JP4459987B2 - 排気浄化剤の添加量制御装置、及び排気浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、排気中のＮＯｘと反応（還元反応）して排気を浄化するＮＨ3（浄化剤）の添加量を制御する排気浄化剤の添加量制御装置、及び、尿素ＳＣＲ（選択還元）システムに代表されるような、ＮＨ3（浄化剤）に基づく排気浄化反応を触媒上で行うことによって排気を浄化する排気浄化システムに関する。

近年、発電所、各種工場、及び自動車等において、尿素ＳＣＲ（選択還元）システムの開発が進められている。特に自動車（特にディーゼルエンジン搭載の自動車）では、排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を、浄化、低減する排気の後処理技術として、上記尿素ＳＣＲシステムとＮＯｘ吸蔵還元触媒とが二大潮流となっている。尿素ＳＣＲシステムは、既に大型トラックで実用化されており、浄化率が最大「９０％」程度と高いことで知られている。現在、ディーゼルエンジンで実用化が検討されている一般的な尿素ＳＣＲシステムは、尿素（（ＮＨ2）2ＣＯ）水溶液（以下、尿素水という）から生成されるＮＨ3（アンモニア）により排気中のＮＯｘを還元（浄化）するものである。

従来、こうした尿素ＳＣＲシステムの具体的な構成の一例としては、例えば特許文献１に記載されるようなシステムが知られている。このシステムは、大きくは、特定の排気浄化反応（ＮＯｘの還元反応）を促進する触媒と、排気発生源（例えば内燃機関）から排出される排気を触媒へ導く排気管と、この排気管の中途に設けられて、同排気管内を流れる排気に対して尿素水溶液（添加剤）を噴射添加する尿素水添加弁と、を有して構成されている。このシステムでは、こうした構成のもと、尿素水添加弁により排気中へ尿素水溶液を噴射添加し、排気の流れ（排気流）を利用して、その排気共々尿素水溶液を下流の触媒へ供給するようにしている。こうして供給された尿素水溶液は、排気熱等により加水分解（（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2）し、ＮＨ3（アンモニア）が生成される。そしてこれにより、触媒上でＮＨ3によるＮＯｘの還元反応が行われ、その還元反応を通じて排気が浄化されることになる。
特開２００３−２９３７３９号公報

しかしながら、こうした排気浄化に用いられる触媒は一般に、触媒固有の活性化温度（反応限界温度）を超える温度範囲、すなわち活性化温度を下限とする温度範囲にて、ＮＯｘの還元反応を促進する。したがって、上記特許文献１に記載のシステムでは、触媒が活性化温度に到達しないような低温状態にある場合、十分な排気浄化能力を発揮することができない。例えば車載内燃機関等に用いられる一般的な排気浄化用触媒では活性化温度が「１８０℃」付近にあるものが多い。それに対し、アイドリング中の内燃機関から排出される排気の温度は、一般に「１４０〜１５０℃」程度である。しかもエンジンの加速に伴う排気温度の上昇により触媒は加熱されるものの、触媒はすぐには加熱されず（エネルギーは、エンジン回転速度の上昇、排気温度の上昇、触媒温度の上昇、の順に少しずつ遅れて伝達される）、エンジン加速開始後もしばらくは低温状態に維持される。このため、排気発生源である内燃機関（エンジン）が、アイドリング状態から加速し始める場合などにおいては、高負荷の運転によりＮＯｘ排出量の増加が予想されるにもかかわらず、十分な排気浄化能力が得られず、エミッションの悪化が懸念されるようになる。またその他、エンジン始動時などにも、同様の問題が懸念されるようになる。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、より多くの状況に対応して高い排気浄化能力を得ることのできる排気浄化剤の添加量制御装置、及び同装置を搭載してより高い排気浄化能力を発揮することのできる排気浄化システムを提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及び、その作用効果について記載する。

請求項１に記載の発明では、反応限界温度を下限とする温度範囲にて特定の排気浄化反応を促進する触媒と、該触媒上で前記排気浄化反応を行うことにより排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するＮＨ3（アンモニア）又はその発生源となる添加剤を、前記触媒自体又は該触媒よりも上流の排気へ添加する添加弁と、を備え、内燃機関から排出される排気を対象にして、その排気の浄化を行う排気浄化システムに適用され、前記添加弁の添加量を制御する排気浄化剤の添加量制御装置において、前記触媒が、ＮＨ3を貯蔵するとともに、そのＮＨ3貯蔵量が多くなるほど前記反応限界温度がより低くなる特性を有するものであり、排気中のＮＯｘ量に関する所定のパラメータに応じて前記添加弁の添加量を決定する浄化制御モードと、前記添加弁の添加量として前記浄化制御モードよりも多い添加量を設定する貯蔵制御モードと、を含む複数の制御モードの中から、それらモードごとの実行条件の成立に基づいてその時に実行する１つを選ぶモード選択手段を備え、前記貯蔵制御モードの実行条件が、前記触媒の温度が所定値よりも低く、かつ前記内燃機関の出力軸にかかる負荷が許容レベルよりも高くなったことにより成立するものであることを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、反応限界温度を下限とする温度範囲にて特定の排気浄化反応を促進する触媒と、該触媒上で前記排気浄化反応を行うことにより排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するＮＨ3（アンモニア）又はその発生源となる添加剤を、前記触媒自体又は該触媒よりも上流の排気へ添加する添加弁と、を備え、内燃機関から排出される排気を対象にして、その排気の浄化を行う排気浄化システムに適用され、前記添加弁の添加量を制御する排気浄化剤の添加量制御装置において、前記触媒が、ＮＨ3を貯蔵するとともに、そのＮＨ3貯蔵量が多くなるほど前記反応限界温度がより低くなる特性を有するものであり、排気中のＮＯｘ量に関する所定のパラメータに応じて前記添加弁の添加量を決定する浄化制御モードと、前記添加弁の添加量として前記浄化制御モードよりも多い添加量を設定する貯蔵制御モードと、を含む複数の制御モードの中から、それらモードごとの実行条件の成立に基づいてその時に実行する１つを選ぶモード選択手段を備え、前記貯蔵制御モードの実行条件が、前記触媒の温度が所定値よりも低く、かつ前記内燃機関の出力軸の回転速度が許容レベルよりも低い状態又は減速状態から加速されたことにより成立するものであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明では、反応限界温度を下限とする温度範囲にて特定の排気浄化反応を促進する触媒と、該触媒上で前記排気浄化反応を行うことにより排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するＮＨ3（アンモニア）又はその発生源となる添加剤を、前記触媒自体又は該触媒よりも上流の排気へ添加する添加弁と、を備え、内燃機関から排出される排気を対象にして、その排気の浄化を行う排気浄化システムに適用され、前記添加弁の添加量を制御する排気浄化剤の添加量制御装置において、前記触媒が、ＮＨ3を貯蔵するとともに、そのＮＨ3貯蔵量が多くなるほど前記反応限界温度がより低くなる特性を有するものであり、排気中のＮＯｘ量に関する所定のパラメータに応じて前記添加弁の添加量を決定する浄化制御モードと、前記添加弁の添加量として前記浄化制御モードよりも多い添加量を設定する貯蔵制御モードと、を含む複数の制御モードの中から、それらモードごとの実行条件の成立に基づいてその時に実行する１つを選ぶモード選択手段を備え、前記貯蔵制御モードの実行条件が、前記触媒の温度が所定値よりも低く、かつ前記内燃機関の出力軸の回転速度変動量が許容レベルよりも大きくなったことにより成立するものであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明では、反応限界温度を下限とする温度範囲にて特定の排気浄化反応を促進する触媒と、該触媒上で前記排気浄化反応を行うことにより排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するＮＨ3（アンモニア）又はその発生源となる添加剤を、前記触媒自体又は該触媒よりも上流の排気へ添加する添加弁と、を備え、内燃機関から排出される排気を対象にして、その排気の浄化を行う排気浄化システムに適用され、前記添加弁の添加量を制御する排気浄化剤の添加量制御装置において、前記触媒が、ＮＨ3を貯蔵するとともに、そのＮＨ3貯蔵量が多くなるほど前記反応限界温度がより低くなる特性を有するものであり、排気中のＮＯｘ量に関する所定のパラメータに応じて前記添加弁の添加量を決定する浄化制御モードと、前記添加弁の添加量として前記浄化制御モードよりも多い添加量を設定する貯蔵制御モードと、を含む複数の制御モードの中から、それらモードごとの実行条件の成立に基づいてその時に実行する１つを選ぶモード選択手段を備え、前記貯蔵制御モードの実行条件が、前記触媒の温度が所定値よりも低く、かつ前記内燃機関の出力軸にかかる負荷変動量が許容レベルよりも大きくなったことにより成立するものであることを特徴とする。

車載内燃機関等に用いられる一般的な排気浄化用触媒は、ＮＨ3を貯蔵することが知られている。発明者は、このことに加えてさらに、同触媒が、そのＮＨ3貯蔵量が多くなるほど活性化温度（反応限界温度）のより低くなる特性を有する、ことに着眼した。また通常、排気中のＮＯｘを効率よく浄化するためのＮＨ3量（ひいては前記添加弁の添加量）と、ＮＨ3を貯蔵するために適したＮＨ3量（ひいては前記添加弁の添加量）とは異なる。ＮＨ3貯蔵時は、ＮＯｘの浄化で消費される分に加え、さらに貯蔵する分のＮＨ3が必要になるからである。さらに従来、例えば特願２０００−５５６１３７に記載される装置のように、触媒に対するＮＨ3の貯蔵を、常時（ただしＮＨ3放出期間は除く）行うような装置も提案されている。しかしながら、過剰なＮＨ3の貯蔵は、ＮＨ3の放出によりかえってエミッションの悪化を招くことが懸念される。上記請求項１〜４に記載の装置は、こうした点に着眼して発明されたものであり、これらの装置では、上記貯蔵制御モードの実行を通じて触媒の反応限界温度を下げて触媒低温時の浄化性を高めることが可能になる。しかもモード選択手段により、特にエミッションの悪化が懸念されるタイミング、すなわち内燃機関の出力軸にかかる負荷が許容レベルよりも高くなったタイミング、内燃機関の出力軸の回転速度が許容レベルよりも低い状態又は減速状態から加速されたタイミング、内燃機関の出力軸の回転速度変動量が許容レベルよりも大きくなったタイミング、内燃機関の出力軸にかかる負荷変動量が許容レベルよりも大きくなったタイミング、といったタイミングで上記貯蔵制御モードを開始することにより、不必要なＮＨ3貯蔵の実行に起因するエミッションの悪化を小さく抑えつつ、好適にエミッションの悪化を抑制することが可能になる。

また一般に、触媒の温度は、触媒の特性（例えばＮＨ3の貯蔵限界量など）に影響を与える。そして、触媒の温度が高くなるほどＮＨ3の貯蔵限界量（限界ＮＨ3貯蔵量）がより少なくなることが知られている。このため、前記触媒の温度が十分低い場合に、限界ＮＨ3貯蔵量までの余裕度が多くなり、ひいてはＮＨ3貯蔵の要求が高くなる、と考えられる。また前述したように、触媒が低温状態にある場合において特にその触媒の活性化温度（反応限界温度）を低下させたい要求が強い。そこで請求項５に記載の発明では、上記請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置に関し、その時の前記触媒の温度が許容レベルよりも低いか否かを判断する触媒温度判断手段を備える構成とするとともに、前記貯蔵制御モードの実行条件についてはこれを、貯蔵制御モードの実行中において前記触媒温度判断手段により前記触媒の温度が許容レベルよりも低くない旨判断されたことにより成立しなくなる（不成立となる）ものとした。こうした構成とすることで、より要求の高い状況、すなわち触媒の温度が許容レベルよりも低い場合に限定的にＮＨ3貯蔵が実行されるようになる。

ただし触媒の温度に限られず、例えば請求項６に記載の発明のように、
・その時の前記触媒のＮＨ3貯蔵量が許容レベルよりも多いか否かを判断する貯蔵量判断手段を備え、前記貯蔵制御モードの実行条件が、貯蔵制御モードの実行中において、前記貯蔵量判断手段により前記触媒のＮＨ3貯蔵量が許容レベルよりも多い旨判断されたことにより成立しなくなる（不成立となる）ものである構成。
あるいは請求項７に記載の発明のように、
・その時の前記触媒に対してＮＨ3を貯蔵することができるか否かを判断する貯蔵限界判断手段を備え、前記貯蔵制御モードの実行条件が、貯蔵制御モードの実行中において、前記貯蔵限界判断手段によりＮＨ3を貯蔵することができない旨判断されたことにより成立しなくなる（不成立となる）ものである構成。
などの構成とすることも有効である。

前記触媒のＮＨ3貯蔵量が十分多くない場合にはＮＨ3貯蔵の要求が高まり、ＮＨ3を貯蔵することができない場合にＮＨ3貯蔵を行っても無駄になってしまう。この点、上記請求項６に記載の装置であれば、そうした状況に対応して、より要求の高い状況でＮＨ3貯蔵が実行されるようになる。また、請求項７に記載の装置であれば、ＮＨ3を貯蔵することができない場合にはＮＨ3貯蔵が行われなくなる。

請求項８に記載の発明では、上記請求項１〜７のいずれか一項の装置において、前記浄化制御モードの実行条件が、前記貯蔵制御モードの実行条件が不成立の場合に成立するものであり、前記モード選択手段が、それら実行条件の成否に応じて、前記浄化制御モード及び前記貯蔵制御モードの２種類の制御モードを切り換えるものである、ことを特徴とする。こうした構成であれば、排気浄化に関する制御をより容易且つ的確に実現することが可能になる。

また発明者は、上記請求項１〜４に記載の装置に準ずる機能を有する装置として、第１の発明に係る装置を発明した。すなわち、この第１の発明では、反応限界温度を下限とする温度範囲にて特定の排気浄化反応を促進する触媒と、該触媒上で前記排気浄化反応を行うことにより排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するＮＨ3（アンモニア）又はその発生源となる添加剤を、前記触媒自体又は該触媒よりも上流の排気へ添加する添加弁と、を備え、内燃機関から排出される排気を対象にして、その排気の浄化を行う排気浄化システムに適用され、前記添加弁の添加量を制御する排気浄化剤の添加量制御装置において、前記触媒が、ＮＨ3を貯蔵するとともに、そのＮＨ3貯蔵量が多くなるほど前記反応限界温度がより低くなる特性を有するものであり、その時の前記内燃機関の運転モードが、前記触媒の温度が前記反応限界温度よりも低い低温状態にある時に前記内燃機関の出力軸にかかる負荷を増大制御するような特定の運転モードであるか否かを判断する運転モード判断手段と、前記運転モード判断手段によりその時の運転モードが前記特定の運転モードである旨判断された場合に、前記添加弁の添加量として、前記触媒に対してＮＨ3を貯蔵させるための添加量を設定する手段と、を備えることを特徴とする。

例えばエンジン始動運転や、アイドリング状態からの加速運転（アイドリング復帰）、さらには下り坂での長期減速運転から登坂運転に変更する再加速運転（燃料カット復帰）などの運転モード、いわば前記触媒の温度が低温状態にある時に前記内燃機関の出力軸にかかる負荷を増大制御するような運転モードでは、特にエミッションの悪化が懸念されるようになる。この点、上記第１の発明に係る装置によれば、こうした運転モードにてＮＨ3貯蔵を行うことにより、不必要なＮＨ3貯蔵の実行に起因したＮＯｘ浄化率の低下を小さく抑えつつ、好適にエミッションの悪化を抑制することが可能になる。

また社会等からの要求（公益性）に鑑みて上記各発明の実用性を考えた場合、前述の尿素ＳＣＲ（選択還元）システムに代表されるように、尿素水溶液（尿素水）を添加剤にしたＮＯｘ浄化システムが、排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を高い浄化率で浄化する排気浄化システムとして期待されている。なお、ＮＨ3を尿素水溶液のかたちで添加する理由は、ＮＨ3よりも尿素水溶液の方が扱い易い（毒性等が低い）からである。したがって現状における実用性を考えた場合には、上記請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置は、請求項９に記載の発明のように、前記添加弁が、ＮＨ3の発生源となる添加剤として尿素水溶液を、前記触媒よりも上流の排気へ噴射添加するものである構成とすることが有効である。またこうした構成では、前記触媒よりも上流の排気へ噴射添加することで、触媒に到達するまでの間に排気熱等により尿素が加水分解してＮＨ3が生成され、前記触媒に対してより多くのＮＨ3（浄化剤）を供給することも可能になる。

さらに、例えば自動車の分野でこうした尿素ＳＣＲシステムを採用し、ディーゼルエンジン搭載の車両等に上記請求項９に記載の装置を装着した場合には、燃焼過程でＮＯｘの発生を許容して燃費の向上やＰＭの低減を図ることなども可能になる。この技術は、自動車の性能向上や、ディーゼルエンジン普及のカギになる排気クリーン化に大きく貢献する技術である。

ところで、業種や用途等によっては、上記排気浄化剤の添加量制御装置の単位ではなく、より大きな単位で、例えばこの装置をエンジン制御に用いる場合には、該添加量制御装置だけでなく他の関連装置（例えばセンサやアクチュエータ等の制御に係る各種装置）も含んで構築される排気浄化システムとして扱われる場合がある。上記請求項９に記載の装置も、用途の１つとして、排気浄化システムに組み込んで用いられることが想定される。請求項１０に記載の発明は、そうした用途に対応するものであり、すなわち排気浄化システムとして、上記請求項９に記載の排気浄化剤の添加量制御装置と、前記触媒及び前記添加弁と、前記添加弁に尿素水溶液を供給する尿素水供給装置と、を備えることを特徴とする。上記請求項９に記載の装置は、このように排気浄化システムに組み込んで用いて特に有益である。

以下、本発明に係る排気浄化剤の添加量制御装置、及び排気浄化システムを具体化した一実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、この実施形態の排気浄化システムも、基本的な構成は、前述した一般的な尿素ＳＣＲ（選択還元）システムに準ずるものとなっており、そうした構成、すなわち図１に示すような構成のもと、尿素（（ＮＨ2）2ＣＯ）水溶液（以下、尿素水という）から生成されるＮＨ3（アンモニア）により排気中のＮＯｘを還元（浄化）するものである。

はじめに図１を参照して、この排気浄化システムの構成について詳述する。

図１は、本実施形態に係る尿素ＳＣＲシステム（排気浄化装置）の概要を示す構成図である。

同図１に示されるように、このシステムは、例えば４輪自動車（図示略）に搭載されたディーゼルエンジン（排気発生源）により排出される排気を浄化対象として、大きくは、その排気を浄化するための各種アクチュエータ及び各種センサ、並びにＥＣＵ（電子制御ユニット）４０等を有して構築されている。なお、本実施形態のエンジン（対象エンジン）としては、４輪自動車（例えばＡＴ車）に搭載される多気筒（例えば直列４気筒）エンジンを想定している。各シリンダ（気筒）には、それぞれインジェクタ（燃料噴射弁）が設けられており、それらのインジェクタにより供給された燃料を各シリンダ内でそれぞれ燃焼させる。このエンジンは、その燃料燃焼によるエネルギーを回転運動に変換して出力軸（クランク軸）を回転させる、いわゆる４ストローク（４×ピストン行程）のレシプロ式ディーゼルエンジン（内燃機関）である。すなわちこのエンジンでは、吸排気弁のカム軸に設けられた気筒判別センサ（電磁ピックアップ）にてその時の対象シリンダが逐次判別され、４つのシリンダ＃１〜＃４について、それぞれ吸入・圧縮・燃焼・排気の４行程による１燃焼サイクルが「７２０°ＣＡ」周期で、詳しくは例えば各シリンダ間で「１８０°ＣＡ」ずらして、シリンダ＃１，＃３，＃４，＃２の順に逐次実行される。

具体的には、この排気浄化システムでは、排気上流側（排気発生源となるエンジン側）から、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１１、排気管１２（排気通路）、ＳＣＲ触媒１３、排気管１４（排気通路）、ＮＨ3触媒１５（例えば酸化触媒）の順で、本システムの排気浄化系を構成する各種の排気浄化装置が配設されている。また、排気管１２の中途の通路壁面には、尿素水タンク１７ａから圧送されてくる尿素水を上記ＤＰＦ１１の下流に対して添加（噴射供給）する尿素水添加弁１６が、その噴射口１６ａが排気で汚されないように排気下流側へ向けられて配設されている。本実施形態では、この尿素水添加弁１６が、ＥＣＵ４０によって電気的にその駆動を制御される、いわば電磁駆動式の噴射弁として構成されており、同添加弁１６がＥＣＵ４０により所望の態様で制御されることによって、上記ＤＰＦ１１とＳＣＲ触媒１３との間の排気管１２内を流れる排気に対して添加剤である尿素水が所望の添加量だけ噴射供給される。そしてこれにより、排気の流れ（排気流）を利用して排気共々その添加された尿素水（又は分解後のＮＨ3）が下流のＳＣＲ触媒１３へ供給されるようになっている。

すなわちこのシステムでは、上記尿素水添加弁１６を通じて上記尿素水が添加されることにより、その尿素水に基づき、排気中での下記分解反応（式１）を通じてＮＨ3（浄化剤）が生成される。そして、このＮＨ3により、上記ＳＣＲ触媒１３上で下記ＮＯｘ還元反応（式２）が行われることによって、浄化対象とする排気の浄化（ＮＯｘ浄化）が行われることになる。

（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2 …（式１）
ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3→２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ …（式２）
そして、上記還元反応（式２）で消費されずにＳＣＲ触媒１３の下流（排気管１４）へ流れてきた余分なＮＨ3（余剰ＮＨ3）は、ＮＨ3触媒１５により下記反応（式３）を通じて浄化され、大気中に放出されるＮＨ3放出量が低減される。なお、ＳＣＲ触媒１３下流の排気については、その排気中のＮＯｘ量（ＮＯｘ排出量）及び排気温度が、それぞれ排気管１４に設けられた排気センサ１４ａ（ＮＯｘセンサと温度センサとを内蔵するセンサ）によって検出（詳しくは各センサ出力に基づきＥＣＵ４０にて算出）可能とされている。

４ＮＨ3＋３Ｏ2→２Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ …（式３）
続けて、本システムの排気浄化系を構成する上記各種排気浄化装置について詳述する。

まずＤＰＦ１１は、排気中のＰＭ（Particulate Matter、粒子状物質）を捕集する連続再生式のＰＭ除去用フィルタであり、例えばトルクを主に生成するメイン噴射の後のポスト噴射等で捕集ＰＭを繰り返し燃焼除去する（再生処理に相当）ことにより継続的に使用することができる。また、同ＤＰＦ１１は、図示しない白金系の酸化触媒を担持している（ここではＤＰＦに酸化触媒を一体化させた例を挙げるが別体としてもよい）。これにより、ＰＭ成分の１つである可溶性有機成分（ＳＯＦ）と共に、ＨＣやＣＯを除去したり、ＮＯｘの一部をＮＯ2に酸化したり（上記反応式（式２）より、「ＮＯ：ＮＯ2」が「１：１」に近づくほどＮＯｘの浄化率は高くなる）することができるようになっている。

ＳＣＲ触媒１３は、例えばハニカム構造の触媒担体に対して、例えば酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）等からなる触媒金属を担持させたものであり、その触媒作用により、ＮＯｘの還元反応（排気浄化反応）、すなわち上記反応式（式２）を促進するようになっている。

尿素水添加弁１６の構造は、自動車用エンジン（内燃機関）の燃料供給に用いられる一般的な燃料噴射弁（インジェクタ）に準ずる。公知であるため、ここでは同添加弁１６の構造については簡単な説明とする。すなわち説明の便宜上、内部構造の図示は割愛しているが、この尿素水添加弁１６は、電磁ソレノイド等からなるニードル駆動部と、このニードル駆動部に駆動され、弁本体（ハウジング）内を往復動（上下）して弁本体先端の噴射口１６ａに必要な数だけ穿設された噴孔自体、又は該噴孔までの流通経路を開閉（開放・閉鎖）するニードルとを、弁本体に内蔵している。この尿素水添加弁１６は、こうした構造（各要素）に基づき、上記ＥＣＵ４０からの電気信号（例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御におけるパルス信号）に従って、すなわちＥＣＵ４０の噴射指令に従って、上記電磁ソレノイドが通電されると、該電磁ソレノイドにより上記ニードルが駆動されて開弁方向に移動する。そしてこれにより、弁本体先端の噴射口１６ａが開放されて、詳しくは同噴射口１６ａの噴孔の少なくとも１つが開放されて、上記排気管１２内を流れる排気へ向けて尿素水が添加（噴射）されることになる。この際、尿素水の添加量（噴射量）は、電磁ソレノイドの通電時間（例えばＥＣＵ４０によるパルス信号のパルス幅に相当）に基づいて決定される。

一方、この尿素水添加弁１６に対して尿素水を圧送供給する尿素水供給系は、大きくは、尿素水タンク１７ａ、ポンプ１７ｂを有して構成されている。すなわち、尿素水タンク１７ａ内に貯蔵されている尿素水は、同タンク１７ａ内に設置されたポンプ１７ｂによって汲み上げられ、上記尿素水添加弁１６へ向けて圧送される。そして、この圧送された尿素水が、尿素水供給用の配管１７ｃを通じて、上記尿素水添加弁１６へと逐次供給されるようになっている。

この際、尿素水中の異物は、当該尿素水が尿素水添加弁１６に供給される前に、同添加弁１６よりも上流に設けられた濾過フィルタ１７ｆによって除去されるようになっている。また、添加弁１６に対する尿素水の供給圧力は、尿素水圧レギュレータ１７ｄによって調圧されている。詳しくは、ばね等を利用した機械的な仕掛けにより、供給圧力が所定値を超えた場合には、配管１７ｃ内の尿素水が尿素水タンク１７ａへ戻されるようになっている。本システムでは、こうしたレギュレータ１７ｄの作用に基づき、尿素水の供給圧力が所定値（設定圧力）に制御されるようになっている。ただし、こうしたレギュレータ１７ｄの作用によっても、尿素水の供給圧力が精密に設定圧力に制御されるわけではないため、本システムでは、この尿素水の供給圧力が、所定の検出部位（例えばレギュレータ１７ｄの調圧により燃料圧力の安定するレギュレータ１７ｄ下流）に設けられた尿素水圧センサ１７ｅによって検出（詳しくはセンサ出力に基づきＥＣＵ４０にて算出）可能とされている。

こうしたシステムの中で電子制御ユニットとして主体的に上記排気浄化に係る制御を行う部分がＥＣＵ４０（例えばエンジン制御用のＥＣＵとＣＡＮ等で接続される排気浄化制御用のＥＣＵ）、すなわち本実施形態に係る排気浄化剤の添加量制御装置である。このＥＣＵ４０は、周知のマイクロコンピュータ（図示略）を備えて構成され、上記各種センサの検出信号に基づいて上記尿素水添加弁１６等の各種アクチュエータを操作することにより、その時々の状況に応じた最適な態様で上記排気浄化に係る各種の制御を行っている。また、このＥＣＵ４０に搭載されるマイクロコンピュータは、基本的には、各種の演算を行うＣＰＵ（基本処理装置）、その演算途中のデータや演算結果等を一時的に記憶するメインメモリとしてのＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムメモリとしてのＲＯＭ（読み出し専用記憶装置）、データ保存用メモリとしてのＥＥＰＲＯＭ（電気的に書換可能な不揮発性メモリ）やバックアップＲＡＭ（車載バッテリ等のバックアップ電源により給電されているＲＡＭ）、さらにはＡ／Ｄ変換器やクロック発生回路等の信号処理装置、外部との間で信号を入出力するための入出力ポート等といった各種の演算装置、記憶装置、信号処理装置、通信装置、及び電源回路等によって構成されている。そして、ＲＯＭには、当該排気浄化剤の添加量制御に係るプログラムをはじめとする排気浄化制御に係る各種のプログラムや制御マップ等が、またデータ保存用メモリ（例えばＥＥＰＲＯＭ）には、エンジンの設計データをはじめとする各種の制御データ等が、それぞれ予め格納されている。

以上、本実施形態に係る排気浄化システムの構成について詳述した。すなわち本実施形態では、上記のような態様で、尿素水添加弁１６により、浄化剤であるＮＨ3を尿素水溶液（尿素水）のかたちで排気中へ添加するようにしている。こうすることで、その尿素水が排気中にて分解してＮＨ3が生成されるとともに、そのＮＨ3に基づき、上記ＳＣＲ触媒１３上でＮＯｘ還元反応（式２）が行われ、浄化対象とする排気（エンジンの排気）が浄化されることになる。しかも本実施形態では、上記尿素水の添加量制御として図２に示す処理を行うことで、より多くの状況に対応して高い排気浄化能力を得ることができるようになっている。以下、図２〜図８を参照して、この尿素水の添加量制御について説明する。

図２は、当該尿素水添加量制御に係る処理の処理手順を示すフローチャートである。なお、この図２の一連の処理は、基本的には、ＥＣＵ４０でＲＯＭに記憶されたプログラムが実行されることにより、所定の条件が成立している間（例えばエンジン始動からエンジン停止まで）は所定処理間隔で繰り返し実行される。また、同図２の処理において用いられる各種パラメータの値は、例えばＥＣＵ４０に搭載されたＲＡＭやＥＥＰＲＯＭ等の記憶装置に随時記憶され、必要に応じて随時更新される。

同図２に示されるように、この尿素水添加量制御に際しては、まずステップＳ１０にて、対象エンジンが加速中か（その時のタイミングがエンジン加速期間内にあるか）否かを判断する。

ここで、エンジン加速期間は、図２の処理とは別ルーチンの処理により、すなわち図３及び図４に示すような一連の処理（ＥＣＵ４０内のＲＯＭに記憶されたプログラム）が所定処理間隔で繰り返し実行されることにより設定されている。

図３の処理は、同エンジン加速期間の開始タイミングを決めるための処理である。

同図３に示されるように、この開始タイミングの決定に際しては、まずステップＳ３１にて、アクセル操作量の正側（＋側）への変動量（単位時間あたりの変化量）が許容レベルよりも大きいか否か、詳しくは所定の判定値よりも大きい（アクセル操作量の変動量＞判定値）か否かを判断する。そして、このステップＳ３１の判断処理が繰り返し実行され、同ステップＳ３１で、アクセル操作量の変動量が許容レベルよりも大きい旨判断された場合には、運転者によりアクセルペダル（アクセル操作部）が踏み込まれたとして、続くステップＳ３２で、そのタイミングをエンジン加速期間の開始タイミングとして設定する。上述のエンジン加速期間は、このステップＳ３２で開始タイミングが設定されてから終了タイミングが設定されるまでの期間に相当する。

一方、図４の処理は、エンジン加速期間の終了タイミングを決めるための処理である。

同図４に示されるように、この終了タイミングの決定に際しては、まずステップＳ４１にて、対象エンジンが加速中か否か、すなわち先の図３のステップＳ３２でエンジン加速期間の開始タイミングが設定されたか否かを判断し、このステップＳ４１で対象エンジンが加速中である旨判断された場合にのみ、ステップＳ４２以降の処理を実行する。

すなわちエンジン加速中の場合には、ステップＳ４２へ進む。このステップＳ４２では、ＳＣＲ触媒１３の温度（例えば図２のステップＳ１１，Ｓ１２で算出される触媒温度Ｔc、詳しくは後述）が許容レベルよりも大きいか否か、詳しくは所定の判定値Ｔs以上（Ｔc≧Ｔs）か否かを判断する。そして、このステップＳ４２の判断処理が繰り返し実行され、同ステップＳ４２で、ＳＣＲ触媒１３の温度が許容レベルよりも大きい旨判断された場合には、対象エンジンが十分暖機されたとして、続くステップＳ４３で、そのタイミングをエンジン加速期間の終了タイミングとして設定する。上述のエンジン加速期間は、こうして決定される。

そして、このステップＳ１０でエンジン加速期間内にある旨判断された場合には、ステップＳ１１以降の処理を実行し、同ステップＳ１０でエンジン加速期間内にない旨判断された場合には、ステップＳ１９ａへ進む。

なお、本実施形態では、排気中のＮＯｘ量に関する所定のパラメータ、詳しくは対象エンジンの出力軸の回転速度（エンジン回転速度）及び燃料噴射量に応じて尿素水添加弁１６の尿素水添加量を決定する浄化制御モードと、尿素水添加弁１６の尿素水添加量として浄化制御モードよりも多い添加量（詳しくはＮＨ3貯蔵量の目標値に対する不足分だけ増量）を設定する貯蔵制御モードと、のいずれか１つを選択して実行するようにしている。すなわち、これら制御モードの一方が実行されていない間には、他方が実行されている。この制御モードの選択（切替）は、ステップＳ１０，Ｓ１３の処理による判断結果に基づいて行われる。より具体的には、これらステップＳ１０，Ｓ１３のいずれかで条件が成立していない旨判断された場合には、ＮＨ3貯蔵の必要はないとして、ステップＳ１９ａ，Ｓ２０の処理を通じて浄化制御モードを実行する。他方、同ステップＳ１０，Ｓ１３の両方で条件が成立している旨判断された場合には、ＳＣＲ触媒１３に対してＮＨ3を貯蔵すべく、ステップＳ１４〜Ｓ２０の処理を通じて、貯蔵制御モードを実行する。

すなわち、上記ステップＳ１０でエンジン加速期間内にない旨判断された場合には、ステップＳ１９ａ，Ｓ２０の処理を通じて浄化制御モードを実行する。詳しくは、ステップＳ１９ａで、所定の尿素水添加量算出用基準マップ（数式でも可）を用いて、エンジン回転速度及び燃料噴射量に応じた尿素水添加量Ｑを取得する。この基準マップは、例えばエンジン回転速度及び燃料噴射量の各々について、その大きさに応じた（最適な）上記尿素水添加量Ｑの適合値（最適値）が、予め実験等により書き込まれたものであり、例えば上記ＥＣＵ４０内のＲＯＭ等に格納されている。これにより、高いＮＯｘ浄化率が得られることになる。そして、続くステップＳ２０で、こうして取得した尿素水添加量Ｑに基づいて、尿素水添加弁１６を駆動（尿素水添加量Ｑに応じた時間だけ通電）する。

一方、先のステップＳ１０でエンジン加速期間内にある旨判断された場合には、続くステップＳ１１で、排気温度Ｔexを検出（例えば排気センサ１４ａによる実測）する。そして、続くステップＳ１２で、その検出した排気温度Ｔexに基づいてＳＣＲ触媒１３の温度（触媒温度Ｔc）を算出する。なお、この触媒温度Ｔcは、例えば所定のマップ（又は数式）を用いて算出する。

次いで、ステップＳ１３では、先のステップＳ１２で算出した触媒温度Ｔcが、所定の判定値Ｔsよりも小さい（Ｔc＜Ｔs）か否かを判断する。ここで、判定値Ｔsは、例えば貯蔵制御の実行条件に適切な値（例えば実験等により導出）として設定する。

このステップＳ１３で触媒温度Ｔcが判定値Ｔsよりも小さくない旨判断された場合には、先のステップＳ１９ａへ進み、上述の浄化制御モードを実行する。他方、ステップＳ１３で触媒温度Ｔcが判定値Ｔsよりも小さい旨判断された場合には、ＳＣＲ触媒１３に対してＮＨ3を貯蔵すべく、続くステップＳ１４〜Ｓ２０の処理を通じて、貯蔵制御モードを実行する。

詳しくは、まずステップＳ１４で、ＳＣＲ触媒１３のその時のＮＨ3貯蔵量である現在ＮＨ3貯蔵量ＳＴ１を取得する。ここで、現在ＮＨ3貯蔵量ＳＴ１は、別ルーチンにより算出されている。詳しくは、ＳＣＲ触媒１３に対して供給されるＮＨ3量と同触媒１３上でのＮＨ3消費量との差分に基づいて、その時々のＳＣＲ触媒１３のＮＨ3貯蔵量の増減量ΔＮＨ3を求めるとともに、その時々の増減量を逐次積算して、これを上記現在ＮＨ3貯蔵量ＳＴ１とする（ＳＴ１（今回値）＝ΣＳＴ１（前回値）＋ΔＮＨ3）。またここで、上記ＳＣＲ触媒１３に対して供給されるＮＨ3量は、例えば尿素水添加弁１６の尿素水添加量に基づいて算出する。一方、ＳＣＲ触媒１３上でのＮＨ3消費量は主に、対象エンジンから排出されるＮＯｘ量及び同触媒１３の浄化能力によって決まるため、これらに基づいて算出する。このうち、対象エンジンから排出されるＮＯｘ量は、対象エンジンの運転条件に関する所定パラメータ（例えばエンジン回転速度及び燃料噴射量）に基づいて算出することができる。一方、ＳＣＲ触媒１３の浄化能力（ＮＨ3の反応率）は、例えばＳＣＲ触媒１３の制御モデルを用いて算出することができる。そして、この制御モデルとしては、例えば所定の特性について複数のパラメータ間の関係を示す特性モデル、あるいは、例えばレベル比や、周波数振幅比・位相差、比例要素、微分要素、積分要素、遅れ要素などについて入力と出力との対応関係を示す伝達関数（＝出力信号／入力信号）、あるいは、所定の自然現象が数学的に記述された数理モデル、の１つ又は任意の組み合わせなどを用いることができる。

次に、ステップＳ１５で、先のステップＳ１２で算出した触媒温度Ｔcに基づいて、限界ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２１を算出する。図５に、この限界ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２１の算出に用いるマップの一例を示す。このマップは、予め実験等により適合値（最適値）が書き込まれたものであり、同図５に示されるように、触媒温度Ｔcの上昇と共に、上記限界ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２１が少なくなる（ＮＨ3貯蔵容量が減少する）傾向を有する。

次に、ステップＳ１６で、ＳＣＲ触媒１３の反応限界温度（活性化温度）として所望の温度を得るべく、そのために必要となるＮＨ3貯蔵量（要求ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２２、例えば固定値）を取得する。この要求ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２２は、例えば図６に示すようなＳＣＲ触媒１３の反応限界温度とＮＨ3貯蔵量との関係（発明者の実験等による一例）に基づいて決める。同図６中に実線ＲＴにて示されるように、これらは、ＮＨ3貯蔵量の増加と共に、上記ＳＣＲ触媒１３の反応限界温度が低下する傾向を有する。この実線ＲＴの例では、ＮＨ3未貯蔵時の反応限界温度Ｔ０に対し、所望の温度が反応限界温度Ｔ１（例えばアイドリング時に想定される触媒温度「１４０℃」よりも低い温度、より具体的には例えば「５０〜１２０℃」の１つに設定）である場合を想定している。なおここで、ＳＣＲ触媒１３の反応限界温度（活性化温度）は、ＳＣＲ触媒１３の浄化特性を決める重要なパラメータである。図７に、ＳＣＲ触媒１３の浄化特性の一例をグラフとして示す。同図７に示されるように、ＳＣＲ触媒１３のＮＯｘ浄化率は、反応限界温度を境にして大きく変わる。すなわち、反応限界温度よりも低温側では、ＮＯｘ浄化率が略「０」となり、ＮＯｘとの浄化反応によるＮＨ3消費量よりもＮＨ3貯蔵量の方が多くなる。他方、反応限界温度よりも高温側では、基本的には、触媒温度が高くなるほどＮＯｘ浄化率が大きくなる（特に反応限界温度付近で急峻に変化）。

続くステップＳ１７では、これらステップＳ１５，Ｓ１６で取得した限界ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２１及び要求ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２２の両者を比較することにより、要求ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２２が限界ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２１よりも小さい（ＳＴ２１＞ＳＴ２２）か否かを判断する。そして、このステップＳ１７において、「ＳＴ２１＞ＳＴ２２」である旨判断された場合には、続くステップＳ１７１で、目標ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２に対して、上記要求ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２２を設定する。他方、同ステップＳ１７において「ＳＴ２１＞ＳＴ２２」ではない旨判断された場合には、続くステップＳ１７２で、目標ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２に対して、上記限界ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２１を設定する。

次に、ステップＳ１８では、現在ＮＨ3貯蔵量ＳＴ１及び目標ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２に基づいて、両者の差分をＮＨ3貯蔵量不足分ΔＳＴ（目標ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２に対して不足している分）として算出する（ΔＳＴ＝ＳＴ２−ＳＴ１）。

次に、ステップＳ１９ｂで、所定の尿素水添加量算出用基準マップ（ステップＳ１９ａで用いたものと同じもの）及びＮＨ3貯蔵量不足分ΔＳＴを用いて、尿素水添加量Ｑを取得する。詳しくは、浄化制御モードの尿素水添加量に対して、ＮＨ3貯蔵量不足分ΔＳＴを補うための尿素水添加量を増量した値とする。そして、続くステップＳ２０で、こうして取得した尿素水添加量Ｑに基づいて、尿素水添加弁１６を駆動（尿素水添加量Ｑに応じた時間だけ通電）する。

図８は、当該装置及びシステムの搭載された車両がアイドリング状態から加速する時を例にとって、尿素水添加制御の一態様を示すタイミングチャートである。なお、この図８において、（ａ）は対象エンジンのエンジン回転速度の推移を、（ｂ）はＳＣＲ触媒１３の温度の推移を、（ｃ）は浄化制御モード（実線Ｌ１）及び貯蔵制御モード（実線Ｌ２）の実行の有無（ＯＮ＝実行、ＯＦＦ＝非実行）を、それぞれ示している。

同図８に示されるように、この車両は、図中のタイミングｔ１まではアイドリング状態にあり、同タイミングｔ１で、運転者によりアクセルペダルが踏み込まれて加速する。これにより、図３のステップＳ３１でアクセル操作量の変動量が許容レベルよりも大きい旨判断され、続くステップＳ３２で、そのタイミングがエンジン加速期間の開始タイミングとして設定される。さらに先の図２の処理を通じて、制御モードが、浄化制御モードから貯蔵制御モードに切り替えられる。

この際、ＳＣＲ触媒１３の温度は、上記加速（タイミングｔ１）からやや遅れてタイミングｔ２で上昇し始める。そして、このＳＣＲ触媒１３の温度が上昇し続けて、タイミングｔ３で、ＳＣＲ触媒１３の温度が判定値Ｔs以上になると、図４のステップＳ４３で、エンジン加速期間の終了タイミングが設定され、先のタイミングｔ１で開始したエンジン加速期間が終了することになる。そしてこれにより、先の図２の処理を通じて、再び制御モードが、貯蔵制御モードから浄化制御モードに切り替えられる。

このように本実施形態では、上記図２に示した一連の処理が繰り返し実行されることで、所定のエンジン加速期間（図８中の期間ｔ１〜ｔ３）においてＳＣＲ触媒１３のＮＨ3貯蔵量が不足分だけ増量され、同触媒１３の活性化温度（反応限界温度）についてもこれが、適当な温度（「ＳＴ２１＞ＳＴ２２」の場合は反応限界温度Ｔ１）に制御されることになる。これにより、前述したエンジン始動時やアイドリング状態から加速し始める時、さらには下り坂での長期減速運転から登坂運転に変更する再加速時などの触媒低温時においても、より高い排気浄化能力を得ることができるようになる。

以上説明したように、本実施形態に係る排気浄化剤の添加量制御装置、及び排気浄化システムによれば、以下のような優れた効果が得られるようになる。

（１）ＮＨ3を貯蔵するとともに、そのＮＨ3貯蔵量が多くなるほど反応限界温度（活性化温度）がより低くなる特性を有し（図６参照）、その反応限界温度を下限とする温度範囲にて特定の排気浄化反応を促進するＳＣＲ触媒１３と、該触媒１３上で排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）と上記排気浄化反応を行うことにより排気を浄化するＮＨ3（アンモニア）の発生源となる添加剤（尿素水）を、ＳＣＲ触媒１３よりも上流の排気へ添加する尿素水添加弁１６と、を備え、内燃機関（対象エンジン）から排出される排気を対象にして、その排気の浄化を行う排気浄化システムに適用され、上記尿素水添加弁１６の添加量を制御する。こうした排気浄化剤の添加量制御装置（ＥＣＵ４０）として、排気中のＮＯｘ量に関する所定のパラメータに応じて尿素水添加弁１６の添加量を決定する浄化制御モードと、尿素水添加弁１６の添加量として前記浄化制御モードよりも多い添加量を設定する貯蔵制御モードと、を含む複数の制御モードの中から、それらモードごとの実行条件の成立に基づいてその時に実行する１つを選ぶプログラム（モード選択手段、図２のステップＳ１０，Ｓ１３）を備える構成とした。そして、貯蔵制御モードの実行条件（図３のステップＳ３１）を、対象エンジンの出力軸にかかる負荷変動量が許容レベルよりも大きくなったことにより成立するものとした。より具体的には、アクセル操作量（要求トルクに相当）の変動量が許容レベルよりも大きくなったことにより成立するものとした。これにより、上記貯蔵制御モードの実行を通じて触媒の反応限界温度を下げて触媒低温時の浄化性を高めることが可能になる。しかも、特にエミッションの悪化が懸念されるタイミングで貯蔵制御モードが開始されることにより、不必要なＮＨ3貯蔵の実行に起因するエミッションの悪化を小さく抑えつつ、好適にエミッションの悪化を抑制することが可能になる。

（２）図２のステップＳ２０においては、目標ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２と現在ＮＨ3貯蔵量ＳＴ１との差分に相当するＮＨ3貯蔵量の不足分（ＮＨ3貯蔵量不足分ΔＳＴ）を、ステップＳ１９ｂの処理により補わせることで、ＳＣＲ触媒１３のＮＨ3貯蔵量を目標ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２に制御するようにした。これにより、ＮＨ3貯蔵量の不足分（ＮＨ3貯蔵量不足分ΔＳＴ）が補われ、ＳＣＲ触媒１３のＮＨ3貯蔵量を目標ＮＨ3貯蔵量にすることが可能になる。

（３）図２のステップＳ２０においては、所定の条件（ステップＳ１０，Ｓ１３の条件）が成立している間は繰り返し上記ＮＨ3貯蔵量の制御（ステップＳ１４〜Ｓ２０）を実行するようにした。こうした構成であれば、上記所定の条件が成立している間は継続的に、ＳＣＲ触媒１３のＮＨ3貯蔵量を高い精度で適量に制御することができるようになる。そしてこれにより、同触媒１３の活性化温度（反応限界温度）についてもこれが、適当な温度に制御されることになる。

（４）その時のＳＣＲ触媒１３の温度（触媒温度Ｔc）が許容レベルよりも低いか否かを判断（所定の閾値と比較して判断）するプログラム（触媒温度判断手段、図２のステップＳ１３）を備える構成とした。そして、上記貯蔵制御モードの実行条件を、貯蔵制御モードの実行中（対象エンジンの加速中）において、同ステップＳ１３の処理によりＳＣＲ触媒１３の温度が許容レベルよりも低くない旨判断されたことにより成立しなくなる（不成立となる）ものとした。こうした構成とすることで、より要求の高い状況、すなわち触媒の温度が十分低い場合に限定的にＮＨ3貯蔵が実行されるようになる。

（５）浄化制御モードの実行条件を、貯蔵制御モードの実行条件が不成立の場合に成立するものとし、図２のステップＳ１０，Ｓ１３においては、それら実行条件の成否に応じて、浄化制御モード及び貯蔵制御モードの２種類の制御モードを切り換えるようにした。これにより、排気浄化に関する制御をより容易且つ的確に実現することが可能になる。

（６）図２のステップＳ１４においては、ＳＣＲ触媒１３に対して供給されるＮＨ3量と同触媒１３上でのＮＨ3消費量との差分に基づいて、その時々のＳＣＲ触媒１３のＮＨ3貯蔵量の増減量ΔＮＨ3を求めるとともに、その時々の増減量を逐次積算する（ＳＴ１（今回値）＝ΣＳＴ１（前回値）＋ΔＮＨ3）ことにより、上記現在ＮＨ3貯蔵量ＳＴ１を検出するようにした。こうした構成であれば、ＮＨ3量の収支から、その残余がＳＣＲ触媒１３に対して貯蔵されたとして、時々のＮＨ3貯蔵量の増減量、ひいては現在ＮＨ3貯蔵量ＳＴ１を算出することが的確に可能になる。

（７）図２のステップＳ１４においては、対象エンジンの運転条件に関する所定パラメータ（例えばエンジン回転速度及び燃料噴射量）に基づいて、ＳＣＲ触媒１３上でのＮＨ3消費量を求めるようにした。こうした構成であれば、対象エンジンから排出されるＮＯｘ量、ひいてはＳＣＲ触媒１３上でのＮＨ3消費量を、より容易且つ的確に検出することが可能になる。

（８）その時のＳＣＲ触媒１３に貯蔵可能なＮＨ3の貯蔵限界量（限界ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２１）を検出するプログラム（貯蔵限界量検出手段、図２のステップＳ１５）と、ステップＳ１５の処理により検出された限界ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２１を上限値（ガード値）として、目標ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２の可変範囲を設定するプログラム（図２のステップＳ１７，Ｓ１７１，Ｓ１７２）と、を備えることを特徴とする。こうした構成であれば、限界ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２１が上限値として設定され、過剰なＮＨ3の供給を防止（又は抑制）することが可能になる。

（９）図２のステップＳ１５においては、ＳＣＲ触媒１３の温度の相当値として同触媒１３よりも下流側の排気温度に基づいて、限界ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２１を検出するようにした。これにより、上記ＳＣＲ触媒１３の温度を、高い精度で検出（推定）することが可能になる。

（１０）反応限界温度Ｔ１、ひいては要求ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２２（いずれも図６参照）として、アイドリング時に想定される触媒温度「１４０℃」よりも低い温度、ひいてはその温度に対応するＮＨ3貯蔵量を設定するようにした。これにより、アイドリング状態から加速し始める場合においても、より確実に排気浄化を行うことができるようになる。

（１１）尿素水添加弁１６が、ＮＨ3の発生源となる添加剤として尿素水溶液を、ＳＣＲ触媒１３よりも上流の排気（排気管１２）へ噴射添加するもの（いわゆる尿素ＳＣＲシステムを実現するもの）である構成とした。これにより、ＳＣＲ触媒１３よりも上流の排気へ噴射添加することで、同触媒１３に到達するまでの間に排気熱等により尿素が加水分解してＮＨ3が生成され、ＳＣＲ触媒１３に対してより多くのＮＨ3（浄化剤）を供給することも可能になる。

（１２）ディーゼルエンジン搭載の自動車（本実施形態では４輪自動車）に上記尿素ＳＣＲシステムを装着した。これにより、燃焼過程でＮＯｘの発生を許容して燃費の向上やＰＭの低減を図ることが可能になる。そして、排気浄化性の高い、よりクリーンなディーゼル車を実現することが可能になる。

（１３）一方、排気浄化システムとしては、上記各プログラム（ＥＣＵ４０）と共に、ＳＣＲ触媒１３及び尿素水添加弁１６と、同添加弁１６に尿素水溶液を供給する尿素水供給装置（尿素水タンク１７ａ、ポンプ１７ｂ等）と、を備える構成とした。こうした排気浄化システムによれば、排気浄化性のより高い排気浄化系が実現されるようになる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・用途等によっては、図２のステップＳ１５，Ｓ１７，Ｓ１７１，Ｓ１７２を割愛して、ステップＳ１８で、要求ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２２をそのまま目標ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２に設定する構成なども有効である。

・上記実施形態では、貯蔵制御モードの実行条件（図３のステップＳ３１）を、対象エンジンの出力軸にかかる負荷変動量が許容レベルよりも大きくなったことにより成立するものとした。具体的にはアクセル操作量（要求トルクに相当）の変動量が許容レベルよりも大きくなったことにより成立するものとした。しかしこれに限られず、例えば同条件を、対象エンジン（内燃機関）の出力軸の回転速度（エンジン回転速度）が許容レベルよりも低い状態又は減速状態から加速されたことにより成立するものとしてもよい。すなわちこの場合は、例えばステップＳ３１で、エンジン回転速度が所定の判定値よりも小さいか否か、及び、アクセル操作量の正側への変動量が所定の判定値よりも大きくなったか否かを判断し、このステップＳ３１で、エンジン回転速度が小さくて且つ、アクセル操作量の変動量が大きくなった（アクセルペダルが踏み込まれた）旨判断された場合には、ステップＳ３２へ進むようにする。あるいは、例えばステップＳ３１で、燃料カット中か否か、及び、アクセル操作量の正側への変動量が所定の判定値よりも大きくなったか否かを判断し、このステップＳ３１で、燃料カット中で且つ、アクセル操作量の変動量が大きくなった（アクセルペダルが踏み込まれた）旨判断された場合には、ステップＳ３２へ進むようにする。

また、貯蔵制御モードの実行条件を、対象エンジン（内燃機関）の出力軸の回転速度変動量が許容レベルよりも大きくなったことにより成立するものとしてもよい。すなわちこの場合は、例えばステップＳ３１で、エンジン回転速度の正側（＋側）への変動量（単位時間あたりの変化量）が所定の判定値よりも大きいか否かを判断し、このステップＳ３１で、エンジン回転速度の変動量が大きい旨判断された場合には、ステップＳ３２へ進むようにする。

また、貯蔵制御モードの実行条件を、対象エンジン（内燃機関）の出力軸にかかる負荷（エンジン負荷）が許容レベルよりも高くなったことにより成立するものとしてもよい。すなわちこの場合は、例えばステップＳ３１で、エンジン負荷（例えば筒内圧センサによる実測値、あるいはアクセル操作量等による推定値など）が所定の判定値よりも大きいか否かを判断し、このステップＳ３１で、エンジン負荷が高い旨判断された場合には、ステップＳ３２へ進むようにする。

これらの構成によっても、前記（１）の効果に準ずる効果を得ることができる。

・その時の対象エンジン（内燃機関）の運転モードが、ＳＣＲ触媒１３の温度が反応限界温度（活性化温度）よりも低い低温状態にある時に対象エンジンの出力軸にかかる負荷を増大制御するような特定の運転モードであるか否かを判断するプログラム（運転モード判断手段）を備える構成、具体的には、例えば図３のステップＳ３１においてその時の運転モードが上記特定の運転モードであるか否かを判断する構成とすることも有効である。こうした構成として、例えば特定の運転モードである旨判断された場合に、ステップＳ３２へ進むようにする。こうすることで、上記特定の運転モードである場合に、貯蔵制御モードが実行され、図２のステップＳ１９ｂの処理により、尿素水添加弁１６の添加量として、ＳＣＲ触媒１３に対してＮＨ3を貯蔵させるための添加量が設定されることになる。こうした構成によっても、前記（１）の効果に準ずる効果を得ることができる。なお、特定の運転モードとしては、例えばエンジン始動運転や、アイドリング状態からの加速運転（アイドリング復帰）、さらには下り坂での長期減速運転から登坂運転に変更する再加速運転（燃料カット復帰）などの運転モードを設定することが有効である。

・上記実施形態では、浄化制御モードと貯蔵制御モードとの２つの制御モードを切り替えるようにした。しかしこれに限られず、これらの制御モードに他の制御モードを加えることにより、３種類以上の制御モードの中から、それらモードごとの実行条件の成立に基づいてその時に実行する１つを選ぶ構成とすることもできる。

例えば図９にフローチャートとして例示する処理を通じて、モード選択を行うようにしてもよい。この例では、尿素水添加制御フラグＦの値（「０〜２」）により、浄化制御モードと貯蔵制御モードと尿素水非添加モードとの３種類の中から、いずれか１つを選ぶ。

同図９に示されるように、この例では、ステップＳ１０１で、貯蔵制御モードに関する所定の実行条件（貯蔵制御実行条件）が成立しているか否かを判断する。そして、このステップＳ１０１で貯蔵制御実行条件が成立している旨判断された場合には、続くステップＳ１０３で、尿素水添加制御フラグＦに「２」を設定する。

これに対し、上記ステップＳ１０１で貯蔵制御実行条件が成立していない旨判断された場合には、続くステップＳ１０２で、浄化制御モードに関する所定の実行条件（浄化制御実行条件）が成立しているか否かを判断する。そして、このステップＳ１０２で浄化制御実行条件が成立している旨判断された場合には、続くステップＳ１０５で、尿素水添加制御フラグＦに「１」を設定する。他方、上記ステップＳ１０２で浄化制御実行条件が成立していない旨判断された場合には、続くステップＳ１０４で、尿素水添加制御フラグＦに「０」を設定する。

こうすることで、３種類以上の制御モードの中から、その時に実行すべき１つを選ぶことができる。

・上記実施形態では、目標ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２を決める際に用いる要求ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２２として、アイドリング時に想定される触媒温度「１４０℃」よりも低い所定の反応限界温度Ｔ１に対応するＮＨ3貯蔵量を設定するようにした。しかしこれに限られず、例えば要求ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２２を、ＳＣＲ触媒１３のＮＨ3貯蔵量について同ＮＨ3貯蔵量をそれ以上増量しても反応限界温度が低下しなくなる境界値（収束点）に設定する構成も有効である。こうした構成であれば、反応限界温度に寄与しない余分なＮＨ3の貯蔵を好適に防止（又は抑制）することが可能になる。

・上記実施形態では、要求ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２２を固定値として設定した。しかしこれに限られず、時々の状況に応じて可変設定する（例えばエンジン始動時とアイドリング時とで異なる値を設定する）ようにしてもよい。また、反応限界温度の目標値や、ＳＣＲ触媒１３上でのＮＯｘ浄化率の目標値に応じて、上記要求ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２２を可変設定するようにしてもよい。

・上記実施形態では、排気温度に基づいて触媒温度Ｔcを求めるようにした。しかし触媒自体の温度は求めず、排気温度をそのまま触媒温度の代替値として用いるようにしてもよい。

・上記実施形態では、図２のステップＳ１３において、その時のＳＣＲ触媒１３の温度が許容レベルよりも低いか否かを判断（所定の閾値と比較して判断）するようにした。しかしこれに限られず、例えば同ステップＳ１３において、現在ＮＨ3貯蔵量ＳＴ１が許容レベルよりも多いか否かを判断（所定の閾値と比較して判断）する構成、あるいは現在ＮＨ3貯蔵量ＳＴ１と限界ＮＨ3貯蔵量ＳＴ２１との間に十分な余裕（許容レベルよりも大きな余裕）があるか否かを判断（所定の閾値と比較して判断）する構成、等々の構成のいずれか１つ、ひいては上記触媒温度による構成も含めた各構成の任意の組み合わせを採用することが有効である。要は、
「その時のＳＣＲ触媒１３のＮＨ3貯蔵量が許容レベルよりも多いか否かを判断するプログラム（貯蔵量判断手段）を備え、貯蔵制御モードの実行条件が、貯蔵制御モードの実行中において、そのプログラムによりＳＣＲ触媒１３のＮＨ3貯蔵量が許容レベルよりも多い旨判断されたことにより成立しなくなる（不成立となる）ものである構成」
「その時のＳＣＲ触媒１３に対してＮＨ3を貯蔵することができるか否かを判断するプログラム（貯蔵限界判断手段）を備え、貯蔵制御モードの実行条件が、貯蔵制御モードの実行中において、そのプログラムによりＮＨ3を貯蔵することができない旨判断されたことにより成立しなくなる（不成立となる）ものである構成」
といった構成とすることで、上記ＮＨ3貯蔵をより好適に行うことができるようになる。

・排気中のＮＯｘ量は、エンジン運転状態から推定する以外にも、例えばＮＯｘセンサの実測値（センサ出力）等から求めることも可能である。さらには、例えば排気の状態（例えば排気温センサ等で検出される排気温度）や成分（例えば酸素濃度センサ等で検出される酸素濃度）等に基づいて、排気中のＮＯｘ量を推定することも可能である。

・排気浄化の対象とする排気発生源の種類やシステム構成も、用途等に応じて適宜に変更可能である。

例えば自動車用エンジンを排気浄化の対象とする場合は、圧縮着火式のディーゼルエンジンに限られず火花点火式のガソリンエンジン等にも本発明は適用可能である。ただし、ディーゼルエンジンをはじめとする圧縮着火式エンジンは、火花点火式エンジンに比べて排気温度が低いため、本発明を適用して触媒低温時の浄化能力を高めることは特に有益である。またレシプロエンジン以外、ロータリーエンジン等にも本発明は適用可能である。また、自動車以外の排気浄化、すなわち、例えば発電所や各種工場等での排気浄化にも本発明は適用可能である。

一方、システム構成の変更については、例えば図１に示したような、触媒１３よりも上流の排気へ添加剤（尿素水）を添加することで、排気流により添加剤を触媒１３へ届ける構成以外にも、触媒自体に直接的に添加剤を添加する（例えば噴射する）構成であってもよい。また、例えば上記図１に示した構成においてＮＨ3の排出量が十分に低減される場合には、ＮＨ3触媒１５を割愛することなども可能である。

そして、上記実施形態についてこれらの構成の変更を行う場合には、上述した各種の処理（プログラム）についても、その細部を、実際の構成に応じて適宜最適なかたちに変更（設計変更）することが好ましい。

・現状においては尿素ＳＣＲ（選択還元）システムとしての需要が主であるが、同様の特定成分を浄化対象として、また同様の浄化剤（ＮＨ3）を用いて、触媒上で排気を浄化する場合には、他の用途についても本発明は同様に適用することができる。

・上記実施形態及び変形例では、各種のソフトウェア（プログラム）を用いることを想定したが、専用回路等のハードウェアで同様の機能を実現するようにしてもよい。

本発明に係る排気浄化剤の添加量制御装置、及び同装置の搭載された排気浄化システムの一実施形態について、該システムの概略を示す構成図。 尿素水添加量制御に係る処理の処理手順を示すフローチャート。 エンジン加速期間の開始タイミングを決めるための処理の処理手順を示すフローチャート。 エンジン加速期間の終了タイミングを決めるための処理の処理手順を示すフローチャート。 限界ＮＨ3貯蔵量の算出に用いられるマップの一例を示すグラフ。 ＳＣＲ触媒の反応限界温度とＮＨ3貯蔵量との関係の一例を示すグラフ。 ＳＣＲ触媒の浄化特性の一例を示すグラフ。 本実施形態に係る尿素水添加制御の一態様を示すタイミングチャート。 モード選択に関する処理の別例を示すフローチャート。

符号の説明

１３…ＳＣＲ触媒、１５…ＮＨ3触媒、１６…尿素水添加弁、４０…ＥＣＵ（電子制御ユニット）、１４ａ…排気センサ（ＮＯｘセンサと温度センサとを内蔵するセンサ）。

Claims (10)

1. 反応限界温度を下限とする温度範囲にて特定の排気浄化反応を促進する触媒と、該触媒上で前記排気浄化反応を行うことにより排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するＮＨ3（アンモニア）又はその発生源となる添加剤を、前記触媒自体又は該触媒よりも上流の排気へ添加する添加弁と、を備え、内燃機関から排出される排気を対象にして、その排気の浄化を行う排気浄化システムに適用され、前記添加弁の添加量を制御する排気浄化剤の添加量制御装置において、
   前記触媒が、ＮＨ3を貯蔵するとともに、そのＮＨ3貯蔵量が多くなるほど前記反応限界温度がより低くなる特性を有するものであり、
   排気中のＮＯｘ量に関する所定のパラメータに応じて前記添加弁の添加量を決定する浄化制御モードと、前記添加弁の添加量として前記浄化制御モードよりも多い添加量を設定する貯蔵制御モードと、を含む複数の制御モードの中から、それらモードごとの実行条件の成立に基づいてその時に実行する１つを選ぶモード選択手段を備え、
   前記貯蔵制御モードの実行条件が、前記触媒の温度が所定値よりも低く、かつ前記内燃機関の出力軸にかかる負荷が許容レベルよりも高くなったことにより成立するものであることを特徴とする排気浄化剤の添加量制御装置。
2. 反応限界温度を下限とする温度範囲にて特定の排気浄化反応を促進する触媒と、該触媒上で前記排気浄化反応を行うことにより排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するＮＨ3（アンモニア）又はその発生源となる添加剤を、前記触媒自体又は該触媒よりも上流の排気へ添加する添加弁と、を備え、内燃機関から排出される排気を対象にして、その排気の浄化を行う排気浄化システムに適用され、前記添加弁の添加量を制御する排気浄化剤の添加量制御装置において、
   前記触媒が、ＮＨ3を貯蔵するとともに、そのＮＨ3貯蔵量が多くなるほど前記反応限界温度がより低くなる特性を有するものであり、
   排気中のＮＯｘ量に関する所定のパラメータに応じて前記添加弁の添加量を決定する浄化制御モードと、前記添加弁の添加量として前記浄化制御モードよりも多い添加量を設定する貯蔵制御モードと、を含む複数の制御モードの中から、それらモードごとの実行条件の成立に基づいてその時に実行する１つを選ぶモード選択手段を備え、
   前記貯蔵制御モードの実行条件が、前記触媒の温度が所定値よりも低く、かつ前記内燃機関の出力軸の回転速度が許容レベルよりも低い状態又は減速状態から加速されたことにより成立するものであることを特徴とする排気浄化剤の添加量制御装置。
3. 反応限界温度を下限とする温度範囲にて特定の排気浄化反応を促進する触媒と、該触媒上で前記排気浄化反応を行うことにより排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するＮＨ3（アンモニア）又はその発生源となる添加剤を、前記触媒自体又は該触媒よりも上流の排気へ添加する添加弁と、を備え、内燃機関から排出される排気を対象にして、その排気の浄化を行う排気浄化システムに適用され、前記添加弁の添加量を制御する排気浄化剤の添加量制御装置において、
   前記触媒が、ＮＨ3を貯蔵するとともに、そのＮＨ3貯蔵量が多くなるほど前記反応限界温度がより低くなる特性を有するものであり、
   排気中のＮＯｘ量に関する所定のパラメータに応じて前記添加弁の添加量を決定する浄化制御モードと、前記添加弁の添加量として前記浄化制御モードよりも多い添加量を設定する貯蔵制御モードと、を含む複数の制御モードの中から、それらモードごとの実行条件の成立に基づいてその時に実行する１つを選ぶモード選択手段を備え、
   前記貯蔵制御モードの実行条件が、前記触媒の温度が所定値よりも低く、かつ前記内燃機関の出力軸の回転速度変動量が許容レベルよりも大きくなったことにより成立するものであることを特徴とする排気浄化剤の添加量制御装置。
4. 反応限界温度を下限とする温度範囲にて特定の排気浄化反応を促進する触媒と、該触媒上で前記排気浄化反応を行うことにより排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するＮＨ3（アンモニア）又はその発生源となる添加剤を、前記触媒自体又は該触媒よりも上流の排気へ添加する添加弁と、を備え、内燃機関から排出される排気を対象にして、その排気の浄化を行う排気浄化システムに適用され、前記添加弁の添加量を制御する排気浄化剤の添加量制御装置において、
   前記触媒が、ＮＨ3を貯蔵するとともに、そのＮＨ3貯蔵量が多くなるほど前記反応限界温度がより低くなる特性を有するものであり、
   排気中のＮＯｘ量に関する所定のパラメータに応じて前記添加弁の添加量を決定する浄化制御モードと、前記添加弁の添加量として前記浄化制御モードよりも多い添加量を設定する貯蔵制御モードと、を含む複数の制御モードの中から、それらモードごとの実行条件の成立に基づいてその時に実行する１つを選ぶモード選択手段を備え、
   前記貯蔵制御モードの実行条件が、前記触媒の温度が所定値よりも低く、かつ前記内燃機関の出力軸にかかる負荷変動量が許容レベルよりも大きくなったことにより成立するものであることを特徴とする排気浄化剤の添加量制御装置。
5. その時の前記触媒の温度が許容レベルよりも低いか否かを判断する触媒温度判断手段を備え、
   前記貯蔵制御モードの実行条件は、貯蔵制御モードの実行中において、前記触媒温度判断手段により前記触媒の温度が許容レベルよりも低くない旨判断されたことにより成立しなくなるものである請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気浄化剤の添加量制御装置。
6. その時の前記触媒のＮＨ3貯蔵量が許容レベルよりも多いか否かを判断する貯蔵量判断手段を備え、
   前記貯蔵制御モードの実行条件は、貯蔵制御モードの実行中において、前記貯蔵量判断手段により前記触媒のＮＨ3貯蔵量が許容レベルよりも多い旨判断されたことにより成立しなくなるものである請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気浄化剤の添加量制御装置。
7. その時の前記触媒に対してＮＨ3を貯蔵することができるか否かを判断する貯蔵限界判断手段を備え、
   前記貯蔵制御モードの実行条件は、貯蔵制御モードの実行中において、前記貯蔵限界判断手段によりＮＨ3を貯蔵することができない旨判断されたことにより成立しなくなるものである請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気浄化剤の添加量制御装置。
8. 前記浄化制御モードの実行条件は、前記貯蔵制御モードの実行条件が不成立の場合に成立するものであり、前記モード選択手段は、それら実行条件の成否に応じて、前記浄化制御モード及び前記貯蔵制御モードの２種類の制御モードを切り換えるものである請求項１〜７のいずれか一項に記載の排気浄化剤の添加量制御装置。
9. 前記添加弁は、ＮＨ3の発生源となる添加剤として尿素水溶液を、前記触媒よりも上流
   の排気へ噴射添加するものである請求項１〜８のいずれか一項に記載の排気浄化剤の添加量制御装置。
10. 請求項９に記載の排気浄化剤の添加量制御装置と、前記触媒及び前記添加弁と、前記添加弁に尿素水溶液を供給する尿素水供給装置と、を備えることを特徴とする排気浄化システム。

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