JP2016044591A - 内燃機関及び内燃機関の排気ガス浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】選択的還元触媒の入口側の温度が低温の場合に、硝酸アンモニウムを積極的に生成して窒素酸化物の排出量を低減できると共に、燃費の悪化を抑制できる内燃機関及び内燃機関の排気ガス浄化方法を提供する。【解決手段】制御装置１６は、ＳＣＲ触媒３４の入口側の排気ガスの温度ＴＳＣＲｉｎが温度判定値以下の場合には、尿素水噴射弁３３のＳＣＲ触媒３４へのアンモニアの供給を停止する制御を行うと共に、温度ＴＳＣＲｉｎが温度判定値以下の場合で、且つ推定した硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ４ＮＯ３ａｂが予め定めた堆積量判定値β１以下のときには、ＳＣＲ触媒３４に予め吸着されたアンモニアと二酸化窒素との反応により硝酸アンモニウムが生成されるか否かを判定し、硝酸アンモニウムが生成されると判定したときには、燃料噴射弁１４の排気ガスへの未燃燃料の供給を停止する制御を行う構成にした。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関及び内燃機関の排気ガス浄化方法に関し、より詳細には、選択的還元触媒の入口側の温度が低温の場合に、硝酸アンモニウムを積極的に生成して窒素酸化物の排出量を低減できると共に、燃費の悪化を抑制できる内燃機関及び内燃機関の排気ガス浄化方法に関する。

筒内から排出された排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を低減するために、排気通路に尿素水噴射弁と選択的還元触媒（ＳＣＲ触媒）とを配置したディーゼルエンジンが提案されている。

このディーゼルエンジンにおいては、ＳＣＲ触媒の入口側の排気ガスの温度が一定以上になると、一酸化窒素（ＮＯ）がアンモニア（ＮＨ_３）により還元されるスタンダードＳＣＲ反応、一酸化窒素と二酸化窒素（ＮＯ_２）とがアンモニアにより還元されるファーストＳＣＲ反応、及び二酸化窒素がアンモニアにより還元されるＮＯ_２ＳＣＲ反応の各ＳＣＲ反応が生じることにより、窒素酸化物が還元されている。

特に、ファーストＳＣＲ反応は反応速度が速く低温度域でも反応が起きることから、排気通路のＳＣＲ触媒の上流側に一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する酸化触媒などを配置して排気ガス中の二酸化窒素の濃度を増加している。

ところが、エンジンの低温始動時には暖機が不十分になり酸化触媒やＳＣＲ触媒が十分に活性化されないため、窒素酸化物の浄化率が低下していた。特に、ＳＣＲ触媒は排気通路の下流側に配置されるため、暖機に時間を要する。そのため、暖機の間に窒素酸化物の浄化率が低下していた。

そこで、エンジンの低温始動時には、二酸化窒素とアンモニアとが反応して硝酸アンモニウム（ＮＨ_４ＮＯ_３）が生成される硝酸アンモニウム生成反応を積極的に利用した装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この装置は、排気ガスの温度が低温の際に、尿素水噴射弁から尿素水を噴射し、硝酸アンモニウム生成反応により生じた硝酸アンモニウムを捕集装置に堆積させることで、窒素酸化物の浄化率の向上を図ることを目的としている。

しかし、排気ガスの温度が低温の場合では、尿素水がアンモニアに加水分解され難いため、上記の装置では、硝酸アンモニウム生成反応が促進されない。そのため、排気ガスの温度が低温の場合の窒素酸化物の浄化率を向上できない。

一方で、硝酸アンモニウム生成反応を利用するために、尿素水を加水分解しようとすると、未燃燃料を排気ガスに供給する必要がある。そのため、結果として燃費が悪化する。

特開２００７−１１３４０１号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その課題は、選択的還元触媒の入口側の温度が低温の場合に、硝酸アンモニウムを積極的に生成して窒素酸化物の排出量を低減できると共に、燃費の悪化を抑制できる内燃機関及び内燃機関の排気ガス浄化方法を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明の内燃機関は、筒内から排出された排気ガスが通過する排気通路に上流側の酸化触媒と下流側の選択的還元触媒とを備えると共に、該筒内又は該排気通路に燃料を噴射して排気ガスに未燃燃料を供給する燃料噴射弁と該選択的還元触媒の上流側に配置されて尿素水を噴射する尿素水噴射弁と該燃料噴射弁及び該尿素水噴射弁の各噴射時期及び各噴射量の制御を行う制御装置とを備えた内燃機関において、前記選択的還元触媒の入口側の排気ガスの温度を取得する温度取得手段と、前記選択的還元触媒に堆積した硝酸アンモニウムの堆積量を取得する堆積量取得手段とを備え、前記制御装置が、前記温度が予め定めた温度判定値以下の場合には、前記尿素水噴射弁の前記選択的還元触媒へのアンモニアの供給を停止する制御を行うと共に、前記温度が前記温度判定値以下の場合で、且つ前記堆積量が予め定めた堆積量判定値以下のときには、前記選択的還元触媒に予め吸着されたアンモニアと二酸化窒素との反応により硝酸アンモニウムが生成されるか否かを判定し、硝酸アンモニウムが生成されると判定したときには、前記燃料噴射弁の排気ガスへの未燃燃料の供給を停止する制御を行う構成にしたことを特徴とするものである。

また、上記の課題を解決するための本発明の内燃機関の浄化方法は、燃料噴射弁から噴射された燃料を筒内で燃焼し、その燃焼により生じた排気ガスを排気通路の上流側に配置された酸化触媒と下流側に配置された選択的還元触媒とにより浄化する内燃機関の排気ガス浄化方法において、前記選択的還元触媒の入口側の排気ガスの温度が予め定めた温度判定値以下の場合には、前記選択的還元触媒へのアンモニアの供給とを停止すると共に、前記温度が前記温度判定値以下の場合で、且つ前記選択的還元触媒に堆積した硝酸アンモニウムの堆積量が予め定めた堆積量判定値以下のときには、前記選択的還元触媒に吸着されたアンモニアと二酸化窒素との反応により硝酸アンモニウムが生成されるか否かを判定し、硝酸アンモニウムが生成されると判定したときには、排気ガスへの未燃燃料の供給を停止することを特徴とする方法である。

本発明の内燃機関及び内燃機関の浄化方法によれば、選択的還元触媒の入口側の排気ガスの温度が前記温度判定値以下の場合にはアンモニアの供給を停止する。更に、温度が前記温度判定値以下、且つ選択的還元触媒に堆積した硝酸アンモニウムの堆積量が堆積量判定値以下の場合で、選択的還元触媒に予め吸着されたアンモニアと二酸化窒素との反応により硝酸アンモニウムが生成されると判定したときには、未燃燃料の供給を停止する。

これにより、尿素水から加水分解によりアンモニアが生成されない場合でも、排気ガスの温度を昇温させずに、選択的還元触媒に予め吸着させたアンモニアと排気ガス中の二酸化窒素との反応により、積極的に硝酸アンモニウムを生成するので、窒素酸化物の排出量を抑制できる。また、選択的還元触媒の入口側の排気ガスの温度が前記温度判定値以下のときの未燃燃料の噴射量を低減して燃費を向上できる。

本発明の内燃機関の実施形態を例示する説明図である。 図１に示す内燃機関の運転状態と選択的還元触媒の入口側の排気ガスの温度との関係を例示したグラフである。 本発明の内燃機関の排気ガス浄化方法の実施形態を例示するフローチャートである。 図３に示すＩＶから分岐したフローチャートである。 図４のステップＳ１１０における尿素水の噴射量を決定するフローチャートである。

以下、本発明の内燃機関及び内燃機関の排気ガス浄化方法の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態のディーゼルエンジン（以下、エンジン）１０の構成を示す。

このエンジン１０においては、車両の走行時などにおいて吸気バルブ１１からピストン１２が往復する筒内１３に吸入された空気と燃料噴射弁１４から筒内１３に噴射された燃料とが混合されて燃焼して、排気ガスとなって排気バルブ１５から排気されている。

吸入空気は、外部から吸気通路２０へ吸入されて、ターボチャージャ２１のコンプレッサ２１ａにより圧縮されて高温になり、インタークーラー２２で冷却された後に、吸気スロットル２３により吸入空気としてインテークマニホールド２４を経て吸気バルブ１１から筒内１３に吸入されている。

排気ガスは、筒内１３から排気バルブ１５を経由してエキゾーストマニホールド２５から排気通路２６へ排気されて、ターボチャージャ２１のタービン２１ｂを駆動させた後に、排気ガス浄化装置３０で浄化されて大気へと放出されている。また、排気ガスの一部は、ＥＧＲ通路２７に設けられたＥＧＲクーラー２８で冷却された後に、ＥＧＲバルブ２９によりインテークマニホールド２４に供給されて吸入空気に混合されている。

排気ガス浄化装置３０には、酸化触媒３１、捕集装置３２、尿素水噴射弁３３、及びＳＣＲ触媒（選択的還元触媒）３４が上流から順に配置されている。排気ガスがこの排気ガス浄化装置３０を通過すると、酸化触媒３１で排気ガス中の一酸化窒素が二酸化窒素に酸化される。次いで、捕集装置３２で排気ガス中の微粒子状物質が捕集される。次いで、ＳＣＲ触媒３４では、尿素水噴射弁３３から噴射された尿素水の加水分解により生じたアンモニアを還元剤とした各ＳＣＲ反応によって排気ガス中の窒素酸化物が還元される。

酸化触媒３１は、白金やパラジウムなどの貴金属触媒で構成されている。また、捕集装置３２にも貴金属触媒を担持させている。この酸化触媒３１及び捕集装置３２の貴金属触媒の使用量を増やすことでは、一酸化窒素の酸化能力を高めることができる。

エンジン１０の運転中に、各ＳＣＲ反応により排気ガス中の窒素酸化物を浄化するためには、尿素水の加水分解によりアンモニアが生成される必要がある。そこで、エンジン１０に設けられた制御装置１６は、燃料噴射弁１４の噴射量及び噴射時期を制御して燃料をポスト噴射させて、排気ガスへ未燃燃料を供給して排気ガス浄化装置３０を暖機している。また、この制御装置１６は、尿素水噴射弁３３から尿素水を噴射させることで、ＳＣＲ触媒３４へアンモニアを供給してＳＣＲ触媒３４での各ＳＣＲ反応を促進している。

なお、筒内１３へ燃料を噴射する燃料噴射弁１４のポスト噴射により排気ガスに未燃燃料を供給する構成に代えて、排気通路に燃料噴射弁を設けてもよい。

このようなエンジン１０において、ＳＣＲ触媒３４の入口側の排気ガスの温度を取得する温度取得手段として温度センサ１７を備えていると共に、制御装置１６が堆積量取得手段として、ＳＣＲ触媒３４に堆積した硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ_４ＮＯ_３ａｂを推定する手段を備えている。また、制御装置１６は、温度センサ１７で取得したＳＣＲ触媒３
４の入口側の排気ガスの温度Ｔ_{ＳＣＲｉｎ}が温度判定値として定めた１７０度以下の場合には、尿素水噴射弁３３のＳＣＲ触媒３４へのアンモニアの供給を停止する制御を行っている。更に、制御装置１６は、温度Ｔ_{ＳＣＲｉｎ}が１７０度以下の場合で、且つ推定した硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ_４ＮＯ_３ａｂが予め定めた堆積量判定値β_１以下のときには、ＳＣＲ触媒３４に予め吸着されたアンモニアと二酸化窒素との反応により硝酸アンモニウムが生成されるか否かを判定し、硝酸アンモニウムが生成されると判定したときには、燃料噴射弁１４の排気ガスへの未燃燃料の供給を停止する制御を行っている。

この温度判定値は尿素水が加水分解され始める１５０度超、硝酸アンモニウムが分解され始める２５０度未満の温度に設定されることが好ましい。この実施形態では、尿素水の加水分解が促進される１７０度に設定されている。

また、硝酸アンモニウムが生成されるか否かを判定するために、制御装置１６は、吸着量取得手段として、ＳＣＲ触媒３４に吸着されたアンモニアの吸着量ＮＨ_３ａｃを推定する手段と、比率取得手段として、ＳＣＲ触媒３４の入口側の排気ガス中の窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}を推定する手段とを備えている。そして、制御装置１６は、推定した吸着量ＮＨ_３ａｃが予め定めた吸着量判定値γ_１以上、且つ推定した比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}が０．５超のときに、ＳＣＲ触媒３４に予め吸着されたアンモニアと二酸化窒素との反応により硝酸アンモニウムが生成されると判定している。

つまり、このエンジン１０においては、制御装置１６が、温度Ｔ_{ＳＣＲｉｎ}と硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ_４ＮＯ_３ａｂとをパラメータとして硝酸アンモニウムが生成されるか否かの判定を開始して、その判定にはアンモニアの吸着量ＮＨ_３ａｃと比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}とをパラメータとしている。

図２は、エンジン１０の運転状態と温度Ｔ_{ＳＣＲｉｎ}との関係の一例を示している。

図２の例では、エンジン１０が始動してから温度Ｔ_{ＳＣＲｉｎ}が１７０度超になるまでの斜線領域においては、尿素水噴射弁３３からＳＣＲ触媒３４へのアンモニアの供給が停止されている。また、温度Ｔ_{ＳＣＲｉｎ}が１７０度以下、且つ硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ_４ＮＯ_３ａｂが堆積量判定値β_１以下、且つアンモニアの吸着量ＮＨ_３ａｃが吸着量判定値γ_１以上、且つ比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}が０．５超の斜線領域においては、燃料噴射弁１４から排気ガスへの未燃燃料の供給は停止されている。

エンジン１０は、この斜線領域では、一酸化窒素及び二酸化窒素が予めＳＣＲ触媒３４に吸着したアンモニアにより還元されるファーストＳＣＲ反応と、二酸化窒素及びアンモニアから硝酸アンモニウムが生成される硝酸アンモニウム生成反応との二つの反応により窒素酸化物を浄化している。

次に、このエンジン１０の排気ガス浄化方法について図３及び図４のフローチャートを参照しながら説明する。

図３のステップＳ３０及び図４のステップＳ１２０のＳＣＲ触媒３４に堆積した硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ_４ＮＯ_３ａｂを推定する手段としては、例えば、硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ_４ＮＯ_３ａｂの増減量ΔＮＨ_４ＮＯ_３ａｂを算出して推定する手段がある。この手段は、増減量ΔＮＨ_４ＮＯ_３ａｂを以下の数式（１）及び数式（２）を用いて増減量ΔＮＨ_４ＮＯ_３ａｂを算出する。ここで、ＳＣＲ触媒３４の入口側の二酸化窒素の推定モル流速をＮＯ_{２ＳＣＲｉｎ}、硝酸アンモニウムの生成反応の反応率をα、ガス定数をＲ、硝酸アンモニウムの分解反応の頻度因子をＡ、硝酸アンモニウムの分解反応の活性化
エネルギーをＥ、及び推定時間をΔｔとする。

温度Ｔ_{ＳＣＲｉｎ}が１７０度以下のステップＳ３０では、上記の数式（１）により硝酸アンモニウムの増加量を算出し、温度Ｔ_{ＳＣＲｉｎ}が１７０度超のステップＳ１２０では、数式（２）により硝酸アンモニウムの減少量を算出し、それらの増減量ΔＮＨ_４ＮＯ_３ａｂを積算して硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ_４ＮＯ_３ａｂを推定している。

なお、堆積量取得手段としては、上記の手段に限定されない。例えば、ＳＣＲ触媒３４の前後に圧力センサを設けて、ＳＣＲ触媒３４の圧力損失から硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ_４ＮＯ_３ａｂを推定してもよい。また、ＳＣＲ触媒３４の入口側の二酸化窒素の推定モル流速ＮＯ_{２ＳＣＲｉｎ}は、後述するステップＳ７０で推定されたＳＣＲ触媒３４の入口側の排気ガス中の窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}に排気バルブ１５から排気された排気ガス中の窒素酸化物の推定モル流速ＮＯ_{ｘＥｎｇｏｕｔ}を乗算して算出してもよい。

図３のステップＳ５０及び図４のステップＳ１４０のＳＣＲ触媒３４に吸着したアンモニアのＮＨ_３ａｃを推定する手段としては、例えば、尿素水の加水分解により生じるアンモニアの量とＳＣＲ触媒３４でＳＣＲ反応により減少するアンモニアの量とＳＣＲ触媒３４からスリップするアンモニアの量とを取得して、ＳＣＲ触媒３４に吸着したアンモニアの吸着量ＮＨ_３ａｃを算出する手段がある。

なお、吸着量取得手段としては、上記の手段に限定されない。例えば、「スカフ ザクワン（Ｓｋａｆ Ｚａｋｗａｎ）、外三名、“ザ ステイツ オブ ジ アート イン セレクティブ キャタリティック リダクション コントロール（Ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ Ａｒｔ ｉｎ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）”、［ｏｎｌｉｎｅ］、２０１４年４月１日、エスエーイーテクニカルペーパー（ＳＡＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒ）、インターネット（ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｐａｐｅｒｓ．ｓａｅ．ｏｒｇ／２０１４−０１−１５３３／）」の文献に記載されているプラントモデルによる推定方法を用いてもよい。

図３のステップＳ７０のＳＣＲ触媒３４の入口側の排気ガス中の窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}を推定する手段としては、例えば、酸化触媒３１、捕集装置３２及びＳＣＲ触媒３４で段階的に排気ガス中の窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率を算出する手段がある。この手段は以下の数式（３）〜数式（５）、あるいはその数式に準ずるマップを段階的に用いている。

排気バルブ１５から排気された排気ガス中の窒素酸化物のほとんどは一酸化窒素であることから、排気バルブ１５から排気された後の酸化触媒３１の入口側の比率ＮＯ_２／ＮＯ_ｘDOCｉｎは、以下の数式（３）で示される。

酸化触媒３１を通過後の捕集装置３２の入口側の比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＣＤｉｎ}は、排気バルブ１５から排気された排気ガス中の窒素酸化物の推定モル流速をＮＯ_{ｘＥｎｇｏｕｔ}、酸化触媒３１の入口側に配置された温度センサ１８の取得した温度をＴ_ＤＯＣ、排気ガスの体積流量をＱとすると以下の数式（４）で示されている。

窒素酸化物の推定モル流速ＮＯ_{ｘＥｎｇｏｕｔ}と排気ガスの体積流量Ｑとは、それぞれエンジン１０の運転状態に基づいたマップから算出されている。それらのマップは、例えば、エンジン回転数と燃料噴射量とに基づいて推定モル流速ＮＯ_{ｘＥｎｇｏｕｔ}が設定されたマップや、エンジン回転数と燃料噴射量とに基づいて排気ガスの体積流量Ｑが設定されたマップである。

捕集装置３２を通過後のＳＣＲ触媒３４の入口側の比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}は、捕集装置３２の入口側に配置された温度センサ１９の取得した温度をＴ_ＣＤとすると以下の数式（５）で示されている。

このように酸化触媒３１及び捕集装置３２での一酸化窒素の酸化による比率の変化を段階的に算出することにより、ＳＣＲ触媒３４の入口側の比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}を高精度に推定できる。

なお、比率取得手段としては、上記の手段に限定されない。例えば、ＮＯ_ｘセンサと各温度センサ１７、１８及び１９とを用いて、各センサの検出値に基づいてマップを用いてもよい。

この比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}はセンサのみで検知することが難しい。また、この比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}は酸化触媒３１の前後及び捕集装置３２の前後で変化する。そのため、上記の手段のように、酸化触媒３１の入口側の比率ＮＯ_２／ＮＯ_ｘDOCｉｎと、捕集装置３２の入口側の比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＣＤｉｎ}と、ＳＣＲ触媒３４の入口側の比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}と、をそれぞれ段階的に推定することが望ましい。

図３に示すように、制御装置１６は、温度センサ１７で取得した温度Ｔ_{ＳＣＲｉｎ}が１７０度以下か否かを判定するステップＳ１０を行う。次いで、ステップＳ１０で温度Ｔ_{ＳＣＲｉｎ}が１７０度以下と判定すると、制御装置１６は尿素水噴射弁３３を制御して尿素水の供給を停止するステップＳ２０を行う。

温度Ｔ_{ＳＣＲｉｎ}が１７０度以下の場合には、尿素水の加水分解が抑制されて、ＳＣＲ触媒３４に尿素水の成分による白色生成物が堆積してしまう。そこで、温度Ｔ_{ＳＣＲｉｎ}が１７０度以下の場合には、制御装置１６が尿素水噴射弁３３からの尿素水の噴射を停止する制御を行うことで、ＳＣＲ触媒３４の白色生成物の堆積を抑制している。

次いで、制御装置１６はＳＣＲ触媒３４に堆積した硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ_４ＮＯ_３ａｂを推定するステップＳ３０を行う。次いで、制御装置１６は硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ_４ＮＯ_３ａｂが堆積量判定値β_１以下になるか否かを判定するステップＳ４０を行う。

この堆積量判定値β_１はＳＣＲ触媒３４の有効面積に基づいており、予め実験などによりＳＣＲ触媒３４におけるＳＣＲ反応を阻害しない値に設定されている。

次いで、このステップＳ４０で硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ_４ＮＯ_３ａｂが堆積量判定値β_１超と判定されると、制御装置１６は燃料噴射弁１４を制御して排気ガスに未燃燃料を供給するステップＳ１００を行ってスタートへ戻る。

このように硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ_４ＮＯ_３ａｂが堆積量判定値β_１超の場合には、排気ガスに未燃燃料を供給して、強制的に排気ガス浄化装置３０を暖機することで、ＳＣＲ触媒３４に堆積した硝酸アンモニウムを分解除去できる。これにより、硝酸アンモニウムによってＳＣＲ触媒３４の各ＳＣＲ反応が阻害されることを防止できる。

一方、ステップＳ４０で硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ_４ＮＯ_３ａｂが堆積量判定値β_１以下と判定されると、制御装置１６は予めＳＣＲ触媒３４に吸着されたアンモニアの吸着量ＮＨ_３ａｃを推定するステップＳ５０を行う。次いで、制御装置１６はアンモニアの吸着量ＮＨ_３ａｃが吸着量判定値γ_１以上か否かを判定するステップＳ６０を行う。

この吸着量判定値γ_１はアンモニアが予めＳＣＲ触媒３４に吸着されていることが判定できればよく、ゼロ［ｍｏｌ］超の値に設定される。より好ましくは、硝酸アンモニウム生成反応が生じる場合には、ファーストＳＣＲ反応も同時に生じているため、それらの両方の反応で消費される量を判定するとよい。

次いで、このステップＳ６０でアンモニアの吸着量ＮＨ_３ａｃが吸着量判定値γ_１未満と判定されるとステップＳ１００へ進む。

このようにアンモニアの吸着量ＮＨ_３ａｃが吸着量判定値γ_１未満の場合には、硝酸アンモニウム生成反応が進行しなくなるため、排気ガスに未燃燃料を供給して、強制的に排気ガス浄化装置３０を暖機することで、早期にＳＣＲ触媒３４の各ＳＣＲ反応によって窒素酸化物を浄化できる。

一方、ステップＳ６０でアンモニアの吸着量ＮＨ_３ａｃが吸着量判定値γ_１以上と判定されると、制御装置１６はＳＣＲ触媒３４の入口側の排気ガス中の窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}を推定するステップＳ７０を行う。次いで、制御装置１６は比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}が０．５超か否かを判定するス
テップＳ８０を行う。次いで、このステップＳ８０で比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}が０．５以下と判定されると、ステップＳ１００へ進む。

ＳＣＲ触媒３４にアンモニアが吸着された状態で、比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}が０．５以下の場合にはほとんどの二酸化窒素はファーストＳＣＲ反応により還元される。しかし、温度が１７０度以下ではスタンダードＳＣＲ反応による一酸化窒素の還元は抑制される。そこで、排気ガスに未燃燃料を供給して、強制的に排気ガス浄化装置３０を暖機することで、早期にＳＣＲ触媒３４の各ＳＣＲ反応によって窒素酸化物を浄化できる。

一方、ステップＳ８０で比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}が０．５超と判定されると、制御装置１６は燃料噴射弁１４を制御して排気ガスへの未燃燃料の供給を停止するステップＳ９０を行ってスタートへと戻る。

このように比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}が０．５超の場合には、窒素酸化物がファーストＳＣＲ反応により還元されると共に、残りの二酸化窒素が硝酸アンモニウム生成反応により硝酸アンモニウムとなり、浄化される。

なお、本発明のエンジン１０においては、エンジン１０の低温始動時に比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}が０．５超になるように、酸化触媒３１及び捕集装置３２の貴金属触媒の使用量を設定することが望ましい。

ステップＳ１０で温度Ｔ_{ＳＣＲｉｎ}が１７０度超と判定すると、図３のフローチャートのＩＶから図４のＩＶへと進み、制御装置１６は尿素水噴射弁３３を制御して排気ガスに尿素水を供給してＳＣＲ触媒３４にアンモニアを供給するステップＳ１１０を行う。

次いで、制御装置１６は硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ_４ＮＯ_３ａｂを推定するステップＳ１２０を行う。次いで、制御装置１６は硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ_４ＮＯ_３ａｂが堆積量判定値β_２以下になるか否かを判定するステップＳ１３０を行う。

この堆積量判定値β_２は堆積量判定値β_１よりも小さい値であり、堆積量判定値β_１と同様に、ＳＣＲ触媒３４の有効面積に基づいており、予め実験などによりＳＣＲ触媒３４におけるＳＣＲ反応を阻害しない値に設定されている。

次いで、このステップＳ１３０で硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ_４ＮＯ_３ａｂが堆積量判定値β_２以下と判定されると、制御装置１６は燃料噴射弁１４を制御して排気ガスへの未燃燃料の供給を停止するステップＳ１８０を行ってスタートへと戻る。

硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ_４ＮＯ_３ａｂが堆積量判定値β_２以下の場合には、強制的な暖機により硝酸アンモニウムが分解除去された状態である。つまり、積極的に硝酸アンモニウムを生成できるので、排気ガスへの未燃燃料の供給を停止して、排気ガス浄化装置３０の暖機を終了する。これにより、未燃燃料の噴射量を低減すると共に、積極的に硝酸アンモニウムを生成して窒素酸化物の浄化率を向上する。

一方、ステップＳ１３０で硝酸アンモニウムの堆積量ＮＨ_４ＮＯ_３ａｂが堆積量判定値β_２超と判定されると、制御装置１６はアンモニアの吸着量ＮＨ_３ａｃを推定するステップＳ１４０を行う。次いで、制御装置１６はアンモニアの吸着量ＮＨ_３ａｃが吸着量判定値γ_２以上か否かを判定するステップＳ１５０を行う。

この吸着量判定値γ_２は吸着量判定値γ_１よりも大きい値であり、アンモニアがＳＣＲ触媒３４に吸着されていることが判定できればよい。

次いで、このステップＳ１５０でアンモニアの吸着量ＮＨ_３ａｃが吸着量判定値γ_２以上と判定されるとステップＳ１８０へ進む。

このようにアンモニアの吸着量ＮＨ_３ａｃが吸着量判定値γ_２以上の場合には、強制的な暖機中に尿素水噴射弁３３から噴射された尿素水が加水分解によりアンモニアになり、そのアンモニアがＳＣＲ触媒３４に吸着した状態である。つまり、積極的に硝酸アンモニウムを生成できるので、排気ガスへの未燃燃料の供給を停止して、排気ガス浄化装置３０の暖機を終了する。これにより、未燃燃料の噴射量を低減すると共に、積極的に硝酸アンモニウムを生成して窒素酸化物の浄化率を向上する。

一方、ステップＳ１５０でアンモニアの吸着量ＮＨ_３ａｃが吸着量判定値γ_２未満と判定すると、制御装置１６は燃料噴射弁１４を制御して排気ガスに未燃燃料を供給するステップＳ１７０を行ってスタートへ戻る。

なお、上記の排気ガス浄化方法においては、ステップＳ３０及びＳ４０と、ステップＳ５０及びＳ６０と、ステップＳ７０及びＳ８０との順序を入れ替えてもよい。また、ステップＳ３０、Ｓ５０及びＳ７０を先に行ってからステップＳ４０、Ｓ６０及びＳ８０を行ってもよい。ステップＳ１２０、Ｓ１３０、Ｓ１４０及びＳ１５０も同様である。特に、ステップＳ７０で推定された比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘＳＣＲｉｎ}を利用して二酸化窒素の推定モル流速ＮＯ_{２ＳＣＲｉｎ}を算出できるため、ステップＳ７０をステップＳ３０よりも先に行ってもよい。

上記のエンジン１０及びエンジン１０の排気ガス浄化方法によれば、ＳＣＲ触媒３４の入口側の排気ガスの温度Ｔ_{ＳＣＲｉｎ}が１７０度以下になるようなエンジン１０の低温始動時には、エンジン１０が、強制的に排気ガス浄化装置３０を暖気せずに予めＳＣＲ触媒３４に吸着させたアンモニアと二酸化窒素とから硝酸アンモニウムを積極的に生成している。これにより、排気ガスの温度Ｔ_{ＳＣＲｉｎ}を昇温させずに、窒素酸化物の排出量を抑制できる。また、温度Ｔ_{ＳＣＲｉｎ}が１７０度以下のときの未燃燃料の噴射量を低減して燃費を向上できる。

上記のエンジン１０においては、エンジン１０が搭載された車両の速度を取得する車両速度取得手段として速度センサ４０と、加速度を車両加速度取得手段として加速度センサ４１とを備えている。そして、制御装置１６が、窒素酸化物の濃度に対するアンモニアの濃度の比率ＮＨ_３／ＮＯ_ｘを１．０超又は１．０未満になる尿素水を尿素水噴射弁３３から噴射させて、速度センサ４０と加速度センサ４１との検出値から推定したエンジン１０の運転状態が減速運転及びアイドル運転のときのアンモニアのＳＣＲ触媒３４に対する触媒表面被覆率θを、加速運転及び定常運転のときの触媒表面被覆率θよりも大きくする制御を行うことが望ましい。なお、アンモニアの触媒表面被覆率θは、ＳＣＲ触媒３４に吸着したアンモニアの吸着量ＮＨ_３ａｃを予め設定された最大吸着量ＮＨ_３ＭＡＸで除算して算出されるものである。

この制御について、図５のフローチャートを参照しながら説明する。ここではエンジン１０を搭載した車両の速度をＶ、加速度をａ、アンモニアの目標触媒表面被覆率をｘ及びｙとする。

制御装置１６は速度センサ４０で検出した車両速度Ｖがゼロか否かを判定するステップＳ２００を行う。次いで、ステップＳ２００で車両速度Ｖがゼロでないと判定されると、制御装置１６は加速度センサ４１で検出した車両加速度ａがゼロ未満か否かを判定するステップＳ２１０を行う。

次いで、ステップＳ２１０で車両加速度ａがゼロ以上と判定されると、制御装置１６はアンモニアの触媒表面被覆率θが目標触媒表面被覆率ｘよりも小さいか否かを判定するステップＳ２２０を行う。

一方、ステップＳ２００で車両速度Ｖがゼロと判定されると、又はステップＳ２１０で車両加速度ａがゼロ未満と判定されると、制御装置１６はアンモニアの触媒表面被覆率θが目標触媒表面被覆率ｙよりも小さいか否かを判定するステップＳ２３０を行う。

ステップＳ２００とステップＳ２１０とではエンジン１０の運転状態を判定しており、車両速度Ｖがゼロではない、且つ車両加速度ａがゼロ以上の場合には、エンジン１０の運転状態は加速運転及び定常運転となる。また、車両速度Ｖがゼロ、又は車両加速度ａがゼロ未満の場合には、エンジン１０の運転状態は減速運転又はアイドル運転となる。

次いで、ステップＳ２２０で触媒表面被覆率θが目標触媒表面被覆率ｘよりも小さいと判定されると、あるいはステップＳ２３０で触媒表面被覆率θが目標触媒表面被覆率ｙよりも小さいと判定されると、制御装置１６は尿素水噴射弁３３を制御して、窒素酸化物の濃度に対するアンモニアの濃度の比率ＮＨ_３／ＮＯ_ｘを１．０超にする量の尿素水を噴射させるステップＳ２４０を行ってスタートへ戻る。

一方、ステップＳ２２０で触媒表面被覆率θが目標触媒表面被覆率ｘ以上と判定されると、あるいはステップＳ２３０で触媒表面被覆率θが目標触媒表面被覆率ｙ以上と判定されると、制御装置１６は尿素水噴射弁３３を制御して、比率ＮＨ_３／ＮＯ_ｘを１．０未満にする量の尿素水を噴射させるステップＳ２５０を行ってスタートへ戻る。

目標触媒表面被覆率ｙは目標触媒表面被覆率ｘよりも大きい値に設定されている。この目標触媒表面被覆率ｘは、例えば、０．０１超、０．６未満の値に設定され、目標触媒表面被覆率ｙは、例えば、０．０５超、１．０未満の値に設定されることが好ましい。

このように、エンジン１０が加速運転及び定常運転の場合には、アンモニアの触媒表面被覆率θを低い値に設定された目標触媒表面被覆率ｘとなるように、一方、エンジン１０が減速運転及びアイドル運転の場合には、アンモニアの触媒表面被覆率θを高い値に設定された目標触媒表面被覆率ｙとなるように尿素水の噴射量を制御することが望ましい。

アンモニアはＳＣＲ触媒３４の昇温時にスリップ量が大きくなる。そこで、上記の制御を行うによって、ＳＣＲ触媒３４の昇温時に吸着されたアンモニアが剥離する量を低減すると共に、ＳＣＲ触媒３４の降温時にアンモニアの吸着量ＮＨ_３ａｃを増大して、エンジン１０の停止時のアンモニアの吸着量ＮＨ_３ａｃを増やすことができる。これにより、エンジン１０の始動直後にはＳＣＲ触媒３４にアンモニアが吸着された状態となり、硝酸アンモニウムの生成反応を促進に有利となる。

なお、上記の実施形態では、ディーゼルエンジン１０を例に説明したが、本発明はガソリンエンジンにも適用可能である。

また、上記の実施形態では、排気ガス浄化装置３０に捕集装置３２を設けた構成を例に説明したが、本発明はこれに限定されずに、捕集装置３２を設けない排気ガス浄化装置にも適用可能である。

また、上記の実施形態では、排気ガス浄化装置３０の酸化触媒３１、捕集装置３２及びＳＣＲ触媒３４のそれぞれの入口側に温度センサを配置した例を説明したが、本発明はこ
れに限定されない。例えば、エンジン１０の運転状態に基づいた各装置の入口側の温度が設定されたマップなどを用いて温度を推定する構成にしてもよい。

１０ エンジン
１２ ピストン
１３ 筒内
１４ 燃料噴射弁
１５ 排気バルブ
１６ 制御装置
１７ 温度センサ
２６ 排気通路
３１ 酸化触媒
３３ 尿素水噴射弁
３４ ＳＣＲ触媒

Claims (5)

1. 筒内から排出された排気ガスが通過する排気通路に上流側の酸化触媒と下流側の選択的還元触媒とを備えると共に、該筒内又は該排気通路に燃料を噴射して排気ガスに未燃燃料を供給する燃料噴射弁と該選択的還元触媒の上流側に配置されて尿素水を噴射する尿素水噴射弁と該燃料噴射弁及び該尿素水噴射弁の各噴射時期及び各噴射量の制御を行う制御装置とを備えた内燃機関において、
   前記選択的還元触媒の入口側の排気ガスの温度を取得する温度取得手段と、前記選択的還元触媒に堆積した硝酸アンモニウムの堆積量を取得する堆積量取得手段とを備え、
   前記制御装置が、前記温度が予め定めた温度判定値以下の場合には、前記尿素水噴射弁の前記選択的還元触媒へのアンモニアの供給を停止する制御を行うと共に、
   前記温度が前記温度判定値以下の場合で、且つ前記堆積量が予め定めた堆積量判定値以下のときには、前記選択的還元触媒に予め吸着されたアンモニアと二酸化窒素との反応により硝酸アンモニウムが生成されるか否かを判定し、硝酸アンモニウムが生成されると判定したときには、前記燃料噴射弁の排気ガスへの未燃燃料の供給を停止する制御を行う構成にしたことを特徴とする内燃機関。
2. 前記選択的還元触媒に予め吸着されたアンモニアの吸着量を取得する吸着量取得手段と、前記選択的還元触媒の入口側の排気ガス中の窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率を取得する比率取得手段とを備え、
   前記制御装置が、前記温度が前記温度判定値以下の場合で、且つ前記吸着量が予め定めた吸着量判定値以上、且つ前記比率が０．５超のときに、前記選択的還元触媒に予め吸着されたアンモニアと二酸化窒素との反応により硝酸アンモニウムが生成されると判定する構成にした請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記制御装置が、前記温度が前記温度判定値超の場合には、前記尿素水噴射弁の前記選択的還元触媒へのアンモニアの供給を開始する制御を行い、
   前記吸着量が前記吸着量判定値未満、又は前記比率が０．５以下、又は前記堆積量が前記堆積量判定値超の場合には、前記燃料噴射弁の排気ガスへの未燃燃料の供給を開始する制御を行う構成にした請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記内燃機関が搭載された車両の車両速度を取得する車両速度取得手段と、車両加速度を取得する車両加速度取得手段とを備え、
   前記制御装置が、前記温度が前記温度判定値超の場合には、前記尿素水噴射弁の前記選択的還元触媒へのアンモニアの供給を開始する制御を行うと共に、
   窒素酸化物の濃度に対するアンモニアの濃度の比率を１．０超又は１．０未満になる尿素水を噴射させて、前記車両速度及び前記車両加速度から推定された前記内燃機関の運転状態が減速運転及びアイドル運転のときのアンモニアの前記選択的還元触媒に対する触媒表面被覆率を、加速運転及び定常運転のときの前記触媒表面被覆率よりも大きくする制御を行う構成にした請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 燃料噴射弁から噴射された燃料を筒内で燃焼し、その燃焼により生じた排気ガスを排気通路の上流側に配置された酸化触媒と下流側に配置された選択的還元触媒とにより浄化する内燃機関の排気ガス浄化方法において、
   前記選択的還元触媒の入口側の排気ガスの温度が予め定めた温度判定値以下の場合には、前記選択的還元触媒へのアンモニアの供給とを停止すると共に、
   前記温度が前記温度判定値以下の場合で、且つ前記選択的還元触媒に堆積した硝酸アンモニウムの堆積量が予め定めた堆積量判定値以下のときには、前記選択的還元触媒に予め吸着されたアンモニアと二酸化窒素との反応により硝酸アンモニウムが生成されるか否かを判定し、硝酸アンモニウムが生成されると判定したときには、排気ガスへの未燃燃料の
   供給を停止することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法。

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