JP6090134B2 - 高活性物質添加装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＮＯｘの還元に用いる還元剤を添加する、高活性物質添加装置に関する。

従来より、内燃機関の排気に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を触媒に吸着させ、吸着されたＮＯｘを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には、還元剤を排気通路に添加する還元剤ポンプと、オゾンを生成して排気通路に添加するオゾン生成器とを備える装置が開示されている。この装置によれば、排気通路内で還元剤がオゾンにより改質され、その改質された還元剤が触媒へ供給されるので、触媒上での浄化能力が向上される。また、上記装置によれば、排気通路内のＮＯ（一酸化窒素）がオゾンによりＮＯ_２（二酸化窒素）に酸化される。そして、ＮＯ_２はＮＯに比べて触媒への吸着性が高いので、触媒に吸着されずに通過してしまうＮＯｘが低減される。

しかし、上記還元剤改質において、オゾンは還元剤との反応速度が遅く、さらにオゾンは高温（例えば２５０℃以上）になると即座に熱分解してしまうため、上記改質の効果が十分に得られなくなり、改質されないまま還元剤が触媒へ供給されることが懸念される。

この問題に対し、特許文献２には、放電する電極間に還元剤を通過させることで還元剤を改質する放電装置が開示されている。この放電装置によれば、オゾンを用いることなく放電により電離した酸素ガスにより直接的に還元剤を酸化、改質できるので、上述したオゾンの熱分解や反応速度の問題は解消され、還元剤の改質能力を向上できる。

国際公開第２０１３／０３５６６３号パンフレット 特開２００９−１６２１７３号公報

しかしながら、上記放電装置では、上述の如く改質能力を向上できるものの、オゾンによりＮＯをＮＯ_２に酸化する作用は生じないので、吸着されないＮＯｘの低減を十分に図ることができない。そして、上記放電装置とは別にオゾン生成器を備えさせると、装置の大型化を招く。

なお、吸着または吸蔵の機能を有していない触媒が採用されている場合であっても、例えばＰＭフィルターの再生にオゾンを利用する場合等、還元剤の改質とは別にオゾンの供給が求められる場合がある。そのため、オゾンを供給できない上記放電装置には改善の余地が有る。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、還元剤の改質能力向上と、オゾンの供給を可能にすることとの両立を図った高活性物質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、ひとつの態様として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。

開示される第１の発明は、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に接続された供給管（３５）から排気通路へ高活性物質を添加する高活性物質添加装置である。この高活性物質添加装置は、排気通路の外部に配置され、酸素ガスを放電により電離させる放電リアクタ（２０）と、放電リアクタへ炭化水素を供給する炭化水素供給手段（３３）と、炭化水素の供給を停止させるように炭化水素供給手段を制御することで、放電リアクタにより電離された酸素ガスから高活性物質としてオゾンを生成させるオゾン生成制御手段（Ｓ３０、Ｓ４０）と、炭化水素の供給を実施するように炭化水素供給手段を制御することで、放電リアクタにより電離された酸素ガスで炭化水素を酸化させて高活性物質として改質還元剤を生成させる改質制御手段（Ｓ５０、Ｓ６０）と、内燃機関の吸気または大気を、少なくとも酸素を含んだ酸素ガスとして放電リアクタへ供給する酸素供給手段（３１、３６、３７）と、を備え、燃焼システムは、内燃機関の吸気を過給する過給機（１１）、および過給機により過給された吸気を冷却する冷却器（１２）を備えており、酸素供給手段（３６、３７）は、過給機により過給された吸気の一部を放電リアクタへ供給するとともに、オゾン生成制御手段によるオゾン生成時には、冷却器の下流側の吸気を放電リアクタへ供給し、改質制御手段による改質還元剤生成時には、冷却器の上流側の吸気を放電リアクタへ供給することを特徴とする。
開示される第２の発明は、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高活性物質を添加する高活性物質添加装置である。この高活性物質添加装置は、酸素ガスを放電により電離させる放電リアクタ（２０）と、放電リアクタへ炭化水素を供給する炭化水素供給手段（３３）と、炭化水素の供給を停止させるように炭化水素供給手段を制御することで、放電リアクタにより電離された酸素ガスから高活性物質としてオゾンを生成させるオゾン生成制御手段（Ｓ３０、Ｓ４０）と、炭化水素の供給を実施するように炭化水素供給手段を制御することで、放電リアクタにより電離された酸素ガスで炭化水素を酸化させて高活性物質として改質還元剤を生成させる改質制御手段（Ｓ５０、Ｓ６０）と、内燃機関の吸気または大気を、少なくとも酸素を含んだ酸素ガスとして放電リアクタへ供給する酸素供給手段（３１、３６、３７）と、
を備え、燃焼システムは、内燃機関の吸気を過給する過給機（１１）、および過給機により過給された吸気を冷却する冷却器（１２）を備えており、酸素供給手段（３６、３７）は、過給機により過給された吸気の一部を放電リアクタへ供給するとともに、オゾン生成制御手段によるオゾン生成時には、冷却器の下流側の吸気を放電リアクタへ供給し、改質制御手段による改質還元剤生成時には、冷却器の上流側の吸気を放電リアクタへ供給することを特徴とする。

上記第１の発明および第２の発明によれば、炭化水素を供給させることで、放電リアクタにより電離された酸素ガスで炭化水素を酸化させて改質還元剤を生成できる。そのため、上記特許文献１ではオゾンで還元剤を改質するのに対し、上記発明ではオゾンを用いることなく炭化水素（還元剤）を改質できる。よって、先述したオゾンの熱分解や反応速度が遅いといった問題は解消され、還元剤の改質能力を向上できる。

さらに上記第１の発明および第２の発明によれば、炭化水素の供給を停止させることで、放電リアクタにより電離された酸素ガスからオゾンを生成することもできる。よって、１つの放電リアクタで、還元剤の改質とオゾン生成の両方を実現でき、還元剤の改質能力向上と、オゾンの供給を可能にすることとの両立を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係る高活性物質添加装置、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実施形態において、オゾンが生成されるメカニズムを説明する模式図。 第１実施形態において、改質ＨＣが生成されるメカニズムを説明する模式図。 第１実施形態において、オゾン生成と改質ＨＣ生成とを切り替える制御の手順を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態において、オゾン生成と改質ＨＣ生成とを切り替える制御の手順を示すフローチャート。 本発明の第３実施形態において、オゾン生成と改質ＨＣ生成とを切り替える制御の手順を示すフローチャート。 本発明の第４実施形態に係る高活性物質添加装置、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５実施形態に係る高活性物質添加装置、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５実施形態において、オゾン生成と改質ＨＣ生成とを切り替える制御の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）、ＮＯｘ浄化装置１５、還元剤浄化装置（ＤＯＣ１６）および高活性物質添加装置を備える。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、ＤＰＦ１４（Diesel Particulate Filter）、ＮＯｘ浄化装置１５、ＤＯＣ１６（Diesel Oxidation Catalyst）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。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、高活性物質添加装置の供給管３５が接続されている。この供給管３５から排気通路１０ｅｘへ、高活性物質添加装置により生成された改質還元剤が添加される。改質還元剤とは、還元剤として用いる炭化水素（燃料）を部分的に酸化して部分酸化炭化水素に改質したものであり、図２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還元剤と反応させて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も含まれているが、改質還元剤は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は、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は改質還元剤により還元されて、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。

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。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、改質還元剤を生成して供給管３５から排気通路１０ｅｘへ添加する高活性物質添加装置について説明する。高活性物質添加装置は、以下に詳述する放電リアクタ２０、エアポンプ３１、燃料噴射弁３３および電気ヒータ３４を備える。放電リアクタ２０は、接地電圧および高電圧となる一対の電極２１を複数組備える。各々の電極２１は平板形状であり、互いに平行に対向するように配置されている。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の上流側には、内部に混合室３０ａを形成するケース３０が取り付けられている。混合室３０ａには、エアポンプ３１により送風された空気が送風管３２を通じて流入する。エアポンプ３１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３１が送風する空気は、高活性物質添加装置の周囲に存在する常温常圧の大気である。空気には酸素分子が含まれているので、酸素を含むガスをエアポンプ３１は混合室３０ａへ供給していると言える。以下、このように少なくとも酸素を含むガスのことを、単に酸素ガスと呼ぶ。エアポンプ３１は酸素ガスを放電リアクタ２０へ供給する「酸素供給手段」を提供する。

燃料タンク３３ｔ内の液体燃料は、ポンプ３３ｐにより燃料噴射弁３３に供給され、燃料噴射弁３３の噴孔から混合室３０ａへ噴射される。燃料タンク３３ｔ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３３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。燃料噴射弁３３は、燃料を噴射することで放電リアクタ２０へ炭化水素を供給する「炭化水素供給手段」を提供する。

電気ヒータ３４は、混合室３０ａに配置され、燃料噴射弁３３から噴射された液体燃料を加熱する。電気ヒータ３４への通電状態はマイコン８１により制御される。電気ヒータ３４により加熱された液体燃料は、混合室３０ａ内で気化し、さらに、気化した燃料は電気ヒータ３４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。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。

混合室３０ａでは、電気ヒータ３４により気化およびクラッキングされた燃料と、エアポンプ３１により供給された酸素ガスを含む空気とが混合される。その混合気は、放電リアクタ２０の電極２１間の流通路２１ａを流通し、供給管３５を通じて排気通路１０ｅｘへ添加される。放電リアクタ２０は、混合気に含まれる炭化水素を酸化させて改質還元剤を生成する。以下、図２を用いてその生成反応について説明する。

先ず、図２中の符号（１）に示すように、電極２１から放出された電子が、混合気に含まれる酸素ガス（酸素分子）に衝突する。すると、酸素分子は電離して活性酸素の状態になる（符号（２）参照）。次に、活性酸素は、混合気に含まれる気体燃料（炭化水素）と反応して炭化水素を部分的に酸化する（符号（３）参照）。これにより、炭化水素が部分的に酸化された状態の改質還元剤が生成される（符号（４）参照）。改質還元剤の具体例としては、炭化水素の一部がヒドロキシ基（ＯＨ）、アルデヒド基（ＣＨＯ）に酸化された状態の部分酸化物が挙げられる。

さらに放電リアクタ２０は、燃料噴射弁３３による燃料噴射が停止されて燃料が流入していない状態では、図３に示すようにオゾンを活発に生成するようになる。すなわち、先ず、電極２１から放出された電子が、エアポンプ３１により送風されてくる酸素ガス（酸素分子）に衝突する（符号（１）参照）。すると、酸素分子は電離して活性酸素の状態になる（符号（２）参照）。そして活性酸素は、送風されてくる酸素分子と反応して酸化する（符号（５）参照）。

要するに、電極２１に電圧を印加してエアポンプ３１を作動させた状態にすれば、放電リアクタ２０は、酸素ガスをグロー放電によりプラズマ状態にして、酸素分子を電離させて活性酸素にする。そして、この状態で燃料が噴射されていれば、放電リアクタ２０は活性酸素により燃料を部分的に酸化させて改質還元剤を生成する。一方、燃料噴射が停止されていれば、放電リアクタ２０は活性酸素により酸素ガスからオゾンを生成する。生成された改質還元剤またはオゾンは、エアポンプ３１の送風圧力により電極２１間の流通路２１ａから流出し、供給管３５を通じて排気通路１０ｅｘへ添加される。

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、高活性物質添加装置の作動を制御する。すなわち、マイコン８１は、図４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、改質還元剤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４のステップＳ１０において、マイコン８１はエアポンプ３１を作動させる。続くステップＳ２０では、ＮＯｘ浄化装置１５が有する還元触媒の温度（ＮＯｘ触媒温度）が、活性化温度未満であるか否かを判定する。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とは、改質還元剤によりＮＯｘを還元浄化できる温度を示す。

ＮＯｘ触媒温度が活性化温度未満であると判定された場合には、ステップＳ３０において、燃料噴射弁３３を閉弁作動させて燃料噴射を停止させるとともに、電気ヒータ３４への通電を停止させる。続くステップＳ４０では、電極２１への電圧印加による放電を実施して、放電リアクタ２０内でオゾンを生成させる。ステップＳ３０、Ｓ４０の処理を実行している時のマイコン８１は「オゾン生成制御手段」を提供する。

ＮＯｘ触媒温度が活性化温度未満でないと判定された場合には、ステップＳ５０において、燃料噴射を実施させるように燃料噴射弁３３を開弁作動させるとともに、電気ヒータ３４への通電を実施する。続くステップＳ６０では、電極２１への電圧印加による放電を実施して、放電リアクタ２０内で改質還元剤を生成させる。ステップＳ５０、Ｓ６０の処理を実行している時のマイコン８１は「改質制御手段」を提供する。

以上に説明した通り、本実施形態に係る高活性物質添加装置は、供給された酸素ガスを放電により電離させて活性酸素にする放電リアクタ２０と、放電リアクタ２０へ燃料（炭化水素）を供給する燃料噴射弁３３とを備える。そして、図４のステップＳ３０、Ｓ４０によるオゾン生成制御手段、およびステップＳ５０、Ｓ６０による改質制御手段がマイコン８１により提供される。そのため、オゾン生成制御手段により燃料噴射を停止させれば、活性酸素によりオゾンが生成され、改質制御手段により燃料を噴射させれば、活性酸素により燃料が酸化（改質）されて改質還元剤が生成される。よって、１つの放電リアクタ２０で、還元剤の改質とオゾン生成の両方を実現できる。

しかも、放電リアクタ２０により電離された活性酸素により燃料を酸化させて改質還元剤を生成するので、上記特許文献１の如くオゾンで還元剤を改質する場合に比べて、還元反応速度を速くできる。よって、還元剤が改質されずに放電リアクタ２０を通過することを抑制でき、かつ、改質還元剤を排気通路１０ｅｘへ単位時間当たりに添加できる量を増加できる。

さらに本実施形態では、還元触媒がＮＯｘを吸着する機能を有している。そのため、放電リアクタ２０にて生成されたオゾンを排気通路１０ｅｘに添加すると、排気中のＮＯがＮＯ_２に酸化され、還元触媒に吸着されやすくなる。よって、生成したオゾンを、還元触媒でのＮＯｘ吸着性向上に利用することができる。

さらに本実施形態では、還元触媒が活性化温度未満であることを条件としてオゾンを生成させ、還元触媒が活性化温度以上であることを条件として改質還元剤を生成させる。そのため、還元触媒が還元能力を発揮できない低温時に改質還元剤が排気通路１０ｅｘに添加されることを回避できる。そして、上記低温時には排気通路１０ｅｘにオゾンを添加してＮＯをＮＯ_２に酸化させ、ＮＯｘ吸着性を向上させるので、低温時にＮＯｘが浄化されないままＮＯｘ浄化装置１５から流出することを抑制できる。

また、オゾンは高温であるほど熱分解しやすくなるが、本実施形態では、上記低温時にオゾンが排気通路１０ｅｘに添加され、低温時以外では添加されない。よって、添加したオゾンが排気熱で熱分解するおそれを低減できる。

ここで、燃料噴射弁３３から噴射された液体燃料が電極２１に付着すると、改質した燃料を排気通路１０ｅｘへ供給するタイミングを意図通りに制御できなくなるおそれがある。例えば、改質還元剤の供給が遅れたり、改質還元剤が低排気温時に意図に反して添加される懸念が生じる。この懸念に対し、本実施形態では、燃料噴射弁３３から噴射された液体燃料を電気ヒータ３４により加熱している。そのため、液体燃料の気化が促進され、電極２１に液体燃料が付着することを抑制でき、上記懸念を軽減できる。

さらに本実施形態では、液体燃料を電気ヒータ３４で加熱するので、先述したクラッキングを生じさせて燃料の沸点を低下させることができる。よって、気化した燃料が酸素ガスにより冷却されて液体に戻ることを抑制できるので、液体燃料が電極２１に付着することを抑制できる。

さらに本実施形態では、少なくとも酸素を含んだ酸素ガスとして大気を用いており、エアポンプ３１で大気を放電リアクタ２０へ供給する。そのため、例えば内燃機関１０の排気を酸素ガスとして用いた場合に比べて、酸素濃度の高い酸素ガスを放電リアクタ２０へ供給できる。

（第２実施形態）
図５に示す本実施形態では、ＮＯｘ触媒温度が活性化温度未満であると判定されてステップＳ３０にて燃料噴射を停止させた場合に、続くステップＳ３５において、現時点で還元触媒に吸着されているＮＯｘの量（ＮＯｘ吸着量）を推定する。例えば、出力軸１０ａの回転速度、内燃機関１０の負荷、内燃機関１０での燃焼に用いる燃料の噴射量、ＮＯｘ触媒温度および排気温度等の各種状態値の履歴に基づき、ＮＯｘ吸着量を推定する。ここで推定されるＮＯｘ吸着量は、特許請求の範囲に記載の「捕捉量」に相当する。また、ステップＳ３５の処理を実行している時のマイコン８１は「捕捉量推定手段」を提供する。

続くステップＳ３６では、推定したＮＯｘ吸着量が飽和量未満であるか否かを判定する。ＮＯｘ吸着量が飽和量未満でないと判定されれば、続くステップＳ３７にて放電リアクタ２０への通電を停止させて、電極２１での放電を停止させる。一方、ＮＯｘ吸着量が飽和量未満であると判定されれば、ステップＳ４０にて放電を実施し、放電リアクタ２０内でオゾンを生成させる。

さて、還元触媒が飽和して吸着できない状況であれば、オゾンを排気通路１０ｅｘに添加してＮＯをＮＯ_２に酸化しても、吸着性向上の効果が十分に発揮されず、オゾンを無駄に生成することになる。これに対し、本実施形態によれば、ＮＯｘ吸着量が飽和量に達している場合にはオゾンの生成が禁止される。そのため、無駄にオゾンを生成することを抑制でき、放電リアクタ２０で無駄に電力消費されることを低減できる。

（第３実施形態）
図６に示す本実施形態では、ステップＳ２０にてＮＯｘ触媒温度が活性化温度未満でないと判定された場合にステップＳ２１に進む。このステップＳ２１では、ＤＯＣ１６が有する酸化触媒の温度（酸化触媒温度）が炭化水素、もしくは炭化水素の部分酸化物を酸化浄化できる活性化温度より大きいか否かを判定する。酸化触媒温度は、排気温度センサ９６により検出された排気温度から推定する。酸化触媒温度が活性化温度より大きくないと判定されれば、ステップＳ３０にて燃料噴射を停止し、ステップＳ４０にてオゾンを生成する。一方、酸化触媒温度が活性化温度より大きいと判定されれば、ステップＳ５０にて燃料噴射を実施し、ステップＳ６０にて改質還元剤を生成する。

以上により、本実施形態によれば、酸化触媒が活性化温度未満の場合には、還元触媒の温度に拘わらず、燃料噴射による改質還元剤の生成が禁止される。そのため、ＮＯｘ浄化装置１５から流出した還元剤が、ＤＯＣ１６で酸化されることなく排気通路１０ｅｘから大気に放出されることの防止を促進できる。

（第４実施形態）
図１に示す上記第１実施形態では、放電リアクタ２０へ酸素ガスを供給する酸素供給手段として、大気を送風するエアポンプ３１を採用している。これに対し、図７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、高活性物質添加装置の混合室３０ａとは、分岐配管３６により接続されている。分岐配管３６には内部通路を開閉する電磁バルブ３１Ａが取り付けられている。電磁バルブ３１Ａの作動はマイコン８１により制御される。電磁バルブ３１Ａが開弁作動すると、コンプレッサ１１ｃで圧縮された吸気の一部が、吸気通路１０ｉｎから分岐配管３６へ分岐して流れ、混合室３０ａへ流入する。吸気には酸素分子が含まれているので、酸素を含むガス（酸素ガス）を分岐配管３６は混合室３０ａへ供給していると言える。つまり、分岐配管３６は酸素ガスを放電リアクタ２０へ供給する「酸素供給手段」を提供する。

電磁バルブ３１Ａを開弁させている期間中は、分岐配管３６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３１Ａの開弁期間中には分岐配管３６へ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の開度を補正する。

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３１を用いることなく、酸素ガスを放電リアクタ２０へ供給し、供給管３５を通じて排気通路１０ｅｘへ添加することが可能になる。

（第５実施形態）
図７に示す上記第４実施形態では、コンプレッサ１１ｃの下流側に位置する吸気通路１０ｉｎのうち、冷却器１２の上流部分に分岐配管３６を接続している。これに対し、図８に示す本実施形態では、吸気通路１０ｉｎのうち冷却器１２の上流部分に分岐配管３６を接続することに加え、冷却器１２の下流部分にも分岐配管（第２分岐配管３７）を接続している。分岐配管３６は、冷却器１２により冷却される前の高温吸気を混合室３０ａへ供給する。第２分岐配管３７は、冷却器１２により冷却された後の低温吸気を混合室３０ａへ供給する。

分岐配管３６および第２分岐配管３７には、内部通路を開閉する電磁バルブ３１Ｂが取り付けられている。電磁バルブ３１Ｂの作動はマイコン８１により制御される。分岐配管３６を開けて第２分岐配管３７を閉じるように電磁バルブ３１Ｂが作動すると、高温吸気が混合室３０ａへ流入する。第２分岐配管３７を開けて分岐配管３６を閉じるように電磁バルブ３１Ｂが作動すると、低温吸気が混合室３０ａへ流入する。分岐配管３６および第２分岐配管３７は、少なくとも酸素を含むガス（酸素ガス）を放電リアクタ２０へ供給する「酸素供給手段」を提供する。

図９に示す本実施形態では、図４の処理手順に以下のステップＳ２５、Ｓ２６の処理を追加し、かつ、ステップＳ１０の処理を廃止している。すなわち、先ず図９のステップＳ２０において、ＮＯｘ触媒温度が活性化温度未満であるか否かを判定する。

ＮＯｘ触媒温度が活性化温度未満であると判定された場合には、続くステップＳ２５において、第２分岐配管３７から低温吸気が導入され、かつ、分岐配管３６からの高温吸気の導入が停止されるように、電磁バルブ３１Ｂを作動させる。その後、ステップＳ３０にて燃料噴射を停止させるとともに電気ヒータ３４への通電を停止させる。続くステップＳ４０では放電を実施して、第２分岐配管３７からの低温吸気でオゾンを生成させる。

一方、ＮＯｘ触媒温度が活性化温度未満でないと判定された場合には、続くステップＳ２６において、分岐配管３６から高温吸気が導入され、かつ、第２分岐配管３７からの低温吸気の導入が停止されるように、電磁バルブ３１Ｂを作動させる。その後、ステップＳ５０にて燃料噴射を実施させるとともに電気ヒータ３４への通電を実施させる。続くステップＳ６０では放電を実施して、分岐配管３６からの高温吸気で改質還元剤を生成させる。

以上により、本実施形態によれば、オゾン生成時には冷却器１２の下流側から、改質還元剤生成時には冷却器１２の上流側から吸気を放電リアクタ２０へ供給するよう、分岐配管３６および第２分岐配管３７の開通状態が切り替えられる。

そのため、オゾン生成時には、冷却器１２で冷却された低温の吸気が酸素ガスとして供給されるので、生成したオゾンが吸気の熱で破壊されることを抑制できる。また、改質還元剤生成時には、コンプレッサ１１ｃの圧縮により温度上昇した吸気であって、冷却器１２で冷却される前の高温の吸気が酸素ガスとして供給される。よって、電気ヒータ３４により加熱された燃料が、混合室３０ａ内で吸気により冷却されることを抑制できる。よって、放電リアクタ２０に供給される燃料が、冷却により液化して電極２１に付着するといった事態に陥ることを抑制できる。

（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。

オゾンの生成および改質還元剤の生成をともに停止させている完全停止の場合には、酸素ガスの供給を停止させてもよい。すなわち、図１に示す実施形態の場合において、上記完全停止時にエアポンプ３１の作動を停止させて、電力消費の低減を図ってもよい。また、図７および図８に示す実施形態の場合において、電磁バルブ３１Ａ、３１Ｂを閉弁させて吸気の分岐を停止させることで、燃焼室へ吸入される吸気量を目標量にすることの精度向上を図ってもよい。上記完全停止させるケースの具体例としては、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ケースや、ＮＯｘ触媒温度が還元可能範囲を超えて高温になっているケースが挙げられる。

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、高活性物質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、高活性物質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還元剤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、高活性物質添加装置を適用させてもよい。この場合、放電リアクタ２０で生成されたオゾンをＤＰＦ１４の再生に用いればよい。すなわち、ＤＰＦ１４の上流へオゾンを添加することで、排気中のＮＯをＮＯ_２に酸化してＤＰＦ１４へ流入させる。すると、ＤＰＦ１４で捕集されて堆積した微粒子の炭素成分が、ＮＯ_２と反応して酸化される。これにより、ＤＰＦ１４に堆積した微粒子が除去されて、ＤＰＦ１４が再生される。

図１に示す実施形態では、燃料噴射弁３３の噴孔から燃料を減圧させながら噴射することで、液体燃料を微粒化させている。詳細には、液体燃料の粒径を６０μｍ以下の状態にして噴射する。これに対し、燃料噴射弁３３を電磁バルブに替えて、微粒化させずに混合室３０ａへ燃料を流入させてもよい。また、図１に示す実施形態では、電気ヒータ３４により燃料を加熱しているが、電気ヒータ３４を廃止してもよい。

上記第１実施形態では、図４のステップＳ２０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、液体の炭化水素を加熱して気化させる加熱手段として電気ヒータ３４を採用しているが、内燃機関１０の廃熱を利用した熱交換器を加熱手段として採用してもよい。或いは、燃料を加熱する手段を廃止してもよい。また、図１に示す実施形態では、燃料噴射弁３３から混合室３０ａへ液体燃料を供給しているが、混合室３０ａの外部で液体燃料を加熱して気化させておき、気体燃料を混合室３０ａへ供給するようにしてもよい。

図１に示す実施形態では、車両搭載状態において板形状の電極２１が水平の向きになるように放電リアクタ２０を設置している。これに対し、板形状の電極２１の板面が水平方向に対して傾くように設置することで、電極２１に付着した液体燃料が重力で落下しやすくなるようにしてもよい。また、板形状の電極２１の板面が上下方向に対して平行な向きになるように設置してもよい。

図１に示す実施形態では、液体の炭化水素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３３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高活性物質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高活性物質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高活性物質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高活性物質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、２０…放電リアクタ、３１…エアポンプ（酸素供給手段）、３３…燃料噴射弁（炭化水素供給手段）、Ｓ３０、Ｓ４０…オゾン生成制御手段、Ｓ５０、Ｓ６０…改質制御手段。

Claims (7)

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に接続された供給管（３５）から前記排気通路へ高活性物質を添加する高活性物質添加装置において、
   前記排気通路の外部に配置され、酸素ガスを放電により電離させる放電リアクタ（２０）と、
   前記放電リアクタへ炭化水素を供給する炭化水素供給手段（３３）と、
   前記炭化水素の供給を停止させるように前記炭化水素供給手段を制御することで、前記放電リアクタにより電離された酸素ガスから前記高活性物質としてオゾンを生成させるオゾン生成制御手段（Ｓ３０、Ｓ４０）と、
   前記炭化水素の供給を実施するように前記炭化水素供給手段を制御することで、前記放電リアクタにより電離された酸素ガスで前記炭化水素を酸化させて前記高活性物質として改質還元剤を生成させる改質制御手段（Ｓ５０、Ｓ６０）と、
   前記内燃機関の吸気または大気を、少なくとも酸素を含んだ酸素ガスとして前記放電リアクタへ供給する酸素供給手段（３１、３６、３７）と、
   を備え、
   前記燃焼システムは、前記内燃機関の吸気を過給する過給機（１１）、および前記過給機により過給された吸気を冷却する冷却器（１２）を備えており、
   前記酸素供給手段（３６、３７）は、
   前記過給機により過給された吸気の一部を前記放電リアクタへ供給するとともに、
   前記オゾン生成制御手段によるオゾン生成時には、前記冷却器の下流側の吸気を前記放電リアクタへ供給し、前記改質制御手段による改質還元剤生成時には、前記冷却器の上流側の吸気を前記放電リアクタへ供給することを特徴とする高活性物質添加装置。
2. 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高活性物質を添加する高活性物質添加装置において、
   酸素ガスを放電により電離させる放電リアクタ（２０）と、
   前記放電リアクタへ炭化水素を供給する炭化水素供給手段（３３）と、
   前記炭化水素の供給を停止させるように前記炭化水素供給手段を制御することで、前記放電リアクタにより電離された酸素ガスから前記高活性物質としてオゾンを生成させるオゾン生成制御手段（Ｓ３０、Ｓ４０）と、
   前記炭化水素の供給を実施するように前記炭化水素供給手段を制御することで、前記放電リアクタにより電離された酸素ガスで前記炭化水素を酸化させて前記高活性物質として改質還元剤を生成させる改質制御手段（Ｓ５０、Ｓ６０）と、
   前記内燃機関の吸気または大気を、少なくとも酸素を含んだ酸素ガスとして前記放電リアクタへ供給する酸素供給手段（３１、３６、３７）と、
   を備え、
   前記燃焼システムは、前記内燃機関の吸気を過給する過給機（１１）、および前記過給機により過給された吸気を冷却する冷却器（１２）を備えており、
   前記酸素供給手段（３６、３７）は、
   前記過給機により過給された吸気の一部を前記放電リアクタへ供給するとともに、
   前記オゾン生成制御手段によるオゾン生成時には、前記冷却器の下流側の吸気を前記放電リアクタへ供給し、前記改質制御手段による改質還元剤生成時には、前記冷却器の上流側の吸気を前記放電リアクタへ供給することを特徴とする高活性物質添加装置。
3. 前記還元触媒がＮＯｘを吸着または吸蔵する機能を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の高活性物質添加装置。
4. 前記オゾン生成制御手段は、前記還元触媒が活性化温度未満であることを条件としてオゾンを生成させ、
   前記改質制御手段は、前記還元触媒が活性化温度以上であることを条件として改質還元剤を生成させることを特徴とする請求項３に記載の高活性物質添加装置。
5. 前記還元触媒によりＮＯｘを吸着または吸蔵した捕捉量を推定する捕捉量推定手段（Ｓ３５）を備え、
   前記捕捉量推定手段により推定された捕捉量が飽和量に達している場合には、前記オゾン生成制御手段によるオゾンの生成を禁止することを特徴とする請求項３または４に記載の高活性物質添加装置。
6. 前記排気通路のうち前記還元触媒の下流側に、前記ＮＯｘ浄化装置から流出した還元剤を酸化触媒上で浄化する還元剤浄化装置（１６）が配置されており、
   前記酸化触媒が活性化温度未満の場合には、前記還元触媒の温度に拘わらず、前記改質制御手段による改質還元剤の生成を禁止することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の高活性物質添加装置。
7. 前記放電リアクタの上流側に配置され、前記放電リアクタへ供給される炭化水素を加熱する電気ヒータ（３４）を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の高活性物質添加装置。

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