JP2018105233A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】選択還元型ＮＯｘ触媒においてアンモニアが酸化させることによってＮＯｘが発生することを抑制しつつ、該ＮＯｘ触媒に対して還元剤を好適に供給する。
【解決手段】ＮＯｘ触媒の温度が、アンモニアが酸化される所定温度以上の場合において、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比が小さいときには大きいときよりもＮＯｘ触媒に供給する還元剤の量を多くする。
【選択図】図７

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

アンモニアを還元剤として使用することで、内燃機関からの排気中に含まれるＮＯｘを浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」ともいう。）が知られている。このＮＯｘ触媒よりも上流側には、排気中にアンモニア又はアンモニアの前駆体（以下、アンモニア又はアンモニアの前駆体を「添加剤」ともいう。）を添加する添加弁等が設置される。アンモニアの前駆体としては、尿素を例示できる。

ここで、排気温度が高温の場合には、アンモニアが酸化されてＮＯｘが発生し得る。アンモニアが酸化されることでアンモニアが減少すると、ＮＯｘ触媒においてアンモニアが不足するため、ＮＯｘの浄化が困難になり得る。そのため、排気温度が高温の場合に、排気温度及び排気流量に基づいてアンモニアの酸化度合いを算出し、この酸化度合いが大きいほど尿素の添加量を増加させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００９−２９３６０５号公報

ＮＯｘ触媒の温度が高い場合には、ＮＯｘ触媒においてアンモニアが酸化されてＮＯｘが発生し得る。したがって、従来のように、排気温度が高温の場合に、アンモニアの酸化度合いが大きいほど、尿素の添加量を増加させると、ＮＯｘ触媒で酸化されるアンモニアの量も増加し得る。そして、ＮＯｘ触媒で多くのＮＯｘが発生すると、ＮＯｘ触媒から流出するＮＯｘの量が増加してしまう。

そこで本発明は、ＮＯｘ触媒においてアンモニアが酸化させることによってＮＯｘが発生することを抑制しつつ、ＮＯｘ触媒に対して還元剤を好適に供給することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明では、内燃機関の排気通路に設けられ、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流の前記排気通路に設けられ、排気中にアンモニア又はアンモニアの前駆体を添加する添加弁と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度を取得する温度取得装置と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒へ流入する排気の空燃比を取得する空燃比取得装置と、前記温度取得装置により取得される温度が、アンモニアが酸化される所定温度以上の場合において、前記空燃比取得装置により取得される空燃比が小さいときには大きいときよりも前記添加弁から排気中に添加するアンモニア又はアンモニアの前駆体の量を多くする制御装置と、を備える。

ここで、ＮＯｘ触媒の温度が所定温度以上の場合であっても、排気の空燃比が小さければ、ＮＯｘ触媒におけるアンモニアの酸化が抑制される。すなわち、排気の空燃比が小さいときに、添加弁から添加剤を添加することにより、ＮＯｘ触媒におけるアンモニアの酸化を抑制しつつ、ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを浄化できる。そして、排気の空燃比が小さ
いときには大きいときよりもアンモニアが酸化し難くなるため、排気の空燃比が小さいときには大きいときよりも添加剤の量を相対的に多くすることにより、排気の空燃比が小さいときにはより多くのＮＯｘを浄化することができ、排気の空燃比が大きいときにはＮＯｘ触媒でのアンモニアの酸化を抑制し得る。なお、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比が小さいほど、添加弁から添加する添加剤の量を多くしてもよい。この場合、添加剤の量を段階的に変化させてもよく、連続的に変化させてもよい。

また、前記制御装置は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニア量を推定し、前記温度取得装置により取得される温度が前記所定温度以上の場合において、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニア量が所定吸着量よりも少ないときの前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比が所定空燃比よりも大きい場合には、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を前記所定空燃比以下にすることができる。

所定空燃比は、例えば、ＮＯｘ触媒の温度が所定温度以上の場合において、ＮＯｘ触媒に流入するアンモニアのうち、酸化されるアンモニアの割合が許容範囲内となる空燃比である。所定吸着量は、例えば、ＮＯｘ触媒においてＮＯｘ浄化率が許容範囲内となるアンモニア吸着量である。この場合、ＮＯｘ触媒のアンモニア吸着量が所定吸着量よりも少ないときに、ＮＯｘ浄化率が許容範囲よりも低下し得る。このような場合には、ＮＯｘ触媒に添加剤を供給することが望ましいが、内燃機関の運転状態によっては、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きな状態が継続する。これに対して、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を積極的に変化させることにより、排気の空燃比を所定空燃比以下にすることで、アンモニアの酸化を抑制しつつＮＯｘ触媒により多くの添加剤の供給が可能となる。

また、前記内燃機関の動力により発電する発電機を更に備え、前記制御装置は、前記内燃機関により発生するトルクが大きいときは小さいときよりも混合気の空燃比を小さくし、前記発電機による発電量を増加させ且つ前記内燃機関により発生するトルクを増加させることにより前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を前記所定空燃比以下にすることができる。

内燃機関の動力により発電する発電機による発電量を増加させた場合、内燃機関により発生するトルクのうち、発電に用いられるトルクが増加する。発電機による発電量を増加させたときに、内燃機関の回転速度が変化しないようにするためには、発電量の増加分に対応して内燃機関により発生するトルクを増加させることが行われる。このように内燃機関により発生するトルクが増加するために、内燃機関において混合気の空燃比が小さくされる。したがって、ＮＯｘ触媒に流入し得る排気の空燃比を所定空燃比以下にすることができる。

また、前記選択還元型ＮＯｘ触媒は、第一ＮＯｘ触媒と、前記第一ＮＯｘ触媒よりも前記排気通路の下流側に設けられる第二ＮＯｘ触媒と、を含んで構成され、前記温度取得装置は、前記第一ＮＯｘ触媒の温度を取得する第一温度取得装置であるように構成され、前記第二ＮＯｘ触媒の温度を取得する第二温度取得装置を更に備え、前記制御装置は、前記第二ＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニア量を推定し、前記第一温度取得装置により取得される前記第一ＮＯｘ触媒の温度が前記所定温度以上の場合、且つ、前記第二温度取得装置により取得される前記第二ＮＯｘ触媒の温度が第二所定温度よりも低い場合であって、前記第二ＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニア量が所定の下限吸着量以下の場合において、前記空燃比取得装置により取得される空燃比が小さいときには大きいときよりも前記添加弁から排気中に添加するアンモニア又はアンモニアの前駆体の量を多くすることができる。

所定の下限吸着量は、例えば、第二ＮＯｘ触媒においてＮＯｘ浄化率が許容範囲内となるアンモニア吸着量の下限値、または、第二ＮＯｘ触媒においてＮＯｘ浄化率が許容範囲内となるアンモニア吸着量の下限値に対してある程度の余裕を持たせたアンモニア吸着量である。ここで、第一ＮＯｘ触媒のほうが第二ＮＯｘ触媒よりも排気通路の上流側に配置されているため、第一ＮＯｘ触媒の温度が第二ＮＯｘ触媒の温度よりも高くなり易い。したがって、第一ＮＯｘ触媒ではアンモニアが酸化されるような温度に達している場合であっても、第二ＮＯｘ触媒ではアンモニアが酸化されるような温度に達していない場合もある。このような場合には、第二ＮＯｘ触媒に予めアンモニアを吸着させておくことにより、該第二ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを浄化することができる。そして、添加剤が第一ＮＯｘ触媒を通り抜けるように、第一ＮＯｘ触媒にとって過剰な量の添加剤を添加弁から添加すれば、第二ＮＯｘ触媒に添加剤を供給することができる。このようにして、第二ＮＯｘ触媒に添加剤を供給することで、第二ＮＯｘ触媒のアンモニア吸着量を所定の下限吸着量よりも多くすることができる。ただし、排気の空燃比が大きいときには、第一ＮＯｘ触媒においてアンモニアが酸化されてしまうため、第二ＮＯｘ触媒のアンモニア吸着量を増加させることが困難になるばかりか、第二ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘ量が増加してしまう。これに対して、排気の空燃比が小さいときには大きいときよりも添加剤の量を多くすることにより、排気の空燃比が小さいときにはより多くの添加剤を第二ＮＯｘ触媒に供給することができ、排気の空燃比が大きいときには添加剤の量を低減することにより第一ＮＯｘ触媒でのアンモニアの酸化を抑制し得る。なお、所定温度は第一ＮＯｘ触媒においてアンモニアが酸化される温度であり、第二所定温度は第二ＮＯｘ触媒においてアンモニアが酸化される温度である。

また、前記制御装置は、前記第一温度取得装置により取得される前記第一ＮＯｘ触媒の温度が前記所定温度以上の場合、且つ、前記第二温度取得装置により取得される前記第二ＮＯｘ触媒の温度が前記第二所定温度よりも低い場合において、前記第二ＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニア量が前記所定の下限吸着量以下のときの前記第一ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比が所定空燃比よりも大きい場合には、前記第一ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を前記所定空燃比以下にすることができる。

第二ＮＯｘ触媒のアンモニア吸着量が所定の下限吸着量以下の場合には、ＮＯｘ浄化率が許容範囲よりも低下し得るため、第二ＮＯｘ触媒に添加剤を供給することが望ましい。しかし、内燃機関の運転状態によっては、排気の空燃比が所定空燃比以下にならないために、添加弁から添加剤を添加することができない場合もある。このような場合には、排気の空燃比が所定空燃比以下となるように排気の空燃比を積極的に変化させることで、添加弁からの添加剤の添加が可能となる。

また、前記内燃機関の動力により発電する発電機を更に備え、前記制御装置は、前記内燃機関により発生するトルクが大きいときは小さいときよりも混合気の空燃比を小さくし、前記発電機による発電量を増加させ且つ前記内燃機関により発生するトルクを増加させることにより前記第一ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を前記所定空燃比以下にすることができる。

前述のように、発電機による発電量を増加させた場合、内燃機関により発生するトルクを増加させるために内燃機関において混合気の空燃比が小さくされる。したがって、第一ＮＯｘ触媒に流入し得る排気の空燃比を所定空燃比以下にすることができる。

本発明によれば、ＮＯｘ触媒においてアンモニアが酸化させることによってＮＯｘが発生することを抑制しつつ、ＮＯｘ触媒に対して還元剤を好適に供給することができる。

実施例１及び実施例２に係る内燃機関と、その排気系と、の概略構成を示す図である。 ＮＯｘ触媒の温度と、アンモニアの酸化速度との関係を示した図である。 ＮＯｘ触媒の温度が所定温度以上の場合における、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比と、ＮＯｘ触媒から流出する排気のＮＯｘ濃度との関係を示した図である。 ＮＯｘ触媒の温度が所定温度以上の場合における、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比と、本実施例において設定する当量比との関係を示した図である。 ＮＯｘ触媒の温度が所定温度以上の場合における、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比と、ＮＯｘ触媒の温度と、本実施例において設定する当量比との関係を示した図である。 実施例１に係る当量比制御を実施した場合の、ＮＯｘ触媒の温度、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比（内燃機関の気筒内の空燃比としてもよい）、当量比、ＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニアの量（アンモニア吸着量）の推移を示したタイムチャートである。 実施例１に係る添加剤の添加制御のフローを示したフローチャートである。 実施例２に係る添加剤の添加制御のフローを示したフローチャートである。 実施例３に係る内燃機関と、その排気系と、の概略構成を示す図である。 機関回転速度と、機関トルクと、内燃機関における混合気の空燃比との関係を示した図である。 実施例３に係る添加剤の添加制御のフローを示したフローチャートである。 実施例４及び実施例５に係る内燃機関と、その排気系と、の概略構成を示す図である。 第一ＮＯｘ触媒の温度が所定温度以上の場合における、第一ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比と、本実施例において設定する当量比との関係を示した図である。 第一ＮＯｘ触媒の温度が所定温度以上の場合における、第一ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比と、第一ＮＯｘ触媒の温度と、本実施例において設定する当量比との関係を示した図である。 実施例４に係る当量比制御を実施した場合の、第一ＮＯｘ触媒の温度、第一ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比（内燃機関の気筒内の空燃比としてもよい）、当量比、第二ＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニアの量（アンモニア吸着量）の推移を示したタイムチャートである。 実施例４に係る添加剤の添加制御のフローを示したフローチャートである。 実施例４に係る添加剤の添加制御のフローを示したフローチャートである。 実施例５に係る添加剤の添加制御のフローを示したフローチャートである。 実施例６に係る内燃機関と、その排気系と、の概略構成を示す図である。 実施例６に係る添加剤の添加制御のフローを示したフローチャートである。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の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１）
図１は、本実施例に係る内燃機関と、その排気系と、の概略構成を示す図である。内燃機関１は車両駆動用のディーゼルエンジンである。ただし、内燃機関１はガソリンエンジンであってもよい。内燃機関１には排気通路２が接続されている。排気通路２には、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒３（以下、「ＮＯｘ触媒３」という。）が設けられている。

ＮＯｘ触媒３よりも上流の排気通路２には、排気中にアンモニアの前駆体である尿素水を排気中に添加する添加弁４が設けられている。添加弁４から添加された尿素水は、ＮＯｘ触媒３において加水分解されてアンモニアとなり、ＮＯｘ触媒３に吸着する。このアンモニアは、ＮＯｘ触媒３において還元剤として利用される。なお、添加弁４は、尿素水に代えてアンモニアを添加してもよい。以下では、アンモニアの前駆体及びアンモニアを添加剤という。

さらに、添加弁４よりも上流の排気通路２には、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気のＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘセンサ１１と、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気の空燃比を検出する空燃比センサ１２と、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気の温度を検出する温度センサ１３と、が設けられている。また、ＮＯｘ触媒３よりも下流の排気通路２には、ＮＯｘ触媒３から流れ出る排気のＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘセンサ１４が設けられている。なお、本実施例においては温度センサ１３が本発明における温度取得装置に相当し、空燃比センサ１２が本発明における空燃比取得装置に相当する。また、内燃機関１には各気筒に夫々燃料を噴射する燃料噴射弁６が設けられている。

また、内燃機関１には、吸気通路７が接続されている。吸気通路７には、内燃機関１の吸入空気量を検出するエアフローメータ２３が取り付けられている。

そして、内燃機関１には制御装置として、電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。ＥＣＵ１０は、内燃機関１や排気浄化装置等を制御する。ＥＣＵ１０には、上述した上流側ＮＯｘセンサ１１、空燃比センサ１２、温度センサ１３、下流側ＮＯｘセンサ１４、エアフローメータ２３の他、クランクポジションセンサ２１及びアクセル開度センサ２２が電気的に接続され、各センサの出力値がＥＣＵ１０に渡される。

ＥＣＵ１０は、クランクポジションセンサ２１の検出に基づく機関回転速度や、アクセル開度センサ２２の検出に基づく機関負荷等の内燃機関１の運転状態を把握可能である。なお、本実施例では、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘは上流側ＮＯｘセンサ１１によって検出可能であるが、内燃機関１から排出される排気（ＮＯｘ触媒３に浄化される前の排気であり、すなわちＮＯｘ触媒３に流れ込む排気）に含まれるＮＯｘは、内燃機関１の運転状態と関連性を有することから、上記内燃機関１の運転状態に基づいて推定することも可能である。また、ＥＣＵ１０は、温度センサ１３によって検出される排気温度に基づいて、ＮＯｘ触媒３の温度を推定することが可能である。また、温度センサ１３は、排気の温度に代えて、ＮＯｘ触媒３の温度を検出するセンサであってもよい。なお、ＮＯｘ触媒３の温度は、内燃機関１の運転状態と関連性を有することから、上記内燃機関１の運転状態に基づいて、ＮＯｘ触媒３の温度を推定することも可能である。また、ＥＣＵ１０は、エアフローメータ２３の検出値及び燃料噴射弁６からの燃料噴射量に基づいて、排気の流量を算出することができる。一方、ＥＣＵ１０には、添加弁４及び燃料噴射弁６が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０により添加弁４及び燃料噴射弁６が制御される。

ＥＣＵ１０は、以下の２通りの何れかの方法を用いることにより、添加弁４から添加剤を添加する。添加剤を添加する第一の方法は、ＮＯｘ触媒３に流入するＮＯｘの量を検出または推定し、そのＮＯｘの量に応じた分だけの添加剤を添加する方法である。この第一
の方法によって添加剤を添加する制御を以下では、当量比制御という。ここでいう当量比は、ＮＯｘ触媒３に流入するＮＯｘを過不足なく還元可能な添加剤量に対する、添加弁４から添加する添加剤量の比である。なお、以下で当量比といった場合には、この当量比を示すものとする。当量比制御は、ＮＯｘ触媒３のアンモニア吸着量によらずに実施される制御である。本実施例においては、ＮＯｘ触媒３の温度が比較的高いときに当量比制御を実施する。

例えば、ＮＯｘ触媒３よりも上流の排気通路２に粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのフィルタを設けている場合には、フィルタに捕集されているＰＭを酸化させるために該フィルタの温度を上昇させる処理であるフィルタの再生処理が実施される。このときには、ＮＯｘ触媒３の温度も上昇する。ここで、ＮＯｘ触媒３の温度が高くなると、ＮＯｘ触媒３において吸着可能なアンモニア量が減少するため、フィルタの再生処理を実施すると、ＮＯｘ触媒３のアンモニア吸着量が減少する。また、例えば、ＮＯｘ触媒３よりも上流の排気通路２に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を設けている場合には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の硫黄被毒を回復させるための処理である硫黄回復処理が実施される。このときには、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度が上昇されるため、ＮＯｘ触媒３の温度も上昇するので、ＮＯｘ触媒３のアンモニア吸着量が減少する。さらに、内燃機関１の高負荷運転時には、内燃機関１から温度の高いガスが排出されるため、ＮＯｘ触媒３の温度が上昇する。そのため、ＮＯｘ触媒３のアンモニア吸着量が減少する。このように、ＮＯｘ触媒３の温度が比較的高くなるときには、ＮＯｘ触媒３に十分な量のアンモニアを予め吸着させておくことが困難になるため、ＮＯｘ触媒３に流入するＮＯｘの量に応じて添加剤を添加する当量比制御を実施する。

添加剤を添加する第二の方法は、ＮＯｘ触媒３に飽和吸着量を超えない範囲でアンモニアを予め吸着させておき、ＮＯｘの還元等によりＮＯｘ触媒３に吸着されていたアンモニアが減少した場合、減少したアンモニアの量に応じた分だけ添加剤を供給する方法である。この第二の方法によって添加剤を添加する制御を以下では、吸着量制御という。この吸着量制御は、ＮＯｘ触媒３のアンモニア吸着量に基づいて実施される制御である。本実施例においては、ＮＯｘ触媒３の温度が比較的低いときに吸着量制御を実施する。

吸着量制御では、ＥＣＵ１０は、ＮＯｘ触媒３のアンモニア吸着量が、ＮＯｘ触媒３におけるアンモニア吸着量の目標値（以下、目標吸着量ともいう。）となるように、添加弁４から添加剤を添加する。この際、ＥＣＵ１０は、前回の添加剤の供給開始時点から今回の添加剤の供給開始時点までの期間に、ＮＯｘ触媒３においてＮＯｘを浄化するために消費されたアンモニア量（以下、アンモニア消費量ともいう。）と、ＮＯｘ触媒３から脱離してＮＯｘを浄化することなく減少したアンモニア量（以下、アンモニア脱離量ともいう。）と、を補うことでＮＯｘ触媒３のアンモニア吸着量が目標吸着量となるように、添加弁４から添加する添加剤量を算出する。アンモニア消費量は、ＮＯｘ触媒３に流入するＮＯｘ量、ＮＯｘ触媒３の温度、ＮＯｘ触媒３における目標吸着量に基づいて算出される。アンモニア脱離量は、ＮＯｘ触媒３の温度、ＮＯｘ触媒３における目標吸着量に基づいて算出される。そして、アンモニア消費量及びアンモニア脱離量の総量に対応する量の添加剤を添加弁４から添加する。

なお、本実施例では、ＥＣＵ１０により、ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度よりも低い場合に吸着量制御を実施し、ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上の場合に当量比制御を実施する。ここでいう所定温度は、排気に十分な酸素が含まれるときにアンモニアの酸化速度が増加を始める温度（例えば５００℃）である。ここで、図２は、ＮＯｘ触媒３の温度と、アンモニアの酸化速度との関係を示した図である。ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度よりも低い場合にはアンモニアの酸化がほとんど起こらないため、所定温度は、アンモニアが酸化する温度（若しくはアンモニアの酸化が始まる温度）、または、アンモニアの酸化速
度が所定速度以上になる温度としてもよい。ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上になると、温度の上昇と共に、アンモニアの酸化速度が大きくなる。この所定温度は、ＮＯｘ触媒３の種類によって変わり、実験またはシミュレーション等により求めることができる。

ここで、ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上になると、ＮＯｘ触媒３においてアンモニアが酸化されてＮＯｘが発生し得る。このときには、排気の酸素濃度が高いほど、アンモニアが酸化され易い。したがって、ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上で且つ排気の酸素濃度が高いときに添加弁４から添加剤を添加すると、ＮＯｘ触媒３においてアンモニアが酸化されてＮＯｘが発生し得る。一方、ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上であっても排気の酸素濃度が低ければ、添加弁４から添加剤を添加したときに、ＮＯｘ触媒３においてアンモニアが酸化することを抑制し得る。そこで本実施例では、ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上の場合において、ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比が所定空燃比以下のときには、所定空燃比より大きいときよりも、添加弁４から添加する添加剤量が多くなるように当量比制御を実施する。すなわち、アンモニアが酸化され難い状態のときにより多くの添加剤を添加することにより、このときのＮＯｘ浄化率を向上させる。なお、所定空燃比は、ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上の場合において、ＮＯｘ触媒３に供給されたアンモニアのうち、酸化されるアンモニアの割合が許容範囲内となる空燃比である。この所定空燃比は、予め実験またはシミュレーション等により求めることができる。

ここで、図３は、ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上の場合における、ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比と、ＮＯｘ触媒３から流出する排気のＮＯｘ濃度との関係を示した図である。実線は、当量比を０．５に設定した場合を示し、破線は、当量比を２に設定した場合を示している。排気の空燃比が例えば２０よりも小さい場合には、当量比が０．５のときよりも当量比が２のときのほうが、ＮＯｘ触媒３から流出する排気のＮＯｘ濃度が低い。すなわち、当量比が０．５の場合には、ＮＯｘ触媒３に流入するＮＯｘの量に対して、添加剤の量が不足している状態のため、ＮＯｘ触媒３で還元しきれないＮＯｘがＮＯｘ触媒３から流出する。一方、当量比が２の場合には、ＮＯｘ触媒３に流入するＮＯｘの量に対して、十分な量の添加剤が供給されている状態のため、ＮＯｘ触媒３においてＮＯｘが還元されるので、ＮＯｘ触媒３から流出するＮＯｘの量が少なくなる。この範囲の空燃比では、排気の酸素濃度が低いためにアンモニアの酸化が抑制されるため、アンモニアが酸化されることにより発生するＮＯｘの量は少ない。したがって、この範囲の空燃比では、当量比が大きいほうが（すなわち、添加剤の添加量が多いほうが）、より多くのＮＯｘが還元されるため、ＮＯｘ触媒３よりも下流の排気のＮＯｘ濃度が低くなる。

一方、排気の空燃比が例えば２０よりも大きい場合には、当量比が２のときよりも当量比が０．５のときのほうが、ＮＯｘ触媒３から流出する排気のＮＯｘ濃度が低くなる。当量比が０．５の場合には、ＮＯｘ触媒３に流入するＮＯｘの量に対して、添加剤の量が不足している状態のため、ＮＯｘ触媒３からＮＯｘが流出する。一方、当量比が２のときには、十分な量の添加剤が添加されているのにも関わらず、ＮＯｘ触媒３から流出する排気のＮＯｘ濃度が高い。これは、ＮＯｘ触媒３においてアンモニアが酸化されてＮＯｘが発生しているためである。当量比が０．５のときには、ＮＯｘ触媒３に供給されるアンモニア量が少ないために、アンモニアが酸化されて発生するＮＯｘの量も少ないので、排気のＮＯｘ濃度の増加が抑制されている。そこで本実施例では、前述の所定空燃比を例えば２０に設定する。

図４は、ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上の場合における、ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比と、本実施例において設定する当量比との関係を示した図である。このように、排気の空燃比が所定空燃比以下の場合には、所定空燃比より大きな場合よりも、当量比を大きくする。なお、排気の空燃比が所定空燃比以下のときにＮＯｘ触媒３に吸着されたアンモニアが、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きくなったときに酸化され、その結
果、ＮＯｘが発生する虞がある。そのため、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きいときにアンモニアが酸化されることで発生するＮＯｘ量よりも、排気の空燃比が所定空燃比以下のときにアンモニアの増加によって低減されるＮＯｘ量が多くなるように、夫々の当量比を設定している。さらに、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きな場合に設定される当量比は、添加剤の添加量が許容される範囲で、ＮＯｘ触媒３から流出するＮＯｘ量が最小となるように設定される。図４に示した関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。

なお、図４に示した関係に代えて、以下の図５に示した関係にしたがって当量比を設定してもよい。図５は、ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上の場合における、ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比と、ＮＯｘ触媒３の温度と、当量比との関係を示した図である。図５では、等しい当量比の箇所を結んだ線である等当量比線によって当量比分布を示している。ＮＯｘ触媒３の温度が同じ場合には、排気の空燃比が小さいほどアンモニアが酸化され難くなるため、当量比を大きくする。また、排気の空燃比が同じ場合には、ＮＯｘ触媒３の温度が低いほどアンモニアが酸化され難くなるため、当量比を大きくする。なお、図５に示した関係は、排気の空燃比が図４に示した所定空燃比以下の場合に限り適用してもよく、排気の空燃比が所定空燃比以下であるか否かによらずに適用してもよい。図５に示した関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。

次に、図６は、本実施例に係る当量比制御を実施した場合の、ＮＯｘ触媒３の温度、ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比（内燃機関１の気筒内の空燃比としてもよい）、当量比、ＮＯｘ触媒３に吸着されているアンモニアの量（アンモニア吸着量）の推移を示したタイムチャートである。図６は、例えばフィルタの再生処理が実施される場合の各種値の推移を示した図である。図６のアンモニア吸着量における破線は、排気の空燃比によらずに当量比を一定に設定した場合（当量比を例えば１で一定にした場合）を示している。

Ｔ１は、フィルタの再生処理が開始される時点であり、Ｔ２は、ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度に達した時点である。Ｔ２からＴ３までの期間、Ｔ４からＴ５までの期間、Ｔ６からＴ７までの期間は、排気の空燃比が所定空燃比以下の期間である。一方、Ｔ３からＴ４までの期間、Ｔ５からＴ６までの期間、Ｔ７からＴ８までの期間は、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きな期間である。フィルタの再生処理が実施されると、内燃機関１を所定空燃比よりも大きな空燃比で運転して、内燃機関１から温度の高いガスを排出することで、フィルタの温度が上昇される。このフィルタの再生処理が実施されているときであっても、加速時等には、内燃機関１を所定空燃比以下で運転する。このようにして排気の空燃比が所定空燃比以下になっているときに、当量比を比較的大きくしている。このように当量比を大きくした場合であっても、空燃比が所定空燃比以下のためにアンモニアが許容範囲を超えて酸化されることが抑制される。このため、排気の空燃比が所定空燃比以下の場合には、アンモニア吸着量の減少が抑制される。

一方、図６において、内燃機関１を所定空燃比よりも大きな空燃比で運転しているときには、当量比を比較的小さくしている。このときには、排気の酸素濃度が高いためにアンモニアが酸化され易い。これに対して、当量比を小さくすることにより、ＮＯｘ触媒３に流入するアンモニアの量を少なくしているので、例えアンモニアが酸化されたとしても、その量を少なくすることができる。

図７は、本実施例に係る添加剤の添加制御のフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により所定の時間毎に実行される。

ステップＳ１０１では、ＮＯｘ触媒３の温度が読み込まれる。ＮＯｘ触媒３の温度は、温度センサ１３により検出される。なお、温度センサ１３を用いることなく、内燃機関１
の運転状態に基づいてＮＯｘ触媒３の温度を検出することもできる。

ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で読み込まれたＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上であるか否か判定される。本ステップＳ１０２では、当量比制御を実施するか否か判定している。ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合は、当量比制御を実施するためにステップＳ１０３へ進む。一方、ステップＳ１０２で否定判定がなされた場合には、ステップＳ１０６へ進んで吸着量制御が実施される。吸着量制御については、周知の技術を用いることができるため、説明を省略する。なお、ステップＳ１０６では、吸着量制御に代えて、排気の空燃比によらずに添加剤の添加を実施する他の制御を実施してもよい。

ステップＳ１０３では、ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比が読み込まれる。この排気の空燃比は、空燃比センサ１２により検出することができる。ＥＣＵ１０は、空燃比センサ１２の検出値を読み込む。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３で読み込まれた排気の空燃比に基づいて、当量比が算出される。ＥＣＵ１０は、図４または図５の関係にしたがって当量比を算出する。この場合、空燃比が小さいときには大きいときよりも添加弁４から排気中に添加する添加剤量が多くなる。そして、ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４で算出された当量比となるように添加剤が添加される。なお、本実施例においてはステップＳ１０４及びステップＳ１０５を処理するＥＣＵ１０が、本発明における制御装置に相当する。

以上のように、空燃比が大きい場合であっても供給する添加剤の量を少なくすることにより、空燃比が大きいときに酸化されるアンモニアの量を減少させることができる。さらに、空燃比が小さい場合に供給する添加剤量を多くすることにより、空燃比が小さいときに還元されるＮＯｘの量を増加させることができる。これらにより、ＮＯｘ触媒３から流出するＮＯｘの量を低減することができる。すなわち、ＮＯｘ触媒３におけるＮＯｘの発生を抑制しつつ、ＮＯｘ触媒３に対して適正な量の添加剤を供給することにより、システム全体としてのＮＯｘ浄化率を向上させることができる。

（実施例２）
実施例１では、排気の空燃比が所定空燃比以下になるのは、加速時等の高負荷運転時に限られている。そのため、軽負荷運転が続くと、当量比を大きくすることができないため、ＮＯｘ浄化率が低下する虞がある。そこで本実施例では、ＮＯｘ触媒３のアンモニア吸着量が所定吸着量よりも少ない場合に、ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比を積極的に所定空燃比よりも小さくする。所定吸着量は、ＮＯｘ触媒３におけるＮＯｘ浄化率が許容範囲内になるアンモニア吸着量である。所定吸着量は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。このようにして、積極的に排気の空燃比を所定空燃比より小さくすることにより、当量比を大きくすることができるため、より多くのアンモニアをＮＯｘ触媒３に供給することができる。

排気の空燃比を所定空燃比よりも小さくする手法としては、内燃機関１の気筒内へトルクを発生させるための燃料噴射である主噴射を実行した後に、更にトルクの上昇が問題とならない時期の燃料噴射であるポスト噴射を実行することにより、内燃機関１から空燃比の小さなガスを排出させる手法を挙げることができる。また、ＮＯｘ触媒３よりも上流の排気通路２に、燃料を添加する燃料添加弁を備え、該燃料添加弁から燃料を噴射することにより、ＮＯｘ触媒３へ流入する排気の空燃比を小さくすることもできる。

ＥＣＵ１０は、ＮＯｘ触媒３におけるアンモニア吸着量を推定する。ここで推定されるアンモニア吸着量は、添加弁４が正常であると仮定して算出される現時点におけるアンモニア吸着量である。本実施例では、ＮＯｘ触媒３におけるアンモニア吸着量の単位時間当
たりの変化量を積算することにより、アンモニア吸着量を求める。ＮＯｘ触媒３におけるアンモニア吸着量の単位時間当たりの変化量は、アンモニア吸着量の単位時間当たりの増加量から単位時間当たりの減少量を減算することにより求めることができる。ＮＯｘ触媒３におけるアンモニア吸着量の単位時間当たりの増加量は、添加弁４から添加される単位時間当たりの添加剤量に基づいて算出することができる。また、ＮＯｘ触媒３におけるアンモニア吸着量の単位時間当たりの減少量は、ＮＯｘ触媒３で消費される単位時間当たりの添加剤量（以下、消費ＮＨ_３量ともいう。）、及び、ＮＯｘ触媒３から脱離する単位時間当たりの添加剤量（以下、脱離ＮＨ_３量ともいう。）の総量である。

添加弁４から添加される単位時間当たりの添加剤量は、ＥＣＵ１０が算出する添加剤量に基づいて知ることができる。ＮＯｘ触媒３で消費される単位時間当たりの添加剤量は、ＮＯｘ触媒３におけるＮＯｘ浄化率と、内燃機関１の単位時間当たりの排気の流量と、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘ濃度と、に関連しているため、これらの値に基づいて算出することができる。なお、排気流量は、吸入空気量及び燃料噴射量に基づいて算出してもよいし、センサにより検出してもよいし、内燃機関１の運転状態に基づいて推定してもよい。

ＮＯｘ浄化率は、ＮＯｘ触媒３の温度と、排気流量と、ＮＯｘ触媒３におけるアンモニア吸着量と、に関連しているため、これらの値に基づいて算出することができる。ＮＯｘ浄化率の算出に用いるアンモニア吸着量は、前回の演算時に算出されたアンモニア吸着量を用いる。ＮＯｘ触媒３におけるＮＯｘ浄化率と、ＮＯｘ触媒３の温度と、排気流量と、ＮＯｘ触媒３におけるアンモニア吸着量と、の関係を予め実験またはシミュレーション等により求めておけば、ＮＯｘ触媒３の温度と、排気流量と、ＮＯｘ触媒３におけるアンモニア吸着量と、に基づいて、ＮＯｘ浄化率を求めることができる。なお、これらの関係を予めマップ化しておいてもよい。

また、ＮＯｘ触媒３から脱離する単位時間当たりの添加剤量は、ＮＯｘ触媒３の温度と、ＮＯｘ触媒３におけるアンモニア吸着量と、関連しているため、これらの値に基づいて算出することができる。ＮＯｘ触媒３から脱離する単位時間当たりの添加剤量の算出に用いるアンモニア吸着量は、前回の演算時に算出されたアンモニア吸着量を用いる。ＮＯｘ触媒３の温度と、アンモニア吸着量と、脱離ＮＨ_３量と、の関係を予め実験またはシミュレーション等により求めておけば、ＮＯｘ触媒３の温度及びアンモニア吸着量に基づいて、脱離ＮＨ_３量を求めることができる。なお、これらの関係を予めマップ化しておいてもよい。

以上のようにして、ＮＯｘ触媒３におけるアンモニア吸着量の単位時間当たりの変化量を算出することができる。この値を積算することにより現時点におけるアンモニア吸着量を算出することができる。なお、ＥＣＵ１０の演算周期毎にアンモニア吸着量の変化量を算出し、この変化量を積算することで、現時点におけるアンモニア吸着量を算出することもできる。

図８は、本実施例に係る添加剤の添加制御のフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により所定の時間毎に実行される。なお、図７に示したフローチャートと同じ処理がなされるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。

図８に示したフローチャートでは、ステップＳ１０２で肯定判定がなされると、ステップＳ２０１へ進む。ステップＳ２０１では、ＮＯｘ触媒３のアンモニア吸着量が読み込まれる。ＮＯｘ触媒３のアンモニア吸着量は、ＥＣＵ１０により別途算出されている。

ステップＳ２０２では、アンモニア吸着量が所定吸着量よりも少ないか否か判定される。ステップＳ２０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進む。

ステップＳ２０３では、ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比が読み込まれる。そして、ステップＳ２０４では、ステップＳ２０３で読み込まれた排気の空燃比が所定空燃比を超えているか否か判定される。本ステップＳ２０４では、アンモニアが酸化されるほど排気の空燃比が大きな状態であるために、添加剤の添加量を増加させることが困難な状態であるか否か判定している。ステップＳ２０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０５へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進む。

ステップＳ２０５では、ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比が低下される。例えば、内燃機関１において主噴射の後にポスト噴射を実施したり、または、ＮＯｘ触媒３よりも上流の排気中に燃料を添加する燃料添加弁を備えて該燃料添加弁からの燃料添加を実施したりすることにより、ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比が低下される。このときには、ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比が所定空燃比以下となるように低下される。

このようにして、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きな場合であっても、排気の空燃比を積極的に低下させることにより、アンモニアの酸化を抑制しつつ当量比を大きくすることができるため、ＮＯｘ触媒３に添加剤を供給することができる。これにより、ＮＯｘ浄化率が低下することを抑制できる。

（実施例３）
図９は、本実施例に係る内燃機関と、その排気系と、の概略構成を示す図である。図１に示した構成と異なる点について主に説明する。本実施例に係る内燃機関１は、ハイブリッド車両１００に搭載されている。また、ハイブリッド車両１００には、発電機１０１が搭載されている。ハイブリッド車両１００では、内燃機関１を動力源として発電機１０１により発電することができる。発電機１０１には、電気配線を介してバッテリ１０２が接続されている。また、発電機１０１には、電気配線を介してＥＣＵ１０が接続されており、該ＥＣＵ１０によって発電機１０１が制御される。

本実施例では、排気の空燃比を低下させる手法として、内燃機関１により発生するトルクを増加させる手法を採用する。そして、本実施例では、内燃機関１により発生するトルクを増加させるために、発電機１０１による発電量を増加させる。ここで、図１０は、機関回転速度と、機関トルクと、内燃機関１における混合気の空燃比との関係を示した図である。図１０において、破線は、等しい空燃比の箇所を結んだ線である等空燃比線を示している。図１０におけるＡ１で示される点は、そのときの機関回転速度において、ハイブリッド車両１００の走行に必要となる機関トルクである。また、図１０におけるＡ２で示される点は、Ａ１で示される点から機関回転速度を変化させずに発電機１０１の発電量を増加させることにより、機関トルクを増加した後の機関トルクである。Ａ２の点における機関トルクと、Ａ１の点における機関トルクと、の差が、発電機１０１による発電量の増加量に対応している。

図１０に示されるように、機関トルクが大きくなるほど、空燃比が小さくなる。したがって、機関トルクが大きくなることにより、内燃機関１で燃焼する混合気の空燃比が小さくなるため、ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比が小さくなる。そして、発電機１０１における発電量の増加にしたがって機関トルクを増加させることにより、ハイブリッド車両１００の駆動のために分配される機関トルクを、図１０のＡ１で示される点における機関トルクに調整することができる。これにより、ハイブリッド車両１００の速度が変化することを抑制できる。発電機１０１により発電された電気は、バッテリ１０２に蓄えられ
る。このように、電気をバッテリ１０２に蓄えておけば、その後、電力によりハイブリッド車両１００を駆動可能な距離が延びるため、燃費が悪化することを抑制できる。

図１１は、本実施例に係る添加剤の添加制御のフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により所定の時間毎に実行される。なお、前述のフローチャートと同じ処理がなされるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。

図１１に示したフローチャートでは、ステップＳ２０４で肯定判定がなされると、ステップＳ３０１へ進む。ステップＳ３０１では、発電機１０１による発電量が増加される。これにより、機関トルクが増加され、これに伴ってＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比が低下する。このときには、ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比が所定空燃比以下となるように発電機１０１による発電量が調整される。すなわち、ＥＣＵ１０は、現時点の機関回転速度において排気の空燃比が所定空燃比以下となる機関トルクを図１０に示した関係に基づいて算出し、該機関トルクとなるように発電機１０１による発電量を設定する。図１０に示した関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。

このようにして、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きな場合であっても、発電機１０１による発電量を増加させつつ機関トルクを増加させることにより、空燃比を所定空燃比以下まで低下させることができる。これにより、当量比を大きくしつつＮＯｘ触媒３に添加剤を供給することができるため、ＮＯｘ浄化率が低下することを抑制できる。

（実施例４）
図１２は、本実施例に係る内燃機関と、その排気系と、の概略構成を示す図である。図１に示した構成と異なる点について主に説明する。図１２に示した構成では、選択還元型ＮＯｘ触媒を排気通路２に２つ設けている。すなわち、ＮＯｘ触媒３よりも下流に、第二の選択還元型ＮＯｘ触媒５が設けられている。なお、以下の実施例では、上流側のＮＯｘ触媒３を第一ＮＯｘ触媒３といい、下流側の選択還元型ＮＯｘ触媒５を第二ＮＯｘ触媒５という。第一ＮＯｘ触媒３よりも下流且つ第二ＮＯｘ触媒５よりも上流の排気通路２には、第二ＮＯｘ触媒５に流れ込む排気の温度を検出する第二温度センサ１６が設けられている。また、下流側ＮＯｘセンサ１４は、第二ＮＯｘ触媒５よりも下流の排気通路２に設けられている。ＥＣＵ１０は、第二温度センサ１６によって検出される排気温度に基づいて、第二ＮＯｘ触媒５の温度を推定することが可能である。また、第二温度センサ１６は、排気の温度に代えて、第二ＮＯｘ触媒５の温度を検出するセンサであってもよい。なお、第二ＮＯｘ触媒５の温度は、内燃機関１の運転状態と関連性を有することから、上記内燃機関１の運転状態に基づいて、第二ＮＯｘ触媒５の温度を推定することも可能である。本実施例では、温度センサ１３が、本発明における第一温度取得装置に相当し、第二温度センサ１６が、本発明における第二温度取得装置に相当する。

ここで、内燃機関１の冷間始動時にＮＯｘ触媒の温度を速やかに上昇させるためには、ＮＯｘ触媒を内燃機関１に近づけるように排気通路２の比較的上流側に設置するとよい。このように内燃機関１に近づけてＮＯｘ触媒を設置することにより、排気が持つ熱によってＮＯｘ触媒の温度が上昇し易くなる。しかし、内燃機関１の近くにＮＯｘ触媒を設置するための十分なスペースが存在しない場合もある。また、ＮＯｘを十分に浄化するためには、ある程度の容量を有するＮＯｘ触媒が必要となる。そこで、内燃機関１から離れた位置に第二のＮＯｘ触媒を設置することがある。

本実施例に係る第一ＮＯｘ触媒３は内燃機関１に比較的近い位置に設置されているため、内燃機関１の冷間始動時に排気の熱により温度が上昇し易い。しかし、フィルタの再生処理時、硫黄被毒回復処理時、または高負荷運転時等においては、温度の高い排気が第一ＮＯｘ触媒３に流入することにより、第一ＮＯｘ触媒３の温度が高くなり過ぎてアンモニ
アの吸着が困難となり得る。一方、第二ＮＯｘ触媒５は内燃機関１から比較的遠い位置に設置されているため、第一ＮＯｘ触媒３に流入する排気の温度が高い場合であっても、排気の熱が第一ＮＯｘ触媒３や排気通路２によって奪われるため、第二ＮＯｘ触媒５に到達するまでに排気の温度が低下する。そのため、第二ＮＯｘ触媒５の温度上昇は抑制される。したがって、第一ＮＯｘ触媒３の温度が高くなりすぎてアンモニアの吸着が困難なときであっても、第二ＮＯｘ触媒５ではアンモニアの吸着が可能な場合がある。このような場合には、第二ＮＯｘ触媒５に予めアンモニアを吸着させておけば、この予め吸着させておいたアンモニアを用いて第二ＮＯｘ触媒５でＮＯｘを浄化することができる。

第二ＮＯｘ触媒５に添加剤を供給するためには、第一ＮＯｘ触媒３から添加剤を流出させるように添加弁４から添加剤を添加する。すなわち、第一ＮＯｘ触媒３において吸着可能な添加剤の量よりも多い量の添加剤を添加弁４から添加することにより、第一ＮＯｘ触媒３から添加剤を流出させることで、第二ＮＯｘ触媒５に添加剤を供給する。しかし、第一ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上の場合には、第一ＮＯｘ触媒３においてアンモニアが酸化されてＮＯｘが発生する虞がある。したがって、第二ＮＯｘ触媒５に対して添加剤を供給することが困難となり、且つ、第二ＮＯｘ触媒５に多くのＮＯｘが流入し得る。そのため、第二ＮＯｘ触媒５にてＮＯｘを還元することが困難になり得る。これに対して本実施例では、第一ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上の場合には、第一ＮＯｘ触媒３においてアンモニアが酸化されないように、第一ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比に基づいて添加剤の添加量を調整する。すなわち、第一ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比が小さいときには大きいときよりも添加弁から添加する添加剤量を多くする。

図１３は、第一ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上の場合における、第一ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比と、本実施例において設定する当量比との関係を示した図である。このように、排気の空燃比が所定空燃比以下の場合には、所定空燃比より大きな場合よりも、当量比を大きくする。排気の空燃比が所定空燃比以下の場合には、第一ＮＯｘ触媒３から添加剤が流出して第二ＮＯｘ触媒５に添加剤を供給できるような当量比に設定される。なお、第一ＮＯｘ触媒３から流出する添加剤量は、第一ＮＯｘ触媒３の温度、第一ＮＯｘ触媒３に流入するＮＯｘ量、第一ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比、排気の流量、に応じて決まる。したがって、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量に応じて、第一ＮＯｘ触媒３から流出させる添加剤量を算出し、該第一ＮＯｘ触媒３から流出させる添加剤量となるように、添加弁４からの添加剤の添加量を算出する。また、第一ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比が所定空燃比以上の場合には、第二ＮＯｘ触媒５に対して添加剤を供給することが困難であるため、第一ＮＯｘ触媒３においてＮＯｘを浄化するように、添加弁４から添加剤を添加する。この場合に設定される当量比は、添加剤の添加量が許容される範囲で、第一ＮＯｘ触媒３から流出するＮＯｘ量が最小となるように設定される。これらの関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。

また、図１３に示した関係に代えて、以下の図１４に示した関係にしたがって当量比を設定してもよい。図１４は、第一ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上の場合における、第一ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比と、第一ＮＯｘ触媒３の温度と、本実施例において設定する当量比との関係を示した図である。図１４では、等しい当量比の箇所を結んだ線である等当量比線によって当量比分布を示している。第一ＮＯｘ触媒３の温度が同じ場合には、排気の空燃比が小さいほど当量比を大きくする。また、排気の空燃比が同じ場合には、第一ＮＯｘ触媒３の温度が低いほど、当量比を大きくする。なお、図１４に示した関係は、排気の空燃比が所定空燃比以下の場合に限り適用してもよく、排気の空燃比が所定空燃比以下であるか否かによらずに適用してもよい。この関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。

なお、本実施例では、第一ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上の場合において、排気の
空燃比が所定空燃比以下で、且つ、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が第一吸着量以下になると、第二ＮＯｘ触媒５への添加剤の供給を開始し、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きくなるか、又は、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が第二吸着量以上になると、第二ＮＯｘ触媒５への添加剤の供給を停止する。第一吸着量は、第二ＮＯｘ触媒５においてＮＯｘ浄化率が許容範囲内となるアンモニア吸着量の下限値、または、第二ＮＯｘ触媒５においてＮＯｘ浄化率が許容範囲内となるアンモニア吸着量の下限値に対してある程度の余裕を持たせたアンモニア吸着量である。これに代えて、第一吸着量を、第二ＮＯｘ触媒５へアンモニアを吸着させる必要が生じるアンモニア吸着量としてもよい。また、第二吸着量は、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量がＮＯｘを還元する上で十分であるといえるアンモニア吸着量である。なお、本実施例では第一吸着量が、本発明における所定の下限吸着量に相当する。

図１５は、本実施例に係る当量比制御を実施した場合の、第一ＮＯｘ触媒３の温度、第一ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比（内燃機関１の気筒内の空燃比としてもよい）、当量比、第二ＮＯｘ触媒５に吸着されているアンモニアの量（アンモニア吸着量）の推移を示したタイムチャートである。図１５は、例えばフィルタの再生処理が実施される場合の各種値の推移を示した図である。図１５のアンモニア吸着量における破線は、排気の空燃比によらずに当量比を一定に設定した場合（当量比を例えば１で一定にした場合）を示している。図１５では、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が、第一吸着量よりも多く且つ第二吸着量よりも少なくなるような範囲を、アンモニア吸着量の目標範囲として、添加弁４から添加剤を添加している。

Ｔ１１は、フィルタの再生処理が開始される時点であり、Ｔ１２は、第一ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度に達した時点である。Ｔ１２からＴ１５までの期間、Ｔ１６からＴ１７までの期間、Ｔ１８からＴ２０までの期間は、排気の空燃比が所定空燃比以下の期間である。一方、Ｔ１５からＴ１６までの期間、Ｔ１７からＴ１８までの期間、Ｔ２０からＴ２１までの期間は、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きな期間である。

Ｔ１１からＴ１３までは、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が第一吸着量よりも多いため、第二ＮＯｘ触媒５にアンモニアを供給する必要はない、したがって、当量比は比較的小さな値に設定される。この期間では、第二ＮＯｘ触媒５に流入するＮＯｘ量に対して、第二ＮＯｘ触媒５に供給されるアンモニア量が少ないので、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が減少する。

そして、Ｔ１３において第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が第一吸着量まで減少している。このときには排気の空燃比が所定空燃比以下のため、当量比を比較的大きな値に設定することができる。すなわち、第一ＮＯｘ触媒３においてアンモニアが酸化され難い状態であるため、添加弁４から多くの添加剤を添加することにより、第一ＮＯｘ触媒３から多くの添加剤を流出させることができる。これにより、第二ＮＯｘ触媒５に供給されるアンモニア量を多くすることができるので、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量を増加させることができる。

また、Ｔ１４において第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が第二吸着量に達した場合には、十分な量のアンモニアが第二ＮＯｘ触媒５に吸着された状態になったため、第二ＮＯｘ触媒５に供給するアンモニアの量を減少させるべく、当量比が比較的小さな値に設定される。これにより、Ｔ１４から第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が減少する。

Ｔ１５において、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きくなっているが、このときには当量比がすでに比較的小さな値に設定されているため、当量比は変化させていない。そして、Ｔ１５から第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量の減少度合いが大きくなる。

Ｔ１５からＴ１６までの期間の中で、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が第一吸着量以下となる期間が存在するが、このときには排気の空燃比が所定空燃比よりも大きいために、仮に当量比を大きくすると第一ＮＯｘ触媒３においてアンモニアが酸化されてしまうので、当量比は比較的小さいまま変化させない。そして、Ｔ１６で排気の空燃比が所定空燃比以下になると、第一ＮＯｘ触媒３におけるアンモニアの酸化が抑制されるため、当量比を比較的大きな値に設定する。これにより、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が増加する。

Ｔ１７では、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きくなっている。したがって、第一ＮＯｘ触媒３におけるアンモニアの酸化を抑制するために、当量比が比較的小さな値に設定される。これにより、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が減少する。

Ｔ１７からＴ１８までの期間の中で、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が第一吸着量以下となる期間が存在するが、このときには排気の空燃比が所定空燃比よりも大きい。したがって、第一ＮＯｘ触媒３におけるアンモニアの酸化を抑制するために、当量比は比較的小さいまま変化させない。そして、Ｔ１８で排気の空燃比が所定空燃比以下になると、第一ＮＯｘ触媒３におけるアンモニアの酸化が抑制されるため、当量比を比較的大きな値に設定する。これにより、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が増加する。

Ｔ１９になると、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が第二吸着量に達するため、第二ＮＯｘ触媒５にアンモニアを供給する必要がなくなる。そのため、排気の空燃比が所定空燃比以下であっても、当量比を比較的小さな値に設定する。これにより、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が減少する。

Ｔ２０において、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きくなっているが、このときには当量比がすでに比較的小さな値に設定されているため、当量比は変化させない。したがって、Ｔ２０から第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量の減少度合いが大きくなる。

図１６及び図１７は、本実施例に係る添加剤の添加制御のフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により所定の時間毎に実行される。なお、前述のフローチャートと同じ処理がなされるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。

ステップＳ４０１では、第一ＮＯｘ触媒３及び第二ＮＯｘ触媒５の温度が読み込まれる。第一ＮＯｘ触媒３の温度は、温度センサ１３により検出される。また、第二ＮＯｘ触媒５の温度は、第二温度センサ１６により検出される。なお、温度センサ１３及び第二温度センサ１６を用いることなく、内燃機関１の運転状態に基づいて第一ＮＯｘ触媒３及び第二ＮＯｘ触媒５の温度を推定することもできる。

ステップＳ４０２では、第一ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上であるか否か判定される。本ステップＳ４０２では、第一ＮＯｘ触媒３においてアンモニアが酸化され得る状態であるか否か判定している。ステップＳ４０２で肯定判定がなされた場合は、ステップＳ４０３へ進む。一方、ステップＳ４０２で否定判定がなされた場合には、ステップＳ４０４へ進んで吸着量制御が実施される。この吸着量制御は、第一ＮＯｘ触媒３及び第二ＮＯｘ触媒５の両方にアンモニアを吸着させる制御であり、周知の技術を用いることができるため、説明を省略する。なお、ステップＳ４０４では、吸着量制御に代えて、排気の空燃比によらずに添加剤の添加を実施する他の制御を実施してもよい。

ステップＳ４０３では、第二ＮＯｘ触媒５の温度が第二所定温度未満であるか否か判定
される。ここでいう第二所定温度は、排気に十分な酸素が含まれるときに第二ＮＯｘ触媒５においてアンモニアの酸化速度が増加を始める温度であり、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。本ステップＳ４０３では、第二ＮＯｘ触媒５において、アンモニア吸着量を増加させることができる状態であるか否か判定している。ステップＳ４０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ４０５へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本フローチャートを終了させる。なお、ステップＳ４０３で否定判定がなされた場合には、第一ＮＯｘ触媒３及び第二ＮＯｘ触媒５の何れにおいても、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きいときにアンモニアが酸化されてしまう。このような場合には、第一ＮＯｘ触媒３でＮＯｘを浄化させるべく当量比制御を実施してもよい。この当量比制御は、ＥＣＵ１０により別途実施される。

ステップＳ４０５では、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が第二吸着量未満であるか否か判定される。ステップＳ４０５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ４０６へ進む。一方、ステップＳ４０５で否定判定がなされた場合には、ステップＳ４０７へ進んで、当量比が比較的小さな値に設定される。ステップＳ４０７で設定される当量比は、図１３における所定空燃比より大きな場合の当量比である。すなわち、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が十分に多いため、当量比を比較的小さくすることにより第二ＮＯｘ触媒５からのアンモニアの流出を抑制する。

ステップＳ４０６では、第一ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比が読み込まれる。この排気の空燃比は、空燃比センサ１２により検出することができる。

ステップＳ４０８では、第一ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比が所定空燃比以下であるか否か判定される。本ステップＳ４０８では、排気の空燃比が第一ＮＯｘ触媒３においてアンモニアが酸化されない空燃比になっているか否か判定される。ステップＳ４０８で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ４０９へ進む。一方、ステップＳ４０８で否定判定がなされた場合には、ステップＳ４１０へ進んで、当量比が比較的小さな値に設定される。ステップＳ４１０で設定される当量比は、図１３における所定空燃比より大きな場合の当量比である。すなわち、排気の空燃比と、第一ＮＯｘ触媒３の温度とが、第一ＮＯｘ触媒３においてアンモニアが酸化されるような状態であるため。当量比を比較的小さくしてアンモニアの酸化を抑制する。

ステップＳ４０９では、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が第一吸着量以下であるか否か判定される。ステップＳ４０９で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ４１１へ進んで、当量比が比較的大きな値に設定される。ステップＳ４１１で設定される当量比は、図１３における所定空燃比以下の場合の当量比である。すなわち、第二ＮＯｘ触媒５におけるアンモニア吸着量を増加するような当量比に設定する。一方、ステップＳ４０９で否定判定がなされた場合には、ステップＳ４１２へ進んで、当量比が維持される。ステップＳ４０９で否定判定がなされた場合には、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が第一吸着量よりも多く且つ第二吸着量よりも少ない状態である。このような場合には、現時点の当量比が維持される。

ステップＳ４１３では、設定された当量比となるように添加弁４から添加剤が添加される。なお、本実施例では、当量比を図１３に示した関係にしたがって設定しているが、これに代えて、当量比を、図１４の関係にしたがって設定することもできる。

このようにして、第二ＮＯｘ触媒５に対して添加剤を供給することにより、第一ＮＯｘ触媒３から流出するＮＯｘを第二ＮＯｘ触媒５にて還元することができる。

（実施例５）
本実施例では、図１２に示した構成において、第一ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上、且つ、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量が第一吸着量以下の場合に、第一ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比を積極的に所定空燃比以下にする。このようにして、排気の空燃比が所定空燃比以下になれば、第一ＮＯｘ触媒３におけるアンモニアの酸化が抑制されるために、当量比を大きくすることができる。したがって、内燃機関１の加速等によって排気の空燃比が低下するのを待つ必要がなくなるので、第二ＮＯｘ触媒５に添加剤を速やかに供給することができる。

図１８は、本実施例に係る添加剤の添加制御のフローを示したフローチャートである。ステップＳ４０５よりも前の処理は、図１６に示したフローチャートと同じである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により所定の時間毎に実行される。なお、前述のフローチャートと同じ処理がなされるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。

図１８に示したフローチャートでは、ステップＳ４０５において肯定判定がなされた場合には、ステップＳ４０９へ進む。更に、ステップＳ４０９で肯定判定がなされた場合にはステップＳ４０６へ進む。そして、ステップＳ４０６の処理が終了すると、ステップＳ５０１へ進んで、ステップＳ４０６で読み込まれた排気の空燃比が所定空燃比を超えているか否か判定される。ステップＳ４０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ５０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ４１１へ進む。ステップＳＳ５０２では、第一ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比が所定空燃比以下に低下される。この場合、ステップＳ２０５と同様にして、排気の空燃比が所定空燃比以下となるようにする。その後、ステップＳ４１１へ進む。なお、本実施例では、当量比を図１３に示した関係にしたがって設定しているが、これに代えて、当量比を、図１４の関係にしたがって設定することもできる。

このようにして、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きな場合であっても、空燃比を積極的に低下させることにより、アンモニアの酸化を抑止しつつ当量比を大きくすることができるため、第二ＮＯｘ触媒５に添加剤を供給することができる。これにより、第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量を速やかに増加させることができるため、ＮＯｘ浄化率が低下することを抑制できる。

（実施例６）
図１９は、本実施例に係る内燃機関と、その排気系と、の概略構成を示す図である。図１に示した構成と異なる点について主に説明する。図１９では、図９と同様に、内燃機関１が、ハイブリッド車両１００に搭載されている。さらに、図１９では、図１２と同様に、第一ＮＯｘ触媒３及び第二ＮＯｘ触媒５が設けられている。その他の装置等は、前述の実施例と同じため、説明を省略する。

本実施例では、実施例３と同様に、発電機１０１による発電量を増加させることにより、内燃機関１により発生するトルクを増加させることで、排気の空燃比を低下させる。図２０は、本実施例に係る添加剤の添加制御のフローを示したフローチャートである。ステップＳ４０５よりも前の処理は、図１６に示したフローチャートと同じである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により所定の時間毎に実行される。なお、前述のフローチャートと同じ処理がなされるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。

図２０に示したフローチャートでは、ステップＳ５０１で肯定判定がなされると、ステップＳ６０１へ進む。ステップＳ６０１では、発電機１０１による発電量が増加される。これにより、機関トルクが増加され、これに伴って第一ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比が低下する。このときには、第一ＮＯｘ触媒３に流入する排気の空燃比が所定空燃比以下となるように発電機１０１による発電量が調整される。すなわち、ＥＣＵ１０は、現
時点の機関回転速度において排気の空燃比が所定空燃比以下となる機関トルクを図１０に示した関係に基づいて算出し、該機関トルクとなるように発電機１０１による発電量を設定する。現時点の機関トルクと発電機１０１による発電量との関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。なお、本実施例では、当量比を図１３に示した関係にしたがって設定しているが、これに代えて、当量比を、図１４の関係にしたがって設定することもできる。

このようにして、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きな場合であっても、発電機１０１による発電量を増加させつつ機関トルクを増加させることにより、空燃比を所定空燃比以下まで低下させることができる。これにより、当量比を大きくしつつ第二ＮＯｘ触媒５のアンモニア吸着量を速やかに増加させることができるため、ＮＯｘ浄化率が低下することを抑制できる。

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 選択還元型ＮＯｘ触媒（第一ＮＯｘ触媒）
４ 添加弁
５ 選択還元型ＮＯｘ触媒（第二ＮＯｘ触媒）
６ 燃料噴射弁
７ 吸気通路
１０ ＥＣＵ
１１ 上流側ＮＯｘセンサ
１２ 空燃比センサ
１３ 温度センサ
１４ 下流側ＮＯｘセンサ
１６ 第二温度センサ
２１ クランクポジションセンサ
２２ アクセル開度センサ
２３ エアフローメータ
１００ ハイブリッド車両
１０１ 発電機
１０２ バッテリ

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流の前記排気通路に設けられ、排気中にアンモニア又はアンモニアの前駆体を添加する添加弁と、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度を取得する温度取得装置と、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒へ流入する排気の空燃比を取得する空燃比取得装置と、
   前記温度取得装置により取得される温度が、アンモニアが酸化される所定温度以上の場合において、前記空燃比取得装置により取得される空燃比が小さいときには大きいときよりも前記添加弁から排気中に添加するアンモニア又はアンモニアの前駆体の量を多くする制御装置と、
   を備える内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記制御装置は、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニア量を推定し、
   前記温度取得装置により取得される温度が前記所定温度以上の場合において、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニア量が所定吸着量よりも少ないときの前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比が所定空燃比よりも大きい場合には、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を前記所定空燃比以下にする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記内燃機関の動力により発電する発電機を更に備え、
   前記制御装置は、前記内燃機関により発生するトルクが大きいときは小さいときよりも混合気の空燃比を小さくし、前記発電機による発電量を増加させ且つ前記内燃機関により発生するトルクを増加させることにより前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を前記所定空燃比以下にする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記選択還元型ＮＯｘ触媒は、第一ＮＯｘ触媒と、前記第一ＮＯｘ触媒よりも前記排気通路の下流側に設けられる第二ＮＯｘ触媒と、を含んで構成され、
   前記温度取得装置は、前記第一ＮＯｘ触媒の温度を取得する第一温度取得装置であるように構成され、
   前記第二ＮＯｘ触媒の温度を取得する第二温度取得装置を更に備え、
   前記制御装置は、
   前記第二ＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニア量を推定し、
   前記第一温度取得装置により取得される前記第一ＮＯｘ触媒の温度が前記所定温度以上の場合、且つ、前記第二温度取得装置により取得される前記第二ＮＯｘ触媒の温度が第二所定温度よりも低い場合であって、前記第二ＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニア量が所定の下限吸着量以下の場合において、前記空燃比取得装置により取得される空燃比が小さいときには大きいときよりも前記添加弁から排気中に添加するアンモニア又はアンモニアの前駆体の量を多くする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記制御装置は、前記第一温度取得装置により取得される前記第一ＮＯｘ触媒の温度が前記所定温度以上の場合、且つ、前記第二温度取得装置により取得される前記第二ＮＯｘ触媒の温度が前記第二所定温度よりも低い場合において、前記第二ＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニア量が前記所定の下限吸着量以下のときの前記第一ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比が所定空燃比よりも大きい場合には、前記第一ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を前記所定空燃比以下にする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記内燃機関の動力により発電する発電機を更に備え、
   前記制御装置は、前記内燃機関により発生するトルクが大きいときは小さいときよりも混合気の空燃比を小さくし、前記発電機による発電量を増加させ且つ前記内燃機関により発生するトルクを増加させることにより前記第一ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を前記所定空燃比以下にする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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