(57)【要約】【課題】還元触媒の温度が基準温度未満となって還元剤の噴射制御が停止している状態で、排気ガスの温度が上昇する場合には、排気ガスの流れ方向を正方向から逆方向に切換え、還元触媒の温度を速やかに上昇させ、還元剤の噴射制御を早期に開始させる。【解決手段】排気浄化装置は、排気ガスの流れ方向を、パティキュレートフィルタから還元触媒へと向かう正方向、又は還元触媒からパティキュレートフィルタへと向かう逆方向に切り換えるための排気ガス流路切換手段を備え、還元触媒の温度が所定温度以上の状態で、還元剤供給部からの還元剤の噴射制御を行う還元剤噴射制御部と、還元触媒の温度が所定温度未満のときに排気ガスの温度が上昇すると判定された場合に、排気ガスの流れ方向が逆方向となるように排気ガス流路切換手段を制御する排気ガス流路切換手段の制御部と、を含む制御装置を備える。【選択図】図１
2009133291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配設された還元触媒と、前記還元触媒よりも排気上流側に設けられ前記排気通路中に還元剤を供給する還元剤供給部と、前記還元剤供給部よりも排気上流側で前記排気通路に配設されたパティキュレートフィルタと、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
排気ガスの流れ方向を、前記パティキュレートフィルタから前記還元触媒へと向かう正方向、又は前記還元触媒から前記パティキュレートフィルタへと向かう逆方向に切り換えるための排気ガス流路切換手段を備えるとともに、
前記還元触媒の温度を検出する触媒温度検出部と、
前記還元触媒の温度が所定温度以上の状態で、前記還元剤供給部からの前記還元剤の噴射制御を行う還元剤噴射制御部と、
前記排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出部と、
前記還元触媒の温度が前記所定温度未満のときに、前記排気ガスの温度が上昇するか否かを判定する排気ガス温度上昇判定部と、
前記排気ガス温度上昇判定部で前記排気ガスの温度が上昇すると判定された場合に、前記排気ガスの流れ方向が前記逆方向となるように前記排気ガス流路切換手段を制御する前記排気ガス流路切換手段の制御部と、
を含む制御装置を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記排気通路は、前記パティキュレートフィルタの上流側に設けられ、前記還元触媒の下流側と連通する第１の分岐部と、前記第１の分岐部と前記還元触媒との間に設けられ、前記正方向に流れる前記排気ガスをさらに下流側に流す第２の分岐部と、前記第１の分岐部と前記パティキュレートフィルタとの間に設けられ、前記逆方向に流れる前記排気ガスをさらに下流側に流す第３の分岐部と、を備えるとともに、
前記排気ガス流路切換手段は、前記第１の分岐部、前記第２の分岐部及び前記第３の分岐部に備えられた流路切換弁からな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】
前記パティキュレートフィルタと前記還元触媒との間で前記排気通路を折り返し、前記パティキュレートフィルタと前記還元触媒とを近接させることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記第３の分岐部と前記パティキュレートフィルタとの間、及び前記第２の分岐部と前記還元触媒との間に、それぞれ酸化触媒を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記第１の分岐部の上流側に酸化触媒を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記排気ガス温度上昇判定部は、前記排気ガスの温度が所定時間以上継続して上昇するかを判定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記排気ガス温度上昇判定部は、前記排気ガスの温度が上昇して基準温度を超えるか否かを判定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
内燃機関の排気通路に配設された還元触媒と、前記還元触媒よりも排気上流側に設けられ前記排気通路中に還元剤を供給する還元剤供給部と、前記還元剤供給部よりも排気上流側で前記排気通路に配設されたパティキュレートフィルタと、を備えた内燃機関の排気浄化装置の制御方法において、
前記排気浄化装置は、排気ガスの流れ方向を、前記パティキュレートフィルタから前記還元触媒へと向かう正方向、又は前記還元触媒から前記パティキュレートフィルタへと向かう逆方向に切り換えるための排気ガス流路切換手段を備えるとともに、前記還元触媒の温度が所定温度以上の状態で、前記還元剤供給部からの前記還元剤の噴射制御を行うようになっており、
前記還元触媒の温度が前記所定温度未満であり、前記還元剤の噴射制御が停止している状態で、前記排気ガスの温度が上昇するか否かを判定し、前記排気ガスの温度が上昇すると判定された場合に、前記排気ガスの流れ方向が前記逆方向となるように前記排気ガス流路切換手段を制御することを特徴とする内燃機関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、内燃機関の排気浄化装置及びその制御方法に関するものである。特に、パティキュレートフィルタ及び還元触媒をともに備え、排気ガス中のパティキュレート及びＮＯXを浄化するための内燃機関の排気浄化装置及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中には、パティキュレートやＮＯX（窒素酸化物）等の汚染物質が含まれている。そのため、従来、内燃機関には排気ガスを浄化するための排気浄化装置が備えられている。
【０００３】
このうち、パティキュレートについては、パティキュレートフィルタを排気通路に配設し、通過する排気ガス中のパティキュレートを捕集するようにしている。
また、ＮＯXについては、エンジンの排気通路に選択還元型の還元触媒（ＳＣＲ触媒）を配設し、還元剤としてアンモニアを還元触媒に供給することにより、通過する排気ガス中のＮＯXを還元させて浄化するようにしたＳＣＲシステムが知られている。このＳＣＲシステムでは、尿素溶液が還元触媒の上流側に供給され、この尿素溶液が排気ガスの熱により熱分解されるとともに、触媒上でさらに加水分解されてアンモニアが生成され、一旦還元触媒に吸着される。そして、通過する排気ガス中のＮＯXとアンモニアとの間の脱硝反応が還元触媒によって促進されて、窒素や水、二酸化炭素等に効率的に分解されて放出されるものである。
【０００４】
近年、排気ガスの浄化基準が高められていることもあり、これらのパティキュレートフィルタと還元触媒とを両方備え、排気ガス中のパティキュレート及びＮＯXをともに除去することを目的とした排気浄化装置の実用化が進められている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２３９４８６号公報  （図３）
【特許文献２】特開２００７−２５５２８５号公報  （図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、パティキュレートフィルタは、捕集されたパティキュレートの量が多大になると排気ガスの圧力損失が大きくなって内燃機関等に不具合を生じさせるおそれがある。そのため、パティキュレートの捕集量が一定量を超えた場合には、パティキュレートを強制的に燃焼させるパティキュレートフィルタの強制再生が行われている。また、この強制再生以外にも、パティキュレートフィルタの上流側に酸化触媒を配設し、通常の運転状態において排気ガス中のＮＯ（一酸化窒素）が酸化されて生成されるＮＯ2（二酸化窒素）を利用して、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを酸化（燃焼）させる、連続再生が行われている。
【０００７】
特許文献１及び２に例示されるような、パティキュレートフィルタ及び還元触媒をともに備えた排気浄化装置では、上述のように排気ガス中のＮＯ2を利用してパティキュレートフィルタの連続再生を実行するためには、上流側から酸化触媒、パティキュレートフィルタ、還元触媒の順に配置される必要がある。すなわち、還元触媒をパティキュレートフィルタの上流側に配置した場合には、排気ガス中のＮＯ2が還元触媒で還元されてしまうからである。
【０００８】
一方、ＳＣＲシステムは、内燃機関の始動時やアイドリング運転状態等、排気ガスの温度が低く還元触媒の温度が低いときには、尿素溶液を噴射してもアンモニアの生成効率が低いため、ＮＯXの還元効率が低下するとともに尿素溶液が排気通路内に付着してしまうおそれがある。そのため、ＳＣＲシステムでは、還元触媒の温度が基準温度以上の場合にのみ尿素溶液の噴射制御を行うようになっている。
ところが、ＳＣＲシステムに用いられる還元触媒は、低温になるほどアンモニアの飽和吸着量が大きくなるという特性を有している一方、尿素溶液からアンモニアを生成するためには１２０〜１４０℃程度の温度が必要なため、低温では十分な量のアンモニアが得られなくなる。そのため、還元触媒の温度が低下して尿素溶液の噴射を停止させた場合には、アンモニアの吸着率が低下する一方になってＮＯXの還元効率が低下しやすくなっている。したがって、内燃機関の始動後に排気ガスの温度が上昇してきた場合や、アイドリング運転後に再び通常運転状態に戻される場合等においては、早期に還元触媒の温度を上昇させて尿素溶液の噴射を可能にし、還元触媒におけるＮＯXの還元効率を上昇させることが望まれる。
【０００９】
しかしながら、特許文献１及び２に記載されたような、還元触媒の上流側にパティキュレートフィルタが配設された排気浄化装置では、排気ガスの温度が上昇し始めた場合であっても、下流側の還元触媒に到達する前に、まず上流側のパティキュレートフィルタに熱を奪われるようになっている。そのため、還元触媒の温度が上昇して還元剤の噴射制御が行われる基準温度以上に到達するまでに時間がかかってしまい、ＮＯXの効率的な還元反応が再開されるまでにかなりの時間がかかってしまう。
【００１０】
そこで、本発明の発明者らは鋭意努力し、排気ガスの流れ方向を正方向又は逆方向に切り換える手段を設け、還元剤の噴射制御が停止している状態において排気ガスの温度が上昇し始めたときに排気ガスの流れ方向を逆方向に切り換えることにより、このような問題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。すなわち、本発明の目的は、還元触媒の温度が基準温度未満となって還元剤の噴射制御が停止している状態で、排気ガスの温度が上昇する場合には、排気ガスの流れ方向を正方向から逆方向に切換え、還元触媒の温度を速やかに上昇させ、還元剤の噴射制御を早期に開始させることができる内燃機関の排気浄化装置及び内燃機関の排気浄化装置の制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、内燃機関の排気通路に配設された還元触媒と、還元触媒よりも排気上流側に設けられ排気通路中に還元剤を供給する還元剤供給部と、還元剤供給部よりも排気上流側で排気通路に配設されたパティキュレートフィルタと、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、排気ガスの流れ方向を、パティキュレートフィルタから還元触媒へと向かう正方向、又は還元触媒からパティキュレートフィルタへと向かう逆方向に切り換えるための排気ガス流路切換手段を備えるとともに、還元触媒の温度を検出する触媒温度検出部と、還元触媒の温度が所定温度以上の状態で、還元剤供給部からの還元剤の噴射制御を行う還元剤噴射制御部と、排気ガスの温度を検出する排気温度検出部と、還元触媒の温度が所定温度未満のときに、排気ガスの温度が上昇するか否かを判定する排気ガス温度上昇判定部と、排気ガス温度上昇判定部で排気ガスの温度が上昇すると判定された場合に、排気ガスの流れ方向が逆方向となるように排気ガス流路切換手段を制御する排気ガス流路切換手段の制御部と、を含む制御装置を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供され、上述した問題を解決することができる。
【００１２】
また、本発明の排気浄化装置を構成するにあたり、排気通路は、パティキュレートフィルタの上流側に設けられ、還元触媒の下流側と連通する第１の分岐部と、第１の分岐部と還元触媒との間に設けられ、正方向に流れる排気ガスをさらに下流側に流す第２の分岐部と、第１の分岐部とパティキュレートフィルタとの間に設けられ、逆方向に流れる排気ガスをさらに下流側に流す第３の分岐部と、を備えるとともに、排気ガス流路切換手段は、第１の分岐部、第２の分岐部及び第３の分岐部に備えられた流路切換弁からなることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の排気浄化装置を構成するにあたり、パティキュレートフィルタと還元触媒との間で排気通路を折り返し、パティキュレートフィルタと還元触媒とを近接させることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の排気浄化装置を構成するにあたり、第３の分岐部とパティキュレートフィルタとの間、及び第２の分岐部と還元触媒との間に、それぞれ酸化触媒を備えること
が好ましい。
【００１５】
また、本発明の排気浄化装置を構成するにあたり、第１の分岐部の上流側に酸化触媒を備えることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の排気浄化装置を構成するにあたり、排気ガス温度上昇判定部は、排気ガスの温度が所定時間以上継続して上昇するかを判定することが好ましい。
【００１７】
また、本発明の排気浄化装置を構成するにあたり、排気ガス温度上昇判定部は、排気ガスの温度が上昇して基準温度を超えるか否かを判定することが好ましい。
【００１８】
また、本発明の別の態様は、内燃機関の排気通路に配設された還元触媒と、還元触媒よりも排気上流側に設けられ排気通路中に還元剤を供給する還元剤供給部と、還元剤供給部よりも排気上流側で排気通路に配設されたパティキュレートフィルタと、を備えた内燃機関の排気浄化装置の制御方法であって、
排気浄化装置は、排気ガスの流れ方向を、パティキュレートフィルタから還元触媒へと向かう正方向、又は還元触媒からパティキュレートフィルタへと向かう逆方向に切り換えるための排気ガス流路切換手段を備えるとともに、還元触媒の温度が所定温度以上の状態で、還元剤供給部からの還元剤の噴射制御を行うようになっており、
還元触媒の温度が所定温度未満であり、還元剤の噴射制御が停止している状態で、排気ガスの温度が上昇するか否かを判定し、排気ガスの温度が上昇すると判定された場合に、排気ガスの流れ方向が逆方向となるように排気ガス流路切換手段を制御する内燃機関の排気浄化装置の制御方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気ガス流路切換手段及びその制御部を備えていることにより、排気ガス温度上昇判定手段によって排気ガスの温度が上昇すると判定された際に、排気ガスがパティキュレートフィルタよりも先に還元触媒を通過するように排気ガスの流路が切り換えられる。したがって、内燃機関から排出された排気ガスの熱量をパティキュレートフィルタに奪われることなく還元触媒を効率的に昇温させることができる。その結果、排気ガスの流路を正方向に戻し、還元剤の噴射制御を開始するまでの時間が大幅に短縮され、還元触媒のアンモニアの吸着率が速やかに上昇し、ＮＯXの効率的な還元反応が早期に開始される。
【００２０】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、排気通路の構成を複数の分岐部を有する構成とするとともに、それぞれの分岐部に流路切り換え弁を備えることにより、排気ガスの流路を正方向又は逆方向に容易に切り換えることができる。
【００２１】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、パティキュレートフィルタと還元触媒との間で排気通路を折り返し、パティキュレートフィルタと還元触媒とを近接させることにより、排気浄化装置の保温性が高められ、還元触媒の温度を低下しにくくすることができる。
【００２２】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、第３の分岐部とパティキュレートフィルタとの間に酸化触媒を備えることにより、排気ガスが正方向に流れる際には、酸化触媒によってＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）を酸化させ、パティキュレートフィルタの連続再生の実施及び還元触媒での還元効率の向上を可能にすることができる。また、排気浄化装置が、第２の分岐部と還元触媒との間に酸化触媒を備えることにより、ＮＯXの還元に用いられなかったアンモニアを酸化触媒によって分解し、大気中へのアンモニアの放出を防ぐことができる。
また、排気ガスが逆方向に流れる際には、第２の分岐部と還元触媒との間の酸化触媒によるＨＣやＣＯの酸化作用により、排気ガスの温度がさらに上昇させられて還元触媒に流入するため、還元触媒の加熱効率が向上され、還元剤の噴射制御の開始までの時間を大幅に短縮させることができる。
【００２３】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、第１の分岐部の上流側の排気通路に酸化触媒を備えることにより、排気ガスが正方向又は逆方向いずれの方向に流れる場合であっても、排気ガスを、酸化触媒を通過させた後、パティキュレートフィルタ又は還元触媒に流入させることができる。したがって、一つの酸化触媒によって、パティキュレータの連続再生や還元触媒の効率的な昇温等を実現することができる。
【００２４】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、排気ガス温度上昇判定部が、排気ガスの温度が所定時間以上継続して上昇するか否かを判定することにより、排気ガスの温度が一時的に上昇しその後再び下降するような場合に排気ガスの流路が逆方向に切り換えられることを防ぐことができる。
【００２５】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、排気ガス温度上昇判定部が、排気ガスの温度が上昇して基準温度を超えるか否かを判定することにより、還元触媒の温度が、還元剤の噴射制御が行われる温度に到達しないような場合に排気ガスの流路が逆方向に切り換えられることを防ぐことができる。
【００２６】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置の制御方法によれば、排気ガス温度上昇判定手段によって排気ガスの温度が上昇すると判定された際に、排気ガスがパティキュレートフィルタよりも先に還元触媒を通過するように排気ガスの流路を切り換えることにより、内燃機関から排出された排気ガスの熱量によって還元触媒を効率的に昇温させることができる。したがって、排気ガスの流れ方向を正方向に戻し、還元剤の噴射制御を開始するまでの時間が大幅に短縮され、アンモニアの吸着率を速やかに上昇させることができる。その結果、ＮＯXの効率的な還元反応が早期に開始され、排気ガスの浄化効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して、本発明の内燃機関の排気浄化装置及び内燃機関の排気浄化装置の制御方法に関する実施形態について具体的に説明する。ただし、かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。
なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものは同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。
【００２８】
１．内燃機関の排気浄化装置
図１は、本実施形態にかかる内燃機関の排気浄化装置（以下、単に「排気浄化装置」と称する。）の構成の概略を示す図である。
図１に示す排気浄化装置１０は、内燃機関１１の排気系に接続され、パティキュレートフィルタ２０によってパティキュレートを捕集するとともに、還元剤として尿素水溶液を用いて、還元触媒２１でＮＯXを選択的に還元する排気浄化装置１０である。この排気浄化装置１０は、第１の酸化触媒１９と、パティキュレートフィルタ２０と、還元触媒２１と、第２の酸化触媒２２と、還元触媒２１の上流側で排気通路中に還元剤を噴射するための還元剤噴射弁（還元剤供給装置）３５とが備えられている。また、還元触媒２１の上流側には上流側ＮＯXセンサ３３及び第１の温度センサ３１が配置され、還元触媒２１の下流側には第２の温度センサ３２が配置され、第２の酸化触媒２２の下流側には下流側ＮＯXセンサ３４が配置されている。さらに、内燃機関１１に接続された排気通路１２においても第３の温度センサ３０が配置されている。
【００２９】
また、排気浄化装置１０は、還元剤噴射弁３５を介して排気通路中に噴射供給する還元剤の量を制御するための制御装置（以下、「ＤＣＵ：Dosing Control Unit」と称する。）２９を備えている。このＤＣＵ２９は、排気浄化装置１０に備えられたあらゆるセンサ等の情報が入力されるようになっているだけでなく、内燃機関の運転状態を制御するためのコントロールユニット（以下、「ＥＣＵ：Engine Control Unit」と称する場合がある。）１３と接続され、燃料噴射量や噴射タイミング、回転数等をはじめとする内燃機関１１の運転状態に関する情報が入力されるようになっている。そして、ＤＣＵ２９は、後述するように、入力される様々な信号をもとにして、還元剤噴射弁３５を含む還元剤供給装置（図示せず）の駆動制御を行うようになっている。
なお、本実施形態では、ＥＣＵ１３とＤＣＵ２９とが別のコントロールユニットからなり、互いに情報のやり取りができるようにされているが、これらのＥＣＵ１３とＤＣＵ２９とが一つのコントロールユニットとして構成されていても構わない。
【００３０】
図１において、内燃機関１１には、内燃機関１１から排出される排気ガスが流通する排気通路１２が接続されており、この排気通路１２は下流側にてマフラー（図示せず）に接続されている。排気ガスを排出する内燃機関１１としては、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンが典型的であるが、現状においてパティキュレートやＮＯXの浄化が課題とされるディーゼルエンジンを対象とすることが適している。また、内燃機関１１の回転数や燃料噴射量、燃料噴射タイミング等の内燃機関の運転状態がＥＣＵ１３によって検出されるようになっている。
【００３１】
また、内燃機関１１に接続された排気通路１２は、第１の分岐部１４において上流側排気通路１６と下流側排気通路１７とに分岐している。このうち、上流側排気通路１６には、第１の酸化触媒１９及びパティキュレートフィルタ２０が配設され、下流側排気通路１７には、還元触媒２１及び第２の酸化触媒２２が配設されている。そして、この上流側排気通路１６及び下流側排気通路１７は途中折り返されて連通するとともに、上流側排気通路１６と下流側排気通路１７とが互いに接しており、上流側排気通路１６に配設されたパティキュレートフィルタ２０と、下流側排気通路１７に配設された還元触媒２１とが、近接して配置されている。このように、上流側排気通路１６及び下流側排気通路１７が折り返され互いに接していることにより、排気浄化装置１０がコンパクト化されている。また、排気浄化装置１０がコンパクト化され、パティキュレートフィルタ２０及び還元触媒２１が近接配置されることにより、排気熱が外部に放熱されることが軽減され、保温性が高められている。
【００３２】
また、この上流側排気通路１６と下流側排気通路１７とが分岐する第１の分岐部１４には、内燃機関１１から流れてくる排気ガスの流れを、上流側排気通路１６側又は下流側排気通路１７側に切り換えるための、第１の流路切換弁２３及び第２の流路切換弁２４が備えられている。通常の運転状態においては、第２の流路切換弁２４が閉じられる一方、第１の流路切換弁２３が開かれており、排気ガスが上流側排気通路１６側に流されるようになっている。
なお、本実施形態の排気浄化装置１０の例では、第１の分岐部１４に２つの流路切換弁を備えた構成となっているが、弁の構成によっては、１つの流路切換弁によって流路を切り換えるように構成することもできる。
【００３３】
また、下流側排気通路１７における第２の流路切換弁２４と第２の酸化触媒２２との間には第２の分岐部１５が設けられ、当該第２の分岐部１５には正方向排出路２６が接続されている。この正方向排出路２６には第３の流路切換弁２７が備えられ、正方向排出路２６への排気ガスの流入の可否を切り換えるようになっている。
同様に、上流側排気通路１６における第１の流路切換弁２３と第１の酸化触媒１９との間には第３の分岐部１８が設けられ、当該第３の分岐部１８には逆方向排出路２５が接続されている。この逆方向排出路２５には第４の流路切換弁２８が備えられ、逆方向排出路２５への排気ガスの流入の可否を切り換えるようになっている。
【００３４】
このように、本実施形態の排気浄化装置１０には、排気ガス流路切換手段として第１〜第４の流路切換弁２３、２４、２７、２８が備えられており、後述するＤＣＵ２９に設けられた排気ガス流路切換手段の制御部によって、各弁の開閉制御が行われるようになっている。
例えば、内燃機関が通常の運転状態にあり、排気ガスの流れ方向を正方向にする場合には、図２（ａ）に示すように、第１の流路切換弁２３及び第３の流路切換弁２７が開かれる一方、第２の流路切換弁２４及び第４の流路切換弁２８が閉じられる。この場合には、内燃機関１１から排出された排気ガスは、第１の酸化触媒１９、パティキュレートフィルタ２０、還元触媒２１、第２の酸化触媒２２の順に通過し、正方向排出路２６に流される。
また、排気ガスの流れ方向を逆方向にする場合には、図２（ｂ）に示すように、第２の流路切換弁２４及び第４の流路切換弁２８が開かれる一方、第１の流路切換弁２３及び第３の流路切換弁２７が閉じられる。この場合には、内燃機関１１から排出された排気ガスは、第２の酸化触媒２２、還元触媒２１、パティキュレートフィルタ２０、第１の酸化触媒１９の順に通過し、逆方向排出路２５に流される。
【００３５】
また、図１に示す排気浄化装置１０において、上流側排気通路１６に配設されたパティキュレートフィルタ２０は、排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するためのものであり、第１の酸化触媒１９の下流側に配設されている。
また、第１の酸化触媒１９は、主として、排気ガスが正方向に流される状態において排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ２を生成するとともに、ＨＣやＣＯを酸化するために用いられる。生成されたＮＯ2は、パティキュレートフィルタ２０に捕集されたパティキュレートを酸化（燃焼）させ、パティキュレートフィルタ２０の連続再生に用いられる。また、パティキュレートの酸化に用いられなかったＮＯ2とＮＯとの比率によって、還元触媒２１におけるＮＯXの還元速度が最適化されるようにもなっている。
これらの第１の酸化触媒１９及びパティキュレートフィルタ２０については、それぞれ公知のものを使用することができる。
【００３６】
また、下流側排気通路１７に配設された還元触媒２１は、排気ガスが正方向に流される状態において、還元剤を用いて排気ガス中に含まれるＮＯXを還元浄化するために用いられる。本実施形態の排気浄化装置１０に備えられた還元触媒２１は、還元剤噴射弁３５から噴射供給される還元剤が分解して生成されるアンモニアを吸着し、流入してくる排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元する機能を持った触媒である。使用できる還元触媒２１としては、アンモニアを吸着する機能を備えているものであれば特に制限されるものではなく、例えば、ゼオライト系の材料で構成された触媒を用いることができる。
【００３７】
図３及び図４は、このようなアンモニア吸着機能を有する還元触媒の特性を示す図である。
図３は、アンモニア吸着機能を有する還元触媒の温度とアンモニアの飽和吸着量との関係を示す飽和吸着量曲線を示している。図３中の実線Ａが飽和吸着量曲線を示しており、還元触媒の温度と飽和吸着量とが反比例の関係にあり、高温になるにつれて飽和吸着量が減少する特性を有していることが理解される。
また、図４は、アンモニア吸着機能を有する還元触媒における、飽和吸着量に対するアンモニアの実際の吸着率とＮＯXの還元効率との関係を示しており、アンモニアの吸着率が高くなるにつれてＮＯXの還元効率が良好になる特性を有していることが理解される。
【００３８】
また、図１に示す排気浄化装置１０において、第２の酸化触媒２２は、還元触媒２１の下流側に配設され、主として、排気ガスが正方向に流される状態において、ＮＯXの還元反応に用いられずに還元触媒２１を通過したアンモニアを酸化浄化するために用いられる。すなわち、アンモニアが還元触媒２１に吸着されずにスリップして下流側に流出した際に、アンモニアを酸化させて、相対的に毒性の低いＮＯXにして放出させるために用いられるものである。また、排気ガスが逆方向に流される状態においては、排気ガスが第２の酸化触媒２２を通過する際に、排気ガス中のＨＣやＣＯが酸化されて発生する酸化熱によって排気ガスが昇温され、還元触媒２１を効率的に昇温できるようになっている。
この第２の酸化触媒２２についても、公知のものを使用することができる。
【００３９】
また、上流側排気通路１６と下流側排気通路１７とを連通する折り返し位置には、還元剤噴射弁３５が取付けられている。この還元剤噴射弁３５は、還元剤供給装置（図示せず）の一部を構成し、排気ガスが正方向に流れる状態で液体の還元剤を還元触媒２１の上流側で排気通路中に噴射供給するものである。本発明においては還元剤供給装置（図示せず）の構成は特に限定されるものではなく、例えば、ポンプで圧送される還元剤を、還元剤噴射弁を介して噴射供給する形式以外にも、高圧エアを用いて液体の還元剤を霧状にした上で排気通路内に供給する、エアアシスト式を使用することもできる。
【００４０】
また、還元剤としては、還元触媒に到達するまでにアンモニアが生成されるものであれば好適に使用することができ、代表的なものとしては尿素水溶液やアンモニア水溶液が挙げられる。
例えば、尿素水溶液を使用した場合には、排気通路中に噴射された尿素が排気ガス中の熱によって熱分解されてアンモニアが生成されるとともに、還元触媒において加水分解されてさらにアンモニアが生成され、還元触媒に吸着される。このアンモニアが、還元触媒に流入してくる排気ガス中のＮＯXと反応することにより、窒素（Ｎ2）と二酸化炭素（ＣＯ2）と水（Ｈ2Ｏ）に分解されて放出される。
【００４１】
また、第１の温度センサ３１、第２の温度センサ３２及び第３の温度センサ３０は、それぞれの箇所での排気ガスの温度を測定するために用いられる。そして、ＤＣＵ２９では、第１の温度センサ３１及び第２の温度センサ３２から出力される温度信号を利用して、還元触媒２１の温度を推定するようになっている。これらの各温度センサについては、公知のものを使用することができる。
なお、内燃機関１１から排出される排気ガスの温度を、内燃機関の運転状態をもとにして推定する場合には、第３の温度センサ３０を省略することができる。また、還元触媒２１に直接温度センサを備えることができる場合には、第１の温度センサ３１及び第２の温度センサ３２を省略することができる。
【００４２】
また、上流側ＮＯXセンサ３３及び下流側ＮＯXセンサ３４は、それぞれの箇所での排気ガス中のＮＯX濃度を測定するために用いられる。上流側ＮＯXセンサ３３の検出値によって内燃機関から排出されるＮＯX量が求められるため、ＤＣＵ２９では、排出ＮＯX量に応じて還元剤の噴射量が演算されるようになっている。この上流側ＮＯXセンサ３３を省略して、内燃機関１１の運転状態をもとにして排出ＮＯX量を推定する構成とすることもできる。
また、下流側ＮＯXセンサ３４の検出値によって、還元触媒２１において還元されずに大気中に放出されるＮＯX量が求められるため、本実施形態の排気浄化装置１０のＤＣＵ２９では、このＮＯX量も考慮して還元剤の噴射量が演算されるようになっている。
【００４３】
２．排気浄化装置の制御装置（ＤＣＵ）
本実施形態の排気浄化装置１０に備えられたＤＣＵ２９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いる。図５は、ＤＣＵ２９のうち、還元剤の噴射制御及び排気ガス流路の切換制御に関する部分について、機能的なブロックに表された構成例を示したものである。
【００４４】
本実施形態の排気浄化装置に備えられたＤＣＵ２９は、還元触媒の温度を検出する触媒温度検出部（図５では「触媒温度検出」と表記）と、還元触媒の温度の推移を予測する触媒温度推移判定部（図５では「触媒温度推移判定」と表記）と、還元触媒におけるアンモニアの実吸着量を演算する実吸着量演算部（図５では「実吸着量演算」と表記）と、還元剤の噴射量の制御を第１の目標吸着量に応じて行う第１の噴射制御部（図５では「第１噴射制御」と表記）と、還元剤の噴射量の制御を第２の目標吸着量に応じて行う第２の噴射制御部（図５では「第２噴射制御」と表記）と、還元触媒の温度が基準温度未満のときに噴射を停止させる噴射停止制御部（図５では「噴射停止制御」と表記）と、内燃機関から排出される排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出部（図５では「排気温度検出」と表記）と、還元触媒の温度が基準温度未満のときに、予測される排気ガスの温度推移が上昇するか否かを判定する排気ガス温度上昇判定部（図５では「排気温度上昇判定」と表記）と、排気ガスの流れ方向が正方向又は逆方向となるように排気ガス流路切換手段を制御する排気ガス流路切換手段の制御部（図５では「流路切換制御」）等を主要な要素として構成されている。これらの各部は、具体的にはマイクロコンピュータ（図示せず）によるプログラムの実行によって実現されるものである。また、図示しないものの、ＤＣＵ２９には、還元触媒の温度情報や還元剤の噴射指示値等を記憶させておくＲＡＭ（Random Access Memory）が備えられている。
【００４５】
このうち、触媒温度検出部では、第１の温度センサ３１及び第２の温度センサ３２で検出された温度信号をもとに、還元触媒の温度を推定するようになっている。還元触媒２１に直接温度センサを備えることができる場合には、触媒温度検出部は、当該温度センサからの温度信号を受信できるようになっていればよい。
また、排気ガス温度検出部では、第３の温度センサ３０によって検知される排気ガスの温度信号を検出するようになっている。第３の温度センサ３０を備えない構成の場合には、排気ガス温度検出部は、ＥＣＵ１３から出力されてくる内燃機関の回転数信号、吸入空気量、燃料噴射量、燃料噴射タイミング等をもとにして、排出される排気ガスの温度を演算によって求めるように構成される。
【００４６】
また、本実施形態のＤＣＵ２９における触媒温度推移判定部では、ＥＣＵ１３から送られてくる内燃機関の回転数信号やトルク信号をもとにして、還元触媒の温度の推移を予測し、還元触媒の温度が、還元剤の噴射制御が行われる基準温度を下回るか否かが判定されるようになっている。
例えば、内燃機関の回転数が所定のしきい値を下回る場合やトルクがマイナスになっている状態が継続するような場合に、還元触媒の温度が基準温度を下回るものと予測される。これ以外にも、第３の温度センサによって検出される排気ガスの温度信号や、触媒温度検出部で算出される還元触媒の温度を継続的に読み取り、その結果から温度推移を予測し判定するようにしてもよい。
【００４７】
また、噴射停止制御部では、触媒温度検出部で算出された還元触媒の温度が予め定められた基準温度未満となったときに、還元剤供給装置に対して噴射停止の制御信号を送るようになっている。この基準温度は、還元触媒において、還元剤が加水分解されることによるアンモニアの生成が生じにくくなるような温度（触媒活性温度）に設定される。一例としては１２０〜１４０℃の範囲内の値である。したがって、還元触媒の温度が、規定された基準温度未満の状態では還元剤が供給されずに、還元触媒におけるアンモニアの実吸着量は継続的に低下する状態となる。すなわち、現在の還元触媒の温度が触媒の活性温度領域に到達していなければ、還元剤を添加しても還元触媒上でＮＯXを効率的に還元させることができないことから、本実施形態の排気浄化装置では、還元触媒２１の温度が活性温度領域に到達している条件下でのみ還元剤の噴射制御が行われるようになっている。
【００４８】
また、実吸着量演算部では、還元触媒に実際に吸着されているアンモニアの量を推定するようになっている。例えば、実際に噴射された還元剤の量に対応するアンモニアの生成量から、排気ガスに含まれるＮＯXの還元に使用されるアンモニアの量を引いた値を積算し、さらに還元触媒にすでに吸着されているアンモニアの量を加算することによって、還元触媒におけるアンモニアの実吸着量が演算される。
【００４９】
また、第１の噴射制御部では、触媒温度推移判定部において、還元触媒の温度が基準温度を下回ることがないと予測されている場合に、還元触媒の飽和吸着量よりも小さい値である第１の目標吸着量に応じて還元剤の噴射量を決定し、還元剤供給装置に対して制御信号を送るようになっている。すなわち、還元触媒の温度が基準温度以上に維持される場合には、この第１の噴射制御部によって通常モードでの噴射制御が行われるようになっている。
【００５０】
本実施形態のＤＣＵ２９における第１の噴射制御部は、還元触媒の温度と第１の目標吸着量との関係を示す第１の目標吸着量曲線をもとに、触媒温度推移判定時の還元触媒の温度に対応する第１の目標吸着量を読み取り、実吸着量演算部によって算出されたアンモニアの実吸着量との差に値する量のアンモニアが還元触媒に吸着されるように、還元剤の噴射量が演算されるように構成されている。
この第１の目標吸着量曲線は、図３中に破線Ｂで示すように、飽和吸着量に対して、例えば７０〜９０％程度の割合となるように設定される。第１の目標吸着量を飽和吸着量よりも小さくすることによって、還元触媒の飽和吸着量を超える量のアンモニアが供給され、還元触媒の下流側へ流出することを防ぐことができる。また、還元触媒の急激な温度上昇が起きた場合でも、還元触媒下流側へのアンモニアスリップを防ぐことができる。さらに、このような割合で第１の目標吸着量を設定した場合には、ＮＯXの還元効率が著しく低下することもない。
【００５１】
また、第２の噴射制御部では、触媒温度推移判定部において、還元触媒の温度が規準温度を下回ると予測される場合に、第１の目標吸着量よりも大きくかつ飽和吸着量よりも小さい値である第２の目標吸着量に応じて還元剤の噴射量を決定し、還元剤供給装置に対して制御信号を送るようになっている。すなわち、内燃機関がアイドリング状態に移行する場合や減速時、内燃機関が停止される場合などにおいて、還元触媒の温度が基準温度を下回る場合には、この第２の噴射制御部によって増量モードでの噴射制御が行われるようになっている。
【００５２】
本実施形態のＤＣＵ２９における第２の噴射制御部は、還元触媒の温度と第２の目標吸着量との関係を示す第２の目標吸着量曲線をもとに、温度推移判定時の還元触媒の温度に対応する第２の目標吸着量を読み取り、実吸着量演算部によって算出されたアンモニアの実吸着量との差に値する量のアンモニアが還元触媒に吸着されるように、還元剤の噴射量が演算されるように構成されている。
この第２の目標吸着量曲線は、図３中に一点鎖線Ｃで示すように、飽和吸着量に対して、例えば８５〜９５％程度の割合となるように設定することができる。第２の目標吸着量を第１の目標吸着量よりも大きい値とすることにより、飽和吸着量が継続的に増加する一方でアンモニアが生成されにくくなっていく状態においても、常に比較的多くのアンモニアを吸着させておくことができる。また、飽和吸着量が継続的に増加していく状態であれば、還元剤の噴射量を増量した場合であっても、還元触媒の飽和吸着量を超える量のアンモニアが供給され、還元触媒の下流側へ流出するおそれも少なくなる。
【００５３】
特に、本実施形態のように、還元触媒の温度が基準温度未満のときに還元剤の噴射制御が停止されるように構成されている場合には、還元触媒の温度が低下して基準温度未満になるおそれがあるときに増量モードでの噴射制御を行い、還元剤の噴射が停止されるときまでに比較的多くのアンモニアを還元触媒に吸着させておくことができるようになる。そのため、還元触媒の温度が低く、還元剤が加水分解されないために新たにアンモニアを吸着させることができないような温度状態であっても、ＮＯXの還元効率が著しく低下することを防ぐことができる。
【００５４】
また、本実施形態のＤＣＵ２９における排気ガス温度上昇判定部では、冷寒始動時やアイドリング状態等、還元触媒の温度が基準温度未満になっており、還元剤の噴射制御が停止している間、ＥＣＵ１３から出力されてくる内燃機関の回転数信号、トルク信号、吸入空気量、燃料噴射量等、及び排気ガス温度検出部によって検出される排気ガスの温度情報をもとにして、排気ガスの温度の推移を予測し、排気ガスの温度が上昇するか否かが判定されるようになっている。
このとき、排気ガスの温度が所定時間以上継続して上昇するか否かを判定するようにすれば、排気ガスの温度上昇が一時的なものでなく、還元触媒の温度を活性化温度まで確実に上昇させることができる状態を判定することができるようになる。この所定時間は任意に設定されるが、例えば、還元触媒の温度を、活性化温度まで上昇させられるか否かを基準に設定することができる。
あるいは、排気ガスの温度が上昇する結果、排気ガスの温度が所定のしきい値を超えるか否かを判定するようにすることによっても、還元触媒の温度を活性化温度まで確実に上昇させることができる状態を判定することができるようになる。
【００５５】
また、排気ガス流路切換手段の制御部では、排気ガスの流れ方向を正方向又は逆方向に切り換えるために、第１〜第４の流路切換弁の操作信号を出力するようになっている。
本実施形態の排気浄化装置では、内燃機関が通常の運転状態にあるときには、第１の流路切換弁及び第３の流路切換弁に対して開弁信号が出力される一方、第２の流路切換弁及び第４の流路切換弁に対して閉弁信号が出力される。その結果、排気ガスが正方向に流され、第１の酸化触媒、パティキュレートフィルタ、還元触媒、第２の酸化触媒の順に通過して、正方向排出路へと流される。
一方、排気ガス温度上昇判定部において排気ガスの温度が上昇すると判定されたときには、第２の流路切換弁及び第４の流路切換弁に対して開弁信号が出力される一方、第１の流路切換弁及び第３の流路切換弁に対して閉弁信号が出力される。その結果、排気ガスが逆方向に流され、第２の酸化触媒、還元触媒、パティキュレートフィルタ、第１の酸化触媒の順に通過して、逆方向排出路に流される。
【００５６】
第１〜第４の流路切換弁の開閉制御によって、内燃機関が通常の運転状態にある場合に排気ガスを正方向に流すことにより、排気ガスの流れ方向の上流側にパティキュレートフィルタが配置され、下流側に還元触媒が配置されるため、排気ガス中に存在するＮＯ2を利用したパティキュレートフィルタの連続再生が可能になる。一方、還元触媒の温度が低下して還元剤の噴射制御が停止している状態において、排気ガスの温度が上昇する場合に排気ガスを逆方向に流すことにより、排気ガスの流れ方向の上流側に還元触媒が配置され、下流側にパティキュレートフィルタが配置されるため、排気ガスの持つ熱量がパティキュレートフィルタに奪われることなく還元触媒に伝達され、還元触媒の温度を効率的に上昇させることができる。したがって、還元触媒の温度が速やかに基準温度以上に上昇し、再び排気ガスの流れを正方向に戻しつつ、第１の噴射制御部による還元剤の噴射制御が早期に再開されるようになる。
【００５７】
３．内燃機関の排気浄化装置の制御方法
次に、図１に示す本実施形態の排気浄化装置の制御装置を用いて行われる排気浄化装置の制御方法のルーチンの一例について、図６から図８のフローチャートを参照しつつ説明する。なお、このルーチンは、内燃機関の運転状態において常時実行されるようになっている。
【００５８】
まず、図６のフローチャートを参照して、還元剤の噴射制御方法について説明する。
スタート後のステップＳ１１において、ＤＣＵは内燃機関の回転数NeやトルクTrを示す信号を読み取る。次いで、ステップＳ１２において、読み取った内燃機関の回転数Ne及びトルクTrが、あらかじめ規定されたしきい値Ne0、Tr0以下となっているか否かが判別される。内燃機関の回転数Ne及びトルクTrのいずれかがあらかじめ規定されたしきい値Ne0、Tr0を超える場合には、ステップＳ１２においてＮＯと判定されてステップＳ２０に進む。
【００５９】
本実施形態では、ステップＳ１１〜ステップＳ１２において、還元触媒の温度推移の予測を、内燃機関におけるエンジン回転数NeやトルクTrの値から予測しているが、この予測方法は種々考えられる。例えば、エンジン回転数NeやトルクTrの変化推移から予測したり、第３の温度センサによって検出される排気ガスの温度の変化推移から予測したり、さらには、第１の温度センサ及び第２の温度センサによって演算される還元触媒の推定温度の変化推移から予測することができる。
【００６０】
ステップＳ２０以降では通常モードによる還元剤の噴射制御が行われる。
通常モードによる還元剤の噴射制御は、まず、ステップＳ２０において、第１の温度センサ及び第２の温度センサによって検出される温度信号をもとに還元触媒の温度Ttを演算した後、ステップＳ２１で、還元触媒の温度Ttが所定の基準温度Tt0以上となっているか否かを判別する。このステップＳ２１では、還元触媒の温度Ttが、還元剤が加水分解されてアンモニアが生成される温度以上になっているか否かが判別される。還元触媒の温度Ttが所定の基準温度Tt0よりも低い場合には、ステップＳ２１においてＮＯと判定され、還元剤の噴射を行わずに後述するステップＳ４１へ進む。一方、還元触媒の温度Ttが所定の基準温度Tt0以上の場合には、ステップＳ２１においてＹＥＳと判定され、ステップＳ２２で、第１の目標吸着量曲線NT1から、還元触媒の温度Ttに対応するアンモニアの目標吸着量NTを求め、ステップＳ１６に進む。
【００６１】
一方、上述のステップＳ１２において、内燃機関の回転数Ne及びトルクTrが、ともにあらかじめ規定されたしきい値Ne0、Tr0以下となっている場合には、ＹＥＳと判定されてステップＳ１３に進む。この場合には、還元触媒の温度Ttがこのまま継続的に低下して基準温度Tt0未満となるおそれがあるため、ステップＳ１３以降で増量モードによる還元剤の噴射制御が行われる。
【００６２】
増量モードによる還元剤の噴射制御は、まず、ステップＳ１３において、第１の温度センサ及び第２の温度センサによって検出される温度信号をもとに還元触媒の温度Ttを演算した後、ステップＳ１４において、還元触媒の温度Ttが所定の基準温度Tt0以上となっているか否かを判別する。このステップＳ１４では、ステップＳ２１と同様、還元触媒の温度Ttが、還元剤が加水分解されてアンモニアが生成される温度以上になっているか否かが判別される。還元触媒の温度Ttが所定の基準温度Tt0よりも低い場合には、ステップＳ１４においてＮＯと判定され、還元剤の噴射を行わずに後述するステップＳ４１へ進む。一方、還元触媒の温度Ttが所定の基準温度Tt0以上の場合には、ステップＳ１４においてＹＥＳと判定され、ステップＳ１５において、第２の目標吸着量曲線NT2から、還元触媒の温度Ttに対応するアンモニアの目標吸着量NTを求め、ステップＳ１６に進む。
【００６３】
ステップＳ１５又はステップＳ２２において目標吸着量NTが求められて進んだステップＳ１６においては、現在還元触媒に吸着されているアンモニアの実吸着量NRを演算する。例えば、ここまでに実際に噴射された還元剤の量に対応するアンモニアの量から排気ガスに含まれるＮＯXの還元に使用されたアンモニアの量を引いた値を積算し、さらに還元触媒にすでに吸着されているアンモニアの量（前回値）を加算することによって、還元触媒におけるアンモニアの実吸着量NRが演算される。
【００６４】
次いで、ステップＳ１７において、ステップＳ１５又はステップＳ２２で求めたアンモニアの目標吸着量NTから、ステップＳ１６で求めたアンモニアの現在吸着量NRを引き、不足量ΔNを算出する。次いで、ステップＳ１８において、ステップＳ１７で求めたアンモニアの不足量ΔNの値が０以上となっているか否かを判別する。その結果、０未満となっている場合にはＮＯと判定され、アンモニアを新たに供給する必要がないために処理を終了する。一方、０以上である場合にはＹＥＳと判定されてステップＳ１９に進み、還元剤供給装置から噴射させる還元剤量の値である還元剤噴射指示値Uを演算する。
【００６５】
ここで、ステップＳ１９で行われる還元剤噴射指示値Uの演算のフローの一例を図７に示す。
この例では、まずステップＳ３１において、ステップＳ１７で算出したアンモニアの不足量ΔN分のアンモニアが生成されうる還元剤必要量U1を演算する。
次いで、ステップＳ３２において、内燃機関から排出される排気ガス流量Gfと上流側ＮＯXセンサで検出される排出ＮＯX濃度Ndとを示す信号を読み取った後、ステップＳ３３において、これらの排気ガス流量Gf及び排出ＮＯX濃度Ndから排出ＮＯX量Nfを演算する。そして、ステップＳ３４において、排出ＮＯX量Nf分のＮＯXを還元するために必要なアンモニアの量NCを演算し、ステップＳ３５において、アンモニアの量NC分のアンモニアが生成されうる還元剤必要量U2を演算する。
次いで、ステップＳ３６において、ステップＳ２１で算出された還元剤必要量U1とステップＳ３５で算出された還元剤必要量U2とを加算し、還元剤噴射指示値Uを算出する。
【００６６】
この図７の例では、そのときに流れている排出ＮＯX量Nfを求め、この排出ＮＯX量Nfに対応するアンモニア量NCを還元剤の噴射指示値U1に加算するようにしているが、ステップＳ３２〜ステップＳ３６を省略し、排出されるＮＯX量Nfを考慮せずに目標吸着量NTのみを考慮して、ステップＳ２１で算出される還元剤必要量U1をそのまま噴射指示値Uとしてもよい。
【００６７】
このようにして還元剤噴射指示値Uを算出した後、ステップＳ２０において、還元剤噴射指示値Uに応じた制御信号を還元剤供給装置に対して出力して処理を終了する。
【００６８】
次に、上述のステップＳ１４やステップＳ２１において還元触媒の温度が基準温度を下回っていると判定され、還元剤の噴射制御が停止している状態で行われる排気ガス流路の切換制御方法について、図８のフローチャートを参照しつつ説明する。
まず、スタート後のステップＳ４１において、ＤＣＵ２９は、内燃機関の回転数Ne、トルクTr、吸入空気量As、燃料噴射量Q、及び第３の温度センサによって検出される温度Tgを読み取り、ステップＳ４２に進む。
【００６９】
次いで、ステップＳ４２において、ステップＳ４１において読み取られた内燃機関の回転数Ne、トルクTr、吸入空気量As、燃料噴射量Q、及び排気ガスの温度Tgをもとにして、排気ガスの温度Tgが今後上昇するか否かを予測する。
排気ガスの温度Tgが上昇する状況にないと予測される場合には、ステップＳ４２においてＮＯと判定され、スタート位置に戻される。一方、排気ガスの温度Tgが上昇すると予測される場合には、ステップＳ４２においてＹＥＳと判定され、ステップＳ４３に進む。
【００７０】
次いで、ステップＳ４３において、第２の流路切換弁V2及び第４の流路切換弁V4が閉じられている一方、第１の流路切換弁V1及び第３の流路切換弁V3が開かれた状態にあるか否かが判別される。このステップＳ４３では、排気ガスの流路が、排気ガスがパティキュレートフィルタを通過した後、還元触媒を通過するような正方向となっているか否かが判別される。還元触媒の温度が基準温度を下回り、還元剤の噴射制御が停止された後、初めて排気ガスの温度が上昇すると判定されたときには、ステップＳ４３において必ずＹＥＳと判別されることになる。
【００７１】
ステップＳ４３においてＹＥＳと判定された場合には、ステップＳ４４において、第２の流路切換弁V2及び第４の流路切換弁V4を開く一方、第１の流路切換弁V1及び第３の流路切換弁V3を閉じ、排気ガスが還元触媒を通過した後、パティキュレートフィルタを通過するように、排気ガスの流路は逆方向に切り換えられてステップＳ４５に進む。一方、ステップＳ４３において、排気ガスの流れ方向がすでに逆方向になっている場合にはＮＯと判定され、ステップＳ４５に進む。すなわち、ステップＳ４５に進む段階では、必ず排気ガスの流れ方向が逆方向に切り換えられ、排気ガスがパティキュレートフィルタよりも先に還元触媒を通過するようになっている。そのため、排気ガスの熱量がパティキュレートフィルタに奪われることなく、還元触媒を効率的に昇温させることができるようになる。
【００７２】
次いで、ステップＳ４５において、還元触媒の温度Ttが所定の基準温度Tt0以上になっているか否かを判別する。このステップＳ４５では、還元触媒の温度Ttが、還元剤が加水分解されてアンモニアが生成される温度以上になっているか否かが判別される。還元触媒の温度Ttが、基準温度Tt0未満となっている場合には、ステップＳ４５においてＮＯと判定され、スタート位置に戻される。なお、ステップＳ４５からステップＳ４１に戻された場合の流路切換弁の状態は、第２の流路切換弁V2及び第４の流路切換弁V4が開かれる一方、第１の流路切換弁V1及び第３の流路切換弁V3が閉じられている。そのため、次のステップＳ４３の判別においては必ずＮＯと判定され、ステップＳ４５に進むようになる。
【００７３】
一方、ステップＳ４５において、還元触媒の温度Ttが所定の基準温度Tt0以上となっている場合には、ステップＳ４５においてＹＥＳと判定され、ステップＳ４６に進む。ステップＳ４６においては、第２の流路切換弁V2及び第４の流路切換弁V4が閉じられる一方、第１の流路切換弁V1及び第３の流路切換弁V3が開かれ、排気ガスがパティキュレートフィルタを通過した後、還元触媒を通過するように、排気ガスの流れが正方向に切り換えられる。このステップＳ４６を終えた後は、図６のフローに従って、再び還元剤の噴射制御が行われる。
【００７４】
以上のように、本実施形態の排気浄化装置の制御方法によれば、還元触媒の温度が、還元剤の噴射制御が停止される基準温度未満になることが予測される場合には、あらかじめ、触媒に吸着させるアンモニアの量を多めに設定して還元剤の噴射制御を行うことにより、還元剤の噴射制御が停止した後のＮＯXの還元効率を、通常の噴射制御を行った場合と比較して、相対的に向上させることができる。
また、還元剤の噴射制御が停止している間において、排気ガスの温度が上昇すると予測される場合には、排気ガスが、パティキュレートフィルタよりも先に還元触媒を通過するように排気ガスの流路を切り換えることにより、排気ガスの熱量がパティキュレートフィルタに奪われることなく、効率的に還元触媒が昇温される。したがって、還元触媒の温度を還元剤の噴射制御が行われる基準温度以上に速やかに上昇させることができ、再び排気ガスの流路を正方向に切り換えてＮＯXの効率的な還元浄化を早期に再開させることができる。
【００７５】
４．変形例
本発明における内燃機関の排気浄化装置の構成は、図１に示すような構成に限られるものではなく、種々の変形が可能である。以下、図を参照しながら排気浄化装置の変形例について説明する。それぞれの図中、図１と同一の符号が付されているものについては同一の部材を表しており、図１の排気浄化装置の構成と異なる点を中心に説明する。
【００７６】
（１）第１の変形例
図９は、排気浄化装置の第１の変形例を示している。
図９に示す排気浄化装置４０の例では、排気ガス流路切換手段によって正方向又は逆方向に切り換えられる排気ガスの流路構成は、図１に示す排気浄化装置と同様である。ただし、図１に示す上流側排気通路１６の第１の酸化触媒２１及び下流側排気通路１７の第２の酸化触媒２２の代わりに、内燃機関１１に接続された排気通路１２に一つの酸化触媒３６が配設されて構成されている。
この排気浄化装置４０の構成では、排気ガスの流れ方向が正方向の場合には、図１０（ａ）に示すように、第１の流路切換弁２３及び第３の流路切換弁２７が開かれる一方、第２の流路切換弁２４及び第４の流路切換弁２８が閉じられる。したがって、内燃機関１１から排出された排気ガスは、酸化触媒３６、パティキュレートフィルタ２０、還元触媒２１を順次通過し、正方向排出路２６に流される。
一方、排気ガスの流れ方向が逆方向の場合には、図１０（ｂ）に示すように、第２の流路切換弁２４及び第４の流路切換弁２８が開かれる一方、第１の流路切換弁２３と第３の流路切換弁２７が閉じられる。したがって、内燃機関１１から排出された排気ガスは、酸化触媒３６、還元触媒２１、パティキュレートフィルタ２０を順次通過し、逆方向排出路２５に流される。
【００７７】
この排気浄化装置４０の例では、使用する酸化触媒３６が一つであるにもかかわらず、排気ガスが正方向又は逆方向のいずれの方向に流れる場合であっても、必ず酸化触媒３６を通過させることができる。したがって、排気ガス中のＮＯやＨＣ、ＣＯの一部が酸化されてＮＯ2やＣＯ2等が生成されるため、排気ガスが正方向に流れる場合においては、パティキュレートフィルタの連続再生及びＮＯXの還元効率の向上を可能にするとともに、排気ガスが逆方向に流れる場合においては、排気ガスの温度がさらに上昇し、還元触媒を効率的に昇温させることができる。
ただし、このように構成する場合には、排気ガスが正方向に流され、還元剤の噴射制御が行われる場合において、還元触媒でＮＯXの還元に使用されなかったアンモニアが酸化触媒を通過することがないため、より高精度な還元剤の噴射制御が要求される。
【００７８】
（２）第２の変形例
図１１は、排気浄化装置の第２の変形例を示している。
図１１に示す排気浄化装置５０の例では、主たる排気通路５１が折り返されることなく直線状に構成されており、第１の酸化触媒５３、パティキュレートフィルタ２０、還元触媒２１及び第２の酸化触媒５５が、上流側からこの順にしたがって配設されている。また、排気通路５１には、第１の酸化触媒５３よりも上流側に第１の分岐部５７が設けられ、当該第１の分岐部５７には第２の酸化触媒５５よりも下流側の第３の分岐部５９に通じる第１のバイパス通路６１が接続されている。また、排気通路５１の第１の分岐部５７と第１の酸化触媒５３との間には第２の分岐部６３が設けられ、当該第２の分岐部６３には、第３の分岐部５９よりもさらに下流側の第４の分岐部６５に通じる第２のバイパス通路６７が接続されている。
【００７９】
また、第１の分岐部５７と第２の分岐部６３との間の排気通路５１には第１の流路切換弁７１が配置され、第１のバイパス通路６１の第１の分岐部５７の近傍には第２の流路切換弁７３が配置され、さらに第２のバイパス通路６７の第２の分岐部６３の近傍には第３の流路切換弁７５が配置されている。
同様に、第３の分岐部５９と第４の分岐部６５との間の排気通路５１には第４の流路切換弁７７が配置され、第１のバイパス通路６１の第３の分岐部５９の近傍には第５の流路切換弁７９が配置され、さらに第２のバイパス通路６７の第４の分岐部６５の近傍には第６の流路切換弁８１が配置されている。
【００８０】
図１１に示す排気浄化装置５０の例では、排気ガス流路切換手段として第１〜第６の流路切換弁７１、７３、７５、７７、７９、８１が備えられており、これら各弁を開閉制御することによって、排気ガスの流れ方向が正方向又は逆方向に切り換えられるようになっている。
すなわち、排気ガスの流れ方向が正方向の場合には、図１２（ａ）に示すように、第１の流路切換弁７１と第４の流路切換弁７７が開かれる一方、第２の流路切換弁７３、第３の流路切換弁７５、第５の流路切換弁７９及び第６の流路切換弁８１が閉じられる。したがって、内燃機関１１から排出された排気ガスは、第１の酸化触媒５３、パティキュレートフィルタ２０、還元触媒２１、第２の酸化触媒５５を順次通過し、下流側に流される。
一方、排気ガスの流れ方向が逆方向の場合には、図１２（ｂ）に示すように、第２の流路切換弁７３、第３の流路切換弁７５、第５の流路切換弁７９及び第６の流路切換弁８１が開かれる一方、第１の流路切換弁７１及び第４の流路切換弁７７が閉じられる。したがって、内燃機関１１から排出された排気ガスは、第１の分岐部５７において第１のバイパス通路６１側に流れ込み、第２の酸化触媒５５、還元触媒２１、パティキュレートフィルタ２０、第１の酸化触媒５３を順次通過し、第２のバイパス通路６７を介して下流側に流される。
【００８１】
この排気浄化装置５０の例は、図１に示す排気浄化装置１０のようにコンパクト化され、保温性が高められた構成ではないものの、還元触媒の温度が基準温度を下回り、還元剤の噴射制御が停止している状態において、排気ガスの温度が上昇すると予測される場合には、排気ガスの流れが逆方向になるように排気ガスの流路を切り換えることができる。したがって、排気ガスの熱量がパティキュレートフィルタに奪われることなく、還元触媒を効率的に昇温させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の構成例を示す図である。
【図２】正方向及び逆方向に流れる排気ガスの流路について説明するための図である。
【図３】還元触媒の温度とアンモニアの飽和吸着量との関係を示す図である。
【図４】アンモニアの吸着率とＮＯXの還元効率との関係を示す図である。
【図５】排気浄化装置の制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図６】還元剤の噴射制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図７】還元剤の噴射指示値の演算方法の一例を示すフローチャートである。
【図８】排気ガス流路の切換制御の一例を示すフローチャートである。
【図９】排気浄化装置の第１の変形例を示す図である。
【図１０】排気浄化装置の第１の変形例における正方向及び逆方向に流れる排気ガスの流路について説明するための図である。
【図１１】排気浄化装置の第２の変形例を示す図である。
【図１２】排気浄化装置の第２の変形例における正方向及び逆方向に流れる排気ガスの流路について説明するための図である。
【符号の説明】
【００８３】
１０：排気浄化装置（ＳＣＲシステム）、１１：内燃機関、１２：排気通路、１３：ＥＣＵ、１４：第１の分岐部、１５：第２の分岐部、１６：上流側排気通路、１７：下流側排気通路、１８：第３の分岐部、１９：第１の酸化触媒、２０：パティキュレートフィルタ、２１：還元触媒、２２：第２の酸化触媒、２３：第１の流路切換弁、２４：第２の流路切換弁、２５：逆方向排出路、２６：正方向排出路、２７：第３の流路切換弁、２８：第４の流路切換弁、２９：制御装置（ＤＣＵ）、３０：第３の温度センサ、３１：第１の温度センサ、３２：第２の温度センサ、３３：上流側ＮＯXセンサ、３４：下流側ＮＯXセンサ、３５：還元剤噴射弁、３６：酸化触媒、４０：排気浄化装置、５０：排気浄化装置、５１：排気通路、５３：第１の酸化触媒、５５：第２の酸化触媒、５７：第１の分岐部、５９：第３の分岐部、６１：第１のバイパス通路、６３：第２の分岐部、６５：第４の分岐部、６７：第２のバイパス通路、７１：第１の流路切換弁、７３：第２の流路切換弁、７５：第３の流路切換弁、７７：第４の流路切換弁、７９：第５の流路切換弁、８１：第６の流路切換弁
【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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【図１１】
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【図１２】
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