▶ 株式会社日本自動車部品総合研究所の特許一覧 ▶ 株式会社デンソーの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-09-21
(45)【発行日】2023-09-29
(54)【発明の名称】水素燃料エンジンの排気浄化システム
(51)【国際特許分類】
F01N 3/08 20060101AFI20230922BHJP
F01N 3/24 20060101ALI20230922BHJP
F01N 3/34 20060101ALI20230922BHJP
F02D 19/02 20060101ALI20230922BHJP
F02M 21/02 20060101ALI20230922BHJP
B01D 53/94 20060101ALI20230922BHJP
【ＦＩ】
F01N3/08 B
F01N3/24 C
F01N3/34 F
F02D19/02 B
F02M21/02 G
B01D53/94 222
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2020103018
(22)【出願日】2020-06-15
(65)【公開番号】P2021195905
(43)【公開日】2021-12-27
【審査請求日】2023-03-08
(73)【特許権者】
【識別番号】000004695
【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】110000648
【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】竹本 翔一
(72)【発明者】
【氏名】武並 進
(72)【発明者】
【氏名】松井 良彦
(72)【発明者】
【氏名】藤野 友基
【審査官】畔津 圭介
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－９６３４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－１６７８５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平２－１４０４１２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０１Ｎ ３／００
Ｆ０２Ｄ １９／０２
Ｆ０２Ｍ ２１／０２
Ｂ０１Ｄ ５３／９４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
水素を燃料として用いる水素燃料エンジン（２）の排気管（３）に構成され、前記排気管内に配置され、窒素酸化物を還元する性質を有するとともに、前記水素燃料エンジンから前記排気管に排気される水素及び窒素酸化物を用いてアンモニアを生成する性質を有する第１触媒（３１）と、
前記排気管内における、前記第１触媒よりも排気ガス（Ｇ）の流れの下流側の位置に配置され、前記第１触媒から流れ込むアンモニアを吸着する性質を有するとともに、アンモニアを用いて窒素酸化物を還元する性質を有する第２触媒（３２）と、
前記水素燃料エンジンにおける、水素の質量に対する燃焼用空気の質量の比である空燃比を調整する空燃比制御部（５１）、前記第２触媒に吸着されたアンモニアの量をアンモニア吸着量として推定するアンモニア検知部（５２）、前記第２触媒の温度を推定又は測定する温度検知部（５５）、及び前記温度検知部による前記第２触媒の温度が高くなるほど、前記第２触媒に吸着可能なアンモニアの量を示す吸着上限容量が小さくなる関係が設定された関係設定部（５６）を有するエンジン制御装置（５）と、を備え、
前記空燃比制御部は、
空燃比制御時における前記温度検知部による前記第２触媒の温度を前記関係設定部に照合して、当該温度における前記吸着上限容量を制御上限量とし、前記アンモニア検知部による前記アンモニア吸着量が前記制御上限量になるまで、前記水素燃料エンジンにおける前記空燃比を、前記水素と前記燃焼用空気中の酸素とが過不足なく燃焼する理論空燃比又は前記理論空燃比よりも水素リッチ側の空燃比にして、前記排気管に排気される水素及び窒素酸化物を用いて前記第１触媒において生成されたアンモニアを前記第２触媒に吸着する水素リッチ制御と、
前記アンモニア検知部による前記アンモニア吸着量が前記制御上限量を超えたときに、前記水素燃料エンジンにおける前記空燃比を、前記理論空燃比よりも水素リーン側の空燃比にして、前記第１触媒を通過する窒素酸化物を前記第２触媒に吸着されたアンモニアによって還元する水素リーン制御と、を交互に繰り返し行うよう構成されている、水素燃料エンジンの排気浄化システム（１）。
【請求項2】
前記空燃比制御部は、前記アンモニア検知部による前記アンモニア吸着量が前記制御上限量を超えたときに、規定の切換期間中だけ前記水素リーン制御を行うよう構成されている、請求項１に記載の水素燃料エンジンの排気浄化システム。
【請求項3】
前記エンジン制御装置は、前記第１触媒を通過する窒素酸化物の量を窒素酸化物通過量として推定する窒素酸化物検知部（５３）をさらに有し、前記空燃比制御部は、前記アンモニア検知部による前記アンモニア吸着量が前記制御上限量を超えてから、前記窒素酸化物検知部による前記窒素酸化物通過量が規定の目標通過量になるまでは、前記水素リーン制御を行うよう構成されている、請求項１に記載の水素燃料エンジンの排気浄化システム。
【請求項4】
前記排気浄化システムは、前記排気管内における、前記第２触媒よりも前記排気ガスの流れの上流側の位置に空気を供給する空気供給装置（６）をさらに備え、前記空気供給装置は、空燃比制御時における前記温度検知部による前記第２触媒の温度が所定温度を超えたときに、前記第２触媒に空気を供給するよう構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の水素燃料エンジンの排気浄化システム。
【請求項5】
前記空気供給装置は、前記水素リーン制御を行うときに、前記第２触媒に空気を供給するよう構成されている、請求項４に記載の水素燃料エンジンの排気浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水素燃料エンジンの排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【0002】
水素を燃料として用いる水素燃料エンジンにおいては、炭化水素を燃料として用いるガソリンエンジンと同様の構造を有するエンジンが利用される。ただし、水素燃料エンジンにおいては、燃料に水素が用いられることにより、水素の燃焼後に生じる排気ガスは、ガソリンエンジンの場合と異なる。また、水素燃料エンジンから排気される排気ガスには、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）が含まれない一方、窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれる。
【0003】
水素燃料エンジンに関するものではないが、特許文献１の内燃機関の制御装置においては、ＮＯｘを吸蔵する吸蔵還元型触媒と、アンモニアを吸蔵する選択還元型触媒とを排気管に配置して、排気管から大気へのＮＯｘ及びアンモニアの放出量を抑制する工夫がなされている。吸蔵還元型触媒は、内燃機関の空燃比を理論空燃比よりも燃料リーン側にしたときの排気ガスに含まれるＮＯｘを吸蔵し、内燃機関の空燃比を燃料リッチ側にしたときに、吸蔵したＮＯｘを放出して、このＮＯｘをアンモニアに還元する。一方、選択還元型触媒は、排気ガスに含まれるアンモニアを吸蔵するとともに、吸蔵したアンモニアによってＮＯｘを還元する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１２－２３７２９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１の内燃機関の制御装置は、ディーゼルエンジンに用いられるものであり、水素燃料エンジンに用いられるものではない。ディーゼルエンジン等の炭化水素を燃料として用いるエンジンの場合には、排気ガスに水素が含まれることはない。
【0006】
一方、水素燃料エンジンにおいては、窒素酸化物の排出量を減らすためには、水素燃料エンジンの空燃比を理論空燃比（ストイキ）よりも燃料リッチ側にして、燃焼運転することが考えられる。ただし、この場合には、排気ガスに含まれる水素の量が増加することになる。よって、水素燃料エンジンにおいて、排気ガスに含まれる水素を利用して、窒素酸化物の大気への放出を効果的に抑制するためには、排気管に配置される触媒の用い方に工夫が必要である。また、水素を利用してアンモニアが生成されるときには、アンモニアの大気への放出も効果的に抑制する工夫が必要である。
【0007】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、排気ガスに含まれる水素を利用して、大気へのＮＯｘ及びアンモニアの放出量を効果的に抑制することができる水素燃料エンジンの排気浄化システムを提供しようとして得られたものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の一態様は、
水素を燃料として用いる水素燃料エンジン（２）の排気管（３）に構成され、
前記排気管内に配置され、窒素酸化物を還元する性質を有するとともに、前記水素燃料エンジンから前記排気管に排気される水素及び窒素酸化物を用いてアンモニアを生成する性質を有する第１触媒（３１）と、
前記排気管内における、前記第１触媒よりも排気ガス（Ｇ）の流れの下流側の位置に配置され、前記第１触媒から流れ込むアンモニアを吸着する性質を有するとともに、アンモニアを用いて窒素酸化物を還元する性質を有する第２触媒（３２）と、
前記水素燃料エンジンにおける、水素の質量に対する燃焼用空気の質量の比である空燃比を調整する空燃比制御部（５１）、前記第２触媒に吸着されたアンモニアの量をアンモニア吸着量として推定するアンモニア検知部（５２）、前記第２触媒の温度を推定又は測定する温度検知部（５５）、及び前記温度検知部による前記第２触媒の温度が高くなるほど、前記第２触媒に吸着可能なアンモニアの量を示す吸着上限容量が小さくなる関係が設定された関係設定部（５６）を有するエンジン制御装置（５）と、を備え、
前記空燃比制御部は、
空燃比制御時における前記温度検知部による前記第２触媒の温度を前記関係設定部に照合して、当該温度における前記吸着上限容量を制御上限量とし、前記アンモニア検知部による前記アンモニア吸着量が前記制御上限量になるまで、前記水素燃料エンジンにおける前記空燃比を、前記水素と前記燃焼用空気中の酸素とが過不足なく燃焼する理論空燃比又は前記理論空燃比よりも水素リッチ側の空燃比にして、前記排気管に排気される水素及び窒素酸化物を用いて前記第１触媒において生成されたアンモニアを前記第２触媒に吸着する水素リッチ制御と、
前記アンモニア検知部による前記アンモニア吸着量が前記制御上限量を超えたときに、前記水素燃料エンジンにおける前記空燃比を、前記理論空燃比よりも水素リーン側の空燃比にして、前記第１触媒を通過する窒素酸化物を前記第２触媒に吸着されたアンモニアによって還元する水素リーン制御と、を交互に繰り返し行うよう構成されている、水素燃料エンジンの排気浄化システム（１）にある。
水素を燃料として用いる水素燃料エンジン（２）の排気管（３）に構成され、
前記排気管内に配置され、窒素酸化物を還元する性質を有するとともに、前記水素燃料エンジンから前記排気管に排気される水素及び窒素酸化物を用いてアンモニアを生成する性質を有する第１触媒（３１）と、
前記排気管内における、前記第１触媒よりも排気ガス（Ｇ）の流れの下流側の位置に配置され、前記第１触媒から流れ込むアンモニアを吸着する性質を有するとともに、アンモニアを用いて窒素酸化物を還元する性質を有する第２触媒（３２）と、
前記水素燃料エンジンにおける、水素の質量に対する燃焼用空気の質量の比である空燃比を調整する空燃比制御部（５１）、前記第２触媒に吸着されたアンモニアの量をアンモニア吸着量として推定するアンモニア検知部（５２）、前記第２触媒の温度を推定又は測定する温度検知部（５５）、及び前記温度検知部による前記第２触媒の温度が高くなるほど、前記第２触媒に吸着可能なアンモニアの量を示す吸着上限容量が小さくなる関係が設定された関係設定部（５６）を有するエンジン制御装置（５）と、を備え、
前記空燃比制御部は、
空燃比制御時における前記温度検知部による前記第２触媒の温度を前記関係設定部に照合して、当該温度における前記吸着上限容量を制御上限量とし、前記アンモニア検知部による前記アンモニア吸着量が前記制御上限量になるまで、前記水素燃料エンジンにおける前記空燃比を、前記水素と前記燃焼用空気中の酸素とが過不足なく燃焼する理論空燃比又は前記理論空燃比よりも水素リッチ側の空燃比にして、前記排気管に排気される水素及び窒素酸化物を用いて前記第１触媒において生成されたアンモニアを前記第２触媒に吸着する水素リッチ制御と、
前記アンモニア検知部による前記アンモニア吸着量が前記制御上限量を超えたときに、前記水素燃料エンジンにおける前記空燃比を、前記理論空燃比よりも水素リーン側の空燃比にして、前記第１触媒を通過する窒素酸化物を前記第２触媒に吸着されたアンモニアによって還元する水素リーン制御と、を交互に繰り返し行うよう構成されている、水素燃料エンジンの排気浄化システム（１）にある。
【発明の効果】
【0009】
前記一態様の水素燃料エンジンの排気浄化システムにおいては、水素燃料エンジンから排気される水素を利用して、窒素酸化物（以下、ＮＯｘという。）を効果的に浄化する工夫をしている。具体的には、水素燃料エンジンから排気ガスが排気される排気管に、ＮＯｘを還元する性質を有する第１触媒と、アンモニアを吸着する性質を有する第２触媒とを配置している。
【0010】
そして、第１触媒においては、ＮＯｘが分解されて還元されるときに生じる窒素を、水素との反応に用いて、アンモニアを生成することができる。また、第２触媒においては、第１触媒から流れ込むアンモニアを吸着し、このアンモニアを、第１触媒から流れ込むＮＯｘを還元するために用いることができる。
【0011】
そのため、空燃比制御部によって水素リッチ制御と水素リーン制御とを繰り返し行い、水素燃料エンジンから排気管へ、水素が多く排気されるタイミングとＮＯｘが多く排気されるタイミングとを適切にコントロールすることにより、水素を利用して、第２触媒から大気へのＮＯｘの放出量を効果的に抑制することができる。
【0012】
また、発明者の研究開発により、第２触媒は、温度が高くなるとアンモニアを吸着できる容量が小さくなることが判明した。そこで、エンジン制御装置の関係設定部に、第２触媒のアンモニアの吸着上限容量が第２触媒の温度が高くなるほど小さくなる関係を設定し、空燃比制御部が、水素リッチ制御から水素リーン制御に切り換えるまでの時間を、第２触媒の温度が高くなるほど短くなるようにしている。これにより、第２触媒の温度が高くなって、第２触媒のアンモニアの吸着上限容量が小さくなるときでも、第２触媒から大気へのアンモニアの放出量を効果的に抑制することができる。
【0013】
それ故、前記一態様の水素燃料エンジンの排気浄化システムによれば、排気ガスに含まれる水素を利用して、大気へのＮＯｘ及びアンモニアの放出量を効果的に抑制することができる。
【0014】
なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図5】図５は、実施形態１にかかる、（ａ）水素燃料エンジンにおける空燃比の変化、（ｂ）第１触媒におけるＮＯｘ浄化率の変化、（ｃ）第１触媒の、排気ガスの流れの下流側におけるＮＯｘ量の変化、（ｄ）第２触媒におけるアンモニア吸着量の変化、（ｅ）第２触媒の、排気ガスの流れの下流側におけるＮＯｘ量の変化を模式的に示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0016】
前述した水素燃料エンジンの排気浄化システムにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
本形態の水素燃料エンジン２の排気浄化システム１は、図１に示すように、水素を燃料として用いる水素燃料エンジン２の排気管３に構成されている。排気浄化システム１は、排気管３内に配置された第１触媒３１と、排気管３内における、第１触媒３１よりも排気ガスＧの流れの下流側の位置に配置された第２触媒３２とを備える。第１触媒３１は、窒素酸化物（以下、ＮＯｘという。）を還元する性質を有するとともに、水素燃料エンジン２から排気管３に排気される水素（Ｈ2）及びＮＯｘを用いてアンモニア（ＮＨ3）を生成する性質を有する。第２触媒３２は、第１触媒３１から流れ込むアンモニアを吸着する性質を有するとともに、アンモニアを用いてＮＯｘを還元する性質を有する。
＜実施形態１＞
本形態の水素燃料エンジン２の排気浄化システム１は、図１に示すように、水素を燃料として用いる水素燃料エンジン２の排気管３に構成されている。排気浄化システム１は、排気管３内に配置された第１触媒３１と、排気管３内における、第１触媒３１よりも排気ガスＧの流れの下流側の位置に配置された第２触媒３２とを備える。第１触媒３１は、窒素酸化物（以下、ＮＯｘという。）を還元する性質を有するとともに、水素燃料エンジン２から排気管３に排気される水素（Ｈ2）及びＮＯｘを用いてアンモニア（ＮＨ3）を生成する性質を有する。第２触媒３２は、第１触媒３１から流れ込むアンモニアを吸着する性質を有するとともに、アンモニアを用いてＮＯｘを還元する性質を有する。
【0017】
また、排気浄化システム１は、空燃比制御部５１、アンモニア検知部５２、温度検知部としての第２温度検知部５５及び関係設定部５６を有するエンジン制御装置５を備える。空燃比制御部５１は、水素燃料エンジン２における、水素の質量に対する燃焼用空気の質量の比である空燃比を調整するよう構成されている。アンモニア検知部５２は、第２触媒３２に吸着されたアンモニアの量をアンモニア吸着量として推定するよう構成されている。第２温度検知部５５は、第２触媒３２の温度を推定又は測定するよう構成されている。関係設定部５６には、図２に示すように、第２温度検知部５５による第２触媒３２の温度が高くなるほど、第２触媒３２に吸着可能なアンモニアの量を示す吸着上限容量が小さくなる関係マップＭが設定されている。
【0018】
空燃比制御部５１は、水素燃料エンジン２における空燃比を、理論空燃比又は理論空燃比よりも水素リッチ側の空燃比にして、水素燃料エンジン２の燃焼運転を行う水素リッチ制御と、水素燃料エンジン２における空燃比を、理論空燃比よりも水素リーン側の空燃比にして、水素燃料エンジン２の燃焼運転を行う水素リーン制御とを、繰り返し行うよう構成されている。ここで、理論空燃比とは、燃料としての水素と燃焼用空気中の酸素とが過不足なく完全燃焼する空燃比のことをいう。
【0019】
水素リッチ制御においては、空燃比制御時における第２温度検知部５５による第２触媒３２の温度を関係設定部５６の関係マップＭに照合して、当該温度における吸着上限容量を制御上限量とする。そして、空燃比制御部５１によって、アンモニア検知部５２によるアンモニア吸着量が制御上限量になるまで水素リッチ制御が行われる。水素リッチ制御が行われるときには、排気管３に排気される水素及び窒素酸化物が用いられて第１触媒３１においてアンモニアが生成され、このアンモニアが第２触媒３２に吸着される。
【0020】
また、水素リッチ制御が行われるときに、アンモニア検知部５２によるアンモニア吸着量が制御上限量を超えたときには、水素リッチ制御から水素リーン制御に切り換わり、水素リーン制御が行われる。水素リーン制御が行われるときには、第１触媒３１を通過する窒素酸化物が、第２触媒３２に吸着されたアンモニアによって還元される。
【0021】
以下に、本形態の水素燃料エンジン２の排気浄化システム１について詳説する。
（排気浄化システム１）
図１に示すように、排気浄化システム１は、水素燃料エンジン２から排気される排気ガスＧに含まれるＮＯｘの浄化を、２種類の触媒３１，３２を用いた極めて簡単な構成によって行うものである。水素燃料エンジン２は、自動車に搭載されており、水素自動車を構成する。排気浄化システム１は、水素自動車の水素燃料エンジン２から排気される排気ガスＧを浄化する。
（排気浄化システム１）
図１に示すように、排気浄化システム１は、水素燃料エンジン２から排気される排気ガスＧに含まれるＮＯｘの浄化を、２種類の触媒３１，３２を用いた極めて簡単な構成によって行うものである。水素燃料エンジン２は、自動車に搭載されており、水素自動車を構成する。排気浄化システム１は、水素自動車の水素燃料エンジン２から排気される排気ガスＧを浄化する。
【0022】
（水素燃料エンジン２）
本形態の水素燃料エンジン２は、複数の気筒を有するレシプロエンジン等の内燃機関を構成する。レシプロエンジンは、水素を燃料として燃焼させたときの熱エネルギーをピストンの往復運動に変換するとともに、往復運動を回転運動に変換して力学的エネルギーを取り出すものである。水素燃料エンジン２の燃焼室には、水素と燃焼用空気との混合気が吸気管から吸気され、燃焼室において混合気が圧縮され、燃焼膨張した後に、燃焼後の排気ガスＧが排気管３に排気される。なお、燃焼室には、燃焼用空気が吸気され、水素は燃焼室において直接噴射されてもよい。
本形態の水素燃料エンジン２は、複数の気筒を有するレシプロエンジン等の内燃機関を構成する。レシプロエンジンは、水素を燃料として燃焼させたときの熱エネルギーをピストンの往復運動に変換するとともに、往復運動を回転運動に変換して力学的エネルギーを取り出すものである。水素燃料エンジン２の燃焼室には、水素と燃焼用空気との混合気が吸気管から吸気され、燃焼室において混合気が圧縮され、燃焼膨張した後に、燃焼後の排気ガスＧが排気管３に排気される。なお、燃焼室には、燃焼用空気が吸気され、水素は燃焼室において直接噴射されてもよい。
【0023】
水素燃料エンジン２においては、燃料としての水素の質量Ｆに対する燃焼用空気の質量Ａの比を示す空燃比（Ａ／Ｆ）が制御される。水素燃料エンジン２における空燃比が、理論空燃比に比べて水素の比率が高い水素リッチ側の空燃比にあるときには、排気ガスＧ中には水素がより多く含まれる。水素燃料エンジン２における空燃比が、理論空燃比に比べて燃焼用空気の比率が高い水素リーン側の空燃比にあるときには、排気ガスＧ中にはＮＯｘがより多く含まれる。
【0024】
（第１触媒３１）
図１に示すように、本形態の第１触媒３１は、窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を浄化可能な三元触媒によって構成されている。三元触媒は、セラミックス等からなる、ハニカム構造等の多孔質の触媒担体に、プラチナ、パラジウム、ロジウム等の触媒が担持されたものである。三元触媒においては、ＮＯｘが窒素に還元され、炭化水素が水と二酸化炭素に酸化され、一酸化炭素が二酸化炭素に酸化される。
図１に示すように、本形態の第１触媒３１は、窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を浄化可能な三元触媒によって構成されている。三元触媒は、セラミックス等からなる、ハニカム構造等の多孔質の触媒担体に、プラチナ、パラジウム、ロジウム等の触媒が担持されたものである。三元触媒においては、ＮＯｘが窒素に還元され、炭化水素が水と二酸化炭素に酸化され、一酸化炭素が二酸化炭素に酸化される。
【0025】
水素燃料エンジン２においては、水素を燃料としているために、排気ガスＧ中に炭化水素及び一酸化炭素は含まれない。一方、排気ガスＧ中には、水素（及びＮＯｘ）が含まれる。第１触媒３１においては、排気ガスＧ中の水素及びＮＯｘが流入し、ＮＯｘが窒素に分解されるときに、水素と窒素との反応によりアンモニアが生成される。また、水素と酸素との反応により、水が生成される。
【0026】
図３は、水素燃料エンジン２における空燃比が理論空燃比にあるときに、第１触媒３１において生成されるアンモニアの濃度、換言すれば、第１触媒３１の、排気ガスＧの流れの下流側に流出するアンモニアの量を示す。図３に示すように、第１触媒３１におけるアンモニアの生成量は、第１触媒３１の温度に依存し、第１触媒３１の温度が２００℃付近にあるときに最大となる。そして、第１触媒３１の温度が２００℃を超えて高くなるほど、第１触媒３１におけるアンモニアの生成量が少なくなる。
【0027】
（第２触媒３２）
図１に示すように、本形態の第２触媒３２は、アンモニアによってＮＯｘを還元する選択還元触媒によって構成されている。選択還元触媒は、セラミックス、酸化チタン等の多孔質の触媒担体に、Ｃｕゼオライト、Ｆｅゼオライト等の触媒成分が担持されたものである。この触媒成分には、還元剤としてアンモニアが吸着される。選択還元触媒においては、アンモニアを還元剤としてＮＯｘが窒素と水に転換される。
図１に示すように、本形態の第２触媒３２は、アンモニアによってＮＯｘを還元する選択還元触媒によって構成されている。選択還元触媒は、セラミックス、酸化チタン等の多孔質の触媒担体に、Ｃｕゼオライト、Ｆｅゼオライト等の触媒成分が担持されたものである。この触媒成分には、還元剤としてアンモニアが吸着される。選択還元触媒においては、アンモニアを還元剤としてＮＯｘが窒素と水に転換される。
【0028】
第１触媒３１において生成されたアンモニアは、第２触媒３２へ流入し、第２触媒３２に吸着される。そして、第２触媒３２に吸着されたアンモニアは、ＮＯｘを還元するために用いられる。
【0029】
（空燃比センサ４３）
図１に示すように、排気管３には、排気管３を流れる排気ガスＧに含まれる酸素又は水素の量を電流によって検出して水素燃料エンジン２における空燃比を求める空燃比センサ４３が配置されている。本形態の空燃比センサ４３は、排気管３における、第１触媒３１よりも排気ガスＧの流れの上流側の位置に配置されている。空燃比制御部５１は、空燃比センサ４３による空燃比が目標空燃比になるよう、水素と燃焼用空気との比率を調整するよう構成されている。
図１に示すように、排気管３には、排気管３を流れる排気ガスＧに含まれる酸素又は水素の量を電流によって検出して水素燃料エンジン２における空燃比を求める空燃比センサ４３が配置されている。本形態の空燃比センサ４３は、排気管３における、第１触媒３１よりも排気ガスＧの流れの上流側の位置に配置されている。空燃比制御部５１は、空燃比センサ４３による空燃比が目標空燃比になるよう、水素と燃焼用空気との比率を調整するよう構成されている。
【0030】
（エンジン制御装置５）
図１に示すように、排気浄化システム１は、水素燃料エンジン２における燃焼動作を制御するエンジン制御装置５を備える。エンジン制御装置５は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）とも呼ばれ、水素自動車に搭載されたものである。エンジン制御装置５は、空燃比を調整するために、水素燃料エンジン２の燃焼室に吸気する燃焼用空気の質量と、水素噴射装置から噴射される水素の質量との少なくとも一方を適宜調整する。燃焼室には、水素が直接噴射されてもよく、水素と燃焼用空気との混合気が供給されてもよい。
図１に示すように、排気浄化システム１は、水素燃料エンジン２における燃焼動作を制御するエンジン制御装置５を備える。エンジン制御装置５は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）とも呼ばれ、水素自動車に搭載されたものである。エンジン制御装置５は、空燃比を調整するために、水素燃料エンジン２の燃焼室に吸気する燃焼用空気の質量と、水素噴射装置から噴射される水素の質量との少なくとも一方を適宜調整する。燃焼室には、水素が直接噴射されてもよく、水素と燃焼用空気との混合気が供給されてもよい。
【0031】
（空燃比制御部５１）
図１に示すように、エンジン制御装置５は、水素燃料エンジン２における空燃比を調整する空燃比制御部５１を有する。空燃比制御部５１は、水素リッチ制御と水素リーン制御とを交互に繰り返し行うよう構成されている。この構成により、還元剤供給装置等の特別な装置を用いることなく、第１触媒３１において生成されるアンモニアを、第２触媒３２において、ＮＯｘを浄化するために有効に活用することができる。
図１に示すように、エンジン制御装置５は、水素燃料エンジン２における空燃比を調整する空燃比制御部５１を有する。空燃比制御部５１は、水素リッチ制御と水素リーン制御とを交互に繰り返し行うよう構成されている。この構成により、還元剤供給装置等の特別な装置を用いることなく、第１触媒３１において生成されるアンモニアを、第２触媒３２において、ＮＯｘを浄化するために有効に活用することができる。
【0032】
空燃比制御部５１は、水素リッチ制御を行うときには、水素燃料エンジン２における空燃比を、理論空燃比又は理論空燃比よりも水素リッチ側の空燃比にする。そして、水素リッチ制御が行われるときには、第１触媒３１においてＮＯｘが還元されるとともに、水素燃料エンジン２から排気管３に排気される水素及びＮＯｘが用いられてアンモニアが生成され、かつ第２触媒３２において、第１触媒３１から流出するアンモニアが吸着される。
【0033】
水素燃料エンジン２における空燃比が水素リッチ側になるほど、排気ガスＧに含まれるＮＯｘが減少する一方、排気ガスＧに含まれる水素の量が増加し、第１触媒３１において水素を用いて生成されるアンモニアの量が増加する。そのため、空燃比制御部５１は、第１触媒３１におけるアンモニアの生成量を増加させる場合には、水素燃料エンジン２における空燃比をより水素リッチ側にする。一方、第１触媒３１におけるアンモニアの生成量を減少させる場合には、水素燃料エンジン２における空燃比をより水素リーン側にする。
【0034】
空燃比制御部５１が水素リーン制御を行うときには、水素燃料エンジン２における空燃比を、理論空燃比よりも水素リーン側の空燃比にする。そして、水素リーン制御が行われるときには、第１触媒３１においてＮＯｘが浄化（還元）されるとともに、第１触媒３１において浄化されなかったＮＯｘが第１触媒３１を通過する。次いで、第１触媒３１を通過して第２触媒３２に流入するＮＯｘは、第２触媒３２に吸着されたアンモニアによって浄化（還元）される。第２触媒３２に吸着されたアンモニアは、ＮＯｘとの反応に用いられて減少する。
【0035】
水素燃料エンジン２における空燃比が水素リーン側になるほど、第１触媒３１におけるアンモニアの生成量が減少する一方、排気ガスＧに含まれるＮＯｘの量が増加する。そして、水素リーン側になるほど、第１触媒３１においてＮＯｘを浄化しきれず、第１触媒３１から第２触媒３２へＮＯｘが流出する量が増加する。
【0036】
空燃比制御部５１によって水素リッチ制御が行われるときには、水素燃料エンジン２から排気管３に排気される排気ガスＧに含まれるＮＯｘの量はそれほど多くなく、このＮＯｘの多くは、第１触媒３１において分解されて浄化される。また、第１触媒３１から第２触媒３２に流入して、第２触媒３２に吸着されるアンモニアの量は、時間の経過とともに徐々に増加し、いずれは飽和状態になる。そして、本形態の空燃比制御部５１は、第２触媒３２におけるアンモニアの吸着量が飽和状態になる前に、水素リッチ制御から水素リーン制御に切り換える。
【0037】
（アンモニア検知部５２）
図１に示すように、本形態のエンジン制御装置５は、第２触媒３２に吸着されたアンモニアの量をアンモニア吸着量として推定するアンモニア検知部５２を有する。第２触媒３２におけるアンモニアの吸着量は、第１触媒３１から第２触媒３２に流入するアンモニアの量に依存する。そして、アンモニア検知部５２は、第１温度検知部５４による第１触媒３１の温度及び温度の変化の履歴、水素リッチ制御が行われた時間、空燃比の値（理論空燃比から水素リッチ側へのシフトの度合）等に基づいてアンモニア吸着量を推定する。また、アンモニア検知部５２は、主に第１触媒３１の温度の変化の履歴等に基づいてアンモニア吸着量を推定してもよい。
図１に示すように、本形態のエンジン制御装置５は、第２触媒３２に吸着されたアンモニアの量をアンモニア吸着量として推定するアンモニア検知部５２を有する。第２触媒３２におけるアンモニアの吸着量は、第１触媒３１から第２触媒３２に流入するアンモニアの量に依存する。そして、アンモニア検知部５２は、第１温度検知部５４による第１触媒３１の温度及び温度の変化の履歴、水素リッチ制御が行われた時間、空燃比の値（理論空燃比から水素リッチ側へのシフトの度合）等に基づいてアンモニア吸着量を推定する。また、アンモニア検知部５２は、主に第１触媒３１の温度の変化の履歴等に基づいてアンモニア吸着量を推定してもよい。
【0038】
（第１温度検知部５４）
図１に示すように、エンジン制御装置５は、第１触媒３１の温度を推定又は測定する第１温度検知部５４を有する。本形態の第１温度検知部５４は、排気管３における、第１触媒３１の上流側の位置に配置された第１温度センサ４１によって測定された温度から、第１触媒３１の温度を推定するよう構成されている。第１温度検知部５４によって第１触媒３１の温度を検知することにより、第１触媒３１において生成されたアンモニアの量を推定することができる。第１温度検知部５４は、第１触媒３１の温度を測定する第１温度センサ４１を用いて構成してもよい。
図１に示すように、エンジン制御装置５は、第１触媒３１の温度を推定又は測定する第１温度検知部５４を有する。本形態の第１温度検知部５４は、排気管３における、第１触媒３１の上流側の位置に配置された第１温度センサ４１によって測定された温度から、第１触媒３１の温度を推定するよう構成されている。第１温度検知部５４によって第１触媒３１の温度を検知することにより、第１触媒３１において生成されたアンモニアの量を推定することができる。第１温度検知部５４は、第１触媒３１の温度を測定する第１温度センサ４１を用いて構成してもよい。
【0039】
（第２温度検知部５５）
図１に示すように、エンジン制御装置５は、第２触媒３２の温度を推定又は測定する第２温度検知部５５を有する。本形態の第２温度検知部５５は、排気管３における、第２触媒３２の上流側の位置に配置された第２温度センサ４２によって測定された温度から、第２触媒３２の温度を推定するよう構成されている。第２温度検知部５５によって第２触媒３２の温度を検知することにより、第２触媒３２の、温度に依存する吸着上限容量の変化に応じて、水素リッチ制御を行う時間の長さを変化させることができる。また、第２温度検知部５５によって第２触媒３２の温度を検知することにより、第２触媒３２がアンモニアを還元剤としてＮＯｘを浄化（還元）する活性温度になったときに、第１触媒３１から第２触媒３２にＮＯｘが流入するようにしてもよい。第２温度検知部５５は、第２触媒３２の温度を測定する第２温度センサ４２を用いて構成してもよい。
図１に示すように、エンジン制御装置５は、第２触媒３２の温度を推定又は測定する第２温度検知部５５を有する。本形態の第２温度検知部５５は、排気管３における、第２触媒３２の上流側の位置に配置された第２温度センサ４２によって測定された温度から、第２触媒３２の温度を推定するよう構成されている。第２温度検知部５５によって第２触媒３２の温度を検知することにより、第２触媒３２の、温度に依存する吸着上限容量の変化に応じて、水素リッチ制御を行う時間の長さを変化させることができる。また、第２温度検知部５５によって第２触媒３２の温度を検知することにより、第２触媒３２がアンモニアを還元剤としてＮＯｘを浄化（還元）する活性温度になったときに、第１触媒３１から第２触媒３２にＮＯｘが流入するようにしてもよい。第２温度検知部５５は、第２触媒３２の温度を測定する第２温度センサ４２を用いて構成してもよい。
【0040】
（関係設定部５６）
図２には、第２触媒３２の温度と、第２触媒３２におけるアンモニアの吸着上限容量との関係を示す。第２触媒３２の温度が高くなるほど、アンモニアの吸着上限容量は小さくなる。この関係は、関係設定部５６において、関係マップＭとして設定（記憶）されている。第２触媒３２の各温度における吸着上限容量は、余裕率を考慮して若干小さく設定してもよい。空燃比制御部５１は、第２触媒３２の温度を監視し、アンモニア検知部５２によって検知される、第２触媒３２のアンモニア吸着量が、第２触媒３２の、温度に依存する吸着上限容量を超えるときには、第１触媒３１から第２触媒３２へアンモニアが供給されないようにする。
図２には、第２触媒３２の温度と、第２触媒３２におけるアンモニアの吸着上限容量との関係を示す。第２触媒３２の温度が高くなるほど、アンモニアの吸着上限容量は小さくなる。この関係は、関係設定部５６において、関係マップＭとして設定（記憶）されている。第２触媒３２の各温度における吸着上限容量は、余裕率を考慮して若干小さく設定してもよい。空燃比制御部５１は、第２触媒３２の温度を監視し、アンモニア検知部５２によって検知される、第２触媒３２のアンモニア吸着量が、第２触媒３２の、温度に依存する吸着上限容量を超えるときには、第１触媒３１から第２触媒３２へアンモニアが供給されないようにする。
【0041】
（空燃比制御部５１による制御）
本形態の空燃比制御部５１は、通常は水素リッチ制御を行うよう構成されている。そして、水素リッチ制御を行うことにより、排気ガスＧに含まれるＮＯｘの量を減らし、ＮＯｘが大気に放出されないようにする。一方、空燃比制御部５１は、アンモニア検知部５２によるアンモニア吸着量が、第２触媒３２の温度に依存する吸着上限容量としての制御上限量を超えたときに、水素リッチ制御を水素リーン制御に切り換え、規定の切換期間中だけ水素リーン制御を行うよう構成されている。
本形態の空燃比制御部５１は、通常は水素リッチ制御を行うよう構成されている。そして、水素リッチ制御を行うことにより、排気ガスＧに含まれるＮＯｘの量を減らし、ＮＯｘが大気に放出されないようにする。一方、空燃比制御部５１は、アンモニア検知部５２によるアンモニア吸着量が、第２触媒３２の温度に依存する吸着上限容量としての制御上限量を超えたときに、水素リッチ制御を水素リーン制御に切り換え、規定の切換期間中だけ水素リーン制御を行うよう構成されている。
【0042】
これにより、空燃比制御部５１は、アンモニア検知部５２及び関係設定部５６を利用し、第２触媒３２に吸着されたアンモニアの量が第２触媒３２における吸着飽和量になる前に、水素リッチ制御を水素リーン制御に切り換えることができる。また、水素リーン制御は決められた期間のみ行うことにより、排気浄化システム１の構成を簡単にすることができる。
【0043】
また、空燃比制御部５１は、第２温度検知部５５による第２触媒３２の温度が規定の触媒活性温度を超えていることを条件にして、水素リッチ制御から水素リーン制御に切り換えが可能である。水素リーン制御においては、第１触媒３１から第２触媒３２へＮＯｘが流出することを想定している。そして、空燃比制御部５１は、第２触媒３２がＮＯｘを還元する能力を有する温度になっていることを条件にして水素リーン制御を行う。触媒活性温度は、第２触媒３２に吸着されたアンモニアによるＮＯｘの還元が可能となる温度として定められる。触媒活性温度は、例えば２００℃超過とすることができる。
【0044】
（排気浄化システム１の制御方法）
次に、排気浄化システム１の制御方法について、図４のフローチャートを参照して説明する。
本形態の排気浄化システム１は、エンジン制御装置５の空燃比制御部５１による水素燃料エンジン２の燃焼運転が行われる際に利用される。空燃比制御部５１は、通常時として、水素燃料エンジン２における目標空燃比を水素リッチ側の空燃比にして、水素リッチ制御を開始する（図４のステップＳ１０１）。水素リッチ制御が行われるとき、水素燃料エンジン２から排気管３の第１触媒３１に排気される排気ガスＧには、ＮＯｘがあまり含まれない一方、水素が多く含まれる。そして、第１触媒３１においては、水素を用いてアンモニアが生成され、生成されたアンモニアは第２触媒３２に流入して第２触媒３２に吸着される。
次に、排気浄化システム１の制御方法について、図４のフローチャートを参照して説明する。
本形態の排気浄化システム１は、エンジン制御装置５の空燃比制御部５１による水素燃料エンジン２の燃焼運転が行われる際に利用される。空燃比制御部５１は、通常時として、水素燃料エンジン２における目標空燃比を水素リッチ側の空燃比にして、水素リッチ制御を開始する（図４のステップＳ１０１）。水素リッチ制御が行われるとき、水素燃料エンジン２から排気管３の第１触媒３１に排気される排気ガスＧには、ＮＯｘがあまり含まれない一方、水素が多く含まれる。そして、第１触媒３１においては、水素を用いてアンモニアが生成され、生成されたアンモニアは第２触媒３２に流入して第２触媒３２に吸着される。
【0045】
次いで、空燃比制御部５１は、第２温度検知部５５によって第２触媒３２の温度を検知する（ステップＳ１０２）。そして、空燃比制御部５１は、第２温度検知部５５による第２触媒３２の温度が触媒活性温度を超えているか否かを判定する（ステップＳ１０３）。第２温度検知部５５による第２触媒３２の温度が触媒活性温度以下である場合には、この温度が触媒活性温度を超えるまで待機する。
【0046】
次いで、第２温度検知部５５による第２触媒３２の温度が触媒活性温度を超えている場合には（ステップＳ１０３）、空燃比制御部５１は、第１温度検知部５４によって第１触媒３１の温度を検知する（ステップＳ１０４）。そして、アンモニア検知部５２は、第１温度検知部５４による第１触媒３１の温度及び温度の変化の履歴、水素リッチ制御が行われた時間、空燃比の値等に基づいて、第２触媒３２におけるアンモニア吸着量を推定する（ステップＳ１０５）。
【0047】
また、空燃比制御部５１は、第２温度検知部５５による第２触媒３２の温度を、関係設定部５６の関係マップＭに照合する。そして、空燃比制御部５１は、関係設定部５６の関係マップＭにおいて、当該温度における第２触媒３２の吸着上限容量を読み取り、この吸着上限容量を制御上限量として設定する（ステップＳ１０６）。こうして、空燃比制御部５１は、アンモニア検知部５２によるアンモニア吸着量が制御上限量を超えたか否かを判定する（ステップＳ１０７）。
【0048】
アンモニア吸着量が制御上限量を超えるまでは、第２温度検知部５５による第２触媒３２の温度の検知、及び関係設定部５６における、第２触媒３２の温度に応じた制御上限量の設定が繰り返し行われる（ステップＳ１０１～Ｓ１０７）。そして、第２触媒３２の温度に応じて制御上限量が適宜変更される。
【0049】
次いで、アンモニア吸着量が制御上限量を超えたときには、空燃比制御部５１は、水素リッチ制御を水素リーン制御に切り換え、水素燃料エンジン２における目標空燃比を水素リーン側の一定の空燃比にして、水素リーン制御を実行する（ステップＳ１０８）。水素リーン制御が行われるとき、水素燃料エンジン２から排気管３の第１触媒３１に排気される排気ガスＧには、水素がほとんど含まれない一方、ＮＯｘが多く含まれる。排気ガスＧに含まれるＮＯｘは、第１触媒３１において一部が浄化されるものの、第１触媒３１における浄化能力を超えた量のＮＯｘが第１触媒３１から第２触媒３２へ流出する。そして、第２触媒３２においては、第２触媒３２に吸着されたアンモニアを還元剤として、第１触媒３１から流入するＮＯｘが浄化（還元）される。
【0050】
また、アンモニア検知部５２は、水素リーン制御が行われるときに、アンモニア検知部５２によるアンモニア吸着量をゼロにリセットする。また、空燃比制御部５１は、水素リーン制御に切り換わった時からの時間の経過を測定し、この時間の経過が規定の切換時間になるまで水素リーン制御を実行する（ステップＳ１０９）。規定の切換時間が経過したときには、空燃比制御部５１は、水素リーン制御を水素リッチ制御に切り換える（ステップＳ１０１）。
【0051】
その後、空燃比制御部５１によって水素リッチ制御と水素リーン制御とが繰り返される。また、排気浄化システム１における水素リッチ制御及び水素リーン制御は、水素燃料エンジン２の燃焼停止等の適宜条件を受けて停止される。
【0052】
（ＮＯｘ、アンモニアの量の変化）
図５（ａ）～（ｅ）には、水素リッチ制御及び水素リーン制御が繰り返される際の、第１触媒３１、第２触媒３２等におけるＮＯｘ量、アンモニア量等の時間的変化を示す。
図５（ａ）～（ｅ）には、水素リッチ制御及び水素リーン制御が繰り返される際の、第１触媒３１、第２触媒３２等におけるＮＯｘ量、アンモニア量等の時間的変化を示す。
【0053】
図５（ａ）においては、水素燃料エンジン２における空燃比が、水素リッチ側と水素リーン側とに交互に切り換わる状態を示す。図５（ｂ）においては、第１触媒３１におけるＮＯｘの浄化率が、水素リッチ制御が行われるときにはほぼ１００％であることに対し、水素リーン制御が行われるときには大幅に低下することを示す。ＮＯｘの浄化率が低下するときには、第１触媒３１の、排気ガスＧの流れの下流側へＮＯｘが流出する。
【0054】
図５（ｃ）においては、水素リーン制御が行われるときに、ＮＯｘの浄化率の低下を受けて、排気管３における、第１触媒３１の下流側に存在するＮＯｘの量が大幅に増加することを示す。この第１触媒３１の下流側に存在するＮＯｘは、排気管３を経由して第２触媒３２へと流入する。
【0055】
図５（ｄ）においては、第２触媒３２におけるアンモニアの吸着量が、水素リッチ制御が行われるときに緩やかに増加し、水素リーン制御が行われるときに急激に減少することを示す。水素リーン制御が行われるときには、第２触媒３２に吸着されたアンモニアが還元剤としてＮＯｘの浄化に使用され、第２触媒３２におけるアンモニアの吸着量が減少する。
【0056】
図５（ｅ）においては、水素リッチ制御と水素リーン制御とが交互に繰り返されることにより、第２触媒３２の、排気ガスＧの流れの下流側にはＮＯｘが流出しないことを示す。これにより、排気管３から大気へＮＯｘが放出されない。また、第１触媒３１において生成されるアンモニアは、第２触媒３２においてＮＯｘの浄化に使用されることにより、排気管３から大気へ放出されない。
【0057】
（ＮＯｘとアンモニアの関係）
図６においては、水素燃料エンジン２における空燃比が変化したときに、第１触媒３１から流出するアンモニア、ＮＯｘ及びＮ2Ｏ（亜酸化窒素）の各濃度［ｐｐｍ］がどれだけ変化するかを示す。各濃度は、排気管３における、第１触媒３１と第２触媒３２との間の位置における値として示す。アンモニアの濃度は、第１触媒３１において生成されるアンモニアの量を示し、ＮＯｘの濃度及びＮ2Ｏの濃度は、第１触媒３１において浄化されずに第１触媒３１を通過するＮＯｘの量及びＮ2Ｏの量を示す。なお、水素燃料エンジン２から排気管３には２０００［ｐｐｍ］の濃度のＮＯｘが排出される場合を想定した。
図６においては、水素燃料エンジン２における空燃比が変化したときに、第１触媒３１から流出するアンモニア、ＮＯｘ及びＮ2Ｏ（亜酸化窒素）の各濃度［ｐｐｍ］がどれだけ変化するかを示す。各濃度は、排気管３における、第１触媒３１と第２触媒３２との間の位置における値として示す。アンモニアの濃度は、第１触媒３１において生成されるアンモニアの量を示し、ＮＯｘの濃度及びＮ2Ｏの濃度は、第１触媒３１において浄化されずに第１触媒３１を通過するＮＯｘの量及びＮ2Ｏの量を示す。なお、水素燃料エンジン２から排気管３には２０００［ｐｐｍ］の濃度のＮＯｘが排出される場合を想定した。
【0058】
空燃比が水素リッチ側になるほど第１触媒３１において生成されるアンモニアの量は増加する。一方、空燃比が水素リーン側になるほど第１触媒３１から流出するＮＯｘの量及びＮ2Ｏの量は増加する。つまり、第１触媒３１において生成されるアンモニアの量と、第１触媒３１から流出するＮＯｘの量及びＮ2Ｏの量とはトレードオフの関係にある。
【0059】
（作用効果）
本形態の水素燃料エンジン２の排気浄化システム１においては、水素燃料エンジン２から排気される水素を利用して、ＮＯｘを効果的に浄化する工夫をしている。具体的には、水素燃料エンジン２から排気ガスＧが排気される排気管３に、ＮＯｘを還元する性質を有する第１触媒３１と、アンモニアを吸着する性質を有する第２触媒３２とを配置している。
本形態の水素燃料エンジン２の排気浄化システム１においては、水素燃料エンジン２から排気される水素を利用して、ＮＯｘを効果的に浄化する工夫をしている。具体的には、水素燃料エンジン２から排気ガスＧが排気される排気管３に、ＮＯｘを還元する性質を有する第１触媒３１と、アンモニアを吸着する性質を有する第２触媒３２とを配置している。
【0060】
そして、水素リッチ制御が行われるときに、第１触媒３１においては、ＮＯｘが分解されて還元されるときに生じる窒素を、水素との反応に用いて、アンモニアを生成することができる。また、第２触媒３２においては、水素リッチ制御が行われるときに、第１触媒３１から流れ込むアンモニアを吸着し、水素リーン制御が行われるときに、吸着されたアンモニアを、第１触媒３１から流れ込むＮＯｘを還元するために用いることができる。
【0061】
そのため、エンジン制御装置５の空燃比制御部５１によって、水素燃料エンジン２から排気管３へ、水素が排気されるタイミングとＮＯｘが排気されるタイミングとを適切にコントロールすることにより、水素を利用して、大気へのＮＯｘの放出量を効果的に抑制することができる。
【0062】
また、排気浄化システム１においては、第１触媒３１及び第２触媒３２以外に、還元剤を生成する装置等を用いる必要がない。そして、エンジン制御装置５の空燃比制御部５１による水素リッチ制御と水素リーン制御との切り換えにより、ＮＯｘ及びアンモニアを浄化して、これらが大気に放出されないようにすることができる。
【0063】
また、第２触媒３２は、温度が高くなるとアンモニアを吸着できる容量が小さくなる性質を有する。そこで、エンジン制御装置５の関係設定部５６に、第２触媒３２のアンモニアの吸着上限容量が第２触媒３２の温度が高くなるほど小さくなる関係マップＭを設定し、空燃比制御部５１が、水素リッチ制御から水素リーン制御に切り換えるまでの時間を、第２触媒３２の温度が高くなるほど短くなるようにしている。
【0064】
図５（ｄ）には、水素リッチ制御が行われる時間を符号ｔによって示す。この時間ｔは、関係設定部５６による、吸着上限容量としての制御上限量の設定変更によって、第２触媒３２の温度が高くなるほど短くなる。これにより、第２触媒３２の温度が高くなって、第２触媒３２のアンモニアの吸着上限容量が小さくなるときでも、第２触媒３２から大気へのアンモニアの放出量を効果的に抑制することができる。
【0065】
それ故、本形態の水素燃料エンジン２の排気浄化システム１によれば、排気ガスＧに含まれる水素を利用して、大気へＮＯｘ及びアンモニアが放出されないようにすることができる。
【0066】
＜実施形態２＞
本形態の排気浄化システム１は、空気供給装置６を備え、空気供給装置６から供給される空気Ｋによって第２触媒３２を冷却する構成を有する。また、本形態の排気浄化システム１は、第１触媒３１を通過するＮＯｘの量を推定し、水素リーン制御から水素リッチ制御に切り換えるタイミングを適切にする構成を有する。
本形態の排気浄化システム１は、空気供給装置６を備え、空気供給装置６から供給される空気Ｋによって第２触媒３２を冷却する構成を有する。また、本形態の排気浄化システム１は、第１触媒３１を通過するＮＯｘの量を推定し、水素リーン制御から水素リッチ制御に切り換えるタイミングを適切にする構成を有する。
【0067】
（空気供給装置６）
第２触媒３２における、アンモニアの吸着上限容量は、第２触媒３２の温度が高くなるほど小さくなることが分かっている。本形態においては、第２触媒３２の温度ができるだけ高くならないようにするために、第２触媒３２を冷却する構成が付加されている。空気供給装置６は、第２触媒３２を冷却するために排気管３へ空気Ｋを供給する。
第２触媒３２における、アンモニアの吸着上限容量は、第２触媒３２の温度が高くなるほど小さくなることが分かっている。本形態においては、第２触媒３２の温度ができるだけ高くならないようにするために、第２触媒３２を冷却する構成が付加されている。空気供給装置６は、第２触媒３２を冷却するために排気管３へ空気Ｋを供給する。
【0068】
より具体的には、図７に示すように、空気供給装置６は、空気Ｋを圧縮する圧縮機６１と、圧縮機６１によって圧縮された空気Ｋを排気管３内に導入するノズル６２とを有する。空気Ｋは、例えば、２０℃±１５℃の大気とすることができる。ノズル６２は、排気管３内における、第２触媒３２よりも排気ガスＧの流れの上流側の位置であって、第１触媒３１よりも排気ガスＧの流れの下流側の位置に配置されている。そして、ノズル６２によって、排気管３における、第１触媒３１と第２触媒３２との間の位置に空気Ｋが供給される。
【0069】
また、空気供給装置６は、空燃比制御時における第２温度検知部５５による第２触媒３２の温度が所定温度を超えたときに、排気管３内の第２触媒３２に空気Ｋを供給するよう構成されている。この構成により、第２触媒３２の温度を低く保つことができ、第２触媒３２の吸着上限容量が大きい状態を維持することができる。
【0070】
また、空気供給装置６は、水素リーン制御を行うときに、排気管３内の第２触媒３２に空気Ｋを供給するよう構成されている。アンモニアが存在する状態の排気管３に酸素が供給されると、アンモニアと酸素が反応してＮＯｘが生成されるおそれがある。そのため、水素の反応によるアンモニアが排気管３に流出しない状態が形成される水素リーン制御において、排気管３に空気Ｋが供給されることにより、不要なＮＯｘの発生を抑えることができる。
【0071】
（ＮＯｘ検知部５３）
図７に示すように、本形態のエンジン制御装置５は、第１触媒３１を通過するＮＯｘの量を窒素酸化物通過量（以下、ＮＯｘ通過量という。）として推定する窒素酸化物検知部５３（以下、ＮＯｘ検知部５３という。）を有する。ＮＯｘ検知部５３は、排気管３における、第１触媒３１と第２触媒３２との間の位置に配置されたＮＯｘセンサ（窒素酸化物センサ）４４を利用して、第１触媒３１から流出するＮＯｘの量をＮＯｘ通過量として推定する。ＮＯｘ検知部５３によって推定されるＮＯｘ通過量は、第２触媒３２に吸着されたアンモニアによって還元されるＮＯｘの量と同じであるとする。そして、第２触媒３２に吸着されたアンモニアの減少量は、ＮＯｘ通過量に比例する。このことに基づき、エンジン制御装置５においては、第２触媒３２におけるアンモニアの吸着量が吸着上限容量からゼロになるまでの、第１触媒３１におけるＮＯｘ通過量が、規定の目標通過量として定められている。
図７に示すように、本形態のエンジン制御装置５は、第１触媒３１を通過するＮＯｘの量を窒素酸化物通過量（以下、ＮＯｘ通過量という。）として推定する窒素酸化物検知部５３（以下、ＮＯｘ検知部５３という。）を有する。ＮＯｘ検知部５３は、排気管３における、第１触媒３１と第２触媒３２との間の位置に配置されたＮＯｘセンサ（窒素酸化物センサ）４４を利用して、第１触媒３１から流出するＮＯｘの量をＮＯｘ通過量として推定する。ＮＯｘ検知部５３によって推定されるＮＯｘ通過量は、第２触媒３２に吸着されたアンモニアによって還元されるＮＯｘの量と同じであるとする。そして、第２触媒３２に吸着されたアンモニアの減少量は、ＮＯｘ通過量に比例する。このことに基づき、エンジン制御装置５においては、第２触媒３２におけるアンモニアの吸着量が吸着上限容量からゼロになるまでの、第１触媒３１におけるＮＯｘ通過量が、規定の目標通過量として定められている。
【0072】
図示は省略するが、エンジン制御装置５は、排気管３を流れる排気ガスＧの流量を推定する流量推定部を有する。流量推定部は、水素燃料エンジン２の吸気管における燃焼用空気の流量、及び燃料噴射装置からの水素の噴射量に基づいて、排気ガスＧの流量を推定する。また、流量推定部は、排気管３を流れる排気ガスＧの流量を測定する流量計を用いて、排気ガスＧの流量を検知してもよい。ＮＯｘ検知部５３によるＮＯｘ通過量は、ＮＯｘセンサ４４によるＮＯｘの濃度及び排気ガスＧの流量の時間的変化に基づいて求められる。
【0073】
ＮＯｘ検知部５３は、ＮＯｘセンサ４４を利用せずに、水素燃料エンジン２における空燃比の変化、及び第１触媒３１におけるＮＯｘの還元能力の変化を利用して、ＮＯｘ通過量を推定することもできる。また、ＮＯｘ検知部５３は、空燃比が水素リーン側になるほどＮＯｘが多く発生して第１触媒３１から流出するＮＯｘが多くなることを指標にし、推定されるＮＯｘの流出量を積算して、ＮＯｘ通過量を求めることもできる。
【0074】
本形態の空燃比制御部５１は、通常は水素リッチ制御を行い、かつ、実施形態１に示すアンモニア検知部５２によるアンモニア吸着量が規定の吸着上限容量を超えてから、ＮＯｘ検知部５３によるＮＯｘ通過量が規定の目標通過量を超えるまでは、水素リーン制御を行うよう構成されている。ＮＯｘ検知部５３を用いることにより、空燃比制御部５１は、第２触媒３２に吸着されたアンモニアが、吸着上限容量にある状態からほとんどなくなる状態になるまで、水素リーン制御を行うことができる。
【0075】
また、空燃比制御部５１は、第２触媒３２の温度が所定温度を超えていて水素リーン制御を行うときに、空気供給装置６から排気管３内の第２触媒３２に空気Ｋを供給するよう構成されている。第２触媒３２へ供給する空気Ｋの量は、第２触媒３２の温度を目標とする温度に低下させることができる量とする。
【0076】
空気供給装置６から排気管３内への空気Ｋの供給は、空燃比制御部５１によって複数回繰り返し水素リーン制御が行われるときの、いずれかの水素リーン制御において行われてもよい。例えば、空気供給装置６による空気Ｋの供給は、水素リーン制御が複数回行われるごとに１回行われてもよい。
【0077】
空燃比制御部５１は、第２温度検知部５５による第２触媒３２の温度が目標とする温度になるよう、空気供給装置６から排気管３内の第２触媒３２へ空気Ｋを供給してもよい。この場合には、フィードバック制御を行って、第２触媒３２の温度を目標とする温度の範囲内に維持することができる。
【0078】
空燃比制御部５１は、第２触媒３２の温度が所定温度を超えていて、かつ第２触媒３２の温度が高いほど、空気供給装置６から排気管３内へ供給する空気Ｋの量を多くするよう構成してもよい。第２触媒３２の温度が高くなるほど、第２触媒３２を目標とする温度にするために要する空気Ｋの量が多くなる。この場合にも、第２触媒３２の温度を目標とする温度の範囲内に維持することができる。
【0079】
（排気浄化システム１の制御方法）
本形態の排気浄化システム１の制御方法について、図８のフローチャートを参照して説明する。本形態の排気浄化システム１においても、空燃比制御部５１は、通常時として、水素燃料エンジン２における空燃比を水素リッチ側にして、水素リッチ制御を開始する（図７のステップＳ２０１）。そして、実施形態１のステップＳ１０２～Ｓ１０７と同様に、ステップＳ２０１～Ｓ２０７が行われる。
本形態の排気浄化システム１の制御方法について、図８のフローチャートを参照して説明する。本形態の排気浄化システム１においても、空燃比制御部５１は、通常時として、水素燃料エンジン２における空燃比を水素リッチ側にして、水素リッチ制御を開始する（図７のステップＳ２０１）。そして、実施形態１のステップＳ１０２～Ｓ１０７と同様に、ステップＳ２０１～Ｓ２０７が行われる。
【0080】
ステップＳ２０７において、アンモニア検知部５２による第２触媒３２のアンモニア吸着量が制御上限量を超えたときには、空燃比制御部５１は、水素リッチ制御を水素リーン制御に切り換え、水素燃料エンジン２における目標空燃比を水素リーン側の一定の空燃比にして、水素リーン制御を実行する（ステップＳ２０８）。また、アンモニア検知部５２は、水素リーン制御が行われるときに、アンモニア吸着量をゼロにリセットする。
【0081】
次いで、空燃比制御部５１は、第２温度検知部５５によって第２触媒３２の温度を検知する（ステップＳ２０９）。そして、空燃比制御部５１は、第２触媒３２の温度が所定温度を超えたか否かを判定する（ステップＳ２１０）。第２触媒３２の温度が所定温度を超えた場合には、第２触媒３２を冷却するために、空気供給装置６から排気管３内の第２触媒３２へ空気Ｋを供給する（ステップＳ２１１）。空気供給装置６による空気Ｋの供給は、ステップＳ２０８～Ｓ２１３が繰り返し実行される間に、第２触媒３２の温度が所定温度以下になるまで行われる。一方、ステップＳ２１０において、第２触媒３２の温度が所定温度以下である場合には、空気供給装置６から排気管３内に空気Ｋは供給されない。
【0082】
また、ＮＯｘ検知部５３は、ＮＯｘセンサ４４による第１触媒３１の下流側のＮＯｘの濃度、及び排気ガスＧの流量に基づいて、水素リッチ制御から水素リーン制御に切り換わった時点からの、第１触媒３１におけるＮＯｘ通過量を検知する（ステップＳ２１２）。そして、空燃比制御部５１は、ＮＯｘ検知部５３によるＮＯｘ通過量が規定の目標通過量になったか否かを判定する（ステップＳ２１３）。ＮＯｘ通過量が目標通過量になるまでは水素リーン制御を継続する。そして、ＮＯｘ通過量が目標通過量になったときには、空燃比制御部５１は、水素リーン制御を水素リッチ制御に切り換える（ステップＳ２０１）。
【0083】
水素リッチ制御が再び行われるときには、空気Ｋによって第２触媒３２が冷却されたことにより、関係設定部５６によって第２触媒３２の吸着上限容量としての制御上限量が設定されるときには（ステップＳ２０６）、第２触媒３２の温度の低下に応じて制御上限量が大きな値に設定される。
【0084】
その後、空燃比制御部５１によって水素リッチ制御と水素リーン制御とが繰り返される。また、排気浄化システム１における水素リッチ制御及び水素リーン制御は、水素燃料エンジン２の燃焼停止等の適宜条件を受けて停止される。
【0085】
（第２触媒３２の温度の変化）
図９（ａ）～（ｃ）には、水素リッチ制御及び水素リーン制御が繰り返される際の、空気供給装置６によって第２触媒３２へ空気Ｋを導入するタイミング、及び第２触媒３２の温度の時間的変化を示す。
図９（ａ）～（ｃ）には、水素リッチ制御及び水素リーン制御が繰り返される際の、空気供給装置６によって第２触媒３２へ空気Ｋを導入するタイミング、及び第２触媒３２の温度の時間的変化を示す。
【0086】
図９（ａ）においては、水素燃料エンジン２における空燃比が、水素リッチ側と水素リーン側とに交互に切り換わる状態を示す。図９（ｂ）においては、水素リーン制御が行われるときに、空気供給装置６から排気管３内の第２触媒３２に空気（大気）Ｋが供給される状態を示す。空気供給装置６から第２触媒３２への空気Ｋの供給は、水素リーン制御が行われる時間帯のうちのいずれかの時点で行われればよい。換言すれば、この空気Ｋが供給される時間の長さは、水素リーン制御が行われる時間の長さよりも短く、瞬間的であってもよい。
【0087】
図９（ｃ）においては、第２触媒３２の温度は、水素リッチ制御が行われるときに上昇し、水素リーン制御が行われるときに、空気Ｋによって冷却されて低下することを示す。こうして、第２触媒３２の温度は、所定温度の範囲内に制御される。
【0088】
本形態の排気浄化システム１においては、空燃比制御部５１は、ＮＯｘ検知部５３を利用することにより、第２触媒３２に吸着されたアンモニアがなくなるときには、迅速に水素リーン制御から水素リッチ制御に戻すことができる。そのため、水素リッチ制御と水素リーン制御とに切り換えるタイミングをより適切にすることができる。
【0089】
また、空気供給装置６から排気管３内の第２触媒３２に空気Ｋが供給されることにより、第２触媒３２の温度が低く維持される。これにより、第２触媒３２におけるアンモニアの吸着上限容量をより大きく保つことができ、空燃比制御部５１によって水素リッチ制御を行う時間をできるだけ長く維持することができる。また、空気供給装置６を用いて第２触媒３２の温度を目標とする温度の範囲内に維持することにより、第２触媒３２の温度にあまり依存せずに、水素リッチ制御を行うことが可能になる。
【0090】
また、排気浄化システム１は、空気供給装置６を備える代わりに、又は空気供給装置６とともに、冷媒によって第２触媒３２を冷却する冷却装置を備えていてもよい。冷却装置は、冷媒を用いて、第２触媒３２を排気管３の外部から伝熱によって冷却する構成とすることができる。冷却装置は、第２触媒３２を冷却する種々の構成としてもよい。また、冷却装置は、空燃比制御時における第２温度検知部５５による第２触媒３２の温度が所定温度を超えたときに、第２触媒３２を冷却するよう構成することができる。また、空燃比制御部５１が冷却装置を制御する構成は、空気供給装置６の場合と同様である。
【0091】
本形態の排気浄化システム１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の構成要素と同様である。
【0092】
＜その他の実施形態＞
空気供給装置６から排気管３内の第２触媒３２に空気Ｋを供給する構成を有する場合には、第２触媒３２は、アンモニアを吸着する性質を有するものとする以外にも、アンモニアを酸化させる性質を有するものとしてもよい。この場合の第２触媒３２は、例えば、アンモニアスリップ触媒とすることができる。そして、アンモニアスリップ触媒に供給されるアンモニアは、空気供給装置６から供給される空気Ｋ中の酸素と反応させて燃焼させて、消失させることができる。これによっても、排気管３から大気にアンモニアが放出されることを防止することができる。
空気供給装置６から排気管３内の第２触媒３２に空気Ｋを供給する構成を有する場合には、第２触媒３２は、アンモニアを吸着する性質を有するものとする以外にも、アンモニアを酸化させる性質を有するものとしてもよい。この場合の第２触媒３２は、例えば、アンモニアスリップ触媒とすることができる。そして、アンモニアスリップ触媒に供給されるアンモニアは、空気供給装置６から供給される空気Ｋ中の酸素と反応させて燃焼させて、消失させることができる。これによっても、排気管３から大気にアンモニアが放出されることを防止することができる。
【0093】
本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。
【符号の説明】
【0094】
１ 排気浄化システム
２ 水素燃料エンジン
３ 排気管
３１ 第１触媒
３２ 第２触媒
５ エンジン制御装置
５１ 空燃比制御部
５５ 第２温度検知部
２ 水素燃料エンジン
３ 排気管
３１ 第１触媒
３２ 第２触媒
５ エンジン制御装置
５１ 空燃比制御部
５５ 第２温度検知部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】