JP2010196551A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、触媒コンバータが十分に活性化していないときにも粒子状物質を効率良く燃焼させることを目的とする。
【解決手段】リーンバーン運転可能な内燃機関１０において、粒子状物質を燃焼させる機能を有するＥＧＲ触媒３４が活性化していない場合には、ＥＧＲ触媒前尿素噴射装置３０から尿素水溶液を噴射する。噴射された尿素は、加水分解してアンモニアに転化し、トラップ材３２に一時的にトラップされる。酸素を含んだリーンな排気ガスがＥＧＲ通路２８に流入すると、トラップ材３２にトラップされたアンモニアが酸素と反応してＮＯｘに転化し、ＥＧＲ触媒３４に流入する。これにより、十分な量のＮＯｘがＥＧＲ触媒３４に流入するので、ＥＧＲ触媒３４が十分に活性化していなくても、粒子状物質がＮＯｘと反応して効率よく燃焼する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関において、排気ガスの一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を行う装置が広く用いられている。ＥＧＲを行うと、吸気通路に還流する排気ガスに含まれる粒子状物質（Particulate Matter）が原因となって、吸気ポートや吸気バルブなどにデポジットが堆積し易いという問題がある。この問題を解決するため、ＥＧＲ通路に、粒子状物質（以下「ＰＭ」と称する）を燃焼させて除去するＥＧＲ触媒を設置する技術が知られている。

特開２００５−１６３９３号公報には、内燃機関の燃焼サイクルにおいて主噴射より後に副噴射を行っているときにＥＧＲ弁を開いて、ＨＣを多量に含んだ排気ガスをＥＧＲ触媒に流入させることにより、ＥＧＲ触媒に堆積したＰＭを酸化除去する装置が開示されている。

特開２００５−１６３９３号公報 特開２００８−２８６０５９号公報 特開平９−１７３７８２号公報

ＥＧＲ触媒でＰＭを効率良く燃焼させるには、ＥＧＲ触媒が十分に活性化していること、つまりＥＧＲ触媒の温度が活性温度以上になっていることが必要である。ＰＭを捕集する構造のＥＧＲ触媒を備えた装置において、ＥＧＲ触媒が十分に活性化していないときにＥＧＲが行われると、ＰＭが燃焼せずにＥＧＲ触媒に堆積する。堆積したＰＭを酸化除去するためには、上述した従来の技術のように、ＨＣ等のエネルギーの投入が必要となるので、燃費が悪化するという問題がある。一方、ＰＭを捕集しない構造のＥＧＲ触媒を備えた装置においては、ＥＧＲ触媒が十分に活性化していないときにＥＧＲが行われると、ＰＭがＥＧＲ触媒をすり抜けて吸気通路に流入してしまい、吸気ポートや吸気バルブなどでのデポジットの堆積が抑制できなくなる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、触媒コンバータが十分に活性化していないときにも粒子状物質を効率良く燃焼させることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気浄化装置であって、
内燃機関の排気ガス中に含まれる粒子状物質を燃焼させる触媒コンバータと、
前記触媒コンバータが活性化しているか否かを判定する判定手段と、
前記触媒コンバータが活性化していないと判定された場合に、前記触媒コンバータの上流側にアンモニアを供給するアンモニア供給手段と、
前記アンモニアが酸素と反応して窒素酸化物が生成されるように、前記触媒コンバータの上流側に酸素を供給する酸素供給手段と、
を備え、
前記アンモニアから生成された窒素酸化物と前記粒子状物質とを前記触媒コンバータにおいて反応させることによって前記粒子状物質を燃焼させることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記アンモニア供給手段は、前記触媒コンバータの上流側に尿素水溶液を噴射する尿素噴射装置を含み、該尿素噴射装置によって供給された尿素からアンモニアを生成させることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記内燃機関の排気ガスの一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ通路を備え、
前記触媒コンバータは、前記ＥＧＲ通路の途中に配置されていることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
理論空燃比よりリッチな空燃比の排気ガスが流入したときにアンモニアを発生させる第２の触媒コンバータを備え、
前記アンモニア供給手段は、前記第２の触媒コンバータで発生したアンモニアを前記触媒コンバータの上流側に供給することを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物を浄化するＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒の上流側に尿素水溶液を噴射する第２の尿素噴射装置と、
前記尿素噴射装置から尿素水溶液を噴射する場合に、前記第２の尿素噴射装置からの尿素水溶液の噴射を開始または増量させる尿素噴射制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、
前記触媒コンバータの上流側に配置され、前記アンモニアを一時的にトラップするトラップ材を有することを特徴とする。

また、第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れかにおいて、
前記触媒コンバータにおいて、前記粒子状物質中の炭素は、前記アンモニアから生成した窒素酸化物と反応して［ＣＮＯ］_nで表されるオリゴマーを生成した後、ＣＯ₂へ転化されることを特徴とする。

また、第８の発明は、第１乃至第７の発明の何れかにおいて、
前記触媒コンバータは、触媒成分として、Ｐｒ（プラセオジム）を主成分とするＰｒ材とセリアとの少なくとも一方と、Ｎｄ（ネオジム）を主成分とするＮｄ材とを有していることを特徴とする。

第１の発明によれば、触媒コンバータが活性化していない場合には、触媒コンバータの上流側にアンモニアを供給し、このアンモニアを酸素と反応させて窒素酸化物に転化し、この窒素酸化物と粒子状物質とを触媒コンバータにおいて反応させることができる。窒素酸化物を介在させた反応によれば、触媒コンバータが低温のときにも、粒子状物質を効率良く燃焼させることができる。また、第１の発明によれば、アンモニアを供給することにより、十分な量の窒素酸化物を触媒コンバータに流入させることができる。このため、粒子状物質と窒素酸化物との反応を促進することができる。このようなことから、第１の発明によれば、触媒コンバータが十分に活性化していない状態においても、粒子状物質を確実に燃焼させることができる。

第２の発明によれば、触媒コンバータの上流側に尿素水溶液を噴射し、その尿素からアンモニアを生成させることができる。これにより、必要時に容易にアンモニアを供給することができる。また、尿素を用いた選択還元型ＮＯｘ触媒装置が備えられている場合には、その尿素を流用することができ、装置全体の構成を簡素化することができる。

第３の発明によれば、ＥＧＲ通路の途中に配置された触媒コンバータが十分に活性化していない状態であっても、粒子状物質を確実に燃焼させることができる。このため、吸気系への粒子状物質の流入を確実に抑制することができ、吸気ポートや吸気弁にデポジットが堆積することを確実に抑制することができる。

第４の発明によれば、リッチ空燃比の排気ガスが第２の触媒コンバータに流入したときに発生するアンモニアを、粒子状物質を燃焼させる触媒コンバータの上流側に供給することができる。これにより、アンモニア供給のための特別の装置が不要となり、簡単な構成でアンモニアを供給することができる。

第５の発明によれば、粒子状物質を燃焼させる触媒コンバータの上流側に尿素を噴射する場合に、ＮＯｘ触媒の上流側にも尿素を噴射することができる。これにより、触媒コンバータにおいて粒子状物質と反応しなかった一部の窒素酸化物が排気通路に流入したとき、その窒素酸化物をＮＯｘ触媒で確実に浄化することができる。このため、大気中への窒素酸化物の排出を確実に抑制することができる。

第６の発明によれば、触媒コンバータの上流側に配置されたトラップ材によってアンモニアを一時的にトラップすることにより、アンモニアがそのまま触媒コンバータに流入することをより確実に防止することができる。つまり、アンモニアを確実に窒素酸化物に転化させた上で、その窒素酸化物を触媒コンバータに流入させることができる。このため、触媒コンバータにおいて、粒子状物質と窒素酸化物とをより確実に反応（燃焼）させることができる。

第７の発明によれば、触媒コンバータにおいて、粒子状物質中の炭素は、アンモニアから生成した窒素酸化物との反応して［ＣＮＯ］_nで表されるオリゴマーを生成した後、ＣＯ₂へ転化される。このような反応により、通常の燃焼反応よりも大幅に低い温度であっても、粒子状物質を効率良く燃焼させることができる。

第８の発明によれば、触媒コンバータが活性化しているとき、活性酸素を利用して粒子状物質を効率良く反応させることができる。このため、触媒コンバータでの粒子状物質の浄化率を更に向上することができる。

本発明の実施の形態１における内燃機関を示す図である。 本発明の実施の形態１における内燃機関を制御する制御装置のブロック図である。 ＥＧＲ触媒前尿素噴射装置、トラップ材およびＥＧＲ触媒を示す図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２における内燃機関を示す図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３における内燃機関を示す図である。 本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関を示す図である。図１に示す内燃機関１０は、例えば車両の動力源として用いられる。本実施形態の内燃機関１０は、理論空燃比よりリーンな空燃比での燃焼が可能な火花点火式のリーンバーンエンジンである。ただし、本発明は、ディーゼルエンジンにも適用可能である。

図示の内燃機関１０は、Ｖ型６気筒であり、１番（＃１）〜６番（＃６）の６個の気筒を有している。それらの気筒のうち、１番気筒、３番気筒および５番気筒により左バンクが構成され、２番気筒、４番気筒および６番気筒により右バンクが構成されている。ただし、本発明では、気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。

図１では吸気系の図示を省略しているが、内燃機関１０の各気筒は、吸気マニホールドを介して、吸気管に接続されている。吸気管から供給される吸入空気は、吸気マニホールドによって分配されて、各気筒に流入する。

内燃機関１０の左バンク、すなわち１番、３番および５番気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド１２によって集合されて、排気管１４に流入する。排気管１４の途中には、排気ガスを浄化するスタートコンバータ（スタート触媒）１６が設置されている。同様にして、内燃機関１０の右バンク、すなわち２番、４番および６番気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド１８によって集合されて、排気管２０に流入する。排気管２０の途中には、スタートコンバータ２２が設置されている。

排気管１４と排気管２０とは、下流側で合流して、排気管２４に接続されている。排気管２４の途中には、主にＮＯｘを浄化するためのＮＯｘ触媒２６が設置されている。このＮＯｘ触媒２６は、後述するように、アンモニア（ＮＨ₃）を還元剤としてＮＯｘをＮ₂へ転化させることのできる選択還元型のＮＯｘ触媒である。

内燃機関１０には、排気ガスの一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を行うためのＥＧＲ通路２８が備えられている。このＥＧＲ通路２８は、スタートコンバータ１６より上流側の排気管１４から分岐している。ＥＧＲ通路２８の下流側は、３つに分岐し、１番、３番および５番の各気筒の吸気ポートにそれぞれ接続されている。ただし、このような構成に限らず、ＥＧＲ通路２８の下流側が分岐せずに吸気通路のサージタンク等に接続されていてもよい。

ＥＧＲ通路２８には、ＥＧＲ触媒前尿素噴射装置３０と、アンモニアを一時的にトラップ可能なトラップ材３２と、排気ガス中の粒子状物質を燃焼させる機能を有するＥＧＲ触媒３４と、ＥＧＲ量を制御するためのＥＧＲ弁３６とが、上流側からこの順で設置されている。ＥＧＲ触媒前尿素噴射装置３０は、ＥＧＲ通路２８を通る排気ガス中に尿素水溶液（以下「尿素水」と称する）を噴射可能になっている。尿素水タンク３８に貯留された尿素水は、尿素水通路４０を通って、ＥＧＲ触媒前尿素噴射装置３０に供給される。

なお、本実施形態では、内燃機関１０の左バンクのみにＥＧＲ装置が設けられているが、両バンクにＥＧＲ装置が設けられていてもよい。

ＮＯｘ触媒２６の上流側の排気管２４には、ＮＯｘ触媒前尿素噴射装置４２が設置されている。尿素水タンク３８に貯留された尿素水は、尿素水通路４４を通って、ＮＯｘ触媒前尿素噴射装置４２に供給される。

図２は、上述した内燃機関１０を制御する制御装置のブロック図である。本実施形態の制御装置は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０には、上述したＥＧＲ触媒前尿素噴射装置３０、ＥＧＲ弁３６およびＮＯｘ触媒前尿素噴射装置４２に加えて、内燃機関１０の気筒内または吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射装置４６と、気筒内の混合気に点火する点火装置４８と、吸入空気量を調節するために吸気管に設置されたスロットル弁５２と、内燃機関１０のクランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ５４と、吸入空気量を検出するエアフローメータ５６と、内燃機関１０を搭載した車両のアクセルペダル位置を検出するアクセルポジションセンサ５８と、車速を検出する車速センサ６０とが電気的に接続されている。

ＥＣＵ５０は、内燃機関１０から排出されるＮＯｘの量を運転状態に基づいて推定し、その推定されたＮＯｘ排出量に応じて、ＮＯｘ触媒前尿素噴射装置４２からの尿素水噴射量を制御する。尿素水が排気ガス中に噴射されると、尿素が加水分解されることにより、アンモニアが生成する。よって、ＮＯｘ触媒前尿素噴射装置４２から尿素が噴射されると、ＮＯｘ触媒２６にアンモニアが流入する。ＮＯｘ触媒２６では、アンモニアがＮＯｘと選択的に反応することにより、ＮＯｘが浄化される。このため、内燃機関１０がリーンバーン運転されている場合であっても、ＮＯｘを確実に浄化することができる。

ＥＧＲ触媒３４は、排気ガス中の粒子状物質（Particulate Matter）を浄化する酸化触媒としての機能を有している。粒子状物質（以下「ＰＭ」と称する）は、すす（soot）やＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）等の、カーボンを主体とする微粒子である。ＥＧＲ触媒３４は、このような粒子状物質を燃焼（酸化）させてＣＯ₂等へ転化させることにより、これを浄化する。本実施形態によれば、ＥＧＲ触媒３４を設けたことにより、吸気系へのＰＭの流入を抑制することができる。このため、吸気ポートや吸気弁等に、ＰＭに起因するデポジットが堆積（付着）することを確実に抑制することができる。

本実施形態におけるＥＧＲ触媒３４は、フィルターのようにＰＭを溜めるのではなく、流入してくるＰＭを連続的に燃焼（反応）させるように構成されている。ＥＧＲ触媒３４の好ましい触媒成分は、貴金属成分としてはＰｔ（白金）やＰｄ（パラジウム）等が挙げられ、金属酸化物成分としてはセリアや、Ｐｒ（プラセオジム）を主成分とするＰｒ材、Ｎｄ（ネオジム）を主成分とするＮｄ材等が挙げられる。セリアやＰｒ材は、活性酸素を効率良く生成する特性を有している。また、Ｎｄ材は、活性酸素を浄化せずに表面に沿って移動させる特性（酸素伝導性）に優れている。このため、セリアおよびＰｒ材の少なくとも一方と、Ｎｄ材とを共存させることがより好ましい。セリアおよびＰｒ材の少なくとも一方と、Ｎｄ材とを共存させることにより、活性酸素によってＰＭを効率良く酸化することができ、特に優れたＰＭ浄化性能が得られる。この場合、Ｎｄ材の重量が、セリアおよびＰｒ材の合計重量以上となるように配合することがより好ましい。

また、ＥＧＲ触媒３４には、ＰＭを一瞬だけ保持するための保持材（例えばゼオライト）が設けられていてもよい。このような保持材を設けることにより、ＰＭを一瞬だけ保持し、その間にＰＭをより確実に燃焼させることができる。

ＥＧＲ触媒３４がＰＭを効率良く燃焼させるためには、ＥＧＲ触媒３４が十分に活性化していること、すなわち、ＥＧＲ触媒３４が十分に高い温度になっていることが必要である。このため、ＥＧＲ触媒３４の温度が低いときには、ＰＭがＥＧＲ触媒３４をすり抜けて吸気系に流入してしまい、吸気ポートや吸気弁等へのデポジットの堆積が進行してしまうという問題がある。本発明者は、この問題を解決するべく鋭意研究を重ねた結果、ＮＯｘを介在させてＰＭを反応させた場合、ＥＧＲ触媒３４が十分に活性化していない状態であっても、ＰＭを効率良く燃焼させることができることを見出した。

ＮＯｘを介在させた場合のＰＭ（特にsoot）の反応は、次のようなものである。まず、ＥＧＲ触媒３４に含まれるＰｔ等の貴金属の作用により、ＮＯｘ中の一酸化窒素（ＮＯ）が酸素（Ｏ₂）と反応し、二酸化窒素（ＮＯ₂）に転化される。次いで、ＰＭの主成分たる炭素（Ｃ）がこの二酸化窒素と反応することにより、［ＣＮＯ］_nで表されるオリゴマーが生成される。そして、この［ＣＮＯ］_nが還元（分解）され、無害なＣＯ₂とＮ₂とに転化される。

このような反応によれば、ＥＧＲ触媒３４が低温のときであっても、ＰＭを効率良く燃焼させることができる。しかしながら、排気ガス中に元々含まれているＮＯｘだけでは量が足りず、ＰＭを処理しきれない。そこで、本実施形態では、十分な量のＮＯｘをＥＧＲ触媒３４に流入させるため、ＥＧＲ触媒前尿素噴射装置３０を設け、ＥＧＲ触媒３４の上流側に尿素水を噴射することとした。前述したように、尿素水が排気ガス中に噴射されると、アンモニアが生成する。一方、内燃機関１０がリーンバーン運転を行った場合、排気ガス中には酸素が多く残存している。このため、ＥＧＲ触媒３４の上流側に供給されたアンモニアは、排気ガス中の酸素と反応することにより、ＮＯｘに転化される（ＮＨ₃＋Ｏ₂→ＮＯｘ）。従って、アンモニアを供給することにより、ＥＧＲ触媒３４に十分な量のＮＯｘを流入させることができるので、ＰＭをＥＧＲ触媒３４において確実に燃焼させることができる。

特に、本実施形態では、ＥＧＲ触媒３４の前段（上流側）にトラップ材３２を設け、このトラップ材３２によってアンモニアを一時的にトラップするように構成したことにより、ＰＭをより確実にＮＯｘと反応させることができる。この点について、図３を参照して説明する。図３は、ＥＧＲ触媒前尿素噴射装置３０、トラップ材３２およびＥＧＲ触媒３４を示す図である。図３に示すように、ＥＧＲ触媒前尿素噴射装置３０から噴射された尿素は、加水分解して、アンモニアに転化する。このアンモニアは、トラップ材３２に一時的にトラップされる。内燃機関１０がリーンバーン運転を行うことにより、酸素を多く含んだ排気ガスがＥＧＲ通路２８に流入する。そうすると、トラップ材３２にトラップされたアンモニアが酸素と反応してＮＯｘに転化し、このＮＯｘがＥＧＲ触媒３４に流入する。これにより、ＥＧＲ触媒３４においては、ＰＭがＮＯｘと反応して燃焼する。このように、アンモニアをトラップ材３２で一時的にトラップすることにより、アンモニアがそのままＥＧＲ触媒３４に流入することをより確実に防止することができる。つまり、アンモニアを確実にＮＯｘに転化させた上で、そのＮＯｘをＥＧＲ触媒３４に流入させることができる。このため、ＰＭをより高効率に燃焼させることができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図４は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行されるものとする。図４に示すルーチンによれば、まず、ＥＧＲ触媒３４でＰＭを燃焼させることが要求されているか否かが判定される（ステップ１００）。このステップ１００では、ＥＧＲが実行されていないとき（ＥＧＲ弁３６が閉じられているとき）には、ＥＧＲ触媒３４でＰＭを燃焼させることは要求されていないと判定することができる。一方、ＥＧＲが実行されているときについては、次のようにして判定することができる。内燃機関１０から排出されるＰＭの量は、運転状態によって大きく変化する。一般には、エンジン負荷が高いほどＰＭ排出量が多く、また、車両の発進時など、加速を伴う場合にもＰＭ排出量が多くなる傾向がある。これに対し、軽負荷時、アイドル時、減速時などでは、ＰＭはほとんど排出されない。従って、ＥＧＲが実行されているときには、吸入空気量や燃料噴射量などに基づいてエンジン負荷を算出し、その算出されたエンジン負荷によって、ＥＧＲ触媒３４へのＰＭ流入量を推定することができる。そして、そのＰＭ流入量が多い場合には、ＥＧＲ触媒３４でＰＭを燃焼させることが要求されていると判定でき、ＰＭ流入量が少ない場合には、ＥＧＲ触媒３４でＰＭを燃焼させることは要求されていないと判定できる。また、アイドル時などでＰＭ流入量が少ない場合であっても、車両の発進が予測されるような場合には、発進加速に伴って発生するＰＭに対して準備することが望ましい。そこで、運転者が車両を発進させようとしているか否かを変速機のシフトポジションなどに基づいて予測し、車両の発進が予測される場合には、ＥＧＲ触媒３４でＰＭを燃焼させることが要求されていると判定するようにしてもよい。

上記ステップ１００で、ＥＧＲ触媒３４でＰＭを燃焼させることが要求されていないと判定された場合には、ＥＧＲ触媒３４の上流側に尿素を噴射する必要はない。このため、この場合には、本ルーチンの処理がここで終了される。

一方、上記ステップ１００で、ＥＧＲ触媒３４でＰＭを燃焼させることが要求されていると判定された場合には、次に、ＥＧＲ触媒３４が活性化しているか否かが判定される（ステップ１０２）。ＥＧＲ触媒３４の活性判定は、ＥＧＲ触媒３４の温度に基づいて行われる。ＥＧＲ触媒３４の温度は、内燃機関１０の運転状態（エンジン回転数、エンジン負荷、ＥＧＲ弁３６の開度、冷却水温など）に基づいて推定することができる。あるいは、それらの運転状態の履歴も考慮して、ＥＧＲ触媒３４の温度を推定してもよい。また、ＥＧＲ触媒３４に温度センサを設け、直接に温度を測定するようにしてもよい。ステップ１０２では、そのようにして得られたＥＧＲ触媒３４の温度が所定温度（例えば３００℃）を超えている場合には、ＥＧＲ触媒３４が活性化していると判定することができ、ＥＧＲ触媒３４の温度が上記所定温度未満である場合には、ＥＧＲ触媒３４が活性化していないと判定することができる。

上記ステップ１０２で、ＥＧＲ触媒３４が活性化していると判定された場合には、ＥＧＲ触媒３４は、ＮＯｘを介在させない通常の反応によってＰＭを十分に燃焼させることができると判断できる。従って、この場合には、尿素を噴射する必要はないので、本ルーチンの処理がここで終了される。

これに対し、上記ステップ１０２で、ＥＧＲ触媒３４が活性化していないと判定された場合には、ＥＧＲ触媒３４は、通常の反応ではＰＭを十分に燃焼させることができないと判断できる。この場合には、ＥＧＲ触媒前尿素噴射装置３０から尿素を噴射する処理が実行される（ステップ１０４）。噴射された尿素は、加水分解して、アンモニアに転化し、トラップ材３２にトラップされる。この間、内燃機関１０は、リーンバーン運転を行う。これにより、酸素が多く残存した排気ガスがトラップ材３２に流入し、アンモニアが酸素と反応して、ＮＯｘに転化する。このようにして生成した十分な量のＮＯｘがＥＧＲ触媒３４に流入することにより、前述したようなＮＯｘが介在した反応が生じ、ＰＭを低温でも効率良く燃焼させることができる。このため、ＥＧＲ触媒３４が十分に活性化していなくても、ＰＭを確実に燃焼させることができる。よって、吸気弁や吸気ポートにデポジットが堆積することを確実に抑制することができる。

上記ステップ１０４の処理に続いて、ＮＯｘ触媒前尿素噴射装置３０からの尿素噴射量を増量する処理、あるいは尿素噴射を開始する処理が実行される（ステップ１０６）。ＥＧＲ触媒前尿素噴射装置３０からの尿素噴射によってＥＧＲ触媒３４へのＮＯｘ流入量が増加した場合、一部のＮＯｘ（ＰＭと反応しなかったＮＯｘ）は、ＥＧＲ触媒３４を通過して再循環し、排気系に流入する。このため、排気系へのＮＯｘ流入量が増加する場合がある。そこで、本実施形態では、ＥＧＲ触媒前尿素噴射装置３０から尿素が噴射された場合に、排気系のＮＯｘ増加分をＮＯｘ触媒２６で確実に浄化するため、このステップ１０６の処理を行うようにした。これにより、ＥＧＲ触媒前尿素噴射装置３０からの尿素噴射が行われた場合であっても、大気中へのＮＯｘの排出を確実に抑制することができる。

なお、本実施形態では、ＥＧＲ触媒３４でのＰＭ燃焼効率を向上することを目的として尿素噴射（アンモニア供給）を行う装置を例に説明したが、本発明では、排気通路に設置された触媒コンバータ（スタートコンバータ、アンダーフロアコンバータ）でのＰＭ燃焼効率を向上することを目的として尿素噴射（アンモニア供給）を行う装置にも適用可能である。

また、本実施形態では、ＮＯｘ触媒２６として選択還元型ＮＯｘ触媒を用いた構成を例に説明したが、本発明では、ＮＯｘ触媒２６として吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を用いてもよい。

また、本実施形態におけるＥＧＲ触媒３４は、ＰＭを溜めずに連続的に燃焼させるように構成されているものであるが、本発明における触媒コンバータは、ＰＭを溜めるフィルターとしての機能を兼ね備えたものであってもよい。

上述した実施の形態１においては、ＥＧＲ触媒３４が前記第１および第３の発明における「触媒コンバータ」に、ＥＧＲ触媒前尿素噴射装置３０が前記第２の発明における「尿素噴射装置」に、ＮＯｘ触媒前尿素噴射装置が前記第５の発明における「第２の尿素噴射装置」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「判定手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「アンモニア供給手段」が、内燃機関１０をリーンバーン運転させることにより前記第１の発明における「酸素供給手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第５の発明における「尿素噴射制御手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図５および図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

図５は、本発明の実施の形態１における内燃機関を示す図である。図５において、図１に示す構成要素と同様の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。図５に示す本実施形態の内燃機関１０は、直列４気筒であり、１番（＃１）〜４番（＃４）の４個の気筒を有している。１番気筒および４番気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド６２によって集合されて、スタートコンバータ６６に流入する。また、２番気筒および３番気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド６４によって集合されて、スタートコンバータ６６に流入する。スタートコンバータ６６の下流側の排気通路には、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒２６が設置されている。なお、本発明では、排気マニホールドは上述したような分割型でなくてもよい。

ＥＧＲ通路２８は、スタートコンバータ６６とＮＯｘ触媒２６との間の排気通路から分岐している。ＥＧＲ触媒３４およびトラップ材３２の上流側のＥＧＲ通路２８には、２次空気を供給する２次空気供給装置６８が接続されている。２次空気供給装置６８は、エアポンプ７０と、エアポンプ７０とＥＧＲ通路２８とを接続する送気通路の途中に設置された制御弁７２とを有している。

本実施形態における内燃機関１０を制御する装置のブロック図は、実施の形態１のブロック図（図２）と比べ、ＥＧＲ触媒前尿素噴射装置３０およびＮＯｘ触媒前尿素噴射装置４２に代えて、２次空気供給装置６８がＥＣＵ５０に電気的に接続されていること以外は同じである。このため、本実施形態のブロック図は省略する。

内燃機関１０の空燃比が理論空燃比よりリッチな空燃比に制御され（以下、「リッチ制御」と称する）、リッチ空燃比の排気ガスがスタートコンバータ６６に流入すると、スタートコンバータ６６でアンモニアが発生する。前述した実施の形態１では、ＥＧＲ触媒３４でのＰＭ燃焼を補助するためのアンモニアを、尿素噴射によって供給することとしている。これに対し、本実施形態では、スタートコンバータ６６で発生するアンモニアを、ＥＧＲ触媒３４でのＰＭ燃焼に利用することとした。

すなわち、内燃機関１０をリッチ制御すると、スタートコンバータ６６で発生したアンモニアがＥＧＲ通路２８に流入し、トラップ材３２によってトラップされる。その後、２次空気供給装置６８によって２次空気をＥＧＲ通路２８に供給することにより、トラップ材３２によってトラップされたアンモニアをＮＯｘに転化させ、ＥＧＲ触媒３４に流入させることができる。ＥＧＲ触媒３４におけるＰＭとＮＯｘとの反応は、実施の形態１と同様である。

本実施形態のスタートコンバータ６６は、Ｐｄ（パラジウム）を触媒成分として含むものであることが好ましい。Ｐｄを含有させることにより、アンモニアをより効率良く生成させることができる。

［実施の形態２における具体的処理］
図６は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。以下、図６において、図４に示すステップと同様のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。

図６に示すルーチンによれば、まず、実施の形態１と同様にして、ＥＧＲ触媒３４でＰＭを燃焼させることが要求されているか否かの判定（ステップ１００）と、ＥＧＲ触媒３４が活性化しているか否かの判定（ステップ１０２）とが実行される。

ステップ１０２で、ＥＧＲ触媒３４が活性化していないと判定された場合には、内燃機関１０のリッチ制御が実行される（ステップ１０８）。これにより、スタートコンバータ６６でアンモニアが発生し、そのアンモニアがＥＧＲ通路２８に流入して、トラップ材３２にトラップされる。なお、上記リッチ制御は、ＮＯｘ触媒２６に吸蔵されたＮＯｘを還元浄化するためのリッチ制御（リッチスパイク）と兼用であってもよい。

上記ステップ１０８の処理に続いて、２次空気供給装置６８により、ＥＧＲ通路２８に空気が供給される。この供給された２次空気中の酸素が、トラップ材３２によってトラップされたアンモニアと反応することにより、アンモニアがＮＯｘに転化し、ＥＧＲ触媒３４に流入する。このＮＯｘがＰＭと反応することにより、ＮＯｘを低温でも効率良く燃焼させることができる。よって、吸気弁や吸気ポートにデポジットが堆積することを確実に抑制することができる。

なお、本実施形態では、リッチ制御によって供給されたアンモニアを酸化するための酸素を、２次空気によって供給することとしているが、２次空気の供給に代えて、内燃機関１０をリーンバーン運転することによって酸素を供給するようにしてもよい。

上述した実施の形態２においては、スタートコンバータ６６が前記第４の発明における「第２の触媒コンバータ」に相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「アンモニア供給手段」が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「酸素供給手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態３．
次に、図７および図８を参照して、本発明の実施の形態３について説明するが、上述した各実施の形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

図７は、本発明の実施の形態１における内燃機関を示す図である。図７において、図５に示す構成要素と同様の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。図７に示す本実施形態の内燃機関１０におけるＥＧＲ通路２８は、スタートコンバータ６６より上流側の排気通路から分岐している。ＥＧＲ触媒３４およびトラップ材３２の上流側のＥＧＲ通路２８には、Ｐｄ（パラジウム）を触媒成分として含むＰｄ触媒７４が設置されている。

本実施形態では、内燃機関１０のリッチ制御が行われ、リッチ空燃比の排気ガスがＥＧＲ通路２８に流入すると、Ｐｄ触媒７４でアンモニアが発生する。本実施形態では、Ｐｄ触媒７４で発生するアンモニアを、ＥＧＲ触媒３４でのＰＭ燃焼に利用することとした。

［実施の形態３における具体的処理］
図８は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。以下、図８において、図６に示すステップと同様のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。

図８に示すルーチンによれば、まず、実施の形態１と同様にして、ＥＧＲ触媒３４でＰＭを燃焼させることが要求されているか否かの判定（ステップ１００）と、ＥＧＲ触媒３４が活性化しているか否かの判定（ステップ１０２）とが実行される。

ステップ１０２で、ＥＧＲ触媒３４が活性化していないと判定された場合には、内燃機関１０のリッチ制御が実行される（ステップ１０８）。これにより、リッチ空燃比の排気ガスがＥＧＲ通路２８に流入し、Ｐｄ触媒７４でアンモニアが発生する。そのアンモニアは、トラップ材３２にトラップされる。

上記ステップ１０８の処理に続いて、上記リッチ制御を終了し、内燃機関１０のリーンバーン運転が実行される（ステップ１１２）。これにより、酸素を含んだリーンな排気ガスがＥＧＲ通路２８に流入する。空気が供給される。この排気ガス中の酸素が、トラップ材３２によってトラップされたアンモニアと反応することにより、アンモニアがＮＯｘに転化し、ＥＧＲ触媒３４に流入する。このＮＯｘがＰＭと反応することにより、ＮＯｘを低温でも効率良く燃焼させることができる。よって、吸気弁や吸気ポートにデポジットが堆積することを確実に抑制することができる。

上述した実施の形態３においては、Ｐｄ触媒７４が前記第４の発明における「第２の触媒コンバータ」に相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「アンモニア供給手段」が、上記ステップ１１２の処理を実行することにより前記第１の発明における「酸素供給手段」が、それぞれ実現されている。

上述した実施の形態３では、Ｐｄ触媒７４をＥＧＲ触媒３４の前段に別個に配置しているが、ＥＧＲ触媒３４の触媒成分としてＰｄを含有させるようにしてもよい。その場合であっても、上記と同様の効果が得られる。

１０ 内燃機関
１２，１８ 排気マニホールド
１６，２２ スタートコンバータ
２６ ＮＯｘ触媒
２８ ＥＧＲ通路
３０ ＥＧＲ触媒前尿素噴射装置
３２ トラップ材
３４ ＥＧＲ触媒
３６ ＥＧＲ弁
３８ 尿素水タンク
４２ ＮＯｘ触媒前尿素噴射装置
５０ ＥＣＵ
６６ スタートコンバータ
６８ ２次空気供給装置
７０ エアポンプ
７２ 制御弁
７４ Ｐｄ触媒

Claims (8)

1. 内燃機関の排気ガス中に含まれる粒子状物質を燃焼させる触媒コンバータと、
   前記触媒コンバータが活性化しているか否かを判定する判定手段と、
   前記触媒コンバータが活性化していないと判定された場合に、前記触媒コンバータの上流側にアンモニアを供給するアンモニア供給手段と、
   前記アンモニアが酸素と反応して窒素酸化物が生成されるように、前記触媒コンバータの上流側に酸素を供給する酸素供給手段と、
   を備え、
   前記アンモニアから生成された窒素酸化物と前記粒子状物質とを前記触媒コンバータにおいて反応させることによって前記粒子状物質を燃焼させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記アンモニア供給手段は、前記触媒コンバータの上流側に尿素水溶液を噴射する尿素噴射装置を含み、該尿素噴射装置によって供給された尿素からアンモニアを生成させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記内燃機関の排気ガスの一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ通路を備え、
   前記触媒コンバータは、前記ＥＧＲ通路の途中に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 理論空燃比よりリッチな空燃比の排気ガスが流入したときにアンモニアを発生させる第２の触媒コンバータを備え、
   前記アンモニア供給手段は、前記第２の触媒コンバータで発生したアンモニアを前記触媒コンバータの上流側に供給することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物を浄化するＮＯｘ触媒と、
   前記ＮＯｘ触媒の上流側に尿素水溶液を噴射する第２の尿素噴射装置と、
   前記尿素噴射装置から尿素水溶液を噴射する場合に、前記第２の尿素噴射装置からの尿素水溶液の噴射を開始または増量させる尿素噴射制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記触媒コンバータの上流側に配置され、前記アンモニアを一時的にトラップするトラップ材を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記触媒コンバータにおいて、前記粒子状物質中の炭素は、前記アンモニアから生成した窒素酸化物と反応して［ＣＮＯ］_nで表されるオリゴマーを生成した後、ＣＯ₂へ転化されることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記触媒コンバータは、触媒成分として、Ｐｒ（プラセオジム）を主成分とするＰｒ材とセリアとの少なくとも一方と、Ｎｄ（ネオジム）を主成分とするＮｄ材とを有していることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。

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