JP5108064B2 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

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アンモニアの前駆体である尿素水を供給し、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アの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吸着する能力がある。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、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吸着され、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、選択還元触媒に吸着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吸着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吸着されていることが好ましいものの、選択還元触媒で吸着できるアンモニアの量には限界がある。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、吸着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。このため、選択還元触媒におけるアンモニアの吸着量は、限界量を上回らないように適切な量に制御する必要がある。

特許文献１には、このようにアンモニアの吸着量を制御するにあたり、選択還元触媒におけるアンモニアの吸着量を推定する技術が示されている。この技術では、選択還元触媒の上流側に設けたアンモニアセンサの出力に基づいてアンモニア流入量を算出し、このアンモニア流入量に基づいて選択還元触媒におけるアンモニアの吸着量を推定する。

特開２００８−３０３７５９号公報

ところで尿素添加式のシステムでは尿素水を排気管内の選択還元触媒の上流側に供給するが、ここで供給した尿素水は、常にその全てが排気管内でアンモニアに変換された後に選択還元触媒に流入するわけではなく、その一部が尿素水の状態のまま選択還元触媒に流入する場合もある。選択還元触媒にはアンモニアを吸着する能力はあるが尿素水を吸着する能力は無いため、流入した尿素水は、選択還元触媒の内部でアンモニアに変換されアンモニアの状態で吸着あるいは消費されたり、又は尿素水の状態のまま選択還元触媒の下流から排出されたりする。

このように、尿素添加式のシステムにおいて、選択還元触媒に流入する尿素水は、選択還元触媒の内部で潜在的にはアンモニアとして吸着されたりＮＯｘの還元に消費されたりする能力があるが、上記特許文献１の技術では、尿素水が選択還元触媒に流入することを想定しておらず、結果として選択還元触媒におけるアンモニアの吸着量の推定に誤差が生じるおそれがある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、還元剤とその前駆体とを区別することで選択還元触媒に捕捉されている還元剤の量を精度良く推定できる内燃機関の排気浄化システムを提供することを目的とする。

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、後述の排気管１１）に設けられ、還元剤（例えば、後述のアンモニア）の存在下で排気を浄化し、かつこの還元剤を捕捉する選択還元触媒（例えば、後述の第１選択還元触媒２３１又は第２選択還元触媒２３２）と、前記排気系のうち前記選択還元触媒の上流側に還元剤の前駆体（例えば、後述の尿素水）を供給する前駆体供給手段（例えば、後述のユリア噴射装置２５）と、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。前記排気浄化システムは、前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯｘ量を取得するＮＯｘ量取得手段（例えば、後述のＮＯｘセンサ２８、単位変換部８、及び第１ＮＯｘ排出量推定部５３など）と、前記取得したＮＯｘ量（例えば、後述のフィードＮＯｘ量ＱＮＯＸ、第１ＮＯｘ排出量ＱＮＯＸ_{１ＳＴ→２ＮＤ}など）と前記選択還元触媒への前駆体供給量（例えば、後述の供給量ＱＵＲＥＡ、第１ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_１ＳＴなど）との比（例えば、後述の第１当量比α_１ＳＴ、第２当量比α_２ＮＤなど）に基づいて、供給された前駆体のうち還元剤へ変換された前駆体の割合に相当する還元剤変換率（例えば、後述の第１ＮＨ_３変換率ＲＮＵ１、第２ＮＨ_３変換率ＲＮＵ２など）を算出する変換率算出手段（例えば、後述の第１変換率算出部５１１、第２変換率算出部５５１など）と、前記算出された還元剤変換率に基づいて、前記選択還元触媒への還元剤供給量（例えば、後述の第１ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_１ＳＴ、第２ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_２ＮＤなど）を推定する還元剤供給量推定手段（例えば、後述の第１ＮＨ_３供給量推定部５１２、第２ＮＨ_３供給量推定部５５２）と、前記推定された還元剤供給量に基づいて、前記選択還元触媒に捕捉されている還元剤の量に相当するストレージ量を推定するストレージ量推定手段（例えば、後述の第１ストレージ量推定部５２、第２ストレージ量推定部５６など）と、を備える。

本発明では、選択還元触媒に流入する排気のＮＯｘ量を取得し、この取得したＮＯｘ量と前駆体供給量との比に基づいて、選択還元触媒に供給された前駆体のうち還元剤へ変換された前駆体の割合に相当する還元剤変換率を算出する。さらにこの還元剤変換率に基づいて選択還元触媒への還元剤供給量を推定し、推定された還元剤供給量に基づいて選択還元触媒における還元剤のストレージ量を推定する。したがって、選択還元触媒の上流側から供給された前駆体のうち、還元剤の状態で選択還元触媒に供給される分と、前駆体の状態のまま選択還元触媒に供給される分とを区別することができるので、選択還元触媒におけるストレージ量を精度良く推定することができる。

この場合、前記変換率算出手段は、前記比と前記排気系の温度（例えば、後述の排気温度ＴＧＡＳ）とに基づいて前記還元剤変換率を算出することが好ましい。

還元剤変換率は排気系の温度によって変化する。そこで本発明では、ＮＯｘ量と前駆体供給量との比に加えて、排気系の温度に基づいて還元剤変換率を算出することにより、選択還元触媒への還元剤供給量を精度良く推定することができるので、結果としてストレージ量の推定精度をさらに向上することができる。

この場合、前記変換率算出手段は、前記比と前記排気系の空間速度（例えば、後述の空間速度ＳＶ）とに基づいて前記還元剤変換率を算出することが好ましい。

還元剤変換率は排気系の空間速度によって変化する。そこで本発明では、ＮＯｘ量と前駆体供給量との比に加えて、排気系の空間速度に基づいて還元剤変換率を算出することにより、選択還元触媒への還元剤供給量を精度良く推定することができるので、結果としてストレージ量の推定精度をさらに向上することができる。

この場合、前記還元剤はアンモニアであり、その前駆体は尿素水であり、前記排気浄化システムは、尿素水からアンモニアとともに生成される二酸化炭素の量に相当するＣＯ_２生成量（例えば、後述の第１ＣＯ_２生成量ＱＣＯ２_１ＳＴ、第２ＣＯ_２生成量ＱＣＯ２_２ＮＤなど）を推定するＣＯ_２生成量推定手段（例えば、後述の第１ＣＯ_２生成量推定部５１３、第２ＣＯ_２生成量推定部５５３など）と、前記前駆体供給量から前記推定した還元剤供給量及びＣＯ_２生成量を減算することにより、前記選択還元触媒から下流側へ排出される前駆体量である前駆体スリップ量（例えば、後述の第１ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_１ＳＴ、第２ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_２ＮＤなど）を推定する前駆体スリップ量推定手段（例えば、後述の第１スリップ量推定部５１４、第２スリップ量推定部５５４など）と、を備えることが好ましい。

選択還元触媒における還元剤をアンモニアとした場合、その前駆体としては尿素水が用いられる場合が多い。高温の排気系内で尿素水を加水分解すると、アンモニアとともに二酸化炭素が生成される。そこで本発明では、尿素水からアンモニアとともに生成される二酸化炭素の量に相当するＣＯ_２生成量を推定する。そして、選択還元触媒への前駆体供給量から、推定した還元剤供給量及びＣＯ_２生成量を減算することにより、選択還元触媒から下流側へ排出される前駆体量である前駆体スリップ量を推定する。選択還元触媒の下流側へ尿素水が排出されると、供給した尿素水が無駄になるばかりか異臭の原因ともなりうる。本発明では、前駆体スリップ量を推定することにより、上述のような不具合が生じないように、前駆体供給手段からの尿素水の供給量を適切なタイミングで制限することができる。

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。 ユリア噴射装置から噴射した尿素水が、どのような割合でその成分が変化するかを示す図である。 ユリア噴射装置から噴射した尿素水が、どのような割合でその成分が変化するかを示す図である。 ユリア噴射装置から噴射した尿素水が、どのような割合でその成分が変化するかを示す図である。 ユリア噴射装置から噴射した尿素水が、どのような割合でその成分が変化するかを示す図である。 尿素水の当量比とＮＨ_３変換率を示す図である。 上記実施形態に係るＥＣＵに構成されたユリア噴射装置のユリア噴射量の決定に関するモジュールを示すブロック図である。 上記実施形態に係るストレージ量推定部の構成を示すブロック図である。 上記実施形態に係るストレージ量推定部における演算を模式的に示す図である。 上記実施形態に係る第１供給量推定部の構成を示すブロック図である。 上記実施形態に係る第１ストレージ量推定部の構成を示すブロック図である。 上記実施形態に係る第１ＮＯｘ排出量推定部の構成を示すブロック図である。 上記実施形態に係る第２供給量推定部の構成を示すブロック図である。 上記実施形態に係る第２ストレージ量推定部の構成を示すブロック図である。 上記実施形態に係るＥＣＵにより実行されるユリア噴射制御の手順を示すフローチャートである。 上記実施形態のＮＨ_３スリップ量推定部の構成を示すブロック図である。

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の排気管１１に設けられた酸化触媒２１と、排気管１１に設けられ、排気中の粒子状物質（以下、「ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）」という）を捕集する排気浄化フィルタ（以下、「ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）」という）２２と、排気管１１に設けられ、この排気管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ユリア選択還元触媒２３と、排気管１１のうちユリア選択還元触媒２３の上流側に、アンモニアの前駆体であ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。このユリアタンク２５１には、ユリアレベルセンサ２５５が設けられている。このユリアレベルセンサ２５５は、ユリアタンク２５１内の尿素水の水位を検出し、この水位に略比例する検出信号をＥＣＵ３に出力する。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管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、排気管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、ユリア選択還元触媒２３におけるＮＯｘの還元を促進する。
ＤＰＦ２２は、排気管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。

ユリア選択還元触媒２３は、第１選択還元触媒２３１と、排気管１１のうち第１選択還元触媒２３１よりも下流側に設けられた第２選択還元触媒２３２とを含んで構成される。これら選択還元触媒２３１，２３２は、それぞれ、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２３１，２３２に供給され、これらアンモニアにより、排気中のＮＯｘが選択的に還元される。

ところで、これら選択還元触媒２３１，２３２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する機能も有する。本実施形態では、選択還元触媒２３１，２３２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を最大ストレージ容量という。より詳しくは、第１選択還元触媒２３１のストレージ量を、第１ストレージ量といい、第２選択還元触媒２３２のストレージ量を、第２ストレージ量という。このようにして吸着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、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率は高くなる。また、エンジンから排出されたＮＯｘの量に対し尿素水の供給量が少ない場合等には、吸着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２３１，２３２において、最大ストレージ容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２３１，２３２の下流側へ排出される。このようにしてアンモニアが選択還元触媒２３１，２３２に吸着されず、その下流側へ排出されることを、以下では「アンモニアスリップ」という。本実施形態では、後に詳述するように、第１ストレージ量及び第２ストレージ量を精度良く推定し、この推定に基づいてユリア噴射量を決定することにより、ユリア選択還元触媒２３全体としてのＮＯｘ浄化率を高く維持しながら、第２選択還元触媒２３２におけるアンモニアスリップの発生も極力抑制する。

また、これら選択還元触媒２３１，２３２は、アンモニアを吸着する能力があるものの、尿素水を吸着する能力はない。したがって、ユリア噴射装置２５から供給した尿素水の一部がそのまま選択還元触媒２３１，２３２の下流側へ排出される場合もある。以下では、このように尿素水が選択還元触媒２３１，２３２の下流側へ排出されることを、「ユリアスリップ」という。本実施形態では、後に詳述するように、第１選択還元触媒２３１及び第２選択還元触媒２３２におけるユリアスリップを推定し、この推定に基づいてユリア噴射量を制限することにより、第２選択還元触媒２３２におけるユリアスリップの発生を極力抑制する。

ＥＣＵ３には、ＮＨ_３センサ２６、排気温度センサ２７、ＮＯｘセンサ２８、エアフローメータ１５、クランク角度位置センサ２９、及びアクセル開度センサ１４、及びユリア残量警告灯１６等が接続されている。

ＮＨ_３センサ２６は、排気管１１のうち第１選択還元触媒２３１と第２選択還元触媒２３２との間における排気のアンモニアの濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳを検出し、検出したアンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳに略比例した検出信号をＥＣＵ３に供給する。排気温度センサ２７は、第２選択還元触媒２３２の下流側の排気の温度（以下、「排気温度」という）ＴＧＡＳを検出し、検出した排気温度ＴＧＡＳに略比例した検出信号をＥＣＵ３に供給する。なお、以下では、第１、第２選択還元触媒２３１，２３２や酸化触媒２１の温度として、排気温度ＴＧＡＳに基づいて推定されたものを用いるが、これに限るものではない。ＮＯｘセンサ２８は、第１選択還元触媒２３１に流入する排気のＮＯｘの濃度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。エアフローメータ１５は、図示しない吸気通路を流通する吸入空気量（質量流量）ＱＡを検出し、検出した吸入空気量ＱＡ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２９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度ごとにパルスを発生し、そのパルス信号をＥＣＵ３に供給する。エンジン１の回転数ＮＥ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１４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。ユリア残量警告灯１６は、例えば、車両のメータパネルに設けられ、ユリアタンク２５１内の尿素水の残量が所定の残量より少なくなったことに応じて点灯する。これにより、ユリアタンク２５１内の尿素水の残量が少なくなったことを運転者に警告する。

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。

次に、ユリア噴射装置から噴射した尿素水が、排気管並びにこの排気管内の第１、第２選択還元触媒を通過する過程でどのように変化するか、について図２〜図６を参照して説明する。
ユリア噴射装置から噴射した尿素水（ＣＯ（ＮＨ_２）_２＋Ｈ_２Ｏ）は、排気管内及び第１、第２選択還元触媒の内部において熱分解又は加水分解され、最終的には下記式（１）に示すように、アンモニア（ＮＨ_３）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成される。

図２〜５には、横軸を尿素水の噴射地点からの距離とし、上段に排気管内の各部分における温度を示し、下段に噴射した尿素水のうち、ＮＨ_３、ＣＯ_２又はＨＣＮＯに変換された尿素水の割合と、各部分におけるＮＯｘ浄化率とを示す。
これら図２〜５に示す例では、濃度３２．５％の尿素水を用い、ユリア噴射量を５０［ｍｇ／ｓｅｃ］とした。図２に示す例では空間速度を約１２０００［ｈ^−１］としかつ排気温度を約２００［℃］とし、図３に示す例では空間速度を約２００００［ｈ^−１］としかつ排気温度を約２００［℃］とし、図４に示す例では空間速度を約１２０００［ｈ^−１］としかつ排気温度を約２５０［℃］とし、図５に示す例では空間速度を約２００００［ｈ^−１］としかつ排気温度を約２５０［℃］とした。

これら図２〜５に示すように、第１選択還元触媒の上流側のユリア噴射装置から噴射された尿素水は、噴射地点から第２選択還元触媒の下端に至るまでの間にその一部が分解されて、ＮＨ_３及びＣＯ_２が生成される。また、噴射地点から第１選択還元触媒の下端側に至るまでの間では過渡的にＨＣＮＯが生成されるが、その量はＮＨ_３及びＣＯ_２と比較して僅かでありかつ下流側へ向うに従い減少する。従って本実施形態ではＨＣＮＯの生成を無視する。

本実施形態では、供給された尿素水のうちＮＨ_３へ変換された尿素水の割合に相当するパラメータとして、ＮＨ_３変換率を定義する。より具体的には、尿素水の供給地点（例えば、ユリア噴射装置による噴射地点や、第１選択還元触媒の下端など）を設定し、この供給地点から供給された尿素水が、所定の対象地点（例えば、第１選択還元触媒の下端や、第２選択還元触媒の下端など）に至るまでの間にＮＨ_３に変換される割合を、その対象地点におけるＮＨ_３変換率として定義する。

図２〜図５に示すように、排気温度及び空間速度によらず、下流側へ向うに従いＮＨ_３変換率は大きくなる傾向がある。
図２と図３、又は、図４と図５を比較することにより、空間速度が上昇するとＮＨ_３変換率が高くなる傾向があることが分かる。
また、図２と図４を比較すると、空間速度が比較的低い場合には、排気温度が上昇してもＮＨ_３変換率は上昇しない傾向があることが分かる。これに対して、図３と図５を比較すると、空間速度が比較的高い場合には、排気温度が上昇するとＮＨ_３変換率は上昇する傾向があることが分かる。

図６は、尿素水の当量比αとＮＨ_３変換率を示す図である。
ここで、尿素水の当量比αとは、対象とする選択還元触媒について、単位時間当りの尿素水の流入量（ＮＨ_３として流入する分も含む）と、単位時間当りのＮＯｘの流入量との比（尿素水流入量／ＮＯｘ流入量）であり、流入するＮＯｘに対し、このＮＯｘを過不足なく還元できる量の尿素水が流入した場合、この当量比αは“１”となる。すなわち、対象とする選択還元触媒に流入するＮＯｘに対し、流入するＮＯｘを還元するために必要な量の尿素水が供給されなかった場合、当量比αは“１”より小さな値となり、流入するＮＯｘを還元するために必要な量より多くの尿素水が供給された場合、当量比αは“１”より大きな値となる。

図６には、第１選択還元触媒における当量比αを“４”又は“５”にした場合、すなわち第１選択還元触媒に流入するＮＯｘを還元するのに必要な量の４倍又は５倍の尿素水を供給した場合における、第２選択還元触媒の下端側でのＮＨ_３変換率を示す。
この図６から分かるように、ＮＨ_３変換率は、空間速度及び排気温度だけでなく尿素水の当量比αに応じて変化することが分かる。

以上、図２〜図６に示すように、排気管内の各部分におけるＮＨ_３変換率は、尿素水の当量比、空間速度、及び排気温度に応じて変化することから、これら３つのパラメータに基づいて推定できる。

図７は、ＥＣＵに構成されたユリア噴射装置のユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡの決定に関するモジュールを示すブロック図である。なお本実施形態において、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡの単位は、質量流量、すなわち単位時間当りに噴射される尿素水の質量とする。このユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡの決定に係るブロックは、ベース噴射量算出部４と、ストレージ量推定部５と、補正噴射量算出部６と、スリップ制限部７と、を含んで構成される。

図７及び下記式（２）に示すように、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡは、後述のベース噴射量算出部４により算出されたベース噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}と、後述のストレージ量推定部５、補正噴射量算出部６及びユリアスリップ制限部７により算出された補正噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＣＯＲ}とを合算することにより算出される。

また、記号（ｋ）は、離散化した時間を示す記号であり、所定の制御周期ごと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。

また以下で説明するベース噴射量算出部４、ストレージ量推定部５及び補正噴射量算出部６での演算において、ＮＨ_３濃度に略比例したＮＨ_３センサ２６の検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳ及びＮＯｘ濃度に略比例したＮＯｘセンサ２８の検出値ＮＯＸ_ＣＯＮＳは、それぞれ、単位変換部８により、質量流量に相当するＮＨ_３量ＱＮＨ３_ＭＩＤ及びＮＯｘ量ＱＮＯＸに変換されたものが用いられる。また、排気系内のＮＨ_３はユリア噴射装置により噴射された尿素水から生成されるものであることから、演算の便宜上、本実施形態ではＮＨ_３の重量を、対応する尿素水の重量に換算して扱うが、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。

単位変換部８は、吸入空気量ＱＡに基づいて、排気中のＮＨ_３濃度及びＮＯｘ濃度に相当する検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳ，ＮＯＸ_ＣＯＮＳを、ＮＨ_３量ＱＮＨ３_ＭＩＤ及びＮＯｘ量ＱＮＯＸに変換する。単位変換部８で算出されたＮＨ_３量ＱＮＨ３_ＭＩＤは、第１選択還元触媒からスリップしたＮＨ_３量に相当することから、以下では「第１ＮＨ_３スリップ量」という。また、単位変換部８で算出されたＮＯｘ量ＱＮＯＸは、エンジンから排出され第１選択還元触媒に供給されるＮＯｘ量に相当することから、以下では、「フィードＮＯｘ量」という。

また、以下で説明するベース噴射量算出部４、ストレージ量推定部５及び補正噴射量算出部６での演算において、排気の空間速度ＳＶは、空間速度演算部９においてエンジン回転数ＮＥ及び吸入空気量ＱＡに基づき所定のマップを検索することで算出されたものが用いられる。

ベース噴射量算出部４は、下記式（３）に示すように、フィードＮＯｘ量ＱＮＯＸに変換係数Ｋ_{ＣＯＮＶ＿ＮＯＸ＿ＵＲＥＡ}を乗算することによりベース噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}を算出する。下記式（３）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変換係数である。このような変換係数Ｋ_{ＣＯＮＶ＿ＮＯＸ＿ＵＲＥＡ}を、ＮＯｘ量ＱＮＯＸに乗算することにより、選択還元触媒に流入する量のＮＯｘを還元するために必要な尿素水の量であるベース噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}を算出することができる。すなわち、このベース噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}は、当量比αが“１”の噴射量に相当する。

ストレージ量推定部５は、フィードＮＯｘ量ＱＮＯＸ、第１ＮＨ_３スリップ量ＱＮＨ３_ＭＩＤ、空間速度ＳＶ、及び排気温度ＴＧＡＳなどのパラメータに基づいて第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＮＨ３＿１ＳＴ}及び第２ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＮＨ３＿２ＮＤ}を算出する。以下、図８〜図１４を参照して、ストレージ量推定部５の構成について詳細に説明する。

図８は、ストレージ量推定部５の構成を示すブロック図である。
ストレージ量推定部５は、第１供給量推定部５１と、第１ストレージ量推定部５２と、第１ＮＯｘ排出量推定部５３と、第２供給量推定部５５と、第２ストレージ量推定部５６と、ユリアスリップ判定部５７とを含んで構成され、これらにより、第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＮＨ３＿１ＳＴ}及び第２ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＮＨ３＿２ＮＤ}を算出するとともに、後述のユリアスリップフラグＦ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＩＰ}を更新する。

図９は、ストレージ量推定部５における演算を模式的に示す図である。
第１選択還元触媒２３１の上流側の噴射地点から、供給量ＱＵＲＥＡで排気管内に供給された尿素水は、噴射地点から第１選択還元触媒２３１の下端に至るまでの間に、その一部がＮＨ_３に変換されて第１選択還元触媒２３１に供給される。第１選択還元触媒２３１に供給されたＮＨ_３は、ＮＯｘの還元に消費されるか、第１選択還元触媒２３１に吸着されるか、又は第１選択還元触媒２３１の下流へ排出される。また、上記供給量ＱＵＲＥＡで排気管内に供給された尿素水のうち、第１選択還元触媒２３１の下端に至るまでの間にＮＨ_３に変換されなかった分は、尿素水の状態のまま第１選択還元触媒２３１から下流側へ排出される。
以上のような状況の下、ストレージ量推定部５の第１供給量推定部５１では、第１選択還元触媒２３１に供給されるＮＨ_３量である第１ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_１ＳＴと、第１選択還元触媒２３１から排出される尿素水の量である第１ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_１ＳＴとを推定する。また、第１ストレージ量推定部５２では、推定した第１ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_１ＳＴに基づいて第１ストレージ量ＳＴ_{ＮＨ３＿１ＳＴ}を推定する。

一方、第２選択還元触媒２３２には、第１選択還元触媒２３１から排出されたＮＨ_３に加えて、上記第１ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_１ＳＴで第１選択還元触媒２３１から供給された尿素水のうち第２選択還元触媒２３２の下端に至るまでの間に変換されたＮＨ_３が供給される。第２選択還元触媒２３２に供給されたＮＨ_３は、ＮＯｘの還元に消費されるか、第２選択還元触媒２３２に吸着されるか、又は第２選択還元触媒２３２の下流へ排出される。また、上記第１ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_１ＳＴで第１選択還元触媒２３１から供給された尿素水のうち、第２選択還元触媒２３２の下端に至るまでの間にＮＨ_３に変換されなかった分は、尿素水の状態のまま第２選択還元触媒２３２から下流側へ排出される。
以上のような状況の下、ストレージ量推定部５の第２供給量推定部５５では、第２選択還元触媒２３２に供給されるＮＨ_３量である第２ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_２ＮＤと、第２選択還元触媒２３２から排出される尿素水の量である第２ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_２ＮＤとを推定する。また、第２ストレージ量推定部５６では、推定した第２ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_２ＮＤに基づいて第２ストレージ量ＳＴ_{ＮＨ３＿２ＮＤ}を推定する。

図１０は、第１供給量推定部５１の構成を示すブロック図である。
第１供給量推定部５１は、第１変換率算出部５１１と、第１ＮＨ_３供給量推定部５１２と、第１ＣＯ_２生成量推定部５１３と、第１スリップ量推定部５１４と、を含んで構成され、これらにより第１ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_１ＳＴ及び第１ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_１ＳＴを算出する。

第１変換率算出部５１１は、第１当量比算出部５１１ａと、第１温度因子算出部５１１ｂと、第１空間速度因子算出部５１１ｃとを備え、これらにより第１選択還元触媒におけるＮＨ_３変換率である第１ＮＨ_３変換率ＲＮＵ１を算出する。より具体的には、第１ＮＨ_３変換率ＲＮＵ１は、供給量ＱＵＲＥＡで第１選択還元触媒に供給された尿素水が、第１選択還元触媒の下端に至るまでの間にＮＨ_３に変換される割合として定義される。

第１当量比算出部５１１ａは、図２〜６を参照して説明したようにＮＨ_３変化率と相関のあるパラメータの１つである第１選択還元触媒における尿素水の当量比（以下、「第１当量比」という）α_１ＳＴを、尿素水の供給量ＱＵＲＥＡとフィードＮＯｘ量ＱＮＯＸとに基づいて所定のマップを検索することで算出する。
ここで、ユリア噴射装置から噴射した尿素水は、所定のタイムラグを伴って第１選択還元触媒に供給されることから、尿素水の供給量の現在値ＱＵＲＥＡ（ｋ）には、例えば、上記式（２）において決定されたユリア噴射量の過去の値Ｇ_ＵＲＥＡ（ｋ−１）が用いられる。

第１温度因子算出部５１１ｂは、上述のようにＮＨ_３変化率と相関のあるパラメータの１つである排気温度の影響を考慮するべく、第１当量比α_１ＳＴ及び排気温度ＴＧＡＳに基づいて、所定のマップを検索することで第１温度因子Ｋ_{１ＳＴ＿ＴＧＡＳ}を算出する。
なお、本実施形態では、第１温度因子Ｋ_{１ＳＴ＿ＴＧＡＳ}を算出するに当たり、排気温度ＴＧＡＳを用いるが、これに限らず第１選択還元触媒の温度を用いてもよい。但し、第１選択還元触媒における反応は基本的には発熱を伴うものではないため、排気温度ＴＧＡＳと第１選択還元触媒の温度とは、ほぼ等しいものと考えられる。

第１空間速度因子算出部５１１ｃは、上述のようにＮＨ_３変化率と相関のあるパラメータの１つである排気温度の影響を考慮するべく、第１当量比α_１ＳＴ及び空間速度ＳＶに基づいて、所定のマップを検索することで第１空間速度因子Ｋ_{１ＳＴ＿ＳＶ}を算出する。
第１ＮＨ_３変換率ＲＮＵ１は、下記式（４）に示すように、第１温度因子Ｋ_{１ＳＴ＿ＴＧＡＳ}と第１空間速度因子Ｋ_{１ＳＴ＿ＳＶ}とを乗算することにより算出される。

第１ＮＨ_３供給量推定部５１２では、下記式（５−１）に示すように、供給量ＱＵＲＥＡに第１ＮＨ_３変換率ＲＮＵ１を乗算することにより、第１ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_１ＳＴを推定する。ここで、尿素水の供給量の現在値ＱＵＲＥＡ（ｋ）には、上述のように、ユリア噴射量の過去の値Ｇ_ＵＲＥＡ（ｋ−１）が用いられる（下記式（５−２）参照）。

第１ＣＯ_２生成量推定部５１３では、第１選択還元触媒の下端側に至るまでの間に尿素水からＮＨ_３とともに生成されるＣＯ_２の量に相当する第１ＣＯ_２生成量ＱＣＯ２_１ＳＴを、第１ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_１ＳＴに基づいて推定する。

第１スリップ量推定部５１４では、下記式（６）に示すように、供給量ＱＵＲＥＡから、第１ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_１ＳＴ及び第１ＣＯ_２生成量ＱＣＯ２_１ＳＴを減算することにより、第１選択還元触媒から下流側の第２選択還元触媒へ排出される尿素水の量に相当する第１ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_１ＳＴを推定する。

図１１は、第１ストレージ量推定部５２の構成を示すブロック図である。
第１ストレージ量推定部５２は、第１ＮＨ_３消費量推定部５２１と、第１吸着量推定部５２２と、第１積算演算部５２３と、を含んで構成され、これらにより第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＮＨ３＿１ＳＴ}を算出する。

第１ＮＨ_３消費量推定部５２１は、第１ＮＯ_２／ＮＯ算出部５２１ａと、第１ＮＯｘ浄化率算出部５２１ｂと、第１反応モデル演算部５２１ｃとを備え、これらにより、第１選択還元触媒に供給されたＮＨ_３のうちＮＯｘの還元に消費されたＮＨ_３の量に相当する第１ＮＨ_３消費量ＱＮＨ３_{１ＳＴ＿ＲＥＤ}を算出する。
第１ＮＯ_２／ＮＯｘ算出部５２１ａでは、フィードＮＯｘ量ＱＮＯＸと、排気温度ＴＧＡＳに基づいて推定された酸化触媒の温度とに基づいて、所定のマップを検索することにより、第１選択還元触媒に流入するＮＯ量に相当する第１ＮＯ流入量ＱＮＯ_{１ＳＴ＿ＩＮ}と、第１選択還元触媒に流入するＮＯ_２量に相当する第１ＮＯ_２流入量ＱＮＯ２_{１ＳＴ＿ＩＮ}とを算出する。
第１ＮＯｘ浄化率算出部５２１ｂでは、排気温度ＴＧＡＳ及び空間速度ＳＶに基づいて所定のマップを検索することにより、第１選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率η_１ＳＴを算出する。
流入したＮＯｘのうち第１選択還元触媒で還元されるＮＯ量及びＮＯ_２量のそれぞれに相当する第１ＮＯ還元量ＱＮＯ_{１ＳＴ＿ＲＥＤ}及び第１ＮＯ_２還元量ＱＮＯ２_{１ＳＴ＿ＲＥＤ}は、下記式（７−１）、（７−２）に示すように、第１ＮＯ流入量ＱＮＯ_{１ＳＴ＿ＩＮ}及び第１ＮＯ_２流入量ＱＮＯ２_{１ＳＴ＿ＩＮ}に浄化率η_１ＳＴを乗算することで算出される。

第１反応モデル演算部５２１ｃは、下記式（８−１）〜（８−３）に示すような反応の下で、ＮＨ_３によりＮＯ及びＮＯ_２が還元されると仮定することにより、上記第１ＮＯ還元量ＱＮＯ_{１ＳＴ＿ＲＥＤ}のＮＯ及び第１ＮＯ_２還元量ＱＮＯ２_{１ＳＴ＿ＲＥＤ}のＮＯ_２を還元するために必要なＮＨ_３量を算出し、これを第１ＮＨ_３消費量ＱＮＨ３_{１ＳＴ＿ＲＥＤ}とする。

第１吸着量推定部５２２は、下記式（９）に示すように、第１ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_１ＳＴから、第１ＮＨ_３消費量ＱＮＨ３_{１ＳＴ＿ＲＥＤ}及び第１ＮＨ_３スリップ量ＱＮＨ３_ＭＩＤを減算することにより、第１選択還元触媒に吸着されたＮＨ_３量に相当する第１ＮＨ_３吸着量ΔＱＮＨ３_１ＳＴを算出する。

第１積算演算部５２３は、第１ＮＨ_３吸着量ΔＱＮＨ３_１ＳＴを積算することにより、第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＮＨ３＿１ＳＴ}を算出する。ここで、第１積算演算部５２３では、排気温度ＴＧＡＳに基づいて第１選択還元触媒の最大ストレージ容量を逐次算出しており、積算値がこの最大ストレージ容量を超えないように第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＮＨ３＿１ＳＴ}を算出する。また、第１積算演算部５２３では、“０”を下限値とし、この下限値を下回らないように第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＮＨ３＿１ＳＴ}を算出する。

図１２は、第１ＮＯｘ排出量推定部５３の構成を示す図である。
図１２に示すように、第１ＮＯｘ排出量推定部５３は、第１ＮＯ_２／ＮＯ量算出部５３１と第１ＮＯｘ浄化率算出部５３２とを含んで構成され、第１選択還元触媒から下流側へ排出されるＮＯｘ量に相当する第１ＮＯｘ排出量ＱＮＯＸ_{１ＳＴ→２ＮＤ}を、ＮＯｘを構成するＮＯとＮＯ_２とに分けて算出する。

第１ＮＯ_２／ＮＯ量算出部５３１は、フィードＮＯｘ量ＱＮＯＸと、排気温度ＴＧＡＳに基づいて推定された酸化触媒の温度とに基づいて、所定のマップを検索することにより、第１ＮＯ流入量ＱＮＯ_{１ＳＴ＿ＩＮ}と、第１ＮＯ_２流入量ＱＮＯ２_{１ＳＴ＿ＩＮ}とを算出する。
第１ＮＯｘ浄化率算出部５３２では、排気温度ＴＧＡＳ及び空間速度ＳＶに基づいて所定のマップを検索することにより、第１選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率η_１ＳＴを算出する。

第１ＮＯ_２排出量ＱＮＯ２_{１ＳＴ→２ＮＤ}は、図１２に示すように、第１ＮＯ_２流入量ＱＮＯ２_{１ＳＴ＿ＩＮ}から、この第１ＮＯ_２流入量ＱＮＯ２_{１ＳＴ＿ＩＮ}と第１ＮＯｘ浄化率η_１ＳＴとの積を減算することにより算出される。
第１ＮＯ排出量ＱＮＯ_{１ＳＴ→２ＮＤ}は、図１２に示すように、第１ＮＯ流入量ＱＮＯ_{１ＳＴ＿ＩＮ}から、この第１ＮＯ流入量ＱＮＯ_{１ＳＴ＿ＩＮ}と第１ＮＯｘ浄化率η_１ＳＴとの積を減算することにより算出される。
また、第１ＮＯｘ排出量ＱＮＯＸ_{１ＳＴ→２ＮＤ}は、第１ＮＯ_２排出量ＱＮＯ２_{１ＳＴ→２ＮＤ}と、第１ＮＯ排出量ＱＮＯ_{１ＳＴ→２ＮＤ}と、を合算することにより算出される。

図１３は、第２供給量推定部５５の構成を示すブロック図である。
第２供給量推定部５５は、第２変換率算出部５５１と、第２ＮＨ_３供給量推定部５５２と、第２ＣＯ_２生成量推定部５５３と、第２スリップ量推定部５５４と、を含んで構成され、これらにより第２ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_２ＮＤ及び第２ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_２ＮＤを算出する。

第２変換率算出部５５１は、第２当量比算出部５５１ａと、第２温度因子算出部５５１ｂと、第２空間速度因子算出部５５１ｃとを備え、これらにより第２選択還元触媒におけるＮＨ_３変換率である第２ＮＨ_３変換率ＲＮＵ２を算出する。より具体的には、第２ＮＨ_３変換率ＲＮＵ２は、第１ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_１ＳＴで第２選択還元触媒に供給された尿素水が、第２選択還元触媒の下端に至るまでの間にＮＨ_３に変換される割合として定義される。

第２当量比算出部５５１ａは、図２〜６を参照して説明したようにＮＨ_３変化率と相関のあるパラメータの１つである第２選択還元触媒における尿素水の当量比（以下、「第２当量比」という）α_２ＮＤを、第１ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_１ＳＴと第１ＮＯｘ排出量ＱＮＯＸ_{１ＳＴ→２ＮＤ}とに基づいて所定のマップを検索することで算出する。

第２温度因子算出部５５１ｂは、上述のようにＮＨ_３変化率と相関のあるパラメータの１つである排気温度の影響を考慮するべく、第２当量比α_２ＮＤ及び排気温度ＴＧＡＳに基づいて、所定のマップを検索することで第２温度因子Ｋ_{２ＮＤ＿ＴＧＡＳ}を算出する。
なお、本実施形態では、第２温度因子Ｋ_{２ＮＤ＿ＴＧＡＳ}を算出するに当たり、排気温度ＴＧＡＳを用いるが、これに限らず第２選択還元触媒の温度を用いてもよい。但し、第２選択還元触媒における反応は、第１選択還元触媒と同様に基本的には発熱を伴うものではないため、排気温度ＴＧＡＳと第２選択還元触媒の温度とは、ほぼ等しいものと考えられる。

第２空間速度因子算出部５５１ｃは、上述のようにＮＨ_３変化率と相関のあるパラメータの１つである排気温度の影響を考慮するべく、第２当量比α_２ＮＤ及び空間速度ＳＶに基づいて、所定のマップを検索することで第２空間速度因子Ｋ_{２ＮＤ＿ＳＶ}を算出する。
第２ＮＨ_３変換率ＲＮＵ２は、下記式（１０）に示すように、第２温度因子Ｋ_{２ＮＤ＿ＴＧＡＳ}と第２空間速度因子Ｋ_{２ＮＤ＿ＳＶ}とを乗算することにより算出される。

第２ＮＨ_３供給量推定部５５２では、下記式（１１）に示すように、第１ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_１ＳＴに第２ＮＨ_３変換率ＲＮＵ２を乗算したものに、第１ＮＨ_３スリップ量ＱＮＨ３_ＭＩＤを合算することにより、第２ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_２ＮＤを推定する。下記式（１１）の右辺第１項は、尿素水の状態で供給されもののうち第２選択還元触媒においてＮＨ_３に変換された分に相当し、右辺第２項は、ＮＨ_３の状態で第２選択還元触媒に供給された分に相当する。

第２ＣＯ_２生成量推定部５５３では、第２選択還元触媒の下端側に至るまでの間に尿素水からＮＨ_３とともに生成されるＣＯ_２の量に相当する第２ＣＯ_２生成量ＱＣＯ２_２ＮＤを、第２選択還元触媒において尿素水から変換されたＮＨ_３量（上記式（１１）の右辺第１項）に基づいて推定する。

第２スリップ量推定部５５４では、下記式（１２）に示すように、第１ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_１ＳＴから、第２選択還元触媒において尿素水から変換されたＮＨ_３量（上記式（１１）の右辺第１項）及び第２ＣＯ_２生成量ＱＣＯ２_２ＮＤを減算することにより、第２選択還元触媒から下流側へ排出される尿素水の量に相当する第２ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_２ＮＤを推定する。

図１４は、第２ストレージ量推定部５６の構成を示すブロック図である。
第２ストレージ量推定部５６は、第２ＮＨ_３消費量推定部５６１と、第２吸着量推定部５６２と、第２積算演算部５６３と、を含んで構成され、これらにより第２ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＮＨ３＿２ＮＤ}を算出する。

第２ＮＨ_３消費量推定部５６１は、第２ＮＯｘ浄化率算出部５６１ｂと、第２反応モデル演算部５６１ｃとを備え、これらにより、第２選択還元触媒に供給されたＮＨ_３のうちＮＯｘの還元に消費されたＮＨ_３の量に相当する第２ＮＨ_３消費量ＱＮＨ３_{２ＮＤ＿ＲＥＤ}を算出する。
第２ＮＯｘ浄化率算出部５６１ｂでは、排気温度ＴＧＡＳ及び空間速度ＳＶに基づいて所定のマップを検索することにより、第２選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率η_２ＮＤを算出する。
流入したＮＯｘのうち第２選択還元触媒で還元されるＮＯ量及びＮＯ_２量のそれぞれに相当する第２ＮＯ還元量ＱＮＯ_{２ＮＤ＿ＲＥＤ}及び第２ＮＯ_２還元量ＱＮＯ２_{２ＮＤ＿ＲＥＤ}は、下記式（１３−１）、（１３−２）に示すように、第１ＮＯｘ排出量推定部５３により推定された第１ＮＯ_２排出量ＱＮＯ２_{１ＳＴ→２ＮＤ}及び第１ＮＯ排出量ＱＮＯ_{１ＳＴ→２ＮＤ}に浄化率η_２ＮＤを乗算することで算出される。

第２反応モデル演算部５６１ｃは、第１反応モデル演算部５２１ｃと同様に、上記式（８−１）〜（８−３）に示すような反応の下で、ＮＨ_３によりＮＯ及びＮＯ_２が還元されると仮定することにより、上記第２ＮＯ還元量ＱＮＯ_{２ＮＤ＿ＲＥＤ}のＮＯ及び第２ＮＯ_２還元量ＱＮＯ２_{２ＮＤ＿ＲＥＤ}のＮＯ_２を還元するために必要なＮＨ_３量を算出し、これを第２ＮＨ_３消費量ＱＮＨ３_{２ＮＤ＿ＲＥＤ}とする。

第２吸着量推定部５６２は、下記式（１４）に示すように、第２ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_２ＮＤから、第２ＮＨ_３消費量ＱＮＨ３_{２ＮＤ＿ＲＥＤ}を減算することにより、第２選択還元触媒に吸着されたＮＨ_３量に相当する第２ＮＨ_３吸着量ΔＱＮＨ３_２ＮＤを算出する。

図８に戻って、ユリアスリップ判定部５７では、第２ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_２ＮＤに応じて、第２選択還元触媒から尿素水が排出されている状態であることを示すユリアスリップフラグＦ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＩＰ}を“１”又は“０”にセットする。より具体的にはユリアスリップ判定部５７は、第２ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_２ＮＤが、“０”の近傍に設定された閾値より大きい場合にはフラグＦ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＩＰ}を“１”にセットし、上記閾値以下である場合にはフラグＦ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＩＰ}を“０”にリセットする。

図７に戻って、補正噴射量算出部６は、ストレージ量推定部５により算出された第１、第２選択還元触媒のそれぞれのストレージ量の推定値ＳＴ_{ＮＨ３＿１ＳＴ}，ＳＴ_{ＮＨ３＿２ＮＤ}や、第１ＮＨ_３スリップ量ＱＮＨ３_ＭＩＤなどに基づいて、上記ベース噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}に対する補正値に相当する補正噴射量を算出し、これを補正噴射量の暫定値Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＣＯＲ＿ＴＥＭＰ}とする。この補正噴射量算出部６は、例えば、第１、第２選択還元触媒の状態に応じてそれぞれのストレージ量に対する目標値を設定し、上記ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＮＨ３＿１ＳＴ}，ＳＴ_{ＮＨ３＿２ＮＤ}がこれら目標値に一致するように、上記補正噴射量を算出する。

ユリアスリップ制限部７は、下記式（１５）に示すように、上述のユリアスリップフラグＦ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＩＰ}が“０”である場合には、算出された暫定値Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＣＯＲ＿ＴＥＭＰ}をそのまま値を変えずに補正噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＣＯＲ}として出力する。一方、フラグＦ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＩＰ}が“１”である場合には、尿素水が排出され続けるのを防止するため、強制的にユリア噴射量を必要最小限の量に制限するべく、補正噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＣＯＲ}を“０”として出力する。

次に、ユリア噴射制御の具体的な手順について図１５を参照して説明する。
図１５は、ＥＣＵにより実行されるユリア噴射制御の手順を示すフローチャートである。このユリア噴射制御は、上述した手法により、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを算出するものであり、所定の制御周期（例えば、５０ｍｓｅｃ）ごとに実行される。

Ｓ１では、ユリア故障フラグＦ_{ＵＲＥＡＮＧ}が“１”であるか否かを判別する。このユリア故障フラグＦ_{ＵＲＥＡＮＧ}は、図示しない判定処理においてユリア噴射装置が故障したと判定されたときに“１”に設定され、それ以外のときには“０”に設定される。この判別がＹＥＳの場合には、Ｓ９に移り、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを“０”に設定した後に、この処理を終了する。この判別がＮＯの場合には、Ｓ２に移る。

Ｓ２では、触媒劣化フラグＦ_{ＳＣＲＮＧ}が“１”であるか否かを判別する。この触媒劣化フラグＦ_{ＳＣＲＮＧ}は、図示しない判定処理において第１、第２選択還元触媒の何れかが故障したと判定されたときに“１”に設定され、それ以外のときには“０”に設定される。この判別がＹＥＳの場合には、Ｓ９に移り、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを“０”に設定した後に、この処理を終了する。この判別がＮＯの場合には、Ｓ３に移る。

Ｓ３では、ユリア残量Ｑ_{ＵＲＥＡ＿ＴＡＮＫ}が所定値Ｑ_ＲＥＦ未満であるか否かを判別する。このユリア残量Ｑ_{ＵＲＥＡ＿ＴＡＮＫ}は、ユリアタンク内の尿素水の残量を示し、ユリアレベルセンサの出力に基づいて算出される。この判別がＹＥＳの場合には、Ｓ４に移り、ＮＯの場合には、Ｓ５に移る。
Ｓ４では、ユリア残量警告灯を点灯し、Ｓ９に移り、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを“０”に設定した後に、この処理を終了する。

Ｓ５では、触媒暖機タイマ値Ｔ_ＭＡＳＴが所定値Ｔ_ＭＬＭＴより大きいか否かを判別する。この触媒暖機タイマ値Ｔ_ＭＡＳＴは、エンジン始動後のユリア選択還元触媒の暖機時間を計時するものである。この判別がＹＥＳの場合には、Ｓ６に移る。この判別がＮＯの場合には、Ｓ９に移り、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを“０”に設定した後に、この処理を終了する。

Ｓ６では、センサ故障フラグＦ_{ＳＥＮＮＧ}が“０”であるか否かを判別する。このセンサ故障フラグＦ_{ＳＥＮＮＧ}は、図示しない判定処理においてＮＨ_３センサ、又は、ＮＯｘセンサ等が故障したと判定されたときに“１”に設定され、それ以外のときには“０”に設定される。この判別がＹＥＳの場合には、Ｓ７に移る。この判別がＮＯの場合には、Ｓ９に移り、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを“０”に設定した後に、この処理を終了する。

Ｓ７では、アンモニアセンサ活性フラグＦ_{ＮＨ３ＡＣＴ}が１であるか否かを判別する。このＮＨ_３センサ活性フラグＦ_{ＮＨ３ＡＣＴ}は、図示しない判定処理においてＮＨ_３センサが活性状態に達したと判定されたときに“１”に設定され、それ以外のときには“０”に設定される。この判別がＹＥＳの場合には、Ｓ８に移る。この判別がＮＯの場合には、Ｓ９に移り、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを“０”に設定した後に、この処理を終了する。

Ｓ８では、第１選択還元触媒の温度Ｔ_ＳＣＲが所定値Ｔ_{ＳＣＲ＿ＡＣＴ}より大きいか否かを判別する。この判別がＹＥＳである場合には、第１選択還元触媒が活性化されたと判断して、Ｓ１０に移る。この判別がＮＯである場合には、第１選択還元触媒がまだ活性化されておらず、ユリア噴射を停止すべきであると判定して、Ｓ９に移り、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを“０”に設定した後に、この処理を終了する。なお、この第１選択還元触媒の温度Ｔ_ＳＣＲは、例えば、排気温度ＴＧＡＳに基づいて推定される。

Ｓ１０では、上述のベース噴射量算出部により、上記式（３）に基づいてベース噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}を算出し、Ｓ１１に移る。
Ｓ１１では、ストレージ量推定部により、上記式（４）〜（１４）に基づいて第１ストレージ量ＳＴ_{ＮＨ３＿１ＳＴ}及び第２ストレージ量ＳＴ_{ＮＨ３＿２ＮＤ}を推定する。
Ｓ１２では、上述の補正噴射量算出部により、補正噴射量の暫定値Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＣＯＲ＿ＴＥＭＰ}を算出する。
Ｓ１３では、上述のスリップ制限部により、ユリアスリップフラグＦ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＩＰ}が“１”であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳである場合、すなわち第２選択還元触媒の下流側へ尿素水が排出されていると判断される場合には、Ｓ１４に移り、上記式（１５）に基づいて、補正噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＣＯＲ}を強制的に“０”にし、Ｓ１６に移る。一方、Ｓ１３の判別がＮＯである場合、Ｓ１５に移り、上記式（１５）に基づいて、Ｓ１２で算出した暫定値Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＣＯＲ＿ＴＥＭＰ}を補正噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＣＯＲ}とし、Ｓ１６に移る。
Ｓ１６では、式（２）に基づいてユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを算出し、このユリア噴射制御を終了する。

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）本実施形態によれば、第１、第２選択還元触媒２３１，２３２の上流側から供給された尿素水のうち、アンモニアの状態で供給される分と、尿素水の状態のまま供給される分とを区別することができるので、これら選択還元触媒２３１，２３２におけるストレージ量を精度良く推定することができる。

（２）本実施形態によれば、第１当量比α_１ＳＴ及び第２当量比α_２ＮＤに加えて、排気温度ＴＧＡＳに基づいて、第１ＮＨ_３変換率ＲＮＵ１及び第２ＮＨ_３変換率ＲＮＵ２を算出することにより、第１ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_１ＳＴ及び第２ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_２ＮＤを精度良く推定することができるので、結果としてストレージ量の推定精度をさらに向上することができる。

（３）第１当量比α_１ＳＴ及び第２当量比α_２ＮＤに加えて、空間速度ＳＶに基づいて、第１ＮＨ_３変換率ＲＮＵ１及び第２ＮＨ_３変換率ＲＮＵ２を算出することにより、第１ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_１ＳＴ及び第２ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_２ＮＤを精度良く推定することができるので、結果としてストレージ量の推定精度をさらに向上することができる。

（４）本実施形態によれば、第１ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_１ＳＴから、第２ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_２ＮＤ及び第２ＣＯ_２生成量ＱＣＯ２_２ＮＤを減算することにより、第２選択還元触媒２３２から下流側へ排出される尿素水の量である第２ユリアスリップ量ＱＵＲＥＡ_２ＮＤを推定する。これにより、ユリア噴射装置からの尿素水の供給量を適切なタイミングで制限することができる。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
上記実施形態では、第１選択還元触媒２３１とその下流側に設けられた第２選択還元触媒２３２との２つの選択還元触媒を備える排気浄化システムを例に説明したが、本発明は、これに限らず、選択還元触媒を１つのみ備える排気浄化システムに適用しても効果的である。

上記実施形態では、エンジンから排出され第１選択還元触媒に供給されるＮＯｘ量に相当するフィードＮＯｘ量ＱＮＯＸを、ＮＯｘセンサ２８の出力に基づいて推定したが、これに限るものではない。この他、例えばエンジン回転数や要求トルクなどのエンジンの運転状態を示すパラメータに基づいて、フィードＮＯｘ量を推定してもよい。

上記実施形態では、第１選択還元触媒からスリップしたＮＨ_３量に相当する第１ＮＨ_３スリップ量ＱＮＨ３_ＭＩＤを、ＮＨ_３センサ２６の出力に基づいて推定したが、これに限るものではない。この第１ＮＨ_３スリップ量は、ＮＨ_３センサ２６を用いなくても、第１供給量推定部５１で推定した第１ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_１ＳＴの他、排気温度ＴＧＡＳ、フィードＮＯｘ量ＱＮＯＸや空間速度ＳＶなどに基づいて推定することができる。以下、図１６を参照して、ＮＨ_３センサの出力を用いずに第１ＮＨ_３スリップ量ＱＮＨ３´_ＭＩＤを推定するＮＨ_３スリップ量推定部５９の構成について説明する。

図１６は、ＮＨ_３スリップ量推定部５９の構成を示すブロック図である。
ＮＨ_３スリップ量推定部５９は、第１ＮＨ_３消費量推定部５９１と、余剰ＮＨ_３量算出部５９２と、積算演算部５９３と、ＮＨ_３スリップ判定部５９４と、最大ストレージ容量算出部５９５と、第１ＮＨ_３スリップ量算出部５９６と、を含んで構成される。

余剰ＮＨ_３量算出部５９２は、第１選択還元触媒に供給されるＮＨ_３量に相当する第１ＮＨ_３供給量ＱＮＨ３_１ＳＴから、第１選択還元触媒においてＮＯｘの還元に消費されたＮＨ_３量に相当する第１ＮＨ_３消費量ＱＮＨ３_{１ＳＴ＿ＲＥＤ}を減算することにより、第１選択還元触媒に吸着されるか又は第１選択還元触媒から排出され得るＮＨ_３量に相当する余剰ＮＨ_３量ＱＮＨ３_ＥＸＴを算出する。なお、フィードＮＯｘ量ＱＮＯＸ、排気温度ＴＧＡＳ及び空間速度ＳＶなどに基づいて第１ＮＨ_３消費量ＱＮＯＸ_{１ＳＴ＿ＲＥＤ}を推定する第１ＮＨ_３消費量推定部５９１の構成については、図１１を参照して説明した第１ＮＨ_３消費量推定部５２１の構成と同じであるので、その詳細な説明を省略する。

積算演算部５９３は、余剰ＮＨ_３量ＱＮＨ３_ＥＸＴの積算値ΣＮＨ３_１ＳＴを、所定の下限値および上限値の下で算出する。ここで、下限値を“０”とし、さらに上限値を第１選択還元触媒の最大ストレージ容量とすることにより、この積算値ΣＮＨ３_１ＳＴを第１ストレージ量の推定値とみなすこともできる。また、この積算演算部５９３では、後述のＮＨ_３スリップ判定部５９４により更新される第１ＮＨ_３スリップフラグＦＮＨ３_{１ＳＴ＿ＳＬＩＰ}が“１”にセットされたことを契機として、積算値ΣＮＨ３_１ＳＴが上限値に達したことを判断する。

最大ストレージ容量算出部５９５は、排気温度ＴＧＡＳに基づいて所定のマップを検索することにより、第１選択還元触媒の最大ストレージ容量に相当する第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＮＨ３＿ＭＡＸ}を算出する。

ＮＨ_３スリップ判定部５９４は、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＮＨ３＿ＭＡＸ}と、積算演算部５９３により算出された積算値ΣＮＨ３_１ＳＴとを比較することにより、第１選択還元触媒におけるアンモニアスリップの有無を判定する。より具体的には、ＮＨ_３スリップ判定部５９４は、積算値ΣＮＨ３_１ＳＴが推定値ＳＴ_{ＮＨ３＿ＭＡＸ}以上である場合には、第１選択還元触媒においてアンモニアスリップが発生していることを示す第１ＮＨ_３スリップフラグＦＮＨ３_{１ＳＴ＿ＳＬＩＰ}を“１”にセットし、積算値ΣＮＨ３_１ＳＴが推定値ＳＴ_{ＮＨ３＿ＭＡＸ}よりも小さい場合には、第１ＮＨ_３スリップフラグＦＮＨ３_{１ＳＴ＿ＳＬＩＰ}を“０”にリセットする。

第１ＮＨ_３スリップ量算出部５９６は、ＮＨ_３スリップ判定部５９４によりアンモニアスリップが発生していないと判定されている場合には、“０”を第１ＮＨ_３スリップ量ＱＮＨ３´_ＭＩＤとして出力し、ＮＨ_３スリップ判定部５９４によりアンモニアスリップが発生していると判定されている場合には、上記余剰ＮＨ_３量ＱＮＨ３_ＥＸＴを第１ＮＨ３スリップ量ＱＮＨ３´_ＭＩＤとして出力する。

また、以上のようにして推定された第１ＮＨ_３スリップ量ＱＮＨ３´_ＭＩＤは、図１６に示すように、単位変換部５９７により吸入空気量ＱＡに基づいてその単位を変換することにより、上記実施形態におけるＮＨ_３センサの出力の推定値に相当するＮＨ_３濃度ＮＨ３´_ＣＯＮＳを推定することもできる。

１…エンジン（内燃機関）、１１…排気管（排気系）、２…排気浄化システム、２３…ユリア選択還元触媒、２３１…第１選択還元触媒（選択還元触媒）、２３２…第２選択還元触媒（選択還元触媒）、２５…ユリア噴射装置（前駆体供給手段）、２８…ＮＯｘセンサ（ＮＯｘ量取得手段）、３…ＥＣＵ、４…ベース噴射量算出部、５…ストレージ量推定部、５１…第１供給量推定部、５１１…第１変換率算出部（変換率算出手段）、５１１ａ…第１当量比算出部、５１１ｂ…第１温度因子算出部、５１１ｃ…第１空間速度因子算出部、５１２…第１ＮＨ_３供給量推定部（還元剤供給量推定手段）、５１３…第１ＣＯ_２生成量推定部（ＣＯ_２生成量推定手段）、５１４…第１スリップ量推定部（前駆体スリップ量推定手段）、５２…第１ストレージ量推定部（ストレージ量推定手段）、５３…第１ＮＯｘ排出量推定部（ＮＯｘ量取得手段）、５５…第２供給量推定部、５５１…第２変換率算出部（変換率算出手段）、５５１ａ…第１当量比算出部、５５１ｂ…第１温度因子算出部、５５１ｃ…第１空間速度因子算出部、５５２…第２ＮＨ_３供給量推定部（還元剤供給量推定手段）、５５３…第２ＣＯ_２生成量推定部（ＣＯ_２生成量推定手段）、５５４…第２スリップ量推定部（前駆体スリップ量推定手段）、５６…第２ストレージ量推定部（ストレージ量推定手段）、５７…ユリアスリップ判定部、６…補正噴射量算出部、７…スリップ制限部、８…単位変換部（ＮＯｘ量取得手段）

Claims (5)

1. 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、かつこの還元剤を捕捉する第１選択還元触媒と、
   前記排気系のうち前記第１選択還元触媒の上流側に還元剤の前駆体を供給する前駆体供給手段と、を備える内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記第１選択還元触媒に流入する排気のＮＯｘの量に相当する第１ＮＯｘ量を取得する第１ＮＯｘ量取得手段と、
   前記取得した第１ＮＯｘ量と前記第１選択還元触媒への第１前駆体供給量との比と、前記排気系の温度と、前記第１選択還元触媒に流入する排気の空間速度とに基づいて、前記前駆体供給手段から供給された前駆体のうち前記第１選択還元触媒から下流側へ前駆体の状態のまま排出されることなく当該第１選択還元触媒の下端に至るまでの間に還元剤へ変換された前駆体の割合に相当する第１還元剤変換率を算出する第１変換率算出手段と、
   前記算出された第１還元剤変換率に基づいて、前記第１選択還元触媒への第１還元剤供給量を推定する第１還元剤供給量推定手段と、
   前記推定された第１還元剤供給量に基づいて、前記第１選択還元触媒に捕捉されている還元剤の量に相当する第１ストレージ量を推定する第１ストレージ量推定手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記還元剤はアンモニアであり、その前駆体は尿素水であり、
   前記排気浄化システムは、
   前記前駆体供給手段から供給された尿素水が前記第１選択還元触媒の下端に至るまでの間に、当該尿素水からアンモニアとともに生成される二酸化炭素の量に相当する第１ＣＯ_２生成量を推定する第１ＣＯ_２生成量推定手段と、
   前記第１前駆体供給量から前記推定した第１還元剤供給量及び第１ＣＯ_２生成量を減算することにより、前記前駆体供給手段から供給された前駆体のうち前記第１選択還元触媒の下端に至るまでの間に還元剤及びＣＯ _２ に変換されることなく前駆体の状態のままその下流側へ排出される前駆体量である第１前駆体スリップ量を推定する第１前駆体スリップ量推定手段と、を備え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システム。
3. 前記排気系のうち前記第１選択還元触媒より下流側には、還元剤の存在下で排気を浄化しかつこの還元剤を捕捉する第２選択還元触媒が設けられることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
4. 前記排気浄化システムは、
   前記第２選択還元触媒に流入する排気のＮＯｘの量に相当する第２ＮＯｘ量を取得する第２ＮＯｘ量取得手段と、
   前記取得した第２ＮＯｘ量と前記第１前駆体スリップ量との比と、前記排気系の温度と、前記第２選択還元触媒に流入する排気の空間速度とに基づいて、前記第１選択還元触媒から排出された前駆体のうち前記第２選択還元触媒から下流側へ前駆体の状態のまま排出されることなく当該第２選択還元触媒の下端に至るまでの間に還元剤に変換された前駆体の割合に相当する第２還元剤変換率を算出する第２変換率算出手段と、
   前記第１選択還元触媒から排出された還元剤の量に相当する第１還元剤スリップ量を取得する第１還元剤スリップ量取得手段と、
   前記第１還元剤スリップ量と前記第２還元剤変換率と前記第１前駆体スリップ量とに基づいて、前記第２選択還元触媒への第２還元剤供給量を推定する第２還元剤供給量推定手段と、
   前記第２還元剤供給量に基づいて、前記第２選択還元触媒に捕捉されている還元剤の量に相当する第２ストレージ量を推定する第２ストレージ量推定手段と、を備えることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化システム。
5. 前記排気浄化システムは、
   前記第１選択還元触媒からその下流側へ排出された尿素水が前記第２選択還元触媒の下端に至るまでの間に、当該尿素水からアンモニアとともに生成される二酸化炭素の量に相当する第２ＣＯ _２ 生成量を推定する第２ＣＯ _２ 生成量推定手段と、
   前記第１前駆体スリップ量から前記推定した第２ＣＯ _２ 生成量及び前記第１前駆体スリップ量に前記第２還元剤変換率を乗じて得られる量を減算することにより、前記前駆体供給手段から供給された前駆体のち前記第２選択還元触媒の下端に至るまでの間に還元剤及びＣＯ _２ に変換されることなく前駆体の状態のままその下流側へ排出される前駆体量である第２前駆体スリップ量を推定する第２前駆体スリップ量推定手段と、を備えることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化システム。
   

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