JP4924217B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、NOx浄化機能を有する触媒の下流にNOx選択還元触媒を配置してNOxの排出量を抑える内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来、例えば特開２００３−２９３７３７号公報に開示されるように、内燃機関の排気通路にNOx選択還元触媒を備えるシステムが知られている。NOx選択還元触媒は、アンモニアNH3を吸着する機能を有しており、そのNH3を還元材として、排気ガス中のNOxを還元（浄化）することができる。

より具体的には、上記従来のシステムは、内燃機関の排気通路にNOx選択還元触媒を備えていると共に、そのNOx選択還元触媒にNH3又は尿素水を供給する還元材供給機構を備えている。内燃機関がリーン空燃比で運転される際には、NOxを含む排気ガスが排出される。この際、上記のNOx選択還元触媒は、予め吸蔵しているNH3を放出して、排気ガス中のNOxを還元する（N2とH2Oに浄化する）。

上記従来のシステムでは、NOx選択還元触媒に対するNH3供給量が過多であると、その下流に、NH3を含む排気ガスが排出される事態が生ずる。また、NOx選択還元触媒に対するNH3の供給量が過小であると、十分な還元材（NH3）が得られないことから、NOxを十分に浄化できない事態が生ずる。このため、このシステムにおいて良好なエミッション特性を得るためには、NOx選択還元触媒に適量のNH3を供給することが重要である。

上記従来のシステムは、適量のNH3供給を実現するために、NOx選択還元触媒に吸蔵されているNH3量（NH3吸着保持量）を推定する。具体的には、NOx選択還元触媒に供給されるNH3量から、NOx選択還元触媒で消費されたNH3量（NH3消費量）を減ずることで、その内部におけるNH3吸着保持量を推定する。

NOx選択還元触媒は、排気ガス中のNOxを還元する際にNH3を消費する。NOx選択還元触媒の内部で還元されるNOx量は、内燃機関からNOx選択還元触媒に流入するNOx量（NOx流入量）に、NOx選択還元触媒のNOx浄化率を掛け合わせることで求めることができる。従って、NH3消費量は、その乗算値に基づいて算出することができる。

上記従来のシステムは、上記の手法でNH3吸着保持量を算出し、その値が適正値になるようにNH3の供給量を制御する。このような手法によれば、NOx選択還元触媒内部におけるNH3吸着保持量を常に適正値とすることができ、良好なエミッション特性を実現することが可能である。

特開２００３−２９３７３７号公報 特開２００３−３１４２５６号公報

しかしながら、NOx選択還元触媒においては、排気ガスの流れに伴って、吸蔵NH3がパージされることがある。このため、触媒内のNH3吸着保持量を正確に推定するためには、NH3吸着保持量と、NH3消費量に加えて、NH3パージ量をも考慮することが必要である。上記従来のシステムでは、排気ガスによるNH3のパージ量を考慮することなくNH3吸着保持量を推定することとしている。このため、上記従来のシステムは、NH3吸着保持量の推定精度の面で、更なる改良の余地を残すものであった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、NOx選択還元触媒のNH3吸着保持量を正確に推定することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気浄化装置であって、
排気ガス中のNOxを浄化する機能を有する第１触媒と、
前記第１触媒の下流に配置されるNOx選択還元触媒と、
前記NOx選択還元触媒内のNH3吸着保持量の演算値を記憶するNH3吸着保持量記憶手段と、
前記NOx選択還元触媒が排気ガス中から吸着するNH3吸着量を演算するNH3吸着量演算手段と、
前記NOx選択還元触媒が排気ガス中のNOxを還元するのに伴って消費されるNH3消費量を演算するNH3消費量演算手段と、
前記NOx選択還元触媒を流通するガスによりパージされるNH3パージ量を演算するNH3パージ量演算手段と、
前記NH3吸着保持量記憶手段に記憶されているNH3吸着保持量の演算値を、前記NH3吸着量、前記NH3消費量、及び前記NH3パージ量に基づいて更新するNH3吸着保持量更新手段とを備え、
前記NH3吸着量演算手段は、
前記NOx選択還元触媒に流入するNH3流入量を算出するNH3流入量算出手段と、前記NOx選択還元触媒のNH3吸着率を算出するNH3吸着率算出手段と、を備え、前記NH3流入量と前記NH3吸着率との乗算値に基づいて前記NH3吸着量を算出し、
前記NH3消費量演算手段は、
前記NOx選択還元触媒に流入するNOx流入量を算出するNOx流入量算出手段と、前記NOx選択還元触媒のNOx浄化率を算出するNOx浄化率算出手段と、を備え、前記NOx流入量と前記NOx浄化率の乗算値に基づいて前記NH3消費量を算出し、
前記NH3パージ量演算手段は、
前記NOx選択還元触媒を流通するガス流量を検知するガス流量検知手段と、前記NOx選択還元触媒がガスの流れに伴ってNH3をパージさせるパージ率を演算するNH3パージ率演算手段と、を備え、前記NH3吸着保持量の演算値と、前記パージ率と、前記ガス流量との乗算値に基づいて前記NH3パージ量を算出することを特徴とする。

また、第２の発明は、第２の発明において、
前記パージ率演算手段は、
前記NOx選択還元触媒の入口における酸素濃度を検知する酸素濃度検知手段と、
前記NH3吸着保持量の演算値及び前記酸素濃度と、前記パージ率との関係を定めたパージ率規則を記憶したパージ率規則記憶手段と、を備え、
前記パージ率規則に従って前記パージ率を算出することを特徴とする。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記NH3吸着保持量の演算値と、その目標値とを比較する比較手段と、
前記NH3吸着保持量の演算値が前記目標値に対して過大である場合に、内燃機関の空燃比、前記第１触媒の温度、及び前記第１触媒内のNOx量の少なくとも一つが、前記NH3吸着量を減らす方向に変化するように内燃機関の運転状態を変更し、他方、前記NH3吸着保持量の演算値が前記目標値に対して過小である場合に、内燃機関の空燃比、前記第１触媒の温度、及び前記第１触媒内のNOx量の少なくとも一つが、前記NH3吸着量を増やす方向に変化するように内燃機関の運転状態を変更する制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記NH3吸着保持量の演算値と、その目標値とを比較する比較手段と、
前記NH3吸着保持量の演算値が前記目標値に対して過大である場合に、前記NOx選択還元触媒に流入するNOx流入量、及び前記NOx選択還元触媒のNOx浄化率の少なくとも一つが、前記NH3消費量を増やす方向に変化するように内燃機関の運転状態を変更し、他方、前記NH3吸着保持量の演算値が前記目標値に対して過小である場合に、前記NOx流入量及び前記NOx浄化率の少なくとも一つが、前記NH3消費量を減らす方向に変化するように内燃機関の運転状態を変更する制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記NH3吸着保持量の演算値と、その目標値とを比較する比較手段と、
前記NH3吸着保持量の演算値が前記目標値に対して過大である場合に、内燃機関の空燃比、及び前記NOx選択還元触媒を流通するガス流量の少なくとも一つが、前記NH3パージ量を増やす方向に変化するように内燃機関の運転状態を変更し、他方、前記NH3吸着保持量の演算値が前記目標値に対して過小である場合に、内燃機関の空燃比、及び前記ガス流量の少なくとも一つが、前記NH3パージ量を減らす方向に変化するように内燃機関の運転状態を変更する制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、
前記NH3パージ量演算手段は、前記NOx選択還元触媒を流通するガス流量を検知するガス流量検知手段と、前記NOx選択還元触媒がガスの流れに伴ってNH3をパージさせるパージ率を演算するNH3パージ率演算手段と、を備え、前記NH3吸着保持量の演算値と、前記パージ率と、前記ガス流量との乗算値に基づいて前記NH3パージ量を算出し、
前記ガス流量と前記NH3パージ量とに基づいて前記NOx選択還元触媒下流のNH3濃度予測値を算出するNH3濃度予測手段と、
前記NOx選択還元触媒下流のNH3濃度を実測するNH3センサと、
前記NH3濃度予測値濃度と、前記NH3センサによるNH3濃度の実測値との差が小さくなるように、前記NH3吸着保持量の演算手法を修正する演算手法修正手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れかにおいて、
前記NOx選択還元触媒に流入するNOx流入量を算出するNOx流入量算出手段と、
前記NOx選択還元触媒のNOx浄化率を算出するNOx浄化率算出手段と、
前記NOx流入量から、当該NOx流入量と前記NOx浄化率との乗算値を減ずることにより、前記NOx選択還元触媒の下流におけるNOxエミッションを演算するNOxエミッション演算手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第８の発明は、第７の発明において、
前記NOxエミッションの演算値と、エミッション目標値とを比較するエミッション比較手段と、
前記NOxエミッションの演算値が前記エミッション目標値と一致するように、内燃機関の運転状態を変更する制御手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、第１触媒は、NOxの浄化に伴ってNH3を生成する。生成されたNH3はNOx選択還元触媒に流入する。本発明では、NH3吸着保持量の演算値が、NH3吸着量と、NH3消費量と、NH3パージ量とに基づいて更新される。このため、本発明によれば、NOx選択還元触媒内部のNH3吸着保持量を、極めて精度良く推定することができる。

また、この発明によれば、NH3吸着量を、NOx選択還元触媒に流入するNH3流入量と、NOx選択還元触媒のNH3吸着率との乗算値に基づいて、容易かつ高精度に演算することができる。また、NH3消費量を、NOx選択還元触媒に流入するNOx流入量と、NOx選択還元触媒のNOx浄化率との乗算値に基づいて、容易かつ高精度に演算することができる。更に、NH3パージ量を、NH3吸着保持量の演算値と、NOx選択還元触媒を流通するガス流量と、NOx選択還元触媒内部におけるNH3のパージ率との乗算値に基づいて、容易かつ高精度に演算することができる。

第２の発明によれば、NOx選択還元触媒の入口における酸素濃度を検知することができる。また、このようにして検知した酸素濃度と、NH3吸着保持量の演算値とを基礎とすることで、パージ率規則に従って、NOx選択還元触媒のパージ率を容易かつ高精度に算出することができる。

第３の発明によれば、NH3吸着保持量の演算値が目標値に対して過大である場合は、NH3吸着量が減るように内燃機関の運転状態が変更される。また、NH3吸着保持量の演算値が目標値に対して過小である場合は、NH3吸着量が増えるように内燃機関の運転状態が変更される。このため、本発明によれば、NOx選択還元触媒のNH3吸着保持量を、目標値に近づけることができる。

第４の発明によれば、NH3吸着保持量の演算値が目標値に対して過大である場合は、NH3消費量が増えるように内燃機関の運転状態が変更される。また、NH3吸着保持量の演算値が目標値に対して過小である場合は、NH3消費量が減るように内燃機関の運転状態が変更される。このため、本発明によれば、NOx選択還元触媒のNH3吸着保持量を、目標値に近づけることができる。

第５の発明によれば、NH3吸着保持量の演算値が目標値に対して過大である場合は、NH3パージ量が増えるように内燃機関の運転状態が変更される。また、NH3吸着保持量の演算値が目標値に対して過小である場合は、NH3パージ量が減るように内燃機関の運転状態が変更される。このため、本発明によれば、NOx選択還元触媒のNH3吸着保持量を、目標値に近づけることができる。

第６の発明によれば、NH3濃度の予測値と実測値との差が小さくなるようにNH3吸着保持量の演算手法を修正することができる。NH3濃度の予測値の誤差は、NH3吸着保持量の演算値の誤差に起因する。このため、NH3濃度の予測値の誤差が小さくなれば、NH3吸着保持量の演算値の誤差も小さくなる。従って、本発明によれば、NOx選択還元触媒のNH3吸着保持量を高い精度で演算することができる。

第７の発明によれば、NOx選択還元触媒で還元されるNOx量は、NOx流入量とNOx浄化率との乗算値として求めることができる。また、その乗算値を、NOx流入量から減ずることにより、NOx選択還元触媒の下流におけるNOxエミッションを精度良く演算することができる。

第８の発明によれば、NOxエミッションの演算値を求めると共に、その演算値がエミッション目標値と一致するように内燃機関の運転状態を変更することができる。このため、本発明によれば、NOxエミッションを適切なレベルとして、内燃機関の運動特性とエミッション特性の双方を、高いレベルで両立させることができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０には、排気通路１２が連通している。排気通路には、三元触媒１４、NSR（NOx吸蔵還元触媒）１６、及びSCR（NOx選択還元触媒）１８が、その順序で配置されている。

内燃機関１０は、空燃比がリッチである場合に、HC及びCOを排出し易く、また、空燃比がリーンである場合にNOxを排出し易い。三元触媒１４は、リーン雰囲気では、酸素を吸着しながらNOxを還元（N2に浄化）する。他方、リッチ雰囲気では、酸素を放出しながらHC及びCOを酸化（H2O、CO2に浄化）する。リッチ雰囲気下では、また、排気ガス中に含まれる窒素が水素と反応することにより、アンモニアNH3が生成される。

NSR１４は、リーン雰囲気下では、排気ガス中に含まれるNOxを吸着する。また、NSR１４は、リッチ雰囲気下で吸蔵しているNOxを放出する。リッチ雰囲気下で放出されたNOxは、HCやCOにより還元される。この際、三元触媒１４の場合と同様に、NSR１４においてもNH3が生成される。

SCR１６は、三元触媒１４及びNSR１６が、リッチ雰囲気下で生成するNH3を吸蔵し、リーン雰囲気下では、NH3を還元材として、排気ガス中のNOxを選択的に還元する機能を有している。SCR１８によれば、NSR１６の後段に吹き抜けてきたNH3及びNOxが、大気に放出されてしまうのを有効に阻止することができる。

図１に示すシステムは、三元触媒１４の上流側に、空燃比（A/F）センサ２０を備えている。A/Fセンサ２０によれば、内燃機関１０の排気空燃比を計測することができる。また、図１に示すシステムは、SCR１８の上流側にNH3センサ２２を備えている。NH3センサ２２は、排気ガス中のNOx及びNH3に反応して、それらの濃度に応じた信号を発生する。このため、NH3センサ２２によれば、リッチ雰囲気下ではSCR１８の入口におけるNH3濃度を、また、リーン雰囲気下ではSCR１８の入口におけるNOx濃度を、それぞれ検知することができる。

図１に示すシステムは、更に、内燃機関１０の吸入空気量Gaを検知するエアフロメータ（AFM）２４を備えている。排気通路１２を流れるガス流量は、吸入空気量Gaと同じであるから、AFM２４によれば、排気通路１２のガス流量を検知することができる。

A/Fセンサ２０、NH3センサ２２、及びAFM２４は、ECU（Electronic Control Unit）３０に接続されている。ECU３０は、それらのセンサから供給される出力に基づいて、図１に示すシステムの状態を制御することができる。

［実施の形態１の基本動作］
図２は、本実施形態のシステムの基本動作を説明するためのタイミングチャートである。具体的には、図２（Ａ）は、内燃機関１０の排気空燃比の制御例を示す。図２（Ｂ）は、排気ガス中にNOxが比較的多量に生ずる期間を示す。図２（Ｃ）は、NSR１６内のNOx吸蔵保持量の変化を示す。また、図２（Ｄ）は、SCR１８入口におけるNH3量を示す。

本実施形態において、ECU３０は、通常時には内燃機関１０をリーン空燃比で運転（リーン運転）させる（図２（Ａ）参照）。内燃機関１０は、リーン運転中は、NOxを比較的多量に排出する（図２（Ｂ）参照）。その結果、リーン運転中は、NSR１６にNOxが流入し易く、時間の経過に伴って、NSR内のNOx吸蔵保持量が増加する（図２（Ｃ）参照）。

NSR１６が容量一杯までNOxを吸蔵した後、更にNOxを多量に含む排気ガスが流通し続けると、NSR１６の後段にNOxが多量に吹き抜け、排気エミッションが悪化する。このため、NSR１６のNOx吸蔵保持量が吸蔵容量に近づいた時点で、ECU３０は、リッチスパイク制御を行う（図２（Ａ）参照）。

リッチスパイク制御では、内燃機関１０の排気空燃比が一時的にリッチにされる。この間、内燃機関１０は、HC、COを多量に含む排気ガスを排出する（図２（Ｂ）参照）。この場合、三元触媒１４において、HC及びCOが浄化されると共に、NH3が生成される。また、NSR１６は、排気ガスがリッチ化されることにより、吸蔵していたNOxを排出する。この排出に伴い、NSR１６においてもNH3が生成される。その結果、SCR１８の入口には多量のNH3が発生する（図２（Ｄ）参照）。

SCR１８は、リッチスパイク制御の間に発生したNH3を吸着することで、その内部におけるNH3吸着保持量を増加させる。そして、リーン運転時に、SCR１８にNOxが流入してくると、吸蔵されていたNH3が放出され、NH3が還元材となって排気ガス中のNOxが浄化される。その結果、SCR１８後段へのNOxの吹き抜けが防止される。本実施形態のシステムでは、以上の処理が繰り返されることにより、優れたエミッション特性が実現されている。

［SCR内部のNH3吸着保持量の推定］
次に、本実施形態のシステムが、SCR１８のNH3吸着保持量を推定する手法について説明する。上述した通り、SCR１８は、リッチスパイク制御の際に三元触媒１４及びNSR１６が生成するNH3を吸着する。また、SCR１８は、リーン運転中に流入してくるNOxを浄化する際に吸蔵NH3を消費する。更に、SCR１８に吸蔵されているNH3は、その内部を流通するガス、特に、酸素によりパージされ、その影響でも減少する。このため、SCR１８のNH3吸着保持量は、次式により表すことができる。

NH3吸着保持量(t)
＝NH3吸着保持量(t-1)＋NH3吸着量(t)−NH3消費量(t)−NH3パージ量(t)・・・（１）
但し、tは時刻であり、t-1は時刻tより１サンプリング期間だけ前の時刻である。

図３は、（１）式右辺第２項にあたるNH3吸着量を推定する手法を説明するための図である。SCR１８における単位時間当たりのNH3吸着量４０は、SCR１８へのNH3流入量４２と、SCR１８のNH3吸着率４４との乗算値である（符号４６参照）。

SCR１８へのNH3流入量４２は、SCR１８の入口におけるNH3濃度４８に排気ガス流量５０を掛け合わせることで算出できる（符号５２参照）。図１に示すシステムでは、NH3センサ２２によりSCR１８入口におけるNH3濃度４８を検知することができる。また、排気ガス流量は吸入空気量と同じであるためAFM２４により検知することができる。従って、このシステムによれば、SCR１８へのNH3流入量４２を算出することができる。

SCR１８のNH3吸着率４４は、SCR１８に流れ込むガス中のNH3濃度が高いほど大きな値となり、他方、SCR１８のNH3吸着保持量が多いほど小さな値となる。ECU３０は、これらの関係、つまり、NH3吸着率と、NH3濃度及びNH3吸着保持量C_AMとの関係を定めたマップを記憶している（符号４４を付して示す枠内参照）。従って、ECU３０は、NH3濃度５４とNH3吸着保持量C_AM５６とが判ればNH3吸着率４４を検知することができる。

図１に示すシステムでは、NH3センサ２２により、SCR１８の入口におけるNH3濃度を特定することができる。また、ECU３０は、サンプリング時刻毎に、上記（１）式に従ってSCR１８内のNH3吸着保持量を算出する。このため、１サイクル前に算出した値をNH3吸着保持量５６とすることにより、ECU３０は、SCR１８のNH3吸着率４４を特定することができる。

以上説明した通り、ECU３０は、SCR１８へのNH3流入量４２、及びSCR１８におけるNH3吸着率４４を、共に算出することができる。このため、それらを掛け合わせることにより、ECU３０は、サンプリング期間毎にNH3吸着量４０を算出することができる。

図４は、（１）式右辺第３項にあたるNH3消費量を推定する手法を説明するための図である。SCR１８におけるNH3消費量６０は、SCR１８において還元されるNOxの量に比例している。このため、NH3消費量６０は、SCR１８へのNOx流入量６２と、SCR１８におけるNOx浄化率６４との乗算値に基づいて算出することができる（符号６６参照）。

SCR１８へのNOx流入量６２は、SCR１８の入口におけるNOx濃度６８に排気ガス流量５０を掛け合わせることで算出できる（符号７２参照）。上述した通り、NH3センサ２２は、リッチ雰囲気中ではNH3濃度に応じた出力を発生し、他方、リーン雰囲気中ではNOx濃度に応じた出力を発生する。このため、本実施形態のシステムでは、SCR１８入口におけるNOx濃度６８をNH3センサ２２により検知することができる。また、排気ガス流量はAFM２４により検知することができる。従って、このシステムによれば、SCR１８へのNOx流入量６２を算出することができる。

SCR１８のNOx浄化率６４は、SCR１８に流れ込むガス中のNOx濃度が高いほど、また、SCR１８のNH3吸着保持量が多いほど高い値となる。ECU３０は、符号６４を付した枠内に示すように、これらの関係を定めたマップを記憶している。従って、ECU３０は、SCR１８の入口におけるNOx濃度７４とSCR１８内のNH3吸着保持量C_AM７６とが判れば、SCR１８のNOx浄化率６４を予測することができる。

SCR１８の入口におけるNOx濃度７４は、上述した通り、NH3センサ２２により検知することができる。また、SCR１８内のNH3吸着保持量７６は、（１）式により、サンプリング時間毎に算出される。このため、ECU３０は、所定のサンプリング周期毎に、SCR１８のNOx浄化率６４を予測することができる。

以上説明した通り、ECU３０は、SCR１８へのNOx流入量６２、及びSCR１８におけるNOx浄化率６４を、共に算出することができる。このため、ECU３０は、それらを掛け合わせることにより、サンプリング期間毎にNH3消費量６０を算出することができる。

図５は、（１）式右辺第４項にあたるNH3パージ量を推定する手法を説明するための図である。排気ガスの流れによってSCR１８からパージされるNH3量８０は、SCR１８内のNH3吸着保持量８２に、単位ガス流量当たりのパージ率PR８４及び排気ガス流量８６を掛け合わせることにより算出できる（符号８８参照）。

SCR内のNH3吸着保持量８２は、サンプリング周期毎に行われる（１）式の演算により検知することができる。また、排気ガス流量８６は、AFM２４により検知することができる。更に、パージ率PRは、以下に説明する手法により予測することができる。

パージ率PRは、単位ガス流量によりパージされるNH3量と、SCR１８に吸蔵されているNH3量との比である。NH3は、SCR１８内に多量に吸蔵されているほどパージされ易い。このため、パージ率PRは、NH3吸着保持量が多いほど大きな値となる。また、SCR１８に吸蔵されているNH3は、主として酸素ガスによりパージされる。このため、パージ率PRは、排気ガス中の酸素濃度が高いほど大きな値となる。

ECU３０は、符号８４を付した枠内に示すように、パージ率PRを、排気ガス中の酸素濃度とSCR１８内のNH3吸着保持量C_AMとの関係で定めたマップを記憶している。このため、ECU３０は、SCR１８のNH3吸着保持量９０とSCR１８の入口における酸素濃度９２とが判れば、パージ率PRを特定することができる。

SCR内のNH3吸着保持量９０は、（１）式の演算により求めることができる。また、SCR１８の入口における酸素濃度９２は、排気ガス流量９４と排気空燃比９６が判れば予測することができる。図１に示すシステムでは、AFM２４により排気ガス流量９４が検知できると共に、A/Fセンサ２０により排気空燃比９６を検知することができる。このため、ECU３０は、SCR１８の入口における酸素濃度を予測したうえで、SCR１８のパージ率PR８４を予測することができる。

以上説明した通り、ECU３０は、SCR１８内のNH3吸着保持量８２、SCR１８のパージ率PR、及び排気ガス流量８６の全てを検知することができる。このため、ECU３０は、それらを掛け合わせることにより、サンプリング期間毎にNH3パージ量８０を算出することができる。

図３乃至図５を参照して説明した通り、ECU３０は、ある時点におけるNH3吸着保持量さえ定まれば、そのNH3吸着保持量を基礎として、サンプリング期間毎に、NH3吸着量、NH3消費量、及びNH3パージ量を算出することができる。このため、内燃機関１０の始動時に、NH3吸着保持量の初期値を読み込むこととすれば、以後、上記（１）式に従って、サンプリング期間毎に、最新のNH3吸着保持量を予測することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図６は、上記の手法を用いてNH3吸着保持量を予測するためにECU３０が実行するルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンは、内燃機関１０の始動と共に起動され、以後、所定のサンプリング周期毎に繰り返し実行される。

図６に示すルーチンでは、先ず、前回の処理サイクルにおいて算出されたNH3吸着保持量(t-1)が読み込まれる（ステップ１００）。ECU３０は、内燃機関１０の停止時に、NH3吸着保持量の最新の予測値を記憶する。内燃機関１０の始動後、本ステップ１００が初めて実行される際には、停止時に記憶されたNH3吸着保持量が、初期値として読み込まれる。

次に、SCR１８におけるNH3吸着量(t)（図３参照）が算出される（ステップ１０２）。具体的には、AFM２４の検出値、NH3センサ２２の検出値、及びステップ１００で読み込まれたNH3吸着保持量(t-1)に基づいて、図３に示す処理により、NH3吸着量(t)が算出される。

次に、SCR１８内でのNH3消費量(t)（図４参照）が算出される（ステップ１０４）。具体的には、AFM２４の検出値、NH3センサ（NOxセンサ）２２の検出値、及びステップ１００で読み込まれたNH3吸着保持量(t-1)に基づいて、図４に示す処理により、NH3消費量(t)が算出される。

次に、SCR１８におけるNH3パージ量(t)（図５参照）が算出される（ステップ１０６）。具体的には、AFM２４の検出値、A/Fセンサ２０の検出値、及びステップ１００で読み込まれたNH3吸着保持量(t-1)に基づいて、図５に示す処理により、NH3パージ量(t)が算出される。

次に、NH3吸着保持量の最新値が算出される（ステップ１０８）。具体的には、上記ステップ１００〜１０６の処理により読み込まれたNH3(t-1)、及び算出されたNH3吸着量(t)等を基礎として、上記（１）に従った演算が行われる。その結果、現在時刻tにおけるNH3吸着保持量(t)が算出される。

次に、算出されたNH3吸着保持量(t)が、SCR１８の最大吸蔵可能量を超えているか否かが判別される（ステップ１１０）。現実のNH3吸着保持量が最大吸蔵可能量を超えることはないから、上記の条件が成立する場合は、現在のNH3吸着保持量(t)が、最大吸蔵可能量に修正される（ステップ１１２）。他方、上記ステップ１１０の条件が成立しない場合は、ステップ１０８で算出されたNH3吸着保持量(t)が維持されたまま、今回の処理サイクルが終了される。

以上説明した通り、図６に示すルーチンによれば、図１に示すハードウェア構成を用いて、NH3パージ量をも考慮したNH3吸着保持量を算出することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、SCR１８におけるNH3吸着保持量を、内燃機関１０の運転中常に精度良く予測することができる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムでは、SCR１８をNSR１６の下流側に配置することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、図７に示すように、SCR１８は、NSR１６の上流側、つまり、三元触媒１４の直下に配置することとしてもよい。また、NSR１６とSCR１８は、両者が一体となった２層コート構造の触媒に置き換えることとしても良い。更には、NSR１６を省略して、排気通路１２中に三元触媒１４とSCR１８だけを配置する構成としてもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、三元触媒１４及びNSR１６が前記第１の発明における「第１触媒」に、SCR１８が前記第１の発明における「NOx選択還元触媒」に、それぞれ対応している。また、ECU３０が（１）式に従って算出されたNH3吸着保持量を記憶することにより前記第１の発明における「NH3吸着保持量記憶手段」が実現されている。また、ECU３０が上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「NH3吸着量演算手段」が実現されている。また、ECU３０が上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「NH3消費量演算手段」が実現されている。また、ECU３０が上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「NH3パージ量演算手段」が実現されている。また、ECU３０が上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「NH3吸着保持量更新手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、ECU３０が、図３に示すNH3流入量４２を算出することにより前記第１の発明における「NH3流入量算出手段」が、図３に示すNH3吸着率４４を算出することにより前記第１の発明における「NH3吸着率算出手段」が、それぞれ実現されている。また、ECU３０が、図４に示すNOx流入量６２を算出することにより前記第１の発明における「NOx流入量算出手段」が、NOx浄化率６４を算出することにより前記第１の発明における「NOx浄化率算出手段」が、それぞれ実現されている。また、ECU３０が、図５に示す排気ガス流量８６を検知することにより前記第１の発明における「ガス流量検知手段」が、NH3パージ率８４を演算することにより前記第１の発明における「NH3パージ率演算手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、ECU３０が、図５に示すO2濃度９２を検知することにより前記第２の発明における「酸素濃度検知手段」が、符号８４を付した枠中に記載されているパージ率のマップを記憶することにより前記第２の発明における「パージ率規則記憶手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
次に、図８及び図９を参照して本発明の実施の形態２について説明する。図８は、本実施形態のシステムのハードウェア構成を示す。図８に示す構成は、スロットル開度（TA）センサ３２及び回転数センサ３４が追加されている点を除いて図１に示す構成と同様である。但し、このシステムでは、SCR１８の上流に配置されたNH3センサ２２が、NOxセンサとしてのみ用いられる。

すなわち、上述した実施の形態１のシステムは、NH3吸着量４０（図３参照）の算出に必要なNH3濃度４８，５４を、NH3センサ２２により検知することとしている。本実施形態のシステムは、そのNH3濃度を、内燃機関１０の運転状態を基礎として推定する点に特徴を有している。

［SCR入口におけるNH3濃度の推定］
図９は、SCR１８の入口におけるNH3濃度、つまり、図３におけるNH3濃度４８，５４を推定する手法を説明するための図である。SCR入口のNH3濃度４８，５４は、SCR１８に流入するNH3の量４２と、排気ガス流量５０との比である（符号１１６参照）。これら２つのパラメータの内、排気ガス流量５０は、AFM２４により検知することができる。また、他方のパラメータ、すなわち、SCR１８へのNH3流入量４２は、本実施形態のシステムでは、三元触媒１４で生成されるNH3量と、NSR１６で生成されるNH3量とを加算することで求めることができる。

三元触媒１４は、その内部に存在するNOxを還元することによりNH3を生成する。このため、三元触媒１４で生成されるNH3量は、三元触媒１４中のNOx量１２０と、三元触媒１４のNH3生成率１２２とを掛け合わせた値となる。同様に、NSR１６で生成されるNH3量は、NSR１６中のNOx量１２４と、NSR１６のNH3生成率１２６とを掛け合わせた値となる。従って、SCR１８に流入するNH3量４２は、次式により求めることができる（符号１２８参照）。
NH3流入量＝（三元触媒中のNOx量）×（三元触媒のNH3生成率）
＋（NSR中のNOx量）×（NSRのNH3生成率） ・・・（２）

（右辺第１項の演算）
三元触媒１４は、NOxを吸蔵しない。このため、三元触媒１４中のNOx量１２０は、三元触媒１４に流入するNOx量１３０と同量であるとみなすことができる。そして、三元触媒１４に流入するNOx量１３０は、内燃機関１０が排出するNOx量であるから、内燃機関１０の運転状態１３２（機関回転数NE、機関負荷KL、スロットル開度TA等）に基づいて、公知の手法により推定することができる。従って、本実施形態において、ECU３０は、AFM２４、スロットル開度センサ３２、回転数センサ３４等の出力に基づいて、三元触媒１４中のNOx量１２０を推定することができる。

（右辺第２項の演算）
三元触媒１４のNH3生成率は、主として、その内部に存在するNOx量、三元触媒１４に流れ込む排気ガスの空燃比、及び、三元触媒１４の温度により決定される。ECU３０は、符号１２２を付した枠内に示すように、それら３つのパラメータとの関係でNH3生成率を定めたマップを記憶している。このため、ECU３０は、三元触媒１４中のNOx量１３４、三元触媒１４の温度１３６、及び排気空燃比１３８が判れば、三元触媒１４のNH3生成率を算出することができる（符号１２２，１３９参照）。

三元触媒１４中のNOx量１３４は、上述した通り、三元触媒１４に流入するNOx量１３０と同じであり、内燃機関１０の運転状態１３２に基づいて算出することができる。また、三元触媒１４の温度１３６も、公知の手法により、内燃機関１０の運転状態１３２から求めることが可能である。更に、排気空燃比１３８は、A/Fセンサ２０により検知することができる。従って、本実施形態の構成によれば、ECU３０は、符号１２２を付した枠内に示されるマップを参照することにより、三元触媒１４のNH3生成率１２２を予測することができる。

（右辺第３項の演算）
NSR１６にはNOxが吸蔵される。このため、NSR１６中のNOx量１２４は、NSR１６に流入するNOx量１４０と、NSR１６に吸蔵されているNOx量１４２との和になる（図９中、符号１４４参照）。NSR１４に流入するNOx量１４０は、三元触媒１４に流入するNOx量１３０から、三元触媒１４内で浄化されるNOx量を減じた量である。三元触媒１４内で浄化されるNOx量は、三元触媒１４に流入するNOx量１３０に三元触媒１４のNOx浄化率１４６を掛け合わせることで求めることができる。従って、NSR１６に流入するNOx量１４０は、三元触媒１４へのNOx流入量１３０と、三元触媒１４のNOx浄化率１４６とに基づいて算出することができる（符号１４８参照）。

NSR１６に吸蔵されているNOx量１４２は、リッチスパイク終了後にNSR１６に流入したNOx量を積算することで求めることができる（符号１５０参照）。NSR１６へのNOx流入量は、上述した通り、三元触媒１４へのNOx流入量１３０と三元触媒１４のNOx浄化率１４６とに基づいて算出することができる。従って、ECU３０は、NSR１６へのNOx流入量１４０と、NSR１６内のNOx吸蔵保持量１４２の双方を特定することができ、それらを加算することによりNSR１６中のNOx量１２４を算出することができる。

（右辺第４項の演算）
NSR１６のNH3生成率は、主として、その内部に存在するNOx量、NSR１６に流れ込む排気ガスの空燃比、及び、NSR１６の温度により決定される。ECU３０は、符号１２６を付した枠内に示すように、それら３つのパラメータとの関係でNH3生成率を定めたマップを記憶している。このため、ECU３０は、NSR１６中のNOx量１５２、NSR１６の温度１５４、及び排気空燃比１５６が判れば、NSR１６のNH3生成率を算出することができる。

NSR１６中のNOx量１５２は、上述した通り、NSR１６に流入するNOx量１４０と、NSR１４２内のNOx吸蔵保持量１４２との和として求めることができる。NSR１６の温度１５４は、三元触媒１６の場合と同様に、内燃機関１０の運転状態１３２に基づいて、公知の手法により求めることができる。そして、排気空燃比１５６は、A/Fセンサ２０により検知することができる。従って、本実施形態の構成によれば、ECU３０は、符号１２６を付した枠内に示されるマップを参照することにより、NSR１６のNH3生成率１２６を予測することができる（符号１２６，１５８参照）。

以上説明した通り、ECU３０は、上記（２）式の右辺第１項〜第４項の全てを、内燃機関１０の運転状態１３２と、A/Fセンサ２０の出力とに基づいて算出することができる。このため、本実施形態のシステムは、NH3センサを用いることなく、SCR１６に流入するNOx量１２０を算出することができる（符号１２８参照）。また、SCR１６へのNH3流入量１２０が判ると、その値を排気ガス流量５０で除することにより、SCR１８入口におけるNH3濃度４８，５０を算出することができる。

図３を参照して説明した通り、実施の形態１のシステムは、NH3吸着量４０を算出するために、NH3センサ２２を用いてSCR１８入口のNH3濃度４８，５０を検知している。本実施形態のシステムでは、上述した通り、SCR１８入口におけるNH3濃度４８，５０を、NH3センサを用いることなく演算により求めることができる。このため、本実施形態のシステムでは、NH3センサを用いることなく、NH3吸着量４０を算出することができる。

図４を参照して説明した通り、NH3消費量６０を算出するうえでは、SCR１８入口におけるNH3濃度を検知する必要はない（NOx濃度が検知できればよい）。また、図５を参照して説明した通り、SCR１８からのNH3パージ量８０を算出するにあたっても、NH3濃度を検知する必要はない。このため、本実施形態のシステムによれば、SCR１８の上流にNH3センサを配置することなく、NH3パージ量を考慮した高精度なNH3吸着保持量予測を実現することができる。

ところで、上述した実施の形態２においては、図９に示す手法で算出したNH3流入量４８を、図３に示すNH3流入量４８に代入して、SCRに流入するNH3量４２を算出することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、図９に示す手法では、NH3濃度４８を算出する前段階で、SCR１８に流入するNH3量４２を算出することができる。このため、本実施形態のシステムは、図９に示すNH3流入量４２を図３に示すNH3流入量４２に代入して、NH3吸着量４０を算出することとしてもよい。

また、上述した実施の形態２においては、SCR１８入口のNOx６８，７４（図４参照）を検知するためにNH3センサ２２を用いることとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、SCR１８入口のNOx濃度６８，７４は、内燃機関１０の運転状態に基づいて、公知の手法により推定することが可能である。このため、NH3センサ２２を排除して、NH3消費量６０（図４参照）も推定により求めることとしてもよい。

尚、上述した実施の形態２においては、ECU３０が、図９に示す手法で算出したNH3濃度４８，５４を用いて図６に示すステップ１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「NH3吸着量演算手段」が実現されている。また、ECU３０が、図９に示す手法で算出したNH3濃度４８を排気ガス流量５０で除することによりNH3流入量４２を算出することにより、或いは図９に示す手法でNH3流入量４２を算出することにより前記第１の発明における「NH3流入量算出手段」が実現されている。

実施の形態３．
次に、図１０及び図１１を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施形態のシステムは、実施の形態１又は２のシステムにおいて、ECU３０に、後述する図１１に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

本実施形態のシステムは、実施の形態１又は２の場合と同様に、SCR１８におけるNH3吸着保持量をリアルタイムで精度良く推定することができる。図１０は、内燃機関１０の運転状態と、推定によるNH3吸着保持量との関係を示す図である。より具体的には、図１０（Ａ）は、内燃機関１０においてリーン運転とリッチスパイクとが繰り返されるのに伴って生ずる排気空燃比の変化を示す。また、図１０（Ｂ）は、ECU３０により推定されるNH3吸着保持量の変化を示す。更に、図１０（Ｃ）は、SCR１８入口におけるNH3濃度の変化を示す。

内燃機関１０においてリーン運転がなされている間（図１０（Ａ）参照）は、NOxを含む排気ガスがSCR１８に流入する。この際、SCR１８は、NH3を還元材としてNOxを浄化する。その結果、SCR１８のNOx吸蔵保持量は、時間の経過に伴って減少する傾向を示す（図１０（Ｂ）参照。

リッチスパイク制御の実行中（図１０（Ａ）参照）は、内燃機関１０からHC、COを含む排気ガスが排出される。この際、三元触媒１４の内部、及びNSR１６の内部では、排気ガス中の窒素が未燃焼の水素と反応することによりNH3が生成される。その結果、SCR１８の入口には、リッチスパイクの実行と同期して一時的に多量のNH3が発生する（図１０（Ｃ）参照）。発生したNH3はSCR１８により吸着される。このため、SCR１８のNH3吸着保持量は、リッチスパイク制御の実行中、増加傾向を示す（図１０（Ｂ）参照）。

図１０（Ｂ）中に一点鎖線で示す値は、リッチスパイク制御の終了時におけるNH3吸着保持量の目標値を示す。SCR１８のNH3吸着保持量が、吸蔵容量に近づきすぎると、排気ガスに含まれるNH3が、その下流に吹き抜ける事態が生ずる。他方、リッチスパイク制御の終了時に、十分なNH3吸着保持量が確保されていないと、リーン運転中に放出できるNH3量が少量となる。このため、NH3吸着保持量には、目標値が存在する。

図１０（Ｂ）に示すチャートは、一回目のリッチスパイク制御の終了時（時刻t1）に、NH3吸着保持量が目標値を超えていたことを表している。本実施形態のシステムは、SCR１８のNH3吸着保持量をリアルタイムで検知することができるため、時刻t1において、NH3が目標値に対して過多であったことを即座に検知することができる。この場合、ECU３０は、SCR１８のNH3吸着保持量が減少するように、内燃機関１０の運転状態を変更する。

具体的には、ECU３０は、リッチスパイク制御の終了時にNH3吸着保持量が過多であった場合は、次回のリッチスパイク制御時における目標空燃比をリーン側に修正する。図１０（Ａ）に示すチャートは、一回目のリッチスパイク制御の終了時にNH3吸着保持量が過多であったため、二回目のリッチスパイク制御時に、目標空燃比が、一回目の目標値（一点鎖線が示す値）に比してリーン化されたことを示している。

SCR１８入口におけるNH3濃度は、排気空燃比がリーン化されるほど低くなる。他方、図３を参照して説明した通り、SCR１８に吸着されるNH3量（NH3吸着量４０）は、SCR１８入口におけるNH3濃度４８，５４が低いほど少量となる。このため、目標空燃比がリーン化されると、リッチスパイク制御時にSCR１８に吸着されるNH3量は減少する。このため、上記の処理によれば、２回目のリッチスパイク制御によるNH3吸着量を減少させ、その終了時（時刻t2）におけるNH3吸着保持量を目標値に近づけることができる。

他方、本実施形態のシステムは、リッチスパイク制御の終了時に、SCR１８のNH3吸着保持量が目標値に対して不足していた場合は、リッチスパイク制御時における目標空燃比をリッチ化させる。このような処理によれば、リッチスパイク制御に伴ってSCR１８に吸着されるNH3量を増やすことができる。このため、本実施形態のシステムによれば、リッチスパイク制御の終了時におけるNH3吸着保持量を、常に目標値の近傍に制御することができる。

［実施の形態３における具体的処理］
図１１は、本実施形態においてECU３０が実行するルーチンのフローチャートである。図１１に示すルーチンでは、先ず、今回の処理サイクル時が、リッチスパイク制御の終了時であるかが判別される（ステップ１６０）。リッチスパイク制御の終了時でないと判断された場合は、そのまま今回のサイクルが終了される。

他方、リッチスパイク制御の終了時であると判別された場合は、その時点におけるNH3吸着保持量が読み込まれる（ステップ１６２）。次いで、読み込まれたNH3吸着保持量が、目標値と実質的に一致しているか（目標値を中心とする許容範囲に収まっているか）否かが判別される（ステップ１６４）。その結果、NH3吸着保持量が実質的に目標値と一致していると判断された場合は、現在の運転状態を修正する必要がないと判断され、そのまま今回の処理サイクルが終了される。

他方、上記ステップ１６４において、NH3吸着保持量が、実質的に目標値と一致していないと判断された場合は、NH3吸着保持量が、目標値より大きいか否かが判断される（ステップ１６６）。

NH3吸着保持量＞目標値が成立する場合は、NH3吸着保持量が過多であると判断できる。この場合、リッチスパイク制御の際の目標空燃比AF_RSが所定値（０．０１）だけ大きな値に、つまり、リーン方向に修正される（ステップ１６８）。この処理が実行されると、次回のリッチスパイク制御の際には、今回のリッチスパイク制御時に比して排気空燃比がリーン化される。その結果、NH3生成量が減り、NH3吸着量が減り、NH3吸着保持量が目標値に向かって減少する。

他方、上記ステップ１６６において、NH3吸着保持量＞目標値の不成立が判定された場合は、SCR１８のNH3吸着保持量が不足していると判断できる。この場合、リッチスパイク制御の際の目標空燃比AF_RSが所定値（０．０１）だけ小さな値に、つまり、リッチ方向に修正される（ステップ１７０）。この処理が実行されると、次回のリッチスパイク制御の際には、今回のリッチスパイク制御時に比して排気空燃比がリッチ化される。その結果、NH3生成量が増え、NH3吸着量が増え、NH3吸着保持量が目標値に向かって増加する。

以上説明した通り、図１１に示すルーチンによれば、SCR１８におけるNH3吸着保持量の予測値と目標値との関係に基づいて、リッチスパイク制御時の目標空燃比AF_RSを適切に増減させることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、リッチスパイク制御の終了時におけるSCR１８のNH3吸着保持量を、適切に目標値の近傍に管理することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、NH3吸着保持量の過不足が判定された場合に、リッチスパイク制御時の目標空燃比AF_RSを制御してNH3吸着量することとしているが、NH3吸着保持量を目標値に近づけるための制御対象は、AF_RSに限定されるものではない。すなわち、SCR１８のNH3吸着保持量は、上記（１）式から明らかなように、NH3吸着量、NH3消費量、及びNH3パージ量の少なくとも一つが変化すれば変化する。従って、NH3吸着量、NH3消費量、及びNH3パージ量の少なくとも一つに所望の変化が生ずるように、内燃機関１０の運転状態を変化させればNH3吸着保持量を目標値に近づけることは可能である。

具体的には、NH3吸着量４０は、図３に示すように、SCR１８に流入するNH3量４２に応じた値となる。SCR１８へのNH3流入量４２は、図９に示すように、三元触媒１４のNH3生成量と、NSR１６のNH3生成量との和である（符号１２８参照）。そして、それらのNH3生成量は、触媒１４，１６の温度、触媒１４，１６中のNOx量、及び排気空燃比に応じて変化する。このため、NH3吸着保持量の過不足が判定された場合は、その過不足が解消されるように、触媒１４，１６の温度、触媒１４，１６中のNOx量、及び排気空燃比の少なくとも一つを変更してリッチスパイク制御を実行することとしてもよい。

また、図４に示すように、NH3消費量６０は、SCR１８に流入するNOx量６２と、SCR１８のNOx浄化率６４とにより決定される。また、SCR１８のNOx浄化率６４は、SCR１８入口におけるNOx濃度により変化する。このため、NH3吸着保持量の過不足が判定された場合は、その過不足が解消される方向に、SCR１８へのNOx流入量、或いはSCR１８入口のNOx濃度が変化するように、リーン運転時の運転条件を変更することとしてもよい。

また、図５に示すように、NH3パージ量８０は、SCR１８のNH3パージ率８４、及び排気ガス流量８６に応じて変化する。そして、SCR１８のNH3パージ率８４は、SCR１８入口における酸素濃度に応じた変化を示す。このため、NH3吸着保持量の過不足が判定された場合は、その過不足が解消される方向に、SCR１８入口の酸素濃度、及び排気ガス流量の少なくともが変化するように、リーン運転時の運転条件を変更することとしてもよい。

また、上述した実施の形態３においては、リッチスパイク制御の終了時におけるNH3吸着保持量を目標値に一致させることとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明の目的は、リーン運転とリッチスパイク制御とが繰り返される環境下で、SCR１８に適量のNH3量を吸蔵させることである。従って、リッチスパイク制御の開始時等、リッチスパイク制御の終了時以外の特定タイミングにおけるNH3吸着保持量を、そのタイミングにおける目標値に一致させることとしてもよい。或いは、十分に長い期間におけるNH3吸着保持量の平均値を、平均値の目標値に一致させることとしてもよい。

尚、上述した実施の形態３においては、ECU３０が、上記ステップ１６４及び１６６の処理を実行することにより前記第３乃至５の発明の何れかにおける「比較手段」が実現されている。また、ECU３０が、上記ステップ１６８及び１７０の処理を実行することにより前記第３の発明における「制御手段」が実現されている。

また、SCR１８のNH3吸着保持量に過不足が認められた場合に、ECU３０に、その過不足が解消される方向にNH3消費量が変化するように、内燃機関の運転条件を変更させることにより、前記第４の発明における「制御手段」を実現することができる。

また、SCR１８のNH3吸着保持量に過不足が認められた場合に、ECU３０に、その過不足が解消される方向にNH3パージ量が変化するように、内燃機関の運転条件を変更させることにより、前記第５の発明における「制御手段」を実現することができる。

実施の形態４．
次に、図１２を参照して本発明の実施の形態４について説明する。図１２は、本発明のシステム構成を説明するための図である。図１２に示す構成は、SCR１８の下流側に第２NH3センサ３６を備えている点を除き、図１に示す構成と同様である。

第２NH3センサ３６によれば、SCR１８下流のNH3濃度を測定することができる。他方、本実施形態のシステムは、実施の形態１の場合と同様の手法で、SCR１８からのNH3パージ量８０を予測することができる（図４参照）。また、SCR１８下流のNH3濃度は、NH3パージ量８０と排気ガス量８６との比であるから、本実施形態のシステムは、SCR１８下流のNH3濃度を演算により予測することができる。

本実施形態のシステムは、内燃機関１０のリーン運転中に、NH3濃度の実測値と予測値とを比較する。両者に差異があれば、NH3濃度の予測値、つまり、予測したNH3パージ量８０に誤差が生じていると判断できる。図５に示すように、NH3パージ量８０は、NH3吸着保持量８２と、NH3パージ率８４とに基づいて算出される。そして、NH3パージ率８４は、SCR１８のNH3吸着保持量が多いほど大きな値となる。このため、NH3濃度の予測値が過大であった場合は、NH3吸着保持量の予測値が過大であったと判断でき、他方、NH3濃度の予測値が過小であった場合は、NH3吸着保持量の予測値が過小であったと判断できる。

本実施形態のシステムは、上記の処理により、NH3吸着保持量の予測値が過大であったと判断した場合は、その値が少なくなるように予測演算の内容を修正する。他方、NH3吸着保持量の予測値が過小であったと判断した場合は、その値が大きくなるように予測演算の内容を修正する。

NH3吸着保持量の予測値は、図３に示すNH3吸着量４０、図４に示すNH3消費量６０、及び図５に示すNH3パージ量８０の少なくとも一つを変化させることで増減させることができる。そして、図３に示すNH3吸着量４０は、NH3吸着率４４のマップを修正することで変化させることができる。同様に、図４に示すNH3消費量６０は、NOx浄化率６４のマップを修正することにより、また、図５に示すNH3パージ量８０は、NH3パージ率８４のマップを修正することによりそれぞれ変化させることができる。

本実施形態において、ECU３０は、NH3濃度の予測値に過不足が認められた場合、その過不足が解消されるように、上述した３つのマップのうち少なくとも一つを修正する。このような修正によれば、演算に含まれる誤差を縮小させることができ、NH3吸着保持量の予測精度を高めることができる。従って、本実施形態のシステムによれば、実施の形態１の場合に比して、更に高い精度でSCR１８のNH3吸着保持量を予測することができる。

ところで、上述した実施の形態４のシステムでは、SCR１８をNSR１６の下流側に配置することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、図１３に示すように、SCR１８は、NSR１６の上流側、つまり、三元触媒１４の直下に配置することとしてもよい。また、NSR１６とSCR１８は、両者が一体となった２層コート構造の触媒に置き換えることとしても良い。更には、NSR１６を省略して、排気通路１２中に三元触媒１４とSCR１８だけを配置する構成としてもよい。

尚、上述した実施の形態４においては、ECU３０が、図５に示す手法でNH3パージ量を算出することにより前記第６の発明における「NH3パージ量演算手段」が実現されている。また、NH3パージ量８０と排気ガス量とに基づいてNH3濃度を予測することにより前記第６の発明における「NH3濃度予測手段」が実現されている。また、ECU３０が、NH3吸着率４４のマップ、NOx浄化率６４のマップ、及びNH3パージ率８４のマップの少なくとも一つを修正することにより前記第６の発明における「演算手法修正手段」が実現されている。

実施の形態５．
次に、図１４及び図１５を参照して本発明の実施の形態５について説明する。本実施形態のシステムは、実施の形態１のシステムにおいて、ECU３０に、後述する図１５に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

本実施形態のシステムは、SCR１８の下流に吹き抜けるNOx排出量、つまり、NOxテールパイプエミッションを予測することができる。図１４は、NOxテールパイプエミッション１８０を算出する手法を説明するための図である。図１４に示すように、NOxテールパイプエミッション１８０は、下記の演算式により算出することができる。
NOxテールパイプエミッション
＝SCR１８へのNOx流入量６２×（１−SCR１８におけるNOx浄化率６４） ・・・（３）

SCR１８へのNOx流入量６２、及びSCR１８におけるNOx浄化率６４は、それぞれ、実施の形態１の場合と同様の手法で算出できる（図４参照）。このため、本実施形態において、ECU３０は、上記（３）式により、NOxテールパイプエミッションを算出することができる。

排気ガス中のNOx量は、内燃機関１０の空燃比、点火時期、EGR(Exhaust Gas Recirculation)量などに応じて増減する。従って、空燃比、点火時期、EGR量等は、NOx排出量が排出許容値を超えないように制御する必要がある。他方、内燃機関１０の燃費特性は、それらのパラメータの制御幅が広いほど良好になる。このため、内燃機関１０の空燃比、点火時期、EGR量等は、NOxテールパイプエミッションが排出目標値に一致するように制御することが望ましい。

図１５は、上記の要求を満たすために、ECU３０が実行するルーチンのフローチャートである。図１５に示すルーチンでは、先ず、NOxテールパイプエミッションの演算値が読み込まれる（ステップ１９０）。ECU３０は、内燃機関１０の運転中、所定の周期で図４に示す演算を実行している。ここでは、その演算により求められた最新のNOxテールパイプエミッション１８０が読み込まれる。

次に、所定期間に渡るNOxテールパイプエミッションの演算値の平均が、予め定められている規格値（許容限界）より少ないか否かが判別される（ステップ１９２）。

上記の判別が肯定された場合は、NOxの排出量に余裕がある、換言すると、内燃機関１０の空燃比等に、まだ燃費向上のための余裕があると判断できる。この場合、ECU３０は、リーン運転の周期を伸張方向に修正する。リーン運転の周期が伸張されれば、リッチスパイクの実行回数が減るため、内燃機関１０の燃費特性を改善することができる。

他方、上記ステップ１９２の条件が成立しないと判別された場合は、NOx排出量を減らす必要があると判断できる。この場合、ECU３０は、リーン運転の周期を短縮方向に修正する。リーン運転の周期が短縮されると、NOxの浄化に関するNSR１６やSCR１８の余裕が増え、NOx排出量を抑えることができる。

以上の処理が繰り返されると、リーン運転の周期は、NOxテールパイプエミッションを規格値に一致させる時間に収束する。このため、本実施形態のシステムによれば、NOx排出量を許容限界以下に抑えつつ、内燃機関１０に対して優れた燃費特性を付与することができる。

ところで、図１５に示すルーチンでは、NOxテールパイプエミッションと規格値との比較に基づいて、リーン運転の周期を変えることとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、リーン運転中やリッチスパイク制御中における空燃比、点火時期、EGR量などを変更して、NOxテールパイプエミッションを規格値に一致させることとしてもよい。

尚、上述した実施の形態５においては、ECU３０が、図１４に示すNOx流入量６２を算出することにより前記第７の発明における「NOx流入量算出手段」が実現されている。また、ECU３０が、図１４に示すNOx浄化率６４を算出することにより前記第７の発明における「NOx浄化率算出手段」が実現されている。更に、ECU３０が、図１４中に符号１８２を付して示す枠内の演算を実行することにより前記第７の発明における「NOxエミッション演算手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態５においては、ECU３０が、上記ステップ１９２の処理を実行することにより前記第８の発明における「エミッション比較手段」が実現されている。また、ECU３０が、ステップ１９４及び１９６の処理を実行することにより前記第８の発明における「制御手段」が実現されている。

本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１のシステムの基本動作を説明するためのタイミングチャートである。 （１）式右辺第２項にあたるNH3吸着量を推定する手法を説明するための図である。 （１）式右辺第３項にあたるNH3消費量を推定する手法を説明するための図である。 （１）式右辺第４項にあたるNH3パージ量を推定する手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１のシステムの変形例の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態２の構成を説明するための図である。 SCR入口におけるNH3濃度を推定する手法を説明するための図である。 内燃機関の運転状態と、推定によるNH3吸着保持量との関係を示す図である。 本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態４の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態４のシステムの変形例の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態５のシステムがNOxテールパイプエミッションを算出する手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態５において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 内燃機関
１４ 三元触媒
１６ NSR（NOx吸蔵還元触媒）
１８ SCR（NOx選択還元触媒）
２０ 空燃比センサ
２２ NH3センサ
２４ エアフロメータ（AFM）
３０ ECU(Electronic Control Unit)

Claims (8)

1. 排気ガス中のNOxを浄化する機能を有する第１触媒と、
   前記第１触媒の下流に配置されるNOx選択還元触媒と、
   前記NOx選択還元触媒内のNH3吸着保持量の演算値を記憶するNH3吸着保持量記憶手段と、
   前記NOx選択還元触媒が排気ガス中から吸着するNH3吸着量を演算するNH3吸着量演算手段と、
   前記NOx選択還元触媒が排気ガス中のNOxを還元するのに伴って消費されるNH3消費量を演算するNH3消費量演算手段と、
   前記NOx選択還元触媒を流通するガスによりパージされるNH3パージ量を演算するNH3パージ量演算手段と、
   前記NH3吸着保持量記憶手段に記憶されているNH3吸着保持量の演算値を、前記NH3吸着量、前記NH3消費量、及び前記NH3パージ量に基づいて更新するNH3吸着保持量更新手段とを備え、
   前記NH3吸着量演算手段は、
   前記NOx選択還元触媒に流入するNH3流入量を算出するNH3流入量算出手段と、前記NOx選択還元触媒のNH3吸着率を算出するNH3吸着率算出手段と、を備え、前記NH3流入量と前記NH3吸着率との乗算値に基づいて前記NH3吸着量を算出し、
   前記NH3消費量演算手段は、
   前記NOx選択還元触媒に流入するNOx流入量を算出するNOx流入量算出手段と、前記NOx選択還元触媒のNOx浄化率を算出するNOx浄化率算出手段と、を備え、前記NOx流入量と前記NOx浄化率の乗算値に基づいて前記NH3消費量を算出し、
   前記NH3パージ量演算手段は、
   前記NOx選択還元触媒を流通するガス流量を検知するガス流量検知手段と、前記NOx選択還元触媒がガスの流れに伴ってNH3をパージさせるパージ率を演算するNH3パージ率演算手段と、を備え、前記NH3吸着保持量の演算値と、前記パージ率と、前記ガス流量との乗算値に基づいて前記NH3パージ量を算出することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記パージ率演算手段は、
   前記NOx選択還元触媒の入口における酸素濃度を検知する酸素濃度検知手段と、
   前記NH3吸着保持量の演算値及び前記酸素濃度と、前記パージ率との関係を定めたパージ率規則を記憶したパージ率規則記憶手段と、を備え、
   前記パージ率規則に従って前記パージ率を算出する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NH3吸着保持量の演算値と、その目標値とを比較する比較手段と、
   前記NH3吸着保持量の演算値が前記目標値に対して過大である場合に、内燃機関の空燃比、前記第１触媒の温度、及び前記第１触媒内のNOx量の少なくとも一つが、前記NH3吸着量を減らす方向に変化するように内燃機関の運転状態を変更し、他方、前記NH3吸着保持量の演算値が前記目標値に対して過小である場合に、内燃機関の空燃比、前記第１触媒の温度、及び前記第１触媒内のNOx量の少なくとも一つが、前記NH3吸着量を増やす方向に変化するように内燃機関の運転状態を変更する制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記NH3吸着保持量の演算値と、その目標値とを比較する比較手段と、
   前記NH3吸着保持量の演算値が前記目標値に対して過大である場合に、前記NOx選択還元触媒に流入するNOx流入量、及び前記NOx選択還元触媒のNOx浄化率の少なくとも一つが、前記NH3消費量を増やす方向に変化するように内燃機関の運転状態を変更し、他方、前記NH3吸着保持量の演算値が前記目標値に対して過小である場合に、前記NOx流入量及び前記NOx浄化率の少なくとも一つが、前記NH3消費量を減らす方向に変化するように内燃機関の運転状態を変更する制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記NH3吸着保持量の演算値と、その目標値とを比較する比較手段と、
   前記NH3吸着保持量の演算値が前記目標値に対して過大である場合に、内燃機関の空燃比、及び前記NOx選択還元触媒を流通するガス流量の少なくとも一つが、前記NH3パージ量を増やす方向に変化するように内燃機関の運転状態を変更し、他方、前記NH3吸着保持量の演算値が前記目標値に対して過小である場合に、内燃機関の空燃比、及び前記ガス流量の少なくとも一つが、前記NH3パージ量を減らす方向に変化するように内燃機関の運転状態を変更する制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記NH3パージ量演算手段は、前記NOx選択還元触媒を流通するガス流量を検知するガス流量検知手段と、前記NOx選択還元触媒がガスの流れに伴ってNH3をパージさせるパージ率を演算するNH3パージ率演算手段と、を備え、前記NH3吸着保持量の演算値と、前記パージ率と、前記ガス流量との乗算値に基づいて前記NH3パージ量を算出し、
   前記ガス流量と前記NH3パージ量とに基づいて前記NOx選択還元触媒下流のNH3濃度予測値を算出するNH3濃度予測手段と、
   前記NOx選択還元触媒下流のNH3濃度を実測するNH3センサと、
   前記NH3濃度予測値濃度と、前記NH3センサによるNH3濃度の実測値との差が小さくなるように、前記NH3吸着保持量の演算手法を修正する演算手法修正手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記NOx選択還元触媒に流入するNOx流入量を算出するNOx流入量算出手段と、
   前記NOx選択還元触媒のNOx浄化率を算出するNOx浄化率算出手段と、
   前記NOx流入量から、当該NOx流入量と前記NOx浄化率との乗算値を減ずることにより、前記NOx選択還元触媒の下流におけるNOxエミッションを演算するNOxエミッション演算手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記NOxエミッションの演算値と、エミッション目標値とを比較するエミッション比較手段と、
   前記NOxエミッションの演算値が前記エミッション目標値と一致するように、内燃機関の運転状態を変更する制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項７記載の内燃機関の排気浄化装置。

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