JP2016006306A - 還元剤添加装置 - Google Patents

Abstract

【課題】状況に応じて還元剤を改質することで、ＮＯｘ浄化率の向上を図る。
【解決手段】還元剤添加装置は、内燃機関１０の排気に含まれるＮＯｘを還元触媒上で浄化するＮＯｘ浄化装置１５が排気通路１０ｅｘに備えられた燃焼システムに設けられたものであり、排気通路１０ｅｘのうち還元触媒の上流側へ還元剤を添加する。この還元剤添加装置は、還元剤を部分的に酸化させて改質する反応容器３０（改質手段）およびヒータ５０（改質手段）と、改質制限手段とを備える。この改質制限手段は、還元触媒の活性化温度以上に設定された所定温度より還元触媒が高温である場合に、所定温度より還元触媒が低温である場合に比べて、改質を抑制または停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＮＯｘの還元に用いる還元剤を、排気通路のうち還元触媒の上流側へ添加する、還元剤添加装置に関する。

従来より、内燃機関の排気に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を、排気通路に設けられた還元触媒上で還元剤と反応させて浄化する技術が知られている。そして、特許文献１に記載の浄化システムでは、プラズマ放電により還元剤を部分的に酸化させて改質し、このような改質により還元能力を向上させた還元剤を、排気通路のうち還元触媒の上流側へ添加している。このように還元剤を改質させておくことにより、ＮＯｘ浄化率の向上を図っている。

特開２００９−１６２１７３号公報

しかしながら、触媒温度が活性化温度を大きく超えた超高温になっている場合には、還元剤を改質させると却ってＮＯｘ浄化率が低下する、との知見を本発明者らは得た。すなわち、部分的に酸化した還元剤は、超高温の環境下ではさらに酸化が進行し、部分的な酸化ではなく完全に酸化するに至る。還元剤は完全に酸化すると、二酸化炭素および水に変化（酸化変質）してＮＯｘ還元能力を失い、その結果、ＮＯｘ浄化率が低下する。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、状況に応じて還元剤を改質することで、ＮＯｘ浄化率の向上を図った還元剤添加装置を提供することにある。

ここに開示される発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

開示される発明のひとつは、内燃機関（１０）の排気に含まれるＮＯｘを還元触媒上で浄化するＮＯｘ浄化装置（１５）が排気通路（１０ｅｘ）に備えられた燃焼システムに設けられ、排気通路のうち還元触媒の上流側へ還元剤を添加する還元剤添加装置である。この還元剤添加装置は、還元剤を部分的に酸化させて改質する改質手段（３０、５０）と、還元触媒の活性化温度以上に設定された所定温度（Ｔ１）より還元触媒が高温である場合に、所定温度より還元触媒が低温である場合に比べて改質を抑制、または改質を停止させる改質制限手段（Ｓ５４、Ｓ５５）と、を備えることを特徴とする。

上記発明では、「触媒温度が超高温になっている場合には、還元剤を改質させると却ってＮＯｘ浄化率が低下する」といった先述の知見を鑑み、所定温度より高温（超高温）である場合には改質を抑制または停止させる。そのため、還元剤が酸化変質してＮＯｘ還元能力を失うといった事態に陥る機会を低減できるので、ＮＯｘ浄化率の向上を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係る還元剤添加装置、およびその装置が適用される燃焼システムを示す模式図。 第１実施形態に係る還元剤添加装置を模式的に示す断面図。 第１実施形態に係る噴射弁の断面図であって、噴孔の断面形状を示す図。 第１実施形態において、ヒータ加熱面における燃料噴霧の投影範囲を模式的に示す図。 冷炎反応と熱炎反応の２段階で酸化反応が生じることを説明するグラフ。 図５の冷炎反応の部分について横軸を拡大したグラフ。 冷炎反応の反応経路を説明する図。 初期温度の条件を異ならせて、２段階酸化反応による温度変化をシミュレーションした結果を示すグラフ。 当量比の条件を異ならせて、２段階酸化反応による温度変化をシミュレーションした結果を示すグラフ。 オゾン濃度の条件を異ならせて、２段階酸化反応による温度変化をシミュレーションした結果を示すグラフ。 初期温度および当量比の、２段階酸化反応が生じる範囲を示す図。 図１に示す還元剤添加装置において、モード切替の制御手順を示すフローチャート。 図１２に示すオゾン生成モードに係る、サブルーチン処理の手順を示すフローチャート。 図１２に示す強部分酸化モードに係る、サブルーチン処理の手順を示すフローチャート。 図１２に示す弱部分酸化モードに係る、サブルーチン処理の手順を示すフローチャート。 図１２に示す酸化停止モードに係る、サブルーチン処理の手順を示すフローチャート。 図１２の処理により切り替えられる各モードにおいて、ＮＯｘ浄化率と触媒温度との関係を示すグラフ。 本発明の第２実施形態に係る還元剤添加装置、およびその装置が適用される燃焼システムを示す模式図。 本発明の第３実施形態に係る還元剤添加装置、およびその装置が適用される燃焼システムを示す模式図。 第３実施形態に係る還元剤添加装置において、モード切替の制御手順を示すフローチャート。

以下、図面を参照しながら発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において、先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において、構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を参照し適用することができる。

（第１実施形態）
図１に示す燃焼システムは、以下に詳述する内燃機関１０、過給機１１、微粒子捕集装置（ＤＰＦ１４）、ＤＰＦ再生装置（再生用ＤＯＣ１４ａ）、ＮＯｘ浄化装置１５、還元剤浄化装置（浄化用ＤＯＣ１６）および還元剤添加装置を備える。燃焼システムは車両に搭載されたものであり、当該車両は、内燃機関１０の出力を駆動源として走行する。内燃機関１０は、圧縮自着火式のディーゼルエンジンであり、燃焼に用いる燃料には軽油を用いている。

過給機１１は、タービン１１ａ、回転軸１１ｂおよびコンプレッサ１１ｃを備える。タービン１１ａは、内燃機関１０の排気通路１０ｅｘに配置され、排気の運動エネルギにより回転する。回転軸１１ｂは、タービン１１ａおよびコンプレッサ１１ｃの各インペラを結合することで、タービン１１ａの回転力をコンプレッサ１１ｃに伝達する。コンプレッサ１１ｃは、内燃機関１０の吸気通路１０ｉｎに配置され、吸気を圧縮して内燃機関１０へ過給する。

吸気通路１０ｉｎのうちコンプレッサ１１ｃの下流側には、コンプレッサ１１ｃで圧縮された吸気を冷却する冷却器１２が配置されている。冷却器１２により冷却された圧縮吸気は、スロットルバルブ１３により流量調整された後、吸気マニホールドにより内燃機関１０の複数の燃焼室へ分配される。

排気通路１０ｅｘのうちタービン１１ａの下流側には、再生用ＤＯＣ１４ａ（Diesel Oxidation Catalyst）、ＤＰＦ１４（Diesel Particulate Filter）、ＮＯｘ浄化装置１５、浄化用ＤＯＣ１６が順に配置されている。ＤＰＦ１４は、排気に含まれている微粒子を捕集する。再生用ＤＯＣ１４ａは、排気中の未燃燃料を酸化させて燃焼させる触媒を有する。この燃焼により、ＤＰＦ１４で捕集された微粒子を燃焼させて、ＤＰＦ１４を再生させて捕集能力を維持させる。なお、再生用ＤＯＣ１４ａへの未燃燃料供給による燃焼は、常時実施されるものではなく、再生が必要な時期に一時的に実施される。

排気通路１０ｅｘのうちＤＰＦ１４の下流側かつＮＯｘ浄化装置１５の上流側には、還元剤添加装置の供給管３２が接続されている。この供給管３２から排気通路１０ｅｘへ、還元剤添加装置により生成された改質燃料が還元剤として添加される。改質燃料とは、還元剤として用いる炭化水素（燃料）を部分的に酸化して、アルデヒド等の部分酸化炭化水素に改質したものであり、図７を用いて後に詳述する。

ＮＯｘ浄化装置１５は、還元触媒を担持するハニカム状の担体１５ｂと、担体１５ｂを内部に収容するハウジング１５ａとを備える。ＮＯｘ浄化装置１５は、排気中のＮＯｘを還元触媒上で改質燃料と反応させてＮ_２に還元することで、排気に含まれているＮＯｘを浄化する。なお、排気中にはＮＯｘの他にＯ_２（酸素）も含まれているが、改質燃料はＯ_２存在下においてＮＯｘと選択的に反応する。

還元触媒には、ＮＯｘを吸着する機能を有したものが用いられている。詳細には、還元反応が可能となる活性化温度よりも触媒温度が低い場合に、還元触媒は排気中のＮＯｘを吸着する機能を発揮する。そして、触媒温度が活性化温度以上の場合には、吸着されていたＮＯｘは改質燃料により還元されて、還元触媒から放出される。例えば、担体１５ｂに担持された銀アルミナによる還元触媒により、ＮＯｘ吸着機能を有したＮＯｘ浄化装置１５が提供される。

浄化用ＤＯＣ１６は、酸化触媒を担持する担体をハウジング内に収容して構成されている。浄化用ＤＯＣ１６は、還元触媒上にてＮＯｘ還元に用いられずにＮＯｘ浄化装置１５から流出した還元剤を、酸化触媒上で酸化する。これにより、排気通路１０ｅｘの出口から還元剤が大気に放出されることを防止する。なお、酸化触媒の活性化温度（例えば２００℃）は、還元触媒の活性化温度（例えば２５０℃）よりも低い。

次に、改質燃料を生成して供給管３２から排気通路１０ｅｘへ添加する還元剤添加装置について説明する。還元剤添加装置は、以下に詳述する放電リアクタ２０、エアポンプ２０ｐ、反応容器３０、燃料噴射弁４０およびヒータ５０を備える。反応容器３０およびヒータ５０は、還元剤としての燃料を部分的に酸化させて改質する「改質手段」に相当する。

図２に示すように、放電リアクタ２０は、内部に流通路２２ａを形成するハウジング２２を備え、流通路２２ａには複数の電極２１が配置されている。具体的には、電気絶縁部材２３を介してハウジング２２内に電極２１が保持されている。これらの電極２１は、互いに平行に対向するように配置された平板形状であり、高電圧が印加される電極と接地電圧の電極とが交互に配置されている。電極２１への電圧印加は、電子制御装置（ＥＣＵ８０）が備えるマイクロコンピュータ（マイコン８１）により制御される。

放電リアクタ２０のハウジング２２には、エアポンプ２０ｐにより送風された空気が流入する。エアポンプ２０ｐは電動モータにより駆動し、その電動モータはマイコン８１により制御される。エアポンプ２０ｐにより送風された空気は、ハウジング２２内の流通路２２ａに流入し、電極２１間の通路である電極間通路２１ａを流通する。

放電リアクタ２０の下流側には、燃料噴射室３０ａおよび気化室３０ｂを内部に形成する反応容器３０が取り付けられている。これらの燃料噴射室３０ａおよび気化室３０ｂは、空気中の酸素により燃料を酸化反応させる「反応室」に相当する。反応容器３０には、電極間通路２１ａを流通した空気が流入する空気流入口３０ｃが形成されている。空気流入口３０ｃは燃料噴射室３０ａと連通し、燃料噴射室３０ａは開口部３０ｄを通じて気化室３０ｂと連通する。

放電リアクタ２０の流通路２２ａと反応容器３０の空気流入口３０ｃとを接続する接続配管３３には、逆止弁３４が設けられている。接続配管３３は、燃料噴射室３０ａへ空気を供給する「空気供給配管」を提供する。逆止弁３４は、接続配管３３の内部通路を開閉するものであり、空気が反応容器３０の側から放電リアクタ２０の側へ逆流することを防止する。

詳細には、接続配管３３の内壁に形成された弁座３３ａに、スプリング３４ａの弾性力により逆止弁３４は押し付けられている。逆止弁３４に対して反応容器３０の側の圧力が、放電リアクタ２０の側の圧力よりも高くなった場合であっても、逆止弁３４が弁座３３ａに着座するように閉弁作動する。したがって、エアポンプ２０ｐの作動を停止させた状態で燃料噴射弁４０から燃料を噴射した場合において、燃料が空気とともに放電リアクタ２０の側へ逆流することが防止される。一方、エアポンプ２０ｐを作動させると、流通路２２ａの圧力が上昇する。この圧力上昇により、スプリング３４ａの弾性力に抗して逆止弁３４が開弁作動する。要するに、流通路２２ａの圧力が空気流入口３０ｃの圧力よりも所定以上高い場合に、逆止弁３４は開弁作動する。

電極間通路２１ａを流通して空気流入口３０ｃから流入した空気は、燃料噴射室３０ａおよび気化室３０ｂを順に通過して、反応容器３０に形成された噴出口３０ｅから噴出する。噴出口３０ｅは供給管３２と連通する。

反応容器３０には、燃料噴射弁４０が取り付けられている。図１に示す燃料タンク４０ｔ内の液体燃料は、ポンプ４０ｐにより燃料噴射弁４０に供給され、燃料噴射弁４０の噴孔Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４（図３参照）から燃料噴射室３０ａへ噴射される。燃料タンク４０ｔ内の燃料は、先述した燃焼用の燃料としても用いられており、内燃機関１０の燃焼に用いる燃料と、還元剤として用いる燃料は共用される。燃料噴射弁４０は、電磁ソレノイドによる電磁力により開弁作動させる構造であり、その電磁ソレノイドへの通電はマイコン８１により制御される。

反応容器３０には、ヒータ５０が取り付けられている。ヒータ５０は、通電により発熱する発熱体５１ｈ、および発熱体５１ｈを内部に収容する伝熱カバー５１を備える。発熱体５１ｈへの通電状態はマイコン８１により制御される。伝熱カバー５１の外周面が加熱面５１ａに相当し、伝熱カバー５１が発熱体５１ｈにより加熱されることで、加熱面５１ａは温度上昇する。伝熱カバー５１は、水平方向に延びる有底円筒形状である。詳細には、還元剤添加装置を車両に搭載した状態において、伝熱カバー５１は水平方向に延びる形状である。つまり、伝熱カバー５１の中心線Ｃｈ（図４参照）は水平方向に延びる。

加熱面５１ａは、気化室３０ｂに配置され、燃料噴射弁４０から噴射された液体燃料を加熱する。ヒータ５０により加熱された液体燃料は気化室３０ｂ内で気化する。さらに、気化した燃料は、ヒータ５０により所定温度以上にまで加熱される。これにより、炭素数の少ない炭化水素に燃料が分解されるといったクラッキングが生じる。

燃料噴射弁４０が備える噴孔プレート４１に形成された複数の噴孔Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４（図３参照）は、伝熱カバー５１の長手方向つまり中心線Ｃｈの方向に、並べて配置されている。燃料噴射弁４０の中心線Ｃｉが延びる方向は、還元剤添加装置を車両に搭載した状態において鉛直の方向に対して傾いている。つまり、ヒータ５０の中心線Ｃｈと燃料噴射弁４０の中心線Ｃｉとは斜めに交差する。

図３に示すように、噴孔Ｄ１〜Ｄ４はストレートに延びる形状である。噴孔Ｄ１〜Ｄ４の通路断面形状は円形であり、その通路断面積は一定である。噴孔Ｄ１〜Ｄ４の中心線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は、燃料噴射弁４０の中心線Ｃｉに対して傾いている。各々の噴孔Ｄ１〜Ｄ４から噴射された霧状の液体燃料である噴霧は、下流側に進むほど拡がる円錐形状である。この噴霧の中心線は噴孔Ｄ１〜Ｄ４の中心線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４と略一致する。

噴孔Ｄ１〜Ｄ４から噴射された噴霧は、開口部３０ｄを通じて気化室３０ｂへ流入し、加熱面５１ａに噴き付けられる。噴霧中心線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４と加熱面５１ａとの交差角度θ（図２参照）は９０度未満の鋭角である。交差角度θは、厳密には、加熱面５１ａの最上端部における水平面と噴霧中心線Ｃ１〜Ｃ４との角度である。複数の噴孔Ｄ１〜Ｄ４のうち空気流れの上流側に位置する噴孔ほど、噴霧の交差角度θが大きい。なお、上下方向においては、噴孔Ｄ１〜Ｄ４は加熱面５１ａよりも上方に位置する。

交差角度θが鋭角であるため、円錐形状の噴霧が加熱面５１ａに斜めに噴き付けられる。よって、図４に示すように、加熱面５１ａのうち噴霧が噴き付けられる領域Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４は、中心線Ｃｈの方向を長手方向とする楕円形状となる。交差角度θの小さい噴霧ほど、噴き付け領域Ａ１〜Ａ４の楕円長手方向が長くなる。また、噴孔Ｄ１〜Ｄ４の直径を大きくしたり、噴孔Ｄ１〜Ｄ４と加熱面５１ａとの距離を長くしたりすると、領域Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の面積が大きくなり、領域Ａ１〜Ａ４が加熱面５１ａからはみ出ることとなる。このようにはみ出ることのないよう、上記直径および距離は設定されている。

反応容器３０には、気化室３０ｂの温度を検出する温度センサ３１が取り付けられている。具体的には、気化室３０ｂのうち加熱面５１ａの上方部分に温度センサ３１は配置されている。また、噴孔Ｄ１〜Ｄ４から噴射された噴霧が温度センサ３１に直接かからないよう、噴霧よりも空気流れ下流側に温度センサ３１は配置されている。温度センサ３１により検出される温度は、気化した燃料と空気との反応後の温度である。温度センサ３１は、検出した温度の情報（検出温度）をＥＣＵ８０へ出力する。

さて、放電リアクタ２０への通電を実施すると、電極２１から放出された電子が、電極間通路２１ａの空気中に含まれる酸素分子に衝突する。すると、酸素分子からオゾンが生成される。つまり、放電リアクタ２０は、放電により酸素分子をプラズマ状態にして、活性酸素としてのオゾンを生成する。したがって、空気流入口３０ｃから反応容器３０内部へ流入する空気には、放電リアクタ２０で生成されたオゾンが含まれている。

気化室３０ｂでは、空気中の酸素またはオゾンにより気体燃料が部分的に酸化される冷炎反応が生じている。このように部分的に酸化された燃料を改質燃料と呼び、改質燃料の具体例として、燃料（炭化水素化合物）の一部がアルデヒド基（ＣＨＯ）に酸化された状態の部分酸化物（例えばアルデヒド）が挙げられる。

ここで、冷炎反応について図５〜図７を用いて詳述する。

図５および図６は、燃料（ヘキサデカン）をヒータ５０に噴き付けて気化させ、気化した燃料がヒータ５０近傍に滞留して改質される現象を模擬したシミュレーション結果である。具体的には、気体燃料（ヘキサデカン）を４３０℃に暴露した場合における、暴露開始からの経過時間に対する各種物理量の変化を示す。すなわち、図中の（ａ）は雰囲気温度の変化を示す。（ｂ）は、燃料（ヘキサデカン）のモル濃度の変化を示す。（ｃ）は、酸化で消費された酸素分子、酸化で生成された水分子および二酸化炭素分子について、各々のモル濃度の変化を示す。（ｄ）は、冷炎反応により生成された改質燃料であるアセトアルデヒドおよびプロピオンアルデヒドのモル濃度の変化を示す。燃料噴射開始時点での初期条件は、１気圧、ヘキサデカン濃度２２００ｐｐｍ、酸素濃度２０％、二酸化炭素濃度９％、水濃度２％である。

図５および図６に示されるように、燃料を噴射すると直ぐ、雰囲気温度が上昇するとともに燃料のモル濃度が減少し、かつ、改質燃料のモル濃度が増加している。この現象は、燃料が酸素に酸化されて発熱していることと、燃料から改質燃料が生成されていることを意味する。つまり、冷炎反応が生じていることを意味する。但し、このような温度上昇や各種モル濃度の変化は一時的なものであり、燃料噴射開始から４秒ほどの期間は、温度上昇やモル濃度の変化は現れない。

そして、図５に示すように、約４秒経過した時点で、雰囲気温度がさらに上昇するとともに改質燃料のモル濃度が減少し、かつ、二酸化炭素および水の生成量と、酸素の消費量が増加している。この現象は、改質燃料が酸素に酸化されて発熱していることと、改質燃料が完全燃焼して二酸化炭素および水が生成されていることを意味する。つまり、熱炎反応が生じていることを意味する。なお、冷炎反応による温度上昇量は、熱炎反応による温度上昇量よりも小さい。また、冷炎反応による酸素消費量は、熱炎反応による酸素消費量よりも少ない。

図５に示すように２段階で酸化反応が生じる場合には、冷炎反応が為されてから熱炎反応が開始されるまでの期間に、改質燃料が中間生成物として現れる。中間生成物には、アルデヒドやケトン等、様々な炭化水素化合物が具体例として挙げられる。図７では、アルデヒドが生成される主要な反応経路の一例を示す。

先ず、図中の（１）に示すように、炭化水素（軽油）が酸素分子と反応して炭化水素ペルオキシラジカルが生成される。この炭化水素ペルオキシラジカルは、アルデヒドと炭化水素ラジカルに分解される（（２）参照）。この炭化水素ラジカルと酸素分子とが反応して別の炭化水素ペルオキシラジカルが生成される（（３）参照）。この炭化水素ペルオキシラジカルは、アルデヒドと炭化水素ラジカルに分解される（（４）参照）。この炭化水素ラジカルと酸素分子とが反応して別の炭化水素ペルオキシラジカルが生成される（（５）参照）。このように、炭素数を減らしながら繰り返し炭化水素ペルオキシラジカルが生成され、その生成の都度、アルデヒドが生成されていく。なお、熱炎反応では、燃料が完全燃焼して二酸化炭素と水が生成され、中間生成物は現れない。すなわち、冷炎反応により生成された中間生成物は、酸化されて二酸化炭素と水になる。

さらに本発明者らは、図５および図６に示すシミュレーション結果の蓋然性を確認するために次の試験を行った。すなわち、燃料噴射弁４０から軽油を噴射させ、噴霧状に噴射された軽油を５００℃の熱板（図示せず）に衝突させた。そして、熱板から気化したガスの成分を分析した。この分析により、２０００ｐｐｍの軽油を衝突させた場合に約３０ｐｐｍのアセトアルデヒドが生成されていることが確認された。この分析結果は、冷炎反応によるアセトアルデヒドの生成が可能であることを示す。

図５および図６に示すシミュレーションでは、暴露温度を４３０℃としていた。これに対し、さらに本発明者らは、暴露温度を異ならせてシミュレーションし、図８に示す解析結果を得た。図中の符号Ｌ１は５３０℃、符号Ｌ２は４３０℃、符号Ｌ３は３３０℃、符号Ｌ４は２３０℃、符号Ｌ５は１３０℃、符号Ｌ６は３０℃に暴露温度を設定した場合の解析結果を各々示す。

符号Ｌ１に示すように、暴露温度が５３０℃の場合には冷炎反応で留まる期間が殆ど無く、１段で酸化反応が完了する。また、符号Ｌ２、Ｌ３に示すように、暴露温度を３３０℃にすると、４３０℃にした場合に比べて冷炎反応の開始時期が遅くなる。また、符号Ｌ４〜Ｌ６に示すように、暴露温度を２３０℃以下にすると、冷炎反応および熱炎反応のいずれもが生じなくなり、酸化反応が生じない。

図８に示すシミュレーションでは、噴射した燃料と供給される空気の比率である当量比を０．２３としていた。これに対し、さらに本発明者らは、当量比を異ならせてシミュレーションし、図９に示す解析結果を得た。なお、当量比を厳密に定義すると、「実際の混合気が含む燃料の重量」を、「完全燃焼できる燃料の重量」で除算した値である。図９に示すように、当量比を１．０にすると、冷炎反応で留まる期間が殆ど無く、１段で酸化反応が完了する。また、当量比を０．３７にすると、当量比を０．２３にした場合に比べて、冷炎反応の開始時期が早くなる。また、冷炎反応速度が速くなり、冷炎反応期間が短くなる。また、冷炎反応が終了した時点での雰囲気温度が高くなる。

図１０は、図８および図９による解析結果をまとめて表したものであり、横軸は図８に係るヒータ温度（雰囲気温度）を示し、縦軸は図９に係る当量比を示す。図中のドットを付した領域は、２段酸化反応が生じる領域を表す。図示されるように、雰囲気温度が下限値よりも低い領域では、酸化反応が生じない無反応領域となる。雰囲気温度が下限値よりも高い場合であっても、当量比が１．０以上の領域であれば、１段で酸化反応が完了する１段酸化反応領域となる。

また、２段酸化反応領域と１段酸化反応領域との境界線は、雰囲気温度および当量比に応じて変化する。つまり、雰囲気温度が所定の温度範囲であり、かつ、当量比が所定の当量比範囲である場合に、２段酸化反応が生じる。これらの温度範囲および当量比範囲は、図１０中のドットを付した領域の範囲に相当する。所定の温度範囲のうち最適温度（例えば３７０℃）に雰囲気温度を調整すると、上記境界線における当量比が最大値（例えば１．０）となる。したがって、冷炎反応を早期に生じさせるには、ヒータ温度を最適温度に調整し、当量比を１．０にすればよい。但し、当量比が１．０を超えると冷炎反応が生じなくなるので、１．０よりも余裕分だけ小さい値に当量比を調整することが望ましい。

図８および図９に示すシミュレーションでは、空気中のオゾン濃度をゼロにしている。これに対し、さらに本発明者らは、空気中のオゾン濃度を異ならせてシミュレーションし、図１１に示す解析結果を得た。このシミュレーションでの初期条件は、１気圧、ヘキサデカン濃度２２００ｐｐｍ、雰囲気温度３３０℃である。図１１に示すように、オゾン濃度が大きいほど、冷炎反応の開始時期が早くなる。このようなオゾンによる現象は以下の理由により生じる。すなわち、図７中の（１）（３）（５）では、炭化水素ラジカルと酸素分子とが反応しているが、空気中にオゾンが含まれている場合にはこの反応が促進され、アルデヒドが短時間で生成されることとなる。

ＥＣＵ８０が備えるマイコン８１は、プログラムを記憶する記憶装置と、記憶されたプログラムにしたがって演算処理を実行する中央演算処理装置と、を備える。ＥＣＵ８０は、各種センサの検出値に基づき内燃機関１０の作動を制御する。上記各種センサの具体例として、アクセルペダルセンサ９１、機関回転速度センサ９２、スロットル開度センサ９３、吸気圧センサ９４、吸気量センサ９５、排気温度センサ９６等が挙げられる。

アクセルペダルセンサ９１は、ユーザのアクセルペダル踏込量を検出する。機関回転速度センサ９２は、内燃機関１０の出力軸１０ａの回転速度（エンジン回転数）を検出する。スロットル開度センサ９３はスロットルバルブ１３の開度を検出する。吸気圧センサ９４は、吸気通路１０ｉｎのうちスロットルバルブ１３の下流側の圧力を検出する。吸気量センサ９５は吸気の質量流量を検出する。

概略、ＥＣＵ８０は、出力軸１０ａの回転速度および内燃機関１０の負荷に応じて、図示しない燃料噴射弁から噴射される燃焼用燃料の噴射量および噴射時期を制御する。さらにＥＣＵ８０は、排気温度センサ９６により検出された排気温度に基づき、還元剤添加装置の作動を制御する。すなわち、マイコン８１は、図１２に示す手順のプログラムを所定周期で繰り返し実行することで、改質燃料の生成とオゾンの生成を切り替えるように制御する。上記プログラムは、イグニッションスイッチがオン操作されたことをトリガとして始動し、内燃機関１０の運転期間中は常時実行される。

先ず、図１２のステップＳ１０において、内燃機関１０が運転中であるか否かを判定する。運転中でないと判定されれば、ステップＳ１８において還元剤添加装置の作動を停止させる。具体的には、放電リアクタ２０、エアポンプ２０ｐ、燃料噴射弁４０、およびヒータ５０への通電が為されていた場合、それらの通電を停止させる。また、ＮＯｘ触媒温度が活性化温度未満であり、かつ、ＮＯｘ吸着量が飽和状態になっている場合や、ＮＯｘ触媒温度が還元可能範囲を超えて高温になっている場合にも、ステップＳ１８により装置の作動を停止させる。

一方、内燃機関１０が運転中であると判定されれば、ＮＯｘ浄化装置１５が有する還元触媒の温度（ＮＯｘ触媒温度）に応じて還元剤添加装置を作動させる。具体的には、先ずステップＳ１１において、ＮＯｘ触媒温度が所定温度Ｔ１より高温であるか否かを判定する。所定温度Ｔ１より低温であると判定された場合、続くステップＳ１２において、ＮＯｘ触媒温度が第２所定温度Ｔ２より高温であるか否かを判定する。第２所定温度より低温であると判定された場合、続くステップＳ１３において、ＮＯｘ触媒温度が活性化温度Ｔ３より高温であるか否かを判定する。

所定温度Ｔ１および第２所定温度Ｔ２は、活性化温度Ｔ３より高温に設定されている。所定温度Ｔ１は、第２所定温度Ｔ２より高温に設定されている。例えば、活性化温度Ｔ３が２５０℃である場合、第２所定温度Ｔ２を３５０℃、所定温度Ｔ１を４００℃に設定する。ＮＯｘ触媒温度は、排気温度センサ９６により検出された排気温度から推定される。ここで、還元触媒の活性化温度Ｔ３とは、還元触媒上でＮＯｘを還元浄化できる最低温度のことである。

ステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３の判定により、触媒温度が活性化温度Ｔ３より低温と判定された場合、ステップＳ１４において、オゾン生成モードで還元剤添加装置を作動させる。触媒温度が活性化温度Ｔ３より高温、かつ第２所定温度Ｔ２より低温と判定された場合、ステップＳ１５において、強部分酸化モードで還元剤添加装置を作動させる。触媒温度が第２所定温度Ｔ２より高温、かつ所定温度Ｔ１より低温と判定された場合、ステップＳ１６において、弱部分酸化モードで還元剤添加装置を作動させる。触媒温度が所定温度Ｔ１より高温と判定された場合、ステップＳ１７において、酸化停止モードで還元剤添加装置を作動させる。

図１２のステップＳ１４にてオゾン生成モードに設定されると、図１３のサブルーチン処理が開始される。すなわち、先ず図１３のステップＳ２０において、予め設定されている電力量でエアポンプ２０ｐを作動させる。続くステップＳ２１では、予め設定されている電力量で放電リアクタ２０の電極２１へ通電して放電を生じさせる。続くステップＳ２２では、ヒータ５０への通電を停止させ、続くステップＳ２３では、燃料噴射弁４０への通電を停止させて燃料噴射を停止させる。

以上に説明したオゾン生成モードによれば、放電リアクタ２０でオゾンが生成され、生成されたオゾンは、燃料噴射室３０ａ、気化室３０ｂおよび供給管３２を通じて排気通路１０ｅｘへ添加される。ここで、ヒータ５０への通電を実施していると、オゾンは加熱されて崩壊する。また、燃料噴射を実施していると、オゾンは燃料と反応してしまう。これらの点を鑑み、図１３の制御ではヒータ５０による加熱を停止させ、かつ、燃料噴射を停止させているので、オゾンが燃料と反応することや加熱崩壊を回避できる。よって、生成したオゾンがそのまま排気通路１０ｅｘへ添加されることとなる。

図１２のステップＳ１５にて強部分酸化モードに設定されると、図１４のサブルーチン処理が開始される。

この処理の概略を図中の一点鎖線にしたがって説明すると、先ずステップＳ３０において、反応容器３０内の温度を所定の温度範囲に調整する。次に、ステップＳ４０において、反応容器３０内へ供給される燃料と空気の比率である当量比を所定の当量比範囲に調整する。これらの温度範囲および当量比範囲は、図１０中のドットに示される２段酸化反応領域の範囲である。これにより、冷炎反応を生じさせて先述した改質燃料を生成する。

温度範囲の下限は、１段酸化領域および２段酸化領域と無反応領域との境界線となる２６０℃に設定されている。温度範囲の上限は、１段酸化領域と２段酸化領域の境界線のうちの最大温度に設定されている。当量比範囲の上限は、１段酸化領域と２段酸化領域の境界線のうちの最大値であって、３７０℃に対応する当量比に設定されている。

さらに、ステップＳ５０において、反応容器３０内での燃料の濃度に応じて、放電リアクタ２０への供給電力を制御する。これにより、オゾンが生成され、そのオゾンが反応容器３０内に供給されるので、図１１を用いて先述したように、冷炎反応の開始時期の早期化と冷炎反応時間の短縮化が図られる。よって、反応容器３０内での燃料の滞留時間が短くなるように反応容器３０を小型化しても、上記滞留時間内に冷炎反応が完了するようにできる。よって、反応容器３０の小型化を図ることができる。

なお、放電リアクタ２０およびエアポンプ２０ｐは、還元剤としての気体燃料中にオゾンを供給することで、オゾンが存在する環境下で改質を実行させる「オゾン供給手段」に相当する。また、ステップＳ３０の処理を実行している時のマイコン８１は、気化室３０ｂの温度を所定の温度範囲に調整する「温度調整手段」に相当する。ステップＳ４０の処理を実行している時のマイコン８１は、気化室３０ｂへ供給される燃料と空気の比率である当量比を所定の当量比範囲に調整する「当量比調整手段」に相当する。ステップＳ５０の処理を実行している時のマイコン８１は、第２所定温度Ｔ２より還元触媒が低温であることを条件としてオゾンを供給させるようにオゾン供給手段を制御する「オゾン制御手段」に相当する。

以下、これらのステップＳ３０、Ｓ４０、Ｓ５０の詳細について、図１４を用いて説明する。

先ず、温度調整手段に係るステップＳ３０の処理について説明する。先ずステップＳ３１において、還元剤添加装置内の温度、つまり反応容器３０内の温度を取得する。具体的には、温度センサ３１による検出温度Ｔａｃｔを取得する。続くステップＳ３２では、予め設定しておいた目標温度Ｔｔｒｇよりも検出温度Ｔａｃｔが高い値であるか否かを判定する。具体的には、検出温度Ｔａｃｔから目標温度Ｔｔｒｇを減算して得られた差分値ΔＴが、ゼロより大きいか否かを判定する。

ΔＴ＞０でないと否定判定されれば、ステップＳ３３に進み、ヒータ５０による加熱量を増加させる。具体的には、ヒータ５０への通電デューティ比を、差分値ΔＴの絶対値が大きいほど増大させる。一方、ΔＴ＞０であると肯定判定されれば、続くステップＳ３４にて差分値ΔＴが上限値（例えば５０℃）を超えているか否かを判定する。上限値を超えていないと否定判定されれば、ステップＳ３５に進み、ヒータ５０による加熱量を低減させる。具体的には、ヒータ５０への通電デューティ比を、差分値ΔＴの絶対値が大きいほど減少させる。但し、上限値を超えていると肯定判定された場合には、ステップＳ３６に進み、ヒータ５０への通電を停止させる。これにより、雰囲気温度を迅速に低下させることを図る。

ステップＳ３２で用いる目標温度Ｔｔｒｇは、図１０に示す２段酸化反応領域のうち、当量比が最大となる雰囲気温度（例えば３７０℃）に設定されている。なお、気化室３０ｂの温度は冷炎反応により上昇するので、ヒータ５０自体の温度は、冷炎反応による温度上昇分だけ目標温度Ｔｔｒｇよりも低い値に制御されることとなる。

次に、当量比調整手段に係るステップＳ４０の処理について説明する。ステップＳ４０の処理では、差分値ΔＴが５０℃以下であればステップＳ４１に進み、検出温度Ｔａｃｔに対応する、冷炎反応を生じさせる当量比の最大値φｍａｘを算出する。具体的には、２段酸化反応領域における当量比の最大値φｍａｘであって、雰囲気温度に対応する当量比の最大値φｍａｘ、またはその最大値φｍａｘから所定の余裕分だけ減算した値を、目標当量比φｔｒｇとしてマイコン８１に記憶させておく。例えば、図１０に示す２段酸化反応領域における当量比の最大値φｍａｘであって、雰囲気温度に対応する当量比の最大値φｍａｘを、マップ化してマイコン８１に記憶させておく。そして、検出温度Ｔａｃｔに対応する当量比の最大値φｍａｘを、マップを参照して算出する。

続くステップＳ４２では、ステップＳ４１で算出した当量比の最大値φｍａｘに基づき、目標当量比φｔｒｇを設定する。具体的には、所定の余裕分だけ最大値φｍａｘから減算した値を目標当量比φｔｒｇとして設定する。これにより、実際の当量比が目標当量比φｔｒｇより大きくなったとしても、最大値φｍａｘを超えるおそれを低減でき、冷炎反応が生じなくなるおそれを低減できる。

一方、差分値ΔＴが５０℃より大きく、上記ステップＳ３６にてヒータ５０を停止させている場合には、ステップＳ４３に進み、予め設定しておいた空冷用の値に目標当量比φｔｒｇを設定する。この空冷用の値は、目標温度Ｔｔｒｇに対応する当量比の最大値φｍａｘよりも大きい値に設定されている。つまり、ステップＳ４２の場合に比べて空気の流量を増大させることで、雰囲気温度の迅速な低下を促進させることを図る。

続くステップＳ４４では、ＮＯｘ浄化装置１５へ流入したＮＯｘの全てを還元するのに必要な燃料を、過不足なくＮＯｘ浄化装置１５へ供給するための値を、目標燃料流量Ｆｔｒｇとして設定する。上記目標燃料流量Ｆｔｒｇとは、単位時間当たりにＮＯｘ浄化装置１５へ供給する燃料の質量である。

具体的には、以下に説明するＮＯｘ流入流量およびＮＯｘ触媒温度に基づき、目標燃料流量Ｆｔｒｇを設定する。上記ＮＯｘ流入流量とは、単位時間当たりにＮＯｘ浄化装置１５へ流入するＮＯｘの質量である。例えば、内燃機関１０の運転状態に基づき、ＮＯｘ流入流量を推定できる。上記ＮＯｘ触媒温度とは、ＮＯｘ浄化装置１５が有する還元触媒の温度のことである。例えば、排気温度センサ９６により検出された温度に基づき、ＮＯｘ触媒温度を推定できる。

そして、ＮＯｘ流入流量が多いほど、目標燃料流量Ｆｔｒｇを増大させる。また、ＮＯｘ触媒温度に応じて還元触媒上でＮＯｘが還元される量（還元力）が異なってくるので、ＮＯｘ触媒温度による還元力の違いに応じて目標燃料流量Ｆｔｒｇを設定する。

続くステップＳ４５では、ステップＳ４２またはステップＳ４３で設定した目標当量比φｔｒｇ、およびステップＳ４４で設定した目標燃料流量Ｆｔｒｇに基づき、目標空気流量Ａｔｒｇを算出する。具体的には、φｔｒｇ＝Ｆｔｒｇ／Ａｔｒｇとなるように目標空気流量Ａｔｒｇを算出する。

続くステップＳ４６では、ステップＳ４５で算出した目標空気流量Ａｔｒｇに基づき、エアポンプ２０ｐの作動を制御する。具体的には、目標空気流量Ａｔｒｇが大きいほど、エアポンプ２０ｐへの通電デューティ比を増大させる。続くステップＳ４７では、ステップＳ４４で設定した目標燃料流量Ｆｔｒｇに基づき、燃料噴射弁４０の作動を制御して燃料噴射を実施する。具体的には、目標燃料流量Ｆｔｒｇが大きいほど燃料噴射弁４０の開弁時間を長くする。

次に、放電電力制御手段に係るステップＳ５０の処理について説明する。先ずステップＳ５１において、ステップＳ４４で設定した目標燃料流量Ｆｔｒｇに基づき、目標オゾン流量Ｏｔｒｇを算出する。具体的には、気化室３０ｂにおけるオゾン濃度の燃料濃度に対する比率が所定値（例えば０．２）となるように、目標オゾン流量Ｏｔｒｇを算出する。例えば、所定時間（例えば０．０２秒）内に冷炎反応を完了させるよう、上記比率を設定する。例えば、図１１の如く燃料濃度が２２００ｐｐｍの場合には、０．０２秒内に冷炎反応を完了させるにはオゾン濃度が４００ｐｐｍであればよい。この場合、オゾン濃度が４００ｐｐｍとなるように目標オゾン流量Ｏｔｒｇを設定する。さらにステップＳ５１では、還元触媒が低温であるほど目標オゾン流量Ｏｔｒｇを増加させるように設定する。

続くステップＳ５２では、ステップＳ４５で算出した目標空気流量Ａｔｒｇ、およびステップＳ５１で算出した目標オゾン流量Ｏｔｒｇに基づき、放電リアクタ２０への目標通電量Ｐｔｒｇを算出する。具体的には、目標空気流量Ａｔｒｇが多いほど、電極間通路２１ａでの空気の滞留時間が短くなるので、目標通電量Ｐｔｒｇを大きくする。また、目標オゾン流量Ｏｔｒｇが多いほど、目標通電量Ｐｔｒｇを大きくする。続くステップＳ５３では、ステップＳ５２で算出した目標通電量Ｐｔｒｇに基づき、放電リアクタ２０への通電量を制御する。具体的には、目標通電量Ｐｔｒｇが大きいほど、放電リアクタ２０への通電デューティ比を増大させる。

以上により、図１４に示す強部分酸化モードによれば、放電リアクタ２０で生成されたオゾン、空気中の酸素、およびヒータ５０により気化された燃料が、気化室３０ｂで混合され、オゾンが存在する環境下で燃料が部分酸化される。これに対し、図１５に示す弱部分酸化モードでは、オゾンの生成を停止させて、ヒータ５０により気化された燃料および空気中の酸素が気化室３０ｂで混合され、オゾンが存在しない環境下で燃料が部分酸化される。

詳細には、図１２のステップＳ１６にて弱部分酸化モードに設定されると、図１５のサブルーチン処理が開始される。図１５の処理では、図１４に示すステップＳ３０、Ｓ４０と同様の処理を実施しつつ、図１４のステップＳ５０の処理を廃止している。つまり、ステップＳ３０にて所定の温度範囲に調整するとともに、ステップＳ４０にて所定の当量比範囲に調整する。但し、ステップＳ５０によるオゾン生成を実施せず、ステップＳ５４にて放電リアクタ２０への通電を停止させる。

また、図１２のステップＳ１７にて酸化停止モードに設定されると、図１６のサブルーチン処理が開始される。図１６の処理では、図１４に示すステップＳ３０と同様の処理を実施しつつ、図１４のステップＳ４０、Ｓ５０の処理を廃止している。つまり、ステップＳ３０にて所定の温度範囲に調整する。但し、ステップＳ４０による当量比の調整およびステップＳ５０によるオゾン生成を実施せず、ステップＳ５４にて放電リアクタ２０への通電を停止させ、ステップＳ５５にてエアポンプ２０ｐの作動を停止させる。

また、ステップＳ３０にて温度調整が為された後、図１４と同様にして、ステップＳ４４により目標燃料流量Ｆｔｒｇを設定する。その後、ステップＳ４４で設定した目標燃料流量Ｆｔｒｇに基づき、ステップＳ４７により燃料噴射弁４０の作動を制御して燃料噴射を実施する。

要するに、図１６に示す酸化停止モードによれば、オゾンの生成を停止させるとともに、気化室３０ｂへの空気（酸素）の供給を停止させる。但し、燃料を気化室３０ｂへ供給してヒータ５０により気化させることは実施する。そのため、酸素やオゾンによる酸化が為されることなく部分酸化していない気体燃料が、排気通路１０ｅｘへ添加される。なお、ステップＳ５４、Ｓ５５の処理を実行している時のマイコン８１は、燃料の改質を抑制または停止させる「改質制限手段」に相当する。

さて、上述した各種モードのいずれで還元剤を添加した場合であっても、ＮＯｘ触媒温度に応じてＮＯｘ浄化率は変化する。図１７は、このようなＮＯｘ触媒温度とＮＯｘ浄化率との関係を表したシミュレーション結果である。図中の実線は強部分酸化モード、点線は弱部分酸化モード、一点鎖線は酸化停止モードによる結果を示す。当該シミュレーションでは、還元触媒として銀アルミナを用いている。また、還元剤には炭化水素ＨＣが用いられ、メタンに換算した濃度において１０００ｐｐｍｃの濃度のＨＣを添加している。また、還元触媒に流入するＮＯｘの濃度は６０ｐｐｍであり、還元触媒に流入する酸素の濃度は１０％である。また、強部分酸化モード時のオゾン濃度は５０ｐｐｍである。

図示されるように、いずれのモードにおいても、浄化率が最大となる場合の触媒温度（ピーク温度）が存在する。但し、そのピーク温度はモードによって異なる。つまり、強部分酸化モードのピーク温度は弱部分酸化モードのピーク温度よりも低く、弱部分酸化モードのピーク温度は酸化停止モードのピーク温度よりも低い。そして、ピーク温度に対応する浄化率の最大値は強部分酸化モードが最も高く、次に、弱部分酸化モードの浄化率最大値が高く、酸化停止モードの浄化率最大値が最も低い。

但し、符号Ｔａに示す温度（第１境界温度）よりも高温側の領域では、酸化停止モードの方が弱部分酸化モードよりも浄化率が高い。また、符号Ｔｂに示す温度（第２境界温度）よりも高温側の領域では、弱部分酸化モードの方が強部分酸化モードよりも浄化率が高い。このような浄化率の逆転現象が生じる理由を、本発明者らは以下のように考察している。

すなわち、第１境界温度Ｔａより高温側の領域では、部分酸化された改質燃料の一部が、ＮＯｘを還元する前に完全に酸化して二酸化炭素および水に変化（酸化変質）し、ＮＯｘ還元能力を失う。そのため、部分酸化による改質を行わない方が却って浄化率が高くなる。第２境界温度Ｔｂより高温側の領域においても同様にして、部分酸化された改質燃料の一部が酸化変質してＮＯｘ還元能力を失うこととなり、触媒温度が高温であるほど酸化変質する度合いが高くなる。よって、オゾンを供給しない方が却って浄化率が高くなる。但し、第２境界温度Ｔｂより低温側の領域においては、オゾンを供給して部分酸化を促進させても上記酸化変質が殆ど生じなくなるので、オゾンを供給した方が浄化率は高くなる。

以上の考察に基づき、図１２のモード判定に用いる所定温度Ｔ１は第１境界温度Ｔａに基づき設定されている。すなわち、第１境界温度Ｔａ、または第１境界温度Ｔａから所定範囲内の温度に所定温度Ｔ１は設定されている。そして、還元触媒温度が所定温度Ｔ１より高温である場合に、酸化停止モードに切り替えて改質を停止させる。これによれば、例えば触媒温度が上昇して第１境界温度Ｔａの低温側から高温側に移行した場合には、弱部分酸化モードから酸化停止モードに切り替えられる。よって、部分酸化した燃料が酸化変質してＮＯｘ還元能力を失うといった事態に陥る機会が低減されて、浄化率が向上する。

さらに本実施形態では、オゾン供給手段およびオゾン制御手段を備える。オゾン供給手段は、還元剤にオゾンを供給することで、オゾンが存在する環境下で改質を実行させる。オゾン制御手段は、活性化温度以上かつ所定温度Ｔ１未満に設定された第２所定温度Ｔ２より還元触媒が低温であることを条件として、オゾンを供給させるようにオゾン供給手段を制御する。これによれば、例えば触媒温度が上昇して第２境界温度Ｔｂの低温側から高温側に移行した場合には、高部分酸化モードから弱部分酸化モードに切り替えられる。よって、部分酸化した燃料が酸化変質してＮＯｘ還元能力を失うといった事態に陥る機会が低減されて、浄化率が向上する。

さらに本実施形態では、オゾン制御手段は、強部分酸化モードにおいて還元触媒が低温であるほどオゾン供給量を増加させるようにオゾン供給手段を制御する。低部分酸化した燃料が酸化変質してＮＯｘ還元能力を失うといったリスクは、触媒温度が低温であるほど小さくなるので、低温であるほどオゾン供給量を増加させる本実施形態によれば、上記リスクが小さい状況でオゾンによる部分酸化を促進させることができる。

さらに本実施形態では、改質手段は、還元剤を酸素により部分的に酸化させる反応室を内部に形成する反応容器３０を有し、改質制限手段は、反応室への酸素供給を停止させることで、改質を停止させる。さて、本実施形態に反し、反応室の温度を低下させて改質を停止させることも実現可能であるが、ヒータ５０への通電をオフさせても、改質停止する程度に温度低下するには時間を要する。これに対し本実施形態では、酸素供給を停止させることで改質を停止させるので、改質停止を迅速に実施できる。

さらに本実施形態では、反応室へ空気を供給する接続配管３３（空気供給配管）に設けられ、改質制限手段により改質を停止させている場合には、空気供給配管の内部通路を閉鎖させるように閉弁作動する逆止弁３４を備える。これによれば、酸化停止モードでの作動時に、反応容器３０で気化した燃料が放電リアクタ２０の側へ逆流することを防止できる。

しかも、本実施形態ではスプリング３４ａにより逆止弁３４を閉弁させる構造であるため、エアポンプ２０ｐを停止すると逆止弁３４が閉弁作動し、エアポンプを作動させると逆止弁３４が開弁作動するようになる。よって、強部分酸化モードまたは弱部分酸化モードにより部分酸化させる場合には、エアポンプ２０ｐにより生じる圧力差により逆止弁３４は開弁作動し、酸化停止モード時にはエアポンプ２０ｐを停止することにより閉弁作動する。よって、酸化停止モード時に閉弁作動する機能を、簡素な構造で実現できる。

さらに本実施形態では、空気中の酸素により燃料を酸化反応させる反応容器３０を備える。そして、冷炎反応が生じるように反応容器３０内の温度および当量比が調整され、冷炎反応により部分的に酸化された燃料（改質燃料）を、ＮＯｘ浄化用の還元剤として排気通路１０ｅｘに添加する。そのため、部分酸化されていない燃料を還元剤としてそのまま用いる場合に比べて、ＮＯｘ浄化率を向上させることができる。

さらに本実施形態では、放電リアクタ２０を備え、冷炎反応を生じさせる時には、放電リアクタ２０により生成されたオゾンを反応容器３０へ供給する。そのため、図１１に示すように冷炎反応の開始時期の早期化と、冷炎反応時間の短縮化を図ることができる。よって、反応容器３０内での燃料の滞留時間が短くなるように反応容器３０を小型化しても、上記滞留時間内に冷炎反応が完了するようにできる。よって、反応容器３０の小型化を図ることができる。

さらに本実施形態では、図１４のステップＳ５０の処理により、気化室３０ｂでの燃料の濃度に応じて、放電に用いる電力を制御する。例えば、オゾン濃度の燃料濃度に対する比率が所定値（例えば０．２）となるように目標オゾン流量Ｏｔｒｇを算出して、放電電力を制御する。そのため、燃料濃度に対するオゾン濃度の過不足量を少なくして、オゾンによる冷炎反応開始の早期化と、放電リアクタ２０に対する省電力化を図るようにできる。

さらに本実施形態では、還元触媒が活性化温度Ｔ３未満である場合には、燃料噴射弁４０による燃料噴射を停止させつつ、放電リアクタ２０により生成されたオゾンを気化室３０ｂへ供給させることで、排気通路１０ｅｘへオゾンを添加する。これによれば、ＮＯｘ浄化装置１５の還元触媒が活性化していないにも拘わらず、還元剤としての改質燃料を添加することを防止できる。そして、オゾンの添加により、排気中のＮＯをＮＯ_２に酸化させてＮＯｘ浄化触媒に吸着させるので、ＮＯｘ浄化装置１５へのＮＯｘ吸着量を増大できる。

さらに本実施形態では、燃料を加熱するヒータ５０と、気化室３０ｂの温度（雰囲気温度）を検出する温度センサ３１とを備える。そして、図１４のステップＳ３０による温度調整手段は、温度センサ３１により検出された温度に応じてヒータ５０の作動を制御することで、気化室３０ｂの温度を所定の温度範囲に調整する。これによれば、気化室３０ｂの温度が温度センサ３１により直接検出される。また、気化室３０ｂの燃料がヒータ５０により直接加熱される。そのため、気化室３０ｂの温度を所定の温度範囲に調整することを精度良く実現できる。

ここで、図１０に示すように、冷炎反応が生じる当量比範囲は雰囲気温度に応じて異なる。この点を鑑みた本実施形態では、図１４のステップＳ４０による当量比調整手段は、検出温度Ｔａｃｔに応じて目標当量比φｔｒｇを変更する。そのため、検出温度Ｔａｃｔが目標温度Ｔｔｒｇからずれている場合であっても、実際の気化室３０ｂの温度に応じた当量比に調整されるので、冷炎反応を確実に生じさせるようにできる。

さらに本実施形態では、図１４のステップＳ４４、Ｓ４７において、ＮＯｘ浄化装置１５にて要求される還元剤の流量に基づき目標燃料流量Ｆｔｒｇを設定する。そして、ステップＳ４１、Ｓ４２、Ｓ４３、Ｓ４５、Ｓ４６において、当量比が所定の当量比範囲となるよう、目標燃料流量Ｆｔｒｇに基づき目標空気流量Ａｔｒｇを設定する。そのため、ＮＯｘ浄化装置１５にて要求される還元剤の流量を満たしつつ、当量比を所定の当量比範囲に調整できる。

さらに本実施形態では、ヒータ５０により炭素数の少ない炭化水素化合物に燃料を分解させるクラッキングを実施している。クラッキングにより炭素数が少なくなった炭化水素は沸点が低くなるので、気化した燃料が液体に戻ることが抑制される。

（第２実施形態）
図１に示す実施形態では、エアポンプ２０ｐにより放電リアクタ２０へ空気を供給している。これに対し、図１８に示す本実施形態では、内燃機関１０の吸気の一部を分岐させて放電リアクタ２０へ流入させる。

具体的には、吸気通路１０ｉｎのうちコンプレッサ１１ｃの下流かつ冷却器１２の上流部分と放電リアクタ２０の流通路２２ａとは、分岐配管３６ｈにより接続されている。また、吸気通路１０ｉｎのうち冷却器１２の下流部分と流通路２２ａとは、分岐配管３６ｃにより接続されている。分岐配管３６ｈは、冷却器１２により冷却される前の高温吸気を放電リアクタ２０へ供給する。分岐配管３６ｃは、冷却器１２により冷却された後の低温吸気を放電リアクタ２０へ供給する。

これらの分岐配管３６ｈ、３６ｃには、内部通路を開閉する電磁バルブ３６が取り付けられている。電磁バルブ３６の作動はマイコン８１により制御される。分岐配管３６ｈを開けて分岐配管３６ｃを閉じるように電磁バルブ３６が作動すると、高温吸気が放電リアクタ２０へ流入する。分岐配管３６ｃを開けて分岐配管３６ｈを閉じるように電磁バルブ３６が作動すると、低温吸気が放電リアクタ２０へ流入する。

電磁バルブ３６の作動により、冷却器１２の上流部分から冷却器１２により冷却される前の高温吸気を分岐させるモードと、冷却器１２の下流部分から冷却器１２により冷却された後の低温吸気を分岐させるモードとが切り替えられる。オゾン生成モードまたは強部分酸化モードによるオゾン生成時には、低温吸気を分岐させるモードにして、生成したオゾンが吸気の熱で破壊されることの抑制を図る。また、弱部分酸化モードまたは酸化停止モードによるオゾン非生成時には、高温吸気を分岐させるモードにして、ヒータ５０により加熱された燃料が反応室内で吸気により冷却されることの抑制を図る。

なお、電磁バルブ３６を開弁させている期間中は、分岐配管３６ｈ、３６ｃにより吸気の一部が分岐して流れる分だけ、内燃機関１０の燃焼室に流入する吸気量が少なくなる。そのため、マイコン８１は、電磁バルブ３６の開弁期間中には分岐して流れる分だけ吸気量を増大させるように、スロットルバルブ１３の開度、もしくはコンプレッサ１１ｃによる過給量を補正する。

本実施形態では、上記第１実施形態に係る図１２〜図１６におけるエアポンプ２０ｐの制御を、電磁バルブ３６の制御に置き換えて実施し、その他の制御については図１２〜図１６と同様に実施する。例えば、図１４のステップＳ４６において目標空気流量Ａｔｒｇに基づきエアポンプ２０ｐを作動させる制御については、本実施形態では、目標空気流量Ａｔｒｇに基づき電磁バルブ３６の開度を制御する。なお、本実施形態では、放電リアクタ２０および電磁バルブ３６が「オゾン供給手段」に相当する。

以上により、本実施形態によれば、過給機１１により過給された吸気の一部を放電リアクタ２０へ供給する。そのため、図１に示すエアポンプ２０ｐを用いることなく、酸素を含んだ空気を放電リアクタ２０へ供給することが可能になる。

（第３実施形態）
図１および図１８に示す実施形態では、放電リアクタ２０を備えることにより、反応容器３０へオゾンを供給している。これに対し、図１９に示す本実施形態では、放電リアクタ２０を廃止している。そして、上記第１実施形態に係る図１２の制御を、図２０に示す制御に変更している。

すなわち、先ず、図２０のステップＳ１０において、内燃機関１０が運転中であるか否かを判定する。運転中でないと判定されれば、ステップＳ１８において還元剤添加装置の作動を停止させる。具体的には、エアポンプ２０ｐ、燃料噴射弁４０およびヒータ５０への通電が為されていた場合、それらの通電を停止させる。一方、内燃機関１０が運転中であると判定されれば、ＮＯｘ浄化装置１５が有する還元触媒の温度（ＮＯｘ触媒温度）に応じて還元剤添加装置を作動させる。

具体的には、先ずステップＳ１１において、ＮＯｘ触媒温度が所定温度Ｔ１より高温であるか否かを判定する。例えば、活性化温度Ｔ３が２５０℃である場合、所定温度Ｔ１を４００℃に設定する。所定温度Ｔ１より低温であると判定された場合、続くステップＳ１６Ａにおいて、部分酸化モードで還元剤添加装置を作動させる。触媒温度が所定温度Ｔ１より高温と判定された場合、ステップＳ１７において、酸化停止モードで還元剤添加装置を作動させる。

要するに、本実施形態では放電リアクタ２０を廃止しているので、第１実施形態に係る強部分酸化モードを実施できないので、部分酸化モードと酸化停止モードに切り替えている。本実施形態に係るステップＳ１６Ａによる部分酸化モードは、上記第１実施形態に係る弱部分酸化モードと同じ作動であり、部分酸化モードでは、図１５の処理のうちステップＳ５４を廃止した処理と同様の処理を実施する。また、本実施形態に係る酸化停止モードは、上記第１実施形態に係る酸化停止モードと同じ作動であり、図１６の処理と同様の処理を実施する。

以上により、本実施形態によれば、オゾンの供給により反応容器３０での反応速度の向上を図ることができないものの、放電リアクタ２０を廃止して、装置の小型化を図ることができる。

（他の実施形態）
以上、発明の好ましい実施形態について説明したが、発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、以下に例示するように種々変形して実施することが可能である。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

上記第１実施形態では、図１７のシミュレーション結果に示す第１境界温度Ｔａおよび第２境界温度Ｔｂに基づき、モード切替の判定に用いる所定温度Ｔ１および第２所定温度Ｔ２を設定している。しかし、図１７のシミュレーションは条件に応じて変化するので、その条件に応じて、所定温度Ｔ１および第２所定温度Ｔ２を変更させてもよい。例えば、ＮＯｘ浄化装置１５へ流入するＮＯｘ濃度や酸素濃度に応じて、所定温度Ｔ１および第２所定温度Ｔ２を変更してもよい。また、流入するＮＯｘに含まれるＮＯとＮＯ_２の比率に応じて、所定温度Ｔ１および第２所定温度Ｔ２を変更してもよい。内燃機関１０の運転条件に応じて所定温度Ｔ１および第２所定温度Ｔ２を変更してもよい。

上記各実施形態では、触媒温度が所定温度Ｔ１より高い高温時に、酸化停止モードにより改質を停止させている。これに対し、上記高温時に改質を停止させることに替え、改質を抑制させながら継続させる酸化抑制モードを実施してもよい。例えば、図１２または図２０に示す酸化停止モードを上記酸化抑制モードに変更し、酸化抑制モードでは、弱部分酸化モードまたは部分酸化モードに比べて部分酸化（改質）の度合いを抑制させる。具体的には、空気または排気の反応容器３０への供給量を減少させることで改質度合いを抑制させる。或いは、気化室３０ｂの温度を低下させることで改質度合いを抑制させる。

上記第１実施形態では、強部分酸化モードを実施するにあたり、還元触媒が低温であるほどオゾン供給量を増加させている。この制御と同様にして、弱部分酸化モードを実施するにあたり、還元触媒が低温であるほど空気または排気の供給量を増加させてもよい。

酸化停止モードを実施するにあたり、ヒータ５０による加熱量を低下またはヒータ５０を停止させてもよい。これによれば、燃料の酸化停止の確実性を向上できる。なお、図１６に示す如く、酸化停止モードにおいても反応室の温度を所定の温度範囲に調整してもよい。これによれば、酸化停止モードから弱部分酸化モードまたは部分酸化モードに切り替わった場合に、反応室温度が既に所定の温度範囲に調整された状態になっているので、部分酸化を迅速に実施することができる。

図１に示す実施形態では、反応容器３０の内部にヒータ５０を配置しているが、反応容器３０の上流側で燃料または空気を加熱するよう、反応容器３０の外部にヒータ５０を配置してもよい。また、図１に示す実施形態では、反応容器３０の内部に温度センサ３１を配置しているが、反応容器３０の下流に温度センサ３１を配置してもよい。

図１に示す実施形態では、液体燃料を微粒化して加熱手段へ供給する微粒化手段として、燃料噴射弁４０を採用している。これに対し、超音波等の高周波数で振動する振動板に液体燃料を接触させることで、液体燃料を振動させて微粒化させる振動装置を、微粒化手段として採用してもよい。

図１８に示す実施形態では、吸気通路１０ｉｎのうち、冷却器１２の上流部分および下流部分の２箇所から分岐配管３６ｈ、３６ｃにより吸気を分岐させている。これに対し、２本の分岐配管３６ｈ、３６ｃのいずれか一方を廃止し、電磁バルブ３６による先述した低温吸気と高温吸気の切り替えを廃止してもよい。

図１に示す上記実施形態では、ＮＯｘを物理的に捕捉（つまり吸着）する還元触媒が採用されているが、ＮＯｘを化学的結合により捕捉（つまり吸蔵）する還元触媒が採用された燃焼システムに、還元剤添加装置を適用させてもよい。

内燃機関１０が理論空燃比よりもリーンな状態で燃焼させている時に、ＮＯｘ浄化装置１５がＮＯｘを吸着し、リーン燃焼以外の時にＮＯｘを還元させる燃焼システムに、還元剤添加装置を適用させてもよい。この場合、リーン燃焼時にはオゾンを生成し、リーン燃焼以外の時に改質燃料を生成させればよい。このようにリーン燃焼時にＮＯｘを捕捉する触媒の具体例としては、担体に担持された白金とバリウムによる吸蔵還元触媒が挙げられる。

吸着または吸蔵の機能を有しないＮＯｘ浄化装置１５が採用された燃焼システムに、還元剤添加装置を適用させてもよい。この場合、ＮＯｘ浄化装置１５には、リーン燃焼時に所定温度範囲でＮＯｘ還元性能を有する触媒として、鉄系、銅系等の触媒が考えられ、これらの触媒に還元剤として改質燃料を供給すれば良い。

上記第１実施形態では、図１２のステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３の判定で用いるＮＯｘ触媒温度を、排気温度センサ９６により検出された排気温度から推定している。これに対し、ＮＯｘ浄化装置１５に温度センサを取り付けて、ＮＯｘ触媒温度を直接計測してもよい。或いは、出力軸１０ａの回転速度および内燃機関１０の負荷等に基づき、ＮＯｘ触媒温度を推定してもよい。

図１に示す実施形態では、放電リアクタ２０は、平板形状の電極２１を互いに平行に対向するように配置して構成されている。これに対し、放電リアクタは、針状に突出した形状の針状電極と、針状電極を環状に取り囲む環状電極とから構成されていてもよい。

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

１０…内燃機関、１０ｅｘ…排気通路、１５…ＮＯｘ浄化装置、３０…反応容器（改質手段）、５０…ヒータ（改質手段）、Ｓ５４、Ｓ５５…改質制限手段。

Claims (6)

1. 内燃機関（１０）の排気に含まれるＮＯｘを還元触媒上で浄化するＮＯｘ浄化装置（１５）が排気通路（１０ｅｘ）に備えられた燃焼システムに設けられ、前記排気通路のうち前記還元触媒の上流側へ還元剤を添加する還元剤添加装置において、
   前記還元剤を部分的に酸化させて改質する改質手段（３０、５０）と、
   前記還元触媒の活性化温度以上に設定された所定温度（Ｔ１）より前記還元触媒が高温である場合に、前記所定温度より前記還元触媒が低温である場合に比べて前記改質を抑制、または前記改質を停止させる改質制限手段（Ｓ５４、Ｓ５５）と、
   を備えることを特徴とする還元剤添加装置。
2. 前記還元剤にオゾンを供給することで、オゾンが存在する環境下で前記改質を実行させるオゾン供給手段（２０、２０ｐ、３６）と、
   前記活性化温度以上かつ前記所定温度未満に設定された第２所定温度（Ｔ２）より前記還元触媒が低温であることを条件として、オゾンを供給させるように前記オゾン供給手段を制御するオゾン制御手段（Ｓ５０）と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の還元剤添加装置。
3. 前記オゾン制御手段は、前記還元触媒が低温であるほどオゾン供給量を増加させるように前記オゾン供給手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の還元剤添加装置。
4. 前記改質手段は、前記還元剤を酸素により部分的に酸化させる反応室（３０ａ、３０ｂ）を内部に形成する反応容器（３０）を有し、
   前記改質制限手段は、前記反応室へ供給する酸素を減少またはゼロにすることで、前記改質を抑制または停止させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の還元剤添加装置。
5. 前記反応室へ供給される前記還元剤と空気の比率である当量比を、所定の当量比範囲に調整する当量比調整手段（Ｓ４０）と、
   前記反応室の温度を所定の温度範囲に調整する温度調整手段（Ｓ３０）と、
   を備え、
   前記当量比範囲および前記温度範囲は、前記反応室内の前記還元剤が空気中の酸素により部分的に酸化される冷炎反応が生じるように設定されていることを特徴とする請求項４に記載の還元剤添加装置。
6. 前記反応室へ空気を供給する空気供給配管（３３）に設けられ、前記改質制限手段により前記改質を停止させている場合には、前記空気供給配管の内部通路を閉鎖させるように閉弁作動する逆止弁（３４）を備えることを特徴とする請求項４または５に記載の還元剤添加装置。

Images