JP4720054B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、希薄燃焼可能な内燃機関の排気系内であって、同排気系内に設けられたＮＯｘ触媒上流に還元剤を供給し、排気中の有害成分の浄化を促す内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンや、希薄燃焼可能なガソリンエンジンでは、高い空燃比（リーン雰囲気）の混合気を燃焼に供して機関運転を行う運転領域が、全運転領域の大部分を占める。この種のエンジン（内燃機関）では一般に、リーン雰囲気で窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収することのできるＮＯｘ吸収剤（ＮＯｘ触媒）がその排気系に備えられる。
【０００３】
ＮＯｘ触媒は一般に、排気中の還元成分濃度が低い状態ではＮＯｘを吸収し、排気中の還元成分濃度が高い状態ではＮＯｘを放出する特性を有する。ちなみに排気中に放出されたＮＯｘは、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在していれば、それら還元成分と速やかに反応して窒素（Ｎ2）に還元される。また、ＮＯｘ触媒が保持（吸蔵）できるＮＯｘの量には限界量（飽和量）が存在し、当該触媒がある程度の量を上回るＮＯｘを吸蔵している場合には、排気中の還元成分濃度が低い状態にあってもそれ以上ＮＯｘを吸収しなくなる。
【０００４】
そこで、例えば特許第２８４５０５６号公報に記載された排気浄化装置は、内燃機関の排気系に還元剤を供給するための添加弁を備え、当該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定量に達する前に、同触媒に流入する排気に還元剤を添加供給する制御を所定のインターバルで繰り返す。このような装置を用い、添加弁を通じて排気系に還元剤を供給した場合、その還元剤は、霧状に拡散することによって排気中の還元成分濃度を高め、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘ（以下、吸蔵ＮＯｘという）を放出および還元浄化するとともに、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力を回復させる。
【０００５】
このように、添加弁を通じて行う排気系への還元剤供給方式によれば、ＮＯｘ触媒に流入する排気中の還元成分を、所望の時期に所望のタイミングで増量することができ、ＮＯｘ触媒の排気浄化効率を恒常的に高く維持することが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記公報記載の装置によるように、添加弁を通じて排気系に供給された還元剤は、霧状に拡散しつつ移送され、ＮＯｘ触媒を通過する際に吸蔵ＮＯｘに作用することとなる。
【０００７】
ところが、ＮＯｘ触媒に達した霧状の還元剤のうち、同触媒の表面に接触し、吸蔵ＮＯｘに実質的に作用するのは一部のみであり、その他の部分は同触媒を素通りし、過剰分として下流に放出される。ちなみに、ＮＯｘ触媒の下流に酸化触媒を設けてこのような還元剤の過剰分を浄化（酸化）する方法も考えられる。しかしながら、還元剤の拡散混合した排気は酸素成分を多く含まないため（全体としてリッチ雰囲気であるため）、酸化触媒によって上記還元剤の過剰成分を浄化することは難しい。
【０００８】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、内燃機関の排気系に設けられたＮＯｘ触媒の排気浄化機能を、効率的に活用す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にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、内燃機関の排気系に設けられ、排気中の還元成分濃度が高くなるとＮＯｘの還元反応を促す特性を備えたＮＯｘ触媒と、前記排気系を通じて前記ＮＯｘ触媒に流入する排気中に還元剤を添加する還元剤添加手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記還元剤添加手段を制御して、前記排気中に液滴状の還元剤を添加させる制御手段を有することを要旨とする。
【００１０】
なお、前記ＮＯｘ触媒は、排気中の還元成分濃度が低いときにＮＯｘを吸収し、前記排気中の還元成分濃度が高くなると吸収したＮＯｘを放出しつつその還元反応を促す特性を備えるのが好ましい。
【００１１】
ここで、液滴状の還元剤とは、概ね１０〜１００μｍ程度（厳密ではない）の粒径を有する液体粒子として、排気中で霧状に拡散した状態にある還元剤をいうものとする。また、この液滴状の還元剤を構成する各粒子の粒径は、機能的に言及すれば、前記ＮＯｘ触媒に到達した各粒子が当該触媒の表面に粗密な状態で付着するのに適切な大きさに相当する。そしてこの適切な大きさは、適用される還元剤の物理的・化学的特性、排気の性状、或いはＮＯｘ触媒の特質や状態によって異なる。
【００１２】
同構成によれば、排気中に添加された還元剤の拡散が抑制され、添加された還元剤が、排気中に比較的濃い霧状の塊（局所的なリッチ雰囲気）を形成しつつ前記ＮＯｘ触媒まで移送されるようになる。ＮＯｘ触媒に移送された還元剤は、構成粒子の粒径が大きいことに起因し、当該触媒の表面に比較的に速やかに付着して、ＮＯｘを還元するようになる。すなわち、排気中に添加された還元剤の大部分がＮＯｘ触媒を素通りせず有効に作用するため、ＮＯｘ触媒に対し必要最小量の還元剤を効率的に作用させてＮＯｘの還元浄化を行うことができるようになる。
【００１３】
さらに、排気中に局所的なリッチ雰囲気を形成しつつ、総体的には当該排気をリーン雰囲気に保持することができる。このため、ＮＯｘ触媒の下流に、例えばリーン雰囲気で還元剤の酸化を促す酸化触媒を配することにより、ＮＯｘ触媒を素通りした還元剤の過剰分を確実に浄化することができるようになる。
【００１４】
また、前記液滴状の還元剤は、１０μｍ以上の粒径を有するのがよい。
【００１５】
同構成によれば、排気中に添加された還元剤によって局所なリッチ雰囲気が形成されるといった現象が、粒径が１０μｍ未満の小さな液体粒子から形成される還元剤の噴霧と比べ顕著に異なる現象として現れるようになる。
【００１６】
また、前記制御手段は、前記ＮＯｘ触媒の床温に応じて前記液滴状還元剤の粒径を変更するのがよい。
【００１７】
さらにこの場合、前記制御手段は、前記ＮＯｘ触媒の床温が高くなるほど前記液滴状還元剤の粒径を大きくするのがよい。
【００１８】
前記液滴状還元剤の粒径と並び、前記ＮＯｘ触媒の床温は、同触媒表面に対する当該液滴状還元剤の付着し易さを決定づける支配的なパラメータである。すなわち、液滴状還元剤は、その粒径が所定範囲で大きくなるほど、ＮＯｘ触媒表面に付着し易くなる一方、前記ＮＯｘ触媒の床温が高くなると、液滴状還元剤は物理的に当該触媒表面へ付着し難くなる。同構成によれば、ＮＯｘ触媒に対し必要最小量の還元剤を効率的に作用させてＮＯｘの還元浄化を行う上で、最適な条件が容易に設定されるようになる。
【００１９】
なお、前記制御手段は、前記液滴状還元剤の粒径と並び、排気中における液滴状還元剤の拡散のし易さを決定づける支配的なパラメータである排気の温度に応じ、前記液滴状還元剤の粒径を変更することとしてもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置を、ディーゼルエンジンシステムに適用した第１の実施の形態について説明する。
【００２１】
図１において、内燃機関（以下、エンジンという）１は、燃料供給系１０、燃焼室２０、吸気系３０及び排気系４０等を主要部として構成される直列４気筒のディーゼルエンジンシステムである。
【００２２】
先ず、燃料供給系１０は、サプライポンプ１１、コモンレール１２、燃料噴射弁１３、遮断弁１４、調量弁１６、還元剤添加弁１７、機関燃料通路Ｐ１及び添加燃料通路Ｐ２等を備えて構成される。
【００２３】
サプライポンプ１１は、燃料タンク（図示略）から汲み上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１を介してコモンレール１２に供給する。コモンレール１２は、サプライポンプ１１から供給された高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁１３に分配する。燃料噴射弁１３は、その内部に電磁ソレノイド（図示略）を備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室２０内に燃料を噴射供給する。
【００２４】
他方、サプライポンプ１１は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を添加燃料通路Ｐ２を介して還元剤添加弁１７に供給する。添加燃料通路Ｐ２には、サプライポンプ１１から還元剤添加弁１７に向かって遮断弁１４及び調量弁１６が順次配設されている。遮断弁１４は、緊急時において添加燃料通路Ｐ２を遮断し、燃料供給を停止する。調量弁１６は、還元剤添加弁１７に供給する燃料の圧力（燃圧）ＰＧを制御する。還元剤添加弁１７は、燃料噴射弁１３と同じくその内部に電磁ソレノイド（図示略）を備えた電磁弁であり、還元剤として機能する燃料を、適宜の量、適宜のタイミングで排気系４０の触媒ケーシング４２上流に添加供給する。
【００２５】
吸気系３０は、各燃焼室２０内に供給される吸入空気の通路（吸気通路）を形成する。一方、排気系４０は、各燃焼室２０から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。
【００２６】
また、このエンジン１には、周知の過給機（ターボチャージャ）５０が設けられている。ターボチャージャ５０は、シャフト５１を介して連結された２つのタービンホイール５２，５３を備える。一方のタービンホイール（吸気側タービンホイール）５２は、吸気系３０内の吸気に晒され、他方のタービンホイール（排気側タービンホイール）５３は排気系４０内の排気に晒される。このような構成を有するターボチャージャ５０は、排気側タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用して吸気側タービンホイール５３を回転させ、吸気圧を高めるといったいわゆる過給を行う。
【００２７】
吸気系３０において、ターボチャージャ５０に設けられたインタークーラ３１は、過給によって昇温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ３１よりもさらに下流に設けられたスロットル弁３２は、その開度を無段階に調節することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞り、同吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有する。
【００２８】
また、エンジン１には、燃焼室２０の上流（吸気系３０）及び下流（排気系４０）をバイパスする排気還流通路（ＥＧＲ通路）６０が形成されている。このＥＧＲ通路６０は、排気の一部を適宜吸気系３０に戻す機能を有する。ＥＧＲ通路６０には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に調整することができるＥＧＲ弁６１と、ＥＧＲ通路６０を通過（還流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ６２が設けられている。
【００２９】
また、排気系４０において、同排気系４０及びＥＧＲ通路６０の連絡部位の下流には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に触媒という）４１を収容した触媒ケーシング４２が設けられている。触媒ケーシング４２に収容された触媒４１は、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を担体とし、この担体上に例えばカリウム（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）、或いはイットリウム（Ｙ）のような希土類と、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されることによって構成される。
【００３０】
この触媒４１は、排気中に多量の酸素が存在している状態においてはＮＯｘを吸収し、還元成分（例えば燃料の未燃成分（ＨＣ））が多量に存在している状態においてはＮＯｘをＮＯ2若しくはＮＯに還元して放出する。ＮＯ2やＮＯとして放出されたＮＯｘは、排気中のＨＣやＣＯと速やかに反応することによってさらに還元されＮ2となる。ちなみにＨＣやＣＯは、ＮＯ2やＮＯを還元することで、自身は酸化されＨ2ＯやＣＯ2となる。すなわち、触媒ケーシング４２（触媒４１）に導入される排気中の酸素濃度やＨＣ成分を適宜調整すれば、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができることになる。
【００３１】
また、エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件や、エンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
【００３２】
すなわち、レール圧センサ７０は、コモンレール１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。燃圧センサ７１は、添加燃料通路Ｐ２内を流通する燃料のうち、調量弁１６を介して還元剤添加弁１７に導入される燃料の圧力（燃圧）ＰＧに応じた検出信号を出力する。エアフロメータ７２は、吸気系３０内のスロットル弁３２下流において吸入空気の流量（吸気量）Ｇａに応じた検出信号を出力する。空燃比（Ａ／Ｆ）センサ７３は、排気系４０の触媒ケーシング４２下流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。排気温センサ７４は、同じく排気系４０の触媒ケーシング４２下流において排気の温度（排気温度）ＴＥＸに応じた検出信号を出力する。ＮＯｘセンサ７５は、同じく排気系４０の触媒４１下流において排気中のＮＯｘ濃度ＣＮＯｘに応じて連続的に変化する検出信号を出力する。
【００３３】
また、アクセルポジションセンサ７６はエンジン１のアクセルペダル（図示略）に取り付けられ、同ペダルの踏み込み量ＡＣＣに応じた検出信号を出力する。クランク角センサ７７は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これら各センサ７０〜７７は、電子制御装置（ＥＣＵ）８０と電気的に接続されている。
【００３４】
ＥＣＵ８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）８１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）８２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８３及びバックアップＲＡＭ８４、タイマーカウンタ８５等を備え、これら各部８１〜８５と、Ａ／Ｄ変換器を含む外部入力回路８６と、外部出力回路８７とが双方向性バス８８により接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００３５】
このように構成されたＥＣＵ８０は、上記各種センサの検出信号を外部入力回路を介して入力し、これら信号に基づいてエンジン１の燃料噴射等についての基本制御を行う他、還元剤（還元剤として機能する燃料）の添加にかかる添加タイミングや供給量の決定等に関する還元剤添加制御等、エンジン１の運転状態に関する各種制御の実施を司る。
【００３６】
ここで、燃料噴射弁１３を通じて各気筒に燃料を供給する他、還元剤添加弁１７を通じて排気系４０に燃料を添加する機能を備えた燃料供給系１０、排気系４０に備えられた触媒４１、およびこれら燃料供給系１０や触媒４１の機能を制御するＥＣＵ８０等は、併せて本実施の形態にかかるエンジン１の排気浄化装置を構成する。上記還元剤添加制御は、当該制御に関する指令信号を出力するＥＣＵ８０を含め、この排気浄化装置を構成する各種部材が作動することによってなされる。
【００３７】
次に、本実施の形態にかかる還元剤添加制御の基本原理や制御手順等について詳述する。
【００３８】
一般に、ディーゼルエンジンでは、燃焼室内で燃焼に供される燃料及び空気の混合気の酸素濃度が、ほとんどの運転領域で高濃度状態にある。
【００３９】
燃焼に供される混合気の酸素濃度は、燃焼に供された酸素を差し引いてそのまま排気中の酸素濃度に反映されるのが通常であり、混合気中の酸素濃度（空燃比）が高ければ、排気中の酸素濃度も基本的には同様に高くなる（排気中の還元成分量は低くなる）。一方、上述したように、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は排気中の酸素濃度が高ければＮＯｘを吸収し、酸素濃度が低ければ（還元成分量が高ければ）ＮＯｘをＮＯ2若しくはＮＯに還元して放出する特性を有するため、排気中の酸素が高濃度状態にある限りＮＯｘを吸収することとなる。ただし、当該触媒のＮＯｘ吸収量に限界量が存在し、同触媒が限界量のＮＯｘを吸収した状態では、排気中のＮＯｘが同触媒に吸収されず触媒ケーシングを素通りすることとなり、触媒４１下流におけるＮＯｘ濃度が増大する。
【００４０】
そこで、エンジン１のように還元剤添加弁１７を備えた内燃機関では、適宜の時期に還元剤添加弁１７を通じ排気系４０の触媒４１上流に還元剤として機能する燃料を添加することで、一時的に排気中の還元成分量（ＨＣ等）を増大させる。すると触媒４１は、これまでに吸収したＮＯｘをＮＯ2若しくはＮＯに還元して放出し、自身のＮＯｘ吸収能力を回復（再生）するようになり、その一方で、放出されたＮＯ2やＮＯがＨＣやＣＯと反応して速やかにＮ2に還元されることは、上述した通りである。
【００４１】
ところで、排気系４０内に添加供給される還元剤（燃料）は、それがどのような状態で排気系４０へ添加されるかにより、排気系４０内を移動して触媒４１に達するまでの動態や、触媒４１に及ぼす作用が異なる。例えば、還元剤添加弁１７を通じて添加される噴霧の構成粒子が比較的小さく、その粒径が１０μｍを下回るような場合、排気系４０内に添加された還元剤は排気中に速やかに拡散しつつ触媒４１に移送されることとなる。一方、還元剤添加弁１７を通じて添加される噴霧が、概ね１０μｍ以上の粒径の液滴によって形成されている場合、この液滴によって形成された噴霧は、排気中において濃い霧状の塊（局所的なリッチ雰囲気）を形成しつつ触媒ケーシング４２に流入する。触媒ケーシング４２に流入した還元剤は、その構成粒子（液体粒子）の粒径が大きいことに起因し、その大部分が触媒４１の表面に速やかに付着する。すなわち、排気中に添加された還元剤の大部分がＮＯｘ触媒を素通りせず有効に作用するため、ＮＯｘ触媒に対し必要最小量の還元剤を効率的に作用させてＮＯｘの還元浄化を行うことができるようになる。
【００４２】
本実施の形態にかかる排気浄化装置は、燃料供給系１０等の各種構成部材を制御して、還元剤添加弁１７を通じて排気系４０に添加供給される還元剤に、液滴状の粒子の噴霧を形成させる。
【００４３】
以下、本実施の形態にかかる排気浄化装置が実施する「還元剤添加制御」に関し、その具体的な処理手順についてフローチャートを参照して説明する。
【００４４】
図２には、排気系４０へ還元剤添加を行うにあたり、その添加量や添加時期を制御するために実施される「還元剤添加制御ルーチン」の処理内容を示す。このルーチン処理は、ＥＣＵ８０を通じてエンジン１の始動と同時にその実行が開始され、所定時間毎に繰り返される。
【００４５】
処理がこのルーチンに移行すると、ＥＣＵ８０は先ず、ステップＳ１０１において、触媒４１下流のＮＯｘ濃度ＣＮＯｘや排気温度ＴＥＸの履歴、機関回転数ＮＥ、或いはアクセルペダルの踏み込み量ＡＣＣ等といったエンジン１の運転状態を把握する。
【００４６】
続くステップＳ１０２においてＥＣＵ８０は、上記ステップＳ１０１で把握したエンジン１の運転状態に関し、還元剤添加の実行条件、例えば以下の条件（Ａ１），（Ａ２），（Ａ３）の全てが成立しているか否かを判断する。
【００４７】
（Ａ１）ＮＯｘセンサ７５の検出信号が上昇して所定値を上回ったこと。これは、ＮＯｘ触媒４１の吸蔵ＮＯｘが所定量を上回り、これを放出及び還元する必要が生じたことを意味する。
【００４８】
（Ａ２）排気温度ＴＥＸが所定温度（例えば２５０℃）を上回っていること。これは、触媒４１が十分活性化された状態になる条件に相当する。
【００４９】
（Ａ３）機関回転数ＮＥ及びアクセルペダルの踏み込み量ＡＣＣの関係等からエンジン１の運転状態が還元剤添加に適していると判断されること。
【００５０】
上記条件（Ａ１）〜（Ａ３）の全てが成立していれば、ＥＣＵ８０はその処理をステップＳ１０３に移行し、上記条件（Ａ１）〜（Ａ３）のうち何れか一方でも成立していなければ、本ルーチンを一旦抜ける。
【００５１】
ステップＳ１０３においては、還元剤添加弁１７を開弁量を調整することにより、排気系４０への還元剤添加を実施する。
【００５２】
ここで、還元剤添加弁１７を通じて添加される添加燃料量（総量）Ｑは、基本的には還元剤添加弁１７の開弁時間Ｔ（ミリ秒；ｍｓ）、およびその開弁時間中、燃料通路Ｐ２を通じて還元剤添加弁１７に付与される燃圧ＰＧの関数として、次式（ｉ）によって決定づけられる。
【００５３】
Ｑ＝ｆ（Ｔ，ＰＧ） …（ｉ）
すなわち、ＥＣＵ８０は、上記決定した添加燃料量Ｑの燃料が排気系に添加供給されるように、添加燃料通路Ｐ２内を流通する燃料の燃圧ＰＧに基づいて開弁時間Ｔを演算する。そして同じく上記決定された添加パターンに従って燃料が添加されるよう、所定のタイミングで、継続的、或いは断続的に還元剤添加弁１７を通電制御することで、総計時間（開弁時間）Ｔに亘って同弁１７を開弁させる。
【００５４】
なお、本実施の形態にかかる排気浄化装置では、還元剤添加弁１７を通じて添加される還元剤が粒径５０μｍ程度の液滴からなる噴霧を形成するように、調量弁１６の開弁量を調整する（燃圧ＰＧを制御する）。
【００５５】
ステップＳ１０３を経た後、ＥＣＵ８０は本ルーチンを一旦抜ける。
【００５６】
図３には、ＮＯｘ触媒下流に設けられたＡ／Ｆセンサ７３の出力信号に基づいて算出される空燃比の推移について、従来の還元剤添加制御を実施した場合に観測される推移（図３（ａ））と、本実施の形態にかかる還元剤添加制御を実施した場合に観測される推移（図３（ｂ））とを同一時間軸上に示すタイムチャートである。なお、両図において時間軸上に示す時刻ｔｉは、還元剤の添加開始タイミングに相当する。また、本実施の形態にかかる制御と従来の制御とにおいて、還元剤添加弁を通じ単位時間当たりに添加される還元剤の量は同等であるものとする。
【００５７】
一般に、排気系内に還元剤が添加されると、排気中の還元成分量が増大して酸素量が減少することから、排気系に設けられたＡ／Ｆセンサの出力信号に基づいて把握される空燃比（以下、単に空燃比という）は一時的に低下する（リッチ寄りに移行する）ことになる。
【００５８】
ここで、従来の制御によるように、粒径１０μｍ未満の小さな液体粒子から形成される噴霧として還元剤を添加供給し、吸蔵ＮＯｘを還元する場合、空燃比が理論空燃比よりも下回る状態（リッチとなる状態）を保持するように還元剤の添加を所定時間Ｔ１継続する必要がある（図３（ａ））。
【００５９】
これに対し、本実施の形態によるように、粒径の大きな液滴から形成される噴霧として還元剤を添加供給する場合、空燃比が理論空燃比よりも高い状態で、しかも比較的短時間（Ｔ２）還元剤の添加を行うのみで、吸蔵ＮＯｘの還元に関して十分な効果の得られることが、発明者らによって確認されている（図３（ｂ）参照）。
【００６０】
また、従来の制御に伴う空燃比の推移（図３（ａ））と、本実施の形態にかかる制御に伴う空燃比の推移（図３（ｂ））とを比較した場合、本実施の形態にかかる制御では、還元剤の添加開始タイミングである時刻ｔｉ以降、リッチ寄りに移行する空燃比の低下速度（制御の実行に対する空燃比の応答速度に相当）が、従来の制御に伴う空燃比の低下速度に比べて大きい。
【００６１】
すなわち、本実施の形態にかかる還元剤添加制御では、当該制御に伴う見かけ上の空燃比の低下量は小さくても（周囲がリーン雰囲気であっても）、液滴の粒子（比較的大型の粒子）から形成される噴霧として排気系に添加された還元剤が排気中に局所的なリッチ雰囲気を形成し、この局所的なリッチ雰囲気が直接的且つ速やかに（瞬時に）ＮＯｘ触媒に作用する。この結果、ＮＯｘ触媒に対し必要最小量の還元剤を効率的に作用させて吸蔵ＮＯｘの還元浄化を行うことができるようになる。
【００６２】
さらに付言すれば、本実施の形態にかかる制御を実施することで排気中に局所的なリッチ雰囲気が形成されていても、その周囲はリーン雰囲気に保持されるため、ＮＯｘ触媒の下流に、例えばリーン雰囲気で還元剤の酸化を促す酸化触媒を配することにより、ＮＯｘ触媒を素通りした還元剤の過剰分を確実に浄化するといった構成構築することも容易である。
【００６３】
なお、上記還元剤添加制御において採用する液滴（還元剤）の粒径としては、適用される還元剤の物理的・化学的特性、排気の性状、或いは触媒４１の特質や状態によっても異なるが、少なくとも１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ〜１００μｍ程度、さらに好ましくは５０μｍ近傍の値が採用される。
（第２の実施の形態）
次に、本発明を具体化した第２の実施の形態について、上記第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【００６４】
なお、当該第２の実施の形態にかかる排気浄化装置は、第１の実施の形態にかかるエンジン１（図１）と同様の機能及び構造を有する内燃機関を適用対象とする。このため、適用対象となる内燃機関や排気浄化装置の構成要素として共通の機能を有するものについては、第１の実施の形態で用いた符号と同一の符号を用い、ここでの重複する説明は割愛する。
【００６５】
本実施の形態にかかる排気浄化装置は、還元剤添加弁１７を通じて添加される還元剤の噴霧を形成する液滴の粒径を、ＮＯｘ触媒４１の床温に応じて変更するといった点で、第１の実施の形態とは異なる還元剤添加制御を行う。
【００６６】
図４には、本実施の形態にかかるＥＣＵ８０が、排気系４０へ還元剤添加を行うにあたりその添加量や添加時期を制御するために実施する「還元剤添加制御ルーチン」の処理内容を示す。
【００６７】
本ルーチンにおいて、ステップＳ２０１，Ｓ２０２各々における処理内容は、第１の実施の形態にかかる「還元剤添加制御ルーチン」（図２）のステップＳ１０１，Ｓ１０２各々における処理内容と基本的には同等である。ただし、ステップＳ２０１では、エンジン１の運転状態として、触媒４１下流のＮＯｘ濃度ＣＮＯｘや排気温度ＴＥＸの履歴、機関回転数ＮＥ、或いはアクセルペダルの踏み込み量ＡＣＣに加え、ＮＯｘ触媒４１の床温を把握する。ＮＯｘ触媒の床温は、触媒ケーシング４２に温度センサを設けて実測することとしてもよいし、排気温度ＴＥＸを基にアクセルペダルの踏み込み量ＡＣＣ等他のパラメータを加味して推定するようにしてもよい。
【００６８】
続くステップＳ２０２において、還元剤添加の実行条件の全てが成立していると判断した場合、ＥＣＵ８０はステップＳ２０３において、上記ステップＳ２０１で把握したＮＯｘ触媒４１の床温に基づき、今回の還元剤添加に採用する還元剤（液滴）の粒径を決定する。
【００６９】
例えば図５には、液滴状の還元剤から形成される噴霧を排気系４０に添加して触媒４１内の吸蔵ＮＯｘを還元及び浄化する場合、噴霧を形成する液滴（還元剤）の粒径と、ＮＯｘの還元効率（浄化効率）との間の関係を示すグラフである。なお、同図中において、実線は触媒４１の床温が相対的に低い条件（例えば２５０℃）に相当するものであり、破線は触媒４１の床温が相対的に高い条件（例えば４００℃）に相当するものである。同図に示すように、ＮＯｘ浄化効率を最適化する液滴の粒径は、触媒４１の床温に応じて異なる（点Ｑ，Ｒを参照）。
【００７０】
そこで、本実施の形態にかかる排気浄化装置（ＥＣＵ８０）は、ＮＯｘの浄化効率を最適化する液滴（還元剤）の粒径を触媒４１の床温に対応する数値として例えばＲＯＭ８２に記憶しておき、上記ステップＳ２０３では、当該マップを参照して今回の還元剤添加に採用する還元剤（液滴）の粒径を決定する。
【００７１】
これに続きＥＣＵ８０は、第１の実施の形態にかかる「還元剤添加制御ルーチン」（図２）のステップＳ１０３と同様、還元剤添加弁１７や調量弁１６を駆動することにより、所望の粒径の液滴から形成される還元剤の噴霧を排気系４０に添加供給する（ステップＳ２０４）。
【００７２】
ステップＳ２０４を経た後、ＥＣＵ８０は本ルーチンを一旦終了する。
【００７３】
このように、本実施の形態にかかる排気浄化装置によれば、液滴状の還元剤を活用した吸蔵ＮＯｘの還元浄化に際し、ＮＯｘ触媒の浄化効率を決定づける２つの支配的なパラメータ（液滴の粒径及び触媒反応の温度条件）の関係から、ＮＯｘ触媒の浄化効率が最適化されることになる。よって、ＮＯｘ触媒の機能に対し支配的な環境条件（温度条件）が変動したとしても、液滴状の還元剤の噴霧を適用して得られる高い排気浄化率が恒常的に確保されるようになる。このことは、リーン雰囲気の混合気を機関燃焼に供する機会が多く、排気温度の変動が激しいこの種の内燃機関にとって、上記第１の実施の形態で説明した液滴状還元剤の添加による効能が、顕著に高められることを意味する。
【００７４】
なお、本実施の形態においては、触媒４１の床温に応じて還元剤添加弁を通じて添加する液滴（還元剤）の粒径を変更することとしたが、これに替え、或いははこれに加え、排気温度ＴＥＸに応じて液滴の粒径を変更する制御構造を適用してもよい。
【００７５】
また、上記各実施の形態においては、還元剤としてディーゼルエンジンの燃料（軽油）を適用することとしたが、ＮＯｘを還元する機能を有する還元成分として、排気中に液滴として存在し得るものであれば、他の還元剤、例えばガソリン、灯油等を用いても構わない。
【００７６】
また、上記各実施の形態においては、燃料タンクからコモンレール１２へ燃料を供給するサプライポンプ１１を用いて、サプライポンプ１１の汲み上げた燃料の一部を排気系４０内に添加供給する装置構成を適用することとした。しかし、こうした装置構成に限らず、例えば添加燃料を燃料タンク、或いは他の燃料（還元剤）供給源から供給する独立した供給系を備える装置構成を適用してもよい。
【００７７】
また、上記各実施の形態においては、本発明の排気浄化装置を内燃機関としての直列４気筒のディーゼルエンジン１に適用することとしたが、希薄燃焼を行うガソリンエンジンにも好適に本発明を適用することができる。また、直列４気筒の内燃機関に限らず、搭載気筒数の異なる内燃機関にも本発明を適用することはできる。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、排気中に添加された還元剤の拡散が抑制され、添加された還元剤が、排気中に比較的濃い霧状の塊（局所的なリッチ雰囲気）を形成しつつ前記ＮＯｘ触媒まで移送されるようになることから、ＮＯｘ触媒に対し必要最小量の還元剤を効率的に作用させてＮＯｘの還元浄化を行うことができるようになる。
【００７９】
また、ＮＯｘ触媒を素通りした還元剤の過剰分を確実に浄化することが容易となる。
【００８０】
また、ＮＯｘ触媒に対し必要最小量の還元剤を効率的に作用させてＮＯｘの還元浄化を行う上で、最適な条件が容易に設定されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかるディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図。
【図２】第１の実施の形態にかかる還元剤添加制御手順を示すフローチャート。
【図３】還元剤添加制御の実施に際し、触媒下流の空燃比センサの出力に基づいて算出される空燃比の推移を示すタイムチャート。
【図４】本発明の第２の実施の形態にかかる還元剤添加制御手順を示すフローチャート。
【図５】添加される還元剤の粒径と、ＮＯｘ浄化率との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
１０ 燃料供給系
１１ サプライポンプ
１２ コモンレール
１３ 燃料噴射弁
１４ 遮断弁
１６ 調量弁
１７ 還元剤噴射弁
２０ 燃焼室
３０ 吸気系
３１ インタークーラ
３２ スロットル弁
４０ 排気系
４１ 吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ触媒）
４２ 触媒ケーシング
５０ ターボチャージャ
５１ シャフト
５２ 排気側タービンホイール
５３ 吸気側タービンホイール
６０ ＥＧＲ通路
６１ ＥＧＲ弁
６２ ＥＧＲクーラ
７０ レール圧センサ
７１ 燃圧センサ
７２ エアフロメータ
７３ 空燃比（Ａ／Ｆ）センサ
７４ 排気温センサ
７５ ＮＯｘセンサ
７６ アクセルポジションセンサ
７７ クランク角センサ
８０ 電子制御装置（ＥＣＵ）
８１ 中央処理装置（ＣＰＵ）
８２ 読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）
８６ 外部入力回路
８７ 外部出力回路
８８ 双方向性バス
Ｐ１ 機関燃料通路
Ｐ２ 添加燃料通路

Claims (10)

  1. 内燃機関の排気系に設けられ、排気中の還元成分濃度が高くなるとＮＯｘの還元反応を促す特性を備えたＮＯｘ触媒と、
    前記排気系を通じて前記ＮＯｘ触媒に流入する排気中に還元剤を添加する還元剤添加手段と、
    を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
    前記還元剤添加手段を制御して、前記排気中に液滴状の還元剤を添加させる制御手段を有し、
    前記液滴状の還元剤は、５０μｍより大きく且つ１００μｍ以下の範囲内の粒径を有する
    ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記還元剤添加手段は、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気中に添加される還元剤が通る還元剤添加弁を備えており、
    前記制御手段は、所望の量の還元剤の添加を達成すべく、前記還元剤添加弁に付与される還元剤の圧力に基づいて前記還元剤添加弁の開弁時間を制御する
    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。
  3. 前記制御手段は、前記還元剤添加弁に付与される還元剤の圧力を制御し、それによって所望の前記液滴状の還元剤の粒径を達成する
    ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記制御手段は、前記液滴状の還元剤の粒径を大きくすべく、前記還元剤添加弁に付与される還元剤の圧力を減少させる
    ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 前記還元剤添加手段は、燃料タンクと前記還元剤添加弁との間の還元剤通路に設けられた調整弁を備え、
    前記制御手段は、前記還元剤添加弁に付与される還元剤の圧力を制御するために前記調整弁の開度を調整し、それによって所望の前記液滴状の還元剤の粒径を達成する
    ことを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 前記制御手段は、前記ＮＯｘ触媒の床温に応じて前記液滴状の還元剤の粒径を変更する
    ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 前記制御手段は、前記ＮＯｘ触媒の床温が高くなるほど前記液滴状の還元剤の粒径を大きくする
    ことを特徴とする請求項６記載の内燃機関の排気浄化装置。
  8. 前記制御手段は、排気温度に応じて前記液滴状の還元剤の粒径を変更する
    ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  9. 前記制御手段は、排気温度が高くなるほど前記液滴状の還元剤の粒径を大きくする
    ことを特徴とする請求項８記載の内燃機関の排気浄化装置。
  10. 前記内燃機関がディーゼルエンジンであり、且つ、還元剤が軽油である
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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