JP2007100578A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 硫黄被毒回復処理が必要となる、例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒のような排気浄化触媒を備えた排気浄化装置において、硫黄被毒回復処理時間の短縮化あるいは硫黄被毒回復処理可能温度の低温化を、より効率的に図ることができ、燃費の向上および触媒浄化能力の維持を図ることが可能な排気浄化装置を提供すること。
【解決手段】 本内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に排気浄化触媒が配置された内燃機関の排気浄化装置であって、プラズマ改質部を有するプラズマインジェクタを有し、あらかじめプラズマインジェクタにより燃料および空気の少なくとも一方からプラズマ改質してもたされた活性種を、排気浄化触媒よりも上流の排気に添加して、排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理を行うことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置、特に、排気浄化性能を維持すべく硫黄被毒回復処理が必要となる排気浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気浄化性能を維持すべく硫黄被毒回復処理が必要となると考えられる内燃機関の排気浄化触媒の一つに、ＮＯｘ吸蔵還元触媒がある。燃費の向上および排出ガス規制の観点から、ガソリン内燃機関において運転領域の大部分がリーン空燃比で運転される希薄燃焼内燃機関の実用化が進められているとともに、ディーゼル内燃機関の適用範囲が拡大されつつある。希薄燃焼ガソリン内燃機関やディーゼル内燃機関では、リーン空燃比すなわち空気過剰のもとで燃料が燃焼せしめられるため、不完全な燃焼成分であるＨＣ（炭化水素）およびＣＯ（一酸化炭素）の排出量が少ない反面、空気中の窒素と燃え残りの酸素とが反応して生成されるＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量が多くなる。

このように比較的多量に生成される有害なＮＯｘの大気中への放出量を低減するために、内燃機関排気系にＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置することが知られている。ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、流入する排気空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＮＯｘを硝酸塩の形態で吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵し、流入する排気空燃比がリッチ空燃比であるときに、吸蔵したＮＯｘを放出する役割を果たすものである。放出されたＮＯｘは、還元成分（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ２）により還元浄化せしめられる。

このようなＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えた排気浄化装置によれば、酸素濃度が高い希薄燃焼の排気中からＮＯｘを良好に吸収し、定期的なリッチ混合気燃焼運転（リッチスパイク運転とも称す）によって、排気中の酸素濃度を低下させるとともに排気中にＨＣやＣＯ等の還元成分を存在させ、吸収したＮＯｘを大気中に放出させることなく良好に還元浄化することができる。

しかしながら、このようなＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えた排気浄化装置においては、燃料中の硫黄成分に起因するＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ吸蔵能力の低下、いわゆる硫黄被毒が問題となる。

内燃機関の燃料、例えばガソリンや軽油などの燃料には、硫黄成分が含有している場合が多く、この場合、燃焼後の排気中には、ＳＯ₂やＳＯ₃などのＳＯｘ（硫黄酸化物）が含まれることになる。排気中にＳＯｘが存在すると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、ＮＯｘの吸蔵を行う一方で、排気中のＳＯｘも硫酸塩の形態で吸蔵することが知られている。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯｘは安定していて分解しづらく、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒から脱離しないことが明らかにされている。

このため、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が、排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域、例えば、３００℃〜４５０℃の温度領域で、ＳＯｘを含有する排気に対して使用される場合、ＮＯｘの吸蔵および還元浄化が行われる一方で、ＮＯｘ吸蔵還元触媒にはＳＯｘが分解されず残存する。従って、時間が経過するにつれてＮＯｘ吸蔵還元触媒内のＳＯｘ量が増大することになり、かくして、時間が経過するにつれてＮＯｘ吸蔵還元触媒が吸蔵することができるＮＯｘ量が低下することになり、いわゆる硫黄被毒（またはＳ被毒）の問題が生じる。

一方で、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させることで、例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を６００℃以上に上昇させることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯｘを熱分解させ放出させることができることが明らかにされている。

そこで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備える排気浄化装置においては、硫黄被毒を解消する一つの方法として、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比にしつつＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させる、硫黄被毒回復処理が適用されている。該硫黄被毒回復処理により、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯｘを熱分解し、この熱分解されたＳＯｘのＮＯｘ吸蔵還元触媒への再吸蔵を防止しつつＮＯｘ吸蔵還元触媒からＳＯｘを放出することが可能となる。

例えば、特開平１０−５４２７４号明細書においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備え且つ硫黄被毒回復処理が適用されている内燃機関の排気浄化装置が示されており、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からＳＯｘを放出させるべくＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させる方法として、点火時期を制御することが示されている。具体的には、点火時期を遅角させることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの温度を上昇させ、硫黄被毒回復処理に適した温度領域になるまで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させることが記載されている。

特開平１０−５４２７４号明細書

しかしながら、触媒温度を昇温させるためには、熱エネルギーが必要となり、該熱エネルギーを得るべく燃料を追加供給する場合には燃費の悪化がもたらされる。また、触媒温度が高温とされることによる触媒自体の性能劣化がもたらされる可能性がある。従って、硫黄被毒回復処理が必要となる、例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒のような排気浄化触媒を備えた排気浄化装置においては、燃費の向上および触媒浄化能力の維持の両観点から、硫黄被毒回復処理時間の短縮化、あるいは、硫黄被毒回復処理可能温度の低温化を図ることが重要な一つの課題になると考える。

この課題に対して、例えば特開２００２−２５６８５３号明細書においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒よりも上流側の排気通路にプラズマ発生装置が配置された内燃機関の浄化装置において、硫黄被毒回復処理時に選択的にプラズマ発生装置を作動させ、排気自体をプラズマ改質し、すなわち、排気中の還元成分をプラズマ改質により活性化し還元力を強化することで、硫黄被毒回復処理時間の短縮化を図ることが示されている。しかしながら、容量が大きい排気自体をプラズマ改質するためには多大なエネルギーが必要になることが考えられ更なる改良の余地が残されていると考える。

本発明は、上記課題に鑑み、硫黄被毒回復処理が必要となる、例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒のような触媒を備えた排気浄化装置において、硫黄被毒回復処理時間の短縮化、あるいは硫黄被毒回復処理可能温度の低温化を、より効率的に図ることができ、燃費の向上および触媒浄化能力の維持を図ることが可能な排気浄化装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明によれば、排気通路に排気浄化触媒が配置された内燃機関の排気浄化装置において、プラズマ改質部を有するプラズマインジェクタを有し、あらかじめ前記プラズマインジェクタにより燃料および空気の少なくとも一方からプラズマ改質してもたされた活性種を、前記排気浄化触媒よりも上流の排気に添加して、前記排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理を行う、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項１の発明では、反応性の高い活性種を排気にもたらすべく、排気自体がプラズマ改質されるのではなく、あらかじめプラズマインジェクタにより空気および燃料の少なくとも一方からプラズマ改質されて生成された反応性の高い活性種が、排気浄化触媒よりも上流の排気に添加されて、硫黄被毒回復処理が実行される。空気および燃料の少なくとも一方からプラズマ改質により生成された反応性の高い活性種により、硫黄被毒回復処理の効率化を図ることが可能となる。

具体的には、空気からプラズマ改質により生成された反応性の高い活性種により、排気浄化触媒上での燃焼反応を促進することができる。これにより、硫黄被毒処理可能温度への到達時間を短縮することができ燃費の向上を図ることを可能とする。また、硫黄被毒回復処理にかかる時間が短縮されることは、排気浄化触媒が高温にさらされる時間が短縮されることとなり、硫黄被毒回復処理の際に排気浄化触媒が受ける高熱に起因する排気浄化触媒の耐久性能劣化を抑制でき、触媒浄化能力の維持を図ることを可能とする。更に、例えばディーゼル内燃機関においては、不完全燃焼成分のＨＣが排気中に少ないことから、排気浄化触媒温度の昇温のための燃焼反応を促進すべく、排気中に燃料を噴霧することが知られているが、本発明によれば、空気からプラズマ改質により生成された反応性の高い活性種例えばオゾン（Ｏ₃）により、排気中の少ない不完全燃焼成分のＨＣとの効率の良い燃焼反応がもたらされ、排気中に新たな燃料を噴霧することなく、排気浄化触媒温度を所定温度へと昇温させることを可能とする。

また、燃料からプラズマ改質により生成された反応性の高い活性種により、排気浄化触媒上での燃焼反応の促進、硫黄被毒脱離反応の促進および硫黄被毒回復処理可能温度の低温化を図ることができる。これにより、硫黄被毒回復処理時間を短縮することができ、上述した空気からのプラズマ改質の場合と同様に、燃費の向上および触媒浄化能力の維持を図ることを可能とする。

請求項２の発明によれば、前記排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理は、前記プラズマインジェクタにより、燃料からプラズマ改質してもたらされた活性種と空気からプラズマ改質してもたらされた活性種との両方が活用されて行われる、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が提供される。

すなわち、請求項２の発明では、排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理に、燃料からプラズマ改質してもたらされた活性種と空気からプラズマ改質してもたらされた活性種との両方が活用される。これにより、燃料からプラズマ改質してもたらされた活性種と空気からプラズマ改質してもたらされた活性種のもたらす、それぞれの有用な作用効果を適宜に活用し、より効率の良い硫黄被毒回復処理を実現することが可能なる。

請求項３の発明によれば、前記プラズマインジェクタにより、燃料からプラズマ改質してもたらされた活性種には水素ガスが含まれ、空気からプラズマ改質してもたらされた活性種にはオゾンが含まれる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項３の発明では、燃料からプラズマ改質してもたらされた活性種に水素ガスが含まれ、空気からプラズマ改質してもたらされた活性種にオゾンが含まれる、ことを限定する。

請求項４の発明によれば、前記プラズマインジェクタの結露状態を感知する結露検出手段を有する、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つの請求項に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項４の発明では、本排気浄化装置が結露検出手段を有し、プラズマインジェクタの結露状態を検知することができ、これにより、プラズマインジェクタ内部での排気中の水分の結露に起因する漏電によるプラズマインジェクタの故障や消費電力の増加などを回避することが可能となる。

各請求項に記載の発明によれば、硫黄被毒回復処理時間の短縮化あるいは硫黄被毒回復処理可能温度の低温化を、より効率的に図ることができ、燃費の向上および触媒浄化能力の維持を図ることが可能となる共通の効果を奏する。

以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気浄化装置を自動車用のディーゼル内燃機関あるいは希薄燃焼ガソリン内燃機関に適用した場合の一実施形態を示す模式図である。
図１において、１０はディーゼル内燃機関あるいは希薄燃焼ガソリン内燃機関の内燃機関本体、１１は排気マニホルド、１２は排気管、１３はＮＯｘ吸蔵還元触媒、をそれぞれ示す。また、図１において、２１はＳＯｘ被毒判定手段、２２は電子制御装置（ＥＣＵ）、２３はプラズマインジェクタ、２４はバルブ、２５は燃料／空気供給部、２６は活性種添加ポート、２７は発電機、２８はバッテリ、２９は電力供給装置、をそれぞれ示す。

まず、図１に示されたディーゼル内燃機関あるいは希薄燃焼ガソリン内燃機関の基本構成となる内燃機関本体１０、排気マニホルド１１、排気管１２、発電機２７およびバッテリ２８、のそれぞれについて簡単に説明する。

内燃機関本体１０は、ディーゼル内燃機関あるいは運転領域の大部分がストイキよりもリーンな空燃比で運転される希薄燃焼ガソリン内燃機関の内燃機関本体であり、該内燃機関本体１０からの排気の通路となる排気系には、排気マニホルド１１、排気管１２およびＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が、それぞれ配置されている。
排気マニホルド１１は、内燃機関本体１０に連結され、該内燃機関本体１０内に配置されている各気筒からの排気を１本の排気管１２に送り込む役割を果すものである。
発電機２７は、内燃機関本体１０に接続され、該内燃機関本体１０と協働して電気を発生せしめる役割を果すものであり、また、バッテリ２８は、発電機２７と接続されることで、発生せしめられた電気を蓄える役割を果すものである。

次に、図１に示された実施形態となる内燃機関の排気浄化装置が有する各構成要素について説明する。
図１に示された実施形態における内燃機関の排気浄化装置は、概して、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３、ＳＯｘ被毒判定手段２１、電子制御装置（ＥＣＵ）２２、プラズマインジェクタ２３、バルブ２４、燃料／空気供給部２５、活性種添加ポート２６、電力供給装置２９および結露検知手段３０を有する。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３は、該ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に流入する排気中の酸素濃度が高いときに、排気中のＮＯｘを吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵することで排気中からＮＯｘを除去し、該ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に流入する排気中の酸素濃度が低いときに、吸蔵したＮＯｘを放出する機能を有する。放出されたＮＯｘは、排気に含まれる還元成分となるＨＣ、ＣＯ等と反応して還元浄化せしめられる。

このようにＮＯｘ吸蔵還元触媒１３は、該ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に流入する排気中の酸素濃度が高いときに排気中のＮＯｘを吸蔵する一方で、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に流入する排気中にＳＯｘが含まれている場合には、ＮＯｘと同様にＳＯｘも吸蔵することが知られている。内燃機関本体１０に供給される燃料中には硫黄成分が含まれていることが多く、この場合、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に流入する排気中には硫黄分の燃焼により生じたＳＯｘが含まれることになり、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３には、ＮＯｘばかりでなく、ＳＯｘも吸蔵されることになる。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に吸蔵されたＳＯｘは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に吸蔵されたＮＯｘと比較して、安定度が高く分解しづらく、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域内でＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が使用されるかぎり、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に吸蔵されたＳＯｘは分解されずにＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に残存することが知られている。従って、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域内でＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が使用されるかぎり、時間が経過するにつれて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３内のＳＯｘ量は増大し、その結果、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３が排気中から吸蔵することができるＮＯｘ量は低下することになる。

しかるに、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度を所定の温度以上に、例えば６００℃以上に上昇させ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に流入する排気空燃比をリッチ空燃比とすることで、硫黄被毒脱離反応をもたらすことができることも知られている。すなわち、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度を所定の温度以上に上昇させることで、硝酸塩の形態でＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に吸蔵されたＳＯｘを熱分解させ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３から脱離させ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３から脱離されたＳＯｘを、排気中のＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂などの還元成分によって還元浄化させることができることが知られている。

プラズマインジェクタ２３は、このことに基づいて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度の昇温のための燃焼反応を促進しおよび／または硫黄被毒脱離反応を促進すべく、反応性の高い活性種をプラズマ改質により燃料および空気の少なくとも一方から生成し、あらかじめプラズマ改質された反応性の高い活性種をＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気中に添加し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の硫黄被毒を効率的に回復する役割を果すものである。

プラズマインジェクタ２３は、プラズマ改質部を有し、バッテリ２８に接続された電力供給装置２９と協働してプラズマ改質部に電圧を印加することによりプラズマを発生させ、燃料および空気の少なくとも一方から反応性の高い活性種を生成することができる。プラズマインジェクタ２３により生成された反応性の高い活性種は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気管１２上に配置された活性種添加ポート２６を介して、排気中に添加される。

プラズマインジェクタ２３には、バルブ２４を介して、燃料／空気供給部２５が流体連通されている。燃料／空気供給部２５は、プラズマインジェクタ２３に供給する燃料および空気の供給源となる部分である。また、バルブ２４は、燃料／空気供給部２５からの燃料あるいは空気のいずれか一方のプラズマインジェクタ２３への適宜な供給をもたらす役割を果すものである。燃料／空気供給部２５は、内燃機関を作動すべく内燃機関本体１０に燃料および空気のそれぞれを供給する各構成要素と兼用されてもよく、また、内燃機関本体１０に燃料および空気のそれぞれを供給する各構成要素とは別個の構成要素として形成されてもよい。

ＳＯｘ被毒判定手段２１は、概して、ＳＯｘ吸蔵量検出手段、ＳＯｘ放出量検出手段およびＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段を有し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３のＳＯｘ被毒状態を推定する機能を有する。また、ＳＯｘ被毒判定手段２１は、電子制御装置２２（以下、ＥＣＵと称す）に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に吸蔵されたＳＯｘ量、硫黄被毒回復処理によりＮＯｘ吸蔵還元触媒１３から放出されたＳＯｘ量、およびＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度の各検出情報を伝達可能に構成されている。

ＳＯｘ吸蔵量検出手段は、流入する排気によりＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に吸蔵されたＳＯｘ量を推定する機能を有する。例えば、ＳＯｘ吸蔵量は、燃料中の硫黄成分の濃度および消費燃料から推定されうる。この場合、ＳＯｘ吸蔵量検出手段は、燃料中の硫黄成分の濃度および消費燃料量のそれぞれを検出する構成要素を有して構成されることになる。

ＳＯｘ放出量検出手段は、硫黄被毒回復処理によりＮＯｘ吸蔵還元触媒１３から放出あるいは脱離されたＳＯｘ量を推定する機能を有する。例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３からＳＯｘ放出量は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度および排気空燃比から推定されうる。この場合、ＳＯｘ放出量検出手段は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度および排気空燃比のそれぞれを検出する構成要素を有して構成されることになる。排気空燃比の検出には、排気空燃比センサーが使用されうる。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度を推定する機能を有する。ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度は、例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に近接して配置された排気温度センサーにより検出された温度情報に基づいて推定されうる。この場合、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段は、排気温度センサーを有して構成される。但し、この場合、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３と排気温度センサーとの間には、多少の隔たりがあり、この隔たりにおける温度勾配を推定すべく、回転負荷、空燃比、熱伝達係数、触媒反応速度等のパラメータを用いて補正が行わることになり、これらの各情報を検出する各構成要素もまた、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を推定するための構成要素となる。

結露検知手段３０は、プラズマインジェクタ２３内部での排気中の水分の結露に起因する漏電によるプラズマインジェクタ２３の故障や消費電力の増加などを回避すべく、プラズマインジェクタ２３の結露による漏電の可能性の有無を判定する機能を有し、この判定情報をＥＣＵ２２に伝達可能に構成される。結露による漏電の可能性の有無の判定は、具体的には、電流計を配置して電流量を監視することにより行われるか、あるいは、漏電の起こらない湿度条件を規定し、湿度計を配置して湿度を監視することで行われることが考えられるが、これ以外の適当な他の方法で判定されてもよい。硫黄被毒回復処理の実行に当たってプラズマインジェクタ２３を利用する場合、プラズマインジェクタ２３のプラズマ改質部に結露が存在した状態でプラズマ発生のために電圧が印加されると、結露に起因して電気が漏電することがある。特に、低温領域においては、排ガス中の水分の結露により漏電が起こる可能性が大きく、この漏電を回避すべく結露検知手段３０を排気浄化装置の一構成要素として備えることは有用である。但し、該結露検知手段３０は、必要不可欠なものではなく、本排気浄化装置の一構成要素として備えられていなくともよく、使用環境条件および設計条件に応じて適宜に備えられる。

ＥＣＵ２２は、プラズマインジェクタ２３による硫黄被毒回復処理を実行すべく、ＳＯｘ被毒判定手段２１の検出情報および結露検知手段３０の検知情報に基づいて、プラズマインジェクタ２３に電圧を印加する電力供給装置２９およびバルブ２４の作動を制御する役割を果すものである。また、ＥＣＵ２２はバッテリ２８と接続され、バッテリ２８から電力の供給を受けることができるように構成される。

上述した各構成要素を有する本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の作用効果について以下に説明する。
図２は、本排気浄化装置が適用された図１に示す内燃機関で実行される硫黄被毒回復処理制御の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。

図２に示す制御ルーチンでは、ＳＯｘ被毒判定手段２１の検出情報に基づいて硫黄被毒回復処理の必要性が有ると判断された場合、まず、結露検知手段３０により結露による漏電の可能性の有無の判定が行われる。漏電の可能性が有りと判定された場合には、プラズマ改質部のパージすなわちプラズマ改質部からの結露除去が実行される。漏電の可能性が無いと判定された場合には、プラズマインジェクタ２３による空気からの活性種の生成がなされ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度の昇温のための燃焼反応が促進される。そして、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度が所定温度に昇温されたことが確認されると、次に、プラズマインジェクタによる燃料からの活性種の生成がなされ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３からのＳＯｘ放出のための硫黄被毒脱離反応が促進される。最後に、硫黄被毒の回復が終了したことが確認されることで一連の硫黄被毒回復処理が終了される。
以下に各ステップの詳細について説明する。

まず、ステップ１０１では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３に対する硫黄被毒回復処理の必要性の有無の判断がなされる。この判断は、ＳＯｘ被毒判定手段２１の一構成要素となるＳＯｘ吸蔵量検出手段からのＮＯｘ吸蔵還元触媒１３のＳＯｘ吸蔵量の検出情報に基づいてＥＣＵ２２によりなされる。硫黄被毒回復処理の必要性が無いと判断された場合には、本制御ルーチンは終了される。硫黄被毒回復処理の必要性が有ると判断された場合には、続くステップ１０２に進む。

ステップ１０２においては、プラズマインジェクタ２３を作動すべく、電力供給装置２９によるプラズマインジェクタ２３への電圧の印加を許可して良いか否かの判断がなさる。この判断は、具体的には、プラズマインジェクタ２３の結露による漏電の可能性の有無を判定する結露検知手段３０からの検知情報に基づいてＥＣＵ２２によりなされる。

ステップ１０２において、プラズマインジェクタ２３の結露による漏電の可能性が有ると判断された場合には、ステップ１０３に進み、プラズマインジェクタ２３のプラズマ改質部のパージすなわち結露除去が実行され、該パージは、プラズマインジェクタ２３の結露による漏電の可能性が無いとの判断がなされるまで繰り返し実行される。このプラズマ改質部のパージの実行により、プラズマインジェクタ２３内部で排気中の水蒸気が結露し、この水が伝わって電気を漏電して、プラズマインジェクタ２３を故障させてしまうような不具合を回避することができ、また、漏電による消費電力増加を防止することができ、効率的にプラズマを発生させることが可能となる。

プラズマインジェクタ２３のパージ方法については、例えば、空気をプラズマ改質部に流通させて実行されるか、あるいは、ヒータによる水分除去が考えられるが、これ以外の他の適当な方法で実行されてもよい。空気をプラズマ改質部に流通させて水分除去がなされる場合においては、ＥＣＵ２２によりバルブ２４が空気をプラズマインジェクタ２３に供給すべく制御される。尚、排気浄化装置の一構成要素として、結露検知手段３０が備えられていない場合には、ステップ１０２およびステップ１０３は実行されることなくステップ１０４へと進む。

ステップ１０２において、プラズマインジェクタ２３の結露による漏電の可能性が無いと判断された場合には、ステップ１０４に進み、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度の昇温のための燃焼反応を促進すべく、プラズマインジェクタ２３による空気からの反応性の高い活性種の生成がなされる。具体的には、まず、ＥＣＵ２２によりバルブ２４および電力供給装置２９が制御され、燃料／空気供給部２５からプラズマインジェクタ２３のプラズマ改質部に空気が供給され、プラズマインジェクタ２３に電圧が印加され、空気へのプラズマ改質なされ、反応性の高い活性種の生成がなされる。そして、あらかじめ空気のプラズマ改質により生成された活性種が、活性種添加ポート２６を介して、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気中に添加される。

ステップ１０２で生成される活性種の一つに、酸素へのプラズマ改質により生成されるオゾン（Ｏ₃）がある。生成されたオゾンがＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気に添加されることで、酸素の酸化力を向上させることができ、低温領域においてもＮＯｘ吸蔵還元触媒上での燃焼反応を促進することができ、硫黄被毒回復処理可能温度への到達時間を低減することが可能となる。これにより、硫黄被毒処理可能温度への到達時間を短縮することができ燃費の向上を図ることを可能とする。また、硫黄被毒回復処理にかかる時間が短縮されることは、排気浄化触媒が高温にさらされる時間が短縮されることとなり、硫黄被毒回復処理の際に排気浄化触媒が受ける高熱に起因する排気浄化触媒の耐久性能劣化を抑制でき、触媒浄化能力の維持を図ることを可能とする。

ステップ１０５においては、ステップ１０４にて実行されたプラズマインジェクタ２３による空気のプラズマ改質によるＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の昇温により、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度が所定温度に到達したか否かの判断がなされる。この判断は、ＳＯｘ被毒判定手段２１の一構成要素となるＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段からのＮＯｘ吸蔵還元触媒温度情報にもとづいてＥＣＵ２２によりなされる。ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が所定温度に到達していないと判断された場合は、再びステップ１０４に戻り、プラズマインジェクタ２３による空気のプラズマ改質が実行され、該プラズマ改質は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が所定温度に到達した判断されるまで繰り返し実行される。

ステップ１０５において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が所定温度に到達したと判断されると、次に、ステップ１０６に進み、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３上での硫黄被毒脱離反応を促進すべく、プラズマインジェクタ２３による燃料からの反応性の高い活性種の生成がなされる。具体的は、まず、ＥＣＵ２２により燃料／空気供給部２５、バルブ２４および電力供給装置２９が制御され、燃料／空気供給部２５からプラズマインジェクタ２３のプラズマ改質部に燃料が供給され、プラズマインジェクタ２３に電圧が印加され、燃料へのプラズマ改質がなされ、反応性の高い活性種の生成がなされる。そして、あらかじめ燃料のプラズマ改質により生成された活性種は、活性種添加ポート２６を介して、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気中に添加される。

ステップ１０６において、留意すべき点は、あらかじめプラズマインジェクタ２３によりプラズマ改質され、気化あるいは微粒子化された燃料が、硫黄被毒脱離反応を促進すべくＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気に添加されることである。

例えばディーゼル内燃機関において、硫黄被毒回復処理を実行する一手段として、排気中に軽油などの液体燃料を噴霧することが知られている。液体燃料は、噴霧してもすぐには反応せず、ＮＯｘ吸蔵還元触媒などの排気浄化触媒や配管で気化してから燃焼反応を開始するため、燃料噴霧と酸化燃焼反応開始との間にタイムラグが生じる可能性がある。また、液体燃料は、気化された燃料あるいは微粒子化された燃料と比較して拡散性が低いため、排気浄化触媒上での反応領域が限定される可能性がある。

これに対して、プラズマインジェクタを有する本排気浄化装置においては、あらかじめ気化あるいは微粒子化された還元性の高い改質燃料を排気中に添加することができるため、排気浄化触媒上での硫黄被毒脱離反応の促進および硫黄被毒回復処理可能温度領域の低温化を可能とし、硫黄被毒回復処理時間の短縮化を図ることが可能となる。また、あらかじめ気化あるいは微粒子化された還元性の高い改質燃料を排気中に添加することで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３上での燃焼反応を促進することができ、硫黄被毒回復処理可能温度への到達時間を低減することをも可能とする。

プラズマインジェクタ２３による燃料のプラズマ改質から生成される活性種には、低級ＨＣ、Ｈ₂あるいはＣＯなどが考えられる。図３に、還元種として軽油、Ｃ₃Ｈ₆、ＣＯおよびＨ₂のそれぞれを単独で使用した場合において、同じ時間で同じ量のＳＯｘを触媒から脱離するために必要となる温度の比較であって、反応解析に基づく比較の一例を示す。また、図４に、還元種として軽油およびＨ₂のそれぞれを単独で使用した場合において、同じ量のＳＯｘを同じ温度で触媒から脱離させるために必要となる時間の比較であって、反応解析に基づく比較の一例を示す。図３および図４から、プラズマ改質されていない軽油が還元種として使用された場合と比較して、例えば、燃料のプラズマ改質によりもたらされたＨ₂を還元種として使用することで、硫黄被毒回復処理可能温度の低温化を可能とし、また、硫黄被毒回復処理時間を短縮することが可能であることわかる。

また、硫黄被毒回復処理を実行する一手段として、排気自体をプラズマ改質することで硫黄被毒回復処理の効率化を図ることが知られているが、この場合、排気自体の容量が大きいためにプラズマ改質するためには多大なエネルギーの投入が必要となることが考えられる。これに対して、本排気浄化装置においては、プラズマ改質する燃料量あるいは空気量をＥＣＵ２２とバルブ２４とが協働して制御でき、且つ、あらかじめ気化あるいは微粒子化された還元性の高い改質燃料を排気中に添加することができるため、容量の大きい排気自体をプラズマ改質する場合と比較して、効率的に硫黄被毒回復処理を実行することが可能となる。

ステップ１０７においては、ステップ１０６にて実行されたプラズマインジェクタ２３による燃料のプラズマ改質による硫黄被毒脱離反応の促進により、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の硫黄被毒回復処理が終了したか否かの判断がなされる。この判断は、ＳＯｘ被毒判定手段２１の一構成要素となるＳＯｘ放出量検出手段からのＳＯｘ放出量情報にもとづいてＥＣＵ２２によりなされる。硫黄被毒回復処理が終了していないと判断された場合は、再びステップ１０６に戻り、プラズマインジェクタ２３による燃料のプラズマ改質が実行され、燃料のプラズマ改質は硫黄被毒回復処理が終了したと判断されるまで繰り返し実行される。そして、ステップ１０７において、硫黄被毒回復処理が終了したと判断されると、次に、ステップ１０８に進み、プラズマインジェクタ２３への電力供給装置２９による電圧の印加がＥＣＵ２２により停止され、本硫黄被毒回復処理制御の制御ルーチンは終了する。

図５は、図２に示す硫黄被毒回復処理制御の制御ルーチンの全体にわたる、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度推移の一例を示す図である。図５において、Ｔ１は硫黄被毒回復処理可能温度への到達時間、Ｔ２は硫黄被毒脱離反応時間、Ｔ３は硫黄被毒回復処理に費やす全体時間、をそれぞれ示す。また、図５においては、プラズマインジェクタ１３を使用した場合と使用しない場合の硫黄被毒回復処理における、Ｔ１、Ｔ２およびＴ３の比較を示すべく、プラズマインジェクタ２３を使用した場合のＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度推移を実線で示し、プラズマインジェクタ２３を使用しない場合のＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度推移を破線で示す。

硫黄被毒回復処理可能温度への到達時間Ｔ１は、図２に示す硫黄被毒回復処理制御の制御ルーチンにおいては、主としてステップ１０４に関連し、硫黄被毒脱離反応時間Ｔ２は、主としてステップ１０６に関連する。あらかじめ空気あるいは燃料をプラズマで改質、生成した反応性の高い活性種をＮＯｘ吸蔵還元触媒１３よりも上流の排気に添加することができる本排気浄化装置においては、プラズマインジェクタ１３を使用しない排気浄化装置と比較して、硫黄被毒回復処理可能温度への到達時間Ｔ１および硫黄被毒脱離反応時間Ｔ２を短縮化することができ、よって、硫黄被毒回復処理に費やす全体時間Ｔ３を短縮化することを可能とする。これにより、燃費の向上を図ることが可能となる。また、硫黄被毒回復処理にかかる時間が短縮されることは、排気浄化触媒が高温にさらされる時間が短縮されることとなり、硫黄被毒回復処理の際に排気浄化触媒が受ける高熱に起因する排気浄化触媒の耐久性能劣化を抑制でき、触媒浄化能力の維持を図ることを可能とする。更に、本排気浄化装置は、プラズマインジェクタを使用しない排気浄化装置と比較して、硫黄被毒回復処理可能な触媒温度の低温化図ることができ、硫黄被毒回復処理の際に触媒が受ける高熱に起因する触媒耐久性能劣化を抑制でき、触媒浄化能力の維持を図ることを可能とする。

尚、本実施形態においては、排気浄化性能を維持すべく硫黄被毒回復処理が必要となる排気浄化触媒としてＮＯｘ吸蔵還元触媒を示したが、硫黄被毒回復処理を必要とする他の排気浄化触媒にも本排気浄化装置の適用は可能である。

また、本実施形態においては、硫黄被毒回復処理を実行するに当たって、プラズマインジェクタ１３により、空気からプラズマ改質された反応性の高い活性種と、燃料からプラズマ改質された反応性の高い活性種との両方が活用されるような構成とされているが、空気から改質してもたらされた反応性の高い活性種あるいは燃料から改質してもたらされた反応性の高い活性種のどちらか一方の活性種のみが活用されるような構成とされてもよい。

更に、本実施形態においては、空気および燃料のそれぞれを一つのプラズマインジェクタ１３を使用してプラズマ改質するように構成されているが、空気および燃料のそれぞれを別個のインジェクタでプラズマ改質するように構成されてもよい。プラズマインジェクタ２３を、電圧が印加されていないときには、プラズマ化されない燃料のインジェクタとしての機能も果すことができものとすると、空気および燃料をそれぞれ別個のインジェクタが配置された場合、例えば、空気からプラズマ改質された反応性の高い活性種を排気に添加しつつ、他方のプラズマインジェクタにより、プラズマ改質されていない燃料を排気中に添加することもできる。

本発明の排気浄化装置を自動車用のディーゼル内燃機関あるいは希薄燃焼ガソリン内燃機関に適用した場合の一実施形態を示す模式図である。 本排気浄化装置が組み入れられた図１に示す内燃機関で実行される硫黄被毒回復処理制御の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。 還元種として軽油、Ｃ₃Ｈ₆、ＣＯおよびＨ₂のそれぞれを単独で使用した場合において、同じ時間で同じ量のＳＯｘを触媒から脱離するために必要な温度の比較の一例を示す図である。 還元種として軽油およびＨ₂のそれぞれを単独で使用した場合において、同じ量のＳＯｘを同じ温度で触媒から脱離させるために必要な時間の比較一例を示す図である。 図２に示す硫黄被毒回復処理制御の制御ルーチンの全体にわたる、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１３の温度推移の一例を示す図である。

符号の説明

１０ 内燃機関本体
１１ 排気マニホルド
１２ 排気管
１３ ＮＯｘ吸蔵還元触媒
２１ ＳＯｘ被毒判定手段
２２ ＥＣＵ
２３ プラズマインジェクタ
２４ バルブ
２５ 燃料／空気供給部
２６ 活性種添加ポート
２７ 発電機
２８ バッテリ
２９ 電力供給装置
３０ 結露検知手段

Claims (4)

1. 排気通路に排気浄化触媒が配置された内燃機関の排気浄化装置において、
   プラズマ改質部を有するプラズマインジェクタを有し、
   あらかじめ前記プラズマインジェクタにより燃料および空気の少なくとも一方からプラズマ改質してもたされた活性種を、前記排気浄化触媒よりも上流の排気に添加して、前記排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理を行う、
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理は、前記プラズマインジェクタにより、燃料からプラズマ改質してもたらされた活性種と空気からプラズマ改質してもたらされた活性種との両方が活用されて行われる、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。
3. 前記プラズマインジェクタにより、燃料からプラズマ改質してもたらされた活性種には水素ガスが含まれ、空気からプラズマ改質してもたらされた活性種にはオゾンが含まれる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記プラズマインジェクタの結露状態を感知する結露検出手段を有する、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つの請求項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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