JP6743499B2 - 内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法 - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法に関する。
ディーゼルエンジンの排気通路には、選択還元型触媒装置（ＳＣＲ）より下流側の排気通路に流出したアンモニアの大気への放出を防止するために、アンモニアスリップ触媒装置（ＡＳＣ）が備えられることがある。
このアンモニアスリップ触媒装置は、白金（Ｐｔ）等の貴金属触媒を担持して、この貴金属触媒の機能によりアンモニアを無害な窒素（Ｎ2）に化学変化させる装置である。しかしながら、触媒の温度によっては、アンモニアを窒素にだけではなく窒素酸化物（ＮＯｘ）や亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）に化学変化させる虞があり、排気ガス浄化システム全体としてのＮＯｘ浄化性能を低下させる虞があった。
また、このアンモニアスリップ触媒として、リッチバーン排ガスからのアンモニア排出を減少させるために、少なくとも１種の遷移金属を担持する小細孔モレキュラーシーブから成る第１触媒層と白金族金属を含む第２触媒層とを含む多層触媒が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、アンモニアスリップ触媒装置を備えずに、選択還元型触媒装置を通過後の排気ガスに含まれるアンモニアをＮＯｘ浄化性能を維持しながら浄化処理するシステムや、このシステムを用いた制御方法等については、未だ良案が提案されていない。
本発明の目的は、ＮＯｘ浄化性能を維持しながら、選択還元型触媒装置を通過後の排気ガスに含まれるアンモニアを浄化処理することができる内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法を提供することにある。
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路に選択還元型触媒装置を備えて構成される内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記選択還元型触媒装置より下流側の前記排気通路の一部を２つの分岐通路にして、この２つの分岐通路の各々にアンモニア吸着除去装置を備えて、排気ガスの流れをこの２つの分岐通路の間で切り替える流路切替装置を前記２つの分岐通路の分岐点に備えるとともに、前記２つの分岐通路の合流点より下流側の前記排気通路にアンモニア濃度検出装置を備えて、さらに、前記アンモニア吸着除去装置が、排気ガスに含まれるアンモニアを吸着するアンモニア吸着部と、該アンモニア吸着部より脱離したアンモニアを低酸素雰囲気化で窒素及び水素に分解するアンモニア分解部と、前記アンモニア吸着部及び前記アンモニア分解部を加熱する加熱部とで構成されて、前記排気ガス浄化システムを制御する制御装置が、前記流路切替装置を制御して、前記２つの分岐通路の各々に備えるアンモニア吸着除去装置の内、いずれか一方のアンモニア吸着除去装置を備える分岐通路に排気ガスを流すとともに、前記アンモニア濃度検出装置の検出値が予め設定された第１設定濃度閾値以上となったときに、前記流路切替装置を制御して、排気ガスの流れを、前記一方のアンモニア吸着除去装置を備える分岐通路から他方のアンモニア吸着除去装置を備える分岐通路に切り替える制御を行うように構成される。
また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の排気ガス浄化方法は、内燃機関の排気通路に選択還元型触媒装置を備え、該選択還元型触媒装置より下流側の前記排気通路の一部を２つの分岐通路にして、この２つの分岐通路の各々にアンモニア吸着除去装置を備えて、排気ガスの流れをこの２つの分岐通路の間で切り替える流路切替装置を前記２つの分岐通路の分岐点に備え、さらに、前記アンモニア吸着除去装置が、排気ガスに含まれるアンモニアを吸着するアンモニア吸着部と、該アンモニア吸着部より脱離したアンモニアを低酸素雰囲気化で窒素及び水素に分解するアンモニア分解部と、前記アンモニア吸着部及び前記アンモニア分解部を加熱する加熱部とで構成される内燃機関の排気ガス浄化方法において、前記流路切替装置を制御して、前記２つの分岐通路の各々に備えるアンモニア吸着除去装置の内、いずれか一方のアンモニア吸着除去装置を備える分岐通路に排気ガスを流すとともに、前記２つの分岐通路の合流点より下流側の前記排気通路を通過する排気ガスに含まれるアンモニアの濃度が予め設定された第１設定濃度閾値以上となったときに、前記流路切替装置を制御して、排気ガスの流れを、前記一方のアンモニア吸着除去装置を備える分岐通路から他方のアンモニア吸着除去装置を備える分岐通路に切り替える制御を行うことを特徴とする方法である。
本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法によれば、ＮＯｘ浄化性能を維持しながら、選択還元型触媒装置を通過後の排気ガスに含まれるアンモニアを浄化処理することができる。
以下、本発明に係る実施形態の内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法について、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、本発明の排気ガス浄化システム１は、エンジン（内燃機関）（図示しない）の排気通路（排気管）１１に、上流側（エンジン側）より順に、酸化触媒装置（ＤＯＣ）１２、微粒子捕集装置１３、選択還元型触媒装置（ＳＣＲ）１４を備えて構成されるシステムである。
酸化触媒装置１２は、ハニカム構造を形成する基材に、排気ガスＧの炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等を酸化する貴金属触媒（酸化触媒）が担持されて構成される。貴金属触媒としては、炭化水素を水と二酸化炭素に、一酸化炭素を二酸化炭素にそれぞれ酸化する白金（Ｐｔ）系の触媒が好ましい。
この貴金属触媒による炭化水素及び一酸化炭素の酸化反応は発熱反応であるので、この発熱により排気ガスＧは昇温する。これを利用して、微粒子捕集装置１３の強制ＰＭ再生制御時等、高温の排気ガスＧが必要となるときには、酸化触媒装置１２より上流側の排気通路１１を通過する排気ガスＧに含まれる炭化水素の量を一時的に増加させて、この増加分の炭化水素を酸化触媒装置１２で酸化させることで、排気ガスＧを高温化している。
なお、炭化水素の量を一時的に増加させる方法としては、例えば、エンジンの気筒（シリンダ）（図示しない）内で燃料のポスト噴射を行う方法や、酸化触媒装置１２より上流側の排気通路１１に燃料噴射装置（図示しない）を備えて、この燃料噴射装置から燃料を噴射する方法がある。
微粒子捕集装置１３は、排気ガスＧ中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するために、その内部にフィルタを備えて構成される。このフィルタは、多孔質のセラミックのハニカムのセル（チャンネル）の入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタで構成される。
排気ガスＧは、微粒子捕集装置１３の目封じされていないセルの入口より流入し、隣接する出口を目封じされていないセルとの境界に形成されたＰＭ捕集用の壁を通過した後、出口を目封じされていないセルの出口より流出する。排気ガスＧに含まれるＰＭはＰＭ捕集用の壁で捕集されるが、捕集量には限界がある。したがって、ＰＭ捕集量が限界値に到達する前に、微粒子捕集装置１３の内部に高温の排気ガスＧを通過させて、この排気ガスＧの熱により微粒子捕集装置１３の内部に捕集されたＰＭを燃焼除去する強制ＰＭ再生制御を定期的に行っている。
選択還元型触媒装置１４は、その上流側の排気通路１１に備えた尿素水供給装置２０より噴射される尿素水Ｕを排気ガスＧの熱により加水分解して生成されたアンモニア（ＮＨ3）を還元剤として、排気ガスＧに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ2）に浄化する装置である。
なお、排気ガスＧに含まれるＮＯｘの浄化に使用されないアンモニアは、選択還元型触媒装置１４の内部に吸蔵されるか、または、選択還元型触媒装置１４より下流側の排気通路１１に流出（スリップ）する。また、選択還元型触媒装置１４のアンモニア吸蔵容量（アンモニアを吸蔵可能な上限量）は、選択還元型触媒装置１４の温度が高くなるにつれて、少なくなる。
また、尿素水供給装置２０には、尿素水供給ポンプ２１により尿素水タンク２２に貯留した尿素水Ｕが供給される。排気通路１１への尿素水Ｕの供給量（噴射量）は、後述する尿素水供給制御装置（ＤＣＵ）４０により尿素水供給ポンプ２１の出力を調整制御することにより、制御される。なお、尿素水Ｕの供給量を、尿素水供給装置２０の弁開度を調整制御することにより、制御してもよい。
また、選択還元型触媒装置１４より上流側の尿素水供給装置２０と微粒子捕集装置１３の間の排気通路１１に上流ＮＯｘ濃度センサ２３を備えるとともに、尿素水供給装置２０と選択還元型触媒装置１４の間の排気通路１１に温度センサ２４を備える。また、選択還元型触媒装置１４より下流側の排気通路１１に下流ＮＯｘ濃度センサ２５を備える。
また、本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム１を制御する尿素水供給制御装置（ＤＣＵ、制御装置）４０が備えられる。この尿素水供給制御装置４０は、エンジンの運転状態を制御するエンジン制御装置（ＥＣＵ）４１より、エンジンへの吸気流量等、エンジンの運転状態に関わるデータを受信するとともに、上流ＮＯｘ濃度センサ２３、温度センサ２４及び下流ＮＯｘ濃度センサ２５の各検出値のデータを受信して、これらの受信したデータを基に、尿素水供給ポンプ２１の出力を調整制御して、尿素水供給装置２０からの尿素水Ｕの供給量を制御する装置である。
本発明の排気ガス浄化システム１は、図１に示すように、選択還元型触媒装置１４より下流側の排気通路１１にアンモニアスリップ触媒装置１５を備えることなく、この排気通路１１の一部を２つの分岐通路３１０、３１１にして、この２つの分岐通路３１の各々にアンモニア吸着除去装置３００、３０１を備えて、排気ガスＧの流れをこの２つの分岐通路３１の間で切り替える三方弁（流路切替装置）３２を２つの分岐通路３１の分岐点に備えるシステムである点で、図８に示す従来技術の内燃機関の排気ガス浄化システム１Ｘとは異なっている。また、２つの分岐通路３１の合流点より下流側の排気通路１１にアンモニア濃度センサ（アンモニア濃度検出装置）２６を備える。なお、以後の説明では、２つのアンモニア吸着除去装置３０のそれぞれを第１のアンモニア吸着除去装置３００、第２のアンモニア吸着除去装置３０１とするとともに、第１のアンモニア吸着除去装置３００を備える分岐通路を第１の分岐通路３１０、第２のアンモニア吸着除去装置３０１を備える分岐通路を第２の分岐通路３１１とする。
アンモニア吸着除去装置３０について説明する。アンモニア吸着除去装置３０は、図２に示すように、アンモニア吸着部３０Ａと、アンモニア分解部３０Ｂと、ヒーター（加熱部）３０Ｃとで構成される。アンモニア吸着部３０Ａは、排気ガスＧに含まれるアンモニアを吸着する部材である。アンモニア分解部３０Ｂは、アンモニア吸着部３０Ａより脱離したアンモニアを低酸素雰囲気化で窒素及び水素に分解する部材である。ヒーター３０Ｃは、アンモニア吸着部３０Ａ及びアンモニア分解部３０Ｂの両方を加熱する部材である。
アンモニア吸着部３０Ａは、より詳細には、低温ではアンモニアを吸着し、ヒーター３０Ｃによる加熱により高温化すると吸着したアンモニアを脱離する性質を有する材料で構成される部材である。この材料として、例えば、ゼオライト、ゼオライト様化合物、メソポーラスシリカ、活性炭、ＭＯＦ、ＰＣＰ、金属酸化物等のように、アンモニアを吸着及び脱離する性質に加えて、大きな比面積を有してアンモニアを吸着させ易い性質を有する材料を用いると好ましい。
また、アンモニア分解部３０Ｂは、より詳細には、低酸素雰囲気化（無酸素雰囲気化を含む）でアンモニアを窒素と水素に分解する活性を有する材料で構成される部材である。この材料として、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）を構成要素とする貴金属触媒、金属酸化物、遷移金属イオン交換ゼオライト等の材料が好ましい。また、アンモニア吸着部３０Ａを構成する材料が有する性質も兼ね備えた材料を用いても良い。
なお、アンモニア吸着除去装置３０の内部構成は、図２に示すように、排気ガスＧの上流側より順に、ヒーター３０Ｃ、アンモニア吸着部３０Ａ及びアンモニア分解部３０Ｂの混合部を備える構成としてもよいし、図３に示すように、排気ガスＧの上流側より順に、ヒーター３０Ｃ、アンモニア吸着部３０Ａ、アンモニア分解部３０Ｂを備える構成としてもよい。また、図示しないが、ヒーター３０Ｃをアンモニア吸着除去装置３０の最上流側に備えるのではなく、アンモニア吸着部３０Ａ及びアンモニア分解部３０Ｂの外周にヒーター３０Ｃを隣接して備える構成としてもよい。また、図示しないが、ヒーター３０Ｃをアンモニア吸着部３０Ａ及びアンモニア分解部３０Ｂの混合部に内蔵する形で備える構成としてもよい。
また、アンモニア吸着部３０Ａは低温時にアンモニアを吸着する能力が増加するため、選択還元型触媒装置１４と三方弁３２の間の排気通路１１に、アンモニア吸着除去装置３０に流入する排気ガスＧの温度を冷却する構成を加えると好ましい。この構成は、例えば、選択還元型触媒装置１４と三方弁３２の間の排気通路１１に冷却装置（図示しない）を備えて、この冷却装置により排気ガスＧを冷却する構成であったり、または、排気通路１１を構成する排気管を外気との接触面積が大きくなる形状として、大量の外気が排気管に接触することで排気ガスＧを冷却する構成であったりする。
また、図１に示す２つのアンモニア吸着除去装置３０の各々が備えるアンモニア吸着部３０Ａのアンモニアの吸着可能な容量は、同等に設定してもよいし、いずれか一方のアンモニア吸着部３０Ａのアンモニアの吸着可能な容量を大きく設定してもよい。
そして、本発明では、尿素水供給制御装置４０が、三方弁３２を制御して、２つの分岐通路３１の各々に備えるアンモニア吸着除去装置３０の内、いずれか一方のアンモニア吸着除去装置３００（３０１）を備える分岐通路３１０（３１１）に排気ガスＧａ（Ｇｂ）を流すとともに、アンモニア濃度センサ２６の検出値Ｄが第１設定濃度閾値Ｄ１以上となったときに、三方弁３２を制御して、排気ガスＧの流れを、一方のアンモニア吸着除去装置３００（３０１）を備える分岐通路３１０（３１１）から他方のアンモニア吸着除去装置３０１（３００）を備える分岐通路３１１（３１０）に切り替える制御を行うように構成する。ここで、第１設定濃度閾値Ｄ１は、この閾値以上となると、一方のアンモニア吸着除去装置３００（３０１）のアンモニア吸着部３０Ａへのアンモニアの吸着量Ａが予め設定された第１設定吸着量閾値Ａ１以上で飽和状態となっていると判定できる閾値として、実験等により予め設定される閾値である。
すなわち、本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム１では、アンモニア濃度センサ２６の検出値Ｄが第１設定濃度閾値Ｄ１以上となる度に、排気ガスＧに含まれるアンモニアの吸着対象を、直前までアンモニアを吸着していた一方のアンモニア吸着除去装置３００（３０１）より、直前までアンモニアを吸着していなかった他方のアンモニア吸着除去装置３０１（３００）に切り替える。したがって、排気ガスＧに含まれるアンモニアを２つのアンモニア吸着除去装置３０により切れ目なく除去することが可能となる。
また、直前までアンモニアを吸着していた一方のアンモニア吸着除去装置３００（３０１）は飽和状態にあるため、次の三方弁３２による流路切替時までに、このアンモニア吸着除去装置３００（３０１）のアンモニア吸着部３０Ａに吸着したアンモニアを除去して再生する必要がある。
アンモニア吸着除去装置３０の再生方法について説明する。まず、アンモニア濃度センサ２６の検出値Ｄが第１設定濃度閾値Ｄ１以上で、三方弁３２による流路切替が完了した後に、直前までアンモニアを吸着していた一方のアンモニア吸着除去装置３００（３０１）にて、ヒーター３０Ｃによりアンモニア吸着部３０Ａを加熱して、アンモニア吸着部３０Ａを高温化させることで、アンモニア吸着部３０Ａに吸着したアンモニアを脱離させて、この脱離したアンモニアをアンモニア分解部３０Ｂに移動させる。
ここで、一方のアンモニア吸着除去装置３００（３０１）への排気ガスＧａ（Ｇｂ）の流入を停止しているため、排気ガスＧａ（Ｇｂ）に含まれる酸素がアンモニア吸着除去装置３００（３０１）に流入されることなく、また、一方のアンモニア吸着除去装置３００（３０１）の内部に在留する酸素もアンモニア吸着部３０Ａに吸着したアンモニアのごく一部により消費し尽くすため、一方のアンモニア吸着除去装置３００（３０１）の内部は低酸素雰囲気に移行していく。この低酸素雰囲気下で、ヒーター３０Ｃによりアンモニア分解部３０Ｂを高温化して、この高温化したアンモニア分解部３０Ｂに担持された触媒等にアンモニアを接触させることで、アンモニアを窒素及び水素に分解除去して、アンモニア吸着部３０Ａを加熱再生する（アンモニア吸着除去装置３０の加熱再生制御）。このときの化学反応式は、２ＮＨ3→Ｎ2＋３Ｈ2が主となり、その他の化学反応は殆ど発生しない。また、ヒーター３０Ｃによるアンモニア分解部３０Ｂの加熱は、三方弁３２による流路切替時点より実験等により予め設定された設定時間が経過して一方のアンモニア吸着除去装置３００（３０１）の内部に低酸素雰囲気が形成されたときから開始してもよいが、アンモニア吸着部３０Ａの加熱開始時点と同時期に開始することで、一方のアンモニア吸着除去装置３００（３０１）の内部が低酸素雰囲気に移行したときに、アンモニア分解部３０Ｂが高温化しており、アンモニアの窒素及び水素への分解除去反応を速やかに行うことができるので好ましい。
なお、酸素雰囲気下で、高温のアンモニア分解部３０Ｂにアンモニアを接触させると、４ＮＨ3＋３Ｏ2→２Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ、４ＮＨ3＋５Ｏ2→４ＮＯ＋６Ｈ2Ｏ、２ＮＨ3＋２Ｏ2→Ｎ2Ｏ＋３Ｈ2Ｏ、２ＮＯ＋Ｏ2→２ＮＯ2等の化学反応が起き、アンモニアから窒素だけでなく、窒素酸化物（ＮＯｘ）や亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）が発生する虞がある。この発生反応は、図９に示すように、アンモニアスリップ触媒装置１５が高温になるにつれて、アンモニアスリップ触媒装置１５を通過後の排気ガスＧに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）または亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）の割合が多くなっていくのと同様である。
すなわち、アンモニア吸着除去装置３０は、アンモニア分解部３０Ｂを低酸素雰囲気下かつ高温にすることで、アンモニア（ＮＨ3）を窒素酸化物（ＮＯｘ）や亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）への化学変化を抑制し、窒素（Ｎ2）及び水素（Ｈ2）のみへの化学変化を主とする装置である。
したがって、上記の制御により、選択還元型触媒装置１４を通過後の排気ガスＧに含まれるアンモニアをＮＯｘ浄化性能を維持しながら浄化処理することができる。
また、他方のアンモニア吸着除去装置３０１（３００）により排気ガスＧに含まれるアンモニアを吸着しているときに、一方のアンモニア吸着除去装置３００（３０１）の加熱再生を行うので、再度アンモニア濃度センサ２６の検出値Ｄが第１設定濃度閾値Ｄ１以上となり、三方弁３２の制御により、排気ガスＧの流れが一方のアンモニア吸着除去装置３００（３０１）に切り替わったときにも、一方のアンモニア吸着除去装置３００（３０１）によりアンモニアを確実に除去して、大気へのアンモニアスリップを抑制することができる。
なお、図２、図３では、アンモニア吸着部３０Ａ及びアンモニア分解部３０Ｂの加熱をヒーター３０Ｃにより行っているが、この加熱方法に限定されない。例えば、高温の排気ガスＧの廃熱を利用した加熱方法を用いたり、または、選択還元型触媒装置１４と三方弁３２の間の排気通路１１に上流側より順に燃料供給装置及び酸化触媒装置（図示しない）を備えて、燃料供給装置より供給した燃料を下流側の酸化触媒装置で酸化発熱させたりすることで、アンモニア吸着除去装置３０を加熱するための熱量を発生させる方法を用いてもよい。
アンモニア吸着部３０Ａへのアンモニアの吸着量Ａの算出方法について説明する。アンモニアの吸着量Ａの算出は、例えば、以下の方法で行われる。すなわち、尿素水供給制御装置４０により、エンジンの運転状態と、上流ＮＯｘ濃度センサ２３の検出値と、選択還元型触媒装置１４へのアンモニアの吸着量と、温度センサ２４の検出値とに基づいて、選択還元型触媒装置１４より下流側の排気通路１１に流出するアンモニア量を推定し、この推定したアンモニア量の時間積分値と三方弁３２による流路切替情報に基づいて２つのアンモニア吸着除去装置３２のそれぞれのアンモニア吸着部３０Ａへのアンモニアの吸着量Ａを推定算出する方法である。
この算出方法を用いることで、アンモニア吸着部３０Ａへのアンモニアの吸着量Ａを高精度で算出することができる。
なお、図１では流路切替装置として三方弁３２を備えたが、流路切替機能だけでなく流量調整機能も備えた流量調整弁（流量調整装置）３２を代わりに備えてもよい。この場合は、三方弁３２のように２つの分岐通路３１のいずれか一方に排気ガスＧを流通させるのではなく、２つの分岐通路３１のいずれか一方または両方に排気ガスＧを流通させることができる。
三方弁３２のように、２つの分岐通路３１の間の排気ガスＧの流れを即時に切り替える構成であると、流路切替装置の制御が簡単となる。これに対して、流量調整弁３２を備えると、２つの分岐通路３１の間で排気ガスＧの流れを切り替えるときに、各分岐通路３１を通過する排気ガスＧの流量を徐々にまたは段階的に変化させながら切り替えることができるので、アンモニア濃度センサ２６の検出値Ｄの急激な変動を確実に抑制することができ、この検出値Ｄに基づく流路切替精度を向上させることができる。
排気ガスＧを最初に流すアンモニア吸着除去装置３０の設定方法について図４の制御フローを参照しながら説明する。この制御フローは、エンジンの始動時に上級の制御フローより呼ばれてスタートする制御フローである。
図４の制御フローがスタートすると、ステップＳ１０にて、２つのアンモニア吸着除去装置３００、３０１のそれぞれのアンモニア吸着量Ａ、Ｂを算出する。この場合のアンモニア吸着量Ａ、Ｂについては、直前のエンジン停止前に算出して尿素水供給制御装置４０に記憶しておいた値を用いる。この算出方法は上述した方法と同様であるので、ここでは説明を省略する。ステップＳ１０の制御を実施後、ステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０にて、ステップＳ１０で算出したアンモニア吸着量Ａ、Ｂの内、いずれの吸着量がより大きな値であるかを判定する。第１のアンモニア吸着除去装置３００のアンモニア吸着量Ａの方が大きい場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ３０に進み、ステップＳ３０にて、流路切替装置３２を制御して、第１のアンモニア吸着除去装置３００を備える第１の分岐通路３１０に排気ガスＧが流れるようにする。ステップＳ３０の制御を実施後、ステップＳ５０に進む。
一方、ステップＳ２０にて、第２のアンモニア吸着除去装置３０１のアンモニア吸着量Ｂの方が大きい場合（ＮＯ）には、ステップＳ４０に進み、ステップＳ４０にて、流路切替装置３２を制御して、第２のアンモニア吸着除去装置３０１を備える第２の分岐通路３１１に排気ガスＧが流れるようにする。ステップＳ４０の制御を実施後、ステップＳ５０に進む。
ステップＳ５０にて、ステップＳ３０またはステップＳ４０で流路切替した際の流路切替装置３２の状態を尿素水供給制御装置４０に記憶させる。ステップＳ５０の制御を実施後、後述する図５の制御フローのステップＳ６０または図７の制御フローのステップＳ１３０に進む。以上の制御フローにしたがって、排気ガスＧを最初に流すアンモニア吸着除去装置３０が設定される。
本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム１を用いた、本発明の内燃機関の排気ガス浄化方法の制御フローについて、図５を参照しながら説明する。図５の制御フローは、エンジンの始動後で図４の制御フローのステップＳ５０の制御が終了した後に、実験等により予め設定した制御時間毎に、上級の制御フローより呼ばれてスタートする制御フローである。
図５の制御フローがスタートすると、ステップＳ６０にて、図４のステップＳ５０または後述する図５のステップＳ１２０で尿素水供給制御装置４０に記憶させた流路切替装置３２の流路切替状態を呼び出しておく。エンジンの始動時で最初にステップＳ６０の制御を行うときには、図４のステップＳ５０の流路切替状態を呼び出し、２回目以降にステップＳ６０の制御を行うときには、図５のステップＳ１２０の流路切替状態を呼び出す。また、２つの分岐通路３１の合流点より下流側の排気通路１１を通過する排気ガスＧに含まれるアンモニアの濃度Ｄをアンモニア濃度センサ２６等により検出するとともに、ステップＳ６０の時点でアンモニアを吸着しているアンモニア吸着除去装置（吸着装置）３０のアンモニア吸着部３０Ａへのアンモニアの吸着量Ａ（Ｂ）を算出する。図５では、第１のアンモニア吸着除去装置３００を吸着装置（アンモニアを吸着している装置）としている。ステップＳ６０の制御を実施後、ステップＳ７０に進む。なお、アンモニアの吸着量Ａ（Ｂ）の算出方法については上述したので、ここでは説明を省略する。
ステップＳ７０にて、アンモニアの濃度Ｄが第１設定濃度閾値Ｄ１以上であるか否かを判定する。アンモニアの濃度Ｄが第１設定濃度閾値Ｄ１未満である場合（ＮＯ）には、ステップＳ１２０に進み、ステップＳ１２０にて、ステップＳ１２０時点での流路切替装置３２の流路切替状態を尿素水供給制御装置４０に記憶させる。この場合は、ステップＳ６０の時点での流路切替装置３２の流路切替状態と同じとなる。ステップＳ１２０の制御を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。
一方、ステップＳ７０にて、アンモニアの濃度Ｄが第１設定濃度閾値Ｄ１以上である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ８０に進み、ステップＳ８０にて、流路切替装置３２を制御して、排気ガスＧの流れを吸着装置（図５では第１のアンモニア吸着装置３００）を備える分岐通路（図５では第１の分岐通路３１０）からアンモニアを吸着していなかった未吸着装置（図５では第２のアンモニア吸着装置３０１）を備える分岐通路（図５では第２の分岐通路３１１）に切り替える。ステップＳ８０の制御を実施後、ステップＳ９０に進む。
ステップＳ９０にて、吸着装置（第１のアンモニア吸着装置３００）の加熱再生制御を行う。ステップＳ９０の制御を実施後、ステップＳ１００に進む。
ステップＳ１００にて、吸着装置（第１のアンモニア吸着装置３００）のアンモニア吸着部３０Ａへのアンモニアの吸着量Ａが第１設定吸着量閾値Ａ１より小さい値として設定された第２設定吸着量閾値Ａ２以下となったか否かを判定する。アンモニアの吸着量Ａが第２設定吸着量閾値Ａ２より大きい場合（ＮＯ）には、予め設定した待機時間を経過後、再度ステップＳ１００の判定を行う。
一方、ステップＳ１００にて、アンモニアの吸着量Ａが第２設定吸着量閾値Ａ２以下となった場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１１０に進み、ステップＳ１１０にて、吸着装置（第１のアンモニア吸着装置３００）の加熱再生を終了する。ステップＳ１１０の制御を実施後、ステップＳ１２０に進み、ステップＳ１２０にて、ステップＳ１２０時点での流路切替装置３２の流路切替状態を尿素水供給制御装置４０に記憶させる。この場合は、ステップＳ８０にて流路切替を実施した後の流路切替装置３２の流路切替状態と同じとなる。ステップＳ１２０の制御を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。
次に、本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム１の別の構成を図６を参照しながら説明する。図６に示す本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムは、図１に示す本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムの構成に、さらに、選択還元型触媒装置１４と流路切替装置３２の間の排気通路１１より分岐して、２つの分岐通路３０の合流点より下流側の排気通路１１に合流する第３の分岐通路３３を備えて、排気ガスＧの流れを２つの分岐通路３０と第３の分岐通路３３の間で切り替える第２の三方弁（第２の流路切替装置）３４を排気通路１１から第３の分岐通路３３への分岐点に備えて構成されるシステムである。
そして、このシステムを基に、尿素水供給制御装置４０が、アンモニア濃度センサ２６の検出値Ｄが第１設定濃度閾値Ｄ１より低い値として設定された第２設定濃度閾値Ｄ２未満となったときに、第２の三方弁３４を制御して、排気ガスＧの流れを２つのアンモニア吸着除去装置３００、３０１を備える分岐通路３１０、３１１から第３の分岐通路３３に切り替える制御を行うように構成する。
図１に示す本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムでは、アンモニアの濃度Ｄが第１設定濃度閾値Ｄ１未満である場合は、三方弁３２による流路切替を行わずに、直前までアンモニアを吸着していた吸着装置３０に引き続きアンモニアを吸着させる。これに対し、図６に示す本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムでは、アンモニアの濃度Ｄが第１設定濃度閾値Ｄ１未満であっても、さらに、第２設定濃度閾値Ｄ２未満である場合には、三方弁３２による流路切替は行わないものの、第２の三方弁３４を制御して、２つのアンモニア吸着除去装置３０を備える分岐通路３１からアンモニア吸着除去装置３０を備えない第３の分岐通路３３に切り替える制御を行う。
このようにすることで、図１に示す本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムが奏する作用効果に加え、さらに、アンモニアの濃度Ｄが第２設定濃度閾値Ｄ２未満であり、アンモニアスリップ量が極めて少ないときには、２つのアンモニア吸着除去装置３０に排気ガスＧを通過させずにアンモニアを吸着させないので、２つのアンモニア吸着除去装置３０の加熱再生の頻度を少なくすることができる。
図６に示す本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム１を用いた、本発明の内燃機関の排気ガス浄化方法の別の制御フローについて、図７を参照しながら説明する。図７の制御フローは、エンジンの始動後で図４の制御フローのステップＳ５０の制御が終了した後に、実験等により予め設定した制御時間毎に、上級の制御フローより呼ばれてスタートする制御フローである。
図７の制御フローがスタートすると、ステップＳ１３０にて、図４のステップＳ５０または後述する図７のステップＳ２２０で尿素水供給制御装置４０に記憶させた流路切替装置３２の流路切替状態を呼び出しておく。エンジンの始動時で最初にステップＳ１３０の制御を行うときには、図４のステップＳ５０の流路切替状態を呼び出し、２回目以降にステップＳ１３０の制御を行うときには、図７のステップＳ２２０の流路切替状態を呼び出す。
また、このとき、尿素水供給制御装置４０に記憶させた第２の流路切替装置３４の流路切替状態も呼び出しておく。エンジンの始動時で最初にステップＳ１３０の制御を行うときには、第２の流路切替装置３４の流路切替状態は、排気ガスＧが２つの分岐通路３１を通過する流路切替状態になっている。２回目以降にステップＳ１３０の制御を行うときには、図７のステップＳ２２０で尿素水供給制御装置４０に記憶させた第２の流路切替装置３４の流路切替状態となっている。
また、２つの分岐通路３１の合流点より下流側の排気通路１１を通過する排気ガスＧに含まれるアンモニアの濃度Ｄをアンモニア濃度センサ２６等により検出するとともに、ステップＳ１３０の時点でアンモニアを吸着しているアンモニア吸着除去装置（吸着装置）３０のアンモニア吸着部３０Ａへのアンモニアの吸着量Ａ（Ｂ）を算出する。図７では、第１のアンモニア吸着除去装置３００を吸着装置（アンモニアを吸着している装置）としている。ステップＳ１３０の制御を実施後、ステップＳ１４０に進む。なお、アンモニアの吸着量Ａ（Ｂ）の算出方法については上述したので、ここでは説明を省略する。
ステップＳ１４０にて、アンモニアの濃度Ｄが第１設定濃度閾値Ｄ１以上であるか否かを判定する。アンモニアの濃度Ｄが第１設定濃度閾値Ｄ１以上である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１５０に進み、ステップＳ１５０にて、流路切替装置３２を制御して、排気ガスＧの流れを吸着装置（図７では第１のアンモニア吸着装置３００）を備える分岐通路（図７では第１の分岐通路３１０）からアンモニアを吸着していなかった未吸着装置（図７では第２のアンモニア吸着装置３０１）を備える分岐通路（図７では第２の分岐通路３１１）に切り替える。また、このとき、後述するステップＳ２１０で第２の流路切替装置３４により排気ガスＧの流れを第３の分岐通路３３に切り替えている場合には、第２の流路切替装置３４を制御して、排気ガスＧの流れを第３の分岐通路３３から２つのアンモニア吸着除去装置３０を備える分岐通路３１に切り替える。ステップＳ１５０の制御を実施後、ステップＳ１６０に進む。
ステップＳ１６０にて、吸着装置（第１のアンモニア吸着装置３００）の加熱再生制御を行う。ステップＳ１６０の制御を実施後、ステップＳ１７０に進む。
ステップＳ１７０にて、吸着装置（第１のアンモニア吸着装置３００）のアンモニア吸着部３０Ａへのアンモニアの吸着量Ａが第２設定吸着量閾値Ａ２以下となったか否かを判定する。アンモニアの吸着量Ａが第２設定吸着量閾値Ａ２より大きい場合（ＮＯ）には、予め設定した待機時間を経過後、再度ステップＳ１７０の判定を行う。
一方、ステップＳ１７０にて、アンモニアの吸着量Ａが第２設定吸着量閾値Ａ２以下となった場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１８０に進み、ステップＳ１８０にて、吸着装置（第１のアンモニア吸着装置３００）の加熱再生を終了する。ステップＳ１８０の制御を実施後、ステップＳ２２０に進み、ステップＳ２２０にて、ステップＳ２２０時点での流路切替装置３２及び第２の流路切替装置３４の流路切替状態を尿素水供給制御装置４０に記憶させる。この場合は、流路切替装置３２の流路切替状態は、ステップＳ１５０にて流路切替を実施した後の流路切替状態と同じとなり、また、第２の流路切替装置３４の流路切替状態は、ステップＳ１５０にて流路切替を行ったか否かに応じて、ステップＳ１３０の時点での流路切替状態またはステップＳ１５０の時点での流路切替状態と同じとなっている。ステップＳ２２０の制御を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。
一方、ステップＳ１４０にて、アンモニアの濃度Ｄが第１設定濃度閾値Ｄ１未満である場合（ＮＯ）には、ステップＳ１９０に進み、ステップＳ１９０にて、アンモニアの濃度Ｄが第２設定濃度閾値Ｄ２以上であるか否かを判定する。アンモニアの濃度Ｄが第２設定濃度閾値Ｄ２以上である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ２００に進み、ステップＳ２００にて、ステップＳ２１０で第２の流路切替装置３４により排気ガスＧの流れを第３の分岐通路３３に切り替えている場合に限って、第２の流路切替装置３４を制御して、排気ガスＧの流れを第３の分岐通路３３から２つのアンモニア吸着除去装置３０を通過する分岐通路３１に切り替える。このとき、流路切替装置３２による流路切替は行わないので、排気ガスＧは前回アンモニアを吸着していた吸着装置を備える分岐通路を通過することになる。ステップＳ２００の制御を実施後、ステップＳ２２０に進む。
ステップＳ２２０にて、ステップＳ２２０時点での流路切替装置３２及び第２の流路切替装置３４の流路切替状態を尿素水供給制御装置４０に記憶させる。この場合は、流路切替装置３２の流路切替状態は、ステップＳ１３０の時点での流路切替状態と同じとなっており、また、第２流路切替装置３４の流路切替状態は、ステップＳ２００にて流路切替を行ったか否かに応じて、ステップＳ１３０の時点での流路切替状態またはステップＳ２００の時点での流路切替状態と同じとなっている。ステップＳ２２０の制御を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。
また、ステップＳ１９０にて、アンモニアの濃度Ｄが第２設定濃度閾値Ｄ２未満である場合（ＮＯ）には、ステップＳ２１０に進み、ステップＳ２１０にて、第２の流路切替装置３４を制御して、排気ガスＧの流れを２つのアンモニア吸着除去装置３０（３００、３０１）を備える分岐通路３１（３１０、３１１）から第３の分岐通路３３に切り替える制御を行う。ステップＳ２１０の制御を実施後、ステップＳ２２０に進み、ステップＳ２２０にて、ステップＳ２２０時点での流路切替装置３２及び第２の流路切替装置３４の流路切替状態を尿素水供給制御装置４０に記憶させる。この場合は、流路切替装置３２の流路切替状態は、ステップＳ１３０の時点での流路切替状態と同じとなり、また、第２の流路切替装置３４の流路切替状態は、ステップＳ２１０の時点での第２の流路切替装置３４の流路切替状態と同じとなる。ステップＳ２２０の制御を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。
以上より、本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム１を基にした、本発明の内燃機関の排気ガス浄化方法は、内燃機関の排気通路１１に選択還元型触媒装置１４を備え、この選択還元型触媒装置１４より下流側の排気通路１１の一部を２つの分岐通路３１にして、この２つの分岐通路３１の各々にアンモニア吸着除去装置３０を備えて、排気ガスＧの流れをこの２つの分岐通路３１の間で切り替える流路切替装置３２を２つの分岐通路３１の分岐点に備えて構成される内燃機関の排気ガス浄化方法において、流路切替装置３２を制御して、２つの分岐通路３１の各々に備えるアンモニア吸着除去装置３０の内、いずれか一方のアンモニア吸着除去装置３００（３０１）を備える分岐通路３１０（３１１）に排気ガスＧを流すとともに、２つの分岐通路３１の合流点より下流側の排気通路１１を通過する排気ガスＧに含まれるアンモニアの濃度Ｄが予め設定された第１設定濃度閾値Ｄ１以上となったときに、流路切替装置３２を制御して、排気ガスＧの流れを、一方のアンモニア吸着除去装置３００（３０１）を備える分岐通路３１０（３１１）から他方のアンモニア吸着除去装置３０１（３００）を備える分岐通路３１１（３１０）に切り替える制御を行うことを特徴とする方法となる。
本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム１及び内燃機関の排気ガス浄化方法によれば、選択還元型触媒装置１４を通過後の排気ガスＧに含まれるアンモニアをＮＯｘ浄化性能を維持しながら浄化処理することができる。
なお、本発明の制御において、流路切替装置３２または第２の流路切替装置３４を制御して、排気ガスＧの流れを各分岐通路３１０、３１１、３３の間で切り替える場合で、既に切り替えたい側の通路に切り替わっているときには、流路切替装置３２または第２の流路切替装置３４を新たに操作する必要はない。
１、１Ｘ 内燃機関の排気ガス浄化システム
１１ 排気通路
１４ 選択還元型触媒装置（ＳＣＲ）
２６ アンモニア濃度センサ（アンモニア濃度検出装置）
３０ アンモニア吸着除去装置
３００ 第１のアンモニア吸着除去装置
３０１ 第２のアンモニア吸着除去装置
３０Ａ アンモニア吸着部
３０Ｂ アンモニア分解部
３０Ｃ ヒーター（加熱部）
３１ 分岐通路
３１０ 第１の分岐通路
３１１ 第２の分岐通路
３２ 三方弁（流路切替装置）
３３ 第３の分岐通路
３４ 第２の三方弁（第２の流路切替装置）
４０ 尿素水供給制御装置（制御装置）
Ｇ 排気ガス
Ｇａ 第１の分岐通路を通過する排気ガス
Ｇｂ 第２の分岐通路を通過する排気ガス
Ｇｄ 第３の分岐通路を通過する排気ガス
Ｄ アンモニア濃度センサの検出値
Ｄ１ 第１設定濃度閾値
Ｄ２ 第２設定濃度閾値
１１ 排気通路
１４ 選択還元型触媒装置（ＳＣＲ）
２６ アンモニア濃度センサ（アンモニア濃度検出装置）
３０ アンモニア吸着除去装置
３００ 第１のアンモニア吸着除去装置
３０１ 第２のアンモニア吸着除去装置
３０Ａ アンモニア吸着部
３０Ｂ アンモニア分解部
３０Ｃ ヒーター（加熱部）
３１ 分岐通路
３１０ 第１の分岐通路
３１１ 第２の分岐通路
３２ 三方弁（流路切替装置）
３３ 第３の分岐通路
３４ 第２の三方弁（第２の流路切替装置）
４０ 尿素水供給制御装置（制御装置）
Ｇ 排気ガス
Ｇａ 第１の分岐通路を通過する排気ガス
Ｇｂ 第２の分岐通路を通過する排気ガス
Ｇｄ 第３の分岐通路を通過する排気ガス
Ｄ アンモニア濃度センサの検出値
Ｄ１ 第１設定濃度閾値
Ｄ２ 第２設定濃度閾値
Claims (4)
- 内燃機関の排気通路に選択還元型触媒装置を備えて構成される内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、
前記選択還元型触媒装置より下流側の前記排気通路の一部を２つの分岐通路にして、この２つの分岐通路の各々にアンモニア吸着除去装置を備えて、排気ガスの流れをこの２つの分岐通路の間で切り替える流路切替装置を前記２つの分岐通路の分岐点に備えるとともに、
前記２つの分岐通路の合流点より下流側の前記排気通路にアンモニア濃度検出装置を備えて、
さらに、前記アンモニア吸着除去装置が、排気ガスに含まれるアンモニアを吸着するアンモニア吸着部と、該アンモニア吸着部より脱離したアンモニアを低酸素雰囲気化で窒素及び水素に分解するアンモニア分解部と、前記アンモニア吸着部及び前記アンモニア分解部を加熱する加熱部とで構成されて、
前記排気ガス浄化システムを制御する制御装置が、
前記流路切替装置を制御して、前記２つの分岐通路の各々に備えるアンモニア吸着除去装置の内、いずれか一方のアンモニア吸着除去装置を備える分岐通路に排気ガスを流すとともに、
前記アンモニア濃度検出装置の検出値が予め設定された第１設定濃度閾値以上となったときに、前記流路切替装置を制御して、排気ガスの流れを、前記一方のアンモニア吸着除去装置を備える分岐通路から他方のアンモニア吸着除去装置を備える分岐通路に切り替える制御を行うように構成される内燃機関の排気ガス浄化システム。 - 前記制御装置が、
排気ガスの流れを、前記一方のアンモニア吸着除去装置から前記他方のアンモニア吸着除去装置に切り替えて、前記一方のアンモニア吸着除去装置への排気ガスの流入を停止した後に、
前記一方のアンモニア吸着除去装置にて、前記加熱部により前記アンモニア吸着部及び前記アンモニア分解部を加熱して、前記アンモニア吸着部に吸着したアンモニアを脱離させ、この脱離したアンモニアを前記アンモニア分解部で低酸素雰囲気化で窒素及び水素に分解することで、前記一方のアンモニア吸着除去装置のアンモニア吸着部を再生する制御を行うように構成される請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。 - さらに、前記選択還元型触媒装置と前記流路切替装置の間の前記排気通路より分岐して、前記２つの分岐通路の合流点より下流側の前記排気通路に合流する第３の分岐通路を備えて、排気ガスの流れを前記２つの分岐通路と前記第３の分岐通路の間で切り替える第２の流路切替装置を前記排気通路から前記第３の分岐通路への分岐点に備えるとともに、
前記制御装置が、
前記アンモニア濃度検出装置の検出値が前記第１設定濃度閾値より低い値として設定された第２設定濃度閾値未満となったときに、前記第２の流路切替装置を制御して、排気ガスの流れを、前記一方のアンモニア吸着除去装置または前記他方のアンモニア吸着除去装置を備える分岐通路から前記第３の分岐通路に切り替える制御を行うように構成される請求項１または２に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。 - 内燃機関の排気通路に選択還元型触媒装置を備え、該選択還元型触媒装置より下流側の前記排気通路の一部を２つの分岐通路にして、この２つの分岐通路の各々にアンモニア吸着除去装置を備えて、排気ガスの流れをこの２つの分岐通路の間で切り替える流路切替装置を前記２つの分岐通路の分岐点に備え、さらに、前記アンモニア吸着除去装置が、排気ガスに含まれるアンモニアを吸着するアンモニア吸着部と、該アンモニア吸着部より脱離したアンモニアを低酸素雰囲気化で窒素及び水素に分解するアンモニア分解部と、前記アンモニア吸着部及び前記アンモニア分解部を加熱する加熱部とで構成される内燃機関の排気ガス浄化方法において、
前記流路切替装置を制御して、前記２つの分岐通路の各々に備えるアンモニア吸着除去装置の内、いずれか一方のアンモニア吸着除去装置を備える分岐通路に排気ガスを流すとともに、
前記２つの分岐通路の合流点より下流側の前記排気通路を通過する排気ガスに含まれるアンモニアの濃度が予め設定された第１設定濃度閾値以上となったときに、前記流路切替装置を制御して、排気ガスの流れを、前記一方のアンモニア吸着除去装置を備える分岐通路から他方のアンモニア吸着除去装置を備える分岐通路に切り替える制御を行う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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