JP2010112345A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気浄化装置に関し、吸蔵還元触媒におけるアンモニアの生成量を適切に制御し、窒素酸化物浄化性能を向上させる。
【解決手段】内燃機関４の排気中の窒素酸化物を酸化雰囲気下で吸蔵し、該窒素酸化物を還元雰囲気下で還元するとともに該窒素酸化物からアンモニアを生成する吸蔵還元触媒１と、排気通路７における吸蔵還元触媒１の下流側に介装され、該アンモニアを吸蔵するとともに該アンモニアを還元剤として該窒素酸化物を還元する選択還元触媒２とを設ける。
また、選択還元触媒２に吸蔵された該アンモニアの吸蔵量を推定又は検出する吸蔵量演算手段３ａと、該吸蔵量に基づいて吸蔵還元触媒１における該アンモニアの生成量を制御する制御手段３ｃとを設ける。
【選択図】図１

Description

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

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

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

ところで選択還元触媒は、窒素酸化物の還元反応に供されるアンモニアを触媒表面に吸着させて、所定量吸蔵することができるようになっている。しかしながら、アンモニアを吸蔵可能な量には上限があるため、その吸蔵能力を超える量のアンモニアが供給されると、排気ガス中にアンモニアが排出してしまう。一方、選択還元触媒に供給されるアンモニア量が不足すれば、十分な量のアンモニアを吸蔵することができず窒素酸化物浄化性能が低下するおそれが生じる。

このように従来の技術では、吸蔵還元触媒上におけるアンモニアの生成量を適切に制御することが困難であるという課題がある。
また、特許文献１の技術のように、窒素酸化物の燃焼副生産物としてアンモニアを生成する場合には、炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）といったアンモニア以外の副生産物も生成されることになる。そのため、アンモニアの生成量のみを制御することが難しく、排気ガス全体の浄化を達成することが困難であるという課題もある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、吸蔵還元触媒におけるアンモニアの生成量を適切に制御し、窒素酸化物浄化性能を向上させることができるようにした、排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の排気浄化装置（請求項１）は、内燃機関の排気中の窒素酸化物を酸化雰囲気下で吸蔵し、該窒素酸化物を還元雰囲気下で還元するとともに該窒素酸化物からアンモニアを生成する吸蔵還元触媒と、排気通路における該吸蔵還元触媒の下流側に介装され、該アンモニアを吸蔵するとともに該アンモニアを還元剤として該窒素酸化物を還元する選択還元触媒と、該選択還元触媒に吸蔵された該アンモニアの吸蔵量を推定又は検出する吸蔵量演算手段と、該吸蔵量演算手段で得られた該吸蔵量に基づいて該吸蔵還元触媒における該アンモニアの生成量を制御する制御手段と、を備えたことを特徴としている。

なお、ここでいう酸化雰囲気とは排気中の酸素濃度が還元成分（ＨＣ，ＣＯ等）の濃度に対して相対的に高い状態を意味しており、還元雰囲気とは排気中の還元成分が酸素濃度に対して相対的に高い状態を意味している。一般に、エンジンにおける空燃比をリーンに設定すると排気が酸化雰囲気となり、一方、空燃比をリッチにすると排気が還元雰囲気となる。

また、本発明の排気浄化装置（請求項２）は、請求項１記載の構成に加え、該選択還元触媒から脱離した該アンモニアの排出量を推定又は検出する排出量演算手段をさらに備え、該制御手段が、該吸蔵量演算手段で得られた該吸蔵量及び該排出量演算手段で得られた該排出量に基づいて該吸蔵還元触媒における該アンモニアの生成量を制御することを特徴としている。

また、本発明の排気浄化装置（請求項３）は、請求項２記載の構成に加え、該制御手段において、該吸蔵量が予め設定された第一所定量以下となったときに該還元雰囲気を形成する制御を実施し、該排出量が予め設定された第二所定量以上となったときに該酸化雰囲気を形成する制御を実施することを特徴としている。
また、本発明の排気浄化装置（請求項４）は、請求項３記載の構成に加え、該制御手段が、該還元雰囲気の形成時において、該空燃比を予め設定された第一空燃比まで減少させた第一状態を所定時間保持し、さらにその後、該空燃比を該第一空燃比よりも大きい値に予め設定された第二空燃比へ増加させた第二状態を保持することを特徴としている。

なおこの場合、該制御手段は、該空燃比を減少させ又は該空燃比の減少時間を延長することで該還元雰囲気を形成するとともに、該空燃比を増加させ又は該空燃比の増加時間を延長することで該酸化雰囲気を形成する。
また、本発明の排気浄化装置（請求項５）は、請求項２〜４の何れか１項に記載の構成に加え、該選択還元触媒の下流側における第一アンモニア濃度を推定又は検出する第一検出手段と、該選択還元触媒の上流側における第二アンモニア濃度を推定又は検出する第二検出手段と、該排気通路における排気流量又は吸気通路における吸気流量を推定又は検出する流量検出手段と、をさらに備え、該吸蔵量演算手段が、該排気流量又は該吸気流量と該第一アンモニア濃度及び該第二アンモニア濃度の差とに基づいて該吸蔵量を推定し、該排出量演算手段が、該排気流量又は該吸気流量及び該第一アンモニア濃度に基づいて該排出量を推定することを特徴としている。

また、本発明の排気浄化装置（請求項６）は、請求項１〜５の何れか１項に記載の構成に加え、該吸蔵還元触媒における触媒温度を推定又は検出する触媒温度検出手段をさらに備え、該制御手段が、該触媒温度検出手段で得られた該触媒温度が予め設定された所定の温度範囲内にある場合にのみ、該吸蔵還元触媒における該アンモニアの生成量を増加させることを特徴としている。

また、本発明の排気浄化装置（請求項７）は、請求項２〜４の何れか１項に記載の構成に加え、該選択還元触媒の下流側における第一アンモニア濃度を推定又は検出する第一検出手段と、該吸蔵還元触媒における触媒温度を推定又は検出する触媒温度検出手段と、該排気通路における排気流量又は吸気通路における吸気流量を推定又は検出する流量検出手段と、をさらに備え、該吸蔵量演算手段が、該触媒温度に基づいて該アンモニアの生成濃度を推定するとともに、該排気流量又は該吸気流量と該第一アンモニア濃度及び該生成濃度の差とに基づいて該吸蔵量を推定し、該排出量演算手段が、該排気流量又は該吸気流量及び該第一アンモニア濃度に基づいて該排出量を推定することを特徴としている。

なお、上述のアンモニア濃度を検出する第一検出手段及び第二検出手段としては、アンモニア濃度を直接検出するアンモニアガスセンサやレーザー式分析センサ等を用いてもよいし、あるいは窒素酸化物濃度センサやＯ_２センサの検出結果から推定するものとしてもよい。

本発明の排気浄化装置（請求項１）によれば、アンモニアの吸蔵量を推定又は検出することにより、選択還元触媒上に適量のアンモニアを吸蔵させておくことができ、選択還元触媒上における窒素酸化物の還元反応を保証することができる。
また、本発明の排気浄化装置（請求項２）によれば、選択還元触媒に吸蔵されたアンモニアの吸蔵量に加えて、アンモニアの排出量を推定又は検出することにより、選択還元触媒上でのアンモニアの消費量、延いては窒素酸化物還元量を正確に把握することができる。また、これらの吸蔵量及び排出量に基づいてアンモニアの生成量を制御することにより、選択還元触媒上での窒素酸化物還元効率を高めることができ、排気の浄化性能を向上させることができる。

また、本発明の排気浄化装置（請求項３）によれば、選択還元触媒におけるアンモニアの吸蔵量が第一所定量以下になるとアンモニアを生成する制御が実施されるため、選択還元触媒でのアンモニアの吸蔵量を確保することができ、一定の窒素酸化物還元量を確保することができる。また、十分な吸蔵量が確保されてアンモニアの排出量が第二所定量以上になるとアンモニアを生成する制御が停止するため、アンモニアの車外への排出を確実に抑制することができる。

また、本発明の排気浄化装置（請求項４）によれば、空燃比を第一状態及び第二状態の二段階に制御することにより、第一状態で発生した一酸化炭素及び未燃燃料を第二段階の内燃機関で消費させることが可能となり、アンモニアの生成量に対する一酸化炭素及び未燃燃料の発生量を抑制することができる。
また、本発明の排気浄化装置（請求項５）によれば、選択還元触媒の上流側及び下流側のアンモニア濃度を把握することにより、吸蔵還元触媒におけるアンモニア生成量を考慮することなく正確に選択還元触媒におけるアンモニアの吸蔵量及び排出量を推定することができる。

また、本発明の排気浄化装置（請求項６）によれば、アンモニアの生成量を増加させる触媒温度範囲を所定の温度範囲に制限することにより、吸蔵還元触媒でのアンモニアの生成が困難な温度条件下における制御を防止することができ、燃費低下率の上昇を抑制することができる。
また、本発明の排気浄化装置（請求項７）によれば、吸蔵還元触媒における触媒温度を把握することにより、吸蔵還元触媒におけるアンモニア生成量を正確に把握することができ、選択還元触媒におけるアンモニアの吸蔵量を把握することができる。これにより、排気ガスの濃度検出に係る検出手段を一個に削減することができ、コストを抑えることができる。

以下、図面により、本発明の一実施形態について説明する。
図１〜図６は、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を説明するためのものであり、図１は本発明に係る排気浄化装置の全体構成を示す模式図、図２は本排気浄化装置の吸蔵還元触媒におけるアンモニア生成温度特性を示すグラフであり、図３は本排気浄化装置における制御を説明するためのグラフであり、（ａ）はリッチ状態（第一状態）の直後にスライトリッチ状態（第二状態）に制御する場合の噴射パターンのタイムチャート、（ｂ）はリッチ状態（第一状態）のみに制御する場合の噴射パターンのタイムチャートである。

図４は本排気浄化装置における噴射パターンによる制御効果の変化を示すものであり、（ａ）は排出された一酸化炭素濃度に係るもの、（ｂ）は排出された全炭化水素濃度に係るもの、（ｃ）は燃費低下率に係るもの、（ｄ）は窒素酸化物浄化効率に係るものである。図５は本排気浄化装置の窒素酸化物パージ制御時の作用を説明するためのグラフであり、（ａ）は空燃比の変化を示すタイムチャート、（ｂ）はアンモニアの吸蔵量の変化を示すタイムチャート、（ｃ）はアンモニアの排出量の変化を示すタイムチャートである。また、図６（ａ），（ｂ）は本排気浄化装置及びその比較例の窒素酸化物濃度変動を示すタイムチャートであり、（ａ）は本排気浄化装置の制御によるもの、（ｂ）は同一の燃費が得られるように燃料噴射パターンを変更した比較例のものである。

［１．全体構成］
図１に示すエンジン４（内燃機関）は、軽油（ＨＣ）を燃料とするディーゼルエンジンであり、このエンジン４には排気通路７及び吸気通路８が接続されている。エンジン４の各気筒の燃焼室へは、吸気通路８を介して吸気が導入され、燃焼後の排気ガス（以下、単に排気ともいう）は排気通路７を介して外部へ排出されている。排気通路７上には、エンジン４から排出される排気流量Ｖを検出する排気流量センサ７ａ（流量検出手段）が介装されている。

また、エンジン４における空燃比Ｒは、後述する制御装置３によって制御されている。なお、エンジン４への吸気流量とエンジン４からの排気流量とが同一であると仮定すれば、排気流量センサ７ａの代わりに、エンジン４に吸気される吸気流量センサを吸気通路８上に介装した構成としてもよい。排気流量センサ７ａで検出された排気流量Ｖは制御装置３へ入力されている。

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

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

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

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

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

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

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

図２に、吸蔵還元触媒１における触媒温度Ｔとアンモニア生成量との関係を示す。吸蔵還元触媒１は、触媒温度Ｔが第一温度Ｔ_１以下である場合や第二温度Ｔ_２以上（ただし、Ｔ_１＜Ｔ_２）である場合にはほとんどアンモニアを生成せず、第一温度Ｔ_１から第二温度Ｔ_２までの間（所定の温度範囲）である場合にのみアンモニアを生成する特性を有している。そこで、本実施形態では触媒温度ＴがＴ_１＜Ｔ＜Ｔ_２である場合にのみ吸蔵還元触媒１におけるアンモニアの生成量を増加させる制御が実施されている。

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

また、排気通路７上における選択還元触媒２の下流側には、選択還元触媒２から排出されたアンモニアの濃度Ｃ_１（第一アンモニア濃度）を検出する第一センサ２ａが設けられており、一方、選択還元触媒２の上流側（吸蔵還元触媒１と選択還元触媒２との間）には選択還元触媒２へ流入するアンモニアの濃度Ｃ_２（第二アンモニア濃度）を検出する第二センサ２ｂが設けられている。これらのセンサ２ａ，２ｂで検出されたアンモニア濃度Ｃ_１，Ｃ_２は、制御装置３へ入力されてエンジン４の空燃比制御に用いられている。

［２．制御手段］
［２−１．構成］
制御装置３は、マイクロコンピュータで構成されたエンジン４を制御するための電子制御装置であり、周知のマイクロプロセッサやＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積したＬＳＩデバイスとして提供されている。この制御装置３は、選択還元触媒２上におけるアンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔに基づいて吸蔵還元触媒１でのアンモニア生成量を制御するための構成として、吸蔵量演算部３ａ（吸蔵量演算手段），排出量演算部３ｂ（排出量演算手段）及び空燃比制御部３ｃ（制御手段）を備えている。

吸蔵量演算部３ａは、選択還元触媒２に吸蔵されたアンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔを推定するものである。ここでは、第一センサ２ａ及び第二センサ２ｂで検出されたアンモニア濃度の差（Ｃ_２−Ｃ_１）を演算してこれを選択還元触媒２で吸蔵されたアンモニア濃度とし、このアンモニア濃度に排気流量Ｖを乗算して選択還元触媒２におけるアンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔを推定する。つまりここでは、選択還元触媒２の上流側に存在するアンモニア量と下流側に存在するアンモニア量との差分が選択還元触媒に吸蔵されたものとしている。

排出量演算部３ｂは、選択還元触媒２から排出されたアンモニアの排出量Ｓ_Ｌを推定するものである。ここでは、第一センサ２ａで検出されたアンモニア濃度Ｃ_１に排気流量Ｖを乗算することによってアンモニアの排出量Ｓ_Ｌを推定演算する。つまりここでは、実際に排気通路７から排出されるアンモニア量を演算している。したがって、ここで演算される排出量Ｓ_Ｌには、選択還元触媒２上から脱落したアンモニアだけでなく選択還元触媒２へ入る前から排気中に存在していたアンモニアも含まれる。

なお、吸蔵量Ｓ_Ｔが少ない状態では排気中のアンモニアが選択還元触媒２に吸蔵されやすいため、排出量Ｓ_Ｌは減少する。一方、吸蔵量Ｓ_Ｔが十分に高くなり吸蔵可能な上限に近くなると吸蔵量が減少するため、選択還元触媒２の下流側のアンモニア濃度Ｃ_１は徐々に上流側のアンモニア濃度Ｃ_２に近づき、排出量Ｓ_Ｌは増加する。
空燃比制御部３ｃは、吸蔵量演算部３ａで演算された吸蔵量Ｓ_Ｔと排出量演算部３ｂで演算された排出量Ｓ_Ｌとに基づいてエンジン４の空燃比Ｒを制御し、吸蔵還元触媒１におけるアンモニアの生成量を制御するものである。ここでは、空燃比Ｒを一時的にリッチ化する窒素酸化物パージ制御の開始条件及び終了条件が判定され、実施されている。

［２−２．窒素酸化物パージ制御の内容］
図３（ａ）に示すように、空燃比制御部３ｃは定常的なリーン運転状態下において間欠的に空燃比Ｒを高めてリッチ運転状態とする窒素酸化物パージ制御を実施し、還元雰囲気の排気を生成する。ここでは、リーン運転状態に対応する空燃比Ｒとしてリーン空燃比Ｒ_３が設定されるとともに、リッチ運転状態に対応する空燃比Ｒとしてリッチ空燃比Ｒ_１及びスライトリッチ空燃比Ｒ_２の二種類が設定されている。

リッチ空燃比Ｒ_１は、吸蔵還元触媒１上でのアンモニアの生成を促進する排気の還元雰囲気（第一状態）を形成するためのいわゆるリッチスパイクとしての空燃比である。空燃比制御部３ｃは、この還元雰囲気を所定時間ｔ_Ａ保持するように制御する。
一方、スライトリッチ空燃比Ｒ_２は、上述の状態と同様に吸蔵還元１上でのアンモニアの生成が妨げられない程度の還元雰囲気であって、やや燃料量を少なくした還元雰囲気（第二状態）を形成するための空燃比であり、リッチ空燃比Ｒ_１よりも僅かに大きな値に設定される。また、空燃比制御部３ｃは、窒素酸化物パージ制御の終了条件が成立するまでこの還元雰囲気を保持するようになっている。

前者の還元雰囲気では単位時間当たりに供給される燃料量が多いため、排気中のＣＯ及びＨＣ量も多い状態となる。また、後者の還元雰囲気では単位時間当たりに供給される燃料量が減少した分だけ排気中のＣＯ及びＨＣ量が減少する。一方、吸蔵還元触媒１は、これらの二種類の還元雰囲気の何れにおいてもアンモニアを生成し、かつ窒素酸化物と排気中のＣＯ及びＨＣとを還元，酸化させるように機能する。したがって、燃料量の増加に対してＣＯ及びＨＣの酸化反応が追いつく程度にスライトリッチ空燃比Ｒ_２を設定することで、前者の還元雰囲気で生成されたＣＯ及びＨＣを後者の還元雰囲気下で消費させることが可能である。

例えば、スライトリッチ空燃比Ｒ_２を設けずにリッチ空燃比Ｒ_１のみを設定した場合〔図３（ｂ）に示すもの〕との比較実験結果を図４（ａ）に示す。以下、図３（ａ）に記載のリッチ空燃比Ｒ_１及びスライトリッチ空燃比Ｒ_２を設けた場合の制御を前者制御と呼び、図３（ｂ）に記載のリッチ空燃比Ｒ_１のみを設けた制御を後者制御と呼ぶ。
図４（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）はそれぞれ、トータル窒素酸化物パージ時間に対する平均排出ＣＯ濃度，平均排出ＴＨＣ（全炭化水素）濃度，平均燃費低下率及びリーン継続有効時間（リーン運転状態への移行時から平均窒素酸化物浄化効率が７０％を下回るまでの時間）の変化を示している。また、これらの図中では、前者制御の結果を実線で示し、後者制御の結果を破線で示す。なお本試験に際し、前者制御ではリッチ空燃比Ｒ_１の設定時間を１秒とし、リッチ空燃比Ｒ_１を１３とし、スライトリッチ空燃比Ｒ_２を１４とし、リーン空燃比Ｒ_３を３０に設定した。また、吸蔵還元触媒１の触媒温度Ｔが３１５°Ｃの条件下での複数回測定を行った。

図４（ｄ）に示すように、前者制御では後者制御よりも単位時間当たりに供給される平均燃料量が少ないため、同一の窒素酸化物浄化効率を得るにはトータル窒素酸化物パージ時間を長く設定する必要があることがわかる。また、トータル窒素酸化物パージ時間を同一に設定すると、図３（ｂ）中に斜線で示した範囲に対応する燃料量が少ない分、前者制御のリーン継続有効時間は後者制御の場合よりも短くなる。したがって、前者制御で後者制御と同一の窒素酸化物浄化効率にする場合には、後者制御よりも窒素酸化物パージ制御の実施頻度を高める必要があることがわかる。

また、図４（ｃ）に示すように、トータル窒素酸化物パージ時間が長くなるほどリーン継続有効時間も延長されるため、平均燃費低下率は比較的安定しており、前者制御と後者制御とでは若干前者制御の燃費低下率が高い程度であるものの大きくは変わらない。
一方、図４（ａ），（ｂ）に示すように、平均排出ＣＯ濃度及び平均排出ＴＨＣ濃度は概ね後者制御が前者制御よりも高く、特にトータル窒素酸化物パージ時間を長くするほどこれらの排出濃度が高くなることが見て取れる。つまり、後者制御では還元雰囲気下で生成されたＣＯ及びＨＣが過剰であるのに対し、前者制御では同じ還元雰囲気下でＣＯ及びＨＣが消費されており、結果的にＣＯ及びＨＣの発生量が抑制されていることがわかる。

［２−２．窒素酸化物パージ制御の実施条件］
空燃比制御部３ｃによる窒素酸化物パージ制御の開始条件及び終了条件は以下の通り設定されている。
〔開始条件１〕吸蔵量Ｓ_Ｔが予め設定された第一所定量Ｓ_Ｔ０以下である
〔開始条件２〕触媒温度Ｔが予め設定された所定範囲内である（Ｔ_１＜Ｔ＜Ｔ_２）
〔終了条件〕排出量Ｓ_Ｌが予め設定された第二所定量Ｓ_Ｌ０以上である
開始条件１は、選択還元触媒２上での窒素酸化物の還元に係るアンモニアが不足しているか否かを判定するものである。また、開始条件２は、触媒温度センサ１ａで検出された触媒温度Ｔに基づいて判定される。空燃比制御部３ｃは、これらの二つの開始条件がともに成立した場合に、窒素酸化物パージ制御を実施する。

一方、終了条件は、十分な排出量Ｓ_Ｌが検出されていること、すなわち、選択還元触媒２にすでに十分な量のアンモニアが吸蔵されているか否かを判定するものである。したがって、終了条件では吸蔵量Ｓ_Ｔが十分であるか否かが判断されているものと捉えることができる。

［３．作用］
図５（ａ）〜（ｃ）を用いて本排気浄化装置の作用を説明する。図５（ａ）に示すように、時刻ｔ_０において空燃比制御部３ｃによって空燃比Ｒがリーン空燃比Ｒ_３に設定されており、エンジン４はリーン運転状態となっているものとする。このとき、吸蔵量演算部３ａでは、アンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔが演算されている。第一センサ２ａ及び第二センサ２ｂで検出されたアンモニア濃度Ｃ_１，Ｃ_２と排気流量センサ７ａで検出された排気流量Ｖとに基づき、以下の式に従って吸蔵量Ｓ_Ｔが算出される。

Ｓ_Ｔ＝Ｖ・（Ｃ_２−Ｃ_１）
また、排出量演算部３ｂでは、第一センサ２ａで検出されたアンモニア濃度Ｃ_１と排気流量Ｖとに基づき、以下の式に従ってアンモニアの排出量Ｓ_Ｌが算出される。
Ｓ_Ｌ＝Ｖ・Ｃ_１
これらの吸蔵量Ｓ_Ｔ及び排出量Ｓ_Ｌは空燃比制御部３ｃへと入力され、窒素酸化物パージ制御の開始条件及び終了条件が判定される。

時刻ｔ_０における排気通路７は酸化雰囲気下にあるため、吸蔵還元触媒１では窒素酸化物が吸蔵されており、アンモニアは生成されていない。一方、選択還元触媒２には吸蔵されたアンモニアが蓄えられているため、吸蔵還元触媒１で吸蔵されなかった窒素酸化物がアンモニアによって窒素に還元され、排気が浄化されている。これにより、選択還元触媒２に蓄えられているアンモニアは徐々に減少する。

図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ_１にアンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔが第一所定量Ｓ_Ｔ０まで低下すると、吸蔵還元触媒１の触媒温度Ｔが第一温度Ｔ_１から第二温度Ｔ_２までの間にあることを条件として、空燃比制御部３ｃにおいて窒素酸化物パージ制御が開始される。これにより、図５（ａ）に示すように空燃比Ｒがリッチ空燃比Ｒ_１に設定され、還元雰囲気が形成される。

吸蔵還元触媒１上では、吸蔵されていた窒素酸化物が放出されて還元されるとともに、アンモニアが生成される。ここで生成されたアンモニアは選択還元触媒２上での窒素酸化物の還元に用いられつつ吸蔵されるため、図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ_１以降は吸蔵量Ｓ_Ｔの低下量が徐々に減少し、あるいは吸蔵量Ｓ_Ｔが徐々に増加する。また、窒素酸化物の還元に用いられなかったアンモニアの多くは選択還元触媒２に吸蔵されるため、図５（ｃ）に示すように、選択還元触媒２の下流側ではほとんどアンモニアが検出されない。

時刻ｔ_１から所定時間ｔ_Ａが経過した時刻ｔ_２には、図５（ａ）に示すように、空燃比制御部３ｃにおいて空燃比Ｒがリッチ空燃比Ｒ_１からスライトリッチ空燃比Ｒ_２へと切り換えられる。この状態においても、吸蔵還元触媒１におけるアンモニアの生成は妨げられないため、図５（ｂ）に示すように吸蔵量Ｓ_Ｔは増加する。また、空燃比Ｒの上昇に伴って吸蔵還元触媒１へ流入する排気中のＣＯ及びＨＣ量が減少し、さらに吸蔵還元触媒１上ではこれらのＣＯ及びＨＣが窒素酸化物の還元反応に消費される。

その後、選択還元触媒２におけるアンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔが増加すると、余剰分のアンモニアが選択還元触媒２の下流側へ漏出して第一センサ２ａに検出される。すなわち、図５（ｂ），（ｃ）に示すように、吸蔵量Ｓ_Ｔがその最大値に近づくに連れて排出量Ｓ_Ｌも増大する。
図５（ｃ）に示すように、時刻ｔ_３にアンモニアの排出量Ｓ_Ｌが第二所定量Ｓ_Ｌ０以上になると、空燃比制御部３ｃにおいて窒素酸化物パージ制御が停止される。これにより、図５（ａ）に示すように空燃比Ｒがリーン空燃比Ｒ_３に設定され、酸化雰囲気が形成される。

吸蔵還元触媒１上では、窒素酸化物が吸蔵され始め、アンモニアの生成が停止される。したがって、図５（ｃ）に示すように、選択還元触媒２の下流へと漏出するアンモニアの排出量Ｓ_Ｌは減少する。また、選択還元触媒２上での窒素酸化物の還元には吸蔵されたアンモニアが用いられるようになり、図５（ｂ）に示すように吸蔵量Ｓ_Ｔは徐々に低下する。

［４．効果］
図６（ａ），（ｂ）を用いて本排気浄化装置による排気の浄化効果を説明する。図６（ａ）は上述の実施形態の制御時における選択還元触媒２の下流側の窒素酸化物濃度であり、図６（ｂ）は上述の実施形態の制御と同一の燃費が得られるように燃料噴射パターンを変更した比較例における選択還元触媒２の下流側の窒素酸化物濃度である。

本排気浄化装置における燃料噴射パターンでは、少なくとも７０％以上の平均窒素酸化物浄化効率が得られるように、リッチ空燃比Ｒ_１，スライトリッチ空燃比Ｒ_２及びリーン空燃比Ｒ_３の各々の継続時間を設定した。また、比較例の燃料噴射パターンは、上述の実施形態の燃料噴射パターンを時間軸に沿って圧縮したパターンとした。すなわち、リッチ空燃比Ｒ_１で制御する所定時間ｔ_Ａ，図６（ａ）の試験時にスライトリッチ空燃比Ｒ_２で制御された時間及びリーン空燃比Ｒ_３で制御された時間のそれぞれを同一の比率で1/3に短縮した。

また、図６（ａ），（ｂ）中に実線で示す窒素酸化物濃度は上述の実施形態における選択還元触媒２の下流側の窒素酸化物濃度であり、破線で示す窒素酸化物濃度は上述の実施形態から選択還元触媒２を取り除いたうえで同じ燃料噴射パターンで空燃比Ｒを制御した場合における吸蔵還元触媒１の下流側の窒素酸化物濃度である。
図６（ａ）中に破線で示すように、選択還元触媒２がない状態では、窒素酸化物パージ制御が実施されると窒素酸化物濃度が一時的に低下するものの、制御終了直後から短い時間（１０〜２０秒）で窒素酸化物濃度が再び上昇している。一方、同図中に実線で示すように、本排気浄化装置によれば窒素酸化物濃度が抑制された状態が窒素酸化物パージ制御の終了後も持続しており、持続時間は数十秒から百秒強にも及ぶ。なお、同図中において破線と実線とで囲まれた範囲が、本排気浄化装置の選択還元触媒２で浄化された窒素酸化物濃度に対応している。

一方、図６（ｂ）に示す比較例では、破線と実線と間に大きな差異が観察されず、選択還元触媒２における窒素酸化物浄化効果が小さいことがわかる。すなわち、燃費低下率が同一となる燃料噴射パターンであっても一回の窒素酸化物パージ制御時間が短ければ、還元雰囲気下で選択還元触媒２におけるアンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔを十分に確保することができず、その結果、酸化雰囲気下で窒素酸化物を十分に還元することができない。これに対し、図６（ａ）に示す本排気浄化装置ではアンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔが十分に確保され、酸化雰囲気下で窒素酸化物が十分に還元されていることがわかる。

このように本排気浄化装置によれば、吸蔵還元触媒１でアンモニアが生成されていない酸化雰囲気下においても、選択還元触媒２に吸蔵されたアンモニアによって窒素酸化物を十分に還元することができ、窒素酸化物浄化効率を高めることができる。また、選択還元触媒２におけるアンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔを演算することにより、アンモニアが不足するよりも前に窒素酸化物パージ制御を開始してアンモニアを補充することが可能となり、常に適量のアンモニアを確保することができる。したがって、選択還元触媒２上における窒素酸化物の還元反応を保証することができる。また、十分な吸蔵量Ｓ_Ｔが確保されてアンモニアの排出量Ｓ_Ｌが増加すると窒素酸化物パージ制御が停止するため、アンモニアの車外への排出を確実に抑制することができる。

また、選択還元触媒２に吸蔵されたアンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔに加えて、アンモニアの排出量Ｓ_Ｌを演算することにより、選択還元触媒２上でのアンモニアの消費量、延いては窒素酸化物還元量を正確に把握することができる。
また、本排気浄化装置では窒素酸化物パージ制御において空燃比Ｒの異なる二種類の還元雰囲気を形成することで、アンモニアの生成量に対するＣＯやＨＣといった副生産物の発生量を抑制することができ、アンモニアの生成量のみを制御することができる。したがって、選択還元触媒２で必要とされるアンモニアを必要量だけ生成することができ、排気ガス全体としての清浄度を向上させることができる。

さらに、選択還元触媒２の上流側及び下流側のアンモニア濃度を把握することにより、吸蔵還元触媒１における実際のアンモニア生成量を考慮することなく正確にアンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔ及び排出量Ｓ_Ｌを制御することができる。また、窒素酸化物パージ制御の開始条件として触媒温度Ｔが判定されているため、アンモニアの生成が困難な温度条件下での窒素酸化物パージ制御を防止することができ、燃費低下率の上昇を抑制することができる。

［５．その他］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
上述の実施形態では、窒素酸化物パージ制御の終了条件として排出量Ｓ_Ｌが判定されているが、アンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔが十分に多量であることを以て窒素酸化物パージ制御を終了すればよいため、吸蔵量Ｓ_Ｔに基づく終了条件に代えることもできる。例えば、吸蔵量Ｓ_Ｔが予め設定された第三所定量以上になったときに窒素酸化物パージ制御を停止することとしてもよい。したがって、少なくともアンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔに基づいて吸蔵還元触媒１でのアンモニアの生成量を制御するものであればよい。

また、上述の実施形態では、リッチ空燃比Ｒ_１，スライトリッチ空燃比Ｒ_２及びリーン空燃比Ｒ_３がそれぞれ１３，１４及び３０に設定されたものが例示されているが、具体的な設定値に関しては任意であってエンジン４や触媒の特性に応じて適宜設定すればよい。なお、スライトリッチ空燃比Ｒ_２で制御される状態では、吸蔵還元触媒１でのアンモニアの生成が可能である範囲内で任意に設定することが可能であると考えられ、例えば１３．５から理論空燃比の間で設定してよい。

また、第一センサ２ａ及び第二センサ２ｂの具体例としては、アンモニア濃度を直接検出するアンモニアガスセンサやレーザー式分析センサ等を用いてもよいし、あるいは窒素酸化物濃度センサやＯ_２センサを用いてその検出結果からアンモニア濃度を推定するものとしてもよい。
また、上述の実施形態ではディーゼルエンジン４の排気系に本発明を適用したものが例示されているが、ガソリンエンジンを備えた車両への適用も可能である。

［６．演算方法に関する補足］
なお、上述の実施形態で例示されたもの以外の演算手法を用いることも可能である。例えば、アンモニアの吸蔵量Ｓ_Ｔの演算方法としては、窒素酸化物量から間接的に推定することが考えられる。この場合、選択還元触媒２における窒素酸化物浄化量の検出値や推定値を利用することや、エンジン４から排出された直後の窒素酸化物量（酸化触媒５へ流入する前の排気中に含まれる窒素酸化物量や窒素酸化物濃度等）の積算値を利用すること、吸蔵還元触媒１の下流側における窒素酸化物量を利用すること等が可能である。あるいは、エンジン４のリーン運転継続時間から排気中の窒素酸化物量を推定してもよい。

また、アンモニアの排出量Ｓ_Ｌの演算方法に関して、上述の実施形態では、選択還元触媒２の上流側に存在するアンモニア量と下流側に存在するアンモニア量との差分が選択還元触媒に吸蔵されたものとしている。このような演算方法に代えて、吸蔵還元触媒１でのアンモニアの生成量を推定演算することも考えられる。
例えば、触媒温度Ｔとアンモニアの生成量（生成濃度）との対応関係を予めマップとして用意しておき、触媒温度センサ１ａで検出された触媒温度Ｔに基づいてアンモニアの生成量を算出する。ここで得られたアンモニアの生成量が選択還元触媒２での吸蔵量Ｓ_Ｔ及び排出量Ｓ_Ｌの合計に等しいものとすれば、第二センサ２ｂがなくても上述の実施形態と同様の制御が可能となる。

また、選択還元触媒２における吸蔵量Ｓ_Ｔの最大値（上限値）が予めわかっている場合には第一センサ２ａを省略することができ、例えば選択還元触媒２へ流入したアンモニアの量を積算することによって吸蔵量Ｓ_Ｔ及び排出量Ｓ_Ｌを把握することができる。

本発明の一実施形態に係る排気浄化装置の全体構成を示す模式図である。 本排気浄化装置の吸蔵還元触媒におけるアンモニア生成温度特性を示すグラフである。 本排気浄化装置における制御を説明するためのグラフであり、（ａ）はリッチ状態（第一状態）の直後にスライトリッチ状態（第二状態）に制御する場合の噴射パターンのタイムチャート、（ｂ）はリッチ状態（第一状態）のみに制御する場合の噴射パターンのタイムチャートである。 本排気浄化装置における噴射パターンによる制御効果の変化を示すものであり、（ａ）は排出された一酸化炭素濃度に係るもの、（ｂ）は排出された全炭化水素濃度に係るもの、（ｃ）は燃費低下率に係るもの、（ｄ）は窒素酸化物浄化効率に係るものである。 本排気浄化装置の窒素酸化物パージ制御時の作用を説明するためのグラフであり、（ａ）は空燃比の変化を示すタイムチャート、（ｂ）はアンモニアの吸蔵量の変化を示すタイムチャート、（ｃ）はアンモニアの排出量の変化を示すタイムチャートである。 本排気浄化装置及びその比較例の窒素酸化物濃度変動を示すタイムチャートであり、（ａ）は本排気浄化装置の制御によるもの、（ｂ）は同一の燃費が得られるように燃料噴射パターンを変更した比較例のものである。

符号の説明

１ 吸蔵還元触媒
１ａ 触媒温度センサ（触媒温度検出手段）
２ 選択還元触媒
２ａ 第一センサ（第一検出手段）
２ｂ 第二センサ（第二検出手段）
３ 制御装置
３ａ 吸蔵量演算部（吸蔵量演算手段）
３ｂ 排出量演算部（排出量演算手段）
３ｃ 空燃比制御部（制御手段）
４ エンジン（内燃機関）
５ 酸化触媒
６ フィルタ
７ 排気通路
７ａ 排気流量センサ（流量検出手段）
８ 吸気通路
Ｒ 空燃比
Ｒ_１ リッチ空燃比
Ｒ_２ スライトリッチ空燃比
Ｒ_３ リーン空燃比
Ｖ 排気流量
Ｔ 触媒温度
Ｔ_１ 第一温度
Ｔ_２ 第二温度
Ｃ_１ 選択還元触媒から排出されたアンモニア濃度（第一アンモニア濃度）
Ｃ_２ 選択還元触媒へ流入するアンモニア濃度（第二アンモニア濃度）
Ｓ_Ｔ 吸蔵量
Ｓ_Ｔ０ 第一所定量
Ｓ_Ｌ 排出量
Ｓ_Ｌ０ 第二所定量
ｔ_Ａ 所定時間

Claims (7)

1. 内燃機関の排気中の窒素酸化物を酸化雰囲気下で吸蔵し、該窒素酸化物を還元雰囲気下で還元するとともに該窒素酸化物からアンモニアを生成する吸蔵還元触媒と、
   排気通路における該吸蔵還元触媒の下流側に介装され、該アンモニアを吸蔵するとともに該アンモニアを還元剤として該窒素酸化物を還元する選択還元触媒と、
   該選択還元触媒に吸蔵された該アンモニアの吸蔵量を推定又は検出する吸蔵量演算手段と、
   該吸蔵量演算手段で得られた該吸蔵量に基づいて該吸蔵還元触媒における該アンモニアの生成量を制御する制御手段と、を備えた
   ことを特徴とする、排気浄化装置。
2. 該選択還元触媒から脱離した該アンモニアの排出量を推定又は検出する排出量演算手段をさらに備え、
   該制御手段が、該吸蔵量演算手段で得られた該吸蔵量及び該排出量演算手段で得られた該排出量に基づいて該吸蔵還元触媒における該アンモニアの生成量を制御する
   ことを特徴とする、請求項１記載の排気浄化装置。
3. 該制御手段において、該吸蔵量が予め設定された第一所定量以下となったときに該還元雰囲気を形成する制御を実施し、該排出量が予め設定された第二所定量以上となったときに該酸化雰囲気を形成する制御を実施する
   ことを特徴とする、請求項２記載の排気浄化装置。
4. 該制御手段が、該還元雰囲気の形成時において、該空燃比を予め設定された第一空燃比まで減少させた第一状態を所定時間保持し、さらにその後、該空燃比を該第一空燃比よりも大きい値に予め設定された第二空燃比へ増加させた第二状態を保持する
   ことを特徴とする、請求項３記載の排気浄化装置。
5. 該選択還元触媒の下流側における第一アンモニア濃度を推定又は検出する第一検出手段と、
   該選択還元触媒の上流側における第二アンモニア濃度を推定又は検出する第二検出手段と、
   該排気通路における排気流量又は吸気通路における吸気流量を推定又は検出する流量検出手段と、をさらに備え、
   該吸蔵量演算手段が、該排気流量又は該吸気流量と該第一アンモニア濃度及び該第二アンモニア濃度の差とに基づいて該吸蔵量を推定し、
   該排出量推定手段が、該排気流量又は該吸気流量及び該第一アンモニア濃度に基づいて該排出量を推定する
   ことを特徴とする、請求項２〜４の何れか１項に記載の排気浄化装置。
6. 該吸蔵還元触媒における触媒温度を推定又は検出する触媒温度検出手段をさらに備え、
   該制御手段が、該触媒温度検出手段で得られた該触媒温度が予め設定された所定の温度範囲内にある場合にのみ、該吸蔵還元触媒における該アンモニアの生成量を増加させる
   ことを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載の排気浄化装置。
7. 該選択還元触媒の下流側における第一アンモニア濃度を推定又は検出する第一検出手段と、
   該吸蔵還元触媒における触媒温度を推定又は検出する触媒温度検出手段と、
   該排気通路における排気流量又は吸気通路における吸気流量を推定又は検出する流量検出手段と、をさらに備え、
   該吸蔵量演算手段が、該触媒温度に基づいて該アンモニアの生成濃度を推定するとともに、該排気流量又は該吸気流量と該第一アンモニア濃度及び該生成濃度の差とに基づいて該吸蔵量を推定し、
   該排出量演算手段が、該排気流量又は該吸気流量及び該第一アンモニア濃度に基づいて該排出量を推定する
   ことを特徴とする、請求項２〜４の何れか１項に記載の排気浄化装置。

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