JP2009264284A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、活性酸素を使用して排気ガス中の有害成分を浄化可能な内燃機関の排気ガス浄化装置において、活性酸素使用量を節減しつつ、優れた浄化性能を得ることを目的とする。
【解決手段】本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置は、内燃機関１０の排気通路１５に配置された酸化触媒２０と、酸化触媒２０の下流側に設置されたＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１と、酸化触媒２０とＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１との間に活性酸素を供給する活性酸素供給装置２７と、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度に関する情報を取得する温度情報取得手段と、この情報に基づいて、活性酸素供給装置２７による活性酸素の供給を制御する制御手段と、を備える。Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１は、排気ガス中のＮＯｘを浄化する機能を有するとともに、触媒成分としてＡｇを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。

内燃機関の排気ガス中の有害成分を浄化するため、排気通路に触媒を設置する技術が広く用いられている。排気浄化触媒の活性は、ある温度以上にならないと発現しない。つまり、触媒の温度が低いときには、排気ガスを触媒で十分に浄化することができない。このため、エンジン始動直後などの触媒低温時において有害成分の排出を抑制することが重要な課題として残されている。

特開２００７−２８９８４４号公報には、排気通路内に配置された酸化触媒と、この酸化触媒の下流側に配置され、ＰＭ(Particulate Matter)を捕集するフィルタと、このＰＭフィルタの下流側の排気通路内に配置されたＮＯｘ触媒と、ＰＭフィルタとＮＯｘ触媒との間にオゾンを供給可能なオゾン供給手段とを備えた排気浄化装置が開示されている。この装置によれば、オゾンを用いてＰＭを酸化除去する際に、オゾンを効率的に使用することができる、とされている。

特開２００７−２８９８４４号公報 特開２００７−１５２３３６号公報

オゾン等の活性酸素は、強力な酸化力を有している。この活性酸素を利用することによって、触媒低温時における有害成分の排出を抑制することが考えられる。しかしながら、活性酸素を生成するためには、電力が必要である。このため、燃費の悪化を抑制するためには、活性酸素を無駄なく効率的に使用することが重要である。

上記従来の公報に記載された技術では、ＰＭフィルタに蓄積したＰＭを酸化除去する目的でオゾンを効率的に使用することに焦点が当てられている。その一方で、触媒低温時における有害成分の排出抑制については十分に考慮されていない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、活性酸素を使用して排気ガス中の有害成分を浄化可能な内燃機関の排気ガス浄化装置において、活性酸素使用量を節減しつつ、優れた浄化性能を得ることができる内燃機関の排気ガス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、内燃機関の排気ガス浄化装置であって、
内燃機関の排気通路に配置された、排気ガス中の未燃成分を酸化させる機能を有する酸化触媒と、
前記酸化触媒の下流側に設置された、排気ガス中のＮＯｘを浄化する機能を有するＮＯｘ触媒、および、Ａｇを触媒成分として含むＡｇ触媒と、
前記酸化触媒と、前記ＮＯｘ触媒および前記Ａｇ触媒との間に活性酸素を供給する活性酸素供給装置と、
前記Ａｇ触媒の温度に関する情報を取得する温度情報取得手段と、
前記情報に基づいて、前記活性酸素供給装置による活性酸素の供給を制御する制御手段と、
を備え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、
前記制御手段は、
前記Ａｇ触媒の温度が、第１の温度と、該第１の温度より高い第２の温度との間の温度領域にあるか否かを前記情報に基づいて判定するＡｇ触媒温度判定手段と、
前記Ａｇ触媒の温度が前記温度領域にあると判定された場合に、ＣＯを浄化するための活性酸素量を、活性酸素の総供給量に算入するＣＯ浄化手段と、
を含むことを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記第１の温度は、前記Ａｇ触媒が活性酸素の共存下でＣＯを酸化させる活性を発現する温度に対応し、前記第２の温度は、前記酸化触媒によりＣＯを浄化可能となる温度に対応す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、
前記ＮＯｘ触媒と前記Ａｇ触媒とは、共通の担体に一体化されてい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、
前記酸化触媒および前記ＮＯｘ触媒の温度が、所定の低温領域、中温領域および高温領域のうちの何れにあるかを判定する触媒温度判定手段と、
前記中温領域にあると判定された場合に前記ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度が、前記低温領域にあると判定された場合に前記ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度より高くなるように、活性酸素供給量を制御する活性酸素量制御手段と、
を更に備えることを特徴とする。

また、第６の発明は、第５の発明において、
前記低温領域は、前記酸化触媒および前記ＮＯｘ触媒の活性が発現していない温度領域に対応し、前記中温領域は、前記酸化触媒および前記ＮＯｘ触媒の活性が発現し始める温度から、それらが十分に活性化するまでの温度に対応し、前記高温領域は、前記中温領域を超える温度領域に対応することを特徴とする。

また、第７の発明は、第５または第６の発明において、
前記高温領域にあると判定された場合に、活性酸素の供給を抑制する供給抑制手段を更に備え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、
前記活性酸素供給装置は、活性酸素としてオゾンを供給することを特徴とする。

第１の発明によれば、酸化触媒と、ＮＯｘ触媒およびＡｇ触媒との間に活性酸素を供給することができる。これにより、活性酸素を用いて、排気ガス中の有害成分の浄化を促進することができる。このため、触媒低温時であっても、有害成分が大気中へ放出されることを確実に抑制することができる。特に、Ａｇ触媒を設けたことにより、活性酸素の添加のみでは浄化しにくいＣＯを確実に浄化することができる。更に、第１の発明によれば、活性酸素の供給を、Ａｇ触媒の温度に応じて制御することができる。これにより、優れた浄化性能を実現しつつ、活性酸素使用量の節減することができる。よって、活性酸素生成に要する電力を低減することができ、燃費の改善に寄与する。

第２の発明によれば、ＣＯを浄化するための活性酸素の添加が有効である状況をより適切に判断することができる。よって、優れたＣＯ浄化性能を実現しつつ、活性酸素使用量を節減することができる。

第３の発明によれば、Ａｇ触媒が活性酸素の共存下でＣＯを酸化させる活性を発現しており、且つ、酸化触媒ではＣＯを十分に浄化できない温度領域において、ＣＯを浄化するための活性酸素を供給することができる。このため、優れたＣＯ浄化性能を実現しつつ、活性酸素使用量の節減することができる。

第４の発明によれば、ＮＯｘ触媒とＡｇ触媒とが共通の担体に一体化されていることにより、小型化や部品点数の削減が図れる。

第５の発明によれば、中温領域においてＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度が、低温領域においてＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度より高くなるように、活性酸素供給量を制御することができる。低温領域においては、ＮＯｘ触媒に流入するＨＣがゼロに近いほど、ＮＯｘ浄化率は高くなる。これに対し、中温領域においては、ＮＯｘ浄化率が最大となるような、ＮＯｘ触媒へのＨＣ流入量の最適値が存在する。よって、第５の発明によれば、ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度を上記のように制御することにより、低温領域と中温領域との双方において、ＮＯｘ浄化率を更に高くすることができるとともに、活性酸素をより効率的に利用することができる。

第６の発明によれば、低温領域は、酸化触媒およびＮＯｘ触媒の活性が発現していない温度領域に対応し、中温領域は、酸化触媒およびＮＯｘ触媒の活性が発現し始める温度から、それらが十分に活性化するまでの温度に対応し、高温領域は、中温領域を超える温度領域に対応する。これにより、各温度領域を適切に設定することができるので、活性酸素をより効率的に使用することができる。

第７の発明によれば、高温領域にある場合に、活性酸素の供給を抑制することができる。高温領域になると、活性酸素は、熱分解し易い。このため、活性酸素を供給しても、浄化性能の向上効果は薄い。また、高温領域では、酸化触媒およびＮＯｘ触媒が十分に活性化するので、活性酸素を供給しなくても、有害成分を十分に浄化することができる。第７の発明によれば、このような場合に活性酸素の供給を抑制することにより、活性酸素の使用量を節減することができる。このため、燃費の改善が図れる。

第８の発明によれば、活性酸素としてオゾンを用いることにより、上記効果をより顕著に発揮させることができる。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。本実施形態において、内燃機関１０は、４つの気筒１３を備えた４気筒型の圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。本実施形態の内燃機関１０は、ターボチャージャ１９を備えている。ターボチャージャ１９のコンプレッサにより圧縮された吸入空気は、吸気マニホールド１１を介して各気筒１３に流入する。各気筒１３には、それぞれ、筒内に直接に燃料を噴射する燃料インジェクタ１４が設けられている。各燃料インジェクタ１４には、コモンレール１８に蓄えられた高圧の燃料が供給される。図示しない燃料タンク内の燃料は、サプライポンプ１７により加圧され、コモンレール１８に供給される。各気筒１３から排出される排気ガスは、排気マニホールド１２で合流し、ターボチャージャ１９のタービンに流入する。タービンを通過した排気ガスは、排気通路１５を流れる。

排気通路１５には、内燃機関１０に近い側から、酸化触媒２０およびＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１がこの順で設置されている。酸化触媒２０とＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１との間には、オゾン供給ノズル２２が設置されている。オゾン供給ノズル２２には、複数のオゾン供給口２３が設けられている。オゾン供給ノズル２２には、オゾン供給通路２４を介して、オゾン発生器２５が接続されている。図示の構成では、オゾン供給ノズル２２は、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１と共通のケーシング２６の内部であって、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１の前方側（上流側）に配置されている。本実施形態では、上述したオゾン発生器２５、オゾン供給通路２４およびオゾン供給ノズル２２により、オゾン供給装置２７が構成されている。

オゾン発生器２５としては、高電圧を印加可能な放電管内に、原料となる乾燥した空気または酸素を流しつつオゾンを発生させる形態や、他の任意の形式のものを用いることができる。ここで原料となる乾燥した空気または酸素は、排気通路１５外から取り込まれる気体、例えば外気に含まれる気体である。

上述したようなオゾン供給装置２７によれば、オゾン発生器２５によってオゾン（Ｏ₃）を生成させ、このオゾンをオゾン供給ノズル２２のオゾン供給口２３から噴射することができる。これにより、酸化触媒２０とＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１との間において、排気ガス中にオゾンを添加することができる。

酸化触媒２０は、排気ガス中の未燃燃料成分である炭化水素（以下「ＨＣ」と記す）や不完全燃焼成分であるＣＯ（一酸化炭素）を、Ｏ₂と反応させてＣＯ₂，Ｈ₂Ｏ等とすることにより、これらを浄化する機能を有している。この酸化触媒２０の触媒成分としては、例えばＰｔ／ＣｅＯ₂、Ｍｎ／ＣｅＯ₂、Ｆｅ／ＣｅＯ₂、Ｎｉ／ＣｅＯ₂、Ｃｕ／ＣｅＯ₂等を用いることができる。

Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１は、ＮＯｘを浄化する機能を有するＮＯｘ触媒に、触媒成分として更にＡｇ（銀）が付加されたものである。本実施形態のＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１は、触媒成分として、例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）の表面に、白金Ｐｔ等の貴金属と、ＮＯｘ吸蔵材と、Ａｇとが担持された構成となっている（図３および図４参照）。すなわち、このＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１は、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒（ＮＳＲ: NOx Storage Reduction）としての機能と、後述するＡｇ触媒としての機能とを兼ね備えている。ＮＯｘ吸蔵材としては、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る少なくとも一つを用いることができる。本実施形態では、図４に示すように、貴金属としてＰｔが、ＮＯｘ吸蔵材（以下、単に「吸蔵材」と称する）としてＢａが、それぞれ用いられている。なお、本明細書において、「吸蔵」という用語には、「保持」、「吸着」、「吸収」等に類似するすべての概念が含まれるものとする。

本実施形態では、酸化触媒２０とＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１との間には、他の触媒等は設けられておらず、両者は互いに近い距離に配置されている。このため、酸化触媒２０の温度とＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度とは、ほぼ同程度になる。図示の構成では、酸化触媒２０とＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１とは、別々のケーシングに収容されているが、共通のケーシングに収容されていてもよい。

本実施形態のシステムは、酸化触媒２０の温度（床温）を検出する温度センサ２８と、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度（床温）を検出する温度センサ２９と、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０とを更に備えている。ＥＣＵ５０には、前述した燃料インジェクタ１４、オゾン発生器２５、温度センサ２８，２９のほか、クランク角センサ４６、エアフローメータ４７、アクセルポジションセンサ４８等の、内燃機関１０を制御するための各種のセンサおよびアクチュエータが電気的に接続されている。

上述したような本実施形態のシステムにおいて、酸化触媒２０およびＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度が十分に高くなった状態（十分に活性化した状態）では、排気ガス中のＨＣおよびＣＯ（一酸化炭素）は、酸化触媒２０により浄化（酸化）することができ、排気ガス中のＮＯｘは、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１により浄化（吸収）することができる。

Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１の吸蔵材は、硝酸塩（本実施形態ではＢａ（ＮＯ₃）₂）を形成することにより、ＮＯｘ（窒素酸化物）を吸収する。吸蔵材は、ＮＯｘのうち、ＮＯ₂，ＮＯ₃を良好に吸収することができる。一方、排気ガス中に元々含まれるＮＯｘの多くは、ＮＯ（一酸化窒素）である。ＮＯは、そのままでは、吸蔵材に吸収させることができない。そこで、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１では、貴金属触媒（本実施形態では白金Ｐｔ）により、ＮＯを酸素Ｏ₂と反応させてＮＯ₂とし、このＮＯ₂を吸蔵材に吸収させるようにしている。

しかしながら、貴金属触媒の活性は、ある温度以上（例えば２００℃以上）にならないと、発現しない。よって、エンジン始動直後など、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度が低いときには、ＮＯが貴金属触媒によってＮＯ₂に酸化されないので、吸蔵材にＮＯｘを吸収させることができない。

また、酸化触媒２０も、ある温度以上（例えば２００℃以上）にならないと、その活性が発現せず、ＨＣやＣＯを酸化させることができない。

そこで、本実施形態のシステムでは、エンジン始動直後等の触媒低温時において有害成分を浄化するために、オゾン供給装置２７により、排気ガス中にオゾンを添加することとした。オゾンは、強力な酸化力を有している。このため、排気ガス中に添加されたオゾンは、ＮＯやＨＣと気相中で反応し、これらを酸化させることができる。ＨＣは、オゾンによって酸化され、ＣＯ₂およびＨ₂Ｏへ転換される。また、ＮＯは、後述するように、オゾンによって酸化されてＮＯ₂あるいはＮＯ₃へ変化し、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１の吸蔵材に吸収される。よって、オゾンを添加することにより、触媒の活性が発現していなくても、ＮＯやＨＣを浄化することができる。

しかしながら、ＣＯとオゾンとの反応性は、ＮＯやＨＣとオゾンとの反応性に比べて低い。このため、気相中でオゾンとＣＯとを反応させることによってＣＯを浄化する（酸化させる）ことは困難である。

本発明者らは、触媒低温時におけるＣＯの浄化を実現するべく鋭意研究を続けた結果、Ａｇを含む触媒（以下、「Ａｇ触媒」と称する）が、オゾン共存下において低温からＣＯ酸化活性を発現することを見出した。図２は、Ａｇ触媒の温度と、Ａｇ触媒によるＣＯ浄化率との関係を示す図である。この図に示すように、オゾンが共存していない場合には、３００℃未満の領域におけるＣＯ浄化率は低い。これに対し、オゾンを共存させた場合には、低温領域のＣＯ浄化率を大幅に高めることができ、１００℃程度の低温からＣＯを十分に浄化することができる。

オゾン共存下でＡｇ触媒がＣＯを酸化させるメカニズムは、図３に示すようなものであると考えられる。すなわち、Ａｇがオゾンと反応することによって、より強力な酸化剤であるＡｇ₂ＯまたはＡｇＯに変化し、このＡｇ₂ＯまたはＡｇＯによってＣＯがＣＯ₂に酸化されるものと考えられる。

本実施形態では、前述したように、ＮＯｘ触媒とＡｇ触媒とを共通の担体に一体化させたＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１を備えており、このＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１の上流側において排気ガス中にオゾンを添加可能になっている。このような構成により、酸化触媒２０においてＣＯを浄化できない低温時には、オゾン供給装置２７によってオゾンを供給し、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１のＡｇによってＣＯを酸化させて浄化することができる。このため、触媒低温時において、大気中へのＣＯ排出量を十分に低減することができる。

次に、オゾンを添加した場合におけるＮＯｘ浄化のメカニズムについて、より詳しく説明する。図４は、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１が低温状態（貴金属触媒の活性が発現していない状態）にあるときにオゾンを添加した場合においてＮＯｘが浄化（吸収）される様子を示す図である。オゾンが添加されると、排気ガス中のＮＯは、オゾンと反応することにより、ＮＯ₂あるいはＮＯ₃へ転換される。吸蔵材Ｂａは、室温程度の低温から、ＮＯ₂やＮＯ₃を十分に吸収して、硝酸塩を形成することができる。このため、貴金属触媒の活性が発現していない状態であっても、オゾンを供給することにより、ＮＯｘを吸蔵材に吸収させることができ、大気中へのＮＯｘの放出を抑制することができる。

Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度が、ある温度以上（例えば２００℃以上）になると、貴金属触媒の活性が発現し始め、排気ガス中のＮＯと酸素Ｏ₂とを反応させてＮＯ₂に転換することができるようになる。しかしながら、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度が十分に高い温度（例えば３００℃）になるまでは、貴金属触媒の活性が十分でないため、排気ガス中のＮＯの全部を貴金属触媒によってＮＯ₂に転換することはできない。このため、オゾンを供給しないと、一部のＮＯは、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１をすり抜けてしまう。そこで、本実施形態では、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度が、貴金属触媒の活性発現温度（例えば２００℃）を超えた後も、十分に活性化する温度（例えば３００℃）に到達するまでは、オゾンの供給を継続することとした。

図５は、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１が中温状態（貴金属触媒の活性が発現しているが、十分ではない状態）にあるときにオゾンを添加した場合においてＮＯｘが浄化される様子を示す図である。Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１が中温状態にある場合には、貴金属触媒（Ｐｔ）の活性が一部発現している。このため、図５に示すように、排気ガス中の一部のＮＯについては、Ｐｔ触媒により酸素Ｏ₂と反応させてＮＯ₂に転換させ、吸蔵材に吸収させることができる。一方、Ｐｔ触媒によって処理し切れない分のＮＯについては、気相中でオゾンと反応させてＮＯ₂やＮＯ₃へ転換することにより、吸蔵材に吸収させることができる。

また、本発明者らの知見によれば、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１が中温状態にあるときにオゾンを供給することによってＮＯｘの吸蔵を促進している場合において、ＨＣが共存すると、ＨＣによるＮＯｘの選択還元反応が並行して生ずることが確認されている。すなわち、図５に示すように、ＨＣが共存した場合には、ＮＯｘがＨＣにより還元されてＮ₂，ＣＯ₂，Ｈ₂Ｏへと浄化される反応が、ＮＯｘの吸蔵反応と並行して起こる。このため、ＮＯｘ浄化率を更に高めることができる。

一方、本発明者らの知見によれば、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１が低温状態にあるときにオゾンを供給することによってＮＯｘの吸蔵を促進している場合においては、ＨＣが共存しない方が良い。図６は、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１が低温状態にあるときの、ＨＣ共存量とＮＯｘ浄化率との関係を示すグラフである。図６に示すように、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１が低温状態にあるときには、ＨＣ共存量がゼロである場合にＮＯｘ浄化率は最大になる。そして、ＨＣ共存量が多くなるほどＮＯｘ浄化率は低下する。この理由は、次のようなものであると考えられる。Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１が低温状態、つまり貴金属触媒の活性が発現していない状態では、ＨＣが存在しても、上述したような選択還元反応は起こらない。その一方で、ＨＣが存在すると、ＨＣと反応することによってオゾンが消費されるので、その分だけ、オゾンとＮＯとの反応量が減少する。その結果、ＮＯｘの吸収量が減少し、ＮＯｘ浄化率が低下するものと考えられる。

これに対し、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１が中温状態にあるときには、ある程度の量のＨＣが共存した場合の方が、ＮＯｘ浄化率を高めることができる。図７は、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１が中温状態にあるときの、ＨＣ共存量とＮＯｘ浄化率との関係を示すグラフである。図７に示すように、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１が中温状態であるときには、ＮＯｘ浄化率を最大にするような、ＨＣ共存量の最適値が存在する。これは、上述したように、ＨＣが存在する場合には、ＨＣによるＮＯｘの選択還元反応が、ＮＯｘ吸蔵反応と並行して起こるためであると考えられる。そして、ＨＣ共存量が上記最適値より多くなると、ＮＯｘ浄化率は徐々に低下する。これは、上記低温状態の場合と同様に、ＨＣによってオゾンが消費される結果、ＮＯｘの吸収量が減少するためであると考えられる。

以上説明した事項に鑑みて、本実施形態では、オゾン供給装置２７による排気ガス中へのオゾン添加量を次のように制御することとした。図８は、酸化触媒２０およびＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度と、オゾン添加量との関係を示す図である。以下、図８を参照して、本実施形態におけるオゾン供給制御について説明する。

（低温領域）
酸化触媒２０およびＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度が低温領域（貴金属触媒の活性が発現しない領域）にある場合には、ＨＣを浄化するために必要な量のオゾンと、ＮＯｘを浄化（吸収）するために必要な量のオゾンとを、オゾン供給装置２７により供給する。前述したように、低温領域におけるＮＯｘ浄化率は、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１中のＨＣ量がゼロに近いほど、大きくなる。そこで、上記の「ＨＣを浄化するために必要な量のオゾン」とは、ＨＣをほぼ全部除去することができるようなオゾン量に設定されることが好ましい。

また、図８に示すように、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度が、第１の温度Ｔ₁と、第２温度Ｔ₂との間にある場合においては、ＨＣを浄化するために必要な量のオゾンと、ＮＯｘを浄化するために必要な量のオゾンとに加えて、更に、ＣＯを浄化するために必要な量のオゾンを、オゾン供給装置２７により供給する。第１の温度Ｔ₁は、Ａｇ触媒がオゾンの共存下でＣＯを酸化させる活性を発現する温度に対応しており、例えば１００℃〜１５０℃程度に設定される。この第１の温度Ｔ₁より低い温度においては、オゾンを供給してもＣＯを効率良く浄化することは困難であるので、オゾンを節約するため、ＣＯを浄化するためのオゾンを供給することはしない。第２温度Ｔ₂は、酸化触媒２０によってＣＯを浄化可能となる温度に対応しており、例えば２００℃程度に設定される。ＣＯは、ＨＣと比べ、低温側から酸化触媒２０で浄化可能となる。このため、第２温度Ｔ₂より高い領域では、ＣＯは酸化触媒２０によって十分に浄化されると判断できる。そこで、第２温度Ｔ₂より高い領域では、オゾンを節約するため、ＣＯを浄化するためのオゾンを供給することはしない。

（中温領域）
酸化触媒２０およびＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度が中温領域（貴金属触媒の活性が発現し始める温度から、活性が十分となる温度までの領域）にある場合には、ＨＣを一部浄化するために必要な量のオゾンと、ＮＯｘを浄化（吸収）するために必要な量のオゾンとを、オゾン供給装置２７により供給する。酸化触媒２０の活性が発現し始めている中温領域では、一部のＨＣは酸化触媒２０によって浄化される。一方、前述したように、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１においては、ＮＯｘ浄化率が最大となるような、ＨＣ共存量の最適値が存在する。このため、オゾンによってＨＣを完全に除去するのではなく、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１に適度な量のＨＣを流入させることが最も望ましい。そこで、上記の「ＨＣを一部浄化するために必要な量のオゾン」とは、酸化触媒２０で浄化される分のＨＣと、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１に流入させるべき最適な量のＨＣとを除いた残りのＨＣを浄化することができるようなオゾン量に設定される。また、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１中の貴金属触媒の活性が一部発現している中温領域では、前述したように、一部のＮＯについては、貴金属触媒によってＮＯ₂に転換させて、吸蔵材に吸収させることができる。このため、ＮＯｘを浄化するために必要なオゾンの量は、低温領域のときと比べて、少なくて済む。以上のことに鑑みて、中温領域では、図８に示すように、ＮＯｘを浄化するために必要なオゾン量は、低温領域と比べ、少量とされる。

なお、図８に示すように、本実施形態では、前述した第２の温度Ｔ₂と、低温領域と中温領域との境界温度とが同じ温度とされているが、本発明では、これらが異なる温度に設定されていてもよい。

（高温領域）
酸化触媒２０およびＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度が高温領域（貴金属触媒の活性化が十分となる温度以上の領域）にある場合には、オゾン供給装置２７によるオゾンの供給を停止する。高温領域（例えば３００℃以上）になると、オゾンは、熱分解し易い。このため、オゾンを供給しても、その効果は薄い。また、高温領域では、ＨＣおよびＮＯｘは、それぞれ、酸化触媒２０およびＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１において十分に浄化することができる。よって、ＨＣやＮＯｘを浄化するためのオゾンを供給する必要性は少ない。そこで、高温領域では、オゾンの供給を停止することとした。これにより、高温領域では、オゾン供給装置２７に電力が消費されることがないため、燃費の改善が図れる。

［実施の形態１における具体的処理］
図９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。図９に示すルーチンによれば、まず、酸化触媒２０およびＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度が、低温領域（例えば２００℃未満）、中温領域（例えば２００℃〜３００℃）、高温領域（例えば３００℃以上）のうちの何れにあるかが判別される（ステップ１００）。本実施形態では、このステップ１００の判断は、温度センサ２８および２９の出力に基づいてなされる。なお、本実施形態では、酸化触媒２０およびＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１の両方に温度センサを設けているが、本発明では、酸化触媒２０およびＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１の何れか一方に設けた温度センサの出力に基づいてこのステップ１００の判断を行ってもよい。また、本発明では、温度センサによらず、内燃機関１０の運転状態（エンジン回転数、負荷、排気ガス温度等）に基づいて酸化触媒２０およびＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度を推定することにより、ステップ１００の判断を行うようにしてもよい。

上記ステップ１００で、低温領域であると判別された場合には、次に、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度Ｔが、前述した第１の温度Ｔ₁と第２温度Ｔ₂との間にあるか否かが判別される（ステップ１０２）。このステップ１０２の判断は、温度センサ２９の出力に基づいてなされるが、温度センサ２９によらずに、内燃機関１０の運転状態に基づいてＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度を推定してもよい。

上記ステップ１０２において、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度Ｔが第１の温度Ｔ₁と第２温度Ｔ₂との間にあると判別された場合には、ＣＯを浄化するためのオゾン量が算出される（ステップ１０４）。本実施形態において、ＥＣＵ５０には、内燃機関１０の運転状態（エンジン回転数、負荷、冷却水温等）と、排気ガス中のＣＯ量との関係を予め調べて作成されたＣＯ排出量マップが記憶されている。このステップ１０４では、まず、そのＣＯ排出量マップに基づいて、内燃機関１０からのＣＯ排出量が算出される。次いで、その算出されたＣＯ排出量に基づいて、これをＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１にて酸化させるために添加することが必要なオゾンの量が所定の計算方法により算出される。

一方、上記ステップ１０２において、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度Ｔが第１の温度Ｔ₁と第２温度Ｔ₂との間にないと判別された場合には、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度Ｔが、オゾン共存下でＣＯを酸化させる活性を発現する温度に達しておらず、ＣＯを浄化するためのオゾンを添加しても効果が得られないと判断できる。そこで、この場合には、オゾンを節約するべく、ＣＯを浄化するためのオゾン量はゼロとされる。

上記ステップ１０２または１０４の処理に続き、ＨＣを浄化するためのオゾン量が算出される（ステップ１０６）。本実施形態において、ＥＣＵ５０には、内燃機関１０の運転状態と、排気ガス中のＨＣ量との関係を予め調べて作成されたＨＣ排出量マップが記憶されている。このステップ１０６では、まず、そのＨＣ排出量マップに基づいて、内燃機関１０からのＨＣ排出量が算出される。次いで、その算出されたＨＣ排出量に基づいて、これと反応させるために添加することが必要なオゾンの量が所定の計算方法により算出される。

上記ステップ１０６の処理に続いて、ＮＯｘを浄化（吸収）するためのオゾン量が算出される（ステップ１０８）。本実施形態において、ＥＣＵ５０には、内燃機関１０の運転状態と、排気ガス中のＮＯｘ量との関係を予め調べて作成されたＮＯｘ排出量マップが記憶されている。このステップ１０８では、まず、そのＮＯｘ排出量マップに基づいて、内燃機関１０から排出されるＮＯｘ量が算出される。次いで、その算出されたＮＯｘ量に基づいて、これと反応させるために添加することが必要なオゾンの量が所定の計算方法により算出される。

以上のような各オゾン量の算出処理が終了すると、続いて、ＣＯを浄化するためのオゾン量と、ＨＣを浄化するためのオゾン量と、ＮＯｘを浄化するためのオゾン量とを合計した量のオゾンが排気ガス中に添加されるように、オゾン供給装置２７を駆動する制御が実行される（ステップ１１０）。なお、前述したように、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度Ｔが第１の温度Ｔ₁と第２温度Ｔ₂との間にないと判別された場合には、ＣＯを浄化するためのオゾン量はゼロとされるので、ＣＯを浄化するためのオゾン量に相当する分は実際には供給されない。

一方、上記ステップ１００で、中温領域であると判別された場合には、排気ガス中のＣＯは酸化触媒２０によって十分に浄化することができると判断できる。よって、この場合には、ＣＯを浄化するためにオゾンを供給する必要はないので、ＣＯを浄化するためのオゾン量を算出する処理は実行されない。この場合には、まず、ＨＣを一部浄化するためのオゾン量が算出される（ステップ１１２）。本実施形態において、ＥＣＵ５０には、酸化触媒２０の温度と、酸化触媒２０でのＨＣ浄化率との関係を予め調べて作成されたＨＣ浄化率マップと、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１への最適なＨＣ流入量（ＮＯｘ浄化率が最大となるようなＨＣ流入量）とが記憶されている。このステップ１１２では、まず、前述したＨＣ排出量マップに基づいて、内燃機関１０からのＨＣ排出量が算出される。次いで、上記ＨＣ浄化率マップに基づいて算出される酸化触媒２０でのＨＣ浄化量と、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１への最適なＨＣ流入量とを、上記ＨＣ排出量から差し引くことにより、オゾンによって浄化するべきＨＣ量が算出される。そして、その量のＨＣと反応させるために添加することが必要なオゾンの量が所定の計算方法により算出される。

上記ステップ１１２の処理に続いて、ＮＯｘを浄化（吸収）するためのオゾン量が算出される（ステップ１１４）。本実施形態において、ＥＣＵ５０には、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度と、その温度の下でオゾンを用いずに浄化可能なＮＯｘ浄化率との関係を予め調べて作成されたマップが記憶されている。ステップ１１４では、まず、そのマップに基づいて、オゾンを用いずに浄化可能なＮＯｘ量が算出される。次いで、前述したＮＯｘ排出量マップに基づいて算出されるＮＯｘ排出量から、オゾンを用いずに浄化可能なＮＯｘ量を差し引くことにより、オゾンによって浄化するべきＮＯｘ量が算出される。そして、その量のＮＯｘと反応させるために添加することが必要なオゾンの量が所定の計算方法により算出される。

ＨＣを一部浄化するためのオゾン量が上記ステップ１１２で算出され、ＮＯｘを浄化するためのオゾン量が上記ステップ１１４で算出されると、それらを合計した量のオゾンが排気ガス中に添加されるように、オゾン供給装置２７を駆動する制御が実行される（ステップ１１６）。

また、上記ステップ１００で、高温領域であると判別された場合には、オゾンを供給しなくても、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの各成分を十分に浄化することができると判断できる。そこで、この場合には、オゾン供給装置２７を停止させることにより、オゾンの供給が停止される（ステップ１１８）。

以上説明したように、本実施形態によれば、内燃機関１０の始動直後など、酸化触媒２０やＡｇ含有ＮＯｘ触媒２１の温度が低い場合であっても、オゾン供給装置２７によってオゾンを排気ガス中に添加することにより、ＣＯを始めとする各種有害成分を十分に浄化することができる。このため、始動直後などの低温時における大気中への有害物質の放出を確実に抑制することができる。

また、本実施形態によれば、Ａｇ含有ＮＯｘ触媒２１や酸化触媒２０の温度に応じてオゾン供給量や供給停止を制御することにより、オゾンを無駄なく効率的に利用することができる。このため、オゾンの生成に消費される電力を抑制することができ、燃費を改善することができる。

なお、本実施形態では、内燃機関１０が圧縮着火式であるものとして説明したが、本発明は、火花点火式の内燃機関にも適用可能である。

また、本実施形態では、Ａｇ触媒とＮＯｘ触媒とが共通の担体に一体化されているものとして説明したが、本発明では、オゾン供給口２３の下流側にＡｇ触媒およびＮＯｘ触媒が配置されていればよく、Ａｇ触媒とＮＯｘ触媒とが別々の担体に担持されていてもよい。

また、本実施形態のオゾン供給装置２７では、オゾン発生器２５により生成されたオゾンをそのまま排気通路１５内に供給するように構成されているが、本発明では、オゾンを予め生成、貯留しておき、その貯留されたオゾンを必要時に排気通路１５内に供給するようにしてもよい。

また、本実施形態では、高温領域においてオゾンの供給を停止するようにしているが、本発明では、高温領域においてオゾンの供給を完全に停止せず、オゾン供給量を低下させるだけにしてもよい。

また、本実施形態では、活性酸素としてオゾンを排気ガス中に添加しているが、本発明では、オゾンに代えて、他の種類の活性酸素（例えば、Ｏ^-，Ｏ^2-，Ｏ₂ ^-，Ｏ₃ ^-，Ｏ_n ^-等で表される酸素マイナスイオン）を排気ガス中に添加するようにしてもよい。

また、本実施形態では、ＮＯｘ触媒が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であるものとして説明したが、本発明では、ＮＯｘ触媒は選択還元型のＮＯｘ触媒（ＳＣＲ: Selective Catalytic Reduction）であってもよい。選択還元型ＮＯｘ触媒としては、例えば、ゼオライトの表面にＦｅを担持したものなどを好ましく用いることができる。選択還元型ＮＯｘ触媒の場合には、尿素等の還元剤が好ましく使用される。選択還元型ＮＯｘ触媒においては、ＮＯの量とＮＯ₂の量との比が１：１である場合に、最良の浄化率が得られる。そこで、選択還元型ＮＯｘ触媒の場合には、低温領域あるいは中温領域において、その内部のＮＯの量とＮＯ₂の量との比が１：１となるように、活性酸素供給量を制御することが好ましい。

上述した実施の形態１においては、オゾン供給装置２７が前記第１の発明における「活性酸素供給装置」に、温度センサ２９が前記第１の発明における「温度情報取得手段」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、図９に示すルーチンの処理を実行することにより前記第１の発明における「制御手段」が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第２の発明における「Ａｇ触媒温度判定手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第２の発明における「ＣＯ浄化手段」が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第５の発明における「触媒温度判定手段」が、上記ステップ１０６および１１２の処理を実行することにより前記第５の発明における「活性酸素量制御手段」が、上記ステップ１１８の処理を実行することにより前記第７の発明における「供給抑制手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 Ａｇ触媒の温度と、Ａｇ触媒によるＣＯ浄化率との関係を示す図である。 オゾン共存下でＡｇ触媒がＣＯを酸化させるメカニズムを示す図である。 触媒温度が低温状態にあるときにオゾンを添加した場合においてＮＯｘが浄化される様子を示す図である。 触媒温度が中温状態にあるときにオゾンを添加した場合においてＮＯｘが浄化される様子を示す図である。 触媒温度が低温状態であるときの、ＨＣ共存量とＮＯｘ浄化率との関係を示すグラフである。 触媒温度が中温状態であるときの、ＨＣ共存量とＮＯｘ浄化率との関係を示すグラフである。 触媒温度と、オゾン添加量との関係を示す図である。 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。

符号の説明

１０ 内燃機関
１１ 吸気マニホールド
１２ 排気マニホールド
１３ 気筒
１４ 燃料インジェクタ
１５ 排気通路
１７ サプライポンプ
１８ コモンレール
１９ ターボチャージャ
２０ 酸化触媒
２１ Ａｇ含有ＮＯｘ触媒
２２ オゾン供給ノズル
２３ オゾン供給口
２４ オゾン供給通路
２５ オゾン発生器
２６ ケーシング
２７ オゾン供給装置
２８，２９ 温度センサ
５０ ＥＣＵ

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路に配置された、排気ガス中の未燃成分を酸化させる機能を有する酸化触媒と、
   前記酸化触媒の下流側に設置された、排気ガス中のＮＯｘを浄化する機能を有するＮＯｘ触媒、および、Ａｇを触媒成分として含むＡｇ触媒と、
   前記酸化触媒と、前記ＮＯｘ触媒および前記Ａｇ触媒との間に活性酸素を供給する活性酸素供給装置と、
   前記Ａｇ触媒の温度に関する情報を取得する温度情報取得手段と、
   前記情報に基づいて、前記活性酸素供給装置による活性酸素の供給を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
2. 前記制御手段は、
   前記Ａｇ触媒の温度が、第１の温度と、該第１の温度より高い第２の温度との間の温度領域にあるか否かを前記情報に基づいて判定するＡｇ触媒温度判定手段と、
   前記Ａｇ触媒の温度が前記温度領域にあると判定された場合に、ＣＯを浄化するための活性酸素量を、活性酸素の総供給量に算入するＣＯ浄化手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
3. 前記第１の温度は、前記Ａｇ触媒が活性酸素の共存下でＣＯを酸化させる活性を発現する温度に対応し、前記第２の温度は、前記酸化触媒によりＣＯを浄化可能となる温度に対応することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
4. 前記ＮＯｘ触媒と前記Ａｇ触媒とは、共通の担体に一体化されてい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ガス浄化装置。
5. 前記酸化触媒および前記ＮＯｘ触媒の温度が、所定の低温領域、中温領域および高温領域のうちの何れにあるかを判定する触媒温度判定手段と、
   前記中温領域にあると判定された場合に前記ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度が、前記低温領域にあると判定された場合に前記ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度より高くなるように、活性酸素供給量を制御する活性酸素量制御手段と、
   を更に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ガス浄化装置。
6. 前記低温領域は、前記酸化触媒および前記ＮＯｘ触媒の活性が発現していない温度領域に対応し、前記中温領域は、前記酸化触媒および前記ＮＯｘ触媒の活性が発現し始める温度から、それらが十分に活性化するまでの温度に対応し、前記高温領域は、前記中温領域を超える温度領域に対応することを特徴とする請求項５記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
7. 前記高温領域にあると判定された場合に、活性酸素の供給を抑制する供給抑制手段を更に備えることを特徴とする請求項５または６記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
8. 前記活性酸素供給装置は、活性酸素としてオゾンを供給す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ガス浄化装置。

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