JP6147563B2 - 排気浄化システム及び排気浄化方法 - Google Patents
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Description
本発明は、オゾン及び尿素系流体を供給して窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する排気浄化システム及び排気浄化方法に関する。
エンジンの排気に含まれるＮＯｘを浄化するシステムとして、尿素系流体を供給する供給装置及び選択還元型触媒を備えたものが既に実用化されている。該システムの一例である尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムでは、低温域において浄化率が低下することが課題となっていた。
低温域における浄化率を高めるシステムの一つとして、尿素水を供給する機構、及び尿素水を微粒化してアンモニアへの変換を促す尿素水改質器の両方を備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。尿素水を所定温度以上の排気に添加した場合、尿素水は加水分解されてアンモニアに変換される。ＮＯｘは、選択還元型触媒を介してアンモニアと反応して、窒素に還元される。また尿素水改質器は、尿素水をアンモニアに改質して排気に添加できる。このため尿素水を排気中で加水分解できない低い温度域であっても、ＮＯｘを還元することができる。
しかし上述したシステムでは、ＮＯｘを浄化可能な温度域は拡大するものの、排気温度が選択還元型触媒の活性温度以上の場合を前提として制御が行われており、該活性温度未満ではＮＯｘ浄化を図ることが困難であった。このため、選択還元型触媒の活性温度未満の低温域においてＮＯｘの浄化を促すシステム及び方法が要請されていた。
本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、低温域におけるＮＯｘの浄化率を高める排気浄化システム及び排気浄化方法を提供することにある。
上記問題点を解決する排気浄化システムは、エンジンの排気通路に設けられた酸化触媒と、前記排気通路のうち前記酸化触媒よりも下流に設けられ窒素酸化物を還元する選択還元型触媒と、前記排気通路のうち前記酸化触媒よりも下流であって前記選択還元型触媒の上流にオゾンを供給するオゾン供給装置と、尿素水を前記排気通路のうち前記選択還元型触媒の上流に供給する尿素水供給装置と、尿素水をアンモニアガスに変換して前記選択還元型触媒の上流に供給する尿素水改質装置と、前記排気通路のうち前記酸化触媒を通過する前又は通過中の排気の温度である第１排気温度を検出する第１温度検出部と、前記オゾン供給装置と前記選択還元型触媒との間の排気温度である第２排気温度を検出する第２温度検出部と、オゾン供給量を算出し、該オゾン供給量に基づき前記オゾン供給装置を駆動するとともに、前記第２排気温度が低温域のときに前記尿素水改質装置を選択し、前記第２排気温度が高温域のときに前記尿素水供給装置を選択して駆動する制御部とを備え、前
記制御部は、前記第２排気温度が前記選択還元型触媒の活性温度未満であるときに、オゾン供給量を一酸化窒素量と等量とし、前記尿素水改質装置を駆動して前記排気通路にアンモニアガスを供給し、前記第２排気温度が前記選択還元型触媒の活性温度以上であって尿素水の加水分解温度よりも低く、且つ前記第１排気温度が前記酸化触媒の活性温度未満である場合には、前記オゾン供給量を一酸化窒素量から二酸化窒素量を減算した差分量と等量とし、前記尿素水改質装置を駆動し、前記第２排気温度が尿素水の加水分解温度以上であって、且つ前記第１排気温度が前記酸化触媒の活性温度未満である場合には、前記オゾン供給量を一酸化窒素量から二酸化窒素量を減算した差分量と等量とし、前記尿素水供給装置を駆動する。
記制御部は、前記第２排気温度が前記選択還元型触媒の活性温度未満であるときに、オゾン供給量を一酸化窒素量と等量とし、前記尿素水改質装置を駆動して前記排気通路にアンモニアガスを供給し、前記第２排気温度が前記選択還元型触媒の活性温度以上であって尿素水の加水分解温度よりも低く、且つ前記第１排気温度が前記酸化触媒の活性温度未満である場合には、前記オゾン供給量を一酸化窒素量から二酸化窒素量を減算した差分量と等量とし、前記尿素水改質装置を駆動し、前記第２排気温度が尿素水の加水分解温度以上であって、且つ前記第１排気温度が前記酸化触媒の活性温度未満である場合には、前記オゾン供給量を一酸化窒素量から二酸化窒素量を減算した差分量と等量とし、前記尿素水供給装置を駆動する。
この態様によれば、排気温度に応じて尿素水供給装置及び尿素水改質装置が選択的に駆動されるので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の各還元反応のうち、その時点で進行しやすい反応を促進することができる。そして選択還元型触媒の上流の排気温度が活性温度未満の低温域であるときには、一酸化窒素と等量（等モル又は等体積）のオゾンとアンモニアが供給される。その結果、一酸化窒素の殆どを二酸化窒素に変換し、酸化性の高い二酸化窒素とアンモニアとを触媒を介さずに反応させて、硝酸アンモニウム及び窒素に変換することができる。即ち排気温度が選択還元型触媒の活性温度未満であってもＮＯｘを還元することができる。
さらに、酸化触媒を通過する前又は通過中の排気温度を検出する第１温度検出部と、オゾン供給装置と選択還元型触媒との間の温度を検出する第２温度検出部とを用いるので、各触媒が活性であるか否かの判定精度を向上できる。このため検出温度に応じた細かい制御が可能となる。即ち酸化触媒を通過する排気温度を示す第１排気温度が酸化触媒の活性温度未満である場合であって、選択還元型触媒よりも上流の第２排気温度が尿素水の加水分解温度未満のときと、加水分解温度以上のときに応じた制御が実行される。第２排気温度が尿素水の加水分解温度未満のときには、尿素水のアンモニアへの変換が進みにくいために尿素水改質器装置を選択して駆動する。その際、一酸化窒素量から二酸化窒素量を減算した差分量のオゾンが供給されるため、一酸化窒素及び二酸化窒素の比が１：１となり最も反応速度が大きくなる状態で反応を進めることができる。また第２排気温度が尿素水の加水分解温度以上のときには、上記差分量のオゾンと尿素水とが供給されるため、一酸化窒素及び二酸化窒素の比が１：１となり最も反応速度が大きくなる状態で反応を進めることができる。
上記排気浄化システムについて、前記制御部は、前記第１排気温度が前記酸化触媒の活性温度以上であって、前記第２排気温度が前記選択還元型触媒の活性温度以上尿素水の加水分解温度未満の場合には、オゾンを供給せず、一酸化窒素及び二酸化窒素の両方を含む窒素酸化物量と等量のアンモニアを供給し、前記第１排気温度が前記酸化触媒の活性温度以上であって、前記第２排気温度が尿素水の加水分解温度以上の場合には、オゾンを供給せず、尿素水を供給するとともに、供給される尿素水に含有される尿素量を一酸化窒素及び二酸化窒素の両方を含む窒素酸化物量に対してモル比で１／２倍とすることが好ましい。
この態様によれば、酸化触媒を通過する前又は通過中の排気温度を検出する第１温度検出部と、オゾン供給装置と選択還元型触媒との間の温度を検出する第２温度検出部とを用いるので、各触媒が活性にあるか否かの判定精度を向上できる。このため検出温度に応じた細かい制御が可能となる。即ち第１排気温度が酸化触媒の活性温度未満の場合であって、第２排気温度が選択還元型触媒の活性温度以上尿素水の加水分解温度未満のときと、第２排気温度が尿素水の加水分解温度以上のときに応じて異なる制御が実行される。酸化触媒の活性温度以上であるときには一酸化窒素の二酸化窒素への酸化が促進されるためにオゾンは供給しない。また第２排気温度が選択還元型触媒の活性温度以上尿素水の加水分解温度未満のときには窒素酸化物量と等量のアンモニアを供給し、第２排気温度が尿素水の加水分解温度以上のときには窒素酸化物量に対しモル比で１／２倍の尿素が添加されるように尿素水を供給する。このためＮＯｘを速やかに還元することができる。
上記排気浄化システムについて、前記制御部は、前記第２排気温度が前記選択還元型触媒の活性温度以上であって尿素水の加水分解温度よりも低く、且つ前記第１温度検出部により検出された第１排気温度が前記酸化触媒の活性温度未満である場合には、一酸化窒素及び二酸化窒素の両方を含む窒素酸化物量と等量のアンモニアを供給し、前記第２排気温度が尿素水の加水分解温度以上であって、且つ前記第１排気温度が前記酸化触媒の活性温度未満である場合には、一酸化窒素及び二酸化窒素の両方を含む窒素酸化物量と等量のアンモニアを生成するための尿素水を供給することが好ましい。
この態様によれば、第２排気温度が選択還元型触媒の活性温度以上であって尿素水の加水分解温度よりも低く、且つ第１排気温度が酸化触媒の活性温度未満のときにはアンモニアを供給し、第２排気温度が尿素水の加水分解温度以上であって第１排気温度が酸化触媒の活性温度未満のときには尿素水を供給する。尿素水及びアンモニアの供給量は、窒素酸化物とアンモニアが等量となるように調整される。このため選択還元型触媒が活性化されているものの尿素水の加水分解が進行しないような低温域でも窒素酸化物を還元できる。
上記課題を解決する排気浄化方法は、エンジンの排気に含まれる窒素酸化物を、酸化触媒及び該酸化触媒の下流に設けられ窒素酸化物を還元する選択還元型触媒を用いて浄化する排気浄化方法において、排気通路のうち前記酸化触媒を通過する前又は通過中の排気の温度である第１排気温度と、前記排気通路のうち前記選択還元型触媒よりも上流の排気温度である第２排気温度とを検出し、前記第２排気温度が前記選択還元型触媒の活性温度未満であるときに、前記排気通路のうち前記酸化触媒及び前記選択還元型触媒の間に一酸化窒素量と等量のオゾンを供給するとともに、アンモニアガスを供給し、前記第２排気温度が前記選択還元型触媒の活性温度以上であって尿素水の加水分解温度よりも低く、且つ前記第１排気温度が前記酸化触媒の活性温度未満である場合には、前記排気通路のうち前記酸化触媒及び前記選択還元型触媒の間に一酸化窒素量から二酸化窒素量を減算した差分量と等量のオゾンを供給するとともに、アンモニアガスを供給し、前記第２排気温度が尿素水の加水分解温度以上であって、且つ前記第１排気温度が前記酸化触媒の活性温度未満である場合には、前記排気通路のうち前記酸化触媒及び前記選択還元型触媒の間に一酸化窒素量から二酸化窒素量を減算した差分量と等量のオゾンを供給するとともに、尿素水を供給する。
この態様によれば、排気温度に応じて尿素水及びアンモニアが選択的に供給されるので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の各還元反応のうち、その時点で進行しやすい反応を促進することができる。そして選択還元型触媒の上流の排気温度が活性温度未満の低温域であるときには、一酸化窒素と等量（等モル）のオゾンとアンモニアが供給される。その結果、一酸化窒素の殆どを二酸化窒素に変換し、酸化性の高い二酸化窒素とアンモニアとを触媒を介さずに反応させて、硝酸アンモニウム及び窒素に変換することができる。即ち排気温度が選択還元型触媒の活性温度未満であってもＮＯｘを還元することができる。
以下、排気浄化システム及び排気浄化方法の一実施形態を説明する。本実施形態では、排気浄化システムを、ディーゼルエンジンに適用されるシステムに例示して説明する。
図１に示すように、エンジン１１の吸気マニホールド１２には吸気通路１３が接続され、排気マニホールド１４には排気通路１５が接続されている。吸気通路１３の途中にはターボチャージャ１６のコンプレッサ１７が設けられ、排気通路１５の途中にはタービン１８が設けられている。また吸気通路１３にはエアフローメータＡＦが設けられている。エアフローメータＡＦは、ホットワイヤー式の計測装置であって、吸気通路１３を流れる空気の質量流量（ｋｇ／ｓｅｃ）を直接的に検出し、質量流量に応じた信号を制御部としてのＥＣＵ２０に出力する。
図１に示すように、エンジン１１の吸気マニホールド１２には吸気通路１３が接続され、排気マニホールド１４には排気通路１５が接続されている。吸気通路１３の途中にはターボチャージャ１６のコンプレッサ１７が設けられ、排気通路１５の途中にはタービン１８が設けられている。また吸気通路１３にはエアフローメータＡＦが設けられている。エアフローメータＡＦは、ホットワイヤー式の計測装置であって、吸気通路１３を流れる空気の質量流量（ｋｇ／ｓｅｃ）を直接的に検出し、質量流量に応じた信号を制御部としてのＥＣＵ２０に出力する。
ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備え、エンジン１１及び排気浄化システム１０を制御する。ＥＣＵ２０はエアフローメータＡＦからの出力信号に基づき吸入空気量Ｇａを算出し、吸入空気量Ｇａ等に基づき燃料噴射量Ｑｆｉｎを算出する。またＥＣＵ２０は、燃料噴射量Ｑｆｉｎに基づきインジェクタ１１ａや燃料ポンプ（図示略）を駆動してシリンダ１１ｂ内に燃料を噴射させる。
（排気浄化システムの構成）
次に、排気浄化システム１０について説明する。排気浄化システム１０は、排気通路１５に設けられた複数の触媒を備えている。この触媒群は、上流側から、前段酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst）２１、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）２２、選択還元型触媒２７、及び後段酸化触媒２８から構成される。また、排気浄化システム１０は、オゾン供給装置２３、尿素水供給装置２５、尿素水を改質する尿素水改質装置２６を備えている。
次に、排気浄化システム１０について説明する。排気浄化システム１０は、排気通路１５に設けられた複数の触媒を備えている。この触媒群は、上流側から、前段酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst）２１、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）２２、選択還元型触媒２７、及び後段酸化触媒２８から構成される。また、排気浄化システム１０は、オゾン供給装置２３、尿素水供給装置２５、尿素水を改質する尿素水改質装置２６を備えている。
（酸化触媒及びＤＰＦ）
前段酸化触媒２１は、公知の構成の酸化触媒であって、例えばアルミナ、シリカ、ゼオライト等からなる担体に、白金やパラジウム等の金属や、金属酸化物等を担持させたものから構成される。この前段酸化触媒２１は、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して、水、二酸化炭素、二酸化窒素等に変換する。前段酸化触媒２１は、タービン１８の直後に配置された第１酸化触媒２１ａ（After Turbo Catalyst）と、第１酸化触媒２１ａよりも下流に配置された第２酸化触媒２１ｂとから構成されている。第１酸化触媒２１ａ及び第２酸化触媒２１ｂは、車両へ搭載する際の制約に応じて分けられたものであり、第１酸化触媒２１ａは容量が制限されるが、第２酸化触媒２１ｂは容量を大きくし、酸化性能を高めることができる。第１酸化触媒２１ａには高温の排気が流れこむため、排気に含まれる炭化水素、一酸化炭素等の未燃成分を酸化して、第２酸化触媒２１ｂに流れ込む排気の温度を上昇させる。
前段酸化触媒２１は、公知の構成の酸化触媒であって、例えばアルミナ、シリカ、ゼオライト等からなる担体に、白金やパラジウム等の金属や、金属酸化物等を担持させたものから構成される。この前段酸化触媒２１は、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して、水、二酸化炭素、二酸化窒素等に変換する。前段酸化触媒２１は、タービン１８の直後に配置された第１酸化触媒２１ａ（After Turbo Catalyst）と、第１酸化触媒２１ａよりも下流に配置された第２酸化触媒２１ｂとから構成されている。第１酸化触媒２１ａ及び第２酸化触媒２１ｂは、車両へ搭載する際の制約に応じて分けられたものであり、第１酸化触媒２１ａは容量が制限されるが、第２酸化触媒２１ｂは容量を大きくし、酸化性能を高めることができる。第１酸化触媒２１ａには高温の排気が流れこむため、排気に含まれる炭化水素、一酸化炭素等の未燃成分を酸化して、第２酸化触媒２１ｂに流れ込む排気の温度を上昇させる。
第１酸化触媒２１ａ及び第２酸化触媒２１ｂの間の排気通路１５であって、第２酸化触媒２１ｂの入口近傍には、第１温度センサＴ１が設けられている。第１温度センサＴ１は、公知の構成のセンサであって、前段酸化触媒２１を通過する排気の温度を検出し、第１排気温度Ｔｍｐ１をＥＣＵ２０に出力する。ここで第１温度センサＴ１を第２酸化触媒２１ｂの入口近傍に設けるのは、ＮＯ等の酸化反応の主体となるのが第２酸化触媒２１ｂであるためである。従って、前段酸化触媒２１が分割されず単体からなる場合には、その単体の前段酸化触媒２１の入口近傍に第１温度センサＴ１を設ければよい。
この前段酸化触媒２１の活性化し始める温度域は、１８０℃前後である。図２に示すように、本実施形態では、前段酸化触媒２１の活性温度ＴＢを１８０℃に設定する。前段酸化触媒２１近傍の排気温度が活性温度ＴＢに到達すると、ＮＯからＮＯ２への酸化が速やかに進行する。
ＤＰＦ２２は、セラミックスや金属多孔体から構成され、排気に含まれる粒子状物質（ＰＭ；Particulate Matter）を捕集する。排気通路１５のうちＤＰＦ２２の下流には、出口温度センサＴ３及びＮＯｘセンサＳ１が設けられている。
出口温度センサＴ３は、ＤＰＦ２２の出口における排気温度である出口排気温度Ｔｍｐ３を検出するために設けられている。ＤＰＦ２２よりも上流の第１排気温度Ｔｍｐ１と出口排気温度Ｔｍｐ３との差は必ずしも一定ではなく、出口排気温度Ｔｍｐ３が第１排気温度Ｔｍｐ１よりも低いとは限らない。即ちＤＰＦ２２には、捕集した粒子状物質が堆積していくため、粒子状物質を燃焼させる必要がある。従って排気温度を高めるために余分に燃料が噴射されたり、ＤＰＦ２２に図示しないバーナーが併設される等の措置がとられる。このため粒子状物質の燃焼時には、出口排気温度Ｔｍｐ３が上昇する。またＮＯｘセンサＳ１は、抵抗変化型、電流型等の公知のセンサであって、ＮＯ及びＮＯ２の両方が含まれるＮＯｘ濃度Ｃｎｘ（ｐｐｍ）を検出する。
（オゾン供給装置）
オゾン供給装置２３は、ＤＰＦ２２よりも下流の排気通路１５にオゾンを供給する。オゾンは酸化力が高いため、排気温度が比較的低いときであっても排気に添加されることにより、反応式（１）に示すように排気に含まれる一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ２）に変換する。
オゾン供給装置２３は、ＤＰＦ２２よりも下流の排気通路１５にオゾンを供給する。オゾンは酸化力が高いため、排気温度が比較的低いときであっても排気に添加されることにより、反応式（１）に示すように排気に含まれる一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ２）に変換する。
ＮＯ＋Ｏ３→ＮＯ２＋Ｏ２・・・（反応式１）
このオゾン供給装置２３は、オゾン発生器２３ａ、オゾン供給ノズル２３ｂ、及び流量調整バルブ２３ｃを備えている。オゾン発生器２３ａは、例えば無声放電式等の公知の構成の装置であって、空気中の酸素を原料としてオゾンを生成する。無声放電式のオゾン発生器２３ａは、オゾン発生空間を介して設けられた一対の電極板、電極板の間に介在する誘電体、及び交流高圧電源を備えている。交流高圧電源により電極間に高電圧を印加することによってオゾン発生空間の酸素を原料としてオゾンを発生する。またオゾン発生空間に供給される空気量を増減することによって所定範囲内でオゾン発生量を調整することができる。
このオゾン供給装置２３は、オゾン発生器２３ａ、オゾン供給ノズル２３ｂ、及び流量調整バルブ２３ｃを備えている。オゾン発生器２３ａは、例えば無声放電式等の公知の構成の装置であって、空気中の酸素を原料としてオゾンを生成する。無声放電式のオゾン発生器２３ａは、オゾン発生空間を介して設けられた一対の電極板、電極板の間に介在する誘電体、及び交流高圧電源を備えている。交流高圧電源により電極間に高電圧を印加することによってオゾン発生空間の酸素を原料としてオゾンを発生する。またオゾン発生空間に供給される空気量を増減することによって所定範囲内でオゾン発生量を調整することができる。
オゾン供給ノズル２３ｂは、排気通路１５のうちＤＰＦ２２の下流にオゾンを供給可能な位置に配置されている。オゾン発生器２３ａによって生成されたオゾンは、流量調整バルブ２３ｃによって流量を調整されつつ、オゾン供給ノズル２３ｂから排気通路１５に供給される。
ＥＣＵ２０は、単位時間あたりのオゾンの質量流量を示すオゾン供給量Ｇｏｚｎ（ｋｇ／ｓｅｃ）を算出し、該オゾン供給量Ｇｏｚｎに基づき流量調整バルブ２３ｃの開度を制御する。またオゾン発生器２３ａのオゾン供給量Ｇｏｚｎの変化量が大きくなるときには、オゾン発生器２３ａに導入される空気量等を変更することでも調整してもよい。
（尿素水供給装置）
尿素水供給装置２５は、オゾン供給ノズル２３ｂよりも下流の排気通路１５に尿素水を供給する。尿素水供給装置２５は、タンク２５ａ、尿素水供給ノズル２５ｂ、流量調整バルブ２５ｃ、及び圧送ポンプ２５ｄを備えている。タンク２５ａは、尿素水を貯留し、図示しないヒータ、圧力調整機構等を備えている。タンク２５ａに貯留された尿素水は、圧送ポンプ２５ｄの駆動によって吸引され、流量調整バルブ２５ｃによって流量を調整されながら尿素水供給ノズル２５ｂに送られる。排気通路１５に供給された尿素水は、排気が所定温度以上のとき、反応式（２）のように加水分解してアンモニアとなる。
尿素水供給装置２５は、オゾン供給ノズル２３ｂよりも下流の排気通路１５に尿素水を供給する。尿素水供給装置２５は、タンク２５ａ、尿素水供給ノズル２５ｂ、流量調整バルブ２５ｃ、及び圧送ポンプ２５ｄを備えている。タンク２５ａは、尿素水を貯留し、図示しないヒータ、圧力調整機構等を備えている。タンク２５ａに貯留された尿素水は、圧送ポンプ２５ｄの駆動によって吸引され、流量調整バルブ２５ｃによって流量を調整されながら尿素水供給ノズル２５ｂに送られる。排気通路１５に供給された尿素水は、排気が所定温度以上のとき、反応式（２）のように加水分解してアンモニアとなる。
（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→２ＮＨ３＋ＣＯ２・・・（反応式２）
尿素水を排気通路１５に供給するとき、ＥＣＵ２０は、尿素水に含有される尿素の供給質量を示す尿素供給量Ｍｕｒ（ｋｇ／ｓｅｃ）を算出する。またＥＣＵ２０は、該尿素供給量Ｍｕｒに基づき流量調整バルブ２５ｃの開度を制御し、圧送ポンプ２５ｄを駆動する。
尿素水を排気通路１５に供給するとき、ＥＣＵ２０は、尿素水に含有される尿素の供給質量を示す尿素供給量Ｍｕｒ（ｋｇ／ｓｅｃ）を算出する。またＥＣＵ２０は、該尿素供給量Ｍｕｒに基づき流量調整バルブ２５ｃの開度を制御し、圧送ポンプ２５ｄを駆動する。
本実施形態で用いられる尿素水の加水分解温度ＴＣは１８０℃前後の範囲に含まれる。図２に示すように、本実施形態では尿素水の加水分解温度ＴＣを、前段酸化触媒２１の活性温度ＴＢと同じ温度である１８０℃に設定した。
（尿素水改質装置）
尿素水改質装置２６は、尿素水を尿素系流体としてのアンモニアガスに改質して排気に添加するものであって、公知の構成の装置である。尿素水改質装置２６は、尿素水改質器２６ａ、タンク２６ｂ、圧送ポンプ２６ｃ、尿素水の流量を調整する流量調整バルブ２６ｄ、キャリアガス源２６ｅ、キャリアガスの流量を調整する流量調整バルブ２６ｆを備えている。タンク２６ｂには尿素水が貯留されているが、尿素水供給装置２５と共通のタンクを用いてもよい。尿素水は、圧送ポンプ２６ｃが駆動することにより、流量調整バルブ２６ｄによって流量を調整されながら尿素水改質器２６ａに導入される。キャリアガス源２６ｅには、圧縮空気が貯蔵されている。圧縮空気は、流量調整バルブ２６ｆによって流量を調整されながら尿素水改質器２６ａに導入される。
尿素水改質装置２６は、尿素水を尿素系流体としてのアンモニアガスに改質して排気に添加するものであって、公知の構成の装置である。尿素水改質装置２６は、尿素水改質器２６ａ、タンク２６ｂ、圧送ポンプ２６ｃ、尿素水の流量を調整する流量調整バルブ２６ｄ、キャリアガス源２６ｅ、キャリアガスの流量を調整する流量調整バルブ２６ｆを備えている。タンク２６ｂには尿素水が貯留されているが、尿素水供給装置２５と共通のタンクを用いてもよい。尿素水は、圧送ポンプ２６ｃが駆動することにより、流量調整バルブ２６ｄによって流量を調整されながら尿素水改質器２６ａに導入される。キャリアガス源２６ｅには、圧縮空気が貯蔵されている。圧縮空気は、流量調整バルブ２６ｆによって流量を調整されながら尿素水改質器２６ａに導入される。
尿素水改質器２６ａには、ハウジングと、該ハウジング内で尿素水を微小な孔から噴射するノズルが設けられ、ヒータによって加熱されたキャリアガスがノズルに吹き付けられることによって、尿素水がハウジング内で粒子化される。またハウジング内には、粒子化された尿素水をアンモニアに変換する触媒が設けられる。触媒は、例えばセラミックスからなるハニカム担体に、チタニア、ジルコニア又はゼオライトを担持したものである。この触媒によって、粒子化された尿素水が、上記反応式（２）に示されるように変換されてアンモニアガスになる。アンモニアガスは、尿素水改質器２６ａに設けられた吐出ノズル２６ｎから排気通路１５内に供給される。
ＥＣＵ２０は、排気温度に応じて、尿素水供給装置２５及び尿素水改質装置２６のいずれか一方を選択的に駆動する。尿素水供給装置２５は、尿素水改質装置２６よりもアンモニア生成量が大きく消費電力等も少ない。上述したように排気温度が尿素水の加水分解温度ＴＣよりも低い場合には、尿素水のアンモニアへの変換が進みにくいため、尿素水改質装置２６を駆動する。また排気温度が尿素水の加水分解温度ＴＣ以上である場合には、排気の熱により尿素水の加水分解反応が進むため、ＥＣＵ２０は尿素水供給装置２５を駆動する。
尿素水改質装置２６を駆動するとき、ＥＣＵ２０は、単位時間あたりのアンモニアガスの質量流量を示すアンモニア供給量ＧＮＨ３（ｋｇ／ｓｅｃ）を算出する。そしてアンモニア供給量ＧＮＨ３に基づき流量調整バルブ２６ｄ，２６ｆの開度を制御する。
（選択還元型触媒）
排気浄化システム１０は、選択還元型触媒２７を備えている。選択還元型触媒２７は、ＮＯｘをアンモニアに還元する選択的触媒還元（Selective Catalytic Reduction）を行う。選択還元型触媒２７は、公知の触媒であって、例えばハニカム状のセラミックからなる担体に吸着性の高いゼオライト又はジルコニアを担持させたものである。選択還元型触媒２７によって、ＮＯｘは反応式（３）〜（５）のように窒素に還元される。
排気浄化システム１０は、選択還元型触媒２７を備えている。選択還元型触媒２７は、ＮＯｘをアンモニアに還元する選択的触媒還元（Selective Catalytic Reduction）を行う。選択還元型触媒２７は、公知の触媒であって、例えばハニカム状のセラミックからなる担体に吸着性の高いゼオライト又はジルコニアを担持させたものである。選択還元型触媒２７によって、ＮＯｘは反応式（３）〜（５）のように窒素に還元される。
ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ・・・（反応式３）
４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ・・・（反応式４）
６ＮＯ２＋８ＮＨ３→７Ｎ２＋１２Ｈ２Ｏ・・・（反応式５）
このうち、ＮＯとＮＯ２とが等量（等モル）で存在する反応式（３）の反応が最も速く進行する。
４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ・・・（反応式４）
６ＮＯ２＋８ＮＨ３→７Ｎ２＋１２Ｈ２Ｏ・・・（反応式５）
このうち、ＮＯとＮＯ２とが等量（等モル）で存在する反応式（３）の反応が最も速く進行する。
この選択還元型触媒２７の近傍であって、該選択還元型触媒２７の上流側には第２温度センサＴ２が設けられている。第２温度センサＴ２は選択還元型触媒２７の直前の排気温度を検出し、第２排気温度Ｔｍｐ２をＥＣＵ２０に出力する。
選択還元型触媒２７は、排気温度が比較的低い温度域で不活性となる。図２に示すように、本実施形態では選択還元型触媒２７の活性温度を１５０℃に設定した。
また排気通路１５のうち選択還元型触媒２７よりも下流には後段酸化触媒２８が設けられている。後段酸化触媒２８は、還元反応で消費されずに下流に排出されたアンモニアを分解する。
また排気通路１５のうち選択還元型触媒２７よりも下流には後段酸化触媒２８が設けられている。後段酸化触媒２８は、還元反応で消費されずに下流に排出されたアンモニアを分解する。
次に排気浄化システム１０の動作について説明する。ＥＣＵ２０は、排気温度に応じて、オゾン供給量Ｇｏｚｎを算出するとともに、尿素水供給装置２５及び尿素水改質装置２６を選択的に駆動するための処理を行う。該処理は、エンジン１１の駆動時において、例えば数十ミリ秒等の所定間隔毎に繰り返される。尚、図４に、排気温度に応じて選択される装置及びその供給量と、オゾン供給量Ｇｏｚｎとがあらわされたマップを示す。本実施形態では図３に示すフローチャートに従った制御を説明するが、該マップを用いた制御であってもよい。
図３に示すように、ＥＣＵ２０は、第１温度センサＴ１、第２温度センサＴ２及び出口温度センサＴ３から出力された第１排気温度Ｔｍｐ１、第２排気温度Ｔｍｐ２、及び出口排気温度Ｔｍｐ３を読み込む（ステップＳ１）。上述したように第１排気温度Ｔｍｐ１は、前段酸化触媒２１を通過する排気の温度、第２排気温度Ｔｍｐ２は選択還元型触媒２７に流入する直前における排気の温度である。また出口排気温度Ｔｍｐ３は、ＤＰＦ２２の出口における排気の温度である。
またＥＣＵ２０は、ＲＯＭ等に予め格納された選択還元型触媒２７の活性温度ＴＡを読み出し、第２排気温度Ｔｍｐ２が活性温度ＴＡ未満であるか否かを判断する（ステップＳ２）。このとき選択還元型触媒２７の直前で検出した温度を用いることで活性化状態を把握することが可能となる。
第２排気温度Ｔｍｐ２が活性温度ＴＡ未満であると判断すると（ステップＳ２においてＹＥＳ）、ＥＣＵ２０は、オゾン供給量Ｇｏｚｎ（ｋｇ／ｓｅｃ）を、排気に含まれるＮＯの質量流量であるＮＯ排出量Ｇｎｏと等量（ｍｏｌ）とする（ステップＳ３）。
このときＥＣＵ２０は、出口排気温度Ｔｍｐ３を読み込むとともに、ＮＯｘセンサＳ１が検出したＮＯｘ濃度Ｃｎｘ（ｐｐｍ）を読み込む。
尚、ＮＯｘセンサＳ１は、出口排気温度Ｔｍｐ３が１００℃以下ではセンサ表面に水が付着するため、１００℃以下の低い温度領域では作動しない制御を行っている。このため、出口排気温度Ｔｍｐ３が１００℃以下の場合には、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｆｉｎ及び出口排気温度Ｔｍｐ３をパラメータとするＮＯｘ濃度のマップに基づきＮＯｘ濃度Ｃｎｘを算出する。
尚、ＮＯｘセンサＳ１は、出口排気温度Ｔｍｐ３が１００℃以下ではセンサ表面に水が付着するため、１００℃以下の低い温度領域では作動しない制御を行っている。このため、出口排気温度Ｔｍｐ３が１００℃以下の場合には、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｆｉｎ及び出口排気温度Ｔｍｐ３をパラメータとするＮＯｘ濃度のマップに基づきＮＯｘ濃度Ｃｎｘを算出する。
またＥＣＵ２０は、出口排気温度Ｔｍｐ３、エンジン回転数Ｎｅ、エンジン負荷等に応じて変化させたＮＯ：ＮＯ２の比率を示す比率マップを格納している。ＥＣＵ２０は、出口排気温度Ｔｍｐ３や、図示しないクランク角センサから取得したエンジン回転数Ｎｅ等に基づき、ＮＯｘに対するＮＯの比率Ｒ（ＮＯ／ＮＯｘ）を算出する。そして下式（１）のように、算出した比率ＲにＮＯｘ濃度Ｃｎｘ（ｐｐｍ）を乗算して、ＮＯ濃度Ｃｎｏ（ｐｐｍ）を算出する。
Ｃｎｏ＝Ｒ・Ｃｎｘ ・・・（式１）
さらにＥＣＵ２０は、排出ガス量Ｇｅ（ｋｇ／ｓｅｃ）を算出する。排出ガス量Ｇｅは、下式（２）のようにエアフローメータＡＦから取得した吸入空気量Ｇａ（ｋｇ／ｓｅｃ）と、単位時間当たりの燃料流量Ｇｆ（ｋｇ／ｓｅｃ）とを加算して算出される。
さらにＥＣＵ２０は、排出ガス量Ｇｅ（ｋｇ／ｓｅｃ）を算出する。排出ガス量Ｇｅは、下式（２）のようにエアフローメータＡＦから取得した吸入空気量Ｇａ（ｋｇ／ｓｅｃ）と、単位時間当たりの燃料流量Ｇｆ（ｋｇ／ｓｅｃ）とを加算して算出される。
Ｇｅ＝Ｇａ＋Ｇｆ ・・・（式２）
さらにＥＣＵ２０は、下式（３）に示すように、排出ガス量Ｇｅ（ｋｇ／ｓｅｃ）にＮＯ濃度Ｃｎｏ（ｐｐｍ）を乗算して、ＤＰＦ２２の出口における単位時間あたりのＮＯ排出量を示すＮＯ排出量Ｇｎｏ（ｋｇ／ｓｅｃ）を算出する。
さらにＥＣＵ２０は、下式（３）に示すように、排出ガス量Ｇｅ（ｋｇ／ｓｅｃ）にＮＯ濃度Ｃｎｏ（ｐｐｍ）を乗算して、ＤＰＦ２２の出口における単位時間あたりのＮＯ排出量を示すＮＯ排出量Ｇｎｏ（ｋｇ／ｓｅｃ）を算出する。
Ｇｎｏ＝Ｇｅ・Ｃｎｏ・１０−６ ・・・（式３）
ＮＯ排出量Ｇｎｏを算出すると、ＥＣＵ２０は、ＮＯ排出量Ｇｎｏに基づきオゾン供給量Ｇｏｚｎ（ｋｇ／ｓｅｃ）を設定する（ステップＳ３）。即ち下式（４）のように、算出したＮＯ排出量Ｇｎｏ（ｋｇ／ｓｅｃ）に、ＮＯのモル質量（[ＮＯ]＝３０ｇ／ｍｏｌ）に対するオゾンのモル質量（[Ｏ３]＝４８ｇ／ｍｏｌ）の質量比率ｋ１（[Ｏ３]／[ＮＯ]＝４８／３０）を乗算して、オゾン供給量Ｇｏｚｎ（ｋｇ／ｓｅｃ）とする。
ＮＯ排出量Ｇｎｏを算出すると、ＥＣＵ２０は、ＮＯ排出量Ｇｎｏに基づきオゾン供給量Ｇｏｚｎ（ｋｇ／ｓｅｃ）を設定する（ステップＳ３）。即ち下式（４）のように、算出したＮＯ排出量Ｇｎｏ（ｋｇ／ｓｅｃ）に、ＮＯのモル質量（[ＮＯ]＝３０ｇ／ｍｏｌ）に対するオゾンのモル質量（[Ｏ３]＝４８ｇ／ｍｏｌ）の質量比率ｋ１（[Ｏ３]／[ＮＯ]＝４８／３０）を乗算して、オゾン供給量Ｇｏｚｎ（ｋｇ／ｓｅｃ）とする。
Ｇｏｚｎ＝Ｇｎｏ・ｋ１ ・・・（式４）
オゾン供給量Ｇｏｚｎを算出すると、ＥＣＵ２０は、該オゾン供給量Ｇｏｚｎに基づきオゾン供給装置２３を駆動して、オゾンを供給する（ステップＳ４）。このときＥＣＵ２０は、オゾン発生器２３ａを駆動するとともに、流量調整バルブ２３ｃをオゾン供給量Ｇｏｚｎに応じた開度に制御する。その結果、ＮＯ排出量Ｇｎｏと等しい量のオゾンが排気通路１５に供給され、ＮＯの殆どがＮＯ２へ酸化され、ＮＯ２／ＮＯｘの比率Ｒが１に近づく。
オゾン供給量Ｇｏｚｎを算出すると、ＥＣＵ２０は、該オゾン供給量Ｇｏｚｎに基づきオゾン供給装置２３を駆動して、オゾンを供給する（ステップＳ４）。このときＥＣＵ２０は、オゾン発生器２３ａを駆動するとともに、流量調整バルブ２３ｃをオゾン供給量Ｇｏｚｎに応じた開度に制御する。その結果、ＮＯ排出量Ｇｎｏと等しい量のオゾンが排気通路１５に供給され、ＮＯの殆どがＮＯ２へ酸化され、ＮＯ２／ＮＯｘの比率Ｒが１に近づく。
ステップＳ２で第２排気温度Ｔｍｐ２が活性温度ＴＡ（１５０℃）未満であると判断された場合、尿素の加水分解速度も小さい。このためＥＣＵ２０は、尿素水供給装置２５ではなく尿素水改質装置２６を選択する。第２排気温度Ｔｍｐ２が選択還元型触媒２７の活性温度ＴＡ未満のときには、ＮＯ２を触媒を介さずに以下の反応式（６）のように硝酸アンモニウム（ＮＨ４ＮＯ３）に変換することが可能である。
２ＮＯ２＋２ＮＨ３→ＮＨ４ＮＯ３＋Ｎ２＋Ｈ２Ｏ・・・（反応式６）
尿素水改質装置２６を選択すると、ＥＣＵ２０は、単位時間当たりのアンモニア供給量ＧＮＨ３を算出する（ステップＳ１０）。第２排気温度Ｔｍｐ２が選択還元型触媒２７の活性温度ＴＡよりも低い場合、反応式（６）に示すように、ＮＯ２と、該ＮＯ２と等量のＮＨ３とが反応して硝酸アンモニウムへ変換されるため、ＮＨ３の供給量は、ＮＯ２排出量とほぼ等量とすればよい。上述したようにステップＳ３〜Ｓ４において、ＮＯの大半をＮＯ２へ変換可能な量のオゾンを添加しているので、ここではアンモニア供給量ＧＮＨ３をＮＯｘ排出量Ｇｎｘと等量とする。
尿素水改質装置２６を選択すると、ＥＣＵ２０は、単位時間当たりのアンモニア供給量ＧＮＨ３を算出する（ステップＳ１０）。第２排気温度Ｔｍｐ２が選択還元型触媒２７の活性温度ＴＡよりも低い場合、反応式（６）に示すように、ＮＯ２と、該ＮＯ２と等量のＮＨ３とが反応して硝酸アンモニウムへ変換されるため、ＮＨ３の供給量は、ＮＯ２排出量とほぼ等量とすればよい。上述したようにステップＳ３〜Ｓ４において、ＮＯの大半をＮＯ２へ変換可能な量のオゾンを添加しているので、ここではアンモニア供給量ＧＮＨ３をＮＯｘ排出量Ｇｎｘと等量とする。
このＮＯｘ排出量Ｇｎｘの算出方法の一例について説明する。ＥＣＵ２０は、ステップＳ３と同様にＤＰＦ出口における出口排気温度Ｔｍｐ３及びＮＯｘ濃度Ｃｎｘ（ｐｐｍ）を読み込み、上記マップを用いてＤＰＦ出口におけるＮＯｘに対するＮＯの比率Ｒを算出する。さらにＮＯｘ濃度Ｃｎｘに比率Ｒを乗算して、ＤＰＦ出口におけるＮＯ濃度Ｃｎｏ（ｐｐｍ）を算出する。
さらにステップＳ３と同様に排出ガス量Ｇｅを算出し、該排出ガス量ＧｅにＮＯ濃度Ｃｎｏを乗算して、ＮＯ排出量Ｇｎｏ（ｋｇ／ｓｅｃ）を算出する。ＮＯ排出量Ｇｎｏを算出すると、ＥＣＵ２０は、下式（５）のように、該ＮＯ排出量Ｇｎｏに、ＮＯのモル質量（［ＮＯ］＝３０）に対するアンモニアのモル質量（［ＮＨ３］＝１７）の質量比率ｋ２（［ＮＨ３］／［ＮＯ］＝１７／３０）を乗算して、ＮＯに対するアンモニア供給量ＧＮＨ３―ＮＯを算出する。
ＧＮＨ３―ＮＯ＝Ｇｎｏ・ｋ２ ・・・（式５）
またＮＯ濃度Ｃｎｏを算出するときと同様に、ＮＯｘ濃度Ｃｎｘ及び比率Ｒを用いて、下式（６）のようにＮＯ２濃度Ｃｎｏ２を算出する。
またＮＯ濃度Ｃｎｏを算出するときと同様に、ＮＯｘ濃度Ｃｎｘ及び比率Ｒを用いて、下式（６）のようにＮＯ２濃度Ｃｎｏ２を算出する。
Ｃｎｏ２＝Ｃｎｘ・（１−Ｒ） ・・・（式６）
さらに排出ガス量ＧｅにＮＯ２濃度Ｃｎｏ２を乗算して、ＮＯ２排出量Ｇｎｏ２（ｋｇ／ｓｅｃ）を算出する。ＮＯ２排出量Ｇｎｏ２を算出すると、ＥＣＵ２０は、該ＮＯ２排出量Ｇｎｏ２に、ＮＯ２のモル質量（［ＮＯ２］＝４６）に対するアンモニアのモル質量（［ＮＨ３］＝１７）の質量比率ｋ３（［ＮＨ３］／［ＮＯ２］＝１７／４６）を乗算して、ＮＯ２に対するアンモニア供給量ＧＮＨ３―ＮＯ２を算出する。
さらに排出ガス量ＧｅにＮＯ２濃度Ｃｎｏ２を乗算して、ＮＯ２排出量Ｇｎｏ２（ｋｇ／ｓｅｃ）を算出する。ＮＯ２排出量Ｇｎｏ２を算出すると、ＥＣＵ２０は、該ＮＯ２排出量Ｇｎｏ２に、ＮＯ２のモル質量（［ＮＯ２］＝４６）に対するアンモニアのモル質量（［ＮＨ３］＝１７）の質量比率ｋ３（［ＮＨ３］／［ＮＯ２］＝１７／４６）を乗算して、ＮＯ２に対するアンモニア供給量ＧＮＨ３―ＮＯ２を算出する。
ＧＮＨ３―ＮＯ２＝Ｇｎｏ２・ｋ３ ・・・（式７）
さらにＥＣＵ２０は、ＮＯに対するアンモニア供給量ＧＮＨ３―ＮＯ及びＮＯ２に対するアンモニア供給量ＧＮＨ３―ＮＯ２を加算して、アンモニア供給量ＧＮＨ３を算出する。
さらにＥＣＵ２０は、ＮＯに対するアンモニア供給量ＧＮＨ３―ＮＯ及びＮＯ２に対するアンモニア供給量ＧＮＨ３―ＮＯ２を加算して、アンモニア供給量ＧＮＨ３を算出する。
ＧＮＨ３＝ＧＮＨ３―ＮＯ＋ＧＮＨ３―ＮＯ２・・・（式８）
このようにアンモニア供給量ＧＮＨ３を算出すると、ＥＣＵ２０は、該アンモニア供給量ＧＮＨ３に基づき、尿素水改質装置２６を駆動して排気通路１５にアンモニアガスを供給する（ステップＳ１１）。このときＥＣＵ２０は、尿素水の流量を調整する流量調整バルブ２６ｄの開度、及びキャリアガスの流量を調整する流量調整バルブ２６ｆの開度を制御する。その結果、排気温度が１５０℃以下の低温域であっても、尿素水改質装置２６から排気通路１５にとＮＯ２と等量のアンモニアガスが供給され、ＮＯ２が触媒反応を経ずに硝酸アンモニウムに変換される。
このようにアンモニア供給量ＧＮＨ３を算出すると、ＥＣＵ２０は、該アンモニア供給量ＧＮＨ３に基づき、尿素水改質装置２６を駆動して排気通路１５にアンモニアガスを供給する（ステップＳ１１）。このときＥＣＵ２０は、尿素水の流量を調整する流量調整バルブ２６ｄの開度、及びキャリアガスの流量を調整する流量調整バルブ２６ｆの開度を制御する。その結果、排気温度が１５０℃以下の低温域であっても、尿素水改質装置２６から排気通路１５にとＮＯ２と等量のアンモニアガスが供給され、ＮＯ２が触媒反応を経ずに硝酸アンモニウムに変換される。
一方、ステップＳ２において第２排気温度Ｔｍｐ２が選択還元型触媒２７の活性温度ＴＡ以上である場合（ステップＳ２においてＮＯ）、選択還元型触媒を介した反応を進行させることができる。この反応では、触媒を介さない反応式（６）に示す硝酸アンモニウムを生成する反応に比べ、ＮＯ及びＮＯ２の還元を促進させることができる。反応式（４）の反応は進みにくいため、ＥＣＵ２０は、等量のＮＯ及びＮＯ２をアンモニアと反応させる反応式（３）に必要なオゾン供給量Ｇｏｚｎを算出する。
先ずＥＣＵ２０は、第１排気温度Ｔｍｐ１が前段酸化触媒２１の活性温度ＴＢ未満であるか否かを判断する（ステップＳ５）。前段酸化触媒２１を通過する排気の温度である第１排気温度Ｔｍｐ１が、前段酸化触媒２１の活性温度ＴＢ以上であれば、前段酸化触媒２１によりＮＯ及びＮＯ２の比が１：１になるように酸化された後、主に反応式（３）に示される反応が進行する。また第１排気温度Ｔｍｐ１が前段酸化触媒２１の活性温度ＴＢ未満であれば、オゾンが供給されてＮＯ及びＮＯ２の比が１：１になるように酸化された後、ＮＯ及びＮＯ２が反応式（３）に従って還元される。
即ちステップＳ５において第１排気温度Ｔｍｐ１が前段酸化触媒２１の活性温度ＴＢ未満であると判断した場合（ステップＳ５においてＹＥＳ）、ＮＯの排出量がＮＯ２の排出量よりも大きい。このためＥＣＵ２０は、ＮＯ及びＮＯ２の比を１：１に近づけるために、オゾン供給量Ｇｏｚｎを、ＮＯ排出量ＧｎｏからＮＯ２排出量Ｇｎｏ２を減算した差分ＮＯ量ΔＧｎｏと等量に設定する（ステップＳ６）。
ＥＣＵ２０は、上述したステップＳ３と同様に、出口排気温度Ｔｍｐ３及びＮＯｘ濃度Ｃｎｘ（ｐｐｍ）を読み込む。また上記マップに基づきＮＯｘに対するＮＯの比率Ｒを算出する。そして、ＮＯｘ濃度Ｃｎｘに対し、比率Ｒを乗算してＮＯ濃度Ｃｎｏ（ｐｐｍ）を算出する。
さらにＥＣＵ２０は、ＤＰＦ出口におけるＮＯの目標濃度Ｃｎｏｉ（ｐｐｍ）を算出する。即ち、下式（９）のようにＮＯ濃度Ｃｎｏに目標とする比率Ｒｉ（＝０．５）を乗算する。
Ｃｎｏｉ＝Ｒｉ・Ｃｎｏ ・・・（式９）
目標濃度Ｃｎｏｉを算出すると、ＥＣＵ２０は、下式（１０）のように、実際のＮＯ濃度と目標濃度Ｃｎｏｉとの差分である差分ＮＯ濃度ΔＣｎｏ（ｐｐｍ）を算出する。
目標濃度Ｃｎｏｉを算出すると、ＥＣＵ２０は、下式（１０）のように、実際のＮＯ濃度と目標濃度Ｃｎｏｉとの差分である差分ＮＯ濃度ΔＣｎｏ（ｐｐｍ）を算出する。
ΔＣｎｏ＝Ｃｎｏ−Ｃｎｏｉ ・・・（式１０）
さらにＥＣＵ２０は、ステップＳ３と同様に排出ガス量Ｇｅ（ｋｇ／ｓｅｃ）を算出する。そして排出ガス量Ｇｅに基づき、下式（１１）のように、ＤＰＦ出口におけるＮＯの目標量に対する差分ＮＯ量ΔＧｎｏ（ｋｇ／ｓｅｃ）を算出する。
さらにＥＣＵ２０は、ステップＳ３と同様に排出ガス量Ｇｅ（ｋｇ／ｓｅｃ）を算出する。そして排出ガス量Ｇｅに基づき、下式（１１）のように、ＤＰＦ出口におけるＮＯの目標量に対する差分ＮＯ量ΔＧｎｏ（ｋｇ／ｓｅｃ）を算出する。
ΔＧｎｏ＝Ｇｅ・ΔＣｎｏ・１０−６ ・・・（式１１）
さらにこの差分ＮＯ量ΔＧｎｏ（ｋｇ／ｓｅｃ）と等量のオゾン供給量Ｇｏｚｎを、差分ＮＯ量ΔＧｎｏにオゾンのモル質量とＮＯのモル質量との質量比率ｋ１を乗算することによって算出する。
さらにこの差分ＮＯ量ΔＧｎｏ（ｋｇ／ｓｅｃ）と等量のオゾン供給量Ｇｏｚｎを、差分ＮＯ量ΔＧｎｏにオゾンのモル質量とＮＯのモル質量との質量比率ｋ１を乗算することによって算出する。
Ｇｏｚｎ＝ΔＧｎｏ・ｋ１ ・・・（式１２）
このようにオゾン供給量Ｇｏｚｎを算出すると、ステップＳ４と同様にオゾン供給装置２３を駆動して、オゾンを供給する（ステップＳ７）。
このようにオゾン供給量Ｇｏｚｎを算出すると、ステップＳ４と同様にオゾン供給装置２３を駆動して、オゾンを供給する（ステップＳ７）。
一方、ステップＳ５で第１排気温度Ｔｍｐ１が前段酸化触媒２１の活性温度ＴＢ以上であると判断すると（ステップＳ５においてＮＯ）、ＮＯがＮＯ２へ酸化され始め、反応式（５）のようにＮＯ２が窒素に還元される。従ってこの場合にはＮＯを酸化する必要がないため、オゾン供給量Ｇｏｚｎを「０」に設定する（ステップＳ８）。尚、本実施形態における前段酸化触媒２１は、第１排気温度Ｔｍｐ１が活性温度ＴＢ以上である場合にもＮＯ：ＮＯ２の比が１：１付近になるようなスペックに調整されているため、ＮＯｘの全量がＮＯ２に変換されることはない。
このように第２排気温度Ｔｍｐ２が選択還元型触媒２７の活性温度ＴＡよりも低いときのオゾン供給について設定を行うと、次いでＥＣＵ２０は第２排気温度Ｔｍｐ２が加水分解温度ＴＣ（１８０℃）未満であるか否かを判断する（ステップＳ９）。第２排気温度Ｔｍｐ２が、選択還元型触媒２７の活性温度ＴＡ以上であって加水分解温度ＴＣ（１８０℃）未満の場合には（ステップＳ９においてＹＥＳ）、上述したステップＳ１０〜ステップＳ１１を行って排気通路１５にアンモニアガスを供給する。
一方、第２排気温度Ｔｍｐ２が加水分解温度ＴＣ（１８０℃）以上の場合には（ステップＳ９においてＮＯ）、添加した尿素をアンモニアに加水分解できる。このためＥＣＵ２０は、尿素水供給装置２５を選択して、単位時間当たりに供給される尿素水中の尿素供給量Ｍｕｒ（ｋｇ／ｓｅｃ）を、ＮＯｘ排出量Ｇｎｘ（ｋｇ／ｓｅｃ）に対してモル比で１／２倍とする（ステップＳ１２）。
即ち第２排気温度Ｔｍｐ２が加水分解温度ＴＣ（１８０℃）以上の場合には、上述した反応式（２）及び反応式（３）の反応が進む。
（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→２ＮＨ３＋ＣＯ２・・・（反応式２）
ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３→４Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ・・・（反応式３）
反応式（２）及び反応式（３）は、下記の反応式（７）で表される。
（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→２ＮＨ３＋ＣＯ２・・・（反応式２）
ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３→４Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ・・・（反応式３）
反応式（２）及び反応式（３）は、下記の反応式（７）で表される。
（ＮＨ２）２ＣＯ＋ＮＯ＋ＮＯ２→４Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２…（反応式７）
反応式（１３）ではＮＯｘ（ＮＯ＋ＮＯ２）２モルに対し、還元反応に必要な尿素は１モルであるため、尿素供給量ＭｕｒはＮＯｘ排出量に対し１／２倍となる。実際に単位時間当たりに供給される尿素水供給量は、当該尿素供給量Ｍｕｒの尿素を含む尿素水に相当する量となる。
反応式（１３）ではＮＯｘ（ＮＯ＋ＮＯ２）２モルに対し、還元反応に必要な尿素は１モルであるため、尿素供給量ＭｕｒはＮＯｘ排出量に対し１／２倍となる。実際に単位時間当たりに供給される尿素水供給量は、当該尿素供給量Ｍｕｒの尿素を含む尿素水に相当する量となる。
このときＥＣＵ２０は、ステップＳ３と同様にＮＯ排出量Ｇｎｏを算出する。またＥＣＵ２０は、下式（１３）のように、ＮＯのモル質量（［ＮＯ］＝３０）に対する尿素水のモル質量（［ＮＨ２ＣＯＮＨ２］＝６０）である質量比率ｋ３（［ＮＨ２ＣＯＮＨ２］／［ＮＯ］＝２）と、尿素水の濃度Ｃｕ（％）を乗算して、尿素供給量Ｍｕｒ（ｋｇ／ｓｅｃ）を算出する。
Ｍｕｒ＝Ｇｎｏ・ｋ３・Ｃｕ・１０−２ ・・・（式１３）。
尿素供給量Ｍｕｒを算出すると、ＥＣＵ２０は、尿素供給量Ｍｕｒを換算して実際の尿素水の供給量を算出し、該供給量に基づき尿素水供給装置２５を駆動して尿素水を供給する（ステップＳ１３）。
尿素供給量Ｍｕｒを算出すると、ＥＣＵ２０は、尿素供給量Ｍｕｒを換算して実際の尿素水の供給量を算出し、該供給量に基づき尿素水供給装置２５を駆動して尿素水を供給する（ステップＳ１３）。
以上説明したように、上記実施形態の排気浄化システムによれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
（１）第１実施形態によれば、排気温度Ｔｍｐ１，Ｔｍｐ２に応じて尿素水供給装置２５及び尿素水改質装置２６が選択的に駆動されるので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元反応のうち、その時点で進行しやすい反応を促進することができる。そして選択還元型触媒２７の上流の第２排気温度Ｔｍｐ２が活性温度ＴＡ未満の低温域であるときには、一酸化窒素と等量（等モル）のオゾンと、ＮＨ３とが供給される。その結果、ＮＯの殆どをＮＯ２に変換し、酸化性の高いＮＯ２とＮＨ３とを触媒を介さずに反応させて、硝酸アンモニウム及びＮ２に変換することができる。即ち排気温度が選択還元型触媒２７の活性温度ＴＡ未満であってもＮＯｘを還元することができる。
（１）第１実施形態によれば、排気温度Ｔｍｐ１，Ｔｍｐ２に応じて尿素水供給装置２５及び尿素水改質装置２６が選択的に駆動されるので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元反応のうち、その時点で進行しやすい反応を促進することができる。そして選択還元型触媒２７の上流の第２排気温度Ｔｍｐ２が活性温度ＴＡ未満の低温域であるときには、一酸化窒素と等量（等モル）のオゾンと、ＮＨ３とが供給される。その結果、ＮＯの殆どをＮＯ２に変換し、酸化性の高いＮＯ２とＮＨ３とを触媒を介さずに反応させて、硝酸アンモニウム及びＮ２に変換することができる。即ち排気温度が選択還元型触媒２７の活性温度ＴＡ未満であってもＮＯｘを還元することができる。
（２）第１実施形態によれば、前段酸化触媒２１を通過する排気温度を検出する第１温度センサＴ１と、オゾン供給装置２３と選択還元型触媒２７との間の温度を検出する第２温度センサＴ２とを用いるので、各触媒が活性にあるか否かの判定精度を向上できる。このため検出温度に応じた細かい制御が可能となる。前段酸化触媒２１を通過する排気温度を示す第１排気温度Ｔｍｐ１が前段酸化触媒２１の活性温度ＴＢ未満である場合であって、選択還元型触媒２７よりも上流の第２排気温度Ｔｍｐ２が尿素水の加水分解温度ＴＣ未満のときと、加水分解温度ＴＣ以上のときに応じた制御が実行される。第２排気温度Ｔｍｐ２が尿素水の加水分解温度ＴＣ未満のときには、尿素水のアンモニアへの変換が進みにくいために尿素水改質装置２６を選択して駆動する。その際、ＮＯ排出量からＮＯ２排出量を減算した差分量のオゾンが供給されるため、ＮＯ及びＮＯ２の比が１：１となり最も反応速度が大きくなる状態で反応を進めることができる。また第２排気温度Ｔｍｐ２が尿素水の加水分解温度ＴＣ以上のときには、上記差分量のオゾンと尿素水とが供給されるため、一酸化窒素及び二酸化窒素の比が１：１となり最も反応速度が大きくなる状態で反応を進めることができる。
（３）上記実施形態では、第１排気温度Ｔｍｐ１が前段酸化触媒２１の活性温度ＴＢ未満の場合であって、第２排気温度Ｔｍｐ２が選択還元型触媒２７の活性温度以上尿素水の加水分解温度ＴＣ未満のときと、第２排気温度Ｔｍｐ２が尿素水の加水分解温度ＴＣ以上のときに応じて異なる制御が実行される。前段酸化触媒２１の活性温度ＴＢ以上であるときにはＮＯのＮＯ２への変換が促進されるためにオゾンは供給しない。また第２排気温度Ｔｍｐ２が選択還元型触媒２７の活性温度ＴＡ以上尿素水の加水分解温度ＴＣ未満のときにはＮＯｘ排出量と等量のＮＨ３を供給し、第２排気温度Ｔｍｐ２が尿素水の加水分解温度ＴＣ以上のときには、尿素供給量がＮＯｘ排出量に対しモル比で１／２倍となるように尿素水を供給する。このためＮＯｘを速やかに還元することができる。
尚、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、選択還元型触媒２７の活性温度ＴＡを１５０℃、前段酸化触媒２１の活性温度ＴＢを１８０℃、尿素水の加水分解温度ＴＣを１８０℃に設定したが、温度は限定されない。少なくとも選択還元型触媒２７の活性温度ＴＡが、前段酸化触媒２１の活性温度ＴＢ及び尿素水の加水分解温度ＴＣよりも低ければよく、前段酸化触媒２１の活性温度ＴＢ及び尿素水の加水分解温度ＴＣは同じ温度でなくてもよい。
・上記実施形態では、選択還元型触媒２７の活性温度ＴＡを１５０℃、前段酸化触媒２１の活性温度ＴＢを１８０℃、尿素水の加水分解温度ＴＣを１８０℃に設定したが、温度は限定されない。少なくとも選択還元型触媒２７の活性温度ＴＡが、前段酸化触媒２１の活性温度ＴＢ及び尿素水の加水分解温度ＴＣよりも低ければよく、前段酸化触媒２１の活性温度ＴＢ及び尿素水の加水分解温度ＴＣは同じ温度でなくてもよい。
・前段酸化触媒２１を、第１酸化触媒２１ａ及び第２酸化触媒２１ｂから構成したが、一つの酸化触媒から構成してもよい。また後段酸化触媒２８は省略してもよい。
・上記実施形態では、排気温度が前段酸化触媒２１の活性温度ＴＢ以上である場合にも、ＮＯ：ＮＯ２の比が１：１付近になるように、前段酸化触媒２１のスペックを調整したが、このような温度域においてＮＯｘの殆どをＮＯ２に変換できるようなスペックにしてもよい。このように主に反応式（５）で表される反応が進む場合には、該反応式（５）及び反応式（２）に基づいて、例えば尿素供給量ＭｕｒをＮＯ２排出量に対して２／３倍の質量（ｍｏｌ）となるようにしてもよい。
・上記実施形態では、排気温度が前段酸化触媒２１の活性温度ＴＢ以上である場合にも、ＮＯ：ＮＯ２の比が１：１付近になるように、前段酸化触媒２１のスペックを調整したが、このような温度域においてＮＯｘの殆どをＮＯ２に変換できるようなスペックにしてもよい。このように主に反応式（５）で表される反応が進む場合には、該反応式（５）及び反応式（２）に基づいて、例えば尿素供給量ＭｕｒをＮＯ２排出量に対して２／３倍の質量（ｍｏｌ）となるようにしてもよい。
・排気浄化システム１０が搭載されるエンジン１１の構成はディーゼルエンジン、直列６気筒以外のエンジンに限定されない。エンジン１１はガソリンエンジンであってもよく、シリンダをＶ字状に配置したＶ型エンジンでもよく、水平対向エンジンでもよい。また、エンジンは、ターボチャージャやスーパーチャージャを備えた過給エンジンでなくてもよい。さらに、エンジンはＥＧＲシステムを搭載しないエンジンであってもよい。
・上記実施形態では、尿素水改質装置２６によってアンモニアを供給したが、他のアンモニア供給装置を用いてもよい。例えばアンモニアを安全に貯留可能であれば、アンモニア水を貯留したタンクを用いてもよい。
・上記実施形態では、説明の便宜上、オゾン供給量Ｇｏｚｎを算出する処理と、尿素水供給装置２５及び尿素水改質装置２６のいずれかを選択し供給量を算出する処理とを連続して行うようにしたが、それらの処理は並行して行うことができる。
１０…排気浄化システム、１１…エンジン、１５…排気通路、２０…制御部としてのＥＣＵ、２１…前段酸化触媒、２３…オゾン供給装置、２５…尿素水供給装置、２６…尿素水改質装置、２７…選択還元型触媒、Ｔ１…第１温度検出部としての第１温度センサ、Ｔ２…第２温度検出部としての第２温度センサ。
Claims (4)
- エンジンの排気通路に設けられた酸化触媒と、
前記排気通路のうち前記酸化触媒よりも下流に設けられ窒素酸化物を還元する選択還元型触媒と、
前記排気通路のうち前記酸化触媒よりも下流であって前記選択還元型触媒の上流にオゾンを供給するオゾン供給装置と、
尿素水を前記排気通路のうち前記選択還元型触媒の上流に供給する尿素水供給装置と、
尿素水をアンモニアガスに変換して前記選択還元型触媒の上流に供給する尿素水改質装置と、
前記排気通路のうち前記酸化触媒を通過する前又は通過中の排気の温度である第１排気温度を検出する第１温度検出部と、
前記オゾン供給装置と前記選択還元型触媒との間の排気温度である第２排気温度を検出する第２温度検出部と、
オゾン供給量を算出し、該オゾン供給量に基づき前記オゾン供給装置を駆動するとともに、前記第２排気温度が低温域のときに前記尿素水改質装置を選択し、前記第２排気温度が高温域のときに前記尿素水供給装置を選択して駆動する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記第２排気温度が前記選択還元型触媒の活性温度未満であるときに、オゾン供給量を一酸化窒素量と等量とし、前記尿素水改質装置を駆動して前記排気通路にアンモニアガスを供給し、
前記第２排気温度が前記選択還元型触媒の活性温度以上であって尿素水の加水分解温度よりも低く、且つ前記第１排気温度が前記酸化触媒の活性温度未満である場合には、前記オゾン供給量を一酸化窒素量から二酸化窒素量を減算した差分量と等量とし、前記尿素水改質装置を駆動し、
前記第２排気温度が尿素水の加水分解温度以上であって、且つ前記第１排気温度が前記酸化触媒の活性温度未満である場合には、前記オゾン供給量を一酸化窒素量から二酸化窒素量を減算した差分量と等量とし、前記尿素水供給装置を駆動する排気浄化システム。 - 前記制御部は、
前記第１排気温度が前記酸化触媒の活性温度以上であって、前記第２排気温度が前記選
択還元型触媒の活性温度以上尿素水の加水分解温度未満の場合には、オゾンを供給せず、一酸化窒素及び二酸化窒素の両方を含む窒素酸化物量と等量のアンモニアを供給し、
前記第１排気温度が前記酸化触媒の活性温度以上であって、前記第２排気温度が尿素水の加水分解温度以上の場合には、オゾンを供給せず、尿素水を供給するとともに、供給される尿素水に含有される尿素量を一酸化窒素及び二酸化窒素の両方を含む窒素酸化物量に対してモル比で１／２倍とする請求項１に記載の排気浄化システム。 - 前記制御部は、
前記第２排気温度が前記選択還元型触媒の活性温度以上であって尿素水の加水分解温度よりも低く、且つ前記第１温度検出部により検出された第１排気温度が前記酸化触媒の活性温度未満である場合には、一酸化窒素及び二酸化窒素の両方を含む窒素酸化物量と等量のアンモニアを供給し、
前記第２排気温度が尿素水の加水分解温度以上であって、且つ前記第１排気温度が前記酸化触媒の活性温度未満である場合には、一酸化窒素及び二酸化窒素の両方を含む窒素酸化物量と等量のアンモニアを生成するための尿素水を供給する請求項１又は２に記載の排気浄化システム。 - エンジンの排気に含まれる窒素酸化物を、酸化触媒及び該酸化触媒の下流に設けられ窒素酸化物を還元する選択還元型触媒を用いて浄化する排気浄化方法において、
排気通路のうち前記酸化触媒を通過する前又は通過中の排気の温度である第１排気温度と、前記排気通路のうち前記選択還元型触媒よりも上流の排気温度である第２排気温度とを検出し、
前記第２排気温度が前記選択還元型触媒の活性温度未満であるときに、前記排気通路のうち前記酸化触媒及び前記選択還元型触媒の間に一酸化窒素量と等量のオゾンを供給するとともに、アンモニアガスを供給し、
前記第２排気温度が前記選択還元型触媒の活性温度以上であって尿素水の加水分解温度よりも低く、且つ前記第１排気温度が前記酸化触媒の活性温度未満である場合には、前記排気通路のうち前記酸化触媒及び前記選択還元型触媒の間に一酸化窒素量から二酸化窒素量を減算した差分量と等量のオゾンを供給するとともに、アンモニアガスを供給し、
前記第２排気温度が尿素水の加水分解温度以上であって、且つ前記第１排気温度が前記酸化触媒の活性温度未満である場合には、前記排気通路のうち前記酸化触媒及び前記選択還元型触媒の間に一酸化窒素量から二酸化窒素量を減算した差分量と等量のオゾンを供給するとともに、尿素水を供給することを特徴とする排気浄化方法。
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