KR20180066858A - 내연 기관의 배기 정화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, NH₃을 환원제로 하여 배기 중의 NO_X를 환원시키기 위한 전이 금속 이온을 구비하는 SCR 촉매와, 상기 SCR 촉매의 온도를 검출하는 검출 수단과, 상기 SCR 촉매를 가열하는 가열 장치를 구비한 내연 기관의 배기 정화 장치에 있어서, 상기 SCR 촉매에 NO_X가 유입되지 않고 또한 상기 검출 수단에 의하여 검출되는 온도가 상기 전이 금속 이온의 가수 회복이 발현되는 온도인 제1 온도보다 낮을 때 상기 SCR 촉매를 상기 제1 온도 이상까지 승온시키고, 또한 상기 SCR 촉매가 상기 제1 온도 이상으로 되는 상태가 소정 기간 계속되도록 상기 가열 장치를 제어함으로써, 저하 상태에 빠져 있는 전이 금속 이온의 가수 회복을 도모하도록 하였다.

Description

내연 기관의 배기 정화 장치 {EXHAUST GAS CONTROL APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연 기관의 배기 정화 장치에 관한 것이며, 특히 선택 환원형 촉매{SCR(Selective Catalytic Reduction) 촉매}를 구비하는 배기 정화 장치에 관한 것이다.

희박 연소 운전되는 내연 기관의 배기 정화 장치로서, 배기 통로에 배치되는 SCR 촉매와, 해당 SCR 촉매에 유입되는 배기에 NH₃ 또는 NH₃의 전구체인 첨가제를 첨가하는 첨가 장치와, SCR 촉매를 가열하기 위한 히터를 구비하며, 내연 기관이 시동되기 직전에 히터에 의하여 SCR 촉매를 활성 온도까지 가열하도록 구성된 것이 알려져 있다(예를 들어 일본 특허 공개 제2002-047922호를 참조).

SCR 촉매에 있어서의 NO_X 환원 작용은, 해당 SCR 촉매의 촉매 담체에 담지되어 있는 전이 금속 이온의 작용에 의하여 발현된다. 상세하게는, 상기 전이 금속 이온은 첨가 장치로부터 공급되는 NH₃을 흡착한다. NH₃을 흡착한 전이 금속 이온의 이온 가수가 NO_X 환원에 필요한 가수이면(이하, 이러한 상태를 「기준 상태」라 칭함), 해당 전이 금속 이온이 NH₃과 배기 중의 NO_X를 반응시킴으로써 배기 중의 NO_X를 N₂로 환원시킨다. 그때, 전이 금속 이온의 이온 가수가 NO_X 환원에 필요한 가수보다 적어지기 때문에 해당 전이 금속 이온의 NO_X 환원 능력이 저하된다(이하, 이러한 상태를 「저하 상태」라 칭함). 단, 저하 상태의 전이 금속 이온에는 상기한 NH₃과 NO_X의 반응 시에 H⁺가 흡착된다. 저하 상태의 전이 금속 이온에 흡착된 H⁺가 배기 중의 O₂나 NO₂와 반응하면 해당 전이 금속 이온이 재산화되어, 해당 전이 금속 이온의 이온 가수가 NO_X 환원에 필요한 이온 가수로 회복된다. 따라서 SCR 촉매에 의한 연속적인 NO_X 환원을 실현하기 위해서는, 저하 상태에 빠진 전이 금속 이온의 이온 가수를 NO_X 환원에 필요한 가수로 회복시킬 필요가 있다.

그런데 저하 상태에 빠진 전이 금속 이온의 이온 가수의 회복(이하, 「가수 회복」이라 칭함)은, 기준 상태에 있는 전이 금속 이온에 의한 NO_X 환원이 발현되기 시작하는 온도(활성 온도)보다 고온의 분위기이고, 또한 O₂나 NO₂가 존재하는 분위기에 있어서 발현된다. 그 때문에, 내연 기관의 저부하 운전이 계속된 경우나 SCR 촉매에 유입되는 배기의 공연비가 이론 공연비 이하로 되는 상태가 계속된 경우 등에는, 기준 상태의 전이 금속 이온이 감소함과 함께 저하 상태의 전이 금속 이온이 증가하는 상태가 계속될 가능성이 있다. 그 결과, SCR 촉매의 NO_X 정화 성능이 낮아지거나 SCR 촉매에 의한 연속적인 NO_X 환원이 곤란해지거나 할 가능성이 있다. 또한 저하 상태의 전이 금속 이온의 양이 비교적 많은 상태에서 내연 기관의 운전이 정지된 경우에, 전술한 종래 기술과 같이 차회의 시동 전에 SCR 촉매를 일시적으로 가열하더라도, 저하 상태에 있는 전이 금속 이온의 대부분의 가수 회복이 행해지지 않을 가능성이 있다. 이는, 저하 상태의 전이 금속 이온의 양이 많아질수록 그 전이 금속 이온의 가수 회복에 필요해지는 시간이 길어지기 때문이다.

본 발명은, SCR 촉매를 구비하는 배기 정화 장치에 있어서, SCR 촉매가 구비하는 전이 금속 이온의 이온 가수를 적합하게 회복시킬 수 있는 기술의 제공에 있다.

본 발명은, SCR 촉매에 NO_X가 유입되지 않고 또한 SCR 촉매의 온도가 제1 온도보다 낮을 때 SCR 촉매를 상기 제1 온도 이상까지 승온시키고, 또한 그 상태가 소정 기간 유지되도록 가열 장치를 제어하도록 하였다.

상세하게는, 본 발명의 내연 기관 배기 정화 장치는, 내연 기관의 배기 통로에 배치되는 촉매이고, NH₃을 환원제로 하여 배기 중의 NO_X를 환원시키기 위한 전이 금속 이온을 구비하는 SCR 촉매와, 상기 SCR 촉매의 온도를 검출하는 검출 수단과, 상기 SCR 촉매를 가열하는 가열 장치와, 상기 SCR 촉매에 NO_X가 유입되지 않고 또한 상기 검출 수단에 의하여 검출되는 온도가 상기 전이 금속 이온의 가수 회복이 발현되는 온도인 제1 온도보다 낮을 때 상기 SCR 촉매를 상기 제1 온도 이상까지 승온시키고, 또한 상기 SCR 촉매가 상기 제1 온도 이상으로 되는 상태가 소정 기간 계속되도록 상기 가열 장치를 제어하는 처리인 회복 처리를 실행하는 제어 수단을 구비하도록 하였다.

여기서 말하는 「가수 회복」은 전술한 바와 같이, 저하 상태에 빠진 전이 금속 이온이 재산화됨으로써 해당 전이 금속 이온의 이온 가수가 NO_X 환원에 필요한 가수로 회복되는 것을 말한다. 또한 「제1 온도」는, 저하 상태의 전이 금속 이온의 가수 회복이 발현되는 온도이다. 이 제1 온도는, 기준 상태에 있는 전이 금속 이온에 의한 NO_X 환원이 발현되기 시작하는 온도(활성 온도)보다 높은 온도이다. 또한 「소정 기간」은, SCR 촉매에 있어서, 저하 상태에 있는 전이 금속 이온의 대략 전량의 가수 회복에 요하는 기간이다.

SCR 촉매에 NO_X가 유입되어 있지 않을 때 SCR 촉매의 온도가 제1 온도 이상으로 높아지면, 기준 상태의 전이 금속 이온에 의한 NO_X 환원이 발현되지 않고 저하 상태의 전이 금속 이온의 가수 회복이 발현되기 때문에, 저하 상태의 전이 금속 이온의 양을 효율적으로 감소시킬 수 있다. 그리고 SCR 촉매의 온도가 제1 온도 이상으로 되는 상태가 소정 기간 계속됨으로써, 저하 상태에 있는 전이 금속 이온의 대략 전량의 이온 가수를 회복시킬 수 있다. 따라서 회복 처리의 종료 후에 있어서, SCR 촉매에 NO_X가 유입된 때 SCR 촉매의 NO_X 정화 성능이 낮아지거나 SCR 촉매에 의한 연속적인 NO_X 환원이 곤란해지거나 하는 것을 억제할 수 있다.

여기서, SCR 촉매에 NO_X가 유입되지 않는 경우로서는, 내연 기관의 운전이 정지되어 있는 경우가 생각된다. 그러나 내연 기관의 운전 정지로부터의 경과 시간이 길어짐에 따라 SCR 촉매의 온도가 낮아진다. 그 때문에, 내연 기관의 운전 정지로부터 비교적 긴 시간이 경과한 때 SCR 촉매를 제1 온도 이상까지 승온시키고자 하면, 가열 장치의 소비 에너지가 많아질 가능성이 있다. 그래서 상기 회복 처리는 내연 기관의 운전 정지 직후에 실행되어도 된다. 즉, 본 발명의 제어 수단은 내연 기관의 운전 정지를 트리거로 하여 상기 회복 처리를 실행해도 된다. 그 경우, SCR 촉매의 온도가 비교적 높은 상태에서 회복 처리가 실행되기 때문에, 가열 장치가 SCR 촉매를 제1 온도 이상까지 가열하기 위하여 필요해지는 에너지를 적게 억제할 수 있다.

또한 운전 정지 전의 내연 기관의 운전 상태에 따라서는, 운전 정지 시점에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 상기 제1 온도 이상으로 되어 있는 경우도 생각된다. 그 경우에는, 내연 기관의 운전 정지 전 및 운전 정지 직후에 있어서, 저하 상태의 전이 금속 이온의 가수 회복이 자동적으로 도모된다고 추정된다. 따라서 내연 기관의 운전 정지 시점에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 제1 온도 이상일 때는 회복 처리가 실행되지 않도록 해도 된다. 단, 상기한 바와 같은 경우에 있어서, 저하 상태에 있는 전이 금속 이온의 대략 전량의 이온 가수가 자동적으로 회복된다고 할 수는 없다. 그 때문에, 저하 상태에 있는 전이 금속 이온의 양을 더 확실히 저감한다는(기준 상태에 있는 전이 금속 이온의 양을 더 확실히 증가시킨다는) 관점에 서면, 내연 기관의 운전 정지 시점에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 상기 제1 온도 이상인 경우에 있어서도, SCR 촉매의 온도가 상기 제1 온도 미만인 경우와 마찬가지로 회복 처리가 실행되도록 해도 된다. 단, 내연 기관의 운전이 정지된 시점으로부터 SCR 촉매의 온도가 상기 제1 온도 미만으로 저하되는 시점까지의 기간에 있어서는, 가열 장치에 의한 SCR 촉매의 가열을 행하지 않더라도 저하 상태의 전이 금속 이온의 가수 회복이 자동적으로 행해진다(이하, 이러한 기간을 「자동 회복 기간」이라 칭함). 그 때문에, 내연 기관의 운전 정지 후에 있어서, SCR 촉매의 온도가 상기 제1 온도 미만으로 저하된 때(상기 자동 정지 기간이 종료된 때) 회복 처리를 실행하면 된다. 이러한 방법에 의하여 회복 처리가 실행되는 경우에는, 가열 장치를 이용하여 SCR 촉매의 온도를 상기 제1 온도 이상으로 유지하는 기간(소정 기간)을, 상기 자동 회복 기간의 종료 시점에서 저하 상태에 있는 전이 금속 이온양의 가수 회복에 요하는 기간으로 하면 된다. 이와 같이 소정 기간을 설정함으로써, 가열 장치의 소비 에너지를 가능한 한 적게 억제하면서 저하 상태의 전이 금속 이온의 양을 가급적 적게 할 수 있다.

상기한 바와 같이, 내연 기관의 운전 정지 중에 회복 처리가 실행되는 구성에 있어서, 제어 수단은, 상기 회복 처리의 실행 중에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 상기 제1 온도 이상 및 NH₃의 산화가 발현되는 온도인 제2 온도 미만으로 되도록 가열 장치를 제어해도 된다. 여기서, 내연 기관의 운전이 정지되는 시점에 있어서는, SCR 촉매가 구비하는 전이 금속 이온의 적어도 일부에 NH₃이 흡착되어 있을 가능성이 있다. 그러한 경우에 있어서, 회복 처리의 실행 중에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 상기 제2 온도 이상까지 높아지면, 전이 금속 이온에 흡착되어 있던 NH₃이 산화되어 버린다. 이에 대하여, 회복 처리의 실행 중에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 상기 제1 온도 이상 또한 상기 제2 온도 미만으로 되도록 가열 장치가 제어되면, 전이 금속 이온에 흡착되어 있는 NH₃을 산화시키지 않고 저하 상태에 있는 전이 금속 이온의 가수 회복을 행할 수 있다. 그 결과, 내연 기관의 차회의 시동 후에 있어서, SCR 촉매에 NO_X가 유입된 때 전이 금속 이온에 흡착되어 있는 NH₃을 이용하여 유입 NO_X를 환원시키는 것이 가능해진다.

여기서, SCR 촉매의 전이 금속 이온에 흡착된 NH₃은, 상기 제1 온도보다 높고 또한 상기 제2 온도보다 낮은 소정의 온도(이하, 「제3 온도」라 칭함) 이상의 분위기에서 탈리하기 쉽다. 그 때문에, 내연 기관의 운전이 정지된 시점에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 상기 제3 온도 이상이면, 그 시점에서 전이 금속 이온에 흡착되어 있는 NH₃양이 대략 0이라고 간주할 수 있다. 그래서, 내연 기관의 운전 정지 중에 회복 처리가 실행되는 구성에 있어서, 내연 기관의 운전이 정지된 시점에서 상기 검출 수단에 의하여 검출되는 온도가 상기 제3 온도 이상이면, 상기 제어 수단은, 상기 회복 처리의 실행 중에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 상기 제2 온도 이상으로 되도록 상기 가열 장치를 제어해도 된다. 회복 처리의 실행 중에 있어서, 단위 시간당 가수 회복이 도모되는 전이 금속 이온의 양은 SCR 촉매의 온도가 높아질수록 많아지는 경향이 있다. 따라서 회복 처리 중의 SCR 촉매의 온도를 상기 제2 온도 이상까지 승온시킨 경우에는, 상기 제2 온도 미만으로 제한한 경우에 비하여 회복 처리의 실행 기간을 짧게 할 수 있다. 그 결과, 내연 기관의 운전 정지로부터 재시동까지의 기간이 짧은 경우에도 회복 처리를 완료시키기 쉬워진다.

또한 SCR 촉매에 NO_X가 유입되지 않는 다른 예로서는, NO_X를 포함하지 않는 가스가 SCR 촉매를 흐르는 경우가 생각된다. 여기서 말하는 「NO_X를 포함하지 않는 가스」란, NO_X를 전혀 포함하지 않는 가스뿐 아니라 극소량(SCR 촉매에 있어서 저하 상태에 빠져 있는 전이 금속 이온의 효율적인 가수 회복을 행할 수 있다고 생각되는 양이며, 이하에서는 「허용 NO_X양」이라 칭함)의 NO_X를 포함하는 가스여도 된다. 이러한 가스가 SCR 촉매를 흐르는 경우로서는, 내연 기관의 운전 중에 있어서 SCR 촉매보다 상류에서 배기 중인 NO_X가 제거되는 경우나 내연 기관의 퓨얼컷 처리가 실행되고 있는 경우 등이 생각된다. 또한 내연 기관의 운전 중에 있어서, SCR 촉매보다 상류에서 NO_X가 제거되는 경우로서는, 예를 들어 SCR 촉매보다 상류의 배기 통로에 NSR 촉매가 배치되는 구성에 있어서, 상기 NSR 촉매에 유입되는 배기의 공연비가 이론 공연비보다 높은 희박 공연비인 경우가 생각된다. 여기서 말하는 NSR 촉매는, 배기의 공연비가 희박 공연비일 때는 배기 중의 NO_X를 흡장하고, 또한 배기의 공연비가 이론 공연비보다 낮은 농후 공연비일 때는 흡장하고 있던 NO_X를 방출하면서 환원시키는 NO_X 흡장 환원형 촉매이다. 단, NSR 촉매의 NO_X 흡장량이 비교적 많아지면, 가령 NSR 촉매에 유입되는 배기의 공연비가 희박 공연비이더라도, NSR 촉매에 유입된 NO_X의 일부가 해당 NSR 촉매를 빠져나가기 쉬워진다. 따라서 NSR 촉매에 유입되는 배기의 공연비가 희박 공연비이고 또한 NSR 촉매의 NO_X 흡장량이 소정의 상한값 이하인 경우에, SCR 촉매보다 상류에서 NO_X가 제거되어 있다고 판정하면 된다. 여기서 말하는 「소정의 상한값」은, NSR 촉매의 NO_X 흡장량이 해당 소정의 상한값을 초과하면 전술한 허용 NO_X양보다 다량의 NO_X가 NSR 촉매를 빠져나갈 수 있다고 상정되는 값이다.

여기서, SCR 촉매의 전이 금속 이온에 흡착된 NH₃은, 전술한 바와 같이 상기 제3 온도 이상의 분위기에서 탈리하기 쉽다. 또한 내연 기관의 운전 정지 중에 회복 처리가 실행되는 경우에는 SCR 촉매에 있어서의 가스의 흐름이 없기 때문에, 설령 회복 처리 중에 전이 금속 이온으로부터 NH₃이 탈리하더라도 그 탈리 NH₃이 SCR 촉매 중에 남는다. SCR 촉매 중에 남은 NH₃은, 회복 처리의 종료 후의 SCR 촉매의 온도가 상기 제3 온도 미만으로 저하된 때 전이 금속 이온에 의하여 재흡착될 가능성이 높다. 따라서 전술한 바와 같이, 내연 기관의 운전 정지 중에 회복 처리가 실행되는 경우에는 SCR 촉매의 온도를 상기 제3 온도 미만으로 제한할 필요는 없다고 할 수 있다. 한편, NO_X를 포함하지 않는 가스가 SCR 촉매를 흐르는 상태에서 회복 처리가 실행되는 경우에 있어서는, 전이 금속 이온으로부터 탈리한 NH₃이 가스와 함께 SCR 촉매로부터 배출되기 쉽다. 그 때문에, SCR 촉매에 있어서의 가스의 흐름이 있을 때 전이 금속 이온으로부터 NH₃이 탈리하면, 그 탈리 NH₃이 전이 금속 이온에 재흡착될 가능성이 낮다. 따라서 NO_X를 포함하지 않는 가스가 SCR 촉매를 흐르는 상태에서 회복 처리가 실행되는 구성에 있어서는, SCR 촉매의 온도를 상기 제3 온도 미만으로 제한해도 된다. 즉, NO_X를 포함하지 않는 가스가 SCR 촉매를 흐르는 상태에서 회복 처리를 실행하는 경우에 있어서, 제어 수단은, SCR 촉매의 온도가 상기 제1 온도 이상 또한 상기 제3 온도 미만으로 되도록 가열 장치를 제어해도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 회복 처리의 종료 후에 있어서, NO_X를 포함하는 가스가 SCR 촉매에 유입된 때 전이 금속 이온에 흡착되어 있는 NH₃을 이용하여 유입 NO_X를 환원시킬 수 있다.

또한 NO_X를 포함하지 않는 가스가 SCR 촉매를 흐르는 상태에서 회복 처리가 실행되는 구성에 있어서, 회복 처리가 개시되는 시점에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 상기 제3 온도 이상이면, 전이 금속 이온에 흡착되어 있는 NH₃양이 대략 0이라고 간주할 수 있다. 그 때문에, 회복 처리가 개시되는 시점에서 상기 검출 수단에 의하여 검출되는 온도가 상기 제3 온도 이상이면, 상기 제어 수단은, 회복 처리의 실행 중에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 상기 제2 온도 이상으로 되도록 상기 가열 장치를 제어해도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, NO_X를 포함하지 않는 가스가 SCR 촉매를 흐르는 기간이 짧은 경우에도 회복 처리를 완료시키기 쉬워진다.

또한 NO_X를 포함하지 않는 가스가 SCR 촉매를 흐르는 상태에서 회복 처리가 실행되는 경우에 있어서, 상기 제어 수단은, SCR 촉매를 흐르는 가스의 양이 적을 때는, 많을 때에 비하여 SCR 촉매의 가열량이 적어지도록 가열 장치를 제어해도 된다. SCR 촉매를 흐르는 가스의 양이 적은 경우에는, 많은 경우에 비하여 SCR 촉매로부터 가스에 전달되는 열량이 적어진다. 그 때문에, SCR 촉매를 흐르는 가스의 양이 적은 경우에는, 많은 경우보다도 적은 가열량으로 SCR 촉매의 온도를 제1 온도 이상으로 유지할 수 있다. 그 결과, 가열 장치의 소비 에너지를 더 적게 억제할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 관한 내연 기관의 배기 정화 장치는, SCR 촉매에 담지되어 있는 전이 금속 이온 중, 가수 회복이 필요한 전이 금속 이온의 양(저하 상태에 있는 전이 금속 이온의 양)인 요구 회복량을 추정하는 추정 수단을 더 구비하도록 해도 된다. 그 경우, 제어 수단은, 추정 수단에 의하여 추정되는 요구 회복량이 적은 경우에는, 많은 경우에 비하여 상기 소정 기간이 짧아지도록 상기 회복 처리를 실행해도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 가열 장치에 의하여 SCR 촉매를 가열하는 기간을 가능한 한 짧은 기간으로 억제할 수 있다. 그 결과, 가열 장치의 소비 에너지를 가능한 한 작게 억제하는 것이 가능해진다.

또한 제어 수단은, 상기 추정 수단에 의하여 추정되는 요구 회복량이 소정의 역치 미만일 때는 상기 회복 처리를 실행하지 않도록 해도 된다. 여기서 말하는 「소정의 역치」는, 요구 회복량이 해당 소정의 역치 미만일 때는 SCR 촉매가 원하는 NO_X 정화 성능을 발휘할 수 있다고 생각될 정도로 적은 양, 또는 SCR 촉매에 의한 연속적인 NO_X 환원이 가능해진다고 생각될 정도로 적은 양이다. 이와 같은 구성에 의하면, 가열 장치의 작동에 수반하는 소비 에너지의 증가를 억제하면서 SCR 촉매의 정화 기능을 담보할 수 있다.

본 발명에 의하면, SCR 촉매를 구비하는 배기 정화 장치에 있어서, SCR 촉매가 구비하는 전이 금속 이온의 이온 가수를 적합하게 회복시킬 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점 및 기술적 및 산업적 의의는 유사 요소들을 유사 도면 부호들로 나타낸 첨부 도면을 참조하여 후술될 것이다.
도 1은 본 발명을 적용하는 내연 기관과 그 흡배기계의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 SCR 촉매에 있어서의 NO_X 환원 반응을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 내연 기관의 운전 정지 시점에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 제1 온도 미만인 경우에 있어서의, 유입 NO_X양, SCR 촉매의 온도, 가열 장치의 작동 상태, 및 카운터의 경시 변화를 나타내는 도면이다.
도 4는 내연 기관의 운전 정지 시점에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 제1 온도 이상인 경우에 있어서의, 유입 NO_X양, SCR 촉매의 온도, 가열 장치의 작동 상태, 및 카운터의 경시 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 제1 실시예에 있어서, 회복 처리가 행해질 때 ECU에 의하여 실행되는 처리 루틴을 도시하는 흐름도이다.
도 6은 저하 상태의 구리 이온양을 연산할 때 ECU에 의하여 실행되는 처리 루틴을 도시하는 흐름도이다.
도 7은 제1 실시 형태의 변형예에 있어서, 회복 처리가 행해질 때 ECU에 의하여 실행되는 처리 루틴을 도시하는 흐름도이다.
도 8은 SCR 촉매의 온도와, 저하 상태의 구리 이온의 가수 회복 속도와, NH₃의 탈리 속도와, NH₃의 산화 속도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 제2 실시 형태에 있어서, 회복 처리가 행해질 때 ECU에 의하여 실행되는 처리 루틴을 도시하는 흐름도이다.
도 10은 제2 실시 형태의 변형예에 있어서, 회복 처리가 행해질 때 ECU에 의하여 실행되는 처리 루틴을 도시하는 흐름도이다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시 형태에 대하여 도면에 기초하여 설명한다. 본 실시 형태에 기재되는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 상대 배치 등은, 특별히 기재가 없는 한 발명의 기술적 범위를 그것들에만 한정하는 취지의 것은 아니다.

<실시 형태 1> 우선, 본 발명의 제1 실시 형태에 대하여 도 1 내지 도 5에 기초하여 설명한다. 도 1은, 본 발명에 관한 배기 정화 장치를 적용하는 내연 기관과 그 흡배기계의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 도 1에 도시하는 내연 기관(1)은 경유를 연료로 하는 압축 착화식의 내연 기관(디젤 엔진)이다. 또한 내연 기관(1)은 희박 연소 운전 가능한 불꽃 점화식의 내연 기관(가솔린 엔진)이어도 된다.

내연 기관(1)에는, 기통 내에서 배출되는 기연소 가스(배기)를 유통시키기 위한 배기 통로(2)가 접속되어 있다. 배기 통로(2)의 도중에는 제1 촉매 케이싱(3)이 배치되어 있다. 제1 촉매 케이싱(3)보다 하류의 배기 통로(2)에는 제2 촉매 케이싱(4)이 배치되어 있다.

제1 촉매 케이싱(3)은, 통형의 케이싱 내에 NSR 촉매가 담지된 촉매 담체와, 파티큘레이트 필터를 수용하고 있다. NSR 촉매는, 배기의 공연비가 희박 공연비일 때는 배기 중의 NO_X를 흡장하고, 또한 배기의 공연비가 농후 공연비일 때는 흡장하고 있던 NO_X를 방출시키면서 배기 중의 환원 성분(HC나 CO 등)과 반응시킴으로써 N₂로 환원시킨다. 파티큘레이트 필터는 배기 중에 포함되는 PM(Particulate Matter)을 포집한다.

제2 촉매 케이싱(4)은, 통형의 케이싱 내에, SCR 촉매가 담지된 촉매 담체를 수용하고 있다. 상기 촉매 담체는, 예를 들어 허니콤 형상의 횡단면을 갖는 모놀리스 타입의 기재에 알루미나계 또는 제올라이트계의 촉매 담체를 코팅한 것이다. 그리고 상기 촉매 담체에는, 전이 금속 원소인 Cu나 Fe 등이 이온 교환되어 담지되어 있다. 이와 같이 구성되는 SCR 촉매는 배기 중에 포함되는 NH₃을 흡착하고, 또한 그 흡착된 NH₃을 환원제로 하여 배기 중의 NO_X를 N₂로 환원시킨다. 또한 본 실시 형태에서는, SCR 촉매의 촉매 담체에 담지되는 전이 금속 이온으로서 구리 이온을 사용하는 것으로 한다.

또한 제2 촉매 케이싱(4)에는, SCR 촉매를 가열하기 위한 가열 장치(40)가 병설되어 있다. 가열 장치(40)는 전기 에너지를 열 에너지로 변환함으로써 SCR 촉매를 가열하는 전기 가열식의 히터이다. 또한 가열 장치(40)는 통전에 의하여 발생하는 전자파를 이용하여 SCR 촉매를 가열하는 전자 가열기여도 된다. 가열 장치(40)는 SCR 촉매를 전기 가열식 촉매로서 형성함으로써 실현되어도 된다. 가열 장치(40)는 화염에 의하여 SCR 촉매를 가열하는 버너여도 된다.

제1 촉매 케이싱(3)과 제2 촉매 케이싱(4) 사이의 배기 통로(2)에는, NH₃ 또는 NH₃의 전구체인 첨가제를 배기 중에 첨가(분사)하기 위한 첨가 밸브(5)가 배치되어 있다. 첨가 밸브(5)는 펌프(50)를 통해 첨가제 탱크(51)에 접속되어 있다. 펌프(50)는 첨가제 탱크(51)에 저류되어 있는 첨가제를 흡인함과 함께, 흡인된 첨가제를 첨가 밸브(5)로 압송한다. 첨가 밸브(5)는 펌프(50)로부터 압송되어 오는 첨가제를 배기 통로(2) 내에 분사한다. 또한 첨가제 탱크(51)에 저류되는 첨가제로서는 NH₃ 가스, 또는 요소나 카르밤산 암모늄 등의 수용액을 사용할 수 있지만, 본 실시 형태에서는 요소 수용액을 사용하는 것으로 한다.

첨가 밸브(5)로부터 요소 수용액이 분사되면, 해당 요소 수용액이 배기와 함께 제2 촉매 케이싱(4)에 유입된다. 그때, 요소 수용액이 배기의 열을 받아 열분해되거나, 또는 SCR 촉매에 의하여 가수분해된다. 요소 수용액이 열분해 또는 가수분해되면 NH₃이 생성된다. 이와 같이 하여 생성된 NH₃은 SCR 촉매에 흡착된다. SCR 촉매에 흡착된 NH₃은 배기 중에 포함되는 NO_X와 반응하여 N₂나 H₂O를 생성한다.

이와 같이 구성된 내연 기관(1)에는 ECU(10)가 병설되어 있다. ECU(10)는 CPU, ROM, RAM, 백업 RAM 등을 구비한 전자 제어 유닛이다. ECU(10)에는 제1 NO_X 센서(6), 제2 NO_X 센서(7), 배기 온도 센서(8), 케이싱 온도 센서(9), 크랭크 포지션 센서(11), 액셀러레이터 포지션 센서(12) 및 에어플로우 미터(13) 등의 각종 센서가 전기적으로 접속되어 있다.

제1 NO_X 센서(6)는 제1 촉매 케이싱(3)과 제2 촉매 케이싱(4) 사이의 배기 통로(2)에 배치되어, 제2 촉매 케이싱(4)에 유입되는 배기의 NO_X 농도에 상관하는 전기 신호를 출력한다. 제2 NO_X 센서(7)는 제2 촉매 케이싱(4)보다 하류의 배기 통로(2)에 배치되어, 제2 촉매 케이싱(4)으로부터 유출되는 배기의 NO_X 농도에 상관하는 전기 신호를 출력한다. 배기 온도 센서(8)는 제2 촉매 케이싱(4)보다 하류의 배기 통로(2)에 배치되어, 제2 촉매 케이싱(4)으로부터 유출되는 배기의 온도와 상관하는 전기 신호를 출력한다. 케이싱 온도 센서(9)는 제2 촉매 케이싱(4)에 설치되어, SCR 촉매를 수용하는 케이싱의 온도와 상관하는 전기 신호를 출력한다.

크랭크 포지션 센서(11)는 내연 기관(1)의 출력축(크랭크 샤프트)의 회전 위치에 상관하는 전기 신호를 출력한다. 액셀러레이터 포지션 센서(12)는 액셀러레이터 페달의 조작량(액셀러레이터 개방도)에 상관하는 전기 신호를 출력한다. 에어플로우 미터(13)는 내연 기관(1)에 흡입되는 공기의 양(질량)에 상관하는 전기 신호를 출력한다.

또한 ECU(10)는, 내연 기관(1)에 설치된 각종 기기(예를 들어 연료 분사 밸브 등)에 추가하여, 상기한 첨가 밸브(5), 가열 장치(40) 및 펌프(50) 등과 전기적으로 접속되어 있다. ECU(10)는 상기한 각종 센서의 출력 신호에 기초하여 내연 기관(1)의 각종 기기, 첨가 밸브(5), 가열 장치(40) 및 펌프(50) 등을 전기적으로 제어한다. 예를 들어 ECU(10)는, 내연 기관(1)의 기관 부하나 기관 회전 속도에 따라 연료 분사 밸브의 분사량이나 분사 시기를 제어하는 연료 분사 제어나, 첨가 밸브(5)로부터 간헐적으로 첨가제를 분사시키는 첨가 제어 등의 기지의 제어에 추가하여, SCR 촉매의 회복 처리를 실행한다. 여기서 말하는 회복 처리는, SCR 촉매가 구비하는 구리 이온의 이온 가수를 NO_X 환원에 필요한 가수로 회복시키기 위한 처리이다. 이하에서는, 본 실시 형태에 있어서의 회복 처리에 대하여 설명한다.

우선, SCR 촉매에 있어서의 NO_X 환원 반응에 대하여 도 2에 기초하여 설명한다. 도 2는, 당해 NO_X 환원 반응을, 그 설명을 위하여 모식적으로 도시한 도면이다. SCR 촉매에 있어서의 NO_X 환원 반응은, 촉매 담체에 담지되어 있는 구리 이온 상에서 발생하고 있으며, 그것은 개략적으로 4개의 스텝 (a) 내지 (d)로 나뉜다고 생각된다. 우선 스텝 (a)에서는, 이온 가수가 NO_X 환원에 필요한 가수(2+)로 되어 있는 구리 이온(Cu^{2 +})에 대하여 NH₃이 흡착된다. 이어지는 스텝 (b)에서는, 그 구리 이온에 대하여 NO_X(NO)가 흡착된다. 그 결과, 스텝 (c)에 있어서, NH₃과 NO의 반응이 발생함으로써 N₂와 H₂O가 생성됨과 함께, 구리 이온의 이온 가수가 1+로 감소한다. 구리 이온의 이온 가수가 1+로 감소하면 해당 구리 이온의 NO_X 환원 능력이 저하된다(저하 상태). 단, 저하 상태의 구리 이온 Cu⁺에는, 스텝 (c)에 있어서 생성되는 수소 이온 H⁺가 흡착된 상태로 되어 있다. 그리고 스텝 (d)에서, 이 상태의 구리 이온 Cu⁺에 대하여 산소(1/4O₂)나 NO₂가 공급되면 해당 구리 이온 Cu⁺가 재산화된다. 구리 이온이 재산화되면, 구리 이온의 이온 가수가 NO_X 환원에 필요한 2+로 회복된 상태로 된다(기준 상태). 이것에 의하여, 다시 스텝 (a)로부터의 반응이 순차 계속될 수 있게 되어 SCR 촉매에 의한 연속적인 NO_X 환원이 가능해진다.

이와 같이 SCR 촉매에 있어서, 연속적인 NO_X 환원을 실현하기 위해서는, 상기 스텝 (d)에 있어서의 구리 이온 C⁺의 가수 회복(Cu⁺ → Cu^{2 +})이 필요하다고 생각된다. 그러나 저하 상태에 빠진 구리 이온의 가수 회복은, 기준 상태의 구리 이온에 의한 NO_X 환원이 발현되기 시작하는 온도(활성 온도)보다 고온의 분위기이고, 또한 NO₂나 O₂가 존재하는 분위기에 있어서 발현된다. 그 때문에, 내연 기관(1)의 운전 상태에 따라서는, 기준 상태의 구리 이온에 의한 NO_X 환원이 발현되지만 저하 상태의 구리 이온의 가수 회복이 발현되지 않는 상태가 계속되는 경우가 있을 수 있다. 예를 들어 내연 기관(1)의 저부하 운전이 계속되거나 SCR 촉매에 유입되는 배기의 공연비가 이론 공연비 이하로 되는 상태가 계속되거나 하면, 기준 상태의 구리 이온에 의한 NO_X 환원이 발현되지만 저하 상태의 구리 이온의 가수 회복이 발현되지 않는 상태가 계속될 가능성이 높다. 이러한 상태가 계속된 직후에 내연 기관(1)의 운전이 정지되면, 기준 상태의 구리 이온의 양이 적은 상태에서 차회의 시동을 맞게 된다. 그 결과, 차회의 시동 직후에 있어서, SCR 촉매의 NO_X 정화 성능이 저하되거나 SCR 촉매에 의한 연속적인 NO_X 환원이 곤란해지거나 할 가능성이 있다.

그래서 본 실시 형태에 있어서는, NO_X가 SCR 촉매에 유입되지 않고 또한 제2 촉매 케이싱(4) 내에 O₂가 존재할 때 SCR 촉매의 온도를 제1 온도 이상까지 승온시키고, 또한 그 상태가 소정 기간 계속되도록 가열 장치(40)를 제어하는 방법에 의하여 회복 처리를 실행하도록 하였다. 여기서 말하는 제1 온도는 전술한 바와 같이, 저하 상태의 구리 이온의 가수 회복이 발현되는 온도이고, 기준 상태의 구리 이온에 의한 NO_X 환원이 발현되기 시작하는 온도(예를 들어 150℃ 이상)보다 높은 온도(예를 들어 200℃ 이상)이다. 또한 상기 소정 기간은, 저하 상태에 있는 구리 이온의 대략 전량의 가수 회복을 행하기 위하여 필요해지는 기간이며, 해당 소정 기간의 설정 방법에 대해서는 후술한다.

여기서, NO_X가 SCR 촉매에 유입되지 않는 경우로서는, 내연 기관(1)이 운전 정지 상태에 있는 경우가 생각된다. 단, 내연 기관(1)의 운전 정지로부터 비교적 긴 시간이 경과한 때 회복 처리를 실행하고자 하면, 가열 장치(40)의 소비 전력이 커질 가능성이 있다. 이는, 내연 기관(1)의 운전 정지로부터의 경과 시간이 길어짐에 따라 SCR 촉매의 온도가 저하되기 때문에, 그에 수반하여 해당 SCR 촉매의 온도를 상기 제1 온도 이상으로 상승시키기 위하여 필요해지는 가열량이 많아지기 때문이다. 따라서 본 실시 형태에서는, 내연 기관(1)의 운전 정지를 트리거로 함으로써, 내연 기관(1)의 운전 정지 직후의 SCR 촉매가 비교적 고온일 때 회복 처리를 실행하도록 하였다.

여기서, 도 3에 기초하여 회복 처리의 실행 방법에 대하여 설명한다. 도 3은, 내연 기관(1)의 운전 정지 후에 있어서의, SCR 촉매에 유입되는 NO_X양(유입 NO_X양), SCR 촉매의 온도, 가열 장치(40)의 작동 상태, 및 카운터의 경시 변화를 나타내는 도면이다. 도 3 중의 「카운터」는, 내연 기관(1)의 운전 정지 후에 있어서, 단위 시간당 가수 회복이 도모되었다고 추정되는 구리 이온의 양을 적산하기 위한 카운터이다. 「규정값」은, 내연 기관(1)의 운전이 정지된 시점에서 저하 상태에 빠져 있다고 추정되는 구리 이온의 양에 상당한다. 또한 본 실시 형태에서는, 내연 기관(1)의 운전이 정지된 시점에서 저하 상태에 빠져 있는 구리 이온의 양이 가장 많아지는 경우를 상정하여 규정값이 정해지는 것으로 한다. 이러한 규정값은 실험이나 시뮬레이션 등의 결과부터 통계적으로 구해 두는 것으로 한다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 내연 기관(1)의 운전이 정지되면(도 3 중의 t1), SCR 촉매에 유입되는 NO_X양(유입 NO_X양)이 "0"으로 된다. 이에 수반하여, ECU(10)는 가열 장치(40)를 작동(ON)시킴으로써 SCR 촉매를 승온시킨다. 그때, SCR 촉매의 온도가 비교적 높기 때문에, 해당 SCR 촉매가 냉간 상태에 있는 경우보다도 적은 가열량에 의하여 해당 SCR 촉매를 상기 제1 온도 이상까지 승온시킬 수 있다. 그리고 SCR 촉매의 온도가 제1 온도에 도달하면(도 3 중의 t2), 저하 상태의 구리 이온의 가수 회복이 발현되기 시작한다. 그때, 유입 NO_X양이 "0"으로 되어 있기 때문에, 기준 상태의 구리 이온의 NO_X 환원에 수반하는 이온 가수의 감소는 발현되지 않는다. 그 결과, 저하 상태에 빠진 구리 이온양을 효율적으로 감소시킬 수 있다. 또한 ECU(10)는, SCR 촉매의 온도가 제1 온도에 도달함으로써 저하 상태의 구리 이온의 가수 회복이 발현되기 시작하면, ECU(10)는 카운터에 의한 적산을 개시한다. 여기서, 단위 시간당 가수 회복이 도모되는 구리 이온의 양은 SCR 촉매의 온도가 높아질수록 많아진다. 따라서 카운터의 단위 시간당의 갱신량은 SCR 촉매의 온도가 높아질수록 크게 되는 것으로 한다.

가열 장치(40)가 SCR 촉매를 가열함으로써 해당 SCR 촉매의 온도가 제1 온도 이상의 목표 온도 Ttrg에 도달하면(도 3 중의 t3), ECU(10)는 SCR 촉매의 온도가 당해 목표 온도 Ttrg로 유지되도록 가열 장치(40)를 제어한다. 여기서 말하는 목표 온도 Ttrg는 소비 전력과 가수 회복 속도의 균형 등을 고려하여 결정되는 온도이다. 또한 내연 기관(1)의 운전이 정지되는 시점에 있어서, 구리 이온의 적어도 일부에 NH₃이 흡착되어 있을 가능성이 있다. 그 때문에, 회복 처리의 실행 중에 SCR 촉매의 온도가 과잉으로 높아지면, 구리 이온에 흡착되어 있던 NH₃이 탈리하거나 또는 산화되거나 할 가능성이 있다. 단, 내연 기관(1)의 운전 정지 후와 같이 SCR 촉매에 있어서의 가스의 흐름이 없을 때는, 구리 이온에 흡착되어 있던 NH₃이 탈리하더라도 그 NH₃이 SCR 촉매 중에 남는다. 그 때문에, SCR 촉매의 온도가 저하된 때 탈리 NH₃이 구리 이온에 재흡착될 가능성이 높다. 따라서 상기 목표 온도 Ttrg를 NH₃이 탈리하기 시작하는 온도 미만으로 제한할 필요는 없다고 할 수 있다. 그러나 SCR 촉매의 온도가 NH₃이 탈리하기 시작하는 온도보다도 높은 온도까지 높아지면, 구리 이온에 흡착되어 있던 NH₃이 산화될 가능성이 있다. 따라서 상기 목표 온도 Ttrg는 NH₃의 산화가 발현되기 시작하는 온도(제2 온도)보다 낮은 온도로 제한되는 것으로 한다. 이와 같이 목표 온도 Ttrg이 정해지면, 구리 이온에 흡착되어 있는 NH₃을 산화시키지 않고 저하 상태에 있는 구리 이온의 가수 회복을 행할 수 있다. 그 결과, 내연 기관(1)의 차회의 시동 후에 있어서, SCR 촉매에 NO_X가 유입된 때 구리 이온에 흡착되어 있던 NH₃을 이용하여 유입 NO_X를 환원시키는 것이 가능해진다.

여기서 도 3의 설명으로 되돌아가, 카운터값이 상기 규정값에 도달하면(도 3 중의 t4), ECU(10)는 가열 장치(40)를 정지(OFF)시킴과 함께, 카운터값을 "0"으로 리셋한다. 이 경우에 있어서의 소정 기간은 도 3 중의 t2로부터 t4까지의 기간으로 된다. 즉, 이 경우의 소정 기간은, 내연 기관(1)의 운전이 정지된 시점에서 저하 상태에 빠져 있다고 상정되는 구리 이온의 대략 전량의 가수 회복에 요하는 기간이다.

전술한 도 3에서는, 내연 기관(1)의 운전 정지 시점에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 제1 온도 미만인 경우에 있어서의 회복 처리의 실행 방법에 대하여 설명했지만, 내연 기관(1)의 운전 정지 시점에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 상기 제1 온도 이상인 경우도 있을 수 있다. 그러한 경우에는, 내연 기관(1)의 운전 정지 전 및 운전 정지 직후에 있어서, 저하 상태의 구리 이온의 가수 회복이 자동적으로 행해진다고 추정된다. 그 때문에, 내연 기관(1)의 운전 정지 시점에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 상기 제1 온도 이상인 경우에는 회복 처리가 실행되지 않도록 해도 된다. 이러한 방법에 의하면, 회복 처리의 실행에 기인하는, 가열 장치(40)의 소비 전력의 증가를 억제할 수 있다. 그러나 상기한 경우여도, 저하 상태에 빠진 구리 이온의 대략 전량의 가수 회복이 자동적으로 행해진다고 할 수는 없기 때문에, 차회의 시동 후에 있어서의 SCR 촉매의 NO_X 정화 성능이 원하는 성능으로 되지 않는 경우도 있을 수 있다. 따라서 내연 기관(1)의 차회의 시동 후에 있어서의 SCR 촉매의 NO_X 정화 성능을 더 확실히 원하는 성능으로 한다는 관점에 서면, 내연 기관(1)의 운전 정지 시점에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 상기 제1 온도 이상인 경우에 있어서도, 내연 기관(1)의 운전 정지 시점 있어서의 SCR 촉매의 온도가 상기 제1 온도 미만인 경우와 마찬가지로, 상기 규정값에 상당하는 양의 구리 이온이 저하 상태에 빠져 있다고 상정하여 회복 처리가 실행되어도 된다. 그 경우에는, 내연 기관의 운전 정지 후에 있어서, SCR 촉매의 온도가 상기 제1 온도 미만으로 저하된 때 회복 처리를 실행하면 된다.

여기서, 내연 기관(1)의 운전 정지 시점에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 상기 제1 온도 이상인 경우에 있어서의 회복 처리의 실행 방법에 대하여 도 4에 기초하여 설명한다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 내연 기관(1)의 운전 정지 시점에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 상기 제1 온도 이상인 경우에는, 내연 기관(1)의 운전이 정지된 시점(도 4 중의 t1)으로부터 SCR 촉매의 온도가 상기 제1 온도 미만으로 저하되는 시점(도 4 중의 t2')까지의 기간(자동 회복 기간)에는, 가열 장치(40)에 의한 SCR 촉매의 가열을 행하지 않더라도 저하 상태의 구리 이온의 가수 회복이 자동적으로 행해진다. 그 때문에 ECU(10)는, 내연 기관(1)의 운전이 정지된 때 가열 장치(40)를 작동시키지 않고 카운터에 의한 적산을 개시한다. 그 후, SCR 촉매의 온도가 제1 온도를 하회하면(도 4 중의 t2'), ECU(10)는 가열 장치(40)를 작동(ON)시킨다. 그리고 가열 장치(40)가 SCR 촉매를 가열함으로써 SCR 촉매의 온도가 상기 목표 온도 Ttrg에 도달하면(도 4 중의 t3), ECU(10)는 SCR 촉매의 온도가 해당 목표 온도 Ttrg로 유지되도록 가열 장치(40)를 제어한다. 또한 카운터값이 상기 규정값에 도달하면(도 4 중의 t4), ECU(10)는 가열 장치(40)를 정지(OFF)시킴과 함께, 카운터값을 "0"으로 리셋한다. 이 경우에 있어서의 소정 기간은 도 4 중의 t2'으로부터 t4까지의 기간으로 된다. 즉, 이 경우의 소정 기간은, 상기 자동 회복 기간의 종료 시점에 있어서 저하 상태에 빠져 있다고 상정되는 구리 이온양{내연 기관(1)의 운전 정지 시점에서 저하 상태에 빠져 있다고 상정되는 구리 이온양으로부터 자동 회복 기간 중에 가수 회복이 도모된 구리 이온양을 차감한 양}의 가수 회복에 요하는 기간이다.

전술한 도 3, 4에 나타낸 바와 같이, 내연 기관(1)의 운전 정지 직후에 회복 처리가 실행되면, 가열 장치(40)의 소비 전력을 가능한 한 적게 억제하면서 저하 상태에 있는 구리 이온의 대략 전량의 가수 회복을 행할 수 있다. 또한 NO_X가 SCR 촉매에 유입되지 않는 상태에서 회복 처리가 실행되기 때문에, 저하 상태에 빠진 구리 이온의 가수 회복을 효율적으로 행하는 것도 가능해진다. 또한 회복 처리 중의 SCR 촉매의 온도가 상기 제2 온도 미만으로 제한되기 때문에, 구리 이온에 흡착되어 있는 NH₃을 산화시키지 않고 저하 상태의 구리 이온의 가수 회복을 행할 수 있다. 따라서 내연 기관(1)의 차회의 시동 후에 있어서, SCR 촉매의 NO_X 정화 성능이 낮아지거나 SCR 촉매에 의한 연속적인 NO_X 환원이 곤란해지거나 하는 것을 억제할 수 있다.

이하, 본 실시 형태에 있어서의 회복 처리의 실행 수순에 대하여 도 5를 따라 설명한다. 도 5는, 회복 처리가 행해질 때 ECU(10)에 의하여 실행되는 처리 루틴을 도시하는 흐름도이다. 이 처리 루틴은 미리 ECU(10)의 ROM 등에 기억되어 있으며, 내연 기관(1)의 운전 정지를 트리거로 하여 실행된다. 또한 여기서 말하는 내연 기관(1)의 운전 정지는, 예를 들어 도시되지 않은 이그니션 스위치가 ON으로부터 OFF로 전환되는 것을 조건으로 하여 판정된다. 또한 차량의 정지 중에 내연 기관(1)을 자동적으로 정지 및 재시동시키는, 소위 아이들 스톱 제어가 행해지는 구성에 있어서는, 내연 기관(1)이 자동 정지된 때 내연 기관(1)의 운전이 정지되었다고 판정해도 된다. 또한 차량의 원동기로서 내연 기관(1) 외에 전동 모터 등을 구비하는, 소위 하이브리드 차량에 있어서는, 전동 모터만에 의하여 차량을 구동시키기 때문에, 내연 기관(1)이 자동적으로 정지된 때 내연 기관(1)의 운전이 정지되었다고 판정해도 된다.

도 5의 처리 루틴에 있어서, 우선 S101의 처리에서는, ECU(10)는 내연 기관(1)의 시동 요구가 발생하고 있는지의 여부를 판별한다. 상기 S101의 처리에 있어서 긍정 판정된 경우에는, ECU(10)는 S102의 처리로 나아간다. S102의 처리에서는, ECU(10)는 SCR 촉매의 온도 Tscr을 검출한다. 여기서, 내연 기관(1)의 운전 정지 후에 있어서 S102의 처리가 처음으로 실행되는 경우에는, 내연 기관(1)의 운전 정지 직전에 있어서의 SCR 촉매의 온도 Tscr을 읽어들이면 된다. 내연 기관(1)의 운전 정지 직전에 있어서는, 배기가 SCR 촉매를 유통시키는 상태에 있기 때문에 SCR 촉매의 열이 배기에 방열되기 쉽다. 그 때문에, SCR 촉매의 온도 Tscr는, SCR 촉매로부터 유출되는 배기의 온도에 상관한다고 생각된다. 따라서 배기 온도 센서(8)의 측정값으로부터 연산되는 SCR 촉매의 온도 Tscr을 ECU(10)의 백업 RAM 등에 기억시켜 두도록 해도 된다. 한편, 내연 기관(1)의 운전 정지 후에 있어서, S102의 처리의 실행 횟수가 2회째 이후인 경우에는, ECU(10)는 케이싱 온도 센서(9)의 측정값으로부터 SCR 촉매의 온도 Tscr을 연산한다. 이는, SCR 촉매에 있어서의 가스의 유통이 없는 경우에 있어서는 SCR 촉매의 열이 케이싱에 방열되기 쉽기 때문에, 배기 온도 센서(8)의 측정값보다도 케이싱 온도 센서(9)의 측정값 쪽이 SCR 촉매의 온도와의 상관이 높다고 생각되기 때문이다. 또한 SCR 촉매의 온도를 직접 측정하는 센서가 제2 촉매 케이싱(4)에 설치되는 구성에 있어서는, 상기한 어느 경우에 있어서도 상기 센서의 측정값을 이용하면 된다.

S103의 처리에서는, ECU(10)는 상기 S102의 처리에서 검출된 SCR 촉매의 온도 Tscr가 제1 온도 T1 이상인지의 여부를 판별한다. 제1 온도 T1은 전술한 바와 같이, 저하 상태에 있는 구리 이온의 가수 회복이 발현되는 온도이다.

S103의 처리에 있어서 부정 판정된 경우에는, ECU(10)는 S108의 처리로 나아간다. 여기서, 내연 기관(1)의 운전 정지 후에 있어서 해당 S108의 처리가 처음으로 실행되는 경우에는, ECU(10)는 가열 장치(40)에 대한 구동 전력의 공급을 개시함으로써 해당 가열 장치(40)를 작동(ON)시킨다. 또한 S108의 처리의 실행 횟수가 2회째 이후인 경우에는 이미 가열 장치(40)가 작동 상태에 있기 때문에, ECU(10)는 가열 장치(40)에 대한 구동 전력의 공급을 계속함으로써 가열 장치(40)의 작동 상태를 유지하면 된다. ECU(10)는 S108의 처리를 실행한 후에 S101의 처리로 되돌아간다. 그때, 내연 기관(1)의 재시동 요구가 발생하고 있으면 상기 S101의 처리에 있어서 긍정 판정되게 되기 때문에, ECU(10)는 S106의 처리로 나아가 가열 장치(40)를 정지(OFF)시킨다. 계속해서, ECU(10)는 카운터값 C를 "0"으로 리셋하고 본 처리 루틴의 실행을 종료한다.

또한 내연 기관(1)의 운전 정지 시점에 있어서의 SCR 촉매의 온도 Tscr가 제1 온도 T1 이상인 경우, 또는 가열 장치(40)의 작동에 의하여 SCR 촉매의 온도 Tscr가 제1 온도 T1 이상까지 상승한 경우에는, S103의 처리에 있어서 긍정 판정되게 된다. 그 경우, SCR 촉매에 있어서, 저하 상태의 구리 이온의 가수 회복이 발현된다. 따라서 S103의 처리에서 긍정 판정된 경우에는, ECU(10)는 S104의 처리로 나아가 카운터의 값 C를 갱신한다. 카운터는 전술한 도 3의 설명에서 설명한 바와 같이, 내연 기관(1)의 운전 정지 후에 있어서, SCR 촉매의 온도가 제1 온도 T1 이상으로 됨으로써 가수 회복이 이루어진 구리 이온의 적산량을 계량하는 것이다. 또한 S104의 처리에 있어서의 카운터값 C의 갱신량은, 전술한 바와 같이 SCR 촉매의 온도 Tscr가 높아질수록 큰 값으로 된다.

S105의 처리에서는, ECU(10)는 상기 S104의 처리에서 갱신된 카운터값 C가 규정값 Cs 이상인지의 여부를 판별한다. 규정값 Cs는 전술한 바와 같이, 내연 기관(1)의 운전이 정지된 시점에서 저하 상태에 빠져 있는 구리 이온양에 상당하는 값이다. 이 규정값 Cs는, 내연 기관(1)의 운전이 정지된 시점에서 저하 상태에 빠져 있는 구리 이온양이 가장 많아지는 경우를 상정하여 미리 정해져 있다. S105의 처리에 있어서 부정 판정된 경우에는, SCR 촉매에 있어서 저하 상태에 있는 구리 이온의 가수 회복이 완료되어 있지 않다고 간주되기 때문에, ECU(10)는 S109의 처리로 나아간다.

S109의 처리에서는, ECU(10)는 상기 S102의 처리에서 검출된 SCR 촉매의 온도 Tscr가 소정의 상한 온도 Tmax 이상인지의 여부를 판별한다. 여기서 말하는 소정의 상한 온도 Tmax는 제1 온도 T1보다 높고 또한 제2 온도(NH₃의 산화 온도)보다 낮은 온도이다. 예를 들어 소정의 상한 온도 Tmax는 제2 온도로부터 소정의 마진을 차감한 온도이다.

S109의 처리에 있어서 긍정 판정된 경우에는, ECU(10)는 S110의 처리로 나아간다. 그때, 가열 장치(40)가 작동 상태에 있으면, ECU(10)는 해당 가열 장치(40)를 정지시킴으로써 SCR 촉매가 제2 온도 이상까지 승온되는 것을 억제한다. 또한 가열 장치(40)가 이미 정지 상태에 있으면, ECU(10)는 해당 가열 장치(40)를 정지 상태로 유지한다.

S109의 처리에 있어서 부정 판정된 경우, 또는 S110의 처리가 실행된 후에 ECU(10)는 S101의 처리로 되돌아간다.

또한 상기 S105의 처리에 있어서 긍정 판정된 경우에는, SCR 촉매에 있어서 저하 상태에 있는 구리 이온의 대략 전량의 가수 회복이 완료되었다고 간주할 수 있기 때문에, ECU(10)는 S106의 처리로 나아가 가열 장치(40)를 정지(OFF)시킨다. 계속해서, ECU(10)는 S107의 처리로 나아가 카운터값 C를 "0"으로 리셋하고 본 처리 루틴의 실행을 종료한다.

여기서, ECU(10)가 S102의 처리를 실행함으로써 본 발명에 관한 「검출 수단」이 실현된다. 또한 ECU(10)가 S103 내지 S110의 처리를 실행함으로써 본 발명에 관한 「제어 수단」이 실현된다.

이상, 설명한 수순에 의하여 회복 처리가 실행되면, 가열 장치(40)의 소비 전력을 적게 억제하면서 SCR 촉매에 있어서 저하 상태에 빠진 구리 이온의 가수 회복을 효율적으로 행할 수 있다. 그 결과, 내연 기관(1)의 차회의 시동 후에 있어서의 SCR 촉매의 NO_X 정화 성능이 저하되거나 SCR 촉매에 의한 연속적인 NO_X 환원이 곤란해지거나 하는 것이 억제된다.

또한 본 실시 형태에서는, 회복 처리 중의 SCR 촉매의 온도가 상기 제2 온도 이상으로 되지 않도록 가열 장치(40)를 제어하고 있지만, 내연 기관(1)의 운전 정지 시점에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 NH₃이 탈리하기 시작하는 온도(제3 온도) 이상이면, 회복 처리 중인 SCR 촉매의 온도를 상기 제2 온도 이상까지 승온시켜도 된다. 이는, 내연 기관(1)의 운전 정지 시점에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 상기 제3 온도 이상이면, 구리 이온에 흡착되어 있는 NH₃양이 대략 0이라고 간주할 수 있기 때문이다. 회복 처리 중의 SCR 촉매의 온도를 상기 제2 온도 이상까지 승온시키면 회복 처리의 실행 기간을 더 짧게 할 수 있기 때문에, 재시동 요구가 발생하기 전에 회복 처리를 완료시키기 쉬워진다.

<실시 형태 1의 변형예> 전술한 제1 실시 형태에서는, 내연 기관(1)의 운전이 정지된 시점에서 저하 상태에 빠져 있는 구리 이온의 양이 미리 정해진 고정량(상술한 규정값)이라고 상정하여 회복 처리를 실행하는 예에 대하여 설명했지만, 내연 기관(1)의 운전이 정지된 시점에서 저하 상태에 빠져 있는 구리 이온의 양(요구 회복량)을 추정하고 그 요구 회복량에 기초하여 회복 처리를 실행해도 된다.

상기 요구 회복량을 추정하는 것에 있어서, 본 변형예에서는, 내연 기관(1)의 운전 중에 있어서 저하 상태에 있는 구리 이온양을 적절히 연산하는 것으로 한다. 상세하게는, 단위 시간당 기준 상태로부터 저하 상태로 이행하는 구리 이온양과, 단위 시간당 저하 상태로부터 기준 상태로 이행하는 구리 이온양의 차분을 적산함으로써, 저하 상태에 있는 구리 이온양이 구해진다. 여기서, 내연 기관(1)의 운전 중에 있어서, 저하 상태의 구리 이온양을 연산하는 수순에 대하여 도 6을 따라 설명한다. 도 6은, 저하 상태의 구리 이온양을 연산할 때 ECU(10)에 의하여 실행되는 처리 루틴을 도시하는 흐름도이다. 이 처리 루틴은 미리 ECU(10)의 ROM 등에 기억되어 있으며, 내연 기관(1)의 운전 중(예를 들어 이그니션 스위치가 온 상태에 있을 때)에 주기적으로 실행된다.

도 6의 처리 루틴에서는, 우선 S201의 처리에 있어서, ECU(10)는 SCR 촉매의 온도 Tscr, 단위 시간당 SCR 촉매에 유입되는 O₂양(유입 O₂양) Ao2, 단위 시간당 SCR 촉매에 유입되는 NO_X양(유입 NO_X양) Anox, 및 단위 시간당 SCR 촉매에 유입되는 NO₂양(유입 NO₂양) Ano2를 취득한다. 여기서, SCR 촉매의 온도 Tscr는, 전술한 바와 같이 배기 온도 센서(8)의 측정값으로부터 연산된다. 유입 O₂양 Ao2는, 제1 촉매 케이싱(3)에 수용되는 NSR 촉매의 온도나 내연 기관(1)의 운전 조건(예를 들어 흡입 공기량, 연료 분사량, 기관 회전 속도, 기관 온도 등)에 기초하여 추정된다. 또한 제1 촉매 케이싱(3)과 제2 촉매 케이싱(4) 사이의 배기 통로(2)에 O₂ 농도 센서를 설치하여, 해당 O₂ 농도 센서의 측정값과 배기 유량(예를 들어 흡입 공기량과 연료 분사량의 총량)으로부터 유입 O₂양 Ao2를 연산해도 된다. 유입 NO_X양 Anox는 제1 NO_X 센서(6)의 측정값과 배기 유량에 기초하여 연산된다. 유입 NO₂양 Ano2는, SCR 촉매에 유입되는 NO_X의 NO₂/NO 비율과, 유입 NO_X양 Anox에 기초하여 연산된다. SCR 촉매에 유입되는 NO_X의 NO₂/NO 비율은, 예를 들어 NSR 촉매의 온도와, 내연 기관(1)의 운전 조건(기관 회전 속도, 기관 부하 등)을 파라미터로 하여 추정된다.

S202의 처리에서는, ECU(10)는 단위 시간당 저하 상태로부터 기준 상태로 이행하는 구리 이온양(회복 이온양) Acu^{2 +}를 연산한다. 전술한 바와 같이, SCR 촉매의 온도가 제1 온도 이상이고 또한 SCR 촉매 중에 O₂ 또는 NO₂가 존재할 때 저하 상태에 있는 구리 이온의 가수 회복이 발현된다. 따라서 회복 이온양 Acu^{2 +}는 SCR 촉매의 온도 Tscr과 유입 O₂양 Ao2와 유입 NO₂양 Ano2에 상관한다고 할 수 있다. 본 변형예에서는, 그것들의 상관을 실험 또는 시뮬레이션의 결과에 기초하여 구해 둠과 함께, 그 구해진 상관을 맵화해 두는 것으로 한다. 그리고 해당 S202의 처리에서는, ECU(10)는, 상기 S201의 처리에서 취득된 SCR 촉매의 온도 Tscr과 유입 O₂양 Ao2와 유입 NO₂양 Ano2를 인수로 하여 상기 맵에 액세스함으로써 회복 이온양 Acu^{2 +}를 도출하는 것으로 한다.

S203의 처리에서는, ECU(10)는 단위 시간당 기준 상태로부터 저하 상태로 이행하는 구리 이온양(저하 이온양) Acu⁺를 연산한다. 기준 상태의 구리 이온 Cu^{2 +}에 의한 NO_X 환원은, SCR 촉매의 온도 Tscr가 상기 활성 온도 이상이고 또한 NO_X가 SCR 촉매에 유입할 때 발현된다. 따라서 저하 이온양 Acu⁺는 SCR 촉매의 온도 Tscr과 유입 NO_X양 Anox에 상관한다고 할 수 있다. 그래서 본 변형예에서는, 그것들의 상관을 실험 또는 시뮬레이션의 결과에 기초하여 구해 둠과 함께, 그 구해진 상관을 맵화해 두는 것으로 한다. 그리고 해당 S203의 처리에서는, ECU(10)는, 상기 S201의 처리에서 취득된 SCR 촉매의 온도 Tscr과 유입 NO_X양 Anox를 인수로 하여 상기 맵에 액세스함으로써 저하 이온양 Acu⁺를 도출하는 것으로 한다.

S204의 처리에서는, ECU(10)는, 상기 S203의 처리에서 구해진 저하 이온양 Acu⁺로부터 상기 S202의 처리에서 구해진 회복 이온양 Acu^{2 +}를 감산함으로써, 저하 상태에 있는 구리 이온양의 단위 시간당의 변화분 ΔAcu⁺(=Acu⁺-Acu^{2 +})를 연산한다. 여기서, 저하 이온양 Acu⁺가 회복 이온양 Acu^{2 +}보다 많으면 상기 변화분 ΔAcu⁺가 정의 값으로 되지만, 회복 이온양 Acu^{2 +}가 저하 이온양 Acu⁺보다 많으면 상기 변화분 ΔAcu⁺가 부의 값으로 된다.

S204의 처리에서는, 그 시점에 있어서 저하 상태에 빠져 있는 구리 이온양 ΣAcu⁺를 연산한다. 상세하게는, ECU(10)는, 저하 상태에 빠져 있는 구리 이온양의 전회값 ΣAcu⁺old에, 상기 S204의 처리에서 산출된 변화분 ΔAcu⁺를 가산함으로써, 그 시점에서 저하 상태에 빠져 있는 구리 이온양 ΣAcu⁺를 산출한다. 이와 같이 하여 산출된 구리 이온양 ΣAcu⁺는, 내연 기관(1)의 운전 정지 후에도 데이터를 유지 가능한 백업 RAM에 기억된다.

다음으로, 본 변형예에 있어서의 회복 처리의 실행 수순에 대하여 도 7을 따라 설명한다. 도 7은, 본 변형예에 있어서, 회복 처리가 실행될 때 ECU(10)에 의하여 실행되는 처리 루틴을 도시하는 흐름도이다. 이 처리 루틴은 전술한 도 5의 처리 루틴과 마찬가지로, 내연 기관(1)의 운전 정지를 트리거로 하여 실행되는 것으로 한다. 도 7 중에 있어서, 전술한 도 5의 처리 루틴과 마찬가지의 처리에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 또한 도 7의 처리 루틴에서는, 도 5의 처리 루틴에 있어서의 S101의 처리 전에 S301 내지 S303의 처리가 실행된다. 또한 도 7의 처리 루틴에서는, 도 5의 처리 루틴에 있어서의 S105의 처리 대신 S304 내지 S305의 처리가 실행된다.

우선 S301의 처리에서는, ECU(10)는, 내연 기관(1)의 운전 정지 직전에 상기 도 6의 처리 루틴에 있어서 연산된 ΣAcu⁺를 백업 RAM으로부터 읽어들인다. 이 ΣAcu⁺는, 내연 기관(1)의 운전 정지 시점에서 저하 상태에 빠져 있는 구리 이온양(요구 회복량)에 상당한다.

S302의 처리에서는, ECU(10)는, 상기 S301의 처리에서 읽어들여진 요구 회복량 ΣAcu⁺가 소정의 역치 Athre 이상인지의 여부를 판별한다. 여기서 말하는 소정의 역치 Athre는, 해당 소정의 역치 Athre 미만의 구리 이온이 저하 상태에 빠져 있는 상태에서 내연 기관(1)이 재시동되더라도, 재시동 후에 있어서의 SCR 촉매의 NO_X 정화 성능이 원하는 성능 이상으로 된다고 생각되는 양, 또는 SCR 촉매에 의한 연속적인 NO_X 환원이 가능해진다고 생각되는 양이다. 해당 S302의 처리에 있어서 부정 판정된 경우에는, ECU(10)는 S106 및 S107의 처리를 순차 실행하고 본 처리 루틴의 실행을 종료한다. 즉, 해당 S302의 처리에 있어서 부정 판정된 경우에는 회복 처리가 실행되지 않는다. 한편, 해당 S302의 처리에 있어서 긍정 판정된 경우에는 ECU(10)는 S303의 처리로 나아간다.

S303의 처리에서는, ECU(10)는, 상기 S301의 처리에서 읽어들여진 요구 회복량 ΣAcu⁺를 파라미터로 하여, 후술하는 S304의 처리에서 이용되는 규정값 Cs'을 설정한다. 상세하게는, ECU(10)는 규정값 Cs'을 상기 요구 회복량 ΣAcu⁺와 동일한 값으로 설정한다. 다른 방법으로서, 상기 요구 회복량 ΣAcu⁺로부터 상기 소정의 역치 Athre를 차감한 값을 규정값 Cs'으로 설정해도 된다.

ECU(10)는, 상기 S303의 처리를 실행한 후에 S101 내지 S103의 처리를 순차 실행한다. 그때, S103의 처리에서 긍정 판정되면, ECU(10)는 S104의 처리와 S304의 처리를 순차적으로 실행한다. S304의 처리에서는, ECU(10)는, 카운터값 C가 상기 S303의 처리에서 설정된 규정값 Cs' 이상인지의 여부를 판별한다. 해당 S304의 처리에 있어서 긍정 판정되면, ECU(10)는 S305의 처리로 나아간다. S305의 처리에서는, ECU(10)는 백업 RAM에 기억되어 있는 ΣAcu⁺의 값을 "0"으로 리셋한다. 그 후, ECU(10)는 S106의 처리와 S107의 처리를 순차 실행함으로써 회복 처리를 종료한다.

이러한 수순에 의하여 회복 처리가 실행되면, 가열 장치(40)가 SCR 촉매를 상기 제1 온도 T1 이상으로 유지하는 기간(소정 기간)은, 내연 기관(1)의 운전이 정지된 시점에서 저하 상태에 빠져 있는 구리 이온의 양(요구 회복량) ΣAcu⁺에 따라 변경되게 된다. 즉, 요구 회복량 ΣAcu⁺가 적은 경우에는, 많은 경우에 비하여 소정 기간이 짧게 된다. 그 결과, 가열 장치(40)의 소비 전력을 필요 최소한으로 억제하면서 저하 상태에 빠져 있는 구리 이온의 가수 회복을 도모하는 것이 가능해진다. 또한 요구 회복량 ΣAcu⁺가 상기 소정의 역치 Athre 미만일 때는 회복 처리가 실행되지 않기 때문에, 가열 장치(40)의 불필요한 작동을 억제할 수도 있다.

<실시 형태 2> 다음으로, 본 발명의 제2 실시 형태에 대하여 도 8 내지 도 10에 기초하여 설명한다. 여기서는, 전술한 제1 실시 형태와 상이한 구성에 대하여 설명하며, 마찬가지의 구성에 대하여 설명을 생략한다. 전술한 제1 실시 형태에서는, NO_X가 SCR 촉매에 유입되지 않는 경우로서 내연 기관(1)의 운전이 정지되어 있는 경우를 예로 들었지만, 본 실시 형태에서는, NO_X를 포함하지 않는 가스가 SCR 촉매에 유입되는 경우를 예로 들어 설명한다. 또한 여기서 말하는 NO_X를 포함하지 않는 가스란, NO_X를 전혀 포함하지 않는 가스뿐 아니라 허용 NO_X양(SCR 촉매에 있어서 저하 상태에 빠져 있는 전이 금속 이온의 효율적인 가수 회복을 행할 수 있다고 생각될 정도로 적은 양)의 NO_X를 포함하는 가스여도 된다.

여기서, NO_X를 포함하지 않는 가스가 SCR 촉매에 유입되는 경우로서는, 내연 기관(1)의 운전 중에 있어서 해당 내연 기관(1)으로부터 배출되는 NO_X의 대략 전량이 제1 촉매 케이싱(3)의 NSR 촉매에 의하여 흡장되는 경우나 퓨얼컷 처리가 실행되고 있는 경우 등이 생각된다. 내연 기관(1)으로부터 배출되는 NO_X의 대략 전량이 NSR 촉매에 의하여 흡장되는 경우로서는, NSR 촉매에 유입되는 배기의 공연비가 희박 공연비인 경우가 생각된다. 단, NSR 촉매에 유입되는 배기의 공연비가 희박 공연비인 경우여도 그때의 NSR 촉매의 NO_X 흡장량이 비교적 많으면, NSR 촉매에 유입된 NO_X의 일부가 해당 NSR 촉매를 빠져나가기 쉬워진다. 따라서 본 실시 형태에서는, NSR 촉매의 NO_X 흡장량이 소정의 상한값 이하이고 또한 NSR 촉매에 유입되는 배기의 공연비가 희박 공연비이면, NO_X를 포함하지 않는 가스가 SCR 촉매에 유입되어 있다고 판정하는 것으로 한다. 여기서 말하는 「소정의 상한값」은, NSR 촉매의 NO_X 흡장량이 해당 소정의 상한값을 초과하면 전술한 허용 NO_X양보다 다량의 NO_X가 NSR 촉매를 빠져나갈 수 있다고 상정되는 값이다. 이러한 소정의 상한값은 미리 실험이나 시뮬레이션의 결과에 기초하여 정해 두는 것으로 한다.

그런데 NO_X를 포함하지 않는 가스가 SCR 촉매를 흐르는 상태에서 회복 처리가 실행되면, 구리 이온에 흡착되어 있던 NH₃이 탈리하여 가스와 함께 SCR 촉매로부터 유출될 가능성이 있다. 여기서, SCR 촉매의 온도와, 단위 시간당 가수 회복이 도모되는 구리 이온양(가수 회복 속도)과, 단위 시간당 구리 이온으로부터 탈리하는 NH₃양(탈리 속도)과, 단위 시간당 산화되는 NH₃의 양(산화 속도)의 관계를 도 8에 나타낸다. 도 8 중의 실선은 구리 이온의 가수 회복 속도를 나타낸다. 도 8 중의 1점 쇄선은 NH₃의 산화 속도를 나타낸다. 또한 도 8 중의 2점 쇄선은 NH₃의 탈리 속도를 나타낸다.

도 8에 나타낸 바와 같이, SCR 촉매의 온도가 동 도면 중의 T3(제3 온도) 이상으로 되면, 구리 이온에 흡착되어 있던 NH₃의 탈리가 발현되기 시작한다. 이 제3 온도 T3은, 저하 상태의 구리 이온의 가수 회복이 발현되기 시작하는 온도(제1 온도) T1보다 높고, 또한 NH₃이 산화되기 시작하는 온도(제2 온도) T2보다 낮다. 그 때문에 상술한 제1 실시 형태와 마찬가지로, 회복 처리 중의 SCR 촉매의 온도가 제2 온도 T2 미만으로 제한되었다고 하더라도 해당 SCR 촉매의 온도가 제3 온도 T3 이상으로 될 가능성이 있다. NO_X를 포함하지 않는 가스가 SCR 촉매를 흐르는 상태에서 SCR 촉매의 온도가 제3 온도 T3 이상으로 되면, 구리 이온으로부터 탈리한 NH₃이 가스와 함께 SCR 촉매로부터 유출되기 쉽다. 그 때문에, 가수 회복 처리의 종료 후에 있어서, SCR 촉매의 온도가 상기 제3 온도 T3 미만으로 저하되더라도 탈리 NH₃이 구리 이온에 재흡착될 가능성이 낮다.

그래서 본 실시 형태의 회복 처리에서는, SCR 촉매의 온도를 상기 제3 온도 T3 미만으로 제한하는 것으로 한다. 회복 처리 중의 SCR 촉매의 온도가 상기 제3 온도 미만으로 제한되면, 회복 처리의 개시 시점에서 구리 이온에 흡착되어 있던 NH₃이 탈리하여 SCR 촉매로부터 유출되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 회복 처리의 종료 후에 있어서, NO_X를 포함하는 가스가 SCR 촉매에 유입된 때 그것들의 흡착 NH₃을 이용하여 배기 중의 NO_X를 환원시키는 것이 가능해진다.

이하, 본 실시예에 있어서의 회복 처리의 실행 수순에 대하여 도 9를 따라 설명한다. 도 9는, 본 실시 형태에 있어서, 회복 처리가 실행될 때 ECU(10)에 의하여 실행되는 처리 루틴을 도시하는 흐름도이다. 여기서는, 회복 처리의 개시 시점에서 저하 상태에 빠져 있는 구리 이온양이, 전술한 제1 실시 형태와 마찬가지의 규정값(저하 상태에 빠져 있는 구리 이온양이 가장 많아지는 경우를 상정한 값)이라고 간주하여 회복 처리가 실행되는 것으로 한다. 또한 도 9 중에 있어서, 전술한 도 5의 처리 루틴과 마찬가지의 처리에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 또한 도 9의 처리 루틴에서는, 도 5의 처리 루틴에 있어서의 S101의 처리 대신 S401의 처리가 실행된다. 또한 도 9의 처리 루틴에서는, 도 5의 처리 루틴의 S109의 처리 대신 S402의 처리가 실행된다.

우선 S401의 처리에서는, ECU(10)는, 회복 조건이 성립하고 있는지의 여부를 판별한다. 상세하게는, NSR 촉매의 NO_X 흡장량이 상기 소정의 상한값 미만이고 또한 NSR 촉매에 유입되는 배기의 공연비가 희박 공연비이면, ECU(10)는 회복 조건이 성립하고 있다고 판정한다. 또한 내연 기관(1)의 퓨얼컷 처리가 실행 중인 경우에도 ECU(10)는 회복 조건이 성립하고 있다고 판정한다.

상기 S401의 처리에 있어서 긍정 판정된 경우에는, ECU(10)는 S102 이후의 처리를 실행한다. 그리고 S103의 처리에 있어서 부정 판정된 경우에는, ECU(10)는 S108의 처리를 실행한다. 본 실시 형태에서는, S108의 처리에 있어서 가열 장치(40)를 작동시키는 것에 있어서, SCR 촉매를 흐르는 가스양에 따라 가열 장치(40)의 통전량을 조정해도 된다. 즉, SCR 촉매를 흐르는 가스양이 적은 경우에는, 많은 경우에 비하여 가열 장치(40)의 통전량을 적게 해도 된다. 이는, SCR 촉매를 흐르는 가스양이 적은 경우에는, 많은 경우에 비하여 SCR 촉매로부터 가스에 방열되는 열량이 적어지기 때문에 더 적은 통전량으로 SCR 촉매를 승온시킬 수 있기 때문이다. ECU(10)는 S108의 처리를 다 실행하면 S401의 처리로 되돌아간다.

또한 S105의 처리에 있어서 부정 판정된 경우에는, S402의 처리로 나아가 SCR 촉매의 온도 Tscr가 소정의 상한 온도 Tmax' 이상인지의 여부를 판별한다. 여기서 말하는 소정의 상한 온도 Tmax'은 상기 제3 온도 T3로부터 소정의 마진을 차감한 온도이다. S402의 처리에 있어서 긍정 판정된 경우에는, ECU(10)는 S110의 처리에 있어서 가열 장치(40)를 정지(OFF)시킴으로써, SCR 촉매의 온도 Tscr가 제3 온도 T3 이상으로 상승하는 것을 억제한다. 그리고 ECU(10)는 S110의 처리를 다 실행하면 상기 S402의 처리로 되돌아간다. 또한 S402의 처리에 있어서 부정 판정된 경우에는, ECU(10)는 S110의 처리를 건너뛰고 상기 S401의 처리로 되돌아간다.

이러한 수순으로 회복 처리가 실행되면, 가스가 SCR 촉매를 흐르는 상태여도 저하 상태의 구리 이온의 가수 회복을 행할 수 있다. 또한 상기한 수순에 의하면, 1트립 중에 회복 처리를 복수 회 행하는 것도 가능해지기 때문에 저하 상태의 구리 이온양을 소량으로 유지하기 쉽다. 그 결과, SCR 촉매의 NO_X 정화 성능을 원하는 성능 이상으로 유지하기 쉬워짐과 함께, SCR 촉매에 의한 연속적인 NO_X 환원을 실현하기 쉬워진다.

또한 본 실시 형태에서는, 회복 처리 중의 SCR 촉매의 온도가 상기 제3 온도 이상으로 되지 않도록 가열 장치(40)를 제어하고 있지만, 회복 처리의 개시 시점에 있어서의 SCR 촉매의 온도가 상기 제3 온도 이상이면, 구리 이온에 흡착되어 있는 NH₃양이 대략 0이라고 간주할 수 있기 때문에, 회복 처리 중의 SCR 촉매의 온도를 상기 제3 온도보다 높은 상기 제2 온도 이상까지 상승시켜도 된다. 그 경우, 회복 처리의 실행 기간을 더 짧게 할 수 있기 때문에, 퓨얼컷 처리 중과 같은 비교적 짧은 기간에 있어서도 저하 상태의 구리 이온양을 더 확실히 감소시킬 수 있다.

또한 NSR 촉매의 황 피독을 해소하기 위한 처리인 S 재생 처리의 종료 직후나, NSR 촉매에 흡장되어 있는 NO_X를 환원 및 정화하기 위한 처리인 리치 스파이크 처리의 종료 직후 등과 같이, NSR 촉매에 유입되는 배기의 공연비가 농후 공연비로부터 희박 공연비로 전환된 직후에 있어서는, NSR 촉매가 갖는 산소 흡장능(OSC: Oxygen Storage Capacity)에 의하여 배기 중의 O₂가 NSR 촉매에 흡장되기 때문에, SCR 촉매에 유입되는 배기의 공연비가 이론 공연비 근방의 공연비로 될 가능성이 있다. 그러한 상황에서 회복 처리가 행해지면, 저하 상태에 빠져 있는 구리 이온의 가수 회복에 필요한 O₂가 부족하기 때문에, 저하 상태의 구리 이온의 이온 가수를 효율적으로 회복시키는 것이 곤란해질 가능성이 있다. 따라서 S 재생 처리의 종료 직후나 리치 스파이크 처리의 종료 직후 등과 같이 NSR 촉매에 유입되는 배기의 공연비가 농후 공연비로부터 희박 공연비로 전환된 직후에 있어서는, 회복 처리가 실행되지 않도록 해도 된다.

<실시 형태 2의 변형예> 전술한 제2 실시 형태에서는, 회복 조건이 성립한 시점에서 저하 상태에 빠져 있는 구리 이온의 양이 미리 정해진 고정량(규정값)이라고 상정하여 회복 처리를 실행하는 예에 대하여 설명했지만, 회복 조건이 성립한 시점에서 저하 상태에 빠져 있는 구리 이온의 양(요구 회복량)에 기초하여 회복 처리를 실행해도 된다.

이하, 본 변형예에 있어서의 회복 처리의 실행 수순에 대하여 도 10을 따라 설명한다. 도 10은, 본 변형예에 있어서, 회복 처리가 실행될 때 ECU(10)에 의하여 실행되는 처리 루틴을 도시하는 흐름도이다. 도 10 중에 있어서, 전술한 도 9의 처리 루틴과 마찬가지의 처리에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 또한 도 10의 처리 루틴에서는, 도 9의 처리 루틴에 있어서의 S401의 처리 전에 S501 내지 S503의 처리가 실행된다. 또한 도 10의 처리 루틴에서는, 도 9의 처리 루틴에 있어서의 S105의 처리 대신 S504 내지 S505의 처리가 실행된다.

우선 S501의 처리에서는, ECU(10)는 그 시점에 있어서 저하 상태에 빠져 있는 구리 이온양(요구 회복량) ΣAcu⁺를 읽어들인다. 이 요구 회복량 ΣAcu⁺는, 전술한 도 6의 처리 루틴과 마찬가지의 처리 루틴을 실행함으로써 백업 RAM에 기억되어 있는 것으로 한다.

S502의 처리에서는, ECU(10)는, 상기 S501의 처리에서 읽어들여진 요구 회복량 ΣAcu⁺가 소정의 역치 Athre' 이상인지의 여부를 판별한다. 여기서 말하는 소정의 역치 Athre'은, 해당 소정의 역치 Athre' 미만의 구리 이온이 저하 상태에 빠져 있는 상태에서 SCR 촉매에 NO_X가 유입되더라도 SCR 촉매의 NO_X 정화 성능이 원하는 성능 이상으로 되고, 또한 SCR 촉매에 의한 연속적인 NO_X 환원이 가능해진다고 생각되는 양이다. 해당 S502의 처리에 있어서 부정 판정된 경우에는, ECU(10)는 S106 및 S107의 처리를 순차 실행하고 본 처리 루틴의 실행을 종료한다. 즉, 해당 S502의 처리에 있어서 부정 판정된 경우에는 회복 처리가 실행되지 않는다. 한편, 해당 S502의 처리에 있어서 긍정 판정된 경우에는, ECU(10)는 S503의 처리로 나아간다.

S503의 처리에서는, ECU(10)는, 상기 S501의 처리에서 읽어들여진 요구 회복량 ΣAcu⁺를 파라미터로 하여, 후술하는 S504의 처리에서 이용되는 규정값 Cs'을 설정한다. 상세하게는, ECU(10)는 규정값 Cs'을 상기 요구 회복량 ΣAcu⁺와 동일한 값으로 설정한다. 다른 방법으로서, 상기 요구 회복량 ΣAcu⁺로부터 상기 소정의 역치 Athre'을 차감한 값을 규정값 Cs'으로 설정해도 된다.

ECU(10)는 상기 S503의 처리를 실행한 후에 S401, S102 및 S103의 처리를 순차 실행한다. 그때, S103의 처리에서 긍정 판정되면, ECU(10)는 S104의 처리와 S504의 처리를 순차적으로 실행한다. S504의 처리에서는, ECU(10)는 카운터값 C가 상기 S503의 처리에서 설정된 규정값 Cs' 이상인지의 여부를 판별한다. 해당 S504의 처리에 있어서 긍정 판정되면, ECU(10)는 S505의 처리로 나아가 백업 RAM에 기억되어 있는 ΣAcu⁺의 값을 "0"으로 리셋한다. 그 후, ECU(10)는 S106의 처리와 S107의 처리를 순차 실행함으로써 회복 처리를 종료한다.

이러한 수순에 의하여 회복 처리가 실행되면, 가열 장치(40)가 SCR 촉매를 상기 제1 온도 T1 이상으로 유지하는 기간(소정 기간)은, 회복 조건이 성립한 시점에서 저하 상태에 빠져 있는 구리 이온의 양(요구 회복량) ΣAcu⁺에 따라 변경되게 된다. 그 결과, 가열 장치(40)의 소비 전력을 필요 최소한으로 억제하면서 저하 상태에 빠져 있는 구리 이온의 대략 전량의 가수 회복을 도모하는 것이 가능해진다. 또한 요구 회복량 ΣAcu⁺가 상기 소정의 역치 Athre' 미만일 때는 회복 처리가 실행되지 않기 때문에, 가열 장치(40)의 불필요한 작동을 억제할 수도 있다.

<다른 실시 형태> 전술한 실시 형태 1, 2에서는, SCR 촉매에 담지되는 전이 금속 이온으로서 구리 이온을 사용하는 예에 대하여 설명했지만, 철 이온이 SCR 촉매에 담지되는 경우에 있어서도, 마찬가지의 방법에 의하여 회복 처리를 실행할 수 있다. 철 이온을 구비하는 SCR 촉매에 있어서는, NO_X 환원에 필요한 이온 가수(3+)를 갖는 철 이온(Fe^{3 +})에 흡착된 NH₃과 배기 중의 NO_X가 반응함으로써, 해당 철 이온의 가수가 3+로부터 2+로 감소한다. 이와 같이 하여 저하 상태에 빠진 철 이온(Fe²⁺)은, 해당 철 이온에 흡착된 수소 이온(H⁺)과 산소(1/4O₂)가 반응할 때 재산화되어, 해당 철 이온의 이온 가수가 NO_X 환원에 필요한 이온 가수(3+)로 회복된다. 따라서 구리 이온이 담지된 SCR 촉매에 있어서도, 해당 SCR 촉매에 NO_X가 유입되지 않고 또한 해당 SCR 촉매 중에 O₂가 존재할 때 회복 처리를 실행함으로써, 저하 상태에 빠진 철 이온의 대략 전량의 가수 회복을 도모할 수 있다. 단, 철 이온의 가수 회복이 발현되는 온도는 구리 이온의 가수 회복이 발현되는 온도보다 높기 때문에(예를 들어 약 300℃), 그에 적합하게 목표 온도 Ttrg를 정하면 된다.

본 발명의 실시 형태를 이하와 같이 정의해도 된다.

내연 기관의 배기 정화 장치는,

내연 기관의 배기 통로에 배치되는 촉매이며, NH₃을 환원제로 하여 배기 중의 NO_X를 환원시키기 위한 전이 금속 이온을 포함하는 선택 환원형 촉매와,

상기 선택 환원형 촉매를 가열하는 가열 장치와,

전자 제어 유닛을 포함하고,

상기 전자 제어 유닛은,

상기 선택 환원형 촉매의 온도를 검출하고,

상기 선택 환원형 촉매에 NO_X가 유입되지 않고 또한 상기 선택 환원형 촉매의 온도가 상기 전이 금속 이온의 가수 회복이 발현되는 온도인 제1 온도보다 낮을 때 상기 선택 환원형 촉매를 상기 제1 온도 이상까지 승온시키고, 또한 상기 선택 환원형 촉매가 상기 제1 온도 이상으로 되는 상태가 소정 기간 계속되도록 상기 가열 장치를 제어하는 처리인 회복 처리를 실행하도록 구성된다.

Claims (11)

1. 내연 기관의 배기 통로에 배치되는 촉매이며, NH₃을 환원제로 하여 배기 중의 NO_X를 환원시키기 위한 전이 금속 이온을 구비하는 선택 환원형 촉매와, 상기 선택 환원형 촉매의 온도를 검출하는 검출 수단과, 상기 선택 환원형 촉매를 가열하는 가열 장치와, 상기 선택 환원형 촉매에 NO_X가 유입되지 않고 또한 상기 검출 수단에 의하여 검출되는 온도가 상기 전이 금속 이온의 가수 회복이 발현되는 온도인 제1 온도보다 낮을 때 상기 선택 환원형 촉매를 상기 제1 온도 이상까지 승온시키고, 또한 상기 선택 환원형 촉매가 상기 제1 온도 이상으로 되는 상태가 소정 기간 계속되도록 상기 가열 장치를 제어하는 처리인 회복 처리를 실행하는 제어 수단을 구비하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어 수단은 상기 내연 기관의 운전 정지를 트리거로 하여 상기 회복 처리를 실행하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제어 수단은, 상기 회복 처리의 실행 중에 있어서의 상기 선택 환원형 촉매의 온도가 상기 제1 온도 이상 및 NH₃의 산화가 발현되는 온도인 제2 온도 미만으로 되도록 상기 가열 장치를 제어하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제어 수단은, 상기 내연 기관의 운전이 정지된 시점에서 상기 검출 수단에 의하여 검출되는 온도가 제3 온도 미만이면, 상기 회복 처리의 실행 중에 있어서의 상기 선택 환원형 촉매의 온도가 상기 제1 온도 이상 또한 상기 제2 온도 미만으로 되도록 상기 가열 장치를 제어하고, 상기 내연 기관의 운전이 정지된 시점에서 상기 검출 수단에 의하여 검출되는 온도가 상기 제3 온도 이상이면, 상기 회복 처리의 실행 중에 있어서의 상기 선택 환원형 촉매의 온도가 상기 제2 온도 이상으로 되도록 상기 가열 장치를 제어하는 것이고, 상기 제3 온도는 상기 제2 온도보다 낮은 온도이고 또한 NH₃의 탈리가 발현되는 온도인, 내연 기관의 배기 정화 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제어 수단은 상기 내연 기관의 퓨얼컷 처리의 실행 중에 있어서, 상기 검출 수단에 의하여 검출되는 온도가 상기 제1 온도 미만일 때 상기 회복 처리를 실행하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 선택 환원형 촉매보다 상류의 배기 통로에 배치되어, 배기의 공연비가 이론 공연비보다 높은 희박 공연비일 때는 배기 중의 NO_X를 흡장하고, 또한 배기의 공연비가 이론 공연비보다 낮은 농후 공연비일 때는 흡장하고 있던 NO_X를 방출하면서 환원하는 NO_X 흡장 환원형 촉매를 더 구비하고, 상기 제어 수단은 상기 내연 기관의 운전 중에 있어서, 상기 NO_X 흡장 환원형 촉매에 유입되는 배기의 공연비가 희박 공연비이고 또한 상기 NO_X 흡장 환원형 촉매의 NO_X 흡장량이 소정의 상한값 이하인 경우에 있어서, 상기 검출 수단에 의하여 검출되는 온도가 상기 제1 온도 미만일 때 상기 회복 처리를 실행하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   상기 제어 수단은, 상기 회복 처리의 실행 중에 있어서의 상기 선택 환원형 촉매의 온도가 상기 제1 온도 이상 및 NH₃의 탈리가 발현되는 온도인 제3 온도 미만으로 되도록 상기 가열 장치를 제어하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제어 수단은, 상기 회복 처리가 개시되는 시점에서 상기 검출 수단에 의하여 검출되는 온도가 상기 제3 온도 미만이면, 상기 회복 처리의 실행 중에 있어서의 상기 선택 환원형 촉매의 온도가 상기 제1 온도 이상 또한 상기 제3 온도 미만으로 되도록 상기 가열 장치를 제어하고, 상기 회복 처리가 개시되는 시점에서 상기 검출 수단에 의하여 검출되는 온도가 상기 제3 온도 이상이면, 상기 회복 처리의 실행 중에 있어서의 상기 선택 환원형 촉매의 온도가 상기 제3 온도보다 높은 제2 온도 이상으로 되도록 상기 가열 장치를 제어하는 것이고, 상기 제2 온도는 NH₃의 산화가 발현되는 온도인, 내연 기관의 배기 정화 장치.
9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어 수단은, 상기 회복 처리의 실행 중에 상기 선택 환원형 촉매를 흐르는 가스양이 적은 경우에는, 많은 경우에 비하여 상기 가열 장치에 의한 상기 선택 환원형 촉매의 가열량이 적어지도록 상기 가열 장치를 제어하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선택 환원형 촉매가 구비하는 전이 금속 이온 중, 가수 회복이 필요한 전이 금속 이온의 양인 요구 회복량을 추정하는 추정 수단을 더 구비하고, 상기 제어 수단은, 상기 추정 수단에 의하여 추정되는 요구 회복량이 적은 경우에는, 많은 경우에 비하여 상기 소정 기간이 짧아지도록 상기 회복 처리를 실행하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 추정 수단에 의하여 추정되는 요구 회복량이 소정의 역치 미만일 때는 상기 회복 처리를 실행하지 않는, 내연 기관의 배기 정화 장치.

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