(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニア由来の還元剤によりＮＯｘに対する選択還元性を有する触媒粒子で形成された複数の触媒層が触媒基材上に配置された選択還元型ＮＯｘ触媒であって、高温でのＮＯｘ還元性が高い高温触媒層と、前記高温触媒層よりも低温でのＮＯｘ還元性が高い触媒層であって該高温触媒層よりも該触媒基材側に配置される低温触媒層とを少なくとも有する選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気に、ＮＯｘの還元のための還元剤を所定添加量添加する添加手段と、
前記所定添加量が同量の条件において、前記低温触媒層によるＮＯｘ還元性が前記高温触媒層に比べて高くなる所定の低温領域に属する場合は、該選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が、該所定の低温領域よりも高い温度領域であって該高温触媒層によるＮＯｘ還元性が該低温触媒層に比べて高くなる所定の高温領域に属する場合と比べて、前記添加手段による前記所定添加量の還元剤添加が行われてから次回の該添加手段による該所定添加量の還元剤添加が行われるまでの還元剤添加期間において、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気中に形成される還元剤雰囲気の還元剤濃度が高くなるように、前記添加手段による還元剤添加を制御する制御手段と、
を備える、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記添加手段により前記所定添加量の還元剤が排気に添加されると、前記還元剤雰囲気の還元剤濃度は時間とともに変動し、
前記制御手段は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定の低温領域に属する場合における前記還元剤添加期間での前記還元剤雰囲気の還元剤濃度の高低差が、該選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定の高温領域に属する場合における該還元剤雰囲気の高低差と比べて大きくなるように、前記添加手段による還元剤添加を制御する、
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記添加手段により前記所定添加量の還元剤が排気に添加されると、前記還元剤雰囲気の還元剤濃度は時間とともに変動し、
前記制御手段は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定の低温領域に属する場合における前記還元剤添加期間での前記還元剤雰囲気の還元剤濃度のピーク値が、該選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定の高温領域に属する場合における該還元剤雰囲気の還元剤濃度のピーク値と比べて高くなるように、前記添加手段による還元剤添加を制御する、
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記還元剤添加期間において添加と休止を交互に繰り返す形式で前記所定添加量の還元剤を排気に添加する際に、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定の低温領域に属する場合は、該選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定の高温領域に属する場合と比べて、隣接する還元剤の添加間隔を短くすることで前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気の還元剤濃度を高くする、
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記添加手段は、前記還元剤を排気中に添加する供給弁であって、
前記制御手段は、前記添加手段により前記所定添加量の還元剤を排気に添加する際に、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定の低温領域に属する場合は、該選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定の高温領域に属する場合と比べて、前記供給弁における還元剤の射出圧力を高くすることで前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気の還元剤濃度を高くする、
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定の低温領域に属している場合に還元剤が前記低温触媒層に到達するか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段によって還元剤が前記低温触媒層に到達しないと判定される場合に、前記低温触媒層に還元剤が到達するように前記制御手段により増加されるべき前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気の還元剤濃度の増加分を算出する濃度増加算出手段と、
を更に備え、
前記制御手段は、前記濃度増加算出手段によって算出された前記還元剤濃度の増加分に応じて、前記添加手段による還元剤添加を制御する、
請求項１から請求項５の何れか１項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】
本願発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気通路には、排気中のＮＯｘを還元するための選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」とも言う）を備える場合がある。一般には、ＮＯｘ触媒は、ゼオライトの細孔内部に、ＦｅやＣｕ等のＮＯｘに対する選択還元性を示す少なくとも１種の活性成分がイオン交換により担持されて形成されている。
【０００３】
このＮＯｘ触媒においては、アンモニア等の還元剤が供給されることで排気中のＮＯｘが選択的に還元されるが、ＮＯｘ触媒においては特にその触媒温度が低温である場合に、十分なＮＯｘの浄化効率が得られにくい。そこで、例えば、特許文献１に示す技術では、ＮＯｘ触媒を下層触媒と上層触媒の２層構造とし、その下層触媒に貴金属による酸化機能を付与し、その上層触媒には酸化機能を付与せず還元機能のみを付与する構成が開示されている。そして、下層触媒によりＮＯをＮＯ２に酸化し、そのＮＯ２を上層触媒におけるアンモニアとのＮＯｘ還元に利用する点に言及がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２７９３３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術によれば、ＮＯｘ触媒を下層触媒と上層触媒の二層構造とするとともに、下層触媒に付与された酸化能力により排気中のＮＯをＮＯ２に酸化させて、そのＮＯ２を上層触媒でのＮＯｘ還元に利用している。このような二層構造を有するＮＯｘ触媒では、ＮＯｘを選択還元するのは結局上層触媒のみであるから、ＮＯｘ触媒全体としてはＮＯｘの還元浄化能力は必ずしも高くはない。
【０００６】
また二層構造を有するＮＯｘ触媒の別法として、下層触媒にもＮＯｘの還元機能を付与し、且つその還元特性を上層触媒の還元特性よりも低温側で高いＮＯｘ還元能力を発揮するように形成する形態も採用し得る。より低温側でのＮＯｘ還元能力が下層触媒に付与されるのは、仮に上層触媒に低温側でのＮＯｘ還元能力が付与されてしまうとＮＯｘ触媒が高温となった際に、排気が流れ込みやすい上層触媒によってＮＯｘ還元のための還元剤であるアンモニアが酸化されＮＯｘとなってしまい、結果としてＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率が低下してしまうからである。そこでこのような形態によるＮＯｘ触媒では、内燃機関が機関始動してから十分な時間が経過していない場合等、ＮＯｘ触媒の温度が比較的低い場合において、下層触媒によるＮＯｘの選択還元が期待されるが、ＮＯｘ触媒の温度が比較的低い場合、その上層触媒による還元剤の吸着能力が高くなる傾向がある。そのため、排気を介して還元剤がＮＯｘ触媒に供給されても、還元剤が上層触媒で吸着されてしまい下層触媒に届きにくくなり、低温時のＮＯｘ触媒によるＮＯｘ還元を効率的に実現するのが困難となる恐れがある。
【０００７】
本願発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ＮＯｘ触媒の低温時と高温時のＮＯｘ還元の効率化を両立させ、特に低温時のＮＯｘ触媒によるＮＯｘ還元の効率の向上を図る技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本出願人は、温度に対するＮＯｘ還元性が異なる低温触媒層と高温触媒層とを有する選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気に還元剤を添加するに際して、その還元剤添加期間での還元剤雰囲気の還元剤濃度を選択還元型ＮＯｘ触媒の温度に応じて調整する構成を採用した。当該還元剤雰囲気の還元剤濃度は、単位時間での、排気中に還元剤が添加されて形成される還元剤雰囲気（すなわち、還元剤を含む排気）において該添加された還元剤が占める割合として定義される。例えば、当該還元剤濃度は、単位時間当たりに添加された還元剤量を、単位時間当たりの排気量で除した値として算出できる。そして、還元剤添加期間での還元剤雰囲気の還元剤濃度が調整されることで、添加された還元剤の選択還元型ＮＯｘ触媒における拡散の程度が変化する。このように還元剤濃度を調整することで、低温時に低温触媒層に還元剤を好適に届けることができ、以て低温触媒層によるＮＯｘ還元を好適に発揮させることが可能となる。
【０００９】
より詳細には、本願発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、アンモニア由来の還元剤によりＮＯｘに対する選択還元性を有する触媒粒子で形成された複数の触媒層が触媒基材上に配置された選択還元型ＮＯｘ触媒であって、高温でのＮＯｘ還元性が高い高温触媒層と、前記高温触媒層よりも低温でのＮＯｘ還元性が高い触媒層であって該高温触媒層よりも該触媒基材側に配置される低温触媒層とを少なくとも有する選択還元型ＮＯｘ触媒と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気に、ＮＯｘの還元のための還元剤を所定添加量添加する添加手段と、前記所定添加量が同量の条件において、前記低温触媒層によるＮＯｘ還元性が前記高温触媒層に比べて高くなる所定の低温領域に属する場合は、該選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が、該所定の低温領域よりも高い温度領域であって該高温触媒層によるＮＯｘ還元性が該低温触媒層に比べて高くなる所定の高温領域に属する場合と比べて、前記添加手段による前記所定添加量の還元剤添加が行われてから次回の該添加手段による該所定添加量の還元剤添加が行われるまでの還元剤添加期間において、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気中に形成される還元剤雰囲気の還元剤濃度が高くなるように、前記添加手段による還元剤添加を制御する制御手段と、を備える。
【００１０】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置が有する選択還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ触媒）は、触媒基材上に複数の触媒層が配置されて形成され、当該複数の触媒層には、上記低温触媒層と高温触媒層とが少なくとも含まれる。上記ＮＯｘ触媒においては、低温触媒層と高温触媒層以外の触媒層が含まれることは妨げられない。ここで、低温触媒層は、高温触媒層よりも触媒基材側に位置することになるため、ＮＯｘ触媒により還元される対象のＮＯｘの大部分は、先ず、触媒外から高温触媒層に流れ込み、その後に低温触媒層に流れ込むことになる。この場合触媒基材から見たときに低温触媒層が高温触媒層の下側に位置することから、本願では、高温触媒層に対する低温触媒層の相対位置を下側、逆に低温触媒層に対する高温触媒層の相対位置を上側と称する場合もある。
【００１１】
低温触媒層は触媒温度が所定の低温領域に属するとき（以下、「ＮＯｘ触媒の低温時」ともいう）には高温触媒層より好適なＮＯｘ還元性を示すものの、その触媒温度が高くなり所定の高温領域に属するようになるとその酸化能力が強くなる傾向があり、還元剤を酸化することでかえってＮＯｘ量を増やしてしまう場合がある（以下、触媒温度が所定の高温領域に属するときを、「ＮＯｘ触媒の高温時」ともいう）。この結果、触媒温度が所定の高温領域に属する場合には、高温触媒層によるＮＯｘ還元性も伴い、その還元性が低温触媒層によるＮＯｘ還元性より高くなる。そこで、上記のように低温触媒層が高温触媒層よりも下側に配置されることで、ＮＯｘ触媒の高温時において還元剤が低温触媒層に到達しにくくすることができ、以て高温時におけるＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元効率を好適に維持させることが可能となる。
【００１２】
一方で、このように低温触媒層が高温触媒層の下側に配置されると、低温時に低温触媒
層によるＮＯｘ還元反応を促進させるための還元剤を低温触媒層に届けるのが困難となり得る。これは還元剤が低温触媒層に至るまでに高温触媒層が介在し、また低温時には高温触媒層による還元剤の吸着能力も小さくはないからである。このことは、還元剤の低温触媒層への到達について、高温触媒層が障害物となることを意味する。しかし、低温時に低温触媒層に還元剤を届けるために排気への還元剤の添加量を増やしても、必ずしも低温触媒層に還元剤が到達するとは限らず、かえってＮＯｘ触媒からその下流に還元剤がスリップしてしまう可能性が大きくなる。
【００１３】
そこで、本発明に係る排気浄化装置では、還元剤添加期間の間に添加される所定添加量が同量の条件において、ＮＯｘ触媒の温度が低い場合の還元剤雰囲気の還元剤濃度が、当該温度が高い場合の還元剤雰囲気の還元剤濃度より高くなるように、制御手段が添加手段による還元剤添加を制御する。添加手段により添加される所定添加量は、継続して排気がＮＯｘ触媒に流れる期間よりも十分に短いある一定の期間において該ＮＯｘ触媒に流れ込んだＮＯｘ量に対応した還元剤の添加量であり、例えば、ＮＯｘ触媒に吸着しているアンモニア量や排気中のＮＯｘ濃度等の、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ還元の条件に応じて決定される。したがって、当該還元剤添加期間は、添加手段による所定添加量の還元剤添加が行われてから次回の所定添加量の還元剤添加が行われるまでの期間と定義されるが、ＮＯｘ触媒に継続して排気が流れ込む場合は、還元剤添加期間が順次繰り返され、その各還元剤添加期間において、添加量の総量が所定添加量となるように、排気への還元剤の添加が少なくとも１回行われる。このように構成される制御手段は、ＮＯｘ触媒の低温時に、還元剤添加期間において排気への還元剤添加量を増やすことなくＮＯｘ触媒に流れ込む排気中に、高温時と比べてより濃い還元剤雰囲気を形成させるように還元剤添加を制御する。
【００１４】
このようにＮＯｘ触媒の低温時に制御手段により還元剤添加期間において濃い還元剤雰囲気が形成され、当該還元剤雰囲気がＮＯｘ触媒に対して高温触媒層から入り込むと、触媒基材側（下側）に位置する低温触媒層に還元剤雰囲気の一部が到達しやすくなる。この結果、低温触媒層により効率的に還元剤が供給されることになるため、ＮＯｘ触媒の低温時に低温触媒層によるＮＯｘ還元を効果的に発揮させることが可能となる。また、この高濃度の還元剤雰囲気の形成に際しては還元剤量の増量は行われていないため、還元剤のＮＯｘ触媒下流側へのスリップを十分に回避することが可能である。
【００１５】
以上より本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、ＮＯｘ触媒の低温時であっても高温触媒層を経て低温触媒層に確実に還元剤を届けることが可能となるため、ＮＯｘ触媒の低温時と高温時のＮＯｘ還元の効率化を両立させ、特に低温時のＮＯｘ触媒によるＮＯｘ還元の効率化が図られる。
【００１６】
ここで、上記の内燃機関の排気浄化装置において、前記添加手段により前記所定添加量の還元剤が排気に添加されると、前記還元剤雰囲気の還元剤濃度は時間とともに変動し、その場合、前記制御手段は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定の低温領域に属する場合における前記還元剤添加期間での前記還元剤雰囲気の還元剤濃度の高低差が、該選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定の高温領域に属する場合における該還元剤雰囲気の高低差と比べて大きくなるように、前記添加手段による還元剤添加を制御してもよい。このようにＮＯｘ触媒の低温時に、還元剤雰囲気の還元剤濃度の高低差を拡大させることで、より高濃度の還元剤雰囲気を排気中に形成することになる。その結果、上記の通り、ＮＯｘ触媒の低温時に低温触媒層に効果的に還元剤を供給することが可能となる。
【００１７】
また、前記添加手段により前記所定添加量の還元剤が排気に添加されると、前記還元剤雰囲気の還元剤濃度は時間とともに変動する場合、前記制御手段は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定の低温領域に属する場合における前記還元剤添加期間での前記還元剤雰囲気の還元剤濃度のピーク値が、該選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定の高温
領域に属する場合における該還元剤雰囲気の還元剤濃度のピーク値と比べて高くなるように、前記添加手段による還元剤添加を制御してもよい。このようにＮＯｘ触媒の低温時に、還元剤雰囲気の還元剤濃度のピーク値をより高くすることでより高濃度の還元剤雰囲気を排気中に形成し、以て、低温触媒層に効果的に還元剤を供給することが可能となる。
【００１８】
また、上述までの、内燃機関の排気浄化装置において、前記制御手段は、前記還元剤添加期間において添加と休止を交互に繰り返す形式で前記所定添加量の還元剤を排気に添加する際に、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定の低温領域に属する場合は、該選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定の高温領域に属する場合と比べて、隣接する還元剤の添加間隔を短くすることで前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気の還元剤濃度を高くしてもよい。すなわち、還元剤添加期間内に複数の添加を行うことで当該期間内に総量で所定添加量の還元剤の添加を行う形式（例えば、スパイク形式）を採用する場合、そのスパイク形式に関連するパラメータである添加間隔（以下、「スパイク間隔」ともいう）を短くするほど、還元剤添加期間内において形成される還元剤濃度は高くなる傾向がある。そこで、この傾向を利用して、ＮＯｘ触媒の低温触媒層に還元剤を到達させるための還元剤濃度を形成すればよい。
【００１９】
また、還元剤濃度の制御に関する別法として、また、上述までの、内燃機関の排気浄化装置において、前記添加手段は、前記還元剤を排気中に添加する供給弁であって、前記制御手段は、前記添加手段により前記所定添加量の還元剤を排気に添加する際に、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定の低温領域に属する場合は、該選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定の高温領域に属する場合と比べて、前記供給弁における還元剤の射出圧力を高くすることで前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気の還元剤濃度を高くしてもよい。すなわち、供給弁の射出圧力を制御することで、排気中への単位時間当たりの還元剤の添加量を変更し、排気中の還元剤濃度を変化させる構成を採用する場合、その射出圧力を高くするほど、還元剤添加期間内において形成される還元剤濃度は高くなる傾向がある。そこで、この傾向を利用して、ＮＯｘ触媒の低温触媒層に還元剤を到達させる還元剤濃度を形成すればよい。
【００２０】
また、上記の内燃機関の排気浄化装置は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記所定の低温領域に属している場合に還元剤が前記低温触媒層に到達するか否かを判定する判定手段と、前記判定手段によって還元剤が前記低温触媒層に到達しないと判定される場合に、前記低温触媒層に還元剤が到達するように前記制御手段により増加されるべき前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気の還元剤濃度の増加分を算出する濃度増加算出手段と、を更に備えてもよい。その場合、前記制御手段は、前記濃度増加算出手段によって算出された前記還元剤濃度の増加分に応じて、前記添加手段による還元剤添加を制御する。
【００２１】
このような構成によれば、制御手段による上述した高濃度の還元剤雰囲気の形成は、ＮＯｘ触媒の低温時に判定手段によって還元剤が低温触媒層に到達しないと判定される場合に行われることになる。換言すれば、ＮＯｘ触媒が低温時であっても還元剤が低温触媒層に到達すると判定される場合には、上述した高濃度の還元剤雰囲気の形成は行われない。判定手段による判定は、還元剤が下側に位置する低温触媒層に到達する場合の障害物となる高温触媒層による、還元剤の吸着能力に関連するパラメータ、例えばＮＯｘ触媒の温度等に基づいて実行することができる。また、制御手段による高濃度の還元剤雰囲気の形成は、濃度増加算出手段により算出された還元剤濃度の増加分に応じて実行されるため、低温触媒層に還元剤をより確実に届けるための高濃度の還元剤雰囲気の形成が可能となる。なお、当該還元剤濃度の増加分は、判定手段による判定で利用された還元剤の吸着能力に関連するパラメータ等を考慮して算出することができる。
【００２２】
ここで、上述までの内燃機関の排気浄化装置において、低温触媒層はＣｕ元素でゼオラ
イト結晶がイオン交換されて形成された触媒粒子を含むように形成されてもよく、一方で高温触媒層はＦｅ元素でゼオライト結晶がイオン交換されて形成された触媒粒子を含むように形成されてもよい。また、別の形態として、低温触媒層はＭｎ酸化物であるＳｎＭｎＣｅＯｘで形成された触媒粒子を含むように形成されてもよく、一方で高温触媒層は同じようにＦｅ元素でゼオライト結晶がイオン交換されて形成された触媒粒子を含むように形成されてもよい。なお、Ｓｎ及びＣｅは、ＮＯｘ触媒の耐久性を向上させるために添加された成分である。したがって、耐久性向上のために又はその他の目的のためにＳｎ、Ｃｅ以外の成分が添加されたＭｎ酸化物、または、当該他の成分が添加されていないＭｎ酸化物も、本願発明におけるＭｎ酸化物の範疇に属するものである。また本発明は、これら以外の態様の触媒粒子により低温触媒層及び高温触媒層が形成されることを除外するものではない。
【発明の効果】
【００２３】
本願発明によれば、ＮＯｘ触媒の低温時と高温時のＮＯｘ還元の効率化を両立させ、特に低温時のＮＯｘ触媒によるＮＯｘ還元の効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】二層の触媒層を有する選択還元型ＮＯｘ触媒を用いた内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す排気浄化装置に用いられる選択還元型ＮＯｘ触媒の概略構成を示す図である。
【図２】選択還元型ＮＯｘ触媒における活性成分としてのＣｕ及びＦｅの、触媒温度とＮＯｘに対する選択還元能力との相関を示す図である。
【図３Ａ】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置で行われる尿素水添加の第１の形態の概略を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示す尿素水添加が行われたときの、選択還元型ＮＯｘ触媒での還元剤であるアンモニアの拡散の状況を示す図である。
【図４】図３Ａに示す尿素水添加時の添加開弁時間と選択還元型ＮＯｘ触媒の温度との相関等を示す図である。
【図５】図３Ａに示す尿素水添加が行われたときに選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気に形成される還元剤雰囲気での、還元剤濃度の推移を示す図である。
【図６】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置で行われる尿素水添加の第２の形態の概略を示す図である。
【図７】図６に示す尿素水添加時のスパイク間隔と選択還元型ＮＯｘ触媒の温度との相関等を示す図である。
【図８】図６に示す尿素水添加が行われたときに選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気に形成される還元剤雰囲気での、還元剤濃度の推移を示す図である。
【図９】本願発明に係る内燃機関の排気浄化装置で実行される第１のＮＯｘ浄化制御のフローチャートである。
【図１０】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置で行われる尿素水添加の第３の形態を示す図である。
【図１１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置で行われる尿素水添加の第４の形態を示す図である。
【図１２】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置で行われる尿素水添加の第５の形態を示す図である。
【図１３】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置で行われる尿素水添加の第６の形態を示す図である。
【図１４】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置で行われる尿素水添加の第７の形態を示す図である。
【図１５】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置で行われる尿素水添加の第８の形態を示す図である。
【図１６】本願発明に係る内燃機関の排気浄化装置で実行される第２のＮＯｘ浄化制御のフローチャートである。
【図１７Ａ】図１６に示すＮＯｘ浄化制御で使用される、低温触媒層へのアンモニアの到達の可否を判定するための制御マップを示す図である。
【図１７Ｂ】図１６に示すＮＯｘ浄化制御における高濃度添加処理のための添加開弁時間及び射出圧力を決定するための制御マップを示す図である。
【図１７Ｃ】図１６に示すＮＯｘ浄化制御における高濃度添加処理のためのスパイク間隔を決定するための制御マップを示す図である。
【図１８】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置に適用可能な、三層の触媒層を有する選択還元型ＮＯｘ触媒の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本願発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【実施例１】
【００２６】
本願発明に係る選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」ともいう）の実施例について、本願明細書に添付された図に基づいて説明する。図１Ａは、ＮＯｘ触媒３が搭載される、内燃機関１の排気浄化装置を表している。図１Ａに示す内燃機関１は、車両駆動用のディーゼルエンジンである。ただし、内燃機関１としては、ディーゼルエンジンに限られるものではなく、ガソリンエンジン等であってもよい。なお、図１Ａにおいては、排気通路２を流れる排気の一部を吸気系に再循環させるＥＧＲ装置等の記載は省略されている。
【００２７】
内燃機関１の排気通路２には、排気中のＮＯｘを、アンモニアを還元剤として選択還元するＮＯｘ触媒３が配置されている。更に、ＮＯｘ触媒３において還元剤として作用するアンモニアを生成するために、尿素タンク４に貯留されている、アンモニアの前駆体である尿素水が、ＮＯｘ触媒３の上流側に位置する供給弁５によって排気中に添加される。供給弁５から添加された尿素水が排気の熱で加水分解されて、アンモニアが生成され、当該アンモニアが順次、ＮＯｘ触媒３に流れ込んでそこに吸着し、吸着したアンモニアと排気中のＮＯｘとの還元反応が生じ、ＮＯｘの還元浄化が行われる。なお、本実施例では、上記の通り供給弁５から尿素水が添加されるが、それに代えて、アンモニア又はアンモニア水を直接排気に供給してもよい。更に、ＮＯｘ触媒３の下流側に、そこからスリップしてくるアンモニアを酸化するための酸化触媒が設けられてもよい。
【００２８】
ＮＯｘ触媒３は、触媒基材３３に触媒粒子を含むスラリーが塗布され、その後の乾燥、焼結工程を経て形成される。具体的には、図１Ｂに示すように、ＮＯｘ触媒３は、第１触媒層３１と第２触媒層３２を有し、該第２触媒層３２は触媒基材３３側に配置され、該第１触媒層３１は排気通路２における排気の流れに近い位置に配置されている。したがって、第２触媒層３２は、第１触媒層３１と触媒基材３３との間に挟まれるように配置されており、排気中のＮＯｘは、第１触媒層３１に入り込みそこを拡散して第２触媒層３２へと到達することになる。なお、このように複数の触媒層が触媒基材上にコートされて形成される複数層コート型のＮＯｘ触媒の構造自体は、従来より知られた構造であるので、その製造工程の詳細については本願では説明を割愛する。
【００２９】
ここで、第１触媒層３１を形成する触媒粒子について説明する。当該触媒粒子は、ゼオライト結晶の一部が、排気中のＮＯｘに対して選択還元性を示す活性成分であるＦｅ（鉄）元素でイオン交換されて形成された触媒粒子であり、該触媒粒子がバインダによって結
合されることで、第１触媒層３１が形成されている。このように構成される第１触媒層３１に排気が流れ込むことで、排気中のＮＯｘが、還元剤のアンモニアとともに第１触媒層３１のゼオライト細孔内に拡散していき、ＮＯｘ還元反応が生じることになる。
【００３０】
ここで、ＮＯｘ触媒３において用いられる第１触媒層３１における、ＮＯｘに対する選択還元性を示す活性成分としては、上記の通り、Ｆｅが用いられている。そして、このようにゼオライト結晶をＦｅでイオン交換することで形成されるＮＯｘ触媒（以下、「Ｆｅ交換型ＮＯｘ触媒」という）は、図２のＬ１で示すように、相対的に高温時（例えば、４００℃より高い温度領域時）でのＮＯｘ浄化能が高くなる傾向がある。一方で、ＮＯｘ触媒３において用いられる第２触媒層３２における、ＮＯｘに対する選択還元性を示す活性成分としては、ＮＯｘに対する選択還元性を示す別の活性成分としてＣｕが用いられている。このようにゼオライト結晶をＣｕでイオン交換することで形成されるＮＯｘ触媒（以下、「Ｃｕ交換型ＮＯｘ触媒」という）は、図２のＬ２で示すように、相対的に低温時（例えば、２３０℃〜４００℃の温度領域時）でのＮＯｘ浄化能が高くなる傾向がある。これは、このＣｕ交換型ＮＯｘ触媒は、Ｆｅ交換型ＮＯｘ触媒よりも酸化能力が強いとされるため、高温時には酸素と還元剤との反応に選択性を強く示し、以てＮＯｘ還元のための還元剤であるアンモニアを酸化してＮＯｘを生成する傾向が強くなり、ＮＯｘ浄化率が低下してしまうためである。
【００３１】
以上より、第１触媒層３１は本発明の高温触媒層に相当し、第２触媒層３２は本発明の低温触媒層に相当する。そして、ＮＯｘ触媒３が、図１Ｂに示すように第１触媒層３１と第２触媒層３２を有し触媒層が積層された状態で形成されることで、比較的広いＮＯｘ触媒３の温度幅においてＮＯｘを還元浄化することが可能となる。すなわち、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側の浄化領域Ｔ２（当該領域は、本発明に係る所定の低温領域に相当する）に属している場合は、主に第２触媒層３２によるＮＯｘ還元性能を利用してＮＯｘを浄化し、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側の浄化領域Ｔ３（当該領域は、本発明に係る所定の高温領域に相当する）に属している場合は、主に第１触媒層３１によるＮＯｘ還元性能を利用してＮＯｘを浄化することが期待される。なお、高温触媒層に相当する第１触媒層３１が第２触媒層３２の上側に配置されているため、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合では、排気中のアンモニアを第１触媒層３１で消費し、第２触媒層３２に到達しにくくすることができる。その結果、アンモニアのＮＯｘへの転換を阻止でき、高温時のＮＯｘ触媒３のＮＯｘ浄化率の低下を効果的に抑制できる。
【００３２】
また、ＮＯｘ触媒３の温度に関し、低温側浄化領域Ｔ２より低温側の領域Ｔ１は、ＮＯｘ触媒３が十分に活性しておらずＮＯｘの還元浄化が見込まれない温度領域である。そこで、この領域Ｔ１は未活性領域と称する。更に、高温側浄化領域Ｔ３より高温側の領域Ｔ４は、高温化により第１触媒層３１でのＮＯｘ浄化率も低下していく領域である。そこで、この領域Ｔ４は過昇温領域と称する。これら未活性領域Ｔ１及び過昇温領域Ｔ４では、ＮＯｘ触媒３によるＮＯｘの還元浄化は見込めないため、供給弁５からの尿素水添加は原則として行われない。
【００３３】
また、ＮＯｘ触媒３の上流側には、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１０が設けられ、ＮＯｘ触媒３の下流側には、ＮＯｘ触媒３から流れ出る排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１１が設けられている。更に、ＮＯｘ触媒３の下流側には、ＮＯｘ触媒３から流れ出る排気温度を検出する温度センサ１４が設けられる。そして、内燃機関１には電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０が併設されており、該ＥＣＵ２０は内燃機関１の運転状態や排気浄化装置等を制御するユニットである。ＥＣＵ２０には、上述したＮＯｘセンサ１０、１１、温度センサ１４の他、クランクポジションセンサ２１及びアクセル開度センサ２２や、内燃機関１の吸気通路２５に設置されたエアフローメータ２６等が電気的に接続され、各センサの検出値がＥＣＵ２０に渡される。した
がって、ＥＣＵ２０は、エアフローメータ２６の検出値に基づく吸入空気量やそれに基づいて算出される排気流量や、クランクポジションセンサ２１の検出に基づく機関回転数や、アクセル開度センサ２２の検出に基づく機関負荷等の内燃機関１の運転状態に関するパラメータを把握可能である。
【００３４】
なお、本実施例では、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘ濃度はＮＯｘセンサ１０によって検出可能であるが、内燃機関１から排出される排気（ＮＯｘ触媒３に浄化される前の排気であり、すなわちＮＯｘ触媒３に流れ込む排気）のＮＯｘ濃度は、内燃機関の運転状態と関連性を有することから、上記内燃機関１の運転状態に基づいて、推定することも可能である。
【００３５】
そして、このように検出、推定される排気中のＮＯｘ濃度に応じて、ＥＣＵ２０は供給弁５に指示を出し、ＮＯｘの還元浄化に必要な量の尿素水が排気中に添加される。例えば、以下の式１で決定されるＮＯｘ触媒３による実際のＮＯｘ浄化率が、排気浄化の観点から好ましい所定の範囲に収まるように、供給弁７からの尿素水の添加量が決定されてもよく、また、別法として、推定されるＳＣＲ触媒に吸着されているアンモニア量に基づいて供給弁７からの尿素水の添加量が決定されてもよい。
ＮＯｘ浄化率  ＝  １−（ＮＯｘセンサ１１の検出値）／（ＮＯｘセンサ１０の検出値）  ・・（式１）
【００３６】
ここで、上記の通り、ＮＯｘ触媒３においては、低温触媒層に相当する第２触媒層３２が下側に配置されている。そのため、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属している場合、第２触媒層３２でのＮＯｘの還元反応を促進させるためには、第２触媒層３２の上側に配置される第１触媒層３１を通過して、還元剤であるアンモニアを第２触媒層３２へ届ける必要がある。このとき第１触媒層３１にアンモニアが吸着されると、第２触媒層３２に到達できるアンモニア量が減ることになる。従来技術では、このような第１触媒層３１の存在を前提とした尿素水添加の形態は検討されておらず、結果として第２触媒層３２によるＮＯｘ還元反応を十分に促進させることは容易ではない。
【００３７】
この点を踏まえて、本発明に係る排気浄化装置では、ＮＯｘ触媒３において第２触媒層３２でのＮＯｘ還元反応を見込む場合、すなわち、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属する場合には、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属する場合と比べて供給弁５による尿素水添加の形態を変更する。以下、図３Ａ及び図３Ｂに基づいて、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属する場合の尿素水添加について概略的に説明する。図３Ａは、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属する場合の第１の尿素水添加に関する、供給弁５からの添加開弁時間（すなわち、供給弁５が開弁し排気中に尿素水を射出している時間）と、それにより排気に形成される還元剤雰囲気（すなわち、ＮＯｘ触媒３に流れ込む還元剤雰囲気）のアンモニア濃度との相関（以下、「濃度相関」という）を模式的に示したものである。
【００３８】
図３Ａに示す添加形態では、還元剤添加期間において、一度の尿素水の添加が行われ、その際の供給弁５の開弁時間が上記添加開弁時間となる。ここで、本発明に係る還元剤添加期間は、継続して排気がＮＯｘ触媒３に流れる期間よりも十分に短いある一定の期間において、該ＮＯｘ触媒３に流れ込んだＮＯｘ量に対応する所定添加量の尿素水が添加される期間である。そして、当該期間は、今回の所定添加量の尿素水添加が行われてから、次回の所定添加量の尿素水添加が行われるまでの期間である。当該所定添加量は、上述した式１や、ＮＯｘ触媒に吸着しているアンモニア量等に基づいて算出される。図３Ａにおいては、この還元剤添加期間はΔａで示されており、例えば当該期間は２秒である。還元剤添加期間Δａは比較的短いため、図３Ａに示すようにＮＯｘ触媒３に継続して排気が流れ込む場合は、還元剤添加期間Δａが順次繰り返され、各期間において一度の還元剤添加が
行われる。したがって、供給弁５の添加開弁時間は、還元剤添加期間Δａより短い時間となる。また、図３Ｂは、図３Ａに示す尿素水添加が行われたときの、ＮＯｘ触媒３でのアンモニアの拡散の状況を模式的に示している。また、還元剤雰囲気のアンモニア濃度は、単位時間で生成されるアンモニア量を単位時間の排気量で除した値として算出される。
【００３９】
ここで、図３Ａに示すＬ３及びＬ４は、還元剤添加期間Δａにおいて供給弁５から同じ所定添加量の尿素水が排気に添加されたときの濃度相関を示しており、具体的には、Ｌ３は標準拡散モデルに従った濃度相関を示し、Ｌ４は本発明に従った濃度相関を示している。なお、Ｌ０は還元剤添加期間Δａの次の還元剤添加期間での濃度相関を例示したものである。当該標準拡散モデルは、ＮＯｘ触媒３の上層側からアンモニアが拡散していき順次吸着していく、標準的なＮＯｘ触媒３内でのアンモニアの拡散モデルであり、その場合、図３ＢにおいてＲ１で示すように、ＮＯｘ触媒３の上層側から白抜きの矢印で示される排気の流れに従って広く下流側に拡散していく。Ｌ３のケースでは、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属している際に第２触媒層３２にアンモニアを届けるために、第１触媒層３１の存在を前提とした尿素水添加の形態は特段に検討されていない。そのため、Ｌ３のケースでの添加開弁時間Δｆ１は、ＮＯｘ触媒３の温度に関連しない標準拡散モデルに従って決定される。
【００４０】
一方で、本発明においては、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属している際に第２触媒層３２にアンモニアを届けるために、第１触媒層３１の存在を前提とした尿素水添加が実行される。具体的には、供給弁５の射出圧力が上昇されて、標準拡散モデルに従った場合の添加開弁時間Δｆ１よりも短い添加開弁時間Δｆ２で、同量の尿素水が排気に添加されるように供給弁５からの尿素水添加が実行される。その結果、図３ＡにおいてＬ４で示すように、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気中の還元剤雰囲気でのアンモニア濃度は、標準拡散モデルに従った場合のアンモニア濃度よりも高くなる。すなわち、本発明では、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属している場合には、排気への尿素水の添加速度を標準拡散モデルに従った場合と比べて高めることで、排気中にアンモニアが高濃度で分布する還元剤雰囲気を形成する。この結果、図３ＢにおいてＲ２で示すように、ＮＯｘ触媒３に供給されたアンモニアは、標準拡散モデルに従った場合（Ｒ１で示される場合）と比べて、排気の下流側に拡散しにくく且つＮＯｘ触媒３の深さ方向（上下方向）に拡散することになる。これにより、第２触媒層３２によるＮＯｘ還元反応ために、第１触媒層３１が存在していても第２触媒層３２にアンモニアを届けることが可能となる。なお、このように高濃度の還元剤雰囲気の形成により第２触媒層３２への到達を可能とする、本発明に係るＮＯｘ触媒３内でのアンモニアの拡散モデルを、高濃度拡散モデルと称する。
【００４１】
更に、図４に基づいて、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２と高温側浄化領域Ｔ３に属する場合の尿素水添加について概略的に説明する。図４は、図３Ａと同じように所定添加量の尿素水が供給弁５から供給されるとした場合の、ＮＯｘ触媒３の温度と、供給弁５からの添加開弁時間、上記還元剤雰囲気のアンモニア濃度、アンモニアのＮＯｘ触媒３への供給速度（単位時間当たりの供給量）のそれぞれとの相関を、上段（ａ）、中段（ｂ）、下段（ｃ）に示している。そして、各図において、Ｌ５は標準拡散モデルに従った各相関を示しており、Ｌ６は本発明に従った各相関を示している。
【００４２】
標準拡散モデルに従った場合、上記の通り、ＮＯｘ触媒３の温度を考慮せずに尿素水添加が行われる。そのため、図４に示す各相関において、ＮＯｘ触媒３の温度にかかわらず添加開弁時間、アンモニア濃度、アンモニア供給速度は一定となる。
【００４３】
一方で、本発明に従った場合、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属しているときの添加開弁時間は、上記の通り標準拡散モデルに従った場合の添加開弁時間Δｆ１と
比べてΔｆ２に短縮される（図４（ａ）を参照）。これにより、図４（ｂ）に示すように、排気に形成される還元剤雰囲気中のアンモニア濃度は、標準拡散モデルに従った場合と比べて高くなる。そのため、図４（ｃ）に示すようにＮＯｘ触媒３へのアンモニア供給速度も、標準拡散モデルに従った場合と比べて高くなる。ここで、図４（ｃ）に、第１触媒層３１によるアンモニアの吸着速度をＬ７で示している。アンモニアの吸着速度は、触媒によって異なる場合があるものの、一般的には、触媒温度が低くなるほど高くなる傾向がある。しかし、図４（ｃ）に示すように、低温時にアンモニア濃度を高めることでＮＯｘ触媒３へのアンモニア供給速度が、第１触媒層３１によるアンモニア吸着速度を超えるため、アンモニアが図３Ｂに示すように第２触媒層３２へ到達可能となることが理解できる。
【００４４】
次に、本発明に従った場合であってＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属しているときの添加開弁時間は、標準拡散モデルに従って決定されたΔｆ１とされる。これは、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合は、第２触媒層３２にアンモニアが供給されると、高温化によって顕著となったその酸化能力でアンモニアが酸化されてＮＯｘとなり、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ浄化率が低下するからである。すなわち、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合は添加開弁時間をΔｆ１とすることで、第２触媒層３２にアンモニアが届くのを可及的に阻止し、ＮＯｘ触媒３によるＮＯｘ浄化率を好適に維持することができる。このため、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合は、アンモニア濃度及びアンモニア供給速度も、標準拡散モデルに従った場合と同様となる。
【００４５】
ここで、図５に基づいて、図４のＬ６で示す尿素水添加（すなわち、本発明に従った尿素水添加）が行われた際のアンモニア濃度の推移について詳細に説明する。図５には本発明に従った還元剤添加が行われた場合の、排気に形成された還元剤雰囲気のアンモニア濃度の推移が示されており、具体的には、上段には、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側領域Ｔ２に属している場合（低温時）のアンモニア濃度の時間推移が示され、下段には、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側領域Ｔ３に属している場合（高温時）のアンモニア濃度の時間推移が示されている。低温時には添加開弁時間Δｆ２がΔｆ１よりも短く設定されることで、還元剤雰囲気でのアンモニア濃度の変化における高低差（すなわち、濃度ピーク値ｄ１と濃度最低値ｄ０の差）が、高温時でのアンモニア濃度の変化における高低差（すなわち、濃度ピーク値ｄ３と濃度最低値ｄ２の差）よりも拡大している。また、低温時の濃度ピーク値ｄ１は、高温時の濃度ピーク値ｄ３よりも高い濃度となっている。このように同じ所定添加量の尿素水が添加された場合に、低温時と高温時で排気中の還元剤雰囲気でのアンモニア濃度の推移に違いが生じるのは、上記の通り、本発明に従った尿素水添加でのアンモニア供給速度が高められていることによる。
【００４６】
このように本発明に従うと、同じ所定添加量の尿素水が添加される条件の下では、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属している場合の添加開弁時間は、当該温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合の添加開弁時間よりも短縮され、以てＮＯｘ触媒３に供給される還元剤雰囲気でのアンモニアがより高濃度化される。これにより、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属している際に、第２触媒層３２にアンモニアを確実に到達させることができ、ＮＯｘ触媒３の低温側でのＮＯｘ還元反応を効果的に促進させることができる。
【００４７】
次に、図６〜図８に基づいて、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属する場合の第２の尿素水添加について説明する。図６は、当該第２の尿素水添加に係るスパイク形式による尿素水添加に関する、還元剤添加期間Δａでのスパイク間隔（すなわち、隣接する添加の間隔）と、それにより排気に形成される還元剤雰囲気のアンモニア濃度との相関を模式的に示したものである。そして、図６に示すスパイク形式による添加形態では、還
元剤添加期間において、複数の還元剤の添加が行われ、その添加による還元剤の総量が上記所定添加量となる。なお、図６では、連続した還元剤添加期間Δａが示されており、一方の還元剤添加期間をΔａ（１）、もう一方の還元剤添加期間をΔａ（２）と区別している。そして、各還元剤添加期間での添加開弁時間は同じΔｆ３とされており、すなわち供給弁５の射出圧力は一定のままである。
【００４８】
ここで、図６では、還元剤添加期間Δａ（１）とΔａ（２）のそれぞれにおいて、供給弁５からは総量では同じ所定添加量の尿素水が排気に添加され、そのときの濃度相関が、それぞれＤ１、Ｄ２で示されている。具体的には、Ｄ２は標準拡散モデルに従った濃度相関を示し、Ｄ１は本発明に従った濃度相関を示しており、Ｄ１で示される濃度はＤ２で示される濃度よりも高い。なお、還元剤添加期間Δａ（１）において、スパイク間隔Δｓ１はいずれも等しく、還元剤添加期間Δａ（２）において、スパイク間隔Δｓ２はいずれも等しい。第２の尿素水添加形態での標準拡散モデルについても、第１の尿素水添加形態での同モデルと同じように、ＮＯｘ触媒３の上層側からアンモニアが拡散していき順次吸着していく、標準的なＮＯｘ触媒３内でのアンモニアの拡散モデルであり、その場合、図３ＢにおいてＲ１で示すように、ＮＯｘ触媒３の上層側から白抜きの矢印で示される排気の流れに従って広く下流側に拡散していく。また、第２の尿素水添加形態での高濃度拡散モデルについても、第１の尿素水添加形態での同モデルと同じように、第２触媒層３２にアンモニアを届けるために、第１触媒層３１の存在を前提とした尿素水添加を行い、図３ＢにおいてＲ２で示すように、ＮＯｘ触媒３に供給されたアンモニアは、標準拡散モデルに従った場合（Ｒ１で示される場合）と比べて、排気の下流側に拡散しにくく且つＮＯｘ触媒３の深さ方向に拡散することになり、第２触媒層３２によるＮＯｘ還元反応ために、第１触媒層３１が存在していても第２触媒層３２にアンモニアを届けることが可能となる。
【００４９】
更に、図７に基づいて、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２と高温側浄化領域Ｔ３に属する場合の尿素水添加について概略的に説明する。図７は、図４と同じように所定添加量の尿素水が供給弁５から供給されるとした場合の、ＮＯｘ触媒３の温度と、還元剤添加期間におけるスパイク間隔、上記還元剤雰囲気のアンモニア濃度、アンモニアのＮＯｘ触媒３への供給速度（単位時間当たりの供給量）のそれぞれとの相関を、上段（ａ）、中段（ｂ）、下段（ｃ）に示している。そして、各図において、Ｌ１５は標準拡散モデルに従った各相関を示しており、Ｌ１６は本発明に従った各相関を示している。
【００５０】
標準拡散モデルに従った場合、図７に示す各相関において、ＮＯｘ触媒３の温度にかかわらずスパイク間隔、アンモニア濃度、アンモニア供給速度は一定となる。一方で、本発明に従った場合、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属しているときのスパイク間隔は、上記の通り標準拡散モデルに従った場合のスパイク間隔Δｓ２と比べてΔｓ１に短縮される（図７（ａ）を参照）。これにより、図７（ｂ）に示すように、排気に形成される還元剤雰囲気中のアンモニア濃度は、標準拡散モデルに従った場合と比べて高くなる。そのため、図７（ｃ）に示すようにＮＯｘ触媒３へのアンモニア供給速度も、標準拡散モデルに従った場合と比べて高くなる。ここで、図７（ｃ）に、第１触媒層３１によるアンモニアの吸着速度をＬ１７で示している。図７（ｃ）に示すように、低温時にアンモニア濃度を高めることでＮＯｘ触媒３へのアンモニア供給速度が、第１触媒層３１によるアンモニア吸着速度を超えるため、アンモニアが図３Ｂに示すように第２触媒層３２へ到達可能となることが理解できる。
【００５１】
次に、本発明に従った場合であってＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属しているときのスパイク間隔は、標準拡散モデルに従って決定されたΔｓ２とされる。これは、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合は、第２触媒層３２にアンモニアが供給されると、高温化によって顕著となったその酸化能力でアンモニアが酸化されてＮＯｘとなり、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ浄化率が低下するからである。すなわち、ＮＯ
ｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合はスパイク間隔をΔｓ２とすることで、第２触媒層３２にアンモニアが届くのを可及的に阻止し、ＮＯｘ触媒３によるＮＯｘ浄化率を好適に維持することができる。このため、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合は、アンモニア濃度及びアンモニア供給速度も、標準拡散モデルに従った場合と同様となる。
【００５２】
ここで、図８に基づいて、図７のＬ１６で示す尿素水添加（すなわち、本発明に従った尿素水添加）が行われた際のアンモニア濃度の推移について詳細に説明する。図８には本発明に従った尿素水添加が行われた場合の、排気に形成された還元剤雰囲気のアンモニア濃度の推移が示されており、具体的には、上段には、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側領域Ｔ２に属している場合（低温時）のアンモニア濃度の時間推移が示され、下段には、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側領域Ｔ３に属している場合（高温時）のアンモニア濃度の時間推移が示されている。低温時にはスパイク間隔Δｓ１がΔｓ２よりも短く設定されることで、還元剤雰囲気でのアンモニア濃度の変化における高低差（すなわち、濃度ピーク値ｄ１１と濃度最低値ｄ１０の差）が、高温時でのアンモニア濃度の変化における高低差（すなわち、濃度ピーク値ｄ１３と濃度最低値ｄ１２の差）よりも拡大している。また、低温時の濃度ピーク値ｄ１１は、高温時の濃度ピーク値ｄ１３よりも高い濃度となっている。このように同じ所定添加量の尿素水が添加された場合に、低温時と高温時で排気中の還元剤雰囲気でのアンモニア濃度の推移に違いが生じるのは、上記の通り、本発明に従った還元剤添加でのアンモニア供給速度が高められていることによる。
【００５３】
このように本発明に従うと、同じ所定添加量の尿素水が添加される条件の下では、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属している場合のスパイク間隔は、当該温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合のスパイク間隔よりも短縮され、以てＮＯｘ触媒３に供給される還元剤雰囲気でのアンモニアがより高濃度化される。これにより、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属している際に、第２触媒層３２にアンモニアを確実に到達させることができ、ＮＯｘ触媒３の低温側でのＮＯｘ還元反応を効果的に促進させることができる。
【００５４】
以上を踏まえ、図１Ａに示す内燃機関１の排気浄化装置において行われるＮＯｘ浄化のための制御（ＮＯｘ浄化制御）について、図９に基づいて説明する。当該ＮＯｘ浄化制御は、ＥＣＵ２０に格納された制御プログラムにより繰り返し実行され、それによりＮＯｘ浄化のための、還元剤添加期間での尿素水の排気への添加が制御される。先ず、Ｓ１０１では、ＮＯｘ触媒３の触媒温度Ｔｃが取得される。具体的には、温度センサ１４の検出値を利用してＮＯｘ触媒３の触媒温度Ｔｃが推定される。この触媒温度Ｔｃは、図２に示すように、ＮＯｘ触媒３で現れるＮＯｘ還元反応が主にどの触媒層に起因しているのかを判断するためのパラメータとなり得る。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。
【００５５】
Ｓ１０２では、本制御により供給弁５から添加される尿素水の添加量が算出される。この尿素水添加量は、上記所定添加量に相当し、ある一定期間内（例えば、２秒間）にＮＯｘ触媒３に流入する排気に含まれるＮＯｘ量に応じて決定され、又は、同じ一定期間内における、上記式１で決定されるＮＯｘ触媒３のＮＯｘ浄化率が、所定の範囲に収まるように決定される。その後、Ｓ１０３では、ＮＯｘ触媒３が活性しているか否かが判定される。具体的には、ＮＯｘ触媒３の触媒温度Ｔｃが未活性領域Ｔ１に属している場合は否定判定され、それ以外の場合は肯定判定される。Ｓ１０３で肯定判定されると処理はＳ１０４へ進み、否定判定されると本制御を終了する。
【００５６】
Ｓ１０４では、ＮＯｘ触媒３の触媒温度Ｔｃが低温側浄化領域Ｔ２に属しているか否かが判定される。Ｓ１０４で肯定判定されると処理はＳ１０６へ進み、否定判定されると処理はＳ１０５へ進む。また、Ｓ１０５では、ＮＯｘ触媒３の触媒温度Ｔｃが高温側浄化領
域Ｔ３に属しているか否かが判定される。Ｓ１０５で肯定判定されると処理はＳ１０８へ進み、否定判定されると処理はＳ１１０へ進む。すなわち、Ｓ１０４、Ｓ１０５での各判定処理は、ＮＯｘ触媒３の触媒温度Ｔｃが、低温側浄化領域Ｔ２、高温側浄化領域Ｔ３、過昇温領域Ｔ４の何れに属しているかを判定するための処理である。
【００５７】
ここで、ＮＯｘ触媒３の触媒温度Ｔｃが低温側浄化領域Ｔ２に属していると判定された場合の、Ｓ１０６以降の処理について説明する。ＮＯｘ触媒３の触媒温度Ｔｃが低温側浄化領域Ｔ２に属している場合は、添加された尿素水によるアンモニアを第２触媒層３２に到達させて、第２触媒層３２におけるＮＯｘ還元を効率化させる必要がある。そこで、Ｓ１０６では、第２触媒層３２にアンモニアを到達させるために、供給弁５による尿素水添加は高濃度拡散モデルに従ったものとされる。具体的には、第２触媒層３２へのアンモニア到達を可能とさせる所定のアンモニア濃度が形成可能となる添加開弁時間Δｆ２を、排気中のアンモニア雰囲気の形成に関係する排気流量等に基づいて決定し、その添加開弁時間を実現可能な供給弁５の射出圧力が算出される。添加開弁時間の決定に当たっては、添加開弁時間が短くなるほどアンモニア濃度は高くなり、排気流量が大きくなるほどアンモニア濃度は低くなる相関が考慮される（後述の図１７Ｂを参照）。なお、所定のアンモニア濃度は、低温側浄化領域Ｔ２の何れの触媒温度にかかわらず一定としてもよく、また、触媒温度に応じて変化してもよい。Ｓ１０６の処理が終了すると、処理はＳ１０７へ進む。
【００５８】
Ｓ１０７では、Ｓ１０６で決定された添加開弁時間Δｆ２に従った、供給弁５からの尿素水添加を行う高濃度添加処理が実行される。これにより、図３ＡにＬ４で示す尿素水添加が行われることになり、図３ＢにＲ２で示すＮＯｘ触媒３でのアンモニアの拡散が実現される。この結果、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属している場合に、第２触媒層３２に確実にアンモニアを到達させることができ、以てＮＯｘ触媒３のＮＯｘ浄化率を好適に維持することができる。
【００５９】
次に、Ｓ１０５で肯定判定された場合に行われるＳ１０８及びＳ１０９の処理について説明する。この場合、上記の高濃度添加処理を行わなくても、ＮＯｘ触媒３においてアンモニアを標準拡散モデルに従って拡散させることでもＮＯｘ触媒３においてアンモニアの好適な供給が実現可能である。ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合（Ｓ１０５で肯定判定された場合）、第２触媒層３２にアンモニアが到達してしまうと、アンモニアの酸化によるＮＯｘ浄化率の低下が懸念される。このような観点から、Ｓ１０５で肯定された場合には、標準拡散モデルに従ったアンモニアの拡散を前提とした標準濃度添加処理（Ｓ１０９）が行われるのが好ましく、Ｓ１０８ではそのための添加開弁時間Δｆ１の決定がなされる。当該添加開弁時間の決定については、標準拡散モデルに従うものである。
【００６０】
また、Ｓ１０５で否定判定された場合には、供給弁５からの尿素水の添加処理は禁止される（Ｓ１１０の処理）。これは、ＮＯｘ触媒３の温度が過昇温領域Ｔ４に属しているため、添加された尿素水で生成されるアンモニアのＮＯｘ化が懸念されるためである。
【００６１】
このように本制御によれば、ＮＯｘ触媒３の温度に応じて、第１触媒層３１、第２触媒層３２に好適にアンモニアを供給することができる。これにより、ＮＯｘ触媒３の低温時と高温時のＮＯｘ還元の効率化を両立させ、特に低温時のＮＯｘ触媒３によるＮＯｘ還元の効率を好適に向上させることができる。
【００６２】
上記ＮＯｘ浄化制御では、高濃度添加処理のために添加開弁時間の長さが調整されたが、図６〜図８に基づいて説明したように、スパイク形式による尿素水添加が行われる場合には、そのスパイク間隔を調整することで高濃度添加処理を実現してもよい。具体的には
、上記のＳ１０６の処理に代えて、第２触媒層３２へのアンモニア到達を可能とさせる所定のアンモニア濃度が形成可能となるスパイク間隔Δｓ１を、排気中のアンモニア雰囲気の形成に関係する排気流量等に基づいて決定する。スパイク間隔の決定に当たっては、スパイク間隔が短くなるほどアンモニア濃度は高くなり、排気流量が大きくなるとアンモニア濃度は小さくなる相関が考慮される（後述の図１７Ｃを参照）。なお、所定のアンモニア濃度は、低温側浄化領域Ｔ２の何れの触媒温度にかかわらず一定としてもよく、また、触媒温度に応じて変化してもよい。
【００６３】
＜変形例１＞
高濃度添加処理の第１の変形例である、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属しているときの、供給弁５からの尿素水添加による還元剤雰囲気でのアンモニア濃度に関する形態について、図１０に基づいて説明する。図１０は、上記図４と同じように、本発明に係るＮＯｘ浄化制御が行われる際の、ＮＯｘ触媒３の温度とアンモニア濃度との相関を示している。なお、図１０（ａ）の内容は、図４（ｂ）に示すものと同じである。このような形態に代えて、図１０（ｂ）〜図１０（ｄ）のそれぞれに示すように、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属している場合は、高温側浄化領域Ｔ３に属している場合と比べてアンモニア濃度が高くなり、且つ、その低温側浄化領域Ｔ２内においても、ＮＯｘ触媒３の温度が低くなるに従い、アンモニア濃度が高くなるように添加開弁時間やスパイク間隔が決定されてもよい。
【００６４】
具体的には、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属している場合において、図１０（ｂ）に示す形態ではＮＯｘ触媒３の温度が低くなるに従いアンモニア濃度が線形的に高くなるように添加開弁時間やスパイク間隔が決定され、また、図１０（ｃ）に示す形態ではＮＯｘ触媒３の温度が低くなるに従いアンモニア濃度が二次関数的に高くなるように添加開弁時間やスパイク間隔が決定され、また、図１０（ｄ）に示す形態ではＮＯｘ触媒３の温度が低くなるに従いアンモニア濃度が対数関数的に高くなるように添加開弁時間やスパイク間隔が決定される。何れの添加開弁時間やスパイク間隔の決定のための形態が採用されるかは、ＮＯｘ触媒３の内部でのアンモニアの拡散状況やその吸着状況等に依るものと考えられ、本発明においては、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属している場合において第２触媒層３２に好適にアンモニアを到達させることが可能な限りにおいて、何れの形態や図示されていない形態も採用し得るものである。
【００６５】
＜変形例２＞
高濃度添加処理の第２の変形例について、図１１に基づいて説明する。図１１の上段（ａ）は、標準濃度添加処理に従った尿素水添加を表している。具体的には、還元剤添加期間Δａにおいて一度の尿素水添加を行う添加形態において、連続する４つの還元剤添加期間のそれぞれでの尿素水添加がＰａ〜Ｐｄで模式的に示されている。なお、説明を簡便にするために、各尿素水添加における添加開弁期間Δｆは同一とし、各還元剤添加期間での所定添加量も同一とする。
【００６６】
そして、本変形例に係る高濃度添加処理における尿素水添加を図１１の下段（ｂ）に示す。具体的には、還元剤添加期間Δａ毎に１回行っていた所定添加量の尿素水添加を、１区間の還元剤添加期間での尿素水添加を行わないとともに、その次の還元剤添加期間において２区間分の量の還元剤を添加する。換言すれば、還元剤添加期間を標準濃度添加処理時の２倍の長さにするとともに、その期間で１度で添加される尿素水量を２区間分とする。これにより、時間平均的には、標準添加処理時も高濃度添加処理時も同量の尿素水が排気に添加されるが、高濃度添加処理時では、尿素水添加時において排気中に局所的に添加される尿素水量を標準添加処理時の概ね２倍とすることができる。そのため、効率的な高濃度のアンモニア雰囲気の形成が可能となる。
【００６７】
なお、本変形例では、効率的に高濃度のアンモニア濃度が形成されるものの、尿素水添加の間隔が比較的長くなるため、例えば、排気流量が大きい場合等のようにＮＯｘ触媒３に流れ込むＮＯｘ量が比較的多くなる場合、ＮＯｘ触媒における好適なＮＯｘ浄化を維持するのが容易ではなくなる。そこで、排気流量が比較的小さい場合には、本変形例による高濃度添加処理を行い、排気流量が比較的大きい場合には、図３Ａ〜図５に基づいて説明した第１の尿素水添加形態による高濃度添加処理や、図６〜図８に基づいて説明した第２の尿素水添加形態による高濃度添加処理を行うのが好ましい。特に、第２の尿素水添加形態の場合、還元剤添加期間において複数回の尿素水添加が行われるため、ＮＯｘ触媒３に途切れなくアンモニアが供給されやすくなり、排気流量が比較的大きい場合には特に有用である。
【００６８】
＜変形例３＞
高濃度添加処理の第３の変形例である、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属しているときの、供給弁５からの尿素水添加に関する形態について、図１２〜図１５に基づいて説明する。図１２〜図１５の各図は、上記高濃度添加処理において所定添加量の尿素水を供給弁５から添加する際の、還元剤雰囲気におけるアンモニア濃度を調整するための、尿素水添加の制御内容を示している。図１２〜図１５の各図に示す尿素水添加は図６に示すスパイク形式で実行され、複数のスパイクでの添加により還元剤添加期間Δａ内に総じて所定添加量の尿素水が添加されることになる。例えば、図１２の最下段に示すパターンでは、Ｐ１〜Ｐ８による８回の添加によって合計で所定添加量の尿素水が添加され、図１２の最上段に示すパターンでは、Ｐ３１〜Ｐ３４による４回の添加によって合計で同じく所定添加量の尿素水が添加されることになる。
【００６９】
先ず、図１２に示す尿素水添加について説明する。図１２には、４種類のパターンに従ったスパイク形式の尿素水添加が示されている。各パターンにおいて、還元剤添加期間Δａ内に供給弁５から排気へ添加される尿素水の総量は全て同じ所定添加量である。最下段のパターンでは、８回のスパイクで供給弁５から排気へ尿素水を添加し、その尿素水の総量が所定添加量となる。次に、下から２番目のパターンでは、４番目のスパイクＰ４で添加される尿素水を１番目から３番目のスパイクＰ１〜Ｐ３に均等に振り分けてＰ１１〜Ｐ１３とするとともに、同じように８番目のスパイクＰ８で添加される尿素水を５番目から７番目のスパイクＰ５〜Ｐ７に均等に振り分けてスパイクＰ１４〜Ｐ１６とする。なお、スパイクのタイミングは、最下段のパターンの場合と同じである。このようにすると、還元剤添加期間Δａで添加される尿素水量は所定添加量で同じであるが、排気に形成される還元剤雰囲気でのアンモニア濃度を、最下段のパターンの場合よりも高めることができる。
【００７０】
更に、下から３番目のパターンでは、下から２番目のパターンと比べて各スパイクでの尿素水の添加量は同じとしながら、１番目から３番目のスパイク間隔のそれぞれを短縮し、更に、４番目から６番目のスパイクの間隔のそれぞれを短縮する。このとき、１番目のスパイクＰ２１のタイミングと４番目のスパイクのタイミングＰ２４は、下から２番目のパターンと同じである。このようにすると、還元剤添加期間Δａで添加される尿素水量は所定添加量で同じであるが、排気に形成される還元剤雰囲気でのアンモニア濃度を、下から２番目のパターンの場合よりも更に高めることができる。
【００７１】
更に、最上段のパターンでは、下から３番目のスパイクと比べてスパイクのタイミングは同じとしながら、３番目のスパイクＰ２３で添加される尿素水を１番目と２番目のスパイクＰ２１、Ｐ２２に均等に振り分けてスパイクＰ３１、Ｐ３２とするとともに、同じように６番目のスパイクＰ２６で添加される尿素水を４番目と５番目のスパイクＰ２４、Ｐ２５に均等に振り分けてスパイクＰ３３、Ｐ３４とする。このようにすると、還元剤添加期間Δａで添加される尿素水量は所定添加量で同じであるが、排気に形成される還元剤雰
囲気でのアンモニア濃度を、下から３番目のパターンの場合よりも更に高めることができる。
【００７２】
このように還元剤添加期間Δａにおいて同じ所定添加量の尿素水を供給弁５から添加する場合であっても、各スパイクでの尿素水添加量やスパイク間隔を調整することで、排気に形成される還元剤雰囲気でのアンモニア濃度を適宜制御することが可能となる。したがって、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属している場合に、第２触媒層３２にアンモニアを到達させるために実行される高濃度添加処理の際に、各スパイクでの尿素水添加量やスパイク間隔を調整することで所望のアンモニア濃度の還元剤雰囲気を形成することができる。
【００７３】
次に、図１３に示す尿素水添加について説明する。図１３にも、４種類のパターンに従ったスパイク形式の尿素水添加が示されている。図１３では、下から２番目のパターンを形成するために、４番目のスパイクＰ４、８番目のスパイクＰ８を、それぞれスパイクＰ１〜Ｐ３、スパイクＰ５〜Ｐ７に振り分ける際に、均等な振り分けではなく、各スパイクでの尿素水添加量が、スパイクＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１３の順に多くなるように振り分けるとともに、スパイクＰ１４、スパイクＰ１５、スパイクＰ１６の順に多くなるように振り分けている。更に、最上段のパターンの形成についても、同様に、各スパイクでの尿素水添加量は、スパイクＰ３１、Ｐ３２の順に多くなるように振り分けるとともに、スパイクＰ３３、Ｐ３４の順に多くなるように振り分けている。これ以外のスパイクの形成は、図１２の場合と同じであるので、詳細な説明は割愛する。図１３に示すように還元剤添加期間Δａで同じ所定添加量の尿素水を供給弁５から添加する場合であっても、各スパイクでの尿素水添加量やスパイク間隔を調整することで、排気に形成される還元剤雰囲気でのアンモニア濃度を適宜制御することが可能となり、以て、好適に上記高濃度添加処理に適用できる。
【００７４】
次に、図１４に示す尿素水添加について説明する。図１４にも、４種類のパターンに従ったスパイク形式の尿素水添加が示されている。図１４における各スパイクでの尿素水添加量は、図１２における各スパイクでの尿素水添加量と同じであり、図１２に示す形態と異なるのは、各スパイクのタイミングである。具体的には、図１４における各スパイクのタイミングは、スパイク間隔が全て同一とされる。したがって、下から２番目のパターン及び最上段のパターンを形成する際には、均等に振り分けられたスパイクが等間隔で並んでおり、また、下から３番目のパターンを形成する際には、スパイク間隔が短縮化されたスパイクが等間隔で並んでいる。図１４に示すように、還元剤添加期間Δａで同じ所定添加量の尿素水を供給弁５から添加する場合であっても、各スパイクでの尿素水添加量やスパイク間隔を調整することで、排気に形成される還元剤雰囲気でのアンモニア濃度を適宜制御することが可能となり、以て、好適に上記高濃度添加処理に適用できる。
【００７５】
次に、図１５に示す尿素水添加について説明する。図１５にも、４種類のパターンに従ったスパイク形式の尿素水添加が示されている。図１５における各スパイクでの尿素水添加量は、図１３における各スパイクでの尿素水添加量と同じであり、図１３に示す形態と異なるのは、各スパイクのタイミングである。具体的には、図１３における各スパイクのタイミングは、スパイク間隔が全て同一とされる。したがって、下から２番目のパターン及び最上段のパターンを形成する際には、均等に振り分けられたスパイクが等間隔で並んでおり、また、下から３番目のパターンを形成する際には、スパイク間隔が短縮化されたスパイクが等間隔で並んでいる。図１５に示すように、還元剤添加期間Δａで同じ所定添加量の尿素水を供給弁５から添加する場合であっても、各スパイクでの尿素水添加量やスパイク間隔を調整することで、排気に形成される還元剤雰囲気でのアンモニア濃度を適宜制御することが可能となり、以て、好適に上記高濃度添加処理に適用できる。
【実施例２】
【００７６】
内燃機関１の排気浄化装置において行われるＮＯｘ浄化制御の第２の実施例について、図１６に基づいて説明する。図１６に示すＮＯｘ浄化制御は、ＥＣＵ２０に格納された制御プログラムにより繰り返し実行される。また、図１６に示すＮＯｘ浄化制御に含まれる処理のうち、図９に示すＮＯｘ浄化制御に含まれる処理と同一のものについては、同一の参照番号を付与することでその詳細な説明を省略する。
【００７７】
本ＮＯｘ浄化制御では、Ｓ１０４で肯定判定された場合、すなわち、ＮＯｘ触媒３の触媒温度Ｔｃが低温側浄化領域Ｔ２に属していると判定された場合は、Ｓ１０６に代えてＳ２０１、Ｓ２０２の処理が行われる。具体的には、Ｓ２０１では、供給弁５から排気に添加された尿素水により生成されるアンモニアが、ＮＯｘ触媒３の下層である第２触媒層３２に到達可能か否かが判定される。ＮＯｘ触媒３の温度が、低温側浄化領域Ｔ２に属している場合であっても、供給弁５からの尿素水の添加量がＮＯｘ浄化の観点から比較的多くなる場合には、上記の標準拡散モデルに従って尿素水添加が行われても比較的高い濃度の還元剤雰囲気が形成されることになり、状況によっては第２触媒層３２にアンモニアを到達させることが可能な場合もある。
【００７８】
そこで、Ｓ２０１では、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属している場合に、高濃度拡散モデルに従って高濃度の還元剤雰囲気を形成する必要があるか否かが判定される。具体的には、図１７Ａに示す制御マップに基づいて、Ｓ２０１の判定が行われる。図１７Ａに示す制御マップは、ＮＯｘ触媒３の温度とアンモニア濃度との相関に基づいて、アンモニアが下層である第２触媒層３２に到達するか否かをマッピングしたものであり、ＥＣＵ２０内のメモリに格納されている。当該制御マップには、ＮＯｘ触媒３の温度が低くなるほど上層である第１触媒層３１によるアンモニア吸着能力が高くなり、第２触媒層３２にアンモニアが到達しにくくなること、及び、その結果、第２触媒層３２にアンモニアを到達させるためには、第１触媒層３１によるアンモニア吸着能力が高くなるほど、ＮＯｘ触媒３に流れ込む還元剤雰囲気のアンモニア濃度を高くする必要があること、が反映されている。したがって、図１７Ａに示す制御マップでは、マップ中の下方に「下層である第２触媒層３２に到達しない領域」が形成され、上方に「下層である第２触媒層３２に到達する領域」が形成される。
【００７９】
そこで、例えば、Ｓ１０１で取得されたＮＯｘ触媒３の触媒温度Ｔｃと、Ｓ１０２で算出された尿素水添加量及び排気通路２を流れる排気流量等から算出される、排気中に形成される還元剤雰囲気でのアンモニア濃度とで特定される制御点（図１７Ａに示す黒丸）が、制御マップ中のいずれの領域に属するかに基づいて、Ｓ２０１の判定が行われる。当該アンモニア濃度の算出に当たっては、ＮＯｘ触媒３においてアンモニアを標準拡散モデルに従って拡散させることを前提として決定される添加開弁時間（図３Ａに示す添加開弁時間Δｆ１を参照）やスパイク間隔（図６に示すスパイク間隔Δｓ２を参照）が考慮される。Ｓ２０１で肯定判定されると処理はＳ１０８へ進み、否定判定されると処理はＳ２０２へ進む。なお、図１７Ａに示す例では、制御点が「下層である第２触媒層３２に到達しない領域」に属しているため、Ｓ２０１の判定処理としては否定判定されることになる。
【００８０】
次にＳ２０２では、下層である第２触媒層３２にアンモニアを到達させるために、高濃度拡散モデルに従ってどの程度、還元剤雰囲気でのアンモニア濃度を増加すべきかが算出される。具体的には、その濃度の増加分は、図１７Ａに示す制御マップに基づいて算出される。例えば、上記制御点が図１７Ａに示す黒丸の位置にあった場合、その制御点が「下層である第２触媒層３２に到達する領域」（例えば、図１７Ａに示す白丸の位置）に移動するためには、図中の白塗りの矢印に相当する分ΔＸだけアンモニア濃度を上昇させ、アンモニア濃度をＸ１とする必要がある。このアンモニア濃度の上昇分が、Ｓ２０２で算出される濃度増加分に相当する。
【００８１】
更にＳ２０２では、上記のアンモニア濃度増加を実現するための、供給弁５による尿素水の添加開弁時間も決定される。当該決定は、図１７Ｂの上段（ａ）に示す制御マップに基づいて行われる。図１７Ｂ（ａ）に示す制御マップは、所定添加量の尿素水を添加する際の添加開弁時間とアンモニア濃度との相関を画定したものであり、ＥＣＵ２０内のメモリに格納されている。なお、図１７Ｂ（ａ）中の黒丸は、図１７Ａ中の制御点の黒丸に対応している。図１７Ｂ（ａ）に示す制御マップには、添加開弁時間が短くなるほど、形成される還元剤雰囲気中のアンモニア濃度は高くなる傾向が反映されている。そして、上記で算出された濃度増加分ΔＸが反映された、第２触媒層３２にアンモニアを到達可能とするアンモニア濃度Ｘ１に対応する添加開弁時間が、制御マップに従ってΔｆ２として決定される。更に、図１７Ｂの下段（ｂ）には、上記添加開弁時間と、所定添加量の添加のための添加開弁時間を実現する射出圧力との相関を表す制御マップが示されている。そこで、この制御マップには、添加開弁時間が短くなるほど射出圧力が高くなる傾向が反映されている。そして、上記決定された添加開弁時間Δｆ２に対応する射出圧力Ｐ１が、この図１７Ｂ（ｂ）の制御マップに基づいて決定される。Ｓ２０２の処理が終了すると、処理はＳ１０７へ進む。そして、Ｓ１０７では、Ｓ２０２で決定された添加開弁時間Δｆ２、射出圧力Ｐ１に従った、供給弁５からの尿素水添加を行う高濃度添加処理が実行される。これにより、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属している場合に、第２触媒層３２に確実にアンモニアを到達させることができる。
【００８２】
また、図９に示すＮＯｘ浄化制御と同じように、高濃度添加処理において、スパイク形式による尿素水添加でのスパイク間隔を、図１７Ｃに示す制御マップを利用して調整してもよい。なお、図１７Ｃ中の黒丸は、図１７Ａ中の制御点の黒丸に対応している。この制御マップには、スパイク間隔が短くなるほどアンモニア濃度は高くなる傾向が反映されている。そして、この場合、上記のＳ２０２の処理で算出された、濃度増加分ΔＸが反映されたアンモニア濃度Ｘ１に対応するスパイク間隔が、制御マップに従ってΔｓ１として決定される。
【実施例３】
【００８３】
本発明の内燃機関１の排気浄化装置に適用できるＮＯｘ触媒３の別の構成について、図１８に基づいて説明する。図１８に示すＮＯｘ触媒３は、上述までの実施例と同じように、最上層側の第１触媒層３１を有している。更に、第１触媒層３１の下側に酸化触媒層３５が配置され、当該酸化触媒層３５の下側であって触媒基材３３上に第２触媒層３２が配置される。このように構成されるＮＯｘ触媒３では、ＮＯｘ触媒３の温度が高温側浄化領域Ｔ３に属している場合に、酸化触媒層３５の酸化能力を利用して排気中のＮＯをＮＯ２に酸化させることで、第１触媒層３１でのＮＯｘ還元反応を促進させることができる。
【００８４】
一方で、ＮＯｘ触媒３の温度が低温側浄化領域Ｔ２に属している場合には、アンモニアを第２触媒層３２に到達させるためには、第１触媒層３１に加えて酸化触媒層３５を通過させる必要がある。このような場合であっても、上述したＮＯｘ浄化制御を行うことで、すなわち、アンモニアを下層まで到達せしめる高濃度添加処理を実行することで、第２触媒層３２によるＮＯｘ還元反応を効果的に促進させることができる。なお、図１８に示す構成では、第２触媒層３２に到達するために酸化触媒層３５を通過することになるため、送り込まれるアンモニアの一部が酸化されてＮＯｘ化する可能性があるが、そこで生成されたＮＯｘが更に第２触媒層３２に送り込まれれば、第２触媒層３２のＮＯｘ還元能力により還元浄化可能である。
【００８５】
＜その他の実施例＞
上述までの実施例では、第２触媒層３２に含まれる触媒粒子としては、Ｃｕ交換型ＮＯｘ触媒が使用されているが、それに代えて、Ｍｎ（マンガン）酸化物であるＳｎＭｎＣｅ
Ｏｘを採用してもよい。なお、ＳｎＭｎＣｅＯｘは公知の沈殿法により生成される公知の材料であるから、その詳細については説明を割愛する。
【符号の説明】
【００８６】
１    内燃機関
２    排気通路
３    ＮＯｘ触媒
５    供給弁
２０  ＥＣＵ
３１  第１触媒層
３２  第２触媒層
３３  触媒基材
【図１Ａ】
0006288041.tif 000002
【図１Ｂ】
0006288041.tif 000003
【図２】
0006288041.tif 000004
【図３Ａ】
0006288041.tif 000005
【図３Ｂ】
0006288041.tif 000006
【図４】
0006288041.tif 000007
【図５】
0006288041.tif 000008
【図６】
0006288041.tif 000009
【図７】
0006288041.tif 000010
【図８】
0006288041.tif 000011
【図９】
0006288041.tif 000012
【図１０】
0006288041.tif 000013
【図１１】
0006288041.tif 000014
【図１２】
0006288041.tif 000015
【図１３】
0006288041.tif 000016
【図１４】
0006288041.tif 000017
【図１５】
0006288041.tif 000018
【図１６】
0006288041.tif 000019
【図１７Ａ】
0006288041.tif 000020
【図１７Ｂ】
0006288041.tif 000021
【図１７Ｃ】
0006288041.tif 000022
【図１８】
0006288041.tif 000023