JP6149892B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本願発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路には、排気中のＮＯｘを還元するための選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」とも言う）を備える場合がある。一般には、ＮＯｘ触媒は、ゼオライトの細孔内部に、ＦｅやＣｕ等のＮＯｘに対する選択還元性を示す少なくとも１種の活性成分がイオン交換により担持されて形成されている。

このＮＯｘ触媒においては、アンモニア等の還元剤が供給されることで排気中のＮＯｘが選択的に還元されるが、ＮＯｘ触媒においては特にその触媒温度が低温である場合に、十分なＮＯｘの浄化効率が得られにくい。そこで、例えば、特許文献１に示す技術では、ＮＯｘ触媒を下層触媒と上層触媒の２層構造とし、その下層触媒に貴金属による酸化機能を付与し、その上層触媒には酸化機能を付与せず還元機能のみを付与する構成が開示されている。そして、下層触媒によりＮＯをＮＯ_２に酸化し、そのＮＯ_２を上層触媒におけるアンモニアとのＮＯｘ還元に利用する点に言及がなされている。

特開２００８−２７９３３４号公報 特開２０１４−００５７４２号公報

上記従来技術によれば、ＮＯｘ触媒を下層触媒と上層触媒の二層構造とするとともに、下層触媒に付与された酸化能力により排気中のＮＯをＮＯ_２に酸化させて、そのＮＯ_２を上層触媒でのＮＯｘ還元に利用している。一方で、ＮＯｘ触媒の温度が上昇しその下層触媒の酸化能力が顕著となると、ＮＯｘ還元のための還元剤であるアンモニアが不用意に酸化されＮＯ_２を含むＮＯｘの生成量が増加してしまい、結果としてＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率が低下する可能性がある。

このように層状に形成されたＮＯｘ触媒においては、各層に割り当てられたＮＯｘ還元能力や酸化能力等の機能に応じて、ＮＯｘ還元のための還元剤を適切に到達させなければ、ＮＯｘ触媒としての好適なＮＯｘ浄化能力を発揮させることが困難となる。このようなＮＯｘ触媒における還元剤の到達は、ＮＯｘ触媒内での排気拡散と大きく関連するものであって、そして、ＮＯｘ触媒の各層における、還元剤を含む排気の拡散程度は、排気流速に大きく依存する。そのため、ＮＯｘ触媒に対して、排気流速の影響を考慮せずにＮＯｘ還元のための還元剤を排気に添加するだけでは、ＮＯｘ触媒の還元能力を十分に発揮させることは困難と言わざるを得ない。

本願発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ＮＯｘ触媒に流れ込む流入排気の流速にかかわらず、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元能力を好適に発揮させるための技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本出願人は、ＮＯｘ還元性を有する第１触媒層と酸化能を有する第２触媒層とを有する選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む流入排気に還元剤を添加す
るに際して、その添加期間での還元剤雰囲気の還元剤濃度を流入排気の流速に応じて調整する構成を採用した。当該還元剤雰囲気の還元剤濃度は、単位時間での、排気中に還元剤が添加されて形成される還元剤雰囲気（すなわち、還元剤を含む排気）において該添加された還元剤が占める割合として定義される。例えば、当該還元剤濃度は、単位時間当たりに添加された還元剤量を、単位時間当たりの排気量で除した値として算出できる。そして、添加期間での還元剤雰囲気の還元剤濃度が調整されることで、添加された還元剤の選択還元型ＮＯｘ触媒における拡散の程度が変化する。このように還元剤濃度を調整することで、選択還元型ＮＯｘ触媒における還元剤の到達状況を、ＮＯｘ還元能力が好適に発揮され得る状況とすることができる。

より詳細には、本願発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、アンモニア由来の還元剤によりＮＯｘに対する選択還元性を有する触媒粒子で形成された触媒層が触媒基材上に配置された選択還元型ＮＯｘ触媒であって、ＮＯｘ還元性を示す第１触媒層と、酸化能を示す触媒層であって該第１触媒層よりも該触媒基材側に配置される第２触媒層とを少なくとも有する選択還元型ＮＯｘ触媒と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む流入排気に、ＮＯｘの還元のための還元剤を所定添加量添加する添加手段と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が、前記第１触媒層によるＮＯｘ還元が行われる所定温度を超えるとき、還元剤添加期間において前記流入排気中に形成される還元剤雰囲気の還元剤濃度が、該流入排気の流速に基づいて決定される、還元剤が前記第２触媒層に到達しないとされる所定濃度となるように、該流入排気の流速に基づいて前記添加手段による還元剤添加を制御する制御手段と、を備える。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置が有する選択還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ触媒）は、触媒基材上に複数の触媒層が配置されて形成され、当該複数の触媒層には、上記第１触媒層と第２触媒層とが少なくとも含まれる。上記ＮＯｘ触媒においては、第１触媒層と第２触媒層以外の触媒層が含まれることは妨げられない。ここで、第２触媒層は、第１触媒層よりも触媒基材側に位置することになるため、排気は、先ず、触媒外から第１触媒層に流れ込み、その後に第２触媒層に流れ込むことになる。この場合触媒基材から見たときに第２触媒層が第１触媒層の下側に位置することから、本願では、第１触媒層に対する第２触媒層の相対位置を下側、逆に第２触媒層に対する第１触媒層の相対位置を上側と称する場合もある。

ここで、第１触媒層はＮＯｘに対する還元性を示す触媒層であり、一方で、第２触媒層は酸化能を有する触媒層である。なお、第２触媒層は、ＮＯｘに対する還元性を示す触媒層であって、例えば、その触媒温度に応じて酸化能を発揮する触媒層であっても構わない。このように第１触媒層と第２触媒層を有するＮＯｘ触媒は、少なくとも第１触媒層により排気中のＮＯｘ還元浄化を可能とする。第２触媒層は、その酸化能により、例えば従来技術に示すように排気中のＮＯをＮＯ_２に酸化し、それを第１触媒層に供給することで第１触媒層でのＮＯｘ還元を促進させることができる。また、その構成により、ＮＯｘ触媒を、排気通路の最下流側に配置され、外部へのアンモニア放出を抑制させるための触媒として形成してもよい。

ＮＯｘ触媒においてＮＯｘ還元が行われるには、その温度が第１触媒層によるＮＯｘ還元が行われる所定温度に到達する必要がある。そして、ＮＯｘ触媒の温度が所定温度に到達すると、第２触媒層の温度も概ね所定温度に到達することになるが、その場合、一般には、第２触媒層の酸化能も無視できない程度に発現された状態となる。そのため、ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ還元のために添加手段によって還元剤が排気に添加された場合、その還元剤により生じたアンモニアが第２触媒層に到達すると、その酸化能によりＮＯｘが生成され、その生成量次第では第１触媒層でのＮＯｘ還元が十分に間に合わず、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元効率が低下してしまう可能性がある。そのため、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ還元の
効率化の観点からは、還元剤より生じたアンモニアは、第２触媒層に到達しない範囲で、ＮＯｘ触媒に供給されるのが好ましい。

しかし、ＮＯｘ触媒におけるアンモニアの拡散の程度は常に一定ではなく、ＮＯｘ触媒に流れ込む流入排気の流速に大きく依存する。すなわち、添加手段により排気に還元剤が添加されることで形成される還元剤雰囲気は、その還元剤濃度が一定であれば、流入排気の流速が低いほどＮＯｘ触媒に滞在する時間が長くなり、ＮＯｘ触媒において下側に配置されている第２触媒層に到達しやすくなる。そして、第２触媒層に到達した還元剤雰囲気内のアンモニアは、その酸化能によりＮＯｘ化することになる。

そこで、本発明に係る排気浄化装置では、制御手段により、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が、前記第１触媒層によるＮＯｘ還元が行われる所定温度を超えるとき、還元剤添加期間において前記流入排気中に形成される還元剤雰囲気の還元剤濃度が、該流入排気の流速に基づいて決定される、還元剤が前記第２触媒層に到達しないとされる所定濃度となるように、該流入排気の流速に基づいて前記添加手段による還元剤添加が制御される。すなわち、上述したＮＯｘ触媒における還元剤雰囲気の拡散程度と流入排気の流速との相関を考慮して、ＮＯｘ触媒の温度が所定温度を超えるときは、流入排気の流速に基づいて還元剤雰囲気の還元剤濃度が所定濃度となるように、添加手段による還元剤添加が制御されることになる。ここで、本発明に係る排気浄化装置では、添加手段により所定添加量の還元剤が添加されることで還元剤雰囲気が形成される。当該所定添加量は、還元剤添加期間の間に添加される還元剤量であり、すなわち当該還元剤添加期間においてＮＯｘ触媒で行われるＮＯｘ還元のために添加される還元剤量であり、ＮＯｘ触媒に吸着しているアンモニア量や排気中のＮＯｘ濃度等の、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ還元の条件に応じて決定される。

このようにＮＯｘ触媒の温度が所定温度を超えたときには、還元剤添加によって形成される還元剤雰囲気の還元剤濃度は、所定濃度となる。その結果、添加手段によって還元剤が添加された際の、流入排気の流速にかかわらず、ＮＯｘ触媒における還元剤雰囲気の拡散程度を、そこに含まれるアンモニアが第２触媒層に到達しない程度に抑制することが可能となる。この結果、第１触媒層によるＮＯｘ還元を効果的に促進させながら、第２触媒層によるＮＯｘの生成を抑制でき、以て、排気流速にかかわらずＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元能力を好適に発揮させることが可能となる。なお、所定濃度は固定値でもよく、排気流速に応じて変動する値であってもよい。

ここで、上記の内燃機関の排気浄化装置において、前記制御手段は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定温度を超えるとき、前記流入排気中に形成される還元剤雰囲気の還元剤濃度が、前記所定添加量が同量の条件において、すなわち、前記還元剤添加期間の間に添加される所定添加量が同量の条件において、前記流入排気の流速が低い場合は、該流入排気の流速が高い場合と比べて低くなるように設定された前記所定濃度となるように、該流入排気の流速に基づいて前記添加手段による還元剤添加を制御してもよい。すなわち、制御手段は、排気流速が低いとき（以下、単に「低流速時」とも言う）において、排気への還元剤添加量を変化させることなくＮＯｘ触媒への流入排気中に、排気流速が高いとき（以下、単に「高流速時」とも言う）と比べて低濃度となる上記所定濃度の還元剤雰囲気を形成させるように還元剤添加を制御する。

このように低流速時には、制御手段により、高流速時と比べて低濃度の還元剤雰囲気が形成される。当該還元剤雰囲気は、相対的に還元剤濃度が低くなっているため、低流速の状態で還元剤雰囲気がＮＯｘ触媒に対して第１触媒層から入り込んだとしても、そこに含まれるアンモニアは触媒基材側（下側）に位置する第２触媒層に到達しにくくなる。この結果、低流速時には第２触媒層に還元剤が到達しにくくなるため、排気流速にかかわらず
ＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元効率を高めることが可能となる。また、この還元剤雰囲気の形成に際しては還元剤量の増減は行われていないため、第１触媒層にＮＯｘ還元のための適量の還元剤を届けることが可能である。

ここで、上記の内燃機関の排気浄化装置において、前記添加手段により前記所定添加量の還元剤が排気に添加されると、前記還元剤雰囲気の還元剤濃度は時間とともに変動する中で前記所定濃度に到達し、その場合、前記流入排気の流速が低い場合における前記還元剤雰囲気の還元剤濃度の高低差は、該流入排気の流速が高い場合における該還元剤雰囲気の高低差と比べて小さくなってもよい。このように低流速時に、還元剤雰囲気の還元剤濃度の高低差を縮小させることで、より低濃度の還元剤雰囲気を排気中に形成することになる。その結果、上記の通り、排気流速にかかわらずＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元効率を高めることが可能となる。

また、前記添加手段により前記所定添加量の還元剤が排気に添加されると、前記還元剤雰囲気の還元剤濃度は時間とともに変動する中で前記所定濃度に到達する場合、前記流入排気の流速が低い場合における前記還元剤雰囲気の還元剤濃度のピーク値は、該流入排気の流速が高い場合における該還元剤雰囲気のピーク値と比べて低くなってもよい。このように低流速時に、還元剤雰囲気の還元剤濃度のピーク値をより低くすることでより低濃度の還元剤雰囲気を排気中に形成し、以て、第２触媒層への還元剤の到達を抑制することが可能となる。

また、上述の内燃機関の排気浄化装置において、前記第１触媒層は、高温でのＮＯｘ還元性が高い触媒層（以下、「高温触媒層」とも言う）であり、前記第２触媒層は、低温でのＮＯｘ還元性が高い触媒層（以下、「低温触媒層」とも言う）であってもよい。そして、前記第２触媒層は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定温度を超える場合、該所定温度以下である場合と比べて、前記還元剤に対する酸化能が強くなるように形成される。このように複数のＮＯｘ還元性を示す触媒層を有するようにＮＯｘ触媒が形成される場合においても、上記のように、流入排気の流速に基づいて還元剤雰囲気の還元剤濃度を所定濃度となるように調整することで、排気流速にかかわらずＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元効率を高めることが可能となる。

なお、上記の内燃機関の排気浄化装置において、低温触媒層はＣｕ元素でゼオライト結晶がイオン交換されて形成された触媒粒子を含むように形成されてもよく、一方で高温触媒層はＦｅ元素でゼオライト結晶がイオン交換されて形成された触媒粒子を含むように形成されてもよい。また、別の形態として、低温触媒層はＭｎ酸化物であるＳｎＭｎＣｅＯｘで形成された触媒粒子を含むように形成されてもよく、一方で高温触媒層は同じようにＦｅ元素でゼオライト結晶がイオン交換されて形成された触媒粒子を含むように形成されてもよい。なお、Ｓｎ及びＣｅは、ＮＯｘ触媒の耐久性を向上させるために添加された成分である。したがって、耐久性向上のために又はその他の目的のためにＳｎ、Ｃｅ以外の成分が添加されたＭｎ酸化物、または、当該他の成分が添加されていないＭｎ酸化物も、本願発明におけるＭｎ酸化物の範疇に属するものである。また本発明は、これら以外の態様の触媒粒子により低温触媒層及び高温触媒層が形成されることを除外するものではない。

また、上述までの内燃機関の排気浄化装置は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定温度を超えている場合に還元剤が前記第２触媒層に到達するか否かを判定する判定手段と、前記判定手段によって還元剤が前記第２触媒層に到達すると判定される場合に、前記制御手段により減少される前記流入排気の還元剤濃度の減少分を算出する濃度減少算出手段と、を更に備えてもよい。その場合、前記制御手段は、前記濃度減少算出手段によって算出された前記還元剤濃度の減少分に応じて、前記添加手段による還元剤添加を制御し前記流入排気の還元剤濃度を前記所定濃度とする。

このような構成によれば、制御手段による上述した比較的低濃度である所定濃度の還元剤雰囲気の形成は、判定手段によって還元剤が低温触媒層に到達すると判定される場合に行われることになる。判定手段による判定は、ＮＯｘ触媒での還元剤雰囲気の拡散程度に関連するパラメータ、例えば、流入排気の流速等に基づいて実行することができる。また、制御手段による所定濃度の還元剤雰囲気の形成は、濃度減少算出手段により算出された還元剤濃度の減少分に応じて実行されるため、第２触媒層への還元剤到達を抑制するための所定濃度の還元剤雰囲気の形成が可能となる。なお、当該還元剤濃度の減少分は、判定手段による判定で利用されたＮＯｘ触媒での還元剤雰囲気の拡散程度に関連するパラメータ等を考慮して算出することができる。

ここで、上記濃度減少算出手段を備える排気浄化装置において、前記判定手段によって還元剤が前記第２触媒層に到達しないと判定される場合に、前記流入排気の還元剤濃度が、還元剤が該第２触媒層に到達しない範囲で前記制御手段により増加可能な還元剤濃度の増加分を算出する濃度増加算出手段を、更に備えるようにしてもよい。その場合、前記制御手段は、前記濃度増加算出手段によって算出された前記還元剤濃度の増加分に応じて、前記添加手段による還元剤添加を制御する。ＮＯｘ触媒に対して還元剤を供給する場合、その還元剤雰囲気の還元剤濃度を高くするほど、第１触媒層の深部にまで還元剤を送り届けやすくなり、第１触媒層での効果的なＮＯｘ還元が期待される。一方で、還元剤濃度が高くなるほど、還元剤雰囲気が第２触媒層にまで到達しやすくなる。そこで、上記のように、制御手段は、還元剤が第２触媒層に到達しないと判定される場合には、還元剤が第２触媒層に到達しない範囲での還元剤濃度を、濃度増加算出手段によって算出された増加分に従って高める。これにより、第２触媒層による還元剤の酸化を抑制しながら、第１触媒層でのＮＯｘ還元を効果的に実現することができる。なお、当該還元剤濃度の増加分は、判定手段による判定で利用されたＮＯｘ触媒での還元剤雰囲気の拡散程度に関連するパラメータ等を考慮して算出することができる。

ここで、上述までの内燃機関の排気浄化装置において、前記制御手段は、前記所定添加量の還元剤を排気に添加する際に、前記添加手段による単位時間当たりの還元剤の添加量を減量するとともに該添加手段による添加開弁時間を長くすることで、前記流入排気の還元剤濃度を低くしてもよい。また、別法として、前記制御手段は、添加と休止を交互に繰り返す形式で前記所定添加量の還元剤を排気に添加する際に、隣接する還元剤の添加間隔を長くすることで前記流入排気の還元剤濃度を低くしてもよい。何れにせよ本発明に係る排気浄化装置では、所定添加量が同量となる条件の下で制御手段による還元剤添加の制御が行われることにより、流入排気の流速にかかわらず第２触媒層への還元剤到達を抑制することができる。

本願発明によれば、ＮＯｘ触媒に流れ込む流入排気の流速にかかわらず、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元能力を好適に発揮させることができる。

二層の触媒層を有する選択還元型ＮＯｘ触媒を用いた内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。 図１Ａに示す排気浄化装置に用いられる選択還元型ＮＯｘ触媒の概略構成を示す図である。 選択還元型ＮＯｘ触媒における活性成分としてのＣｕ及びＦｅの、触媒温度とＮＯｘに対する選択還元能力との相関を示す図である。 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置で行われる尿素水添加の第１の形態と、選択還元型ＮＯｘ触媒での還元剤であるアンモニアの拡散の状況との相関を示す図である。 本願発明に係る内燃機関の排気浄化装置で行われる尿素水添加の添加開弁時間と選択還元型ＮＯｘ触媒への流入排気の流速との相関等を示す図である。 本願発明に係る尿素水添加が行われたときの選択還元型ＮＯｘ触媒への流入排気に形成される還元剤雰囲気での、還元剤濃度の推移を示す図である。 本願発明に係る内燃機関の排気浄化装置で実行されるＮＯｘ浄化制御のフローチャートである。 図５に示すＮＯｘ浄化制御で使用される、低温触媒層へのアンモニアの到達の有無を判定するための制御マップ、及び低温触媒層へのアンモニア到達を抑制するための添加開弁時間を決定するための制御マップを示す第１の図である。 図５に示すＮＯｘ浄化制御で使用される、低温触媒層へのアンモニアの到達の有無を判定するための制御マップ、及び低温触媒層へのアンモニア到達を抑制するための添加開弁時間を決定するための制御マップを示す第２の図である。 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置で行われる尿素水添加の第２の形態を示す図である。 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置で行われる尿素水添加の第３の形態を示す図である。 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置で行われる尿素水添加の第４の形態を示す図である。 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置で行われる尿素水添加の第５の形態を示す図である。 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置に適用可能な、三層の触媒層を有する選択還元型ＮＯｘ触媒の構成を示す図である。

以下、本願発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

本願発明に係る選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」ともいう）の実施例について、本願明細書に添付された図に基づいて説明する。図１Ａは、ＮＯｘ触媒３が搭載される、内燃機関１の排気浄化装置を表している。図１Ａに示す内燃機関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としては、ディーゼルエンジンに限られるものではなく、ガソリンエンジン等であってもよい。なお、図１Ａにおいては、排気通路２を流れる排気の一部を吸気系に再循環させるＥＧＲ装置等の記載は省略されている。

内燃機関１の排気通路２には、排気中のＮＯｘを、アンモニアを還元剤として選択還元するＮＯｘ触媒３が配置されている。更に、ＮＯｘ触媒３において還元剤として作用するアンモニアを生成するために、尿素タンク４に貯留されている、アンモニアの前駆体である尿素水が、ＮＯｘ触媒３の上流側に位置する供給弁５によって排気中に添加される。供給弁５から添加された尿素水が排気の熱で加水分解されて、アンモニアが生成され、当該アンモニアが順次、ＮＯｘ触媒３に流れ込んでそこに吸着し、吸着したアンモニアと排気中のＮＯｘとの還元反応が生じ、ＮＯｘの還元浄化が行われる。なお、本実施例では、上
記の通り供給弁５から尿素水が添加されるが、それに代えて、アンモニア又はアンモニア水を直接排気に供給してもよい。更に、ＮＯｘ触媒３の下流側に、そこからスリップしてくるアンモニアを酸化するための酸化触媒であるＡＳＣ触媒が設けられてもよい。

ＮＯｘ触媒３は、触媒基材３３に触媒粒子を含むスラリーが塗布され、その後の乾燥、焼結工程を経て形成される。具体的には、図１Ｂに示すように、ＮＯｘ触媒３は、第１触媒層３１と第２触媒層３２を有し、該第２触媒層３２は触媒基材３３側に配置され、該第１触媒層３１は排気通路２における排気の流れに近い位置に配置されている。したがって、第２触媒層３２は、第１触媒層３１と触媒基材３３との間に挟まれるように配置されており、排気中のＮＯｘは、第１触媒層３１に入り込みそこを拡散して第２触媒層３２へと到達することになる。なお、このように複数の触媒層が触媒基材上にコートされて形成される複数層コート型のＮＯｘ触媒の構造自体は、従来より知られた構造であるので、その製造工程の詳細については本願では説明を割愛する。

ここで、第１触媒層３１を形成する触媒粒子について説明する。当該触媒粒子は、ゼオライト結晶の一部が、排気中のＮＯｘに対して選択還元性を示す活性成分であるＦｅ（鉄）元素でイオン交換されて形成された触媒粒子であり、該触媒粒子がバインダによって結合されることで、第１触媒層３１が形成されている。このように構成される第１触媒層３１に排気が流れ込むことで、排気中のＮＯｘが、還元剤のアンモニアとともに第１触媒層３１のゼオライト細孔内に拡散していき、ＮＯｘ還元反応が生じることになる。

ここで、ＮＯｘ触媒３において用いられる第１触媒層３１における、ＮＯｘに対する選択還元性を示す活性成分としては、上記の通り、Ｆｅが用いられている。そして、このようにゼオライト結晶をＦｅでイオン交換することで形成されるＮＯｘ触媒（以下、「Ｆｅ交換型ＮＯｘ触媒」という）は、図２のＬ１で示すように、相対的に高温時（例えば、４００℃より高い温度領域時）でのＮＯｘ浄化能が高くなる傾向がある。一方で、ＮＯｘ触媒３において用いられる第２触媒層３２における、ＮＯｘに対する選択還元性を示す活性成分としては、ＮＯｘに対する選択還元性を示す別の活性成分としてＣｕが用いられている。このようにゼオライト結晶をＣｕでイオン交換することで形成されるＮＯｘ触媒（以下、「Ｃｕ交換型ＮＯｘ触媒」という）は、図２のＬ２で示すように、相対的に低温時（例えば、２３０℃〜４００℃の温度領域時）でのＮＯｘ浄化能が高くなる傾向がある。これは、このＣｕ交換型ＮＯｘ触媒は、Ｆｅ交換型ＮＯｘ触媒よりも酸化能力が強いとされるため、高温時には酸素と還元剤との反応に選択性を強く示し、以てＮＯｘ還元のための還元剤であるアンモニアを酸化してＮＯｘを生成する傾向が強くなり、ＮＯｘ浄化率が低下してしまうためである。

以上より、第１触媒層３１は本発明の第１触媒層に相当し、第２触媒層３２はアンモニアに対する酸化能を有することから本発明の第２触媒層に相当する。そして、ＮＯｘ触媒３が、図１Ｂに示すように第１触媒層３１と第２触媒層３２を有し触媒層が積層された状態で形成されることで、比較的広いＮＯｘ触媒３の温度幅においてＮＯｘを還元浄化することが可能となる。すなわち、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側の浄化領域Ｔ２に属している場合は、主に第２触媒層３２によるＮＯｘ還元性能を利用してＮＯｘを浄化し、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側の浄化領域Ｔ３に属している場合は、主に第１触媒層３１によるＮＯｘ還元性能を利用してＮＯｘを浄化することが期待される。なお、第１触媒層３１が第２触媒層３２の上側に配置されているため、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合では、排気中のアンモニアを第１触媒層３１で可能な限り消費し、第２触媒層３２へ到達させないようにすることで、アンモニアのＮＯｘへの転換を阻止するのが好ましい。この点については、その詳細は後述する。

また、ＮＯｘ触媒３の温度に関し、低温側浄化領域Ｔ２より低温側の領域Ｔ１は、ＮＯ
ｘ触媒３が十分に活性しておらずＮＯｘの還元浄化が見込まれない温度領域である。そこで、この領域Ｔ１は未活性領域と称する。更に、高温側浄化領域Ｔ３より高温側の領域Ｔ４は、高温化により第１触媒層３１でのＮＯｘ浄化率も低下していく領域である。そこで、この領域Ｔ４は過昇温領域と称する。これら未活性領域Ｔ１及び過昇温領域Ｔ４では、ＮＯｘ触媒３によるＮＯｘの還元浄化は見込めないため、供給弁５からの尿素水添加は原則として行われない。

また、ＮＯｘ触媒３の上流側には、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１０が設けられ、ＮＯｘ触媒３の下流側には、ＮＯｘ触媒３から流れ出る排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１１が設けられている。更に、ＮＯｘ触媒３の下流側には、ＮＯｘ触媒３から流れ出る排気温度を検出する温度センサ１４が設けられる。そして、内燃機関１には電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０が併設されており、該ＥＣＵ２０は内燃機関１の運転状態や排気浄化装置等を制御するユニットである。ＥＣＵ２０には、上述したＮＯｘセンサ１０、１１、温度センサ１４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や、内燃機関１の吸気通路２５に設置されたエアフローメータ２６等が電気的に接続され、各センサの検出値がＥＣＵ２０に渡される。したがって、ＥＣＵ２０は、エアフローメータ２６の検出値に基づく吸入空気量やそれに基づいて算出される排気流速や、クランクポジションセンサ２１の検出に基づく機関回転数や、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の運転状態に関するパラメータを把握可能である。

なお、本実施例では、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘ濃度はＮＯｘセンサ１０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）のＮＯｘ濃度は、内燃機関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。

そして、このように検出、推定される排気中のＮＯｘ濃度に応じて、ＥＣＵ２０は供給弁５に指示を出し、ＮＯｘの還元浄化に必要な量の尿素水が排気中に添加される。例えば
、以下の式１で決定されるＮＯｘ触媒３による実際のＮＯｘ浄化率が、排気浄化の観点から好ましい所定の範囲に収まるように、供給弁５からの尿素水の添加量が決定されてもよく、また、別法として、推定されるＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニア量に基づいて供給弁５からの尿素水の添加量が決定されてもよい。
ＮＯｘ浄化率 ＝ １−（ＮＯｘセンサ１１の検出値）／（ＮＯｘセンサ１０の検出値） ・・（式１）

ここで、上記の通り、ＮＯｘ触媒３においては、高温時のＮＯｘ還元性が相対的に高い第１触媒層３１が上側に配置されており、ＮＯｘ触媒３の温度が、その第１触媒層３１によるＮＯｘ還元が行われる高温側浄化領域Ｔ３に属している場合には、第１触媒層３１の下側に位置する第２触媒層は、還元剤であるアンモニアに対する酸化能が顕著となる。そのため、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合、ＮＯｘ触媒３としてのＮＯｘ還元効率を高めるためには、還元剤であるアンモニアを第１触媒層３１に供給しつつ、第２触媒層３２への到達を抑制する必要がある。すなわち、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ還元効率の観点に立てば、複数の触媒層を有するＮＯｘ触媒における還元剤雰囲気の拡散を適切に制御する必要があることになる。

なお、ＮＯｘ触媒３は、排気通路２を流れる排気が流れ込むように構成されている。そして、供給弁５から排気に添加された尿素水により排気中に形成される還元剤雰囲気は、排気とともにＮＯｘ触媒３に流れ込む。したがって、ＮＯｘ触媒３の内部における還元剤雰囲気の拡散は、ＮＯｘ触媒３に流れ込む流入排気（以下、単に「流入排気」という）の
流速の影響を大きく受けることになる。具体的には、還元剤雰囲気の還元剤濃度（アンモニア濃度）が等しい場合に、流入排気の流速が高いほど、ＮＯｘ触媒３での触媒層の積層方向に還元剤が拡散しにくく、且つ、排気流れ方向に還元剤が拡散しやすくなる。換言すれば、還元剤雰囲気の還元剤濃度が等しい場合に、流入排気の流速が低いほど、ＮＯｘ触媒３での触媒層の積層方向に還元剤が拡散しやすく、且つ、排気流れ方向に還元剤が拡散しにくくなる。

この点を踏まえて、本発明に係る排気浄化装置では、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属する場合には、ＮＯｘ触媒３において適切な還元剤雰囲気の拡散を実現するために、ＮＯｘ触媒３への流入排気の流速に基づいて供給弁５による尿素水添加の形態を制御する。以下、図３に基づいて、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属する場合の尿素水添加について概略的に説明する。図３の上段（ａ）は、供給弁５からＮＯｘ還元浄化のための所定添加量の尿素水を添加する際の、供給弁５からの添加開弁時間（すなわち、供給弁５が開弁し排気中に尿素水を射出している時間）と、それにより排気に形成される還元剤雰囲気（すなわち、ＮＯｘ触媒３に流れ込む還元剤雰囲気）のアンモニア濃度との相関（以下、「濃度相関」という）を模式的に示したものである。なお、この添加開弁時間での尿素水添加は、所定の添加期間において繰り返し実行されるものである。すなわち、所定の添加期間においては、尿素水からの添加が行われている上記添加開弁時間以外に、尿素水の添加が行われていない時間が含まれる（後述の図４Ｂを参照）。また、その下段（ｂ）は、ＮＯｘ触媒３での還元剤雰囲気（アンモニア）の拡散の状況を模式的に示している。また、還元剤雰囲気のアンモニア濃度は、単位時間で生成されるアンモニア量を単位時間の排気量で除した値として算出される。

ここで、図３（ａ）に示すＬ３及びＬ４は、供給弁５から同じ所定添加量の尿素水が排気に添加されたときの濃度相関を示しており、具体的には、Ｌ３は標準拡散モデルに従った濃度相関を示し、Ｌ４は本発明に従った濃度相関を示している。当該標準拡散モデルは、流入排気の流速を考慮せずに、ＮＯｘ触媒３の上層側から還元剤雰囲気が下層側に順次拡散していく、標準的な拡散モデルである。このような標準拡散モデルでは、排気流速は考慮されないため、実際のＮＯｘ触媒３での還元剤雰囲気の拡散は、排気流速の影響を多分に受けることになり得る。例えば、排気流速が比較的に低い場合には、上記の通りＮＯｘ触媒３においてその触媒層の積層方向に還元剤が拡散しやすくなるため、図３（ｂ）においてＲ１で示すような、積層方向に広がりのある拡散傾向が強くなり、場合によっては、還元剤雰囲気の一部が第２触媒層３２に到達し、その酸化能に晒されることになる。このように、標準拡散モデルでは、還元剤の添加開弁時間Δｆ１は、還元剤雰囲気の拡散程度に関連する流入排気の流速に関連しないパラメータに基づいて決定されている。

一方で、本発明においては、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している際には第２触媒層３２へのアンモニア到達を抑制するための尿素水添加が実行される。すなわち、流入排気の流速が比較的低い場合には還元剤雰囲気が触媒層の積層方向に拡散しやすいことを考慮し、特に還元剤雰囲気が第２触媒層３２に到達しないように、還元剤雰囲気の還元剤濃度を低下させた状態で尿素水添加が実行される。具体的には、供給弁５の射出圧力が低減されて、標準拡散モデルに従った場合の添加開弁時間Δｆ１よりも長い添加開弁時間Δｆ２で、同量の尿素水が排気に添加されるように供給弁５からの尿素水添加が実行される。この添加開弁時間Δｆ２は、流入排気の流速に基づいて決定される。その結果、図３（ａ）においてＬ４で示すように、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気中の還元剤雰囲気でのアンモニア濃度は、標準拡散モデルに従った場合のアンモニア濃度よりも低くなる。すなわち、本発明では、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合であって、還元剤雰囲気が第２触媒層３２に到達し得る流入排気の流速である場合には、流入排気中にアンモニアが低濃度で分布する還元剤雰囲気を形成する。この結果、図３（ｂ）においてＲ２で示すように、ＮＯｘ触媒３に供給されたアンモニアは、Ｒ１で示される
場合と比べて、ＮＯｘ触媒３での触媒層の積層方向に拡散しにくくなり、その分、排気の流れ方向方に拡散しやすくなる。これにより、流入排気の流速が低い場合でも、還元剤雰囲気が第２触媒層３２に到達することを抑制し、その還元剤を第１触媒層３１によるＮＯｘ還元反応に効率的に供給することができる。なお、このように流入排気の流速を考慮した、本発明に係るＮＯｘ触媒３内でのアンモニアの拡散モデルを、流速対応拡散モデルと称する。

また、この流速対応拡散モデルに従う本発明では、流入排気の流速が比較的高い場合に標準拡散モデルに従った尿素水添加を行うと、図３（ｂ）においてＲ３で示すように、還元剤雰囲気が触媒層の積層方向に拡散しにくく排気の流れ方向に沿って拡散しやすくなることを考慮し、還元剤雰囲気が第２触媒層３２に到達しない範囲で、還元剤雰囲気の還元剤濃度を上昇させるための尿素水添加を実行してもよい。流入排気の流速が高い場合には第２触媒層３２への還元剤雰囲気の到達は抑制されやすくなるものの、ＮＯｘ触媒３において還元剤雰囲気が拡散する領域が拡大するため、アンモニアの吸着箇所におけるアンモニアの濃度自体が下がってしまい、ＮＯｘ還元反応の向上を図りにくくなる。そこで、このような場合には、同量の尿素水が排気に添加される条件において、第２触媒層３２への還元剤到達を抑制する範囲において、標準拡散モデルに従った場合の添加開弁時間よりも添加開弁時間を短くして還元剤雰囲気の還元剤濃度を上昇させる。これにより、Ｒ３で示すように拡散し得る還元剤雰囲気を、Ｒ２に示すように拡散させることができる。

更に、図４Ａに基づいて、ＮＯｘ触媒３への流入排気の流速に応じた尿素水添加について概略的に説明する。図４Ａは、図３と同じように所定添加量の尿素水が供給弁５から供給されるとした場合の、流入排気の流速と、供給弁５からの添加開弁時間、上記還元剤雰囲気のアンモニア濃度のそれぞれとの相関を、上段（ａ）、下段（ｂ）に示している。そして、各図において、Ｌ５は標準拡散モデルに従った各相関を示しており、Ｌ６及びＬ６’は本発明に従った各相関を示している。

標準拡散モデルに従った場合、上記の通り、流入排気の流速に関連しない所定の方式に従って決定される。そのため、図４Ａ（ａ）に示す相関において、流入排気の流速にかかわらず添加開弁時間は一定となる。そして、流入排気の流速が上昇するに従い添加された還元剤は排気で薄められるため、図４（ｂ）にＬ５で示すような流入排気の流速と還元剤濃度との相関が現れる。

一方で、本発明に従った場合、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属しているときの添加開弁時間は、上記の通り、流入排気の流速が相対的に低い場合には標準拡散モデルに従った場合の添加開弁時間と比べて伸長され、流入排気の流速が相対的に高い場合には標準拡散モデルに従った場合の添加開弁時間と比べて短縮される（図４Ａ（ａ）を参照）。これにより、図４Ａ（ｂ）に示すように、排気に形成される還元剤雰囲気中のアンモニア濃度は、流入排気の流速が相対的に低い場合には標準拡散モデルに従った場合と比べて低くなり、流入排気の流速が相対的に高い場合には標準拡散モデルに従った場合と比べて高くなる。なお、図４Ａ（ｂ）には、本発明に従った場合の相関が、Ｌ６とＬ６’で示されている。Ｌ６で示される相関では、Ｌ５で示される相関と同様に、流入排気の流速が高くなるに従い還元剤濃度が低下し、Ｌ６’で示される相関では、流入排気の流速が高くなるに従い還元剤濃度は上昇する。このようにＬ６とＬ６’で示されている相関の傾向は異なるものの、上記の通りＬ５で示される相関に対しては共通の傾向を有しており、故に両相関は、本発明に従ったものである。

なお、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属しているときの添加開弁時間は、標準拡散モデルに従って決定されるものとする。

ここで、図４Ｂに基づいて、図４ＡのＬ６又はＬ６’で示す還元剤添加（すなわち、本発明に従った還元剤添加）が行われた際のアンモニア濃度の推移について詳細に説明する。図４Ｂには本発明に従った還元剤添加が行われた場合の、排気に形成された還元剤雰囲気のアンモニア濃度の推移が示されており、具体的には、上段（ａ）には、流入排気の流速が相対的に低い場合（低流速時）のアンモニア濃度の時間推移、下段（ｂ）には、流入排気の流速が相対的に高い場合（高流速時）のアンモニア濃度の時間推移が示されている。図４ＡでＬ６又はＬ６’で示すように、低流速時には添加量が同じ所定添加量の条件の下で、添加開弁時間は相対的に長く設定されることで、還元剤雰囲気でのアンモニア濃度の変化における高低差（すなわち、濃度ピーク値ｄ１と濃度最低値ｄ０の差）が、高流速時でのアンモニア濃度の変化における高低差（すなわち、濃度ピーク値ｄ３と濃度最低値ｄ２の差）よりも縮小している。また、低流速時の濃度ピーク値ｄ１は、高流速時の濃度ピーク値よりも低い濃度となっている。このように同じ所定添加量の尿素水が添加された場合に、低流速時と高流速時で排気中の還元剤雰囲気でのアンモニア濃度の推移に違いが生じるのは、上記の通り、排気流速に応じてＮＯｘ触媒３内でのアンモニアの拡散程度が変動することを考慮しているからである。

このように本発明に従うと、同じ所定添加量の尿素水が添加される条件の下では、流入排気の流速が低い場合の添加開弁時間は、流入排気の流速が高い場合の添加開弁時間よりも伸長されることで、ＮＯｘ触媒３に供給される還元剤雰囲気でのアンモニアがより低濃度化され、その濃度が、還元剤雰囲気が第２触媒層３２に到達しないとされる所定濃度に調整される。これにより、ＮＯｘ触媒３におけるアンモニアの拡散程度を図３（ｂ）に示すＲ２のようになるように調整することができる。この結果、流入排気の流速に影響されることなく、第１触媒層３１による効果的なＮＯｘ還元及び第２触媒層３２によるアンモニアの酸化抑制を両立することが可能となる。

以上を踏まえ、図１Ａに示す内燃機関１の排気浄化装置において行われるＮＯｘ浄化のための制御（ＮＯｘ浄化制御）について、図５に基づいて説明する。当該ＮＯｘ浄化制御は、ＥＣＵ２０に格納された制御プログラムにより繰り返し実行され、それによりＮＯｘ浄化のための、所定時期での尿素水の排気への添加が制御される。先ず、Ｓ１０１では、ＮＯｘ触媒３の触媒温度Ｔｃが取得される。具体的には、温度センサ１４の検出値を利用してＮＯｘ触媒３の触媒温度Ｔｃが推定される。この触媒温度Ｔｃは、図２に示すように、ＮＯｘ触媒３で現れるＮＯｘ還元反応が主にどの触媒層に起因しているのかを判断するためのパラメータとなり得る。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。

Ｓ１０２では、本制御により供給弁５から添加される尿素水の添加量が算出される。この尿素水添加量は、例えば、上記式１で決定されるＮＯｘ触媒３のＮＯｘ浄化率が所定の範囲に収まるように決定される。その後、Ｓ１０３では、ＮＯｘ触媒３が活性しているか否かが判定される。具体的には、ＮＯｘ触媒３の触媒温度Ｔｃが未活性領域Ｔ１に属している場合は否定判定され、それ以外の場合は肯定判定される。Ｓ１０３で肯定判定されると処理はＳ１０４へ進み、否定判定されると本制御を終了する。

Ｓ１０４では、ＮＯｘ触媒３の触媒温度Ｔｃが高温側浄化領域Ｔ３に属しているか否かが判定される。Ｓ１０４で肯定判定されると処理はＳ１０６へ進み、否定判定されると処理はＳ１０５へ進む。また、Ｓ１０５では、ＮＯｘ触媒３の触媒温度Ｔｃが低温側浄化領域Ｔ２に属しているか否かが判定される。Ｓ１０５で肯定判定されると処理はＳ１１３へ進み、否定判定されると処理はＳ１１５へ進む。すなわち、Ｓ１０４、Ｓ１０５での各判定処理は、ＮＯｘ触媒３の触媒温度Ｔｃが、低温側浄化領域Ｔ２、高温側浄化領域Ｔ３、過昇温領域Ｔ４の何れに属しているかを判定するための処理である。

ここで、ＮＯｘ触媒３の触媒温度Ｔｃが高温側浄化領域Ｔ３に属していると判定された
場合の、Ｓ１０６以降の処理（Ｓ１０６〜Ｓ１１２）について説明する。Ｓ１０６では、エアフローメータ２６の検出値に基づいて、流入排気の流速（排気流速）が取得される。次に、Ｓ１０７では、Ｓ１０２で算出された尿素水添加量と、Ｓ１０６で算出された排気流速に基づいて、流入排気に形成される還元剤雰囲気の暫定アンモニア濃度が算出される。この暫定アンモニア濃度は、暫定的に供給弁５による添加開弁時間を標準拡散モデルに従って算出される暫定添加開弁時間としたときのアンモニア濃度であり、その値は、図４Ｂに示すように濃度推移におけるピーク値である。このようにピーク値を採用するのは、ＮＯｘ触媒３における還元剤雰囲気の拡散程度は、そのピーク値に大きく依存するからである。具体的には、上記尿素水添加量の尿素水から生成されるアンモニア量、排気流速から算出される排気流量、及び暫定添加開弁時間と、形成されるアンモニア濃度との相関が、制御マップとしてＥＣＵ２０のメモリ内に記憶されており、それにアクセスすることで暫定アンモニア濃度が算出される。Ｓ１０７の処理が終了すると、Ｓ１０８へ進む。

Ｓ１０８では、供給弁５から排気に添加された尿素水により生成されるアンモニアが、ＮＯｘ触媒３の下層である第２触媒層３２に到達してしまうか否かが判定される。そして、この判定では、排気流速が考慮される。すなわち、Ｓ１０８の判定は、流速対応拡散モデルを考慮して行われる。具体的には、図６の上段（ａ）に示す制御マップに基づいて、Ｓ１０８の判定が行われる。図６（ａ）に示す制御マップは、排気流速とアンモニア濃度との相関に基づいて、アンモニアが下層である第２触媒層３２に到達するか否かをマッピングしたものであり、ＥＣＵ２０内のメモリに格納されている。当該制御マップには、排気流速が低くなるほどＮＯｘ触媒３の触媒層の積層方向にアンモニアが到達しやすくなることが反映されている。したがって、図６（ａ）に示す制御マップでは、マップ中の下方に「下層である第２触媒層３２に到達しない領域」が形成され、上方に「下層である第２触媒層３２に到達する領域」が形成される。

そこで、例えば、Ｓ１０６で取得された排気流速と、Ｓ１０７で算出された暫定アンモニア濃度とで特定される制御点（図６（ａ）に示す黒丸）が、制御マップ中のいずれの領域に属するかに基づいて、Ｓ１０８の判定が行われる。Ｓ１０８で肯定判定されると処理はＳ１０９へ進み、否定判定されると処理はＳ１１１へ進む。なお、図６（ａ）に示す例では、制御点が「下層である第２触媒層３２に到達する領域」に属しているため、Ｓ１０８の判定処理としては肯定判定されることになる。また、図７（ａ）には、図６（ａ）と同様の制御マップが示されており、図７（ａ）に示す制御点（黒丸）は、「下層である第２触媒層３２に到達しない領域」に属しているため、Ｓ１０８の判定処理としては否定判定されることになる。なお、図７に関する詳細な説明は、Ｓ１１１及びＳ１１２に関連して後述する。

次にＳ１０９では、下層である第２触媒層３２にアンモニアが到達しないように、流速対応拡散モデルに従ってどの程度、還元剤雰囲気でのアンモニア濃度を減少すべきかが算出される。具体的には、その濃度の減少分は、図６（ａ）に示す制御マップに基づいて算出される。例えば、上記制御点が図６（ａ）に示す黒丸の位置にあった場合、同じ排気流速の条件の下、その制御点が「下層である第２触媒層３２に到達しない領域」（例えば、図６（ａ）に示す白丸の位置）に移動するためには、図中の白塗りの矢印に相当する分ΔＸだけアンモニア濃度を減少させ、アンモニア濃度をＸ１とする必要がある。このアンモニア濃度の減少分が、Ｓ１０９で算出される濃度減少分に相当し、最終的に到達するアンモニア濃度Ｘ１が、本発明に係る所定濃度に相当する。

更にＳ１０９では、上記のアンモニア濃度減少を実現するための、供給弁５による尿素水の添加開弁時間も決定される。当該決定は、図６（ｂ）に示す制御マップに基づいて行われる。図６（ｂ）に示す制御マップは、所定の排気流速のときの、所定添加量の尿素水を添加する際の添加開弁時間とアンモニア濃度との相関を画定したものであり、ＥＣＵ２
０内のメモリには、想定される排気流速のそれぞれに対応した添加開弁時間とアンモニア濃度との相関を含む制御マップが格納されている。なお、図６（ｂ）は、図６（ａ）での制御点を特定する排気流速に対応する制御マップである。そして、図６（ｂ）中の黒丸は、図６（ａ）中の制御点の黒丸に対応している。図６（ｂ）に示す制御マップには、添加開弁時間が長くなるほど、形成される還元剤雰囲気中のアンモニア濃度は低くなる傾向が反映されている。そして、上記で算出された濃度減少分ΔＸが反映された、第２触媒層３２へのアンモニア到達を抑制するアンモニア濃度Ｘ１に対応する添加開弁時間が、制御マップに従ってΔｆ２として決定される。Ｓ１０９の処理が終了すると、処理はＳ１１０へ進む。

Ｓ１１０では、Ｓ１０９で決定された添加開弁時間Δｆ２に従った、供給弁５からの尿素水添加を行う添加処理、すなわち流速対応拡散モデルに従った尿素水の添加処理が実行される。これにより、図３（ａ）にＬ４で示す尿素水添加が行われることになり、図３（ｂ）にＲ２で示すＮＯｘ触媒３でのアンモニアの拡散が実現される。この結果、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合に、第２触媒層３２へのアンモニア到達を確実に抑制させることができ、以てＮＯｘ触媒３のＮＯｘ浄化率を好適に維持することができる。

ここで、Ｓ１０８で否定判定された場合、すなわち、暫定アンモニア濃度である還元剤は第２触媒層３２に到達しないと判定された場合の還元剤添加処理であるＳ１１１及びＳ１１２の処理について説明する。この場合、下層である第２触媒層３２にアンモニアが到達しないと想定されていることになるが、Ｓ１１１では、第１触媒層３１に効果的にアンモニアが供給されるよう、流速対応拡散モデルに従ってどの程度、還元剤雰囲気でのアンモニア濃度を増加できるかが算出される。すなわち、第１触媒層３１の深部により多くのアンモニアを届けるために、アンモニアが第２触媒層３２に到達しない範囲で、可能なアンモニア濃度の増加分が算出されることになる。具体的には、その濃度の増加分は、図７（ａ）に示す制御マップに基づいて算出される。例えば、上記制御点が図７（ａ）に示す黒丸の位置にあった場合、同じ排気流速の条件の下、その制御点が「下層である第２触媒層３２に到達しない領域」内であって且つ「下層である第２触媒層３２に到達する領域」近傍の位置（例えば、図７（ａ）に示す白丸の位置）に移動するためには、図中の白塗りの矢印に相当する分ΔＹだけアンモニア濃度を増加させ、アンモニア濃度をＹ１とすることができる。このアンモニア濃度の増加分が、Ｓ１１１で算出される濃度増加分に相当し、最終的に到達するアンモニア濃度Ｙ１が、本発明に係る所定濃度に相当する。

更にＳ１１１では、上記のアンモニア濃度増加を実現するための、供給弁５による尿素水の添加開弁時間も決定される。当該決定は、図７（ｂ）に示す制御マップに基づいて行われる。図７（ｂ）に示す制御マップは、所定の排気流速のときの、所定添加量の尿素水を添加する際の添加開弁時間とアンモニア濃度との相関を画定したものであり、ＥＣＵ２０内のメモリには、想定される排気流速のそれぞれに対応した添加開弁時間とアンモニア濃度との相関を含む制御マップが格納されている。なお、図７（ｂ）は、図７（ａ）での制御点を特定する排気流速に対応する制御マップである。そして、図７（ｂ）中の黒丸は、図７（ａ）中の制御点の黒丸に対応している。図７（ｂ）に示す制御マップには、添加開弁時間が短くなるほど、形成される還元剤雰囲気中のアンモニア濃度は高くなる傾向が反映されている。そして、上記で算出された濃度増加分ΔＹが反映された、第２触媒層３２へのアンモニア到達を抑制するアンモニア濃度Ｙ１に対応する添加開弁時間が、制御マップに従ってΔｆ２として決定される。Ｓ１１１の処理が終了すると、処理はＳ１１２へ進む。

Ｓ１１２では、Ｓ１１１で決定された添加開弁時間Δｆ２に従った、供給弁５からの尿素水添加を行う添加処理、すなわち流速対応拡散モデルに従った尿素水の添加処理が実行
される。これにより、Ｓ１１０の添加処理と同じように図３（ｂ）にＲ２で示すＮＯｘ触媒３でのアンモニアの拡散が実現される。この結果、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合に、第２触媒層３２へのアンモニア到達を確実に抑制しながら、第１触媒層３１内で拡散するアンモニア濃度を可及的に高めることが可能となる。これにより、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ浄化率を好適に維持することができる。

次に、Ｓ１０５で肯定判定された場合、すなわちＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属している場合に行われるＳ１１３及びＳ１１４の処理について説明する。この場合、第２触媒層３２にアンモニアは到達すべきものであるから、図３（ｂ）のＲ１で示す拡散程度を発生するのが好ましい。したがって、Ｓ１１３では、ＮＯｘ触媒３においてアンモニアを標準拡散モデルに従って拡散させることを前提として、供給弁５による添加開弁時間が決定される。したがって、当該添加開弁時間の決定については、標準拡散モデルに従うものである。そして、Ｓ１１４では、その決定された添加開弁時間を踏まえた添加処理が行われる。

また、Ｓ１０５で否定判定された場合には、供給弁５からの尿素水の添加処理は禁止される（Ｓ１１５の処理）。これは、ＮＯｘ触媒３の温度が過昇温領域Ｔ４に属しているため、添加された尿素水で生成されるアンモニアのＮＯｘ化が懸念されるためである。

このように本制御によれば、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属しているときに、ＮＯｘ触媒３への流入排気の流速に応じて、第１触媒層３１に好適にアンモニアを供給しつつ、第２触媒層３２へのアンモニア到達を抑制することができる。これにより、高温時のＮＯｘ触媒３によるＮＯｘ還元の効率を好適に向上させることができる。なお、上記のＮＯｘ浄化制御では、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合であって、Ｓ１０８でアンモニアが第２触媒層３２に到達しないと判定される場合には、Ｓ１１１の処理が行われるが、これに代えてＳ１１１の処理を行わないようにしてもよい。その場合、Ｓ１１２では、アンモニア濃度を増加させるための添加処理は行われず、Ｓ１０７で算出された暫定アンモニア濃度を実現するための添加開弁時間での添加処理が行われることになる。

＜変形例１＞
ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属しているときの、供給弁５からの尿素水添加に関する形態について、図８Ａ〜図８Ｄに基づいて説明する。図８Ａ〜図８Ｄの各図は、所定添加量の尿素水を供給弁５から添加する際の、還元剤雰囲気におけるアンモニア濃度を調整するための、尿素水添加の制御内容を示している。上記実施例での尿素水添加は、供給弁５からの１回の尿素水の射出（添加）によって所定添加量の尿素水が添加されるものであるが、図８Ａ〜図８Ｄの各図に示す尿素水添加は、供給弁５から排気への尿素水の射出（添加）と中止を交互に繰り返すスパイク形式で実行され、複数のスパイクでの添加により所定添加量の尿素水が所定の期間（添加期間）内に添加されることになる。すなわち、スパイク形式での尿素水添加は、添加期間において所定間隔で繰り返される、添加開弁時間に従った尿素水の射出によって、合計で所定添加量の尿素水の添加を完了する添加方法である。

先ず、図８Ａに示す尿素水添加について説明する。図８Ａには、４種類のパターンに従ったスパイク形式の尿素水添加が示されている。各パターンにおいて、添加期間内に供給弁５から排気へ添加される尿素水の総量は全て同じ所定添加量である。最下段のパターンでは、８回のスパイクで供給弁５から排気へ尿素水を添加し、その尿素水の総量が所定添加量となる。次に、下から２番目のパターンでは、４番目のスパイクＰ４で添加される尿素水を１番目から３番目のスパイクＰ１〜Ｐ３に均等に振り分けてＰ１１〜Ｐ１３とするとともに、同じように８番目のスパイクＰ８で添加される尿素水を５番目から７番目のス
パイクＰ５〜Ｐ７に均等に振り分けてスパイクＰ１４〜Ｐ１６とする。なお、スパイクのタイミングは、最下段のパターンの場合と同じである。このようにすると、添加期間で添加される尿素水量は所定添加量で同じであるが、排気に形成される還元剤雰囲気でのアンモニア濃度を、最下段のパターンの場合よりも高めることができる。

更に、下から３番目のパターンでは、下から２番目のパターンと比べて各スパイクでの尿素水の添加量は同じとしながら、１番目から３番目のスパイク間隔のそれぞれを短縮し、更に、４番目から６番目のスパイクの間隔のそれぞれを短縮する。このとき、１番目のスパイクＰ２１のタイミングと４番目のスパイクのタイミングＰ２４は、下から２番目のパターンと同じである。このようにすると、添加期間で添加される尿素水量は所定添加量で同じであるが、排気に形成される還元剤雰囲気でのアンモニア濃度を、下から２番目のパターンの場合よりも更に高めることができる。

更に、最上段のパターンでは、下から３番目のスパイクと比べてスパイクのタイミングは同じとしながら、３番目のスパイクＰ２３で添加される尿素水を１番目と２番目のスパイクＰ２１、Ｐ２２に均等に振り分けてスパイクＰ３１、Ｐ３２とするとともに、同じように６番目のスパイクＰ２６で添加される尿素水を４番目と５番目のスパイクＰ２４、Ｐ２５に均等に振り分けてスパイクＰ３３、Ｐ３４とする。このようにすると、添加期間で添加される尿素水量は所定添加量で同じであるが、排気に形成される還元剤雰囲気でのアンモニア濃度を、下から３番目のパターンの場合よりも更に高めることができる。

このように同じ所定添加量の尿素水を供給弁５から添加する場合であっても、各スパイクでの尿素水添加量やスパイク同士の間隔を調整することで、排気に形成される還元剤雰囲気でのアンモニア濃度を適宜制御することが可能となる。したがって、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合に、第２触媒層３２にアンモニアを到達させないための添加処理の際に、各スパイクでの尿素水添加量やスパイク同士の間隔を調整することで所望のアンモニア濃度の還元剤雰囲気を形成することができる。

次に、図８Ｂに示す尿素水添加について説明する。図８Ｂにも、４種類のパターンに従ったスパイク形式の尿素水添加が示されている。図８Ｂでは、下から２番目のパターンを形成するために、４番目のスパイクＰ４、８番目のスパイクＰ８を、それぞれスパイクＰ１〜Ｐ３、スパイクＰ５〜Ｐ７に振り分ける際に、均等な振り分けではなく、各スパイクでの尿素水添加量が、スパイクＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１３の順に多くなるように振り分けるとともに、スパイクＰ１４、スパイクＰ１５、スパイクＰ１６の順に多くなるように振り分けている。更に、最上段のパターンの形成についても、同様に、各スパイクでの尿素水添加量は、スパイクＰ３１、Ｐ３２の順に多くなるように振り分けるとともに、スパイクＰ３３、Ｐ３４の順に多くなるように振り分けている。これ以外のスパイクの形成は、図８Ａの場合と同じであるので、詳細な説明は割愛する。図８Ｂに示すように同じ所定添加量の尿素水を供給弁５から添加する場合であっても、各スパイクでの尿素水添加量やスパイク同士の間隔を調整することで、排気に形成される還元剤雰囲気でのアンモニア濃度を適宜制御することが可能となる。

次に、図８Ｃに示す尿素水添加について説明する。図８Ｃにも、４種類のパターンに従ったスパイク形式の尿素水添加が示されている。図８Ｃにおける各スパイクでの尿素水添加量は、図８Ａにおける各スパイクでの尿素水添加量と同じであり、図８Ａに示す形態と異なるのは、各スパイクのタイミングである。具体的には、図８Ｃにおける各スパイクのタイミングは、隣接するタイミング同士の間隔が全て同一とされる。したがって、下から２番目のパターン及び最上段のパターンを形成する際には、均等に振り分けられたスパイクが等間隔で並んでおり、また、下から３番目のパターンを形成する際には、スパイク間隔が短縮化されたスパイクが等間隔で並んでいる。図８Ｃに示すように、同じ所定添加量
の尿素水を供給弁５から添加する場合であっても、各スパイクでの尿素水添加量やスパイク同士の間隔を調整することで、排気に形成される還元剤雰囲気でのアンモニア濃度を適宜制御することが可能となる。

次に、図８Ｄに示す尿素水添加について説明する。図８Ｄにも、４種類のパターンに従ったスパイク形式の尿素水添加が示されている。図８Ｄにおける各スパイクでの尿素水添加量は、図８Ｂにおける各スパイクでの尿素水添加量と同じであり、図８Ｂに示す形態と異なるのは、各スパイクのタイミングである。具体的には、図８Ｂにおける各スパイクのタイミングは、隣接するタイミング同士の間隔が全て同一とされる。したがって、下から２番目のパターン及び最上段のパターンを形成する際には、振り分けられたスパイクが等間隔で並んでおり、また、下から３番目のパターンを形成する際には、スパイク間隔が短縮化されたスパイクが等間隔で並んでいる。図８Ｄに示すように、同じ所定添加量の尿素水を供給弁５から添加する場合であっても、各スパイクでの尿素水添加量やスパイク同士の間隔を調整することで、排気に形成される還元剤雰囲気でのアンモニア濃度を適宜制御することが可能となる。

＜変形例２＞
上述までの実施例では、第２触媒層３２に含まれる触媒粒子としては、Ｃｕ交換型ＮＯｘ触媒が使用されているが、それに代えて、Ｍｎ（マンガン）酸化物であるＳｎＭｎＣｅＯｘを採用してもよい。なお、ＳｎＭｎＣｅＯｘは公知の沈殿法により生成される公知の材料であるから、その詳細については説明を割愛する。

本発明の内燃機関１の排気浄化装置に適用できるＮＯｘ触媒３の別の構成について、図９に基づいて説明する。図９に示すＮＯｘ触媒３は、上述までの実施例と同じように、最上層側の第１触媒層３１を有している。更に、第１触媒層３１の下側に、第２触媒層３２に代えて触媒基材３３上に酸化触媒層３５が配置される。このように構成されるＮＯｘ触媒３では、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合に、酸化触媒層３５の酸化能力を利用して排気中のＮＯをＮＯ_２に酸化させることで、第１触媒層３１でのＮＯｘ還元反応を促進させることができる。または、このように第１触媒層３１と酸化触媒層３５を有するＮＯｘ触媒を、ＮＯｘ触媒３の下流側に配置される上記ＡＳＣ触媒としても利用できる。

このように酸化触媒層３５を有するＮＯｘ触媒においても、ＮＯｘ触媒の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合に第１触媒層３１によるＮＯｘ還元を効率的に行うためには、基本的には下側に位置する酸化触媒層３５に還元剤であるアンモニアが到達するのは好ましくない。そこで、このようなＮＯｘ触媒に対しても、上述したＮＯｘ浄化制御を行うことで、すなわち、アンモニアを下層に到達させない添加処理を実行することで、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元効率を向上させることができる。

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ ＮＯｘ触媒
５ 供給弁
２０ ＥＣＵ
３１ 第１触媒層
３２ 第２触媒層
３３ 触媒基材
３５ 酸化触媒

Claims (9)

1. アンモニア由来の還元剤によりＮＯｘに対する選択還元性を有する触媒粒子で形成された触媒層が触媒基材上に配置された選択還元型ＮＯｘ触媒であって、ＮＯｘ還元性を示す第１触媒層と、酸化能を示す触媒層であって該第１触媒層よりも該触媒基材側に配置される第２触媒層とを少なくとも有する選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む流入排気に、ＮＯｘの還元のための還元剤を所定添加量添加する添加手段と、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が、前記第１触媒層によるＮＯｘ還元が行われる所定温度を超えるとき、還元剤添加期間において前記流入排気中に形成される還元剤雰囲気の還元剤濃度が、該流入排気の流速に基づいて決定される、還元剤が前記第２触媒層に到達しないとされる所定濃度となるように、該流入排気の流速に基づいて前記添加手段による還元剤添加を制御する制御手段と、
   を備える、内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記制御手段は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定温度を超えるとき、前記流入排気中に形成される還元剤雰囲気の還元剤濃度が、前記所定添加量が同量の条件において、前記流入排気の流速が低い場合は、該流入排気の流速が高い場合と比べて低くなるように設定された前記所定濃度となるように、該流入排気の流速に基づいて前記添加手段による還元剤添加を制御する、
   請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記添加手段により前記所定添加量の還元剤が排気に添加されると、前記還元剤雰囲気の還元剤濃度は時間とともに変動する中で前記所定濃度に到達し、
   前記流入排気の流速が低い場合における前記還元剤雰囲気の還元剤濃度の高低差は、該流入排気の流速が高い場合における該還元剤雰囲気の高低差と比べて小さくなる、
   請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記添加手段により前記所定添加量の還元剤が排気に添加されると、前記還元剤雰囲気の還元剤濃度は時間とともに変動する中で前記所定濃度に到達し、
   前記流入排気の流速が低い場合における前記還元剤雰囲気の還元剤濃度のピーク値は、該流入排気の流速が高い場合における該還元剤雰囲気のピーク値と比べて低くなる、
   請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記第１触媒層は、高温でのＮＯｘ還元性が高い触媒層であり、前記第２触媒層は、低温でのＮＯｘ還元性が高い触媒層であり、
   前記第２触媒層は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定温度を超える場合、該所定温度以下である場合と比べて、前記還元剤に対する酸化能が強くなるように形成される、
   請求項２から請求項４の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定温度を超えている場合に還元剤が前記第２触媒層に到達するか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段によって還元剤が前記第２触媒層に到達すると判定される場合に、前記制御手段により減少される前記流入排気の還元剤濃度の減少分を算出する濃度減少算出手段と、
   を更に備え、
   前記制御手段は、前記濃度減少算出手段によって算出された前記還元剤濃度の減少分に応じて、前記添加手段による還元剤添加を制御し前記流入排気の還元剤濃度を前記所定濃度とする、
   請求項２から請求項５の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記判定手段によって還元剤が前記第２触媒層に到達しないと判定される場合に、前記流入排気の還元剤濃度が、還元剤が該第２触媒層に到達しない範囲で前記制御手段により増加可能な還元剤濃度の増加分を算出する濃度増加算出手段を、更に備え、
   前記制御手段は、前記濃度増加算出手段によって算出された前記還元剤濃度の増加分に応じて、前記添加手段による還元剤添加を制御する、
   請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記制御手段は、前記所定添加量の還元剤を排気に添加する際に、前記添加手段による単位時間当たりの還元剤の添加量を減量するとともに該添加手段による添加開弁時間を長くすることで、前記流入排気の還元剤濃度を低くする、
   請求項２から請求項７の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記制御手段は、添加と休止を交互に繰り返す形式で前記所定添加量の還元剤を排気に添加する際に、隣接する還元剤の添加間隔を長くすることで前記流入排気の還元剤濃度を低くする、
   請求項２から請求項７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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