JP4558816B2 - 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係り、特に還元剤としてのアンモニアにより排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を選択的に浄化する選択還元型触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）を採用した排気浄化システムに好適に適用されるものである。なお、本システムは、一般に還元剤として尿素水溶液が用いられることから、尿素ＳＣＲシステムとして知られている。

近年、自動車等に適用されるエンジン（特にディーゼルエンジン）において、排気中のＮＯｘを高い浄化率で浄化する排気浄化システムとして、尿素ＳＣＲシステムの開発が進められており、一部実用化に至っている。尿素ＳＣＲシステムとしては次の構成が知られている。すなわち、尿素ＳＣＲシステムでは、エンジン本体に接続された排気管に選択還元型のＮＯｘ触媒が設けられるとともに、その上流側に、ＮＯｘ還元剤としての尿素水（尿素水溶液）を排気管内に添加する尿素水添加弁が設けられている。

上記システムにおいては、尿素水添加弁により排気管内に尿素水が添加されることで、ＮＯｘ触媒上で排気中のＮＯｘが選択的に還元除去される。ＮＯｘの還元に際しては、尿素水が排気熱で加水分解されることによりアンモニア（ＮＨ3）が生成され、そのアンモニアがＮＯｘ触媒に吸着するととともに同ＮＯｘ触媒上にてアンモニアに基づく還元反応が行われることによってＮＯｘが還元、浄化されることになる。

また、ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ浄化性能を向上させるべく、尿素水添加弁から添加される還元剤について排気管内での蒸発及び拡散を促進させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、特許文献１の発明では、ＮＯｘ触媒の排気上流側における排気通路に遮蔽部材を設けるとともに、その遮蔽部材の下流側に浄化剤を噴射して、浄化剤の微粒化を促進させる構成としている。また、排気通路内に噴射された浄化剤を分散部材に衝突させて、浄化剤の微粒化を促進させる構成としている。
特開２００７−２５５３４３号公報

しかしながら、上記特許文献１の発明では、排気通路内に遮蔽部材や分散部材を設けることに伴い排気通路内での圧力増加が生じる。この排気通路内での圧力増加は内燃機関の運転中に常に生じるため、燃費の悪化等、内燃機関の運転に関して悪影響が及ぶおそれがあった。すなわち、排気流量はエンジン運転状態に応じて変動する。このとき、例えば吸入空気量（排気流量）が多量となる高負荷運転状態では、排気通路内に設けられる遮蔽部材や分散部材が原因で排気での損失が大きくなり燃費低下が生じると考えられる。

本発明は、内燃機関への影響を抑制しつつ好適なる還元剤の添加を行い、ひいてはＮＯｘ浄化率を向上させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ還元剤により排気中のＮＯｘを選択的に浄化するＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）と、前記ＮＯｘ触媒の排気上流側に液状の還元剤を添加する還元剤添加手段と、前記還元剤添加手段に供給される還元剤を加圧する加圧手段とを備える排気浄化システムに適用される。そして、請求項１に記載の発明では、ＮＯｘ触媒の温度又はそれに相関する温度情報を計測又は推定により取得し、その触媒温度又は温度情報に基づいて、加圧手段により加圧される還元剤圧力を変更することで、還元剤添加手段により添加される還元剤の噴霧粒径を変更する。なお、加圧手段として、例えば加圧ポンプが用いられる。

ここで、請求項１に記載したように、ＮＯｘ触媒の温度が所定の低温域にある場合に、加圧手段により還元剤圧力を高圧化するとよい。還元剤圧力を高圧化することにより、還元剤の噴霧粒径を微細化できる。より具体的には、噴霧粒径の切替を行う温度しきい値を定めておき、触媒温度がその温度しきい値よりも低温になった場合に、還元剤圧力を高くする。

要するに、本願発明者によれば、還元剤添加手段から添加供給される還元剤の粒径が相違すると、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化性能に差異が生じることが確認された。詳しくは、図２に示すように、ＮＯｘ触媒ではある温度（浄化率飽和温度）よりも高温になると、ＮＯｘ浄化率が所定の高浄化率レベルに飽和するが、その飽和温度が還元剤の粒径に応じて相違し、粒径が小さいほど飽和温度が低いことが確認された。本発明では、こうした特性に着目し、触媒温度に応じて還元剤の噴霧粒径を変更するようにしたため、ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ浄化率が低くなりがちな場合において噴霧粒径の微細化によりＮＯｘ浄化率の向上を図ることができる。また、本発明では、必要に応じて還元剤の圧力を変更し、それにより還元剤の噴霧粒径を変更する構成としているため、排気通路内に遮蔽部材や分散部材を設ける従来構成とは異なり、内燃機関への影響を抑制できる。その結果、内燃機関への影響を抑制しつつ好適なる還元剤の添加を行い、ひいてはＮＯｘ浄化率を向上させることができる。

さらに、還元剤の粒径を大小変更する場合においてそのうち粒径大である場合のＮＯｘ触媒の浄化率飽和温度を温度しきい値とし、その温度しきい値よりも低温側を所定の低温域であるとする（請求項１）。そして、触媒温度が所定の低温域にある場合に、還元剤の噴霧粒径を小さくするとよい。これにより、還元剤の粒径を大きくしたままではＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率が飽和値に達しない場合に、還元剤を微粒化することでＮＯｘ浄化率を高めることができる。

内燃機関の始動直後にはＮＯｘ触媒は低温状態にあり、内燃機関の始動後において排気熱により徐々に昇温される。そこで、請求項２に記載したように、内燃機関の始動時において還元剤の噴霧粒径を小さくし、所定時間の経過後に噴霧粒径を大きくするとよい。これにより、内燃機関の始動に伴う触媒温度の変化に合わせて好適なる還元剤添加を実施できる。

還元剤の噴霧粒径は、還元剤の温度にも依存して変化すると考えられる。そこで、請求項３に記載したように、加圧手段による還元剤の加圧に加え、加熱手段による還元剤の加熱を実施することにより還元剤の噴霧粒径を変更するとよい。この場合、還元剤を加圧及び加熱することで、還元剤微粒化を一層促進できる。

上記のとおり還元剤圧力が変更される構成では、その圧力の変更に伴い添加時間あたりの還元剤添加量（還元剤添加弁である場合の開弁時間あたりの還元剤添加量、「添加率」とも言える）が変わり、ＮＯｘ触媒に導入される還元剤量が変動する。この点、請求項４に記載したように、還元剤の圧力を検出し、該検出した還元剤の圧力に応じて還元剤添加手段による還元剤添加の周期、及び１回あたりの添加時間の少なくともいずれかを可変に設定するとよい。これにより、還元剤圧力が可変設定される場合にも所望量の還元剤添加を実現できる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、車両用の多気筒ディーゼルエンジンを制御対象としてエンジン制御システムを構築するものとしており、当該制御システムにおいては電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢としてエンジンの各種制御が実施される。また本実施形態では、燃料噴射システムとしてコモンレール式燃料噴射システムを採用するとともに、排気浄化システムとして尿素ＳＣＲシステムを採用することとしている。先ずは、本システムの全体概略を図１を用いて説明する。

エンジン１０は、レシプロエンジン構造を有するエンジン本体１１を有しており、その基本構造として、シリンダ内を往復動するピストン１２や、吸気側及び排気側の各ポートに設けられて各々個別に開閉動作する吸気弁１３、排気弁１４を備えている。ピストン１２の往復動に伴いクランク軸１５が回転する。また、シリンダヘッドには気筒ごとに燃料噴射弁１６が設けられている。燃料噴射弁１６によって燃焼室１７内に燃料が直接噴射され、その噴射燃料が燃焼室１７内で燃焼に供される。

クランク軸１５には、同クランク軸１５の回転を検出するためのクランク角センサ１８が設けられている。また、シリンダブロックには、エンジン冷却水の温度を検出するための水温センサ１９が設けられている。

燃料供給系の構成について簡単に説明する（ただし周知の構成のため、図示による説明は省略）。燃料供給系の構成として高圧ポンプとコモンレール（蓄圧配管）とが設けられており、高圧ポンプにより燃料タンク内の燃料が高圧化され、コモンレールに対して圧送される。コモンレール内には数１０〜２００ＭＰａ程度の高圧燃料が貯留され、この高圧燃料が各気筒の燃料噴射弁１６に供給される。なお、コモンレール内の燃料圧力は都度のエンジン運転状態等に応じて適宜調整される。

エンジン本体１１の吸気ポートには吸気管（マニホールド部分を含む）２１が接続され、排気ポートには排気管（マニホールド部分を含む）２２が接続されている。吸気管２１には、電気駆動式のスロットルバルブを有するスロットルアクチュエータ２３が設けられている。また、吸気管２１内の吸気通路と排気管２２内の排気通路とはＥＧＲ通路２４により接続されており、そのＥＧＲ通路２４にはＥＧＲ弁２５とＥＧＲクーラ２６とが設けられている。なお、吸気管２１の最上流部にはエアクリーナ２７が設けられており、そのエアクリーナ２７にはエアフロメータ（吸気量センサ）２８が設けられている。

また、本システムには、過給装置としてターボチャージャ３０が設けられている。ターボチャージャ３０は、吸気管２１に設けられた吸気コンプレッサ３１と、排気管２２に設けられた排気タービン３２とを有しており、排気管２２を流れる排気によって排気タービン３２が回転し、その回転力がシャフト３３を介して吸気コンプレッサ３１に伝達される。そして、吸気コンプレッサ３１により、吸気管２１内を流れる吸入空気が圧縮されて過給が行われる。ターボチャージャ３０にて過給された空気は、インタークーラ３４によって冷却された後、吸気管２１の下流側に給送される。

その他、吸気管２１には、吸気圧センサ、吸気温センサ等のセンサ類が設けられるが、便宜上説明を省略する。

次に、排気系に設けられる排気浄化システムについて説明する。排気管２２には、上流側から順に、酸化触媒４１、ＳＣＲ触媒（アンモニア選択還元触媒）４２、アンモニアスリップ触媒４３が配設されている。ＳＣＲ触媒４２が「ＮＯｘ触媒」に相当する。また、排気管２２において酸化触媒４１とＳＣＲ触媒４２との間には、還元剤としての尿素水（尿素水溶液）を排気管２２内に添加供給するための尿素水添加弁４４が設けられている。尿素水添加弁４４は、既存の燃料噴射弁（電磁駆動式のインジェクタ）とほぼ同様の構成を有しており、電気的な制御指令に伴う開弁動作により尿素水添加弁４４の先端噴孔部から尿素水が噴射（添加）される。

尿素水添加弁４４に対しては、尿素水タンク５１から尿素水が逐次供給されるようになっており、次に、尿素水供給系の構成について説明する。

尿素水タンク５１は給液キャップ付きの密閉容器にて構成されており、その内部に所定濃度（３２．５％）の尿素水が貯蔵されている。尿素水タンク５１には尿素水配管５２の一端が接続されており、その尿素水配管５２の途中に加圧手段としての尿素水ポンプ５３が設けられている。尿素水配管５２の他端は尿素水添加弁４４に接続されている。また、同じく尿素水配管５２には、同配管内における尿素水の圧力を検出する圧力センサ５４が設けられている。尿素水ポンプ５３は、ＥＣＵ６０からの駆動信号により回転駆動される電動式ポンプであり、尿素水ポンプ５３が回転駆動されることにより、尿素水タンク５１内の尿素水が汲み上げられ尿素水配管５２を通じて尿素水添加弁４４側に吐出される。本実施形態では特に、尿素水ポンプ５３による尿素水の圧送量（ポンプ圧送量）が可変調整できる構成となっており、その圧送量の変更により尿素水配管５２内の尿素水圧力が変更可能になっている。なお、尿素水ポンプ５３は、尿素水タンク５１内に尿素水に浸漬した状態で設置されるインタンク式ポンプであってもよい。

また、排気管２２において酸化触媒４１とＳＣＲ触媒４２との間には、当該排気管２２内を流れる排気に旋回流を生じさせるためのミキサ５５が設けられている。ミキサ５５は、例えば複数の羽根片を有する回転体からなる排気攪拌手段であり、排気の通過に伴い回転し、それに伴い排気が旋回しながらＳＣＲ触媒４２に流れ込む構成となっている。

上記構成の排気浄化システムでは、エンジン運転時において、尿素水添加弁４４により排気管２２内に尿素水が添加供給されると、排気管２２内において排気と共に尿素水がＳＣＲ触媒４２に供給され、ＳＣＲ触媒４２においてＮＯｘの還元反応が行われることによってその排気が浄化される。

詳しくは、尿素水添加弁４４から噴射された尿素水は排気熱で加水分解され、その際、（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2 …（式１）
のような反応によりアンモニア（ＮＨ3）が生成される。そして、ＳＣＲ触媒４２を排気
が通過する際、アンモニアによって排気中のＮＯｘが選択的に還元浄化される。その際、以下に示すような還元反応が行われることによって、ＮＯｘが還元浄化されることになる。
４ＮＯ＋４ＮＨ3＋Ｏ2→４Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ …（式２）
６ＮＯ2＋８ＮＨ3→７Ｎ2＋１２Ｈ2Ｏ …（式３）
ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3→２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ …（式４）
このようにアンモニアによるＮＯｘの還元浄化が行われる際、アンモニアがＮＯｘと反応しきれずに余剰となると、その余剰アンモニアが排気に混じって排気下流側に放出される。かかる場合、余剰アンモニアは、ＳＣＲ触媒下流側のアンモニアスリップ触媒４３（例えば酸化触媒）により除去されるようになっている。

また、排気管２２において酸化触媒４１とＳＣＲ触媒４２との間には、酸素濃度センサ４５と温度センサ４６とが設けられており、これらの各センサの出力を基に排気中の酸素濃度や触媒温度が検出される。また、ＳＣＲ触媒４２の下流側には、ＳＣＲ触媒通過後の排気を検出対象として同排気中のＮＯｘ量（ＮＯｘ濃度）を検出するＮＯｘセンサ４７が設けられており、このＮＯｘセンサ４７の出力を基にＳＣＲ触媒４２のＮＯｘ浄化率が検出されるようになっている。

なお、図１では省略しているが、排気管２２にはＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）が設置されており、このＤＰＦによって排気中のＰＭ（パティキュレートマター）が捕集されるようになっている。

ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータ（図示略）を備えて構成されており、このＥＣＵ６０には、上述した各種センサの検出信号や、その他コモンレール内の燃料圧力（レール圧）を検出するためのレール圧センサ、ドライバによるアクセル操作量（アクセル開度）を検出するためのアクセルセンサなどから検出信号が逐次入力される。そして、ＥＣＵ６０は、エンジン回転速度やアクセル操作量等のエンジン運転情報に基づいて、燃料噴射制御や燃料圧力制御（レール圧制御）等を実行する。これにより、燃料噴射弁１６の燃料噴射動作や高圧ポンプによる燃料圧送動作が制御される。その他、ＥＣＵ６０は、都度のエンジン運転状態に基づいてスロットルアクチュエータ２３やＥＧＲ弁２５等の制御を適宜実行する。

ＥＣＵ６０は、ＮＯｘセンサ４７の出力に基づいて、ＳＣＲ触媒４２の下流側におけるＮＯｘ量を算出したり、ＮＯｘ浄化率を算出したりする。また、ＮＯｘ浄化率に基づいて尿素水添加量を制御する。ちなみに、ＮＯｘ浄化率Ｘ１は、エンジンからのＮＯｘ排出量Ｙ１とＳＣＲ触媒４２の下流側におけるＮＯｘ量Ｙ２とに基づいて算出される（Ｘ１＝（Ｙ１−Ｙ２）／Ｙ１）。このとき、ＮＯｘ排出量Ｙ１は、都度のエンジン運転状態（エンジン回転速度、燃料噴射量）に基づいてマップや数式により算出される。また、ＳＣＲ触媒４２の下流側におけるＮＯｘ量Ｙ２はＮＯｘセンサ出力により算出される。

なお、尿素水添加量の制御に関し、ＳＣＲ触媒４２のアンモニア吸着量を算出し、そのアンモニア吸着量に基づいて尿素水添加量を制御する構成であってもよい。具体的には、ＳＣＲ触媒４２におけるアンモニア供給量とアンモニア消費量（アンモニア反応量）との収支に基づいて実際のアンモニア吸着量（実吸着量）を算出するとともに、その実吸着量と目標吸着量との偏差に基づいて尿素水添加量をフィードバック制御する。

尿素水添加弁４４の駆動に関して具体的には、ＥＣＵ６０からは尿素水添加弁４４に対して所定周期の開弁指令パルスが出力され、そのパルス出力に伴い尿素水添加弁４４の駆動部（ソレノイド部）に駆動電流が流れる。そして、その通電に伴い尿素水添加弁４４が開弁され、尿素水が添加（噴射）される。このとき、開弁指令パルスの出力周期（又は出力周波数）を可変に調整することで尿素水添加量が増減されるようになっている。尿素水添加量を減量する場合、開弁指令パルスの出力周期を大きくする。また、尿素水添加量を増量する場合、開弁指令パルスの出力周期を小さくする。なお、尿素水添加量を減量する場合には、尿素水添加弁４４の開弁駆動を一定期間で停止させるようにしてもよい。

ところで、ＳＣＲ触媒４２におけるＮＯｘ浄化率とＳＣＲ触媒温度と尿素水の噴霧粒径とには相関があり、例えば図２の関係となることが本願発明者の実験により確認されている。図２は、尿素水の噴霧粒径を大小変更した場合についてＳＣＲ触媒温度とＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。図２には、噴霧粒径を１００μｍとする場合（実線）と、噴霧粒径を２０μｍとする場合（二点鎖線）とを示しており、このうち前者は通常のポンプ駆動時の噴霧粒径、後者は通常駆動時に対して微細化した場合の噴霧粒径に相当する。

図２では、ＳＣＲ触媒温度が約２２０℃よりも高温であれば、噴霧粒径によるＮＯｘ浄化性能に差異はなく、ＮＯｘ浄化率が所定の高浄化率レベル（図では約８０％）に飽和するのに対し、約２２０℃よりも低温であれば、噴霧粒径が小さい方がＮＯｘ浄化性能が良いことが確認できる。これは、ＳＣＲ触媒４２が低温であれば、噴霧粒径が小さい方が雰囲気ガス（排気）から熱量を得られやすく、アンモニア生成が促進されるためであると考えられる。ＮＯｘ浄化率の飽和温度は、粒径＝１００μｍの場合には約２２０℃であり、粒径＝２０μｍの場合には約２００℃である。つまり、約２２０℃以下（粒径＝１００μｍの場合の浄化率飽和温度以下）の低温域では微小粒径の尿素噴霧を用いることでＮＯｘ浄化率の向上が可能となる。

ちなみに、通常の尿素水添加を行う場合（噴霧粒径＝１００μｍでの尿素水添加）においてＮＯｘ浄化率が５０％となる触媒温度がＳＣＲ触媒４２の活性温度であり、本実施形態では約１８０℃である。

また、尿素水添加弁４４に供給される尿素水の圧力（尿素水圧力）と尿素水の噴霧粒径とには相関があり、例えば図３の関係となる。つまり、尿素水圧力が大きいほど尿素水の噴霧粒径が小さくなる。そこで本実施形態では、尿素水ポンプ５３による尿素水圧送量を調整することで尿素水圧力を増減させ、それに伴い尿素水の噴霧粒径を変更することとしている。

本実施形態では、ＳＣＲ触媒４２が比較的低温である場合（換言すれば、触媒活性の度合いが小さい場合）には、尿素水圧力を大きくした状態（高圧化した状態）で尿素水添加を実施し、ＳＣＲ触媒４２が比較的高温である場合（換言すれば、触媒活性の度合いが大きい場合）には、尿素水圧力を小さくした状態（高圧化しない状態）で尿素水添加を実施する。上記のように尿素水圧力を変更することにより、必要に応じて尿素水噴霧の微粒化が行われ、ＮＯｘ浄化性能が高レベルのまま維持される。

なお、ＳＣＲ触媒４２が所定の高温状態にある場合には、尿素水の噴霧粒径に依存せず（すなわち尿素水の高圧化に関係なく）ＮＯｘ浄化性能が確保できる一方、尿素水圧力を小さくすることでポンプ負荷を小さくすることができる。これにより、車載バッテリの電力消費を低減させる等の効果が得られる。

図４は、尿素水添加制御の手順を示すフローチャートであり、本処理はＥＣＵ６０により所定の時間周期で繰り返し実行される。

図４において、ステップＳ１１では、今現在のエンジン回転速度ＮＥが所定値Ｋ１よりも大きいか否かを判定する。所定値Ｋ１は、エンジン１０が運転状態であることを判定するためのしきい値であり、例えばＫ１＝８００ｒｐｍである。次に、ステップＳ１２では、ＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒが所定値Ｋ２よりも大きいか否かを判定する。ＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒは、ＳＣＲ触媒４２の上流側に設けられた温度センサ４６の出力に基づき算出されるものである。所定値Ｋ２は、ＳＣＲ触媒４２が活性完了状態にあるか未活性状態にあるかを判定するための温度しきい値であり、例えばＫ２＝１８０℃である。この温度値（１８０℃）は、本実施形態のＳＣＲ触媒４２においてＮＯｘ浄化率が５０％となる触媒温度に相当する。

そして、上記のステップＳ１１，Ｓ１２の少なくともいずれかがＮＯであればそのまま本処理を終了し、ステップＳ１１，Ｓ１２が共にＹＥＳであれば後続のステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、今現在の尿素水圧力Ｐｎが所定値Ｋ３よりも大きいか否かを判定する。尿素水圧力Ｐｎは、尿素水配管５２に設けられた圧力センサ５４の検出結果に基づいて算出された値である。所定値Ｋ３は、尿素水添加弁４４による尿素水添加が可能となったことを判定するための圧力しきい値（添加可能最小圧力）であり、例えばＫ３＝０．４ＭＰａである。

そして、Ｐｎ≦Ｋ３であればステップＳ１４に進み、Ｐｎ＞Ｋ３であればステップＳ１５に進む。ステップＳ１４では、尿素水ポンプ５３を所定回転速度で駆動させる。つまり、尿素水圧力Ｐｎを尿素水添加弁４４による添加可能最小圧力以上とするべくポンプ駆動を実施する。

また、ステップＳ１５では、ＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒが所定値Ｋ４よりも大きいか否かを判定する。所定値Ｋ４は、尿素水噴霧を微粒化するか否かを判定するための温度しきい値であり、例えばＫ４＝２２０℃である。所定値Ｋ４は、噴霧粒径＝１００μｍの場合の浄化率飽和温度である（図２参照）。

そして、Ｔｓｃｒ＞Ｋ４であればステップＳ１６に進み、Ｔｓｃｒ≦Ｋ４であればステップＳ１７に進む。ステップＳ１６では、第１目標圧力ＰＴ１を設定し、その第１目標圧力ＰＴ１に基づいて尿素水ポンプ５３の駆動を制御する。また、ステップＳ１７では、第２目標圧力ＰＴ２を設定し、その第２目標圧力ＰＴ２に基づいて尿素水ポンプ５３の駆動を制御する。第１目標圧力ＰＴ１が通常の尿素水圧力であり、例えばＰＴ１＝０．５ＭＰａである。これに対し、第２目標圧力ＰＴ２は、第１目標圧力ＰＴ１よりも高い圧力値であり、例えばＰＴ２＝５ＭＰａである。このとき、尿素水圧力が図３に示す関係にあることからすれば、尿素水圧力を第１目標圧力ＰＴ１（０．５ＭＰａ）とすることで噴霧粒径が１００μｍとなり、尿素水圧力を第２目標圧力ＰＴ２（５ＭＰａ）とすることで噴霧粒径が２０μｍとなる。なお、第１目標圧力ＰＴ１は、添加可能最小圧力である所定値Ｋ３（０．４ＭＰａ）よりも大きい値となっている。

その後、ステップＳ１８では、尿素水圧力を検出する。また、ステップＳ１９では、尿素水添加弁４４の制御パラメータを決定する。具体的には、例えば図５の関係を用い、その時の尿素水添加量と尿素水圧力とに基づいて尿素水添加弁４４の開弁時間（１回あたりの添加時間）を決定する。尿素水添加量は、都度のＮＯｘ浄化率又はアンモニア吸着量に基づいて算出されるものである。なお、尿素水添加弁４４の制御パラメータとして、その時の尿素水圧力に基づいて尿素水の添加周期を決定することも可能である。尿素水圧力の検出値を用いて制御パラメータを算出する構成に代えて、都度の目標圧力（ＰＴ１，ＰＴ２）を用いて制御パラメータを算出する構成であってもよい。

最後に、ステップＳ２０では、ステップＳ１９で決定した制御パラメータに基づいて尿素水添加弁４４による尿素添加を実行する。

図６は、本実施形態の尿素水制御をより具体的に説明するためのタイムチャートである。図６において（ａ）はエンジン回転速度の推移を、（ｂ）はＳＣＲ触媒温度の推移を、（ｃ）は尿素水圧力の推移をそれぞれ示している。

図６において、タイミングｔ１ではエンジン１０が始動され、ｔ１〜ｔ２の期間ではアイドル運転が行われる。エンジン始動後、排気熱によりＳＣＲ触媒温度が徐々に上昇する。

その後、タイミングｔ２で加速操作等によりエンジン回転速度が上昇すると、ＳＣＲ触媒温度が急上昇し、ＳＣＲ触媒温度が所定値Ｋ２（１８０℃）に到達するタイミングｔ３では、尿素水ポンプ５３の駆動が開始されて尿素水圧力が上昇する。そして、尿素水圧力が所定値Ｋ３（０．４ＭＰａ）よりも大きくなると、第２目標圧力ＰＴ２（５ＭＰａ）に基づく尿素水圧力の制御が開始される。つまり、尿素水圧力が高圧化され、尿素水噴霧を微粒化させて尿素水添加が行われる（ｔ３〜ｔ４の期間）。

その後、タイミングｔ４でＳＣＲ触媒温度が所定値Ｋ４（２２０℃）に達すると、尿素水圧力の目標値が第２目標圧力ＰＴ２（５ＭＰａ）から第１目標圧力ＰＴ１（０．５ＭＰａ）に変更される。つまり、尿素水圧力が通常圧力とされ、尿素水噴霧を微粒化せず通常噴霧による尿素水添加が行われる（ｔ４〜ｔ５の期間）。

以降、減速に伴いＳＣＲ触媒温度が低下し、タイミングｔ５で所定値Ｋ４（２２０℃）以下になると、再び尿素水圧力の目標値が第２目標圧力ＰＴ２（５ＭＰａ）に変更されて尿素水噴霧の微粒化が行われる（ｔ５〜ｔ８の期間）。ただし、ｔ６〜ｔ７の期間では、ＳＣＲ触媒温度が触媒活性温度である所定値Ｋ２（１８０℃）以下となるため、同期間では、尿素水添加が一時的に停止されるとともに、尿素水ポンプ５３の圧送量が微小量に変更されるようになっている。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

都度のＳＣＲ触媒温度に基づいて、尿素水ポンプ５３により加圧される尿素水圧力を変更し、それにより尿素水添加弁４４から噴射される尿素水の噴霧粒径を変更する構成とした。特に、ＳＣＲ触媒温度が所定の低温域にある場合に、尿素水圧力を高圧化して尿素水の噴霧粒径を微細化した。これにより、ＳＣＲ触媒４２でのＮＯｘ浄化率が低くなりがちな所定の低温域において、噴霧粒径の微細化によりＮＯｘ浄化率の向上を図ることができる。また、必要に応じて尿素水圧力を変更して尿素水の噴霧粒径を変更する構成であるため、排気通路内に遮蔽部材や分散部材を設ける従来構成とは異なり、エンジンへの悪影響を抑制できる。その結果、エンジンへの悪影響を抑制しつつ好適なる尿素水の添加を行い、ひいてはＮＯｘ浄化率を向上させることができる。

また、噴霧粒径を微細化しない場合（尿素水圧力を高圧化しない場合）について言えば、尿素水圧力を高圧化しなくてよい分、尿素水ポンプ５３への電源（バッテリ）からの通電量を減らすことができ、エネルギ低減を図ることができる。

エンジン始動直後（冷間始動直後）には、ＳＣＲ触媒４２が低温状態にあり、ＮＯｘ浄化率の上昇が遅れがちになるが、上記のように尿素水の噴霧粒径を微細化することにより、エンジン始動直後におけるＮＯｘ浄化率の上昇を早めることが可能となる。ゆえに、エンジン始動直後における排気浄化性能を向上できる。

また、従来技術として説明したように排気通路内に遮蔽部材や分散部材を設ける場合、それら各部材が溶接等により通路壁（排気管壁）に取り付けられるためにそれら各部材の取付作業が煩雑であるという問題や、長期の使用により遮蔽部材や分散部材が破損するおそれがある信頼性の問題が懸念される。この点、本実施形態では、遮蔽部材や分散部材を要しないため、構成の簡素化を図るとともに取付作業の繁雑化を抑制できる。また、排気管内における遮蔽部材や分散部材の破損による不都合の発生も解消できる。

また、尿素水の噴霧粒径を大小変更する場合においてそのうち粒径大である場合のＮＯｘ浄化率の飽和温度を温度しきい値（所定値Ｋ４＝２２０℃）とし、その温度しきい値よりも低温側を所定の低温域であるとして尿素水噴霧の微細化を行う構成とした。これにより、尿素水の粒径が大きいままではＳＣＲ触媒４２のＮＯｘ浄化率が飽和値に達しない場合に、尿素水を微粒化することでＮＯｘ浄化率を高めることができる。

尿素水圧力に応じて尿素水添加弁４４による尿素水添加の周期、又は１回あたりの添加時間の少なくともいずれかを可変に設定する構成としたため、尿素水圧力が大小変更される場合にも所望量の尿素水添加を実現できる。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

・上記実施形態では、ＳＣＲ触媒温度と温度しきい値（所定値Ｋ４）との比較の結果に基づいて尿素水圧力を変更し、それにより尿素水の噴霧粒径を小さくする構成としたが、これを変更し、エンジン始動直後の所定期間において時間の経過に応じて噴霧粒径の変更を行う構成であってもよい。つまり、エンジン始動時（特に冷間始動時）において、始動開始からの経過時間を計測し、その経過時間が所定時間になるまでは尿素水の噴霧粒径を小さくし、所定時間が経過したタイミングで噴霧粒径を大きくする。噴霧粒径大から噴霧粒径小への切替タイミングとなる時間しきい値は、実験等に基づいてあらかじめ定めておくか、エンジン始動時の暖機状態（例えばエンジン水温等）に応じて可変に設定するとよい。本構成においても、ＳＣＲ触媒４２の温度上昇に合わせて尿素水の噴霧粒径を変更することができ、好適なる尿素水添加を実施できる。

・上記実施形態では、尿素水の噴霧粒径を２段階（１００μｍ、２０μｍ）で切り替える構成としたが、これを変更し、３段階以上で切り替える構成としてもよい。

・尿素水の噴霧粒径を変更する場合に、ＳＣＲ触媒温度以外に、都度の尿素水添加量を加味して噴霧粒径の変更を行う構成としてもよい。例えば、尿素水添加量が多い場合には、尿素水圧力を大きくして尿素水の噴霧粒径を小さくする。

・尿素水の噴霧粒径は、尿素水圧力以外に尿素水温度にも依存して変化すると考えられる。そこで、尿素水ポンプ５３による尿素水の加圧に加え、加熱手段による尿素水の加熱を実施することにより尿素水の噴霧粒径を小さくする構成としてもよい。この場合、尿素水配管５２に加熱手段としてのヒータを設け、尿素水の噴霧粒径を小さくする際にヒータにより尿素水を加熱するとよい。この場合、尿素水を加圧及び加熱することで、尿素水噴霧の微粒化を一層促進できる。

・上記実施形態では、ＳＣＲ触媒４２の上流側に設置した温度センサ４６の出力によりＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒを検出し、そのＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒに基づいて尿素水の噴霧粒径を変更する構成としたが、これに代えて、エンジン排気温度をセンサ等により計測し、又はエンジン運転状態に基づいて演算により推定し、その排気温度に基づいて尿素水の噴霧粒径を変更する構成としてもよい。この場合、排気温度が「ＮＯｘ触媒の温度情報」に相当する。

また、エンジンの運転負荷とＳＣＲ触媒温度とには相関があることを利用して、都度のエンジン負荷に基づいて尿素水の噴霧粒径を変更する構成としてもよい。すなわち、エンジン負荷が低い場合には、排気温度が低くなることに伴いＳＣＲ触媒温度が低下する。したがって、エンジン負荷が所定値未満である場合には、尿素水の噴霧粒径を小さくする。なお、エンジン負荷は、エンジン回転速度、燃料噴射量、アクセル操作量、吸気流量、ＮＯｘ排出量、排気温度などから推定できる。

・本発明を、上述した尿素ＳＣＲシステム以外で具体化することも可能である。例えば、アンモニア発生源として固体の尿素を用いその尿素から還元剤としての尿素水又はアンモニア水を生成するシステム、アンモニア発生源として軽油などの燃料を用いるシステム、アンモニア水を排気通路に直接添加するシステム、アンモニア以外の還元剤（ＨＣ等）を用いるシステムなどにおいて具体化することも可能である。

発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図。 ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率とＳＣＲ触媒温度と尿素水の噴霧粒径との関係を示す図。 尿素水圧力と尿素水の噴霧粒径との関係を示す図。 尿素水添加制御の処理手順を示すフローチャート。 尿素水添加量と尿素水圧力と尿素水添加弁の開弁時間との関係を示す図。 尿素水制御をより具体的に説明するためのタイムチャート。

符号の説明

１０…エンジン（内燃機関）、２２…排気管、４２…ＳＣＲ触媒（ＮＯｘ触媒）、４４…尿素水添加弁（還元剤添加手段）、５３…尿素水ポンプ（加圧手段）、６０…ＥＣＵ（取得手段、及び噴霧粒径制御手段）。

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ還元剤により排気中のＮＯｘを選択的に浄化するＮＯｘ触媒と、前記ＮＯｘ触媒の排気上流側に液状の還元剤を添加する還元剤添加手段と、前記還元剤添加手段に供給される還元剤を加圧する加圧手段とを備え、前記ＮＯｘ触媒は、浄化率飽和温度よりも高温になると、ＮＯｘ浄化率が所定の高浄化率レベルに飽和し、前記還元剤の粒径が小さいほど前記浄化率飽和温度が低いものである排気浄化システムに適用され、
   前記ＮＯｘ触媒の温度又はそれに相関する温度情報を計測又は推定により取得する取得手段と、
   前記取得手段により取得した触媒温度又は温度情報に基づいて、前記加圧手段により加圧される還元剤圧力を低圧と高圧の２段階で切り替えることで、前記還元剤添加手段から添加される還元剤の噴霧粒径を大小の２段階で切り替える噴霧粒径制御手段と、を備え、
   前記噴霧粒径制御手段は、前記還元剤の粒径を大小切り替える場合においてそのうち粒径大である場合の前記ＮＯｘ触媒の浄化率飽和温度を温度しきい値として、前記ＮＯｘ触媒の温度が前記温度しきい値よりも高温側である場合に前記加圧手段により還元剤圧力を低圧にするとともに、前記ＮＯｘ触媒の温度が前記温度しきい値よりも低温側である場合に前記加圧手段により還元剤圧力を高圧にすることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記噴霧粒径制御手段は、内燃機関の始動時において前記還元剤の噴霧粒径を小さくし、所定時間の経過後に噴霧粒径を大きくする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記還元剤添加手段により添加される還元剤を加熱する加熱手段を備え、
   前記噴霧粒径制御手段は、前記加圧手段による還元剤の加圧に加え、前記加熱手段による還元剤の加熱を実施することにより還元剤の噴霧粒径を変更する請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記還元剤の圧力を検出する手段と、
   前記検出した還元剤の圧力に応じて前記還元剤添加手段による還元剤添加の周期、及び１回あたりの添加時間の少なくともいずれかを可変に設定する手段と、
   を備える請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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