以下、本発明の内燃機関の排気浄化方法お� ��び排気浄化装置について詳細に説明する。
 図1は、本発明の排気浄化装置を備える内燃 機関の基本的構成を示す概念図である。
 図1に示す内燃機関1は、ディーゼルエンジ� �の基本的な構成を有するものである。
 この内燃機関1は、4つの燃焼室を備えるシ� �ンダヘッド2と、ターボチャージャ4と、排気 ガス循環流路(以下、「EGR」という)5と、吸気 マニホールド6と、排気マニホールド7と、ECU( 電子制御装置)8と、排気浄化装置9とを有する ものである。

 シリンダヘッド2は、吸気マニホールド6� �連結されるとともに、各燃焼室に燃焼用燃� �を高圧状態で蓄えるコモンレール(図示せず) が連結され、先端を燃焼室に臨ませた燃料噴 射弁(図示せず)が設けられている。また、コ� ��ンレールには、燃料タンク(図示せず)から� �料を汲み上げて供給する燃料ポンプ(図示せ� ��)が接続されている。

 ターボチャージャ4は、コンプレッサ4aの� ��に吸気流路10が連結され、タービン4bの側に 排気流路11が連結されている。そして、吸気� ��路10の下流側は、インタークーラ12を介して 吸気マニホールド6に連結されている。また� �吸気流路10の上流側には、吸気を清浄化する エアクリーナ、吸気量を調節する吸気制御弁 、低回転速度・低負荷運転領域で流路断面積 を絞って吸気流速を高めるためのスワールコ ントロール弁などが設けられている。

 EGR5は、シリンダヘッド2の各燃焼室の排� �ポートに連結された排気マニホールド7に連� ��され、EGRクーラ13およびEGRバルブ14を介して 吸気マニホールド6に連結されている。EGRク� �ラ13は、排気マニホールド7から吸気マニホ� �ルド6に再循環され、燃焼室に流入する排気� ��冷却するものであり、EGRバルブ14は、燃焼� �に流入する排気の再循環量を調節するもの� �ある。

 ECU8は、ターボチャージャ4、吸気流路10に 設けられる吸気制御弁、EGR制御弁、シリンダ ヘッド2の各燃焼室に設けられる燃料噴射弁� �燃料ポンプ等の動作を制御するものである� �このECU8には、内燃機関1の所定箇所に配置さ れた吸気弁開度センサ、クランク軸回転速度 センサ、吸気流量センサ、過給圧センサ、EGR 弁開度センサ、コモンレール圧センサ、アク セルペダル操作量センサ、排気浄化装置9の� �所に設けた温度センサ、燃焼圧センサ等か� �の出力信号が入力される。そして、ECU8のメ� ��リには、クランク軸回転速度および要求ト� ��ク(アクセルペダル操作量)に応じて実験等� �よって予め求めた最適燃料噴射量をはじめ� �する各制御対象の制御目標値を設定したマ� �プが格納されており、内燃機関1の負荷状況� ��応じて最適な燃焼状態が得られるように、� ��部の制御が行われる。

 排気浄化装置9は、排気流路11に、上流側� ��ら下流側に沿って、第1排気コンバータ15と� ��第2排気コンバータ16と、第3排気コンバータ 17とが、この順に配置され、さらに、燃料改� ��器18とを有するものである。

 第1排気コンバータ15は、排気中の一酸化� ��素と炭化水素を酸化させて窒素酸化物を還� ��する触媒を備えるものである。用いる触媒� ��しては、白金およびパラジウムから選ばれ� ��少なくとも1種と、ロジウムおよびセリウム から選ばれる少なくとも1種とを含む触媒を� �いることができる。ロジウムは、第3排気コ� ��バータ17における窒素酸化物の吸着・還元� �力を補助するために必要な触媒成分であり� �また、セリウムは、酸素の吸着・放出能が� �く、急激な酸素濃度変化などにおいても安� �した触媒作用を発揮するために必要な触媒� �分である。

 第2排気コンバータ16は、排気中の煤など� ��粒子状物質を捕捉する触媒またはフィルタ� ��配設されているものである。粒子状物質を� ��捉するフィルタ材としては、炭化ケイ素(SiC )、コージュライト等がある。また、これら� �白金やパラジウムを含む酸化触媒を坦持し� �ものであってもよい。

 燃料改質器18は、上流側で、燃料供給路18 aによって燃料供給バルブ19aを介して内燃機� �1の燃料タンク(図示せず)に連結されている� �そして、燃料供給路18aは、コンプレッサ20に 圧力調整バルブ19bを介して連結されている。 また、燃料改質器18は、下流側で、改質気体� ��路18bによって第2排気コンバータ16と第3排気 コンバータ17とを連絡する排気流路11aに連結� ��れている。

 この燃料改質器18においては、内燃機関1� ��燃料タンク(図示せず)から、燃料供給路18a� �よって燃料供給バルブ19aを介して供給され� �燃料を改質して一酸化炭素を含む改質気体� �製造される。製造された改質気体は、改質� �体流路18bを通って、改質気体流路18bに連結� �れた排気流路11aを流通する排気に導入され� �。燃料供給バルブ19a、圧力調整バルブ19b、� �ンプレッサ20、および燃料改質器18内に設置� ��れた温度センサ(図示せず)は、ECU8に連結さ� ��、内燃機関1に連動して動作する。

 この燃料改質器18における燃料の改質は、� �料を構成する炭化水素の部分酸化反応によ� �て行われる。この炭化水素の部分酸化反応� �、例えば、炭化水素として軽油を用いた場� �には、下記式9で表される反応である。
 式9:C _n H _1.8n +0.5nO ₂ →nCO+0.9nH ₂
 この部分酸化反応は、高温状態で進行する� ��のであり、特に、水素は高温で燃焼し易く� ��一酸化炭素の選択率が上がることになる。

 燃料改質器18に用いられる触媒としては� �ロジウムおよびセリウムを含む触媒、ロジ� �ムと白金およびアルミナを含む触媒などが� �げられる。

 第3排気コンバータ17は、窒素酸化物を吸� ��して還元する触媒(以下、「NOx吸着・還元触 媒」という)が配設され、このNOx吸着・還元� �媒によって、改質気体とともに排気流路11a� �ら導入される排気中の窒素酸化物を吸着・� �元して排気を浄化するものである。

 この第3排気コンバータ17における窒素酸化� ��の吸着・還元は、下記の過程A(A1、A2)および 過程Bを繰り返すことによって行われる。す� �わち、周期的にリーン/リッチ条件で燃料を� ��給して燃焼させる内燃機関1から排出される 排気のリーン状態およびリッチ状態に応じて 、下記の過程A(A1,A2)および過程Bが繰り返され る。排気の空燃比が高いリーン状態では、排 気中の窒素酸化物NOx(NO、NO ₂ )の触媒への吸着および一酸化窒素(NO)の酸化( 過程A1)が行われ、排気の空燃比が低いリッチ 状態では、触媒上で二酸化窒素(NO ₂ )からアンモニア(NH ₃ )の生成(過程B)が行われる。そして、次に、� �気の空燃比が高いリーン状態となったとき� �、排気中の窒素酸化物NOxと、触媒に吸着さ� �ているアンモニア(NH ₃ )との反応によって、窒素酸化物NOxが還元さ� �て窒素(N ₂ )と水(H ₂ O)が生成(過程A2)し、排気中の窒素酸化物NOxが 浄化される。
 過程A1
  NO,NO ₂ →NOx(ad)           リーン状態
  NO(ad)→NO ₂ (ad)           リーン状態
 過程B
  NO ₂ (ad)→NH ₃ (ad)                 リッチ状態
 過程A2
  NH ₃ (ad)+NOx→N ₂ +H ₂ O      リーン状態
 図2に、この過程A(A1,A2)および過程Bにおける 内燃機関の排気の空燃比と、吸着・還元触媒 の作用を示す。

 このとき、NOx吸着・還元触媒は、一酸化炭� ��と水蒸気から水素を生成するシフト反応触� ��と、水素と窒素酸化物を反応させてアンモ� ��アを生成する触媒と、生成したアンモニア� ��吸着保持する触媒とを含むものである。シ� ��ト反応触媒は、過程Bにおいて、二酸化窒素 (NO ₂ )からアンモニア(NH ₃ )の生成に必要な水素を生成する、すなわち� �下記のシフト反応によって、水素を生成す� �役割を有する。
   CO+H ₂ O→H ₂ +CO ₂
 このNOx吸着・還元触媒として、特に、白金� ��よびセリアと、ゼオライトとを含む触媒を� ��いることができる。白金およびセリア(セリ ウム酸化物)は、メタネーションを起こしに� �く、シフト反応を促進させるとともに、一� �化炭素と水蒸気からの水素生成、水素と一� �化窒素からのアンモニア合成を効果的に行� �ために白金とセリアの存在が不可欠である� �生成したアンモニアを保持する材料として� �ゼオライトが最も効果的である。

 そして、NOx吸着・還元触媒による窒素酸� ��物の吸着・還元において、燃料改質器18か� �供給される改質気体は、一酸化炭素を含み� �第3排気コンバータ17に配設された前記シフ� �反応触媒によるシフト反応に一酸化炭素を� �給するためのものである。

 ところで、この排気浄化装置9を有する内 燃機関1においては、吸気流路10を流れる空気 は、吸気マニホールド6を通って、シリンダ� �ッド2の燃焼室の吸気バルブ(図示せず)が開� �するととともに、ピストン(図示せず)が下降 するとき、燃焼室に吸入される。吸入された 空気はピストンが上昇するときに、圧縮され て高温となる。

 一方、燃料タンク(図示せず)に貯留され� �燃料(軽油)は、燃料ポンプおよびコモンレー ル(図示せず)を介して、燃料噴射弁に供給さ� ��、燃料噴射弁が駆動されるとき、燃焼室に� ��射され、圧縮されて高温となった吸入空気� ��よって自然着火(圧縮着火)して燃焼する。� �の燃焼圧力によってピストンが下方に駆動� �れた後、再び上昇するときに、排気弁(図示� ��ず)が開弁して、排気が排気マニホールド7� �排出される。排出された排気は、排気流路11 を流通する。

 そして、ECUからの制御信号に応じて、EGR� ��ルブ14が作動して、排気マニホールド7に連� ��されたEGR5を通じて、排気の一部が吸気マニ ホールド2に還流される。

 また、排気流路11に設けられたターボチ� �ージャ4において、排気によって、タービン4 bが回転され、その回転によって、タービン4b と機械的に接続されているコンプレッサ4aが� ��動され、吸気流路10から吸入される空気が� �給される。ターボチャージャ4によって過給� ��れた空気は、インタークーラ12で冷却され� �後、吸気マニホールド6に供給される。

 排気マニホールド7に排出された排気は、 排気流路11を通って、排気浄化装置9の第1排� �コンバータ15、第2排気コンバータ16および第 3排気コンバータ17の順に流通する。そして、 第1排気コンバータ15において、一酸化炭素と 炭化水素(HC)を燃焼させて窒素酸化物が還元� �れ、第2排気コンバータ16において、粒子状� �質を捕捉され、第3排気コンバータ17におい� �、窒素酸化物が吸着・還元され、浄化され� �。

 ここで、内燃機関1において、前述の通り 、燃焼室に噴射された燃料は圧縮されて高温 となった吸入空気に触れて自己着火して燃焼 し、ピストンを下方に駆動する。また、燃焼 によって生じた排気は、排気行程において排 気バルブ(図示せず)が開弁されるとき、排気� ��ニホールド7および排気流路11に排出される� ��この内燃機関1の自己着火による燃焼は、空 燃比(A/F)が、理論空燃比よりも高いリーン条� ��で行われる。したがって、内燃機関1から排 出される排気は、空燃比(A/F)が高い状態とな� ��ている。一方、内燃機関1においては、前記 の通常の燃料噴射が行われてリーン条件での 燃焼が生じた後、爆発行程から排気行程に移 行した付近において、内燃機関1が低、中負� �にあるとき、燃料噴射弁を介してポスト噴� �量に基づいて燃料を噴射するポスト噴射が� �われる。このポスト噴射においては圧縮空� �が存在しないことから、噴射された燃料の� �くは燃焼することなく、未燃燃料として排� �系に排気される。未燃燃料の成分のほとん� �は、HC(炭化水素)である。したがって、この� ��きの排気は、空燃比(A/F)が、理論空燃比よ� �も低いリッチ条件となる。また、内燃機関1� ��空燃比を制御することで、運転条件によっ� ��はリッチ条件を作り出すことができ(燃焼リ ッチ)、この2つの方法を併用して、リッチ条� ��を作り出すことができる。

 このように、内燃機関1においては、リー ン条件とリッチ条件での燃焼が周期的に行わ れ、この内燃機関1から排出される排気も、� �2に示すように、空燃比(A/F)が、理論空燃比� �りも高いリーン状態と、空燃比(A/F)が、理論 空燃比よりも低いリッチ状態とを周期的に繰 り返す。

 この内燃機関1から排出される排気は、第 1排気コンバータ15、第2排気コンバータ16およ び第3排気コンバータ17において、排気におけ る周期的なリーン状態およびリッチ状態に応 じて、それぞれ下記のようにして浄化される 。

 以下、この排気浄化装置9における排気浄化 方法について説明する。
 まず、内燃機関1のポスト噴射および燃料リ ッチによって生じるリッチ状態の排気は、空 燃比が低いため、一酸化炭素および未燃の炭 化水素を含むものである。そして、第1排気� �ンバータ13においては、この炭化水素と一酸 化炭素の酸化によって、窒素酸化物NOxが還元 される。

 次に、第2排気コンバータ16においては、� ��気中に含まれる粒子状物質(PM)がフィルタに 捕捉され、捕捉された粒子状物質は徐々に堆 積する。この堆積した粒子状物質は、フィル タに担持させた酸化触媒によって粒子状物質 の燃焼が行われる。このとき、ポスト噴射に よるリッチ状態の排気では、第1排気コンバ� �タ15における炭化水素と一酸化炭素の酸化に よって排気温度が上昇しているため、これに よって、酸化触媒による粒子状物質の燃焼が 行われる。

 次に、第2排気コンバータ16で粒子状物質� ��除去された排気には、排気流路11aにおいて� ��燃料改質器18から改質気体流路18bを通って� �給される改質気体が導入される。この改質� �体が導入された排気は、第3排気コンバータ1 7に導入され、前述の通り、排気のリーン状� �およびリッチ状態に応じて、窒素酸化物の� �着・還元が行われ、浄化される。浄化され� �排気は、外部へ排出される。

 この排気浄化装置9において、第2排気コ� �バータ16における熱吸収量が大きく、排気流 路11aにおける排気温度よりも高温の改質気体 を導入することによって、第3排気コンバー� �17における触媒温度の上昇を助け、ライトオ フ時間を短縮させることができる。

 また、内燃機関の始動初期など、第3排気 コンバータ17における触媒温度が低温(RT~50℃� ��度)の状態で、かつリーン条件下においても 、高温の改質気体を第3排気コンバータ17に導 入することによって、導入される一酸化炭素 の一部が燃焼することで第3排気コンバータ17 のライトオフ時間を短縮させることができる 。すなわち、第3排気コンバータ17における触 媒温度が上昇すれば、シフト反応により生成 する水素、もしくは改質気体中に含まれる水 素からアンモニアが生成して窒素酸化物の浄 化が可能になる。そのため、第3排気コンバ� �タを起動して窒素酸化物の浄化を始めるま� �の時間(以下「ライトオフ時間」という)を短 縮させることができる。

 さらに、排気流路11aを流れる排気の温度� ��十分に高い(200℃以上)状態、かつ酸素過剰� �雰囲気では、シフト反応、アンモニア生成� �応は起こらないため、排気流路11aにおける� �素濃度を0.5%以内にすることが好ましい。こ� ��排気流路11aにおける酸素濃度は、排気流路1 1aおよび第3排気コンバータ17の後に設けた酸� ��センサで監視するとともに、燃料供給量、� ��料噴射時期、空気供給量、EGR量、過給圧等� ��ECU8によって制御することによって、制御す ることが可能である。

 この内燃機関1の排気浄化装置9において、� �料改質器18を、排気流路11とは別に独立して� ��けることによって、下記の利点がある。
(1)第3排気コンバータ17において、リッチ状態 の排気におけるシフト反応を有効に進行させ 、水素を生成する。この反応において、生成 する水素濃度を上げるためには、シフト反応 は反応速度が遅いことから、相応のコンバー タ体積が必要となる。そこで、燃料改質器18� ��おいて、一酸化炭素の多い状態の改質気体� ��製造し、この改質気体を用いることによっ� ��、一酸化炭素の分圧を上げて第3排気コンバ ータ17を小さくすることができる。
(2)燃料改質器18を排気流路11とは別に独立し� �設けることにより、排気成分や排気温度、� �気流速などに影響されることなく、合成気� �を製造する反応を効率的に行うことができ� �。そのため、触媒量を少なくすることがで� �、低コストとすることができる。また、燃� �消費を低減するとともに、触媒も長寿命に� �きる。
(3)燃料改質器18は、小型でヒートロスが少な� ��ものとすることができ、また、独立に設け� ��ことで内燃機関1とは別系統の制御により早 期活性ができ、一酸化炭素を内燃機関1から� �排気温度が上昇する前に供給することを可� �にする。これにより、内燃機関1の制御で一� ��化炭素を製造する際に、特に、低温で副次� ��に生成していた炭化水素の排気濃度を抑制� ��ることが可能となる。

(4)一酸化炭素を内燃機関1の燃焼制御でつく� �という手法では制御の複雑さからのノイズ� �振動の発生が問題となっていたが、排気流� �11とは別に独立して設けられた燃料改質器18� ��よって一酸化炭素を製造することで、内燃� ��関1の制御を簡素にすることができ、ノイズ や振動の発生を抑制することが可能となる。
(5)燃料改質器18および排気流路11内にはシフ� �反応など水素を濃縮するコンバータやシス� �ム等も必要が無いため、排気システムとし� �小型かつ簡素なシステムにすることが可能� �なる。

(6)排気流路11とは別に独立して設けられる燃� ��改質器18で燃料を改質して一酸化炭素を含� �改質気体を製造することにより、排気中の� �素濃度や水蒸気濃度などの変動に左右され� �ことがなく、効率的に改質気体を製造する� �とが可能となる。
(7)排気流路11とは別に独立して設けられる燃� ��改質器18で改質気体を製造することによっ� �、燃料改質器18の改質反応における一酸化炭 素の選択率を上げて、改質気体を安定して製 造できる。これによって、第3排気コンバー� �17へ一酸化炭素を多く導入することが可能と なり、シフト反応による水素生成を促し、ア ンモニア合成量、保持量を増大させることが 可能となる。これにより、窒素酸化物を効率 的に浄化することができる。

(8)改質気体を、第2排気コンバータ16より下 流、かつ第3排気コンバータ17の上流の排気流 路11aで排気中に導入することにより、改質気 体の排気流路への吐出圧力を低くすることが できる。これにより、燃料改質器18において� ��気体圧縮器など大きなエネルギを有する機� ��類が必要でないだけでなく、改質気体の製� ��反応は増モルの反応であるため反応平衡上� ��利な低圧での高効率な反応が可能となる。