JP5193355B2 - 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し、特に、還元剤の存在下において排気中のＮＯｘを還元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では、尿素水の噴射量が最適な量よりも少ない場合には、ＮＯｘの還元に消費されるアンモニアが不足することでＮＯｘ還元率が低下し、この最適な量よりも多い場合には、ＮＯｘの還元に余剰となったアンモニアが排出する。このため、選択還元触媒を備える排気浄化システムでは、尿素水の噴射量を適切に制御することが重要となっている。そこで、特許文献１や特許文献２には、選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率を推定し、この推定に基づいて尿素水の噴射量を制御するものが示されている。

特許文献１の排気浄化システムでは、選択還元触媒の下流側のＮＯｘ濃度を検出し、この検出したＮＯｘ濃度と、内燃機関の運転状態から、選択還元触媒に流入する排気の組成、より具体的にはＮＯとＮＯ_２の比を推定する。さらにこの排気の組成に基づいて選択還元触媒のＮＯｘ還元率を推定し、尿素水の噴射量を制御する。
また特許文献２の排気浄化システムでは、選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率に関する量として触媒の温度を検出し、この温度に基づいて尿素水の噴射量を制御する。

しかしながら、選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率は、上述のような排気の組成や選択還元触媒の温度だけではなく、選択還元触媒の劣化状態によっても変化する。また、浄化性能には個体間でばらつきがある。これに加えて、選択還元触媒にアンモニアが貯蔵された場合には、尿素水の最適な量が異なるため、選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率は見かけ上変化する。したがって、特許文献１，２に示すような排気浄化システムでは、尿素水の噴射量を常に最適に制御するのは困難である。

そこで以下では、選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率をより直接的に検出し、これに基づいて尿素水の噴射量を制御する技術について検討する。

図３２は、従来の排気浄化システム８０の構成を示す模式図である。
図３２に示すように、エンジン８１の排気通路８２には、上流側から下流側へ向かって順に、酸化触媒８３と、ユリアタンク８４に貯留された尿素水を排気通路８２内に噴射するユリア噴射弁８５と、アンモニアの存在下で排気中のＮＯｘを還元する選択還元触媒８６とが設けられる。また、選択還元触媒の浄化性能を監視するものとして、選択還元触媒８６の温度を検出する温度センサ８７と、選択還元触媒８６の下流側のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ８８とが設けられる。

この排気浄化システム８０では、例えば、予め設定されたマップによりエンジン８１から排出される排気のＮＯｘ濃度を推定し、このＮＯｘ濃度と、温度センサ８７により検出された触媒温度とに基づいて、ユリア噴射弁８５による尿素水の噴射量を決定する。特にここで、選択還元触媒８６の劣化状態は、ＮＯｘセンサ８８により検出されたＮＯｘ濃度と、推定した排気のＮＯｘ濃度との差に基づいて推定することができる。この排気浄化システムでは、以上のようにして推定した選択還元触媒８６の劣化状態に応じて、尿素水の噴射量を補正することが可能となっている。
特開２００６−２７４９８６号公報 特開２００４−１００７００号公報

図３３は、上述の従来の排気浄化システムにおける、選択還元触媒下流の排気のＮＯｘ濃度及びアンモニア濃度と、ＮＯｘセンサの出力値との関係を示す図である。具体的には、図３３は、上段から順に、選択還元触媒下流の排気のＮＯｘ濃度、選択還元触媒下流の排気のアンモニア濃度、及びＮＯｘセンサの出力値と、尿素水噴射量との関係を示す。

尿素水の噴射量を増加すると、選択還元触媒において生成されるアンモニアも増加するため、選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率が上昇する。このため、図３３に示すように、尿素水の噴射量を増加するに従い、選択還元触媒の下流のＮＯｘ濃度は減少する。また、星印に示す尿素水噴射量を超えると、ＮＯｘ濃度は尿素水噴射量にかかわらず略一定となる。すなわち、星印を超える量の尿素水は、生成されたＮＯｘを還元することに対しては余剰であることを示す。

また、ここで余剰となった尿素水から生成されたアンモニアは、ＮＯｘの還元には消費されず、選択還元触媒に貯蔵されるか又は選択還元触媒の下流に排出される。したがって、図３３に示すように、選択還元触媒の下流の排気のアンモニア濃度は、星印に示す尿素水の噴射量を超えると増加する。なお、このように生成されたアンモニアが選択還元触媒に貯蔵されず、その下流へ排出することを、以下では「アンモニアスリップ」という。

以上のように、図３３において星印で示す尿素水噴射量は、ＮＯｘ濃度及びアンモニア濃度を共に最小にできるので、この排気浄化システムにおける最適な噴射量となっている。

しかしながら、図３３に示すように、ＮＯｘセンサの出力値は、この最適な噴射量における出力値を最小点とした、下に凸の特性を示す。これは、現存するＮＯｘセンサは、その検出原理上、ＮＯｘに対してだけでなくアンモニアに対しても感応するためである。
したがって、ＮＯｘセンサからの出力値のみでは、尿素水の噴射量が最適な噴射量に対して不足した状態であるか又は過剰な状態であるかを判別できない。このため、最適な量の尿素水を供給し続けて、選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率を高く維持しながら、かつ、アンモニアの排出を抑制することは困難である。

本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、選択還元触媒を備える内燃機関の排気浄化システムにおいて、高いＮＯｘ還元率を維持しながら、選択還元触媒の下流へ還元剤が排出するのを抑制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（１）の排気通路（１１）に設けられ、還元剤の存在下で前記排気通路を流通する排気中のＮＯｘを還元する選択還元触媒（２３）を備えた内燃機関の排気浄化システム（２）を提供する。前記選択還元触媒は、第１選択還元触媒（２３１）と、前記排気通路のうち前記第１選択還元触媒よりも下流側に設けられた第２選択還元触媒（２３２）とを含む。前記排気浄化システムは、前記排気通路のうち前記選択還元触媒の上流側に、還元剤又は還元剤の元となる添加剤を供給する還元剤供給手段（２５）と、前記排気通路のうち前記第１選択還元触媒と前記第２選択還元触媒との間を流通する排気の還元剤濃度又は還元剤量を検出する還元剤検出手段（２６）と、前記第１選択還元触媒に貯蔵された還元剤の量をストレージ量として、当該ストレージ量の推定値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}）を算出するストレージ量推定値算出手段（３，６１）と、前記ストレージ量の推定値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}）が所定のストレージ量目標値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}）に一致するように、前記還元剤供給手段による還元剤又は添加剤の供給量（Ｇ_ＵＲＥＡ）の第１入力成分（Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}）を算出する第１入力成分算出手段（３，６２，６２Ａ，６２Ｂ）と、前記還元剤検出手段の検出値（ＮＨ３_ＣＯＮＳ）が所定のスリップ目標値（ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}）に一致するように、前記第１選択還元触媒に流入する排気の量に相関のあるパラメータ（Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}）に基づいて、前記供給量（Ｇ_ＵＲＥＡ）の第２入力成分（Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＰ}）を算出する第２入力成分算出手段（３，７）と、前記第１入力成分（Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}）及び前記第２入力成分（Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＰ}）に基づいて、前記供給量（Ｇ_ＵＲＥＡ）を決定する供給量決定手段（３，８）と、を備える。

この構成によれば、排気通路に、下流側へ向かって順に第１選択還元触媒と第２選択還元触媒を設け、さらに、第１選択還元触媒及び第２選択還元触媒の上流側から還元剤又は還元剤の元となる添加剤を供給する還元剤供給手段と、第１選択還元触媒と第２選択還元触媒との間の排気の還元剤濃度又は還元剤量を検出する還元剤検出手段と、を設けた。還元剤供給手段の供給量は、ストレージ量の推定値がストレージ量目標値に一致するように算出された第１入力成分と、還元剤検出手段の検出値がスリップ目標値に一致するように算出された第２入力成分とに基づいて決定される。
これにより、第１選択還元触媒におけるストレージ量を最大に維持することができる。したがって、定常から過渡の全ての運転条件において、第１選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率を最も高い状態に維持することができる。また、第１選択還元触媒から第２選択還元触媒へ還元剤を意図的にスリップさせることで、このスリップした還元剤を利用して第２選択還元触媒においてもＮＯｘを還元することができる。また、第２選択還元触媒へスリップした還元剤でＮＯｘを還元することにより、第２選択還元触媒の下流へ還元剤が排出するのを防止できる。したがって、選択還元触媒の下流へ還元剤が排出するのを抑制しながら、排気浄化システム全体として高いＮＯｘ還元率を維持できる。

好ましくは、前記排気浄化システムは、前記第１選択還元触媒で貯蔵できる還元剤の量を最大ストレージ容量として、前記第１選択還元触媒の温度に応じて変化する最大ストレージ容量の近傍に、前記ストレージ量目標値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}）を設定するストレージ量目標値設定手段（３，５）をさらに備える。

この構成によれば、ストレージ量目標値は、第１選択還元触媒の温度に応じて変化する最大ストレージ容量の近傍に設定される。これにより、例えば、第１選択還元触媒のストレージ量が最大ストレージ容量に対して少ない状態であっても、ストレージ量を速やかに最大ストレージ容量に復帰させて、ＮＯｘ還元率が低下した状態が続くのを防ぐことができる。また、例えば、過渡時において第１選択還元触媒の温度が上昇し、最大ストレージ容量が減少した場合であっても、これに合わせてストレージ量目標値を最大ストレージ容量の近傍に設定することで、不要な還元剤のスリップを抑制することができる。

好ましくは、前記ストレージ量推定値算出手段は、前記第１選択還元触媒からスリップした還元剤を補うために必要な還元剤又は添加剤の量（Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＰ}）を、前記供給量（Ｇ_ＵＲＥＡ）から減算した量と、前記第１選択還元触媒に流入するＮＯｘの量に相関のあるパラメータ（ＮＯＸ_ＣＯＮＳ，Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}，Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＩＤＥＡＬ}）と、に基づいて前記ストレージ量の推定値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}）を算出する。

この構成によれば、第１選択還元触媒のストレージ量の推定値は、第１選択還元触媒からスリップした還元剤を補うために必要な還元剤又は添加剤の量を、還元剤供給手段の供給量から減算した量と、第１選択還元触媒に流入するＮＯｘの量に相関のあるパラメータとに基づいて算出される。これにより、第１選択還元触媒のストレージ量を増減させる要因を考慮して、正確なストレージ量の推定値を算出することができる。また、正確なストレージ量を算出することにより、排気浄化システム全体のＮＯｘ還元率を高く維持することができる。

好ましくは、前記第２選択還元触媒は、前記第１選択還元触媒からスリップした還元剤により、排気中のＮＯｘを還元することができる程度の還元剤の貯蔵能力及びＮＯｘ浄化能力を有する。

この構成によれば、第１選択還元触媒からスリップした還元剤により、第２選択還元触媒において排気中のＮＯｘを還元することができる。これにより、第１選択還元触媒からスリップした還元剤でＮＯｘを還元しつつ、第２選択還元触媒の下流へ還元剤が排出するのをさらに抑制することができる。

上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（１）の排気通路（１１）に設けられ、還元剤の存在下で前記排気通路を流通する排気中のＮＯｘを還元する選択還元触媒（２３１）を備えた内燃機関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、前記排気通路のうち前記選択還元触媒の上流側に、還元剤又は還元剤の元となる添加剤を供給する還元剤供給手段（２５）と、前記排気通路のうち前記選択還元触媒の下流側を流通する排気の還元剤濃度又は還元剤量を検出する還元剤検出手段（２６）と、前記選択還元触媒に貯蔵された還元剤の量をストレージ量として、当該ストレージ量の推定値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}）を算出するストレージ量推定値算出手段（３，６１）と、前記ストレージ量の推定値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}）が所定のストレージ量目標値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}）に一致するように、前記還元剤供給手段による還元剤又は添加剤の供給量（Ｇ_ＵＲＥＡ）の第１入力成分（Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}）を算出する第１入力成分算出手段（３，６２，６２Ａ，６２Ｂ）と、前記選択還元触媒で貯蔵できる還元剤の量を最大ストレージ容量として、前記選択還元触媒の温度に応じて変化する最大ストレージ容量の推定値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}）を算出する最大ストレージ容量推定値算出手段（３，９）と、前記最大ストレージ容量の推定値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}）の近傍に、前記ストレージ量目標値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}）を設定するストレージ量目標値設定手段（３，５）と、を備える。前記最大ストレージ容量推定値算出手段は、前記還元剤検出手段の検出値（ＮＨ３_ＣＯＮＳ）が所定のスリップ目標値（ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}）に一致するように、前記最大ストレージ容量の推定値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}）を算出する。

この構成によれば、排気通路に、選択還元触媒を設け、さらに、選択還元触媒の上流側から還元剤又は還元剤の元となる添加剤を供給する還元剤供給手段と、選択還元触媒の下流側の排気の還元剤濃度又は還元剤量を検出する還元剤検出手段と、を設けた。また、ストレージ量目標値は、最大ストレージ容量の推定値の近傍に設定され、還元剤供給手段の供給量の第１入力成分は、ストレージ量の推定値が上記ストレージ量目標値に一致するように算出される。特にここで、最大ストレージ容量推定値算出手段は、還元剤検出手段の検出値がスリップ目標値に一致するように、最大ストレージ容量の推定値を算出する。
これにより、選択還元触媒の劣化により、その最大ストレージ容量が変化した場合であっても、この変化に合わせて最大ストレージ容量の推定値を正確に算出することができる。したがって、選択還元触媒のストレージ量をその最大ストレージ容量の近傍に維持し、選択還元触媒の下流へ還元剤が排出するのを抑制しながら、選択還元触媒のＮＯｘ還元率を高く維持することができる。
また、選択還元触媒の上流側に酸化触媒やディーゼルパティキュレートフィルタを設けた場合、これら酸化触媒やフィルタの劣化によってＮＯ_２生成能力が変化し、選択還元触媒におけるアンモニアとＮＯｘの反応確率が変化する場合がある。このような場合であっても、上記反応確率の変化を、選択還元触媒の最大ストレージ容量の変化として感知し、最大ストレージ容量の推定値を適切に算出することができる、したがって、選択還元触媒のストレージ量を適切な値に維持し、選択還元触媒の下流へ還元剤が排出するのを抑制しながら、選択還元触媒のＮＯｘ還元率を高く維持することができる。

好ましくは、前記最大ストレージ容量推定値算出手段（９）は、前記選択還元触媒の温度に相関のあるパラメータ（Ｔ_ＳＣＲ）及び前記選択還元触媒に流入する排気の量に相関のあるパラメータ（Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}）の少なくとも何れかを参照パラメータとして、当該参照パラメータに基づいて前記最大ストレージ容量の基準値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}）を算出する基準値算出手段（９１）と、前記参照パラメータを基底とする空間に、互いに重複する複数の領域を定義するとともに、前記還元剤検出手段の検出値（ＮＨ３_ＣＯＮＳ）の前記スリップ目標値（ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}）に対する誤差パラメータ（ＥＮＨ３_ＣＯＮＳ）が「０」になるように、前記領域ごとに前記基準値に対する修正値（Ｕ_ｉｊ，ｉ＝１〜４，ｊ＝１〜４）を算出する修正値算出手段（９６）と、前記基準値算出手段により算出された基準値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}）及び前記修正値算出手段により算出された前記領域ごとの修正値（Ｕ_ｉｊ，ｉ＝１〜４，ｊ＝１〜４）に基づいて、前記最大ストレージ容量の推定値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}）を算出する推定値算出手段（９９）と、を備える。

この構成によれば、選択還元触媒の温度に相関のあるパラメータ及び選択還元触媒に流入する排気の量に相関のあるパラメータの少なくとも何れかを参照パラメータとして、最大ストレージ容量の基準値は、この参照パラメータに基づいて算出される。また、この参照パラメータを基底とする空間に複数の領域を定義し、誤差パラメータが「０」となるように、これら領域ごとに上記基準値に対する修正値を算出する。最大ストレージ容量の推定値は、これら領域ごとの修正値に基づいて算出される。
これにより、選択還元触媒の温度及び選択還元触媒に流入する排気の量の全ての領域において、最大ストレージ容量の推定値を正確に算出することができる。このため、上述のように選択還元触媒が劣化したり、選択還元触媒の上流側の酸化触媒やディーゼルパティキュレートフィルタが劣化したりした場合であっても、選択還元触媒のストレージ量を適切な値に維持し、選択還元触媒の下流へ還元剤が排出するのを抑制しながら、選択還元触媒のＮＯｘ還元率を高く維持することができる。

好ましくは、前記最大ストレージ容量推定値算出手段（９）は、前記参照パラメータを定義域とし、かつ、前記複数の領域においてそれぞれ「０」でない値を持つ補正重み関数（Ｗ_ｉｊ）を、前記領域ごとに設定する補正重み関数設定手段（９５）をさらに備える。前記補正重み関数（Ｗ_ｉｊ）は、その総和関数（ΣΣＷ_ｉｊ）が所定の値になるように正規化される。前記領域ごとの修正値（Ｕ_ｉｊ，ｉ＝１〜４，ｊ＝１〜４）は、前記領域ごとの補正重み関数の値に前記誤差パラメータ（ＥＮＨ３_ＣＯＮＳ）を乗算した値（ＷＥＶＮＳ_ｉｊ）に基づいて算出される。

この構成によれば、上記領域ごとの修正値は、領域ごとに設定された補正重み関数の値に誤差パラメータを乗算した値に基づいて算出される。これにより、誤差パラメータが値を持った場合、すなわち最大ストレージ容量の推定値に誤差が生じたと考えられる場合には、この誤差を修正するべき領域の修正値のみを適切に更新することができる。したがって、最大ストレージ容量の推定値をより正確に算出することができる。

好ましくは、前記推定値算出手段（９９）は、前記修正値（Ｕ_ｉｊ）と前記補正重み関数の値（Ｗ_ｉｊ）との積の全領域に亘る総和（ΣΣＷ_ｉｊＵ_ｉｊ）に基づいて算出された係数（ＫＶＮＳ）に、前記基準値算出手段により算出された基準値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}）を乗算することにより、最大ストレージ容量の推定値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}）を算出する。

この構成によれば、最大ストレージ容量の推定値は、修正値と補正重み関数の値との積の全領域に亘る総和に基づいて算出された係数に、上記基準値を乗算することにより算出される。これにより、参照パラメータで定義される全領域で、連続的な最大ストレージ容量の推定値を算出することができる。したがって、参照パラメータが変化した際には、還元剤供給手段の供給量も連続的に変化させることができるため、結果として、選択還元触媒の下流へ還元剤が排出するのを抑制しながら、選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率を高く維持することができる。

好ましくは、記推定値算出手段（９９）は、前記修正値（Ｕ_ｉｊ）と前記補正重み関数の値との積の全領域に亘る総和（ΣΣＷ_ｉｊＵ_ｉｊ）に基づいて算出された係数（ＤＶＮＳ）に、前記基準値算出手段により算出された（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}）基準値を加算することにより、最大ストレージ容量の推定値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}）を算出する。

この構成によれば、最大ストレージ容量の推定値は、修正値と補正重み関数の値との積の全領域に亘る総和に基づいて算出された係数に、上記基準値を加算することにより算出される。これにより、参照パラメータで定義される全領域で、連続的な最大ストレージ容量の推定値を算出することができる。したがって、参照パラメータが変化した際には、還元剤供給手段の供給量も連続的に変化させることができるため、結果として、選択還元触媒の下流へ還元剤が排出するのを抑制しながら、選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率を高く維持することができる。

好ましくは、前記最大ストレージ容量推定値算出手段（９）は、前記選択還元触媒の劣化による最大ストレージ容量の変化量を重み付けする応答曲面を、前記参照パラメータを定義域として設定する応答曲面設定手段（９４）をさらに備える。前記最大ストレージ容量の推定値（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}）は、前記応答曲面の値（Ｗ_ＲＳＭ）に前記誤差パラメータ（ＥＮＨ３_ＣＯＮＳ）を乗算した値（ＥＶＮＳ）に基づいて算出される。

ところで、誤差パラメータが値を持つ要因としては、最大ストレージ容量の推定値の誤差の他にも、様々な要因が考えられる。このため、重み付けされていない誤差パラメータに基づいて最大ストレージ容量の推定値を算出すると、上記の他の要因により最大ストレージ容量の推定値に誤修正が生じる場合がある。
この構成によれば、最大ストレージ容量の推定値は、選択還元触媒の劣化による最大ストレージ容量の変化量を重み付けする応答曲面の値に、誤差パラメータを乗算した値に基づいて算出される。このように誤差パラメータに、劣化による最大ストレージ容量の変化量を重み付けすることにより、上述のような最大ストレージ容量の推定値の誤修正を抑制し、参照パラメータの全領域に亘って正確に推定値を算出することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化システムの構成を示す模式図である。 選択還元触媒におけるＮＯｘ濃度と、アンモニア濃度と、アンモニアのストレージ量との関係を示す図である。 選択還元触媒のストレージ容量と温度との関係を示す図である。 走行時における選択還元触媒の温度とそのストレージ量との時間変化を示す図である。 走行時における選択還元触媒の温度とそのストレージ量との時間変化を示す図である。 アンモニアセンサの出力値が目標アンモニア濃度に厳密に収束するようにユリア噴射量を制御した場合におけるＮＯｘ還元率の変化を示す図である。 アンモニアセンサの出力値が目標アンモニア濃度を中心とした目標アンモニアスリップ範囲内にとどまる程度に、ユリア噴射量を緩やかに制御した場合におけるＮＯｘ還元率の変化を示す図である。 尿素水の供給状態と、選択還元触媒のストレージ量の変化との関係を模式的に示す図である。 選択還元触媒においてアンモニアスリップが発生した状態を模式的に示す図である。 上記実施形態に係るユリア噴射弁によるユリア噴射量を決定するモジュールの構成を示すブロック図である。 上記実施形態に係るスリップ生成補正入力算出部及びストレージ補正入力算出部のみによりユリア噴射量のフィードバック制御を実行した場合におけるエンジンの負荷、選択還元触媒上流のＮＯｘ濃度、検出アンモニア濃度、ユリア噴射量、及びＮＯｘ還元率の関係を示す図である。 上記実施形態に係るＦＦ噴射量を決定するための制御マップの一例を示す図である。 上記実施形態に係るフィードフォワードコントローラを用いてユリア噴射制御を実行した場合における、エンジンの負荷、選択還元触媒上流のＮＯｘ濃度、検出アンモニア濃度、ユリア噴射量、及びＮＯｘ還元率の関係を示す図である。 上記実施形態に係る排気ボリュームを決定するための制御マップの一例を示す図である。 上記実施形態に係るストレージ補正入力算出部の第１の形態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補正入力算出部の第１の形態により算出された第１ストレージ量の推定値の時間変化を示す図である。 上記実施形態に係るストレージ補正入力算出部の第２の形態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補正入力算出部の第３の形態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補正入力算出部により算出された第１ストレージ量の推定値の時間変化を示す図である。 上記実施形態に係る最大ストレージ容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最大ストレージ容量の基準値を決定するための制御マップの一例を示す図である。 上記実施形態に係る応答曲面の一例を示す図である。 上記実施形態に係る触媒温度センサの検出値を定義域とした４つの第１補正重み関数を示す図である。 上記実施形態に係る排気ボリュームの推定値を定義域とした４つの第２補正重み関数を示す図である。 上記実施形態に係る２つの参照パラメータを定義域とした１６個の補正重み関数を示す図である。 上記実施形態に係る最大ストレージ容量推定部により、第１最大ストレージ容量の推定値を算出する手順について説明するための図である。 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処理の手順を示すフローチャートである。 選択還元触媒を新品とし、かつ、適応係数を強制的に「１」に設定した場合におけるシミュレーション結果を示す。 選択還元触媒を新品とし、かつ、上記実施形態に係るアルゴリズムにより適応係数を算出した場合におけるシミュレーション結果を示す。 選択還元触媒を劣化品とし、かつ、適応係数を強制的に「１」に設定した場合におけるシミュレーション結果を示す。 選択還元触媒を劣化品とし、かつ、上記実施形態に係るアルゴリズムにより適応係数を算出した場合におけるシミュレーション結果を示す。 従来の排気浄化システムの構成を示す模式図である。 従来の排気浄化システムにおける、選択還元触媒下流の排気のＮＯｘ濃度及びアンモニア濃度と、ＮＯｘセンサの出力値との関係を示す図である。

符号の説明

１…エンジン（内燃機関）
１１…排気通路
２…排気浄化システム
２３…ユリア選択還元触媒（選択還元触媒）
２３１…第１選択還元触媒（選択還元触媒，第１選択還元触媒）
２３２…第２選択還元触媒（第２選択還元触媒）
２５…ユリア噴射装置（還元剤供給手段）
２６…アンモニアセンサ（還元剤検出手段）
３…ＥＣＵ３（ストレージ量推定値算出手段、第１入力成分算出手段、第２入力成分算出手段、供給量決定手段、ストレージ量目標値設定手段、最大ストレージ容量推定値算出手段、基準値算出手段、応答曲面設定手段、補正重み関数設定手段、修正値算出手段、推定値算出手段）
４…フィードフォワードコントローラ
５…ストレージ量目標値設定部（ストレージ量目標値設定手段）
６…ストレージ補正入力算出部
６１…制御対象（ストレージ量推定値算出手段）
６２，６２Ａ，６２Ｂ…コントローラ（第１入力成分算出手段）
７…スリップ生成補正入力算出部（第２入力成分算出手段）
８…加算器（供給量決定手段）
９…最大ストレージ容量推定部（最大ストレージ容量推定値算出手段）
９１…基準値算出部（基準値算出手段）
９２…適応修正器
９４…応答曲面設定部（応答曲面設定手段）
９５…補正重み関数設定部（補正重み関数設定手段）
９６…補正量算出部（修正値算出手段）
９７…適応係数算出部
９９…推定値算出部（推定値算出手段）

発明を実施するための形態

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、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ユリア選択還元触媒２３と、排気通路１１のうちユリア選択還元触媒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。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のうちユリア選択還元触媒２３及びユリア噴射弁２５３よりも上流側に設けられ、排気中のＮＯを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。

ユリア選択還元触媒２３は、第１選択還元触媒２３１と、排気通路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。これら第１選択還元触媒２３１及び第２選択還元触媒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、第１選択還元触媒２３１及び第２選択還元触媒２３２に供給され、これらアンモニアにより、排気中のＮＯｘは選択的に還元される。
このユリア選択還元触媒２３の詳細な構成は、後に図２及び図３を参照して詳述する。

ＥＣＵ３には、アンモニアセンサ２６、触媒温度センサ２７、及びＮＯｘセンサ２８の他、クランク角度位置センサ１４、アクセル開度センサ１５、及びユリア残量警告灯１６が接続されている。

アンモニアセンサ２６は、排気通路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（以下、「アンモニア濃度」という）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。

触媒温度センサ２７は、第１選択還元触媒２３１の温度（以下、「触媒温度」という）Ｔ_ＳＣＲを検出し、検出した触媒温度Ｔ_ＳＣＲに略比例した検出信号をＥＣＵ３に供給する。

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（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度ごとにパルスを発生し、そのパルス信号をＥＣＵ３に供給する。ＥＣＵ３では、このパルス信号に基づいて、エンジン１の回転数ＮＥを算出する。クランク角度位置センサ１４は、さらに特定気筒の所定クランク角度位置で気筒識別パルスを生成して、ＥＣＵ３に供給する。

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）ＡＰを検出し、検出したアクセル開度ＡＰ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ＡＰ及び回転数ＮＥに応じて、エンジン１の要求トルクＴＲＱが算出される。以下では、この要求トルクＴＲＱを、エンジン１の負荷を表す負荷パラメータとする。

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。

［ユリア選択還元触媒の詳細な構成］
ところで、上述のユリア選択還元触媒２３において、第１選択還元触媒２３１及び第２選択還元触媒２３２は、それぞれ、尿素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貯蔵する機能も有する。
以下では、第１選択還元触媒２３１において貯蔵されたアンモニア量を第１ストレージ量とし、第１選択還元触媒２３１において貯蔵できるアンモニア量を第１最大ストレージ容量とする。また、第２選択還元触媒２３２において貯蔵されたアンモニア量を第２ストレージ量とし、第２選択還元触媒２３２において貯蔵できるアンモニア量を第２最大ストレージ容量とする。

このようにして貯蔵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、第１、第２ストレージ量が大きくなるに従い、選択還元触媒２３１，２３２におけるＮＯｘ還元率は高くなる。また、発生したＮＯｘの量に対し尿素水の供給量が少ない場合等には、貯蔵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、各選択還元触媒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、各選択還元触媒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各選択還元触媒２３１，２３２に貯蔵されず、各々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。

このような選択還元触媒２３１，２３２において、ＮＯｘ還元率を高く維持し続けるためには、これら選択還元触媒２３１，２３２には、各々の最大ストレージ容量に近い量のアンモニアが貯蔵された状態を維持し続けることが好ましい。
しかしながら、このように最大ストレージ容量に近い量のアンモニアが貯蔵された状態では、アンモニアスリップが発生しやすく、車両外へアンモニアが排出される虞がある。特に、第２選択還元触媒２３２におけるアンモニアスリップは、極力防止することが好ましい。

これらの点に鑑みて、高いＮＯｘ還元率を維持しつつ車両外へアンモニアが排出するのを防止するための、第１選択還元触媒２３１と第２選択還元触媒２３２の最適な形態について、図２〜図５を参照して他のレイアウトと比較しながら説明する。

図２は、選択還元触媒におけるＮＯｘ濃度と、アンモニア濃度と、アンモニアのストレージ量との関係を示す図である。具体的には、図２の（ａ）は、１つの選択還元触媒の下流側にＮＯｘセンサを設けた比較例（１ＢＥＤ＋ＮＯｘセンサレイアウト）における上記関係を示す。図２の（ｂ）は、１つの選択還元触媒の下流側にアンモニアセンサを設けた比較例（１ＢＥＤ＋ＮＨ_３センサレイアウト）における上記関係を示す。図２の（ｃ）は、２つの選択還元触媒（第１選択還元触媒及び第２選択還元触媒）の間にアンモニアセンサを設けた本実施形態（２ＢＥＤ＋ＭＩＤ−ＮＨ_３センサレイアウト）における上記関係を示す。

図２の（ａ）に示すレイアウトにおいては、例えば、ＮＯｘセンサからの出力に基づいて尿素水の供給量を制御することで、選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率を高く維持することができる。このような制御を行った場合、エンジンから排出されたＮＯｘの量と、このＮＯｘの還元に必要な尿素水の供給量とは概ねバランスの取れた状態にある。このため、尿素水から生成されたアンモニアはＮＯｘの還元に消費され、選択還元触媒に貯蔵されるアンモニア及び選択還元触媒におけるアンモニアスリップは、ともに少ない。このため、選択還元触媒におけるアンモニアのストレージ量は、変化が少なく、またその最大ストレージ容量に対して少ない傾向がある。

つまり、上述のような尿素水の供給量の制御を適切に行った場合、選択還元触媒におけるストレージ量はほぼ一定に保たれることとなる。しかしながら、例えば、エンジンの運転状態が急変した場合、選択還元触媒が経年劣化した場合、及び温度が急激に変化した場合等には、尿素水の供給量が適切な量からずれてしまい、ストレージ量が「０」になりＮＯｘ還元率が低下したり、又は、ストレージ量が飽和して過大なアンモニアスリップが発生したりする虞がある。したがって、図２の（ａ）に示すレイアウトでは、アンモニアのストレージ量の制御が難しく、ＮＯｘの還元率の向上とアンモニアスリップの防止とを両立し続けることは困難である。

図２の（ｂ）に示すレイアウトにおいて、アンモニアセンサからの出力に基づいてＮＯｘ還元率を高く維持するように尿素水の供給量の制御を行う場合、アンモニアセンサからの出力を得るためには、微小なアンモニアスリップが発生した状態を維持する必要がある。このため、選択還元触媒におけるアンモニアのストレージ量は、図２の（ｂ）に示すように、常に飽和した状態となる。
このようにストレージ量が飽和した状態を維持した場合、例えば、車両を急加速することで一時的に大量のＮＯｘが生成され、このＮＯｘを還元するためのアンモニアの生成が間に合わなくなるような状態であっても、貯蔵しておいたアンモニアにより、アンモニアの生成が完了するまでの過渡時におけるＮＯｘ還元率を高く維持し続けることができる。

図２の（ｃ）に示す本実施形態のレイアウトでは、第１選択還元触媒２３１と第２選択還元触媒２３２の間にアンモニアセンサ２６を設ける。
このレイアウトでは、アンモニアセンサ２６により検出されるアンモニア濃度の値が「０」より大きな値になるように、尿素水の供給量の制御を行うことで、上述の図２の（ｂ）に示すレイアウトと同様に、第１選択還元触媒２３１からアンモニアが飽和した状態を維持できる。これにより、第１選択還元触媒２３１における高いＮＯｘ還元率を維持することができる。

また、第１選択還元触媒２３１におけるＮＯｘの還元が不十分であっても、この残留したＮＯｘと第２選択還元触媒２３２へスリップしたアンモニアとを第２選択還元触媒２３２において反応させることで、図２の（ａ）に示すレイアウトと同様に、第１選択還元触媒２３１及び第２選択還元触媒２３２全体として、ＮＯｘ還元率を高く維持することができる。
また、第１選択還元触媒２３１においてアンモニアが飽和した状態にすることで、図２の（ｂ）に示すレイアウトと同様に、上述のような車両の急加速した際等の、アンモニアの生成が完了するまでの過渡時におけるＮＯｘ還元率を高く維持し続けることができる。
また、このように第１選択還元触媒２３１ではアンモニアスリップが発生するものの、この第１選択還元触媒２３１から排出されたアンモニアは、第２選択還元触媒２３２に貯蔵されるか、又は、第２選択還元触媒２３２においてＮＯｘの還元に消費される。これにより、第１選択還元触媒２３１及び第２選択還元触媒２３２全体として高いＮＯｘ還元率を維持しつつ、第２選択還元触媒２３２の下流へアンモニアが排出するのを抑制できる。

このように本実施形態では、システム全体でのＮＯｘ還元率を高く維持するために、第１選択還元触媒２３１においてアンモニアスリップが発生した状態を意図的に実現する。このため、第２選択還元触媒２３２としては、この第１選択還元触媒２３１からスリップしたアンモニアにより、排気中のＮＯｘを還元することができる程度のアンモニアの貯蔵能力及びＮＯｘ浄化能力を有するものが用いられる。

図３は、選択還元触媒の最大ストレージ容量と温度との関係を示す図である。図３において、実線３ａは、劣化前の触媒における最大ストレージ容量と触媒温度との関係を示し、破線３ｂは、劣化後の触媒における最大ストレージ容量と触媒温度との関係を示す。

図３に示すように、選択還元触媒の最大ストレージ容量は、触媒温度に応じて変化する。具体的には、触媒温度が高くなるに従い、最大ストレージ容量は小さくなる。したがって、上述のように第１選択還元触媒においてアンモニアが飽和した状態を維持していると、例えば、車両が低負荷運転状態から高負荷運転状態へ移行し、触媒温度が低温（例えば、２００℃）状態から高温（例えば、５００℃）状態へ移行した場合、この温度差に応じて第１選択還元触媒においてアンモニアスリップが発生する。この場合、アンモニアが第２選択還元触媒の下流に排出するのを防止するためには、第２最大ストレージ容量は、第１最大ストレージ容量の最大時と最小時との差よりも大きく設計することが好ましい。このように設計することで、第１選択還元触媒から放出されたアンモニアを、第２選択還元触媒に貯蔵し、その下流へアンモニアが排出するのを抑制できる。

また図３に示すように、触媒の劣化に伴い最大ストレージ容量は小さくなる。このため、運転状態及び触媒温度の急激な変化に応じて放出されるアンモニアの量は、劣化後よりも劣化前の方が大きい。したがって、第２最大ストレージ容量は、劣化前の第１選択還元触媒の第１最大ストレージ容量の最大時と最小時との差（最大容量差）よりも大きく設計することが特に好ましい。これにより、より確実に第２選択還元触媒におけるアンモニアスリップを防止することができる。

図４及び図５は、走行時における選択還元触媒の温度とそのストレージ量との時間変化を示す図である。より具体的には、図４は、図２の（ａ）のレイアウトを採用した排気浄化システムにおける上記時間変化を示す。図５は、図２の（ｃ）のレイアウトを採用した本実施形態の排気浄化システムにおける上記時間変化を示す。

図４に示すように、図２の（ａ）のレイアウトを採用した場合、選択還元触媒のアンモニアのストレージ量を制御することが難しいため、運転条件の履歴に応じて実際のストレージ量にばらつきが生じると考えられる。

ここで、エンジンを長時間（４時間程度）に亘って停止した後に、再びエンジンを始動した場合を想定する。このような場合、選択還元触媒がその活性温度（１６０℃〜１８０℃）に達するまでの間は、前回の走行時に選択還元触媒に貯蔵されたアンモニアを消費することにより、排気のＮＯｘを浄化することができる。
しかしながら、上述のようアンモニアのストレージ量にばらつきが生じると、エンジン始動直後におけるストレージ量にもばらつきが生じてしまう。このため、図４に示すように、エンジン始動直後においてＮＯｘを浄化するために必要なアンモニアが不足してしまうおそれがある。したがって、図２の（ａ）のレイアウトを採用した場合には、エンジン始動直後におけるＮＯｘの浄化にばらつきが生じてしまうおそれがある。

これに対して、図５に示すように、図２の（ｃ）のレイアウトを採用した本実施形態の排気浄化システムでは、運転条件の履歴に関わらず第１ストレージ量を第１最大ストレージ容量に安定的に維持し、また第２ストレージ量も第２最大ストレージ容量の近傍に維持することが可能となる。このため、エンジン始動時には、ＮＯｘの浄化に必要な量のアンモニアを選択還元触媒に貯蔵しておくことが可能となる。したがって、図２の（ｃ）のレイアウトを採用した本実施形態の排気浄化システムによれば、常に安定してＮＯｘの排出を抑制することができる。

［ユリア噴射量を決定するモジュールの構成］
次に、図６から図１０を参照して、ユリア噴射弁によるユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡ（尿素水の供給量）を決定するモジュールの詳細な構成について説明する。
本実施形態のモジュールの構成について詳細に説明する前に、まず、アンモニアセンサの出力値ＮＨ３_ＣＯＮＳに基づいてユリア噴射制御を行うにあたり、本願発明者が着眼した２つの課題を検討し、さらにこれら課題を解決するための制御アルゴリズムについて説明する。

（１）アンモニアセンサの検出分解能
上述のように、現存するＮＯｘセンサは、その検出原理上、ＮＯｘに対してだけでなくアンモニアに対しても感応する。一方、ＮＯｘに対しては感応せずに、アンモニアのみに対して感応するアンモニアセンサは、開発可能であることが知られている。しかしながら、このようなアンモニアセンサには検出分解能に限界があり、また、この検出分解能にも個体差があったり、経年劣化によって変化したりする。このため、アンモニアセンサからの出力値ＮＨ３_ＣＯＮＳを目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に厳密に制御するのは困難である。

（２）ＮＯｘ還元率とアンモニアスリップの応答性の不一致
上述のようなアンモニアセンサの分解検出能に関する課題の他、選択還元触媒には、ＮＯｘ還元率とアンモニアスリップとの、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡに対する応答性の不一致の課題がある。具体的には、選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率は、この選択還元触媒におけるアンモニアスリップよりも、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡに対する応答遅れが小さく、また感度が大きい。

図６は、アンモニアセンサの出力値ＮＨ３_ＣＯＮＳが目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に厳密に収束するようにユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを制御した場合におけるＮＯｘ還元率の変化を示す図である。図６において、上段は検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳの時間変化を示し、中段はユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡの時間変化を示し、下段はＮＯｘ還元率の時間変化を示す。
図６に示すように、アンモニアセンサの出力値ＮＨ３_ＣＯＮＳが急増し、アンモニアスリップの発生を検出したことに応じて、このアンモニアスリップを抑制するためにユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを減少すると、アンモニアスリップが抑制される前に、ＮＯｘ還元率が著しく低下してしまう。この際、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳが目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に厳密に収束するように、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを減少させ続けると、ＮＯｘ還元率がさらに低下してしまう。

このように、ＮＯｘ還元率とアンモニアスリップとの間で応答性の不一致が存在することから、たとえ高応答のフィードバックアルゴリズムを適用したとしても、ＮＯｘ還元率の向上とアンモニアスリップの抑制とを両立することは困難である。

図７は、アンモニアセンサの出力値ＮＨ３_ＣＯＮＳが目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}を中心とした目標アンモニアスリップ範囲ＲＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}内にとどまる程度にユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを緩やかに制御した場合におけるＮＯｘ還元率の変化を示す図である。

図７に示すように、アンモニアセンサの出力値ＮＨ３_ＣＯＮＳが目標アンモニアスリップ範囲ＲＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}内にとどまる程度に緩やかにユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを制御した場合、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡの変動を小さくできる。
特に、破線に示すように検出アンモニア濃度が目標アンモニア濃度に厳密に収束するような制御を行った場合、過大なアンモニアスリップが発生すると、このアンモニアスリップを抑制するためにユリア噴射量を大幅に減少し、これによりＮＯｘ還元率が大幅に低下する場合があった。本実施形態によれば、このような過大なアンモニアスリップの発生時における、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡの減少量を低減し、これによりＮＯｘ還元率を高く維持することができる。

このように、ＮＯｘ還元率を高く維持するためには、アンモニアセンサの出力値ＮＨ３_ＣＯＮＳが目標アンモニアスリップ範囲ＲＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}内にとどまる程度に緩やかなユリア噴射量を行うことが好ましい。そこで、このようなユリア噴射制御を行うための制御アルゴリズムについて、より詳細に検討する。

図８は、尿素水の供給状態と、選択還元触媒のストレージ量の変化との関係を模式的に示す図である。図８に示すように、尿素水の供給状態は、選択還元触媒に流入する排気のＮＯｘ濃度に対するユリア噴射量の大きさに応じて、最適状態（図８の（ａ））と、供給過剰（Ｏｖｅｒ−ｄｏｓｉｎｇ）状態（図８の（ｂ））と、供給不足（Ｕｎｄｅｒ−ｄｏｓｉｎｇ）状態（図８の（ｃ））との３つの状態に分類される。

図８の（ａ）に示す最適状態とは、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、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状態をいう。この場合、ストレージ量は変化しない。

図８の（ｂ）に示す供給過剰状態とは、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、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状態をいう。この場合、余剰分のアンモニアは選択還元触媒に貯蔵される。したがって、このような供給過剰状態では、ストレージ量は増加する。

図８の（ｃ）に示す供給不足状態とは、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、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状態をいう。この場合、不足分は貯蔵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状態では、ストレージ量は減少する。

図９は、選択還元触媒においてアンモニアスリップが発生した状態を模式的に示す図である。
図９に示すように、選択還元触媒のストレージ量が最大ストレージ量に達した状態で尿素水を過剰に供給すると、ＮＯｘの還元に供されず余剰となったアンモニアは、選択還元触媒に貯蔵されず下流へ排出する。
上述の図２の（ａ）に示すようなシステムでは、このようなアンモニアスリップが発生した状態は、アンモニアが車外に排出されるため、好ましくない。しかしながら、図２の（ｃ）に示すような２つの選択還元触媒を備える本実施形態では、図９に示すような状態は、第１選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率を向上するためには、好ましい状態であるといえる。また、これに加えて、第１選択還元触媒においてアンモニアスリップを発生させることにより、第２選択還元触媒におけるＮＯｘの還元率を向上することができる。すなわち、第１選択還元触媒と第２選択還元触媒とを合わせた全体でのＮＯｘの還元率を高くするには、図９に示すような状態を維持することが好ましい。

以下では、図９に示す状態を第１選択還元触媒において実現するように、すなわち、第１選択還元触媒のストレージ量が飽和し、かつ、アンモニアスリップが発生した状態を維持するように、ユリア噴射量を決定するモジュールの構成を説明する。

図１０は、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡ（尿素水の供給量）を決定するモジュールの構成を示すブロック図である。このモジュールの機能は、上述のようなハードウェア構成を備えるＥＣＵ３により実現される。
図１０に示すモジュールは、フィードフォワードコントローラ４と、スリップ生成補正入力算出部７と、ストレージ補正入力算出部６と、加算器８と、を含んで構成される。

フィードフォワードコントローラ４は、エンジンの運転状態により変化する排気中のＮＯｘの量に応じて、選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率が最大値を維持するように制御するための制御入力として、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡに対するフィードフォワード噴射量（以下、「ＦＦ噴射量」という）Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}を算出する。すなわち、直感的には、このＦＦ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}は、全体のユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡのうち、第１選択還元触媒に流入する排気のＮＯｘを還元するために必要な量のアンモニアを生成する分に相当する（図９参照）。このフィードフォワードコントローラ４の詳細な構成については、後に図１１〜図１３を参照して詳述する。

スリップ生成補正入力算出部７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た状態を維持するように制御するための制御入力として、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡに対する補正入力（以下、「スリップ生成補正入力」という）Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＰ}を算出する。すなわち、直感的には、このスリップ生成補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＰ}は、全体のユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡのうち、第１選択還元触媒からスリップさせるアンモニアを生成する分に相当する（図９参照）。このスリップ生成補正入力算出部７の詳細な構成については、後に図１４を参照して詳述する。

最大ストレージ容量推定部９は、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}を算出する。
ストレージ量目標値設定部５は、最大ストレージ容量推定部９により算出された第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}に基づいて、第１ストレージ量の目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}を設定する。

ストレージ補正入力算出部６は、第１選択還元触媒のストレージ量が飽和した状態を維持するように制御するための制御入力として、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡに対する補正入力（以下、「ストレージ補正入力」という）Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}を算出する。すなわち、直感的には、このストレージ補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}は、全体のユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡのうち、第１ストレージ量を第１最大ストレージ容量に一致させるために必要な量のアンモニアを生成する分に相当する（図９参照）。このストレージ補正入力算出部６の詳細な構成については、後に図１５〜図２６を参照して詳述する。

加算器８は、下記式（１）に示すように、フィードフォワードコントローラ４により算出されたＦＦ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}と、スリップ生成補正入力算出部７により算出されたスリップ生成補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＰ}と、ストレージ補正入力算出部６により算出されたストレージ補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}とを加算することにより、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを決定する。

ここで、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。

［フィードフォワードコントローラの構成］
次に、図１０、及び図１１から図１３を参照して、フィードフォワードコントローラの詳細な構成について説明する。
上述の（２）の課題で示したように、選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率とアンモニアスリップのユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡに対する応答性は異なる。具体的には、選択還元触媒におけるアンモニアスリップは、この選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率よも、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡに対する応答遅れが大きい。このような選択還元触媒に対してユリア噴射制御を行うにあたり、本願発明者が着眼した課題について説明する。

（３）エンジンの運転状態の変化によるＮＯｘ還元率の低下
図１１は、上述のスリップ生成補正入力算出部６及びストレージ補正入力算出部６のみによりユリア噴射量のフィードバック制御を実行した場合におけるエンジンの負荷、選択還元触媒上流のＮＯｘ濃度、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳ、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡ、及びＮＯｘ還元率の関係を示す図である。

図１１に示すように、時刻ｔ_１からｔ_２にかけてエンジンの負荷が上昇すると、この負荷の上昇に伴い、選択還元触媒の上流側のＮＯｘ濃度が上昇する。この場合、ＮＯｘ還元率が低下するのを防止するために、ＮＯｘ濃度の上昇に合わせてユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを増量する必要がある。しかしながら、ＮＯｘ還元率よりも応答遅れの大きいアンモニアセンサの出力値ＮＨ３_ＣＯＮＳに基づいてフィードバック制御を行った場合、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡの増量が、理想的な場合よりも遅れてしまう。このため、ＮＯｘ還元率が低下する場合がある。

以上のような課題に鑑みて、本実施形態では、フィードフォワードコントローラにより、エンジンの運転状態に応じたＦＦ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}を算出する。具体的には、このフィードフォワードコントローラでは、エンジンの運転状態として、エンジンの回転数ＮＥ、及びエンジンの負荷を表す負荷パラメータＴＲＱに基づいて、例えばマップ検索によりＦＦ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}を決定する。

図１２は、ＦＦ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}を決定するための制御マップの一例を示す図である。
図１２に示すように、この制御マップでは、エンジンの回転数ＮＥ、又は、負荷パラメータＴＲＱが大きくなるに従い、ＦＦ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}はより大きな値に決定される。
これは、エンジンの負荷パラメータＴＲＱが大きいほど、混合気の燃焼温度が上昇することでＮＯｘ排出量が増大し、また、エンジンの回転数ＮＥが大きいほど、単位時間当たりのＮＯｘ排出量が増大するためである。

図１３は、以上のような本実施形態のフィードフォワードコントローラを用いてユリア噴射制御を実行した場合における、エンジンの負荷、選択還元触媒上流のＮＯｘ濃度、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳ、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡ、及びＮＯｘ還元率の関係を示す図である。
なお、この図１３において、実線は、本実施形態の制御結果を示し、破線は、上述のようにフィードバック制御を行った場合の制御結果を示す。

図１３に示すように、時刻ｔ_１からｔ_２にかけてエンジンの負荷が上昇すると、この負荷の上昇に伴い、選択還元触媒の上流側のＮＯｘ濃度が上昇する。ここで、エンジンの負荷が上昇すると、フィードフォワードコントローラにより、ＮＯｘの増加に合わせて適切に設定されたＦＦ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}が算出され、これによりユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを、遅れが生じることなく理想的な噴射量に維持できる。これにより、ＮＯｘ還元率を最高の値で維持できる。
また、このようにＮＯｘ還元率を高く維持することで、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡの大きな変動を防止するとともに、この変動に伴うアンモニアスリップの発生やＮＯｘ還元率の低下をも未然に防ぐことができる。

［スリップ生成補正入力算出部の構成］
次に、図１０及び図１４を参照して、スリップ生成補正入力算出部７の詳細な構成について説明する。
上述のように、本実施形態では、ＮＯｘ還元率を高く維持するために、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た状態を意図的に実現する。しかしながら、ＦＦ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}及びストレージ補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}が正確に算出されたとすると、第１選択還元触媒においてアンモニアスリップは発生せず、アンモニアセンサの検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳは略「０」となる。

そこで、スリップ生成補正入力算出部７は、アンモニアセンサの検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳが「０」以上の所定の値に設定された所定のスリップ目標値ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に一致するようにスリップ生成補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＰ}を算出する。具体的には、このスリップ生成補正入力算出部７は、以下の手順により、スリップ生成補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＰ}を算出する。

先ず、スリップ目標値ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}を実現するために必要なアンモニア量ＧＮＨ３_ＳＬＩＰを、下記式（２）及び（３）により算出する。下記式（２）及び（３）において、Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}（ｋ）はエンジンの排気のボリュームを示し、例えば、後述の図１４に示す制御マップに基づいて推定された値が用いられる。また、Ｋ_ＶＧは排気のアンモニアの密度の単位を有する係数である。

スリップ生成補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＰ}は、下記式（４）に示すように、アンモニア質量ＧＮＨ３_ＳＬＩＰに、変換係数ＫＮＨ３_ＵＲＥＡを乗算することにより算出される。ここで、変換係数ＫＮＨ３_ＵＲＥＡは、尿素水の供給量と、この供給量で生成できるアンモニアの量とを変換する係数である。この変換係数ＫＮＨ３_ＵＲＥＡには、ユリア噴射弁の噴射量特性や、加水分解反応の確率等に応じて異なる値が用いられる。

また、上述の排気ボリュームＶ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}（ｋ）は、例えば、負荷パラメータＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥに基づいて、マップ検索により推定された値が用いられる。
図１４は、排気ボリュームＶ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}を決定するための制御マップの一例を示す図である。この図１４に示すように、この制御マップでは、排気ボリュームＶ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}は、エンジン回転数ＮＥ、又は、負荷パラメータＴＲＱが大きくなるに従い、大きな値に決定される。

なお、本実施形態では、上記式（２）〜（４）に基づいてスリップ生成補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＰ}を算出したが、これに限らない。例えば、アンモニアセンサの検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳをスリップ目標値ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に一致させるようなスリップ生成補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＰ}を決定する制御マップを所定の実験に基づいて設定しておき、この制御マップによりスリップ生成補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＰ}を算出してもよい。
また、本実施形態では、排気ボリュームＶ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}に基づいてスリップ生成補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＰ}を算出したが、これに限らない。例えば、排気ボリュームＶ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}に限らず、第１選択還元触媒に流入する排気の量に相関のあるパラメータを用いることができる。

［ストレージ補正入力算出部６の構成］
次に、ストレージ補正入力算出部６の詳細な構成について、図８、図１０、及び図１５〜図１９を参照して説明する。
ストレージ補正入力算出部６は、上述の図８に示すような第１選択還元触媒のアンモニアストレージモデルに基づいて第１ストレージ量の推定値を算出し、この推定値がストレージ量目標値設定部５により設定された第１ストレージ量の目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}に一致するように、ストレージ補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}を算出する。このようなストレージ補正入力算出部６の具体的な構成として、以下では３つの形態を説明する。

図１５は、ストレージ補正入力算出部の第１の形態の構成を示すブロック図である。
このストレージ補正入力算出部は、上述のようなアンモニアストレージモデルに基づいて構成された制御対象６１と、この制御対象６１のコントローラ６２とを含んで構成される。

制御対象６１は、排気中のＮＯｘを還元する際に余剰となる尿素水の供給量を示す余剰ユリア噴射量Ｄ_ＵＲＥＡを制御入力とし、第１選択還元触媒の第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}を制御出力とする。具体的には、この制御対象６１は、余剰ユリア噴射量Ｄ_ＵＲＥＡに基づいて、貯蔵されるアンモニア量を逐次加算、又は、消費されるアンモニア量を逐次減算することで、第１選択還元触媒の第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}を推定する積分器６１１で構成される。

先ず、余剰ユリア噴射量Ｄ_ＵＲＥＡ（ｋ）は、加算器６３により、下記式（５）に示すように、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡ（ｋ）から、第１選択還元触媒に流入する排気のＮＯｘを還元するために必要なユリア噴射量である理想ユリア噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＩＤＥＡＬ}（ｋ−１）を減算することにより算出される。ここで、アンモニアセンサの検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳ（ｋ−１）が「０」以上である場合、すなわち第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場合には、理想ユリア噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＩＤＥＡＬ}（ｋ−１）に加えて、第１選択還元触媒からスリップしたアンモニアを生成するために必要な尿素水の供給量を示すスリップ生成補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＰ}（ｋ−１）も、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡ（ｋ）から減算する。
なお、このユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡ（ｋ）は、加算器６４により、コントローラ６２で算出されたストレージ補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}（ｋ）に、スリップ生成補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＰ}（ｋ）及びＦＦ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}（ｋ）を加算することで算出される。

なお、上記式（５）の代わりに、上記式（２）〜（４）に基づいて書き換えられた下記式（６）を用いて余剰ユリア噴射量Ｄ_ＵＲＥＡ（ｋ）を算出してもよい。

ここで、理想ユリア噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＩＤＥＡＬ}（ｋ）は、下記式（７）に示すように、ＮＯｘセンサにより検出された第１選択還元触媒に流入する排気のＮＯｘ濃度ＮＯＸ_ＣＯＮＳと、ＮＯｘを還元するために必要な噴射量に変換する変換係数Ｋ_{ＣＯＮＶ＿ＮＯＸ＿ＵＲＥＡ}とを乗算することにより算出される。

またここで、第１選択還元触媒に流入する排気のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサが無い場合には、ＦＦ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}（ｋ）を、理想ユリア噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＩＤＥＡＬ}（ｋ）としてもよい。

積分器６１１では、余剰ユリア噴射量Ｄ_ＵＲＥＡ（ｋ）が第１ストレージ量を増減することに基づいて、下記式（８）に示すような余剰ユリア噴射量Ｄ_ＵＲＥＡ（ｋ）の時間ｋに関する積分演算と、下記式（９）に示すような第１ストレージ量に対するリミット処理とを組み合わせることで、第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}（ｋ）を算出する。

上記式（９）では、第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}（ｋ）に対する下限のリミット処理、すなわち、ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}（ｋ）が最小で「０」となるような処理を施している。
また、上記式（９）では、第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}（ｋ）に対する上限のリミット処理、すなわち、ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}（ｋ）が最大で第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}（ｋ）となるような処理を施している。

コントローラ６２は、第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}（ｋ）が、第１ストレージ量の目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}（ｋ）に収束するように、ストレージ補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}（ｋ）を、ＰＩ制御により算出する。

コントローラ６２では、下記式（１０）に示すように、加算器６２１により、第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}（ｋ）から第１ストレージ量の目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}（ｋ）を減算し、これを第１ストレージ量偏差Ｅ_ＳＴ（ｋ）として定義する。

次に、下記式（１１）に示すように、乗算器６２２により、第１ストレージ量偏差Ｅ_ＳＴ（ｋ）に比例ゲインＫＰ_ＳＴを乗算することで、比例項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｐ}（ｋ）を算出する。

また、下記式（１２）に示すように、積分器６２３及び乗算器６２４により、第１ストレージ量偏差Ｅ_ＳＴ（ｋ）の時間積分値に積分ゲインＫＩ_ＳＴを乗算することで、積分項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｉ}（ｋ）を算出する。

次に、下記式（１３）に示すように、加算器６２５により、比例項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｐ}（ｋ）と積分項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｉ}（ｋ）の和を算出し、これをストレージ補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}（ｋ）として定義する。

図１６は、以上のようなストレージ補正入力算出部の第１の形態により算出された第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}の時間変化を示す図である。図１６において、実線は第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}を示し、破線は第１選択還元触媒が飽和しないと過程した場合における第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}を示す。

上述のように、ストレージモデルとしての制御対象６１は、積分器６１１を備えた構造となっているため、コントローラ６２の比例項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｐ}は積分項となり、また、積分項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｉ}は積分値に対する積分項となる。このため、積分項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｉ}がオーバシュート挙動を示し、図１６の破線に示すように、推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}が目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}の下方から収束した場合に大きなアンモニアスリップが発生する。
そこで以下では、このような課題を解決するストレージ補正入力算出部の第２の形態及び第３の形態について説明する。

図１７は、ストレージ補正入力算出部の第２の形態の構成を示すブロック図である。この第２の形態のストレージ補正入力算出部は、上述の図１５に示す第１の形態と、コントローラ６２Ａの構成が異なる。
このコントローラ６２Ａは、後に詳述するように、制御対象６１の積分器６１１をコントローラの一部として捉えた拡大系ＰＩ制御を用いたコントローラである。

コントローラ６２Ａでは、下記式（１４）に示すように、加算器６２１により、第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}（ｋ）から第１ストレージ量の目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}（ｋ）を減算し、これを第１ストレージ量偏差Ｅ_ＳＴ（ｋ）として定義する。

また、このコントローラ６２Ａでは、上述の課題を解決するために、制御対象６１の積分器６１１をコントローラの一部として捉え、下記式（１５）及び（１６）に示すように、比例項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｐ}（ｋ）及び積分項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｉ}（ｋ）は、それぞれ後に積分されることを考慮して算出される。

具体的には、遅延演算器６２６及び加算器６２７により、第１ストレージ量偏差の微分値Ｅ_ＳＴ（ｋ）−Ｅ_ＳＴ（ｋ−１）を算出し、この微分値に乗算器６２２により比例ゲインＫＰ_ＳＴを乗算したものを、下記式（１５）に示すように、比例項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｐ}（ｋ）として定義する。
また、第１ストレージ量偏差Ｅ_ＳＴ（ｋ）に乗算器６２４により積分ゲインＫＩ_ＳＴを乗算したものを、下記式（１６）に示すように、積分項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｉ}（ｋ）として定義する。

次に、下記式（１７）に示すように、加算器６２５により、比例項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｐ}（ｋ）と積分項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｉ}（ｋ）の和を算出し、これをストレージ補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}（ｋ）として定義する。

図１８は、ストレージ補正入力算出部の第３の形態の構成を示すブロック図である。この第３の形態のストレージ補正入力算出部は、上述の図１７に示す第２の形態と、コントローラ６２Ｂの構成が異なる。
このコントローラ６２Ｂは、上述のコントローラ６２Ａと同様にして制御対象６１の積分器６１１をコントローラの一部として捉えるとともに、積分項のみに第１ストレージ量偏差Ｅ_ＳＴ（ｋ）を与える拡大系Ｉ−Ｐ制御を用いたコントローラである。

コントローラ６２Ｂでは、下記式（１８）に示すように、加算器６２１により、第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}（ｋ）から第１ストレージ量の目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}（ｋ）を減算し、これを第１ストレージ量偏差Ｅ_ＳＴ（ｋ）として定義する。

次に、第１ストレージ量偏差Ｅ_ＳＴ（ｋ）に乗算器６２４により積分ゲインＫＩ_ＳＴを乗算したものを、下記式（１９）に示すように、積分項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｉ}（ｋ）として定義する。

一方、遅延演算器２６８及び加算器６２９により、第１ストレージ量の推定値の微分値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}（ｋ）−ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}（ｋ−１）を算出し、この微分値に乗算器６２２により比例ゲインＫＰ_ＳＴを乗算したものを、下記式（２０）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（２１）に示すように、加算器６２５により、比例項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｐ}（ｋ）と積分項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｉ}（ｋ）の和を算出し、これをストレージ補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}（ｋ）として定義する。

図１９は、以上のようなストレージ補正入力算出部により算出された第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}の時間変化を示す図である。図１９において、実線は第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}を示し、破線は第１選択還元触媒が飽和しないと過程した場合における第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}を示す。また、図１９の（ａ）は、ＰＩ制御を用いた第１の形態による制御結果を示し、図１９の（ｂ）は、拡大系ＰＩ制御を用いた第２の形態による制御結果を示し、図１９の（ｃ）は、拡大系Ｉ−Ｐ制御を用いた第３の形態による制御結果を示す。

図１９の（ｂ）に示すように、拡大系ＰＩ制御を用いた場合、ＰＩ制御を用いた場合に発生した目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}に対する推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}のオーバシュート挙動が解消される。

図１９の（ｃ）に示すように、拡大系Ｉ−Ｐ制御を用いた場合、上述の拡大系ＰＩ制御を用いた場合と比較して、目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}に対する推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}のオーバシュート挙動がさらに解消される。
これは、上記式（２０）に示すように、比例項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｐ}を、第１ストレージ量偏差Ｅ_ＳＴではなく、第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}に基づいて算出したためである。この場合、比例項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｐ}は、第１ストレージ量偏差Ｅ_ＳＴが「０」となるように作用するのではなく、ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}が「０」となるように作用し、これにより、ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}のオーバシュートが抑制される。

［ストレージ量目標値設定部５の構成］
次に、ストレージ量目標値設定部５の詳細な構成について、図１０を参照して説明する。
ストレージ量目標値設定部５は、最大ストレージ容量推定部９により算出された第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}の近傍に、第１ストレージ量の目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}を設定する。上述のような最大ストレージ容量推定部９により算出された第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}を用いることにより、温度、劣化、及び固体ばらつき等に応じて変化する第１最大ストレージ容量の近傍に第１ストレージ量の目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}を設定することができる。

ここで、例えば、第１ストレージ量の目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}を第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}よりもやや大きな値にすることにより、第１選択還元触媒におけるアンモニアスリップの発生の頻度を多くすることができる。また、例えば、第１ストレージ量の目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}を第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}よりもやや小さな値にすることにより、第１選択還元触媒におけるアンモニアスリップの発生の頻度を少なくすることができる。

［最大ストレージ容量推定部９の構成］
次に、最大ストレージ容量推定部９の詳細な構成について、図１０、及び図２０〜図２６を参照して説明する。

上述の図３に示すように、第１最大ストレージ容量は、第１選択還元触媒の温度に応じて変化する。また、このような第１最大ストレージ容量の温度特性は、第１選択還元触媒の劣化に応じて変化する。本実施形態の最大ストレージ容量推定部９は、第１選択還元触媒の温度や劣化の状態に応じて適切に第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}を算出する。以下では、その詳細な構成について説明する。

図２０は、最大ストレージ容量推定部９の構成を示すブロック図である。
最大ストレージ容量推定部９は、第１最大ストレージ容量の基準値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}を算出する基準値算出部９１と、適応係数ＫＶＮＳを算出する適応修正器９２と、第１最大ストレージ容量の基準値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}及び適応係数ＫＶＮＳに基づいて第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}を算出する推定値算出部９９と、を含んで構成される。すなわち、最大ストレージ容量推定部９は、第１選択還元触媒の基準の状態における第１最大ストレージ容量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}を算出するとともに、上記基準の状態からのずれを示す係数ＫＶＮＳを算出する。そして、これら第１最大ストレージ容量の基準値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}及び適応係数ＫＶＮＳに基づいて、第１選択還元触媒の劣化の状態を考慮した第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}を算出する。

［推定値算出部９９の構成］
推定値算出部９９は、下記式（２２）に示すように、基準値算出部９１により算出された第１最大ストレージ容量の基準値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}（ｋ）に、適応修正器９２により算出された適応係数ＫＶＮＳ（ｋ）を乗算することにより、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}（ｋ）を算出する。

［基準値算出部９１の構成］
基準値算出部９１は、触媒温度センサの検出値Ｔ_ＳＣＲと排気ボリュームの推定値Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}との２つのパラメータに基づいて、例えば、マップ検索により第１最大ストレージ容量の基準値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}（ｋ）を算出する。本実施形態では、触媒温度センサの検出値Ｔ_ＳＣＲ、及び排気ボリュームの推定値Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}の２つのパラメータを参照パラメータとする。

ここで、第１最大ストレージ容量の基準値とは、基準状態における第１選択還元触媒の第１最大ストレージ容量を示す。また、本実施形態において、基準状態とは、第１選択還元触媒が劣化する前の新品の状態を示す。

図２１は、第１最大ストレージ容量の基準値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}を決定するための制御マップの一例を示す図である。
図２１に示すように、この制御マップでは、第１選択還元触媒の温度が高くなるに従い、第１最大ストレージ容量の基準値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}は小さな値に設定される。また、排気ボリュームが大きくなるに従い、第１最大ストレージ容量の基準値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}は小さな値に設定される。

［適応修正器９２の構成］
図２０に戻って、適応修正器９２の構成について詳細に説明する。
例えば、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}が、第１選択還元触媒の劣化による第１最大ストレージ容量の実際の変化に正確に追従できている場合、アンモニアセンサの検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳは、スリップ目標値ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に保持される。

しかしながら、例えば、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}が、実際の第１最大ストレージ容量よりも大きい場合には、第１選択還元触媒において過剰なアンモニアスリップが発生し、アンモニアセンサの検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳは、スリップ目標値ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}を大きく上回る。
一方、例えば、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}が、実際の第１最大ストレージ容量よりも小さい場合には、アンモニアセンサの検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳは、スリップ目標値ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に到達しない。このため、システム全体におけるＮＯｘ還元率が低下するおそれがある。

以上のことから、アンモニアセンサの検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳとスリップ目標値ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}との誤差は、第１選択還元触媒の劣化の状態を示す１つの目安となり得る。そこで、この適応修正器９２は、下記式（２３）に示すように、アンモニアセンサの検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳ（ｋ）とスリップ目標値ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}（ｋ）との誤差ＥＮＨ３_ＣＯＮＳ（ｋ）を、加算器９３により算出する。

適応修正器９２は、この誤差ＥＮＨ３_ＣＯＮＳが「０」になるように、すなわち、アンモニアセンサの検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳ（ｋ）がスリップ目標値ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}（ｋ）に一致するように、適応係数ＫＶＮＳを算出する。より具体的には、このような適応係数ＫＶＮＳを算出する構成として、適応修正器９２は、応答曲面設定部９４と、乗算器９８と、補正重み関数設定部９５と、修正値算出部９６と、適応係数算出部９７と、を備える。

［応答曲面設定部９４の構成］
ところで、上述の誤差ＥＮＨ３_ＣＯＮＳは、上述のように第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}が実際の第１最大ストレージ容量からずれたことに応じて生じると考えられるが、この他にも、ＦＦ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}を決定する制御マップの誤差や、ＮＯｘセンサの検出誤差等、様々な要因が考えられる。

しかしながら、上述の図３に示すように、第１選択還元触媒の劣化による第１最大ストレージ容量の変化量は、第１選択還元触媒の温度に応じて異なる。つまり、図３に示す例では、第１選択還元触媒の温度が低くなるに従い、劣化による第１最大ストレージ容量の変化量も大きくなる。

このことは、劣化による第１最大ストレージ容量の変化量が大きい条件下では、誤差ＥＮＨ３_ＣＯＮＳの発生は、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}の誤差を原因とする可能性が高いことを示す。また、これに対して、劣化による第１最大ストレージ容量の変化量が小さい条件下では、誤差ＥＮＨ３_ＣＯＮＳの発生は、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}の誤差を原因とする可能性が低いといえる。

応答曲面設定部９４は、このような他の要因による第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}の誤修正を抑制することを目的として、誤差ＥＮＨ３_ＣＯＮＳに重み付けするための応答曲面重みＷ_ＲＳＭを、図２２に示すような応答曲面に基づいて算出する。

図２２は、応答曲面の一例を示す図であり、２つの参照パラメータ（Ｔ_ＳＣＲ，Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}）を定義域として設定される。
この応答曲面によれば、劣化を原因とした第１最大ストレージ容量の変化量が大きい条件下で、大きな応答曲面重みＷ_ＲＳＭが設定される。より具体的には、応答曲面重みＷ_ＲＳＭは、温度センサの検出値Ｔ_ＳＣＲが小さくなるに従い大きな値に設定される。また、応答曲面重みＷ_ＲＳＭは、排気ボリュームの推定値Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}が大きくなるに従い小さな値に設定される。
なお、この応答曲面は、例えば、２つの参照パラメータ（Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}，Ｔ_ＳＣＲ）のとり得る全ての組み合わせのうち、劣化による第１最大ストレージ容量の変化量が最大となる組み合わせにおける値を「１」とすることにより正規化される。

図２０に戻って、応答曲面設定部９４は、以上のような応答曲面に基づいて、第１選択還元触媒の劣化による最大ストレージ容量の変化量を、誤差ＥＮＨ３_ＣＯＮＳに重み付けする係数として、応答曲面重みＷ_ＲＳＭを算出する。

乗算器９８は、下記式（２４）に示すように、応答曲面設定部９４により算出された応答曲面重みＷ_ＲＳＭ（ｋ）に、誤差ＥＮＨ３_ＣＯＮＳ（ｋ）を乗算することにより、重み付けされた誤差信号ＥＶＮＳ（ｋ）を算出する。

このような応答曲面重みＷ_ＲＳＭを乗算することにより、劣化による第１ストレージ容量の変化量が小さくなるような条件下では、誤差信号ＥＶＮＳは小さな値に設定され、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}の誤修正が抑制される。

［補正重み関数設定部９５の構成］
上述のように、第１選択還元触媒の劣化による第１最大ストレージ容量の変化量は、２つの参照パラメータ（Ｔ_ＳＣＲ，Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}）に応じて異なる。このため、参照パラメータ（Ｔ_ＳＣＲ，Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}）によらない一律の補正係数で、実際の第１最大ストレージ容量に近い推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}を算出することはできない。つまり、一律の補正係数を用いた場合、参照パラメータ（Ｔ_ＳＣＲ，Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}）のある領域では、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}を実際の値に近づけることができても、他の領域では実際の値から外れてしまう。

そこで、本実施形態では、２つの参照パラメータ（Ｔ_ＳＣＲ，Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}）を基底とする空間を複数の領域に分け、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}を実際の値に近づけるための補正量Ｕ_ｉｊ（後述の図２５参照）を、これら領域ごとに算出する。また、このような補正量Ｕ_ｉｊを算出するために、各領域において値を持つ複数の補正重み関数Ｗ_ｉｊを定義する。

図２３は、触媒温度センサの検出値Ｔ_ＳＣＲを定義域とした４つの第１補正重み関数ＷＴ_ｊ（ｊ＝１〜４）を示す図である。
図２３に示すように、４つの第１補正重み関数ＷＴ_ｊは、それぞれ、定義域に互いに重複した４つの領域を定義し、これら領域において「０」でない値を持つように設定される。

より具体的には、定義域は、第１領域［Ｔ_０，Ｔ_２］と、第２領域［Ｔ_１，Ｔ_３］と、第３領域［Ｔ_２，Ｔ_４］と、第４領域［Ｔ_３，Ｔ_５］とに分けられる。ここで、図２３に示すように、Ｔ_０＜Ｔ_１＜Ｔ_２＜Ｔ_３＜Ｔ_４＜Ｔ_５とする。したがって、第１領域と第２領域は区間［Ｔ_１，Ｔ_２］で重複し、第２領域と第３領域は区間［Ｔ_２，Ｔ_３］で重複し、第３領域と第４領域は区間［Ｔ_３，Ｔ_４］で重複する。

関数ＷＴ_１は、第１領域［Ｔ_０，Ｔ_２］において「０」でない値を持つように設定される。より具体的には、関数ＷＴ_１は、区間［Ｔ_０，Ｔ_１］において「１」に設定され、区間［Ｔ_１，Ｔ_２］において「１」から「０」に減少するように設定される。
関数ＷＴ_２は、第２領域［Ｔ_１，Ｔ_３］において「０」でない値を持つように設定される。より具体的には、関数ＷＴ_２は、区間［Ｔ_１，Ｔ_２］において「１」から「０」に上昇するように設定され、区間［Ｔ_２，Ｔ_３］において「１」から「０」に減少するように設定される。したがって、関数ＷＴ_１と関数ＷＴ_２は、区間［Ｔ_１，Ｔ_２］の中心で交差する。
関数ＷＴ_３は、第３領域［Ｔ_２，Ｔ_４］において「０」でない値を持つように設定される。より具体的には、関数ＷＴ_３は、区間［Ｔ_２，Ｔ_３］において「１」から「０」に上昇するように設定され、区間［Ｔ_３，Ｔ_４］において「１」から「０」に減少するように設定される。したがって、関数ＷＴ_２と関数ＷＴ_３は、区間［Ｔ_２，Ｔ_３］の中心で交差する。
関数ＷＴ_４は、第４領域［Ｔ_３，Ｔ_５］において「０」でない値を持つように設定される。より具体的には、関数ＷＴ_４は、区間［Ｔ_３，Ｔ_４］において「１」から「０」に上昇するように設定され、区間［Ｔ_４，Ｔ_５］において「１」に設定される。したがって、関数ＷＴ_３と関数ＷＴ_４は、区間［Ｔ_３，Ｔ_４］の中心で交差する。

ここで、図２３に示すように、温度変化に対する第１最大ストレージ容量の変化量は、温度が低い状態よりも温度が高い状態の方が大きい。このような非線形特性を有する第１最大ストレージ容量を再現するためには、変化量が大きい領域では補正重み関数の分布が密になるように設定することが好ましい。そこで、本実施形態では、区間［Ｔ_３，Ｔ_４］は、区間［Ｔ_１，Ｔ_２］よりも狭くなるように設定する。

また、以上のように構成された第１補正重み関数ＷＴ_ｊは、下記式（２５）に示すように、その総和関数が触媒温度Ｔ_ＳＣＲによらず「１」になるように正規化される。

図２４は、排気ボリュームの推定値Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}を定義域とした４つの第２補正重み関数ＷＶ_ｉ（ｉ＝１〜４）を示す図である。
図２４に示すように、４つの第２補正重み関数ＷＶ_ｉは、それぞれ、定義域に互いに重複した４つの領域を定義し、これら領域において「０」でない値を持つように設定される。

より具体的には、定義域は、第１領域［Ｖ_０，Ｖ_２］と、第２領域［Ｖ_１，Ｖ_３］と、第３領域［Ｖ_２，Ｖ_４］と、第４領域［Ｖ_３，Ｖ_５］とに分けられる。ここで、図２４に示すように、Ｖ_０＜Ｖ_１＜Ｖ_２＜Ｖ_３＜Ｖ_４＜Ｖ_５とする。したがって、第１領域と第２領域は区間［Ｖ_１，Ｖ_２］で重複し、第２領域と第３領域は区間［Ｖ_２，Ｖ_３］で重複し、第３領域と第４領域は区間［Ｖ_３，Ｖ_４］で重複する。

関数ＷＶ_１は、第１領域［Ｖ_０，Ｖ_２］において「０」でない値を持つように設定される。より具体的には、関数ＷＶ_１は、区間［Ｖ_０，Ｖ_１］において「１」に設定され、区間［Ｖ_１，Ｖ_２］において「１」から「０」に減少するように設定される。
関数ＷＶ_２は、第２領域［Ｖ_１，Ｖ_３］において「０」でない値を持つように設定される。より具体的には、関数ＷＶ_２は、区間［Ｖ_１，Ｖ_２］において「１」から「０」に上昇するように設定され、区間［Ｖ_２，Ｖ_３］において「１」から「０」に減少するように設定される。したがって、関数ＷＶ_１と関数ＷＶ_２は、区間［Ｖ_１，Ｖ_２］の中心で交差する。
関数ＷＶ_３は、第３領域［Ｖ_２，Ｖ_４］において「０」でない値を持つように設定される。より具体的には、関数ＷＶ_３は、区間［Ｖ_２，Ｖ_３］において「１」から「０」に上昇するように設定され、区間［Ｖ_３，Ｖ_４］において「１」から「０」に減少するように設定される。したがって、関数ＷＶ_２と関数ＷＶ_３は、区間［Ｖ_２，Ｖ_３］の中心で交差する。
関数ＷＶ_４は、第４領域［Ｖ_３，Ｖ_５］において「０」でない値を持つように設定される。より具体的には、関数ＷＶ_４は、区間［Ｖ_３，Ｖ_４］において「１」から「０」に上昇するように設定され、区間［Ｖ_４，Ｖ_５］において「１」に設定される。したがって、関数ＷＶ_３と関数ＷＶ_４は、区間［Ｖ_３，Ｖ_４］の中心で交差する。

また、以上のように構成された第２補正重み関数ＷＶ_ｉは、下記式（２６）に示すように、その総和関数が排気ボリュームＶ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}によらず「１」になるように正規化される。

図２５は、２つの参照パラメータ（Ｔ_ＳＣＲ，Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}）を定義域とした１６個の補正重み関数Ｗ_ｉｊ（ｉ＝１〜４，ｊ＝１〜４）を示す図である。図２５において、横軸は触媒温度Ｔ_ＳＣＲを示し、縦軸は排気ボリュームＶ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}を示す。図２５に示すように、２つの参照パラメータ（Ｔ_ＳＣＲ，Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}）の定義域には、互いに重複する１６個の領域が定義される。

１６個の補正重み関数Ｗ_ｉｊは、下記式（２７）に示すように、第１補正重み関数ＷＴ_ｊの各成分と第２補正重み関数ＷＶ_ｉの各成分との積により定義される。これにより、１６個の領域においてそれぞれ「０」でない値を持つ補正重み関数Ｗ_ｉｊが定義される。なお、図２５には、４つの補正重み関数Ｗ_１１，Ｗ_２２，Ｗ_３３，Ｗ_４４のみを図示する。

また、上記式（２５）及び（２６）と同様に、補正重み関数Ｗ_ｉｊの総和関数は、下記式（２８）に示すように、２つの参照パラメータ（Ｔ_ＳＣＲ，Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}）によらず「１」となるように正規化される。

図２０に戻って、補正重み関数設定部９５は、複数の第１補正重み関数ＷＴ_ｊが設定された第１補正重み関数算出部９５１と、複数の第２補正重み関数ＷＶ_ｊが設定された第２補正重み関数算出部９５２と、これら第１補正重み関数ＷＴ_ｊ及び第２補正重み関数ＷＶ_ｊに基づいて補正重み関数Ｗ_ｉｊを算出する乗算器９５３と、誤差信号ＥＶＮＳに領域ごとに重み付けする乗算器９５４と、を含んで構成される。

第１補正重み関数算出部９５１は、図２３に示すような制御マップを検索することにより、触媒温度センサの検出値Ｔ_ＳＣＲ（ｋ）に応じた第１補正重み関数の値ＷＴ_ｊ（ｋ）を算出する。

第２補正重み関数算出部９５２は、図２４に示すような制御マップを検索することにより、排気ボリュームの推定値Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}（ｋ）に応じた第２補正重み関数の値ＷＴ_ｉ（ｋ）を算出する。

乗算器９５３は、下記式（２９）に示すように、第１補正重み関数算出部９５１により算出された第１補正重み関数の値ＷＴ_ｊ（ｋ）と第２補正重み関数の値ＷＴ_ｉ（ｋ）との各成分を乗算することにより、補正重み関数の値Ｗ_ｊｊ（ｋ）を算出する。

乗算器９５４は、下記式（３０）に示すように、算出された補正重み関数の値Ｗ_ｊｊ（ｋ）の各成分を誤差信号ＥＶＮＳ（ｋ）に乗算することにより、領域ごとに重み付けされた誤差信号ＷＥＶＮＳ_ｉｊ（ｋ）を算出する。

［補正量算出部９６の構成］
補正量算出部９６は、領域ごとに重み付けされた誤差信号ＷＥＶＮＳ_ｉｊが「０」になるように、第１最大ストレージ容量の基準値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}に対する補正量Ｕ_ｉｊ（ｉ＝１〜４，ｊ＝１〜４）を領域ごとに算出する。

本実施形態では、誤差信号ＷＥＶＮＳ_ｉｊの収束速度を設定できる応答指定型制御アルゴリズムにより、補正量Ｕ_ｉｊを算出する。この応答指定型制御アルゴリズムとは、偏差の収束挙動を規定した関数に基づいて、偏差の収束速度と収束挙動の両方を指定できる制御アルゴリズムのことをいう。

補正量算出部９６は、この応答指定型制御アルゴリズムが実行可能に構成された複数のスライディングモードコントローラを備える。以下では、これらスライディングモードコントローラの動作について説明する。

先ず、下記式（３１）に示すように、切換関数設定パラメータＰＯＬＥ_Ｖと前回制御時の誤差信号ＷＥＶＮＳ_ｉｊ（ｋ−１）との積と、ＷＥＶＮＳ_ｉｊ（ｋ）との和を算出し、これを切換関数σ_Ｖ＿ｉｊ（ｋ）として定義する。なお、切換関数設定パラメータＰＯＬＥ_Ｖは、所定の設定テーブルに基づいて、−１から０の間で設定されたものが用いられる。

次に、切換関数σ_Ｖ＿ｉｊ（ｋ）に基づいて、到達則入力Ｕ_{ＲＣＨ＿Ｖ＿ｉｊ}（ｋ）、及び適応則入力Ｕ_{ＡＤＰ＿Ｖ＿ｉｊ}（ｋ）を算出し、さらに下記式（３２）に示すように、これらＵ_ＲＣＨ（ｋ）、及びＵ_ＡＤＰ（ｋ）の和を算出し、これを補正量Ｕ_ｉｊ（ｋ）として定義する。

到達則入力Ｕ_{ＲＣＨ＿Ｖ＿ｉｊ}（ｋ）は、偏差状態量を切換直線上に載せるための入力であり、下記式（３３）に示すように、切換関数σ_Ｖ＿ｉｊ（ｋ）に所定の到達則制御ゲインＫ_{ＲＣＨ＿Ｖ}を乗算することで算出される。

適応則入力Ｕ_{ＡＤＰ＿Ｖ＿ｉｊ}（ｋ）は、モデル化誤差や外乱の影響を抑制し、偏差状態量を切換直線に載せるための入力であり、下記式（３４）に示すように、切換関数σ_Ｖ＿ｉｊ（ｋ）と所定の適応則ゲインＫ_{ＡＤＰ＿Ｖ}を乗算したものと、前回制御時の適応則入力Ｕ_{ＡＤＰ＿Ｖ＿ｉｊ}（ｋ−１）との和により算出される。

［適応係数算出部９７の構成］
適応係数算出部９７は、下記式（３５）に示すように、補正量Ｕ_ｉｊ（ｋ）と補正重み関数の値Ｗ_ｉｊとの積の全領域（ｉ＝１〜４，ｊ＝１〜４）に亘る総和に、「１」を加算することにより、適応係数ＫＶＮＳを算出する。

ここで、上記式（３５）に示すように、ＫＶＮＳ（ｋ）を算出する際に「１」を加算することにより、制御開始時における第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}（ｋ＝０）を、基準値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}（ｋ＝０）と等しくすることができる。なお、制御開始時におけるＵ_{ＡＤＰ＿Ｖ＿ｉｊ}（ｋ＝０）を「１」とした場合には、上記式（３５）において「１」を加算する必要はない。

次に、図２６を参照して、最大ストレージ容量推定部により、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}を算出する手順について説明する。図２６には、上段から下段に向かって順に、第１最大ストレージ容量と、適応係数ＫＶＮＳと、Ｗ_ｉｊＵ_ｉｊと、補正量Ｕ_ｉｊと、第１補正重み関数ＷＴ_ｊとを示す。
ここでは、図２６に示すように、実際の第１最大ストレージ容量が基準値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}から大きくずれた状況を想定する。また、以下では、補正重み関数Ｗ_ｉｊ及び修正量Ｕ_ｉｊが定義された複数の領域のうち、触媒温度センサの検出値Ｔ_ＳＣＲに関する成分についてのみ説明する。

先ず、第１補正重み関数ＷＴ_ｉ１，ＷＴ_ｉ２，ＷＴ_ｉ３，ＷＴ_ｉ４が定義された４つの領域について、誤差信号ＷＥＶＮＳ_ｉ１，ＷＥＶＮＳ_ｉ２，ＷＥＶＮＳ_ｉ３，ＷＥＶＮＳ_ｉ４が「０」になるように、領域ごとの補正量Ｕ_ｉ１，Ｕ_ｉ２，Ｕ_ｉ３，Ｕ_ｉ４が算出される。

さらに第１補正重み関数と補正量との積の全領域に亘る総和関数は、第３段目に示すように、第１選択還元触媒の温度に応じてほぼ連続的に変化する関数となる。
このような、ほぼ連続的に変化する総和関数Ｕ_ｉ１Ｗ_ｉ１＋Ｕ_ｉ２Ｗ_ｉ２＋Ｕ_ｉ３Ｗ_ｉ３＋Ｕ_ｉ４Ｗ_ｉ４に基づいて適応係数ＫＶＮＳを算出することにより、実際の変化量に近い適応係数ＫＶＮＳを算出することができる。さらに、このような適応係数ＫＶＮＳに基づいて第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}を算出することにより、実際の第１最大ストレージ容量に近い推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}を算出することができる。

［ユリア噴射制御処理の手順］
次に、ユリア噴射制御処理の具体的な手順について、図２７を参照して説明する。
図２７は、ＥＣＵにより実行されるユリア噴射制御処理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処理は、上述の手法により、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。

ステップ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、ステップ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、ステップＳ２に移る。

ステップ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選択還元触媒及び第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、ステップ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、ステップＳ３に移る。

ステップＳ３では、ユリア残量Ｑ_ＵＲＥＡ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、ステップＳ４に移り、ＮＯの場合には、ステップＳ５に移る。
ステップＳ４では、ユリア残量警告灯を点灯し、ステップ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。

ステップ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、ステップＳ６に移る。この判別がＮＯの場合には、ステップ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。

ステップ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アンモニアセンサ、又は、触媒温度センサ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、ステップＳ７に移る。この判別がＮＯの場合には、ステップ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。

ステップ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。このアンモニアセンサ活性フラグＦ_{ＮＨ３ＡＣＴ}は、図示しない判定処理においてアンモニア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、ステップＳ８に移る。この判別がＮＯの場合には、ステップ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。

ステップ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、ステップ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、ステップ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。

ステップＳ１０では、上述のストレージ量目標値設定部及び最大ストレージ容量推定部により、式（２２）〜（３５）に基づいて第１ストレージ量の目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}を算出し、ステップＳ１１に移る。
ステップＳ１１では、上述のフィードフォワードコントローラにより、ＦＦ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}を算出し、ステップＳ１２に移る。

ステップＳ１２では、上述のストレージ補正入力算出部により、式（５）〜（２１）に基づいてストレージ補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}を算出し、ステップＳ１３に移る。
ステップＳ１３では、上述のスリップ生成補正入力算出部により、式（２）〜（４）に基づいてスリップ生成補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＰ}を算出し、ステップＳ１４に移る。
ステップＳ１４では、上述の加算器により、式（１）に基づいてユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを算出し、この処理を終了する。

［シミュレーション結果］
次に、本実施形態のユリア噴射制御のシミュレーション結果について、図２８〜図３１を参照して詳述する。なお、本シミュレーションでは、スリップ目標値ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}を、ほぼ「０」に設定した場合を示す。

図２８は、選択還元触媒を新品とし、かつ、適応係数ＫＶＮＳを強制的に「１」に設定した場合におけるシミュレーション結果を示す。
この場合、選択還元触媒は新品としたため、適応係数ＫＶＮＳを強制的に「１」に設定しても、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}は、実際の第１最大ストレージ容量に一致する。このため、第１ストレージ容量は、実際の第１最大ストレージ容量に制御される。
また、エンジンの運転状態に応じて、アンモニアセンサの検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳがスリップ目標値ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}を上回ってしまい、結果として、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、第１選択還元触媒の下流側にアンモニアが排出される。しかしながら、このアンモニアは第２選択還元触媒に貯蔵され、ＮＯｘの浄化に使用されるため、第２選択還元触媒においてアンモニアスリップは発生しない。

図２９は、選択還元触媒を新品とし、かつ、上記アルゴリズムにより適応係数ＫＶＮＳを算出した場合におけるシミュレーション結果を示す。
図２９に示すように、エンジンの運転状態に応じて、アンモニアセンサの検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳがスリップ目標値ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}を上回る場合がある。しかしながら、図２８に示す結果とは異なり、このずれは次第に小さくなる。これは、適応係数ＫＶＮＳを「１」より小さくすることで、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}が減少側に補正されたためである。
このように、本実施形態の排気浄化システムによれば、適応係数ＫＶＮＳを変化させることにより、アンモニアセンサの検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳをスリップ目標値ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に高い精度で一致させることができる。

図３０は、選択還元触媒を劣化品とし、かつ、適応係数ＫＶＮＳを強制的に「１」に設定した場合におけるシミュレーション結果を示す。
選択還元触媒を劣化品とした場合、第１最大ストレージ容量の基準値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}は、実際の第１最大ストレージ容量からずれる。このため、適応係数ＫＶＮＳを強制的に「１」にすると、図３０に示すように、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}は、実際の第１最大ストレージ容量に対して大きくなる。したがって、エンジンの運転状態の変化に対するアンモニアセンサの検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳの目標値ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に対するずれの大きさは、上述の図２８及び図２９に示す結果と比較して大きくなる。このため、第１選択還元触媒からスリップしたアンモニアを第２選択還元触媒で貯蔵しきれなくなり、第２選択還元触媒においてもアンモニアスリップが発生してしまう。

図３１は、選択還元触媒を劣化品とし、かつ、上記アルゴリズムにより適応係数ＫＶＮＳを算出した場合におけるシミュレーション結果を示す。
選択還元触媒を劣化品とした場合、シミュレーションの開始直後は、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}は、実際の第１最大ストレージ容量よりも大きな値が算出される。このため、シミュレーションの開始直後では、第１選択還元触媒において過剰なアンモニアスリップが発生し、第２選択還元触媒においてもアンモニアスリップが発生する。

しかしながら、時間が経過するにつれて、適応係数ＫＮＶＳがより小さな値に変化し、結果として第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}は、実際の第１最大ストレージ容量に近いより小さな値に補正される。このため、エンジンの運転状態の変化に対するアンモニアセンサの検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳの目標値ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に対するずれの大きさは、時間の経過とともに小さくなる。このため、第１選択還元触媒及び第２選択還元触媒ともにアンモニアスリップは抑制される。なお、図示を省略するが、さらに時間が経過すると、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}は、実際の第１最大ストレージ容量に収束することが確認された。
このように、本実施形態の排気浄化システムによれば、適応係数ＫＶＮＳを変化させることにより、選択還元触媒が劣化した場合であっても、アンモニアセンサの検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳをスリップ目標値ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に高い精度で一致させることができる。

本実施形態では、例えば、アンモニアセンサ２６により還元剤検出手段が構成され、ＥＣＵ３により、ストレージ量推定値算出手段、第１入力成分算出手段、第２入力成分算出手段、供給量決定手段、ストレージ量目標値設定手段、最大ストレージ容量推定値算出手段、基準値算出手段、応答曲面設定手段、補正重み関数設定手段、修正値算出手段、及び推定値算出手段が構成される。

具体的には、例えば、ストレージ量目標値設定部５によりストレージ量目標値設定手段が構成され、ストレージ補正入力算出部６の制御対象６１によりストレージ量推定値算出手段が構成され、コントローラ６２，６２Ａ，６２Ｂにより第１入力成分算出手段が構成される。また、例えば、スリップ生成補正入力算出部７により第２入力成分算出手段が構成され、加算器８により供給量決定手段が構成され、最大ストレージ容量推定部９により最大ストレージ容量推定値算出手段が構成され、基準値算出部９１により基準値算出手段が構成され、応答曲面設定部９４により応答曲面設定手段が構成され、補正重み関数設定部９５により補正重み関数設定手段が構成され、補正量算出部９６により修正値算出手段が構成され、推定値算出部９９により推定値算出手段が構成される。

以上詳述したように、本実施形態によれば、排気通路１１に、下流側へ向かって順に第１選択還元触媒２３１と第２選択還元触媒２３２を設け、さらに、第１選択還元触媒２３１及び第２選択還元触媒２３２の上流側から尿素水を供給するユリア噴射装置２５と、第１選択還元触媒２３１と第２選択還元触媒２３２との間の排気のアンモニア濃度又はアンモニア量を検出するアンモニアセンサ２６と、を設けた。ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡは、第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}がストレージ量目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}に一致するように算出されたストレージ補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}と、アンモニアセンサ２６の検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳがスリップ目標値ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に一致するように算出されたスリップ生成補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＰ}とに基づいて決定される。
これにより、第１選択還元触媒２３１における第１ストレージ量を最大に維持することができる。したがって、定常から過渡の全ての運転条件において、第１選択還元触媒２３１におけるＮＯｘ還元率を最も高い状態に維持することができる。また、第１選択還元触媒２３１から第２選択還元触媒２３２へアンモニアを意図的にスリップさせることで、このスリップしたアンモニアを利用して第２選択還元触媒２３２においてもＮＯｘを還元することができる。また、第２選択還元触媒２３２へスリップしたアンモニアでＮＯｘを還元することにより、第２選択還元触媒２３２の下流へアンモニアが排出するのを防止できる。したがって、選択還元触媒２３の下流へアンモニアが排出するのを抑制しながら、排気浄化システム２全体として高いＮＯｘ還元率を維持できる。

本実施形態によれば、ストレージ量目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}は、第１選択還元触媒２３１の温度に応じて変化する最大ストレージ容量の近傍に設定される。これにより、例えば、第１選択還元触媒２３１の第１ストレージ量が最大ストレージ容量に対して少ない状態であっても、第１ストレージ量を速やかに最大ストレージ容量に復帰させて、ＮＯｘ還元率が低下した状態が続くのを防ぐことができる。また、例えば、過渡時において第１選択還元触媒２３１の温度が上昇し、第１最大ストレージ容量が減少した場合であっても、これに合わせてストレージ量目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}を最大ストレージ容量の近傍に設定することで、不要なアンモニアスリップを抑制することができる。

本実施形態によれば、第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}は、第１選択還元触媒２３１からスリップしたアンモニアを生成するために必要な尿素水の供給量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＬＰ}をユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡから減算した量と、第１選択還元触媒２３１に流入するＮＯｘの量に相関のあるパラメータＧ_{ＵＲＥＡ＿ＩＤＥＡＬ}とに基づいて算出される。これにより、第１ストレージ量を増減させる要因を考慮して、正確な第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}を算出することができる。また、正確な第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}を算出することにより、排気浄化システム２全体のＮＯｘ還元率を高く維持することができる。

本実施形態によれば、第１選択還元触媒２３１からスリップしたアンモニアにより、第２選択還元触媒２３２において排気中のＮＯｘを還元することができる。これにより、第１選択還元触媒２３１からスリップしたアンモニアでＮＯｘを還元しつつ、第２選択還元触媒２３２の下流へアンモニアが排出するのをさらに抑制することができる。

本実施形態によれば、排気通路１１に、第１選択還元触媒２３１を設け、さらに、第１選択還元触媒２３１の上流側から尿素水を供給するユリア噴射装置２５と、第１選択還元触媒２３１の下流側の排気のアンモニア濃度又はアンモニア量を検出するアンモニアセンサ２６と、を設けた。また、第１ストレージ量の目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}は、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}の近傍に設定され、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡのストレージ補正入力Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}は、第１ストレージ量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}が第１ストレージ量の目標値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}に一致するように算出される。特にここで、最大ストレージ容量推定部９は、アンモニアセンサ２６の検出値ＮＨ３_ＣＯＮＳがスリップ目標値ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に一致するように、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}を算出する。
これにより、第１選択還元触媒２３１の劣化により、その最大ストレージ容量が変化した場合であっても、この変化に合わせて第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}を正確に算出することができる。したがって、第１ストレージ量を第１最大ストレージ容量の近傍に維持し、第１選択還元触媒２３１の下流へアンモニアが排出するのを抑制しながら、第１選択還元触媒２３１のＮＯｘ還元率を高く維持することができる。
また、第１選択還元触媒２３１の上流側に酸化触媒やディーゼルパティキュレートフィルタを設けた場合、これら酸化触媒やフィルタの劣化によってＮＯ_２生成能力が変化し、第１選択還元触媒２３１におけるアンモニアとＮＯｘの反応確率が変化する場合がある。このような場合であっても、上記反応確率の変化を、第１最大ストレージ容量の変化として感知し、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}を適切に算出することができる、したがって、第１ストレージ量を適切な値に維持し、第１選択還元触媒２３１の下流へアンモニアが排出するのを抑制しながら、第１選択還元触媒２３１のＮＯｘ還元率を高く維持することができる。

本実施形態によれば、触媒温度センサ２７の検出値Ｔ_ＳＣＲ及び排気ボリュームの推定値Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}を参照パラメータとして、第１最大ストレージ容量の基準値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}は、この参照パラメータに基づいて算出される。また、この参照パラメータを基底とする空間に複数の領域を定義し、誤差パラメータＥＮＨ３_ＣＯＮＳが「０」となるように、これら領域ごとに基準値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}に対する補正量Ｕ_ｉｊを算出する。第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}は、これら領域ごとの補正量Ｕ_ｉｊに基づいて算出される。
これにより、触媒温度センサ２７の検出値Ｔ_ＳＣＲ及び排気ボリュームの推定値Ｖ_{ＥＸ＿ＨＡＴ}の量の全ての領域において、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}を正確に算出することができる。このため、上述のように第１選択還元触媒２３１が劣化したり、第１選択還元触媒２３１の上流側の酸化触媒やディーゼルパティキュレートフィルタが劣化したりした場合であっても、第１ストレージ量を適切な値に維持し、第１選択還元触媒２３１の下流へアンモニアが排出するのを抑制しながら、第１選択還元触媒２３１のＮＯｘ還元率を高く維持することができる。

本実施形態によれば、上記領域ごとの補正量Ｕ_ｉｊは、領域ごとに設定された補正重み関数の値Ｗ_ｉｊに誤差信号ＥＶＮＳを乗算した値ＷＥＶＮＳ_ｉｊに基づいて算出される。これにより、誤差信号ＥＶＮＳが値を持った場合、すなわち第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}に誤差が生じたと考えられる場合には、この誤差を修正するべき領域の補正量Ｕ_ｉｊのみを適切に更新することができる。したがって、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}をより正確に算出することができる。

本実施形態によれば、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}は、補正量Ｕ_ｉｊと補正重み関数の値Ｗ_ｉｊとの積の全領域に亘る総和に基づいて算出された適応係数ＫＶＮＳに、上記基準値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}を乗算することにより算出される。これにより、参照パラメータで定義される全領域で、連続的な第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}を算出することができる。したがって、参照パラメータが変化した際には、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡも連続的に変化させることができるため、結果として、第１選択還元触媒２３１の下流へアンモニアが排出するのを抑制しながら、第１選択還元触媒２３１におけるＮＯｘ還元率を高く維持することができる。

ところで、誤差パラメータＥＮＨ３_ＣＯＮＳが値を持つ要因としては、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}の誤差の他にも、様々な要因が考えられる。このため、重み付けされていない誤差パラメータＥＮＨ３_ＣＯＮＳに基づいて第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}を算出すると、上記の他の要因により第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}に誤修正が生じる場合がある。
本実施形態によれば、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}は、第１選択還元触媒２３１の劣化による第１最大ストレージ容量の変化量を重み付けする応答曲面の値Ｗ_ＲＳＭに、誤差パラメータＥＮＨ３_ＣＯＮＳを乗算した誤差信号ＥＶＮＳに基づいて算出される。このように誤差パラメータＥＮＨ３_ＣＯＮＳに、劣化による第１最大ストレージ容量の変化量を重み付けすることにより、上述のような第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}の誤修正を抑制し、参照パラメータの全領域に亘って正確に推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}を算出することができる。

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、応答指定型制御アルゴリズムにより、補正量Ｕ_ｉｊを算出したが、これに限らない。例えば、ＰＩＤ制御アルゴリズム、最適制御アルゴリズム、及びバックステッピング制御アルゴリズム等、その他の既知のフィードバックアルゴリズムにより補正量Ｕ_ｉｊを算出してもよい。

上記実施形態では、式（２２）に示すように、式（３５）により算出された適応係数ＫＶＮＳ（ｋ）を、第１最大ストレージ容量の基準値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}（ｋ）に乗算することにより、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}（ｋ）を算出したが、これに限らない。例えば、下記式（３６）により算出された適応加算補正量ＤＶＮＳ（ｋ）を、下記式（３７）に示すように、第１最大ストレージ容量の基準値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＢＳ}（ｋ）に加算することにより、第１最大ストレージ容量の推定値ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ}（ｋ）を算出してもよい。

また、上記実施形態では、アンモニアを還元剤とし、かつ、この還元剤の元となる添加剤として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、これに限るものではない。
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、アンモニアの元となる添加剤としては、尿素水に限らず他の添加剤を用いてもよい。また、ＮＯｘを還元するための還元剤はアンモニアに限るものではない。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。

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、還元剤の存在下で前記排気通路を流通する排気中のＮＯｘを還元する選択還元触媒を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記排気通路のうち前記選択還元触媒の上流側に、還元剤又は還元剤の元となる添加剤を供給する還元剤供給手段と、
   前記排気通路のうち前記選択還元触媒の下流側を流通する排気の還元剤濃度又は還元剤量を検出する還元剤検出手段と、
   前記選択還元触媒に貯蔵された還元剤の量をストレージ量として、当該ストレージ量の推定値を算出するストレージ量推定値算出手段と、
   前記ストレージ量の推定値が所定のストレージ量目標値に一致するように、前記還元剤供給手段による還元剤又は添加剤の供給量の第１入力成分を算出する第１入力成分算出手段と、
   前記選択還元触媒で貯蔵できる還元剤の量を最大ストレージ容量として、前記選択還元触媒の温度に応じて変化する最大ストレージ容量の推定値を算出する最大ストレージ容量推定値算出手段と、
   前記最大ストレージ容量の推定値の近傍に、前記ストレージ量目標値を設定するストレージ量目標値設定手段と、を備え、
   前記最大ストレージ容量推定値算出手段は、前記還元剤検出手段の検出値が所定のスリップ目標値に一致するように、前記最大ストレージ容量の推定値を算出し、さらに、
   前記選択還元触媒の温度に相関のあるパラメータ及び前記選択還元触媒に流入する排気の量に相関のあるパラメータの少なくとも何れかを参照パラメータとして、当該参照パラメータに基づいて前記最大ストレージ容量の基準値を算出する基準値算出手段と、
   前記参照パラメータを基底とする空間に、互いに重複する複数の領域を定義するとともに、前記還元剤検出手段の検出値の前記スリップ目標値に対する誤差パラメータが「０」になるように、前記領域ごとに前記基準値に対する修正値を算出する修正値算出手段と、
   前記基準値算出手段により算出された基準値及び前記修正値算出手段により算出された前記領域ごとの修正値に基づいて、前記最大ストレージ容量の推定値を算出する推定値算出手段と、
   前記参照パラメータを定義域とし、かつ、前記複数の領域においてそれぞれ「０」でない値を持つ補正重み関数を、前記領域ごとに設定する補正重み関数設定手段と、を備え、
   前記補正重み関数は、その総和関数が所定の値になるように正規化され、
   前記領域ごとの修正値は、前記領域ごとの補正重み関数の値に前記誤差パラメータを乗算した値に基づいて算出され、
   前記推定値算出手段は、前記修正値と前記補正重み関数の値との積の全領域に亘る総和に基づいて算出された係数と、前記基準値算出手段により算出された基準値とに基づいて、最大ストレージ容量の推定値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。
2. 前記推定値算出手段は、
   前記修正値と前記補正重み関数の値との積の全領域に亘る総和に基づいて算出された係数に、前記基準値算出手段により算出された基準値を乗算することにより、最大ストレージ容量の推定値を算出す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. 前記推定値算出手段は、
   前記修正値と前記補正重み関数の値との積の全領域に亘る総和に基づいて算出された係数に、前記基準値算出手段により算出された基準値を加算することにより、最大ストレージ容量の推定値を算出す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。
4. 前記最大ストレージ容量推定値算出手段は、
   前記選択還元触媒の劣化による最大ストレージ容量の変化量を重み付けする応答曲面を、前記参照パラメータを定義域として設定する応答曲面設定手段をさらに備え、
   前記最大ストレージ容量の推定値は、前記応答曲面の値に前記誤差パラメータを乗算した値に基づいて算出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化システム。

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