JP4284087B2

JP4284087B2 - 内燃機関の排気ガス浄化装置

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Publication number: JP4284087B2
Application number: JP2003039361A
Authority: JP
Inventors: 裕司安井; 淳岩本; 秀実荻原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2023-02-18
Also published as: DE102004007922A1; US20040159096A1; JP2004251134A; US7204081B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路を流れる排気ガス中のＮＯｘを、還元剤の存在下でＮＯｘ選択還元触媒により浄化する内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の内燃機関の排気ガス浄化装置として、還元剤としてのアンモニアを、排気通路の上流側からＮＯｘ選択還元触媒に向かって噴射することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化するものが、例えば特許文献１に記載されている。この排気ガス浄化装置は、車両に搭載されたディーゼルエンジンに適用されたものであり、アンモニアを生成するアンモニア生成装置と、生成されたアンモニアを排気通路のＮＯｘ選択還元触媒の上流側に供給するアンモニア供給装置と、これを制御するＥＣＵと、排気通路のＮＯｘ選択還元触媒よりも上流側に設けられ、ＥＣＵに接続されたＮＯｘセンサなどを備えている。このアンモニア生成装置は、軽油および空気を原料としてアンモニアを生成するものであり、接触分解反応器、酸化反応器およびアンモニア合成反応器などで構成されている。
【０００３】
また、アンモニア供給装置は、アンモニア生成装置で生成されたアンモニアを貯蔵するアンモニアボンベと、アンモニアボンベから排気通路に供給されるアンモニア量を制御するための制御弁とを備えている。この排気ガス浄化装置では、ＥＣＵ２により、ＮＯｘセンサで検出された排気ガス中のＮＯｘ濃度に基づき、ＮＯｘ浄化に必要なアンモニアの供給量が決定されるとともに、決定された供給量に基づいて、制御弁の開度が制御される。
【０００４】
以上のような排気ガス浄化装置において、ＮＯｘ選択還元触媒を用いる理由は、ＮＯｘ吸着触媒またはＮＯｘ吸蔵触媒を用いた場合と比べて、硫黄被毒の度合いが小さく、還元性能が低下しにくいことに加えて、触媒のＮＯｘ吸着性能（浄化性能）を回復させるために混合気の空燃比をリッチ化するリッチスパイク制御が不要になることで、内燃機関の燃費を向上させることができることによる。
【０００５】
【特許文献１】
特公平６−３５８１６号公報（第３〜４頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に記載された従来の排気ガス浄化装置では、ＮＯｘセンサが、排気通路のＮＯｘ選択還元触媒よりも上流側に設けられているため、ＮＯｘ選択還元触媒へのアンモニア供給量は、ディーゼルエンジンから排出された排気ガスのＮＯｘ濃度に基づいて決定されるものの、ＮＯｘ選択還元触媒による実際のＮＯｘ浄化状態とは無関係に決定されてしまう。その結果、ＮＯｘ選択還元触媒へのアンモニアの供給量が、ＮＯｘ選択還元触媒による実際のＮＯｘ浄化状態に応じて適切に決定されないことで、排気ガス特性の悪化を招くおそれがある。
【０００７】
この問題を解決する手法として、ＮＯｘセンサを排気通路のＮＯｘ選択還元触媒よりも下流側に設け、その検出結果に基づいて、ＮＯｘ選択還元触媒へのアンモニア供給量を決定することが考えられる。しかし、ＮＯｘセンサは一般に、排気ガス中のＮＯｘだけでなく、アンモニアにも反応する特性を有していることが実験により確認されている。そのため、ＮＯｘセンサを排気通路のＮＯｘ選択還元触媒よりも下流側に設けた場合、ＮＯｘ還元において消費されない分のアンモニアが増大すると、ＮＯｘ選択還元触媒よりも下流側の排気ガス中のアンモニア濃度が高くなり、それに伴い、ＮＯｘセンサの検出結果は、見かけ上、ＮＯｘ濃度が高い状態を示す値となってしまう。その結果、ＮＯｘセンサにより、排気ガス中のＮＯｘ濃度を適切に検出できなくなることで、ＮＯｘ選択還元触媒へのアンモニアの供給量が適切に決定されず、排気ガス特性の悪化を招くおそれがある。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ＮＯｘ選択還元触媒への還元剤の供給量を適切に決定でき、良好な排気ガス特性を確保することができる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項１に係る内燃機関３の排気ガス浄化装置１は、内燃機関３の排気通路（排気管７）に設けられ、排気通路を流れる排気ガス中のＮＯｘを還元剤（アンモニア）の存在下で浄化するＮＯｘ選択還元触媒８と、排気通路のＮＯｘ選択還元触媒８よりも下流側に設けられ、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ検出器（ＮＯｘセンサ２０）と、還元剤をＮＯｘ選択還元触媒８に供給する還元剤供給装置（インジェクタ１４）と、内燃機関３の排気ガスボリュームＶｅｘを検出する排気ガスボリューム検出手段（吸気管内絶対圧センサ２１、クランク角センサ２２、ＥＣＵ２、ステップ５，３４）と、検出された排気ガスボリュームＶｅｘに応じて、ＮＯｘ選択還元触媒８への還元剤の基本供給量（基本噴射量Ｔｉｎｈ＿ｂａｓｅ）を決定する基本供給量決定手段（ＥＣＵ２、ステップ６，３５）と、ＮＯｘ検出器の検出値Ｖｎｏｘの推定値Ｖｎｏｘ＿ｈａｔと、基本供給量を補正するための補正係数Ｋｂｔとの関係を定義した数式モデル［式（３）］を用いて、推定値Ｖｎｏｘ＿ｈａｔが極値（極小値Ｖｎｏｘ＿ｈｍｉｎ）になるように、補正係数Ｋｂｔを算出する補正係数算出手段（ＥＣＵ２、ステップ２，４，３１，３３）と、算出された補正係数Ｋｂｔで基本供給量（基本噴射量Ｔｉｎｈ＿ｂａｓｅ）を補正することによって、ＮＯｘ選択還元触媒８への還元剤の供給量（アンモニア噴射量Ｔｉｎｈ）を決定する供給量決定手段（ＥＣＵ２、ステップ７，３６）と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
この内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、ＮＯｘ検出器により、排気通路のＮＯｘ選択還元触媒よりも下流側におけるＮＯｘ濃度が検出され、排気ガスボリューム検出手段によって検出された排気ガスボリュームに応じて、ＮＯｘ選択還元触媒への還元剤の基本供給量が決定される。さらに、ＮＯｘ検出器の検出値の推定値と、基本供給量を補正するための補正係数との関係を定義した数式モデルを用いて、推定値が極値になるように、補正係数が算出され、補正係数で基本供給量を補正することによって、ＮＯｘ選択還元触媒への還元剤の供給量が決定される。この排気ガス浄化装置において、例えば、還元剤としてアンモニアなどのＮＯｘ検出器が反応する特性のものを用いた場合、ＮＯｘ検出器がＮＯｘ選択還元触媒よりも下流側に配置されているので、ＮＯｘ選択還元触媒への還元剤の供給量が多すぎると、ＮＯｘ還元において消費されない分の還元剤が増大することにより、ＮＯｘ選択還元触媒よりも下流側の排気ガス中の還元剤濃度が高くなり、それに伴い、ＮＯｘ検出器の検出結果は、見かけ上、ＮＯｘ濃度が高い状態を示す値となる。一方、ＮＯｘ選択還元触媒への還元剤の供給量が少なすぎると、ＮＯｘ選択還元触媒によるＮＯｘの還元性能が低下することで、ＮＯｘ選択還元触媒よりも下流側の排気ガス中のＮＯｘ濃度が高くなり、それに伴い、ＮＯｘ検出器の検出結果は、ＮＯｘ濃度が高い状態を示す値となる。以上の理由により、ＮＯｘ検出器の検出結果は、ＮＯｘ選択還元触媒への還元剤の供給量に対して極値を有する特性を示すことになり、この事実は実験によっても確認されている。したがって、この排気ガス浄化装置によれば、ＮＯｘ検出器の検出値の推定値が極値になるように、補正係数が算出され、この補正係数で基本供給量を補正することによって、還元剤の供給量が決定されるので、ＮＯｘ選択還元触媒よりも下流側の排気ガス中の還元剤濃度およびＮＯｘ濃度の双方がバランスよく低い値となるように、還元剤の供給量を適切に決定することができる。その結果、良好なＮＯｘ浄化性能を確保することができ、良好な排気ガス特性を確保できる（なお、本明細書では、「排気ガスボリュームの検出」は、センサにより排気ガスボリュームを検出することに限らず、プログラムにより排気ガスボリュームを算出することを含む）。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３の排気ガス浄化装置１において、排気通路のＮＯｘ選択還元触媒８よりも上流側に設けられ、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘ検出器（第２ＮＯｘセンサ２３）をさらに備え、基本供給量決定手段は、排気ガスボリュームＶｅｘに加えて、上流側ＮＯｘ検出器の検出結果（検出値Ｖｎｏｘｂ）にさらに応じて、基本供給量を決定する（ステップ３５）ことを特徴とする。
【００１２】
この内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、上流側ＮＯｘ検出器により、排気通路のＮＯｘ選択還元触媒よりも上流側におけるＮＯｘ濃度が検出され、排気ガスボリュームに加えて、上流側ＮＯｘ検出器の検出結果にさらに応じて、ＮＯｘ選択還元触媒への還元剤の基本供給量が決定される。例えば、還元剤としてアンモニアなどのＮＯｘ検出器および上流側ＮＯｘ検出器が反応する特性のものを用いた場合でも、上流側ＮＯｘ検出器を還元剤がＮＯｘ選択還元触媒に供給される位置よりも上流側に配置することにより、還元剤の影響を受けることなく、排気ガス中のＮＯｘ濃度のみを精度よく検出でき、それにより、ＮＯｘ選択還元触媒への還元剤の基本供給量を、排気ガス中のＮＯｘ濃度のみに応じて適切に決定することができる。さらに、このように決定された基本供給量を前述した補正係数で補正することによって、還元剤の供給量が決定されるので、前述したように、ＮＯｘ選択還元触媒よりも下流側の排気ガス中の還元剤濃度およびＮＯｘ濃度の双方がバランスよく低い値となるように、還元剤の供給量を適切に決定することができる。以上により、ＮＯｘ選択還元触媒への還元剤供給量を精度よく適切に決定でき、ＮＯｘ浄化性能をさらに向上させることができる。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の内燃機関３の排気ガス浄化装置１において、数式モデルは、推定値Ｖｎｏｘ＿ｈａｔを従属変数とし、補正係数Ｋｂｔを独立変数とする２次の回帰式であり、補正係数算出手段は、２次の回帰式の回帰係数Ａ，Ｂおよび定数項Ｃを逐次型最小２乗法によって算出する（ステップ２，３１）とともに、算出された回帰係数Ａ，Ｂを用いて、補正係数Ｋｂｔを算出する（ステップ４，３３）ことを特徴とする。
【００１４】
この内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、２次の回帰式の回帰係数および定数項が逐次型最小２乗法によって算出されるとともに、そのように算出された回帰係数を用いて、補正係数を算出することができる。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関３の排気ガス浄化装置１において、還元剤はアンモニアであることを特徴とする。
【００１６】
この内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、アンモニアの存在下でＮＯｘ選択還元触媒によって、排気ガス中のＮＯｘを浄化することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の排気ガス浄化装置について説明する。図１は、本実施形態の排気ガス浄化装置１およびこれを適用した内燃機関（以下「エンジン」という）３の概略構成を示している。同図に示すように、この排気ガス浄化装置１は、ＥＣＵ２と、アンモニアを生成するアンモニア生成器１０と、アンモニア噴射用のインジェクタ１４などを備えており、このＥＣＵ２は、後述するように、インジェクタ１４によるアンモニア（ＮＨ₃）の噴射量を制御する。
【００１８】
エンジン３は、リーンバーン運転方式のガソリンエンジンであり、図示しない車両に搭載されている。このエンジン３の吸気管４の途中には、燃料噴射用のインジェクタ５が設けられており、このインジェクタ５は、燃料供給路６ａを介して燃料タンク６に接続されている。このインジェクタ５の開弁時間すなわち燃料噴射量はＥＣＵ２によって制御される。
【００１９】
一方、エンジン３の排気管７の途中には、上流側から順に、ＮＯｘ選択還元触媒８および酸化還元触媒９が設けられている。このＮＯｘ選択還元触媒８は、還元剤としてのアンモニアが存在する雰囲気下で、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択的に還元するものであり、例えばバナジウム・タングステン・チタン系触媒で構成されている。また、酸化還元触媒９は、いわゆる３元触媒で構成されており、排気ガス中のＮＯｘ、ＣＯ（一酸化炭素）およびＨＣ（炭化水素）を浄化する。
【００２０】
また、排気管７のＮＯｘ選択還元触媒８と酸化還元触媒９の間には、ＮＯｘセンサ２０が設けられている。このＮＯｘセンサ２０（ＮＯｘ検出器）は、ＮＯｘ選択還元触媒８を通過した排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。このＮＯｘセンサ２０は、そのセンサ素子内に第１および第２の室、酸素ポンピング電極および酸素濃度検出電極（いずれも図示せず）などを有する、いわゆる限界電流式のものであり、第１室において、排気ガス中の酸素濃度を低下させた後、その酸素濃度の低下した排気ガスを第２室に流入させ、排気ガス中のＮＯｘを分解するとともに、その際に発生する酸素濃度に基づいて、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。
【００２１】
また、還元剤生成器としてのアンモニア生成器１０は、燃料供給路６ｂを介して燃料タンク６に接続され、アンモニア供給路１５を介してインジェクタ１４に接続されている。図２に示すように、アンモニア生成器１０は、酸素富化膜１１、マイクロリアクタ１２およびリアクタ１３などを備えている。
【００２２】
酸素富化膜１１は、これに流入した空気を、高濃度の窒素ガス（窒素富化ガス）と高濃度の酸素ガス（酸素富化ガス）とに分離するものであり、吸気管４のスロットル弁（図示せず）よりも上流側に設けられている。この酸素富化膜１１により生成された酸素ガスは、マイクロリアクタ１２に供給され、窒素ガスは、リアクタ１３に供給される。
【００２３】
また、マイクロリアクタ１２は、燃料タンク６から供給されるガソリンを改質することで、高濃度の水素ガスを生成するものである。具体的には、ロジウム系触媒を用い、ガソリンを酸素富化膜１１から供給される酸素ガスに反応させる部分酸化反応と、ガソリンを水蒸気に反応させる水蒸気改質反応と、を同時に発生させるオートサーマルリフォーミング（autothermal reforming）により、水素および一酸化炭素の混成ガスが生成され、さらに、この混成ガスをシフト反応させることにより、高濃度の水素ガスが生成される。このように生成された水素ガスは、リアクタ１３に供給される。
【００２４】
さらに、リアクタ１３は、ルテニウム系触媒を介した気相合成により、アンモニアを生成する。すなわち、酸素富化膜１１からの窒素ガスと、マイクロリアクタ１２からの水素ガスとを気相合成させることにより、アンモニアを生成する。以上のように、アンモニア生成器１０では、ガソリンおよび空気を原料として、アンモニアが生成される。また、アンモニア生成器１０により生成されたアンモニアは、アンモニア供給路１５を介してインジェクタ１４に加圧状態で供給される。
【００２５】
一方、インジェクタ１４（還元剤供給装置）は、排気管７（排気通路）のＮＯｘ選択還元触媒８よりも上流側に設けられており、ＥＣＵ２からの駆動信号によって駆動されることにより、アンモニアをＮＯｘ選択還元触媒８に向かって排気管７内に噴射する。このインジェクタ１４の開弁時間すなわちアンモニア噴射量Ｔｉｎｈ（還元剤の供給量）は、後述するように、ＥＣＵ２で算出される。
【００２６】
また、ＥＣＵ２には、吸気管内絶対圧センサ２１およびクランク角センサ２２が電気的に接続されている。この吸気管内絶対圧センサ２１（排気ガスボリューム検出手段）は、半導体圧力センサなどで構成され、吸気管４のインジェクタ５よりも上流側に設けられており、吸気管４内の絶対圧である吸気管内絶対圧ＰＢＡを検出して、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。
【００２７】
さらに、クランク角センサ２２（排気ガスボリューム検出手段）は、マグネットロータおよびＭＲＥピックアップ（いずれも図示せず）を組み合わせて構成されており、図示しないクランクシャフトの回転に伴い、いずれもパルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。
【００２８】
このＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０゜）ごとに１パルスが出力され、ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３のエンジン回転数ＮＥを算出する。また、ＴＤＣ信号は、各気筒のピストン（図示せず）が吸入行程開始時のＴＤＣ（上死点）付近の所定クランク角度位置にあることを表す信号であり、所定のクランク角（例えば４気筒エンジンでは１８０゜）ごとに１パルスが出力される。
【００２９】
一方、ＥＣＵ２（供給量決定手段、排気ガスボリューム検出手段、基本供給量決定手段、補正係数算出手段）は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよびＩ／Ｏインターフェースなどからなるマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ２は、前述した各種のセンサ２０〜２２の検出信号に応じて、後述するように、インジェクタ１４のアンモニア噴射量Ｔｉｎｈを制御する。また、ＥＣＵ２は、エンジン３の運転状態に応じて、エンジン３に供給すべき混合気の目標空燃比Ａ／Ｆを算出するとともに、混合気の空燃比が目標空燃比Ａ／Ｆになるように、インジェクタ５による燃料噴射量を制御する。
【００３０】
図３に示すように、排気ガス浄化装置１は、補正係数算出部２ａ、排気ガスボリューム算出部２ｂおよびアンモニア噴射量算出部２ｃなどを備えており、これらはいずれも、具体的にはＥＣＵ２により構成されている。この補正係数算出部２ａでは、後述するアルゴリズムにより、ＮＯｘセンサ２０の検出信号の値である検出値Ｖｎｏｘに基づいて、補正係数Ｋｂｔが算出される。
【００３１】
また、排気ガスボリューム算出部２ｂでは、下式（１）により、排気ガスボリュームＶｅｘが算出される。
Ｖｅｘ＝（ＮＥ／１５００）・ＰＢＡ・ＳＶＰＲＡ ……（１）
ここで、ＳＶＰＲＡは、エンジン３の排気量によって予め決定される所定の係数である。
【００３２】
さらに、アンモニア噴射量算出部２ｃでは、上記排気ガスボリュームＶｅｘおよび混合気の目標空燃比Ａ／Ｆに応じて、後述する図８のマップを検索することにより、基本噴射量Ｔｉｎｈ＿ｂａｓｅ（還元剤の基本供給量）が算出され、この基本噴射量Ｔｉｎｈ＿ｂａｓｅおよび上記補正係数Ｋｂｔを用い、下式（２）により、アンモニア噴射量Ｔｉｎｈが算出される。
Ｔｉｎｈ（ｋ）＝Ｔｉｎｈ＿ｂａｓｅ（ｋ）・Ｋｂｔ（ｋ） ……（２）
ここで、ｋは離散化した時間を表しており、記号（ｋ）付きの各離散データは、所定時間毎にサンプリングされたデータであることを示している。この点は、以下の離散データ（時系列データ）においても同様である。
【００３３】
次に、上記補正係数算出部２ａにおける、補正係数Ｋｂｔを算出するアルゴリズムについて説明する。図４（ａ）は、ＮＯｘ選択還元触媒８へのアンモニアの供給量であるアンモニア噴射量Ｔｉｎｈを変化させた場合における、ＮＯｘセンサ２０の検出値Ｖｎｏｘの測定例を表しており、同図において、ＮＯｘセンサ２０の検出値Ｖｎｏｘは、これが大きいほど、排気ガス中のＮＯｘ濃度が高いことを表している。また、図４（ｂ）は、アンモニア噴射量Ｔｉｎｈを変化させた場合における、ＮＯｘ選択還元触媒８よりも下流側の排気ガス中のＮＯｘ濃度およびアンモニア濃度の測定例を示している。
【００３４】
図４（ａ）に示すように、検出値Ｖｎｏｘは、アンモニア噴射量Ｔｉｎｈが所定値Ｔｉｎｈ１のときに極小値Ｖｍｉｎを示すとともに、アンモニア噴射量Ｔｉｎｈが所定値Ｔｉｎｈ１より大きいほどまたはより小さいほど、大きい値を示すことが判る。これは以下の理由による。すなわち、ＮＯｘセンサ２０は一般に、排気ガス中のＮＯｘだけでなく、アンモニアにも反応する特性を有している。そのため、図４（ｂ）に示すように、アンモニア噴射量Ｔｉｎｈが多すぎると、ＮＯｘ還元において消費されない分のアンモニアが増大することにより、ＮＯｘ選択還元触媒８よりも下流側の排気ガス中のアンモニア濃度が高くなり、それに伴い、検出値Ｖｎｏｘは、見かけ上、より大きな値すなわちＮＯｘ濃度が高い状態を示す値となる。一方、アンモニア噴射量Ｔｉｎｈが少なすぎると、ＮＯｘ選択還元触媒８によるＮＯｘの還元性能が低下することで、ＮＯｘ選択還元触媒８よりも下流側の排気ガス中のＮＯｘ濃度が高くなり、それに伴い、検出値Ｖｎｏｘは、ＮＯｘ濃度が高い状態を示す値となる。
【００３５】
以上のように、ＮＯｘセンサ２０の検出値Ｖｎｏｘは、ＮＯｘ濃度だけでなくアンモニア濃度の影響を受けるので、アンモニア噴射量Ｔｉｎｈを、検出値Ｖｎｏｘに基づく一般的なフィードバック制御手法で制御したとしても、ＮＯｘ濃度を適切に制御できない。ＮＯｘセンサ２０の上記特性を考慮すると、検出値Ｖｎｏｘが極小値となるように、アンモニア噴射量Ｔｉｎｈを設定すれば、ＮＯｘ濃度を最適に制御できることが判る。さらに、本実施形態では、アンモニア噴射量Ｔｉｎｈの基本噴射量Ｔｉｎｈ＿ｂａｓｅが、排気ガスボリュームＶｅｘに基づいて算出されるため、アンモニア噴射量Ｔｉｎｈも排気ガスボリュームＶｅｘの変化に伴って変化すると同時に、ＮＯｘ選択還元触媒８の浄化状態、言い換えれば、ＮＯｘ選択還元触媒８で浄化された排気ガス中のＮＯｘおよびアンモニアの最適な比率も、排気ガスボリュームＶｅｘに応じて変化する。そのため、アンモニア噴射量Ｔｉｎｈを補正するための補正係数Ｋｂｔも、排気ガスボリュームＶｅｘの影響により変化することになる。この理由により、ＮＯｘセンサ２０の検出値Ｖｎｏｘは、補正係数Ｋｂｔに対して図５（ａ）にハッチングで表す範囲の値を示すことが実験により確認された。すなわち、ＮＯｘセンサ２０の検出値Ｖｎｏｘにおいては、これを従属変数とし、補正係数Ｋｂｔを独立変数とする２次式（回帰式）により検出値Ｖｎｏｘの近似値すなわち推定値を算出できることが判る（図５（ｂ）参照）。
【００３６】
したがって、本実施形態の補正係数算出部２ａでは、ＮＯｘセンサ２０の検出値の推定値Ｖｎｏｘ＿ｈａｔ（ｋ）を、図６の式（３）に示す２次の回帰式により算出される値として定義するとともに、同式（３）における回帰係数Ａ，Ｂおよび定数項Ｃのベクトル（以下「回帰係数ベクトル」という）θ（ｋ）を、図６の式（４）〜（１０）に示す逐次型最小２乗法により算出する。この式（３）において、ｄは、各気筒から排出された排気ガスがＮＯｘセンサ２０に到達するまでのむだ時間を表しており、本実施形態では、所定の一定値（例えば１燃焼サイクルに相当する値）に予め設定される。なお、むだ時間ｄをエンジン３の運転状態（エンジン回転数ＮＥなど）に応じて設定してもよい。
【００３７】
また、図６の式（４）において、ＫＰ（ｋ）はゲイン係数のベクトルを、ｉｄｅ（ｋ）は誤差をそれぞれ表している。また、このｉｄｅ（ｋ）は、図６の式（６）〜（８）により算出される。この式（７）のζ（ｋ）は、式（８）のように定義される補正係数のベクトルである。さらに、上記ゲイン係数のベクトルＫＰ（ｋ）は、図６の式（９）により算出され、この式（９）のＰ（ｋ）は、図６の式（１０）で定義される３次の正方行列である。
【００３８】
以上の式（４）〜（１０）に示すアルゴリズムにより、回帰係数ベクトルθ（ｋ）は、誤差ｉｄｅ（ｋ）が値０に収束するように算出される。すなわち、推定値Ｖｎｏｘ＿ｈａｔ（ｋ）がＮＯｘセンサ２０の検出値Ｖｎｏｘに収束するように、回帰係数ベクトルθ（ｋ）が算出される。
【００３９】
また、推定値Ｖｎｏｘ＿ｈａｔ（ｋ）は、上記式（３）の２次式により算出されるので、補正係数Ｋｂｔ（ｋ−ｄ）が所定値Ｋｂｔ＿ｏｐ［＝−Ｂ／（２Ａ）］のときに、極小値Ｖｎｏｘ＿ｈｍｉｎを示すことになる（図５（ｂ）参照）。したがって、本実施形態では、推定値Ｖｎｏｘ＿ｈａｔ（ｋ）がその極小値Ｖｎｏｘ＿ｈｍｉｎになるように、補正係数の今回値Ｋｂｔ（ｋ）を下式（１１）により算出する。なお、下式（１１）の回帰係数Ａ，Ｂの値としては、離散時間ｋ−ｄのタイミングで算出された値を用いる。
Ｋｂｔ（ｋ）＝Ｋｂｔ＿ｏｐ（ｋ−ｄ）＝−Ｂ／（２Ａ） ……（１１）
【００４０】
以下、ＥＣＵ２により実行されるアンモニア噴射量制御について、図７〜図９を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、今回値であることを示す記号（ｋ）を適宜、省略する。図７は、この制御処理のメインルーチンを示しており、本処理は、ＴＤＣ信号の入力に同期して割り込み実行される。この処理では、以下に述べるように、アンモニア噴射量Ｔｉｎｈが算出される。
【００４１】
まず、ステップ１（図では「Ｓ１」と略す。以下同じ）において、前述した各種のセンサ２０〜２２の出力を読み込むとともに、読み込んだデータをＲＡＭ内に記憶する。次に、ステップ２に進み、後述するように回帰係数ベクトルθを算出する。
【００４２】
次いで、ステップ３に進み、インジェクタ１４によるアンモニア噴射の実行条件が成立しているか否かを判別する。この判別は、具体的には、エンジン３の運転状態（エンジン回転数ＮＥおよび吸気管内絶対圧ＰＢＡなど）に基づいて実行される。この判別結果がＹＥＳで、アンモニア噴射の実行条件が成立しているときには、ステップ４に進み、前述した式（１１）により、補正係数Ｋｂｔを算出する。
【００４３】
次いで、ステップ５に進み、前述した式（１）により、排気ガスボリュームＶｅｘを算出する。この後、ステップ６に進み、上記ステップ５で算出した排気ガスボリュームＶｅｘおよび混合気の目標空燃比Ａ／Ｆに応じて、図８に示すマップを検索することにより、基本噴射量Ｔｉｎｈ＿ｂａｓｅを算出する。このマップでは、３つの排気ガスボリュームＶｅｘの所定値Ｖｅｘ１〜Ｖｅｘ３は、Ｖｅｘ３＜Ｖｅｘ２＜Ｖｅｘ１の関係で設定されている。すなわち、基本噴射量Ｔｉｎｈ＿ｂａｓｅは、排気ガスボリュームＶｅｘが大きいほど、より大きな値に設定されている。これは、排気ガスボリュームＶｅｘが大きいほど、排気ガス中の総ＮＯｘ量が大きくなることによる。また、基本噴射量Ｔｉｎｈ＿ｂａｓｅは、目標空燃比Ａ／Ｆに対して、これが理論空燃比よりもリーン側の所定値Ａ／Ｆ１（例えば値１６．０）のときに最も大きい値になるように設定されている。これは、目標空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比よりもリーン側の所定値Ａ／Ｆ１のときに、排気ガス中の総ＮＯｘ量が最も大きくなることによる。
【００４４】
次に、ステップ７に進み、ステップ４，６で算出した補正係数Ｋｂｔおよび基本噴射量Ｔｉｎｈ＿ｂａｓｅを用い、前述した式（２）により、アンモニア噴射量Ｔｉｎｈを算出した後、本処理を終了する。
【００４５】
一方、ステップ３の判別結果がＮＯで、アンモニア噴射の実行条件が不成立であるときには、ステップ８に進み、アンモニア噴射量Ｔｉｎｈを値０に設定した後、本処理を終了する。
【００４６】
次に、図９を参照しながら、前述したステップ２の回帰係数ベクトルθの算出処理について説明する。この処理では、まず、ステップ１０において、ＲＡＭに記憶されている、前回のループでの回帰係数ベクトルの算出値θを、その前回値ＰＲＶθ［＝θ（ｋ−１）］として設定する。
【００４７】
次いで、ステップ１１に進み、回帰係数ベクトルθの算出条件が成立しているか否かを判別する。この判別は、具体的には、エンジン３の運転状態（例えばエンジン回転数ＮＥおよび吸気管内絶対圧ＰＢＡなど）に基づいて実行される。この判別結果がＹＥＳで、回帰係数ベクトルθの算出条件が成立しているときには、ステップ１２に進み、前述した式（８）により、補正係数のベクトルζを算出した後、ステップ１３で、前述した式（７）により、推定値Ｖｎｏｘ＿ｈａｔを算出する。
【００４８】
次に、ステップ１４に進み、前述した式（６）により、誤差ｉｄｅを算出した後、ステップ１５で、ＲＡＭに記憶されている、前回のループでの正方行列の次回値ＮＥＸＰ［＝Ｐ（ｋ＋１）］の算出値を、その今回値Ｐとして設定する。
【００４９】
次いで、ステップ１６に進み、前述した式（９）により、ゲイン係数のベクトルＫＰを算出した後、ステップ１７に進み、前述した式（４）により、回帰係数ベクトルθを算出する。
【００５０】
次に、ステップ１８に進み、前述した式（１０）により、正方行列の次回値ＮＥＸＰを算出した後、本処理を終了する。
【００５１】
一方、ステップ１１の判別結果がＮＯで、回帰係数ベクトルθの算出条件が不成立であるときには、ステップ１９に進み、回帰係数ベクトルの前回値ＰＲＶθを、今回値θとして設定した後、本処理を終了する。
【００５２】
以上のような本実施形態の排気ガス浄化装置１によれば、アンモニア生成器１０により生成されたアンモニアが、インジェクタ１４を介してＮＯｘ選択還元触媒８に供給されるので、アンモニアおよびＮＯｘ選択還元触媒８の協働により、排気ガス中のＮＯｘが還元され、浄化される。その際、ＮＯｘ選択還元触媒８へのアンモニアの供給量であるアンモニア噴射量Ｔｉｎｈが、ＮＯｘセンサ２０の検出値の推定値Ｖｎｏｘ＿ｈａｔ（ｋ）が極小値Ｖｎｏｘ＿ｈｍｉｎになるように算出され、かつ推定値Ｖｎｏｘ＿ｈａｔ（ｋ）が検出値Ｖｎｏｘに収束するように算出されるので、前述した理由により、ＮＯｘ選択還元触媒８よりも下流側の排気ガス中のアンモニア濃度およびＮＯｘ濃度の双方がバランスよく低い値となるように、アンモニア噴射量Ｔｉｎｈを適切に算出することができる。その結果、良好なＮＯｘ浄化性能を確保することができ、良好な排気ガス特性を確保できる。また、アンモニア生成器１０において、アンモニアが燃料（ガソリン）および空気を原料として生成されるので、燃料を補給するだけで還元剤としてのアンモニアを生成することができ、還元剤の補給を省略できるとともに、還元剤補給用のインフラストラクチャを省略することができる。その結果、利便性および商品性を向上させることができる。
【００５３】
次に、本発明の第２実施形態に係る排気ガス浄化装置について説明する。この排気ガス浄化装置１は、前述した第１実施形態の排気ガス浄化装置１と比べると、図１０に示すように、ＮＯｘセンサ２０に加えて、第２ＮＯｘセンサ２３（上流側ＮＯｘ検出器）が排気管７に設けられている点のみが異なっており、それ以外は同様に構成されている。したがって、以下、異なる点を中心に説明するとともに、第１実施形態と同じ構成要素については、同一の参照番号を付し、その説明は適宜、省略する。
【００５４】
この第２ＮＯｘセンサ２３は、ＮＯｘセンサ２０と同様の限界電流式のものであり、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出して、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。また、第２ＮＯｘセンサ２３は、アンモニア噴射用のインジェクタ１４から噴射されたアンモニアの影響を受けることなく、エンジン３から排出されたＮＯｘの濃度のみを検出できるように、排気管７のインジェクタ１４よりも上流側に設けられている。ＥＣＵ２は、この第２ＮＯｘセンサ２３の検出信号の値である検出値Ｖｎｏｘｂ（検出結果）に応じて、後述するように、基本噴射量Ｔｉｎｈ＿ｂａｓｅを算出する。
【００５５】
また、この排気ガス浄化装置１では、アンモニア噴射量Ｔｉｎｈは、図１１に示すアンモニア噴射制御処理により算出される。同図に示すように、この処理では、ステップ３５，３６以外の各ステップは、前述した図７のステップ１〜５，８と同様に構成されているので、以下、ステップ３５，３６を中心に説明する。
【００５６】
この処理では、ステップ３４で、前述したように排気ガスボリュームＶｅｘを算出した後、ステップ３５に進み、ステップ３４で算出した排気ガスボリュームＶｅｘおよび第２ＮＯｘセンサ２３の検出値Ｖｎｏｘｂに応じて、図１２に示すマップを検索することにより、基本噴射量Ｔｉｎｈ＿ｂａｓｅを算出する。このマップでは、３つの検出値Ｖｎｏｘｂの所定値Ｖｎｏｘｂ１〜Ｖｎｏｘｂ３は、Ｖｎｏｘｂ３＜Ｖｎｏｘｂ２＜Ｖｎｏｘｂ１の関係で設定されている。すなわち、このマップでは、基本噴射量Ｔｉｎｈ＿ｂａｓｅは、第２ＮＯｘセンサ２３の検出値Ｖｎｏｘｂが大きいほど、言い換えればエンジン３から排出された排気ガス中のＮＯｘ濃度が高いほど、ＮＯｘ還元能力を高めるために、より大きな値に設定されている。また、このマップでは、前述した理由により、基本噴射量Ｔｉｎｈ＿ｂａｓｅは、排気ガスボリュームＶｅｘが大きいほど、より大きな値に設定されている。
【００５７】
次いで、ステップ３７に進み、前述した式（２）により、アンモニア噴射量Ｔｉｎｈを算出した後、本処理を終了する。
【００５８】
以上のような第２実施形態の排気ガス浄化装置１によれば、補正係数Ｋｂｔが、第１実施形態の排気ガス浄化装置１と同様の手法により算出されるとともに、基本噴射量Ｔｉｎｈ＿ｂａｓｅが、第２ＮＯｘセンサ２３の検出値Ｖｎｏｘｂおよび排気ガスボリュームＶｅｘに応じて算出されるので、エンジン３から排出された排気ガス中のＮＯｘ濃度と、ＮＯｘ選択還元触媒８によって浄化された排気ガス中のＮＯｘ濃度およびアンモニア濃度とに応じて、アンモニア噴射量Ｔｉｎｈをより精度よく制御でき、その結果、排気ガス中のＮＯｘをより効果的に低減できる。また、第１実施形態の排気ガス浄化装置１と同様に、燃料を補給するだけで還元剤としてのアンモニアを生成することができ、還元剤の補給を省略できるとともに、還元剤補給用のインフラストラクチャを省略することができる。
【００５９】
なお、以上の各実施形態は、還元剤としてアンモニアを用いた例であるが、還元剤は、これに限らず、内燃機関の燃料を少なくとも原料として生成可能なものであればよい。例えば、ガソリン、軽油またはメタノールなどを燃料とする内燃機関において、燃料から生成した炭化水素またはアルデヒドなどを還元剤として用いてもよい。
【００６０】
さらに、ＮＯｘ選択還元触媒８に供給すべきアンモニアを確保する手法は、アンモニア生成器１０を用いる各実施形態の例に限らないことは言うまでもない。例えば、アンモニア生成器１０に代えて、図１および図１０に２点鎖線で示すように、アンモニア貯蔵用のアンモニアタンク１７をエンジン３に設け、これからＮＯｘ選択還元触媒８にアンモニアを供給してもよい。この場合、アンモニアタンク１７内のアンモニア貯蔵量が低下したときには、アンモニアを外部から補充すればよい。また、アンモニア生成器１０およびアンモニアタンク１７の両者をエンジン３に設け、前者が生成したアンモニアを後者に貯蔵するとともに、必要に応じて後者からＮＯｘ選択還元触媒８にアンモニアを供給してもよい。
【００６１】
また、本発明の排気ガス浄化装置１は、実施形態の車両用の内燃機関に限らず、それ以外の内燃機関に適用可能であることは言うまでもない。例えば、船舶用の内燃機関や発電用の内燃機関にも適用可能である。さらに、本発明の排気ガス浄化装置１を、実施形態のガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジンに適用してもよいことは言うまでもない。
【００６２】
さらに、ＮＯｘ検出器は、実施形態の限界電流式のＮＯｘセンサ２０，２３に限らず、半導体式のＮＯｘセンサまたは表面電位式のＮＯｘセンサなどの排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出できるものであればよい。さらに、実施形態では、ＮＯｘ検出器として、ＮＯｘ濃度またはアンモニア濃度が高いほど、検出値Ｖｎｏｘがより大きい値を示す特性のＮＯｘセンサ２０を用いたが、これに代えて、ＮＯｘ濃度またはアンモニア濃度が高いほど、検出値Ｖｎｏｘがより小さい値を示す特性のＮＯｘセンサを用いてもよい。その場合には、推定値Ｖｎｏｘ＿ｈａｔ（ｋ）が極大値になるように、補正係数Ｋｂｔを算出すればよい。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、ＮＯｘ選択還元触媒への還元剤の供給量を適切に決定でき、良好な排気ガス特性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る排気ガス浄化装置およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】排気ガス浄化装置のアンモニア生成器の概略構成を示す図である。
【図３】排気ガス浄化装置の概略構成を示すブロック図である。
【図４】（ａ）アンモニア噴射量Ｔｉｎｈを変化させた場合における検出値Ｖｎｏｘの測定例を示す図と（ｂ）ＮＯｘ選択還元触媒を通過した排気ガス中のアンモニア濃度および窒素酸化物濃度の測定例を示す図である。
【図５】（ａ）補正係数Ｋｂｔと検出値Ｖｎｏｘとの関係を示す図と（ｂ）補正係数Ｋｂｔと、検出値Ｖｎｏｘおよびその推定値Ｖｎｏｘ＿ｈａｔとの関係を示す図である。
【図６】推定値Ｖｎｏｘ＿ｈａｔの算出式およびその回帰係数ベクトルθの算出アルゴリズムを説明するための数式を示す図である。
【図７】排気ガス浄化装置におけるアンモニア噴射制御処理を示すフローチャートである。
【図８】図７のステップ６で基本噴射量Ｔｉｎｈ＿ｂａｓｅの算出に用いるマップの一例を示す図である。
【図９】図７のステップ２における回帰係数ベクトルθの算出処理を示すフローチャートである。
【図１０】第２実施形態に係る排気ガス浄化装置およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。
【図１１】第２実施形態の排気ガス浄化装置におけるアンモニア噴射制御処理を示すフローチャートである。
【図１２】図１１のステップ３５で基本噴射量Ｔｉｎｈ＿ｂａｓｅの算出に用いるマップの一例を示す図である。
【符号の説明】
１排気ガス浄化装置
２ＥＣＵ（供給量決定手段、排気ガスボリューム検出手段、基本供給
量決定手段、補正係数算出手段）
３内燃機関
７排気管（排気通路）
８ＮＯｘ選択還元触媒
１４インジェクタ（還元剤供給装置）
２０ＮＯｘセンサ（ＮＯｘ検出器）
２１吸気管内絶対圧センサ（排気ガスボリューム検出手段）
２２クランク角センサ（排気ガスボリューム検出手段）
２３第２ＮＯｘセンサ（上流側ＮＯｘ検出器）
Tinh アンモニア噴射量（還元剤の供給量）
Tinh_base 基本噴射量（還元剤の基本供給量）
Vex 排気ガスボリューム
Vnox 検出値（ＮＯｘ検出器の検出値）
Vnox_hat 検出値の推定値
Vnox_hmin 極小値（極値）
Kbt 補正係数
A 回帰係数
B 回帰係数
C 定数項
Vnoxb 検出値（上流側ＮＯｘ検出器の検出結果）

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、当該排気通路を流れる排気ガス中のＮＯｘを還元剤の存在下で浄化するＮＯｘ選択還元触媒と、
前記排気通路の前記ＮＯｘ選択還元触媒よりも下流側に設けられ、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ検出器と、
前記還元剤を前記ＮＯｘ選択還元触媒に供給する還元剤供給装置と、
前記内燃機関の排気ガスボリュームを検出する排気ガスボリューム検出手段と、
当該検出された排気ガスボリュームに応じて、前記ＮＯｘ選択還元触媒への前記還元剤の基本供給量を決定する基本供給量決定手段と、
前記ＮＯｘ検出器の検出値の推定値と前記基本供給量を補正するための補正係数との関係を定義した数式モデルを用いて、当該推定値が極値になるように、当該補正係数を算出する補正係数算出手段と、
当該算出された補正係数で前記基本供給量を補正することによって、前記ＮＯｘ選択還元触媒への前記還元剤の供給量を決定する供給量決定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記排気通路の前記ＮＯｘ選択還元触媒よりも上流側に設けられ、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘ検出器をさらに備え、
前記基本供給量決定手段は、前記排気ガスボリュームに加えて、前記上流側ＮＯｘ検出器の検出結果にさらに応じて、前記基本供給量を決定することを特徴とする請求項１に内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記数式モデルは、前記推定値を従属変数とし、前記補正係数を独立変数とする２次の回帰式であり、
前記補正係数算出手段は、前記２次の回帰式の回帰係数および定数項を逐次型最小２乗法によって算出するとともに、当該算出された回帰係数を用いて、前記補正係数を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記還元剤はアンモニアであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。