(57)【要約】【課題】窒素酸化物を還元する還元触媒に対して短時間で還元剤を吸着させる。【解決手段】本発明に係る排気浄化装置１０は、排気ガス中の窒素酸化物を還元する還元剤を排気通路１１に噴射する還元剤噴射弁３４と、還元剤噴射弁３４よりも下流の排気通路１１に設けられた還元触媒２０と、還元触媒２０における排気ガスの流れ方向を正方向と逆方向との間で切り換える切換機構８０と、を備える。この構成により、還元触媒２０の両側から還元剤を吸着させることができるため、還元触媒２０に対して短時間で還元剤を吸着させることが可能となる。【選択図】図２
2014206134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス中の窒素酸化物を還元する還元剤を排気通路に噴射する還元剤噴射弁と、
前記還元剤噴射弁よりも下流の前記排気通路に設けられた還元触媒と、
前記還元触媒における排気ガスの流れ方向を正方向と逆方向との間で切り換える切換機構と、
を備えることを特徴とする、排気浄化装置。
【請求項２】
前記切換機構は、
排気ガスを前記還元触媒の両端に導入する２つの通路と、
排気ガスを前記還元触媒の両端から排出する通路と、
排気ガスを前記２つの通路のいずれか一方に導入するバルブと、
を有することを特徴とする、請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記切換機構を制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記還元剤噴射弁の開閉時間に基づいて、前記還元触媒への還元剤の実吸着量を算出する実吸着量算出部と、
前記還元触媒の触媒温度に基づいて、前記還元触媒への還元剤の目標吸着量の１／２に相当する目標中間吸着量を求める目標中間吸着量算出部と、
前記実吸着量が前記目標中間吸着量以上の場合は、前記切換機構による切り換えを実行させる切換実行部と、を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記制御部は、
前記切換実行部により前記切り換えが実行されると前記実吸着量を初期化する実吸着量初期化部を更に有する、請求項３に記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記切換機構は、
前記排気通路を２つに分離して前記還元触媒の第１及び第２の端部にそれぞれ接続される第１及び第２の通路と、
一端が前記還元触媒の前記第１の端部に接続され、他端が排気通路に接続される第３の通路と、
一端が前記還元触媒の前記第２の端部に接続され、他端が排気通路に接続される第４の通路と、
前記排気通路が前記第１及び第２の通路によって２つに分離される位置に設けられ、排気通路と前記第１及び第２の通路のいずれか一方とを接続する第１のバルブと、
前記還元触媒の前記第１の端部に設けられ、前記第３の通路への排気ガスの流入を制御する第２のバルブと、
前記還元触媒の前記第２の端部に設けられ、前記第４の通路への排気ガスの流入を制御する第３のバルブと、を有し、
前記第１のバルブが前記排気通路と前記第１の通路を接続した状態では、前記第２のバルブが閉状態とされて前記第３のバルブが開状態とされ、
前記第１のバルブが前記排気通路と前記第２の通路を接続した状態では、前記第２のバルブが開状態とされて前記第３のバルブが閉状態とされることを特徴とする、請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項６】
排気ガス中の窒素酸化物を還元する還元剤を排気通路に噴射するステップと、
前記還元剤の噴射に基づいて、還元触媒への還元剤の実吸着量を算出するステップと、
前記還元触媒の触媒温度に基づいて、前記還元触媒への還元剤の目標吸着量を求めるステップと、
前記目標吸着量と前記実吸着量とを比較した結果に基づいて、前記還元触媒における排気ガスの流れ方向を正方向と逆方向との間で切り換える切換機構によって、前記還元触媒における排気ガスの流れ方向を切り換えるステップと、
を備えることを特徴とする、排気浄化装置の制御方法。
【請求項７】
前記目標吸着量を求めるステップでは、前記還元触媒への還元剤の目標吸着量の１／２に相当する目標中間吸着量を求め、
前記排気ガスの流れ方向を切り換えるステップでは、前記実吸着量が前記目標中間吸着量以上の場合に、前記還元触媒における排気ガスの流れ方向を切り換える、ことを特徴とする、請求項６に記載の排気浄化装置の制御方法。
【請求項８】
前記還元触媒における排気ガスの流れ方向の切り換えとともに、前記実吸着量を初期化するステップを更に備えることを特徴とする、請求項６又は７に記載の排気浄化装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化装置及び排気浄化装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両等に搭載された内燃機関から排出される排気ガスには窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれる場合がある。このため、例えば下記の特許文献１に記載されているように、選択還元型ＮＯｘ触媒装置（ＳＣＲ）の上流に噴射弁を配置し、アンモニア系溶液供給装置から供給されるアンモニア系溶液を噴射弁から排気ガス通路に噴射して、排気ガス中の窒素酸化物を還元するシステムが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２１６０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載されているような従来のシステムでは、還元触媒に対して排気ガスの流れ方向に沿って上流側からアンモニア（ＮＨ３）が吸着していくため、還元触媒の上流から下流までの全ての領域に還元剤が吸着するまでに比較的長い時間を要するという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、窒素酸化物を還元する還元触媒に対して短時間で還元剤を吸着させることが可能な、新規かつ改良された排気浄化装置及び排気浄化装置の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、排気ガス中の窒素酸化物を還元する還元剤を排気通路に噴射する還元剤噴射弁と、前記還元剤噴射弁よりも下流の前記排気通路に設けられた還元触媒と、前記還元触媒における排気ガスの流れ方向を正方向と逆方向との間で切り換える切換機構と、を備える、排気浄化装置が提供される。
【０００７】
前記切換機構は、排気ガスを前記還元触媒の両端に導入する２つの通路と、排気ガスを前記還元触媒の両端から排出する通路と、排気ガスを前記２つの通路のいずれか一方に導入するバルブと、を有するものであっても良い。
【０００８】
また、前記切換機構を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記還元剤噴射弁の開閉時間に基づいて、前記還元触媒への還元剤の実吸着量を算出する実吸着量算出部と、前記還元触媒の触媒温度に基づいて、前記還元触媒への還元剤の目標吸着量の１／２に相当する目標中間吸着量を求める目標中間吸着量算出部と、前記実吸着量が前記目標中間吸着量以上の場合は、前記切換機構による切り換えを実行させる切換実行部と、を備えるものであっても良い。
【０００９】
また、前記制御部は、前記切換実行部により前記切り換えが実行されると前記実吸着量を初期化する実吸着量初期化部を更に有するものであっても良い。
【００１０】
また、前記切換機構は、前記排気通路を２つに分離して前記還元触媒の第１及び第２の端部にそれぞれ接続される第１及び第２の通路と、一端が前記還元触媒の前記第１の端部に接続され、他端が排気通路に接続される第３の通路と、一端が前記還元触媒の前記第２の端部に接続され、他端が排気通路に接続される第４の通路と、前記排気通路が前記第１及び第２の通路によって２つに分離される位置に設けられ、排気通路と前記第１及び第２の通路のいずれか一方とを接続する第１のバルブと、前記還元触媒の前記第１の端部に設けられ、前記第３の通路への排気ガスの流入を制御する第２のバルブと、前記還元触媒の前記第２の端部に設けられ、前記第４の通路への排気ガスの流入を制御する第３のバルブと、を有し、前記第１のバルブが前記排気通路と前記第１の通路を接続した状態では、前記第２のバルブが閉状態とされて前記第３のバルブが開状態とされ、前記第１のバルブが前記排気通路と前記第２の通路を接続した状態では、前記第２のバルブが開状態とされて前記第３のバルブが閉状態とされるものであっても良い。
【００１１】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、排気ガス中の窒素酸化物を還元する還元剤を排気通路に噴射するステップと、前記還元剤の噴射に基づいて、還元触媒への還元剤の実吸着量を算出するステップと、前記還元触媒の触媒温度に基づいて、前記還元触媒への還元剤の目標吸着量を求めるステップと、前記目標吸着量と前記実吸着量とを比較した結果に基づいて、前記還元触媒における排気ガスの流れ方向を正方向と逆方向との間で切り換える切換機構によって、前記還元触媒における排気ガスの流れ方向を切り換えるステップと、を備える、排気浄化装置の制御方法が提供される。
【００１２】
また、前記目標吸着量を求めるステップでは、前記還元触媒への還元剤の目標吸着量の１／２に相当する目標中間吸着量を求め、前記排気ガスの流れ方向を切り換えるステップでは、前記実吸着量が前記目標中間吸着量以上の場合に、前記還元触媒における排気ガスの流れ方向を切り換えるものであっても良い。
【００１３】
また、前記還元触媒における排気ガスの流れ方向の切り換えとともに、前記実吸着量を初期化するステップを更に備えるものであっても良い。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、窒素酸化物を還元する還元触媒に対して短時間で還元剤を吸着させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置とその周辺の構成の一例を示す模式図である。
【図２】排気ガスの流れ方向の切換機構を備えた還元触媒を示す模式図である。
【図３】還元触媒へのアンモニア（ＮＨ３）の吸着量（横軸）とＮＯｘ浄化効率（縦軸）との関係を触媒温度毎に示す特性図である。
【図４】触媒温度（横軸）とアンモニア（ＮＨ３）の吸着密度（縦軸）との関係を示す特性図である。
【図５】アンモニアの吸着時間と噴射量との関係、及びアンモニアの吸着時間とアンモニアの充填量との関係を示す特性図である。
【図６】本実施形態に係る切り換え制御を行った場合に、アンモニアの吸着時間と噴射量との関係、及びアンモニアの吸着時間とアンモニアの充填量との関係を示す特性図である。
【図７】触媒温度（横軸）と目標中間吸着量（縦軸）との関係を示す特性図である。
【図８】図２（Ａ）及び図２（Ｂ）の状態を切り換えるタイミングを示す特性図である。
【図９】制御装置の構成を機能的なブロックで示した模式図である。
【図１０】図８の処理を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１７】
１．排気浄化装置
（１）全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置１０とその周辺の構成の一例を示している。この排気浄化装置１０は、内燃機関５の排気通路１１に接続されており、還元触媒２０と、還元剤噴射装置３０と、制御装置６０等を備えており、内燃機関５から排出される排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を、還元剤としての尿素水溶液を用いて浄化する尿素ＳＣＲシステムとして構成されている。ただし、本実施形態において使用できる還元剤は尿素水溶液に限られるものではなく、例えばアンモニア水等、アンモニアが生成されるものであればよい。
【００１８】
内燃機関５は、ＥＣＵ(Engine Control Unit)５０によって制御される。制御装置６０は、内燃機関５の制御に関する制御データ等をＥＣＵ５０から受信する。排気通路１１において、内燃機関５と還元触媒２０との間には酸化触媒１２（ＤＯＣ）が配置されている。酸化触媒１０は、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）を酸化する機能を有する。酸化触媒１２は公知の触媒が適宜用いられる。
【００１９】
本実施形態の排気浄化装置１０に用いられる還元触媒２０は、排気通路１１内に噴射された尿素水溶液が加水分解することで生成されるアンモニアを吸着し、アンモニアとＮＯｘとの還元反応を促進する機能を有している。具体的には、還元触媒２０では、尿素水溶液中の尿素が分解することによって生成されるアンモニア（ＮＨ３）がＮＯｘと反応することにより、ＮＯｘが窒素（Ｎ２）及び水（Ｈ２Ｏ）に分解される。還元触媒２０は公知の触媒が適宜用いられる。
【００２０】
還元触媒２０の下流側には排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサ１４が備えられている。また、還元触媒２０の上流側には排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサ１６が備えられている。これらのＮＯｘセンサ１４，１６のセンサ信号は、制御装置６０に送信され、制御装置６０ではこのセンサ信号に基づいて排気ガス中のＮＯｘ濃度が算出される。また、還元触媒２０の上流側には排気ガスの温度を検出する排気温度センサ１８が設けられている。
【００２１】
（２）還元剤噴射装置
還元剤噴射装置３０は、貯蔵タンク３１と、還元剤噴射弁３４と、ポンプ４１等を主たる要素として構成されている。貯蔵タンク３１とポンプ４１とは第１の還元剤供給通路５７で接続され、ポンプ４１と還元剤噴射弁３４とは第２の還元剤供給通路５８で接続されている。このうち第２の還元剤供給通路５８には圧力センサ４３が設けられている。圧力センサ４３のセンサ信号は制御装置６０に送信され、制御装置６０ではこのセンサ信号に基づいて第２の還元剤供給通路５８内の圧力が算出される。
【００２２】
また、第２の還元剤供給通路５８の途中には、貯蔵タンク３１に通じる循環通路５９が接続されている。循環通路５９にはオリフィス４５が設けられており、循環通路５９を介して貯蔵タンク３１に戻される還元剤の流れに抵抗を与え、第２の還元剤供給通路５８内の圧力が高められるようになっている。このような還元剤噴射装置自体は公知の構成のものを用いることができる。
【００２３】
ポンプ４１としては、制御装置６０により駆動制御される電動ポンプが用いられている。本実施形態において、ポンプ４１は、圧力センサ４３によって検出される第２の還元剤供給通路５８内の圧力が所定値に維持されるように、その出力がフィードバック制御されるように構成されている。
【００２４】
還元剤噴射弁３４は、制御装置６０により開弁のオンオフが制御される電磁駆動式のオンオフ弁が用いられており、還元触媒２０よりも上流側において排気通路１１に固定されている。この還元剤噴射弁３４は、基本的には、第２の還元剤供給通路５８内の圧力が目標値に維持されている状態で通電制御が行われる。具体的には、演算によって求められる指示噴射量に応じて所定のＤＵＴＹサイクル中における開弁ＤＵＴＹ比を設定することにより、排気通路１１内への還元剤の噴射量が調節される。
【００２５】
ここで、還元剤噴射弁３４の指示噴射量Ｑは、以下の式（１）から算出することができる。
指示噴射量Ｑ＝（現在のＮＯｘ流量に相当する噴射量Ａ）＋（還元触媒の吸着可能量Ｂ）
・・・（１）
【００２６】
式（１）において、現在のＮＯｘ流量に相当する噴射量Ａは、還元触媒２０の上流を流れる排気ガス中のＮＯｘ流量に相当する噴射量であって、還元触媒２０の上流を流れる排気ガス中のＮＯｘを還元するために必要な噴射量である。還元触媒２０の上流を流れる排気ガス中のＮＯｘ流量は、排気ガス流量にＮＯｘセンサ１６のセンサ信号から算出されるＮＯｘ濃度を乗算して求めることができる。排気ガス中のＮＯｘ流量に相当する噴射量Ａよりも余分に噴射した量は還元触媒２０に吸着されるため、還元触媒のアンモニア吸着量に相当する。また、還元触媒２０の吸着可能量Ｂは、還元触媒２０が最大限吸着可能な吸着量から現在の還元触媒２０のアンモニア吸着量を減算した差分である。後述するように、還元触媒２０が最大限吸着可能な吸着量は、触媒温度に応じて変動する。
【００２７】
制御装置６０は、所定のサイクル毎に上式から指示噴射量Ｑを算出し、還元剤噴射弁３４の噴射量を制御する。制御装置６０は、所定のサイクル毎に触媒の吸着可能量Ｂを算出して、前回のサイクルで求めた吸着可能量Ｂの値に積算していくことで、所定のサイクル毎に還元触媒２０のアンモニア吸着量（後述する実吸着量）を取得することができる。なお、吸着可能量Ｂの初期値は０である。
【００２８】
また、ＮＯｘセンサ１４のセンサ信号に基づいて算出されたＮＯｘ濃度が基準値を超えている場合は、指示噴射量を更に増加して噴射を行い、還元触媒２０の下流にＮＯｘが流れないように制御を行う。
【００２９】
２．排気ガス流れ方向の切換機構
次に、図２に基づいて、本実施形態に係る排気ガスの流れ方向の切換機構について説明する。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、排気ガスの流れ方向の切換機構８０を備えた還元触媒２０を示す模式図である。本実施形態では、排気ガスの流れ方向の切換機構８０により還元触媒２０に流れる排気ガスの流れ方向を切り換えて、還元触媒２０へのアンモニアの吸着時間（アンモニアの充填時間）を短縮し、ＮＯｘの排出量を低減させる。
【００３０】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、切換機構８０は、排気通路１１の流れを２つに分離する２つの流路８２，８４を備え、還元触媒２０は排気ガスの流れ方向が排気通路１１の延在する方向と直交するように配置されている。還元触媒２０の一端は流路８２と接続され、他端は流路８４と接続されている。また、切換機構８０は、還元触媒２０を通過した排気ガスを排気通路１１に送る流路８６，８８を備え、流路８６は還元触媒２０の一端と接続され、流路８８は還元触媒２０の他端と接続されている。
【００３１】
流路８２，８４が分岐する位置には、第１のバルブ９０が設けられている。また、流路８６と還元触媒２０の一端が接続される位置には第２のバルブ９２が設けられ、流路８８と還元触媒２０の他端が接続される位置には第３のバルブ９４が設けられている。第１のバルブ９０は、排気通路１１と流路８２，８４のいずれか一方とを接続する。第２のバルブ９２は、開状態では還元触媒２０と流路８６とを接続し、閉状態では還元触媒２０と流路８６とを遮断する。第３のバルブ９４は、開状態では還元触媒２０と流路８８とを接続し、閉状態では還元触媒２０と流路８８とを遮断する。
【００３２】
図２（Ａ）に示す状態では、第１のバルブ９０が排気通路１１と流路８２を接続するように設定される。また、第２のバルブ９２は閉状態とされ、第３のバルブ９４が開状態とされる。これにより、排気ガスは、排気通路１１から流路８２へ流入し、流路８２から還元触媒２０へ流入し、流路８８から排気通路１１へ流れる（図２（Ａ）中の矢印方向）。つまり、図２（Ａ）において、排気ガスは還元触媒２０の左側から右側へ流れることになる。
【００３３】
一方、図２（Ｂ）に示す状態では、第１のバルブ９０が排気通路１１と流路８４を接続するように設定される。また、第２のバルブ９２は開状態とされ、第３のバルブ９４が閉状態とされる。これにより、排気ガスは、排気通路１１から流路８４へ流入し、流路８４から還元触媒２０へ流入し、流路８６から排気通路１１へ流れる（図２（Ｂ）中の矢印方向）。つまり、図２（Ｂ）において、排気ガスは還元触媒２０の右側から左側へ流れることになる。
【００３４】
これにより、図２（Ａ）に示す状態と図２（Ｂ）に示す状態とでは、還元触媒２０における排気ガスの流れ方向が反対向きとなる。還元剤噴射弁３４から噴射された還元剤は加水分解されてアンモニアとなり、アンモニアは排気ガスの流れに従って還元触媒２０へ流入し、流れ方向の上流側から還元触媒２０に吸着していく。このため、図２（Ａ）に示す状態と図２（Ｂ）に示す状態を切り換えることで、還元触媒２０の両側からアンモニアを吸着させることが可能となる。従って、アンモニアの還元触媒２０への充填速度を向上して、アンモニアの充填時間を短縮することが可能となる。
【００３５】
また、排気ガスの流れ方向を切り換えることにより、還元触媒２０のコート層に排気ガス中の物質（ＨＣや粒子状物質）が付着する触媒被毒によってＮＯｘ浄化性能が低下することを緩和できる。更に、図２（Ａ）に示す状態と図２（Ｂ）に示す状態とでは、排気ガスの流れが還元触媒２０を中心として交差するため、アンモニアが還元触媒２０の位置で程よくミキシングされ、アンモニアの分布を均一化することができる。従って、還元触媒２０へのアンモニアの充填の均一性を向上できる。
【００３６】
３．排気ガス流れ方向のスイッチングの制御
次に、本実施形態に係る排気ガスの流れ方向の切換制御について説明する。先ず、前提として、アンモニアの吸着量とＮＯｘ浄化率との関係、触媒温度とアンモニアの吸着量との関係について説明する。還元触媒２０の性能は、触媒温度とアンモニアの吸着量によって異なる。図３は、還元触媒２０へのアンモニア（ＮＨ３）の吸着量（横軸）とＮＯｘ浄化効率（縦軸）との関係を触媒温度毎に示す特性図である。図３に示すように、還元触媒２０へのアンモニアの吸着量が大きくなるほど、ＮＯｘ浄化効率が向上する。また、触媒温度が高いほど、少ないアンモニア吸着量でＮＯｘ浄化効率を高めることができる。換言すれば、触媒温度が低い場合は、アンモニアの吸着量をより多くしないとＮＯｘ浄化効率を高めることができない。従って、アンモニアの吸着速度を高めることで、ＮＯｘ浄化効率が向上することが判る。
【００３７】
また、図４は、触媒温度（横軸）とアンモニア（ＮＨ３）の吸着密度（縦軸）との関係を示す特性図である。図４に示すように、触媒温度が２００〜５００℃程度の範囲が還元触媒２０の使用温度域とされる。
【００３８】
還元触媒２０の使用温度域では、触媒温度が高くなるほどアンモニア（ＮＨ３）の吸着密度が低下する。吸着密度は還元触媒２０における単位体積当たりの吸着量であり、還元触媒２０自体の体積は一定である。このため、図４は、使用温度域においては触媒温度が高くなるほどアンモニア（ＮＨ３）の吸着量が低下することを示している。従って、後述するように、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）の状態を切り換える場合は、触媒温度を考慮して適切なタイミングで切り換えを行う。
【００３９】
なお、触媒温度が２００℃以下の場合は、排気通路１１に導入された尿素水溶液が熱分解せず、還元触媒２０にアンモニアを十分に吸着させることができない。また、触媒温度が高温（例えば５００℃以上）の場合は、いわゆるシンタリングにより還元触媒２０が劣化し、本来の性能を発揮させることができない。このため、還元触媒２０は、２００〜５００℃程度の使用温度域で使用される。
【００４０】
次に、図５に基づいて、還元触媒２０へのアンモニアの吸着時間と還元剤噴射弁３４からの噴射量との関係、及びアンモニアの吸着時間と還元触媒２０へのアンモニアの充填量との関係について説明する。図５の上段の特性図は、アンモニアの吸着時間と噴射量との関係を示す特性図である。また、図５の下段の特性図は、アンモニアの吸着時間と充填量との関係を示す特性図である。図５の上段及び下段の特性図は、内燃機関５の運転状態が定常状態の場合に、触媒温度が高温時、中温時、低温時のそれぞれについて示している。
【００４１】
図３で説明したように、触媒温度が高温の場合は、吸着量が少なくても高い浄化効率が得られる。このため、図５の上段の特性図に示すように、触媒高温時は噴射開始から時刻ｔ１までの比較的短時間の間は噴射量を多くし、還元触媒２０にアンモニアが十分に吸着した後は定常的な噴射量（高温時目標噴射量）で噴射を行う。これにより、図５の下段の特性図に示すように、還元触媒２０への還元剤の充填量は時刻ｔ１では十分な量に達し、以降の噴射によって所定の充填量（高温時目標吸着量）が維持される。
【００４２】
一方、図３で説明したように、触媒温度が低温の場合は、浄化効率を高めるためには吸着量を多くする必要がある。このため、図５の上段の図に示すように、触媒低温時は噴射開始から時刻ｔ３までの比較的長時間の間は噴射量を多くし、還元触媒２０に還元剤が十分に吸着した後は定常的な噴射量（低温時目標噴射量）で噴射を行う。これにより、図５の下段の特性図に示すように、還元触媒２０へのアンモニアの充填量は時刻ｔ３では十分な量に達し、以降の噴射によって所定の充填量（低温時目標吸着量）が維持される。
【００４３】
なお、触媒高温時は、内燃機関５の負荷が高く、排気ガス量も多くなる。従って、排気ガス中に多く含まれるＮＯｘを還元するために定常的な噴射量も低温時に比べて多くなる。
【００４４】
以上のように、還元触媒２０にアンモニアを吸着させる際には、噴射開始から還元触媒２０に十分な量のアンモニアが吸着するまでにはある程度の時間を要し、その間は噴射量を多くする制御が行われる。そして、図５に示すように、吸着時間と噴射量との関係、吸着時間と充填量との間の関係は、温度を変数として異なる特性となる。
【００４５】
本実施形態では、これらの温度を変数とするアンモニアの充填時間を短縮するため、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）の状態の切り換えを制御する。図３及び図４に示す特性は、還元触媒２０の特性であるため、電子制御コントロールユニットである制御装置６０に目標値として記憶させることができる。従って、制御装置６０は、触媒温度に基づいて、図４を参照することで目標の吸着量（目標吸着量）を求めることができる。なお、触媒温度は、排気温度センサー１８から検出される排気ガス温度から求めることができるが、還元触媒２０の温度自体を温度センサで検出するようにしても良い。
【００４６】
また、還元剤噴射弁３４から噴射される還元剤の実際の噴射量は、還元剤噴射弁３４の開閉時間に基づいてモデル値から計算できるため、還元触媒２０へのアンモニアの実際の吸着量（実吸着量）を計算することができる。具体的には、制御装置６０は、式（１）の吸着可能量Ｂの値を所定サイクル毎に計算しているため、吸着可能量Ｂの積算値から実吸着量を求めることができる。従って、制御装置６０は、現在のアンモニアの吸着量（実吸着量）が目標吸着量に対してどの程度追従しているかを演算できる。
【００４７】
本実施形態では、この演算を行うことで、還元剤噴射弁３４からの実吸着量が目標吸着量の１／２に達した時点で図２（Ａ）及び図２（Ｂ）の一方の状態から他方の状態に切り換える。これにより、還元触媒２０の一端側から還元触媒２０の１／２の領域までアンモニアを吸着させた後、アンモニアが十分に吸着していない他端側からアンモニアを吸着させることができ、充填時間の大幅な短縮を達成できる。
【００４８】
図６は、図５の触媒中温時の特性において、実吸着量が目標吸着量の１／２に達するまでは図２（Ａ）の状態で還元触媒２０への還元剤の吸着を行い、実吸着量が目標吸着量の１／２に達した後は図２（Ｂ）の状態へ切り換えて還元触媒２０への還元剤の吸着を行った場合の特性を示している。なお、図６の特性は、基本的には図５の触媒中温時の特性と同一であるが、切り換えを行ったことにより、時刻ｔ１１以降の特性が破線の特性から実線の特性に変化している。
【００４９】
図６において、時刻０から噴射を開始した直後は、図２（Ａ）に示す状態で還元触媒２０へのアンモニアの吸着が行われる。そして、図６の下段の特性図に示すように、実吸着量が目標吸着量の１／２（目標中間吸着量）に達した時点（時刻ｔ１１）で、図２（Ａ）に示す状態から図２（Ｂ）に示す状態へ切り換える。そして、時刻ｔ１１以降は噴射量を一時的に図５よりも増加させる。これにより、図６の下段の特性に示すように、時刻ｔ１１以降の充填量が多くなるため、時刻ｔ１２では、ほぼ目標吸着量に到達し、噴射量を中温時目標噴射量とする。従って、図５に示す触媒中温時にアンモニアの充填が完了する時刻ｔ２に比べて、より早く目標吸着量に到達する。
【００５０】
これにより、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）の一方の状態から他方の状態に切り換えることで、還元触媒２０へのアンモニアの充填時間が短縮され、ＮＯｘ浄化効率を高めることが可能である。
【００５１】
図７は、触媒温度（横軸）と目標中間吸着量（縦軸）との関係を示す特性図である。図４で説明したように、触媒温度が高温になるほど吸着量は低下する。目標中間吸着量を目標吸着量の１／２とすると、図７に示すように、触媒温度が高温になるほど目標中間吸着量も低下する。実吸着量についても、目標中間吸着量に到達した時点で図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す状態を切り換えることで、図７に示す特性上で変化する。図４の特性は還元触媒２０の固有の特性であり、図７に示す特性も還元触媒２０の固有の特性である。従って、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）の状態を切り換える際には、図７に基づいて、触媒温度に応じた目標中間吸着量を求め、実吸着量が目標中間吸着量に達した時点で切り換えを行う。
【００５２】
図８は、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）の状態を切り換えるタイミングを示す特性図である。図８の上段の特性図は、内燃機関５の運転時間の経過に伴い還元触媒２０の触媒温度が変動する様子を示している。図８の中段の特性図は、運転時間の経過に伴って取得される目標吸着量（○印）、目標中間吸着量（◎印）、実中間吸着量（×印）を示している。上述したように目標吸着量、及び目標中間吸着量は、図４及び図７の特性から得られる。また、実中間吸着量は、実吸着量と同様に吸着可能量Ｂの積算によって算出されるが、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）の状態の切り換えが行われると０にリセットされる点で実吸着量と相違する。理想的な状態では、実中間吸着量と目標中間吸着量は一致し、実中間吸着量は目標中間吸着量と同様に図７の特性上を変化する。
【００５３】
図８に示すように、触媒温度を一定の時間間隔で取得し、その時点での目標吸着量（○印）、目標中間吸着量（◎印）、及び実吸着量（×印）を演算する。そして、目標中間吸着量（◎印）に対する実吸着量（×印）の大きさを判定し、目標中間吸着量（◎印）よりも実吸着量（×印）が大きい場合は図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す状態の切り換えを行う。一方、目標中間吸着量（◎印）に対して実吸着量（×印）が小さい場合は図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す状態の切り換えは行わない。
【００５４】
図８の下段では、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す状態の切り換えを示している。時刻０から時刻ｔ２１までは図２（Ａ）に示す状態であり、排気ガスが還元触媒２０の左から右へ流れる。時刻ｔ２１では、目標中間吸着量（◎印）よりも実吸着量（×印）が大きいため、図２（Ａ）に示す状態から図２（Ｂ）に示す状態へ切り換えを行う。以降も時刻ｔ２２、ｔ２３、ｔ２４、ｔ２５、ｔ２６、・・・、ｔ２７の各時刻で同様の処理を行い、目標中間吸着量（◎印）よりも実吸着量（×印）が大きいｔ２３の時点では図２（Ｂ）に示す状態から図２（Ａ）に示す状態へ切り換えを行う。また、目標中間吸着量（◎印）よりも実吸着量（×印）が大きいｔ２６の時点では図２（Ａ）に示す状態から図２（Ｂ）に示す状態へ切り換えを行う。一方、時刻ｔ２２、ｔ２４、ｔ２５では、目標中間吸着量（◎印）に対して実吸着量（×印）が小さいため、切り換えは行わない。
【００５５】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す状態の切り換えを行った場合は、実中間吸着量を初期化して０にリセットを行う。この初期化を行うことで、実中間吸着量は、切り換えた後に還元触媒２０に排気ガスが流入する上流側半分の領域のアンモニアの吸着量を表すものとなる。
【００５６】
４．制御装置
図９は、本実施形態の排気浄化装置１０に備えられた制御装置６０の構成のうち、上述した排気ガス流れ方向の切換機構８０の制御に係る部分について機能的なブロックで示したものである。図９に示すように、制御装置６０は、実吸着量算出部６２、目標吸着量算出部６４、目標中間吸着量算出部６６、切換実行部６８、実吸着量初期化部７０を有して構成される。この制御装置６０は、公知の構成からなるマイクロコンピュータを中心に構成されており、各構成要素はマイクロコンピュータによるプログラムの実行によって実現される。
【００５７】
また、制御装置６０には図示しない記憶部が備えられている。この記憶部には、各構成要素での演算結果やあらかじめ用意されたデータマップ等が記憶される。記憶部は、揮発性のメモリ（ＲＡＭ：Random Access Memory）又は不揮発性のメモリから構成される。
【００５８】
実吸着量算出部６２は、還元剤噴射弁３４の開閉時間に基づいて、還元触媒２０への還元剤の実吸着量を算出する。目標吸着量算出部６４は、還元触媒２０の触媒温度に基づいて、図４の特性から還元触媒２０への還元剤の目標吸着量を求める。目標中間吸着量算出部６６は、還元触媒２０の触媒温度に基づいて、図７の特性から還元触媒２０への還元剤の目標中間吸着量を求める。切換実行部６８は、実吸着量が目標中間吸着量以上の場合は、切換機構による切り換えを実行させる。実吸着量初期化部７０は、切換実行部６８による切り換えが実行されると、実吸着量を初期化して０にリセットする。
【００５９】
図１０は、図８の処理を説明するためのフローチャートである。図９に示す処理は、制御装置６０において実行される。先ず、ステップＳ１０では、内燃機関５を始動する。次のステップＳ１２では、尿素水を噴射した際に熱分解が可能な排気温度（８００℃程度）に達しているか否かを判定し、熱分解が可能な排気温度であればステップＳ１４へ進む。一方、熱分解が可能な排気温度に達していない場合はステップＳ１２で待機する。
【００６０】
ステップＳ１４では、還元剤噴射弁３４からの尿素水の噴射を開始する。次のステップＳ１６では、タイマーによるＡ秒のカウントを開始する。ここで、Ａ秒は図８の時刻ｔ２１、ｔ２２、ｔ２３、ｔ２４、ｔ２５、ｔ２６、・・・、ｔ２７の各間隔に相当する。次のステップＳ１８では、還元剤噴射弁３４への開弁指示値に基づいて、実吸着量を計算する。
【００６１】
次のステップＳ２０では、タイマー時間のＡ秒が経過したことを検知する。次のステップＳ２２では、触媒温度から目標吸着量と目標中間吸着量を計算する。次のステップＳ２４では、Ａ秒が経過した時点で実吸着量が目標中間吸着量よりも大きいか否かを判定し、実吸着量が目標中間吸着量よりも大きい場合はステップＳ２６へ進む。ステップＳ２６では、実吸着量の演算を初期化し、実吸着量を０にリセットする。一方、ステップＳ２４において、実吸着量が目標中間吸着量以下の場合は、ステップＳ３０へ進む。
【００６２】
ステップＳ２６の後はステップＳ２８へ進む。ステップＳ２８では、排気ガスの流れ方向を切り換えるため、第１のバルブ９０、第２のバルブ９２、第３のバルブ９４を作動させる。次のステップＳ３０では、タイマー時間（Ａ秒）をクリアにする（Ａ＝０）。
【００６３】
次のステップＳ３２では、内燃機関５が停止状態であるか否か（イグニッションスイッチがオフであるか否か）を判定し、停止状態であれば処理を終了する（ＥＮＤ）。一方、内燃機関５が停止状態でなければステップＳ１６に戻り、タイマー時間（Ａ秒）のカウントを開始し、以降の処理を再度行う。
【００６４】
以上説明したように本実施形態によれば、還元触媒２０における排気ガスの流れ方向を正逆の２方向に切り換えることができる。従って、還元触媒２０の両側からアンモニアを吸着させることが可能となり、アンモニアの還元触媒２０への充填速度を向上することが可能となり、ＮＯｘの浄化効率を高めることが可能となる。また、還元触媒２０における排気ガスの流れ方向を切り換えることで、還元触媒２０内にアンモニアを均一に分布させることができる。これにより、還元触媒２０へアンモニアの充填の均一性を向上できる。
【００６５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００６６】
１０    排気浄化触媒
１１    排気通路
２０    還元触媒
３４    還元剤噴射弁
６０    制御装置
６２    実吸着量算出部
６４    目標吸着量算出部
６６    目標中間吸着量算出部
６８    切換実行部
７０    実吸着量初期化部
８０    切換機構
８２，８４，８６，８８    流路
９０    第１のバルブ
９２    第２のバルブ
９４    第３のバルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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