JP6642545B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気通路内に尿素を供給する尿素供給装置と、供給された尿素から生成されるアンモニアの還元作用によりＮＯｘを浄化するＮＯｘ選択還元触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）とを備えたエンジンの排気浄化装置に関する。

尿素（アンモニア）の供給を受けてＮＯｘを浄化するＳＣＲ触媒は、ＳＣＲ触媒の温度が高くなるほどアンモニアの上限吸着量（飽和吸着量）が低下するという性質がある。このため、例えばエンジンが高負荷運転された直後にエンジンが停止されたような場合には、ＳＣＲ触媒のアンモニア吸着量が少ない状態で次のエンジン始動を迎えることになるので、このエンジン始動からしばらくの間ＮＯｘ浄化性能を十分に確保できないという問題がある。

そこで、例えば下記特許文献１のように、エンジンを停止する操作が行われた後もエンジンの運転を継続するとともに、この継続運転中にＳＣＲ触媒の温度（床温）を低下させた上で尿素を供給することが提案されている。このようにすれば、次にエンジンが始動されたときにＳＣＲ触媒には十分な量のアンモニアが吸着しているので、始動時のＮＯｘ浄化性能を十分に確保することができる。

特開２００９−１９７７２８号公報

上述した特許文献１の方法では、ドライバーがエンジンを停止する操作（イグニッション・オフ操作）を行った後もしばらくの間エンジンの運転が継続されることになるので、燃費性能が悪化したり、ドライバーが違和感を覚えたりする等の問題があった。

一方で、エンジンが始動された直後速やかにＳＣＲ触媒にアンモニアを吸着させることができれば、イグニッション・オフ後にエンジンを継続運転する必要性がそもそも生じないので、上述した問題を避けることができる。しかしながら、特にエンジン始動直後は排気系の温度が全体的に低く、またＳＣＲ触媒の温度も低いので、尿素供給装置から尿素を供給してもその尿素を十分にアンモニアに変換することができない。このため、ＳＣＲ触媒のアンモニア吸着量がなかなか増えず、結局のところＮＯｘの浄化性能が始動後長期に亘って低下するという問題がある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、エンジン始動後速やかにＮＯｘ浄化性能を回復させることが可能なエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明のエンジンの排気浄化装置は、エンジン本体から排出される排気ガスが流通する排気通路と、前記排気通路内に尿素を供給する尿素供給装置と、前記尿素供給装置よりも下流側の排気通路に設けられ、尿素から生成されるアンモニアの還元作用により排気ガス中のＮＯｘを浄化するＳＣＲ触媒と、前記ＳＣＲ触媒の温度が予め定められた基準温度以上である場合に、前記尿素供給装置に尿素を供給させるとともに、当該尿素の供給量を、前記ＳＣＲ触媒のアンモニア吸着量が予め定められた目標吸着量になるように調整する尿素供給制御部と、エンジンの始動時に、前記ＳＣＲ触媒のアンモニア吸着量が前記目標吸着量よりも少なく、かつ前記ＳＣＲ触媒の温度が前記基準温度未満であるという特定条件が成立した場合に、当該特定条件の非成立時よりも速い昇温速度で前記ＳＣＲ触媒の温度を上昇させる昇温制御を実行する触媒温度制御部とを備え、前記目標吸着量は、前記ＳＣＲ触媒の温度に応じて可変的に設定され、前記昇温制御は、前記ＳＣＲ触媒の温度が前記基準温度に上昇するまで継続される、ことを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、エンジン始動後速やかにＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化性能を回復させることができる。すなわち、アンモニア吸着量が目標吸着量未満でかつＳＣＲ触媒の温度が基準温度未満という特定条件がエンジン始動時に成立したということは、アンモニア吸着量が目標吸着量以下であるにもかかわらず尿素供給装置からＳＣＲ触媒に尿素を供給できないことを意味する。このような状態が続くと、ＳＣＲ触媒からアンモニアが枯渇してＮＯｘの浄化性能が大幅に低下するおそれがある。これに対し、本発明では、前記特定条件の成立時に、昇温制御によってＳＣＲ触媒の温度が迅速に上昇させられるので、ほどなくＳＣＲ触媒の温度が基準温度以上となり、尿素供給装置から尿素を供給できるようになる。これにより、エンジン始動後に尿素が供給されない期間を可及的に短縮することができ、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化性能を速やかに回復させることができる。

また、ＳＣＲ触媒の温度が基準温度以上である通常運転時に、ＳＣＲ触媒のアンモニア吸着量が目標吸着量になるように尿素の供給量が調整されるので、目標吸着量もしくはこれに近い量のアンモニアがＳＣＲ触媒に吸着された状態を維持することができ、通常運転時のＮＯｘ浄化性能を良好に確保することができる。一方、目標吸着量は、エンジン始動時に前記特定条件の成否を判定するための閾値としても用いられるので、この特定条件の成立に伴って前記昇温制御が実行されることにより、アンモニア吸着量を速やかに目標吸着量まで高めることができ、エンジン始動時のＮＯｘ浄化性能を良好に確保することができる。

さらに、ＳＣＲ触媒の温度に応じて目標吸着量が可変的に設定されるので、アンモニアの上限吸着量（飽和吸着量）が温度に応じて変化するというＳＣＲ触媒の性質を反映した適切な量のアンモニアをＳＣＲ触媒に吸着させることができる。

前記目標吸着量は、前記ＳＣＲ触媒の温度が予め定められた第１温度以下のときに一定となり、かつ前記ＳＣＲ触媒の温度が前記第１温度に対し上昇するほど低下するように設定することが好ましい（請求項２）。この場合、前記基準温度は、前記第１温度よりも低い値に設定することができる（請求項３）。

前記エンジンが車両に搭載された車載エンジンであり、かつ前記車両の速度を含む所定のパラメータに基づいて前記ＳＣＲ触媒の温度を推定する温度推定部がさらに設けられる場合、前記温度推定部は、前記車両の速度が低いほど前記ＳＣＲ触媒の温度が高いと推定することが好ましい（請求項４）。

このように、車両の速度（車速）が低いほどＳＣＲ触媒の温度が高いと推定するようにした場合には、ＳＣＲ触媒からの放熱量が車速に依存して変化することを考慮してＳＣＲ触媒の温度を精度よく推定することができる。

前記エンジンがディーゼルエンジンである場合、前記触媒温度制御部は、前記昇温制御として、前記エンジン本体に導入される空気量を減少させるとともに、前記エンジン本体に噴射される燃料の一部の噴射時期を膨張行程まで遅らせる制御（いわゆるポスト噴射）を実行することが好ましい（請求項５）。

この構成によれば、空気量の減少による空燃比のリッチ化と、燃料のポスト噴射による排気ガス中の未燃成分の増大（詳しくは当該未燃成分と酸素との反応熱）とにより、排気ガスの温度を効果的に上昇させることができ、この高温化された排気ガスによりＳＣＲ触媒を速やかに昇温させることができる。

前記構成において、より好ましくは、前記触媒温度制御部は、前記特定条件が成立する場合であっても、前記エンジン本体の温度が所定温度未満である場合には、前記昇温制御の実行を禁止する（請求項６）。

この構成によれば、ポスト噴射による昇温効果がほとんど得られない状況下で無駄にポスト噴射が行われるのを回避でき、燃費性能の悪化を抑制することができる。例えば、エンジン本体の温度がかなり低い条件でポスト噴射を実行したとしても、当該ポスト噴射により排気通路に供給された未燃燃料は、その多くが酸素と反応しないまま排気通路の壁面に付着し、ＳＣＲ触媒の温度を上昇させる効果をもたらさない。これに対し、前記構成では、エンジン本体の温度が所定温度未満の場合は前記ポスト噴射を含む昇温制御の実行が禁止されるので、前記のように未燃燃料の多くが無駄になる（ＳＣＲ触媒の昇温効果をもたらさない）事態を回避でき、燃費性能の悪化を抑制することができる。

以上説明したように、本発明のエンジンの排気浄化装置によれば、エンジン始動後速やかにＮＯｘ浄化性能を回復させることができる。

本発明の排気浄化装置が適用されたエンジンの好ましい実施形態を示すシステム図である。 エンジンの制御系統を示すブロック図である。 エンジンの通常運転時に行われるドージング制御の具体的手順を示すフローチャートである。 ＳＣＲ触媒の温度を推定する手順を模式的に示す説明図である。 ＳＣＲ触媒の温度とアンモニアの上限吸着量および目標吸着量との関係を示すグラフである。 尿素水の噴射量を決定する手順を模式的に示す説明図である。 エンジン始動時に行われるドージング制御の具体的手順を示すフローチャートである。 ＳＣＲ触媒の温度とアンモニア変換率との関係を示すグラフである。

（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の排気浄化装置が適用されたエンジンの好ましい実施形態を示すシステム図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された４サイクルのディーゼルエンジンであり、エンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路３０と、エンジン本体１から排出された排気ガスが流通する排気通路４０と、吸気通路３０を流通する吸気を圧縮しつつエンジン本体１に送り出す過給装置５０と、排気通路４０を流通する排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するＥＧＲ装置７０とを備えている。

エンジン本体１は、列状に並ぶ複数の気筒２（図１には１つの気筒のみが示される）を有する直列多気筒型のものであり、当該複数の気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、各気筒２を上から閉塞するようにシリンダブロック３の上面に取り付けられたシリンダヘッド４と、各気筒２にそれぞれ往復動可能に挿入された複数のピストン５とを有している。なお、各気筒２の構造は同一であるため、以下では基本的に１つの気筒２のみに注目して説明を進める。

ピストン５の上方には燃焼室６が画成されている。この燃焼室６には、後述する燃料噴射弁１５からの噴射により、軽油を主成分とする燃料が供給される。そして、供給された燃料が圧縮着火により燃焼（拡散燃焼）し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン５が上下方向に往復運動する。

ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸７が設けられている。クランク軸７は、ピストン５とコネクティングロッド８を介して連結され、ピストン５の往復運動（上下運動）に応じて中心軸回りに回転駆動される。

シリンダブロック３には、クランク軸７の角度（クランク角）およびクランク軸７の回転速度（エンジン回転速度）を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。また、シリンダヘッド４には、エンジン本体１（シリンダブロック３およびシリンダヘッド４）の内部を流通する冷却水の温度を検出する水温センサＳＮ２が設けられている。なお、この水温センサＳＮ２により検出される冷却水の温度は、請求項にいう「エンジン本体の温度」の一例に該当する。

シリンダヘッド４には、燃焼室６に開口する吸気ポート９および排気ポート１０と、吸気ポート９を開閉する吸気弁１１と、排気ポート１０を開閉する排気弁１２と、吸気弁１１および排気弁１２をクランク軸７の回転に連動して開閉駆動する動弁機構１３，１４とが設けられている。

シリンダヘッド４には、さらに、燃焼室６に燃料（軽油）を噴射する燃料噴射弁１５が設けられている。燃料噴射弁１５は、例えば、燃焼室６の天井面の中央部から放射状に燃料を噴射する多噴孔型の噴射弁である。なお、図示を省略するが、ピストン５の冠面には、燃料噴射弁１５から噴射された燃料を受け入れるための凹部（キャビティ）が形成されている。

吸気通路３０は、吸気ポート９と連通するようにシリンダヘッド４の一側面に接続されている。この吸気通路３０には、吸気中の異物を除去するエアクリーナ３１と、過給装置５０により圧縮された吸気を冷却するインタークーラ３２と、吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁３３と、サージタンク３４とが、吸気通路３０の上流側（エンジン本体１から遠い側）からこの順に設けられている。

吸気通路３０におけるエアクリーナ３１よりも下流側の部分には、吸気通路３０を通じてエンジン本体１に導入される空気（新気）の流量を検出するエアフローセンサＳＮ３が設けられている。また、サージタンク３４には、その内部の吸気の圧力を検出する吸気圧センサＳＮ４が設けられている。

排気通路４０は、排気ポート１０と連通するようにシリンダヘッド４の他側面に接続されている。この排気通路４０には、排気ガスに含まれる各種の有害成分を浄化するための複数の触媒４１〜４４が設けられている。具体的に、当実施形態では、酸化触媒４１と、ＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）４２と、ＳＣＲ触媒４３と、スリップ触媒４４とが、排気通路４０の上流側（エンジン本体１に近い側）からこの順に設けられている。また、排気通路４０におけるＤＰＦ４２とＳＣＲ触媒４３との間の部分には、尿素インジェクタ４５とミキシングプレート４７とが設けられている。

酸化触媒４１は、排気ガス中のＣＯおよびＨＣを酸化して無害化する（ＣＯ_２およびＨ_２Ｏに変換する）ための触媒であり、例えば、多孔質性の担体と、当該担体に担持された白金やパラジウム等の触媒物質とを有している。

ＤＰＦ４２は、排気ガス中のスート（煤）を捕集するためのフィルタである。このＤＰＦ４２には、フィルタ再生時の高温条件下でスートを燃焼させるための白金等の触媒物質が含まれている。

尿素インジェクタ４５は、高純度の尿素を溶解した尿素水を排気通路４０の内部に噴射する噴射弁である。尿素インジェクタ４５には、尿素水を貯留するタンク４６から供給管４６ａを通じて尿素水が供給される。尿素インジェクタ４５から排気通路４０内に尿素水が噴射されると、この尿素水に含まれる尿素は、高温下での加水分解によりアンモニア（ＮＨ_３）に変換されて、下流側のＳＣＲ触媒４３に吸着される。なお、尿素インジェクタ４５は、請求項にいう「尿素供給装置」に相当する。

ミキシングプレート４７は、排気通路４０を前後に仕切る板状の部材であり、排気通路４０における尿素インジェクタ４５とＳＣＲ触媒４３との間の部分に設けられている。ミキシングプレート４７には、排気ガスの流れを撹拌するための複数の開口が形成されている。このようなミキシングプレート４７は、尿素インジェクタ４５から噴射された尿素水に含まれる尿素を均一に分散させつつ下流側（ＳＣＲ触媒４３）に送出する役割を果たす。

ＳＣＲ触媒４３は、排気ガス中のＮＯｘを還元して無害化する（Ｎ_２やＨ_２Ｏに変換する）ための触媒であり、例えば、多孔質性の担体と、当該担体に担持されたバナジウム、タングステン、またはゼオライト等の触媒物質とを有している。上述したとおり、ＳＣＲ触媒４３には、尿素インジェクタ４５が噴射した尿素水から生成されるアンモニアが吸着される。ＳＣＲ触媒４３は、このアンモニアを還元剤として用いた化学反応により、排気ガス中のＮＯｘをＮ_２やＨ_２Ｏに変換させる。

スリップ触媒４４は、ＳＣＲ触媒４３からスリップした（つまりＮＯｘの還元に使われないまま下流側に流出した）アンモニアを酸化するための酸化触媒である。このスリップ触媒４４としては、例えば酸化触媒４１と同様の構造のものを用いることができる。

排気通路４０におけるＤＰＦ４２とＳＣＲ触媒４３との間の部分には、排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘ濃度センサＳＮ５が設けられている。また、このＮＯｘ濃度センサＳＮ５よりも下流側であってＳＣＲ触媒４３の直上流に位置する部分の排気通路４０（ミキシングプレート４７とＳＣＲ触媒４３との間の部分）には、排気ガスの温度を検出する排気温センサＳＮ６が設けられている。

過給装置５０は、いわゆる２ステージ型の過給装置であり、直列に配置された第１過給機５１および第２過給機５２を有している。

第１過給機５１は、いわゆるターボ過給機であり、排気通路４０を流通する排気ガスにより回転駆動されるタービン６１と、タービン６１と連動して回転可能に設けられ、吸気通路３０を流通する吸気を圧縮する第１コンプレッサ６２とを有している。第１コンプレッサ６２は、吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とインタークーラ３２との間の部分に配置され、タービン６１は、排気通路４０における酸化触媒４１よりも上流側の部分に配置されている。排気通路４０には、タービン６１をバイパスするためのバイパス通路６３が設けられており、このバイパス通路６３には開閉可能なウェストゲート弁６４が設けられている。

第２過給機５２は、いわゆる電動過給機であり、電気式の駆動モータ６６と、駆動モータ６６により回転駆動されることで吸気を圧縮する第２コンプレッサ６７とを有している。第２コンプレッサ６７は、吸気通路３０における第１コンプレッサ６２よりも下流側（第１コンプレッサ６２とインタークーラ３２との間）の部分に配置されている。吸気通路３０には、第２コンプレッサ６７をバイパスするためのバイパス通路６８が設けられており、このバイパス通路６８には開閉可能なバイパス弁６９が設けられている。

ＥＧＲ装置７０は、排気通路４０と吸気通路３０とを接続するＥＧＲ通路７１と、ＥＧＲ通路７１に設けられたＥＧＲクーラ７２およびＥＧＲ弁７３とを有している。ＥＧＲ通路７１は、排気通路４０におけるタービン６１よりも上流側の部分と、吸気通路３０におけるスロットル弁３３とサージタンク３４との間の部分とを互いに接続している。ＥＧＲクーラ７２は、例えばエンジンの冷却水を利用した熱交換器であり、ＥＧＲ通路７１を通じて排気通路４０から吸気通路３０に還流される排気ガス（ＥＧＲガス）を冷却する。ＥＧＲ弁７３は、ＥＧＲ通路７１におけるＥＧＲクーラ７２よりも下流側（吸気通路３０に近い側）の部分に設けられ、ＥＧＲ通路７１を流通する排気ガスの流量を調整する。

（２）制御系統
図２は、当実施形態のエンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるコントローラ１００は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。なお、コントローラ１００は、単一のプロセッサである必要はなく、電気的に接続された（相互に連携可能な）複数のプロセッサを含んでいてもよい。例えば、コントローラ１００は、主にエンジン本体１を制御するための第１のプロセッサと、尿素インジェクタ４５等を制御するための第２のプロセッサとを含んでいてもよい。

コントローラ１００には各種センサによる検出情報が入力される。具体的に、コントローラ１００は、上述したクランク角センサＳＮ１、水温センサＳＮ２、エアフローセンサＳＮ３、吸気圧センサＳＮ４、ＮＯｘ濃度センサＳＮ５、および排気温センサＳＮ６と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された各種情報、例えばクランク角、エンジン回転速度、エンジン水温、吸気流量、吸気圧（過給圧）、排気ガス中のＮＯｘ濃度、および排気ガスの温度等の情報が、それぞれコントローラ１００に入力される。

また、車両には、当該車両の走行速度（以下、車速という）を検出する車速センサＳＮ７と、車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダルの開度（以下、アクセル開度という）を検出するアクセルセンサＳＮ８と、外気温を検出する外気温センサＳＮ９とが設けられており、これら車速センサＳＮ７、アクセルセンサＳＮ８、および外気温センサＳＮ９による検出情報もコントローラ１００に入力される。

コントローラ１００は、上記各センサＳＮ１〜ＳＮ９からの入力情報に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、コントローラ１００は、燃料噴射弁１５、スロットル弁３３、尿素インジェクタ４５、ウェストゲート弁６４、駆動モータ６６、バイパス弁６９、およびＥＧＲ弁７３等と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。

上記制御に関する機能的要素として、コントローラ１００は、主制御部１０１と、ＳＣＲ状態推定部１０２と、ドージング制御部１０３とを有している。

主制御部１０１は、エンジン本体１での燃焼制御を司る制御モジュールである。例えば、主制御部１０１は、クランク角センサＳＮ１により検出されるエンジン回転速度と、アクセルセンサＳＮ８の検出値（アクセル開度）から特定されるエンジン負荷（要求トルク）と、エアフローセンサＳＮ３により検出される吸気流量とに基づいて、燃料噴射弁１５からの燃料の噴射量および噴射タイミングを決定し、その決定に従って燃料噴射弁１５を制御する。また、主制御部１０１は、上記エンジン回転速度／負荷等に基づいて目標過給圧を設定するとともに、吸気圧センサＳＮ４により検出される吸気圧（過給圧）がこの目標過給圧に一致するように、ウェストゲート弁６４およびバイパス弁６９の各開度や駆動モータ６６の回転を制御する。さらに、主制御部１０１は、ＥＧＲ率（気筒２に導入される全ガスに対するＥＧＲガスの割合）の目標値である目標ＥＧＲ率を上記エンジン回転速度／負荷等に基づいて設定し、この目標ＥＧＲ率が実現されるようにスロットル弁３３およびＥＧＲ弁７３の各開度を制御する。なお、主制御部１０１は、後述する昇温制御（図７のステップＳ１５）の際には、ＳＣＲ触媒４３を昇温させるために排気ガスの温度を上昇させる制御を実行する。このような主制御部１０１は、請求項にいう「触媒温度制御部」に相当する。

ＳＣＲ状態推定部１０２は、ＳＣＲ触媒４３の状態を推定する処理を司る制御モジュールである。例えば、ＳＣＲ状態推定部１０２は、ＮＯｘ濃度センサＳＮ５により検出される排気ガス中のＮＯｘ濃度と、排気温センサＳＮ６により検出される排気ガスの温度と、尿素インジェクタ４５からの尿素水の噴射量とに基づいて、ＳＣＲ触媒４３の温度やアンモニア吸着量を推定する。なお、ＳＣＲ状態推定部１０２は、請求項にいう「温度推定部」に相当する。また、このＳＣＲ状態推定部１０２により推定されるＳＣＲ触媒４３の温度は、請求項にいう「指標温度」の一例に該当する。

ドージング制御部１０３は、尿素インジェクタ４５による尿素水の噴射制御を司る制御モジュールである。例えば、ドージング制御部１０３は、ＳＣＲ状態推定部１０２により推定されるＳＣＲ触媒４３の温度に基づいて尿素水の噴射量を決定し、その決定に従って尿素インジェクタ４５を制御する。なお、ドージング制御部１０３は、請求項にいう「尿素供給制御部」に相当する。

（３）通常運転時のドージング制御
次に、エンジンの通常運転時（後述する始動時等を除く運転時）に行われるドージング制御について説明する。この通常運転時のドージング制御では、ＳＣＲ触媒４３の温度に応じてアンモニアの目標吸着量（図５のＱａ）を設定し、この目標吸着量に応じた量の尿素水を尿素インジェクタ４５から噴射するといった制御が実行される。以下、詳しく説明する。

図３は、通常運転時のドージング制御の具体的手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す制御がスタートすると、コントローラ１００は、ステップＳ１において、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓを推定する。なお、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓは、典型的には、ＳＣＲ触媒４３の担体の温度、つまり床温のことである。

図４は、上記ステップＳ１においてＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓを推定する手順を模式的に示す図である（図中ではＳＣＲ触媒のことを単にＳＣＲと略記している）。本図に示すように、コントローラ１００は、まず、排気温センサＳＮ６により検出されるＳＣＲ触媒４３の直前の排気ガスの温度と、排気ガスの流量とに基づいて、ＳＣＲ触媒４３への入熱量を算出する。なお、排気ガスの流量は、エアフローセンサＳＮ３により検出される吸気流量やＥＧＲ弁７３の開度等から推定することができる。次に、コントローラ１００は、車速センサＳＮ７により検出される車速と、外気温センサＳＮ９により検出される外気温とに基づいて、ＳＣＲ触媒４３からの放熱量を算出する。そして、このようにして算出されたＳＣＲ触媒４３の入熱量および放熱量と、予め記憶されているＳＣＲ触媒４３の熱容量とに基づいて、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓを算出する。具体的に、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓは、入熱量が大きいかまたは放熱量が小さいほど高い値に算出され、入熱量が小さいかまたは放熱量が大きいほど低い値に算出される。

ここで、ＳＣＲ触媒４３からの放熱量は、車速が高いほど大きいものとして扱うことができる。これは、車速が高いほどＳＣＲ触媒４３にあたる走行風が増えて放熱が促進されるからである。逆に、放熱量は、車速が低いほど小さくなるので、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓは、車速が低いほど高いと推定されることになる。

次いで、コントローラ１００は、ステップＳ２に移行して、ＳＣＲ触媒４３に吸着させるべきアンモニアの目標吸着量Ｑａを決定する。目標吸着量Ｑａは、図５のグラフに示すように、ＳＣＲ触媒４３の温度（ＳＣＲ温度）Ｔｓに応じて可変的に設定される。コントローラ１００は、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓと目標吸着量Ｑａとの関係を定めたマップを予め記憶しており、上記ステップＳ１で推定されたＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓをこのマップに照合することにより、目標吸着量Ｑａを決定する。

アンモニアの目標吸着量Ｑａは、同じく図５に示すアンモニアの上限吸着量Ｑｘよりも小さい値に設定される。上限吸着量Ｑｘとは、ＳＣＲ触媒４３に吸着させることが可能な上限のアンモニア吸着量であり、飽和吸着量とも呼ばれるものである。ＳＣＲ触媒４３は、その温度が高くなるほどアンモニアを吸着し難くなるという性質がある。このため、図５の上限吸着量Ｑｘのラインは、全体として、高温側（右側）ほど吸着量が少なくなる（右下がりの）傾向を有している。

上記のような上限吸着量Ｑｘの傾向に合わせて、アンモニアの目標吸着量Ｑａも、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓが高いほど低くなる（逆に温度Ｔｓが低いほど高くなる）ように設定される。ただし、このように温度に依存して目標吸着量Ｑａが変化するのは第１所定温度Ｔ１から第２所定温度Ｔ２までの範囲だけであり、第１所定温度Ｔ１以下となる低温側の範囲では目標吸着量Ｑａが一律にＱ１に設定され、第２所定温度Ｔ２以上となる高温側の範囲では目標吸着量Ｑａが一律にゼロに設定される。なお、前者のように低温側（Ｔｓ≦Ｔ１）で目標吸着量Ｑａが一定値Ｑ１とされるのは、Ｑ１程度のアンモニアが吸着されていればＮＯｘの浄化性能が十分に良好になるので、Ｑ１よりもさらに吸着量を増やす意味がないからである。

次いで、コントローラ１００は、ステップＳ３に移行して、現時点でＳＣＲ触媒４３に吸着されているアンモニアの量である現アンモニア吸着量Ｑｃを推定する。後述するステップＳ５で詳しく説明するように、現アンモニア吸着量Ｑｃは、尿素インジェクタ４５からの尿素水の噴射量を決定する過程で使用されるパラメータである。このため、現アンモニア吸着量Ｑｃは、これまでの尿素水の噴射量の履歴から逆算により求めることができる。すなわち、尿素水の噴射量の履歴から求められる各時点のアンモニア供給量から、ＳＣＲ触媒４３での各時点のアンモニア消費量（後述するステップＳ４で算出）を差し引いた分が、ＳＣＲ触媒４３に都度蓄積されることになるので、この蓄積分を時間ごとに積算したものを現アンモニア吸着量Ｑｃとして算出することができる。

次いで、コントローラ１００は、ステップＳ４に移行して、ＳＣＲ触媒４３において消費されるアンモニアの量であるアンモニア消費量Ｗを推定する。具体的に、コントローラ１００は、ＮＯｘ濃度センサＳＮ５により検出される排気ガス中のＮＯｘ濃度と、演算により推定される排気ガスの流量（吸気流量の検出値やＥＧＲ弁７３の開度等から求められる値）とに基づいて、ＳＣＲ触媒４３に流入するＮＯｘの量を算出し、このＮＯｘの流入量に基づいて、ＳＣＲ触媒４３でＮＯｘ還元のために消費されるアンモニアの量つまりアンモニア消費量Ｗを算出する（後述する図６の一部参照）。

次いで、コントローラ１００は、ステップＳ５，Ｓ６に移行して、尿素インジェクタ４５から噴射すべき尿素水の噴射量Ｕを決定し、この決定した噴射量Ｕに相当する尿素を尿素インジェクタ４５から噴射させる。

図６は、上記ステップＳ５において噴射量Ｕを決定する手順を模式的に示す図である。本図に示すように、コントローラ１００は、上記ステップＳ４で求められたアンモニア消費量Ｗと、アンモニアの要求余剰供給量Ｑｄとに基づいて、尿素水の噴射量Ｕを算出する。ここで、アンモニアの要求余剰供給量Ｑｄとは、ＳＣＲ触媒４３においてアンモニア吸着量Ｑｃを目標吸着量Ｑａまで高めるのに必要なアンモニアの余剰供給量のことであり、上記ステップＳ２で決定されたアンモニアの目標吸着量Ｑａから、上記ステップＳ３で算出された現アンモニア吸着量Ｑｃを差し引くことで得られる値である。尿素水の噴射量Ｕは、要求余剰供給量Ｑｄおよびアンモニア消費量Ｗのいずれが多い場合でも大きい値として算出される。

（４）エンジン始動時のドージング制御
次に、エンジン始動時のドージング制御について説明する。エンジン始動時におけるＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓは、通常、直近のエンジン停止時のＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓよりも下がっている。この場合において、エンジン停止時のＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓがかなり高温（例えば図５のグラフにおける第２所定温度Ｔ２に近い温度）であったと仮定すると、エンジン始動時におけるＳＣＲ触媒４３のアンモニア吸着量Ｑｃは非常に少ないことになる。このため、エンジン始動後直ちに尿素水を噴射してＳＣＲ触媒４３にアンモニアを供給することが望まれるが、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓが低い期間（後述する図８に示す基準温度Ｘよりも低い期間）はそもそも尿素水を噴射することができない。そこで、このようなケースを想定して、エンジン始動時は通常運転時とは異なるドージング制御が実行される。以下、詳しく説明する。

図７は、エンジン始動時のドージング制御の具体的手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す制御は、車両に搭乗したドライバーにより図外のイグニッションスイッチがオン操作されることでスタートする。まず、コントローラ１００は、ステップＳ１１において、イグニッションスイッチのオン操作（つまりエンジンの始動操作）が行われてから所定期間が経過したか否かを判定する。この所定期間は、エンジン回転が安定せずかつエンジン各部の温度が急激に変化するような始動時のごく初期を除く目的で設定されている。

上記ステップＳ１１でＹＥＳと判定されて始動操作から所定期間が経過したことが確認された場合、コントローラ１００は、ステップＳ１２に移行して、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓが基準温度Ｘ未満であるか否かを判定する。ここで、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓは、上述した図３のステップＳ１と同様、排気ガスの温度や流量等の各種パラメータから演算により推定される値である。また、この温度Ｔｓと比較される基準温度Ｘは、尿素インジェクタ４５からの尿素水の噴射の可否を決定するための閾値であり、尿素水に含まれる尿素がアンモニアに変換される割合を考慮して予め定められている。なお、基準温度Ｘは、図５のマップに示した第１所定温度Ｔ１（アンモニアの目標吸着量Ｑａが最大値をとる温度）よりも低い値に設定されている。

図８は、ＳＣＲ触媒４３の温度（ＳＣＲ温度）Ｔｓと、尿素からアンモニアに変換される割合（アンモニア変換率）との関係を示すグラフである。この図８のグラフに示すように、アンモニア変換率は、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓが高いほど高くなり、逆に温度Ｔｓが低いほど低くなる。このことは、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓがかなり低い状態で尿素水を噴射しても、尿素の多くがアンモニアとしてＳＣＲ触媒４３に吸着されない（つまり噴射した尿素水の多くが無駄になる）ことを意味する。そこで、当実施形態では、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓについて基準温度Ｘを設定し、この基準温度Ｘ未満では尿素水の噴射を禁止するようにしている。

上記ステップＳ１２でＮＯと判定されてＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓが基準温度Ｘ以上であることが確認された場合、つまり尿素水の噴射が許可される条件であるとき、コントローラ１００は、図３に示した通常運転時のドージング制御に移行する。

一方、上記ステップＳ１２でＹＥＳと判定されてＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓが基準温度Ｘ未満であることが確認された場合（つまり尿素水を噴射できない条件であるとき）、コントローラ１００は、ステップＳ１３に移行して、ＳＣＲ触媒４３のアンモニア吸着量Ｑｃが目標吸着量Ｑａよりも少ないか否かを判定する。図３のステップＳ３で説明したように、当実施形態では、エンジンの運転中にＳＣＲ触媒４３のアンモニア吸着量（現アンモニア吸着量）Ｑｃを常時算出し、更新している。上記ステップＳ１３では、このように逐次更新されるアンモニア吸着量Ｑｃと、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓに応じて設定される目標吸着量Ｑａ（図５）とが比較され、前者が後者よりも少ないか否かが判定される。

上記ステップＳ１３でＹＥＳと判定されてＳＣＲ触媒４３のアンモニア吸着量Ｑｃが目標吸着量Ｑａよりも少ないことが確認された場合、コントローラ１００は、ステップＳ１４に移行して、水温センサＳＮ２により検出されるエンジンの冷却水の温度（エンジン水温）が所定温度Ｙ未満であるか否かを判定する。所定温度Ｙは、エンジンの暖機が完了したとみなせるエンジン水温（例えば８０℃）よりも低い値（例えば２０〜４０℃程度）であり、後述するステップＳ１４の昇温制御において実行されるポスト噴射の有効性を考慮して予め定められている。

上記ステップＳ１４でＹＥＳと判定されてエンジン水温が所定温度Ｙ未満であることが確認された場合、コントローラ１００は、ステップＳ１５に移行して、ＳＣＲ触媒４３を加熱するために排気ガスの温度を上昇させる制御（以下、これを昇温制御という）を実行する。具体的に、コントローラ１００は、当該昇温制御として、スロットル弁３３の開度を低減させる等によりエンジン本体１の各気筒２に導入される空気量（新気量）を減少させるとともに、燃料噴射弁１５から噴射される燃料の一部の噴射時期を膨張行程まで遅らせる制御（いわゆるポスト噴射）を実行する。なお、ポスト噴射による噴射時期は、噴射された燃料の多くが気筒２から未燃のまま排出されるような時期であり、例えば膨張行程の中期または後期とされる。

上記昇温制御では、気筒２への導入空気量が低減されることにより、気筒２内の混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）が相対的にリッチにされるとともに、気筒２の内部ガス（混合気およびＥＧＲガスを含めた全ガス）の熱容量が低下する。これにより、気筒２での燃焼温度が上昇するとともに、気筒２から排出される排気ガスの温度が上昇する。また、上記昇温制御では、膨張行程の中期または後期に燃料のポスト噴射が行われることにより、未燃のまま排気通路４０に排出される燃料の量が増える。この排出された未燃の燃料成分は、排気通路４０の途中で酸素と反応して発熱し、排気ガスの温度を上昇させる。このように、上記昇温制御（ステップＳ１５）では、空気量の低減操作とポスト噴射との相乗効果により、排気ガスの温度が十分に高められる。この結果、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓは、昇温制御を行う前に比べて速い昇温速度で上昇するようになる。

次いで、コントローラ１００は、ステップＳ１６に移行して、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓが上述した基準温度Ｘ（図８）以上になったか否かを判定する。そして、ここでの判定がＮＯ（つまりＴｓ＜Ｘ）である間、コントローラ１００は、上記ステップＳ１５の昇温制御を継続する。

上記ステップＳ１６でＹＥＳと判定されてＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓが基準温度Ｘ以上に上昇したことが確認された場合、コントローラ１００は、ステップＳ１７に移行して、尿素インジェクタ４５から尿素水を噴射する制御を開始する。

次いで、コントローラ１００は、ステップＳ１８に移行して、ＳＣＲ触媒４３のアンモニア吸着量（現アンモニア吸着量）Ｑｃが図５に示した目標吸着量Ｑａ以上になったか否かを判定する。そして、ここでの判定がＮＯ（つまりＱｃ＜Ｑａ）である間、コントローラ１００は、上記ステップＳ１７の尿素水の噴射制御を継続する。

（５）作用効果
以上説明したように、当実施形態では、エンジンの始動時において、（ｉ）ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓが基準温度Ｘ未満であること、および、（ｉｉ）ＳＣＲ触媒４３のアンモニア吸着量Ｑｃが目標吸着量Ｑａ未満であることの双方が成立したことを条件に（以下、これを特定条件という）、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓを上昇させる昇温制御（Ｓ１５）が実行される。そして、この昇温制御では、気筒２への導入空気量を減少させる操作とポスト噴射とが実行されることにより、上記特定条件の非成立よりも排気ガスの温度が高められ、これによってＳＣＲ触媒４３の昇温速度が速められる。このような構成によれば、エンジン始動後速やかにＳＣＲ触媒４３のＮＯｘ浄化性能を回復させることができるという利点がある。

すなわち、エンジン始動時に上記特定条件が成立したということは、ＳＣＲ触媒４３のアンモニア吸着量Ｑｃが目標吸着量Ｑａ以下であるにもかかわらず尿素インジェクタ４５から尿素水を噴射できないことを意味する。このような状態が続くと、ＳＣＲ触媒４３からアンモニアが枯渇してＮＯｘの浄化性能が大幅に低下するおそれがある。これに対し、上記実施形態では、上記特定条件の成立時に、昇温制御によってＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓが迅速に上昇させられるので、ほどなくＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓが基準温度Ｘ以上となり、尿素インジェクタ４５から尿素水を噴射できるようになる。これにより、エンジン始動後に尿素水が噴射されない期間を可及的に短縮することができ、ＳＣＲ触媒４３のＮＯｘ浄化性能を速やかに回復させることができる。

また、上記実施形態では、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓが基準温度Ｘ以上である通常運転時に、ＳＣＲ触媒４３のアンモニア吸着量Ｑｃが目標吸着量Ｑａになるように尿素インジェクタ４５からの尿素水の噴射量が調整されるので、目標吸着量Ｑａもしくはこれに近い量のアンモニアがＳＣＲ触媒４３に吸着された状態を維持することができ、通常運転時のＮＯｘ浄化性能を良好に確保することができる。一方、目標吸着量Ｑａは、エンジン始動時に上記特定条件の成否を判定するための閾値としても用いられるので、この特定条件の成立に伴って上記昇温制御が実行されることにより、アンモニア吸着量Ｑｃを速やかに目標吸着量Ｑａまで高めることができ、エンジン始動時のＮＯｘ浄化性能を良好に確保することができる。

また、上記実施形態では、アンモニアの目標吸着量ＱａがＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓに応じて可変的に（温度Ｔｓが高いほど低くなるように）設定されるので、アンモニアの上限吸着量Ｑｘ（飽和吸着量）が温度に応じて変化するというＳＣＲ触媒４３の性質を反映した適切な量のアンモニアをＳＣＲ触媒４３に吸着させることができる。

ここで、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓは、車速が低いほど高くなり易い。これは、車速が低いほどＳＣＲ触媒４３からの放熱量が減少する（ＳＣＲ触媒４３に熱がこもり易くなる）からである。これに対し、上記実施形態では、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓを演算により推定する際に、車速が低いほどＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓが高いと推定されるので、上述した現象（車速と放熱量との関係）を考慮してＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓを精度よく推定することができる。

また、上記実施形態では、上記特定条件が成立する場合（ステップＳ１２，Ｓ１３でともにＹＥＳ）であっても、エンジン水温が所定温度Ｙ未満（ステップＳ１４でＹＥＳ）である場合には、上記昇温制御（ステップＳ１５）の実行が禁止されるので、ポスト噴射による昇温効果がほとんど得られない状況下で無駄にポスト噴射が行われるのを回避でき、燃費性能の悪化を抑制することができる。例えば、エンジン水温がかなり低い条件でポスト噴射を実行したとしても、当該ポスト噴射により排気通路４０に供給された未燃燃料は、その多くが酸素と反応しないまま排気通路４０の壁面に付着し、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓを上昇させる効果をもたらさない。これに対し、上記実施形態では、エンジン水温が所定温度Ｙ未満の場合は上記ポスト噴射を含む昇温制御の実行が禁止されるので、上記のように未燃燃料の多くが無駄になる（ＳＣＲ触媒４３の昇温効果をもたらさない）事態を回避でき、燃費性能の悪化を抑制することができる。

（６）変形例
上記実施形態では、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓを各種パラメータに基づき演算により推定したが（図４）、当該温度Ｔｓをセンサを用いて直接検出するようにしてもよい。

上記実施形態では、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓが基準温度Ｘ以上である場合にのみ尿素インジェクタ４５からの尿素水の噴射を許可する（基準温度Ｘ未満の場合は噴射を禁止する）ようにしたが、尿素水の噴射の可否は、尿素インジェクタ４５から排気通路４０に供給された尿素の周囲温度を代表する温度（請求項にいう「指標温度」）に基づいて決定すればよく、ＳＣＲ触媒４３の温度Ｔｓとは異なる別の指標温度に基づいて尿素水の噴射の可否を決定してもよい。例えば、尿素インジェクタ４５からＳＣＲ触媒４３までの間を流れる排気ガスの温度（上記実施形態でいえば排気温センサＳＮ６により検出される排気ガスの温度）に基づいて尿素水の噴射の可否を決定してもよい。

上記実施形態では、エンジン始動時に、ＳＣＲ触媒４３のアンモニア吸着量Ｑｃが目標吸着量Ｑａよりも少ないことを含む特定条件が成立した場合に、ＳＣＲ触媒４３の昇温速度を速めるための昇温制御（ポスト噴射等により排気ガスの温度を上昇させる制御）を実行するようにしたが、この特定条件の成否を判定するための基準となるアンモニア吸着量（請求項にいう「基準量」）は、必ずしも目標吸着量Ｑａ（図５）でなくてもよく、この目標吸着量Ｑａとは異なる別の吸着量（例えば触媒温度Ｔｓに依存しない一定の吸着量）を上記基準量として用いてもよい。

上記実施形態では、エンジン始動時のＳＣＲ触媒４３の昇温（昇温制御）を、ポスト噴射等による燃焼制御により実現するようにしたが、例えば通電等に応じて発熱する発熱手段をＳＣＲ触媒４３に設け、この発熱手段よりＳＣＲ触媒４３を昇温させるようにしてもよい。

上記実施形態では、軽油を主成分とする燃料を圧着着火させるディーゼルエンジンに本発明の排気浄化装置を適用した例について説明したが、本発明を適用可能なエンジンは、ＮＯｘを浄化するためにＳＣＲ触媒を設ける必要のあるエンジンであればよく、例えばガソリンを主成分とする燃料をリーンな空燃比下で燃焼させるリーンバーンガソリンエンジンに本発明を適用してもよい。

１ エンジン本体
４０ 排気通路
４３ ＳＣＲ触媒
４５ 尿素インジェクタ（尿素供給装置）
１０１ 主制御部（触媒温度制御部）
１０２ ＳＣＲ状態推定部（温度推定部）
１０３ ドージング制御部（尿素供給制御部）
Ｑａ （アンモニアの）目標吸着量
Ｘ 基準温度

Claims (6)

1. エンジン本体から排出される排気ガスが流通する排気通路と、
   前記排気通路内に尿素を供給する尿素供給装置と、
   前記尿素供給装置よりも下流側の排気通路に設けられ、尿素から生成されるアンモニアの還元作用により排気ガス中のＮＯｘを浄化するＳＣＲ触媒と、
   前記ＳＣＲ触媒の温度が予め定められた基準温度以上である場合に、前記尿素供給装置に尿素を供給させるとともに、当該尿素の供給量を、前記ＳＣＲ触媒のアンモニア吸着量が予め定められた目標吸着量になるように調整する尿素供給制御部と、
   エンジンの始動時に、前記ＳＣＲ触媒のアンモニア吸着量が前記目標吸着量よりも少なく、かつ前記ＳＣＲ触媒の温度が前記基準温度未満であるという特定条件が成立した場合に、当該特定条件の非成立時よりも速い昇温速度で前記ＳＣＲ触媒の温度を上昇させる昇温制御を実行する触媒温度制御部とを備え、
   前記目標吸着量は、前記ＳＣＲ触媒の温度に応じて可変的に設定され、
   前記昇温制御は、前記ＳＣＲ触媒の温度が前記基準温度に上昇するまで継続される、ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置において、
   前記目標吸着量は、前記ＳＣＲ触媒の温度が予め定められた第１温度以下のときに一定となり、かつ前記ＳＣＲ触媒の温度が前記第１温度に対し上昇するほど低下するように設定されている、ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
3. 請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置において、
   前記基準温度は、前記第１温度よりも低い値に設定されている、ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの排気浄化装置において、
   前記エンジンは車両に搭載された車載エンジンであり、
   前記車両の速度を含む所定のパラメータに基づいて前記ＳＣＲ触媒の温度を推定する温度推定部がさらに設けられ、
   前記温度推定部は、前記車両の速度が低いほど前記ＳＣＲ触媒の温度が高いと推定する、ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンの排気浄化装置において、
   前記エンジンはディーゼルエンジンであり、
   前記触媒温度制御部は、前記昇温制御として、前記エンジン本体に導入される空気量を減少させるとともに、前記エンジン本体に噴射される燃料の一部の噴射時期を膨張行程まで遅らせる制御を実行する、ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
6. 請求項５に記載のエンジンの排気浄化装置において、
   前記触媒温度制御部は、前記特定条件が成立する場合であっても、前記エンジン本体の温度が所定温度未満である場合には、前記昇温制御の実行を禁止する、ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。