JP2015190381A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の負荷が高い運転条件でも、ＮＯｘ浄化率を向上できると共にアンモニアのスリップを抑制することのできる排気ガス浄化装置を提供する。【解決手段】ディーゼルエンジン１の稼働中、ＥＣＵ１４は、吸気量センサ２１による検出値と、ＮＯｘセンサ１３による検出値とからＮＯｘの流量を算出し、この算出値と閾値とを比較することにより、ディーゼルエンジン１の運転条件が低負荷であるか高負荷であるかを検出する。ディーゼルエンジン１の運転条件が低負荷である場合には、噴射ノズル７から供給される尿素水の供給量が、ＥＣＵ１４に予め設定された目標吸着量となるための供給量になるような制御を行う。ディーゼルエンジン１の運転条件が高負荷であると検出した場合であって、ＮＯｘ中のＮＯの比率がＮＯ２よりも大きい場合には、噴射ノズル７から供給される尿素水の供給量を、目標吸着量となるための供給量よりも多くする。【選択図】図１

Description

この発明は、排気ガス浄化装置に係り、特に、アンモニアを還元剤として用いて、一酸化窒素（ＮＯ）及び二酸化窒素（ＮＯ_２）を含む窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択的に還元する排気ガス浄化装置に関する。

内燃機関が稼働すると、その燃焼行程でＮＯｘが生成される。ＮＯｘは光化学スモッグの原因となるので、生成を抑制するか、あるいは、生成されたものを低減・除去する必要がある。例えば、ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるＮＯｘを低減するために、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが開発されている。従来の尿素ＳＣＲシステムでは、排気管中に噴射された尿素水を加水分解することでアンモニアを生成し、ＳＣＲ触媒において、アンモニアとＮＯｘとを反応させ、ＮＯｘを窒素と水とに還元している。ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率は、ＳＣＲ触媒に吸着するアンモニアの吸着量に依存し、アンモニアの吸着量が大きいほど高いＮＯｘ浄化率が得られる。しかし、アンモニアの吸着量には上限があり、その上限を超えると、ＳＣＲ触媒に吸着できないアンモニアが流出（スリップ）してしまう。このように、従来の尿素ＳＣＲシステムでは、ＮＯｘ浄化率の向上と、アンモニアのスリップの抑制とを両立させることは困難であった。

これに対し、ＳＣＲ触媒におけるアンモニアの消費量と尿素水の添加量とに基づいて、ＳＣＲ触媒におけるアンモニアの実際の吸着量を算出し、算出した吸着量に基づいて、ＳＣＲ触媒へのアンモニアの吸着量が目標吸着量になるように尿素水の添加量を制御することによって、ＮＯｘ浄化率の向上と、アンモニアのスリップの抑制との両立を図る技術が例えば特許文献１に記載されている。

特開２０１２−６７６６７号公報

しかしながら、アンモニアの吸着量を目標吸着量に制御する方法では、内燃機関の負荷が高い運転条件においてＮＯｘ浄化率が低下してしまうことがある。これを解決するために、高負荷の運転条件になったら尿素水の添加量を増やすこともできるが、尿素水の添加量を増やすとアンモニアの吸着量が上限を超えてしまい、アンモニアのスリップが発生してしまう。

この発明はこのよう問題点を解決するためになされたもので、内燃機関の負荷が高い運転条件でも、ＮＯｘ浄化率を向上できると共にアンモニアのスリップを抑制することのできる排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

この発明に係る排気ガス浄化装置は、内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気管に設けられたＳＣＲ触媒と、ＳＣＲ触媒の上流側で排気管内にアンモニアまたはアンモニア原材料を供給する供給手段と、供給手段から供給されるアンモニアまたはアンモニア原材料の供給量が目標供給量になるように制御する制御手段と、内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段であって、低負荷と高負荷との閾値が予め設定された負荷検出手段と、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガスに含まれるＮＯｘ中のＮＯ_２の比率を判定するＮＯ_２比率判定手段とを備え、制御手段は、内燃機関の負荷が高負荷で前記ＮＯ_２の比率が０．５よりも小さいときに、供給手段から供給されるアンモニアまたはアンモニア原材料の供給量が目標供給量よりも多くなるように制御する。内燃機関の負荷が高負荷でＳＣＲ触媒に流入する排気ガスに含まれるＮＯｘ中のＮＯ_２の比率が０．５よりも小さいときに、アンモニアまたはアンモニア原材料の供給量が目標供給量よりも多くなるように制御すると、排気ガス中のアンモニア濃度の上昇により、ＮＯを浄化する反応が促進される。
ＳＣＲ触媒の触媒床温を検出する触媒床温検出手段をさらに備え、制御手段には、ＳＣＲ触媒によるＮＯとアンモニアとの反応の反応速度がＮＯ_２とアンモニアとの反応の反応速度より大きくなる下限温度が予め設定されており、制御手段は、触媒床温検出手段による検出値が下限温度以上で、かつ、内燃機関の負荷が高負荷でＮＯ_２の比率が０．５よりも小さいときに、供給手段から供給されるアンモニアまたはアンモニア原材料の供給量が目標供給量よりも多くなるように制御してもよい。
ＳＣＲ触媒の触媒床温を検出する触媒床温検出手段をさらに備え、制御手段には、ＳＣＲ触媒によるＮＯとアンモニアとの反応の反応速度がＮＯ_２とアンモニアとの反応の反応速度より大きくなる下限温度が予め設定されており、制御手段は、触媒床温検出手段による検出値が下限温度よりも低い場合には、内燃機関の負荷が高負荷であっても、ＮＯ_２の比率が０．５よりも大きいときに、供給手段から供給されるアンモニアまたはアンモニア原材料の供給量が目標供給量よりも多くなるように制御してもよい。
供給手段は尿素水を供給し、目標供給量は、ＳＣＲ触媒に吸着するアンモニアの吸着量が、予め設定された目標吸着量となるための供給量であってもよい。
供給手段はアンモニアを供給し、目標供給量は、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガスに含まれるＮＯｘと等モルとなる供給量であってもよい。
制御手段は、ＮＯ_２の比率に基づいて、供給手段から供給されるアンモニアまたは前記アンモニア原材料の供給量を調節してもよい。

この発明によれば、内燃機関の負荷が高負荷でＳＣＲ触媒に流入する排気ガスに含まれるＮＯｘ中のＮＯ_２の比率が０．５よりも小さいときに、アンモニアまたはアンモニア原材料の供給量が目標供給量よりも多くなるように制御すると、排気ガス中のアンモニア濃度の上昇により、ＮＯを浄化する反応が促進されるので、内燃機関の負荷が高い運転条件でも、ＮＯｘ浄化率を向上できると共にアンモニアのスリップを抑制することができる。

この発明の実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の構成模式図である。 実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の制御手段に組み込まれた、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガスに含まれるＮＯｘ中のＮＯ_２の比率を判定するためのマップの概略図である。 実施の形態１に係る排気ガス浄化装置において、ＳＣＲ触媒としてバナジウム系（ＴｉＯ_２−ＷＯ_３−Ｖ_２Ｏ_５）触媒を用いたときにおける、ＮＯｘ中のＮＯ／ＮＯ_２比ごとのＮＯｘ浄化反応についての温度と反応速度との関係を示すグラフである。 実施の形態１に係る排気ガス浄化装置のＳＣＲ触媒に吸着するアンモニアの目標吸着量を表すマップの概略図である。 実施の形態２に係る排気ガス浄化装置の構成模式図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の構成を図１に示す。内燃機関であるディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが流通する排気管２に、酸化触媒３と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４と、アンモニアを還元剤としてＮＯｘを選択的に還元するＳＣＲ触媒５と、ＳＣＲ触媒５を通過してきたアンモニアを酸化するアンモニアスリップ触媒６とが順次設けられている。排気管２には、ＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５との間に、アンモニア原材料である尿素水を噴射する噴射ノズル７が設けられており、噴射ノズル７は、配管８を介して、尿素水を貯留する尿素水タンク９に連通している。配管８には、尿素水タンク９内の尿素水を噴射ノズル７に供給するための尿素水添加システム１０が設けられている。ここで、噴射ノズル７及び尿素水添加システムは、尿素水を供給するための供給手段を構成する。尿素水添加システム１０は、制御手段であるＥＣＵ１４に電気的に接続されている。

排気管２には、ディーゼルエンジン１と酸化触媒３との間及びＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５との間のそれぞれに、温度センサ１１及び１２が設けられている。また、ＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５との間及びＳＣＲ触媒５とアンモニアスリップ触媒６との間のそれぞれに、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１３及び１５が設けられている。温度センサ１１及び１２と、ＮＯｘセンサ１３及び１５とはそれぞれ、ＥＣＵ１４に電気的に接続されている。また、ＥＣＵ１４には、ディーゼルエンジン１に吸引される吸気量を検出する吸気量センサ２１が電気的に接続されている。

一般に、ディーゼルエンジン１に吸引される吸気量とディーゼルエンジン１から排出される排出量とはおおよそ等しいとみなすことができるので、吸気量センサ２１による検出値と、ＮＯｘセンサ１３による検出値とを乗算することにより、ＳＣＲ触媒５に流入する排気ガスに含まれるＮＯｘの流量を算出することができる。排気ガスに含まれるＮＯｘの流量は、ディーゼルエンジン１の負荷が高くなると上昇する傾向がある。このため、ディーゼルエンジン１の負荷を低負荷と高負荷とに分ける閾値を予め決定しておき、ＥＣＵ１４にこの閾値を予め設定しておく。すると、ＥＣＵ１４は、吸気量センサ２１による検出値と、ＮＯｘセンサ１３による検出値とから算出したＮＯｘの流量から、ディーゼルエンジン１が低負荷の運転条件であるのか、高負荷の運転条件であるのかを判定することができる。このため、この実施の形態では、ＮＯｘセンサ１３と、ＥＣＵ１４と、吸気量センサ２１とは、ディーゼルエンジン１の負荷が低負荷であるのか高負荷であるのかを検出する負荷検出手段を構成する。尚、当該閾値は、ディーゼルエンジン１の仕様等により適宜設定することができる。

また、ＥＣＵ１４には、吸気量センサ２１による検出値と、温度センサ１１による検出値とから、ＳＣＲ触媒５に流入する排気ガスに含まれるＮＯｘ中のＮＯ_２の比率（ＮＯ_２／ＮＯｘ）を判定するためのマップが予め組み込まれている。図２に示されるように、このマップは、横軸に吸気量センサ２１による検出値をとると共に縦軸に温度センサ１１による検出値をとり、マップ上に、４段階の領域に分けたＮＯ_２の比率の各領域が示されている。ここで、温度センサ１１と、ＥＣＵ１４と、吸気量センサ２１と、ＥＣＵ１４に組み込まれたマップとは、ＳＣＲ触媒５に流入する排気ガスに含まれるＮＯｘ中のＮＯ_２の比率を判定するＮＯ_２比率判定手段を構成する。ただし、図２に示されたマップはあくまでも例示に過ぎず、４段階よりもさらに細かい領域に分けたＮＯ_２の比率の各領域が示されたマップであってもよい。

次に、この実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の動作について説明する。
図１に示されるように、ディーゼルエンジン１の始動後、排出された排気ガスは、排気管２を流通する。排気ガスが酸化触媒３を流通することにより、排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）の一部が二酸化窒素（ＮＯ_２）に酸化され、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）も酸化される。続いて排気ガスがＤＰＦ４を流通することにより、排気ガス中のパティキュレートマター（ＰＭ）がＤＰＦ４に捕捉される。ＤＰＦ４から流出した排気ガスは、ＳＣＲ触媒５に流入する。後述する動作により、ＥＣＵ１４は尿素水添加システム１０を作動させ、尿素水タンク９内の尿素水を、配管８を介して噴射ノズル７に供給し、噴射ノズル７から尿素水が排気管２内に供給される。供給された尿素水は、排気ガスの熱によって加水分解されてアンモニアと二酸化炭素（ＣＯ_２）となり、ＳＣＲ触媒５において、生成したアンモニアと排気ガス中のＮＯｘとが反応して、窒素（Ｎ_２）及び水となる。ＳＣＲ触媒５において消費されずに残ったアンモニアは、アンモニアスリップ触媒６において酸化される。このようにしてＮＯｘが浄化された排気ガスは、排気管２を流通して大気中へ排気される。尚、ディーゼルエンジン１の始動直後のように、排気ガスの温度が低い場合には、排気管２内に尿素水を供給しても尿素水が加水分解しないので、温度センサ１２による検出値が、予め設定された温度以上になってから尿素水の供給を開始するようにしてもよい。

ＳＣＲ触媒５において、ＮＯｘはアンモニアを還元剤として以下の３種類の反応（１）〜（３）によって浄化される。ただし、反応（１）〜（３）の反応速度は、触媒の種類及び温度によって異なる。そこで、ＳＣＲ触媒５としてバナジウム系（ＴｉＯ_２−ＷＯ_３−Ｖ_２Ｏ_５）触媒を用いたときを例にして、触媒床温と反応（１）〜（３）の反応速度（速度定数）との関係を図３に示す。

通常、ＮＯｘはＮＯ及びＮＯ_２を含んでおり、これらが以下の反応（１）によって浄化される。
ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３ → ２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ ・・・（１）
図３に示されるように、ディーゼルエンジン１の通常の運転条件での触媒床温の範囲である３５０℃以下において、この反応（１）は、後述する反応（２）及び（３）よりも反応速度が速いため、優先的に生じる反応である。すなわち、ＮＯとＮＯ_２とが等モル存在する限り、この温度範囲では、反応（１）が優先的に生じることになる。

ＮＯｘ中のＮＯの比率がＮＯ_２よりも大きい場合には、反応（１）によって浄化されないＮＯがＮＯｘ中に存在することになる。このようなＮＯは、以下の反応（２）によって浄化される。
ＮＯ＋ＮＨ_３＋（１／４）Ｏ_２ → Ｎ_２＋（３／２）Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
図３に示されるように、この反応（２）は、触媒床温が２３０℃（図３において、反応（２）及び（３）のそれぞれの温度と反応速度との関係が交差する温度。以下、「下限温度」という。）以上の範囲では、後述する反応（３）よりも反応速度が速い。このため、触媒床温が２３０℃以上で、かつ、ＮＯｘ中のＮＯの比率がＮＯ_２よりも大きい場合には、反応雰囲気中のアンモニア濃度が高くなるほど反応（２）の反応速度が上昇するので、アンモニアの量、すなわち実施の形態１では、尿素水の供給量を増加させることが有効である。

一方、ＮＯｘ中のＮＯ_２の比率がＮＯよりも大きい場合には、反応（１）によって浄化されないＮＯ_２がＮＯｘ中に存在することになる。このようなＮＯ_２は、以下の反応（３）によって浄化される。
ＮＯ_２＋（４／３）ＮＨ_３ → （７／６）Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ ・・・（３）
図３に示されるように、この反応（３）は、触媒床温が２３０℃（下限温度）より低い範囲では、反応（２）よりも反応速度が速い。このため、触媒床温が２３０℃よりも低く、かつ、ＮＯｘ中のＮＯ_２の比率がＮＯよりも大きい場合には、反応雰囲気中のアンモニア濃度が高くなるほど反応（３）の反応速度が上昇するので、アンモニアの量、すなわち実施の形態１では、尿素水の供給量を増加させることが有効である。

以上より、ＮＯｘ中のＮＯ_２の比率及び触媒床温に基づいて尿素水の供給量を調節すると、ＮＯｘの浄化効率が上昇することが分かる。すなわち、この知見を利用して尿素水の供給量を調節すれば、ＮＯｘ浄化率を向上すると共にアンモニアのスリップを抑制することができるので、以下に尿素水の供給量の調節動作を説明する。

ディーゼルエンジン１の稼働中、ＥＣＵ１４は、吸気量センサ２１による検出値と、ＮＯｘセンサ１３による検出値とからＮＯｘの流量を算出し、この算出値と閾値とを比較することにより、ディーゼルエンジン１の運転条件が低負荷であるか高負荷であるかを検出する。ディーゼルエンジン１の運転条件が低負荷である場合には、ＮＯｘ中のＮＯ_２の比率に基づいて尿素水の供給量を調節せず、通常の制御、すなわち、噴射ノズル７から供給される尿素水の供給量が目標供給量になるような制御を行う。実施の形態１では、この目標供給量とは、ＳＣＲ触媒５に吸着するアンモニアの吸着量が、ＥＣＵ１４に予め設定された目標吸着量となるための供給量である。

ＳＣＲ触媒５に吸着するアンモニアの吸着量が目標吸着量となるための制御は、以下のように行われる。
ＥＣＵ１４には、ＳＣＲ触媒５に吸着するアンモニアの目標吸着量についてのマップが組み込まれている。図４に示されるように、このマップは、ＳＣＲ触媒５の触媒床温を横軸にとると共に、ＳＣＲ触媒５に吸着するアンモニアの吸着量を縦軸にとったものである。破線で描かれた曲線が、ＳＣＲ触媒５の触媒床温とＳＣＲ触媒５に吸着するアンモニアの飽和吸着量との関係（飽和曲線）を表しており、飽和曲線よりも下側の実線で描かれた曲線、すなわち、同じ触媒床温においてＳＣＲ触媒５に吸着するアンモニア吸着量が飽和吸着量よりも少なくなるように目標吸着量が表わされている。
尚、この実施の形態では、ＳＣＲ触媒５の触媒床温は、ディーゼルエンジン１の回転数及び燃料噴射量から推定することとする。ＳＣＲ触媒５の触媒床温を直接検出できるように、ＳＣＲ触媒５に温度センサを設けてもよい。ここで、ＳＣＲ触媒５の触媒床温を検出する触媒床温検出手段は、ディーゼルエンジン１の回転数及び燃料噴射量から触媒床温を推定する場合にはＥＣＵ１４であり、温度センサをＳＣＲ触媒５に設ける場合には当該温度センサである。

ＥＣＵ１４は、噴射ノズル７から尿素水が供給されるたびに、ＳＣＲ触媒５に吸着されているアンモニアの実吸着量Ｓ（ｎ)を以下の式（４）に基づいて推定する。
Ｓ（ｎ）＝Ｓ（ｎ−１）＋Ｄ−ｆ（η，Ｕ） ・・・（４）
ここで、Ｓ（ｎ−１）は、尿素水を前回供給した後のアンモニアの実吸着量であり、Ｄは、ＳＣＲ触媒５の触媒床温に応じて予め設定された尿素水の供給量から生成されるアンモニアの量であり、ηは、ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘの浄化率であり、Ｕは、ＮＯｘの流量である。ηは、ＮＯｘセンサ１３，１５それぞれの検出値をＣ_１，Ｃ_２とすると、以下の式（５）のように表わされる。
η＝（Ｃ_１−Ｃ_２）／Ｃ_１ ・・・（５）
また、式（４）の右辺の第３項であるｆ（η，Ｕ）は、η及びＵからＳＣＲ触媒５において浄化されたＮＯｘ量を算出し、その浄化反応によって消費されたアンモニアの量を算出する関数である。例えば、ＮＯｘとアンモニアとが１対１で反応するとすれば、
ｆ（η，Ｕ）＝η×Ｕ×α ・・・（６）
となる。ここで、αは、通常は質量流量の単位であるＵをモル流量に変換するための係数である。

ＥＣＵ１４は、上記式（４）〜（６）に基づいて、ＳＣＲ触媒５に吸着されているアンモニアの実吸着量Ｓ（ｎ）を推定し、ＳＣＲ触媒５の触媒床温に応じた目標吸着量を図４のマップから推定し、両者を比較する。両者が同等、もしくは、実吸着量Ｓ（ｎ）が目標吸着量より多い場合は噴射ノズル７から尿素水を供給しない。一方、実吸着量Ｓ（ｎ）が目標吸着量よりも少ない場合には、ＥＣＵ１４は、ＳＣＲ触媒５の触媒床温に応じて予め設定された供給量（上記式（４）中の「Ｄ」に相当する供給量）で、噴射ノズル７から尿素水を供給する。

ＥＣＵ１４は、ディーゼルエンジン１の運転条件が高負荷であると検出した場合には、吸気量センサ２１による検出値及びＮＯｘセンサ１３による検出値から算出したＮＯｘの流量と、温度センサ１１による検出値とから、ＥＣＵ１４に組み込まれたマップ（図２）に基づいて、ＳＣＲ触媒５に流入する排気ガスに含まれるＮＯｘ中のＮＯ_２の比率（ＮＯ_２／ＮＯｘ）を判定する。例えば、ＮＯｘの流量がＧ_１であると共に温度センサ１１による検出値がＴ_１であったとすると、図２において、点Ａ（Ｇ_１，Ｔ_１）が存在する領域は、０．２５≦ＮＯ_２／ＮＯｘ＜０．５０の領域であるので、ＥＣＵ１４は、ＮＯ_２／ＮＯｘが０．２５以上０．５未満であると判定する。

ＮＯ_２／ＮＯｘが０．５より大きい、すなわち、ＮＯｘ中のＮＯ_２の比率がＮＯよりも大きい場合には、ＮＯｘ中に存在するＮＯと等モルのＮＯ_２は、反応（１）により効率よく浄化されるが、ＮＯよりも多いＮＯ_２は、反応（３）によって浄化されることになる。前述したように、触媒床温が２３０℃以上の場合には、反応（３）は、反応（２）よりも反応速度が遅いので、反応雰囲気中のアンモニア濃度が高くなっても反応速度の上昇の効果が小さい。したがって、噴射ノズル７から供給される尿素水の供給量を増加してもＮＯｘ浄化率の上昇が小さい上、ＳＣＲ触媒５をスリップするアンモニアの量が増加してしまうことになるので、この場合には、噴射ノズル７から供給される尿素水の供給量は、目標供給量となるように制御される。

一方、ＮＯ_２／ＮＯｘが０．５未満、すなわち、ＮＯｘ中のＮＯの比率がＮＯ_２よりも大きい場合には、ＮＯｘ中に存在するＮＯと等モルのＮＯ_２は、反応（１）により効率よく浄化されるが、ＮＯ_２よりも多いＮＯは、反応（２）によって浄化されることになる。前述したように、触媒床温が２３０℃以上の場合には、反応（２）は、反応雰囲気中のアンモニア濃度が高くなるほど反応速度が上昇するので、噴射ノズル７から供給される尿素水の供給量を目標供給量よりも多くすると、反応（２）が促進され、その結果、ＮＯｘの浄化効率が上昇する。

噴射ノズル７から供給される尿素水の供給量の増加については、例えば、ＮＯ_２／ＮＯｘが０．５未満になったら、目標供給量に対して１０％多い供給量にしてもよい。さらに、実施の形態１におけるマップ（図２）では、ＮＯ_２／ＮＯｘが０．５未満の領域が、０．２５≦ＮＯ_２／ＮＯｘ＜０．５の領域と、０≦ＮＯ_２／ＮＯｘ＜０．２５の領域とに分かれているので、前者の領域では、目標供給量に対して１０％多い供給量にし、さらに後者の領域になったら、目標供給量に対して２０％多い供給量にしてもよい。尚、目標供給量に対する１０％及び２０％という値はあくまでも例示であり、ＳＣＲ触媒５の触媒性能やディーゼルエンジン１の仕様等により適宜決定することができる。尚、図２に例示したマップにおいてＮＯ_２／ＮＯｘの各領域をさらに細かく分けて、それぞれの領域ごとに目標供給量に対する増加分を設定することにより、ＮＯ_２／ＮＯｘの値に基づいて尿素水の供給量を調節することができる。

また、当初、ＮＯ_２／ＮＯｘが０．５未満であり、噴射ノズル７から供給される尿素水の供給量を目標供給量よりも多くなるように制御していたものの、ディーゼルエンジン１の運転条件が変化し、ＮＯ_２／ＮＯｘが０．５以上となった場合には、尿素水の供給量を目標供給量となるように制御してもよい。

このように、ディーゼルエンジン１の負荷が高負荷でＳＣＲ触媒５に流入する排気ガスに含まれるＮＯｘ中のＮＯ_２の比率が０．５よりも小さいときに、尿素水の供給量が目標供給量よりも多くなるように制御すると、排気ガス中のアンモニア濃度の上昇により、ＮＯを浄化する反応が促進されるので、ディーゼルエンジン１の負荷が高い運転条件でも、ＮＯｘ浄化率を向上できると共にアンモニアのスリップを抑制することができる。

実施の形態１では、触媒床温が２３０℃以上であり、反応（２）の反応速度が反応（３）の反応速度よりも速いことを前提としている。これは、高負荷時は排気ガスの温度が高温となるので、ディーゼルエンジン１が任意のものであっても、触媒床温は通常は２３０℃以上となることに基づいている。このため、実施の形態１では、ディーゼルエンジン１の運転条件が高負荷であるか否かのみで、尿素水の供給量を増加するか否かを判断している。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る排気ガス浄化装置の構成を示す。尚、以下の実施の形態において、図１の参照符号と同一の符号は、同一又は同一な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係る排気ガス浄化装置は、実施の形態１に対して、排気管２内にアンモニアを供給するようにしたものである。

この実施の形態２に係る排気ガス浄化装置の構成を図５に示す。排気管２には、ＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５との間に、アンモニアガスを供給する供給手段である噴射弁２０が設けられている。噴射弁２０には、アンモニア供給管２７の一端が接続されている。アンモニア供給管２７の他端は、アンモニア供給源２８に接続されている。アンモニア供給源２８には、例えば、アンモニアを吸蔵した塩化マグネシウムや塩化カルシウム等を充填したボンベを使用することができる。また、アンモニアガス若しくは液化アンモニアを充填したボンベ等を使用してもよい。噴射弁２０は、ＥＣＵ１４に電気的に接続されている。その他の構成は実施の形態１と同じである。

この実施の形態２に係る排気ガス浄化装置の動作は、後述する動作で噴射弁２０から排気管２内にアンモニアを供給する以外は、実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の動作と同じである。
実施の形態２においても、ディーゼルエンジン１の運転条件が低負荷である場合には、ＮＯｘ中のＮＯ_２の比率に基づいて尿素水の供給量を調節しなくても、通常の制御、すなわち、噴射弁２０から供給されるアンモニアの供給量が目標供給量になるような制御を行う。実施の形態２では、この目標供給量とは、ＮＯｘセンサ１３及び吸気量センサ２１による検出値から算出したＮＯｘの量、すなわち、ＳＣＲ触媒５に流入する排気ガスに含まれるＮＯｘと等モルのアンモニア量となるような供給量である。

一方、ディーゼルエンジン１の運転条件が高負荷、かつ、ＮＯ_２／ＮＯｘが０．５以上の場合も、ディーゼルエンジン１の運転条件が低負荷である場合の制御と同じである。ディーゼルエンジン１の運転条件が高負荷、かつ、ＮＯ_２／ＮＯｘが０．５未満のときには、実施の形態１と同様に、噴射弁２０から供給されるアンモニアの供給量が目標供給量よりも多くなるように制御する。目標供給量に対してどの程度多くするかについても、実施の形態１と同じである。

このように、ディーゼルエンジン１の負荷が高負荷でＳＣＲ触媒５に流入する排気ガスに含まれるＮＯｘ中のＮＯ_２の比率が０．５よりも小さいときに、アンモニアの供給量が目標供給量よりも多くなるように制御すると、排気ガス中のアンモニア濃度の上昇により、ＮＯを浄化する反応が促進されるので、ディーゼルエンジン１の負荷が高い運転条件でも、ＮＯｘ浄化率を向上できると共にアンモニアのスリップを抑制することができる。

実施の形態２でも、実施の形態１と同様に、触媒床温が２３０℃以上であり、反応（２）の反応速度が反応（３）の反応速度よりも速いことを前提としているが、これは、実施の形態１において説明した理由と同じ理由に基づくものである。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る排気ガス浄化装置の構成を示す。
この発明の実施の形態３に係る排気ガス浄化装置は、実施の形態１に対して、ディーゼルエンジン１の運転条件が高負荷か否かだけでなく触媒床温度にも基づいて、尿素水の供給量を増加するか否かを判断するようにしたものである。
したがって、実施の形態３に係る排気ガス浄化装置の構成は、実施の形態１に排気ガス浄化装置の構成（図１参照）と同じである。

この実施の形態３に係る排気ガス浄化装置の動作は、ディーゼルエンジン１の運転条件が高負荷のときに尿素水の供給量を増加する動作以外は、実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の動作と同じである。したがって、以下に、ディーゼルエンジン１の運転条件が高負荷のときに尿素水の供給量を増加する動作について説明する。
尚、実施の形態１及び２では、ＳＣＲ触媒５（図１参照）としてバナジウム系（ＴｉＯ_２−ＷＯ_３−Ｖ_２Ｏ_５）触媒を用いたときを例にして説明していたが、実施の形態３では、具体的に特定しないで説明することとする。したがって、下限温度は必ずしも２３０℃とはならず、ＳＣＲ触媒５に用いた触媒系によって異なることとなる。ただし、下限温度前後での反応（２）及び（３）それぞれの反応速度の大小関係は、触媒系が異なっても同じである。

ＥＣＵ１４は、ＳＣＲ触媒５に流入する排気ガスに含まれるＮＯｘ中のＮＯ_２の比率を実施の形態１と同様の方法で判定すると共に、検出された触媒床温が下限温度以上か否かを判定する。
ＮＯ_２／ＮＯｘが０．５未満で、かつ、触媒床温が下限温度以上の場合には、反応（２）の反応速度が反応（３）の反応速度よりも速く、反応（２）の反応速度の上昇がＮＯｘ浄化効率の向上に与える効果が大きいので、実施の形態１と同様の動作で、尿素水の供給量を増加する。一方、ＮＯ_２／ＮＯｘが０．５未満で、かつ、触媒床温が下限温度より低い場合には、反応（２）の反応速度が反応（３）の反応速度よりも遅く、反応（３）の反応速度の上昇がＮＯｘ浄化効率の向上に与える効果は小さいので、尿素水の供給量を増加しない。

ＮＯ_２／ＮＯｘが０．５よりも大きく、かつ、触媒床温が下限温度より低い場合には、反応（３）の反応速度が反応（２）の反応速度よりも速く、反応（３）の反応速度の上昇がＮＯｘ浄化効率の向上に与える効果が大きいので、実施の形態１と同様の動作で、尿素水の供給量を増加する。一方、ＮＯ_２／ＮＯｘが０．５よりも大きく、かつ、触媒床温が下限温度以上の場合には、反応（３）の反応速度が反応（２）の反応速度よりも遅く、反応（３）の反応速度の上昇がＮＯｘ浄化効率の向上に与える効果は小さいので、尿素水の供給量を増加しない。

このように、ディーゼルエンジン１の運転条件が高負荷か否かだけでなく、触媒床温が下限温度以上か否かにも基づいて、尿素水の供給量の増加を判断するので、実施の形態１に比べて、より細やかな制御が可能となる。

実施の形態３では、排気管２内に尿素水を供給していたが、実施の形態２と同様に、アンモニアを供給する形態でもよい。

実施の形態１〜３では、ＮＯｘの流量を算出する際に、吸気量センサ２１による検出値を用いているが、この形態に限定するものではない。排気ガス流量を実際に測定するセンサを設けたり、ディーゼルエンジン１の稼働状態（回転数やアクセル開度等）から排気ガス流量を推定したりするような形態であってもよい。また、ＮＯｘの流量から、ディーゼルエンジン１が低負荷の運転条件であるのか、高負荷の運転条件であるのかを判定しているが、この形態に限定するものでもない。ディーゼルエンジン１の回転数及び燃料の添加量に基づいて、ディーゼルエンジン１の運転条件が低負荷か高負荷かを判定してもよい。この場合には、ディーゼルエンジン１の回転数を検出する手段（センサ等）及び燃料の添加量検出手段（ＥＣＵ１４）が負荷検出手段を構成することとなる。

実施の形態１〜３では、ＤＰＦ４をＳＣＲ触媒５と別体にしてＳＣＲ触媒５の上流に設けていたが、この形態に限定するものではない。多孔質性の基材の表面にＰＭを捕集する捕集層をコーティングすると共に基材の細孔内にＳＣＲ触媒成分を担持したものを設けてもよい。

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）、２ 排気管、５ ＳＣＲ触媒、７ 噴射ノズル（供給手段）、１０ 尿素水添加システム（供給手段）、１１ 温度センサ（ＮＯ_２比率判定手段）、１３ ＮＯｘセンサ（負荷検出手段）、１４ ＥＣＵ（制御手段，負荷検出手段，ＮＯ_２比率判定手段，触媒床温検出手段）、２０ 噴射弁（供給手段）、２１ 吸気量センサ（負荷検出手段，ＮＯ_２比率判定手段）。

Claims (6)

1. 内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気管に設けられたＳＣＲ触媒と、
   該ＳＣＲ触媒の上流側で前記排気管内にアンモニアまたはアンモニア原材料を供給する供給手段と、
   該供給手段から供給される前記アンモニアまたは前記アンモニア原材料の供給量が目標供給量になるように制御する制御手段と、
   前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段であって、低負荷と高負荷との閾値が予め設定された負荷検出手段と、
   前記ＳＣＲ触媒に流入する排気ガスに含まれるＮＯｘ中のＮＯ_２の比率を判定するＮＯ_２比率判定手段と
   を備え、
   前記制御手段は、前記内燃機関の負荷が高負荷で前記ＮＯ_２の比率が０．５よりも小さいときに、前記供給手段から供給される前記アンモニアまたは前記アンモニア原材料の供給量が前記目標供給量よりも多くなるように制御する排気ガス浄化装置。
2. 前記ＳＣＲ触媒の触媒床温を検出する触媒床温検出手段をさらに備え、
   前記制御手段には、前記ＳＣＲ触媒によるＮＯとアンモニアとの反応の反応速度がＮＯ_２とアンモニアとの反応の反応速度より大きくなる下限温度が予め設定されており、
   前記制御手段は、前記触媒床温検出手段による検出値が前記下限温度以上で、かつ、前記内燃機関の負荷が高負荷で前記ＮＯ_２の比率が０．５よりも小さいときに、前記供給手段から供給される前記アンモニアまたは前記アンモニア原材料の供給量が前記目標供給量よりも多くなるように制御する、請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
3. 前記ＳＣＲ触媒の触媒床温を検出する触媒床温検出手段をさらに備え、
   前記制御手段には、前記ＳＣＲ触媒によるＮＯとアンモニアとの反応の反応速度がＮＯ_２とアンモニアとの反応の反応速度より大きくなる下限温度が予め設定されており、
   前記制御手段は、前記触媒床温検出手段による検出値が前記下限温度よりも低い場合には、前記内燃機関の負荷が高負荷であっても、前記ＮＯ_２の比率が０．５よりも大きいときに、前記供給手段から供給される前記アンモニアまたは前記アンモニア原材料の供給量が前記目標供給量よりも多くなるように制御する、請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
4. 前記供給手段は尿素水を供給し、
   前記目標供給量は、前記ＳＣＲ触媒に吸着するアンモニアの吸着量が、予め設定された目標吸着量となるための供給量である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
5. 前記供給手段はアンモニアを供給し、
   前記目標供給量は、前記ＳＣＲ触媒に流入する排気ガスに含まれるＮＯｘと等モルとなる供給量である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
6. 前記制御手段は、前記ＮＯ_２の比率に基づいて、前記供給手段から供給される前記アンモニアまたは前記アンモニア原材料の供給量を調節する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。

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