JP2011226402A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気の温度に関わらず、燃費の悪化および構造の複雑化を招くことなくＮＯｘの浄化を促進する排気浄化装置を提供する。
【解決手段】添加制御部は、排気通路２１を流れる排気へ、所要アンモニア量のアンモニアを添加し、その添加したアンモニア量が上限吸着量を超えると、アンモニアの添加を停止する。排気へのアンモニアの添加を停止することにより、還元触媒１４に生成したアンモニア化合物は、アンモニアの添加の停止によって分解される。そのため、還元触媒１４の温度が低い場合でも、還元触媒１４の活性低下の原因となるアンモニア化合物が分解されるので、還元触媒１４の活性が維持され、ＮＯｘの還元が促進される。その結果、燃料の添加によって排気の温度を高める必要がなく、排気に燃料を添加するための構成が不要となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関し、特にアンモニアを用いて窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」）を還元する排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気に含まれるＮＯｘを浄化する排気浄化装置として、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが広く知られている。このＳＣＲシステムでは、還元剤として尿素やアンモニアを用いている。ＳＣＲシステムは、温度の低下とともにＳＣＲ触媒における活性が低下し、ＮＯｘの還元率が大幅に低下する。そこで、特許文献１では、排気に燃料である炭化水素を添加することにより排気の温度を上昇させ、ＮＯｘを酸化触媒で酸化して浄化することが開示されている。

しかしながら、酸化触媒でＮＯｘを酸化する場合、排気への燃料の添加が必要となる。そのため、内燃機関の運転とは別にＮＯｘの酸化のための燃料が必要となり、燃費の悪化を招くという問題がある。また、排気系に燃料を添加する構成が必要となり、構造の複雑化を招くという問題がある。

特開２００９−４１４５４号公報

そこで、本発明の目的は、排気の温度に関わらず、燃費の悪化および構造の複雑化を招くことなくＮＯｘの浄化を促進する排気浄化装置を提供することにある。

請求項１記載の発明では、添加制御手段は、アンモニア添加部から排気通路を流れる排気へのアンモニアの添加を断続する。この添加制御手段は、所要アンモニア量算出手段で算出した所要アンモニア量以上のアンモニアを排気へ添加する。この所要アンモニア量は、所要アンモニア量算出手段によって、排気中の窒素酸化物の濃度および還元触媒の温度に基づいて算出され、排気に含まれるＮＯｘを還元するために必要なアンモニアの量である。添加制御手段は、所要アンモニア量のアンモニアを排気に添加し、その添加したアンモニア量が上限吸着量算出手段で算出した上限吸着量を超えると、アンモニアの添加を停止する。このように、アンモニアの添加および添加の停止を繰り返すことにより、還元触媒に吸着したアンモニアに由来するアンモニア化合物は、アンモニアの添加の停止によって迅速に分解される。そのため、還元触媒の温度が低い場合でも、還元触媒の活性が維持され、ＮＯｘの還元が促進される。その結果、燃料の添加によって排気の温度を高める必要がなく、排気に燃料を添加するための構成が不要となる。したがって、排気の温度に関わらず、燃費の悪化および構造の複雑化を招くことなくＮＯｘの浄化を促進することができる。

請求項２記載の発明では、上限吸着量は、還元触媒の飽和吸着量よりも小さい。そのため、添加制御手段は、還元触媒がアンモニアで飽和する前にアンモニア添加部から排気への燃料の添加を停止する。これにより、還元触媒は、吸着したアンモニアの飽和による活性低下が回避される。したがって、排気の温度に関わらず、ＮＯｘの浄化を促進することができる。

一実施形態による排気浄化装置を適用したディーゼルエンジンシステムの構成を示す概略図 一実施形態による排気浄化装置の構成を示すブロック図 アンモニアの添加量とＮＯｘの浄化率の時間的な変化を示す模式図 （Ａ）はアンモニアの添加量の時間的な変化、（Ｂ）は（Ａ）におけるＮＯｘ浄化率の時間的な変化、（Ｃ）はアンモニアに代えて尿素水を添加したときのＮＯｘ浄化率の時間的な変化を示す概略図 一実施形態による排気浄化装置おいて、アンモニア添加の処理の流れを示す概略図 一実施形態による排気浄化装置において、アンモニアの添加を停止したときの処理の流れを示す概略図 （Ａ）はアンモニア添加弁に印加する駆動電圧の時間的な変化、（Ｂ）は（Ａ）におけるアンモニア添加量の時間的な変化、（Ｃ）は（Ａ）におけるＮＯｘ浄化率の時間的な変化、（Ｄ）は（Ａ）における還元触媒のアンモニア吸着量の時間的な変化を示す概略図

以下、排気浄化装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
一実施形態による排気浄化装置を適用したエンジンシステムを図１に示す。エンジンシステム１０は、内燃機関としてのディーゼルエンジン１１を備えている。内燃機関は、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンやガスタービンエンジンなどであってもよい。排気浄化装置１２は、ディーゼルエンジンの排気側に設けられている。

排気浄化装置１２は、排気管部１３、還元触媒１４、アンモニア添加部１５、濃度検出手段としてのＮＯｘセンサ１６およびＮＯｘセンサ１７、触媒温度検出手段としての温度センサ１８、ならびに制御部１９を備えている。排気管部１３は、内部に排気通路２１を形成している。排気通路２１は、一方の端部がディーゼルエンジン１１に接続し、他方の端部が大気に開放している。ディーゼルエンジン１１の排気は、排気管部１３が形成する排気通路２１を経由して大気中へ放出される。還元触媒１４は、排気管部１３が形成する排気通路２１に設けられている。また、排気通路２１には、酸化触媒２２が設けられている。酸化触媒２２は、排気に含まれる未燃焼の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を酸化する。これにより、ディーゼルエンジン１１から排出され排気通路２１を流れる排気は、酸化触媒２２および還元触媒１４を通過する。還元触媒１４は、いわゆるＳＣＲ触媒である。排気に含まれるＮＯｘは、アンモニア添加部１５から排気へ添加されたアンモニアと還元触媒１４において反応し、窒素および水に還元される。排気通路２１には、酸化触媒２２および還元触媒１４だけでなく、図示しないアンモニア酸化触媒やＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）などの各種触媒やフィルタが設けられている。

アンモニア添加部１５は、アンモニア添加弁２４、アンモニア生成部２５、アンモニアタンク２６および圧力センサ２７を有している。アンモニア添加弁２４は、排気通路２１を流れる排気へ還元剤であるアンモニアを添加する。アンモニア添加弁２４は、排気通路２１における排気の流れ方向において還元触媒１４の上流側すなわちディーゼルエンジン１１側に設けられている。アンモニア添加弁２４は、噴射口３１および電磁弁３２を有している。アンモニア添加弁２４の噴射口３１は、排気通路２１に露出している。電磁弁３２は、制御部１９からの駆動信号に基づいてこの噴射口３１を開閉する。これにより、アンモニア添加弁２４に供給されたアンモニアは、噴射口３１から排気通路２１を流れる排気に噴射される。噴射口３１からのアンモニアの噴射は、駆動信号に基づいて駆動される電磁弁３２によって断続される。

アンモニア生成部２５は、固体の還元剤材料から気体のアンモニアを生成する。固体の還元剤材料は、例えば加熱することにより熱分解する炭酸アンモニウムなどのアンモニア化合物が用いられる。アンモニア生成部２５は、この固体の還元剤材料を加熱する加熱手段としてヒータ３３を有している。ヒータ３３は、制御部１９からの通電によって固体の還元剤材料を加熱する。なお、加熱手段は、ヒータ３３に限らず、例えばディーゼルエンジン１１の排熱を利用するなど任意の手段を用いることができる。

アンモニアタンク２６は、アンモニア生成部２５で生成した気体のアンモニアを貯える。すなわち、アンモニア生成部２５のヒータ３３で加熱することにより生成したアンモニアは、アンモニアタンク２６に気体のまま貯えられる。アンモニア生成部２５とアンモニアタンク２６との間は、タンク通路３４によって接続されている。アンモニア生成部２５で生成した気体のアンモニアは、タンク通路３４を経由してアンモニアタンク２６へ供給される。アンモニアタンク２６とアンモニア添加弁２４との間は、供給通路３５によって接続されている。アンモニアタンク２６に貯えられているアンモニアは、供給通路３５を経由してアンモニア添加弁２４へ供給される。

圧力センサ２７は、供給通路３５に設けられている。圧力センサ２７は、供給通路３５を流れるアンモニアの圧力を検出する。圧力センサ２７は、検出したアンモニアの圧力を電気信号として制御部１９へ出力する。制御部１９は、圧力センサ２７で検出した供給通路３５におけるアンモニアの圧力からアンモニアタンク２６に貯えられているアンモニアの圧力を検出する。

ＮＯｘセンサ１６およびＮＯｘセンサ１７は、排気通路２１における排気の流れ方向において還元触媒１４の上流側および下流側にそれぞれ設けられている。すなわち、ＮＯｘセンサ１６は、還元触媒１４の上流側つまり排気の入口側に設けられている。ＮＯｘセンサ１７は、還元触媒１４の下流側つまり排気の出口側に設けられている。ＮＯｘセンサ１６およびＮＯｘセンサ１７は、いずれも排気に含まれるＮＯｘの濃度を検出する。ＮＯｘセンサ１６およびＮＯｘセンサ１７は、検出したＮＯｘの濃度を電気信号として制御部１９へ出力する。

温度センサ１８は、還元触媒１４に設けられている。温度センサ１８は、還元触媒１４の温度を検出する。温度センサ１８は、検出した還元触媒１４の温度を電気信号として制御部１９へ出力する。本実施形態の場合、温度センサ１８は、還元触媒１４に設けられ、還元触媒１４の温度を直接検出する。なお、温度センサ１８は、排気通路２１に設けてもよい。この場合、制御部１９は、排気通路２１に設けた温度センサ１８で検出した排気の温度に基づいて、還元触媒１４の温度を推算する。さらに、制御部１９は、ディーゼルエンジン１１へ噴射された燃料の噴射量に基づいて、排気の温度および還元触媒１４の温度を推算する構成としてもよい。このように、還元触媒１４の温度は、温度センサ１８で直接検出するだけでなく、排気の温度や燃料の噴射量などから間接的に検出してもよい。

制御部１９は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータで構成されている。制御部１９は、ＲＯＭに記録されているコンピュータプログラムに基づいて排気浄化装置１２をはじめとするエンジンシステム１０を制御する。制御部１９は、図２に示すように所要アンモニア量算出部４１、上限吸着量算出部４２、添加制御部４３および記憶部４４を有している。記憶部４４は、例えばフラッシュメモリなどの不揮発性の記憶媒体で構成されている。この記憶部４４は、制御部１９のＲＯＭやＲＡＭと共用してもよい。所要アンモニア量算出部４１、上限吸着量算出部４２および添加制御部４３は、制御部１９で実行されるコンピュータプログラムによってソフトウェア的に実現されている。なお、所要アンモニア量算出部４１、上限吸着量算出部４２および添加制御部４３は、ハードウェア的に実現してもよい。

所要アンモニア量算出部４１は、還元触媒１４において排気に含まれるＮＯｘの還元に必要なアンモニア量を所要アンモニア量として算出する。具体的には所要アンモニア量算出部４１は、ＮＯｘセンサ１６およびＮＯｘセンサ１７で検出したＮＯｘの濃度、および温度センサ１８で検出した還元触媒１４の温度に基づいて所要アンモニア量を算出する。すなわち、所要アンモニア量算出部４１は、ＮＯｘセンサ１６で検出した還元触媒１４の入口側におけるＮＯｘの濃度と、ＮＯｘセンサ１７で検出した還元触媒１４の出口側におけるＮＯｘの濃度との差、および還元触媒１４の温度から、排気に含まれるＮＯｘの還元に必要な所要アンモニア量を算出する。

上限吸着量算出部４２は、還元触媒１４に吸着するアンモニアの吸着量の上限を上限吸着量として算出する。上限吸着量算出部４２は、温度センサ１８から還元触媒１４の温度を取得する。そして、上限吸着量算出部４２は、温度センサ１８で検出した還元触媒１４の温度に基づいて、還元触媒１４に吸着するアンモニアの最大量、すなわち飽和吸着量を算出する。この飽和吸着量は、還元触媒１４の温度に相関する。そのため、上限吸着量算出部４２は、還元触媒１４の温度に相関するテーブルまたは相関式から飽和吸着量を算出する。そして、上限吸着量算出部４２は、算出した飽和吸着量から予め設定された減少幅を減じた値を上限吸着量として設定する。この減少幅は、ディーゼルエンジン１１の性能や還元触媒１４の性能などに応じて任意に設定される。このように、上限吸着量は、飽和吸着量よりも小さな値として設定される。

添加制御部４３は、アンモニア添加部１５のアンモニア添加弁２４へ駆動信号を出力または出力を停止することにより、アンモニア添加弁２４から排気へのアンモニアの添加を断続する。添加制御部４３は、アンモニア添加弁２４を駆動することにより、排気へのアンモニアの添加と、添加の停止とを繰り返し実行する。添加制御部４３は、アンモニア添加弁２４から排気へアンモニアを添加するとき、所要アンモニア量算出部４１で算出した所要アンモニア量以上のアンモニアを排気へ添加する。すなわち、アンモニア添加弁２４から排気へ添加されるアンモニアは、排気に含まれるＮＯｘの還元に必要な所要アンモニア量以上に設定される。そして、添加制御部４３は、このアンモニアの添加によって、排気へ添加されるアンモニアの量が上限吸着量を超えると、アンモニア添加弁２４から排気へのアンモニアの添加を停止する。

次に、本実施形態の排気浄化装置１２によるＮＯｘ浄化の機構について説明する。
図３に示すように、還元触媒１４の温度が１５０℃程度の２００℃以下の環境において、アンモニア添加弁２４から排気へ気体のアンモニアを当量比１で添加すると、ＮＯｘの浄化率は、１００％に到達しない。すなわち、還元触媒１４の温度が低いとき、還元触媒１４におけるＮＯｘの還元効率は、１００％未満となる。還元触媒１４の温度が２００℃以下の場合、反応の開始温度が低い式（１）に示すＦａｓｔＳＣＲ反応が還元触媒１４におけるＮＯｘ還元反応の主となる。

ＮＯ＋ＮＯ₂＋２ＮＨ₃→２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ 式（１）
しかし、実際には、アンモニアの添加の開始から一定時間経過すると、ＮＯ₂と同量のＮＯｘが浄化される前にＮＯの浄化率が飽和し、全体してのＮＯｘ浄化率が低下する。これは、式（１）に示すＦａｓｔＳＣＲ反応の中間反応である式（２）に示す中間反応において生成する硝酸（ＨＮＯ₃）が原因である。この式（２）に示す中間反応は、双方向の矢印で示すように可逆反応である。

２ＮＯ₂＋Ｈ₂Ｏ←→ＨＯＮＯ＋ＨＮＯ₃ 式（２）
式（２）に示す中間反応で生成する硝酸は、式（３）で示す反応によって、排気中のアンモニアと反応し窒素に還元される。一方、還元触媒１４の温度が低いとき、式（２）に示す中間反応で生成する硝酸は、式（４）で示す副反応によって、アンモニアと直接反応し、アンモニア化合物である硝酸アンモニウム（ＮＨ₄ＮＯ₃）を生成する。この式（４）に示す副反応も、双方向の矢印で示すように可逆反応である。

ＨＮＯ₃＋ＮＯ＋ＮＨ₃→２Ｎ₂＋４Ｈ₂Ｏ＋ＮＯ₂ 式（３）
ＨＮＯ₃＋ＮＨ₃←→ＮＨ₄ＮＯ₃ 式（４）
式（４）に示す副反応で生成したアンモニア化合物は、ＮＯｘの浄化に寄与しないだけでなく、固体であるため還元触媒１４におけるＮＯの浄化活性部すなわちＮＯの吸着部を閉塞させる。そのため、還元触媒１４は、ＮＯの浄化率が飽和し、全体としてのＮＯｘ浄化率の低下を招く。そこで、温度が低い領域で還元触媒１４におけるＮＯｘ浄化率を向上するためには、式（４）の副反応で生成するアンモニア化合物を除去することが求められる。

図４（Ａ）に示すように、アンモニア添加弁２４から排気へ気体のアンモニアを添加した後、アンモニアの添加を停止すると、図４（Ｂ）に示すようにＮＯｘの浄化率はアンモニアの添加の停止とともに上昇する。これは、アンモニアの添加の停止によって、還元触媒１４におけるアンモニアの濃度が低下すると、式（４）に示す副反応は可逆反応であるため、左辺側のアンモニア（ＮＨ₃）の濃度の低下により式（４）の平衡が左辺側へ進むからである。その結果、式（４）の平衡は、還元触媒１４に生成したアンモニア化合物である硝酸アンモニウム（ＮＨ₄ＮＯ₃）が硝酸およびアンモニアへ分解する側へ移動する。一方、液体の尿素水溶液を排気に添加する場合、尿素からアンモニアの生成に時間が必要となる。そのため、還元触媒１４におけるアンモニアの吸着量が低下しにくく、アンモニア化合物の分解が生じない。その結果、尿素水を添加する場合、図４（Ｃ）に示すようにＮＯｘの浄化率は、尿素水の添加を停止しても向上しない。本実施形態のように気体のアンモニアを排気に添加することにより、還元触媒１４に生成したアンモニア化合物の分解が早期に促進され、還元触媒１４の温度に関わらず、ＮＯｘの全体的な浄化率が向上する。

次に、上記の構成による排気浄化装置１２の作動の流れについて説明する。
上述の通り、本実施形態では、アンモニア添加弁２４から排気へのアンモニアの添加と添加の停止とを繰り返すことにより、還元触媒１４の温度が比較的低い場合でも、ＮＯｘの浄化率の向上を図っている。以下、本実施形態による排気浄化装置１２による具体的なＮＯｘ浄化の流れについて説明する。

まず、アンモニア添加時の制御について図５に基づいて説明する。制御部１９の上限吸着量算出部４２は、上限吸着量を算出する（Ｓ１０１）。上限吸着量算出部４２は、温度センサ１８から還元触媒１４の温度を取得する。上限吸着量は、還元触媒１４の温度に相関する飽和吸着量から予め設定された減少幅を減じることにより算出される。そのため、上限吸着量算出部４２は、温度センサ１８で検出した還元触媒１４の温度に基づいて、この温度に相関する上限吸着量を算出する。

次に、制御部１９の所要アンモニア量算出部４１は、排気に含まれるＮＯｘの還元に必要なアンモニア量を所要アンモニア量として算出する（Ｓ１０２）。所要アンモニア量算出部４１は、ＮＯｘセンサ１６で検出した還元触媒１４の入口側におけるＮＯｘ濃度、ＮＯｘセンサ１７で検出した還元触媒１４の出口側におけるＮＯｘ濃度、および温度センサ１８で検出した還元触媒１４の温度から、所要アンモニア量を算出する。ＮＯｘの還元に必要な所要アンモニア量は、排気のＮＯｘ濃度および還元触媒１４の温度によって変化する。そのため、所要アンモニア量算出部４１は、ＮＯｘセンサ１６およびＮＯｘセンサ１７で検出したＮＯｘ濃度、ならびに温度センサ１８で検出した還元触媒１４の温度に基づいて、アンモニア添加弁２４から排気への添加が必要な所要アンモニア量を算出する。

Ｓ１０１において上限吸着量を推算し、Ｓ１０２において所要アンモニア量を算出すると、添加制御部４３は、所要アンモニア量が上限吸着量よりも小さいか否かを判断する（Ｓ１０３）。Ｓ１０３において所要アンモニア量が上限吸着量よりも小さいと判断されたとき（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）、アンモニア添加弁２４から添加されたアンモニアは還元触媒１４に吸着またはＮＯｘと反応する。そのため、アンモニア添加弁２４から排気へアンモニアを添加しても、添加されたアンモニアは還元触媒１４に吸着または排気中のＮＯｘと反応する。すなわち、排気にはさらなるアンモニアの添加が可能である。そこで、添加制御部４３は、所要アンモニア量が上限吸着量よりも小さいとき、還元触媒１４での吸着またはＮＯｘとの反応のために十分なアンモニアの添加量を目標添加量として算出する（Ｓ１０４）。そして、添加制御部４３は、算出した目標添加量に基づいてアンモニア添加弁２４を駆動し、アンモニアを排気へ添加する（Ｓ１０５）。この目標添加量は、還元触媒１４におけるアンモニアの吸着量が上限吸着量となるように設定される。

Ｓ１０３において上限吸着量が所要アンモニア量以下と判断されたとき（Ｓ１０３：Ｎｏ）、アンモニア添加弁２４から排気へアンモニアを添加すると、添加されたアンモニアは還元触媒１４に吸着されず、排気中のＮＯｘとの反応も進行しにくい。そのため、アンモニアは、還元触媒１４において消費されず、還元触媒１４を通過し、大気中へ放出されるおそれがある。そこで、添加制御部４３は、上限吸着量が所要アンモニア量以下であるとき、アンモニアの添加を停止する（Ｓ１０６）。このように、添加制御部４３は、Ｓ１０１で算出した上限吸着量と、Ｓ１０２で算出した所要アンモニア量との大小に基づいて、アンモニア添加弁２４からのアンモニアの添加または停止を制御する。

一方、Ｓ１０６においてアンモニアの添加を停止すると、還元触媒１４ではアンモニアが供給されることなくＮＯｘの浄化に消費される。そのため、還元触媒１４では吸着されたアンモニアでＮＯｘが還元されるとともに、還元触媒１４に生成したアンモニア化合物の分解が促進される。このようにＮＯｘの添加が停止しているとき、還元触媒１４では、アンモニア化合物の分解によって生成したアンモニアを用いてＮＯｘの還元反応が進行する。そして、分解によって生成するアンモニアの消費が進行すると、ＮＯｘの還元に必要なアンモニアが不足し、ＮＯｘの浄化率は低下する。

そこで、添加制御部４３は、図５に示すＳ１０６においてアンモニアの添加を停止すると、アンモニアの添加再開時期を判断するサブルーチンへ移行する（Ｓ１０７）。添加制御部４３は、図５に示すＳ１０７においてサブルーチンへ移行すると、図６に示すようにＮＯｘの浄化率を算出する（Ｓ２０１）。添加制御部４３は、還元触媒１４の入口側におけるＮＯｘセンサ１６で検出したＮＯｘ濃度と、出口側におけるＮＯｘセンサ１７で検出したＮＯｘ濃度との差からＮＯｘの浄化率を算出する。還元触媒１４においてＮＯｘの還元が進行しているとき、すなわちＮＯｘの浄化率が大きいとき、ＮＯｘセンサ１６で検出したＮＯｘ濃度とＮＯｘセンサ１７で検出したＮＯｘ濃度との差は大きい。一方、還元触媒１４におけるＮＯｘの浄化率が小さいとき、ＮＯｘセンサ１６で検出したＮＯｘ濃度とＮＯｘセンサ１７で検出したＮＯｘ濃度と差は小さくなる。そのため、添加制御部４３は、ＮＯｘセンサ１６およびＮＯｘセンサ１７で検出したＮＯｘ濃度の差から、ＮＯｘの浄化率を算出する。

添加制御部４３は、ＮＯｘの浄化率を算出すると、ＮＯｘの浄化率の低下が予め設定した下限値に到達したか否かを判断する（Ｓ２０２）。ここで、下限値は、ＮＯｘの浄化率の最大値よりも小さな値である。ＮＯｘの浄化率は、ＮＯｘセンサ１６で検出したＮＯｘ濃度とＮＯｘセンサ１７で検出したＮＯｘ濃度とから算出される。この算出されたＮＯｘの浄化率は、排気浄化装置１２の運転の継続によって記憶部４４に蓄積される。添加制御部４３は、この蓄積されたＮＯｘの浄化率のうち最大のものを、浄化率の最大値として記憶部４４に記憶する。これにより、還元触媒１４におけるＮＯｘの浄化がもっとも進行しているとき、ＮＯｘの浄化率は最大値に達する。添加制御部４３は、この蓄積したＮＯｘの浄化率の最大値から予め設定した低下幅を減じることにより下限値を算出する。すなわち、下限値は、下限値＝最大値−低下幅で算出される。そして、添加制御部４３は、Ｓ２０１で取得したＮＯｘの浄化率が下限値に到達したか否かを判断する。

添加制御部４３は、ＮＯｘの浄化率が下限値に到達したと判断する（Ｓ２０２：Ｙｅｓ）、アンモニア添加弁２４からのアンモニアの添加を再開する（Ｓ２０３）。アンモニアの添加を再開するとき、添加制御部４３は、Ｓ１０４と同様に目標添加量を算出するとともに（Ｓ２０４）、アンモニア添加弁２４を駆動して排気にアンモニアを添加する（Ｓ２０５）。一方、添加制御部４３は、ＮＯｘの浄化率が下限値に達していないと判断すると（Ｓ２０２：Ｎｏ）、Ｓ２０１で取得したＮＯｘの浄化率が過去に蓄積したＮＯｘ浄化率の最大値よりも大きいか否かを判断する（Ｓ２０６）。添加制御部４３は、Ｓ２０１で取得したＮＯｘの浄化率が過去に蓄積したＮＯｘの浄化率の最大値よりも大きいと判断すると（Ｓ２０６：Ｙｅｓ）、Ｓ２０１で取得したＮＯｘの浄化率を更新した最大値として記憶部４４に記憶する（Ｓ２０７）。これにより、これ以降の処理では、更新した最大値がＳ２０２およびＳ２０６における判断に用いられる。添加制御部４３は、Ｓ２０１で取得したＮＯｘの浄化率が過去に蓄積したＮＯｘの浄化率の最大値以下であると判断すると（Ｓ２０６：Ｎｏ）、Ｓ２０１で取得したＮＯｘの浄化率を記憶しない。添加制御部４３は、Ｓ１０５においてアンモニア添加弁２４を駆動、Ｓ２０５においてアンモニア添加弁２４を駆動、Ｓ２０７で更新した最大値を記憶部４４に記憶、またはＳ２０６でＮＯｘの浄化率が蓄積したＮＯｘの浄化率の最大値以下であると判断すると、図５に示すメインルーチンへリターンし、Ｓ１０１以降の処理を繰り返す。

これにより、図７（Ａ）に示すように、添加制御部４３は、アンモニア添加弁２４の電磁弁３２への電圧の印加を断続する。そのため、アンモニア添加弁２４からは、図７（Ｂ）に示すようにアンモニアの添加とその停止とが繰り返される。アンモニア添加弁２４からアンモニアを噴射することにより、排気に含まれるＮＯｘは、還元触媒１４において添加されたアンモニアによって浄化される。このとき、排気にはＮＯｘの浄化の必要量に対し過剰なアンモニアが添加される。排気に添加された過剰なアンモニアは、還元触媒１４にアンモニア化合物として蓄積する。その結果、ＮＯｘの浄化率は、図７（Ｃ）に示すようにアンモニアの添加の継続によって飽和する。また、還元触媒１４におけるアンモニアの吸着量は、図７（Ｄ）に示すようにアンモニアの添加またはその停止に応じて増減する。

一方、還元触媒１４に蓄積したアンモニア化合物は、アンモニアの添加を停止することにより、可逆反応によってアンモニアに分解される。そのため、アンモニアの添加を停止したとき、排気に含まれるＮＯｘは、アンモニア化合物の分解によって生成したアンモニアによって浄化される。そのため、図７（Ｃ）に示すように、アンモニアの添加を停止すると、アンモニア化合物の分解が促進され、ＮＯｘの浄化率は上昇する。さらにアンモニアの添加の停止が継続すると、ＮＯｘの浄化に必要なアンモニアが不足し、ＮＯｘの浄化率は低下する。そして、ＮＯｘの浄化率が下限値に到達すると、アンモニアの添加が再開される。これにより、還元触媒１４では、一時的にＮＯｘの浄化率が低下するものの、アンモニアの添加の再開によって再びＮＯｘの浄化率が上昇する。このように、アンモニアの添加およびその停止を繰り返すことにより、還元触媒１４におけるＮＯｘの平均的な浄化率つまり平均浄化率は、アンモニアを一定量で添加した従来浄化率に比較して向上する。

上述の実施形態では、添加制御部４３は、排気通路２１を流れる排気へ、所要アンモニア量算出部４１で算出した所要アンモニア量以上のアンモニアを添加する。添加制御部４３は、所要アンモニア量のアンモニアを排気に添加し、その添加したアンモニア量が上限吸着量を超えると、アンモニアの添加を停止する。このように、アンモニアの添加とその停止とを繰り返すことにより、還元触媒１４に生成したアンモニア化合物は、アンモニアの添加の停止によって分解される。そのため、還元触媒１４の温度が低い場合でも、還元触媒１４の活性が維持され、ＮＯｘの還元が促進される。その結果、燃料の添加によって排気の温度を高める必要がなく、排気に燃料を添加するための構成が不要となる。したがって、排気の温度に関わらず、燃費の悪化および構造の複雑化を招くことなくＮＯｘの浄化を促進することができる。

また、本実施形態では、上限吸着量は、還元触媒１４の飽和吸着量よりも小さい。そのため、添加制御部４３は、還元触媒１４がアンモニアで飽和する前にアンモニア添加部１５から排気への燃料の添加を停止する。これにより、還元触媒１４は、吸着したアンモニアの飽和による活性低下およびアンモニアのスリップが回避される。したがって、排気の温度に関わらず、ＮＯｘの浄化を促進することができる。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

図面中、１１はディーゼルエンジン（内燃機関）、１２は排気浄化装置、１３は排気管部、１４は還元触媒、１５はアンモニア添加部、１６、１７はＮＯｘセンサ（濃度検出手段）、１８は温度センサ（触媒温度検出手段）、２１は排気通路、４１は所要アンモニア量算出部（所要アンモニア量算出手段）、４２は上限吸着量算出部（上限吸着量算出手段）、４３は添加制御部（添加制御手段）を示す。

Claims (2)

1. 内燃機関の排気が流れる排気通路を形成する排気管部と、
   前記排気通路に設けられ、前記排気に含まれる窒素酸化物の還元を触媒する還元触媒と、
   前記排気管部に設けられ、前記排気通路を流れる排気にアンモニアを添加するアンモニア添加部と、
   前記排気通路を流れる排気の流れ方向において、前記還元触媒の上流側および下流側にそれぞれ設けられ、前記排気に含まれる窒素酸化物の濃度を検出する濃度検出手段と、
   前記還元触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
   前記濃度検出手段で検出した窒素酸化物の濃度、および前記触媒温度検出手段で検出した前記還元触媒の温度に基づいて、排気に含まれる窒素酸化物の還元に必要なアンモニア量を所要アンモニア量として算出する所要アンモニア量算出手段と、
   前記触媒温度検出手段で検出した前記還元触媒の温度に基づいて、前記還元触媒に吸着するアンモニアの吸着量の上限を上限吸着量として算出する上限吸着量算出手段と、
   前記アンモニア添加部からのアンモニアの添加を断続して、前記所要アンモニア量以上のアンモニアの添加と、添加したアンモニア量が前記上限吸着量を超えた際のアンモニアの添加の停止とを繰り返す添加制御手段と、
   を備えることを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記上限吸着量は、前記触媒温度検出手段で検出した前記還元触媒の温度に基づいて算出される前記還元触媒の飽和吸着量よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。

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