(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内に配置され、還元剤を供給することによりＮＯＸを選択的に還元する第１のＮＯＸ選択還元触媒と、
第１のＮＯＸ選択還元触媒の下流側の機関排気通路内に配置され、還元剤を供給することによりＮＯＸを選択的に還元する第２のＮＯＸ選択還元触媒と、
第１のＮＯＸ選択還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置とを備え、
還元剤はアンモニアを含み、
第１のＮＯＸ選択還元触媒および第２のＮＯＸ選択還元触媒は、第１のＮＯＸ選択還元触媒から流出するアンモニアを第２のＮＯＸ選択還元触媒にて吸着できる第１のＮＯＸ選択還元触媒と第２のＮＯＸ選択還元触媒との温度差が生じるように構成されており、更に、第２のＮＯＸ選択還元触媒は、第１のＮＯＸ選択還元触媒よりも活性化する温度領域が低くなっており、
第１のＮＯＸ選択還元触媒に吸着する還元剤の吸着量を推定せずに第２のＮＯＸ選択還元触媒に吸着する還元剤の吸着量を推定し、第２のＮＯＸ選択還元触媒の還元剤の吸着量が許容値を超えないように、還元剤供給装置からの還元剤供給量を調整することを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
第２のＮＯＸ選択還元触媒の還元剤の吸着量が、許容値未満の予め定められた判定値以上になったときに、還元剤供給装置からの還元剤供給量を減少させることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
第１のＮＯＸ選択還元触媒は、耐熱温度が第２のＮＯＸ選択還元触媒の耐熱温度よりも高いことを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
機関排気通路内に配置され、還元剤を供給することによりＮＯＸを選択的に還元する第１のＮＯＸ選択還元触媒と、
第１のＮＯＸ選択還元触媒の下流側の機関排気通路内に配置され、還元剤を供給することによりＮＯＸを選択的に還元する第２のＮＯＸ選択還元触媒と、
第１のＮＯＸ選択還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置とを備え、
還元剤はアンモニアを含み、
第１のＮＯＸ選択還元触媒および第２のＮＯＸ選択還元触媒は、第１のＮＯＸ選択還元触媒から流出するアンモニアを第２のＮＯＸ選択還元触媒にて吸着できる第１のＮＯＸ選択還元触媒と第２のＮＯＸ選択還元触媒との温度差が生じるように構成されており、更に、第２のＮＯＸ選択還元触媒は、第１のＮＯＸ選択還元触媒よりも活性化する温度領域が低くなっており、
第１のＮＯＸ選択還元触媒に吸着する還元剤の吸着量を推定せずに第２のＮＯＸ選択還元触媒に吸着する還元剤の吸着量を推定し、第２のＮＯＸ選択還元触媒の還元剤の吸着量が、予め定められた判定値以上になったときに、機関本体から排出されるＮＯＸ量を増加させることを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
第１のＮＯＸ選択還元触媒は、耐熱温度が第２のＮＯＸ選択還元触媒の耐熱温度よりも高いことを特徴とする、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
機関排気通路内に配置され、還元剤を供給することによりＮＯＸを選択的に還元する第１のＮＯＸ選択還元触媒と、
第１のＮＯＸ選択還元触媒の下流側の機関排気通路内に配置され、還元剤を供給することによりＮＯＸを選択的に還元する第２のＮＯＸ選択還元触媒と、
第１のＮＯＸ選択還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置とを備え、
還元剤はアンモニアを含み、
第１のＮＯＸ選択還元触媒および第２のＮＯＸ選択還元触媒は、第１のＮＯＸ選択還元触媒から流出するアンモニアを第２のＮＯＸ選択還元触媒にて吸着できる第１のＮＯＸ選択還元触媒と第２のＮＯＸ選択還元触媒との温度差が生じるように構成されており、更に、第２のＮＯＸ選択還元触媒は、第１のＮＯＸ選択還元触媒よりも活性化する温度領域が低くなっており、
第１のＮＯＸ選択還元触媒から流出する還元剤の濃度を推定せずに第２のＮＯＸ選択還元触媒から流出する還元剤の濃度を推定し、第２のＮＯＸ選択還元触媒から流出する還元剤の濃度が許容値を超えないように、還元剤供給装置からの還元剤供給量を調整することを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
第２のＮＯＸ選択還元触媒から流出する還元剤の濃度が、許容値未満の予め定められた判定値以上になったときに、還元剤供給装置からの還元剤供給量を減少させることを特徴とする、請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
第１のＮＯＸ選択還元触媒は、耐熱温度が第２のＮＯＸ選択還元触媒の耐熱温度よりも高いことを特徴とする、請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
機関排気通路内に配置され、還元剤を供給することによりＮＯＸを選択的に還元する第１のＮＯＸ選択還元触媒と、
第１のＮＯＸ選択還元触媒の下流側の機関排気通路内に配置され、還元剤を供給することによりＮＯＸを選択的に還元する第２のＮＯＸ選択還元触媒と、
第１のＮＯＸ選択還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置とを備え、
還元剤はアンモニアを含み、
第１のＮＯＸ選択還元触媒および第２のＮＯＸ選択還元触媒は、第１のＮＯＸ選択還元触媒から流出するアンモニアを第２のＮＯＸ選択還元触媒にて吸着できる第１のＮＯＸ選択還元触媒と第２のＮＯＸ選択還元触媒との温度差が生じるように構成されており、更に、第２のＮＯＸ選択還元触媒は、第１のＮＯＸ選択還元触媒よりも活性化する温度領域が低くなっており、
第１のＮＯＸ選択還元触媒から流出する還元剤の濃度を推定せずに第２のＮＯＸ選択還元触媒から流出する還元剤の濃度を推定し、第２のＮＯＸ選択還元触媒から流出する還元剤の濃度が、予め定められた判定値以上になったときに、機関本体から排出されるＮＯＸ量を増加させることを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
第１のＮＯＸ選択還元触媒は、耐熱温度が第２のＮＯＸ選択還元触媒の耐熱温度よりも高いことを特徴とする、請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】
第２のＮＯＸ選択還元触媒は、第１のＮＯＸ選択還元触媒から流出したアンモニアを第２のＮＯＸ選択還元触媒で吸着できる温度差が生じるように、第１のＮＯＸ選択還元触媒から離れて配置されていることを特徴とする、請求項１，４，６または９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１２】
第１のＮＯＸ選択還元触媒から流出したアンモニアを第２のＮＯＸ選択還元触媒で吸着できる温度差が生じるように、第２のＮＯＸ選択還元触媒を冷却する冷却装置を備えることを特徴とする、請求項１，４，６または９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１３】
内燃機関を配置するエンジンルームおよびフロアパネルを備える自動車に配置されている内燃機関の排気浄化装置であって、
第１のＮＯＸ選択還元触媒から流出したアンモニアを第２のＮＯＸ選択還元触媒で吸着できる温度差が生じるように、第１のＮＯＸ選択還元触媒がエンジンルームに配置され、第２のＮＯＸ選択還元触媒がフロアパネルの下側に配置されていることを特徴とする、請求項１，４，６または９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関の排気ガスには、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃燃料（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）または粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート）などの成分が含まれている。内燃機関には、これらの成分を浄化するために排気浄化装置が取り付けられる。
【０００３】
排気ガスに含まれるＮＯＸは、還元することにより浄化される。排気ガスに含まれるＮＯＸを浄化するために、機関排気通路内にＮＯＸを選択的に還元できるＮＯＸ選択還元触媒が配置される場合がある。ＮＯＸ選択還元触媒は、所定の温度領域で還元剤を供給することにより、機関本体から排出されるＮＯＸを還元することができる。
【０００４】
特表２００３−５２９６９９号公報には、機関本体の下流に配置されている１番目の触媒と１番目の触媒の下流に配置されている２番目の触媒とを含み、１番目の触媒は、１番目の温度範囲にある時にＮＯＸを還元し、２番目の触媒は、２番目の温度範囲にある時にＮＯＸを還元するシステムが開示されている。この公報には、直列に配置されている２つの触媒のうち、排気ガスの温度が触媒活性の温度範囲内にある触媒に対して還元剤を注入することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００３−５２９６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＮＯＸ選択還元触媒において、還元剤としてアンモニアを用いる場合には、ＮＯＸ選択還元触媒の上流側の機関排気通路内に尿素水を供給する。ＮＯＸ選択還元触媒に流入するＮＯＸの量に対して、当量比が１になるように尿素水を供給する。ところが、供給された尿素水には濃淡が存在するために、局所的には当量比が１を超える。特に、尿素水供給弁から間欠的に尿素水を供給する場合には、所定の間隔を空けて多くの尿素水を供給するために、当量比が１を超える部分が生じ得る。このため、アンモニアがＮＯＸ選択還元触媒を通り抜ける、いわゆるアンモニアスリップが生じる場合がある。
【０００７】
また、アンモニアはＮＯＸ選択還元触媒に吸着される。アンモニア吸着量は、ＮＯＸ選択還元触媒の温度の上昇に伴って小さくなる。ＮＯＸ選択還元触媒の温度が高くなると、ＮＯＸ選択還元触媒を通り抜けるアンモニアの比率が高くなる。すなわち、温度が高くなると、アンモニアスリップが生じ易くなる。
【０００８】
還元剤がＮＯＸ選択還元触媒を通り抜けると大気中に放出される。たとえば、還元剤としてのアンモニアが大気中に放出されると、臭い等の問題が生じる。従って、還元剤は、排気浄化装置内で全てが消費され、大気中に放出されないことが好ましい。
【０００９】
上記の特表２００３−５２９６９９号公報には、２番目のＮＯＸ選択還元触媒の下流に酸化触媒を配置して、２番目のＮＯＸ選択還元触媒から流出するアンモニアを酸化することにより除去することが開示されている。しかしながら、この装置においては、アンモニアを除去するための酸化触媒を新たに配置する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ＮＯＸを選択的に還元するＮＯＸ選択還元触媒を備え、ＮＯＸ選択還元触媒から還元剤が流出することを抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明の第１の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に配置され、還元剤を供給することによりＮＯＸを選択的に還元する第１のＮＯＸ選択還元触媒と、第１のＮＯＸ選択還元触媒の下流側の機関排気通路内に配置され、還元剤を供給することによりＮＯＸを選択的に還元する第２のＮＯＸ選択還元触媒と、第１のＮＯＸ選択還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置とを備える。還元剤はアンモニアを含み、第１のＮＯＸ選択還元触媒および第２のＮＯＸ選択還元触媒は、第１のＮＯＸ選択還元触媒から流出するアンモニアを第２のＮＯＸ選択還元触媒にて吸着できる第１のＮＯＸ選択還元触媒と第２のＮＯＸ選択還元触媒との温度差が生じるように構成されている。更に、第２のＮＯＸ選択還元触媒は、第１のＮＯＸ選択還元触媒よりも活性化する温度領域が低くなっている。第１のＮＯＸ選択還元触媒に吸着する還元剤の吸着量を推定せずに第２のＮＯＸ選択還元触媒に吸着する還元剤の吸着量を推定し、第２のＮＯＸ選択還元触媒の還元剤の吸着量が許容値を超えないように、還元剤供給装置からの還元剤供給量を調整する。
【００１２】
上記発明においては、第２のＮＯＸ選択還元触媒の還元剤の吸着量が、許容値未満の予め定められた判定値以上になったときに、還元剤供給装置からの還元剤供給量を減少させることができる。
【００１３】
上記発明においては、第１のＮＯＸ選択還元触媒は、耐熱温度が第２のＮＯＸ選択還元触媒の耐熱温度よりも高いことが好ましい。
【００１４】
本発明の第２の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に配置され、還元剤を供給することによりＮＯＸを選択的に還元する第１のＮＯＸ選択還元触媒と、第１のＮＯＸ選択還元触媒の下流側の機関排気通路内に配置され、還元剤を供給することによりＮＯＸを選択的に還元する第２のＮＯＸ選択還元触媒と、第１のＮＯＸ選択還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置とを備える。還元剤はアンモニアを含み、第１のＮＯＸ選択還元触媒および第２のＮＯＸ選択還元触媒は、第１のＮＯＸ選択還元触媒から流出するアンモニアを第２のＮＯＸ選択還元触媒にて吸着できる第１のＮＯＸ選択還元触媒と第２のＮＯＸ選択還元触媒との温度差が生じるように構成されている。更に、第２のＮＯＸ選択還元触媒は、第１のＮＯＸ選択還元触媒よりも活性化する温度領域が低くなっている。第１のＮＯＸ選択還元触媒に吸着する還元剤の吸着量を推定せずに第２のＮＯＸ選択還元触媒に吸着する還元剤の吸着量を推定し、第２のＮＯＸ選択還元触媒の還元剤の吸着量が、予め定められた判定値以上になったときに、機関本体から排出されるＮＯＸ量を増加させる。
【００１５】
上記発明においては、第１のＮＯＸ選択還元触媒は、耐熱温度が第２のＮＯＸ選択還元触媒の耐熱温度よりも高いことが好ましい。
【００１６】
本発明の第３の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に配置され、還元剤を供給することによりＮＯＸを選択的に還元する第１のＮＯＸ選択還元触媒と、第１のＮＯＸ選択還元触媒の下流側の機関排気通路内に配置され、還元剤を供給することによりＮＯＸを選択的に還元する第２のＮＯＸ選択還元触媒と、第１のＮＯＸ選択還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置とを備える。還元剤はアンモニアを含み、第１のＮＯＸ選択還元触媒および第２のＮＯＸ選択還元触媒は、第１のＮＯＸ選択還元触媒から流出するアンモニアを第２のＮＯＸ選択還元触媒にて吸着できる第１のＮＯＸ選択還元触媒と第２のＮＯＸ選択還元触媒との温度差が生じるように構成されている。更に、第２のＮＯＸ選択還元触媒は、第１のＮＯＸ選択還元触媒よりも活性化する温度領域が低くなっている。第１のＮＯＸ選択還元触媒から流出する還元剤の濃度を推定せずに第２のＮＯＸ選択還元触媒から流出する還元剤の濃度を推定し、第２のＮＯＸ選択還元触媒から流出する還元剤の濃度が許容値を超えないように、還元剤供給装置からの還元剤供給量を調整する。
【００１７】
上記発明においては、第２のＮＯＸ選択還元触媒から流出する還元剤の濃度が、許容値未満の予め定められた判定値以上になったときに、還元剤供給装置からの還元剤供給量を減少させることができる。
【００１８】
上記発明においては、第１のＮＯＸ選択還元触媒は、耐熱温度が第２のＮＯＸ選択還元触媒の耐熱温度よりも高いことが好ましい。
【００１９】
本発明の第４の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に配置され、還元剤を供給することによりＮＯＸを選択的に還元する第１のＮＯＸ選択還元触媒と、第１のＮＯＸ選択還元触媒の下流側の機関排気通路内に配置され、還元剤を供給することによりＮＯＸを選択的に還元する第２のＮＯＸ選択還元触媒と、第１のＮＯＸ選択還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置とを備える。還元剤はアンモニアを含み、第１のＮＯＸ選択還元触媒および第２のＮＯＸ選択還元触媒は、第１のＮＯＸ選択還元触媒から流出するアンモニアを第２のＮＯＸ選択還元触媒にて吸着できる第１のＮＯＸ選択還元触媒と第２のＮＯＸ選択還元触媒との温度差が生じるように構成されている。更に、第２のＮＯＸ選択還元触媒は、第１のＮＯＸ選択還元触媒よりも活性化する温度領域が低くなっている。第１のＮＯＸ選択還元触媒から流出する還元剤の濃度を推定せずに第２のＮＯＸ選択還元触媒から流出する還元剤の濃度を推定し、第２のＮＯＸ選択還元触媒から流出する還元剤の濃度が、予め定められた判定値以上になったときに、機関本体から排出されるＮＯＸ量を増加させる。
【００２０】
上記発明においては、第１のＮＯＸ選択還元触媒は、耐熱温度が第２のＮＯＸ選択還元触媒の耐熱温度よりも高いことが好ましい。
【００２１】
上記発明においては、第２のＮＯＸ選択還元触媒は、第１のＮＯＸ選択還元触媒から流出したアンモニアを第２のＮＯＸ選択還元触媒で吸着できる温度差が生じるように、第１のＮＯＸ選択還元触媒から離れて配置されていることが好ましい。
【００２２】
上記発明においては、第１のＮＯＸ選択還元触媒から流出したアンモニアを第２のＮＯＸ選択還元触媒で吸着できる温度差が生じるように、第２のＮＯＸ選択還元触媒を冷却する冷却装置を備えることが好ましい。
【００２３】
上記発明においては、内燃機関を配置するエンジンルームおよびフロアパネルを備える自動車に配置されている内燃機関の排気浄化装置であって、第１のＮＯＸ選択還元触媒から流出したアンモニアを第２のＮＯＸ選択還元触媒で吸着できる温度差が生じるように、第１のＮＯＸ選択還元触媒がエンジンルームに配置され、第２のＮＯＸ選択還元触媒がフロアパネルの下側に配置されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
ＮＯＸを選択的に還元するＮＯＸ選択還元触媒を備え、ＮＯＸ選択還元触媒から還元剤が流出することを抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施の形態１における内燃機関の概略図である。
【図２】実施の形態１におけるＮＯＸ選択還元触媒の特性を示すグラフである。
【図３】実施の形態１における運転制御を説明するタイムチャートである。
【図４】機関本体から排出されるＮＯＸ量を算出するためのマップである。
【図５】実施の形態１における他の排気浄化装置の排気管の部分の拡大概略図である。
【図６】実施の形態１における更に他の排気浄化装置の排気ターボチャージャの直下の部分の拡大概略図である。
【図７】実施の形態２における運転制御を説明するタイムチャートである。
【図８】内燃機関の排気浄化装置において、再循環率に対する機関本体から排出されるＮＯＸ量を示すグラフである。
【図９】実施の形態３における内燃機関の概略図である。
【図１０】実施の形態３における運転制御を説明するタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（実施の形態１）
図１から図６を参照して、実施の形態１における内燃機関の排気浄化装置について説明する。
【００２７】
図１に、本実施の形態における内燃機関の概略図を示す。本実施の形態においては、自動車に配置されている圧縮着火式のディーゼルエンジンを例に取り上げて説明する。内燃機関は、機関本体１を備える。また、内燃機関は、排気浄化装置を備える。機関本体１は、各気筒としての燃焼室２と、それぞれの燃焼室２に燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気マニホールド４と、排気マニホールド５とを含む。
【００２８】
吸気マニホールド４は、吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結されている。コンプレッサ７ａの入口は、吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結されている。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置されている。更に、吸気ダクト６の途中には、吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置されている。図１に示される実施例では、機関冷却水が冷却装置１１に導かれている。機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００２９】
一方、排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７のタービン７ｂの入口に連結されている。本実施の形態における排気浄化装置は、排気マニホールド５の近傍に配置されている排気処理装置としてのマニホールドコンバータ６０を含む。マニホールドコンバータ６０は、酸化触媒１３、パティキュレートフィルタ１６およびＮＯＸ選択還元触媒（ＳＣＲ）１４を含む。マニホールドコンバータ６０は、タービン７ｂの出口に排気管１２を介して連結されている。
【００３０】
本実施の形態において、タービン７ｂの出口に接続されている排気管１２は、マニホールドコンバータ６０の酸化触媒１３に連結されている。酸化触媒１３の下流には、パティキュレートフィルタ１６が配置されている。パティキュレートフィルタ１６の下流には、第１のＮＯＸ選択還元触媒としてのＮＯＸ選択還元触媒１４が配置されている。これらの触媒およびフィルタは、互いに近接して配置されている。
【００３１】
マニホールドコンバータ６０の下流には、排気管１２を介して、第２のＮＯＸ選択還元触媒としてのＮＯＸ選択還元触媒１５が連結されている。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、複数個のＮＯＸ選択還元触媒が直列に配置されている。
【００３２】
内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯＸ選択還元触媒１４に還元剤を供給する還元剤供給装置を備える。本実施の形態においては、還元剤としてアンモニアを用いる。還元剤供給装置は、尿素水供給弁５５を含む。尿素水供給弁５５は、機関排気通路においてＮＯＸ選択還元触媒１４の上流側に配置されている。尿素水供給弁５５は、機関排気通路内に尿素水を噴射するように形成されている。尿素水供給弁５５は、パティキュレートフィルタ１６とＮＯＸ選択還元触媒１４との間に、尿素水を噴射するように配置されている。本実施の形態における還元剤供給装置は、尿素水を供給するように形成されているが、この形態に限られず、アンモニア水を供給するように形成されていても構わない。
【００３３】
排気マニホールド５と吸気マニホールド４との間には、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うためにＥＧＲ通路１８が配置されている。ＥＧＲ通路１８には電子制御式のＥＧＲ制御弁１９が配置されている。また、ＥＧＲ通路１８の途中にはＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０が配置されている。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２０内に導かれている。機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００３４】
それぞれの燃料噴射弁３は、燃料供給管２１を介してコモンレール２２に連結されている。コモンレール２２は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３を介して燃料タンク２４に連結されている。燃料タンク２４に貯蔵される燃料は、燃料ポンプ２３によってコモンレール２２内に供給される。コモンレール２２内に供給された燃料は、それぞれの燃料供給管２１を介して燃料噴射弁３に供給される。
【００３５】
電子制御ユニット３０は、デジタルコンピュータからなる。本実施の形態における電子制御ユニット３０は、排気浄化装置の制御装置として機能する。電子制御ユニット３０は、双方性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を含む。
【００３６】
パティキュレートフィルタ１６の下流には、パティキュレートフィルタ１６の温度を検出するため温度センサ２６が配置されている。ＮＯＸ選択還元触媒１４の下流には、ＮＯＸ選択還元触媒１４の温度を検出するために温度センサ２８が配置されている。ＮＯＸ選択還元触媒１５の下流には、ＮＯＸ選択還元触媒１５の温度を検出するために温度センサ２７が配置されている。ＮＯＸ選択還元触媒１５の上流には、ＮＯＸ選択還元触媒１５に流入するＮＯＸ量を検出するためにＮＯＸセンサ５１が配置されている。ＮＯＸ選択還元触媒１５の下流には、ＮＯＸ選択還元触媒１５から流出するＮＯＸ量を検出するためにＮＯＸセンサ５２が配置されている。更に、ＮＯＸ選択還元触媒１５の上流には、ＮＯＸ選択還元触媒１５に流入するアンモニアの量を検出するためにアンモニアセンサ５３が配置されている。これらの温度センサ２６，２７，２８、ＮＯＸセンサ５１，５２およびアンモニアセンサ５３の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
【００３７】
また、吸入空気量検出器８の出力信号は、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０には、アクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１の出力電圧は、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続されている。クランク角センサ４２の出力により、機関本体の回転数を検出することができる。
【００３８】
一方、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１９および燃料ポンプ２３に接続されている。さらに、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して尿素水供給弁５５に接続されている。本実施の形態における尿素水供給弁５５は、電子制御ユニット３０により制御されている。
【００３９】
酸化触媒１３は、酸化能力を有する触媒である。酸化触媒１３は、例えば、排気ガスの流れ方向に延びる隔壁を有する基体を備える。基体は、例えばハニカム構造に形成されている。基体は、たとえば円筒形状のケースに収容される。基体の表面には、例えば多孔質酸化物粉末により、触媒担持体としてのコート層が形成されている。コート層には、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｄ）、パラジウム（Ｐｄ）のような貴金属で形成された触媒金属が担持されている。排気ガスに含まれる一酸化炭素または未燃炭化水素は、酸化触媒で酸化されて水や二酸化炭素等に変換される。
【００４０】
パティキュレートフィルタ１６は、排気ガス中に含まれる炭素微粒子、燃料の高沸点成分とエンジンオイル成分から成る粒子状物質（パティキュレート）を除去するフィルタである。パティキュレートフィルタは、例えば、ハニカム構造を有し、ガスの流れ方向に延びる複数の流路を有する。複数の流路において、下流端が封止された流路と上流端が封止された流路とが交互に形成されている。流路の隔壁は、コージェライトのような多孔質材料で形成されている。この隔壁を排気ガスが通過するときにパティキュレートが捕捉される。
【００４１】
粒子状物質は、パティキュレートフィルタ１６上に捕集されて酸化される。パティキュレートフィルタ１６に次第に堆積する粒子状物質は、空気過剰の雰囲気中で温度を例えば６００℃程度まで上昇することにより酸化されて除去される。
【００４２】
本実施の形態におけるＮＯＸ選択還元触媒１４，１５は、アンモニアを還元剤としてＮＯＸを選択的に還元することができる触媒である。アンモニアを還元剤とするＮＯＸ選択還元触媒は、たとえば、ゼオライトに鉄または銅等の遷移金属をイオン交換して担持させた触媒を用いることができる。または、ＮＯＸ選択還元触媒は、触媒担体に貴金属の触媒金属を担持させたものを用いることができる。貴金属の触媒金属としては、白金（Ｐｔ）またはロジウム（Ｒｈ）等の貴金属を用いることができる。触媒担体としては、たとえば、チタニア（ＴｉＯ２）またはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の物質を用いることができる。または、ＮＯＸ選択還元触媒は、チタニア等を担体とし、この担体に酸化バナジウムを担持した触媒等を用いることができる。
【００４３】
本実施の形態におけるＮＯＸ選択還元触媒１４，１５は、ゼオライトに遷移金属をイオン交換して担持させた触媒を用いている。
【００４４】
尿素水供給弁から機関排気通路を流れる排気ガス中に尿素水が供給されると、尿素水が加水分解される。尿素水が加水分解されることによりアンモニアと二酸化炭素が生成される。生成されたアンモニアがＮＯＸ選択還元触媒に供給されることにより、ＮＯＸ選択還元触媒において、排気ガスに含まれるＮＯＸが窒素に還元される。次に、本実施の形態におけるＮＯＸ選択還元触媒の特性について詳細に説明する。
【００４５】
図２は、本実施の形態におけるＮＯＸ選択還元触媒のアンモニア吸着可能量、ＮＯＸ浄化率、およびアンモニアの通り抜け率を示すグラフである。それぞれのグラフにおいて、横軸はＮＯＸ選択還元触媒の床温である。ＮＯＸ選択還元触媒は、所定の温度ＴＹ以上でＮＯＸの還元を行うことができる。さらに、ＮＯＸ選択還元触媒には、選択還元による有意な浄化率を示す温度として活性化温度ＴＸを有する。
【００４６】
一方で、アンモニア等の還元剤は、ＮＯＸ選択還元触媒に流入すると触媒担体等に吸着される。特に、表面に多数の細孔を有するゼオライトは、アンモニアを吸着しやすい。さらに、酸性を有するゼオライトは、アルカリ性のアンモニアを多く吸着する。このように、本実施の形態におけるＮＯＸ選択還元触媒は、多くのアンモニアを吸着することができる。アンモニアを吸着することができる最大量であるアンモニア吸着可能量は、温度が低いほど高くなる。
【００４７】
選択還元によるＮＯＸ浄化率のグラフは、ＮＯＸ選択還元触媒に流入するＮＯＸに対して、当量比が１となるように尿素水供給弁から尿素水を供給した場合の浄化率を示している。ＮＯＸ選択還元触媒が、活性化温度ＴＸ以上である場合には、多くのＮＯＸを還元することができるために高いＮＯＸ浄化率を示す。しかし、温度が高くなると、アンモニア吸着量が減少する。さらに、ＮＯＸ選択還元触媒は、所定の温度以上になるとアンモニアが自己酸化するために触媒活性が除々に低下する。このために、ＮＯＸ浄化率が徐々に低下する。
【００４８】
ＮＯＸ選択還元触媒が活性化温度ＴＸよりも低い温度では、触媒金属の活性は低い。ところが、触媒が十分に活性化されていなくてもアンモニア吸着量が多いために高いＮＯＸの浄化率を有する。このように、ＮＯＸ選択還元触媒は、所定の温度領域でＮＯＸを浄化することができる。
【００４９】
図１を参照して、本実施の形態においては、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４の温度と下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５の温度が互いに同じである場合に、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４よりも下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５の方が、アンモニアの吸着可能量が大きくなるように形成されている。たとえば、アンモニアが吸着する触媒担体の表面積が大きくなるように、下流側のＮＯＸ選択還元触媒が、上流側のＮＯＸ選択還元触媒よりも大型に形成されている。
【００５０】
本実施の形態においては、機関本体１の運転中に尿素水供給弁５５から尿素水を機関排気通路に供給する。尿素水から生成されたアンモニアは、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４に流入する。ＮＯＸ選択還元触媒１４にて、ＮＯＸの還元によりアンモニアが消費される。ＮＯＸの還元に使用されなかったアンモニアは、ＮＯＸ選択還元触媒１４に吸着されたり、ＮＯＸ選択還元触媒１４から流出したりする。また、ＮＯＸ選択還元触媒１４に吸着していたアンモニアが脱離して流出する場合もある。ＮＯＸ選択還元触媒１４から流出したアンモニアは、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５に流入する。ＮＯＸ選択還元触媒１５は、アンモニアを吸着したり、ＮＯＸを還元したりする。
【００５１】
本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５のアンモニア吸着量を推定できるように形成されている。本発明における推定とは、センサ等により直接的に検出することと、センサの出力やマップ等を用いて算出することの両方を含む。
【００５２】
本実施の形態においては、ＮＯＸ選択還元触媒１５の上流側に配置されているＮＯＸセンサ５１によりＮＯＸ選択還元触媒１５に流入するＮＯＸ量を検出する。ＮＯＸ選択還元触媒１５の下流側に配置されているＮＯＸセンサ５２によりＮＯＸ選択還元触媒１５から流出するＮＯＸ量を検出する。所定の期間にＮＯＸ選択還元触媒１５に流入するＮＯＸ量から所定の期間にＮＯＸ選択還元触媒１５から流出するＮＯＸ量を減算することにより、ＮＯＸ選択還元触媒１５において還元されたＮＯＸ量を算出することができる。還元されたＮＯＸ量により、ＮＯＸ選択還元触媒１５において消費されたアンモニア量を算出することができる。
【００５３】
一方で、ＮＯＸ選択還元触媒１５の上流側に配置されているアンモニアセンサ５３の出力により、ＮＯＸ選択還元触媒１５に流入するアンモニア量を検出することができる。ＮＯＸ選択還元触媒１５に流入するアンモニア量から、ＮＯＸ選択還元触媒１５において消費されるアンモニア量を減算することにより、ＮＯＸ選択還元触媒１５のアンモニア吸着量の増減を算出することができる。この計算を所定間隔ごとに繰り返すことにより、任意の時間におけるアンモニア吸着量を推定することができる。
【００５４】
ＮＯＸ選択還元触媒１５に吸着するアンモニア量の推定装置としては、この形態に限られず、任意の装置を採用することができる。例えば、燃焼室における燃料の噴射量、機関回転数、尿素水供給弁からの尿素水の供給量、排気ガスの温度等に基づいて、マップ等を用いて下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５のアンモニア吸着量を算出しても構わない。
【００５５】
図３に、本実施の形態における内燃機関の運転制御のタイムチャートを示す。本実施の形態においては、内燃機関を冷間始動させている。内燃機関の機関本体や排気浄化装置が外気の温度である状態から内燃機関を始動している。
【００５６】
時刻ｔ１において、内燃機関を始動している。時刻ｔ１では、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４の床温および下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５の床温は、大気の温度とほぼ同じである。内燃機関を始動することにより、排気ガスの温度が上昇する。時刻ｔ２において、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４が活性化温度に達している。
【００５７】
時刻ｔ２において、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４が活性化温度以上になったことを検出して、尿素水供給弁５５からの尿素水の供給を開始している。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４がタービン７ｂの直下に配置されている。機関本体１の始動後に短時間で床温を活性化温度以上にすることができる。短時間でＮＯＸの浄化を開始することができて、ＮＯＸの排出を抑制することができる。
【００５８】
内燃機関を始動してから上流側のＮＯＸ選択還元触媒が活性化温度に達するまでの期間（時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間）においては、機関本体１から排出されるＮＯＸが酸化触媒１３やＮＯＸ選択還元触媒１４，１５に含まれる触媒金属等に吸着する。ＮＯＸの吸着により、排気ガスからＮＯＸを除去することができる。触媒金属に吸着するＮＯＸは、温度が高くなると徐々に脱離し、機関本体１から排出されるＮＯＸと共に浄化することができる。
【００５９】
または、図２を参照して、ＮＯＸ選択還元触媒は、活性化温度ＴＸよりも低い温度領域であっても還元することができる。このために、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４の温度が、少なくとも一部のＮＯＸの還元を行うことができる温度ＴＹに達したら尿素水の供給を開始しても構わない。
【００６０】
本実施の形態においては、尿素水供給弁から間欠的に尿素水を噴射している。本実施の形態の通常運転においては、尿素水供給弁から供給する尿素水の量は、少なくとも上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４に流入するＮＯＸの全てを消費できる量としている。
【００６１】
図４に、単位時間当たりに機関本体から排出されるＮＯＸ量のマップを示す。たとえば、機関回転数Ｎと要求トルクＴＱとを関数にする単位時間あたりに排出されるＮＯＸ量のマップを電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２に記憶させておく。運転状態に応じて算出される単位時間あたりに排出されるＮＯＸ量ＮＯＸＡを積算することにより、所定の期間に上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４に流入するＮＯＸ量を算出することができる。たとえば、尿素水供給弁から尿素水を噴射する間隔でＮＯＸ量を算出することができる。算出されたＮＯＸ量に基づいて尿素水供給弁５５から尿素水を供給することができる。
【００６２】
上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４に流入するＮＯＸ量の推定は、上記に限られず、任意の方法により推定することができる。上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４に流入するＮＯＸ量は、機関本体から排出されるＮＯＸ量に依存する。このため、尿素水供給弁から供給する尿素水の量は、機関本体の運転状態に応じて選定することができる。たとえば、排気ガスの再循環率等を変化させることにより、機関本体から排出されるＮＯＸ量が変化する。機関本体から排出されるＮＯＸ量が多くなる運転状態の場合には、尿素水供給弁からの供給流量を多くする制御を行うことができる。
【００６３】
本実施の形態においては、機関本体１から排出されるＮＯＸの全てを還元できる量よりも多量の尿素水を供給している。すなわち、当量比が１よりも大きくなるように尿素水を供給している。このときには、アンモニアが過剰な状態であるために、アンモニアがＮＯＸ選択還元触媒１４から流出する。また、当量比が１であっても、ＮＯＸ選択還元触媒１４の内部において濃淡が生成される。すなわち、局所的に当量比が１を超える。このために、アンモニアがＮＯＸ選択還元触媒１４から流出する。
【００６４】
図３を参照して、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５は、時刻ｔ３において活性化温度に到達している。下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５においては、内燃機関の起動時である時刻ｔ１から活性化温度ＴＸになる時刻ｔ３までの間に、流入するアンモニアを吸着することができる。また、時刻ｔ３以降においては、アンモニアの吸着と共にＮＯＸ選択還元触媒１５のＮＯＸの選択還元を有効に行なうことができる。この様に、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５において、流入するアンモニアを吸着したり、流入するアンモニアとＮＯＸとを反応させたりすることができる。
【００６５】
図３に示す運転制御例では、運転を継続すると下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５のアンモニア吸着量が徐々に増加している。時刻ｔ４において、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５のアンモニア吸着量が、予め定められた判定値に達している。本実施の形態における上限側の判定値は、ＮＯＸ選択還元触媒１５のアンモニア吸着量の許容値よりも小さい値が採用されている。下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５のアンモニア吸着量が許容値以上の場合には、アンモニアの吸着率が悪化して、ＮＯＸ選択還元触媒１５から流出するアンモニアの量が多くなる。または、ＮＯＸ選択還元触媒１５に吸着していたアンモニアが脱離する場合がある。本実施の形態においては、上限側の判定値を超えても許容値までには暫らく到達しないような余裕を有する判定値が採用されている。この判定値は、たとえば、電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２に記憶されている。
【００６６】
次に、ＮＯＸ選択還元触媒１５における還元剤の吸着量が許容値を超えないように、還元剤の吸着量を減少させる。本実施の形態にいては、還元剤供給装置からの還元剤供給量を調整する。時刻ｔ４から下流側のＮＯＸ選択還元触媒のアンモニア吸着量を減少させる吸着量減少制御を行なう。本実施の形態における吸着量減少制御では、尿素水供給弁５５から供給する尿素水の量を減少させる制御を行う。上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４に供給する単位時間当たりの平均的な尿素水の量を減少させている。本実施の形態においては、尿素水を噴射する間隔は変化させずに、１回に噴射する尿素水の量を少なくしている。
【００６７】
ＮＯＸ選択還元触媒１４に供給する尿素水の量を減少させることにより、還元剤が不足する。上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４において浄化されなかったＮＯＸが流出する。上流側のＮＯＸ選択還元触媒から流出するＮＯＸ量が増加する。上流側のＮＯＸ選択還元触媒を通り抜けるＮＯＸ量が増加する。このため、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５に流入するＮＯＸ量が増加する。下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５においては、吸着されているアンモニアによりＮＯＸが還元される。ＮＯＸが還元されるとともにアンモニア吸着量が減少する。
【００６８】
本実施の形態における吸着量減少制御は、アンモニア吸着量が予め定められた下限側の判定値に達するまで継続する。時刻ｔ５において、アンモニア吸着量が下限側の判定値に達している。時刻ｔ５において、吸着量減少制御を終了している。時刻ｔ５以降では、通常の運転制御を行っている。すなわち、尿素水供給弁５５からの尿素水の供給量を、通常の運転時における量に回復させている。
【００６９】
このように、本実施の形態においては、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５に吸着するアンモニア吸着量を推定して、アンモニア吸着量が許容値を超えないように、尿素水供給弁５５からの尿素水の供給量を調整する。特に、下流側のＮＯＸ選択還元触媒のアンモニア吸着量を減少させる制御を行っている。この構成により、下流側に配置されているＮＯＸ選択還元触媒からアンモニアが流出することを抑制することができる。または、上流側のＮＯＸ選択還元触媒の還元剤の吸着量を検出しなくても、下流側のＮＯＸ選択還元触媒からアンモニアが流出することを抑制できる。
【００７０】
また、上流側のＮＯＸ選択還元触媒から流出するアンモニアは、ほぼガス状になっているために、排気ガスの中における分散性が優れている。すなわち、局所的にアンモニアが濃くなったり薄くなったりせずに、排気ガス中にほぼ均一にアンモニアが含まれる。このために、下流側のＮＯＸ選択還元触媒において選択還元を行う場合に、ＮＯＸとの反応性を高くすることができる。下流側のＮＯＸ選択還元触媒のアンモニアの通り抜けが抑制されるとともに、より確実にＮＯＸを還元することができる。
【００７１】
また、本実施の形態における排気浄化装置は、下流側のＮＯＸ選択還元触媒においてアンモニアを捕集したり消費したりすることができるために、上流側のＮＯＸ選択還元触媒に過剰の尿素水を供給することができる。当量比が１よりも大きくなるように、還元剤を供給することができる。上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４に対して流入する全てのＮＯＸを浄化できる最小の量よりも多くの尿素水を供給することにより、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４において、より確実にＮＯＸを還元することができる。
【００７２】
このように、本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、アンモニアの流出を抑制することができると共に、ＮＯＸの流出を抑制することができる。
【００７３】
本実施の形態においては、上流側のＮＯＸ選択還元触媒と下流側のＮＯＸ選択還元触媒とが所定の距離をおいて配置されている。図１に示す例では、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４は、自動車の前方に配置されているエンジンルームに収容されている。下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５は、フロアパネルの下側に配置されている。このように、２つのＮＯＸ選択還元触媒を互いに離して配置することにより、上流側のＮＯＸ選択還元触媒と下流側のＮＯＸ選択還元触媒とで床温の差を設けることができる。上流側のＮＯＸ選択還元触媒と下流側のＮＯＸ選択還元触媒との機能を分離することができる。たとえば、定常的な運転を行っているときの上流側のＮＯＸ選択還元触媒と下流側のＮＯＸ選択還元触媒との温度差は、略５０℃以上であることが好ましい。
【００７４】
本実施の形態における下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５は、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４の温度よりも低い温度を保つことができる。このためアンモニアの吸着可能量が多い状態を維持することができる。上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４から流出したアンモニアを下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５で吸着させることができる。この結果、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５からアンモニアが流出することを抑制できる。
【００７５】
本実施の形態の排気浄化装置においては、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４と下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５とを同じ触媒を用いている。すなわち、本実施の形態においては、触媒担体および触媒担体に担持される金属が同じものを用いているが、この形態に限られず、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４と下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５とが互いに異なるものを採用することができる。
【００７６】
たとえば、上流側のＮＯＸ選択還元触媒は、下流側のＮＯＸ選択還元触媒よりも機関本体に近いために、下流側のＮＯＸ選択還元触媒よりも高温になる。このために、上流側のＮＯＸ選択還元触媒は、耐熱温度が下流側のＮＯＸ選択還元触媒の耐熱温度よりも高いものを採用することが好ましい。この構成により、ＮＯＸ選択還元触媒の劣化等を抑制することができる。例えば、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４には、ゼオライトに鉄をイオン交換させて担持した触媒を採用する一方で、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５には、ゼオライトに銅をイオン交換させて担持した触媒を採用することが好ましい。
【００７７】
また、一般的に耐熱性の高い金属触媒は、活性化する温度領域が比較的高温側に存在する。このため、上流側のＮＯＸ選択還元触媒が高温になった時においても活性化されている状態を維持することができる。一方で、一般的に耐熱性の低い触媒は、活性化する温度領域が比較的低温側に存在する。機関本体から排出された排気ガスは、下流側のＮＯＸ選択還元触媒に到達するまでに、温度が下降する。図３に示すように、下流側のＮＯＸ選択還元触媒の温度上昇には、所定の時間を要する。しかしながら、活性化する温度領域が低い触媒を採用することにより、起動後においても短時間で活性化温度に到達することができる。すなわち、内燃機関を起動したときに、アンモニアの吸着に加えて、短時間の経過後にＮＯＸの選択還元を行なうことができる。
【００７８】
また、排気浄化装置は、同じ温度におけるアンモニア吸着可能量が、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４よりも下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５の方が大きくなるように形成されていることが好ましい。この構成により、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５において、より確実にアンモニアを吸着することができる。アンモニアが下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５から流出することをより確実に抑制することができる。
【００７９】
上記の説明においては、下流側のＮＯＸ選択還元触媒に吸着しているアンモニアの量を減少させる吸着量減少制御を行っているが、この形態に限られず、下流側のＮＯＸ選択還元触媒のアンモニア吸着量を増加させる吸着量増加制御を行なっても構わない。たとえば、下流側のＮＯＸ選択還元触媒のアンモニア吸着量が少ない場合等に、吸着量増加制御を行なう。下流側のＮＯＸ選択還元触媒のアンモニア吸着量を増加させることにより、下流側のＮＯＸ選択還元触媒のＮＯＸ浄化率を向上させることができる。
【００８０】
吸着量増加制御においては、たとえば、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５のアンモニア吸着量が、予め定められた判定値未満であることを検出する。次に、尿素水供給弁から供給する尿素水の量を増加させる。このときの尿素水の量は、上流側のＮＯＸ選択還元触媒に流入するＮＯＸに対して、当量比が１よりも大きくなるように設定することが好ましい。
【００８１】
吸着量増加制御においては、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４において消費または吸着されるアンモニア量を減少させる制御を行なうことができる。例えば、尿素水供給弁５５から尿素水を間欠的に供給する場合に、１回の尿素水の噴射量を多くして、噴射する間隔を長くする制御を行なう。この制御を行なうことにより、時間で平均したときの単位時間当たりの尿素水の噴射量は同じでも、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４を通り抜けるアンモニアの量を多くすることができる。下流側のＮＯＸ選択還元触媒のアンモニア吸着量を増加させることができる。
【００８２】
または、空間速度（または排気ガスの流速）が大きいときに、尿素水の供給量を増加させる制御を行う。空間速度が大きくなると、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４における反応時間が短くなる。このため、上流側のＮＯＸ選択還元触媒において消費されるアンモニアの量を少なくすることができる。また、上流側のＮＯＸ選択還元触媒に吸着するアンモニアの量を少なくすることができる。たとえば、空間速度（または排気ガスの流速）が、所定の判定値よりも大きいときに尿素水の供給量を増加させる制御を行うことができる。この結果、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４を通り抜けるアンモニアの量を多くすることができる。下流側のＮＯＸ選択還元触媒のアンモニア吸着量を増加させることができる。
【００８３】
ところで、内燃機関の運転時には、排気ガスの温度が非常に高くなる場合がある。パティキュレートフィルタの再生等の場合には、例えば、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの温度を略６００℃以上に上昇させる。上流側のＮＯＸ選択還元触媒の温度が高くなり、ＮＯＸ浄化率が低下する場合がある。または、上流側のＮＯＸ選択還元触媒において、排気ガスの温度が高いために、尿素水が酸化されてＮＯＸが生成される場合がある。このような場合においては、前述の上流側のＮＯＸ選択還元触媒を通り抜けるアンモニアの量を多くする制御を行うことができる。たとえば、１回の尿素水の噴射量を増加させて、噴射する間隔を長くする制御を行ったり、空間速度が大きなときに多くの尿素水を供給する制御を行ったりすることができる。この制御により、上流側のＮＯＸ選択還元触媒のＮＯＸの反応量を減少させて、下流側のＮＯＸ選択還元触媒でのＮＯＸの還元量を増加させることができる。
【００８４】
図５に、本実施の形態における他の内燃機関の排気浄化装置の概略図を示す。図５は、内燃機関の排気管の部分の拡大概略図である。他の内燃機関の排気浄化装置においては、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５の温度を調整するための温度調整装置を備える。
【００８５】
本実施の形態における温度調整装置は、ＮＯＸ選択還元触媒１５に流入する排気ガスの温度を下降させる冷却装置５６を含む。冷却装置５６は、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４と下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５との間に配置されている。本実施の形態における冷却装置５６は、排気管１２の途中に取り付けられ、排気管１２内を流れる排気ガスを冷却するように形成されている。図５に示す例では、冷却装置５６には、機関冷却水が流入する。機関冷却水によって排気ガスが冷却される。冷却装置５６は、電子制御ユニット３０により制御されている。
【００８６】
下流側のＮＯＸ選択還元触媒を冷却する冷却装置を配置することにより、下流側のＮＯＸ選択還元触媒が高温になって、アンモニアの吸着可能量が小さくなることを抑制することができる。ＮＯＸ選択還元触媒１５の温度をアンモニア吸着量が大きな温度範囲内に維持することができる。または、ＮＯＸ選択還元触媒１５が、活性化される温度領域よりも高い温度になることを回避することができる。
【００８７】
例えば、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５の温度が所定の判定値以下に保たれるように制御を行なうことができる。温度センサ２７により下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５の温度を検出する。温度が判定値よりも高くなっている場合には、冷却装置５６にて排気ガスの冷却を行なう。排気ガスを冷却することにより、ＮＯＸ選択還元触媒１５の温度が上昇することを抑制することができる。または、ＮＯＸ選択還元触媒１５の温度を下降させたり維持したりすることができる。
【００８８】
また、本実施の形態においては、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５の上流にパティキュレートフィルタ１６が配置されている。パティキュレートフィルタ１６の再生のときには、ＮＯＸ選択還元触媒１５に流入する排気ガスの温度が上昇する。このような排気ガスの温度が上昇する場合に、冷却装置５６により排気ガスを冷却することができる。
【００８９】
冷却装置としては、この形態に限られず、ＮＯＸ選択還元触媒の温度上昇を抑制する任意の装置を採用することができる。たとえば、ＮＯＸ選択還元触媒の周りに冷却装置が配置され、直接的にＮＯＸ選択還元触媒を冷却するように形成されていても構わない。
【００９０】
また、温度調整装置は、下流側のＮＯＸ選択還元触媒の温度を上昇させる昇温装置を含んでいても構わない。この構成により、下流側のＮＯＸ選択還元触媒を短時間で昇温することができる。たとえば、起動時において下流側のＮＯＸ選択還元触媒を短時間で活性化温度以上に昇温してＮＯＸを選択的に還元することができる。
【００９１】
図６に、本実施の形態における更に他の内燃機関の排気浄化装置の概略図を示す。図６は、排気ターボチャージャのタービンの直下の排気管の部分の拡大概略図である。更に他の内燃機関の排気浄化装置においては、第１のＮＯＸ選択還元触媒として、触媒コンバータ５７が配置されている。触媒コンバータ５７は、パティキュレートフィルタと、ＮＯＸ選択還元触媒とが一体化されている。触媒コンバータ５７は、パティキュレートフィルタのそれぞれの通路の隔壁に、ＮＯＸの選択還元を促進する金属が担持されている。
【００９２】
触媒コンバータ５７の上流側には、触媒コンバータ５７にアンモニアを供給するための尿素水供給弁５５が配置されている。また、触媒コンバータ５７の下流には、触媒コンバータ５７の温度を検出するための温度センサ２６が配置されている。このような触媒コンバータ５７を採用することにより、マニホールドコンバータ６０を小型にすることができる。
【００９３】
本実施の形態においては、下流側のＮＯＸ選択還元触媒のアンモニア吸着量が判定値以上になったときに、アンモニア吸着量を減少させる制御を行なっているが、この形態に限られず、アンモニア吸着量が許容値を超えないようにするための任意の制御を行なうことができる。例えば、下流側のＮＯＸ選択還元触媒のアンモニア吸着量の増加率を推定して、この増加率が予め定められた判定値以上になった場合に、アンモニア吸着量を減少させる制御を行っても構わない。
【００９４】
本実施の形態においては、還元剤としてアンモニアを用いるＮＯＸ選択還元触媒を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、ＮＯＸ選択還元触媒は、供給された還元剤によりＮＯＸを選択的に還元できれば構わない。還元剤としてはＮＯＸ選択還元触媒にて、ＮＯＸを還元することができる任意の還元剤を採用することができる。たとえば、還元剤として機関本体の燃料が採用されていても構わない。この場合には、たとえば、ゼオライトまたは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の触媒担体に、銅や鉄等の卑金属の触媒金属、または白金、パラジウム等の貴金属の触媒金属を担持させたＮＯＸ選択還元触媒を用いることができる。また、尿素水供給弁の代わりに燃料供給弁を配置することにより、上流側のＮＯＸ選択還元触媒に還元剤を供給することができる。アンモニアセンサの代わりに空燃比センサを配置することにより、下流側のＮＯＸ選択還元触媒に流入する還元剤の濃度を推定することができる。
【００９５】
また、本実施の形態における内燃機関は自動車に配置されているが、この形態に限られず、任意の内燃機関に本発明を適用することができる。
【００９６】
（実施の形態２）
図１，図７および図８を参照して、実施の形態２における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、第２のＮＯＸ選択還元触媒に吸着する還元剤の吸着量を推定し、推定した還元剤の吸着量が許容値を超えないように、第２のＮＯＸ選択還元触媒に吸着する還元剤の吸着量を減少させる制御を行う。本実施の形態においては、下流側のＮＯＸ選択還元触媒に吸着している還元剤の量を減少させる吸着量減少制御として、機関本体から排出されるＮＯＸ量を増加させる制御を行う。
【００９７】
図１を参照して、本実施の形態においては、機関本体１から排出されるＮＯＸ量を増加させることにより、上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４を通り抜けるＮＯＸ量を増加させる。下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５に流入するＮＯＸ量が増加する。ＮＯＸ選択還元触媒１５に吸着されているアンモニアがＮＯＸの還元に用いられることにより、アンモニア吸着量が減少する。
【００９８】
図７に、本実施の形態における内燃機関の運転制御のタイムチャートを示す。時刻ｔ４までは、尿素水供給弁から尿素水の供給を行いながら通常運転を行っている。時刻ｔ４において、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５に吸着しているアンモニア量が上限側の判定値に達している。時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間に吸着量減少制御を行っている。本実施の形態の吸着量減少制御においては、機関本体１の再循環率（ＥＧＲ率）を減少させる。
【００９９】
図８は、機関本体の再循環率と機関本体から排出される窒素酸化物の流量との関係を示すグラフである。横軸が再循環率であり、縦軸が単位時間あたりに機関本体から排出される窒素酸化物の流量である。再循環率は、燃焼室に流入する全てのガスの流量に対する再循環排気ガスの流量の比である（再循環率＝（再循環排気ガス量）／（再循環排気ガス量＋吸入空気量））。排気ガスの比率が増加すると再循環率が増加する。再循環率が大きくなると機関本体から排出されるＮＯＸ量は減少することが分かる。
【０１００】
図７を参照して、通常運転においては、機関本体から排出されるＮＯＸ量を少なくするために再循環率を高くして運転を行っている。時刻ｔ４において、再循環率を減少させる制御を行う。
【０１０１】
本実施の形態においては、尿素水供給弁からの尿素水の供給量を変化させずに、通常運転と同様の供給量を維持している。吸着量減少制御において、機関本体の再循環率を小さくすることにより、燃焼室から排出されるＮＯＸ量を増加させることができる。上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４に流入するＮＯＸ量が増加する。上流側のＮＯＸ選択還元触媒１４から流出するＮＯＸ量が増加する。この結果、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５に流入するＮＯＸ量が増加する。下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５に吸着しているアンモニアがＮＯＸの還元に消費されることにより、アンモニア吸着量を減少させることができる。
【０１０２】
時刻ｔ５において、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５におけるアンモニア吸着量が、下限側の判定値に達している。時刻ｔ５において、吸着量減少制御を終了している。時刻ｔ５以降の期間では、再循環率を元に戻して通常の運転を行っている。
【０１０３】
本実施の形態の吸着量減少制御においては、再循環率を減少させることにより、機関本体１から排出されるＮＯＸ量を増加させているが、この形態に限られず、任意の制御により、機関本体から排出されるＮＯＸ量を増加させることができる。例えば、燃焼室における燃料の噴射時期を進めることにより、機関本体から排出されるＮＯＸ量を増加させても構わない。すなわち、燃焼に至る着火遅れ期間を延長することにより機関本体から排出されるＮＯＸ量を増加させても構わない。
【０１０４】
また、本実施の形態においては、機関本体１から排出されるＮＯＸ量を増加させているが、この形態に限られず、機関本体１から排出されるＮＯＸ量を減少させる制御を行っても構わない。機関本体１から排出されるＮＯＸ量を減少させることにより、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５に流入するＮＯＸ量が減少する。この結果、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５に吸着するアンモニア量を増加させる吸着量増加制御を行うことができる。
【０１０５】
また、上流側のＮＯＸ選択還元触媒は、耐熱温度が下流側のＮＯＸ選択還元触媒の耐熱温度よりも高いものを採用することが好ましい。この構成により、ＮＯＸ選択還元触媒の劣化等を抑制することができる。
【０１０６】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【０１０７】
（実施の形態３）
図１、図９および図１０を参照して、実施の形態３における内燃機関の排気浄化装置について説明する。
【０１０８】
図９は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。本実施の形態における内燃機関は、第１のＮＯＸ選択還元触媒としてのＮＯＸ選択還元触媒１４と、第２のＮＯＸ選択還元触媒としてのＮＯＸ選択還元触媒１５とを備える。ＮＯＸ選択還元触媒１５の下流の機関排気通路にアンモニアセンサ５４が配置されている。アンモニアセンサ５４の出力信号は、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される（図１参照）。
【０１０９】
本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５から流出するアンモニアの濃度を検出することができるように形成されている。本実施の形態においては、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５から流出するアンモニア濃度が許容値を超えないように制御する。
【０１１０】
図１０に、本実施の形態における内燃機関の運転制御のタイムチャートを示す。運転期間中には、アンモニアセンサ５４により、下流側のＮＯＸ選択還元触媒から流出するアンモニアの濃度を検出している。時刻ｔ４までは、通常の運転を継続している。時刻ｔ４から時刻ｔ５までは、吸着量減少制御を行っている。時刻ｔ５以降では、通常運転を再開している。
【０１１１】
時刻ｔ４までの通常運転の期間において、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５のアンモニア吸着量が許容値に徐々に近づく。このときに、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５からは、微量のアンモニアが流出する。流出するアンモニアの量は徐々に増加する。本実施の形態における排気浄化装置は、流出するアンモニアの濃度が予め定められた判定値に達したときに、吸着量減少制御を行う。このアンモニア濃度の判定値は、アンモニア濃度の許容値よりも小さく設定されている。本実施の形態においては、上側の判定値を超えても許容値までには暫らく到達しないような余裕を有する判定値が採用されている。この判定値は、たとえば、電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２に記憶されている。
【０１１２】
時刻ｔ４において、下流側のＮＯＸ選択還元触媒１５から流出するアンモニアの濃度が予め定められた判定値に達している。本実施の形態における吸着量減少制御においては、実施の形態１における吸着量減少制御と同様に、尿素水供給弁からの尿素水の供給量を減少させることにより、上流側のＮＯＸ選択還元触媒を通り抜けるＮＯＸ量を増加させる制御を行っている。
【０１１３】
本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、下流側のＮＯＸ選択還元触媒から流出するアンモニアの濃度を推定して、アンモニアの濃度が許容値を超えないように、還元剤供給装置からの還元剤の供給量を調整する。下流側のＮＯＸ選択還元触媒のアンモニア吸着量を減少させる制御を行っている。この構成により、下流側のＮＯＸ選択還元触媒からアンモニアが流出することを抑制できる。
【０１１４】
または、下流側のＮＯＸ選択還元触媒から流出するアンモニアの濃度を推定して、実施の形態２における吸着量減少制御と同様に、機関本体１から排出されるＮＯＸ量を増加させることにより、下流側のＮＯＸ選択還元触媒のアンモニア吸着量を減少させることができる。
【０１１５】
本実施の形態においては、下流側のＮＯＸ選択還元触媒から流出するアンモニアの量が判定値以上になったときに、アンモニア吸着量を減少させる制御を行なっているが、この形態に限られず、アンモニアの濃度が許容値を超えないようにする任意の制御を行なうことができる。例えば、下流側のＮＯＸ選択還元触媒から流出するアンモニアの濃度の増加率を推定して、この増加率が判定値以上になった場合に、アンモニア吸着量を減少させる制御を行っても構わない。
【０１１６】
また、下流側のＮＯＸ選択還元触媒から流出するアンモニアの濃度を推定して、下流側のＮＯＸ選択還元触媒のアンモニア吸着量を増加させる吸着量増加制御を行なっても構わない。たとえば、下流側のＮＯＸ選択還元触媒から流出するアンモニアの濃度が判定値未満になった場合に、吸着量増加制御を行なっても構わない。
【０１１７】
本実施の形態の内燃機関の排気浄化装置において、還元剤として機関本体の燃料を採用する場合には、たとえば、下流側のＮＯＸ選択還元触媒の下流に空燃比センサを配置することにより、下流側のＮＯＸ選択還元触媒から流出する燃料の濃度を推定することができる。
【０１１８】
また、上流側のＮＯＸ選択還元触媒は、耐熱温度が下流側のＮＯＸ選択還元触媒の耐熱温度よりも高いものを採用することが好ましい。この構成により、ＮＯＸ選択還元触媒の劣化等を抑制することができる。
【０１１９】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１または２と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【０１２０】
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり、発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に含まれる変更が意図されている。
【符号の説明】
【０１２１】
１    機関本体
１２    排気管
１３    酸化触媒
１４，１５    ＮＯＸ選択還元触媒
１６    パティキュレートフィルタ
１８    ＥＧＲ通路
５１，５２    ＮＯＸセンサ
５３，５４    アンモニアセンサ
５５    尿素水供給弁
【図１】
0005429286.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0005429286.tif 000005
【図５】
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【図６】
0005429286.tif 000007
【図７】
0005429286.tif 000008
【図８】
0005429286.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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