JP7418143B2

JP7418143B2 - 水素燃料エンジンの排気浄化システム

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Publication number: JP7418143B2
Application number: JP2020077250A
Authority: JP
Inventors: 進武並; 翔一竹本; 良彦松井; 友基藤野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-04-24
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2024-01-19
Anticipated expiration: 2040-04-24
Also published as: JP2021173212A

Description

本発明は、水素燃料エンジンの排気浄化システムに関する。

水素を燃料として用いる水素燃料エンジンにおいては、炭化水素を燃料として用いるガソリンエンジンと同様の構造を有するエンジンが利用される。ただし、水素燃料エンジンにおいては、燃料に水素が用いられることにより、水素の燃焼後に生じる排気ガスは、ガソリンエンジンの場合と異なる。また、水素燃料エンジンから排気される排気ガスには、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）が含まれない一方、窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれる。

水素燃料エンジンに関するものではないが、特許文献１の内燃機関の制御装置においては、ＮＯｘを吸蔵する吸蔵還元型触媒と、アンモニアを吸蔵する選択還元型触媒とを排気管に配置して、排気管から大気へのＮＯｘ及びアンモニアの放出量を抑制する工夫がなされている。吸蔵還元型触媒は、内燃機関の空燃比を理論空燃比よりも燃料リーン側にしたときの排気ガスに含まれるＮＯｘを吸蔵し、内燃機関の空燃比を燃料リッチ側にしたときに、吸蔵したＮＯｘを放出して、このＮＯｘをアンモニアに還元する。一方、選択還元型触媒は、排気ガスに含まれるアンモニアを吸蔵するとともに、吸蔵したアンモニアによってＮＯｘを還元する。

特開２０１２－２３７２９６号公報

特許文献１の内燃機関の制御装置は、ディーゼルエンジンに用いられるものであり、水素燃料エンジンに用いられるものではない。ディーゼルエンジン等の炭化水素を燃料として用いる場合には、排気ガスに水素が含まれることはない。

一方、水素燃料エンジンにおいては、窒素酸化物の排出量を減らすためには、水素燃料エンジンの空燃比を理論空燃比（ストイキ）よりも燃料リッチ側にして、燃焼運転することが考えられる。ただし、この場合には、排気ガスに含まれる水素の量が増加することになる。よって、水素燃料エンジンにおいて、排気ガスに含まれる水素を利用して、窒素酸化物の大気への放出を効果的に抑制するためには、排気管に配置される触媒の用い方に工夫が必要である。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、排気ガスに含まれる水素を利用して、大気へのＮＯｘの放出量を効果的に抑制することができる水素燃料エンジンの排気浄化システムを提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、
水素を燃料として用いる水素燃料エンジン（２）の排気管（３）に構成され、
前記排気管内に配置され、窒素酸化物を還元する性質を有するとともに、前記水素燃料エンジンから前記排気管に排気される水素及び窒素酸化物を用いてアンモニアを生成する性質を有する第１触媒（３１）と、
前記排気管内における、前記第１触媒よりも排気ガス（Ｇ）の流れの下流側の位置に配置され、前記第１触媒から流れ込むアンモニアを吸着する性質を有するとともに、アンモニアを用いて窒素酸化物を還元する性質を有する第２触媒（３２）と、
前記水素燃料エンジンにおける、水素の質量に対する燃焼用空気の質量の比である空燃比を調整する空燃比制御部（５１）を有するエンジン制御装置（５）と、を備えており、
前記空燃比制御部は、
前記水素燃料エンジンにおける前記空燃比を、前記水素と前記燃焼用空気中の酸素とが過不足なく燃焼する理論空燃比又は前記理論空燃比よりも水素リッチ側の空燃比にして、前記第１触媒において窒素酸化物を還元するとともに前記排気管に排気される水素及び窒素酸化物を用いてアンモニアを生成し、かつ前記第２触媒においてアンモニアを吸着する水素リッチ制御と、
前記水素燃料エンジンにおける前記空燃比を、前記理論空燃比よりも水素リーン側の空燃比にして、前記第１触媒において窒素酸化物を還元するとともに窒素酸化物を通過させ、かつ前記第２触媒に吸着されたアンモニアによって窒素酸化物を還元する水素リーン制御と、を交互に繰り返し行うよう構成されている、水素燃料エンジンの排気浄化システム（１）にある。

前記一態様の水素燃料エンジンの排気浄化システムにおいては、水素燃料エンジンから排気される水素を利用して、窒素酸化物（以下、ＮＯｘという。）を効果的に浄化する工夫をしている。具体的には、水素燃料エンジンから排気ガスが排気される排気管に、ＮＯｘを還元する性質を有する第１触媒と、アンモニアを吸着する性質を有する第２触媒とを配置している。

そして、第１触媒においては、ＮＯｘが分解されて還元されるときに生じる窒素を、水素との反応に用いて、アンモニアを生成することができる。また、第２触媒においては、第１触媒から流れ込むアンモニアを吸着し、このアンモニアを、第１触媒から流れ込むＮＯｘを還元するために用いることができる。

そのため、水素燃料エンジンから排気管へ、水素が排気されるタイミングとＮＯｘが排気されるタイミングとを適切にコントロールすることにより、水素を利用して、大気へのＮＯｘの放出量を効果的に抑制することができる。

それ故、前記一態様の水素燃料エンジンの排気浄化システムによれば、排気ガスに含まれる水素を利用して、大気へのＮＯｘの放出量を効果的に抑制することができる。

図１は、実施形態１にかかる、排気浄化システムの構成を示す説明図である。図２は、実施形態１にかかる、水素燃料エンジンにおける空燃比が理論空燃比にあるときの、第１触媒の温度と、第１触媒から流出するアンモニアの量との関係を示すグラフである。図３は、実施形態１にかかる、排気浄化システムの制御方法を示すフローチャートである。図４は、実施形態１にかかる、（ａ）水素燃料エンジンにおける空燃比の変化、（ｂ）第１触媒におけるＮＯｘ浄化率の変化、（ｃ）第１触媒の、排気ガスの流れの下流側におけるＮＯｘ量の変化、（ｄ）第２触媒におけるアンモニア吸着量の変化、（ｅ）第２触媒の、排気ガスの流れの下流側におけるＮＯｘ量の変化を示すグラフである。図５は、実施形態１にかかる、第１触媒の温度が４００℃である場合について、水素燃料エンジンにおける空燃比と、第１触媒の、排気ガスの流れの下流側におけるアンモニア、ＮＯｘ及びＮ₂Ｏの各濃度との関係を示すグラフ。図６は、実施形態２にかかる、排気浄化システムの構成を示す説明図である。図７は、実施形態２にかかる、排気浄化システムの制御方法を示すフローチャートである。図８は、実施形態２にかかる、第１触媒の温度が５００℃である場合について、水素燃料エンジンにおける空燃比と、第１触媒の、排気ガスの流れの下流側におけるアンモニア、ＮＯｘ及びＮ₂Ｏの各濃度との関係を示すグラフ。図９は、実施形態２にかかる、第１触媒の温度が６００℃である場合について、水素燃料エンジンにおける空燃比と、第１触媒の、排気ガスの流れの下流側におけるアンモニア、ＮＯｘ及びＮ₂Ｏの各濃度との関係を示すグラフ。図１０は、実施形態３にかかる、排気浄化システムの制御方法のメインルーチンを示すフローチャートである。図１１は、実施形態３にかかる、排気浄化システムの制御方法の空燃比調整ルーチンを示すフローチャートである。

前述した水素燃料エンジンの排気浄化システムにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
本形態の水素燃料エンジン２の排気浄化システム１は、図１に示すように、水素を燃料として用いる水素燃料エンジン２の排気管３に構成されている。排気浄化システム１は、排気管３内に配置された第１触媒３１と、排気管３内における、第１触媒３１よりも排気ガスＧの流れの下流側の位置に配置された第２触媒３２とを備える。第１触媒３１は、窒素酸化物（以下、ＮＯｘという。）を還元する性質を有するとともに、水素燃料エンジン２から排気管３に排気される水素（Ｈ₂）及びＮＯｘを用いてアンモニア（ＮＨ₃）を生成する性質を有する。第２触媒３２は、第１触媒３１から流れ込むアンモニアを吸着する性質を有するとともに、アンモニアを用いてＮＯｘを還元する性質を有する。

以下に、本形態の水素燃料エンジン２の排気浄化システム１について詳説する。
（排気浄化システム１）
図１に示すように、排気浄化システム１は、水素燃料エンジン２から排気される排気ガスＧに含まれるＮＯｘの浄化を、２つの触媒３１，３２を用いた極めて簡単な構成によって行うものである。水素燃料エンジン２は、自動車に搭載されており、水素自動車を構成する。排気浄化システム１は、水素自動車の水素燃料エンジン２から排気される排気ガスＧを浄化する。

（水素燃料エンジン２）
本形態の水素燃料エンジン２は、レシプロエンジン等の内燃機関を構成する。レシプロエンジンは、水素を燃料として燃焼させたときの熱エネルギーをピストンの往復運動に変換するとともに、往復運動を回転運動に変換して力学的エネルギーを取り出すものである。水素燃料エンジン２の燃焼室には、水素と燃焼用空気との混合気が吸気管から吸気され、燃焼室において混合気が圧縮され、燃焼膨張した後に、燃焼後の排気ガスＧが排気管３に排気される。なお、燃焼室には、燃焼用空気が吸気され、水素は燃焼室において直接噴射されてもよい。

水素燃料エンジン２においては、燃料としての水素の質量Ｆに対する燃焼用空気の質量Ａの比を示す空燃比（Ａ／Ｆ）が制御される。水素燃料エンジン２における空燃比が、理論空燃比に比べて水素の比率が高い水素リッチ側の空燃比にあるときには、排気ガスＧ中には水素がより多く含まれる。水素燃料エンジン２における空燃比が、理論空燃比に比べて燃焼用空気の比率が高い水素リーン側の空燃比にあるときには、排気ガスＧ中にはＮＯｘがより多く含まれる。理論空燃比とは、燃料としての水素と燃焼用空気中の酸素とが過不足なく完全燃焼するときの空燃比のことをいう。

（第１触媒３１）
図１に示すように、本形態の第１触媒３１は、窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を浄化可能な三元触媒によって構成されている。三元触媒は、セラミックス等からなる、ハニカム構造等の多孔質の触媒担体に、プラチナ、パラジウム、ロジウム等の触媒が担持されたものである。三元触媒においては、ＮＯｘが窒素に還元され、炭化水素が水と二酸化炭素に酸化され、一酸化炭素が二酸化炭素に酸化される。

水素燃料エンジン２においては、水素を燃焼としているために、排気ガスＧ中に炭化水素及び一酸化炭素は含まれない。一方、排気ガスＧ中には、水素（及びＮＯｘ）が含まれる。第１触媒３１においては、排気ガスＧ中の水素及びＮＯｘが流入し、ＮＯｘが窒素に分解されるときに、水素と窒素との反応によりアンモニアが生成される。また、水素と酸素との反応により、水が生成される。

図２は、水素燃料エンジン２における空燃比が理論空燃比にあるときに、第１触媒３１において生成されるアンモニアの量、換言すれば、第１触媒３１の、排気ガスＧの流れの下流側に流出するアンモニアの量を示す。図２に示すように、第１触媒３１におけるアンモニアの生成量は、第１触媒３１の温度に依存し、第１触媒３１の温度が２００℃付近にあるときに最大となる。そして、第１触媒３１の温度が２００℃を超えて高くなるほど、第１触媒３１におけるアンモニアの生成量が少なくなる。

（第１温度検知部４１）
図１に示すように、エンジン制御装置５は、第１触媒３１の温度を推定又は測定する第１温度検知部４１を有する。第１温度検知部４１は、排気管３における、第１触媒３１の上流側の位置に配置された温度センサによって測定された温度から、第１触媒３１の温度を推定するよう構成されている。第１温度検知部４１によって第１触媒３１の温度を検知することにより、第１触媒３１において生成されたアンモニアの量を推定することができる。第１温度検知部４１は、第１触媒３１の温度を測定する構成としてもよい。なお、図１においては、分かりやすくするために、第１触媒３１に第１温度検知部４１が配置された状態を示す。

（第２触媒３２）
図１に示すように、本形態の第２触媒３２は、アンモニアによってＮＯｘを還元する選択還元触媒によって構成されている。選択還元触媒は、セラミックス、酸化チタン等の多孔質の触媒担体に、Ｃｕゼオライト、Ｆｅゼオライト等の触媒が担持されたものである。この触媒には、還元剤としてアンモニアが吸着される。選択還元触媒においては、アンモニアを還元剤としてＮＯｘが窒素と水に転換される。

第１触媒３１において生成されたアンモニアは、第２触媒３２へ流入し、第２触媒３２に吸着される。そして、第２触媒３２に吸着したアンモニアは、ＮＯｘを還元するために用いられる。

（第２温度検知部４２）
図１に示すように、エンジン制御装置５は、第２触媒３２の温度を推定又は測定する第２温度検知部４２を有する。第２温度検知部４２は、排気管３における、第２触媒３２の上流側の位置に配置された温度センサによって測定された温度から、第２触媒３２の温度を推定するよう構成されている。第２温度検知部４２によって第２触媒３２の温度を検知することにより、第２触媒３２がアンモニアを還元剤としてＮＯｘを浄化（還元）する活性温度になったときに、第１触媒３１から第２触媒３２にＮＯｘが流入するようにすることができる。第２温度検知部４２は、第２触媒３２の温度を測定する構成としてもよい。なお、図１においては、分かりやすくするために、第２触媒３２に第２温度検知部４２が配置された状態を示す。

（エンジン制御装置５）
図１に示すように、排気浄化システム１は、水素燃料エンジン２における燃焼動作を制御するエンジン制御装置５を備える。エンジン制御装置５は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）とも呼ばれ、水素自動車に搭載されたものである。エンジン制御装置５は、空燃比を調整するために、水素燃料エンジン２の燃焼室に吸気する燃焼用空気の質量と、水素噴射装置から噴射される水素の質量との少なくとも一方を適宜調整する。燃焼室には、水素が直接噴射されてもよく、水素と燃焼用空気との混合気が供給されてもよい。

（空燃比制御部５１）
エンジン制御装置５は、水素燃料エンジン２における空燃比を調整する空燃比制御部５１を有する。空燃比制御部５１は、水素リッチ制御と水素リーン制御とを交互に繰り返し行うよう構成されている。この構成により、還元剤供給装置等の特別な装置を用いることなく、第１触媒３１において生成されるアンモニアを、第２触媒３２において有効に活用してＮＯｘを浄化することができる。

空燃比制御部５１は、水素リッチ制御を行うときには、水素燃料エンジン２における空燃比を、理論空燃比又は理論空燃比よりも水素リッチ側の空燃比にする。そして、水素リッチ制御が行われるときには、第１触媒３１においてＮＯｘが還元されるとともに、水素燃料エンジン２から排気管３に排気される水素及びＮＯｘが用いられてアンモニアが生成され、かつ第２触媒３２において、第１触媒３１から流出するアンモニアが吸着される。

水素燃料エンジン２における空燃比が水素リッチ側になるほど、排気ガスＧに含まれるＮＯｘが減少する一方、排気ガスＧに含まれる水素の量が増加し、第１触媒３１において水素を用いて生成されるアンモニアの量が増加する。そのため、空燃比制御部５１は、第１触媒３１におけるアンモニアの生成量を増加させる場合には、水素燃料エンジン２における空燃比をより水素リッチ側にする。

空燃比制御部５１が水素リーン制御を行うときには、水素燃料エンジン２における空燃比を、理論空燃比よりも水素リーン側の空燃比にする。そして、水素リーン制御が行われるときには、第１触媒３１においてＮＯｘが浄化（還元）されるとともに浄化されなかったＮＯｘが第１触媒３１を通過する。そして、第１触媒３１を通過して第２触媒３２に流入するＮＯｘは、第２触媒３２に吸着されたアンモニアによって浄化（還元）される。

水素燃料エンジン２における空燃比が水素リーン側になるほど、第１触媒３１におけるアンモニアの生成量が減少する一方、排気ガスＧに含まれるＮＯｘの量が増加し、第１触媒３１においてＮＯｘを浄化しきれず、第１触媒３１から第２触媒３２へＮＯｘが流出する。第１触媒３１におけるアンモニアの生成量を減少させる場合には、水素燃料エンジン２における空燃比をより水素リーン側にする。

空燃比制御部５１によって水素リッチ制御が行われるときには、水素燃料エンジン２から排気管３に排気される排気ガスＧに含まれるＮＯｘの量はそれほど多くなく、このＮＯｘは、第１触媒３１において分解されて浄化される。また、第１触媒３１から第２触媒３２に流入して、第２触媒３２に吸着されるアンモニアは徐々に増加し、いずれは飽和状態になる。そして、本形態の空燃比制御部５１は、第２触媒３２におけるアンモニアの吸着量が飽和状態になる前に、水素リッチ制御から水素リーン制御に切り換える。

（空燃比センサ４３）
図１に示すように、排気管３には、排気管３を流れる排気ガスＧに含まれる酸素及び水素の量を電流によって検出して水素燃料エンジン２における空燃比を求める空燃比センサ４３が配置されている。本形態の空燃比センサ４３は、排気管３における、第１触媒３１よりも排気ガスＧの流れの上流側の位置に配置されている。空燃比制御部５１は、空燃比センサ４３による空燃比が目標空燃比になるよう、水素と燃焼用空気との比率を調整するよう構成されている。

（アンモニア検知部５２）
図１に示すように、本形態のエンジン制御装置５は、第２触媒３２に吸着されたアンモニアの量をアンモニア吸着量として推定するアンモニア検知部５２を有する。第２触媒３２におけるアンモニアの吸着量は、第１触媒３１から第２触媒３２に流入するアンモニアの量に依存する。そして、アンモニア検知部５２は、第１温度検知部４１による第１触媒３１の温度、水素リッチ制御が行われた時間、空燃比の値（理論空燃比から水素リッチ側へのシフトの度合）等に基づいてアンモニア吸着量を推定する。また、アンモニア検知部５２は、第１触媒３１の温度の変化の経歴等に基づいてアンモニア吸着量を推定してもよい。

本形態の空燃比制御部５１は、通常は水素リッチ制御を行うよう構成されている。そして、水素リッチ制御を行うことにより、排気ガスＧに含まれるＮＯｘの量を減らし、ＮＯｘが大気に放出されないようにする。一方、空燃比制御部５１は、アンモニア検知部５２によるアンモニア吸着量が規定の吸着上限量を超えたときに、水素リッチ制御を水素リーン制御に切り換え、既定の切換期間中だけ水素リーン制御を行うよう構成されている。エンジン制御装置５においては、吸着上限量が、第２触媒３２におけるアンモニアの吸着容量を超えないように定められている。

これにより、空燃比制御部５１は、アンモニア検知部５２を利用し、第２触媒３２に吸着されたアンモニアの量が第２触媒３２における吸着容量（吸着飽和量）になる前に、水素リッチ制御を水素リーン制御に切り換えることができる。水素リーン制御は決められた期間のみ行うことにより、排気浄化システム１の構成を簡単にすることができる。

また、空燃比制御部５１は、第２温度検知部４２による第２触媒３２の温度が規定の触媒活性温度を超えていることを条件にして、水素リッチ制御から水素リーン制御に切り換えが可能である。水素リーン制御においては、第１触媒３１から第２触媒３２へＮＯｘが流出することを想定している。そして、空燃比制御部５１は、第２触媒３２がＮＯｘを還元する能力を有する温度になっていることを条件にして水素リーン制御を行う。触媒活性温度は、第２触媒３２に吸着されたアンモニアによるＮＯｘの還元が可能となる温度として定められる。触媒活性温度は、２００℃程度とすることができる。

（排気浄化システム１の制御方法）
次に、排気浄化システム１の制御方法について、図３のフローチャートを参照して説明する。
本形態の排気浄化システム１は、エンジン制御装置５の空燃比制御部５１による水素燃料エンジン２の燃焼運転が行われる際に利用される。空燃比制御部５１は、通常時として、水素燃料エンジン２における目標空燃比を水素リッチ側の空燃比にして、水素リッチ制御を開始する（図３のステップＳ１０１）。水素リッチ制御が行われるとき、水素燃料エンジン２から排気管３の第１触媒３１に排気される排気ガスＧには、ＮＯｘがあまり含まれない一方、水素が多く含まれる。そして、第１触媒３１においては、水素を用いてアンモニアが生成され、生成されたアンモニアは第２触媒３２に流入して第２触媒３２に吸着される。

次いで、空燃比制御部５１は、第２温度検知部４２によって第２触媒３２の温度を検知する（ステップＳ１０２）。そして、空燃比制御部５１は、第２温度検知部４２による第２触媒３２の温度が触媒活性温度を超えているか否かを判定する（ステップＳ１０３）。第２温度検知部４２による第２触媒３２の温度が触媒活性温度以下である場合には、この温度が触媒活性温度を超えるまで待機する。

次いで、第２温度検知部４２による第２触媒３２の温度が触媒活性温度を超えている場合には（ステップＳ１０３）、空燃比制御部５１は、第１温度検知部４１によって第１触媒３１の温度を検知する（ステップＳ１０４）。そして、アンモニア検知部５２は、第１温度検知部４１による第１触媒３１の温度、水素リッチ制御が行われた時間、空燃比の値等に基づいて、第２触媒３２におけるアンモニア吸着量を推定する（ステップＳ１０５）。次いで、空燃比制御部５１は、このアンモニア吸着量が吸着上限量を超えるまで水素リッチ制御を実行する（ステップＳ１０６）。

次いで、アンモニア吸着量が吸着上限量を超えた場合には、空燃比制御部５１は、水素リッチ制御を水素リーン制御に切り換え、水素燃料エンジン２における目標空燃比を水素リーン側の一定の空燃比にして、既定の切換期間中だけ水素リーン制御を実行する（ステップＳ１０７）。水素リーン制御が行われるとき、水素燃料エンジン２から排気管３の第１触媒３１に排気される排気ガスＧには、水素がほとんど含まれない一方、ＮＯｘが多く含まれる。排気ガスＧに含まれるＮＯｘは、第１触媒３１において一部が浄化されるものの、第１触媒３１における浄化能力を超えた量のＮＯｘが第１触媒３１から第２触媒３２へ流出する。そして、第２触媒３２においては、第２触媒３２に吸着されたアンモニアを還元剤として、第１触媒３１から流入するＮＯｘが浄化（還元）される。

また、アンモニア検知部５２は、水素リーン制御が行われるときに、アンモニア吸着量をゼロにリセットする。また、空燃比制御部５１は、水素リーン制御に切り換わった時からの時間の経過を測定し、この時間の経過が規定の切換時間になるまで水素リーン制御を実行する（ステップＳ１０８）。既定の切換時間が経過した時には、空燃比制御部５１は、水素リーン制御を水素リッチ制御に切り換える（ステップＳ１０１）。

その後、空燃比制御部５１によって水素リッチ制御と水素リーン制御とが繰り返される。また、排気浄化システム１における水素リッチ制御及び水素リーン制御は、水素燃料エンジン２の燃焼停止等の適宜条件を受けて停止される。

（ＮＯｘ、アンモニアの量の変化）
図４（ａ）～（ｅ）には、水素リッチ制御及び水素リーン制御が繰り返される際の、第１触媒３１、第２触媒３２等におけるＮＯｘ量、アンモニア量等の時間的変化を示す。

図４（ａ）においては、水素燃料エンジン２における空燃比が、水素リッチ側と水素リーン側とに交互に切り換わる状態を示す。図４（ｂ）においては、第１触媒３１におけるＮＯｘの浄化率が、水素リッチ制御が行われるときにはほぼ１００％であることに対し、水素リーン制御が行われるときには大幅に低下することを示す。ＮＯｘの浄化率が低下するときには、第１触媒３１の、排気ガスＧの流れの下流側へＮＯｘが流出する。

図４（ｃ）においては、水素リーン制御が行われるときに、ＮＯｘの浄化率の低下を受けて、排気管３における、第１触媒３１の下流側に存在するＮＯｘの量が大幅に増加することを示す。この第１触媒３１の下流側に存在するＮＯｘは、排気管３を経由して第２触媒３２へと流入する。

図４（ｄ）においては、第２触媒３２におけるアンモニアの吸着量が、水素リッチ制御が行われるときに緩やかに増加し、水素リーン制御が行われるときに急激に減少することを示す。水素リーン制御が行われるときには、第２触媒３２に吸着されたアンモニアが還元剤としてＮＯｘの浄化に使用され、第２触媒３２におけるアンモニアの吸着量が減少する。

図４（ｅ）においては、水素リッチ制御と水素リーン制御とが交互に繰り返されることにより、第２触媒３２の、排気ガスＧの流れの下流側にはＮＯｘが流出しないことを示す。これにより、排気管３から大気へＮＯｘが放出されない。また、第１触媒３１において生成されるアンモニアは、第２触媒３２においてＮＯｘの浄化に使用されることにより、排気管３から大気へ放出されない。

（ＮＯｘとアンモニアの関係）
図５においては、水素燃料エンジン２における空燃比が変化したときに、第１触媒３１から流出するアンモニア、ＮＯｘ及びＮ₂Ｏ（亜酸化窒素）の各濃度［ｐｐｍ］がどれだけ変化するかを示す。各濃度は、排気管３における、第１触媒３１と第２触媒３２との間の位置における値として示す。アンモニアの濃度は、第１触媒３１において生成されるアンモニアの量を示し、ＮＯｘの濃度及びＮ₂Ｏの濃度は、第１触媒３１において浄化されずに第１触媒３１を通過するＮＯｘの量及びＮ₂Ｏの量を示す。なお、水素燃料エンジン２から排気管３には２０００［ｐｐｍ］の濃度のＮＯｘが排出される場合を想定した。

空燃比が水素リッチ側になるほど第１触媒３１において生成されるアンモニアの量は増加する。一方、空燃比が水素リーン側になるほど第１触媒３１から流出するＮＯｘの量及びＮ₂Ｏの量は増加する。つまり、第１触媒３１において生成されるアンモニアの量と、第１触媒３１から流出するＮＯｘの量及びＮ₂Ｏの量とはトレードオフの関係にある。

（作用効果）
本形態の水素燃料エンジン２の排気浄化システム１においては、水素燃料エンジン２から排気される水素を利用して、ＮＯｘを効果的に浄化する工夫をしている。具体的には、水素燃料エンジン２から排気ガスＧが排気される排気管３に、ＮＯｘを還元する性質を有する第１触媒３１と、アンモニアを吸着する性質を有する第２触媒３２とを配置している。

そして、水素リッチ制御が行われるときに、第１触媒３１においては、ＮＯｘが分解されて還元されるときに生じる窒素を、水素との反応に用いて、アンモニアを生成することができる。また、第２触媒３２においては、水素リッチ制御が行われるときに、第１触媒３１から流れ込むアンモニアを吸着し、水素リーン制御が行われるときに、吸着されたアンモニアを、第１触媒３１から流れ込むＮＯｘを還元するために用いることができる。

そのため、エンジン制御装置５の空燃比制御部５１によって、水素燃料エンジン２から排気管３へ、水素が排気されるタイミングとＮＯｘが排気されるタイミングとを適切にコントロールすることにより、水素を利用して、大気へのＮＯｘの放出量を効果的に抑制することができる。

また、排気浄化システムにおいては、第１触媒３１及び第２触媒３２以外に、還元剤を生成する装置等を用いる必要がない。そして、エンジン制御装置５の空燃比制御部５１による水素リッチ制御と水素リーン制御との切り換えにより、ＮＯｘ及びアンモニアを浄化して、これらが大気に放出されないようにすることができる。

それ故、本形態の水素燃料エンジン２の排気浄化システム１によれば、排気ガスＧに含まれる水素を利用して、大気へＮＯｘ及びアンモニアが放出されないようにすることができる。

＜実施形態２＞
本形態は、第１触媒３１を通過するＮＯｘの量を推定し、水素リーン制御から水素リッチ制御に切り換えるタイミングを適切にする場合について示す。
本形態のエンジン制御装置５は、図６に示すように、実施形態１に示す空燃比制御部５１及びアンモニア検知部５２の他に、第１触媒３１を通過するＮＯｘの量を窒素酸化物通過量（以下、ＮＯｘ通過量という。）として推定する窒素酸化物検知部５３（以下、ＮＯｘ検知部５３という。）を有する。

（ＮＯｘ検知部５３）
本形態のＮＯｘ検知部５３は、排気管３における、第１触媒３１と第２触媒３２との間の位置に配置されたＮＯｘセンサ（窒素酸化物センサ）４４を利用して、第１触媒３１から流出するＮＯｘの量をＮＯｘ通過量として推定する。ＮＯｘ検知部５３によって推定されるＮＯｘ通過量は、第２触媒３２に吸着されたアンモニアによって還元されるＮＯｘの量と同じであるとする。そして、第２触媒３２に吸着されたアンモニアの減少量は、ＮＯｘ通過量に比例する。このことに基づき、エンジン制御装置５においては、第２触媒３２におけるアンモニアの吸着量が吸着上限量からゼロになるまでの、第１触媒３１におけるＮＯｘ通過量が、規定の目標通過量として定められている。

図示は省略するが、エンジン制御装置５は、排気管３を流れる排気ガスＧの流量を推定する流量推定部を有する。排気ガスＧの流量は、水素燃料エンジン２の吸気管における燃焼用空気の流量、及び燃料噴射装置からの水素の噴射量に基づいて推定される。また、流量推定部の代わりに、排気管３を流れる排気ガスＧの流量を測定する流量計を用いて、排気ガスＧの流量を検知してもよい。ＮＯｘ検知部５３によるＮＯｘ通過量は、ＮＯｘセンサ４４によるＮＯｘの濃度及び排気ガスＧの流量の時間的変化に基づいて求められる。

ＮＯｘ検知部５３は、ＮＯｘセンサ４４を利用せずに、水素燃料エンジン２における空燃比の変化、及び第１触媒３１におけるＮＯｘの還元能力を利用して、ＮＯｘ通過量を推定することもできる。より具体的には、ＮＯｘ検知部５３は、空燃比が水素リーン側になるほどＮＯｘが多く発生し、第１触媒３１から流出するＮＯｘが多くなることを指標にし、推定されるＮＯｘの流出量を積算して、ＮＯｘ通過量を求めることもできる。

本形態の空燃比制御部５１は、通常は水素リッチ制御を行い、かつ、実施形態１に示すアンモニア検知部５２によるアンモニア吸着量が規定の吸着上限量を超えてから、ＮＯｘ検知部５３によるＮＯｘ通過量が規定の目標通過量を超えるまでは、水素リーン制御を行うよう構成されている。ＮＯｘ検知部５３を用いることにより、空燃比制御部５１は、第２触媒３２に吸着されたアンモニアが吸着上限量の付近からほとんどなくなる時点まで、水素リーン制御を行うことができる。

（排気浄化システム１の制御方法）
本形態の排気浄化システム１の制御方法について、図７のフローチャートを参照して説明する。本形態の排気浄化システム１においても、空燃比制御部５１は、通常時として、水素燃料エンジン２における空燃比を水素リッチ側にして、水素リッチ制御を開始する（図７のステップＳ２０１）。そして、実施形態１のステップＳ１０２～Ｓ１０６と同様に、ステップＳ２０１～Ｓ２０６が行われる。

ステップＳ２０６において、アンモニア検知部５２による第２触媒３２のアンモニア吸着量が吸着上限量を超えた場合には、空燃比制御部５１は、水素リッチ制御を水素リーン制御に切り換え、水素燃料エンジン２における目標空燃比を水素リーン側の一定の空燃比にして水素リーン制御を実行する（ステップＳ２０７）。また、アンモニア検知部５２は、水素リーン制御が行われるときに、アンモニア吸着量をゼロにリセットする。次いで、ＮＯｘ検知部５３は、ＮＯｘセンサ４４による第１触媒３１の下流側のＮＯｘの濃度、及び排気ガスＧの流量に基づいて、水素リッチ制御から水素リーン制御に切り換わった時点からの、第１触媒３１におけるＮＯｘ通過量を検知する（ステップＳ２０８）。

そして、空燃比制御部５１は、ＮＯｘ検知部５３によるＮＯｘ通過量が規定の目標通過量になるまで水素リーン制御を実行する（ステップＳ２０９）。ＮＯｘ通過量が目標通過量になった時には、空燃比制御部５１は、水素リーン制御を水素リッチ制御に切り換える（ステップＳ２０１）。

本形態の排気浄化システム１においては、空燃比制御部５１は、第２触媒３２に吸着されたアンモニアがなくなるときには、迅速に水素リーン制御から水素リッチ制御に戻すことができる。そのため、水素リッチ制御と水素リーン制御とに切り換えるタイミングをより適切にすることができる。

本形態の排気浄化システム１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の構成要素と同様である。

＜実施形態３＞
本形態は、水素燃料エンジン２における空燃比を第１触媒３１の温度に応じて適宜変更する場合について示す。
第１触媒３１において生成されるアンモニアの量、及び第１触媒３１から流出するＮＯｘの量及びＮ₂Ｏの量は、第１触媒３１の温度が４００℃以上の高温になると、第１触媒３１の温度に依存して変化することが分かっている。

図５には、第１触媒３１の温度が４００℃である場合の、第１触媒３１から流出するアンモニア、ＮＯｘ及びＮ₂Ｏの各濃度［ｐｐｍ］について示した。この場合には、水素燃料エンジン２における燃焼用空気（酸素）の割合が理論空燃比の付近にあるときに、アンモニアの濃度とＮＯｘの濃度とがほとんど同じになる。このアンモニアの濃度とＮＯｘの濃度とがほとんど同じになるときの空燃比をバランス点とする。

図８には、第１触媒３１の温度が５００℃である場合の、第１触媒３１から流出するアンモニア、ＮＯｘ及びＮ₂Ｏの各濃度［ｐｐｍ］について示す。この場合には、アンモニアの生成量が４００℃の場合に比べて減少する一方、ＮＯｘの濃度が４００℃の場合に比べて増加している。そして、バランス点が理論空燃比よりも水素リッチ側に若干シフトしている。

図９には、第１触媒３１の温度が６００℃である場合の、第１触媒３１から流出するアンモニア、ＮＯｘ及びＮ₂Ｏの各濃度［ｐｐｍ］について示す。この場合には、アンモニアの生成量が５００℃の場合に比べてさらに減少する一方、ＮＯｘの濃度が５００℃の場合に比べてさらに増加している。そして、バランス点が理論空燃比よりも水素リッチ側に大きくシフトしている。

図５、図８及び図９の第１触媒３１の温度とバランス点との関係より、第１触媒３１の温度が４００℃以上の場合には、第１触媒３１の温度が高くなるほど、水素燃料エンジン２における空燃比をより水素リッチ側にすれば、第１触媒３１から流出するＮＯｘの量を抑制しつつ、適切にアンモニアが生成される状態を形成できることが分かる。

本形態のエンジン制御装置５は、実施形態１に示される、第１触媒３１における温度を検知する第１温度検知部４１を有する。そして、本形態の空燃比制御部５１は、第１触媒３１の温度が規定温度としての４００℃以上に高い場合には、水素燃料エンジン２における目標空燃比を、第１温度検知部４１による第１触媒３１の温度が高いほど、小さくする（水素リッチ側にする）よう構成されている。そして、水素燃料エンジン２における空燃比が目標空燃比となるように変更される。なお、規定温度は、４００℃以外の温度としてもよい。

空燃比制御部５１は、第１触媒３１の温度が４００℃未満の場合に水素リッチ制御を行うときには、目標空燃比を水素リッチ側の一定の空燃比にする。また、空燃比制御部５１は、第１触媒３１の温度が４００℃以上の場合に水素リッチ制御を行うときには、目標空燃比を、第１触媒３１の温度が高くなるほど理論空燃比から遠くなるようにする。

空燃比制御部５１は、第１触媒３１の温度が４００℃未満の場合に水素リーン制御を行うときには、目標空燃比を一定の水素リーン側の空燃比にする。また、空燃比制御部５１は、第１触媒３１の温度が４００℃以上の場合に水素リーン制御を行うときには、目標空燃比を、第１触媒３１の温度が高くなるほど理論空燃比に近くなるようにする。

（排気浄化システム１の制御方法）
本形態の排気浄化システム１の制御方法について、図１０及び図１１のフローチャートを参照して説明する。図１０は、制御のメインルーチンを示し、図１１は、制御のサブルーチンとしての空燃比調整ルーチンを示す。本形態の排気浄化システム１においても、空燃比制御部５１は、通常時として、水素燃料エンジン２における目標空燃比を水素リッチ側の一定の空燃比にして、水素リッチ制御を開始する（図１０のステップＳ３０１）。次いで、空燃比制御部５１は、空燃比調整ルーチンを実行する（ステップＳ３０２）。

空燃比調整ルーチンにおいては、空燃比制御部５１は、第１温度検知部４１によって第１触媒３１の温度を検知する（図１１のステップＳ４０１）。次いで、空燃比制御部５１は、第１触媒３１の温度が４００℃以上であるか否かを判定する（ステップＳ４０２）。第１触媒３１の温度が４００℃以上である場合には、空燃比制御部５１は、第１触媒３１の温度が高いほど水素燃料エンジン２における目標空燃比が水素リッチ側に深くなるようにする（ステップＳ４０３）。第１触媒３１の温度が４００℃以上でない場合には、空燃比制御部５１は、目標空燃比を水素リッチ側の一定の空燃比に維持する。

次いで、実施形態１のステップＳ１０２～Ｓ１０６と同様に、ステップＳ３０３～Ｓ３０７が行われる。そして、空燃比制御部５１は、アンモニア吸着量が吸着上限量を超えるまで水素リッチ制御を実行する（ステップＳ３０７）。次いで、アンモニア吸着量が吸着上限量を超えた場合には、空燃比制御部５１は、水素リッチ制御を水素リーン制御に切り換え、水素燃料エンジン２における目標空燃比を水素リーン側の一定の空燃比にして、既定の切換期間中だけ水素リーン制御を実行する（ステップＳ３０８）。アンモニア検知部５２は、水素リーン制御が行われるときに、アンモニア吸着量をゼロにリセットする。次いで、空燃比制御部５１は、空燃比調整ルーチンを実行する（ステップＳ３０９）。

空燃比調整ルーチンにおいては、空燃比制御部５１は、ステップＳ４０１～Ｓ４０３を実行する。ステップＳ４０３においては、第１触媒３１の温度が４００℃以上である場合に、空燃比制御部５１は、第１触媒３１の温度が高いほど水素燃料エンジン２における目標空燃比を、水素リーン側であって理論空燃比に近い空燃比になるようにする（ステップＳ４０３）。また、第１触媒３１の温度が４００℃以上でない場合には、空燃比制御部５１は、目標空燃比を水素リーン側の一定の空燃比に維持する。また、実施形態１のステップＳ１０８と同様に、ステップＳ３１０が実行され、水素リーン制御が水素リッチ制御に切り換えられる（ステップＳ３０１）。その後、空燃比制御部５１によって水素リッチ制御と水素リーン制御とが繰り返される。

本形態においては、第１触媒３１の温度が規定温度としての４００℃以上である場合には、第１触媒３１から流出するアンモニアの量とＮＯｘの量とのバランスがよくなるよう水素燃料エンジン２における空燃比を調整する。これにより、第１触媒３１の下流側にアンモニア及びＮＯｘがバランスよく存在するようにし、第１触媒３１及び第２触媒３２を用いたＮＯｘの浄化をより効果的に行うことができる。

本形態の排気浄化システム１においても、実施形態２と同様の構成を採用することができる。本形態の排気浄化システム１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１，２の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態１，２に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の構成要素と同様である。

本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。

１排気浄化システム
２水素燃料エンジン
３排気管
３１第１触媒
３２第２触媒
４１第１温度検知部
４２第２温度検知部
５エンジン制御装置
５１空燃比制御部

Claims

水素を燃料として用いる水素燃料エンジン（２）の排気管（３）に構成され、
前記排気管内に配置され、窒素酸化物を還元する性質を有するとともに、前記水素燃料エンジンから前記排気管に排気される水素及び窒素酸化物を用いてアンモニアを生成する性質を有する第１触媒（３１）と、
前記排気管内における、前記第１触媒よりも排気ガス（Ｇ）の流れの下流側の位置に配置され、前記第１触媒から流れ込むアンモニアを吸着する性質を有するとともに、アンモニアを用いて窒素酸化物を還元する性質を有する第２触媒（３２）と、
前記水素燃料エンジンにおける、水素の質量に対する燃焼用空気の質量の比である空燃比を調整する空燃比制御部（５１）を有するエンジン制御装置（５）と、を備えており、
前記空燃比制御部は、
前記水素燃料エンジンにおける前記空燃比を、前記水素と前記燃焼用空気中の酸素とが過不足なく燃焼する理論空燃比又は前記理論空燃比よりも水素リッチ側の空燃比にして、前記第１触媒において窒素酸化物を還元するとともに前記排気管に排気される水素及び窒素酸化物を用いてアンモニアを生成し、かつ前記第２触媒においてアンモニアを吸着する水素リッチ制御と、
前記水素燃料エンジンにおける前記空燃比を、前記理論空燃比よりも水素リーン側の空燃比にして、前記第１触媒において窒素酸化物を還元するとともに窒素酸化物を通過させ、かつ前記第２触媒に吸着されたアンモニアによって窒素酸化物を還元する水素リーン制御と、を交互に繰り返し行うよう構成されている、水素燃料エンジンの排気浄化システム（１）。
前記エンジン制御装置は、
前記第２触媒に吸着されたアンモニアの量をアンモニア吸着量として推定するアンモニア検知部（５２）を有し、
前記空燃比制御部は、
通常は前記水素リッチ制御を行い、かつ、前記アンモニア検知部による前記アンモニア吸着量が規定の吸着上限量を超えたときに、既定の切換期間中だけ前記水素リーン制御を行うよう構成されている、請求項１に記載の水素燃料エンジンの排気浄化システム。
前記エンジン制御装置は、
前記第１触媒を通過する窒素酸化物の量を窒素酸化物通過量として推定する窒素酸化物検知部（５３）と、前記第２触媒に吸着されたアンモニアの量をアンモニア吸着量として推定するアンモニア検知部（５２）とを有し、
前記空燃比制御部は、
通常は前記水素リッチ制御を行い、かつ、前記アンモニア検知部による前記アンモニア吸着量が規定の吸着上限量を超えてから、前記窒素酸化物検知部による前記窒素酸化物通過量が規定の目標通過量になるまでは、前記水素リーン制御を行うよう構成されている、請求項１に記載の水素燃料エンジンの排気浄化システム。
前記エンジン制御装置は、前記第２触媒の温度を推定又は測定する第２温度検知部（４２）を有し、
前記空燃比制御部は、
前記第２温度検知部による前記第２触媒の温度が規定の触媒活性温度を超えていることを条件にして、前記水素リッチ制御から前記水素リーン制御に切り換えが可能である、請求項１～３のいずれか１項に記載の水素燃料エンジンの排気浄化システム。
前記エンジン制御装置は、前記第１触媒の温度を推定又は測定する第１温度検知部（４１）を有し、
前記空燃比制御部は、
前記第１触媒の温度が規定温度以上である場合には、前記水素燃料エンジンにおける前記空燃比を、前記第１温度検知部による前記第１触媒の温度が高いほど小さくするよう構成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の水素燃料エンジンの排気浄化システム。
前記第１触媒は、窒素酸化物、炭化水素及び一酸化炭素を浄化可能な三元触媒によって構成されており、
前記第２触媒は、アンモニアによって窒素酸化物を還元する選択還元触媒によって構成されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の水素燃料エンジンの排気浄化システム。