JP2008196340A - 内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニアを還元剤として排気中のＮＯxを選択的に還元する選択還元型ＮＯx触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置において、選択還元型ＮＯx触媒の劣化や個体差によるばらつき等に拘わらず、容易にしてアンモニアスリップを抑制しつつＮＯx浄化率を可能な限り高く維持でき、アンモニア添加量を適正に制御可能な内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法を提供する。
【解決手段】ＮＯx浄化特性の多項式を用いて選択還元型ＮＯx触媒への目標アンモニア吸着量を設定する。基準ＮＯx浄化率と実ＮＯx浄化率との差が所定値以上であると（S10)、選択還元型ＮＯx触媒に吸着しているアンモニアを一旦払拭させた後(S16)、インジェクタから尿素水を噴射しつつパラメータの実測値に基づいて多項式の適応推定計算を行い、当該多項式を更新する(S18,20)。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法に係り、詳しくは、尿素またはアンモニアを還元剤として添加してＮＯxを還元除去する選択還元型ＮＯx触媒のＮＯx浄化技術に関する。

近年、エンジン（内燃機関）の排気中に含まれる汚染物質の１つであるＮＯx（窒素酸化物）を浄化するための排気浄化装置として、エンジンの排気通路に選択還元型ＮＯx触媒（ＳＣＲ触媒）を配設し、還元剤としてアンモニア（ＮＨ_３）をＳＣＲ触媒に添加することにより、排気中のＮＯxを選択的に浄化するようにした排気浄化装置が開発されている。

このような排気浄化装置では、ＳＣＲ触媒の上流側にインジェクタにより尿素水を噴射し、この尿素水が排気の熱により加水分解して生じたアンモニアがＳＣＲ触媒に供給される。そして、ＳＣＲ触媒に供給されたアンモニアは一旦触媒に吸着し、当該アンモニアと排気中のＮＯxとの間の脱硝反応がＳＣＲ触媒によって促進されることでＮＯxの浄化が行われる。

ところで、斯かるアンモニア添加式のＳＣＲ触媒は、触媒へのアンモニアの吸着量が多いほどＮＯx浄化率が高いという性質を有している。
しかしながら、実際にはＳＣＲ触媒のアンモニア吸着量には限界があり、この限界量は温度に依存し、触媒温度が高くなるにつれて限界量が少なくなるという特性をも有しており、例えば、車両が急加速する等して急激にエンジン負荷が増大し、排気温度、ひいては触媒温度が急上昇するような場合には、ＮＯxに対し添加したアンモニアが多いと、余剰となったアンモニアが触媒に吸着することなく触媒を通過し、所謂アンモニアスリップを起こすという問題がある。

このようなアンモニアスリップを防止するためには、アンモニアの添加量を適切に制御する必要があり、例えば、触媒温度等に応じてＳＣＲ触媒へのアンモニアの目標吸着量、或いはＳＣＲ触媒の基準ＮＯx浄化率を設定しておき、実際のアンモニア吸着量や実際のＮＯx浄化率がこれら目標吸着量或いは基準ＮＯx浄化率となるようにアンモニア添加量を制御する技術が開発されている（特許文献１参照）。
特開２００３−２９３７３７号公報

ところで、ＳＣＲ触媒は使用により経時劣化するものであり、経時劣化の度合いに応じてアンモニアの吸着量やＮＯx浄化率も変化するものである。また、アンモニアの吸着量やＮＯx浄化率は、ＳＣＲ触媒の個体差によってもばらつきが生じるものである。
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、ＳＣＲ触媒へのアンモニアの吸着量やＳＣＲ触媒のＮＯx浄化率が経時変化してもアンモニアの目標吸着量や基準ＮＯx浄化率を可変設定するような構成にはなっておらず、このような構成ではアンモニア添加量を適正に制御できないという問題がある。

例えば、ＳＣＲ触媒は経時劣化するとアンモニアの吸着能力やＮＯx浄化性能が低下するが、目標吸着量や基準ＮＯx浄化率が初期設定値のままだと、アンモニア添加量が過剰供与されることになり、やはりアンモニアスリップを防止できず好ましいことではない。また、ＳＣＲ触媒によっては個体差からアンモニア添加量が不足することになり、この場合にはＮＯx浄化率を十分に得ることができず好ましいことではない。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯxを選択的に還元する選択還元型ＮＯx触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法において、選択還元型ＮＯx触媒の劣化や個体差によるばらつき等に拘わらず、容易にしてアンモニアスリップを抑制しつつＮＯx浄化率を可能な限り高く維持でき、アンモニア添加量を適正に制御可能な内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法を提供することにある。

上記の目的を達成すべく、請求項１の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に配設され、尿素水を加水分解して得られるアンモニアを吸着し還元剤として用いて排気中のＮＯxを選択的に還元する選択還元型ＮＯx触媒と、該選択還元型ＮＯx触媒の排気上流側に尿素水を噴射するインジェクタと、該選択還元型ＮＯx触媒の温度、前記排気通路を流れる排気の流量、前記選択還元型ＮＯx触媒によるＮＯx浄化率及び前記選択還元型ＮＯx触媒へのアンモニア吸着量をパラメータとするＮＯx浄化特性の多項式を用い、アンモニアが前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着されずに通過し始める直前のアンモニア吸着量を前記選択還元型ＮＯx触媒への目標アンモニア吸着量として設定する目標アンモニア吸着量設定手段と、前記目標アンモニア吸着量に基づき前記インジェクタから尿素水を噴射制御する尿素水噴射制御手段と、前記多項式を用い、アンモニア吸着量に対応した基準ＮＯx浄化率を算出する基準ＮＯx浄化率算出手段と、前記選択還元型ＮＯx触媒における実ＮＯx浄化率を検出する実ＮＯx浄化率検出手段と、前記基準ＮＯx浄化率と該実ＮＯx浄化率との差が所定値以上のとき、前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着しているアンモニアを一旦払拭させた後、前記インジェクタから尿素水を噴射しつつ前記パラメータの実測値に基づいて前記多項式の適応推定計算を行い、前記多項式を更新する多項式更新手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１において、前記多項式は、
ｒ＝ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）
＝ｋ_０＋ｋ_１ｘ＋ｋ_２ｙ＋ｋ_３ｚ＋ｋ_４ｘｙ＋ｋ_５ｙｚ
＋ｋ_６ｚｘ＋ｋ_７ｘ^２ｙ＋ｋ_８ｘｙ^２＋・・・
であって、ｒは前記選択還元型ＮＯx触媒によるＮＯx浄化率、ｘは前記選択還元型ＮＯx触媒へのアンモニア吸着量、ｙは前記選択還元型ＮＯx触媒の温度、ｚは前記排気通路を流れる排気の流量、ｋ_０、ｋ_１・・・は係数を示す、ことを特徴とする。

請求項３の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１または２において、前記多項式更新手段は、前記多項式の更新式を用いて前記係数を同定することにより前記多項式の適応推定計算を行うものであり、該更新式は、
Ｋ_ｎｅｗ＝Ｋ_ｏｌｄ＋δ（ｒ−Ｋ_ｏｌｄＰ^Ｔ）Ｐ
であって、Ｋ_ｎｅｗは多項式の各項の係数の更新値のベクトル、Ｋ_ｏｌｄは多項式の各項の係数の前回計算値のベクトル、ｒは前記選択還元型ＮＯx触媒によるＮＯx浄化率、Ｐは前記選択還元型ＮＯx触媒へのアンモニア吸着量ｘ、前記選択還元型ＮＯx触媒の温度ｙ、前記排気通路を流れる排気の流量ｚ等の各入力値のベクトル、添字Ｔは転置行列、δはゲインを示す、ことを特徴とする。

請求項４の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記多項式更新手段は、前記インジェクタからの尿素水の噴射を停止し、前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着しているアンモニアを一旦払拭することを特徴とする。
請求項５の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１乃至３にいずれかにおいて、前記多項式更新手段は、内燃機関が高負荷運転状態にある場合に前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着しているアンモニアが一旦払拭されたものと判定することを特徴とする。

請求項６の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記実ＮＯx浄化率検出手段は、前記選択還元型ＮＯx触媒における実ＮＯx浄化率を少なくとも該選択還元型ＮＯx触媒の排気下流側に設けたＮＯxセンサを用いて検出するものであって、前記目標アンモニア吸着量設定手段は、アンモニアが前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着されずに通過し始めたことを前記ＮＯxセンサにより検出し、該検出された情報に基づいて前記目標アンモニア吸着量を設定することを特徴とする。

請求項７の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１乃至６のいずれかにおいて、前記基準ＮＯx浄化率と前記実ＮＯx浄化率との差が所定値以上のとき、該実ＮＯx浄化率に基づき前記多項式を用いてアンモニア吸着量を補正する補正手段を有し、前記多項式更新手段は、前記補正手段による補正回数が所定回数以上であるときに前記多項式を更新することを特徴とする。

請求項８の内燃機関の排気浄化方法では、内燃機関の排気通路に配設された選択還元型ＮＯx触媒に排気上流側から尿素水を添加してアンモニアを吸着させ、該吸着したアンモニアを還元剤として該選択還元型ＮＯx触媒で排気中のＮＯxを選択的に還元する内燃機関の排気浄化方法であって、該選択還元型ＮＯx触媒の温度、前記排気通路を流れる排気の流量、前記選択還元型ＮＯx触媒によるＮＯx浄化率及び前記選択還元型ＮＯx触媒へのアンモニア吸着量をパラメータとするＮＯx浄化特性の多項式を用い、アンモニアが前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着されずに通過し始める直前のアンモニア吸着量を前記選択還元型ＮＯx触媒への目標アンモニア吸着量として設定する目標アンモニア吸着量設定工程と、前記目標アンモニア吸着量に基づき前記インジェクタから尿素水を噴射制御する尿素水噴射制御工程と、前記多項式を用い、アンモニア吸着量に対応した基準ＮＯx浄化率を算出する基準ＮＯx浄化率算出工程と、前記選択還元型ＮＯx触媒における実ＮＯx浄化率を検出する実ＮＯx浄化率検出工程と、前記基準ＮＯx浄化率と該実ＮＯx浄化率との差が所定値以上のとき、前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着しているアンモニアを一旦払拭させた後、前記インジェクタから尿素水を噴射しつつ前記パラメータの実測値に基づいて前記多項式の適応推定計算を行い、前記多項式を更新する多項式更新工程と、を有することを特徴とする。

請求項１の内燃機関の排気浄化装置及び請求項８の内燃機関の排気浄化方法によれば、ＮＯx浄化率、アンモニア吸着量、触媒温度、排気流量をパラメータとするＮＯx浄化特性の多項式を用い、アンモニアが選択還元型ＮＯx触媒に吸着されずに通過し始める直前、即ちアンモニアスリップ直前のアンモニア吸着量を選択還元型ＮＯx触媒への目標アンモニア吸着量として設定するようにし、アンモニア吸着量に対応した基準ＮＯx浄化率と実ＮＯx浄化率との間に差が生じる場合には、多項式の適応推定計算を行うので、選択還元型ＮＯx触媒の劣化や個体差によるばらつき等によってＮＯx浄化特性やアンモニアスリップ特性が基準に対し変化し、ＮＯx浄化特性の多項式が現実の特性から乖離するような場合であっても、ＮＯx浄化特性の多項式を常に最適化するように更新でき、当該最適化された多項式に基づき、容易にアンモニアスリップを抑制しつつＮＯx浄化率が可能な限り高く維持されるようにして目標アンモニア吸着量を修正することができる。

これにより、選択還元型ＮＯx触媒の劣化や個体差によるばらつき等に拘わらず、尿素水の噴射量の最適化を図りアンモニア添加量を適正に制御でき、ＮＯxの大気中への放出を低減することができる。
請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、多項式は、
ｒ＝ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）
＝ｋ_０＋ｋ_１ｘ＋ｋ_２ｙ＋ｋ_３ｚ＋ｋ_４ｘｙ＋ｋ_５ｙｚ
＋ｋ_６ｚｘ＋ｋ_７ｘ^２ｙ＋ｋ_８ｘｙ^２＋・・・
であるので、多項式を常にＮＯx浄化特性に沿った最適なものにできる。

請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、多項式更新手段は、多項式の更新式を用いて係数を同定することにより多項式の適応推定計算を行うものであり、該更新式は、
Ｋ_ｎｅｗ＝Ｋ_ｏｌｄ＋δ（ｒ−Ｋ_ｏｌｄＰ^Ｔ）Ｐ
であるので、容易にして適正に多項式の適応推定計算を行うことができる。
請求項４の内燃機関の排気浄化装置によれば、インジェクタからの尿素水の噴射を停止することで選択還元型ＮＯx触媒に吸着しているアンモニアを確実に払拭（リセット）することができ、多項式の適応推定計算を的確に行うことができる。

請求項５の内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関が高負荷運転状態にある場合に選択還元型ＮＯx触媒に吸着しているアンモニアが払拭（リセット）されたものと判定することで、多項式の適応推定計算を的確に行うことができる。
請求項６の内燃機関の排気浄化装置によれば、アンモニアが選択還元型ＮＯx触媒に吸着されずに通過し始める直前、即ちアンモニアスリップ直前であることをＮＯxセンサを利用して容易に検出することができる。

通常、ＮＯxセンサはジルコニア等を用いて構成されており、アンモニアに対してもＮＯxと同様に反応し検出信号を出力する性質を有することから、この性質を利用し、アンモニアスリップを確実に検出できる。これにより、アンモニアスリップ直前であることを容易に検出可能である。
請求項７の内燃機関の排気浄化装置によれば、基準ＮＯx浄化率と実ＮＯx浄化率との差が所定値以上のときには補正手段によりアンモニア吸着量を補正するが、多項式更新手段は、当該補正回数が所定回数以上であるときに多項式を更新するので、アンモニア吸着量の補正では足りず、多項式が現実の特性から乖離していることを容易にして確実に検出するようにでき、多項式を適切に更新することができる。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置のシステム構成図が示されており、以下図１に基づき本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
本発明に係る排気浄化装置はエンジン（内燃機関）の排気系に適用されるものであり、図示しないものの、当該エンジンは例えばディーゼルエンジンである。

エンジンには、各気筒に連通して排気ポートが形成されており、当該排気ポートには排気マニホールドを介して排気管（排気通路）２が接続されている。
排気管２には排気後処理ユニットの一つとして、アンモニア（ＮＨ_３）を吸着し、吸着したアンモニアを還元剤として排気中のＮＯxを選択還元し浄化するＳＣＲ触媒（選択還元型ＮＯx触媒）４が介装されている。

ＳＣＲ触媒４の排気上流側には、排気中に尿素水を噴射供給する電磁式のインジェクタ６が設けられており、インジェクタ６には管路８を介して所定濃度に設定された尿素水を貯留する尿素水タンク１０が接続されている。インジェクタ６は尿素水を霧状に噴射するような構造を有している。
管路８には圧送ポンプ１２が介装されており、当該圧送ポンプ１２の作動により所定圧の尿素水が尿素水タンク１０から管路８を経てインジェクタ６に供給される。

また、ＳＣＲ触媒４の排気上流側には、インジェクタ６よりもさらに排気上流側に位置して、排気中のＮＯx濃度を検出するＮＯxセンサ（上流側ＮＯxセンサ）２０が設けられ、ＳＣＲ触媒４の排気下流側には、同様のＮＯxセンサ（下流側ＮＯxセンサ）２２が設けられている。これにより、ＳＣＲ触媒４に流入する排ガスの実際のＮＯx濃度（実上流ＮＯx濃度）とＳＣＲ触媒４から流出する排ガスの実際のＮＯx濃度（実下流ＮＯx濃度）とを検出可能である。

さらに、ＳＣＲ触媒４の排気下流側には、排気管２内を流れる排ガスの排気流量Ｆを検出するガスフローセンサ２４が設けられ、ＳＣＲ触媒４の排気上流部分には、ＳＣＲ触媒４の温度Ｔを検出する温度センサ２６が設けられている。
ＥＣＵ（電子コントロールユニット）３０は、エンジンの運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、ＣＰＵ、メモリ、タイマカウンタなどから構成され、様々な制御量の演算を行うと共に、その制御量に基づき各種デバイスの制御を行うことが可能である。

本発明に係る排気浄化装置に関して見れば、ＥＣＵ３０の入力側には、上述したＮＯxセンサ２０、２２、ガスフローセンサ２４、温度センサ２６等の各種センサ類が接続されている。一方、出力側には、上述したインジェクタ６、圧送ポンプ１２等の各種デバイス類が接続されている。
これより、ＥＣＵ３０は、エンジンの各気筒への燃料噴射制御を行うとともに、ＮＯxセンサ２０、２２、ガスフローセンサ２４、温度センサ２６からの入力に基づき圧送ポンプ１２を操作し、インジェクタ６を操作して尿素水を噴射制御可能である。

このようにインジェクタ６から尿素水が噴射されると、尿素水は排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、ＳＣＲ触媒４に吸着する。そして、ＳＣＲ触媒４は吸着したアンモニアとＳＣＲ触媒４に流入するＮＯxとの間の脱硝反応を促進する。
詳しくは、ＥＣＵ３０では、後述するように、ＮＯxセンサ２０、２２、ガスフローセンサ２４、温度センサ２６からの入力に基づき、ＳＣＲ触媒４に要求される目標アンモニア吸着量Ｑtを算出するようにしており、目標アンモニア吸着量Ｑtに相当する量の尿素水をインジェクタ６から噴射するようにしている。

これにより、ＮＯxがＳＣＲ触媒４で浄化され、無害なＮ_２となって大気中に放出される。
ところで、ＳＣＲ触媒４のＮＯx浄化率ｒは触媒温度Ｔや排気流量Ｆに大きく依存し、さらにＳＣＲ触媒４に吸着するアンモニアの吸着量Ｑにも依存する。例えば、触媒温度Ｔが高いほど、或いはＳＣＲ触媒４に吸着するアンモニアの吸着量Ｑが多いほどＳＣＲ触媒４のＮＯx浄化率は高くなる傾向にある。しかしながら、実際には、上述したようにＳＣＲ触媒４に吸着するアンモニアの吸着量Ｑには限界があり、所定量を超えるとアンモニアが触媒に吸着することなく触媒を通過し、所謂アンモニアスリップを起こすこととなる。

即ち、図２を参照すると、例えば排気流量Ｆを固定し、触媒温度Ｔを変化（Ｔ1〜Ｔ6：Ｔ1＜Ｔ2＜Ｔ3＜Ｔ4＜Ｔ5＜Ｔ6）させた場合のアンモニア吸着量ＱとＮＯx浄化率ｒとの関係（ａ）、及びアンモニア吸着量Ｑとアンモニアスリップ量との関係（ｂ）が特性図として示されているが、アンモニアスリップの発生を抑制しつつＮＯx浄化率ｒを高く維持するには、アンモニア吸着量ＱとＮＯx浄化率ｒとの関係を同図（ａ）の斜線領域で示す最適範囲内に納めるようにして目標アンモニア吸着量Ｑtを設定することが要求される。

しかしながら、このようなアンモニア吸着量Ｑに対するＮＯx浄化特性やアンモニアスリップ特性は、ＳＣＲ触媒４の劣化や個体差によるばらつき等によって例えば図２（ａ）に破線で示すように変化し、アンモニア吸着量ＱとＮＯx浄化率ｒとの関係における最適範囲は、実際にはＳＣＲ触媒４の劣化や個体差によるばらつき等に応じて例えば図２（ａ）に破線で示すように移動する。

このようにアンモニア吸着量Ｑに対するＮＯx浄化特性が変化すると、これに応じて目標アンモニア吸着量Ｑtも変化することになる。ところが、排気流量Ｆや触媒温度Ｔ毎に最適な目標アンモニア吸着量Ｑtを逐一探索することは容易なことではない。
一方、排気流量Ｆ、触媒温度Ｔ、アンモニア吸着量Ｑ及びＮＯx浄化率ｒの関係、即ちＮＯx浄化特性は実験等によりモデル化することが可能であり、研究の結果、図３及び次式(1)に示すような４次元線形多項式で表すことができる。

ｒ＝ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）
＝ｋ_０＋ｋ_１ｘ＋ｋ_２ｙ＋ｋ_３ｚ＋ｋ_４ｘｙ＋ｋ_５ｙｚ
＋ｋ_６ｚｘ＋ｋ_７ｘ^２ｙ＋ｋ_８ｘｙ^２＋・・・ …(1)
ここに、ｒはＮＯx浄化率、ｘはアンモニア吸着量Ｑ、ｙは触媒温度Ｔ、ｚは排気流量Ｆ（またはＳＶ値）を示し、ｋ_０、ｋ_１・・・は係数である。

当該ＮＯx浄化率ｒのＮＯx浄化特性モデル式を用いるようにすれば、ＳＣＲ触媒４の劣化や個体差によるばらつき等によってＮＯx浄化特性やアンモニアスリップ特性が変化しても、当該変化をＮＯx浄化特性モデル式に反映させて当該モデル式を適正な式に更新することが可能であり、容易にして最適な目標アンモニア吸着量Ｑtを得ることができる。
以下、本発明の排気浄化装置及び排気浄化方法における、最適な目標アンモニア吸着量Ｑtの設定手法について詳しく説明する。

図４を参照すると、ＥＣＵ３０において実行される本発明に係るアンモニア吸着量制御の制御ブロック図が示され、図５を参照すると、当該アンモニア吸着量制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同制御ブロック図及び同フローチャートに基づき説明する。
図４中、排気流量Ｆはガスフローセンサ２４の検出値、触媒入口ＮＯx濃度はＮＯxセンサ２０の検出値、触媒出口ＮＯx濃度はＮＯxセンサ２２の検出値、触媒温度Ｔは温度センサ２６の検出値である。

ブロックＢ１０には、上記式(1)、即ちＮＯx浄化特性モデル式が記憶されており、ブロックＢ１２では、当該ＮＯx浄化特性モデル式に基づき、目標アンモニア吸着量（目標ＮＨ3吸着量）Ｑtが設定される。詳しくは、次式(2)で示すような上記ＮＯx浄化特性モデル式のｘについての逆算式からＮＨ3吸着量Ｑを算出でき、さらに、詳細は後述するが、ブロックＢ１４において測定されるアンモニアスリップ位置（ＮＨ3スリップ位置）測定情報に基づき、ＮＨ3スリップの発生する直前の吸着量が目標ＮＨ3吸着量Ｑtとして一義に設定される（目標アンモニア吸着量設定手段、目標アンモニア吸着量設定工程）。

ｘ＝｛ｒ−（ｋ_０＋ｋ_２ｙ＋ｋ_３ｚ＋・・）｝／（ｋ_１＋ｋ_４ｙ＋・・） …(2)
即ち、ここでは、上記図２（ａ）の斜線領域で示す最適範囲内のうちＮＨ3スリップの発生する側の限界値が目標ＮＨ3吸着量Ｑtとして設定される。例えば、目標吸着量決定マップを設定しておき、目標ＮＨ3吸着量Ｑtは当該マップに基づき設定される。
また、ブロックＢ１０においては、後述するブロックＢ３６にて算出されたＮＨ3吸着量ＱでのＮＯx浄化率がＮＯx浄化特性モデル式に基づいて基準ＮＯx浄化率ｒ_０として一義に算出される（基準ＮＯx浄化率算出手段、基準ＮＯx浄化率算出工程）。

そして、ブロックＢ２０において、目標ＮＨ3吸着量ＱtとＮＨ3吸着量Ｑに応じて尿素水の添加量が決定され、指示信号がインジェクタ６に供給される。これによりインジェクタ６から尿素水が噴射され、ＳＣＲ触媒４にアンモニアが供給される（尿素水噴射制御手段、尿素水噴射制御工程）。
ＳＣＲ触媒４にアンモニアが供給されると、ＳＣＲ触媒４においてアンモニアの存在によってＮＯxの浄化が行われることになり、この際、ブロックＢ３０において排気流量Ｆと触媒入口ＮＯx濃度とに基づきエンジンＮＯx排出量が算出され、ブロックＢ３２において触媒入口ＮＯx濃度と触媒出口ＮＯx濃度とに基づきＳＣＲ触媒４の実ＮＯx浄化率ｒが算出される（実ＮＯx浄化率検出手段、実ＮＯx浄化率検出工程）。

そして、ブロックＢ３４においてエンジンＮＯx排出量に実ＮＯx浄化率ｒを乗算してアンモニア消費量（ＮＨ3消費量）が算出され、ブロックＢ４０で算出されたＮＨ3添加量と合わせて、ブロックＢ３６においてＳＣＲ触媒４に吸着しているＮＨ3吸着量Ｑが算出（推定）される。
実ＮＯx浄化率ｒが算出されると、フローチャートのステップＳ１０において、上記基準ＮＯx浄化率ｒ_０と実ＮＯx浄化率ｒとの差を演算し、当該差が所定の閾値（所定値）以上であるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）で基準ＮＯx浄化率ｒ_０と実ＮＯx浄化率ｒとの差が所定の閾値未満であると判定された場合には、ブロックＢ３６において推定したＮＨ3吸着量Ｑが実際のＮＨ3吸着量に対し誤差がなく適正であると判断でき、特に何もせず当該ルーチンを抜ける。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）で当該差が所定の閾値以上であると判定された場合には、ブロックＢ３６において推定したＮＨ3吸着量Ｑが実際のＮＨ3吸着量に対しずれを生じていると判断でき、この場合にはステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、ブロックＢ１６においてＮＯx浄化特性モデル式を実ＮＯx浄化率ｒに基づいて逆算し、上記ブロックＢ３６において算出したＮＨ3吸着量Ｑを補正する（補正手段）。そして、ブロックＢ２０において、当該補正後のＮＨ3吸着量Ｑと目標ＮＨ3吸着量Ｑtに応じて尿素水の添加量が決定される。
ステップＳ１４では、上記ステップＳ１２におけるＮＨ3吸着量Ｑの補正回数が所定の閾値以上であるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）で補正回数が所定の閾値未満である間はステップＳ１０、１２の実行を繰り返す。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）で補正回数が所定の閾値以上と判定された場合には、ステップＳ１６に進む。

即ち、ＮＨ3吸着量Ｑを何度補正しても基準ＮＯx浄化率ｒ_０と実ＮＯx浄化率ｒとに差が生じるような場合には、もはやＮＯx浄化特性モデル式が現実の特性から乖離していると容易にして確実に判断することができ、この場合にはステップＳ１６に進む。
ステップＳ１６では、一旦インジェクタ６からの尿素水の噴射を停止し、ＳＣＲ触媒４へのアンモニアの供給を停止する。このようにすると、ＳＣＲ触媒４に吸着しているアンモニアが減少する一方となり、最終的にＳＣＲ触媒４のＮＨ3吸着量Ｑがリセット（払拭）されてゼロに至る。これにより、ブロックＢ３６にて算出したＮＨ3吸着量Ｑに例え誤差が含まれていたとしても、当該誤差を無くすことが可能となり、多項式の適応推定計算を的確に行うための準備が整うこととなる。

ステップＳ１８では、ブロックＢ３８において、ＳＣＲ触媒４のＮＨ3吸着量Ｑがリセットされたことを判定した後、インジェクタ６からの尿素水の噴射を再開する。なお、リセットされたことの判定は、例えば所定時間の経過を監視して行うようにすればよい。
そして、ステップＳ２０では、ブロックＢ１８において、ＮＯx浄化特性モデル式の適応推定計算、即ちＮＯx浄化特性モデル式の係数（ｋ_０、ｋ_１・・・）の同定を開始する（多項式更新手段、多項式更新工程）。

詳しくは、尿素水の噴射を再開してＮＨ3吸着量Ｑを徐々に増加させるようにし、ＮＯx浄化特性モデル式の更新式である次式(3)に基づいて新たな係数を求める。
Ｋ_ｎｅｗ＝Ｋ_ｏｌｄ＋δ（ｒ−Ｋ_ｏｌｄＰ^Ｔ）Ｐ …(3)
ここに、左辺のＫ_ｎｅｗは各係数ｋ_ｉの今回の値の係数ベクトル、右辺第１項のＫ_ｏｌｄは各係数ｋ_ｉの前回の値の係数ベクトルであり、右辺第２項中のδはゲイン、ｒは実ＮＯx浄化率、Ｐはｘ，ｙ，ｚ（ＮＨ3吸着量Ｑ、触媒温度Ｔ、排気流量Ｆ）の入力値ベクトル[１，ｘ，ｙ，ｚ，ｘｙ，ｙｚ，・・・]であり、添字Ｔは転置行列を示す。

このようにして式(3)に基づき係数（ｋ_０、ｋ_１・・・）が同定されると、ＮＯx浄化特性モデル式が的確に更新され、実際の特性に適応した最新ＮＯx浄化特性モデル式が得られることとなる。
そして、ステップＳ２２では、ＳＣＲ触媒４の下流側のＮＯxセンサ２２がＮＨ3スリップに反応したか否か、即ちＮＨ3吸着量Ｑの増加につれてＮＨ3スリップが発生したか否かを判別し、判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には判別を繰り返し、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ２４に進み、同定を停止するとともに尿素水の噴射を停止する。即ち、ＮＯxセンサ２２は、ジルコニア等を用いて構成されており、アンモニアに対してもＮＯxと同様に反応し検出信号を出力する性質を有することから、この性質を利用し、ＮＯxセンサ２２の出力が急変した場合にはＮＨ3スリップが発生したとみなして同定を停止し、尿素水の噴射を停止する。これにより、ＮＨ3スリップを容易に検出可能である。

ステップＳ２６では、ブロックＢ１４において、ＮＯxセンサ２２がＮＨ3スリップに反応した位置（座標）、即ちＮＨ3スリップの開始位置を測定し、これを記憶して更新する。そして、ステップＳ２８では、ブロックＢ１２において、上記最新ＮＯx浄化特性モデル式と当該ＮＨ3スリップの位置測定情報とに基づき、ＮＨ3スリップの発生する直前の吸着量を新たな目標ＮＨ3吸着量Ｑtとして設定し、目標吸着量決定マップを修正する。

このように、本発明に係る排気浄化装置及び排気浄化方法では、ＮＯx浄化率ｒ、アンモニア吸着量Ｑ、触媒温度Ｔ、排気流量Ｆ（またはＳＶ値）をパラメータとするＮＯx浄化特性モデル式を用いてＳＣＲ触媒４の目標ＮＨ3吸着量Ｑtを設定するようにし、基準ＮＯx浄化率ｒ_０と実ＮＯx浄化率ｒとの差が生じる場合にはＮＨ3吸着量Ｑの補正を行い、さらに当該補正を所定の閾値の回数以上行っても上記差が所定の閾値以上である場合には、更新条件が成立したとして適宜ＮＯx浄化特性モデル式の適応推定計算、即ちＮＯx浄化特性モデル式の係数（ｋ_０、ｋ_１・・・）の同定を行い、ＮＯx浄化特性モデル式を更新し、目標ＮＨ3吸着量Ｑtひいては目標吸着量決定マップを修正するようにしている。

従って、ＳＣＲ触媒４の劣化や個体差によるばらつき等によってＮＯx浄化特性やアンモニアスリップ特性が基準に対し変化し、ＮＯx浄化特性モデル式が現実の特性から乖離するような場合であっても、ＮＯx浄化特性モデル式を適切に更新し、容易にアンモニアスリップを抑制しつつＮＯx浄化率ｒが可能な限り高く維持されるようにして目標ＮＨ3吸着量Ｑtを修正することができる。これにより、ＳＣＲ触媒４の劣化や個体差によるばらつき等に拘わらず、尿素水の噴射量の最適化を図り、ＮＯxの大気中への放出を低減することができる。

また、本発明によれば、例えばＳＣＲ触媒４の仕様を変更した場合においてＮＯx浄化特性モデル式を変更せずに自動適合させるようにもできるし、車両の工場出荷時においてＳＣＲ触媒４の個体差によるばらつき分を予め補正値としてＮＯx浄化特性モデル式に反映させておくことも可能である。
さらに、本発明によれば、ＮＯx浄化特性モデル式の適応推定計算により変化する係数（ｋ_０、ｋ_１・・・）の傾向やＮＯx浄化特性をモニタすることで、ＳＣＲ触媒４の劣化や破損等を検知することが可能となり、車両の運転者への警告やＯＢＤ等に容易に対応可能である。

以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、触媒入口ＮＯx濃度をＮＯxセンサ２０を用いて求めるようにしたが、当該触媒入口側のＮＯｘ濃度についてはエンジンの運転状態、例えばアクセル開度やエンジン回転速度に基づいて推定するようにしてもよい。

また、排気流量Ｆをガスフローセンサ２４を用いて求めるようにしたが、エンジンの運転状態、例えばアクセル開度やエンジン回転速度に基づいて排気流量を推定するようにしてもよい。
さらに、ＳＣＲ触媒４の温度Ｔを温度センサ２６を用いて求めるようにしたが、異なる挿入位置の温度センサから触媒温度を求めてもよいし、複数の温度センサから計算により触媒温度を求めるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、図５のステップＳ１６において、ＮＯx浄化特性モデル式の適応推定計算を行うに当たり一旦尿素水の噴射を停止してＳＣＲ触媒４のＮＨ3吸着量Ｑをリセットするようにしたが、これに代えて図６のステップＳ１６’を他の実施例として実行するようにしてもよい。
即ち、ＳＣＲ触媒４に吸着したアンモニアはエンジンの高負荷運転等により所定の高温に達すると脱離するので、エンジンが高負荷運転状態にある場合に、図４に破線で示すように、温度センサ２６からの温度情報Ｔに基づいてＳＣＲ触媒４の高温判定を行い、これによりＳＣＲ触媒４に吸着したアンモニア（吸着ＮＨ3）が脱離したと判定するようにしてもよい。これにより、簡単にＳＣＲ触媒４のＮＨ3吸着量Ｑをリセットすることが可能である。

なお、ＳＣＲ触媒４の高温判定を行う機会は比較的多く存在することから、ＮＯx浄化特性モデル式の適応推定計算を実施するチャンスであり、ＮＨ3吸着量Ｑの補正回数が所定の閾値以上であるか否か（ステップＳ１４）の判別を行うことなくＮＯx浄化特性モデル式の適応推定計算を行うようにしてもよい。

車両に搭載された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置のシステム構成図である。 触媒温度Ｔを変化させた場合のアンモニア吸着量ＱとＮＯx浄化率ｒとの関係（ａ）、及びアンモニア吸着量Ｑとアンモニアスリップ量との関係（ｂ）を示す特性図である。 ４次元線形多項式を示す図である。 本発明に係るアンモニア吸着量制御の制御ブロック図である。 本発明に係るアンモニア吸着量制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 アンモニア吸着量制御の他の実施例に係る制御ルーチンを示すフローチャートの一部である。

符号の説明

２ 排気管（排気通路）
４ ＳＣＲ触媒（選択還元型ＮＯx触媒）
６ インジェクタ
１０ 尿素水タンク
２０ ＮＯxセンサ（上流側ＮＯxセンサ）
２２ ＮＯxセンサ（下流側ＮＯxセンサ）
２４ ガスフローセンサ
２６ 温度センサ
３０ ＥＣＵ（電子コントロールユニット）

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路に配設され、アンモニアを吸着し還元剤として用いて排気中のＮＯxを選択的に還元する選択還元型ＮＯx触媒と、
   該選択還元型ＮＯx触媒の排気上流側に尿素水を噴射するインジェクタと、
   該選択還元型ＮＯx触媒の温度、前記排気通路を流れる排気の流量、前記選択還元型ＮＯx触媒によるＮＯx浄化率及び前記選択還元型ＮＯx触媒へのアンモニア吸着量をパラメータとするＮＯx浄化特性の多項式を用い、アンモニアが前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着されずに通過し始める直前のアンモニア吸着量を前記選択還元型ＮＯx触媒への目標アンモニア吸着量として設定する目標アンモニア吸着量設定手段と、
   前記目標アンモニア吸着量に基づき前記インジェクタから尿素水を噴射制御する尿素水噴射制御手段と、
   前記多項式を用い、アンモニア吸着量に対応した基準ＮＯx浄化率を算出する基準ＮＯx浄化率算出手段と、
   前記選択還元型ＮＯx触媒における実ＮＯx浄化率を検出する実ＮＯx浄化率検出手段と、
   前記基準ＮＯx浄化率と該実ＮＯx浄化率との差が所定値以上のとき、前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着しているアンモニアを一旦払拭させた後、前記インジェクタから尿素水を噴射しつつ前記パラメータの実測値に基づいて前記多項式の適応推定計算を行い、前記多項式を更新する多項式更新手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記多項式は、
   ｒ＝ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）
   ＝ｋ_０＋ｋ_１ｘ＋ｋ_２ｙ＋ｋ_３ｚ＋ｋ_４ｘｙ＋ｋ_５ｙｚ
   ＋ｋ_６ｚｘ＋ｋ_７ｘ^２ｙ＋ｋ_８ｘｙ^２＋・・・
   であって、
   ｒは前記選択還元型ＮＯx触媒によるＮＯx浄化率、ｘは前記選択還元型ＮＯx触媒へのアンモニア吸着量、ｙは前記選択還元型ＮＯx触媒の温度、ｚは前記排気通路を流れる排気の流量、ｋ_０、ｋ_１・・・は係数を示す、
   ことを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記多項式更新手段は、前記多項式の更新式を用いて前記係数を同定することにより前記多項式の適応推定計算を行うものであり、
   該更新式は、
   Ｋ_ｎｅｗ＝Ｋ_ｏｌｄ＋δ（ｒ−Ｋ_ｏｌｄＰ^Ｔ）Ｐ
   であって、
   Ｋ_ｎｅｗは多項式の各項の係数の更新値のベクトル、Ｋ_ｏｌｄは多項式の各項の係数の前回計算値のベクトル、ｒは前記選択還元型ＮＯx触媒によるＮＯx浄化率、Ｐは前記選択還元型ＮＯx触媒へのアンモニア吸着量ｘ、前記選択還元型ＮＯx触媒の温度ｙ、前記排気通路を流れる排気の流量ｚ等の各入力値のベクトル、添字Ｔは転置行列、δはゲインを示す、
   ことを特徴とする、請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記多項式更新手段は、前記インジェクタからの尿素水の噴射を停止し、前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着しているアンモニアを一旦払拭することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記多項式更新手段は、内燃機関が高負荷運転状態にある場合に前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着しているアンモニアが一旦払拭されたものと判定することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記実ＮＯx浄化率検出手段は、前記選択還元型ＮＯx触媒における実ＮＯx浄化率を少なくとも該選択還元型ＮＯx触媒の排気下流側に設けたＮＯxセンサを用いて検出するものであって、
   前記目標アンモニア吸着量設定手段は、アンモニアが前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着されずに通過し始めたことを前記ＮＯxセンサにより検出し、該検出された情報に基づいて前記目標アンモニア吸着量を設定することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記基準ＮＯx浄化率と前記実ＮＯx浄化率との差が所定値以上のとき、該実ＮＯx浄化率に基づき前記多項式を用いてアンモニア吸着量を補正する補正手段を有し、
   前記多項式更新手段は、前記補正手段による補正回数が所定回数以上であるときに前記多項式を更新することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 内燃機関の排気通路に配設された選択還元型ＮＯx触媒に排気上流側から尿素水を添加してアンモニアを吸着させ、該吸着したアンモニアを還元剤として該選択還元型ＮＯx触媒で排気中のＮＯxを選択的に還元する内燃機関の排気浄化方法であって、
   該選択還元型ＮＯx触媒の温度、前記排気通路を流れる排気の流量、前記選択還元型ＮＯx触媒によるＮＯx浄化率及び前記選択還元型ＮＯx触媒へのアンモニア吸着量をパラメータとするＮＯx浄化特性の多項式を用い、アンモニアが前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着されずに通過し始める直前のアンモニア吸着量を前記選択還元型ＮＯx触媒への目標アンモニア吸着量として設定する目標アンモニア吸着量設定工程と、
   前記目標アンモニア吸着量に基づき前記インジェクタから尿素水を噴射制御する尿素水噴射制御工程と、
   前記多項式を用い、アンモニア吸着量に対応した基準ＮＯx浄化率を算出する基準ＮＯx浄化率算出工程と、
   前記選択還元型ＮＯx触媒における実ＮＯx浄化率を検出する実ＮＯx浄化率検出工程と、
   前記基準ＮＯx浄化率と該実ＮＯx浄化率との差が所定値以上のとき、前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着しているアンモニアを一旦払拭させた後、前記インジェクタから尿素水を噴射しつつ前記パラメータの実測値に基づいて前記多項式の適応推定計算を行い、前記多項式を更新する多項式更新工程と、
   を有することを特徴とする内燃機関の排気浄化方法。

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