JP2022114000A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】尿素水と還元触媒を用いる排気浄化システムにおいて、ＮＯｘを浄化する還元触媒が１つで済み、かつ還元触媒の下流側に酸化触媒を配置する必要がなく、大気に放出されるアンモニア量をより抑制することができる、内燃機関の排気浄化システムを提供する。【解決手段】尿素水添加弁１９と、一方端が還元触媒４６よりも下流側の分岐個所３０Ａに接続され、他方端が還元触媒よりも上流側の合流個所３０Ｂに接続された排気循環管３１と、排気循環管に設けられた循環ポンプ３３と、排気循環管と分岐個所と合流個所のいずれかの位置に設けられた流量調整弁３２と、制御装置６０とを有し、制御装置は、尿素水添加弁から噴霧したが還元触媒で用いられることなく還元触媒の下流側に流出したアンモニアスリップ量に関するパラメータであるアンモニアスリップ量関連パラメータに基づいて、循環ポンプと流量調整弁を制御する、還元触媒循環制御部６１Ａを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、ＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化する還元触媒を有する、内燃機関の排気浄化システムに関する。

内燃機関の１つであるディーゼルエンジンの排気ガス中には、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、微粒子状物質、ＮＯｘ（窒素酸化物）等が含まれている。そしてディーゼルエンジンを搭載した車両は、排気浄化装置として、ＨＣとＣＯを浄化する酸化触媒、微粒子状物質を捕集するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、ＮＯｘを浄化する還元触媒（Selective Catalytic Reduction）等を搭載している。

還元触媒を用いてＮＯｘを浄化する場合、高温の排気ガス中に尿素水（還元剤）を噴霧し、尿素水からアンモニアを生成させ、アンモニアを還元触媒に吸着させ、還元触媒上でアンモニアを用いてＮＯｘをＮ₂（窒素）とＨ₂Ｏ（水）に還元している。しかし、還元触媒が負荷の増大等により急激に昇温した場合、還元触媒に吸着していたアンモニアが脱離し（いわゆるアンモニアスリップが発生し）、脱離したアンモニアが大気に放出される可能性があり、大気に放出されるアンモニアを抑制する排気浄化装置が所望されている。

従来の車両には、大気に放出されるアンモニアを低減するために、還元触媒の下流側に、アンモニアを浄化する酸化触媒（ＨＣ、ＣＯを浄化する酸化触媒とは別の酸化触媒）をさらに搭載しているものがある。

また、例えば特許文献１には、尿素水が噴霧された排気管の先を二股に分岐し、分岐した排気管の一方に第１還元触媒を配置し、他方に第２還元触媒を配置し、第１還元触媒の下流と第２還元触媒の下流とを合流させ、合流個所の下流に酸化触媒（脱離したアンモニアを浄化する）を配置した排気浄化装置が記載されている。また第１還元触媒の上流側には第１還元触媒への排気ガス流入量を調整する第１弁が設けられており、第２還元触媒の上流側には第２還元触媒への排気ガス流入量を調整する第２弁が設けられている。そして特許文献１に記載の排気浄化装置では、ＥＣＵ（制御装置）を用いて、排気ガスの温度と、各温度での第１還元触媒のアンモニア最大吸着量及び第２還元触媒のアンモニアの最大吸着量とに応じて、第１弁と第２弁の開度を調整して第１還元触媒への排気ガスの流入量と第２還元触媒への排気ガスの流入量とを調整するとともに尿素水の噴霧量を調整することで、アンモニアスリップ量を抑制している。

特開２０１０－１８５４３４号公報

特許文献１に記載の排気浄化装置は、二股に分岐した排気管を用いて並列に配置した第１還元触媒と第２還元触媒を有し、還元触媒が１つの場合と比較して、搭載スペースと重量が増加している。また、第１還元触媒及び第２還元触媒の下流側に酸化触媒を有しているので、さらに搭載スペースと重量が増加しており、好ましくない。

本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、尿素水と還元触媒を用いる排気浄化システムにおいて、ＮＯｘを浄化する還元触媒が１つで済み、かつ還元触媒の下流側に酸化触媒を配置する必要がなく、大気に放出されるアンモニア量をより抑制することができる、内燃機関の排気浄化システムを提供することを課題とする。

上記課題を達成するため、第１の発明は、内燃機関の排気浄化システムであって、排気管内を流れる排気ガス中のＮＯｘを浄化する還元触媒と、前記還元触媒よりも上流側の前記排気管に設けられて、前記排気管内に尿素水を噴霧する尿素水添加弁と、一方端が前記還元触媒よりも下流側の前記排気管に設定された分岐個所に接続され、他方端が前記還元触媒よりも上流側の前記排気管に設定された合流個所に接続された排気循環管と、前記排気循環管に設けられて前記分岐個所から前記排気管内の排気ガスの一部を吸引し、吸引した排気ガスを前記合流個所に吐出することが可能な循環ポンプと、前記排気循環管、前記分岐個所、前記合流個所、のいずれかの位置に設けられて、前記循環ポンプが動作している場合には前記排気循環管への排気ガスの流入を許容し、前記循環ポンプが停止している場合には前記排気循環管への排気ガスの流入を禁止することが可能な流量調整弁と、前記内燃機関の運転状態を検出して前記尿素水添加弁と前記循環ポンプと前記流量調整弁を制御する制御装置と、を有する。そして、前記制御装置は、前記尿素水添加弁から噴霧した尿素水に基づいたアンモニアであって前記還元触媒で用いられることなく前記還元触媒の下流側に流出したアンモニアの量であるアンモニアスリップ量に関するパラメータであるアンモニアスリップ量関連パラメータに基づいて、前記循環ポンプと前記流量調整弁を制御する、還元触媒循環制御部を有する、内燃機関の排気浄化システムである。

次に、第２の発明は、上記第１の発明に係る内燃機関の排気浄化システムであって、前記アンモニアスリップ量関連パラメータは、前記内燃機関の運転状態に基づいて推定した前記アンモニアスリップ量である、内燃機関の排気浄化システムである。

次に、第３の発明は、上記第１の発明または第２の発明に係る内燃機関の排気浄化システムであって、前記循環ポンプは、吐出流量を調整可能であり、前記流量調整弁は、前記排気循環管の開度を調整可能である、内燃機関の排気浄化システムである。

次に、第４の発明は、上記第３の発明に係る内燃機関の排気浄化システムであって、前記制御装置は、前記還元触媒循環制御部にて、前記分岐個所から前記合流個所へと前記排気管内を流れる排気ガスの一部を戻す場合、前記内燃機関からの排気ガスの流量である全排気ガス流量と、前記アンモニアスリップ量関連パラメータと、前記分岐個所から前記合流個所へと戻すべきアンモニアの量である目標アンモニア循環量と、に基づいて求めた前記循環ポンプの吐出流量と前記流量調整弁の開度に基づいて、前記循環ポンプと前記流量調整弁を制御する、内燃機関の排気浄化システムである。

次に、第５の発明は、上記第１の発明～第４の発明のいずれか１つに係る内燃機関の排気浄化システムであって、前記制御装置は、前記還元触媒循環制御部にて、前記分岐個所から前記合流個所へと前記排気管内を流れる排気ガスの一部を戻している場合、前記内燃機関からの排気ガスの流量である全排気ガス流量と、前記アンモニアスリップ量関連パラメータと、前記分岐個所から前記合流個所へと戻している排気ガスの流量である循環排気ガス流量と、に基づいて、前記分岐個所から前記合流個所へと戻している排気ガス中のアンモニアの量である循環アンモニアスリップ量を推定し、推定した前記循環アンモニアスリップ量に基づいて、前記尿素水添加弁から噴霧する尿素水の量を減量する、内燃機関の排気浄化システムである。

第１の発明によれば、アンモニアスリップ量関連パラメータに基づいて循環ポンプと流量調整弁を制御して、還元触媒の下流側の排気ガス（スリップしたアンモニアを含む）の一部を、排気循環管を介して還元触媒の上流側へ戻す。つまり、還元触媒で用いられることなくスリップしたアンモニア（及び浄化されなかったＮＯｘ）を大気に放出せずに、還元触媒への吸着を繰り返して何度も試みる。従って、ＮＯｘを浄化する還元触媒が１つで済み、かつ還元触媒の下流側に酸化触媒を配置する必要がなく、大気に放出されるアンモニア量をより抑制することができる。

第２の発明によれば、循環ポンプと流量調整弁の制御に用いるアンモニアスリップ量関連パラメータは、運転状態に基づいて推定したアンモニアスリップ量の値である。つまり、アンモニアスリップ量の推定値が所定量に減少するまで循環ポンプと流量調整弁を制御することで、還元触媒の下流側に酸化触媒を配置する必要がなく、大気に放出されるアンモニア量をより抑制することができる。また、ＮＯｘを浄化する還元触媒は１つで済む。

第３の発明によれば、アンモニアスリップ量関連パラメータに応じて循環ポンプの吐出流量や流量調整弁の開度を制御するので、大気に放出されるアンモニア量を適切に抑制することができる。

第４の発明によれば、循環ポンプの吐出流量と、流量調整弁の開度を、具体的かつ適切に設定することができる。

第５の発明によれば、分岐個所から合流個所へと戻す排気ガスにはスリップしたアンモニアが含まれているので、このアンモニアの分だけ減量した尿素水を尿素水添加弁から噴霧する。従って、アンモニアが供給過剰になることを回避し、大気に放出されるアンモニア量をより抑制することができる。

排気浄化システムを備えた内燃機関システム全体の概略構成の例を説明する図である。 制御装置の［全体処理］の処理手順の例を説明するフローチャートである。 図２に示すフローチャートにおける［還元触媒循環制御の停止中の処理］の詳細を説明するフローチャートである。 図２に示すフローチャートにおける［還元触媒循環制御の実行中の処理］の詳細を説明するフローチャートである。 アンモニアの量に関する、第１所定量、第２所定量、第３所定量、目標アンモニア循環量、を説明する図である。 循環ポンプ回転数・吐出流量特性の例を説明する図である。 流量調整弁開度・流量特性の例を説明する図である。 還元触媒循環制御を停止中の場合において、排気管の各個所を流れる排気ガス流量、ＮＯｘ流量、アンモニア量などを説明する図である。 還元触媒循環制御を実行中の場合において、排気管及び排気循環管の各個所を流れる排気ガス流量、ＮＯｘ流量、アンモニア量などを説明する図である。 流量調整弁を分岐個所（または合流個所）に設ける場合の流量調整弁の概略構造の例であって、当該流量調整弁の開度を１００［％］とした場合の例を説明する図である。 流量調整弁を分岐個所（または合流個所）に設ける場合の流量調整弁の概略構造の例であって、当該流量調整弁の開度を０［％］とした場合の例を説明する図である。

［内燃機関システム１の全体構成と排気浄化システム２の構成（図１）］
図１を用いて、本発明に係る排気浄化システム２を備えた内燃機関システム１の全体構成について説明する。なお、図１の例における内燃機関１０は、ディーゼルエンジンである。また排気浄化システム２は、後述する還元触媒４６、尿素水添加弁１９、排気循環管３１、循環ポンプ３３、流量調整弁３２、制御装置６０等を有している。

図１に示すように、内燃機関１０には吸気管１２と排気管１４が接続されており、吸気管１２及び排気管１４には、種々の検出装置、アクチュエータ、触媒等が設けられている。以下、内燃機関１０の吸気の流れ、及び排気の流れの順に、各検出装置等について説明する。

吸気管１２には、吸入空気流量検出装置２０が設けられている。吸入空気流量検出装置２０（例えば、吸気流量センサ）は、内燃機関１０が吸入した空気の流量に応じた検出信号を制御装置６０に出力する。

アクセル踏込量検出装置２２（例えば、アクセル踏込量センサ）は、運転者が操作するアクセルペダルの踏込量（すなわち、運転者の要求負荷）に応じた検出信号を制御装置６０に出力する。

内燃機関１０には、クランク回転検出装置２４Ａ、カム回転検出装置２４Ｂ、クーラント温度検出装置２５等が設けられている。クランク回転検出装置２４Ａ（例えば、回転センサ）は、内燃機関１０のクランクシャフトの回転角度に応じた検出信号を制御装置６０に出力する。カム回転検出装置２４Ｂ（例えば、回転センサ）は、内燃機関１０のカムシャフトの回転角度に応じた検出信号を制御装置６０に出力する。制御装置６０は、クランク回転検出装置２４Ａからの検出信号に基づいてクランクシャフトの回転数（すなわち、内燃機関１０の回転数）を検出可能であり、クランク回転検出装置２４Ａ及びカム回転検出装置２４Ｂからの検出信号に基づいて、特定気筒の圧縮上死点位置等を検出可能である。クーラント温度検出装置２５（例えば、温度センサ）は、内燃機関１０の冷却に用いられるクーラントの温度に応じた検出信号を制御装置６０に出力する。

また内燃機関１０の各気筒には、燃料を噴射するインジェクタ１６が設けられており、各インジェクタ１６は制御装置６０からの制御信号にて駆動される。

内燃機関１０の排気側には排気管１４が接続されており、排気管１４には排気ガス浄化装置４０が設けられている。図１に示す排気ガス浄化装置４０は、酸化触媒４２（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）、粒子状物質捕集フィルタであるＤＰＦ４４（Diesel Particulate Filter）、還元触媒４６（Selective Catalytic Reduction）、等を有している。内燃機関１０からの排気ガスは、酸化触媒４２、ＤＰＦ４４、還元触媒４６を経由して大気へと導かれる。

酸化触媒４２は、排気ガスに含まれている一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等を酸化して除去する触媒である。

ＤＰＦ４４は、排気ガスに含まれている粒子状物質（ＰＭ）を捕集し、排気ガスのみを下流側へと流出させるフルタである。

還元触媒４６は、尿素水添加弁１９により添加された尿素水（還元剤溶液）を用いて、排気ガスに含まれている窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して無害化する触媒である。

燃料添加弁１８と排気温度検出装置２６Ａ（例えば、排気温度センサ）は、酸化触媒４２の上流側に設けられている。排気温度検出装置２６Ａは、自身が設けられている個所の排気ガスの温度に応じた検出信号を制御装置６０に出力する。燃料添加弁１８は、制御装置６０からの制御信号にて駆動され、微粒子が堆積したＤＰＦ４４を再生する際（粒子状物質を燃焼焼却する際）に、酸化触媒４２内で排気ガスと反応させて排気ガスの温度を上昇させるための燃料を噴射する。

排気温度検出装置２６Ｂ（例えば、排気温度センサ）は、酸化触媒４２の下流側、かつ、ＤＰＦ４４の上流側に設けられている。また排気温度検出装置２６Ｃ（例えば、排気温度センサ）は、ＤＰＦ４４の下流側、かつ、還元触媒４６の上流側の排気管１４Ｂに設けられている。さらに排気温度検出装置２６Ｄ（例えば、排気温度センサ）は、還元触媒４６の下流側、かつ、分岐個所３０Ａの下流側の排気管１４Ｂに設けられている。排気温度検出装置２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄのそれぞれは、それぞれが設けられている個所の排気ガスの温度に応じた検出信号を制御装置６０に出力する。なお分岐個所３０Ａは、還元触媒４６の下流側の排気管１４Ｂに設定されている。

ＮＯｘ検出装置２７Ａ（例えば、ＮＯｘセンサ）は、還元触媒４６の上流側の排気管１４Ａ、かつ、尿素水添加弁１９の上流側に設けられている。またＮＯｘ検出装置２７Ｂ（例えばＮＯｘセンサ）は、還元触媒４６の下流側の排気管１４Ｂ、かつ、分岐個所３０Ａの上流側に設けられている。ＮＯｘ検出装置２７Ａ、２７Ｂのそれぞれは、それぞれが設けられている個所のＮＯｘに応じた検出信号を制御装置６０に出力する。

尿素水添加弁１９は、還元触媒４６の上流側の排気管１４Ａ、かつ、ＮＯｘ検出装置２７Ａの下流側、かつ、合流個所３０Ｂの上流側に設けられている。尿素水添加弁１９は、制御装置６０からの制御信号にて駆動され、排気管１４Ａ内の排気ガス中に適量の尿素水（還元剤溶液）を添加（噴霧）する。尿素水添加弁１９は、図示しない供給管、尿素水ポンプ等を介して尿素水タンク（還元剤タンク）に連結されている。なお合流個所３０Ｂは、還元触媒４６の上流側の排気管１４Ａに設定されている。

排気循環管３１は、一方端が還元触媒４６の下流側の排気管１４Ｂに設定された分岐個所３０Ａに接続され、他方端が還元触媒４６の上流側の排気管１４Ａに設定された合流個所３０Ｂに接続されている。

循環ポンプ３３は、排気循環管３１に設けられている。循環ポンプ３３は、制御装置６０からの制御信号にて駆動され、排気管１４Ｂ内を流れる排気ガスの一部を分岐個所３０Ａから吸引して合流個所３０Ｂへと吐出する。

流量調整弁３２は、排気循環管３１に設けられている。流量調整弁３２は、制御装置６０からの制御信号にて駆動され、排気循環管３１の開度を調整する。流量調整弁３２が閉鎖状態の場合、合流個所３０Ｂから排気ガスが排気循環管３１内へ流入することが禁止される。また制御装置６０は、循環ポンプ３３を駆動する場合、流量調整弁３２を適切な開度に制御することで、所望する流量の排気ガスを、分岐個所３０Ａから合流個所３０Ｂへと戻すことができる。従って、流量調整弁３２は、循環ポンプ３３が動作している場合には適切な開度に制御されて、排気循環管３１への排気ガスの流入を許容し、循環ポンプ３３が停止している場合には閉鎖状態に制御されて、排気循環管３１への排気ガスの流入を禁止することが可能である。

制御装置６０には、吸入空気流量検出装置２０、アクセル踏込量検出装置２２、クランク回転検出装置２４Ａ、カム回転検出装置２４Ｂ、クーラント温度検出装置２５、排気温度検出装置２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ、ＮＯｘ検出装置２７Ａ、２７Ｂの検出信号が入力されているが、これらに限定されず、図示省略した種々の検出装置からの検出信号が入力されている。

そして、制御装置６０は、これらの入力された検出信号に基づいて内燃機関１０の運転状態を検出することができる。また、制御装置６０は、検出した内燃機関１０の運転状態や、アクセル踏込量検出装置２２からの検出信号に応じて、インジェクタ１６から噴射する燃料量、燃料添加弁１８から添加（噴霧）する燃料量、尿素水添加弁１９から添加（噴霧）する尿素水の量などに係る制御信号を出力する。なお、制御装置６０には、図示省略した種々のアクチュエータが接続されており、制御装置６０は、検出した運転状態に基づいて、これらのアクチュエータを制御する。

制御装置６０は、ＣＰＵ６１、ＲＡＭ６２、記憶装置６３、タイマ６４等を有している。制御装置６０（ＣＰＵ６１）には種々の装置からの検出信号が入力され、制御装置６０（ＣＰＵ６１）は種々のアクチュエータへの制御信号を出力する。なお、制御装置６０の入出力は、上述した種々の検出装置やアクチュエータに限定されるものではない。また、記憶装置６３は、例えばＦｌａｓｈ－ＲＯＭ等の記憶装置であり、種々のプログラムやデータ等が記憶されている。また制御装置６０（ＣＰＵ６１）は、還元触媒循環制御部６１Ａを有しているが、還元触媒循環制御部６１Ａの詳細については後述する。

［還元触媒４６によるＮＯｘの浄化動作］
尿素水添加弁１９から添加（噴霧）された尿素水は、排気ガスの熱によって排気管１４Ａ内で加水分解され、その際、アンモニア（ＮＨ₃）が生成される。生成されたアンモニアは還元触媒４６に吸着する。そして、還元触媒４６を排気ガスが通過する際に、還元触媒４６に吸着したアンモニアによって排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）が選択的に還元浄化される。

還元触媒４６にてアンモニアによるＮＯｘの還元浄化が行われる際、アンモニアがＮＯｘと反応しきれずに余剰となると、その余剰アンモニアが還元触媒４６の下流側の排気管１４Ｂへと流出する。また、還元触媒４６の負荷の増大等により還元触媒４６が急激に昇温した場合、還元触媒４６に吸着していたアンモニアの一部が還元触媒４６から脱離し（いわゆるアンモニアスリップが発生し）、脱離した（スリップした）アンモニアが排気管１４Ｂへと流出する。本実施の形態にて説明する内燃機関の排気浄化システムでは、上記の余剰アンモニアやスリップしたアンモニアを、排気循環管を介して還元触媒４６の上流側に戻し、大気に放出されるアンモニアの量を低減する。これにより、還元触媒４６の下流側に流出するアンモニアの量を充分低減することができるので、還元触媒４６の下流側に、流出したアンモニアを酸化して浄化する酸化触媒を設ける必要が無い。なお、以降の説明では、上述した余剰アンモニアの量とスリップしたアンモニアの量を区別せず、還元触媒４６の下流側に流出したアンモニアの量をまとめて「アンモニアスリップ量」としている。

［制御装置６０の処理手順（図２～図４）］
次に、図２～図４に示すフローチャートを用いて、制御装置６０の処理手順の例を説明する。制御装置６０は、例えば所定時間毎に（例えば数［ｍｓ］～数１０［ｍｓ］の時間間隔にて）、図２に示す処理を起動し、ステップＳ０１０に処理を進める。なお、循環ポンプ３３の初期状態は停止状態、流量調整弁３２の初期設定は閉鎖状態、とされている。

ステップＳ０１０にて制御装置６０は、上述した種々の検出装置からの検出信号や種々のアクチュエータの制御状態などに基づいて、内燃機関の運転状態を検出し、ステップＳ０１５へ処理を進める。

ステップＳ０１５にて制御装置６０は、検出した運転状態に基づいて、尿素水噴射条件が成立しているか否かを判定する。なお尿素水噴射条件は、既存の条件と同じであるので、詳細については説明を省略する。制御装置６０は、尿素水噴射条件が成立している場合（Ｙｅｓ）はステップＳ０２０へ処理を進め、尿素水噴射条件が成立していない場合（Ｎｏ）はステップＳ０９０へ処理を進める。

ステップＳ０９０へ処理を進めた場合、制御装置６０は、ステップＳ０４０の［還元触媒循環制御の停止中の処理］及びステップＳ０７０の［還元触媒循環制御の実行中の処理］にて求める尿素噴射量、要求アンモニア量、消費アンモニア量、アンモニアスリップ量、のそれぞれを０（ゼロ）に初期化して、図２に示す処理を終了する。

ステップＳ０２０に処理を進めた場合、制御装置６０は、内燃機関１０からの排気ガスの流量である全排気ガス流量を推定して記憶し、ステップＳ０２５へ処理を進める。制御装置６０は、検出した運転状態（吸気流量、内燃機関の回転数、排気ガス温度、排気ガス圧力など）に基づいて、内燃機関１０から排気管１４へ吐出される排気ガスの流量（全排気ガス流量）を推定することができる。

ステップＳ０２５にて制御装置６０は、内燃機関１０からの全排気ガス流量に含まれているＮＯｘ流量である全ＮＯｘ流量を推定して記憶し、ステップＳ０３０へ処理を進める。制御装置６０は、検出した運転状態（ＮＯｘ検出装置２７Ａを用いて検出したＮＯｘの量）と、全排気ガス流量などに基づいて、内燃機関１０から排気管１４へ吐出される排気ガスに含まれているＮＯｘの流量（全ＮＯｘ流量）を推定することができる。

ステップＳ０３０にて制御装置６０は、循環ポンプ３３が停止中であるか否かを判定する。制御装置６０は、循環ポンプ３３が停止中である場合（Ｙｅｓ）は還元触媒循環制御を停止中であると判定してステップＳ０４０へ処理を進め、循環ポンプ３３が停止中でない場合（Ｎｏ）はステップＳ０３５へ処理を進める。

ステップＳ０３５に処理を進めた場合、制御装置６０は、流量調整弁３２が閉鎖中（開度＝０［％］）であるか否かを判定する。制御装置６０は、流量調整弁３２が閉鎖中である場合（Ｙｅｓ）は還元触媒循環制御を停止中であると判定してステップＳ０４０へ処理を進め、流量調整弁３２が閉鎖中でない場合（Ｎｏ）はステップＳ０３０での判定（循環ポンプ３３が駆動中）も含め、還元触媒循環制御を実行中であると判定してステップＳ０７０へ処理を進める。

ステップＳ０４０へ処理を進めた場合、制御装置６０は、［還元触媒循環制御の停止中の処理］を実行してステップＳ０４５へ処理を進める。なお、［還元触媒循環制御の停止中の処理］の詳細については後述する。

ステップＳ０４５にて制御装置６０は、ステップＳ０４０の［還元触媒循環制御の停止中の処理］にて推定したアンモニアスリップ量が第１所定量以上であるか否かを判定する。なお第１所定量は、図５に示すように、大気への放出が許容されている許容アンモニア量よりも低い適切な値に設定されている。制御装置６０は、アンモニアスリップ量が第１所定量以上である場合（Ｙｅｓ）はステップＳ０５０へ処理を進めて還元触媒循環制御を開始し、アンモニアスリップ量が第１所定量未満である場合（Ｎｏ）はステップＳ０８０へ処理を進めて還元触媒循環制御を停止する。

ステップＳ０５０へ処理を進めた場合、制御装置６０は、目標アンモニア循環量（還元触媒４６の下流側から上流側へと戻すべきアンモニア量）を算出して記憶し、ステップＳ０５５へ処理を進める。例えば制御装置６０は、図５に示すように、アンモニアスリップ量を、第１所定量及び第２所定量よりも低い第３所定量へと低減するように、アンモニアスリップ量から第３所定量を減算した値を目標アンモニア循環量として設定する（目標アンモニア循環量＝アンモニアスリップ量－第３所定量）。還元触媒４６の下流側に流出したアンモニアスリップ量のうち、目標アンモニア循環量を還元触媒４６の上流側に戻す。

ステップＳ０５５にて制御装置６０は、全排気ガス流量（ステップＳ０２０にて推定）、アンモニアスリップ量（アンモニアスリップ量関連パラメータであり、ステップＳ０４０にて推定）、目標アンモニア循環量、に基づいて目標循環排気ガス流量（還元触媒の下流側から上流側へと戻すべき排気ガス流量）を算出して記憶し、ステップＳ０６０へ処理を進める。例えば制御装置６０は、アンモニアスリップ量に対する目標アンモニア循環量の割合を求め、求めた割合＊全排気ガス流量を求めることで、目標循環排気ガス流量を算出する。

ステップＳ０６０にて制御装置６０は、目標循環排気ガス流量に基づいて、循環ポンプ３３の回転数と流量調整弁の開度を求め、求めた回転数となるように循環ポンプ３３を制御し、求めた開度となるように流量調整弁３２を制御して、図２に示す処理を終了する。例えば循環ポンプ３３は吐出流量を調整可能であり、循環ポンプ３３の回転数と吐出流量の関係は、例えば図６の［循環ポンプ回転数・吐出量特性］に示すとおりである。また流量調整弁３２は排気循環管３１の開度を調整可能であり、流量調整弁３２の開度と流量の関係は、例えば図７の［流量調整弁開度・流量特性］に示すとおりである。例えば目標循環排気ガス流量が図６に示すＱ１である場合、制御装置６０は、Ｑ１の流量を確保するために、循環ポンプ３３の回転数をＮ１に設定するとともに、流量調整弁３２の開度を５０［％］に設定する。

ステップＳ０７０へ処理を進めた場合、制御装置６０は、［還元触媒循環制御の実行中の処理］を実行してステップＳ０７５へ処理を進める。なお、［還元触媒循環制御の実行中の処理］の詳細については後述する。

ステップＳ０７５にて制御装置６０は、ステップＳ０７０の［還元触媒循環制御の実行中の処理］にて推定したアンモニアスリップ量が第２所定量以下であるか否かを判定する。なお第２所定量は、図５に示すように、大気への放出が許容されている許容アンモニア量よりも低い適切な値であって、第１所定量と第３所定量の間の値に設定されている。制御装置６０は、アンモニアスリップ量が第２所定量以下である場合（Ｙｅｓ）はステップＳ０８０へ処理を進めて還元触媒循環制御を停止し、アンモニアスリップ量が第２所定量よりも大きい場合（Ｎｏ）はステップＳ０５０へ処理を進めて還元触媒循環制御を継続する。なおステップＳ０５０、Ｓ０５５、Ｓ０６０の処理についてはすでに説明しているので省略する。

ステップＳ０８０へ処理を進めた場合、制御装置６０は、循環ポンプ３３を停止するとともに流量調整弁３２を閉鎖して（開度＝０［％］にして）、還元触媒循環制御を停止して、図２に示す処理を終了する。

上述したステップＳ０４０～Ｓ０８０の処理を実行している制御装置６０（ＣＰＵ６１）は、尿素水添加弁１９から噴霧した尿素水に基づいたアンモニアであって還元触媒４６で用いられることなく還元触媒４６の下流側に流出したアンモニアの量であるアンモニアスリップ量に関するパラメータであるアンモニアスリップ量関連パラメータ（この場合、アンモニアスリップ量）に基づいて、循環ポンプ３３と流量調整弁３２を制御する、還元触媒循環制御部６１Ａ（図１参照）に相当している。

［還元触媒循環制御の停止中の処理（図３）］
次に図３を用いて、図２に示すフローチャートのステップＳ０４０の［還元触媒循環制御の停止中の処理］の詳細を説明する。なお［還元触媒循環制御の停止中の処理］にて用いる排気管の各位置での各種の流量等については図８に示すとおりである。図２に示すフローチャートのステップＳ０４０に処理を進めた場合、制御装置６０は図３に示すステップＳ１１０へ処理を進める。

ステップＳ１１０にて制御装置６０は、内燃機関１０からの全ＮＯｘ流量（ステップＳ０２５にて推定）に基づいて全要求アンモニア量を算出して記憶する。なお全要求アンモニア量は、全ＮＯｘ流量のＮＯｘを浄化するために必要なアンモニア量である。そして制御装置６０は、全要求アンモニア量に基づいて、尿素水の濃度等を考慮して尿素水噴射量を算出して記憶し、尿素水噴射量に応じた尿素水を尿素水添加弁１９から噴射（噴霧）する。そして制御装置６０は、ステップＳ１１５へ処理を進める。

ステップＳ１１５にて制御装置６０は、還元触媒４６でのＮＯｘ浄化率を推定して記憶し、ステップＳ１２０へ処理を進める。例えば制御装置６０は、吸入空気流量検出装置２０を用いて検出した吸入空気流量、排気温度検出装置２６Ｃ、２６Ｄを用いて検出した排気温度から推定した還元触媒４６の温度、尿素水添加弁１９からの全要求アンモニア量（分子量）／全ＮＯｘ流量（分子量）、などからＮＯｘ浄化率を推定する。あるいは制御装置６０は、すでに尿素水添加弁１９から尿素水を噴射した後である場合、ＮＯｘ検出装置２７Ａ（還元触媒４６の上流側）を用いて検出したＮＯｘ量、ＮＯｘ検出装置２７Ｂ（還元触媒４６の下流側）を用いて検出したＮＯｘ量、全排気ガス流量、全ＮＯｘ流量などからＮＯｘ浄化率を推定する。

ステップＳ１２０にて制御装置６０は、還元触媒４６にて消費したアンモニア量である消費アンモニア量を推定して記憶し、ステップＳ１２５へ処理を進める。例えば制御装置６０は、全ＮＯｘ流量＊ＮＯｘ浄化率にて算出されたＮＯｘ浄化流量に対応するアンモニア量を、消費アンモニア量として算出して記憶する。

ステップＳ１２５にて制御装置６０は、還元触媒４６で用いられることなく還元触媒４６の下流側に流出されたアンモニア量であるアンモニアスリップ量を推定して記憶し、図３に示す処理を終了し、図２に示すステップＳ０４０の下へリターンする。例えば制御装置６０は、全要求アンモニア量から消費アンモニア量を減算することでアンモニアスリップ量を求める（アンモニアスリップ量＝全要求アンモニア量－消費アンモニア量）。

［還元触媒循環制御の実行中の処理（図４）］
次に図４を用いて、図２に示すフローチャートのステップＳ０７０の［還元触媒循環制御の実行中の処理］の詳細を説明する。なお［還元触媒循環制御の実行中の処理］にて用いる排気管の各位置での各種の流量等については図９に示すとおりである。図２に示すフローチャートのステップＳ０７０に処理を進めた場合、制御装置６０は図４に示すステップＳ２１０へ処理を進める。

ステップＳ２１０にて制御装置６０は、排気循環管３１を介して分岐個所３０Ａから合流個所３０Ｂ（図９参照）へと戻す排気ガスの流量である循環排気ガス流量を推定して記憶し、ステップＳ２１５へ処理を進める。例えば制御装置６０は、駆動している循環ポンプ３３の回転数（回転数＝β）と図６に示す循環ポンプ回転数・吐出流量特性と、開状態に制御している流量調整弁３２の開度（α［％］）、などに基づいて循環排気ガス流量を推定して記憶する。

ステップＳ２１５にて制御装置６０は、循環排気ガス流量、全排気ガス流量（ステップＳ０２０にて推定）、還元触媒４６から流出したＮＯｘ流量（ＮＯｘ検出装置２７Ｂを用いて検出したＮＯｘ量、全排気ガス流量、循環排気ガス流量などから算出）、などに基づいて循環ＮＯｘ流量（循環排気ガス流量に含まれているＮＯｘ量）を推定して記憶し、ステップＳ２２０へ処理を進める。

ステップＳ２２０にて制御装置６０は、循環排気ガス流量、全排気ガス流量、前回の処理時のアンモニアスリップ量、などに基づいて循環アンモニアスリップ量（循環排気ガス流量に含まれているアンモニア量）を推定して記憶し、ステップＳ２３０へ処理を進める。

ステップＳ２３０にて制御装置６０は、内燃機関１０からの全ＮＯｘ流量（ステップＳ０２５にて推定）と、排気循環管３１からの循環ＮＯｘ流量とに基づいて全要求アンモニア量を算出して記憶する。なお全要求アンモニア量は、全ＮＯｘ流量＋循環ＮＯｘ流量のＮＯｘを浄化するために必要なアンモニア量である。そして制御装置６０は、全要求アンモニア量から循環アンモニアスリップ量を減量（減算）した噴射要求アンモニア量と、尿素水の濃度等に基づいて、尿素水噴射量を算出して記憶し、尿素水噴射量に応じた尿素水を尿素水添加弁１９から噴射（噴霧）する。そして制御装置６０は、ステップＳ２３５へ処理を進める。

ステップＳ２３５にて制御装置６０は、還元触媒４６でのＮＯｘ浄化率を推定して記憶し、ステップＳ２４０へ処理を進める。例えば制御装置６０は、吸入空気流量検出装置２０を用いて検出した吸入空気流量、排気温度検出装置２６Ｃ、２６Ｄを用いて検出した排気温度から推定した還元触媒４６の温度、［尿素水添加弁１９からの噴射要求アンモニア量＋循環アンモニア量］（分子量）／［全ＮＯｘ流量＋循環ＮＯｘ流量］（分子量）、などからＮＯｘ浄化率を推定する。あるいは制御装置６０は、すでに尿素水添加弁１９から尿素水を噴射した後である場合、ＮＯｘ検出装置２７Ａ（還元触媒４６の上流側）を用いて検出したＮＯｘ量、ＮＯｘ検出装置２７Ｂ（還元触媒４６の下流側）を用いて検出したＮＯｘ量、全排気ガス流量＋循環排気ガス流量、全ＮＯｘ流量＋循環ＮＯｘ流量などからＮＯｘ浄化率を推定する。

ステップＳ２４０にて制御装置６０は、還元触媒４６にて消費したアンモニア量である消費アンモニア量を推定して記憶し、ステップＳ２４５へ処理を進める。例えば制御装置６０は、［全ＮＯｘ流量＋循環ＮＯｘ流量］＊ＮＯｘ浄化率にて算出されたＮＯｘ浄化流量に対応するアンモニア量を、消費アンモニア量として算出して記憶する。

ステップＳ２４５にて制御装置６０は、還元触媒４６で用いられることなく還元触媒４６の下流側に流出されたアンモニア量であるアンモニアスリップ量を推定して記憶し、図４に示す処理を終了し、図２に示すステップＳ０７０の下へリターンする。例えば制御装置６０は、全要求アンモニア量から消費アンモニア量を減算することでアンモニアスリップ量を求める（アンモニアスリップ量＝全要求アンモニア量－消費アンモニア量）。

［流量調整弁３２を分岐個所３０Ａまたは合流個所３０Ｂに設ける場合（図１０、図１１）］
本実施の形態の説明では、図１に示したように、排気循環管３１における循環ポンプ３３から合流個所３０Ｂまでの間に流量調整弁３２を設けたが、排気循環管３１における循環ポンプ３３から分岐個所３０Ａまでの間に流量調整弁３２を設けるようにしてもよい。

また、流量調整弁３２を、分岐個所３０Ａまたは合流個所３０Ｂに設けるようにしてもよい。例えば流量調整弁３２を分岐個所３０Ａに設ける場合（合流個所３０Ｂに設ける場合も同様）、図１０及び図１１の例に示した流量調整弁３２（固定弁３２Ｂと回転弁３２Ａとを有する流量調整弁３２）を用いることで、排気管１４Ｂに圧損を発生させることなく、排気循環管３１の開度を調整することができる。制御装置６０は、回転弁３２Ａの回転角度θ１を調整することで、排気循環管３１の開度を０［％］から１００［％］の間で調整することができる。流量調整弁３２は、排気循環管３１、分岐個所３０Ａ、合流個所３０Ｂ、のいずれかの位置に設けられていればよい。

本発明の内燃機関の排気浄化システムは、本実施の形態で説明した構成、構造、処理手順（フローチャート）等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。

また、以上（≧）、以下（≦）、より大きい（＞）、未満（より小さい）（＜）等は、等号を含んでも含まなくてもよい。また、本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。

１ 内燃機関システム
２ 排気浄化システム
１０ 内燃機関
１２ 吸気管
１４、１４Ａ、１４Ｂ 排気管
１６ インジェクタ
１８ 燃料添加弁
１９ 尿素水添加弁
２０ 吸入空気流量検出装置
２２ アクセル踏込量検出装置
２４Ａ クランク回転検出装置
２４Ｂ カム回転検出装置
２５ クーラント温度検出装置
２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ 排気温度検出装置
２７Ａ、２７Ｂ ＮＯｘ検出装置
３０Ａ 分岐個所
３０Ｂ 合流個所
３１ 排気循環管
３２ 流量調整弁
３３ 循環ポンプ
４０ 排気ガス浄化装置
４２ 酸化触媒
４４ ＤＰＦ
４６ 還元触媒
６０ 制御装置
６１ ＣＰＵ
６１Ａ 還元触媒循環制御部

Claims (5)

1. 内燃機関の排気浄化システムであって、
   排気管内を流れる排気ガス中のＮＯｘを浄化する還元触媒と、
   前記還元触媒よりも上流側の前記排気管に設けられて、前記排気管内に尿素水を噴霧する尿素水添加弁と、
   一方端が前記還元触媒よりも下流側の前記排気管に設定された分岐個所に接続され、他方端が前記還元触媒よりも上流側の前記排気管に設定された合流個所に接続された排気循環管と、
   前記排気循環管に設けられて前記分岐個所から前記排気管内の排気ガスの一部を吸引し、吸引した排気ガスを前記合流個所に吐出することが可能な循環ポンプと、
   前記排気循環管、前記分岐個所、前記合流個所、のいずれかの位置に設けられて、前記循環ポンプが動作している場合には前記排気循環管への排気ガスの流入を許容し、前記循環ポンプが停止している場合には前記排気循環管への排気ガスの流入を禁止することが可能な流量調整弁と、
   前記内燃機関の運転状態を検出して前記尿素水添加弁と前記循環ポンプと前記流量調整弁を制御する制御装置と、
   を有し、
   前記制御装置は、
   前記尿素水添加弁から噴霧した尿素水に基づいたアンモニアであって前記還元触媒で用いられることなく前記還元触媒の下流側に流出したアンモニアの量であるアンモニアスリップ量に関するパラメータであるアンモニアスリップ量関連パラメータに基づいて、前記循環ポンプと前記流量調整弁を制御する、還元触媒循環制御部を有する、
   内燃機関の排気浄化システム。
2. 請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記アンモニアスリップ量関連パラメータは、前記内燃機関の運転状態に基づいて推定した前記アンモニアスリップ量である、
   内燃機関の排気浄化システム。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記循環ポンプは、吐出流量を調整可能であり、
   前記流量調整弁は、前記排気循環管の開度を調整可能である、
   内燃機関の排気浄化システム。
4. 請求項３に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記制御装置は、
   前記還元触媒循環制御部にて、前記分岐個所から前記合流個所へと前記排気管内を流れる排気ガスの一部を戻す場合、前記内燃機関からの排気ガスの流量である全排気ガス流量と、前記アンモニアスリップ量関連パラメータと、前記分岐個所から前記合流個所へと戻すべきアンモニアの量である目標アンモニア循環量と、に基づいて求めた前記循環ポンプの吐出流量と前記流量調整弁の開度に基づいて、前記循環ポンプと前記流量調整弁を制御する、
   内燃機関の排気浄化システム。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記制御装置は、
   前記還元触媒循環制御部にて、前記分岐個所から前記合流個所へと前記排気管内を流れる排気ガスの一部を戻している場合、前記内燃機関からの排気ガスの流量である全排気ガス流量と、前記アンモニアスリップ量関連パラメータと、前記分岐個所から前記合流個所へと戻している排気ガスの流量である循環排気ガス流量と、に基づいて、前記分岐個所から前記合流個所へと戻している排気ガス中のアンモニアの量である循環アンモニアスリップ量を推定し、推定した前記循環アンモニアスリップ量に基づいて、前記尿素水添加弁から噴霧する尿素水の量を減量する、
   内燃機関の排気浄化システム。

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