JPWO2010067805A1 - 排ガス浄化装置 - Google Patents

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Abstract

アンモニアが漏れにくくし、かつ、排ガス中の窒素酸化物を効率よく低減できる排ガス浄化装置を提供することを課題とする。内燃機関から排出される排ガスを案内する排気配管と、排気配管内に尿素水を噴射する尿素水噴射手段と、噴射された尿素水から生成されるアンモニアと窒素酸化物との反応を促進させる尿素ＳＣＲ触媒及び排ガスの流れ方向において尿素水が噴射される位置よりも下流側の排気配管の内部に配置され尿素ＳＣＲ触媒を支持する支持機構とを備える触媒手段と、ＳＣＲ触媒が配置されている領域内の測定位置における排ガス中のアンモニアの濃度を計測するアンモニア濃度計測手段と、アンモニア濃度計測手段の計測結果に基づいて尿素水の噴射を制御する噴射制御手段とを有することで上記課題を解決する。

Description

本発明は、内燃機関から排出される窒素酸化物を還元する排ガス浄化装置に関するものである。
ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、ガスタービン等の内燃機関から排出されるガス、つまり排ガスには、窒素酸化物（ＮＯｘ）や、粒子状物質（ＰＭ）が含まれている。そのため、内燃機関の排気管には、粒状物質を低減する装置や、窒素酸化物を低減する装置が設けられている。この窒素酸化物を低減する装置としては、排ガスを案内する排気管の中に尿素を噴射し、排気管内で尿素からアンモニアを生成させ、生成させたアンモニアと排ガス中の窒素酸化物とを反応させ、窒素酸化物から酸素を取り除き窒素に戻すことにより、排ガスから窒素酸化物を低減する装置がある。
例えば、特許文献１には、内燃機関の排気通路において、上流から順に、ＤＰＦ装置、選択的接触還元型触媒装置を配置した排ガス浄化システムが記載されている。また、特許文献１には、通常運転時には、通常運転時用のＮＯｘ排出量マップからＮＯｘ排出量を算出し、ＤＰＦ装置の強制再生時には、強制再生時用のＮＯｘ排出量マップから、ＮＯｘ排出量を算出して、該算出されたＮＯｘ排出量に対応するアンモニア系水溶液の供給量を算出し、該算出された供給量になるようにアンモニア系水溶液を選択的接触還元型触媒装置の上流側の排ガス中に供給する装置が記載されている。
また、特許文献２には、内燃機関の排ガスの処理ではなく、ごみ焼却炉などの燃焼プラントから排出される排ガスの脱硝装置であるが、処理前ガスのＮＯｘ濃度と、処理後の排ガス中のアンモニア濃度と、排ガスのＮＯｘ濃度と、排ガスの流量とを測定し、測定結果から処理前のＮＯｘ流量と、処理後のＮＯｘ濃度と、脱硝設備での脱硝率の実績、処理後の排ガス中のアンモニア濃度を算出し、算出した各値と目標値との偏差を算出し、その偏差から補正量を算出し、算出した補正量の少なくとも１つに基づいて補正ＮＯｘ流量を算出し、算出した補正ＮＯｘ流量に基づいて処理前排ガスに注入するアンモニア流量を制御する脱硝制御方法が記載されている。
特開２００７−１５４８４９号公報 特開２００５−１６９３３１号公報
特許文献１に記載されているように、予め作成したマップに基づいて尿素の噴射量を制御したり、特許文献２に記載されているように、窒素酸化物の濃度や、処理後の排ガスのアンモニア濃度から尿素の噴射量を制御したりすることで、窒素酸化物を低減することはでき、アンモニアの量も調整することはできる。
しかしながら、予め作成したマップで尿素の噴射量を調整した場合でも、運転状態によっては、窒素酸化物が漏れ出たり、アンモニアが漏れ出たり、することがあるという問題がある。また、窒素酸化物の濃度や、処理後の排ガスのアンモニア濃度から尿素の噴射量を調整した場合も、検出対象である処理後の排ガスにアンモニアが残存していると、アンモニアが漏れ出てしまうため問題となる。そのため、内燃機関の排ガス処理装置では、選択的接触還元型触媒装置等の脱硝装置の下流側にアンモニアを酸化するための酸化触媒を設置しているが、アンモニアを酸化すると窒素酸化物を発生させることになるという問題がある。また、アンモニアの漏れ出る量が多いと酸化触媒を大きくする必要があるという問題がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、排気管に噴射する尿素等の還元剤（アンモニア）の適切な量を算出し、下流側にアンモニアが漏れにくくし、かつ、排ガス中の窒素酸化物を効率よく低減することができる排ガス浄化装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、内燃機関から排出される排ガスに含まれる窒素酸化物を還元する排ガス浄化装置であって、前記内燃機関から排出される排ガスを案内する排気配管と、前記排気配管内にアンモニアを供給するアンモニア供給手段と、供給されたアンモニアと前記窒素酸化物との反応を促進させるＳＣＲ触媒及び前記排気配管の内部に配置され前記ＳＣＲ触媒を前記排気配管の内部に支持する支持機構とを備え、前記排ガスの流れ方向において前記アンモニアが供給される位置よりも下流側に配置されている触媒手段と、前記触媒手段が配置されている領域内の測定位置における排ガス中のアンモニアの濃度を計測するアンモニア濃度計測手段と、前記アンモニア濃度計測手段の計測結果に基づいて前記アンモニア供給手段によるアンモニアの供給を制御する噴射制御手段と、を有することを特徴とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、内燃機関から排出される排ガスに含まれる窒素酸化物を還元する排ガス浄化装置であって、前記内燃機関から排出される排ガスを案内する排気配管と、前記排気配管内に尿素水を噴射する尿素水噴射手段と、噴射された尿素水から生成されるアンモニアと前記窒素酸化物との反応を促進させる尿素ＳＣＲ触媒及び前記排気配管の内部に配置され前記尿素ＳＣＲ触媒を前記排気配管の内部に支持する支持機構とを備え、前記排ガスの流れ方向において前記尿素水が噴射される位置よりも下流側に配置されている触媒手段と、前記触媒手段が配置されている領域内の測定位置における排ガス中のアンモニアの濃度を計測するアンモニア濃度計測手段と、前記アンモニア濃度計測手段の計測結果に基づいて前記尿素水噴射手段による尿素水の噴射を制御する噴射制御手段と、を有することを特徴とする。
ここで、前記アンモニア濃度計測手段は、前記触媒手段の前記尿素ＳＣＲ触媒が配置されている領域のうち、排ガスの流れ方向において、前記尿素ＳＣＲ触媒内にアンモニアを過剰に投入した状態で排ガス中の窒素酸化物を還元させた場合に前記内燃機関の最大負荷時の窒素酸化物濃度が、前記内燃機関の最小負荷時での前記尿素ＳＣＲ触媒の入口の濃度または前記内燃機関の最大負荷時の前記尿素ＳＣＲ触媒の入口での濃度の半分の濃度のうち、いずれか高い方の濃度となる位置から、前記内燃機関の最大負荷時の窒素酸化物濃度がアンモニア濃度１０ｐｐｍで脱硝可能な理論上の窒素酸化物濃度となる位置までの領域に含まれる位置の前記排ガスのアンモニア濃度を検出することが好ましい。
また、前記触媒手段は、前記尿素ＳＣＲ触媒が、第１触媒及び前記第１触媒よりも前記排ガスの流れ方向において下流側に配置された第２触媒で構成され、さらに、前記第１触媒と前記第２触媒とを接続する接続配管を備え、前記アンモニア濃度計測手段は、前記接続配管に配置され、前記測定位置は、前記接続配管内にあることが好ましい。
さらに、前記尿素水噴射手段と前記内燃機関との間に配置され、前記排ガスに含まれる粒子状物質を低減する粒子状物質低減装置を有することが好ましい。
さらに、前記測定位置における排ガス中の窒素酸化物の濃度を計測する窒素酸化物濃度計測手段を有することが好ましい。
本発明にかかるガス浄化装置は、触媒手段の中のアンモニア濃度を計測することで、窒素酸化物と反応しているアンモニアをより正確に把握することができ、その計測結果に基づいて尿素の噴射量、つまり還元剤の投入量を制御することで、浄化装置からアンモニアを漏れにくくすることができ、かつ、排ガス中の窒素酸化物を効率よく低減することもできるという効果を奏する。
図１は、排ガス浄化装置が取り付けられたディーゼルエンジンを有する車両の一実施形態の概略構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示す排ガス浄化装置の濃度計測手段の概略構成を示すブロック図である。 図３は、尿素ＳＣＲ触媒の入口からの長さと窒素酸化物濃度との関係を示すグラフである。 図４は、排ガス浄化装置が取り付けられたディーゼルエンジンを有する車両の他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。 図５は、測定結果の一例を示すグラフである。 図６は、測定結果の一例を示すグラフである。 図７は、測定結果の一例を示すグラフである。 図８は、測定結果の一例を示すグラフである。
以下に、本発明にかかる排ガス浄化装置の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、下記実施形態では、排ガス浄化装置を取り付ける内燃機関をディーゼルエンジンとし、ディーゼルエンジンを用いた車両として説明するが、内燃機関はこれに限定されず、ガソリンエンジンや、ガスタービン等種々の内燃機関に用いることができる。また、内燃機関を有する装置も車両に限定されず、船舶、発電機等種々の装置の内燃機関として用いることができる。
図１は、本発明の排ガス浄化装置が取り付けられたディーゼルエンジンを有する車両の一実施形態の概略構成を示すブロック図であり、図２は、図１に示すディーゼルエンジン用排ガス浄化装置の濃度計測手段の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように車両１０は、ディーゼルエンジン１２と、ディーゼルエンジン１２から排出される排ガスを案内する排気配管１４と、排気配管１４内を流れる排ガスを浄化する排ガス浄化装置１６とを有する。なお、車両１０は、図示した構成以外にも、車輪、車体、操作部、変速機等、車両に必要な種々の要素を有する。
ディーゼルエンジン１２は、軽油や重油等を燃料とし、燃料を燃焼させて動力を取り出す内燃機関である。排気配管１４は、一方の端部がディーゼルエンジン１２と接続されており、ディーゼルエンジン１２から排出される排ガスを案内する。
排ガス浄化装置１６は、酸化触媒１８と、ＤＰＦ２０と、噴射手段２２と、尿素水タンク２４と、尿素ＳＣＲ触媒手段２６と、濃度計測手段２８と、制御手段３０とを有し、排ガスの排気経路中、つまり、排気配管１４の内部または排気配管１４に接して配置されている。
酸化触媒１８は、排ガスの排気経路中、具体的には、排気配管１４の、ディーゼルエンジン１２の排気口よりも排ガスの流れ方向において下流側部分の内部に設けられた白金等の触媒である。排気配管１４の内部を通り、酸化触媒１８を通過した排ガスは、酸化触媒１８によりＰＭ（Particulate Matter、粒子状物質）の一部成分が除去される。ここでＰＭは、ディーゼルエンジンから排出される大気汚染物質であり、固形の炭素粒子、高分子から成る未燃の炭化水素(可溶性炭化水素：ＳＯＦ、Soluble Organic Fraction)、燃料中に含まれる硫黄が酸化して生成されるサルフェート等の混合物である。また、酸化触媒１８は、排気配管１４を流れる排ガス中に含まれる一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する。
ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）２０は、排ガスの排気経路中、具体的には、排気配管１４の、酸化触媒１８よりも下流側部分の内部に設けられ、酸化触媒１８を通過した排ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタである。ＤＰＦ２０としては、捕集したＰＭを燃焼等で除去することにより再生する、捕集性能を維持することができる連続再生式ＤＰＦを用いることが好ましい。
尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システム２１は、排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ２）を低減する脱硝システムであり、噴射手段２２と、尿素水タンク２４と、尿素ＳＣＲ触媒手段２６と、を有する。噴射手段２２は、排気配管１４内に尿素水を噴射する噴射装置であり、排気配管１４の、ＤＰＦ２０よりも下流側の部分に噴射口が設けられている。噴射手段２２は、噴射口から排気配管１４の内部に尿素水を噴射する。尿素水タンク２４は、尿素水を貯めておくタンクであり、噴射手段２２に尿素水を供給する。尿素水タンク２４には、外部の尿素水を供給する装置から尿素水を補充するための補給口が設けられており、この補給口から必要に応じて、尿素水が補給される。尿素ＳＣＲ触媒手段２６は、尿素から生成されたアンモニアと窒素酸化物との反応を促進させる尿素選択的還元触媒である尿素ＳＣＲ触媒と、排気配管１４の、噴射手段２２よりも下流側部分の内部に設けられ、該尿素ＳＣＲ触媒を支持する支持機構とを備える。尿素ＳＣＲ触媒には、バナジウム系触媒や、ゼオライト系触媒を用いることができる。また、支持機構は、排気配管１４の内部に配置され、排ガスを通気させる孔が形成され、その表面に尿素ＳＣＲ触媒を支持している。
尿素ＳＣＲシステム２１は、以上のような構成であり、噴射手段２２により排気配管１４の内部に尿素水を噴射する。噴射された尿素水は、排気配管１４内の熱によりアンモニア（ＮＨ３）となる。具体的には、以下の化学反応により、尿素水からアンモニアが生成される。
（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→２ＮＨ３＋ＣＯ２
その後、生成されたアンモニアは、排ガスとともに排気配管１４内を流れ、尿素ＳＣＲ触媒手段２６に到達する。なお、尿素水の一部は、アンモニアにならずに、尿素水のまま尿素ＳＣＲ触媒手段２６に到達する。そのため、尿素ＳＣＲ触媒手段２６内でも、上記反応により、尿素水からアンモニアが生成される。尿素ＳＣＲ触媒手段２６に到達したアンモニアは、排ガスに含まれる窒素酸化物と反応し、窒素酸化物から酸素を取り除き、窒素に還元する。具体的には、以下の化学反応により、窒素酸化物が還元される。
４ＮＨ３＋４ＮＯ＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ
４ＮＨ３＋２ＮＯ２＋Ｏ２→３Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ
濃度計測手段２８は、排ガスの排気経路において尿素ＳＣＲ触媒手段２６の中、つまり、上流の面と下流の面の両方が尿素ＳＣＲ触媒手段２６と接して配置されており、尿素ＳＣＲ触媒手段２６内を流れる排ガス中のアンモニアの濃度を計測する。濃度計測手段２８は、図２に示すように、計測手段本体４０と、光ファイバ４２と、計測セル４４と、受光部４６と、を有する。
計測手段本体４０は、アンモニアが吸収する波長域のレーザ光を発光させる発光手段と、信号からアンモニアの濃度を算出する演算手段とを有し、光ファイバ４２にレーザ光を出力し、受光部４６が受光した信号を受け取る。
光ファイバ４２は、計測手段本体４０から出力されたレーザ光を案内し、計測セル４４に入射させる。
計測セル４４は、尿素ＳＣＲ触媒手段２６の中に配置されており、光ファイバ４２から射出された光を計測セル４４の内部に入射させる入射部と、計測セル４４の所定経路を通過したレーザ光を出力する出力部と、を有する。
受光部４６は、計測セル４４の内部を通過し、出力部から出力されたレーザ光を受光し、受光したレーザ光の強度を受光信号として計測手段本体４０に出力する。
濃度計測手段２８は、以上のような構成であり、計測手段本体４０から出力されたレーザ光は、光ファイバ４２から計測セル４４内の所定経路を通過した後、出力部から出力される。このとき、計測セル４４内の排ガス中にアンモニアが含まれていると、計測セル４４を通過するレーザ光が吸収される。そのため、レーザ光は、排ガス中のアンモニア濃度によって、出力部に到達するレーザ光の出力が変化する。受光部４６は、出力部から出力されるレーザ光を受光信号に変換し、計測手段本体４０に出力する。計測手段本体４０は、出力したレーザ光の強度と、受光信号から算出される強度とを比較し、その減少割合から計測セル４４内を流れる排ガスのアンモニア濃度を算出する。このように、濃度計測手段２８は、ＴＤＬＡＳ方式（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy：可変波長ダイオードレーザー分光法）を用い、出力したレーザ光の強度と、受光部４６で検出した受光信号とに基づいて計測セル４４内の所定位置、つまり、測定位置を通過する排ガス中のアンモニア濃度を算出または計測する。
なお、計測セル４４は、入射部と出力部のみを、光を透過する材料で形成しても、計測セル４４全体を、光を透過する材料で形成してもよい。また、計測セル４４内に少なくとも２枚の光学ミラーを設け、入射部から入射されたレーザ光を光学ミラーで多重反射させた後、出力部から出力させるようにしてもよい。このようにレーザ光を多重反射させることで、計測セル４４内のより多くの領域を通過させることができる。これにより、計測セル４４内を流れる排ガスに濃度の分布の影響を小さくすることができ、正確に濃度を検出することができる。
制御手段３０は、濃度計測手段２８の検出結果に基づいて、噴射手段２２から噴射する尿素水の量及び噴射するタイミングを制御する。具体的には、アンモニア濃度が所定値よりも低い場合は、一度に噴射する尿素水の量を多くしたり、尿素水を噴射する間隔を短くしたりする。また、アンモニア濃度が所定値よりも高い場合は、一度に噴射する尿素水の量を少なくしたり、尿素水を噴射する間隔を長くしたりする。
車両１０及び排ガス浄化装置１６は、基本的に以上のような構成である。排ガス浄化装置１６は、ディーゼルエンジン１２から排出された排ガスは、酸化触媒１８及びＤＰＦ２０を通過することで、排ガス中に含まれるＰＭが捕集され、排ガス中のＰＭが低減される。さらに、ＤＰＦ２０を通過した排ガスは、排気配管１４を流れ、噴射手段２２から尿素水が噴射された後、尿素水及び尿素水から生成されたアンモニアとともに尿素ＳＣＲ触媒手段２６を通過する。排ガスは、アンモニアとともに尿素ＳＣＲ触媒手段２６を通過することで、排ガスに含まれる窒素酸化物を尿素ＳＣＲシステム２１で低減される。その後、排ガスは、排気配管１４から大気中に排出される。ここで、排ガス浄化装置１６は、上述したように、尿素ＳＣＲ触媒手段２６の所定位置を通過する排ガスのアンモニア濃度を濃度計測手段２８により計測し、その計測結果に基づいて、噴射手段２２が噴射する尿素水の量、噴射タイミングを制御している。
このように、車両１０は、（ディーゼルエンジン用）排ガス浄化装置１６により、ディーゼルエンジン１２から排出する排ガスのＰＭを低減し、かつ、窒素酸化物を還元することができ、有害物質が低減させた状態で排出することができる。
また、排ガス浄化装置１６は、尿素ＳＣＲ触媒手段２６中のアンモニア濃度を計測し、その結果に応じて尿素水の噴射量を制御している。このように、尿素ＳＣＲ触媒手段２６中のアンモニア濃度に基づいて、尿素水の噴射量を制御することで、アンモニアと窒素酸化物の反応状態に即して尿素水の噴射量を制御することができる。
具体的には、尿素ＳＣＲ触媒手段２６よりも上流側で計測するよりも、アンモニアと窒素酸化物の反応状態、また、尿素ＳＣＲ触媒手段２６に吸着されるアンモニアの割合等を正確に把握することができる。また、尿素ＳＣＲ触媒手段２６よりも下流側で計測する場合は、アンモニアが計測された時点でアンモニアが漏れ出ていることになるため、アンモニアが漏れ出ることを防ぐことができないが、尿素ＳＣＲ触媒手段２６中のアンモニア濃度を計測することで、計測点よりも下流側でもアンモニアと窒素酸化物を反応させ、アンモニアを尿素ＳＣＲ触媒に吸着させることができるため、測定位置でアンモニアが検出されても尿素ＳＣＲ触媒よりも下流側にアンモニアが漏れ出ることを抑制することができる。
また、尿素ＳＣＲ触媒手段２６は、温度や濃度等の複数の要因によって、窒素酸化物とアンモニアとの反応量や、アンモニアの吸着率が変化するため、予め作成したマップに基づいて、尿素水の噴射量を制御しても、アンモニアが多くなりアンモニアが漏れ出すか、アンモニアが少なく窒素酸化物を還元しきれず窒素酸化物が漏れ出す可能性があるが、尿素ＳＣＲ触媒の中の測定位置におけるアンモニア濃度を計測することで、より適切に尿素水の噴射量を制御することができる。
また、通常、排ガス浄化装置１６では、排気配管１４から大気中にアンモニアが漏れ出ないように、尿素ＳＣＲ触媒手段２６よりも下流側にアンモニアを酸化する酸化触媒を設けるが、その酸化触媒をより小さくすることができる、または、設ける必要がなくなる。これにより、排ガス浄化装置の装置構成をより簡単にすることができ、重量も軽くすることができる。さらに、アンモニアを酸化することで発生する窒素酸化物を低減または無くすことができる。なお、上述したように、排ガス浄化装置１６は、アンモニアが漏れ出ることが抑制できるが、大気中に漏れ出るアンモニアをより低減するために、尿素ＳＣＲ触媒手段２６よりも下流側にアンモニアを酸化する酸化触媒を設けることが好ましい。なお、酸化触媒を設けても、ディーゼルエンジン用排ガス浄化装置１６は、上述したように、アンモニアが漏れ出る量を低減できているため、従来よりも酸化触媒をより小型化することができ、また、発生する窒素酸化物もより少なくすることができる。
なお、アンモニア濃度の目標値は、バッファを持った値、つまり、アンモニア濃度が目標値よりも高い濃度となった場合でも、濃度計測手段２８よりも下流の尿素ＳＣＲ触媒手段２６でアンモニアを吸収できる状態となる値、すなわち、アンモニア濃度が目標値の場合は、尿素ＳＣＲ触媒手段２６に、アンモニアを吸収する余裕がある状態となる値に設定することが好ましい。このように、バッファを持った値を目標値に設定することで、尿素ＳＣＲ触媒手段２６からアンモニアが漏れ出ることを確実に防止することができる。
ここで、濃度計測手段２８は、尿素ＳＣＲ触媒手段２６の尿素ＳＣＲ触媒が配置されている領域のうち、排ガスの流れ方向において、尿素ＳＣＲ触媒内にアンモニアを過剰に投入した状態で排ガス中の窒素酸化物を還元させた場合にディーゼルエンジンの最大負荷時の窒素酸化物濃度がディーゼルエンジンの最小負荷時での尿素ＳＣＲ触媒の入口の濃度または内燃機関の最大負荷時の尿素ＳＣＲ触媒の入口での濃度の半分の濃度のうち、いずれか高い方の濃度となる位置から、ディーゼルエンジンの最大負荷時の窒素酸化物濃度がアンモニア濃度１０ｐｐｍで脱硝可能な理論上の窒素酸化物濃度となる位置までの領域のうち任意の位置のアンモニア濃度を計測することが好ましい。ここで、尿素ＳＣＲ触媒内にアンモニアを過剰に投入した状態で排ガス中の窒素酸化物を還元させた場合とは、尿素ＳＣＲ触媒に吸着されるアンモニアが飽和しており、投入したアンモニアが尿素ＳＣＲ触媒の通過時に尿素ＳＣＲ触媒に吸着されずに窒素酸化物のみを還元すると仮定した場合である。つまり、尿素ＳＣＲ触媒で、窒素酸化物を最大限の効率で還元させた場合である。また、アンモニア濃度１０ｐｐｍで脱硝（つまり、還元）可能な理論上の窒素酸化物濃度とは、アンモニアが尿素ＳＣＲ触媒に吸着されない状態で、且つ、排ガス（空気）中のアンモニア濃度が１０ｐｐｍのときに脱硝可能な窒素酸化物の濃度である。また、尿素ＳＣＲ触媒内にアンモニアを過剰に投入した状態で排ガス中の窒素酸化物を還元させた場合にディーゼルエンジンの最大負荷時の窒素酸化物濃度がディーゼルエンジンの最小負荷時での尿素ＳＣＲ触媒の入口の濃度、または、内燃機関の最大負荷時の尿素ＳＣＲ触媒の入口での濃度の半分の濃度のうち、いずれか高い方の濃度となる位置は、尿素ＳＣＲ触媒内にアンモニアを過剰に投入した状態で排ガス中の窒素酸化物を還元させた場合にディーゼルエンジンの最大負荷時の窒素酸化物濃度がディーゼルエンジンの最小負荷時での尿素ＳＣＲ触媒の入口の濃度となる位置、または、尿素ＳＣＲ触媒内にアンモニアを過剰に投入した状態で排ガス中の窒素酸化物を還元させた場合にディーゼルエンジンの最大負荷時の窒素酸化物濃度が尿素ＳＣＲ触媒の入口での濃度の半分の濃度となる位置のうち、いずれか尿素ＳＣＲ触媒手段２６の入口に近い方とも言える。
以下、図３を用いてより詳細に説明する。図３は、尿素ＳＣＲ触媒の入口からの長さと窒素酸化物濃度との関係を示すグラフである。図３では、横軸を尿素ＳＣＲ触媒の入口からの長さとし、縦軸を窒素酸化物濃度とした。また、図３には、最大負荷、つまり、ディーゼルエンジンから最も高い濃度で窒素酸化物を排出し、かつ、尿素ＳＣＲ触媒内にアンモニアを過剰に投入した状態で、排ガス中の窒素酸化物を還元させた場合の尿素ＳＣＲ触媒の各位置における窒素酸化物濃度をシミュレーションにより算出した結果を示す。さらに、最小負荷、つまり、ディーゼルエンジンから最も低い濃度で窒素酸化物を排出し、かつ、尿素ＳＣＲ触媒内にアンモニアを過剰に投入した状態で、排ガス中の窒素酸化物を還元させた場合の尿素ＳＣＲ触媒の各位置における窒素酸化物濃度をシミュレーションにより算出した結果も示す。ここで、Ｌ３は、尿素ＳＣＲ触媒の入口から出口までの長さ、つまり全長である。また、ＣＮ１は、アンモニア濃度を１０ｐｐｍとしたときに脱硝可能な理論上の窒素酸化物濃度であり、ＣＮ２は、最小負荷時の尿素ＳＣＲ触媒入口での窒素酸化物濃度であり、ＣＮ３は、最大負荷時の尿素ＳＣＲ触媒入口での窒素酸化物濃度である。また、図３において、Ｌ１が、尿素ＳＣＲ触媒内にアンモニアを過剰に投入した状態で排ガス中の窒素酸化物を還元させた場合にディーゼルエンジンの最大負荷時の窒素酸化物濃度がディーゼルエンジンの最小負荷時での尿素ＳＣＲ触媒の入口の濃度となる位置となり、Ｌ２が、ディーゼルエンジンの最大負荷時の窒素酸化物濃度がアンモニア濃度１０ｐｐｍで脱硝可能な理論上の窒素酸化物濃度となる位置となる。図３において、濃度計測手段２８は、Ｌ１とＬ２との間に配置することが好ましい。なお、これらの各値の具体値は、装置により変化する。
尿素ＳＣＲ触媒手段２６の尿素ＳＣＲ触媒が配置されている領域のうち、上記の位置、図３中Ｌ１とＬ２との間のアンモニア濃度を計測することで、アンモニアが尿素ＳＣＲ触媒手段２６の尿素ＳＣＲ触媒に吸着される割合や、窒素酸化物とアンモニアの反応状態をより正確に把握することができ、尿素ＳＣＲ触媒手段２６に適切なバッファを持たせることができる。さらに、未反応のアンモニアがある程度残っている状態の排ガス中のアンモニア濃度を計測できるため、計測しやすいアンモニア濃度を目標値とすることができる。また、図３に示す例では、ＣＮ２が最小負荷時の尿素ＳＣＲ触媒入口での窒素酸化物濃度の場合としたが、上述したようにＣＮ２は、最大負荷時の尿素ＳＣＲ触媒の入口での濃度の半分の濃度とする場合もある。この場合は、Ｌ１は、尿素ＳＣＲ触媒内にアンモニアを過剰に投入した状態で排ガス中の窒素酸化物を還元させた場合にディーゼルエンジンの最大負荷時の窒素酸化物濃度が最大負荷時の尿素ＳＣＲ触媒の入口での濃度の半分の濃度となる位置となる。このように、最大負荷時の尿素ＳＣＲ触媒の入口での濃度の半分の濃度を基準として用いた場合でも、上記と同様の効果を得ることができる。また、ＣＮ２としては、上述したように、２つの基準とする濃度のうちより高い方の濃度とするのが好ましく、Ｌ１としては、上述したように、２つの位置のうちより尿素ＳＣＲ触媒手段２６の入口に近い側の位置とすることが好ましい。最小負荷時の尿素ＳＣＲ触媒入口での窒素酸化物濃度または最大負荷時の尿素ＳＣＲ触媒の入口での濃度の半分の濃度のうちいずれか高い方の濃度を基準として用いることで、最小負荷時の尿素ＳＣＲ触媒入口での窒素酸化物濃度が極端に低い濃度である場合にも、Ｌ１とＬ２との間でアンモニア濃度を適切に検出することができる。
また、制御手段３０は、任意の位置（以下「基準位置」ともいう。）におけるアンモニア濃度が所定範囲内となるように、噴射手段２２による尿素水の噴射を制御することが好ましい。基準位置におけるアンモニア濃度を所定の範囲内とすることで、排気配管１４中に噴射する尿素水の量をより適切な量とすることができ、排気配管１４からアンモニアが漏れ出ることをより抑制しつつ、窒素酸化物もより確実に低減させることができる。なお、この場合は、濃度計測手段２８により尿素ＳＣＲ触媒手段２６の尿素ＳＣＲ触媒が配置されている領域のうち基準位置の濃度を計測し、その計測結果に基づいて、制御手段３０が噴射手段２２による尿素水の噴射を制御するようにすることが好ましいが、これに限定されず、基準位置よりも上流側の位置のアンモニア濃度を計測しても、基準位置よりも下流側の位置のアンモニア濃度を計測してもよい。このように、アンモニア濃度を計測する地点が、基準位置と異なる場合は、離間距離に基づいて、基準位置におけるアンモニア濃度を算出するようにすればよい。また、アンモニア濃度を計測する位置のアンモニア濃度と、基準位置のアンモニア濃度との関係を予め実験により求めていてもよい。
さらに、制御手段３０は、濃度計測手段２８での計測結果に基づいて、尿素ＳＣＲ触媒手段２６の尿素ＳＣＲ触媒が配置されている領域のうち、Ｌ１とＬ２との間の窒素酸化物濃度が、ＣＮ１以上ＣＮ２以下となるように尿素噴射量を調整することが好ましい。具体的には、制御手段３０は、測定位置における窒素酸化物濃度が１０ｐｐｍのアンモニア濃度で脱硝可能な理論上の窒素酸化物濃度以上、かつ、最小負荷時における尿素ＳＣＲ触媒の入口における窒素酸化物濃度または最大負荷時の前記尿素ＳＣＲ触媒の入口での濃度の半分の濃度のうちいずれか高い方の濃度以下となるように、測定位置におけるアンモニア濃度の基準値または基準範囲を設定することが好ましい。さらに、各位置における窒素酸化物濃度が、図３中、斜線が引かれた領域の範囲内となるように、測定位置におけるアンモニア濃度の基準値または基準範囲を設定することがより好ましい。具体的には、測定位置におけるＬ１とＬ２との間の窒素酸化物濃度が、ＣＮ１以上ＣＮ２以下となり、各位置における窒素酸化物濃度が、最小負荷、かつ、尿素ＳＣＲ触媒内にアンモニアを過剰に投入した状態で、排ガス中の窒素酸化物を還元させた場合の尿素ＳＣＲ触媒の各位置における窒素酸化物濃度をシミュレーションにより算出した結果以上で、最大負荷、かつ、尿素ＳＣＲ触媒内にアンモニアを過剰に投入した状態で、排ガス中の窒素酸化物を還元させた場合の尿素ＳＣＲ触媒の各位置における窒素酸化物濃度をシミュレーションにより算出した結果以下となるように、測定位置におけるアンモニア濃度の基準値または基準範囲を設定することがより好ましい。窒素酸化物濃度が所定範囲内となるように測定位置のアンモニア濃度の基準を設定することで、アンモニアの漏れをより少なくしつつ、より効率よく窒素酸化物を還元することができる。なお、図３は、Ｌ１、ＣＮ２の濃度を最小負荷時における尿素ＳＣＲ触媒の入口における窒素酸化物濃度であり、Ｌ１、ＣＮ２の濃度が、最大負荷時の前記尿素ＳＣＲ触媒の入口での濃度の半分の濃度のうちいずれか高い方の濃度となる場合は、Ｌ１、ＣＮ２の位置は異なる位置となる。なお、この場合でも、図３中において、Ｌ１、ＣＮ２の位置が異なる位置となるのみで、その他の範囲の定義は同様の定義となる。
また、制御手段３０は、測定位置におけるアンモニア濃度の目標値を、アクセル開度、速度、エンジン回転数等の運転条件によって変化させても、運転条件にかかわらず一定としてもよい。運転条件によって、目標値を変化させた場合は、排ガス中に含まれる窒素酸化物の量の増減に対応して尿素水の噴射量を制御することができ、窒素酸化物をより適切に低減することができ、測定位置のアンモニア濃度を目標値に近い値に維持することができる。なお、目標値を一定にして、目標値と運転条件との関係から尿素水の噴射量、噴射タイミングを制御する場合も同様である。また、アンモニア濃度の目標値を運転条件にかかわらず一定とした場合は、運転条件を検出する必要がなくなり、測定手段を少なくすることができ、排ガス浄化装置の装置構成を簡単にすることができる。また条件に応じて目標値を算出する必要が無くなるため、制御が簡単になる。
また、排ガス浄化装置１６では、酸化触媒１８及びＤＰＦ２０によりＰＭを捕集し、排ガス中のＰＭを低減させたが、本発明はこれに限定されない。ディーゼルエンジン用排ガス浄化装置には、ＰＭを低減させる種々の方式の粒子状物質低減装置を用いることができ、例えば、酸化触媒を設けずに、ＰＭを捕集するフィルタのみを配置してもよい。
なお、排ガス浄化装置１６では、濃度計測手段２８として、アンモニアが吸収する波長域のレーザ光を出力し、レーザ光の吸収割合を検出するＴＤＬＡＳ方式により、アンモニア濃度を測定したがこれに限定されず、排ガス中のアンモニア濃度を計測できる種々の計測手段を用いることができる。例えば、測定位置に分岐管を設けて、排ガスの一部が分岐管にも流れるようにし、分岐管を流れる排ガスのアンモニア濃度を測定するようにしてもよい。
また、排ガス浄化装置１６では、１つの尿素ＳＣＲ触媒手段２６を設け、尿素ＳＣＲ触媒手段２６の中、つまり尿素ＳＣＲ触媒手段２６の間に濃度測定手段２８を設けたが、本発明はこれに限定されない。以下、図４とともに、本発明のディーゼルエンジン用排ガス浄化装置の他の実施形態について説明する。
図４は、本発明の排ガス浄化装置を有する車両の他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。なお、図４に示す車両５０は、排ガス浄化装置５２の尿素ＳＣＲシステム５４の構成を除いて他の構成は、車両１０と同様であるので、同様の構成要素の説明は省略し、以下、車両５０に特有の点を重点的に説明する。図４に示す車両５０は、ディーゼルエンジン１２と、排気配管１４と、排ガス浄化装置５２とを有する。（ディーゼルエンジン用）排ガス浄化装置５２は、酸化触媒１８と、ＤＰＦ２０と、噴射手段２２と、尿素水タンク２４と、尿素ＳＣＲ触媒手段５６と、濃度計測手段６４と、制御手段３０とを有する。酸化触媒１８と、ＤＰＦ２０と、噴射手段２２と、尿素水タンク２４と、制御手段３０とは、上述した排ガス浄化装置１６の各部と同様の構成であるので、詳細な説明は省略する。
尿素ＳＣＲ触媒手段５６は、第１触媒５８と、接続配管６０と、第２触媒６２とを有する。第１触媒５８及び第２触媒６２は、それぞれ、尿素から生成されたアンモニアと窒素酸化物との反応を促進させる尿素選択的還元触媒である尿素ＳＣＲ触媒と尿素ＳＣＲ触媒を支持する支持機構とで構成されている。第１触媒５８と第２触媒６２の尿素ＳＣＲ触媒には、同一の触媒を用いても、異なる触媒を用いてもよい。接続配管６０は、第１触媒５８と第２触媒６２との間に配置された配管であり、第１触媒５８を通過した排ガスを第２触媒６２に案内する。
濃度計測手段６４は、接続配管６０に設置されており、接続配管６０内を流れる排ガスのアンモニア濃度を計測する。なお、濃度計測手段６４は、配置以外の各構成は、上述した濃度計測手段２８と同様であるので、詳細な説明は省略する。
排ガス浄化装置５２は、以上のような構成であり、ディーゼルエンジン１２から排出された排ガスは、排気配管１４を流れ、酸化触媒１８及びＤＰＦ２０を通過してＰＭが低減される。その後、排ガスは、さらに、排気配管１４を流れ、噴射手段２２で尿素水が噴射された後、第１触媒５８内を通過し、接続配管６０を通過し、第２触媒６２を通過する。ここで、排ガスは、第１触媒５８及び第２触媒６２を通過する際に、排ガス中に含まれる窒素酸化物と尿素水から生成されたアンモニアとが反応し、窒素酸化物が還元される。第２触媒６２を通過した排ガスは、排気配管１４から大気に排出される。
このように、尿素ＳＣＲ触媒手段の尿素ＳＣＲ触媒を構成する触媒を複数に分け、その触媒同士を配管で接続した場合でも、排ガスの流れ方向において、上流側と下流側の両方に触媒が配置されている位置のアンモニアの濃度を濃度計測手段で計測し、その計測結果に基づいて、噴射手段による尿素水の噴射を制御することで、アンモニアと窒素酸化物の反応状態に即して尿素水の噴射量を制御することができる。なお、図４に示すように、尿素ＳＣＲ触媒を第１触媒と第２触媒とに分離する場合は、測定位置が、尿素ＳＣＲ触媒の入口からＬ１以上Ｌ２以下の位置となるように、排ガスの流れ方向における第１触媒の長さと第２触媒の長さとの比が上述した関係を満たすようにすることが好ましい。つまり、排ガスの流れ方向における第１触媒の長さをＬａとし、第２触媒の長さをＬｂとしたとき、ＬａとＬｂの長さの合計がＬ３、つまり、Ｌａ＋Ｌｂ＝Ｌ３となり、Ｌａの長さが、Ｌ１とＬ２との間の長さとなることが好ましい。このように、第１触媒を通過した位置が、ＳＣＲ触媒のうち排ガスの流れ方向において長さＬ１以上Ｌ２以下分の領域を通過した位置となるようにすることにより、接続配管に配置した濃度計測手段で好適な位置の排ガスのアンモニア濃度を測定することができる。これにより、窒素酸化物とアンモニアの反応状態をより正確に把握することができ、尿素ＳＣＲ触媒手段に適切なバッファを持たせることができる。
なお、上記実施形態では、管理が簡単となり、利用しやすいため、噴射手段により尿素水を噴射させてアンモニアを生成したが、本発明はこれに限定されない。尿素ＳＣＲ触媒（ＳＣＲ触媒）にアンモニアを供給できればよく、例えば、気体のアンモニアを直接噴射させてもよく、アンモニア水を供給するようにしてもよい。
次に、実験例を用いて排ガス浄化装置をより詳細に説明する。図５から図８は、それぞれ測定結果の一例を示すグラフである。ここで、以下の実験では、尿素水ではなく、気体のアンモニアを供給し、内燃機関としては、三菱重工株式会社製の発電用の３０ｋＷエンジンを用いた。さらに、アンモニア濃度計測手段は、ＳＣＲ触媒の上流側から４分の１、つまり上流側から２５％下流側に移動した位置のアンモニア濃度を計測した。また、実験では、内燃機関を一定条件で運転させ、駆動状態が安定したら、エンジンから排出される排ガスの流量を減らし、かつ、別途一定量の空気（排ガスではない空気）を混入させる。また、空気を混入させることで、窒素酸化物の濃度のみならず、排ガスの温度も変化し、ＳＣＲ触媒での処理条件が変化する。このようにして、処理条件が変化した場合にＳＣＲ触媒の上流側から４分の１に配置したアンモニア濃度計測手段の計測結果に基づいてアンモニアの投入量を調整した。また、制御の目標値は、条件に応じて可変とし、条件に基づいて予め設定した目標値となるように制御を行った。
このようにして、排ガス浄化装置を通過する排ガスの条件を変化させ、アンモニアの投入量、測定位置におけるアンモニア濃度（計測手段での計測結果）、ＳＣＲ触媒の入口での温度、ＳＣＲ触媒の出口（排ガス浄化装置）から排出される排ガスの窒素酸化物濃度、アンモニア濃度を計測した。測定結果を図５に示す。ここで、図５では、横軸を処理開始からの経過時間［時間、ｈ］とし、縦軸を窒素酸化物濃度（ＮＯｘ濃度）［ｐｐｍ］、アンモニア濃度（ＮＨ３濃度）［ｐｐｍ］、ＳＣＲ触媒の入口の温度［℃］、アンモニア（ＮＨ３）の投入量［×１００ＮＬ／ｍｉｎ］とした。
また、図５に示す測定例では、開始直後３０分（経過時間０ｈから経過時間０：３０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスのみを排ガス浄化装置に供給し、その後、１時間（経過時間０：３０ｈから経過時間１：３０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスと、追加した空気（排ガスではなく、排ガスに混合した空気）を混合して排ガス浄化装置に供給し、その後１時間（経過時間１：３０ｈから経過時間２：３０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスのみを排ガス浄化装置に供給して、計測を行った。測定時に供給されるガス（空気）の流量を測定した結果、開始直後３０分（経過時間０ｈから経過時間０：３０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が４１Ｎｍ３／ｈとなり、その後、１時間（経過時間０：３０ｈから経過時間１：３０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が２４Ｎｍ３／ｈとなり、追加した空気の流量が４５Ｎｍ３／ｈとなり、排ガス浄化装置を流れる空気の流量が６９Ｎｍ３／ｈとなり、その後１時間（経過時間１：３０ｈから経過時間２：３０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が４３Ｎｍ３／ｈとなった。
次に、比較のために、予め算出したマッピングデータに基づいてアンモニアの投入量を制御した場合についても計測を行った。なお、本測定例では、エンジンは安定運転（回転数、運転条件等）であるので、それぞれの条件の実験から算出したアンモニア投入量と、排ガスに一定量の空気が混合された場合の実験から算出されたアンモニア投入量とを用いて制御を行った。また、マッピングデータは、その運転条件において、定常状態で排ガス浄化装置から排出される窒素酸化物の濃度が５から１０ｐｐｍとなるアンモニアの投入量が対応付けられている。測定結果を図６に示す。なお、図６に示すグラフの縦軸と横軸は、図５に示すグラフと同様である。
また、図６に示す測定例でも、開始直後３０分（経過時間０ｈから経過時間０：３０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスのみを排ガス浄化装置に供給し、その後、１時間（経過時間０：３０ｈから経過時間１：３０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスと、追加した空気（排ガスではなく、排ガスに混合した空気）を混合して排ガス浄化装置に供給し、その後１時間（経過時間１：３０ｈから経過時間２：３０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスのみを排ガス浄化装置に供給して、計測を行った。測定時に供給されるガス（空気）の流量を測定した結果、開始直後３０分（経過時間０ｈから経過時間０：３０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が４３Ｎｍ３／ｈとなり、その後、１時間（経過時間０：３０ｈから経過時間１：３０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が２６Ｎｍ３／ｈとなり、追加した空気（排ガスではなく、排ガスに混合した空気）の流量が４５Ｎｍ３／ｈとなり、排ガス浄化装置を流れる空気の流量が７１Ｎｍ３／ｈとなり、その後１時間（経過時間１：３０ｈから経過時間２：３０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が４４Ｎｍ３／ｈとなった。
図５及び図６に示すように、ＳＣＲ触媒中のアンモニア濃度の計測結果に基づいて、アンモニア投入量を調整することで、運転状態と投入量との関係のマッピングデータのみに基づいて投入量を調整する場合よりも、アンモニアの漏れを抑制しつつ、窒素酸化物の漏れも少なくすることができる。特に、排ガス温度が急激に低下する場合には、触媒温度も低下し、アンモニアがＮＯｘの還元反応に利用されずに触媒に吸着されやすくなり、また、排ガス温度が急激に上昇する場合には、触媒温度も上昇し、触媒に吸着したアンモニアが放出される、という触媒の特性を補償可能でとなる。また、図５に示すように、アンモニアの濃度を計測する地点では、一定以上の濃度でアンモニア濃度を計測することができる。つまり、出口付近よりも高い濃度のアンモニアが計測対象となるため、値の変化が検出しやすく、計測を簡単に行うことできる。
次に、図５及び図６に示す場合よりも短時間で繰り返し運転条件を切り替えた場合についても実験を行った。アンモニア濃度計測手段に基づいて制御を行った場合の計測結果を図７に示し、比較のためにマッピングデータに基づいて制御を行った場合の計測結果を図８に示す。なお、図７及び図８に示すグラフの縦軸、横軸は、図５に示すグラフと同様である。
図７に示す測定例では、開始直後２０分（経過時間０ｈから経過時間０：２０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスのみを排ガス浄化装置に供給し、その後五分毎に、エンジンからの排ガスと追加した空気を混合した空気を供給する状態と、エンジンからの排ガスのみを供給する状態と４回を繰り返して計測を行った。測定時に供給されるガス（空気）の流量を測定した結果、開始直後２０分（経過時間０ｈから経過時間０：２０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が４３Ｎｍ３／ｈとなり、その後、５分間（経過時間０：２０ｈから経過時間０：２５ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が２６Ｎｍ３／ｈとなり、追加した空気の流量が４５Ｎｍ３／ｈとなり、排ガス浄化装置を流れる空気の流量が７１Ｎｍ３／ｈとなり、その後５分間（経過時間０：２５ｈから経過時間０：３０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が４５Ｎｍ３／ｈとなった。さらに、その後、５分間（経過時間０：３０ｈから経過時間０：３５ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が２６Ｎｍ３／ｈとなり、追加した空気の流量が４５Ｎｍ３／ｈとなり、排ガス浄化装置を流れる空気の流量が７１Ｎｍ３／ｈとなり、その後５分間（経過時間０：３５ｈから経過時間０：４０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が４４Ｎｍ３／ｈとなった。さらに、その後、５分間（経過時間０：４０ｈから経過時間０：４５ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が２６Ｎｍ３／ｈとなり、追加した空気の流量が４５Ｎｍ３／ｈとなり、排ガス浄化装置を流れる空気の流量が７１Ｎｍ３／ｈとなり、その後５分間（経過時間０：４５ｈから経過時間０：５０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が４４Ｎｍ３／ｈとなった。その後、５分間（経過時間０：５０ｈから経過時間０：５５ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が２７Ｎｍ３／ｈとなり、追加した空気の流量が４５Ｎｍ３／ｈとなり、排ガス浄化装置を流れる空気の流量が７２Ｎｍ３／ｈとなり、その後２０分間（経過時間０：５５ｈから経過時間１：１５ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が４４Ｎｍ３／ｈとなった。
次に、図８に示す測定例でも、開始直後２０分（経過時間０ｈから経過時間０：２０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスのみを排ガス浄化装置に供給し、その後五分毎に、エンジンからの排ガスと追加した空気を混合した空気を供給する状態と、エンジンからの排ガスのみを供給する状態と４回を繰り返して計測を行った。測定時に供給されるガス（空気）の流量を測定した結果、開始直後２０分（経過時間０ｈから経過時間０：２０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が４４Ｎｍ３／ｈとなり、その後、５分間（経過時間０：２０ｈから経過時間０：２５ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が２７Ｎｍ３／ｈとなり、追加した空気の流量が４５Ｎｍ３／ｈとなり、排ガス浄化装置を流れる空気の流量が７２Ｎｍ３／ｈとなり、その後５分間（経過時間０：２５ｈから経過時間０：３０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が４５Ｎｍ３／ｈとなった。さらに、その後、５分間（経過時間０：３０ｈから経過時間０：３５ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が２９Ｎｍ３／ｈとなり、追加した空気の流量が４５Ｎｍ３／ｈとなり、排ガス浄化装置を流れる空気の流量が７４Ｎｍ３／ｈとなり、その後５分間（経過時間０：３５ｈから経過時間０：４０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が４５Ｎｍ３／ｈとなった。さらに、その後、５分間（経過時間０：４０ｈから経過時間０：４５ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が２８Ｎｍ３／ｈとなり、追加した空気の流量が４５Ｎｍ３／ｈとなり、排ガス浄化装置を流れる空気の流量が７３Ｎｍ３／ｈとなり、その後５分間（経過時間０：４５ｈから経過時間０：５０ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が４５Ｎｍ３／ｈとなった。その後、５分間（経過時間０：５０ｈから経過時間０：５５ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が２８Ｎｍ３／ｈとなり、追加した空気の流量が４５Ｎｍ３／ｈとなり、排ガス浄化装置を流れる空気の流量が７３Ｎｍ３／ｈとなり、その後２０分間（経過時間０：５５ｈから経過時間１：１５ｈ）の間は、エンジンからの排ガスの流量が４４Ｎｍ３／ｈなった。
図７及び図８に示すように、ＳＣＲ触媒中のアンモニア濃度の計測結果に基づいて、アンモニア投入量を調整することで、運転状態と投入量との関係のマッピングデータのみに基づいて投入量を調整する場合よりも、アンモニアの漏れを抑制しつつ、窒素酸化物の漏れも少なくすることができる。具体的には、図８に示す測定例では、条件の切り替わりの際に出口からアンモニアが漏れているが、図７に示す測定例では、アンモニアの漏れを抑制できている。これにより、出口から漏れる窒素酸化物の量を増やすことなく、アンモニアの漏れ量を少なくすることができている。特に、排ガス温度が急激に低下する場合には、触媒温度も低下し、アンモニアがＮＯｘの還元反応に利用されずに触媒に吸着されやすくなり、また、排ガス温度が急激に上昇する場合には、触媒温度も上昇し、触媒に吸着したアンモニアが放出される、という触媒の特性を補償可能である。また、図７に示すように、本測定例でも、アンモニアの濃度を計測する地点では、一定以上の濃度でアンモニア濃度を計測することができる。つまり、出口付近よりも高い濃度のアンモニアが計測対象となるため、値の変化が検出しやすく、計測を簡単に行うことできる。
以上のように、本発明にかかる排ガス浄化装置は、内燃機関から排出される排ガスの浄化に有用であり、特に、車両に搭載されたディーゼルエンジンから排出される排ガスの浄化に適している。
１０、５０ 車両
１２ ディーゼルエンジン
１４ 排気配管
１６、５２ 排ガス浄化装置
１８ 酸化触媒
２０ ＤＰＦ
２１、５４ 尿素ＳＣＲシステム
２２ 噴射手段
２４ 尿素水タンク
２６、５６ 尿素ＳＣＲ触媒手段
２８、６４ 濃度計測手段
３０ 制御手段
４０ 計測手段本体
４２ 光ファイバ
４４ 計測セル
４６ 受光部
５８ 第１触媒
６０ 接続配管
６２ 第２触媒

Claims (6)

  1. 内燃機関から排出される排ガスに含まれる窒素酸化物を還元する排ガス浄化装置であって、
    前記内燃機関から排出される排ガスを案内する排気配管と、
    前記排気配管内にアンモニアを供給するアンモニア供給手段と、
    供給されたアンモニアと前記窒素酸化物との反応を促進させるＳＣＲ触媒及び前記排気配管の内部に配置され前記ＳＣＲ触媒を前記排気配管の内部に支持する支持機構とを備え、前記排ガスの流れ方向において前記アンモニアが供給される位置よりも下流側に配置されている触媒手段と、
    前記触媒手段が配置されている領域内の測定位置における排ガス中のアンモニアの濃度を計測するアンモニア濃度計測手段と、
    前記アンモニア濃度計測手段の計測結果に基づいて前記アンモニア供給手段によるアンモニアの供給を制御する噴射制御手段と、を有することを特徴とする排ガス浄化装置。
  2. 内燃機関から排出される排ガスに含まれる窒素酸化物を還元する排ガス浄化装置であって、
    前記内燃機関から排出される排ガスを案内する排気配管と、
    前記排気配管内に尿素水を噴射する尿素水噴射手段と、
    噴射された尿素水から生成されるアンモニアと前記窒素酸化物との反応を促進させる尿素ＳＣＲ触媒及び前記排気配管の内部に配置され前記尿素ＳＣＲ触媒を前記排気配管の内部に支持する支持機構とを備え、前記排ガスの流れ方向において前記尿素水が噴射される位置よりも下流側に配置されている触媒手段と、
    前記触媒手段が配置されている領域内の測定位置における排ガス中のアンモニアの濃度を計測するアンモニア濃度計測手段と、
    前記アンモニア濃度計測手段の計測結果に基づいて前記尿素水噴射手段による尿素水の噴射を制御する噴射制御手段と、を有することを特徴とする排ガス浄化装置。
  3. 前記アンモニア濃度計測手段は、前記触媒手段の前記尿素ＳＣＲ触媒が配置されている領域のうち、排ガスの流れ方向において、前記尿素ＳＣＲ触媒内にアンモニアを過剰に投入した状態で排ガス中の窒素酸化物を還元させた場合に前記内燃機関の最大負荷時の窒素酸化物濃度が、前記内燃機関の最小負荷時での前記尿素ＳＣＲ触媒の入口の濃度または前記内燃機関の最大負荷時の前記尿素ＳＣＲ触媒の入口での濃度の半分の濃度のうち、いずれか高い方の濃度となる位置から、前記内燃機関の最大負荷時の窒素酸化物濃度がアンモニア濃度１０ｐｐｍで脱硝可能な理論上の窒素酸化物濃度となる位置、までの領域に含まれる位置の前記排ガスのアンモニア濃度を検出することを特徴とする請求項２に記載の排ガス浄化装置。
  4. 前記触媒手段は、前記尿素ＳＣＲ触媒が、第１触媒及び前記第１触媒よりも前記排ガスの流れ方向において下流側に配置された第２触媒で構成され、さらに、前記第１触媒と前記第２触媒とを接続する接続配管を備え、
    前記アンモニア濃度計測手段は、前記接続配管に配置され、
    前記測定位置は、前記接続配管内にあることを特徴とする請求項２に記載の排ガス浄化装置。
  5. さらに、前記尿素水噴射手段と前記内燃機関との間に配置され、前記排ガスに含まれる粒子状物質を低減する粒子状物質低減装置を有することを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
  6. さらに、前記測定位置における排ガス中の窒素酸化物の濃度を計測する窒素酸化物濃度計測手段を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
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