JP2016070244A - 内燃機関及び内燃機関の排気ガス浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】筒内で燃料と及び水素と吸入空気とを混合して燃焼させる際の水素の添加量を調節することで、選択還元触媒の窒素酸化物の浄化率を向上できる内燃機関及び内燃機関の排気ガス浄化方法を提供する。
【解決手段】制御装置１７が、ＳＣＲ触媒３４の入口側の比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}を取得して、筒内１３で燃料と水素とを混合して燃焼させる際に、水素噴射弁１５を制御して噴射される水素の添加量Ｑ_Ｈ２を、比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}を０．３以上、０．７以下に近づける量に調節する制御を行って、ＳＣＲ触媒３４におけるファーストＳＣＲ反応を促進して、排気ガス中の窒素酸化物を浄化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関及び内燃機関の排気ガス浄化方法に関し、より詳細には、筒内で燃料と水素と吸入空気とを混合して燃焼させる際の水素の添加量を調節することで、選択還元触媒の窒素酸化物の浄化率を向上できる内燃機関及び内燃機関の排気ガス浄化方法に関する。

筒内から排出された排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を低減するために、排気通路に尿素水噴射弁と選択的還元触媒（ＳＣＲ触媒）とを配置したディーゼルエンジンが提案されている。

このディーゼルエンジンにおいては、ＳＣＲ触媒の入口側の排気ガスの温度が一定以上になると、一酸化窒素（ＮＯ）がアンモニア（ＮＨ_３）により還元されるスタンダードＳＣＲ反応、等モルの一酸化窒素と二酸化窒素（ＮＯ_２）とがアンモニアにより還元されるファーストＳＣＲ反応、及び二酸化窒素がアンモニアにより還元されるスロウＳＣＲ反応の各ＳＣＲ反応が生じることにより、窒素酸化物が還元されている。

特に、ファーストＳＣＲ反応は反応速度が速く低温度域でも反応が起きる。そのため、ＳＣＲ触媒の入口側における排気ガス中の一酸化窒素の濃度と二酸化窒素の濃度とを等しくして、ファーストＳＣＲ反応を促進すると窒素酸化物の浄化率が向上する。しかし、エンジンから排出される窒素酸化物のほとんどは一酸化窒素である。

そこで、ＳＣＲ触媒の上流側に酸化触媒を配置して、一酸化窒素を酸化して二酸化窒素の濃度を増加している。また、燃料と同時に水素を燃焼させることにより、筒内から排出された排気ガス中の二酸化窒素の濃度を増加できることが知られている。これは、水素の酸化反応で生成されるヒドロペルオキシドラジカルなどと一酸化窒素とが反応して二酸化窒素が生成されるためである。

また、ガソリンを燃料としたエンジンではあるが、燃料と水素とを筒内で同時に燃焼させる装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置は、筒内で燃料と水素と吸入空気とを混合して燃焼させる際に、水素の添加割合を排気ガス中の窒素酸化物の濃度が三元触媒により浄化できる濃度以下となる添加割合にしている。

しかしながら、この文献には燃料と同時に水素を燃焼させることにより、筒内から排出された排気ガス中の二酸化窒素の濃度を増加することの記載はなく、そのことを有効に活用できていない。

特開２００５−１６３６６８号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その課題は、筒内で燃料と水素と吸入空気とを混合して燃焼させる際の水素の添加量を調節することで、選択還元触媒の窒素酸化物の浄化率を向上できる内燃機関及び内燃機関の排気ガス浄化方法を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明の内燃機関は、筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、該筒内に吸入される吸入空気が通過する吸気通路又は該筒内に水素を噴射する水素噴射弁と、該筒内から排出された排気ガスが通過する排気通路に尿素水を噴射する尿素水噴射弁と、該尿素水噴射弁の下流に配置されてアンモニアにより窒素酸化物を還元する選択的還元触媒と、該燃料噴射弁、該水素噴射弁及び該尿素水噴射弁を制御する制御装置とを備えた内燃機関において、前記選択的還元触媒の入口側の窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率を取得する比率取得手段を備え、前記制御装置が、前記筒内で燃料と水素とを混合して燃焼させる際に、前記水素噴射弁を制御して噴射される水素の添加量を、前記比率取得手段が取得した前記比率が０．３以上、０．７以下になる量に調節する制御を行って、前記選択的還元触媒における等モルの一酸化窒素と二酸化窒素とがアンモニアにより還元される反応を促進して窒素酸化物を浄化する構成にしたことを特徴とするものである。

また、上記の課題を解決するための本発明の内燃機関の浄化方法は、燃料噴射弁から噴射された燃料と水素噴射弁から噴射された水素とを混合して筒内で燃焼し、該筒内から排出された排気ガス中の窒素酸化物を排気通路に配置された選択的還元触媒でアンモニアにより還元して浄化する内燃機関の排気ガス浄化方法において、前記水素噴射弁から噴射される水素の添加量を、前記選択的還元触媒の入口側の窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率が０．３以上、０．７以下になる量にして、前記選択的還元触媒における等モルの一酸化窒素と二酸化窒素とがアンモニアにより還元される反応を促進して窒素酸化物を浄化することを特徴とする方法である。

本発明の内燃機関及び内燃機関の排気ガス浄化方法によれば、燃料に水素を混合して同時に燃焼することで、水素の酸化反応で生成されるヒドロペルオキシドラジカルなどにより、燃焼によって生じた一酸化窒素の酸化反応を促進する。このとき、水素の添加量を選択的還元触媒の入口側における窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率が０．３以上、０．７以下になる量にする。これにより、選択的還元触媒における等モルの一酸化窒素と二酸化窒素とがアンモニアにより還元される反応を促進できるので、排気ガス中の窒素酸化物の浄化率を向上できる。

また、燃料に水素を添加することで、内燃機関の燃焼が活発化して熱効率が上昇し、窒素酸化物の排出量が増加しても、前述した通りに排気ガス中の窒素酸化物の浄化率が向上することで十分に浄化できるので、熱効率の上昇による燃料消費量の低減もできる。

本発明の内燃機関の実施形態を例示する説明図である。 図１の水素噴射弁から噴射された水素の添加量と筒内から排出される窒素酸化物の排出量との関係を示したマップである。 図１の水素噴射弁から噴射された水素の添加量と筒内から排出される窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度との関係を示したマップである。 図１の選択的還元触媒における窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率と窒素酸化物の浄化率との関係を示したグラフである。 本発明の内燃機関の排気ガス浄化方法の実施形態を例示するフローチャートである。

以下、本発明の内燃機関及び内燃機関の排気ガス浄化方法の実施形態について説明する
。図１は、本発明の実施形態のディーゼルエンジン（以下、エンジン）１０の構成を示す。

このエンジン１０においては、車両の走行時などにおいて吸気バルブ１１からピストン１２が往復する筒内１３に吸入された吸入空気と、燃料噴射弁１４から筒内１３に噴射された燃料と、水素噴射弁１５から吸気通路２０に噴射されて筒内１３に吸入された水素とが混合されて燃焼して、排気ガスとなって排気バルブ１６から排気されている。

吸入空気は、外部から吸気通路２０へ吸入されて、ターボチャージャ２１のコンプレッサ２１ａにより圧縮されて高温になり、インタークーラー２２で冷却されている。その後に、吸気スロットル２３により流量が調節されて、インテークマニホールド２４を経て吸気バルブ１１から筒内１３に吸入されている。

水素は、図示しない水素タンクに貯留されており、水素噴射弁１５から吸気通路２０に噴射されている。なお、水素噴射弁１５の代わりに水素を筒内１３に直接噴射する弁装置を用いてもよい。

排気ガスは、筒内１３から排気バルブ１６を経由してエキゾーストマニホールド２５から排気通路２６へ排気されて、ターボチャージャ２１のタービン２１ｂを駆動させている。その後に、排気ガス浄化装置３０で浄化されて大気へと放出されている。また、排気ガスの一部は、ＥＧＲ通路２７に設けられたＥＧＲクーラー２８で冷却された後に、ＥＧＲバルブ２９により吸気通路２０に供給されて吸入空気に混合されている。

排気ガス浄化装置３０には、酸化触媒３１と捕集装置３２と尿素水噴射弁３３とＳＣＲ触媒（選択的還元触媒）３４とが上流から順に配置されている。

排気ガスがこの排気ガス浄化装置３０を通過すると、酸化触媒３１では、排気ガス中の未燃炭化水素と一酸化炭素とが酸化されると共に、一酸化窒素が酸化されて二酸化窒素が生成される。次いで、捕集装置３２では、担持された触媒によって一酸化窒素が酸化されて二酸化窒素が生成されると共に、排気ガス中の微粒子状物質が捕集される。また、この捕集装置３２では、捕集した微粒子状物質と二酸化窒素とを反応させることで微粒子状物質が酸化除去される。次いで、ＳＣＲ触媒３４では、酸化触媒３１と捕集装置３２との酸化反応で温度が上昇した排気ガス中の窒素酸化物が、尿素水噴射弁３３から噴射された尿素水の加水分解により生じたアンモニアを還元剤とした各ＳＣＲ反応によって還元される。

また、このエンジン１０においては、燃料噴射弁１４、水素噴射弁１５、吸気スロットル２３、ＥＧＲバルブ２９及び尿素水噴射弁３３を制御する制御装置１７を備えている。

この制御装置１７は、筒内１３で燃焼させる際に、燃料噴射弁１４、水素噴射弁１５、吸気スロットル２３及びＥＧＲバルブ２９を制御して、筒内１３で燃料及び水素と吸入空気とを混合している。

このようなエンジン１０において、制御装置１７が、ＳＣＲ触媒３４の入口側の窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}を取得して、筒内１３で燃料と水素とを混合して燃焼させる際に、水素噴射弁１５を制御して噴射される水素の添加量Ｑ_Ｈ２を取得した比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}を０．３以上、０．７以下になる量に調節する制御を行っている。この水素噴射弁１５の制御によって、ＳＣＲ触媒３４における等モルの一酸化窒素と二酸化窒素とがアンモニアにより還元されるファーストＳＣＲ反応が促進されて、排気ガス中の窒素酸化物が浄化される。

このエンジン１０は、酸化触媒３１の入口側の排気ガスの温度を検出する第一温度センサ４０と、捕集装置３２の入口側の排気ガスの温度を検出する第二温度センサ４１と、捕集装置３２の前後の圧力の差を検出する差圧センサ４２と、吸入空気の流量を検出する流量センサ４３とを備えている。

また、制御装置１７が、予め実験などにより作成しておいた水素の添加量Ｑ_Ｈ２に対する筒内１３から排出される窒素酸化物の排出量Ｑ_{ＮＯｘ＿ＥＮＧ}が設定された排出量マップＭ１と、水素の添加量Ｑ_Ｈ２に対する筒内１３から排出される排気ガス中の窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＥＮＧ}が設定された比率マップＭ２とを有している。

この排出量マップＭ１の一例を図２に示し、比率マップＭ２の一例を図３に示す。図２及び図３は燃料噴射弁１４から噴射される燃焼噴射量が一定の場合を示している。従って、制御装置１７には、燃焼噴射量ごとの排出量マップＭ１及び比率マップＭ２が用意されている。

なお、ここでいう水素の添加量Ｑ_Ｈ２とは、筒内１３に供給された燃料の発熱量を１００％としたときの添加した水素の発熱量の割合を示したものである。この水素の添加量Ｑ_Ｈ２は筒内１３に噴射された燃料の噴射量に対する水素の噴射量で示してもよい。また、図２及び図３におけるＰ１、Ｐ２及びＰ３はエンジン１０の出力トルクを示している。この出力トルクはエンジン回転速度および水素の添加量Ｑ_Ｈ２と筒内１３に噴射された燃料の噴射量等により、予め実験などにより作成したマップなどにより計算できる。

制御装置１７は、比率取得手段として、上記の各センサの検出値と排出量マップＭ１と比率マップＭ２とを用いてＳＣＲ触媒３４の入口側の窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}を取得している。詳しくは、制御装置１７が、排出量マップＭ１と比率マップＭ２とから筒内１３から排出される一酸化窒素の排出量Ｑ_{ＮＯ＿ＥＮＧ}と、二酸化窒素の排出量Ｑ_{ＮＯ２＿ＥＮＧ}とを算出する。次いで、上記の各センサの検出値などに基づいて排気ガス浄化装置３０の各装置における各反応による一酸化窒素及び二酸化窒素の増減量を算出する。次いで、排出量Ｑ_{ＮＯ＿ＥＮＧ}と排出量Ｑ_{ＮＯ２＿ＥＮＧ}と増減量とから、比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}を推定している。

また、制御装置１７は、推定した比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}が０．３以上、０．７以下になるように水素噴射弁１５をフィードバック制御している。

このフィードバック制御は、比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}が０．３以上、０．７以下になるように、水素の添加量Ｑ_Ｈ２を調節して、筒内１３から排出される二酸化窒素の排出量Ｑ_{ＮＯ２＿ＥＮＧ}を増減する制御である。具体的には、制御装置１７が、比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}が０．３未満の場合には、水素の添加量Ｑ_Ｈ２を増加して、二酸化窒素の排出量Ｑ_{ＮＯ２＿ＥＮＧ}を増加する制御である。一方、比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}が０．７超の場合には、水素の添加量Ｑ_Ｈ２を減少して、二酸化窒素の排出量Ｑ_{ＮＯ２＿ＥＮＧ}を減少する制御である。

なお、比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}が０．３以上、０．７以下になるように水素の添加量Ｑ_Ｈ２を調節する際に、０．３以上、０．７以下の範囲の値に限定してもよい。例えば、一酸化窒素がアンモニアにより還元されるスタンダードＳＣＲ反応が促進されている状況であれば、比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}が０．４になるように水素の添加量Ｑ_Ｈ２を調節してもよい。一方、二酸化窒素がアンモニアにより還元されるスロウＳＣＲ反応が促進されている状況であれば、比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}が０．６になるように水素の添加
量Ｑ_Ｈ２を調節してもよい。このように、ファーストＳＣＲ反応のみではなく、スタンダードＳＣＲ反応やスロウＳＣＲ反応を考慮して比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}の目標比率を０．３以上、０．７以下の範囲の値に設定することが望ましい。

このように、上記のエンジン１０の排気ガス浄化方法は、水素噴射弁１５から噴射される水素の添加量ＱＨ２を、比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}を０．３以上、０．７以下にする量にして、ＳＣＲ触媒３４における一酸化窒素と二酸化窒素とがアンモニアにより還元されるファーストＳＣＲ反応を促進して窒素酸化物を浄化する方法となる。

上記のエンジン１０及びその排気ガス浄化方法によれば、ＳＣＲ触媒３４の入口側の窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}を０．３以上、０．７以下にするように水素の添加量Ｑ_Ｈ２をフィードバック制御することによって、ファーストＳＣＲ反応を促進して、排気ガス中の窒素酸化物の浄化率を向上できる。

図４はＳＣＲ触媒３４の入口側における窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}と窒素酸化物の浄化率との関係を示している。この図４におけるＴ１、Ｔ２及びＴ３はＳＣＲ触媒３４の入口側の排気ガスの温度を示している。この図４に示すように、比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}が０．３以上、０．７以下の場合には、等モルの一酸化窒素と二酸化窒素とがアンモニアによって還元されるファーストＳＣＲ反応が促進されて、排気ガス中の窒素酸化物の浄化率が向上していることが分かる。

また、燃料に水素を添加することで、エンジン１０の筒内１３での燃焼が活発化して熱効率が上昇し、窒素酸化物の排出量Ｑ_{ＮＯｘ＿ＥＮＧ}が増加しても、排気ガス中の窒素酸化物の浄化率が向上することで十分に浄化できるので、熱効率の上昇による燃料消費量の低減もできる。

上記のエンジン１０においては、制御装置１７が、水素噴射弁１５を制御して噴射される水素の添加量Ｑ_Ｈ２をＳＣＲ触媒３４の入口側の窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}を０．５になる量に調節する制御を行う構成にすることが望ましい。但し、ＳＣＲ触媒３４の温度が１００℃以下の低温時では、ＳＣＲ触媒３４が活性化しない。そのため、エンジン１０が低温である場合に水素を添加することによる燃焼を活発化させる場合を省いて、水素を添加せずにＥＧＲ通路２７により排気ガスの一部を還流して窒素酸化物を増加させない方が好ましい。

図４に示すように、ＳＣＲ触媒３４における浄化率は、比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}が０．５のときに最も高くなる。従って、水素の添加量Ｑ_Ｈ２を比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}を０．５に近づける量にフィードバック制御することで、より効果的にファーストＳＣＲ反応を促進できるので、排気ガス中の窒素酸化物の浄化率の向上には有利となる。

また、上記のエンジン１０においては、水素の添加量Ｑ_Ｈ２を、燃料噴射弁１４から筒内１３に供給される燃料の発熱量を１００％としたときの添加された水素の発熱量の割合がゼロ％超、４０％以下になる量に調節する制御を行う構成にすることが望ましい。

水素の添加量Ｑ_Ｈ２が４０％超になると、筒内温度の上昇によって生成される窒素酸化物の量が多くなると共に、窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率が低くなる。

なお、水素の添加量Ｑ_Ｈ２は、燃料噴射弁１４から筒内１３に供給される燃料の発熱量に対してゼロ％超、１０％以下がより好ましい。図３に示すように、水素の添加量Ｑ_Ｈ２がゼロ％超、１０％以下の場合には、筒内１３から排出される窒素酸化物の濃度に占める
二酸化窒素の濃度の比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＥＮＧ}が顕著に変化する。従って、比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}を０．３以上、０．７以下にするフィードバック制御には有利となる。

また、上記のエンジン１０においては、制御装置１７が、エンジン１０の運転状態によって異なる排気ガス浄化装置３０の各装置の状況に基づいて比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}を推定することが望ましい。

この推定方法を用いたエンジン１０の排気ガス浄化方法を、図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、この排気ガス浄化方法は、吸気バルブ１１が開いて吸入空気が筒内１３に吸入されるタイミングでスタートするものとする。

制御装置１７が、水素噴射弁１５を制御して、添加量Ｑ_Ｈ２の水素を噴射するステップＳ１０を行う。なお、エンジン１０の制御開始直後におけるステップＳ１０では添加量Ｑ_Ｈ２を５％とする。

次いで、制御装置１７が、燃料噴射量Ｑ_ｆｕｅｌと水素の添加量Ｑ_Ｈ２と排出量マップＭ１と比率マップＭ２とに基づいて酸化触媒３１の入口での一酸化窒素の排出量Ｑ_{ＮＯ＿ＥＮＧ}及び二酸化窒素の排出量Ｑ_{ＮＯ２＿ＥＮＧ}を推定するステップＳ２０を行う。ターボチャージャなどの排気管での放熱することでの温度低下による二酸化窒素の増加を考慮して酸化触媒３１の入口での一酸化窒素の排出量Ｑ_{ＮＯ＿ＥＮＧ}及び二酸化窒素の排出量Ｑ_{ＮＯ２＿ＥＮＧ}を求めてもよい。

次いで、制御装置１７が、酸化触媒３１における酸化反応による一酸化窒素の減少量ΔＱ_{ＮＯ＿ＤＯＣ}及び二酸化窒素の増加量ΔＱ_{ＮＯ２＿ＤＯＣ}を推定するステップＳ３０を行う。このステップＳ３０では、第一温度センサ４０の検出した酸化触媒３１の入口の排気ガスの温度と、流量センサ４３で検出した吸入空気流量、燃料噴射量Ｑ_ｆｕｅｌ、及び水素の添加量Ｑ_Ｈ２から推定される排気ガス流量とを用いて、減少量ΔＱ_{ＮＯ＿ＤＯＣ}及び増加量ΔＱ_{ＮＯ２＿ＤＯＣ}を推定している。

なお、酸化触媒３１の入口の排気ガスの温度は、筒内１３から排出された排気ガスの温度がタービン２１ｂでの仕事量と放熱による温度低下とを考慮した計算によって求めてもよい。また、過渡運転時には、酸化触媒３１の熱容量と酸化触媒３１の外周からの放熱により酸化触媒３１の温度が変化して、第一温度センサ４０の検出する温度と酸化触媒３１との温度差が大きい。そこで、酸化触媒３１の入口の排気ガスの温度は、伝熱計算により算出されたものを用いることが望ましい。この場合には、計算する酸化触媒３１の領域を数個に分割して酸化触媒３１の内部の温度分布を予測する手法が有効である。また、酸化触媒３１は経時的に劣化することから、劣化前と劣化後の酸化性能マップをそれぞれ用意して、運転時間あるいは走行距離によって劣化の特性を考慮することが望ましい。

次いで、制御装置１７が、捕集装置３２における酸化反応による一酸化窒素の減少量ΔＱ_{ＮＯ＿ＣＤ}及び二酸化窒素の増加量ΔＱ_{ＮＯ２＿ＣＤ}を推定するステップＳ４０を行う。このステップＳ４０では、第二温度センサ４１の検出した捕集装置３２の入口の排気ガスの温度と、ステップＳ３０と同様に求めた排気ガス流量とを用いて、減少量ΔＱ_{ＮＯ＿ＣＤ}及び増加量ΔＱ_{ＮＯ２＿ＣＤ}を推定している。なお、第二温度センサ４１の代わりに、酸化触媒３１での伝熱及び酸化反応による温度上昇から捕集装置３２の入口の排気ガスの温度を推定してもよい。

次いで、制御装置１７が、捕集装置３２に堆積した煤量Ｑ_ｓｏｏｔを推定するステップＳ５０を行う。このステップＳ５０では、差圧センサ４２を用いて煤量Ｑ_ｓｏｏｔを推定している。なお、煤量Ｑ_ｓｏｏｔは、ＰＭセンサの検出値からを推定する手法、エンジン
１０の運転状態を積算して推定する手法などを用いてもよい。

次いで、制御装置１７が、捕集装置３２に捕集された微粒子状物質の酸化浄化反応（連続再生の反応）による一酸化窒素の増加量ΔＱ_{ＮＯ＿ｓｏｏｔ}及び二酸化窒素の減少量ΔＱ_{ＮＯ２＿ｓｏｏｔ}を推定するステップＳ６０を行う。このステップＳ６０は、捕集装置３２に補修された微粒子状物質を酸化除去する連続再生による増加量ΔＱ_{ＮＯ＿ｓｏｏｔ}及び減少量ΔＱ_{ＮＯ２＿ｓｏｏｔ}を推定している。この連続再生は煤量Ｑ_ｓｏｏｔに依存するため、ステップＳ５０で推定した煤量Ｑ_ｓｏｏｔと連続再生による反応とに基づいたマップにより推定している。

なお、捕集装置３２における酸化反応と連続再生の反応とは共存して起こることから、ステップＳ４０〜ステップＳ６０を反復して行って収束解を求めることは精度向上に有利となる。

次いで、制御装置１７が、ＳＣＲ触媒３４の入口側の一酸化窒素の流量Ｑ_{ＮＯ＿ＳＣＲ}及び二酸化窒素の流量Ｑ_{ＮＯ２＿ＳＣＲ}を算出するステップＳ７０を行う。このステップＳ７０では、ステップＳ２０で推定した一酸化窒素の排出量Ｑ_{ＮＯ＿ＥＮＧ}及び二酸化窒素の排出量Ｑ_{ＮＯ２＿ＥＮＧ}に、ステップＳ３０〜ステップＳ６０で推定した増減量を積算して、流量Ｑ_{ＮＯ＿ＳＣＲ}及び流量Ｑ_{ＮＯ２＿ＳＣＲ}を算出している。

次いで、制御装置１７が、ＳＣＲ触媒３４の入口側の窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}を算出するステップＳ８０を行う。このステップＳ８０では、ステップＳ７０で算出した流量Ｑ_{ＮＯ＿ＳＣＲ}及び流量Ｑ_{ＮＯ２＿ＳＣＲ}に基づいて比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}を算出している。

次いで、制御装置１７が、比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}が０．３以上、０．７以下か否かを判定するステップＳ９０を行う。このステップＳ９０で比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}が０．３以上、０．７以下である場合には、ステップＳ１０へ戻る。

一方、比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}が０．３未満、又は０．７超の場合には、制御装置１７が水素の添加量Ｑ_Ｈ２を算出するステップＳ１００を行う。このステップＳ１００では、比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}が０．３未満の場合には、排出量マップＭ１及び比率マップＭ２を参照して、筒内１３から排出される二酸化窒素の排出量Ｑ_{ＮＯ２＿ＥＮＧ}が多くなる水素の添加量Ｑ_Ｈ２を算出する。一方、比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}が０．７超の場合には、排出量マップＭ１及び比率マップＭ２を参照して、筒内１３から排出される二酸化窒素の排出量Ｑ_{ＮＯ２＿ＥＮＧ}が少なくなる水素の添加量Ｑ_Ｈ２を算出する。

ステップＳ１００で水素の添加量Ｑ_Ｈ２を算出すると、スタートへ戻る。この場合に、ステップＳ１０では、ステップＳ１００で算出した水素の添加量Ｑ_Ｈ２の水素を噴射する。

なお、ステップＳ９０を比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}が０．５か否かの判定としてもよい。比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}が０．５の場合には、ファーストＳＣＲ反応がより促進されるため、浄化率には有利となる。

また、水素の添加量Ｑ_Ｈ２を算出する際に、水素の添加量Ｑ_Ｈ２が吸気通路２０の圧力、外気温、及び水素噴射弁１５のコイル温度などにより影響されることから、それらの値を用いて水素の添加量Ｑ_Ｈ２を補正すると、精度の向上には有利となる。

このように、制御装置１７が、エンジン１０の運転状態によって異なる排気ガス浄化装
置３０の各装置の状況に基づいて比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}を推定すると、活性となる温度域やガス流量が異なる各所における一酸化窒素の濃度及び二酸化窒素の濃度の割合を逐次推定して、水素噴射弁１５から噴射される水素の添加量Ｑ_Ｈ２をフィードバック制御することができる。これにより、筒内１３で燃料に添加される水素の添加量Ｑ_Ｈ２を精度良く調節でき、比率ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ}を０．３以上、０．７以下に近づけることができる。

なお、上記の実施形態では、ディーゼルエンジン１０を例に説明したが、本発明はガソリンエンジンにも適用可能である。

１０ ディーゼルエンジン
１３ 筒内
１４ 燃料噴射弁
１５ 水素噴射弁
１７ 制御装置
２０ 吸気通路
２６ 排気通路
３１ 酸化触媒
３２ 捕集装置
３３ 尿素水噴射弁
３４ ＳＣＲ触媒
Ｑ_Ｈ２ 水素の添加量
ＮＯ_２／ＮＯ_{ｘ＿ＳＣＲ} 比率

Claims (5)

1. 筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、該筒内に吸入される吸入空気が通過する吸気通路又は該筒内に水素を噴射する水素噴射弁と、該筒内から排出された排気ガスが通過する排気通路に尿素水を噴射する尿素水噴射弁と、該尿素水噴射弁の下流に配置されてアンモニアにより窒素酸化物を還元する選択的還元触媒と、該燃料噴射弁、該水素噴射弁及び該尿素水噴射弁を制御する制御装置とを備えた内燃機関において、
   前記選択的還元触媒の入口側の窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率を取得する比率取得手段を備え、
   前記制御装置が、前記筒内で燃料と水素とを混合して燃焼させる際に、前記水素噴射弁を制御して噴射される水素の添加量を、前記比率取得手段が取得した前記比率が０．３以上、０．７以下になる量に調節する制御を行って、前記選択的還元触媒における等モルの一酸化窒素と二酸化窒素とがアンモニアにより還元される反応を促進して窒素酸化物を浄化する構成にしたことを特徴とする内燃機関。
2. 前記制御装置が、前記水素の添加量を、前記比率取得手段が取得した前記比率が０．５になる量に調節する制御を行う構成にした請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記制御装置が、前記水素の添加量を前記燃料噴射弁から供給された燃料の発熱量を１００％としたときの該水素の発熱量の割合がゼロ％超、４０％以下になる量に調節する制御を行う構成にした請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記排気通路に上流側から順に酸化触媒と捕集装置と前記選択的還元触媒とが配置され、
   前記比率取得手段が、前記筒内から排出される一酸化窒素の排出量及び二酸化窒素の排出量を推定し、前記酸化触媒における酸化反応による一酸化窒素の減少量及び二酸化窒素の増加量を推定し、前記捕集装置における酸化反応による一酸化窒素の減少量及び二酸化窒素の増加量と、該捕集装置に捕集された微粒子状物質の酸化浄化反応による一酸化窒素の増加量及び二酸化窒素の減少量とを推定し、
   推定した一酸化窒素の排出量及び二酸化窒素の排出量と各増減量とに基づいて前記比率を算出する構成にした請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 燃料噴射弁から噴射された燃料と水素噴射弁から噴射された水素とを混合して筒内で燃焼し、該筒内から排出された排気ガス中の窒素酸化物を排気通路に配置された選択的還元触媒でアンモニアにより還元して浄化する内燃機関の排気ガス浄化方法において、
   前記水素噴射弁から噴射される水素の添加量を、前記選択的還元触媒の入口側の窒素酸化物の濃度に占める二酸化窒素の濃度の比率が０．３以上、０．７以下になる量にして、前記選択的還元触媒における等モルの一酸化窒素と二酸化窒素とがアンモニアにより還元される反応を促進して窒素酸化物を浄化することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法。

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