(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、ＮＨ３の存在下で排気中のＮＯｘを浄化する選択還元触媒と、
前記選択還元触媒にＮＨ３又はその前駆体を供給する還元剤供給手段と、
前記選択還元触媒より下流側の排気中のＮＯｘとＮＨ３を合わせた成分の濃度を検出する排ガスセンサと、を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
前記選択還元触媒より上流側の排気中のＮＯｘの濃度を検出又は推定する上流側検出手段と、
前記選択還元触媒より下流側の排気中のＮＯｘの濃度の推定値を前記上流側検出手段の出力値に所定の浄化係数を乗算したものでモデル化する下流側推定手段と、
前記排ガスセンサの出力値と前記下流側推定手段の出力値との誤差が最小になるように前記浄化係数の値を同定する同定手段と、
前記下流側推定手段の出力値に基づいて前記還元剤供給手段の供給量を決定する供給量決定手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２】
内燃機関の排気通路に設けられ、ＮＨ３の存在下で排気中のＮＯｘを浄化する選択還元触媒と、
前記選択還元触媒にＮＨ３又はその前駆体を供給する還元剤供給手段と、
前記選択還元触媒より下流側の排気中のＮＯｘとＮＨ３を合わせた成分の濃度を検出する排ガスセンサと、を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
前記選択還元触媒より上流側の排気中のＮＯｘの濃度を検出又は推定する上流側検出手段と、
前記選択還元触媒より下流側の排気中のＮＯｘの濃度の推定値を前記上流側検出手段の出力値に所定の浄化係数を乗算したものでモデル化する下流側推定手段と、
前記排ガスセンサの出力値及び前記上流側検出手段の出力値から、所定の周波数成分を阻止し、各々のフィルタ値を算出するフィルタと、
前記排ガスセンサの出力値のフィルタ値と前記上流側検出手段の出力値のフィルタ値に前記浄化係数を乗じて得られる値との誤差が最小になるように前記浄化係数の値を同定する同定手段と、
前記下流側推定手段の出力値に基づいて前記還元剤供給手段の供給量を決定する供給量決定手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
【請求項３】
前記フィルタは、前記排ガスセンサの出力値及び前記上流側検出手段の出力値から、定常成分を阻止しかつドライバによる駆動力の増減要求に対応した周波数帯域を少なくとも通過させ、各々のフィルタ値を算出する過渡抽出フィルタであることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項４】
前記排気浄化システムは、前記内燃機関が過渡状態であるか否かを判定する過渡状態判定手段をさらに備え、
前記同定手段は、過渡状態であると判定されたときに浄化係数の値を更新することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項５】
前記供給量決定手段は、前記下流側推定手段の出力値が所定の下流側ＮＯｘ濃度目標値になるように、又は前記下流側推定手段の出力値に基づいて算出された前記選択還元触媒のＮＯｘ浄化率の推定値が所定のＮＯｘ浄化率目標値になるように前記還元剤供給手段の供給量を決定するフィードバックコントローラを備え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。
【請求項６】
前記供給量決定手段は、前記排ガスセンサの出力値から前記下流側推定手段の出力値を減算して得られる値を前記選択還元触媒より下流側のＮＨ３濃度の推定値とし、当該触媒下流側ＮＨ３濃度の推定値が、所定の下流側ＮＨ３濃度目標値に収束するように前記還元剤供給手段の供給量を決定するフィードバックコントローラを備え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。
【請求項７】
前記選択還元触媒のＮＯｘ浄化率は、所定の最適温度において極大となり、
前記選択還元触媒で吸着できるＮＨ３量の最大値である最大ＮＨ３ストレージ量は、その温度が上昇するに従って低下し、
前記下流側ＮＨ３濃度目標値は、
前記選択還元触媒の温度が前記最適温度未満である場合には、前記最適温度における最大ＮＨ３ストレージ量に相当する量のＮＨ３が吸着されているとしたときに、前記選択還元触媒の温度が前記最適温度以上である場合には、そのときの温度における最大ＮＨ３ストレージ量に相当する量のＮＨ３が吸着されているとしたときに当該選択還元触媒で達成されるＮＯｘ浄化率に応じて設定されることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項８】
前記下流側ＮＨ３濃度目標値は、前記選択還元触媒の温度がそのＮＯｘ浄化率が極大となる最適温度未満では０又はその近傍の正の値に設定され、前記選択還元触媒の温度が前記最適温度以上では前記最適温度未満における値よりも大きな値に設定されることを特徴とする請求項６又は７に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項９】
前記フィードバックコントローラは、前記下流側ＮＨ３濃度の推定値が前記下流側ＮＨ３濃度目標値よりも大きな所定の閾値より小さいときは、前記下流側ＮＨ３濃度の推定値が前記閾値より大きい場合よりも、当該推定値の前記下流側ＮＨ３濃度目標値に対する偏差の減少速度を低減することを特徴とする請求項６から８の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１０】
前記フィードバックコントローラは、
前記下流側ＮＨ３濃度の推定値が前記下流側ＮＨ３濃度目標値よりも大きな所定の閾値よりも小さい場合には、前記下流側推定手段の出力値と所定の下流側ＮＯｘ濃度目標値の偏差が０になるように前記還元剤供給手段の供給量を決定し、
前記下流側ＮＨ３濃度の推定値が前記閾値以上である場合には、前記下流側ＮＨ３濃度の推定値と前記下流側ＮＨ３濃度目標値の偏差が０になるように前記還元剤供給手段の供給量を決定することを特徴とする請求項６から８の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１１】
前記フィードバックコントローラは、
前記下流側ＮＨ３濃度の推定値が前記閾値よりも小さい場合には、前記下流側推定手段の出力値と所定の下流側ＮＯｘ濃度目標値の偏差が０になるように前記還元剤供給手段の供給量を決定し、
前記下流側ＮＨ３濃度の推定値が前記閾値以上である場合には、前記下流側ＮＨ３濃度の推定値と前記下流側ＮＨ３濃度目標値の偏差が０になるように前記還元剤供給手段の供給量を決定することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１２】
前記浄化係数の値が所定の閾値よりも大きくなった場合には、前記選択還元触媒が劣化したと判定する故障判定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から１１の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１３】
前記下流側ＮＨ３濃度の推定値が所定の故障判定閾値より大きく、かつ、前記下流側推定手段の出力値が所定の故障判定閾値より大きい場合には、前記選択還元触媒が劣化したと判定する故障判定手段をさらに備えることを特徴とする請求項６から１１の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１４】
内燃機関の排気通路に設けられ、ＮＨ３の存在下で排気中のＮＯｘを浄化する選択還元触媒と、
前記選択還元触媒にＮＨ３又はその前駆体を供給する還元剤供給手段と、
前記選択還元触媒より下流側の排気中のＮＨ３の濃度を検出する排ガスセンサと、を備え、前記排ガスセンサは、Ｏ２の存在下でゲインが変化する排気浄化システムであって、
前記選択還元触媒より上流側の排気のＯ２濃度を検出又は推定する上流側検出手段と、
前記上流側検出手段の出力値の所定の基準値からの変動値を算出する変動値算出手段と、
前記排ガスセンサの誤差成分値を前記変動値算出手段により算出された変動値に所定の補正係数を乗算したものでモデル化する下流側推定手段と、
前記排ガスセンサの出力値及び前記変動値算出手段により算出された変動値から、定常成分を阻止しかつドライバによる駆動力の増減要求に対応した周波数帯域を少なくとも通過させ、各々のフィルタ値を算出する過渡抽出フィルタと、
前記排ガスセンサの出力値のフィルタ値と前記変動値算出手段により算出された変動値のフィルタ値に前記補正係数を乗算した値との誤差が最小になるように前記補正係数の値を同定する同定手段と、
前記排ガスセンサの出力値から前記下流側推定手段により算出された誤差成分値を除いて得られるＮＨ３濃度推定値に基づいて前記還元剤供給手段の供給量を決定する供給量決定手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、ＮＨ３の存在下で排気中のＮＯｘを浄化する選択還元触媒と、この選択還元触媒より下流側のＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘセンサやＮＨ３の濃度を検出するＮＨ３センサなどを備えた排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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（ＮＨ３）など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ＮＨ３の前駆体である尿素水を供給し、この尿素水から排気の熱で熱分解又は加水分解することでＮＨ３を生成し、このＮＨ３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ＮＨ３の化合物を加熱することでＮＨ３を生成し、このＮＨ３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。
【０００３】
このようなシステムでは、選択還元触媒における有効ＮＨ３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浄化率が低下し、この最適な量よりも多い場合には、ＮＯｘの還元に余剰となったアンモニアが排出する。このため、選択還元触媒を備える排気浄化システムでは、尿素水の噴射量を適切に制御することが重要となっている。そこで、特許文献１や特許文献２には、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率を推定し、この推定に基づいて尿素水の噴射量を制御するものが示されている。
【０００４】
特許文献１の排気浄化システムでは、選択還元触媒の下流側のＮＯｘ量をＮＯｘセンサで検出し、このＮＯｘセンサの出力値と、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ＮＯ２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浄化率を推定し、尿素水の噴射量を制御する。
また特許文献２の排気浄化システムでは、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率に関する量として触媒の温度を検出し、この温度に基づいて尿素水の噴射量を制御する。
【０００５】
しかしながら、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率は、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。したがって、特許文献１，２に示すような排気浄化システムでは、尿素水の噴射量を常に最適に制御するのは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１００７００号公報
【特許文献２】特開２００６−２７４９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図４３は、上述のような従来の排気浄化システムにおいて、選択還元触媒の下流側に設けられたＮＯｘセンサの出力特性を示す図である。図４３には、横軸を選択還元触媒における有効ＮＨ３量としたときにおける選択還元触媒の下流側のＮＯｘ濃度、ＮＨ３濃度、及び下流側ＮＯｘセンサの出力値の変化特性を示す。ここで、有効ＮＨ３量とは、選択還元触媒におけるＮＯｘの還元に直接的に寄与しうるＮＨ３の量を言い、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化性能を示す指標の１つとなっている。より具体的には、有効ＮＨ３量は、選択還元触媒に既に吸着されているＮＨ３の量（ＮＨ３ストレージ量）と選択還元触媒に新たに供給されたＮＨ３の量とを合わせた量に相当する。
【０００８】
尿素水の噴射量を増加すると、有効ＮＨ３量を増加するので、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率が上昇する。このため、図４３に示すように、有効ＮＨ３量が増加するに従い、選択還元触媒の下流のＮＯｘ濃度は減少する。また、星印に示す有効ＮＨ３量を超えると、ＮＯｘ濃度は有効ＮＨ３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。
【０００９】
また、ここで余剰となった尿素水から生成されたＮＨ３は、ＮＯｘの還元には消費されず、選択還元触媒の下流に排出される。したがって、図４３に示すように、選択還元触媒の下流の排気のＮＨ３濃度は、星印に示す有効ＮＨ３量を超えると増加する。なお、このように選択還元触媒からＮＨ３がその下流側へ流出してしまうことを、以下では「ＮＨ３スリップ」という。
【００１０】
以上のように、図４３において星印で示す有効ＮＨ３量は、選択還元触媒の下流側のＮＯｘ濃度及びＮＨ３濃度を共に最小にできるので、この排気浄化システムにおける最適な有効ＮＨ３量となっている。
【００１１】
しかしながら、図４３に示すように、ＮＯｘセンサの出力値は、この最適な有効ＮＨ３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センサと呼称されるセンサは、その検出原理上、ＮＯｘに対してだけでなくＮＨ３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、有効ＮＨ３量が最適な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。
【００１２】
ところで、選択還元触媒には、以上のようにＮＨ３の存在下でＮＯｘを還元する能力の他、アンモニアを吸着する能力がある。
図４４は、選択還元触媒におけるＮＨ３のストレージ率と、ＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。ここで、ストレージ率とは、選択還元触媒に吸着されたＮＨ３量の、その最大値に対する割合をいう。
【００１３】
図４４に示すように、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率は、ストレージ率が高くなるほど向上する特性がある。したがって、ＮＨ３スリップの発生を抑制しつつＮＯｘ浄化率を高く維持するには、選択還元触媒におけるストレージ率を最大値に高い精度で制御することが望ましい。しかしながら、ＮＯｘセンサには上述のような特性があるため、ＮＨ３スリップの発生を抑制しながらストレージ率を最大値に制御し続けることは困難であり、また制御系が破綻してしまうおそれもある。このため、選択還元触媒の下流側に設けられたＮＯｘセンサを用いた従来の排気浄化システムでは、ストレージ率を１５〜３０％程度に制御することにより、ＮＯｘ浄化率の低下と引き換えに、過大なＮＨ３スリップが発生するのを抑制している。
【００１４】
以上のように、現存するＮＯｘセンサは排気中のＮＯｘ成分だけでなくＮＨ３成分に対しても感度を有するが、ＮＯｘに対する感度を有さないＮＨ３センサを開発することは可能である。したがって、ＮＨ３センサを、上述のＮＯｘセンサの代わり或いは併せて用いることにより、有効ＮＨ３量が図４３中、星印に示すような最適な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することができる。
【００１５】
しかしながら、現存するＮＨ３センサは、排気中のＮＨ３以外の成分（Ｏ２、Ｈ２Ｏなど）の影響を受けて、ゲイン変化が生じる可能性がある。このため、ＮＨ３センサの出力値に基づいて尿素水噴射制御を行った場合、ＮＨ３センサのゲイン変化に応じて尿素水噴射量が適切な量からずれてしまうおそれがある。
【００１６】
現存するＮＯｘセンサやＮＨ３センサには、以上のような課題が存在することから、選択還元触媒の下流側のＮＯｘ濃度やＮＨ３濃度を適切に把握し、これに応じて最適な尿素水噴射制御を行うことは困難となっている。
【００１７】
本発明は、選択還元触媒の下流側のＮＯｘ濃度又はＮＨ３濃度を適切に把握し、これに応じて最適な噴射制御を行うことができる排気浄化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
（１）上記課題を解決するため、本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気通路（例えば、後述の排気通路１１）に設けられ、ＮＨ３の存在下で排気中のＮＯｘを浄化する選択還元触媒（例えば、後述の選択還元触媒２３）と、前記選択還元触媒にＮＨ３又はその前駆体を供給する還元剤供給手段（例えば、後述の尿素水噴射装置２５）と、前記選択還元触媒より下流側の排気中のＮＯｘとＮＨ３を合わせた成分の濃度を検出する排ガスセンサ（例えば、後述の下流側ＮＯｘセンサ２６）と、前記選択還元触媒より上流側の排気中のＮＯｘの濃度を検出又は推定する上流側検出手段（例えば、後述の上流側ＮＯｘセンサ２８）と、前記選択還元触媒より下流側の排気中のＮＯｘの濃度の推定値（NOx_DW_hat）を前記上流側検出手段の出力値（NOx_UP）に所定の浄化係数（Kscr）を乗算したものでモデル化する下流側推定手段（例えば、後述の分離フィルタ３２，３２Ａ，３２Ｂ）と、前記排ガスセンサの出力値（Ynox）と前記下流側推定手段の出力値（NOx_DW_hat）との誤差（e’id）、又は、各出力値のフィルタ値に相当する値の誤差（eid）が最小になるように前記浄化係数の値を同定する同定手段（例えば、後述の浄化係数同定器３２１Ａ，３２１Ｂ）と、前記下流側推定手段の出力値に基づいて前記還元剤供給手段の供給量を決定する供給量決定手段（例えば、後述のＳＣＲ触媒状態推定器３３、フィードフォワードコントローラ３４、フィードバックコントローラ３５、ＮＨ３ストレージコントローラ３６、及び尿素水噴射量算出部３１など）と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム（例えば、後述の排気浄化システム１）を提供する。なお、本発明において「濃度」とは、例えば濃度と量又は濃度と当量比など、所定の係数と既知の演算式によって濃度と相互に単位変換可能な物理量も含むものとする。
【００１９】
（１）本発明では、選択還元触媒より上流側のＮＯｘ濃度のスペクトル分布と下流側のＮＯｘ濃度のスペクトル分布との類似性に基づいて、選択還元触媒より下流側のＮＯｘ濃度の推定値を上流側検出手段の出力値に所定の浄化係数を乗算したものでモデル化し、これによって下流側のＮＯｘ濃度の推定値を算出する。また、ＮＨ３量は還元剤供給手段によって変動し、ＮＯｘ量はドライバによる内燃機関の運転状態に応じて変動することから、選択還元触媒の下流側の排気において、ＮＨ３のスペクトル分布とＮＯｘのスペクトル分布の重複は小さくなる。本発明では、これを利用して排ガスセンサの出力値と下流側ＮＯｘ濃度の推定値との誤差、又は、これらのフィルタ値に相当する値の誤差が最小になるように同定することにより、十分な推定精度で下流側ＮＯｘ濃度の推定値を算出できる。また、この下流側ＮＯｘ濃度の推定値を用いることにより、選択還元触媒におけるＮＨ３スリップを抑制しつつＮＯｘ浄化率を高く維持できるように、還元剤供給手段の供給量を適切に決定することができる。
内燃機関が過渡状態にある場合、選択還元触媒におけるＮＨ３ストレージ量の変動が大きくなることから特にＮＯｘ浄化率が低下したり、ＮＨ３スリップが発生したりしやすくなっている。一方、本発明では、ＮＨ３とＮＯｘのスペクトル分布の分離を利用して浄化係数を同定することから、特に内燃機関の過渡状態における推定精度が高くなっている。このため、本発明では、過渡状態におけるＮＯｘ浄化率の向上とＮＨ３スリップの抑制との両立を実現できる。
また、排ガスセンサの出力値から下流側ＮＯｘ濃度の推定値を減算することにより、ＮＨ３センサを別途設けることなく下流側ＮＨ３濃度の推定値を算出することもできる。したがって、選択還元触媒の下流側のＮＯｘ濃度とＮＨ３濃度とを適切に把握し、これに応じて最適な還元剤供給手段の供給量を決定することができる。
また、下流側ＮＯｘ濃度を高い精度で推定することにより、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率の低下をＮＨ３スリップの発生と誤認識してしまい、誤って還元剤供給手段の供給量を低減したりすることがない。また逆に、選択還元触媒におけるＮＨ３スリップの発生をＮＯｘ浄化率の低下と誤認識してしまい、誤って還元剤供給手段の供給量を増加したりすることもない。
【００２０】
（２）この場合、前記排気浄化システムは、前記排ガスセンサの出力値（Ynox）及び前記上流側検出手段の出力値（NOx_UP）から、定常成分を阻止しかつドライバによる駆動力の増減要求に対応した周波数帯域を少なくとも通過させ、各々のフィルタ値（Ynox_f,NOx_UP_f）を算出する過渡抽出フィルタ（例えば、後述の過渡抽出フィルタ３２２Ｂ，３２３Ｂ）をさらに備え、前記同定手段は、前記排ガスセンサの出力値のフィルタ値（Ynox_f）と前記上流側検出手段の出力値のフィルタ値（NOx_UP_f）に前記浄化係数（Kscr）を乗算して得られる値（NOx_DW_hat_f）との誤差（eid）が最小になるように前記浄化係数の値を同定することが好ましい。
【００２１】
（２）ＮＨ３量は還元剤供給手段によって変動する。このため、選択還元触媒の下流側の排気において、ＮＨ３のスペクトル分布のピークはほぼ０Ｈｚ程度の低周波数側に寄ったものとなる。これに対し、ＮＯｘ量はドライバによる内燃機関の運転状態に応じて変動することから、ＮＯｘのスペクトル分布のピークは、ＮＨ３のスペクトル分布のピークよりも高周波数側に寄ったものとなる。本発明では、これを利用し、過渡抽出フィルタによって排ガスセンサの出力値及び上流側検出手段の出力値からＮＯｘの周波数成分のみを抽出した上で、これらフィルタ値を利用して浄化係数の値を同定することにより、下流側ＮＯｘ濃度の推定精度をさらに向上できる。
【００２２】
（３）この場合、前記排気浄化システムは、前記内燃機関が過渡状態であるか否かを判定する過渡状態判定手段（例えば、後述のフィードバックコントローラ３５）をさらに備え、前記同定手段は、過渡状態であると判定されたときに浄化係数の値を更新することが好ましい。
【００２３】
（３）上述のようにＮＯｘ量はドライバによる内燃機関の運転状態に応じて変動することから、ＮＨ３とＮＯｘのスペクトル分布のピークの分離は、内燃機関の運転状態が大きく変化する過渡状態において特に顕著となる。本発明では、このようなタイミングで浄化係数の値を更新することにより、下流側ＮＯｘ濃度の推定精度をさらに向上できる。なお、内燃機関の運転状態が過渡状態でなく浄化係数の値が更新されない間は、排ガスセンサの極値を探索しながら還元剤供給手段の供給量を決定する方法など他の方法を組み合わせることにより、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率の低下を防止できる。
【００２４】
（４）この場合、前記供給量決定手段は、前記下流側推定手段の出力値（NOx_DW_hat）が所定の下流側ＮＯｘ濃度目標値（NOx_DW_trgt）になるように、又は前記下流側推定手段の出力値（NOx_DW_hat）に基づいて算出された前記選択還元触媒のＮＯｘ浄化率の推定値（ItaNOx_hat）が所定のＮＯｘ浄化率目標値（ItaNOx_trgt）になるように前記還元剤供給手段の供給量を決定するフィードバックコントローラ（例えば、後述のフィードバックコントローラ３５）を備えることが好ましい。
【００２５】
（４）本発明によれば、上述のように高い推定精度で算出した下流側ＮＯｘ濃度の推定値をフィードバックして還元剤供給手段の供給量を決定することにより、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率を高く維持できる。
【００２６】
（５）この場合、前記供給量決定手段は、前記排ガスセンサの出力値（Ynox）から前記下流側推定手段の出力値（NOx_DW_hat）を減算して得られる値を前記選択還元触媒より下流側のＮＨ３濃度の推定値（NH3_DW_hat）とし、当該触媒下流側ＮＨ３濃度の推定値（NH3_DW_hat）が、所定の下流側ＮＨ３濃度目標値（NH3_DW_trgt）に収束するように前記還元剤供給手段の供給量（Gurea）を決定するフィードバックコントローラ（例えば、後述のフィードバックコントローラ３５）を備えることが好ましい。
【００２７】
（５）本発明によれば、上述のように高い推定精度で算出した下流側ＮＯｘ濃度の推定値から下流側ＮＨ３濃度の推定値を算出し、これをフィードバックして還元剤供給手段の供給量を決定することにより、選択還元触媒におけるＮＨ３スリップの抑制とＮＯｘ浄化率の向上との両立を実現することができる。
【００２８】
（６）この場合、前記選択還元触媒のＮＯｘ浄化率は、所定の最適温度において極大となり、前記選択還元触媒で吸着できるＮＨ３量の最大値である最大ＮＨ３ストレージ量は、その温度が上昇するに従って低下し、前記下流側ＮＨ３濃度目標値（NH3_DW_trgt）は、前記選択還元触媒の温度が前記最適温度未満である場合には、前記最適温度における最大ＮＨ３ストレージ量に相当する量のＮＨ３が吸着されているとしたときに、前記選択還元触媒の温度が前記最適温度以上である場合には、そのときの温度における最大ＮＨ３ストレージ量に相当する量のＮＨ３が吸着されているとしたときに当該選択還元触媒で達成されるＮＯｘ浄化率（ItaNOx_trgt）に応じて設定されることが好ましい。
【００２９】
（６）本発明によれば、選択還元触媒による高いＮＯｘ浄化性能が要求される高負荷運転時（触媒高温時）には、ＮＨ３ストレージ量を最大にすることで、そのＮＯｘ浄化性能を高くすることができる。また、低負荷運転時（触媒低温時）には、ＮＨ３ストレージ量を最大値よりも小さくすることで、十分なＮＯｘ浄化性能を実現しつつ、急加速によって選択還元触媒の温度が急上昇した場合であっても多量のＮＨ３スリップが発生するのを防止できる。
【００３０】
（７）この場合、前記下流側ＮＨ３濃度目標値（NH3_DW_hat）は、前記選択還元触媒の温度がそのＮＯｘ浄化率が極大となる最適温度未満では０又はその近傍の正の値に設定され、前記選択還元触媒の温度が前記最適温度以上では前記最適温度未満における値よりも大きな値に設定されることが好ましい。
【００３１】
（７）本発明では、上述のように下流側ＮＨ３濃度目標値を定めることにより、低負荷運転時（最適温度未満である場合）には、触媒の劣化などによって意図せずＮＨ３スリップが生じてしまった場合には、速やかにこれを抑制することができる。また、高負荷運転時（最適温度以上である場合）には、選択還元触媒におけるＮＨ３ストレージ量を最大ＮＨ３ストレージ量に安定して維持できるため、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率を高く維持できる。
【００３２】
（８）この場合、前記フィードバックコントローラは、前記下流側ＮＨ３濃度の推定値（NH3_DW_hat）が前記下流側ＮＨ３濃度目標値（NH3_DW_trgt）よりも大きな所定の閾値（NH3_DW_trgt+TH_NH3_SLIP_H）より小さいときは、前記下流側ＮＨ３濃度の推定値が前記閾値より大きい場合よりも、当該推定値の前記下流側ＮＨ３濃度目標値に対する偏差（E_fb）の減少速度を低減することが好ましい。
【００３３】
（８）本発明では、下流側ＮＨ３濃度の推定値が所定の閾値より小さくその推定精度が比較的十分でないと考えられる場合には、下流側ＮＨ３濃度の推定値が上記閾値より大きい場合よりも偏差の減少速度を低減することにより、推定精度が十分でない状態において誤って還元剤供給手段の供給量を低減するのを防止できる。すなわち、過度に還元剤供給手段の供給量を低減してしまいＮＯｘ浄化率が低減するのを防止しつつ、過度なＮＨ３スリップの発生を抑制できる。
【００３４】
（９）この場合、前記フィードバックコントローラは、前記下流側ＮＨ３濃度の推定値（NH3_DW_hat）が前記下流側ＮＨ３濃度目標値（NH3_DW_trgt）よりも大きな閾値（NH3_DW_trgt+TH_NH3_SLIP_L）よりも小さい場合には、前記下流側推定手段の出力値（NOx_DW_hat）と所定の下流側ＮＯｘ濃度目標値（NOx_DW_trgt）の偏差（Enox）が０になるように前記還元剤供給手段の供給量（Gurea）を決定し、前記下流側ＮＨ３濃度の推定値（NH3_DW_hat）が前記閾値（NH3_DW_trgt+TH_NH3_SLIP_L）以上である場合には、前記下流側ＮＨ３濃度の推定値（NH3_DW_hat）と前記下流側ＮＨ３濃度目標値（NH3_DW_trgt）の偏差（Enh3）が０になるように前記還元剤供給手段の供給量（Gurea）を決定することが好ましい。
【００３５】
（９）本発明では、下流側ＮＯｘ濃度の偏差と下流側ＮＨ３濃度の偏差との２つの偏差を算出し、下流側ＮＨ３濃度が所定の閾値よりも小さい場合には下流側ＮＯｘ濃度の偏差の方が小さくなるように供給量を決定し、下流側ＮＨ３濃度が上記閾値以上である場合には下流側ＮＨ３濃度の偏差の方が小さくなるように供給量を決定する。換言すれば、本発明では、ＮＯｘとＮＨ３のうちＮＨ３のスリップを抑制する制御を優先するように還元剤供給手段の供給量を決定する。これにより、選択還元触媒ではＮＨ３が微小にスリップした状態を維持できるので、ＮＯｘ浄化率を高く維持しつつ過大なＮＨ３スリップの発生を抑制することができる。
【００３６】
（１０）この場合、前記排気浄化システムは、前記浄化係数の値が所定の閾値（Kscr_AGD）よりも大きくなった場合には、前記選択還元触媒が劣化したと判定する故障判定手段（例えば、後述のＥＣＵ３）をさらに備えることが好ましい。
【００３７】
（１０）浄化係数は、選択還元触媒の下流側のＮＯｘ濃度と上流側のＮＯｘ濃度の比に相当することから、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率を判定するためのパラメータとして利用できる。本発明では、このような逐次同定される浄化係数に基づいて選択還元触媒の劣化を判定することにより、劣化判定の頻度を高めることができ、ひいては劣化判定の精度を向上できる。
【００３８】
（１１）この場合、前記下流側ＮＨ３濃度の推定値（NH3_DW_hat）が所定の故障判定閾値（NH3_AGD）より大きく、かつ、前記下流側推定手段の出力値（NOx_DW_hat）が所定の故障判定閾値（NOx_AGD）より大きい場合には、前記選択還元触媒が劣化したと判定する故障判定手段（例えば、後述のＥＣＵ３）をさらに備えることが好ましい。
【００３９】
（１１）下流側ＮＨ３濃度が比較的高いにも関わらず下流側ＮＯｘ濃度も比較的高い場合、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化性能が低下したと判断できる。本発明では、下流側ＮＨ３推定値と下流側ＮＯｘ推定値との両方に基づいて選択還元触媒の劣化を判定することにより、劣化判定の頻度を高めることができ、ひいては劣化判定の精度を向上できる。なお、下流側ＮＨ３推定値と下流側ＮＯｘ推定値とを算出するに際し、ＮＨ３センサは必ずしも必要ではないので、その分だけコストを低減できる。
【００４０】
（１２）上記課題を解決するため、本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気通路（例えば、後述の排気通路１１）に設けられ、ＮＨ３の存在下で排気中のＮＯｘを浄化する選択還元触媒（例えば、後述の選択還元触媒２３）と、前記選択還元触媒にＮＨ３又はその前駆体を供給する還元剤供給手段（例えば、後述の尿素水噴射装置２５）と、前記選択還元触媒より下流側の排気中のＮＨ３の濃度を検出する排ガスセンサ（例えば、後述の下流側ＮＨ３センサ２６Ｃ）と、を備え、前記排ガスセンサは、Ｏ２の存在下でゲインが変化する排気浄化システム（例えば、後述の排気浄化システム２Ｃ）を提供する。前記排気浄化システムは、前記選択還元触媒より上流側の排気のＯ２濃度を検出又は推定する上流側検出手段（例えば、後述のＬＡＦセンサ２９Ｃ）と、前記上流側検出手段の出力値（FAI_UP）の所定の基準値（FAI_UP_BS）からの変動値（DFAI_UP）を算出する変動値算出手段（例えば、後述の変動成分抽出部３２２Ｃ）と、前記排ガスセンサの誤差成分値（DNH3_comp）を前記変動値算出手段により算出された変動値（DFAI_UP）に所定の補正係数（Kc）を乗算したものでモデル化する下流側推定手段（例えば、後述の分離フィルタ３２Ｃ）と、前記排ガスセンサの出力値（NH3_DW）及び前記変動値算出手段により算出された変動値（DFAI_UP）から、定常成分を阻止しかつドライバによる駆動力の増減要求に対応した周波数帯域を少なくとも通過させ、各々のフィルタ値を算出する過渡抽出フィルタ（例えば、後述の過渡抽出フィルタ３２３Ｃ，３２４Ｃ）と、前記排ガスセンサの出力値（NH3_DW）のフィルタ値（NH3_DW_f）と前記変動値算出手段により算出された変動値（DFAI_UP）のフィルタ値（DFAI_UP_f）に前記補正係数（Kc）を乗算した値（NH3_DW_f_hat）との誤差（eid）が最小になるように前記補正係数の値を同定する同定手段（例えば、後述の補正係数同定器３２１Ｃ）と、前記排ガスセンサの出力値から前記下流側推定手段により算出された誤差成分値を除いて得られるＮＨ３濃度推定値に基づいて前記還元剤供給手段の供給量を決定する供給量決定手段（後述のＳＣＲ触媒状態推定器３３、フィードフォワードコントローラ３４、フィードバックコントローラ３５Ｃ、ＮＨ３ストレージコントローラ３６、及び尿素水噴射量算出部３１など）と、を備えることを特徴とする。
【００４１】
（１２）本発明では、選択還元触媒より上流側のＯ２濃度の変動のスペクトル分布と、選択還元触媒より下流側に設けられた排ガスセンサの誤差成分のスペクトル分布の類似性に基づいて、排ガスセンサの誤差成分値を変動値算出手段の変動値に所定の補正係数を乗算したものでモデル化し、これによって排ガスセンサの誤差成分値を算出する。また、ＮＨ３量は還元剤供給手段によって変動し、Ｏ２量はドライバによる内燃機関の運転状態に応じて変動することから、選択還元触媒の下流側の排気においてＮＨ３のスペクトル分布と、Ｏ２量の変動に起因する排ガスセンサの誤差成分のスペクトル分布の重複は小さくなる。より具体的には、ＮＨ３のピークはほぼ０Ｈｚ程度の低周波数側に寄ったものとなり、排ガスセンサの誤差成分のピークはＮＨ３のピークよりも高周波数側に寄ったものとなる。本発明では、これを利用し、過渡抽出フィルタによって排ガスセンサの出力値及び変動値算出手段の変動値からＯ２の変動成分のみを抽出した上で、これらフィルタ値を利用して補正係数の値を同定することにより、高い精度で排ガスセンサの誤差成分値、ひいてはＮＨ３濃度推定値を算出できる。また、この下流ＮＨ３濃度の推定値を用いることにより、選択還元触媒におけるＮＨ３スリップを抑制しつつＮＯｘ浄化率を高く維持できるように、還元剤供給手段の供給量を適切に決定することができる。
また、下流側ＮＨ３濃度を高い精度で推定することにより、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率の低下をＮＨ３スリップの発生と誤認識してしまい、誤って還元剤供給手段の供給量を低減したりすることがない。また逆に、選択還元触媒におけるＮＨ３スリップの発生をＮＯｘ浄化率の低下と誤認識してしまい、誤って還元剤供給手段の供給量を増加したりすることもない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】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。
【図２】上記実施形態の尿素水噴射制御を実行するためのブロック図である。
【図３】車速と、ＳＣＲ触媒の上流側のＮＯｘ濃度と、ＳＣＲ触媒の下流側のＮＯｘ濃度（太線）及びＮＨ３濃度（細線）と、下流側ＮＯｘセンサの出力値との関係を示す図である。
【図４】上流ＮＯｘ濃度、下流ＮＯｘ濃度、下流ＮＨ３濃度、下流側ＮＯｘセンサの出力のスペクトル分布を示す図である。
【図５】実施例１の分離フィルタの構成を示すブロック図である。
【図６】実施例１の分離フィルタのシミュレーション結果を示す図である。
【図７】上流ＮＯｘ濃度、下流ＮＯｘ濃度、下流ＮＨ３濃度、下流側ＮＯｘセンサの出力のスペクトル分布を示す図である。
【図８】浄化係数Kscrのゲイン特性を示す図である。
【図９】バンドパスフィルタのゲイン特性を示す図である。
【図１０】実施例２の分離フィルタの構成を示すブロック図である。
【図１１】実施例２の分離フィルタのシミュレーション結果を示す図である。
【図１２】浄化係数Kscrのゲイン特性を示す図である。
【図１３】制御対象がローパス特性を有する場合における同定アルゴリズム重み特性を示す図である。
【図１４】触媒温度を引数として最大ＮＨ３ストレージ容量の推定値を算出するマップの一例を示す図である。
【図１５】ＮＨ３ストレージ率を引数としてＮＨ３ストレージ率を算出するマップの一例を示す図である。
【図１６】触媒温度を引数として基準ＮＯｘ特性係数を算出するマップの一例を示す図である。
【図１７】排ガスボリュームを引数としてガスボリューム係数を算出するマップの一例を示す図である。
【図１８】触媒温度と最大ＮＨ３ストレージ量との関係を示す図である。
【図１９】下流ＮＨ３偏差における下流ＮＨ３濃度目標値を算出するマップの一例を示す図である。
【図２０】フィードバックコントローラのスライディングモードコントローラにおける切換関数の設定を模式的に示す図である。
【図２１】極値探索コントローラにおける演算の概念を説明するための図である。
【図２２】極値探索コントローラの構成を示すブロック図である。
【図２３】加振入力振幅を決定するためのテーブルの一例を示す図である。
【図２４】尿素水噴射制御の手順を示すフローチャートである。
【図２５】尿素水噴射制御の手順を示すフローチャートである。
【図２６】各試験におけるシミュレーションの条件をまとめた図である。
【図２７】試験１のシミュレーション結果を示す図である。
【図２８】試験２のシミュレーション結果を示す図である。
【図２９】試験３のシミュレーション結果を示す図である。
【図３０】試験４のシミュレーション結果を示す図である。
【図３１】試験５のシミュレーション結果を示す図である。
【図３２】試験６のシミュレーション結果を示す図である。
【図３３】試験７のシミュレーション結果を示す図である。
【図３４】上流ＮＯｘ濃度、下流ＮＯｘ濃度、下流ＮＨ３濃度、下流側ＮＯｘセンサの出力のスペクトル分布を示す図である。
【図３５】上流ＮＯｘ濃度、下流ＮＯｘ濃度、下流ＮＨ３濃度、下流側ＮＯｘセンサの出力のスペクトル分布を示す図である。
【図３６】本発明の第２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。
【図３７】Ｏ２存在下におけるＮＨ３センサの出力特性を示す図である。
【図３８】車両が加減速したときにおけるＬＡＦセンサとＮＨ３センサの変化を示す図である。
【図３９】ＥＣＵにおける尿素水噴射制御の実行に係るブロック図である。
【図４０】ＳＣＲ触媒の上流側と下流側における各種物理量のスペクトル分布を示す図である。
【図４１】分離フィルタの構成を示すブロック図である。
【図４２】上記実施形態に係る分離フィルタのシミュレーション結果を示す図である。
【図４３】従来の排気浄化システムにおけるＮＯｘセンサの出力特性を示す図である。
【図４４】ＳＣＲ触媒におけるＮＨ３ストレージ率とＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態を、図面を参照して説明する。
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。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。
【００４４】
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、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選択還元触媒２３と、排気通路１１のうち選択還元触媒２３の上流側に、還元剤の元となる尿素水を供給する尿素水噴射装置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。排気通路１１には、選択還元触媒２３の他、酸化触媒２１が設けられる。
【００４５】
尿素水噴射装置２５は、尿素水タンク２５１と、尿素水インジェクタ２５３とを備える。尿素水タンク２５１は、尿素水を貯蔵するものであり、尿素水供給路２５４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２５３に接続されている。この尿素水タンク２５１には、尿素水レベルセンサ２５５が設けられている。この尿素水レベルセンサ２５５は、尿素水タンク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。尿素水インジェクタ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、尿素水噴射制御が実行される。
【００４６】
酸化触媒２１は、排気通路１１のうち選択還元触媒２３及び尿素水インジェクタ２５３よりも上流側に設けられ、排気中のＮＯの一部をＮＯ２に変換することにより、選択還元触媒２３におけるＮＯｘの還元を促進する。
【００４７】
選択還元触媒（以下、「ＳＣＲ（Selective  Catalytic  Reduction）触媒」という）２３は、ＮＨ３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、尿素水噴射装置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ＮＨ３が生成される。生成されたＮＨ３はＳＣＲ触媒２３に供給され、このアンモニアにより、排気中のＮＯｘは選択的に還元される。
【００４８】
このＳＣＲ触媒２３は、尿素水から生成されたＮＨ３で排気中のＮＯｘを還元する機能を有するとともに、生成されたＮＨ３を所定の量だけ吸着する機能も有する。以下では、ＳＣＲ触媒２３において吸着されているＮＨ３量をＮＨ３ストレージ量とし、ＳＣＲ触媒２３で吸着できるＮＨ３量すなわちＮＨ３量の最大値を最大ＮＨ３ストレージ量とする。
【００４９】
このようにしてＳＣＲ触媒２３に貯蔵されたＮＨ３は、排気中のＮＯｘの還元にも適宜消費される。このため、ＮＨ３ストレージ量が多くなるに従い、ＳＣＲ触媒２３におけるＮＯｘ浄化率は高くなる。一方、ＮＨ３ストレージ量が最大ＮＨ３ストレージ量に達しＳＣＲ触媒２３が飽和状態になると、ＮＯｘ浄化率も最高値に達するものの、ＮＯｘの還元に供されず余剰となったＮＨ３がＳＣＲ触媒２３の下流側へ排出されるＮＨ３スリップが発生する。ＳＣＲ触媒２３の下流側には、ＳＣＲ触媒２３から排出されたＮＨ３がシステム外に排出されるのを抑制するため、ＮＨ３を吸着したり酸化したりする図示しないスリップ抑制触媒が設けられる。
【００５０】
ＥＣＵ３には、排気浄化システム２の状態を検出するためのセンサとして、下流側ＮＯｘセンサ２６、触媒温度センサ２７、上流側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が接続されている。
【００５１】
下流側ＮＯｘセンサ２６は、排気通路１１のうちＳＣＲ触媒２３の下流側に設けられ、ＳＣＲ触媒２３より下流側の排気中のＮＯｘとＮＨ３を合わせた成分の濃度を検出し、検出値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、ＳＣＲ触媒２３の温度を検出し、検出値に略比例した検出信号をＥＣＵ３に供給する。上流側ＮＯｘセンサ２８は、排気通路１１のうち酸化触媒２１と尿素水インジェクタ２５３の間に設けられ、ＳＣＲ触媒２３に流入する排気中のＮＯｘとＮＨ３を合わせた成分の濃度を検出し、検出値に略比例した検出信号をＥＣＵ３に供給する。ただし、上流側ＮＯｘセンサ２８の検出箇所の排気中にＮＨ３は殆ど含まれていないため、上流側ＮＯｘセンサ２８は実質的には排気中のＮＯｘのみの濃度を検出する。
【００５２】
クランク角度位置センサ１４は、エンジン１のクランク軸の回転角度を検出するとともに、クランク角１度ごとにパルスを発生し、そのパルス信号をＥＣＵ３に供給する。ＥＣＵ３では、このパルス信号に基づいて、エンジン１の回転数が算出される。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、検出されたアクセル開度や回転数に基づいて、エンジン１の要求トルクが算出される。
【００５３】
また、ＥＣＵ３には、ドライバに各種警告を報知するため、尿素水残量警告灯１６や触媒劣化警告灯１７が接続されている。尿素水残量警告灯１６は、例えば、車両のメータパネルに設けられ、尿素水タンク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（後述の図２４のＳ８参照）。これにより、尿素水タンク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。
【００５４】
触媒劣化警告灯１７は、例えば、車両のメータパネルに設けられ、ＳＣＲ触媒２３が劣化したと判定されたことに応じて点灯する（後述の図２５のＳ２２参照）。これにより、ＳＣＲ触媒２３が劣化した状態であることを運転者に警告する。
【００５５】
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、尿素水インジェクタ２５３等に制御信号を出力する出力回路と、を備える。
【００５６】
次に、尿素水噴射制御の手順について説明する。
図２は、ＥＣＵ３における尿素水噴射制御の実行に係るブロック図である。
ＥＣＵ３には、排気浄化システムの状態を示す観測量として、ＳＣＲ触媒より下流側の排気中のＮＯｘとＮＨ３とを合わせた成分の濃度値に相当する下流側ＮＯｘセンサの出力値Ynoxと、ＳＣＲ触媒の温度値に相当する触媒温度センサの出力値Tscrと、ＳＣＲ触媒より上流側の排気中のＮＯｘの濃度値に相当する上流側ＮＯｘセンサの出力値NOx_UPと、の少なくとも３つが入力される。ＥＣＵ３は、上記少なくとも３つの観測量に基づいて、尿素水噴射装置の操作量に相当する尿素水噴射量の値Gureaを決定する。なお、これら観測量のうち、上流側ＮＯｘセンサの出力値NOx_UPは、センサを用いずにエンジンの運転状態を示すパラメータから推定した値で代用してもよい。また、触媒温度センサの出力値Tscrも、センサを用いずにエンジンの運転状態から推定した値や、ＳＣＲ触媒以外の温度を検出する温度センサの出力値から推定した値などで代用してもよい。
【００５７】
尿素水噴射制御は、尿素水噴射量算出部３１、分離フィルタ３２、ＳＣＲ触媒状態推定器３３、フィードフォワードコントローラ３４、フィードバックコントローラ３５及びＮＨ３ストレージコントローラ３６などの機能ブロックを組み合わせて実現される。
【００５８】
分離フィルタ３２は、上述のように、ＮＯｘとＮＨ３とを合わせた成分の濃度値に相当するＮＯｘセンサ出力値Ynoxを、ＳＣＲ触媒より下流側のＮＯｘの濃度値に相当する下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatと、ＳＣＲ触媒より下流側のＮＨ３の濃度値に相当する下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatとに分離する。
【００５９】
ＳＣＲ触媒状態推定器３３は、ＳＣＲ触媒の状態を示す複数のパラメータの値、より具体的には、ＳＣＲ触媒に吸着されているＮＨ３の量の推定値に相当するＮＨ３ストレージ量推定値ST_nh3_hatと、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率の推定値に相当するＮＯｘ浄化率推定値ItaNOx_hatと、を算出する。
【００６０】
フィードフォワードコントローラ３４は、ＳＣＲ触媒に流入する排気中のＮＯｘを浄化するために、ＳＣＲ触媒に必要とされるＮＨ３の量に相当するフィードフォワード入力の値Gnh3_ffを、ＳＣＲ触媒の状態を考慮した上で算出する。
【００６１】
ＮＨ３ストレージコントローラ３６は、ＮＨ３ストレージ量推定値ST_nh3_hatをＳＣＲ触媒の状態に応じて設定された所定の目標値に維持するために、ＳＣＲ触媒に必要とされるＮＨ３の量に相当するストレージ補正入力の値Gnh3_stを算出する。
【００６２】
フィードバックコントローラ３５は、ＮＯｘセンサの出力値Ynoxや、これを分離して得られる下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hat及び下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatなどの値を所定の目標値に収束させるために、ＳＣＲ触媒に必要とされるＮＨ３の量に相当するフィードバック入力の値Gnh3_fbを算出する。
【００６３】
尿素水噴射量算出部３１は、３つのコントローラ３４〜３６により算出された入力値Gnh3_ff,Gnh3_fb,Gnh3_stに基づいて、ＳＣＲ触媒へ噴射する必要のあるＮＨ３の量を算出した上、これを尿素水の量に換算することにより、尿素水噴射量Gureaを算出する。
【００６４】
以下、これら各ブロックにおける演算の具体的な手順について、図面を参照しながら順に説明する。
【００６５】
＜分離フィルタ＞
分離フィルタ３２で行う演算の概念及びその具体的な手順について説明する。
図３は、車速と、ＳＣＲ触媒の上流側のＮＯｘ濃度と、ＳＣＲ触媒の下流側のＮＯｘ濃度（太線）及びＮＨ３濃度（細線）と、下流側ＮＯｘセンサの出力値との関係を示す図である。なお図３には縦軸のスケールを省略したものを示す。ただし、下から２つの欄の縦軸のスケールは、上から２番目の欄の縦軸のスケールよりも数倍小さい。
【００６６】
図３に示すように、車速が増減すると、エンジンからはＮＯｘが断続的に排出される。エンジンから排出されたＮＯｘ（以下、「フィードＮＯｘ」という）の多くは、ＮＨ３の存在下にあるＳＣＲ触媒を通過することによって還元される。このとき、上述のように、ＮＯｘセンサと呼称されている排ガスセンサは、検出対象とするＮＯｘの他、ＮＨ３にも感応する。このため、図３中、ＳＣＲ触媒の下流側のＮＯｘ、ＮＨ３濃度を示す欄とＮＯｘセンサの出力値を示す欄とを比較して明らかなように、ＮＯｘセンサの出力値は、ＮＯｘ濃度とＮＨ３濃度を合わせた値になっている。
【００６７】
ところで図３に示すように、フィードＮＯｘの増減挙動は、特に車速が鋭く立ち上がるタイミング、すなわちドライバによる駆動力の増減要求に連動したものとなっている。また、このフィードＮＯｘの増減挙動は、ＳＣＲ触媒を通過した後も、概ねＮＯｘセンサの出力値の増減挙動に引き継がれている。なおドライバによる駆動力の増減要求は高々３Ｈｚ程度であるから、フィードＮＯｘ及びＳＣＲ触媒下流側のＮＯｘ濃度の増減挙動も概ね３Ｈｚ以下の周波数成分を含むものと考えられる。
【００６８】
一方、図３の下から２段目の欄に示されているように、ＳＣＲ触媒の下流側の排気のＮＯｘ濃度とＮＨ３濃度との増減挙動を比較すると、ＮＯｘの増減挙動よりもＮＨ３の増減挙動の方が定性的に緩やかなものとなっている。これはすなわち、ＳＣＲ触媒の下流側のＮＨ３の増減挙動のスペクトル分布は、ＮＯｘのスペクトル分布と比較すればピークが低周波数側に寄っていることを意味する。
【００６９】
図４は、上流ＮＯｘ濃度（一点鎖線）、下流ＮＯｘ濃度（二点鎖線）、下流ＮＨ３濃度（破線）、下流側ＮＯｘセンサの出力のスペクトル分布を示す図である。
図３を参照して説明したように、フィードＮＯｘの増減挙動はドライバによる駆動力の増減要求に連動したものとなっている。このため、上流ＮＯｘ濃度のスペクトル分布は、ドライバによって変わるものの、概ね１〜２Ｈｚをピークとした上に凸の特性を示す。
下流ＮＯｘ濃度のスペクトル分布も、概ね１〜２Ｈｚをピークとした上に凸の特性を示す。
下流ＮＨ３濃度のスペクトル分布は、上流ＮＯｘ濃度や下流ＮＯｘ濃度と比較すれば低周波数側にピークが寄っており、定常成分が最も大きくなっている。
ＮＯｘセンサ出力のスペクトル分布は、下流ＮＯｘ濃度と下流ＮＨ３濃度を合わせたものとなっている。
【００７０】
また、下流ＮＨ３濃度と下流ＮＯｘ濃度のスペクトル分布を比較すると、両者では多少の重複があるものの定性的には明らかに異なっている。一方、下流ＮＯｘ濃度と上流ＮＯｘ濃度とは上述のように増減挙動に強い相関がある。このため下流ＮＯｘ濃度と上流ＮＯｘ濃度のスペクトル分布を比較すると、ＳＣＲ触媒によって還元された分だけ下流ＮＯｘ濃度の方がゲインは低下しているが、定性的にはほぼ同じである。すなわち、ＳＣＲ触媒に流入したＮＯｘは、全ての周波数成分に対しほぼ等しい割合でＳＣＲ触媒によって還元されているとも言える。
【００７１】
これはすなわち、上流ＮＯｘ濃度の周波数ゲインと下流ＮＯｘ濃度の周波数ゲインの比が算出できれば、上流ＮＯｘ濃度の値から下流ＮＯｘ濃度の値を推定し、さらにＮＯｘセンサの出力値から推定した下流ＮＯｘ濃度の値を減算することにより、ＮＯｘセンサの出力値から下流ＮＨ３濃度の値を抽出（分離）できることを意味する。以下、このような原理に基づいてＮＯｘセンサ出力値Ynoxを下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatと下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatに分離する分離フィルタ３２の構成について、２つの実施例を例に説明する。
【００７２】
＜実施例１の分離フィルタ＞
図５は、実施例１の分離フィルタ３２Ａの構成を示すブロック図である。
分離フィルタ３２Ａは、ＮＯｘセンサ出力値Ynox及び上流ＮＯｘセンサ出力値NOx_UPが入力されると、下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hat及び下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatを算出する。分離フィルタ３２Ａは、浄化係数同定器３２１Ａと、乗算器３２２Ａと、加算器３２３Ａとを備える。
【００７３】
図４を参照して説明したように、ＳＣＲ触媒に流入したＮＯｘは、全ての周波数成分に対しほぼ等しい割合でＳＣＲ触媒によって還元されるとの仮定が妥当であると考えられることから、下記式（１）に示すように、下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatを、上流ＮＯｘセンサ出力値NOx_UPに所定の乗算係数Kscrを乗算したものでモデル化することができる。ここで、乗算係数Kscr(k)は、上流側のＮＯｘ濃度と下流側のＮＯｘ濃度の比に相当し、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化性能を示すパラメータともみなせることから、以下では浄化係数という。なお、下記式（１）において、”k”はサンプル周期でありＥＣＵにおける離散時間に相当する。また、”d”は、上流側の排気がＳＣＲ触媒を通過するまでのむだ時間に相当する。乗算器３２２Ａは、後述の浄化係数同定器３２１Ａによってその値が同定された浄化係数Kscr(k-1)をむだ時間dだけ過去の上流ＮＯｘセンサ出力値NOx_UP(k-d)に乗算することにより、下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hat(k)を算出する。
【数１】
0005559230.tif 000002
【００７４】
加算器３２３Ａは、下記式（２）に示すように、ＮＯｘセンサ出力値Ynox(k)から下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hat(k)を減算することにより、下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hat(k)を算出する。
【数２】
0005559230.tif 000003
【００７５】
浄化係数同定器３２１Ａは、ＮＯｘセンサ出力値Ynoxのスペクトル分布と、上記式（１）によって算出される下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatのスペクトル分布がほぼ一致しているとの仮定の下、両者の誤差eid’（下記式（３−１）参照）の二乗が最小になるように浄化係数Kscr(k)の値を同定する。この浄化係数Kscr(k)の値を同定するアルゴリズムとしては、例えば、下記式（３−２）〜（３−４）で示される所謂逐次型最小２乗法アルゴリズムが適している。
【数３】
0005559230.tif 000004
【００７６】
上記式（３−２）〜（３−４）において、”P’”は適応ゲインであり、その初期値”P’(0)”は正の値に設定される。また、λ１及びλ２は、重みパラメータであり、これらパラメータの設定により、同定アルゴリズムは以下に示す３つのアルゴリズムに分類される。
λ１＝１，λ２＝１                  最小２乗法アルゴリズム
λ１＝λ（０＜λ≦１），λ２＝１    重み付き最小２乗法アルゴリズム
λ１＝１，λ２＝０                  固定ゲインアルゴリズム
【００７７】
図６は、実施例１の分離フィルタのシミュレーション結果を示す図である。
図６には、上段から順に車速、ＳＣＲ触媒の下流側の実ＮＨ３濃度、下流側のＮＯｘ濃度（ＮＯｘセンサ出力と実ＮＯｘ濃度を比較）、下流側のＮＯｘ濃度（ＮＯｘセンサ出力と下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatを比較）、浄化係数Kscr、下流側のＮＯｘ濃度（実ＮＯｘ濃度と下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatを比較）、並びに下流側のＮＨ３濃度（実ＮＨ３濃度と下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatを比較）を示す。
【００７８】
図６に示すように、分離フィルタは、ＮＨ３スリップが発生した時、ＮＯｘセンサ出力値Ynoxと実ＮＯｘ濃度との間には大きな差が生じているのに対し、実ＮＯｘ濃度と下流側ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatは概ね一致し、さらに実ＮＨ３濃度と下流側ＮＨ３推定値NH3_DW_hatも概ね一致しており、ＮＯｘセンサ出力Ynoxから、適切に推定値NOx_DW_hat及び推定値NH3_DW_hatを抽出できていると言える。各々の推定精度は高いとは言えないものの、確実に効果があり、実用に耐えうるものとなっている。次に、この推定精度をさらに向上した実施例２の分離フィルタについて説明する。
【００７９】
＜実施例２の分離フィルタ＞
次に、実施例２の分離フィルタについて説明する。
実施例２の分離フィルタでは、図７において「領域Ａ」で示すように、ＮＨ３の周波数成分が少なくかつＮＯｘの周波数成分が多い周波数帯域内、すなわちドライバによる駆動力の増減要求に対応した周波数帯域内のみをＮＯｘセンサの出力を積極的に抽出した上で、浄化係数Kscrの値を同定する。
【００８０】
先ず、実施例２の分離フィルタにおける演算の原理から説明する。
上流ＮＯｘセンサ出力値NOx_UP及び下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatの時系列挙動は、それぞれ下記式（４−１）及び（４−２）に示すように、フーリエ級数で展開したもので表現できる。
【数４】
0005559230.tif 000005
【００８１】
ここで、上記式（４−１）において、”NOx_UP_i”は、上流ＮＯｘセンサ出力のi番目の周波数成分であり、”Aup_i”及び”Bup_i”は、i番目の周波数成分の振幅であり、”Cup”は、上流ＮＯｘセンサ出力のオフセット定数であり、”f_i”は、i番目の周波数成分の周波数であり、”N”はサンプル数であり、”Δf”及び”ΔT”は、それぞれサンプル周波数及びサンプル時刻であり、”Δf=1/ΔT”の関係がある。
また、上記式（４−２）において、”NOx_DW_hat_i”は、下流ＮＯｘ推定値のi番目の周波数成分であり、”Adw_i”及び”Bdw_i”は、i番目の周波数成分の振幅であり、”Cdw”は、下流ＮＯｘ推定値のオフセット定数である。
【００８２】
図４を参照して説明したように、ＳＣＲ触媒に流入したＮＯｘは、全ての周波数成分に対しほぼ等しい割合でＳＣＲ触媒によって還元されるとの仮定が妥当であると考えられる。これは、図８に示すような、全ての周波数の入力に対して等しいゲイン特性（定常ゲイン特性）を有する浄化係数Kscrによって、上記式（１）と同様の関係式が、フーリエ級数で展開した上流ＮＯｘセンサ出力値NOx_UP及び下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatに対して成立することを意味する。したがって、下記式（５）が導出される。
【数５】
0005559230.tif 000006
【００８３】
また、上記式（５）から下記式（６）が導出される。すなわち、両辺の各フーリエ成分に対しても浄化係数Kscrを用いて上記式（１）と同じ関係式が成立する。
【数６】
0005559230.tif 000007
【００８４】
したがって、下記式（７−１）〜（７−２）に示すように、図７において上限周波数faH及び下限周波数faLで特定される領域Ａ内の周波数成分の和に対しても、式（１）の関係は成立する。なお、下記式（７−１）及び（７−２）において、iaL=faL/Δf、iaH=faH/Δfとする。
【数７】
0005559230.tif 000008
【００８５】
このうち、上記式（７−３）は、図９に示すような領域Ａを通過帯域としたバンドパスフィルタによって下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hat及び上流ＮＯｘセンサ出力値NOx_UPから領域Ａ内の周波数成分NOx_DW_hat_a,NOx_UP_aを抽出し、これらを用いて同定された浄化係数Kscrの値は、フィルタを通していない値NOx_DW_hat,NOx_UPを用いて同定した値と一致することを意味する。
【００８６】
上述のように、ＮＯｘセンサ出力値Ynoxには、低周波数側にＮＨ３スリップによる周波数成分が多く含まれており、これが実施例１の推定精度を低下させる要因となっている。これに対し上記式（７−３）は、ＮＯｘセンサ出力値Ynoxからこのような低周波数側のスペクトルを阻止することにより、推定精度を向上できることを示唆する。以下、このような原理に基づいてＮＯｘセンサ出力値Ynoxを下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatと下流ＮＨ推定値NH3_DW_hatに精度良く分離する実施例２の分離フィルタ３２Ｂの具体的な構成について説明する。
【００８７】
図１０は、実施例２の分離フィルタ３２Ｂの構成を示すブロック図である。
分離フィルタ３２Ｂは、浄化係数同定器３２１Ｂと、下流ＮＯｘセンサ出力値用の過渡抽出フィルタ３２２Ｂと、上流ＮＯｘセンサ出力値用の過渡抽出フィルタ３２３Ｂと、乗算器３２４Ｂ，３２５Ｂと、加算器３２６Ｂとを備える。
【００８８】
乗算器３２５Ｂは、上流ＮＯｘセンサ出力値NOx_UPに、浄化係数同定器３２１Ｂにより同定された浄化係数Kscrを乗算し、下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatを算出する（下記式（８−１）参照）。また、加算器３２６Ｂは、ＮＯｘセンサ出力値Ynoxから下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatを減算することにより、下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatを算出する（下記式（８−２）参照）。
【数８】
0005559230.tif 000009
【００８９】
過渡抽出フィルタ３２２Ｂは、下記式（９）に示すような演算を行うことにより、ＮＯｘセンサ出力値Ynoxのフィルタ値Ynox_fを算出する。ここで、下記式（９）におけるフィルタ係数a1〜a4,b1〜b5は、図７の領域Ａ、すなわちＮＯｘセンサの出力のうちＮＨ３のスペクトルが十分に低下するとみなせる周波数faLを下側カットオフ周波数とし、ＮＯｘセンサの出力のうちＮＯｘのスペクトルが十分に低下するとみなせる周波数faHを上側カットオフ周波数としたバンドパスフィルタ特性が得られるような値に設定される。
【数９】
0005559230.tif 000010
【００９０】
過渡抽出フィルタ３２３Ｂは、下記式（１０）に示すような演算を行うことにより、上流ＮＯｘセンサ出力値NOx_UPのフィルタ値NOx_UP_fを算出する。この過渡抽出フィルタ３２３Ｂにおけるフィルタ係数は、上記過渡抽出フィルタ３２３Ｂにおけるものと同じ値を用いることが好ましい。
【数１０】
0005559230.tif 000011
【００９１】
なお、上記過渡抽出フィルタ３２２Ｂ，３２３Ｂは、定常成分を阻止しかつドライバによる駆動力の増減要求に対応した周波数帯域を通過させるものであれば、バンドパスフィルタに限らずハイパスフィルタであってもよい。
【００９２】
乗算器３２４Ｂは、下記式（１１）に示すように、上流ＮＯｘセンサ出力値のフィルタ値NOx_UP_fに浄化係数同定器３２１Ｂにより同定された浄化係数Kscrを乗算することにより、下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatのフィルタ値に相当する値NOx_DW_f_hatを算出する。
【数１１】
0005559230.tif 000012
【００９３】
浄化係数同定器３２１Ｂは、ＮＯｘセンサ出力値のフィルタ値NOx_UP_fと下流ＮＯｘ推定値のフィルタ値に相当する値NOx_DW_f_hatとの誤差eid（下記式（１２−１）参照）の二乗が最小になるように浄化係数Kscr(k)の値を同定する。この浄化係数Kscr(k)の値を同定するアルゴリズムとしては、上記実施例１と同様に、例えば、下記式（１２−２）〜（１２−４）で示される逐次型最小２乗法アルゴリズムが用いられる。
【数１２】
0005559230.tif 000013
【００９４】
図１１は、実施例２の分離フィルタのシミュレーション結果を示す図である。
図１１には、上段から順に車速、ＳＣＲ触媒の下流側の実ＮＨ３濃度、下流側のＮＯｘ濃度（ＮＯｘセンサ出力と実ＮＯｘ濃度を比較）、フィルタ値（ＮＯｘセンサ出力値のフィルタ値Ynox_fと下流ＮＯｘ推定値のフィルタ値に相当する値NOx_DW_f_hatとを比較）、浄化係数Kscr、下流側のＮＯｘ濃度（実ＮＯｘ濃度と下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatを比較）、並びに下流側のＮＨ３濃度（実ＮＨ３濃度と下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatを比較）を示す。
【００９５】
実施例２の分離フィルタによれば、過渡抽出フィルタを組み合わせることにより、ＮＯｘセンサの出力値YnoxにおけるＮＨ３スリップの影響を抑制し、浄化係数Kscrの同定挙動を安定化させることに成功している。また、図６と比較して明らかなように、下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatと実ＮＯｘ濃度とはほぼ一致し、下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatと実ＮＨ３濃度もほぼ一致しており、高い精度で推定値NOx_DW_hat,NH3_DW_hatを算出することに成功している。
【００９６】
ここで、実施例１の分離フィルタの有効性について詳細に検討する。
先ず、実施例２の分離フィルタでは、過渡抽出フィルタを用いることにより、ＮＯｘセンサ出力値YnoxからＮＨ３スリップによる影響を阻止したフィルタ値Ynox_fを算出した上で、このフィルタ値を用いて浄化係数Kscrの値を同定する。このように、実施例２の分離フィルタでは、ＮＯｘセンサの出力値からＮＨ３の影響を積極的に除去するプロセスを含むことが明確である。これに対し実施例１の分離フィルタでは、ＮＯｘセンサの出力値からＮＨ３の影響を積極的に除去するプロセスを含むことが明確でないにも関わらず、図６を参照して説明したように、十分な効果を奏するものとなっている。これは、以下のような理由によるものと考えられる。
【００９７】
図１２は、浄化係数Kscrのゲイン特性を示す図である。
上記式（１）や（５）を参照して説明したように、ＳＣＲ触媒に流入したＮＯｘは、全ての周波数成分に対しほぼ等しい割合でＳＣＲ触媒によって還元されるとの仮定が妥当であるとして、浄化係数Kscrは図１２中、実線で示すように全ての周波数の入力に対して等しいゲイン特性を有するものとした。しかしながら、実際のＳＣＲ触媒では、ガス流れの特性や化学反応による遅れ特性などによって、高周波数側の入力に対する浄化率は低くなる。すなわち、制御対象であるＳＣＲ触媒は入力に対しローパス特性を有しており、したがって実際の浄化係数Kscrは、図１２中、破線で示すように高周波数側で低下するゲイン特性を有することを意味する。
【００９８】
一方、一般的な制御対象の伝達関数G(z)は、多項式の伝達関数A(z)及びB(z)を用いて下記式（１３）のように表される。ここで、”z”はＺ変換演算子である。
【数１３】
0005559230.tif 000014
【００９９】
このような伝達関数で表された制御対象に対し、ある出力値とその推定値の誤差を最小とするように制御対象のモデルパラメータを同定するアルゴリズムには、一般的に、次式（１４）で表されるような重み特性Wを有する。ここで、”N”は、同定に使用する入出力データ数である。
【数１４】
0005559230.tif 000015
【０１００】
これはすなわち、制御対象がローパス特性を有する場合、同定アルゴリズムの重み特性Wはハイパス特性となることを意味する。すなわち、この同定アルゴリズムに入力される同定誤差の周波数が高くなるほど、そのモデルパラメータへ与える影響は大きくなり、反対に、同定誤差の周波数が低くなるほど、そのモデルパラメータへ与える影響が小さくなる（図１３参照）。
【０１０１】
これを実施例１の浄化係数同定器３２１Ａに当てはめると、浄化係数同定器３２１Ａでは、式（３−１）〜（３−４）に示すアルゴリズムによって同定誤差eid’を最小にする際、すなわち図７において実線に相当するＮＯｘセンサ出力値Ynoxと２点鎖線に相当する下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatとの誤差を最小にする際、ＮＯｘセンサ出力にＮＨ３の周波数成分を殆ど含まない高周波数側に重みを置いて浄化係数Kscrの値を同定することに相当する。すなわち、浄化係数同定器３２１Ａは、制御対象にローパス特性があることを利用して、ＮＯｘセンサ出力値YnoxのうちＮＨ３の周波数成分を多く含んだ低周波数側よりも高周波数側に重みを置いて浄化係数Kscrの値を同定するため、図６を参照して説明したように十分な分離効果が得られたものと考えられる。
【０１０２】
＜ＳＣＲ触媒状態推定器＞
図２に戻って、ＳＣＲ状態推定器３３で行う演算の具体的な手順について説明する。
ＳＣＲ状態推定器３３は、以下に示す手順により、ＳＣＲ触媒のＮＨ３ストレージ量推定値ST_nh3_hat及びＮＯｘ浄化率推定値ItaNOx_hatを算出する。
【０１０３】
推定器３３は、先ず、下記式（１５）に示すように、前回のＮＨ３ストレージ量推定値ST_nh3(k-1)に今回のＮＨ３噴射量Gnh3(k)を加算し、さらに前回のＮＨ３消費量Gnh3_cns(k-1)を減算することにより、ＳＣＲ触媒における有効ＮＨ３量Gnh3_scr(k)を算出する。この有効ＮＨ３量Gnh3_scrは、ＳＣＲ触媒においてＮＯｘの還元に寄与し得るＮＨ３の量に相当する。
【数１５】
0005559230.tif 000016
【０１０４】
またここで、ＮＨ３消費量Gnh3_cns(k)は、下記式（１６）により、フィードフォワード入力値Gnh3_ff又は有効ＮＨ３量Gnh3_scrが用いられる。より具体的には、有効ＮＨ３量Gnh3_scrがフィードフォワード入力値Gnh3_ff以上である場合には、ＳＣＲ触媒にはＮＯｘを浄化するために必要な量のＮＨ３が吸着されていることを意味し、したがって、フィードフォワード入力値Gnh3_ffがＮＨ３消費量Gnh3_cnsに相当する。また、有効ＮＨ３量Gnh3_scrがフィードフォワード入力値Gnh3_ffより小さい場合には、ＳＣＲ触媒にはＮＯｘを浄化するために必要な量のＮＨ３が吸着されていないことを意味し、したがって有効ＮＨ３量Gnh3_scrがＮＨ３消費量Gnh3_cnsに相当する。
【数１６】
0005559230.tif 000017
【０１０５】
次に推定器３３は、ＳＣＲ触媒で吸着できるＮＨ３量の最大値、すなわちＮＨ３ストレージ量の最大値に相当する最大ストレージ容量の推定値ST_nh3_cap(k)を算出する。この最大ストレージ容量推定値ST_nh3_capは、例えば、触媒温度センサの出力値Tscrを引数として、例えば図１４に示すようなマップを検索することで算出できる。図１４に示すように、一般的なＳＣＲ触媒の最大ストレージ容量は、触媒温度が上昇するに従い低下する。
【０１０６】
次に推定器３３は、算出した有効ＮＨ３量Gnh3_scr(k)と最大ストレージ容量推定値ST_nh3_cap(k)との大小を比較することにより、ＮＨ３ストレージ量推定値ST_nh3(k)を算出する。より具体的には、Gnh3_scr(k)がST_nh3_cap(k)以上である場合にはST_nh3(k)=ST_nh3_cap(k)となり、Gnh3_scr(k)が0以上ST_nh3_cap(k)未満である場合にはST_nh3(k)=Gnh3_scr(k)となり、Gnh3_scr(k)が0未満である場合には、ST_nh3(k)=0となる（下記式（１７）参照）。すなわち、ＮＨ３ストレージ量推定値ST_nh3(k)の上限値はST_nh3_cap(k)であり、下限値は0となっている。
【数１７】
0005559230.tif 000018
【０１０７】
推定器３３は、算出した有効ＮＨ３量Gnh3_scrと最大ＮＨ３ストレージ量ST_nh3_capとに基づいて、下記式（１８−１）及び（１８−２）により、ＳＣＲ触媒におけるＮＨ３ストレージ率R_nh3_st(k)を算出する。このＮＨ３ストレージ率R_nh3_stは、下記式（１８−１）に示すように最大ＮＨ３ストレージ容量に対する有効ＮＨ３量の割合に相当し、０〜１の間の値となる。
【数１８】
0005559230.tif 000019
【０１０８】
次に推定器３３は、算出したＮＨ３ストレージ率R_nh3_st(k)を引数として、例えば図１５に示すようなマップを検索することにより、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化性能の高さを示す指標の１つとなるＮＨ３ストレージ係数Kita_st(k)を算出する。図１５に示すように、ＮＨ３ストレージ率が大きくなるほど、ＮＨ３ストレージ係数も大きくなり、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化性能も高くなる。
【０１０９】
次に推定器３３は、触媒温度センサ出力値Tscrを引数として、例えば図１６に示すようなマップを検索することにより、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化性能の高さを示す基本的な指標となる基準ＮＯｘ特性係数ItaNOx_base(k)を算出する。図１６に示すように、一般的なＳＣＲ触媒では、その温度が約１３０℃程度の活性温度以下ではＮＯｘ浄化性能はほぼ無く、この活性温度以上では約２５０℃程度の最適温度においてＮＯｘ浄化性能が最大となる。
【０１１０】
次に推定器３３は、図示しない処理により算出された排ガスボリュームVexを引数として、例えば図１７に示すようなマップを検索することにより、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化性能の高さを示す指標の１つとなるガスボリューム係数Kita_vex(k)を算出する。図１７に示すように、排ガスボリュームが大きくなるほど、ガスボリューム係数は小さくなり、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化性能も低くなる。
【０１１１】
次に推定器３３は、次元の異なる３つのパラメータ触媒温度Tscr、ＮＨ３ストレージ率R_nh3_st、排ガスボリュームVexから算出された係数ItaNOx_base,Kita_st,Kita_vexを下記式（１９）に示すように掛け合わせることにより、最終的なＮＯｘ浄化率推定値ItaNOx_hat(k)を算出する。
【数１９】
0005559230.tif 000020
【０１１２】
＜フィードフォワードコントローラ＞
図２に戻って、フィードフォワードコントローラ３４で行う演算の具体的な手順について説明する。
フィードフォワードコントローラ３４は、以下に示す手順により、フィードフォワード入力の値Gnh3_ffを算出する。
【０１１３】
コントローラ３４は、先ず、下記式（２０）により、ＳＣＲ触媒において浄化可能なＮＯｘの量に相当する浄化可能ＮＯｘ量RedNOxを算出する。浄化可能ＮＯｘ量RedNOxは、ＮＯｘ浄化率推定値ItaNOx_hat(k)（式（１７）参照）と、ＮＯｘ比重Rnoxと、排ガスボリュームVexと、上流ＮＯｘセンサ出力値NOx_UPとを掛け合わせることによって算出される。
【数２０】
0005559230.tif 000021
【０１１４】
コントローラ３４は、この浄化可能ＮＯｘ量RedNOxに、ＮＯｘを還元するために必要なＮＨ３量を算出するための変換係数Knox_nh3を掛けたものをフィードフォワード入力Gnh3_ffとする（下記式（２１）参照）。この変換係数Knox_nh3は、基本的には時間変化しない定数値（例えば、０．５６）が用いられる。ただし、ＳＣＲ触媒で還元できるＮＯｘの量は、ＳＣＲ触媒に流入するＮＯ２とＮＯの比によっても変わるため、例えば、ＳＣＲ触媒の上流側の酸化触媒で生成されるＮＯ２の量に応じて上記変換係数Knox_nh3を変更するようにしてもよい。
【数２１】
0005559230.tif 000022
【０１１５】
＜ＮＨ３ストレージコントローラ＞
次に、ＮＨ３ストレージコントローラ３６で行う演算の具体的な手順について説明する。
ＮＨ３ストレージコントローラ３６は、以下に示す手順によりＮＨ３ストレージ量推定値ST_nh3_hatに対する目標値に相当する目標ＮＨ３ストレージ量ST_nh3_trgtを設定するとともに、推定値ST_nh3_hatをこの目標値ST_nh3_trgtに維持するためのストレージ補正入力Gnh3_stを算出する。以下、目標ＮＨ３ストレージ量ST_nh3_trgtを設定する手順、ストレージ補正入力Gnh3_stを算出する手順を順に説明する。
【０１１６】
図１８は、ＳＣＲ触媒の温度と最大ＮＨ３ストレージ量との関係を示す図である。図１８中、破線は最大ＮＨ３ストレージ量に相当し、実線はこのような特性の最大ＮＨ３ストレージ量に対して設定される目標ＮＨ３ストレージ量に相当する。
図１８に示すように、最大ＮＨ３ストレージ量は温度が上昇するに従って小さくなる特性がある。また、図１８の例では、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が極大となるＳＣＲ触媒の最適温度は、約２５０℃となっている。以下、ＮＨ３ストレージ量の好ましい大きさについて、ＳＣＲ触媒の温度が高負荷運転時（最適温度以上である場合）と低負荷運転時（最適温度未満である場合）とに分けて説明する。
【０１１７】
リーンバーンエンジンでは、運転負荷が高くなるとフィードＮＯｘ量が増加するため、ＳＣＲ触媒に要求されるＮＯｘ浄化率も高くなる。先に図１５を参照して説明したように、ＮＨ３ストレージ量の大きさから見るとＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率は、ＮＨ３ストレージ量が最大となったときに最も高くなることから、ＮＯｘ浄化率を最大化するにはＮＨ３ストレージ量を最大ＮＨ３ストレージ量に維持する方が好ましい。フィードＮＯｘが増大する高負荷運転時は、エンジンの排気温度も上昇することから、ＳＣＲ触媒の温度も上昇する。このため、高負荷運転時におけるＮＯｘ浄化率を最大化するため、目標ＮＨ３ストレージ量は、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率が最大となる最適温度以上では、その温度（触媒温度センサ出力値Tscr）に応じた最大ＮＨ３ストレージ量に設定する。
【０１１８】
図１８に示すように、最適温度以上での触媒温度に応じた最大ＮＨ３ストレージ量の変化の傾きは、最適温度未満よりも緩やかになっている。したがって、このような条件では、例えば急加速によってＳＣＲ触媒の温度が急激に上昇しても最大ＮＨ３ストレージ量が大幅に減少することはない。したがって、最適温度以上において、ＮＨ３ストレージ量を最大ＮＨ３ストレージ量に制御していたとしても、ＳＣＲ触媒の急激な昇温によって、下流のＮＨ３濃度が過度に上昇することもない。
【０１１９】
リーンバーンエンジンでは、低負荷運転時のフィードＮＯｘは非常に少なくなることから、ＳＣＲ触媒に要求されるＮＯｘ浄化率は、上記高負荷運転時ほど高くはない。一方、エンジンの運転条件が低負荷から高負荷へ急激に変化すると、エンジンの排気温度も急上昇し、これに伴ってＳＣＲ触媒の温度も急上昇する。このとき、最適温度未満においてもＮＨ３ストレージ量をＳＣＲ触媒の温度に応じた最大ＮＨ３ストレージ量に設定すると、温度上昇に伴う最大ＮＨ３ストレージ量の急激な低下によって、ＳＣＲ触媒に吸着されていたＮＨ３が急激に放出され、ＳＣＲ触媒の下流のＮＨ３濃度が上昇してしまうおそれがある。このことから、要求ＮＯｘ浄化率のさほど高くない低負荷運転時には、急激なＳＣＲ触媒の温度の上昇を伴う運転（急加速、登坂、フィルタ再生など）に備えて、目標ＮＨ３ストレージ量は、最適温度のときの最大ＮＨ３ストレージ量となるように設定する。
【０１２０】
コントローラ３６は、目標ＮＨ３ストレージ量ST_nh3_trgtを決定するために図１８に示すマップを検索するための引数として、触媒温度センサ出力値Tscr(k)と、触媒温度予測値Tscr_pre(k)とを準備する。このうち、触媒温度予測値Tscr_pre(k)は、将来のＳＣＲ触媒の温度の推定値に相当し、センサ出力値Tscrやエンジンの運転状態などに基づいて図示しない処理により算出される。より具体的には、触媒温度予測値Tscr_pre(k)は、例えば、現在のセンサ出力値Tscrから所定のアルゴリズムに基づいて外挿して得られる基本値に、ＳＣＲ触媒より上流側の装置の温度を所定の遅れモデルに入力することで得られるヒートマス上昇分を加えることにより算出される。
【０１２１】
コントローラ３６は、センサ出力値Tscr(k)を引数として図１８のマップを検索することで得られた目標最大ＮＨ３ストレージ量ST_NH3_p(k)と、触媒温度予測値Tscr_pre(k)を引数として図１８のマップを検索することで得られた目標最大ＮＨ３ストレージ量ST_NH3_a(k)とを比較し、これらのうち小さい方を目標最大ＮＨ３ストレージ量として確定する（下記式（２２）参照）。
【数２２】
0005559230.tif 000023
【０１２２】
以上のように、センサ出力値Tscrと触媒温度予測値Tscr_preとの２つの引数を用い、さらに小さい方を目標最大ＮＨ３ストレージ量とすることにより、例えばＳＣＲ触媒の温度の急上昇する前に尿素水噴射量を低減させ、ＳＣＲ触媒上に吸着されていたＮＨ３をＮＯｘの浄化に使用できる。
【０１２３】
次に、以上のようにして算出された目標ＮＨ３ストレージ量ST_nh3_trgtを用いてストレージ補正入力Gnh3_stを算出する手順について説明する。上述のように本実施形態では、３つのコントローラ３４，３５，３６で算出された入力値Gnh3_ff,Gnh3_fb,Gnh3_stを用いて最終的なＮＨ３噴射量Gnh3を算出する。このうち、ＮＨ３ストレージコントローラ３６と、後述のフィードバックコントローラ３５とは、互いに干渉する場合がある。このため、ＮＨ３ストレージコントローラ３６では、フィードバックコントローラ３５との干渉が回避されるようにするため、偏差入力の減衰特性を指定できるスライディングモード制御アルゴリズムによってストレージ補正入力Gnh3_stを決定する。
【０１２４】
コントローラ３６は、ＮＨ３ストレージ量推定値ST_nh3_hatから目標最大ＮＨ３ストレージ量ST_nh3_trgtを減算することにより、偏差入力E_stを算出する（下記式（２３）参照）。
【数２３】
0005559230.tif 000024
【０１２５】
次に、コントローラ３６は、低ゲイン値Vpole_st_Lと高ゲイン値Vpole_st_Hとで持ち替えられる切換関数設定パラメータVpole_st（下記式（２４−１）参照）によって、切換関数σ_stを算出する（下記式（２４−２）参照）。
【数２４】
0005559230.tif 000025
【０１２６】
上記式（２４−１）において、”F_FB_PRIOR”は、フィードバックコントローラ優先フラグであり、後述のフィードバックコントローラによって適宜切り替えられる。すなわち、フィードバックコントローラ優先フラグF_FB_PRIORが”0”である場合は、切換関数設定パラメータVpole_stは、高ゲイン値Vpole_st_H（例えば、−０．４）に設定され、フラグF_FB_PRIORが”1”である場合には、フィードバックコントローラ３５の入力を優先すべく、ＮＨ３ストレージコントローラ３６の切換関数設定パラメータVpole_stは、低ゲイン値Vpole_st_L（例えば、−０．９８）に持ち替えられる。
【０１２７】
後に詳述するように、フィードバックコントローラ優先フラグF_FB_PRIORは、下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatが過大になったときや、下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatがその目標値から大きく離間したときなどに”0”から”1”にセットされる（後述の式（３４）参照）。ＮＨ３ストレージコントローラ３６では、このような場合にはパラメータVpole_stの値を低ゲイン値Vpole_st_Lに持ち替えて偏差入力E_stの抑制速度を落とし、フィードバックコントローラ３５による尿素水噴射量を低減する制御を優先させることによって、両者の干渉を抑制する。
【０１２８】
コントローラ３６は、以上のように設定された切換関数σ_stを用いて、到達則入力Gnh3_st_rchと適応則入力Gnh3_st_adpを算出し（下記式（２５−２）、（２５−３）参照）、これらを合わせたものをストレージ補正入力Gnh3_stとして算出する（下記式（２５−１）参照）。
【数２５】
0005559230.tif 000026
【０１２９】
＜フィードバックコントローラ＞
図２に戻って、フィードバックコントローラ３５で行う演算の概念及びその具体的な手順について説明する。
上述のように分離フィルタは、上流ＮＯｘと下流ＮＯｘの相関を利用し、ＮＯｘセンサ出力Ynoxから、下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatと下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatを抽出する。このため、精度良くNH3_DW_hatとNOx_DW_hatを抽出するためには、上流ＮＯｘが変動している必要がある。換言すれば、車両が完全なクルーズ状態になってしまうと、分離フィルタはＳＣＲ触媒下流にＮＨ３とＮＯｘのどちらが排出されているかを判別することができない。
【０１３０】
このことから、フィードバックコントローラは、車両が加減速を行う過渡条件では、ＳＣＲの目標ＮＯｘ浄化率に基づき目標下流ＮＯｘ濃度NOx_DW_trgtを設定し、下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatがNOx_DW_trgtとなるようにフィードバック入力Gnh3_fbを算出する。また同時に、下流ＮＨ３推定値NH3_DW_trgtとなるようにも入力Gnh3_fbを算出する。このとき、入力Gnh3_fbは、スライディングモードコントローラによって算出される。一方、クルーズ運転時は、分離フィルタの精度が低下するため、極値探索コントローラによって、ＮＯｘセンサ出力値Ynoxが最小（下流ＮＨ３と下流ＮＯｘの加算値が最小）となるように入力Gnh3_fbを算出する。
【０１３１】
したがって、フィードバックコントローラでは、エンジンが過渡状態にあるかクルーズ状態にあるかを判断し、過渡状態にある場合はスライディングモードコントローラによって入力Gnh3_fbを決定し、クルーズ状態にある場合は極値探索コントローラによって入力Gnh3_fbを決定する。
【０１３２】
先ず、コントローラ３５は、エンジン（車両）の運転状態を過渡運転状態とクルーズ運転状態とに二分し、現在の運転状態がどちらに属するかを逐次判断する。より具体的には、コントローラ３５は、過渡運転状態であることを示す指標となる過渡判断パラメータPtrを、下記式（２６−１）に示すように、排気ボリュームVexの変化から算出する。ここで、”Fgt_tr”は、過渡判断パラメータを定義するために設定される忘却係数であり、例えば、０．９９５となっている。コントローラ３５は、過渡判断パラメータPtrが所定の閾値Th_Ptr以上である場合には、過渡運転状態であると判断し過渡条件フラグF_transを”1”にセットし、過渡判断パラメータPtrが閾値Th_Ptrより小さい場合には、クルーズ運転状態であると判断し過渡条件フラグF_transを”0”にリセットする。
【数２６】
0005559230.tif 000027
【０１３３】
さらにコントローラ３５は、下記式（２７）に示すように、過渡運転状態である場合（F_trans=1）にはスライディングモードコントローラで算出された入力値Gnh3_smc(k)をフィードバック入力Gnh3_fb(k)とし、クルーズ運転状態である場合（F_trans=0）には極値探索コントローラで算出された入力値Gnh3_exs(k)をフィードバック入力Gnh3_fb(k)とする。換言すれば、過渡運転状態である場合にはフィードバックコントローラによって、クルーズ運転状態である場合には極値探索コントローラによってフィードバック入力Gnh3_fbを算出する。
【数２７】
0005559230.tif 000028
【０１３４】
＜フィードバックコントローラ（過渡運転時）＞
過渡運転時（F_trans=1）におけるフィードバックコントローラの演算の手順について説明する。すなわち、スライディングモードコントローラによりフィードバック入力Gnh3_smcを算出する手順について説明する。スライディングモードコントローラは、以下に示す手順により、ＮＯｘ浄化率の向上とＮＨ３スリップの抑制とを両立するような入力Gnh3_smcを算出する。
【０１３５】
先ず、スライディングモードコントローラにおける目標ＮＯｘ浄化率を算出する手順について説明する。ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率は、図１５を参照して説明したように、ＮＨ３ストレージ率が高いほど高くなる。したがって、ＳＣＲ触媒におけるＮＨ３ストレージ量が図１８を参照して説明した目標ＮＨ３ストレージ量に維持された状態は、ＮＯｘ浄化率から見て尿素水噴射制御によって実現しうる最適な状態であると言える。したがって、ＮＨ３ストレージ量が目標ＮＨ３ストレージ量に維持された状態におけるＮＯｘ浄化率を目標ＮＯｘ浄化率とする。
【０１３６】
より具体的には、コントローラは、触媒温度センサ出力値Tscrを引数として図１８に示すようなマップを検索することにより目標ＮＨ３ストレージ量を算出し、これを理想ＮＨ３ストレージ量ST_nh3_ideal(k)と定義する。コントローラは、この理想ＮＨ３ストレージ量ST_nh3_ideal(k)を用いて、下記式（２８）により理想ＮＨ３ストレージ率R_nh3_st_idelを算出する。
【数２８】
0005559230.tif 000029
【０１３７】
コントローラは、この理想ＮＨ３ストレージ率R_nh3_st_idealを引数として図１５に示すマップを検索することによりＮＨ３ストレージ係数を算出し、これを理想ＮＨ３ストレージ係数Kita_st_idealと定義する。目標ＮＯｘ浄化率ItaNOx_trgt(k)は、下記式（２９）に示すように、基準ＮＯｘ特性係数ItaNOx_base、排ガスボリューム係数Kita_vex、及び理想ＮＨ３ストレージ係数Kita_st_ideal掛け合わることにより算出される。
【数２９】
0005559230.tif 000030
【０１３８】
なお、この目標ＮＯｘ浄化率に対応するＳＣＲ触媒の下流側の目標濃度（以下、下流ＮＯｘ目標値）NOx_DW_trgtは、上流ＮＯｘセンサ出力値NOx_UPを用いて下記式（３０）により算出される。
【数３０】
0005559230.tif 000031
【０１３９】
次に、スライディングモードコントローラにおける偏差入力について説明する。このスライディングモードコントローラには、分離フィルタにより算出された２つの推定値NOx_DW_hat及びNH3_DW_hatが入力される。そこで、このコントローラでは、各推定値NOx_DW_hat,NH3_DW_hatに対し、下記式（３１−１）、（３２−２）に示すように下流ＮＯｘ偏差Enox(k)及び下流ＮＨ３偏差Enh3(k)を定義する。ただし、下流ＮＯｘ偏差Enox(k)の定義では、NOx_DW_hatがNOx_DW_trgtよりも大きくなった場合には尿素水噴射量が増大側に調整されるように、通常の偏差の定義に対し符号を反転させている。
【数３１】
0005559230.tif 000032
【０１４０】
図１９は、上記下流ＮＨ３偏差Enh3における下流ＮＨ３濃度目標値NH3_DW_trgtを算出するマップの一例を示す図である。
下流ＮＨ３濃度目標値NH3_DW_trgtは、図１８を参照して説明した目標ＮＨ３ストレージ量ST_nh3_trgtと対応するように定められる。上述のように、目標ＮＨ３ストレージ量ST_nh3_trgtは、触媒温度が最適温度以上である場合にはその時の最大ＮＨ３ストレージ量とほぼ同じ値に設定され、触媒温度が最適温度より低い場合にはその時の最大ＮＨ３ストレージ量より小さな値に設定される。
これに対応して、下流ＮＨ３濃度目標値NH3_DW_trgtは、温度センサ出力値Tscrが最適温度以上である場合には、ＮＨ３ストレージ量が最大ＮＨ３ストレージ量に確実に維持されるように、０より僅かに大きな値（例えば、８ｐｐｍ程度）に設定され、温度センサ出力値Tscrが最適温度より低い場合には、ＮＨ３ストレージ量が最大ＮＨ３ストレージ量より確実に少なくなるように、０に設定される。
【０１４１】
スライディングモードコントローラは、２つの偏差Enox,Enh3に基づいて、下記式（３２）に示すような単一の偏差入力E_fb(k)を定義する。本実施形態では、ＮＨ３スリップの抑制を優先するべく、偏差Enh3が所定の閾値TH_NH3_SLIP_L以上である場合には、下流ＮＨ３偏差Enh3を偏差入力E_fbとし、偏差Enh3が閾値TH_NH3_SLIP_Lより小さい場合には、下流ＮＯｘ偏差Enoxを偏差入力E_fbとする。
【数３２】
0005559230.tif 000033
【０１４２】
図２０は、スライディングモードコントローラにおける切換関数σ_fbの設定を模式的に示す図である。
スライディングモードコントローラは、下流ＮＨ３偏差の大きさに応じて低ゲイン値Vpole_fb_L（例えば、-0.98）と高ゲイン値Vpole_fb_H（例えば、-0.6）とで持ち替えられる切換関数設定パラメータVpole_fbを用いて、下記式（３３−２）に示すように切換関数σ_fbを定義する。下記式（３３−１）に示すように、下流ＮＨ３偏差Enh3が比較的小さく、分離フィルタの推定精度がさほど高くないと考えられる場合、より具体的には、下流ＮＨ３偏差Enh3が閾値TH_NH3_SLIP_Lと閾値TH_NH3_SLIP_Hの間にある場合には、偏差入力E_fb(k)の収束挙動が遅くなるように、切換関数設定パラメータVpole_fbは、比較的小さな低ゲイン値Vpole_fb_Lに持ち替えられる。
【数３３】
0005559230.tif 000034
【０１４３】
スライディングモードコントローラは、以上のように定義された切換関数σ_fb(k)を用いて、下記式（３４−１）〜（３４−３）によりフィードバック入力Gnh3_smcを算出する。
【数３４】
0005559230.tif 000035
【０１４４】
さらに、スライディングモードコントローラは、ＳＣＲ触媒の下流に過大なＮＯｘが排出された場合、又は過大なＮＨ３が排出された場合には、ＮＨ３ストレージコントローラの入力Gnh3_stよりもフィードバック入力Gnh3_fbを優先させるべく、フィードバックコントローラ優先フラグF_FB_PRIORを1にセットする。より具体的には、コントローラは、下流ＮＯｘ偏差Enoxが閾値NOx_DW_HIGHより大きい場合又は下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatが閾値TH_NH3_SLIP_Hより大きい場合には、フラグF_FB_PRIORを1にセットし、それ以外の場合にはフラグF_FB_PRIORを0にセットする（下記式（３５）参照）。
【数３５】
0005559230.tif 000036
【０１４５】
＜フィードバックコントローラ（クルーズ運転時）＞
クルーズ運転時（F_trans=0）におけるフィードバックコントローラの演算の手順を説明する。すなわち、極値探索コントローラによりフィードバック入力Gnh3_exsを算出する手順について説明する。
【０１４６】
図２１は、極値探索コントローラにおける演算の概念を説明するための図である。
図２１において、横軸はＳＣＲ触媒における有効ＮＨ３量Gnh3_scr（式（１５）参照）であり、縦軸は下流側ＮＯｘセンサの出力値Ynoxである。図２１に示すように、ＮＯｘセンサの出力値Ynoxは、有効ＮＨ３量Gnh3_scrに対し下に凸の特性を示す。ここで、出力値Ynoxが最小となる点にある状態から尿素水噴射量を増加側に補正し有効ＮＨ３量Gnh3_scrを大きくすると、ＳＣＲ触媒ではＮＨ３スリップが発生する。一方、出力値Ynoxが最小となる点にある状態から尿素水噴射量を減少側に補正し有効ＮＨ３量Gnh3_scrを小さくすると、ＳＣＲ触媒ではＮＯｘ浄化率が低下し、浄化されずに下流側へ排出されるＮＯｘの量が増加する。すなわち、出力値Ynoxが最小となるように、有効ＮＨ３量Gnh3_scrを最適値Gnh3_scr_optに調整することにより、ＮＨ３スリップの抑制とＮＯｘ浄化率の向上との両立が実現される。
【０１４７】
図２２は、極値探索コントローラ３５Ａの構成を示すブロック図である。
極値探索コントローラ３５Ａは、正弦波信号が重畳された加振入力Gnh3_wvと、ＮＯｘセンサ出力値Ynoxが最小となるようにスライディングモードコントローラにより算出された最適入力Gnh3_optとを合算することによって、フィードバック入力Gnh3_exsを算出する（下記式（３６）参照）。
【数３６】
0005559230.tif 000037
【０１４８】
加振入力Gnh3_wv(k)は、ＮＯｘセンサ出力値Ynoxの傾きを検出するための入力であって、例えば、所定の加振入力周波数fexsの正弦波信号に、所定の加振入力振幅Aexsを乗算することにより算出される（下記式（３７）参照）。この加振入力周波数fexsは、制御対象としてのＳＣＲ触媒の応答遅れを考慮して、十分に遅い周波数（例えば、0.05〜0.5[Hz]）に設定される。また、加振入力振幅Aexsは、過渡判断パラメータPtrを引数として、例えば図２３に示すようなテーブルを検索することで算出される。
【数３７】
0005559230.tif 000038
【０１４９】
クルーズ運転時におけるフィードＮＯｘ量はほぼ一定であることから、ＮＯｘセンサの出力値Ynoxのスペクトルは、定常成分に加え加振入力Gnh3_wvによる加振入力周波数fexsの成分を含んだものとなっている。極値探索コントローラ３５Ａは、図２２に示すように、ＮＯｘセンサ出力値Ynoxから少なくとも定常成分を除いたフィルタ値Ynox_hpを算出し、このフィルタ値Ynox_hpと加振入力Gnh3_wvとの相関値Crを算出し、この相関値Crを偏差入力としてスライディングモードコントローラで最適入力Gnh3_optを算出する。以下、その具体的な演算手順について説明する。
【０１５０】
極値探索コントローラ３５Ａは、下記式（３８）に示すような演算を行うことにより、ＮＯｘセンサ出力値Ynoxから定常成分を除いたフィルタ値Ynox_hpを算出する。ここで、下記式（３７）におけるフィルタ係数a1_h〜a4_h,b1_h〜b5_hは、加振入力周波数fexsを通過帯域に含むハイパスフィルタ特性又はバンドパスフィルタ特性が得られるような値に設定される。
【数３８】
0005559230.tif 000039
【０１５１】
次に、極値探索コントローラ３５Ａは、下記式（３９−１）に示すように、フィルタ値Ynox_hpと加振入力Gnh3_wvとの積のサンプリング数Nexsにわたる移動平均値を算出し、これを相関値Crとする。ここで、移動平均は、加振入力Gnh3_wvの一周期分に相当するように、サンプリング数Nexsは、下記式（３９−２）に示すように設定される。
【数３９】
0005559230.tif 000040
【０１５２】
極値探索コントローラ３５Ａは、下記式（４０−１）〜（４０−５）に基づいて、相関値Crが最小となるように最適入力Gnh3_optを算出する。
【数４０】
0005559230.tif 000041
【０１５３】
ここで、式（４０−４）、（４０−５）に示すように、適応則入力Gnh3_opt_adpは、上限値Gnh3_opt_adp_Lと下限値Gnh3_opt_adp_Hの間に制限した。
これら上限値Gnh3_opt_adp_L及び下限値Gnh3_opt_adp_Hは、下記式（４１−１）〜（４１−４）で表される。式（４１−３）中の”Kgnh3_L”は下限係数であり、例えば0.4に設定される。また、式（４１−４）中の”Kgnh3_H”は上限係数であり、例えば2.0に設定される。この上限係数Kgnh3_Hの値は、固定値に限らずＳＣＲ触媒の温度や運転状態に応じて変化させてもよい。例えば、ＳＣＲ触媒の温度が２００℃近傍の場合には、配管内の尿素水の析出を防止するためより小さな値とする。また、触媒温度が高くなる高負荷運転時には、連続して大量の尿素水が噴射されることにより、インジェクタのソレノイドが過熱し故障するのを防ぐために、上限係数Kgnh3_Hをより小さな値に設定してもよい。
【数４１】
0005559230.tif 000042
【０１５４】
極値探索コントローラ３５Ａでは、このようにして適応則入力Gnh3_opt_adpを制限することにより、尿素水噴射量Gureaを下流ＮＯｘセンサの出力値が最小となるように維持する最適化処理と、尿素水の析出防止やインジェクタ保護のための尿素水噴射量Gureaを制限する処理とが干渉しないようにする。
【０１５５】
＜尿素水噴射量算出部＞
図２に戻って、尿素水噴射量算出部３１における演算の手順について説明する。
尿素水噴射量算出部３１は、３つのコントローラ３４，３５，３６からの入力に基づいて、以下の手順によりＮＨ３噴射量Gnh3を算出する。
【０１５６】
尿素水噴射量算出部３１は、下記式（４２−１）に示すように、Gnh3_ffとGnh3_stとGnh3_fbとを合算することにより、第１暫定値Gnh3_temp1を算出する。尿素水噴射量算出部３１は、この第１暫定値Gnh3_temp1に対し、フィードフォワード入力Gnh3_ffに下限係数Kgnh3_L又は上限係数Kgnh3_Hを乗算して得られる噴射量下限値Gnh3_L（式（４２−２）参照）及び噴射量上限値Gnh3_H（式（４２−３）参照）で制限することにより、第２暫定値Gnh3_temp2を算出する（式（４２−４）参照）。
【数４２】
0005559230.tif 000043
【０１５７】
尿素水噴射量算出部３１は、噴射した尿素水が加水分解されて適切な量のＮＨ３が生成されるか否かを判断すべく、触媒温度センサ出力値Tscrが、所定の閾値Tscr_inj以上であるか否かを判断し、Tscrが閾値Tscr_inj以上である場合には第２暫定値Gnh3_temp2をＮＨ３噴射量Gnh3とし、Tscrが閾値Tscr_injより小さい場合にはＮＨ３噴射量を０とする（下記式（４３）参照）。ここで、閾値Tscr_injは、例えば、１８０〜２００℃程度に設定される。
【数４３】
0005559230.tif 000044
【０１５８】
尿素水噴射量算出部３１は、算出したＮＨ３噴射量Gnh3に尿素水の濃度から定められる変換係数K_nh3_ureaを乗算することにより、尿素水噴射量Gureaを算出する（下記式（４４）参照）。
【数４４】
0005559230.tif 000045
【０１５９】
＜フローチャート＞
図２４及び図２５は、尿素水噴射制御の手順を示すフローチャートである。
Ｓ１では、尿素水噴射装置が正常であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはＳ２に移る。Ｓ２では、ＳＣＲ触媒が劣化した状態を示す劣化フラグF_SCR_NGが”0”であるか否かを判別する。この劣化フラグF_SCR_NGは、後述のＳ２２において更新される。Ｓ２の判別がＹＥＳの場合にはＳ３に移る。Ｓ３では、尿素水残量が所定値以上であるか否かを判別する。Ｓ３の判別がＹＥＳの場合にはＳ４に移る。Ｓ４では、酸化触媒の暖機時間が経過したか否かを判別する。Ｓ４の判別がＹＥＳの場合にはＳ５に移る。Ｓ５では、上流、下流ＮＯｘセンサ、及び触媒温度センサが正常であるか否かを判別する。Ｓ５の判別がＹＥＳの場合にはＳ６に移る。Ｓ６では、ＮＯｘセンサが活性に達したか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、Ｓ１０に移る。これらＳ１〜Ｓ６の判別のうち、何れかがＮＯである場合には、Ｓ７に移り、尿素水噴射量Gureaを強制的に0とする。なお、Ｓ３の判別がＮＯである場合には、尿素水残量が不足した状態であることをドライバに報知すべく、警告灯を点灯した後に（Ｓ８）、Ｓ７に移る。
【０１６０】
Ｓ１０では、過渡判断パラメータPtrを算出し、過渡条件フラグF_transを更新し（式（２６−１）、（２６−２）参照）、Ｓ１１に移る。Ｓ１１では、過渡条件フラグF_transが”1”であるか否かを判別する。Ｓ１１の判別がＹＥＳであり、過渡状態である場合には、Ｓ１２に移り、分離フィルタの演算を行う。より具体的には、すなわち浄化係数Kscrの値を更新するとともに、下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hat及び下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatを算出し（式（１）〜（１２−４）参照）、Ｓ１３に移る。Ｓ１１の判別がＮＯであり、クルーズ状態である場合には、分離フィルタの演算を行うことなくＳ１３に移る。
【０１６１】
Ｓ１３では、フィードフォワード入力Gnh3_ffを算出し（式（２０）〜（２１）参照）、Ｓ１４に移る。Ｓ１４では、ストレージ補正入力Gnh3_stを算出し（式（２２）〜（２５−３）参照）、Ｓ１５に移る。Ｓ１５では、フィードバック入力Gnh3_fbを算出し、Ｓ１６に移る。ここで、過渡状態である場合には、スライディングモードコントローラによって入力Gnh3_fbを算出し（式（２６−１）〜（３５）参照）、クルーズ状態である場合には、極値探索コントローラによって入力Gnh3_fbを算出する（式（３６）〜（４１−４）参照）。Ｓ１６では、尿素水噴射量Gureaを算出し、Ｓ２０に移る（式（４２−１）〜（４４）参照）。
【０１６２】
Ｓ２０では、過渡条件フラグF_transが”1”であるか否かを判別する。Ｓ２０の判別がＮＯであり、クルーズ状態である場合には、Ｓ２１に移る。Ｓ２１では、極値探索コントローラにより算出された最適入力Gnh3_opt（式（４０−２）参照）が所定の故障判定閾値Gnh3_opt_AGDより小さいか否かを判別する。上述のように最適入力Gnh3_optは、ＮＯｘセンサの出力を最小化する入力となっている。これに対し、ＳＣＲ触媒の劣化が進行すると、有効ＮＨ３量Gnh3_scrの最適値Gnh3_scr_opt（図２１参照）は小さくなり、最適入力Gnh3_optも小さくなる。このため、最適入力Gnh3_optは、ＳＣＲ触媒の劣化を判定するための指標の１つとなっている。そこで、Ｓ２１の判別がＹＥＳである場合には、ＳＣＲ触媒は正常であると判断し、この処理を終了する。Ｓ２１の判別がＮＯである場合には、ＳＣＲ触媒は劣化した状態であると判断し、Ｓ２２に移り、劣化警告灯を点灯し、さらに劣化フラグF_SCR_NGを”1”にセットし、この処理を終了する。
【０１６３】
Ｓ２０の判別がＹＥＳであり、過渡状態である場合には、Ｓ２３に移る。Ｓ２３では、浄化係数Kscrが所定の故障判定閾値Kscr_AGDより大きいか否かを判別する。Ｓ２３の判別がＹＥＳである場合には、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化性能が低下したと判断し、Ｓ２２に移り、劣化警告灯を点灯し、この処理を終了する。Ｓ２３の判別がＮＯである場合には、Ｓ２４に移る。Ｓ２４では、下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatが所定の故障判定閾値NH3_AGDより大きく、かつ、下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatが所定の故障判定閾値NOx_AGDより大きいか否かを判別する。Ｓ２４の判別がＹＥＳである場合には、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化性能が低下したと判断し、Ｓ２２に移り、劣化警告灯を点灯し、この処理を終了する。Ｓ２４の判別がＮＯである場合には、ＳＣＲ触媒は正常であると判断し、この処理を終了する。
【０１６４】
＜シミュレーション結果＞
以下、上記実施形態の効果を検証するために行った７つのシミュレーションの結果について説明する。
図２６は、各試験におけるシミュレーションの条件をまとめた図である。
試験１〜７では、フィードフォワードコントローラからの入力の有無、ＮＨ３ストレージコントローラからの入力の有無、フィードバックコントローラからの入力の有無をシミュレーション条件として振り分けた。特にフィードバックコントローラでは、分離フィルタからの入力の有無、スライディングモードコントローラからの入力の有無、極値探索コントローラからの入力の有無をシミュレーション条件として振り分けた。また、システムに誤差が生じた場合におけるこれらコントローラの適応能力を検証するため、各試験では、尿素水インジェクタの品質もシミュレーション条件として振り分けることにより意図的に誤差を生じさせた。なお、尿素水インジェクタの上限品とは、その流量誤差が標準品に対し＋１５％となったものを指し、下限品とは、その流量誤差が標準品に対し−１５％となったものを指す。
【０１６５】
図２７は、試験１のシミュレーション結果を示す図である。
試験１では、フィードフォワードコントローラ及びＮＨ３ストレージコントローラからの入力のみを用いた。また、試験１では、尿素水インジェクタは標準品とした。
試験１のシステムでは、フィードバックコントローラの入力を切っているため、予め定められたエンジン条件に応じてフィードフォワード制御するのみであるが、尿素水インジェクタを標準品としておりシステム内に誤差要因は無いため、ＮＯｘ浄化率は、概ね目標ＮＯｘ浄化率ItaNOx_trgtに一致しており、理想的な状態が維持されると言える。
【０１６６】
なお、所々（例えば、図２７中、時刻ｔ３参照）目標ＮＯｘ浄化率ItaNOx_trgtに対し実ＮＯｘ浄化率を下回る箇所がある。これは、車速が急激に低下し、ＳＣＲ触媒温度（センサ値Tscr）が低下したことによって最大ＮＨ３ストレージ量が増加するものの、この急激な最大ＮＨ３ストレージ量の増加に対しＮＨ３ストレージ量の増加に遅れが生じたためである。また、このＮＨ３ストレージ量の増加の遅れは、配管内の尿素水の析出を防止するために設定された噴射量上限Gnh3_Hが大きく落ち込むことにより、尿素水の噴射制限が働いたことが大きな要因であるため、許容せざるを得ない。
なお、システム内に誤差要因が無い場合であっても、ＳＣＲ触媒の温度が急激に上昇すると、僅かながらもＳＣＲ触媒からＮＨ３がスリップする（例えば、図２７中、時刻ｔ１、ｔ２参照）。
【０１６７】
図２８は、試験２のシミュレーション結果を示す図である。
試験２では、試験１と同様にフィードフォワードコントローラ及びＮＨ３ストレージコントローラからの入力のみを用いた。ただし、尿素水インジェクタは上限品とした。
試験２のシステムでは、フィードバックコントローラの入力を切っているため、誤差が生じたとしてもこれを補償する入力が存在しない。このため、尿素水（ＮＨ３）は指令値Gnh3よりも常に多く噴射されることとなる。したがって試験１（図２７参照）の結果と比較すると、ＮＯｘ浄化率はほぼ同程度まで達成できるが、ＮＨ３スリップはクルーズ状態でも定常的に発生する。
【０１６８】
図２９は、試験３のシミュレーション結果を示す図である。
試験３では、試験１と同様にフィードフォワードコントローラ及びＮＨ３ストレージコントローラからの入力のみを用いた。ただし、尿素水インジェクタは下限品とした。
試験３のシステムも、フィードバックコントローラの入力を切っているため、誤差が生じたとしてもこれを補償する入力が存在しない。このため、尿素水（ＮＨ３）は指令値Gnh3よりも常に少なく、したがって実ＮＨ３ストレージ量とその推定値ST_nh3_hatとは大きく乖離する。結果としてＮＯｘ浄化率は、目標ＮＯｘ浄化率ItaNOx_trgtより低い状態が継続する。
【０１６９】
図３０は、試験４のシミュレーション結果を示す図である。
試験４では、フィードフォワードコントローラ、ＮＨ３ストレージコントローラ及びフィードバックコントローラのスライディングモードコントローラからの入力のみを用いた。なお、スライディングモードコントローラは、過渡状態及びクルーズ状態の両方で作動させた。また、試験４では、尿素水インジェクタは標準品とした。
試験４のシステムでは分離フィルタからスライディングモードコントローラへの入力を切っているため、スライディングモードコントローラでは、ＮＯｘセンサ出力値Ynoxを目標値NOx_DW_trgtに収束させるようにフィードバック入力Gnh3_fbを算出する。
この場合、図３０中、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３などに示すように、ＳＣＲ触媒の温度が急激に上昇することにより、一旦ＮＨ３スリップが発生してしまうと、スライディングモードコントローラはＮＯｘセンサの出力Ynoxの増加をＮＯｘ浄化率の低下と誤認識し、これを補うべくフィードバック入力Gnh3_fbを増加させる。このとき、尿素水噴射量を増加させれば、ＮＨ３スリップはさらに増大するため、結果としてＮＨ３噴射量Gnh3はその上限値Gnh3_Hに張り付いた状態が継続し、過大なＮＨ３スリップが発生する。
【０１７０】
図３１は、試験５のシミュレーション結果を示す図である。
試験５では、フィードフォワードコントローラ、ＮＨ３ストレージコントローラ及びフィードバックコントローラからの全ての入力を用いた。また、試験５では、尿素水インジェクタは標準品とした。
試験５のシステムでは、時間が経ち浄化係数Kscrの同定が進むにつれて、スライディングモードコントローラではＮＯｘのスリップとＮＨ３のスリップとを適切に切り分けられるようになるので、ＮＨ３スリップの発生（図３１中、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３参照）をＮＯｘ浄化率の低下と誤認識することによって尿素水噴射量を増加させることがない。このため、試験４の場合のように過大なＮＨ３スリップが生じることもなく、またスリップするＮＨ３の量も浄化係数Kscrの同定が進むにつれて少なくなる傾向がある。
また、時刻ｔ２以降又は時刻ｔ３以降のクルーズ状態では、上述のように分離フィルタの精度は維持されなくなるため、フィードバック入力Gnh3_fbの算出はスライディングモードコントローラから極値探索コントローラに切り換えられる。この場合であっても、時間の経過とともにＮＯｘセンサ出力値Ynoxの極値を適切に探り当て、ＮＯｘ浄化率を目標の値に維持しながらＮＨ３スリップを抑制する。
【０１７１】
図３２は、試験６のシミュレーション結果を示す図である。
試験６では、フィードフォワードコントローラ、ＮＨ３ストレージコントローラ及びフィードバックコントローラからの全ての入力を用いた。ただし、尿素水インジェクタを上限品とした点で上記試験５と異なる。
試験６のシステムでは、＋１５％の噴射量誤差があるため、ＮＨ３スリップの量は試験５の結果と比較すれば大きくなるものの、過大なスリップが生じることもなければ継続的なスリップが生じることもない。また、ＮＨ３ストレージ量が不足することによってＮＯｘ浄化率が低下することもない。
【０１７２】
図３３は、試験７のシミュレーション結果を示す図である。
試験７では、フィードフォワードコントローラ、ＮＨ３ストレージコントローラ及びフィードバックコントローラからの全ての入力を用いた。ただし、尿素水インジェクタを下限品とした点で上記試験５と異なる。
試験７のシステムでは尿素水噴射量は指令値に対して常に少ないため、フィードバックコントローラからの入力が無ければ上記試験２の結果に示すように、ＮＨ３ストレージ量はその目標値よりも少なくなる。これに対し、試験７のシステムでは、過大なＮＨ３スリップを発生させることなく、ＮＨ３ストレージ量をその目標値に復帰させることに成功している（図３３中、時刻ｔ１、ｔ２参照）。
【０１７３】
＜分離フィルタの効果＞
次に、上述の分離フィルタ３２Ｂの効果について、より詳細に説明する。
図４を参照して説明したように、ＳＣＲ触媒の下流ＮＯｘ濃度のスペクトル分布は、概ね１〜２Ｈｚをピークとした上に凸の特性を示すのに対し、下流ＮＨ３濃度のスペクトル分布は、下流ＮＯｘ濃度と比較すれば低周波数側にピークが寄っており、定常成分が最も大きくなっている。
このような考察のみに基づけば、例えば、周波数faLをカットオフ周波数としたローパスフィルタに下流側ＮＯｘセンサの出力値Ynoxを通過させることで得られる値を下流ＮＨ３濃度の推定値とすることは妥当であると言える。この場合、ＮＯｘセンサの出力から図３４中ハッチングで示す領域が、ＮＨ３成分として抽出されることとなる。しかしながら、図３４に示すように、この方法によってＮＯｘセンサの出力からＮＨ３成分として抽出される成分には、ＮＨ３のうちカットオフ周波数faLより高い周波数成分を含めることができないばかりか、ＮＯｘのうちカットオフ周波数faLより低い周波数成分が含まれることとなる。したがって、センサ出力にフィルタを通過させて得られる推定値が十分な精度を達成するには、運転条件は過渡状態の中でもさらに限られた運転状態に限られ、その他の条件では推定精度は著しく低下する。
【０１７４】
これに対し、上述の分離フィルタ３２Ｂでは、過渡抽出フィルタ３２２Ｂ，３２３Ｂによって、下流ＮＯｘセンサ出力値Ynox及び上流ＮＯｘセンサ出力値NOx_UPから共にカットオフ周波数faLより低い周波数成分をハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタで阻止した上で、これらのフィルタ値から算出される同定誤差eid（式（１２−１）参照）が最小となるように浄化係数Kscrの値を同定し、下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hat及び下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatを算出する。すなわち、分離フィルタ３２Ｂでは、単に下側カットオフ周波数がfaLのハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタに下流ＮＯｘセンサ出力値Ynoxを通過させて得られる値を下流ＮＯｘ推定値としているものではない。したがって、分離フィルタ３２Ｂによって下流ＮＯｘセンサの出力からＮＨ３成分として抽出される領域は、図３５中ハッチングで示すように、低周波数成分から高周波数成分まで満遍なく含まれることとなる。すなわち、分離フィルタ３２Ｂは、低周波数域のＮＯｘ周波数成分を除去し、かつ上流ＮＯｘと相関の無いＮＨ３の高周波数成分も含めるようにして、下流ＮＯｘセンサの出力からＮＨ３成分を抽出することができる。
【０１７５】
＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態を、図面を参照して説明する。
図３６は、本実施形態に係るエンジン１及びその排気浄化システム２Ｃの構成を示す図である。以下の説明において、第１実施形態と同じ構成については、同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【０１７６】
本実施形態の排気浄化システム２Ｃは、第１実施形態の排気浄化システム２（図１参照）と比較して、下流側ＮＯｘセンサ２６の代わりにＮＨ３センサ２６Ｃを備える点と、ＬＡＦセンサ２９Ｃをさらに備える点で異なる。
【０１７７】
ＮＨ３センサ２６Ｃは、排気通路１１のうちＳＣＲ触媒２３の下流側に設けられ、ＳＣＲ触媒２３より下流側の排気中のＮＨ３の濃度を検出し、検出値に略比例した検出信号をＥＣＵ３に供給する。
【０１７８】
ＬＡＦセンサ２９Ｃは、排気通路１１のうち酸化触媒２１と尿素水インジェクタ２５３の間に設けられ、ＳＣＲ触媒２３に流入する排気中のＯ２濃度を検出し、この濃度に応じた検出信号をＥＣＵ３Ｃに供給する。このＬＡＦセンサ２９Ｃは、エンジン１の混合気の理論空燃比に対しリッチ側からリーン側まで広い範囲において、検出箇所のＯ２濃度に略比例したリニアな出力特性を有する。なおＥＣＵ３Ｃでは、ＬＡＦセンサ２９Ｃの検出信号は、エンジン１の混合気の当量比に相当する値として処理される。また、このＬＡＦセンサ２９Ｃを設ける位置は、酸化触媒２１の上流側でもよい。
【０１７９】
ＥＣＵ３Ｃは、ＮＨ３センサ２６Ｃ、触媒温度センサ２７、上流側ＮＯｘセンサ２８、及びＬＡＦセンサ２９Ｃの検出値に基づいて尿素水噴射量を決定する。なお、このＥＣＵ３Ｃによる尿素水噴射制御の詳細については、後に図３９を参照して説明する。
【０１８０】
ここで、第１実施形態の排気浄化システム２における下流側ＮＯｘセンサ２６の代替物となっているＮＨ３センサ２６Ｃの課題について説明する。
図３７は、Ｏ２の存在下におけるＮＨ３センサの出力特性を示す図である。ＮＨ２センサは、第１実施形態で説明したＮＯｘセンサと異なり、排気中のＮＨ２成分のみの濃度を検出することが可能である。しかしながら、現存するＮＨ３センサには、排気中にＯ２が存在すると、その濃度に応じてゲインが変動する特性がある。
【０１８１】
先ず、エンジンの混合気の当量比に対しストイキよりリーン側に所定の基準当量比を定め、このときのＳＣＲ触媒の下流側の排気のＯ２濃度を基準Ｏ２濃度と定義し、さらにこのときのＮＨ３センサの出力特性を図３７中、破線で示す。この基準状態から、混合気の当量比がよりストイキに近いリッチ側に変動すると、ＳＣＲ触媒の下流側のＯ２濃度は低下し、図３７に示すようにＮＨ３センサは高ゲイン側に変動する。すなわち、ＮＨ３センサは、入力に対し基準状態よりも高い出力を示す。反対に、基準状態から、混合気の当量比がよりリーン側に変動すると、ＳＣＲ触媒の下流側のＯ２濃度は上昇し、図３７に示すようにＮＨ３センサは低ゲイン側に変動する。すなわち、ＮＨ３センサは、入力に対し基準状態よりも低い出力を示す。
【０１８２】
図３８は、車両が加減速したときにおけるＬＡＦセンサとＮＨ３センサの変化を示す図である。
車両が加減速を繰り返すと、エンジンの混合気の当量比も基準当量比から変動するため、ＮＨ３センサの出力値NH3_DWは実際のＳＣＲ触媒の下流側のＮＨ３濃度に対して図３８中最下段に示すような誤差が生じる。以下では、このように特に車両が過渡状態にあるときに生じ得るＮＨ３センサの誤差を補償するようにした本実施形態の尿素水噴射制御の手順について、詳細に説明する。
【０１８３】
図３９は、ＥＣＵ３Ｃにおける尿素水噴射制御の実行に係るブロック図である。
ＥＣＵ３Ｃには、排気浄化システムの状態を示す観測量として、ＳＣＲ触媒より下流側の排気中のＮＨ３の濃度値に相当するＮＨ３センサの出力値NH3_DWと、ＳＣＲ触媒の温度値に相当する触媒温度センサの出力値Tscrと、ＳＣＲ触媒より上流側の排気中のＮＯｘの濃度値に相当する上流側ＮＯｘセンサの出力値NOx_UPと、エンジンの混合気の当量比に相当するＬＡＦセンサの出力値FAI_UPの少なくとも４つが入力される。ＥＣＵ３Ｃは、上記少なくとも４つの観測量に基づいて、尿素水噴射装置の操作量に相当する尿素水噴射量の値Gureaを決定する。なお、これら観測量のうち、上流側ＮＯｘセンサの出力値NOx_UP、及びＬＡＦセンサの出力値FAI_UPは、センサを用いずにエンジンの運転状態を示すパラメータから推定した値で代用してもよい。また、触媒温度センサの出力値Tscrも、センサを用いずにエンジンの運転状態から推定した値や、ＳＣＲ触媒以外の温度を検出する温度センサの出力値から推定した値などで代用してもよい。
【０１８４】
本実施形態における尿素水噴射制御は、図２に示す第１実施形態における尿素水噴射制御の手順と、分離フィルタ３２Ｃ及びフィードバックコントローラ３５Ｃにおける演算の手順が異なる。
【０１８５】
分離フィルタ３２Ｃは、上述のように、Ｏ２濃度（混合気の当量比）の基準Ｏ２濃度からの変動に応じた誤差成分を含んだＮＨ３センサ出力値NH3_DWから、誤差成分を取り除き（分離し）、真のＳＣＲ触媒より下流側のＮＨ３濃度値に相当する下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatを算出する。
フィードバックコントローラ３５Ｃは、下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatを所定の目標値NH3_DW_trgtに収束させるために、ＳＣＲ触媒に必要とされるＮＨ３の量に相当するフィードバック入力の値Gnh3_fbを算出する。
【０１８６】
以下、これら分離フィルタ３２Ｃ及びフィードバックコントローラ３５Ｃにおける演算の具体的な手順について、図面を参照しながら説明する。
【０１８７】
＜分離フィルタ＞
分離フィルタ３２Ｃで行う演算の概念及びその具体的な手順について説明する。
図４０は、ＳＣＲ触媒の上流側と下流側における各種物理量のスペクトル分布を示す図である。より具体的には、一点鎖線は、ＳＣＲ触媒の上流側のＬＡＦセンサ出力の基準当量比からの変動（ＬＡＦセンサ出力値−基準当量比）のスペクトル分布を示す。破線は、ＳＣＲ触媒の下流側のＮＨ３濃度のスペクトル分布を示す。実線は、ＮＨ３センサの出力のスペクトル分布を示す。二点鎖線は、ＮＨ３センサの誤差成分（ＮＨ３センサ出力−実ＮＨ３濃度）のスペクトル分布を示す。
【０１８８】
図３８を参照して説明したように、ＬＡＦセンサ出力の基準当量比からの変動挙動は、ドライバによる加減速要求に連動したものとなっている。このため、ＬＡＦセンサ出力の基準当量比からの変動（以下、「当量比変動」という）のスペクトル分布（一点鎖線）は、ドライバによって変わるものの、概ね１〜２Ｈｚをピークとした上に凸の特性を示す。
ＮＨ３センサ誤差成分（２点鎖線）のスペクトル分布も、概ね１〜２Ｈｚをピークとした上に凸の特性を示す。
下流ＮＨ３濃度（破線）のスペクトル分布は、上述の当量比変動やＮＨ３センサ誤差成分と比較すれば低周波数側にピークが寄っており、定常成分が最も大きくなっている。
ＮＨ３センサ出力（実線）のスペクトル分布は、ＮＨ３センサ誤差成分と下流ＮＨ３濃度を合わせたものとなっている。
【０１８９】
また、下流ＮＨ３濃度とＮＨ３センサ誤差成分のスペクトル分布を比較すると、両者では多少の重複があるものの定性的には明らかに異なっている。一方、ＮＨ３センサ誤差成分と当量比変動とは定性的にはほぼ同じである。これはすなわち、ＬＡＦセンサ出力変動の周波数ゲインとＮＨ３センサ誤差成分の周波数ゲインの比が算出できれば、当量比変動の値からＮＨ３センサ誤差成分の値を推定し、さらにＮＨ３センサの出力値から、推定したＮＨ３センサ誤差成分の値を減算することにより、ＮＨ３センサの出力値からより真値に近い下流ＮＨ３濃度の値を抽出（分離）できることを意味する。以下、このような原理に基づいてＮＨ３センサ出力値NH3_DWから下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatを分離する分離フィルタ３２Ｃの構成について説明する。
【０１９０】
図４１は、分離フィルタ３２Ｃの構成を示すブロック図である。
分離フィルタ３２Ｃは、ＮＨ３センサ出力値NH3_DW及びＬＡＦセンサ出力値FAI_UPが入力されると、下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatを算出する。分離フィルタ３２Ｃは、補正係数同定器３２１Ｃと、変動成分抽出部３２２Ｃと、ＮＨ３センサ出力値用の過渡抽出フィルタ３２３Ｃと、ＬＡＦセンサ出力値用の過渡抽出フィルタ３２４Ｃと、乗算器３２５Ｃと、加算器３２６Ｃとを備える。
【０１９１】
加算器３２６Ｃは、ＮＨ３センサ出力値NH3_DWから上述のＮＨ３センサの誤差成分値に相当する補正値DNH3_compを減算することによって下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatを算出する（下記式（４５）参照）。
【数４５】
0005559230.tif 000046
【０１９２】
変動成分抽出部３２２Ｃは、下記式（４６−１）に示すように、ＬＡＦセンサの出力値FAI_UPから基準当量比FAI_UP_BSを減算することにより、当量比変動値DFAI_UPを算出する。なお、この当量比変動値DFAI_UPは、下記式（４６−２）に示すように、ＬＡＦセンサの出力値FAI_UPから少なくとも定常成分を阻止するハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタによって抽出した値Fd(FAI_UP(k))を用いてもよい。
【数４６】
0005559230.tif 000047
【０１９３】
図４０を参照して説明したように、式（４６−１）又は（４６−２）で表される補正値（当量比変動値）DFAI_UPのスペクトル分布とＮＨ３センサの誤差成分値DNH3_compのスペクトル分布は定性的にはほぼ同じである。これは、エンジンから排出されたＯ２が、全ての周波数成分に対しほぼ等しい割合でＳＣＲ触媒を通過し触媒下流のＮＨ３センサのゲイン変化に影響を及ぼすとの仮定が妥当であるということを意味する。したがって、下記式（４７）に示すように、補正値DNH3_compは、当量比変動値DFAI_UPに所定の乗算係数Kcを乗算したものでモデル化することができる。以下、この乗算係数Kcを補正係数という。乗算器３２５Ｃは、後述の補正係数同定器３２１Ｃによってその値が同定された補正係数Kc(k-1)をむだ時間dだけ過去の当量比変動値DFAI_UP(k-d)に乗算することにより、補正値DNH3_comp(k)を算出する（下記式（４７）参照）。
【数４７】
0005559230.tif 000048
【０１９４】
過渡抽出フィルタ３２３Ｃは、下記式（４８）に示すような演算を行うことにより、ＮＨ３センサの出力値NH3_DWのフィルタ値NH3_DW_fを算出する。ここで、下記式（４８）におけるフィルタ係数a1〜a4,b1〜b5は、図４０中の領域Ａ、すなわちＮＨ３センサの出力のうちＮＨ３のスペクトルが十分に低下するとみなせる周波数faLを下側カットオフ周波数とし、ＬＡＦセンサの出力のスペクトルが十分に低下するとみなせる周波数faHを上側カットオフ周波数としたバンドパスフィルタ特性が得られるような値に設定される。
【数４８】
0005559230.tif 000049
【０１９５】
過渡抽出フィルタ３２４Ｃは、下記式（４９）に示すような演算を行うことにより、当量比変動値DFAI_UPのフィルタ値DFAI_UP_fを算出する。この過渡抽出フィルタ３２４Ｃにおけるフィルタ係数は、上記過渡抽出フィルタ３２３Ｃにおけるものと同じ値を用いることが好ましい。
【数４９】
0005559230.tif 000050
【０１９６】
なお、上記過渡抽出フィルタ３２３Ｃ，３２４Ｃは、定常成分を阻止しかつドライバによる駆動力の増減要求に対応した周波数帯域を通過させるものであれば、バンドパスフィルタに限らずハイパスフィルタであってもよい。
【０１９７】
補正係数同定器３２１Ｃは、ＮＨ３センサ出力値のフィルタ値NH3_DW_fと、当量比変動値のフィルタ値DFAI_UP_fに補正係数Kcを乗算して得られる値NH3_DW_f_hat（式（４７）の補正値DNH3_compのフィルタ値に相当する値）との誤差eid（下記式（５０−１）、（５０−２）参照）の二乗が最小になるように補正係数Kc(k)の値を同定する。この補正係数Kc(k)の値を同定するアルゴリズムとしては、第１実施形態と同様に、例えば、下記式（５０−３）〜（５０−６）で示される逐次型最小２乗法アルゴリズムが用いられる。
【数５０】
0005559230.tif 000051
【０１９８】
上記式（５０−５）〜（５０−６）において、”P”は適応ゲインであり、その初期値P(0)は正の値に設定される。また、式（５０−４）において、”δ”は１以下の忘却係数であり、例えばδ=0.999に設定される。
【０１９９】
図４２は、分離フィルタのシミュレーション結果を示す図である。
図４２には、上段から順に車速、ＬＡＦセンサ出力、下流側のＮＨ３濃度（下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatと実ＮＨ３濃度を比較）、フィルタ値（補正値DNH3_compのフィルタ値に相当する値NH3_DW_f_hatとＮＨ３センサ出力値のフィルタ値NH3_DW_fを比較）、補正係数（補正係数Kcと初期値Kc_iniを比較）、ＮＨ３センサ補正値DNH3_comp、実ＮＨ３濃度と推定値NH3_DW_hatの誤差を示す。なお、車速などのシミュレーション条件は、図３８に示すものと同じである。
図４２に示すように、時間が進むにつれてフィルタ値NH3_DW_f,NH3_DW_f_hatの誤差が最小になるように補正係数Kcの値は適切に更新される。また、図３８のシミュレーション結果と比較して明らかなように、下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatと実ＮＨ３濃度との誤差は大幅に減少する。
【０２００】
＜フィードバックコントローラ＞
図３９に戻って、フィードバックコントローラ３５Ｃで行う演算の具体的な手順について説明する。
上述の第１実施形態と異なり、本実施形態の分離フィルタでは、車両の運転状態によらず常に高い精度で下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatを算出できるため、運転状態に応じてフィードバック入力Gnh3_fbの演算アルゴリズムを持ち替えたりする必要はない。したがって、フィードバックコントローラ３５Ｃでは、第１実施形態のフィードバックコントローラ３５におけるスライディングモードコントローラとほぼ同じ手順にて、下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatから目標値NH3_DW_trgtを減算して得られる偏差入力Enh3（上記式（３１−２）参照）を最小にするようにフィードバック入力Gnh3_fbを算出する（上記式（２８）〜（３５）参照）。
【０２０１】
ただし、本実施形態におけるフィードバックコントローラ３５Ｃには、第１実施形態における下流ＮＯｘ推定値NOx_DW_hatに相当する入力が無いため、第１実施形態と異なりＳＣＲ触媒の下流側のＮＯｘ濃度を積極的には制御することはできない。しかしながら、下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatを、図１９に示すような目標値NH3_DW_trgtに維持し、フィードフォワードコントローラ３４とＮＨ３ストレージコントローラ３６によって尿素水噴射量Gureaを決定することにより、ＳＣＲ触媒における有効ＮＨ３量Gnh3_scrもほぼ最適値Gnh3_scr_optに維持されることから、ＮＯｘ濃度を積極的に制御せずともＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が過剰に低下することはない。また、ＳＣＲ触媒の浄化率が劣化等によって低下した場合、ＮＨ３の供給量は過剰になりがちであるため、ＮＨ３スリップは生じ易い。このような場合には、フィードバックコントローラ３５Ｃによって下流ＮＨ３推定値NH3_DW_hatを目標値NH3_DW_trgtに制御し続けることによって、継続的なＮＨ３スリップが生じることも無いため、むしろ本実施形態の方が有利であるとも言える。
【０２０２】
以上、２つの実施形態について説明したが、本発明はこれに限るものではない。
上記実施形態では、ＮＨ３を還元剤とし、かつこの前駆体として尿素水をインジェクタで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、インジェクタからは尿素水を供給せずに、ＮＨ３ガスを直接供給するシステムに本発明を適用しても効果的である。また、ＮＯｘを還元するための還元剤はＮＨ３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、ＮＨ３の代わりに、例えば炭化水素（ＨＣ）を用いた排気浄化システムに適用することもできる。
【０２０３】
また、ＳＣＲ触媒にＮＨ３又は尿素水を供給する還元剤供給手段としては、上記実施形態における尿素水噴射装置２５のように貯蔵しておいた尿素水やＮＨ３を供給するものに限らず、車両上で適宜生成するものを用いてもよい。より具体的には、例えばエンジンの混合気の空燃比をストイキよりリーンからストイキ又はストイキよりリッチへ間欠的に変化させることによって、ＳＣＲ触媒より上流側に設けられた酸化触媒や三元触媒上でＳＣＲ触媒に供給するＮＨ３を適宜生成する技術が公知である。したがって、このようなエンジンの混合気の空燃比制御とＳＣＲ触媒の上流側に設けられた触媒とを組み合わせて必要に応じた量のＮＨ３を生成する手段を、還元剤供給手段としてもよい。
【符号の説明】
【０２０４】
１…エンジン（内燃機関）
１１…排気通路
２，２Ｃ…排気浄化システム
２３…選択還元触媒
２５…尿素水噴射装置（還元剤供給手段）
２６…下流側ＮＯｘセンサ（排ガスセンサ）
２６Ｃ…ＮＨ３センサ（排ガスセンサ）
２８…上流側ＮＯｘセンサ（上流側検出手段）
２９Ｃ…ＬＡＦセンサ（上流側検出手段）
３，３Ｃ…ＥＣＵ（故障判定手段）
３１…尿素水噴射量決定部（供給量決定手段）
３２，３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ…分離フィルタ（下流側推定手段）
３２１Ａ，３２１Ｂ…浄化係数同定器（同定手段）
３２１Ｃ…補正係数同定器（同定手段）
３２２Ｂ，３２３Ｂ…過渡抽出フィルタ
３２２Ｃ…変動成分抽出部（変動値算出手段）
３２３Ｃ，３２４Ｃ…過渡抽出フィルタ
３５，３５Ｃ…フィードバックコントローラ（供給量決定手段、過渡状態判定手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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