JP2007100508A - 内燃機関の排気浄化装置、及び内燃機関の排気浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 還元剤としての尿素を大気中に放出させることなく、ＮＯ_Xを浄化することができる内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法を提供する。
【解決手段】 酸化触媒及び当該酸化触媒の下流側に配置されたＳＣＲ触媒を含み、内燃機関の排気通路中に備えられて内燃機関から排出される排気ガスを浄化するための内燃機関の排気浄化装置及びそれを用いた排気浄化方法であって、排気浄化装置は、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を測定するための測定手段と、ＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度のうち低い方の濃度の値に対応させて、ＳＣＲ触媒における還元剤噴射量を設定するための設定手段と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法に関する。特に、酸化触媒及びＳＣＲ触媒を用いて、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Xを浄化する内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法に関する。

従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中には、環境汚染を促す黒煙微粒子（以下、ＰＭと称する）や窒素酸化物（以下、ＮＯ_Xと称する）等が含まれている。そのために、内燃機関の排気浄化装置として、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦと称する）やＳＣＲ触媒（Selective Catalytic Reduction）等を設けて、排気ガスを浄化する対策がとられている。
例えば、後処理装置としてＳＣＲ触媒を備えた場合には、排気ガス中のＮＯやＮＯ₂を触媒に吸着させるとともに、尿素等のＮＯ_X還元剤を噴射して還元反応させ、窒素と水とに分解して排出している。

かかる後処理装置を備えた排気浄化装置として、図１１に示すように、酸化触媒３２６と、ＮＯ_X触媒が担持されたＤＰＦ３２４とを含む排気浄化装置が開示されている。より具体的には、ＤＰＦ３２４にはＮＯ_X触媒が担持されており、排気通路のうち酸化触媒３２６の上流の部分と、当該酸化触媒３２６の下流、かつＤＰＦ３２４の上流の部分とがバイパス通路３３０で接続されており、バイパス通路３３０にはＮＯ_X還元剤を供給する還元剤供給手段３３４が設けられ、バイパス通路３３０の酸化触媒３２６の上流の分岐部には、酸化触媒３２６の温度に応じて排気の酸化触媒３２６側への流通と、バイパス通路３３０への流通とを切り換える切換弁３３２が設けられた排気浄化装置である（特許文献１参照）。

また、ＳＣＲ触媒を用いた排気浄化方法において、ＳＣＲ触媒へ流入する排気ガスのＮＯとＮＯ₂との比に基づいて、噴射する還元材料量を算出する排気浄化方法が提案されている。より具体的には、ＮＯ₂に対するＮＯ_Xセンサの感度をもとに、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ_Xの総量及びＮＯとＮＯ₂との比率を求め、当該ＮＯとＮＯ₂をすべて還元させ得る尿素の必要質量流量を化学量論的に算出し、噴射する排気エミッション制御システムが開示されている（特許文献２参照）。
特開２００３−１３７３０号公報 （特許請求の範囲 図１） 特開２００４−１００６９９号公報 （段落００３０〜００３１）

しかしながら、特許文献１に開示された排気浄化装置に備えられた切換弁は、酸化触媒側へ排気ガスを流通させる際にはバイパス通路側を遮断し、バイパス通路側へ排気ガスを流通させる際には酸化触媒側を遮断する切換弁であるために、ＮＯ_X触媒が担持されたＤＰＦに流入する排気ガス中のＮＯ濃度とＮＯ₂濃度との比率を、きめ細かく制御することができないものであった。すなわち、排気ガスの温度や内燃機関の運転状態等によって、排気ガス中のＮＯ濃度とＮＯ₂濃度との比率が異なるにもかかわらず、その比率を考慮することなく、ＮＯ_X触媒に流入させる構成であった。したがって、ＮＯ_X触媒におけるＮＯ_X浄化率を最大値に近づけるように、ＮＯ濃度とＮＯ₂濃度との比率を制御して、ＮＯ及びＮＯ₂を、ＮＯ_X還元剤によって効率的に還元させることができないという問題があった。

また、かかる排気浄化装置は、後処理装置として、ＮＯ_X触媒担持型のＤＰＦを備えることを必須とし、排気ガス中に含まれるＰＭとＮＯ_Xとを同時に除去することを目的としているものであった。したがって、排気ガス中のＮＯ濃度とＮＯ₂濃度との比率をきめ細かく制御することは困難であるために、排気ガス中のＮＯ_Xの浄化率を必ずしも高くできない場合があった。

また、特許文献２に記載の制御システムは、ＮＯ_Xをすべて還元させるべく、化学量論的に算出される必要な尿素量を噴射する構成であるため、実際のＮＯ_Xの浄化に適用した場合には、噴射した還元剤としての尿素の一部が使用されず、アンモニアとして大気中に放出されるおそれがある。また、ＳＣＲ触媒の劣化によっても、還元剤としての尿素の一部が使用されずに、アンモニアとして大気中に放出されるおそれがある。

さらに、ＮＯとＮＯ₂との比率を測定するために、実験的には、ＮＯ_X濃度の分析装置を用いることもできるが、この分析装置は、一般的に、大型かつ高価であるため、乗用車や大型車に搭載することが困難であり、測定結果をリアルタイムで還元剤の噴射量に反映させることが困難であった。

そこで、本発明の発明者らは鋭意努力し、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ及びＮＯ₂の濃度を算出し、いずれか低い方の濃度に対応させて還元剤を噴射することにより、このような問題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明の目的は、小型かつ安価な構成で、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を精度良く測定し、還元剤としての尿素を大気中に放出させることなく、ＮＯ_Xを浄化することができる内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法を提供することである。

本発明によれば、酸化触媒及び当該酸化触媒の下流側に配置されたＳＣＲ触媒を含み、内燃機関の排気通路中に備えられて内燃機関から排出される排気ガスを浄化するための内燃機関の排気浄化装置であって、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を測定するための測定手段と、ＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度のうち低い方の濃度の値に対応させて、ＳＣＲ触媒における還元剤噴射量を設定するための設定手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供され、上述した問題を解決することができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、測定手段は、酸化触媒の上流側及び下流側に配置された二つのＮＯ_Xセンサと、あらかじめ算出したＮＯ_XセンサにおけるＮＯ₂の感度をもとに、二つのＮＯ_Xセンサによって測定されたＮＯ_X濃度の値から、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を算出する演算手段と、を備えることが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、酸化触媒の上流側に配置されたＮＯ_Xセンサを、内燃機関の排出口の近傍に備えることが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、測定手段は、酸化触媒の下流側に配置された、ＮＯ₂の感度がそれぞれ異なる二つのＮＯ_Xセンサと、あらかじめ算出した二つのＮＯ_XセンサにおけるＮＯ₂の感度をもとに、二つのＮＯ_Xセンサによって測定されたＮＯ_X濃度の値から、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を算出する演算手段と、を備えることが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、内燃機関の運転状態を検知するための検出手段をさらに備えるとともに、当該検出手段で検知された内燃機関の運転状態にさらに考慮して、ＳＣＲ触媒における還元剤噴射量を設定することが好ましい。

また、本発明の別の態様は、酸化触媒及び当該酸化触媒の下流側に配置されたＳＣＲ触媒を含む排気浄化装置を用いて、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Xを浄化する内燃機関の排気浄化方法であって、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を測定し、ＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度のうち低い方の濃度の値に対応させて、ＳＣＲ触媒における還元剤噴射量を設定することを特徴とする内燃機関の排気浄化方法である。

また、本発明の内燃機関の排気浄化方法を実施するにあたり、酸化触媒の上流側及び下流側における排気ガス中のＮＯ_X濃度を、ＮＯ_Xセンサを用いてそれぞれ測定するとともに、あらかじめ算出したＮＯ_XセンサにおけるＮＯ₂の感度をもとに、測定されたそれぞれのＮＯ_X濃度の値から、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を算出することが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化方法を実施するにあたり、酸化触媒の上流側においては、内燃機関の排出口近傍で、ＮＯ_X濃度を測定することが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化方法を実施するにあたり、酸化触媒の下流側において、ＮＯ₂の感度がそれぞれ異なる二つのＮＯ_Xセンサを用いて排気ガス中のＮＯ_X濃度を測定するとともに、あらかじめ算出した二つのＮＯ_XセンサにおけるＮＯ₂の感度をもとに、測定された二つのＮＯ_X濃度の値から、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を測定することが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化方法を実施するにあたり、内燃機関の運転状態を検知するとともに、当該運転状態にさらに対応させて、ＳＣＲ触媒における還元剤噴射量を設定することが好ましい。

本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中に含まれるＮＯ又はＮＯ₂のうち、濃度が低い方の値に対応させて、還元剤噴射量を設定する設定手段を備えることにより、還元剤が未反応のままアンモニアとして大気中に放出されることを防止することができる。したがって、大気汚染等の環境汚染を抑止することができる。
また、酸化触媒の上流側及び下流側、あるいは下流側のみに、あらかじめ感度を求めた二つのＮＯ_Xセンサを備える構成であれば、比較的簡易な構成で、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ及びＮＯ₂の濃度を精度良く算出することができる。したがって、還元反応に確実に利用される還元剤量を容易に決定でき、ＮＯ_Xの還元効率を著しく低下させることなく、還元剤が未反応のままアンモニアとして大気中に放出されることを防止することができる。また、比較的簡易な構成であることから、装置の大型化を防ぎつつ、生産コストの上昇を防ぐこともできる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化方法によれば、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中に含まれるＮＯ又はＮＯ₂のうち、濃度が低い方の値に対応させて、還元剤を噴射することにより、還元剤が未反応のままアンモニアとして大気中に放出されることを防止することができる。したがって、大気汚染等の環境汚染の拡大を抑止することができる。
また、あらかじめ算出したＮＯ₂の感度をもとに、二つのＮＯ_Xセンサで測定した値から、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ及びＮＯ₂の濃度を算出するように実施することにより、当該ＮＯ及びＮＯ₂の濃度を精度良くかつ容易に算出することができる。したがって、確実に還元反応に利用される量の還元剤を噴射させて、ＮＯ_Xの還元効率を著しく低下させることなく、未反応の還元剤を大気中に放出することを抑止することができる。

以下、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法の実施の形態について詳細に説明する。ただし、かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。

本発明の実施の形態は、図１や図２に示すように、酸化触媒１１及び当該酸化触媒１１の下流側に配置されたＳＣＲ触媒１３を含み、内燃機関５０の排気通路２０中に備えられて内燃機関５０から排出される排気ガスを浄化するための内燃機関の排気浄化装置１０、３０及び当該排気浄化装置を用いた排気浄化方法である。
そして、ＳＣＲ触媒１３に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を測定するための測定手段１９と、ＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度のうち低い方の濃度の値に対応させて、ＳＣＲ触媒１３における還元剤噴射量を設定するための設定手段２３と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置１０、３０、及びそのような排気浄化装置を用いた排気浄化方法である。

１．排気浄化装置
（１）内燃機関
排気ガスを排出する内燃機関５０としては、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンが典型的であるが、排気浄化装置の取り付けが必須であるばかりか、その再生が必須のディーゼルエンジンを対象とすることが適している。
また、図１や図２中に示される、内燃機関の運転状態検出手段５３は、内燃機関５１の回転数や、燃焼温度、燃料噴射タイミング等を検知する手段であって、当該検出結果をも考慮して、後述する還元剤噴射量を制御できるように構成してあることが好ましい。このような運転状態検出手段を備えることにより、後述する測定手段によって算出された、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度の値の信頼性を高めることができるためである。
また、本発明を実施することにより、排気ガス中のＮＯ_Xを効率的に浄化することができるが、内燃機関における、燃料の噴射タイミングを遅らせるように制御するなどして、排気ガスに含まれるＮＯ_X以外のＰＭ等の含有量を効果的に減少させることができる。

（２）排気通路
また、排気通路２０は、内燃機関の排気口に接続されており、その途中に、酸化触媒１１やＳＣＲ触媒１３が配設される。かかる排気通路２０の断面形状は、円形、楕円、あるいは角柱の排気通路２０であれば特にその形態は特に制限されるものではない。

（３）酸化触媒
内燃機関５０から排出された排気ガスの排気通路２０中に配置される酸化触媒１１は、特に制限されるものではなく、公知のもの、例えば、アルミナに白金を担持させたものに、所定量のセリウム等の希土類元素を添加したものを用いることができる。

（４）ＳＣＲ触媒
また、ＳＣＲ触媒１３は、酸化触媒１１の下流側に配置され、排気ガスに含まれるＮＯ_Xを、還元剤としての尿素等を用いて浄化するためのＮＯ_X触媒を含む排気浄化手段である。すなわち、排気ガス中に含まれるＮＯやＮＯ₂を触媒に吸着させるとともに、当該ＮＯやＮＯ₂に対して尿素等の還元剤を噴射して、窒素（Ｎ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）とに分解して排出する。
かかるＳＣＲ触媒１３に使用されるＮＯ_X触媒についても特に制限されるものではなく、公知のもの、例えば、多孔質担体上に、活性成分としてのストロンチウム又はバリウム、及びマグネシウム等のアルカリ土類金属や、セリウムとランタン等の希土類金属、白金とロジウム等の貴金属等を含むものを用いることができる。
また、ＳＣＲ触媒１３においてＮＯやＮＯ₂に対して噴射される還元剤としての尿素についても特に制限されるものではなく、主として、尿素水、尿素粉末、アンモニアガス、アンモニウム塩等を好適に使用することができる。
さらに、これらの尿素を、上述のＮＯ_X触媒に対して噴射する際の噴射手段についても、インジェクタをはじめとして、公知のものを使用することができる。

（５）測定手段
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置１０、３０は、ＳＣＲ触媒１３に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を測定するための測定手段１９を備えている。
かかる測定手段は、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を測定できるものであれば特に制限されるものではないが、例えば、以下のような測定手段１、測定手段２とすることができる。
いずれの測定手段であっても、ＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を分析する装置としては、比較的簡易な構成であるために、排気浄化装置の大型化を防ぐことができるとともに、生産コストの上昇を抑えることができる。

（５）−１ 測定手段１
一例として示す測定手段１は、図１に示すように、酸化触媒１１の上流側に配置された第１のＮＯ_Xセンサ１７ａと、酸化触媒１１の下流側に配置された第２のＮＯ_Xセンサ１７ｂと、あらかじめ算出したＮＯ_Xセンサ１７ａ、１７ｂにおけるＮＯ₂の感度をもとに、第１のＮＯ_Xセンサ１７ａ及び第２のＮＯ_Xセンサ１７ｂによって測定されたＮＯ_X濃度の値から、ＳＣＲ触媒１３に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を算出する演算手段２２とを備えている。

この測定手段１に用いられるＮＯ_Xセンサ１７ａ、１７ｂとしては、特に制限されるものではなく、公知のものを好適に使用することができる。
例えば、ＮＯ_Xセンサは、ジルコニア固体電解質の積層構造体からなり、図３に示すように、二つの内部空間８１、８２と三つの酸素ポンプ８５、８６、８７とから構成される。一つ目の空間８１には、酸素ポンプ８５としての一対の電極８３、８８を備え、この電極間に所定の電圧を印加することにより、酸素を空間内から汲み出したり、汲み入れたりして、排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯ、Ｈ₂を燃焼させ、一定の酸素レベルに保持する。また、その先の二つ目の空間８２には、酸素ポンプ８６としての一対の電極８３、８９と、ＮＯ_X濃度を測定するための測定ポンプ８７が配置され、さらに排気ガス中の酸素を汲み出すとともに、ＮＯ_XをＯ₂とＮ₂とに分解してそのＯ₂分圧を検出する。そして、検出された値と、一つ目の空間８１の余剰Ｏ₂分の補正から、排気ガス中のＮＯ_X量に比例した出力信号を取り出すことにより、ＮＯ_X量を測定することができる。
また、このようなＮＯ_Xセンサ１７においては、内部にヒータ９３を設けて活性化させて、酸素の汲み出し、汲み入れを効率化させることもできる。ＮＯ_Xセンサは、例えば、ヒータ９３により８００℃程度に加熱されるようになっている。

ただし、かかるＮＯ_Xセンサは、通常、ＮＯの濃度を精度良く検出できるように設定されており、ＮＯ₂の感度が比較的低くなっている。そこで、本発明の排気浄化装置に用いられるＮＯ_Xセンサについては、このＮＯ_Xセンサに対するＮＯ₂の感度をあらかじめ求めておくことが必要である。
すなわち、あらかじめ求めたＮＯ₂の感度をもとに、二つのＮＯ_Xセンサで測定されるＮＯ_X量から、演算手段によってＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度とＮＯ₂濃度とを算出するためである。

ここで、図４〜図５を参照して、ジルコニア固体電解質の積層構造体からなるＮＯ_XセンサにおけるＮＯの感度及びＮＯ₂の感度について説明する。
図４は、ＮＯ_Xセンサを備えた実験装置内に、所定割合で混合したＮＯとＮＯ₂を導入した場合における、ＮＯ_Xセンサによる計測値を示すデータである。横軸に、導入したＮＯ_X（ＮＯとＮＯ₂）の濃度を示し、縦軸に、ＮＯ_Xセンサで測定された計測値を示している。
この図４に示すように、導入したＮＯ_Xのうち、ＮＯ₂の比率が高くなればなるほど、ＮＯ_Xセンサで測定される計測値が、実際の導入量よりも低くなっていることが理解できる。これは、すなわち、ＮＯ_Xセンサに対するＮＯ₂の感度が低いことを示している。

また、図５は、ＮＯ_Xセンサを備えた実験装置内に、ある所定濃度のＮＯ又はＮＯ₂のいずれか一方をそれぞれ導入した場合における、ＮＯ_Xセンサによる計測値を示すデータである。横軸に、実際に実験装置内に導入したＮＯあるいはＮＯ₂の濃度を示し、縦軸に、ＮＯ_Xセンサで測定された計測値を示している。また、図中の実線ＡはＮＯのデータを表し、破線ＢはＮＯ₂のデータを表し、点線ＣはＮＯ₂のデータの近似線を表している。
この図５に示すように、実験に使用したＮＯ_Xセンサは、ＮＯに対しては１００％に近い感度を示す一方、ＮＯ₂に対しては、近似線Ｃで示されるように、６８％の感度しか示していないことが理解される。

以上のように、使用するセンサにおけるＮＯ₂の感度を、あらかじめ実験等によって求めておくことができる。なお、ＮＯ₂の感度はセンサの種類等によって変化するものである。

上述の測定手段１の構成の場合、酸化触媒１１の上流側に配置される第１のＮＯ_Xセンサ１７ａについては、内燃機関５０の排出口の近傍に備えることが好ましい。
この理由は、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯが排気ガス中のＯ₂と反応してＮＯ₂となる前に測定することにより、酸化触媒上流側でのＮＯ_Xセンサによる測定値をＮＯの濃度と一致させることができ、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ及びＮＯ₂それぞれの濃度の算出が容易になるためである。
ただし、一般的な排気ガスの流速及び排気通路の長さと、ＮＯからＮＯ₂への酸化反応速度とを考慮すると、内燃機関から排出された排気ガスが酸化触媒に到達するまでに、含まれるＮＯがＮＯ₂へと酸化される割合は、極めて低いと考えられる。したがって、内燃機関の排出口の近傍にＮＯ_Xセンサを配置することは必須ではないが、ＮＯ₂への酸化反応の可能性を限りなくゼロに近付ける意味で好適な態様である。

一方、酸化触媒１１の下流側に配置される第２のＮＯ_Xセンサ１７ｂについても、できるだけ上流側、すなわち、ＳＣＲ触媒１３よりも酸化触媒１１に近い位置に配置することが好ましい。
この理由は、ＳＣＲ触媒は酸化触媒と比較して高温になるために、ＳＣＲ触媒に近い位置に配置した場合には、熱によって破損する場合があるためである。

また、測定手段１に備えられる演算手段２２は、上述した二つのＮＯ_Xセンサ１７ａ、１７ｂによって測定されたＮＯ_X濃度から、あらかじめ求めたＮＯ₂の感度をもとに、ＳＣＲ触媒１３に流入する排気ガス中のＮＯの濃度とＮＯ₂の濃度とを算出する演算手段２２である。
測定手段１による具体的な演算方法については、後述する排気浄化方法１の中で、詳細に説明する。

（５）−２ 測定手段２
また、別の例としての測定手段Ｂは、図２に示すように、酸化触媒１１の下流側に配置された、ＮＯ₂の感度がそれぞれ異なる二つのＮＯ_Xセンサ１７ｃ、１７ｄと、あらかじめ算出したＮＯ_Xセンサ１７ｃ、１７ｄにおけるＮＯ₂の感度をもとに、二つのＮＯ_Xセンサ１７ｃ、１７ｄによって測定されたＮＯ_X濃度の値から、ＳＣＲ触媒１３に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を算出する演算手段２２´とを備えている。

この測定手段２に用いられるＮＯ_Xセンサについても、特に制限されるものではなく、上述した構成のＮＯ_Xセンサをはじめとして、公知のものを好適に使用することができる。ただし、測定手段２に備える二つのＮＯ_Xセンサは、それぞれＮＯ₂の感度が異なるセンサが使用される。
また、二つのＮＯ_Xセンサは、上述した理由と同様に、熱損傷を防止する観点から、酸化触媒とＳＣＲ触媒の間の、できるだけ上流側に配置されることが好ましい。

また、測定手段２に備えられる演算手段２２´は、上述した二つのＮＯ_Xセンサ１７ｃ、１７ｄによって測定されたＮＯ_X濃度から、あらかじめ求めた二つのセンサ１７ｃ、１７ｄのＮＯ₂の感度をもとに、ＳＣＲ触媒１３に流入する排気ガス中のＮＯの濃度とＮＯ₂の濃度とを算出する演算手段２２´である。
測定手段２による具体的な演算方法については、後述する排気浄化方法２の中で、詳細に説明する。

（６）設定手段
また、図１や図２に示すように、本発明の排気浄化装置１０、３０には、上述の測定手段１９によって測定された、ＳＣＲ触媒１３に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度のうち低い方の濃度の値に対応させて、ＳＣＲ触媒１３における還元剤噴射量を設定するための設定手段２３を備えている。すなわち、噴射した還元剤が還元反応に確実に使用されるだけの最低限の量を噴射するように、噴射量を設定することにより、未反応の還元剤がアンモニアとして大気中に放出され、ＮＯ_Xが放出される以上の環境汚染につながることを防止するためである。
具体的な設定方法については、後述する排気浄化方法１の中で詳細に説明する。

（７）温度センサ
また、排気通路の途中に、排気ガスの温度を測定するための温度センサを備えることも好ましい。
この理由は、かかる温度センサによって測定される排気ガスの温度をもとに、酸化触媒におけるＮＯからＮＯ₂への酸化反応率が推定でき、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯとＮＯ₂との比率を予測することができるためである。したがって、上述した測定手段によって算出されるＮＯ濃度とＮＯ₂濃度の値の信頼性を高めることができる。
かかる温度センサは、酸化触媒中に備えられることが最も好ましい態様であるが、現実には、酸化触媒中に温度センサを備えることは困難であるために、酸化触媒の入口及び出口、あるいはいずれか一方に備えることが好ましい。

２．排気浄化方法
次に、図６〜図１０を参照して、上述した内燃機関の排気浄化装置を用いた排気浄化方法について説明する。

（１）排気浄化方法１
図６は、上述した測定手段１（図１に示す構成）を備えた排気浄化装置１０を用いて行われる排気浄化方法１のフローを示している。
まず、準備段階として、排気浄化装置１０における酸化触媒１１の上流側及び下流側にそれぞれ配置する、第１のＮＯ_Xセンサ１７ａ及び第２のＮＯ_Xセンサ１７ｂにおけるＮＯ₂の感度を求めておく（Ｓ₁１）。具体的な方法については、上述した例示のとおりである。
なお、測定手段１に用いられる第１のＮＯ_Xセンサ１７ａ及び第２のＮＯ_Xセンサ１７ｂは、それぞれＮＯ₂の感度が異なるものであってもよく、また、同種のＮＯ_Xセンサであって、ＮＯ₂の感度がほぼ一致するものであっても構わない。ここで重要なのは、第２のＮＯ_Xセンサ１７ｂにおけるＮＯ₂の感度である。すなわち、後述するように、酸化触媒１１の上流側では、ＮＯ₂濃度がほぼゼロであると考えられるため、第１のＮＯ_Xセンサ１７ａにおけるＮＯ₂の感度によって、演算精度に影響を受けることが少ないためである。

次いで、酸化触媒１１の上流側に配置された第１のＮＯ_Xセンサ１７ａ及び酸化触媒１１の下流側に配置された第２のＮＯ_Xセンサ１７ｂを用いて、それぞれの箇所における排気ガスのＮＯ_X濃度を測定する（Ｓ₁２）。

次いで、第１及び第２のＮＯ_Xセンサ１７ａ、１７ｂで測定されたそれぞれのＮＯ_X濃度と、あらかじめ求めたＮＯ_XセンサにおけるＮＯ₂の感度をもとに、演算手段２２によって、ＳＣＲ触媒１３に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を算出する（Ｓ₁３）。具体的な演算例は、以下のとおりである。

図７に示すように、酸化触媒１１上流側の第１のＮＯ_Xセンサ１７ａによって測定されたＮＯ_X濃度をＡ、酸化触媒１１下流側の第２のＮＯ_Xセンサ１７ｂによって測定されたＮＯ_X濃度をＢ、酸化触媒１１上流側の測定位置における排気ガス中のＮＯの濃度をａ_１、ＮＯ₂の濃度をｂ₁、酸化触媒１１下流側の測定位置における排気ガス中のＮＯの濃度をａ₂、ＮＯ₂の濃度をｂ₂、ＮＯ_Xセンサ１７ａ、１７ｂにおけるＮＯ₂の感度をＫ（０＜Ｋ≦１）とする。
そうすると、酸化触媒１１上流側におけるＮＯ_X濃度ＡはＡ＝ａ₁＋Ｋ・ｂ₁、酸化触媒１１下流側におけるＮＯ_X濃度ＢはＢ＝ａ₂＋Ｋ・ｂ₂と表すことができる。また、酸化触媒１１でのＮＯからＮＯ₂への酸化反応は、反応式２ＮＯ＋Ｏ₂＝２ＮＯ₂で表され、ＮＯから生成されるＮＯ₂の比率が１：１であるために、ｂ₂−ｂ₁＝ａ₁−ａ₂となる。ここで、上述したように、酸化触媒１１上流側においてはＮＯ₂濃度ｂ₁がゼロであることを考慮すると、ｂ₂＝ａ₁−ａ₂となる。

これらの関係から、
Ａ−Ｂ＝（ａ₁−ａ₂）＋Ｋ・（ｂ₁−ｂ₂）
＝ｂ₂−Ｋ・ｂ₂
＝（１−Ｋ）・ｂ₂
となる。したがって、あらかじめＮＯ_XセンサにおけるＮＯ₂の感度Ｋが求められていることから、酸化触媒の下流側における排気ガス中に含まれるＮＯ₂濃度ｂ₂、ＮＯ濃度ａ₂の値を、
ｂ₂＝（Ａ−Ｂ）／（１−Ｋ）
ａ₂＝Ｂ−Ｋ・ｂ₂
として算出することができる。

ここで、上述した演算方法によって算出されるＮＯ₂の値の精度について説明する。
図８は、ＮＯ_Xセンサを配置した実験装置内に、ＮＯ₂濃度を異ならせた二種類のＮＯ_X（ＮＯとＮＯ₂）を含むガスを導入した場合における、それぞれの測定値とＮＯ₂感度とをもとに上述した演算方法によって算出されるＮＯ₂濃度の差と、二種類のＮＯ_Xを含むガスの実際のＮＯ₂濃度の差とを比較したグラフを示している。図８中、実線は実際のＮＯ₂濃度の差を示しており、それぞれの点は上述した演算手段によって算出されたＮＯ₂濃度の差の値を示している。
この図８に示すように、上述した演算手段によって算出されたＮＯ₂濃度の差の値は、実際に異ならせたＮＯ₂濃度の差とほぼ一致することが理解される。

以上のように、測定手段１を用いることにより、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を、タイムリーかつ直接的に、精度良く測定することができる。

次いで、算出されたＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度のうち、低い方の濃度の値に対応させた噴射量で、ＳＣＲ触媒１３において還元剤を噴射する（Ｓ₁４）。
より具体的には、ＳＣＲ触媒１３における還元剤を用いたＮＯ_Xの還元反応は、以下の三式で表される。
４ＮＨ₃＋４ＮＯ＋Ｏ₂＝４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ …（１）
２ＮＨ₃＋ＮＯ＋ＮＯ₂＝２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ …（２）
４ＮＨ₃＋２ＮＯ＋Ｏ₂＝３Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ …（３）
それぞれの反応における反応速度は、式（２）で表される反応速度が最も速く、次いで、式（１）で表される反応速度が速く、逆に、式（３）で表される反応速度は比較的遅いことが知られている。したがって、理想的には、ＮＯ濃度とＮＯ₂濃度との比率を１：１にすることにより、ＳＣＲ触媒における還元効率を最も効率化することができる。

ただし、排気ガス温度が比較的高い状態にある場合には、ＳＣＲ触媒が活性状態におかれることなどからいずれの反応も迅速に行われるため、還元剤の噴射量が過度に多くならない限り、還元剤が未反応のまま放出されることはない。
一方、排気ガス温度が低い状態にある場合には、反応式（１）や（３）で表される反応が起こりにくくなり、反応式（２）で表される反応が支配的になる。この反応式（２）は、ＮＯとＮＯ₂との比率が１：１で成り立つために、いずれか低い方の濃度に対応して、反応が律束されることとなる。したがって、ＮＯ_Xセンサで測定されるＮＯ_X（ＮＯ＋ＮＯ₂）の当量比で還元剤を噴射すると、一部の還元剤が反応せず、そのままアンモニアとして大気中に放出されてしまう。このアンモニアは、ＮＯ_Xに比べても著しく毒性が高いものであるため、環境汚染への影響が大きい。
そこで、本発明においては、上述した測定手段によって算出されたＮＯ濃度とＮＯ₂濃度のうちいずれか低い方の濃度の値に対応させて還元剤を噴射することにより、未反応の還元剤が残って、そのままアンモニアとして大気中に放出されることを防止することができる。

以上のようにして、ＮＯ_Xの還元反応に用いられる還元剤を未反応のまま放出させることなく、排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを還元除去することができる。

（２）排気浄化方法２
図９は、上述した測定手段２（図２の構成）を備えた排気浄化装置３０を用いて行われる排気浄化方法２のフローを示している。
準備段階（Ｓ₂１）として、配置する二つのＮＯ_Xセンサ１７ｃ、１７ｄにおけるＮＯ₂の感度を求めておく点については、上述した排気浄化方法１と同様である。ただし、測定手段２においては、測定手段１とは異なり、ともに酸化触媒１１の下流側に配置される二つのＮＯ_Xセンサ１７ｃ、１７ｄは、それぞれＮＯ₂の感度が異なるものを使用する。

次いで、酸化触媒１１の下流側に配置された二つのＮＯ_Xセンサ１７ｃ、１７ｄを用いて、それぞれ排気ガスのＮＯ_X濃度を測定する（Ｓ₂２）。このとき、所定濃度のＮＯ_Xを含む排気ガスを測定しているものの、ＮＯ₂の感度が異なるために、二つのＮＯ_Xセンサ１７ｃ、１７ｄによって測定されるＮＯ_X濃度は異なっている。

次いで、二つのＮＯ_Xセンサ１７ｃ、１７ｄで測定されたそれぞれのＮＯ_X濃度と、あらかじめ求めたＮＯ₂の感度をもとに、演算手段２２´によって、ＳＣＲ触媒１３に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を算出する（Ｓ₂３）。具体的な演算例としては、以下のとおりである。

図１０に示すように、ともに酸化触媒１１の下流側に配置された二つのＮＯ_Xセンサ１７ｃ、１７ｄのうちの一方のＮＯ_Xセンサ１７ｃによって測定されたＮＯ_X濃度をＸ、他方のＮＯ_Xセンサ１７ｄによって測定されたＮＯ_X濃度をＹ、測定位置における排気ガス中のＮＯの濃度をａ、ＮＯ₂の濃度をｂ、ＮＯ_Xセンサ１７ｃにおけるＮＯ₂の感度をＰ₁（０＜Ｐ₁≦１）、ＮＯ_Xセンサ１７ｄにおけるＮＯ₂の感度をＰ₂（０＜Ｐ₂≦１）とする。
そうすると、ＮＯ_Xセンサ１７ｃで測定されるＮＯ_X濃度ＸはＸ＝ａ＋Ｐ₁・ｂ、ＮＯ_Xセンサ１７ｄで測定されるＮＯ_X濃度ＹはＹ＝ａ＋Ｐ₂・ｂと表すことができる。
これらの関係から、Ｘ−Ｙ＝（Ｐ₁−Ｐ₂）ｂであり、すなわち、ＮＯ₂濃度ｂ、ＮＯ濃度ａをそれぞれ、
ｂ＝（Ｘ−Ｙ）／（Ｐ₁−Ｐ₂）
ａ＝Ｘ−Ｐ₁・ｂ＝Ｙ−Ｐ₂・ｂ
として算出することができる。

次いで、排気浄化方法１と同様に、算出されたＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度のうち、低い方の値に対応させた噴射量で、ＳＣＲ触媒１３において還元剤を噴射する（Ｓ₂４）。
以上のようにして、ＮＯ_Xの還元反応に用いられる還元剤を未反応のまま放出させることなく、排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを還元除去することができる。

本発明によれば、比較的簡易な構成で、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を精度良く算出することができるようになった。したがって、内燃機関の排気浄化装置に限られず、ＮＯ_X成分の分析が必要な装置等に好適に適用することができる。

本発明の排気浄化装置の一例を示す図である。 本発明の排気浄化装置の別の例を示す図である。 ＮＯ_Xセンサの構成例を示す図である。 ＮＯ_XセンサにおけるＮＯとＮＯ₂の感度の違いを説明するために供する図である（その１）。 ＮＯ_XセンサにおけるＮＯとＮＯ₂の感度の違いを説明するために供する図である（その２）。 本発明の排気浄化方法の一例を示すフローである。 ＮＯ濃度とＮＯ₂濃度の算出方法を説明するために供する図である。 演算方法によるＮＯ₂濃度の精度について説明するために供する図である。 本発明の排気浄化方法の別の例を示すフローである。 ＮＯ濃度とＮＯ₂濃度の別の算出方法を説明するために供する図である。 従来の排気浄化装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０：排気浄化装置、１１：酸化触媒、１３：ＳＣＲ触媒、１７ａ・１７ｂ・１７ｃ・１７ｄ：ＮＯ_Xセンサ、１９：測定手段、２０：排気通路、２２：演算手段、２３：設定手段、３０：排気浄化装置、５０：内燃機関、５３：運転状態検知手段

Claims (10)

1. 酸化触媒及び当該酸化触媒の下流側に配置されたＳＣＲ触媒を含み、内燃機関の排気通路中に備えられて前記内燃機関から排出される排気ガスを浄化するための内燃機関の排気浄化装置において、
   前記ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を測定するための測定手段と、
   前記ＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度のうち低い方の濃度の値に対応させて、前記ＳＣＲ触媒における還元剤噴射量を設定するための設定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記測定手段は、前記酸化触媒の上流側及び下流側に配置された二つのＮＯ_Xセンサと、あらかじめ算出した前記ＮＯ_XセンサにおけるＮＯ₂の感度をもとに、前記二つのＮＯ_Xセンサによって測定されたＮＯ_X濃度の値から、前記ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を算出する演算手段と、を備え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. 前記酸化触媒の上流側に配置されたＮＯ_Xセンサを、前記内燃機関の排出口の近傍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。
4. 前記測定手段は、前記酸化触媒の下流側に配置された、ＮＯ₂の感度がそれぞれ異なる二つのＮＯ_Xセンサと、あらかじめ算出した前記二つのＮＯ_XセンサにおけるＮＯ₂の感度をもとに、前記二つのＮＯ_Xセンサによって測定されたＮＯ_X濃度の値から、前記ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を算出する演算手段と、を備え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。
5. 前記内燃機関の運転状態を検知するための検出手段をさらに備えるとともに、当該検出手段で検知された内燃機関の運転状態にさらに考慮して、前記ＳＣＲ触媒における還元剤噴射量を設定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 酸化触媒及び当該酸化触媒の下流側に配置されたＳＣＲ触媒を含む排気浄化装置を用いて、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Xを浄化する内燃機関の排気浄化方法において、
   前記ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を測定し、前記ＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度のうち低い方の濃度の値に対応させて、前記ＳＣＲ触媒における還元剤噴射量を設定することを特徴とする内燃機関の排気浄化方法。
7. 前記酸化触媒の上流側及び下流側における前記排気ガス中のＮＯ_X濃度を、ＮＯ_Xセンサを用いてそれぞれ測定するとともに、あらかじめ算出した前記ＮＯ_XセンサにおけるＮＯ₂の感度をもとに、測定された前記それぞれのＮＯ_X濃度の値から、前記ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を算出することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気浄化方法。
8. 前記酸化触媒の上流側においては、前記内燃機関の排出口近傍で、前記ＮＯ_X濃度を測定することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気浄化方法。
9. 前記酸化触媒の下流側において、ＮＯ₂の感度がそれぞれ異なる二つのＮＯ_Xセンサを用いて排気ガス中のＮＯ_X濃度を測定するとともに、あらかじめ算出した前記二つのＮＯ_XセンサにおけるＮＯ₂の感度をもとに、測定された前記二つのＮＯ_X濃度の値から、前記ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ₂濃度を測定することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気浄化方法。
10. 前記内燃機関の運転状態を検知するとともに、当該運転状態にさらに対応させて、前記ＳＣＲ触媒における還元剤噴射量を設定することを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化方法。