JP2014137044A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニアを用いた選択還元によって排気内のＮＯｘを浄化する選択還元型触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、選択還元型触媒が低温状態にある場合に、ＮＯｘ浄化率を上昇させる。
【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられ、アンモニアを用いた選択還元によって排気内の窒素酸化物を浄化する選択還元型触媒と、排気通路内を流通する排気にアンモニア発生剤を添加する添加装置と、選択還元型触媒におけるアンモニアスリップの発生が抑制される範囲で、アンモニア発生剤の添加量を制御する通常制御手段と、内燃機関の今後の運転負荷を予測する予測手段と、予測手段によって内燃機関の運転負荷が低負荷の状態を継続すると予測される場合に、アンモニア発生剤の添加量を通常制御手段によって制御される添加量より増大させる増大制御手段と、を備えるようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、選択還元型触媒によって排気内の窒素酸化物を浄化する内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来、内燃機関の排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する排気浄化装置として、内部に吸着したアンモニア（ＮＨ_３）を用いてＮＯｘを窒素（Ｎ_２）に還元する選択還元型触媒（ＳＣＲ触媒）と、この還元反応に消費されるアンモニアを発生する尿素水の添加装置を排気通路に設けたものが知られている。ここで、添加装置によって添加された尿素水内の尿素は、主に排気の熱によって加水分解を起こすことによってアンモニアを発生する。

ところで、内燃機関の始動直後や低負荷運転時など、排気温度が低い場合には、尿素の加水分解が十分に促進されないことがある。このような状態から急激に高負荷状態に移行したときには、ＮＯｘの排出量が急激に増大する可能性があるため、増大したＮＯｘに見合う量のアンモニアが供給されない虞がある。そこで、ＮＯｘ排出量が急激に増大する場合に備えて、ＳＣＲ触媒の温度が低い低負荷運転中に、予め多量の尿素をＳＣＲ触媒内に供給して貯蔵させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２４０８１１号公報 特開２００７−１８２８０５号公報 特開平４−３４６８１９号公報 特開２００６−３４２７３７号公報

低負荷運転状態が継続する状況では、ＳＣＲ触媒の低温状態も継続するため、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率（ＳＣＲ触媒へ流入するＮＯｘ量に対するＳＣＲ触媒で浄化されるＮＯｘ量の比率）が低い状態が続く虞がある。ここで、上述の特許文献１に記載された技術は、ＳＣＲ触媒が低温状態にあるときに、高温状態への移行に備えて予め尿素の貯蔵量を増大させるものである。このように、ＳＣＲ触媒上に尿素として貯蔵している場合、ＳＣＲ触媒の低温状態が継続すると尿素がアンモニアに加水分解されないことが原因で、ＮＯｘ浄化率が上昇しない可能性がある。

なお、従来、低温状態にあるＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率を上昇させるために触媒暖機を実行することが知られている。しかしながら、触媒暖機では燃料を消費するため、頻繁に実行すると燃費が悪化してしまって好ましくない。

本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＳＣＲ触媒が低温状態にある場合に、ＮＯｘ浄化率を上昇させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記した課題を解決するために、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ、アンモニアを用いた選択還元によって排気内の窒素酸
化物を浄化する選択還元型触媒と、
前記選択還元型触媒より上流側の排気通路内を流通する排気にアンモニアを発生するアンモニア発生剤を添加する添加装置と、
前記選択還元型触媒におけるアンモニアスリップの発生が抑制される範囲で、アンモニア発生剤の添加量を制御する通常制御手段と、
前記内燃機関の今後の運転負荷を予測する予測手段と、
前記予測手段によって前記内燃機関の運転負荷が低負荷の状態を継続すると予測される場合に、前記アンモニア発生剤の添加量を前記通常制御手段によって制御される添加量より増大させる増大制御手段と、
を備えるようにした。

アンモニアを還元剤として用いる選択還元型触媒（以下、「ＳＣＲ触媒」という）では、ＳＣＲ触媒に吸着されたアンモニアが、排気中のＮＯｘと反応して窒素や水に転化されることによって、ＮＯｘが浄化される。なお、この還元反応によってアンモニアは消費されるが、ＳＣＲ触媒の上流側に配置された添加装置によってアンモニア発生剤（例えば、尿素）が添加されることによって、ＳＣＲ触媒にはアンモニアが必要に応じて供給される。

ところで、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率（ＳＣＲ触媒へ流入するＮＯｘ量に対するＳＣＲ触媒で浄化されるＮＯｘ量の比率）は、床温が所定の温度領域（例えば、２００℃以上）に達すると、触媒が活性化されて十分に高くなる。内燃機関が通常想定される運転負荷で運転されている場合は、排出される排気によって、ＳＣＲ触媒の床温が概ね当該領域内に保たれる。一方、内燃機関の運転負荷が通常想定される運転負荷より低い低負荷の状態にある場合は、排出される排気の温度が低下するため、ＳＣＲ触媒の床温は低くなる傾向にある。

ところで、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率は、アンモニアの吸着量を増大させると高くすることができる。そのため、ＳＣＲ触媒の床温が、触媒が活性化される所定の温度領域に達していない場合であっても、ＳＣＲ触媒内のアンモニア吸着量を増大させることで、ＮＯｘ浄化率を上昇させることができる。ただし、ＳＣＲ触媒が吸着可能なアンモニア量には、飽和吸着量と呼ばれる上限量があり、これは床温が上昇すると低下する特性を持つ。そのため、ある床温におけるＳＣＲ触媒のアンモニア吸着量が、当該床温における飽和吸着量未満であったとしても、内燃機関の運転負荷が増加して床温が上昇すると、当該アンモニア吸着量が床温の上昇によって低下した飽和吸着量を上回ることがある。この場合には、飽和吸着量を超える量のアンモニアが、ＳＣＲ触媒内から放出されて大気へ排出される「アンモニアスリップ」と呼ばれる現象が発生する虞がある。アンモニアは有害な物質であるために、アンモニアスリップの発生は望ましくない。

そこで、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、ＳＣＲ触媒におけるアンモニアスリップの発生が抑制される範囲で、アンモニア発生剤の添加量を制御する通常制御手段と、内燃機関の今後の運転負荷を予測する予測手段と、予測手段によって内燃機関の運転負荷が低負荷の状態を継続すると予測される場合に、アンモニア発生剤の添加量を通常制御手段によって制御される添加量より増大させる増大制御手段と、を備えるようにした。本発明によれば、通常制御手段によって、ＳＣＲ触媒におけるアンモニアスリップの発生が抑制される範囲で尿素水の添加量が制御される。そして、予測手段によって内燃機関の運転負荷が低負荷の状態を継続すると予測される場合は、増大制御手段によって、アンモニア発生剤の添加量が通常制御手段によって制御される添加量より増大される。ここで、内燃機関の運転負荷が低負荷の状態を継続すると予測される場合は、ＳＣＲ触媒の低温状態が継続すると予測されるため、ＮＯｘ浄化率の低い状態が継続する虞がある。この場合には、アンモニア発生剤の添加量が増大されて、ＳＣＲ触媒のアンモニア吸着量が増大される
。これにより、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率が上昇される。なお、添加量が増大されるのは、内燃機関の運転負荷が低負荷の状態を継続すると予測される場合であるため、ＳＣＲ触媒の床温の上昇によってアンモニアスリップが発生することは未然に抑制される。その結果、本発明によれば、ＳＣＲ触媒が低温状態にある場合に、アンモニアスリップを抑制しつつ、ＮＯｘ浄化率を上昇させることが可能になる。

なお、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、増大制御手段は、排気の温度がアンモニア発生剤によってアンモニアが発生される温度以上のときに、アンモニア発生剤の添加量を通常制御手段によって制御される添加量より増大させるようにしてもよい。ここで、アンモニア発生剤からアンモニアが発生する反応は、主に排気の熱によって生じる。そのため、アンモニア発生剤の反応が促進されるためには、排気温度が所定温度領域（尿素の加水分解反応であれば、例えば１７０℃以上）にあることが望ましい。本発明によれば、排気の温度がアンモニア発生剤によってアンモニアが発生される温度以上のときに、アンモニア発生剤の添加量が増大されるため、アンモニアの発生量をより確実に増大させることができる。その結果、ＳＣＲ触媒のアンモニア吸着量を増大させて、ＮＯｘ浄化率を上昇させることができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に設けられ、排気内の粒子状物質を捕集するフィルタを更に備え、フィルタの捕集量が所定量以上の場合は、増大制御手段による、アンモニア発生剤の添加量を通常制御手段によって制御される添加量より増大させる制御が禁止されるようにしてもよい。ここで、排気に含まれる炭素等の粒子状物質（以下、「ＰＭ」という）を捕集するフィルタを備える排気浄化装置においては、ＰＭ捕集量が所定量以上のときには、フィルタの目詰まりを解消するために捕集されているＰＭを除去する再生処理が実行される。この再生処理においては、フィルタを流通する排気温度が高温になるため、ＳＣＲ触媒に流入する排気温度も高温となる。したがって、ＳＣＲ触媒の触媒床温が上昇してアンモニアスリップが発生する虞がある。そこで、本発明によれば、フィルタの捕集量が所定量以上の場合には、増大制御手段によるアンモニア発生剤の添加量の増大が禁止される。つまり、この所定量を、フィルタ再生処理の実行が判定されるときのＰＭ捕集量より若干低い量に定めれば、フィルタの再生処理が実行される前に、アンモニア発生剤の添加量が増大されることを禁止することができる。これにより、フィルタの再生時に、アンモニアスリップが発生することを未然に回避することが可能になる。

また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、ＳＣＲ触媒の暖機を制御する暖機制御手段を更に備え、増大制御手段によってアンモニア発生剤の添加量が通常制御手段によって制御される添加量より増大されているときは、暖機制御手段による暖機が禁止されるようにしてもよい。これにより、アンモニア発生剤の増大制御によってＮＯｘ浄化率の上昇が図られている場合には、燃料消費を伴う触媒暖機が実行されなくなる。その結果、燃料消費が低減されて内燃機関の燃費が向上する。

本発明によれば、ＳＣＲ触媒が低温状態にある場合に、ＮＯｘ浄化率を上昇させることができる内燃機関の排気浄化装置が提供される。

本発明の実施例に係る内燃機関と排気浄化装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施例に係るＳＣＲ触媒における、ＳＣＲ触媒床温、アンモニア飽和吸着量及びＮＯｘ浄化率の関係を示す図である。 本発明の実施例に係る尿素水添加制御における、アンモニア吸着量とＳＣＲ触媒床温との関係を示す図である。 本発明の実施例に係る尿素水添加制御の制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施例に係る尿素水添加制御のタイムチャートである。 本発明の他の実施例に係る尿素水添加制御の制御ルーチンのフローチャートである。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

［実施例］
＜排気浄化装置の構成＞
まず、本発明の第１の実施例について説明する。図１は、本発明が適用される内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、複数の気筒を有する自動車用の圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）である。なお、本発明を適用する内燃機関は、圧縮着火式の内燃機関に限られず、火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）であってもよい。

内燃機関１には、内燃機関１の気筒内から排出される既燃ガス（排気）を流通させるための排気通路２が接続されている。排気通路２には、上流側から順に、燃料添加弁３、酸化触媒４、ＤＰＦ５及びＳＣＲ触媒（選択還元型触媒）６が配置されている。酸化触媒４は、排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等を酸化し、これらが大気へ排出されることを抑制する。ＤＰＦ５は、排気通路２を流通する排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタである。燃料添加弁３は、排気通路２に燃料を添加する装置であり、特にＤＰＦ５の再生処理時に排気に燃料を添加する。再生処理とは、ＤＰＦ５に捕集されているＰＭを酸化及び除去するための処理であり、規定量以上のＰＭが堆積した場合に実行される。燃料添加弁３から添加された燃料は、酸化触媒４で酸化されるため、酸化触媒４から流出する排気が昇温される。昇温された排気はＤＰＦ５に流入し、ＰＭを酸化除去する。

ＳＣＲ触媒６は、アンモニアを用いて排気中のＮＯｘを還元浄化する。例えば、一酸化窒素（ＮＯ）及び二酸化窒素（ＮＯ_２）は、それぞれ以下の反応式に表わされる化学反応によって、窒素（Ｎ_２）に還元される。
４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ
６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ

つまり、これらの反応によってＮＯｘが窒素や水（Ｈ_２Ｏ）に転化されることによって、ＮＯｘの浄化が達成される。なお、ＳＣＲ触媒６は、筒状のケーシング内に、流入したアンモニアを吸着する機能を有する触媒担体を収容している。この触媒担体は、コーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼から成るハニカム形状の横断面を有する基材に、アルミナ系またはゼオライト系の活性成分（担体）がコーティングされたものである。

ＳＣＲ触媒６よりも上流側の排気通路２には、排気通路２内を流通する排気にアンモニア発生剤としての尿素（（ＮＨ_２）_２ＣＯ）が溶解された尿素水を添加する尿素水添加弁７が配置されている。つまり、この尿素水添加弁７が、本発明におけるアンモニア発生剤の添加装置に相当する。尿素水添加弁７は、ニードルの移動により開閉される噴孔を有する弁装置である。尿素水添加弁７は、ポンプ７０を介して尿素水タンク７１に接続されている。ポンプ７０は、尿素水タンク７１に貯留されている尿素水を吸引して尿素水添加弁７へ圧送する。尿素水添加弁７は、ポンプ７０から圧送されてくる尿素水を排気通路２内
へ噴射する。噴射された尿素水は、主に排気の熱によって以下の反応式に示される加水分解反応を生じてアンモニアを発生する。
（ＮＨ_２）_２ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→２ＮＨ_３＋ＣＯ_２
このようにして生成されたアンモニアは、ＳＣＲ触媒６に吸着される。

以上のように構成された内燃機関１には、ＥＣＵ１０が併設されている。ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等を備えた電子制御ユニットである。ＥＣＵ１０は、排気温度センサ８、エアフローメータ９、車速計１１、アクセルポジションセンサ１２、回転計１３、差圧センサ１４、第１ＮＯｘセンサ１６、第２ＮＯｘセンサ１７等の各種センサと電気的に接続されている。

排気温度センサ８は、ＤＰＦ５より下流であって、ＳＣＲ触媒６より上流の排気通路２に配置され、ＤＰＦ５から流出し、ＳＣＲ触媒６に流入する排気の温度に相関する電気信号を出力する。また、エアフローメータ９は、内燃機関１の吸気通路に配置され、内燃機関１に吸入される吸気量に相関する電気信号を出力する。

車速計１１は、内燃機関１が搭載される車両の速度に相関する電気信号を出力する。アクセルポジションセンサ１２は、内燃機関１が搭載される車両のアクセルペダルの操作量（アクセル開度）に相関する電気信号を出力する。回転計１３は、内燃機関１の機関回転数に相関する電気信号を出力する。また、差圧センサ１４は、排気通路２に配置されており、ＤＰＦ５の上流側の排気圧力と下流側の排気圧力との差圧に相関する電気信号を出力する。このようにして出力された差圧の値からパティキュレートフィルタのＰＭ捕集量を求めることが可能になる。

また、第１ＮＯｘセンサ１６は、ＤＰＦ５より下流、かつＳＣＲ触媒６より上流の排気通路２に配置され、ＳＣＲ触媒６に流入する排気内のＮＯｘ濃度に相関する電気信号を出力する。また、第２ＮＯｘセンサ１７は、ＳＣＲ触媒６より下流の排気通路２に配置され、ＳＣＲ触媒６から流出する排気内のＮＯｘ濃度に相関する電気信号を出力する。

また、ＥＣＵ１０には、車両に搭載されたナビゲーションシステム２０が電気的に接続されている。ナビゲーションシステム２０は、車両の位置を検出するＧＰＳセンサや、交通情報を取得する装置を有しており、これらの情報を電気信号としてＥＣＵ１０に出力する。

そして、ＥＣＵ１０は、燃料添加弁３、尿素水添加弁７、ポンプ７０等の各種機器と電気的に接続されている。また、ＥＣＵ１０は、上述した各種センサの出力信号に基づいて、前記各種機器を電気的に制御する。

＜ＳＣＲ触媒の特性＞
次に、図２を参照して、本実施例におけるＳＣＲ触媒６の特性、すなわち、触媒の床温（温度）、アンモニア飽和吸着量、及びＮＯｘ浄化率の関係について説明する。なお、アンモニア飽和吸着量とは、ＳＣＲ触媒６が吸着可能なアンモニア量の上限である。

図２（ａ）は、ＳＣＲ触媒６における床温とアンモニア飽和吸着量との関係を示し、図２（ｂ）は、床温とＮＯｘ浄化率との関係を示している。図２（ａ）のグラフＬ１に示されるように、ＳＣＲ触媒６のアンモニア飽和吸着量は、床温が上昇するにつれて減少する。

図２（ｂ）のグラフＬ２に示されるように、ＳＣＲ触媒６の浄化率は、床温が上昇するにつれて高くなっており（過昇温時の低下は除く）、特に、２００℃手前において浄化率
が急激に上昇している。これは、ＳＣＲ触媒６の活性化に起因する。なお、図２（ｂ）における温度Ｔ１は、内燃機関１が通常の運転負荷で運転されている場合に想定されるＳＣＲ触媒６の床温の変動範囲の下限値（例えば２５０℃）である。また、温度Ｔ２は、当該変動範囲の上限値（例えば４００℃）である。つまり、内燃機関１が通常の運転負荷で運転されている場合の床温は、触媒が活性化される床温領域内を変動すると想定される。なお、内燃機関１が通常の運転負荷で運転されている場合とは、高出力・高トルクが必要とされる急加速時等を除いた運転状況を意味する。

ＮＯｘ浄化率の上昇が生じる温度領域より低い領域においては、ＳＣＲ触媒６が活性化されていないためにＮＯｘ浄化率は低く推移している。ここで、本願の発明者は、約２００℃以下の床温領域においてアンモニア吸着量を増大させると、破線のグラフＬ３に示されるように、ＮＯｘ浄化率が上昇することを見出した。つまり、ＮＯｘ浄化率が低い低温領域においても、アンモニア吸着量を増大させればＮＯｘ浄化率をある程度上昇させることが可能になる。

＜尿素水添加制御の制御原理＞
次に図３を用いて、本実施例に係る尿素水添加制御の制御原理について説明する。なお、尿素水添加制御とは、尿素水添加弁７による尿素水の添加量の制御であって、ＥＣＵ１０によって実行される。図３は、本実施例に係る尿素水添加制御としての通常制御と増大制御における、ＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量と床温との関係を示すグラフである。なお、通常制御とは、内燃機関１が通常の運転負荷で運転されている場合に、ＳＣＲ触媒６におけるアンモニアスリップの発生が抑制される範囲で実行される、尿素水の添加量制御である。また、増大制御とは、内燃機関１の運転負荷が低負荷の状態を継続すると予測される場合に、尿素水の添加量を、通常制御によって制御される添加量より増大させる制御である。なお、内燃機関１が通常の運転負荷で運転されている場合とは、高出力や高トルクが必要とされていない運転状態を意味する。また、内燃機関１の運転負荷が低負荷の状態を継続すると予測される場合とは、例えば、内燃機関１が搭載された車両が、渋滞の中を走行している場合や、長い下り坂を走行している場合等である。この場合には、内燃機関１から排出される排気は低温且つ低量であるため、ＳＣＲ触媒６は、床温が図２（ｂ）に示される２００℃以下の低温領域で推移する低温状態となりやすい。

また、図３には、図２（ａ）における飽和吸着量のグラフＬ１と、図２（ｂ）における温度Ｔ１及びＴ２が併せて示されている。上述のように、温度Ｔ１とＴ２で定まる床温範囲においては、ＳＣＲ触媒６は活性化されて十分なＮＯｘ浄化率を有している。

通常制御においては、内燃機関１が通常の運転負荷で運転されている場合に変動し得るＳＣＲ触媒６の床温範囲を考慮して、アンモニアスリップの発生が抑制される範囲で尿素水の添加量が制御される。つまり、図３のグラフＬ４に示されるように、床温がＴ２以下の領域では、アンモニア吸着量ｘ２を上限として、尿素水の添加が制御される。なお、尿素水の添加量とＳＣＲ触媒６に吸着されるアンモニア量との関係は、予め実験等によって求められたデータを数値マップとしてＥＣＵ１０内に用意しておけばよい。つまり、尿素水の添加量や内燃機関１の回転数、排気温度等の条件に対応するアンモニア吸着量のデータを用意しておくことで、目標とするアンモニア吸着量に応じて尿素水の添加量を制御することが可能になる。

ここで、アンモニア吸着量ｘ２は、ＳＣＲ触媒６の床温が温度Ｔ２にあるときの飽和吸着量である。上述したように、内燃機関１が通常の運転負荷で運転されている場合には、ＳＣＲ触媒６の床温が温度Ｔ２を上回る事態は概ね生じない。したがって、図３に示されるように、ＳＣＲ触媒６の床温が温度Ｔ２以下であれば、アンモニア吸着量ｘ２はこの床温範囲における飽和吸着量未満となる。つまり、通常制御によって、アンモニア吸着量が
ｘ２以下となる範囲で、尿素添加弁７による尿素水の添加量が制御されれば、内燃機関１が通常の運転負荷で運転されている間は、アンモニアスリップの発生を抑制することができる。

一方、増大制御においては、図３のグラフＬ５で示されるように、通常制御におけるアンモニア吸着量の上限よりも高い、アンモニア吸着量ｘ１を上限として尿素水の添加制御が行われる。なお、アンモニア吸着量ｘ１は、ＳＣＲ触媒６の床温が温度Ｔ１にあるときの飽和吸着量である。ここで、内燃機関１の運転負荷が低負荷の状態を継続すると予測される場合は、低温の排気の排出が継続すると予測されるため、ＳＣＲ触媒６の床温は、図３の温度Ｔ１より低い低温状態で継続すると予測される。そのため、この場合には、ＳＣＲ触媒６の飽和吸着量は、アンモニア吸着量ｘ１より高くなると予測される。したがって、増大制御が実行される床温範囲においては、アンモニア吸着量がｘ１であっても、アンモニアスリップが生じることは抑制される。このようにしてアンモニア吸着量を増大させることによって、ＳＣＲ触媒６が低温状態にあるときに、アンモニアスリップを抑制しつつ、ＮＯｘ浄化率を上昇させることが可能になる。

＜尿素水添加制御ルーチン＞
次に、図４及び図５を用いて、ＥＣＵ１０が行う尿素水添加制御の制御ルーチンについて説明する。図４に示すフローチャートは、尿素水添加の制御ルーチン（以下、単に「ルーチン」という）を示すフローチャートである。なお、図４のルーチンは、ＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶されているルーチンであり、ＥＣＵ１０によって周期的に実行されるルーチンである。また、図５に示すタイムチャートは、本実施例に係る尿素水添加制御が実行されたときの状況を時系列に説明する図である。なお、図５には、通常の運転負荷で運転され、車速ｖ１で走行する車両が、時間ｔ１において減速を開始し、時間ｔ２以降は車速ｖ２で走行するときの状況が示されている（図５（ａ）参照）。また、図５のｔ３以降においては、本実施例に係る増大制御が実行されるときの各指標の推移が実線で示されており、増大制御が実行されないときの各指標の推移が破線で示されている。

制御ルーチンが開始されると、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０１の処理において、今回のルーチン実行時におけるＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率を取得する。ＮＯｘ浄化率は、ＳＣＲ触媒６の床温と、内部を流通する排気ガス量から算出される。ここで、ＳＣＲ触媒６の床温は、排気温度センサ８によって検出されるＳＣＲ触媒６に流入する排気温度と、予めＥＣＵ１０内に記憶されたＳＣＲ触媒６の熱容量から求められる。また、排気ガス量は、エアフローメータ９によって検出される吸気量や、内燃機関１の運転状態から求められる。なお、ＳＣＲ触媒６の前後に設けられた第１ＮＯｘセンサ１６及び第２ＮＯｘセンサ１７によって検出される値を用いて、ＮＯｘ浄化率を求めてもよい。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０２の処理において、前処理において取得されたＮＯｘ浄化率が所定値以下であるかを判定する。この所定値は、ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率の目標値であって、内燃機関１から排出されるＮＯｘ量とＳＣＲ触媒６から排出されるＮＯｘ量とから決定される。ここで、内燃機関１から排出されるＮＯｘ量は、第１ＮＯｘセンサ１６の出力値を用いればよい。そして、本処理において否定的な判定がなされた場合は、ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率が所定値以上であること、すなわち、ＳＣＲ触媒６が十分なＮＯｘ浄化率を発揮していることを意味する。したがって、この場合には、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０６の処理に進み、尿素水添加の通常制御の実行を決定して、本ルーチンを終了する。つまり、例えば、本ルーチンの実行時が、図５に示される時間ｔ０からｔ３までのときには、図５（ｃ）に示されるように、ＳＣＲ触媒６の床温が閾温度Ｔ０より高い。ここで、閾温度Ｔ０は、ＳＣＲ触媒６の床温が低温状態になるときの床温であって、ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率が上述の所定値を下回るような温度である。つまり、時間ｔ０からｔ３までにおいては、ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率が所定値より高いと判定されるため、通常
制御が実行される。通常制御においては、ＥＣＵ１０によって、尿素水の添加量が、ＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量が図３のｘ２を超えない範囲で制御される。これにより、内燃機関１が、通常の運転負荷で運転されている場合は、ＳＣＲ触媒６においてアンモニアスリップが発生することが抑制される。

一方、Ｓ１０２の処理において肯定的な判定が下された場合は、ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率が十分でないことを意味する。この判定は、図５に示される例においては、時間ｔ３において行われる。つまり、時間ｔ２からｔ３までは、内燃機関１が搭載された車両が低速な車速ｖ２で走行するため、内燃機関１の運転負荷は低い。そのため、内燃機関１からは低温且つ低量の排気が排出されて、図５（ｃ）に示すように触媒床温が徐々に低下していく。なお、この時間内においては、図５（ｅ）に示されるように、内燃機関１から排出されるＮＯｘ量（ＥＮＧ出ＮＯｘ）も低下する。しかしながら、床温の低下によってＮＯｘ浄化率も低下するため、図５（ｆ）に示されるように、ＳＣＲ触媒６から排出されるＮＯｘ量（ＳＣＲ出ＮＯｘ）が徐々に増加する。そして、時間ｔ３において、触媒床温がＴ０になってＮＯｘ浄化率が上述の所定値以下となると、肯定判定が下されてＳ１０３の処理に進む。

次に、Ｓ１０３の処理では、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転負荷が低負荷の状態を継続するか否かを予測する。なお、運転負荷が低負荷の状態を継続するときとは、例えば、渋滞走行中や、長い下り坂を惰性で走行している場合等の低い運転負荷が継続する場合であって、この運転負荷のままでは、本ルーチンの実行時にＳＣＲ触媒６に吸着されているアンモニア吸着量に対し、別に排気昇温制御（内燃機関１の燃料噴射弁によるアフタ噴射やメイン噴射の遅角増量制御等）を行っても、ＳＣＲ触媒６を昇温させてＮＯｘ浄化率を上昇させることができないようなときである。そこで、ＥＣＵ１０は、例えば、車速計１１、アクセルポジションセンサ１２や回転計１３から出力された現在及び過去の値に基づいて、内燃機関１の今後の運転負荷を予測する。あるいは、ナビゲーションシステム２０から出力される自車両周辺の交通情報や地形情報から、同様の予測を行う。そして、尿素水添加弁７から過去に添加された尿素水量や内燃機関１の運転状態等に基づいて、本ルーチン時にＳＣＲ触媒６に吸着されているアンモニア量が算出される。図５に示される例においては、時間ｔ３以前の車速や尿素水添加量等の値に基づいて予測が行われる。そして、ＥＣＵ１０によって、内燃機関１の運転負荷が低負荷の状態を継続すると予測されると、触媒暖機が禁止されてＳ１０４の処理に進む。

なお、本処理において否定的な判定がなされた場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０７の処理に進んで、ＳＣＲ触媒６を暖機する触媒暖機運転を実行して昇温燃焼を開始する（図５（ｂ）参照）。触媒暖機は、燃料添加弁３から添加される燃料が酸化触媒４によって酸化されて排気温度が上昇されることによって実行される。なお、内燃機関１の燃料噴射弁がポスト噴射等を行って酸化触媒４に燃料を供給してもよい。これにより、ＳＣＲ触媒６の床温が上昇するため（図５（ｃ）の破線参照）、ＮＯｘ浄化率が上昇する。なお、尿素水添加弁７による尿素水の添加量はＵ２で維持される（図５（ｄ）参照）。ここで、添加量Ｕ２は、ＳＣＲ触媒６におけるアンモニア吸着量が図３のｘ２以下となるような添加量である。その結果、図５（ｆ）に示されるように、ＳＣＲ触媒６から排出されるＮＯｘ量の増加が抑えられる。ただし、追加的に燃料が酸化（燃焼）されるため、図５（ｇ）に示されるように、排気通路２から排出されるＣＯ_２量が増大し、また、内燃機関１の燃費が悪化する。そして、Ｓ１０７の処理が終了すると本ルーチンは終了する。

Ｓ１０４の処理では、排気通路２を流通する排気の温度が所定温度以上であるかが判定される。つまり、尿素水添加弁７によって尿素水が添加される排気の温度が、尿素の加水分解反応を生じさせるのに十分な温度であるかが判定される。本処理においては、尿素水添加弁７の上流側に設けられた排気温度センサ８によって検出される排気温度が所定の温
度（例えば１７０℃）以上であるかが判定される。本処理において否定的な判定がなされた場合、つまり、排気温度が加水分解を生じさせる程度に高くないと判定された場合には、尿素水を添加してもアンモニアは発生しにくい。そこで、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０８の処理に進んで、内燃機関１から排出されるＮＯｘ量を低減する制御（燃料噴射時期の遅角化等）によって、ＳＣＲ触媒６から排出されるＮＯｘ量の低減を図り、本ルーチンを終了する。

一方、Ｓ１０４の処理において肯定的な判定がなされた場合は、Ｓ１０５の処理に進む。Ｓ１０５の処理においては、ＥＣＵ１０は、尿素水添加弁７による尿素水の添加量を増大させる増大制御を実行する。つまり、図５（ｄ）に示されるように、ＥＣＵ１０は、時間ｔ３において、尿素水添加弁７による尿素水の添加量をＵ２からＵ１まで増量する。なお、添加量Ｕ１は、増大制御の実行時において、ＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量が、図３におけるｘ２からｘ１の範囲となるような添加量である。これにより、ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率が上昇するため、図５（ｆ）に示されるように、ＳＣＲ触媒６から排出されるＮＯｘ量が低減される。なお、暖機運転は実行されないため、ＣＯ_２排出量が増大することはない（図５（ｇ）参照）。そして、Ｓ１０５の処理が終了すると本ルーチンは終了する。

なお、本実施例では、Ｓ１０３において、内燃機関１の運転負荷が低負荷の状態を継続するか否かを予測するＥＣＵ１０が、本発明における予測手段に相当する。また、Ｓ１０５において、尿素水添加弁７による尿素水の添加量を増大させる増大制御を実行するＥＣＵ１０が、本発明における増大制御手段に相当する。また、Ｓ１０６において、通常制御を実行するＥＣＵ１０、及び、Ｓ１０７において、ＳＣＲ触媒６の暖機運転を実行するＥＣＵ１０が、それぞれ本発明における通常制御手段及び暖機手段に相当する。

以上より、本実施例によれば、内燃機関１が通常の運転負荷で運転されている場合は、ＥＣＵ１０によって、この場合に変動し得るＳＣＲ触媒６の床温範囲を考慮して、ＳＣＲ触媒６におけるアンモニアスリップの発生が抑制される範囲で、アンモニア発生剤の添加量が制御される。より詳細には、ＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量について、当該床温範囲の上限値における飽和吸着量を上限として、尿素水添加弁７による尿素水の添加量が制御される。これにより、通常の運転負荷で運転されている場合は、ＳＣＲ触媒６におけるアンモニアスリップの発生が抑制される。

また、本実施例によれば、内燃機関１の今後の運転負荷を予測するＥＣＵ１０によって、内燃機関１の運転負荷が低負荷の状態を継続すると予測される場合は、尿素水添加弁７による尿素の添加量が通常制御によって制御される添加量より増大される。より詳細には、ＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量について、上述の床温範囲の下限値における飽和吸着量を上限として、尿素水添加弁７による尿素水の添加量が制御される。これにより、内燃機関１の運転負荷が低負荷の状態を継続することによって、ＳＣＲ触媒６がＮＯｘ浄化率の低い低温状態にあるときでも、アンモニア吸着量を増大させて、ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率を上昇させることが可能になる。なお、内燃機関１の運転負荷は低負荷の状態を継続すると予測されているため、ＳＣＲ触媒６の床温の上昇によってアンモニアスリップが発生することは未然に抑制される。

また、本実施例によれば、尿素水添加弁７による尿素水の添加量が増大されているときは、ＥＣＵ１０によって、ＳＣＲ触媒６の暖機が禁止される。これにより、尿素水の増大制御によってＮＯｘ浄化率の上昇が図られている場合には、燃料消費を伴う触媒暖機が実行されなくなる。その結果、燃料消費が低減されて内燃機関の燃費が向上する。

［他の実施例］
次に、本発明の他の実施例について説明する。本実施例は、上述した尿素水添加制御の制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ１０が、内燃機関１が備えるＤＰＦ５のＰＭ捕集量が所定量以上であるか否かを判定することのみが異なる。以下、本実施例に係る尿素水添加制御の制御ルーチンについて、図６に示すフローチャートを用いて説明する。なお、以下においては、図４に示すフローと異なる処理についてのみ説明する。

図６に示されるように、本実施例においては、Ｓ１０４の処理までは上述の図４に示されるフローと同様のルーチンが実行される。Ｓ１０４の処理において肯定的な判定がなされると、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０９の処理に進んで、ＤＰＦ５に捕集されているＰＭの捕集量が所定量以下であるかを判定する。ここで、本実施例では、当該所定量は、ＤＰＦ５の再生処理の実行が判定されるときのＰＭ捕集量より若干低い捕集量に設定される。つまり、ＤＰＦ５の再生処理が実行されると、排気通路２を流通する排気温度が上昇するため、ＳＣＲ触媒６の床温も上昇する。この場合には、ＳＣＲ触媒６の飽和吸着量が低下するため、アンモニア吸着量が増大している場合にはアンモニアスリップが発生する虞がある。ゆえに、ＤＰＦ５の再生処理の実行が近い場合には、ＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量を増大させることは望ましくない。したがって、本処理における判定によって、ＤＰＦ５の再生処理の実行時期が近いかを判定する。本処理において否定的な判定がなされた場合、つまり、本ルーチンの実行時におけるＰＭ捕集量が当該所定量より大きいと判定された場合には、ＤＰＦ５の再生処理の実行時期が近いことを意味するため、Ｓ１０８の処理に進んで、尿素水の添加量を増大させずに、内燃機関１から排出されるＮＯｘ量を低減させる処理が行われる。つまり、Ｓ１０５の処理における尿素水添加の増大制御は禁止される。これにより、ＤＰＦ５の再生処理の実行時にアンモニアスリップが発生することを未然に回避することが可能になる。一方、本処理において、肯定的な判定がなされた場合は、ＤＰＦ５の再生処理の実行が近くないことを意味するため、Ｓ１０５において尿素水添加の増大制御が実行される。

本実施例によれば、ＤＰＦ５のＰＭの捕集量が所定量以上の場合に、尿素水添加弁７による尿素水の添加量の増大が禁止されるため、ＤＰＦ５の再生時に、アンモニアスリップが発生することを未然に回避することが可能になる。

１ 内燃機関
２ 排気通路
５ ＤＰＦ
６ ＳＣＲ触媒
７ 尿素水添加弁
８ 排気温度センサ
１０ ＥＣＵ
１４ 差圧センサ
１６ 第１ＮＯｘセンサ
１７ 第２ＮＯｘセンサ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、アンモニアを用いた選択還元によって排気内の窒素酸化物を浄化する選択還元型触媒と、
   前記選択還元型触媒より上流側の排気通路内を流通する排気にアンモニアを発生するアンモニア発生剤を添加する添加装置と、
   前記選択還元型触媒におけるアンモニアスリップの発生が抑制される範囲で、アンモニア発生剤の添加量を制御する通常制御手段と、
   前記内燃機関の今後の運転負荷を予測する予測手段と、
   前記予測手段によって前記内燃機関の運転負荷が低負荷の状態を継続すると予測される場合に、前記アンモニア発生剤の添加量を前記通常制御手段によって制御される添加量より増大させる増大制御手段と、
   を備える内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記増大制御手段は、排気の温度が前記アンモニア発生剤によってアンモニアが発生される温度以上のときに、前記アンモニア発生剤の添加量を前記通常制御手段によって制御される添加量より増大させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記排気通路に設けられ、排気内の粒子状物質を捕集するフィルタを更に備え、
   前記フィルタの捕集量が所定量以上の場合は、前記増大制御手段による、前記アンモニア発生剤の添加量を前記通常制御手段によって制御される添加量より増大させる制御が禁止されることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記選択還元型触媒の暖機を制御する暖機制御手段を更に備え、
   前記増大制御手段によって前記アンモニア発生剤の添加量が前記通常制御手段によって制御される添加量より増大されているときは、前記暖機制御手段による暖機が禁止されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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