WO2009128169A1

WO2009128169A1 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: WO2009128169A1
Application number: PCT/JP2008/057628
Authority: WO
Inventors: 安井　裕司; 郁絵川澄; フィッシャー・ミハエル
Original assignee: 本田技研工業株式会社
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2009-10-22
Also published as: EP2295750A1; JPWO2009128169A1; US20110041480A1; US8555623B2; EP2295750A4; EP2295750B1; JP5221647B2

Abstract

　選択還元触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、高いＮＯｘ還元率を維持しながら、選択還元触媒の下流へアンモニアが排出するのを抑制できる内燃機関の排気浄化装置を提供すること。　排気浄化装置２において、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。さらに排気浄化装置２は、排気通路１１のうちユリア選択還元触媒２３の上流側に還元剤を供給するユリア噴射装置２５と、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との間のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサ２６と、を備える。ここで、ユリア噴射装置２５によるユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡ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ＮＨ３_ＣＯＮＳの値が、「０」より大きな値になるように決定される。

Description

内燃機関の排気浄化装置

　本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、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装置に関する。

　従来、排気中のＮＯｘを浄化する排気浄化装置の１つとして、還元剤を添加することで排気中の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、還元剤として尿素水を用いる尿素添加式の選択還元触媒では、添加された尿素から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。

　このような選択還元触媒では、還元剤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装置では、還元剤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還元剤の噴射量を制御するものが示されている。

　特許文献１の排気浄化装置では、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、還元剤の噴射量を制御する。
　また特許文献２の排気浄化装置では、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還元剤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、還元剤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装置では、還元剤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、これに基づいて還元剤の噴射量を制御する技術について検討する。

　図２９は、従来の排気浄化装置８０の構成を示す模式図である。
　図２９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に貯留された還元剤としての尿素水を排気通路８２内に噴射するユリア噴射弁８５と、尿素水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。

　この排気浄化装置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。この排気浄化装置では、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３０は、上述の従来の排気浄化装置における、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３０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３０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３０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３０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、この排気浄化装置における最適な噴射量となっている。

　しかしながら、図３０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装置において、高いＮＯｘ還元率を維持しながら、選択還元触媒の下流へアンモニアが排出するのを抑制できる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の排気通路（１１）に設けられ、還元剤の存在下でアンモニアを生成し、このアンモニアで前記排気通路を流通するＮＯｘを還元する選択還元触媒（２３）を備える内燃機関の排気浄化装置（２）において、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）とを含んで構成され、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のアンモニア濃度を検出するアンモニア濃度検出手段（２６）と、当該アンモニア濃度検出手段により検出されるアンモニア濃度（ＮＨ３_ＣＯＮＳ）の値が、「０」より大きな値になるように制御するための制御入力を算出する第１制御入力算出手段（３，４，４２）と、前記還元剤供給手段による還元剤の供給量（Ｇ_ＵＲＥＡ）を、前記第１制御入力算出手段により算出された制御入力（Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}）を含めて決定する還元剤供給量決定手段（３，７）と、を備えることを特徴とする。

　請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第１選択還元触媒において貯蔵できるアンモニア量を第１ストレージ容量とし、前記第２選択還元触媒において貯蔵できるアンモニア量を第２ストレージ容量とし、前記第２ストレージ容量は、前記第１ストレージ容量の最大時と最小時との差よりも大きいことを特徴とする。

　請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記アンモニア濃度検出手段により検出されるアンモニア濃度（ＮＨ３_ＣＯＮＳ）の目標濃度の値を、「０」より大きな値に設定する目標アンモニア濃度設定手段（３，４１）をさらに備え、前記第１制御入力算出手段は、前記アンモニア濃度検出手段により検出されるアンモニア濃度（ＮＨ３_ＣＯＮＳ）が、前記目標濃度（ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}）を含む所定の範囲（ＲＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}，ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＬ}～ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＨ}）内に収まるように前記制御入力を算出することを特徴とする。

　請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第１制御入力算出手段は、前記アンモニア濃度検出手段により検出されるアンモニア濃度（ＮＨ３_ＣＯＮＳ）の前記目標濃度への収束速度を設定できる応答指定型制御を実行可能に構成され、前記アンモニア濃度検出手段により検出されたアンモニア濃度が前記所定の範囲（ＲＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}，ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＬ}～ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＨ}）内に含まれる場合における収束速度を、前記アンモニア濃度検出手段により検出されたアンモニア濃度が前記所定の範囲（ＲＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}，ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＬ}～ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＨ}）外に含まれる場合における収束速度よりも遅く設定することを特徴とする。

　請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第２選択還元触媒に貯蔵されたアンモニア量を第２ストレージ量とし、前記目標アンモニア濃度設定手段は、前記第２ストレージ量を推定するとともに、当該推定した第２ストレージ量（ＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ}）に基づいて、前記目標濃度を設定することを特徴とする。

　請求項６に記載の発明は、請求項３から５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記内燃機関の回転数（ＮＥ）、及び前記内燃機関の負荷を表す負荷パラメータ（ＴＲＱ）に基づいて制御入力を算出する第２制御入力算出手段（５）をさらに備え、前記還元剤供給量決定手段は、前記還元剤供給手段による還元剤の供給量（Ｇ_ＵＲＥＡ）を、前記第２制御入力算出手段により算出された制御入力（Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}）をさらに含めて決定することを特徴とする。

　請求項７に記載の発明は、請求項３から６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第１選択還元触媒に貯蔵されたアンモニア量を第１ストレージ量とし、当該第１ストレージ量を推定するとともに、この推定した第１ストレージ量（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}）が、所定の目標ストレージ量（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}）に収束するように制御するための制御入力（Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}）を算出する第３制御入力算出手段（６）と、をさらに備え、前記還元剤供給量決定手段は、前記還元剤供給手段による還元剤の供給量（Ｇ_ＵＲＥＡ）を、前記第３制御入力算出手段により算出された制御入力（Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}）をさらに含めて決定することを特徴とする。

　請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第３制御入力算出手段は、前記推定した第１ストレージ量（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}）と前記目標ストレージ量（ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}）との偏差（Ｅ_ＳＴ）に加えて、当該偏差の微分、又は、前記第１ストレージ量の微分に基づいて制御入力（Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}）を算出することを特徴とする。

　請求項１に記載の発明によれば、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アンモニア濃度を検出するアンモニア濃度検出手段と、を設けた。そこで、アンモニア濃度検出手段により検出されるアンモニア濃度が「０」より大きな値になるように制御するための制御入力を算出し、還元剤供給手段による還元剤の供給量を、このような制御入力を含めて決定した。
　これにより、第１選択還元触媒からアンモニアが流出した状態、すなわち、第１選択還元触媒にアンモニアが十分に貯蔵された状態を保ち、高いＮＯｘ還元率を維持することができる。特に、内燃機関の運転状態が急変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場合であっても、第１選択還元触媒において貯蔵し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還元率を高く維持することができる。
　また、この場合、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ものの、排出されたアンモニアは、第２選択還元触媒に貯蔵されるか、又は、第２選択還元触媒においてＮＯｘの還元に消費される。これにより、高いＮＯｘ還元率を維持しつつ、選択還元触媒の最下流へアンモニアが排出するのを抑制できる。

　ところで、選択還元触媒のストレージ容量は、この選択還元触媒の温度によって変化する。具体的には、ストレージ容量は、選択還元触媒の温度が高くなるに従い小さくなる。したがって、上述のように第１選択還元触媒にアンモニアが十分に貯蔵された状態で、その温度が急激に上昇すると、第１ストレージ容量が急激に小さくなってしまい、貯蔵していたアンモニアが第２選択還元触媒へ放出される。
　請求項２に記載の発明によれば、第２選択還元触媒の第２ストレージ容量を、第１選択還元触媒の第１ストレージ容量の最大時と最小時との差よりも大きくした。これにより、例えば、内燃機関の運転状態が低負荷運転状態から高負荷運転状態に移行することで、第１選択還元触媒の温度が急激に上昇し、第１選択還元触媒からその下流側へアンモニアが放出した場合であっても、このアンモニアを第２選択還元触媒で貯蔵することができる。これにより、選択還元触媒の最下流へアンモニアが排出するのをさらに抑制できる。

　ところで、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、還元剤の供給量に対する応答遅れが小さく、また感度が大きい。すなわち、例えばアンモニアスリップを抑制するために還元剤の供給量を低減すると、選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率が著しく低下するという課題がある。
　請求項３に記載の発明によれば、アンモニア濃度検出手段により検出されるアンモニア濃度の目標濃度の値を「０」より大きな値に設定するとともに、さらに、検出されるアンモニア濃度がこの目標濃度を含む所定の範囲内に収まるように制御入力を算出し、この制御入力を含めて還元剤の供給量を算出した。
　すなわち、第１選択還元触媒と第２選択還元触媒の間におけるアンモニア濃度を、目標濃度を含む所定の範囲内に収めるように還元剤の供給量を制御することで、還元剤の供給量の変動を小さくできる。これにより、ＮＯｘ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。第１選択還元触媒におけるアンモニアスリップの発生を前提とする以上のような制御は、第１選択還元触媒の下流側に第２選択還元触媒を設けることを特徴とする本発明では、特に効果的である。

　請求項４に記載の発明によれば、アンモニア濃度検出手段により検出されるアンモニア濃度が、目標濃度を含む所定の範囲内に収まるように制御するための制御入力を、目標濃度への収束速度を指定できる応答指定型制御により算出する。またここで、検出されたアンモニア濃度が上記範囲内に含まれる場合における収束速度を、上記範囲外に含まれる場合における収束速度よりも遅くなるように設定した。
　これにより、検出したアンモニア濃度が上記範囲外に含まれる場合には、過大なアンモニアスリップの発生やＮＯｘ還元率の低下を速やかに抑制し、検出したアンモニア濃度が上記範囲内に含まれる場合には、還元剤の供給量の大きな変化を防止し、ＮＯｘ還元率が著しく低下するのを防止できる。

　請求項５に記載の発明によれば、第２選択還元触媒における第２ストレージ量を推定し、この推定した第２ストレージ量に基づいてアンモニア濃度検出手段により検出されるアンモニア濃度の目標濃度を設定する。
　これにより、第２選択還元触媒におけるアンモニアのストレージ量が一時的に過剰になった場合、例えば、目標濃度を小さな値に設定することにより、このストレージ量を低減することができる。
　したがって、上述のように内燃機関の運転状態の急激な変化に伴い、大量の第１選択還元触媒からアンモニアが排出される場合に備えて、第２選択還元触媒で貯蔵できるアンモニアのストレージ量を確保することができる。したがって、選択還元触媒の最下流へアンモニアが排出するのをさらに抑制できる。

　請求項６に記載の発明によれば、内燃機関の回転数、及び内燃機関の負荷を表す負荷パラメータに基づいて制御入力を算出し、さらにこの制御入力を含めて還元剤の供給量を決定した。排気中のＮＯｘ濃度は、内燃機関の回転数や負荷等の運転状態に応じて変化するので、このような制御入力を含めて還元剤の供給量を決定することにより、選択還元触媒に流入する排気のＮＯｘ濃度に応じた適切な量の還元剤を供給できる。これにより、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。
　また同時に、ＮＯｘ還元率を高く維持することにより、還元剤の供給量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。

　ところで、第１選択還元触媒の第１ストレージ量が第１ストレージ容量よりも少ない状態から還元剤の供給を開始した場合、第１ストレージ量が第１ストレージ容量に達するまで、すなわち、第１選択還元触媒におけるアンモニアが飽和するまでは、ＮＯｘ還元率は低下する。また、アンモニアが飽和した後は第１選択還元触媒においてアンモニアスリップが発生する。ここで、アンモニアスリップが発生した場合、これを抑制するために還元剤の供給量が低減され、これにより再びＮＯｘ還元率が低下するおそれがある。
　請求項７に記載の発明によれば、第１選択還元触媒の第１ストレージ量を推定し、この推定した第１ストレージ量が所定の目標ストレージ量に収束するように制御するための制御入力を算出し、さらにこのような制御入力を含めて還元剤の供給量を決定する。
　これにより、第１ストレージ量が第１ストレージ容量よりも少ない場合には、例えば、還元剤の供給量を増量することで、第１ストレージ容量に達するまでの時間を短縮し、速やかにＮＯｘ還元率を高めることができる。
　また、第１ストレージ量が第１ストレージ容量に達する直前には、例えば、還元剤の供給量を減量することで第１選択還元触媒におけるアンモニアスリップの発生を防止することができる。これにより、上述のような、アンモニアスリップが発生した際に、これを抑制することを目的として還元剤の供給量を低減した場合に発生するＮＯｘ還元率の低下をも防止することができる。

　請求項８に記載の発明によれば、推定した第１ストレージ量が所定の目標ストレージ量に収束するように制御するための制御入力を算出する際には、推定した第１ストレージ量と目標ストレージ量の偏差に加えて、この偏差の微分か、又は、推定した第１ストレージ量の微分に基づいて制御入力を算出する。
　特にここで、第１ストレージ量は、第１選択還元触媒に貯蔵されるアンモニア量を逐次積分することで算出されるため、その動特性は積分要素的な挙動を示す。このような第１ストレージ量と、所定の目標ストレージ量との偏差のみにより制御入力を算出すると、この制御入力が振動してしまい、結果として周期的なアンモニアスリップが発生するおそれがある。この発明によれば、推定された第１ストレージ量と目標ストレージ量との偏差に加えて、この偏差の微分、又は、第１ストレージ量の微分に基づいて制御入力を算出することで、制御入力の振動的な挙動を防止できる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置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。上記実施形態に係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。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算出するモジュールの構成を示すブロック図である。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。上記実施形態に係るスライディングモードコントローラにおける制御の概念を説明するための図である。前回制御時のスリップ量偏差と今回制御時のスリップ量偏差の位相平面を示す図である。上記実施形態に係る切換関数設定パラメータと、スリップ量偏差の収束時間との関係を示す図である。上記実施形態に係るＶＰＯＬＥ設定テーブルの構成を示す図である。上記実施形態に係るスライディングモ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、ＮＯｘ還元率の変化を示す図である。上記実施形態に係るスライディングモードコントローラのみにより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。選択還元触媒に貯蔵されたアンモニアが未飽和である状態からユリア噴射制御を開始した場合におけるＮＯｘ還元率と、ユリア噴射量と、検出アンモニア濃度と、アンモニアストレージ量との関係を示す図である。上記実施形態に係るストレージ補正入力算出部におけるアンモニア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の形態により推定された第１ストレージ量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を用いてユリア噴射制御を実行した場合における、ＮＯｘ還元率と、ユリア噴射量と、検出アンモニア濃度と、アンモニアストレージ量との関係を示す図である。上記実施形態に係るストレージ補正入力算出部により推定された第１ストレージ量の時間変化を示す図である。一定の目標アンモニア濃度の下でユリア噴射制御を実行した場合における第１、第２選択還元触媒の温度と、第１、第２ストレージ量と、検出アンモニア濃度と、第２選択還元触媒直下のアンモニア濃度との関係を示す図である。上記実施形態に係る第１上流ＮＯｘ濃度の検索マップの一例を示す図である。上記実施形態に係る基準ＮＯｘ還元率の検索マップの一例を示す図である。上記実施形態に係る還元率補正係数の検索マップの一例を示す図である。上記実施形態に係る目標アンモニア濃度の検索マップの一例を示す図である。上記実施形態に係る目標アンモニア濃度設定部を用いてユリア噴射制御を実行した場合における、第１、第２選択還元触媒の温度と、第１、第２ストレージ量と、検出アンモニア濃度と、第２選択還元触媒直下のアンモニア濃度との関係を示す図である。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。従来の排気浄化装置の構成を示す模式図である。上記従来の排気浄化装置における、選択還元触媒下流のＮＯｘ排出量及びアンモニア排出量と、ＮＯｘセンサの出力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（排気通路）
　２…排気浄化装置
　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
　２３２…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（アンモニア濃度検出手段）
　２８…ＮＯｘセンサ
　３…電子制御ユニット（第１制御入力算出手段、第２制御入力算出手段、第３制御入力算出手段、還元剤供給量決定手段、目標アンモニア濃度設定手段）
　４…フィードバックコントローラ（第１制御入力算出手段、目標アンモニア濃度設定手段）
　４１…目標アンモニア濃度設定部（目標アンモニア濃度設定手段）
　４２…スライディングモードコントローラ（第１制御入力算出手段）
　５…フィードフォワードコントローラ（第２制御入力算出手段）
　６…ストレージ補正入力算出部（第３制御入力算出手段）
　７…加算器（還元剤供給量決定手段）

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及びその排気浄化装置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。

　排気浄化装置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の上流側に還元剤としての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、尿素水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、これら第１選択還元触媒２３１及び第２選択還元触媒２３２では尿素からアンモニアが生成され、このアンモニアにより排気中のＮＯｘが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度毎にパルスを発生し、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。

　［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、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及び図３を参照して説明する。

　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し、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し、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３は、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。図３において、実線３ａは、劣化前の触媒における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ストレージ容量と触媒温度との関係を示す。

　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。

　ところで、図３に示すように、選択還元触媒のストレージ容量は、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、ストレージ容量は小さくなる。
　したがって、上述の図２の（ｂ）に示されたレイアウトでは、ストレージ量が飽和した状態を維持しているため、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過大なアンモニアスリップが発生する虞がある。

　図２に戻って、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選択触媒２３２の下流へアンモニアが排出するのを抑制できる。

　また、低負荷運転状態から高負荷運転状態へ移行し、触媒温度が低温から高温度へ移行した場合における過大なアンモニアスリップの発生を防止するためには、第２ストレージ容量は、第１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２３１から放出されたアンモニアを、第２選択還元触媒２３２に貯蔵することができる。これにより、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さらに抑制できる。

　また図３に示すように、触媒の劣化に伴い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ストレージ容量は、劣化前の第１選択還元触媒の第１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１に戻って、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。

　図４は、ユリア噴射弁によるユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡ（尿素水の供給量）を算出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、ＥＣＵ３で実行される処理により実現される。

　図４に示すモジュールは、フィードバックコントローラ４と、フィードフォワードコントローラ５と、ストレージ補正入力算出部６と、加算器７とを含んで構成される。

　フィードバックコントローラ４は、目標アンモニア濃度設定部４１と、スライディングモードコントローラ４２とを備える。

　目標アンモニア濃度設定部４１は、後に図２２～図２７を参照して詳述するように、アンモニアセンサにより検出されるアンモニア濃度（以下、「検出アンモニア濃度」という）ＮＨ３_ＣＯＮＳの目標濃度（以下、「目標アンモニア濃度」という）ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}を設定する。なお、後に詳述するように、この目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}は、「０」より大きな値に設定される。

　スライディングモードコントローラ４２は、後に図５～図１０を参照して詳述するように、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳが、設定された目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に収束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に対するフィードバック噴射量（以下、「ＦＢ噴射量」という）Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}を算出する。

　フィードフォワードコントローラ５は、後に図１１～図１３を参照して詳述するように、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。

　ストレージ補正入力算出部６は、後に図１４～図２１を参照して詳述するように、第１選択還元触媒の第１ストレージ量を推定し、この推定した第１ストレージ量が所定の目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}に収束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に対する補正噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}を算出する。

　加算器７は、下記式（１）に示すように、フィードバックコントローラ４により算出されたＦＢ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}と、フィードフォワードコントローラ５により算出されたＦＦ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}と、ストレージ補正入力算出部６により算出された補正噴射量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、所定の制御周期毎に検出又は算出されたデータであることを示す。すなわち、記号（ｋ）が今回の制御タイミングにおいて検出又は算出されたデータであるとした場合、記号（ｋ－１）は前回の制御タイミングにおいて検出又は算出されたデータであることを示す。なお、以下の説明においては、記号（ｋ）を適宜、省略する。

　［スライディングモードコントローラの構成］
　図５～図１０を参照して、スライディングモードコントローラの詳細な構成について説明する。
　上述のように、スライディングモードコントローラでは、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳが、目標アンモニア濃度設定部により設定された目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に収束するように、ＦＢ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}を算出する。このようなアンモニアセンサの出力値ＮＨ３_ＣＯＮＳに基づくフィードバック制御を行うにあたり、本願発明者が着眼した２つの課題について説明する。

　（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を解決できたとしても、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５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５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。

　以上のような２つの課題に鑑みて、本実施形態では、以下に示すような概念に基づく制御を実行する。
　図６は、スライディングモードコントローラにおける制御の概念を説明するための図である。図６において、横軸は時間を示し、縦軸は検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳを示す。

　本実施形態では、目標アンモニア濃度設定部により設定された目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}（＞０）に対して、この目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}よりも小さな下限ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＬ}と大きな上限ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＨ}とで規定される目標アンモニアスリップ範囲ＲＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}を設定し、検出アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}がこの目標アンモニアスリップ範囲ＲＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に収まるようにＦＢ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}を算出する。ここで、目標アンモニアスリップ範囲ＲＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}は、アンモニアセンサの検出分解能を考慮して設定することが好ましい。

　またさらに、以上のようにして目標アンモニアスリップ範囲ＲＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}を設定した上で、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳが、値Ａにある場合（ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＨ}≦ＮＨ３_ＣＯＮＳである場合）、値Ｂにある場合（ＮＨ３_ＣＯＮＳ＜ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＬ}である場合）、値Ｃにある場合（ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＬ}≦ＮＨ３_ＣＯＮＳ＜ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＨ}である場合）に対して、以下のような挙動を示すようにＦＢ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}を算出する。

　ＮＨ３_ＣＯＮＳが値Ａである場合には、目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に対し過剰のアンモニアスリップが発生した状態であるので、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳが、迅速、かつ、オーバシュートなく目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に収束するようにＦＢ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}を算出する。
　ＮＨ３_ＣＯＮＳが値Ｂである場合には、目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に対し過少のアンモニアスリップが発生した状態であるので、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳが、迅速、かつ、オーバシュートなく目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に収束するようにＦＢ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}を算出する。

　ＮＨ３_ＣＯＮＳが値Ｃである場合には、目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に対し過不足ないアンモニアスリップが発生した状態であるので、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳが、緩やかに目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に収束するようにＦＢ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}を算出する。すなわち、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳを目標アンモニアスリップ範囲ＲＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}内に拘束するようにＦＢ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}を算出する。

　ここで特に、ＮＨ３_ＣＯＮＳが値Ａ又は値Ｂにある場合と、値Ｃにある場合とを比較すると、値Ｃにある場合における検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳの目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に対する収束速度を、値Ａ又は値Ｂにある場合における収束速度よりも遅く設定する。

　本実施形態では、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳの目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}への収束速度を設定できる応答指定型制御により、上述のような検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳの挙動を実現する。この応答指定型制御とは、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のことをいう。
　以下では、この応答指定型制御が実行可能に構成された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（２）に示すように、アンモニアセンサにより検出されたアンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳ（ｋ）と目標ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}（ｋ）との偏差を算出し、これをスリップ量偏差Ｅ_ＮＨ３（ｋ）として定義する。

　次に、後述の図９に示すような所定のＶＰＯＬＥ設定テーブルに基づいて、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳ（ｋ）に応じた切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥ（ｋ）を算出する。さらに、下記式（３）に示すように、このＶＰＯＬＥ（ｋ）と前回制御時のスリップ量偏差Ｅ_ＮＨ３（ｋ－１）との積と、Ｅ_ＮＨ３（ｋ）との和を算出し、これを切換関数σ（ｋ）として定義する。

　ここで、切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥ（ｋ）と、スリップ量偏差Ｅ_ＮＨ３（ｋ）の収束速度との関係について説明する。
　図７は、横軸を前回制御時のスリップ量偏差Ｅ_ＮＨ３（ｋ－１）とし、縦軸を今回制御時のスリップ量偏差Ｅ_ＮＨ３（ｋ）と定義した位相平面を示す図である。
　この位相平面において、σ（ｋ）＝０を満たすスリップ量偏差Ｅ_ＮＨ３（ｋ）及びＥ_ＮＨ３（ｋ－１）の組み合わせは、図７に示すように、傾きが－ＶＰＯＬＥ（ｋ）の直線となる。特にこの直線は、切換直線と呼ばれる。また、図７に示すように、－ＶＰＯＬＥが「１」より小さく「０」より大きい値に設定することにより、Ｅ_ＮＨ３（ｋ－１）＞Ｅ_ＮＨ３（ｋ）となるので、スリップ量偏差Ｅ_ＮＨ３（ｋ）は、「０」に収束することとなる。スライディングモード制御は、この切換直線上における偏差Ｅ_ＮＨ３（ｋ）の振る舞いに着目した制御となっている。

　すなわち、今回制御時のスリップ量偏差Ｅ_ＮＨ３（ｋ）と前回制御時のスリップ量偏差Ｅ_ＮＨ３（ｋ－１）との組み合わせ（以下、「偏差状態量」という）が、この切換直線上に載るように制御を行うことで、外乱やモデル化誤差に対してロバストな制御を実現し、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳを、その目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}に対してオーバシュートすること無く収束させることができる。

　図８は、切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥと、スリップ量偏差Ｅ_ＮＨ３の収束時間との関係を示す図である。ここで、横軸はスリップ量偏差Ｅ_ＮＨ３の収束時間を示し、縦軸はスリップ量偏差Ｅ_ＮＨ３を示す。また、この図８には、ＶＰＯＬＥが「－１」、「－０．９５」、「－０．７」、「－０．４」の場合をそれぞれ示す。
　図８に示すように、ＶＰＯＬＥを「０」に近づけると、スリップ量偏差Ｅ_ＮＨ３は、「０」に対して指数関数的な減衰挙動を示し、その収束速度が速くなる。また、ＶＰＯＬＥを「－１」に近づけると、指数関数的な減衰挙動を維持しながら、その収束速度は遅くなる。特に、ＶＰＯＬＥを「－１」にした場合は、Ｅ_ＮＨ３は、制御開始時における初期偏差Ｅ_ＮＨ３（ｋ＝０）に維持される。

　図９は、ＶＰＯＬＥ設定テーブルの構成を示す図である。ここで、横軸は検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳ（ｋ）を示し、縦軸は切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥ（ｋ）を示す。この図９に示すＶＰＯＬＥ設定テーブルは、上述の図６を参照して説明した挙動制御を実現するために設定されたものであり、具体例として、線９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄで示す４つのＶＰＯＬＥ設定テーブルを示す。

　上述のように、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳがＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＬ}以上でありかつＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＨ}より小さい場合（ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＬ}≦ＮＨ３_ＣＯＮＳ＜ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＨ}である場合）における収束速度を、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳがＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＨ}以上である場合（ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＨ}≦ＮＨ３_ＣＯＮＳである場合）、及び、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳがＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＬ}より小さい場合（ＮＨ３_ＣＯＮＳ＜ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＨ}である場合）における収束速度よりも遅く設定する。

　そこで、図９に示すように、ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＬ}≦ＮＨ３_ＣＯＮＳ＜ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＨ}である場合には、ＶＰＯＬＥを「－１」近傍（具体的にはＶＰＯＬＥ≒－０．９５）に設定し、ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＨ}≦ＮＨ３_ＣＯＮＳである場合及びＮＨ３_ＣＯＮＳ＜ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＭＴＨ}である場合には、ＶＰＯＬＥを「０」近傍（具体的にはＶＰＯＬＥ≒－０．４）に設定する。

　以上のように算出された切換関数σ（ｋ）に基づいて、到達則入力Ｕ_ＲＣＨ（ｋ）、非線形入力Ｕ_ＮＬ（ｋ）、及び適応則入力Ｕ_ＡＤＰ（ｋ）を算出し、さらに下記式（４）に示すように、これらＵ_ＲＣＨ（ｋ）、Ｕ_ＮＬ（ｋ）、及びＵ_ＡＤＰ（ｋ）の和を算出し、これをＦＢ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}（ｋ）として定義する。

　到達則入力Ｕ_ＲＣＨ（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（５）に示すように、切換関数σ（ｋ）に所定の到達則制御ゲインＫ_ＲＣＨを乗算することで算出される。

　非線形入力Ｕ_ＮＬ（ｋ）は、非線形モデル化誤差を抑制し、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（６）に示すように、ｓｉｇｎ（σ（ｋ））に所定の非線形入力ゲインＫ_ＮＬを乗算することで算出される。ここで、ｓｉｇｎ（σ（ｋ））は、符号関数であり、σ（ｋ）が正の値のとき「１」となり、σ（ｋ）が負の値のとき「－１」となる。

　適応則入力Ｕ_ＡＤＰ（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（７）に示すように、切換関数σ（ｋ）と所定の適応則ゲインＫ_ＡＤＰを乗算したものと、前回制御時の適応則入力Ｕ_ＡＤＰ（ｋ－１）との和により算出される。

　なお、これら到達則入力Ｕ_ＲＣＨ（ｋ）、非線形入力Ｕ_ＮＬ（ｋ）、及び適応則入力Ｕ_ＡＤＰ（ｋ）は、それぞれ、図６を参照して詳述した制御方針の下、偏差状態量が安定して切換直線上に載るように、実験に基づいて最適な値に設定される。

　図１０は、以上のような本実施形態のスライディングモ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、ＮＯｘ還元率の変化を示す図である。具体的には、図１０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。
　なお、この図１０において、実線は、本実施形態の制御結果を示し、破線は、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制御を行った場合の制御結果を示す。

　本実施形態によれば、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳが、目標アンモニアスリップ範囲ＲＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}内を漂うようにユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを算出する。これにより、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。

　また、本実施形態によれば、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳが、目標アンモニアスリップ範囲ＲＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}内にある場合における収束速度を、目標アンモニアスリップ範囲ＲＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}外にある場合における収束速度よりも遅くなるように設定した。
　これにより、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳが、目標アンモニアスリップ範囲ＲＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}外にある場合には、過大なアンモニアスリップの発生やＮＯｘ還元率の低下を速やかに抑制する。また、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳが、目標アンモニアスリップ範囲ＲＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}内にある場合には、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡの大きな変化を防止し、ＮＯｘ還元率が著しく低下するのを防止できる。

　［フィードフォワードコントローラの構成］
　次に、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、図１１～図１３を参照して説明する。
　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、上述のスライディングモードコントローラのみにより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。

　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、上述のスライディングモードコントローラでは、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に基づいたフィードバック制御を行うため、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。
　また、このような応答遅れの大きいアンモニアセンサの出力値ＮＨ３_ＣＯＮＳに基づいたフィードバック制御を行うと、センサの出力値ＮＨ３_ＣＯＮＳにオーバシュートやアンダーシュート等の振動的な挙動が発生しやすい。このため、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡも振動してしまい、図１１に示すようなアンダーシュートによるＮＯｘ還元率の低下も発生しやすい。

　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、スライディングモードコントローラのみによりユリア噴射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。

　［ストレージ補正入力算出部の構成］
　次に、ストレージ補正入力算出部の詳細な構成について、図１４～図２１を参照して説明する。
　上述のように第１選択還元触媒及び第２選択還元触媒は、アンモニアを貯蔵する機能を有する。このような選択還元触媒に対してユリア噴射制御を実行するにあたり、本願発明者が着眼した３つの課題について説明する。

　（４）ストレージ量の未飽和時におけるＮＯｘ還元率の低下
　図１４は、選択還元触媒に貯蔵されたアンモニアが未飽和である状態、すなわち、選択還元触媒におけるストレージ量がそのストレージ容量よりも少ない状態からユリア噴射制御を開始した場合におけるＮＯｘ還元率と、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡと、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳと、アンモニアストレージ量との関係を示す図である。この図１４に示す例では、時刻ｔ＝０において、アンモニアのストレージ量が「０」の状態からユリア噴射制御を開始し、時刻ｔ＝ｔ_１において、ストレージ量がストレージ容量に達した場合を示す。
　この図１４に示すように、時刻ｔ＝０～ｔ_１の間では、アンモニアのストレージ量がストレージ容量以下であるため、選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率が、飽和時におけるＮＯｘ還元率よりも低下してしまう。

　（５）ユリア噴射量の低減遅れによる過大なアンモニアスリップの発生
　図１４に示すように、時刻ｔ＝０～ｔ_１の間では、アンモニアのストレージ量がストレージ容量以下であるため、アンモニアスリップは発生しない。このため、時刻ｔ＝０～ｔ_１の間では、アンモニアセンサの出力値ＮＨ３_ＣＯＮＳは「０」である。また、この間、アンモニアセンサの出力値ＮＨ３_ＣＯＮＳが「０」であることに応じて、上述のようなＮＯｘ還元率が低下した期間を可能な限り短縮するために、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを最大値に設定する。

　この場合、時刻ｔ＝ｔ_１においてストレージ量がストレージ容量に達したことに応じて、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを低減する制御を実行するものの、アンモニアセンサの検出遅れや、ユリア噴射量を最大値から低減することを起因とした遅れにより、実際にユリア噴射量を低減するまでに時間がかかってしまう。このため、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳが、その目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}から大きくオーバシュートしてしまい、過大なアンモニアスリップが発生してしまう。

　（６）過大なアンモニアスリップの発生によるＮＯｘ還元率の低下
　また、上述のように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Ｇ_ＵＲＥＡをさらに低減する必要がある。しかしながら、この場合、ＮＯｘ還元率が再び低下してしまう。

　これら３つの課題を解決するには、以下に示すような方針に沿ってユリア噴射制御を実行する必要がある。
　すなわち、上述の（４）の課題を解決するためには、アンモニアのストレージ量がストレージ容量に達するまでユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを増量することで、ＮＯｘ還元率が低下した期間を短縮する。また、（５）及び（６）の課題を解決するためには、上述のようにユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを増量した上で、アンモニアが飽和してアンモニアスリップが発生する前にユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを低減する。

　このような方針に沿ったユリア噴射制御を実現するために、本実施形態では、ストレージ補正入力算出部により、第１選択還元触媒の第１ストレージ量を、後述のアンモニアストレージモデルに基づいて推定し、この推定した第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}が、所定の目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}に、速やか且つオーバシュートすることなく収束するように、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡにおける補正噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}を算出する。

　またここで、目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}は、図示しない設定部により、第１選択還元触媒の第１ストレージ容量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ１}と同じ値に設定されるが、これに限らない。例えば、過大なアンモニアスリップの発生を抑制するために、目標ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}を、第１ストレージ容量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ１}の近傍であり、かつ、このＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ１}よりも小さな値に設定してもよい。

　図１５は、ストレージ補正入力算出部におけるアンモニア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濃度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濃度に対してユリア噴射量が適切な状態（図１５の（ａ）参照）と、ユリア噴射量が過剰な状態（図１５の（ｂ）参照）と、ユリア噴射量が不足した状態（図１５の（ｃ）参照）との、３つの状態に分類する。

　図１５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１５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貯蔵される。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１５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（Ｕｎｄｅｒ－ｄｏｓｉｎｇ）状態では、ストレージ量は減少する。

　次に、以上のようなストレージモデルに基づいて上述の補正噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}を算出するストレージ補正入力算出部の構成について、図１６～図１９を参照して説明する。また、このようなストレージ補正入力算出部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１６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（８）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）を減算することにより算出される。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で算出された補正噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}（ｋ）にＦＢ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}（ｋ）及びＦＦ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＦ}（ｋ）を加算することで算出される。

　ここで、理想ユリア噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＩＤＥＡＬ}（ｋ）は、下記式（９）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（１０）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（１１）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ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}（ｋ）を推定する。

　特にここで、式（１１）では、第１ストレージ量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。つまり、式（１１）では、第１ストレージ量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ストレージ容量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ１}となるような処理を施していない。
　これは、上述の（５）に示す課題を解決できなくなる虞があるからである。つまり、上述のように目標第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}を第１ストレージ容量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ１}と同じ値に設定した場合、上限のリミット処理を行うと、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡを低減することなく、第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}が第１ストレージ容量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＭＡＸ１}に制限されてしまい、アンモニアスリップを抑制する制御を行いにくくなるからである。

　コントローラ６２は、推定した第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}（ｋ）が、目標第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}に収束するように、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡにおける補正噴射量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（１２）に示すように、加算器６２１により、推定された第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}（ｋ）から目標第１ストレージ量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（１３）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（１４）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（１５）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、これを補正噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}（ｋ）として定義する。

　図１７は、以上のようなストレージ補正入力算出部の第１の形態により推定された第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}の時間変化を示す図である。
　図１７に示すように、第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}は、目標第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}に対して振動的な挙動を示し、周期的にアンモニアスリップが発生する。
　これは、上述のストレージモデルとしての制御対象６１が、積分器６１１を備えた構造となっているためである。つまり、この場合、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ってしまい、特に積分項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｉ}が振動的な挙動を示すためである。
　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１８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１６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（１６）に示すように、加算器６２１により、推定された第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}（ｋ）から目標第１ストレージ量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（１７）及び（１８）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（１７）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（１８）に示すように、積分項Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ＿Ｉ}（ｋ）として定義する。

　図１９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１８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（２０）に示すように、加算器６２１により、推定された第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}（ｋ）から目標第１ストレージ量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（２１）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（２２）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（２３）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、これを補正噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}（ｋ）として定義する。

　図２０は、以上のようなストレージ補正入力算出部を用いてユリア噴射制御を実行した場合における、ＮＯｘ還元率と、ユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡと、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳと、アンモニアストレージ量との関係を示す図である。この図２０に示す例では、時刻ｔ＝０において、アンモニアのストレージ量が「０」の状態からユリア噴射制御を開始し、時刻ｔ＝ｔ_１において、ストレージ量がストレージ容量に達した場合を示す。
　なお、この図２０において、実線は、本実施形態の制御結果を示し、破線は、第１ストレージ量を推定せずにユリア噴射制御を行った場合の制御結果を示す。

　本実施形態によれば、第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}を推定し、この第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}が目標第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}に収束するようにフィードバック制御することにより、第１ストレージ量が第１ストレージ容量に達するまでの時間を短縮することができる。これにより、第１選択還元触媒においてアンモニアが飽和するまでの時間を短縮し、速やかにＮＯｘ還元率を高めることができる。

　また、第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}を推定するとともに、この第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}が目標第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}に収束するようにフィードバック制御することにより、実際に第１選択還元触媒においてアンモニアが飽和する前にユリア噴射量Ｇ_ＵＲＥＡの低減を開始することができる。すなわち、ユリア噴射量の低減の遅れを解消できる。これにより、過大なアンモニアスリップの発生を防止することができる。
　また、このような過大なアンモニアスリップの発生を防止することで、このアンモニアスリップを抑制することを目的としたユリア噴射量の低減量を少なくできる。これにより、ＮＯｘ還元率の低下を防止できる。

　図２１は、以上のようなストレージ補正入力算出部により推定された第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}の時間変化を示す図である。図２１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２１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２１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２１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第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}の周期的な振動が解消されるとともに、目標第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}に速やかに収束する。また、これにより周期的なアンモ
ニアスリップの発生も抑制される。

　図２１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、第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}の周期的な振動がさらに解消され、これによりアンモニアスリップの発生もさらに抑制できる。
　これは、上記式（２２）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。

　しかしながら、拡大系Ｉ－Ｐ制御を用いた場合と、拡大系ＰＩ制御を用いた場合とを比較すると、拡大系Ｉ－Ｐ制御を用いた場合には、上述のようなオーバシュートが抑制されるものの、第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}が目標第１ストレージ量ＳＴ_{ＵＲＥＡ＿ＴＲＧＴ}に到達するまでの時間が長くなってしまう。このため、拡大系Ｉ－Ｐ制御を用いるか、或いは、拡大系ＰＩ制御を用いるかは、排気浄化装置の構成に応じて使い分けることが好ましい。

　［目標アンモニア濃度設定部の構成］
　次に、図２２～図２７を参照して、目標アンモニア濃度設定部の詳細な構成について説明する。
　上述のように、第１選択還元触媒及び第２選択還元触媒の第１ストレージ容量及び第２ストレージ容量は、各々の温度に応じて変化する。このような選択還元触媒に対してユリア噴射制御を実行するにあたり、本願発明者が着眼した課題について説明する。

　（７）第２選択還元触媒におけるアンモニアスリップの発生
　図２２は、一定の目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}の下でユリア噴射制御を実行した場合における第１、第２選択還元触媒の温度と、第１、第２ストレージ量と、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳ（第１選択還元触媒直下のアンモニア濃度）と、第２選択還元触媒直下のアンモニア濃度との関係を示す図である。

　図２２に示すように、第１、第２選択還元触媒の温度は、エンジンの運転状態の変化に応じて大きく変化する。図２２に示す例では、上限及び下限温度をそれぞれ５００℃及び３００℃として、第１、第２選択還元触媒の温度は、この範囲内で変化する。例えば、エンジンの回転数や負荷を増加した場合や、ＤＰＦ再生等の排気温度を一時的に昇温する処理を実行した場合には、各選択還元触媒の温度が上昇する。

　このような触媒温度の変化に伴い、第１ストレージ容量は、上限及び下限容量をそれぞれＳＴ_{１ＢＥＤ＿ＬＭＴＨ}及びＳＴ_{１ＢＥＤ＿ＬＭＴＬ}とし、第２ストレージ容量は、上限及び下限容量をそれぞれＳＴ_{２ＢＥＤ＿ＬＭＴＨ}及びＳＴ_{２ＢＥＤ＿ＬＭＴＬ}として、これら範囲内で変化する。このため、触媒温度が上昇すると、第１ストレージ容量の変化分のアンモニアがその下流へ放出され、第２選択還元触媒に貯蔵される。

　しかしながら、第２選択還元触媒は第１選択還元触媒の下流にあるため、第１選択還元触媒と比較して、貯蔵したアンモニアがＮＯｘの還元に消費されにくい。このため、第２ストレージ量は、一旦増加すると、この増加分を消費するまでに時間がかかる。したがって、触媒温度が頻繁に上下すると、その都度、第２選択還元触媒にアンモニアが蓄積され、図２２の矢印２２ａに示すように、第２選択還元触媒からアンモニアが飽和してしまい、第２選択還元触媒において過大なアンモニアスリップが発生する虞がある。

　以上のような課題に鑑みて、本実施形態では、目標アンモニア濃度設定部により、第２選択還元触媒の第２ストレージ量を推定し、この推定した第２ストレージ量ＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ}に基づいて目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}を設定する。以下では、このような目標アンモニア濃度設定部の具体的な動作について説明する。

　目標アンモニア濃度設定部では、先ず、下記式（２４）に示すように、ＮＯｘセンサにより検出されたＮＯｘ濃度（以下、「検出ＮＯｘ濃度」という）ＮＯＸ_ＣＯＮＳ（ｋ）を、第１選択還元触媒の上流側の排気のＮＯｘ濃度（以下、「第１上流ＮＯｘ濃度」という）ＮＯＸ_ＩＮ（ｋ）として定義する。

　ここで、第１上流ＮＯｘ濃度ＮＯＸ_ＩＮ（ｋ）を決定する際にあたり、ＮＯｘセンサが無い場合には、例えば、エンジンの回転数ＮＥ及び負荷パラメータＴＲＱに基づいてマップ検索により決定してもよい。
　図２３は、第１上流ＮＯｘ濃度ＮＯＸ_ＩＮの検索マップの一例を示す図である。
　図２３に示すように、第１上流ＮＯｘ濃度ＮＯＸ_ＩＮは、エンジンの回転数ＮＥ、又は、エンジンの負荷パラメータＴＲＱの増加に従い上昇する。

　次に、下記式（２５）に示すように、第１選択還元触媒のＮＯｘ還元率Ｒ_ＮＯＸ（ｋ）を、基準ＮＯｘ還元率Ｒ_{ＮＯＸ＿ＢＳ}（ｋ）と還元率補正係数Ｋ_ＲＮＯＸ（ｋ）との積により算出する。

　この式（２５）において、基準ＮＯｘ還元率Ｒ_{ＮＯＸ＿ＢＳ}（ｋ）及び補正係数Ｋ_ＲＮＯＸ（ｋ）は、例えば、エンジンの回転数ＮＥ、負荷パラメータＴＲＱ、及び検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳに基づいてマップ検索により決定される。

　図２４は、基準ＮＯｘ還元率Ｒ_{ＮＯＸ＿ＢＳ}の検索マップの一例を示す図である。
　図２４に示すように、基準ＮＯｘ還元率Ｒ_{ＮＯＸ＿ＢＳ}は、エンジンの回転数ＮＥ及び負荷パラメータＴＲＱに基づいて決定される。第１選択還元触媒に流入する排気のＮＯｘ濃度は、エンジンの回転数ＮＥ、又は、負荷パラメータＴＲＱが増加するに従い高くなる。このため、第１選択還元触媒におけるＮＯｘ還元率は、回転数ＮＥ及び負荷パラメータＴＲＱが増加するに従い低くなる。

　図２５は、還元率補正係数Ｋ_ＲＮＯＸの検索マップの一例を示す図である。
　図２５に示すように、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳが大きくなるに従い、還元率補正係数Ｋ_ＲＮＯＸは、大きくなるとともに漸近的に「１」に近づく。この還元率補正係数Ｋ_ＲＮＯＸは、第１選択還元触媒からスリップしたアンモニアの量に応じて、ＮＯｘ還元率を補正する係数である。
　また、図２５中のＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＯＰＴ}については、後に図２６を参照して詳述する。

　次に、下記式（２６）に示すように、第１上流ＮＯｘ濃度ＮＯＸ_ＩＮと、ＮＯｘ還元率Ｒ_ＮＯＸ（ｋ）とに基づいて、第１選択還元触媒で還元できずにその下流側へ流出した排気のＮＯｘ濃度（以下、「第１下流ＮＯｘ濃度」という）ＮＯＸ_ＭＩＤを算出する。

　次に、この第１選択還元触媒の下流側のＮＯｘを還元するために必要なアンモニア量（以下、「必要アンモニア量」という）ＮＨ３_{ＲＥＤ＿ＭＩＤ}（ｋ）を、下記式（２７）に示すように、第１下流ＮＯｘ濃度ＮＯＸ_ＭＩＤと変換係数Ｋ_{ＣＯＮＶ＿ＮＯＸ＿ＮＨ３}との積により算出する。ここで、変換係数Ｋ_{ＣＯＮＶ＿ＮＯＸ＿ＮＨ３}は、例えば「１」に設定される。

　次に、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳ（ｋ）と必要アンモニア量ＮＨ３_{ＲＥＤ＿ＭＩＤ}（ｋ）との差分が第２ストレージ量を増減することに基づいて、下記式（２８）に示すような差分ＮＨ３_ＣＯＮＳ（ｋ）－ＮＨ３_{ＲＥＤ＿ＭＩＤ}（ｋ）の時間ｋに関する積分演算と、下記式（２９）に示すような第２ストレージ量の上限及び下限に対するリミット処理とを組み合わせることで、第２ストレージ量ＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ}（ｋ）を推定する。また、式（２９）において、ＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ＿ＭＡＸ}は、第２選択還元触媒の第２ストレージ容量であり、推定した第２ストレージ量ＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ}（ｋ）の上限となっている。

　次に、式（２９）により算出された第２ストレージ量ＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ}（ｋ）に基づいて、例えば、マップ検索により目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}（ｋ）を設定する。

　図２６は、目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}の検索マップの一例を示す図である。図２６において、横軸は第２ストレージ量ＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ}を示し、縦軸は目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}を示す。
　この検索マップによれば、第２ストレージ量ＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ}が大きくなるに従い、目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}は、一定であるか或いは小さくなるように設定される。

　図２６に示すように、目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}は、ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＯＷ}とＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＯＰＴ}との間において、「０」より大きな値に設定される。
　具体的には、第２ストレージ量ＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ}が「０」より大きく所定のＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ＿ＯＰＴ}以下である場合には、目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}は、ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＯＰＴ}に設定される。
　第２ストレージ量ＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ}が所定のＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ＿ＯＰＴ}より大きく第２ストレージ容量ＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ＿ＭＡＸ}以下である場合には、目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}は、第２ストレージ量ＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ}が大きくなるに従い、ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＯＰＴ}からＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＯＷ}へ向けて漸近的に減少するように設定される。

　ここで、ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＯＰＴ}は、上述の図２５に示すように、第１選択還元触媒においてスリップするアンモニアの量を最小限にしながらＮＯｘを効率良く還元できるアンモニアセンサの出力値を示す。この最適目標濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＯＰＴ}は、排気浄化装置の個々の構成に応じて実験により設定される。
　ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＬＯＷ}は、最適目標濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＯＰＴ}よりも小さく、「０」より大きな値に設定される。
　ＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ＿ＯＰＴ}は、第２選択還元触媒におけるアンモニアスリップを防止できるような値に設定される。より具体的には、第１選択還元触媒に貯蔵されたアンモニアが放出された場合、このアンモニアを第２選択還元触媒で貯蔵できるように、ＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ＿ＭＡＸ}とＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ＿ＯＰＴ}との差が、第１選択還元触媒から放出され得るアンモニア量よりも大きくなるように設定される。

　図２７は、以上のような目標アンモニア濃度設定部を用いてユリア噴射制御を実行した場合における、第１、第２選択還元触媒の温度と、第１、第２ストレージ量と、検出アンモニア濃度ＮＨ３_ＣＯＮＳ（第１選択還元触媒直下のアンモニア濃度）と、第２選択還元触媒直下のアンモニア濃度との関係を示す図である。
　また、この図２７に示す例では、第１、第２選択還元触媒の温度の変化に伴い、第１ストレージ容量が、ＳＴ_{１ＢＥＤ＿ＬＭＴＨ}及びＳＴ_{１ＢＥＤ＿ＬＭＴＬ}の範囲内で変化し、第２ストレージ容量が、ＳＴ_{２ＢＥＤ＿ＬＭＴＨ}及びＳＴ_{２ＢＥＤ＿ＬＭＴＬ}の範囲内で変化した場合を示す。

　図２７に示すように、第１選択還元触媒が急激に昇温し、この第１選択還元触媒から大量のアンモニアが放出され、このアンモニアが第２選択還元触媒に貯蔵され、第２ストレージ量が過剰な状態になった場合、本実施形態によれば、以下のように動作する。

　つまり、推定した第２ストレージ量ＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ}が、上述のＮＨ３_{２ＢＥＤ＿ＳＴ＿ＯＰＴ}（図２６参照）を超えたことに応じて、目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿ＴＲＧＴ}を低減する。これにより、第２選択還元触媒に流入する排気のアンモニア濃度が低減し、第２ストレージ量が徐々に減少し、第１選択還元触媒から大量のアンモニアが放出される場合に備えて、第２選択還元触媒で貯蔵できるストレージ量を確保することができる。
　これにより、図２７に示すように、再び第１選択還元触媒から大量のアンモニアが放出された場合であっても、このアンモニアを第２選択還元触媒で貯蔵することで、第２選択還元触媒の下流へアンモニアが排出するのを防止することができる。

　次に、図２９を参照して、ＥＣＵにより実行されるユリア噴射制御処理について説明する。
　図２９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、所定の制御周期毎に実行される。

　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、上述の目標アンモニア濃度設定部により、式（２４）～（２９）に基づいて目標アンモニア濃度ＮＨ３_{ＣＯＮＳ＿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（８）～（２３）に基づいて補正噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＳＴ}を算出し、ステップＳ１３に移る。
　ステップＳ１３では、上述のスライディングモードコントローラにより、式（２）～（７）に基づいてＦＢ噴射量Ｇ_{ＵＲＥＡ＿ＦＢ}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。

　本実施形態では、アンモニアセンサ２６によりアンモニア濃度検出手段が構成され、ＥＣＵ３により、第１制御入力算出手段、第２制御入力算出手段、第３制御入力算出手段、還元剤供給量決定手段、及び目標アンモニア濃度設定手段が構成される。具体的には、ＥＣＵ３のフィードバックコントローラ４及びスライディングモードコントローラ４２により第１制御入力算出手段が構成され、ＥＣＵ３のフィードフォワードコントローラ５により第２制御入力算出手段が構成され、ＥＣＵ３のストレージ補正入力算出部６により第３制御入力算出手段が構成され、ＥＣＵ３の加算器７により還元剤供給量決定手段が構成され、ＥＣＵ３のフィードバックコントローラ４及び目標アンモニア濃度設定部４１により目標アンモニア濃度設定手段が構成される。

　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。

Claims

　内燃機関の排気通路に設けられ、還元剤の存在下でアンモニアを生成し、このアンモニアで前記排気通路を流通する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装置において、
　前記選択還元触媒は、第１選択還元触媒と、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選択還元触媒とを含んで構成され、
　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を供給する還元剤供給手段と、
　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のアンモニア濃度を検出するアンモニア濃度検出手段と、
　当該アンモニア濃度検出手段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制御するための制御入力を算出する第１制御入力算出手段と、
　前記還元剤供給手段による還元剤の供給量を、前記第１制御入力算出手段により算出された制御入力を含めて決定する還元剤供給量決定手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
　前記第１選択還元触媒において貯蔵できるアンモニア量を第１ストレージ容量とし、
　前記第２選択還元触媒において貯蔵できるアンモニア量を第２ストレージ容量とし、
　前記第２ストレージ容量は、前記第１ストレージ容量の最大時と最小時との差よりも大きい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装置。
　前記アンモニア濃度検出手段により検出されるアンモニア濃度の目標濃度の値を、「０」より大きな値に設定する目標アンモニア濃度設定手段をさらに備え、
　前記第１制御入力算出手段は、
　前記アンモニア濃度検出手段により検出されるアンモニア濃度が、前記目標濃度を含む所定の範囲内に収まるように前記制御入力を算出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装置。
　前記第１制御入力算出手段は、
　前記アンモニア濃度検出手段により検出されるアンモニア濃度の前記目標濃度への収束速度を設定できる応答指定型制御を実行可能に構成され、
　前記アンモニア濃度検出手段により検出されたアンモニア濃度が前記所定の範囲内に含まれる場合における収束速度を、前記アンモニア濃度検出手段により検出されたアンモニア濃度が前記所定の範囲外に含まれる場合における収束速度よりも遅く設定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
　前記第２選択還元触媒に貯蔵されたアンモニア量を第２ストレージ量とし、
　前記目標アンモニア濃度設定手段は、
　前記第２ストレージ量を推定するとともに、当該推定した第２ストレージ量に基づいて、前記目標濃度を設定することを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
　前記内燃機関の回転数、及び前記内燃機関の負荷を表す負荷パラメータに基づいて制御入力を算出する第２制御入力算出手段をさらに備え、
　前記還元剤供給量決定手段は、前記還元剤供給手段による還元剤の供給量を、前記第２制御入力算出手段により算出された制御入力をさらに含めて決定することを特徴とする請求項３から５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
　前記第１選択還元触媒に貯蔵されたアンモニア量を第１ストレージ量とし、
　当該第１ストレージ量を推定するとともに、この推定した第１ストレージ量が、所定の目標ストレージ量に収束するように制御するための制御入力を算出する第３制御入力算出手段と、をさらに備え、
　前記還元剤供給量決定手段は、前記還元剤供給手段による還元剤の供給量を、前記第３制御入力算出手段により算出された制御入力をさらに含めて決定することを特徴とする請求項３から６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
　前記第３制御入力算出手段は、
　前記推定した第１ストレージ量と前記目標ストレージ量との偏差に加えて、
　当該偏差の微分、又は、前記第１ストレージ量の微分に基づいて制御入力を算出することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。