内燃機関の排気浄化装置
【課題】排気ガスの状態や排気処理装置の状態に応じて、排気処理装置の好適な運転条件を短時間で達成できる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気浄化装置は、酸化触媒１３と、機関排気通路の断面積より小さな断面積を有する小型酸化触媒１４と、燃料供給弁１５と、グロープラグ５１と、電子制御ユニットとを備える。排気浄化装置は、燃料供給弁１５により燃料が供給されている状態で、グロープラグ５１による加熱により着火する第１の制御状態、グロープラグ５１による加熱を行うが燃料は着火しない第２の制御状態、およびグロープラグ５１による加熱が停止している第３の制御状態を有する。電子制御ユニットは、着火が可能な運転領域において、第１の制御状態または第３の制御状態に制御し、着火が不可能な運転領域において、第２の制御状態または第３の制御状態に制御する。
【解決手段】排気浄化装置は、酸化触媒１３と、機関排気通路の断面積より小さな断面積を有する小型酸化触媒１４と、燃料供給弁１５と、グロープラグ５１と、電子制御ユニットとを備える。排気浄化装置は、燃料供給弁１５により燃料が供給されている状態で、グロープラグ５１による加熱により着火する第１の制御状態、グロープラグ５１による加熱を行うが燃料は着火しない第２の制御状態、およびグロープラグ５１による加熱が停止している第３の制御状態を有する。電子制御ユニットは、着火が可能な運転領域において、第１の制御状態または第３の制御状態に制御し、着火が不可能な運転領域において、第２の制御状態または第３の制御状態に制御する。
【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。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関は、機関本体で燃料が燃焼され、汚染物を含む排気ガスが排出される。有害な汚染物としては、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）またはパティキュレート（ＰＭ）などを挙げることができる。
【０００３】
内燃機関には排気を浄化するために排気処理装置が取り付けられる。排気処理装置には、一酸化炭素などを酸化するための酸化触媒、窒素酸化物を除去するためのＮＯＸ吸蔵触媒、パティキュレートを除去するためのパティキュレートフィルタ等が含まれる。
【０００４】
特表平８−５０９０４４号公報においては、自動車エンジンから放出される汚染物を減少させるための装置が開示されている。この装置は、燃料供給体と、エンジンに関連した排気ガス排出ライン中に、低発火温度燃料を供給するための弁によって制御された燃料ラインとを含む。また、この装置は、空気ポンプを備え、空気ポンプは、空気ラインを通して排気ガス排出ライン中に燃焼空気を供給するように形成されている。
【０００５】
この装置には、粒子汚染物を除去するための粒子フィルタよりも上流の排気パイプ中で、排気ガス流中の粒子汚染物を焼却することが開示されている。この結果、粒子フィルタの寿命を延ばすことが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特表平８−５０９０４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
排気処理装置は、それぞれの機能を発揮するために温度や還元剤の量などの好適な運転条件を有する。内燃機関から排出される排気の浄化が必要なときには、この運転条件を短時間に達成できることが好ましい。
【０００８】
特表平８−５０９０４４号公報に開示されている装置では、排気管の内部で火炎を生成することにより下流の触媒を加熱することができる。この装置では、火炎を生成するために空気ラインにて排気管の内部に空気を送入して酸素を供給している。これに対して、空気ラインにて空気を送入しない場合には、排気ガスの酸素濃度が高いと火炎を生成することができる一方で、排気ガスの酸素濃度が低いと火炎を生成することができなくなる。排気管の内部で火炎を生成できないと下流の触媒を短時間で昇温することができなくなり、触媒の好適な運転条件を達成するために時間がかかってしまう場合がある。
【０００９】
排気管の内部で火炎を生成しない場合においては、例えば酸化触媒が活性化温度未満の場合に酸化触媒を排気ガスで加熱して活性化温度まで昇温することができるが、より短時間で昇温できることが好ましい。または、例えば酸化触媒が活性化温度以上の場合には、排気ガス中に含まれる還元剤を用いて酸化触媒の酸化反応熱により昇温することができる。この場合にも、より多量の還元剤を酸化触媒に供給して、短時間で昇温することが好ましい。
【００１０】
本発明は、排気ガスの状態や排気処理装置の状態に応じて、排気処理装置の好適な運転条件を短時間で達成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】
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に配置され、排気ガスの浄化を行う排気処理装置と、機関排気通路内において排気処理装置よりも上流側に配置され、機関排気通路の断面積より小さな断面積を有し、排気ガスの一部が内部を流通する小型酸化触媒とを備える。排気浄化装置は、小型酸化触媒に向けて燃料を供給する燃料供給作用を有する燃料供給手段と、小型酸化触媒と燃料供給手段との間に配置され、加熱作用を有する加熱手段と、燃料供給手段および加熱手段の制御を行う制御手段とを備える。排気浄化装置を運転するときには、燃料供給手段により排気ガス中に燃料を供給して、加熱手段により燃料を加熱したときに、燃料の着火が可能な運転領域と着火が不可能な運転領域とが存在する。排気浄化装置は、燃料供給手段による燃料の供給を行いながら、加熱手段による加熱を行って燃料を着火させる第１の制御状態、燃料供給手段による燃料の供給を行いながら、加熱手段による加熱を行うが燃料は着火しない第２の制御状態、および燃料供給手段による燃料の供給を行いながら、加熱手段による加熱が停止している第３の制御状態を有する。制御手段は、着火が可能な運転領域において、第１の制御状態または第３の制御状態に制御して、着火が不可能な運転領域において、第２の制御状態または第３の制御状態に制御する。この構成により、排気ガスの状態や排気処理装置の状態に応じて、第１の制御状態、第２の制御状態および第３の制御状態で運転を行うことができ、排気処理装置の好適な運転条件を短時間で達成することができる。
【００１２】
上記発明において、第１の制御状態で制御するときに、燃料の着火により生成される火炎の一部が小型酸化触媒と機関排気通路の壁面との間を通るように形成されていることが好ましい。この構成により、小型酸化触媒の下流で火炎を生成することができる。また、小型酸化触媒の内部での熱応力が小さくなり、小型酸化触媒の耐熱性が向上する。
【００１３】
上記発明においては、制御手段は、第１の制御状態を開始するときに、第１の燃料供給量で燃料を供給しながら着火を行って、所定期間の経過後に燃料の供給量を減少させて第２の燃料供給量になるように燃料供給手段を制御することが好ましい。この構成により、第１の制御状態において安定した着火を行うことができる。
【００１４】
上記発明において、制御手段は、第１の制御状態から第３の制御状態に切り替えるときに、加熱手段による加熱を停止して、燃料供給手段による燃料の供給を停止する期間を介在させることが好ましい。この構成により、小型酸化触媒の急冷による破損を抑制することができる。
【００１５】
上記発明において、機関排気通路内の排気ガスの流量を調整するように形成され、制御手段により制御される排気ガス流量調整手段を備え、制御手段は、第１の制御状態を開始するときに、第１の流量で排気ガスを供給した状態で着火を行って、所定期間の経過後に排気ガスの流量を増加させて第２の流量になるように排気ガス流量調整手段を制御することが好ましい。この構成により、安定した着火を行うことができる。
【００１６】
上記発明において、制御手段は、第１の制御状態を行うときに小型酸化触媒の温度が一の閾温度以上の場合に、一の閾温度よりも低い温度で供給する量よりも多い燃料を供給するように燃料供給手段を制御することが好ましい。この構成により、還元剤を大量に小型酸化触媒の下流に供給することができる。
【００１７】
上記発明において、排気処理装置は、酸化触媒、ＮＯＸ吸蔵触媒およびパティキュレートフィルタのうち、少なくとも一の装置を含むことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、排気ガスの状態や排気処理装置の状態に応じて、排気処理装置の好適な運転状態を短時間で達成できる内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（実施の形態１）
図１から図１２を参照して、実施の形態１における内燃機関の排気浄化装置について説明する。
【００２０】
図１に、本実施の形態における圧縮着火式の内燃機関の全体図を示す。本実施の形態においては、ディーゼルエンジンを例に取り上げて説明する。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、各気筒の燃焼室２と、各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気マニホールド４と、排気マニホールド５とを含む。
【００２１】
吸気マニホールド４は、吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結されている。コンプレッサ７ａの入口は、吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結されている。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６の周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置されている。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００２２】
一方、排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結されている。排気タービン７ｂの出口は、排気管１２を介して排気浄化触媒としての酸化触媒１３に連結されている。酸化触媒１３下流の機関排気通路内には排気ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタ１６が配置されている。また、図１に示される実施例では、パティキュレートフィルタ１６の下流の機関排気通路内に、ＮＯＸ吸蔵触媒１７が配置されている。これらの酸化触媒１３、パティキュレートフィルタ１６およびＮＯＸ吸蔵触媒１７は、排気を浄化する機能を有する排気処理装置として機能する。
【００２３】
酸化触媒１３の上流の機関排気通路内、即ち排気管１２内には、酸化触媒１３よりも体積が小さい小型酸化触媒１４が配置されている。小型酸化触媒１４は、酸化触媒１３に流入する排気ガスの一部が内部に流入する。小型酸化触媒１４の上流の機関排気通路内には、即ち排気管１２内には、小型酸化触媒１４に向けて燃料を供給するための燃料供給手段として、燃料供給弁１５が配置されている。燃料供給弁１５は、燃料を供給したり停止したりする燃料供給作用を有するように形成されている。燃料供給弁１５と小型酸化触媒１４との間には、グロープラグ５１が配置されている。グロープラグ５１は、周りを加熱したり停止したりする加熱作用を有する加熱手段として機能する。グロープラグ５１は、後述する着火が可能な運転領域において、燃料供給弁１５から噴射される燃料を着火できるように形成されている。
【００２４】
排気マニホールド５と吸気マニホールド４との間には、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うためにＥＧＲ通路１８が配置されている。ＥＧＲ通路１８内には電子制御式のＥＧＲ制御弁１９が配置されている。また、ＥＧＲ通路１８の周りにはＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０が配置されている。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２０内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００２５】
それぞれの燃料噴射弁３は、燃料供給管２１を介してコモンレール２２に連結されている。このコモンレール２２は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３を介して燃料タンク２４に連結されている。燃料タンク２４内に貯蔵されている燃料は、燃料ポンプ２３によってコモンレール２２内に供給される。コモンレール２２内に供給された燃料は、それぞれの燃料供給管２１を介して燃料噴射弁３に供給される。
【００２６】
電子制御ユニット３０は、デジタルコンピュータからなる。本実施の形態における電子制御ユニット３０は、排気浄化装置の制御手段として機能する。電子制御ユニット３０は、双方性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を備える。
【００２７】
小型酸化触媒１４の下流には小型酸化触媒１４の温度を検出するための温度センサ２５が配置されている。パティキュレートフィルタ１６の下流には、酸化触媒１３又はパティキュレートフィルタ１６の温度を検出するための温度センサ２６が配置されている。ＮＯＸ吸蔵触媒１７の下流にはＮＯＸ吸蔵触媒１７の温度を検出するための温度センサ２７が配置されている。これら温度センサ２５，２６，２７の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
【００２８】
また、パティキュレートフィルタ１６には、パティキュレートフィルタ１６の前後差圧を検出するための差圧センサ２８が取付けられている。この差圧センサ２８および吸入空気量検出器８の出力信号は、夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０には、アクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１の出力電圧は、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続されている。一方、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１９および燃料ポンプ２３に接続されている。さらに、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して燃料供給弁１５およびグロープラグ５１に接続されている。
【００２９】
図２（Ａ）に、排気管における小型酸化触媒の周りの部分の拡大概略断面図を示し、図２（Ｂ）に、小型酸化触媒の概略断面図を示す。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）においてＢ−Ｂ線に沿って切断した概略断面図である。
【００３０】
図２（Ａ）を参照して、排気管１２は、筒状に形成されている。燃料供給弁１５は、小型酸化触媒１４の上流側の端面に向けて燃料を供給するように形成されている。燃料供給弁１５は噴射口を有し、噴射口は小型酸化触媒１４の端面に向いている。本実施の形態における燃料供給弁１５の噴射口は、燃料を放射状に噴射する様に形成されている。本実施の形態における排気浄化装置は、機関本体１の燃料である軽油が燃料供給弁１５から噴射されるように形成されている。燃料については、この形態に限られず機関本体の燃料とは異なる燃料が供給されていても構わない。
【００３１】
グロープラグ５１は、燃料供給弁１５から供給される燃料を加熱するように配置されている。グロープラグ５１は、先端の温度が上昇するように形成されている。グロープラグ５１は、この先端が燃料供給弁１５から噴射される燃料と接触する位置に配置されている。
【００３２】
本実施の形態におけるグロープラグ５１および燃料供給弁１５は、それぞれが棒状に形成されている。グロープラグ５１および燃料供給弁１５は、排気管１２の周方向のうち、一の方向から排気管１２に挿入されている。なお、グロープラグ５１および燃料供給弁１５は、任意の形状のものが任意の位置に配置されていても構わない。
【００３３】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示される装置例では、小型酸化触媒１４は、金属薄肉平板と金属薄肉波形板との積層構造からなる基体を有している。小型酸化触媒１４の基体の表面上には、例えばアルミナからなる触媒担体の層が形成されている。この触媒担体上には白金Ｐｔ、ロジウムＲｄ、パラジウムＰｄのような貴金属触媒が担持されている。なお、この基体はコージライトから形成することもできる。小型酸化触媒１４は円筒状外枠１４ａ内に配置されている。円筒状外枠１４ａは複数のステー２９によって排気管１２に支持されている。
【００３４】
小型酸化触媒１４は、酸化触媒１３に向かう排気ガスの全流路断面よりも小さな断面を有している。すなわち、小型酸化触媒１４は、排気管１２の断面積よりも小さな断面積を有している。小型酸化触媒１４は、排気管１２内の略中央において排気ガスの流れ方向に延びる筒状をなしている。小型酸化触媒１４の周りには、排気ガスが流れる流路が形成されている。
【００３５】
酸化触媒１３は、小型酸化触媒よりも体積の大きな排気浄化酸化触媒である。酸化触媒１３は、例えば、円筒形状のケース本体の内部に排気ガスの流れ方向に伸びる隔壁を有する基体を備える。基体は、例えばハニカム構造に形成されている。基体の表面には、例えば多孔質酸化物粉末よりなるコート層が形成され、このコート層に白金Ｐｔ等の貴金属触媒が担持されている。
【００３６】
図２（Ａ）を参照して、本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、燃料供給弁１５から噴射された燃料をグロープラグ５１により加熱して、火炎を生成することができる。ここで、排気管１２の内部の雰囲気に依存して、火炎の生成が可能な場合と生成可能な場合と生成不可能な場合とが生じる。すなわち、機関本体から排出される排気ガスの状態に応じて、燃料の着火が可能な運転領域と着火が不可能な運転領域が存在する。火炎を生成できるか否かについては、例えば、排気ガスの酸素濃度および排気ガスの流量Ｇａに依存する。
【００３７】
図３に、燃料供給弁から噴射された燃料が着火する範囲を説明するグラフを示す。横軸が排気ガスの酸素濃度であり、縦軸が排気ガスの流量である。排気ガスの酸素濃度については、着火可能な濃度以上になると着火を行うことができる。また、排気ガスの酸素濃度が高いほど容易に着火する。これに対して、排気ガスの流量については、流量が小さいほど容易に着火できる。図３に示すように、着火が可能な領域が画定される。また、着火が可能な領域のうち着火が容易な領域が区分される。
【００３８】
図１を参照して、本実施の形態における排気浄化装置は、燃料供給弁１５により燃料の噴射が行われ、グロープラグ５１により加熱を行なって燃料を着火させて、火炎を生成する第１の制御状態で運転を行うことができる。また、燃料供給弁１５により燃料の噴射が行われ、グロープラグ５１による加熱を行なうが燃料が着火しない第２の制御状態で運転を行うことができる。また、燃料供給弁１５により燃料の供給が行なわれ、グロープラグ５１による加熱が停止している第３の制御状態で運転を行うことができる。さらに、燃料供給弁１５により燃料の供給が行われず、グロープラグ５１に通電している第４の制御状態で運転を行うことができる。
【００３９】
本実施の形態における電子制御ユニット３０は、着火が可能な運転領域において、第１の制御状態または第３の制御状態に制御する。また、着火が不可能な運転領域において、第２の制御状態または第３の制御状態に制御する。
【００４０】
以下、本実施の形態における内燃機関の浄化装置の運転例を取り上げて、それぞれの制御状態について説明する。なお、本実施の形態においては、電子制御ユニット３０により、それぞれの制御状態の制御を行っている。すなわち、燃料供給弁１５、グロープラグ５１およびＥＲＧ制御弁１９等の制御は、電子制御ユニット３０にて行われている。
【００４１】
図４に、第１の制御状態を説明するタイムチャートを示す。この運転例では、小型酸化触媒１４より下流の酸化触媒１３を昇温するために第１の制御状態にて運転を行う。排気浄化装置は、火炎を生成して排気処理装置を加熱する。初期の状態では、小型酸化触媒１４は、活性化温度ＴＸ未満である。即ち、小型酸化触媒は不活性の状態である。一方で、排気浄化装置は、着火が可能な運転領域で運転されており、排気管１２の内部は着火が可能な雰囲気である。
【００４２】
図２（Ａ）および図４を参照して、初めに燃料供給弁１５からの燃料の噴射を行わずに、グロープラグ５１を通電する。すなわち、第４の制御状態で運転する。第４の制御状態は、主にグロープラグ５１自体の温度を上昇させるために行う。グロープラグ５１に通電することによりグロープラグ５１が点灯して先端が昇温する。なお、第４の制御状態においても、グロープラグ５１の発する熱量により、緩やかに排気ガスを加熱することができて、小型酸化触媒１４および酸化触媒１３の温度を上昇させることができる。
【００４３】
図４に示す運転例においては、グロープラグ５１の温度が高くなったら第４の制御状態を終了する。この運転例では、通電時間を予め定めておいてグロープラグ５１の加熱を行っている。第４の制御状態の終期については、この形態に限られず、他の任意の方法により定めることができる。例えば、グロープラグの下流に温度センサを配置して温度を計測することにより、グロープラグの通電の終期を定めることができる。
【００４４】
次に、グロープラグ５１の温度が高くなったら、燃料供給弁１５からの燃料の噴射を行なう。燃料の噴射を行なうことにより火炎が生成される。即ち、第１の制御状態に移行する。この運転例においては、燃料供給弁１５から間欠的に（パルス状に）燃料の噴射を行っている。また、一定量の燃料を一定の間隔をあけて複数回噴射している。
【００４５】
図５に、第１の制御状態で運転を行っているときの小型酸化触媒の部分の拡大概略断面図を示す。グロープラグ５１の加熱により着火した燃料は火炎になり、矢印６１，６２に示すように、排気ガスの流れに沿って下流に向かう。火炎は、排気ガスの温度を上昇させる。
【００４６】
本実施の形態においては、グロープラグ５１は、小型酸化触媒１４の上流側に小型酸化触媒１４から距離を空けて配置されている。また、小型酸化触媒１４の外側には排気ガスの流路が形成されている。このため、生成される火炎の一部が、矢印６２に示すように、小型酸化触媒１４の側面１４ｂと排気管１２との間に形成される流路を通る。すなわち、火炎の一部が小型酸化触媒１４と機関排気通路の壁面との間を通る。このように、この運転例においては、小型酸化触媒１４を包むように火炎が生じる。小型酸化触媒１４の外側を通る火炎は、側面１４ｂに接触しながら流れる。また、生成される火炎の一部は、矢印６１に示すように、小型酸化触媒１４の上流側の端面に到達して、小型酸化触媒１４に侵入する。
【００４７】
図１、図４および図５を参照して、火炎を生成する第１の制御状態で運転することにより、排気ガスの温度が高くなって、矢印６４に示すように下流側に高温の排気ガスを送ることができる。このため、小型酸化触媒１４、酸化触媒１３、パティキュレートフィルタ１６、またはＮＯＸ吸蔵触媒１７等の下流側に配置されている構成部材を短時間で加熱することができる。これにより、酸化触媒１３または小型酸化触媒１４が活性化温度未満の場合には、短時間で活性化温度まで昇温させることができ、酸化触媒１３または小型酸化触媒１４が活性化温度以上の場合には、短時間で昇温することにより触媒の酸化能力を高めることができる。
【００４８】
さらに、火炎を生成することにより燃料の改質が行なわれ、たとえばＨＣやＣＯ等の還元剤が生成される。この還元剤を下流の酸化触媒１３に送ることができる。酸化触媒１３が活性化温度以上の場合には、この還元剤の酸化反応熱により酸化触媒１３の温度を素早く上昇させることができる。
【００４９】
図４に示す運転例においては、小型酸化触媒が活性化温度ＴＸに達した後も第１の制御状態を継続している。小型酸化触媒１４が活性化温度に達したら、小型酸化触媒１４においても、噴射された未燃の燃料の改質が行われてＨＣ等の還元剤が生成される。または、ＨＣ等が燃焼されて、より軽質な還元剤が生成される。このため、火炎により生成される還元剤とともに、下流の酸化触媒１３に多くの還元剤を供給することができる。または、小型酸化触媒１４での酸化反応により小型酸化触媒１４が発熱して、排気ガスの温度を更に高くすることができ、酸化触媒１３等の下流側に配置されている排気処理装置を短時間で昇温させることができる。
【００５０】
図５を参照して、矢印６３に示すように小型酸化触媒１４から排出される還元剤は、霧化および微粒子化された状態で排出される。小型酸化触媒１４から排出される還元剤は、矢印６２に示す小型酸化触媒１４の外側を通る排気ガスにより着火することができる。すなわち、小型酸化触媒１４の出口において火炎を生成することができる。小型触媒１４の出口において火炎が生成されることにより、排気管１２全体で火炎が広がって、小型酸化触媒１４下流での燃焼効率を高めることができる。このため、排気ガスの温度をさらに上昇させることができる。または、より軽質な還元剤を生成することができる。この結果、酸化触媒１３等の下流側に配置されている排気処理装置をより短時間で昇温することができる。
【００５１】
図６に、小型酸化触媒の出口で火炎が生成される範囲を示すグラフを示す。図６では、グロープラグを配置して火炎を生成する場合と、グロープラグがない状態で火炎を生成する場合とを示している。小型酸化触媒１４の出口において、火炎が生成されるか否かは、排気ガスの酸素濃度および小型酸化触媒１４の温度（小型酸化触媒１４出口のガス温度）に依存する。小型酸化触媒１４の出口では、排気ガスの酸素濃度が高いほど、容易に火炎が生成される。また、小型酸化触媒の温度が高いほど、容易に火炎が生成される。グロープラグが配置されていない場合においても、所定の条件下で火炎を生成することができる。図６に示すように、グロープラグを配置している場合と配置していない場合を比較すると、グロープラグを配置することにより、小型酸化触媒１４の出口において、より広い温度範囲で火炎を生成できることが分かる。
【００５２】
図７に、第１の制御状態で運転を行っているときの小型酸化触媒の拡大概略断面図を示す。小型酸化触媒１４では、供給される未燃の燃料等が酸化されることにより、温度が上昇する。このときに、小型酸化触媒１４は、内部から外側に向かって温度上昇する。このために、小型酸化触媒１４の基材には温度勾配が生じる。
【００５３】
この運転例においては、矢印６２に示すように、火炎が小型酸化触媒１４の外側を通る。即ち、火炎が小型酸化触媒１４と機関排気通路の壁面との間を通る。このために、矢印６５に示すように、火炎の熱が小型酸化触媒１４の外側から内側に向かって伝熱され、基材に生じる温度勾配を小さくすることができる。基材の内部で生じる熱応力を小さくすることができる。この結果、小型酸化触媒１４の耐熱性を向上させることができる。
【００５４】
本実施の形態においては、グロープラグ５１にて生成された火炎の一部が小型酸化触媒１４の外側を通るように形成されているが、この形態に限られず、グロープラグ５１にて生成された火炎の全てが、小型酸化触媒１４の端面に供給されていても構わない。この構成により、小型酸化触媒１４を短時間で温度上昇させることができる。
【００５５】
図４に示す運転例においては、小型酸化触媒１４が活性化温度に達した後もグロープラグを点灯する第１の制御状態を継続しているが、この形態に限られず、例えば小型酸化触媒１４が活性化温度に達したことを温度センサ２５で検知して、グロープラグ５１の通電を停止しても構わない。すなわち、小型酸化触媒が活性化温度に達したときに、制御状態を第３の制御状態に移行しても構わない。グロープラグが配置されていない場合には、機関本体１から排出される排気ガスにより小型酸化触媒を加熱して活性化温度になるまで待つ必要があるが、グロープラグを配置して第１の制御状態で運転することにより、短時間で小型酸化触媒を活性化温度まで昇温することができる。この結果、小型酸化触媒の下流に配置されている酸化触媒等の排気処理装置を短時間で昇温することができる。
【００５６】
次に、図８および図９を参照して、本実施の形態における第２の制御状態および第３の制御状態について説明する。
【００５７】
図８は、第２の制御状態で運転を行なった後に、第３の制御状態で運転を行なうタイムチャートである。第２の制御状態は、グロープラグにより加熱しても燃料が着火されない運転領域で行う。初めに、燃料供給弁１５を閉止した状態でグロープラグ５１に通電する第４の制御状態で運転する。小型酸化触媒１４の温度は、活性化温度ＴＸ未満である。グロープラグ５１が高い温度に達したら、グロープラグ５１に通電した状態で、燃料供給弁１５から燃料を噴射する。このときに、燃料の着火が不可能であるために、火炎が形成されずに燃料が液体のまま小型酸化触媒１４に供給される。
【００５８】
図９に、グロープラグがある場合とグロープラグがない場合の小型酸化触媒の温度上昇を説明するグラフを示す。横軸は時間であり、縦軸は小型酸化触媒の温度である。小型酸化触媒１４の温度が活性化温度未満であり、グロープラグがない場合においては、小型酸化触媒１４が不活性である。小型酸化触媒１４の温度は、排気ガスにより緩やかに上昇する。これに対して、小型酸化触媒１４の上流にグロープラグを配置して、グロープラグ５１に通電しながら小型酸化触媒１４に燃料を供給することにより、小型酸化触媒１４の温度が素早く上昇する。すなわち、グロープラグ５１が配置されていない場合には小型酸化触媒１４が不活性の雰囲気中においても、グロープラグ５１を配置して燃料を噴射することにより、小型酸化触媒１４を活性化することができる。このために、小型酸化触媒１４の温度を短時間で上昇させることができる。
【００５９】
図８を参照して、第２の制御状態で運転を行なうことにより、小型酸化触媒１４の温度を短時間で活性化温度まで上昇することができる。小型酸化触媒１４の温度が活性化温度に達したらグロープラグ５１への通電を停止する。すなわち、グロープラグへの通電を停止した状態で、燃料の噴射を行なう第３の制御状態を行なう。小型酸化触媒１４が活性化温度に到達しているために、小型酸化触媒１４の内部に噴射された燃料が酸化される。燃料の酸化の際に発生する酸化反応熱によって小型酸化触媒１４の温度を素早く上昇させることができる。小型酸化触媒１４の温度が上昇することにより、排気ガスの温度が高くなって酸化触媒１３等の排気処理装置を加熱することができる。
【００６０】
特に、小型酸化触媒１４は、内部の流路抵抗が大きいので小型酸化触媒１４内を流れる排気ガス量は少ない。また、小型酸化触媒１４の内部で酸化反応が生じると小型酸化触媒１４内でガスが膨張するために、小型酸化触媒１４の内部を流れる排気ガス量が更に減少する。また酸化反応によりガス温度が上昇するとガスの粘性が高くなるために小型酸化触媒１４の内部を流れる排気ガス量が更に減少する。従って小型酸化触媒１４内における排気ガスの流速は排気管１２内を流れる排気ガスの流速に比べてかなり遅い。
【００６１】
このように小型酸化触媒１４内における排気ガスの流速が遅いので、小型酸化触媒１４における酸化反応は活発となり、また小型酸化触媒１４の体積が小さいので小型酸化触媒１４の温度は急速にかなり高温まで上昇する。
【００６２】
また、小型酸化触媒１４の温度が高くなると炭素数の多い燃料中の炭化水素が分解して炭素数の少ない反応性の高い炭化水素が生成される。即ち燃料が反応性の高い軽質の燃料に改質される。酸化触媒１３が活性化温度以上の場合には、小型酸化触媒１４から排出される還元剤により、酸化触媒１３にて生じる酸化反応により温度を早期に上昇させることができる。このように、小型酸化触媒１４に燃料が供給されると、小型酸化触媒１４は一方では急速に発熱する急速発熱器を構成し、他方では改質された燃料を排出する改質燃料排出器を構成する。
【００６３】
図８に示す運転例においては、小型酸化触媒が活性化温度に達したら、第２の制御状態から第３の制御状態に切り替えているが、この形態に限られず、小型酸化触媒が活性化温度に達した以降においても第２の制御状態を継続しても構わない。
【００６４】
図１０に、本実施の形態における制御状態と、エンジン負荷、排気ガス流量および排気ガスの酸素濃度の関係を例示する概略図を示す。この例においては、エンジン負荷が小さくなって、排気ガスの流量が小さくなり、酸素濃度が高くなった場合においては、容易に着火することができるために、第１の制御状態で運転を行なう。すなわち、火炎を生成して、下流の排気処理装置を素早く昇温することができる。エンジンの負荷が大きくなり、排気ガスの流量が大きくなり、酸素濃度が低下した場合においては、着火が困難になって第２の制御状態にて運転を行なう。更に、エンジンの負荷が大きくなって、排気ガスの流量が大きくなり、酸素濃度が低下した場合においては第３の制御状態で運転を行なっている。
【００６５】
第１の制御状態、第２の制御状態または第３の制御状態の選択は、エンジン負荷、排気ガス流量、酸素濃度、バッテリの状態等により、任意に選択することができる。たとえば、着火可能な領域では優先して第１の制御状態を行っても構わないし、第１の制御状態と第３の制御状態とを併用しても構わない。また、それぞれの制御状態は、適宜その順序を変えて運転することができる。
【００６６】
それぞれの制御状態の終了については、たとえば、小型酸化触媒の下流に配置されている酸化触媒が要求温度に達したら、それぞれの制御状態を終了することができる。すなわち、排気処理装置の要求事項が達成されたら、それぞれの制御状態を終了することができる。または、小型酸化触媒の温度が破壊に関する上限温度に達したときにそれぞれの制御状態を終了する。このように、制御状態の終了時期については、任意の条件を採用することができる。
【００６７】
次に、小型酸化触媒の下流に配置される排気処理装置がＮＯＸ吸蔵触媒である場合について説明する。
【００６８】
図１１に、ＮＯＸ吸蔵触媒の概略断面図を示す。ＮＯＸ吸蔵触媒１７は、基体上に例えばアルミナからなる触媒担体４５が担持されている。触媒担体４５の表面上には貴金属触媒４６が分散して担持されている。触媒担体４５の表面上にはＮＯＸ吸収剤４７の層が形成されている。貴金属触媒４６としては、例えば白金Ｐｔが用いられる。ＮＯＸ吸収剤４７を構成する成分としては、例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、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、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
【００６９】
機関吸気通路、燃焼室、または排気通路内において、空気および燃料（炭化水素）の比を空燃比と称すると、ＮＯＸ吸収剤４７は排気ガスの空燃比がリーンのとき（排気ガス中の酸素濃度が高いとき）には、排気ガス中に含まれるＮＯが貴金属触媒４６上において酸化されてＮＯ2となる。次いで硝酸イオンＮＯ3-の形でＮＯＸ吸収剤４７内に吸蔵される。
【００７０】
これに対して、排気ガスの空燃比がリッチ（排気ガス中の燃料濃度が高いとき）或いは理論空燃比にされると排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ3-→ＮＯ2）に進む。ＮＯＸ吸収剤４７内の硝酸イオンＮＯ3-がＮＯ2の形でＮＯＸ吸収剤４７から放出される。次いで、放出されたＮＯＸは排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ、ＣＯによって還元される。
【００７１】
本実施の形態における運転例では、ＮＯＸ吸収剤４７の吸収能力が飽和する前に燃料供給弁１５から燃料を供給することによって排気ガスの空燃比を一時的にリッチにして、それによってＮＯＸ吸収剤４７からＮＯＸを放出させるようにしている。
【００７２】
図１の実施例のように、小型酸化触媒１４とＮＯＸ吸蔵触媒１７との間に、酸化触媒１３が配置されている場合には、第１の制御状態、第２の制御状態または第３の制御状態で運転を行うことにより、前述したように酸化触媒１３の温度を短時間で上昇させて活性化温度にすることができ、酸化触媒１３により形成された還元剤をＮＯＸ吸蔵触媒に供給することができる。
【００７３】
小型酸化触媒とＮＯＸ吸蔵触媒との間に、酸化触媒が配置されていない場合においても、前述したように第１の制御状態または第２の制御状態で運転を行うことにより、短時間で小型酸化触媒の温度を上昇させることができて、小型酸化触媒により形成された還元剤をＮＯＸ吸蔵触媒に供給することができる。また、小型酸化触媒が活性化温度以上の場合には、第３の制御状態で運転を行うことにより、小型酸化触媒により形成された還元剤をＮＯＸ吸蔵触媒に供給することができる。
【００７４】
また、第１の制御状態で運転を行うことにより、小型酸化触媒１４における燃料の改質に加えて、生成される火炎によっても燃料の改質を行なうことができる。このため、軽質のＨＣ等の良質な還元剤をＮＯＸ吸蔵触媒に供給することができる。さらに、多量の還元剤をＮＯＸ吸蔵触媒に供給することができる。
【００７５】
ところで、排気ガス中にはＳＯＸ、即ちＳＯ２が含まれている。このＳＯ２は、ＮＯＸ吸蔵触媒１７に流入すると、貴金属触媒４６において酸化されてＳＯ３となる。次いでこのＳＯ３はＮＯＸ吸収剤４７に吸収されて、例えば炭酸バリウムＢａＣＯ3と結合しながら、硫酸イオンＳＯ４2-の形でＮＯＸ吸収剤４７内に拡散し、安定した硫酸塩ＢａＳＯ４を生成する。しかしながらＮＯＸ吸収剤４７が強い塩基性を有するためにこの硫酸塩ＢａＳＯ４は安定していて分解しづらく、排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけでは硫酸塩ＢａＳＯ４は分解されずにそのまま残る。従ってＮＯＸ吸収剤４７内には時間が経過するにつれて硫酸塩ＢａＳＯ４が増大することになる。このため時間が経過するにつれてＮＯＸ吸収剤４７が吸収しうるＮＯＸ量が低下することになる。即ち、ＮＯＸ吸蔵触媒１７がイオウ被毒を生ずることになる。
【００７６】
この場合には、ＮＯＸ吸蔵触媒１７の温度を例えば６００℃以上のＳＯＸ放出温度まで上昇させた状態でＮＯＸ吸蔵触媒１７に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとＮＯＸ吸収剤４７からＳＯＸが放出することができる。
【００７７】
図１の装置例のように、小型酸化触媒１４とＮＯＸ吸蔵触媒１７との間に酸化触媒１３が配置されている場合には、第１の制御状態、第２の制御状態または第３の制御状態にて運転を行なうことにより、前述したように酸化触媒１３の温度を上昇させて、排気ガスを高温にすることができる。この結果、短時間でＮＯＸ吸蔵触媒１７を昇温することができる。特に、第１の制御状態では、火炎により排気ガスの温度が上昇する。また、小型酸化触媒１４および火炎により多量の改質燃料を生成して、この改質燃料を酸化触媒１３内で酸化させることができる。このため、短時間でＮＯＸ吸蔵触媒の温度をＳＯＸ放出温度まで上昇させることができる。
【００７８】
ＮＯＸ吸蔵触媒と小型酸化触媒との間に酸化触媒が配置されていない場合には、前述の様に、第１の制御状態にて運転を行うことにより、火炎による排気ガスの加熱と小型酸化触媒による酸化反応の発熱とにより、排気ガスを高温にすることができて、短時間でＮＯＸ吸蔵触媒をＳＯＸ放出温度まで上昇させることができる。または、第２の制御状態および第３の制御状態のうち少なくとも一方の制御状態にて運転を行うことにより、小型酸化触媒を短時間で昇温して排気ガスを高温にすることができて、この結果、ＮＯＸ吸蔵触媒を短時間で昇温することができる。
【００７９】
次に、小型酸化触媒の下流に配置されるパティキュレートフィルタの再処理について説明する。
【００８０】
パティキュレートフィルタは、排気ガス中に含まれる炭素微粒子、サルフェート等のイオン系微粒子等の粒子状物質（パティキュレート）を除去するフィルタである。パティキュレートフィルタは、たとえば、ハニカム構造を有し、ガスの流れ方向に伸びる複数の流路を有する。複数の流路において、下流端が封止された流路と上流端が封止された流路とが交互に配置されている。流路の隔壁は、コージライトのような多孔質材料で形成されている。この隔壁を、排気ガスが通過するときにパティキュレートが捕捉される。
【００８１】
図１を参照して、粒子状物質は、パティキュレートフィルタ１６上に捕集されて酸化される。しかしながら捕集される粒子状物質の量が酸化される粒子状物質の量よりも多くなると粒子状物質がパティキュレートフィルタ１６上に次第に堆積する。粒子状物質の堆積量が増大すると機関出力の低下を招いてしまう。この場合、空気過剰の雰囲気中でパティキュレートフィルタ１６の温度を例えば６００℃程度まで上昇させて堆積した粒子状物質を酸化除去するフィルタ再処理を行う。
【００８２】
図１に示す装置例においては、パティキュレートフィルタ１６上に堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたときに、排気ガスの空燃比がリーンのもとでパティキュレートフィルタ１６の温度を上昇させ、それによって堆積した粒子状物質を酸化除去する。差圧センサ２８により検出されたパティキュレートフィルタ１６の前後差圧ΔＰが許容値ＰＸを越えたときに堆積粒子状物質の量が許容量を越えたと判断される。
【００８３】
パティキュレートフィルタ１６の再生においても、ＮＯＸ吸蔵触媒の昇温と同様に、第１の制御状態、第２の制御状態または第３の制御状態で運転を行なうことにより、短時間で酸化触媒１３を昇温させることができて、パティキュレートフィルタ１６を短時間で昇温させることができる。または、パティキュレートフィルタと小型酸化触媒との間に酸化触媒が配置されていない場合にも、ＮＯＸ吸蔵触媒の昇温と同様に、短時間でパティキュレートフィルタを昇温させることができる。
【００８４】
なお、図１に示される装置例ではパティキュレートフィルタ１６上には貴金属触媒は担持されていない。しかしながらパティキュレートフィルタ１６に白金Ｐｔのような貴金属触媒を担持させることもでき、この場合にはパティキュレートフィルタ１６を酸化触媒として用いることができる。
【００８５】
図１２に、燃料供給弁から供給される燃料の他の供給形態を説明するタイムチャートを示す。図１２に示すように、燃料供給弁からの燃料の供給形態としては、連続的に燃料の供給を行なっても構わない。または、燃料の供給においては、一定量の噴射を継続しても構わないし、運転中に燃料の供給量を変更しても構わない。
【００８６】
図４または図８に示す運転例においては、燃料供給弁から間欠的に燃料を供給している。燃料を間欠的に供給することにより、供給される燃料同士の間に空気を介在させることができる。すなわち、間欠的に供給された燃料が多くの空気と接触して燃焼する。この結果、燃焼特性が向上して火炎の温度を高くすることができる。または、未燃の燃料を燃焼することができる。
【００８７】
ここで、連続的にリッチな（空燃比Ａ／Ｆが小さい状態の）燃料を燃料供給弁から供給した場合には、燃料に対して空気の量が少なくなるため燃焼されない燃料が多くなる。しかしながら、燃料を間欠的に供給することにより、燃焼特性が向上して燃焼されない燃料を低減させることができる。または、燃料の空燃比を小さくすることができる。小型酸化触媒の下流に配置されている排気処理装置がＮＯＸ吸蔵触媒である場合には、間欠的に供給する燃料の空燃比を小さくすることができるため、ＮＯＸ吸蔵触媒に好適な還元剤を供給することができる。
【００８８】
なお、排気浄化装置は、グロープラグによる着火が可能か否かについて判別を行なう判別手段を備えることができる。排気浄化装置の制御手段は、判別手段の結果を用いて制御状態の選択を行なうことができる。判別手段は、例えば、排気ガスの流量を検知する流量センサと、酸素濃度を検知する酸素センサとを含む。酸素濃度を検知するためには、空燃比センサを用いて代替的に排気管の内部の酸素濃度を推定しても構わない。または、エンジンの回転数と駆動力に依存する酸素濃度のマップを作成することにより、排気管内の酸素濃度を推定しても構わない。このように、判別手段は、流量検知装置と酸素濃度検知装置からの信号により火炎を生成できるか否かについて判別することができる。判別手段としては、さらに、排気ガスの温度を検知する排気ガス温度検知装置を含んでいても構わない。
【００８９】
本実施の形態においては、燃料供給手段として燃料供給弁が採用されているが、この形態に限られず、燃料供給手段は、小型酸化触媒に向けて燃料を供給できるように形成されていれば構わない。
【００９０】
本実施の形態においては、加熱手段としてグロープラグが採用されているが、この形態に限られず、供給される燃料を着火することが出来る任意の加熱手段を採用することができる。例えば、加熱手段として、点火プラグまたはセラミックヒーターなどが採用されていても構わない。
【００９１】
本実施の形態における制御手段は、機関本体を制御する電子制御ユニットが採用されているが、この形態に限られず、排気浄化装置のそれぞれの制御状態に制御することができる任意の制御手段を採用することができる。例えば、機関本体を制御する電子制御ユニットとは分離された、独立の排気浄化装置の制御ユニットが配置されていても構わない。
【００９２】
本実施の形態における排気処理装置としては、酸化触媒、ＮＯＸ吸蔵触媒およびパティキュレートフィルタを例に取り上げて説明したがこの形態に限られず、排気を浄化するための任意の装置に本発明を適用することができる。また、それぞれの排気処理装置を単独または複数組み合わせて配置しても構わない。
【００９３】
本実施の形態においては、内燃機関としてディーゼルエンジンを例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、任意の内燃機関の排気浄化装置に本発明を適用することができる。
【００９４】
（実施の形態２）
図１３から図１７を参照して、実施の形態２における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態においては、実施の形態１における排気浄化装置の運転例について説明する。
【００９５】
図１３は、第１の制御状態を開始するときのタイムチャートである。図１３に示す運転例においては、第１の制御状態で運転を開始するときの第１の燃料供給量Ｑ１が予め設定されている。また、第１の制御状態で定常的に運転するときの第２の燃料供給量Ｑ１ＴＡが予め設定されている。第１の燃料供給量Ｑ１は、第２の燃料供給量Ｑ１ＴＡよりも大きく設定されている。第１の制御状態を開始するときには、第１の燃料供給量Ｑ１を供給した状態で着火を行なって、所定期間の経過後に燃料供給量を第２の燃料供給量Ｑ１ＴＡに減少している。本実施の形態においては、燃焼安定期間の経過後に燃料供給量を減少している。
【００９６】
ここで、燃焼安定期間とは、燃料の燃焼が安定する状態になるまでの期間を示す。本実施の形態においては、予め燃焼安定期間となる時間を設定している。燃焼安定期間の終期の決定については、任意の形態を採用することができる。たとえば、小型酸化触媒の出口の温度を計測して所定温度まで上昇したことを検知して、燃焼安定期間の終期を決定しても構わない。
【００９７】
グロープラグによる着火を行なうときには、多くの燃料を供給することにより、安定した着火を行なうことができる。たとえば、着火を行なうときに、周辺の温度が低く着火が不安定になる場合がある。このような場合には、第１の燃料供給量Ｑ１にて燃料を多く供給することにより安定した着火を行うことができる。火炎が形成されて周辺温度が上昇すると燃焼が安定する。この後に、燃料供給量を低減しても燃焼は安定するため、第２の燃料供給量Ｑ１ＴＡに噴射量を減らす制御を行う。この制御を行うことにより、過剰な燃料の消費や過剰なＨＣの放出等を削減することができる。
【００９８】
図１４は、第１の制御状態から第３の制御状態に切り替えるときのタイムチャートである。図１４に示す運転例においては、第１の制御状態から第３の制御状態に切り替えるときに、グロープラグによる加熱を停止して、さらに、燃料供給弁による燃料の供給を停止する期間を介在している。すなわち、第１の制御状態の要求事項が達成されたら、燃料供給弁からの燃料の噴射を遮断して、グロープラグの通電量を０にする。燃料噴射停止期間の経過後に燃料供給弁から燃料の供給を行なって、第３の制御状態に移行する。
【００９９】
図１４に示すように、第１の制御状態を行った後に第３の制御状態に移行する運転を行う場合がある。たとえば、第１の制御状態を行って小型酸化触媒を活性化温度まで上昇させ、活性化温度に達したら第３の制御状態に移行する場合がある。第１の制御状態で運転を行なうことにより、火炎が小型酸化触媒の端面に衝突して端面の温度が高くなっている。または、小型酸化触媒の側面に火炎が接触して側面の温度が高くなっている場合がある。特に、火炎を生成しているときには、小型酸化触媒の端面が局部的に非常に高い温度になっている場合がある。この状態で第３の制御状態に移行して、低温の液体燃料が直接的に小型酸化触媒に向けて噴射されると、基材が急冷されることにより基材が割れてしまう場合がある。
【０１００】
しかしながら、燃料の供給を停止して、さらにグロープラグの通電を停止する期間を介在させることにより、小型酸化触媒の温度を下げることができ、小型酸化触媒の急冷を抑制することができる。本実施の形態においては、予め燃料噴射停止期間の時間を設定している。燃料噴射停止期間の終期の決定については、任意の形態を採用することができる。たとえば、小型酸化触媒の出口の温度を計測して、所定の温度まで下降したことを検知することにより、燃料噴射停止期間の終期を決定しても構わない。
【０１０１】
図１５は、第１の制御状態を開始するときのタイムチャートである。図１５に示す運転例においては、排気管を通る排気ガスの流量を変更することにより、着火の安定化を図っている。第１の制御状態を開始する時に、第１の制御状態の排気ガスの第２の流量Ｇａ１ＴＡよりも小さな第１の流量Ｇａ１の排気ガスを供給した状態で着火を行なう。図１５の運転例においては、着火を行うときに排気ガスの流量を小さくして、所定期間の経過後に排気ガスの流量を増加する。本実施の形態においては、燃焼安定期間の経過後に排気ガスの流量を第２の流量Ｇａ１ＴＡまで増加する制御を行っている。
【０１０２】
図１を参照して、本実施の形態における内燃機関の浄化装置は、機関排気通路内の排気ガスの流量を調整できるように形成されている排気ガス流量調整手段を備える。たとえば、機関本体１に燃料を供給するスロットル弁１０を調整することにより、排気ガスの流量を調整することができる。または、機関本体１の再循環流路に配置されているＥＧＲ制御弁１９を調整することにより、触媒に流れる排気ガスの流量を調整することができる。例えば、着火を行なうときに、一時的に排気ガスの再循環流量を増やすことにより、触媒に流入する排気ガスの流量を減らすことができる。
【０１０３】
本実施の形態における排気ガス流量調整手段は、電子制御ユニット３０により制御されている。排気ガス流量調整手段としては、これらの形態に限られず、排気浄化装置に流入する排気ガスの流量を変化させる任意の手段を採用することができる。
【０１０４】
排気ガスの流量が大きいと着火が不安定になる場合がある。燃料を着火する時に排気ガスの流量を小さくすることにより、安定した着火を行なうことができる。燃焼安定期間の経過後には、燃焼が安定しているために、排気ガスの流量を多くすることができる。排気ガスの流量を多くすることにより、排気ガスの乱流の生成が促進されて、火炎の燃焼性や拡散性が向上する。特に、図１に示す装置例においては、小型酸化触媒１４に向かって多くの排気ガスが衝突して、小型酸化触媒１４の下流で排気ガスの乱流の生成が促進される。
【０１０５】
さらに、排気ガスの乱流の生成が促進されるために、小型酸化触媒１４に付着する液体の燃料を吹き飛ばして小型酸化触媒１４の周りで燃焼させることができる。この結果、小型酸化触媒１４から噴出される還元剤の着火性能を高めることができる。
【０１０６】
図１６および図１７に、第１の制御状態で運転を行なうときの運転例を示す。図１６に、第１の制御状態で運転を行なうときのタイムチャートを示す。この運転例においては、第１の制御状態において、小型酸化触媒の温度が閾温度以上の場合に、燃料の噴射量を増加させる制御を行う。図１を参照して、小型酸化触媒の温度は、温度センサ２５により小型酸化触媒の出口の排気ガスの温度を測定することにより検知することができる。
【０１０７】
第１の制御状態を開始して小型酸化触媒が一の閾温度に達したら、燃料供給弁から噴射される燃料の量を増加させる。閾温度としては、例えば、小型酸化触媒の活性化温度ＴＸを採用することができる。すなわち、第１の制御状態において、燃料供給量Ｑ２で運転を行っているときに小型酸化触媒が閾温度に達したら、燃料供給量Ｑ２によりも多い燃料供給量Ｑ３に変更する。
【０１０８】
酸化触媒は、活性化温度以上の領域において、温度が高くなると改質性能が高くなる特性を有する。酸化触媒の温度が高くなると、火炎により行う燃料の改質に加えて小型酸化触媒による高い改質を同時に行なうことができる。このため、燃料供給弁による燃料の噴射量を増加させて運転を行うことができる。この結果、改質された燃料を小型酸化触媒の下流に大量に供給することができる。
【０１０９】
例えば、小型酸化触媒の下流に酸化触媒が配置され、酸化触媒が活性化状態のときには、大量の還元剤を酸化触媒に供給することにより、短時間で排気ガスの温度を上昇させることができる。または、大量の還元剤を下流の排気処理装置に供給することができる。
【０１１０】
図１７に、図１６に示した第１の制御状態で運転を行うときのフローチャートを示す。初めに、小型酸化触媒の温度Ｔｃを計測する。次に、小型酸化触媒の温度Ｔｃが閾値以上である場合には、燃料供給弁から噴射される燃料の供給量を増加させる。小型酸化触媒の温度Ｔｃが閾値未満である場合には、所定の間隔をあけて小型酸化触媒の温度Ｔｃを計測する。
【０１１１】
燃料の供給量を増加したら、燃料の供給量が目標の供給量にまで達しているか否かを判別する。燃料の供給量が目標の供給量に達してなかったら燃料の供給量を再び増加する。または、燃料の供給量が目標の供給量にまで達していたら、この制御を終了する。
【０１１２】
燃料の１回の増加量や小型酸化触媒の温度に対する燃料の供給量については、排気処理装置の温度に対する供給量のマップ、または小型酸化触媒の温度に対する供給量のマップを制御手段に含めることができる。燃料の増加量や供給量の決定については、この形態に限られず、任意の方法により決定することができる。
【０１１３】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【０１１４】
また、上記のそれぞれの実施の形態を組み合わせても構わない。
【０１１５】
上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、上記の実施の形態においては、特許請求の範囲に含まれる変更が意図されている。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】圧縮着火式の内燃機関の全体図である。
【図２】（Ａ）は、排気浄化装置の小型酸化触媒の部分の概略断面図であり、（Ｂ）は、小型酸化触媒の概略断面図である。
【図３】燃料供給弁から供給される燃料の着火領域を示すグラフである。
【図４】実施の形態１における第１の制御状態を説明するタイムチャートである。
【図５】排気管において、小型酸化触媒の部分の拡大概略断面図である。
【図６】小型酸化触媒の出口における火炎の生成範囲を示すグラフである。
【図７】小型酸化触媒における伝熱を説明する小型酸化触媒の拡大概略断面図である。
【図８】実施の形態１における第２の制御状態および第３の制御状態を説明するタイムチャートである。
【図９】第２の制御状態において小型酸化触媒の昇温を説明するグラフである。
【図１０】第１の制御状態、第２の制御状態および第３の制御状態が使用される領域の例を説明する図である。
【図１１】ＮＯＸ吸蔵触媒の拡大概略断面図である。
【図１２】燃料供給弁からの燃料の供給例を説明するタイムチャートである。
【図１３】実施の形態２における第１の運転例を説明するタイムチャートである。
【図１４】実施の形態２における第２の運転例を説明するタイムチャートである。
【図１５】実施の形態２における第３の運転例を説明するタイムチャートである。
【図１６】実施の形態２における第４の運転例を説明するタイムチャートである。
【図１７】実施の形態２における第４の運転例を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【０１１７】
１ 機関本体
５ 排気マニホールド
１３ 酸化触媒
１４ 小型酸化触媒
１４ａ 円筒状外枠
１４ｂ 側面
１５ 燃料供給弁
１６ パティキュレートフィルタ
１７ ＮＯＸ吸蔵触媒
１８ ＥＧＲ通路
１９ ＥＧＲ制御弁
２５ 温度センサ
２６ 温度センサ
２７ 温度センサ
２８ 差圧センサ
２９ ステー
３０ 電子制御ユニット
４５ 触媒担体
４６ 貴金属触媒
４７ 吸収剤
５１ グロープラグ
６１〜６５ 矢印
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関は、機関本体で燃料が燃焼され、汚染物を含む排気ガスが排出される。有害な汚染物としては、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）またはパティキュレート（ＰＭ）などを挙げることができる。
【０００３】
内燃機関には排気を浄化するために排気処理装置が取り付けられる。排気処理装置には、一酸化炭素などを酸化するための酸化触媒、窒素酸化物を除去するためのＮＯＸ吸蔵触媒、パティキュレートを除去するためのパティキュレートフィルタ等が含まれる。
【０００４】
特表平８−５０９０４４号公報においては、自動車エンジンから放出される汚染物を減少させるための装置が開示されている。この装置は、燃料供給体と、エンジンに関連した排気ガス排出ライン中に、低発火温度燃料を供給するための弁によって制御された燃料ラインとを含む。また、この装置は、空気ポンプを備え、空気ポンプは、空気ラインを通して排気ガス排出ライン中に燃焼空気を供給するように形成されている。
【０００５】
この装置には、粒子汚染物を除去するための粒子フィルタよりも上流の排気パイプ中で、排気ガス流中の粒子汚染物を焼却することが開示されている。この結果、粒子フィルタの寿命を延ばすことが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特表平８−５０９０４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
排気処理装置は、それぞれの機能を発揮するために温度や還元剤の量などの好適な運転条件を有する。内燃機関から排出される排気の浄化が必要なときには、この運転条件を短時間に達成できることが好ましい。
【０００８】
特表平８−５０９０４４号公報に開示されている装置では、排気管の内部で火炎を生成することにより下流の触媒を加熱することができる。この装置では、火炎を生成するために空気ラインにて排気管の内部に空気を送入して酸素を供給している。これに対して、空気ラインにて空気を送入しない場合には、排気ガスの酸素濃度が高いと火炎を生成することができる一方で、排気ガスの酸素濃度が低いと火炎を生成することができなくなる。排気管の内部で火炎を生成できないと下流の触媒を短時間で昇温することができなくなり、触媒の好適な運転条件を達成するために時間がかかってしまう場合がある。
【０００９】
排気管の内部で火炎を生成しない場合においては、例えば酸化触媒が活性化温度未満の場合に酸化触媒を排気ガスで加熱して活性化温度まで昇温することができるが、より短時間で昇温できることが好ましい。または、例えば酸化触媒が活性化温度以上の場合には、排気ガス中に含まれる還元剤を用いて酸化触媒の酸化反応熱により昇温することができる。この場合にも、より多量の還元剤を酸化触媒に供給して、短時間で昇温することが好ましい。
【００１０】
本発明は、排気ガスの状態や排気処理装置の状態に応じて、排気処理装置の好適な運転条件を短時間で達成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】
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に配置され、排気ガスの浄化を行う排気処理装置と、機関排気通路内において排気処理装置よりも上流側に配置され、機関排気通路の断面積より小さな断面積を有し、排気ガスの一部が内部を流通する小型酸化触媒とを備える。排気浄化装置は、小型酸化触媒に向けて燃料を供給する燃料供給作用を有する燃料供給手段と、小型酸化触媒と燃料供給手段との間に配置され、加熱作用を有する加熱手段と、燃料供給手段および加熱手段の制御を行う制御手段とを備える。排気浄化装置を運転するときには、燃料供給手段により排気ガス中に燃料を供給して、加熱手段により燃料を加熱したときに、燃料の着火が可能な運転領域と着火が不可能な運転領域とが存在する。排気浄化装置は、燃料供給手段による燃料の供給を行いながら、加熱手段による加熱を行って燃料を着火させる第１の制御状態、燃料供給手段による燃料の供給を行いながら、加熱手段による加熱を行うが燃料は着火しない第２の制御状態、および燃料供給手段による燃料の供給を行いながら、加熱手段による加熱が停止している第３の制御状態を有する。制御手段は、着火が可能な運転領域において、第１の制御状態または第３の制御状態に制御して、着火が不可能な運転領域において、第２の制御状態または第３の制御状態に制御する。この構成により、排気ガスの状態や排気処理装置の状態に応じて、第１の制御状態、第２の制御状態および第３の制御状態で運転を行うことができ、排気処理装置の好適な運転条件を短時間で達成することができる。
【００１２】
上記発明において、第１の制御状態で制御するときに、燃料の着火により生成される火炎の一部が小型酸化触媒と機関排気通路の壁面との間を通るように形成されていることが好ましい。この構成により、小型酸化触媒の下流で火炎を生成することができる。また、小型酸化触媒の内部での熱応力が小さくなり、小型酸化触媒の耐熱性が向上する。
【００１３】
上記発明においては、制御手段は、第１の制御状態を開始するときに、第１の燃料供給量で燃料を供給しながら着火を行って、所定期間の経過後に燃料の供給量を減少させて第２の燃料供給量になるように燃料供給手段を制御することが好ましい。この構成により、第１の制御状態において安定した着火を行うことができる。
【００１４】
上記発明において、制御手段は、第１の制御状態から第３の制御状態に切り替えるときに、加熱手段による加熱を停止して、燃料供給手段による燃料の供給を停止する期間を介在させることが好ましい。この構成により、小型酸化触媒の急冷による破損を抑制することができる。
【００１５】
上記発明において、機関排気通路内の排気ガスの流量を調整するように形成され、制御手段により制御される排気ガス流量調整手段を備え、制御手段は、第１の制御状態を開始するときに、第１の流量で排気ガスを供給した状態で着火を行って、所定期間の経過後に排気ガスの流量を増加させて第２の流量になるように排気ガス流量調整手段を制御することが好ましい。この構成により、安定した着火を行うことができる。
【００１６】
上記発明において、制御手段は、第１の制御状態を行うときに小型酸化触媒の温度が一の閾温度以上の場合に、一の閾温度よりも低い温度で供給する量よりも多い燃料を供給するように燃料供給手段を制御することが好ましい。この構成により、還元剤を大量に小型酸化触媒の下流に供給することができる。
【００１７】
上記発明において、排気処理装置は、酸化触媒、ＮＯＸ吸蔵触媒およびパティキュレートフィルタのうち、少なくとも一の装置を含むことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、排気ガスの状態や排気処理装置の状態に応じて、排気処理装置の好適な運転状態を短時間で達成できる内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（実施の形態１）
図１から図１２を参照して、実施の形態１における内燃機関の排気浄化装置について説明する。
【００２０】
図１に、本実施の形態における圧縮着火式の内燃機関の全体図を示す。本実施の形態においては、ディーゼルエンジンを例に取り上げて説明する。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、各気筒の燃焼室２と、各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気マニホールド４と、排気マニホールド５とを含む。
【００２１】
吸気マニホールド４は、吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結されている。コンプレッサ７ａの入口は、吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結されている。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６の周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置されている。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００２２】
一方、排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結されている。排気タービン７ｂの出口は、排気管１２を介して排気浄化触媒としての酸化触媒１３に連結されている。酸化触媒１３下流の機関排気通路内には排気ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタ１６が配置されている。また、図１に示される実施例では、パティキュレートフィルタ１６の下流の機関排気通路内に、ＮＯＸ吸蔵触媒１７が配置されている。これらの酸化触媒１３、パティキュレートフィルタ１６およびＮＯＸ吸蔵触媒１７は、排気を浄化する機能を有する排気処理装置として機能する。
【００２３】
酸化触媒１３の上流の機関排気通路内、即ち排気管１２内には、酸化触媒１３よりも体積が小さい小型酸化触媒１４が配置されている。小型酸化触媒１４は、酸化触媒１３に流入する排気ガスの一部が内部に流入する。小型酸化触媒１４の上流の機関排気通路内には、即ち排気管１２内には、小型酸化触媒１４に向けて燃料を供給するための燃料供給手段として、燃料供給弁１５が配置されている。燃料供給弁１５は、燃料を供給したり停止したりする燃料供給作用を有するように形成されている。燃料供給弁１５と小型酸化触媒１４との間には、グロープラグ５１が配置されている。グロープラグ５１は、周りを加熱したり停止したりする加熱作用を有する加熱手段として機能する。グロープラグ５１は、後述する着火が可能な運転領域において、燃料供給弁１５から噴射される燃料を着火できるように形成されている。
【００２４】
排気マニホールド５と吸気マニホールド４との間には、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うためにＥＧＲ通路１８が配置されている。ＥＧＲ通路１８内には電子制御式のＥＧＲ制御弁１９が配置されている。また、ＥＧＲ通路１８の周りにはＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０が配置されている。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２０内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００２５】
それぞれの燃料噴射弁３は、燃料供給管２１を介してコモンレール２２に連結されている。このコモンレール２２は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３を介して燃料タンク２４に連結されている。燃料タンク２４内に貯蔵されている燃料は、燃料ポンプ２３によってコモンレール２２内に供給される。コモンレール２２内に供給された燃料は、それぞれの燃料供給管２１を介して燃料噴射弁３に供給される。
【００２６】
電子制御ユニット３０は、デジタルコンピュータからなる。本実施の形態における電子制御ユニット３０は、排気浄化装置の制御手段として機能する。電子制御ユニット３０は、双方性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を備える。
【００２７】
小型酸化触媒１４の下流には小型酸化触媒１４の温度を検出するための温度センサ２５が配置されている。パティキュレートフィルタ１６の下流には、酸化触媒１３又はパティキュレートフィルタ１６の温度を検出するための温度センサ２６が配置されている。ＮＯＸ吸蔵触媒１７の下流にはＮＯＸ吸蔵触媒１７の温度を検出するための温度センサ２７が配置されている。これら温度センサ２５，２６，２７の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
【００２８】
また、パティキュレートフィルタ１６には、パティキュレートフィルタ１６の前後差圧を検出するための差圧センサ２８が取付けられている。この差圧センサ２８および吸入空気量検出器８の出力信号は、夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０には、アクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１の出力電圧は、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続されている。一方、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１９および燃料ポンプ２３に接続されている。さらに、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して燃料供給弁１５およびグロープラグ５１に接続されている。
【００２９】
図２（Ａ）に、排気管における小型酸化触媒の周りの部分の拡大概略断面図を示し、図２（Ｂ）に、小型酸化触媒の概略断面図を示す。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）においてＢ−Ｂ線に沿って切断した概略断面図である。
【００３０】
図２（Ａ）を参照して、排気管１２は、筒状に形成されている。燃料供給弁１５は、小型酸化触媒１４の上流側の端面に向けて燃料を供給するように形成されている。燃料供給弁１５は噴射口を有し、噴射口は小型酸化触媒１４の端面に向いている。本実施の形態における燃料供給弁１５の噴射口は、燃料を放射状に噴射する様に形成されている。本実施の形態における排気浄化装置は、機関本体１の燃料である軽油が燃料供給弁１５から噴射されるように形成されている。燃料については、この形態に限られず機関本体の燃料とは異なる燃料が供給されていても構わない。
【００３１】
グロープラグ５１は、燃料供給弁１５から供給される燃料を加熱するように配置されている。グロープラグ５１は、先端の温度が上昇するように形成されている。グロープラグ５１は、この先端が燃料供給弁１５から噴射される燃料と接触する位置に配置されている。
【００３２】
本実施の形態におけるグロープラグ５１および燃料供給弁１５は、それぞれが棒状に形成されている。グロープラグ５１および燃料供給弁１５は、排気管１２の周方向のうち、一の方向から排気管１２に挿入されている。なお、グロープラグ５１および燃料供給弁１５は、任意の形状のものが任意の位置に配置されていても構わない。
【００３３】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示される装置例では、小型酸化触媒１４は、金属薄肉平板と金属薄肉波形板との積層構造からなる基体を有している。小型酸化触媒１４の基体の表面上には、例えばアルミナからなる触媒担体の層が形成されている。この触媒担体上には白金Ｐｔ、ロジウムＲｄ、パラジウムＰｄのような貴金属触媒が担持されている。なお、この基体はコージライトから形成することもできる。小型酸化触媒１４は円筒状外枠１４ａ内に配置されている。円筒状外枠１４ａは複数のステー２９によって排気管１２に支持されている。
【００３４】
小型酸化触媒１４は、酸化触媒１３に向かう排気ガスの全流路断面よりも小さな断面を有している。すなわち、小型酸化触媒１４は、排気管１２の断面積よりも小さな断面積を有している。小型酸化触媒１４は、排気管１２内の略中央において排気ガスの流れ方向に延びる筒状をなしている。小型酸化触媒１４の周りには、排気ガスが流れる流路が形成されている。
【００３５】
酸化触媒１３は、小型酸化触媒よりも体積の大きな排気浄化酸化触媒である。酸化触媒１３は、例えば、円筒形状のケース本体の内部に排気ガスの流れ方向に伸びる隔壁を有する基体を備える。基体は、例えばハニカム構造に形成されている。基体の表面には、例えば多孔質酸化物粉末よりなるコート層が形成され、このコート層に白金Ｐｔ等の貴金属触媒が担持されている。
【００３６】
図２（Ａ）を参照して、本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、燃料供給弁１５から噴射された燃料をグロープラグ５１により加熱して、火炎を生成することができる。ここで、排気管１２の内部の雰囲気に依存して、火炎の生成が可能な場合と生成可能な場合と生成不可能な場合とが生じる。すなわち、機関本体から排出される排気ガスの状態に応じて、燃料の着火が可能な運転領域と着火が不可能な運転領域が存在する。火炎を生成できるか否かについては、例えば、排気ガスの酸素濃度および排気ガスの流量Ｇａに依存する。
【００３７】
図３に、燃料供給弁から噴射された燃料が着火する範囲を説明するグラフを示す。横軸が排気ガスの酸素濃度であり、縦軸が排気ガスの流量である。排気ガスの酸素濃度については、着火可能な濃度以上になると着火を行うことができる。また、排気ガスの酸素濃度が高いほど容易に着火する。これに対して、排気ガスの流量については、流量が小さいほど容易に着火できる。図３に示すように、着火が可能な領域が画定される。また、着火が可能な領域のうち着火が容易な領域が区分される。
【００３８】
図１を参照して、本実施の形態における排気浄化装置は、燃料供給弁１５により燃料の噴射が行われ、グロープラグ５１により加熱を行なって燃料を着火させて、火炎を生成する第１の制御状態で運転を行うことができる。また、燃料供給弁１５により燃料の噴射が行われ、グロープラグ５１による加熱を行なうが燃料が着火しない第２の制御状態で運転を行うことができる。また、燃料供給弁１５により燃料の供給が行なわれ、グロープラグ５１による加熱が停止している第３の制御状態で運転を行うことができる。さらに、燃料供給弁１５により燃料の供給が行われず、グロープラグ５１に通電している第４の制御状態で運転を行うことができる。
【００３９】
本実施の形態における電子制御ユニット３０は、着火が可能な運転領域において、第１の制御状態または第３の制御状態に制御する。また、着火が不可能な運転領域において、第２の制御状態または第３の制御状態に制御する。
【００４０】
以下、本実施の形態における内燃機関の浄化装置の運転例を取り上げて、それぞれの制御状態について説明する。なお、本実施の形態においては、電子制御ユニット３０により、それぞれの制御状態の制御を行っている。すなわち、燃料供給弁１５、グロープラグ５１およびＥＲＧ制御弁１９等の制御は、電子制御ユニット３０にて行われている。
【００４１】
図４に、第１の制御状態を説明するタイムチャートを示す。この運転例では、小型酸化触媒１４より下流の酸化触媒１３を昇温するために第１の制御状態にて運転を行う。排気浄化装置は、火炎を生成して排気処理装置を加熱する。初期の状態では、小型酸化触媒１４は、活性化温度ＴＸ未満である。即ち、小型酸化触媒は不活性の状態である。一方で、排気浄化装置は、着火が可能な運転領域で運転されており、排気管１２の内部は着火が可能な雰囲気である。
【００４２】
図２（Ａ）および図４を参照して、初めに燃料供給弁１５からの燃料の噴射を行わずに、グロープラグ５１を通電する。すなわち、第４の制御状態で運転する。第４の制御状態は、主にグロープラグ５１自体の温度を上昇させるために行う。グロープラグ５１に通電することによりグロープラグ５１が点灯して先端が昇温する。なお、第４の制御状態においても、グロープラグ５１の発する熱量により、緩やかに排気ガスを加熱することができて、小型酸化触媒１４および酸化触媒１３の温度を上昇させることができる。
【００４３】
図４に示す運転例においては、グロープラグ５１の温度が高くなったら第４の制御状態を終了する。この運転例では、通電時間を予め定めておいてグロープラグ５１の加熱を行っている。第４の制御状態の終期については、この形態に限られず、他の任意の方法により定めることができる。例えば、グロープラグの下流に温度センサを配置して温度を計測することにより、グロープラグの通電の終期を定めることができる。
【００４４】
次に、グロープラグ５１の温度が高くなったら、燃料供給弁１５からの燃料の噴射を行なう。燃料の噴射を行なうことにより火炎が生成される。即ち、第１の制御状態に移行する。この運転例においては、燃料供給弁１５から間欠的に（パルス状に）燃料の噴射を行っている。また、一定量の燃料を一定の間隔をあけて複数回噴射している。
【００４５】
図５に、第１の制御状態で運転を行っているときの小型酸化触媒の部分の拡大概略断面図を示す。グロープラグ５１の加熱により着火した燃料は火炎になり、矢印６１，６２に示すように、排気ガスの流れに沿って下流に向かう。火炎は、排気ガスの温度を上昇させる。
【００４６】
本実施の形態においては、グロープラグ５１は、小型酸化触媒１４の上流側に小型酸化触媒１４から距離を空けて配置されている。また、小型酸化触媒１４の外側には排気ガスの流路が形成されている。このため、生成される火炎の一部が、矢印６２に示すように、小型酸化触媒１４の側面１４ｂと排気管１２との間に形成される流路を通る。すなわち、火炎の一部が小型酸化触媒１４と機関排気通路の壁面との間を通る。このように、この運転例においては、小型酸化触媒１４を包むように火炎が生じる。小型酸化触媒１４の外側を通る火炎は、側面１４ｂに接触しながら流れる。また、生成される火炎の一部は、矢印６１に示すように、小型酸化触媒１４の上流側の端面に到達して、小型酸化触媒１４に侵入する。
【００４７】
図１、図４および図５を参照して、火炎を生成する第１の制御状態で運転することにより、排気ガスの温度が高くなって、矢印６４に示すように下流側に高温の排気ガスを送ることができる。このため、小型酸化触媒１４、酸化触媒１３、パティキュレートフィルタ１６、またはＮＯＸ吸蔵触媒１７等の下流側に配置されている構成部材を短時間で加熱することができる。これにより、酸化触媒１３または小型酸化触媒１４が活性化温度未満の場合には、短時間で活性化温度まで昇温させることができ、酸化触媒１３または小型酸化触媒１４が活性化温度以上の場合には、短時間で昇温することにより触媒の酸化能力を高めることができる。
【００４８】
さらに、火炎を生成することにより燃料の改質が行なわれ、たとえばＨＣやＣＯ等の還元剤が生成される。この還元剤を下流の酸化触媒１３に送ることができる。酸化触媒１３が活性化温度以上の場合には、この還元剤の酸化反応熱により酸化触媒１３の温度を素早く上昇させることができる。
【００４９】
図４に示す運転例においては、小型酸化触媒が活性化温度ＴＸに達した後も第１の制御状態を継続している。小型酸化触媒１４が活性化温度に達したら、小型酸化触媒１４においても、噴射された未燃の燃料の改質が行われてＨＣ等の還元剤が生成される。または、ＨＣ等が燃焼されて、より軽質な還元剤が生成される。このため、火炎により生成される還元剤とともに、下流の酸化触媒１３に多くの還元剤を供給することができる。または、小型酸化触媒１４での酸化反応により小型酸化触媒１４が発熱して、排気ガスの温度を更に高くすることができ、酸化触媒１３等の下流側に配置されている排気処理装置を短時間で昇温させることができる。
【００５０】
図５を参照して、矢印６３に示すように小型酸化触媒１４から排出される還元剤は、霧化および微粒子化された状態で排出される。小型酸化触媒１４から排出される還元剤は、矢印６２に示す小型酸化触媒１４の外側を通る排気ガスにより着火することができる。すなわち、小型酸化触媒１４の出口において火炎を生成することができる。小型触媒１４の出口において火炎が生成されることにより、排気管１２全体で火炎が広がって、小型酸化触媒１４下流での燃焼効率を高めることができる。このため、排気ガスの温度をさらに上昇させることができる。または、より軽質な還元剤を生成することができる。この結果、酸化触媒１３等の下流側に配置されている排気処理装置をより短時間で昇温することができる。
【００５１】
図６に、小型酸化触媒の出口で火炎が生成される範囲を示すグラフを示す。図６では、グロープラグを配置して火炎を生成する場合と、グロープラグがない状態で火炎を生成する場合とを示している。小型酸化触媒１４の出口において、火炎が生成されるか否かは、排気ガスの酸素濃度および小型酸化触媒１４の温度（小型酸化触媒１４出口のガス温度）に依存する。小型酸化触媒１４の出口では、排気ガスの酸素濃度が高いほど、容易に火炎が生成される。また、小型酸化触媒の温度が高いほど、容易に火炎が生成される。グロープラグが配置されていない場合においても、所定の条件下で火炎を生成することができる。図６に示すように、グロープラグを配置している場合と配置していない場合を比較すると、グロープラグを配置することにより、小型酸化触媒１４の出口において、より広い温度範囲で火炎を生成できることが分かる。
【００５２】
図７に、第１の制御状態で運転を行っているときの小型酸化触媒の拡大概略断面図を示す。小型酸化触媒１４では、供給される未燃の燃料等が酸化されることにより、温度が上昇する。このときに、小型酸化触媒１４は、内部から外側に向かって温度上昇する。このために、小型酸化触媒１４の基材には温度勾配が生じる。
【００５３】
この運転例においては、矢印６２に示すように、火炎が小型酸化触媒１４の外側を通る。即ち、火炎が小型酸化触媒１４と機関排気通路の壁面との間を通る。このために、矢印６５に示すように、火炎の熱が小型酸化触媒１４の外側から内側に向かって伝熱され、基材に生じる温度勾配を小さくすることができる。基材の内部で生じる熱応力を小さくすることができる。この結果、小型酸化触媒１４の耐熱性を向上させることができる。
【００５４】
本実施の形態においては、グロープラグ５１にて生成された火炎の一部が小型酸化触媒１４の外側を通るように形成されているが、この形態に限られず、グロープラグ５１にて生成された火炎の全てが、小型酸化触媒１４の端面に供給されていても構わない。この構成により、小型酸化触媒１４を短時間で温度上昇させることができる。
【００５５】
図４に示す運転例においては、小型酸化触媒１４が活性化温度に達した後もグロープラグを点灯する第１の制御状態を継続しているが、この形態に限られず、例えば小型酸化触媒１４が活性化温度に達したことを温度センサ２５で検知して、グロープラグ５１の通電を停止しても構わない。すなわち、小型酸化触媒が活性化温度に達したときに、制御状態を第３の制御状態に移行しても構わない。グロープラグが配置されていない場合には、機関本体１から排出される排気ガスにより小型酸化触媒を加熱して活性化温度になるまで待つ必要があるが、グロープラグを配置して第１の制御状態で運転することにより、短時間で小型酸化触媒を活性化温度まで昇温することができる。この結果、小型酸化触媒の下流に配置されている酸化触媒等の排気処理装置を短時間で昇温することができる。
【００５６】
次に、図８および図９を参照して、本実施の形態における第２の制御状態および第３の制御状態について説明する。
【００５７】
図８は、第２の制御状態で運転を行なった後に、第３の制御状態で運転を行なうタイムチャートである。第２の制御状態は、グロープラグにより加熱しても燃料が着火されない運転領域で行う。初めに、燃料供給弁１５を閉止した状態でグロープラグ５１に通電する第４の制御状態で運転する。小型酸化触媒１４の温度は、活性化温度ＴＸ未満である。グロープラグ５１が高い温度に達したら、グロープラグ５１に通電した状態で、燃料供給弁１５から燃料を噴射する。このときに、燃料の着火が不可能であるために、火炎が形成されずに燃料が液体のまま小型酸化触媒１４に供給される。
【００５８】
図９に、グロープラグがある場合とグロープラグがない場合の小型酸化触媒の温度上昇を説明するグラフを示す。横軸は時間であり、縦軸は小型酸化触媒の温度である。小型酸化触媒１４の温度が活性化温度未満であり、グロープラグがない場合においては、小型酸化触媒１４が不活性である。小型酸化触媒１４の温度は、排気ガスにより緩やかに上昇する。これに対して、小型酸化触媒１４の上流にグロープラグを配置して、グロープラグ５１に通電しながら小型酸化触媒１４に燃料を供給することにより、小型酸化触媒１４の温度が素早く上昇する。すなわち、グロープラグ５１が配置されていない場合には小型酸化触媒１４が不活性の雰囲気中においても、グロープラグ５１を配置して燃料を噴射することにより、小型酸化触媒１４を活性化することができる。このために、小型酸化触媒１４の温度を短時間で上昇させることができる。
【００５９】
図８を参照して、第２の制御状態で運転を行なうことにより、小型酸化触媒１４の温度を短時間で活性化温度まで上昇することができる。小型酸化触媒１４の温度が活性化温度に達したらグロープラグ５１への通電を停止する。すなわち、グロープラグへの通電を停止した状態で、燃料の噴射を行なう第３の制御状態を行なう。小型酸化触媒１４が活性化温度に到達しているために、小型酸化触媒１４の内部に噴射された燃料が酸化される。燃料の酸化の際に発生する酸化反応熱によって小型酸化触媒１４の温度を素早く上昇させることができる。小型酸化触媒１４の温度が上昇することにより、排気ガスの温度が高くなって酸化触媒１３等の排気処理装置を加熱することができる。
【００６０】
特に、小型酸化触媒１４は、内部の流路抵抗が大きいので小型酸化触媒１４内を流れる排気ガス量は少ない。また、小型酸化触媒１４の内部で酸化反応が生じると小型酸化触媒１４内でガスが膨張するために、小型酸化触媒１４の内部を流れる排気ガス量が更に減少する。また酸化反応によりガス温度が上昇するとガスの粘性が高くなるために小型酸化触媒１４の内部を流れる排気ガス量が更に減少する。従って小型酸化触媒１４内における排気ガスの流速は排気管１２内を流れる排気ガスの流速に比べてかなり遅い。
【００６１】
このように小型酸化触媒１４内における排気ガスの流速が遅いので、小型酸化触媒１４における酸化反応は活発となり、また小型酸化触媒１４の体積が小さいので小型酸化触媒１４の温度は急速にかなり高温まで上昇する。
【００６２】
また、小型酸化触媒１４の温度が高くなると炭素数の多い燃料中の炭化水素が分解して炭素数の少ない反応性の高い炭化水素が生成される。即ち燃料が反応性の高い軽質の燃料に改質される。酸化触媒１３が活性化温度以上の場合には、小型酸化触媒１４から排出される還元剤により、酸化触媒１３にて生じる酸化反応により温度を早期に上昇させることができる。このように、小型酸化触媒１４に燃料が供給されると、小型酸化触媒１４は一方では急速に発熱する急速発熱器を構成し、他方では改質された燃料を排出する改質燃料排出器を構成する。
【００６３】
図８に示す運転例においては、小型酸化触媒が活性化温度に達したら、第２の制御状態から第３の制御状態に切り替えているが、この形態に限られず、小型酸化触媒が活性化温度に達した以降においても第２の制御状態を継続しても構わない。
【００６４】
図１０に、本実施の形態における制御状態と、エンジン負荷、排気ガス流量および排気ガスの酸素濃度の関係を例示する概略図を示す。この例においては、エンジン負荷が小さくなって、排気ガスの流量が小さくなり、酸素濃度が高くなった場合においては、容易に着火することができるために、第１の制御状態で運転を行なう。すなわち、火炎を生成して、下流の排気処理装置を素早く昇温することができる。エンジンの負荷が大きくなり、排気ガスの流量が大きくなり、酸素濃度が低下した場合においては、着火が困難になって第２の制御状態にて運転を行なう。更に、エンジンの負荷が大きくなって、排気ガスの流量が大きくなり、酸素濃度が低下した場合においては第３の制御状態で運転を行なっている。
【００６５】
第１の制御状態、第２の制御状態または第３の制御状態の選択は、エンジン負荷、排気ガス流量、酸素濃度、バッテリの状態等により、任意に選択することができる。たとえば、着火可能な領域では優先して第１の制御状態を行っても構わないし、第１の制御状態と第３の制御状態とを併用しても構わない。また、それぞれの制御状態は、適宜その順序を変えて運転することができる。
【００６６】
それぞれの制御状態の終了については、たとえば、小型酸化触媒の下流に配置されている酸化触媒が要求温度に達したら、それぞれの制御状態を終了することができる。すなわち、排気処理装置の要求事項が達成されたら、それぞれの制御状態を終了することができる。または、小型酸化触媒の温度が破壊に関する上限温度に達したときにそれぞれの制御状態を終了する。このように、制御状態の終了時期については、任意の条件を採用することができる。
【００６７】
次に、小型酸化触媒の下流に配置される排気処理装置がＮＯＸ吸蔵触媒である場合について説明する。
【００６８】
図１１に、ＮＯＸ吸蔵触媒の概略断面図を示す。ＮＯＸ吸蔵触媒１７は、基体上に例えばアルミナからなる触媒担体４５が担持されている。触媒担体４５の表面上には貴金属触媒４６が分散して担持されている。触媒担体４５の表面上にはＮＯＸ吸収剤４７の層が形成されている。貴金属触媒４６としては、例えば白金Ｐｔが用いられる。ＮＯＸ吸収剤４７を構成する成分としては、例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、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、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
【００６９】
機関吸気通路、燃焼室、または排気通路内において、空気および燃料（炭化水素）の比を空燃比と称すると、ＮＯＸ吸収剤４７は排気ガスの空燃比がリーンのとき（排気ガス中の酸素濃度が高いとき）には、排気ガス中に含まれるＮＯが貴金属触媒４６上において酸化されてＮＯ2となる。次いで硝酸イオンＮＯ3-の形でＮＯＸ吸収剤４７内に吸蔵される。
【００７０】
これに対して、排気ガスの空燃比がリッチ（排気ガス中の燃料濃度が高いとき）或いは理論空燃比にされると排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ3-→ＮＯ2）に進む。ＮＯＸ吸収剤４７内の硝酸イオンＮＯ3-がＮＯ2の形でＮＯＸ吸収剤４７から放出される。次いで、放出されたＮＯＸは排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ、ＣＯによって還元される。
【００７１】
本実施の形態における運転例では、ＮＯＸ吸収剤４７の吸収能力が飽和する前に燃料供給弁１５から燃料を供給することによって排気ガスの空燃比を一時的にリッチにして、それによってＮＯＸ吸収剤４７からＮＯＸを放出させるようにしている。
【００７２】
図１の実施例のように、小型酸化触媒１４とＮＯＸ吸蔵触媒１７との間に、酸化触媒１３が配置されている場合には、第１の制御状態、第２の制御状態または第３の制御状態で運転を行うことにより、前述したように酸化触媒１３の温度を短時間で上昇させて活性化温度にすることができ、酸化触媒１３により形成された還元剤をＮＯＸ吸蔵触媒に供給することができる。
【００７３】
小型酸化触媒とＮＯＸ吸蔵触媒との間に、酸化触媒が配置されていない場合においても、前述したように第１の制御状態または第２の制御状態で運転を行うことにより、短時間で小型酸化触媒の温度を上昇させることができて、小型酸化触媒により形成された還元剤をＮＯＸ吸蔵触媒に供給することができる。また、小型酸化触媒が活性化温度以上の場合には、第３の制御状態で運転を行うことにより、小型酸化触媒により形成された還元剤をＮＯＸ吸蔵触媒に供給することができる。
【００７４】
また、第１の制御状態で運転を行うことにより、小型酸化触媒１４における燃料の改質に加えて、生成される火炎によっても燃料の改質を行なうことができる。このため、軽質のＨＣ等の良質な還元剤をＮＯＸ吸蔵触媒に供給することができる。さらに、多量の還元剤をＮＯＸ吸蔵触媒に供給することができる。
【００７５】
ところで、排気ガス中にはＳＯＸ、即ちＳＯ２が含まれている。このＳＯ２は、ＮＯＸ吸蔵触媒１７に流入すると、貴金属触媒４６において酸化されてＳＯ３となる。次いでこのＳＯ３はＮＯＸ吸収剤４７に吸収されて、例えば炭酸バリウムＢａＣＯ3と結合しながら、硫酸イオンＳＯ４2-の形でＮＯＸ吸収剤４７内に拡散し、安定した硫酸塩ＢａＳＯ４を生成する。しかしながらＮＯＸ吸収剤４７が強い塩基性を有するためにこの硫酸塩ＢａＳＯ４は安定していて分解しづらく、排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけでは硫酸塩ＢａＳＯ４は分解されずにそのまま残る。従ってＮＯＸ吸収剤４７内には時間が経過するにつれて硫酸塩ＢａＳＯ４が増大することになる。このため時間が経過するにつれてＮＯＸ吸収剤４７が吸収しうるＮＯＸ量が低下することになる。即ち、ＮＯＸ吸蔵触媒１７がイオウ被毒を生ずることになる。
【００７６】
この場合には、ＮＯＸ吸蔵触媒１７の温度を例えば６００℃以上のＳＯＸ放出温度まで上昇させた状態でＮＯＸ吸蔵触媒１７に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとＮＯＸ吸収剤４７からＳＯＸが放出することができる。
【００７７】
図１の装置例のように、小型酸化触媒１４とＮＯＸ吸蔵触媒１７との間に酸化触媒１３が配置されている場合には、第１の制御状態、第２の制御状態または第３の制御状態にて運転を行なうことにより、前述したように酸化触媒１３の温度を上昇させて、排気ガスを高温にすることができる。この結果、短時間でＮＯＸ吸蔵触媒１７を昇温することができる。特に、第１の制御状態では、火炎により排気ガスの温度が上昇する。また、小型酸化触媒１４および火炎により多量の改質燃料を生成して、この改質燃料を酸化触媒１３内で酸化させることができる。このため、短時間でＮＯＸ吸蔵触媒の温度をＳＯＸ放出温度まで上昇させることができる。
【００７８】
ＮＯＸ吸蔵触媒と小型酸化触媒との間に酸化触媒が配置されていない場合には、前述の様に、第１の制御状態にて運転を行うことにより、火炎による排気ガスの加熱と小型酸化触媒による酸化反応の発熱とにより、排気ガスを高温にすることができて、短時間でＮＯＸ吸蔵触媒をＳＯＸ放出温度まで上昇させることができる。または、第２の制御状態および第３の制御状態のうち少なくとも一方の制御状態にて運転を行うことにより、小型酸化触媒を短時間で昇温して排気ガスを高温にすることができて、この結果、ＮＯＸ吸蔵触媒を短時間で昇温することができる。
【００７９】
次に、小型酸化触媒の下流に配置されるパティキュレートフィルタの再処理について説明する。
【００８０】
パティキュレートフィルタは、排気ガス中に含まれる炭素微粒子、サルフェート等のイオン系微粒子等の粒子状物質（パティキュレート）を除去するフィルタである。パティキュレートフィルタは、たとえば、ハニカム構造を有し、ガスの流れ方向に伸びる複数の流路を有する。複数の流路において、下流端が封止された流路と上流端が封止された流路とが交互に配置されている。流路の隔壁は、コージライトのような多孔質材料で形成されている。この隔壁を、排気ガスが通過するときにパティキュレートが捕捉される。
【００８１】
図１を参照して、粒子状物質は、パティキュレートフィルタ１６上に捕集されて酸化される。しかしながら捕集される粒子状物質の量が酸化される粒子状物質の量よりも多くなると粒子状物質がパティキュレートフィルタ１６上に次第に堆積する。粒子状物質の堆積量が増大すると機関出力の低下を招いてしまう。この場合、空気過剰の雰囲気中でパティキュレートフィルタ１６の温度を例えば６００℃程度まで上昇させて堆積した粒子状物質を酸化除去するフィルタ再処理を行う。
【００８２】
図１に示す装置例においては、パティキュレートフィルタ１６上に堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたときに、排気ガスの空燃比がリーンのもとでパティキュレートフィルタ１６の温度を上昇させ、それによって堆積した粒子状物質を酸化除去する。差圧センサ２８により検出されたパティキュレートフィルタ１６の前後差圧ΔＰが許容値ＰＸを越えたときに堆積粒子状物質の量が許容量を越えたと判断される。
【００８３】
パティキュレートフィルタ１６の再生においても、ＮＯＸ吸蔵触媒の昇温と同様に、第１の制御状態、第２の制御状態または第３の制御状態で運転を行なうことにより、短時間で酸化触媒１３を昇温させることができて、パティキュレートフィルタ１６を短時間で昇温させることができる。または、パティキュレートフィルタと小型酸化触媒との間に酸化触媒が配置されていない場合にも、ＮＯＸ吸蔵触媒の昇温と同様に、短時間でパティキュレートフィルタを昇温させることができる。
【００８４】
なお、図１に示される装置例ではパティキュレートフィルタ１６上には貴金属触媒は担持されていない。しかしながらパティキュレートフィルタ１６に白金Ｐｔのような貴金属触媒を担持させることもでき、この場合にはパティキュレートフィルタ１６を酸化触媒として用いることができる。
【００８５】
図１２に、燃料供給弁から供給される燃料の他の供給形態を説明するタイムチャートを示す。図１２に示すように、燃料供給弁からの燃料の供給形態としては、連続的に燃料の供給を行なっても構わない。または、燃料の供給においては、一定量の噴射を継続しても構わないし、運転中に燃料の供給量を変更しても構わない。
【００８６】
図４または図８に示す運転例においては、燃料供給弁から間欠的に燃料を供給している。燃料を間欠的に供給することにより、供給される燃料同士の間に空気を介在させることができる。すなわち、間欠的に供給された燃料が多くの空気と接触して燃焼する。この結果、燃焼特性が向上して火炎の温度を高くすることができる。または、未燃の燃料を燃焼することができる。
【００８７】
ここで、連続的にリッチな（空燃比Ａ／Ｆが小さい状態の）燃料を燃料供給弁から供給した場合には、燃料に対して空気の量が少なくなるため燃焼されない燃料が多くなる。しかしながら、燃料を間欠的に供給することにより、燃焼特性が向上して燃焼されない燃料を低減させることができる。または、燃料の空燃比を小さくすることができる。小型酸化触媒の下流に配置されている排気処理装置がＮＯＸ吸蔵触媒である場合には、間欠的に供給する燃料の空燃比を小さくすることができるため、ＮＯＸ吸蔵触媒に好適な還元剤を供給することができる。
【００８８】
なお、排気浄化装置は、グロープラグによる着火が可能か否かについて判別を行なう判別手段を備えることができる。排気浄化装置の制御手段は、判別手段の結果を用いて制御状態の選択を行なうことができる。判別手段は、例えば、排気ガスの流量を検知する流量センサと、酸素濃度を検知する酸素センサとを含む。酸素濃度を検知するためには、空燃比センサを用いて代替的に排気管の内部の酸素濃度を推定しても構わない。または、エンジンの回転数と駆動力に依存する酸素濃度のマップを作成することにより、排気管内の酸素濃度を推定しても構わない。このように、判別手段は、流量検知装置と酸素濃度検知装置からの信号により火炎を生成できるか否かについて判別することができる。判別手段としては、さらに、排気ガスの温度を検知する排気ガス温度検知装置を含んでいても構わない。
【００８９】
本実施の形態においては、燃料供給手段として燃料供給弁が採用されているが、この形態に限られず、燃料供給手段は、小型酸化触媒に向けて燃料を供給できるように形成されていれば構わない。
【００９０】
本実施の形態においては、加熱手段としてグロープラグが採用されているが、この形態に限られず、供給される燃料を着火することが出来る任意の加熱手段を採用することができる。例えば、加熱手段として、点火プラグまたはセラミックヒーターなどが採用されていても構わない。
【００９１】
本実施の形態における制御手段は、機関本体を制御する電子制御ユニットが採用されているが、この形態に限られず、排気浄化装置のそれぞれの制御状態に制御することができる任意の制御手段を採用することができる。例えば、機関本体を制御する電子制御ユニットとは分離された、独立の排気浄化装置の制御ユニットが配置されていても構わない。
【００９２】
本実施の形態における排気処理装置としては、酸化触媒、ＮＯＸ吸蔵触媒およびパティキュレートフィルタを例に取り上げて説明したがこの形態に限られず、排気を浄化するための任意の装置に本発明を適用することができる。また、それぞれの排気処理装置を単独または複数組み合わせて配置しても構わない。
【００９３】
本実施の形態においては、内燃機関としてディーゼルエンジンを例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、任意の内燃機関の排気浄化装置に本発明を適用することができる。
【００９４】
（実施の形態２）
図１３から図１７を参照して、実施の形態２における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態においては、実施の形態１における排気浄化装置の運転例について説明する。
【００９５】
図１３は、第１の制御状態を開始するときのタイムチャートである。図１３に示す運転例においては、第１の制御状態で運転を開始するときの第１の燃料供給量Ｑ１が予め設定されている。また、第１の制御状態で定常的に運転するときの第２の燃料供給量Ｑ１ＴＡが予め設定されている。第１の燃料供給量Ｑ１は、第２の燃料供給量Ｑ１ＴＡよりも大きく設定されている。第１の制御状態を開始するときには、第１の燃料供給量Ｑ１を供給した状態で着火を行なって、所定期間の経過後に燃料供給量を第２の燃料供給量Ｑ１ＴＡに減少している。本実施の形態においては、燃焼安定期間の経過後に燃料供給量を減少している。
【００９６】
ここで、燃焼安定期間とは、燃料の燃焼が安定する状態になるまでの期間を示す。本実施の形態においては、予め燃焼安定期間となる時間を設定している。燃焼安定期間の終期の決定については、任意の形態を採用することができる。たとえば、小型酸化触媒の出口の温度を計測して所定温度まで上昇したことを検知して、燃焼安定期間の終期を決定しても構わない。
【００９７】
グロープラグによる着火を行なうときには、多くの燃料を供給することにより、安定した着火を行なうことができる。たとえば、着火を行なうときに、周辺の温度が低く着火が不安定になる場合がある。このような場合には、第１の燃料供給量Ｑ１にて燃料を多く供給することにより安定した着火を行うことができる。火炎が形成されて周辺温度が上昇すると燃焼が安定する。この後に、燃料供給量を低減しても燃焼は安定するため、第２の燃料供給量Ｑ１ＴＡに噴射量を減らす制御を行う。この制御を行うことにより、過剰な燃料の消費や過剰なＨＣの放出等を削減することができる。
【００９８】
図１４は、第１の制御状態から第３の制御状態に切り替えるときのタイムチャートである。図１４に示す運転例においては、第１の制御状態から第３の制御状態に切り替えるときに、グロープラグによる加熱を停止して、さらに、燃料供給弁による燃料の供給を停止する期間を介在している。すなわち、第１の制御状態の要求事項が達成されたら、燃料供給弁からの燃料の噴射を遮断して、グロープラグの通電量を０にする。燃料噴射停止期間の経過後に燃料供給弁から燃料の供給を行なって、第３の制御状態に移行する。
【００９９】
図１４に示すように、第１の制御状態を行った後に第３の制御状態に移行する運転を行う場合がある。たとえば、第１の制御状態を行って小型酸化触媒を活性化温度まで上昇させ、活性化温度に達したら第３の制御状態に移行する場合がある。第１の制御状態で運転を行なうことにより、火炎が小型酸化触媒の端面に衝突して端面の温度が高くなっている。または、小型酸化触媒の側面に火炎が接触して側面の温度が高くなっている場合がある。特に、火炎を生成しているときには、小型酸化触媒の端面が局部的に非常に高い温度になっている場合がある。この状態で第３の制御状態に移行して、低温の液体燃料が直接的に小型酸化触媒に向けて噴射されると、基材が急冷されることにより基材が割れてしまう場合がある。
【０１００】
しかしながら、燃料の供給を停止して、さらにグロープラグの通電を停止する期間を介在させることにより、小型酸化触媒の温度を下げることができ、小型酸化触媒の急冷を抑制することができる。本実施の形態においては、予め燃料噴射停止期間の時間を設定している。燃料噴射停止期間の終期の決定については、任意の形態を採用することができる。たとえば、小型酸化触媒の出口の温度を計測して、所定の温度まで下降したことを検知することにより、燃料噴射停止期間の終期を決定しても構わない。
【０１０１】
図１５は、第１の制御状態を開始するときのタイムチャートである。図１５に示す運転例においては、排気管を通る排気ガスの流量を変更することにより、着火の安定化を図っている。第１の制御状態を開始する時に、第１の制御状態の排気ガスの第２の流量Ｇａ１ＴＡよりも小さな第１の流量Ｇａ１の排気ガスを供給した状態で着火を行なう。図１５の運転例においては、着火を行うときに排気ガスの流量を小さくして、所定期間の経過後に排気ガスの流量を増加する。本実施の形態においては、燃焼安定期間の経過後に排気ガスの流量を第２の流量Ｇａ１ＴＡまで増加する制御を行っている。
【０１０２】
図１を参照して、本実施の形態における内燃機関の浄化装置は、機関排気通路内の排気ガスの流量を調整できるように形成されている排気ガス流量調整手段を備える。たとえば、機関本体１に燃料を供給するスロットル弁１０を調整することにより、排気ガスの流量を調整することができる。または、機関本体１の再循環流路に配置されているＥＧＲ制御弁１９を調整することにより、触媒に流れる排気ガスの流量を調整することができる。例えば、着火を行なうときに、一時的に排気ガスの再循環流量を増やすことにより、触媒に流入する排気ガスの流量を減らすことができる。
【０１０３】
本実施の形態における排気ガス流量調整手段は、電子制御ユニット３０により制御されている。排気ガス流量調整手段としては、これらの形態に限られず、排気浄化装置に流入する排気ガスの流量を変化させる任意の手段を採用することができる。
【０１０４】
排気ガスの流量が大きいと着火が不安定になる場合がある。燃料を着火する時に排気ガスの流量を小さくすることにより、安定した着火を行なうことができる。燃焼安定期間の経過後には、燃焼が安定しているために、排気ガスの流量を多くすることができる。排気ガスの流量を多くすることにより、排気ガスの乱流の生成が促進されて、火炎の燃焼性や拡散性が向上する。特に、図１に示す装置例においては、小型酸化触媒１４に向かって多くの排気ガスが衝突して、小型酸化触媒１４の下流で排気ガスの乱流の生成が促進される。
【０１０５】
さらに、排気ガスの乱流の生成が促進されるために、小型酸化触媒１４に付着する液体の燃料を吹き飛ばして小型酸化触媒１４の周りで燃焼させることができる。この結果、小型酸化触媒１４から噴出される還元剤の着火性能を高めることができる。
【０１０６】
図１６および図１７に、第１の制御状態で運転を行なうときの運転例を示す。図１６に、第１の制御状態で運転を行なうときのタイムチャートを示す。この運転例においては、第１の制御状態において、小型酸化触媒の温度が閾温度以上の場合に、燃料の噴射量を増加させる制御を行う。図１を参照して、小型酸化触媒の温度は、温度センサ２５により小型酸化触媒の出口の排気ガスの温度を測定することにより検知することができる。
【０１０７】
第１の制御状態を開始して小型酸化触媒が一の閾温度に達したら、燃料供給弁から噴射される燃料の量を増加させる。閾温度としては、例えば、小型酸化触媒の活性化温度ＴＸを採用することができる。すなわち、第１の制御状態において、燃料供給量Ｑ２で運転を行っているときに小型酸化触媒が閾温度に達したら、燃料供給量Ｑ２によりも多い燃料供給量Ｑ３に変更する。
【０１０８】
酸化触媒は、活性化温度以上の領域において、温度が高くなると改質性能が高くなる特性を有する。酸化触媒の温度が高くなると、火炎により行う燃料の改質に加えて小型酸化触媒による高い改質を同時に行なうことができる。このため、燃料供給弁による燃料の噴射量を増加させて運転を行うことができる。この結果、改質された燃料を小型酸化触媒の下流に大量に供給することができる。
【０１０９】
例えば、小型酸化触媒の下流に酸化触媒が配置され、酸化触媒が活性化状態のときには、大量の還元剤を酸化触媒に供給することにより、短時間で排気ガスの温度を上昇させることができる。または、大量の還元剤を下流の排気処理装置に供給することができる。
【０１１０】
図１７に、図１６に示した第１の制御状態で運転を行うときのフローチャートを示す。初めに、小型酸化触媒の温度Ｔｃを計測する。次に、小型酸化触媒の温度Ｔｃが閾値以上である場合には、燃料供給弁から噴射される燃料の供給量を増加させる。小型酸化触媒の温度Ｔｃが閾値未満である場合には、所定の間隔をあけて小型酸化触媒の温度Ｔｃを計測する。
【０１１１】
燃料の供給量を増加したら、燃料の供給量が目標の供給量にまで達しているか否かを判別する。燃料の供給量が目標の供給量に達してなかったら燃料の供給量を再び増加する。または、燃料の供給量が目標の供給量にまで達していたら、この制御を終了する。
【０１１２】
燃料の１回の増加量や小型酸化触媒の温度に対する燃料の供給量については、排気処理装置の温度に対する供給量のマップ、または小型酸化触媒の温度に対する供給量のマップを制御手段に含めることができる。燃料の増加量や供給量の決定については、この形態に限られず、任意の方法により決定することができる。
【０１１３】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【０１１４】
また、上記のそれぞれの実施の形態を組み合わせても構わない。
【０１１５】
上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、上記の実施の形態においては、特許請求の範囲に含まれる変更が意図されている。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】圧縮着火式の内燃機関の全体図である。
【図２】（Ａ）は、排気浄化装置の小型酸化触媒の部分の概略断面図であり、（Ｂ）は、小型酸化触媒の概略断面図である。
【図３】燃料供給弁から供給される燃料の着火領域を示すグラフである。
【図４】実施の形態１における第１の制御状態を説明するタイムチャートである。
【図５】排気管において、小型酸化触媒の部分の拡大概略断面図である。
【図６】小型酸化触媒の出口における火炎の生成範囲を示すグラフである。
【図７】小型酸化触媒における伝熱を説明する小型酸化触媒の拡大概略断面図である。
【図８】実施の形態１における第２の制御状態および第３の制御状態を説明するタイムチャートである。
【図９】第２の制御状態において小型酸化触媒の昇温を説明するグラフである。
【図１０】第１の制御状態、第２の制御状態および第３の制御状態が使用される領域の例を説明する図である。
【図１１】ＮＯＸ吸蔵触媒の拡大概略断面図である。
【図１２】燃料供給弁からの燃料の供給例を説明するタイムチャートである。
【図１３】実施の形態２における第１の運転例を説明するタイムチャートである。
【図１４】実施の形態２における第２の運転例を説明するタイムチャートである。
【図１５】実施の形態２における第３の運転例を説明するタイムチャートである。
【図１６】実施の形態２における第４の運転例を説明するタイムチャートである。
【図１７】実施の形態２における第４の運転例を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【０１１７】
１ 機関本体
５ 排気マニホールド
１３ 酸化触媒
１４ 小型酸化触媒
１４ａ 円筒状外枠
１４ｂ 側面
１５ 燃料供給弁
１６ パティキュレートフィルタ
１７ ＮＯＸ吸蔵触媒
１８ ＥＧＲ通路
１９ ＥＧＲ制御弁
２５ 温度センサ
２６ 温度センサ
２７ 温度センサ
２８ 差圧センサ
２９ ステー
３０ 電子制御ユニット
４５ 触媒担体
４６ 貴金属触媒
４７ 吸収剤
５１ グロープラグ
６１〜６５ 矢印
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内に配置され、排気ガスの浄化を行う排気処理装置と、
前記機関排気通路内において前記排気処理装置よりも上流側に配置され、前記機関排気通路の断面積より小さな断面積を有し、排気ガスの一部が内部を流通する小型酸化触媒と、
前記小型酸化触媒に向けて燃料を供給する燃料供給作用を有する燃料供給手段と、
前記小型酸化触媒と前記燃料供給手段との間に配置され、加熱作用を有する加熱手段と、
前記燃料供給手段および前記加熱手段の制御を行う制御手段と
を備え、
前記燃料供給手段により前記排気ガス中に前記燃料を供給して、前記加熱手段により前記燃料を加熱したときに、前記燃料の着火が可能な運転領域と着火が不可能な運転領域とが存在しており、
前記燃料供給手段による前記燃料の供給を行いながら、前記加熱手段による加熱を行って前記燃料を着火させる第１の制御状態、前記燃料供給手段による前記燃料の供給を行いながら、前記加熱手段による加熱を行うが前記燃料は着火しない第２の制御状態、および前記燃料供給手段による燃料の供給を行いながら、前記加熱手段による加熱が停止している第３の制御状態を有し、
前記制御手段は、前記着火が可能な運転領域において、前記第１の制御状態または前記第３の制御状態に制御して、前記着火が不可能な運転領域において、前記第２の制御状態または前記第３の制御状態に制御することを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記第１の制御状態で制御するときに、前記燃料の着火により生成される火炎の一部が前記小型酸化触媒と前記機関排気通路の壁面との間を通るように形成されてい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。
【請求項３】
前記制御手段は、前記第１の制御状態を開始するときに、第１の燃料供給量で前記燃料を供給しながら着火を行って、所定期間の経過後に前記燃料の供給量を減少させて第２の燃料供給量になるように前記燃料供給手段を制御することを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記第１の制御状態から前記第３の制御状態に切り替えるときに、前記加熱手段による加熱を停止して、前記燃料供給手段による燃料の供給を停止する期間を介在させることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記機関排気通路内の前記排気ガスの流量を調整するように形成され、前記制御手段により制御される排気ガス流量調整手段を備え、
前記制御手段は、前記第１の制御状態を開始するときに、第１の流量で前記排気ガスを供給した状態で着火を行って、所定期間の経過後に前記排気ガスの流量を増加させて第２の流量になるように前記排気ガス流量調整手段を制御することを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記第１の制御状態を行うときに前記小型酸化触媒の温度が一の閾温度以上の場合に、前記一の閾温度よりも低い温度で供給する量よりも多い燃料を供給するように前記燃料供給手段を制御することを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記排気処理装置は、酸化触媒、ＮＯＸ吸蔵触媒およびパティキュレートフィルタのうち、少なくとも一の装置を含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１】
機関排気通路内に配置され、排気ガスの浄化を行う排気処理装置と、
前記機関排気通路内において前記排気処理装置よりも上流側に配置され、前記機関排気通路の断面積より小さな断面積を有し、排気ガスの一部が内部を流通する小型酸化触媒と、
前記小型酸化触媒に向けて燃料を供給する燃料供給作用を有する燃料供給手段と、
前記小型酸化触媒と前記燃料供給手段との間に配置され、加熱作用を有する加熱手段と、
前記燃料供給手段および前記加熱手段の制御を行う制御手段と
を備え、
前記燃料供給手段により前記排気ガス中に前記燃料を供給して、前記加熱手段により前記燃料を加熱したときに、前記燃料の着火が可能な運転領域と着火が不可能な運転領域とが存在しており、
前記燃料供給手段による前記燃料の供給を行いながら、前記加熱手段による加熱を行って前記燃料を着火させる第１の制御状態、前記燃料供給手段による前記燃料の供給を行いながら、前記加熱手段による加熱を行うが前記燃料は着火しない第２の制御状態、および前記燃料供給手段による燃料の供給を行いながら、前記加熱手段による加熱が停止している第３の制御状態を有し、
前記制御手段は、前記着火が可能な運転領域において、前記第１の制御状態または前記第３の制御状態に制御して、前記着火が不可能な運転領域において、前記第２の制御状態または前記第３の制御状態に制御することを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記第１の制御状態で制御するときに、前記燃料の着火により生成される火炎の一部が前記小型酸化触媒と前記機関排気通路の壁面との間を通るように形成されてい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。
【請求項３】
前記制御手段は、前記第１の制御状態を開始するときに、第１の燃料供給量で前記燃料を供給しながら着火を行って、所定期間の経過後に前記燃料の供給量を減少させて第２の燃料供給量になるように前記燃料供給手段を制御することを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記第１の制御状態から前記第３の制御状態に切り替えるときに、前記加熱手段による加熱を停止して、前記燃料供給手段による燃料の供給を停止する期間を介在させることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記機関排気通路内の前記排気ガスの流量を調整するように形成され、前記制御手段により制御される排気ガス流量調整手段を備え、
前記制御手段は、前記第１の制御状態を開始するときに、第１の流量で前記排気ガスを供給した状態で着火を行って、所定期間の経過後に前記排気ガスの流量を増加させて第２の流量になるように前記排気ガス流量調整手段を制御することを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記第１の制御状態を行うときに前記小型酸化触媒の温度が一の閾温度以上の場合に、前記一の閾温度よりも低い温度で供給する量よりも多い燃料を供給するように前記燃料供給手段を制御することを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記排気処理装置は、酸化触媒、ＮＯＸ吸蔵触媒およびパティキュレートフィルタのうち、少なくとも一の装置を含むことを特徴とする、請求項１から６のいず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５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
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【図１４】
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【公開番号】特開２０１０−５９８８６（Ｐ２０１０−５９８８６Ａ）
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２７５１２（Ｐ２００８−２２７５１２）
【出願日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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