JP2014211155A - 内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料にアンモニアが含まれており、ＮＯXの浄化性能に優れた排気浄化装置を備える内燃機関を提供する。
【解決手段】内燃機関は、燃焼室にアンモニアを供給するアンモニア供給機と、機関排気通路内に配置されているＮＯX選択還元触媒とを備える。ＮＯX選択還元触媒の浄化率は、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気のＮＯXに対するアンモニアの濃度比である流入濃度比に依存する。ＮＯX選択還元触媒におけるＮＯXの浄化率がほぼ最大になり、更にアンモニアの浄化率がほぼ最大になる流入濃度比の高浄化率範囲が予め定められている。内燃機関は、流入濃度比が高浄化率範囲内に維持されるように制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関に関する。
内燃機関は、燃焼室において燃料を燃焼させることにより動力を得る。内燃機関には、自動車等の搭載される機関やガスタービン機関が含まれる。ガソリンなどの化石燃料を燃料にする内燃機関のほかに、アンモニアを燃料にする内燃機関が知られている。ガソリンなどを燃料にする内燃機関では、燃料を燃焼させると二酸化炭素が生じるが、アンモニアを燃料にする内燃機関では、燃料を燃焼させても二酸化炭素の生成を回避できるという特徴を有する。
特開平５−３３２１５２号公報においては、アンモニアガスを燃焼させて駆動力を得るアンモニア燃焼エンジンであって、燃焼室の排気を用いてアンモニアを分解するアンモニア分解反応器を備える燃焼エンジンが開示されている。燃焼室からの排気によって、アンモニア分解反応器内の熱交換パイプが加熱される。熱交換パイプに導かれるアンモニアガスは、排気の熱を吸収する吸熱反応によって水素と窒素とに分解されることが開示されている。また、上記の公報には、生成された水素は、燃焼室や燃焼室に連通する副燃焼室に導かれることが開示されている。燃焼室や副燃焼室では、点火性の良い水素ガスがアンモニアガスを効果的に燃焼させて、難燃性であるアンモニアガスの燃焼性を向上することが開示されている。
特開平５−３３２１５２号公報
アンモニアを燃料にする内燃機関においては、燃焼室にて燃料が燃焼することにより窒素酸化物（ＮＯX）が生じる。燃焼室から流出する排気には、未燃燃料の他にＮＯXが含まれる。内燃機関の排気浄化装置においては、機関排気通路にＮＯXを還元可能な装置を配置することにより、排気に含まれるＮＯXを浄化することができる。
たとえば、機関排気通路に三元触媒を配置することにより排気に含まれるＮＯXを浄化することができる。機関排気通路に三元触媒を配置した場合には、浄化率の向上のために燃焼時の空燃比が理論空燃比になるように制御することが好ましい。しかし、燃焼時の空燃比を理論空燃比に維持するためには精密な制御が必要になる。
一方で、内燃機関の熱効率の向上または燃料消費量の低減を図るためには、燃焼時の空燃比がリーンになるように運転を行なうことが好ましい。すなわち空気過剰な状態で燃焼させる希薄燃焼を行なうことが好ましい。しかしながら、燃焼時の空燃比がリーンになる内燃機関の機関排気通路に三元触媒を配置した場合には、ＮＯXの浄化率が低くなるという問題が生じる。また、三元触媒を用いる場合には、白金、パラジウム等の貴重な貴金属が必要になる。
本発明は、燃料にアンモニアが含まれる内燃機関であって、排気の浄化性能に優れた排気浄化装置を備える内燃機関を提供することを目的とする。
本発明の第１の内燃機関は、燃焼室にアンモニアを供給するアンモニア供給機と、機関排気通路内に配置され、還元剤としてのアンモニアを供給することによりＮＯXを選択的に還元するＮＯX選択還元触媒とを備える。ＮＯX選択還元触媒は、ＮＯXの浄化率およびアンモニアの浄化率が、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気のＮＯXに対するアンモニアの濃度比である流入濃度比に依存する。ＮＯX選択還元触媒におけるＮＯXの浄化率がほぼ最大になり、更にアンモニアの浄化率がほぼ最大になる流入濃度比の高浄化率範囲が予め定められている。内燃機関は、流入濃度比を推定し、流入濃度比が高浄化率範囲内に維持されるように流入濃度比を制御する。
上記発明においては、流入濃度比を上昇させる場合には点火時期を進角し、流入濃度比を低下させる場合には点火時期を遅角することができる。
上記発明においては、アンモニアを分解して水素を生成する触媒を含む分解器と、分解器において生成された水素を燃焼室に供給する水素供給機とを備え、流入濃度比を上昇させる場合には、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を一定に維持しながら燃焼時の空燃比を低下させ、流入濃度比を低下させる場合には、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を一定に維持しながら燃焼時の空燃比を上昇させることができる。
上記発明においては、アンモニアを分解して水素を生成する触媒を含む分解器と、分解器において生成された水素を燃焼室に供給する水素供給機とを備え、流入濃度比を上昇させる場合には、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を低下させ、流入濃度比を低下させる場合には、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を上昇させることができる。
上記発明においては、分解器に空気を供給する空気供給機を備え、分解器の触媒は、アンモニアを酸化する機能を有し、アンモニアおよび空気が供給されることにより、アンモニアが分解されて水素が生成されると共にアンモニアが酸化されて分解反応に必要な熱が生じるように形成されており、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を変更する場合には、分解器に供給するアンモニアに対する空気の割合を変化させることができる。
上記発明においては、ＮＯX選択還元触媒から流出する排気のＮＯX濃度およびアンモニア濃度のうち少なくとも一方を検出し、検出したＮＯX濃度およびアンモニア濃度のうち少なくとも一方の濃度に基づいて、流入濃度比を推定することができる。
本発明の第２の内燃機関は、燃焼室にアンモニアを供給するアンモニア供給機と、機関排気通路内に配置され、還元剤としてのアンモニアを供給することによりＮＯXを選択的に還元するＮＯX選択還元触媒とを備える。ＮＯX選択還元触媒は、アンモニアの吸着能力を有し、ＮＯXの浄化率およびアンモニアの浄化率が、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気のＮＯXに対するアンモニアの濃度比である流入濃度比に依存する。ＮＯX選択還元触媒に流入するＮＯXの全てを浄化するときの流入濃度比である基準濃度比が予め定められている。流入濃度比が基準濃度比よりも大きくなる範囲で維持する制御と、流入濃度比が基準濃度比よりも小さくなる範囲で維持する制御とを繰り返し行なう。
上記発明においては、ＮＯX選択還元触媒におけるＮＯXの浄化率がほぼ最大になり、更にアンモニアの浄化率がほぼ最大になる流入濃度比の高浄化率範囲が予め定められており、基準濃度比よりも大きくなる範囲で維持する制御は、高浄化率範囲よりも高い濃度比にて流入濃度比を維持する制御を含み、基準濃度比よりも小さくなる範囲で維持する制御は、高浄化率範囲よりも低い濃度比にて流入濃度比を維持する制御を含むことができる。
上記発明においては、ＮＯX選択還元触媒におけるアンモニアの吸着量を推定し、推定したアンモニアの吸着量が予め定められた下限判定値未満の場合には、ＮＯXに対するアンモニアの濃度比が基準濃度比よりも大きくなる範囲で維持する制御を行い、推定したアンモニアの吸着量が予め定められた上限判定値よりも大きい場合には、ＮＯXに対するアンモニアの濃度比が基準濃度比よりも小さくなる範囲で維持する制御を実施することができる。
上記発明においては、流入濃度比を上昇させる場合には点火時期を進角し、流入濃度比を低下させる場合には点火時期を遅角することができる。
上記発明においては、アンモニアを分解して水素を生成する触媒を含む分解器と、分解器において生成された水素を燃焼室に供給する水素供給機とを備え、流入濃度比を上昇させる場合には、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を一定に維持しながら燃焼時の空燃比を低下させ、流入濃度比を低下させる場合には、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を一定に維持しながら燃焼時の空燃比を上昇させることができる。
上記発明においては、アンモニアを分解して水素を生成する触媒を含む分解器と、分解器において生成された水素を燃焼室に供給する水素供給機とを備え、流入濃度比を上昇させる場合には、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を低下させ、流入濃度比を低下させる場合には、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を上昇させることができる。
上記発明においては、分解器に空気を供給する空気供給機を備え、分解器の触媒は、アンモニアを酸化する機能を有し、アンモニアおよび空気が供給されることにより、アンモニアが分解されて水素が生成されると共にアンモニアが酸化されて分解反応に必要な熱が生じるように形成されており、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を変更する場合には、分解器に供給するアンモニアに対する空気の割合を変化させることができる。
上記発明においては、ＮＯX選択還元触媒から流出する排気のＮＯX濃度およびアンモニア濃度のうち少なくとも一方を検出し、検出したＮＯX濃度およびアンモニア濃度のうち少なくとも一方の濃度に基づいて、流入濃度比を推定することができる。
本発明によれば、燃料にアンモニアが含まれる内燃機関であって、排気の浄化性能に優れた排気浄化装置を備える内燃機関を提供することができる。
実施の形態１における内燃機関の概略図である。 実施の形態１におけるＮＯX選択還元触媒の浄化率を説明するグラフである。 実施の形態１における内燃機関の運転制御のフローチャートである。 実施の形態における分解器に流入する気体のモル比と、分解器から流出する気体の水素濃度との関係を示すグラフである。 実施の形態における分解器に流入する気体のモル比と、分解器から流出する気体のアンモニア濃度との関係を示すグラフである。 実施の形態１における他の内燃機関の概略図である。 実施の形態１における他のＮＯX選択還元触媒の浄化率を説明するグラフである。 実施の形態２における内燃機関の運転制御のタイムチャートである。 実施の形態２における内燃機関の運転制御のフローチャートである。
（実施の形態１）
図１から図７を参照して、実施の形態１における内燃機関について説明する。本実施の形態においては、自動車に配置されている内燃機関を例示して説明する。本実施の形態における内燃機関は、アンモニアおよび水素を燃料にしている。本実施の形態における内燃機関は、原料として液体のアンモニアから水素を生成する水素発生装置を含む。本実施の形態における内燃機関は、液体のアンモニアに熱を供給して気化させることにより気体のアンモニアを生成する。さらに、気体のアンモニアを分解触媒により分解して水素を生成する。
図１は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。本実施の形態における内燃機関は、火花点火式である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２の内部には、ピストン３が配置されている。ピストン３の冠面とシリンダヘッド４とにより燃焼室５が形成されている。燃焼室５はそれぞれの気筒ごとに形成されている。
燃焼室５には、機関吸気通路および機関排気通路が接続されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。吸気弁６は、燃焼室５に連通する機関吸気通路を開閉可能に形成されている。排気弁８は、燃焼室５に連通する機関排気通路を開閉可能に形成されている。シリンダヘッド４には、点火装置としての点火栓１０が固定されている。点火栓１０は、燃焼室５にて燃料を点火するように形成されている。本実施の形態における点火栓１０は、プラズマジェット点火栓である。
各気筒の吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は、吸気ダクト１５を介してエアクリーナ１２に連結されている。吸気ダクト１５には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が配置されている。吸気ダクト１５の内部には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。
本実施の形態における内燃機関は、排気を浄化する排気浄化装置を備える。各気筒の排気ポート９は、対応する排気マニホールド１９に連結されている。排気マニホールド１９は、排気管２２に連結されている。本実施の形態における排気浄化装置は、ＮＯX選択還元触媒（ＳＣＲ）を含む。ＮＯX選択還元触媒９２は、排気管２２に連結されている。ＮＯX選択還元触媒９２には、排気管２３が連結されている。ＮＯX選択還元触媒９２から流出する排気は、排気管２３を通して外気に放出される。
ＮＯX選択還元触媒９２よりも上流の機関排気通路には、ＮＯX選択還元触媒９２に流入する排気のＮＯX濃度を検出するＮＯXセンサ９４が配置されている。また、ＮＯX選択還元触媒９２よりも上流の機関排気通路には、ＮＯX選択還元触媒９２に流入する排気のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサ９５が配置されている。ＮＯXセンサ９４にて検出されたＮＯX濃度の信号、およびアンモニアセンサ９５にて検出されたアンモニア濃度の信号は、制御装置３１に入力される。
本実施の形態における水素発生装置は、アンモニアを分解するための分解器５１を備える。本実施の形態における分解器５１は、アンモニアを分解するための分解触媒とアンモニアを酸化するための酸化触媒とを含む。分解触媒はアンモニアを分解するための触媒粒子を含み、酸化触媒はアンモニアを酸化するための触媒粒子を含む。本実施の形態における分解器５１は、触媒６０を含む。本実施の形態における触媒６０は、分解触媒と酸化触媒とが一体化されている。
本実施の形態における触媒６０は、ハニカム構造に形成されている。触媒６０は、複数の流路が形成されている基材を含む。基材は、例えばコーディエライトまたは金属で形成されている。基材のそれぞれの流路の表面には、コート層が形成されている。コート層には触媒粒子を担持する粒子状の担持体が配置されている。
本実施の形態における触媒６０は、一つの基材にアンモニアを酸化するための触媒粒子およびアンモニアを分解するための触媒粒子が配置されている。本実施の形態においては、アンモニアを酸化するための触媒粒子およびアンモニアを分解するための触媒粒子は、担持体に担持されている。担持体は、たとえば酸化アルミニウムで形成されている。アンモニアを酸化するための触媒粒子の金属は、白金等の貴金属や鉄等の卑金属を例示することができる。アンモニアを酸化するための触媒粒子は、この形態に限られず、アンモニアの酸化を促進する任意の金属から形成することができる。
アンモニアを分解するための触媒粒子の金属は、ルテニウム等の貴金属やニッケルまたはコバルト等の卑金属を例示することができる。本実施の形態においては、ルテニウムが採用されている。アンモニアを分解するための触媒粒子は、この形態に限られず、アンモニアの分解を促進する任意の金属から形成することができる。
本実施の形態における水素発生装置は、触媒６０を加熱器により加熱するように形成されている。本実施の形態における加熱器は、触媒６０の周りに配置されている電気ヒータを含む。内燃機関の始動時には、電気ヒータに通電することにより触媒６０を昇温することができる。
本実施の形態においては、分解器５１の触媒６０の下流には、触媒６０の温度を検出するための温度センサ７４が配置されている。温度センサ７４で検出された温度の信号は、制御装置３１に入力される。
本実施の形態における水素発生装置は、原料としてのアンモニア４０を気化して分解器５１に供給する。水素発生装置は、アンモニアを貯留するためのタンク６４を含む。タンク６４は、内部が加圧されており、液体のアンモニア４０が貯留されている。本実施の形態における水素発生装置は、液体のアンモニア４０を供給するためのポンプ６５を含む。ポンプ６５は、アンモニア供給管６１ａに接続されている。
水素発生装置は、アンモニア供給管６１ａに接続されている蒸発器６６を含む。蒸発器６６は、液体のアンモニアを加熱することができるように形成されている。蒸発器６６には、気体のアンモニアを供給するアンモニア供給管６１ｂが接続されている。アンモニア供給管６１ｂは、気体のアンモニアを流入管６２の内部に放出するように、流入管６２に接続されている。
本実施の形態における蒸発器６６は、液体のアンモニアと機関冷却水との熱交換によりアンモニアを気化することができる。蒸発器６６は、熱交換部６６ａを有する。本実施の形態における熱交換部６６ａには、機関本体１の機関冷却水が供給されている。熱交換部６６ａにおいて、液体のアンモニアと機関冷却水との熱交換が行なわれる。
分解器５１には、空気を供給するための空気供給機が接続されている。本実施の形態における空気供給機は、分解器５１に接続されている流入管６２を含む。流入管６２は、スロットル弁１８の上流において、機関吸気通路に接続されている。本実施の形態において、分解器５１から流出する気体は、運転期間中に吸気枝管１３が負圧になることにより水素噴射弁８６から噴射される。分解器５１には空気およびアンモニアが供給される。空気供給機は、この形態に限られず、触媒６０に空気を供給可能に形成されていれば構わない。
分解器５１に接続されている流出管７０は、冷却器８５に接続されている。冷却器８５は、分解器５１から流出する高温の気体を冷却するように形成されている。本実施の形態における冷却器８５には、機関冷却水が流入する。機関冷却水により分解器５１から流出する気体が冷却される。
アンモニア供給管６１ｂの途中には、触媒６０に供給する気体のアンモニアの流量を調整するための流量調整弁７２が配置されている。また、流入管６２の途中には、触媒６０に供給する空気の流量を調整する流量調整弁７３が配置されている。流量調整弁７３は、流入管６２において、アンモニア供給管６１ｂが接続される位置よりも上流側に配置されている。
本実施の形態における内燃機関は、分解器５１にて生成された水素を燃焼室５に供給する水素供給機を備える。水素供給機は、機関吸気通路の内部に向かって水素を噴射する水素噴射弁８６を含む。水素噴射弁８６は、供給管９０を介して冷却器８５に接続されている。分解器５１にて生成された水素は、矢印１０３に示すように、流出管７０、冷却器８５および供給管９０を通って水素噴射弁８６に供給される。
本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５にアンモニアを供給するアンモニア供給機を備える。本実施の形態におけるアンモニア供給機は、機関吸気通路の内部に向かってアンモニアを噴射するアンモニア噴射弁８３を含む。アンモニア噴射弁８３は、供給管８９を介して、水素発生装置の蒸発器６６に接続されている。蒸発器６６で生成されたアンモニアの一部は、矢印１０６に示すように、供給管８９を通ってアンモニア噴射弁８３に供給される。また、本実施の形態におけるアンモニア供給機は、触媒６０にて分解されなかったアンモニアを燃焼室５に供給する。触媒６０にて分解されなかったアンモニアは、水素噴射弁８６を介して燃焼室５に供給される。
なお、本実施の形態における水素噴射弁８６およびアンモニア噴射弁８３は、機関吸気通路に燃料を噴射するように形成されているが、この形態に限られず、それぞれの噴射弁は、燃焼室５に燃料を供給できるように形成されていれば構わない。たとえば、それぞれの噴射弁は、燃焼室５に直接的に燃料を噴射するように配置されていても構わない。
本実施の形態における内燃機関は、制御装置３１を備える。本実施の形態における制御装置３１は、デジタルコンピュータを含む。制御装置３１には、エアフローメータ１６の出力および水素発生装置に含まれる温度センサ等の信号が入力されている。制御装置３１は、スロットル弁１８を駆動するステップモータ１７を制御している。また、制御装置３１は、水素噴射弁８６、アンモニア噴射弁８３、および点火栓１０を制御している。また、制御装置３１は、ポンプ６５、流量調整弁７２，７３を制御している。このように、制御装置３１は、機関本体および水素発生装置に含まれる機器を制御している。
本実施の形態の水素発生装置は、起動時には電気ヒータにより触媒６０を昇温する。制御装置３１は、ポンプ６５を駆動し、流量調整弁７２を開いた状態にする。液体のアンモニア４０は、矢印１００に示すように、蒸発器６６に供給される。蒸発器６６においては、液体のアンモニア４０が気体に変化する。気体になったアンモニアは、アンモニア供給管６１ｂを通って、矢印１０１に示すように流入管６２の内部に供給される。
一方で、制御装置３１が流量調整弁７３を開いた状態にすることにより、矢印１０２に示すように、触媒６０に向かって空気が流入する。このように、本実施の形態における水素発生装置は、触媒６０にアンモニアに加えて空気が供給される。
触媒６０に流入する気体には空気が含まれるために、触媒６０の酸化触媒の作用により、供給された一部のアンモニアが酸化する。アンモニアは以下の式の通り酸化反応を生じる。
ＮＨ3＋（３／４）Ｏ2 → （１／２）Ｎ2＋（３／２）Ｈ2Ｏ …（１）
アンモニアの酸化は、発熱反応である。このため、触媒６０が加熱される。酸化反応に用いられなかったアンモニアは、触媒６０の分解触媒の作用により、分解反応を生じる。アンモニアは、窒素と水素とに改質される。アンモニアの分解反応は、以下の式に示すように生じる。
ＮＨ3 → （１／２）Ｎ2＋（３／２）Ｈ2 …（２）
アンモニアの分解反応は、所定の温度以上で生じる。また、アンモニアの分解反応は、吸熱反応である。本実施の形態の水素発生装置は、触媒６０においてアンモニアの一部を酸化させて、その酸化熱を用いてアンモニアの分解を行なうことができる。触媒６０から流出する分解ガスは、水素および窒素の他に水蒸気を含む。生成された分解ガスは、矢印１０３に示すように、流出管７０から流出する。
本実施の形態における水素供給装置は、触媒６０に供給するアンモニアの流量を調整する装置と、触媒６０に供給する空気の流量を調整する装置とを備える。本実施の形態における水素発生装置は、触媒６０に供給するアンモニアの流量に対する空気の流量の割合を調整する流量調整装置を備える。
本実施の形態における水素発生装置は、連続的にアンモニアの分解を行なっている運転期間中では、電気ヒータの通電を停止している。触媒６０における酸化熱によりアンモニアの分解を行うことができる。分解器５１において外部からの熱の供給を行なわずにアンモニアの分解を行なうことができる。
本実施の形態においては、水素発生装置の分解器５１にて生成された水素は、水素噴射弁８６により吸気枝管１３の内部に噴射される。水素発生装置の蒸発器６６において形成された気体のアンモニアの一部は、アンモニア噴射弁８３から吸気枝管１３の内部に噴射される。水素とアンモニアとの混合気は、吸気ポート７を通って、燃焼室５に供給される。燃焼室５においては、燃料が燃焼して排気が生じる。
本実施の形態における内燃機関の通常運転時のアンモニアの供給量および水素の供給量は、たとえば、内燃機関の回転数および要求負荷に基づいて定めることができる。内燃機関の回転数と要求負荷とを関数にするそれぞれの燃料の供給量のマップを予め作成し、このマップを制御装置３１に記憶させておくことができる。
本実施の形態においては、アクセルペダルの踏み込み量等から要求負荷を検出し、更にクランク角センサの出力等により機関回転数を検出する。制御装置３１に記憶したマップにより、アンモニアの供給量および水素の供給量を設定することができる。制御装置３１は、設定されたアンモニアの供給量および水素の供給量に基づいて、アンモニア噴射弁８３および水素噴射弁８６を制御することができる。触媒６０から流出する気体のアンモニア濃度および水素濃度は、例えば、触媒６０の出口にそれぞれの濃度を検出するセンサを配置することにより検出することができる。または、触媒６０の温度および触媒６０に供給する空気量およびアンモニア量に基づいて、マップ等により触媒６０から流出する分解ガスのアンモニア濃度および水素濃度を推定しても構わない。
機関排気通路に配置されているＮＯX選択還元触媒は、還元剤を供給することによりＮＯXを選択的に還元することができる装置である。本実施の形態におけるＮＯX選択還元触媒は、アンモニアを還元剤としてＮＯXを還元する。本実施の形態におけるＮＯX選択還元触媒９２は、鉄をイオン交換により担持したゼオライトを含む。
本実施の形態における内燃機関は、理論空燃比（量論混合比）よりも希薄の混合気にて燃焼を行なうように形成されている。すなわち、燃焼時の空燃比がリーンになるように希薄燃焼を行なっている。燃焼室から流出する排気ガスには酸素が含まれている。ＮＯX選択還元触媒は、酸素の存在下において、アンモニアを還元剤としてＮＯXを窒素に還元することができる。ＮＯXには、一酸化窒素や二酸化窒素が含まれる。還元反応において必要なアンモニアの量は、ＮＯXに対してモル比で１対１である。ＮＯX選択還元触媒においてＮＯXが還元される時には、排気に含まれる酸素によりアンモニアの酸化が同時に生じる。このために、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気のＮＯXに対するアンモニアの割合は、１よりも大きくなる様に制御することが好ましい。
ＮＯX選択還元触媒におけるＮＯXの浄化率およびアンモニアの浄化率は、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気のＮＯXに対するアンモニアの濃度比に依存する。本発明においては、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気のＮＯXに対するアンモニアの濃度比を流入濃度比と称する。
図２に、本実施の形態におけるＮＯX選択還元触媒の浄化率のグラフを示す。横軸は、流入濃度比ｒであり、排気に含まれるＮＯXに対するアンモニアのモル濃度の比率である。縦軸は浄化率であり、以下の式で示すことができる。
（浄化率）＝（ＮＯX選択還元触媒に流入する物質の濃度−ＮＯX選択還元触媒から流出する物質の濃度）／（ＮＯX選択還元触媒に流入する物質の濃度） …（３）
アンモニアの浄化率は、流入濃度比ｒ１以下の領域では、ほぼ一定の値を示す。本実施の形態においては、浄化率がほぼ１００％になる。アンモニアの浄化率は、流入濃度比ｒ１よりも大きな領域では流入濃度比が大きくなるほど減少する。これに対して、ＮＯXの浄化率は、流入濃度比ｒ２未満の領域では、流入濃度比が大きくなるほど増大する。また、ＮＯXの浄化率は、流入濃度比ｒ２以上の領域では、流入濃度比がほぼ１００％になり、ほぼ一定になる。
ＮＯX選択還元触媒においては、ＮＯXおよびアンモニアの両方ともに高い浄化率を示す高浄化率範囲を定めることができる。本実施の形態においては、ＮＯXの浄化率がほぼ最大になり、更にアンモニアの浄化率がほぼ最大になる流入濃度比の範囲を高浄化率範囲に設定している。図２に示す例においては、流入濃度比ｒ１以上流入濃度比ｒ２以下の範囲を高浄化率範囲に設定している。
高浄化率範囲としては、この形態に限られず、ＮＯXの浄化率とアンモニアの浄化率とが互いに交差する流入濃度比ｒ３の近傍の範囲を定めることができる。たとえば、流入濃度比ｒ３に対して予め定められた幅を有する範囲を高浄化率範囲に設定することができる。本実施の形態におけるＮＯX選択還元触媒の流入濃度比ｒ３としては、１以上１．６以下を例示することができる。たとえば、流入濃度比ｒ３が１．３であり、片側の幅を０．０５に設定した場合には、高浄化率範囲を１．２５以上１．３５以下の範囲に設定することができる。
流入濃度比が高浄化率範囲よりも小さい場合には、排気中のアンモニアが、十分に酸化されて水と窒素とに分解される。ところが、ＮＯXの還元を十分に行うことができない虞が生じる。流入濃度比が高浄化率範囲よりも大きい場合には、排気中のＮＯXの還元を十分に行うことができるが、アンモニアが十分に酸化されずに排出される虞が生じる。本実施の形態の内燃機関は、運転期間中にアンモニアの浄化率とＮＯXの浄化率とが共に高くなるように、流入濃度比を高浄化率範囲内に維持する制御を行う。
図３に、本実施の形態における内燃機関の運転制御のフローチャートを示す。図３に示す運転制御は、たとえば、予め定められた時間間隔にて繰り返して行なうことができる。本実施の形態の内燃機関においては、流入濃度比が、予め定められた判定範囲から逸脱した場合には、この判定範囲内に戻るように、流入濃度比を調整する流入濃度比調整制御を行う。
ステップ１１１においては、ＮＯX選択還元触媒９２に流入する排気のＮＯX濃度およびアンモニア濃度を検出する。それぞれの濃度は、ＮＯX選択還元触媒９２の上流側に配置されているＮＯXセンサ９４またはアンモニアセンサ９５にて検出することができる。
次に、ステップ１１２においては、排気のアンモニア濃度およびＮＯX濃度を用いて、排気のＮＯXに対するアンモニアの濃度比である流入濃度比ｒ（ＮＨ3／ＮＯX）を算出する。
次に、ステップ１１３においては、流入濃度比ｒが予め定められた低比率判定値よりも小さいか否かを判別する。予め定められた低比率判定値としては、図２を参照して、例えば、高浄化率範囲の低比率側の境界値である流入濃度比ｒ１に余裕分を加算した比率を採用することができる。
ステップ１１３において、流入濃度比ｒが低比率判定値未満の場合には、排気のＮＯXに対するアンモニアの濃度比が低いために、ＮＯXの浄化率が低くなる虞がある。この場合には、ステップ１１４に移行する。
ステップ１１４においては、流入濃度比ｒを上昇させる流入濃度比調整制御を行う。流入濃度比調整制御については後述する。ステップ１１４における排気の流入濃度比ｒの増加量は、たとえば、予め定められた増加量を採用することができる。ステップ１１４が終了したらステップ１１１に戻る。
ステップ１１３において、排気の流入濃度比ｒが低比率判定値以上の場合には、ステップ１１５に移行する。
ステップ１１５においては、流入濃度比ｒが予め定められた高比率判定値よりも大きいか否かを判別する。予め定められた高比率判定値としては、図２を参照して、例えば、高浄化率範囲の高比率側の境界値である流入濃度比ｒ２に余裕分を減算した比率を採用することができる。
ステップ１１５において、流入濃度比ｒが高比率判定値よりも大きい場合には、排気のＮＯXに対するアンモニアの濃度比が高いために、アンモニアの浄化率が低くなる虞がある。この場合には、ステップ１１６に移行する。
ステップ１１６においては、流入濃度比ｒを低下させる流入濃度比調整制御を行う。ステップ１１６における排気の流入濃度比ｒの減少量は、たとえば、予め定められた減少量を採用することができる。ステップ１１６が終了したらステップ１１１に戻る。
ステップ１１５において、流入濃度比ｒが高比率判定値以下の場合には、この制御を終了する。この場合には、流入濃度比ｒが高浄化率範囲内であると判別することができる。ＮＯXおよびアンモニアが共に高い浄化率で浄化されていると判別することができる。
このように、本実施の形態の運転制御においては、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気のＮＯXに対するアンモニアの濃度比が、高浄化率範囲から逸脱する虞があると判別された場合に、流入濃度比が高浄化率範囲内に維持されるように制御する。この制御を行うことにより、ＮＯXおよびアンモニアを高い浄化率にて浄化を継続することができる。すなわち、優れた浄化性能を継続することができる。また、ＮＯXを浄化する装置として、ＮＯX選択還元触媒を採用することにより、三元触媒等で必要な白金やパラジウム等の貴重な貴金属の使用を抑制することができる。なお、本実施の形態におけるＮＯX選択還元触媒は、貴金属の触媒粒子を含んでいないが、この形態に限られず、貴金属の触媒粒子を担持していても構わない。たとえば、アンモニアの酸化機能を向上させるために、貴金属の触媒粒子が担持されていても構わない。
また、ＮＯXを浄化する装置としてＮＯX選択還元触媒を採用することにより、燃焼室において燃焼時の空燃比がリーンになるように燃焼を行なうことができる。たとえば、排気浄化装置に三元触媒を配置した場合に、燃焼室において希薄燃焼を行なうと排気の浄化率が低下する。特に、希薄燃焼を行なった場合には、ＮＯXの浄化率が低下する。三元触媒を配置した場合には、燃焼時の空燃比がほぼ理論空燃比（当量比が１）になるように制御することが好ましい。これに対して、本実施の形態におけるＮＯX選択還元触媒においては、希薄燃焼を行なった場合にも高いＮＯXの浄化率を達成できることができる。このために、理論空燃比にて燃焼を行なう場合に比べて、内燃機関の熱効率の向上を図ることができる。
本実施の形態においては、流入濃度比ｒが低比率判定値よりも低いか否かを判別した後に、流入濃度比ｒが高比率判定値よりも高いか否かを判別しているが、この形態に限られず、流入濃度比ｒが予め定められた低比率判定値から高比率判定値までの範囲内に存在するか否かを判別すれば構わない。流入濃度比ｒが上記の判定範囲から逸脱していれば、流入濃度比ｒが上記の判定範囲内に戻るように流入濃度比を調整すれば構わない。たとえば、本実施の形態におけるステップ１１３，１１４とステップ１１５，１１６との順序が逆でも構わない。
本実施の形態においては、高浄化率範囲内に判定範囲を設けているが、この形態に限られず、高浄化率範囲を判定範囲と等しく設定しても構わない。たとえば、図２を参照して、低比率判定値を流入濃度比ｒ１に設定し、高比率判定値を流入濃度比ｒ２に設定しても構わない。
次に、本実施の形態におけるＮＯX選択還元触媒に流入するＮＯXに対するアンモニアの濃度比を変更する流入濃度比調整制御について説明する。本実施の形態における内燃機関は、燃料にアンモニアが含まれている。燃焼室に供給されたアンモニアの少なくとも一部を未燃の状態にして燃焼室から排出されるように制御することにより、未燃のアンモニアをＮＯX選択還元触媒に供給することができる。すなわち、内燃機関の運転状態を制御することにより、ＮＯX選択還元触媒に還元剤としてのアンモニアを供給することができる。
たとえば、ガソリン等を燃料にする内燃機関においては、ＮＯX選択還元触媒に還元剤としてのアンモニアを供給するために、機関排気通路内に尿素水を噴射する尿素噴射弁を配置している。機関排気通路内に供給された尿素水は排気の熱により加水分解される。尿素水の加水分解によりアンモニアが生成される。生成されたアンモニアは、ＮＯX選択還元触媒に供給される。このような内燃機関においては、機関排気通路に尿素水を供給するために尿素噴射弁や尿素タンクなどの装置が必要であった。これに対して、本実施の形態の内燃機関においては、運転状態を変化させてＮＯX選択還元触媒にアンモニアを供給することができる。
本実施の形態の第１の流入濃度比調整制御においては、燃焼室にて燃焼するときの空燃比を調整することにより、燃焼室から流出する排気のＮＯXに対するアンモニアの濃度比を調整し、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気の濃度比を調整することができる。
本実施の形態における内燃機関では、燃焼時の空燃比がリーンの状態で燃焼を行なっている。特に、本実施の形態においては、希薄燃焼により燃料の燃焼を行なっている。燃焼時の空燃比を低下させる（混合気の当量比を大きくする）ことにより、排気に含まれる未燃のアンモニア濃度が増加する。一方で、ＮＯXはアンモニアの燃焼過程の途中で生成されるために、燃焼時の空燃比を理論空燃比に近づけても、燃焼室から排出されるＮＯXは大きく変化しない。このために、燃焼時の空燃比を低下させることにより、燃焼室から流出する排気の濃度比（ＮＨ3／ＮＯX）を上昇させることができる。また、燃焼時の空燃比を上昇させる（混合気の当量比を小さくする）ことにより燃焼室から流出する排気の濃度比（ＮＨ3／ＮＯX）を低下させることができる。
燃焼時の空燃比は、燃焼室に供給する燃料の量や空気の量を変更することにより調整することができる。本実施の形態の空燃比の調整においては、混合気の水素とアンモニアとの混合比率をほぼ一定に維持しながら、燃料に対する空気の割合を変更している。たとえば、燃焼室に供給するアンモニアの量および水素の量を変更せずに、空気の量を少なくすることにより燃焼時の空燃比を小さくすることができる。または、燃焼室に供給する空気量を一定に維持した状態で、水素とアンモニアとの混合比率を一定に維持しながら燃焼室に供給する燃料の量を増加することにより空燃比を小さくすることができる。
次に、本実施の形態の第２の流入濃度比調整制御について説明する。本実施の形態における第２の流入濃度比調整制御においては、燃焼室に供給する燃料に含まれるアンモニアに対する水素の割合を変化させることにより、燃焼室から流出する排気のＮＯXに対するアンモニアの濃度比を調整することができる。
水素は、アンモニアよりも燃焼性に優れているために、アンモニアの燃焼を促進させる機能を有する。燃焼室に供給する燃料の水素に対するアンモニアの割合を増加させると、燃焼室における燃焼が緩慢になる。燃料の助燃材として機能する水素の割合が減少することにより、燃焼室における燃焼速度が遅くなる。このために、燃焼室において燃焼せずに残存する未燃のアンモニアが多くなる。一方で、燃焼室から排出される排気に含まれるＮＯXの量が減少するために、流入濃度比を上昇させることができる。
本実施の形態の第２の流入濃度比調整制御においては、図１を参照して、水素噴射弁８６からの燃料の供給量およびアンモニア噴射弁８３からの燃料の供給量のうち、少なくとも一方の供給量を調整することにより、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を調整することができる。たとえば、水素噴射弁８６から噴射する燃料の量を減少させて、アンモニア噴射弁８３から噴射する燃料の量を増加させることにより、流入濃度比を上昇させることができる。
また、第２の流入濃度比調整制御においては、水素噴射弁８６に供給する気体のアンモニアに対する水素の割合を調整することにより、燃焼室に供給する燃料に含まれるアンモニアに対する水素の割合を調整することができる。本実施の形態の水素発生装置においては、触媒６０にてアンモニアを分解することにより水素を生成している。分解器５１から流出する気体には、水素の他に分解されなかったアンモニアが含まれる。触媒６０から流出する気体のアンモニア濃度および水素濃度は、触媒６０に供給するアンモニアに対する空気の割合を変更することにより調整することができる。
図４に、本実施の形態の分解器に供給する気体のアンモニアに対する酸素のモル比と、分解器から流出する気体の水素濃度との関係を説明するグラフを示す。図４においては、空気のモル比の代わりに酸素のモル比にて示している。この試験においては、空間速度を速度Ｖ１から速度Ｖ４まで変更して複数回の試験を行なっている。アンモニアに対する酸素のモル比を零の近傍から徐々に上昇させると、生成される気体の水素濃度が上昇することが分かる。モル比Ｒｍａｘでは水素濃度が最大になる。モル比Ｒｍａｘよりも大きな領域では、モル比が大きくなるほど水素濃度が減少している。
図５に、本実施の形態の分解器に供給する気体のアンモニアに対する酸素のモル比と、分解器から流出する気体のアンモニア濃度との関係を説明するグラフを示す。縦軸は、分解器において分解されずに流出したアンモニア濃度である。アンモニアに対する酸素のモル比を上昇していくと、分解器から流出するアンモニア濃度が減少することが分かる。アンモニアに対する酸素のモル比が略０．２において、分解器から流出する気体のアンモニア濃度が零になることが分かる。すなわち、分解器に供給されるアンモニアが略全て消費されていることが分かる。
図４および図５を参照して、アンモニアに対する酸素のモル比が小さな領域においては、アンモニアの分解を行なうための熱量が不足している。アンモニアに対する酸素のモル比を上昇させていくと、触媒の温度が上昇する。このために、分解器から流出する気体の水素濃度が上昇するとともに、分解器から流出する気体のアンモニア濃度が減少する。
ところが、アンモニアに対する酸素のモル比が略０．２を超えると、供給されたアンモニアの全てが消費される。更に、生成された水素が酸化反応で消費される。このために、アンモニアに対する酸素のモル比を上昇させていくと、生成される気体の水素濃度が減少する。このように、分解器に供給するアンモニアに対する酸素のモル比を変更することにより、水素発生装置から流出する気体に含まれる水素濃度およびアンモニア濃度を調整することができる。また、図４および図５のグラフにより、触媒に流入する気体の空間速度を変更しても生成される気体の水素濃度およびアンモニア濃度が、ほぼ同じであることが分かる。
本実施の形態の内燃機関の分解器においては、アンモニアに対する酸素のモル比がＲｍａｘ以下の領域にて運転を行っている。分解触媒に供給するアンモニアに対する空気の割合を調整することにより、水素噴射弁に供給するアンモニアに対する水素の割合を調整することができる。たとえば、本実施の形態の運転領域において、触媒に供給するアンモニアに対する空気の割合を低下させることにより、水素噴射弁から噴射される気体のアンモニアに対する水素の割合を低下させることができる。この結果、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を低下させることができる。一方で、触媒に供給するアンモニアに対する空気の割合を上昇させることにより、水素噴射弁から噴射される気体のアンモニアに対する水素の割合を上昇させることができる。
次に、本実施の形態の第３の流入濃度比調整制御について説明する。第３の流入濃度比調整制御においては、燃焼室における点火時期を調整することにより、燃焼室から流出する排気の濃度比（ＮＨ3／ＮＯX）を調整する。
内燃機関は、出力されるトルクが最大になる点火時期として、ＭＢＴ（Minimum Advance for Best Torque）の点火時期を有する。ガソリンを燃料にする内燃機関においては、特に高負荷時に、ＭＢＴの点火時期の近傍において点火するとノッキング等の異常燃焼が発現するために、ＭＢＴの点火時期よりも遅角側で点火している。ところが、アンモニアを燃料にする内燃機関においては、ガソリンのみを燃料にする内燃機関よりもノッキング等の異常燃焼が発現しにくいために、ＭＢＴの点火時期の近傍にて点火を行うことができる。本実施の形態においては、通常運転の期間中にＭＢＴの点火時期の近傍にて点火を行っている。
ところで、比較例としてのガソリンのみを燃料にする内燃機関においては、燃焼時に高温になり、空気に含まれる窒素成分からＮＯXが生じる。ところが、アンモニアを燃料にする内燃機関においては、燃料に窒素成分が含まれており、排気に含まれるＮＯXは主にアンモニアの燃焼過程において生じる。このために、アンモニアを燃料にする内燃機関は、ガソリンを燃料にする内燃機関に比べて、排気に含まれるＮＯX量が燃焼温度の影響を受けにくいという特性を有する。アンモニアを燃料にする内燃機関では、点火時期を変更した場合においても、燃焼室から流出するＮＯXの量への影響は小さい。一方で、点火時期を変更すると未燃のアンモニア量に影響を与える。たとえば、点火時期を遅角すると後燃えの期間が長くなって未燃のアンモニアの量が減少する。更に、点火時期を遅角すると、排気温度が上昇し、排気ポート内での未燃のアンモニアの酸化が促進される。このために、排気に含まれるアンモニアの量が減少する。
第３の流入濃度比調整制御においては、点火時期を遅角することにより、未燃のアンモニア量が減少し、流入濃度比を低下させることができる。または、点火時期を進角することにより、流入濃度比を上昇させることができる。
次に、本実施の形態の第４の流入濃度比調整制御について説明する。第４の流入濃度比調整制御においては、機関排気通路に還元剤を供給する還元剤供給弁を配置し、還元剤供給弁からの還元剤の供給量を調整することにより、流入濃度比ｒ（ＮＨ3／ＮＯX）を調整する。機関排気通路に供給する還元剤としては、尿素やアンモニアを例示することができる。
たとえば、機関排気通路に供給する還元剤の量を増加させることにより、流入濃度比を上昇させることができる。また、機関排気通路に供給する還元剤の量を減少することにより、流入濃度比を低下させることができる。
機関排気通路に還元剤供給弁を配置した場合には、ＮＯX選択還元触媒をすり抜けるアンモニアの量が多くなった時には、還元剤供給弁からの還元剤の供給を停止する制御を行うことが好ましい。たとえば、ＮＯX選択還元触媒の下流の機関排気通路にアンモニアセンサを配置することができる。アンモニアセンサにより検出したアンモニア濃度が予め定められた判定値を超えた場合には、還元剤の供給を停止する制御を行うことが好ましい。
流入濃度比を調整する流入濃度比調整制御としては、上記の制御に限られず、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気に含まれるＮＯXに対するアンモニアの濃度比を調整する任意の装置を配置し、任意の制御を行なうことができる。
上記の水素発生装置の分解器は、アンモニアを分解するための分解触媒に加えて、アンモニアを酸化するための酸化触媒を含むが、この形態に限られず、酸化触媒を含まずに分解触媒を含む分解器を備える内燃機関に本発明を適用することができる。この場合には、分解触媒の外部の加熱器等により、アンモニアの分解を継続するための熱を分解触媒に供給することができる。
本実施の形態においては、ＮＯX選択還元触媒の上流側に配置したＮＯXセンサの出力およびアンモニアセンサの出力により、流入濃度比を推定しているが、この形態に限られず、任意の装置により流入濃度比を推定することができる。たとえば、ＮＯX選択還元触媒の下流にＮＯXセンサおよびアンモニアセンサを配置しても構わない。この場合には、ＮＯX選択還元触媒から流出する排気のＮＯX濃度およびアンモニア濃度のうち少なくとも一方を検出し、検出したＮＯX濃度およびアンモニア濃度のうち少なくとも一方の濃度に基づいて、流入濃度比を推定することができる。検出したＮＯX濃度またはアンモニア濃度が予め定められた判定値よりも高ければ、流入濃度比ｒが予め定められた判定範囲外であると判別することができる。
図２を参照して、ＮＯX選択還元触媒から流出するアンモニア濃度が予め定められた判定値よりも高い場合には、アンモニアの浄化率が低いと判別することができる。すなわち、流入濃度比が予め定められた高比率判定値よりも大きいと判別することができる。この場合には、流入濃度比ｒを低下させる制御を行うことができる。ＮＯX選択還元触媒から流出するＮＯX濃度が予め定められた判定値よりも高い場合には、ＮＯXの浄化率が低いと判別することができる。すなわち、流入濃度比が予め定められた低比率判定値よりも小さいと判別することができる。この場合には、流入濃度比ｒを上昇させる制御を行うことができる。
または、ＮＯX選択還元触媒の上流の機関排気通路およびＮＯX選択還元触媒の下流の機関排気通路の両方にＮＯXセンサを配置することができる。ＮＯX選択還元触媒に流入する排気のＮＯX濃度およびＮＯX選択還元触媒から流出する排気のＮＯX濃度に基づいて、ＮＯXの浄化率を算出しても構わない。アンモニアの浄化率についても同様に、ＮＯX選択還元触媒の上流側および下流側のそれぞれにアンモニアセンサを配置して、アンモニアの浄化率を算出しても構わない。それぞれの物質の浄化率に基づいて、流入濃度比が予め定められた判定範囲内か否かを判別することができる。
図６に、本実施の形態における他の内燃機関の概略図を示す。本実施の形態における他の内燃機関は、アンモニアを分解するための分解器５１を含む。分解器５１の触媒６０は、アンモニアを酸化するための触媒粒子は含まれておらず、分解触媒から構成されている。他の内燃機関においては、分解器５１は、触媒６０が排気ガスの熱により加熱されるように形成されている。
排気マニホールド１９は、排気管２４を介して分解器５１に接続されている。分解器５１は、排気の熱を触媒６０に伝達できるように形成されている。排気と触媒６０とが熱交換することによりアンモニアの分解の継続に必要な熱が供給される。
分解器５１の触媒６０には、アンモニア供給管６１ｂにより気化したアンモニアが供給される。分解器５１においては、アンモニアの少なくとも一部が分解される。触媒６０にて生成された水素および触媒６０にて分解されなかったアンモニアは、矢印１０３に示すように、冷却器８５を通って水素噴射弁８６に供給される。
分解器５１は、排気管２２を介してＮＯX選択還元触媒９２に接続されている。ＮＯX選択還元触媒９２は、排気管２２に接続されている。ＮＯX選択還元触媒９２の下流には、ＮＯX選択還元触媒９２から流出するＮＯXの濃度を検出するＮＯXセンサ９４と、ＮＯX選択還元触媒９２から流出するアンモニアの濃度を検出するアンモニアセンサ９５とが配置されている。
本実施の形態における他の内燃機関では、ＮＯX選択還元触媒９２から流出する気体のＮＯX濃度をＮＯXセンサ９４により検出する。また、ＮＯX選択還元触媒９２から流出する気体のアンモニア濃度をアンモニアセンサ９５により検出する。ＮＯX選択還元触媒９２から流出する気体のアンモニア濃度の判定値およびＮＯX濃度の判定値を予め定めておくことができる。アンモニア濃度の判定値またはＮＯX濃度の判定値と、それぞれの濃度の検出値とを比較することにより、流入濃度比が、予め定められた判定範囲か否かを判別することができる。
流入濃度比が予め定められた判定範囲を逸脱した場合には、流入濃度比調整制御を行うことができる。他の内燃機関においても、上記の流入濃度比調整制御を行うことができる。例えば、上記の第２の流入濃度比調整制御を行う場合には、アンモニア噴射弁８３からのアンモニアの供給量および水素噴射弁８６からの水素の供給量を調整することにより、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を変化させることができる。
ところで、ＮＯX選択還元触媒のＮＯXの浄化率およびアンモニアの浄化率は、ＮＯX選択還元触媒の種類等に依存する。ＮＯXの浄化率およびアンモニアの浄化率が高くなる高浄化率範囲を定める場合には、機関排気通路に配置するＮＯX選択還元触媒の種類等に応じて設定することができる。
図７に、本実施の形態における他のＮＯX選択還元触媒の浄化率のグラフを示す。他のＮＯX選択還元触媒は、銅をイオン交換により担持したゼオライトを含む。他のＮＯX選択還元触媒は、流入濃度比ｒ３において、ＮＯXの浄化率が最大になる特性を有する。アンモニアの浄化率は、所定の流入濃度比以下の領域では、ほぼ一定の値であるが、所定の流入濃度比よりも大きくなると徐々に減少する特性を有する。
本実施の形態の他のＮＯX選択還元触媒においては、流入濃度比ｒ３の近傍にＮＯXおよびアンモニアの両方の浄化率がほぼ最大になる高浄化率範囲を設定することができる。流入濃度比ｒ３から予め定められた幅を加算または減算して流入濃度比ｒ１および流入濃度比ｒ２を設定することができる。流入濃度比ｒ１以上流入濃度比ｒ２以下の範囲を高浄化率範囲に設定することができる。
更に、ＮＯX選択還元触媒としては、上述の鉄を担持したゼオライト含むＮＯX選択還元触媒、または銅を担持したゼオライトを含むＮＯX選択還元触媒に限られず、ＮＯXを選択的に還元可能な任意のＮＯX選択還元触媒を含むことができる。
本実施の形態における水素発生装置は、液体の原料を気化した後に分解触媒に供給しているが、この形態に限られず、気体の燃料を貯蔵しておいて、気体の燃料を分解触媒に供給しても構わない。
（実施の形態２）
図８および図９を参照して、実施の形態２における内燃機関について説明する。本実施の形態における内燃機関は、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気のＮＯXに対するアンモニアの濃度比を周期的に変動させる制御を行う。
本実施の形態においては、アンモニアの分解機能および酸化機能を有する触媒と、鉄をイオン交換により担持したゼオライトを含むＮＯX選択還元触媒とを備える内燃機関（図１参照）を例に取り上げて説明する。本実施の形態におけるＮＯX選択還元触媒は、アンモニアの吸着機能を有する。アンモニアの吸着機能を有するＮＯX選択還元触媒としては、鉄をイオン交換に担持したゼオライトに限られず、例えば遷移金属を担持したゼオライトを例示することができる。
本実施の形態におけるＮＯX選択還元触媒は、アンモニアの吸着能力を有するために、ＮＯXの浄化に必要なアンモニアよりも多い量のアンモニアが流入した場合には、過剰なアンモニアを吸着することができる。また、ＮＯXの浄化に必要なアンモニアよりも少ない量のアンモニアが流入した場合には、吸着したアンモニアによりＮＯXの浄化を行うことができる。
ＮＯX選択還元触媒において、アンモニアの吸着量が不足した状態で、ＮＯXの浄化に必要なアンモニアよりも少ない量のアンモニアが流入した場合には、十分にＮＯXを浄化できなくなる。一方で、アンモニアの吸着量が多くなると、アンモニアの吸着可能量が減少して、アンモニアがＮＯX選択還元触媒をすり抜ける場合がある。
本実施の形態の内燃機関においては、流入濃度比が基準濃度比よりも大きくなる範囲で維持する制御と、流入濃度比が基準濃度比よりも小さくなる範囲で維持する制御とを繰り返し行なう。本発明においては、ＮＯX選択還元触媒に流入するＮＯXの全てを浄化する流入濃度比を基準濃度比と称する。すなわち、基準濃度比は、ＮＯX選択還元触媒において、ＮＯXを浄化するときに過不足なくアンモニアが消費されるときのＮＯXに対するアンモニアの濃度比である。基準濃度比は、予め定めておくことができる。図２を参照して、本実施の形態においては、流入濃度比ｒ３が基準濃度比に対応している。
更に、本実施の形態においては、ＮＯX選択還元触媒のアンモニアの吸着量を推定し、推定したアンモニアの吸着量に基づいて、流入濃度比を変化させる流入濃度比調整制御を行う。
ＮＯX選択還元触媒のアンモニア吸着量Ｉが下限判定値ＩＤlowよりも低ければ、流入濃度比を上昇させる制御を行うことができる。下限判定値ＩＤlowは、予め定めておくことができる。たとえば、下限判定値ＩＤlowは、零に余裕分を加算した値を採用することができる。アンモニア吸着量Ｉが上限判定値ＩＤhighよりも高ければ、流入濃度比を低下させる制御を行うことができる。上限判定値ＩＤhighは、予め定めておくことができる。上限判定値ＩＤhighは、たとえば、ＮＯX選択還元触媒のアンモニアの飽和吸着量（ＮＯX選択還元触媒が吸着可能なアンモニアの最大量Ｉmax）から余裕分を減算した値を採用することができる。
流入濃度比ｒの調整は、実施の形態１と同様に、任意の流入濃度比調整制御を行うことができる。たとえば、燃焼室にて燃焼する混合気の空燃比を調整する制御、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を調整する制御、または、機関排気通路に直接的に供給するアンモニア量を調整する制御などの制御により行うことができる。
図８に、本実施の形態における内燃機関の運転制御のタイムチャートを示す。この運転例においては、時刻ｔ１において、アンモニアの吸着量Ｉが下限判定値ＩＤlow未満になっている。このため、時刻ｔ１以降において流入濃度比ｒを上昇させる制御を行っている。ＮＯXとアンモニアとが過不足なく反応する流入濃度比ｒ３よりも大きくなるように、流入濃度比ｒを上昇させている。本実施の形態においては、予め定められた流入濃度比ｒ５まで上昇させている。
流入濃度比ｒが流入濃度比ｒ５に到達した後には、流入濃度比ｒを流入濃度比ｒ５に維持する制御を行っている。ＮＯX選択還元触媒に流入する排気に含まれるアンモニアの量は過剰になる。ＮＯXの還元に使用されずに、更に酸化もされなかったアンモニアは、ＮＯX選択還元触媒に吸着される。ＮＯX選択還元触媒のアンモニアの吸着量Ｉが増加する。
時刻ｔ２において、アンモニアの吸着量Ｉが上限判定値ＩＤhighよりも大きくなっている。本実施の形態における上限判定値ＩＤhighは、ＮＯX選択還元触媒のアンモニアの吸着量の最大量Ｉmaxよりも小さな値を採用している。時刻ｔ２以降においては、流入濃度比ｒを低下させる制御を行っている。流入濃度比ｒをＮＯXとアンモニアとが過不足なく反応する流入濃度比ｒ３未満に低下させている。本実施の形態においては、流入濃度比ｒ４まで低下させている。流入濃度比ｒ４に到達した後には、流入濃度比ｒ４にて維持する制御を行っている。ＮＯX選択還元触媒に流入する排気に含まれるアンモニアの量は不足する。ＮＯXは、ＮＯX選択還元触媒に吸着されていたアンモニアにより浄化される。ＮＯX選択還元触媒のアンモニアの吸着量Ｉが減少する。
時刻ｔ３においては、ＮＯX選択還元触媒のアンモニアの吸着量Ｉが下限判定値ＩＤlow未満になり、流入濃度比ｒを上昇させている。時刻ｔ４においては、アンモニアの吸着量Ｉが上限判定値ＩＤhighよりも大きくなり、流入濃度比ｒを低下させている。
このように、周期的に流入濃度比ｒを変化させることにより、ＮＯX選択還元触媒に流入するＮＯXを浄化することができる。また、ＮＯX選択還元触媒から流出するアンモニアを抑制することができる。
図２および図８を参照して、本実施の形態の内燃機関においては、流入濃度比ｒは、高浄化率範囲内にて変化させることが好ましい。図２に示す例においては、流入濃度比ｒが、流入濃度比ｒ１以上流入濃度比ｒ２以下の範囲内で変化させることが好ましい。
または、流入濃度比ｒは、高浄化率範囲を跨いで変化させることが好ましい。すなわち、流入濃度比ｒを高く維持する場合には、濃度比ｒ２よりも高い値にて維持することが好ましい。たとえば、流入濃度比ｒ５まで上昇させることが好ましい。流入濃度比ｒを低く維持する場合には、濃度比ｒ１よりも低い値にて維持することが好ましい。たとえば、流入濃度比ｒ４まで低下させることが好ましい。このように、高浄化率範囲を横断して流入濃度比を変化させる制御を行うことにより、高浄化率範囲または高浄化率範囲の近傍にて排気を浄化することができて、効率よくＮＯXおよびアンモニアを浄化することができる。
図９に、本実施の形態における運転制御のフローチャートを示す。図９に示す制御は、たとえば、予め定められた時間間隔ごとに繰り返して行うことができる。
ステップ１２１においては、ＮＯX選択還元触媒９２に流入するＮＯX濃度およびアンモニア濃度を検出する。それぞれの濃度は、ＮＯX選択還元触媒９２の上流側に配置されているＮＯXセンサ９４またはアンモニアセンサ９５にて検出することができる。
次に、ステップ１２２においては、検出したアンモニア濃度およびＮＯX濃度に基づいて、ＮＯX選択還元触媒９２に流入する排気のＮＯXに対するアンモニアの濃度比である流入濃度比ｒ（ＮＨ3／ＮＯX）を算出する。
次に、ステップ１２３においては、ＮＯX選択還元触媒におけるアンモニアの吸着量Ｉを算出する。本実施の形態におけるアンモニアの吸着量の算出においては、次の式（４）にて算出することができる。
Figure 2014211155
ここで、変数Ｉiは、今回の計算において算出されたアンモニアの吸着量であり、変数Ｉi-1は前回の計算において算出されたアンモニアの吸着量である。変数ｔiは、今回の計算を行なった時刻であり、変数ｔi-1は前回の計算を行なった時刻である。変数ｍａは、吸入空気流量である。変数ｙnoxは、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気のＮＯX濃度である。定数ｒ３は、ＮＯXおよびアンモニアが過不足無く反応するための流入濃度比である。変数ｒは、今回の計算における流入濃度比である。ここで、変数ｍａ・ｙnox(ｒ−ｒ３)は、ＮＯX選択還元触媒に流入したアンモニアの過剰量または不足量を示す。また、本実施の形態のアンモニアの吸着量Ｉiの算出においては、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気流量を用いずに、近似的に吸入空気流量を用いている。
上記の式（４）のアンモニアの吸着量の算出においては、いずれかの時期に基準となるアンモニアの吸着量Ｉbを推定し、基準となるアンモニアの吸着量Ｉbをアンモニアの吸着量Ｉi-1に代入して計算を開始することができる。例えば、内燃機関を始動した直後において、予め定められた時間の間、ＮＯX選択還元触媒に供給するアンモニアの量が不足する状態を維持して、ＮＯX選択還元触媒におけるアンモニアの吸着量を零にする制御を行うことができる。アンモニアの吸着量Ｉi-1を零に設定することができて、この時刻を基準にしてアンモニアの吸着量の計算を開始することができる。または、ＮＯX選択還元触媒にアンモニアを吸着させて、ＮＯX選択還元触媒からアンモニアが流出したときに、アンモニアの吸着量Ｉi-1をＮＯX選択還元触媒の飽和吸着量（ＮＯX選択還元触媒が吸着可能なアンモニアの最大量Ｉmax）に設定することができる。
アンモニアの吸着量の算出においては、この形態に限られずに、アンモニアの吸着量の推定が可能な任意の制御を採用することができる。
次に、ステップ１２４においては、算出したアンモニアの吸着量Ｉがアンモニアの吸着量の上限判定値ＩＤhighよりも大きいか否かを判別する。ステップ１２４において、アンモニアの吸着量Ｉが上限判定値ＩＤhighよりも大きい場合には、ステップ１２５に移行する。
ステップ１２５においては、流入濃度比ｒを低下させる制御を行う。本実施の形態においては、予め定められた流入濃度比ｒ４まで低下させている。流入濃度比ｒが流入濃度比ｒ４まで低下したら、流入濃度比ｒ４に維持する制御を行っている。流入濃度比ｒの低下量については、この形態に限られず、ＮＯX選択還元触媒に供給するアンモニアが不足する量まで低下させれば構わない。
ステップ１２４において、アンモニアの吸着量Ｉがアンモニアの吸着量の上限判定値ＩＤhigh以下である場合には、ステップ１２６に移行する。
ステップ１２６においては、算出したアンモニアの吸着量Ｉがアンモニアの吸着量の下限判定値ＩＤlowよりも小さいか否かを判別する。ステップ１２６において、アンモニアの吸着量Ｉが下限判定値ＩＤlowよりも小さい場合には、ステップ１２７に移行する。
ステップ１２７においては、流入濃度比ｒを上昇させる制御を行う。本実施の形態においては、予め定められた流入濃度比ｒ５まで上昇させている。流入濃度比ｒが流入濃度比ｒ５まで上昇したら、流入濃度比ｒ５に維持する制御を行っている。流入濃度比ｒの上昇量については、この形態に限られず、ＮＯX選択還元触媒に供給するアンモニアが過剰になる量まで増加させれば構わない。
ステップ１２６において、アンモニアの吸着量Ｉが下限判定値ＩＤlow以上の場合には、今回の制御を終了する。
本実施の形態の内燃機関においても、ＮＯX選択還元触媒においてＮＯXおよびアンモニアを高浄化率にて浄化することができる。本実施の形態においては、ＮＯX選択還元触媒のアンモニアの吸着量を検出し、検出した吸着量に基づいて流入濃度比調整制御を行っているが、この形態に限られず、ＮＯX選択還元触媒におけるアンモニアの吸着量を推定しなくても構わない。たとえば、予め定められた時間間隔ごとに、流入濃度比が基準濃度比よりも大きくなる範囲で維持する制御と、流入濃度比が基準濃度比よりも小さくなる範囲で維持する制御とを繰り返し行なっても構わない。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
上述の制御においては、適宜ステップの順序を替えたり、同時に複数のステップを行なったりすることができる。また、上述の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。実施の形態においては、特許請求の範囲に示される変更が含まれている。
１ 機関本体
５ 燃焼室
７ 吸気ポート
１６ エアフローメータ
１８ スロットル弁
３１ 制御装置
４０ アンモニア
５１ 分解器
６０ 触媒
６４ タンク
６６ 蒸発器
７２ 流量調整弁
７３ 流量調整弁
８３ アンモニア噴射弁
８６ 水素噴射弁
９２ ＮＯX選択還元触媒
９４ ＮＯXセンサ
９５ アンモニアセンサ

Claims (14)

  1. 燃焼室にアンモニアを供給するアンモニア供給機と、
    機関排気通路内に配置され、還元剤としてのアンモニアを供給することによりＮＯXを選択的に還元するＮＯX選択還元触媒とを備え、
    ＮＯX選択還元触媒は、ＮＯXの浄化率およびアンモニアの浄化率が、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気のＮＯXに対するアンモニアの濃度比である流入濃度比に依存し、
    ＮＯX選択還元触媒におけるＮＯXの浄化率がほぼ最大になり、更にアンモニアの浄化率がほぼ最大になる前記流入濃度比の高浄化率範囲が予め定められており、
    前記流入濃度比を推定し、前記流入濃度比が高浄化率範囲内に維持されるように前記流入濃度比を制御することを特徴とする、内燃機関。
  2. 前記流入濃度比を上昇させる場合には点火時期を進角し、前記流入濃度比を低下させる場合には点火時期を遅角する、請求項１に記載の内燃機関。
  3. アンモニアを分解して水素を生成する触媒を含む分解器と、
    分解器において生成された水素を燃焼室に供給する水素供給機とを備え、
    前記流入濃度比を上昇させる場合には、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を一定に維持しながら燃焼時の空燃比を低下させ、前記流入濃度比を低下させる場合には、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を一定に維持しながら燃焼時の空燃比を上昇させる、請求項１または２に記載の内燃機関。
  4. アンモニアを分解して水素を生成する触媒を含む分解器と、
    分解器において生成された水素を燃焼室に供給する水素供給機とを備え、
    前記流入濃度比を上昇させる場合には、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を低下させ、前記流入濃度比を低下させる場合には、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を上昇させる、請求項１または２に記載の内燃機関。
  5. 分解器に空気を供給する空気供給機を備え、
    分解器の触媒は、アンモニアを酸化する機能を有し、アンモニアおよび空気が供給されることにより、アンモニアが分解されて水素が生成されると共にアンモニアが酸化されて分解反応に必要な熱が生じるように形成されており、
    燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を変更する場合には、分解器に供給するアンモニアに対する空気の割合を変化させる、請求項４に記載の内燃機関。
  6. ＮＯX選択還元触媒から流出する排気のＮＯX濃度およびアンモニア濃度のうち少なくとも一方を検出し、
    検出したＮＯX濃度およびアンモニア濃度のうち少なくとも一方の濃度に基づいて、前記流入濃度比を推定する、請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関。
  7. 燃焼室にアンモニアを供給するアンモニア供給機と、
    機関排気通路内に配置され、還元剤としてのアンモニアを供給することによりＮＯXを選択的に還元するＮＯX選択還元触媒とを備え、
    ＮＯX選択還元触媒は、アンモニアの吸着能力を有し、ＮＯXの浄化率およびアンモニアの浄化率が、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気のＮＯXに対するアンモニアの濃度比である流入濃度比に依存し、
    ＮＯX選択還元触媒に流入するＮＯXの全てを浄化するときの流入濃度比である基準濃度比が予め定められており、
    前記流入濃度比が前記基準濃度比よりも大きくなる範囲で維持する制御と、前記流入濃度比が前記基準濃度比よりも小さくなる範囲で維持する制御とを繰り返し行なうことを特徴とする、内燃機関。
  8. ＮＯX選択還元触媒におけるＮＯXの浄化率がほぼ最大になり、更にアンモニアの浄化率がほぼ最大になる前記流入濃度比の高浄化率範囲が予め定められており、
    前記基準濃度比よりも大きくなる範囲で維持する制御は、高浄化率範囲よりも高い濃度比にて前記流入濃度比を維持する制御を含み、
    前記基準濃度比よりも小さくなる範囲で維持する制御は、高浄化率範囲よりも低い濃度比にて前記流入濃度比を維持する制御を含む、請求項７に記載の内燃機関。
  9. ＮＯX選択還元触媒におけるアンモニアの吸着量を推定し、
    推定したアンモニアの吸着量が予め定められた下限判定値未満の場合には、ＮＯXに対するアンモニアの濃度比が前記基準濃度比よりも大きくなる範囲で維持する制御を行い、
    推定したアンモニアの吸着量が予め定められた上限判定値よりも大きい場合には、ＮＯXに対するアンモニアの濃度比が前記基準濃度比よりも小さくなる範囲で維持する制御を実施する、請求項７または８に記載の内燃機関。
  10. 前記流入濃度比を上昇させる場合には点火時期を進角し、前記流入濃度比を低下させる場合には点火時期を遅角する、請求項７から９のいずれか一項に記載の内燃機関。
  11. アンモニアを分解して水素を生成する触媒を含む分解器と、
    分解器において生成された水素を燃焼室に供給する水素供給機とを備え、
    前記流入濃度比を上昇させる場合には、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を一定に維持しながら燃焼時の空燃比を低下させ、前記流入濃度比を低下させる場合には、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を一定に維持しながら燃焼時の空燃比を上昇させる、請求項７から１０のいずれか一項に記載の内燃機関。
  12. アンモニアを分解して水素を生成する触媒を含む分解器と、
    分解器において生成された水素を燃焼室に供給する水素供給機とを備え、
    前記流入濃度比を上昇させる場合には、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を低下させ、前記流入濃度比を低下させる場合には、燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を上昇させる、請求項７から１０のいずれか一項に記載の内燃機関。
  13. 分解器に空気を供給する空気供給機を備え、
    分解器の触媒は、アンモニアを酸化する機能を有し、アンモニアおよび空気が供給されることにより、アンモニアが分解されて水素が生成されると共にアンモニアが酸化されて分解反応に必要な熱が生じるように形成されており、
    燃焼室に供給するアンモニアに対する水素の割合を変更する場合には、分解器に供給するアンモニアに対する空気の割合を変化させる、請求項１２に記載の内燃機関。
  14. ＮＯX選択還元触媒から流出する排気のＮＯX濃度およびアンモニア濃度のうち少なくとも一方を検出し、
    検出したＮＯX濃度およびアンモニア濃度のうち少なくとも一方の濃度に基づいて、前記流入濃度比を推定する、請求項７から１３のいずれか一項に記載の内燃機関。
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