JP5002040B2 - 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関する。

従来から、ＮＨ_３（アンモニア）を吸着して排気中のＮＯｘを浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）を内燃機関の排気通路に配置し、還元剤添加部でＳＣＲ触媒に還元剤を供給する尿素ＳＣＲシステムが知られている。特許文献１では、尿素ＳＣＲシステムにおいて、内燃機関から排出されるＮＯｘ量と浄化率導出部により導出されたＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率とに基づき、ＳＣＲ触媒に吸着されたＮＨ_３の消費量を求める。この求めたＮＨ_３の消費量及びＳＣＲ触媒に供給される還元剤の添加量に応じて、ＳＣＲ触媒に吸着しているＮＨ_３吸着量を求める。そして、求められたＮＨ_３吸着量と、ＳＣＲ触媒への飽和ＮＨ_３吸着量よりも若干低い予め定められた目標吸着量と、に基づいて還元剤の添加制御を行っている。

特開２００３−２９３７３７号公報 特開２００３−３１４２５６号公報 特開２００３−２９３７３８号公報

しかしながら、本発明者らの知見によると、ＳＣＲ触媒へのＮＨ_３の吸着状態としては、弱吸着状態と強吸着状態とが存在することを見出した。ここで、弱吸着状態は、ＳＣＲ触媒に吸着したＮＨ_３を、ＮＯｘの還元反応に用いることのできる状態である。一方、強吸着状態は、ＳＣＲ触媒に吸着したＮＨ_３を、弱吸着状態に変化させないとＮＯｘの還元反応に用いることができない状態である。このため、特許文献１のようにＳＣＲ触媒へのＮＨ_３吸着量に基づいて添加制御を行う場合に、ＳＣＲ触媒へのＮＨ_３の吸着状態を考慮しなければ、ＳＣＲ触媒へのＮＨ_３の全体の吸着量だけを考慮しても、ＮＯｘ浄化率を高めることができないことが分かってきた。このように、ＮＯｘ浄化率を高めるためには、ＮＯｘ浄化に好適なＮＨ_３の吸着状態に着目して添加制御を行う必要がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、内燃機関の排気浄化装置において、選択還元型ＮＯｘ触媒へのＮＨ_３の吸着状態を考慮し、最適な還元剤の添加制御を行う技術を提供することを目的とする。

本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、本発明は、
内燃機関の排気通路に配置された選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流の前記排気通路に配置され、前記選択還元型ＮＯｘ触媒へＮＨ_３を供給するための還元剤を添加する還元剤添加部と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒へのＮＨ_３の吸着状態としては、吸着したＮＨ_３をＮＯｘの還元反応に用いることのできる弱吸着状態と、前記弱吸着状態に変化させないと吸着したＮＨ_３をＮＯｘの還元反応に用いることができない強吸着状態と、が存在し、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒に前記弱吸着状態で吸着しているＮＨ_３の実弱吸着量を算出する実弱吸着量算出部と、
前記実弱吸着量算出部で算出した前記実弱吸着量に応じて、前記還元剤添加部で添加される還元剤の添加制御を行う添加制御部と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置である。

本発明者らの知見によると、選択還元型ＮＯｘ触媒へのＮＨ_３の吸着状態には、弱吸着状態と強吸着状態とが存在することを見出した。弱吸着状態とは、選択還元型ＮＯｘ触媒に吸着したＮＨ_３を、ＮＯｘの還元反応に用いることのできる状態である。一方、強吸着状態とは、選択還元型ＮＯｘ触媒に吸着したＮＨ_３を、弱吸着状態に変化させないとＮＯｘの還元反応に用いることができない状態である。弱吸着状態と強吸着状態のうち一方の状態からは、他方の状態へ変化することができる。ここで、弱吸着状態で選択還元型ＮＯｘ触媒に吸着しているＮＨ_３の吸着量を実弱吸着量という。また、強吸着状態で選択還元型ＮＯｘ触媒に吸着しているＮＨ_３の吸着量を実強吸着量という。実弱吸着量が多く、実強吸着量が少なければ、吸着しているＮＨ_３は弱吸着状態から強吸着状態へ変化すると考えられる。一方、実弱吸着量が少なく、実強吸着量が多ければ、吸着しているＮＨ_３は強吸着状態から弱吸着状態へ変化すると考えられる。また、選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が高くなる程、吸着しているＮＨ_３は強吸着状態から弱吸着状態へ変化すると考えられる。

ここで、上述したように強吸着状態のＮＨ_３はＮＯｘの還元反応に用いることができないので、実強吸着量はＮＯｘ浄化に寄与しない。このため、実強吸着量が多くても少なくても、ＮＯｘ浄化率は影響を受けない。これに対し、弱吸着状態のＮＨ_３はＮＯｘの還元反応に用いることができるので、実弱吸着量がＮＯｘ浄化に寄与する。このため、実弱吸着量が少なければ、ＮＯｘ浄化率が低くなるし、実弱吸着量が多ければ、ＮＯｘ浄化率が高くなる。このように、本発明者らは、吸着したＮＨ_３をＮＯｘ浄化に用いる場合のＮＯｘ浄化率は、実弱吸着量と相関があることを見出した。

そこで、本発明では、実弱吸着量を算出し、算出した実弱吸着量に応じて、還元剤の添加制御を行うようにした。本発明によると、実強吸着量を考慮せず実弱吸着量だけに応じて還元剤の添加制御を行うので、選択還元型ＮＯｘ触媒に吸着したＮＨ_３吸着量のうちＮＯｘ浄化に寄与するＮＨ_３吸着量だけを利用した制御ができる。よって、ＮＯｘ浄化に寄与しないＮＨ_３吸着量を考慮してしまうことによる還元剤の添加制御の不具合がなくなり、選択還元型ＮＯｘ触媒に対して最適な還元剤の添加制御を行うことができる。

前記選択還元型ＮＯｘ触媒に前記弱吸着状態で吸着させるＮＨ_３の目標弱吸着量を算出する目標弱吸着量算出部を更に備え、
前記添加制御部は、前記実弱吸着量算出部で算出した前記実弱吸着量が前記目標弱吸着量算出部で算出した前記目標弱吸着量になるように、前記還元剤添加部で添加される還元剤の添加制御を行うとよい。

これによると、選択還元型ＮＯｘ触媒に弱吸着状態で吸着させるＮＨ_３の最適な目標弱吸着量が算出される。目標弱吸着量は、弱吸着状態のＮＨ_３が少ないことによってＮＯｘ浄化率が低くなることと、弱吸着状態のＮＨ_３が多いことによってＮＨ_３のすり抜けが生じてしまうこととのバランスをとって定められる。そして、実弱吸着量が目標弱吸着量になるように還元剤の添加制御を行う。よって、実弱吸着量が、ＮＯｘ浄化に寄与する最適なＮＨ_３吸着量に近付くので、選択還元型ＮＯｘ触媒に対して最適な還元剤の添加制御を行うことができる。

前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気中のＮＯｘ濃度を取得する第１ＮＯｘ濃度取得部と、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒から流出する排気中のＮＯｘ濃度を取得する第２ＮＯｘ濃度取得部と、
前記第１ＮＯｘ濃度取得部及び前記第２ＮＯｘ濃度取得部により取得されたＮＯｘ濃度から前記選択還元型ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ浄化率を算出するＮＯｘ浄化率算出部と、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度を取得する触媒温度取得部と、
を更に備え、
前記実弱吸着量算出部は、前記ＮＯｘ浄化率算出部で算出されたＮＯｘ浄化率から導出されるＮＨ_３の消費量と、前記触媒温度取得部で取得された前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度と、前記強吸着状態と前記弱吸着状態との間でのＮＨ_３の移動量と、前回の還元剤の添加量と、前記実弱吸着量の推定モデルと、に基づいて前記実弱吸着量を算出し、
前記目標弱吸着量算出部は、前記ＮＯｘ浄化率算出部で算出されたＮＯｘ浄化率から導出されるＮＨ_３の消費量と、前記触媒温度取得部で取得された前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度と、前記実弱吸着量の飽和特性と、に基づいて前記目標弱吸着量を算出するとよい。

これによると、実弱吸着量と目標弱吸着量とが算出できる。

前記選択還元型ＮＯｘ触媒に前記強吸着状態で吸着しているＮＨ_３の実強吸着量を算出する実強吸着量算出部と、
前記実強吸着量算出部で算出した前記実強吸着量が、前記選択還元型ＮＯｘ触媒から高濃度のＮＨ_３のすり抜けのおそれが生じるか否かの閾値となる所定量を超えると、前記選択還元型ＮＯｘ触媒を昇温させる昇温制御部と、
を更に備えるとよい。

ここで、所定量とは、実強吸着量がそれを超えると、選択還元型ＮＯｘ触媒から高濃度のＮＨ_３のすり抜けのおそれが生じる量であり、選択還元型ＮＯｘ触媒から高濃度のＮＨ_３のすり抜けのおそれが生じるか否かの閾値である。

強吸着状態のＮＨ_３は、選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が上昇すると、弱吸着状態に変化し、さらには脱離する。このため、算出された実強吸着量が所定量を超えると、選択還元型ＮＯｘ触媒を昇温させることで、実強吸着量を減少させることができる。これにより、実強吸着量が多すぎて選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＨ_３吸着量が飽和し、高濃度のＮＨ_３のすり抜けが生じることを回避できる。

本発明は、
内燃機関の排気通路に配置された選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流の前記排気通路に配置され、前記選択還元型ＮＯｘ触媒へＮＨ_３を供給するための還元剤を添加する還元剤添加部と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置の還元剤添加方法であって、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒へのＮＨ_３の吸着状態としては、吸着したＮＨ_３をＮＯｘの還元反応に用いることのできる弱吸着状態と、前記弱吸着状態に変化させないと吸着したＮＨ_３をＮＯｘの還元反応に用いることができない強吸着状態と、が存在し、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒に前記弱吸着状態で吸着しているＮＨ_３の実弱吸着量を算出し、算出された前記実弱吸着量に応じて、前記還元剤添加部で添加される還元剤の添加制御を行う内燃機関の排気浄化装置の還元剤添加方法である。

本発明によっても、ＮＯｘ浄化に寄与しないＮＨ_３吸着量を考慮してしまうことによる還元剤の添加制御の不具合がなくなり、選択還元型ＮＯｘ触媒に対して最適な還元剤の添加制御を行うことができる。

本発明によれば、内燃機関の排気浄化装置において、選択還元型ＮＯｘ触媒へのＮＨ_３
の吸着状態を考慮し、最適な還元剤の添加制御を行うことができる。

本発明の実施例１に係る内燃機関の概略構成を示す図である。 ＳＣＲ触媒におけるＮＨ_３吸着量とＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。 ＳＣＲ触媒における吸着したＮＨ_３が全て利用できる場合のＮＨ_３吸着量とＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。 ＳＣＲ触媒における実弱吸着量とＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。 実施例１に係るＥＣＵ内の制御ブロック図である。 実施例１に係るＮＨ_３の移動速度モデルを示す図である。 実施例１に係る目標弱吸着量の設定ラインを示す図である。 実施例１に係る尿素水添加量の制御モデルを示す図である。 実施例１に係る尿素水添加制御ルーチンを示すフローチャートである。 実施例１に係る尿素水添加制御の制御状態を示す図である。

以下に本発明の具体的な実施例を説明する。

＜実施例１＞
（内燃機関）
図１は、本発明の実施例１に係る内燃機関の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒を有する車両駆動用の４ストロークサイクル・ディーゼルエンジンである。内燃機関１には、内燃機関１から排出された排気を流通させる排気通路２が接続されている。

排気通路２の途中には、選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）３が配置されている。ＳＣＲ触媒３は、ＮＨ_３（アンモニア）を用いて排気中のＮＯｘを還元浄化する。例えば、ＮＯは、４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏのような反応によって、Ｎ_２に還元される。ＮＯ_２は、６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏのような反応によって、Ｎ_２に還元される。ＮＯ及びＮＯ_２は、ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏのような反応によって、Ｎ_２に還元される。またＳＣＲ触媒３は、ＮＨ_３を吸着する機能を有する。ＳＣＲ触媒３は、ゼオライト等で形成される。

ＳＣＲ触媒３よりも上流の排気通路２には、ＳＣＲ触媒３に供給するＮＨ_３に加水分解される還元剤として尿素水溶液（以下、尿素水という）を添加する尿素水添加弁４が配置されている。尿素水添加弁４からは、尿素水タンク５に蓄えられた尿素水が指令に基づいて排気通路２内に噴射される。噴射された尿素水は、（ＮＨ_２）_２ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→２ＮＨ_３＋ＣＯ_２のような反応で排気熱を用いて加水分解され、ＮＨ_３が生成される。尿素水添加弁４が、本発明の還元剤添加部に対応する。還元剤としては、尿素水以外にもアンモニア水溶液等のアンモニア系溶液を用いることができる。

尿素水添加弁４の直上流の排気通路２には、ＳＣＲ触媒３に流入する排気中のＮＯｘ濃度を検出する第１ＮＯｘセンサ６が配置されている。第１ＮＯｘセンサ６が、本発明の第１ＮＯｘ濃度取得部に対応する。ＳＣＲ触媒３の直下流の排気通路２には、ＳＣＲ触媒３から流出する排気中のＮＯｘ濃度を検出する第２ＮＯｘセンサ７が配置されている。第２ＮＯｘセンサ７が、本発明の第２ＮＯｘ濃度取得部に対応する。なお、第１ＮＯｘ濃度取得部及び第２ＮＯｘ濃度取得部としては、内燃機関１の運転状態と予め算出したＮＯｘ濃度推定マップとからＮＯｘ濃度を推定するものでもよい。ＳＣＲ触媒３には、ＳＣＲ触媒床温を検出する温度センサ８が配置されている。温度センサ８が、本発明の触媒温度取得部に対応する。なお、触媒温度取得部としては、排気通路２に配置された排気温度と予め
算出した触媒床温推定マップとからＳＣＲ触媒床温を推定するものでもよい。

第１ＮＯｘセンサ６よりも上流の排気通路２には、上流側から、燃料添加弁９、酸化触媒１０、及びＤＰＦ１１が配置されている。酸化触媒１０は、排気中のＨＣ、ＣＯ等を酸化させる。ＤＰＦ１１は、排気通路２を流通する排気中の粒子状物質を捕集する。燃料添加弁９は、排気通路２に燃料を添加するもので、特にＤＰＦ１１に規定量以上に粒子状物質が堆積した場合に燃料を添加する。燃料添加弁９から添加された燃料は酸化触媒１０で酸化され、排気が昇温される。昇温された排気はＤＰＦ１１に流入し、粒子状物質を酸化除去する。このようにＤＰＦ１１に堆積した粒子状物質を酸化除去する制御をフィルタ強制再生制御という。

以上述べたように構成された内燃機関１には電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）１２が併設されている。ＥＣＵ１２には、第１ＮＯｘセンサ６、第２ＮＯｘセンサ７、及び温度センサ８、並びに不図示のクランクポジションセンサ及びアクセル開度センサが電気的に接続されている。これらの出力信号がＥＣＵ１２に入力される。また、ＥＣＵ１２には、尿素水添加弁４及び燃料添加弁９が電気的に接続されており、ＥＣＵ１２によってこれらが制御される。

（尿素水添加制御）
従来、ＳＣＲ触媒３へ尿素水を添加する場合として、ＳＣＲ触媒３のＮＨ_３を吸着する機能を利用し、予め飽和吸着量を超えない範囲の目標吸着量でＮＨ_３をＳＣＲ触媒３に吸着させて保持させておき、ＮＯｘの還元により保持されていたＮＨ_３が消費され次第、目標吸着量になるように消費されたＮＨ_３の量に応じた分だけ尿素水を供給する方法がある。本発明者らの知見によると、上記方法では、吸着したＮＨ_３の一部がＮＯｘ浄化に寄与しないことを見出した。

図２は、ＳＣＲ触媒３におけるＮＨ_３吸着量とＮＯｘ浄化率との関係を表す図である。図２に示すように、上記方法でＮＯｘ浄化に必要なＮＨ_３をＳＣＲ触媒３に予め吸着させておき、その後尿素水の添加を停止すると、ＮＯｘ浄化率は、尿素水の添加中よりも低下する。すなわち、ＳＣＲ触媒３に対してのＮＨ_３吸着量が同じであっても、尿素水添加中と添加停止中とではヒステリシスがありＮＯｘ浄化率が異なる。尿素水添加中は、ＳＣＲ触媒３に吸着されたＮＨ_３に加え、添加される尿素水から加水分解されたＮＨ_３が直接ＮＯｘ浄化に寄与してＮＯｘ浄化率が得られる。一方、添加停止中は、ＳＣＲ触媒３に吸着したＮＨ_３だけがＮＯｘ浄化に寄与してＮＯｘ浄化率が得られる。このとき、吸着したＮＨ_３が全てＮＯｘ浄化に寄与するのであれば、図３に示すように、添加停止中でも、尿素水添加中と同等のＮＯｘ浄化率を得ることができるはずである。しかし、添加停止中は、実際には図２に示すようにＮＨ_３吸着量がかなり存在してもＮＯｘ浄化率が得られなくなる特性となる。これは、図２に示す添加停止中の特性におけるＮＯｘ浄化率が得られなくなった点Ｐ１でのＮＨ_３吸着量はＮＯｘ浄化に寄与しないことを表す。

このことから本発明者らは、ＳＣＲ触媒３に吸着するＮＨ_３の吸着状態が、２つに分けられることを見出した。一方は、ＮＯｘ浄化に寄与する吸着状態であり、他方は、ＮＯｘ浄化に寄与しない吸着状態である。しかも、これらの吸着状態は、ゆっくりと互いの状態に移動すると考えられる。また、ＳＣＲ触媒を昇温すると、ＮＯｘ浄化に寄与しない吸着状態であったものが、ＮＯｘ浄化に寄与する吸着状態に変化する。ＮＯｘ浄化に寄与する吸着状態を、弱吸着状態という。弱吸着状態とは、ＳＣＲ触媒に吸着したＮＨ_３を、ＮＯｘの還元反応に用いることのできる状態である。ＮＯｘ浄化に寄与しない吸着状態を、強吸着状態という。強吸着状態とは、ＳＣＲ触媒３に吸着したＮＨ_３を、弱吸着状態に変化させないとＮＯｘの還元反応に用いることができない状態である。弱吸着状態と強吸着状態のうち一方の状態からは、他方の状態へ変化することができる。ここで、弱吸着状態で
ＳＣＲ触媒３に吸着しているＮＨ_３の吸着量を実弱吸着量という。また、強吸着状態でＳＣＲ触媒３に吸着しているＮＨ_３の吸着量を実強吸着量という。実弱吸着量が多く、実強吸着量が少なければ、吸着しているＮＨ_３は弱吸着状態から強吸着状態へ変化すると考えられる。一方、実弱吸着量が少なく、実強吸着量が多ければ、吸着しているＮＨ_３は強吸着状態から弱吸着状態へ変化すると考えられる。また、ＳＣＲ触媒３の温度が高くなる程、吸着しているＮＨ_３は強吸着状態から弱吸着状態へ変化すると考えられる。図２に示すように、添加停止中の特性におけるＮＯｘ浄化率が得られなくなった点Ｐ１で吸着しているＮＨ_３吸着量が実強吸着量である。添加停止中の特性におけるＮＯｘ浄化率が得られなくなった点Ｐ１から増えるＮＨ_３吸着量が実弱吸着量である。

ここで、上述したように強吸着状態のＮＨ_３はＮＯｘの還元反応に用いることができないので、実強吸着量はＮＯｘ浄化に寄与しない。このため、実強吸着量が多くても少なくても、ＮＯｘ浄化率は影響を受けない。これに対し、弱吸着状態のＮＨ_３はＮＯｘの還元反応に用いることができるので、実弱吸着量がＮＯｘ浄化に寄与する。図４は、ＳＣＲ触媒３における実弱吸着量とＮＯｘ浄化率との関係を表す図である。図４に示すように、実弱吸着量が少なければ、ＮＯｘ浄化率が低くなるし、実弱吸着量が多ければ、ＮＯｘ浄化率が高くなる。しかも、尿素水添加中と添加停止中とでもその特性は変わらずヒステリシスが存在しない。これは、弱吸着状態のＮＨ_３が添加中に加水分解されて生成されたＮＨ_３と同様にＮＯｘ浄化に寄与するからである。このように、本発明者らは、吸着したＮＨ_３をＮＯｘ浄化に用いる場合のＮＯｘ浄化率は、実弱吸着量と相関があることを見出した。

そこで、本実施例では、実弱吸着量を算出し、算出した実弱吸着量に応じて、尿素水の添加制御を行うようにした。本実施例によると、実強吸着量を考慮せず実弱吸着量だけに応じて尿素水の添加制御を行うので、ＳＣＲ触媒３に吸着したＮＨ_３吸着量のうちＮＯｘ浄化に寄与するＮＨ_３吸着量だけを利用した制御ができる。よって、ＮＯｘ浄化に寄与しないＮＨ_３吸着量を考慮してしまうことによる尿素水の添加制御の不具合がなくなり、ＳＣＲ触媒３に対して最適な尿素水の添加制御を行うことができる。すなわち、不具合としては、ＮＯｘ浄化に寄与しないＮＨ_３吸着量を考慮して尿素水を添加して、ＮＨ_３吸着量を目標値に制御すると、所望のＮＯｘ浄化率が十分に得られないことがある。これに対し、本実施例であると、ＮＯｘ浄化に寄与するＮＨ_３吸着量である実弱吸着量だけを考慮して尿素水を添加するので、最適な添加量となり、実弱吸着量を目標値に制御すれば所望のＮＯｘ浄化率を得ることができる。

図５は、本実施例に係るＥＣＵ１２内の制御ブロック図である。図５を用いて、実弱吸着量に応じて、尿素水添加弁４からの尿素水の添加制御を行う具体的な構成について述べる。

図５に示すように、ＥＣＵ１２は、第１ＮＯｘセンサ６及び第２ＮＯｘセンサ７により取得されたＮＯｘ濃度からＳＣＲ触媒３でのＮＯｘ浄化率を算出するＮＯｘ浄化率算出部１２ａを有する。ＮＯｘ浄化率は、第１ＮＯｘセンサ６で検出するＮＯｘ濃度（以下、入ＮＯｘ濃度という）から、第２ＮＯｘセンサ７で検出するＮＯｘ濃度（以下、出ＮＯｘ濃度という）を引いた値を入ＮＯｘ濃度で割ることで求めることができる。

ＥＣＵ１２は、ＮＯｘ浄化率算出部１２ａにより算出されたＮＯｘ浄化率から導出されるＮＨ_３の消費量と、温度センサ８で検出されたＳＣＲ触媒３の温度と、強吸着状態と弱吸着状態との間でのＮＨ_３の移動量と、前回の尿素水の添加量と、実弱吸着量の推定モデルと、に基づいて実弱吸着量を算出する実弱吸着量算出部１２ｂを有する。

第１ＮＯｘセンサ６により取得された入ＮＯｘ濃度にエアフローメータ１３で検出され
る空気量を掛けることで算出された入ＮＯｘ量とＮＯｘ浄化率とからは、実際に還元された還元ＮＯｘ量が算出できる。還元ＮＯｘ量に還元反応させたＮＨ_３量がＮＨ_３の消費量（以下、消費ＮＨ_３量という）である。消費ＮＨ_３量と前回の尿素水の添加量とからは、ＳＣＲ触媒３の全体のＮＨ_３吸着量が算出される。算出されたＳＣＲ触媒３の全体のＮＨ_３吸着量と、温度センサ８で検出されたＳＣＲ触媒床温とを、実弱吸着量の推定モデルに取り込むことにより、仮実弱吸着量を算出する。実弱吸着量の推定モデルは、ＳＣＲ触媒３の全体のＮＨ_３吸着量を所定の割合で実弱吸着量と実強吸着量とに分けるものである。ここでの所定の割合は、ＳＣＲ触媒床温によって変化するものであり、予め実験や検証等によって求めておくことができる。

図６は、ＮＨ_３の移動速度モデルを示す図である。強吸着状態と弱吸着状態との間でのＮＨ_３の移動量は、図６に示すＮＨ_３の移動速度モデルに応じて算出され、この移動量から強吸着状態と弱吸着状態との間でのＮＨ_３の移動による実弱吸着量の増減量が導出される。このとき、図６に示すＮＨ_３の移動速度モデルは、温度センサ８で検出されたＳＣＲ触媒床温に応じて特性を変更することができる。

そして、算出された仮実弱吸着量と実弱吸着量の増減量との和をとることにより、実弱吸着量が算出される。このように、実弱吸着量算出部１２ｂで実弱吸着量が算出される。

ＥＣＵ１２は、ＮＯｘ浄化率算出部１２ａで算出されたＮＯｘ浄化率から導出されるＮＨ_３の消費量と、温度センサ８で検出されたＳＣＲ触媒３の温度と、実弱吸着量の飽和特性と、に基づいて目標弱吸着量を算出する目標弱吸着量算出部１２ｃを有する。図７は、目標弱吸着量の設定ラインを示す図である。図７に示すように、目標弱吸着量の設定ラインは、ＳＣＲ触媒３の温度に応じて変化するもので、実弱吸着量の飽和特性（飽和吸着量）を超えないように設定される。このような目標弱吸着量の設定ラインは、弱吸着状態のＮＨ_３が少ないことによってＮＯｘ浄化率が低くなることと、弱吸着状態のＮＨ_３が多いことによってＮＨ_３のすり抜けが生じてしまうこととのバランスをとって定められる。これにより、目標弱吸着量算出部１２ｃで目標弱吸着量が算出される。

ＥＣＵ１２は、実弱吸着量算出部１２ｂで算出した実弱吸着量が目標弱吸着量算出部１２ｃで算出した目標弱吸着量になるように、尿素水添加弁４で添加される尿素水の添加制御を行う添加制御部１２ｄを有する。よって、実弱吸着量が、ＮＯｘ浄化に寄与する最適なＮＨ_３吸着量である目標弱吸着量に近付くので、ＳＣＲ触媒３に対して最適な尿素水の添加制御を行うことができる。

ＥＣＵ１２は、ＳＣＲ触媒３に強吸着状態で吸着しているＮＨ_３の実強吸着量を算出する実強吸着量算出部１２ｅを有する。実強吸着量算出部１２ｅは、実弱吸着量算出部１２ｂで算出された実弱吸着量と、ＮＯｘ浄化率算出部１２ａにより算出されたＮＯｘ浄化率から導出される消費ＮＨ_３量と、前回の尿素水の添加量と、に基づいて実強吸着量を算出する。第１ＮＯｘセンサ６により取得された入ＮＯｘ濃度にエアフローメータ１３で検出される空気量を掛けることで算出された入ＮＯｘ量とＮＯｘ浄化率とからは、実際に還元された還元ＮＯｘ量が算出できる。還元ＮＯｘ量と還元反応するＮＨ_３量が消費ＮＨ_３量である。消費ＮＨ_３量と前回の尿素水の添加量とからは、ＳＣＲ触媒３の全体のＮＨ_３吸着量が算出される。算出されたＳＣＲ触媒３の全体のＮＨ_３吸着量から、実弱吸着量算出部１２ｂで算出された実弱吸着量を引くことにより、実強吸着量が算出される。このように、実強吸着量算出部１２ｅで実強吸着量が算出される。

ＥＣＵ１２は、実強吸着量算出部１２ｅで算出した実強吸着量が、ＳＣＲ触媒３から高濃度のＮＨ_３のすり抜けのおそれが生じるか否かの閾値となる所定量を超えると、ＳＣＲ触媒３を昇温させる昇温制御部１２ｆを有する。所定量とは、実強吸着量がそれを超える
と、ＳＣＲ触媒３から高濃度のＮＨ_３のすり抜けのおそれが生じる量であり、ＳＣＲ触媒３から高濃度のＮＨ_３のすり抜けのおそれが生じるか否かの閾値である。昇温制御部１２ｆは、実強吸着量算出部１２ｅで算出した実強吸着量と、所定量とを比較する。そして、昇温制御部１２ｆは、実強吸着量が所定量を超える場合にＳＣＲ触媒３を３００〜４００℃に昇温させる。ここで、本実施例でのＳＣＲ触媒３を昇温させる方法としては、ＳＣＲ触媒３よりも上流に配置されたＤＰＦ１１を昇温するフィルタ強制再生制御と同じ制御を行う。すなわち、フィルタ強制再生制御と同様に、燃料添加弁９から燃料を添加し、添加された燃料が酸化触媒１０で酸化されて排気が昇温される。昇温された排気は、ＤＰＦ１１を通過してＳＣＲ触媒３にも流入し、ＳＣＲ触媒３が昇温される。なお、ＳＣＲ触媒３を昇温させる方法としては、本実施例の方法以外にも、ＳＣＲ触媒３よりも上流の排気通路２に配置されたバーナー装置で排気を昇温させたり、ＳＣＲ触媒３に電気ヒータを設けてＳＣＲ触媒３を直接温めたりする方法でもよい。

図８は、本実施例に係る尿素水添加量の制御モデルを示す図である。ＥＣＵ１２は、第１ＮＯｘセンサ６により取得された入ＮＯｘ濃度とエアフローメータ１３で検出される排気通路２を流通する空気量とからＳＣＲ触媒３に流入する入ＮＯｘ量を算出する。ＥＣＵ１２は、第１ＮＯｘセンサ６により取得された入ＮＯｘ濃度及び第２ＮＯｘセンサ７により取得された出ＮＯｘ濃度からＳＣＲ触媒３でのＮＯｘ浄化率を算出する。そして、入ＮＯｘ量にＮＯｘ浄化率を掛けて還元された還元ＮＯｘ量を算出する。還元ＮＯｘ量からは還元反応させた消費ＮＨ_３量を算出する。その一方で、上述のように実弱吸着量と目標弱吸着量とが算出される。そして、消費ＮＨ_３量と、実弱吸着量を目標弱吸着量にするようなＮＨ_３量と、の和が添加ＮＨ_３量（尿素水の添加量）として算出される。

ＥＣＵ１２が行う尿素水添加制御ルーチンについて、図９に示すフローチャートに基づいて説明する。図９は、尿素水添加制御ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎にＥＣＵ１２によって実行される。

図９に示すルーチンが開始されると、Ｓ１０１では、消費ＮＨ_３量Ｄｂａｓｅを算出する。消費ＮＨ_３量Ｄｂａｓｅは、添加制御部１２ｄで入ＮＯｘ量にＮＯｘ浄化率を掛けて導出された還元ＮＯｘ量から算出される。

Ｓ１０２では、実弱吸着量Ｓｊａｋを算出する。実弱吸着量Ｓｊａｋは、実弱吸着量算出部１２ｂで算出される。ＳＣＲ触媒３の全体のＮＨ_３吸着量と温度センサ８で検出されたＳＣＲ触媒床温とを実弱吸着量の推定モデルに取り込むことにより仮実弱吸着量を算出する。次に、温度センサ８で検出されたＳＣＲ触媒床温をＮＨ_３の移動速度モデルに取り込むことにより実弱吸着量の増減量を算出する。そして、仮実弱吸着量と実弱吸着量の増減量との和をとることにより、実弱吸着量Ｓｊａｋが算出される。

Ｓ１０３では、実強吸着量Ｓｋｙｏを算出する。実強吸着量Ｓｋｙｏは、実強吸着量算出部１２ｅで算出される。ＳＣＲ触媒３の全体のＮＨ_３吸着量から、実弱吸着量Ｓｊａｋを引くことにより、実強吸着量Ｓｋｙｏが算出される。

Ｓ１０４では、目標弱吸着量Ｍｊａｋを算出する。目標弱吸着量Ｍｊａｋは、目標弱吸着量算出部１２ｃで算出される。目標弱吸着量Ｍｊａｋは、温度センサ８で検出されたＳＣＲ触媒床温を、図７の目標弱吸着量の設定ラインに取り込むことで算出される。

Ｓ１０５では、差分補正添加量ｄを算出する。差分補正添加量ｄは、添加制御部１２ｄで実弱吸着量Ｓｊａｋと目標弱吸着量Ｍｊａｋとの差分から算出される。

Ｓ１０６では、添加ＮＨ_３量Ｄｎｈ３を算出及び添加する。添加ＮＨ_３量Ｄｎｈ３は、
添加制御部１２ｄで消費ＮＨ_３量Ｄｂａｓｅと差分補正添加量ｄとの和をとって算出される。添加ＮＨ_３量Ｄｎｈ３を算出後、尿素水の添加を実行する。

Ｓ１０７では、実強吸着量Ｓｋｙｏが所定量Ｐｋｙｏを超えるか否かを判別する。本ステップは、昇温制御部１２ｆで判断される。Ｓ１０７において、実強吸着量Ｓｋｙｏが所定量Ｐｋｙｏを超えると肯定判定された場合には、Ｓ１０８へ移行する。一方、Ｓ１０７において、実強吸着量Ｓｋｙｏが所定量Ｐｋｙｏを超えないと否定判定された場合には、本ルーチンを一旦停止する。

Ｓ１０８では、ＳＣＲ触媒３を昇温させる。すなわち昇温制御部１２ｆは、燃料添加弁９から燃料を添加する。ＳＣＲ触媒３を昇温させることで、ＳＣＲ触媒３からは、強吸着状態のＮＨ_３が弱吸着状態へ移行、あるいは脱離する。なお、ＮＨ_３が脱離する場合には、短期間に多量のＮＨ_３がＳＣＲ触媒３から排出されないよう、昇温速度を制御したり、ＳＣＲ触媒３の下流の排気通路に酸化触媒を配置したりして、ＮＨ_３の排出量を制御する。ＳＣＲ触媒３の昇温は、実強吸着量Ｓｋｙｏが予め定められた規定量へ減少するまで続けられる。これにより、ＳＣＲ触媒３の実強吸着量Ｓｋｙｏが減少する。本ステップの処理の後、本ルーチンを一旦終了する。

以上説明した本ルーチンによると、ＳＣＲ触媒３へのＮＨ_３の吸着状態を考慮し、最適な尿素水の添加制御を行うことができる。

図１０は、本実施例に係る尿素水添加制御の制御状態を示す図である。図１０に示すように、まず制御が開始されると、実弱吸着量が目標弱吸着量に対してかなり少ないので、時刻ｔ１までに多量の尿素水が添加される。時刻ｔ１以後は、実弱吸着量が目標弱吸着量に対して過剰に多くなっているので、尿素水の添加は停止される。実弱吸着量が目標弱吸着量に対してほぼ等しくなる時刻ｔ２以降では、実弱吸着量を目標弱吸着量に追従させるように尿素水の添加を行う。この間の添加ＮＨ_３量は、消費ＮＨ_３量と、実弱吸着量を目標弱吸着量にするようなＮＨ_３量と、の和となる。またこの間においては、実強吸着量は、弱吸着状態に変化しない限り増加し続けている。このため時刻ｔ３では、実強吸着量が所定量を超えるので、ＳＣＲ触媒３の昇温を行う。この際、強吸着状態のＮＨ_３が弱吸着状態となるので、実弱吸着量が目標弱吸着量に対して多くなってしまうので、尿素水の添加は停止される。そして、ＳＣＲ触媒の昇温が終わった時刻ｔ４の時点で、再び実弱吸着量を目標弱吸着量に追従させるように尿素水の添加を行う。

（その他）
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。

１：内燃機関
２：排気通路
３：ＳＣＲ触媒
４：尿素水添加弁
５：尿素水タンク
６：第１ＮＯｘセンサ
７：第２ＮＯｘセンサ
８：温度センサ
９：燃料添加弁
１０：酸化触媒
１１：ＤＰＦ
１２：ＥＣＵ
１２ａ：浄化率算出部
１２ｂ：実弱吸着量算出部
１２ｃ：目標弱吸着量算出部
１２ｄ：添加制御部
１２ｅ：実強吸着量算出部
１２ｆ：昇温制御部
１３：エアフローメータ

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に配置された選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流の前記排気通路に配置され、前記選択還元型ＮＯｘ触媒へＮＨ_３を供給するための還元剤を添加する還元剤添加部と、
   を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒へのＮＨ_３の吸着状態としては、吸着したＮＨ_３をＮＯｘの還元反応に用いることのできる弱吸着状態と、前記弱吸着状態に変化させないと吸着したＮＨ_３をＮＯｘの還元反応に用いることができない強吸着状態と、が存在し、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒に前記弱吸着状態で吸着しているＮＨ_３の実弱吸着量を算出する実弱吸着量算出部と、
   前記実弱吸着量算出部で算出した前記実弱吸着量に応じて、前記還元剤添加部で添加される還元剤の添加制御を行う添加制御部と、
   を備えた内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記選択還元型ＮＯｘ触媒に前記弱吸着状態で吸着させるＮＨ_３の目標弱吸着量を算出する目標弱吸着量算出部を更に備え、
   前記添加制御部は、前記実弱吸着量算出部で算出した前記実弱吸着量が前記目標弱吸着量算出部で算出した前記目標弱吸着量になるように、前記還元剤添加部で添加される還元剤の添加制御を行う請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気中のＮＯｘ濃度を取得する第１ＮＯｘ濃度取得部と、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒から流出する排気中のＮＯｘ濃度を取得する第２ＮＯｘ濃度取得部と、
   前記第１ＮＯｘ濃度取得部及び前記第２ＮＯｘ濃度取得部により取得されたＮＯｘ濃度から前記選択還元型ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ浄化率を算出するＮＯｘ浄化率算出部と、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度を取得する触媒温度取得部と、
   を更に備え、
   前記実弱吸着量算出部は、前記ＮＯｘ浄化率算出部で算出されたＮＯｘ浄化率から導出されるＮＨ_３の消費量と、前記触媒温度取得部で取得された前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度と、前記強吸着状態と前記弱吸着状態との間でのＮＨ_３の移動量と、前回の還元剤の添加量と、前記実弱吸着量の推定モデルと、に基づいて前記実弱吸着量を算出し、
   前記目標弱吸着量算出部は、前記ＮＯｘ浄化率算出部で算出されたＮＯｘ浄化率から導出されるＮＨ_３の消費量と、前記触媒温度取得部で取得された前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度と、前記実弱吸着量の飽和特性と、に基づいて前記目標弱吸着量を算出する請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記選択還元型ＮＯｘ触媒に前記強吸着状態で吸着しているＮＨ_３の実強吸着量を算出する実強吸着量算出部と、
   前記実強吸着量算出部で算出した前記実強吸着量が、前記選択還元型ＮＯｘ触媒から高濃度のＮＨ_３のすり抜けのおそれが生じるか否かの閾値となる所定量を超えると、前記選択還元型ＮＯｘ触媒を昇温させる昇温制御部と、
   を更に備えた請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 内燃機関の排気通路に配置された選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流の前記排気通路に配置され、前記選択還元型ＮＯｘ触媒へＮＨ_３を供給するための還元剤を添加する還元剤添加部と、
   を備えた内燃機関の排気浄化装置の還元剤添加方法であって、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒へのＮＨ_３の吸着状態としては、吸着したＮＨ_３をＮＯｘの
   還元反応に用いることのできる弱吸着状態と、前記弱吸着状態に変化させないと吸着したＮＨ_３をＮＯｘの還元反応に用いることができない強吸着状態と、が存在し、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒に前記弱吸着状態で吸着しているＮＨ_３の実弱吸着量を算出し、算出された前記実弱吸着量に応じて、前記還元剤添加部で添加される還元剤の添加制御を行う内燃機関の排気浄化装置の還元剤添加方法。

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