JP4726926B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、特に還元剤としてのアンモニアにより排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を選択的に浄化する選択還元型触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）を採用した排気浄化システムに好適に適用されるものである。なお、本システムは、一般に還元剤として尿素水溶液が用いられることから、尿素ＳＣＲシステムとして知られている。

近年、自動車等に適用されるエンジン（特にディーゼルエンジン）において、排気中のＮＯｘを高い浄化率で浄化する排気浄化システムとして、尿素ＳＣＲシステムの開発が進められており、一部実用化に至っている。尿素ＳＣＲシステムとしては次の構成が知られている。すなわち、尿素ＳＣＲシステムでは、エンジン本体に接続された排気管に選択還元型のＮＯｘ触媒が設けられるとともに、その上流側に、ＮＯｘ還元剤としての尿素水（尿素水溶液）を排気管内に添加する尿素水添加弁が設けられている。

上記システムにおいては、尿素水添加弁により排気管内に尿素水が添加されることで、ＮＯｘ触媒上で排気中のＮＯｘが選択的に還元除去される。ＮＯｘの還元に際しては、尿素水が排気熱で加水分解されることによりアンモニア（ＮＨ3）が生成され、そのアンモニアがＮＯｘ触媒に吸着するととともに同ＮＯｘ触媒上にてアンモニアに基づく還元反応が行われることによってＮＯｘが還元、浄化されることになる。

ここで、排気中のＮＯｘにはＮＯ（一酸化窒素）とＮＯ2（二酸化窒素）とが含まれており、これらＮＯの量とＮＯ2の量との割合に応じて排気中に添加供給する尿素水の量を制御することが提案されている。すなわち、例えば特許文献１のディーゼルエンジン用排ガス浄化装置では、粒子状物質低減装置としてのＤＰＦの出口温度に基づいて排気中のＮＯ／ＮＯ2の割合を算出し、そのＮＯ／ＮＯ2の割合に基づいてＮＯｘ触媒に供給する尿素量を制御する構成としている。
特開２００２−２５０２２０号公報

上記特許文献１の発明は、ＮＯｘ触媒に流入する排気の成分（ＮＯ／ＮＯ2の割合）を考慮して尿素量を制御するものであるが、ＮＯｘ触媒における実際のＮＯｘ浄化においては、流入ガスの成分だけでなく、触媒上でどのようなＮＯｘ反応が生じたかを考慮する必要があると考えられる。つまり、ＮＯｘ触媒において、ＮＯとＮＯ2とでは化学反応が各々異なっており、いずれの成分が還元浄化されたのかを考慮することが必要であると考えられる。

また、ＮＯｘ触媒における実際の化学反応では、ＮＯを還元する化学反応（後述の（式２）参照）、ＮＯ2を還元する化学反応（後述の（式３）参照）に加え、ＮＯとＮＯ2とを同時に還元する化学反応（後述の（式１）参照）も生じる。そのため、流入ガスのＮＯ／ＮＯ2比が不変であっても、各化学反応の発生割合等によってはアンモニアの消費量（すなわち、ＮＯｘと反応するアンモニア量）が変わりうる。したがって、アンモニア吸着量について制御のずれが生じ、結果としてＮＯｘ浄化性能が低下するおそれがあった。

本発明は、ＮＯｘ触媒におけるアンモニア消費量の推定精度を高め、ひいてはＮＯｘ浄化の最適化を図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説明する。

本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、還元剤であるアンモニアにより排気中のＮＯｘを選択的に浄化するＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）を備え、ＮＯｘ触媒の排気上流側に還元剤添加手段により還元剤を添加する排気浄化システムに適用される。そして、第１の構成では、ＮＯｘ触媒の温度を検出し、該検出した触媒温度に基づいて、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ反応量に対するアンモニア反応量の比率である反応比率（＝アンモニア反応量／ＮＯｘ反応量）を算出する。また、その反応比率に基づいて、ＮＯｘ触媒におけるアンモニアの消費量を算出する。ちなみに、アンモニア消費量の算出に関し、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化量（実ＮＯｘ反応量と同意）を算出し、その時々の反応比率とＮＯｘ浄化量とに基づいてＮＯｘ触媒におけるアンモニア消費量を算出するとよい。

要するに、還元剤としてアンモニアを用いそのアンモニアによりＮＯｘを選択的に浄化する、いわゆる選択還元型のＮＯｘ触媒では、主として下記の（式１）〜（式３）の各反応式に基づいてＮＯｘとアンモニア（ＮＨ3）との反応が行われる。
ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3→２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ …（式１）
４ＮＯ＋４ＮＨ3＋Ｏ2→４Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ …（式２）
６ＮＯ2＋８ＮＨ3→７Ｎ2＋１２Ｈ2Ｏ …（式３）
ここで、上記の各反応式に基づく化学反応は反応温度が相違し、そのため、ＮＯｘ触媒の温度に応じて反応式割合が相違することとなる。かかる場合、例えば（式１）（式２）による反応と（式３）による反応とでは、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ反応量に対するアンモニア反応量の比率である反応比率（すなわち、ＮＯｘとＮＨ3とのモル比）が相違するため、ＮＯｘ触媒の温度が高低相違すると、排気中のＮＯｘ量に対してＮＯｘ浄化に使用されるアンモニア量が相違することとなる。なお、（式１）（式２）の反応による反応比率は「１」、（式３）の反応による反応比率は「８／６＝１．３３３」である。

この点、本発明では、ＮＯｘ触媒の温度に基づいて反応比率（ＮＯｘ反応量に対するアンモニア反応量の比率）が算出され、その反応比率に基づいてアンモニア消費量が算出されるため、ＮＯｘ触媒温度が変化してもＮＯｘ触媒におけるアンモニア消費量を適正に求めることができる。この場合、アンモニア消費量は、ＮＯｘ触媒においてＮＯ及びＮＯ2のいずれの成分が還元浄化されたのかが考慮されて求められたものとなる。その結果、ＮＯｘ触媒におけるアンモニア消費量の推定精度を高め、ひいてはＮＯｘ浄化の最適化を図ることができる。

ＮＯｘ触媒温度が高いほど、上記３つの反応式のうち（式３）に基づく化学反応が促進され、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ反応量に対するアンモニア反応量が増える。したがって、ＮＯｘ触媒の温度が高いほど、前記反応比率を大きい値として算出するとよい（第２の構成）。

第３の構成では、ＮＯｘ触媒の温度と前記反応比率との関係を示す制御データをマップ等にあらかじめ登録しておき、その制御データを用いてＮＯｘ触媒の温度から反応比率を算出する。これにより、ＮＯｘ触媒の温度が逐次変化したとしても、反応比率を好適に求めることができる。

ＮＯｘ触媒での反応比率（ＮＯｘ反応量に対するアンモニア反応量の比率）は、ＮＯｘ触媒温度以外に、排気中のＮＯとＮＯ2との割合であるＮＯ／ＮＯ2比によっても変化する。つまり、排気のＮＯ／ＮＯ2比が変わると、上記の各反応式（式１〜式３）に基づく化学反応の割合が相違し、それに伴いＮＯｘ触媒での反応比率（ＮＯｘ反応量に対するアンモニア反応量の比率）が変化する。ゆえに、第４の構成として、ＮＯｘ触媒温度とＮＯ／ＮＯ2比とに基づいて反応比率を算出するとよい。これにより、反応比率の算出精度を高めることができる。なお、ＮＯ／ＮＯ2比は、ＮＯｘ触媒に導入されるガスのＮＯ／ＮＯ2比として算出されることが望ましい（第５の構成も同様）。

また、ＮＯｘ触媒での反応比率（ＮＯｘ反応量に対するアンモニア反応量の比率）の算出に関し、ＮＯｘ触媒温度を算出パラメータとする構成に代えて、排気のＮＯ／ＮＯ2比を算出パラメータとする構成としてもよい（第５の構成）。

ＮＯの反応式である上記（式２）と、ＮＯ2の反応式である上記（式３）とを比べると、後者の方がＮＯｘ還元時における前記反応比率（ＮＯｘ反応量に対するアンモニア反応量の比率）が大きくなる。したがって、第６の構成として、ＮＯ／ＮＯ2比が小さいほど、前記反応比率を大きい値として算出するとよい。つまり、ＮＯ量に対するＮＯ2量が多いほど、アンモニア反応量が増え、その分上記（式３）の還元反応でより多くのアンモニアが反応するため、これを考慮して反応比率を算出することが望ましい。

第７の構成では、ＮＯ／ＮＯ2比と反応比率との関係を示す制御データをマップ等にあらかじめ登録しておき、その制御データを用いてＮＯ／ＮＯ2比から反応比率を算出する。これにより、ＮＯ／ＮＯ2比が逐次変化したとしても、反応比率を好適に求めることができる。

ＮＯｘ触媒の上流側に酸化触媒を備える排気浄化システムでは、排気温度が高温になる等して酸化触媒の温度が高くなるほど、当該酸化触媒における酸化反応（すなわち、ＮＯをＮＯ2に変える反応）が促進され、ＮＯ／ＮＯ2比が小さくなる。つまり、酸化触媒の温度に応じてＮＯ／ＮＯ2比が変化する。ゆえに、第８の構成として、酸化触媒の温度を検出し、その酸化触媒の温度に基づいてＮＯ／ＮＯ2比を算出するとよい。これにより、ＮＯ／ＮＯ2比を正しく求めることができ、ひいてはＮＯｘ触媒での反応比率（ＮＯｘ反応量に対するアンモニア反応量の比率）の算出精度を一層高めることができる。

第９の構成では、都度のアンモニア消費量の算出値に基づいて、ＮＯｘ触媒におけるアンモニア吸着量を算出する。ＮＯｘ触媒におけるアンモニア吸着量は、同ＮＯｘ触媒におけるアンモニア供給とアンモニア消費との収支により決まり、上述したとおりアンモニア消費量の推定精度を高めることができれば、アンモニア吸着量の精度も高められる。なお、アンモニア供給量は、都度の還元剤添加手段の還元剤添加量から求められる。アンモニア吸着量は、還元剤添加手段による還元剤添加量を算出する場合の算出パラメータとして用いられるため、還元剤添加量の制御精度も向上する。例えば、ＮＯｘ触媒におけるアンモニア吸着量を所望の量に維持するようにして、還元剤添加量が制御される。

以下、本発明に係る排気浄化装置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。本実施形態の排気浄化装置は、選択還元型触媒を用いて排気中のＮＯｘを浄化するものであり、尿素ＳＣＲシステムとして構築されている。はじめに、図１を参照してこの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システムの概要を示す構成図である。本システムは、自動車に搭載されたディーゼルエンジン（図示略）により排出される排気を浄化対象として、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。

エンジン排気系の構成として、図示しないエンジン本体に接続され排気通路を形成する排気管１１には、上流側から順に酸化触媒１２、選択還元触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）１３が配設されている。排気管１１において酸化触媒１２とＳＣＲ触媒１３との間には、還元剤としての尿素水（尿素水溶液）を排気管１１内に添加供給するための尿素水添加弁１５が設けられるとともに、ＮＯｘセンサ１６と温度センサ１７とが設けられている。また、排気管１１においてＳＣＲ触媒１３の下流側には、ＮＯｘセンサ１８が設けられている。ＮＯｘセンサ１６はＳＣＲ触媒１３の上流側にて排気中のＮＯｘ濃度を検出し、ＮＯｘセンサ１８はＳＣＲ触媒１３の下流側にて排気中のＮＯｘ濃度を検出する。以下の説明では、ＮＯｘセンサ１６を「上流側ＮＯｘセンサ」、ＮＯｘセンサ１８を「下流側ＮＯｘセンサ」とも称する。

排気管１１においてＳＣＲ触媒１３の更に下流側には、同触媒１３から排出されるアンモニア（ＮＨ3）、すなわち余剰のアンモニアを除去するためのアンモニア除去装置として酸化触媒１９が設けられている。その他、排気管１１において酸化触媒１２よりも上流側には、エンジン本体から排出される排気の温度を検出する温度センサ２０が設けられている。

上述した排気系の構成では、エンジン本体から排出された排気は酸化触媒１２を通過し、その際、酸化触媒１２の酸化作用により排気中のＮＯ（一酸化窒素）がＮＯ2（二酸化窒素）に変換される。そしてその後、ＳＣＲ触媒１３では、アンモニアによるＮＯｘ還元が行われる。ＮＯｘ還元の詳細は後述する。

なお、酸化触媒１２は、ＰＭ除去装置としてのＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）と一体の装置として設けられていてもよい。この場合、ＤＰＦの上流側に酸化触媒１２を設けるか、或いはＤＰＦを担体としてそのセル表面に白金等を担持することで酸化触媒１２を一体化する。ちなみに、ＤＰＦは、排気中のＰＭ（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、ＤＰＦに捕集されたＰＭは、ディーゼルエンジンにおけるメイン燃料噴射後のポスト噴射等により燃焼除去され（再生処理に相当）、これによりＤＰＦの継続使用が可能となっている。

ＳＣＲ触媒１３はＮＯｘの還元反応（排気浄化反応）を促進するものであり、
ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3→２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ …（式１）
４ＮＯ＋４ＮＨ3＋Ｏ2→４Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ …（式２）
６ＮＯ2＋８ＮＨ3→７Ｎ2＋１２Ｈ2Ｏ …（式３）
のような反応を促進して排気中のＮＯｘを還元する。そして、これらの反応においてＮＯｘの還元剤となるアンモニア（ＮＨ3）を添加供給するものが、同ＳＣＲ触媒１３の上流側に設けられた尿素水添加弁１５である。

尿素水添加弁１５は、ガソリン噴射用の既存の燃料噴射弁（インジェクタ）とほぼ同様の構成を有するものであり、公知の構成が採用できるため、ここでは構成を簡単に説明する。尿素水添加弁１５は、電磁ソレノイド等からなる駆動部と、先端噴孔部を開閉するためのニードルを有する弁体部とを備えた電磁式開閉弁として構成されており、ＥＣＵ４０からの噴射駆動信号に基づき開弁又は閉弁する。すなわち、噴射駆動信号に基づき電磁ソレノイドが通電されると、該通電に伴いニードルが開弁方向に移動し先端噴孔部１５ａから尿素水が添加（噴射）される。

尿素水添加弁１５に対しては、尿素水タンク２１から尿素水が逐次供給されるようになっており、次に、尿素水供給系の構成について説明する。

尿素水タンク２１は給液キャップ付きの密閉容器にて構成されており、その内部に所定濃度（３２．５％）の尿素水が貯蔵されている。尿素水タンク２１内には、尿素水に浸漬した状態で尿素水ポンプ２２が設けられている。尿素水ポンプ２２は、ＥＣＵ４０からの駆動信号により回転駆動される電動式ポンプである。尿素水ポンプ２２には尿素水供給管２３の一端が接続されており、同尿素水供給管２３の他端は尿素水添加弁１５に接続されている。尿素水供給管２３により尿素水通路が形成されている。尿素水ポンプ２２が回転駆動されることにより、尿素水が汲み上げられ尿素水供給管２３を通じて尿素水添加弁１５側に吐出される。

尿素水ポンプ２２は、例えば駆動源として電動機（モータ）を備えるタービン式ポンプであり、電動機の駆動に伴いインペラが回転するとともにインペラ外周部に設けられた多数の羽根溝から尿素水が圧送されるようになっている。なお、尿素水ポンプ２２としてはロータ式ポンプ等、他のポンプが適用されてもよい。また、本システムには、尿素水の圧力を調整するための圧力調整弁２４が設けられており、尿素水ポンプ２２の吐出圧力は圧力調整弁２４によって適宜調整される。その他、尿素水ポンプ２２の吐出口部分には、尿素水を濾過するためのフィルタ（図示略）が設けられており、逐次吐出される尿素水はフィルタにより異物が除去された後、尿素水供給管２３に吐出される。

上記システムの中で電子制御ユニットとして主体的に排気浄化に係る制御を行う部分がＥＣＵ４０である。ＥＣＵ４０は、周知のマイクロコンピュータ（図示略）を備え、各種センサの検出値に基づいて所望とされる態様で尿素水添加弁１５をはじめとする各種アクチュエータを操作することにより、排気浄化に係る各種の制御を行うものである。具体的には、例えば尿素水添加弁１５の通電時間（開弁時間）や尿素水ポンプ２２の駆動量等を制御することにより、適切な時期に適正な量の尿素水を排気管１１内に添加供給する。

本実施形態に係る上記システムでは、エンジン運転時において、尿素水ポンプ２２の駆動により尿素水タンク２１内の尿素水が尿素水供給管２３を通じて尿素水添加弁１５に圧送され、尿素水添加弁１５により排気管１１内に尿素水が添加供給される。すると、排気管１１内において排気と共に尿素水がＳＣＲ触媒１３に供給され、ＳＣＲ触媒１３においてＮＯｘの還元反応が行われることによってその排気が浄化される。ＮＯｘの還元に際しては、例えば、
（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2 …（式４）
のような反応をもって、尿素水が排気熱で加水分解されることによりアンモニア（ＮＨ3）が生成され、ＳＣＲ触媒１３にアンモニアが吸着するとともに同ＳＣＲ触媒１３において排気中のＮＯｘがアンモニアにより選択的に還元除去される。すなわち、同ＳＣＲ触媒１３上で、そのアンモニアに基づく還元反応（上記反応式（式１）〜（式３））が行われることによって、ＮＯｘが還元、浄化されることになる。

ところで、尿素水添加弁１５における尿素添加量はＳＣＲ触媒１３における都度のアンモニア吸着量に基づいて調量されるのが望ましく、本実施形態では、ＳＣＲ触媒１３におけるアンモニア供給量とアンモニア消費量との差分（アンモニア量収支）を算出するとともに、その差分に基づいてアンモニア吸着量を算出することとしている。かかる場合、アンモニア供給量は、尿素水添加弁１５の尿素水添加量から算出される。また、アンモニア消費量は、ＳＣＲ触媒１３においてＮＯｘ反応量に対するＮＨ3の反応量を表す反応比率Ｒｒｅと同ＳＣＲ触媒１３におけるＮＯｘ浄化量（実ＮＯｘ反応量）とに基づいて算出される。

ここで、反応比率Ｒｒｅについて補足説明する。反応比率Ｒｒｅは、排気中のＮＯｘがアンモニアにより還元される時のＮＯｘとアンモニアとの反応モル比（ＮＨ3／ＮＯｘ）であり、この反応モル比は、上述した３つの反応式（式１）〜（式３）による化学反応の発生比率に応じて変化する。このとき、（式１）〜（式３）による化学反応は常に一定の割合で生じるのではなく、都度のＳＣＲ触媒温度に応じて各化学反応の割合が変化する。

図２は、ＳＣＲ触媒温度に対する（式１）〜（式３）の各反応式の割合（反応式割合）と、同じくＳＣＲ触媒温度に対する反応モル比とを示す図である。図２には、所定のＳＣＲ触媒温度ごとの反応式割合を縦長の帯グラフで示し、同じくＳＣＲ触媒温度ごとの反応モル比を折れ線グラフで示している。

図２によれば、ＳＣＲ触媒温度が高温になるほど、（式１）の割合が減るととともに（式３）の割合が増えることが確認できる。これは、上記３つの反応式に基づく化学反応は反応温度が相違し、ＳＣＲ触媒温度が高温であるほど、（式３）による化学反応が生じやすくなることに起因する。この場合、（式１）〜（式３）の各反応式における個々の反応モル比は、（式１）は１（＝２モル／２モル）、（式２）は１（＝４モル／４モル）、（式３）は１．３３３（＝８モル／６モル）であり、反応式割合が変化することに伴い全体の反応モル比が変化することが分かる。要するに、ＳＣＲ触媒温度が高温になるほど、（式３）の反応割合が増え、それに伴い反応モル比が増えることとなる（反応比率Ｒｒｅも同様）。

本実施形態では、反応比率Ｒｒｅ（ＮＯｘとアンモニアとの反応モル比）が常に一定ではなくＳＣＲ触媒温度に応じて変化することに着眼し、ＳＣＲ触媒温度に基づいて反応比率Ｒｒｅを算出するとともに、その反応比率Ｒｒｅに基づいてＳＣＲ触媒１３でのアンモニア消費量（ＮＯｘ還元に使用されたＮＨ3量）を算出する。そしてこれにより、ＳＣＲ触媒１３でのアンモニア吸着量を精度よく推定することを狙いとしている。

また、本実施形態では、反応比率Ｒｒｅの算出パラメータとして、ＳＣＲ触媒温度以外に排気中のＮＯ／ＮＯ2比を用いることとしている。つまり、排気中のＮＯ／ＮＯ2比は、ＳＣＲ触媒１３よりも上流側の酸化触媒１２の状態などに応じて変化し、そのＮＯ／ＮＯ2比の変化に伴い反応比率Ｒｒｅ（ＮＯｘとアンモニアとの反応モル比）が変化する。ＮＯ／ＮＯ2比に応じて反応比率Ｒｒｅが変化する理由は、ＮＯの反応式である上記（式２）と、ＮＯ2の反応式である上記（式３）とで、ＮＯ，ＮＯ2とＮＨ3との反応モル比が各々相違するためである。この場合、酸化触媒１２が高温であるほど、ＮＯ→ＮＯ2の酸化反応が活発になり、ＮＯ／ＮＯ2比が小さくなる。本実施形態では、この関係を利用して、例えば酸化触媒１２の温度に基づいてＮＯ／ＮＯ2比を算出する。なお、ＮＯ／ＮＯ2比は、ＳＣＲ触媒１３に導入されるガスのＮＯ／ＮＯ2比として算出される。

図３は、ＳＣＲ触媒１３におけるアンモニア吸着量を算出するための演算機能を示す機能ブロック図である。なお、図３中の各ブロックは、ＥＣＵ４０による演算機能として具体化されるようになっている。

図３に示すように、アンモニア吸着量の演算機能として、排気のＮＯ／ＮＯ2比Ｒｎを算出するＮＯ／ＮＯ2比算出部Ｍ１と、ＳＣＲ触媒１３の温度であるＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒを算出するＳＣＲ触媒温度算出部Ｍ２と、ＮＯ／ＮＯ2比算出部Ｍ１で算出したＮＯ／ＮＯ2比ＲｎとＳＣＲ触媒温度算出部Ｍ２で算出したＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒとに基づいて反応比率Ｒｒｅを算出する反応比率算出部Ｍ３と、ＳＣＲ触媒１３におけるＮＯｘ浄化量Ｍｎｏｘを算出するＮＯｘ浄化量算出部Ｍ４と、反応比率算出部Ｍ３により算出した反応比率ＲｒｅとＮＯｘ浄化量算出部Ｍ４により算出したＮＯｘ浄化量Ｍｎｏｘとに基づいてＳＣＲ触媒１３でのアンモニア消費量Ｍｃｏを算出するアンモニア消費量算出部Ｍ５と、ＳＣＲ触媒１３に対するアンモニア供給量Ｍｄｏを算出するアンモニア供給量算出部Ｍ６と、アンモニア消費量算出部Ｍ５により算出したアンモニア消費量Ｍｃｏとアンモニア供給量算出部Ｍ６により算出したアンモニア供給量Ｍｄｏとに基づいてアンモニア吸着量Ｍａｄを算出するアンモニア吸着量算出部Ｍ７とを備える。

図４は、アンモニア吸着量の算出処理を示すフローチャートであり、本処理はＥＣＵ４０により所定の時間周期で繰り返し実行される。

図４において、ステップＳ１１では、その時の排気流量Ｖｅｘと酸化触媒温度ＴｄｏｃとＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒとを取り込む。本実施形態では、これら各パラメータ（Ｖｅｘ、Ｔｄｏｃ、Ｔｓｃｒ）を図示しない別処理にて逐次算出することとしており、ステップＳ１１では各パラメータの最新値が逐次取り込まれる。なお、排気流量Ｖｅｘはエンジン運転状態に基づいて算出され、より具体的にはエンジン回転速度及び燃料噴射量等に基づいて算出される。また、酸化触媒温度Ｔｄｏｃは酸化触媒１２上流の温度センサ２０の検出結果に基づいて算出され、ＳＣＲ触媒温度ＴｓｃｒはＳＣＲ触媒１３上流の温度センサ１７の検出結果に基づいて算出されるようになっている。排気流量Ｖｅｘの算出に関し、排気管１１に流量センサを設け、その流量センサの検出結果に基づいて排気流量Ｖｅｘを算出したり、吸気管に設けたエアフロメータの検出結果に基づいて排気流量Ｖｅｘを算出することも可能である。

次に、ステップＳ１２では、排気流量Ｖｅｘと酸化触媒温度Ｔｄｏｃとに基づいてＮＯ／ＮＯ2比Ｒｎを算出する。具体的には、排気流量Ｖｅｘと酸化触媒温度ＴｄｏｃとＮＯ／ＮＯ2比Ｒｎとの関係を規定したマップを用いてＮＯ／ＮＯ2比Ｒｎを算出する。このとき、排気流量Ｖｅｘが多いほど、又は酸化触媒温度Ｔｄｏｃが高いほどＮＯ／ＮＯ2比Ｒｎが小さい値として算出される（ＮＯ→ＮＯ2の酸化反応が促進されるため）。

その後、ステップＳ１３では、図５の関係からなりＮＯ／ＮＯ2比ＲｎとＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒとをパラメータとする二次元の反応比率マップを用い、その時のＮＯ／ＮＯ2比ＲｎとＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒとに基づいて反応比率Ｒｒｅを算出する。なお、反応比率マップには、実験や適合等により求められた制御データが登録されている。図５の関係は、上述した図２の関係に対応するものであり、ＮＯ／ＮＯ2比Ｒｎが小さいほど、又はＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒが高いほど、反応比率Ｒｒｅとして大きい値が算出されるようになっている。

なお、反応比率Ｒｒｅの算出に関し、ＮＯ／ＮＯ2比ＲｎとＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒとをパラメータとする二次元マップを用いる構成を下記構成（１）、（２）に変更することも可能である。
（１）ＮＯ／ＮＯ2比Ｒｎをパラメータとする反応比率マップを用い、その時のＮＯ／ＮＯ2比Ｒｎに基づいて反応比率Ｒｒｅ（ベース値）を算出するとともに、その反応比率Ｒｒｅ（ベース値）をＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒにより補正する。
（２）ＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒをパラメータとする反応比率マップを用い、その時のＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒに基づいて反応比率Ｒｒｅ（ベース値）を算出するとともに、その反応比率Ｒｒｅ（ベース値）をＮＯ／ＮＯ2比Ｒｎにより補正する。

ステップＳ１４では、その時の尿素水添加弁１５による尿素水添加量に基づいてアンモニア供給量Ｍｄｏを算出する。

その後、ステップＳ１５では、ＳＣＲ触媒１３の上流側におけるＮＯｘ濃度である上流側ＮＯｘ濃度Ｃａと同ＳＣＲ触媒１３の下流側におけるＮＯｘ濃度である下流側ＮＯｘ濃度Ｃｂとを取り込む。本実施形態では、図示しない別処理にて上流側ＮＯｘセンサ１６、下流側ＮＯｘセンサ１８の検出結果から上流側ＮＯｘ濃度Ｃａ、下流側ＮＯｘ濃度Ｃｂがそれぞれ算出され、それら算出値が逐次取り込まれる。続くステップＳ１６では、上流側ＮＯｘ濃度Ｃａから下流側ＮＯｘ濃度Ｃｂを減算し、その差（Ｃａ−Ｃｂ）に排気流量Ｖｅｘを乗算することでＮＯｘ浄化量Ｍｎｏｘを算出する。

ステップＳ１７では、ＮＯｘ浄化量Ｍｎｏｘと反応比率Ｒｒｅとの乗算によりアンモニア消費量Ｍｃｏを算出する。最後に、ステップＳ１８では、アンモニア供給量Ｍｄｏからアンモニア消費量Ｍｃｏを減算してアンモニア吸着量Ｍａｄを算出する。

上記のようにアンモニア吸着量Ｍａｄが算出されると、そのアンモニア吸着量Ｍａｄ（実吸着量に相当）に基づいて、アンモニア吸着量のフィードバック制御が実施される。つまり、アンモニア吸着量の目標値が設定されるとともに、その目標値とアンモニア吸着量Ｍａｄとの偏差に基づいて尿素水添加弁１５の尿素水添加量が制御される。このとき、アンモニア吸着量Ｍａｄ（実吸着量）が目標値に対して少なければ、尿素水添加量が増量され、逆にアンモニア吸着量Ｍａｄ（実吸着量）が目標値に対して多ければ、尿素水添加量が減量される。これにより、アンモニア吸着量Ｍａｄが目標値に維持され、所望とするｎｏｘ浄化性能が維持できる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

ＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒに基づいて反応比率Ｒｒｅ（ＮＯｘ反応量に対するアンモニア反応量の比率）を算出し、その反応比率Ｒｒｅに基づいてアンモニア消費量Ｍｃｏを算出する構成としたため、ＳＣＲ触媒温度が変化してもＳＣＲ触媒１３におけるアンモニア消費量を適正に求めることができる。この場合、反応比率Ｒｒｅを算出パラメータとして導入したことで、アンモニア消費量Ｍｃｏは、ＳＣＲ触媒１３においてＮＯ及びＮＯ2のいずれの成分が還元浄化されたのかが考慮されて求められたものとなり、その推定精度を高めることができる。アンモニア消費量Ｍｃｏの推定精度を高めることができれば、アンモニア吸着量Ｍａｄの精度も高められ、ひいてはＮＯｘ浄化の最適化を図ることができる。

ＳＣＲ触媒１３での反応比率ＲｒｅがＳＣＲ触媒温度以外に排気のＮＯ／ＮＯ2比Ｒｎによっても変化することを考慮し、ＳＣＲ触媒温度ＴｓｃｒとＮＯ／ＮＯ2比Ｒｎとに基づいて反応比率Ｒｒｅを算出する構成としたため、その反応比率Ｒｒｅの算出精度を高めることができる。

ＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒ及びＮＯ／ＮＯ2比Ｒｎの少なくともいずれかをパラメータとする反応比率マップを用いて反応比率Ｒｒｅを算出する構成としたため、都度の反応比率Ｒｒｅを簡易にかつ適正に算出できる。つまり、ＳＣＲ触媒温度が逐次変化したとしても、反応比率Ｒｒｅを好適に求めることができる。

酸化触媒温度Ｔｄｏｃに基づいてＮＯ／ＮＯ2比Ｒｎを算出する構成としたため、酸化触媒温度Ｔｄｏｃが高低変化することに伴う酸化触媒１２の酸化反応の差異を考慮してＮＯ／ＮＯ2比Ｒｎを算出することができる。これにより、ＮＯ／ＮＯ2比Ｒｎを正しく求めることができ、ひいてはＳＣＲ触媒１３での反応比率Ｒｒｅの算出精度を一層高めることができる。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

・上記実施形態では、ＳＣＲ触媒温度ＴｓｃｒとＮＯ／ＮＯ2比Ｒｎとに基づいて反応比率Ｒｒｅを算出する構成としたが、これを変更する。例えば、ＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒに基づいて反応比率Ｒｒｅを算出する構成（すなわち、ＮＯ／ＮＯ2比Ｒｎを用いずに反応比率Ｒｒｅを算出する構成）としてもよい。又は、ＮＯ／ＮＯ2比Ｒｎに基づいて反応比率Ｒｒｅを算出する構成（すなわち、ＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒを用いずに反応比率Ｒｒｅを算出する構成）としてもよい。

・上記実施形態では、アンモニア消費量からアンモニア吸着量を算出し、そのアンモニア吸着量に基づいて尿素水添加弁１５の尿素水添加量を制御する構成としたが、これを変更し、アンモニア消費量に基づいて尿素水添加弁１５の尿素水添加量を制御する構成（すなわち、アンモニア吸着量を算出せずに尿素水添加量を制御する構成）としてもよい。

・本発明を、上述した尿素ＳＣＲシステム以外で具体化することも可能である。例えば、アンモニア発生源として固体の尿素を用いその尿素から還元剤としての尿素水又はアンモニアを生成するシステム、アンモニア発生源として軽油などの燃料を用いるシステム、アンモニアを排気通路に直接添加するシステムなどにおいて具体化することも可能である。

発明の実施の形態における排気浄化システムの概略を示す構成図。 ＳＣＲ触媒温度に対する各反応式の割合と反応モル比とを示す図。 ＳＣＲ触媒におけるアンモニア吸着量の算出に関する機能ブロック図。 アンモニア吸着量の算出処理を示すフローチャート。 ＮＯ／ＮＯ2比とＳＣＲ触媒温度と反応比率との関係を示す図。

符号の説明

１１…排気管、１２…酸化触媒、１３…ＳＣＲ触媒（ＮＯｘ触媒）、１５…尿素水添加弁（還元剤添加手段）、４０…ＥＣＵ（触媒温度検出手段、反応比率算出手段、アンモニア消費量算出手段、ＮＯ／ＮＯ2比算出手段、浄化量算出手段）。

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、還元剤であるアンモニアにより排気中のＮＯｘを選択的に浄化するＮＯｘ触媒を備え、前記ＮＯｘ触媒の排気上流側に還元剤添加手段により還元剤を添加する排気浄化システムに適用され、
   前記ＮＯｘ触媒の温度と、前記ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ反応量に対するアンモニア反応量の比率である反応比率との関係を示す制御データをあらかじめ登録しておき、
   前記ＮＯｘ触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
   前記制御データを用いて前記ＮＯｘ触媒の温度から前記反応比率を算出する反応比率算出手段と、
   前記反応比率算出手段により算出した反応比率に基づいて、前記ＮＯｘ触媒におけるアンモニアの消費量を算出するアンモニア消費量算出手段と、
   を備えるとともに、更に、
   排気中のＮＯとＮＯ2との割合であるＮＯ／ＮＯ2比を算出するＮＯ／ＮＯ2比算出手段を備え、
   前記反応比率算出手段は、前記反応比率を、前記触媒温度検出手段により検出した触媒温度と前記ＮＯ／ＮＯ2比算出手段により算出したＮＯ／ＮＯ2比とに基づいて算出し、その際、前記ＮＯｘ触媒の温度が高いほど、前記反応比率を大きい値として算出するとともに、前記ＮＯ／ＮＯ2比が小さいほど、前記反応比率を大きい値として算出し、かつ前記反応比率を１以上の値とすることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記ＮＯ／ＮＯ2比と前記反応比率との関係を示す制御データをあらかじめ登録しておき、
   前記反応比率算出手段は、前記ＮＯ／ＮＯ2比と前記反応比率との関係を示す制御データを用いて前記ＮＯ／ＮＯ2比から前記反応比率を算出する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記ＮＯｘ触媒の上流側に酸化触媒を備える排気浄化システムに適用され、
   前記酸化触媒の温度を検出する手段を備え、
   前記ＮＯ／ＮＯ2比算出手段は、前記検出した酸化触媒の温度に基づいて前記ＮＯ／ＮＯ2比を算出する請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記アンモニア消費量算出手段により算出したアンモニア消費量に基づいて、前記ＮＯｘ触媒におけるアンモニア吸着量を算出する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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