JP2018003654A - 改質還元剤供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改質率の向上を図った改質還元剤供給装置を提供する。
【解決手段】改質還元剤供給装置は、内燃機関の排気に含まれるＮＯｘの還元を促進させる還元触媒を有した還元装置１１へ、還元剤を改質して供給するものである。この改質還元剤供給装置は、還元剤添加装置４０およびガス供給装置６０を備える。還元剤添加装置４０は、還元装置１１の排気流れ上流側に配置され、排気が流通するサブ流通路２０ａへ還元剤を添加する。ガス供給装置６０は、サブ流通路２０ａのうち還元剤添加装置４０の下流側部分へ、その下流側部分へ流入してくる排気に比べて低温かつ高酸素濃度である低温高酸素ガスを供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、還元剤を改質して還元装置へ供給する、改質還元剤供給装置に関する。

特許文献１に記載のＮＯｘ浄化システムでは、還元剤として用いられる燃料を改質して還元装置へ供給する。具体的には、放電する一対の電極間に、ヒータで加熱された燃料を通過させることで、燃料を部分的に酸化させてアルデヒドやオレフィン等を生成する。つまり、炭化水素化合物である燃料をアルデヒド等の部分酸化物に改質する。このように改質された燃料は反応性が高いため、ＮＯｘを還元する能力が向上し、ＮＯｘ浄化率が向上する。

特開２０１５−１２９５０５号公報

さて、ＮＯｘ浄化率を向上させるには、還元装置へ供給する還元剤の全てを改質することが理想的ではあるが、現実的には、供給した燃料に対する改質された燃料の割合（改質率）を１００％にすることは困難であり、改質率を向上させることが要求されている。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、改質率の向上を図った改質還元剤供給装置を提供することにある。

ここに開示される発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

開示される発明のひとつは、内燃機関の排気に含まれるＮＯｘの還元を促進させる還元触媒を有した還元装置（１１）へ、還元剤を改質して供給する改質還元剤供給装置において、還元装置の排気流れ上流側に配置され、排気が流通する流通路（２０ａ）へ還元剤を添加する還元剤添加装置（４０）と、流通路のうち還元剤添加装置の下流側部分へ、その下流側部分へ流入してくる排気に比べて低温かつ高酸素濃度である低温高酸素ガスを供給するガス供給装置（６０）と、を備える改質還元剤供給装置である。

ここで、改質時の雰囲気温度や酸素濃度といった改質条件に応じて、改質率は異なってくる。また、改質により生成される炭化水素化合物（以下、改質ＨＣ）には様々な種類のものが存在し、その種類毎に、改質率が最大となる改質条件は異なってくる。具体的には、二重結合を有する鎖状の改質ＨＣ（例えばオレフィン）は、高温かつ低酸素濃度といった改質条件で改質率が最大となる。これに対し、アルデヒド基を有する改質ＨＣ（例えばアルデヒド）は、オレフィンに比べて低温かつ高酸素濃度といった改質条件で改質率が最大となる。

この知見を鑑み、上記発明では、排気が流通する流通路へ還元剤を添加し、かつ、その添加部分よりも下流側へ低温高酸素ガスを供給する。そのため、流通路のうち、還元剤が添加される部分から低温高酸素ガスが供給される部分までの領域（上流領域）と、低温高酸素ガスが供給される部分から下流側の領域（下流領域）とで、異なる改質条件を作り出すことができる。つまり、下流領域では、低温高酸素ガスを供給することにより、上流領域に比べて低温かつ高酸素濃度の改質条件にでき、上流領域では、下流領域に比べて高温かつ低酸素濃度の改質条件にできる。よって、上述した知見にしたがい、上流領域ではオレフィンの改質率を向上させることができ、下流領域ではアルデヒドの改質率を向上させることができる。したがって、最適改質条件が異なる複数種類の改質ＨＣの改質率を、同時に向上させることができるので、供給される還元剤の全体について改質率の向上を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係る改質還元剤供給装置が、車両に搭載された状態を示す概略図。 第１実施形態において、改質還元剤供給装置の作動を制御する処理手順を示すフローチャート。 図２において目標還元剤添加量の算出に用いるマップ。 図２において目標排気流入量の算出に用いるマップ。 オレフィン改質率と温度との関係を表した試験結果の図。 アルデヒド改質率と温度との関係を表した試験結果の図。 本発明の第２実施形態に係る改質還元剤供給装置が、車両に搭載された状態を示す概略図。 図７に示す改質還元剤供給装置において、排気管、配管および放熱フィンを排気流れ上流側から見た模式図。 本発明の第３実施形態に係る改質還元剤供給装置が、車両に搭載された状態を示す概略図。 本発明の第４実施形態に係る改質還元剤供給装置が、車両に搭載された状態を示す概略図。 本発明の第５実施形態に係る改質還元剤供給装置が、車両に搭載された状態を示す概略図。 図１１に示す改質還元剤供給装置において、排気管および仕切板を排気流れ上流側から見た模式図。 本発明の第６実施形態に係る改質還元剤供給装置が、車両に搭載された状態を示す概略図。

以下、図面を参照しながら発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において、先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において、構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を参照し適用することができる。

（第１実施形態）
図１に示す燃焼システムは車両に搭載されたものであり、当該車両は、図示しない内燃機関の出力を駆動源として走行する。内燃機関（エンジン）は、圧縮自着火式のディーゼルエンジンであり、燃焼に用いる燃料には、炭化水素化合物である軽油を用いている。内燃機関は、基本的にはリーン状態で燃焼させるように作動する。つまり、燃焼室に噴射された燃料と燃焼室に吸入される空気との比率である空燃比が、空気過剰に設定された状態で燃焼（つまり、リーン燃焼）させている。さらに上記車両には、内燃機関の排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元を促進させる還元触媒を有した還元装置１１と、還元剤を改質して還元装置１１へ供給する改質還元剤供給装置と、が搭載されている。

還元装置１１は、排気管１０に取り付けられたケースと、ケース内に収容された基材と、基材にコーティングされた触媒担体と、触媒担体に担持された還元触媒と、を有する。ケース内には、改質還元剤供給装置から供給された還元剤が排気とともに流入する。還元触媒は、流入してきた排気中のＮＯｘと還元剤との還元反応を促進させるものである。

基材は、例えばコージェライト等でハニカム状に形成されている。触媒担体の材質の具体例としては、例えば酸化アルミニウム（以下、アルミナ）、ゼオライト、シリカ、チタニア、セリア、及びジルコニア等が挙げられる。還元触媒の材質の具体例としては、銀、銅、プラチナ、パラジウム、ニッケル、イリジウム、ラジウム、コバルト、オスミウム、ルテニウム、鉄、レニウム、テクネチウム、マンガン、チタン等が挙げられる。加えて還元触媒に用いられる金属は、酸化物の状態で触媒担体に担持されていてもよい。

排気管１０の内部のうち還元装置１１の上流側部分には、回転することで排気を撹拌して還元剤と排気の混合性を高めるフィン１２が配置されている。

排気管１０の内部のうちフィン１２の上流側部分には、排気を流通させる流通路を内部に形成する配管２０が取り付けられている。配管２０の上流側に位置する流入口２０ｂには、排気管１０を流通する排気の一部が流入する。排気管１０の流出口２０ｃからは、改質された還元剤を含む排気（改質混合排気）が流出する。

要するに、排気管１０により形成される流通路をメイン流通路１０ａと呼び、配管２０により形成される流通路をサブ流通路２０ａと呼ぶ場合において、メイン流通路１０ａ内に配管２０が配置されている。そして、配管２０のうちメイン流通路１０ａに露出する部分の壁部が、メイン流通路１０ａとサブ流通路２０ａとを仕切る仕切板２１として機能する。また、メイン流通路１０ａのうちサブ流通路２０ａと平行する部分、つまり仕切板２１により仕切られている部分は、サブ流通路２０ａをバイパスして排気を還元装置１１へ導くバイパス通路１０ｂとして機能する。

排気管１０の内壁面には、メイン流通路１０ａの通路断面積を小さくさせる絞り部材１３が取り付けられており、これにより、バイパス通路１０ｂおよびサブ流通路２０ａを流通する排気の流速を上昇させている。

配管２０の流入口２０ｂには、メイン流通路１０ａからサブ流通路２０ａへ流入する排気の流入量を調整する排気流入量調整装置３０が設けられている。排気流入量調整装置３０は、流入口２０ｂの開度を調整する流入バルブ３１と、流入バルブ３１を開閉作動させるアクチュエータである電動モータ３２と、を有する。電子制御装置（以下、ＥＣＵ９０と記載）は、電動モータ３２の作動を制御することで、流入バルブ３１による開度を制御して、サブ流通路２０ａへの排気の流入量を制御する。

配管２０には、排気流れの上流側から順に、還元剤添加装置４０、ヒータ５０、ガス供給装置６０が設けられている。

還元剤添加装置４０は、所定圧以上に加圧された液体の還元剤を、サブ流通路２０ａへ霧状に噴射するものである。具体的には、還元剤添加装置４０は、噴孔を形成するボデーと、噴孔を開閉する弁体と、弁体を開閉作動させる電気アクチュエータとを有する。ＥＣＵ９０が電気アクチュエータへ通電すると、電気アクチュエータは弁体を開弁作動させ、これにより噴孔から還元剤が噴射される。したがって、ＥＣＵ９０による通電時間を長くするほど、１回の開弁で噴射される還元剤の噴射量が多くなる。つまり、ＥＣＵ９０は、電気アクチュエータへの通電時間を制御することで還元剤の噴射量を制御する。還元剤には炭化水素化合物が用いられ、具体的には、内燃機関の燃焼に用いられる燃料（つまり軽油）が用いられている。

ヒータ５０は、通電により発熱する電気発熱体を有する。電気発熱体は、複数の流通路を内部に形成するハニカム形状に形成されている。そして、これらの流通路を通過する排気が電気発熱体により加熱される。ヒータ５０へ流入する排気には、還元剤添加装置４０から噴射された還元剤が含まれている。したがって、噴射された還元剤は、排気中の酸素と酸化反応するにあたり、ヒータ５０で加熱された高温環境下で酸化する。そのため、酸化反応が促進される。

この酸化では、炭化水素化合物である還元剤が完全に酸化して消失することのないよう、炭化水素化合物を部分的に酸化させるように炭化水素化合物の分子構造を変化させることが望ましい。部分的な酸化の具体例としては、炭化水素化合物が有する置換基を変化させる等が挙げられる。改質後の分子構造の具体例としては、直鎖パラフィン、側鎖パラフィン、ナフテン、アロマ、オレフィン、アルデヒド等が挙げられる。本実施形態では、改質後の還元剤のうち、アルデヒド基を有する改質ＨＣ（例えばアルデヒド）をアルデヒド系ＨＣと呼び、二重結合を有する鎖状の改質ＨＣ（例えばオレフィン）をオレフィン系ＨＣと呼ぶ。

そして、このような部分酸化は、サブ流通路２０ａ内における還元剤濃度と酸素濃度との比率（還元剤濃度比）および雰囲気温度を調整することで実現される。還元剤濃度比は、流入バルブ３１の開度および還元剤添加装置４０の噴射量をＥＣＵ９０が制御することで調整される。雰囲気温度は、ヒータ５０への電力供給量をＥＣＵ９０が制御することで調整される。

ガス供給装置６０は、サブ流通路２０ａのうち還元剤添加装置４０の下流側部分へ外気を供給する。この外気は、排気管１０の外部の空気であり、以下、低温高酸素ガスと呼ぶ場合もある。サブ流通路２０ａへ供給される低温高酸素ガスは、その供給部分へ流入する排気、つまりヒータ５０から流出する排気に比べて、低温かつ高酸素濃度である。

ガス供給装置６０は、排気管１０に取り付けられた外気配管６１を有する。外気配管６１の流入口６１ａは、排気管１０の外部に配置されて大気に開放されている。外気配管６１の流出口６１ｂは、サブ流通路２０ａのうちヒータ５０の下流側部分に配置されて外気を供給する。外気配管６１には、通路面積の開度を調整する外気バルブ６２と、外気バルブ６２を開閉作動させるアクチュエータである電動モータ６３と、流入口６１ａから外気を吸入して流出口６１ｂへ圧送するエアポンプ６４と、が取り付けられている。

ＥＣＵ９０は、電動モータ６３の作動を制御することで、外気バルブ６２による開度を制御し、かつ、エアポンプ６４の作動を制御することで、サブ流通路２０ａへの低温高酸素ガスの供給量を制御する。外気バルブ６２および電動モータ６３は、サブ流通路２０ａへ供給する低温高酸素ガスの供給量を調整するガス供給量調整装置を提供する。以下の説明では、サブ流通路２０ａのうち、還元剤が添加される位置から低温高酸素ガスが供給される位置までの領域を上流領域Ａ１と呼び、低温高酸素ガスが供給される位置から流出口２０ｃまでの領域を下流領域Ａ２と呼ぶ。

ヒータ５０へ流入する排気の温度は２００℃〜３００℃を想定しており、ヒータ５０による加熱温度は４５０℃〜５５０℃に調整される。したがって、上流領域Ａ１はバイパス通路１０ｂに比べて高温の状態に調整されていると言える。また、ガス供給装置６０により供給される低温高酸素ガス（外気）の温度は−３０℃〜５０℃を想定しており、下流領域Ａ２へ流入する排気の温度は概略４５０℃〜５５０℃となっている。したがって、下流領域Ａ２へ流入する排気に比べて供給される低温高酸素ガスの方が低温である。よって、下流領域Ａ２は上流領域Ａ１に比べて低温の状態に調整されていると言える。具体的には、下流領域Ａ２の温度が２５０℃〜４００℃となるように、低温高酸素ガスの供給量は制御される。

ＥＣＵ９０は、所定のプログラムが記憶されたメモリ９１と、そのプログラムにしたがって演算処理するプロセッサ９２と、車両に搭載された他のＥＣＵと通信する通信回路と、入力処理回路と、出力処理回路と、を有する。入力処理回路には、上流領域Ａ１の温度を検出する上流温度センサ９５、および下流領域Ａ２の温度を検出する下流温度センサ９６の各々で検出された信号が入力される。通信回路は、内燃機関の作動を制御するＥＣＵから、エンジン運転状態を示す情報を取得する。

エンジン運転状態の具体例としては、エンジンの出力軸の所定時間当りのエンジン回転数や、エンジン負荷、燃料噴射量Ｑｆｕｅｌ、噴射タイミング、燃焼室温度の変化、燃焼室圧力の変化等のパラメータが挙げられる。加えて、燃焼室へ吸入される空気（吸気）の流量である吸気流量Ｑｉｎ、燃焼室から排出される排気に含まれるＮＯｘの濃度であるＮＯｘ濃度ＣＮＯｘ、燃焼室から排出される排気の温度である排気温度Ｔｏｕｔ、外気温度Ｔａｉｒ等のパラメータが挙げられる。外気温度Ｔａｉｒは、外の空気の温度である。外の空気（外気）は、排気に比べると低温高酸素ガスであると言える。

本実施形態に係る改質還元剤供給装置は、以上に説明した配管２０、排気流入量調整装置３０、還元剤添加装置４０、ヒータ５０、ガス供給装置６０、およびＥＣＵ９０を備える。ＥＣＵ９０は、排気流入量調整装置３０、還元剤添加装置４０、ヒータ５０およびガス供給装置６０の作動を制御する。

この制御はプロセッサ９２により実行され、その実行手順について、以下、図２を用いて説明する。図２の処理は、内燃機関の運転期間中、所定の演算周期で繰り返し実行される処理である。

先ず図２のステップＳ１０では、エンジン運転状態の情報を取得する。具体的には、先述した燃料噴射量Ｑｆｕｅｌ、吸気流量Ｑｉｎ、ＮＯｘ濃度ＣＮＯｘ、排気温度Ｔｏｕｔおよび外気温度Ｔａｉｒの値を取得する。

続くステップＳ１１では、還元剤添加装置４０からサブ流通路２０ａへ添加される還元剤の単位時間当りに添加される量の目標値である目標還元剤添加量Ｑｉｎｊを、ステップＳ１０で取得した吸気流量ＱｉｎおよびＮＯｘ濃度ＣＮＯｘに基づき算出する。

具体的には、エンジンから排出されたＮＯｘの量であって還元装置１１へ流入するＮＯｘ量が多いほど、そのＮＯｘを還元するのに必要な還元剤を多く必要とするので、目標還元剤添加量Ｑｉｎｊを大きい値に算出する。上記ＮＯｘ量は、ＮＯｘ濃度ＣＮＯｘと吸気流量Ｑｉｎとを乗算した値に基づき算出される。

例えば、ＮＯｘ濃度ＣＮＯｘと吸気流量Ｑｉｎとを乗算した値に対して、目標還元剤添加量Ｑｉｎｊを予め設定しておき、図３に示すマップＭ１としてメモリ９１に記憶させておく。そして、取得したＮＯｘ濃度ＣＮＯｘおよび吸気流量Ｑｉｎに基づき、マップＭ１を参照して目標還元剤添加量Ｑｉｎｊを算出する。或いは、マップＭ１で特定される値を、ＮＯｘ濃度ＣＮＯｘおよび吸気流量Ｑｉｎを変数とした関数Ｆで表し、その関数Ｆをメモリ９１に記憶させておく。そして、取得したＮＯｘ濃度ＣＮＯｘおよび吸気流量Ｑｉｎを関数Ｆに代入して目標還元剤添加量Ｑｉｎｊを算出する。

なお、ステップＳ１１の処理を実行している時のプロセッサ９２は、内燃機関から排出されるＮＯｘ量に応じて還元剤の供給量を制御する還元剤供給量制御部９１ａ（図１参照）に相当する。

続くステップＳ１２では、流入口２０ｂからサブ流通路２０ａへ流入させる排気量の目標値である目標排気流入量Ｖｄｉｖを、ステップＳ１０、Ｓ１１で取得した燃料噴射量Ｑｆｕｅｌ、吸気流量Ｑｉｎおよび目標還元剤添加量Ｑｉｎｊに基づき算出する。

具体的には、目標還元剤添加量Ｑｉｎｊが多いほど、その量の還元剤を酸化して改質するのに必要な酸素を多く必要とするので、目標排気流入量Ｖｄｉｖを大きい値に算出して、サブ流通路２０ａへ流入する酸素量を多くする。メイン流通路１０ａにおける排気に含まれる酸素量（排気酸素量）は、吸気流量Ｑｉｎに含まれる酸素量から、燃料噴射量Ｑｆｕｅｌに完全燃焼に消費した酸素量を減算した値に基づき算出される。流入口２０ｂから流入する酸素量は、流入バルブ３１の開度と排気酸素量とを乗算した値に基づき算出される。そして、還元剤濃度と酸素濃度との比率、つまり先述した還元剤濃度比に関し、還元剤を部分酸化させるための還元剤濃度比の最適値（以下、上流最適濃度比）は、予め実施された試験等により確認されている。その確認された上流最適濃度比となるように目標排気流入量Ｖｄｉｖは算出される。ここで設定される上流最適濃度比は、先述したオレフィン系ＨＣの生成が最大となる値に設定されている。

例えば、上流最適濃度比となるように、目標還元剤添加量Ｑｉｎｊと燃料噴射量Ｑｆｕｅｌとの積算値を吸気流量Ｑｉｎで除算した値に対して、目標排気流入量Ｖｄｉｖを予め設定しておき、図４に示すマップＭ２としてメモリ９１に記憶させておく。そして、取得した吸気流量ＱｉｎおよびステップＳ１１で算出した目標還元剤添加量Ｑｉｎｊに基づき、マップＭ２を参照して目標排気流入量Ｖｄｉｖを算出する。或いは、マップＭ２で特定される値、つまり上流最適濃度比にするための目標排気流入量Ｖｄｉｖの値を、目標還元剤添加量Ｑｉｎｊおよび吸気流量Ｑｉｎを変数とした関数Ｅで表し、その関数Ｅをメモリ９１に記憶させておく。そして、取得した吸気流量Ｑｉｎおよび目標還元剤添加量Ｑｉｎｊを関数Ｅに代入して目標排気流入量Ｖｄｉｖを算出する。以上により、上流領域Ａ１は上流最適濃度比に制御される。

要するに、燃料噴射量Ｑｆｕｅｌが多いほど、先述した排気酸素量は少なくなるので、上流領域Ａ１での還元剤の酸化に要する酸素を確保するべく、目標排気流入量Ｖｄｉｖを大きくする。また、吸気流量Ｑｉｎが多いほど、排気酸素量は多くなるので、目標排気流入量Ｖｄｉｖを小さくする。

なお、ステップＳ１２の処理を実行している時のプロセッサ９２は、還元剤供給量制御部９１ａにより制御される還元剤の供給量に応じて、排気流入量調整装置３０の作動を制御する排気流入量制御部９１ｂ（図１参照）に相当する。

続くステップＳ１３では、ヒータ５０へ供給する電力量の目標値である目標ヒータ電力Ｗを算出する。上流領域Ａ１における還元剤の雰囲気温度に関し、還元剤を部分酸化させるための雰囲気温度の最適値（以下、上流最適温度）は、予め実施された試験等により確認されている。その確認された上流最適温度となるように目標ヒータ電力Ｗは算出される。ここで設定される上流最適温度は、先述したオレフィン系ＨＣの生成が最大となる値に設定されている。この目標ヒータ電力Ｗは、ステップＳ１１で算出した目標還元剤添加量Ｑｉｎｊ、ステップＳ１２で算出した目標排気流入量Ｖｄｉｖ、および排気温度Ｔｏｕｔに基づき算出される。

具体的には、目標還元剤添加量Ｑｉｎｊが多いほど、添加された液体の還元剤を気化するのに必要な熱量を多く必要とするので、目標ヒータ電力Ｗを大きい値に算出する。また、目標排気流入量Ｖｄｉｖの値が大きいほど、流入口２０ｂからの排気流入量が多くなる。そして、その排気流入量が多いほど、排気の加熱に要する熱量を多く必要とするので、目標ヒータ電力Ｗを大きい値に算出する。また、排気温度Ｔｏｕｔが低いほど、排気の加熱に要する熱量を多く必要とするので、目標ヒータ電力Ｗを大きい値に算出する。

例えば、上流最適温度となるように、目標還元剤添加量Ｑｉｎｊ、目標排気流入量Ｖｄｉｖ、および排気温度Ｔｏｕｔの各パラメータの組合せに対して、目標ヒータ電力Ｗを予め設定しておき、図示しないマップとしてメモリ９１に記憶させておく。そして、取得した上記各パラメータに基づき、上記マップを参照して目標ヒータ電力Ｗを算出する。或いは、上記マップで特定される値、つまり上流最適温度にするための目標ヒータ電力Ｗの値を、上記各パラメータを変数とした関数Ｒで表し、その関数Ｒをメモリ９１に記憶させておく。そして、取得した上記各パラメータを関数Ｒに代入して目標ヒータ電力Ｗを算出する。以上により、上流領域Ａ１は上流最適温度に制御される。

続くステップＳ１４では、ガス供給装置６０がサブ流通路２０ａへ供給する低温高酸素ガスの供給量である目標エア供給量Ｖａｉｒを算出する。下流領域Ａ２における還元剤の雰囲気温度に関し、還元剤を部分酸化させるための雰囲気温度の最適値（以下、下流最適温度）は、予め実施された試験等により確認されている。さらに、下流領域Ａ２における還元剤濃度比に関し、還元剤を部分酸化させるための還元剤濃度比の最適値（以下、下流最適濃度比）は、予め実施された試験等により確認されている。ここで設定される下流最適温度および下流最適濃度比は、先述したアルデヒド系ＨＣの生成が最大となる値に設定されている。そして、これらの確認された下流最適温度および下流最適濃度比に近づけるように、目標エア供給量Ｖａｉｒは算出される。この目標エア供給量Ｖａｉｒは、ステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３の各々で算出した目標還元剤添加量Ｑｉｎｊ、目標排気流入量Ｖｄｉｖおよび目標ヒータ電力Ｗと、ステップＳ１０で取得した外気温度Ｔａｉｒに基づき算出される。

具体的には、目標還元剤添加量Ｑｉｎｊが多いほど、その量の還元剤に対して高酸素濃度の雰囲気を生成するために必要な酸素が多くなるので、目標エア供給量Ｖａｉｒを大きい値に算出して、低温高酸素ガスのサブ流通路２０ａへの供給量を多くする。また、目標排気流入量Ｖｄｉｖの値が大きいほど、排気の冷却に用いる低温高酸素ガスの量を多く必要とするので、目標エア供給量Ｖａｉｒを大きい値に算出する。また、外気温度Ｔａｉｒおよび目標ヒータ電力Ｗが高いほど、排気の冷却に用いる低温高酸素ガスの量を多く必要とするので、目標エア供給量Ｖａｉｒを大きい値に算出する。

以上により、図２の処理によれば、上流最適濃度比および上流最適温度は、オレフィン系ＨＣの生成が最大となる値に設定されている。つまり、上流領域Ａ１では、オレフィン系ＨＣの生成が最大となる改質条件となる。一方、下流最適濃度比および下流最適温度は、アルデヒド系ＨＣの生成が最大となる値に設定されている。つまり、下流領域Ａ２では、アルデヒド系ＨＣの生成が最大となる改質条件となる。要するに、サブ流通路２０ａのうち、上流領域Ａ１と下流領域Ａ２とで異なる改質条件が作り出される。そして、上流領域Ａ１にてオレフィン系ＨＣが主に生成され、下流領域Ａ２にてアルデヒド系ＨＣが主に生成されるといった、改質条件を異にする２段階で改質されることとなる。

本発明者らは、オレフィン系ＨＣの生成が最大となる上流最適温度について、以下の試験を実施している。すなわち、ヒータ５０による加熱温度を異ならせて、その異ならせた温度毎に、上流領域Ａ１の前後におけるオレフィンの改質率を計測した。この試験では、加熱温度以外の試験条件は同一としている。この試験の結果、図５に示すように、４５０℃以上５５０℃未満の温度範囲で改質率が十分に大きい値になり、５３０℃で改質率が最大になることが分かった。この知見を鑑みて、本実施形態では、上流最適温度を、オレフィンの改質率が最大になる値、つまり５３０℃に設定している。

同様にして、アルデヒド系ＨＣの生成が最大となる下流最適温度について、以下の試験を実施している。すなわち、ヒータ５０による加熱温度を異ならせて、その異ならせた温度毎に、上流領域Ａ１の前後におけるアルデヒドの改質率を計測した。この試験では、加熱温度以外の試験条件は同一としている。この試験の結果、図６に示すように、２５０℃以上４００℃未満の温度範囲で改質率が十分に大きい値になり、３５０℃で改質率が最大になることが分かった。この知見を鑑みて、本実施形態では、下流最適温度を、アルデヒドの改質率が最大になる値、つまり３５０℃に設定している。

さらに本発明者らは、還元剤の雰囲気の酸素濃度を異ならせて、その異ならせた酸素濃度毎に、上流領域Ａ１の前後におけるオレフィンの改質率およびアルデヒドの改質率の各々を計測した。その結果、オレフィンの改質率が最大になる酸素濃度は、アルデヒドの改質率が最大になる酸素よりも低いことが分かった。

以上により、本実施形態では、排気が流通するサブ流通路２０ａへ還元剤を添加する還元剤添加装置４０と、その添加部分よりも下流側へ低温高酸素ガスを供給するガス供給装置６０と、を備える。よって、サブ流通路２０ａの上流領域Ａ１と下流領域Ａ２とで異なる改質条件を作り出すことができる。つまり、下流領域Ａ２では、低温高酸素ガスを供給することにより、上流領域Ａ１に比べて低温かつ高酸素濃度の改質条件にでき、上流領域Ａ１では、下流領域Ａ２に比べて高温かつ低酸素濃度の改質条件にできる。よって、上流領域Ａ１では、高温の改質条件で改質率が高くなる成分（例えばオレフィン）の生成量を増大でき、下流領域Ａ２では、低温の改質条件で改質率が高くなる成分（例えばアルデヒド）の生成量を増大できる。よって、最適改質条件が異なる複数種類の改質ＨＣの改質率を、同時に向上させることができるので、供給される還元剤の全体について改質率の向上を図ることができる。

さらに本実施形態では、サブ流通路２０ａのうちガス供給装置６０の上流側部分に配置されて排気を加熱するヒータ５０を備える。そのため、上流領域Ａ１で所望する温度（例えば上流最適温度）に比べて、サブ流通路２０ａへ流入する排気温度が低い場合には、ヒータ５０で排気を加熱することで所望の温度にできる。しかも、添加された液体の還元剤を気化するための気化熱をも考慮すると、ヒータ５０を備える本実施形態によれば、上流領域Ａ１を所望の温度にすることの確実性を向上できる。

さらに本実施形態では、ガス供給装置６０は、サブ流通路２０ａへ供給する低温高酸素ガスの供給量を調整するガス供給量調整装置、つまり外気バルブ６２および電動モータ６３を有する。これによれば、低温高酸素ガスの供給量を増やすように調整すれば、下流領域Ａ２の雰囲気温度を低下でき、下流領域Ａ２の酸素濃度を大きくできる。一方、低温高酸素ガスの供給量を減らすように調整すれば、下流領域Ａ２の雰囲気温度を上昇でき、下流領域Ａ２の酸素濃度を小さくできる。よって、下流領域Ａ２を所望する温度（例えば下流最適温度）や還元剤濃度比（例えば下流最適濃度比）にすることを、高精度で実現できる。

さらに本実施形態では、排気管１０の内部に配置され、サブ流通路２０ａをバイパスして排気を還元装置１１へ導くバイパス通路１０ｂとサブ流通路２０ａとを仕切る仕切板２１を備える。そのため、還元剤が添加されて改質されるサブ流通路２０ａが、排気管１０の内部に設けられることになるので、排気管１０の外部に設けられる場合に比べて、排気管１０の外部に要求される搭載スペースを小さくできる。

さらに本実施形態では、サブ流通路２０ａへ流入する排気の流入量を調整する排気流入量調整装置３０を備える。これによれば、排気流入量を増やすように調整すれば、上流領域Ａ１の酸素濃度を多くできる。一方、排気流入量を減らすように調整すれば、上流領域Ａ１の酸素濃度を少なくできる。よって、上流領域Ａ１で所望する還元剤濃度比（例えば上流最適濃度比）にすることを、高精度で実現できる。

さらに本実施形態では、内燃機関から排出されるＮＯｘ量に応じて還元剤の供給量を制御する還元剤供給量制御部９１ａを備えるので、ＮＯｘ量に対する還元剤の過不足を抑制できる。さらに本実施形態では、還元剤供給量制御部９１ａにより制御される還元剤の供給量に応じて排気流入量調整装置３０の作動を制御する排気流入量制御部９１ｂを備える。そのため、ＮＯｘ量に応じた還元剤供給量に応じて、排気流入量調整装置３０の作動を制御するので、上流領域Ａ１における還元剤濃度比を上流最適濃度比にすることを、還元剤の過不足を抑制しつつ実現可能となる。

（第２実施形態）
図７に示すように、本実施形態では配管２０に放熱フィン２２を設けている。それ以外の構成および制御の内容については、図１に示す第１実施形態と本実施形態とは同じである。詳細には、放熱フィン２２は、配管２０のうちヒータ５０よりも排気流れ下流側、かつガス供給装置６０よりも上流側に設けられている。

図８に示すように、放熱フィン２２は金属製の板形状であり、複数枚の放熱フィン２２が配管２０を貫通するように設けられている。放熱フィン２２のうち配管２０内部に位置する部分は、サブ流通路２０ａを流通する排気から吸熱する吸熱部２２ａとして機能する。放熱フィン２２のうち配管２０外部に位置する部分は、排気管１０および配管２０の外部の雰囲気（つまり外気）へ放熱する放熱部２２ｂとして機能する。したがって、サブ流通路２０ａを流通する排気は、放熱フィン２２により冷却され、下流領域Ａ２の排気温度を低下させる。

以上により、本実施形態では、サブ流通路２０ａを形成する配管２０のうちガス供給装置６０の上流側部分に設けられ、配管２０の外気と熱交換する放熱フィン２２を備える。そのため、下流領域Ａ２の排気温度を十分に低下させることができる。よって、例えば上流最適温度と下流最適温度との温度差が大きい場合であっても、下流領域Ａ２の排気温度が十分に低下するので、上流領域Ａ１を上流最適温度に近づけることと下流領域Ａ２を下流最適温度に近づけることとの両立の実現性を向上できる。また、低温高酸素ガスの供給による温度低下を放熱フィン２２でアシストできるので、低温高酸素ガスの供給量を少なくしても下流最適温度にできる場合がある。よって、下流最適濃度比以上に酸素濃度を高くしてでも温度を低下させるために低温高酸素ガスの供給量を増大させる、といった事態を回避できる場合がある。

（第３実施形態）
上記第１実施形態では、メイン流通路１０ａを流通する排気を配管２０へ流入させている。これに対し、図９に示す本実施形態では、過給機のタービン上流側の排気を配管２０へ流入させる排気供給装置３００を備えている。それ以外の構成および制御の内容については、図１に示す第１実施形態と本実施形態とは同じである。

排気供給装置３００は、配管２０のうち上流領域Ａ１の上流側に接続された接続配管３３０と、接続配管３３０に取り付けられた流入バルブ３１０と、流入バルブ３１０を開閉作動させるアクチュエータである電動モータ３２０と、を有する。接続配管３３０の上流端は、排気通路のうちタービン上流側部分に接続されている。ＥＣＵ９０は、電動モータ３２０の作動を制御することで、流入バルブ３１０による開度を制御して、サブ流通路２０ａへの排気の流入量を制御する。

なお、上記第１実施形態では、配管２０の全体を排気管１０の内部に配置させているのに対し、本実施形態では、配管２０のうちヒータ５０が設けられる部分、つまり上流領域Ａ１の部分を、排気管１０の外部に配置させている。

以上により、本実施形態によれば、過給機のタービン上流側の排気をサブ流通路２０ａへ流入させるので、タービン下流側の排気を流入させる場合に比べて、高温高圧の排気を流入させることができる。

（第４実施形態）
上記第３実施形態では、配管２０の上流領域Ａ１の部分を排気管１０の外部に配置させるとともに、過給機のタービン上流側の排気を配管２０へ流入させている。これに対し、図１０に示す本実施形態では、配管２０の上流領域Ａ１の部分を排気管１０の外部に配置させるとともに、タービン下流側の排気、つまり第１実施形態と同様にしてメイン流通路１０ａの排気をサブ流通路２０ａへ流入させている。それ以外の構成および制御の内容については、図１に示す第１実施形態と本実施形態とは同じである。このような構成の本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の効果が発揮される。

（第５実施形態）
上記第１実施形態では、排気管１０の内部に配管２０を設けている。これに対し、図１１および図１２に示す本実施形態では、排気管１０の内部に仕切板２００を設けている。この仕切板２００は、サブ流通路２０ａをバイパスして排気を還元装置１１へ導くバイパス通路１０ｂと、サブ流通路２０ａとを仕切る。

また、上記第１実施形態に係るサブ流通路２０ａの、流通方向に対して垂直な面（通路断面）の形状は円形である。これに対し、本実施形態に係るサブ流通路２０ａの通路断面の形状は、図１２に示す如く、排気管１０による円弧と仕切板２００による直線とで囲まれた形状（部分円形状）である。したがって、本実施形態に係るヒータ５０および流入バルブ３１の形状も、サブ流通路２０ａに合わせた部分円形状である。

以上に説明した以外の構成および制御の内容については、図１に示す第１実施形態と本実施形態とは同じである。このような構成の本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の効果が発揮される。

（第６実施形態）
図１３に示すように、本実施形態に係るガス供給装置６０は、オゾンを生成するオゾン生成装置６５を有する。オゾン生成装置６５は、外気配管６１のうちエアポンプ６４の下流側かつ外気バルブ６２の上流側に取り付けられている。したがって、外気バルブ６２を開弁させた状態でエアポンプ６４を作動させると、外気がオゾン生成装置６５へ流入する。オゾン生成装置６５は、一対の放電電極を有し、ＥＣＵ９０により放電電極への電圧印加が制御される。放電電極間で放電が為された状態で外気をオゾン生成装置６５へ流入させると、流入した外気中の酸素の一部が放電によりオゾンに変化して、オゾンが生成される。これにより、オゾンを含んだ外気が低温高酸素ガスとしてサブ流通路２０ａへ供給されることとなる。なお、オゾン生成装置６５以外の構成および制御の内容については、図１に示す第１実施形態と本実施形態とは同じである。

以上により、本実施形態によれば、下流領域Ａ２にオゾンが供給されるので、下流領域Ａ２での改質条件を上流領域Ａ１での改質条件に対して大きく異ならせることができる。具体的には、下流領域Ａ２ではオゾンによりＨＣが酸化されやすい条件になる。特に、アルデヒド系ＨＣは、オゾン環境下で生成されやすいので、より一層の改質率向上を図ることができる。

（第７実施形態）
上記第１実施形態では、サブ流通路２０ａのうちヒータ５０により加熱される部分、つまり上流領域Ａ１の排気温度を、上流最適温度となるように制御しており、この上流最適温度を、オレフィンの改質率が最大になる値（例えば５３０℃）に設定している。これに対し本実施形態では、上流領域Ａ１の排気温度が所定の温度範囲（以下、上流温度範囲）となるようにＥＣＵ９０はヒータ５０を制御する。この上流温度範囲は、オレフィンの改質率が最大になる値を含む４５０〜５００℃の範囲に設定されている。この範囲は、図５の試験結果に示すようにオレフィンの改質率が顕著に高くなる範囲である。

以上により、本実施形態によれば、図５の試験結果に基づき上流領域Ａ１の排気温度を４５０〜５００℃の範囲に制御するので、オレフィン系ＨＣの改質率を向上できる。しかも、改質率が最大になる温度で制御するのではなく、目標温度に４５０〜５００℃といった幅を持たせて目標ヒータ電力Ｗを制御することができる。そのため、目標還元剤添加量Ｑｉｎｊ、目標排気流入量Ｖｄｉｖ、目標エア供給量Ｖａｉｒといった、目標ヒータ電力Ｗ以外の制御量を目標値にすることを、容易に実現できるようになる。

（第８実施形態）
上記第１実施形態では、サブ流通路２０ａのうち低温高酸素ガスが供給される部分、つまり下流領域Ａ２の排気温度を、下流最適温度となるように制御しており、この下流最適温度を、アルデヒドの改質率が最大になる値（例えば３５０℃）に設定している。これに対し本実施形態では、下流領域Ａ２の排気温度が所定の温度範囲（以下、下流温度範囲）となるようにヒータ５０を制御する。この下流温度範囲は、アルデヒドの改質率が最大になる値を含む２５０〜４００℃の範囲に設定されている。この範囲は、図６の試験結果に示すようにアルデヒドの改質率が顕著に高くなる範囲である。

以上により、本実施形態によれば、図６の試験結果に基づき下流領域Ａ２の排気温度を２５０〜４００℃の範囲に制御するので、アルデヒド系ＨＣの改質率を向上できる。しかも、改質率が最大になる温度で制御するのではなく、目標温度に２５０〜４００℃といった幅を持たせて低温高酸素ガス供給量を制御することができる。そのため、目標還元剤添加量Ｑｉｎｊ、目標排気流入量Ｖｄｉｖ、目標ヒータ電力Ｗといった、目標エア供給量Ｖａｉｒ以外の制御量を目標値にすることを、容易に実現できるようになる。

（他の実施形態）
以上、発明の好ましい実施形態について説明したが、発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、以下に例示するように種々変形して実施することが可能である。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

図２に示す制御では、各種の制御量を算出するにあたり、目標還元剤添加量Ｑｉｎｊ、目標排気流入量Ｖｄｉｖ、目標ヒータ電力Ｗ、目標エア供給量Ｖａｉｒの順に算出している。換言すれば、この順を優先順位として算出している。例えば、ＮＯｘ量に対して過不足のない還元剤供給量となるように目標還元剤添加量Ｑｉｎｊを算出することを、他の制御量の算出に優先する。これに対し、上記優先順位を入れ替えて上記制御量を算出してもよい。

上記各実施形態では、サブ流通路２０ａのうちガス供給装置６０の上流側かつ還元剤添加装置４０の下流側の部分に、排気を加熱するヒータ５０を配置している。これに対し、サブ流通路２０ａのうち還元剤添加装置４０の上流側部分にヒータ５０を配置してもよい。また、これらのヒータ５０を廃止してもよい。

上記第７実施形態では、上流領域Ａ１が上流温度範囲となるようにヒータ５０を制御している。これに対し、ヒータ５０を備えていない改質還元剤供給装置の場合には、流入バルブ３１の制御によりサブ流通路２０ａへの排気流入量を制御することで、上流温度範囲となるようにしてもよい。

上記各実施形態では、仕切板２１、２００により仕切られたサブ流通路２０ａへ、還元剤および低温高酸素ガスを供給している。これに対し、仕切板２１、２００を廃止して、還元剤および低温高酸素ガスを排気管１０へ直接供給してもよい。

ＥＣＵ９０（制御装置）が提供する手段および／または機能は、実体的な記憶媒体に記録されたソフトウェアおよびそれを実行するコンピュータ、ソフトウェアのみ、ハードウェアのみ、あるいはそれらの組合せによって提供することができる。例えば、制御装置がハードウェアである電子回路によって提供される場合、それは多数の論理回路を含むデジタル回路、またはアナログ回路によって提供することができる。

１１…還元装置、２０ａ…サブ流通路（流通路）、４０…還元剤添加装置、６０…ガス供給装置。

Claims (10)

1. 内燃機関の排気に含まれるＮＯｘの還元を促進させる還元触媒を有した還元装置（１１）へ、還元剤を改質して供給する改質還元剤供給装置において、
   前記還元装置の排気流れ上流側に配置され、排気が流通する流通路（２０ａ）へ還元剤を添加する還元剤添加装置（４０）と、
   前記流通路のうち前記還元剤添加装置の下流側部分へ、その下流側部分へ流入してくる排気に比べて低温かつ高酸素濃度である低温高酸素ガスを供給するガス供給装置（６０）と、
   を備える改質還元剤供給装置。
2. 前記流通路のうち前記ガス供給装置の上流側部分に配置されて排気を加熱するヒータ（５０）を備える請求項１に記載の改質還元剤供給装置。
3. 前記ヒータにより加熱される部分の排気の温度が４５０〜５００℃の範囲内となるよう、前記ヒータの作動を制御する請求項２に記載の改質還元剤供給装置。
4. 前記ガス供給装置は、前記流通路へ供給する低温高酸素ガスの供給量を調整するガス供給量調整装置（６２、６３）を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の改質還元剤供給装置。
5. 前記流通路のうち前記低温高酸素ガスが供給される部分の排気の温度が２５０〜４００℃の範囲内となるよう、前記ガス供給装置の作動を制御する請求項４に記載の改質還元剤供給装置。
6. 排気を流通させる排気管（１０）の内部に配置され、前記流通路をバイパスして排気を前記還元装置へ導くバイパス通路（１０ｂ）と、前記流通路とを仕切る仕切板（２１、２００）を備える請求項１〜５のいずれか１つに記載の改質還元剤供給装置。
7. 前記流通路へ流入する排気の流入量を調整する排気流入量調整装置（３０、３００）を備える請求項１〜６のいずれか１つに記載の改質還元剤供給装置。
8. 前記内燃機関から排出されるＮＯｘ量に応じて、前記還元剤添加装置からの還元剤の供給量を制御する還元剤供給量制御部（９１ａ）と、
   前記還元剤供給量制御部により制御される還元剤の供給量に応じて、前記排気流入量調整装置の作動を制御する排気流入量制御部（９１ｂ）と、
   を備える請求項７に記載の改質還元剤供給装置。
9. 前記ガス供給装置は、オゾンを生成するオゾン生成装置（６５）を有し、生成したオゾンを前記低温高酸素ガスとして供給する請求項１〜８のいずれか１つに記載の改質還元剤供給装置。
10. 前記流通路を形成する配管（２０）のうち前記ガス供給装置の上流側部分に設けられ、前記配管の外気と熱交換する放熱フィン（２２）を備える請求項１〜９のいずれか１つに記載の改質還元剤供給装置。

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