JP5259653B2 - 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。また、特許文献１に記載されているように、この限界量は、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。したがって、例えば、選択還元触媒に限界量に近い量のアンモニアが吸着されている状態でその温度が上昇すると、吸着していたアンモニアの一部が下流側へ排出されてしまう。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その温度に応じて適切な量に制御する必要がある。

特開２００９−２９３４４４号公報

以上のように、尿素水を増減することでアンモニアの吸着量を制御できるものの、このときの吸着量の変化速度と、選択還元触媒の温度変化に起因した限界量の変化速度を比較すると、温度変化が急であると限界量の変化速度の方が速くなる場合がある。
例えば、選択還元触媒が高温になると限界量も少なくなるので、それまでに選択還元触媒に吸着されていたアンモニアが下流側へ排出されないように、限界量の減少速度よりも速く吸着量を減少させる必要がある。しかしながら、上述のように急激に温度が上昇した場合、吸着量の減少速度よりも限界量の減少速度が勝ってしまい、吸着しきれずに限界量を超えた分のアンモニアが下流側へ排出してしまうこととなる。

本発明は、選択還元触媒に急激な温度変化があった場合であっても、捕捉しておいた還元剤が下流側へ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（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）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（例えば、アンモニア）又は還元剤の元となる添加剤（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、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、前記選択還元触媒の現在から所定時間（ＴＰＲＥ）後の温度に相当する予測温度を推定する温度予測手段（例えば、後述の触媒温度予測部５３）と、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、後述のストレージ量推定部５６）と、前記推定された予測温度（Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}）に基づいて、前記ストレージ量の目標値に相当する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、前記推定されたストレージ量（ＳＴ_ＵＲＥＡ）が前記算出された目標ストレージ量（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}）になるように、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，Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}）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、を備える。

本発明では、選択還元触媒の現在から所定時間後の温度に相当する予測温度を推定し、この予測温度に基づいて目標ストレージ量を算出し、ストレージ量が目標ストレージ量になるように還元剤供給手段による供給量を算出する。したがって、例えば、現在から所定時間後に急激に温度が上昇することが予測された場合には、これに応じて目標ストレージ量を現在よりも減少させ、ストレージ量をこの目標ストレージ量に合わせて少なくすることができる。したがって、上記所定時間後に実際の限界量が低下するよりも速く実際のストレージ量を減少させることができるので、捕捉されていた還元剤が選択還元触媒から下流側へ排出するのを抑制することができる。

この場合、前記排気浄化システムは、前記排気系の温度を制御する排気系温度制御手段（例えば、後述の排気系温度制御部４）をさらに備え、前記温度予測手段は、前記排気系温度制御手段による温度制御時における前記選択還元触媒の目標温度を予測温度とすることが好ましい。

本発明では、排気系温度制御手段により排気系の温度を制御しながら、このときの選択還元触媒の目標温度を予測温度とし、この予測温度に基づいて目標ストレージ量を算出し、この目標ストレージ量になるようにストレージ量を制御する。このように選択還元触媒のストレージ量の制御を排気系の温度制御と協調させることにより、選択還元触媒にできるだけ多くの還元剤を捕捉させながら、還元剤が下流側へ排出されるのを抑制することができる。

この場合、前記排気浄化システムは、前記排気系に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集する排気浄化フィルタ（例えば、後述のＤＰＦ２２）をさらに備え、前記排気系温度制御手段は、前記排気浄化フィルタを昇温し、捕集された粒子状物質を燃焼除去することにより当該排気浄化フィルタを再生し、前記温度予測手段は、前記排気浄化フィルタの再生の際には、予め学習されたフィルタ再生時における選択還元触媒の温度変化態様に基づいて予測温度を推定することが好ましい。

本発明では、排気浄化フィルタの再生の際には、予め学習されたフィルタ再生時における選択還元触媒の温度変化態様に基づいて予測温度を推定することにより、選択還元触媒の温度が急激に上昇することを予測できる。したがって、この予測に応じて、選択還元触媒の温度が上昇する前に尿素水の供給量を減量することができるので、排気浄化フィルタの再生前に選択還元触媒に捕捉されていた還元剤が、再生中に排出されてしまうのを抑制することができる。

この場合、前記温度予測手段は、前記内燃機関の始動時は、予め学習された内燃機関始動時における選択還元触媒の温度変化態様に基づいて予測温度を推定することが好ましい。

本発明では、内燃機関の始動時は、予め学習された内燃機関始動時における選択還元触媒の温度変化態様に基づいて予測温度を推定することにより、選択還元触媒の温度が上昇することを予測できる。したがって、この予測に応じて選択還元触媒の温度が上昇する前に尿素水の供給量を減量することができるので、内燃機関の始動前に選択還元触媒に捕捉されていた還元剤が、内燃機関始動時に排出されてしまうのを抑制することができる。

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。 上記実施形態に係る選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率と、選択還元触媒の温度との関係を示す図である。 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。 上記実施形態に係る目標ストレージ量を算出するためのマップの一例である。 上記実施形態に係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。 上記実施形態に係る排気浄化システムの制御例を示すタイムチャートである。

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（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。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、ユリア選択還元触媒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。

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。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還元率は高くなる。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選択還元触媒のストレージ量が所定の目標値に維持されるようにユリア噴射制御を行うことにより、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、アンモニアスリップの発生も極力抑制する。

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、イグニッションスイッチ１６等が接続されている。

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。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。イグニッションスイッチ１６は、図示しない車両の運転席に設けられ、エンジンの始動又は停止を指令する信号をＥＣＵ３に送信する。

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。

以下、このＥＣＵ３に構成された、排気系の温度制御の実行に係る排気系温度制御部４と、この排気系の温度制御と協調し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、順に説明する。

［排気系温度制御部４］
先ず、排気系温度制御部４について説明する。
図２は、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率と、選択還元触媒の温度との関係を示す図である。選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率は、触媒温度に対し上に凸の特性を示す。したがって選択還元触媒には、ＮＯｘ浄化率を高く維持するために最適な温度が存在する。図２に示す例では、この最適温度は約２５０℃となっている。

図１に戻って、排気系温度制御部４では、選択還元触媒２３１，２３２におけるＮＯｘ浄化性能を高く維持するため、上記最適温度を第１選択還元触媒２３１の目標温度として設定し、第１選択還元触媒２３１の温度をこの目標温度に維持するように、エンジン１の点火時期や目標空燃比を変更したり、ポスト噴射（排気工程中における燃料噴射）を実行したりする。

ところで、ＤＰＦ２２におけるＰＭの堆積量が大きくなると圧損が大きくなりエンジン１の燃費が悪化したり出力が低下したりするので、ＤＰＦ２２に堆積したＰＭを燃焼除去することによりＤＰＦ２２を再生する必要がある。

そこで、排気系温度制御部４は、燃料噴射量やエンジン回転数などからＤＰＦ２２におけるＰＭ堆積量ＱＰＭを積算し、このＰＭ堆積量ＱＰＭが所定の閾値ＱＰＭ_{ＲＥＧ＿ＳＴＡＲＴ}を上回った場合にはＤＰＦ２２を再生する時期に達したと判断し、ＤＰＦ２２に捕集されたＰＭを燃焼除去しＤＰＦを再生するべく、ＤＰＦ２２を昇温する。この際、排気系温度制御部４は、ＰＭの燃焼温度である約６００℃をＤＰＦ２２の目標温度として設定し、ＤＰＦ２２の温度をこの目標温度に所定期間にわたって維持するように、エンジン１の点火時期や目標空燃比を変更したり、ポスト噴射を実行したりする。

［ユリア噴射制御部５］
次に、ユリア噴射制御部５について説明する。
図３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、触媒温度予測部５３と、触媒温度推定部５４と、目標ストレージ量算出部５５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３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、触媒温度予測部５３、触媒温度推定部５４、目標ストレージ量算出部５５、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、第１選択還元触媒のストレージ量を後述の目標値に維持するためのユリア噴射量に相当する。

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。

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変換係数である。より具体的には、変換係数Ｋ_{ＣＯＮＶ＿ＮＯＸ＿ＵＲＥＡ}は、所定の量のＮＯｘを還元するために必要なユリア噴射量である。

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、触媒温度予測部５３、目標ストレージ量算出部５５、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、現在の第１選択還元触媒の温度に相当する現在触媒温度Ｔ_ＣＡＴ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号など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、及び車速などの車両の走行状態を示すパラメータが用いられる。

触媒温度予測部５３は、第１予測温度算出部５３１と、第２予測温度算出部５３２と、第３予測温度算出部５３３と、第４予測温度算出部５３４と、予測温度セレクタ５３５とを含んで構成され、これらにより現在から所定の予測時間ＴＰＲＥ後の第１選択還元触媒の温度に相当する予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}を推定する。より具体的には、各予測温度算出部５３１，…，５３４により算出された第１予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿１}、第２予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿２}、第３予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿３}、及び第４予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿４}のうち、予測温度として最も適したものを予測温度セレクタ５３５により選択し、これを予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}として出力する。

第１予測温度算出部５３１は、上述の排気系温度制御部による温度制御時における第１選択還元触媒の目標温度を第１予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿１}として出力する。上述のように、排気系温度制御部では、ＤＰＦ再生の時以外、基本的には第１選択還元触媒の温度を上記目標温度に制御することから、この目標温度は、現在から予測時間ＴＰＲＥ後における第１選択還元触媒の温度に相当するといえる。

第２予測温度算出部５３２は、触媒温度推定部５４における熱伝導モデルと同等のモデルに基づいて、現在から予測時間ＴＰＲＥ後の第１選択還元触媒の温度を推定し、これを第２予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿２}として出力する。ここで、上記熱伝導モデルに基づいて将来の第１選択還元触媒の温度を予測するためには、現在から予測時間ＴＰＲＥ後までの間における上述のような車両の走行状態を示すパラメータが必要となる。そこで第２予測温度算出部５３２では、現在の走行状態が予測時間ＴＰＲＥ後まで維持されるとの仮定の下で、現在から予測時間ＴＰＲＥ後までの間における上記走行状態を示すパラメータを仮定し、この入力に基づいて上記熱伝導モデルを繰り返し演算することにより、現在から予測時間ＴＰＲＥ後における第１選択還元触媒の温度を推定し、これを第２予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿２}として出力する。

第３予測温度算出部５３３は、予め学習されたＤＰＦ再生時における第１選択還元触媒の昇温態様に基づいて、現在から予測時間ＴＰＲＥ後の第１選択還元触媒の温度を推定し、これを第３予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿３}として出力する。

第４予測温度算出部５３４は、目標温度と、エンジン始動時に運転状態に応じて推定されたエンジン始動時温度との偏差に応じて、エンジン始動時における第１選択還元触媒の最大温度を推定するとともに、予め学習されたエンジン始動時における第１選択還元触媒の昇温態様及び上記推定した最大温度に基づいて、現在から予測時間ＴＰＲＥ後の第１選択還元触媒の温度を推定し、これを第４予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿４}として出力する。
後に図６を参照して詳述するように、エンジン始動直後における第１選択還元触媒は、目標温度（約２５０℃）より十分に低い外気温度とほぼ等しい状態にあるため、エンジン始動時にはこの目標温度からオーバーシュートが発生するほど早急に昇温し、その浄化性能を活性化する必要がある。上記エンジン始動時における第１選択還元触媒の最大温度とは、このオーバーシュートの発生を見込んで推定されたものである。

先ず、予測温度セレクタ５３５は、イグニッションスイッチ１６が操作されエンジンの始動要求を検出した場合には、この始動要求を検出してから第１選択還元触媒の温度が目標温度の近傍に収束するまで第１予測温度Ｔ _{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿１} 及び第４予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿４}のうち何れか高い方を選択し、これを予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}として出力する。
その後、予測温度セレクタ５３５は、ＰＭ堆積量ＱＰＭが、ＤＰＦ再生の開始を判定するための上述の閾値ＱＰＭ_{ＲＥＧ＿ＳＴＡＲＴ}よりも小さな値である閾値ＱＰＭ_{ＲＥＧ＿ＰＲＥ}を上回ったか否かを判別し、ＰＭ堆積量ＱＰＭが閾値ＱＰＭ_{ＲＥＧ＿ＰＲＥ}を上回った場合には、予測時間ＴＰＲＥ後にＤＰＦ再生が開始すると予測し、これに応じて第３予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿３}を選択し、これを予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}として出力する。
一方、ＰＭ堆積量ＱＰＭが閾値ＱＰＭ_{ＲＥＧ＿ＰＲＥ}以下である場合には、第１予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿１}及び第２予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿２}のうち何れか高い方を選択し、これを予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}として出力する。

目標ストレージ量算出部５５は、触媒温度予測部５３により推定された予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}と触媒温度推定部５４により推定された現在触媒温度Ｔ_ＣＡＴとに基づいて、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。

より具体的には、予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}及び現在触媒温度Ｔ_ＣＡＴのうち何れか高い方を温度パラメータＴ_ＭＡＰとして定義し、この温度パラメータＴ_ＭＡＰに基づいて所定のマップを検索することにより、目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}を算出する。このように、予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}及び現在触媒温度Ｔ_ＣＡＴのうち何れか高い方の温度に基づいて目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}を算出することにより、上述のようなオーバーシュートの発生を見込んで目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}を算出することができるので、その後、実際に触媒温度が高くなってもアンモニアスリップが発生するのを抑制することができる。

図４は、目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}を算出するためのマップの一例である。実線は、第１選択還元触媒の最大ストレージ容量のマップ値であり、破線は、目標ストレージ量のマップ値である。このマップによれば、目標ストレージ量は最大ストレージ容量よりもやや小さな値に設定される。このように、触媒温度が高くなると最大ストレージ容量が低下する。これに伴い、目標ストレージ量のマップ値も低下する。

図３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、第１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５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５の（ａ）参照）と、ユリア噴射量が過剰な状態（図５の（ｂ）参照）と、ユリア噴射量が不足した状態（図５の（ｃ）参照）との、３つの状態に分類する。

図５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５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５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３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。

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、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、触媒温度Ｔ_ＣＡＴに応じて、上述の図４に示すようなマップを検索することにより設定される。

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。

図６は、以上のように構成された排気浄化システムの制御例を示すタイムチャートである。図６において、上段は、排気系温度制御部による温度制御に係る目標温度（実線）、触媒温度予測部により推定された予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}（破線）、及び触媒温度推定部により推定された現在触媒温度Ｔ_ＣＡＴ（一点鎖線）の時間変化を示す。中段は、予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}及び現在触媒温度Ｔ_ＣＡＴに基づいて目標ストレージ量を算出する本実施形態の排気浄化システムにおける目標ストレージ量（実線）と、本実施形態とは異なり現在触媒温度Ｔ_ＣＡＴのみに基づいて目標ストレージ量を算出する比較例の排気浄化システムにおける目標ストレージ量（破線）と、の時間変化を示す。また、下段は、本実施形態のアンモニアスリップ量（実線）と、比較例のアンモニアスリップ量（破線）と、の時間変化を示す。なお、以下では、時刻ｔ０〜ｔ３の間におけるエンジン始動時と、時刻ｔ４〜ｔ６の間における高負荷運転時と、時刻ｔ８以降のＤＰＦ再生時との３つに分けて説明する。

＜エンジン始動時＞
時刻ｔ０においてイグニッションスイッチをオンにし、エンジンの始動を開始すると、排気系温度制御部は、選択還元触媒で最も効率的にＮＯｘを浄化できる最適温度に目標温度を設定するとともに、第１選択還元触媒をこの目標温度へ向けて昇温する。特にエンジン始動直後の時刻ｔ０における第１選択還元触媒の温度は目標温度よりもかなり低くなっているため、早急な昇温が行われる。このため、実際の第１選択還元触媒の温度は、時刻ｔ２において目標温度をオーバーシュートした後、時刻ｔ３において目標温度に収束する（上段の一点鎖線参照）。
触媒温度予測部では、エンジン始動時には予め学習されたエンジン始動時における第１選択還元触媒の昇温態様及び最大温度に基づいて算出された第４予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿４}と目標温度に設定された第１予測温度Ｔ _{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿１} とのうち何れか高い方を予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}とする。時刻ｔ０からｔ１までの間では、第１予測温度Ｔ _{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿１} は第４予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿４}（上段の細破線参照）よりも高いため、目標温度が予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}となる。その後、時刻ｔ１からｔ３までの間では、第４予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿４}が目標温度よりも高くなったことに応じて、第４予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿４}が予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}となる。エンジン始動時における第１選択還元触媒の温度が目標温度に収束するまでのこの第１選択還元触媒の昇温態様は、始動の度に大きく変化するとは考えにくいので、予め学習された昇温態様及び最大温度に基づいて算出しても、比較的高い精度で現在から予測時間ＴＰＲＥ後の温度を予測することができる（上段の破線参照）。
このとき比較例では、現在触媒温度Ｔ_ＣＡＴのみに基づいて目標ストレージ量を算出する。したがって、時刻ｔ０〜ｔ３において、上昇する現在触媒温度Ｔ_ＣＡＴに応じて目標ストレージ量を徐々に減少させるものの（中段の破線参照）、実際のストレージ量をこれに応じて速やかに減少させることが出来ない。このため、時刻ｔ２〜ｔ３の間において、現在触媒温度Ｔ_ＣＡＴが目標温度を大きくオーバーシュートするに伴い、第１選択還元触媒において大きなアンモニアスリップが発生する場合がある（下段の破線参照）。
これに対して本実施形態では、時刻ｔ０〜ｔ１までの間、目標温度を予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}とし、この予測温度に基づいて目標ストレージ量を算出することにより（中段の実線参照）、十分なストレージ量を確保するとともにアンモニアスリップを最大限抑制することができる（下段の実線参照）。また、時刻ｔ１において第４予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿４}が目標温度を超えてからは、この予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}に基づいて目標ストレージ量を算出することにより、予測時間ＴＰＲＥ後に発生する現在触媒温度Ｔ_ＣＡＴのオーバーシュートに備えて目標ストレージ量を適切な値に設定できるので（中段の実線参照）、アンモニアスリップを最大限抑制することができる（下段の実線参照）。

また、時刻ｔ３〜ｔ４では、第１選択還元触媒が目標温度付近まで昇温され、エンジンの始動が終了したことに応じて、触媒温度予測部では、排気系温度制御部における目標温度である第１予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿１}を予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}とする（上段の実線参照）。

＜高負荷運転時＞
時刻ｔ４では、ドライバの操作により高負荷運転が開始される。このとき、実際の第１選択還元触媒の温度は、図６に示すように、所定の遅れをもって時刻ｔ５から上昇し始める（上段の一点鎖線参照）。また、このとき、触媒温度予測部では、第２予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿２}を予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}とする。この第２予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿２}は、熱伝導モデルに基づいて推定されたものであるため、時刻ｔ５以降における第１選択還元触媒の温度上昇を予測時間ＴＰＲＥ前の時刻ｔ４から予測することができる（上段の破線参照）。
このとき、比較例では、現在触媒温度Ｔ_ＣＡＴのみに基づいて目標ストレージ量を算出するため、目標ストレージ量を減少させるのは時刻ｔ５以降となり（中段の破線参照）、したがってストレージ量を減少させる制御を開始するのも時刻ｔ５以降となる。このため、時刻ｔ５以降において、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するのに対して、吸着しきれなくなったアンモニアがスリップしてしまう（下段の破線参照）。
これに対して本実施形態では、現在触媒温度Ｔ_ＣＡＴ及び予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}のうち大きい方、すなわち予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}に基づいて目標ストレージ量を算出する。このため、時刻ｔ４から目標ストレージ量を減少させ（中段の実線参照）、これに伴ってストレージ量を減少させる制御を開始することができる。このため、時刻ｔ５以降において、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はじめても、このとき既に、吸着していたアンモニアの多くをＮＯｘの還元に消費しているので、比較例とは異なり大きなアンモニアスリップが発生することもない（下段の実線参照）。

また、時刻ｔ６〜ｔ７では、排気系温度制御部により第１選択還元触媒の温度を目標温度に維持される。これにより、触媒温度予測部では、この排気系温度制御部における目標温度である第１予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿１}を予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}とする（上段の破線参照）。

＜ＤＰＦ再生時＞
時刻ｔ８では、ＤＰＦ再生が開始される。このとき、排気系温度制御部はＤＰＦの温度をＰＭの燃焼温度まで昇温する制御を行うとともに、第１選択還元触媒の目標温度も急激に高くなる。また、ＤＰＦ再生を開始すると、先に説明した高負荷運転時やエンジン始動時における速度よりも速く第１選択還元触媒の温度が急激に上昇する（上段の一点鎖線参照）。
これに対し、触媒温度予測部では、ＤＰＦ再生が開始することを時刻ｔ８の予測時間ＴＰＲＥ前である時刻ｔ７において予測し、これに応じて、予め学習されたＤＰＦ再生時における第１選択還元触媒の昇温態様に基づいて算出された第３予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ＿３}を予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}とする。ＤＰＦ再生時における第１選択還元触媒の温度がＰＭの燃焼温度付近の目標温度に達するまでのこの第１選択還元触媒の昇温態様は、ＤＰＦ再生の度に大きく変化するとは考えにくいので、予め学習された昇温態様に基づいて算出しても、比較的高い精度で現在から予測時間ＴＰＲＥ後の温度を予測することができる（上段の破線参照）。
このとき、比較例では、予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}よりも緩やかに上昇する現在触媒温度Ｔ_ＣＡＴのみに基づいて目標ストレージ量を算出する。したがって、時刻ｔ８以降において、急激に上昇する現在触媒温度Ｔ_ＣＡＴに応じて目標ストレージ量を減少させ（中段の破線参照）、これに伴ってストレージ量を減少させる制御を行うものの、ストレージ量を減少させる速度よりも最大ストレージ容量が減少する速度の方が速く、したがって過大なアンモニアスリップが発生してしまう（下段の破線参照）。
これに対して本実施形態では、現在触媒温度Ｔ_ＣＡＴ及び予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}のうち大きい方、すなわち予測温度Ｔ_{ＣＡＴ＿ＰＲＥ}に基づいて目標ストレージ量を算出する。このため、実際にＤＰＦ再生が開始する時刻ｔ８より予測時間ＴＰＲＥ前の時刻ｔ７から速やかに目標ストレージ量が小さく設定される（中段の実線参照）。このように、本実施形態では、ＤＰＦ再生が開始される前から、目標ストレージ量を速やかに小さく設定するとともに、これに応じて速やかにストレージ量を小さくする制御を行うことができるので、比較例のように過大なアンモニアスリップが発生することもない（下段の実線参照）。

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、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。

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
２２…ＤＰＦ（排気浄化フィルタ）
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）
２５…ユリア噴射装置（還元剤供給手段）
３…ＥＣＵ
４…排気系温度制御部（排気系温度制御手段）
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５２（供給量算出手段）
５３…触媒温度予測部（触媒温度予測手段）
５５…目標ストレージ量算出部（目標ストレージ量算出手段）
５６…ストレージ量推定部（ストレージ量推定手段）

Claims (3)

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選択還元触媒と、
   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、
   前記排気系に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集する排気浄化フィルタと、を備える内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記選択還元触媒の現在から所定時間後の温度に相当する予測温度を推定する温度予測手段と、
   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と、
   前記推定された予測温度に基づいて、前記ストレージ量の目標値に相当する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、
   前記推定されたストレージ量が前記算出された目標ストレージ量になるように、前記還元剤供給手段による還元剤又は添加剤の供給量を算出する供給量算出手段と、
   前記選択還元触媒の温度を所定の目標温度へ制御する温度制御手段と、
   車両の走行状態を示す複数のパラメータを入力として前記排気系のモデルによって所定時間後の前記選択還元触媒の温度を推定するモデル温度推定手段と、を備え、
   前記温度予測手段は、前記排気浄化フィルタにおける粒子状物質の堆積量が所定量以下である場合には、前記目標温度、及び前記モデル温度推定手段によって推定された所定時間後の前記選択還元触媒の温度のうち何れか高い方を予測温度とすることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記温度制御手段は、前記粒子状物質の堆積量が前記所定量よりも大きな再生開始判定量を超えたことに応じて、前記排気浄化フィルタを昇温し、捕集された粒子状物質を燃焼除去することにより当該排気浄化フィルタを再生し、
   前記温度予測手段は、前記粒子状物質の堆積量が前記所定量より大きい場合には、予め学習されたフィルタ再生時における選択還元触媒の温度変化態様に基づいて推定した温度を予測温度と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. 前記モデル温度推定手段は、現在の走行状態が所定時間後まで維持されるとの仮定の下で定められる前記走行状態を示す複数のパラメータを入力として、内燃機関及びその排気を熱源と見立てて定式化された前記排気系の熱伝導モデルに基づいて所定時間後の前記選択還元触媒の温度を推定す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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