JP5093062B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気ガス中の窒素酸化物を除去する排気浄化装置に関する。

従来、排気ガス中に含まれる窒素酸化物を低減させるための触媒として、尿素添加型の選択還元触媒〔尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒〕を用いる手法が知られている。すなわち、選択還元触媒の上流側の排気通路内に還元剤としての尿素水溶液を噴射し、加水分解によりアンモニアを生成して、窒素酸化物をアンモニアで還元させるものである。この手法は、ディーゼルエンジンの排気ガスのように酸素濃度が比較的高い雰囲気下や低温時における窒素酸化物の浄化にも効果的である。

また、このような選択還元触媒の上流にアンモニアを生成する触媒を配置することで、尿素水溶液の添加を不要とする技術も提案されている。例えば、特許文献１には、選択還元触媒の上流に吸蔵還元触媒（窒素酸化物吸着体）を配置するとともに、吸蔵還元触媒上で窒素酸化物の酸化焼却時に生成されるアンモニアを選択還元触媒での窒素酸化物浄化に利用する構成が開示されている。このように、窒素酸化物の燃焼副生成物としてのアンモニアを選択還元触媒に供することで、尿素水溶液といった添加剤の噴射装置が不要になるとされている。
特開２００４−２１１６７９号公報

上記のような吸蔵還元触媒と選択還元触媒とを排気通路上に直列に配置した排気浄化システムでは、これらの触媒の両方で窒素酸化物が還元されることになる。そのため、双方の触媒が所望の窒素酸化物還元機能を発揮することを前提として、それらの合計の性能が車両に要求される窒素酸化物浄化性能に合致するように各々の性能が設定されることになる。

しかしながら、選択還元触媒での窒素酸化物の浄化時に還元剤として作用するアンモニアの生成量を正確に制御することが難しく、車両の運転状態によっては必ずしも選択還元触媒に所望の窒素酸化物還元機能が期待できるとは限らない。例えば、吸蔵還元触媒上でアンモニアが生成されるのは所定の触媒温度域に限定されているため、その温度域外での運転が継続された場合には十分なアンモニア量が確保できず、選択還元触媒における窒素酸化物還元機能が得られない。また、選択還元触媒の劣化によって窒素酸化物還元機能が低下することも考えられる。

このように従来の技術では、選択還元触媒における窒素酸化物浄化機能が何らかの理由によって低下した場合に、吸蔵還元触媒のみで窒素酸化物が浄化されることになるため、システム全体としての窒素酸化物浄化性能が低下してしまうという課題がある。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、選択還元触媒が有効に機能しない運転状態下においても、窒素酸化物浄化性能を確保することができるようにした、内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気浄化装置（請求項１）は、内燃機関の排気に含有された窒素酸化物を酸化雰囲気下で吸蔵し、該窒素酸化物を還元雰囲気下で還元するとともに該窒素酸化物からアンモニアを生成する吸蔵還元触媒と、該アンモニアを吸蔵するとともに該アンモニアを還元剤として該窒素酸化物を還元する選択還元触媒とを含んでなる内燃機関の排気浄化装置であって、該選択還元触媒における該窒素酸化物の還元能力を定量的に評価する還元能力評価手段と、該還元能力評価手段で評価された該選択還元触媒における該窒素酸化物の該還元能力の低下を該吸蔵還元触媒における該窒素酸化物の還元能力で補填させる制御を実施する制御手段と、を備え、該制御手段が、該排気浄化装置全体の該窒素酸化物還元能力に対する該吸蔵還元触媒の負担配分を向上させることを特徴としている。
言い換えると、ここでいう補填とは、該排気浄化装置全体の該窒素酸化物還元能力に対する該吸蔵還元触媒の負担配分を向上させることに相当する。

なお、ここでいう酸化雰囲気とは排気中の酸素濃度が還元成分（ＨＣ，ＣＯ等）の濃度に対して相対的に高い状態を意味しており、還元雰囲気とは排気中の還元成分が酸素濃度に対して相対的に高い状態を意味している。一般に、エンジンにおける空燃比をリーンに設定すると排気が酸化雰囲気となり、一方、空燃比をリッチにすると排気が還元雰囲気となる。
また、該制御手段が、該選択還元触媒の該還元能力の低下分だけ、該吸蔵還元触媒の該還元能力を向上させることが好ましい。

また、該制御手段において、該還元能力評価手段で評価された該還元能力が低下するほど、該排気の該還元雰囲気の生成間隔を短縮させることが好ましい。
また、排気通路における該選択還元触媒の上流側の第一窒素酸化物濃度を推定又は検出する第一検出手段と、該排気通路における該選択還元触媒の下流側の第二窒素酸化物濃度を推定又は検出する第二検出手段とをさらに備え、該還元能力評価手段が、該第一窒素酸化物濃度と該第二窒素酸化物濃度との差に基づいて該還元能力を評価することが好ましい。

また、該吸蔵還元触媒における触媒温度を推定又は検出する触媒温度検出手段をさらに備え、該制御手段が、該触媒温度検出手段で得られた該触媒温度が予め設定された所定の温度範囲内にある場合に、該選択還元触媒における該窒素酸化物の該還元能力の低下量を該吸蔵還元触媒における該窒素酸化物の還元能力で補填させる制御を実施することが好ましい。
なお、該所定の温度範囲とは、該吸蔵還元触媒上において該アンモニアが生成されない温度範囲であることが好ましい。すなわち、該選択還元触媒での該窒素酸化物の該還元能力が低下するものと推測される温度範囲である。

また、排気通路における該選択還元触媒の上流側の第一窒素酸化物濃度を推定又は検出する第一検出手段と、該吸蔵還元触媒における触媒温度を推定又は検出する触媒温度検出手段と、該排気通路における排気流量又は吸気通路における吸気流量を推定又は検出する流量検出手段と、該触媒温度に基づいて該アンモニアの生成濃度を推定するとともに、該排気流量又は該吸気流量と該アンモニアの生成濃度とに基づいて該選択還元触媒に吸蔵された該アンモニアの吸蔵推定量を演算する吸蔵推定量演算手段と、該排気流量又は該吸気流量と該第一窒素酸化物濃度とに基づいて該選択還元触媒上で消費される該アンモニアの消費量を演算する消費量演算手段と、をさらに備え、該還元能力評価手段が、該吸蔵推定量演算手段で演算された該吸蔵推定量と該消費量演算手段で演算された該消費量との差に基づいて該還元能力を評価することが好ましい。

なお、上述の第一検出手段や第二検出手段としては、窒素酸化物濃度を直接検出する窒素酸化物ガス濃度センサ等を用いてもよいし、あるいはアンモニア濃度を検出するセンサやＯ_２センサの検出結果から推定するものとしてもよい。

本発明の内燃機関の排気浄化装置（請求項１）によれば、選択還元触媒における窒素酸化物還元能力の低下を吸蔵還元触媒に補わせることができる。これにより、選択還元触媒が有効に機能しない運転状態下においても、排気浄化装置全体の窒素酸化物還元能力に対する吸蔵還元触媒の負担配分が向上し、窒素酸化物浄化性能を確保することができる。
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置（請求項２）によれば、排気浄化装置全体として所望の窒素酸化物浄化能力を得ることができる。
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置（請求項３）によれば、還元雰囲気の生成間隔を短縮することにより、吸蔵還元触媒における窒素酸化物の還元時間を相対的に延長することができ、吸蔵還元触媒における窒素酸化物の単位時間当たりの還元量を増加させることができる。これにより、吸蔵還元触媒における窒素酸化物浄化性能を向上させることができ、装置全体としての窒素酸化物浄化性能を確保することができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置（請求項４）によれば、選択還元触媒の上流側及び下流側の窒素酸化物濃度を把握することにより、内燃機関で生成された窒素酸化物量を考慮することなく、選択還元触媒で実際に浄化された窒素酸化物量を演算することができ、選択還元触媒の還元能力を正確に評価することができる。
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置（請求項５）によれば、窒素酸化物還元能力を補填させるための温度範囲を設定することにより、排気温度を基準として、吸蔵還元触媒の窒素酸化物還元能力と選択還元触媒の窒素酸化物還元能力との負担配分を設定することが可能となる。例えば、選択還元触媒が有効に働きやすい温度環境では選択還元触媒側の負担を大きくし（具体的には、アンモニア生成量を増加させる）、吸蔵還元触媒が有効に働きやすい温度環境では吸蔵還元触媒の負担を大きくするような（具体的には、窒素酸化物パージ間隔を短縮するような）制御の振り分けが可能となる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置（請求項６）によれば、吸蔵還元触媒における触媒温度を把握することにより、吸蔵還元触媒におけるアンモニア生成量を正確に把握することができ、選択還元触媒におけるアンモニアの吸蔵量の変化を予測することができる。これにより、排気ガスの濃度検出に係る検出手段を削減することができ、コストを抑えることができる。

以下、図面により、本発明の一実施形態について説明する。
図１〜図４は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を説明するためのものであり、図１は本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の全体構成を示す模式図、図２は本排気浄化装置で設定される窒素酸化物パージ間隔の短縮時間と選択還元触媒の窒素酸化物還元能力低下量との関係を示すグラフ、図３は本排気浄化装置による制御を説明するためのグラフ、図４は本排気浄化装置の吸蔵還元触媒における窒素酸化物浄化効率と窒素酸化物パージ間隔との関係を示すグラフである。

なお、図５は第一変形例としての排気浄化装置の全体構成を示す模式図、図６は第一変形例における吸蔵還元触媒のアンモニア生成温度特性を示すグラフ、図７は第一変形例における窒素酸化物パージ間隔の短縮時間と選択還元触媒の窒素酸化物還元能力との関係を示すグラフである。また、図８は第二変形例としての排気浄化装置を説明するためのものであり、（ａ）はその全体構成を示す模式図、（ｂ）及び（ｃ）は（ａ）の要部を拡大した模式的断面図である。

［１．全体構成］
図１に示すエンジン４（内燃機関）は、炭化水素（ＨＣ）である軽油を燃料とするディーゼルエンジンであり、このエンジン４には排気通路７及び吸気通路８が接続されている。エンジン４の各気筒の燃焼室へは、吸気通路８を介して吸気が導入され、燃焼後の排気ガス（以下、単に排気ともいう）は排気通路７を介して外部へ排出されている。また、エンジン４における空燃比Ｒは、後述する制御装置３によって制御されている。

排気通路７上には、排気の流れの上流側から順に、ターボチャージャー（過給器）９，酸化触媒５，フィルタ６，吸蔵還元触媒１及び選択還元触媒２が介装されている。
ターボチャージャー９は、排気通路７及び吸気通路８のそれぞれを跨ぐように介装された過給器であり、排気通路７を流通する排気ガスの排気圧でタービンを回転させ、その回転力を利用してコンプレッサを駆動することにより、吸気通路８からの吸気を圧縮してエンジン４への過給を行う。

酸化触媒５は、触媒貴金属を備えた触媒であり、排気中に含まれる酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ_２）を生成し、このＮＯ_２を下流側のフィルタ６へ供給するものである。また、酸化触媒５は、排気中の未燃燃料（ＨＣ）を酸化させて酸化熱を発生させ、排気温度を上昇させるようにも機能している。酸化触媒５は、コーディエライト，セラミックス等からなるハニカム状の担体にアルミナ粉末が塗布（コーティング）された上にプラチナ，ロジウム，パラジウム等の触媒貴金属の微粒子が担持されたような、公知の構造を備えている。

フィルタ６は、排気中のパティキュレートマター（炭素Ｃを主体とする粒子状物質，ＰＭ）を捕集する多孔質フィルタ（例えば、セラミックフィルタ）である。図１中に模式的に示すように、フィルタ６の内部は壁体によって排気の流通方向に沿って複数に分割されており、排気がこの壁体を通過する際に壁体内や壁体表面へＰＭが捕集されて、排気が濾過されるようになっている。

また、フィルタ６上では、酸化触媒５で生成されたＮＯ_２を酸化剤として、捕集されたＰＭが所定の温度条件下で焼却されている。これにより、フィルタ６の壁体に蓄積されたＰＭが取り除かれて、フィルタ６が再生浄化されている。
吸蔵還元触媒１は、カリウム（Ｋ）やバリウム（Ｂａ）等の窒素酸化物吸蔵材（トラップ剤）を触媒表面に担持した触媒であり、ＮＯ_２を硝酸塩（ＮＯ_３ ^-）の形で吸蔵する機能を備えている。吸蔵還元触媒１の表面には、上記の窒素酸化物吸蔵材だけでなく、酸化触媒５と同様の触媒貴金属の微粒子も担持されている。これにより吸蔵還元触媒１は、酸化触媒５で生成されたＮＯ_２のほか吸蔵還元触媒１自身が生成したＮＯ_２を酸化雰囲気下で吸蔵する。一方、吸蔵還元触媒１は、触媒の周囲が還元雰囲気になると吸蔵されたＮＯ_３ ^-をＮＯ_２へ還元して、窒素酸化物吸蔵材から放出するようになっている。

例えば、エンジン４のリーン運転状態（エンジン４の通常運転状態）において、触媒表面の窒素酸化物吸蔵材はＮＯ_２をＮＯ_３ ^-として吸蔵し、一方、排気中のＨＣ濃度が比較的高い状態やリッチ運転状態となったときにそのＮＯ_３ ^-をＮＯ_２として排気中へ放出する。なお、ここでいう酸化雰囲気とは排気中の酸素濃度が還元成分（ＨＣ，ＣＯ等）の濃度に対して相対的に高い状態を意味しており、還元雰囲気とは排気中の還元成分が酸素濃度に対して相対的に高い状態を意味している。一般に、エンジンにおける空燃比Ｒをリーンに設定すると排気が酸化雰囲気となり、一方、空燃比Ｒをリッチに設定すると排気が還元雰囲気となる。

吸蔵還元触媒１の表面に担持されている触媒貴金属は、ＨＣ濃度が比較的高くなると、窒素酸化物吸蔵材から放出されたＮＯ_２と排気中のＣＯ及びＨＣをともに酸化・還元させて、ＣＯ_２，Ｎ_２及びＨ_２Ｏを生成する三元触媒として機能している。また、このときＮＯ_２を過剰に燃焼させてアンモニア（ＮＨ_３）を生成するようになっている。つまり吸蔵還元触媒１は、排気中の窒素酸化物を酸化雰囲気下で吸蔵し、その窒素酸化物を還元雰囲気下で還元するとともにその窒素酸化物からアンモニアを生成するといったように、排気の酸化・還元雰囲気を変更することによって化学反応の能動的な制御が可能な触媒である。

選択還元触媒２は、アンモニア添加型の窒素酸化物選択還元触媒であり、吸蔵還元触媒１で生成されたアンモニアを吸蔵し、そのアンモニアを還元剤として窒素酸化物をＮ_２へと還元するものである。以下、選択還元触媒２に吸蔵されているアンモニア量のことを吸蔵量Ｓ_Ｔと呼ぶ。本発明では、窒素酸化物の還元剤としての尿素水溶液を排気中に噴射するのではなく、吸蔵還元触媒１上でアンモニアを積極的に生成して、このアンモニアを窒素酸化物の還元剤とする。そのため、選択還元触媒２は吸蔵還元触媒１の直下流に配設されている。

排気通路７上における選択還元触媒２の上流側（本実施形態では、吸蔵還元触媒１と選択還元触媒２との間）には、選択還元触媒２へ流入する排気中の窒素酸化物濃度Ｃ_１（第一窒素酸化物濃度）を検出する第一センサ２ａ（第一検出手段）が設けられており、一方、選択還元触媒２の下流側にも、選択還元触媒２の内部を流通した排気中の窒素酸化物濃度Ｃ_２（第二窒素酸化物濃度）を検出する第二センサ２ｂ（第二検出手段）が設けられている。これらのセンサ２ａ，２ｂで検出された窒素酸化物濃度Ｃ_１，Ｃ_２は、制御装置３へ入力されてエンジン４の空燃比制御に用いられている。

［２．制御手段］
選択還元触媒２における窒素酸化物の還元能力は、アンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔや選択還元触媒２の雰囲気温度、表面に担持された触媒金属量等によって随時変動する。すなわち、触媒の経時劣化だけでなく、エンジン４の運転状態に依っても窒素酸化物浄化効率が大きく変化することになる。そこで本排気浄化装置の制御装置３では、選択還元触媒２における窒素酸化物還元能力を評価し、還元能力の低下量を吸蔵還元触媒１における窒素酸化物還元能力で補填させるものである。すなわち、選択還元触媒２での能力低下分だけ、吸蔵還元触媒１での窒素酸化物還元能力を向上させる制御を実施する。

制御装置３は、マイクロコンピュータで構成されたエンジン４を制御するための電子制御装置であり、周知のマイクロプロセッサやＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積したＬＳＩデバイスとして提供されている。この制御装置３は、還元能力評価部３ａ（還元能力評価手段）及び空燃比制御部３ｂ（制御手段）を備えている。

還元能力評価部３ａは、選択還元触媒２における窒素酸化物の還元能力を定量的に評価するものである。ここでは、第一センサ２ａ及び第二センサ２ｂで検出された窒素酸化物濃度の差（Ｃ_１−Ｃ_２）を演算してこれを選択還元触媒２で還元された窒素酸化物濃度とし、還元能力の推定の指標とする。また、還元能力評価部３ａには所定の窒素酸化物浄化濃度目標値Ｃ_Ｔが予め設定されており、窒素酸化物浄化濃度目標値から上記の窒素酸化物濃度差（Ｃ_１−Ｃ_２）を減算して、これを窒素酸化物還元能力の低下量Ｖとする（式１）。ここで評価された窒素酸化物還元能力低下量Ｖは、空燃比制御部３ｂへと入力されている。
Ｖ＝Ｃ_Ｔ−（Ｃ_１−Ｃ_２） ・・・（式１）

空燃比制御部３ｂは、窒素酸化物還元能力低下量Ｖに基づいて窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌの短縮時間ｄを設定する。窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌとは、還元雰囲気の生成間隔のことであり、リーン運転状態の継続時間Ｔ_Ｌと同義である。ここでは、窒素酸化物還元能力低下量Ｖが大きいほど、窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌの短縮時間ｄが大きく設定される。

例えば、図２に示すように、窒素酸化物還元能力低下量Ｖが０である場合〔すなわち、窒素酸化物濃度の差（Ｃ_１−Ｃ_２）が窒素酸化物浄化濃度目標値Ｃ_Ｔに等しい場合〕には、窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌの短縮時間ｄが０に設定される。また、窒素酸化物還元能力低下量Ｖが窒素酸化物浄化濃度目標値Ｃ_Ｔに等しい場合〔すなわち、窒素酸化物濃度の差（Ｃ_１−Ｃ_２）が０である場合〕には、窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌの短縮時間ｄが最大値ｄ_Ｍに設定される。

なお、窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌの短縮時間ｄは、窒素酸化物還元能力低下量Ｖの関数として、以下の式２のように一般化することができる。窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌの短縮時間ｄは、図２に示すように、必ずしも窒素酸化物還元能力低下量Ｖと線形関係に設定される必要があるわけではない。
ｄ＝ｆ（Ｖ） 〔ただし、０≦Ｖ≦Ｃ_Ｔ，ｆ（Ｃ_Ｔ）＝ｄ_Ｍ〕・・・（式２）

窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌの短縮時間ｄとは、窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌを通常時よりも短縮して短いサイクルで窒素酸化物パージを実施するためのパラメータである。図３に示すように、空燃比制御部３ｂは定常的なリーン運転状態下（すなわち、空燃比ＲがＲ_２の状態）において間欠的に空燃比ＲをＲ_１（Ｒ_１＜Ｒ_２）まで低下させてリッチ運転状態とする窒素酸化物パージ制御を実施し、還元雰囲気の排気を生成する。ここで、リッチ運転状態の継続時間Ｔ_Ｒは予め設定された所定値であるのに対し、窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌは以下の式３に従って設定される。なお、式３中の時間ｔ_Ａは、選択還元触媒２における窒素酸化物還元能力が全く低下していない状態における標準的な窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌとして予め設定された所定窒素酸化物パージ間隔時間である。
Ｔ_Ｌ＝ｔ_Ａ−ｄ （ただし、０≦ｄ≦ｄ_Ｍ）・・・（式３）

［３．制御作用］
本排気浄化装置の制御作用を説明する。上記のような制御により、窒素酸化物濃度の差（Ｃ_１−Ｃ_２）が小さいほど窒素酸化物還元能力が低下したものとみなされ、窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌが短縮される。一方、窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌが短縮されると、単位時間当たりの燃料噴射の回数が実質的に増加する分だけ燃費が若干低下するものの、還元雰囲気下における吸蔵還元触媒１における窒素酸化物の浄化量が相対的に増加するとともに、アンモニアの生成量も増加する。

図４に、吸蔵還元触媒１における窒素酸化物浄化効率と窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌとの関係を示す。ここには窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌが短縮されるほど、窒素酸化物浄化効率が上昇することが示されている。本実施形態では、窒素酸化物浄化効率との関係を一次関数に近似することのできる範囲で、窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌを制御する構成としている。

例えば、選択還元触媒２における窒素酸化物還元能力が全く低下していない状態において、吸蔵還元触媒１と選択還元触媒２との窒素酸化物浄化量の割合が１：３（２５％：７５％）に設定されているものとし、吸蔵還元触媒１が負担する窒素酸化物浄化量を達成するのに必要な窒素酸化物浄化率が２０％であるとする。この場合、図４のグラフに基づいて窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌを時間ｔ_Ａに設定すれば、選択還元触媒２における窒素酸化物還元能力が低下しない限り、排気浄化装置全体として所望の窒素酸化物浄化能力を得ることができる。

なお、窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌを短縮することにより、吸蔵還元触媒１の窒素酸化物浄化機能が向上するだけでなくアンモニアが生成されるため、選択還元触媒２におけるアンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔも増加する。したがって、選択還元触媒２における窒素酸化物還元能力の低下がアンモニア量の不足に由来するものである場合には、その後速やかに窒素酸化物還元能力が回復することになる。

続いて、選択還元触媒２の窒素酸化物浄化能力が低下し、窒素酸化物還元能力低下量Ｖが図２中に示すＣ_Ａになり、このＣ_Ａが窒素酸化物浄化濃度目標値Ｃ_Ｔの１／３であったとする。この場合、選択還元触媒２の窒素酸化物還元能力はおよそ３３％低下したことになり、選択還元触媒２は排気浄化装置全体として必要な窒素酸化物浄化量のうちの５０％までしか窒素酸化物を浄化することができない状態であると評価される。

これに対し、選択還元触媒２で負担できなくなった窒素酸化物還元能力の低下量、すなわち２５ポイント分（７５％−５０％分）の窒素酸化物浄化能力を吸蔵還元触媒１が代わりに負担すれば、排気浄化装置全体として必要な窒素酸化物浄化量は確保されることになる。この場合、吸蔵還元触媒１における窒素酸化物還元能力が２倍になれば、吸蔵還元触媒１と選択還元触媒２との窒素酸化物浄化量の割合が１：１（５０％：５０％）となるため、図４のグラフに基づいて窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌを時間ｔ_Ｂに設定すればよいことになる。

同様に、選択還元触媒２における窒素酸化物還元能力低下量ＶがＣ_Ｔになった場合には、図４中に示すように、窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌを時間ｔ_Ａ−ｄ_Ｍに設定することで、排気浄化装置全体のうち吸蔵還元触媒１のみが窒素酸化物浄化機能を負担する状態（吸蔵還元触媒１が１００％負担する状態）となり、かつ、排気浄化装置全体として必要な窒素酸化物浄化量が確保される。

［４．効果］
このように、本発明に係る排気浄化装置によれば、選択還元触媒２における窒素酸化物還元能力の低下を吸蔵還元触媒１に補わせることができ、選択還元触媒２が有効に機能しない運転状態下においても、排気浄化装置全体としての窒素酸化物浄化性能を確保することができる。

また、窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌを短縮することにより、吸蔵還元触媒１における窒素酸化物の還元時間を相対的に増大させることができ、吸蔵還元触媒１における窒素酸化物の単位時間当たりの還元量を増加させることができる。これにより、吸蔵還元触媒１における窒素酸化物浄化性能を向上させることができ、排気浄化装置全体としての窒素酸化物浄化性能を確保することができる。

さらに、選択還元触媒２における窒素酸化物還元能力の低下を評価するための手法が簡素であり、選択還元触媒２の上流側及び下流側の窒素酸化物濃度を把握すればよいため、エンジン４で生成された窒素酸化物量を考慮することなく、実際に選択還元触媒２で還元浄化された窒素酸化物量を正確に演算することができ、選択還元触媒２における還元能力を正確に評価することができる。

このように、本排気浄化装置によれば、選択還元触媒２が有効に機能しない運転状態下や劣化の発生等に関わらず、排気浄化装置全体としての窒素酸化物浄化性能を確保することができる。

［５．変形例］
図５に本発明の変形例としての排気浄化装置を示す。なお、上述の実施形態で説明されたものと同一の構成については同一の符号を用いて図中に示し、説明を省略する。本変形例では、選択還元触媒２における窒素酸化物還元能力低下量Ｖを評価する代わりに、窒素酸化物還元能力そのものの大きさを評価するものである。

［５−１．全体構成］
図５に示すように、排気通路７上にはエンジン４から排出される排気流量Ａを検出する排気流量センサ７ａ（流量検出手段）が介装されている。なお、エンジン４への吸気流量とエンジン４からの排気流量Ａとが同一であると仮定すれば、排気流量センサ７ａの代わりに、エンジン４に吸気される吸気流量センサを吸気通路８上に介装した構成としてもよい。排気流量センサ７ａで検出された排気流量Ａは制御装置３へ入力されている。

また、吸蔵還元触媒１には、触媒温度Ｔを検出する触媒温度センサ１ａ（触媒温度検出手段）が内蔵されている。ここで検出された触媒温度Ｔは制御装置３へ入力されている。なお、触媒温度センサ１ａの代わりに吸蔵還元触媒１の上流側又は下流側に排気温度センサを配置してもよい。この場合、触媒温度とその上流又は下流の排気温度との相関関係を利用して、それらの排気温度から触媒温度Ｔを推定することができる。

図６に、吸蔵還元触媒１における触媒温度Ｔとアンモニア生成濃度ｇとの関係を示す。吸蔵還元触媒１は、触媒温度Ｔが第一温度Ｔ_１以下である場合や第二温度Ｔ_２以上（ただし、Ｔ_１＜Ｔ_２）である場合にはほとんどアンモニアを生成せず、第一温度Ｔ_１から第二温度Ｔ_２までの間（所定の温度範囲）である場合にのみアンモニアを生成する特性を有している。そこで、本実施形態では触媒温度ＴがＴ_１＜Ｔ＜Ｔ_２である場合にのみ吸蔵還元触媒１におけるアンモニアの生成量を増加させる制御が実施されている。なお、吸蔵還元触媒１におけるアンモニアの生成濃度ｇは、以下の式４のように一般化して記述できる。
ｇ＝ｆ（Ｔ） ・・・（式４）

また、上述の実施形態と同様に、選択還元触媒２の上流側における排気中の窒素酸化物濃度Ｃ_１（第一窒素酸化物濃度）を検出する第一センサ２ａが設けられている。一方、選択還元触媒２の下流側にはガス濃度センサの類は設けられていない。

［５−２．制御構成］
本変形例の制御装置３′は、選択還元触媒２におけるアンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔを推定することによって窒素酸化物還元能力評価し、その減少量を吸蔵還元触媒１における窒素酸化物還元能力で補填させるものである。この制御装置３′は、還元能力評価部３ａ及び空燃比制御部３ｂを備えて構成され、さらに、還元能力評価部３ａに吸蔵推定量演算部３ｃ（吸蔵推定量演算手段）及び消費量演算部３ｄ（消費量演算手段）を備えて構成される。

吸蔵推定量演算部３ｃは、選択還元触媒２におけるアンモニアの吸蔵推定量Ｓ_Ｓを推定演算するものである。ここではまず、触媒温度センサ１ａで検出された触媒温度Ｔ，排気流量センサ７ａで検出された排気流量Ａ及び図６に示すような予め設定された制御マップに基づいて、以下の式５に従って吸蔵還元触媒１におけるアンモニアの生成量を演算し、これが選択還元触媒２におけるアンモニアの吸蔵推定量Ｓ_Ｓであると評価する。
Ｓ_Ｓ＝Ａ・ｇ ・・・（式５）

つまりここでは、吸蔵還元触媒１で生成されたアンモニアの全てが選択還元触媒２に吸蔵されたものとみなして、その時点での選択還元触媒２の窒素酸化物還元能力のキャパシティを把握している。なお、吸蔵推定量Ｓ_Ｓとは、選択還元触媒２でアンモニアが窒素酸化物の還元に供される直前の時点でのアンモニア吸蔵量に対応するものであり、実際にはこの吸蔵推定量Ｓ_Ｓから窒素酸化物の還元に使用された量を減算したものが吸蔵量Ｓ_Ｔとなる。

一方、消費量演算部３ｄは、第一センサ２ａで検出された窒素酸化物濃度Ｃ_１及び排気流量Ａに基づいて、以下の式６に従って選択還元触媒２の内部へ流入する窒素酸化物量Ｆ（流入窒素酸化物量）を演算する。つまりここでは、選択還元触媒２で消費されるアンモニア量に対応する窒素酸化物量（言い換えると、アンモニアによって還元されることになる予定の窒素酸化物量）を演算することによって、アンモニアの減少量を把握している。なお、式６中のｋはアンモニア量と窒素酸化物量とを対応付けるための係数である。
Ｆ＝ｋ・Ａ・Ｃ_１ ・・・（式６）

上記の演算を経て、還元能力評価部３ａは以下の式７に従って、選択還元触媒２の窒素酸化物還元能力の指標としての吸蔵量Ｓ_Ｔを評価する。ここで評価された吸蔵量Ｓ_Ｔは、空燃比制御部３ｂへ入力される。
Ｓ_Ｔ＝Ｓ_Ｓ−Ｆ ・・・（式７）

空燃比制御部３ｂは、選択還元触媒２におけるアンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔに基づいて窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌの短縮時間ｄを設定する。ここでは、吸蔵量Ｓ_Ｔが少ないほど、窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌの短縮時間ｄが大きく設定される。例えば、図７に示すように、吸蔵量Ｓ_Ｔが０である場合には窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌの短縮時間ｄが最大値ｄ_Ｍに設定される。また、吸蔵量Ｓ_Ｔが十分確保されている場合には、窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌの短縮時間ｄが０に設定される。この窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌの短縮時間ｄを用いて、空燃比制御部３ｂは前述の式３に従って窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌを制御し、窒素酸化物パージ制御を実施する。なお、窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌの短縮時間ｄは、吸蔵量Ｓ_Ｔの関数として、以下の式８のように一般化することができる。
ｄ＝ｆ（Ｓ_Ｔ） 〔ただし、ｆ（０）＝ｄ_Ｍ〕・・・（式８）

［５−３．作用，効果］
このように、本変形例としての排気浄化装置によれば、吸蔵還元触媒１における触媒温度Ｔを把握することにより、アンモニアの生成量を正確に把握することができ、選択還元触媒２におけるアンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔの変化を予測することができる。これにより、選択還元触媒２の下流側に排気の濃度検出に係るセンサを設けることなく、選択還元触媒２の還元能力を正確に評価することが可能となり、コストを抑えつつ、上述の実施形態と同様に正確な制御を実施することができる。

［６．その他］
以上、本発明の一実施形態及びその変形例について説明したが、本発明は上述の実施形態等に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、図６に示すような吸蔵還元触媒１の触媒温度Ｔとアンモニア生成濃度との関係を利用して、触媒温度Ｔに応じて窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌの短縮時間ｄを補正する構成としたり、あるいは触媒温度Ｔが所定の温度範囲Ｔ_１≧Ｔ，Ｔ≧Ｔ_２にある場合に、上述のような窒素酸化物還元能力の補填制御を実施する構成とすることが考えられる。すなわち、吸蔵還元触媒１におけるアンモニアの生成量が期待できない温度領域では不可避的に選択還元触媒２での窒素酸化物浄化能力が低下してしまうため、窒素酸化物還元能力を評価内容に関わらず（あるいは、評価を加味しつつ）窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌを短縮する構成とする。

このような構成により、吸蔵還元触媒１の触媒温度Ｔや排気温度等を基準として、吸蔵還元触媒１の窒素酸化物還元能力と選択還元触媒２の窒素酸化物還元能力との負担配分を自在に設定することが可能となる。例えば、選択還元触媒２が有効に働きやすい温度環境では選択還元触媒２側の負担を大きくし（具体的には、アンモニア生成量を増加させる）、吸蔵還元触媒１が有効に働きやすい温度環境では吸蔵還元触媒１の負担を大きくするような（具体的には、窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌを短縮するような）制御の振り分けが可能となり、排気の状態やエンジン４の運転状態に応じたフレキシブルな制御が可能となるものと考えられる。

また、上述の実施形態及び変形例では、窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌを短縮する制御を実施することによって吸蔵還元触媒１における窒素酸化物還元能力を向上させているが、還元能力を補填させる制御の具体例はこれに限定されず、例えば以下に示すような制御も考えられる。
（ａ）窒素酸化物パージ時のＡ／Ｆをリッチ化する
（ｂ）窒素酸化物パージの継続時間を長期化する

すなわち、図３中に示すリッチ空燃比Ｒ_１をさらにリッチ方向へ制御する（空燃比を低める）ことや、時間Ｔ_Ｒを延長することでも、単位時間当たりの燃料噴射量が増加することになり、還元雰囲気下における吸蔵還元触媒１における窒素酸化物の浄化量が相対的に増加する。したがって、上述の実施形態や変形例と同様に効果を獲得することが可能である。

また、上述の実施形態及び変形例では、排気通路７上に吸蔵還元触媒１と選択還元触媒２とが直列に配設されたものが例示されているが、図８（ａ）に示すように、これらの触媒が一体に形成されたものの場合であっても適用可能である。なお、図８（ａ）は、上述の変形例における吸蔵還元触媒１及び選択還元触媒２を一体の触媒ユニット１０として構成したものである。

具体的には、図８（ｂ）に示すように、セラミック担体１１上に選択還元触媒として機能する選択還元触媒層２′を形成するとともに、さらにその上に吸蔵還元触媒として機能する吸蔵還元触媒層１′を形成することが考えられる。あるいは、図８（ｂ）に示すように、セラミック担体１１上に吸蔵還元触媒層１′を先に形成し、その上に選択還元触媒層２′を形成してもよい。何れの場合においても、吸蔵還元触媒層１′に触媒温度センサ１ａを設けることで、上述の変形例のものと同様の作用効果を獲得することができる。

また、第一センサ２ａ及び第二センサ２ｂの具体例としては、窒素酸化物濃度を直接検出する窒素酸化物ガス濃度センサ等を用いてもよいし、あるいはアンモニア濃度を検出するアンモニアガスセンサやレーザー式分析センサ等を用いてもよいし、あるいはＯ_２センサを用いてその検出結果から窒素酸化物濃度やアンモニア濃度を推定するものとしてもよい。

また、上述の実施形態ではディーゼルエンジン４の排気系に本発明を適用したものが例示されているが、ガソリンエンジンを備えた車両への適用も可能である。

［７．演算方法に関する補足］
なお、上述の実施形態及び変形例で例示されたもの以外の演算手法を用いることも可能である。選択還元触媒２における窒素酸化物還元能力低下量Ｖを評価する手法は、選択還元触媒２上で実際に窒素酸化物が浄化された量（浄化量）を把握する手法と、アンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔを把握して浄化されるはずの量を推測する手法とに大別される。

前者では、上述の実施形態以外の手法として、選択還元触媒２の上流側及び下流側の排気中に含まれるアンモニア濃度と吸蔵量Ｓ_Ｔの増減値とに基づいて、窒素酸化物の浄化量を算出する構成とすることが考えられる。また後者では、エンジン４から排出される窒素酸化物量の積算値を演算する構成や、窒素酸化物パージ間隔Ｔ_Ｌに基づいてアンモニア量及び窒素酸化物量を推定する構成とすることが考えられる。

また、上述の変形例では、吸蔵還元触媒１でのアンモニアの生成量を選択還元触媒２での吸蔵推定量Ｓ_Ｓとしているが、選択還元触媒２の下流側におけるアンモニアの排出量を考慮してより正確に吸蔵推定量Ｓ_Ｓを把握する構成としてもよい。
また、選択還元触媒２の触媒温度を検出する温度センサを設け、その触媒温度に応じて吸蔵推定量Ｓ_Ｓや吸蔵量Ｓ_Ｔを補正する構成を付加することも考えられる。このような構成により、選択還元触媒２における窒素酸化物還元能力の評価がより正確となり、窒素酸化物浄化性能をさらに向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の全体構成を示す模式図である。 本排気浄化装置で設定される窒素酸化物パージ間隔の短縮時間と選択還元触媒の窒素酸化物還元能力低下量との関係を示すグラフである。 本排気浄化装置による制御を説明するためのグラフである。 本排気浄化装置の吸蔵還元触媒における窒素酸化物浄化効率と窒素酸化物パージ間隔との関係を示すグラフである。 本発明の第一変形例としての排気浄化装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第一変形例としての排気浄化装置における吸蔵還元触媒のアンモニア生成温度特性を示すグラフである。 本発明の第一変形例としての内燃機関の排気浄化装置における窒素酸化物パージ間隔の短縮時間と選択還元触媒の窒素酸化物還元能力との関係を示すグラフである。 本発明の第二変形例としての内燃機関の排気浄化装置を説明するためのものであり、（ａ）はその全体構成を示す模式図、（ｂ）及び（ｃ）は（ａ）の要部を拡大した模式的断面図である。

符号の説明

１ 吸蔵還元触媒
１ａ 触媒温度センサ（触媒温度検出手段）
２ 選択還元触媒
２ａ 第一センサ（第一検出手段）
２ｂ 第二センサ（第二検出手段）
３ 制御装置
３ａ 還元能力評価部（還元能力評価手段）
３ｃ 吸蔵推定量演算部（吸蔵推定量演算手段）
３ｄ 消費量演算部（消費量演算手段）
３ｂ 空燃比制御部（制御手段）
４ エンジン（内燃機関）
５ 酸化触媒
６ フィルタ
７ 排気通路
７ａ 排気流量センサ（流量検出手段）
８ 吸気通路
Ｖ 窒素酸化物還元能力低下量
Ｃ_Ｔ 窒素酸化物浄化濃度目標値
Ｃ_１ 選択還元触媒の上流側の窒素酸化物濃度（第一窒素酸化物濃度）
Ｃ_２ 選択還元触媒の下流側の窒素酸化物濃度（第二窒素酸化物濃度）
Ｔ_Ｌ 窒素酸化物パージ間隔
ｔ_Ａ 所定窒素酸化物パージ間隔時間
ｄ 窒素酸化物パージ間隔ＴＬの短縮時間
Ａ 排気流量
ｇ アンモニア生成濃度
Ｆ 流入窒素酸化物量
Ｔ 触媒温度
Ｔ_１ 第一温度
Ｔ_２ 第二温度
Ｓ_Ｔ 吸蔵量（窒素酸化物還元能力の指標）

Claims (6)

1. 内燃機関の排気に含有された窒素酸化物を酸化雰囲気下で吸蔵し、該窒素酸化物を還元雰囲気下で還元するとともに該窒素酸化物からアンモニアを生成する吸蔵還元触媒と、
   該アンモニアを吸蔵するとともに該アンモニアを還元剤として該窒素酸化物を還元する選択還元触媒とを含んでなる内燃機関の排気浄化装置であって、
   該選択還元触媒における該窒素酸化物の還元能力を定量的に評価する還元能力評価手段と、
   該還元能力評価手段で評価された該選択還元触媒における該窒素酸化物の該還元能力の低下を該吸蔵還元触媒における該窒素酸化物の還元能力で補填させる制御を実施する制御手段と、を備え、
   該制御手段が、該排気浄化装置全体の該窒素酸化物還元能力に対する該吸蔵還元触媒の負担配分を向上させる
   ことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
2. 該制御手段が、該選択還元触媒の該還元能力の低下分だけ、該吸蔵還元触媒の該還元能力を向上させる
   ことを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 該制御手段において、該還元能力評価手段で評価された該還元能力が低下するほど、該排気の該還元雰囲気の生成間隔を短縮させる
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 排気通路における該選択還元触媒の上流側の第一窒素酸化物濃度を推定又は検出する第一検出手段と、
   該排気通路における該選択還元触媒の下流側の第二窒素酸化物濃度を推定又は検出する第二検出手段とをさらに備え、
   該還元能力評価手段が、該第一窒素酸化物濃度と該第二窒素酸化物濃度との差に基づいて該還元能力を評価する
   ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 該吸蔵還元触媒における触媒温度を推定又は検出する触媒温度検出手段をさらに備え、
   該制御手段が、該触媒温度検出手段で得られた該触媒温度が予め設定された所定の温度範囲内にある場合に、該選択還元触媒における該窒素酸化物の該還元能力の低下量を該吸蔵還元触媒における該窒素酸化物の還元能力で補填させる制御を実施する
   ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 排気通路における該選択還元触媒の上流側の第一窒素酸化物濃度を推定又は検出する第一検出手段と、
   該吸蔵還元触媒における触媒温度を推定又は検出する触媒温度検出手段と、
   該排気通路における排気流量又は吸気通路における吸気流量を推定又は検出する流量検出手段と、
   該触媒温度に基づいて該アンモニアの生成濃度を推定するとともに、該排気流量又は該吸気流量と該アンモニアの生成濃度とに基づいて該選択還元触媒に吸蔵された該アンモニアの吸蔵推定量を演算する吸蔵推定量演算手段と、
   該排気流量又は該吸気流量と該第一窒素酸化物濃度とに基づいて該選択還元触媒上で消費される該アンモニアの消費量を演算する消費量演算手段と、をさらに備え、
   該還元能力評価手段が、該吸蔵推定量演算手段で演算された該吸蔵推定量と該消費量演算手段で演算された該消費量との差に基づいて該還元能力を評価する
   ことを特徴とする、請求項１〜３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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