JP6772798B2

JP6772798B2 - 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

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Publication number: JP6772798B2
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Inventors: 鉄平大堀
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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（例えば、特許文献１参照）。

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）等のＮＯｘ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。

特開２００４−２７０５６５号公報

ところで、本発明者は、アンモニアスリップ触媒装置に排気ガスを通過させたときに、排気ガスに含まれるアンモニアがＮＯｘに化学変化するのは、アンモニアスリップ触媒装置の温度が高温で、かつ、アンモニアスリップ触媒装置の内部に酸素が存在する（酸素雰囲気下である）ときだけであることの知見を得た。

そこで、本発明者は、アンモニアを吸着しつつ、この吸着したアンモニアを排気ガスの熱で酸素雰囲気下で浄化処理するアンモニアスリップ触媒装置に加え、アンモニアを一時的に吸着するとともにこの一時的に吸着したアンモニアを後で無酸素雰囲気下で加熱して浄化処理するアンモニア吸着除去装置を排気通路に備える構成を考えた。

言い換えれば、アンモニアからＮＯｘへの化学変化の虞はあるが、アンモニアの吸着と浄化処理を同時に行うことができるアンモニアスリップ触媒装置と、アンモニアの吸着と浄化処理を同時に行うことはできないが、吸着したアンモニアをＮＯｘに変化させることなく浄化処理できるアンモニア吸着除去装置とを併用する構成を考えた。

そして、この２つの装置を併用することで、アンモニアスリップ触媒装置でのアンモニアからＮＯｘ等への化学変化を抑制しつつ、選択還元型触媒装置よりスリップしたアンモニアを窒素に浄化処理することができ、その結果、大気へ排出されるアンモニアの量を低減しつつ、大気へ排出されるＮＯｘの量を低減することができるとの考えに想到した。

本発明の目的は、大気へ排出されるアンモニアの量を低減しつつ、大気へ排出されるＮＯｘの量を低減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に、吸着したアンモニアを酸素雰囲気下で浄化処理するアンモニアスリップ触媒装置と、吸着したアンモニアを無酸素雰囲気下で加熱して浄化処理するアンモニア吸着除去装置と、排気ガスが前記アンモニアスリップ触媒装置または前記アンモニア吸着除去装置のいずれか一方を通過するように排気ガスの流路を切り替える流路切替装置を備えて構成される。

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に、吸着したアンモニアを酸素雰囲気下で浄化処理するアンモニアスリップ触媒装置と、吸着したアンモニアを無酸素雰囲気下で加熱して浄化処理するアンモニア吸着除去装置と、排気ガスが前記アンモニアスリップ触媒装置または前記アンモニア吸着除去装置のいずれか一方を通過するように排気ガスの流路を切り替える流路切替装置を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、前記アンモニア吸着除去装置のアンモニア吸着量が予め設定された設定吸着量閾値未満であるときは、前記流路切替装置を制御して、排気ガスの流れを前記アンモニアスリップ触媒装置から前記アンモニア吸着除去装置に切り替えるとともに、前記アンモニア吸着除去装置のアンモニア吸着量が前記設定吸着量閾値以上であるときは、前記流路切替装置を制御して、排気ガスの流れを前記アンモニア吸着除去装置から前記アンモニアスリップ触媒装置に切り替えて、前記アンモニア吸着除去装置への排気ガスの流入を停止するとともに、前記アンモニア吸着除去装置に吸着したアンモニアを無酸素雰囲気下で加熱して浄化処理することを特徴とする方法となる。

なお、上記の無酸素雰囲気下は酸素濃度が完全にゼロの場合だけでなく、酸素濃度がゼロの近傍の低酸素雰囲気下も含む。

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、選択還元型触媒装置より下流側の排気通路に、アンモニアからＮＯｘへの化学変化の虞はあるが、アンモニアの吸着と浄化処理を同時に行うことができるアンモニアスリップ触媒装置に加え、アンモニアの吸着と浄化処理を同時に行うことはできないが、吸着したアンモニアをＮＯｘに変化させることなく浄化処理できるアンモニア吸着除去装置を備えているので、アンモニアスリップ触媒装置でＮＯｘが生成される虞があるときでも、アンモニア吸着除去装置に排気ガスを通過させることでアンモニアスリップ触媒装置でのＮＯｘの生成を抑制することができる。その結果、大気へ排出されるアンモニアの量を低減しつつ、大気へ排出されるＮＯｘの量を低減することができる。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムの別の構成を示す図である。酸素雰囲気下における、アンモニアスリップ触媒装置の温度と、排気ガスに含まれる各ガス成分の濃度の関係を示す図である。アンモニア吸着除去装置の構成を示す図である。アンモニア吸着除去装置の別の構成を示す図である。本発明の内燃機関の排気ガス浄化方法の制御フローを示す図である。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を示す図である。

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、好ましくは選択還元型触媒装置１４の入口の排気通路１１に温度センサ（温度検出装置）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を備えるとともに、後述する第１分岐通路３１及び第２分岐通路３３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２６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、下流ＮＯｘ濃度センサ２５及びアンモニア濃度センサ２６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、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３０とアンモニア吸着除去装置３２を備えるとともに、排気ガスＧがアンモニアスリップ触媒装置３０またはアンモニア吸着除去装置３２のいずれか一方を通過するように排気ガスＧの流路を切り替える流路切替装置３４を備えて構成する。アンモニアスリップ触媒装置３０及びアンモニア吸着除去装置３２については後述する。

図１では、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、３３として、第１分岐通路３１にアンモニアスリップ触媒装置３０を、第２分岐通路３３にアンモニア吸着除去装置３２を備えるとともに、第１分岐通路３１と第２分岐通路３３の分岐点に、排気ガスＧの流れをアンモニアスリップ触媒装置３０とアンモニア吸着除去装置３２の間で切り替える三方弁（流路切替装置）３４を備えて構成する。このように構成した上で、尿素水供給制御装置４０により三方弁３４を切り替えることで、排気ガスＧがアンモニアスリップ触媒装置３０またはアンモニア吸着除去装置３２のいずれか一方を通過することとなる。

なお、図１に示す本発明の排気ガス浄化システム１のように、アンモニアスリップ触媒装置３０とアンモニア吸着除去装置３２を並列に配置する構成とする代りに、図２に示す本発明の排気ガス浄化システム１Ａのように、アンモニアスリップ触媒装置３０とアンモニア吸着除去装置３２を直列に配置する構成としてもよい。すなわち、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３０及びアンモニア吸着除去装置３３を備えるとともに、アンモニアスリップ触媒装置３０をバイパスする第１バイパス通路３５と、アンモニア吸着除去装置３２をバイパスする第２バイパス通路３６とを備えて、排気通路１１と第１バイパス通路３５の分岐点に第１三方弁３４ａを、排気通路１１と第２バイパス通路３６の分岐点に第２三方弁３４ｂを備えて構成してもよい。このように構成した上で、尿素水供給制御装置４０により第１三方弁３４ａ及び第２三方弁３４ｂを切り替えることで、排気ガスＧがアンモニアスリップ触媒装置３０またはアンモニア吸着除去装置３２のいずれか一方を通過することとなる。なお、以下の記載では、図１に示すアンモニアスリップ触媒装置３０とアンモニア吸着除去装置３２を並列に配置する構成を例として説明する。

アンモニアスリップ触媒装置３０について説明する。アンモニアスリップ触媒装置３０は、酸化触媒装置１１の構造と同じ構造で、白金（Ｐｔ）等の貴金属触媒を担持して構成される装置である。そして、この装置３０は、貴金属触媒の機能により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）したアンモニアを吸着しつつ、この吸着したアンモニアを酸素雰囲気下で無害な窒素（Ｎ₂）に化学変化させて浄化処理する装置である。ただし、このアンモニアスリップ触媒装置１５では、図３に示すように、触媒の高温時においては、アンモニアを窒素にだけ化学変化させるのではなく窒素酸化物（ＮＯｘ）や亜酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）等のＮＯｘに化学変化させる虞がある。

アンモニア吸着除去装置３２について説明する。アンモニア吸着除去装置３２は、吸着したアンモニアを低酸素雰囲気下（無酸素雰囲気下を含む）で加熱して浄化処理する装置で、図４に示すように、アンモニア吸着部３２Ａと、アンモニア分解部３２Ｂと、ヒーター（加熱部）３２Ｃとで構成される装置である。アンモニア吸着部３２Ａ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３２Ｂは、アンモニア吸着部３２Ａより脱離したアンモニアを無酸素雰囲気下（低酸素雰囲気下を含む）で窒素及び水素に分解する部材である。ヒーター３２Ｃは、アンモニア吸着部３２Ａ及びアンモニア分解部３２Ｂの両方を加熱する部材である。

アンモニア吸着部３２Ａは、より詳細には、低温ではアンモニアを吸着し、ヒーター３２Ｃ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３２Ｂは、より詳細には、無酸素雰囲気下（低酸素雰囲気下を含む）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３２Ａ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３２の内部構成は、図４に示すように、排気ガスＧの上流側より順に、ヒーター３２Ｃ、アンモニア吸着部３２Ａ及びアンモニア分解部３２Ｂの混合部を備える構成としてもよいし、図５に示すように、排気ガスＧの上流側より順に、ヒーター３２Ｃ、アンモニア吸着部３２Ａ、アンモニア分解部３２Ｂを備える構成としてもよい。また、図示しないが、ヒーター３２Ｃをアンモニア吸着除去装置３２の最上流側に備えるのではなく、アンモニア吸着部３２Ａ及びアンモニア分解部３２Ｂの外周にヒーター３２Ｃ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３２Ｃをアンモニア吸着部３２Ａ及びアンモニア分解部３２Ｂ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３２Ａ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とアンモニア吸着除去装置３２の間の排気通路１１または第２分岐通路３３に、アンモニア吸着除去装置３２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とアンモニア吸着除去装置３２の間の排気通路１１または第２分岐通路３３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を構成する排気管や第２分岐通路３３を構成する分岐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または分岐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。

そして、本発明の排気ガス浄化システム１では、尿素水供給制御装置４０が、アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａが予め設定された設定吸着量閾値Ａ１未満であるときは、三方弁３４を制御して、排気ガスＧの流れをアンモニアスリップ触媒装置３０からアンモニア吸着除去装置３２に切り替えて、アンモニア吸着除去装置３２に排気ガスＧｂに含まれるアンモニアを吸着させる制御を行うように構成する。

一方、アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａが設定吸着量閾値Ａ１以上であるときは、尿素水供給制御装置４０が、三方弁３４を制御して、排気ガスＧの流れをアンモニア吸着除去装置３２からアンモニアスリップ触媒装置３０に切り替えて、アンモニアスリップ触媒装置３０に排気ガスＧａに含まれるアンモニアを吸着しつつ浄化処理するとともに、アンモニア吸着除去装置３２への排気ガスＧｂの流入を停止する制御を行うように構成する。そして、尿素水供給制御装置４０が、ヒーター３２Ｃによりアンモニア吸着部３２Ａ及びアンモニア分解部３２Ｂを加熱して、アンモニア吸着部３２Ａ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アンモニア分解部３２Ｂに移動させて、アンモニア分解部３２Ｂで無酸素雰囲気下で窒素及び酸素に分解することで、アンモニア吸着部３２Ａを再生する制御（アンモニア吸着除去装置３２の加熱再生制御）を行うように構成する。

ここで、このとき、アンモニア分解部３２Ｂが無酸素雰囲気下となる理由を説明する。アンモニア吸着除去装置３２への排気ガスＧの流入を停止すると、排気ガスＧに含まれる酸素がアンモニア吸着除去装置３２に流入されることなく、また、アンモニア吸着除去装置３２の内部に在留する酸素もアンモニア吸着部３２Ａに吸着したアンモニアのごく一部により消費し尽くす。その結果、アンモニア吸着除去装置３２の内部は無酸素雰囲気下（低酸素雰囲気下を含む）に移行していくこととなる。

なお、アンモニア吸着除去装置３２の加熱再生制御時の化学反応式は、「２ＮＨ₃→Ｎ₂＋３Ｈ₂」が主となり、その他の化学反応は殆ど発生しない。すなわち、アンモニア吸着除去装置３２は、アンモニア分解部３２Ｂを無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）等のＮＯｘに化学変化させることなく、窒素（Ｎ₂）及び水素（Ｈ₂）のみに化学変化させる装置である。

また、ヒーター３２Ｃによるアンモニア分解部３２Ｂの加熱は、三方弁３４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アンモニア吸着除去装置３２の内部に無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３２Ａの加熱開始時点と同時期に開始することで、アンモニア吸着除去装置３２の内部が無酸素雰囲気に移行したときに、アンモニア分解部３２Ｂ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。

また、図４、図５では、アンモニア吸着部３２Ａ及びアンモニア分解部３２Ｂの加熱をヒーター３２Ｃ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とアンモニア吸着除去装置３２の間の排気通路１１または第２分岐通路３３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３２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。

ここで、アンモニア吸着部３２Ａ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。ここでは、この算出方法として２つの方法について説明する。１つ目の方法は、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に基づいてアンモニア吸着部３２Ａへのアンモニアの吸着量Ａを推定算出する方法である。２つ目の方法は、排気ガスＧの全量がアンモニア吸着除去装置３２を通過しているときにおけるアンモニア濃度センサ２６の検出値と、アンモニア吸着除去装置３２の温度に基づいて、アンモニア吸着部３２Ａへのアンモニアの吸着量Ａを推定算出する方法である。これら２つの方法のいずれかを用いることで、アンモニア吸着部３２Ａ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。

以上のように、アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａに応じた流路切替装置３４の制御を行うことで、排気ガスＧがアンモニアスリップ触媒装置３０を通過するのは、アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａが多く、アンモニア吸着除去装置３２の加熱再生が必要なときに限られるので、アンモニアスリップ触媒装置３０での窒素酸化物や亜酸化窒素等のＮＯｘの生成量を低減することができる。その結果、大気へ排出されるアンモニアの量を低減しつつ、大気へ排出されるＮＯｘの量を低減することができる。

なお、図示しないが、アンモニアスリップ触媒装置３０を備えずにアンモニア吸着除去装置３２のみを備えて、アンモニア吸着除去装置３２に排気ガスＧを通過させるか否かで排気ガスＧの流れを切り替える構成も考えられる。しかし、この構成の場合は、図１及び図２に示す構成と比較して、アンモニア吸着除去装置３２の加熱再生中に排気ガスＧがアンモニアスリップ触媒装置３０を通過することがないので、アンモニアスリップ触媒装置３０でのＮＯｘ生成が発生することはない。一方、図１及び図２に示す本発明の構成では、排気ガスＧがアンモニアスリップ触媒装置３０またはアンモニア吸着除去装置３２の何れかを必ず通過することとなるので、大気へ排出されるアンモニアの量を低減することができる。

また、本発明の排気ガス浄化システム１では、尿素水供給制御装置４０が、アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａが設定吸着量閾値Ａ１未満であるときに、さらに、温度センサ２４の検出値に応じて次のような三方弁３４の制御を行ってもよい。すなわち、尿素水供給制御装置４０が、温度センサ２４の検出値Ｔが設定温度閾値Ｔ１以上であるときは、アンモニアスリップ触媒装置３０に排気ガスＧを流すとアンモニアスリップ触媒装置３０におけるＮＯｘ生成量が大きくなる懸念があるため、三方弁３４を制御して、アンモニア吸着除去装置３２に排気ガスＧの流路を切り替える。一方、尿素水供給制御装置４０が、温度センサ２４の検出値Ｔが設定温度閾値Ｔ１未満であるときは、アンモニアスリップ触媒装置３０に排気ガスＧを流してもアンモニアスリップ触媒装置３０におけるＮＯｘ生成量が少ないため、アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａの増加の抑制を考慮して、三方弁３４を制御して、アンモニアスリップ触媒装置３０に排気ガスＧの流路を切り替える。なお、設定温度閾値Ｔ１は、アンモニアスリップ触媒装置３０に担持する触媒の材質にもよるが、２００℃〜３００℃の温度範囲内の値に設定される。

ここで、本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム１における、アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａと選択還元型触媒装置１４に流入する排気ガスＧの温度（温度センサ２４の検出値）Ｔに応じた制御を、制御フローの形で示すと図６に示す制御フローのようになる。図６の制御フローは、エンジンの運転中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６の制御フローがスタートすると、ステップＳ１０にて、アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａが設定吸着量閾値Ａ１以上であるか否かを判定する。アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａが設定吸着量閾値Ａ１以上である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ２０に進み、ステップＳ２０にて、三方弁３４を制御して、排気ガスＧの流れをアンモニア吸着除去装置３２からアンモニアスリップ触媒装置３０に切り替えるとともに、アンモニア吸着除去装置３２への排気ガスＧｂの流入を停止して、アンモニア吸着除去装置３２の加熱再生制御を行う。

そして、ステップＳ２０の制御実施後、ステップＳ３０に進み、ステップＳ３０にて、アンモニア吸着除去装置３２の加熱再生制御が完了したか否かを判定する。この判定は、アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａが設定吸着量閾値Ａ１より低い値として予め設定された第２設定吸着量閾値Ａ２以下となったか否かにより行う。アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａが第２設定吸着量閾値Ａ２より大きい場合（ＮＯ）には、アンモニア吸着除去装置３２の加熱再生制御が未だ必要として、引き続き加熱再生制御を行った後、再度ステップＳ３０の判定を行う。アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａが第２設定吸着量閾値Ａ２以下の場合（ＹＥＳ）には、アンモニア吸着除去装置３２の加熱再生制御が不要であるとして、ステップＳ４０に進み、ステップＳ４０にて、アンモニア吸着除去装置３２の加熱再生制御を終了する。ステップＳ４０の制御実施後、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Ｓ１０にて、アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａが設定吸着量閾値Ａ１未満である場合（ＮＯ）には、ステップＳ５０に進み、ステップＳ５０にて、温度センサ２４の検出値Ｔが設定温度閾値Ｔ１以上であるか否かを判定する。温度センサ２４の検出値Ｔが設定温度閾値Ｔ１以上である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ６０に進み、ステップＳ６０にて、三方弁３４を制御して、排気ガスＧの流れをアンモニアスリップ触媒装置３０からアンモニア吸着除去装置３２に切り替える。ステップＳ６０の制御実施後、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Ｓ５０にて、温度センサ２４の検出値Ｔが設定温度閾値Ｔ１未満である場合（ＮＯ）には、ステップＳ７０に進み、ステップＳ７０にて、三方弁３４を制御して、排気ガスＧの流れをアンモニア吸着除去装置３２からアンモニアスリップ触媒装置３０に切り替える。ステップＳ７０の制御実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

この構成及び方法によれば、アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａに加え、選択還元型触媒装置１４を通過する排気ガスＧの温度Ｔに応じても、三方弁３４の制御を行うことで、次のような効果を奏することができる。すなわち、アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａが設定吸着量閾値Ａ１未満で少なく、アンモニア吸着除去装置３２でのアンモニアの吸着が可能なときでも、選択還元型触媒装置１４に流入する排気ガスＧの温度Ｔが設定温度閾値Ｔ１未満で低いときには、アンモニアスリップ触媒装置３０に排気ガスＧを通過させてもＮＯｘ生成量が少ないため、アンモニアスリップ触媒装置３０に排気ガスＧを通過させることで、アンモニア吸着除去装置３２の加熱再生制御の頻度を低減することができる。その結果、アンモニア吸着除去装置３２の使用不可期間を短くすることができるので、排気ガスＧの温度Ｔが設定温度閾値Ｔ１以上のときにおけるアンモニア吸着除去装置３２へのアンモニアの吸着頻度を増加させて、アンモニアスリップ触媒装置３０でのＮＯｘ生成量を低減することができる。

なお、図１及び図２では、流路切替装置として三方弁３４（図２の場合は第１三方弁３４ａ及び第２三方弁３４ｂ）を備えたが、流路切替機能だけでなく流路調整機能も備えた流量調整弁（流量調整装置）３４（図２の場合は第１流量調整弁３４ａ及び第２流量調整弁３４ｂ）を代わりに備えてもよい。この場合は、三方弁３４のようにアンモニアスリップ触媒装置３０またはアンモニア吸着除去装置３２のいずれか一方に排気ガスＧを流通させるのではなく、アンモニアスリップ触媒装置３０またはアンモニア吸着除去装置３２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３４のように、アンモニアスリップ触媒装置３０とアンモニア吸着除去装置３２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３４を備えると、大気へ流出するアンモニア量を即時に低減させる必要はないものの、アンモニア量がやや高く、かつ、アンモニア吸着除去装置３２にアンモニアが吸着可能であるときにも、排気ガスＧの一部をアンモニアスリップ触媒装置３０に流して、一部のアンモニアをアンモニア吸着除去装置３２に吸着させることで、大気へ流出するアンモニア量を低減させることができる。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム１では、この流量調整弁３４を用いることで、例えば、次のような制御を行うことが可能となる。すなわち、尿素水供給制御装置４０が、温度センサ２４の検出値Ｔが設定温度閾値Ｔ１の近傍（Ｔ１−α≦Ｔ１≦Ｔ１＋α、αは３０≦α≦５０の範囲に設定すると好ましい）にあるときは、流量調整弁３４を制御して、排気ガスＧがアンモニアスリップ触媒装置３０とアンモニア吸着除去装置３２の両方に流れるように制御する。また、尿素水供給制御装置４０が、温度センサ２４の検出値Ｔが設定温度閾値Ｔ１の近傍より小さい場合は、流量調整弁３４を制御して、排気ガスＧがアンモニアスリップ触媒装置３０のみに流れるように制御する。また、尿素水供給制御装置４０が、温度センサ２４の検出値Ｔが設定温度閾値Ｔ１の近傍より大きい場合は、流量調整弁３４を制御して、排気ガスＧがアンモニア吸着除去装置３２のみに流れるように制御する。

なお、温度センサ２４の検出値Ｔが設定温度閾値Ｔ１の近傍にあるときにおける、アンモニアスリップ触媒装置３０を流れる排気ガスＧａの量とアンモニア吸着除去装置３２を流れる排気ガスＧｂの量の比は、温度センサ２４の検出値Ｔと設定温度閾値Ｔ１の大小関係と、温度センサ２４の検出値Ｔと設定温度閾値Ｔ１の差に基づいて設定される。

ここで、本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム１における、アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａと選択還元型触媒装置１４に流入する排気ガスＧの温度（温度センサ２４の検出値）Ｔに応じた制御について、流量調整弁３４を用いた場合の制御を制御フローの形で示すと図７に示す制御フローのようになる。図７の制御フローは、エンジンの運転中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Ｓ１０にて、アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａが設定吸着量閾値Ａ１以上であるか否かを判定する。アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａが設定吸着量閾値Ａ１以上である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ２０に進み、ステップＳ２０にて、流量調整弁３４を制御して、排気ガスＧの流れをアンモニア吸着除去装置３２からアンモニアスリップ触媒装置３０に切り替えるとともに、アンモニア吸着除去装置３２への排気ガスＧｂの流入を停止して、アンモニア吸着除去装置３２の加熱再生制御を行う。

一方、ステップＳ１０にて、アンモニア吸着除去装置３２のアンモニア吸着量Ａが設定吸着量閾値Ａ１未満である場合（ＮＯ）には、ステップＳ５０に進み、ステップＳ５０にて、温度センサ２４の検出値Ｔが設定温度閾値Ｔ１の近傍にあるのか否かを判定する。温度センサ２４の検出値Ｔが設定温度閾値Ｔ１の近傍にある場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ６０に進み、ステップＳ６０にて、流量調整弁３４を制御して、排気ガスＧがアンモニアスリップ触媒装置３０及びアンモニア吸着除去装置３２の両方の装置に流れるようにする。ステップＳ６０の制御実施後、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Ｓ５０にて、温度センサ２４の検出値Ｔが設定温度閾値Ｔ１の近傍に無い場合（ＮＯ）には、ステップＳ７０に進み、ステップＳ７０にて、温度センサ２４の検出値Ｔが設定温度閾値Ｔ１以上であるか否かを判定する。温度センサ２４の検出値Ｔが設定温度閾値Ｔ１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、流量調整弁３４を制御して、排気ガスＧの流れをアンモニアスリップ触媒装置３０からアンモニア吸着除去装置３２に切り替える。ステップＳ８０の制御実施後、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Ｓ７０にて、温度センサ２４の検出値Ｔが設定温度閾値Ｔ１未満である場合（ＮＯ）には、ステップＳ９０に進み、ステップＳ９０にて、流量調整弁３４を制御して、排気ガスＧの流れをアンモニア吸着除去装置３２からアンモニアスリップ触媒装置３０に切り替える。ステップＳ９０の制御実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

この構成及び方法によれば、選択還元型触媒装置１４に流入する排気ガスＧの温度Ｔが設定温度閾値Ｔ１の近傍にある場合に、アンモニアスリップ触媒装置３０とアンモニア吸着除去装置３２の両方に排気ガスＧを流すことで、アンモニアスリップ触媒装置３０とアンモニア吸着除去装置３２の間の流路切替を滑らかに行うことができるので、大気へのアンモニアの排出量及び大気へのＮＯｘの排出量の急変動を抑制することができる。

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より下流側の排気通路１１に、アンモニアからＮＯｘへの化学変化の虞はあるが、アンモニアの吸着と浄化処理を同時に行うことができるアンモニアスリップ触媒装置３０に加え、アンモニアの吸着と浄化処理を同時に行うことはできないが、吸着したアンモニアをＮＯｘに変化させることなく浄化処理できるアンモニア吸着除去装置３２を備えたので、アンモニアスリップ触媒装置３０でＮＯｘが生成される虞があるときでも、アンモニア吸着除去装置３２に排気ガスＧを通過させることでアンモニアスリップ触媒装置３０でのＮＯｘの生成を抑制することができる。その結果、大気へ排出されるアンモニアの量を低減しつつ、大気へ排出されるＮＯｘの量を低減することができる。

また、本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム１のように、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３０とアンモニア吸着除去装置３２を備えるかわりに、アンモニア吸着除去装置３２を２つ備えて、排気ガスＧがこの２つのアンモニア吸着除去装置３２の内、いずれか一方を通過するように構成することも考えられる。この構成と比較して、本発明では、アンモニア吸着除去装置３２を一つ備えるのみであるので、イニシャルコストを低減することができるとともに、アンモニア吸着除去装置３２の加熱再生制御に必要なエネルギー量を低減させることができる。

なお、本発明の制御において、流路切替装置（または流量調整装置）３４を制御して、排気ガスＧの流れをアンモニアスリップ触媒装置３０とアンモニア吸着除去装置３２の間で切り替える場合で、既に切り替えたい側の装置に切り替わっているときには、流路切替装置（または流量調整装置）３４を新たに操作する必要はない。

１、１Ａ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）
２４温度センサ（温度検出装置）
３０アンモニアスリップ触媒装置
３１第１分岐通路
３２アンモニア吸着除去装置
３２Ａアンモニア吸着部
３２Ｂアンモニア分解部
３２Ｃヒーター（加熱部）
３３第２分岐通路
３４三方弁（流路切替装置）、流量調整弁（流量調整装置）
３４ａ第１三方弁、第１流量調整弁
３４ｂ第２三方弁、第２流量調整弁
３５第１バイパス通路
３６第２バイパス通路
４０尿素水供給制御装置（制御装置）
Ｇ排気ガス
Ｇａアンモニアスリップ触媒装置を通過する排気ガス
Ｇｂアンモニア吸着除去装置を通過する排気ガス
Ｔ温度センサの検出値
Ｔ１設定温度閾値
Ａアンモニア吸着部へのアンモニアの吸着量
Ａ１設定吸着量閾値
Ａ２第２設定吸着量閾値

Claims

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に、吸着したアンモニアを酸素雰囲気下で浄化処理するアンモニアスリップ触媒装置と、吸着したアンモニアを無酸素雰囲気下で加熱して浄化処理するアンモニア吸着除去装置と、排気ガスが前記アンモニアスリップ触媒装置または前記アンモニア吸着除去装置のいずれか一方を通過するように排気ガスの流路を切り替える流路切替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。
前記アンモニア吸着除去装置を、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無酸素雰囲気下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請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
前記排気ガス浄化システムを制御する制御装置が、
前記アンモニア吸着除去装置のアンモニア吸着量が予め設定された設定吸着量閾値未満であるときは、前記流路切替装置を制御して、排気ガスの流れを前記アンモニアスリップ触媒装置から前記アンモニア吸着除去装置に切り替えるとともに、
前記アンモニア吸着除去装置のアンモニア吸着量が前記設定吸着量閾値以上であるときは、前記流路切替装置を制御して、排気ガスの流れを前記アンモニア吸着除去装置から前記アンモニアスリップ触媒装置に切り替えて、前記アンモニア吸着除去装置への排気ガスの流入を停止するとともに、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無酸素雰囲気下で窒素及び水素に分解することで、前記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２に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
前記選択還元型触媒装置の入口の前記排気通路に温度検出装置を備えて、
前記制御装置が、
前記アンモニア吸着除去装置のアンモニア吸着量が前記設定吸着量閾値未満であるときで、
さらに、前記温度検出装置の検出値が予め設定された設定温度閾値以上であるときは、前記流路切替装置を制御して、排気ガスの流れを前記アンモニアスリップ触媒装置から前記アンモニア吸着除去装置に切り替えるとともに、
前記温度検出装置の検出値が前記設定温度閾値未満であるときは、前記流路切替装置を制御して、排気ガスの流れを前記アンモニア吸着除去装置から前記アンモニアスリップ触媒装置に切り替える制御を行うように構成される請求項３に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
前記流路切替装置を、排気ガスを分流して、この分流した排気ガスを前記アンモニアスリップ触媒装置及び前記アンモニア吸着除去装置の両方に流通できる流量調整装置として構成して、
前記制御装置が、
前記アンモニア吸着除去装置のアンモニア吸着量が前記設定吸着量閾値未満であるときで、
さらに、前記温度検出装置の検出値が前記設定温度閾値の近傍にあるときは、前記流量調整装置を制御して、排気ガスが前記アンモニアスリップ触媒装置と前記アンモニア吸着除去装置の両方に流れるように制御し、
前記温度検出装置の検出値が前記設定温度閾値の近傍より小さいときは、前記流量調整装置を制御して、排気ガスが前記アンモニアスリップ触媒装置のみに流れるように制御し、
前記温度検出装置の検出値が前記設定温度閾値の近傍より大きいときは、前記流量調整装置を制御して、排気ガスが前記アンモニア吸着除去装置のみに流れるように制御を行うように構成される請求項４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に、吸着したアンモニアを酸素雰囲気下で浄化処理するアンモニアスリップ触媒装置と、吸着したアンモニアを無酸素雰囲気下で加熱して浄化処理するアンモニア吸着除去装置と、排気ガスが前記アンモニアスリップ触媒装置または前記アンモニア吸着除去装置のいずれか一方を通過するように排気ガスの流路を切り替える流路切替装置を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、
前記アンモニア吸着除去装置のアンモニア吸着量が予め設定された設定吸着量閾値未満であるときは、前記流路切替装置を制御して、排気ガスの流れを前記アンモニアスリップ触媒装置から前記アンモニア吸着除去装置に切り替えるとともに、
前記アンモニア吸着除去装置のアンモニア吸着量が前記設定吸着量閾値以上であるときは、前記流路切替装置を制御して、排気ガスの流れを前記アンモニア吸着除去装置から前記アンモニアスリップ触媒装置に切り替えて、前記アンモニア吸着除去装置への排気ガスの流入を停止するとともに、前記アンモニア吸着除去装置に吸着したアンモニアを無酸素雰囲気下で加熱して浄化処理することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法。