WO2009113211A1 - NOx浄化システムの制御方法及びNOx浄化システム - Google Patents

NOx浄化システムの制御方法及びNOx浄化システム Download PDF

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Abstract

 上流側から順に酸化触媒装置12と選択還元型NOx触媒装置14を備えて排気ガス中のNOxを還元するNOx浄化システムの制御方法及びNOx浄化システム1において、酸化触媒装置12におけるNO2吸着量Vnの増減を推定し、この推定したNO2吸着量Vnの増減に基づいて、酸化触媒装置12をバイパスする排気ガス流量Vgbを調整する。これにより、酸化触媒装置のNO2吸着状態を推定して、選択還元型NOx触媒装置に流入するNOxのNO:NO2の比をできるだけ、1:1に近づけて、必要なアンモニア系溶液の量を添加して、アンモニアの不足や過剰供給による問題を回避する。

Description

NOx浄化システムの制御方法及びNOx浄化システム
 本発明は、排気ガス通路の上流側に酸化触媒装置を、下流側に選択還元型NOx触媒(SCR触媒)装置を備えたNOx浄化システムの制御方法及びNOx浄化システムに関する。
 ディーゼルエンジンの排気ガスの浄化処理では、酸素過剰雰囲気中でNOx(窒素酸化物)を処理するために、選択還元型NOx触媒装置を用いたNOx浄化システムが実用化されている。この選択還元型NOx触媒装置を備えたNOx浄化システムでは、アンモニア(NH3)を還元剤としてNOxを選択還元する選択還元型NOx触媒(SCR触媒)装置と、その前段、即ち、その上流側にアンモニア供給源としての尿素水等のアンモニア系溶液を排気ガス中に添加するアンモニア系溶液供給装置を備えている。
 このアンモニア系溶液供給装置から排気ガス中に添加された尿素水((NH22CO)は加水分解されて、化学反応式の(1)式「(NH22CO+H2O→2NH3+CO2」の反応でアンモニアを発生する。この生成したアンモニアは、還元剤として、選択還元型NOx触媒装置でNOx浄化に使用される。この選択還元型NOx触媒装置では、アンモニアとNOxは化学反応式で(2)式「4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O」と(3)式「2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O」と(4)式「8NH3+6NO2→7N2+12H2O」の反応でNOxが窒素に還元される。
 これらの反応において、低温では(3)式の反応が(2)式の反応や(4)式の反応に比べて進行しやすく、NO(一酸化窒素)とNO2(二酸化窒素)の比(モル比)が1:1のとき、即ち、NOx中のNO2の割合(モル比)が50%のときに、最も反応し易いと考えられている。しかしながら、エンジンから排出される排気ガスにおいては、NOxの殆どがNOである。そのため、排気ガス中のNOの一部をNO2に酸化する酸化触媒装置をアンモニア系溶液供給装置よりも上流側に配置し、低温でのNOx浄化性能を向上させる方法が採用されている。
 これに関連して、例えば、日本の特開2007-154819号公報では、次のような低温NOx浄化性能を向上させる方法が提案されている。この方法では、SCR触媒(選択還元型NOx触媒)に流入する排気ガス中のNO:NO2をできるだけ低温でのNOx浄化に有利な1:1に近づけるために、エンジンから排出される排気ガスGの一部または全部をNO酸化触媒(酸化触媒)に流通させてSCR触媒(選択還元型NOx触媒)に供給し、排気ガスGの残部をNO酸化触媒に流通させないバイパス通路でSCR触媒に供給する。この時、排気ガス条件等やNO酸化触媒のNO酸化性能を考慮し、NO酸化触媒を通過させる排気ガスGの流量と流通させないでSCR触媒に供給する各々の流量を調整してNOとNO2の比を1:1に近づけて低温NOx浄化性能を向上させる。また、排気ガスGが高温になる場合には、NO酸化触媒に排気ガスGを流通させないようにしてNO酸化触媒の劣化も防止する方法が提案されている。
 しかしながら、酸化触媒により酸化されて生成したNO2は、NOに比べて酸化触媒への吸着性が非常に高い。そのため、NO2が飽和吸着に達するまでは、酸化触媒で生成したNO2は酸化触媒に吸着される。従って、選択還元型NOx触媒には、未反応のNOのみが供給されることになり、NO2は選択還元型NOx触媒には供給されない。
 一方、NO2吸着量が飽和に達した後、温度上昇した場合には、酸化触媒のNO2飽和吸着量は温度上昇に伴い低下するためにNO2の放出が起きる。そのため、予想を超えた多量のNOxが選択還元型NOx触媒に供給される。
 そのため、酸化触媒のNO2吸着度合により、選択還元型NOx触媒に流れるNO:NO2やNOx量が大きく変化するので、NO2吸着を考慮しない従来技術の方法では、NO:NO2の比の予測が不正確になる。そのため、NO:NO2の比を調整することによりNOx浄化率を向上させるという目的を達成できない。
 NO:NO2の比が異なると浄化活性も異なり、消費されるアンモニア量、つまりは、必要な尿素水等のアンモニア系溶液の量が異なってくる。そのため、アンモニア系溶液の添加量が過剰になり、アンモニアスリップが起きたり、アンモニア系溶液の添加量が不足してNOx浄化性能が大きく低下したりする可能性が高い。
日本国特開2007-154819号公報
 本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化触媒装置のNO2吸着状態を推定して、選択還元型NOx触媒装置に流入するNOxのNO:NO2の比をできるだけ、1:1に近づけて、必要なアンモニア系溶液の量を添加して、アンモニアの不足や過剰供給による問題を回避できるNOx浄化システムの制御方法およびNOx浄化システム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NOx浄化システムの制御方法は、排気ガス通路に上流側から順に、酸化触媒装置と、排気ガス通路にアンモニア系溶液を供給するアンモニア系溶液供給装置と、選択還元型NOx触媒装置と、前記酸化触媒装置の上流側で前記排気ガス通路から分岐して前記アンモニア系溶液供給装置の上流で前記排気ガス通路に合流するバイパス流路と、該バイパス通路を流れる排気ガスの流量を調整する排気ガス流量調整装置を備えると共に、前記アンモニア系溶液の供給量を制御する制御装置を備えて、排気ガス中のNOxを還元するNOx浄化システムの制御方法において、前記酸化触媒装置におけるNO2吸着量の増減を、前記酸化触媒装置の前後のNOx量から推定し、この推定したNO2吸着量の増減に基づいて、前記酸化触媒装置を通過する排気ガスの流量と前記バイパス通路を通過する排気ガスの流量を調整することを特徴とする制御方法である。
 この酸化触媒装置の前後のNOx量は、酸化触媒装置の前後に配置したNOx濃度センサで検出したNOx濃度と、吸入空気量と燃料噴射量から算出される排気ガス流量から推定することができ、この前後のNOx量の差からNOx吸着量を推定することができる。また、酸化触媒装置の上流側(前)のNOx濃度はエンジン回転数や負荷(燃料流量)等から予め実験等から設定したマップデータなどを参照して推定することができる。
 酸化触媒装置におけるNO2吸着量の増減は、酸化触媒装置の上流側のNOx量が下流側のNOx量よりも多ければ、増加しており、少なければ減少しており、同じであれば、増減が無いと推定する。但し、増減無しの推定においては、制御のハンチングを避けるため、ある程度の増減があっても増減が無いという判断をしてもよい。つまり、増減の有無の判断の間に幅を持たせてもよい。
 このNOx浄化システムの制御方法によれば、選択還元型NOx触媒装置の前段(上流側)に排気ガス中のNOをNO2に酸化する酸化触媒装置が配置されたNOx浄化システムにおいて、酸化触媒装置におけるNO2吸着が飽和に達したか否かを判断し、推定したNO2吸着量に基づいて、バイパス通路を通過させる(酸化触媒装置を通さない)排気ガス量を調整することにより、排気ガス中のNOのNO2への変換量を調整することができるようになる。
 これにより、選択還元型NOx触媒装置を有するNOx浄化システムにおけるNOx浄化性能を向上させると共に、選択還元型NOx触媒装置に流入する排気ガスのNOとNO2の比に合わせたアンモニア系溶液の量を適切な量にして、アンモニアを選択還元型NOx触媒装置に供給することができるようになる。その結果、NOx浄化システムのNOx浄化性能が向上して、NOxの流出量を著しく減少することができると共に、アンモニアスリップも防止できるようになる。
 上記のNOx浄化システムの制御方法において、前記推定したNO2吸着量が増加している場合には、前記バイパス通路を通過する排気ガスの流量をゼロとし、前記推定したNO2吸着量が減少している場合には、排気ガスの一部を前記バイパス通路を通過させると共に、排気ガスの残りの部分を前記酸化触媒装置を通過させ、前記推定したNO2吸着量の増減が無い場合には、前記酸化触媒装置から出る排気ガス中のNOx中のNO2の割合(モル比)を推定し、この推定されたNO2の割合が50%以下では、排気ガスの全量を前記酸化触媒装置を通過させ、この推定されたNO2の割合が50%より大きい場合には、排気ガスの一部を前記バイパス通路を通過させると共に、排気ガスの残りの部分を前記酸化触媒装置を通過させる。
 これにより、選択還元型NOx触媒装置に流入する排気ガス中のNO2の割合(又は、NO:NO2の比)を、選択還元型NOx触媒装置で、アンモニアとNOxの反応が効率よく行われるNO2の割合(又は、NO:NO2の比)である50%(又は、1:1)に近づけることができる。
 上記のNOx浄化システムの制御方法において、前記の排気ガスの一部を前記バイパス通路を通過させると共に、排気ガスの残りの部分を前記酸化触媒装置を通過させるときに、前記選択還元型NOx触媒装置に流入するNO2の割合が50%になるように、前記バイパス通路を通過させる排気ガスの量を調整する。
 これにより、より正確に、酸化触媒装置の後流のNO2の割合を推定できるので、排気ガス流量の調整に反映させることで、より精度良く、選択還元型NOx触媒装置に流入する排気ガス中のNO2の割合(又は、NO:NO2の比)を、選択還元型NOx触媒装置で、アンモニアとNOxの反応が効率よく行われるNO2の割合(又は、NO:NO2の比)である50%(又は、1:1)に近づけることができるので、よりNOxの浄化性能を向上させることができる。
 上記のNOx浄化システムの制御方法において、前記推定したNO2吸着量が減少している場合に、前記選択還元型NOx装置に流入する排気ガス中のNO2の割合を推定する際に、前記酸化触媒装置の温度と排気ガスの酸素濃度によるNOとNO2の平衡組成状態に基づいて、前記酸化触媒装置から出る排気ガス中のNO2の割合を推定する。これにより、容易に酸化触媒装置から出る排気ガス中のNO2の割合を推定することができるようになる。
 そして、上記のような目的を達成するための本発明の排気ガス浄化システムは、排気ガス通路に上流側から順に、酸化触媒装置と、排気ガス通路にアンモニア系溶液を供給するアンモニア系溶液供給装置と、選択還元型NOx触媒装置と、前記酸化触媒装置の上流側で前記排気ガス通路から分岐して前記アンモニア系溶液供給装置の上流で前記排気ガス通路に合流するバイパス流路と、該バイパス通路を流れる排気ガスの流量を調整する排気ガス流量調整装置を備えると共に、前記アンモニア系溶液の供給量を制御する制御装置を備えて、排気ガス中のNOxを還元するNOx浄化システムにおいて、前記制御装置が、前記酸化触媒装置におけるNO2吸着量の増減を、前記酸化触媒装置の前後のNOx量から推定し、この推定したNO2吸着量の増減に基づいて、前記酸化触媒装置を通過する排気ガスの流量と前記バイパス通路を通過する排気ガスの流量を調整するように構成される。   
 上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記制御装置が、前記推定したNO2吸着量が増加している場合には、前記バイパス通路を通過する排気ガスの流量をゼロとする制御を行い、前記推定したNO2吸着量が減少している場合には、排気ガスの一部を前記バイパス通路を通過させると共に、排気ガスの残りの部分を前記酸化触媒装置を通過させる制御を行い、前記推定したNO2吸着量の増減が無い場合には、前記酸化触媒装置から出る排気ガス中のNOx中のNO2の割合(モル比)を推定し、この推定されたNO2の割合が50%以下では、排気ガスの全量を前記酸化触媒装置を通過させる制御を行い、この推定されたNO2の割合が50%より大きい場合には、排気ガスの一部を前記バイパス通路を通過させると共に、排気ガスの残りの部分を前記酸化触媒装置を通過させる制御を行うように構成される。
 また、上記のNOx浄化システムにおいて、前記制御装置が、前記の排気ガスの一部を前記バイパス通路を通過させると共に、排気ガスの残りの部分を前記酸化触媒装置を通過させるときに、前記選択還元型NOx触媒装置に流入するNO2の割合が50%になるように、前記バイパス通路を通過させる排気ガスの量を調整する制御を行うように構成される。
 上記のNOx浄化システムにおいて、前記制御装置が、前記推定したNO2吸着量が減少している場合に、前記選択還元型NOx装置に流入する排気ガス中のNO2の割合を推定する際に、前記酸化触媒装置の温度と排気ガスの酸素濃度によるNOとNO2の平衡組成状態に基づいて、前記酸化触媒装置から出る排気ガス中のNO2の割合を推定するように構成される。
 上記のNOx浄化システムによれば、上記のNOx浄化システムの制御方法を実施でき、同様な効果を奏することができる。
 本発明に係るNOx浄化システムの制御方法及びNOx浄化システムによれば、選択還元型NOx触媒装置の前段(上流側)に排気ガス中のNOをNO2に酸化する酸化触媒装置が配置されたNOx浄化システムにおいて、NO2吸着量の増減から酸化触媒装置におけるNO2吸着が飽和に達したか否かを判断し、推定したNO2吸着量に基づいて、バイパス通路を通過させる排気ガス量を調整する。これにより、排気ガス中のNOのNO2への変換量を調整することができるようになる。
 また、酸化触媒装置におけるNO2吸着量の増減から、選択還元型NOx触媒装置に流入するNOx中のNO2の割合(NO:NO2の比)を推定できるようになり、NO2の割合の差による選択還元型NOx触媒装置の浄化性能を反映できるようになる。
 これにより、選択還元型NOx触媒装置におけるNOx浄化性能を向上させると共に、選択還元型NOx触媒装置に流入する排気ガスのNOとNO2の比に合わせたアンモニア系溶液の量を適切な量にして、アンモニアを過不足無く選択還元型NOx触媒装置に供給することができるようになる。従って、NOx浄化システムのNOx浄化性能が向上して、NOxの流出量を著しく減少することができると共に、アンモニアスリップも防止できるようになる。
図1は本発明に係る実施の形態のNOx浄化システムの構成を示す図である。 図2は本発明に係る実施の形態のNOx浄化システムの制御方法の制御フローの一例を示す図である。 図3は酸化触媒装置における触媒温度とNO2飽和吸着量との関係を示す図である。 図4は酸素濃度が10%の場合の酸化触媒装置における触媒温度とNOxに対するNO2の割合(又はNO:NO2)の平衡組成を示す図である。 図5は酸素濃度が2%の場合の酸化触媒装置における触媒温度とNOxに対するNO2の割合(又はNO:NO2)の平衡組成を示す図である。 図6はNOxに対するNO2の割合が50%(又はNO:NO2=1:1)の場合の選択還元型NOx触媒装置における触媒温度とNOx浄化率を示す図である。 図7はNOxに対するNO2の割合が0%(又はNO:NO2=1:0)の場合の選択還元型NOx触媒装置における触媒温度とNOx浄化率を示す図である。
符号の説明
  1 NOx浄化システム
  10 ディーゼルエンジン
  11 排気ガス通路
  11a 第1流量調整弁
  12 酸化触媒装置(DOC)
  13 アンモニア系溶液供給装置
  13a 噴射弁
  14 選択還元型NOx触媒装置(SCR)
  15 バイパス通路
  15a 第2流量調整弁
  16 第1排気ガス温度センサ
  17 第2排気ガス温度センサ
  18 第3排気ガス温度センサ
  19 第1NOx濃度センサ
  20 第2NOx濃度センサ
  21 酸素濃度センサ
  22 エンジン運転状態検出装置
  30 制御装置(ECU)
  30a 供給量制御装置
  An、An1、Ana、Anb、Anc アンモニア量
  Cn1 第1NOx濃度
  Cn2 第2NOx濃度
  Co 酸素濃度
  Ga 酸化触媒装置を通過する排気ガス
  Gb バイパス通路を通過する排気ガス
  Gc 選択還元型NOx触媒装置に流入する排気ガス
  Gt エンジンから排出された排気ガス
  Lc アンモニア系溶液の供給量
  Ne エンジン回転数
  Q 燃料噴射量(又は負荷)
  Tca 触媒温度
  Tcc 選択還元型触媒装置の触媒温度
  Va 吸気量
  Vga 第1排気ガス流量
  Vgb 第2排気ガス流量
  Vn NO2吸着量
  Vn1 酸化触媒装置に流入するNOx量
  Vn2 酸化触媒装置から流出するNOx量
  Vna、Vnai、Vnb、Vnc NOx量
  Vna1、Vnai1、Vnb1、Vnc1 NO量
  Vna2、Vna4、Vna5、Vnai2、Vnb2、Vnc2 NO2
  Vna3 酸化触媒装置でNOがNO2に変換される量
  Vnc 選択還元型NOx触媒装置に流入するNOx量
  Vnf NO2飽和吸着量
  Vnt エンジンから流出するNOx量
  α1 酸化触媒装置から排出される排気ガス中のNOxに対するNO2の割合
  α2 バイパス通路の排気ガス中のNO2の割合
  αc 選択還元型NOx触媒装置に流入する排気ガス中のNOxに対するNO2の割合
  βa NOからNO2への変換率(酸化率)
  ηe NOx浄化率
  ΔVn NO2吸着量の増減量
  ΔVn1 所定の第1判定値
  ΔVn2 所定の第2判定値
  ΔCn1 所定の第1判定濃度
  ΔCn2 所定の第2判定濃度
 以下、本発明に係る実施の形態のNOx浄化システムの制御方法及びNOxス浄化システムについて、ディーゼルエンジンの排気通路を通過する排気ガスのNOxを浄化するNOx浄化システムを例にして図面を参照しながら説明する。
 図1に、本発明の実施の形態のNOx浄化システム1の構成を示す。このNOx浄化システム1では、ディーゼルエンジン10の排気ガス通路11に、上流側から順に、酸化触媒装置(DOC)12と、排気ガス通路11にアンモニア系溶液を供給するアンモニア系溶液供給装置13と、選択還元型NOx触媒装置(SCR)14が配設される。更に、酸化触媒装置12を迂回するバイパス通路15が酸化触媒装置12の上流側で分岐し、酸化触媒装置12とアンモニア系溶液供給装置13の噴射弁13aとの間に合流するように設けられる。また、酸化触媒装置12を通過する排気ガスGaの第1排気ガス流量Vgaを調整するために排気ガス通路11に第1流量調整弁11aが設けられ、バイパス通路15を通過する排気ガスGbの第2排気ガス流量Vgbを調整するためにバイパス通路15に第2流量調整弁15aが設けられる。これにより、各々の排気ガス流量Vga、Vgbを制御できるように構成する。
 酸化触媒装置12は、コージェライトハニカム等の多孔質のセラミックのハニカム構造等の担持体に、パラジウム、酸化セリウム、白金、酸化アルミニウム等を担持して形成される。この酸化触媒装置12は、排気ガスGa中に未燃燃料(炭化水素:HC)や一酸化炭素(CO)等があると、これを酸化して、この酸化で発生する熱により排気ガスGaを昇温する。この昇温した排気ガスGaで下流側の選択還元型NOx触媒装置14を昇温させることができる。
 この酸化触媒装置12は、NOx(窒素酸化物)、HC(炭化水素)の酸化以外に、NOxを吸着する性質を併せ持っている。つまり、NO(一酸化窒素)をNO2(二酸化窒素)に酸化し、このNO2を吸着し保持する。この酸化触媒装置12に保持されたNO2は排気ガス温度が上昇し、酸化触媒の触媒温度がある一定温度以上になると脱離して放出される。図3に示すように、この酸化触媒装置12のNO2飽和吸着量Vnf(線Lで示す)は、触媒温度Tcaが上昇すると少なくなる。
 アンモニア系溶液供給装置13は、選択還元型NOx触媒装置14に、NOxを還元する際の還元剤となるNH3(アンモニア)を供給するためのものであり、尿素水溶液やアンモニア水溶液等のアンモニア系溶液を、アンモニア系溶液タンク(図示しない)から排気ガス通路11に噴射する噴射弁13aを備えて形成される。
 選択還元型NOx触媒装置14は、コージェライトや酸化アルミニウムや酸化チタン等で形成されるハニカム構造等の担持体に、チタニア-バナジウム、ゼオライト、酸化クロム、酸化マンガン、酸化モリブデン、酸化チタン、酸化タングステン等を担持して形成される。この構成により、NOxをアンモニアで還元浄化する機能を持つ。
 また、エンジン10直後の排気ガス通路11に第1排気ガス温度センサ16が設けられ、酸化触媒装置12の上流側の排気ガス通路11に第2排気ガス温度センサ17が設けられ、更に、選択還元型NOx触媒装置14の上流側の排気ガス通路11に第3排気ガス温度センサ18が設けられる。この第1排気ガス温度センサ16は、エンジン10から排出された排気ガスGtの温度を検出し、第2排気ガス温度センサ17は、酸化触媒装置12に流入する排気ガスGaの温度を検出し、第3排気ガス温度センサ18は、選択還元型NOx触媒装置14に流入する排気ガスGcの温度を検出する。
 また、エンジン10直後の排気ガス通路11に第1NOx濃度センサ19が設けられ、酸化触媒装置12の直後の排気ガス通路11に第2NOx濃度センサ20が設けられる。これらのNOx濃度センサ19、20の検出値Cn1、Cn2を用いて、酸化触媒装置12で吸着されるNO2の量Vnを推定する。言い換えれば、NO2吸着量Vnを推定する。更に、排気ガスGt中の酸素濃度Coを検出するための酸素濃度センサ21がエンジ
ン10直後の排気ガス通路11に設けられる。
 なお、この第1NOx濃度センサ19は、エンジン10からのNOx排出量Vn1を酸化触媒装置12の上流側のNOx濃度Cn1から算出する場合には必要であるが、エンジン10からのNOx排出量Vn1をNOx排出量マップデータから推定する場合には不要になる。
 更に、エンジン回転数Ne、燃料噴射量(又は負荷)Q、冷却水温度等のエンジンの運転状態を示す諸データを検出するエンジン運転状態検出装置22がエンジン10に設けられると共に、このエンジン10の運転全般を制御するエンジンコントロールユニット(ECU)と呼ばれる制御装置30が設けられる。また、アンモニア系溶液の供給と供給量Lcの調整制御を行うアンモニア系溶液の供給量制御装置30aが制御装置30に組み込まれて設けられる。
 この供給量制御装置30aは、エンジン10の運転状態(例えば、エンジン回転数Ne、燃料噴射量Q等)、NOx濃度Cn1、Cn2、排気ガス温度等の入力値を基に、第1流量調整弁11a、第2流量調整弁15a、アンモニア系溶液供給装置13の噴射弁13a等を制御して、酸化触媒装置12を流れる排気ガスGaの第1排気ガス流量Vgaとバイパス通路15を流れて酸化触媒装置12を通過しない排気ガスGbの第2排気ガス流量Vgbを調整すると共に、選択還元型NOx触媒装置14に供給するアンモニア系溶液の供給量Lcを調整する。また、この供給量制御装置30aには必要に応じて、酸化触媒装置12の触媒温度Tcaの計測値又は推定値と選択還元型触媒装置14の触媒温度Tccの計測値又は推定値が入力される。
 このNOx浄化システム1では、エンジン10から排出された排気ガスGt中のNOxの一部は、触媒温度Tcaに依存するNO2飽和吸着量Vnfに達するまでの間は酸化触媒装置12に吸着される。また、酸化触媒装置12を通過した残りのNOxは、選択還元型NOx触媒装置14で還元される。また、図3に示すように、触媒温度Tcaが高くなるとNO2飽和吸着量Vnfが少なくなるため、酸化触媒装置12を通過したNOxと酸化触媒装置12から放出されるNOxは、選択還元型NOx触媒装置14で還元される。この選択還元型NOx触媒装置14では、NOxは、噴射弁13aから排気ガスGc中に添加されたアンモニア系溶液から発生するNH3(アンモニア)を還元剤として還元されてN2(窒素)になる。この排気ガスGcは、浄化されて排気ガス通路11を通過して大気中に放出される。
 次に、上記のNOx浄化システム1における排気ガスの流量調整とアンモニア系溶液の供給量の調整の制御について説明する。このNOx浄化システム1で、アンモニア系溶液供給装置13は、排気ガス流量Vga、Vgbとアンモニア系溶液の供給量Lcを、図2に例示するような制御フローに従って、次のように制御する。
 図2の制御フローは、エンジン10の運転が開始されると、エンジン10の運転制御を行う制御フローから、NOx浄化のために繰り返し呼ばれて実行され、エンジン10の運転が終了すると、エンジン10の運転制御を行う制御フローと共に終了するものとして示してある。
 この図2の制御フローは、酸化触媒装置12におけるNO2吸着量Vnの増減を、酸化触媒装置12の前後のNOx量Vn1、Vn2から推定し、この推定したNO2吸着量Vnの増減に基づいて、酸化触媒装置12へのNO2吸着量VnがNO2飽和吸着量Vnfに達したか否かを判断し、酸化触媒装置12を通過する排気ガスGaの第1排気ガス流量Vgaとバイパス通路15を通過する排気ガスGbの第2排気ガス流量Vgbを調整すると共に、そのときの選択還元型NOx触媒装置14に流入する排気ガスGc中のNOxに対するNO2の割合αc(又はNO:NO2の比)を考慮したアンモニア量Anに相当するアンモニア系溶液の供給量Lcを調整して供給するものである。これにより、選択還元型NOx触媒装置14のNOx浄化性能を向上させると共に、供給量Lcを最適な量にする。
 この図2の制御フローが呼ばれると、スタートし、ステップS11では、排気ガス流量Vga、Vgbの調整に必要なデータを入力する。このデータとしては、エンジンのデータ、NOx濃度Cn1、Cn2、酸素濃度Co、触媒温度Tca、Tcc等がある。
 このエンジンのデータは、エンジン10の運転状態を示すような、エンジン運転状態検出装置22で検出されるエンジン回転数Ne、燃料噴射量(負荷)Q、吸気量Va等である。また、NOx濃度Cn1、Cn2は、第1NOx濃度センサ19で検出される第1NOx濃度Cn1と、第2NOx濃度センサ20で検出される第2NOx濃度Cn2である。なお、酸化触媒装置12の上流側のNOx濃度Cn1を使用しないで、エンジンの運転状態からNOx排出量を算出する場合には、NOx排出量マップデータと酸化触媒装置12の下流側のNOx濃度Cn2を入力する。
 酸素濃度Coは酸素濃度センサ21で検出される酸素濃度である。また、触媒温度Tcaは酸化触媒装置12の酸化触媒の温度であり、直接計測された触媒温度を使用してもよいが、直接計測は一般的に難しいので、第1排気ガス温度センサ16で検出した排気ガス温度から推定した温度を用いる。触媒温度Tccは選択還元型NOx触媒装置14の選択還元型NOx触媒(SCR触媒)の温度であり、直接計測された触媒温度を使用してもよいが、直接計測は一般的に難しいので、第3排気ガス温度センサ18で検出した排気ガス温度から推定した温度を用いる。
 次のステップS12では、酸化触媒装置12におけるNO2吸着量Vnの増減量ΔVnを算出する。このNO2吸着量Vnの増減量ΔVnの算出は、次のようにして行う。
 図示していないエアマスフローセンサで検出される吸気量Vaと燃料噴射量Qとから排気ガス流量Vgtを算出する。酸化触媒装置12を通過する第1排気ガス量Vgaを、予め求めてある第1流量制御弁11aの弁開度、第2流量制御弁15aの弁開度と排気ガス流量Vgtと第1排気ガス量Vgaの関係を参照して制御時の双方の弁開度から求める。   
 この第1排気ガス流量Vgaと第1NOx濃度Cn1から酸化触媒装置12の上流側のNOx量Vn1を算出し、第1排気ガス流量Vgaと第2NOx濃度Cn2から酸化触媒装置12の下流側のNOx量Vn2を算出する。この上流側のNOx量Vn1から下流側のNOx量Vn2を引き算して、NO2吸着量Vnの増減量ΔVnを算出する(ΔVn=Vn1-Vn2)。
 次のステップS13では、このNO2吸着量Vnの増減を判定する。即ち、このNO2吸着量Vnの増減量ΔVnが所定の第1判定値ΔVn1よりも大きいか否かを判定する。この所定の第1判定値ΔVn1はゼロ(ΔVn1=0)でもよいが、制御のハンチングを防止するため、ゼロに近い「+:プラス」の数値(ΔVn1>0)にすることが好ましい。なお、単純に第1NOx濃度Cn1から第2NOx濃度Cn2を引き算した値ΔCn(=Cn1-Cn2)が所定の第1判定濃度ΔCn1(ΔCn1>0)よりも大きいか否かで判定しても良い。
 ステップS13の判定で、NO2吸着量Vnの増減量ΔVnが所定の第1判定値ΔVn1よりも大きければ、即ち、ΔVn>ΔVn1で(又は、ΔCn>ΔCn1)あれば(YES)、NO2吸着量Vnが増加している状態であると判断する。この状態は、NO2吸着量VnがNO2飽和吸着量Vnfに達していない状態である。そして、吸着時用の制御のために、ステップS16に行く。
 ステップS16のバイパス通路の閉鎖(その1)の制御では、バイパス通路15を通過する排気ガスGbの第2排気ガス流量Vgbをゼロとする。即ち、第1流量調整弁11aを全開とし、第2流量調整弁15aを全閉とする。これにより、排気ガスGt中のNOを、酸化触媒装置12で酸化してNO2に変換させると共に、発生したNO2を酸化触媒装置12に吸着させる。それと共に、選択還元型NOx触媒装置14で必要なアンモニア量Anを算出する。そして、ステップS20に行く。
 次に、このアンモニア量Anの算出について説明する。このステップS16の制御を行う場合では、酸化触媒装置12の下流側のNOxはNO2が酸化触媒装置12に吸着されてしまうため、殆どNOとなる。また、選択還元型NOx触媒装置14に流入する排気ガスGc中のNOx量Vncは、酸化触媒装置12を通過した後の排気ガスGa中のNOx量Vn2と同じになる(Vnc=Vn2)。
 従って、この状態では、選択還元型NOx触媒装置14に流入する排気ガスGc中のNOxは殆どがNOであるので、NOx量VncとNOのみの化学反応式の(2)式「4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O」の反応に基づいてアンモニア量An1を算出する。この算出されたアンモニア量An1を、図7に示すような、NO2の割合αcがゼロ(NO:NO2が1:0)の場合の選択還元型NOx触媒装置14の触媒温度TccとNOx浄化率ηeとの関係を参照して、その触媒温度TccにおけるNOx浄化率ηeを乗じて補正し、必要なアンモニア量Anを算出する(An=An1×ηe)。
 ステップS13の判定で、ΔVn>ΔVn1でなければ(NO)、ステップS14に行く。次のステップS14では、NO2吸着量Vnの増減量ΔVnが所定の第2判定値ΔVn2より小さいか否かを判定する。このΔVn2はゼロ(ΔVn2=0)でもよいが、制御のハンチングを防止するため、ゼロに近い「-:マイナス」の数値(ΔVn2<0、例えば、ΔVn2=-ΔVn1)にすることが好ましい。なお、単純に第1NOx濃度Cn1から第2NOx濃度Cn2を引き算した値ΔCn(=Cn1-Cn2)が所定の第2判定濃度ΔCn2(ΔCn2<0)よりも小さいか否かで判定しても良い。
 このNO2吸着量Vnの増減量ΔVnが所定の第2判定値ΔVn2より小さければ、即ち、ΔVn<ΔVn2(又は、ΔCn<ΔCn2)であれば(YES)、NO2吸着量Vnが減少している状態であると判断する。この状態は、NO2吸着量VnがNO2飽和吸着量Vnfに達していてNO2を放出している状態である。そして、NO2放出時用の制御のためにステップS17に行く。
 この酸化触媒装置12に吸着されていたNO2の放出は、図3に示すように、酸化触媒の触媒温度Tcaの上昇によりNO2飽和吸着量Vnfが低下して、NO2吸着量VnよりもNO2飽和吸着量Vnfが小さくなることによって生じる。例えば、触媒温度TcaがTaからTbに上昇すると、NO2飽和吸着量VnfがAであったものが、Bとなるため、A-BのNO2が放出されることになる。
 このNO2放出時用のステップS17の排気ガスの流量調整(その1)では、排気ガスGtの一部Gaを酸化触媒装置12に流すと共に、排気ガスGtの残りの部分Gbをバイパス通路15に流す。即ち、第1流量調整弁11aと第2流量調整弁15aを共に開弁し、排気ガス流量Vga、Vgbを調整する。
 このときは、選択還元型NOx触媒装置14に流入するNO2の割合αcが50%に、即ち、NO:NO2が1:1に一致又は近づくように、酸化触媒装置12を通過させる排気ガスGaの第1排気ガス流量Vgaとバイパス通路15を通過させる排気ガスGbの第2排気ガス流量Vgbを調整する制御を行う。この制御は次のようにして行う。
 このステップS17の流量調整(その1)の制御において、酸化触媒装置12を通過する第1排気ガス量Vgaと、酸化触媒装置12から排出される排気ガスGa中のNO2の割合α1を算出する。この第1排気ガス量Vgaは、予め求めてある第1流量制御弁11aの弁開度、第2流量制御弁15aの弁開度と排気ガス流量Vgtと第1排気ガス量Vgaの関係を参照して制御時の双方の弁開度から求める。
 このNOの割合α1は、酸化触媒装置12の触媒温度Tcaと排気ガスGaの酸素
濃度Co(排気ガスGtの酸素濃度Coと同じ)から、それに対応するNOとNO2の平衡組成(NO:NO2平衡比)データを参照して、触媒温度Tcaと酸素濃度CoによるNOとNO2の平衡組成に応じて推定する。このNOとNO2の平衡組成データは、例えば、図4と図5に例示するようなものである。この図4と図5では、横軸が触媒温度Tcaを示し、縦軸がNO2の割合α1を示す。線はNOとNO2の平衡組成を示す。図4は、酸素濃度Coが10%の場合を示し、図5は、酸素濃度Coが2%の場合を示す。従って、例えば、排気ガスGの酸素濃度Coが10%の場合は図4を参照し、触媒温度Tcaが400℃であれば、NO2の割合α1は約60%となる。このようにして、酸化触媒装置12から流出する排気ガスGaにおけるNOx中のNO2の割合α1を推定する。
 このNO2の割合α1と、酸化触媒装置12から流出する排気ガスGaの第1排気ガス量Vga中に含まれるNOx量Vna(=Cn2×Vga)とからNO量Vna1(=Vna×(1-α1))とNO2量Vna2(=Vna×α1))を算出する。
 一方、酸化触媒装置12を迂回してバイパス通路15を通過する第2排気ガス量Vgbは、全体の排気ガスGtの流量Vgtから第1排気ガス量Vgaを引き算して求める(Vgb=Vgt-Vga)。この排気ガスGb中のNOx量Vnbは、第2排気ガス量Vgbと第1NOx濃度Cn1から算出する(Vnb=Cn1×Vgb)。また、この排気ガスGb中のNO2の割合α2(排気ガスGt中のNO2の割合と同じ)、エンジン10の運転状態を示すエンジン回転数Neと燃料噴射量(又は負荷)Q等から、NO2割合マップデータを参照して算出する。これにより、第2排気ガス量Vgb中に含まれるNOx量Vnbとの関係からNO量Vnb1(=Vnb×(1-α2))とNO2量Vnb2(=Vnb×α2)を算出する。
 これらの算出結果に従って、それぞれのNO量Vna1、Vnb1を加えると共に、それぞれのNO2量Vna2、Vnb2を加えて、選択還元型NOx触媒装置14に流入する排気ガス中のNO量Vnc1とNO2量Vnc2を算出する(Vnc1=Vna1+Vnb1、Vnc2=Vna2+Vnb2)。これにより、NOx中のNO2量の割合αc(又はNO量:NO2量の比)を算出する(αc=Vnc2/(Vnc1+Vnc2)。   
 これらの情報から、NOx中のNO2量Vncの割合αcが50%となる方向(NO量:NO2量が1:1になる方向)に第1排気ガス量Vgaを増減する制御を行うことにより、NOx中のNO2量の割合αcを50%に(NO量:NO2量を1:1)に一致又は近づける。
 この排気ガス流量Vga、Vgbの流量調整により、NO2の割合αcが50%に、即ち、NO:NO2が1:1になっていれば、このときは、NOx量Vncと化学反応式の(3)式「2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O」の反応に基づいてアンモニア量An1を算出する。この算出されたアンモニア量An1を、図6に示すような、NO2の割合αcが50%、(NO:NO2が1:1)の場合の選択還元型NOx触媒装置14の触媒温度TccとNOx浄化率ηeとの関係を参照して、その触媒温度TccにおけるNOx浄化率ηeを乗じて補正し、必要なアンモニア量An(=An×ηe)を算出する。     
 また、排気ガス流量Vga、Vgbの制御にもかかわらず、NO2の割合αcが最大でも50%よりも小さい値に留まっている場合は、このときのアンモニア量Anは、NO2の割合αcが50%に、即ち、NO:NO2が1:1になっていないので、NO2量Vnc2の分については、化学反応式の(3)式「2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O」の反応と図6のNOx浄化率ηeに基づいてアンモニア量Anaを算出する。また、この反応で余るNOの分(Vnc1-Vnc2)に対して、化学反応式の(2)式「4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O」の反応と図7のNOx浄化率ηeに基づいて算出したアンモニア量Anbを算出する。これらを加えて必要なアンモニア量An(=Ana+Anb)とする。
 また、排気ガス流量Vga、Vgbの制御にもかかわらず、NO2の割合αcが最小でも50%よりも大きい値に留まっている場合は、このときのアンモニア量Anは、NO2の割合αcが50%に、即ち、NO:NO2が1:1になっていないので、NO量Vnc1の分については、化学反応式の(3)式「2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O」の反応と図6のNOx浄化率ηeに基づいてアンモニア量Anaを算出する。また、この反応で余るNO2量の分(Vnc2-Vnc1)に対しては、化学反応式の(4)式「8NH3+6NO2→7N2+12H2O」の反応と、図示しない、図6又図7に相当するようなNO2の割合αcが100%(NO:NO2が0:1)のNOx浄化率ηeに基づいて算出したアンモニア量Ancを算出する。これらを加えて必要なアンモニア量An(=Ana+Anc)とする。
 また、ステップS14の判定で、ΔVn<ΔVn2でなければ(NO)、酸化触媒装置12におけるNO2の吸着も放出もないと判断して、平衡時用の操作のために、ステップS15に行く。
 ステップS15では、酸化触媒装置12から流出する排気ガスGa中のNOx中のNO2の割合(モル比)α3が50%以下か否かを判定する。言い換えれば、排気ガス中のNO:NO2が1:1以上であるか否かを判定する。
 このステップS15の判定のために、酸化触媒装置12から流出する排気ガスGa中のNO量Vna1とNO2量Vna2を算出する。そのために、最初に、酸化触媒装置12を通過する第1排気ガス量Vgaを算出する。この第1排気ガス量Vgaは、予め求めてある第1流量制御弁11aの弁開度、第2流量制御弁15aの弁開度と排気ガス流量Vgtと第1排気ガス量Vgaの関係を参照して制御時の双方の弁開度から求める。
 次に、酸化触媒装置12に流入する排気ガスGa中のNOxに対するNO2の割合α2(又はNO:NO2の比)を、エンジン10の運転状態を示すエンジン回転数Neと燃料噴射量Q等から、NO2割合マップデータを参照して算出する。なお、このNO2割合マップデータは予め実験等により設定し、制御装置30に記憶しておく。
 酸化触媒装置12に流入するNOx量Vnaiは、エンジン10から排出されるNOx排出量Vntと酸化触媒装置12に流入する排気ガスGaの流量Vgaとから算出する(Vnai=Vnt×Vga/Vgt)。このNOx量VnaiとNO2の割合α2により、酸化触媒装置12に流入するNO量Vnai1とNO2量Vnai2を算出する(Vnai1=Vnai×(1-α2)、Vnai2=Vnai×α2)。
 次に、酸化触媒装置12を通過した後のNO量Vna1を算出する。酸化触媒装置12でNOがNO2に変換される量Vna3は、触媒温度Tcaから、触媒温度TcaとNOからNO2への変換率(酸化率)βaの関係を示す変換率マップデータを参照して算出する。この変換率βaの関係は予め実験等で設定し、供給量制御装置30aに記憶しておく。つまり、この酸化触媒装置12におけるNOの酸化で消費されるNO量Vna3は酸化触媒装置12に流入するNO量Vnai1に変換率βaを乗じた値(Vna3=Vnai1×βa)となる。また、変化せずに、酸化触媒装置12の下流側に流出するNO量Vna1は、流入するNO量Vnai1から変換で消費されたNO量Vna3を引き算して得られる値(Vna1=Vnai1×(1-βa))となる。
 次に、酸化触媒装置12を通過した後のNO2量Vna2を算出する。酸化触媒装置12でNOがNO2に変換して発生するNO2量Vna4は、酸化触媒装置12に流入するNO量Vnai1に変化率βaを乗じた値(Vna4=Vna3=Vnai1×βa)となる。また、酸化触媒装置12で放出されたNO2量Vna5はNOxの増加量ΔVnから算出する。つまり、NOxの増加量ΔVnをこの放出されたNO2量Vna5とする(Vna5=ΔVn)。従って、酸化触媒装置12を通過した後の排気ガスGa中のNO2量Vna2の値は、酸化触媒装置12に流入するNO2量Vnai2とNOから変換されたNO2量Vna4と放出されたNO2量Vna5との和となる(Vna2=Vnai2+Vna4+Vna5)。
 これらの結果より、酸化触媒装置12を通過した後のNO量Vna1とNO2量Vna2とから、酸化触媒装置12を通過した後のNOx量に対するNO2量の割合α3を算出できる(α3=Vna2/(Vna1+Vna2))。
 このステップS15の判定で、NOx中のNO2の割合(モル比)α3が50%以下、即ち、排気ガス中のNO:NO2が1:1以上(NO/NO>1)であれば(NO)
、ステップS18に行く。ステップS18のバイパス通路の閉鎖(その2)の制御では、排気ガスGtの全量Vgtを酸化触媒装置12に流し、バイパス通路15を通過する排気ガスGbの流量Vgbをゼロとする。即ち、第1流量調整弁11aを全開とし、第2流量調整弁15aを全閉とする。
 このときは、選択還元型NOx触媒装置14に流入する排気ガスGcのNOxに対するNO2の割合αcが50%以下に留まっているので、NO2量Vna2に対応する分については、化学反応式の(3)式「2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O」の反応と図6のNOx浄化率ηeに基づいてアンモニア量Anaを算出する。また、この反応から余るNO量(Vna1-Vna2)の分に対しては、化学反応式の(2)式「4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O」の反応と図7のNOx浄化率ηeに基づいて算出したアンモニア量Anbを算出する。これらを加えて必要なアンモニア量An(=Ana+Anb)とする。
 また、ステップS15の判定で、NOx中のNO2の割合α3が50%より大きければ(YES)、ステップS19の排気ガスの流量調整(その2)に行く。
 この平衡時用のステップS19の排気ガスの流量調整(その2)では、排気ガスGtの一部Gaを酸化触媒装置12に流すと共に、排気ガスGtの残りの部分Gbをバイパス通路15に流す。即ち、第1流量調整弁11aと第2流量調整弁15aを共に開弁し、各排気ガスGa、Gbの流量Vga、Vgbを調整する。
 このときは、選択還元型NOx触媒装置14に流入するNO2の割合αcが50%に、即ち、NO:NO2が1:1に一致又は近づくように、酸化触媒装置12を通過させる排気ガスGaの流量Vgaとバイパス通路15を通過させる排気ガスGbの流量Vgbを調整する制御を行う。この制御は次のようにして行う。
 このステップS19の流量調整(その2)の制御において、酸化触媒装置12を通過する第1排気ガス量Vgaと、酸化触媒装置12から排出される排気ガスGa中のNO2の割合α1を算出する。この第1排気ガス量Vgaは、予め求めてある第1流量制御弁11aの弁開度、第2流量制御弁15aの弁開度と排気ガス流量Vgtと第1排気ガス量Vgaの関係を参照して制御時の双方の弁開度から求める。
 以下、ステップS15における酸化触媒装置12から流出する排気ガス中のNO量Vna1とNO2量Vna2の算出と同様にして、酸化触媒装置12から流出する排気ガス中のNO量Vna1とNO2量Vna2を算出する。
 次に、バイパス通路15を通過する排気ガスGb中のNO量Vnb1とNO2量Vnb2を算出する。そのために、この排気ガスGbの流量Vgbは、排気ガスGtの流量Vgtから酸化触媒装置12を通過する第1排気ガス量Vgaを引き算して算出する(Vgb=Vgt-Vga)。
 また、NO量Vnb1とNO2量Vnb2は、この排気ガス流量VgbとNOx濃度Cn1とエンジン10か排出される排気ガスGt中のNOxに対するNO2の割合α2とから算出される。NO量Vnb1は、第2排気ガス流量VgbとNOx濃度Cn1と(1-α2)の掛け算から算出される(Vnb1=Vgb×Cn1×(1-α2))。また、NO量Vnb2は、第2排気ガス流量VgbとNOx濃度Cn1とNO2の割合α2の掛け算から算出される(Vnb2=Vgb×Cn1×α2)。
 これらの算出結果に従って、それぞれのNO量Vna1、Vnb1を加えると共に、それぞれのNO2量Vna2、Vnb2を加えて、選択還元型NOx触媒装置14に流入する排気ガス中のNO量Vnc1とNO2量Vnc2を算出する(Vnc1=Vna1+Vnb1、Vnc2=Vna2+Vnb2)。これにより、NOx中のNO2量の割合αc(又はNO量:NO2量の比)を算出する(αc=Vnc2/(Vnc1+Vnc2))。
 これらの情報から、NOx中のNO2量の割合αcが50%となる方向、即ち、NO:NO2が1:1になる方向に第1排気ガス量Vgaを増減することにより、NOx中のNO2量の割合αcを50%に、即ち、NO量:NO2量を1:1に一致又は近づける。つまり、このNOx中のNO2の割合αc(又はNO:NO2)の算出結果に基づいて、選択還元型NOx触媒装置14に流入するNO2の割合αcが50%に、即ち、NO:NO2が1:1になるように、第1排気ガス量Vgaと第2排気ガス量Vgbを調整する制御を行う。
 このときは、NO2の割合αcが50%に、即ち、NO:NO2が1:1になっていれば、化学反応式の(3)式「2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O」の反応に基づいてNOx量(Vnc1+Vnc2)からアンモニア量An1を算出する。この算出されたアンモニア量An1を、図6に示すような、NO2の割合αcが50%、(NO:NO2が1:1)の場合の選択還元型NOx触媒装置14の触媒温度TccとNOx浄化率ηeとの関係を参照して、その触媒温度TccにおけるNOx浄化率ηeを乗じて補正し、必要なアンモニア量An(=An1×ηe)を算出する。
 また、このときのアンモニア量は、NO2の割合αcが50%に、即ち、NO:NO2が1:1になっていなければ、言い換えれば、排気ガス流量Vga、Vgbを制御しても、NO2の割合αcが50%より大きいままである場合には、NO量Vnc1の分については、アンモニア量Anaを算出する。このアンモニア量Anaの算出は、化学反応式の(3)式「2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O」の反応と図6のNOx浄化率ηeに基づいて行う。この反応で余るNO2での分(Vnc2-Vnc1)に対しては、化学反応式の(4)式「8NH3+6NO2→7N2+12H2O」の反応と、図示しないが、図6又図7に相当するようなNO2の割合が100%(NO:NO2が0:1)のNOx浄化率ηeに基づいてアンモニア量Ancを算出する。これらを加えて必要なアンモニア量An(=Ana+Anc)とする。
 このステップS16~S19のいずれかの次にステップS20で、アンモニア系溶液の供給量の制御を行う。この制御では、ステップS16~S19で算出された必要なアンモニア量Anを発生できる量のアンモニア系溶液を噴射弁13aから排気ガス通路11に供給する。
 そして、ステップS16~S19の排気ガスの流量制御とステップS20のアンモニア系溶液の供給量の制御は、所定の時間(NO2吸着量の増減の判定のインターバルと、NO2の割合の判定のインターバルに関係する時間)の間行って、リターンする。リターン後は、上級の制御フローから呼ばれた、ステップS11~ステップS20を繰り返す。
 エンジン10の運転が終了されるとこの図2の制御フローは上級の制御フローから呼ばれなくなり、上級の制御フローの終了と共に図2の制御フローも終了する。なお、図2の制御フローの実行途中にエンジン10の運転終了が生じた場合には、割り込みが生じ、図2の制御フローは中断されて、上級の制御フローに戻り、上級の制御フローの終了と共に図2の制御フローも終了する。
 上記の図2の制御フローによれば、ステップS17及びステップS19で、選択還元型NOx触媒装置14に流入する排気ガスGc中のNOx中のNO2量の割合αcを50%に(NO量:NO2量を1:1)に一致又は近づけるので、NOx浄化性能を向上させることができる。その理由は次のようなものである。
 図6に、NOx中のNO2量の割合が50%(NO:NO2=1:1)の場合の触媒温度とNOx浄化率の関係を示し、図7にNOx中のNO2量の割合が0%(NO:NO2=1:0)の場合の触媒温度とNOx浄化率の関係を示す。この図6及び図7からも分かるように、NOx中のNO2量の割合が50%(NO:NO2=1:1)の場合に、低温域でのNOx浄化率が著しく高くなっている。従って、できるだけNOx中のNO2量の割合が50%(NO:NO2=1:1)なるように制御することで、NOx浄化率を向上することができる。
 そして、上記の排気ガス浄化システムの制御方法によれば、酸化触媒装置12のNO2吸着量Vnが少なく飽和に達していない場合には、酸化触媒装置12で生成したNO2は酸化触媒装置12に吸着されて、選択還元型NOx触媒装置14に流入するNOxは殆どNOとなるので、これに対応して、アンモニア系溶液の供給量を、NOx浄化がNOの反応式(2)式「4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O」の反応に基づいて算出し、更に、選択還元型NOx触媒のNOx浄化率マップを基に補正して、必要な量Lcのアンモニア系溶液を添加することができる。
 また、酸化触媒装置12において、NO2吸着量が飽和に近づいた場合に、排気ガス流量Vga、触媒温度Tca、NOx濃度Cn1、酸素濃度Coから予測されるNOからNO2への変換率(NO2生成率)βaに対応したNO:NO2比で酸化触媒装置12からNOxが流出するので、このときにおいて、NOよりもNO2が多くなると予測される時には、酸化触媒装置12を流通させる第1排気ガス流量Vgaと酸化触媒装置12を流通させない第2排気ガス流量Vgbを調整して、選択還元型NOx触媒装置14に流入するNO:NO2が1:1になるようにする。これに対応して、アンモニア系溶液の供給量Lcを、NOx浄化がNO:NO2=1:1の反応式の(3)式「2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O」の反応に基づいて算出し、更に、選択還元型NOx触媒のNOx浄化率マップを基に補正して、必要な量のアンモニア系溶液を添加することができる。
 更に、酸化触媒装置12のNO2吸着量が飽和に達し、酸化触媒の触媒温度Tcaの上昇によりNO2飽和吸着量Vnfの低下に伴って吸着NO2の脱離が生じていると判定された場合は、温度上昇の度合いからNOx脱離量Vna5を推定する。また、その時の排気ガス条件からエンジン10からのNOx排出量Vn1とNOからNO2への変換率βaを求め、脱離NO2も含めたNO2量を推定する。そして、選択還元型NOx触媒装置14に流入するNOxに対してのNO2の割合αcが50%に(又はNO:NO2が1:1に)一致又は近づくように酸化触媒装置12を通過させる第1排気ガス量Vgaと通過させない第2排気ガス量Vgbを調整する。また、アンモニア系溶液は、その時の排気ガス条件で浄化されるNOx量Vncに対応する供給量Lcを添加することができる。
 従って、上記のNOx浄化システムの制御方法及びNOx浄化システムによれば、酸化触媒装置12のNO2吸着が飽和に達したかどうかを判定して、その結果を考慮することにより、選択還元型NOx触媒装置14に流入するNOxに対するのNO2の割合αc(又はNO:NO2の比)を推定できるようになり、NOxの成分の違いによる選択還元型NOx触媒の浄化性能をより良く反映できるようになり、必要なアンモニア系溶液の供給量を適正な量にすることが可能となり、アンモニアの不足や過剰による問題を回避できる。
 上述した優れた効果を有する本発明のNOx浄化システムの制御方法及びNOx浄化システムは、酸化触媒装置のNO2吸着状態を推定して、選択還元型NOx触媒装置に流入するNOxのNO:NO2の比をできるだけ、1:1に近づけて、必要なアンモニア系溶液の量を添加して、アンモニアの不足や過剰供給による問題を回避することができるので、上流側から順に酸化触媒装置と選択還元型NOx触媒装置を備えて排気ガス中のNOxを還元するNOx浄化システムに対して、極めて有効に利用することができる。

Claims (8)

  1.  排気ガス通路に上流側から順に、酸化触媒装置と、排気ガス通路にアンモニア系溶液を供給するアンモニア系溶液供給装置と、選択還元型NOx触媒装置と、前記酸化触媒装置の上流側で前記排気ガス通路から分岐して前記アンモニア系溶液供給装置の上流で前記排気ガス通路に合流するバイパス流路と、該バイパス通路を流れる排気ガスの流量を調整する排気ガス流量調整装置を備えると共に、前記アンモニア系溶液の供給量を制御する制御装置を備えて、排気ガス中のNOxを還元するNOx浄化システムの制御方法において、 前記酸化触媒装置におけるNO2吸着量の増減を、前記酸化触媒装置の前後のNOx量から推定し、この推定したNO2吸着量の増減に基づいて、前記酸化触媒装置を通過する排気ガスの流量と前記バイパス通路を通過する排気ガスの流量を調整することを特徴とする排気ガス浄化システムの制御方法。
  2.  前記推定したNO2吸着量が増加している場合には、前記バイパス通路を通過する排気ガスの流量をゼロとし、
     前記推定したNO2吸着量が減少している場合には、排気ガスの一部を前記バイパス通路を通過させると共に、排気ガスの残りの部分を前記酸化触媒装置を通過させ、
     前記推定したNO2吸着量の増減が無い場合には、前記酸化触媒装置から出る排気ガス中のNOx中のNO2の割合(モル比)を推定し、
     この推定されたNO2の割合が50%以下では、排気ガスの全量を前記酸化触媒装置を通過させ、
     この推定されたNO2の割合が50%より大きい場合には、排気ガスの一部を前記バイパス通路を通過させると共に、排気ガスの残りの部分を前記酸化触媒装置を通過させることを特徴とする請求項1記載のNOx浄化システムの制御方法。
  3.  前記の排気ガスの一部を前記バイパス通路を通過させると共に、排気ガスの残りの部分を前記酸化触媒装置を通過させるときに、前記選択還元型NOx触媒装置に流入するNO2の割合が50%になるように、前記バイパス通路を通過させる排気ガスの量を調整することを特徴とする請求項2記載のNOx浄化システムの制御方法。
  4.  前記推定したNO2吸着量が減少している場合に、前記選択還元型NOx装置に流入する排気ガス中のNO2の割合を推定する際に、前記酸化触媒装置の温度と排気ガスの酸素濃度によるNOとNO2の平衡組成状態に基づいて、前記酸化触媒装置から出る排気ガス中のNO2の割合を推定することを特徴とする請求項2又は3記載のNOx浄化システムの制御方法。
  5.  排気ガス通路に上流側から順に、酸化触媒装置と、排気ガス通路にアンモニア系溶液を供給するアンモニア系溶液供給装置と、選択還元型NOx触媒装置と、前記酸化触媒装置の上流側で前記排気ガス通路から分岐して前記アンモニア系溶液供給装置の上流で前記排気ガス通路に合流するバイパス流路と、該バイパス通路を流れる排気ガスの流量を調整する排気ガス流量調整装置を備えると共に、前記アンモニア系溶液の供給量を制御する制御装置を備えて、排気ガス中のNOxを還元するNOx浄化システムにおいて、
     前記制御装置が、前記酸化触媒装置におけるNO2吸着量の増減を、前記酸化触媒装置の前後のNOx量から推定し、この推定したNO2吸着量の増減に基づいて、前記酸化触媒装置を通過する排気ガスの流量と前記バイパス通路を通過する排気ガスの流量を調整することを特徴とする排気ガス浄化システム。
  6.  前記制御装置が、
     前記推定したNO2吸着量が増加している場合には、前記バイパス通路を通過する排気ガスの流量をゼロとする制御を行い、
     前記推定したNO2吸着量が減少している場合には、排気ガスの一部を前記バイパス通路を通過させると共に、排気ガスの残りの部分を前記酸化触媒装置を通過させる制御を行い、
     前記推定したNO2吸着量の増減が無い場合には、前記酸化触媒装置から出る排気ガス中のNOx中のNO2の割合(モル比)を推定し、
     この推定されたNO2の割合が50%以下では、排気ガスの全量を前記酸化触媒装置を通過させる制御を行い、
     この推定されたNO2の割合が50%より大きい場合には、排気ガスの一部を前記バイパス通路を通過させると共に、排気ガスの残りの部分を前記酸化触媒装置を通過させる制御を行うことを特徴とする請求項5記載のNOx浄化システム。
  7.  前記制御装置が、
     前記の排気ガスの一部を前記バイパス通路を通過させると共に、排気ガスの残りの部分を前記酸化触媒装置を通過させるときに、前記選択還元型NOx触媒装置に流入するNO2の割合が50%になるように、前記バイパス通路を通過させる排気ガスの量を調整する制御を行うことを特徴とする請求項6記載のNOx浄化システム。
  8.  前記制御装置が、
     前記推定したNO2吸着量が減少している場合に、前記選択還元型NOx装置に流入する排気ガス中のNO2の割合を推定する際に、前記酸化触媒装置の温度と排気ガスの酸素濃度によるNOとNO2の平衡組成状態に基づいて、前記酸化触媒装置から出る排気ガス中のNO2の割合を推定することを特徴とする請求項6又は7記載のNOx浄化システム。
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