JP5091988B2

JP5091988B2 - 内燃機関の排気浄化システム

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Publication number: JP5091988B2
Application number: JP2010173775A
Authority: JP
Inventors: 英樹松永; 裕司安井; 英史橋本; 久夫羽賀
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2030-08-02
Also published as: JP2012031823A

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。より詳しくは、還元剤の存在下で排気中のＮＯｘを還元し、かつ還元剤をストレージする選択還元触媒を備えた排気浄化システムに関する。

従来、排気中のＮＯｘを浄化する排気浄化システムの１つとして、アンモニア等の還元剤により排気中のＮＯｘを選択的に還元する選択還元触媒を排気通路に設けたものが提案されている。例えば、尿素添加式の排気浄化システムでは、選択還元触媒の上流側から尿素水を供給し、この尿素水から排気の熱で熱分解又は加水分解することでアンモニアを生成し、このアンモニアにより排気中のＮＯｘを選択的に還元する。このような尿素添加式のシステムの他、例えば、アンモニアカーバイトのようなアンモニウム化合物を加熱することでアンモニアを生成し、このアンモニアを直接添加するシステムも提案されている。以下では、尿素添加式のシステムについて説明する。

このような選択還元触媒には、排気中のＮＯｘの還元に供されなかったアンモニアをストレージする能力がある。すなわち、選択還元触媒に流入するＮＯｘ量に対し尿素水の供給量が多い場合には、ＮＯｘの還元に供されずに余剰となったアンモニアは選択還元触媒にストレージされ、逆に選択還元触媒に流入するＮＯｘ量に対し尿素水の供給量が少ない場合には、選択還元触媒にストレージされていたアンモニアがＮＯｘの還元に供される。したがって、尿素水の供給量を増減することにより、選択還元触媒におけるアンモニアのストレージ量を制御することができる。

ＮＯｘ浄化の観点からは、選択還元触媒にできるだけ多くのアンモニアがストレージされていることが好ましいものの、選択還元触媒でストレージできるアンモニアの量には限界がある。このため、選択還元触媒にこの限界量を超えるアンモニアが供給されると、ストレージしきれなかったアンモニアは下流側へ排出されてしまうこととなる。

ここで、上記の限界量は、選択還元触媒の温度が高くなるに従って少なくなる特性がある。また、温度変化による限界量の減少速度は、ストレージされているアンモニアが消費されて減少する速度よりも大きい特性がある。このため、例えば、選択還元触媒に限界量に近い量のアンモニアがストレージされている状態で、選択還元触媒の温度が急上昇すると、ストレージされていたアンモニアの一部が下流側へ排出されてしまう（以下、「アンモニアスリップ」という）こととなる。したがって、選択還元触媒の温度変化に応じて、ストレージ量が限界量に達するのを抑制できる最適な目標ストレージ量を算出することが求められている。

ところで、選択還元触媒では、その温度は一様ではなく、排気の流れ方向に温度分布が存在する。例えば特許文献１では、選択還元触媒の下流側の温度は上流側の温度に追従して変化する点に着目し、一次遅れ応答のモデルを使用して選択還元触媒の温度分布を推定する技術が提案されている。

特許４２６７５３６号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、選択還元触媒の温度の影響を大きく受けるＮＯｘの還元率に見合うように、推定された選択還元触媒の温度分布に基づいて還元剤の供給量を算出する技術であり、アンモニアの目標ストレージ量を算出する点については、具体的には何ら検討されていない。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、選択還元触媒の温度変化に応じて、ストレージ量が限界量に達するのを抑制できる最適な目標ストレージ量を算出できる排気浄化システムを提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気系（例えば、後述の排気通路１１）に設けられ、還元剤（例えば、アンモニア）の存在下で排気を浄化し、かつ当該還元剤をストレージする選択還元触媒（例えば、後述の選択還元触媒２３）を備える内燃機関の排気浄化システム（例えば、後述の排気浄化システム２）を提供する。この排気浄化システムは、前記選択還元触媒を排気の流れ方向において仮想的に複数の区画に分割し、当該複数の区画毎に温度を推定する温度推定手段（例えば、後述の触媒温度推定部５４）と、前記推定された複数の区画毎の温度に基づいて、前記選択還元触媒の目標ストレージ量を算出する目標ストレージ量算出手段（例えば、後述の目標ストレージ量算出部５５）と、を備え、前記目標ストレージ量算出手段は、前記複数の区画毎に、上流側の区画の推定温度と比較して最も高い推定温度を用いて当該区画毎のストレージ限界量に相当する最大ストレージ容量を推定し、当該推定された最大ストレージ容量（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ＿ＨＡＴ}）に基づいて前記選択還元触媒の目標ストレージ量（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}）を算出することを特徴とする。

本発明では、選択還元触媒を排気の流れ方向において仮想的に複数の区画に分割し、当該複数の区画毎に温度を推定して、推定された複数の区画毎の温度に基づいて、選択還元触媒の目標ストレージ量を算出する。また、目標ストレージ量の算出の際には、複数の区画毎に、上流側の区画の推定温度と比較して最も高い推定温度を用いて当該区画毎の最大ストレージ容量を推定し、当該推定された最大ストレージ容量に基づいて、選択還元触媒の目標ストレージ量を算出する。
ここで、選択還元触媒の上流側の区画の温度が上昇すると、熱伝導によってその温度は下流側の区画へと伝わり、下流側の区画の温度は上流側の区画の温度に追従して変化する。このとき、選択還元触媒は通常十分に断熱されているため、所定時間が経過すると、下流側の区画の温度は上流側の区画の温度に一致する。このことから、下流側の区画の温度は、上流側の区画の温度によって簡易的に予測できると言える。
そこで、本発明では、下流側の区画の推定温度よりも上流側の区画の推定温度の方が高い場合には、下流側の区画の温度はいずれ当該上流側の区画の推定温度まで上昇すると予測して、下流側の区画の目標ストレージ量の算出に当該上流側の区画の推定温度を用いるものである。これにより、選択還元触媒の温度が上昇して最大ストレージ容量が低減した場合であっても、ストレージ量が限界量に達するのを抑制できる。したがって、本発明によれば、上記のような簡易的なロジックにより、選択還元触媒の温度変化に応じて、ストレージ量が限界量に達するのを抑制できる最適な目標ストレージ量を算出できる。

この場合、前記排気系のうち前記選択還元触媒の上流側に前記還元剤（例えば、アンモニア）又はその前駆体（例えば、尿素水）を供給する還元剤供給手段（例えば、後述のユリア噴射装置２５）と、前記算出された目標ストレージ量（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}）に基づいて、前記還元剤供給手段による前記還元剤又はその前駆体の供給量を算出する供給量算出手段（例えば、後述のユリア噴射制御部５及びストレージ噴射量算出部５２）と、をさらに備えることが好ましい。

この発明では、算出された選択還元触媒の目標ストレージ量に基づいて、選択還元触媒の上流側に供給する還元剤又はその前駆体の供給量を算出する。
これにより、選択還元触媒の温度変化に応じて、ストレージ量が限界量に達するのを抑制できる最適な目標ストレージ量に基づいて、還元剤又はその前駆体の供給量を算出できる。したがって、ストレージ量が限界量に達するのを抑制でき、選択還元触媒が温度上昇して最大ストレージ容量が低減した場合でもアンモニアスリップを抑制できる。

本発明によれば、選択還元触媒の温度変化に応じて、ストレージ量が限界量に達するのを抑制できる最適な目標ストレージ量を算出できる排気浄化システムを提供できる。

本発明の一実施形態に係るエンジン及びその排気浄化システムの構成を示す模式図である。上記実施形態に係るユリア噴射装置によるユリア噴射量の算出に係るブロック図である。選択還元触媒の温度分布とストレージ量との関係を調べた実験に用いた選択還元触媒及び温度センサの模式図である。選択還元触媒の温度分布とストレージ量との関係を調べた実験結果を示す図であり、（ａ）は、触媒長さと触媒温度との関係を示す図であり、（ｂ）は、触媒長さと最大ストレージ容量との関係を示す図である。本実施形態に係る選択還元触媒を仮想的に５つの区画に分割したときの模式図である。最大ストレージ容量の推定値を算出するためのマップの一例を示す図である。目標ストレージ量算出部５５の特徴を説明するための図であり、（ａ）が触媒長さと触媒温度との関係を示す図であり、（ｂ）が触媒長さと最大ストレージ容量との関係を示す図である。目標ストレージ量算出部５５の特徴を説明するための図であり、（ａ）が触媒長さと触媒温度との関係を示す図であり、（ｂ）が触媒長さと最大ストレージ容量との関係を示す図である。目標ストレージ量算出部５５の特徴を説明するための図であり、（ａ）が触媒長さと触媒温度との関係を示す図であり、（ｂ）が触媒長さと最大ストレージ容量との関係を示す図である。目標ストレージ量算出部５５の特徴を説明するための図であり、（ａ）が触媒長さと触媒温度との関係を示す図であり、（ｂ）が触媒長さと最大ストレージ容量との関係を示す図である。選択還元触媒のストレージモデルの概念を示す模式図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関（以下「エンジン」という）１及びその排気浄化システム２の構成を示す模式図である。エンジン１は、リーンバーン運転方式のガソリンエンジン又はディーゼルエンジンであり、図示しない車両に搭載されている。

排気浄化システム２は、エンジン１の排気通路１１に設けられた酸化触媒２１と、排気通路１１に設けられ、排気中の粒子状物質（以下、「ＰＭ（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）」という）を捕集する排気浄化フィルタ（以下、「ＤＰＦ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）」という）２２と、排気通路１１に設けられ、この排気通路１１を流通する排気中の窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という）を還元剤としてのアンモニアの存在下で浄化する選択還元触媒２３と、排気通路１１のうち選択還元触媒２３の上流側に、還元剤の元となる尿素水を供給するユリア噴射装置２５と、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）３とを含んで構成される。

ユリア噴射装置２５は、ユリアタンク２５１と、ユリア噴射弁２５３とを備える。
ユリアタンク２５１は、尿素水を貯蔵するものであり、ユリア供給路２５４及び図示しないユリアポンプを介して、ユリア噴射弁２５３に接続されている。ユリア噴射弁２５３は、ＥＣＵ３に接続されており、ＥＣＵ３からの制御信号により動作し、この制御信号に応じて尿素水を排気通路１１内に噴射する。すなわち、ユリア噴射制御が実行される。

酸化触媒２１は、排気通路１１のうちＤＰＦ２２よりも上流側に設けられ、排気中のＮＯを酸化してＮＯ_２に変換し、これにより、排気中のＮＯに対するＮＯ_２の比を高めて選択還元触媒２３におけるＮＯｘの還元を促進する。また、後述のＤＰＦ再生時にポスト噴射を実行することで供給された未燃燃料を燃焼することにより、下流側のＤＰＦ２２を昇温する。
ＤＰＦ２２は、排気通路１１のうち酸化触媒２１よりも下流側に設けられ、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素を主成分とするＰＭを、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。

選択還元触媒２３は、アンモニア等の還元剤が存在する雰囲気下で、排気中のＮＯｘを選択的に還元する。具体的には、ユリア噴射装置２５により尿素水を噴射すると、この尿素水は、排気の熱により熱分解又は加水分解されて、還元剤としてのアンモニアが生成される。生成されたアンモニアは、選択還元触媒２３に供給され、供給されたアンモニアにより、排気中のＮＯｘが選択的に還元される。

ところで、選択還元触媒２３は、尿素水から生成したアンモニアで排気中のＮＯｘを還元する機能を有するとともに、生成したアンモニアを所定の量だけ吸着してストレージする機能も有する。本実施形態では、選択還元触媒２３において吸着されたアンモニア量をストレージ量といい、このストレージ量の限界量を最大ストレージ容量という。このようにしてストレージされたアンモニアは、排気中のＮＯｘの還元にも適宜消費される。このため、ストレージ量が大きくなるに従い、選択還元触媒２３におけるＮＯｘ還元率は高くなる。また、エンジン１から排出されたＮＯｘの量に対し尿素水の供給量が少ない場合等には、ストレージされたアンモニアが、この尿素水の不足分を補うようにしてＮＯｘの還元に消費される。

ここで、選択還元触媒２３において、限界量を超えてアンモニアが生成された場合、生成されたアンモニアは選択還元触媒２３の下流側へ排出され、アンモニアスリップが生ずる。後段で詳述するように、本実施形態では、ストレージ量が限界量に達するのを抑制できる最適な目標ストレージ量を算出し、この目標ストレージ量に維持されるようにユリア噴射制御が実行される。

ＥＣＵ３には、ＮＯｘセンサ２８、クランク角度位置センサ１４及びアクセル開度センサ１５等が接続されている。

ＮＯｘセンサ２８は、選択還元触媒２３に流入する排気のＮＯｘの濃度（以下、「ＮＯｘ濃度」という）ＮＯＸ_ＣＯＮＳを検出し、検出したＮＯｘ濃度ＮＯＸ_ＣＯＮＳに略比例した検出信号をＥＣＵ３に供給する。

クランク角度位置センサ１４は、エンジン１のクランク軸の回転角度を検出するとともに、クランク角１度毎にパルスを発生し、そのパルス信号をＥＣＵ３に供給する。エンジン１の回転数は、このパルス信号に基づいてＥＣＵ３により算出される。アクセル開度センサ１５は、車両の図示しないアクセルペダルの踏み込み量（以下、「アクセル開度」という）を検出し、検出したアクセル開度に略比例した検出信号をＥＣＵ３に供給する。ＥＣＵ３では、このアクセル開度及びエンジン回転数に応じて、エンジン１の要求トルクが算出される。

ＥＣＵ３は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ３は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路と、エンジン１やユリア噴射弁２５３等に制御信号を出力する出力回路と、を備える。

以下、このＥＣＵ３に構成された、ユリア噴射制御の実行に係るユリア噴射制御部５の構成について詳しく説明する。
ここで、上述のようにストレージ量は、選択還元触媒２３に吸着されているアンモニアの量に相当する物理量であるが、選択還元触媒２３に供給されるアンモニアは、基本的には全てユリア噴射装置２５から噴射された尿素水から生成される。このことから、上記ストレージ量を、吸着されている量のアンモニアを生成するために必要な尿素水の量として扱うことができる。そこで以下では、演算の便宜上、ストレージ量やその最大値である最大ストレージ容量を、尿素水の量を単位として扱うが、本発明はこれに限るものではない。なお、アンモニアの量と、この量のアンモニアを生成するために必要な尿素水の量とは、ユリアタンク２５１に貯蔵されている尿素水中の尿素の濃度に応じた係数を乗算することにより、相互に変換可能である。

図２は、ユリア噴射装置によるユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡの算出に係るブロック図である。
ユリア噴射制御部５は、フィードフォワード噴射量算出部５１と、触媒温度推定部５４と、目標ストレージ量算出部５５と、最大ストレージ容量算出部５７と、ＮＯｘ推定部５８と、ストレージ量推定部５６と、ストレージ噴射量算出部５２と、を含んで構成される。

図２及び下記式（１）に示すように、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡは、フィードフォワード噴射量算出部５１により算出されたフィードフォワード噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}と、触媒温度推定部５４、目標ストレージ量算出部５５、最大ストレージ容量算出部５７、ＮＯｘ推定部５８、ストレージ量推定部５６及びストレージ噴射量算出部５２により算出されたストレージ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}との和により決定される。

以下、詳細に説明するように、フィードフォワード噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}は、エンジンから排出されたＮＯｘを過不足無く還元するために必要なユリア噴射量に相当し、ストレージ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}は、選択還元触媒のストレージ量を後述の目標ストレージ量に維持するためのユリア噴射量に相当する。

また、上記式（１）中の記号（ｋ）は、離散化した時間を示す記号であり、所定の制御周期毎に検出又は算出されたデータであることを示す。すなわち、記号（ｋ）が今回の制御タイミングにおいて検出又は算出されたデータであるとした場合、記号（ｋ−１）は前回の制御タイミングにおいて検出又は算出されたデータであることを示す。なお、以下の説明においては、記号（ｋ）を適宜、省略する。

フィードフォワード噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}の算出に係るフィードフォワード噴射量算出部５１は、下記式（２）に示すように、ＮＯｘセンサの検出値ＮＯＸ_ＣＯＮＳに、変換係数Ｋ_{ＣＯＮＶ＿ＮＯＸ＿ＵＲＥＡ}を乗算することにより、フィードフォワード噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}を決定する。下記式（２）において、変換係数Ｋ_{ＣＯＮＶ＿ＮＯＸ＿ＵＲＥＡ}は、ＮＯｘ量からユリア噴射量に変換するための変換係数である。

以下、ストレージ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}の算出に係る、触媒温度推定部５４、目標ストレージ量算出部５５、最大ストレージ容量算出部５７、ＮＯｘ推定部５８、ストレージ量推定部５６及びストレージ噴射量算出部５２の構成について、順に説明する。

触媒温度推定部５４は、エンジン１及びその排気を熱源と見立てた排気系の所定の熱伝導モデルに基づいて、現在の選択還元触媒の温度を推定する。この熱伝導モデルとしては、例えば、本願出願人による特開２００６−２５０９４５号公報や特許第４３７３９０９号等に記載されているような、ニュートンの冷却則に従って定式化された排気系のモデルが用いられる。ここで、熱伝導モデルに対する入力としては、エンジン回転数、燃料噴射量、燃料噴射時期、吸気量、ＥＧＲ量、外気温度及び車速等の車両の走行状態を示すパラメータが用いられる。

ここで、図３に示すように、選択還元触媒の上流側の排気通路内に温度センサＳ１を設けるとともに、下流側の排気通路内に温度センサＳ２を設け、選択還元触媒の温度分布とストレージ量との関係を調べた実験結果について説明する。
なお、以下では、選択還元触媒の入口からの距離を触媒長さとして表すこととする。

図４は、選択還元触媒の温度分布とストレージ量との関係を調べた実験結果を示す図であり、（ａ）は、触媒長さと触媒温度との関係を示す図であり、（ｂ）は、触媒長さと最大ストレージ容量との関係を示す図である。
図４は、選択還元触媒に高温の排気が流入して温度が上昇する過程にあるときのものであり、上流側に設けた温度センサＳ１の検出温度と下流側に設けた温度センサＳ２の検出温度とに基づいて、触媒温度がこれらの検出温度間でリニアな分布にあると仮定して演算したときの触媒温度（以下、「センサ演算触媒温度」という）の分布は、図４（ａ）の破線で示す通りである。また、このセンサ演算触媒温度に基づいて演算した最大ストレージ容量（以下、「センサ演算最大ストレージ容量」という）の分布も、図４（ｂ）で示す通りリニアな分布となる。

しかしながら、実際の選択還元触媒では、下流側の温度は上流側の温度に遅れて追従し、実際の触媒温度（以下、「実触媒温度」という）の分布は、図４（ａ）の実線で示す通りリニアな分布とはならないことが分かっている。このとき、実触媒温度に基づいて演算した実際の最大ストレージ容量（以下、「実最大ストレージ容量」という）も、図４（ｂ）に示す通りリニアな分布とはならない。

上述のようにして演算した実最大ストレージ容量とセンサ演算最大ストレージ容量とを比較すると、ほぼ全ての領域において、実最大ストレージ容量の方が小さいことが分かる。このため、仮にセンサ演算最大ストレージ容量に基づいて、還元剤の噴射制御を実行した場合には、アンモニアスリップが生じてしまうことが分かる。したがって、選択還元触媒の温度分布を精度良く推定し、かかる温度分布に基づいて最大ストレージ容量を精度良く算出することが重要であることが分かる。

そこで、触媒温度推定部５４は、選択還元触媒を排気の流れ方向に仮想的に５つの区画に分割したときの各区画の温度を推定する。図４の（ａ）に示したように、選択還元触媒では排気の流れ方向に温度分布が存在し、下流側の区画の温度は上流側の区画の温度に追従して変化する特性があることから、触媒温度推定部５４ではこの特性に基づいて各区画の温度を推定するものである。

より具体的には、触媒温度推定部５４は、上流側から順に、第１区画、第２区画、第３区画、第４区画及び第５区画に選択還元触媒を仮想的に５つの区画に分割し、これらの区画毎に温度を推定する。図５は、選択還元触媒２３を仮想的に５つの区画に分割したときの模式図であり、これら５つの区画毎に温度を推定する。推定した第１区画の推定温度をＴ_Ｃ１、第２区画の推定温度をＴ_Ｃ２、第３区画の推定温度Ｔ_Ｃ３、第４区画の推定温度Ｔ_Ｃ４、第５区画の推定温度Ｔ_Ｃ５として、後述の目標ストレージ量算出部５５に出力する。

図２に戻って、目標ストレージ量算出部５５は、触媒温度推定部５４で推定された第１区画の推定温度Ｔ_Ｃ１、第２区画の推定温度Ｔ_Ｃ２、第３区画の推定温度Ｔ_Ｃ３、第４区画の推定温度Ｔ_Ｃ４及び第５区画の推定温度Ｔ_Ｃ５に基づいて、後述のストレージ量推定部５６により推定されるストレージ量ＳＴ_ＵＲＥＡの目標値に相当する目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}を算出する。
具体的には、目標ストレージ量算出部５５は、第１区画〜第５区画の区画毎に最大ストレージ容量の推定値を算出して合算することで、選択還元触媒全体の最大ストレージ容量の推定値を算出する。次いで、算出された最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ＿ＨＡＴ}に基づいて、目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}を算出する。具体的には、本実施形態では、目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}は最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ＿ＨＡＴ}に一致した値としたが、最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ＿ＨＡＴ}未満の値としてもよい。

以下、目標ストレージ量算出部５５における目標ストレージ量の算出について、詳しく説明する。
先ず、第１区画の最大ストレージ容量の推定値を算出する際には、入力された第１区画の推定温度Ｔ_Ｃ１がそのまま第１区画最大ストレージ容量推定値算出用温度（以下、「算出用温度」ともいう）ＮＨ_３_Ｔ_Ｃ１とされる。そして、この算出用温度ＮＨ_３_Ｔ_Ｃ１に応じて所定のマップを検索することにより、第１区画の最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ＿ＨＡＴ１}を算出する。
図６は、最大ストレージ容量の推定値を算出するためのマップの一例である。このマップによれば、各区画の算出用温度（触媒温度）が高くなるに従い、最大ストレージ容量は減少する。

第２区画の最大ストレージ容量の推定値を算出する際には、入力された第２区画の推定温度Ｔ_Ｃ２と、その上流側の第１区画の推定温度Ｔ_Ｃ１との比較を行い、より高い方の推定温度が第２区画最大ストレージ容量推定値算出用温度ＮＨ_３_Ｔ_Ｃ２とされる。そして、この算出用温度ＮＨ_３_Ｔ_Ｃ２に応じて、図３に例示される所定のマップを検索することにより、第２区画の最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ＿ＨＡＴ２}を算出する。

第３区画〜第５区画の最大ストレージ容量の推定値の算出は、上記の第２区画と同様にして行われる。具体的には、第３区画では第２区画の推定温度Ｔ_Ｃ２と第３区画の推定温度Ｔ_Ｃ３との比較を行い、第４区画では第３区画推定温度と第４区画推定温度との比較を行い、第５区画では第４区画推定温度と第５区画推定温度との比較を行い、それぞれ、より高い方の推定温度に応じて図３に例示される所定のマップを検索することにより、各区画の最大ストレージ容量の推定値を算出する。

図２に戻って、目標ストレージ量算出部５５は、上述のようにして算出した第１区画〜第５区画の各最大ストレージ容量の推定値を合算することにより、選択還元触媒全体の最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ＿ＨＡＴ}を算出する。

次いで、目標ストレージ量算出部５５は、上述のようにして算出した選択還元触媒全体の最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ＿ＨＡＴ}を、目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}として設定し、これを後述のストレージ噴射量算出部５２に出力する。

ここで、目標ストレージ量算出部５５について、図７〜図１０を参照してさらに詳しく説明する。
図７〜図１０は、目標ストレージ量算出部５５の特徴を説明するための図であり、（ａ）が触媒長さと触媒温度との関係を示す図であり、（ｂ）が触媒長さと最大ストレージ容量との関係を示す図である。

図７（ａ）は、選択還元触媒２３に高温の排気が流入して温度が上昇する過程にあるときに、触媒温度推定部５４により算出された推定温度と、目標ストレージ量算出部５５で最大ストレージ容量の推定値の算出に用いる算出用温度を示す図である。図７（ａ）に示すように、推定温度は実触媒温度とほぼ一致している。また、最も上流側の第１区画の推定温度Ｔ_Ｃ１が最も高温であることから、各区画の算出用温度は全て第１区画の推定温度Ｔ_Ｃ１に一致した値となっている。
このとき、図７（ｂ）に示すように、目標ストレージ量算出部５５で算出される最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ＿ＨＡＴ}は、実最大ストレージ容量を超えることはなく、より低い値が算出されることが分かる。

図８は、図７の時点から所定時間経過後のものであり、図８（ａ）に示すように、上流側から順に、各区画の推定温度及び実触媒温度が、第１区画の推定温度Ｔ_Ｃ１に近付いてきていることが分かる。また、図７（ａ）と同様に、最も上流側の第１区画の推定温度Ｔ_Ｃ１が最も高温であることから、各区画の算出用温度は全て第１区画の推定温度Ｔ_Ｃ１に一致した値となっている。
このとき、図８（ｂ）に示すように、最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ＿ＨＡＴ}は図７（ｂ）のときと同量であり変動していないことから、ストレージされていたアンモニアがスリップすることはないことが分かる。これに対して、実最大ストレージ容量は、図７（ｂ）のときから大きく減少していることから、これらの差分がストレージしきれない過剰のアンモニアに相当し、ストレージされていたアンモニアがスリップしてしまうことが分かる。

図９は、図８の時点から所定時間経過後のものであり、図９（ａ）に示すように、最も下流側の区画の推定温度Ｔ_Ｃ５及び実触媒温度を除いて、各区画の推定温度及び実触媒温度が第１区画の推定温度Ｔ_Ｃ１に一致してきている。このため、各区画の算出用温度は全て第１区画の推定温度Ｔ_Ｃ１に一致した値となっている。
このとき、図９（ｂ）に示すように、最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ＿ＨＡＴ}は図７（ｂ）及び図８（ｂ）のときと同量であり変動していないことから、ストレージされていたアンモニアがスリップすることはないことが分かる。これに対して、実最大ストレージ容量は、最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ＿ＨＡＴ}と一致するほどまで、図７（ｂ）のときからさらに大きく減少していることから、これらの差分がストレージしきれない過剰分となって、大量のアンモニアスリップが発生してしまうことが分かる。

一方、図１０は、選択還元触媒２３に高温の排気が流入した直後に低温の排気が流入したときのものであり、図１０（ａ）に示すように、第１区画の推定温度Ｔ_Ｃ１よりも第２区画の推定温度Ｔ_Ｃ２及び第３区画の推定温度Ｔ_Ｃ３の方が高い温度となっている。このため、各区画の算出用温度は、第１区画を除いて、第２区画の推定温度Ｔ_Ｃ２及び第３区画の推定温度Ｔ_Ｃ３に一致した値となっている。
このようなときも、図１０（ｂ）に示すように、目標ストレージ量算出部５５で算出される最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ＿ＨＡＴ}は、実最大ストレージ容量を超えることはなく、より低い値が算出されることが分かる。

以上より、目標ストレージ量算出部５５で算出される最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ＿ＨＡＴ}から算出した目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}に基づいて還元剤の供給量を算出すれば、選択還元触媒２３の温度が変化した場合であっても、ストレージされていたアンモニアがスリップすることを抑制できることが分かる。

図２に戻って、ストレージ量推定部５６は、以下に示す選択還元触媒のストレージモデルに基づいて、選択還元触媒に吸着されているアンモニアの量に相当するストレージ量ＳＴ_ＵＲＥＡを推定する。

図１１は、選択還元触媒のストレージモデルの概念を示す模式図である。
このアンモニアストレージモデルは、選択還元触媒に流入する排気のＮＯｘ量に対するユリア噴射量に応じて、選択還元触媒におけるアンモニアのストレージ量の変化を推定するモデルである。具体的には、選択還元触媒におけるストレージ量の変化の状態を、所定のＮＯｘ量に対してユリア噴射量が適切な状態（図１１の（ａ）参照）と、ユリア噴射量が過剰な状態（図１１の（ｂ）参照）と、ユリア噴射量が不足した状態（図１１の（ｃ）参照）との、３つの状態に分類する。

図１１の（ａ）に示すように、選択還元触媒に流入するＮＯｘに対して、ユリア噴射量が適切な状態である場合、すなわち、排気中のＮＯｘを最も効率良く還元できるアンモニアの量と、供給した尿素水から生成されるアンモニアの量とが略一致した場合には、ストレージ量の変化はない。

図１１の（ｂ）に示すように、選択還元触媒に流入するＮＯｘに対して、ユリア噴射量が過剰な状態である場合、すなわち、供給した尿素水から生成されたアンモニアの量が、排気中のＮＯｘを最も効率良く還元できる量より多い場合には、この余剰分のアンモニアが選択還元触媒に吸着される。したがって、このような供給過剰（Ｏｖｅｒ−ｄｏｓｉｎｇ）状態では、ストレージ量は増加する。

図１１の（ｃ）に示すように、選択還元触媒に流入するＮＯｘに対して、ユリア噴射量が不足した状態である場合、すなわち、供給した尿素水から生成されたアンモニアの量が、排気中のＮＯｘを最も効率良く還元できる量より少ない場合には、この不足分は吸着されたアンモニアから補われる。したがって、このような供給不足（Ｕｎｄｅｒ−ｄｏｓｉｎｇ）状態では、ストレージ量は減少する。

図２に戻って、ストレージ量推定部５６では、以上のようなストレージモデルに基づいてストレージ量ＳＴ_ＵＲＥＡを推定する。より具体的には、下記式（３）〜（６）に基づいて算出する。

先ず、選択還元触媒に流入したＮＯｘを還元するために必要な量のユリア噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＩＤＥＡＬ}（ｋ）は、下記式（３）に示すように、ＮＯｘセンサの検出値ＮＯＸ_ＣＯＮＳに基づいて算出される。

ここで、ＮＯｘセンサの検出値ＮＯＸ_ＣＯＮＳはＮＯｘ推定部５８から出力されて、ストレージ量推定部５６に入力される。

ストレージ量を増減する要因となるユリア噴射量の余剰分Ｄ_ＵＲＥＡ（ｋ）は、下記式（４）に示すように、実際のユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡ（ｋ）から還元に必要なユリア噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＩＤＥＡＬ}（ｋ）を減算することにより算出される。

したがって、ストレージ量の推定値ＳＴ_ＵＲＥＡ（ｋ）は、最大ストレージ容量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}（ｋ）を上限値として、ＮＯｘセンサの検出値ＮＯＸ_ＣＯＮＳとユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡ（ｋ）との収支を演算し、下記式（５）及び（６）に示すようにユリア噴射量の余剰分Ｄ_ＵＲＥＡ（ｋ）に基づいて算出される。

ここで、最大ストレージ容量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}（ｋ）は、目標ストレージ量算出部５５で算出された最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ＿ＨＡＴ}とは異なり、最大ストレージ容量算出部５７で算出される。具体的には、最大ストレージ容量算出部５７は、触媒温度推定部５４から出力された第１区画の推定温度Ｔ_Ｃ１を用いて、第１区画の最大ストレージ容量を算出する。同様に、第２区画の推定温度Ｔ_Ｃ１を用いて第２区画の最大ストレージ容量を算出し、第３区画〜第５区画についても、それぞれの推定温度Ｔ_Ｃ３〜Ｔ_Ｃ５を用いて第３区画〜第５区画の区画毎の最大ストレージ容量を算出する。次いで、算出された区画毎の最大ストレージ容量を合算することにより、最大ストレージ容量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}（ｋ）を算出する。

ストレージ噴射量算出部５２は、以上のように推定されたストレージ量ＳＴ_ＵＲＥＡが目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}になるように、下記式（７）〜（１０）に示すような手順によりストレージ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}（ｋ）を算出する。

先ず、下記式（７）に示すように、推定したストレージ量ＳＴ_ＵＲＥＡ（ｋ）と算出した目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}（ｋ）との偏差Ｅ_ＳＴ（ｋ）を算出する。

次に、偏差Ｅ_ＳＴ（ｋ）に積分ゲインＫＩ_ＳＴを乗算したものを、下記式（８）に示すように、積分項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｉ}（ｋ）として定義する。

一方、ストレージ量の推定値の微分値ＳＴ_ＵＲＥＡ（ｋ）−ＳＴ_ＵＲＥＡ（ｋ−１）を算出し、この微分値に比例ゲインＫＰ_ＳＴを乗算したものを、下記式（９）に示すように、比例項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｐ}（ｋ）として定義する。

次に、下記式（１０）に示すように、比例項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｐ}（ｋ）と積分項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｉ}（ｋ）の和を算出し、これをストレージ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}（ｋ）として決定する。

本実施形態に係る排気浄化システム２によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、選択還元触媒２３を排気の流れ方向において仮想的に複数の区画に分割し、当該複数の区画毎に温度を推定して、推定された複数の区画毎の温度に基づいて、選択還元触媒２３の目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}を算出した。また、目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}の算出の際には、複数の区画毎に、上流側の区画の推定温度と比較して最も高い推定温度を用いて当該区画毎の最大ストレージ容量を推定し、当該推定された最大ストレージ容量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ＿ＨＡＴ}に基づいて、選択還元触媒２３の目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}を算出した。
ここで、選択還元触媒２３の上流側の区画の温度が上昇すると、熱伝導によってその温度は下流側の区画へと伝わり、下流側の区画の温度は上流側の区画の温度に追従して変化する。このとき、選択還元触媒２３は通常十分に断熱されているため、所定時間が経過すると、下流側の区画の温度は上流側の区画の温度に一致する。このことから、下流側の区画の温度は、上流側の区画の温度によって簡易的に予測できる。
そこで、本実施形態では、下流側の区画の推定温度よりも上流側の区画の推定温度の方が高い場合には、下流側の区画の温度はいずれ当該上流側の区画の推定温度まで上昇すると予測して、下流側の区画の目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}の算出に当該上流側の区画の推定温度を用いた。これにより、選択還元触媒２３の温度が上昇して最大ストレージ容量が低減した場合であっても、ストレージ量が限界量に達するのを抑制できる。したがって、本実施形態によれば、上記のような簡易的なロジックにより、選択還元触媒２３の温度変化に応じて、ストレージ量が限界量に達するのを抑制できる最適な目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}を算出できる。

また、本実施形態では、算出された選択還元触媒２３の目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}に基づいて、選択還元触媒２３の上流側に供給するアンモニア還元剤の前駆体に相当する尿素水の供給量を算出した。
これにより、選択還元触媒２３の温度変化に応じて、ストレージ量が最大ストレージ容量に達するのを抑制できる最適な目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}に基づいて、尿素水の供給量を算出できる。したがって、ストレージ量が最大ストレージ容量に達するのを抑制でき、選択還元触媒２３が温度上昇して最大ストレージ容量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}が低減した場合でもアンモニアスリップを抑制できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
例えば、上記実施形態では、選択還元触媒２３の温度を所定の熱伝導モデルを用いて推定したが、これに限定されない。温度センサを設けて温度センサの検出信号から触媒温度を推定してもよい。
また、上記実施形態では、選択還元触媒２３を排気の流れ方向に仮想的に５つの区画に分割したときの各区画の推定温度を算出したが、これに限定されない。２つ以上の区画に分割したときの各区画の推定温度を算出することで適用可能である。

また、上記実施形態では、選択還元触媒２３のストレージ量の推定値ＳＴ_ＵＲＥＡや目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}は、尿素水の量の次元を有する値としたが、これに限定されない。例えば、この尿素水から生成されるアンモニアの量の次元を有する値としても、同様の効果を奏する。

また、上記実施形態では、アンモニアを還元剤とし、かつこの還元剤の前駆体である尿素水を供給する尿素添加式の排気浄化システムに本発明を適用した例を示したが、これに限定されない。例えば、尿素水を供給しこの尿素水からアンモニアを生成せずに、直接アンモニアを供給してもよい。また、アンモニアの前駆体としては、尿素水に限らず他の前駆体を用いてもよい。また、ＮＯｘを還元するための還元剤はアンモニアに限定されない。本発明は、ＮＯｘを還元するための還元剤として、アンモニアの代わりに、例えば炭化水素を用いた排気浄化システムに適用することもできる。

１…エンジン（内燃機関）
１１…排気通路（排気系）
２…排気浄化システム
２３…選択還元触媒
２５…ユリア噴射装置（還元剤供給手段）
３…ＥＣＵ
５…ユリア噴射制御部（供給量算出手段）
５２…ストレージ噴射量算出部（供給量算出手段）
５４…触媒温度推定部（温度推定手段）
５５…目標ストレージ量算出部（目標ストレージ量算出手段）

Claims

内燃機関の排気系に設けられ、還元剤の存在下で排気を浄化し、かつ当該還元剤をストレージする選択還元触媒を備える内燃機関の排気浄化システムであって、
前記選択還元触媒を排気の流れ方向において仮想的に複数の区画に分割し、当該複数の区画毎に温度を推定する温度推定手段と、
前記推定された複数の区画毎の温度に基づいて、前記選択還元触媒の目標ストレージ量を算出する目標ストレージ量算出手段と、を備え、
前記目標ストレージ量算出手段は、前記複数の区画毎に、上流側の区画の推定温度と比較して最も高い推定温度を用いて当該区画毎のストレージ限界量に相当する最大ストレージ容量を推定し、当該推定された最大ストレージ容量に基づいて前記選択還元触媒の目標ストレ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システム。
前記排気系のうち前記選択還元触媒の上流側に前記還元剤又はその前駆体を供給する還元剤供給手段と、
前記算出された目標ストレージ量に基づいて、前記還元剤供給手段による前記還元剤又はその前駆体の供給量を算出する供給量算出手段と、をさらに備え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システム。