JP6390492B2 - ＮＯｘ浄化システム制御装置および還元剤添加システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気に含まれるＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ浄化システム制御装置に関する。

ＮＯｘを還元する還元触媒成分を有する触媒層には、排気に含まれる硫黄成分が吸着（硫黄被毒）して、還元能力が低下するといった問題がある。この問題に対し、触媒層にチタニア（被毒抑制成分）を添加させれば、硫黄被毒を抑制できることが従来より知られている（特許文献１参照）。

特開２００９−１３１７５９号公報

さて、炭化水素化合物を還元剤として採用し、その還元剤を、排気通路のうち触媒層の上流側へ添加する方式のＮＯｘ浄化システムにおいて、還元剤を部分的に酸化させて改質することで、還元能力向上を図る技術が知られている。

しかしながら、この技術に用いられた触媒層に、上述した被毒抑制成分を添加して硫黄被毒の抑制を図ろうとすると、以下の課題が生じることを本発明者らは見出した。すなわち、被毒抑制成分は、改質した還元剤が排気中の酸素と反応してＮＯｘと反応することなく燃焼することを促してしまい、このような燃焼が生じると、還元能力の著しい低下を招く。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、還元剤の改質による還元能力向上と、被毒抑制成分による硫黄被毒抑制との両立を図った還元剤添加制御装置、および還元剤添加システム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還元剤添加制御装置である。この還元剤添加制御装置は、内燃機関（１０）の排気に含まれるＮＯｘを還元する還元触媒成分、および排気に含まれる硫黄成分による被毒を抑制する被毒抑制成分を含む触媒層（１２ｂ）と、触媒層を支持する基材（１２ａ）とを有するＮＯｘ浄化装置（１２）と、炭化水素化合物である還元剤を部分的に酸化させて改質する改質手段（２１、３０）を有し、内燃機関の排気通路（１０ｅｘ）のうちＮＯｘ浄化装置の上流側へ改質された還元剤を添加する還元剤添加装置（Ｄ）と、を備えるＮＯｘ浄化システムに適用されたＮＯｘ浄化システム制御装置において、被毒抑制成分の活性化度合いを推定する推定手段（４１ａ）と、活性化度合いに応じて改質の度合いを変化させるよう、改質手段の作動を制御する制御手段（４１ｂ）と、を備えることを特徴とする。

被毒抑制成分の酸化力が弱くなっている状況下では、改質した還元剤が排気中の酸素と反応して燃焼する現象が殆ど生じない。この点に着目した本発明では、被毒抑制成分の活性化度合いを推定し、推定した活性化度合いに応じて還元剤の改質度合いを変化させる。そのため、被毒抑制成分が高活性の場合には、改質度合いを低減または改質停止させて、還元剤がＮＯｘと反応することなく燃焼することを抑制できる。その一方で、被毒抑制成分が低活性の場合には、改質度合いを増大させて、還元剤がＮＯｘと反応することを促進させることができる。

したがって、被毒抑制成分を触媒層に含ませることで硫黄被毒を抑制させつつも、還元剤を改質することによる還元能力向上の効果を得ることができる。つまり、還元剤の改質による還元能力向上と、被毒抑制成分による硫黄被毒抑制との両立を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係るＮＯｘ浄化システム制御装置、およびその制御装置の制御対象となるＮＯｘ浄化システムを示す模式図。 図１に示すＮＯｘ浄化装置の斜視図。 図２に示すＮＯｘ浄化装置の、基材および触媒層を模式的に示す断面図。 図３に示す触媒層で生じるＮＯｘ還元浄化の原理を説明する図。 図１に示すＮＯｘ浄化システム制御装置による制御手順を示すフローチャート。 チタニアを含まない触媒層を用いた場合において、改質燃料を添加して試験した結果を示す。 チタニアを含む触媒層を用いた場合において、改質燃料を添加して試験した結果を示す図。 硫黄被毒した触媒層を用いて試験した結果を示す図。 改質燃料を添加した場合と非改質燃料を添加した場合の各々で試験した結果を示す図。 触媒温度に応じて改質モードを切り替えて試験した結果を示す図。 本発明の第２実施形態において、ＮＯｘ浄化システム制御装置による制御手順を示すフローチャート。 本発明の第３実施形態において、ＮＯｘ浄化システム制御装置による制御手順を示すフローチャート。 本発明の第４実施形態において、ＮＯｘ浄化システム制御装置による制御手順を示すフローチャート。 本発明の第５実施形態において、ＮＯｘ浄化システム制御装置による制御手順を示すフローチャート。 本発明の他の実施形態において、硫黄吸着量と改質度合いとの関係を示す図。 本発明の他の実施形態において、触媒温度と改質度合いとの関係を示す図。

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、以下に詳述する内燃機関１０、過給機１１、ＮＯｘ浄化装置１２、微粒子捕集装置（ＤＰＦ１３）、および還元剤添加装置Ｄを備える。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、内燃機関１０の出力を駆動源として走行する。内燃機関１０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１０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（リーン燃焼）させている。

過給機１１は、タービン１１ａ、回転軸１１ｂおよびコンプレッサ１１ｃを備える。タービン１１ａは、内燃機関１０の排気通路１０ｅｘに配置され、排気の運動エネルギにより回転する。回転軸１１ｂは、タービン１１ａおよびコンプレッサ１１ｃの各インペラを結合することで、タービン１１ａの回転力をコンプレッサ１１ｃに伝達する。コンプレッサ１１ｃは、内燃機関１０の吸気通路１０ｉｎに配置され、吸気を圧縮して燃焼室へ送風する。排気通路１０ｅｘのうちタービン１１ａの下流側にはＮＯｘ浄化装置１２が配置され、さらにその下流側にはＤＰＦ１３（Diesel Particulate Filter）が配置されている。ＤＰＦ１３は、排気に含まれている微粒子を捕集する。

排気通路１０ｅｘのうちＮＯｘ浄化装置１２の上流側には、還元剤添加装置Ｄの供給管２３が接続されている。この供給管２３から排気通路１０ｅｘへ、還元剤添加装置Ｄにより生成された改質燃料が還元剤として添加される。改質燃料とは、還元剤として用いる炭化水素化合物（燃料）を部分的に酸化して、アルデヒド等の部分酸化炭化水素に改質したものである。また、還元剤添加装置Ｄは、供給管２３から排気通路１０ｅｘへオゾンを供給する機能を有する。

図２および図３に示すＮＯｘ浄化装置１２は、モノリスハニカム基材などの基材１２ａ、および基材１２ａに支持された触媒層１２ｂを有する。基材１２ａは、コージェライトなどのセラミックス製であり、基材１２ａの隔壁上にコーティング材（触媒層１２ｂ）が形成されて支持されている。触媒層１２ｂには、以下に説明する還元触媒成分および被毒抑制成分が含まれている。還元触媒成分および被毒抑制成分は均一に混合され、図３に示すように単層に形成される。

還元触媒成分は、排気に含まれるＮＯｘを還元する成分であり、銀担持ゼオライトや銀担持アルミナ等の銀を含む成分が用いられている。例えば銀担持ゼオライトは、アルミニウムにイオン結合しているアンモニウムイオンなどの陽イオンの少なくとも一部を銀イオンで置換することにより得られる。例えば銀担持アルミナは、アルミナ粒子の表面に銀微粒子を担持させることにより得られる。以下、還元触媒成分のことを単に銀触媒と呼ぶ場合がある。被毒抑制成分にはチタニアが用いられており、排気に含まれる硫黄成分による被毒を抑制する。

図４は、基材１２ａで仕切られて形成された複数本の内部通路１２ｃにおいて、ＮＯｘが改質還元剤で還元浄化される様子を示す。以下、図４中の（ａ）に示すように、銀触媒にＮＯ_２が吸着された状態、かつ、ＳＯ_２を吸着した状態（硫黄被毒した状態）において、改質還元剤としてアルデヒド（Ｒ−ＣＨＯ）を排気通路１０ｅｘへ添加した状況について説明する。なお、触媒層１２ｂにチタニア（ＴｉＯ_２）が存在することにより、触媒層１２ｂへのＳＯ_２の吸着量が低減する。

先ず、排気通路１０ｅｘへ添加されたアルデヒドは銀触媒に吸着される。そして、内燃機関１０のリーン燃焼時には、銀触媒に接触する排気中には酸素分子が含まれている。この酸素分子により、銀触媒に吸着されたアルデヒドは酸化され、（ｂ）に示す如くアセテート（Ｒ−ＣＯＯ）に変化する。

このように銀触媒上で生成されたアセテートは、銀触媒に吸着されているＮＯ_２と結合しやすい物質である。そのため、銀触媒に吸着された状態のアセテートは、（ｃ）に示す如く、銀触媒に吸着されているＮＯ_２と結合して、イソシアネート（Ｒ−ＮＣＯ）に変化する。その後、銀触媒に吸着されたイソシアネートは、（ｄ）に示す如く排気中の酸素分子により酸化され、その結果、Ｎ_２やＨ_２Ｏ、ＣＯ_２に分解されて銀触媒から脱離する。

以上の如く、ＮＯｘ浄化装置１２は、排気中のＮＯｘを銀触媒上で改質燃料と反応させてＮ_２に還元することで、排気に含まれているＮＯｘを浄化する。なお、排気中にはＮＯｘの他にＯ_２（酸素）も含まれているが、改質燃料はＯ_２存在下においてＮＯｘと選択的に反応する。

さらに、触媒層１２ｂはＮＯｘを吸着する機能を有する。具体的には、還元触媒成分および被毒抑制成分の少なくとも一方に、ＮＯｘを吸着する機能を有した成分を採用する。例えば、上述した銀触媒およびチタニアのうち、主に銀触媒がＮＯｘ吸着機能を有する。チタニアも僅かにＮＯｘ吸着機能を有する。還元反応が可能となる活性化温度よりも触媒温度が低い場合に、銀触媒およびチタニアは排気中のＮＯｘを吸着する機能を発揮する。吸着されていたＮＯｘは、触媒温度が活性化温度以上の場合には、銀触媒から脱離する。そして、脱離したＮＯｘは改質燃料により還元されて浄化される。

次に、改質燃料を生成して供給管２３から排気通路１０ｅｘへ添加する還元剤添加装置Ｄについて説明する。還元剤添加装置Ｄは、以下に詳述する反応容器２０、ヒータ２１、噴射弁２２、オゾナイザ３０、エアポンプ３０ｐ、供給管２３、送風管２６、および逆止弁２６ｖを備える。

オゾナイザ３０は、内部に流通路３２ａを形成するハウジング３２を備え、流通路３２ａには複数の電極３１が配置されている。これらの電極３１は、互いに平行に対向するように配置された平板形状であり、高電圧が印加される電極と接地電圧の電極とが交互に配置されている。電極３１への電圧印加は、電子制御装置（ＥＣＵ４０）が備えるマイクロコンピュータ（マイコン４１）により制御される。

オゾナイザ３０のハウジング３２には、エアポンプ３０ｐにより送風された空気が流入する。エアポンプ３０ｐは、遠心式のエアポンプであり、電動モータにより駆動されるインペラをケース内に収容して構成される。この電動モータはマイコン４１により制御される。エアポンプ３０ｐは、ケースに形成された吸入口３０ｉｎから大気を吸入して加圧し、オゾナイザ３０へ送風する。オゾナイザ３０へ送風された空気は、ハウジング３２内の流通路３２ａに流入し、電極３１間の通路である電極間通路３１ａを流通する。

オゾナイザ３０は、送風管２６を介して反応容器２０に接続される。送風管２６には、電磁駆動式の逆止弁２６ｖが取り付けられている。逆止弁２６ｖの開閉駆動はマイコン４１により制御される。詳細には、逆止弁２６ｖの弁体は全開位置と全閉位置とに切り替え制御される。したがって、エアポンプ３０ｐを駆動させて逆止弁２６ｖを開弁駆動させると、電極間通路３１ａを流通した空気は、送風管２６、反応容器２０および供給管２３を順に流通して排気通路１０ｅｘへ流入することとなる。つまり、供給管２３および送風管２６は、エアポンプ３０ｐにより送風される空気を排気通路１０ｅｘへ導く送風管を提供する。

反応容器２０には、ヒータ２１および噴射弁２２が取り付けられており、反応容器２０の内部には、流入口２０ｉｎおよび流出口２０ｏｕｔと連通する反応室２０ａが形成されている。ヒータ２１は、通電により発熱する発熱部を有し、発熱部への通電はマイコン４１により制御される。具体的には、発熱部への電力供給量をマイコン４１がデューティ制御することにより、発熱量が制御される。発熱部は反応室２０ａに配置され、噴射弁２２から反応室２０ａへ噴射された燃料を加熱する。反応室２０ａの温度は反応室温度センサ２７により検出される。反応室温度センサ２７は、検出した温度の情報（反応室温度）をＥＣＵ４０へ出力する。

噴射弁２２は、噴孔が形成されたボデー、電気アクチュエータおよび弁体を有する。電気アクチュエータを通電オンさせると、弁体が開弁作動して噴孔から反応室２０ａへ燃料が噴射され、通電オフさせると弁体が閉弁作動して燃料噴射が停止される。マイコン４１は、電気アクチュエータへの通電を制御することで、反応室２０ａへの単位時間当たりの燃料噴射量を制御する。図示しない燃料タンク内の液体燃料は、図示しない燃料ポンプにより噴射弁２２へ供給される。燃料タンク内の燃料は、先述した燃焼用の燃料としても用いられており、内燃機関１０の燃焼に用いる燃料と、還元剤として用いる燃料は共用される。

噴射弁２２から反応室２０ａへ噴射された燃料は、発熱部に衝突し、加熱されて気化する。気化した燃料は、流入口２０ｉｎから反応室２０ａへ流入した空気と混合される。その結果、空気中の酸素により気体燃料が部分的に酸化され、アルデヒド等の部分酸化炭化水素に改質される。このように改質された気体燃料（改質燃料）は、供給管２３を通じて排気通路１０ｅｘに流入する。

さて、オゾナイザ３０の電極３１へ通電すると、電極３１から放出された電子が、電極間通路３１ａの空気中に含まれる酸素分子に衝突する。すると、酸素分子からオゾンが生成される。つまり、オゾナイザ３０は、放電により酸素分子をプラズマ状態にしてオゾンを生成する。したがって、オゾナイザ３０への通電時には、送風管２６を流通する空気にオゾンが含まれる。

反応室２０ａでは以下に詳述する冷炎反応が生じている。この冷炎反応は、流入口２０ｉｎから流入する空気中の酸素により気体燃料が部分的に酸化される反応である。このように部分的に酸化された燃料（改質燃料）の具体例として、燃料（炭化水素化合物）の一部がアルデヒド基（ＣＨＯ）に酸化された状態の部分酸化物（例えばアルデヒド）が挙げられる。

さて、噴射した燃料と供給される空気の比率である当量比、および噴射された燃料の雰囲気温度を所定範囲に調整すると、噴射された燃料は、熱炎反応に達することなく冷炎反応する。熱炎反応とは、燃料が完全燃焼して二酸化炭素および水が生成される反応である。冷炎反応とは、空気中の酸素により燃料が部分的に酸化される反応である。このように部分的に酸化された燃料（改質燃料）の具体例として、燃料（炭化水素化合物）の一部がアルデヒド基（ＣＨＯ）に酸化された状態の部分酸化物（例えばアルデヒド）が挙げられる。この知見に基づき、当量比および雰囲気温度を調整することで、反応室２０ａにて冷炎反応を生じさせ、燃料を部分酸化させて改質する。

ＮＯｘ浄化システム制御装置であるＥＣＵ４０は、ＮＯｘ浄化装置１２および還元剤添加装置Ｄを備えるＮＯｘ浄化システムに適用されることを前提とする。なお、還元剤添加装置ＤおよびＥＣＵ４０は還元剤添加システムを提供する。ＥＣＵ４０が備えるマイコン４１は、プログラムを記憶する記憶装置と、記憶されたプログラムにしたがって演算処理を実行する中央演算処理装置と、を備える。ＥＣＵ４０は、アクセルペダル踏込量（エンジン負荷）、機関回転速度（エンジン回転数）、吸気圧、排気圧等の各種検出値に基づき、内燃機関１０の作動を制御する。

さらにＥＣＵ４０は、エンジン負荷やエンジン回転数等の内燃機関１０の作動状態の検出値に加え、反応室温度センサ２７、触媒温度センサ４２および排気温度センサ４３により検出された物理量に基づき、還元剤添加装置Ｄの作動を制御する。なお、触媒温度センサ４２は、ＮＯｘ浄化装置１２に取り付けられ、触媒層１２ｂの雰囲気温度（触媒温度）を検出する。排気温度センサ４３は、排気管に取り付けられて排気温度を検出する。

概略、ＥＣＵ４０は以下のように還元剤添加装置Ｄの作動を制御する。すなわち、反応室温度に基づき、排気通路１０ｅｘへ還元剤を供給する還元剤供給制御とオゾンを供給するオゾン供給制御とを切り替える。また、還元剤添加制御を実施するにあたり、反応室温度に基づき、強改質制御、弱改質制御および改質停止制御を切り替える。

具体的には、内燃機関１０が運転中であれば、図５に示す手順のプログラムをマイコン４１が所定周期で繰り返し実行することで、還元剤添加装置Ｄの作動を制御する。なお、内燃機関１０の運転が停止されて図５の処理を終了させる場合には、エアポンプ３０ｐ、オゾナイザ３０、ヒータ２１、噴射弁２２を全て停止させ、逆止弁２６ｖを閉弁作動させる。

先ず、図５のステップＳ１０において、触媒層１２ｂに吸着されたＮＯｘを浄化することが要求されているか否かを判定する。例えば、触媒温度が活性化温度（例えば２５０℃）以上である場合に、触媒層１２ｂに吸着されているＮＯｘを浄化する要求が為されていると判定する。内燃機関１０が運転中であるにも拘らず、ステップＳ１０にてＮＯｘ浄化が要求されていないと判定される状況としては、以下の２つが挙げられる。

第１の状況は、内燃機関１０からＮＯｘが排出されるものの触媒温度が活性化温度未満であり、還元剤を添加してもＮＯｘを浄化できない状況である。この場合、還元剤の添加を停止させるとともに、以下に説明するオゾン供給制御を実施する。オゾン供給制御では、概略、ヒータ２１への通電を停止させるとともに、噴射弁２２への通電を停止させて燃料噴射を停止させた状態で、オゾナイザ３０でオゾンを生成する。そして、生成したオゾンを、送風管２６および供給管２３を通じて排気通路１０ｅｘへ供給する。これにより、ＮＯｘ浄化装置１２の銀触媒が活性化していない場合において、排気中のＮＯがオゾンによりＮＯ_２に酸化されて、触媒層１２ｂへのＮＯｘ吸着量が増大する。

第２の状況は、触媒温度が活性化温度以上であるため、内燃機関１０から排出されるＮＯｘを燃料で還元浄化できる状況である。この場合、内燃機関１０から排出されるＮＯｘ量に応じた還元剤を過不足無く添加して、内部通路１２ｃを通過するＮＯｘを還元して浄化する。

一方、ステップＳ１０にてＮＯｘの浄化が要求されていると判定された場合には、ステップＳ２０において、触媒温度が所定温度Ｔａより高温であるか否かを判定する。この判定に用いる所定温度Ｔａは、先述した活性化温度よりも高い温度（例えば３００℃）に設定されている。

ステップＳ２０にて触媒温度が所定温度Ｔａより高温でないと判定された場合、ステップＳ９１にて後述する強改質制御を実施する。一方、ステップＳ２０にて触媒温度が所定温度Ｔａより高温であると判定された場合、続くステップＳ３０おいて、触媒層１２ｂに吸着している硫黄成分の量（硫黄吸着量）、つまり硫黄被毒量を算出する。具体的には、内燃機関１０の運転状態に基づきＮＯｘ浄化装置１２へのＳＯｘ流入量を算出し、そのＳＯｘ流入量の推移に基づき硫黄吸着量を算出する。

続くステップＳ３１では、ステップＳ３０で算出した硫黄吸着量が第１閾値Ｍ１より多いか否かを判定する。第１閾値Ｍ１より多いと判定された場合、続くステップＳ３２では、硫黄吸着量が第２閾値Ｍ２より多いか否かを判定する。第２閾値Ｍ２は第１閾値Ｍ１よりも大きい値に設定されている。硫黄吸着量が第２閾値Ｍ２より多いと判定された場合（Ｓ３２：ＹＥＳ）、ステップＳ９１にて強改質制御を実施する。硫黄吸着量が第２閾値Ｍ２以下と判定された場合（Ｓ３２：ＮＯ）、ステップＳ９２にて弱改質制御を実施する。硫黄吸着量が第１閾値Ｍ１以下と判定された場合（Ｓ３１：ＮＯ）、ステップＳ９３にて改質停止制御を実施する。

ステップＳ９１に係る強改質制御では、オゾナイザ３０で生成されたオゾン、空気中の酸素、およびヒータ２１により気化された燃料が混合され、オゾンが存在する環境下で燃料が冷炎反応して部分酸化される。

具体的には、反応室温度センサ２７による検出値（反応室温度）が、予め設定しておいた目標温度と一致するよう、ヒータ２１をフィードバック制御する。目標温度は、熱炎反応に達することなく冷炎反応させる雰囲気温度（例えば３７０℃）となるように設定されている。

さらに、上記強改質制御では、ＮＯｘ浄化装置１２へ流入したＮＯｘの全てを還元するにあたり、過不足なくＮＯｘ浄化装置１２へ供給するための還元剤添加量を、目標燃料量として算出する。例えば、単位時間当たりにＮＯｘ浄化装置１２へ流入するＮＯｘ流入量、触媒層１２ｂに吸着されているＮＯｘ吸着量および触媒温度に基づき、目標燃料量を設定する。ＮＯｘ流入量は、内燃機関１０の運転状態に基づき推定される。ＮＯｘ吸着量は、内燃機関１０の運転状態および還元剤添加の履歴に基づき推定される。そして、算出した目標燃料量に基づき、噴射弁２２の作動を制御して燃料噴射を実施する。

さらに、上記強改質制御では、反応室温度に基づき、冷炎反応を生じさせるように目標当量比を算出する。そして、目標当量比および目標燃料量に基づき目標空気量を算出し、この目標空気量に基づき、エアポンプ３０ｐの作動を制御する。上述のごとく反応室温度および当量比を制御することで、冷炎反応を生じさせて改質燃料が生成される。

さらに、上記強改質制御では、逆止弁２６ｖを開弁制御するとともに、反応容器２０内での燃料の濃度に応じて、オゾナイザ３０への供給電力を制御する。詳細には、目標燃料量に基づき目標オゾン量を算出する。具体的には、反応室２０ａにおけるオゾン濃度の燃料濃度に対する比率が所定値（例えば０．２）となるように、目標オゾン量を算出する。例えば、所定時間（例えば０．０２秒）内に冷炎反応を完了させるよう、上記比率を設定する。また、触媒温度が低いほど目標オゾン量を増加させるように設定する。

そして、目標空気量および目標オゾン量に基づき、オゾナイザ３０への目標通電量を算出する。具体的には、目標空気量が多いほど、電極間通路３１ａでの空気の滞留時間が短くなるので、目標通電量を大きくする。また、目標オゾン量が多いほど、目標通電量を大きくする。次に、目標通電量に基づき、オゾナイザ３０への通電量を制御する。具体的には、目標通電量が大きいほど、オゾナイザ３０への通電デューティ比を増大させる。或いは、今回の通電終了から次回の通電開始までのインターバルを短くする。

このような処理を実行することにより、オゾンが生成され、そのオゾンが反応容器２０内に供給されるので、冷炎反応の開始時期の早期化と冷炎反応時間の短縮化が図られる。よって、改質されずに添加される燃料の割合が少なくなり、かつ、炭素数の少ない炭化水素化合物に燃料が改質される。つまり、改質の度合いが大きくなる。

ステップＳ９２による弱改質制御では、ヒータ制御、燃料噴射制御、エアポンプ制御および開弁制御を実施しつつ、放電制御を実施しない。つまり、オゾナイザ３０への通電を停止させてオゾン生成を停止させつつ、噴射弁２２から噴射した燃料をヒータ２１で加熱してエアポンプ３０ｐで添加する。このような弱改質制御によれば、改質されずに添加される燃料の割合が多くなり、かつ、炭素数の多い炭化水素化合物に燃料が改質される。つまり、弱改質制御によれば、強改質制御に比べて改質の度合いが小さくなる。

ステップＳ９３による改質停止制御では、燃料噴射制御、エアポンプ制御および開弁制御を実施しつつ、放電制御およびヒータ制御を実施しない。つまり、オゾナイザ３０およびヒータ２１を停止させて、オゾン生成と燃料加熱を停止させつつ、噴射弁２２から噴射した燃料をエアポンプ３０ｐで添加する。このような改質停止制御によれば、酸素やオゾンによる酸化が為されることなく部分酸化していない燃料が、排気通路１０ｅｘへ添加される。よって、改質されずに添加される燃料の割合が多くなり、かつ、炭素数の多い炭化水素化合物に燃料が改質される。なお、添加された燃料のうちの極一部が、排気通路１０ｅｘ内で温度上昇して部分酸化される場合もある。つまり、改質停止制御によれば、弱改質制御に比べて改質の度合いが小さくなる。または改質されなくなる。

要するに、図５の処理では、触媒層１２ｂに吸着されたＮＯｘを浄化するにあたり、触媒温度および硫黄吸着量に応じて、添加する燃料の改質度合いを変化させている。触媒温度および硫黄吸着量は、被毒抑制成分であるチタニアの活性化度合いを表わす物理量であると言える。具体的には、触媒温度が低いほどチタニアの活性化度合いは低くなる。特に、チタニアの温度が所定温度（例えば３００℃）未満である場合には、チタニアの酸化力は極めて小さい状態となっている。また、硫黄吸着量が多いほどチタニアの活性化度合いは低くなる。

燃料を加熱して部分酸化が生じやすい最適な温度に調整するヒータ２１は、燃料を改質する改質手段を提供していると言える。オゾンを生成してオゾン環境下で燃料の部分酸化を促進させるオゾナイザ３０は、燃料を改質する改質手段を提供していると言える。図５の処理を実行するマイコン４１は、チタニアの活性化度合いを推定する推定手段４１ａ（図１参照）、およびチタニアの活性化度合いに応じて燃料の改質度合いを変化させるよう改質手段の作動を制御する制御手段４１ｂを提供していると言える。

次に、触媒温度および硫黄吸着量に応じて改質度合いを変化させることによる技術的意義について、図６〜図１０を用いて説明する。図６〜図１０は、所定の流量でＮＯｘをＮＯｘ浄化装置１２へ流入させ、ＮＯｘ浄化装置１２の下流側でＮＯｘ濃度を検出する試験の結果を示す。つまり、検出されたＮＯｘ濃度が低いほど、ＮＯｘ浄化装置１２による還元浄化能力が高いことを意味する。また、図中の横軸は触媒温度を示す。図中の破線は、還元剤を添加しなかった場合の試験結果を示す。図中の実線は、強改質制御により改質された還元剤（ＨＣ）を添加した場合の試験結果を示す。

図６は、本実施形態に反してチタニアを含んでいない触媒層を用いて試験した結果を示す。図示されるように、チタニアを含んでいなければ、想定される使用温度範囲１５０℃〜５５０℃において、殆どのＮＯｘが浄化され、浄化率が約９５％となる。なお、２５０℃〜３５０℃の範囲でＮＯｘ濃度が低下しているのは、触媒層１２ｂにＮＯｘが吸着されることに起因する。２５０℃〜５００℃の範囲でＮＯｘ濃度が上昇しているのは、吸着されていたＮＯｘが触媒層１２ｂから脱離することに起因する。

図７は、チタニアを含んだ触媒層１２ｂであって、硫黄被毒していない新品の触媒層１２ｂを用いて試験した結果を示す。図示されるように、触媒温度が３００℃を超えて高い場合には、ＮＯｘ浄化率が著しく低下する。この現象は、チタニアの活性化温度が約３００℃であり、３００℃以上になるとチタニアの酸化力が著しく高くなることに起因する。すなわち、活性化したチタニアは、改質燃料が排気中の酸素と反応してＮＯｘと反応することなく燃焼することを促してしまう。具体的には、部分酸化燃料が銀触媒上で酸素と反応してＣＯ_２まで一気に酸化するといった、燃焼反応が生じてしまう。つまり、図４（ａ）の状態にある部分酸化燃料が、図４（ｂ）（ｃ）（ｄ）といったプロセスを経ること無くＣＯ_２に酸化されてしまい、改質燃料が銀触媒上でＮＯｘと結合する反応が生じなくなる。但し、チタニアが活性化温度（３００℃）未満であれば、図４（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すプロセスによりＮＯｘが還元され、高い浄化率が得られている。

図８は、チタニアを含んだ触媒層１２ｂであって、硫黄被毒した状態の触媒層１２ｂを用いて試験した結果を示す。図示されるように、触媒温度が３００℃〜４００℃の範囲でＮＯｘ浄化率が高くなるものの、図７の試験結果に比べてＮＯｘ浄化率が著しく向上する。この現象は、硫黄被毒によりチタニアの活性化が妨げられ、チタニアの酸化力が抑制されたことに起因する。この試験結果は、硫黄吸着量が多い場合には、改質燃料を添加しても十分なＮＯｘ浄化率を得られることを示す。この点を鑑み、図５の制御では、ステップＳ３１、Ｓ３２で判定される硫黄吸着量が多いほど、改質度合いを高くしている。

図９は、チタニアを含んだ触媒層１２ｂであって、僅かに硫黄被毒している状態の触媒層１２ｂを用いて試験した結果を示す。図中の一点鎖線は、改質していない燃料（非改質燃料）を添加して試験した結果を示す。実線に示すように、改質燃料を添加した場合には、図７の試験結果と同様にして、触媒温度が３００℃以上の場合には、ＮＯｘ浄化率が著しく低下する。但し、触媒温度が３００℃未満であれば高い浄化率が得られている。

その一方で、一点鎖線に示すように、非改質燃料を添加した場合には、触媒温度が３００℃以上の温度領域において、高い浄化率が得られている。この現象は、３００℃以上の高温であれば、燃料を改質しなくても銀触媒が十分に活性化しているため、ＮＯｘ還元反応が十分に生じることに起因する。また、燃料を改質していないため、チタニアが活性化していても、燃料がＣＯ_２まで一気に酸化するといった燃焼反応が生じにくいことに起因する。但し、触媒温度が３００℃未満であれば、銀触媒が十分に活性化していないため、非改質燃料では十分な浄化率を得ることができず、浄化率は著しく悪化する。

図１０は、チタニアを含んだ触媒層１２ｂであって、僅かに硫黄被毒している状態の触媒層１２ｂを用いて試験した結果を示す。但し、図９の試験結果を鑑み、触媒温度が３００℃未満の場合には改質燃料を添加し、３００℃以上の場合には非改質燃料を添加するといった具合に、改質モードを切り替えて燃料を添加して試験している。図示されるように、触媒温度が３００℃よりも高い場合には、図９の３００℃以上の領域と同様にして高い浄化率が得られている。一方、触媒温度が３００℃未満の場合には、図７の３００℃未満の領域と同様にして高い浄化率が得られている。この試験結果は、触媒温度が高い領域では改質度合いを低くすることがＮＯｘ浄化率向上に効果的であり、一方、触媒温度が低い領域では改質度合いを高くすることがＮＯｘ浄化率向上に効果的であることを示す。この点を鑑み、図５の制御では、ステップＳ２０にて触媒温度が所定温度Ｔａ以下であると判定された場合には、改質度合いを高くしている。

以上により、本実施形態に係るＥＣＵ４０は、チタニアの活性化度合いを推定する推定手段４１ａと、その活性化度合いに応じて還元剤の改質度合いを変化させるようにヒータ２１およびオゾナイザ３０の作動を制御する制御手段４１ｂと、を備える。この制御手段４１ｂは、図６〜図１０の試験結果に基づき、チタニアの活性化度合いが大きいほど、還元剤の改質度合いを小さくしている。具体的には、チタニアが高活性の場合には、改質度合いを低減または改質停止させて、還元剤がＮＯｘと反応することなく燃焼することを抑制する。その一方で、チタニアが低活性の場合には、改質度合いを増大させて、還元剤がＮＯｘと反応することを促進させる。したがって、チタニアを触媒層１２ｂに含ませることで硫黄被毒を抑制させつつも、還元剤を改質することによる還元能力向上の効果を得ることができる。

図７と図８の試験結果を比較することで本発明者らは以下の知見を得た。すなわち、硫黄吸着量が多いほど、チタニアの活性化度合いが小さくなり、還元剤を改質することによる還元能力向上の効果が得られるようになる。この知見を鑑み、本実施形態に係る推定手段４１ａは、触媒層１２ｂへの硫黄成分の吸着量に基づきチタニアの活性化度合いを推定する。そのため、ＮＯｘ浄化率を向上させる最適な改質度合いに制御することを、高精度で実現できる。

図７、図８および図９の試験結果から本発明者らは以下の知見を得た。すなわち、触媒温度が低いほどチタニアの活性化度合いが小さくなり、還元剤を改質することによる還元能力向上の効果が得られるようになる。特に、触媒温度がチタニアの活性化温度（約３００℃）未満である場合には、上記効果が顕著である。この知見を鑑み、本実施形態に係る推定手段４１ａは、触媒層１２ｂの温度に基づきチタニアの活性化度合いを推定する。そのため、ＮＯｘ浄化率を向上させる最適な改質度合いに制御することを、高精度で実現できる。

さらに、本実施形態に係る制御手段４１ｂは、推定手段４１ａにより推定された活性化度合いに応じて、オゾナイザ３０によるオゾン生成量を制御する。具体的には、図５のステップＳ３２にて硫黄吸着量が第２閾値Ｍ２以下と判定された場合にはオゾナイザ３０を停止させて弱改質制御を実行し、硫黄吸着量が第２閾値Ｍ２より多いと判定された場合にはオゾナイザ３０を作動させて強改質制御を実行する。そのため、ＮＯｘ浄化率を向上させる最適な改質度合いに制御することを、高精度で実現できる。

さらに、本実施形態に係る制御手段４１ｂは、推定されたチタニアの活性化度合いに応じて、ヒータ２１による加熱量を制御する。具体的には、図５のステップＳ２０にて触媒温度が所定温度Ｔａより大きいと判定された場合には、硫黄被毒が大きく進行していない限り、オゾナイザ３０を停止させる弱改質制御を実行する。或いは、オゾナイザ３０およびヒータ２１を停止させる改質停止を実行する。その一方で、触媒温度が所定温度Ｔａ以下と判定された場合には、オゾナイザ３０を作動させて強改質制御を実行する。そのため、ＮＯｘ浄化率を向上させる最適な改質度合いに制御することを、高精度で実現できる。

さらに本実施形態では、触媒層１２ｂが有する被毒抑制成分には少なくともチタニアが含まれている。被毒抑制成分としてチタニアを採用した場合には、被毒抑制成分が活性化した状態であるか否かに応じて改質燃料が一気に燃焼する現象が顕著になる。よって、制御手段４１ｂによる改質度合い制御の効果が、顕著に発揮される。

さらに本実施形態では、触媒層１２ｂが有する還元触媒成分には少なくとも銀が含まれている。還元触媒成分として銀を採用した場合には、被毒抑制成分が活性化した状態であるか否かに応じて改質燃料が一気に燃焼する現象が顕著になる。よって、制御手段４１ｂによる改質度合い制御の効果が、顕著に発揮される。また、このように銀を含む触媒層１２ｂを採用することで、例えば白金触媒を採用した場合に比べて図４の部分酸化反応が生じやすくなる。よって、銀触媒を採用する本実施形態によれば、白金触媒を採用した場合に比べてＮＯｘ浄化率を向上できる。特に、銀触媒が活性化している温度領域のうち、低温の領域において、ＮＯｘ浄化率向上の効果が顕著に発揮されるようになる。

さらに本実施形態では、ヒータ２１により所定温度以上に加熱された還元剤を、空気中に含まれる酸素により部分的に酸化させて改質する。これによれば、燃料が部分酸化することを容易に実現でき、還元剤の改質を容易に実現できる。また、ヒータ２１で燃料を加熱することにより、炭素数の少ない炭化水素化合物に燃料を分解させるクラッキングが生じるようになる。そして、クラッキングにより炭素数が少なくなった炭化水素は沸点が低くなるので、気化した燃料が液体に戻ることが抑制される。

さらに本実施形態では、強改質制御により冷炎反応を生じさせる時に、オゾナイザ３０により生成されたオゾンを供給する。そのため、冷炎反応の開始時期の早期化と、冷炎反応時間の短縮化を図ることができる。よって、反応室２０ａでの燃料の滞留時間が短くなるように反応容器２０を小型化しても、上記滞留時間内に冷炎反応が完了するようにできる。よって、反応容器２０の小型化を図ることができる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、触媒温度および硫黄吸着量の両方の値に応じて、改質度合いを変更させている。これに対し、図１１に示す本実施形態では、触媒温度の値に拘らず、硫黄吸着量に応じて改質度合いを変更させている。具体的には、図５のステップＳ２０を廃止しており、硫黄吸着量が第２閾値Ｍ２より多ければ強改質制御、第１閾値Ｍ１以下であれば改質停止制御、第１閾値Ｍ１より多く、かつ第２閾値Ｍ２以下であれば弱改質制御に切り替える。

先述した通り、硫黄吸着量が多い程、改質度合いを大きくしても改質燃料が一気に燃焼する現象が生じにくくなる。そのため、触媒温度に拘らず硫黄吸着量に応じて改質度合いを変える本実施形態によっても、チタニアを触媒層１２ｂに含ませることで硫黄被毒を抑制させつつも、還元剤を改質することによる還元能力向上の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
上記第２実施形態では、改質制御の切り替えの判定に用いる第１閾値Ｍ１および第２閾値Ｍ２を固定の値に設定している。これに対し、図１２に示す本実施形態では、第１閾値Ｍ１および第２閾値Ｍ２を触媒温度に応じて変更させる。具体的には、触媒温度が低いほど、第１閾値Ｍ１および第２閾値Ｍ２を低い値に変更する。要するに、触媒温度および硫黄吸着量の両方の値に応じて改質度合いを変更させる。

硫黄吸着量が同じであっても、触媒温度が異なればチタニアの活性化度合いが異なり、改質燃料が一気に燃焼する現象の生じやすさが異なってくる。そのため、触媒温度および硫黄吸着量の両方の値に応じて改質度合いを変更させる本実施形態によれば、ＮＯｘ浄化率を向上させる最適な改質度合いに制御することを、高精度で実現できる。

（第４実施形態）
上記第１実施形態では、触媒温度および硫黄吸着量の両方の値に応じて、改質度合いを変更させている。これに対し、図１３に示す本実施形態では、硫黄吸着量に拘らず、触媒温度に応じて改質度合いを変更させている。具体的には、図５のステップＳ３０、Ｓ３１、Ｓ３２を廃止してステップＳ２１、Ｓ２２を設けている。これらのステップＳ２１、Ｓ２２により、触媒温度が第１閾値Ｔ１より低ければ強改質制御、第２閾値Ｔ２以上であれば改質停止制御、第２閾値Ｔ２より低く、かつ第１閾値Ｍ１以上であれば弱改質制御に切り替えられる。なお、第２閾値Ｔ２は第１閾値Ｔ１よりも高い温度に設定されている。

先述した通り、触媒温度が低い程、改質度合いを大きくしても改質燃料が一気に燃焼する現象が生じにくくなる。そのため、硫黄吸着量に拘らず触媒温度に応じて改質度合いを変える本実施形態によっても、チタニアを触媒層１２ｂに含ませることで硫黄被毒を抑制させつつも、還元剤を改質することによる還元能力向上の効果を得ることができる。

（第５実施形態）
上記第４実施形態では、改質制御の切り替えの判定に用いる第１閾値Ｔ１および第２閾値Ｔ２を固定の値に設定している。これに対し、図１４に示す本実施形態では、第１閾値Ｔ１および第２閾値Ｔ２を硫黄吸着量に応じて変更させる。具体的には、硫黄吸着量が多いほど、第１閾値Ｔ１および第２閾値Ｔ２を高い値に変更する。要するに、触媒温度および硫黄吸着量の両方の値に応じて改質度合いを変更させる。

触媒温度が同じであっても、硫黄吸着量が異なればチタニアの活性化度合いが異なり、改質燃料が一気に燃焼する現象の生じやすさが異なってくる。そのため、触媒温度および硫黄吸着量の両方の値に応じて改質度合いを変更させる本実施形態によれば、ＮＯｘ浄化率を向上させる最適な改質度合いに制御することを、高精度で実現できる。

（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。

上記各実施形態では、改質度合いを段階的に変化させている。具体的には、強改質制御、弱改質制御、改質停止制御の３段階に変化させている。これに対し、図１５に示すように、硫黄吸着量が多いほど改質度合いを大きくするように変化させることを、硫黄吸着量に応じて徐々に変化させてもよい。また、図１６に示すように、触媒温度が低いほど改質度合いを大きくするように変化させることを、触媒温度に応じて徐々に変化させてもよい。

触媒層１２ｂは、銀担持ゼオライト、銀担持アルミナ及びチタニア以外の材料をさらに含んでいてもよい。例えば、触媒層１２ｂは、白金、パラジウム及びロジウムなどの貴金属や、酸化セリウムなどの酸素貯蔵材料をさらに含んでいてもよい。

図２に示す実施形態では、オープンフロータイプのモノリス触媒を採用しているが、ウォールフロータイプのモノリス触媒やペレット触媒などの他のタイプの触媒を採用してもよい。

図１１〜図１４では、強改質制御、弱改質制御、改質停止制御の３段階に改質度合いを変化させている。これに対し、ステップＳ２２、Ｓ３２、Ｓ９２を廃止して、強改質制御および改質停止制御の２段階に変化させてもよい。或いは、弱改質制御および改質停止制御の２段階に変化させてもよい。或いは、強改質制御および弱改質制御の２段階に変化させてもよい。

上記各実施形態では、オゾナイザ３０の運転と停止およびヒータ２１の運転と停止を切り替えることで改質度合いを変化させている。これに対し、オゾナイザ３０やヒータ２１への電力供給量を調節して、オゾン生成量や加熱量を調節することで改質度合いを変化させてもよい。

上記各実施形態では、銀を還元触媒成分として含んだ触媒層１２ｂを用いているが、本発明はこのような銀触媒に限定されるものではなく、例えば銅または鉄を還元触媒成分として含んだ触媒層を用いてもよい。

内燃機関１０が理論空燃比よりもリーンな状態で燃焼させている時に、ＮＯｘ浄化装置１２がＮＯｘを吸着し、リーン燃焼以外の時にＮＯｘを還元させるＮＯｘ浄化システムに、本発明に係るＮＯｘ浄化システム制御装置（ＥＣＵ４０）を採用してもよい。この場合、リーン燃焼時にはオゾンを生成し、リーン燃焼以外の時に改質燃料を生成させればよい。このようにリーン燃焼時にＮＯｘを捕捉する触媒の具体例としては、担体に担持された白金とバリウムによる吸蔵還元触媒が挙げられる。

図１に示す実施形態では、車両に搭載されたＮＯｘ浄化システムにＮＯｘ浄化システム制御装置を適用させている。これに対し、定置式のＮＯｘ浄化システムにＮＯｘ浄化システム制御装置を適用させてもよい。図１に示す実施形態では、圧縮自着火式のディーゼルエンジンにＮＯｘ浄化システム制御装置を適用させており、燃焼用の燃料として用いる軽油を還元剤として用いている。これに対し、点火着火式のガソリンエンジンにＮＯｘ浄化システム制御装置を適用させて、燃焼用の燃料として用いるガソリンを還元剤として用いてもよい。

図１に示す実施形態では、ＮＯｘ浄化装置１２の下流側にＤＰＦ１３を配置している。これに対し、ＮＯｘ浄化装置１２の上流側にＤＰＦ１３を配置してもよい。また、ＮＯｘ浄化装置１２とＤＰＦ１３を一体に構成してもよい。具体的には、ＤＰＦ１３の担体に、触媒層１２ｂを支持させてもよい。

ＥＣＵ４０（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。

１０…内燃機関、１０ｅｘ…排気通路、１２…ＮＯｘ浄化装置、１２ａ…基材、１２ｂ…触媒層、２１…ヒータ（改質手段）、３０…オゾナイザ（改質手段）、４０…ＥＣＵ（ＮＯｘ浄化システム制御装置）、４１ａ…推定手段、４１ｂ…制御手段、Ｄ…還元剤添加装置。

Claims (8)

1. 内燃機関（１０）の排気に含まれるＮＯｘを還元する還元触媒成分、および排気に含まれる硫黄成分による被毒を抑制する被毒抑制成分を含む触媒層（１２ｂ）と、前記触媒層を支持する基材（１２ａ）とを有するＮＯｘ浄化装置（１２）と、
   炭化水素化合物である還元剤を部分的に酸化させて改質する改質手段（２１、３０）を有し、前記内燃機関の排気通路（１０ｅｘ）のうち前記ＮＯｘ浄化装置の上流側へ改質された還元剤を添加する還元剤添加装置（Ｄ）と、を備えるＮＯｘ浄化システムに適用されたＮＯｘ浄化システム制御装置において、
   前記被毒抑制成分の活性化度合いを推定する推定手段（４１ａ）と、
   前記活性化度合いに応じて前記改質の度合いを変化させるよう、前記改質手段の作動を制御する制御手段（４１ｂ）と、
   を備えることを特徴とするＮＯｘ浄化システム制御装置。
2. 前記推定手段は、前記触媒層への前記硫黄成分の吸着量に基づき前記活性化度合いを推定することを特徴とする請求項１に記載のＮＯｘ浄化システム制御装置。
3. 前記推定手段は、前記触媒層の温度に基づき前記活性化度合いを推定することを特徴とする請求項１または２に記載のＮＯｘ浄化システム制御装置。
4. 前記改質手段は、前記還元剤の酸化に用いる空気に含ませるオゾンを生成するオゾナイザ（３０）を有しており、
   前記制御手段は、前記推定手段により推定された活性化度合いに応じて、前記オゾナイザによるオゾン生成量を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のＮＯｘ浄化システム制御装置。
5. 前記改質手段は、前記還元剤を加熱するヒータ（２１）を有しており、
   前記制御手段は、前記推定手段により推定された活性化度合いに応じて、前記ヒータによる加熱量を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のＮＯｘ浄化システム制御装置。
6. 前記被毒抑制成分には少なくともチタニアが含まれていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のＮＯｘ浄化システム制御装置。
7. 前記還元触媒成分には少なくとも銀が含まれていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のＮＯｘ浄化システム制御装置。
8. 前記還元剤添加装置と、請求項１〜７のいずれか１つに記載のＮＯｘ浄化システム制御装置（４０）と、を備えることを特徴とする還元剤添加システム。

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