(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料としてアンモニアを供給可能なアンモニア燃焼内燃機関において、流入する排気ガス中のアンモニア及びＮＯXを浄化する排気浄化触媒と、該排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアとＮＯXとの比率を制御する流入ガス制御装置とを具備し、
上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアとＮＯXとの比率が目標比率になるように内燃機関の制御パラメータを制御し、
上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアの比率を低くするときには、燃焼室内の混合気への着火時期又は点火時期を進角させる、アンモニア燃焼内燃機関。
【請求項２】
上記目標比率は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のＮＯXが該排気ガス中のアンモニアによって過不足無く浄化される比率とされる、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項３】
上記排気浄化触媒は、吸着したアンモニアによって排気ガス中のＮＯXを選択的に還元しうるＮＯX選択還元触媒であり、
上記目標比率は、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気ガス中のＮＯXが該排気ガス中のアンモニアによって過不足無く浄化される比率よりも、ＮＯXが多くなるような比率とされる、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項４】
上記目標比率は、単位時間当たりにＮＯX選択還元触媒から離脱可能なアンモニアの最大量とＮＯX選択還元触媒に流入する排気ガス中のアンモニアの流量との和がＮＯX選択還元触媒に流入する排気ガス中のＮＯXによって過不足無く浄化される量よりも少なくなるような比率とされる、請求項３に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項５】
上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入するＮＯXの流量を制御可能であり、該排気浄化触媒に流入するＮＯXの流量は上記排気浄化触媒において単位時間当たりに浄化可能なＮＯXの最大量以下の流量になるように制御される、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項６】
上記排気浄化触媒において単位時間当たりに浄化可能なＮＯXの最大量は排気浄化触媒の温度に応じて変化し、該排気浄化触媒に流入するＮＯXの流量が上記排気浄化触媒において単位時間当たりに浄化可能なＮＯXの最大量以下の流量になるように排気浄化触媒の温度を制御するようにした、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項７】
ＮＯX選択還元触媒へのアンモニア吸着量が最低基準量よりも少なくなったときには、上記目標比率は、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気ガス中のＮＯXが該排気ガス中のアンモニアによって過不足無く浄化される比率よりも、アンモニアが多くなるような比率とされる、請求項３に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項８】
上記排気浄化触媒は、吸着したアンモニアによって排気ガス中のＮＯXを選択的に還元しうるＮＯX選択還元触媒であり、
上記目標比率は、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気ガス中のＮＯXが該排気ガス中のアンモニアによって過不足無く浄化される比率よりも、アンモニアが多くなるような比率とされる、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項９】
上記ＮＯX選択還元触媒へのアンモニア吸着量が許容最大吸着量よりも多くなったときには、上記目標比率は、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気ガス中のアンモニアの比率が低くなるように変更せしめられる、請求項７又は８に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項１０】
上記排気浄化触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯXを吸蔵し、流入する排気ガスの酸素濃度が低くなると吸蔵されているＮＯXを離脱させるＮＯX吸蔵還元触媒であり、
上記目標比率は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のＮＯXが該排気ガス中のアンモニアによって過不足無く浄化される比率よりも、ＮＯXが多くなるような比率とされる、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項１１】
上記ＮＯX吸蔵還元触媒へのＮＯX吸蔵量が許容最大吸蔵量よりも多くなったときには、上記目標比率は、ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気ガス中のＮＯXが該排気ガス中のアンモニアによって過不足無く浄化される比率よりも、アンモニアが多くなるような比率とされる、請求項１０に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項１２】
上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアの比率を高くするときには、燃焼室に供給される混合気の空燃比を低くする、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項１３】
燃焼室内に直接アンモニアを噴射するアンモニア噴射弁を更に具備し、
上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアの比率を高くするときには、膨張行程又は排気行程においてアンモニア噴射弁からアンモニアの噴射を行う、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項１４】
当該アンモニア燃焼内燃機関ではアンモニアに加えてアンモニア以外の燃料を供給可能であり、
上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアの比率を低くするときには、燃焼室内に供給されるアンモニアとアンモニア以外の燃料のうちアンモニアの比率を低くする、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項１５】
アンモニア以外の燃料を燃焼室内に直接供給可能な非アンモニア燃料噴射弁を更に具備し、
上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアの比率を低くするときには、内燃機関の膨張行程においてアンモニア以外の燃料を非アンモニア燃料噴射弁から燃焼室内に噴射する、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項１６】
排気浄化触媒よりも排気上流側に設けられた酸化触媒を更に具備する、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項１７】
上記流入ガス制御装置は、上記酸化触媒をバイパスするバイパス通路と、該バイパス通路に流入する排気ガスの流量を制御する流量制御弁とを更に具備し、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアとＮＯXとの比率が目標比率となるように流量制御弁を制御する、請求項１６に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項１８】
上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアの比率を高くするときには、バイパス通路に流入する排気ガスの流量を増大させる、請求項１７に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項１９】
上記流入ガス制御装置は、上記酸化触媒をバイパスするバイパス通路と、該バイパス通路に流入する排気ガスの流量を制御する流量制御弁とを更に具備し、燃焼室から流出した排気ガス中のＮＯXの流量が単位時間当たりに浄化可能なＮＯXの最大量よりも多いときには、全ての排気ガスがバイパス通路に流入するように流量制御弁を制御する、請求項１６に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項２０】
当該アンモニア燃焼内燃機関は複数の気筒を具備し、これら複数の気筒のうち一部の気筒では混合気の空燃比がリッチにされ、他の気筒では混合気の空燃比がリーンにされ、
上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアとＮＯXとの比率が目標比率になるように、これら気筒のリッチ度合い及びリーン度合いを制御する、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項２１】
上記排気浄化触媒に流入する排気ガス中にアンモニアを添加するアンモニア添加装置を更に具備し、
上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアの比率を高くするときには、上記アンモニア添加装置からのアンモニアの添加量を増大させる、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項２２】
上記アンモニア添加装置は、排気ガス中に液状アンモニア及びガス状アンモニアを添加可能であり、排気浄化触媒の温度を低下させるべきときには排気ガス中に液状アンモニアが添加される、請求項２１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項２３】
上記内燃機関は、通常運転時において混合気の空燃比がリッチ又はリーンになるように制御され、
上記排気浄化触媒のアンモニア及びＮＯXに対する浄化能力が予め定められた浄化能力よりも低いときには、混合気の空燃比がほぼ理論空燃比になるように制御される、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項２４】
当該アンモニア燃焼内燃機関ではアンモニアに加えてアンモニア以外の燃料を供給可能であり、
上記排気浄化触媒のアンモニア及びＮＯXに対する浄化能力が予め定められた浄化能力よりも低いときには、該予め定められた浄化能力よりも高いときに比べて、燃焼室内に供給されるアンモニアとアンモニア以外の燃料のうちアンモニアの比率を低くする、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項２５】
アンモニア以外の燃料を燃焼室内に直接噴射可能な非アンモニア燃料噴射弁を更に具備し、
上記排気浄化触媒のアンモニア及びＮＯXに対する浄化能力が予め定められた浄化能力よりも低いときには、内燃機関の膨張行程においてアンモニア以外の燃料を非アンモニア燃料噴射弁から燃焼室内に噴射する、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項２６】
上記排気浄化触媒を加熱する電気ヒータを更に具備し、
上記排気浄化触媒の温度が活性温度よりも低いときには電気ヒータにより排気浄化触媒が加熱せしめられる、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項２７】
当該アンモニア燃焼内燃機関を搭載した車両がアンモニア燃焼内燃機関とモータとによって駆動されるハイブリッド車両であり、上記排気浄化触媒の温度が活性温度よりも低いときには電気ヒータにより排気浄化触媒が加熱せしめられると共に上記車両がモータにより走行せしめられる、請求項２６に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項２８】
機関排気通路から分岐したバイパス通路と、該バイパス通路内に設けられたアンモニア吸着材と、機関排気通路と及びバイパス通路に流入する排気ガスの流量を制御する流量制御弁とを更に具備し、内燃機関の冷間始動時には機関本体から排出された排気ガスがバイパス通路に流入するように流量制御弁が制御される、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項２９】
排気浄化触媒が活性温度以上となった後には機関本体から排出された排気ガスの一部がバイパス通路に流入するように流量制御弁が制御されると共に、該アンモニア吸着材に吸着されたアンモニアの量が一定量以下に減少した後には機関本体から排出された排気ガスが全てバイパス通路に流入せずに機関排気通路を流通するように流量制御弁が制御される、請求項２８に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項３０】
機関排気通路内に、排気ガス中に含まれる水蒸気から凝縮した凝縮液を保持するための保持器を更に具備し、該保持器は保持器内に保持された凝縮液が排気ガスに曝されるように配置される、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項３１】
上記保持器と機関吸気通路とを連通させる凝縮液供給通路を更に具備し、上記保持器内の凝縮液は該凝縮液供給通路を介して機関吸気通路内に供給される、請求項３０に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項３２】
機関排気通路内を流れる排気ガス中のＮＯX及びアンモニアが増大すると出力値が大きくなるＮＯXセンサを更に具備し、該ＮＯXセンサによってＮＯXの流量を検出するときには機関排気通路内を流れる排気ガス中のアンモニア又はＮＯXが増大するように内燃機関の制御パラメータを制御し、このアンモニアの増大に伴うＮＯXセンサの出力値の変化に基づいて、ＮＯXセンサによって検出されている成分を判別するようにした、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【請求項３３】
上記排気浄化触媒の排気下流側に排気浄化触媒から排出された排気ガス中のＮＯXの濃度を検出するＮＯX検出器と、該排気浄化触媒から排出された排気ガス中のアンモニアの濃度を検出するアンモニア検出器とを具備する、請求項１に記載のアンモニア燃焼内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンモニア燃焼内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より内燃機関では燃料として主に化石燃料が用いられている。しかしながらこの場合、燃料を燃焼させると地球の温暖化を進行させるＣＯ２が発生する。一方、アンモニアを燃焼させてもＣＯ２は全く発生しない。そこで、燃料としてアンモニアを用い、ＣＯ２が発生しないようにした内燃機関が公知である（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３３２１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料としてアンモニアを用いた内燃機関では、燃焼室に供給したアンモニアの一部が燃焼室内で燃焼せずに燃焼室から排出される可能性がある。また、化石燃料を用いた内燃機関と同様に、燃料としてアンモニアを用いた内燃機関でも、燃焼室内での混合気の燃焼に伴ってＮＯＸが生成される可能性がある。このため、斯かる内燃機関では、燃焼室から排出された排気ガス中に含まれる未燃アンモニア及びＮＯＸを後処理装置によって効率的に浄化する必要がある。しかしながら特許文献１に記載の内燃機関では、アンモニア及びＮＯＸの浄化に関して何らの対策もなされていない。
そこで、本発明の目的は、燃料としてアンモニアを供給可能なアンモニア燃焼内燃機関において、後処理装置によって排気ガス中の未燃アンモニア及びＮＯＸを良好に浄化することができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、請求の範囲の各請求項に記載された内燃機関の制御装置を提供する。
本発明の一つの態様では、燃料としてアンモニアを供給可能なアンモニア燃焼内燃機関において、流入する排気ガス中のアンモニア及びＮＯXを浄化する排気浄化触媒と、該排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアとＮＯXとの比率を制御する流入ガス制御装置とを具備し、上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアとＮＯXとの比率が目標比率になるように内燃機関の制御パラメータを制御し、上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアの比率を低くするときには、燃焼室内の混合気への着火時期又は点火時期を進角させる。
本発明の別の態様では、上記目標比率は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のＮＯXが該排気ガス中のアンモニアによって過不足無く浄化される比率とされる。
本発明の別の態様では、上記排気浄化触媒は、吸着したアンモニアによって排気ガス中のＮＯXを選択的に還元しうるＮＯX選択還元触媒であり、上記目標比率は、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気ガス中のＮＯXが該排気ガス中のアンモニアによって過不足無く浄化される比率よりも、ＮＯXが多くなるような比率とされる。
本発明の別の態様では、上記目標比率は、単位時間当たりにＮＯX選択還元触媒から離脱可能なアンモニアの最大量とＮＯX選択還元触媒に流入する排気ガス中のアンモニアの流量との和がＮＯX選択還元触媒に流入する排気ガス中のＮＯXによって過不足無く浄化される量よりも少なくなるような比率とされる。
本発明の別の態様では、上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入するＮＯXの流量を制御可能であり、該排気浄化触媒に流入するＮＯXの流量は上記排気浄化触媒において単位時間当たりに浄化可能なＮＯXの最大量以下の流量になるように制御される。
本発明の別の態様では、上記排気浄化触媒において単位時間当たりに浄化可能なＮＯXの最大量は排気浄化触媒の温度に応じて変化し、該排気浄化触媒に流入するＮＯXの流量が上記排気浄化触媒において単位時間当たりに浄化可能なＮＯXの最大量以下の流量になるように排気浄化触媒の温度を制御するようにした。
本発明の別の態様では、ＮＯX選択還元触媒へのアンモニア吸着量が最低基準量よりも少なくなったときには、上記目標比率は、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気ガス中のＮＯXが該排気ガス中のアンモニアによって過不足無く浄化される比率よりも、アンモニアが多くなるような比率とされる。
本発明の別の態様では、上記排気浄化触媒は、吸着したアンモニアによって排気ガス中のＮＯXを選択的に還元しうるＮＯX選択還元触媒であり、上記目標比率は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のＮＯXが該排気ガス中のアンモニアによって過不足無く浄化される比率よりも、アンモニアが多くなるような比率とされる。
本発明の別の態様では、上記ＮＯX選択還元触媒へのアンモニア吸着量が許容最大吸着量よりも多くなったときには、上記目標比率は、ＮＯX選択還元触媒に流入する排気ガス中のアンモニアの比率が低くなるように変更せしめられる。
本発明の別の態様では、上記排気浄化触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯXを吸蔵し、流入する排気ガスの酸素濃度が低くなると吸蔵されているＮＯXを離脱させるＮＯX吸蔵還元触媒であり、上記目標比率は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のＮＯXが該排気ガス中のアンモニアによって過不足無く浄化される比率よりも、ＮＯXが多くなるような比率とされる。
本発明の別の態様では、上記ＮＯX吸蔵還元触媒へのＮＯX吸蔵量が許容最大吸蔵量よりも多くなったときには、上記目標比率は、ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気ガス中のＮＯXが該排気ガス中のアンモニアによって過不足無く浄化される比率よりも、アンモニアが多くなるような比率とされる。
本発明の別の態様では、上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアの比率を高くするときには、燃焼室に供給される混合気の空燃比を低くする。
本発明の別の態様では、燃焼室内に直接アンモニアを噴射するアンモニア噴射弁を更に具備し、上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアの比率を高くするときには、膨張行程又は排気行程においてアンモニア噴射弁からアンモニアの噴射を行う。
本発明の別の態様では、当該アンモニア燃焼内燃機関ではアンモニアに加えてアンモニア以外の燃料を供給可能であり、上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアの比率を低くするときには、燃焼室内に供給されるアンモニアとアンモニア以外の燃料のうちアンモニアの比率を低くする。
本発明の別の態様では、アンモニア以外の燃料を燃焼室内に直接供給可能な非アンモニア燃料噴射弁を更に具備し、上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアの比率を低くするときには、内燃機関の膨張行程においてアンモニア以外の燃料を非アンモニア燃料噴射弁から燃焼室内に噴射する。
本発明の別の態様では、排気浄化触媒よりも排気上流側に設けられた酸化触媒を更に具備する。
本発明の別の態様では、上記流入ガス制御装置は、上記酸化触媒をバイパスするバイパス通路と、該バイパス通路に流入する排気ガスの流量を制御する流量制御弁とを更に具備し、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアとＮＯXとの比率が目標比率となるように流量制御弁を制御する。
本発明の別の態様では、上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアの比率を高くするときには、バイパス通路に流入する排気ガスの流量を増大させる。
本発明の別の態様では、上記流入ガス制御装置は、上記酸化触媒をバイパスするバイパス通路と、該バイパス通路に流入する排気ガスの流量を制御する流量制御弁とを更に具備し、燃焼室から流出した排気ガス中のＮＯXの流量が単位時間当たりに浄化可能なＮＯXの最大量よりも多いときには、全ての排気ガスがバイパス通路に流入するように流量制御弁を制御する。
本発明の別の態様では、当該アンモニア燃焼内燃機関は複数の気筒を具備し、これら複数の気筒のうち一部の気筒では混合気の空燃比がリッチにされ、他の気筒では混合気の空燃比がリーンにされ、上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアとＮＯXとの比率が目標比率になるように、これら気筒のリッチ度合い及びリーン度合いを制御する。
本発明の別の態様では、上記排気浄化触媒に流入する排気ガス中にアンモニアを添加するアンモニア添加装置を更に具備し、上記流入ガス制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のアンモニアの比率を高くするときには、上記アンモニア添加装置からのアンモニアの添加量を増大させる。
本発明の別の態様では、上記アンモニア添加装置は、排気ガス中に液状アンモニア及びガス状アンモニアを添加可能であり、排気浄化触媒の温度を低下させるべきときには排気ガス中に液状アンモニアが添加される。
本発明の別の態様では、上記内燃機関は、通常運転時において混合気の空燃比がリッチ又はリーンになるように制御され、上記排気浄化触媒のアンモニア及びＮＯXに対する浄化能力が予め定められた浄化能力よりも低いときには、混合気の空燃比がほぼ理論空燃比になるように制御される。
本発明の別の態様では、当該アンモニア燃焼内燃機関ではアンモニアに加えてアンモニア以外の燃料を供給可能であり、上記排気浄化触媒のアンモニア及びＮＯXに対する浄化能力が予め定められた浄化能力よりも低いときには、該予め定められた浄化能力よりも高いときに比べて、燃焼室内に供給されるアンモニアとアンモニア以外の燃料のうちアンモニアの比率を低くする。
本発明の別の態様では、アンモニア以外の燃料を燃焼室内に直接噴射可能な非アンモニア燃料噴射弁を更に具備し、上記排気浄化触媒のアンモニア及びＮＯXに対する浄化能力が予め定められた浄化能力よりも低いときには、内燃機関の膨張行程においてアンモニア以外の燃料を非アンモニア燃料噴射弁から燃焼室内に噴射する。
本発明の別の態様では、上記排気浄化触媒を加熱する電気ヒータを更に具備し、上記排気浄化触媒の温度が活性温度よりも低いときには電気ヒータにより排気浄化触媒が加熱せしめられる。
本発明の別の態様では、当該アンモニア燃焼内燃機関を搭載した車両がアンモニア燃焼内燃機関とモータとによって駆動されるハイブリッド車両であり、上記排気浄化触媒の温度が活性温度よりも低いときには電気ヒータにより排気浄化触媒が加熱せしめられると共に上記車両がモータにより走行せしめられる。
本発明の別の態様では、機関排気通路から分岐したバイパス通路と、該バイパス通路内に設けられたアンモニア吸着材と、機関排気通路と及びバイパス通路に流入する排気ガスの流量を制御する流量制御弁とを更に具備し、内燃機関の冷間始動時には機関本体から排出された排気ガスがバイパス通路に流入するように流量制御弁が制御される。
本発明の別の態様では、排気浄化触媒が活性温度以上となった後には機関本体から排出された排気ガスの一部がバイパス通路に流入するように流量制御弁が制御されると共に、該アンモニア吸着材に吸着されたアンモニアの量が一定量以下に減少した後には機関本体から排出された排気ガスが全てバイパス通路に流入せずに機関排気通路を流通するように流量制御弁が制御される。
本発明の別の態様では、機関排気通路内に、排気ガス中に含まれる水蒸気から凝縮した凝縮液を保持するための保持器を更に具備し、該保持器は保持器内に保持された凝縮液が排気ガスに曝されるように配置される。
本発明の別の態様では、上記保持器と機関吸気通路とを連通させる凝縮液供給通路を更に具備し、上記保持器内の凝縮液は該凝縮液供給通路を介して機関吸気通路内に供給される。
本発明の別の態様では、機関排気通路内を流れる排気ガス中のＮＯX及びアンモニアが増大すると出力値が大きくなるＮＯXセンサを更に具備し、該ＮＯXセンサによってＮＯXの流量を検出するときには機関排気通路内を流れる排気ガス中のアンモニア又はＮＯXが増大するように内燃機関の制御パラメータを制御し、このアンモニアの増大に伴うＮＯXセンサの出力値の変化に基づいて、ＮＯXセンサによって検出されている成分を判別するようにした。
本発明の別の態様では、上記排気浄化触媒の排気下流側に排気浄化触媒から排出された排気ガス中のＮＯXの濃度を検出するＮＯX検出器と、該排気浄化触媒から排出された排気ガス中のアンモニアの濃度を検出するアンモニア検出器とを具備する。
以下、添付図面と本発明の好適な実施形態の記載から、本発明を一層十分に理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
図１は、第一実施形態の内燃機関の全体図である。
図２は、第一実施形態の内燃機関の別の例の全体図である。
図３は、第一実施形態の内燃機関の別の例の全体図である。
図４は、排気浄化触媒の温度と最大浄化可能ＮＯＸ量との関係を示す図である。
図５は、排気浄化触媒に流入するＮＯＸと未燃アンモニアとの比率を制御する流入比率制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図６は、ＮＯＸ及びアンモニアの両方に反応するＮＯＸセンサを一つ用いた場合における流入比率制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図７は、第二実施形態の内燃機関の全体図である。
図８は、ＮＯＸ選択還元触媒の温度とアンモニア吸着量との関係を示す図である。
図９は、第二実施形態における流入比率制御の制御ルーチンを概略的に示すフローチャートである。
図１０は、第三実施形態における流入比率制御の制御ルーチンを概略的に示すフローチャートである。
図１１は、第四実施形態の内燃機関の全体図である。
図１２は、第五実施形態の内燃機関の排気系統を概略的に示す図である。
図１３は、第五実施形態の第一変形例における流入比率制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図１４は、第六実施形態の内燃機関の全体図である。
図１５は、第六実施形態における流入比率制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図１６は、第七実施形態の内燃機関の全体図である。
図１７は、第七実施形態の変形例の内燃機関の全体図である。
図１８は、第七実施形態における流入比率制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図１９は、第八実施形態の内燃機関の排気系統を概略的に示す図である。
図２０は、第八実施形態の第三変形例の内燃機関の排気系統を概略的に示す図である。
図２１は、第九実施形態の内燃機関の排気系統を概略的に示す図である。
図２２は、第十実施形態の内燃機関の全体図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
まず、図１を参照して本発明の第一実施形態のアンモニア燃焼内燃機関について説明する。図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は燃焼室５の頂面中央部に配置された点火装置、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートをそれぞれ示す。図１に示した実施形態では、点火装置６はプラズマジェットを放出するプラズマジェット点火プラグからなる。また、シリンダヘッド３にはそれぞれ対応する燃焼室５内に向けて液状アンモニアを噴射するためのアンモニア噴射弁（アンモニア供給装置）１３が配置される。このアンモニア噴射弁１３へは燃料タンク１４から液状アンモニアが供給される。
吸気ポート８は吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結される。サージタンク１２は吸気ダクト１５を介してエアクリーナ１６に連結され、吸気ダクト１５内にはアクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８と例えば熱線を用いた吸入空気量検出器１９とが配置される。
一方、排気ポート１０は排気マニホルド２０及び排気管２１を介して排気浄化触媒２２に連結される。図１に示した実施形態では、この排気浄化触媒２２は、排気ガス中に含まれるアンモニアやＮＯＸを浄化しうる酸化触媒、三元触媒、ＮＯＸ吸蔵還元触媒又はＮＯＸ選択還元触媒等とされる。また、排気浄化触媒２２には排気浄化触媒２２の温度を検出する温度センサ２３が配置されると共に、排気浄化触媒２２よりも下流側の排気管２１には、排気管２１内を流れる排気ガス中のアンモニアの濃度を検出するアンモニアセンサ（アンモニア検出器）２４と、排気管内２１内を流れる排気ガス中のＮＯＸの濃度を検出するＮＯＸセンサ（ＮＯＸ検出器）２５とが配置される。
燃料タンク１４内は０．８ＭＰａから１．０ＭＰａ程度の高圧の液状アンモニアで満たされており、この燃料タンク１４内にはアンモニア供給ポンプ２６が配置されている。このアンモニア供給ポンプ２６の吐出口は吐出圧が一定以上になると液状アンモニアを燃料タンク１４内に戻すリリーフ弁２７、機関運転中には開弁しており、機関が停止すると閉弁せしめられる遮断弁２８及びアンモニア供給管２９を介してアンモニア噴射弁１３に連結されている。
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。吸入空気量検出器１９、温度センサ２３、アンモニアセンサ２４及びＮＯＸセンサ２５の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。さらに、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。さらに入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は、点火装置６の点火回路３９に接続されており、さらに対応する駆動回路を介して、アンモニア噴射弁１３、スロットル弁駆動用アクチュエータ１７、アンモニア供給ポンプ２６及び遮断弁２８に接続されている。
このように構成されたアンモニア燃焼内燃機関では、機関運転時には液状アンモニアがアンモニア噴射弁１３から各気筒の燃焼室５内に噴射される。このときアンモニア噴射弁１３から噴射された液状アンモニアは噴射されるや否や減圧沸騰して気化する。
燃焼室５内で気化したガス状アンモニアは圧縮行程の後半にプラズマジェット点火プラグ６から噴出するプラズマジェットによって着火される。ガス状アンモニアが完全燃焼せしめられると、理論的にはＮ２とＨ２Ｏとなり、ＣＯ２は全く発生しない。しかしながら実際には未燃のアンモニアが残存すると共に、燃焼室５内での混合気の燃焼によってＮＯＸが生成される。このため、燃焼室５からは未燃アンモニア及びＮＯＸが排出される。燃焼室５から排出された排気ガス中の未燃アンモニア及びＮＯＸは、後述するように機関排気通路内に配置された排気浄化触媒２２によって浄化される。
なお、本実施形態では、アンモニア噴射弁１３は、シリンダヘッド２に配置されると共に、燃焼室５内に向けて液状アンモニアを噴射している。しかしながら、アンモニア噴射弁は、例えば、図２に示したように、吸気枝管１１に配置されて対応する吸気ポート８内に向けて液状アンモニアを噴射するように構成されてもよい（図２のアンモニア噴射弁１３’）。
また、本実施形態では、内燃機関として、点火装置６によって混合気への点火を行う火花点火式内燃機関が用いられている。しかしながら、内燃機関として、点火装置６を用いない圧縮自着火式内燃機関を用いることも可能である。
また、本実施形態では、アンモニア噴射弁１３に液体のままアンモニアが供給され、液状アンモニアを噴射している。しかしながら、アンモニア供給管２９に気化器を配置して液状アンモニアを気化させ、アンモニア噴射弁からガス状アンモニアを噴射するようにしてもよい。
さらに、上記実施形態では、燃料としてアンモニアのみを用いている。しかしながら、アンモニアは従来から用いられてきた化石燃料に比べて燃焼しにくく、燃料としてアンモニアのみを用いると燃焼室５内において適切な燃焼が行われない場合がある。このため、燃料として、アンモニアに加えてアンモニア以外の燃料（以下、「非アンモニア燃料」という）を燃焼室５内に供給するようにしてもよい。非アンモニア燃料としては、アンモニアよりも燃焼し易い燃料、例えば、ガソリン、軽油、液化天然ガス或いはアンモニアを改質することによって得られた水素等を用いることができる。
図３は、アンモニアに加えて非アンモニア燃料を燃焼室５内に供給する場合の内燃機関の例である。図３に示した例では、非アンモニア燃料として、火花点火される燃料、例えばガソリンを用いた場合を示している。図３に示した例では、吸気枝管１１にはそれぞれ対応する吸気ポート８内に向けてガソリンを噴射するための非アンモニア燃料噴射弁４５が配置され、この非アンモニア燃料噴射弁４５へは非アンモニア燃料貯留タンク４６から非アンモニア燃料が供給される。非アンモニア燃料貯留タンク４６内には非アンモニア燃料供給ポンプ４７が配置されており、この非アンモニア燃料供給ポンプ４７の吐出口は非アンモニア燃料供給管（非アンモニア燃料供給通路）４８を介して非アンモニア燃料噴射弁４５に接続されている。なお、非アンモニア燃料噴射弁は、シリンダヘッド３に配置されて、それぞれ対応する燃焼室５内に向けて非アンモニア燃料を噴射するものであってもよい。
なお、後述する実施形態及び変形例においては、特に必要な場合を除いて、燃焼室５内に向けて液状アンモニアが噴射されて点火装置６によって混合気への点火が行われる内燃機関であって、燃料として液状アンモニアのみを噴射するものについて説明する。しかしながら、後述する実施形態及び変形例においても、本実施形態と同様に様々な変更が可能である。
ところで、上述したように、燃焼室５からは未燃アンモニア及びＮＯＸが排出されうる。このように燃焼室５から排出された未燃アンモニア及びＮＯＸは排気浄化触媒２２において浄化せしめられる。このとき、未燃アンモニア及びＮＯＸは、例えば、下記化学反応式によって表される反応により浄化される。
８ＮＨ３＋６ＮＯ２→７Ｎ２＋１２Ｈ２Ｏ
４ＮＨ３＋４ＮＯ＋Ｏ２→６Ｈ２Ｏ＋４Ｎ２
上記化学反応式から分かるように、排気浄化触媒２２において未燃アンモニアとＮＯＸとの両方を浄化するために必要な、未燃アンモニアとＮＯＸとの比率は決まっている。具体的には、未燃アンモニアのモル濃度とＮＯＸとのモル濃度との比率が４：３〜１：１の間の所定の比率（ＮＯ２とＮＯとの比率に応じて変動する）となっている必要がある（以下では、未燃アンモニアとＮＯＸとの両方を完全に浄化するのに必要な未燃アンモニアとＮＯＸとの比率を「完全浄化比率」と称する）。
したがって、排気浄化触媒２２に流入した排気ガス中の未燃アンモニアの比率が完全浄化比率よりも高い場合には、排気浄化触媒２２において未燃アンモニアとＮＯＸとが反応しても未燃アンモニアが残ってしまい、逆に、排気浄化触媒２２に流入した排気ガス中の未燃アンモニアの比率が完全浄化比率よりも低い場合には、排気浄化触媒２２において未燃アンモニアとＮＯＸとが反応してもＮＯＸが残ってしまう。
そこで、本実施形態では、排気浄化触媒２２に流入した排気ガス中の未燃アンモニアとＮＯＸとの両方を浄化すべく、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアとＮＯＸとの比率が完全浄化比率となるように、内燃機関の制御パラメータを制御することとしている。
換言すると、本実施形態では、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアとＮＯＸとの比率が、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸが排気ガス中の未燃アンモニアによって過不足無く浄化される比率、すなわち排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアが排気ガス中のＮＯＸによって過不足無く浄化される比率となるように、内燃機関の制御パラメータを制御することとしている。別の言い方をすると、本実施形態では、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアとＮＯＸとの比率は、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの全てが排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸによって酸化され且つ排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸの全てが排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアによって還元されるような比率とされる。
このように、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアとＮＯＸとの比率を完全浄化比率となるように制御することにより、排気浄化触媒２２において未燃アンモニア及びＮＯＸをほぼ完全に浄化することができるようになり、排気浄化触媒２２から未燃アンモニア及びＮＯＸが流出してしまうことを抑制することができる。
ここで、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアとＮＯＸとの比率を制御する方法としては、例えば下記の方法が挙げられる。
まず、一番目の方法としては、燃焼室５内の混合気への点火時期を制御することが挙げられる。一般に、混合気への点火時期を進角すると、燃焼室５内の混合気の燃焼温度が上昇するため、混合気中のアンモニアが酸化され易くなると共に、ＮＯＸが生成され易くなる。したがって、点火装置６による混合気への点火時期を進角することにより、燃焼室５から排出される排気ガス中の未燃アンモニアの比率を低くすることができ、よって排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を低くすることができる。逆に、点火装置６による混合気への点火時期を遅角することにより、燃焼室５から排出される排気ガス中の未燃アンモニアの比率を高くすることができ、よって排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を高くすることができる。
したがって、一番目の方法では、具体的には、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を低くするとき（すなわち、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸの比率を高くするとき）には、点火装置６による混合気への点火時期が進角され、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を高くするとき（すなわち、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸの比率を低くするとき）には、点火装置６による混合気への点火時期が遅角される。
なお、本実施形態では、火花点火式内燃機関を用いていることから点火装置６による点火時期を制御しているが、圧縮自着火式内燃機関を用いる場合には、燃焼室５内の混合気の着火時期、すなわち筒内に直接燃料を噴射する噴射弁からの燃料噴射時期を制御することで、同様に排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアとＮＯＸとの比率を制御することができる。
二番目の方法としては、燃焼室５内に供給する混合気の空燃比を制御することが挙げられる。一般に、燃焼室５内に供給する混合気の空燃比がリッチであると、燃焼室５から排出される排気ガス中に未燃アンモニアが多く含まれる。特に、燃焼室５内に供給する混合気の空燃比のリッチ度合いを高くすると、燃焼室５から排出される排気ガス中に含まれる未燃アンモニアの量は多くなる。
したがって、二番目の方法では、具体的には、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を高くするときには、燃焼室５内に供給する混合気の空燃比が低く（リッチ度合いが高く）され、逆に排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を低くするときには、燃焼室５内に供給する混合気の空燃比が高く（リッチ度合いが低く）される。
三番目の方法としては、膨張行程又は排気行程においてアンモニア噴射弁１３から燃焼室５内に直接アンモニアを噴射することが挙げられる。一般に、膨張行程又は排気行程において燃焼室５内に燃料を噴射すると、噴射された燃料は燃焼室５ではほとんど燃焼せずに、燃焼室５からそのまま排出されることになる。したがって、膨張行程又は排気行程においてアンモニア噴射弁１３から燃焼室５内に直接アンモニアを噴射することにより、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を高くすることができる。特に、膨張行程又は排気行程においてアンモニア噴射弁１３から燃焼室５内に直接噴射されるアンモニアの量が多くなるほど、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のアンモニアの比率が高くなる。
したがって、三番目の方法では、具体的には、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を高くするときには、膨張行程又は排気行程においてアンモニア噴射弁１３から燃焼室５内へアンモニアが直接噴射されるようになるか、或いはその噴射量を多くされる。逆に、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を低くするときには、膨張行程又は排気行程におけるアンモニア噴射弁１３から燃焼室５内へのアンモニアの噴射量が少なくされるか、或いは膨張行程又は排気行程におけるアンモニア噴射弁１３から燃焼室５内へのアンモニアの直接噴射が停止せしめられる。
四番目の方法としては、燃焼室５内に供給される非アンモニア燃料の比率を制御することが挙げられる。図３に示したように、アンモニアに加えて非アンモニア燃料を燃焼室５内に供給した場合、燃焼室５内に供給される燃料（アンモニア及び非アンモニア燃料）のうち非アンモニア燃料の比率が増大すると、その分、燃焼室５内に供給されるアンモニアの量が減少せしめられる。このように、燃焼室５内に供給されるアンモニアの量が減少せしめられると、それに伴って燃焼室５から排出される排気ガス中に含まれる未燃アンモニアの量も減少せしめられる。一方、燃焼室５内に供給されるアンモニアの量の減少により、アンモニアの燃焼に伴って発生するＮＯＸの量も減少する。しかしながら、非アンモニア燃料の燃焼によってもＮＯＸが発生することから、燃焼室５内に供給されるアンモニアの量を減少させた場合、燃焼室５から排出される排気ガス中に含まれる未燃アンモニアの量の減少に比べて、燃焼室５から排出される排気ガス中に含まれるＮＯＸの量の減少の程度は小さい。したがって、燃焼室５内に供給される燃料のうち非アンモニア燃料の比率を高くすることにより、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を低くすることができる。
したがって、四番目の方法では、具体的には、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を低くするときには、燃焼室５内に供給される燃料のうち非アンモニア燃料の比率が高くされ、逆に排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を高くするときには、燃焼室５内に供給される燃料のうち非アンモニア燃料の比率が低くされる。
五番目の方法としては、膨張行程において燃焼室５内に直接噴射される非アンモニア燃料の噴射量を制御することが挙げられる。図３に示した例では、非アンモニア燃料を噴射する非アンモニア燃料噴射弁４５は吸気ポート８内に向けて燃料を噴射しているが、燃焼室５内に直接非アンモニア燃料を噴射することができるように非アンモニア燃料噴射弁を配置することも可能である。斯かる非アンモニア燃料噴射弁から膨張行程において燃焼室５内に非アンモニア燃料の噴射を行うと、噴射された非アンモニア燃料は膨張している燃焼室内で燃焼し、これに伴って燃焼室５内の燃焼ガスが高温になる。このように燃焼ガスが高温になると、燃焼ガス中に含まれていたアンモニアが酸化され、結果的に排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアが減量せしめられる。したがって、膨張行程において燃焼室５内に非アンモニア燃料を噴射することにより、排気浄化触媒２２に流入する未燃アンモニアの比率を低くすることができ、また、膨張行程において燃焼室５内に直接噴射される非アンモニア燃料の噴射量が多くなるほど、排気浄化触媒２２に流入するアンモニアの比率を低くすることができる。
したがって、五番目の方法では、具体的には、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を低くするときには、膨張行程において燃焼室５内に非アンモニア燃料を噴射すると共にその噴射量が多くされ、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を高くするときには、膨張行程において燃焼室５内に直接噴射される非アンモニア燃料の噴射量が少なくされるか、膨張行程における燃焼室５内への非アンモニア燃料の直接の噴射が停止せしめられる。
ところで、本実施形態では、上述したように、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアとＮＯＸとの比率が完全浄化比率となるように、内燃機関の制御パラメータ（すなわち、点火装置６による点火時期、燃焼室５内に供給する混合気の空燃比、膨張行程又は排気行程におけるアンモニア噴射弁から燃焼室５内へのアンモニアの噴射量、燃焼室５内に供給される非アンモニア燃料の比率、膨張行程における燃焼室５内への非アンモニア燃料の噴射量等）を制御することになる。より詳細には、機関負荷、機関回転数毎に、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアとＮＯＸとの比率が完全浄化比率となるような制御パラメータの値を予め実験的に又は計算により求めてマップとしてＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に保存する。そして、実際の機関運転中には、機関負荷、機関回転数に基づいて、マップにより内燃機関の各制御パラメータの目標値が算出され、この目標値となるように各制御パラメータが制御されることになる。
しかしながら、内燃機関の各制御パラメータをこのように制御したとしても、内燃機関の個体差や、経年変化等により、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアとＮＯＸとの比率が完全浄化比率とならない場合がある。排気浄化触媒２２として特に酸化触媒又は三元触媒を用いている場合には、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率が完全浄化比率よりも高くなると、排気浄化触媒２２から未燃アンモニアが流出する場合があり、逆に排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸの比率が完全浄化比率よりも高くなると、排気浄化触媒２２からＮＯＸが流出することになる場合がある。
そこで、本実施形態では、上述したような内燃機関の各制御パラメータの制御に加えて、排気浄化触媒２２から流出した排気ガス中に含まれる未燃アンモニア及びＮＯＸの濃度に応じて、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアとＮＯＸとの比率をフィードバック制御することとしている。
具体的には、アンモニアセンサ２４によって排気管２１内を流れる排気ガス中に未燃アンモニアが検出された場合には、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率が低下するような制御（例えば、点火装置６による点火時期の進角）が行われる。特に、本実施形態では、アンモニアセンサ２４によって検出された排気管２１内を流れる排気ガス中の未燃アンモニアの濃度が高い場合には、低い場合に比べて、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率が大きく低下するように制御が行われる（例えば、点火装置６による点火時期が大きく進角される）。
逆に、ＮＯＸセンサ２５によって排気管２１内を流れる排気ガス中にＮＯＸが検出された場合には、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸの比率が低下するような制御（例えば、点火装置６による点火時期の遅角）が行われる。特に、本実施形態では、ＮＯＸセンサ２５によって検出された排気管２１内を流れる排気ガス中のＮＯＸの濃度が高い場合には、低い場合に比べて、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸの比率が大きく低下するように制御が行われる（例えば、点火装置６による点火時期が大きく遅角される）。
ところで、排気浄化触媒２２によるアンモニア及びＮＯＸの浄化能力は限られている。このため、排気浄化触媒２２に多量の未燃アンモニア及びＮＯＸが流入すると、流入した未燃アンモニアとＮＯＸとの比率が完全浄化比率であっても、排気浄化触媒２２からアンモニア及びＮＯＸが流出してしまうことになる。そこで、本実施形態では、排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸの流量が、排気浄化触媒２２において単位時間当たりに浄化可能なＮＯＸの最大量（以下、「最大浄化可能ＮＯＸ量」という）以下になるように制御される。或いは、本実施形態では、排気浄化触媒２２に流入するアンモニアの流量が、排気浄化触媒２２において単位時間当たりに浄化可能なアンモニアの最大量（以下、「最大浄化可能アンモニア量」という）以下になるように制御される。
図４は、排気浄化触媒２２の温度と最大浄化可能ＮＯＸ量との関係を示す図である。図４から分かるように、排気浄化触媒２２の最大浄化可能ＮＯＸ量は、排気浄化触媒２２の温度が高くなるにつれて多くなる。したがって、本実施形態では、温度センサ２３によって排気浄化触媒２２の温度を検出すると共に、検出された排気浄化触媒２２の温度に基づいて図４に示したようなマップを用いて最大浄化可能ＮＯＸ量を算出し、算出された最大浄化可能ＮＯＸ量以下になるように排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸの流量が制御される。
また、排気浄化触媒２２の温度と最大浄化可能アンモニア量との関係も、図４に示した排気浄化触媒２２の温度と最大浄化可能ＮＯＸ量との関係と同様な関係となる。したがって、見方を変えると、本実施形態では、温度センサ２３によって検出された排気浄化触媒２２の温度に基づいて図４に示したようなマップを用いて最大浄化可能アンモニア量を算出し、算出された最大浄化可能アンモニア量以下になるように排気浄化触媒に流入する未燃アンモニアの流量を制御していると言える。
ここで、排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸ及び未燃アンモニアの流量を制御する方法としては、例えば燃焼室５内に供給される非アンモニア燃料の比率を制御することが挙げられる。図３に示したように、アンモニアに加えて非アンモニア燃料を燃焼室５内に供給した場合、燃焼室５内に供給される燃料のうち非アンモニア燃料の比率が増大すると、その分、燃焼室５内に供給されるアンモニアの量が減少せしめられる。このように、燃焼室５内に供給されるアンモニアの量が減少せしめられると、それに伴って燃焼室５から排出される排気ガス中に含まれる未燃アンモニアの量も減少せしめられる。また、燃焼室５内に供給されるアンモニアの量の減少により、アンモニアの燃焼に伴って発生するＮＯＸの量も減少する。したがって、燃焼室５内に供給される燃料のうち非アンモニア燃料の比率を高くすることにより、排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸ及び未燃アンモニアの流量を減少させることができる。
なお、上記実施形態では、排気浄化触媒２２から未燃アンモニア又はＮＯＸが流出することを抑制すべく、排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸ及び未燃アンモニアの流量をそれぞれ最大浄化可能ＮＯＸ量及び最大浄化可能アンモニア量以下となるように制御しているが、排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸ及び未燃アンモニアの流量がそれぞれ最大浄化可能ＮＯＸ量及び最大浄化可能アンモニア量以下となるように排気浄化触媒２２の温度を制御するようにしてもよい。この場合、機関運転状態から排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸの流量を推定すると共に排気浄化触媒２２の温度に基づいて最大浄化可能ＮＯＸ量を算出し、推定されたＮＯＸの流量が算出された最大浄化可能ＮＯＸ量よりも多い場合には、排気浄化触媒２２の昇温が行われる。これにより、排気浄化触媒２２による最大浄化可能ＮＯＸ量が増大し、その結果、排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸの流量を最大浄化可能ＮＯＸ量以下にすることができる。或いは、機関運転状態から排気浄化触媒２２に流入する未燃アンモニアの流量を推定すると共に排気浄化触媒２２の温度に基づいて最大浄化可能アンモニア量を算出し、推定された未燃アンモニアの流量が算出された最大浄化可能アンモニア量よりも多い場合には、排気浄化触媒２２の昇温が行われるようにしてもよい。
図５は、排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸと未燃アンモニアとの比率を制御する流入比率制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図５に示したように、まずステップＳ１１では、負荷センサ４１、クランク角センサ４２及び温度センサ２３によって機関負荷、機関回転数及び排気浄化触媒２２の温度が検出される。次いで、ステップＳ１２では、ステップＳ１１で検出された排気浄化触媒２２の温度に基づいて、図４に示したようなマップを用いて最大浄化可能ＮＯＸ量が算出される。次いで、ステップＳ１３では、ステップＳ１１で検出された機関負荷及び機関回転数に基づいて、排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸと未燃アンモニアとの比率が完全浄化比率となるように、且つ排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸの流量が最大浄化可能ＮＯＸ量以下になるように、内燃機関の制御パラメータ（例えば、点火時期、アンモニア及び非アンモニア燃料の噴射時期及び噴射量等）が算出され、この制御パラメータに基づいて内燃機関が制御される。
次いで、ステップＳ１４では、ＮＯＸセンサ２５によって検出されたＮＯＸ濃度ＮＯＸが０に近い所定値ＮＯＸ０よりも高いか否かが判定される。ＮＯＸセンサ２５によって検出されたＮＯＸ濃度ＮＯＸが所定値ＮＯＸ０よりも高いと判定された場合には、排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸの比率が完全浄化比率よりも高いことから、ステップＳ１５に進んで、排気浄化触媒２２に流入する未燃アンモニアの比率が高くなるような制御、例えば点火時期の遅角が行われる。
一方、ステップＳ１４において、ＮＯＸセンサ２５によって検出されたＮＯＸ濃度ＮＯＸが所定値ＮＯＸ０以下であると判定された場合には、次いでステップＳ１６においてアンモニアセンサ２４によって検出されたアンモニア濃度ＮＨが０に近い所定値ＮＨ０よりも高いか否かが判定される。アンモニアセンサ２４によって検出されたアンモニア濃度ＮＨが所定値ＮＨ０よりも高いと判定された場合には、排気浄化触媒２２に流入する未燃アンモニアの比率が完全浄化比率よりも高いことから、ステップＳ１７に進んで、排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸの比率が高くなるような制御、例えば点火時期の進角が行われる。一方、ステップＳ１６においてアンモニアセンサ２４によって検出されたアンモニア濃度ＮＨが所定値ＮＨ０以下であると判定された場合には、排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸと未燃アンモニアとの比率が完全浄化比率となっていると考えられることから、そのまま制御ルーチンが終了せしめられる。
ところで、上記実施形態では、排気浄化触媒２２の排気下流側にＮＯＸセンサ２４とアンモニアセンサ２５との二つのセンサを設けているが、排気浄化触媒２２の排気下流側にはＮＯＸセンサ２４のみを設けてもよい。ただし、この場合、ＮＯＸセンサ２４としては、排気ガス中のＮＯＸの濃度が上昇した場合に出力電圧が上昇するだけでなく、排気ガス中の未燃アンモニアの濃度が上昇した場合にも出力電圧が上昇するようなセンサが用いられる。
斯かるＮＯＸセンサ２４を用いた場合には、ＮＯＸセンサ２４の出力値は、排気ガス中のＮＯＸの濃度と未燃アンモニアの濃度とを合計した濃度に応じて変化する。したがって、ＮＯＸセンサの出力値が上昇した場合に、その出力値の上昇が排気ガス中のＮＯＸの濃度の増大によるものなのか、排気ガス中の未燃アンモニアの濃度の増大によるものなのかを判断することができない。
そこで、斯かるＮＯＸセンサ２４を用いた場合には、ＮＯＸセンサ２４の出力値が０ではないとき、すなわち排気ガス中にはＮＯＸ又は未燃アンモニアのいずれかが含まれているときに、例えば、点火装置６による点火時期を進角（又は遅角）することにより、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニア（又はＮＯＸ）の比率を強制的に高くする。
ここで、排気ガス中にＮＯＸが含まれていた場合、すなわち排気浄化触媒２２においてＮＯＸが過剰となっている場合には、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を高くすると、これに伴って過剰となっていたＮＯＸが未燃アンモニアと反応して減少するため、排気浄化触媒２２から流出する排気ガス中のＮＯＸの濃度が低下する。したがって、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を強制的に高くしたときに、ＮＯＸセンサ２４の出力値が低下した場合には、排気浄化触媒２２から流出しているのがＮＯＸであると判定することができる。したがってこの場合、排気浄化触媒２２に流入する未燃アンモニアの比率が高くなるような制御、例えば点火時期の遅角が行われる。
一方、排気ガス中に未燃アンモニアが含まれていた場合、すなわち排気浄化触媒２２において未燃アンモニアが過剰となっている場合には、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を高くすると、その分だけ排気浄化触媒２２から流出する未燃アンモニアの流量が増大する。したがって、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を強制的に高くしたときに、ＮＯＸセンサ２４の出力値が上昇した場合には、排気浄化触媒２２から流出しているのが未燃アンモニアであると判定することができる。したがってこの場合、排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸの比率が高くなるような制御、例えば点火時期の進角が行われる。
図６は、ＮＯＸ及びアンモニアの両方に反応するＮＯＸセンサを一つ用いた場合における、排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸと未燃アンモニアとの比率を制御する流入比率制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図６に示したステップＳ２１〜Ｓ２３は、図５に示したステップＳ１１〜Ｓ１３と同様であるため説明を省略する。
ステップＳ２４では、ＮＯＸセンサ２４の出力値ＮＯＸが０に近い所定値ＮＯＸ０よりも低いか否かが判定される。ＮＯＸセンサ２４の出力値ＮＯＸが所定値ＮＯＸ０よりも低いと判定された場合には、排気浄化触媒２２からＮＯＸも未燃アンモニアもほとんど流出していないことから、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ２４において、ＮＯＸセンサＳ２４の出力値ＮＯＸが所定値ＮＯＸ０以上であると判定された場合にはステップＳ２５へと進む。ステップＳ２５では、排気浄化触媒２２に流入する未燃アンモニアの比率が僅かに高くなるような制御、例えば点火時期の遅角が行われる。次いで、ステップＳ２６では、ステップＳ２５の制御により、ＮＯＸセンサ２４の出力値が低下したか否かが判定される。ＮＯＸセンサ２４の出力が低下したと判定された場合には、排気浄化触媒２２から流出しているのがＮＯＸであると考えられることから、ステップＳ２７へと進んで、点火時期の遅角が行われる。一方、ステップＳ２６において、ＮＯＸセンサ２４の出力が低下していないと判定された場合には、排気浄化触媒２２から流出しているのが未燃アンモニアであると考えられることから、ステップＳ２８へと進んで、点火時期の進角が行われる。
次に、図７を参照して本発明の第二実施形態のアンモニア燃焼内燃機関について説明する。図７に示した本実施形態の内燃機関の構成は、基本的に第一実施形態の内燃機関の構成と同様であり、同様な構成については説明を省略する。
図７に示した第二実施形態のアンモニア燃焼内燃機関では、上記第一実施形態の排気浄化触媒２２としてＮＯＸ選択還元触媒５０が設けられる。ＮＯＸ選択還元触媒５０は、流入する排気ガス中の未燃アンモニアを吸着すると共に、流入する排気ガス中にＮＯＸが含まれるときには吸着しているアンモニアによってＮＯＸを選択的に還元しうる触媒である。
斯かるＮＯＸ選択還元触媒５０を用いた場合、ＮＯＸ選択還元触媒５０にアンモニアが吸着されている状態であれば、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中にＮＯＸが含まれていても、ＮＯＸ選択還元触媒５０においてＮＯＸを浄化することができる。逆に、ＮＯＸ選択還元触媒５０に吸着可能なアンモニアの限界量は決まっていることから、ＮＯＸ選択還元触媒５０にアンモニアが吸着されている状態でアンモニアを流入させると、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニアの吸着量が限界量を超えてしまい、ＮＯＸ選択還元触媒５０からアンモニアが流出してしまう可能性がある。
そこで、本実施形態では、ＮＯＸ選択還元触媒５０にアンモニアを吸着させた状態で、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中のＮＯＸの比率が完全浄化比率よりも高くなるように、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入するＮＯＸと未燃アンモニアとの比率を制御することとしている。換言すると、本実施形態では、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入するＮＯＸと未燃アンモニアとの比率は、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中のＮＯＸが該排気ガス中の未燃アンモニアによって過不足無く浄化される比率よりも、ＮＯＸが多くなるような比率とされる。これにより、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入した排気ガス中の未燃アンモニアは、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入した排気ガス中のＮＯＸにより全て酸化されると共に、未燃アンモニアと反応せずに残ったＮＯＸはＮＯＸ選択還元触媒５０に吸着されているアンモニアによって還元、浄化される。
ここで、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入したＮＯＸの一部はＮＯＸ選択還元触媒５０に吸着されているアンモニアによって還元、浄化されることになるが、ＮＯＸ選択還元触媒５０から単位時間当たりに離脱可能なアンモニアの量には限界がある。したがって、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの流量に対してＮＯＸの流量が多過ぎると、ＮＯＸ選択還元触媒５０に吸着しているアンモニアによってもＮＯＸを浄化することができなくなってしまう。
そこで、本実施形態では、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中のＮＯＸの比率が完全浄化比率よりも高いことによってＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中の未燃アンモニアによっては浄化されなかった過剰なＮＯＸの流量が、ＮＯＸ選択還元触媒５０から単位時間当たりに離脱可能なアンモニアの最大量（以下、「離脱可能アンモニア最大量」という）の未燃アンモニアによって浄化可能な量となるように、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率が制御される。換言すると、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率は、離脱可能アンモニア最大量とＮＯＸ選択還元触媒に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの流量との和が、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中のＮＯＸによって過不足無く浄化される量よりも少なくなるような比率とされる。これにより、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入した未燃アンモニアによっては浄化されなかったＮＯＸが、ＮＯＸ選択還元触媒５０に吸着されていたアンモニアによって確実に浄化されるようになる。
なお、離脱可能アンモニア最大量は、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニアの吸着量、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガスの流量、ＮＯＸ選択還元触媒５０の温度等に応じて変化する。すなわち、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニアの吸着量が増大するほど離脱可能アンモニア最大量は増大し、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガスの流量が増大するほど離脱可能アンモニア最大量は増大する。また、ＮＯＸ選択還元触媒５０の温度が高くなるほど離脱可能アンモニア最大量が増大する。したがって、本実施形態では、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量等に基づいて離脱可能アンモニア最大量を算出すると共に、算出された離脱可能アンモニア最大量に基づいてＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率を設定することとしている。
ところで、上述したようにＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率を制御すると、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニアの吸着量が徐々に減少していき、やがて零になる。ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニアの吸着量が零になってしまうと、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入した過剰なＮＯＸが浄化されなくなり、その結果、ＮＯＸ選択還元触媒５０からＮＯＸが流出してしまうことになる。
そこで、本実施形態では、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニアの吸着量が０に近い最低基準量よりも少なくなったときには、ＮＯＸ選択還元触媒５０のアンモニア吸着量を回復させるべく、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を完全浄化比率よりも高くするアンモニア回復処理を実行するようにしている。これにより、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入した排気ガス中に含まれる過剰な未燃アンモニアがＮＯＸ選択還元触媒５０に吸着されることになり、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量を回復させることができる。
ただし、ＮＯＸ選択還元触媒５０が吸着可能なアンモニアの量は限られており、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量がアンモニア吸着限界量を超えると、ＮＯＸ選択還元触媒５０にはそれ以上アンモニアが吸着されなくなってしまう。また、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量がアンモニア吸着限界量付近にあると、吸着されているアンモニアが自然に離脱してしまう場合がある。そこで、本実施形態では、アンモニア回復処理中にＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量がＮＯＸ選択還元触媒５０に吸着されているアンモニアの自然な離脱を抑制することができるアンモニア吸着量の最大値（以下、「許容最大吸着量」という）となったら、アンモニア回復処理を終了することとしている。その後、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中のＮＯＸの比率が完全浄化比率よりも高くなるように内燃機関の制御パラメータが制御される。
図８は、ＮＯＸ選択還元触媒５０の温度と、アンモニア吸着量との関係を示す図である。図８に示したように、許容最大吸着量はＮＯＸ吸蔵還元触媒５０の温度が低くなるほど、増大せしめられる。そこで、本実施形態では、アンモニア回復処理の開始時又は実行中にＮＯＸ選択還元触媒５０の温度を温度センサ２３によって検出すると共に、検出された温度に基づいて図７に示したようなマップを用いて許容最大吸着量を算出し、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量が、算出された許容最大吸着量以上になったときにアンモニア回復処理を終了することとしている。
なお、本実施形態においても、上記実施形態と同様に、ＮＯＸ選択還元触媒５０から未燃アンモニア及びＮＯＸが流出することを抑制すべく、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入するＮＯＸの流量が最大浄化可能ＮＯＸ量以下になるように制御されるか、或いはＮＯＸ選択還元触媒５０に流入するＮＯＸの流量が最大浄化可能ＮＯＸ量以下になるようにＮＯＸ選択還元触媒５０の温度が制御される。
図９は、本実施形態におけるＮＯＸ選択還元触媒５０に流入するＮＯＸとアンモニアとの比率を制御する流入比率制御の制御ルーチンを概略的に示すフローチャートである。
図９に示したように、まずステップＳ３１において、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量ΣＮＨが最低基準量ΣＮＨ０以上であるか否かが判定される。ここで、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量ΣＮＨは、例えば内燃機関の各種パラメータに基づいて推定されるか、或いはＮＯＸ選択還元触媒５０の排気上流側に設けられたＮＯＸセンサ（図示せず）等の出力に基づいて算出される。ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量ΣＮＨが最低基準量ΣＮＨ０以上であると判定された場合には、ステップＳ３２へと進む。
ステップＳ３２では、図５のステップＳ１１と同様に機関負荷、機関回転数、触媒温度が検出される。次いで、ステップＳ３３では、図５のステップＳ１２と同様に最大浄化可能ＮＯＸ量が算出されると共に、ステップＳ３２で検出されたＮＯＸ選択還元触媒５０の温度等に基づいて離脱可能アンモニア最大量が算出される。次いで、ステップＳ３４では、ステップＳ３２で検出された機関負荷、機関回転数等に基づいて、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入するＮＯＸと未燃アンモニアとの比率がＮＯＸ過剰な比率となるように、内燃機関の制御パラメータが算出される。このとき、ＮＯＸと未燃アンモニアとの比率又はＮＯＸ及び未燃アンモニアの流量は、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入するＮＯＸの流量が最大浄化可能ＮＯＸ量以下になるように、且つＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中の未燃アンモニアによっては浄化されなかった過剰なＮＯＸの流量が離脱可能アンモニア最大量以下になるように設定される。
一方、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量が減少して、ステップＳ３１においてＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量ΣＮＨが最低基準量ΣＮＨ０よりも少ないと判定された場合には、ステップＳ３５へと進む。ステップＳ３５では、ステップＳ３２と同様な制御が行われる。次いで、ステップＳ３６では、ステップＳ３３と同様に最大浄化可能ＮＯＸ量が算出されると共に、ステップＳ３５で検出されたＮＯＸ選択還元触媒５０の温度に基づいて図８に示したようなマップを用いて許容最大吸着量ΣＮＨＭＡＸが算出される。
次いで、ステップＳ３７では、ステップＳ３５で検出された機関負荷、機関回転数等に基づいて、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入するＮＯＸと未燃アンモニアとの比率がアンモニア過剰な比率となるように、内燃機関の制御パラメータが制御される（アンモニア回復処理）。このとき、ＮＯＸと未燃アンモニアとの比率又はＮＯＸ及び未燃アンモニアの流量は、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入するＮＯＸの流量が最大浄化可能ＮＯＸ量以下になるように設定される。次いで、ステップＳ３８では、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量ΣＮＨが、許容最大吸着量ΣＮＨＭＡＸ以上であるか否かが判定される。ステップＳ３８において、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量ΣＮＨが、許容最大吸着量ΣＮＨＭＡＸよりも少ないと判定された場合には、ステップＳ３５〜Ｓ３７が繰り返される。一方、ステップＳ３８において、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量ΣＮＨが許容最大吸着量ΣＮＨＭＸ以上であると判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。
次に、本発明の第三実施形態のアンモニア燃焼内燃機関について説明する。本実施形態の内燃機関の構成は、基本的に第二実施形態の内燃機関の構成と同様であり、同様な構成については説明を省略する。
上記第二実施形態では、通常運転時において、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率をＮＯＸ過剰な比率としてＮＯＸ選択還元触媒５０に吸着しているアンモニアによって過剰なＮＯＸを浄化するようにしている。そして、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量が少なくなったときには、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率をアンモニア過剰な比率としてＮＯＸ選択還元触媒５０にアンモニアを吸着させる（アンモニア回復処理）ようにしている。
これに対して、本実施形態では、通常運転時において、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率をアンモニア過剰な比率としてＮＯＸ選択還元触媒５０にアンモニアを吸着させるようにしている。そして、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量が多くなったときには、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率をＮＯＸ過剰な比率としてＮＯＸ選択還元触媒５０に吸着しているアンモニアを酸化、浄化するようにしている。
すなわち、本実施形態では、内燃機関の通常運転時には、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率が完全浄化比率よりも高くなるように、内燃機関の制御パラメータを制御することとしている。換言すると、本実施形態では、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入するＮＯＸと未燃アンモニアとの比率は、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中の未燃アンモニアが該排気ガス中のＮＯＸによって過不足無く浄化される比率よりも、未燃アンモニアが多くなるような比率とされる。これにより、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入した排気ガス中のＮＯＸは、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入した排気ガス中の未燃アンモニアにより全て還元されると共に、ＮＯＸと反応せずに残った未燃アンモニアはＮＯＸ選択還元触媒５０に吸着される。
また、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率をこのように制御すると、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量は徐々に増加していく。ところが、上述したようにＮＯＸ選択還元触媒５０に吸着可能なアンモニアの量は限られている。そこで、本実施形態では、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量が許容最大吸着量以上になったときには、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量を減少させるべく、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中のＮＯＸの比率を完全浄化比率よりも高くするアンモニア離脱処理を実行するようにしている。これにより、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入した排気ガス中に含まれる過剰なＮＯＸによりＮＯＸ選択還元触媒５０に吸着されていたアンモニアを酸化、浄化することができ、よってＮＯＸ選択還元触媒５０のアンモニア吸着能力を回復させることができる。
なお、アンモニア離脱処理を実行する際にも、上記第二実施形態と同様に、ＮＯＸ選択還元触媒５０にＮＯＸが過剰に流入し過ぎてＮＯＸ選択還元触媒５０に吸着しているアンモニアによってもＮＯＸを浄化できなくなってしまうことを抑制すべく、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中の未燃アンモニアによっては浄化されなかった過剰なＮＯＸの流量が離脱可能アンモニア最大量以下になるように、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率が制御される。
図１０は、本実施形態におけるＮＯＸ選択還元触媒５０に流入するＮＯＸとアンモニアとの比率を制御する流入比率制御の制御ルーチンを概略的に示すフローチャートである。
図１０に示したように、まずステップＳ４１において、図５のステップＳ１１と同様に機関負荷、機関回転数、触媒温度が検出される。次いで、ステップＳ４２では、図５のステップＳ１２と同様に最大浄化可能ＮＯＸ量が算出されると共に、ステップＳ４１で検出されたＮＯＸ選択還元触媒５０の温度に基づいて図８に示したようなマップを用いて許容最大吸着量ΣＮＨＭＡＸが算出される。
次いで、ステップＳ４３では、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量ΣＮＨが、許容最大吸着量ΣＮＨＭＡＸ以下であるか否かが判定される。ステップＳ４３において、アンモニア吸着量ΣＮＨが許容最大吸着量ΣＮＨＭＡＸ以下であると判定された場合には、ステップＳ４４へと進む。ステップＳ４４では、ステップＳ４１で検出された機関負荷、機関回転数等に基づいて、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入するＮＯＸと未燃アンモニアとの比率がアンモニア過剰な比率となるように、内燃機関の制御パラメータが制御される。このとき、ＮＯＸと未燃アンモニアとの比率又はＮＯＸ及び未燃アンモニアの流量は、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入するＮＯＸの流量が最大浄化可能ＮＯＸ量以下になるように設定される。
一方、ステップＳ４３において、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量ΣＮＨが許容最大吸着量ΣＮＨＭＡＸよりも多いと判定された場合には、ステップＳ４６へと進む。ステップＳ４６では、ステップＳ４１と同様に機関負荷等が検出される。次いで、ステップＳ４７では、ステップＳ４２と同様に最大浄化可能ＮＯＸ量が算出されると共に、ステップＳ４６で検出されたＮＯＸ選択還元触媒５０の温度等に基づいて離脱可能アンモニア最大量が算出される。次いで、ステップＳ４８では、ステップＳ４６で検出された機関負荷、機関回転数等に基づいて、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入するＮＯＸと未燃アンモニアとの比率がＮＯＸ過剰な比率となるように、内燃機関の制御パラメータが制御される。このとき、ＮＯＸと未燃アンモニアとの比率又はＮＯＸ及び未燃アンモニアの流量は、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入するＮＯＸの流量が最大浄化可能ＮＯＸ量以下になるように、且つＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中の未燃アンモニアによっては浄化されなかった過剰なＮＯＸの流量が離脱可能アンモニア最大量以下になるように設定される。
次いで、ステップＳ４９では、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量ΣＮＨが０に近い所定量ΣＮＨ０よりも少なくなくなったか否かが判定される。ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量ΣＮＨが所定量ΣＮＨ０以上であると判定された場合には、ステップＳ４６〜Ｓ４８が繰り返される。一方、ステップＳ４９において、ＮＯＸ選択還元触媒５０へのアンモニア吸着量ΣＮＨが所定量ΣＮＨ０よりも少ないと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。
次に、図１１を参照して本発明の第四実施形態のアンモニア燃焼内燃機関について説明する。図１１に示した本実施形態の内燃機関の構成は、基本的に第一実施形態の内燃機関の構成と同様であり、同様な構成については説明を省略する。
図１１に示した第四実施形態のアンモニア燃焼内燃機関では、上記第一実施形態の排気浄化触媒２２としてＮＯＸ吸蔵還元触媒５２が設けられる。ＮＯＸ吸蔵還元触媒５２は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには流入する排気ガス中のＮＯＸを吸蔵すると共に、流入する排気ガス中の酸素濃度が低いときには吸蔵しているＮＯＸを離脱させて、排気ガス中の未燃アンモニアによって還元させる触媒である。
斯かるＮＯＸ吸蔵還元触媒５２を用いた場合、排気浄化触媒としてＮＯＸ選択還元触媒を用いた上記第二実施形態及び第三実施形態における制御と逆の制御を行うことで、排気ガス中のＮＯＸ及び未燃アンモニアを適切に浄化することができる。以下では、第三実施形態における制御と逆の制御を行った場合について説明する。
本実施形態では、内燃機関の通常運転時には、ＮＯＸ吸蔵還元触媒５２に流入する排気ガス中のＮＯＸの比率が完全浄化比率よりも高くなるように、ＮＯＸ吸蔵還元触媒５２に流入するＮＯＸと未燃アンモニアとの比率を制御することとしている。換言すると、本実施形態では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒５２に流入するＮＯＸと未燃アンモニアとの比率は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒５２に流入する排気ガス中のＮＯＸが該排気ガス中の未燃アンモニアによって過不足無く浄化される比率よりも、ＮＯＸが多くなるような比率とされる。これにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒５２に流入した排気ガス中の未燃アンモニアは、ＮＯＸ吸蔵還元触媒５２に流入した排気ガス中のＮＯＸにより全て酸化されると共に、アンモニアと反応せずに残ったＮＯＸはＮＯＸ吸蔵還元触媒５２に吸蔵される。
また、ＮＯＸ吸蔵還元触媒５２に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率をこのように制御すると、ＮＯＸ吸蔵還元触媒５２へのＮＯＸ吸蔵量は徐々に増加していく。ところが、ＮＯＸ吸蔵還元触媒５２に吸蔵可能なＮＯＸの量は限られている。そこで、本実施形態では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒５２へのＮＯＸ吸蔵量が許容最大吸蔵量（ＮＯＸが自然に流出することなくＮＯＸ吸蔵還元触媒５２に吸蔵可能なＮＯＸの最大量）以上になったときには、ＮＯＸ吸蔵還元触媒５２へのＮＯＸ吸蔵量を減少させるべく、ＮＯＸ吸蔵還元触媒５２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を完全浄化比率よりも高くするＮＯＸ離脱処理を実行するようにしている。これにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒５２に流入した排気ガス中に含まれる過剰な未燃アンモニアによりＮＯＸ吸蔵還元触媒５２に吸蔵されていたＮＯＸを還元、浄化することができ、よってＮＯＸ吸蔵還元触媒５２のＮＯＸ吸蔵能力を回復させることができる。
なお、ＮＯＸ吸蔵還元触媒５２を用いた場合であっても、上記第一実施形態から第三実施形態と同様に、ＮＯＸ吸蔵還元触媒５２からアンモニア及びＮＯＸが流出することを抑制すべく、ＮＯＸ吸蔵還元触媒５２に流入する未燃アンモニアの流量が最大浄化可能アンモニア量以下になるように制御されるか、或いはＮＯＸ吸蔵還元触媒５２に流入する未燃アンモニアの流量が最大浄化可能アンモニア量以下になるようにＮＯＸ吸蔵還元触媒５２の温度が制御される。
次に、図１２を参照して本発明の第五実施形態のアンモニア燃焼内燃機関について説明する。図１２に示した本実施形態の内燃機関の構成は、基本的に第一実施形態の内燃機関の構成と同様であり、同様な構成については説明を省略する。
図１２（Ａ）は、第五実施形態のアンモニア燃焼内燃機関の排気系統を概略的に示す図である。図１２（Ａ）に示したように、本実施形態のアンモニア燃焼内燃機関では、上記第一実施形態の排気浄化触媒２２の排気上流側に酸化触媒５５が設けられる。酸化触媒５５としては、流入する排気ガス中の未燃アンモニアをＮＯＸに酸化することができれば、例えば三元触媒等の如何なる触媒を用いてもよい。
このように構成された本実施形態のアンモニア燃焼内燃機関では、燃焼室５から排出された排気ガスはまず酸化触媒５５に流入する。酸化触媒５５に流入した排気ガス中の未燃アンモニアの一部は酸化触媒５５においてＮＯＸに酸化される。したがって、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中には、燃焼室５から排出された排気ガス中のＮＯＸに加えて、酸化触媒５５において生成されたＮＯＸが含まれる。一方、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中には、燃焼室５から排出された排気ガス中の未燃アンモニアから酸化触媒５５において酸化されたアンモニアを減算した量のアンモニアが含まれる。
このように、本実施形態によれば、排気浄化触媒２２の排気上流側に酸化触媒５５を設けることにより、燃焼室５から排出された排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率に対して、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアに対するＮＯＸの比率を高めることができる。これにより、例えば、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率を完全浄化比率にしようとしている場合であっても、燃焼室５から排出される排気ガス中のＮＯＸに対する未燃アンモニアの比率を、完全浄化比率よりも高いものとすることができる。
次に、図１２（Ｂ）を参照して、第五実施形態の第一変形例について説明する。図１２（Ｂ）に示したように、本変形例のアンモニア燃焼内燃機関は、排気管２１から分岐して酸化触媒５５をバイパスするバイパス管（バイパス通路）５６と、排気管２１からのバイパス管５６の分岐部に設けられた流量制御弁５７とを具備する。バイパス管５６は、酸化触媒５５の排気下流側であって排気浄化触媒２２の排気上流側において、排気管２１に合流する。また、流量制御弁５７は、酸化触媒５５及びバイパス管５６に流入する排気ガスの流量を制御することができる。
このように構成されたアンモニア燃焼内燃機関では、流量制御弁５７を制御することにより、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率を制御することができる。すなわち、燃焼室５から排出された排気ガスをバイパス管５６に流入させずに酸化触媒５５に流入させた場合には、上述したように排気ガス中の未燃アンモニアの一部が酸化されてＮＯＸになる。このため、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸの比率は高くなる。一方、燃焼室５から排出された排気ガスをバイパス管５６に流入させた場合には、未燃アンモニアはＮＯＸへと酸化されることなくそのまま排気浄化触媒２２に流入することになる。このため、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率は高い。
そこで、本変形例では、流量制御弁５７により酸化触媒５５に流入する排気ガスの流量と、バイパス管５６に流入する排気ガスの流量とを適切に制御することにより、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率が目標比率（例えば、完全浄化比率）になるようにしている。すなわち、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸの比率が目標比率よりも高い場合には、したがって排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を高くする必要がある場合には、酸化触媒５５に流入する排気ガスの流量を減少させると共にバイパス管５６に流入する排気ガスの流量を増大させる。逆に、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率が目標比率よりも高い場合には、したがって排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸの比率を高くする必要がある場合には、酸化触媒５５に流入する排気ガスの流量を増大させると共にバイパス管５６に流入する排気ガスの流量を減少させる。これにより、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率を目標比率に合わせることができる。
なお、本実施形態では、流量制御弁５７による排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率の制御に加えて、上記第一実施形態等に示したように、内燃機関の点火時期や燃料噴射時期等を制御することによって排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率を制御してもよい。この場合、流量制御弁５７によって排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率を制御することができるように、燃焼室５から排出される排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率は、目標比率よりもアンモニアの比率が高くなるように制御される。
図１３は、第五実施形態の第一変形例における、排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸとアンモニアとの比率を制御する流入比率制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１３に示したように、まずステップＳ５１では、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸの流量ＦＮＯＸと、アンモニアの流量ＦＮＨとが算出される。これらＮＯＸの流量ＦＮＯＸとアンモニアの流量ＦＮＨとは、バイパス管５６の合流部よりも排気下流側であって排気浄化触媒２２の排気上流側に設けられたＮＯＸセンサ及びアンモニアセンサ（図示せず）に基づいて算出されてもよいし、内燃機関の運転状態（例えば、点火時期、燃料噴射時期及び流量制御弁５７の作動位置等）に基づいて算出されてもよい。
次いで、ステップＳ５２では、ステップＳ５１で算出されたＮＯＸの流量ＦＮＯＸと、アンモニアの流量ＦＮＨとに基づいて算出された、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸとアンモニアとの比率ＦＮＯＸ／ＦＮＨが、目標比率Ｒｔｇｔとほぼ同一であるか否かが判定される。ステップＳ５２において、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸとアンモニアとの比率ＦＮＯＸ／ＦＮＨが目標比率Ｒｔｇｔとほぼ同一であると判定された場合には、流量制御弁５７はそのまま維持されて、制御ルーチンが終了せしめられる。
一方、ステップＳ５２において、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸとアンモニアとの比率ＦＮＯＸ／ＦＮＨが目標比率Ｒｔｇｔと同一ではないと判定された場合にはステップＳ５３へと進む。ステップＳ５３では、ＮＯＸとアンモニアとの比率ＦＮＯＸ／ＦＮＨが目標比率Ｒｔｇｔよりも高いか否かが判定される。ステップＳ５３において、ＮＯＸとアンモニアとの比率ＦＮＯＸ／ＦＮＨが目標比率Ｒｔｇｔよりも高いと判定された場合、すなわちＮＯＸの比率が高いと判定された場合には、ステップＳ５４へと進む。ステップＳ５４では、酸化触媒５５に流入する排気ガスの流量が減少するように、流量制御弁５７が制御される。一方、ステップＳ５３において、ＮＯＸとアンモニアとの比率ＦＮＯＸ／ＦＮＨが目標比率よりも低いと判定された場合、すなわちアンモニアの比率が高いと判定された場合には、ステップＳ５５へと進む。ステップＳ５５では、酸化触媒５５に流入する排気ガスの流量が増大するように、流量制御弁５７が制御される。
次に、第五実施形態の第二変形例について説明する。本変形例におけるアンモニア燃焼内燃機関の構成は、基本的に第一変形例における構成と同様である。
ところで、上述したように、排気浄化触媒２２によるアンモニア及びＮＯＸの浄化能力は限られている。例えば、排気浄化触媒２２としてＮＯＸ選択還元触媒を用いた場合、排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸの流量が最大浄化可能ＮＯＸ量を超えると、排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸの一部は排気浄化触媒２２で浄化されずに排気浄化触媒２２の下流に流出してしまう。
ここで、上述したように、燃焼室５から排出された排気ガスを酸化触媒５５に流入させると、酸化触媒５５に流入した排気ガス中の未燃アンモニアの一部がＮＯＸへと酸化される。このため、燃焼室５から排出された排気ガス中のＮＯＸの流量が排気浄化触媒２２の最大浄化可能ＮＯＸ量よりも多い場合、又は最大浄化可能ＮＯＸ量よりも僅かに少ない場合に排気ガスを酸化触媒５５に流入させると、酸化触媒５５において未燃アンモニアがＮＯＸへと酸化されるため、排気浄化触媒２２では単位時間当たりに浄化することができないほど多量のＮＯＸが排気浄化触媒２２に流入してしまうことになる。
そこで、本変形例では、少なくとも燃焼室５から排出された排気ガス中のＮＯＸの流量が排気浄化触媒２２の最大浄化可能ＮＯＸ量よりも多いときには、全ての排気ガスを酸化触媒５５に流入させずにバイパス管５６に流入させるようにしている。これにより、最大浄化可能ＮＯＸ量よりも遙かに多いＮＯＸが排気浄化触媒２２に流入してしまうことが抑制され、燃焼室５から多量のＮＯＸが排出された場合であってもほとんどのＮＯＸを排気浄化触媒２２で浄化することができるようになる。
次に、図１４を参照して本発明の第六実施形態のアンモニア燃焼内燃機関について説明する。図１４に示した本実施形態の内燃機関の構成は、基本的に第一実施形態の内燃機関の構成と同様であり、同様な構成については説明を省略する。
図１４から分かるように、本実施形態のアンモニア燃焼内燃機関は、直列４気筒の内燃機関であり、この内燃機関の気筒は＃１、＃２、＃３、＃４の順に並んでいる。このうち、本実施形態では、＃１気筒と＃４気筒において混合気の空燃比をリッチにすると共に、＃２気筒と＃３気筒において混合気の空燃比をリーンにするようにしている。すなわち、本実施形態では、内燃機関の複数の気筒のうち、一部の気筒では混合気の空燃比をリッチにすると共に、他の気筒では混合気の空燃比をリーンにすることとしている。
一般に、内燃機関の気筒内の混合気の空燃比をリッチにすると燃焼室５から排出される排気ガス中にはＮＯＸよりも未燃アンモニアが多く含まれることになる。特に、混合気の空燃比のリッチ度合いを高くするほど（すなわち、空燃比を低くするほど）、燃焼室５から排出される排気ガス中に含まれる未燃アンモニアの量が多くなる。逆に、内燃機関の気筒内の混合気の空燃比をリーンにすると燃焼室５から排出される排気ガス中には未燃アンモニアよりもＮＯＸが多く含まれることになる。
したがって、本実施形態によれば、混合気の空燃比がリッチとなる気筒（＃１気筒及び＃４気筒）における混合気のリッチ度合いと、混合気の空燃比がリーンとなる気筒（＃２気筒及び＃３気筒）における混合気のリーン度合いとを適切に調整することで、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸと未燃アンモニアとの比率を目標比率（例えば、完全浄化比率）に制御することができる。
具体的には、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸの比率が目標比率よりも高いとき、すなわち排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率を高くすべきときには、＃１気筒及び＃４気筒における混合気のリッチ度合いが高くされると共に、＃２気筒及び＃３気筒における混合気のリーン度合いが低くされる。一方、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの比率が目標比率よりも高いとき、すなわち排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸの比率を高くすべきときには、＃１気筒及び＃４気筒における混合気のリッチ度合いが低くされると共に、＃２気筒及び＃３気筒における混合気のリーン度合いが高くされる。
図１５は、第六実施形態における排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸとアンモニアとの比率を制御する流入比率制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１５のステップＳ６１〜Ｓ６３は、図１３のステップＳ５１〜Ｓ５３と同様であるため、説明を省略する。ステップＳ６３において、ＮＯＸとアンモニアとの比率ＦＮＯＸ／ＦＮＨが目標比率Ｒｔｇｔよりも高いと判定された場合、すなわちＮＯＸの比率が高いと判定された場合には、ステップＳ６４へと進む。ステップＳ６４では、混合気の空燃比がリッチとなる気筒における混合気のリッチ度合いが高くされると共に、混合気の空燃比がリーンとなる気筒における混合気のリーン度合いが低くされる。一方、ステップＳ６３において、ＮＯＸとアンモニアとの比率ＦＮＯＸ／ＦＮＨが目標比率よりも低いと判定された場合、すなわちアンモニアの比率が高いと判定された場合には、ステップＳ６５へと進む。ステップＳ６５では、混合気の空燃比がリッチとなる気筒における混合気のリッチ度合いが低くされると共に、混合気の空燃比がリーンとなる気筒における混合気のリーン度合いが高くされる。
なお、上記実施形態では、直列４気筒の内燃機関を例として示したが、複数の気筒を有する内燃機関であれば、何気筒の内燃機関であってもよく、またＶ型内燃機関や水平対向型内燃機関等であってもよい。
次に、図１６を参照して本発明の第七実施形態のアンモニア燃焼内燃機関について説明する。図１６に示した本実施形態の内燃機関の構成は、基本的に第一実施形態の内燃機関の構成と同様であり、同様な構成については説明を省略する。
図１６に示したように、本実施形態では、排気浄化触媒２２の排気上流側の排気管２１に、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中にアンモニアを添加するアンモニア添加装置６０が設けられる。アンモニア添加装置６０は、アンモニア供給管２９から分岐した添加装置供給管６１に連結される。特に、図１６に示した実施形態では、アンモニア添加装置６０は、排気浄化触媒２２に向けて高い噴射圧で液状アンモニアを噴射する。これにより、アンモニア添加装置６０から少量の液状アンモニアのみが噴射される場合であっても、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中にアンモニアを分散させることができる。
なお、排気ターボチャージャを有する内燃機関では、排気タービンよりも排気上流側にアンモニア添加装置６０を設け、高温の排気ガス中に液状アンモニアを噴射するようにしてもよい。この場合、排気ガスの熱により液状アンモニアを効果的に気化させることができるようになる。
このように構成されたアンモニア燃焼内燃機関では、アンモニア添加装置６０からのアンモニア添加量を制御することにより、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸとアンモニアとの比率を制御することができる。すなわち、アンモニア添加装置６０からのアンモニア添加量を増大させると、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のアンモニアの比率を高くすることができ、逆に、アンモニア添加装置６０からのアンモニア添加量を減少させると、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のアンモニアの比率を低くすることができる。
そこで、本実施形態では、燃焼室５から排出される排気ガス中のＮＯＸの比率が目標比率よりも高くなるように内燃機関を制御すると共に、アンモニア添加装置６０からのアンモニア添加量を制御することにより、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸとアンモニアとの比率を目標比率となるようにしている。すなわち、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸの比率が目標比率よりも高い場合には、したがって排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のアンモニアの比率を高くする必要がある場合には、アンモニア添加装置６０からのアンモニア添加量を増大させる。逆に、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のアンモニアの比率が目標比率よりも高い場合には、したがって排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸの比率を高くする必要がある場合には、アンモニア添加装置６０からのアンモニア添加量を減少させる。これにより、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸとアンモニアとの比率を目標比率に合わせることができる。
なお、本実施形態では、アンモニア添加装置６０は排気ガス中に液状アンモニアを添加することとしている。しかしながら、アンモニア添加装置６０は、排気ガス中にガス状アンモニアを添加するように構成されてもよい。この場合、添加装置供給管６０は、燃料タンク１４内のガス状アンモニアのみが添加装置供給管６１内に流入するように、燃料タンク１４の上部に連結される。或いは、添加装置供給管６１にはアンモニア添加装置６０に供給されるアンモニアを気化するための気化器が設けられる。また、このようにアンモニア添加装置６０からガス状アンモニアを添加することにより、排気浄化触媒２２に流入する排気ガスの温度がアンモニアの気化潜熱によって低下してしまうのを抑制することができる。
次に、図１７を参照して、第七実施形態の変形例について説明する。図１７に示した変形例では、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中にアンモニアを添加するアンモニア添加装置が二つ設けられる。一方のアンモニア添加装置６０ａは排気浄化触媒２２に向けて液状アンモニアを噴射可能であり（以下、「液状アンモニア添加装置」という）、アンモニア供給管２９から分岐した添加装置供給管６１ａに連結される。他方のアンモニア添加装置６０ｂは排気浄化触媒２２に向けてガス状アンモニアを噴射可能であり（以下、「ガス状アンモニア添加装置」という）、燃料タタンク１４の上部に連結された添加装置供給管６１ｂに連結される。
このように構成された本変形例のアンモニア燃焼内燃機関では、上記第七実施形態のアンモニア燃焼内燃機関と同様に、排気浄化触媒２２に流入する排気ガス中のＮＯＸとアンモニアとの比率が目標比率となるようにアンモニア添加装置６０ａ、６０ｂからのアンモニアの添加が行われる。本実施形態では、排気ガスへのアンモニアの添加は、アンモニアの気化潜熱により排気浄化触媒２２の温度が活性温度以下に低下してしまうことのないように、基本的にガス状アンモニア添加装置６０ｂから行われる。
しかしながら、例えば機関高負荷運転状態が続くと、排気浄化触媒２２には高温の排気ガスが流入し続けることになり、これに伴って排気浄化触媒２２の温度も上昇する。ところが、排気浄化触媒２２では、その温度が触媒劣化温度を超えると、触媒の劣化を招いてしまう。そこで、本変形例では、排気浄化触媒２２の温度が触媒劣化温度を超えることのないように、排気浄化触媒２２の温度が触媒劣化温度近傍の上限温度よりも高くなった場合には、すなわち排気浄化触媒２２の温度を低下させるべきときには、排気ガスへのアンモニアの添加を液状アンモニア添加装置６０ａから行うこととしている。このように液状アンモニア添加装置６０ａからアンモニアの添加を行うと、液状アンモニア添加装置６０ａから添加されたアンモニアの気化潜熱により、排気浄化触媒２２に流入する排気ガスの温度が低下せしめられる。
このように、本変形例によれば、排気浄化触媒２２の温度に応じて、アンモニア添加装置６０ａ、６０ｂから排気ガス中に添加するアンモニアを液体と気体との間で切り替えることにより、排気浄化触媒２２の温度を活性温度以上であって触媒劣化温度以下に維持することができるようになる。
図１８は、第七実施形態における排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸとアンモニアとの比率を制御する流入比率制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１８のステップＳ７１〜Ｓ７３は、図１３のステップＳ５１〜Ｓ５３と同様であるため、説明を省略する。ステップＳ７３において、ＮＯＸとアンモニアとの比率ＦＮＯＸ／ＦＮＨが目標比率Ｒｔｇｔよりも高いと判定された場合、すなわちＮＯＸの比率が高いと判定された場合には、ステップＳ７４へと進む。ステップＳ７４では、アンモニア添加装置６０からのアンモニア添加量が増量せしめられる。一方、ステップＳ７３において、ＮＯＸとアンモニアとの比率ＦＮＯＸ／ＦＮＨが目標比率よりも低いと判定された場合、すなわちアンモニアの比率が高いと判定された場合には、ステップＳ７５へと進む。ステップＳ７５では、アンモニア添加装置６０からのアンモニア添加量が減量せしめられる。
次いで、ステップＳ７６では、排気浄化触媒２２の温度Ｔｃａｔが上限温度Ｔｃａｔｍａｘよりも高いか否かが判定される。排気浄化触媒２２の温度Ｔｃａｔが上限温度Ｔｃａｔｍａｘよりも高いと判定された場合には、ステップＳ７７へと進む。ステップＳ７７では、ステップＳ７４又はＳ７４で調整された添加量のアンモニアが液状アンモニア添加装置６０ａから添加される。一方、排気浄化触媒２２の温度Ｔｃａｔが上限温度Ｔｃａｔｍａｘ以下であると判定された場合には、ステップＳ７４又はＳ７４で調整された添加量のアンモニアがガス状アンモニア添加装置６０ｂから添加される。
次に、図１９を参照して本発明の第八実施形態のアンモニア燃焼内燃機関について説明する。本実施形態のアンモニア燃焼内燃機関の構成は基本的に図１２（Ａ）に示した第五実施形態のアンモニア燃焼内燃機関の構成と同様であり、同様な構成については説明を省略する。
図１９に示したように、本実施形態のアンモニア燃焼内燃機関では、排気浄化触媒としてＮＯＸ選択還元触媒５０が設けられると共に、ＮＯＸ選択還元触媒５０の排気上流側に三元触媒６５が設けられる。また、本実施形態の内燃機関では、通常運転時に、ポンピング損失を低減すべく、混合気の空燃比がリーンになるように制御される。したがって、本実施形態の内燃機関では、通常運転時において、上記第二実施形態のアンモニア燃焼内燃機関と同様に、ＮＯＸ選択還元触媒５０に流入する排気ガス中のＮＯＸとアンモニアとの比率（特に、本実施形態では燃焼室５から排出される排気ガス中のＮＯＸとアンモニアとの比率）が完全浄化比率よりもＮＯＸの多い比率となるように制御される。
ところで、内燃機関の冷間始動時等には、ＮＯＸ選択還元触媒５０の温度が低く、ＮＯＸ選択還元触媒５０によるＮＯＸ及びアンモニアの浄化能力が低下している。このようにＮＯＸ選択還元触媒５０の浄化能力が低下している状況下においてＮＯＸ選択還元触媒５０にＮＯＸ及びアンモニアが流入しても、これらＮＯＸ及びアンモニアは互いに反応せずにＮＯＸ選択還元触媒５０から流出してしまう。したがって、ＮＯＸ選択還元触媒５０の浄化能力が低下しているときには、ＮＯＸ選択還元触媒５０にＮＯＸ及びアンモニアができるだけ流入しないようにすることが必要である。
一方、三元触媒６５は排気マニホルド２０の直ぐ下流側に設けられることから、内燃機関の冷間始動時等であっても三元触媒６５の温度は直ぐに上昇する。したがって、内燃機関の冷間始動時等には、ＮＯＸ選択還元触媒５０の浄化能力が或る程度の時間に亘って低くなっているのに対して、三元触媒６５の浄化能力は内燃機関の始動後直ぐに高められる。そこで、本実施形態では、内燃機関の冷間始動時等、ＮＯＸ選択還元触媒５０の浄化能力が低下しているときには、燃焼室５から排出された排気ガス中のＮＯＸ及びアンモニアを三元触媒６５によって浄化するようにしている。
具体的には、本実施形態の内燃機関では、上述したように通常運転時には混合気の空燃比がリーンになるように吸入空気量や燃料噴射量等を制御しているのに対して、ＮＯＸ選択還元触媒５０の浄化能力が予め定められた浄化能力より低いとき（例えば、ＮＯＸ選択還元触媒５０の温度がその活性温度よりも低いとき）には、混合気の空燃比が理論空燃比になるように吸入空気量や燃料噴射量等を制御することとしている。このように、混合気の空燃比を理論空燃比にすることにより、燃焼室５から排出された排気ガス中のＮＯＸ及びアンモニアを三元触媒６５において浄化し易くなる。したがって、ＮＯＸ選択還元触媒５０の浄化能力が低いときであっても、排気ガス中のＮＯＸ及びアンモニアを効果的に浄化することができる。
或いは、本実施形態の内燃機関では、上述したように本実施形態では通常運転時には燃焼室５から排出される排気ガス中のＮＯＸとアンモニアとの比率が完全浄化比率よりもＮＯＸの多い比率となるように制御されているのに対して、ＮＯＸ選択還元触媒５０の浄化能力が予め定められた浄化能力よりも低いときには、本実施形態では燃焼室５から排出される排気ガス中のＮＯＸとアンモニアとの比率が完全浄化比率になるように内燃機関を制御するようにしてもよい。このように、本実施形態では燃焼室５から排出される排気ガス中のＮＯＸとアンモニアとの比率を完全浄化比率とすることによっても、燃焼室５から排出された排気ガス中のＮＯＸ及びアンモニアを三元触媒６５において浄化し易くなる。このため、ＮＯＸ選択還元触媒５０の浄化能力が低いときであっても、排気ガス中のＮＯＸ及びアンモニアを効果的に浄化することができる。
なお、上記実施形態では、通常運転時に、混合気の空燃比がリーンとなるように且つ燃焼室５から排出される排気ガス中のＮＯＸとアンモニアとの比率が完全浄化比率よりもＮＯＸの多い比率となるように制御している場合を示しているが、通常運転時に、混合気の空燃比がリッチとなるように且つ燃焼室５から排出される排気ガス中のＮＯＸとアンモニアとの比率が完全浄化比率よりもアンモニアの多い比率となるように制御している場合にも適用可能である。
また、上記実施形態では、ＮＯＸ選択還元触媒５０の浄化能力が低下するときとして、ＮＯＸ選択還元触媒５０の温度が低い場合を示しているが、例えば経年劣化等によりＮＯＸ選択還元触媒５０の浄化能力が低下した場合にも適用可能である。
さらに、例えば、機関排気通路に設けられたＮＯＸセンサやアンモニアセンサ等が故障すること等により、燃焼室５から排出される排気ガス中のＮＯＸとアンモニアとの比率を適切に制御することができない場合に、混合気の空燃比を理論空燃比にするように制御してもよい。このように混合気の空燃比を理論空燃比になるように制御することにより、燃焼室５から排出される排気ガス中のＮＯＸとアンモニアとの比率を適切に制御することができない場合であっても、燃焼室５から排出された排気ガス中のＮＯＸ及びアンモニアの両方を或る程度適切に浄化することができるようになる。
次に、第八実施形態の第一変形例について説明する。本変形例における排気浄化系統の構成は、図１９に示したような第八実施形態の排気浄化系統の構成の他、図１等に示したような他の排気浄化系統の構成であってもよい。以下では、図１に示したアンモニア燃焼内燃機関に本変形例を適用した場合を例にとって説明する。
ところで、上述したように、内燃機関の冷間始動時等、排気浄化触媒２２の浄化能力が低下している場合には、排気浄化触媒２２にＮＯＸ及びアンモニアが流入しても、これらＮＯＸ及びアンモニアは浄化されずに排気浄化触媒２２から流出してしまう。したがって、排気浄化触媒２２の浄化能力が低下している場合には、排気浄化触媒２２に流入するＮＯＸ及びアンモニアの流量を減少させることが必要である。
ここで、図３に示したように、アンモニアに加えて非アンモニア燃料を燃焼室５内に供給した場合、燃焼室５内に供給される燃料（アンモニアと非アンモニア燃料）のうち非アンモニア燃料の比率が増大すると、その分、燃焼室５内に供給されるアンモニアの量が減少せしめられる。このように、燃焼室５内に供給されるアンモニアの量が減少せしめられると、それに伴って燃焼室５から排出される未燃アンモニアの量も減少せしめられると共に、燃焼室５内でアンモニアの燃焼に伴うＮＯＸの発生量が減少せしめられることから、燃焼室５から排出されるＮＯＸの量も減少せしめられる。したがって、燃焼室５内に供給される燃料のうち非アンモニア燃料の比率が増大すると、燃焼室５から排出される未燃アンモニア及びＮＯＸの量が減少せしめられる。
そこで、本変形例では、排気浄化触媒２２の浄化能力が予め定められた浄化能力よりも低下している場合には、排気浄化触媒２２の浄化能力が上記予め定められた浄化能力よりも高い場合に比べて、燃焼室５内に供給される燃料のうちアンモニアの比率を低くすることとしている。これにより、燃焼室５から排出される未燃アンモニア及びＮＯＸの量が減少せしめられるため、排気浄化触媒２２の浄化能力が低い場合であっても、排気浄化触媒２２から未燃アンモニア及びＮＯＸが多量に流出するのを抑制することができる。
なお、本変形例と上記第八実施形態とを組み合わせて、排気浄化触媒２２の浄化能力が予め定められた浄化能力よりも低下している場合には、燃焼室５内に供給される燃料のうちアンモニアの比率を低くすると共に、燃焼室５内の混合気の空燃比が理論空燃比になるように内燃機関を制御してもよい。
また、本変形例では、排気浄化触媒２２の浄化能力を排気浄化触媒２２の温度、排気浄化触媒２２の劣化度合い等に基づいて判定することとしている。例えば、排気浄化触媒２２に流入する排気ガスの温度がその活性温度よりも低い場合や、排気浄化触媒２２の劣化度合いが所定の劣化度合いよりも高い場合に、排気浄化触媒２２の浄化能力が予め定められた浄化能力よりも低いと判定される。
次に、第八実施形態の第二変形例について説明する。本変形例における排気浄化系統の構成も、図１９に示したような第八実施形態の排気浄化系統の構成の他、図１等に示したような他の排気浄化系統の構成であってもよい。以下では、図１に示したアンモニア燃焼内燃機関に本変形例を適用した場合を例にとって説明する。
ここで、図３に示した例では、非アンモニア燃料を噴射する非アンモニア燃料噴射弁４５は吸気ポート内に向けて燃料を噴射しているが、燃焼室５内に直接アンモニア燃料を噴射することができるように非アンモニア燃料噴射弁を配置することも可能である。斯かる非アンモニア燃料噴射弁から膨張行程において燃焼室５内に非アンモニア燃料の噴射を行うと、噴射された非アンモニア燃料は膨張している燃焼室５内で燃焼し、これに伴って燃焼室５内の燃焼ガスが高温になる。このように燃焼ガスが高温になると、燃焼ガス中に含まれていたアンモニアが酸化されて窒素になると共に、燃焼ガス中に含まれていたＮＯＸがアンモニアと反応して窒素に還元される。したがって、膨張行程において燃焼室５内に非アンモニア燃料を噴射することにより、燃焼室５から排出されるＮＯＸ及びアンモニアの量を減少させることができる。
そこで、本変形例では、排気浄化触媒２２の浄化能力が予め定められた浄化能力よりも低下している場合（例えば、排気浄化触媒２２の温度が所定の活性温度よりも低い場合）には、膨張行程において燃焼室５内に非アンモニア燃料を噴射することとしている。これにより、燃焼室５から排出される未燃アンモニア及びＮＯＸの量が減少せしめられるため、排気浄化触媒２２の浄化能力が低い場合であっても、排気浄化触媒２２から未燃アンモニア及びＮＯＸが多量に流出するのを抑制することができる。
次に、図２０を参照して第八実施形態の第三変形例について説明する。本変形例におけるアンモニア燃焼内燃機関の構成は、基本的に上記実施形態及び上記変形例におけるアンモニア燃焼内燃機関の構成と同様であり、同様な構成については説明を省略する。
図２０に示したように、本変形例のアンモニア燃焼内燃機関では、排気浄化触媒２２に排気浄化触媒２２を加熱可能な電気ヒータ６６が設けられる。図２０に示した電気ヒータ６６は排気浄化触媒２２を直接加熱することができるが、この電気ヒータ６６の代わりに排気浄化触媒２２に流入する排気ガスを加熱してこの排気ガスにより排気浄化触媒２２を間接的に加熱する電気ヒータを用いてもよい。
このように構成された本変形例のアンモニア燃焼内燃機関では、機関冷間始動時等、排気浄化触媒２２の温度がその活性温度よりも低い場合には、電気ヒータ６６により排気浄化触媒２２が加熱・昇温せしめられる。これにより、内燃機関の冷間始動等、排気浄化触媒２２の温度が低い場合に、排気浄化触媒２２を早期にその活性温度にまで昇温させることができ、よって排気浄化触媒２２の温度がその活性温度よりも低い期間、すなわち排気浄化触媒２２の浄化能力が低い期間を短くすることができる。
また、本変形例では、排気浄化触媒２２の温度がその活性温度よりも低い間には、電気ヒータ６６により排気浄化触媒２２の加熱・昇温を行うことに加えて、上記第一変形例又は第二変形例に示したように、燃焼室５内に供給される燃料のうちアンモニアの比率を低くするか、又は膨張行程において燃焼室５内に非アンモニア燃料を噴射するか、或いはその両方を実行することとしている。これにより、排気浄化触媒２２の温度が所定の活性温度よりも低い期間を短くすることができると共に、排気浄化触媒２２の温度が所定の活性温度よりも低い間に排気浄化触媒２２から未燃アンモニア及びＮＯＸが流出するのを抑制することができる。
或いは、アンモニア燃焼内燃機関を搭載した車両が、アンモニア燃焼内燃機関とモータ（図示せず）とによって駆動されるハイブリッド車両である場合には、排気浄化触媒２２の温度が所定の活性温度よりも低い間には、電気ヒータ６６により排気浄化触媒２２の加熱・昇温を行うことに加えて、当該車両がモータにより走行せしめられる。これにより、排気浄化触媒２２の温度が所定の活性温度よりも低い期間を短くすることができると共に、排気浄化触媒２２の温度がその活性温度よりも低い間に排気浄化触媒２２には排気ガスが流れず、よって排気浄化触媒２２から未燃アンモニア及びＮＯＸが流出するのを防止することができる。
次に、図２１を参照して本発明の第九実施形態のアンモニア燃焼内燃機関について説明する。図２１に示した本実施形態の内燃機関の構成は、基本的に第一実施形態の内燃機関の構成と同様であり、同様な構成については説明を省略する。
図２１に示したように、本実施形態のアンモニア燃焼内燃機関は、排気管２１から分岐するバイパス管７０と、バイパス管７０に配置されたアンモニア吸着材７１と、排気管２１からバイパス管７０への分岐部に設けられた流量制御弁７２とを具備する。バイパス管７０は、排気浄化触媒２２の排気上流側において、排気管２１に合流する。また、流量制御弁７２は、排気管２１をそのまま流れる排気ガスの流量と、バイパス管７０に流入する（すなわち、アンモニア吸着材７１に流入する）排気ガスの流量とを制御することができる。アンモニア吸着材７１は、その温度が低いときには流入する排気ガス中のアンモニアを吸着すると共に、その温度が高くなると吸着しているアンモニアを離脱させ放出する。斯かるアンモニア吸着材７１としては、例えば、表面積が大きなゼオライト、多孔質セラミックス、活性炭等が用いられる。
ところで、上述したように、内燃機関の冷間始動時には、排気浄化触媒２２が活性化しておらず、よって排気浄化触媒２２に未燃アンモニアが流入しても排気浄化触媒２２において浄化することができない。そこで、本実施形態では、排気浄化触媒２２の温度がその活性温度よりも低い場合には、燃焼室５から排出された全ての排気ガスがアンモニア吸着材７１に流入するように、流量制御弁７２を制御することとしている。このとき、アンモニア吸着材７１の温度は比較的低いため、燃焼室５から排出された排気ガス中のアンモニアはアンモニア吸着材７１に吸着さる。これにより、内燃機関の冷間始動時であっても、排気ガス中のアンモニアを除去することができる。
その後、排気浄化触媒２２の温度がその活性温度以上になった後には、燃焼室５から排出された排気ガスの一部がアンモニア吸着材７１に流入し、残りがそのまま排気管２１を流通するように、流量制御弁７２を制御することとしている。これにより、比較的高温の排気ガスがアンモニア吸着材７１に流入することになり、この排気ガスの熱によりアンモニア吸着材７１の温度が上昇せしめられる。このように、アンモニア吸着材７１の温度が上昇すると、アンモニア吸着材７１に吸着されていたアンモニアが離脱せしめられる。アンモニア吸着材７１から離脱したアンモニアは、活性化されている排気浄化触媒２２によって浄化せしめられる。
このようにアンモニア吸着材７１に吸着されていたアンモニアは徐々に離脱せしめられ、ついにはアンモニア吸着材７１へのアンモニアの吸着量がほぼ零になる。本実施形態では、アンモニア吸着材７１へのアンモニアの吸着量がほぼ零になると、燃焼室５から排出された全ての排気ガスがアンモニア吸着材７１に流入せずにそのまま排気管２１を流通するように、流量制御弁７２が制御される。これにより、高温の排気ガスはアンモニア吸着材７１には流入しなくなり、よってアンモニア吸着材７１が熱により劣化するのが抑制される。また、このときのアンモニア吸着材７１へのアンモニアの吸着量はほぼ零となっているため、次に内燃機関が冷間始動されるときにアンモニア吸着材７１にアンモニアを多量に吸着させることができるようになる。
したがって、本実施形態では、内燃機関の冷間始動時には機関本体から排出された排気ガスがバイパス通路に流入するように流量制御弁が制御され、排気浄化触媒が活性温度以上となった後には機関本体から排出された排気ガスの一部がバイパス通路に流入するように流量制御弁が制御されると共に、該アンモニア吸着材に吸着されたアンモニアの量が一定量以下に減少した後には機関本体から排出された排気ガスが全て機関排気通路を流通するように流量制御弁が制御される。
次に、図２２を参照して本発明の第十実施形態のアンモニア燃焼内燃機関について説明する。図２２に示した本実施形態の内燃機関の構成は、基本的に第一実施形態の内燃機関の構成と同様であり、同様な構成については説明を省略する。
図２２（Ａ）に示したように、本実施形態のアンモニア燃焼内燃機関は、排気管２１に設けられた保持器７３を具備する。保持器７３は、排気浄化触媒２２の排気上流側に設けられると共に、保持器７３内には、金属メッシュ又は金属綿が配置される。保持器７３は、排気ガス中に含まれる水蒸気から凝縮した凝縮水を貯留するために用いられる。
このように構成された保持器７３では、内燃機関の冷間始動時等、排気管２１内を流通する排気ガスの温度が低いときには、燃焼室５内でのアンモニアの燃焼によって生じる水蒸気が排気管２１内で凝縮し、水となる。このように排気管２１内で生成された凝縮水は、保持器７３に流入し、保持器７３内に保持される。この凝縮水は排気管２１内を流れる排気ガスに曝されるように保持器７３内に保持される。また、内燃機関の冷間始動時等には、燃焼室５から排出される排気ガス中に未燃アンモニアが含まれる場合がある。一般にアンモニアは水に溶けやすいことから、保持器７３上を通過する排気ガス中に含まれるアンモニアは保持器７３内に保持された凝縮水内に捕獲され、アンモニア水として保持器７３内に保持されることになる。
保持器７３内に保持されたアンモニア水は、内燃機関の暖気後（すなわち、排気浄化触媒２２が活性温度以上になった後）、排気管２１内を流れる排気ガスの温度が高くなると蒸発せしめられる。この場合、まずアンモニア水中のアンモニアが蒸発せしめられると共に、その後、水が蒸発せしめられる。このようにして蒸発せしめられたアンモニアは、排気浄化触媒２２によって酸化・浄化されると共に、蒸発せしめられた水はそのまま大気中に放出されることになる。
このように、本実施形態によれば、機関排気通路内に排気ガス中に含まれる水蒸気から凝縮した凝縮水を保持するための保持器を設けることにより、内燃機関の冷間始動時に排気ガス中の水とアンモニアを保持器に保持することで、排気ガス中のアンモニアを除去することができる。また、排気浄化触媒２２が活性温度以上となった後に保持器内に保持されているアンモニアを排気浄化触媒２２で浄化することができる。
次に、図２１（Ｂ）を参照して、本発明の第十実施形態の変形例について説明する。図２１（Ｂ）に示したように、本変形例では、保持器７３が排気浄化触媒２２の排気下流側において排気管２１に設けられる。また、保持器７３は、凝縮液供給管７４を介してサージタンク１２に連結される。凝縮液供給管７４内には凝縮液供給管７４内を流れるアンモニア水を遮断可能な遮断弁７５を具備する。
このように構成された保持器７３では、排気管２１内を流通する排気ガスの温度が低いときには、上記実施形態と同様に排気ガス中の水蒸気及びアンモニアが補角されてアンモニア水として保持器７３内に保持されることになる。
その後、内燃機関の暖機が完了して、排気浄化触媒２２の温度が活性温度以上になると、遮断弁７５が開弁せしめられる。遮断弁７５が開弁せしめられると、サージタンク１２内の負圧により、凝縮液供給管７４を介して保持器７３内に貯留されていた凝縮液（アンモニア水）がサージタンク１２内に供給される。サージタンク１２内に吸引せしめられた凝縮液は、吸気ガスと共に燃焼室５内に供給され、燃焼せしめられる。
このように、本実施形態によれば、凝縮液供給管７４を介して保持器７３内の凝縮液を機関吸気通路内に供給することにより、保持器７３内に保持された凝縮液を内燃機関の燃焼室５で燃焼させることができるようになる。これにより、保持器７３を排気浄化触媒２２の排気下流側に配置することができるようになり、排気浄化触媒２２から流出した排気ガス中のアンモニアを除去することができるようになる。
なお、本発明について特定の実施形態に基づいて詳述しているが、当業者であれば本発明の請求の範囲及び思想から逸脱することなく、様々な変更、修正等が可能である。
【符号の説明】
【０００８】
１    機関本体
５    燃焼室
８    吸気ポート
１２    サージタンク
１４    燃料タンク
２１    排気管
２２    排気浄化触媒
２３    温度センサ
２４    アンモニアセンサ
２５    ＮＯＸセンサ
【図１】
0005408345.tif 000002
【図２】
0005408345.tif 000003
【図３】
0005408345.tif 000004
【図４】
0005408345.tif 000005
【図５】
0005408345.tif 000006
【図６】
0005408345.tif 000007
【図７】
0005408345.tif 000008
【図８】
0005408345.tif 000009
【図９】
0005408345.tif 000010
【図１０】
0005408345.tif 000011
【図１１】
0005408345.tif 000012
【図１２】
0005408345.tif 000013
【図１３】
0005408345.tif 000014
【図１４】
0005408345.tif 000015
【図１５】
0005408345.tif 000016
【図１６】
0005408345.tif 000017
【図１７】
0005408345.tif 000018
【図１８】
0005408345.tif 000019
【図１９】
0005408345.tif 000020
【図２０】
0005408345.tif 000021
【図２１】
0005408345.tif 000022
【図２２】
0005408345.tif 000023