JP2007100572A

JP2007100572A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2007100572A
Application number: JP2005290766A
Authority: JP
Inventors: Masaya Ibe; 将也井部; Yuichi Sofue; 優一祖父江; Hiroto Hirata; 裕人平田; Kazunobu Ishibashi; 一伸石橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-10-04
Filing date: 2005-10-04
Publication date: 2007-04-19

Abstract

【課題】ＰＭ再生処理中のＰＭ燃焼量を低下させることなく且つパティキュレートフィルタ温度を過昇温させることなく、硫黄被毒回復処理時間の短縮化、あるいは硫黄被毒回復処理可能温度の低温化を、より効率的に図ることができ、燃費の向上および触媒浄化能力の維持を図ることが可能な排気浄化装置を提供すること。
【解決手段】本内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に排気浄化触媒を担持したパティキュレートフィルタが配置された内燃機関の排気浄化装置において、プラズマ改質部を有するプラズマインジェクタを有し、パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質の燃焼処理が実行されていない際に、排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理が行われるように、あらかじめプラズマインジェクタにより燃料からプラズマ改質してもたらされた活性種を、排気浄化触媒よりも上流の排気に添加して排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理が行なわれることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置、特に、排気中に含まれる煤状の粒子状物質（以下、ＰＭと称す）を捕集するパティキュレートフィルタであって、排気浄化性能を維持すべく硫黄被毒回復処理が必要となる排気浄化触媒を担持したパティキュレートフィルタを有する内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気浄化性能を維持すべく硫黄被毒回復処理が必要となると考えられる内燃機関の排気浄化触媒の一つに、ＮＯｘ吸蔵還元触媒がある。燃費の向上および排出ガス規制の観点から、ガソリン内燃機関において運転領域の大部分がリーン空燃比で運転される希薄燃焼内燃機関の実用化が進められているとともに、ディーゼル内燃機関の適用範囲が拡大されつつある。ディーゼル内燃機関や希薄燃焼ガソリン内燃機関では、リーン空燃比すなわち空気過剰のもとで燃料が燃焼せしめられるため、不完全な燃焼成分であるＨＣ（炭化水素）およびＣＯ（一酸化炭素）の排出量が少ない反面、ＮＯｘ（窒素酸化物）やＰＭの排出量が多くなり、排出された有害なＮＯｘやＰＭの大気への放出を妨げる何らかの策を講ずる必要がある。ＮＯｘは、空気中の窒素と燃え残りの酸素とが反応して生成されるものである。一方、ＰＭは、内燃機関から排出される粒子状の物質の総称で、一般に、炭素からなる黒煙（煤)の周囲に燃え残った燃料や潤滑油、さらに軽油燃料中の硫黄分から生成された硫黄化合物（サルフェート）などが吸着しているものであることが知られている。

ＮＯｘの大気中への放出量を低減する一手段としては、内燃機関排気系にＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置することが知られている。ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、流入する排気空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＮＯｘを硝酸塩の形態で吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵し、流入する排気空燃比がリッチ空燃比であるときに、吸蔵したＮＯｘを放出する役割を果たすものである。放出されたＮＯｘは、還元成分（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ２）により還元浄化せしめられる。

このようなＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えた排気浄化装置によれば、酸素濃度が高い希薄燃焼の排気中からＮＯｘを良好に吸収し、定期的なリッチ混合気燃焼運転（リッチスパイク運転とも称す）によって、排気中の酸素濃度を低下させるとともに排気中にＨＣやＣＯ等の還元成分を存在させ、吸収したＮＯｘを大気中に放出させることなく良好に還元浄化することができる。

しかしながら、このようなＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えた排気浄化装置においては、燃料中の硫黄成分に起因するＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ吸蔵能力の低下、いわゆる硫黄被毒が問題となる。

内燃機関の燃料、例えばガソリンや軽油などの燃料には、硫黄成分が含有している場合が多く、この場合、燃焼後の排気中には、ＳＯ₂やＳＯ₃などのＳＯｘ（硫黄酸化物）が含まれることになる。排気中にＳＯｘが存在すると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、ＮＯｘの吸蔵を行う一方で、排気中のＳＯｘも硫酸塩の形態で吸蔵することが知られている。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯｘは安定していて分解しづらく、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒から脱離しないことが明らかにされている。

このため、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が、排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域、例えば、３００℃〜４５０℃の温度領域で、ＳＯｘを含有する排気に対して使用される場合、ＮＯｘの吸蔵および還元浄化が行われる一方で、ＮＯｘ吸蔵還元触媒にはＳＯｘが分解されず残存する。従って、時間が経過するにつれてＮＯｘ吸蔵還元触媒内のＳＯｘ量が増大することになり、かくして、時間が経過するにつれてＮＯｘ吸蔵還元触媒が吸蔵することができるＮＯｘ量が低下することになり、いわゆる硫黄被毒（またはＳ被毒）の問題が生じる。

一方で、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させることで、例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を６００℃以上に上昇させることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯｘを熱分解させ放出させることができることが明らかにされている。

そこで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備える排気浄化装置においては、硫黄被毒を解消する一つの方法として、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比にしつつＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させる、硫黄被毒回復処理が適用されている。該硫黄被毒回復処理により、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯｘを熱分解し、この熱分解されたＳＯｘのＮＯｘ吸蔵還元触媒への再吸蔵を防止しつつＮＯｘ吸蔵還元触媒からＳＯｘを放出することが可能となる。

例えば、特開平１０−５４２７４号明細書においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備え且つ硫黄被毒回復処理が適用されている内燃機関の排気浄化装置が示されており、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からＳＯｘを放出させるべくＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させる方法として、点火時期を制御することが示されている。具体的には、点火時期を遅角させることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの温度を上昇させ、硫黄被毒回復処理に適した温度領域になるまで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させることが記載されている。

また、ＰＭの大気中への放出量を低減する一手段としては、内燃機関排気系にパティキュレートフィルタを配置して、排気中のＰＭを一旦パティキュレートフィルタに捕集し、この捕集されたＰＭを燃焼除去させることが知られている。ＰＭの大気中への放出量を低減する一手段としてパティキュレートフィルタを使用する場合においては、ＰＭの捕集量の増加とともに排気の排出が困難となり、そのため、ＰＭ再生処理すなわちパティキュレートフィルタに捕集されたＰＭの燃焼処理を実行することが必要となる。しかるに、パティキュレートフィルタ上に捕集されたＰＭは、約６００℃以上の高温にならないと燃焼せず、これに対して例えばディーゼル内燃機関の排気温度は、通常６００℃よりもかなり低く、従って、ＰＭを燃焼処理すべくパティキュレートフィルタを昇温することが必要となる。このパティキュレートフィルタの昇温の手段としては、例えば特許第３６２０２９１号公報においては、パティキュレートフィルタにヒータを配置し昇温することが記載されている。

特開平１０−５４２７４号明細書特許第３６２０２９１号公報

ＳＯｘ被毒回復処理を実行すべく触媒温度を昇温させるためには、熱エネルギーが必要となり、該熱エネルギーを得るべく燃料を追加供給する場合には燃費の悪化がもたらされる。また、触媒温度が高温とされることにより触媒自体の性能劣化がもたらされる可能性がある。従って、硫黄被毒回復処理が必要となる、例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒のような排気浄化触媒を備えた排気浄化装置においては、燃費の向上および触媒浄化能力の維持の両観点から、硫黄被毒回復処理時間の短縮化、あるいは、硫黄被毒回復処理可能温度の低温化を図ることが重要な一つの課題になると考える。

この課題に対して、例えば特開２００２−２５６８５３号明細書においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒よりも上流側の排気通路にプラズマ発生装置が配置された内燃機関の浄化装置において、硫黄被毒回復処理時に選択的にプラズマ発生装置を作動させ、排気自体をプラズマ改質し、すなわち、排気中の還元成分をプラズマ改質により活性化し還元力を強化することで、硫黄被毒回復処理時間の短縮化を図ることが示されている。しかしながら、容量が大きい排気自体をプラズマ改質するためには多大なエネルギーが必要になることが考えられ更なる改良の余地が残されていると考える。

また、例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒のような排気浄化性能を維持すべく硫黄被毒回復処理を必要する排気浄化触媒を担持したパティキュレートフィルタを有する排気浄化装置においては、硫黄被毒回復処理の実行とともに、ＰＭ再生処理すなわちパティキュレートフィルタに捕集されたＰＭの燃焼処理の実行が必要となるが、ＰＭ再生処理は、リーン空燃比すなわち空気過剰のもとでＰＭが燃焼せしめられる処理であり、ＰＭ再生処理中に、硫黄被毒回復処理を実行すべく還元性の高い活性種が排気にもたらされると、酸化剤が消費されやすく、ＰＭ燃焼量が低下してしまう可能性がある。更に、ＰＭ再生処理中に、硫黄被毒回復処理を実行すべく還元性の高い活性種が排気にもたらされると、パティキュレートフィルタの温度が上がりすぎて性能劣化をもたらし、また、その溶損温度以上に昇温してパティキュレートフィルタ自体を溶損してしまう可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑み、例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒のような硫黄被毒回復処理を必要とする排気浄化触媒を担持したパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置において、ＰＭ再生処理中のＰＭ燃焼量を低下させることなく且つパティキュレートフィルタ温度を過昇温させることなく、硫黄被毒回復処理時間の短縮化、あるいは硫黄被毒回復処理可能温度の低温化を、より効率的に図ることができ、燃費の向上および触媒浄化能力の維持を図ることが可能な排気浄化装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明によれば、排気通路に排気浄化触媒を担持したパティキュレートフィルタが配置された内燃機関の排気浄化装置において、プラズマ改質部を有するプラズマインジェクタを有し、前記パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質の燃焼処理が実行されていない際に、あらかじめ前記プラズマインジェクタにより燃料からプラズマ改質してもたされた活性種を、前記排気浄化触媒よりも上流の排気に添加して前記排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理が行なわれる、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項１の発明では、パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質の燃焼処理が実行されていない際において、排気自体がプラズマ改質されるのではなく、あらかじめプラズマインジェクタにより燃料からプラズマ改質して生成された反応性の高い活性種が、排気浄化触媒よりも上流の排気に添加され、排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理が実行される。

請求項１の発明では、燃料からプラズマ改質により生成された反応性の高い活性種により、排気浄化触媒上での燃焼反応の促進、硫黄被毒脱離反応の促進および硫黄被毒回復処理可能温度の低温化を図ることができる。これにより、硫黄被毒回復処理時間を短縮することができ燃費の向上を図ることを可能とする。また、硫黄被毒回復処理にかかる時間が短縮されることは、排気浄化触媒が高温にさらされる時間が短縮されることとなり、硫黄被毒回復処理の際に排気浄化触媒が受ける高熱に起因する排気浄化触媒の耐久性能劣化を抑制でき、触媒浄化能力の維持を図ることを可能とする。

また、請求項１の発明では、パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質の燃焼処理が実行されている際においては、硫黄被毒回復処理を実行すべくプラズマインジェクタにより燃料からプラズマ改質して生成された反応性の高い活性種が排気中に添加されることがないため、該活性種による排気中の酸化剤の消費はなく、捕集された粒子状物質の燃焼量の低下を防止することができる。また、パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質の燃焼処理が実行されている際すなわちパティキュレートフィルタ温度が粒子状物質を燃焼処理可能な温度領域に既に達している状態にあるにもかかわらず、プラズマインジェクタにより燃料からプラズマ改質して生成された反応性の高い活性種が排気中に添加されることにより、パティキュレートフィルタが過昇温してしまうことを防止することができる。

請求項２の発明によれば、前記パティキュレートフィルタの温度が前記粒子状物質の燃焼処理可能温度に昇温されるように、あらかじめ前記プラズマインジェクタにより燃料からプラズマ改質してもたされた活性種を、前記排気浄化触媒よりも上流の排気に添加する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項２の発明では、パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質の燃焼処理を実行するに当たって、パティキュレートフィルタの温度が該粒子状物質の燃焼処理可能温度に達していない場合に、あらかじめプラズマインジェクタにより燃料からプラズマ改質して生成された反応性の高い活性種が、排気浄化触媒よりも上流の排気に添加され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒上での燃焼反応を促進することでパティキュレートフィルタの温度を所定温度に昇温する。

各請求項に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質の燃焼処理が実行されている際におけるＰＭ燃焼量を低下させることなく且つパティキュレートフィルタ温度を過昇温させることなく、硫黄被毒回復処理時間の短縮化、あるいは硫黄被毒回復処理可能温度の低温化を、より効率的に図ることができ、燃費の向上および触媒浄化能力の維持を図ることが可能となる共通の効果を奏する。

以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気浄化装置を自動車用のディーゼル内燃機関あるいは希薄燃焼ガソリン内燃機関に適用した場合の一実施形態を示す模式図である。
図１において、１０はディーゼル内燃機関あるいは希薄内燃燃焼ガソリン内燃機関の内燃機関本体、１１は排気マニホルド、１２は排気管、１３はＮＯｘ吸蔵還元触媒、１４はＮＯｘ吸蔵還元触媒１３を担持したパティキュレートフィルタ、をそれぞれ示す。また、図１において、２０はＰＭ再生判定手段、２１はＳＯｘ被毒判定手段、２２は電子制御装置（ＥＣＵ）、２３はプラズマインジェクタ、２４はバルブ、２５は燃料供給部、２６は活性種添加ポート、２７は発電機、２８はバッテリ、２９は電力供給装置、をそれぞれ示す。

まず、図１に示されたディーゼル内燃機関あるいは希薄燃焼ガソリン内燃機関の基本構成となる内燃機関本体１０、排気マニホルド１１、排気管１２、発電機２７およびバッテリ２８、のそれぞれについて簡単に説明する。

内燃機関本体１０は、ディーゼル内燃機関あるいは運転領域の大部分がストイキよりもリーンな空燃比で運転される希薄燃焼ガソリン内燃機関の内燃機関本体であり、該内燃機関本体１０からの排気の通路となる排気系には、排気マニホルド１１、排気管１２、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３およびＮＯｘ吸蔵還元触媒１３を担持したパティキュレートフィルタ１４が、それぞれ配置される。
排気マニホルド１１は、内燃機関本体１０に連結され、該内燃機関本体１０内に配置されている各気筒からの排気を１本の排気管１２に送り込む役割を果すものである。
発電機２７は、内燃機関本体１０に接続され、該内燃機関本体１０と協働して電気を発生せしめる役割を果すものであり、また、バッテリ２８は、発電機２７と接続されることで、発生せしめられた電気を蓄える役割を果すものである。

次に、図１に示された実施形態となる内燃機関の排気浄化装置が有する各構成要素について説明する。
図１に示された実施形態における内燃機関の排気浄化装置は、概して、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３を担持したパティキュレートフィルタ１４、ＰＭ再生判定手段２０、ＳＯｘ被毒判定手段２１、電子制御装置（ＥＣＵ）２２、プラズマインジェクタ２３、バルブ２４、燃料供給部２５、活性種添加ポート２６および電力供給装置２９を有する。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３は、該ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に流入する排気中の酸素濃度が高いときに、排気中のＮＯｘを吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵することで排気中からＮＯｘを除去し、該ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に流入する排気中の酸素濃度が低いときに、吸蔵したＮＯｘを放出する機能を有する。放出されたＮＯｘは、排気に含まれる還元成分となるＨＣ、ＣＯ等と反応して還元浄化せしめられる。

このようにＮＯｘ吸蔵還元触媒１３は、該ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に流入する排気中の酸素濃度が高いときに排気中のＮＯｘを吸蔵する一方で、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に流入する排気中にＳＯｘが含まれている場合には、ＮＯｘと同様にＳＯｘも吸蔵することが知られている。内燃機関本体１０に供給される燃料中には硫黄成分が含まれていることが多く、この場合、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に流入する排気中には硫黄分の燃焼により生じたＳＯｘが含まれることになり、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３には、ＮＯｘばかりでなく、ＳＯｘも吸蔵されることになる。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に吸蔵されたＳＯｘは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に吸蔵されたＮＯｘと比較して、安定度が高く分解しづらく、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域内でＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が使用されるかぎり、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に吸蔵されたＳＯｘは分解されずにＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に残存することが知られている。従って、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域内でＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が使用されるかぎり、時間が経過するにつれて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３内のＳＯｘ量は増大し、その結果、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が排気中から吸蔵することができるＮＯｘ量は低下することになる。

しかるに、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度を所定の温度以上に、例えば６００℃以上に上昇させ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に流入する排気空燃比をリッチ空燃比とすることで、硫黄被毒脱離反応をもたらすことができることも知られている。すなわち、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度を所定の温度以上に上昇させることで、硝酸塩の形態でＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に吸蔵されたＳＯｘを熱分解させ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３から脱離させ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３から脱離されたＳＯｘを、排気中のＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂などの還元成分によって還元浄化させることができることが知られている。

プラズマインジェクタ２３は、このことに基づいて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度の昇温のための燃焼反応を促進し且つ硫黄被毒脱離反応を促進すべく、反応性の高い活性種をプラズマ改質により燃料から生成し、あらかじめプラズマ改質された反応性の高い活性種をＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気中に添加し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の硫黄被毒を効率的に回復する役割を果すものである。

プラズマインジェクタ２３は、プラズマ改質部を有し、バッテリ２８に接続された電力供給装置２９と協働してプラズマ改質部に電圧を印加することによりプラズマを発生させ、燃料から反応性の高い活性種を生成することができる。プラズマインジェクタ２３により生成された反応性の高い活性種は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気管１２上に配置された活性種添加ポート２６を介して、排気中に添加される。

プラズマインジェクタ２３には、バルブ２４を介して、燃料供給部２５が流体連通されている。燃料供給部２５は、プラズマインジェクタ２３に供給する燃料の供給源となる部分である。また、バルブ２４は、燃料供給部２５からの燃料のプラズマインジェクタ２３への適宜な供給をもたらす役割を果すものである。燃料供給部２５は、内燃機関を作動すべく内燃機関本体１０に燃料を供給する構成要素と兼用されてもよく、また、内燃機関本体１０に燃料を供給する構成要素とは別個の構成要素として形成されてもよい。

ＳＯｘ被毒判定手段２１は、概して、ＳＯｘ吸蔵量検出手段、ＳＯｘ放出量検出手段およびＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段を有し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３のＳＯｘ被毒状態を推定する機能を有する。また、ＳＯｘ被毒判定手段２１は、電子制御装置２２（以下、ＥＣＵと称す）に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に吸蔵されたＳＯｘ量、プラズマインジェクタ２３による硫黄被毒回復処理によりＮＯｘ吸蔵還元触媒１３から放出されたＳＯｘ量、およびＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度の各検出情報を伝達可能に構成されている。

ＳＯｘ吸蔵量検出手段は、流入する排気によりＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に吸蔵されたＳＯｘ量を推定する機能を有する。例えば、ＳＯｘ吸蔵量は、燃料中の硫黄成分の濃度および消費燃料から推定されうる。この場合、ＳＯｘ吸蔵量検出手段は、燃料中の硫黄成分の濃度および消費燃料量のそれぞれを検出する構成要素を有して構成されることになる。

ＳＯｘ放出量検出手段は、プラズマインジェクタ２３による硫黄被毒回復処理によりＮＯｘ吸蔵還元触媒１３から放出あるいは脱離されたＳＯｘ量を推定する機能を有する。例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３からＳＯｘ放出量は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度および排気空燃比から推定されうる。この場合、ＳＯｘ放出量検出手段は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度および排気空燃比のそれぞれを検出する構成要素を有して構成されることになる。排気空燃比の検出には、排気空燃比センサーが使用されうる。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度を推定する機能を有する。ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度は、例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に近接して配置された排気温度センサーにより検出された温度情報に基づいて推定されうる。この場合、ＮＯｘ吸蔵還元触媒検出手段は、排気温度センサーを有して構成される。但し、この場合、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３と排気温度センサーとの間には、多少の隔たりがあり、この隔たりにおける温度勾配を推定すべく、回転負荷、空燃比、熱伝達係数、触媒反応速度等のパラメータを用いて補正が行わることになり、これらの各情報を検出する各構成要素もまた、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を推定するための構成要素となる。

パティキュレートフィルタ１４は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が担持されたパティキュレートフィルタであっても、パティキュレートフィルタの上流部にＮＯｘ吸蔵還元型触媒１３をストレートフローのハニカム構造体に担持したものを設置した構成でもよい。パティキュレートフィルタ１４は、内燃機関本体１０から排出されたＰＭすなわち粒子状物質を捕集し、ＰＭの大気への放出を妨げる役割を果すものである。パティキュレートフィルタ１４には、例えば、多孔質の材料で形成されたハニカム構造体を有するウォールフロータイプのフィルタや、セラミックや金属を繊維状にした繊維型フィルタタイプなどの一般的なものが適用されうる。

排気中のＰＭの大気への放出を妨げる手段としてパティキュレートフィルタ１４を使用する場合、ＰＭ再生処理すなわちＰＭを燃焼処理し除去することが必要となる。パティキュレートフィルタ１４に捕集されたＰＭの蓄積量は時間が経過するにつれて増加していくことになるが、ＰＭの蓄積量がある一定の許容量を越えてしまうと、目詰まりが発生し、排気圧力を上昇させ運転性能に支障をもたらす。このため、蓄積したＰＭを定期的に除去し、目詰まりを解消する必要がある。蓄積したＰＭを除去する手段として、ＰＭ再生処理がなされる。該ＰＭ再生処理は、具体的には、パティキュレートフィルタ１４をＰＭが直接燃焼することが可能な温度領域に昇温させ、リーン空燃比すなわち空気過剰のもとでＰＭを酸化燃焼させる処理であり、この処理により目詰まりに起因してもたらされる排気圧力の異常な上昇を回避させることができる。

ＰＭ再生判定手段２０は、概して、ＰＭ蓄積量検出手段およびパティキュレートフィルタ温度検出手段を有し、パティキュレートフィルタ１４のＰＭ蓄積状態および温度状態を推定する機能を有する。また、ＰＭ再生判定手段２０は、ＥＣＵ２２に、パティキュレートフィルタ１４のＰＭ蓄積量および温度の各検出情報を伝達可能に構成されている。

ＰＭ蓄積量検出手段は、流入する排気によりパティキュレートフィルタ１４に蓄積されたＰＭ蓄積量を推定する機能を有する。例えば、ＰＭ蓄積量は、パティキュレートフィルタ１４の前後の排気通路内の圧力を測定して、これらの差圧を算出し、算出された差圧と排気流量とから推定されうる。この場合、ＰＭ蓄積量検出手段は、パティキュレートフィルタ１４の前後の排気圧力を検出する構成要素と、排気流量を検出する構成要素を有して構成されることになる。

パティキュレートフィルタ温度検出手段は、パティキュレートフィルタ１４の温度を推定する機能を有する。パティキュレートフィルタ温度は、例えば、パティキュレートフィルタ１４に近接して配置された排気温度センサーにより検出された温度情報に基づいて推定されうる。この場合、パティキュレートフィルタ温度検出手段は、排気温度センサーを有して構成される。但し、この場合、パティキュレートフィルタ１４と排気温度センサーとの間には、多少の隔たりがあり、この隔たりにおける温度勾配を推定すべく、回転負荷、空燃比、熱伝達係数等のパラメータを用いて補正が行わることになり、これらの各情報を検出する各構成要素もまた、パティキュレートフィルタ温度を推定するための構成要素となる。また、本実施形態のようにＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が担持されたパティキュレートフィルタ１４においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度とパティキュレートフィルタ温度とは略同じ値であると考えられ、パティキュレートフィルタ温度検出手段と、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段とを同一構成要素としてもよい。

ＥＣＵ２２は、プラズマインジェクタ２３による硫黄被毒回復処理を実行すべく、また必要に応じてパティキュレートフィルタ１４の温度を昇温すべく、ＳＯｘ被毒判定手段２１の検出情報およびＰＭ再生判定手段２０の検出情報に基づいて、プラズマインジェクタ２３に電圧を印加する電力供給装置２９およびバルブ２４の作動を制御する役割を果すものである。また、ＥＣＵ２２はバッテリ２８と接続され、バッテリ２８から電力の供給を受けることができるように構成される。

上述した各構成要素を有する本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の作用効果について以下に説明する。
図２は、本排気浄化装置が組み入れられた図１に示す内燃機関で実行される硫黄被毒回復処理制御の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。

図２に示す制御ルーチンでは、まず、ＳＯｘ被毒判定手段２１の検出情報に基づいて硫黄被毒回復処理の必要性の有無の判断がなされる。硫黄被毒回復処理が必要でないと判断された場合には本制御ルーチンは終了となるが、硫黄被毒回復処理が必要であると判断された場合には、次に、ＰＭ再生判定手段２０の検出情報に基づいてＰＭ再生処理の必要性の有無が判断されることになる。ＰＭ再生処理の必要性が無いと判断された場合には、硫黄被毒回復処理ステップへと進むことになるが、ＰＭ再生処理が必要であると判断された場合には、まずＰＭ再生処理が実行され、該ＰＭ再生処理が終了したことが確認された後、硫黄被毒回復処理ステップへと進むことになる。最後に、硫黄被毒の回復が終了したことが確認されると、一連の硫黄被毒回復処理が終了される。
以下に各ステップの詳細について説明する。

まず、ステップ１０１では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に対する硫黄被毒回復処理の必要性の有無の判断がなされる。この判断は、ＳＯｘ被毒判定手段２１の一構成要素となるＳＯｘ吸蔵量検出手段からのＮＯｘ吸蔵還元触媒１３のＳＯｘ吸蔵量の検出情報に基づいてＥＣＵ２２によりなされる。硫黄被毒回復処理の必要性が無いと判断された場合には、本制御ルーチンは終了される。硫黄被毒回復処理の必要性が有ると判断された場合には、続くステップ１０２に進む。

ステップ１０２においては、ＰＭ再生処理に必要性の有無の判断がなされる。この判断は、ＰＭ再生判定手段２０の一構成要素となるＰＭ蓄積量検出手段からのＰＭ蓄積量の検出情報に基づいてＥＣＵ２２によりなされ、パティキュレートフィルタ上のＰＭ蓄積量が所定量を越えている場合には、ＰＭ再生処理が必要であると判断される。

ステップ１０２において、ＰＭ再生処理が必要であると判断された場合には、ステップ１０３に進み、パティキュレートフィルタ１４の温度がＰＭ燃焼処理可能温度領域内にあるか否かの判断がなされる。この判断は、ＰＭ再生判定手段２０の一構成要素となるパティキュレートフィルタ温度検出手段からのパティキュレートフィルタ温度の検出情報に基づいてＥＣＵ２２によりなされる。

ステップ１０３において、パティキュレートフィルタ温度がＰＭ燃焼処理可能温度領域内にあると判断されると、続くステップ１０５に進みＰＭ再生処理が実行されることになるが、パティキュレートフィルタ温度がＰＭ燃焼処理可能温度領域内にないと判断されると、ステップ１０４に進み、パティキュレートフィルタ温度の昇温のための燃焼反応を促進すべく、プラズマインジェクタ２３による燃料からの反応性の高い活性種の生成がなされる。具体的には、まず、ＥＣＵ２２によりバルブ２４および電力供給装置２９が制御され、燃料供給部２５からプラズマインジェクタ２３のプラズマ改質部に燃料が供給され、プラズマインジェクタ２３に電圧が印加され、燃料へのプラズマ改質がなされ、反応性の高い活性種の生成がなされる。そして、あらかじめ、燃料のプラズマ改質により生成された活性種が、活性種添加ポート２６を介して、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３を担持したパティキュレートフィルタ１４あるいはパティキュレートフィルタの上流に設置したＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気中に添加される。これにより、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３上で燃焼反応が促進され、よってパティキュレートフィルタ温度の昇温が可能となる。そしてプラズマインジェクタ２３によるパティキュレートフィルタ温度の昇温は、パティキュレートフィルタ温度がＰＭ燃焼処理可能温度領域内の到達したことが確認されるまで繰り返し実行され、続くステップ１０５に進む。

ステップ１０５においては、ＰＭ再生処理すなわちパティキュレートフィルタ１４に蓄積されたＰＭの燃焼処理による除去が実行される。具体的には、パティキュレートフィルタ１４に流入する排気空燃比がリーン空燃比すなわち酸素過剰状態で、パティキュレートフィルタ１４の温度がＰＭ燃料処理可能温度領域内に昇温されることで、ＰＭの燃焼処理が実行される。ステップ１０４における燃料からのプラズマ改質により生成された活性種の排気への添加は、排気中の酸素を消費し、ＰＭ燃焼量の低下をもたらす。よって、パティキュレートフィルタ温度が昇温されＰＭ燃焼処理可能温度領域内にあると確認されると、プラズマインジェクタ２３への電圧の印加が中止されることで、燃料からのプラズマ改質により生成された活性種の排気への添加が中止される。これにより、該活性種による排気中の酸素の消費は回避され、ＰＭ燃焼量の低下を防止することができる。また、パティキュレートフィルタ温度が、ＰＭの燃焼処理可能な温度に既に達しているにもかかわらず、燃料から改質して生成された反応性の高い活性種が排気中に添加されることにより、パティキュレートフィルタが過昇温してしまうことを防止できる。

ディーゼル内燃機関あるいは希薄燃焼内燃機関においては、通常運転時の排気空燃比はリーン空燃比であるため、ステップ１０４に進むことなくステップ１０３にてパティキュレートフィルタ１４がＰＭ燃焼処理可能温度領域内にあることは、すなわち、ＰＭ再生処理中であることを意味する。また、ＰＭ再生処理中においても常にパティキュレートフィルタ温度が監視され、パティキュレートフィルタ温度がＰＭ燃料処理可能温度領域よりも低くなった場合には、一時的にパティキュレートフィルタ温度を昇温すべく、燃料からのプラズマ改質により生成された活性種の排気への添加がなされてもよい。

ステップ１０６においては、ステップ１０５にて実行されたＰＭ再生処理が終了したか否かの判断がなされる。この判断は、ＰＭ再生判定手段２０の一構成要素となるＰＭ蓄積量検出手段からのＰＭ蓄積量の検出情報に基づいてＥＣＵによりなされる。ＰＭ再生処理が終了していないと判断された場合すなわちＰＭ蓄積量が所定量以下となっていないと判断された場合には、ステップ１０５に戻り、ＰＭ蓄積量が所定量以下となるまでＰＭ再生処理が繰り返し実行される。

ステップ１０６において、ＰＭ再生処理が終了したと判断されると、次に、ステップ１０７およびステップ１０８に進み、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度の昇温のための燃焼反応を促進し且つＮＯｘ吸蔵還元触媒１３上での硫黄被毒脱離反応を促進すべく、プラズマインジェクタ２３による燃料からの反応性の高い活性種の生成がなされ、硫黄被毒回復処理が実行される。具体的には、まず、ＥＣＵ２２によりバルブ２４および電力供給装置２９が制御され、燃料供給部２５からプラズマインジェクタ２３のプラズマ改質部に燃料が供給され、プラズマインジェクタ２３に電圧が印加され、燃料へのプラズマ改質なされ、反応性の高い活性種の生成がなされる。そして、あらかじめ燃料のプラズマ改質により生成された活性種は、活性種添加ポート２６を介して、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気中に添加され、これにより硫黄被毒回復処理が実行される。ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度は、ステップ１０３からステップ１０５のＰＭ再生処理を実行する際に既に昇温されているため、効率よく硫黄被毒回復処理可能温度への昇温がなされうる。ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度状態は、ＳＯｘ被毒判定手段２１の一構成要素となるＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段からのＮＯｘ吸蔵還元触媒温度情報にもとづいてＥＣＵ２２により判断され、硫黄被毒回復処理を効率的に実行すべく、適宜に燃料のプラズマ改質処理がＥＣＵ２２により制御される。

ステップ１０７およびステップ１０８にて実行される硫黄被毒回復処理において、留意すべき点は、あらかじめプラズマインジェクタ２３によりプラズマ改質され、気化あるいは微粒子化された燃料が、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度の昇温のための燃焼反応および硫黄被毒脱離反応をもたらすべくＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気に添加されることである。

例えばディーゼル内燃機関において、硫黄被毒回復処理を実行する一手段として、排気中に軽油などの液体燃料を噴霧することが知られている。液体燃料は、噴霧してもすぐには反応せず、ＮＯｘ吸蔵還元触媒などの排気浄化触媒や配管で気化してから燃焼反応を開始するため、燃料噴霧と酸化燃焼反応開始との間にタイムラグが生じる可能性がある。また、液体燃料は、気化された燃料あるいは微粒子化された燃料と比較して拡散性が低いため、排気浄化触媒上での反応促進領域が限定される可能性がある。

これに対して、プラズマインジェクタを有する本排気浄化装置においては、あらかじめ気化あるいは微粒子化された還元性の高い改質燃料を排気中に添加することができるため、排気浄化触媒上での燃焼反応の促進、硫黄被毒脱離反応の促進および硫黄被毒回復処理可能温度範囲の低温化を可能とし、硫黄被毒回復処理可能温度への到達時間および硫黄被毒回復処理時間の短縮化を図ることが可能となる。

プラズマインジェクタ２３による燃料のプラズマ改質から生成される活性種には、低級ＨＣ、Ｈ₂あるいはＣＯなどが考えられる。図３に、還元種として軽油、Ｃ₃Ｈ₆、ＣＯおよびＨ₂のそれぞれを単独で使用した場合において、同じ時間で同じ量のＳＯｘを触媒から脱離するために必要となる温度の比較であって、反応解析に基づく比較の一例を示す。また、図４に、還元種として軽油およびＨ₂のそれぞれを単独で使用した場合において、同じ量のＳＯｘを同じ温度で触媒から脱離させるために必要となる時間の比較であって、反応解析に基づく比較の一例を示す。図３および図４から、プラズマ改質されていない軽油が還元種として使用された場合と比較して、例えば、燃料のプラズマ改質によりもたらされたＨ₂を還元種として使用することで、硫黄被毒回復処理可能温度の低温化を可能とし、また、硫黄被毒回復処理に必要な時間を短縮することが可能であることわかる。

また、硫黄被毒回復処理を実行する一手段として、排気自体をプラズマ改質することで硫黄被毒回復処理の効率化を図ることが知られているが、この場合、排気自体の容量が大きいためにプラズマ改質するためには多大なエネルギーの投入が必要となることが考えられる。これに対して、本排気浄化装置においては、プラズマ改質する燃料量をＥＣＵ２２とバルブ２４とが協働して制御でき、且つ、あらかじめ気化あるいは微粒子化された還元性の高い改質燃料を排気中に添加することができるため、容量の大きい排気自体をプラズマ改質する場合と比較して、効率的に硫黄被毒回復処理を実行することが可能となる。

ステップ１０９においては、ステップ１０７およびステップ１０８にて実行された燃料のプラズマ改質によるＮＯｘ吸蔵還元触媒１３上での燃焼反応の促進および硫黄被毒脱離反応の促進により、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の硫黄被毒回復処理が終了したか否かの判断がなされる。この判断は、ＳＯｘ被毒判定手段２１の一構成要素となるＳＯｘ放出量検出手段からのＳＯｘ放出量情報にもとづいてＥＣＵ２２によりなされる。硫黄被毒回復処理が終了していないと判断された場合は、再びステップ１０７に戻り、プラズマインジェクタ２３による燃料のプラズマ改質が実行され、該燃料のプラズマ改質は硫黄被毒回復処理が終了したと判断されるまで繰り返し実行される。そして、ステップ１０９において、硫黄被毒回復処理が終了したと判断されると、次に、ステップ１１０に進み、プラズマインジェクタ２３への電力供給装置２９による電圧の印加がＥＣＵ２２により中止され、本硫黄被毒回復処理制御の制御ルーチンは終了する。

あらかじめ燃料をプラズマで改質、生成した反応性の高い活性種をＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気に添加することができる本排気浄化装置においては、プラズマインジェクタ１３を使用しない排気浄化装置と比較して、硫黄被毒回復処理可能温度への到達時間および硫黄被毒脱離反応時間を短縮化することができ、よって、硫黄被毒回復処理に費やすトータル時間を短縮化することを可能とする。これにより、燃費の向上を図ることが可能となる。また、硫黄被毒回復処理にかかる時間が短縮されることは、排気浄化触媒が高温にさらされる時間が短縮されることとなり、硫黄被毒回復処理の際に排気浄化触媒が受ける高熱に起因する排気浄化触媒の耐久性能劣化を抑制でき、触媒浄化能力の維持を図ることを可能とする。更に、本排気浄化装置は、プラズマインジェクタを使用しない排気浄化装置と比較して、硫黄被毒回復処理可能な触媒温度の低温化図ることができ、硫黄被毒回復処理の際に触媒が受ける高熱に起因する触媒耐久性能劣化を抑制でき、触媒浄化能力の維持を図ることを可能とする。

尚、本実施形態においては、排気浄化性能を維持すべく硫黄被毒回復処理が必要となる排気浄化触媒としてＮＯｘ吸蔵還元触媒を示したが、硫黄被毒回復処理を必要とする他の排気浄化触媒にも本排気浄化装置の適用は可能である。

また、本実施形態においては、プラズマインジェクタ２３を使用して燃料をプラズマ改質できるように構成されているが、燃料以外に空気もプラズマインジェクタ２３を使用してプラズマ改質できるように構成し、燃料および空気からプラズマ改質された反応性の高い活性種をＰＭ再生処理および硫黄被毒回復処理に活用してよい。空気からプラズマ改質された反応性の高い活性種は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３上での燃焼反応を促進し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度およびパティキュレートフィルタ温度の昇温を助力することができ、ＰＭ再生処理時間および硫黄被毒回復処理時間の更なる短縮化を図ることを可能とする。この場合においては、共通のプラズマインジェクタを使用して燃料および空気をプラズマ改質するように構成されてもよく、また、燃料および空気を別個のそれぞれのプラズマインジェクタを使用してプラズマ改質するように構成されてもよい。

ディーゼル内燃機関においては、不完全燃焼成分のＨＣが排気中に少ないことから、排気浄化触媒あるいはパティキュレートフィルタの昇温のための燃焼反応を促進すべく、排気中に燃料を噴霧することが知られているが、空気からプラズマ改質により生成された反応性の高い活性種例えばオゾンにより、排気中の少ない不完全燃焼成分のＨＣとの燃焼反応がもたらされ、排気中に新たな燃料を噴霧することなく、排気浄化触媒温度あるいはパティキュレートフィルタ温度を所定温度へと昇温させることを可能とする。プラズマインジェクタは、電圧が印加されていないときには、プラズマ化されていない燃料のインジェクタとしての機能も果すことができる。従って、空気および燃料をそれぞれ別個のインジェクタが配置された場合、空気からプラズマ改質された反応性の高い活性種を排気に添加しつつ、他方のプラズマインジェクタにより、プラズマ改質されていない燃料を排気中に添加することもできる。このことは、例えば、排気浄化触媒を昇温する際に排気中のＨＣ成分が十分に無い場合に有用となる。

本発明の排気浄化装置を自動車用のディーゼル内燃機関あるいは希薄燃焼ガソリン内燃機関に適用した場合の一実施形態を示す模式図である。本排気浄化装置が組み入れられた図１に示す内燃機関で実行される硫黄被毒回復処理制御の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。還元種として軽油、Ｃ₃Ｈ₆、ＣＯおよびＨ₂のそれぞれを単独で使用した場合において、同じ時間で同じ量のＳＯｘを触媒から脱離するために必要な温度の比較の一例を示す図である。還元種として軽油およびＨ₂のそれぞれを単独で使用した場合において、同じ量のＳＯｘを同じ温度で触媒から脱離させるために必要な時間の比較一例を示す図である。

符号の説明

１０内燃機関本体
１１排気マニホルド
１２排気管
１３ＮＯｘ吸蔵還元触媒
１４パティキュレートフィルタ
２０ＰＭ再生判定手段
２１ＳＯｘ被毒判定手段
２２ＥＣＵ
２３プラズマインジェクタ
２４バルブ
２５燃料供給部
２６活性種添加ポート
２７発電機
２８バッテリ
２９電力供給装置

Claims

排気通路に排気浄化触媒を担持したパティキュレートフィルタが配置された内燃機関の排気浄化装置において、
プラズマ改質部を有するプラズマインジェクタを有し、
前記パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質の燃焼処理が実行されていない際に、あらかじめ前記プラズマインジェクタにより燃料からプラズマ改質してもたされた活性種を、前記排気浄化触媒よりも上流の排気に添加して前記排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理が行なわれる、
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記パティキュレートフィルタの温度が前記粒子状物質の燃焼処理可能温度に昇温されるように、あらかじめ前記プラズマインジェクタにより燃料からプラズマ改質してもたされた活性種を、前記排気浄化触媒よりも上流の排気に添加する、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。