑制を図ることを可能としている。

【０００８】一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒には燃料に含
まれる硫黄分が燃焼して生成される硫黄酸化物（ＳＯ
x）もＮＯxと同じメカニズムで吸蔵される。このように
吸蔵されたＳＯxはＮＯxよりも放出されにくく、ＮＯx
触媒内に蓄積される。これを硫黄被毒（ＳＯx被毒）と
いい、ＮＯx浄化率が低下するため、適宜の時期にＳＯx
被毒から解消させる被毒解消処理を施す必要がある。こ
の被毒解消処理は、ＮＯx触媒を高温にしつつ酸素濃度
を低下させた排気をＮＯx触媒に流通させて行われてい
る。

【０００９】ところが希薄燃焼運転時の排気の温度は低
いため、ＳＯx被毒の解消に必要とされる温度まで触媒
を昇温することは困難である。

【００１０】また、触媒には排気を効果的に浄化するこ
とができる温度範囲があり、機関始動時には早期にこの
温度範囲内に触媒の温度を上昇し、その後その温度を維
持することが重要となる。

【００１１】ところで、ディーゼルエンジンは経済性に
優れている反面、排気中に含まれる浮遊粒子状物質であ
る煤に代表されるパティキュレートマター（Particulat
e Matter：以下特に断らない限り「ＰＭ」という。）の
除去が重要な課題となっている。このため、大気中にＰ
Ｍが放出されないようにディーゼルエンジンの排気系に
ＰＭの捕集を行うパティキュレートフィルタ（以下、単
に「フィルタ」とする）を設ける技術が周知である。

【００１２】このフィルタにより排気中のＰＭが一旦捕
集され大気中へ放出されることを防止することができ
る。しかし、フィルタに捕集されたＰＭが該フィルタに
堆積しフィルタの目詰まりを発生させることがある。こ
の目詰まりが発生すると、フィルタ上流の排気の圧力が
上昇し内燃機関の出力低下やフィルタの毀損を誘発する
虞がある。このようなときには、フィルタ上に堆積した
ＰＭを着火燃焼せしめることにより該ＰＭを除去するこ
とができる。このようにフィルタに堆積したＰＭを除去
することをフィルタの再生という。

【００１３】しかし、前記フィルタに捕集されたＰＭを
着火燃焼させるためには、フィルタの温度を高温にする
必要があるが、ディーゼルエンジンの排気の温度は通常
この温度よりも低いためＰＭを燃焼除去するのは困難で
あった。

【００１４】このように、触媒等を温度上昇させ、更に
その温度を維持する必要が生じたときに、例えば電気ヒ
ータ、バーナ等を用いて、ＳＯx被毒解消に必要となる
温度まで、または捕集されたＰＭの着火燃焼が生じる温
度まで、更には触媒浄化率が高い温度まで触媒等を昇温
させることが考えられる。また、前記燃料添加や副噴射
による触媒での酸化反応熱を利用して温度上昇させ、そ
の温度を維持することも可能である。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、機関から多量
の排気が排出される場合においては、副噴射等により排
気の酸素濃度を低下させるためには多量の燃料を必要と
し、燃費の悪化を招いてしまう。

【００１６】また、電気ヒータ等によりフィルタを加熱
するためには多大なエネルギを供給する必要があるが、
車両に搭載された内燃機関の排気浄化装置では必要とな
る多大なエネルギを得ることは困難である。

【００１７】本発明は、上記したような問題に鑑みてな
されたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、
燃費の悪化を抑制しつつ排気浄化触媒に還元剤を供給す
ることができる技術を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に本発明の内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採
用した。即ち、第１の発明は、内燃機関からの排気を浄
化する排気浄化触媒と、燃料が酸化される際に発生する
化学エネルギを電気エネルギとして取り出す燃料電池
と、前記燃料電池及び前記排気浄化触媒に気体状の燃料
を供給する燃料供給手段と、を備えたことを特徴とす
る。

【００１９】本発明の最大の特徴は、燃料電池にて酸化
される前の燃料を排気浄化触媒に供給することによりＮ
Ｏxの還元、触媒の昇温等を行い触媒浄化率の向上を図
ることにある。

【００２０】このように構成された内燃機関の排気浄化
装置では、燃料供給手段により燃料の供給を受けて燃料
電池は発電を行う。ここで、燃料供給手段が供給する燃
料には酸化作用があるため、該燃料を排気浄化触媒へ供
給することにより還元剤として作用させることが可能と
なる。尚、前記排気浄化触媒は、触媒を担持したフィル
タであっても良い。

【００２１】上記課題を達成するために本発明の内燃機
関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。即ち、第
２の発明は、内燃機関からの排気を浄化する排気浄化触
媒と、燃料が酸化される際に発生する化学エネルギを電
気エネルギとして取り出す燃料電池と、前記燃料電池に
燃料を供給する燃料供給手段と、前記燃料電池の燃料極
側からの排気を前記排気浄化触媒に供給する燃料極側排
気供給手段と、を備えたことを特徴とする。

【００２２】本発明の最大の特徴は、燃料電池の燃料極
側からの排気を排気浄化触媒に供給することにより触媒
浄化率の向上を図ることにある。

【００２３】このように構成された内燃機関の排気浄化
装置では、燃料供給手段から燃料の供給を受けて燃料電
池は発電する。このときに、燃料電池の燃料極側から温
度の高い排気が排出される。このように燃料極側から排
出される排気を排気浄化触媒へ供給することにより、内
燃機関の運転状態によらず該排気浄化触媒の温度を上昇
又は維持させることが可能となる。

【００２４】第１及び第２の発明においては、燃料を改
質する燃料改質手段を備え、前記燃料供給手段は、燃料
改質手段により改質された燃料を供給することができ
る。前記燃料改質手段は、内燃機関運転用の燃料等を水
素に改質することができる。従って、内燃機関の運転に
用いられる燃料を燃料電池に供給することが可能とな
り、燃料の共通化を図ることが可能となる。

【００２５】上記課題を達成するために本発明の内燃機
関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。即ち、第
３の発明は、内燃機関からの排気を浄化する排気浄化触
媒と、燃料が酸化される際に発生する化学エネルギを電
気エネルギとして取り出す燃料電池と、前記燃料電池に
より取り出された電気エネルギを供給されて前記排気浄
化触媒を加熱するヒータと、を備えたことを特徴とす
る。

【００２６】本発明の最大の特徴は、燃料電池により発
電された電力を、排気浄化触媒を加熱するためのヒータ
に供給して発熱させることにより、該排気浄化触媒の温
度を上昇させることにある。

【００２７】このように構成された内燃機関の排気浄化
装置では、燃料の供給を受けた燃料電池が発電を行う。
このときに得られた電力をヒータに供給することで、該
ヒータにより機関始動前及び始動直後において早期に排
気浄化触媒の温度を上昇させることが可能となり、更に
この温度を維持することが可能となる。

【００２８】

【発明の実施の形態】＜第１の実施の形態＞以下、本発
明に係る内燃機関の具体的な実施態様について図面に基
づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関を車
両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて
説明する。

【００２９】図１は、本実施の形態によるエンジン１と
その吸排気系の概略構成を示す図である。

【００３０】図１に示すエンジン１は、水冷式の４サイ
クル・ディーゼル機関である。

【００３１】エンジン１は、燃料供給管２を介して燃料
ポンプ３と接続されている。この燃料ポンプ３は、バッ
テリ４から電力の供給を受けて作動するポンプである。
燃料ポンプ３は更に燃料供給管２を介して燃料を貯留す
る燃料タンク５に接続されている。

【００３２】このように構成された燃料供給系では、バ
ッテリ４から燃料ポンプ３へ電力が供給されると該燃料
ポンプ３が作動して、燃料タンク５から燃料を吸い上げ
た後、燃料を吐出する。

【００３３】前記燃料ポンプ３から吐出された燃料は、
燃料供給管２を介して燃料噴射弁（図示省略）へ分配さ
れ該燃料噴射弁から気筒内へ燃料が噴射される。

【００３４】次に、エンジン１には、吸気管６が接続さ
れており、該吸気管６の途中には、排気のエネルギを駆
動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）７
のコンプレッサハウジング７ａが設けられている。

【００３５】このように構成された吸気系では、吸気
は、吸気管６を介してコンプレッサハウジング７ａに流
入する。コンプレッサハウジング７ａに流入した吸気
は、該コンプレッサハウジング７ａに内装されたコンプ
レッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプ
レッサハウジング７ａ内で圧縮されて高圧となった吸気
は、各気筒の燃焼室へ分配され、各気筒の燃料噴射弁か
ら噴射された燃料を着火源として燃焼される。

【００３６】一方、エンジン１には、排気管８が接続さ
れ、排気管８は排気ポート（図示省略）を介して各気筒
の燃焼室と連通している。

【００３７】前記排気管８は、前記遠心過給機７のター
ビンハウジング７ｂと接続されている。前記タービンハ
ウジング７ｂは、排気管８と接続され、この排気管８
は、下流にてマフラー（図示省略）に接続されている。

【００３８】前記排気管８の途中には、吸蔵還元型ＮＯ
x触媒を担持したパティキュレートフィルタ９が備えら
れている。このフィルタ９の上流側には、バッテリ４か
ら電力の供給を受けて発熱するヒータ１０が備えられて
いる。

【００３９】このように構成された排気系では、エンジ
ン１の各気筒で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気ポ
ートを介して排気管８へ排出され、次いで排気管８から
遠心過給機７のタービンハウジング７ｂへ流入する。タ
ービンハウジング７ｂに流入した排気は、該排気が持つ
エネルギを利用してタービンハウジング７ｂ内に回転自
在に支持されたタービンホイールを回転させる。その
際、タービンホイールの回転トルクは、前述したコンプ
レッサハウジング７ａのコンプレッサホイールへ伝達さ
れる。

【００４０】前記タービンハウジング７ｂから排出され
た排気は、排気管８を介してフィルタ９へ流入し、排気
中のパティキュレートマター（以下、単にＰＭとす
る。）が捕集される。また、フィルタ９に担持された吸
蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単にＮＯx触媒とする。）
は、該ＮＯx触媒に流入する排気の酸素濃度が高いとき
は排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を吸蔵（吸収、吸着）
する。一方、ＮＯx触媒は、該ＮＯx触媒に流入する排気
の酸素濃度が低下したときは吸蔵していた窒素酸化物
（ＮＯx）を放出する。その際、排気中に炭化水素（Ｈ
Ｃ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在していれ
ば、窒素酸化物（ＮＯx）は窒素（Ｎ₂）に還元される。

【００４１】そして、フィルタ９にてＰＭを捕集された
排気はマフラーを介して大気中に放出される。

【００４２】また、フィルタ９を加熱する必要が生じた
ときには、前記ヒータ１０はバッテリ４から電力の供給
を受けて発熱する。

【００４３】本実施の形態による内燃機関の排気浄化装
置では、燃料電池１１を備えている。この燃料電池１１
は、電動ウォータポンプ１４の他、電動エアコンコンプ
レッサ、電動オイルポンプ、電動パワーステアリングポ
ンプ等の補記類１９にバッテリ４を介して電気的に接続
されており、該補機類１９に電力を供給する。尚、本実
施の形態では、構造及び制御が簡素で、また燃料電池用
の触媒を必要とせず、燃料電池内部で燃料の改質が可能
な固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以
下、ＳＯＦＣとする。）を採用した。

【００４４】ＳＯＦＣ１１は、燃料極１１ａ、電解質１
１ｂ、空気極１１ｃの三種類の酸化物電解質を備えて構
成されている。ＳＯＦＣ１１には、燃料供給管２を介し
てＦＣ用燃料ポンプ１２と接続され、該ＦＣ用燃料ポン
プ１２は、更に燃料供給管２を介して燃料タンク５に接
続されている。

【００４５】また、ＳＯＦＣ１１には該ＳＯＦＣ１１に
冷却水を循環させるための冷却水通路１３が接続されて
いる。該冷却水通路１３は、電動ウォータポンプ１４、
エンジン１及び暖房用のヒータコア１５に接続されてい
る。電動ウォータポンプ１４は、バッテリ４から電力の
供給を受けて作動し冷却水を循環させる。

【００４６】更に、ＳＯＦＣ１１には該ＳＯＦＣ１１の
空気極１１ｃに空気を送るための空気ポンプ１６が空気
供給通路１７を介して接続されている。該空気ポンプ１
６は、バッテリ４から電力の供給を受けて作動し空気を
吐出する。

【００４７】ＳＯＦＣ１１を作動させるために必要な燃
料はエンジン１と同様の軽油が用いられる。ＦＣ用燃料
ポンプ１２によりＳＯＦＣ１１に供給された燃料は、燃
料極１１ａ上で水蒸気と反応して水素（Ｈ₂）と一酸化
炭素（ＣＯ）に改質される。このように、ＳＯＦＣ１１
では電池内で燃料の改質を行うことが可能である。一
方、空気極１１ｃには空気ポンプ１６により空気が供給
される。空気極１１ｃでは、空気中の酸素が電解質１１
ｂとの界面において解離して酸素イオン（Ｏ^2-）とな
り、電解質１１ｂ中を燃料極１１ａ側へ移動する。電解
質１１ｂと燃料極１１ａとの界面に到達した酸素イオン
（Ｏ^2-）は、水素（Ｈ₂）及び一酸化炭素（ＣＯ）と反
応して、水（Ｈ₂Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ₂）を生成す
る。ＳＯＦＣ１１による発電は、このときに放出された
電子を取り出すことによりなされる。このようにして、
燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギへ変換する
ため、エネルギ変換による損失が少なく、高効率な発電
が可能となる。このような発電は、例えば７００乃至１
０００℃の温度下で行われる。

【００４８】このように構成されたＳＯＦＣ１１は、Ｅ
ＣＵ１８からの信号により作動する。発電により得られ
た電力の一部は一旦バッテリ４に蓄えられる。バッテリ
４には、電動ウォータポンプ１４の他、電動エアコンコ
ンプレッサ、電動オイルポンプ、電動パワーステアリン
グポンプ等の補機類１９が電気的に接続されており、こ
れらの装置に電力が供給される。

【００４９】また、本実施の形態によるＳＯＦＣ１１で
は、燃料極１１ａ側で燃料が改質された結果発生した水
素（Ｈ₂）及び一酸化炭素（ＣＯ）をフィルタ９へ供給
するため還元剤供給通路２１の一端が接続され、該還元
剤供給通路２１の他端はフィルタ９上流の排気管８に接
続されている。ＳＯＦＣ１１と還元剤供給通路２１との
接続部には、ＥＣＵ１８からの信号により開閉する遮断
弁２０が設けられている。

【００５０】このように構成された還元剤供給機構で
は、フィルタ９へ還元剤を供給する必要が生じたとき
に、ＥＣＵ１８はＳＯＦＣ１１を起動させる。ＳＯＦＣ
１１で燃料の改質により発生した水素（Ｈ₂）及び一酸
化炭素（ＣＯ）は、開弁された遮断弁２０を通過して還
元剤供給通路２１を流通し、フィルタ９上流から該フィ
ルタ９へと流入する。このようにして、フィルタ９へ還
元剤を供給することが可能となる。

【００５１】また、このときに供給される水素（Ｈ₂）
及び一酸化炭素（ＣＯ）は高温であるためフィルタ９の
温度を上昇させることが可能となる。

【００５２】このようなエンジン１には、該エンジン１
を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electron
ic Control Unit）１８が併設されている。このＥＣＵ
１８は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じて
エンジン１の運転状態を制御するユニットである。

【００５３】ＥＣＵ１８には、各種センサが電気配線を
介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣ
Ｕ１８に入力されるようになっている。また、ＥＣＵ１
８には、ＳＯＦＣ１１を制御するためのＦＣ用ＥＣＵ２
２が接続されている。

【００５４】ところで、エンジン１が希薄燃焼運転され
ている場合は、エンジン１から排出される排気の空燃比
がリーン雰囲気となり排気の酸素濃度が高くなるため、
排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯx）がＮＯx触媒に吸
蔵されることになるが、エンジン１の希薄燃焼運転が長
期間継続されると、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が飽和
し、排気中の窒素酸化物（ＮＯx）がＮＯx触媒にて除去
されずに大気中へ放出されてしまう。

【００５５】特に、エンジン１のようなディーゼル機関
では、大部分の運転領域においてリーン空燃比の混合気
が燃焼され、それに応じて大部分の運転領域において排
気の空燃比がリーン空燃比となるため、ＮＯx触媒のＮ
Ｏx吸蔵能力が飽和し易い。尚、ここでリーン空燃比と
は、ディーゼル機関にあっては例えば２０乃至５０で、
三元触媒ではＮＯxを浄化できない領域を意味する。

【００５６】従って、エンジン１が希薄燃焼運転されて
いる場合は、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が飽和する前に
ＮＯx触媒に流入する排気中の酸素濃度を低下させると
ともに還元剤の濃度を高め、ＮＯx触媒に吸蔵された窒
素酸化物（ＮＯx）を還元させる必要がある。

【００５７】ここで、従来の内燃機関の排気浄化装置で
は、フィルタ若しくはＮＯx触媒に還元剤の供給が必要
となったときには、排気中へ燃料添加をし、または機関
の膨張、排気行程において燃料を噴射する副噴射を行っ
ていた。しかし、これら燃料添加や副噴射では、多量の
燃料を供給する必要があり、燃費の悪化を招いていた。
また、燃料添加においては、水素（Ｈ₂）及び一酸化炭
素（ＣＯ）が直接フィルタ若しくはＮＯx触媒へ供給さ
れず、更に、ガス化しないとフィルタ等へ均一に供給す
ることが困難となる。このような状態では、還元効率が
低く、やはり多量の燃料供給が必要となる。

【００５８】そこで、本実施の形態では、ＳＯＦＣの発
電時に生成される改質燃料をフィルタに供給する。この
ように、ＳＯＦＣの発電時に生成される改質燃料を使用
することにより、内燃機関の作動状態に関係なくフィル
タへ還元剤を供給することが可能となる。従って、機関
への燃料噴射制御を変更する必要がないため機関の運転
状態を悪化させることもない。また、水素（Ｈ₂）及び
一酸化炭素（ＣＯ）等の還元力の強いガスをフィルタへ
供給することが可能となる。このときの水素（Ｈ₂）及
び一酸化炭素（ＣＯ）等は、ガス化しているためフィル
タへ均一に還元剤を供給することが可能である。このよ
うに、ＳＯＦＣの発電時に生成される改質燃料を還元剤
として用いることにより、燃費の悪化を抑制することが
可能となる。

【００５９】次に、本実施の形態による還元剤供給制御
のフローについて説明する。

【００６０】図２は、本実施の形態による還元剤供給制
御のフローを示したフローチャート図である。

【００６１】ステップＳ１０１では、フィルタ９の還元
処理が必要であるか否か判定する。判定には、フィルタ
９下流に排気中のＮＯx濃度を検出するＮＯxセンサ（図
示省略）を設け、ＮＯx濃度が所定値以上となった場合
にフィルタ９の還元処理が必要であるとしても良い。こ
れは、フィルタ９のＮＯx吸蔵量が増加すると、フィル
タ９に吸蔵されないで通過してしまうＮＯxが増加し、
該フィルタ９下流のＮＯx濃度が高くなることによる。
判定として用いる所定値は、予め実験等により求めてお
く。また、車両の走行距離が所定距離以上となったこと
や、エンジン１の運転時間が所定時間以上になったこと
や、噴射量の累積値が所定値以上になったこと等により
ＮＯxの吸蔵量を推定しても良い。

【００６２】ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場
合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなさ
れた場合には本ルーチンを終了させる。

【００６３】ステップＳ１０２では、フィルタ９の床温
が所定温度以上になったか否かを判定する。触媒の温度
は、フィルタ９に設けられたフィルタ温度センサ２３に
より求めることができる。また、ヒータ１０の通電電流
とバッテリ４の電圧とからヒータ１０の電気抵抗を求め
て、予め求めておいたヒータ１０の抵抗とヒータ１０温
度とのマップによりヒータ１０温度を求めても良い。更
に、ヒータ１０の通電時間から推定しても良い。このと
きの所定温度とは、例えば２５０℃である。

【００６４】ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場
合にはステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなさ
れた場合にはステップＳ１０４へ進む。

【００６５】ステップＳ１０３では、フィルタ９の上流
にＳＯＦＣ１１で生成された改質燃料が供給される。Ｅ
ＣＵ１８は、ＦＣ用ＥＣＵ２２へ信号を送りＳＯＦＣ１
１を作動させると共に、遮断弁２０を開弁させて改質燃
料をフィルタ９の上流へ供給する。

【００６６】ステップＳ１０４では、フィルタ９をヒー
タ１０で加熱する。ヒータ１０で加熱することにより吸
蔵還元型ＮＯx触媒をＮＯxの放出に必要となる温度まで
上昇させる。

【００６７】ステップＳ１０５では、還元処理終了条件
が成立したか否か判定される。ここで、還元処理終了条
件とは、フィルタ９下流に設けられたＮＯxセンサから
得られる排気中のＮＯx濃度が所定値以下となった、ま
たは所定の時間改質燃料がフィルタ９に供給された等に
よるもので、吸蔵還元型ＮＯx触媒の還元能力が回復し
たことを示している。

【００６８】ステップＳ１０６では、還元剤の供給が停
止される。ＥＣＵ１８は、遮断弁２０を閉弁して、改質
燃料の供給を停止する。発電する必要がない場合には、
ＦＣ用ＥＣＵ２２に信号を送りＳＯＦＣ１１の作動も同
時に停止させる。

【００６９】このようにして、フィルタ９へ還元剤たる
改質燃料を供給することが可能となる。

【００７０】また、改質燃料の供給により、吸蔵還元型
ＮＯx触媒からのＮＯxの放出に限らず、ＳＯx被毒解消
時に還元剤を供給することやＳＯx被毒解消時及びＰＭ
除去時にフィルタ９の昇温を行うことも可能である。

【００７１】次に、被毒解消制御について説明する。

【００７２】ここで、エンジン１の燃料には硫黄（Ｓ）
が含まれている場合があり、そのような燃料がエンジン
１で燃焼されると、二酸化硫黄（ＳＯ₂）や三酸化硫黄
（ＳＯ₃）などの硫黄酸化物（ＳＯx）が生成される。

【００７３】硫黄酸化物（ＳＯx）は、排気とともにフ
ィルタ９に流入し、窒素酸化物（ＮＯx）と同様のメカ
ニズムによってフィルタ９に吸蔵される。

【００７４】具体的には、フィルタ９に流入する排気の
酸素濃度が高いときには、流入排気ガス中の二酸化硫黄
（ＳＯ₂）や三酸化硫黄（ＳＯ₃）等の硫黄酸化物（ＳＯ
x）が白金（Ｐｔ）の表面上で酸化され、硫酸イオン
（ＳＯ₄ ^2-）の形でフィルタ９に吸蔵される。更に、フ
ィルタ９に吸蔵された硫酸イオン（ＳＯ₄ ^2-）は、酸化
バリウム（ＢａＯ）と結合して硫酸塩（ＢａＳＯ₄）を
形成する。

【００７５】ところで、硫酸塩（ＢａＳＯ₄）は、硝酸
バリウム（Ｂａ（ＮＯ₃）₂）に比して安定していて分解
し難く、フィルタ９に流入する排気の酸素濃度が低くな
っても分解されずにフィルタ９内に残留してしまう。

【００７６】フィルタ９における硫酸塩（ＢａＳＯ₄）
の量が増加すると、それに応じて窒素酸化物（ＮＯx）
の吸蔵に関与することができる酸化バリウム（ＢａＯ）
の量が減少するため、フィルタ９のＮＯx吸蔵能力が低
下する、いわゆるＳＯx被毒が発生する。

【００７７】フィルタ９のＳＯx被毒を解消する方法と
しては、フィルタ９の雰囲気温度をおよそ６００乃至６
５０℃の高温域まで昇温させるとともに、フィルタ９に
流入する排気の酸素濃度を低くすることにより、フィル
タ９に吸蔵されている硫酸バリウム（ＢａＳＯ₄）をＳ
Ｏ₃ ^-やＳＯ₄ ^-に熱分解し、次いでＳＯ₃ ^-やＳＯ₄ ^-を排気
中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）と反応させ
て気体状のＳＯ₂ ^-に還元する方法を例示することができ
る。

【００７８】そこで、本実施の形態に係る被毒解消処理
では、ＥＣＵ１８は、先ずフィルタ９の床温を高める触
媒昇温制御を実行した上で、フィルタ９に流入する排気
の酸素濃度を低くするようにした。

【００７９】触媒昇温制御では、ＥＣＵ１８は、ＦＣ用
ＥＣＵ２２へ信号を送りＳＯＦＣ１１を作動させると共
に、遮断弁２０を開弁させ、改質燃料を排気中へ添加さ
せることにより、それらをフィルタ９において酸化させ
る。そして、酸化の際に発生する熱によってフィルタ９
の床温を高めることができる。

【００８０】上記したような触媒昇温処理によりフィル
タ９の床温が６００℃乃至６５０℃程度の高温域まで上
昇すると、ＥＣＵ１８は、フィルタ９に改質燃料を間欠
的に供給する。

【００８１】このように被毒解消処理が実行されると、
フィルタ９の床温が高い状況下で、フィルタ９に流入す
る排気の酸素濃度が低くなるため、フィルタ９に吸蔵さ
れている硫酸バリウム（ＢａＳＯ₄）がＳＯ₃ ^-やＳＯ₄ ^-
に熱分解され、それらＳＯ₃ ^-やＳＯ₄ ^-が排気中の炭化水
素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）と反応して還元され、
以てフィルタ９のＳＯx被毒が解消されることになる。

【００８２】一方、エンジンの運転状態によってはフィ
ルタ９に捕獲されたＰＭが燃え残って堆積し該フィルタ
９の目詰まりを誘発させる要因となる。このように燃え
残ったＰＭを効果的に除去する方法の一つとしても前記
燃料添加による昇温制御は有効である。フィルタ９に流
入した改質燃料により活性酸素が放出されることによっ
て、ＰＭが酸化されやすいものに変質し単位時間あたり
の酸化除去可能量が向上する。また、改質燃料添加によ
り、触媒の酸素被毒が除去され、触媒の活性が上がるた
め活性酸素を放出し易くなる。更に、改質燃料の酸化反
応によりフィルタ９の温度が上昇する。そして、活性酸
素によりＰＭは酸化燃焼され除去される。

【００８３】一方、燃料極１１ａ側からの排気は高温で
あるため、この排気をフィルタ９へ供給することによ
り、フィルタ９を昇温させることができる。ここで、燃
料極１１ａ側からの排気を排出するための通路（図示省
略）の途中から流路切換弁（図示省略）を介してフィル
タ９の上流の排気管８に接続する排気通路を設けること
によりフィルタ９上流へ燃料極１１ａ側からの排気が供
給される。ＥＣＵ１８は、フィルタ９の温度を上昇させ
る必要が生じたときに流路切換弁に信号を送り燃料極１
１ａ側からの排気をフィルタ９に供給する。

【００８４】このようにして、フィルタ９の温度を上昇
させることが可能となる。従って、機関始動前及び機関
始動直後であってもフィルタ９を活性化させることが可
能となり、機関始動直後のエミッションの悪化を抑制す
ることが可能である。また、燃料極１１ａ側からの高温
の排気によりＳＯx被毒解消時やＰＭ除去時にフィルタ
９の昇温を行うことも可能である。フィルタ９の温度制
御は、改質燃料を供給する場合と同様に行うことが可能
である。

【００８５】ここで、従来の内燃機関の排気浄化装置で
は、フィルタ若しくは触媒に還元剤の供給が必要となっ
たとき、またはフィルタ若しくは触媒の温度を上昇させ
る必要が生じたときには、排気中へ燃料添加をし、また
は機関の膨張、排気行程において燃料を噴射する副噴射
を行っていた。しかし、これら燃料添加や副噴射では、
多量の燃料を供給する必要があり、燃費の悪化を招いて
いた。また、燃料添加においては、水素（Ｈ₂）及び一
酸化炭素（ＣＯ）が直接フィルタ若しくは触媒へ供給さ
れず、更に、ガス化しないとフィルタ９へ均一に供給す
ることが困難となる。このような状態では、還元効率が
低く、やはり多量の燃料供給が必要となっていた。

【００８６】その点、本実施の形態では、ＳＯＦＣ１１
の発電時に生成される改質燃料をフィルタ９へ供給する
ことにより、内燃機関の作動状態に関係なくフィルタ９
へ還元剤を供給することが可能となる。従って、機関へ
の燃料噴射制御を変更する必要がないため機関の運転状
態を悪化させることもない。また、水素（Ｈ₂）及び一
酸化炭素（ＣＯ）等の還元力の強いガスをフィルタ９へ
供給することが可能となる。このときの水素（Ｈ₂）及
び一酸化炭素（ＣＯ）等は、ガス化しているためフィル
タ９へ均一に還元剤を供給することが可能である。この
ように、ＳＯＦＣ１１の発電時に生成される改質燃料を
還元剤として用いることにより、燃費の悪化を抑制する
ことが可能となる。

【００８７】更に、ＳＯＦＣ１１を用いて発電を行いこ
の電力を用いて補機類を駆動することにより、補機類の
駆動損失を無くし機関効率を向上させることができる。
また、要求出力が同じならば内燃機関の排気量を小さく
することができ、燃費の向上を図ることができる。

【００８８】また、ＳＯＦＣ１１の冷却にエンジン１冷
却水を使用することができるため、該ＳＯＦＣ１１のた
めの冷却システムを新たに設ける場合と比較してコスト
を低減することができ、信頼性も向上させることができ
る。＜第２の実施の形態＞本実施の形態は、ＳＯＦＣ１１の
発電により得られた電力をヒータ１０に供給してフィル
タ９の昇温を行う。

【００８９】尚、本実施の形態においては、適用対象と
なるエンジン１やその他ハードウェアの基本構成につい
ては、第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。

【００９０】ここで、従来の内燃機関の排気浄化装置で
は、機関始動直後で触媒の温度が低い場合には排気の浄
化が十分に行われていなかった。これは、触媒が活性化
するにはある程度の温度が必要となるため、この温度に
到達するまでは触媒の浄化能力が低下しているためであ
る。更に、ターボ過給機を備えた直噴ディーゼルエンジ
ン等では、排気温度が低いために触媒が活性化する温度
まで上昇させるには時間を要する。また、このようなエ
ンジンにおいて、吸蔵還元型ＮＯx触媒を備えている場
合には、ＳＯx被毒解消に必要とされる温度まで上昇さ
せることが困難となる。一方、排気中のＰＭを捕集する
ためのフィルタを備えている場合には、フィルタを高温
にしてＰＭを燃焼除去させる必要があるが、このような
温度までフィルタの温度を上昇させるのはやはり困難で
ある。

【００９１】また、触媒若しくはフィルタの温度を上昇
させるために、機関からの排気の温度を上昇させる、若
しくは触媒に還元剤を供給する等を行うと、ターボ過給
機を備えた直噴ディーゼルエンジン等では、排気の温度
が低く更に排気の量も多いので、還元剤を多量に消費
し、還元剤に燃料を用いた場合には燃費の悪化を生じ
る。

【００９２】更に、触媒等にヒータを備え、バッテリか
らの電力により該触媒等を加熱することも可能である
が、バッテリの劣化が早くなり早期の交換が必要となっ
てしまう。また、バッテリの容量を大きくする必要があ
り車両への搭載が困難となる。更に、発電のための燃料
の消費により燃費が悪化する虞が生じる。

【００９３】そこで、本実施の形態では、フィルタに電
気ヒータを備え、このヒータにＳＯＦＣで発生した電力
を供給して発熱させフィルタの昇温を行う。ここで、Ｓ
ＯＦＣでの発電は、一般的に車両に搭載されているオル
タネータ（発電機）よりも効率が高い。従って、燃費の
悪化を抑制することが可能となる。また、機関停止時に
も発電することが可能なのでバッテリの容量を大きくす
る必要もない。更に、機関運転状態によらずフィルタの
温度を上昇させることができる。従って、機関始動前か
らフィルタ９の昇温が可能となる。また、機関運転状態
に影響を与えることもない。触媒の温度を上昇させて効
率を高めることができるので触媒の容量を小さくするこ
とができ、小型化及び触媒貴金属使用量の低減を図るこ
とができる。

【００９４】次に、本実施の形態による、機関始動時に
予め触媒を昇温させておくための触媒昇温制御について
説明する。

【００９５】図３は、機関始動時に予め触媒を昇温させ
ておくためのフローを示したフローチャート図である。

【００９６】ステップＳ２０１では、運転席側のドア
（図示省略）が開かれたか否か判定する。本制御実行開
始条件となるトリガー信号には、例えば、ドア開閉セン
サ（図示省略）が発信する運転席側のドアの開閉信号を
用いる。車両運転者が、車両に搭載されたエンジン１を
始動するには、その前に車両のドアを開いて乗車する動
作が当然に伴う。そこで、車両のドアが開けられたと検
知した場合には、ＥＣＵ１８が起動してフィルタ９の昇
温を行い、車両運転者がエンジン１を始動するときには
フィルタ９が活性状態にあるようにする。

【００９７】ステップＳ２０１で肯定判定がなされた場
合にはステップＳ２０２へ進み、一方、否定判定がなさ
れた場合には本ルーチンを終了させる。

【００９８】ステップＳ２０２では、ＳＯＦＣ１１を起
動させる。ＥＣＵ１８は、ＦＣ用ＥＣＵ２２へ信号を送
りＳＯＦＣ１１を起動させて発電を開始させる。

【００９９】ステップＳ２０３では、ヒータ１０へ通電
する。

【０１００】ステップＳ２０４では、触媒の床温が所定
温度以上になったか否か判定する。触媒床温は、例え
ば、フィルタ９に設けたフィルタ温度センサ２３により
求めることが可能となる。また、ヒータ１０の通電電流
とバッテリ４電圧とからヒータ１０の電気抵抗を求め
て、予め求めておいたヒータ１０抵抗とヒータ１０温度
とのマップによりヒータ１０温度を求めても良い。更
に、ヒータ１０の通電時間から推定しても良い。ここ
で、所定温度とは、例えば２５０℃である。

【０１０１】ステップＳ２０４で肯定判定がなされた場
合にはステップＳ２０５へ進み、一方、否定判定がなさ
れた場合にはステップＳ２０３へ戻る。

【０１０２】このようにして、機関始動前であってもフ
ィルタ９を昇温させ、吸蔵還元型ＮＯx触媒を活性化す
ることが可能となる。

【０１０３】次に、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＳＯx被毒を
解消するときに必要となる昇温制御について説明する。

【０１０４】図４は、フィルタ９昇温時の制御フローを
示したフローチャート図である。

【０１０５】ステップＳ３０１では、フィルタ９の再生
（ＳＯx被毒解消）処理が必要であるか否か判定する。
判定には、フィルタ９下流に排気中のＮＯx濃度を検出
するＮＯxセンサ（図示省略）を設け、ＮＯx濃度が所定
値以上となった場合にフィルタ９の再生処理が必要であ
るとしても良い。これは、フィルタ９に吸蔵されたＳＯ
x量が増加すると、フィルタ９に吸蔵されないで通過し
てしまうＮＯxが増加し、該フィルタ９下流のＮＯx濃度
が高くなることによる。判定として用いる所定値は、予
め実験等により求めておく。また、車両の走行距離が所
定距離以上となったことや、エンジン１の運転時間が所
定時間以上になった等によりＳＯxの吸蔵量を推定して
も良い。

【０１０６】ステップＳ３０１で肯定判定がなされた場
合にはステップＳ３０２へ進み、一方、否定判定がなさ
れた場合には本ルーチンを終了させる。

【０１０７】ステップＳ３０２では、ＳＯＦＣ１１を起
動させる。ＥＣＵ１８は、ＦＣ用ＥＣＵ２２へ信号を送
りＳＯＦＣ１１を起動させて発電を開始させる。

【０１０８】ステップＳ３０３では、ヒータ１０へ通電
する。

【０１０９】ステップＳ３０４では、触媒の床温が所定
温度以上になったか否か判定する。触媒床温は、例え
ば、フィルタ９に設けた温度センサ（図示省略）により
求めることが可能となる。また、ヒータ１０の通電電流
とバッテリ４電圧とからヒータ１０の電気抵抗を求め
て、予め求めておいたヒータ１０抵抗とヒータ１０温度
とのマップによりヒータ１０温度を求めても良い。更
に、ヒータ１０の通電時間から推定しても良い。ここ
で、所定温度とは、例えば５００℃である。

【０１１０】ステップＳ２０４で肯定判定がなされた場
合にはステップＳ３０５へ進み、一方、否定判定がなさ
れた場合にはステップＳ３０３へ戻る。

【０１１１】このようにして、ＳＯx被毒解消に必要と
なる温度までフィルタ９を昇温させることが可能とな
る。この後、排気中の酸素濃度を低下させることにより
吸蔵還元型ＮＯx触媒の再生が行われる。

【０１１２】尚、本実施の形態においては、触媒再生時
の昇温制御について説明したが、フィルタ９に捕集され
たＰＭを除去するＰＭ再生時の昇温制御についても適用
することができる。この場合、ステップＳ３０１におい
ては、フィルタ９のＰＭ再生処理が必要であるか否か判
定する。判定には、フィルタ９上流及び下流の排気の圧
力差を測定する差圧センサ（図示省略）を設け、この出
力信号に基づいてフィルタ９に捕集されたＰＭの量を判
定しても良い。他にも、例えば、フィルタ９前圧（フィ
ルタ９上流の背圧）や吸入空気量の減少によりＰＭの捕
集量を判定することが可能である。

【０１１３】判定として用いる所定値は、予め実験等に
より求めておく。また、車両の走行距離が所定距離以上
となったことや、エンジン１の運転時間が所定時間以上
になった等によりＰＭの捕集量を推定しても良い。

【０１１４】このようにしてフィルタ９を昇温させＰＭ
を燃焼除去させることが可能となる。＜その他＞前述の第１及び第２の実施の形態では、フィ
ルタ９及び該フィルタ９に担持された吸蔵還元型ＮＯx
触媒について説明したが、これに代えて酸化機能を有す
る排気浄化触媒を昇温させる場合に適用しても良い。

【０１１５】また、第１及び第２の実施の形態では、燃
料電池内部で燃料の改質が可能な固体酸化物型燃料電池
を用いる例について説明したが、これに代えて他の種類
の燃料電池、例えば高分子型燃料電池等を用いても良
い。この場合、燃料の改質手段を備えず、水素を貯留可
能な手段を別途設けて、水素を直接燃料電池及び排気浄
化触媒等に供給するようにしても良い。また、内燃機関
運転用の燃料やメタノール、天然ガス等を水素に改質す
る改質器を別途設けて燃料電池及び排気浄化触媒等に水
素を供給するようにしても良い。

【０１１６】

【発明の効果】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置で
は、内燃機関の運転状態によらず、また、運転状態を悪
化させることなく燃料電池で発電のために用いる気体状
の燃料を排気浄化触媒へ供給することができる。この燃
料は気体状であるため、該排気浄化触媒全体へ均一に供
給することができる。また、気体状の燃料は触媒上で還
元力の強い還元剤として作用するため、燃料の消費を少
量に抑えることができる。従って、燃料電池の燃料に、
内燃機関の運転に用いられる燃料を用いた場合には、燃
費を向上させることができる。

【０１１７】また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装
置では、燃料電池が発電を行うときに排出される燃料極
からの排気を触媒に供給することにより、内燃機関の運
転状態によらず該触媒を昇温させることができる。更
に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、燃料電
池から得られる電気エネルギをヒータへ供給することに
より、機関始動前から該触媒の温度を上昇させることが
でき、機関始動後は運転状態によらず該触媒の温度を上
昇若しくは維持させることができる。従って、触媒の排
気浄化率を上昇させることができ、排気エミッション悪
化を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄
化装置を適用するエンジンとその吸排気系とを併せ示す
概略構成図である。

【図２】第１の実施の形態による還元剤供給制御のフ
ローを示したフローチャート図である。

【図３】機関始動時に予め触媒を昇温させておくため
のフローを示したフローチャート図である。

【図４】フィルタ昇温時の制御フローを示したフロー
チャート図である。

【符号の説明】

１・・・・エンジン２・・・・燃料供給管３・・・・燃料ポンプ４・・・・バッテリ５・・・・燃料タンク６・・・・吸気管７・・・・遠心過給機８・・・・排気管９・・・・パティキュレートフィルタ１０・・・ヒータ１１・・・燃料電池（ＳＯＦＣ）１２・・・ＦＣ用燃料ポンプ１３・・・冷却水通路１４・・・電動ウォータポンプ１５・・・ヒータコア１６・・・空気ポンプ１７・・・空気供給通路１８・・・ＥＣＵ１９・・・補機類２０・・・遮断弁２１・・・還元剤供給通路２２・・・ＦＣ用ＥＣＵ２３・・・フィルタ温度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０１Ｎ 9/00 Ｈ０１Ｍ 8/00 ＺＡＢＺＨ０１Ｍ 8/00 ＺＡＢ 8/06 Ｇ 8/06 8/12 // Ｈ０１Ｍ 8/12 Ｂ０１Ｄ 53/36 １０３ＢＦターム(参考） 3G091 AA02 AA10 AA18 AB06 AB13 AB14 BA03 BA04 BA11 BA14 CA03 CA18 CA19 CB08 DB10 EA15 EA18 HA14 4D048 AA06 AA18 AB01 BB02 CC53 CD05 DA02 DA08 DA13 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 DD00 MM08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関からの排気を浄化する排気浄化触
媒と、燃料が酸化される際に発生する化学エネルギを電気エネ
ルギとして取り出す燃料電池と、前記燃料電池及び前記排気浄化触媒に気体状の燃料を供
給する燃料供給手段と、を備えたことを特徴とする内燃
機関の排気浄化装置。
【請求項２】内燃機関からの排気を浄化する排気浄化触
媒と、燃料が酸化される際に発生する化学エネルギを電気エネ
ルギとして取り出す燃料電池と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給手段と、前記燃料電池の燃料極側からの排気を前記排気浄化触媒
に供給する燃料極側排気供給手段と、を備えたことを特
徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】燃料を改質する燃料改質手段を備え、前記
燃料供給手段は、燃料改質手段により改質された燃料を
供給す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】内燃機関からの排気を浄化する排気浄化触
媒と、燃料が酸化される際に発生する化学エネルギを電気エネ
ルギとして取り出す燃料電池と、前記燃料電池により取り出された電気エネルギを供給さ
れて前記排気浄化触媒を加熱するヒータと、を備えたこ
とを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。