JP5321255B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に好適に用いられる排気浄化装置に関し、特に、活性酸素を利用する構成とした内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来技術として、例えば特許文献１（特開２００７−１２０３９７号公報）に開示されているように、排気系にオゾンを供給する構成とした内燃機関の排気浄化装置が知られている。従来技術の排気浄化装置は、排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路にオゾンを供給するオゾン供給装置とを備えている。

そして、従来技術では、内燃機関の停止時に、ＥＧＲ通路にオゾンを供給し、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）が原因でＥＧＲクーラやＥＧＲ弁に付着したデポジットを、オゾンにより酸化除去する構成としている。また、他の従来技術として、内燃機関の排気通路にＮＯｘ吸着材を設け、このＮＯｘ吸着材により排気ガス中のＮＯｘ成分を吸着させる構成とした排気浄化装置も知られている。

特開２００７−１２０３９７号公報

ところで、上述した従来技術では、ＥＧＲクーラやＥＧＲ弁に付着したデポジットをオゾンにより酸化除去することが目的であり、ＮＯｘ浄化に関しては記載がない。また、他の従来技術では、排気ガス中のＮＯｘ成分をＮＯｘ吸着材に吸着させる構成としている。しかし、吸着材の性能を維持するためには、吸着されたＮＯｘを定期的に脱離させる処理が必要となる。このため、従来技術では、ＮＯｘ吸着材の他に、脱離したＮＯｘを浄化するための機構が必要となり、システムの構造が複雑化するという問題がある。

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、本発明の目的は、活性酸素を利用して排気ガス中のＮＯｘを効率よく吸着しつつ、脱離したＮＯｘと残留した活性酸素とを簡単な構造で確実に浄化することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

第１の発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、少なくとも活性酸素の存在下で排気ガス中のＮＯｘを吸着することが可能なＮＯｘ吸着手段と、
前記ＮＯｘ吸着手段に活性酸素を供給する活性酸素供給手段と、
前記ＮＯｘ吸着手段の下流側で前記排気通路に接続され、前記ＮＯｘ吸着手段から脱離したＮＯｘを吸気系に還流させる還流通路と、
前記ＮＯｘ吸着手段をバイパスする位置で前記排気通路に接続され、少なくとも排気ガス中のＮＯｘを浄化する触媒が設けられたバイパス通路と、
排気ガスの流路を前記ＮＯｘ吸着手段と前記バイパス通路との間で切換えることが可能な流路切換手段と、
内燃機関を補助するための補助動力を発生する補助動力手段と、
前記ＮＯｘ吸着手段が活性酸素の存在下でＮＯｘを吸着可能な温度の上限値である吸着上限温度と比較して、排気ガスの温度が前記吸着上限温度以下であるときに、前記活性酸素供給手段を作動させる吸着制御手段と、
前記ＮＯｘ吸着手段に吸着されていたＮＯｘが脱離し始める温度であって前記吸着上限温度よりも高い温度に設定された脱離温度と比較して、排気ガスの温度が前記脱離温度以上であり、かつ、内燃機関の空燃比が理論空燃比となるように制御するストイキ燃焼制御が実行可能である場合に、前記ストイキ燃焼制御を実行しつつ、前記ＮＯｘ吸着手段から脱離したＮＯｘを前記還流通路を介して吸気系に還流させる一の脱離時燃焼制御手段と、
排気ガスの温度が前記脱離温度以上であり、かつ、前記ストイキ燃焼制御の実行が困難である場合に、前記補助動力手段を作動させた状態で前記ストイキ燃焼制御を実行しつつ、前記ＮＯｘ吸着手段から脱離したＮＯｘを前記還流通路を介して吸気系に還流させる他の脱離時燃焼制御手段と、
排気ガスの温度が前記脱離温度以上であり、かつ、前記ストイキ燃焼制御の実行が困難である場合に、リーン燃焼制御を実行しつつ、排気ガスを前記流路切換手段により前記バイパス通路に流通させる排気流路制御手段と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明は、前記還流通路の接続位置よりも下流側で前記排気通路に設けられ、前記排気通路を流れる排気ガスの流量を可変に設定する排気流量可変手段と、
ＮＯｘの脱離動作中に前記排気流量可変手段により排気ガスの流量を抑制する排気流量制御手段と、
を備える構成としている。

第３の発明は、前記ＮＯｘ吸着手段の下流側で前記排気通路に設けられ、少なくとも排気ガス中のＮＯｘを浄化することが可能なＮＯｘ浄化触媒を備える構成としている。

第１の発明によれば、ＮＯｘ吸着手段は、活性酸素供給手段により活性酸素が供給された状態で、排気ガス中のＮＯｘを効率よく吸着することができる。また、吸着したＮＯｘの脱離時には、このＮＯｘを還流通路によって吸気系に還流させることができ、脱離したＮＯｘを筒内での燃焼により確実に還元することができる。一方、ＮＯｘの吸着時に活性酸素が残留した場合にも、この活性酸素を還流通路により吸気系に還流させ、筒内での燃焼により分解することができる。

従って、筒内で行われる通常の燃焼を利用して、脱離ＮＯｘと残留活性酸素とを浄化することができる。これにより、例えばＮＯｘ触媒等をＮＯｘ吸着手段の下流側に配置しなくてもよいので、システムの構造を簡略化することができる。しかも、ＮＯｘの還元処理を行うために、リッチスパイク制御等により空燃比を無理にリッチ化する必要がないので、リッチ化が不十分でＮＯｘが外部に排出されたり、空燃比がリッチ側に乱れたりするのを防止することができ、排気エミッションを向上させることができる。さらに、余った活性酸素を吸気系に還流させることにより、吸気系や筒内におけるデポジットの堆積を抑制することができ、また耐ノッキング性能を高めることができる。

また、ＮＯｘ吸着手段は、吸着上限温度以下の低温領域で活性酸素を供給することにより、活性酸素の非供給時と比較して多量のＮＯｘを吸着することができる。しかも、活性酸素の存在下ではＮＯｘの脱離温度が上昇するので、同一の温度でもＮＯｘの吸着量を増やすことができる。従って、吸着制御手段は、これらの特性を利用してＮＯｘの吸着性能を大幅に向上させることができ、多量のＮＯｘを効率よく吸着することができる。

また、脱離時燃焼制御手段は、ＮＯｘ吸着手段からＮＯｘが脱離しているときに、内燃機関の空燃比を理論空燃比に保持し、ストイキ燃焼制御を行うことができる。これにより、吸気系に還流されたＮＯｘを効率よく還元することができ、また筒内での燃焼によりＮＯｘが新たに生成されるのを抑制することができる。

また、内燃機関の運転性能等を考慮すると、ＮＯｘの還元処理に適した燃焼制御（ストイキ燃焼制御）を実行可能な運転領域が制限される場合がある。しかし、補助動力手段を併用することにより、ストイキ燃焼制御中でも運転性能を確保することができる。これにより、内燃機関では、運転状況等に影響されることなく、所望のタイミングでストイキ燃焼制御を行うことができ、広い運転領域で脱離したＮＯｘの還元処理を行うことができる。

また、内燃機関の運転状況によっては、ＮＯｘの脱離動作が生じる温度領域となっても、ＮＯｘの還元処理に適した燃焼制御（ストイキ燃焼制御）を実行するのが難しい場合がある。この場合、排気流路制御手段は、流路切換手段を切換えることにより、排気ガスをバイパス通路に流通させることができ、排気ガス中のＮＯｘをバイパス通路の触媒により浄化することができる。これにより、ストイキ燃焼制御が可能となるまで、脱離したＮＯｘを吸気系に還流させずに待機することができる。従って、ＮＯｘの脱離温度等に応じて燃焼制御の実行条件が制限されたり、燃焼制御の実行条件等に応じてＮＯｘ吸着手段の脱離温度が制限されるのを回避することができる。従って、制御の設計自由度やＮＯｘ吸着手段の選択自由度を広げることができる。

第２の発明によれば、排気流量制御手段は、ＮＯｘの脱離動作中に還流通路の下流側で排気ガスの流量を適度に抑制する（絞る）ことができる。これにより、還流通路の流入位置で排気圧を高めることができ、脱離したＮＯｘを含むガスを排気通路から還流通路へと円滑に流入させることができる。

第３の発明によれば、ＮＯｘ吸着手段の下流側には、例えば三元触媒等のＮＯｘ浄化触媒を設けることができる。これにより、ＮＯｘ吸着手段から脱離したＮＯｘを、筒内での燃焼により浄化するだけでなく、ＮＯｘ浄化触媒によっても浄化することができる。従って、仮にＮＯｘの一部が燃焼室をすり抜けたとしても、このＮＯｘが大気中に放出されるのをＮＯｘ浄化触媒により確実に防止することができる。

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全体構成図である。 本発明の実施の形態１において、排気系の特徴部分を模式的に示す構成図である。 ＥＣＵの制御を説明するための説明図である。 オゾンの有無に応じてＮＯｘ吸着材の吸着性能が変化する状態を示す説明図である。 本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフロチャートである。 本発明の実施の形態２のシステム構成を説明するための全体構成図である。 本発明の実施の形態２において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフロチャートである。 本発明の実施の形態３のシステム構成を説明するための全体構成図である。 本発明の実施の形態４のシステム構成を説明するための全体構成図である。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
以下、図１乃至図５を参照しつつ、本発明の実施の形態１について説明する。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全体構成図である。本実施の形態のシステムは、例えばディーゼルエンジンからなる内燃機関１０を備えており、内燃機関１０は、各気筒の筒内に吸入空気を吸込む吸気通路１２と、各気筒から排出された排気ガスが流れる排気通路１４とを備えている。吸気通路１２には、アクセル開度等に応じて吸入空気量を増減するスロットルバルブ１６が設けられている。

また、内燃機関１０は、各気筒に燃料を噴射する燃料噴射弁１８と、排ガス中に燃料を添加する燃料添加弁２０とを備えている。燃料添加弁２０は、例えばＮＯｘ触媒に吸着されたＮＯｘの還元処理を行う場合や、ＤＰＦに捕集されれたＰＭの酸化処理を行う場合などに使用される。さらに、吸気通路１２と排気通路１４との間には、排気圧を利用して吸入空気を過給する過給機２２と、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流させるＥＧＲ通路２４とが設けられている。ＥＧＲ通路２４には、ＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲ弁２６と、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２８とが設けられている。

また、排気通路１４には、上流側から下流側に向けて酸化触媒３０、ＮＯｘ吸着材３２およびＤＰＦ３４が順次設けられており、これらの機器は、ＥＧＲ通路２４の下流側に配置されている。酸化触媒３０は、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ等を酸化により浄化する。また、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）３４は、排気ガス中のＰＭを捕集し、これを酸化により浄化するものである。

ＮＯｘ吸着材３２は、本実施の形態のＮＯｘ吸着手段であり、少なくともオゾンの存在下で排気ガス中のＮＯｘを吸着することが可能な材料により構成されている。具体的に述べると、ＮＯｘ吸着材３２は、例えばアルミナ、ゼオライト等のセラミックス材料、またはこれに金属を担持した触媒等により構成されている。なお、ＮＯｘ吸着材３２の材料については、後述の図４を参照して詳細に説明する。また、本発明において、ＮＯｘ吸着手段は、上記セラミックス材料に限定されるものでなはく、例えば吸蔵還元型のＮＯｘ触媒（ＮＳＲ：NOx Strage Reduction）により構成してもよい。さらに、本明細書において、「吸着」という用語には、「吸蔵」、「吸収」、「保持」、「捕集」等に類似するすべての概念が含まれるものとする。

また、排気通路１４には、ＮＯｘ吸着材３２にオゾンを供給する活性酸素供給手段としてのオゾン生成器３６が設けられている。オゾン生成器３６としては、例えば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。また、オゾン生成器３６は、酸化触媒３０の下流側となり、かつＮＯｘ吸着材３２の上流側となる位置で排気通路１４中にオゾンを供給するためのオゾン供給口３８を備えている。

さらに、本実施の形態のシステムは、吸気通路１２と排気通路１４とを接続する還流通路４０を備えている。還流通路４０は、ＮＯｘ吸着材３２から脱離したＮＯｘを還流ガスとして吸気系に還流させるものである。具体的に述べると、還流通路４０の一端側（還流ガスの流入側）は、ＮＯｘ吸着材３２およびＤＰＦ３４の下流側で排気通路１４に接続されている。また、還流通路４０の他端側（還流ガスの流出側）は、過給機２２の上流側で吸気通路１２に接続されている。

また、還流通路４０には、還流ガスの流量を制御する電磁駆動式の還流制御弁４２と、還流ガスを冷却するクーラ４４とが設けられている。なお、還流通路４０は、主として後述のＮＯｘ脱離還流制御に用いられるが、前記ＥＧＲ通路２４と同様に、排気ガスの一部を吸気系に還流させる通常のＥＧＲ制御にも使用されるものである。

一方、排気通路１４には、還流通路４０の接続位置よりも下流側で排気ガスの流量を可変に設定する排気弁４６が設けられている。排気弁４６は、本実施の形態の排気流量可変手段であり、電磁駆動式の流量制御弁等により構成されている。ＮＯｘ脱離還流制御中には、排気弁４６により排気ガスの流量が適度に抑制され、還流通路４０の流入側の圧力（排気圧）が通常運転時よりも少し高い状態に保持される。これにより、ＮＯｘ吸着材３２から脱離したＮＯｘは、排気ガスと共に還流通路４０に導入される。

図２は、本発明の実施の形態１において、排気系の特徴部分を模式的に示す構成図である。本実施の形態のシステムは、車両や内燃機関の制御に必要な各種のセンサにより構成されたセンサ系統と、内燃機関１０の運転状態を制御するためのＥＣＵ(Electronic Control Unit)６０とを備えている。センサ系統には、図２中に示す温度センサ４８とＮＯｘセンサ５０が含まれている。

ここで、温度センサ４８は、ＮＯｘ吸着材３２またはその近傍における排気ガスの温度を、排気系の温度として検出する。また、ＮＯｘセンサ５０は、ＮＯｘ吸着材３２の下流側で排気ガス中のＮＯｘを検出するものである。さらに、センサ系統には、例えば吸入空気量を検出するエアフロメータ、機関回転数を検出する回転センサ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサ、排気空燃比を検出する空燃比センサ等が含まれており、これらのセンサは、前述したセンサ４８，５０と共にＥＣＵ６０の入力側に接続されている。一方、ＥＣＵ６０の出力側には、各種のアクチュエータが接続されている。このアクチュエータには、各気筒に設けられた燃料噴射弁１８、点火プラグ等の他に、燃料添加弁２０、ＥＧＲ弁２６、オゾン生成器３６、還流制御弁４２、排気弁４６が含まれている。

そして、ＥＣＵ６０は、内燃機関の運転状態をセンサ系統により検出しつつ、各アクチュエータを駆動する。具体的には、センサ系統の出力に基いて、各気筒に対する燃料の噴射量及び噴射時期、点火時期等が設定され、これらの設定内容に応じてアクチュエータが駆動される。また、ＥＣＵ６０は、空燃比センサにより検出した排気空燃比に応じて、燃料噴射量を調整することにより、排気空燃比が適切な範囲に保持されるように燃焼制御を実行する。この場合、内燃機関１０はディーゼルエンジンであるため、通常の燃焼制御では、排気空燃比がリーン状態に保持される。

また、ＥＣＵ６０は、排気系の温度状態等に応じて、ＮＯｘ吸着制御とＮＯｘ脱離還流制御を実行するように構成されている。以下、図３を参照しつつ、これらの制御について説明する。図３は、ＥＣＵの制御を説明するための説明図である。
（ＮＯｘ吸着制御）
ＮＯｘ吸着制御では、前述した通常の燃焼制御（リーン燃焼制御）中において、排気系の温度が所定の吸着上限温度（例えば、２００℃程度）以下であるときに、オゾン生成器３６を作動させ、ＮＯｘ吸着材３２の上流側にオゾンを供給する。ここで、ＮＯｘ吸着材３２は、本来は吸着性能が余り高くない低温領域でも、オゾンの存在下であれば、ＮＯｘを効率よく吸着することができる。

図４は、オゾンの有無に応じてＮＯｘ吸着材の吸着性能が変化する状態を示す説明図である。この図に示すデータは、本願発明者の実験により得られたもので、オゾンの存在時と非存在時のそれぞれについて、一定量の吸着材が吸着可能な最大のＮＯｘ量（飽和吸着量）を示している。本願発明者は、下記（１）〜（３）に示す何れの吸着材においても、吸着上限温度以下の低温領域でオゾンを供給すれば、図４に示すように、吸着性能が極端に向上することを確認できた。
（１）例えばアルミナ、ゼオライト等のセラミックスだけで形成された材料
（２）上記セラミックス材料にＰt、Ｆe等の金属を担持した触媒
（３）上記セラミックス材料にアルカリ元素およびアルカリ土類元素を担持した触媒

更に詳しく述べれば、ＮＯｘ吸着材３２としては、アルカリ元素およびアルカリ土類元素を含有しない材料、即ち、上記（１）または（２）の材料を用いることが好ましい。何故なら、アルカリ元素およびアルカリ土類元素を含有した材料は、これらの元素がＮＯｘと硝酸塩を形成することによりＮＯｘ吸着量を増やすことができるものの、排気ガス中の硫黄分により被毒し易いという特性がある。従って、上記（１），（２）の材料にオゾンを供給する構成とすれば、ＮＯｘの吸着性能が高く、かつ硫黄被毒に強いＮＯｘ吸着材を容易に実現することができる。特に、上記（１）の材料であれば、触媒成分を含有しないセラミックス材料を、高性能のＮＯｘ吸着材として用いることができる。

さらに、本願発明者が実験により確認したところによれば、コージェライト、ゼオライト等のセラミックス材料においては、オゾンを供給することによりＮＯｘの脱離温度を上昇させることができる。即ち、オゾンの供給時には、非供給時と比較して同一の温度でもＮＯｘの脱離を抑制することができ、当該温度におけるＮＯｘの吸着量を増やすことができる。本実施の形態によれば、この特性を利用することにより、更に吸着性能が高いＮＯｘ吸着材３２を実現することができる。

一方、図３において、排気系の温度が前記吸着上限温度よりも高温となった場合には、ＮＯｘの吸着率に対するオゾンの効果が低下し、また熱分解によるオゾンの損失が徐々に増大するようになる。従って、この場合には、ＮＯｘ吸着材３２に対するオゾンの供給を停止し、ＮＯｘ吸着制御を終了する。

また、ＮＯｘ吸着制御中には、図３に示すように、必要に応じて通常のＥＧＲ制御を実行する。通常のＥＧＲ制御では、ＥＧＲ通路２４と還流通路４０とを介して排気ガスを吸気系に還流させる。このとき、ＥＣＵ６０は、内燃機関の運転状態（機関回転数、負荷率、水温等）に応じてＥＧＲ弁２６と還流制御弁４２の開度を調整し、これにより吸気系に還流されるＥＧＲガスの流量を制御する。

（ＮＯｘ脱離還流制御）
排気系の温度が所定の脱離温度以上となった場合には、ＮＯｘ吸着材３２に吸着されていたＮＯｘが脱離し始めるので、ＮＯｘ脱離還流制御を実行する。ここで、ＮＯｘの脱離温度は、ＮＯｘ吸着材３２の材料、ＮＯｘの吸着量等に応じてほぼ一定の値となるもので、実験等により容易に決定することができる。なお、本発明において、ＮＯｘの脱離動作が開始したか否かの判定は、排気系の温度ではなく、例えばＮＯｘセンサ５０の検出信号に基いて行う構成としてもよい。即ち、ＮＯｘセンサ５０により検出したＮＯｘ量が所定の基準値以上となったときに、ＮＯｘの脱離動作が始まったものと判定し、ＮＯｘ脱離還流制御を開始する構成としてもよい。

そして、ＮＯｘ脱離還流制御では、まず、排気弁４６の開度を適度に小さくすることにより、還流通路４０の流入位置で排気圧を高め、ＮＯｘ吸着材３２から脱離したＮＯｘを含む排気ガスを還流通路４０に流入させる。この排気ガスは、還流通路４０を介して吸気通路１２に流入し、各気筒内に吸込まれる。このとき、ＥＣＵ６０は、前述した通常の燃焼制御（リーン燃焼制御）に代えて、ストイキ（Ｓｔｏｉｃｉｏｍｅｔｒｙ）燃焼制御を実行する。ストイキ燃焼制御では、排気空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量等が制御される。また、ＮＯｘ脱離還流制御中には、オゾンの供給が停止状態に保持される。

上述したストイキ燃焼制御によれば、理論空燃比に近い混合気を比較的低温で燃焼させる状態（いわゆる低温燃焼）を実現することができる。この低温燃焼により、吸気系に還流されたＮＯｘを効率よく還元することができ、また筒内での燃焼によりＮＯｘが新たに生成されるのを抑制することができる。

さらに、ＮＯｘ吸着材３２から大部分のＮＯｘが脱離し、ＮＯｘの脱離動作が終了したときには、ＮＯｘセンサ５０により脱離ＮＯｘが殆ど検出されなくなるので、脱離動作が終了したと判定することができる。この場合、ＥＣＵ６０は、排気弁４６を通常の開度（全開）に戻し、ストイキ燃焼制御を通常のリーン燃焼制御に切換えることにより、ＮＯｘ脱離還流制御を終了する。

［実施の形態１を実現するための具体的な処理］
図５は、本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフロチャートである。この図に示すルーチンは、内燃機関の運転中に繰返し実行される。図５に示すルーチンでは、まず、ＮＯｘ吸着材３２の温度（または排気温度）が吸着上限温度以下であるか否かを判定し（ステップ１００）、この判定成立時には、前述したＮＯｘ吸着制御を開始する。即ち、オゾン生成器３６によりＮＯｘ吸着材３２にオゾンを供給し、排気ガス中のＮＯｘを吸着させる（ステップ１０２）。

続いて、ＥＣＵ６０は、ＮＯｘの吸着量が所定の飽和吸着量に達したか否かを判定する（ステップ１０４）。ＮＯｘの吸着量は、例えば内燃機関の運転状態に基づいて算出される排気ガス中のＮＯｘ濃度と、オゾンの供給を開始してからの経過時間と、排気系の温度とに基いて算出することができ、この算出値を予め記憶された飽和吸着量と比較することにより、ステップ１０４の判定処理を行うことができる。そして、ステップ１０４の判定成立時には、オゾンの供給を停止し、ＮＯｘ吸着制御を終了する（ステップ１０６）。

次に、ＥＣＵ６０は、排気系の温度が所定の脱離温度以上であるか否かを判定し（ステップ１０８）、この判定成立時には、前述したＮＯｘ脱離還流制御を開始する（ステップ１１０）。続いて、ＮＯｘセンサ５０の検出信号に基いてＮＯｘの脱離動作が終了したか否かを判定し、脱離動作が終了するまでＮＯｘ脱離還流制御を継続する（ステップ１１２）。そして、ステップ１１２の判定成立時には、ＮＯｘ脱離還流制御を終了する（ステップ１１４）。

以上詳述した通り、本実施の形態によれば、ＮＯｘ吸着材３２により一旦吸着したＮＯｘを、還流通路４０によって吸気系に還流させることができ、吸着材３２から脱離したＮＯｘを筒内での燃焼により確実に還元することができる。一方、ＮＯｘの吸着時にオゾンが残留した場合にも、このオゾンを還流通路４０により吸気系に還流させ、筒内での燃焼により分解することができる。

従って、筒内で行われる通常の燃焼を利用して、脱離ＮＯｘと残留オゾンとを浄化することができる。これにより、例えばＮＯｘ触媒等を吸着材３２の下流側に配置しなくてもよいので、システムの構造を簡略化することができる。しかも、ＮＯｘの還元処理を行うために、リッチスパイク制御等により空燃比を無理にリッチ化する必要がないので、リッチ化が不十分でＮＯｘが外部に排出されたり、空燃比がリッチ側に乱れたりするのを防止することができ、排気エミッションを向上させることができる。さらに、余ったオゾンを吸気系に還流させることにより、吸気系や筒内におけるデポジットの堆積を抑制することができ、また耐ノッキング性能を高めることができる。

また、本実施の形態では、還流通路４０の下流側に排気弁４６を設けている。これにより、ＮＯｘの脱離動作中には、排気弁４６により還流通路４０の下流側で排気ガスの流量を適度に抑制する（絞る）ことができる。これにより、還流通路４０の流入位置で排気圧を高めることができ、脱離したＮＯｘを含むガスを排気通路１４から還流通路４０へと円滑に流入させることができる。

なお、本実施の形態では、図１に示すように、還流通路４０の流入口をＤＰＦ３４の下流側で排気通路１４に接続する場合を例示したので、還流通路４０の下流側に排気弁４６を設ける構成とした。しかし、本発明において、例えば還流通路４０の下流側に排気抵抗となる何らかの構造物が配置されており、還流通路４０の流入口で排気圧が十分に高い場合には、必ずしも排気弁４６（排気流量可変手段）を設ける必要はない。具体例を挙げると、例えば還流通路４０の流入口をＮＯｘ吸着材３２とＤＰＦ３４との間（ＤＰＦ３４の上流側）に接続した場合には、ＤＰＦ３４が排気抵抗となることにより、還流通路４０の流入口で排気圧が確保される。従って、この場合には、排気弁４６を廃止する構成としてもよい。

実施の形態２．
次に、図６及び図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態は、ＮＯｘ吸着材と並列に配置されたバイパス触媒を備えており、この点を含めて実施の形態１と構成が異なっている。なお、本実施の形態では、実施の形態１と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

［実施の形態２の特徴］
図６は、本発明の実施の形態２のシステム構成を説明するための全体構成図である。本実施の形態のシステムは、実施の形態１の構成に加えて、バイパス通路７０、バイパス触媒７２および切換弁７４，７６を備えている。バイパス通路７０は、ＮＯｘ吸着材３２をバイパスする位置で排気通路１４に接続されている。また、バイパス触媒７２は、例えば前述した脱離温度以上の中間温度領域において、少なくとも排気ガス中のＮＯｘを浄化することが可能な触媒であり、バイパス通路７０に設けられている。

また、切換弁７４，７６は、電磁駆動式の開閉弁等からなり、排気ガスの流路をＮＯｘ吸着材３２とバイパス通路７０との間で切換える流路切換手段を構成している。即ち、一方の切換弁７４を開弁し、他方の切換弁７６を閉弁した状態では、排気ガスがＮＯｘ吸着材３２を通過する。また、一方の切換弁７４を閉弁し、他方の切換弁７６を開弁した状態では、排気ガスがバイパス通路７０を流通する構成となっている。なお、本発明の流路切換手段としては、切換弁７４，７６に代えて、排気通路１４とバイパス通路７０との接続位置に単一の三方弁等を設ける構成としてもよい。

（中間温度領域におけるＮＯｘ浄化制御）
内燃機関の運転状況によっては、ＮＯｘの脱離動作が生じる中間温度領域において、ストイキ燃焼制御を実行するのが難しい場合がある。この場合には、ストイキ燃焼制御を無理に実行せず、リーン燃焼制御等を実行するが、脱離したＮＯｘを良好に燃焼させるのが難しくなる。このため、本実施の形態では、中間温度領域においてストイキ燃焼制御を実行しないときに、排気ガスをバイパス通路７０に流通させ、排気ガス中のＮＯｘをバイパス触媒７２により浄化する。そして、ストイキ燃焼制御が可能となるまで、脱離したＮＯｘを吸気系に還流させずに待機する構成としている。

［実施の形態２を実現するための具体的な処理］
図７は、本発明の実施の形態２において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフロチャートである。この図に示すルーチンは、内燃機関の運転中に繰返し実行される。図７に示すルーチンでは、まず、ステップ２００〜２０８において、実施の形態１と同様の手順によりＮＯｘ吸着制御を実行し、排気系の温度が脱離温度以上であるか否かを判定する。

そして、ステップ２０８の判定成立時には、ＮＯｘ脱離還流制御に適した運転状態、即ち、ストイキ燃焼制御が実行可能な運転状況であるか否かを判定する（ステップ２１０）。この判定成立時には、切換弁７４，７６をＮＯｘ吸着材３２側に切換えることにより、排気ガスをＮＯｘ吸着材３２に流通させる（ステップ２１２）。そして、ステップ２１４〜２１８において、実施の形態１と同様の手順によりＮＯｘ脱離還流制御を実行する。

一方、ステップ２１０の判定が不成立のときには、切換弁７４，７６をバイパス通路７０側に切換えることにより、排気ガスをバイパス触媒７２に流通させ、ＮＯｘ浄化制御を実行する（ステップ２２０）。

このように構成される本実施の形態でも、前記実施の形態１とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、バイパス通路７０とバイパス触媒７２とを備えているので、ＮＯｘの脱離温度等に応じて燃焼制御の実行条件が制限されたり、燃焼制御の実行条件等に応じてＮＯｘ吸着手段の脱離温度が制限されるのを回避することができる。従って、システムの設計時等には、制御の設計自由度やＮＯｘ吸着手段の選択自由度を広げることができる。

実施の形態３．
次に、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。本実施の形態は、ＮＯｘ浄化触媒を備えており、この点を特徴としている。なお、本実施の形態では、実施の形態１と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

［実施の形態３の特徴］
図８は、本発明の実施の形態３のシステム構成を説明するための全体構成図である。本実施の形態のシステムは、実施の形態１の構成に加えて、ＮＯｘ吸着材３２の下流側で排気通路１４に設けられたＮＯｘ浄化触媒としての三元触媒８０を備えている。三元触媒８０は、一般的に知られているように、排気空燃比が理論空燃比を含む所定範囲（浄化ウィンドウ）内であるときに、排気ガス中のＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等を浄化することができる。

このように構成される本実施の形態でも、前記実施の形態１とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、ＮＯｘ吸着材３２から脱離したＮＯｘを、筒内での燃焼により浄化するだけでなく、三元触媒８０によっても浄化することができる。従って、仮にＮＯｘの一部が燃焼室をすり抜けたとしても、このＮＯｘが大気中に放出されるのを三元触媒８０により確実に防止することができる。

実施の形態４．
次に、図９を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態は、補助動力手段を備えており、この点を特徴としている。なお、本実施の形態では、実施の形態１と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

［実施の形態４の特徴］
図９は、本発明の実施の形態３のシステム構成を説明するための全体構成図である。本実施の形態のシステムは、ハイブリッド車等の車両に搭載されるものであり、前記実施の形態３の構成に加えて、補助動力手段としての電動モータ９０を備えている。電動モータ９０は、バッテリ９２から給電されることにより補助動力を発生するもので、内燃機関１０と電動モータ９０のうち少なくとも一方の動力源により発生された動力は、動力分割機構９４と減速機９６とを介して車輪９８に伝達される。また、動力分割機構９４には発電機１００が接続されており、この発電機１００により発電された電力は、インバータ１０２を介してバッテリ９２に充電される。

そして、ＥＣＵ６０は、内燃機関１０と電動モータ９０のうち何れか一方（場合によっては両方）の動力源を作動させ、車両の運転状態等に応じて動力源を切換えるように構成されている。また、本実施の形態において、ＮＯｘ脱離還流制御を行うときには、ＥＣＵ６０により内燃機関１０と電動モータ９０の両方が駆動される。即ち、ＥＣＵ６０は、モータの動力により内燃機関を補助しつつ、内燃機関１０においてストイキ燃焼制御を実行するように構成されている。

このように構成される本実施の形態でも、前記実施の形態１，３とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、電動モータ９０により、ストイキ燃焼制御を実行可能な運転領域を広げることができる。即ち、内燃機関１０は、通常時にリーン燃焼を行うディーゼルエンジンであるため、運転性能等を考慮すると、ストイキ燃焼制御を実行可能な運転領域が制限される場合がある。しかし、本実施の形態では、電動モータ９０を併用することにより、ストイキ燃焼制御中でも運転性能を確保することができる。これにより、内燃機関１０では、車両の運転状況等に影響されることなく、所望のタイミングでストイキ燃焼制御を行うことができる。従って、ハイブリッド車に適用することにより、広い運転領域でＮＯｘ脱離還流制御の効果を十分に発揮することができる。

なお、前記実施の形態では、図５、図７中のステップ１００，１０２，２００，２０２が吸着制御手段の具体例を示し、ステップ１１０，２１４は脱離時燃焼制御手段の具体例を示している。また、ステップ２１０，２１２，２２０は排気流路制御手段の具体例、ステップ１１０，２１４は排気流量制御手段の具体例をそれぞれ示している。

また、実施の形態２では、実施の形態１の構成に対して、バイパス通路７０とバイパス触媒７２を設けるものとした。しかし、本発明はこれに限らず、実施の形態３，４に対してバイパス通路７０とバイパス触媒７２を設ける構成としてもよい。即ち、一つのシステムにバイパス通路７０、バイパス触媒７２および三元触媒８０を設けたり、これらをハイブリッド車に適用する構成としてもよい。

また、実施の形態では、排気ガス中に添加する活性酸素として、オゾンを例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、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。

さらに、実施の形態では、ディーゼルエンジンからなる内燃機関１０に適用する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、例えばガソリンエンジン等を含めて各種の内燃機関に広く適用し得るものである。

１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
１６ スロットルバルブ
１８ 燃料噴射弁
２０ 燃料添加弁
２２ 過給機
２４ ＥＧＲ通路
２６ ＥＧＲ弁
２８ ＥＧＲクーラ
３０ 酸化触媒
３２ ＮＯｘ吸着材（ＮＯｘ吸着手段）
３４ ＤＰＦ
３６ オゾン生成器（活性酸素供給手段）
３８ オゾン供給口
４０ 還流通路
４２ 還流制御弁
４４ クーラ
４６ 排気弁（排気流量可変手段）
４８ 温度センサ
５０ ＮＯｘセンサ
６０ ＥＣＵ
７０ バイパス通路
７２ バイパス触媒（触媒）
７４，７６ 切換弁（流路切換手段）
８０ 三元触媒（ＮＯｘ浄化触媒）
９０ 電動モータ（補助動力手段）

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、少なくとも活性酸素の存在下で排気ガス中のＮＯｘを吸着することが可能なＮＯｘ吸着手段と、
   前記ＮＯｘ吸着手段に活性酸素を供給する活性酸素供給手段と、
   前記ＮＯｘ吸着手段の下流側で前記排気通路に接続され、前記ＮＯｘ吸着手段から脱離したＮＯｘを吸気系に還流させる還流通路と、
   前記ＮＯｘ吸着手段をバイパスする位置で前記排気通路に接続され、少なくとも排気ガス中のＮＯｘを浄化する触媒が設けられたバイパス通路と、
   排気ガスの流路を前記ＮＯｘ吸着手段と前記バイパス通路との間で切換えることが可能な流路切換手段と、
   内燃機関を補助するための補助動力を発生する補助動力手段と、
   前記ＮＯｘ吸着手段が活性酸素の存在下でＮＯｘを吸着可能な温度の上限値である吸着上限温度と比較して、排気ガスの温度が前記吸着上限温度以下であるときに、前記活性酸素供給手段を作動させる吸着制御手段と、
   前記ＮＯｘ吸着手段に吸着されていたＮＯｘが脱離し始める温度であって前記吸着上限温度よりも高い温度に設定された脱離温度と比較して、排気ガスの温度が前記脱離温度以上であり、かつ、内燃機関の空燃比が理論空燃比となるように制御するストイキ燃焼制御が実行可能である場合に、前記ストイキ燃焼制御を実行しつつ、前記ＮＯｘ吸着手段から脱離したＮＯｘを前記還流通路を介して吸気系に還流させる一の脱離時燃焼制御手段と、
   排気ガスの温度が前記脱離温度以上であり、かつ、前記ストイキ燃焼制御の実行が困難である場合に、前記補助動力手段を作動させた状態で前記ストイキ燃焼制御を実行しつつ、前記ＮＯｘ吸着手段から脱離したＮＯｘを前記還流通路を介して吸気系に還流させる他の脱離時燃焼制御手段と、
   排気ガスの温度が前記脱離温度以上であり、かつ、前記ストイキ燃焼制御の実行が困難である場合に、リーン燃焼制御を実行しつつ、排気ガスを前記流路切換手段により前記バイパス通路に流通させる排気流路制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記還流通路の接続位置よりも下流側で前記排気通路に設けられ、前記排気通路を流れる排気ガスの流量を可変に設定する排気流量可変手段と、
   ＮＯｘの脱離動作中に前記排気流量可変手段により排気ガスの流量を抑制する排気流量制御手段と、
   を備えてなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記ＮＯｘ吸着手段の下流側で前記排気通路に設けられ、少なくとも排気ガス中のＮＯｘを浄化することが可能なＮＯｘ浄化触媒を備えてなる請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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