(57)【要約】【課題】ＳＣＲ触媒とＮＨ３センサとを備えた排気浄化システムにおいて、新たに酸素濃度センサを設けることなく排気の空燃比の状態を判定できる排気浄化システムを提供すること。【解決手段】排気浄化システムは、ＳＣＲ触媒と、尿素水供給装置と、ＮＨ３センサ５と、ＮＨ３センサ５の検出信号に応じて還元剤の供給量を制御する尿素水噴射制御部７４と、を備える。ＮＨ３センサ５は、酸素に対する活性を有する基準電極と、酸素及びアンモニアに対する活性を有する検知電極と、酸素イオン導電性の固体電解質層とを備える。基準電極と検知電極は、排気管内のうちＳＣＲ触媒の下流側に同じ排気に晒されるように設けられる。排気浄化システムは、ＮＨ３センサの検出信号の値がストイキ判定閾値を超えて変化した場合には、ＳＣＲ触媒の下流側の排気の空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定するストイキ判定部７３をさらに備える。【選択図】図５
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【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、アンモニアの存在下で排気中の窒素酸化物を選択的に還元する選択還元触媒と、
前記選択還元触媒の上流側にアンモニア又はその前駆体を還元剤として供給する還元剤供給装置と、
酸素に対する活性を有する基準電極と、酸素及びアンモニアに対する活性を有する検知電極と、これら検知電極及び基準電極が設けられた酸素イオン導電性の固体電解質とを備えたアンモニアセンサと、
前記アンモニアセンサの検出信号に応じて還元剤の供給量を制御する還元剤供給量制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
前記基準電極と前記検知電極は、前記排気通路内のうち前記選択還元触媒の下流側に同じ排気に晒されるように設けられ、
前記アンモニアセンサの検出信号の値が所定のストイキ判定閾値を超えて変化した場合には、前記選択還元触媒の下流側の排気の空燃比がストイキよりリーン側からストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定するストイキ判定手段をさらに備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２】
前記還元剤供給量制御手段は、前記アンモニアセンサの検出信号の値が、前記ストイキ判定閾値よりも内側に設定された通常出力範囲内にあるときに、当該アンモニアセンサの検出信号に基づいて還元剤の供給量を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項３】
前記アンモニアセンサの検出信号の値が、前記ストイキ判定閾値よりも内側に設定された通常出力範囲内にあるときに、当該アンモニアセンサの検出信号に基づいて前記選択還元触媒の下流側の排気のアンモニア濃度を算出するアンモニア濃度算出手段をさらに備え、
前記還元剤供給量制御手段は、前記算出されたアンモニア濃度に基づいて還元剤の供給量を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項４】
前記排気通路のうち前記選択還元触媒の上流側に設けられ、三元浄化機能を有する上流触媒と、
前記機関のＮＯｘ排出量に相関のあるパラメータの値が所定の閾値以下である場合には、混合気の空燃比をストイキよりリーン側に制御し、前記パラメータの値が前記閾値より大きい場合には、前記ストイキ判定手段による判定に基づいて混合気の空燃比をストイキに制御する空燃比制御手段と、をさらに備え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】
前記排気通路を流通する排気の一部を吸気通路に還流するＥＧＲ装置と、
前記ＥＧＲ装置による排気還流量を制御するＥＧＲ制御手段と、をさらに備え、
前記ＥＧＲ制御手段は、前記ストイキ判定手段により空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定されたことに応じて、排気還流量を減量側に補正す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】
前記選択還元触媒には、酸素吸蔵放出材が含まれ、
混合気の空燃比をストイキ又はストイキよりリッチ側にする制御を開始した後の所定の時期から、前記ストイキ判定手段により前記選択還元触媒の下流側の空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定されるまでにかかった時間を測定し、当該測定時間に基づいて前記選択還元触媒の劣化を判定する触媒劣化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７】
内燃機関の排気通路に設けられ、アンモニアの存在下で排気中の窒素酸化物を選択的に還元する選択還元触媒と、
前記選択還元触媒の上流側にアンモニア又はその前駆体を還元剤として供給する還元剤供給装置と、
前記選択還元触媒の下流側に設けられ、排気中の少なくともアンモニア及び酸素の濃度に応じた起電力を検出信号として電極間に発生するアンモニアセンサと、
前記アンモニアセンサの検出信号に基づいて還元剤の供給量を制御する還元剤供給量制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
前記アンモニアセンサの電極間には、その周囲の排気の酸素濃度が０又はほぼ０になると、アンモニア濃度によらず所定のストイキ判定閾値を超える起電力が発生し、
前記アンモニアセンサの検出信号の値が前記ストイキ判定閾値を超えて変化した場合には、前記選択還元触媒の下流側の排気の空燃比がストイキよりリーン側からストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定するストイキ判定手段をさらに備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
【請求項８】
前記アンモニアセンサの検出信号の値が、前記ストイキ判定閾値よりも内側に設定された通常出力範囲内にあるときに、当該アンモニアセンサの検出信号に基づいて前記選択還元触媒の下流側の排気のアンモニア濃度を算出するアンモニア濃度算出手段をさらに備え、
前記還元剤供給量制御手段は、前記算出されたアンモニア濃度に基づいて還元剤の供給量を制御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、選択還元触媒とその下流に設けられたＮＨ３センサとを備えた内燃機関の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、特許文献１参照）。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。
【０００３】
選択還元触媒は、混合気の空燃比をストイキよりリーン側にし酸素を多く含んだリーン空燃比の排気下で高いＮＯｘ浄化性能を発揮するため、リーン燃焼式のガソリンエンジンやディーゼルエンジンなど、リーン燃焼を基本とした機関の排気浄化システムに用いられる場合が多い。またこの場合、選択還元触媒の下流側に設けられたＮＨ３センサの検出信号に基づくフィードバック制御によって選択還元触媒に供給する尿素水又はＮＨ３の供給量を制御することにより、選択還元触媒からのＮＨ３スリップ量を最小限に留めながらそのＮＯｘ浄化率を高く維持できることも知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、ＮＯｘ排出量が多くなる加速運転時には、選択還元触媒のみでは十分にＮＯｘを浄化しきれなくなる場合がある。そこで、特許文献２に開示されているシステムのように、加速運転時には選択還元触媒の上流側に設けられた三元触媒における三元浄化反応を利用してＮＯｘを浄化することが考えられる。特許文献２の排気浄化システムでは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側に三元触媒を設けたシステムにおいて、加速運転時には三元触媒における三元浄化反応を利用すべく、混合気の空燃比をリーン側からストイキに切り替える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１６３１９５号公報
【特許文献２】特開２００９−２９３５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、三元触媒における三元浄化反応を高い効率で発揮しようとすると、混合気の空燃比を精度良くストイキ又はその近傍に維持しなければならないが、このような空燃比制御を行うには排気の酸素濃度を直接的に検出する酸素濃度センサからのフィードバックがさらに必要となる。また、このような三元触媒を備えないシステムであっても、排気中のスートを捕集する排気浄化フィルタの再生時や選択還元触媒のＳＯｘ被毒再生時などにおいても、混合気の空燃比をストイキ又はストイキよりリッチ側へリッチ化するために酸素濃度センサが必要となる。
【０００７】
本発明は、以上のような点を考慮してなされたものであり、選択還元触媒とその下流側に設けられたアンモニアセンサとを備えた排気浄化システムにおいて、新たに酸素濃度センサを設けることなく排気の空燃比の状態を判定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】
【０００８】
（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、後述の排気管１１）に設けられ、アンモニアの存在下で排気中の窒素酸化物を選択的に還元する選択還元触媒（例えば、後述の下流触媒コンバータ３３のＳＣＲ触媒）と、前記選択還元触媒の上流側にアンモニア又はその前駆体を還元剤として供給する還元剤供給装置（例えば、後述の尿素水供給装置４）と、アンモニアセンサ（例えば、後述のＮＨ３センサ５）と、前記アンモニアセンサの検出信号に応じて還元剤の供給量を制御する還元剤供給量制御手段（例えば、後述の尿素水噴射制御部７４）と、を備えた内燃機関の排気浄化システム（例えば、後述の排気浄化システム２）を提供する。前記アンモニアセンサは、酸素に対する活性を有する基準電極（例えば、後述の基準電極５３）と、酸素及びアンモニアに対する活性を有する検知電極（例えば、後述の検知電極５２）と、これら検知電極及び基準電極が設けられた酸素イオン導電性の固体電解質（例えば、後述の固体電解質層５１）とを備える。前記基準電極と前記検知電極は、前記排気通路内のうち前記選択還元触媒の下流側に同じ排気に晒されるように設けられる。前記排気浄化システムは、前記アンモニアセンサの検出信号の値が所定のストイキ判定閾値を超えて変化した場合には、前記選択還元触媒の下流側の排気の空燃比がストイキよりリーン側からストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定するストイキ判定手段（例えば、後述の下流ストイキ判定部７３）をさらに備える。
【０００９】
（１）選択還元触媒を主体として排気中のＮＯｘを還元すべく、混合気の空燃比をストイキよりリーン側にするリーン運転を行っている間、アンモニアセンサの検知電極及び基準電極は、共に十分な量の酸素を含んだ排気に晒されている。この場合、基準電極側では酸素（Ｏ２）をイオン化する還元反応が進行し、酸素イオン（Ｏ２−）は電解質を移動し、検知電極側では排気中のアンモニア（ＮＨ３）及び酸素イオンを酸化する反応が進み、これにより検知電極と基準電極との間には少なくとも排気中のアンモニア濃度に応じて変動する起電力（検出信号）が発生する。還元剤供給量制御手段は、このようなアンモニアセンサの検出信号に基づいて還元剤の供給量を制御することにより、例えば選択還元触媒から排出されるアンモニアの量を最小限に抑制しながらそのＮＯｘ浄化率が高く維持されるように、適切な量の還元剤（アンモニア又はその前駆体）を選択還元触媒に供給できる。
【００１０】
以上のようなリーン運転の状態から、混合気の空燃比をストイキにする空燃比ストイキ制御やストイキよりリッチ側にする空燃比リッチ制御を行うと、選択還元触媒の下流側のアンモニアセンサの両電極の周囲は程なくして酸素濃度がほぼ０の低酸素濃度雰囲気に切り替わる。このとき、電極と固体電解質の界面では酸素イオンによる電子授受が進行しなくなることによって両電極の間の電位差が大きくなるため、検出信号の値はアンモニア濃度によらず正側又は負側に大きく変化し、最大値又は最小値を示す。換言すると、検知電極と基準電極には、酸素濃度が高いときよりも大きな固有の自発起電力が発生する。本発明では、アンモニアセンサの検出信号の値に対し、所定のストイキ判定閾値を設定しておき、検出信号の値がこのストイキ判定閾値を超えて変化した場合には、これに応じて選択還元触媒の下流側の排気の空燃比がストイキよりリーン側からストイキ又はストイキよりリッチ側になったことを判定する。したがって本発明によれば、排気通路に新たに酸素濃度を検出するためのセンサを設けずとも、アンモニアセンサを利用して実際の排気の空燃比の状態を判定することができる。
【００１１】
（２）この場合、前記還元剤供給量制御手段は、前記アンモニアセンサの検出信号の値が、前記ストイキ判定閾値よりも内側に設定された通常出力範囲（例えば、後述の通常ＮＨ３出力範囲）内にあるときに、当該アンモニアセンサの検出信号に基づいて還元剤の供給量を制御することが好ましい。
【００１２】
（２）ストイキ又はリッチ空燃比下では、基本的には選択還元触媒でＮＯｘを還元できないため、この間、還元剤供給量制御手段で還元剤の供給量を制御する必要はない。したがって、アンモニアセンサの検出信号に基づいて排気の空燃比の状態を判定するためのストイキ判定閾値よりも内側に通常出力範囲を設定し、アンモニアセンサの検出信号の値がこの通常出力範囲内にあるときに、アンモニアセンサの検出信号に基づいて還元剤の供給量を制御することにより、還元剤供給量制御手段による還元剤の供給制御と、ストイキ判定手段によるストイキの判定に基づいて行われる各種制御とが干渉するのを防止できる。
【００１３】
（３）この場合、前記排気浄化システムは、前記アンモニアセンサの検出信号の値が、前記ストイキ判定閾値よりも内側に設定された通常出力範囲内にあるときに、当該アンモニアセンサの検出信号に基づいて前記選択還元触媒の下流側の排気のアンモニア濃度を算出するアンモニア濃度算出手段（例えば、後述のＮＨ３濃度算出部７２）をさらに備え、前記還元剤供給量制御手段は、前記算出されたアンモニア濃度に基づいて還元剤の供給量を制御することが好ましい。
【００１４】
（３）排気の酸素濃度が０又はその近傍まで低下すると、上述のようにアンモニアセンサの検出信号は、その時の排気のアンモニア濃度によらず正又は負側へ大きく変化するため、原理的にアンモニアセンサの検出信号からアンモニア濃度を算出することはできなくなる。本発明では、アンモニアセンサの検出信号に基づいて排気の空燃比の状態を判定するためのストイキ判定閾値よりも内側に通常出力範囲を設定し、アンモニアセンサの検出信号の値がこの通常出力範囲内にあるときに、アンモニアセンサの検出信号に基づいて排気のアンモニア濃度を算出することにより、精度良くアンモニア濃度を算出できる。また、このように精度良く算出したアンモニア濃度に基づいて還元剤の供給量を制御することにより、例えば選択還元触媒から排出されるアンモニアの量を最小限に抑制しながらそのＮＯｘ浄化率が高く維持されるように、適切な量の還元剤（アンモニア又はその前駆体）を選択還元触媒に供給できる。
【００１５】
（４）この場合、前記排気浄化システムは、前記排気通路のうち前記選択還元触媒の上流側に設けられ、三元浄化機能を有する上流触媒（例えば、後述の上流触媒コンバータ３１の酸化触媒又は三元触媒、及び排気浄化フィルタ３２の酸化触媒又は三元触媒等）と、前記機関のＮＯｘ排出量に相関のあるパラメータ（例えば、後述のＮＯｘ排出量の推定値、要求トルク値等）の値が所定の閾値以下である場合には、混合気の空燃比をストイキよりリーン側に制御し、前記パラメータの値が前記閾値より大きい場合には、前記ストイキ判定手段による判定に基づいて混合気の空燃比をストイキに制御する空燃比制御手段（例えば、後述の空燃比制御部７６）と、をさらに備えることが好ましい。
【００１６】
（４）本発明によれば、ＮＯｘ排出量に相関のあるパラメータの値が所定の閾値以下である場合には、混合気の空燃比をストイキよりリーン側に制御し選択還元触媒によりＮＯｘを還元でき、ＮＯｘ排出量に相関のあるパラメータの値がストイキ判定閾値より大きくなるような場合には、混合気の空燃比をストイキに制御することにより上流触媒における三元浄化反応を利用してＮＯｘを還元することができる。この際、本発明では、選択還元触媒の下流に設けられたアンモニアセンサを利用したストイキ判定手段による判定に基づいて混合気の空燃比をストイキに制御することにより、新たに酸素濃度センサを設けずとも既存のアンモニアセンサによって効率的に三元浄化反応を進行させ、排気を浄化できる。
【００１７】
（５）この場合、前記排気浄化システムは、前記排気通路を流通する排気の一部を吸気通路に還流するＥＧＲ装置（例えば、後述のＥＧＲ装置１３）と、前記ＥＧＲ装置による排気還流量を制御するＥＧＲ制御手段（例えば、後述の高ＥＧＲ制御部７７）と、をさらに備え、前記ＥＧＲ制御手段は、前記ストイキ判定手段により空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定されたことに応じて、排気還流量を減量側に補正することが好ましい。
【００１８】
（５）本発明では、ＥＧＲ制御手段によって排気還流量を制御している間に、ストイキ判定手段により排気の空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定された場合には、これに応じて排気還流量を減量側に補正することにより、空燃比がストイキを超えて燃料過剰になり過ぎないようにすることができる。この場合も、新たに酸素濃度センサを設ける必要がないので、その分だけコストを低減できる。
【００１９】
（６）この場合、前記選択還元触媒には、酸素吸蔵放出材が含まれ、混合気の空燃比をストイキ又はストイキよりリッチ側にする制御を開始した後の所定の時期から、前記ストイキ判定手段により前記選択還元触媒の下流側の空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定されるまでにかかった時間（例えば、後述のリッチ判定時間）を測定し、当該測定時間に基づいて前記選択還元触媒の劣化を判定する触媒劣化判定手段（例えば、後述のＳＣＲ触媒劣化判定制御部７８）をさらに備えることが好ましい。
【００２０】
（６）選択還元触媒に酸素吸蔵放出材を含めることにより、混合気の空燃比をリーン側からストイキ又はリッチ側に切り替えた後も、貯蔵されていた酸素を利用して選択還元触媒で過渡的にＮＯｘを浄化できる。また、選択還元触媒に酸素吸蔵放出材を含めることにより、酸素吸蔵放出材の酸素吸蔵放出機能の低下の検出を介して選択還元触媒の劣化を推定できる。本発明では、混合気の空燃比をストイキ又はストイキよりリッチ側にする制御を開始した後の所定の時期から、ストイキ判定手段によって選択還元触媒の下流側の排気の空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定されるまでにかかった時間、すなわち酸素吸蔵放出材が吸蔵していた酸素を放出しきるまでにかかった時間を測定し、この測定時間に基づいて選択還元触媒の劣化を判定する。これにより、選択還元触媒の下流側に酸素濃度センサを新たに設けずとも、選択還元触媒の劣化を判定できる。
【００２１】
（７）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、後述の排気管１１）に設けられ、アンモニアの存在下で排気中の窒素酸化物を選択的に還元する選択還元触媒（例えば、後述の下流触媒コンバータ３３のＳＣＲ触媒）と、前記選択還元触媒の上流側にアンモニア又はその前駆体を還元剤として供給する還元剤供給装置（例えば、後述の尿素水供給装置４）と、前記選択還元触媒の下流側に設けられ、排気中の少なくともアンモニア及び酸素の濃度に応じた起電力を検出信号として電極間に発生するアンモニアセンサ（例えば、後述のＮＨ３センサ５）と、前記アンモニアセンサの検出信号に基づいて還元剤の供給量を制御する還元剤供給量制御手段（例えば、後述の尿素水噴射制御部７４）と、を備えた内燃機関の排気浄化システム（例えば、後述の排気浄化システム２）を提供する。前記アンモニアセンサの電極間には、その周囲の排気の酸素濃度が０又はほぼ０になると、アンモニア濃度によらず所定のストイキ判定閾値を超える起電力が発生する。前記排気浄化システムは、前記アンモニアセンサの検出信号の値が前記ストイキ判定閾値を超えて変化した場合には、前記選択還元触媒の下流側の排気の空燃比がストイキよりリーン側からストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定するストイキ判定手段（例えば、後述の下流ストイキ判定部７３）を備える。
【００２２】
（７）本発明によれば、排気通路に新たに酸素濃度を検出するためのセンサを設けずとも、既存のアンモニアセンサを利用して実際の排気の空燃比の状態を判定することができる。
【００２３】
（８）この場合、前記排気浄化システムは、前記アンモニアセンサの検出信号の値が、前記ストイキ判定閾値よりも内側に設定された通常出力範囲（例えば、後述の通常ＮＨ３出力範囲）内にあるときに、当該アンモニアセンサの検出信号に基づいて前記選択還元触媒の下流側の排気のアンモニア濃度を算出するアンモニア濃度算出手段（例えば、後述のＮＨ３濃度算出部７２）をさらに備え、前記還元剤供給量制御手段は、前記算出されたアンモニア濃度に基づいて還元剤の供給量を制御することが好ましい。
【００２４】
（８）本発明によれば、アンモニアセンサの検出信号に基づいて排気の空燃比の状態を判定するためのストイキ判定閾値よりも内側に通常出力範囲を設定し、アンモニアセンサの検出信号の値がこの通常出力範囲内にあるときに、アンモニアセンサの検出信号に基づいて排気のアンモニア濃度を算出することにより、精度良くアンモニア濃度を算出できる。また、このように精度良く算出したアンモニア濃度に基づいて還元剤の供給量を制御することにより、例えば選択還元触媒から排出されるアンモニアの量を最小限に抑制しながらそのＮＯｘ浄化率が高く維持されるように、適切な量の還元剤（アンモニア又はその前駆体）を選択還元触媒に供給できる。また、還元剤供給量制御手段による還元剤の供給制御と、ストイキ判定手段によるストイキの判定に基づいて行われる各種制御とが干渉するのを防止できる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、アンモニアセンサの検出信号の低酸素濃度雰囲気下における特異な変化を利用することにより、排気通路に新たに酸素濃度センサを設けずとも、既存のアンモニアセンサで排気の空燃比の状態を判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る排気浄化システムの構成を示す図である。
【図２】Ｏ２センサの構造と、そのＯ２濃度の検出原理を模式的に示す図である。
【図３】ＮＨ３センサの構造と、そのＮＨ３濃度の検出原理を模式的に示す図である。
【図４】混合気の空燃比をストイキよりリーン側から一時的にストイキに制御したときにおけるＯ２センサ及びＮＨ３センサの検出信号の変化を模式的に示す図である。
【図５】ＥＣＵに構成された制御ブロックを示す図である。
【図６】フィルタ再生処理の昇温工程の手順を示すフローチャートである。
【図７】ストイキ空燃比制御の手順を示すフローチャートである。
【図８】高ＥＧＲ制御の手順を示すフローチャートである。
【図９】ＳＣＲ触媒劣化判定制御の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態の内燃機関（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、定常運転時には混合気の空燃比をストイキよりリーン側にする所謂リーン燃焼を基本としたもの、より具体的にはディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジンなどである。
【００２８】
排気浄化システム２は、エンジン１の排気ポートから延びる排気管１１に設けられた触媒浄化装置３と、排気管１１を流通する排気の一部をエンジン１の吸気ポートに至る吸気管１２に還流するＥＧＲ装置１３と、これらエンジン１、触媒浄化装置３及びＥＧＲ装置１３を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）７と、を備える。
【００２９】
エンジン１には、各シリンダに燃料を噴射する燃料噴射弁１７が設けられている。この燃料噴射弁１７を駆動するアクチュエータは、ＥＣＵ７に電磁的に接続されている。エンジン１の混合気の空燃比は、吸気制御弁１６によってシリンダ内に導入される新気の量、ＥＧＲ装置１３によってシリンダ内に導入される排気の量、並びにエンジンの各シリンダに設けられた燃料噴射弁１７からの燃料噴射量等を調整することによって制御される。
【００３０】
触媒浄化装置３は、上流触媒コンバータ３１と、排気浄化フィルタ３２と、下流触媒コンバータ３３と、尿素水供給装置４と、を備える。上流触媒コンバータ３１は、排気管１１のうちエンジン１の直下に設けられている。下流触媒コンバータ３３は、排気管１１のうち上流触媒コンバータ３１より下流側に設けられている。排気浄化フィルタ３２は、排気管１１のうち上流触媒コンバータ３１と下流触媒コンバータ３３との間に設けられている。これら上流触媒コンバータ３１及び下流触媒コンバータ３３には、エンジン１の排気に含まれるＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等の成分を浄化する反応を促進するための触媒が設けられている。
【００３１】
上流触媒コンバータ３１が備える上流触媒には、少なくとも三元浄化機能を有する触媒が用いられる。三元浄化機能とは、混合気の空燃比をストイキに制御したときに生成されるストイキ空燃比の排気の雰囲気下において、三元浄化反応、すなわちＨＣ及びＣＯの酸化とＮＯｘの還元とが同時に行われる反応が進行する機能を言う。このような三元浄化機能を備える触媒としては、酸化触媒や三元触媒等が挙げられる。上流触媒には、酸化触媒又は三元触媒が好ましく用いられる。
【００３２】
酸化触媒（ＤＯＣ）は、ストイキ雰囲気下では上記三元浄化反応によってＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを高効率で浄化する。酸化触媒は、混合気の空燃比をストイキよりリーン側に制御したときに生成されるリーン空燃比の排気の雰囲気下ではＨＣ及びＣＯを酸化することによって浄化するとともに、排気中のＮＯの一部をＮＯ２に酸化し、後述の下流触媒コンバータ３３におけるＮＯｘ浄化率を向上する。三元触媒（ＴＷＣ）は、この酸化触媒に酸素吸蔵放出材を付加したものに相当する。三元触媒と酸化触媒とは基本的な浄化機能は同じである。ただし三元触媒は、酸化触媒と比較すると、酸素吸蔵放出材を備えており三元浄化ウィンドウが広くなっている点で優れている。
【００３３】
排気浄化フィルタ３２は、エンジン１からの排気中の粒子状物質（Particulate  Matter、以下単に「ＰＭ」という）を捕集する。この排気浄化フィルタ３２には、堆積したＰＭをより低温から燃焼除去できるようにし、かつ排気中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等の成分を浄化するため、上述の酸化触媒や三元触媒が担持されていることが好ましい。以下では、このように触媒が担持された排気浄化フィルタ３２について、「ＣＳＦ」との略称を用いる。
【００３４】
下流触媒コンバータ３３は、ＮＨ３の存在下で排気中のＮＯｘを還元するＮＨ３選択還元触媒（以下、「ＳＣＲ触媒」という）を備える。この下流触媒コンバータ３３では、還元剤であるＮＨ３の存在下で、Ｆａｓｔ−ＳＣＲ反応（下記式（１）参照）、Ｓｔａｎｄａｒｄ−ＳＣＲ反応（下記式（２）参照）、及びＳｌｏｗ−ＳＣＲ反応（下記式（３）参照）が進行する。
ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ    （１）
４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ    （２）
６ＮＯ２＋８ＮＨ３→７Ｎ２＋１２Ｈ２Ｏ    （３）
【００３５】
なお、上記３つの反応のうちＮＯを還元する式（２）の反応は、酸素が存在するリーン空燃比下でしか進行しない。またＮＯ２を還元する式（３）やＮＯとＮＯ２を還元する式（１）に示す反応は、排気の酸素濃度がほぼ０となるストイキ又はリッチ空燃比下でも進行し得るものの、この場合、上流触媒コンバータ３１及びＣＳＦ３２では排気中のＮＯをＮＯ２に酸化する反応も進行しなくなり、ＳＣＲ触媒に流入するＮＯ２の量も減少するため、これら式（１）及び（３）の反応も進行しなくなる。したがって、ＳＣＲ触媒は、基本的にはリーン運転中であって排気の酸素濃度が十分である場合のみＮＯｘを浄化できる。
【００３６】
ＳＣＲ触媒は、尿素水から生成したＮＨ３で排気中のＮＯｘを還元する機能を有するとともに、生成したＮＨ３を所定の量だけ貯蔵する機能も有する。以下では、ＳＣＲ触媒において貯蔵されたＮＨ３量をＮＨ３ストレージ量とし、ＳＣＲ触媒において貯蔵できるＮＨ３量を最大ＮＨ３ストレージ容量とする。このようにしてＳＣＲ触媒に貯蔵されたＮＨ３は、排気中のＮＯｘの還元にも適宜消費される。このため、ＳＣＲ触媒は、ＮＨ３ストレージ量が多くなるほどＮＯｘ浄化率が高くなる特性がある。
【００３７】
尿素水供給装置４は、尿素水タンク４１と尿素水インジェクタ４２とを備える。尿素水タンク４１は、ＮＨ３の前駆体である尿素水を貯蔵する。尿素水タンク４１は、尿素水供給路４３及び図示しない尿素水ポンプを介して尿素水インジェクタ４２に接続されている。尿素水インジェクタ４２は、図示しないアクチュエータで駆動されると開閉し、尿素水タンク４１から供給される尿素水を、ＳＣＲ触媒における還元剤として排気管１１内の下流触媒コンバータ３３の上流側に噴射する。インジェクタ４２から噴射された尿素水は、排気中又は下流触媒コンバータ３３においてＮＨ３に加水分解され、ＮＯｘの還元に消費される。尿素水インジェクタ４２のアクチュエータは、ＥＣＵ７に電磁的に接続されている。ＥＣＵ７は、後に詳述するように、ＮＨ３センサ５の検出信号に基づく尿素水噴射制御によって尿素水噴射量を定め、この量の尿素水が噴射されるように尿素水インジェクタ４２を駆動する。
【００３８】
ＥＧＲ装置１３は、ＥＧＲ管１４と、ＥＧＲ制御弁１５と、図示しないＥＧＲクーラ等を含んで構成される。ＥＧＲ管１４は、排気管１１のうち上流触媒コンバータ３１より上流側と吸気管１２とを接続する。ＥＧＲ制御弁１５は、ＥＧＲ管１４に設けられ、このＥＧＲ管１４を介してエンジン１のシリンダ内に還流される排気の量（以下、「ＥＧＲ量」という）を制御する。このＥＧＲ制御弁１５を駆動するアクチュエータは、ＥＣＵ７に電磁的に接続されている。ＥＣＵ７は、図示しない処理によりＥＧＲ量（又はＥＧＲ率）の推定値と目標値を算出し、この推定値が目標値になるようにＥＧＲ制御弁１５を駆動する。
【００３９】
ＥＣＵ７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、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、空燃比を制御するための燃料噴射弁１７、ＥＧＲ制御弁１５及び吸気制御弁１６、並びに尿素水噴射制御のための尿素水インジェクタ４２等に制御信号を出力する出力回路と、を備える。
【００４０】
ＥＣＵ７には、排気浄化システム２及びエンジン１の状態を検出するためのセンサとして、Ｏ２センサ６やＮＨ３センサ５などが接続されている。
【００４１】
Ｏ２センサ６は、排気管１１のうちＣＳＦ３２と下流触媒コンバータ３３の間に設けられる。Ｏ２センサ６は、後に図２を参照して詳述するように作用し、ＣＳＦ３２と下流触媒コンバータ３３の間の排気のＯ２濃度に応じて変動する起電力を検出信号として出力する。
ＮＨ３センサ５は、排気管１１のうちＳＣＲ触媒を備える下流触媒コンバータ３３の下流側に設けられる。ＮＨ３センサ５は、後に図３を参照して詳述するように作用し、下流触媒コンバータ３３の下流側の排気のＮＨ３濃度に応じて変動する起電力を検出信号として出力する。
【００４２】
次に、図２を参照してＯ２センサ６によるＯ２濃度の検出原理について説明する。
図２は、Ｏ２センサ６の構成と、そのＯ２濃度の検出原理を模式的に示す図である。
Ｏ２センサ６は、固体電解質層６１と、この固体電解質層６１に設けられた多孔質の検知電極６２及び基準電極６３と、これら固体電解質層６１、電極６２，６３を一定の温度（例えば、６００℃程度）に保つヒータ（図示せず）と、を備える。これら検知電極６２と基準電極６３とは、図２に示すように固体電解質層６１を両面から挟むようにして設ける他、固体電解質層６１の同一の面内に互いに離して設けてもよい。
【００４３】
固体電解質層６１には、酸素イオン（Ｏ２−）導電性の材料が用いられる。より具体的には、固体電解質層６１の材料としては、例えばジルコニア（ＺｒＯ２）に酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を添加したものが用いられる。
基準電極６３と検知電極６２には、酸素（Ｏ２）に対する活性を有する同じ材料のものが用いられる。酸素に対する活性を有する材料として、より具体的には、基準電極６３と検知電極６２には、例えば白金（Ｐｔ）が用いられる。
【００４４】
また、排気管１１内の酸素濃度に応じた起電力を検出信号として電極６２，６３の間に発生させるため、検知電極６２は排気管１１内のうちＣＳＦの下流側の排気に晒されるように設け、基準電極６３は排気管１１外の大気に晒されるように設ける。なお、大気の酸素（Ｏ２）濃度は約２１％程度で一定であるのに対し、排気管１１内を流通する排気の酸素濃度は、上記大気の酸素濃度よりも低くかつエンジンの運転状態に応じて変動する。
【００４５】
図２に示すように、比較的酸素濃度が高い基準電極６３側では、大気中の酸素をイオン化する還元反応が進行する。また、この酸素の還元反応によって伝導電子が受け渡されることにより、固体電解質層６１と基準電極６３の界面は正孔（ｈ＋）で満たされるため、基準電極６３側が正極となる。基準電極６３で生成された酸素イオンは、酸素イオン導電性の固体電解質層６１を検知電極６２側へ移動する。検知電極６２側では、酸素イオンが酸素分子化する酸化反応が進行する。また、酸素イオンの酸化によって余剰電子が受け渡されることにより、検知電極６２側が負極となる。以上のように、検知電極６２を排気側に設け基準電極６３を大気側に設けると、検知電極６２を負極とし基準電極６３を正極として、下記式（４）に示すような起電力ＥＯ２が発生する。ここで、Ｐａは基準電極６３側の酸素分圧であり、Ｐｂは検知電極６２側の酸素分圧である。ｋはボルツマン定数であり、Ｔはセンサ温度（絶対温度）、ｅは電気素量である。
ＥＯ２＝（ｋＴ／４ｅ）・ｌｎ（Ｐａ／Ｐｂ）      （４）
【００４６】
次に、図２を参照してＮＨ３センサ５によるＮＨ３の検出原理について説明する。
図３は、ＮＨ３センサ５の構成とそのＮＨ３濃度の検出原理を模式的に示す図である。
ＮＨ３センサ５は、固体電解質層５１と、この固体電解質層５１に設けられた多孔質の検知電極５２及び基準電極５３と、これら固体電解質層５１、電極５２，５３からなるセンサ素子を一定の温度（例えば、６００℃程度）に保つヒータ（図示せず）を備える。これら検知電極５２と基準電極５３とは、図３に示すように固体電解質層５１を両面から挟むようにして設ける他、固体電解質層５１の同一の面内に互いに離して設けてもよい。
【００４７】
固体電解質層５１には、上記Ｏ２センサと同様に、酸素イオン導電性の材料が用いられる。より具体的には、固体電解質層５１の材料としては、ジルコニアに酸化イットリウムを添加したものが用いられる。
【００４８】
ＮＨ３センサ５に排気中のＮＨ３濃度に応じて変動する起電力を検出信号として発生する機能を発揮させるため、基準電極５３には、酸素に対する活性を有する材料が用いられ、検知電極５２には、アンモニア及び酸素に対する活性を有する基準電極５３とは異なる材料が用いられる。これら基準電極５３と検知電極５２は、上記Ｏ２センサと異なり、排気管１１のうち下流触媒コンバータ３３の下流側に同じ排気に晒されるように設けられる。これらの条件を満たすものとして、基準電極５３には例えば白金（Ｐｔ）が用いられ、検知電極５２には例えばＢｉＶＯ４が用いられる。図３には、以上のようなＮＨ３センサ５の検知電極５２及び基準電極５３を、ＮＨ３及びＯ２を含んだ排気中に晒したときに進行する反応の一例を示す。
【００４９】
基準電極５３側にはＬ酸点が形成され、下記式（５）に示すように、排気中の酸素（Ｏ２）を酸素イオン化（Ｏ２−）する還元反応が進行する。
Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−      （５）
【００５０】
一方、検知電極５２側では、Ｏ−とＨ＋が分極し強いＢ酸点が形成される。そして、このＢ酸点によって、下記式（６）に示すように、排気中のＮＨ３を選択的に酸化する反応が進行する。
３Ｏ２−＋２ＮＨ３→Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ＋６ｅ−        （６）
【００５１】
以上のように両電極５２，５３で異なる材料を用いた上で同じ排気に晒すことにより、基準電極５３と検知電極５２との間には、基準電極５３を正極とし検知電極５２を負極とし、排気中のＮＨ３濃度ＣＮＨ３、Ｏ２濃度ＣＯ２、Ｈ２Ｏ濃度ＣＨ２Ｏに応じた下記式（７）に示すような起電力ＥＮＨ３が発生する。なお、上述のように構成されたＮＨ３センサでは、Ｏ２濃度ＣＯ２及びＨ２Ｏ濃度ＣＨ２Ｏに対してＮＨ３濃度ＣＮＨ３とは逆向きの起電力を生じるようになっている。
ＥＮＨ３＝（ｋＴ／３ｅ）・ｌｎ（ＣＮＨ３）
−（ｋＴ／４ｅ）・ｌｎ（ＣＯ２）−（ｋＴ／２ｅ）・ｌｎ（ＣＨ２Ｏ）  （７）
【００５２】
また、排気中の酸素濃度が０又はその近傍まで低下すると、電極５２，５３と固体電解質層５１の界面では酸素イオンによる電子授受が進行しなくなり両電極の間の電位差が大きくなるため、検出信号の値は正側に大きく変化し最大値を示す。この時に両電極５２，５３の間に発生する起電力の大きさは、電極５２，５３と固体電解質層５１の界面における電気化学ポテンシャルに依存し、電極５２，５３及び固体電解質層５１の材料固有の値となっている。
【００５３】
図４は、混合気の空燃比をストイキよりリーン側から一時的にストイキに制御したときにおけるＯ２センサの検出信号ＥＯ２［ｍＶ］及びＮＨ３センサの検出信号ＥＮＨ３［ｍＶ］の変化を模式的に示す図である。図４では、時刻ｔ０からｔ１までの間は混合気の空燃比をストイキよりリーン側とするリーン運転を行い、時刻ｔ１からｔ２までの間は混合気の空燃比をストイキとする空燃比ストイキ制御を行い、時刻ｔ２以降は再びリーン運転を行った場合におけるＯ２センサ及びＮＨ３センサの検出信号の変化を示す図である。
【００５４】
時刻ｔ０からｔ１までのリーン運転を行っている間、排気の酸素濃度は比較的高く外気の酸素濃度に近い状態にある。したがって、Ｏ２センサの検出信号の値は、上記式（４）に示すように０近傍の小さな値となる。
【００５５】
また、ＮＨ３センサの検出信号の値は、上記式（７）に従い、その時のＮＨ３濃度、Ｏ２濃度及びＨ２Ｏ濃度に応じて、所定の範囲内を変動する。以下、リーン運転中（すなわち排気の酸素濃度が０又はほぼ０ではない時）のＮＨ３センサの検出信号の値が取り得る範囲を、通常ＮＨ３出力範囲と定義する。この通常ＮＨ３出力範囲の上限値（図４中、ＮＨ３使用上限閾値）及び下限値（図４中、ＮＨ３使用下限閾値）は、下流触媒コンバータの下流側の排気のＮＨ３濃度、Ｏ２濃度及びＨ２Ｏ濃度の変動幅に応じて予め定められる。なお、ＮＨ３濃度の変動幅は、例えば、尿素水供給装置から供給し得る尿素水の供給量や、下流触媒コンバータのＳＣＲ触媒からスリップし得るＮＨ３の量などから定められる。また、Ｏ２濃度及びＨ２Ｏ濃度についても、リーン運転時における通常の使用態様からそれぞれの変動幅を定めることができる。
【００５６】
時刻ｔ１においてストイキ制御を開始すると、程なくしてＯ２センサ及びＮＨ３センサの近傍の排気の酸素濃度が０近くなるまで急激に低下する。そうすると、Ｏ２センサの検出信号の値は、上記式（４）に従い、０近傍にあった状態から急激に上昇しほぼ最大値を示す。また、ＮＨ３センサの近傍の排気の酸素濃度が０近傍まで急激に低下することにより、ＮＨ３センサの検出信号の値は、上述の通常ＮＨ３出力範囲を超えて変化し、正側の最大値を示す。
【００５７】
時刻ｔ２においてストイキ運転からリーン運転に切り替えると、程なくしてＯ２センサ及びＮＨ３センサの近傍の排気の酸素濃度が上昇する。したがって、Ｏ２センサの検出信号の値は、時刻ｔ０〜ｔ１までの間と同様に０近傍の小さな値まで低下する。またＮＨ３センサの検出信号の値も、時刻ｔ０〜ｔ１までの間と同様に、その時のＮＨ３濃度、Ｏ２濃度及びＨ２Ｏ濃度に応じて通常ＮＨ３出力範囲内で変動する。
【００５８】
なお、図４では、混合気の空燃比をリーン側からストイキに切り替えた場合のＯ２センサ及びＮＨ３センサの検出信号の変化について説明した。これらセンサの検出信号の変化は、リーン側からストイキよりリッチ側に切り替えた場合も定性的にはほぼ同じであるが、酸素濃度がより０に近い分だけ、各検出信号の最大値も大きくなる。
【００５９】
図５は、以上のようなＯ２センサ６及びＮＨ３センサ５の検出信号に基づいて各種制御を実行するためにＥＣＵ７に構成された制御ブロックを示す図である。ＥＣＵ７には、Ｏ２センサ６及びＮＨ３センサ５からの検出信号を処理するために上流ストイキ判定部７１、下流ＮＨ３濃度算出部７２及び下流ストイキ判定部７３が構成されている。また、ＥＣＵ７には、これらブロック７１−７３における処理の結果に基づいて尿素水インジェクタ４２、触媒劣化警告灯４５、燃料噴射弁１７、吸気制御弁１６及びＥＧＲ制御弁１５などの排気浄化システムの各種装置を制御するために尿素水噴射制御部７４、フィルタ再生制御部７５、空燃比制御部７６、高ＥＧＲ制御部７７及びＳＣＲ触媒劣化判定制御部７８が構成されている。なお、触媒劣化警告灯４５は、下流触媒コンバータのＳＣＲ触媒が劣化したことを示すものであって、図示しない車両の運転席から視認できる位置に設けられている。
以下、これらブロック７１−７８における処理について説明する。
【００６０】
［上流ストイキ判定部７１］
Ｏ２センサ６の検出信号は、図４に示すように、ストイキよりリーン側からストイキ（又はストイキよりリッチ側）までの間の空燃比変動に対し、略２値的に変動する。これに対し上流ストイキ判定部７１は、Ｏ２センサ６の出力範囲内（０から所定の最大値までの間）にストイキ判定閾値（図４中一点鎖線参照）を設定し、Ｏ２センサ６の検出信号の値がこのストイキ判定閾値以上である場合にはＯ２センサ６が設けられた下流触媒コンバータの上流側の排気の空燃比はストイキ又はストイキよりリッチ側であると判定し、Ｏ２センサ６の検出信号の値がストイキ判定閾値より小さい場合にはストイキよりリーン側であると判定する。以上のように、上流ストイキ判定部７１は、Ｏ２センサ６の検出信号に基づいて、下流触媒コンバータの上流側の排気の空燃比がストイキ或いはストイキよりリッチ側であるか、又はストイキよりリーン側であるかを２値的に判定する。
【００６１】
［ＮＨ３濃度算出部７２］
ＮＨ３センサ５の検出信号は、排気のＮＨ３濃度及びＨ２Ｏ濃度を一定とした場合、ストイキよりリーン側からストイキ（又はストイキよりリッチ側）までの間の空燃比変動に対し、Ｏ２センサ６と同様に略２値的に変動する。また、リーン運転時におけるＮＨ３センサ５の検出信号の値は、排気のＮＨ３濃度等に応じて上述の通常ＮＨ３出力範囲内で変動するため、演算によってＮＨ３濃度を算出（検出）できるが、排気の空燃比がストイキよりリーン側からストイキ又はストイキよりリッチ側となった場合、ＮＨ３センサ５の検出信号は、排気のＮＨ３濃度によらず上記通常ＮＨ３出力範囲外の低酸素濃度時の固有の値となるため、原理的にＮＨ３濃度を算出できない。
【００６２】
ＮＨ３濃度算出部７２は、このようなＮＨ３センサ５の検出信号に基づいてＮＨ３濃度を算出できない期間を除外して正確にＮＨ３濃度を算出すべく、ＮＨ３センサ５の検出信号の値が通常ＮＨ３出力範囲内にあるときに、ＮＨ３センサ５の検出信号に基づいて下流触媒コンバータの下流側の排気のＮＨ３濃度を算出する。より具体的には、ＮＨ３濃度算出部７２は、後述の空燃比制御部７６によってストイキ制御を行っている期間（例えば、図４中、時刻ｔ１〜ｔ２）と、ストイキ制御を終了してリーン運転に切り替えてから所定のＮＨ３再検知判定時間が経過するまでの期間（例えば、図４中、時刻ｔ２〜ｔ３）とは、ＮＨ３センサ５の検出信号の値は、ほぼ通常ＮＨ３出力範囲内に無いと考えられ、またこの期間はＳＣＲ触媒によるＮＯｘの還元も行えず還元剤の供給制御を行う必要が無いことから、これら期間をＮＨ３検知不可期間と定義する。またＮＨ３濃度算出部７２は、これ以外の期間をＮＨ３検知期間と定義し、このＮＨ３検知期間の間でのみ、ＮＨ３センサ５の検出信号の値に基づいてＮＨ３濃度を算出する。
【００６３】
上記式（７）に示すように、ＮＨ３センサの検出信号（起電力ＥＮＨ３）は、酸素濃度に依存した項（右辺第２項）と、Ｈ２Ｏ濃度に依存した項（右辺第３項）とを含んでいる。このため、ＮＨ３センサの検出信号が通常ＮＨ３出力範囲内にある場合でも、ＮＨ３センサの検出信号の値は、下流触媒コンバータの下流側の排気のＮＨ３濃度と一価で対応付けられていない。そこでＮＨ３濃度算出部７２は、図示しない処理により、酸素濃度及びＨ２Ｏ濃度に依存した項の推定値を、図示しないセンサやエンジンの運転状態等に基づいて既知の方法で推定することにより、ＮＨ３センサの検出信号の値から下流触媒コンバータの下流側の排気のＮＨ３濃度を算出する。なお、後述の尿素水噴射制御部７４では、基本的にはＮＨ３濃度算出部７２によって算出されたＮＨ３濃度に基づいて尿素水の噴射量を制御することから、尿素水の噴射制御を行う期間とＮＨ３濃度を算出する期間とはほぼ同じになっている。
【００６４】
［下流ストイキ判定部７３］
図４に示すように、リーン運転を行っている間にストイキ制御（又はリッチ制御）を行い、排気の酸素濃度が０近傍まで低下すると、ＮＨ３センサの検出信号の値は、通常ＮＨ３出力範囲内から通常ＮＨ３出力範囲外の低酸素濃度時の固有の値に変化する。また、ストイキ制御（又はリッチ制御）を終了してリーン運転に切り替え、排気の酸素濃度が０近傍から上昇すると、ＮＨ３センサの検出信号の値は、通常ＮＨ３出力範囲外の低酸素濃度時の固有の値から、程なくして通常ＮＨ３出力範囲内の所定の値に変化する。
【００６５】
下流ストイキ判定部７３は、ＮＨ３センサ５の検出信号から低酸素濃度時の固有の自発起電力を検出した場合、ＮＨ３センサ５が設けられた下流触媒コンバータの下流側の排気の空燃比がストイキよりリーン側からストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定する。より具体的には、下流ストイキ判定部７３は、通常ＮＨ３出力範囲の外側にストイキ判定閾値を設定し、ＮＨ３センサの検出信号の値がこのストイキ判定閾値を超えて内側から外側へ変化した場合には、下流触媒コンバータの下流側の排気の空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定し、ＮＨ３センサの検出信号の値がストイキ判定閾値を超えて外側から内側へ変化した場合には、下流触媒コンバータの排気の空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側からストイキよりリーン側になったと判定する。
【００６６】
以下、上流ストイキ判定部７１及び下流ストイキ判定部７３における空燃比の判定結果、並びにＮＨ３濃度算出部７２において算出されたＮＨ３濃度を利用した、尿素水噴射制御部７４、フィルタ再生制御部７５、空燃比制御部７６、高ＥＧＲ制御部７７、及びＳＣＲ触媒劣化判定制御部７８における処理の手順について説明する。
【００６７】
［尿素水噴射制御部７４］
上述のように、ＳＣＲ触媒は、基本的にはリーン運転中であって排気の酸素濃度が十分である場合のみＮＯｘを浄化できる。この還元剤の存在下にあるＳＣＲ触媒でＮＯｘを浄化できる期間は、ＮＨ３センサの検出信号に基づいて排気のＮＨ３濃度を算出できる期間とほぼ一致する。そこで尿素水噴射制御部７４は、ＮＨ３濃度算出部７２で定めたＮＨ３検知期間の間、すなわちＮＨ３センサの検出信号の値が通常ＮＨ３出力範囲内にあり、ＮＨ３濃度が比較的正確に算出されたと考えられる期間でのみ、ＮＨ３濃度算出部７２で算出されたＮＨ３濃度に基づいて還元剤の噴射量を制御する。
【００６８】
より具体的には、尿素水噴射制御部７４は、排気のＮＨ３濃度に対して０よりもやや大きな値に目標値を設定し、ＮＨ３濃度算出部７２によって算出されるＮＨ３濃度が、上記目標値に一致した状態が維持されるように尿素水の噴射量を制御する。換言すると、尿素水噴射制御部７４は、下流触媒コンバータ３３から、ごく僅かな量のＮＨ３がスリップした状態が維持されるように尿素水の噴射量を制御する。下流触媒コンバータ３３のＳＣＲ触媒は、その温度に応じて変化する最大ＮＨ３ストレージ容量だけＮＨ３を貯蔵する能力があり、また貯蔵するＮＨ３の量が多い程ＮＯｘの還元性能が高くなる。したがって、尿素水噴射制御部７４によって、僅かな量のＮＨ３がスリップした状態が維持されるように尿素水噴射制御を行うことにより、ＮＨ３のスリップ量を最小限に留めつつ、下流触媒コンバータ３３のＮＯｘ浄化性能を高く維持できる。なお、下流触媒コンバータ３３からスリップするＮＨ３は、ＮＨ３センサ５のさらに下流側にＳＣＲ触媒や酸化触媒等を設けておき、これら触媒で適宜処理することによって、システム外にＮＨ３が排出するのを防止できる。また、ＮＨ３センサの検出信号から算出されたＮＨ３濃度に基づいて、このような尿素水噴射制御を実現するための具体的なアルゴリズムについては、例えば本願出願人による国際公開第２００８／５７６２８に記載されているので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００６９】
［フィルタ再生制御部７５］
ＣＳＦには、エンジンから排出されたＰＭが堆積する。そこでフィルタ再生制御部７５では、例えばＣＳＦにおけるＰＭの堆積量を推定又は直に検出し、この堆積量が所定の閾値を超えた場合にＣＳＦを再生する時期に達したと判断し、堆積したＰＭを燃焼し除去するフィルタ再生処理を実行する。このフィルタ再生処理は、リッチ制御を行うことにより低酸素濃度雰囲気でＣＳＦの温度をＰＭの燃焼温度まで昇温する昇温工程と、その後、リーン運転に切り替えてＣＳＦに多くの酸素を供給することによりＰＭを燃焼させる燃焼工程と、の２つの工程に大きく分けられる。以下、図６を参照して、フィルタ再生処理の昇温工程にＮＨ３センサの出力信号に基づく空燃比判定を適用した例を説明する。なお、ＰＭの堆積量は、例えばエンジンの運転状態に基づいて算出されたＰＭ排出量を積算することによって算出される。この他、ＰＭの堆積量は、ＣＳＦの前後の差圧を検出する差圧センサの出力に基づいて推定することもできる。
【００７０】
図６は、フィルタ再生処理の昇温工程の手順を示すフローチャートである。図６に示す処理は、フィルタ再生制御部７５により、フィルタの再生時期に達したことに応じて実行される。
Ｓ１では、ＣＳＦを昇温するため、混合気の空燃比をストイキよりリッチ側に制御する空燃比リッチ制御を実行し、続くＳ２では、Ｓ１の空燃比リッチ制御を開始してから経過した時間に相当するリッチ判定時間を積算する。Ｓ１の空燃比リッチ制御では、混合気の空燃比がストイキよりリッチ側に設定された所定の目標値になるように、吸気量、燃料噴射量及びＥＧＲ量等のエンジンの運転パラメータの目標値を定め、これら運転パラメータの目標値に基づいて吸気制御弁、燃料噴射弁及びＥＧＲ制御弁等を駆動制御する。ここで、各運転パラメータの目標値は、予め定められたマップを検索することで決定されたマップ値、又はこれらマップ値を後述のＳ４において補正した値が用いられる。
【００７１】
Ｓ３では、ＮＨ３センサの検出信号の値がストイキ判定閾値以上であるか否かを判別する。Ｓ３の判別がＮＯの場合には、空燃比のリッチ化が未だ十分でないと判断し、Ｓ１で定めた運転パラメータの目標値を、空燃比がよりリッチ化されるように補正し（Ｓ４）、Ｓ１に移る。Ｓ３の判別がＹＥＳの場合には、十分にリッチ化されたと判断し、Ｓ５に移る。以上のように、Ｓ１〜Ｓ４では、ＮＨ３センサの検出信号に基づいて実際の排気の空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定されるまで、混合気の空燃比をリッチ側へ補正する。
【００７２】
Ｓ５では、上記Ｓ２で積算を開始したリッチ判定時間が、予め定められた規定時間を経過したか否かを判別する。この規定時間は、ＣＳＦをＰＭの燃焼温度まで昇温するのに要する時間に相当する。Ｓ５の判別がＮＯの場合には、再び空燃比リッチ制御を実行し（Ｓ６）、リッチ判定時間を積算する（Ｓ７）。Ｓ５の判別がＹＥＳの場合には、ＣＳＦがＰＭの燃焼温度まで昇温したと判断し、この処理を終了する。
【００７３】
以上のように、ＣＳＦの昇温工程においてＮＨ３センサを利用して空燃比リッチ制御を実行することにより、例えばＯ２センサが無い場合であっても精度良く空燃比を制御でき、ひいてはＣＳＦの昇温にかかる時間を短くできる。
【００７４】
［空燃比制御部７６］
例えばエンジンが低、中負荷にある場合、リーン運転下で上記尿素水噴射制御を行うことにより、排気中のＣＯ及びＨＣはＤＯＣ及びＣＳＦにおける酸化反応によって浄化し、ＮＯｘはＮＨ３の存在下のＳＣＲ触媒における還元反応によって浄化できる。しかし高負荷になりエンジンから排出されるＮＯｘ量が増加すると、ＳＣＲ触媒のみでは十分にＮＯｘを浄化できない場合がある。そこで、空燃比制御部７６は、例えばエンジンが低、中負荷にある場合は、混合気の空燃比がストイキよりリーン側になるようにリーン運転を行い、高負荷運転時などエンジンからのＮＯｘ排出量が増加する場合には、ＤＯＣ及びＣＳＦにおける三元浄化反応を利用してＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘを浄化すべく、混合気の空燃比をストイキ又はその近傍に制御する。しかし、ＤＯＣ及びＣＳＦにおいて効率的に三元浄化反応を進行させるためには、排気管に設けられたセンサの出力に基づいて高い精度で空燃比をストイキ又はその近傍に制御する必要がある。以下、図７を参照して、このようなストイキ空燃比制御にＮＨ３センサの出力信号に基づく空燃比判定を適用した例を説明する。
【００７５】
図７は、ストイキ空燃比制御の手順を示すフローチャートである。図７に示す処理は、リーン運転を行っている間に所定のタイミングで空燃比制御部７６により実行される。
Ｓ１１では、エンジンからのＮＯｘ排出量に相関のあるパラメータの値が所定の閾値より大きいか否かを判別する。エンジンからのＮＯｘ排出量に相関のあるパラメータの値とは、ＮＯｘ排出量の推定値、エンジンの要求トルク値、又は図示平均有効圧値などが挙げられる。ＮＯｘ排出量の推定値は、燃料噴射量や回転数などエンジンの運転状態を示す複数のパラメータを引数として、既知の演算式や制御マップから算出される。エンジンの要求トルク値は、例えば図示しないアクセル開度センサの出力に基づいて算出される。また、図示平均有効圧は、例えば図示しない筒内圧センサの出力に基づいて算出される。Ｓ１１の判別がＮＯの場合、リーン運転を継続すべくこの処理を終了する。
【００７６】
Ｓ１１の判別がＹＥＳの場合、Ｓ１２に移り、ＤＯＣ及びＣＳＦにおいて三元浄化反応によって排気を浄化すべく空燃比ストイキ制御を実行する。この空燃比ストイキ制御では、混合気の空燃比がストイキになるように、吸気量、燃料噴射量及びＥＧＲ量等のエンジンの運転パラメータのそれぞれの目標値を定め、これら運転パラメータの目標値に基づいて吸気制御弁、燃料噴射弁、及びＥＧＲ制御弁等を駆動制御する。ここで、運転パラメータの目標値は、予め定められたマップを検索することで決定されたマップ値、又はこれらマップ値を後述のＳ１４又はＳ１５において補正した値が用いられる。
【００７７】
Ｓ１３では、ＮＨ３センサの検出信号の値がストイキ判定閾値以上であるか否かを判別する。Ｓ１３の判別がＮＯの場合には、運転パラメータの目標値を、空燃比がよりリッチ化される様に補正し（Ｓ１４）、Ｓ１１に移る。Ｓ１３の判別がＹＥＳの場合には、運転パラメータの目標値を、空燃比がよりリーン化されるように補正し（Ｓ１５）、Ｓ１１に移る。
【００７８】
以上のように、ＮＨ３センサの検出信号に応じて空燃比をリッチ化したりリーン化したりすることにより、ＮＨ３センサの検出信号の値がストイキ判定閾値以上の状態（ストイキよりリッチ側）と、ＮＨ３センサの検出信号の値がストイキ判定閾値を下回った状態（ストイキよりリーン側）とが交互に実現され、結果として混合気の空燃比がストイキに近似的に制御される。
【００７９】
［高ＥＧＲ制御部７７］
ディーゼルエンジンの燃焼技術の１つとして、通常燃焼時よりもＥＧＲガスが多くなるようにＥＧＲ制御弁を制御することによりＮＯｘ排出量やＰＭ排出量を低減する技術が知られている。ＥＧＲガスの量を多くすると空燃比はリッチ方向へ変化する傾向があるため、このような高ＥＧＲ制御を行う場合は、空燃比がリッチ方向へ変化しすぎないようにＥＧＲガスの量を制御する必要がある。以下、図８を参照して、このような高ＥＧＲ制御にＮＨ３センサの検出信号に基づく空燃比判定を適用した例を説明する。
【００８０】
図８は、高ＥＧＲ制御の手順を示すフローチャートである。図８に示す処理は、高ＥＧＲ制御部７７により、所定のタイミングで実行される。
Ｓ２１では、所定の高ＥＧＲ制御実行条件を満たしているか否かを判別する。Ｓ２１の判別がＹＥＳの場合にはＳ２２に移り、ＮＯの場合にはこの処理を直ちに終了する。Ｓ２２では、高ＥＧＲ制御を実行し、Ｓ２３に移る。Ｓ２２の高ＥＧＲ制御では、ＥＧＲ量の目標値を定め、この目標値に基づいてＥＧＲ制御弁を駆動制御する。ここで、ＥＧＲ量の目標値は、高ＥＧＲ制御用に予め定められたマップを検索することで決定されたマップ値、又はこのマップ値を後述のＳ３において補正した値が用いられる。なお、このマップによれば、ＥＧＲ量の目標値は、混合気の空燃比が弱リーン（ストイキよりややリーン側）になるように定められる。
【００８１】
Ｓ２３では、ＮＨ３センサの検出信号の値がストイキ判定閾値以上であるか否かを判別する。Ｓ２３の判別がＮＯであり、排気の空燃比がストイキよりリーン側である場合にはＳ２１に移る。Ｓ２３の判別がＹＥＳであり、排気の空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側である場合には、空燃比がリッチ方向に変化しすぎていると判断し、ＥＧＲ量の目標値を減量側に補正し（Ｓ２４）、Ｓ２１に移る。
以上のように、ＮＨ３センサの検出信号に応じてＥＧＲ量を減量側に補正することにより、空燃比を弱リーンに維持しながら高ＥＧＲ制御を実行できる。
【００８２】
［ＳＣＲ触媒劣化判定制御部７８］
上述のように、ＳＣＲ触媒は、基本的には酸素を多く含んだ排気が流れるリーン運転でのみＮＯｘを浄化できる。このため、例えばリーン運転からストイキ又はリッチ運転に切り替えた際、過渡的に上記式（２）の反応を進行させるため、下流触媒コンバータ３３には、排気中の酸素を吸蔵したり放出したりする酸素吸蔵放出材（ＯＳＣ材）が設けられる場合がある。ＯＳＣ材としては、例えば酸化セリウム（ＣｅＯ２）が用いられる。このようにＳＣＲ触媒にＯＳＣ材を含めると、ＳＣＲ触媒にかかる熱負荷とＯＳＣ材にかかる熱負荷が等しくなることから、ＯＳＣ材の劣化度合いとＳＣＲ触媒の劣化度合いとを関連付けることができる。
【００８３】
ＳＣＲ触媒劣化判定制御部７８は、下流ストイキ判定部７３による空燃比の判定結果を利用してＯＳＣ材の酸素吸蔵放出機能の低下を検出することにより、間接的にＳＣＲ触媒の浄化性能の低下を判定し、この判定結果に応じて触媒劣化警告灯４５を点灯する。以下、図９を参照して、ＳＣＲ触媒劣化判定制御部７８における処理の手順を説明する。
【００８４】
図９は、ＳＣＲ触媒劣化判定制御の手順を示すフローチャートである。図９に示す処理は、リーン運転を行っている間に所定のタイミングでＳＣＲ触媒劣化判定制御部７８によって実行される。
Ｓ３１では、一定期間にわたり排気の酸素濃度を低下させるため、混合気の空燃比をストイキよりリッチ側に制御する空燃比リッチ制御を実行する。この空燃比リッチ制御では、混合気の空燃比がストイキよりリッチ側に設定された所定の目標値になるように、吸気量、燃料噴射量及びＥＧＲ量等のエンジンの運転パラメータの目標値を定め、これら運転パラメータの目標値に基づいて吸気制御弁、燃料噴射弁及びＥＧＲ制御弁等を駆動制御する。ここで、各運転パラメータの目標値は、例えば予め定められたマップを検索することで決定されたマップ値が用いられる。
【００８５】
Ｓ３２では、上流ストイキ判定部により下流触媒コンバータの上流側の排気の空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定されたか否か、すなわち上流ストイキ判定部によりＯ２センサの検出信号の値がストイキ判定閾値以上になったと判定されたか否かを判別する。Ｓ３２の判別がＮＯの場合にはＳ３１に移り、空燃比リッチ制御を継続して実行する。Ｓ３２の判別がＹＥＳの場合には、Ｓ３３に移る。Ｓ３３では、下流触媒コンバータの上流側の排気の空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側になってから経過した時間に相当するリッチ判定時間を積算し、Ｓ３４に移る。Ｓ３４では、下流ストイキ判定部により下流触媒コンバータの下流側の排気の空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定されたか否か、すなわち下流ストイキ判定部によりＮＨ３センサの検出信号の値がストイキ判定閾値以上になったと判定されたか否かを判別する。Ｓ３４の判別がＮＯの場合には、Ｓ３１に移り、空燃比リッチ制御を継続して実行する。Ｓ３４の判別がＹＥＳの場合には、下流触媒コンバータの上流側に引き続き下流側の排気の空燃比もストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判断し、Ｓ３５に移る。
【００８６】
Ｓ３５では、Ｓ３２で積算したリッチ判定時間が、ＳＣＲ触媒の劣化度合いを判定するために設定された劣化判定閾値以上であるか否かを判別する。このリッチ判定時間は、Ｓ３１において空燃比リッチ制御を開始した後、Ｏ２センサの検出信号に基づいて下流触媒コンバータの上流側の排気の空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定されてから、ＮＨ３センサの検出信号に基づいて下流触媒コンバータの下流側の排気の空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定されるまでにかかった時間に相当する。下流触媒コンバータに設けられたＯＳＣ材の劣化が進み、その酸素吸蔵放出機能が低下するほどリッチ判定時間は短くなることから、このリッチ判定時間はＳＣＲ触媒の劣化度合いを判定するための目安となる。Ｓ３５の判別がＹＥＳの場合には、ＳＣＲ触媒は正常であると判定し（Ｓ３６）、この処理を終了する。Ｓ３５の判別がＮＯの場合には、ＳＣＲ触媒は劣化した状態であると判定し、触媒劣化警告灯を点灯し（Ｓ３７）、この処理を終了する。
【００８７】
以上、本発明の一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。
例えば、上記式（７）に示すように、ＮＨ３センサの電極間に発生する起電力はセンサ温度Ｔに比例している。このため、通常ＮＨ３出力範囲や、酸素濃度が０又はその近傍まで低下したときに発生する起電力の大きさもセンサ温度Ｔによって変化する。したがって、通常ＮＨ３出力範囲や、ＮＨ３センサの検出信号に基づいて排気の空燃比を判定するためのストイキ判定閾値については、センサ温度に応じて変化させてもよい。なお、センサ温度は、センサ素子のヒータ電流や排気温度等に基づいて推定することができる。
【００８８】
なお、図９に示す例では、Ｏ２センサの検出信号に基づいて下流触媒コンバータの上流側の排気の空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側になったと判定されたことに応じて、リッチ判定時間の積算を開始したが、リッチ判定時間の積算の始期はこれに限らない。空燃比リッチ制御を開始してから下流触媒コンバータの上流側の排気の空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側になるまでにかかる時間は、予め行われた実験等に基づいて推定することもできる。したがって、Ｏ２センサを備えないシステムでは、下流触媒コンバータの上流側の排気の空燃比がストイキ又はストイキよりリッチ側になるタイミングを推定し、これに応じてリッチ判定時間の積算を開始しても、上記図８に示す処理とほぼ同じ効果を奏する。
【符号の説明】
【００８９】
１…エンジン（内燃機関）
１１…排気管（排気通路）
１３…ＥＧＲ装置（ＥＧＲ装置）
２…排気浄化システム
３３…下流触媒コンバータ（ＳＣＲ触媒）
４…尿素水供給装置（還元剤供給装置）
３１…上流触媒コンバータ（上流触媒）
３２…排気浄化フィルタ（上流触媒）
５…ＮＨ３センサ（アンモニアセンサ）
５３…基準電極
５２…検知電極
５１…固体電解質層
７２…ＮＨ３濃度算出部（アンモニア濃度算出手段）
７３…下流ストイキ判定部（ストイキ判定手段）
７４…尿素水噴射制御部（還元剤供給量制御手段）
７６…空燃比制御部（空燃比制御手段）
７７…高ＥＧＲ制御部（ＥＧＲ制御手段）
７８…ＳＣＲ触媒劣化判定制御部（触媒劣化判定手段）
【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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