JP4274270B2 - ＮＯｘ浄化システム及びＮＯｘ浄化システムの制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、排気ガス通路の上流側に酸化触媒を下流側に選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）を備えたＮＯｘ浄化システム及びＮＯｘ浄化システムの制御方法に関する。
ディーゼルエンジンから排出される微粒子状物質（ＰＭ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等は、年々規制が強化されてきており、この規制の強化に伴い、エンジンの改良だけでは対応できなくなってきている。そこで、触媒を使用した排気ガス後処理装置を排気ガス通路に着装して、エンジンから排出されるこれらの物質を低減する技術が開発され、採用されている。
図４に示すように、ＮＯｘを低減するための従来の選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）７を備えたＮＯｘ浄化システム１Ｘは、選択還元型ＮＯｘ触媒７と、この選択還元型ＮＯｘ触媒７にアンモニア（ＮＨ3 ）を供給するために、その上流側にアンモニア系溶液供給装置６を備えている。このアンモニア系溶液供給装置６は、尿素水等のアンモニア源となるアンモニア系溶液を排気ガス通路３の排気ガスＧ中に供給する。排気ガス通路３に供給された尿素は、排気ガスＧの熱によって加水分解したり、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒７中に持たせた加水分解機能により、排気ガスＧ中の熱と蒸気とを使用して加水分解し、アンモニアを生じる。また、場合によっては、加水分解触媒をアンモニア系溶液供給装置６とアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒７の間に設けて、この加水分解触媒で尿素をアンモニアに変換する。この加水分解反応は、「（ＮＨ2 ）2 ＣＯ＋Ｈ2 Ｏ→２ＮＨ3 ＋ＣＯ2 」となる。
この生成したアンモニアを還元剤として、選択還元型ＮＯｘ触媒上で、選択接触ＮＯｘ還元を行い、ＮＯｘを浄化する。この反応は酸素が共存する場合でも反応が進み、一酸化窒素（ＮＯ）の１モルに対して、アンモニア（ＮＨ3 ）の１モルが反応する。この反応では、「ＮＯ＋ＮＯ2 ＋２ＮＨ3 →２Ｎ2 ＋３Ｈ2 Ｏ」が最も反応速度が速く、次に「４ＮＯ＋４ＮＨ3 ＋Ｏ2 →４Ｎ2 ＋６Ｈ2 Ｏ」が速い。その他にも「６ＮＯ＋４ＮＨ3 →５Ｎ2 ＋６Ｈ2 Ｏ」、「２ＮＯ2 ＋４ＮＨ3 ＋Ｏ2 →３Ｎ2 ＋６Ｈ2 Ｏ」、「６ＮＯ2 ＋８ＮＨ3 →７Ｎ2 ＋１２Ｈ2 Ｏ」等があるが、比較的反応が遅い。
この化学反応の反応速度の差のために、この選択還元型ＮＯｘ触媒を使用したＮＯｘ浄化システムでは、この選択還元型ＮＯｘ触媒に供給される排気ガス中の共存ガスの一酸化窒素（ＮＯ）：二酸化窒素（ＮＯ2 ）の比によって大きくＮＯｘの浄化性能が影響を受ける。図３に、尿素−ＳＣＲ触媒システムにおいて、供給する排気ガス中に共存するＮＯとＮＯ2 の比率を変えた場合の模擬ガス試験結果のＮＯｘ浄化性能を示す。ＮＯ2 が共存するＮＯ：ＮＯ2 ＝５０：５０（＝１：１）の場合（点線Ａ）は、ＮＯ2 が共存しないＮＯ：ＮＯ2 ＝１００：０（＝１：０）の場合（実線Ｂ）と比較して、触媒温度の全般にわたって、ＮＯｘ浄化性能が向上していることが分かる。特に、低温域でＮＯｘ浄化性能の向上が顕著となっている。
このＮＯ：ＮＯ2 の比率は５０：５０が最良とされているが、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中のＮＯ：ＮＯ2 の比率は、ＮＯ2 の割合が極端に小さいため、低温域におけるＮＯｘ浄化性能の悪化の原因の一つとなっている。そのため、選択還元型ＮＯｘ触媒を使用している殆どのＮＯｘ浄化システムでは、尿素添加弁等のアンモニア系溶液供給装置の上流側に酸化触媒を配置して、排気ガス中のＮＯを酸化することにより、ＮＯ2 の比率を上げて、低温域におけるＮＯｘ浄化性能を向上させている。
また、この上流側（前段）酸化触媒に、シリンダ内燃料噴射制御によってエンジンから燃料の一部である炭化水素（ＨＣ）を供給して、この酸化触媒で酸化させることにより、この酸化反応熱で排気ガスの温度を昇温させる、低温時の排気ガス昇温制御も併用して、低温域におけるＮＯｘ浄化性能を更に向上させている。
しかしながら、従来のＮＯｘ浄化システムでは、上流側酸化触媒におけるＮＯからＮＯ2 への酸化反応は、排気ガス中に、ＨＣが共存するとＮＯ2 の還元反応が優位になり、発生したＮＯ2 がＮＯに戻ってしまうため、ＮＯ2 の増加を期待できない。そのため、ＮＯｘ浄化性能が向上しないという問題がある。更に、低温域では、酸化触媒にエンジンからＨＣを供給し、その酸化反応熱で排気ガスの昇温を行う場合があるが、この場合に酸化反応しなかったＨＣは還元剤となるので、ＮＯ2 の減少を招くことになり、低温域のＮＯｘ浄化性能の向上を妨げるという問題もある。
このＮＯ：ＮＯ2 ＝５０：５０を考慮して、内燃機関の排気系の上流側から強力酸化触媒と、尿素水噴射ノズルと、ＳＣＲ触媒とを備えた排気浄化装置において、強力酸化触媒をバイパスする酸化触媒バイパスと排気ガスの通路を切り替える切替弁を設けて、強力酸化触媒のＮＯ2 転化率が５０％以上となるような排気ガス温度である場合に、切替弁により排気ガスを酸化触媒バイパスへ流入させて、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化効率を低下させる原因となる過剰なＮＯ2 の生成を抑制する内燃機関の排気浄化装置も提案され、更に、酸化触媒バイパス通路にＮＯ転化率が５０％以下の弱力酸化触媒を設けることも提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
しかしながら、この内燃機関の排気浄化装置では酸化触媒バイパスや弱力酸化触媒を備えた並行通路と、通路切替弁を設ける必要があり、ＮＯｘ浄化システムが大きくなり易いという問題がある。また、酸化触媒バイパスを排気ガスが通過しない所定温度未満時は、酸化触媒での酸化反応熱で排気ガスの温度を昇温させることができない。
特開２００５−２９６８号公報
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、酸化触媒と選択的還元ＮＯｘ触媒を備え、選択還元型ＮＯｘ触媒にＮＯｘの還元に用いるアンモニア系溶液を供給して排気ガス中のＮＯｘを浄化する場合に、選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ，ＮＯ，ＮＯ2 の濃度を適切な濃度にすることにより、選択還元型ＮＯｘ触媒で効率よくＮＯｘを浄化できるようにして、低温域におけるＮＯｘ浄化性能を向上することができるＮＯｘ浄化システム及びＮＯｘ浄化システムの制御方法を提供することにある。
上記のような目的を達成するためのＮＯｘ浄化システムは、排気ガス通路に上流側から順に、酸化触媒と、排気ガス通路にアンモニア系溶液を供給するアンモニア系溶液供給装置と、選択還元型ＮＯｘ触媒と、シリンダ内燃料噴射を制御する制御装置とを備えた、排気ガス中のＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化システムにおいて、前記酸化触媒を２つ設けると共に、前記制御装置が、上流側酸化触媒により主に排気ガス中の炭化水素を酸化し、下流側酸化触媒により主に排ガス中の一酸化窒素を酸化し、さらに前記上流側酸化触媒の上流に設けた酸素濃度センサーの検出値に基づいて、前記上流側酸化触媒に流入する排気ガスの酸素濃度が、前記上流側酸化触媒が排気ガス中の炭化水素の大部分を酸化する排気ガスの酸素濃度になるようにシリンダ内燃料噴射を制御して、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する一酸化窒素と二酸化窒素の割合を制御するように構成される。
この構成により、上流側酸化触媒では、常時排出されるエンジンからの炭化水素（ＨＣ
）や排気ガス昇温制御で排出される炭化水素（ＨＣ）を酸化する。これにより、排気ガスの昇温と、炭化水素の下流側酸化触媒への流入の防止を行って、下流側酸化触媒における一酸化窒素（ＮＯ）を酸化するＮＯ酸化活性を向上させる。この下流側酸化触媒で一酸化窒素を二酸化窒素（ＮＯ２）に効率よく酸化し、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）に流入する排気ガス中のＮＯ：ＮＯ２の比率を５０：５０（＝１：１）に近づけて、選択還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの還元反応の効率を上げる。これにより、ＮＯｘ浄化システムにおけるＮＯｘ浄化性能、特に低温域におけるＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。また、排気ガス中の炭化水素が酸化されないまま下流側酸化触媒へ流入するのを防止することができる。
上記のような目的を達成するためのＮＯｘ浄化システムは、排気ガス通路に上流側から順に、酸化触媒と、排気ガス通路にアンモニア系溶液を供給するアンモニア系溶液供給装置と、選択還元型ＮＯｘ触媒と、シリンダ内燃料噴射を制御する制御装置とを備えた、排気ガス中のＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化システムにおいて、前記酸化触媒を２つ設けると共に、前記制御装置が、上流側酸化触媒により主に排気ガス中の炭化水素を酸化し、下流側酸化触媒により主に排ガス中の一酸化窒素を酸化し、さらに前記下流側酸化触媒の上流側に設けた排気ガス温度センサーの検出値に基づいて、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中の一酸化窒素と二酸化窒素の割合が５０対５０になるようにシリンダ内燃料噴射を制御するように構成される。この構成により、一酸化窒素からに酸化窒素への反応速度は触媒温度に関係するので、触媒温度に直接関係する排気ガス温度を制御することで、一酸化窒素から二酸化窒素への反応を調整して、一酸化窒素と二酸化窒素の割合が５０対５０になるようにすることができ、これにより、選択還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの還元反応を促進することができるので、ＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。
また、前述のＮＯｘ浄化システムにおいて、前記制御装置が、前記下流側酸化触媒の上流側に設けた排気ガス温度センサーの検出値に基づいて、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中の一酸化窒素と二酸化窒素の割合が５０対５０になるようにシリンダ内燃料噴射を制御するように構成される。この構成により、一酸化窒素からに酸化窒素への反応速度は触媒温度に関係するので、触媒温度に直接関係する排気ガス温度を制御することで、一酸化窒素から二酸化窒素への反応を調整して、一酸化窒素と二酸化窒素の割合が５０対５０になるようにすることができ、これにより、選択還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの還元反応を促進することができるので、ＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。
更に、上記のＮＯｘ浄化システムにおいて、上流側酸化触媒、又は、下流側酸化触媒の少なくとも一方に、排気ガス中の粒子状物質を捕集する機能を持たせて構成する。この構成により、排気ガス中のＰＭを捕集除去できると共に、この酸化触媒の昇温時に捕集したＰＭも燃焼除去されるので、このＰＭの酸化による熱も排気ガスの昇温に利用できる。
そして、上記のような目的を達成するためのＮＯｘ浄化システムの制御方法は、排気ガス通路に上流側から順に、上流側酸化触媒と、下流側酸化触媒と、排気ガス通路にアンモニア系溶液を供給するアンモニア系溶液供給装置と、選択還元型ＮＯｘ触媒と、シリンダ内燃料噴射を制御する制御装置とを備えた、排気ガス中のＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化システムの制御方法において、前記上流側酸化触媒により主に排気ガスの炭化水素を酸化し、前記下流側酸化触媒により主に排気ガス中の一酸化窒素を酸化し、さらに前記上流側酸化触媒の上流に設けた酸素濃度センサーの検出値に基づいて、前記上流側酸化触媒に流入する排気ガスの酸素濃度が、前記上流側酸化触媒が排気ガス中の炭化水素の大部分を酸化する排気ガスの酸素濃度になるようにシリンダ内燃料噴射を制御して、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する一酸化窒素と二酸化窒素の割合を制御することを特徴とする。この制御方法により、ＮＯｘ浄化システムにおけるＮＯｘ浄化性能、特に低温域におけるＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。また、排気ガス中の炭化水素が酸化されないまま下流側酸化触媒へ流入するのを防止することができる。
また、上記のような目的を達成するためのＮＯｘ浄化システムの制御方法は、排気ガス通路に上流側から順に、上流側酸化触媒と、下流側酸化触媒と、排気ガス通路にアンモニア系溶液を供給するアンモニア系溶液供給装置と、選択還元型ＮＯｘ触媒と、シリンダ内燃料噴射を制御する制御装置とを備えた、排気ガス中のＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化システムの制御方法において、前記上流側酸化触媒により主に排気ガスの炭化水素を酸化し、前記下流側酸化触媒により主に排気ガス中の一酸化窒素を酸化し、さらに前記下流側酸化触媒の上流側に設けた排気ガス温度センサーの検出値に基づいて、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中の一酸化窒素と二酸化窒素の割合が５０対５０になるようにシリンダ内燃料噴射を制御する。この制御方法により、選択還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの還元反応を促進することができるので、ＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。
また、前述のＮＯｘ浄化システムの制御方法において、前記下流側酸化触媒の上流側に設けた排気ガス温度センサーの検出値に基づいて、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中の一酸化窒素と二酸化窒素の割合が５０対５０になるようにシリンダ内燃料噴射を制御する。この制御方法により、選択還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの還元反応を促進することができるので、ＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。
本発明に係るＮＯｘ浄化システム及びＮＯｘ浄化システムの制御方法によれば、上流側酸化触媒では、炭化水素（ＨＣ）を酸化することにより、排気ガスの昇温と、炭化水素の下流側酸化触媒への流入の防止を行って、下流側酸化触媒における一酸化窒素（ＮＯ）を酸化するＮＯ酸化活性を向上させることができる。これにより、この下流側酸化触媒で一酸化窒素を二酸化窒素（ＮＯ2 ）に効率よく酸化し、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）に流入する排気ガス中のＮＯ：ＮＯ2 の比率を５０：５０（＝１：１）に近づけて、選択還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの還元反応の効率を上げることができる。従って、特に、低温域におけるＮＯｘ浄化性能を向上でき、選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化性能を全温度域で向上することができる。
以下、本発明に係る実施の形態のＮＯｘ浄化システム及びＮＯｘ浄化システムの制御方法について、ディーゼルエンジンの排気通路を通過する排気ガスのＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化システムを例にして図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の実施の形態のＮＯｘ浄化システム１の構成を示す。
このＮＯｘ浄化システム１では、ディーゼルエンジン２の排気ガス通路３に、上流側から順に、上流側酸化触媒４、下流側酸化触媒５、アンモニア系溶液供給装置（尿素添加弁）６、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）７が配設される。
上流側酸化触媒４と下流側酸化触媒５は、コージェライトハニカム等の多孔質のセラミックのハニカム構造等の担持体に、パラジウム、酸化セリウム、白金、酸化アルミニウム等を担持して形成される。上流側酸化触媒４は、排気ガス中に未燃燃料（炭化水素：ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等があるとこれを酸化して、この酸化で発生する熱により排気ガスを昇温し、この昇温した排気ガスで下流側酸化触媒５や選択還元型ＮＯｘ触媒７を昇温させることができる。また、下流側酸化触媒５は、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2 ）に酸化し、ＮＯ：ＮＯ2 の比率を５０：５０（＝１：１）になるようにして、この下流側の選択還元型ＮＯｘ触媒７におけるＮＯｘ浄化性能を向上させる。
アンモニア系溶液供給装置６は、選択還元型ＮＯｘ触媒に、ＮＯｘを還元する際の還元剤となるアンモニア（ＮＨ3 ）を供給するためのもので、尿素水溶液やアンモニア水溶液等のアンモニア系溶液を、アンモニア系溶液タンク８から排気ガス通路３に噴射する噴射弁等で形成される。
選択還元型ＮＯｘ触媒７は、コージェライトや酸化アルミニウムや酸化チタン等で形成されるハニカム構造等の担持体に、チタニア−バナジウム、ゼオライト、酸化クロム、酸化マンガン、酸化モリブデン、酸化チタン、酸化タングステン等を担持して形成される。この構成により、ＮＯｘをアンモニアで還元浄化する機能を持つ。
また、上流側酸化触媒４の上流側に、排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素濃度センサー（λセンサー）９が配置され、上流側酸化触媒４と下流側酸化触媒５との間に、排気ガス中の温度を検出するための排気ガス温度センサー１０が配置される。
更に、エンジン２の運転全般を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置１１が設けられ、この制御装置１１には、エンジン２の運転状態（例えば、エンジン回転数Ｎｅ，負荷（燃料噴射量）Ｑなど）と酸素濃度センサー９の検出酸素濃度や排気ガス温度センサー１０の検出温度等が入力される。これらの入力データを基に、制御装置１１は、エンジン２に設置されているコモンレール電子噴射装置燃料噴射システムやＥＧＲ弁、吸気絞り弁等を制御し、エンジン２から排出される排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）の量や排気ガス温度を制御する。
このＮＯｘ浄化システム１では、エンジン２から排出された排気ガスＧは、上流側酸化触媒４で、炭化水素（ＨＣ）が酸化され、上流側酸化触媒４を通過した後、下流側酸化触媒５で一酸化窒素（ＮＯ）が二酸化窒素（ＮＯ2 ）に酸化される。この後、アンモニア系溶液供給装置６からアンモニア系溶液を供給（排気ガスＧ中に添加）され、このアンモニア系溶液から発生するアンモニアを還元剤にして、選択還元型ＮＯｘ触媒７で、還元浄化される。この浄化された排気ガスＧｃは、排気ガス通路３を通過して大気中に放出される。
本発明においては、これらのＮＯｘ浄化システム１で、制御装置１１は、図２に例示するような制御フローに従って、次のように制御される。この図２の制御フローは、エンジン２の運転が開始されると、エンジン２の運転制御を行う制御フローから、ＮＯｘ浄化が必要になった時に繰り返し呼ばれて実行され、エンジン２の運転が終了すると、エンジン２の運転制御を行う制御フローと共に終了するものとして示してある。
この図２の制御フローが呼ばれると、スタートし、ステップＳ１１で、排気ガス温度センサー１０の検出値を入力し、ステップＳ１２で排気ガス温度Ｔｇをチェックする。この排気ガス温度Ｔｇが酸化触媒が活性温度域に入る判定用温度Ｔｃ以下であれば（ＮＯ）、ステップＳ１３で排気ガス昇温制御を行い、判定用温度Ｔｃより高ければ（ＹＥＳ）、ステップＳ１４にいく。このステップＳ１３の排気ガス昇温制御は、例えば、シリンダ内燃料噴射におけるマルチ噴射（多段遅延噴射）であり、所定の時間（排気ガス温度のチェックのインターバルに関係する時間）の間行われる。この排気ガス昇温制御は、ステップＳ１２の排気ガス温度Ｔｇのチェックで、排気ガス温度Ｔｇが判定用温度Ｔｃより高くなるまで行われる。
このステップＳ１１〜ステップＳ１３では、低負荷域などで排気ガス温度Ｔｇが低い場合には、選択還元型ＮＯｘ触媒６のＮＯｘ浄化活性が低く、ＮＯｘ浄化性能が低いと共に、上流側酸化触媒４のＨＣ酸化活性及び下流側酸化触媒５のＮＯ酸化活性も低く、全体的なＮＯｘ浄化性能は極端に低下する。そこで、排気ガス温度Ｔｇをエンジンのマルチ噴射（多段遅延噴射）などの技術で上流側酸化触媒４が活性温度域に入るまで昇温する。その温度を上流側酸化触媒４の下流の排気ガス温度センサー１０で確認する。この判定用温度Ｔｃは酸化触媒の種類等により変化するが約２００℃程度である。
ステップＳ１４では、シリンダ内燃料噴射においてポスト噴射を加えること等により排気ガス中に炭化水素等を供給する。この炭化水素の供給では、酸素濃度センサー９の検出値で排気ガス中の酸素濃度を監視しながら、上流側酸化触媒４において炭化水素が殆ど酸化する酸素濃度、即ち、目標酸素濃度になるようにエンジン２におけるシリンダ内燃料噴射でフィードバック制御を行う。この目標酸素濃度は、予め実験等によって求めておき、制御装置１１に記憶しておく。この目標酸素濃度は上流側酸化触媒４の触媒温度の影響を受けるので、排気ガス温度センサー１０の検出値を使用して算出することになる。
つまり、上流側酸化触媒４が活性温度域に入るまで排気ガスを昇温できたら、エンジンの噴射条件によりポスト噴射などで、炭化水素を上流側酸化触媒４に供給する。この炭化水素を上流側酸化触媒４で酸化し、その酸化反応熱で排気ガスの温度を更に上昇させる。この場合に、排気ガス中の酸素濃度が低いと十分に炭化水素を酸化できず、酸化されなかった炭化水素が下流側酸化触媒５に流入する。このときには、ＮＯ2 生成は極端に低下してしまい、選択還元型ＮＯｘ触媒７におけるＮＯｘ浄化性能が低下することになる。そのため、シリンダ内燃料噴射におけるポスト噴射を制御して炭化水素の量を調整すると共に、吸気量とマルチ噴射を制御して、酸素濃度を調整して、上流側酸化触媒４で排気ガスの昇温に十分な量の炭化水素が殆どに酸化されるようにする。この吸気量は吸気絞り制御やＥＧＲ制御や排気絞り制御等で調整される。
このステップＳ１４の制御により、上流側酸化触媒４の下流側の排気ガス温度が上昇すると共に、排気ガス中の炭化水素が殆ど無くなるので、下流側酸化触媒５のＮＯ酸化活性が高まる。その結果、下流側酸化触媒５を通過した後の排気ガス中において二酸化窒素が増加する。
この二酸化窒素の生成は下流側酸化触媒５の温度が高ければ多く、低ければ少ないので、更に、下流側酸化触媒５を通過した後の排気ガス中の一酸化窒素と二酸化窒素との比ＮＯ：ＮＯ2 が５０：５０になるように、排気ガス温度センサー１０の検出値を監視しながら、シリンダ内燃料噴射を制御する。
このステップＳ１４の制御は、予め事前試験等により求められたＮＯ：ＮＯ2 が５０：５０になるような排気ガス温度を、排気ガス温度センサー１０の位置で、エンジンの運転状態に対応させて求めておき、このデータを制御目標温度として予め制御装置１１に記憶させておく。そして、実際の運転時においては、検出されたエンジンの運転状態に対応する制御目標温度を算出し、この制御目標温度に、排気ガス温度センサー１０の検出値がなるようにフィードバック制御を行う。
言い換えれば、シリンダ内燃料噴射は、上流側酸化触媒４で排気ガスの昇温に十分な量の炭化水素を供給すると共に、この炭化水素が上流側酸化触媒４で殆ど酸化されるようにすると共に、上流側酸化触媒４の下流の温度が制御目標温度となるように、酸素濃度センサー９と排気ガス温度センサー１０の検出値に基づいて制御される。
この制御は、吸気量とマルチ噴射量の比率により酸素濃度が決まり、吸気量とマルチ噴射量の大きさにより排気ガスの温度が決まり、ポスト噴射により排気ガス中へ供給される炭化水素の量が決まるので、この吸気量、マルチ噴射量、ポスト噴射量、及び、マルチ噴射のタイミング、ポスト噴射のタイミング等を予め実験などにより制御用マップデータを作成しておき、制御装置９に記憶させておくことで容易に実施できる。
より詳細には、吸気量に対するマルチ噴射量が、つまり「マルチ噴射量／吸気量」を高くすれば酸素濃度は低下し、低くすれば酸素濃度は増加する。また、吸気量とマルチ噴射量を多くすれば排気ガス温度は上昇し、少なくすれば排気ガス温度は下降する。更に、ポスト噴射量を多くすれば、炭化水素の量が増加し、排気ガス温度も上昇し、ポスト噴射量を少なくすれば、炭化水素の量が減少し、排気ガス温度も下降する。
ここで、単純化して、ポスト噴射量を固定した場合を考えると、吸気量とマルチ噴射量の比率によって酸素濃度を調整でき、吸気量とマルチ噴射量の大きさで排気ガス温度を調整できることになる。実際には、放熱量などが絡んでくるが、実験などで、放熱などの多くの要素が含まれた制御データを求めることができる。
なお、排気ガスの低温域では、これらの制御が必要であるが、通常運転時の中温域や高温域では上流側酸化触媒４が十分に活性し、エンジン２から排出される排気ガス中の炭化水素は略完全に酸化除去されると共に、下流側酸化触媒５のＮＯ酸化活性も高く十分にＮＯ：ＮＯ2 が５０：５０になる。
このステップＳ１４のシリンダ内燃料噴射制御を所定の時間（この図２の制御フローが呼ばれるインターバルに関係する時間）の間行ってリターンして、図２の制御フローを呼んだ上級の制御フローに戻る。再度、この上級の制御フローから呼ばれて、図２制御フローが繰り返し実行される。これにより、低温時にはステップＳ１３の排気ガス昇温制御を行った後に、ステップＳ１４のシリンダ内燃料噴射制御を行い、低温時では無いときには、ステップＳ１４のシリンダ内燃料噴射制御を行う。この制御により選択還元型ＮＯｘ触媒６におけるＮＯｘ浄化性能を良好に維持する。
なお、選択還元型ＮＯｘ触媒７に供給するアンモニア系溶液の量の制御は、図２の制御フローとは別の制御フロー（図示しない）によって行われる。このアンモニア系溶液の量の制御は、排気ガス中のＮＯｘ量に対応させた量を供給する周知の制御方法で行うことができる。
上記のように、このＮＯｘ浄化システム１及びＮＯｘ浄化システムの制御方法では、上流側酸化触媒４により主に排気ガス中の炭化水素を酸化し、下流側酸化触媒５により主に排気ガス中の一酸化窒素を酸化するようにシリンダ内燃料噴射が制御される。また、上流側酸化触媒４の上流側に設けた酸素濃度センサー９の検出値に基づいて、上流側酸化触媒４に流入する排気ガスの酸素濃度が、上流側酸化触媒４が排気ガス中の炭化水素の大部分を酸化する排気ガスの酸素濃度になるようにシリンダ内燃料噴射が制御される。更に、下流側酸化触媒５の上流側に設けた排気ガス温度センサー１０の検出値に基づいて、選択還元型ＮＯｘ触媒６に流入する排気ガス中の一酸化窒素と二酸化窒素の割合が１対１になるようにシリンダ内燃料噴射が制御される。
上記のＮＯｘ浄化システム１及びＮＯｘ浄化システムの制御方法によれば、上流側酸化触媒４では、炭化水素（ＨＣ）を酸化することにより、排気ガスの昇温と、炭化水素の下流側酸化触媒５への流入の防止を行って、下流側酸化触媒５における一酸化窒素（ＮＯ）を酸化するＮＯ酸化活性を向上させることができる。これにより、この下流側酸化触媒５で一酸化窒素を二酸化窒素（ＮＯ2 ）に効率よく酸化し、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）７に流入する排気ガス中のＮＯ：ＮＯ2 の比率を１：１（＝５０：５０）に近づけて、選択還元型ＮＯｘ触媒７におけるＮＯｘの還元反応の効率を上げることができる。その結果、図４に示すように、特に、低温域におけるＮＯｘ浄化性能を向上でき、また、選択還元型ＮＯｘ触媒７のＮＯｘ浄化性能も全温度域で高めることができる。
また、更に、上記のＮＯｘ浄化システム１において、上流側酸化触媒４、又は、下流側酸化触媒５の少なくとも一方に、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集する機能を持たせて構成すると、つまり、上流側酸化触媒４、又は、下流側酸化触媒５の少なくとも一方を、酸化触媒を担持した触媒付きディーゼルパティキュレートフィルタで形成すると、この構成により、排気ガス中のＰＭを捕集除去できると共に、この酸化触媒の昇温時に捕集したＰＭも燃焼除去されるので、このＰＭの酸化による熱も排気ガスの昇温に利用でき、燃費を節約できる。
本発明に係る実施の形態のＮＯｘ浄化システムの構成を模式的に示す図である。 本発明に係るＮＯｘ浄化システムの制御方法を示す制御フローの図である。 選択還元型ＮＯｘ触媒における、ＮＯ：ＮＯ2 の比率とＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。 従来技術のＮＯｘ浄化システムの構成を模式的に示す図である。
符号の説明
１ ＮＯｘ浄化システム
２ ディーゼルエンジン（内燃機関）
３ 排気ガス通路
４ 上流側酸化触媒
５ 下流側酸化触媒
６ アンモニア系溶液供給装置
７ 選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）
９ 酸素濃度検出センサー
１０ 排気ガス温度センサー
１１ 制御装置

Claims (7)

  1. 排気ガス通路に上流側から順に、酸化触媒と、排気ガス通路にアンモニア系溶液を供給するアンモニア系溶液供給装置と、選択還元型ＮＯｘ触媒と、シリンダ内燃料噴射を制御する制御装置とを備えた、排気ガス中のＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化システムにおいて、
    前記酸化触媒を２つ設けると共に、
    前記制御装置が、上流側酸化触媒により主に排気ガス中の炭化水素を酸化し、下流側酸化触媒により主に排ガス中の一酸化窒素を酸化し、さらに前記上流側酸化触媒の上流に設けた酸素濃度センサーの検出値に基づいて、前記上流側酸化触媒に流入する排気ガスの酸素濃度が、前記上流側酸化触媒が排気ガス中の炭化水素の大部分を酸化する排気ガスの酸素濃度になるようにシリンダ内燃料噴射を制御して、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する一酸化窒素と二酸化窒素の割合を制御することを特徴とするＮＯｘ浄化システム。
  2. 排気ガス通路に上流側から順に、酸化触媒と、排気ガス通路にアンモニア系溶液を供給するアンモニア系溶液供給装置と、選択還元型ＮＯｘ触媒と、シリンダ内燃料噴射を制御する制御装置とを備えた、排気ガス中のＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化システムにおいて、
    前記酸化触媒を２つ設けると共に、
    前記制御装置が、上流側酸化触媒により主に排気ガス中の炭化水素を酸化し、下流側酸化触媒により主に排ガス中の一酸化窒素を酸化し、さらに前記下流側酸化触媒の上流側に設けた排気ガス温度センサーの検出値に基づいて、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中の一酸化窒素と二酸化窒素の割合が５０対５０になるようにシリンダ内燃料噴射を制御することを特徴とするＮＯｘ浄化システム。
  3. 前記制御装置が、前記下流側酸化触媒の上流側に設けた排気ガス温度センサーの検出値に基づいて、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中の一酸化窒素と二酸化窒素の割合が５０対５０になるようにシリンダ内燃料噴射を制御することを特徴とする請求項１記載のＮＯｘ浄化システム。
  4. 前記上流側酸化触媒、又は、前記下流側酸化触媒の少なくとも一方に、排気ガス中の粒子状物質を捕集する機能を持たせたことを特徴とする請求項１、２又は３記載のＮＯｘ浄化システム。
  5. 排気ガス通路に上流側から順に、上流側酸化触媒と、下流側酸化触媒と、排気ガス通路にアンモニア系溶液を供給するアンモニア系溶液供給装置と、選択還元型ＮＯｘ触媒と、シリンダ内燃料噴射を制御する制御装置とを備えた、排気ガス中のＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化システムの制御方法において、
    前記上流側酸化触媒により主に排気ガスの炭化水素を酸化し、前記下流側酸化触媒により主に排気ガス中の一酸化窒素を酸化し、さらに前記上流側酸化触媒の上流に設けた酸素濃度センサーの検出値に基づいて、前記上流側酸化触媒に流入する排気ガスの酸素濃度が、前記上流側酸化触媒が排気ガス中の炭化水素の大部分を酸化する排気ガスの酸素濃度になるようにシリンダ内燃料噴射を制御して、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する一酸化窒素と二酸化窒素の割合を制御することを特徴とするＮＯｘ浄化システムの制御方法。
  6. 排気ガス通路に上流側から順に、上流側酸化触媒と、下流側酸化触媒と、排気ガス通路にアンモニア系溶液を供給するアンモニア系溶液供給装置と、選択還元型ＮＯｘ触媒と、シリンダ内燃料噴射を制御する制御装置とを備えた、排気ガス中のＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化システムの制御方法において、
    前記上流側酸化触媒により主に排気ガスの炭化水素を酸化し、前記下流側酸化触媒により主に排気ガス中の一酸化窒素を酸化し、さらに前記下流側酸化触媒の上流側に設けた排気ガス温度センサーの検出値に基づいて、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中の一酸化窒素と二酸化窒素の割合が５０対５０になるようにシリンダ内燃料噴射を制御することを特徴とするＮＯｘ浄化システムの制御方法。
  7. 前記下流側酸化触媒の上流側に設けた排気ガス温度センサーの検出値に基づいて、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中の一酸化窒素と二酸化窒素の割合が５０対５０になるようにシリンダ内燃料噴射を制御することを特徴とする請求項５記載のＮＯｘ浄化システムの制御方法。
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