内燃機関の排気浄化装置
【課題】ＤＰＦ再生処理とＳＯｘ再生処理とを同時に実行できる内燃機関の排気浄化装置を提供すること。
【解決手段】排気浄化装置は、エンジン１の排気管４に設けられ、排気空燃比をリーンにしたときに、排気中のＮＯｘを吸着もしくは吸蔵し、排気空燃比をリッチにしたときに、吸着もしくは吸蔵したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化触媒３３と、排気管４のうちＮＯｘ浄化触媒３３よりも上流側に設けられ、排気中のＰＭを捕集するＤＰＦ３２と、排気管４とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭素を含む還元ガスを製造し、この還元ガスを、排気管４のうちＤＰＦ３２とＮＯｘ浄化触媒３３との間に設けられた導入口１４から、排気管４内に供給する燃料改質器５０と、を備える。
【解決手段】排気浄化装置は、エンジン１の排気管４に設けられ、排気空燃比をリーンにしたときに、排気中のＮＯｘを吸着もしくは吸蔵し、排気空燃比をリッチにしたときに、吸着もしくは吸蔵したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化触媒３３と、排気管４のうちＮＯｘ浄化触媒３３よりも上流側に設けられ、排気中のＰＭを捕集するＤＰＦ３２と、排気管４とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭素を含む還元ガスを製造し、この還元ガスを、排気管４のうちＤＰＦ３２とＮＯｘ浄化触媒３３との間に設けられた導入口１４から、排気管４内に供給する燃料改質器５０と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。詳しくは、排気中のＮＯｘを吸着又は吸蔵し、この吸着又は吸蔵したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化触媒と、排気中のＰＭ（パティキュレート）を捕集するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）とを備える内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
また、本発明において、「リッチ」という用語は、問題とする燃料の空気／燃料比率（以下、「空燃比」という）が化学量論的な空燃比よりも小さいことを示し、「リーン」という用語は、問題とする燃料の空燃比が上述の化学量論的な空燃比よりも大きいことを示す。また、以下の説明では、エンジンへ流入する混合気における空気と燃料の重量比をエンジン空燃比といい、排気管内の空気と可燃性気体との重量比を排気空燃比という。
【０００３】
また、排気空燃比を制御する方法としては、エンジンの吸入空気量を低減しかつトルクに寄与する燃料噴射（以下、「主噴射」という）量を調整することで排気空燃比を低くする（以下、「リッチ化する」という）方法や、トルクに寄与しない燃料噴射（以下、「ポスト噴射」という）を行い未燃の燃料を排気通路に流すことで排気空燃比をリッチ化する方法とがある。また、この他、排気通路に燃料を直接噴射（以下、「排気噴射」という）する方法も知られている。
【背景技術】
【０００４】
内燃機関の排気系にＮＯｘ（窒素酸化物）浄化触媒を設けることにより、排気中のＮＯｘを吸収して、ＮＯｘの排出量を低減する技術は、従来より知られている。一方、内燃機関から排出される排気中には、燃料やエンジンオイル中の硫黄成分が含まれている。このような硫黄成分がＮＯｘ浄化触媒に蓄積すると触媒が被毒し、ＮＯｘ浄化性能が低下してしまう。そこで、このようなＮＯｘ浄化触媒の被毒により浄化性能が低下するのを防止することを目的として、以下のような技術が提案されている。
【０００５】
例えば特許文献１には、水素や一酸化炭素などを含む還元性気体を改質反応により製造する燃料改質器をＮＯｘ浄化触媒の上流に設けた排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置によれば、ＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ再生処理を実行する際に、燃料改質器により製造された水素を排気に添加することで硫黄成分の除去を促進する。
【０００６】
一方、ディーゼルエンジンやリーンバーンエンジンなどは、シリンダ内における空燃比が不均質となり、局所的にリッチとなった部分において酸素が不足した状態で燃焼することにより、炭素を主成分としたＰＭが排出される。そこで、このようなＰＭの排出量を低減するため、排気系に、排気中のＰＭを捕集するＤＰＦを設ける技術は広く用いられている。このＤＰＦが捕集できるＰＭ量には限界があるため、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼させるＤＰＦ再生処理が適宜実行される。近年では、上述のＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ再生処理と同様に、ＤＰＦ再生処理の技術に関して、以下のような様々な技術が提案されている。
【０００７】
例えば特許文献２には、排気通路のうちＤＰＦの上流側に酸化性能の高い触媒を塗布した触媒コンバータを配置するとともに、排気通路内に未燃の燃料を排気噴射することで、この燃料を触媒コンバータで燃焼させて排気を昇温し、高温となった排気をＤＰＦに流入させることでＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼する排気浄化装置が示されている。
また、例えば特許文献３には、上述の排気噴射の代わりにポスト噴射を行うことで、特許文献１の排気浄化装置と同様に、燃料を触媒コンバータで燃焼させて排気を昇温し、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼する排気浄化装置が示されている。
【０００８】
以上のような、ＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ再生処理や、ＤＰＦのＤＰＦ再生処理は、基本的には、これらＮＯｘ浄化触媒やＤＰＦの状態に応じて別々に実行される。しかしながら、どちらの再生処理を行う場合も排気系の温度を上昇させる必要がある。したがって、燃費が悪化するのを防止するためには、ＳＯｘ再生処理とＤＰＦ再生処理とを個別に実行するよりも同時に実行することが好ましい。
そこで、例えば特許文献４には、ＤＰＦの下流にＮＯｘ浄化触媒を設け、さらにＤＰＦに流入する酸素濃度を制御することにより、ＤＰＦのＤＰＦ再生処理とＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ再生処理とを同時に実行する排気浄化装置が提案されている。
【特許文献１】特許第３８９６９２３号公報
【特許文献２】特許第３８３５２４１号公報
【特許文献３】特開平８−４２３２６号公報
【特許文献４】特開２００５−１３３７２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、ＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ再生処理を実行する場合は、このＮＯｘ浄化触媒に流入する排気空燃比を化学量論比よりも小さくする必要がある。一方、ＤＰＦのＤＰＦ再生処理を実行する場合は、ＤＰＦに流入する排気空燃比を化学量論比よりも大きくし、酸素過剰雰囲気にする必要がある。
上述の特許文献４に示された排気浄化装置は、ＤＰＦに流入する酸素濃度を制御することにより、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の酸素濃度を調整し、ＤＰＦ再生処理とＳＯｘ再生処理とを同時に実行することをねらったものである。しかしながら、特許文献４の排気浄化装置では、ＤＰＦに流入する排気の酸素濃度が高くなると、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気空燃比が大きくなってしまい、ＤＰＦ再生処理とＳＯｘ再生処理とを同時に高い効率で実行することは困難である。結果として、この同時再生にかかる時間が長くなってしまい、燃費が悪化したり、触媒が劣化したりするおそれがある。
【００１０】
本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、ＤＰＦ再生処理とＳＯｘ再生処理とを高効率で同時に実行できる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の排気通路（４，５）に設けられ、当該排気通路を流通する排気の空燃比を排気空燃比として、当該排気空燃比をリーンにしたときに、排気中のＮＯｘを吸着もしくは吸蔵し、前記排気空燃比をリッチにしたときに、前記吸着もしくは吸蔵したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化触媒（３３）と、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒よりも上流側に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ（３２）と、を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタと前記ＮＯｘ浄化触媒との間に設けられた導入口（１４）から、当該排気通路内に供給する燃料改質器（５０）を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器により製造された還元性気体は、大気圧よりも高い圧力であり、かつ、体積比で水素よりも一酸化炭素を多く含むことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器により供給される還元性気体の温度は、前記排気通路のうち前記導入口を流通する排気の温度よりも高いことを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に導入する際において、当該排気通路を流通する排気には酸素が含まれることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタを昇温し当該パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させる通常再生運転と、前記通常再生運転を実行しながら前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に供給し前記ＮＯｘ浄化触媒に吸着したＳＯｘを浄化する同時再生運転と、を所定の条件に応じて選択的に実行する再生手段（４０）をさらに備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記通常再生運転を実行する際には、吸入空気量及び過給圧のうち少なくとも１つを調整することで排気の温度を制御する排気温度制御手段（４０）をさらに備えることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの上流側には、酸化機能を有する触媒コンバータ（３１）が設けられ、前記再生手段は、前記通常再生運転を実行する際には、ポスト噴射を実行することを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項５又は６に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタには酸化機能を有する触媒が担持され、前記再生手段は、前記通常再生運転を実行する際には、ポスト噴射を実行することを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、請求項５から８の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタのパティキュレート堆積量（ＱＰＭ）を推定又は検出するパティキュレート堆積量推定手段（４０，２７）をさらに備え、前記再生手段は、前記パティキュレート堆積量推定手段により推定又は検出されたパティキュレート堆積量（ＱＰＭ）が所定の第１堆積判定値（ＱＰＭＡＴＨ）以上となったことに応じて前記通常再生運転又は前記同時再生運転を実行することを特徴とする。
【００１４】
請求項１０に記載の発明は、請求項５から９の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度（ＴＬＮＣ）を推定又は検出する触媒温度推定手段（４０，２６）と、前記ＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ被毒量（ＱＳＯ）を推定又は検出するＳＯｘ被毒量推定手段（４０，２８）と、をさらに備え、前記再生手段は、前記触媒温度推定手段により推定又は検出された温度（ＴＬＮＣ）が所定の温度判定値（ＴＬＮＣＴＨ）以上であり、かつ、前記ＳＯｘ被毒量推定手段により推定又は検出されたＳＯｘ被毒量（ＱＳＯ）が所定の第１被毒判定値（ＱＳＯＡＴＨ）以上となったことに応じて前記同時再生運転を実行することを特徴とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記再生手段は、前記ＳＯｘ被毒量推定手段により推定又は検出されたＳＯｘ被毒量（ＱＳＯ）が所定の第２被毒判定値（ＱＳＯＢＴＨ）より小さくなったことに応じて前記同時再生運転の実行を終了し、前記通常再生運転を実行することを特徴とする。
請求項１２に記載の発明は、請求項１から１１の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒の近傍の排気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段（２３）と、当該酸素濃度検出手段により検出された酸素濃度に応じて前記燃料改質器により前記排気通路内に供給される還元性気体の供給量を制御する供給量制御手段（４０）と、をさらに備えることを特徴とする。
請求項１３に記載の発明は、請求項１から１２の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器は、炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により還元性気体を製造することを特徴とする。
請求項１４に記載の発明は、請求項１から１３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記内燃機関は、軽油を燃料として用い、この燃料を圧縮着火により燃焼することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、排気通路のうちＮＯｘ浄化触媒の上流側にパティキュレートフィルタを設け、さらにこれらＮＯｘ浄化触媒とパティキュレートフィルタの間に設けられた導入口から、水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を供給する燃料改質器を設けた。これにより、パティキュレートフィルタに流入する排気の酸素濃度を高く維持し、パティキュレートフィルタの再生処理を高効率で実行しながら、このパティキュレートフィルタの下流から還元性気体を供給することで、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を低く維持し、ＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ再生処理を高効率で実行できる。このように、本発明によれば、パティキュレートフィルタの再生処理とＳＯｘ再生処理とを、同時にかつ高効率で実行できる。したがって、これら処理にかかる時間を短縮し燃費を向上でき、さらにこれらパティキュレートフィルタやＮＯｘ浄化触媒の劣化も軽減できる。
また、燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、ＮＯｘ浄化触媒の上流の熱容量を増加することなく、還元性気体を供給することができる。これにより、エンジン始動直後などの低温時におけるＮＯｘ浄化性能を低下することなくＳＯｘ再生処理を実行できる。
また、還元性気体を製造する燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、ＳＯｘ再生処理の実行時期を、内燃機関の状態と独立して決めることができる。したがって、内燃機関を常に最適な状態で制御しつつ、必要に応じてＳＯｘ再生処理を適宜実行することができる。また、燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、内燃機関の運転状態や、排気の酸素濃度及び水蒸気濃度などによらず、常に最適な効率で還元性気体を製造できるとともに、この還元性気体を排気通路内に供給することができる。
一方、燃料改質器を排気通路内に設けた場合には、排気の成分、温度、流速に影響することなく運転できるように、燃料改質器を大型にする必要があるが、この発明によれば、燃料改質器を排気通路とは別に設けることで、装置を大型にすることなく安定した運転を行うことができる。また、燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、内燃機関の制御とは別系統の制御を行うことで、燃料改質器が備える触媒を早期に活性化することも可能となる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、還元性気体には体積比で水素よりも一酸化炭素が多く含まれる。また触媒上で一酸化炭素が燃焼を開始する温度は、水素が燃焼を開始する温度よりも低温である。このような一酸化炭素を含む還元性気体を供給することでＮＯｘ浄化触媒を速やかに昇温し、ＳＯｘ再生処理におけるＳＯｘの浄化を促進することができる。また、大気圧より高い圧力の還元性気体を製造することにより、余分な装置を追加することなく、製造した還元性気体を排気通路内に供給できる。
請求項３に記載の発明によれば、排気通路のうち導入口を流通する排気の温度よりも高い温度の還元性気体を供給する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒を速やかに昇温し、ＳＯｘ再生処理におけるＳＯｘの浄化を促進することができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの再生処理を行う通常再生運転と、この通常再生運転を実行しながら還元性気体を供給しＳＯｘ再生処理を行う同時再生運転とを、所定の条件に応じて選択的に実行する。これにより、例えば、パティキュレートフィルタの再生処理のみを行う必要がある場合には通常再生運転を実行し、パティキュレートフィルタの再生処理とＳＯｘ再生処理とを同時に行うことが好ましい場合には同時運転処理を実行することで、還元性気体の消費を最小限にしつつ、これら再生処理を効率的に実行できる。
請求項６に記載の発明によれば、通常再生運転を実行する際には、吸入空気量及び過給圧のうち少なくとも１つを調整することで排気の温度を制御する。これにより、排気の温度を、パティキュレートを燃焼させるために必要な温度に制御し、効率的にパティキュレートフィルタの再生処理を行うことができる。
請求項７に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの上流側に酸化機能を有する触媒コンバータを設けた上で、通常再生運転を実行する際にはポスト噴射を実行する。これにより、通常再生運転を実行する際には、ポスト噴射により供給された燃料を触媒コンバータで燃焼させることで、パティキュレートフィルタに流入する排気の温度を上昇させ、パティキュレートフィルタの再生処理を高効率で行うことができる。
【００１８】
請求項８に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタに酸化機能を有する触媒を担持させた上で、通常再生運転を実行する際にはポスト噴射を実行する。したがって、通常再生運転を実行する際には、ポスト噴射により供給された燃料を触媒コンバータで燃焼させることにより、パティキュレートフィルタに流入する排気の温度を上昇させ、高効率でパティキュレートフィルタの再生処理を高効率で実行できる。また、触媒コンバータとパティキュレートフィルタを別々に設けた場合と比較して、排気浄化装置をコンパクトにできるとともに、パティキュレートの燃焼反応を促進することができる。これにより、パティキュレートフィルタの再生処理の効率をさらに向上できる。
請求項９に記載の発明によれば、パティキュレート堆積量が第１堆積判定値以上となった場合には、通常再生運転又は同時再生運転を実行する。これにより、パティキュレートの堆積量が限界になる前の適切な時機にパティキュレートフィルタの再生処理を実行できる。
請求項１０に記載の発明によれば、ＮＯｘ浄化触媒の温度が所定の温度判定値以上であり、かつ、ＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ被毒量が所定の第１被毒判定値以上となったことに応じて、同時再生運転を実行する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化性能が大幅に低下する前の適切な時機にＳＯｘ再生処理を行うことができる。また、ＮＯｘ浄化触媒の温度が所定の温度判定値以上である場合に同時再生運転を実行することにより、ＮＯｘ浄化触媒から脱離したＳＯｘを効率よく浄化できる。
【００１９】
請求項１１に記載の発明によれば、ＳＯｘ被毒量が所定の第２被毒判定値より小さくなったことに応じて同時再生運転の実行を終了し、通常再生運転を実行する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化性能の回復に合わせて同時再生運転の実行を終了し、さらにパティキュレートフィルタの再生処理を継続することができる。
請求項１２に記載の発明によれば、ＮＯｘ浄化触媒の近傍の酸素濃度に応じて還元性気体の供給量を制御する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を適切に調整し、ＳＯｘ再生処理の効率をさらに向上できる。
請求項１３に記載の発明によれば、部分酸化反応により還元性気体を製造することにより、この燃料改質器を小型なものにできる。つまり、上述のように部分酸化反応は発熱反応であり、一旦反応が開始すれば自発的に反応が進行するため、外部から余分なエネルギーを供給する装置を設ける必要がないためである。また、シフト反応などの水素を濃縮するためのコンバータやシステムも設ける必要もない。また、このように燃料改質器を小型にすることで、燃料改質器のライトオフ時間を短縮できる。したがって、必要に応じて速やかに還元性気体を排気通路内に供給することができる。
また、この部分酸化反応において副次的に生成される軽質の炭化水素も一酸化炭素や水素とともにＮＯｘ浄化触媒に導入して、ＳＯｘの浄化に使用することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、燃焼室内に燃料を直接噴射し、圧縮着火によりこの燃料を燃焼するディーゼルエンジンであり、燃料として軽油が用いられる。また、各気筒７の燃焼室には図示しない燃料噴射弁が設けられている。これら燃料噴射弁は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）４０により電気的に接続されており、燃料噴射弁の開弁時間及び閉弁時間、すなわち燃料噴射量及び燃料噴射時期などは、ＥＣＵ４０により制御される。
【００２１】
エンジン１には、吸気が流通する吸気管２と、排気が流通する排気管４と、排気管４内の排気の一部を吸気管２に還流する排気還流通路６と、吸気管２に吸気を圧送する過給機８とが設けられている。
【００２２】
吸気管２は、吸気マニホールド３の複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒７の吸気ポートに接続されている。排気管４は、排気マニホールド５の複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒７の排気ポートに接続されている。排気還流通路６は、排気マニホールド５から分岐し吸気マニホールド３に至る。
【００２３】
過給機８は、排気管４に設けられた図示しないタービンと、吸気管２に設けられた図示しないコンプレッサと、を備える。タービンは、排気管４を流通する排気の運動エネルギにより駆動される。コンプレッサは、タービンにより回転駆動され、吸気を加圧し吸気管２内へ圧送する。また、タービンは、図示しない複数の可変ベーンを備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービンのベーン開度は、ＥＣＵ４０により電磁的に制御される。
【００２４】
吸気管２のうち過給機８の上流側には、エンジン１の吸入空気量ＧＡを制御するスロットル弁９が設けられている。このスロットル弁９は、アクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。また、吸気管２のうち過給機８の下流側には、過給機８により加圧された吸気を冷却するためのインタークーラ１１が設けられている。
【００２５】
排気還流通路６は、排気マニホールド５と吸気マニホールド３とを接続し、エンジン１から排出された排気の一部を還流する。排気還流通路６には、還流される排気を冷却するＥＧＲクーラ１２と、還流する排気の流量を制御するＥＧＲ弁１３と、が設けられている。ＥＧＲ弁１３は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その弁開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。
【００２６】
排気管４には、触媒コンバータ３１と、ＤＰＦ３２と、ＮＯｘ浄化触媒３３と、が上流側からこの順で設けられている。
【００２７】
触媒コンバータ３１は、後述の燃料改質器５０から供給される還元ガスを連続的に酸化する三元触媒を備える。この触媒コンバータ３１は、後述の還元ガスに含まれる一酸化炭素、水素、及び軽質の炭化水素などの触媒燃焼反応における貴金属活性種としてのロジウム（Ｒｈ）と、酸素貯蔵能力を有するセリア（ＣｅＯ２）とを含む。このような触媒コンバータ３１に還元ガスを供給することで、排気温度が低い状態であっても速やかに温度を上昇させることができる。また、セリアを含むことにより、急激な酸素濃度変化などにおいても安定した触媒作用を発揮することができる。
本実施形態では、触媒コンバータ３１として、白金（Ｐｔ）を２．４（ｇ／Ｌ）と、ロジウムを１．２（ｇ／Ｌ）と、パラジウム（Ｐｄ）を６．０（ｇ／Ｌ）と、セリアを５０（ｇ／Ｌ）と、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を１５０（ｇ／Ｌ）と、バインダーを１０と、を水系媒体とともにボールミルで攪拌・混合することでスラリーを製造し、このスラリーをＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金製担体にコーティングした後、これを６００℃で２時間に亘り乾燥・焼成して調製されたものを用いる。
【００２８】
ＤＰＦ３２は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素を主成分とするＰＭを、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。フィルタ壁の構成材料としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）などのセラミックスや金属多孔体が使用される。
ＤＰＦ３２の捕集能力の限界、すなわち堆積限界までＰＭを捕集すると、排気管４の圧損が大きくなるので、捕集したＰＭを燃焼させるＤＰＦ再生処理を行う必要がある。より具体的には、後に図２を参照して詳述する再生処理により、ＤＰＦ３２に流入する排気の温度を、ＤＰＦ３２に捕集されたＰＭの燃焼温度まで上昇することで行われる。
【００２９】
ＮＯｘ浄化触媒３３は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、セリア（ＣｅＯ２）、及びセリウムと希土類の複合酸化物（以下、「セリア系複合酸化物」という）の担体に担持された、触媒として作用する白金（Ｐｔ）と、ＮＯｘ吸着能力を有するセリアもしくはセリア系複合酸化物と、触媒に生成されたアンモニア（ＮＨ３）を、アンモニウムイオン（ＮＨ４＋）として保持する機能を有するゼオライトとを備える。
【００３０】
本実施形態では、ＮＯｘ浄化触媒３３として、触媒担体に２つの層からなるＮＯｘ還元触媒を担持させることによって形成されたものを用いる。
ＮＯｘ還元触媒の下層は、白金を４．５（ｇ／Ｌ）と、セリアを６０（ｇ／Ｌ）と、アルミナを３０（ｇ／Ｌ）と、Ｃｅ−Ｐｒ−Ｌａ−Ｏｘを６０（ｇ／Ｌ）と、Ｚｒ−Ｏｘを２０（ｇ／Ｌ）と、で構成される材料を水系媒体とともにボールミルに投入して攪拌、混合することでスラリーを製造し、このスラリーを触媒担体にコーティングして形成される。
また、ＮＯｘ還元触媒の上層は、β型のゼオライトに鉄（Ｆｅ）及びセリウム（Ｃｅ）をイオン交換したものを７５（ｇ／Ｌ）と、アルミナを７（ｇ／Ｌ）と、バインダーを８（ｇ／Ｌ）と、で構成される材料を、水系媒体とともにボールミルに投入して攪拌、混合することでスラリーを製造し、このスラリーを上述の下層にコーティングして形成される。
【００３１】
ＮＯｘ浄化触媒３３の吸着アンモニア量が少なくなると、ＮＯｘの浄化能力が低下するので、適宜ＮＯｘを還元するために、ＮＯｘ浄化触媒３３への還元剤の供給（以下「還元化」という）が行われる。この還元化では、エンジン１の燃焼室内の混合気の空燃比（エンジン空燃比）を化学量論比よりリッチ側にすることにより、還元剤をＮＯｘ浄化触媒３３に供給する。すなわち、エンジン１から排出される排気空燃比をリッチ化することにより、ＮＯｘ浄化触媒３３へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より高くなり、還元化が実行される。
【００３２】
このＮＯｘ浄化触媒３３におけるＮＯｘの浄化について説明する。
先ず、エンジン空燃比を化学量論比よりリーン側に設定し、いわゆるリーンバーン運転を行うと、ＮＯｘ浄化触媒３３へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より低くなる。その結果、排気中の一酸化窒素（ＮＯ）と酸素（Ｏ２）とが触媒の作用で反応し、ＮＯ２としてセリアもしくはセリア系複合酸化物に吸着される。また、酸素と反応していない一酸化炭素（ＣＯ）も、セリアもしくはセリア系複合酸化物に吸着される。
【００３３】
次に、エンジン空燃比を化学量論比よりリッチ側に設定するいわゆるリッチ運転を行い、排気空燃比をリッチ化する。すなわち、排気中の還元剤濃度を酸素濃度より高くする還元化を実行すると、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）が水（Ｈ２Ｏ）と反応して、二酸化炭素（ＣＯ２）と水素（Ｈ２）が生成され、また排気中の炭化水素（ＨＣ）が水と反応して、一酸化炭素（ＣＯ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）とともに、水素が生成される。またさらに、排気中に含まれるＮＯｘ、及びセリアもしくはセリア系複合酸化物（及び白金）に吸着されているＮＯｘ（ＮＯ，ＮＯ２）と、生成された水素とが触媒の作用で反応し、アンモニア（ＮＨ３）及び水が生成される。また、ここで生成されたアンモニアは、アンモニウムイオン（ＮＨ４＋）の形でゼオライトに吸着される。
【００３４】
次に、エンジン空燃比を化学量論比よりリーン側に設定するリーンバーン運転を行い、ＮＯｘ浄化触媒３３へ流入する排気中の還元剤濃度を、酸素濃度より低い側に設定すると、セリアもしくはセリア系複合酸化物にＮＯｘが吸着される。さらにゼオライトにアンモニウムイオンが吸着した状態では、排気中のＮＯｘ及び酸素と、アンモニアとが反応して、窒素（Ｎ２）と水が生成される。
【００３５】
このように、ＮＯｘ浄化触媒３３によれば、還元剤供給中に生成されるアンモニアがゼオライトに吸着され、リーンバーン運転中に吸着したアンモニアがＮＯｘと反応するので、ＮＯｘの浄化を効率よく行うことができる。
【００３６】
排気中のＳＯｘがＮＯｘ浄化触媒３３に吸収されると、ＮＯｘ浄化触媒３３のＮＯｘ浄化性能が低下する。このため、ＮＯｘ浄化触媒３３に吸収されたＳＯｘを浄化するＳＯｘ再生処理を行う必要がある。より具体的には、図２を参照して詳述する再生処理により、ＮＯｘ浄化触媒３３に流入する排気を還元雰囲気にするとともに、このＮＯｘ浄化触媒３３を昇温することで行われる。
【００３７】
また、排気管４のうちＤＰＦ３２とＮＯｘ浄化触媒３３との間には、燃料ガスを改質して、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）を含む改質ガスを製造する燃料改質器５０が接続されている。この燃料改質器５０は、製造した改質ガスを還元ガスとして、排気管４のうちＤＰＦ３２とＮＯｘ浄化触媒３３との間に形成された導入口１４から、排気管４内に供給する。
【００３８】
燃料改質器５０は、排気管４にその一端側が接続されたガス通路５１と、このガス通路５１の他端側から燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置５２と、ガス通路５１に設けられた改質触媒としての改質触媒５３と、を含んで構成される。
【００３９】
燃料ガス供給装置５２は、燃料タンクに貯留された燃料と、コンプレッサにより供給された空気とを所定の割合で混合して燃料ガスを製造し、この燃料ガスをガス通路５１に供給する。この燃料ガス供給装置５２は、ＥＣＵ４０に接続されており、燃料ガスの供給量及びその混合比は、ＥＣＵ４０により制御される。また、この燃料ガスの供給量を制御することで、排気管４に供給される還元ガスの供給量ＧＲＧ（単位時間当りに排気管４内に供給される還元ガスの量）を制御することが可能となっている。
【００４０】
改質触媒５３は、ロジウム及びセリアを含む。この改質触媒５３は、燃料ガス供給装置５２から供給された燃料ガスを改質し、水素、一酸化炭素、及び炭化水素を含む改質ガスを製造する触媒である。より具体的には、この改質触媒５３は、燃料ガスを構成する炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により、大気圧よりも高い圧力であり、かつ、体積比で水素よりも一酸化炭素を多く含む改質ガスを製造する。すなわち、改質ガスは水素よりも一酸化炭素を多く含む。また、上述のように部分酸化反応は発熱反応である。これにより、燃料改質器５０は、排気管４のうち導入口１４付近における排気よりも高い温度の還元性気体を、排気管４内に供給することが可能となる。
【００４１】
また、この改質触媒５３には、グロープラグやスパークプラグなどを含んで構成された図示しない加熱ヒータが接続されており、燃料改質器５０の始動とともに、改質触媒５３を加熱することが可能となっている。また、この燃料改質器５０は、排気管４とは別に設けられている。すなわち、燃料改質器５０の燃料ガス供給装置５２及び改質触媒５３は、排気管４内には設けられていない。
【００４２】
ＥＣＵ４０には、エンジン１の吸入空気量ＧＡ（単位時間当りにエンジン１に新規に吸入される空気量）を検出するエアフローメータ２１、ＮＯｘ浄化触媒３３の近傍として排気管４のうち導入口１４とＮＯｘ浄化触媒３３の間における排気の酸素濃度、すなわち排気空燃比ＡＦを検出するＵＥＧＯセンサ２３、排気管４のうち導入口１４とＮＯｘ浄化触媒３３との間における排気の温度ＴＥを検出する排気温度センサ２６、ＤＰＦ３２の上流側と下流側との差圧ΔＰを検出する差圧センサ２７、排気管４のうちＮＯｘ浄化触媒３３の下流側の排気のＮＯｘ濃度ＤＮＤを検出するＮＯｘセンサ２８が接続されており、これらセンサの検出信号は、ＥＣＵ４０に供給される。
【００４３】
ＥＣＵ４０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ４０は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、燃料改質器５０、スロットル弁９、ＥＧＲ弁１３、過給機８、及びエンジン１の燃料噴射弁などに制御信号を出力する出力回路とを備える。
【００４４】
エンジン１は、通常はエンジン空燃比が化学量論比よりもリーン側に設定して運転され、ＤＰＦ３２に堆積したＰＭを燃焼させる場合や、ＮＯｘ浄化触媒３３に吸着したＳＯｘを浄化する場合には、再生処理が行われる。
【００４５】
図２〜図４を参照して、本実施形態の再生処理について説明する。
図２は、ＥＣＵによる再生処理の手順を示すフローチャートである。図２に示すように、本実施形態の再生処理は、吸入空気量の低減とポスト噴射を実行することでＤＰＦを昇温しＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼させるＤＰＦ再生処理を行う通常再生運転（ステップＳ２〜Ｓ９）と、この通常再生運転を実行しながら還元ガスを供給することでＮＯｘ浄化触媒に吸着したＳＯｘを浄化するＳＯｘ再生処理を行う同時再生運転（ステップＳ５〜Ｓ７）とを、所定の条件に応じて選択的に実行可能となっている。
【００４６】
また、図２に示す再生処理においては、これら通常再生運転及び同時再生運転の実行、終了を要求する通常再生実行要求フラグＦＤＰＦＲＰ、通常再生終了要求フラグＦＤＰＦＲＥ、同時再生実行要求フラグＦＳＩＭＲＰ、及び同時再生終了要求フラグＦＳＩＭＲＥが用いられる。
【００４７】
図３は、ＤＰＦにおけるＰＭの堆積量ＱＰＭと、通常再生実行要求フラグＦＤＰＦＲＰ及び通常再生終了要求フラグＦＤＰＦＲＥの更新に用いられる第１閾値ＱＰＭＡＴＨ及び第２閾値ＱＰＭＢＴＨとの関係を示す図である。ここで、これら２つの閾値は、ＱＰＭＡＴＨ＞ＱＰＭＢＴＨとなっている。
エンジンを継続して運転するとＰＭ堆積量ＱＰＭは増加する。そこで、ＰＭ堆積量ＱＰＭが第１閾値ＱＰＭＡＴＨ以上となったことに応じて、通常再生運転の実行を要求する通常再生実行要求フラグＦＤＰＦＲＰを「１」にする。
次に、通常再生運転を実行するとＰＭ堆積量ＱＰＭは減少する。そこで、ＰＭ堆積量ＱＰＭが第２閾値ＱＰＭＢＴＨを下回ったことに応じて、通常再生運転の終了を要求する通常再生終了要求フラグＦＤＰＦＲＥを「１」にする。
なお、本実施形態では、差圧センサにより検出されたＤＰＦの上流側と下流側の差圧ΔＰに基づいてＰＭ堆積量ＱＰＭを推定する。
【００４８】
図４は、ＮＯｘ浄化触媒におけるＳＯｘ被毒量ＱＳＯと、同時再生実行要求フラグＦＳＩＭＲＰ及び同時再生終了要求フラグＦＳＩＭＲＥの更新に用いられる第１閾値ＱＳＯＡＴＨ及び第２閾値ＱＳＯＢＴＨとの関係を示す図である。ここで、これら２つの閾値は、ＱＳＯＡＴＨ＞ＱＳＯＢＴＨとなっている。
エンジンを継続して運転するとＳＯｘ被毒量ＱＳＯは増加する。そこで、ＳＯｘ被毒量ＱＳＯが第１閾値ＱＳＯＡＴＨ以上となったことに応じて、同時再生運転の実行を要求する同時再生実行要求フラグＦＳＩＭＲＰを「１」にする。
次に、同時再生運転を実行するとＳＯｘ被毒量ＱＳＯは減少する。そこで、ＳＯｘ被毒量ＱＳＯが第２閾値ＱＳＯＢＴＨを下回ったことに応じて、同時再生運転の終了を要求する同時再生終了要求フラグＦＳＩＭＲＥを「１」にする。
なお、本実施形態では、ＮＯｘセンサにより検出されたＮＯｘ浄化触媒の下流側の排気のＮＯｘ濃度ＤＮＤに基づいて、ＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ被毒量を推定する。
【００４９】
また、これら通常再生実行要求フラグＦＤＰＦＲＰ、通常再生終了要求フラグＦＤＰＦＲＥ、同時再生実行要求フラグＦＳＩＭＲＰ、及び同時再生終了要求フラグＦＳＩＭＲＥは、ＥＣＵによりＰＭ堆積量ＱＰＭ及びＳＯｘ被毒量ＱＳＯとともに常時更新される。
【００５０】
図２に戻って、ステップＳ１では、通常再生実行要求フラグＦＤＰＦＲＰ及び同時再生実行要求フラグＦＳＩＭＲＰの何れかが「１」であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ２に移り、ＮＯの場合には直ちにこの処理を終了する。
ステップＳ２では、吸入空気量低減制御及びポスト噴射制御を実行し、ステップＳ３に移る。この、吸入空気量低減制御では、吸入空気量を調整することで排気の温度を制御する。より具体的には、スロットル弁を制御し吸入空気量ＧＡを所定の設定量まで低減し、排気温度を上昇させる。また、ポスト噴射制御では、ポスト噴射を実行するとともに、このポスト噴射量を所定の設定量に調整する。
【００５１】
ステップＳ３では、同時再生実行要求フラグＦＳＩＭＲＰが「１」であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳである場合にはステップＳ４に移り、ＮＯの場合にはステップＳ６に移る。
ステップＳ４では、排気温度センサにより検出された排気温度ＴＥに基づいてＮＯｘ浄化触媒の温度ＴＬＮＣを推定し、この触媒温度ＴＬＮＣが所定の温度判定値ＴＬＮＣＴＨ以上であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ５に移り、ＮＯの場合にはステップＳ６に移る。
ステップＳ５では、還元ガス供給制御を実行、すなわち、同時再生運転を実行し、ステップＳ６に移る。具体的には、燃料改質器により製造された還元ガスの排気管内への供給を開始するとともに、ＵＥＧＯセンサにより検出された排気空燃比ＡＦに応じて還元ガスの供給量を制御する。
またここで、還元ガスを排気管内に供給する際において、この排気管を流通する排気には酸素が含まれていることが好ましい。
【００５２】
ステップＳ６では、同時再生終了要求フラグＦＳＩＭＲＥが「１」であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ７に移り、ＮＯの場合にはステップＳ８に移る。
ステップＳ７では、還元ガス供給制御を終了、すなわち同時再生運転を終了し、同時再生実行要求フラグＦＳＩＭＲＰ及び同時再生終了要求フラグＦＳＩＭＲＥを「０」に戻し、ステップＳ８に移る。
ステップＳ８では、通常再生終了要求フラグＦＤＰＦＲＥが「１」であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ９に移り、ＮＯの場合にはこの処理を終了する。
ステップＳ９では、吸入空気量低減制御及びポスト噴射制御を終了し、通常再生実行要求フラグＦＤＰＦＲＰ及び通常再生終了要求フラグＦＤＰＦＲＥを「０」に戻す。
【００５３】
以上詳述したように、本実施形態によれば、排気管４のうちＮＯｘ浄化触媒３３の上流側にＤＰＦ３２を設け、さらにこれらＮＯｘ浄化触媒３３とＤＰＦ３２の間に設けられた導入口１４から、水素及び一酸化炭素を含む還元ガスを供給する燃料改質器５０を設けた。これにより、ＤＰＦ３２に流入する排気の酸素濃度を高く維持し、ＤＰＦ再生処理を高効率で実行しながら、このＤＰＦ３２の下流から還元ガスを供給することで、ＮＯｘ浄化触媒３３に流入する排気の排気空燃比を低く維持し、ＮＯｘ浄化触媒３３のＳＯｘ再生処理を高効率で実行できる。このように、本実施形態によれば、ＤＰＦ再生処理とＳＯｘ再生処理とを、同時にかつ高効率で実行できる。したがって、これら処理にかかる時間を短縮し燃費を向上でき、さらにこれらＤＰＦ３２やＮＯｘ浄化触媒３３の劣化も軽減できる。
また、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることにより、ＮＯｘ浄化触媒３３の上流の熱容量を増加することなく、還元ガスを供給することができる。これにより、エンジン１始動直後などの低温時におけるＮＯｘ浄化性能を低下することなくＳＯｘ再生処理を実行できる。
また、還元ガスを製造する燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、ＳＯｘ再生処理の実行時期を、内燃機関の状態と独立して決めることができる。したがって、エンジン１を常に最適な状態で制御しつつ、必要に応じてＳＯｘ再生処理を適宜実行することができる。また、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることにより、エンジン１の運転状態や、排気の酸素濃度及び水蒸気濃度などによらず、常に最適な効率で還元ガスを製造できるとともに、この還元ガスを排気管４内に供給することができる。
一方、燃料改質器５０を排気管４内に設けた場合には、排気の成分、温度、流速に影響することなく運転できるように、燃料改質器５０を大型にする必要があるが、本実施形態によれば、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることで、装置を大型にすることなく安定した運転を行うことができる。また、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることにより、エンジン１の制御とは別系統の制御を行うことで、改質触媒５３を早期に活性化することも可能となる。
【００５４】
また、本実施形態によれば、還元ガスには体積比で水素よりも一酸化炭素が多く含まれる。また触媒上で一酸化炭素が燃焼を開始する温度は、水素が燃焼を開始する温度よりも低温である。このような一酸化炭素を含む還元ガスを供給することでＮＯｘ浄化触媒３３を速やかに昇温し、ＳＯｘ再生処理におけるＳＯｘの浄化を促進することができる。また、大気圧より高い圧力の還元ガスを製造することにより、余分な装置を追加することなく、製造した還元ガスを排気管４内に供給できる。
また、本実施形態によれば、排気管４のうち導入口１４を流通する排気の温度よりも高い温度の還元ガスを供給する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒３３を速やかに昇温し、ＳＯｘ再生処理におけるＳＯｘの浄化を促進することができる。
【００５５】
また、本実施形態によれば、ＤＰＦ再生処理を行う通常再生運転と、この通常再生運転を実行しながら還元ガスを供給しＳＯｘ再生処理を行う同時再生運転とを、所定の条件に応じて選択的に実行する。これにより、例えば、ＤＰＦ再生処理のみを行う必要がある場合には通常再生運転を実行し、ＤＰＦ再生処理とＳＯｘ再生処理とを同時に行うことが好ましい場合には同時再生運転を実行することで、還元ガスの消費を最小限にしつつ、これら再生処理を効率的に実行できる。
また、本実施形態によれば、通常再生運転を実行する際には、吸入空気量を調整することで排気の温度を制御する。これにより、排気の温度を、ＰＭを燃焼させるために必要な温度に制御し、効率的にＤＰＦ再生処理を行うことができる。
また、本実施形態によれば、ＤＰＦ３２の上流側に酸化機能を有する触媒コンバータ３１を設けた上で、通常再生運転を実行する際にはポスト噴射を実行する。これにより、通常再生運転を実行する際には、ポスト噴射により供給された燃料を触媒コンバータ３１で燃焼させることで、ＤＰＦ３２に流入する排気の温度を上昇させ、ＤＰＦ再生処理を高効率で行うことができる。
【００５６】
また、本実施形態によれば、ＰＭ堆積量ＱＰＭが第１閾値ＱＰＭＡＴＨ以上となった場合には、通常再生実行要求フラグＦＤＰＦＲＰを１にし、通常再生運転又は同時再生運転を実行する。これにより、ＰＭ堆積量が限界になる前の適切な時機にＤＰＦ再生処理を実行できる。
また、本実施形態によれば、ＮＯｘ浄化触媒３３の温度ＴＬＮＣが所定の温度判定値ＴＬＮＣＴＨ以上であり、かつ、ＮＯｘ浄化触媒３３のＳＯｘ被毒量ＱＳＯが第１閾値ＱＳＯＡＴＨ以上となったことに応じて、同時再生実行要求フラグＦＳＩＭＲＰを１にし、同時再生運転を実行する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒３３のＮＯｘ浄化性能が大幅に低下する前の適切な時機にＳＯｘ再生処理を行うことができる。また、ＮＯｘ浄化触媒３３の温度ＴＬＮＣが所定の温度判定値ＴＬＮＣＴＨ以上である場合に同時再生運転を実行することにより、ＮＯｘ浄化触媒３３から脱離したＳＯｘを効率よく浄化できる。
【００５７】
また、本実施形態によれば、ＳＯｘ被毒量ＱＳＯが所定の第２閾値ＱＳＯＢＴＨより小さくなったことに応じて同時再生終了要求フラグＦＳＩＭＲＥを１にし、同時再生運転の実行を終了し、通常再生運転を実行する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒３３のＮＯｘ浄化性能の回復に合わせて同時再生運転の実行を終了し、さらにＤＰＦ再生処理を継続することができる。
また、本実施形態によれば、ＮＯｘ浄化触媒３３の近傍の排気空燃比ＡＦに応じて還元ガスの供給量を制御する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒３３に流入する排気の排気空燃比を適切に調整し、ＳＯｘ再生処理の効率をさらに向上できる。
また、本実施形態によれば、部分酸化反応により還元ガスを製造することにより、燃料改質器５０を小型なものにできる。つまり、上述のように部分酸化反応は発熱反応であり、一旦反応が開始すれば自発的に反応が進行するため、外部から余分なエネルギーを供給する装置を設ける必要がないためである。また、シフト反応などの水素を濃縮するためのコンバータやシステムも設ける必要もない。また、このように燃料改質器５０を小型にすることで、燃料改質器５０のライトオフ時間を短縮できる。したがって、必要に応じて速やかに還元ガスを排気管４内に供給することができる。
また、この部分酸化反応において副次的に生成される軽質の炭化水素も一酸化炭素や水素とともにＮＯｘ浄化触媒３３に導入して、ＳＯｘの浄化に使用することもできる。
【００５８】
本実施形態では、ＥＣＵ４０が、再生手段、排気温度制御手段、堆積量推定手段、ＳＯｘ被毒量推定手段の一部、触媒温度推定手段の一部、供給量制御手段を構成する。具体的には、図２のステップＳ１〜Ｓ９に係る手段が再生手段に相当し、ステップＳ２に係る手段が排気温度制御手段に相当し、ＥＣＵ４０及び差圧センサ２７が堆積量推定手段に相当し、ＥＣＵ４０及びＮＯｘセンサ２８がＳＯｘ被毒量推定手段に相当し、ＥＣＵ４０及び排気温度センサ２６が触媒温度推定手段に相当し、図２のステップＳ５に係る手段が供給量制御手段に相当する。
【００５９】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、排気管４のうちＤＰＦ３２の上流側に、還元ガスを連続的に酸化する酸化機能を有する触媒コンバータ３１を設けたがこれに限らない。例えば、触媒コンバータをＤＰＦと別体で設けることなく、同様の酸化機能を有する触媒をＤＰＦに担持してもよい。これにより、上記実施形態と同様の効果に加えて、排気浄化装置をコンパクトにできるとともに、ＰＭの燃焼反応を促進することができる。したがって、ＤＰＦ再生処理の効率をさらに向上できる。
【００６０】
上記実施形態では、図２のステップＳ２では、吸入空気量を調整したが、これに限らず、例えば、過給圧を調整してもよい。これにより、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進用エンジンなどの排気浄化装置にも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】前記実施形態に係るＥＣＵによる再生処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】ＤＰＦにおけるＰＭ堆積量と、フラグの更新に用いられる２つの閾値との関係を示す図である。
【図４】ＮＯｘ浄化触媒におけるＳＯｘ被毒量と、フラグの更新に用いられる２つの閾値との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１…エンジン（内燃機関）
４…排気管（排気通路）
５…排気マニホールド（排気通路）
１４…導入口
２３…ＵＥＧＯセンサ（酸素濃度検出手段）
２６…排気温度センサ（触媒温度推定手段）
２７…差圧センサ（堆積量推定手段）
２８…ＮＯｘセンサ（ＳＯｘ被毒量推定手段）
３１…触媒コンバータ
３２…ＤＰＦ
３３…ＮＯｘ浄化触媒
４０…電子制御ユニット（再生手段、排気温度制御手段、堆積量推定手段、ＳＯｘ被毒量推定手段、触媒温度推定手段、供給量制御手段）
５０…燃料改質器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。詳しくは、排気中のＮＯｘを吸着又は吸蔵し、この吸着又は吸蔵したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化触媒と、排気中のＰＭ（パティキュレート）を捕集するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）とを備える内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
また、本発明において、「リッチ」という用語は、問題とする燃料の空気／燃料比率（以下、「空燃比」という）が化学量論的な空燃比よりも小さいことを示し、「リーン」という用語は、問題とする燃料の空燃比が上述の化学量論的な空燃比よりも大きいことを示す。また、以下の説明では、エンジンへ流入する混合気における空気と燃料の重量比をエンジン空燃比といい、排気管内の空気と可燃性気体との重量比を排気空燃比という。
【０００３】
また、排気空燃比を制御する方法としては、エンジンの吸入空気量を低減しかつトルクに寄与する燃料噴射（以下、「主噴射」という）量を調整することで排気空燃比を低くする（以下、「リッチ化する」という）方法や、トルクに寄与しない燃料噴射（以下、「ポスト噴射」という）を行い未燃の燃料を排気通路に流すことで排気空燃比をリッチ化する方法とがある。また、この他、排気通路に燃料を直接噴射（以下、「排気噴射」という）する方法も知られている。
【背景技術】
【０００４】
内燃機関の排気系にＮＯｘ（窒素酸化物）浄化触媒を設けることにより、排気中のＮＯｘを吸収して、ＮＯｘの排出量を低減する技術は、従来より知られている。一方、内燃機関から排出される排気中には、燃料やエンジンオイル中の硫黄成分が含まれている。このような硫黄成分がＮＯｘ浄化触媒に蓄積すると触媒が被毒し、ＮＯｘ浄化性能が低下してしまう。そこで、このようなＮＯｘ浄化触媒の被毒により浄化性能が低下するのを防止することを目的として、以下のような技術が提案されている。
【０００５】
例えば特許文献１には、水素や一酸化炭素などを含む還元性気体を改質反応により製造する燃料改質器をＮＯｘ浄化触媒の上流に設けた排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置によれば、ＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ再生処理を実行する際に、燃料改質器により製造された水素を排気に添加することで硫黄成分の除去を促進する。
【０００６】
一方、ディーゼルエンジンやリーンバーンエンジンなどは、シリンダ内における空燃比が不均質となり、局所的にリッチとなった部分において酸素が不足した状態で燃焼することにより、炭素を主成分としたＰＭが排出される。そこで、このようなＰＭの排出量を低減するため、排気系に、排気中のＰＭを捕集するＤＰＦを設ける技術は広く用いられている。このＤＰＦが捕集できるＰＭ量には限界があるため、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼させるＤＰＦ再生処理が適宜実行される。近年では、上述のＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ再生処理と同様に、ＤＰＦ再生処理の技術に関して、以下のような様々な技術が提案されている。
【０００７】
例えば特許文献２には、排気通路のうちＤＰＦの上流側に酸化性能の高い触媒を塗布した触媒コンバータを配置するとともに、排気通路内に未燃の燃料を排気噴射することで、この燃料を触媒コンバータで燃焼させて排気を昇温し、高温となった排気をＤＰＦに流入させることでＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼する排気浄化装置が示されている。
また、例えば特許文献３には、上述の排気噴射の代わりにポスト噴射を行うことで、特許文献１の排気浄化装置と同様に、燃料を触媒コンバータで燃焼させて排気を昇温し、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼する排気浄化装置が示されている。
【０００８】
以上のような、ＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ再生処理や、ＤＰＦのＤＰＦ再生処理は、基本的には、これらＮＯｘ浄化触媒やＤＰＦの状態に応じて別々に実行される。しかしながら、どちらの再生処理を行う場合も排気系の温度を上昇させる必要がある。したがって、燃費が悪化するのを防止するためには、ＳＯｘ再生処理とＤＰＦ再生処理とを個別に実行するよりも同時に実行することが好ましい。
そこで、例えば特許文献４には、ＤＰＦの下流にＮＯｘ浄化触媒を設け、さらにＤＰＦに流入する酸素濃度を制御することにより、ＤＰＦのＤＰＦ再生処理とＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ再生処理とを同時に実行する排気浄化装置が提案されている。
【特許文献１】特許第３８９６９２３号公報
【特許文献２】特許第３８３５２４１号公報
【特許文献３】特開平８−４２３２６号公報
【特許文献４】特開２００５−１３３７２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、ＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ再生処理を実行する場合は、このＮＯｘ浄化触媒に流入する排気空燃比を化学量論比よりも小さくする必要がある。一方、ＤＰＦのＤＰＦ再生処理を実行する場合は、ＤＰＦに流入する排気空燃比を化学量論比よりも大きくし、酸素過剰雰囲気にする必要がある。
上述の特許文献４に示された排気浄化装置は、ＤＰＦに流入する酸素濃度を制御することにより、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の酸素濃度を調整し、ＤＰＦ再生処理とＳＯｘ再生処理とを同時に実行することをねらったものである。しかしながら、特許文献４の排気浄化装置では、ＤＰＦに流入する排気の酸素濃度が高くなると、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気空燃比が大きくなってしまい、ＤＰＦ再生処理とＳＯｘ再生処理とを同時に高い効率で実行することは困難である。結果として、この同時再生にかかる時間が長くなってしまい、燃費が悪化したり、触媒が劣化したりするおそれがある。
【００１０】
本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、ＤＰＦ再生処理とＳＯｘ再生処理とを高効率で同時に実行できる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の排気通路（４，５）に設けられ、当該排気通路を流通する排気の空燃比を排気空燃比として、当該排気空燃比をリーンにしたときに、排気中のＮＯｘを吸着もしくは吸蔵し、前記排気空燃比をリッチにしたときに、前記吸着もしくは吸蔵したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化触媒（３３）と、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒よりも上流側に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ（３２）と、を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタと前記ＮＯｘ浄化触媒との間に設けられた導入口（１４）から、当該排気通路内に供給する燃料改質器（５０）を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器により製造された還元性気体は、大気圧よりも高い圧力であり、かつ、体積比で水素よりも一酸化炭素を多く含むことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器により供給される還元性気体の温度は、前記排気通路のうち前記導入口を流通する排気の温度よりも高いことを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に導入する際において、当該排気通路を流通する排気には酸素が含まれることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタを昇温し当該パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させる通常再生運転と、前記通常再生運転を実行しながら前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に供給し前記ＮＯｘ浄化触媒に吸着したＳＯｘを浄化する同時再生運転と、を所定の条件に応じて選択的に実行する再生手段（４０）をさらに備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記通常再生運転を実行する際には、吸入空気量及び過給圧のうち少なくとも１つを調整することで排気の温度を制御する排気温度制御手段（４０）をさらに備えることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの上流側には、酸化機能を有する触媒コンバータ（３１）が設けられ、前記再生手段は、前記通常再生運転を実行する際には、ポスト噴射を実行することを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項５又は６に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタには酸化機能を有する触媒が担持され、前記再生手段は、前記通常再生運転を実行する際には、ポスト噴射を実行することを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、請求項５から８の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタのパティキュレート堆積量（ＱＰＭ）を推定又は検出するパティキュレート堆積量推定手段（４０，２７）をさらに備え、前記再生手段は、前記パティキュレート堆積量推定手段により推定又は検出されたパティキュレート堆積量（ＱＰＭ）が所定の第１堆積判定値（ＱＰＭＡＴＨ）以上となったことに応じて前記通常再生運転又は前記同時再生運転を実行することを特徴とする。
【００１４】
請求項１０に記載の発明は、請求項５から９の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度（ＴＬＮＣ）を推定又は検出する触媒温度推定手段（４０，２６）と、前記ＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ被毒量（ＱＳＯ）を推定又は検出するＳＯｘ被毒量推定手段（４０，２８）と、をさらに備え、前記再生手段は、前記触媒温度推定手段により推定又は検出された温度（ＴＬＮＣ）が所定の温度判定値（ＴＬＮＣＴＨ）以上であり、かつ、前記ＳＯｘ被毒量推定手段により推定又は検出されたＳＯｘ被毒量（ＱＳＯ）が所定の第１被毒判定値（ＱＳＯＡＴＨ）以上となったことに応じて前記同時再生運転を実行することを特徴とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記再生手段は、前記ＳＯｘ被毒量推定手段により推定又は検出されたＳＯｘ被毒量（ＱＳＯ）が所定の第２被毒判定値（ＱＳＯＢＴＨ）より小さくなったことに応じて前記同時再生運転の実行を終了し、前記通常再生運転を実行することを特徴とする。
請求項１２に記載の発明は、請求項１から１１の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒の近傍の排気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段（２３）と、当該酸素濃度検出手段により検出された酸素濃度に応じて前記燃料改質器により前記排気通路内に供給される還元性気体の供給量を制御する供給量制御手段（４０）と、をさらに備えることを特徴とする。
請求項１３に記載の発明は、請求項１から１２の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器は、炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により還元性気体を製造することを特徴とする。
請求項１４に記載の発明は、請求項１から１３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記内燃機関は、軽油を燃料として用い、この燃料を圧縮着火により燃焼することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、排気通路のうちＮＯｘ浄化触媒の上流側にパティキュレートフィルタを設け、さらにこれらＮＯｘ浄化触媒とパティキュレートフィルタの間に設けられた導入口から、水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を供給する燃料改質器を設けた。これにより、パティキュレートフィルタに流入する排気の酸素濃度を高く維持し、パティキュレートフィルタの再生処理を高効率で実行しながら、このパティキュレートフィルタの下流から還元性気体を供給することで、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を低く維持し、ＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ再生処理を高効率で実行できる。このように、本発明によれば、パティキュレートフィルタの再生処理とＳＯｘ再生処理とを、同時にかつ高効率で実行できる。したがって、これら処理にかかる時間を短縮し燃費を向上でき、さらにこれらパティキュレートフィルタやＮＯｘ浄化触媒の劣化も軽減できる。
また、燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、ＮＯｘ浄化触媒の上流の熱容量を増加することなく、還元性気体を供給することができる。これにより、エンジン始動直後などの低温時におけるＮＯｘ浄化性能を低下することなくＳＯｘ再生処理を実行できる。
また、還元性気体を製造する燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、ＳＯｘ再生処理の実行時期を、内燃機関の状態と独立して決めることができる。したがって、内燃機関を常に最適な状態で制御しつつ、必要に応じてＳＯｘ再生処理を適宜実行することができる。また、燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、内燃機関の運転状態や、排気の酸素濃度及び水蒸気濃度などによらず、常に最適な効率で還元性気体を製造できるとともに、この還元性気体を排気通路内に供給することができる。
一方、燃料改質器を排気通路内に設けた場合には、排気の成分、温度、流速に影響することなく運転できるように、燃料改質器を大型にする必要があるが、この発明によれば、燃料改質器を排気通路とは別に設けることで、装置を大型にすることなく安定した運転を行うことができる。また、燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、内燃機関の制御とは別系統の制御を行うことで、燃料改質器が備える触媒を早期に活性化することも可能となる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、還元性気体には体積比で水素よりも一酸化炭素が多く含まれる。また触媒上で一酸化炭素が燃焼を開始する温度は、水素が燃焼を開始する温度よりも低温である。このような一酸化炭素を含む還元性気体を供給することでＮＯｘ浄化触媒を速やかに昇温し、ＳＯｘ再生処理におけるＳＯｘの浄化を促進することができる。また、大気圧より高い圧力の還元性気体を製造することにより、余分な装置を追加することなく、製造した還元性気体を排気通路内に供給できる。
請求項３に記載の発明によれば、排気通路のうち導入口を流通する排気の温度よりも高い温度の還元性気体を供給する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒を速やかに昇温し、ＳＯｘ再生処理におけるＳＯｘの浄化を促進することができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの再生処理を行う通常再生運転と、この通常再生運転を実行しながら還元性気体を供給しＳＯｘ再生処理を行う同時再生運転とを、所定の条件に応じて選択的に実行する。これにより、例えば、パティキュレートフィルタの再生処理のみを行う必要がある場合には通常再生運転を実行し、パティキュレートフィルタの再生処理とＳＯｘ再生処理とを同時に行うことが好ましい場合には同時運転処理を実行することで、還元性気体の消費を最小限にしつつ、これら再生処理を効率的に実行できる。
請求項６に記載の発明によれば、通常再生運転を実行する際には、吸入空気量及び過給圧のうち少なくとも１つを調整することで排気の温度を制御する。これにより、排気の温度を、パティキュレートを燃焼させるために必要な温度に制御し、効率的にパティキュレートフィルタの再生処理を行うことができる。
請求項７に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの上流側に酸化機能を有する触媒コンバータを設けた上で、通常再生運転を実行する際にはポスト噴射を実行する。これにより、通常再生運転を実行する際には、ポスト噴射により供給された燃料を触媒コンバータで燃焼させることで、パティキュレートフィルタに流入する排気の温度を上昇させ、パティキュレートフィルタの再生処理を高効率で行うことができる。
【００１８】
請求項８に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタに酸化機能を有する触媒を担持させた上で、通常再生運転を実行する際にはポスト噴射を実行する。したがって、通常再生運転を実行する際には、ポスト噴射により供給された燃料を触媒コンバータで燃焼させることにより、パティキュレートフィルタに流入する排気の温度を上昇させ、高効率でパティキュレートフィルタの再生処理を高効率で実行できる。また、触媒コンバータとパティキュレートフィルタを別々に設けた場合と比較して、排気浄化装置をコンパクトにできるとともに、パティキュレートの燃焼反応を促進することができる。これにより、パティキュレートフィルタの再生処理の効率をさらに向上できる。
請求項９に記載の発明によれば、パティキュレート堆積量が第１堆積判定値以上となった場合には、通常再生運転又は同時再生運転を実行する。これにより、パティキュレートの堆積量が限界になる前の適切な時機にパティキュレートフィルタの再生処理を実行できる。
請求項１０に記載の発明によれば、ＮＯｘ浄化触媒の温度が所定の温度判定値以上であり、かつ、ＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ被毒量が所定の第１被毒判定値以上となったことに応じて、同時再生運転を実行する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化性能が大幅に低下する前の適切な時機にＳＯｘ再生処理を行うことができる。また、ＮＯｘ浄化触媒の温度が所定の温度判定値以上である場合に同時再生運転を実行することにより、ＮＯｘ浄化触媒から脱離したＳＯｘを効率よく浄化できる。
【００１９】
請求項１１に記載の発明によれば、ＳＯｘ被毒量が所定の第２被毒判定値より小さくなったことに応じて同時再生運転の実行を終了し、通常再生運転を実行する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化性能の回復に合わせて同時再生運転の実行を終了し、さらにパティキュレートフィルタの再生処理を継続することができる。
請求項１２に記載の発明によれば、ＮＯｘ浄化触媒の近傍の酸素濃度に応じて還元性気体の供給量を制御する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を適切に調整し、ＳＯｘ再生処理の効率をさらに向上できる。
請求項１３に記載の発明によれば、部分酸化反応により還元性気体を製造することにより、この燃料改質器を小型なものにできる。つまり、上述のように部分酸化反応は発熱反応であり、一旦反応が開始すれば自発的に反応が進行するため、外部から余分なエネルギーを供給する装置を設ける必要がないためである。また、シフト反応などの水素を濃縮するためのコンバータやシステムも設ける必要もない。また、このように燃料改質器を小型にすることで、燃料改質器のライトオフ時間を短縮できる。したがって、必要に応じて速やかに還元性気体を排気通路内に供給することができる。
また、この部分酸化反応において副次的に生成される軽質の炭化水素も一酸化炭素や水素とともにＮＯｘ浄化触媒に導入して、ＳＯｘの浄化に使用することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、燃焼室内に燃料を直接噴射し、圧縮着火によりこの燃料を燃焼するディーゼルエンジンであり、燃料として軽油が用いられる。また、各気筒７の燃焼室には図示しない燃料噴射弁が設けられている。これら燃料噴射弁は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）４０により電気的に接続されており、燃料噴射弁の開弁時間及び閉弁時間、すなわち燃料噴射量及び燃料噴射時期などは、ＥＣＵ４０により制御される。
【００２１】
エンジン１には、吸気が流通する吸気管２と、排気が流通する排気管４と、排気管４内の排気の一部を吸気管２に還流する排気還流通路６と、吸気管２に吸気を圧送する過給機８とが設けられている。
【００２２】
吸気管２は、吸気マニホールド３の複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒７の吸気ポートに接続されている。排気管４は、排気マニホールド５の複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒７の排気ポートに接続されている。排気還流通路６は、排気マニホールド５から分岐し吸気マニホールド３に至る。
【００２３】
過給機８は、排気管４に設けられた図示しないタービンと、吸気管２に設けられた図示しないコンプレッサと、を備える。タービンは、排気管４を流通する排気の運動エネルギにより駆動される。コンプレッサは、タービンにより回転駆動され、吸気を加圧し吸気管２内へ圧送する。また、タービンは、図示しない複数の可変ベーンを備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービンのベーン開度は、ＥＣＵ４０により電磁的に制御される。
【００２４】
吸気管２のうち過給機８の上流側には、エンジン１の吸入空気量ＧＡを制御するスロットル弁９が設けられている。このスロットル弁９は、アクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。また、吸気管２のうち過給機８の下流側には、過給機８により加圧された吸気を冷却するためのインタークーラ１１が設けられている。
【００２５】
排気還流通路６は、排気マニホールド５と吸気マニホールド３とを接続し、エンジン１から排出された排気の一部を還流する。排気還流通路６には、還流される排気を冷却するＥＧＲクーラ１２と、還流する排気の流量を制御するＥＧＲ弁１３と、が設けられている。ＥＧＲ弁１３は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その弁開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。
【００２６】
排気管４には、触媒コンバータ３１と、ＤＰＦ３２と、ＮＯｘ浄化触媒３３と、が上流側からこの順で設けられている。
【００２７】
触媒コンバータ３１は、後述の燃料改質器５０から供給される還元ガスを連続的に酸化する三元触媒を備える。この触媒コンバータ３１は、後述の還元ガスに含まれる一酸化炭素、水素、及び軽質の炭化水素などの触媒燃焼反応における貴金属活性種としてのロジウム（Ｒｈ）と、酸素貯蔵能力を有するセリア（ＣｅＯ２）とを含む。このような触媒コンバータ３１に還元ガスを供給することで、排気温度が低い状態であっても速やかに温度を上昇させることができる。また、セリアを含むことにより、急激な酸素濃度変化などにおいても安定した触媒作用を発揮することができる。
本実施形態では、触媒コンバータ３１として、白金（Ｐｔ）を２．４（ｇ／Ｌ）と、ロジウムを１．２（ｇ／Ｌ）と、パラジウム（Ｐｄ）を６．０（ｇ／Ｌ）と、セリアを５０（ｇ／Ｌ）と、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を１５０（ｇ／Ｌ）と、バインダーを１０と、を水系媒体とともにボールミルで攪拌・混合することでスラリーを製造し、このスラリーをＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金製担体にコーティングした後、これを６００℃で２時間に亘り乾燥・焼成して調製されたものを用いる。
【００２８】
ＤＰＦ３２は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素を主成分とするＰＭを、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。フィルタ壁の構成材料としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）などのセラミックスや金属多孔体が使用される。
ＤＰＦ３２の捕集能力の限界、すなわち堆積限界までＰＭを捕集すると、排気管４の圧損が大きくなるので、捕集したＰＭを燃焼させるＤＰＦ再生処理を行う必要がある。より具体的には、後に図２を参照して詳述する再生処理により、ＤＰＦ３２に流入する排気の温度を、ＤＰＦ３２に捕集されたＰＭの燃焼温度まで上昇することで行われる。
【００２９】
ＮＯｘ浄化触媒３３は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、セリア（ＣｅＯ２）、及びセリウムと希土類の複合酸化物（以下、「セリア系複合酸化物」という）の担体に担持された、触媒として作用する白金（Ｐｔ）と、ＮＯｘ吸着能力を有するセリアもしくはセリア系複合酸化物と、触媒に生成されたアンモニア（ＮＨ３）を、アンモニウムイオン（ＮＨ４＋）として保持する機能を有するゼオライトとを備える。
【００３０】
本実施形態では、ＮＯｘ浄化触媒３３として、触媒担体に２つの層からなるＮＯｘ還元触媒を担持させることによって形成されたものを用いる。
ＮＯｘ還元触媒の下層は、白金を４．５（ｇ／Ｌ）と、セリアを６０（ｇ／Ｌ）と、アルミナを３０（ｇ／Ｌ）と、Ｃｅ−Ｐｒ−Ｌａ−Ｏｘを６０（ｇ／Ｌ）と、Ｚｒ−Ｏｘを２０（ｇ／Ｌ）と、で構成される材料を水系媒体とともにボールミルに投入して攪拌、混合することでスラリーを製造し、このスラリーを触媒担体にコーティングして形成される。
また、ＮＯｘ還元触媒の上層は、β型のゼオライトに鉄（Ｆｅ）及びセリウム（Ｃｅ）をイオン交換したものを７５（ｇ／Ｌ）と、アルミナを７（ｇ／Ｌ）と、バインダーを８（ｇ／Ｌ）と、で構成される材料を、水系媒体とともにボールミルに投入して攪拌、混合することでスラリーを製造し、このスラリーを上述の下層にコーティングして形成される。
【００３１】
ＮＯｘ浄化触媒３３の吸着アンモニア量が少なくなると、ＮＯｘの浄化能力が低下するので、適宜ＮＯｘを還元するために、ＮＯｘ浄化触媒３３への還元剤の供給（以下「還元化」という）が行われる。この還元化では、エンジン１の燃焼室内の混合気の空燃比（エンジン空燃比）を化学量論比よりリッチ側にすることにより、還元剤をＮＯｘ浄化触媒３３に供給する。すなわち、エンジン１から排出される排気空燃比をリッチ化することにより、ＮＯｘ浄化触媒３３へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より高くなり、還元化が実行される。
【００３２】
このＮＯｘ浄化触媒３３におけるＮＯｘの浄化について説明する。
先ず、エンジン空燃比を化学量論比よりリーン側に設定し、いわゆるリーンバーン運転を行うと、ＮＯｘ浄化触媒３３へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より低くなる。その結果、排気中の一酸化窒素（ＮＯ）と酸素（Ｏ２）とが触媒の作用で反応し、ＮＯ２としてセリアもしくはセリア系複合酸化物に吸着される。また、酸素と反応していない一酸化炭素（ＣＯ）も、セリアもしくはセリア系複合酸化物に吸着される。
【００３３】
次に、エンジン空燃比を化学量論比よりリッチ側に設定するいわゆるリッチ運転を行い、排気空燃比をリッチ化する。すなわち、排気中の還元剤濃度を酸素濃度より高くする還元化を実行すると、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）が水（Ｈ２Ｏ）と反応して、二酸化炭素（ＣＯ２）と水素（Ｈ２）が生成され、また排気中の炭化水素（ＨＣ）が水と反応して、一酸化炭素（ＣＯ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）とともに、水素が生成される。またさらに、排気中に含まれるＮＯｘ、及びセリアもしくはセリア系複合酸化物（及び白金）に吸着されているＮＯｘ（ＮＯ，ＮＯ２）と、生成された水素とが触媒の作用で反応し、アンモニア（ＮＨ３）及び水が生成される。また、ここで生成されたアンモニアは、アンモニウムイオン（ＮＨ４＋）の形でゼオライトに吸着される。
【００３４】
次に、エンジン空燃比を化学量論比よりリーン側に設定するリーンバーン運転を行い、ＮＯｘ浄化触媒３３へ流入する排気中の還元剤濃度を、酸素濃度より低い側に設定すると、セリアもしくはセリア系複合酸化物にＮＯｘが吸着される。さらにゼオライトにアンモニウムイオンが吸着した状態では、排気中のＮＯｘ及び酸素と、アンモニアとが反応して、窒素（Ｎ２）と水が生成される。
【００３５】
このように、ＮＯｘ浄化触媒３３によれば、還元剤供給中に生成されるアンモニアがゼオライトに吸着され、リーンバーン運転中に吸着したアンモニアがＮＯｘと反応するので、ＮＯｘの浄化を効率よく行うことができる。
【００３６】
排気中のＳＯｘがＮＯｘ浄化触媒３３に吸収されると、ＮＯｘ浄化触媒３３のＮＯｘ浄化性能が低下する。このため、ＮＯｘ浄化触媒３３に吸収されたＳＯｘを浄化するＳＯｘ再生処理を行う必要がある。より具体的には、図２を参照して詳述する再生処理により、ＮＯｘ浄化触媒３３に流入する排気を還元雰囲気にするとともに、このＮＯｘ浄化触媒３３を昇温することで行われる。
【００３７】
また、排気管４のうちＤＰＦ３２とＮＯｘ浄化触媒３３との間には、燃料ガスを改質して、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）を含む改質ガスを製造する燃料改質器５０が接続されている。この燃料改質器５０は、製造した改質ガスを還元ガスとして、排気管４のうちＤＰＦ３２とＮＯｘ浄化触媒３３との間に形成された導入口１４から、排気管４内に供給する。
【００３８】
燃料改質器５０は、排気管４にその一端側が接続されたガス通路５１と、このガス通路５１の他端側から燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置５２と、ガス通路５１に設けられた改質触媒としての改質触媒５３と、を含んで構成される。
【００３９】
燃料ガス供給装置５２は、燃料タンクに貯留された燃料と、コンプレッサにより供給された空気とを所定の割合で混合して燃料ガスを製造し、この燃料ガスをガス通路５１に供給する。この燃料ガス供給装置５２は、ＥＣＵ４０に接続されており、燃料ガスの供給量及びその混合比は、ＥＣＵ４０により制御される。また、この燃料ガスの供給量を制御することで、排気管４に供給される還元ガスの供給量ＧＲＧ（単位時間当りに排気管４内に供給される還元ガスの量）を制御することが可能となっている。
【００４０】
改質触媒５３は、ロジウム及びセリアを含む。この改質触媒５３は、燃料ガス供給装置５２から供給された燃料ガスを改質し、水素、一酸化炭素、及び炭化水素を含む改質ガスを製造する触媒である。より具体的には、この改質触媒５３は、燃料ガスを構成する炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により、大気圧よりも高い圧力であり、かつ、体積比で水素よりも一酸化炭素を多く含む改質ガスを製造する。すなわち、改質ガスは水素よりも一酸化炭素を多く含む。また、上述のように部分酸化反応は発熱反応である。これにより、燃料改質器５０は、排気管４のうち導入口１４付近における排気よりも高い温度の還元性気体を、排気管４内に供給することが可能となる。
【００４１】
また、この改質触媒５３には、グロープラグやスパークプラグなどを含んで構成された図示しない加熱ヒータが接続されており、燃料改質器５０の始動とともに、改質触媒５３を加熱することが可能となっている。また、この燃料改質器５０は、排気管４とは別に設けられている。すなわち、燃料改質器５０の燃料ガス供給装置５２及び改質触媒５３は、排気管４内には設けられていない。
【００４２】
ＥＣＵ４０には、エンジン１の吸入空気量ＧＡ（単位時間当りにエンジン１に新規に吸入される空気量）を検出するエアフローメータ２１、ＮＯｘ浄化触媒３３の近傍として排気管４のうち導入口１４とＮＯｘ浄化触媒３３の間における排気の酸素濃度、すなわち排気空燃比ＡＦを検出するＵＥＧＯセンサ２３、排気管４のうち導入口１４とＮＯｘ浄化触媒３３との間における排気の温度ＴＥを検出する排気温度センサ２６、ＤＰＦ３２の上流側と下流側との差圧ΔＰを検出する差圧センサ２７、排気管４のうちＮＯｘ浄化触媒３３の下流側の排気のＮＯｘ濃度ＤＮＤを検出するＮＯｘセンサ２８が接続されており、これらセンサの検出信号は、ＥＣＵ４０に供給される。
【００４３】
ＥＣＵ４０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ４０は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、燃料改質器５０、スロットル弁９、ＥＧＲ弁１３、過給機８、及びエンジン１の燃料噴射弁などに制御信号を出力する出力回路とを備える。
【００４４】
エンジン１は、通常はエンジン空燃比が化学量論比よりもリーン側に設定して運転され、ＤＰＦ３２に堆積したＰＭを燃焼させる場合や、ＮＯｘ浄化触媒３３に吸着したＳＯｘを浄化する場合には、再生処理が行われる。
【００４５】
図２〜図４を参照して、本実施形態の再生処理について説明する。
図２は、ＥＣＵによる再生処理の手順を示すフローチャートである。図２に示すように、本実施形態の再生処理は、吸入空気量の低減とポスト噴射を実行することでＤＰＦを昇温しＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼させるＤＰＦ再生処理を行う通常再生運転（ステップＳ２〜Ｓ９）と、この通常再生運転を実行しながら還元ガスを供給することでＮＯｘ浄化触媒に吸着したＳＯｘを浄化するＳＯｘ再生処理を行う同時再生運転（ステップＳ５〜Ｓ７）とを、所定の条件に応じて選択的に実行可能となっている。
【００４６】
また、図２に示す再生処理においては、これら通常再生運転及び同時再生運転の実行、終了を要求する通常再生実行要求フラグＦＤＰＦＲＰ、通常再生終了要求フラグＦＤＰＦＲＥ、同時再生実行要求フラグＦＳＩＭＲＰ、及び同時再生終了要求フラグＦＳＩＭＲＥが用いられる。
【００４７】
図３は、ＤＰＦにおけるＰＭの堆積量ＱＰＭと、通常再生実行要求フラグＦＤＰＦＲＰ及び通常再生終了要求フラグＦＤＰＦＲＥの更新に用いられる第１閾値ＱＰＭＡＴＨ及び第２閾値ＱＰＭＢＴＨとの関係を示す図である。ここで、これら２つの閾値は、ＱＰＭＡＴＨ＞ＱＰＭＢＴＨとなっている。
エンジンを継続して運転するとＰＭ堆積量ＱＰＭは増加する。そこで、ＰＭ堆積量ＱＰＭが第１閾値ＱＰＭＡＴＨ以上となったことに応じて、通常再生運転の実行を要求する通常再生実行要求フラグＦＤＰＦＲＰを「１」にする。
次に、通常再生運転を実行するとＰＭ堆積量ＱＰＭは減少する。そこで、ＰＭ堆積量ＱＰＭが第２閾値ＱＰＭＢＴＨを下回ったことに応じて、通常再生運転の終了を要求する通常再生終了要求フラグＦＤＰＦＲＥを「１」にする。
なお、本実施形態では、差圧センサにより検出されたＤＰＦの上流側と下流側の差圧ΔＰに基づいてＰＭ堆積量ＱＰＭを推定する。
【００４８】
図４は、ＮＯｘ浄化触媒におけるＳＯｘ被毒量ＱＳＯと、同時再生実行要求フラグＦＳＩＭＲＰ及び同時再生終了要求フラグＦＳＩＭＲＥの更新に用いられる第１閾値ＱＳＯＡＴＨ及び第２閾値ＱＳＯＢＴＨとの関係を示す図である。ここで、これら２つの閾値は、ＱＳＯＡＴＨ＞ＱＳＯＢＴＨとなっている。
エンジンを継続して運転するとＳＯｘ被毒量ＱＳＯは増加する。そこで、ＳＯｘ被毒量ＱＳＯが第１閾値ＱＳＯＡＴＨ以上となったことに応じて、同時再生運転の実行を要求する同時再生実行要求フラグＦＳＩＭＲＰを「１」にする。
次に、同時再生運転を実行するとＳＯｘ被毒量ＱＳＯは減少する。そこで、ＳＯｘ被毒量ＱＳＯが第２閾値ＱＳＯＢＴＨを下回ったことに応じて、同時再生運転の終了を要求する同時再生終了要求フラグＦＳＩＭＲＥを「１」にする。
なお、本実施形態では、ＮＯｘセンサにより検出されたＮＯｘ浄化触媒の下流側の排気のＮＯｘ濃度ＤＮＤに基づいて、ＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ被毒量を推定する。
【００４９】
また、これら通常再生実行要求フラグＦＤＰＦＲＰ、通常再生終了要求フラグＦＤＰＦＲＥ、同時再生実行要求フラグＦＳＩＭＲＰ、及び同時再生終了要求フラグＦＳＩＭＲＥは、ＥＣＵによりＰＭ堆積量ＱＰＭ及びＳＯｘ被毒量ＱＳＯとともに常時更新される。
【００５０】
図２に戻って、ステップＳ１では、通常再生実行要求フラグＦＤＰＦＲＰ及び同時再生実行要求フラグＦＳＩＭＲＰの何れかが「１」であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ２に移り、ＮＯの場合には直ちにこの処理を終了する。
ステップＳ２では、吸入空気量低減制御及びポスト噴射制御を実行し、ステップＳ３に移る。この、吸入空気量低減制御では、吸入空気量を調整することで排気の温度を制御する。より具体的には、スロットル弁を制御し吸入空気量ＧＡを所定の設定量まで低減し、排気温度を上昇させる。また、ポスト噴射制御では、ポスト噴射を実行するとともに、このポスト噴射量を所定の設定量に調整する。
【００５１】
ステップＳ３では、同時再生実行要求フラグＦＳＩＭＲＰが「１」であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳである場合にはステップＳ４に移り、ＮＯの場合にはステップＳ６に移る。
ステップＳ４では、排気温度センサにより検出された排気温度ＴＥに基づいてＮＯｘ浄化触媒の温度ＴＬＮＣを推定し、この触媒温度ＴＬＮＣが所定の温度判定値ＴＬＮＣＴＨ以上であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ５に移り、ＮＯの場合にはステップＳ６に移る。
ステップＳ５では、還元ガス供給制御を実行、すなわち、同時再生運転を実行し、ステップＳ６に移る。具体的には、燃料改質器により製造された還元ガスの排気管内への供給を開始するとともに、ＵＥＧＯセンサにより検出された排気空燃比ＡＦに応じて還元ガスの供給量を制御する。
またここで、還元ガスを排気管内に供給する際において、この排気管を流通する排気には酸素が含まれていることが好ましい。
【００５２】
ステップＳ６では、同時再生終了要求フラグＦＳＩＭＲＥが「１」であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ７に移り、ＮＯの場合にはステップＳ８に移る。
ステップＳ７では、還元ガス供給制御を終了、すなわち同時再生運転を終了し、同時再生実行要求フラグＦＳＩＭＲＰ及び同時再生終了要求フラグＦＳＩＭＲＥを「０」に戻し、ステップＳ８に移る。
ステップＳ８では、通常再生終了要求フラグＦＤＰＦＲＥが「１」であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ９に移り、ＮＯの場合にはこの処理を終了する。
ステップＳ９では、吸入空気量低減制御及びポスト噴射制御を終了し、通常再生実行要求フラグＦＤＰＦＲＰ及び通常再生終了要求フラグＦＤＰＦＲＥを「０」に戻す。
【００５３】
以上詳述したように、本実施形態によれば、排気管４のうちＮＯｘ浄化触媒３３の上流側にＤＰＦ３２を設け、さらにこれらＮＯｘ浄化触媒３３とＤＰＦ３２の間に設けられた導入口１４から、水素及び一酸化炭素を含む還元ガスを供給する燃料改質器５０を設けた。これにより、ＤＰＦ３２に流入する排気の酸素濃度を高く維持し、ＤＰＦ再生処理を高効率で実行しながら、このＤＰＦ３２の下流から還元ガスを供給することで、ＮＯｘ浄化触媒３３に流入する排気の排気空燃比を低く維持し、ＮＯｘ浄化触媒３３のＳＯｘ再生処理を高効率で実行できる。このように、本実施形態によれば、ＤＰＦ再生処理とＳＯｘ再生処理とを、同時にかつ高効率で実行できる。したがって、これら処理にかかる時間を短縮し燃費を向上でき、さらにこれらＤＰＦ３２やＮＯｘ浄化触媒３３の劣化も軽減できる。
また、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることにより、ＮＯｘ浄化触媒３３の上流の熱容量を増加することなく、還元ガスを供給することができる。これにより、エンジン１始動直後などの低温時におけるＮＯｘ浄化性能を低下することなくＳＯｘ再生処理を実行できる。
また、還元ガスを製造する燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、ＳＯｘ再生処理の実行時期を、内燃機関の状態と独立して決めることができる。したがって、エンジン１を常に最適な状態で制御しつつ、必要に応じてＳＯｘ再生処理を適宜実行することができる。また、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることにより、エンジン１の運転状態や、排気の酸素濃度及び水蒸気濃度などによらず、常に最適な効率で還元ガスを製造できるとともに、この還元ガスを排気管４内に供給することができる。
一方、燃料改質器５０を排気管４内に設けた場合には、排気の成分、温度、流速に影響することなく運転できるように、燃料改質器５０を大型にする必要があるが、本実施形態によれば、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることで、装置を大型にすることなく安定した運転を行うことができる。また、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることにより、エンジン１の制御とは別系統の制御を行うことで、改質触媒５３を早期に活性化することも可能となる。
【００５４】
また、本実施形態によれば、還元ガスには体積比で水素よりも一酸化炭素が多く含まれる。また触媒上で一酸化炭素が燃焼を開始する温度は、水素が燃焼を開始する温度よりも低温である。このような一酸化炭素を含む還元ガスを供給することでＮＯｘ浄化触媒３３を速やかに昇温し、ＳＯｘ再生処理におけるＳＯｘの浄化を促進することができる。また、大気圧より高い圧力の還元ガスを製造することにより、余分な装置を追加することなく、製造した還元ガスを排気管４内に供給できる。
また、本実施形態によれば、排気管４のうち導入口１４を流通する排気の温度よりも高い温度の還元ガスを供給する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒３３を速やかに昇温し、ＳＯｘ再生処理におけるＳＯｘの浄化を促進することができる。
【００５５】
また、本実施形態によれば、ＤＰＦ再生処理を行う通常再生運転と、この通常再生運転を実行しながら還元ガスを供給しＳＯｘ再生処理を行う同時再生運転とを、所定の条件に応じて選択的に実行する。これにより、例えば、ＤＰＦ再生処理のみを行う必要がある場合には通常再生運転を実行し、ＤＰＦ再生処理とＳＯｘ再生処理とを同時に行うことが好ましい場合には同時再生運転を実行することで、還元ガスの消費を最小限にしつつ、これら再生処理を効率的に実行できる。
また、本実施形態によれば、通常再生運転を実行する際には、吸入空気量を調整することで排気の温度を制御する。これにより、排気の温度を、ＰＭを燃焼させるために必要な温度に制御し、効率的にＤＰＦ再生処理を行うことができる。
また、本実施形態によれば、ＤＰＦ３２の上流側に酸化機能を有する触媒コンバータ３１を設けた上で、通常再生運転を実行する際にはポスト噴射を実行する。これにより、通常再生運転を実行する際には、ポスト噴射により供給された燃料を触媒コンバータ３１で燃焼させることで、ＤＰＦ３２に流入する排気の温度を上昇させ、ＤＰＦ再生処理を高効率で行うことができる。
【００５６】
また、本実施形態によれば、ＰＭ堆積量ＱＰＭが第１閾値ＱＰＭＡＴＨ以上となった場合には、通常再生実行要求フラグＦＤＰＦＲＰを１にし、通常再生運転又は同時再生運転を実行する。これにより、ＰＭ堆積量が限界になる前の適切な時機にＤＰＦ再生処理を実行できる。
また、本実施形態によれば、ＮＯｘ浄化触媒３３の温度ＴＬＮＣが所定の温度判定値ＴＬＮＣＴＨ以上であり、かつ、ＮＯｘ浄化触媒３３のＳＯｘ被毒量ＱＳＯが第１閾値ＱＳＯＡＴＨ以上となったことに応じて、同時再生実行要求フラグＦＳＩＭＲＰを１にし、同時再生運転を実行する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒３３のＮＯｘ浄化性能が大幅に低下する前の適切な時機にＳＯｘ再生処理を行うことができる。また、ＮＯｘ浄化触媒３３の温度ＴＬＮＣが所定の温度判定値ＴＬＮＣＴＨ以上である場合に同時再生運転を実行することにより、ＮＯｘ浄化触媒３３から脱離したＳＯｘを効率よく浄化できる。
【００５７】
また、本実施形態によれば、ＳＯｘ被毒量ＱＳＯが所定の第２閾値ＱＳＯＢＴＨより小さくなったことに応じて同時再生終了要求フラグＦＳＩＭＲＥを１にし、同時再生運転の実行を終了し、通常再生運転を実行する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒３３のＮＯｘ浄化性能の回復に合わせて同時再生運転の実行を終了し、さらにＤＰＦ再生処理を継続することができる。
また、本実施形態によれば、ＮＯｘ浄化触媒３３の近傍の排気空燃比ＡＦに応じて還元ガスの供給量を制御する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒３３に流入する排気の排気空燃比を適切に調整し、ＳＯｘ再生処理の効率をさらに向上できる。
また、本実施形態によれば、部分酸化反応により還元ガスを製造することにより、燃料改質器５０を小型なものにできる。つまり、上述のように部分酸化反応は発熱反応であり、一旦反応が開始すれば自発的に反応が進行するため、外部から余分なエネルギーを供給する装置を設ける必要がないためである。また、シフト反応などの水素を濃縮するためのコンバータやシステムも設ける必要もない。また、このように燃料改質器５０を小型にすることで、燃料改質器５０のライトオフ時間を短縮できる。したがって、必要に応じて速やかに還元ガスを排気管４内に供給することができる。
また、この部分酸化反応において副次的に生成される軽質の炭化水素も一酸化炭素や水素とともにＮＯｘ浄化触媒３３に導入して、ＳＯｘの浄化に使用することもできる。
【００５８】
本実施形態では、ＥＣＵ４０が、再生手段、排気温度制御手段、堆積量推定手段、ＳＯｘ被毒量推定手段の一部、触媒温度推定手段の一部、供給量制御手段を構成する。具体的には、図２のステップＳ１〜Ｓ９に係る手段が再生手段に相当し、ステップＳ２に係る手段が排気温度制御手段に相当し、ＥＣＵ４０及び差圧センサ２７が堆積量推定手段に相当し、ＥＣＵ４０及びＮＯｘセンサ２８がＳＯｘ被毒量推定手段に相当し、ＥＣＵ４０及び排気温度センサ２６が触媒温度推定手段に相当し、図２のステップＳ５に係る手段が供給量制御手段に相当する。
【００５９】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、排気管４のうちＤＰＦ３２の上流側に、還元ガスを連続的に酸化する酸化機能を有する触媒コンバータ３１を設けたがこれに限らない。例えば、触媒コンバータをＤＰＦと別体で設けることなく、同様の酸化機能を有する触媒をＤＰＦに担持してもよい。これにより、上記実施形態と同様の効果に加えて、排気浄化装置をコンパクトにできるとともに、ＰＭの燃焼反応を促進することができる。したがって、ＤＰＦ再生処理の効率をさらに向上できる。
【００６０】
上記実施形態では、図２のステップＳ２では、吸入空気量を調整したが、これに限らず、例えば、過給圧を調整してもよい。これにより、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進用エンジンなどの排気浄化装置にも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】前記実施形態に係るＥＣＵによる再生処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】ＤＰＦにおけるＰＭ堆積量と、フラグの更新に用いられる２つの閾値との関係を示す図である。
【図４】ＮＯｘ浄化触媒におけるＳＯｘ被毒量と、フラグの更新に用いられる２つの閾値との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１…エンジン（内燃機関）
４…排気管（排気通路）
５…排気マニホールド（排気通路）
１４…導入口
２３…ＵＥＧＯセンサ（酸素濃度検出手段）
２６…排気温度センサ（触媒温度推定手段）
２７…差圧センサ（堆積量推定手段）
２８…ＮＯｘセンサ（ＳＯｘ被毒量推定手段）
３１…触媒コンバータ
３２…ＤＰＦ
３３…ＮＯｘ浄化触媒
４０…電子制御ユニット（再生手段、排気温度制御手段、堆積量推定手段、ＳＯｘ被毒量推定手段、触媒温度推定手段、供給量制御手段）
５０…燃料改質器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、当該排気通路を流通する排気の空燃比を排気空燃比として、当該排気空燃比をリーンにしたときに、排気中のＮＯｘを吸着もしくは吸蔵し、前記排気空燃比をリッチにしたときに、前記吸着もしくは吸蔵したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化触媒と、
前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒よりも上流側に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、を備える内燃機関の排気浄化装置において、
前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタと前記ＮＯｘ浄化触媒との間に設けられた導入口から、当該排気通路内に供給する燃料改質器を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記燃料改質器により製造された還元性気体は、大気圧よりも高い圧力であり、かつ、体積比で水素よりも一酸化炭素を多く含む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。
【請求項３】
前記燃料改質器により供給される還元性気体の温度は、前記排気通路のうち前記導入口を流通する排気の温度よりも高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に導入する際において、当該排気通路を流通する排気には酸素が含まれることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記パティキュレートフィルタを昇温し当該パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させる通常再生運転と、
前記通常再生運転を実行しながら前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に供給し前記ＮＯｘ浄化触媒に吸着したＳＯｘを浄化する同時再生運転と、を所定の条件に応じて選択的に実行する再生手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記通常再生運転を実行する際には、吸入空気量及び過給圧のうち少なくとも１つを調整することで排気の温度を制御する排気温度制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの上流側には、酸化機能を有する触媒コンバータが設けられ、
前記再生手段は、前記通常再生運転を実行する際には、ポスト噴射を実行することを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記パティキュレートフィルタには酸化機能を有する触媒が担持され、
前記再生手段は、前記通常再生運転を実行する際には、ポスト噴射を実行することを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
前記パティキュレートフィルタのパティキュレート堆積量を推定又は検出するパティキュレート堆積量推定手段をさらに備え、
前記再生手段は、
前記パティキュレート堆積量推定手段により推定又は検出されたパティキュレート堆積量が所定の第１堆積判定値以上となったことに応じて前記通常再生運転又は前記同時再生運転を実行することを特徴とする請求項５から８の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
前記ＮＯｘ浄化触媒の温度を推定又は検出する触媒温度推定手段と、
前記ＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ被毒量を推定又は検出するＳＯｘ被毒量推定手段と、をさらに備え、
前記再生手段は、前記触媒温度推定手段により推定又は検出された温度が所定の温度判定値以上であり、かつ、前記ＳＯｘ被毒量推定手段により推定又は検出されたＳＯｘ被毒量が所定の第１被毒判定値以上となったことに応じて前記同時再生運転を実行することを特徴とする請求項５から９の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】
前記再生手段は、前記ＳＯｘ被毒量推定手段により推定又は検出されたＳＯｘ被毒量が所定の第２被毒判定値より小さくなったことに応じて前記同時再生運転の実行を終了するし、前記通常再生運転を実行することを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１２】
前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒の近傍の排気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
当該酸素濃度検出手段により検出された酸素濃度に応じて前記燃料改質器により前記排気通路内に供給される還元性気体の供給量を制御する供給量制御手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から１１の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１３】
前記燃料改質器は、炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により還元性気体を製造することを特徴とする請求項１から１２の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１４】
前記内燃機関は、軽油を燃料として用い、この燃料を圧縮着火により燃焼することを特徴とする請求項１から１３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、当該排気通路を流通する排気の空燃比を排気空燃比として、当該排気空燃比をリーンにしたときに、排気中のＮＯｘを吸着もしくは吸蔵し、前記排気空燃比をリッチにしたときに、前記吸着もしくは吸蔵したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化触媒と、
前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒よりも上流側に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、を備える内燃機関の排気浄化装置において、
前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタと前記ＮＯｘ浄化触媒との間に設けられた導入口から、当該排気通路内に供給する燃料改質器を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記燃料改質器により製造された還元性気体は、大気圧よりも高い圧力であり、かつ、体積比で水素よりも一酸化炭素を多く含む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。
【請求項３】
前記燃料改質器により供給される還元性気体の温度は、前記排気通路のうち前記導入口を流通する排気の温度よりも高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に導入する際において、当該排気通路を流通する排気には酸素が含まれることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記パティキュレートフィルタを昇温し当該パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させる通常再生運転と、
前記通常再生運転を実行しながら前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に供給し前記ＮＯｘ浄化触媒に吸着したＳＯｘを浄化する同時再生運転と、を所定の条件に応じて選択的に実行する再生手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記通常再生運転を実行する際には、吸入空気量及び過給圧のうち少なくとも１つを調整することで排気の温度を制御する排気温度制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの上流側には、酸化機能を有する触媒コンバータが設けられ、
前記再生手段は、前記通常再生運転を実行する際には、ポスト噴射を実行することを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記パティキュレートフィルタには酸化機能を有する触媒が担持され、
前記再生手段は、前記通常再生運転を実行する際には、ポスト噴射を実行することを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
前記パティキュレートフィルタのパティキュレート堆積量を推定又は検出するパティキュレート堆積量推定手段をさらに備え、
前記再生手段は、
前記パティキュレート堆積量推定手段により推定又は検出されたパティキュレート堆積量が所定の第１堆積判定値以上となったことに応じて前記通常再生運転又は前記同時再生運転を実行することを特徴とする請求項５から８の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
前記ＮＯｘ浄化触媒の温度を推定又は検出する触媒温度推定手段と、
前記ＮＯｘ浄化触媒のＳＯｘ被毒量を推定又は検出するＳＯｘ被毒量推定手段と、をさらに備え、
前記再生手段は、前記触媒温度推定手段により推定又は検出された温度が所定の温度判定値以上であり、かつ、前記ＳＯｘ被毒量推定手段により推定又は検出されたＳＯｘ被毒量が所定の第１被毒判定値以上となったことに応じて前記同時再生運転を実行することを特徴とする請求項５から９の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】
前記再生手段は、前記ＳＯｘ被毒量推定手段により推定又は検出されたＳＯｘ被毒量が所定の第２被毒判定値より小さくなったことに応じて前記同時再生運転の実行を終了するし、前記通常再生運転を実行することを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１２】
前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒の近傍の排気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
当該酸素濃度検出手段により検出された酸素濃度に応じて前記燃料改質器により前記排気通路内に供給される還元性気体の供給量を制御する供給量制御手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から１１の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１３】
前記燃料改質器は、炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により還元性気体を製造することを特徴とする請求項１から１２の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１４】
前記内燃機関は、軽油を燃料として用い、この燃料を圧縮着火により燃焼することを特徴とする請求項１から１３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−１６２１６４（Ｐ２００９−１６２１６４Ａ）
【公開日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７０１（Ｐ２００８−１７０１）
【出願日】平成２０年１月８日（２００８．１．８）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月８日（２００８．１．８）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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