JP2014211154A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料にアンモニアが含まれる内燃機関であって、排気の浄化性能に優れる内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関は、機関排気通路に配置されている上流側のＮＯX選択還元触媒と下流側のＮＯX選択還元触媒とを備える。上流側のＮＯX選択還元触媒は、流入する排気のＮＯXに対するアンモニアの濃度比が上昇した場合にＮＯXの浄化率がほぼ一定になる領域を有する。内燃機関は、この領域内にＮＯXに対するアンモニアの濃度比が維持される運転状態を有する。下流側のＮＯX選択還元触媒は、上流側のＮＯX選択還元触媒よりも大きなアンモニアの酸化能力を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に関する。

内燃機関は、燃焼室において燃料を燃焼させることにより動力を得る。内燃機関には、自動車等の搭載される機関やガスタービン機関が含まれる。ガソリンなどの化石燃料を燃料にする内燃機関のほかに、アンモニアを燃料にする内燃機関が知られている。ガソリンなどを燃料にする内燃機関では、燃料を燃焼させると二酸化炭素が生じるが、アンモニアを燃料にする内燃機関では、燃料を燃焼させても二酸化炭素の生成を回避できるという特徴を有する。

特開平５−３３２１５２号公報においては、アンモニアガスを燃焼させて駆動力を得るアンモニア燃焼エンジンであって、燃焼室の排気を用いてアンモニアを分解するアンモニア分解反応器を備える燃焼エンジンが開示されている。燃焼室からの排気によって、アンモニア分解反応器内の熱交換パイプが加熱される。熱交換パイプに導かれるアンモニアガスは、排気の熱を吸収する吸熱反応によって水素と窒素とに分解されることが開示されている。また、上記の公報には、生成された水素は、燃焼室や燃焼室に連通する副燃焼室に導かれることが開示されている。燃焼室や副燃焼室では、点火性の良い水素ガスがアンモニアガスを効果的に燃焼させて、難燃性であるアンモニアガスの燃焼性を向上することが開示されている。

特開平５−３３２１５２号公報

アンモニアを燃料にする内燃機関においては、燃焼室にて燃料が燃焼することにより窒素酸化物（ＮＯ_X）が生じる。燃焼室から流出する排気には、未燃燃料の他にＮＯ_Xが含まれる。内燃機関の排気浄化装置においては、機関排気通路にＮＯ_Xを還元可能な装置を配置することにより、排気に含まれるＮＯ_Xを浄化することができる。

たとえば、機関排気通路に三元触媒を配置することにより排気に含まれるＮＯ_Xを浄化することができる。機関排気通路に三元触媒を配置した場合には、浄化率の向上のために燃焼時の空燃比が理論空燃比になるように制御することが好ましい。しかし、燃焼時の空燃比を理論空燃比に維持するためには精密な制御が必要になる。

一方で、内燃機関の熱効率の向上または燃料消費量の低減を図るためには、燃焼時の空燃比がリーンになるように運転を行なうことが好ましい。すなわち空気過剰な状態で燃焼させる希薄燃焼を行なうことが好ましい。しかしながら、燃焼時の空燃比がリーンになる内燃機関の機関排気通路に三元触媒を配置した場合には、ＮＯ_Xの浄化率が低くなるという問題が生じる。

本発明は、燃料にアンモニアが含まれる内燃機関であって、排気の浄化性能に優れる内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関は、燃焼室にアンモニアを供給するアンモニア供給機と、機関排気通路に配置され、還元剤としてアンモニアを供給することによりＮＯ_Xを選択的に還元する上流側のＮＯ_X選択還元触媒と、上流側のＮＯ_X選択還元触媒よりも下流の機関排気通路に配置され、還元剤としてアンモニアを供給することによりＮＯ_Xを選択的に還元する下流側のＮＯ_X選択還元触媒とを備える。内燃機関は、燃焼時の空燃比がリーンになるように燃焼を行なう。上流側のＮＯ_X選択還元触媒は、流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比が上昇した場合にＮＯ_Xの浄化率が上昇する第１領域と、流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比が上昇した場合にＮＯ_Xの浄化率がほぼ一定になる第２領域とを有する。上流側のＮＯ_X選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比が第２領域内に維持される運転状態を有する。下流側のＮＯ_X選択還元触媒は、上流側のＮＯ_X選択還元触媒よりも大きなアンモニアの酸化能力を有する。

上記発明においては、上流側のＮＯ_X選択還元触媒は、鉄を担持したゼオライトを含み、下流側のＮＯ_X選択還元触媒は、銅を担持したゼオライトを含むことができる。

上記発明においては、上流側のＮＯ_X選択還元触媒および下流側のＮＯ_X選択還元触媒は、共通の基材を有することが好ましい。

上記発明においては、上流側のＮＯ_X選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比を推定し、推定した濃度比が予め定められた判定値未満である場合には、上流側のＮＯ_X選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比を上昇させる制御を実施することが好ましい。

上記発明においては、アンモニア供給機により燃焼室に供給されたアンモニアの少なくとも一部を未燃の状態で上流側のＮＯ_X選択還元触媒に供給可能に形成されていることができる。

本発明によれば、燃料にアンモニアが含まれる内燃機関であって、排気の浄化性能に優れる内燃機関を提供することができる。

実施の形態における内燃機関の概略図である。 実施の形態における上流側のＮＯ_X選択還元触媒の浄化率を説明するグラフである。 実施の形態における下流側のＮＯ_X選択還元触媒の浄化率を説明するグラフである。 実施の形態における分解器に流入する気体のモル比と、分解器から流出する気体の水素濃度との関係を示すグラフである。 実施の形態における分解器に流入する気体のモル比と、分解器から流出する気体のアンモニア濃度との関係を示すグラフである。 実施の形態における運転制御のフローチャートである。 実施の形態における他の排気処理装置の概略断面図である。

図１から図７を参照して、実施の形態における内燃機関について説明する。本実施の形態においては、自動車に配置されている内燃機関を例示して説明する。本実施の形態における内燃機関は、アンモニアおよび水素を燃料にしている。本実施の形態における内燃機関は、原料として液体のアンモニアから水素を生成する水素発生装置を含む。本実施の形態における内燃機関は、液体のアンモニアに熱を供給して気化させることにより気体のアンモニアを生成する。さらに、気体のアンモニアを分解触媒により分解して水素を生成する。

図１は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。本実施の形態における内燃機関は、火花点火式である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２の内部には、ピストン３が配置されている。ピストン３の冠面とシリンダヘッド４とにより燃焼室５が形成されている。燃焼室５はそれぞれの気筒ごとに形成されている。

燃焼室５には、機関吸気通路および機関排気通路が接続されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。吸気弁６は、燃焼室５に連通する機関吸気通路を開閉可能に形成されている。排気弁８は、燃焼室５に連通する機関排気通路を開閉可能に形成されている。シリンダヘッド４には、点火装置としての点火栓１０が固定されている。点火栓１０は、燃焼室５にて燃料を点火するように形成されている。本実施の形態における点火栓１０は、プラズマジェット点火栓である。

各気筒の吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は、吸気ダクト１５を介してエアクリーナ１２に連結されている。吸気ダクト１５には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が配置されている。吸気ダクト１５の内部には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。

本実施の形態における内燃機関は、排気を浄化する排気浄化装置を備える。各気筒の排気ポート９は、対応する排気マニホールド１９に連結されている。排気マニホールド１９は、排気管２２に連結されている。本実施の形態における排気浄化装置は、２つのＮＯ_X選択還元触媒（ＳＣＲ）を含む。上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２は、排気管２２に連結されている。下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３は、上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２に接続されている。下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３には、排気管２３が連結されている。ＮＯ_X選択還元触媒９３から流出する排気は、排気管２３を通して外気に放出される。

上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２よりも上流の機関排気通路には、ＮＯ_X選択還元触媒９２に流入する排気のＮＯ_X濃度を検出するＮＯ_Xセンサ９４が配置されている。また、ＮＯ_X選択還元触媒９２よりも上流の機関排気通路には、ＮＯ_X選択還元触媒９２に流入する排気のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサ９５が配置されている。ＮＯ_Xセンサ９４にて検出されたＮＯ_X濃度の信号、およびアンモニアセンサ９５にて検出されたアンモニア濃度の信号は、制御装置３１に入力される。

本実施の形態における水素発生装置は、アンモニアを分解するための分解器５１を備える。本実施の形態における分解器５１は、アンモニアを分解するための分解触媒とアンモニアを酸化するための酸化触媒とを含む。分解触媒はアンモニアを分解するための触媒粒子を含み、酸化触媒はアンモニアを酸化するための触媒粒子を含む。本実施の形態における分解器５１は、触媒６０を含む。本実施の形態における触媒６０は、分解触媒と酸化触媒とが一体化されている。すなわち、触媒６０は、分解触媒として機能し、更に酸化触媒として機能する。

本実施の形態における触媒６０は、ハニカム構造に形成されている。触媒６０は、複数の流路が形成されている基材を含む。基材は、例えばコーディエライトまたは金属で形成されている。基材のそれぞれの流路の表面には、コート層が形成されている。コート層には触媒粒子を担持する粒子状の担持体が配置されている。

本実施の形態における触媒６０は、一つの基材にアンモニアを酸化するための触媒粒子およびアンモニアを分解するための触媒粒子が配置されている。本実施の形態においては、アンモニアを酸化するための触媒粒子およびアンモニアを分解するための触媒粒子は、担持体に担持されている。担持体は、たとえば酸化アルミニウムで形成されている。アンモニアを酸化するための触媒粒子の金属は、白金等の貴金属や鉄等の卑金属を例示することができる。アンモニアを酸化するための触媒粒子は、この形態に限られず、アンモニアの酸化を促進する任意の金属から形成することができる。

アンモニアを分解するための触媒粒子の金属は、ルテニウム等の貴金属やニッケルまたはコバルト等の卑金属を例示することができる。本実施の形態においては、ルテニウムが採用されている。アンモニアを分解するための触媒粒子は、この形態に限られず、アンモニアの分解を促進する任意の金属から形成することができる。

本実施の形態における水素発生装置は、触媒６０を加熱器により加熱するように形成されている。本実施の形態における加熱器は、触媒６０の周りに配置されている電気ヒータを含む。内燃機関の始動時には、電気ヒータに通電することにより触媒６０を昇温することができる。

本実施の形態においては、分解器５１の触媒６０の下流には、触媒６０の温度を検出するための温度センサ７４が配置されている。温度センサ７４で検出された温度の信号は、制御装置３１に入力される。

本実施の形態における水素発生装置は、原料としてのアンモニア４０を気化して分解器５１に供給する。水素発生装置は、アンモニアを貯留するためのタンク６４を含む。タンク６４は、内部が加圧されており、液体のアンモニア４０が貯留されている。本実施の形態における水素発生装置は、液体のアンモニア４０を供給するためのポンプ６５を含む。ポンプ６５は、アンモニア供給管６１ａに接続されている。

水素発生装置は、アンモニア供給管６１ａに接続されている蒸発器６６を含む。蒸発器６６は、液体のアンモニアを加熱することができるように形成されている。蒸発器６６には、気体のアンモニアを供給するアンモニア供給管６１ｂが接続されている。アンモニア供給管６１ｂは、気体のアンモニアを流入管６２の内部に放出するように、流入管６２に接続されている。

本実施の形態における蒸発器６６は、液体のアンモニアと機関冷却水との熱交換によりアンモニアを気化することができる。蒸発器６６は、熱交換部６６ａを有する。本実施の形態における熱交換部６６ａには、機関本体１の機関冷却水が供給されている。熱交換部６６ａにおいて、液体のアンモニアと機関冷却水との熱交換が行なわれる。

分解器５１には、空気を供給するための空気供給機が接続されている。本実施の形態における空気供給機は、分解器５１に接続されている流入管６２を含む。流入管６２は、スロットル弁１８の上流において、機関吸気通路に接続されている。本実施の形態において、分解器５１から流出する気体は、運転期間中に吸気枝管１３が負圧になることにより水素噴射弁８６から噴射される。分解器５１には空気およびアンモニアが供給される。空気供給機は、この形態に限られず、触媒６０に空気を供給可能に形成されていれば構わない。

分解器５１に接続されている流出管７０は、冷却器８５に接続されている。冷却器８５は、分解器５１から流出する高温の気体を冷却するように形成されている。本実施の形態における冷却器８５には、機関冷却水が流入する。機関冷却水により分解器５１から流出する気体が冷却される。

アンモニア供給管６１ｂの途中には、触媒６０に供給する気体のアンモニアの流量を調整するための流量調整弁７２が配置されている。また、流入管６２の途中には、触媒６０に供給する空気の流量を調整する流量調整弁７３が配置されている。流量調整弁７３は、流入管６２において、アンモニア供給管６１ｂが接続される位置よりも上流側に配置されている。

本実施の形態における内燃機関は、分解器５１にて生成された水素を燃焼室５に供給する水素供給機を備える。水素供給機は、機関吸気通路の内部に向かって水素を噴射する水素噴射弁８６を含む。水素噴射弁８６は、供給管９０を介して冷却器８５に接続されている。分解器５１にて生成された水素は、矢印１０３に示すように、流出管７０、冷却器８５および供給管９０を通って水素噴射弁８６に供給される。

本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５にアンモニアを供給するアンモニア供給機を備える。本実施の形態におけるアンモニア供給機は、機関吸気通路の内部に向かってアンモニアを噴射するアンモニア噴射弁８３を含む。アンモニア噴射弁８３は、供給管８９を介して、水素発生装置の蒸発器６６に接続されている。蒸発器６６で生成されたアンモニアの一部は、矢印１０６に示すように、供給管８９を通ってアンモニア噴射弁８３に供給される。また、本実施の形態におけるアンモニア供給機は、触媒６０にて分解されなかったアンモニアを燃焼室５に供給する。触媒６０にて分解されなかったアンモニアは、水素噴射弁８６を介して燃焼室５に供給される。

なお、本実施の形態における水素噴射弁８６およびアンモニア噴射弁８３は、機関吸気通路に燃料を噴射するように形成されているが、この形態に限られず、それぞれの噴射弁は、燃焼室５に燃料を供給できるように形成されていれば構わない。たとえば、それぞれの噴射弁は、燃焼室５に直接的に燃料を噴射するように配置されていても構わない。

本実施の形態における内燃機関は、制御装置３１を備える。本実施の形態における制御装置３１は、デジタルコンピュータを含む。制御装置３１には、エアフローメータ１６の出力および水素発生装置に含まれる温度センサ等の信号が入力されている。制御装置３１は、スロットル弁１８を駆動するステップモータ１７を制御している。また、制御装置３１は、水素噴射弁８６、アンモニア噴射弁８３、および点火栓１０を制御している。また、制御装置３１は、ポンプ６５、流量調整弁７２，７３を制御している。このように、制御装置３１は、機関本体および水素発生装置に含まれる機器を制御している。

本実施の形態の水素発生装置は、起動時には電気ヒータにより触媒６０を昇温する。制御装置３１は、ポンプ６５を駆動し、流量調整弁７２を開いた状態にする。液体のアンモニア４０は、矢印１００に示すように、蒸発器６６に供給される。蒸発器６６においては、液体のアンモニア４０が気体に変化する。気体になったアンモニアは、アンモニア供給管６１ｂを通って、矢印１０１に示すように流入管６２の内部に供給される。

一方で、制御装置３１が流量調整弁７３を開いた状態にすることにより、矢印１０２に示すように、触媒６０に向かって空気が流入する。このように、本実施の形態における水素発生装置は、触媒６０にアンモニアに加えて空気が供給される。

触媒６０に流入する気体には空気が含まれるために、触媒６０の酸化触媒の作用により、供給された一部のアンモニアが酸化する。アンモニアは以下の式の通り酸化反応を生じる。

ＮＨ₃＋（３／４）Ｏ₂ → （１／２）Ｎ₂＋（３／２）Ｈ₂Ｏ …（１）

アンモニアの酸化は、発熱反応である。このため、触媒６０が加熱される。酸化反応に用いられなかったアンモニアは、触媒６０の分解触媒の作用により、分解反応を生じる。アンモニアは、窒素と水素とに改質される。アンモニアの分解反応は、以下の式に示すように生じる。

ＮＨ₃ → （１／２）Ｎ₂＋（３／２）Ｈ₂ …（２）

アンモニアの分解反応は、所定の温度以上で生じる。また、アンモニアの分解反応は、吸熱反応である。本実施の形態の水素発生装置は、触媒６０においてアンモニアの一部を酸化させて、その酸化熱を用いてアンモニアの分解を行なうことができる。触媒６０から流出する分解ガスは、水素および窒素の他に水蒸気を含む。生成された分解ガスは、矢印１０３に示すように、流出管７０から流出する。

本実施の形態における水素発生装置は、触媒６０に供給するアンモニアの流量を調整する装置と、触媒６０に供給する空気の流量を調整する装置とを備える。本実施の形態における水素発生装置は、触媒６０に供給するアンモニアの流量に対する空気の流量の比率を調整する流量調整装置を備える。

本実施の形態における水素発生装置は、連続的にアンモニアの分解を行なっている運転期間中では、電気ヒータの通電を停止している。触媒６０における酸化熱によりアンモニアの分解を行うことができる。分解器５１において外部からの熱の供給を行なわずにアンモニアの分解を行なうことができる。

本実施の形態においては、水素発生装置の分解器５１にて生成された水素は、水素噴射弁８６により吸気枝管１３の内部に噴射される。水素発生装置の蒸発器６６において形成された気体のアンモニアの一部は、アンモニア噴射弁８３から吸気枝管１３の内部に噴射される。水素とアンモニアとの混合気は、吸気ポート７を通って、燃焼室５に供給される。燃焼室５においては、燃料が燃焼して排気が生じる。

本実施の形態における内燃機関の通常運転時のアンモニアの供給量および水素の供給量は、たとえば、内燃機関の回転数および要求負荷に基づいて定めることができる。内燃機関の回転数と要求負荷とを関数にするそれぞれの燃料の供給量のマップを予め作成し、このマップを制御装置３１に記憶させておくことができる。

本実施の形態においては、アクセルペダルの踏み込み量等から要求負荷を検出し、更にクランク角センサの出力等により機関回転数を検出する。制御装置３１に記憶したマップにより、アンモニアの供給量および水素の供給量を設定することができる。制御装置３１は、設定されたアンモニアの供給量および水素の供給量に基づいて、アンモニア噴射弁８３および水素噴射弁８６を制御することができる。触媒６０から流出する気体のアンモニア濃度および水素濃度は、例えば、触媒６０の出口にそれぞれの濃度を検出するセンサを配置することにより検出することができる。または、触媒６０の温度および触媒６０に供給する空気量およびアンモニア量に基づいて、マップ等により触媒６０から流出する分解ガスのアンモニア濃度および水素濃度を推定しても構わない。

本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２と下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３とが互いに直列に連結されている。ＮＯ_X選択還元触媒は、還元剤を供給することによりＮＯ_Xを選択的に還元することができる装置である。本実施の形態におけるＮＯ_X選択還元触媒は、アンモニアを還元剤としてＮＯ_Xを還元する。

本実施の形態における内燃機関は、理論空燃比（量論混合比）よりも希薄の混合気にて燃焼を行なうように形成されている。すなわち、燃焼時の空燃比がリーンになるように希薄燃焼を行なっている。燃焼室から流出する排気ガスには酸素が含まれている。ＮＯ_X選択還元触媒は、酸素の存在下において、アンモニアを還元剤としてＮＯ_Xを窒素に還元することができる。ＮＯ_Xには、一酸化窒素や二酸化窒素が含まれる。還元反応において必要なアンモニアの量は、ＮＯ_Xに対してモル比で１対１である。ＮＯ_X選択還元触媒においてＮＯ_Xが還元される時には、排気に含まれる酸素によりアンモニアの酸化が同時に生じる。このために、ＮＯ_X選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの割合は、１よりも大きくなる様に制御することが好ましい。

ＮＯ_X選択還元触媒においてＮＯ_Xを還元する時には、過剰のアンモニアも浄化することができる。ＮＯ_X選択還元触媒は、触媒の種類等に依存してＮＯ_Xの還元反応の速さおよびアンモニアの酸化反応の速さが異なる特性を有する。ＮＯ_X選択還元触媒におけるＮＯ_Xの浄化率およびアンモニアの浄化率は、ＮＯ_X選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比に依存する。本発明においては、上流側のＮＯ_X選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比を流入濃度比と称する。

本実施の形態における上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２は、運転領域のうち一部の領域においてＮＯ_Xの浄化率が高くなるように形成されている。これに対して、下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３は、ほぼ全ての運転領域において、アンモニアの浄化率が高くなるように形成されている。本実施の形態においては、上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２は、鉄をイオン交換により担持したゼオライトを含む。

下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３は、銅をイオン交換により担持したゼオライトを含む。本実施の形態の下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３は、アンモニアの酸化機能を促進するための金属の触媒粒子が担持されている。アンモニアの酸化反応を促進する触媒粒子の金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、およびルテニウム（Ｒｕ）のうち少なくとも１つの金属を例示することができる。下流側のＮＯ_X選択還元触媒がアンモニアの酸化反応を促進する触媒粒子を含むことにより、アンモニアの浄化率を向上させることができる。

図２に、本実施の形態における上流側のＮＯ_X選択還元触媒の浄化率のグラフを示す。横軸は、流入濃度比ｒであり、排気に含まれるＮＯ_Xに対するアンモニアのモル濃度の比率である。縦軸は浄化率であり、以下の式で示すことができる。

（浄化率）＝（ＮＯ_X選択還元触媒に流入する物質の濃度−ＮＯ_X選択還元触媒から流出する物質の濃度）／（ＮＯ_X選択還元触媒に流入する物質の濃度） …（３）

上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２は、流入濃度比ｒが上昇すると共にＮＯ_Xの浄化率が上昇する第１領域と、流入濃度比ｒが上昇した場合にもＮＯ_Xの浄化率がほぼ一定になる第２領域とを有する。第２領域は、第１領域よりも流入濃度比が大きな領域である。本実施の形態において、流入濃度比がｒ１以下の領域を第１領域に設定している。また、流入濃度比がｒ１よりも大きな領域を第２領域に設定している。本実施の形態の上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２においては、流入濃度比ｒ１よりも大きな領域においては、ＮＯ_Xの浄化率がほぼ１００％になる。

一方で、上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２のアンモニアの浄化率は、流入濃度比がｒ２以下の領域では、ほぼ一定の浄化率を示す。本実施の形態においては、ほぼ１００％のアンモニアの浄化率を有する。流入濃度比がｒ２よりも大きくなると、流入濃度比ｒが大きくなるほどアンモニアの浄化率が低下する。

図３に、本実施の形態における下流側のＮＯ_X選択還元触媒の浄化率のグラフを示す。横軸は、下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３に流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比である。本実施の形態における下流側のＮＯ_X選択還元触媒は、アンモニアの酸化能力が高い触媒を選定されている。このために、下流側のＮＯ_X選択還元触媒は、高いアンモニアの浄化率を有する。本実施の形態の下流側のＮＯ_X選択還元触媒においては、流入するＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比には依存せずに、高い浄化率にてアンモニアを浄化することができる。本実施の形態における下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３は、ほぼ全ての運転領域においてアンモニアの浄化率がほぼ１００％になる。

下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３のＮＯ_Xの浄化率は、下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３に流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比がｒ４以下の領域では、流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比が大きくなるほど浄化率が上昇する。濃度比がｒ４よりも大きくなると、流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比が大きくなるほど浄化率が低下する。

本実施の形態の内燃機関においては、下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３は、触媒温度や流入する気体の流量が同一の条件下では、アンモニアの酸化能力が上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２よりも優れる。たとえば、下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３のアンモニアの浄化率は、流入する濃度比がｒ２よりも大きな領域では、上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２のアンモニアの浄化率よりも高くなる。特に、本実施の形態における内燃機関は、ほぼ全体の運転領域（第２領域）において、上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２のアンモニアの浄化率よりも下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３のアンモニアの浄化率の方が高くなる。

また、上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２は、触媒温度や流入する気体の流量等が同一の条件下では、ＮＯ_Xの還元能力が下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３よりも優れている。たとえば、上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２のＮＯ_Xの浄化率の最大値は、下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３のＮＯ_Xの浄化率の最大値よりも大きくなっている。特に、本実施の形態における内燃機関は、ほぼ全体の運転領域（第２領域）において、下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３のＮＯ_Xの浄化率よりも上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２のＮＯ_Xの浄化率の方が高くなる。

図２を参照して、上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２は、ＮＯ_Xの浄化率とアンモニアの浄化率とが互いに交差する流入濃度比ｒ３を有する。流入濃度比ｒ３は、ＮＯ_X選択還元触媒の構造や材質にも依存する。ＮＯ_X選択還元触媒の流入濃度比ｒ３としては、１以上１．６以下を例示することができる。

本実施の形態の内燃機関は、燃焼室における燃焼時の空燃比がリーンの状態で運転を行なっている。燃焼時の空燃比がリーンの内燃機関では、燃焼室から流出する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比は、ほぼ全ての運転状態において１を超える。すなわち、流入濃度比ｒは、ほぼ全ての運転状態において１を超える。本実施の形態の内燃機関では、ほぼ全ての運転状態において流入濃度比がｒ１よりも大きくなる。流入濃度比は、第２領域内に維持される。このために、上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２においては、排気に含まれるＮＯ_Xを高い浄化率にて浄化することができる。また、同時に少なくとも一部のアンモニアを酸化することができる。上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２において酸化されずに流出するアンモニアが生じた場合にも、下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３において酸化することができる。下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３にて、高い浄化率にてアンモニアを浄化することができる。また、上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２からＮＯ_Xが流出した場合には、下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３においてＮＯ_Xを浄化することができる。

このように、本実施の形態における内燃機関では、ほぼ全ての運転状態において、燃焼室から流出するＮＯ_Xおよびアンモニアを高い浄化率で浄化することができる。また、三元触媒を機関排気通路に配置したときのように、燃焼時の空燃比を理論空燃比に合わせる精密な制御が不要であり、広い運転範囲にて運転を行なうことができる。本実施の形態における内燃機関は、優れた排気の浄化性能を発揮することができる。

本実施の形態においては、ほぼ全ての運転状態において、流入濃度比が第２領域内に維持されるが、この形態に限られず、流入濃度比が第２領域内に維持される期間を有していれば構わない。または、流入濃度比が第２領域内に維持されるように運転状態が予め定められており、この予め定められた運転状態にて運転を行なっても構わない。

なお、複数のＮＯ_X選択還元触媒の配置については、ＮＯ_Xの浄化能力に優れたＮＯ_X選択還元触媒９２と、アンモニアの浄化率に優れたＮＯ_X選択還元触媒９３との順序を逆にすることが考えられる。すなわち、上流側にアンモニアの浄化率に優れたＮＯ_X選択還元触媒９３を配置することが考えられる。しかしながら、この場合には、ＮＯ_X選択還元触媒９３にて多くのアンモニアを酸化してしまうために、ＮＯ_X選択還元触媒９２において還元剤不足となる虞が生じる。ＮＯ_X選択還元触媒９３にて浄化されなかったＮＯ_Xを、ＮＯ_X選択還元触媒９３にて十分に浄化することができない虞が生じる。このために、上流側にはＮＯ_Xの浄化率に優れたＮＯ_X選択還元触媒９２を配置し、下流側にはアンモニアの浄化率に優れたＮＯ_X選択還元触媒９３を配置することが好ましい。

または、下流側のＮＯ_X選択還元触媒に代えて、アンモニアを酸化するための酸化触媒を配置することが考えられる。この場合にも、排気に含まれるアンモニアを酸化することができる。ところが、酸化触媒を配置すると、アンモニアの酸化に伴ってＮＯ_Xが生成される虞がある。また、上流側のＮＯ_X選択還元触媒からＮＯ_Xが流出した場合に、ＮＯ_Xを十分に浄化することができない虞が生じる。このために、下流側の触媒はＮＯ_Xを浄化することができて、更にアンモニアの酸化機能の高いＮＯ_X選択還元触媒を配置することが好ましい。アンモニアの酸化に伴ってＮＯ_Xが生じた場合においても、選択還元の機能によりＮＯ_Xの浄化を行なうことができる。

本実施の形態の下流側のＮＯ_X選択還元触媒は、アンモニアの酸化機能を促進するための金属の触媒粒子を有するが、この形態に限られず、下流側のＮＯ_X選択還元触媒には、アンモニアの酸化反応を促進するための金属の触媒粒子が配置されていなくても構わない。

本実施の形態においては、上流側のＮＯ_X選択還元触媒は、鉄を担持したゼオライトを含み、下流側のＮＯ_X選択還元触媒は、銅を担持したゼオライトを含むが、この形態に限られず、酸化能力の互いに異なる複数のＮＯ_X選択還元触媒を選定し、下流側のＮＯ_X選択還元触媒が上流側のＮＯ_X選択還元触媒よりも大きな酸化能力を有するように配置することができる。

図２を参照して、本実施の形態における内燃機関は、ほぼ全ての運転領域において、上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２に流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比が第２領域内になるように運転を行なっている。ところが、所定の内燃機関の運転状態においては、流入濃度比が小さくなり、ｒ１以下になる場合がある。すなわち、第１領域にて運転を行う場合がある。または、選定したＮＯ_X選択還元触媒の種類等によっては、ＮＯ_Xの浄化率が低くなる流入濃度比の小さな領域にて運転を行なう場合がある。このようにＮＯ_Xの浄化率が低くなる場合には、流入濃度比を上昇させる制御を行うことができる。

次に、本実施の形態における流入濃度比を変更する運転制御について説明する。図１を参照して、本実施の形態における内燃機関は、燃料にアンモニアが含まれている。アンモニア供給機により燃焼室５に供給されたアンモニアの少なくとも一部を未燃の状態にし、未燃のアンモニアを上流側のＮＯ_X選択還元触媒に供給することができる。更に、内燃機関の運転状態を調整することにより、ＮＯ_X選択還元触媒に供給するアンモニアの量を調整することができる。

従来の技術の内燃機関においては、ＮＯ_X選択還元触媒に還元剤としてのアンモニアを供給するために、機関排気通路内に尿素水を噴射する尿素噴射弁を配置して、機関排気通路の内部に尿素を供給していた。機関排気通路内に供給された尿素水は、排気の熱により加水分解されてアンモニアが生成される。このため、従来の技術における内燃機関の排気浄化装置にＮＯ_X選択還元触媒を配置する場合には、尿素噴射弁や尿素タンクなどの機関排気通路に尿素水を供給する装置が必要であった。これに対して、本実施の形態における内燃機関は、運転状態を変化させることにより、ＮＯ_X選択還元触媒にアンモニアを供給することができる。機関排気通路に尿素を供給する装置を配置しなくても、ＮＯ_X選択還元触媒にアンモニアを供給し、ＮＯ_Xを浄化することができる。

本実施の形態における流入濃度比を変更する運転制御においては、燃焼室に供給する燃料のアンモニアに対する水素の割合を変化させることにより、燃焼室から流出する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比を調整することができる。

水素は、アンモニアよりも燃焼性に優れているために、アンモニアの燃焼を促進させる機能を有する。燃焼室に供給する燃料の水素に対するアンモニアの割合を増加させると、燃焼室における燃焼が緩慢になる。燃料の助燃材として機能する水素の割合が減少することにより、燃焼室における燃焼速度が遅くなる。このために、燃焼室において燃焼せずに残存する未燃のアンモニアが多くなる。一方で、燃焼室から排出される排気に含まれるＮＯ_Xの量が減少するために、流入濃度比を上昇させることができる。

本実施の形態においては、水素噴射弁に供給するアンモニアに対する水素の割合を変更することにより、燃焼室に供給する燃料のアンモニアに対する水素の割合を変化させる。本実施の形態の水素発生装置は、アンモニアを触媒６０に供給することにより、水素を生成している。分解器５１から流出する気体には、水素の他に分解されなかったアンモニアが含まれる。分解器５１から流出するアンモニアの濃度および水素の濃度は、分解器５１に供給するアンモニアに対する空気の割合を変更することにより調整することができる。

図４に、本実施の形態の分解器に供給する気体のアンモニアに対する酸素のモル比と、分解器から流出する気体の水素濃度との関係を説明するグラフを示す。図４においては、空気のモル比の代わりに酸素のモル比にて示している。この試験においては、空間速度を速度Ｖ１から速度Ｖ４まで変更して複数回の試験を行なっている。アンモニアに対する酸素のモル比を零の近傍から徐々に上昇させると、生成される気体の水素濃度が上昇することが分かる。モル比Ｒｍａｘでは水素濃度が最大になる。モル比Ｒｍａｘよりも大きな領域では、モル比が大きくなるほど水素濃度が減少している。

図５に、本実施の形態の分解器に供給する気体のアンモニアに対する酸素のモル比と、分解器から流出する気体のアンモニア濃度との関係を説明するグラフを示す。縦軸は、分解器において分解されずに流出したアンモニア濃度である。アンモニアに対する酸素のモル比を上昇していくと、分解器から流出するアンモニア濃度が減少することが分かる。アンモニアに対する酸素のモル比が、略０．２において分解器から流出する気体のアンモニア濃度が零になることが分かる。すなわち、分解器に供給されるアンモニアが略全て消費されていることが分かる。

図４および図５を参照して、アンモニアに対する酸素のモル比が小さな領域においては、アンモニアの分解を行なうための熱量が不足している。アンモニアに対する酸素のモル比を上昇させていくと、触媒の温度が上昇する。このために、分解器から流出する気体の水素濃度が上昇するとともに、分解器から流出する気体のアンモニア濃度が減少する。

ところが、アンモニアに対する酸素のモル比が略０．２を超えると、供給されたアンモニアの全てが消費される。更に、生成された水素が酸化反応で消費される。このために、アンモニアに対する酸素のモル比を上昇させていくと、生成される気体の水素濃度が減少する。このように、分解器に供給するアンモニアに対する酸素のモル比を変更することにより、水素発生装置から流出する気体に含まれる水素濃度およびアンモニア濃度を調整することができる。また、図４および図５のグラフにより、触媒に流入する気体の空間速度を変更しても生成される気体の水素濃度およびアンモニア濃度が、ほぼ同じであることが分かる。

本実施の形態の内燃機関の分解器においては、アンモニアに対する酸素のモル比がＲｍａｘ以下の領域にて運転を行っている。分解触媒に供給するアンモニアに対する空気の割合を調整することにより、水素噴射弁に供給する燃料の水素に対するアンモニアの割合を調整することができる。たとえば、本実施の形態の分解器の運転領域において、触媒に供給するアンモニアに対する空気の割合を低下させることにより、水素噴射弁から噴射される気体の水素に対するアンモニアの割合を上昇させることができる。すなわち燃料の水素に対するアンモニアの割合を上昇させることができる。このために、燃焼室から流出する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比を上昇させることができる。一方で、触媒に供給するアンモニアに対する空気の割合を上昇させることにより、水素噴射弁から噴射される気体の水素に対するアンモニアの割合を低下させることができる。この結果、燃焼室から流出する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比を低下させることができる。

図６に、本実施の形態における内燃機関の運転制御のフローチャートを示す。図６に示す運転制御は、たとえば、予め定められた時間間隔にて繰り返し行なうことができる。本実施の形態における運転制御では、流入濃度比を推定し、推定した流入濃度比が予め定められた判定値未満であれば、流入濃度比を上昇させる制御を行う。図２を参照して、本実施の形態においては、推定した流入濃度比が第１領域内に位置している場合には、流入濃度比を上昇させて第２領域内に移行させる制御を行う。

ステップ１１１においては、上流側のＮＯ_X選択還元触媒に流入するＮＯ_X濃度およびアンモニア濃度を検出する。それぞれの濃度は、上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２の上流側に配置されているＮＯ_Xセンサ９４またはアンモニアセンサ９５にて検出することができる。

次に、ステップ１１２においては、検出したアンモニア濃度およびＮＯ_X濃度を用いて流入濃度比ｒ（ＮＨ₃／ＮＯ_X）を算出する。

次に、ステップ１１３においては、流入濃度比ｒが予め定められた判定値以上か否かを判別する。ステップ１１３における予め定められた判定値は、流入濃度比の下限判定値である。図２を参照して、予め定められた判定値としては、例えば、流入濃度比に関わらずに上流側のＮＯ_X選択還元触媒のＮＯ_Xの浄化率がほぼ一定になる領域の境界の流入濃度比ｒ１を採用することができる。または、下流側のＮＯ_X選択還元触媒においてもＮＯ_Xを浄化できるために、下流側のＮＯ_X選択還元触媒のＮＯ_Xの浄化能力に基づいて、流入濃度比ｒ１よりも小さな流入濃度比を設定しても構わない。更には、ＮＯ_Xを浄化する余裕を確保するために流入濃度比ｒ１よりも大きな流入濃度比を採用しても構わない。

ステップ１１３において、算出した流入濃度比ｒが予め定められた判定値未満の場合には、ステップ１１４に移行する。

ステップ１１４においては、流入濃度比ｒを上昇させる制御を行う。本実施の形態においては、水素発生装置の触媒に流入する気体のアンモニアに対する空気の割合を小さくする制御を行う。このときのアンモニアに対する空気の割合の変動量は、予め定められた変動量を採用することができる。ステップ１１４が終了したらステップ１１１に戻る。

ステップ１１３において、流入濃度比ｒが予め定められた判定値以上の場合には、この制御を終了する。この場合には、上流側のＮＯ_X選択還元触媒および下流側のＮＯ_X選択還元触媒にて、高い浄化率にてアンモニアおよびＮＯ_Xを浄化していると判別することができる。

このように、本実施の形態の運転制御においては、流入濃度比が予め定められた判定値よりも低くなる場合には、流入濃度比を上昇させる制御を行なうことができる。

また、本実施の形態においては、流入濃度比の下限判定値のみを設定しているが、この形態に限られず、流入濃度比の上限判定値を設けても構わない。たとえば、流入濃度比が大きくなりすぎると、必要以上の過剰なアンモニアを消費している虞がある。このために、流入濃度比の上限判定値を設けて、推定した流入濃度比が上限判定値を超えている場合には、流入濃度比を低下させる制御を行っても構わない。

本実施の形態においては、分解器に供給するアンモニアに対する空気の割合を調整することにより、上流側のＮＯ_X選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比（流入濃度比）を調整しているが、この形態に限られず、流入濃度比を調整する任意の装置および任意の制御を採用することができる。

例えば、図１を参照して、燃焼室５に供給するアンモニアに対する水素の割合を調整するために、水素噴射弁８６からの水素の噴射量およびアンモニア噴射弁８３からのアンモニアの噴射量を変更する制御を行なっても構わない。たとえば、水素噴射弁８６の噴射量を減少させる一方で、アンモニア噴射弁８３の噴射量を増加することにより、燃焼室５から流出する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比を上昇させることができる。

または、機関排気通路に尿素やアンモニアを噴射する還元剤噴射弁を設けて、還元剤噴射弁から尿素やアンモニアを供給する場合には、還元剤噴射弁の噴射量を調整することにより、流入濃度比を調整することができる。

本実施の形態においては、上流側のＮＯ_X選択還元触媒よりも上流に配置されているＮＯ_Xセンサの出力およびアンモニアセンサの出力により流入濃度比を推定しているが、この形態に限られず、任意の装置および任意の制御により流入濃度比を推定することができる。たとえば、下流側のＮＯ_X選択還元触媒の下流にＮＯ_Xセンサを配置しても構わない。この場合には、ＮＯ_X選択還元触媒から流出する排気のＮＯ_X濃度を検出し、検出したＮＯ_X濃度が予め定められたＮＯ_X濃度の判定値よりも大きければ、上流側のＮＯ_X選択還元触媒におけるＮＯ_Xの浄化率が小さいと判別することができる。すなわち、流入濃度比が予め定められた判定値よりも小さいと判別することができる。この場合には、流入濃度比を上昇させる制御を行うことができる。

図７に、本実施の形態における他の排気浄化装置の概略断面図を示す。矢印１０４は、排気が流れる向きを示している。他の排気浄化装置においては、一つの基材上に酸化能力が互いに異なる上流側のＮＯ_X選択還元触媒９２と下流側のＮＯ_X選択還元触媒９３が形成されている。共通する基材上に上流側のＮＯ_X選択還元触媒と下流側のＮＯ_X選択還元触媒とを配置することができる。アンモニアの酸化能力の高い下流側のＮＯ_X選択還元触媒は、アンモニアの酸化能力の小さな上流側のＮＯ_X選択還元触媒よりも高い反応温度が要求される傾向を有する。このために、下流側のＮＯ_X選択還元触媒は放熱を抑制できることが好ましい。基材を共通にすることにより、下流側のＮＯ_X選択還元触媒からの放熱を抑制することができる。また、基材を共通にする構成により、部品点数を削減することができて生産効率を向上させることができる。

本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、２つのＮＯ_X選択還元触媒を含むが、この形態に限られず、３つ以上のＮＯ_X選択還元触媒を含むことができる。

本実施の形態における水素発生装置は、液体の原料を気化した後に分解触媒に供給しているが、この形態に限られず、気体の燃料を貯蔵しておいて、気体の燃料を分解触媒に供給しても構わない。

本実施の形態における水素発生装置の分解器は、酸化触媒および分解触媒を含むが、この形態に限られず、酸化触媒を含まずに分解触媒を含む分解器を備える内燃機関に本発明を適用することができる。この場合には、加熱器等の外部の加熱装置により、アンモニアを分解するための熱を分解触媒に供給することができる。

本実施の形態においては、自動車の内燃機関を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、任意の内燃機関に本発明を適用することができる。たとえばガスタービン装置に本発明を適用することができる。

上述の制御においては、適宜ステップの順序を替えることができる。また、上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。実施の形態においては、特許請求の範囲に示される変更が含まれている。

１ 機関本体
５ 燃焼室
１９ 排気マニホールド
２２，２３ 排気管
３１ 制御装置
４０ アンモニア
５１ 分解器
６０ 触媒
６４ タンク
６６ 蒸発器
７２ 流量調整弁
７３ 流量調整弁
８３ アンモニア噴射弁
８６ 水素噴射弁
９２，９３ ＮＯ_X選択還元触媒
９４ ＮＯ_Xセンサ
９５ アンモニアセンサ

Claims (5)

1. 燃焼室にアンモニアを供給するアンモニア供給機と、機関排気通路に配置され、還元剤としてアンモニアを供給することによりＮＯ_Xを選択的に還元する上流側のＮＯ_X選択還元触媒と、上流側のＮＯ_X選択還元触媒よりも下流の機関排気通路に配置され、還元剤としてアンモニアを供給することによりＮＯ_Xを選択的に還元する下流側のＮＯ_X選択還元触媒とを備え、燃焼時の空燃比がリーンになるように燃焼を行なう内燃機関であって、
   上流側のＮＯ_X選択還元触媒は、流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比が上昇した場合にＮＯ_Xの浄化率が上昇する第１領域と、流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比が上昇した場合にＮＯ_Xの浄化率がほぼ一定になる第２領域とを有し、
   上流側のＮＯ_X選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比が第２領域内に維持される運転状態を有し、
   下流側のＮＯ_X選択還元触媒は、上流側のＮＯ_X選択還元触媒よりも大きなアンモニアの酸化能力を有することを特徴とする、内燃機関。
2. 上流側のＮＯ_X選択還元触媒は、鉄を担持したゼオライトを含み、下流側のＮＯ_X選択還元触媒は、銅を担持したゼオライトを含む、請求項１に記載の内燃機関。
3. 上流側のＮＯ_X選択還元触媒および下流側のＮＯ_X選択還元触媒は、共通の基材を有する、請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 上流側のＮＯ_X選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比を推定し、推定した濃度比が予め定められた判定値未満である場合には、上流側のＮＯ_X選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_Xに対するアンモニアの濃度比を上昇させる制御を実施する、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関。
5. アンモニア供給機により燃焼室に供給されたアンモニアの少なくとも一部を未燃の状態で上流側のＮＯ_X選択還元触媒に供給可能に形成されている、請求項４に記載の内燃機関。

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