内燃機関の排気浄化装置
【課題】ＮＯｘ捕捉触媒で捕捉したＮＯｘを適切なタイミングで放出することにより、ＮＯｘ捕捉触媒のＮＯｘ捕捉性能を高め、高いＮＯｘ浄化率が得られる内燃機関の排気浄化装置を提供すること。
【解決手段】エンジン２の排気管４に設けられて、少なくともＡｇを担持することで排気中のＮＯｘを捕捉するＡｇ触媒４２と、Ａｇ触媒４２の下流側の排気管４に設けられて、排気中のＮＯｘを浄化するＬＮＣ４３と、Ａｇ触媒４２の上流側の排気管４において、水素を供給または生成することでＡｇ触媒４２に水素を供給する水素供給手段と、Ａｇ触媒４２に捕捉されたＮＯｘを放出するか否かを判定する放出判定手段と、放出判定手段によりＡｇ触媒４２に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定されたときに、水素供給手段によりＡｇ触媒４２に水素を供給することにより、Ａｇ触媒４２に捕捉されたＮＯｘを還元して放出させる放出実行手段と、を備える排気浄化装置１である。
【解決手段】エンジン２の排気管４に設けられて、少なくともＡｇを担持することで排気中のＮＯｘを捕捉するＡｇ触媒４２と、Ａｇ触媒４２の下流側の排気管４に設けられて、排気中のＮＯｘを浄化するＬＮＣ４３と、Ａｇ触媒４２の上流側の排気管４において、水素を供給または生成することでＡｇ触媒４２に水素を供給する水素供給手段と、Ａｇ触媒４２に捕捉されたＮＯｘを放出するか否かを判定する放出判定手段と、放出判定手段によりＡｇ触媒４２に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定されたときに、水素供給手段によりＡｇ触媒４２に水素を供給することにより、Ａｇ触媒４２に捕捉されたＮＯｘを還元して放出させる放出実行手段と、を備える排気浄化装置１である。
【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、内燃機関の排気中のＮＯｘを捕捉するＮＯｘ捕捉触媒と、ＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒と、を備える内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に搭載される内燃機関（以下、「エンジン」という）、特にディーゼルエンジン等の希薄燃焼式エンジンでは、排気中に多量のＮＯｘが含まれる。この排気中に含まれるＮＯｘを低減する技術として、排気通路内に配置されたアルカリ金属、アルカリ土類金属、及び白金等を含有するＤｅＮＯｘ触媒の上流に水素富化手段を設け、この水素富化手段で生成する水素含有気体を、下流に配置されたＤｅＮＯｘ触媒に導入する技術が提案されている（特許文献１参照）。
この技術では、水素富化手段として、炭化水素燃料の改質反応が利用され、具体的には、酸化剤の種類に応じて部分酸化反応や水蒸気改質反応が利用される。この技術によれば、水素富化手段にて、一酸化炭素及び炭化水素から水素を生成させ、生成した水素をＮＯｘの還元剤として利用することにより、ＮＯｘを浄化する。
【０００３】
ところが、上記特許文献１の技術では、低温領域におけるＮＯｘ浄化率が不十分であった。そこで、低温領域において高いＮＯｘ浄化率が得られる技術として、Ａｇを含むＮＯｘ捕捉触媒の上流に、水素を含む還元性気体を導入する技術が提案されている（特許文献２参照）。
この技術では、水素を含む還元性気体の導入により、低温領域からＮＯｘの捕捉が促進される。捕捉されたＮＯｘは、ＮＯｘ捕捉触媒を昇温させることにより放出され、放出されたＮＯｘは、下流に配置されたＮＯｘ浄化触媒により浄化される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３６４２２７３号公報
【特許文献２】特開２００９−１１２９６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のＮＯｘ捕捉触媒は、低温領域から高いＮＯｘ捕捉性能を発揮するものの、ＮＯｘ捕捉量が増大するにつれて、ＮＯｘ捕捉性能が低下する特性がある。このため、例えば自動車の走行中に大量のＮＯｘを捕捉したままエンジンを停止し、エンジンが冷却された後に再び運転を開始した場合にあっては、十分なＮＯｘ捕捉性能を発揮できず、高いＮＯｘ浄化率が得られない。従って、次の運転開始時（始動時）に備えて、ＮＯｘ捕捉触媒で捕捉したＮＯｘを適切なタイミングで放出することが必要である。
【０００６】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＮＯｘ捕捉触媒で捕捉したＮＯｘを適切なタイミングで放出することにより、ＮＯｘ捕捉触媒のＮＯｘ捕捉性能を高め、ＮＯｘ浄化率を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため本発明に係る内燃機関（例えば、後述のエンジン２）の排気浄化装置（例えば、後述の排気浄化装置１）は、内燃機関の排気通路（例えば、後述の排気管４）に設けられて、少なくともＡｇを担持することで排気中のＮＯｘを捕捉するＮＯｘ捕捉触媒（例えば、後述のＡｇ触媒４２）と、当該ＮＯｘ捕捉触媒の下流側の排気通路に設けられて、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒（例えば、後述のＬＮＣ４３）と、前記ＮＯｘ捕捉触媒の上流側の排気通路において、水素を供給または生成することで前記ＮＯｘ捕捉触媒に水素を供給する水素供給手段（例えば、後述の燃料改質器８、改質ガス供給バルブ５１、改質ガス供給通路５２、ＥＣＵ７）と、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを放出するか否かを判定する放出判定手段（例えば、後述のＥＣＵ７）と、前記放出判定手段により前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定されたときに、前記水素供給手段により前記ＮＯｘ捕捉触媒に水素を供給することにより、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを還元して放出させる放出実行手段（例えば、後述の燃料改質器８、改質ガス供給バルブ５１、改質ガス供給通路５２、ＥＣＵ７）と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
Ａｇを担持してなるＮＯｘ捕捉触媒は、ある一定濃度以上の水素共存下であれば、捕捉したＮＯｘの放出を開始する温度が低温化する特性がある。そこで、本発明では、この特性を利用し、ＮＯｘ捕捉触媒からＮＯｘを放出させる際に、水素を供給する。これにより、ＮＯｘ放出開始温度を低温化でき、低温領域においてＮＯｘが還元されて放出される。このとき、ＮＯｘはＮ２にまでは還元されず、ＮＯｘとして放出されるため、低温領域での放出が可能となっている。放出されたＮＯｘは、下流側に配置されたＮＯｘ浄化触媒により捕捉されて還元浄化される。
従って、本発明によれば、ＮＯｘ捕捉触媒からＮＯｘを効率良く放出して今回運転サイクル内でＮＯｘの放出を完了させることができ、ＮＯｘ捕捉触媒のＮＯｘ捕捉量がほぼゼロの状態にすることができる。このため、次回運転時（始動時）において、ＮＯｘ捕捉触媒は高いＮＯｘ捕捉性能を発揮でき、ＮＯｘ浄化率、ひいては始動時のエミッションを向上できる。
【０００９】
また、本発明では、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度を検出または推定するＮＯｘ浄化触媒温度検出手段（例えば、後述の第２排気温度センサ９１Ｂ、ＥＣＵ７）と、当該ＮＯｘ浄化触媒温度検出手段により検出または推定された前記ＮＯｘ浄化触媒の温度が、前記ＮＯｘ浄化触媒が活性化する活性温度領域にあるか否かを判定する活性判定手段（例えば、後述のＥＣＵ７）と、をさらに備え、前記放出判定手段は、前記活性判定手段により前記ＮＯｘ浄化触媒の温度が前記活性温度領域にあると判定されたときに、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定することが好ましい。
【００１０】
この発明では、ＮＯｘ浄化触媒の温度が、ＮＯｘ浄化触媒が活性化する活性温度領域にあるときに、ＮＯｘ捕捉触媒のＮＯｘを放出する。これにより、ＮＯｘ捕捉触媒から放出されたＮＯｘは、下流側に配置されたＮＯｘ浄化触媒により、確実に捕捉されて還元浄化される。
また、ＮＯｘ浄化触媒が活性化しているときに、ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを随時放出するため、多量のＮＯｘがＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたままの状況を回避でき、高いＮＯｘ捕捉性能を維持できる。
【００１１】
また、本発明では、前記排気通路内を流通する排気の流量を検出または推定する排気流量検出手段（例えば、後述のエアフローセンサ９３、ＥＣＵ７）と、前記排気流量検出手段により検出または推定された排気流量が少ないほど、前記活性温度領域を拡大する補正手段（例えば、後述のＥＣＵ７）と、をさらに備えることが好ましい。
【００１２】
排気通路内を流通する排気の流量が少ないほど、排気の速度が遅いため、ＮＯｘ浄化反応はより進行する。このため、排気流量が少ないほど、ＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘ捕捉能が高く、ＮＯｘ浄化率も高い。そこで、この発明では、排気流量が少ないときほど、ＮＯｘ浄化触媒の活性温度領域を拡大する補正をする。これにより、排気流量に応じて、ＮＯｘ浄化触媒が活性温度領域にあるか否かをより正確に判定できるため、ＮＯｘ捕捉触媒で捕捉したＮＯｘをより適切なタイミングで放出でき、より確実にＮＯｘ浄化触媒で浄化できる。
なお、「活性温度領域」とは、ある一定値以上のＮＯｘ浄化率が得られる温度領域を意味する。
【００１３】
また、本発明では、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘの捕捉量を推定するＮＯｘ捕捉量推定手段（例えば、後述の第１排気温度センサ９１Ａ、クランク角センサ９４、アクセル開度センサ９５、ＥＣＵ７）と、前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を検出または推定するＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段（例えば、後述の第１排気温度センサ９１Ａ、ＥＣＵ７）と、当該ＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段により検出または推定された前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度に基づいて、前記ＮＯｘ捕捉触媒の限界堆積量を決定する限界堆積量決定手段（例えば、後述の第１排気温度センサ９１Ａ、ＥＣＵ７）と、をさらに備え、前記放出判定手段は、前記ＮＯｘ捕捉量推定手段により推定されたＮＯｘ捕捉量が、前記限界堆積量決定手段により決定された限界堆積量を超えたときに、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定することが好ましい。
【００１４】
この発明では、ＮＯｘ捕捉触媒のＮＯｘ捕捉量が、予め設定されたＮＯｘ捕捉触媒の限界堆積量を超えたときに、ＮＯｘ捕捉触媒に水素を供給してＮＯｘを放出させる。これにより、ＮＯｘ捕捉触媒にＮＯｘがほとんど捕捉されていない状態での水素の無駄な供給を回避でき、燃費を節約できる。また、ＮＯｘが限界堆積量まで堆積したときに、水素を供給してＮＯｘを放出させるため、水素の供給回数も低減でき、さらに燃費を節約できる。
また、Ａｇを担持してなるＮＯｘ捕捉触媒は、触媒温度の変化によりＮＯｘ捕捉可能量が変化する。そこで、この発明では、ＮＯｘ捕捉触媒の温度に応じて、ＮＯｘ捕捉触媒の限界堆積量を決定する。これにより、より正確なＮＯｘ捕捉触媒の限界堆積量を決定でき、より適切なタイミングでＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを放出させることができる。
【００１５】
また、本発明では、前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を上昇させる昇温手段（例えば、後述のスロットルバルブ３２、過給機６、インジェクタ、ＥＣＵ７）と、前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を検出または推定するＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段（例えば、後述の第１排気温度センサ９１Ａ、ＥＣＵ７）と、をさらに備え、前記放出実行手段は、前記ＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段により検出された前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度が、前記ＮＯｘ捕捉触媒が捕捉したＮＯｘの放出を開始する温度であるＮＯｘ放出開始温度よりも低いときには、前記昇温手段により前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を上昇させてから前記水素供給手段により前記ＮＯｘ捕捉触媒に水素を供給することにより、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを還元して放出させることが好ましい。
【００１６】
この発明では、ＮＯｘ捕捉触媒の温度がＮＯｘ放出開始温度よりも低いときには、ＮＯｘ捕捉触媒の温度を上昇させてから水素を供給する。これにより、ＮＯｘ放出開始温度よりも低いときの水素の無駄な供給を回避でき、さらに燃費を節約できる。
また、Ａｇを担持してなるＮＯｘ捕捉触媒は、他のＮＯｘ捕捉触媒に比してライトオフ性能が高い一方で、高温領域ではＮＯｘを放出し易いという特性がある。このため、本発明では、ＮＯｘ捕捉触媒の温度を上昇させることにより、捕捉されたＮＯｘをより容易に放出させることができる。
【００１７】
また、本発明では、前記水素供給手段は、前記排気通路とは別に設けられ、前記内燃機関の燃料を改質して水素を生成する燃料改質器（例えば、後述の燃料改質器８）と、前記排気通路と接続され、前記燃料改質器で生成された水素を前記排気通路内に供給するための水素供給通路（例えば、後述の改質ガス供給通路５２）と、を備えることが好ましい。
【００１８】
この発明では、排気通路とは別に燃料改質器を設け、この燃料改質器により生成された水素を、水素供給通路を介してＮＯｘ捕捉触媒の上流側の排気通路内に供給する。これにより、水素がＮＯｘ捕捉触媒に供給されるため、内燃機関の始動直後の冷機時に、排気Ａ／Ｆをリッチにするために吸入空気量を絞る必要がなくなる。このため、内燃機関の失火の発生を回避できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ＮＯｘ捕捉触媒で捕捉したＮＯｘを適切なタイミングで放出することにより、ＮＯｘ捕捉触媒のＮＯｘ捕捉性能を高め、ＮＯｘ浄化率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るＮＯｘ放出処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】ＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘ浄化率の排気流量依存性を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るΣＮＯｘおよびΣＮＯｘ＿ｌｉｍ決定処理の手順を示すフローチャートである。
【図５】Ａｇ触媒温度とηＮＯｘとの関係を示す図である。
【図６】Ａｇ触媒温度とΣＮＯｘ＿ｌｉｍとの関係を示す図である。
【図７】Ａｇ触媒温度と捕捉ＮＯｘ保持率との関係を示す図である。
【図８】Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘの脱離機構を説明するための図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係るΣＮＯｘおよびΣＮＯｘ＿ｌｉｍ決定処理の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたっては、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略若しくは簡略化する。
【００２２】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置１の構成を示す図である。内燃機関（以下、「エンジン」という）２は、各気筒２１の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンである。
【００２３】
エンジン２に燃料を供給する燃料供給系は、燃料タンク２３に貯留された燃料を加圧する燃料ポンプ（図示せず）と、この燃料ポンプにより加圧された燃料をエンジン２の気筒２１ごとに設けられたインジェクタに供給するコモンレール（図示せず）と、を含んで構成される。
【００２４】
インジェクタからの燃料噴射量は、後述する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）７によって設定される。また、このインジェクタの開弁時間は、設定された燃料噴射量が得られるように、ＥＣＵ７からの駆動信号により制御される。
【００２５】
エンジン２には、吸気が流通する吸気管３と、排気が流通する排気管４と、吸気管３に吸気を圧送する過給機６と、が設けられている。吸気管３は、吸気マニホールド３１の複数の分岐部を介してエンジン２の各気筒２１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４１の複数の分岐部を介してエンジン２の各気筒２１の排気ポートに接続されている。
【００２６】
過給機６は、排気管４に設けられたタービン６１と、吸気管３に設けられたコンプレッサ６２と、を備える。タービン６１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６２は、タービン６１により回転駆動され、吸気を加圧し吸気管３内へ圧送する。また、タービン６１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６１のベーン開度は、ＥＣＵ７により電磁的に制御される。
【００２７】
吸気管３の上流側には、エンジン２の吸入空気量ＱＡＩＲを制御するスロットルバルブ３２が設けられている。このスロットルバルブ３２は、アクチュエータを介してＥＣＵ７に接続されており、その開度はＥＣＵ７により電磁的に制御される。
【００２８】
排気管４には、上流側から順に、ＮＯｘ捕捉触媒としてのＡｇ触媒４２、ＮＯｘ浄化触媒としてのＬＮＣ４３が設けられている。排気管４のうち、Ａｇ触媒４２の上流側には、後述する燃料改質器８で生成された水素を含む改質ガスを、排気管４内に供給する改質ガス供給通路５２が接続されている。
【００２９】
Ａｇ触媒４２は、水素共存下で、排気中に含まれるＮＯｘを酸化して捕捉する。ここで、本発明における「捕捉」とは、吸着、吸収、吸蔵のいずれも含むことを意味する。
また、Ａｇ触媒４２は、後述するＬＮＣ４３に比して触媒活性化温度が低い。このため、エンジン始動時等において、ＬＮＣ４３の温度が触媒活性化温度まで達していない場合には、Ａｇ触媒でＮＯｘを捕捉することとなる。ここで、本発明における「触媒活性化温度」とは、触媒がＮＯｘ捕捉性能を発揮し得るときの温度を意味する。
【００３０】
Ａｇ触媒４２は、Ａｇを活性種とする触媒である。より詳しくは、Ａｇ触媒４２は、Ａｇに加えて、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、セリア、およびゼオライトからなる群より選択される少なくとも１種の酸化物を含んでなる触媒である。
このような組成からなるＡｇ触媒４２は、例えば、１００℃の低温から２５０℃までの温度範囲において、ＮＯｘを酸化して捕捉する。
【００３１】
Ａｇ触媒４２に含まれるＡｇは、酸素を含む排気中では、主に酸化された状態の酸化銀として存在し、ＮＯｘ吸着能を持たない。これに対して、Ａｇ触媒４２に水素を供給して水素共存下とすると、酸化銀が水素と接触することによって容易に還元され、還元銀の状態となる（下記式（１）参照）。
還元銀は、金属銀や酸化銀の状態に比して、ＮＯｘを酸化して吸着する能力が飛躍的に高い。具体的には、還元銀は、酸素に電子を供与し、電子供与された酸素は、排気中のＮＯｘを酸化し、酸化されたＮＯｘは、ＮＯ３−としてアルミナ等に捕捉される。このため、１００℃程度の低温であっても、排気中のＮＯｘ（ＮＯ及びＮＯ２）を酸化して吸着することができる（下記式（２）、（３）参照）。なお、下記式中において、Ａｇ（＊）は還元銀を表し、（ａｄ．）はＡｇ触媒４２への吸着を表す。
式（１）：ＡｇＯ＋Ｈ２→Ａｇ（＊）＋Ｈ２＋Ｏ２
式（２）：ＮＯ＋Ｏ２＋Ａｇ（＊）→ＮＯ３（ａｄ．）＋Ａｇ（＊）
式（３）：２ＮＯ２＋Ｏ２＋Ａｇ（＊）→２ＮＯ３（ａｄ．）＋Ａｇ（＊）
【００３２】
Ａｇ触媒４２の調製方法については特に限定されず、従来公知の方法により調製される。例えば、所定量の硝酸銀に蒸留水を加えて攪拌し、完全に溶解させた後、所定量のベーマイトを加え、所定の条件で乾燥させる。乾燥後、所定の条件で焼成を行って得られた触媒を粉砕することにより、目的のＡｇ触媒粉末が得られる。
【００３３】
ＬＮＣ４３は、エンジン２で燃焼する混合気を理論空燃比よりもリーンに設定し、流入する排気の酸素濃度が比較的高い酸化雰囲気にしたときに、排気中のＮＯｘを捕捉する。また、ＬＮＣ４３は、流入する排気の還元剤（水素、一酸化炭素、及び炭化水素等）濃度が比較的高い還元雰囲気にしたときに、リーン雰囲気で捕捉したＮＯｘを還元する。
ＬＮＣ４３は、例えば２００℃から３５０℃までの温度範囲において、ＮＯｘを捕捉して還元する。
また、本実施形態のＬＮＣ４３には、ＮＯｘを吸着して還元するＮＯｘ吸着還元触媒や、ＮＯｘを吸収して還元するＮＯｘ吸収還元触媒や、ＮＯｘを吸蔵して還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒が含まれる。
【００３４】
本実施形態では、ＬＮＣ４３として、触媒担体に２つの層からなるＮＯｘ浄化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浄化触媒の下層は、白金、セリア、アルミナ、Ｃｅ−Ｐｒ−Ｌａ−Ｏｘ、及びＺｒ−Ｏｘをそれぞれ所定量含む触媒材料を、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することにより形成される。
また、ＮＯｘ浄化触媒の上層は、鉄及びセリウムでイオン交換されたβ−ゼオライト、アルミナ、及びバインダーをそれぞれ所定量含む触媒材料を、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することにより形成される。
【００３５】
以上のようなＮＯｘ浄化触媒を担持して構成されたＬＮＣ４３は、具体的には以下のように動作し、排気中のＮＯｘを浄化する。
【００３６】
［リーン状態１］
先ず、エンジン２の混合気を理論空燃比よりもリーン側に設定する所謂リーンバーン運転を行い、ＬＮＣ４３に流入する排気を酸化雰囲気にする。すると、排気中のＮＯｘは、上層を通過して下層に到達し、白金によって酸化（例えば、ＮＯ→ＮＯ２）される。そして、酸化されたＮＯｘ（例えば、ＮＯ２）は、下層に一旦捕捉されて貯蔵される。このとき、白金はＮＯ酸化触媒として機能し、セリアやＣｅ−Ｐｒ−Ｌａ−Ｏｘは、ＮＯｘ捕捉材として機能する。
【００３７】
［リッチ状態］
次に、例えば、エンジン２の混合気を理論空燃比近傍若しくは理論空燃比よりもリッチ側に設定する所謂リッチ運転を行うことにより、ＬＮＣ４３に流入する排気を還元雰囲気にする。すると、排気中の一酸化炭素と水のシフト反応により、二酸化炭素と水素が生成される（下記式（４）参照）。また、上記リーン状態１で貯蔵されていたＮＯｘ及び排気中のＮＯｘは水素と反応し、アンモニアが生成される（下記式（５）参照）。ここで生成されたアンモニアは、上層に移動し、ゼオライトに捕捉されて貯蔵される。
式（４）：ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２
式（５）：ＮＯｘ＋Ｈ２→ＮＨ３
【００３８】
［リーン状態２］
次に、再びリーンバーン運転を行い、ＬＮＣ４３に流入する排気を酸化雰囲気にする。すると、上層に貯蔵されたアンモニアと、排気中のＮＯｘとがアンモニア選択接触還元法（ＮＨ３−ＳＣＲという）による反応で窒素に変換され（下記式（６）参照）、当該窒素は上層から放出される。このとき、Ｆｅ及びＣｅでイオン交換されたβ−ゼオライトは、ＮＨ３−ＳＣＲ触媒として機能する。
式（６）：ＮＯｘ＋ＮＨ３＋Ｏ２→Ｎ２＋Ｈ２Ｏ
【００３９】
このように、ＬＮＣ４３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捕捉され、捕捉したアンモニアがリーンバーン運転中にＮＯｘと反応するので、ＮＯｘの浄化を効率良く行うことができる。
【００４０】
改質ガス供給通路５２は、後述する燃料改質器８で生成された水素を含む改質ガスを、Ａｇ触媒４２の上流側の排気管４内に供給する。これにより、水素を含む改質ガスが、Ａｇ触媒４２に供給される。
【００４１】
改質ガス供給通路５２には、改質ガス供給通路５２を介して排気管４内に導入される改質ガスの流量を制御する改質ガス供給バルブ５１が設けられている。
改質ガス供給バルブ５１は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ７に接続されており、改質ガス供給通路５２を介した改質ガスの供給量は、ＥＣＵ７により制御される。
【００４２】
燃料改質器８は、改質ガス供給通路５２に連通する改質ガス通路８１と、この改質ガス通路８１内に設けられた改質触媒８２と、燃料ガスを改質ガス通路８１の他端側から改質触媒８２に供給する燃料ガス供給装置８３と、を含んで構成される。
上記構成からなる燃料改質器８では、エンジン２の燃料を、改質触媒８２の作用により改質し、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び炭化水素（ＨＣ）を含む還元性気体の改質ガスを生成する。燃料改質器８で生成される改質ガスの温度は、およそ５００℃〜８００℃の高温である。
【００４３】
燃料ガス供給装置８３は、燃料タンク２３に貯蔵された燃料と、コンプレッサ８４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、この燃料ガスを改質ガス通路８１内の改質触媒８２に供給する。この燃料ガス供給装置８３は、改質触媒８２に供給される空気の量を制御する空気バルブ８５と、改質触媒８２に供給される燃料ガスの量を制御する燃料バルブ８６と、これら空気バルブ８５及び燃料バルブ８６を介して供給された空気と燃料ガスとを混合し、改質触媒８２に噴射する図示しない噴射器と、を備える。これら空気バルブ８５及び燃料バルブ８６は、それぞれ図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ７に接続されており、改質触媒８２に供給する空気の量及び燃料ガスの量、並びに、燃料ガスの量に対する空気の量の割合は、ＥＣＵ７により制御される。
【００４４】
改質触媒８２は、ロジウム、白金、パラジウム、ニッケル、及びコバルトよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属触媒成分と、セリア、ジルコニア、アルミナ、及びチタニアよりなる群から選ばれる少なくとも１種の酸化物またはこれらを基本組成とした複合酸化物と、を含む。この改質触媒８２は、燃料ガス供給装置８３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生成する。より具体的には、この改質触媒８２は、燃料ガスを構成する炭化水素と空気との部分酸化反応により、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する。
【００４５】
改質触媒８２の調製方法については特に限定されず、従来公知の含侵法により調製される。例えば、所定の質量比になるように配合したセリア及びロジウムの粉末を、バインダー及び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調製する。次いで、調製したスラリーを、コージエライト製のハニカム担体にウォッシュコートし、所定の条件で乾燥、焼成することにより、改質触媒８２が得られる。
【００４６】
燃料改質器８は、グロープラグやスパークプラグ等を含んで構成された図示しない加熱ヒータを備えており、燃料改質器８の始動とともに、改質触媒８２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８は、排気管４とは別に設けられており、燃料改質器８の燃料ガス供給装置８３及び改質触媒８２は、排気管４内には設けられていない。即ち、燃料改質器８は、排気管４内に設けられて排気管４内の排気中に含まれる燃料成分を改質するのではなく、燃料タンク２３から直接供給される燃料ガスを改質するため、多量の改質ガスを生成できるとともに、その生成量を制御できる。
【００４７】
以上のように構成された燃料改質器８は、後述のＥＣＵ７から送信された制御信号に基づいて駆動される。
【００４８】
ＥＣＵ７には、第１排気温度センサ９１Ａ、第２排気温度センサ９１Ｂ、およびエアフローセンサ９３が接続されている。
第１排気温度センサ９１Ａは、排気管４のうちＡｇ触媒４２の下流側に設けられており、Ａｇ触媒４２を通過した排気の温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。Ａｇ触媒４２の温度は、第１排気温度センサ９１Ａの検出値に基づいて、ＥＣＵ７により算出される。
第２排気温度センサ９１Ｂは、排気管４のうちＬＮＣ４３の下流側に設けられており、ＬＮＣ４３を通過した排気の温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。ＬＮＣ４３の温度は、第２排気温度センサ９１Ｂの検出値に基づいて、ＥＣＵ７により算出される。
エアフローセンサ９３は、エンジン２に吸入される吸入空気量ＱＡＩＲを検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。排気流量は、エアフローセンサ９３の検出値に基づいて、ＥＣＵ７により算出される。
【００４９】
この他、ＥＣＵ７には、クランク角センサ９４、アクセル開度センサ９５、およびイグニッションスイッチ９６が接続されている。
【００５０】
クランク角センサ９４は、エンジン２のクランクシャフトの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号をＥＣＵ７に送信する。このＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０°）ごとに送信される。アクセル開度センサ９５は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量（以下、「アクセル開度」という）ＡＰを検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。イグニッションスイッチ９６は、図示しない車両の運転席に設けられ、車両の起動または停止を指令する信号をＥＣＵ７に送信する。
【００５１】
ここで、エンジン２の回転数（以下、「エンジン回転数」という）ＮＥは、クランク角センサ９４から送信されたＣＲＫ信号に基づいて、ＥＣＵ７により算出される。要求トルクＴＲＱは、エンジン回転数ＮＥ及びアクセル開度ＡＰに応じ、予め格納されている所定のマップ（図示せず）を検索することによって、ＥＣＵ７により算出される。
【００５２】
ＥＣＵ７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等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、ＥＣＵ７は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路と、インジェクタ、燃料改質器８、及び改質ガス供給バルブ５１等に制御信号を出力する出力回路と、を備える。以上のようなハードウェア構成により、ＥＣＵ７には、以下に示すＮＯｘ放出処理を実行するモジュールが構成される。
【００５３】
次に、本実施形態に係るＮＯｘ放出処理について説明する。
図２は、本実施形態に係るＮＯｘ放出処理の手順を示すフローチャートである。この処理は、Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定されたときに、燃料改質器で生成した水素をＡｇ触媒に供給することにより、Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘを還元して放出させる処理である。この処理は、イグニッションスイッチがＯＮにされた後、ＥＣＵにより所定の周期で繰り返し実行される。
【００５４】
ステップＳ１１では、排気流量に応じて、ＬＮＣが最低限要求されるＮＯｘ浄化率を確保できる温度範囲の下限値ＴｃａｔＬおよび上限値ＴｃａｔＨを決定する。決定後は、ステップＳ１２に進む。
ここで、下限値ＴｃａｔＬおよび上限値ＴｃａｔＨの決定方法について説明する。
図３は、ＬＮＣにおけるＮＯｘ浄化率の排気流量依存性を示す図である。図３において、横軸はＬＮＣ温度ＴＬＮＣ、縦軸はＮＯｘ浄化率を示している。図３に示すように、ＬＮＣのＮＯｘ浄化率は、排気流量に応じて変化し、排気流量が少ないほどＮＯｘ浄化率は高い。これは、排気流量が少ないほど排気の速度が遅く、ＮＯｘ浄化反応がより進行し易いためである。従って、図３に示すように、最低限要求されるＮＯｘ浄化率を基準浄化率としたときに、基準浄化率を確保できる温度範囲、即ちＬＮＣが活性化する活性温度領域は、排気流量に応じて変化する。具体的には、排気流量大のときの活性温度領域ＴｃａｔＬ２〜ＴｃａｔＨ２は、排気流量小のときの活性温度領域ＴｃａｔＬ１〜ＴｃａｔＨ１よりも狭い。
そこで、排気流量ごとのＬＮＣ温度ＴＬＮＣとＮＯｘ浄化率との関係を予めＥＣＵに格納しておき、検出した排気流量に応じて、ＬＮＣが活性化する活性温度領域の下限値ＴｃａｔＬおよび上限値ＴｃａｔＨを決定する。
【００５５】
ステップＳ１２では、ＬＮＣ温度ＴＬＮＣが、ステップＳ１１で決定した下限値ＴｃａｔＬよりも高く、かつ上限値ＴｃａｔＨよりも低いか否かを判別する。即ち、ＬＮＣ温度ＴＬＮＣが、ＬＮＣが活性化する活性温度領域にあるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定し、ステップＳ１３に進む。ＮＯの場合には、Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘを放出しないと判定し、ＮＯｘ放出処理を終了する。
【００５６】
ステップＳ１３では、Ａｇ触媒が捕捉したＮＯｘ捕捉量の積算値ΣＮＯｘと、Ａｇ触媒の限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍを取得する。取得後は、ステップＳ１４に進む。
【００５７】
ここで、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘおよび限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍの取得について説明する。
図４は、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘおよび限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍの決定処理の手順を示すフローチャートである。ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘおよび限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍは、この手順に従って決定されて取得される。
【００５８】
ステップＳ１３１では、エンジン回転数ＮＥと要求トルクＴＲＱに基づいて、エンジンから排出されたＮＯｘ排出量ＦＥＥＤ＿ＮＯｘを算出する。算出後は、ステップＳ１３２に進む。
具体的には、エンジン回転数ＮＥと要求トルクＴＲＱに応じて予め設定されたＦＥＥＤ＿ＮＯｘマップを検索することによって、ＥＣＵにより算出される。
【００５９】
ステップＳ１３２では、Ａｇ触媒温度ＴＡｇに応じて、Ａｇ触媒のＮＯｘ浄化率ηＮＯｘを決定する。決定後は、ステップＳ１３３に進む。
具体的には、ＮＯｘ浄化率ηＮＯｘは、予め設定された、図５に示すＡｇ触媒温度ＴＡｇとＮＯｘ浄化率ηＮＯｘとの関係に基づいて、ＥＣＵにより算出される。
【００６０】
ステップＳ１３３では、Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘ捕捉量ＮＯｘ＿ａｄｓを算出する。算出後は、ステップＳ１３４に進む。
具体的には、ステップＳ１３１で算出したＮＯｘ排出量ＦＥＥＤ＿ＮＯｘに、ステップＳ１３２で算出したＮＯｘ浄化率ηＮＯｘを乗じることにより、ＮＯｘ捕捉量ＮＯｘ＿ａｄｓが算出される。
【００６１】
ステップＳ１３４では、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘを算出する。算出後は、ステップＳ１３５に進む。
具体的には、ステップＳ１３３で算出したＮＯｘ捕捉量ＮＯｘ＿ａｄｓを、前回算出値に加算することにより、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘが算出される。
【００６２】
ステップＳ１３５では、Ａｇ触媒温度ＴＡｇに応じて、限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍを決定する。決定後は、本決定処理を終了する。
具体的には、限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍは、予め設定された、図６に示すような水素共存下におけるＡｇ触媒温度ＴＡｇと限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍとの関係に基づいて、ＥＣＵにより算出される。
以上により、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘおよび限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍが決定されて取得される。
【００６３】
図２に戻って、ステップＳ１４では、ステップＳ１３で取得したＡｇ触媒のＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘが、同じくステップＳ１３で取得したＡｇ触媒の限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍを超えているか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定し、ステップＳ１５に進む。ＮＯの場合には、Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘを放出しないと判定し、ＮＯｘ放出処理を終了する。
【００６４】
ステップＳ１５では、Ａｇ触媒の温度ＴＡｇが、Ａｇ触媒が捕捉したＮＯｘを放出するのを開始する放出開始温度ＴａｄｓＬよりも高いか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ１８に進む。ＮＯの場合には、ステップＳ１６に進む。
【００６５】
ステップＳ１６では、スロットルＴＨを絞り、過給圧ＰＢを低下させる。その後、ステップＳ１７に進む。
具体的には、スロットルバルブの開度、及び過給機のタービンに設けられた複数の可変ベーンの開度を増大させることにより、吸入空気量ＱＡＩＲを低減させるとともに、過給機の下流側における吸気管内圧力である過給圧ＰＢを低下させる。これにより、エンジンの排気温度の上昇を通じてＡｇ触媒の温度が上昇するとともに、Ａｇ触媒に捕捉されていたＮＯｘの放出が促進される。
【００６６】
ステップＳ１７では、燃料噴射量ＱＩＮＪを増量させる。その後、ステップＳ１８に進む。
具体的には、コモンレールに燃料を供給するインジェクタの開弁時間を制御することにより、インジェクタからの燃料噴射量ＱＩＮＪを増量させる。これにより、エンジンの排気温度の上昇を通じてＡｇ触媒の温度が上昇するとともに、Ａｇ触媒に捕捉されていたＮＯｘの放出が促進される。また、より多くの還元性気体を含む排気がＡｇ触媒の上流側の排気管内に供給され、Ａｇ触媒に捕捉されていたＮＯｘの放出が促進される。
【００６７】
ここで、Ａｇ触媒の温度を上昇させることにより、Ａｇ触媒に捕捉されていたＮＯｘの放出が促進される理由について、図６および図７を参照して説明する。
図６は、上述したように、水素共存下におけるＡｇ触媒の温度ＴＡｇと、Ａｇ触媒の限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍとの関係を示す図である。図７に示すように、限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍは、Ａｇ触媒温度ＴＡｇに依存しており、Ａｇ触媒温度ＴＡｇがある温度以上になると、急激に増大してピークに達し、その後は温度の上昇とともに次第に減少していく特性がある。このため、例えば、限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍが最大となる温度Ｔｍａｘ以上の温度でＡｇ触媒に所定量のＮＯｘを捕捉させた後、Ａｇ触媒の温度ＴＡｇを上昇させた場合には、限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍがその所定量を下回ったときに、ＮＯｘが放出されることとなる。
【００６８】
図７を参照して、より詳しく説明する。図７は、限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍが最大となる温度Ｔｍａｘで、限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍまでＮＯｘを捕捉させた後に、Ａｇ触媒の温度ＴＡｇを上昇させたときの捕捉ＮＯｘ保持率を示す図である。図７に示すように、Ａｇ触媒に水素が共存している場合と共存していない場合いずれにおいても、温度の上昇とともに捕捉ＮＯｘ保持率は減少するが、両者の捕捉ＮＯｘ保持率には大きな差が見られる。具体的には、Ａｇ触媒に水素が共存している場合は、水素が共存していない場合に比して、捕捉ＮＯｘ保持率が大幅に低い。
ここで、例えば、限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍが最大となる温度Ｔｍａｘ以上の温度Ｔａで、ＮＯｘ保持率がＤ１となるようにＮＯｘを水素共存下で捕捉させた後、温度をＴｂまで上昇させたときについて考える。温度Ｔｂにおける水素が共存する場合の捕捉ＮＯｘ保持率をＤ２とし、温度Ｔｂにおける水素が共存しない場合の捕捉ＮＯｘ保持率をＤ３とする。このとき、水素が共存しない場合には、Ｔｂにおける捕捉ＮＯｘ保持率Ｄ３が、当初のＮＯｘ保持率Ｄ１よりも高いため、ＮＯｘは放出されない。これに対して、水素が共存する場合には、Ｔｂにおける捕捉ＮＯｘ保持率Ｄ２が、当初のＮＯｘ保持率Ｄ１よりも大幅に低いため、それらの差分Ｄ１−Ｄ２に相当する量のＮＯｘが放出される。
以上により、Ａｇ触媒の温度ＴＡｇを上昇させた場合には、水素を供給することによってＡｇ触媒に捕捉されていたＮＯｘの放出がより促進される。
【００６９】
図２に戻って、ステップＳ１８では、水素を含む改質ガスを、Ａｇ触媒の上流側の排気管内に供給する。供給後は、ステップＳ１９に進む。
具体的には、燃料改質器に設けられた改質ガス供給バルブを開き、改質ガス供給通路を介した改質ガスの供給を開始する。これにより、排気中に含まれる水素等の還元性気体に加えて、改質ガス中に多量に含まれる水素がＡｇ触媒に供給され、Ａｇ触媒に捕捉されていたＮＯｘが放出される。
【００７０】
ここで、ＮＯｘを捕捉したＡｇ触媒に水素を供給することにより、捕捉されていたＮＯｘが放出される点について、実験結果を用いて詳しく説明する。
図８は、下記の試験条件に従って、各種雰囲気ガス（Ｎ２、Ｏ２＋Ｎ２、ＮＯ＋Ｎ２、Ｈ２＋Ｎ２、およびＯ２＋Ｈ２＋Ｎ２）下におけるＡｇ触媒のＮＯｘ昇温脱離試験を実施した結果、得られた図である。
［昇温脱離試験条件］
Ａｇ触媒：４質量％Ａｇ／支持体、３００ｇ／Ｌ
大きさ：２．５４ｃｍ（１ｉｎｃｈ）φ×６０ｍｍ（３０ｃｃ）
支持体：コージェライト、６００セル、４．０ミル
エージング：フレッシュガス
モデルガス：ＮＯ＝１００ｐｐｍ、Ｏ２＝１０％、Ｈ２＝５０００ｐｐｍ、
ＨＣ＝５００ｐｐｍＣ、ＣＯ＝０．６％、ＣＯ２＝６％、Ｎ２＝バランス、
ガス速度：ＳＶ＝５００００／ｈ
ＮＯｘ捕捉条件：触媒温度１２０℃でＮＯｘ最大捕捉量まで捕捉
ＮＯｘ脱離条件：各種雰囲気ガス下で１２０℃〜６００℃まで昇温
【００７１】
昇温脱離試験結果を示す図８は、各種雰囲気ガス下でのＡｇ触媒温度とＮＯｘ脱離量（放出量）との関係を示している。図８に示すように、Ｎ２、Ｏ２＋Ｎ２、及びＮＯ＋Ｎ２の雰囲気ガス下では、ＮＯｘの脱離開始温度が１５０℃〜２００℃、脱離ピーク温度が４５０℃であり、脱離ガスの組成はいずれもＮＯ２であった。これに対して、Ｈ２＋Ｎ２、およびＯ２＋Ｈ２＋Ｎ２雰囲気ガス下では、ＮＯｘの脱離開始温度が１２０℃〜１５０℃、脱離ピーク温度が１６０℃〜１９０℃であり、低温下での脱離ガス組成はＮＯ、高温下での脱離ガス組成はＮＯ２であった。
【００７２】
これらの結果によれば、Ａｇ触媒上に捕捉されたＮＯｘは、水素が存在する場合には、１６０℃程度で還元されてＮＯとして脱離している。このとき、捕捉されていたＮＯｘは、Ｎ２にまでは還元されず、ＮＯとして放出されるため、低温領域での放出が可能となっている。
一方、水素が存在しない場合には、捕捉されていたＮＯｘは、熱だけで物理的に脱離されるため、およそ４５０℃の高温が必要であり、捕捉されていたＮＯｘはＮＯ２として脱離する。
以上の結果から、Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘは、水素の存在下において、低温条件下で容易に放出されることが見出される。
【００７３】
図２に戻って、ステップＳ１９では、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘの値を「０」にリセットし、ＮＯｘ放出処理を終了する。
【００７４】
以上詳述したように、本実施形態によれば以下の効果が奏される。
本実施形態で用いるＡｇ触媒４２は、ある一定濃度以上の水素共存下であれば、捕捉したＮＯｘの放出を開始する温度が低温化する特性がある。そこで、本実施形態では、この特性を利用し、Ａｇ触媒４２からＮＯｘを放出させる際に、水素を供給する。これにより、ＮＯｘ放出開始温度を低温化でき、低温領域においてＮＯｘが還元されて放出される。このとき、ＮＯｘはＮ２にまでは還元されず、ＮＯｘとして放出されるため、低温領域での放出が可能となっている。放出されたＮＯｘは、下流側に配置されたＬＮＣ４３により捕捉されて還元浄化される。
従って、本実施形態によれば、Ａｇ触媒４２からＮＯｘを効率良く放出して今回運転サイクル内でＮＯｘの放出を完了させることができ、Ａｇ触媒４２のＮＯｘ捕捉量がほぼゼロの状態にすることができる。このため、次回運転時（始動時）において、Ａｇ触媒４２は高いＮＯｘ捕捉性能を発揮でき、ＮＯｘ浄化率、ひいては始動時のエミッションを向上できる。
【００７５】
また、本実施形態では、ＬＮＣ４３の温度が、ＬＮＣ４３が活性化する活性温度領域にあるときに、Ａｇ触媒４２のＮＯｘを放出する。これにより、Ａｇ触媒４２から放出されたＮＯｘは、下流側に配置されたＬＮＣ４３により、確実に捕捉されて還元浄化される。
また、ＬＮＣ４３が活性化しているときに、Ａｇ触媒４２に捕捉されたＮＯｘを随時放出するため、多量のＮＯｘがＡｇ触媒４２に捕捉されたままの状況を回避でき、高いＮＯｘ捕捉性能を維持できる。
【００７６】
また、排気管４内を流通する排気の流量が少ないほど、排気の速度が遅いため、ＮＯｘ浄化反応はより進行する。このため、排気流量が少ないほど、ＬＮＣ４３におけるＮＯｘ捕捉能が高く、ＮＯｘ浄化率も高い。そこで、本実施形態では、排気流量が少ないときほど、ＬＮＣ４３の活性温度領域を拡大する補正をする。これにより、排気流量に応じて、ＬＮＣ４３が活性温度領域にあるか否かをより正確に判定できるため、Ａｇ触媒４２で捕捉したＮＯｘをより適切なタイミングで放出でき、より確実にＬＮＣ４３で浄化できる。
【００７７】
また、本実施形態では、Ａｇ触媒４２のＮＯｘ捕捉量が、予め設定されたＡｇ触媒４２の限界堆積量を超えたときに、Ａｇ触媒４２に水素を供給してＮＯｘを放出させる。これにより、Ａｇ触媒４２にＮＯｘがほとんど捕捉されていない状態での水素の無駄な供給を回避でき、燃費を節約できる。また、ＮＯｘが限界堆積量まで堆積したときに、水素を供給してＮＯｘを放出させるため、水素の供給回数も低減でき、さらに燃費を節約できる。
また、Ａｇ触媒４２は、触媒温度の変化によりＮＯｘ捕捉可能量が変化する。そこで、本実施形態では、Ａｇ触媒４２の温度に応じて、Ａｇ触媒４２の限界堆積量を決定する。これにより、より正確なＡｇ触媒４２の限界堆積量を決定でき、より適切なタイミングでＡｇ触媒４２に捕捉されたＮＯｘを放出させることができる。
【００７８】
また、本実施形態では、Ａｇ触媒４２の温度がＮＯｘ放出開始温度よりも低いときには、Ａｇ触媒４２の温度を上昇させてから水素を供給する。これにより、ＮＯｘ放出開始温度よりも低いときの水素の無駄な供給を回避でき、さらに燃費を節約できる。
また、Ａｇ触媒４２は、他のＮＯｘ捕捉触媒に比してライトオフ性能が高い一方で、高温領域ではＮＯｘを放出し易いという特性がある。このため、本実施形態では、Ａｇ触媒４２の温度を上昇させることにより、捕捉されたＮＯｘをより容易に放出させることができる。
【００７９】
また、本実施形態では、排気管４とは別に燃料改質器８を設け、この燃料改質器８により生成された水素を含む改質ガスを、改質ガス供給通路５２を介してＡｇ触媒４２の上流側の排気管４内に供給する。これにより、水素がＡｇ触媒４２に供給されるため、エンジン２の始動直後の冷機時に、排気Ａ／Ｆをリッチにするために吸入空気量を絞る必要がなくなる。このため、エンジン２の失火の発生を回避できる。
【００８０】
［第２実施形態］
第２実施形態に係る排気浄化装置は、第１実施形態に係る排気浄化装置が備える構成に加えて、ＮＯｘセンサをさらに備える。ＮＯｘセンサは、Ａｇ触媒とＬＮＣとの間の排気通路に設けられ、Ａｇ触媒を通過した排気中のＮＯｘ濃度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵに送信する。
本実施形態は、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘの算出処理の手順が第１実施形態と異なり、本実施形態では上記ＮＯｘセンサを利用する。
【００８１】
図９は、第２実施形態に係るΣＮＯｘおよびΣＮＯｘ＿ｌｉｍ決定処理の手順を示すフローチャートである。
ステップＳ２３１では、エンジン回転数ＮＥと要求トルクＴＲＱに基づいて、エンジンから排出されたＮＯｘ排出量ＦＥＥＤ＿ＮＯｘを算出する。算出後は、ステップＳ２３２に進む。
具体的には、エンジン回転数ＮＥと要求トルクＴＲＱに応じて予め設定されたＦＥＥＤ＿ＮＯｘマップを検索することによって、ＥＣＵにより算出される。
【００８２】
ステップＳ２３２では、ＮＯｘセンサの検出値に基づいて、Ａｇ触媒を通過した排気中のＮＯｘ量ＲＥＡＲ＿ＮＯｘを、ＥＣＵにより算出する。算出後は、ステップＳ２３３に進む。
具体的には、ＲＥＡＲ＿ＮＯｘは、ＮＯｘセンサにより検出されたＮＯｘ濃度と、エアフローセンサにより検出された吸入空気量ＱＡＩＲから算出した排気容量に基づいて、ＥＣＵにより算出される。
【００８３】
ステップＳ２３３では、Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘ捕捉量ＮＯｘ＿ａｄｓを算出する。算出後は、ステップＳ２３４に進む。
具体的には、ステップＳ２３１で算出したＮＯｘ排出量ＦＥＥＤ＿ＮＯｘから、ステップＳ２３２で算出したＲＥＡＲ＿ＮＯｘを減算することにより、ＮＯｘ＿ａｄｓを算出する。
【００８４】
ステップＳ２３４では、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘを算出する。算出後は、ステップＳ２３５に進む。
具体的には、ステップＳ２３３で算出したＮＯｘ＿ａｄｓを、前回算出値に加算することにより、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘを算出する。
【００８５】
ステップＳ２３５では、Ａｇ触媒温度に応じて、限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍを決定する。決定後は、本決定処理を終了する。
具体的には、ΣＮＯｘ＿ｌｉｍは、予め設定された、Ａｇ触媒温度とΣＮＯｘ＿ｌｉｍとの関係に基づいて、ＥＣＵにより算出する。
以上により、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘおよび限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍが決定される。
【００８６】
本実施形態によれば、ＮＯｘセンサを用いて精度良くＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘを算出できるため、より適切なタイミングでＮＯｘを放出させることができる他、第１実施形態と同様の効果が奏される。
【００８７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
【００８８】
例えば、上記実施形態では、Ａｇ触媒の昇温手段として、スロットルＴＨ絞りおよび過給圧ＰＢの低下に加えて、燃料噴射量ＱＩＮＪの増量を実行するが、これに限定されない。上記のいずれか１つまたは２つの実行により、Ａｇ触媒の温度を上昇させてもよい。
【００８９】
また、上記実施形態では、水素供給手段として、排気管４とは別に設けた燃料改質器８を用いたが、これに限定されない。例えば、排気管４内に設けた触媒により、直接、水素を生成させてもよい。
【符号の説明】
【００９０】
１…排気浄化装置
２…エンジン（内燃機関）
３２…スロットルバルブ（昇温手段）
４…排気管（排気通路）
４２…Ａｇ触媒（ＮＯｘ捕捉触媒）
４３…ＬＮＣ（ＮＯｘ浄化触媒）
５１…改質ガス供給バルブ（水素供給手段）
５２…改質ガス供給通路（水素供給手段）
６…過給機（昇温手段）
７…ＥＣＵ（水素供給手段、放出判定手段、放出実行手段、活性判定手段、補正手段、昇温手段、排気流量検出手段、ＮＯｘ捕捉量推定手段、限界堆積量決定手段）
８…燃料改質器（水素供給手段、放出実行手段）
９１Ａ…第１排気温度センサ（ＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段、ＮＯｘ捕捉量推定手段、限界堆積量決定手段）
９１Ｂ…第２排気温度センサ（ＮＯｘ浄化触媒温度検出手段）
９３…エアフローセンサ（排気流量検出手段）
９４…クランク角センサ（ＮＯｘ捕捉量推定手段）
９５…アクセル開度センサ（ＮＯｘ捕捉量推定手段）
９６…イグニッションスイッチ
【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、内燃機関の排気中のＮＯｘを捕捉するＮＯｘ捕捉触媒と、ＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒と、を備える内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に搭載される内燃機関（以下、「エンジン」という）、特にディーゼルエンジン等の希薄燃焼式エンジンでは、排気中に多量のＮＯｘが含まれる。この排気中に含まれるＮＯｘを低減する技術として、排気通路内に配置されたアルカリ金属、アルカリ土類金属、及び白金等を含有するＤｅＮＯｘ触媒の上流に水素富化手段を設け、この水素富化手段で生成する水素含有気体を、下流に配置されたＤｅＮＯｘ触媒に導入する技術が提案されている（特許文献１参照）。
この技術では、水素富化手段として、炭化水素燃料の改質反応が利用され、具体的には、酸化剤の種類に応じて部分酸化反応や水蒸気改質反応が利用される。この技術によれば、水素富化手段にて、一酸化炭素及び炭化水素から水素を生成させ、生成した水素をＮＯｘの還元剤として利用することにより、ＮＯｘを浄化する。
【０００３】
ところが、上記特許文献１の技術では、低温領域におけるＮＯｘ浄化率が不十分であった。そこで、低温領域において高いＮＯｘ浄化率が得られる技術として、Ａｇを含むＮＯｘ捕捉触媒の上流に、水素を含む還元性気体を導入する技術が提案されている（特許文献２参照）。
この技術では、水素を含む還元性気体の導入により、低温領域からＮＯｘの捕捉が促進される。捕捉されたＮＯｘは、ＮＯｘ捕捉触媒を昇温させることにより放出され、放出されたＮＯｘは、下流に配置されたＮＯｘ浄化触媒により浄化される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３６４２２７３号公報
【特許文献２】特開２００９−１１２９６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のＮＯｘ捕捉触媒は、低温領域から高いＮＯｘ捕捉性能を発揮するものの、ＮＯｘ捕捉量が増大するにつれて、ＮＯｘ捕捉性能が低下する特性がある。このため、例えば自動車の走行中に大量のＮＯｘを捕捉したままエンジンを停止し、エンジンが冷却された後に再び運転を開始した場合にあっては、十分なＮＯｘ捕捉性能を発揮できず、高いＮＯｘ浄化率が得られない。従って、次の運転開始時（始動時）に備えて、ＮＯｘ捕捉触媒で捕捉したＮＯｘを適切なタイミングで放出することが必要である。
【０００６】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＮＯｘ捕捉触媒で捕捉したＮＯｘを適切なタイミングで放出することにより、ＮＯｘ捕捉触媒のＮＯｘ捕捉性能を高め、ＮＯｘ浄化率を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため本発明に係る内燃機関（例えば、後述のエンジン２）の排気浄化装置（例えば、後述の排気浄化装置１）は、内燃機関の排気通路（例えば、後述の排気管４）に設けられて、少なくともＡｇを担持することで排気中のＮＯｘを捕捉するＮＯｘ捕捉触媒（例えば、後述のＡｇ触媒４２）と、当該ＮＯｘ捕捉触媒の下流側の排気通路に設けられて、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒（例えば、後述のＬＮＣ４３）と、前記ＮＯｘ捕捉触媒の上流側の排気通路において、水素を供給または生成することで前記ＮＯｘ捕捉触媒に水素を供給する水素供給手段（例えば、後述の燃料改質器８、改質ガス供給バルブ５１、改質ガス供給通路５２、ＥＣＵ７）と、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを放出するか否かを判定する放出判定手段（例えば、後述のＥＣＵ７）と、前記放出判定手段により前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定されたときに、前記水素供給手段により前記ＮＯｘ捕捉触媒に水素を供給することにより、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを還元して放出させる放出実行手段（例えば、後述の燃料改質器８、改質ガス供給バルブ５１、改質ガス供給通路５２、ＥＣＵ７）と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
Ａｇを担持してなるＮＯｘ捕捉触媒は、ある一定濃度以上の水素共存下であれば、捕捉したＮＯｘの放出を開始する温度が低温化する特性がある。そこで、本発明では、この特性を利用し、ＮＯｘ捕捉触媒からＮＯｘを放出させる際に、水素を供給する。これにより、ＮＯｘ放出開始温度を低温化でき、低温領域においてＮＯｘが還元されて放出される。このとき、ＮＯｘはＮ２にまでは還元されず、ＮＯｘとして放出されるため、低温領域での放出が可能となっている。放出されたＮＯｘは、下流側に配置されたＮＯｘ浄化触媒により捕捉されて還元浄化される。
従って、本発明によれば、ＮＯｘ捕捉触媒からＮＯｘを効率良く放出して今回運転サイクル内でＮＯｘの放出を完了させることができ、ＮＯｘ捕捉触媒のＮＯｘ捕捉量がほぼゼロの状態にすることができる。このため、次回運転時（始動時）において、ＮＯｘ捕捉触媒は高いＮＯｘ捕捉性能を発揮でき、ＮＯｘ浄化率、ひいては始動時のエミッションを向上できる。
【０００９】
また、本発明では、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度を検出または推定するＮＯｘ浄化触媒温度検出手段（例えば、後述の第２排気温度センサ９１Ｂ、ＥＣＵ７）と、当該ＮＯｘ浄化触媒温度検出手段により検出または推定された前記ＮＯｘ浄化触媒の温度が、前記ＮＯｘ浄化触媒が活性化する活性温度領域にあるか否かを判定する活性判定手段（例えば、後述のＥＣＵ７）と、をさらに備え、前記放出判定手段は、前記活性判定手段により前記ＮＯｘ浄化触媒の温度が前記活性温度領域にあると判定されたときに、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定することが好ましい。
【００１０】
この発明では、ＮＯｘ浄化触媒の温度が、ＮＯｘ浄化触媒が活性化する活性温度領域にあるときに、ＮＯｘ捕捉触媒のＮＯｘを放出する。これにより、ＮＯｘ捕捉触媒から放出されたＮＯｘは、下流側に配置されたＮＯｘ浄化触媒により、確実に捕捉されて還元浄化される。
また、ＮＯｘ浄化触媒が活性化しているときに、ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを随時放出するため、多量のＮＯｘがＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたままの状況を回避でき、高いＮＯｘ捕捉性能を維持できる。
【００１１】
また、本発明では、前記排気通路内を流通する排気の流量を検出または推定する排気流量検出手段（例えば、後述のエアフローセンサ９３、ＥＣＵ７）と、前記排気流量検出手段により検出または推定された排気流量が少ないほど、前記活性温度領域を拡大する補正手段（例えば、後述のＥＣＵ７）と、をさらに備えることが好ましい。
【００１２】
排気通路内を流通する排気の流量が少ないほど、排気の速度が遅いため、ＮＯｘ浄化反応はより進行する。このため、排気流量が少ないほど、ＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘ捕捉能が高く、ＮＯｘ浄化率も高い。そこで、この発明では、排気流量が少ないときほど、ＮＯｘ浄化触媒の活性温度領域を拡大する補正をする。これにより、排気流量に応じて、ＮＯｘ浄化触媒が活性温度領域にあるか否かをより正確に判定できるため、ＮＯｘ捕捉触媒で捕捉したＮＯｘをより適切なタイミングで放出でき、より確実にＮＯｘ浄化触媒で浄化できる。
なお、「活性温度領域」とは、ある一定値以上のＮＯｘ浄化率が得られる温度領域を意味する。
【００１３】
また、本発明では、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘの捕捉量を推定するＮＯｘ捕捉量推定手段（例えば、後述の第１排気温度センサ９１Ａ、クランク角センサ９４、アクセル開度センサ９５、ＥＣＵ７）と、前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を検出または推定するＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段（例えば、後述の第１排気温度センサ９１Ａ、ＥＣＵ７）と、当該ＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段により検出または推定された前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度に基づいて、前記ＮＯｘ捕捉触媒の限界堆積量を決定する限界堆積量決定手段（例えば、後述の第１排気温度センサ９１Ａ、ＥＣＵ７）と、をさらに備え、前記放出判定手段は、前記ＮＯｘ捕捉量推定手段により推定されたＮＯｘ捕捉量が、前記限界堆積量決定手段により決定された限界堆積量を超えたときに、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定することが好ましい。
【００１４】
この発明では、ＮＯｘ捕捉触媒のＮＯｘ捕捉量が、予め設定されたＮＯｘ捕捉触媒の限界堆積量を超えたときに、ＮＯｘ捕捉触媒に水素を供給してＮＯｘを放出させる。これにより、ＮＯｘ捕捉触媒にＮＯｘがほとんど捕捉されていない状態での水素の無駄な供給を回避でき、燃費を節約できる。また、ＮＯｘが限界堆積量まで堆積したときに、水素を供給してＮＯｘを放出させるため、水素の供給回数も低減でき、さらに燃費を節約できる。
また、Ａｇを担持してなるＮＯｘ捕捉触媒は、触媒温度の変化によりＮＯｘ捕捉可能量が変化する。そこで、この発明では、ＮＯｘ捕捉触媒の温度に応じて、ＮＯｘ捕捉触媒の限界堆積量を決定する。これにより、より正確なＮＯｘ捕捉触媒の限界堆積量を決定でき、より適切なタイミングでＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを放出させることができる。
【００１５】
また、本発明では、前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を上昇させる昇温手段（例えば、後述のスロットルバルブ３２、過給機６、インジェクタ、ＥＣＵ７）と、前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を検出または推定するＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段（例えば、後述の第１排気温度センサ９１Ａ、ＥＣＵ７）と、をさらに備え、前記放出実行手段は、前記ＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段により検出された前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度が、前記ＮＯｘ捕捉触媒が捕捉したＮＯｘの放出を開始する温度であるＮＯｘ放出開始温度よりも低いときには、前記昇温手段により前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を上昇させてから前記水素供給手段により前記ＮＯｘ捕捉触媒に水素を供給することにより、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを還元して放出させることが好ましい。
【００１６】
この発明では、ＮＯｘ捕捉触媒の温度がＮＯｘ放出開始温度よりも低いときには、ＮＯｘ捕捉触媒の温度を上昇させてから水素を供給する。これにより、ＮＯｘ放出開始温度よりも低いときの水素の無駄な供給を回避でき、さらに燃費を節約できる。
また、Ａｇを担持してなるＮＯｘ捕捉触媒は、他のＮＯｘ捕捉触媒に比してライトオフ性能が高い一方で、高温領域ではＮＯｘを放出し易いという特性がある。このため、本発明では、ＮＯｘ捕捉触媒の温度を上昇させることにより、捕捉されたＮＯｘをより容易に放出させることができる。
【００１７】
また、本発明では、前記水素供給手段は、前記排気通路とは別に設けられ、前記内燃機関の燃料を改質して水素を生成する燃料改質器（例えば、後述の燃料改質器８）と、前記排気通路と接続され、前記燃料改質器で生成された水素を前記排気通路内に供給するための水素供給通路（例えば、後述の改質ガス供給通路５２）と、を備えることが好ましい。
【００１８】
この発明では、排気通路とは別に燃料改質器を設け、この燃料改質器により生成された水素を、水素供給通路を介してＮＯｘ捕捉触媒の上流側の排気通路内に供給する。これにより、水素がＮＯｘ捕捉触媒に供給されるため、内燃機関の始動直後の冷機時に、排気Ａ／Ｆをリッチにするために吸入空気量を絞る必要がなくなる。このため、内燃機関の失火の発生を回避できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ＮＯｘ捕捉触媒で捕捉したＮＯｘを適切なタイミングで放出することにより、ＮＯｘ捕捉触媒のＮＯｘ捕捉性能を高め、ＮＯｘ浄化率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るＮＯｘ放出処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】ＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘ浄化率の排気流量依存性を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るΣＮＯｘおよびΣＮＯｘ＿ｌｉｍ決定処理の手順を示すフローチャートである。
【図５】Ａｇ触媒温度とηＮＯｘとの関係を示す図である。
【図６】Ａｇ触媒温度とΣＮＯｘ＿ｌｉｍとの関係を示す図である。
【図７】Ａｇ触媒温度と捕捉ＮＯｘ保持率との関係を示す図である。
【図８】Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘの脱離機構を説明するための図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係るΣＮＯｘおよびΣＮＯｘ＿ｌｉｍ決定処理の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたっては、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略若しくは簡略化する。
【００２２】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置１の構成を示す図である。内燃機関（以下、「エンジン」という）２は、各気筒２１の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンである。
【００２３】
エンジン２に燃料を供給する燃料供給系は、燃料タンク２３に貯留された燃料を加圧する燃料ポンプ（図示せず）と、この燃料ポンプにより加圧された燃料をエンジン２の気筒２１ごとに設けられたインジェクタに供給するコモンレール（図示せず）と、を含んで構成される。
【００２４】
インジェクタからの燃料噴射量は、後述する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）７によって設定される。また、このインジェクタの開弁時間は、設定された燃料噴射量が得られるように、ＥＣＵ７からの駆動信号により制御される。
【００２５】
エンジン２には、吸気が流通する吸気管３と、排気が流通する排気管４と、吸気管３に吸気を圧送する過給機６と、が設けられている。吸気管３は、吸気マニホールド３１の複数の分岐部を介してエンジン２の各気筒２１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４１の複数の分岐部を介してエンジン２の各気筒２１の排気ポートに接続されている。
【００２６】
過給機６は、排気管４に設けられたタービン６１と、吸気管３に設けられたコンプレッサ６２と、を備える。タービン６１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６２は、タービン６１により回転駆動され、吸気を加圧し吸気管３内へ圧送する。また、タービン６１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６１のベーン開度は、ＥＣＵ７により電磁的に制御される。
【００２７】
吸気管３の上流側には、エンジン２の吸入空気量ＱＡＩＲを制御するスロットルバルブ３２が設けられている。このスロットルバルブ３２は、アクチュエータを介してＥＣＵ７に接続されており、その開度はＥＣＵ７により電磁的に制御される。
【００２８】
排気管４には、上流側から順に、ＮＯｘ捕捉触媒としてのＡｇ触媒４２、ＮＯｘ浄化触媒としてのＬＮＣ４３が設けられている。排気管４のうち、Ａｇ触媒４２の上流側には、後述する燃料改質器８で生成された水素を含む改質ガスを、排気管４内に供給する改質ガス供給通路５２が接続されている。
【００２９】
Ａｇ触媒４２は、水素共存下で、排気中に含まれるＮＯｘを酸化して捕捉する。ここで、本発明における「捕捉」とは、吸着、吸収、吸蔵のいずれも含むことを意味する。
また、Ａｇ触媒４２は、後述するＬＮＣ４３に比して触媒活性化温度が低い。このため、エンジン始動時等において、ＬＮＣ４３の温度が触媒活性化温度まで達していない場合には、Ａｇ触媒でＮＯｘを捕捉することとなる。ここで、本発明における「触媒活性化温度」とは、触媒がＮＯｘ捕捉性能を発揮し得るときの温度を意味する。
【００３０】
Ａｇ触媒４２は、Ａｇを活性種とする触媒である。より詳しくは、Ａｇ触媒４２は、Ａｇに加えて、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、セリア、およびゼオライトからなる群より選択される少なくとも１種の酸化物を含んでなる触媒である。
このような組成からなるＡｇ触媒４２は、例えば、１００℃の低温から２５０℃までの温度範囲において、ＮＯｘを酸化して捕捉する。
【００３１】
Ａｇ触媒４２に含まれるＡｇは、酸素を含む排気中では、主に酸化された状態の酸化銀として存在し、ＮＯｘ吸着能を持たない。これに対して、Ａｇ触媒４２に水素を供給して水素共存下とすると、酸化銀が水素と接触することによって容易に還元され、還元銀の状態となる（下記式（１）参照）。
還元銀は、金属銀や酸化銀の状態に比して、ＮＯｘを酸化して吸着する能力が飛躍的に高い。具体的には、還元銀は、酸素に電子を供与し、電子供与された酸素は、排気中のＮＯｘを酸化し、酸化されたＮＯｘは、ＮＯ３−としてアルミナ等に捕捉される。このため、１００℃程度の低温であっても、排気中のＮＯｘ（ＮＯ及びＮＯ２）を酸化して吸着することができる（下記式（２）、（３）参照）。なお、下記式中において、Ａｇ（＊）は還元銀を表し、（ａｄ．）はＡｇ触媒４２への吸着を表す。
式（１）：ＡｇＯ＋Ｈ２→Ａｇ（＊）＋Ｈ２＋Ｏ２
式（２）：ＮＯ＋Ｏ２＋Ａｇ（＊）→ＮＯ３（ａｄ．）＋Ａｇ（＊）
式（３）：２ＮＯ２＋Ｏ２＋Ａｇ（＊）→２ＮＯ３（ａｄ．）＋Ａｇ（＊）
【００３２】
Ａｇ触媒４２の調製方法については特に限定されず、従来公知の方法により調製される。例えば、所定量の硝酸銀に蒸留水を加えて攪拌し、完全に溶解させた後、所定量のベーマイトを加え、所定の条件で乾燥させる。乾燥後、所定の条件で焼成を行って得られた触媒を粉砕することにより、目的のＡｇ触媒粉末が得られる。
【００３３】
ＬＮＣ４３は、エンジン２で燃焼する混合気を理論空燃比よりもリーンに設定し、流入する排気の酸素濃度が比較的高い酸化雰囲気にしたときに、排気中のＮＯｘを捕捉する。また、ＬＮＣ４３は、流入する排気の還元剤（水素、一酸化炭素、及び炭化水素等）濃度が比較的高い還元雰囲気にしたときに、リーン雰囲気で捕捉したＮＯｘを還元する。
ＬＮＣ４３は、例えば２００℃から３５０℃までの温度範囲において、ＮＯｘを捕捉して還元する。
また、本実施形態のＬＮＣ４３には、ＮＯｘを吸着して還元するＮＯｘ吸着還元触媒や、ＮＯｘを吸収して還元するＮＯｘ吸収還元触媒や、ＮＯｘを吸蔵して還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒が含まれる。
【００３４】
本実施形態では、ＬＮＣ４３として、触媒担体に２つの層からなるＮＯｘ浄化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浄化触媒の下層は、白金、セリア、アルミナ、Ｃｅ−Ｐｒ−Ｌａ−Ｏｘ、及びＺｒ−Ｏｘをそれぞれ所定量含む触媒材料を、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することにより形成される。
また、ＮＯｘ浄化触媒の上層は、鉄及びセリウムでイオン交換されたβ−ゼオライト、アルミナ、及びバインダーをそれぞれ所定量含む触媒材料を、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することにより形成される。
【００３５】
以上のようなＮＯｘ浄化触媒を担持して構成されたＬＮＣ４３は、具体的には以下のように動作し、排気中のＮＯｘを浄化する。
【００３６】
［リーン状態１］
先ず、エンジン２の混合気を理論空燃比よりもリーン側に設定する所謂リーンバーン運転を行い、ＬＮＣ４３に流入する排気を酸化雰囲気にする。すると、排気中のＮＯｘは、上層を通過して下層に到達し、白金によって酸化（例えば、ＮＯ→ＮＯ２）される。そして、酸化されたＮＯｘ（例えば、ＮＯ２）は、下層に一旦捕捉されて貯蔵される。このとき、白金はＮＯ酸化触媒として機能し、セリアやＣｅ−Ｐｒ−Ｌａ−Ｏｘは、ＮＯｘ捕捉材として機能する。
【００３７】
［リッチ状態］
次に、例えば、エンジン２の混合気を理論空燃比近傍若しくは理論空燃比よりもリッチ側に設定する所謂リッチ運転を行うことにより、ＬＮＣ４３に流入する排気を還元雰囲気にする。すると、排気中の一酸化炭素と水のシフト反応により、二酸化炭素と水素が生成される（下記式（４）参照）。また、上記リーン状態１で貯蔵されていたＮＯｘ及び排気中のＮＯｘは水素と反応し、アンモニアが生成される（下記式（５）参照）。ここで生成されたアンモニアは、上層に移動し、ゼオライトに捕捉されて貯蔵される。
式（４）：ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２
式（５）：ＮＯｘ＋Ｈ２→ＮＨ３
【００３８】
［リーン状態２］
次に、再びリーンバーン運転を行い、ＬＮＣ４３に流入する排気を酸化雰囲気にする。すると、上層に貯蔵されたアンモニアと、排気中のＮＯｘとがアンモニア選択接触還元法（ＮＨ３−ＳＣＲという）による反応で窒素に変換され（下記式（６）参照）、当該窒素は上層から放出される。このとき、Ｆｅ及びＣｅでイオン交換されたβ−ゼオライトは、ＮＨ３−ＳＣＲ触媒として機能する。
式（６）：ＮＯｘ＋ＮＨ３＋Ｏ２→Ｎ２＋Ｈ２Ｏ
【００３９】
このように、ＬＮＣ４３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捕捉され、捕捉したアンモニアがリーンバーン運転中にＮＯｘと反応するので、ＮＯｘの浄化を効率良く行うことができる。
【００４０】
改質ガス供給通路５２は、後述する燃料改質器８で生成された水素を含む改質ガスを、Ａｇ触媒４２の上流側の排気管４内に供給する。これにより、水素を含む改質ガスが、Ａｇ触媒４２に供給される。
【００４１】
改質ガス供給通路５２には、改質ガス供給通路５２を介して排気管４内に導入される改質ガスの流量を制御する改質ガス供給バルブ５１が設けられている。
改質ガス供給バルブ５１は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ７に接続されており、改質ガス供給通路５２を介した改質ガスの供給量は、ＥＣＵ７により制御される。
【００４２】
燃料改質器８は、改質ガス供給通路５２に連通する改質ガス通路８１と、この改質ガス通路８１内に設けられた改質触媒８２と、燃料ガスを改質ガス通路８１の他端側から改質触媒８２に供給する燃料ガス供給装置８３と、を含んで構成される。
上記構成からなる燃料改質器８では、エンジン２の燃料を、改質触媒８２の作用により改質し、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び炭化水素（ＨＣ）を含む還元性気体の改質ガスを生成する。燃料改質器８で生成される改質ガスの温度は、およそ５００℃〜８００℃の高温である。
【００４３】
燃料ガス供給装置８３は、燃料タンク２３に貯蔵された燃料と、コンプレッサ８４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、この燃料ガスを改質ガス通路８１内の改質触媒８２に供給する。この燃料ガス供給装置８３は、改質触媒８２に供給される空気の量を制御する空気バルブ８５と、改質触媒８２に供給される燃料ガスの量を制御する燃料バルブ８６と、これら空気バルブ８５及び燃料バルブ８６を介して供給された空気と燃料ガスとを混合し、改質触媒８２に噴射する図示しない噴射器と、を備える。これら空気バルブ８５及び燃料バルブ８６は、それぞれ図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ７に接続されており、改質触媒８２に供給する空気の量及び燃料ガスの量、並びに、燃料ガスの量に対する空気の量の割合は、ＥＣＵ７により制御される。
【００４４】
改質触媒８２は、ロジウム、白金、パラジウム、ニッケル、及びコバルトよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属触媒成分と、セリア、ジルコニア、アルミナ、及びチタニアよりなる群から選ばれる少なくとも１種の酸化物またはこれらを基本組成とした複合酸化物と、を含む。この改質触媒８２は、燃料ガス供給装置８３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生成する。より具体的には、この改質触媒８２は、燃料ガスを構成する炭化水素と空気との部分酸化反応により、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する。
【００４５】
改質触媒８２の調製方法については特に限定されず、従来公知の含侵法により調製される。例えば、所定の質量比になるように配合したセリア及びロジウムの粉末を、バインダー及び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調製する。次いで、調製したスラリーを、コージエライト製のハニカム担体にウォッシュコートし、所定の条件で乾燥、焼成することにより、改質触媒８２が得られる。
【００４６】
燃料改質器８は、グロープラグやスパークプラグ等を含んで構成された図示しない加熱ヒータを備えており、燃料改質器８の始動とともに、改質触媒８２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８は、排気管４とは別に設けられており、燃料改質器８の燃料ガス供給装置８３及び改質触媒８２は、排気管４内には設けられていない。即ち、燃料改質器８は、排気管４内に設けられて排気管４内の排気中に含まれる燃料成分を改質するのではなく、燃料タンク２３から直接供給される燃料ガスを改質するため、多量の改質ガスを生成できるとともに、その生成量を制御できる。
【００４７】
以上のように構成された燃料改質器８は、後述のＥＣＵ７から送信された制御信号に基づいて駆動される。
【００４８】
ＥＣＵ７には、第１排気温度センサ９１Ａ、第２排気温度センサ９１Ｂ、およびエアフローセンサ９３が接続されている。
第１排気温度センサ９１Ａは、排気管４のうちＡｇ触媒４２の下流側に設けられており、Ａｇ触媒４２を通過した排気の温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。Ａｇ触媒４２の温度は、第１排気温度センサ９１Ａの検出値に基づいて、ＥＣＵ７により算出される。
第２排気温度センサ９１Ｂは、排気管４のうちＬＮＣ４３の下流側に設けられており、ＬＮＣ４３を通過した排気の温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。ＬＮＣ４３の温度は、第２排気温度センサ９１Ｂの検出値に基づいて、ＥＣＵ７により算出される。
エアフローセンサ９３は、エンジン２に吸入される吸入空気量ＱＡＩＲを検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。排気流量は、エアフローセンサ９３の検出値に基づいて、ＥＣＵ７により算出される。
【００４９】
この他、ＥＣＵ７には、クランク角センサ９４、アクセル開度センサ９５、およびイグニッションスイッチ９６が接続されている。
【００５０】
クランク角センサ９４は、エンジン２のクランクシャフトの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号をＥＣＵ７に送信する。このＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０°）ごとに送信される。アクセル開度センサ９５は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量（以下、「アクセル開度」という）ＡＰを検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。イグニッションスイッチ９６は、図示しない車両の運転席に設けられ、車両の起動または停止を指令する信号をＥＣＵ７に送信する。
【００５１】
ここで、エンジン２の回転数（以下、「エンジン回転数」という）ＮＥは、クランク角センサ９４から送信されたＣＲＫ信号に基づいて、ＥＣＵ７により算出される。要求トルクＴＲＱは、エンジン回転数ＮＥ及びアクセル開度ＡＰに応じ、予め格納されている所定のマップ（図示せず）を検索することによって、ＥＣＵ７により算出される。
【００５２】
ＥＣＵ７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等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、ＥＣＵ７は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路と、インジェクタ、燃料改質器８、及び改質ガス供給バルブ５１等に制御信号を出力する出力回路と、を備える。以上のようなハードウェア構成により、ＥＣＵ７には、以下に示すＮＯｘ放出処理を実行するモジュールが構成される。
【００５３】
次に、本実施形態に係るＮＯｘ放出処理について説明する。
図２は、本実施形態に係るＮＯｘ放出処理の手順を示すフローチャートである。この処理は、Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定されたときに、燃料改質器で生成した水素をＡｇ触媒に供給することにより、Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘを還元して放出させる処理である。この処理は、イグニッションスイッチがＯＮにされた後、ＥＣＵにより所定の周期で繰り返し実行される。
【００５４】
ステップＳ１１では、排気流量に応じて、ＬＮＣが最低限要求されるＮＯｘ浄化率を確保できる温度範囲の下限値ＴｃａｔＬおよび上限値ＴｃａｔＨを決定する。決定後は、ステップＳ１２に進む。
ここで、下限値ＴｃａｔＬおよび上限値ＴｃａｔＨの決定方法について説明する。
図３は、ＬＮＣにおけるＮＯｘ浄化率の排気流量依存性を示す図である。図３において、横軸はＬＮＣ温度ＴＬＮＣ、縦軸はＮＯｘ浄化率を示している。図３に示すように、ＬＮＣのＮＯｘ浄化率は、排気流量に応じて変化し、排気流量が少ないほどＮＯｘ浄化率は高い。これは、排気流量が少ないほど排気の速度が遅く、ＮＯｘ浄化反応がより進行し易いためである。従って、図３に示すように、最低限要求されるＮＯｘ浄化率を基準浄化率としたときに、基準浄化率を確保できる温度範囲、即ちＬＮＣが活性化する活性温度領域は、排気流量に応じて変化する。具体的には、排気流量大のときの活性温度領域ＴｃａｔＬ２〜ＴｃａｔＨ２は、排気流量小のときの活性温度領域ＴｃａｔＬ１〜ＴｃａｔＨ１よりも狭い。
そこで、排気流量ごとのＬＮＣ温度ＴＬＮＣとＮＯｘ浄化率との関係を予めＥＣＵに格納しておき、検出した排気流量に応じて、ＬＮＣが活性化する活性温度領域の下限値ＴｃａｔＬおよび上限値ＴｃａｔＨを決定する。
【００５５】
ステップＳ１２では、ＬＮＣ温度ＴＬＮＣが、ステップＳ１１で決定した下限値ＴｃａｔＬよりも高く、かつ上限値ＴｃａｔＨよりも低いか否かを判別する。即ち、ＬＮＣ温度ＴＬＮＣが、ＬＮＣが活性化する活性温度領域にあるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定し、ステップＳ１３に進む。ＮＯの場合には、Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘを放出しないと判定し、ＮＯｘ放出処理を終了する。
【００５６】
ステップＳ１３では、Ａｇ触媒が捕捉したＮＯｘ捕捉量の積算値ΣＮＯｘと、Ａｇ触媒の限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍを取得する。取得後は、ステップＳ１４に進む。
【００５７】
ここで、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘおよび限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍの取得について説明する。
図４は、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘおよび限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍの決定処理の手順を示すフローチャートである。ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘおよび限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍは、この手順に従って決定されて取得される。
【００５８】
ステップＳ１３１では、エンジン回転数ＮＥと要求トルクＴＲＱに基づいて、エンジンから排出されたＮＯｘ排出量ＦＥＥＤ＿ＮＯｘを算出する。算出後は、ステップＳ１３２に進む。
具体的には、エンジン回転数ＮＥと要求トルクＴＲＱに応じて予め設定されたＦＥＥＤ＿ＮＯｘマップを検索することによって、ＥＣＵにより算出される。
【００５９】
ステップＳ１３２では、Ａｇ触媒温度ＴＡｇに応じて、Ａｇ触媒のＮＯｘ浄化率ηＮＯｘを決定する。決定後は、ステップＳ１３３に進む。
具体的には、ＮＯｘ浄化率ηＮＯｘは、予め設定された、図５に示すＡｇ触媒温度ＴＡｇとＮＯｘ浄化率ηＮＯｘとの関係に基づいて、ＥＣＵにより算出される。
【００６０】
ステップＳ１３３では、Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘ捕捉量ＮＯｘ＿ａｄｓを算出する。算出後は、ステップＳ１３４に進む。
具体的には、ステップＳ１３１で算出したＮＯｘ排出量ＦＥＥＤ＿ＮＯｘに、ステップＳ１３２で算出したＮＯｘ浄化率ηＮＯｘを乗じることにより、ＮＯｘ捕捉量ＮＯｘ＿ａｄｓが算出される。
【００６１】
ステップＳ１３４では、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘを算出する。算出後は、ステップＳ１３５に進む。
具体的には、ステップＳ１３３で算出したＮＯｘ捕捉量ＮＯｘ＿ａｄｓを、前回算出値に加算することにより、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘが算出される。
【００６２】
ステップＳ１３５では、Ａｇ触媒温度ＴＡｇに応じて、限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍを決定する。決定後は、本決定処理を終了する。
具体的には、限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍは、予め設定された、図６に示すような水素共存下におけるＡｇ触媒温度ＴＡｇと限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍとの関係に基づいて、ＥＣＵにより算出される。
以上により、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘおよび限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍが決定されて取得される。
【００６３】
図２に戻って、ステップＳ１４では、ステップＳ１３で取得したＡｇ触媒のＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘが、同じくステップＳ１３で取得したＡｇ触媒の限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍを超えているか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定し、ステップＳ１５に進む。ＮＯの場合には、Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘを放出しないと判定し、ＮＯｘ放出処理を終了する。
【００６４】
ステップＳ１５では、Ａｇ触媒の温度ＴＡｇが、Ａｇ触媒が捕捉したＮＯｘを放出するのを開始する放出開始温度ＴａｄｓＬよりも高いか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ１８に進む。ＮＯの場合には、ステップＳ１６に進む。
【００６５】
ステップＳ１６では、スロットルＴＨを絞り、過給圧ＰＢを低下させる。その後、ステップＳ１７に進む。
具体的には、スロットルバルブの開度、及び過給機のタービンに設けられた複数の可変ベーンの開度を増大させることにより、吸入空気量ＱＡＩＲを低減させるとともに、過給機の下流側における吸気管内圧力である過給圧ＰＢを低下させる。これにより、エンジンの排気温度の上昇を通じてＡｇ触媒の温度が上昇するとともに、Ａｇ触媒に捕捉されていたＮＯｘの放出が促進される。
【００６６】
ステップＳ１７では、燃料噴射量ＱＩＮＪを増量させる。その後、ステップＳ１８に進む。
具体的には、コモンレールに燃料を供給するインジェクタの開弁時間を制御することにより、インジェクタからの燃料噴射量ＱＩＮＪを増量させる。これにより、エンジンの排気温度の上昇を通じてＡｇ触媒の温度が上昇するとともに、Ａｇ触媒に捕捉されていたＮＯｘの放出が促進される。また、より多くの還元性気体を含む排気がＡｇ触媒の上流側の排気管内に供給され、Ａｇ触媒に捕捉されていたＮＯｘの放出が促進される。
【００６７】
ここで、Ａｇ触媒の温度を上昇させることにより、Ａｇ触媒に捕捉されていたＮＯｘの放出が促進される理由について、図６および図７を参照して説明する。
図６は、上述したように、水素共存下におけるＡｇ触媒の温度ＴＡｇと、Ａｇ触媒の限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍとの関係を示す図である。図７に示すように、限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍは、Ａｇ触媒温度ＴＡｇに依存しており、Ａｇ触媒温度ＴＡｇがある温度以上になると、急激に増大してピークに達し、その後は温度の上昇とともに次第に減少していく特性がある。このため、例えば、限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍが最大となる温度Ｔｍａｘ以上の温度でＡｇ触媒に所定量のＮＯｘを捕捉させた後、Ａｇ触媒の温度ＴＡｇを上昇させた場合には、限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍがその所定量を下回ったときに、ＮＯｘが放出されることとなる。
【００６８】
図７を参照して、より詳しく説明する。図７は、限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍが最大となる温度Ｔｍａｘで、限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍまでＮＯｘを捕捉させた後に、Ａｇ触媒の温度ＴＡｇを上昇させたときの捕捉ＮＯｘ保持率を示す図である。図７に示すように、Ａｇ触媒に水素が共存している場合と共存していない場合いずれにおいても、温度の上昇とともに捕捉ＮＯｘ保持率は減少するが、両者の捕捉ＮＯｘ保持率には大きな差が見られる。具体的には、Ａｇ触媒に水素が共存している場合は、水素が共存していない場合に比して、捕捉ＮＯｘ保持率が大幅に低い。
ここで、例えば、限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍが最大となる温度Ｔｍａｘ以上の温度Ｔａで、ＮＯｘ保持率がＤ１となるようにＮＯｘを水素共存下で捕捉させた後、温度をＴｂまで上昇させたときについて考える。温度Ｔｂにおける水素が共存する場合の捕捉ＮＯｘ保持率をＤ２とし、温度Ｔｂにおける水素が共存しない場合の捕捉ＮＯｘ保持率をＤ３とする。このとき、水素が共存しない場合には、Ｔｂにおける捕捉ＮＯｘ保持率Ｄ３が、当初のＮＯｘ保持率Ｄ１よりも高いため、ＮＯｘは放出されない。これに対して、水素が共存する場合には、Ｔｂにおける捕捉ＮＯｘ保持率Ｄ２が、当初のＮＯｘ保持率Ｄ１よりも大幅に低いため、それらの差分Ｄ１−Ｄ２に相当する量のＮＯｘが放出される。
以上により、Ａｇ触媒の温度ＴＡｇを上昇させた場合には、水素を供給することによってＡｇ触媒に捕捉されていたＮＯｘの放出がより促進される。
【００６９】
図２に戻って、ステップＳ１８では、水素を含む改質ガスを、Ａｇ触媒の上流側の排気管内に供給する。供給後は、ステップＳ１９に進む。
具体的には、燃料改質器に設けられた改質ガス供給バルブを開き、改質ガス供給通路を介した改質ガスの供給を開始する。これにより、排気中に含まれる水素等の還元性気体に加えて、改質ガス中に多量に含まれる水素がＡｇ触媒に供給され、Ａｇ触媒に捕捉されていたＮＯｘが放出される。
【００７０】
ここで、ＮＯｘを捕捉したＡｇ触媒に水素を供給することにより、捕捉されていたＮＯｘが放出される点について、実験結果を用いて詳しく説明する。
図８は、下記の試験条件に従って、各種雰囲気ガス（Ｎ２、Ｏ２＋Ｎ２、ＮＯ＋Ｎ２、Ｈ２＋Ｎ２、およびＯ２＋Ｈ２＋Ｎ２）下におけるＡｇ触媒のＮＯｘ昇温脱離試験を実施した結果、得られた図である。
［昇温脱離試験条件］
Ａｇ触媒：４質量％Ａｇ／支持体、３００ｇ／Ｌ
大きさ：２．５４ｃｍ（１ｉｎｃｈ）φ×６０ｍｍ（３０ｃｃ）
支持体：コージェライト、６００セル、４．０ミル
エージング：フレッシュガス
モデルガス：ＮＯ＝１００ｐｐｍ、Ｏ２＝１０％、Ｈ２＝５０００ｐｐｍ、
ＨＣ＝５００ｐｐｍＣ、ＣＯ＝０．６％、ＣＯ２＝６％、Ｎ２＝バランス、
ガス速度：ＳＶ＝５００００／ｈ
ＮＯｘ捕捉条件：触媒温度１２０℃でＮＯｘ最大捕捉量まで捕捉
ＮＯｘ脱離条件：各種雰囲気ガス下で１２０℃〜６００℃まで昇温
【００７１】
昇温脱離試験結果を示す図８は、各種雰囲気ガス下でのＡｇ触媒温度とＮＯｘ脱離量（放出量）との関係を示している。図８に示すように、Ｎ２、Ｏ２＋Ｎ２、及びＮＯ＋Ｎ２の雰囲気ガス下では、ＮＯｘの脱離開始温度が１５０℃〜２００℃、脱離ピーク温度が４５０℃であり、脱離ガスの組成はいずれもＮＯ２であった。これに対して、Ｈ２＋Ｎ２、およびＯ２＋Ｈ２＋Ｎ２雰囲気ガス下では、ＮＯｘの脱離開始温度が１２０℃〜１５０℃、脱離ピーク温度が１６０℃〜１９０℃であり、低温下での脱離ガス組成はＮＯ、高温下での脱離ガス組成はＮＯ２であった。
【００７２】
これらの結果によれば、Ａｇ触媒上に捕捉されたＮＯｘは、水素が存在する場合には、１６０℃程度で還元されてＮＯとして脱離している。このとき、捕捉されていたＮＯｘは、Ｎ２にまでは還元されず、ＮＯとして放出されるため、低温領域での放出が可能となっている。
一方、水素が存在しない場合には、捕捉されていたＮＯｘは、熱だけで物理的に脱離されるため、およそ４５０℃の高温が必要であり、捕捉されていたＮＯｘはＮＯ２として脱離する。
以上の結果から、Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘは、水素の存在下において、低温条件下で容易に放出されることが見出される。
【００７３】
図２に戻って、ステップＳ１９では、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘの値を「０」にリセットし、ＮＯｘ放出処理を終了する。
【００７４】
以上詳述したように、本実施形態によれば以下の効果が奏される。
本実施形態で用いるＡｇ触媒４２は、ある一定濃度以上の水素共存下であれば、捕捉したＮＯｘの放出を開始する温度が低温化する特性がある。そこで、本実施形態では、この特性を利用し、Ａｇ触媒４２からＮＯｘを放出させる際に、水素を供給する。これにより、ＮＯｘ放出開始温度を低温化でき、低温領域においてＮＯｘが還元されて放出される。このとき、ＮＯｘはＮ２にまでは還元されず、ＮＯｘとして放出されるため、低温領域での放出が可能となっている。放出されたＮＯｘは、下流側に配置されたＬＮＣ４３により捕捉されて還元浄化される。
従って、本実施形態によれば、Ａｇ触媒４２からＮＯｘを効率良く放出して今回運転サイクル内でＮＯｘの放出を完了させることができ、Ａｇ触媒４２のＮＯｘ捕捉量がほぼゼロの状態にすることができる。このため、次回運転時（始動時）において、Ａｇ触媒４２は高いＮＯｘ捕捉性能を発揮でき、ＮＯｘ浄化率、ひいては始動時のエミッションを向上できる。
【００７５】
また、本実施形態では、ＬＮＣ４３の温度が、ＬＮＣ４３が活性化する活性温度領域にあるときに、Ａｇ触媒４２のＮＯｘを放出する。これにより、Ａｇ触媒４２から放出されたＮＯｘは、下流側に配置されたＬＮＣ４３により、確実に捕捉されて還元浄化される。
また、ＬＮＣ４３が活性化しているときに、Ａｇ触媒４２に捕捉されたＮＯｘを随時放出するため、多量のＮＯｘがＡｇ触媒４２に捕捉されたままの状況を回避でき、高いＮＯｘ捕捉性能を維持できる。
【００７６】
また、排気管４内を流通する排気の流量が少ないほど、排気の速度が遅いため、ＮＯｘ浄化反応はより進行する。このため、排気流量が少ないほど、ＬＮＣ４３におけるＮＯｘ捕捉能が高く、ＮＯｘ浄化率も高い。そこで、本実施形態では、排気流量が少ないときほど、ＬＮＣ４３の活性温度領域を拡大する補正をする。これにより、排気流量に応じて、ＬＮＣ４３が活性温度領域にあるか否かをより正確に判定できるため、Ａｇ触媒４２で捕捉したＮＯｘをより適切なタイミングで放出でき、より確実にＬＮＣ４３で浄化できる。
【００７７】
また、本実施形態では、Ａｇ触媒４２のＮＯｘ捕捉量が、予め設定されたＡｇ触媒４２の限界堆積量を超えたときに、Ａｇ触媒４２に水素を供給してＮＯｘを放出させる。これにより、Ａｇ触媒４２にＮＯｘがほとんど捕捉されていない状態での水素の無駄な供給を回避でき、燃費を節約できる。また、ＮＯｘが限界堆積量まで堆積したときに、水素を供給してＮＯｘを放出させるため、水素の供給回数も低減でき、さらに燃費を節約できる。
また、Ａｇ触媒４２は、触媒温度の変化によりＮＯｘ捕捉可能量が変化する。そこで、本実施形態では、Ａｇ触媒４２の温度に応じて、Ａｇ触媒４２の限界堆積量を決定する。これにより、より正確なＡｇ触媒４２の限界堆積量を決定でき、より適切なタイミングでＡｇ触媒４２に捕捉されたＮＯｘを放出させることができる。
【００７８】
また、本実施形態では、Ａｇ触媒４２の温度がＮＯｘ放出開始温度よりも低いときには、Ａｇ触媒４２の温度を上昇させてから水素を供給する。これにより、ＮＯｘ放出開始温度よりも低いときの水素の無駄な供給を回避でき、さらに燃費を節約できる。
また、Ａｇ触媒４２は、他のＮＯｘ捕捉触媒に比してライトオフ性能が高い一方で、高温領域ではＮＯｘを放出し易いという特性がある。このため、本実施形態では、Ａｇ触媒４２の温度を上昇させることにより、捕捉されたＮＯｘをより容易に放出させることができる。
【００７９】
また、本実施形態では、排気管４とは別に燃料改質器８を設け、この燃料改質器８により生成された水素を含む改質ガスを、改質ガス供給通路５２を介してＡｇ触媒４２の上流側の排気管４内に供給する。これにより、水素がＡｇ触媒４２に供給されるため、エンジン２の始動直後の冷機時に、排気Ａ／Ｆをリッチにするために吸入空気量を絞る必要がなくなる。このため、エンジン２の失火の発生を回避できる。
【００８０】
［第２実施形態］
第２実施形態に係る排気浄化装置は、第１実施形態に係る排気浄化装置が備える構成に加えて、ＮＯｘセンサをさらに備える。ＮＯｘセンサは、Ａｇ触媒とＬＮＣとの間の排気通路に設けられ、Ａｇ触媒を通過した排気中のＮＯｘ濃度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵに送信する。
本実施形態は、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘの算出処理の手順が第１実施形態と異なり、本実施形態では上記ＮＯｘセンサを利用する。
【００８１】
図９は、第２実施形態に係るΣＮＯｘおよびΣＮＯｘ＿ｌｉｍ決定処理の手順を示すフローチャートである。
ステップＳ２３１では、エンジン回転数ＮＥと要求トルクＴＲＱに基づいて、エンジンから排出されたＮＯｘ排出量ＦＥＥＤ＿ＮＯｘを算出する。算出後は、ステップＳ２３２に進む。
具体的には、エンジン回転数ＮＥと要求トルクＴＲＱに応じて予め設定されたＦＥＥＤ＿ＮＯｘマップを検索することによって、ＥＣＵにより算出される。
【００８２】
ステップＳ２３２では、ＮＯｘセンサの検出値に基づいて、Ａｇ触媒を通過した排気中のＮＯｘ量ＲＥＡＲ＿ＮＯｘを、ＥＣＵにより算出する。算出後は、ステップＳ２３３に進む。
具体的には、ＲＥＡＲ＿ＮＯｘは、ＮＯｘセンサにより検出されたＮＯｘ濃度と、エアフローセンサにより検出された吸入空気量ＱＡＩＲから算出した排気容量に基づいて、ＥＣＵにより算出される。
【００８３】
ステップＳ２３３では、Ａｇ触媒に捕捉されたＮＯｘ捕捉量ＮＯｘ＿ａｄｓを算出する。算出後は、ステップＳ２３４に進む。
具体的には、ステップＳ２３１で算出したＮＯｘ排出量ＦＥＥＤ＿ＮＯｘから、ステップＳ２３２で算出したＲＥＡＲ＿ＮＯｘを減算することにより、ＮＯｘ＿ａｄｓを算出する。
【００８４】
ステップＳ２３４では、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘを算出する。算出後は、ステップＳ２３５に進む。
具体的には、ステップＳ２３３で算出したＮＯｘ＿ａｄｓを、前回算出値に加算することにより、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘを算出する。
【００８５】
ステップＳ２３５では、Ａｇ触媒温度に応じて、限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍを決定する。決定後は、本決定処理を終了する。
具体的には、ΣＮＯｘ＿ｌｉｍは、予め設定された、Ａｇ触媒温度とΣＮＯｘ＿ｌｉｍとの関係に基づいて、ＥＣＵにより算出する。
以上により、ＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘおよび限界堆積量ΣＮＯｘ＿ｌｉｍが決定される。
【００８６】
本実施形態によれば、ＮＯｘセンサを用いて精度良くＮＯｘ捕捉量積算値ΣＮＯｘを算出できるため、より適切なタイミングでＮＯｘを放出させることができる他、第１実施形態と同様の効果が奏される。
【００８７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
【００８８】
例えば、上記実施形態では、Ａｇ触媒の昇温手段として、スロットルＴＨ絞りおよび過給圧ＰＢの低下に加えて、燃料噴射量ＱＩＮＪの増量を実行するが、これに限定されない。上記のいずれか１つまたは２つの実行により、Ａｇ触媒の温度を上昇させてもよい。
【００８９】
また、上記実施形態では、水素供給手段として、排気管４とは別に設けた燃料改質器８を用いたが、これに限定されない。例えば、排気管４内に設けた触媒により、直接、水素を生成させてもよい。
【符号の説明】
【００９０】
１…排気浄化装置
２…エンジン（内燃機関）
３２…スロットルバルブ（昇温手段）
４…排気管（排気通路）
４２…Ａｇ触媒（ＮＯｘ捕捉触媒）
４３…ＬＮＣ（ＮＯｘ浄化触媒）
５１…改質ガス供給バルブ（水素供給手段）
５２…改質ガス供給通路（水素供給手段）
６…過給機（昇温手段）
７…ＥＣＵ（水素供給手段、放出判定手段、放出実行手段、活性判定手段、補正手段、昇温手段、排気流量検出手段、ＮＯｘ捕捉量推定手段、限界堆積量決定手段）
８…燃料改質器（水素供給手段、放出実行手段）
９１Ａ…第１排気温度センサ（ＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段、ＮＯｘ捕捉量推定手段、限界堆積量決定手段）
９１Ｂ…第２排気温度センサ（ＮＯｘ浄化触媒温度検出手段）
９３…エアフローセンサ（排気流量検出手段）
９４…クランク角センサ（ＮＯｘ捕捉量推定手段）
９５…アクセル開度センサ（ＮＯｘ捕捉量推定手段）
９６…イグニッションスイッチ
【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て、少なくともＡｇを担持することで排気中のＮＯｘを捕捉するＮＯｘ捕捉触媒と、
当該ＮＯｘ捕捉触媒の下流側の排気通路に設けられて、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒と、
前記ＮＯｘ捕捉触媒の上流側の排気通路において、水素を供給または生成することで前記ＮＯｘ捕捉触媒に水素を供給する水素供給手段と、
前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを放出するか否かを判定する放出判定手段と、
前記放出判定手段により前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定されたときに、前記水素供給手段により前記ＮＯｘ捕捉触媒に水素を供給することにより、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを還元して放出させる放出実行手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記ＮＯｘ浄化触媒の温度を検出または推定するＮＯｘ浄化触媒温度検出手段と、
当該ＮＯｘ浄化触媒温度検出手段により検出または推定された前記ＮＯｘ浄化触媒の温度が、前記ＮＯｘ浄化触媒が活性化する活性温度領域にあるか否かを判定する活性判定手段と、をさらに備え、
前記放出判定手段は、前記活性判定手段により前記ＮＯｘ浄化触媒の温度が前記活性温度領域にあると判定されたときに、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記排気通路内を流通する排気の流量を検出または推定する排気流量検出手段と、
前記排気流量検出手段により検出または推定された排気流量が少ないほど、前記活性温度領域を拡大する補正手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘの捕捉量を推定するＮＯｘ捕捉量推定手段と、
前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を検出または推定するＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段と、
当該ＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段により検出または推定された前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度に基づいて、前記ＮＯｘ捕捉触媒の限界堆積量を決定する限界堆積量決定手段と、をさらに備え、
前記放出判定手段は、前記ＮＯｘ捕捉量推定手段により推定されたＮＯｘ捕捉量が、前記限界堆積量決定手段により決定された限界堆積量を超えたときに、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定することを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を上昇させる昇温手段と、
前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を検出または推定するＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段と、をさらに備え、
前記放出実行手段は、前記ＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段により検出された前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度が、前記ＮＯｘ捕捉触媒が捕捉したＮＯｘの放出を開始する温度であるＮＯｘ放出開始温度よりも低いときには、前記昇温手段により前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を上昇させてから前記水素供給手段により前記ＮＯｘ捕捉触媒に水素を供給することにより、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを還元して放出させることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記水素供給手段は、前記排気通路とは別に設けられ、前記内燃機関の燃料を改質して水素を生成する燃料改質器と、
前記排気通路と接続され、前記燃料改質器で生成された水素を前記排気通路内に供給するための水素供給通路と、を備えることを特徴とする請求項１から５いず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て、少なくともＡｇを担持することで排気中のＮＯｘを捕捉するＮＯｘ捕捉触媒と、
当該ＮＯｘ捕捉触媒の下流側の排気通路に設けられて、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒と、
前記ＮＯｘ捕捉触媒の上流側の排気通路において、水素を供給または生成することで前記ＮＯｘ捕捉触媒に水素を供給する水素供給手段と、
前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを放出するか否かを判定する放出判定手段と、
前記放出判定手段により前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定されたときに、前記水素供給手段により前記ＮＯｘ捕捉触媒に水素を供給することにより、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを還元して放出させる放出実行手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記ＮＯｘ浄化触媒の温度を検出または推定するＮＯｘ浄化触媒温度検出手段と、
当該ＮＯｘ浄化触媒温度検出手段により検出または推定された前記ＮＯｘ浄化触媒の温度が、前記ＮＯｘ浄化触媒が活性化する活性温度領域にあるか否かを判定する活性判定手段と、をさらに備え、
前記放出判定手段は、前記活性判定手段により前記ＮＯｘ浄化触媒の温度が前記活性温度領域にあると判定されたときに、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記排気通路内を流通する排気の流量を検出または推定する排気流量検出手段と、
前記排気流量検出手段により検出または推定された排気流量が少ないほど、前記活性温度領域を拡大する補正手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘの捕捉量を推定するＮＯｘ捕捉量推定手段と、
前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を検出または推定するＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段と、
当該ＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段により検出または推定された前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度に基づいて、前記ＮＯｘ捕捉触媒の限界堆積量を決定する限界堆積量決定手段と、をさらに備え、
前記放出判定手段は、前記ＮＯｘ捕捉量推定手段により推定されたＮＯｘ捕捉量が、前記限界堆積量決定手段により決定された限界堆積量を超えたときに、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを放出すると判定することを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を上昇させる昇温手段と、
前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を検出または推定するＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段と、をさらに備え、
前記放出実行手段は、前記ＮＯｘ捕捉触媒温度検出手段により検出された前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度が、前記ＮＯｘ捕捉触媒が捕捉したＮＯｘの放出を開始する温度であるＮＯｘ放出開始温度よりも低いときには、前記昇温手段により前記ＮＯｘ捕捉触媒の温度を上昇させてから前記水素供給手段により前記ＮＯｘ捕捉触媒に水素を供給することにより、前記ＮＯｘ捕捉触媒に捕捉されたＮＯｘを還元して放出させることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記水素供給手段は、前記排気通路とは別に設けられ、前記内燃機関の燃料を改質して水素を生成する燃料改質器と、
前記排気通路と接続され、前記燃料改質器で生成された水素を前記排気通路内に供給するための水素供給通路と、を備えることを特徴とする請求項１から５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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−９９３６４（Ｐ２０１１−９９３６４Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５３７６０（Ｐ２００９−２５３７６０）
【出願日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【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２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【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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