(57)【要約】【課題】エンジン始動時等で排気中のＮＯｘを早期に還元することができ、ＮＯｘ選択還元触媒でＮＯｘ浄化に寄与しなかったアンモニアを再利用することで尿素水量の削減とＮＯｘ選択還元触媒からのアンモニアスリップ量を減少できる排気処理システムを提供する。【解決手段】排気処理システム５０は、尿素水溶液噴射部５３よりも排気通路４の上流側に配置された第２のＮＯｘ選択還元触媒５５と、第１のＮＯｘ選択還元触媒よりも下流側の排気通路と第２のＮＯｘ選択還元触媒の上流側の排気通路とを接続する排気戻し通路５７と、排気戻し通路に設けた排気戻し用バルブ５８と、第１のＮＯｘ選択還元触媒を通過した排気の一部を第２のＮＯｘ選択還元触媒に供給する排気戻し処理を実行する排気戻し制御装置４０と、を備えることを特徴とするものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に上流側から順に配置された尿素水溶液噴射部と第１のＮＯｘ選択還元触媒とを備えた排気処理システムにおいて、
前記尿素水溶液噴射部よりも前記排気通路の上流側に配置された第２のＮＯｘ選択還元触媒と、前記第１のＮＯｘ選択還元触媒よりも下流側の前記排気通路と前記第２のＮＯｘ選択還元触媒の上流側の前記排気通路とを接続する排気戻し通路と、該排気戻し通路に設けた排気戻し用バルブと、前記第１のＮＯｘ選択還元触媒を通過した排気の一部を前記第２のＮＯｘ選択還元触媒に供給する排気戻し処理を実行する排気戻し制御装置と、を備えることを特徴とする排気処理システム。
【請求項２】
前記排気戻し制御装置は、予め設定した排気戻し条件が満たされた場合に、前記排気戻し用バルブを開いて前記排気戻し処理を実行し、前記排気戻し条件が満たされない場合には、前記排気戻し用バルブを閉じて前記排気戻し処理を実行しないように構成される請求項１に記載の排気処理システム。
【請求項３】
前記排気通路の前記排気戻し通路の分岐点より下流側に、アンモニアの酸化を促進するアンモニアスリップ触媒をさらに備え、
前記排気戻し制御装置は、前記排気戻し処理において、前記第１のＮＯｘ選択還元触媒を通過した後であって前記アンモニアスリップ触媒を通過する前の排気の一部を前記第２のＮＯｘ選択還元触媒に供給する請求項１または２に記載の排気処理システム。
【請求項４】
前記排気戻し条件を、エンジン始動時、アイドリング時、及び、エンジンブレーキ時とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気処理システム。
【請求項５】
排気通路に上流側から順に配置された尿素水溶液噴射部と第１のＮＯｘ選択還元触媒とを備えた内燃機関の排気処理方法において、
予め設定した排気戻し条件が満たされた場合に、前記第１のＮＯｘ選択還元触媒を通過した排気の一部を前記尿素水溶液噴射部より上流側の前記排気通路に設けた第２のＮＯｘ選択還元触媒に戻す排気戻し処理を実行することを特徴とする排気処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気処理システム及び排気処理方法に関し、より詳細には、内燃機関の排気中に含まれるＮＯｘを選択的に還元することができる排気処理システム及び排気処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を低減する技術として、ＮＯｘを選択的に還元するＮＯｘ選択還元(ＳＣＲ:Selective Catalytic Reduction）触媒を用いる技術が使用されている。このような技術として、例えば特許文献１には、尿素水溶液を用いたＳＣＲシステムが開示されている。
【０００３】
特許文献１に係るＳＣＲシステムにおいては、尿素水溶液を噴射する尿素水溶液噴射部が排気通路に設けられるとともに、排気通路の尿素水溶液噴射部よりも下流側にＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ触媒）が設けられている。尿素水溶液噴射部が尿素水溶液を排気中に噴射すると、噴射された尿素水溶液中の尿素は加水分解され、その結果、アンモニアが生成される。このアンモニアは、ＮＯｘ選択還元触媒の触媒作用により、ＮＯｘ選択還元触媒に吸着されている排気中のＮＯｘを還元させる。それにより、ＮＯｘは窒素と水とに分解される。このようにして、ＳＣＲシステムは排気中のＮＯｘ濃度の低減を図っている。
【０００４】
また、特許文献１に係る技術では、尿素水溶液の加水分解により生成されたアンモニアが未反応のまま大気に放出されることを抑制するために、ＮＯｘ選択還元触媒を通過した排気を当該ＮＯｘ選択還元触媒の上流部に戻す技術も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１２４６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＮＯｘ選択還元触媒がその機能を十分に発揮するには、ＮＯｘ選択還元触媒の温度が所定の活性化温度以上になっていることと、適量のアンモニアの供給があることが必要である。特許文献１に係る技術では、エンジン始動時等では、排気が尿素水の加水分解温度に到達してアンモニアが発生しても、ＮＯｘ選択還元触媒が昇温して活性化するのに長時間を要するため、早期にＮＯｘを還元することは困難である。
【０００７】
本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジン始動時等で排気中のＮＯｘを早期に還元することができ、ＮＯｘ選択還元触媒でＮＯｘ浄化に寄与しなかったアンモニアを再利用することで尿素水量の削減とＮＯｘ選択還元触媒からのアンモニアスリップ量を減少できる排気処理システム及び排気処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するための本発明の排気処理システムは、内燃機関の排気通路に上流側から順に配置された尿素水溶液噴射部と第１のＮＯｘ選択還元触媒とを備えた排気処理システムにおいて、前記尿素水溶液噴射部よりも前記排気通路の上流側に配置された第２のＮＯｘ選択還元触媒と、前記第１のＮＯｘ選択還元触媒よりも下流側の前記排気通路と前記第２のＮＯｘ選択還元触媒の上流側の前記排気通路とを接続する排気戻し通路と、該
排気戻し通路に設けた排気戻し用バルブと、前記第１のＮＯｘ選択還元触媒を通過した排気の一部を前記第２のＮＯｘ選択還元触媒に供給する排気戻し処理を実行する排気戻し制御装置と、を備えることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係る排気処理システムによれば、第１のＮＯｘ選択還元触媒を通過した排気の一部を第２のＮＯｘ選択還元触媒に戻すことができ、これにより、次のような効果を奏することができる。
【００１０】
ここで、第２のＮＯｘ選択還元触媒は、第１のＮＯｘ選択還元触媒よりも上流側に、例えば、排気マニホールド直下、あるいは、タービン直下に設けられるため、第１のＮＯｘ選択還元触媒を通過する排気よりも高温の排気が通過する。また、この第２のＮＯｘ選択還元触媒は補助的なものであるので、第１のＮＯｘ選択還元触媒より小容量で構成され、熱容量も小さくなる。そのため、第２のＮＯｘ選択還元触媒を昇温するために必要なエネルギー量を低減できると共に、設置場所を燃焼室に近づけて配置できるのでより高温の排気を利用できる。したがって、エンジン始動時等の気筒から出る排気の温度が比較的低い温度のときでも、第２のＮＯｘ選択還元触媒は早期に活性化温度に達するようになる。
【００１１】
エンジン始動時等では、尿素水溶液噴射部における排気の温度は、尿素水が加水分解反応してアンモニアを発生する要件を満たしているが、第１のＮＯｘ選択還元触媒が活性化温度に十分に昇温しておらず、第１のＮＯｘ選択還元触媒からアンモニアスリップが生じる時間帯が生じる。
【００１２】
エンジン始動時に、予め設定された時間の間、排気戻し処理を行うことで、上流側の第２のＮＯｘ選択還元触媒が活性化温度に達していない間は、第１のＮＯｘ選択還元触媒から流出するアンモニアの一部を、上流側の第２のＮＯｘ選択還元触媒に吸着させることができ、これにより、第１のＮＯｘ選択還元触媒の下流側の排気通路に流出するアンモニアの量を減少できる。
【００１３】
そして、排気戻し処理の間に、上流側の第２のＮＯｘ選択還元触媒が活性化温度に達すると、気筒から排出されるＮＯｘと、戻し排気のＮＯｘとが、第２のＮＯｘ選択還元触媒に吸着しているアンモニア若しくは戻し排気に含まれているアンモニアを使用して、第２のＮＯｘ選択還元触媒で還元処理される。
【００１４】
これにより、尿素水溶液噴射部における排気の温度が、尿素水が加水分解反応してアンモニアを発生する要件を満たす温度に達しておらず、尿素水を噴射できない状態のときでも、気筒から排出されるＮＯｘ及び戻し排気中のＮＯｘを、第２のＮＯｘ選択還元触媒に吸着しているアンモニアを使用して、第２のＮＯｘ選択還元触媒で還元処理することができる。
【００１５】
次に、尿素水溶液噴射部における排気の温度が、尿素水が加水分解反応してアンモニアを発生する要件を満たす温度に達すると、尿素水を噴射し始めるが、第１のＮＯｘ選択還元触媒が活性化温度に達していない間は、アンモニアがあってもこのアンモニアを使用してＮＯｘを還元できないので、発生したアンモニアは第１のＮＯｘ選択還元触媒の下流側に流出するが、排気戻し処理により、このアンモニアの一部とＮＯｘの一部は、第２のＮＯｘ選択還元触媒に戻されるので、第２の選択還元触媒で還元処理することができる。
【００１６】
そして、第１のＮＯｘ選択還元触媒が活性化温度に達すると、アンモニアを使用してＮＯｘを還元できるようになるで、発生したアンモニアは第１のＮＯｘ選択還元触媒でＮＯｘ還元に使用されるので、第１のＮＯｘ選択還元触媒の下流側にはアンモニアもＮＯｘも流出しないようになる。そのため、この段階で、予め設定された排気戻し処理の実行時間
が経過して、排気戻し処理を終了する。
【００１７】
したがって、これにより、エンジン始動時等で、活性化温度に到達していない第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選択還元触媒でＮＯｘ浄化に使用できるので、尿素水の利用効率が上昇し、尿素水を削減できる。また、第１のＮＯｘ選択還元触媒の下流側に流出するアンモニアとＮＯｘの量を減少できる。つまり、エンジン始動時においても、第２のＮＯｘ選択還元触媒を使用することでＮＯｘ浄化が早期に可能となる。
【００１８】
上記構成において、前記排気戻し制御装置は、予め設定した排気戻し条件が満たされた場合に、前記排気戻し用バルブを開いて前記排気戻し処理を実行し、前記排気戻し条件が満たされない場合には、前記排気戻し用バルブを閉じて前記排気戻し処理を実行しない構成としてもよい。この構成によれば、所定の排気戻し条件が満たされた場合に限って、第１のＮＯｘ選択還元触媒を通過した排気の一部を第２のＮＯｘ選択還元触媒に戻すことができる。それにより、排気の温度が低く、第１のＮＯｘ選択還元触媒で十分にＮＯｘ浄化が行えない状態では、排気戻し処理することで第２のＮＯｘ選択還元触媒でアンモニアの流出防止とＮＯｘ浄化のアシストができ、排気の温度が上昇し、第１のＮＯｘ選択還元触媒で十分にＮＯｘ浄化が行えるような状態では、通常の排気戻し処理の無い状態で効率よくＮＯｘを浄化できると共に、第２のＮＯｘ選択還元触媒の負荷を低減でき、その劣化を抑制することができる。
【００１９】
上記構成は、前記排気通路の前記排気戻し通路の分岐点より下流側に、アンモニアの酸化を促進するアンモニアスリップ触媒をさらに備え、前記排気戻し制御装置は、前記排気戻し処理において、前記第１のＮＯｘ選択還元触媒を通過した後であって前記アンモニアスリップ触媒を通過する前の排気の一部を前記第２のＮＯｘ選択還元触媒に供給してもよい。この構成によれば、第１のＮＯｘ選択還元触媒を通過した排気に含まれるアンモニアを効果的に酸化させることができる。それにより、アンモニアの大気への放出を効果的に抑制することができる。また、本発明に係る排気処理システムによれば、排気中のＮＯｘを早期に還元することができるため、アンモニアスリップ触媒における金属担持量を削減することもできる。
【００２０】
上記構成において、前記排気戻し条件を、エンジン始動時、アイドリング時、及び、エンジンブレーキ時としてもよい。この構成によれば、エンジン始動時のみならず、燃料室から出る排気の温度が低くなるアイドリング時及びエンジンブレーキ時に排気戻り処理を行うことで、このような過渡状態におけるＮＯｘ浄化能力を向上させることができる。
【００２１】
上記の目的を達成するための本発明の排気処理方法は、排気通路に上流側から順に配置された尿素水溶液噴射部と第１のＮＯｘ選択還元触媒とを備えた内燃機関の排気処理方法において、予め設定した排気戻し条件が満たされた場合に、前記第１のＮＯｘ選択還元触媒を通過した排気の一部を前記尿素水溶液噴射部より上流側の前記排気通路に設けた第２のＮＯｘ選択還元触媒に戻す排気戻し処理を実行することを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る排気処理方法によれば、エンジン始動時等で、活性化温度に到達していない第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選択還元触媒でＮＯｘ浄化に使用できるので、尿素水の利用効率が上昇し、尿素水を削減できる。また、第１のＮＯｘ選択還元触媒の下流側に流出するアンモニアとＮＯｘの量を減少できる。つまり、エンジン始動時においても、第２のＮＯｘ選択還元触媒を使用することでＮＯｘ浄化が早期に可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る排気処理システム及び排気処理方法によれば、エンジン始動時等で排気中のＮＯｘを早期に還元することができ、ＮＯｘ選択還元触媒でＮＯｘ浄化に寄与しなかったアンモニアを再利用することで尿素水量の削減とＮＯｘ選択還元触媒からのアンモニアスリップ量を減少できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態に係る排気処理システムが適用された内燃機関システムの模式図である。
【図２】排気戻し処理のフローチャートの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る実施の形態の排気処理システム及び排気処理方法について図面を参照しつつ説明する。
【００２６】
図１は本実施形態に係る排気処理システム５０が適用された内燃機関システム１の模式図である。内燃機関システム１は、内燃機関２、吸気通路３、排気通路４、エアクリーナ５、インタークーラ６、スロットルバルブ７、第１過給機１０、第２過給機２０、流量調整バルブ２５、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置３０、ＥＣＵ（Engine Control Unit）４０及び排気処理システム５０を備えている。排気処理システム５０は、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst；ディーゼル酸化触媒）５１、ＤＰＤ（Diesel Particulate Diffuser；ディーゼルパティキュレートディフューザ）５２、尿素水溶液噴射部５３、第１ＳＣＲ触媒（第１のＮＯｘ選択還元触媒）５４、第２ＳＣＲ触媒（第２のＮＯｘ選択還元触媒）５５、アンモニアスリップ触媒５６、排気戻し通路５７、流量調整バルブ５８及び流量調整バルブ５９を備えている。まず、内燃機関システム１の排気処理システム５０以外の構成について説明し、次いで排気処理システム５０の詳細について説明する。
【００２７】
内燃機関２の具体的な種類は特に限定されるものではないが、本実施形態においては一例としてディーゼルエンジンを用いる。吸気通路３の吸気の流動方向で下流側の端部は内燃機関２の吸気ポートに接続している。吸気通路３には、吸気の流動方向で上流側から順に、エアクリーナ５、第１過給機１０のコンプレッサ１１、第２過給機２０のコンプレッサ２１、インタークーラ６及びスロットルバルブ７が配置されている。吸気通路３の一部は、第２過給機２０のコンプレッサ２１をバイパスするように設けられている（この部分をバイパス部８ａと称する）。流量調整バルブ２５はバイパス部８ａに配置されている。流量調整バルブ２５は、ＥＣＵ４０の指示を受けて開閉することでバイパス部８ａにおける吸気の通過及び通過停止を行う。なお、流量調整バルブ２５は、バイパス部８ａを通過する吸気の流量を任意に調整可能なものであってもよい。
【００２８】
排気通路４の上流側端部は内燃機関２の排気ポートに接続している。排気通路４には、排気の流動方向で上流側から順に、第２過給機２０のタービン２２、第１過給機１０のタービン１２、排気処理システム５０のＤＯＣ５１、ＤＰＤ５２、第１ＳＣＲ触媒５４及びアンモニアスリップ触媒５６が配置されている。また、排気通路４の一部は、タービン２２をバイパスするように設けられている（この部分をバイパス部８ｂと称する）。具体的にはバイパス部８ｂの上流側端部は、排気通路４のうちタービン２２よりも上流側の部分（具体的には排気マニホールドの部分）に接続し、バイパス部８ｂの下流側端部は、排気通路４のうちタービン２２よりも下流側であり且つタービン１２よりも上流側の部分に接続している。第２ＳＣＲ触媒５５及び流量調整バルブ５９はバイパス部８ｂに配置されている。
【００２９】
ＥＧＲ装置３０は、ＥＧＲ通路３１、ＥＧＲバルブ３２及びＥＧＲクーラ３３を備えている。ＥＧＲ通路３１は、排気通路４の排気の一部を吸気通路３に再循環させるための通
路である。本実施形態に係るＥＧＲ通路３１は、一例として、排気通路４の通路途中（具体的には排気通路４のうちバイパス部８ｂの上流側端部が接続している部分）と吸気通路３の通路途中（具体的にはスロットルバルブ７よりも下流側の部分）とを連通している。ＥＧＲバルブ３２は、ＥＣＵ４０からの指示を受けて開閉することで、ＥＧＲ通路３１における排気の通過及び通過停止を行う。なお、ＥＧＲバルブ３２はＥＧＲ通路３１を通過する排気の流量を任意に調整可能なものであってもよい。ＥＧＲクーラ３３は、ＥＧＲ通路３１を通過する排気を冷却する装置である。
【００３０】
ＥＣＵ４０は、内燃機関システム１を総合的に制御する制御装置である。なお本実施形態に係るＥＣＵ４０は、内燃機関２の制御装置としての機能の他に排気処理システム５０の制御装置（具体的には、後述する排気戻し処理を実行する排気戻し制御装置）としての機能を兼務しているため、排気処理システム５０はＥＣＵ４０も構成要素として備えている。但し内燃機関システム１の構成はこれに限定されるものではなく、例えば内燃機関システム１は、ＥＣＵ４０とは別に排気処理システム５０専用の制御装置を備えていてもよい。ＥＣＵ４０は、制御部としての機能を有するＣＰＵと、記憶部としての機能を有するＲＯＭ、ＲＡＭ等とを有するマイクロコンピュータを備えており、内燃機関２、流量調整バルブ２５,５８,５９、スロットルバルブ７及びＥＧＲバルブ３２を制御する。
【００３１】
以上のような内燃機関システム１に排気処理システム５０は組み込まれている。なお、排気処理システム５０が組み込まれる内燃機関システム１は上記構成に限定されるものではない。そのため、排気処理システム５０以外の構成のこれ以上詳細な説明については省略する。
【００３２】
続いて排気処理システム５０の構成の詳細について説明する。ＤＯＣ５１は白金、パラジウム等の貴金属触媒を担持している。ＤＯＣ５１は、排気中の酸素を用いて、触媒作用を利用して、排気中のＰＭ（粒子状物質）に含まれる未燃焼物質（ＳＯＦ；例えば炭化水素（ＨＣ））を酸化する。未燃焼物質が酸化されることで、主として水と二酸化炭素とが生成される。ＤＰＤ５２は、排気に含まれるＰＭを捕集するＤＰＦ（Diesel Particulate
filter；ディーゼルパティキュレートフィルタ）を有するとともに、さらに、ユーザからの指示を受けてＤＰＦに堆積したＰＭの除去も行う。本実施形態のように排気処理システム５０がＤＯＣ５１及びＤＰＤ５２を備えることにより、排気を効果的に浄化することができる。
【００３３】
尿素水溶液噴射部５３は、ＥＣＵ４０からの指示を受けて、尿素水溶液を、排気通路４のＤＰＤ５２よりも下流側であって第１ＳＣＲ触媒５４よりも上流側の部分に供給する。
【００３４】
第１ＳＣＲ触媒５４及び第２ＳＣＲ触媒５５は、ＮＯｘを選択的に還元する触媒である。このような機能を有する触媒であれば、第１ＳＣＲ触媒５４及び第２ＳＣＲ触媒５５の具体的な種類は特に限定されるものではなく、例えば、バナジウム、モリブデン、タングステン等の卑金属酸化物や、ゼオライト等の貴金属等、公知のＳＣＲ触媒を用いることができる。本実施形態においては、第１ＳＣＲ触媒５４及び第２ＳＣＲ触媒５５の一例として、バナジウムを用いる。
【００３５】
第１ＳＣＲ触媒５４は、排気通路４のうち、ＤＰＤ５２よりも下流側の部分に配置されている。第２ＳＣＲ触媒５５は、第１ＳＣＲ触媒５４よりも排気通路４の上流側に、第１ＳＣＲ触媒５４との間に予め設定された所定間隔を開けて配置されている。具体的には第２ＳＣＲ触媒５５は、排気通路４のうちバイパス部８ｂの部分に配置されている。なお、本実施形態に係る第１ＳＣＲ触媒５４は第１のＮＯｘ選択還元触媒の一例であり、第２ＳＣＲ触媒５５は第２のＮＯｘ選択還元触媒の一例である。
【００３６】
本実施形態において、第２ＳＣＲ触媒５５の容量（ｍ３）は第１ＳＣＲ触媒５４の容量（ｍ３）よりも小さく設定されている。但し、第２ＳＣＲ触媒５５の容量と第１ＳＣＲ触媒５４の容量との関係はこれに限定されるものではなく、例えば第２ＳＣＲ触媒５５の容量は第１ＳＣＲ触媒５４の容量と同等以上であってもよい。
【００３７】
アンモニアスリップ触媒５６は、排気通路４の後述する排気戻し通路５７の分岐点よりも下流側に配置されている。アンモニアスリップ触媒５６は、第１ＳＣＲ触媒５４を通過（すなわちスリップ）したアンモニアの酸化を促進させる触媒である。このような機能を有するものであれば、アンモニアスリップ触媒５６の具体的な種類は特に限定されるものではなく、アンモニアの酸化を促進可能な公知の触媒を用いることができる。したがって、アンモニアスリップ触媒５６のこれ以上詳細な説明は省略する。
【００３８】
排気戻し通路５７は、第１ＳＣＲ触媒５４を通過した排気の一部を第２ＳＣＲ触媒５５に戻す通路である。具体的には本実施形態に係る排気戻し通路５７は、排気通路４のうち第１ＳＣＲ触媒５４よりも下流側且つアンモニアスリップ触媒５６よりも上流側の部分と、バイパス部８ｂの第２ＳＣＲ触媒５５よりも上流側且つ流量調整バルブ５９よりも下流側の部分と、を接続している。
【００３９】
流量調整バルブ５８は、排気戻し通路５７に配置されている。流量調整バルブ５８は、ＥＣＵ４０の指示を受けて開閉することで、排気戻し通路５７における排気の通過及び通過停止を行うことで、排気戻し通路５７における排気の流量をゼロと所定流量との間で調整する。なお流量調整バルブ５８は、排気戻し通路５７を通過する排気の流量をゼロから所定流量の間の任意の値に調整可能なものであってもよいが、開と閉のＯＮ／ＯＦＦ操作の弁であってもよい。なお本実施形態に係る流量調整バルブ５８は、排気戻し通路５７に設けられた排気戻し用バルブの一例である。
【００４０】
流量調整バルブ５９は、バイパス部８ｂのうち排気戻し通路５７が接続している箇所よりも排気の流動方向で上流側（ＥＧＲ通路３１に近い側）の部分に配置されている。流量調整バルブ５９は、ＥＣＵ４０の指示を受けて開閉することで、排気通路４のタービン２２よりも上流側の部分からバイパス部８ｂに流入する排気の流量をゼロまたは所定流量に調整する。
【００４１】
続いて排気処理システム５０の動作について説明する。ＥＣＵ４０は、予め設定された排気戻し条件が満たされた場合に排気戻し処理を実行する。この排気戻し処理において、ＥＣＵ４０は、流量調整バルブ５８を開に制御することで、第１ＳＣＲ触媒５４を通過した排気の一部を、排気戻し通路５７を介して第２ＳＣＲ触媒５５に供給する。この排気戻し処理の詳細についてフローチャートを用いて説明すると次のようになる。
【００４２】
図２は排気戻し処理のフローチャートの一例である。ＥＣＵ４０の具体的には制御部（ＣＰＵ）は図２のフローチャートを所定周期で繰り返し実行する。また、図２のフローチャートの最初のスタート時において、排気戻し処理は実行されていない（すなわち、流量調整バルブ５８は閉になっている）ものとする。ステップＳ１０においてＥＣＵ４０は、排気戻し条件を満たすか否かを判定する。排気戻し条件の具体的内容は特に限定されるものではないが、本実施形態においては一例として、第１ＳＣＲ触媒５４を通過する排気の温度が第１ＳＣＲ触媒５４を活性化させるほど高温でない（すなわち、排気の温度が低温である）と推定される内燃機関２の運転条件を用いる。本実施形態においては、このような条件の具体例として、内燃機関２の運転状態がエンジン始動時、アイドリング時及びエンジンブレーキ時の状態であるとの条件を用いる。
【００４３】
なお、ＥＣＵ４０は、ユーザの操作によって内燃機関２を始動させる始動スイッチ（例
えばイグニションキー等）がＯＮにされてから所定時間経過するまでの間、エンジン始動時であると判定する。またＥＣＵ４０は、エンジン始動後にアクセル開度がゼロとなった場合に、アイドリング時であると判定する。またＥＣＵ４０は、排気通路４に配置されたエンジンブレーキバルブ（図示せず）が排気通路４を絞ることでエンジンブレーキが発生した時に、エンジンブレーキ時であると判定する。
【００４４】
ステップＳ１０において排気戻し条件を満たすと判定された場合、ＥＣＵ４０は排気戻し処理を実行する（ステップＳ２０）。具体的にはＥＣＵ４０は、流量調整バルブ５８を開に制御する。その結果、第１ＳＣＲ触媒５４を通過した排気の一部、より具体的には、第１ＳＣＲ触媒５４を通過した後であってアンモニアスリップ触媒５６を通過する前の排気の一部が排気戻し通路５７を通過して第２ＳＣＲ触媒５５に供給される。
【００４５】
また、ステップＳ２０においてＥＣＵ４０は、流量調整バルブ５９を開に制御する。それにより、排気通路４のうちタービン２２よりも上流側の排気の一部は第２ＳＣＲ触媒５５を通過する。タービン２２よりも上流側の排気は第１ＳＣＲ触媒５４を通過する排気よりも高温であり、このように高温の排気が第２ＳＣＲ触媒５５に導入されることで、第２ＳＣＲ触媒５５が早期に活性化することを効果的に促進させることができる。ステップＳ２０の実行後に、ＥＣＵ４０はフローチャートの実行を終了する。
【００４６】
なお、ステップＳ２０に係る排気戻し処理は、実験結果等に基づいて予め設定された時間、実行される。
【００４７】
ステップＳ１０において排気戻し条件を満たすと判定されなかった場合、ＥＣＵ４０は排気戻し処理を実行しない（ステップＳ３０）。この場合、ＥＣＵ４０は流量調整バルブ５８を閉に制御する。ステップＳ３０の実行後に、ＥＣＵ４０はフローチャートの実行を終了する。
【００４８】
すなわち、本実施形態に係るＥＣＵ４０（排気戻し制御装置）は、予め設定した排気戻し条件が満たされた場合に流量調整バルブ５８（排気戻し用バルブ）を開いて排気戻し処理を実行し、排気戻し条件が満たされない場合には流量調整バルブ５８を閉じて排気戻し処理を実行しないように構成されている。
【００４９】
なお、ＥＣＵ４０は予め設定された尿素水溶液噴射条件が満たされた場合に、尿素水溶液噴射部５３から排気通路４に尿素水溶液が噴射されるように、尿素水溶液噴射部５３を制御する。本実施形態においては、この尿素水溶液噴射条件の一例として、尿素水溶液噴射部５３における排気の温度が、尿素水が加水分解反応してアンモニアを発生する要件を満たす温度に達しているとの条件を用いる。この場合、尿素水溶液噴射部５３から噴射された尿素水溶液は、加水分解されてアンモニアに変化する。そして、このアンモニアが第１ＳＣＲ触媒５４および／または第２ＳＣＲ触媒５５に吸着しているＮＯｘを還元させることで、ＮＯｘを窒素と水とに分解する。それにより、ＮＯｘの大気への放出が抑制される。また、ＮＯｘの還元に寄与しなかったアンモニアは、アンモニアスリップ触媒５６によって酸化される。
【００５０】
なお、上述した尿素水を用いたＮＯｘの一連の浄化作用を化学式で示すと以下の式（１）〜式（４）のようになる。式（１）はアンモニアの加水分解を示し、式（２）〜式（４）がアンモニアによるＮＯｘの還元反応を示している。
（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→２ＮＨ３＋ＣＯ２・・・（１）
２ＮＨ３＋ＮＯ＋ＮＯ２→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ・・・（２）
４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ・・・（３）
６ＮＯ＋８ＮＨ３→７Ｎ２＋１２Ｈ２Ｏ・・・（４）
【００５１】
続いて排気処理システム５０の作用効果について説明する。排気処理システム５０によれば、第１ＳＣＲ触媒５４を通過した排気の一部を第２ＳＣＲ触媒５５に戻すことができ、これにより、次のような効果を奏することができる。
【００５２】
ここで、第２ＳＣＲ触媒５５は第１ＳＣＲ触媒５４よりも上流側に、具体的には本実施形態においては排気マニホールド直下のバイパス部８ｂに設けられているため、第１ＳＣＲ触媒５４を通過する排気よりも高温の排気が通過する。また、第２ＳＣＲ触媒５５は補助的なものであるので、第１ＳＣＲ触媒５４より小容量で構成され、熱容量も小さくなる。そのため、第２ＳＣＲ触媒５５を昇温するために必要なエネルギー量を低減できると共に、設置場所を燃焼室に近づけて配置できるのでより高温の排気を利用できる。したがって、エンジン始動時等の気筒から出る排気の温度が比較的低い温度のときでも、第２ＳＣＲ触媒５５は早期に活性化温度に達するようになる。
【００５３】
エンジン始動時等では、尿素水溶液噴射部５３における排気の温度は、尿素水が加水分解反応してアンモニアを発生する要件を満たしているが、第１ＳＣＲ触媒５４が活性化温度に十分に昇温しておらず、第１ＳＣＲ触媒５４からアンモニアスリップが生じる時間帯が生じる。これに対して排気処理システム５０によれば、エンジン始動時に、予め設定された時間の間、排気戻し処理を行うことで、上流側の第２ＳＣＲ触媒５５が活性化温度に達していない間は、第１ＳＣＲ触媒５４から流出するアンモニアの一部を、上流側の第２ＳＣＲ触媒５５に吸着させることができ、これにより、第１ＳＣＲ触媒５４の下流側の排気通路４に流出するアンモニアの量を減少できる。
【００５４】
そして、排気戻し処理の間に、上流側の第２ＳＣＲ触媒５５が活性化温度に達すると、気筒から排出されるＮＯｘと、戻し排気のＮＯｘとが、第２ＳＣＲ触媒５５に吸着しているアンモニア若しくは戻し排気に含まれているアンモニアを使用して、第２ＳＣＲ触媒５５で還元処理される。
【００５５】
これにより、尿素水溶液噴射部５３における排気の温度が、尿素水が加水分解反応してアンモニアを発生する要件を満たす温度に達しておらず、尿素水を噴射できない状態のときでも、気筒から排出されるＮＯｘ及び戻し排気中のＮＯｘを、第２ＳＣＲ触媒５５に吸着しているアンモニアを使用して、第２ＳＣＲ触媒５５で還元処理することができる。
【００５６】
次に、尿素水溶液噴射部５３における排気の温度が、尿素水が加水分解反応してアンモニアを発生する要件を満たす温度に達すると、尿素水を噴射し始めるが、第１ＳＣＲ触媒５４が活性化温度に達していない間は、アンモニアがあってもこのアンモニアを使用してＮＯｘを還元できないので、発生したアンモニアは第１ＳＣＲ触媒５４の下流側に流出する。しかしながら、排気戻し処理により、このアンモニアの一部とＮＯｘの一部は、第２ＳＣＲ触媒５５に戻されるので、第２ＳＣＲ触媒５５で還元処理することができる。
【００５７】
そして、第１ＳＣＲ触媒５４が活性化温度に達すると、アンモニアを使用してＮＯｘを還元できるようになるで、発生したアンモニアは第１ＳＣＲ触媒５４でＮＯｘ還元に使用される。それにより、第１ＳＣＲ触媒５４の下流側にはアンモニアもＮＯｘも流出しないようになる。そのため、この段階で、予め設定された排気戻し処理の実行時間が経過して、排気戻し処理が終了される。
【００５８】
したがって、これにより、エンジン始動時等で、活性化温度に到達していない第１ＳＣＲ触媒５４から流出するアンモニアを第２ＳＣＲ触媒５５でＮＯｘ浄化に使用できるので、尿素水の利用効率が上昇し、尿素水を削減できる。また、第１ＳＣＲ触媒５４の下流側に流出するアンモニアの量（アンモニアスリップ量）とＮＯｘの量を減少できる。つまり、エンジン始動時においても、第２ＳＣＲ触媒５５を使用することでＮＯｘ浄化が早期に可能となる。
【００５９】
また、排気処理システム５０によれば、予め設定した排気戻し条件が満たされた場合に排気戻し処理が実行され、排気戻し条件が満たされない場合には排気戻し処理が実行されないことから、所定の排気戻し条件が満たされた場合に限って、第１ＳＣＲ触媒５４を通過した排気の一部を第２ＳＣＲ触媒５５に戻すことができる。それにより、排気の温度が低く、第１ＳＣＲ触媒５４で十分にＮＯｘ浄化が行えない状態では、排気戻し処理することで第２ＳＣＲ触媒５５でアンモニアの流出防止とＮＯｘ浄化のアシストができ、排気の温度が上昇し、第１ＳＣＲ触媒５４で十分にＮＯｘ浄化が行えるような状態では、通常の排気戻し処理の無い状態で効率よくＮＯｘを浄化できると共に、第２ＳＣＲ触媒５５の負荷を低減でき、その劣化を抑制することができる。
【００６０】
また、排気処理システム５０によれば、排気通路４の排気戻し通路５７の分岐点より下流側にアンモニアスリップ触媒５６を備え、ＥＣＵ４０は排気戻し処理において、第１ＳＣＲ触媒５４を通過した後であってアンモニアスリップ触媒５６を通過する前の排気の一部を第２ＳＣＲ触媒５５に供給していることから、第１ＳＣＲ触媒５４を通過した排気に含まれるアンモニアを効果的に酸化させることができる。それにより、アンモニアの大気への放出を効果的に抑制することができる。また、排気処理システム５０によれば、排気中のＮＯｘを早期に還元することができるため、アンモニアスリップ触媒５６における金属担持量を削減することもできる。
【００６１】
また、排気処理システム５０によれば、排気戻し条件を、エンジン始動時、アイドリング時、及び、エンジンブレーキ時としていることから、エンジン始動時のみならず、燃料室から出る排気の温度が低くなるアイドリング時及びエンジンブレーキ時に排気戻り処理を行うことで、このような過渡状態におけるＮＯｘ浄化能力を向上させることができる。
【００６２】
なお、以上説明した本実施形態においては、ＮＯｘの還元剤としてアンモニアを用いてＮＯｘを浄化するシステムを例として用いたが、本発明の実施形態はこれに限定されるものではない。例えば排気処理システム５０は、還元剤としてアルケン等の炭化水素やエタノール等を用いたシステムに適用されてもよい。
【００６３】
また、排気処理システム５０の第２ＳＣＲ触媒５５の配置位置は、図１に示すような位置に限定されるものではない。他の一例を挙げると、例えば第２ＳＣＲ触媒５５は、排気通路４のうちタービン２２よりも下流側であってタービン１２よりも上流側の部分（すなわちタービン２２とタービン１２との間の部分）に配置されていてもよい。また、この場合、排気戻し通路５７は、第１ＳＣＲ触媒５４を通過した排気の一部を、排気通路４のうちタービン２２よりも下流側であって第２ＳＣＲ触媒５５よりも上流側の部分に供給するように設けられていてもよい。
【００６４】
また、排気処理システム５０が適用される内燃機関システム１は、過給機を一つのみ備えていてもよい。この一例を挙げると、例えば内燃機関システム１は、図１の第１過給機１０のみを備え、第２過給機２０を備えていなくてもよく、あるいは第２過給機２０のみを備え、第１過給機１０を備えていなくてもよい。
【００６５】
なお、本実施形態に係る排気処理方法は、上述した排気処理システム５０によって実現されている。具体的には本実施形態に係る排気処理方法は、排気通路４に上流側から順に配置された尿素水溶液噴射部５３と第１ＳＣＲ触媒５４とを備えた内燃機関２の排気処理方法において、予め設定した排気戻し条件が満たされた場合に、第１ＳＣＲ触媒５４を通過した排気の一部を尿素水溶液噴射部５３より上流側の排気通路４（バイパス部８ｂ）に設けた第２ＳＣＲ触媒５５に戻す排気戻し処理を実行することを特徴とする。
【００６６】
本実施形態に係る排気処理方法によれば、エンジン始動時等で、活性化温度に到達していない第１ＳＣＲ触媒５４から流出するアンモニアを第２ＳＣＲ触媒５５でＮＯｘ浄化に使用できるので、尿素水の利用効率が上昇し、尿素水を削減できる。また、第１ＳＣＲ触媒５４の下流側に流出するアンモニアとＮＯｘの量を減少できる。つまり、エンジン始動時においても、第２ＳＣＲ触媒５５を使用することでＮＯｘ浄化が早期に可能となる。
【００６７】
以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１  内燃機関システム
２  内燃機関
４  排気通路
４０  ＥＣＵ
５０  排気処理システム
５１  ＤＯＣ
５２  ＤＰＤ
５３  尿素水溶液噴射部
５４  第１ＳＣＲ触媒
５５  第２ＳＣＲ触媒
５６  アンモニアスリップ触媒
５８,５９  流量調整バルブ
【図１】
2016133007.tif 000003
【図２】
2016133007.tif 000004