JP6456151B2 - 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、排気中のＮＯｘを還元浄化する機能を有する複数の触媒を備えた内燃機関の排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気通路には、排気中のＮＯｘを還元し浄化するための触媒が設けられる。このようなＮＯｘを還元浄化する機能を有する触媒としては、例えば、三元触媒、リーンＮＯｘ触媒、及び選択還元触媒等が公知である。三元触媒は、排気中のＨＣ及びＣＯを還元剤としてＮＯｘを還元する。リーンＮＯｘ触媒は、酸化雰囲気下で排気中のＮＯｘを捕捉しておき、還元雰囲気下でＮＯｘを還元浄化する。また選択還元触媒は、例えばＮＨ_３を還元剤として排気中のＮＯｘを還元浄化する。これら複数の触媒は、それぞれ機能を発揮する条件が異なることから、できるだけ幅広い運転条件で高いＮＯｘ浄化性能が達成されるように組み合わせて用いられる場合がある。

例えば特許文献１には、リーンＮＯｘ触媒と選択還元触媒とを組み合わせた排気浄化システムが開示されている。このシステムでは、リーンＮＯｘ触媒と選択還元触媒とを別々の排気通路に設け、例えばエンジン負荷に応じて排気の経路をリーンＮＯｘ触媒側と選択還元触媒側とで切り換えている。

例えば特許文献２には、選択還元触媒の上流側にリーンＮＯｘ触媒を設けた排気浄化システムが開示されている。このシステムでは、選択還元触媒の還元能力が低下するほど、還元雰囲気にする間隔を短くすることにより、選択還元触媒における還元能力の低下をリーンＮＯｘ触媒の還元能力で補填する。

また例えば特許文献３には、リーンＮＯｘ触媒及び選択還元触媒の上流側から尿素水を供給する排気浄化システムが開示されている。このシステムでは、排気の空燃比がリッチである間に排気中へ尿素水を噴射している。これにより、噴射した尿素水が排気中の酸素と優先的に反応することで、ＮＯｘの還元に寄与するＮＨ_３が生成される前に尿素水が消費されるのを防止している。

特開２０００−２６５８２８号公報 特開２０１０−１１６７８４号公報 特開２００９−８５１７８号公報

ところで、上述のようなリーンＮＯｘ触媒や選択還元触媒を備えた排気浄化システムでは、これら触媒の機能を発揮させて排気中のＮＯｘを還元浄化するためには、車両を走行させるための通常の燃料制御とは別の追加燃料制御を行う必要がある。例えば、リーンＮＯｘ触媒であれば、捕捉したＮＯｘを還元浄化するために、リーンＮＯｘ触媒における排気を還元雰囲気にする制御がこの追加燃料制御に該当する。また選択還元触媒であれば、選択還元触媒がＮＯｘを還元浄化できるような温度まで選択還元触媒を昇温する制御がこの追加燃料制御に該当する。このような追加燃料制御を行えば排気の浄化性能は向上するものの、その分だけ車両全体での燃費が悪化する。

このように排気を浄化するために消費される燃料が車両全体の燃費の悪化に及ぼす影響を示す指標の１つとして、燃費ペナルティがある。この燃費ペナルティは、基準となる所定の燃料消費量（例えば、車両全体で消費される燃料の量）に対する追加燃料制御による燃料消費量の割合として定義される。

上述のように、複数の触媒を備えた排気浄化システムは、機能を発揮する条件が異なることから全ての運転条件でＮＯｘの浄化性能を向上できる点で利点があるものの、各触媒の機能を発揮させようとするあまり、燃費ペナルティが悪化するおそれがある。ところが従来では、各触媒の特性を考慮して、トータルでのＮＯｘ浄化性能と燃費ペナルティとの両方を最適化することについては、これまで十分に検討されていない。

本発明は、排気中のＮＯｘを還元浄化する機能を有する２種以上の触媒を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、燃費ペナルティを抑制しながらトータルでのＮＯｘ浄化性能を向上できるものを提供することを目的とする。

（１）内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気浄化システム（例えば、後述の排気浄化システム２）は、内燃機関の排気通路（例えば、後述の排気管１１）に設けられ、酸化雰囲気でＮＯｘを捕捉し還元雰囲気で捕捉しているＮＯｘを還元浄化するリーンＮＯｘ触媒（例えば、後述の上流触媒コンバータ３１）と、所定の条件が成立したことに応じて、前記リーンＮＯｘ触媒に捕捉されているＮＯｘを還元浄化するために所定の追加燃料制御を行い、前記リーンＮＯｘ触媒を還元雰囲気にするリーンＮＯｘ触媒還元装置（例えば、後述のＦＩ−ＥＣＵ７１）と、前記排気通路に設けられ、還元剤とＮＯｘとを反応させてＮＯｘを還元浄化する選択還元触媒（例えば、後述の下流触媒コンバータ３３）と、前記選択還元触媒に還元剤又はその前駆体を供給する還元剤供給装置（例えば、後述の尿素水供給装置４）と、前記選択還元触媒の温度を取得する温度取得手段（例えば、後述の上流触媒温度センサ５２、下流触媒温度センサ５３、及びＦＩ−ＥＣＵ７１等）と、を備える。前記リーンＮＯｘ触媒還元装置は、前記温度取得手段で取得した温度が、前記選択還元触媒でＮＯｘを還元浄化できる温度範囲内で定められた切替温度よりも高い場合には、前記追加燃料制御の実行を禁止する。本発明で酸化雰囲気とは、リーンＮＯｘ触媒における排気中の酸素濃度が炭化水素や一酸化炭素等の還元成分の濃度に対して相対的に高い状態をいい、具体的には、例えば内燃機関における空燃比をストイキよりリーンにすることによって実現される。また本発明で還元雰囲気とは、リーンＮＯｘ触媒における排気中の酸素濃度が上記還元成分の濃度に対して相対的に低い状態をいう。この還元雰囲気は、具体的には、例えばアフター噴射等を行うことによって内燃機関における空燃比をストイキよりリッチにしたり、ポスト噴射を行ったり排気管に設けられた燃料インジェクタで排気中に燃料を噴射したりすることでリーンＮＯｘ触媒へ未燃燃料を供給することによって実現される。

（２）この場合、前記排気浄化システムは、車両の走行履歴に基づいて、前記切替温度を変化させる切替温度設定手段（例えば、後述のＦＩ−ＥＣＵ７１）をさらに備えることが好ましい。

（３）この場合、前記温度取得手段は、車両の走行履歴に基づいて前記選択還元触媒の将来の温度を取得することが好ましい。

（４）この場合、前記排気浄化システムは、前記温度取得手段で取得した温度が前記切替温度以下でありかつ前記リーンＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの捕捉率が所定値以上である場合には、前記選択還元触媒の昇温制御を行う触媒昇温装置（例えば、後述のＦＩ−ＥＣＵ７１）をさらに備えることが好ましい。

（５）この場合、前記リーンＮＯｘ触媒及び前記選択還元触媒は、前記選択還元触媒の温度変化速度が前記リーンＮＯｘ触媒の温度変化速度よりも遅くなるように前記排気通路に設けられることが好ましい。

（６）この場合、前記選択還元触媒は、ＮＨ_３を還元剤としたＮＨ_３選択還元触媒であり、前記還元剤供給装置は、ＮＨ_３の前駆体である尿素水を前記排気通路のうち前記ＮＨ_３選択還元触媒の上流側に噴射する尿素水インジェクタ（例えば、後述の尿素水インジェクタ４２）を備え、前記切替温度は、前記排気通路内で前記尿素水インジェクタから噴射された尿素水の析出が発生する温度よりも高い温度に設定されることが好ましい。

（１）本発明では、リーンＮＯｘ触媒と選択還元触媒とを共通の排気通路に設ける。リーンＮＯｘ触媒は、酸化雰囲気下でＮＯｘを捕捉し、還元雰囲気下で捕捉しているＮＯｘを還元浄化する機能がある。このため、リーンＮＯｘ触媒を用いてＮＯｘを還元浄化するためには、ＮＯｘの捕捉量がその上限を超えてしまわないように、リーンＮＯｘ触媒還元装置によって還元雰囲気を形成するような追加燃料制御を間欠的に行う必要がある。一方、選択還元触媒は、還元剤供給装置から供給される還元剤を用いて連続的に排気中のＮＯｘを還元浄化する機能がある。また、選択還元触媒で効率的にＮＯｘを還元浄化できる温度域は、リーンＮＯｘ触媒のそれよりも高温側にずれている（例えば、後述の図２参照）。したがって、車両の運転領域を、排気通路内の温度が比較的低温となる始動直後及び低負荷運転領域と、排気通路内の温度が比較的降温となる高負荷運転領域との２つに大きく分けると、始動直後及び低負荷運転領域ではリーンＮＯｘ触媒に重点を置き、高負荷運転領域では選択還元触媒に重点を置くことにより、全ての運転領域で高いＮＯｘ浄化性能を実現することができる。

しかしながら、ＮＯｘを還元浄化できる温度域は、選択還元触媒とリーンＮＯｘ触媒とで完全に分かれておらず、一部で重複している。本発明のリーンＮＯｘ触媒還元装置は、２つの触媒の温度がこのような重複域内にあるような状況を想定して、選択還元触媒の温度がこの選択還元触媒でＮＯｘを還元浄化できる温度範囲内で定められた切替温度よりも高い場合には追加燃料制御の実行を禁止する。換言すれば、本発明では、上述のような重複域内ではリーンＮＯｘ触媒よりも選択還元触媒の方に重点をおいてＮＯｘを浄化する。この切替温度は、リーンＮＯｘ触媒に対する追加燃料制御を行う温度域の上限を定めるものであり、選択還元触媒の温度に対して設定される閾値である。本発明ではこのような切替温度を、リーンＮＯｘ触媒ではなく選択還元触媒の温度に対して設定することにより、リーンＮＯｘ触媒に対する追加燃料制御の実行頻度を適切に下げることができるので、その分だけ燃費ペナルティを抑制できる。なお、上述のように追加燃料制御の実行を禁止するのは、選択還元触媒でもＮＯｘを還元浄化できるような重複域（すなわち、余剰分）であるので、燃費ペナルティを抑制した分だけ単純にシステム全体のＮＯｘ浄化性能が低下する、ということはない。したがって、本発明によれば、燃費ペナルティを抑制しつつＮＯｘ浄化性能の低下を最小限に留めることができる。

（２）上述のように切替温度は、リーンＮＯｘ触媒に対する追加燃料制御の実行の可否を判断する際に用いられる閾値である。本発明では、車両の走行履歴に基づいて切替温度を変化させることにより、近い将来を含むその時の走行状況に応じた適切なタイミングで追加燃料制御を実行したり停止したりできる。リーンＮＯｘ触媒は、捕捉されているＮＯｘの量が多くなるほど新たにＮＯｘを捕捉する効率（すなわち、酸化雰囲気下におけるリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化性能）が低下する特性があるため、追加燃料制御を適切なタイミングで実行することは、リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化性能を高く維持し、ひいてはシステム全体のＮＯｘ浄化性能を向上するのに寄与する。また、追加燃料制御を適切なタイミングで停止することは、燃費ペナルティを抑制するのに寄与する。したがって本発明によれば、燃費ペナルティをさらに抑制しつつＮＯｘ浄化性能の低下を最小限に留めることができる。

（３）本発明では、温度取得手段で取得した選択還元触媒の温度と切替温度とを比較することによって追加燃料制御の実行の可否を判断する。よって、本発明によれば、車両の走行状態に基づいて選択還元触媒の将来の温度を取得し、この将来の温度と切替温度とを比較することにより、上述の（２）の発明と同じ理由により、燃費ペナルティをさらに抑制しつつＮＯｘ浄化性能の低下を最小限に留めることができる。

（４）本発明では、選択還元触媒の温度が切替温度より高い場合には、リーンＮＯｘ触媒に対する追加燃料制御が停止される。したがって、車両の走行状態が急変した場合（より具体的には、例えば、車両が高速道路を走行中にパーキングに立ち寄り、その後再発進する場合）には、リーンＮＯｘ触媒に上限に近い量のＮＯｘが捕捉されたまま選択還元触媒の温度が低下してしまうことがある。このような場合、リーンＮＯｘ触媒及び選択還元触媒ともに、一時的にそのＮＯｘ浄化機能が低下してしまう。本発明では、このような場合を想定して、選択還元触媒の温度が切替温度以下でありかつリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ捕捉率が所定値以上である場合には、選択還元触媒の昇温制御を行い、速やかに選択還元触媒のＮＯｘ浄化機能を上昇させることにより、車両から排出されるＮＯｘの量を減らすことができる。

（５）本発明では、選択還元触媒の温度変化をリーンＮＯｘ触媒の温度変化よりも緩慢にする。これは、例えば、選択還元触媒をリーンＮＯｘ触媒よりも下流側に設けたり、リーンＮＯｘ触媒よりも選択還元触媒のヒートマスを大きくしたり、上流側のリーンＮＯｘ触媒と下流側の選択還元触媒の間にフィルタを設けたりすることによって実現できる。

本発明によれば、温度低下時における選択還元触媒のＮＯｘ浄化性能の低下も緩慢にすることができる。ここで、例えば選択還元触媒の温度が切替温度を下回ったことに応じて、リーンＮＯｘ触媒に対する追加燃料制御の実行が許可された場合について説明する。リーンＮＯｘ触媒は、ＮＯｘ捕捉率が高いと十分なＮＯｘ浄化性能を発揮することができない。このため、追加燃料制御の実行が許可された直後であって、リーンＮＯｘ触媒に貯蔵されていたＮＯｘが十分に還元浄化されていない場合、リーンＮＯｘ触媒では十分なＮＯｘ浄化性能を直ちに発揮することができない。すなわち、追加燃料制御の実行が許可された後、追加燃料制御が実行され、リーンＮＯｘ触媒に捕捉されていたＮＯｘが十分に還元浄化されるまで、リーンＮＯｘ触媒では十分なＮＯｘ浄化性能を発揮することができない。本発明では、上述のようにして選択還元触媒の温度の低下を緩慢にすることにより、追加燃料制御の実行が許可されてからリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化性能が回復するまでの過渡期にシステム全体のＮＯｘ浄化性能が急激に低下するのを防止することができる。換言すれば、選択還元触媒の温度の低下を緩慢にすることにより、リーンＮＯｘ触媒に対する追加燃料制御を実行する期間を十分に確保することができる。

（６）尿素水インジェクタから排気中に噴射された尿素水は、排気や触媒等の熱によって加水分解され、これによってＮＨ_３選択還元触媒における還元剤として機能するＮＨ_３が生成される。ところがこの際、排気や触媒の温度が低いと、ＮＨ_３選択還元触媒の温度がＮＨ_３を用いてＮＯｘを還元浄化できる温度に達していたとしても、加水分解中に生成される中間生成物（ビュレット、シアヌル酸等）が排気通路や触媒に堆積してしまう場合がある。これに対し本発明では、切替温度をこのような析出が発生する温度よりも高くする。これにより、ＮＨ_３選択還元触媒の温度が析出の発生する温度よりも低い状態で、リーンＮＯｘ触媒に対する追加燃料制御の実行が禁止されることを確実に防止できる。したがって、ＮＨ_３選択還元触媒の温度が析出の発生する温度よりも低い場合には、リーンＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化機能を生かすことができるので、システム全体のＮＯｘ浄化性能を低下させることなくＮＨ_３選択還元触媒に対する尿素水の噴射を停止することができ、析出の発生も防止できる。

本発明の第１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図である。 ＬＮＴ触媒及びＳＣＲ触媒によるＮＯｘ浄化率の温度特性を示す図である。 従来の排気浄化システムを搭載した車両を所定の走行パターンに従って走行させたときにおけるシステム全体のＮＯｘ浄化率の変化を示す図である。 車両を図３の走行パターンで走行させたときにおける燃費ペナルティと総ＮＯｘ排出量との関係を示す図である。 エンジンの運転モードを決定する処理の手順を示すフローチャートである。 ＬＮＴ触媒の基準浄化率の推定値を算出するマップの一例である。 ＬＮＴ触媒の補正係数を算出するマップの一例である。 ＬＮＴ触媒の最大ＮＯｘ吸蔵量の推定値を算出するマップの一例である。 昇温判定処理の具体的な手順を示すフローチャートである。 上記実施形態に係る排気浄化システムを搭載した車両を所定の走行パターンで走行させたときにおけるＳＣＲ触媒の温度等の変化を示す図である。 車両を図１０の走行パターンで走行させたときにおける燃費ペナルティと総ＮＯｘ排出量との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る排気浄化システムにおけるエンジンの運転モードを決定する手順を示すフローチャートである。 走行モード予測パラメータの概念を説明するための図である。 走行モード予測パラメータの値を算出する具体的な手順を示すフローチャートである。 上記実施形態に係る排気浄化システムを搭載した車両を所定の走行パターンで走行させたときにおける走行モード予測パラメータ等の変化を示す図である。 図１５の走行パターンで走行させたときにおける燃費ペナルティと総ＮＯｘ排出量との関係を示す図である。 第１実施形態の排気浄化システムの結果と、第２実施形態の排気浄化システムの結果とを比較した図である。

以下、本発明の第１実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本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の構成を示す図である。排気浄化システム２は、エンジン１の排気ポートから延びる排気管１１に設けられた触媒浄化装置３と、これらエンジン１及び触媒浄化装置３を制御する電子制御ユニット７と、を備える。

エンジン１は、燃焼空燃比をストイキよりもリーンとする所謂リーン燃焼を基本としたもの、より具体的にはディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジンなどである。エンジン１には、各シリンダに燃料を噴射する燃料噴射弁１７が設けられている。この燃料噴射弁１７を駆動するアクチュエータは、電子制御ユニット７に電磁的に接続されている。電子制御ユニット７は、後に図５等を参照して説明する手順にしたがってエンジン１の運転モードを決定し、決定した運転モードの下で定められる量及びタイミングで燃料が噴射されるように燃料噴射弁１７を駆動する。以下では、このようなエンジン１の燃料噴射制御の実行に係る電子制御ユニットをＦＩ−ＥＣＵ７１という。

触媒浄化装置３は、上流触媒コンバータ３１と、排気浄化フィルタ３２と、下流触媒コンバータ３３と、尿素水供給装置４と、空燃比センサ５１上流触媒温度センサ５２と、下流触媒温度センサ５３と、ＮＨ_３センサ５４と、エアフローセンサ５５と、を備える。上流触媒コンバータ３１は、排気管１１のうちエンジン１の直下区間内に設けられている。ここでエンジン１の直下区間とは、例えば、排気管１１のうちエンジンルーム内に納められる部分をいう。また、過給機を備える場合、排気管１１のうちエンジンルーム内であってタービンに近い部分をいう。下流触媒コンバータ３３は、排気管１１のうち上流触媒コンバータ３１より下流側に設けられている。排気浄化フィルタ３２は、排気管１１のうち上流触媒コンバータ３１と下流触媒コンバータ３３との間に設けられている。これら上流触媒コンバータ３１及び下流触媒コンバータ３３には、エンジン１の排気に含まれるＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等の成分を浄化する反応を促進するための触媒が設けられている。

上流触媒コンバータ３１は、フロースルー型のハニカム構造体を基材として、この基材にリーンＮＯｘ触媒（以下、「ＬＮＴ触媒」という）を担持して構成される。ＬＮＴ触媒は、酸化雰囲気下では排気中のＮＯｘを吸蔵し、還元雰囲気下では吸蔵しているＮＯｘを還元浄化する機能を備える。ＬＮＴ触媒で吸蔵できるＮＯｘの量には上限がある。またＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵率（ＬＮＴ触媒に吸蔵されているＮＯｘ量／ＬＮＴ触媒で吸蔵できるＮＯｘ量の上限）が高くなると、ＬＮＴ触媒によるＮＯｘ浄化率が低下する。このため、ＦＩ−ＥＣＵ７１は、後に図５等を参照して説明するように、所定の条件が満たされたことに応じて、エンジン１の運転モードをＤｅＮＯｘ運転モードにし、ＬＮＴ触媒における排気を還元雰囲気にし、ＬＮＴ触媒に吸蔵されているＮＯｘを還元浄化する。

排気浄化フィルタ３２は、多孔質壁で区画形成された複数のセルを有するウォールフロー型のハニカム構造体と、各セルに対し上流側と下流側とで互い違いに設けられた目封じと、を備える。エンジン１から排出された排気に含まれるスート及びＳＯＦ等の粒子状物質（Particulate Matter、以下単に「ＰＭ」という）は、フィルタ３２の多孔質壁の細孔を通過する過程で捕集される。フィルタ３２に過剰な量のＰＭが堆積すると、圧力降下が増加し、これによってエンジン１における燃料噴射量が増加し、結果として燃費が悪化するおそれがある。そこでＦＩ−ＥＣＵ７１は、フィルタ３２におけるＰＭ堆積量を監視しており、ＰＭ堆積量が所定量を超えたと判断すると、これを契機としてポスト噴射等によってフィルタ３２を昇温し、堆積したＰＭを強制的に燃焼除去するフィルタ再生処理を実行する。

下流触媒コンバータ３３は、フロースルー型のハニカム構造体を基材として、この基材にＮＨ_３選択還元触媒（以下、「ＳＣＲ触媒」という）を担持して構成される。このＳＣＲ触媒は、ＮＨ_３の存在する雰囲気下で排気中のＮＯｘを選択的に還元するＮＯｘ浄化機能を備える。具体的には、後述の尿素水インジェクタ４２からＮＨ_３が供給されると、このＮＨ_３によって、下記３種類の反応式に従って、排気中のＮＯｘを選択的に還元する。
ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ
４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ
６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ

また、このＳＣＲ触媒は、上記ＮＯｘ浄化機能を備えるとともに、ＮＨ_３を所定の量だけ貯蔵するＮＨ_３貯蔵機能も備える。以下では、ＳＣＲ触媒に貯蔵されたＮＨ_３の量をＮＨ_３ストレージ量といい、このＮＨ_３ストレージ量の限界を最大ＮＨ_３ストレージ量という。ＳＣＲ触媒のＮＨ_３ストレージ量が最大ＮＨ_３ストレージ量を超えると、その下流へＮＨ_３がスリップする。このようにしてＳＣＲ触媒に貯蔵されたＮＨ_３は、尿素水インジェクタ４２から供給されたＮＨ_３と合わせて排気中のＮＯｘの還元に適宜消費される。なお、ＳＣＲ触媒に多くのＮＨ_３が存在すると、流入するＮＯｘとの反応性が向上する。したがって、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化機能は、そのＮＨ_３ストレージ量が多くなるほど向上する。

また、ＳＣＲ触媒を備える下流触媒コンバータ３３は、ＬＮＴ触媒を備える上流触媒コンバータ３１よりも下流側に設けられる。またこれら上流触媒コンバータ３１と下流触媒コンバータ３３の間には、排気浄化フィルタ３２が設けられる。これにより、ＳＣＲ触媒の温度変化速度はＬＮＴ触媒の温度変化速度よりも遅くなる。

空燃比センサ５１は、例えば排気管１１のうち上流触媒コンバータ３１の上流側に設けられる。空燃比センサ５１は、上流触媒コンバータ３１に流入する排気の空燃比（排気中の酸素に対する燃料成分の比）を検出し、検出値に略比例した信号を電子制御ユニット７に送信する。エアフローセンサ５５は、エンジン１の吸気管１２を通流する吸入空気量を検出し、検出値に略比例した信号を電子制御ユニット７に送信する。ＮＨ_３センサ５４は、下流触媒コンバータ３３の下流側の排気中のＮＨ_３濃度を検出し、検出値に略比例した信号を電子制御ユニット７に送信する。

上流触媒温度センサ５２は、排気管１１のうち上流触媒コンバータ３１より上流側に設けられ、下流触媒温度センサ５３は、排気管１１のうち下流触媒コンバータ３３より上流側に設けられる。これら温度センサ５２，５３は、それぞれ上流触媒コンバータ３１に流入する排気及び下流触媒コンバータ３３に流入する排気の温度を検出し、検出値に略比例した信号を電子制御ユニット７に送信する。上流触媒コンバータ３１のＬＮＴ触媒の温度及び下流触媒コンバータ３３のＳＣＲ触媒の温度は、それぞれこれら温度センサ５２，５３の出力に基づいて、電子制御ユニット７における演算によって推定される。

尿素水供給装置４は、尿素水タンク４１と尿素水インジェクタ４２とを備える。尿素水タンク４１は、ＮＨ_３の前駆体である尿素水を貯蔵する。尿素水タンク４１は、尿素水供給路４３及び図示しない尿素水ポンプを介して尿素水インジェクタ４２に接続されている。尿素水インジェクタ４２は、図示しないアクチュエータで駆動されると開閉し、尿素水タンク４１から供給される尿素水を、ＳＣＲ触媒における還元剤として排気管１１内の下流触媒コンバータ３３の上流側に噴射する。インジェクタ４２から噴射された尿素水は、排気中又は下流触媒コンバータ３３においてＮＨ_３に加水分解され、ＮＯｘの還元に消費される。

尿素水インジェクタ４２のアクチュエータは、電子制御ユニット７に電磁的に接続されている。電子制御ユニット７は、ＳＣＲ触媒においてＮＨ_３を用いた最適なＮＯｘ浄化が実現されるように適切な尿素水の噴射量を決定するとともに、決定した量の尿素水が噴射されるように尿素水インジェクタ４２を駆動する尿素水噴射制御を実行する。この尿素水噴射制御は、例えば、下流触媒コンバータ３３に供給されるＮＯｘ量に基づくフィードフォワード制御と、ＮＨ_３センサ５４によって検出されるＮＨ_３濃度に基づくフィードバック制御とを組み合わせて構成される。この尿素水噴射制御の詳細については、説明を省略する。以下では、このような尿素水噴射制御の実行に係る電子制御ユニットをＤＣＵ（Dosing Control Unit）７２という。

ここで、上流触媒コンバータ３１に設けられるＬＮＴ触媒、及び下流触媒コンバータ３３に設けられるＳＣＲ触媒によるＮＯｘの浄化性能について、両者を比較しながら説明する。
図２は、ＬＮＴ触媒及びＳＣＲ触媒によるＮＯｘ浄化率［％］の温度特性を示す図である。

図２に示すように、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ浄化率及びＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率は、それぞれ、触媒温度に対して固有の温度でピークとなるように上に凸の特性を示す。ＬＮＴ触媒は、ＳＣＲ触媒よりも低い温度でもＮＯｘを浄化する能力が発生する。より具体的には、ＬＮＴ触媒は、約１５０〜２００℃において特に高いＮＯｘ浄化性能を発揮する。このため、ＬＮＴ触媒は、触媒温度が低くなる低負荷運転時やエンジン始動直後の暖機過程におけるＮＯｘ浄化に適している。図１に示す排気浄化システム１では、このようなＬＮＴ触媒の利点が最大限生かされるように、エンジン１の直下区間内に設けられる。

以上のようにＬＮＴ触媒は、低温側で高いＮＯｘ浄化性能を発揮するものの、図２に示すように３００℃を超えるような高温や排気の量が多くなるような高負荷運転時には十分なＮＯｘ浄化性能を発揮しない。したがって高速走行、登坂、急加速が続くような条件下では、ＬＮＴ触媒は十分なＮＯｘ浄化性能を発揮しない。また、ＬＮＴ触媒は、排気の空燃比をストイキよりリッチにする後述のＤｅＮＯｘ運転モードを適当なタイミングで実行することにより、それまでに吸蔵したＮＯｘを還元浄化し、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ浄化性能を回復させる必要がある。このため、ＬＮＴ触媒を用いたＮＯｘ浄化を継続しようとすると、ＮＯｘが多く排出される高負荷運転が頻繁に行われるような条件下では、頻繁に還元処理を実行する必要があり、燃費ペナルティが悪化する。以下では、ＬＮＴ触媒についての燃費ペナルティは、通常のリーン運転を行ったときにおける燃料消費量に対する還元処理の実行による燃料消費量の増加分の割合として定義する。

次に、ＳＣＲ触媒は、ＬＮＴ触媒よりも高い温度域（例えば、約２００〜３００℃）において特に高いＮＯｘ浄化性能を発揮する。また、ＳＣＲ触媒は、上述のＬＮＴ触媒と異なり、高温や高負荷運転時でも高いＮＯｘ浄化性能を発揮する。なお、図２に示すようにＳＣＲ触媒は、約１３０℃程度の低温から、それまでに吸蔵していたＮＨ_３を用いてＮＯｘを浄化することができる。しかしながら、尿素水の加水分解反応が適切に進行し、ＮＨ_３が生成されるためには、ＳＣＲ触媒は約１８０℃より高くなければならない。ＳＣＲ触媒の温度が約１８０℃よりも低くなると、尿素水の析出が発生するおそれがある。このため、ＤＣＵにおける尿素水噴射制御では、ＳＣＲ触媒の温度が約１８０℃よりも低くなると、尿素水の噴射を停止する。よって、ＳＣＲ触媒で継続的にＮＯｘを浄化できる温度範囲は、図２に示すように、尿素水の析出が発生しない温度（約１８０℃）より高温側に実質的に制限される。また、より確実に尿素水の析出を抑制するためには、ＳＣＲ触媒は約２００℃以上であることが特に好ましい。

なお、低負荷運転が継続すると、ＳＣＲ触媒の温度は、約１８０℃を下回る場合がある。このため、ＳＣＲ触媒を用いたＮＯｘ浄化を継続しようとすると、低負荷運転が継続するような条件下では、ＳＣＲ触媒の温度を上昇させる昇温処理を実行する必要があり、燃費ペナルティが悪化する。以下では、ＳＣＲ触媒についての燃費ペナルティは、通常のリーン運転を行ったときにおける燃料消費量に対する上記昇温処理の実行による燃料消費量の増加分の割合として定義する。

以上のように、ＬＮＴ触媒は概ね低負荷運転時で高いＮＯｘ浄化性能を示し、ＳＣＲ触媒は概ね高負荷運転時で高いＮＯｘ浄化性能を示すため、両者のＮＯｘ浄化特性は相補的になっている。図１に示す排気浄化システム１は、全ての運転条件で高いＮＯｘ浄化性能が実現されるように、これらＬＮＴ触媒とＳＣＲ触媒とを組み合わせて構成される。

次に、従来の排気浄化システムの課題について説明する。ここで従来の排気浄化システムとは、ＬＮＴ触媒のみによってＮＯｘを浄化するように設定された第１の排気浄化システムと、ＳＣＲ触媒のみによってＮＯｘを浄化するように設定された第２の排気浄化システムと、これら第１と第２のシステムを単純に組み合わせて構成される第３の排気浄化システムと、をいう。

第１の排気浄化システムは、常にＬＮＴ触媒によってＮＯｘが浄化されるように、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定値に達したら還元処理を実行する。
第２の排気浄化システムは、常にＳＣＲ触媒によってＮＯｘが浄化されるように、尿素水の析出が発生しない温度域で尿素水噴射制御を行う。ただし、第２の排気浄化システムでは、ＳＣＲ触媒が尿素水の析出が発生しない温度域の下限（図２の例では、約１８０℃）を下回っても、昇温制御は行わない。したがって、第２の排気浄化システムの燃費ペナルティは０である。
第３の排気浄化システムは、上記第１及び第２の排気浄化システムを単純に組み合わせたものである。すなわち、ＬＮＴ触媒に対する還元処理及びＳＣＲ触媒に対する尿素水噴射制御は、両触媒で最適なＮＯｘ浄化性能が発揮されるよう独立して行う。なお、第３の排気浄化システムでは、図１の本実施形態に係る排気浄化システム１と同様、ＬＮＴ触媒をＳＣＲ触媒の上流側に設けた。

図３は、従来の排気浄化システムを搭載した車両を所定のパターンで走行させたときにおけるシステム全体のＮＯｘ浄化率［％］の変化を示す図である。図３には、上段から順に、第１の排気浄化システムのＮＯｘ浄化率、第２の排気浄化システムのＮＯｘ浄化率、第３の排気浄化システムのＮＯｘ浄化率、車両の走行パターンを示す。
図４は、図３の走行パターンで走行させたときにおける燃費ペナルティと総ＮＯｘ排出量を示す図である。以下、各排気浄化システムによるＮＯｘ浄化性能の特徴について順に説明する。

図３において、第１の排気浄化システムと第２の排気浄化システムの結果を比較して明らかなように、高負荷運転時におけるＮＯｘ浄化率は、ＬＮＴ触媒のみを用いる第１の排気浄化システムでは不十分である。結果として、図４に示すように総ＮＯｘ排出量は第１の排気浄化システムが最も多い。ただし、第１の排気浄化システムは、低負荷運転時において比較的高いＮＯｘ浄化性能を示す。

一方、ＳＣＲ触媒のみを用いる第２の排気浄化システムでは、大局的にはほぼ全ての運転条件下で、ガソリンエンジンで三元触媒を用いた場合とほぼ同等のＮＯｘ浄化性能を示す。この結果、図４に示すように総ＮＯｘ排出量は第１の排気浄化システムよりも少ない。ただし第２の排気浄化システムでは、上述のように昇温制御を実行しないため、エンジンの始動からＮＯｘの浄化を開始できるようになるまでにかかる時間は第１の排気浄化システムより長い。また、低負荷運転が継続するような走行条件では、触媒温度の低下によって尿素水の噴射が停止され、かつ、それまでに吸蔵していたＮＨ_３が枯渇することにより、ＮＯｘ浄化性能が一時的に消失する場合がある。このようなＮＯｘ浄化性能の消失は適宜昇温制御を行うことによって回復できるものの、この場合の燃費ペナルティは、第１の排気浄化システムよりも大きくなる可能性がある。

次に、ＬＮＴ触媒とＳＣＲ触媒とを組み合わせた第３の排気浄化システムでは、エンジンの始動時、低負荷運転時、及び高負荷運転時の全ての運転条件において第１及び第２の排気浄化システムよりも高いＮＯｘ浄化性能を示す。このため、図４に示すように、総ＮＯｘ排出量は第２の排気浄化システムよりもさらに低下する。しかしながら、高負荷運転時におけるＮＯｘ浄化性能は上述の第２の排気浄化システムでも十分である。これに対し、第３の排気浄化システムではこの第２の排気浄化システムのＮＯｘ浄化性能を上回っており、特に高負荷運転時においてやや過剰なＮＯｘ浄化状態となっている。

また第３の排気浄化システムでは、ＳＣＲ触媒が高い浄化性能を発揮できるような期間であっても第１の排気浄化システムと同じ条件、すなわちＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定値を超えたことに応じて還元処理を実行するようにしているため、燃費ペナルティは第１の排気浄化システムと同じになってしまう。すなわち、ＬＮＴ触媒とＳＣＲ触媒とを単純に組み合わせただけでは、システム全体でのＮＯｘ浄化性能を高くすることができても、燃費ペナルティが小さいことを特徴とするＳＣＲ触媒を組み合わせることの利点が現れていない。

以上のように、ＬＮＴ触媒とＳＣＲ触媒とを単純に組み合わせた第３の排気浄化システムでは、システム全体でのＮＯｘ浄化性能と燃費ペナルティとの組み合わせが最適化されていない。以下では、これらＮＯｘ浄化性能と燃費ペナルティとの組み合わせを最適にするような排気浄化システムの制御方法について説明する。

図５は、エンジンの運転モードを決定する処理の手順を示すフローチャートである。図５に示す処理は、ＦＩ−ＥＣＵにおいて所定の演算周期で繰り返し実行される。図５に示すように、エンジンの運転モードは、リーン運転モード（Ｓ９参照）と、昇温運転モード（Ｓ１０参照）と、ＤｅＮＯｘ運転モード（Ｓ１１参照）との、３つを含む。図５の処理では、排気浄化システムによる排気の浄化性能及び車両全体の燃費が最適になるように、エンジンや排気浄化システムの状態に応じて適切な運転モードを決定する。

リーン運転モードとは、混合気の空燃比をストイキよりリーンにする運転モードであり、３つの運転モードの中で最も基本的な運転モードとなっている。

昇温運転モードとは、ＬＮＴ触媒やＳＣＲ触媒を流れる排気の温度をリーン運転モードよりも上昇させることにより、これら触媒の温度を短時間で上昇させる運転モードである。この昇温運転モードは、例えば、リーン運転モードにおける燃焼パラメータに対して、ポスト噴射、アフター噴射、及びメイン噴射等の噴射タイミングを遅角化することによって実現される。

ＤｅＮＯｘ運転モードとは、ＬＮＴ触媒を流れる排気を還元雰囲気にすることにより、ＬＮＴ触媒に吸蔵されているＮＯｘを還元浄化する運転モードである。このＤｅＮＯｘ運転モードは、リーン運転モードにおける燃焼パラメータに対し、例えばスロットルバルブを絞り吸入空気量を低減したり、ＥＧＲ量を増量したり、燃料噴射タイミングを遅角化したり、燃料噴射量を増やしたり、アフター噴射及びポスト噴射を追加して実行したりすることによって実現される。なお、ＤｅＮＯｘ運転モードでは、リーン運転モードよりも排気の温度が高くなるため、上述の昇温運転モードの機能を兼ね備えているといえる。

Ｓ１では、ＦＩ−ＥＣＵは、各種装置（例えば、燃料噴射弁、及び尿素水インジェクタ等）や各種センサ（例えば、空燃比センサ、上流触媒温度センサ、及び下流触媒温度センサ等）が正常であるか否かを判定する。

Ｓ２では、ＦＩ−ＥＣＵは、エンジンから排出されるＮＯｘ量[mg]の推定値Eng_nox_hat(k)を算出する。この推定値Eng_nox_hat(k)は、例えばエンジン負荷、エンジン回転数、ＥＧＲ率、及び燃料噴射タイミング等のエンジンの運転状態を表す複数のパラメータを引数として用いてマップやテーブルを検索することにより算出される。また、この推定値Eng_nox_hat(k)は、上述のような複数の引数を入力としたニューラルネットワークを用いることによって算出することもできる。また、排気管内のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを備える場合には、このＮＯｘセンサの出力を用いて上記推定値Eng_nox_hat(k)を算出することもできる。なお以下では、ＦＩ−ＥＣＵにおいて所定の演算周期の下で周期的に算出される演算値の最新の値については括弧書きで符号”k”を付す。また、最新の値が算出される周期のn周期前の演算値については括弧書きで符号”k-n”を付す。

Ｓ３では、ＦＩ−ＥＣＵは、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵量[mg]の推定値(St_nox_hat(k))を算出する。この推定値St_nox_hat(k)は、既知の方法、又は下記式（１）〜（４）で示す演算を順番に行うことによって算出される。

下記式（１）において、Rd_nox_hat(k)は、ＤｅＮＯｘ運転モード中のＮＯｘ還元量[mg]の推定値である。ここで算出するＮＯｘ還元量とは、より具体的には、前回の演算実行時から今回の演算実行時までの間にＬＮＴ触媒において還元されたＮＯｘの量をいう。ＬＮＴ触媒に吸蔵されているＮＯｘは、上述のようにＬＮＴ触媒が還元雰囲気の排気に晒されると還元浄化される。この際、ＮＯｘ還元量は、ＬＮＴ触媒に供給される還元剤の量に比例する。したがって推定値Rd_nox_hat(k)は、下記式（１）に示すように、ＬＮＴ触媒に供給される還元剤量[mg]の推定値に、還元剤の量を還元量に変換する正の係数Kredを乗算することによって算出される。またこの還元剤量の推定値は、排気の量[mg/sec]の推定値Gex_hat(k)に空燃比の検出値Af_act(k)とストイキ空燃比(AF_ST)との偏差を乗算することによって算出される。なお、排気の量の推定値Gex_hat(k)は、ＦＩ−ＥＣＵにおいてエアフローセンサの出力に基づいて算出された値が用いられる。また、空燃比の検出値Af_act(k)は、ＦＩ−ＥＣＵにおいて空燃比センサの出力に基づいて算出された値が用いられる。

下記式（２）において、St_nox_hat_tmp(k)は、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵量の暫定値である。ここで暫定値とは、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵量の上限及び下限を考慮せずに算出される値であることを意味する。ＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵量の暫定値は、下記式（２）の右辺に示すように、前回の演算実行時におけるＮＯｘ吸蔵量の推定値St_nox_hat(k-1)に、前回の演算実行時から今回の演算実行時までの間に新たに吸蔵されたＮＯｘの量[mg]の推定値を加算し（右辺第２項）、上記式（１）で算出されるＮＯｘ還元量の推定値Rd_nox_hat(k)を減算することによって算出される。ここで、右辺第２項の新たなＮＯｘ吸蔵量の推定値は、Ｓ２で算出したＮＯｘ排出量の推定値Eng_nox_hat(k)に、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ浄化率（すなわち、リーン運転モード中におけるＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵効率）[%]の推定値η_nox_lnt(k)を乗算することによって算出される。

また、上記式（２）におけるＮＯｘ浄化率の推定値η_nox_lnt(k)は、下記式（３）に示すように、ＬＮＴ触媒の温度に応じて定められる基準浄化率の推定値η_nox_lnt_base(k)に、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵量に応じて定められる補正係数ηk_nox_lnt(k)を乗算することによって算出される。ここで、推定値η_nox_lnt_base(k)は、例えば、ＬＮＴ触媒の温度の推定値lnt_tmp(k)を引数として、図６に示すようなマップを検索することによって算出される。図６に示すように、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ浄化率は、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率が最大となる約２００℃よりもやや低温側でピークとなるような上に凸の特性を示す。また、補正係数ηk_nox_lnt(k)は、例えば、前回の演算実行時におけるＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵率（後述の式（５）参照）の推定値Rt_st_nox_hat(k-1)を引数として、図７に示すようなマップを検索することによって算出される。図７は、ＬＮＴ触媒に新たに吸蔵されるＮＯｘの量は、ＬＮＴ触媒に現に吸蔵されているＮＯｘの量が多くなるほど少なくなることを示す。

ＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵量の推定値St_nox_hat(k)は、以上のようにして算出された暫定値St_nox_hat_tmp(k)に対して下記式（４）で示すようなリミット処理を施すことによって算出される。下記式（４）において、下限値は０である。また下記式（４）において上限値St_nox_max(k)は、ＬＮＴ触媒の最大ＮＯｘ吸蔵量[mg]の推定値であり、ＬＮＴ触媒の温度の推定値lnt_tmp(k)を引数として、図８に示すようなマップを検索することによって算出される。図８は、ＬＮＴ触媒で吸蔵できるＮＯｘの量の最大値は、ＬＮＴ触媒の温度が高くなるほど低下することを示す。

図５に戻って、Ｓ４では、ＦＩ−ＥＣＵは、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵率[%]（ＬＮＴ触媒で吸蔵できるＮＯｘの最大の量に対するＬＮＴ触媒で現に吸蔵されているＮＯｘの量の割合）の推定値Rt_st_nox_hat(k)を、下記式（５）に従って算出する。ＮＯｘ吸蔵率の推定値Rt_st_nox_hat(k)は、下記式（５）に示すように、ＮＯｘ吸蔵量の推定値St_nox_hat(k)を最大ＮＯｘ吸蔵量の推定値St_nox_max(k)で割ることによって算出される。

Ｓ５では、ＦＩ−ＥＣＵは、ＳＣＲ触媒の昇温制御を行うのに適した時期であるか否かを判定する昇温判定処理を行う。この昇温判定処理では、後に図９を参照して詳細に説明するように、ＦＩ−ＥＣＵは、ＳＣＲ触媒の温度を上昇させる昇温制御を実行するのに適した時期であるか否かを判定し、適した時期である場合には、これを明示するために昇温制御実行フラグの値F_heat(k)を“１”にし、適した時期でない場合には上記昇温制御実行フラグの値F_heat(k)を“０”にする。

Ｓ６では、ＦＩ−ＥＣＵは、ＬＮＴ触媒の還元処理を行うのに適した時期であるか否かを判定する還元判定処理を行う。以下で説明するように、この還元判定処理では、ＦＩ−ＥＣＵは、ＬＮＴ触媒に吸蔵されているＮＯｘを還元浄化するためのＤｅＮＯｘ運転モードを行うのに適した時期であるか否かを判定し、適した時期である場合には、これを明示するために還元実行フラグの値F_denox_mode(k)を“１”にし、適した時期でない場合にはこの還元実行フラグの値F_denox_mode(k)を“０”にする。以下、このＳ６の処理の具体的な演算手順について説明する。

ＦＩ−ＥＣＵは、下記式（６）に従って、還元実行フラグの値F_denox_mode(k)を決定する。下記式（６）に示すように、還元実行フラグF_denox_modeは、それぞれ独立して決定される４つのフラグの値（F_denox_cond(k)、F_denox_st(k)、F_denox_etrq(k)、F_denox_tscr(k)）が全て“１”である場合のみ“１”に設定され、それ以外の場合には“０”に設定される。換言すれば、ＦＩ−ＥＣＵは、これら４つのフラグによって成否が明示される４つの条件が全て満たされている場合のみ、ＤｅＮＯｘ運転モードを実行し、ＬＮＴ触媒に吸蔵されているＮＯｘの還元浄化を行う。以下、これら４つの条件の内容について説明する。

フラグF_denox_condは、ＬＮＴ触媒の還元処理を行う際における、ＬＮＴ触媒の温度条件の成否を明示するフラグである。ＬＮＴ触媒の温度が低すぎると、ＬＮＴ触媒を還元雰囲気に晒してもＮＯｘを還元浄化することができない。そこでＦＩ−ＥＣＵは、下記式（７）に示すように、ＬＮＴ触媒の温度の推定値Lnt_tmp(k)を取得し、この推定値Lnt_tmp(k)が予め定められたＤｅＮＯｘ運転モード可能温度LNT_TMP_ACT（例えば、１９０℃）以上である場合には、ＬＮＴ触媒の温度条件が満たされていることを明示すべく温度ＬＮＴ温度条件フラグの値F_denox_cond(k)を“１”にし、それ以外の場合にはフラグの値F_denox_cond(k)を“０”にする。

フラグF_denox_stは、ＬＮＴ触媒の還元処理を行う際における、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵条件の成否を明示するフラグである。ＬＮＴ触媒にさほどの量のＮＯｘが吸蔵されていない場合には、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ浄化性能もさほど低下しておらず、ＤｅＮＯｘ運転モードを実行する必要性は乏しい。そこでＦＩ−ＥＣＵは、下記式（８）に示すように、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵率の推定値Rt_st_nox_hat(k)を、２つの閾値（RT_REG_REQ、RT_REG_DON）と比較することによって、ＮＯｘ吸蔵条件フラグの値F_denox_st(k)を決定する。閾値RT_REG_REQは、還元処理の開始を要求するタイミングを決定する閾値であり、例えば、０．７である。また閾値RT_REG_DONは、還元処理の停止を要求するタイミングを決定する閾値であり、例えば、０．４である。これにより、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵率がRT_REG_REQを超えたことに応じて還元処理が開始し、その後、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵率がRT_REG_DONを下回ったことに応じて実行していた還元処理が終了する。

フラグF_denox_etrqは、ＬＮＴ触媒の還元処理を行う際における、エンジンの運転条件の成否を明示するフラグである。例えばエンジンが低負荷運転（例えば、アイドル運転）され、排気がごく僅かしか流れていない状況でＤｅＮＯｘ運転モードを行っても、効率的にＮＯｘを還元浄化することができない。また、エンジンが低負荷運転されている場合には、エンジンから排出されるＮＯｘ量も僅かであるため、積極的にＬＮＴ触媒の還元処理を実行する必要性も乏しい。そこでＦＩ−ＥＣＵは、下記式（９）に示すように、図示しないアクセル開度センサの出力に基づいてドライバ要求トルク値Drv_eng_trq(k)を取得し、これを所定の閾値（ENG_TRQ_REGEN（例えば、１５０Ｎｍ））と比較することによって、エンジン運転条件フラグの値F_denox_etrq(k)を決定する。なお、フラグの値F_denox_etrq(k)を決定する際に用いる引数には、ドライバ要求トルク値を用いたが、これに限らない。この引数は、エンジンの負荷に対して概ね比例関係にあるものであればどのようなパラメータでもよく、例えば、実エンジン負荷、燃料噴射量、吸気量、及び吸気圧等でもよい。

最後に、フラグF_denox_tscrは、ＬＮＴ触媒の還元処理を行う際における、ＳＣＲの温度条件の成否を明示するフラグである。このＳＣＲ温度条件フラグF_denox_tscrは、ＬＮＴ触媒ではなくＳＣＲの温度に基づいて定められるため、上述のＬＮＴ温度条件フラグF_denox_condから独立したフラグである。上述の式（７）〜（９）で示される３つの条件を満たしていれば、ＤｅＮＯｘ運転モードを実行することにより、ＬＮＴ触媒に吸蔵されているＮＯｘを効率的に還元浄化し、ＬＮＴ触媒を用いて排気中のＮＯｘを浄化することができる。しかしながら、ＳＣＲ触媒を用いて排気中のＮＯｘを効率的に浄化できる場合にまでＬＮＴ触媒の還元処理を行うのは、燃費ペナルティを悪化させる割に、システム全体でのＮＯｘ浄化性能の向上に寄与する効果が小さく、無駄が多い。そこでＦＩ−ＥＣＵは、下記式（１０）に示すように、ＳＣＲ触媒の温度の推定値Scr_tmp(k)を取得し、これを所定の閾値（SCR_LNT_MODE_TMP）と比較することによって、ＬＮＴ温度条件フラグの値F_denox_tscr(k)を決定する。より具体的には、ＦＩ−ＥＣＵは、推定値Scr_tmp(k)が、ＳＣＲ触媒で排気中のＮＯｘを還元浄化できる温度範囲内で定められた所定の閾値SCR_LNT_MODE_TMP以下である場合にはフラグの値F_denox_tscr(k)を“１”にする（すなわち、ＤｅＮＯｘ運転モードの実行を許可する）。またＦＩ−ＥＣＵは、推定値Scr_tmp(k)が上記閾値SCR_LNT_MODE_TMPより高い場合には、フラグの値F_denox_tscr(k)を“０”にする（すなわち、ＤｅＮＯｘ運転モードのの実行を禁止する）。

上記式（１０）におけるＳＣＲの温度に対する閾値SCR_LNT_MODE_TMPは、ＬＮＴ触媒の還元処理の要否を決定するための閾値である。したがって、ＳＣＲの温度が閾値SCR_LNT_MODE_TMPより低い場合にはＬＮＴ触媒とＳＣＲ触媒との両方を用いたＮＯｘの浄化が行われるが、ＳＣＲの温度が閾値SCR_LNT_MODE_TMP以上である場合にはＬＮＴ触媒よりもＳＣＲ触媒に重点を置いてＮＯｘが浄化される。すなわち、この閾値SCR_LNT_MODE_TMPは、直感的には、ＬＮＴ触媒とＳＣＲ触媒との両方を用いたＮＯｘ浄化を行う排気浄化モードと、主にＳＣＲ触媒を用いたＮＯｘ浄化を行う排気浄化モードとを切り替える閾値として機能する。よって以下では、閾値SCR_LNT_MODE_TMPを、切替温度ともいう。

この切替温度は、上述のようにＳＣＲ触媒でＮＯｘを還元浄化できる温度範囲内で定められる。また、このような温度範囲内であれば、それまでに貯蔵されていたＮＨ_３や尿素水の加水分解によって新たに生成されたＮＨ_３を用いて排気中のＮＯｘが浄化される。しかしながら、例えば市街地における低エンジン負荷での走行や、６０〜８０ｋｍ／ｈ程度の速度のクルーズ走行が長時間にわたって行われることにより、ＳＣＲ触媒の温度が、尿素水の析出が発生する温度まで低下する場合がある。このような場合、ＤＣＵにおいて実行される尿素水噴射制御では、尿素水の析出を防止するため、尿素水の噴射を停止する。尿素水の噴射が停止されると、ＳＣＲ触媒では、それまでに貯蔵していたＮＨ_３を還元剤として用いるため、長時間にわたってＮＯｘを還元浄化することができない（例えば、図３の上から２段目を参照）。したがって、ＬＮＴ触媒とＳＣＲ触媒との両方がＮＯｘ浄化機能を失うのを防止するため、切替温度SCR_LNT_MODE_TMPは、少なくとも尿素水インジェクタから噴射された尿素水の析出が発生する温度よりも高い温度に設定される。これにより、システム全体でのＮＯｘ浄化性能の低下させることなく尿素水の噴射を停止することができ、析出の発生も防止できる。

図５に戻って、ＦＩ−ＥＣＵは、以上のようにして決定したフラグの値F_denox_mode(k)及びF_heat(k)を参照し（Ｓ７及びＳ８）、運転モードを決定する。フラグ値F_denox_mode(k)及びF_heat(k)が何れも“０”である場合には、リーン運転モードが選択される（Ｓ９参照）。また、フラグ値F_denox_mode(k)が“０”でありかつフラグ値F_heat(k)が“１”である場合には、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化性能を速やかに向上させるべく、昇温運転モードが選択される（Ｓ１０参照）。また、フラグ値F_denox_mode(k)が“１”である場合には、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ浄化性能を速やかに向上させるべく、ＤｅＮＯｘ運転モードが選択される（Ｓ１１参照）。なお、フラグ値F_denox_mode(k)が“１”である場合には、フラグ値F_heat(k)によらずＤｅＮＯｘ運転モードが選択される。これは、上述のように、ＤｅＮＯｘ運転モードでは、通常のリーン運転よりも排気管内の温度を上昇させる効果が高く、昇温運転モードの機能の一部を兼ね備えているからである。

図９は、昇温判定処理の具体的な手順を示すフローチャートである。以下で説明するように、図９の処理では、ＳＣＲ触媒の温度及びＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵率に基づいて、ＳＣＲ触媒を昇温する昇温運転モードの実行の要否を判断する。

Ｓ２１では、ＦＩ−ＥＣＵは、ＳＣＲ触媒の温度の推定値Scr_tmp(k)を取得し、この推定値Scr_tmp(k)が切替温度SCR_LNT_MODE_TMP以下であるか否かを判定する。またＳ２２では、ＦＩ−ＥＣＵは、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵率の推定値Rt_st_nox_hat(k)を取得し、この推定値Rt_st_nox_hat(k)が所定の昇温制御開始閾値RT_ST_NOX_HUP以上であるか否かを判定する。ここで、昇温制御開始閾値RT_ST_NOX_HUPは、例えば還元処理の開始を要求する閾値RT_REG_REQより高く（より具体的には、例えば０．８）に設定される。

ＦＩ−ＥＣＵは、Ｓ２１及びＳ２２の両方の判定がＹＥＳである場合、すなわちＳＣＲ触媒の温度が切替温度以下であり、かつ、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵率が昇温制御開始閾値以上である場合には、ＳＣＲ触媒の昇温が必要であると判断し、これを要求すべくフラグ値F_heat(k)を“１”にする（Ｓ２３参照）。これにより、昇温運転モードが実行される（図５のＳ１０参照）。またＦＩ−ＥＣＵは、Ｓ２１及びＳ２２の何れかの判定がＮＯである場合には、ＳＣＲ触媒の昇温は不要であると判断し、フラグ値F_heat(k)を“０”にする（Ｓ２４参照）。

以上の昇温判定処理によれば、ＳＣＲ触媒の温度が切替温度より低くかつＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵率が昇温制御開始閾値より高い場合にのみ、昇温運転モードの実行が要求される。ここで、昇温制御開始閾値は、上述のように還元処理の開始を要求する閾値より高く設定される。図５を参照して説明したように、ＳＣＲ触媒の温度が切替温度より低い場合には、ＬＮＴ触媒の還元処理は許可されるので、基本的には、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵率が昇温制御開始閾値を上回ることがない。したがって、図９の処理によってＳＣＲ触媒の昇温が要求される状況とは、例えば、ＬＮＴ触媒の還元処理が禁止されている状態でＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸蔵率が昇温制御開始閾値を超えた後、ＳＣＲ触媒の温度が何らかの理由によって切替温度を下回った場合が想定される。このような場合、ＦＩ−ＥＣＵは、ＬＮＴ触媒の還元処理を強制的に行うことによってＬＮＴ触媒のＮＯｘ浄化性能を回復させるよりも、ＳＣＲ触媒の温度を上昇させることによってそのＮＯｘ浄化性能を回復させる方が好ましいと判断し、フラグ値F_heat(k)を“１”にする。

次に、以上のような本実施形態に係る排気浄化システムの効果について説明する。
図１０は、本実施形態に係る排気浄化システムを搭載した車両を図３と同じ走行パターンで走行させたときにおけるＳＣＲ触媒の温度、還元実行フラグF_denox_mode、システム全体のＮＯｘ浄化率、及び車速の変化を示す図である。図１０には、切替温度SCR_LNT_MODE_TMPを、ＳＣＲ触媒によるＮＯｘ浄化が可能な温度範囲内でありかつ尿素水の析出が生じない温度よりも高い温度である２００℃とした例を示す。また、図３や図４に示す従来の排気浄化システムとの比較を容易にするため、昇温制御実行フラグの値F_heat(k)は常に“０”となるようにし、ＳＣＲ触媒の温度が低下しても昇温運転モードは実行されないようにした。
図１１は、図１０の走行パターンで走行させたときにおける燃費ペナルティと総ＮＯｘ排出量との関係を示す図である。

図１０に示すように、走行中におけるＳＣＲ触媒の温度は、上述の切替温度SCR_LNT_MODE_TMPの近傍を推移し、間欠的に切替温度SCR_LNT_MODE_TMPを上回る。ＳＣＲ触媒の温度が切替温度SCR_LNT_MODE_TMPを上回ると、上述のように還元実行フラグの値F_denox_mode(k)は“０”となり、ＤｅＮＯｘ運転モードの実行が禁止される。このため、図１０において破線で示すように特に高負荷運転時には還元実行フラグの値F_denox_mode(k)は“０”となっている期間が長い。この結果、図１１に示すように、本実施形態の排気浄化システムではＤｅＮＯｘ運転モードの実行を制限することにより、上述の第３の排気浄化システムよりも燃費ペナルティを抑制できる。

また本実施形態の排気浄化システムでは、切替温度SCR_LNT_MODE_TMPをＳＣＲ触媒でＮＯｘを還元浄化できる温度範囲内に設定する。すなわち、ＳＣＲ触媒の温度が切替温度SCR_LNT_MODEを超えることによってＤｅＮＯｘ運転モードの実行が禁止されている期間は、ＳＣＲ触媒によってＮＯｘを還元浄化することができる。これにより、ＤｅＮＯｘ運転モードの実行が禁止されることによってＬＮＴ触媒のＮＯｘ浄化性能が低下したとしても、この低下分は十分なＮＯｘ浄化性能を発揮するＳＣＲ触媒によって肩代わりされるため、図１０に示すように高負荷運転時におけるＮＯｘ浄化率の低下は、図３に示す第３の排気浄化システムの結果とほぼ同等である。したがって、本実施形態の排気浄化システムによれば、図１１に示すように、第３の排気浄化システムと比較して総ＮＯｘ排出量の増加を僅かに留めながら燃費ペナルティを抑制できる。なお、第３の排気浄化システムと比較したときにおける総ＮＯｘ排出量の僅かな増加は、高負荷運転時にはＤｅＮＯｘ運転モードの実行を制限することによって、高負荷運転時における過剰なＮＯｘ浄化性能をＳＣＲ触媒単独のシステムのＮＯｘ浄化性能まで引き下げたことによる。

図１１には、切替温度SCR_LNT_MODE_TMPを連続的に変化させたときにおける評価点（総ＮＯｘ排出量及び燃費ペナルティの組み合わせ）の変化を一点鎖線で示す。切替温度SCR_LNT_MODE_TMPを低下させると、直感的には、ＤｅＮＯｘ運転モードが実行される頻度、すなわちＬＮＴ触媒を用いた浄化範囲が狭くなるため、排気浄化システムは、ＳＣＲ触媒単独のシステム（すなわち、上述の第２の排気浄化システム）に近づく。この際、本実施形態の排気浄化システムでは、切替温度SCR_LNT_MODE_TMPという閾値を導入し、ＳＣＲ触媒によるＮＯｘの浄化が適している高負荷運転側からＬＮＴ触媒を用いた浄化範囲を制限する。このため、図１１に示すように本実施形態の排気浄化システムの評価点は、切替温度を低下させると、第３の排気浄化システムの評価点から、総ＮＯｘ排出量の増加を最小限に留めながら第２の排気浄化システムの評価点に向けて変化する。換言すれば、燃費ペナルティを抑制した分だけ単純に総ＮＯｘ排出量が増加する、ということはない。

ここで、総ＮＯｘ排出量の増加を最小限に留めることができる理由について、より詳細に検討する。図１を参照して説明したように、ＳＣＲ触媒の温度変化はＬＮＴ触媒の温度変化よりも緩やかになっている。このため、温度低下時におけるＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化性能の低下も、ＬＮＴ触媒のそれよりも緩やかになっている。また、ＳＣＲ触媒は、ＮＨ_３を貯蔵する機能があるため、ＳＣＲ触媒の温度が低下することによって尿素水の噴射が停止されたとしても、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化性能が直ちに消失することはない。一方、ＬＮＴ触媒は、ＮＯｘ吸蔵率が高いと十分なＮＯｘ浄化性能を発揮することができない。このため、ＳＣＲ触媒の温度が切替温度を下回ったことに応じて、ＤｅＮＯｘ運転モードの実行が許可された時点では、ＬＮＴ触媒は直ちにその本来のＮＯｘ浄化性能を発揮できない場合がある。特にＤｅＮＯｘ運転モードの実行が禁止されている期間が長引くと、ＬＮＴ触媒には上限に近い量のＮＯｘが吸蔵されており、そのＮＯｘ浄化性能が著しく低下している場合が多い。この場合、ＬＮＴ触媒に吸蔵されていたＮＯｘが十分に還元浄化されるまで、ＬＮＴ触媒では十分なＮＯｘ浄化性能を発揮することができない。これに対して、本実施形態の排気浄化システムでは、ＳＣＲ触媒の温度変化を緩慢化することにより、ＤｅＮＯｘ運転モードの実行が許可されてからＬＮＴ触媒のＮＯｘ浄化性能が回復するまでの過渡期に、システム全体のＮＯｘ浄化性能が急激に低下するのを防止できる。換言すれば、ＳＣＲ触媒の温度の低下を緩慢にすることにより、ＬＮＴ触媒に対しＤｅＮＯｘ運転モードを実行する期間を十分に確保することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る排気浄化システムについて説明する。本実施形態の排気浄化システムは、エンジンの運転モードを決定する手順において、上述の第１実施形態に係る排気浄化システムと異なる。

図１２は、本実施形態の排気浄化システムにおけるエンジンの運転モードを決定する手順を示すフローチャートである。Ｓ３１からＳ４２によって構成される図１２の処理のうち、Ｓ３１〜Ｓ３５及びＳ３７〜Ｓ４１は、それぞれ図５の処理におけるＳ１〜Ｓ５及びＳ７〜Ｓ１１と同じであるので、詳細な説明を省略する。以下では、図１２の処理のうち、図５の処理から新たに追加されたＳ４２の処理と、この追加に伴って一部変更されるＳ３６の処理について説明する。

Ｓ４２では、ＦＩ−ＥＣＵは、後述の図１３及び１４を参照して説明する手順に従って走行モード予測パラメータの値Pre_delta_v(k)を算出する。Ｓ３６では、ＦＩ−ＥＣＵは、走行モード予測パラメータの値Pre_delta_v(k)を用いることによってＤｅＮＯｘ運転モードを行うのに適した時期であるか否かを判定し、適した時期である場合には還元実行フラグの値F_denox_mode(k)を“１”にし、適した時期でない場合には還元実行フラグの値F_denox_mode(k)を“０”にする。

図１３及び１４を参照して、走行モード予測パラメータの値Pre_delta_v(k)を算出する手順について説明する。
図１３は、走行モード予測パラメータの概念を説明するための図である。

走行モード予測パラメータPre_delta_vとは、将来の車両の走行状態を示すパラメータであり、将来の車速が現在の車速とほぼ同じ（定常運転）であると予測される場合には０となり、将来の車速が現在の車速よりも速くなる（加速運転）と予測される場合には正の値となり、将来の車速が現在の車速よりも遅くなる（減速運転）と予測される場合には負の値となるように調整されるパラメータである。また、車両の加減速に伴って排気管内の触媒の温度も上下に変動することから、この走行モード予測パラメータPre_delta_vは触媒の温度変化を示すパラメータとして用いることもできる。

ＦＩ―ＥＣＵは、上述のような走行モード予測パラメータの値Pre_delta_v(k)、図１３で模式的に示すように車両の走行履歴に基づいて算出する。より具体的には、所定の単位ドライビングサイクルの平均車速（以下、区間平均車速Drv_aveという）をリングバッファに記録し、直近のｎドライビングサイクル分のバッファ値（Drv_ave(0)、Drv_ave(1)、…Drv_ave(n)。ｎは、任意の整数であり、以下では“５”とする。）を用いて、下記式（１１）によって走行モード予測パラメータの値Pre_delta_v(k)を算出する。なお単位ドライビングサイクルは、原則として、車両が発進してから停止するまでの期間として定義される。そして、走行期間が所定の最大算出期間TM_DR_MAXを超えた場合には、この最大算出期間TM_DR_MAXにわたる期間が単位ドライビングサイクルとして定義される。

車両が走行する運転環境（例えば、一般道路、高速道路、山岳路、市街地、渋滞等）が急激に変化することは稀である。したがって、式（１１）のように車両の走行履歴に基づいて算出される走行モード予測パラメータPre_delta_vは、上述のように将来の車両の走行状態を示す機能があるといえる。

図１４は、走行モード予測パラメータの値を算出する具体的な手順を示すフローチャートである。
Ｓ５１では、ＦＩ−ＥＣＵは、走行時間の値Tm_drv(k-1)を取得し、最大算出期間TM_DR_MAXが経過したか否かを判定する（Tm_drv(k-1)≦TM_DRV_MAX）。この走行時間Tm_drvは、後述のＳ５３において更新され、後述のＳ５６において単位ドライビングサイクルが経過したと判断される度に“０”にリセットされる。Ｓ５２では、ＦＩ−ＥＣＵは、図示しない車速センサの出力に基づいて現在の車速値Vp(k)を取得し、これを所定の走行判断閾値VP_MAXと比較することによって、車両が走行しているか否かを判定する（VP_MAX≦Vp(k)）。

Ｓ５１及びＳ５２の判定が何れもＹＥＳであった場合、ＦＩ−ＥＣＵは、未だ単位ドライビングサイクルが経過していないと判断し、Ｓ５３に移る。ＦＩ−ＥＣＵは、Ｓ５３では走行時間の値Tm_drv(k)を更新し（Tm_drv(k)=Tm_drv(k-1)+ΔT(ΔTは、図１４の処理の演算周期)）、Ｓ５４では走行距離の値Sum_vp(k)を更新する（Sum_vp(k)=Sum_vp(k-1)+ΔT×Vp(k)）。

Ｓ５１又はＳ５２の判定がＮＯであった場合、ＦＩ−ＥＣＵは、単位ドライビングサイクルが経過したと判断し、Ｓ５５に移る。Ｓ５５では、ＦＩ−ＥＣＵは、区間平均車速のリングバッファの値（Drv_ave(0)，…Drv_ave(5)）を更新する。より具体的には、ＦＩ−ＥＣＵは、Ｓ５３及びＳ５４で算出される走行距離の値Sum_vp(k)及び走行時間の値Tm_drv(k)を用いて直近のドライビングサイクルの平均車速値を算出し、図１４に示すように、これを最も若い番号のバッファDrv_ave(0)に格納するとともに、これ以下のバッファの値を１つずつシフトする。ＦＩ−ＥＣＵは、Ｓ５６では走行時間の値Tm_drv(k)を“０”にリセットし、Ｓ５７では走行距離の値Sum_vp(k)を“０”にリセットする。

Ｓ５８では、ＦＩ−ＥＣＵは、上記式（１１）を用いて走行モード予測パラメータの値Pre_delta_v(k)を算出し、この処理を終了する。

図１２に戻って、Ｓ３６では、ＦＩ−ＥＣＵは、式（７）〜（９）に従って３つのフラグの値（F_denox_cond(k)、F_denox_st(k)、F_denox_etrq(k)）を決定し、後述の式（１２）〜（１４）に従ってＬＮＴ温度条件のフラグの値F_denox_tscr(k)の値を決定し、さらにこれら４つのフラグを用いて式（６）に従って、還元実行フラグの値F_denox_mode(k)の値を決定する。以下、走行モード予測パラメータを用いてＬＮＴ温度条件フラグの値を決定する手順について説明する。

始めにＦＩ−ＥＣＵは、下記式（１２）に示すように、Ｓ４２で算出した走行モード予測パラメータの値Pre_delta_v(k)に所定の切替温度変更ゲインKv2tmpを乗算することによって、修正量Delta_slmode_tmp(k)を算出する。この変更ゲインKv2tmpは、走行モード予測パラメータが後述の修正切替温度の値Scr_lnt_mode_tmp_mod(k)に及ぼす影響の大きさを定めるゲインであり、負の値に設定される。このゲインKv2tmpは、負の固定値としてもよいし、走行モード予測パラメータの値Pre_delta_v(k)の正負に応じて変更してもよい。以下では、ゲインKv2tmpは固定値とする。

次にＦＩ−ＥＣＵは、下記式（１３）に示すように、固定値である切替温度SCR_LNT_MODE_TMPに修正量Delta_slmode_tmp(k)を加算することによって、修正切替温度Scr_lnt_mode_tmp_mod(k)を算出する。上述のように変更ゲインKv2tmpは負に設定される。したがって、修正切替温度Scr_lnt_mode_tmp_mod(k)は、固定値SCR_LNT_MODE_TMPを基準値として、予測パラメータの値が正になる場合には基準値よりも小さくなるように修正され、予測パラメータの値が負になる場合には基準値よりも大きくなるように修正される。

次にＦＩ−ＥＣＵは、下記式（１４）に示すように、ＳＣＲ触媒の温度の推定値Scr_tmp(k)を取得し、これを上述の修正切替温度Scr_lnt_mode_tmp_mod(k)と比較することによって、ＬＮＴ温度条件フラグの値F_denox_tscr(k)を決定する。

次に、以上のような本実施形態に係る排気浄化システムの効果について説明する。
図１５は、本実施形態に係る排気浄化システムを搭載した車両を図３と同じ走行パターンで走行させたときにおける走行モード予測パラメータ、ＳＣＲ触媒の温度、還元実行フラグF_denox_mode、システム全体のＮＯｘ浄化率、及び車速の変化を示す図である。図１５には、修正切替温度Scr_lnt_mode_tmp_modを、所定の下限値（具体的には、１８０℃）と所定の上限値（具体的には、２５０℃）との間で制限した例を示す。すなわち、上記式（１３）に基づいて修正切替温度の値が上記下限値を下回った場合には、修正切替温度の値はこの下限値とし、修正切替温度の値が上記上限値を超えた場合には、修正切替温度の値はこの上限温度とした。また、固定値である切替温度SCR_LNT_MODE_TMPは、図１０の場合と同様に２００℃とした。また、図１０を参照して説明した場合と同様に、ＳＣＲ触媒の温度が低下しても昇温運転モードは実行されないようにした。
図１６は、図１５の走行パターンで走行させたときにおける燃費ペナルティと総ＮＯｘ排出量との関係を示す図である。

図１５に示すように、本実施形態の排気浄化システムにおいても、第１実施形態の排気浄化システムと同様に、高負荷運転時にはＮＯｘ浄化率の向上と燃費ペナルティの抑制が両立され、低負荷運転時には十分なＮＯｘ浄化率が維持される。本実施形態の排気浄化システムでは、車両の走行履歴に基づいて逐次走行モード予測パラメータの値を算出し、これを用いて修正切替温度を決定する。これにより、ＤｅＮＯｘ運転モードの実行を禁止したり許可したりするタイミングを、車両の走行状態に応じてより適切にすることができる。この結果、図１６に示すように、総ＮＯｘ排出量は第１実施形態の排気浄化システムと比較して僅かに増加するものの、燃費ペナルティは第１実施形態の排気浄化システムよりもさらに抑制される。

ここで、第１実施形態の排気浄化システムの結果と本実施形態の排気浄化システムの結果とを、より詳細に比較する。
図１７は、第１実施形態の排気浄化システムの結果と、本実施形態の排気浄化システムの結果とを比較した図である。図１７において、第１実施形態の排気浄化システムの結果は細線で示し、本実施形態の排気浄化システムの結果は太線で示す。

本実施形態の排気浄化システムでは、修正切替温度が２００℃よりも低下する場合がある。これによって、燃費ペナルティがさらに抑制されるものの、ＤｅＮＯｘ運転モードの実行が禁止される機会が増えてしまう。このため、図１７に示すように、切替温度を２００℃に固定する第１実施形態の排気浄化システムと比較すると、高負荷運転時における一部の区間においてＮＯｘ浄化率が低下する。この結果、本実施形態の排気浄化システムの総ＮＯｘ排出量は、第１実施形態の排気浄化システムよりも僅かに増加する。しかしながら、本実施形態の排気浄化システムでは、走行モード予測パラメータの算出を介して、いわばＳＣＲ触媒の温度の変化を予測して修正切替温度を変化させることにより、第１実施形態の排気浄化システムよりも早いタイミングでＤｅＮＯｘ運転モードの実行を禁止したり許可したりできるため、第１実施形態の排気浄化システムよりもＮＯｘ浄化率の変動幅は狭くなる。このため、燃費ペナルティをさらに抑制しながら、システム全体のＮＯｘ浄化性能を安定化することができる。

以上、本発明の第２実施形態の排気浄化システムについて説明した。上述のように走行モード予測パラメータPre_delta_vは、将来の走行状態を示すパラメータであるとともに、触媒の将来の温度変化を示すパラメータでもある。したがって、走行モード予測パラメータPre_delta_vを用いて修正切替温度を変化させる代わりに、走行モード予測パラメータPre_delta_vを用いてＳＣＲ触媒の温度を予測しても同じ効果を奏する。

この場合、ＦＩ−ＥＣＵは、上記式（１３）及び（１４）に替えて、下記式（１５）及び（１６）の演算を行う。より具体的には、ＦＩ−ＥＣＵは、下記式（１５）に示すように、現在のＳＣＲ触媒の温度の推定値Scr_tmp(k)から上記式（１２）によって得られた修正量Delta_slmode_tmp(k)を減算することによって、ＳＣＲ触媒の将来の温度の予測値Pre_dcr_tmp(k)を算出する。

さらにＦＩ−ＥＣＵは、下記式（１６）に示すように、算出した予測値Pre_scr_tmp(k)を固定値である切替温度SCR_LNT_MODE_TMPと比較することによって、ＬＮＴ温度条件フラグの値F_denox_tscr(k)を決定する。これにより、上記第２実施形態の排気浄化システムと同等の効果を奏する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限らない。
例えば、上述の第２実施形態では、図１４に示す手順によって算出される走行モード予測パラメータを用いて、ＬＮＴ温度条件フラグの値F_denox_tscr(k)を決定したが、本発明はこれに限らない。ＬＮＴ温度条件フラグの値を決定するために用いられる走行モード予測パラメータは、上述のような予測機能（将来の車速の増減に応じて値が変化する機能）を備えているものであれば、図１４に示す手順によって算出されるものに限らない。このような予測機能を備える走行モード予測パラメータの値は、例えばニューラルネットワークによって算出することができる。また他の方法を用いてもよい。

また上記実施形態では、エンジンの運転モードをＤｅＮＯｘ運転モードに切り替えることによって、ＬＮＴ触媒における排気を還元雰囲気にしたが、本発明はこれに限らない。例えば、排気管に燃料インジェクタを設け、この燃料インジェクタから排気中に燃料を噴射することによってＬＮＴ触媒における排気を還元雰囲気にしてもよい。

また、上記実施形態では、ＮＨ_３を還元剤として排気中のＮＯｘを還元浄化する所謂ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒を用いた例について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、エンジンから排出された排気中に含まれる炭化水素や上述の燃料インジェクタから噴射された燃料を還元剤として、排気中のＮＯｘを還元浄化する所謂ＨＣ−ＳＣＲ触媒を用いても同じ効果を奏する。

１…エンジン（内燃機関）
２…排気浄化システム
３１…上流触媒コンバータ（リーンＮＯｘ触媒）
３３…下流触媒コンバータ（選択還元触媒）
４２…尿素水インジェクタ
５２…上流触媒温度センサ（温度取得手段）
５３…下流触媒温度センサ（温度取得手段）
７１…ＦＩ−ＥＣＵ（リーンＮＯｘ触媒還元装置、温度取得手段、切替温度設定手段、触媒昇温装置）

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、酸化雰囲気でＮＯｘを捕捉し還元雰囲気で捕捉しているＮＯｘを還元浄化するリーンＮＯｘ触媒と、
   前記排気通路に設けられ、還元剤とＮＯｘとを反応させてＮＯｘを還元浄化する選択還元触媒と、
   前記選択還元触媒に還元剤又はその前駆体を供給する還元剤供給装置と、
   前記選択還元触媒の温度を取得する温度取得手段と、を備える内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記選択還元触媒を流れる排気温度を上昇させる昇温運転モード又は前記リーンＮＯｘ触媒に捕捉されているＮＯｘを還元浄化するために所定の追加燃料制御を行い、前記リーンＮＯｘ触媒を還元雰囲気にするＤｅＮＯｘ運転モードを実行する制御装置をさらに備え、
   前記制御装置は、所定の条件が成立した場合には、前記ＤｅＮＯｘ運転モードを実行し、前記温度取得手段で取得した温度が、前記選択還元触媒でＮＯｘを還元浄化できる温度範囲内で定められた切替温度よりも高い場合には、前記ＤｅＮＯｘ運転モードの実行を禁止し、前記所定の条件が成立しておらず、前記温度取得手段で取得した温度が前記切替温度以下でありかつ前記リーンＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの捕捉率が所定値以上である場合には、前記昇温運転モードを実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 車両の走行履歴に基づいて、前記切替温度を変化させる切替温度設定手段をさらに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. 前記温度取得手段は、車両の走行履歴に基づいて前記選択還元触媒の将来の温度を取得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. 内燃機関の排気通路に設けられ、酸化雰囲気でＮＯｘを捕捉し還元雰囲気で捕捉しているＮＯｘを還元浄化するリーンＮＯｘ触媒と、
   所定の条件が成立したことに応じて、前記リーンＮＯｘ触媒に捕捉されているＮＯｘを還元浄化するために所定の追加燃料制御を行い、前記リーンＮＯｘ触媒を還元雰囲気にするリーンＮＯｘ触媒還元装置と、
   前記排気通路に設けられ、還元剤とＮＯｘとを反応させてＮＯｘを還元浄化する選択還元触媒と、
   前記選択還元触媒に還元剤又はその前駆体を供給する還元剤供給装置と、
   前記選択還元触媒の温度を取得する温度取得手段と、を備える内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記リーンＮＯｘ触媒還元装置は、前記温度取得手段で取得した温度が、前記選択還元触媒でＮＯｘを還元浄化できる温度範囲内で定められた切替温度よりも高い場合には、前記追加燃料制御の実行を禁止し、
   前記排気浄化システムは、車両の走行履歴に基づいて、前記切替温度を変化させる切替温度設定手段をさらに備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
5. 前記リーンＮＯｘ触媒及び前記選択還元触媒は、前記選択還元触媒の温度変化速度が前記リーンＮＯｘ触媒の温度変化速度よりも遅くなるように前記排気通路に設けられることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
6. 前記選択還元触媒は、ＮＨ_３を還元剤としたＮＨ_３選択還元触媒であり、
   前記還元剤供給装置は、ＮＨ_３の前駆体である尿素水を前記排気通路のうち前記ＮＨ_３選択還元触媒の上流側に噴射する尿素水インジェクタを備え、
   前記切替温度は、前記排気通路内で前記尿素水インジェクタから噴射された尿素水の析出が発生する温度よりも高い温度に設定されることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
   

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