(57)【要約】【課題】ＮＯｘ触媒において好適なアンモニア分布を形成するための排気への尿素水の噴射技術を提供する。【解決手段】選択還元型ＮＯｘ触媒と、噴射弁と、タンクと、タンクから尿素水供給弁に尿素水を供給するように形成された供給経路と、供給経路上に設けられ、尿素水供給弁に対して尿素水を圧送するポンプと、ポンプの下流側であって尿素水供給弁に尿素水が流れ込む前の供給経路の所定部位からタンクへ、該ポンプによって圧送された尿素水の一部が戻るように形成されたリターン経路と、リターン経路における戻り尿素水の流量を制御するリターン制御弁と、リターン制御弁の開度を制御する制御手段と、を備える、内燃機関の排気浄化システムであって、制御手段は、排気通路における排気流量と、選択還元型ＮＯｘ触媒の温度に基づいて、噴射弁の噴射圧が最適噴射圧になるように、リターン制御弁の開度を制御する。【選択図】図１
2016205260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、アンモニアを還元剤としてＮＯｘを還元する選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気に尿素水を噴射する噴射弁と、
前記尿素水を貯留するタンクと、
前記タンクから前記尿素水供給弁に尿素水を供給するように形成された供給経路と、
前記供給経路上に設けられ、前記尿素水供給弁に対して尿素水を圧送するポンプと、
前記ポンプの下流側であって前記尿素水供給弁に尿素水が流れ込む前の前記供給経路の所定部位から前記タンクへ、該ポンプによって圧送された尿素水の一部が戻るように形成されたリターン経路と、
前記リターン経路における戻り尿素水の流量を制御するリターン制御弁と、
前記リターン制御弁の開度を制御する制御手段と、
を備える、内燃機関の排気浄化システムであって、
前記制御手段は、
前記排気通路における排気流量と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度とを引数として、前記噴射弁の噴射圧に関する最適噴射圧を算出するための制御マップであって、該最適噴射圧が、所定量の尿素水が該噴射弁から噴射されたときに該選択還元型ＮＯｘ触媒内に形成されるアンモニアの吸着分布が、該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化のための所定分布状態となるように設定された該制御マップを有し、
前記排気通路における排気流量と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度に基づいて、前記噴射弁の噴射圧が、前記制御マップを介して算出される前記最適噴射圧になるように、前記リターン制御弁の開度を制御する、
内燃機関の排気浄化システム。
【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システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関から排出される排気に含まれるＮＯｘを、アンモニアを還元剤として使用して還元する選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」という。）を有する排気浄化装置が知られている。当該排気浄化装置には、ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量がＮＯｘ還元のために適切な状態となるように、ＮＯｘ触媒の上流側において、排気に尿素水を供給する噴射弁が設置される。
【０００３】
ここで、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの浄化効率は、ＮＯｘ触媒においてアンモニアがどのように吸着されているか、そのアンモニアの吸着分布に依存する。一般には、ＮＯｘ触媒においてアンモニアが均一に拡散しているのが好ましいが、そのためにはアンモニアを生成するための尿素水が排気中に好適に分散される必要がある。しかし、尿素水は、その温度によって粘性が変化し、噴射時の分散性にも違いが生じる。そこで、特許文献１に開示の技術では、尿素水の温度に応じて噴射弁による尿素水の噴射圧が制御される。これにより、尿素水の温度にかかわらず排気での尿素水の分散性の向上が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１４２３０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＮＯｘ触媒において好適なＮＯｘの還元反応を得るためには、ＮＯｘ触媒に入り込んだ排気中のＮＯｘとアンモニアが好適に接触機会を得る必要があるため、ＮＯｘ触媒内に還元剤であるアンモニアが好適に分布している必要がある。また、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元の効率は、ＮＯｘ触媒の温度や、ＮＯｘ触媒の構成等にも大きく影響を受けるため、好適なＮＯｘ還元反応を得るためには、ＮＯｘ触媒におけるアンモニア分布を適切に制御しなければならない。
【０００６】
ここで、アンモニアを形成するために排気に噴射された尿素水噴霧の状態によって、ＮＯｘ触媒におけるアンモニアの分布は異なってくる。例えば、尿素水による排気中のアンモニア濃度が高くなるに従い、ＮＯｘ触媒においてより深い部位までアンモニアが拡散し、広い範囲に吸着することになる。したがって、ＮＯｘ触媒によって好適なＮＯｘ還元反応を得るためには、ＮＯｘ触媒においてアンモニアがどのように拡散していくか、その拡散の程度を考慮する必要がある。
【０００７】
一般に、尿素水を噴射する噴射弁は、ポンプによって圧送された尿素水を噴射する。そのため、排気中のアンモニア濃度は、噴射弁の噴射圧に大きく依存することになる。しかし、ポンプのような圧送装置は、尿素水に加える圧力を速やかに変化させるのは難しい。そのため、内燃機関の運転状態が変化している場合、特に排気通路における排気流量が変化している場合、ポンプの圧送能力を変動させてＮＯｘ触媒に好適なアンモニア分布を形成するための、排気中のアンモニア濃度の制御は困難である。この点について、従来技術ではその検討は不十分である。
【０００８】
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触媒において好適なア
ンモニア分布を形成するための排気への尿素水の噴射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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本出願人は、尿素水のタンクと噴射弁とをつなぎポンプが配置される供給経路に対して並行に、ポンプにより圧送された尿素水の一部がタンク側に戻るようにリターン経路を設けるとともに、当該リターン経路での尿素水の流量を制御するリターン制御弁の開度を、排気流量及びＮＯｘ触媒温度に基づいて制御する構成を採用した。リターン制御弁の開度が変更されると、結果として噴射弁の噴射圧が調整されるとともに、その噴射圧の変化速度は、ポンプの圧送能力を変化させることによって得られる噴射圧の変化速度よりも早い。そのため、噴射弁の噴射圧を、排気流量等の変化に対して追従性よく制御することができ、以て、ＮＯｘ触媒において好適なアンモニア分布を形成できるようになる。
【００１０】
より詳細には、本願発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、アンモニアを還元剤としてＮＯｘを還元する選択還元型ＮＯｘ触媒と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気に尿素水を噴射する噴射弁と、前記尿素水を貯留するタンクと、前記タンクから前記尿素水供給弁に尿素水を供給するように形成された供給経路と、前記供給経路上に設けられ、前記尿素水供給弁に対して尿素水を圧送するポンプと、前記ポンプの下流側であって前記尿素水供給弁に尿素水が流れ込む前の前記供給経路の所定部位から前記タンクへ、該ポンプによって圧送された尿素水の一部が戻るように形成されたリターン経路と、前記リターン経路における戻り尿素水の流量を制御するリターン制御弁と、前記リターン制御弁の開度を制御する制御手段と、を備える、内燃機関の排気浄化システムである。そして、前記制御手段は、前記排気通路における排気流量と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度とを引数として、前記噴射弁の噴射圧に関する最適噴射圧を算出するための制御マップであって、該最適噴射圧が、所定量の尿素水が該噴射弁から噴射されたときに該選択還元型ＮＯｘ触媒内に形成されるアンモニアの吸着分布が、該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化のための所定分布状態となるように設定された該制御マップを有し、前記排気通路における排気流量と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度に基づいて、前記噴射弁の噴射圧が、前記制御マップを介して算出される前記最適噴射圧になるように、前記リターン制御弁の開度を制御する。
【発明の効果】
【００１１】
本願発明によれば、ＮＯｘ触媒において好適なアンモニア分布を形成するための排気への尿素水の噴射技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本願発明に係る内燃機関の排気浄化システム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３】選択還元型ＮＯｘ触媒の温度に対する、該ＮＯｘ触媒に流れ込む排気における、ＮＯｘ濃度に対するＮＯ２濃度の比率の推移を示す図である。
【図４】図１に示す内燃機関の排気浄化システムで使用される選択還元型ＮＯｘ触媒において示されるＮＯｘ還元能力を説明するための図である。
【図５】図１に示す内燃機関の排気浄化システムで実行される噴射圧制御に関するフローチャートである。
【図６】図５に示す噴射圧制御において最適噴射圧を算出するために使用される制御マップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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】
【００１４】
図１は、その上段（ａ）に、内燃機関１の排気浄化システムの概略構成を表し、その下段（ｂ）には、当該排気浄化システムに搭載される選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、「ＮＯｘ触媒」ともいう）３のモデル構造を表している。図１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１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。
【００１５】
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、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によって排気中に供給される。供給弁５から供給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の浄化が行われる。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。
【００１６】
ここで、タンク４から供給弁５への尿素水の供給構成について説明する。タンク４から供給弁５に向かって尿素水を供給するための経路として、供給経路８が設けられている。この供給経路８にはポンプ６が設置されており、ポンプ６によって供給経路８において尿素水の圧送が行われることになる。なお、供給経路８における尿素水の流れが、図１中の白抜き矢印で表されている。更に、ポンプ６の下流側であって供給弁５までの供給経路８の途中の所定部位８ａとタンク４とを繋ぐリターン経路９が設けられている。所定部位８ａにはポンプ６で加圧された尿素水が流れ込むため、所定部位８ａでの尿素水圧力は、タンク４内の圧力と比べて高い。そのため、リターン経路９においては、尿素水は所定部位８ａからタンク４に向かって流れる。このリターン経路９における尿素水の流れは、図１中の黒塗り矢印で表されている。また、リターン経路９にはリターン制御弁７が配置され、リターン制御弁７の開度に応じてリターン経路９での尿素水の流量が調整される。
【００１７】
また、図１に示す排気浄化システムには、様々なセンサが設けられている。所定部位８ａの下流側に位置し供給弁５に至るまでの供給経路８上の部位に、そこを流れる尿素水の圧力を検出する圧力センサ１０が設けられている。この圧力センサ１０は、供給弁５によって噴射される尿素水の圧力、すなわち供給弁５の噴射圧を検出するものである。また、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１１が設けられる。その他、クランクポジションセンサ１４、アクセル開度センサ１５、吸気通路１２にエアフローメータ１３等も配置されている。これらの各センサは、内燃機関１に併設されている電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０に電気的に接続され、その検出値がＥＣＵ２０に渡される。当該ＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転状態等を制御するユニットであり、接続される各センサの検出値に基づいて、内燃機関１の運転状態や排気浄化システムの諸状況を把握することができる。
【００１８】
ここで、図１（ｂ）に基づいて、ＮＯｘ触媒３の構造について説明する。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、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。
【００１９】
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。
【００２０】
ここで、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の線Ｌ１で示すように、相対的に高温時（例えば、３５０℃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が用いられる場合があり、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の線Ｌ２で示すように、相対的に低温時（例えば、２００℃〜３５０℃の温度領域時）でのＮＯｘ浄化能が高くなる傾向がある。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く、酸素の反応性を高めてしまう傾向が強いため、高温時には還元剤であるアンモニアがＮＯｘよりも酸素と反応しやすくなり、アンモニアがＮＯｘに変化しやすくなる。このように、Ｃｕ交換型ＮＯｘ触媒はＦｅ交換型ＮＯｘ触媒と比較して、高温時のＮＯｘとアンモニアの反応選択性が低いため、高温でＮＯｘ浄化率が低下してしまう。
【００２１】
このような活性成分Ｆｅ、Ｃｕ等のそれぞれの特性を考慮して、本願発明に係るＮＯｘ触媒３に求められるＮＯｘ還元能力に応じて、該ＮＯｘ触媒３で使用される触媒粒子が決定される。本実施例においては、例えば、内燃機関１の機関始動からあまり時間が経過していない半暖機状態での、ＮＯｘ触媒３によるＮＯｘ浄化率を向上させる観点から、ＮＯｘ触媒で使用される触媒粒子の決定が行われる。この半暖機状態では、ＮＯｘ触媒３が排気熱によりある程度は暖められ活性状態とはなっているものの、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘの多くは、ＮＯである。なお、半暖機状態でのＮＯｘ触媒３の温度は、概ね１５０℃〜２５０℃程度とされる。また、本願においては、当該半暖機状態とともに冷間状態及び暖機状態に対応するＮＯｘ触媒の温度領域はあくまでも例示であり、その温度領域は実際の内燃機関１や排気通路２等の構成により変動するものである。
【００２２】
図２に示す特性を踏まえると、半暖機状態におけるＮＯｘ浄化率の向上を目指すために、Ｃｕ交換型ＮＯｘ触媒を利用することは可能である。しかし、本出願人は、Ｃｕ交換型ＮＯｘ触媒では、上述した高温時のアンモニアに対する酸化特性が現れることを考慮し、Ｃｕ交換型ＮＯｘ触媒に代わる触媒をＦｅ交換型ＮＯｘ触媒とともに利用して、半暖機状態から暖機後の高温時でのＮＯｘ浄化率の向上を図ることとした。具体的には、本実施例では、ＮＯｘ触媒３の第１触媒層３１に用いる触媒粒子には、Ｆｅ交換型ＮＯｘ触媒であるＦｅ−ＺＳＭ−５を用いる。当該触媒は公知のものであるから、その詳細の説明は割愛する。なお、Ｆｅ交換型ＮＯｘ触媒の別法として、Ｆｅ・ベータゼオライト触媒等も利用できる。
【００２３】
更に、ＮＯｘ触媒３の第２触媒層３２に含まれる触媒粒子には、Ｍｎ（マンガン）酸化物であるＳｎＭｎＣｅＯｘを採用した。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。ＳｎＭｎＣｅＯｘは、半暖機状態において、排気中のＮＯをＮＯ２に酸化する酸化能力を有しており、特に、半暖機状態（図３に示すＲ１の温度領域）でも、ある程度、ＮＯを酸化しＮＯ２を生成する能力を有している。図３は、半暖機状態の排気がＳｎＭｎＣｅＯｘに流れ込んだ場合の、該ＳｎＭｎＣｅＯｘから排出される排気におけるＮＯｘ濃度に対するＮＯ２濃度の比率（以下、単に「ＮＯ２比率」という）の、触媒温度に対する推移を示す。そして、図３に示す例では、触媒温度がＲ１の領域に属している場合、第２触媒層３２の触媒粒子ＳｎＭｎＣｅＯｘは、排気におけるＮＯ２比率を１０％前後とする酸化能力を有している。なお、図３から理解できるように、ＳｎＭｎＣｅＯｘは、その触媒温度が更に上昇し３００℃を超えると、その酸化能力がより顕著となりＮＯ２比率の上昇も顕著となる。
【００２４】
そして、図４は、当該ＮＯｘ触媒３によるＮＯｘ浄化率が、従来技術によるＮＯｘ触媒と比べてどの程度向上しているかを示している。図４は、（１）〜（５）に示す条件において、ＮＯｘ触媒に流れ込む排気が半暖機状態を想定した下記の所定条件の際に、各条件に対応するＮＯｘ触媒が示すＮＯｘ浄化率を比較したものである。
＜排気に関する所定条件＞
Ｎ２ガス中において、ＮＯ：２００ｐｐｍ  アンモニア：２００ｐｐｍ  Ｏ２：７％  Ｈ２Ｏ：５％  ＣＯ２：５％  ＴＨＣ：２５０ｐｐｍｃ  ＣＯ：５００ｐｐｍとする。また、流入排気のＳＶを２００００／ｈ、排気温度を２００℃とする。
【００２５】
なお、図４において、本実施例に係るＮＯｘ触媒３が実際に示したＮＯｘ浄化率は、条件（５）に示すものである。その他、条件（１）は、ＮＯｘ触媒が、Ｆｅ−ＺＳＭ−５のみの単層で形成されている場合のＮＯｘ浄化率の実測値を示し、条件（２）は、ＮＯｘ触媒が、ＳｎＭｎＣｅＯｘのみの単層で形成されている場合のＮＯｘ浄化率の実測値を示している。また、条件（３）は、条件（１）と条件（２）の結果を単に合算した値を示している。また、条件（４）は、ＮＯｘ触媒３の構成において、ＳｎＭｎＣｅＯｘでのＮＯ２生成能力を想定しＮＯｘ触媒３全体でのＮＯｘ浄化率を推定算出した値を示している。すなわち、図３に示すように、触媒温度（流入する排気温度と近似する）が２００℃のとき、第２触媒層３２に含まれるＳｎＭｎＣｅＯｘによって、ＮＯ２比率は１２％程度であるから、仮に第２触媒層３２で生成されたこの生成ＮＯ２が第１触媒層３１に供給され、そこでＮＯ２を伴う高速還元反応が生じるとすると、高速還元反応ではＮＯとＮＯ２が１：１の比率で消費され、Ｎ２が生成されることになる。そこで、条件（４）で推定算出されたＮＯｘ浄化率は、条件（２）で示されたＮＯｘ浄化率に対して最大で２４％加算された浄化率が見込まれる。
【００２６】
しかし、図４で示された条件（５）に対応するＮＯｘ浄化率、すなわち実際のＮＯｘ触媒３によるＮＯｘ浄化率は、条件（４）に対応するＮＯｘ浄化率よりも極めて高いＮＯｘ浄化率を示している。そして、本出願人は、この大幅なＮＯｘ浄化率の向上は、第１触媒層３１に用いられたＦｅ−ＺＳＭ−５と第２触媒層３２に用いられたＳｎＭＮＣｅＯｘのそれぞれの特性が相乗的に作用したことで発現したものであることを見出した。この両触媒層の相乗的な作用によるＮＯｘ浄化率の上昇を、図４中に「相乗効果分」として示している。
【００２７】
このようにＮＯｘ触媒３は、その半暖機状態において従来にはない好適なＮＯｘ還元能力を発揮し得る選択還元型ＮＯｘ触媒である。しかし、実際にＮＯｘ触媒３において好適なＮＯｘ還元能力を発揮させるためには、ＮＯｘ触媒３の内部に還元剤であるアンモニアを適切に拡散させ、触媒内でのアンモニアの分布状態を制御する必要がある。特に、ＮＯｘ触媒３は、上記の通り、第１触媒層３１と第２触媒層３２の触媒性能、特に温度依存の触媒性能は異なっているため、それぞれの触媒層で好適なＮＯｘ還元性能を発揮させるためには、触媒温度に応じてＮＯｘ触媒３内のアンモニア分布の状態を制御する必要がある
。
【００２８】
また、ＮＯｘ触媒３に届けられるアンモニアは、供給弁５から排気中に供給される尿素水から生成されるものである。ここで、ＮＯｘ触媒３内でのアンモニアの拡散の程度は、排気中に形成される還元剤雰囲気でのアンモニア濃度に大きく依存する。すなわち、排気中のアンモニア濃度が高いほど、ＮＯｘ触媒３に広く、深く拡散していく。そのため、ＮＯｘ触媒３内での好適なアンモニア分布の形成のためには、排気中でのアンモニア濃度を制御する必要もあることになる。なお、過度にアンモニア濃度が高くなるほど、ＮＯｘ触媒３をすり抜けてその下流側に流れ出すアンモニア量が増えることになるため好ましくない。
【００２９】
このようなＮＯｘ触媒３内でのアンモニア分布の形成のための課題を踏まえて、本発明に係る内燃機関１の排気浄化システムでは、ＮＯｘ触媒３内で好適なアンモニア分布を形成するための尿素水供給に関する制御が行われる。具体的には、図５に示す噴射圧制御が行われる。当該噴射圧制御は、供給弁５からの尿素水の供給を行う際の供給弁５の噴射圧を制御するためのものであり、ＥＣＵ２０により繰り返し実行される。なお、当該噴射圧制御は、供給弁５の噴射圧を制御するものであり、供給弁５から供給される尿素水の噴射量は、従来技術に従って決定され得る。例えば、尿素水の噴射量は、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘ濃度に基づいて決定したり、ＮＯｘ触媒３による実際のＮＯｘ浄化率が所定のＮＯｘ浄化率の範囲に収まるように決定したりすることができる。
【００３０】
ここで、図５に基づいて、噴射圧制御について説明する。先ず、Ｓ１０１では、排気通路２を流れる排気流量が測定される。具体的には、エアフローメータ１３の検出値と内燃機関１での燃料噴射量等を考慮して、排気流量が測定される。当該排気流量は、供給弁５から供給された尿素水によって生成されるアンモニアの排気中の濃度に影響を及ぼすパラメータである。供給弁５の噴射圧が一定の場合、排気流量が少ないほど排気中のアンモニア濃度は高くなり、逆に排気流量が多いほど排気中のアンモニア濃度は低くなる。当該アンモニア濃度が高くなるほど、上述したようにＮＯｘ触媒３内でのアンモニアの拡散程度が、より広く、より深くなる。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。
【００３１】
Ｓ１０２では、温度センサ１１の検出値に基づいて、ＮＯｘ触媒３の温度が測定される。当該触媒温度は、ＮＯｘ触媒３の内部において形成される好適なアンモニアの分布状態を決定するためのパラメータである。上記の通り、ＮＯｘ触媒３の温度によって、第１触媒層３１と第２触媒層３２のＮＯｘ還元能力は変動する。例えば、ＮＯｘ触媒３の温度が比較的低温である場合には、Ｆｅ交換型ＮＯｘ触媒である第１触媒層３１によるＮＯｘ還元能力は低く、一方で、第２触媒層３２によるＮＯｘ還元能力は高い。そのため、ＮＯｘ触媒３内でのアンモニア分布は、アンモニアが第２触媒層３２に到達している分布が好ましい。また、ＮＯｘ触媒３の温度が比較的高温である場合には、アンモニアに対する酸化特性が顕著となる第２触媒層３２の作用を軽減させるために、ＮＯｘ触媒３内でのアンモニア分布は、アンモニアが第２触媒層３２に到達しない状態である分布が好ましい。このように好適なアンモニア分布状態を判断するためのパラメータとして、ＮＯｘ触媒３の温度が測定される。Ｓ１０２の処理が終了すると、Ｓ１０３へ進む。
【００３２】
Ｓ１０３では、Ｓ１０１で測定された排気流量とＳ１０２で測定されたＮＯｘ触媒３の温度とに基づいて、現時点での供給弁５の最適噴射圧が算出される。具体的には、図６に示す２つの制御マップに基づいて算出される。図６に示す制御マップは、規定量の尿素水を供給弁５から供給するときの最適噴射圧を算出するためのものであり、最適噴射圧は、以下の式に従い、算出される。
最適噴射圧＝規定噴射圧×ｋ１×ｋ２
なお、規定噴射圧は、規定量の尿素水を噴射すために設定されている基準となる噴射圧
である。規定量が一定である場合には、規定噴射圧も一定の噴射圧とされる。
図６の上段（ａ）には、排気流量と、噴射圧を決定するための係数ｋ１との相関が開示されており、当該係数ｋ１は、その値が大きくなるほど、供給弁５の最適噴射圧が大きく設定されることになる。また、図６の下段（ｂ）には、ＮＯｘ触媒３の温度と、噴射圧を決定するための係数ｋ２との相関が開示されており、当該係数ｋ２も、その値が大きくなるほど、供給弁５の最適噴射圧が大きく設定されることになる。これらの制御マップは、ＥＣＵ２０のメモリ内に格納されている。
【００３３】
ここで、図６（ａ）に示すように、排気流量が大きくなるほど、係数ｋ１は大きくなるように算出される。これは、供給弁５の噴射圧が一定とした場合、排気流量が大きくなるほど排気中のアンモニア濃度が低下することを考慮したものである。すなわち、排気流量が大きくなるほど排気中のアンモニア濃度が低下し、ＮＯｘ触媒３内にアンモニアが広く、深く拡散しにくくなることが考慮される。そして、ＮＯｘ触媒３内での好適なアンモニア分布（すなわち、本願発明に係る所定分布状態）を形成するために、排気流量が大きくなるほど、噴射圧を高めてＮＯｘ触媒３内でのアンモニア拡散が促進されるように係数ｋ１が算出される。
【００３４】
また、図６（ｂ）に示すように、触媒温度が高くなるほど、係数ｋ２は小さくなるように算出される。これは、下層に位置する第２触媒層３２は、触媒温度が高くなるほどアンモニアに対する酸化特性が顕著になるため、第２触媒層３２にアンモニアを到達させない方が好ましい状況が形成される点を考慮したものである。すなわち、ＮＯｘ触媒３内での好適なアンモニア分布（すなわち、本願発明に係る所定分布状態）を形成するために、触媒温度に応じた噴射圧となるように係数ｋ２が算出される。特に、ＮＯｘ触媒３の触媒温度が約３５０℃を超えると、図２に示すように、第１触媒層３１によるＮＯｘ還元性能が顕著となるため、理想的には、アンモニアが第１触媒層３１内に留まるように拡散し、換言すれば、第２触媒層３２内には可及的に拡散しないのが好ましい。そこで、ＮＯｘ触媒３の触媒温度が約３５０℃を超える場合には、係数ｋ２は、触媒温度の増加に対する係数ｋ２の減少の程度は、触媒温度が約３５０℃以下の場合よりも低下するように設定されている。
【００３５】
このように図６に示す制御マップに従って、係数ｋ１、ｋ２が算出され、それらを利用して上記の式に従って最適噴射圧が算出される。Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ１０４へ進む。
【００３６】
Ｓ１０４では、実際の供給弁５の噴射圧である実噴射圧が、圧力センサ１０の検出値に基づいて算出される。その後、Ｓ１０５では、Ｓ１０４で測定された実噴射圧が、Ｓ１０３で算出された最適噴射圧となるように、もしくは最適噴射圧に可及的に近づくように、リターン制御弁７の開度が調整される。リターン制御弁７は、その開度を調整することでリターン経路９を流れる尿素水の流量を調整できる。このとき、リターン制御弁７の開度は、ＥＣＵ２０からの指示に対して比較的高い応答性で変化し得る。そのため、ポンプ６による圧送能力を変化させて供給弁５の噴射圧を変化させる場合と比べて、リターン制御弁７の開度を調整する場合は、ＥＣＵ２０からの指示に高い応答性をもって従い供給弁５の噴射圧を制御することが可能となる。なお、リターン制御弁７の開度を開側に調整すると、ポンプ６により圧送された尿素水の一部を、より多くタンク４に戻すことになるため、供給弁５の噴射圧を低減することができる。逆に、リターン制御弁７の開度を閉側に調整すると、ポンプ６により圧送された尿素水の一部の戻り量を低減することになるため、供給弁５の噴射圧を増大させることができる。Ｓ１０５の処理後、本制御を終了する。
【００３７】
このように本制御によると、リターン制御弁７の開度調整を介して、供給弁５の噴射圧を速やかに調整することが可能となる。その結果、供給弁５からの尿素水の噴射が、ＮＯ
ｘ触媒３におけるアンモニア拡散の観点から好適に行われることになり、以て、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ還元能力、特に、ＮＯｘ触媒３の半暖機状態におけるＮＯｘ浄化を含み、広い温度範囲でのＮＯｘ浄化を好適に実現することが可能となる。
【００３８】
＜変形例１＞
図１に示す内燃機関１の排気浄化システムにおいて、リターン制御弁７を含むリターン経路９は、タンク４への戻り尿素水が流れる経路であるが、上記の噴射圧制御の結果、リターン経路９を流れる尿素水の流量が少ない状態が続く場合もある。そのような場合、リターン経路９において尿素水が凍結する可能性が高くなる。そこで、リターン経路９の一部又は全部において、そこを流れる尿素水を加温できるようにヒータを設けてもよい。なお、ヒータによる加熱は、リターン経路９での尿素水の凍結が懸念される場合に限定して実行されてもよい。
【００３９】
＜変形例２＞
上記の実施例では、ＮＯｘ触媒３は、第１触媒層３１にＦｅ交換型ＮＯｘ触媒を有し、第２触媒層３２にＳｎＭｎＣｅＯｘを有しているが、この形態に代えて、第２触媒層３２の形成に、Ｃｕ交換型ＮＯｘ触媒を利用してもよい。また、別法として、ＮＯｘ触媒３の第１触媒層３１には、Ｆｅ交換型ＮＯｘ触媒やＣｕ交換型ＮＯｘ触媒等のようにＮＯｘ還元性を示す触媒を利用し、第２触媒層３２には酸化能を示す触媒を利用してもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１    内燃機関
２    排気通路
３    ＮＯｘ触媒
４    タンク
５    供給弁
６    ポンプ
７    リターン制御弁
８    供給経路
９    リターン経路
１０  圧力センサ
１１  温度センサ
１２  吸気通路
１３  エアフローメータ
３１  第１触媒層
３２  第２触媒層
【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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