(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、還元剤の存在下で排気中のＮＯｘを浄化しかつこの還元剤を吸着する第１選択還元触媒と、
前記排気通路のうち前記第１選択還元触媒より下流側に設けられた第２選択還元触媒と、
前記排気通路のうち前記第１選択還元触媒より上流側に還元剤又はその前駆体を供給する還元剤供給手段と、
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排気の還元剤濃度又は還元剤量を検出する還元剤検出手段と、
前記第１選択還元触媒に流入するＮＯｘ量を取得する第１ＮＯｘ流入量取得手段と、
前記第２選択還元触媒に流入したＮＯｘ量を推定又は検出する第２ＮＯｘ流入量取得手段と、
前記内燃機関の運転状態に基づいて前記第２選択還元触媒のＮＯｘ浄化率を推定する第２ＮＯｘ浄化率推定手段と、を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
前記第２選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率及び前記第２選択還元触媒に流入したＮＯｘ量に基づいて、当該流入した量のＮＯｘを前記第２選択還元触媒により浄化するために消費された還元剤の量を推定する第２還元剤消費量推定手段と、
前記還元剤検出手段の出力値に対する目標値を、前記消費量に応じた０より大きな値に設定する目標値設定手段と、
前記第１ＮＯｘ流入量取得手段によって取得されるＮＯｘ量との比が１になるように定められた主供給量を、前記還元剤検出手段の出力値が所定の目標値になるように補正することによって前記還元剤供給手段による還元剤又は前駆体の供給量を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システム。
【請求項２】
内燃機関の排気通路に設けられ、還元剤の存在下で排気中のＮＯｘを浄化しかつこの還元剤を吸着する第１選択還元触媒と、
前記排気通路のうち前記第１選択還元触媒より下流側に設けられた第２選択還元触媒と、
前記排気通路のうち前記第１選択還元触媒より上流側に還元剤又はその前駆体を供給する還元剤供給手段と、
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排気の還元剤濃度又は還元剤量を検出する還元剤検出手段と、
前記第１選択還元触媒に流入するＮＯｘ量を取得する第１ＮＯｘ流入量取得手段と、
前記第２選択還元触媒に流入したＮＯｘ量を推定又は検出する第２ＮＯｘ流入量取得手段と、
前記内燃機関の運転状態に基づいて前記第２選択還元触媒のＮＯｘ浄化率を推定する第２ＮＯｘ浄化率推定手段と、を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
前記第２選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率及び前記第２選択還元触媒に流入したＮＯｘ量に基づいて、当該流入した量のＮＯｘを前記第２選択還元触媒により浄化するために消費された還元剤の量を推定する第２還元剤消費量推定手段と、
前記還元剤検出手段の出力値に対する目標値を設定する目標値設定手段と、
前記第１ＮＯｘ流入量取得手段によって取得されるＮＯｘ量との比が１になるように定められた主供給量を、前記還元剤検出手段の出力値が所定の目標値になるように補正することによって前記還元剤供給手段による還元剤又は前駆体の供給量を決定する還元剤供給量決定手段と、
前記第２選択還元触媒における還元剤のストレージ量を推定する第２ストレージ量推定手段と、を備え、
前記目標値設定手段は、前記ストレージ量が所定量未満である場合には前記目標値を消費量に応じた０より大きな第１目標値とし、前記ストレージ量が前記所定量以上である場合には前記第１目標値より小さくかつ０近傍の第２目標値とす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】
前記内燃機関の運転状態に基づいて前記第２選択還元触媒における還元剤の目標ストレージ量を設定する第２目標ストレージ量設定手段をさらに備え、
前記所定量は前記目標ストレージ量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】
前記内燃機関の運転状態に基づいて前記第１選択還元触媒のＮＯｘ浄化率を推定する第１ＮＯｘ浄化率推定手段をさらに備え、
前記第２ＮＯｘ流入量取得手段は、前記第１ＮＯｘ流入量取得手段によって取得されたＮＯｘ量及び前記第１ＮＯｘ浄化率推定手段によって取得されたＮＯｘ浄化率を用いて前記第２選択還元触媒に流入したＮＯｘ量を推定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。
【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、還元剤の存在下で排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する選択還元触媒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）等の還元剤により排気中のＮＯｘを選択的に還元する選択還元触媒を排気通路に設けたものが提案されている。例えば、尿素添加式の排気浄化システムでは、選択還元触媒の上流側からアンモニア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アンモニアを生成し、このアンモニアにより排気中のＮＯｘを選択的に還元する。このような尿素添加式のシステムの他、例えば、アンモニアカーバイトのようなアンモニアの化合物を加熱することでアンモニアを生成し、このアンモニアを直接添加するシステムも提案されている。以下では、尿素添加式のシステムについて説明する。
【０００３】
このような選択還元触媒には、アンモニアの存在下で排気中のＮＯｘを浄化するとともに、ＮＯｘの還元に供されなかったアンモニアを吸着する能力がある。すなわち、選択還元触媒に流入するＮＯｘ量に対し尿素水の供給量が多い場合、ＮＯｘの還元に供されずに余剰となったアンモニアは選択還元触媒に吸着され、逆に選択還元触媒に流入するＮＯｘ量に対し尿素水の供給量が少ない場合、選択還元触媒に吸着されていたアンモニアがＮＯｘの還元に供される。したがって、尿素水の供給量を増減することにより、選択還元触媒におけるアンモニアのストレージ量を制御することができる。
【０００４】
また、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率を高くするには、できるだけ多くの量のアンモニアが吸着されていることが好ましいものの、選択還元触媒で吸着できるアンモニアの量には限界がある。選択還元触媒にこの限界量を超えるアンモニアが供給されると、吸着しきれなかったアンモニアは下流側へ排出されてしまう。近年では、このようなＮＯｘ浄化率の向上とアンモニアスリップの抑制とを両立することを目的とした排気浄化システムが提案されている。
【０００５】
例えば特許文献１の排気浄化システムでは、第１選択還元触媒と第２選択還元触媒との２つの選択還元触媒を排気通路に直列に設け、これら触媒の間に設けられたアンモニアセンサの出力値に基づいて尿素水の噴射量を決定する。このシステムによれば、第１選択還元触媒に貯蔵可能な量のアンモニアが貯蔵された状態を維持しそのＮＯｘ浄化性能を最大にしつつ、第１選択還元触媒から排出されたアンモニアをその下流側の第２選択還元触媒で吸着するか又はＮＯｘの還元に消費することにより、テールパイプからアンモニアが排出されるのを抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００９／１２８１６９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記特許文献１に示されたシステムでは、その図２６に示すように、第２選択還元触媒のストレージ量の推定値ＮＨ３２ＢＥＤ＿ＳＴが所定値ＮＨ３ＣＯＮＳ＿ＯＰＴ以下である場合にはアンモニアセンサの出力値ＮＨ３ＣＯＮＳに対する目標値を所定の最適値ＮＨ３ＣＯＮＳ＿ＯＰＴに設定し、ストレージ量の推定値ＮＨ３２ＢＥＤ＿ＳＴが上記ＮＨ３ＣＯＮＳ＿ＯＰＴより大きくなった場合には第２選択還元触媒のストレージ量の過剰な増加を抑制するため、目標値を上記ＮＨ３ＣＯＮＳ＿ＯＰＴよりも小さな値ＮＨ３ＣＯＮＳ＿ＬＯＷに設定し第２選択還元触媒に流入するアンモニアの量を少なくする。
【０００８】
このように、上記特許文献１のシステムでは、第２選択還元触媒のストレージ量が大きくなった場合にはアンモニアセンサの目標値を小さく設定し、第１選択還元触媒から排出されるアンモニアの量を少なくすることにより、第２選択還元触媒のストレージ量の過剰な増加、ひいてはテールパイプからのアンモニアの排出を抑制できる。しかしながら、この技術のようにストレージ量に応じて略２値的に目標値を切り替えるのみでは、常に最適な量のアンモニアが貯蔵されるように第２選択還元触媒の状態を維持できるわけではなく、したがって第２選択還元触媒のＮＯｘ浄化性能は最大限に活かされているとはいえなかった。
【０００９】
本発明は、テールパイプからの還元剤の排出を抑制しつつ、下流側の第２選択還元触媒によるＮＯｘ浄化性能を最大限に活かしきることができる内燃機関の排気浄化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気通路（例えば、後述の排気管１１）に設けられ、還元剤の存在下で排気中のＮＯｘを浄化しかつこの還元剤を吸着する第１選択還元触媒（例えば、後述の第１選択還元触媒２３１）と、前記排気通路のうち前記第１選択還元触媒より下流側に設けられた第２選択還元触媒（例えば、後述の第２選択還元触媒２３２）と、前記排気通路のうち前記第１選択還元触媒より上流側に還元剤又はその前駆体を供給する還元剤供給手段（例えば、後述のユリア噴射装置２５）と、前記第２選択還元触媒に流入したＮＯｘ量を推定又は検出する第２ＮＯｘ流入量取得手段（例えば、後述の第２ＮＯｘ流入量推定部５１１、又はＮＯｘセンサなど）と、前記内燃機関の運転状態に基づいて前記第２選択還元触媒のＮＯｘ浄化率を推定する第２ＮＯｘ浄化率推定手段（例えば、後述の第２ＮＯｘ浄化率推定部５１６）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。この排気浄化システムは、前記第２選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率（η２ｎｄ）及び前記第２選択還元触媒に流入したＮＯｘ量（ＱＮＯ２ｎｄ，ＱＮＯ２２ｎｄ）に基づいて、当該流入した量のＮＯｘを前記第２選択還元触媒により浄化するために消費された還元剤の量を推定する第２還元剤消費量推定手段（例えば、後述の第２ＮＨ３消費量推定部５１５）と、前記推定された還元剤の消費量（ＱＮＨ３ｃｏｎｓ）と等量の還元剤が前記第２選択還元触媒に再吸着されるように、前記消費量に基づいて前記還元剤供給手段による還元剤又は前駆体の供給量（ＧＵＲＥＡ＿ＦＢ、ひいてはＧＵＲＥＡ）を決定する還元剤供給量決定手段（例えば、後述の、目標ＮＨ３濃度決定部５２及びスライディングモードコントローラ５３）と、を備える。
【００１１】
本発明では、内燃機関の運転状態に応じて変化する第２選択還元触媒のＮＯｘ浄化率を推定し、この第２選択還元触媒に流入したＮＯｘ量を推定又は検出し、さらにこれらＮＯｘ浄化率及び流入したＮＯｘ量に基づいて第２選択還元触媒における還元剤の消費量を推定する。そして、ここで推定した還元剤の消費量と等量の還元剤が第２選択還元触媒に再吸着されるように、上記推定した消費量に基づいて還元剤又は前駆体の供給量を決定する。このように、第２選択還元触媒において実際に消費された分を再び補うようにして、新たに供給する還元剤又は前駆体の供給量を決定することにより、第２選択還元触媒における還元剤のストレージ量が過剰に増加してしまい、その下流側へ還元剤が排出されるのを抑制することができる。また、消費した分だけ再吸着させることにより、第２選択還元触媒における還元剤のストレージ量が過剰に低下してしまい、そのＮＯｘ浄化率が低下するのを抑制することができる。
また、第２選択還元触媒を第１選択還元触媒の下流側に設けたので、還元剤は、第２選択還元触媒へ、第１選択還元触媒で貯蔵可能な量を超えて供給されて初めて流入することとなる。したがって、第２選択還元触媒に対して、消費した分の還元剤が再吸着するように還元剤又は前駆体の供給量を決定することにより、第１選択還元触媒には貯蔵可能な量の還元剤を貯蔵させ続けることができるので、第１選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率も高く維持できる。
【００１２】
この場合、前記第２選択還元触媒における還元剤のストレージ量を推定する第２ストレージ量推定手段（例えば、後述の第２ストレージ量推定部５２１）と、前記内燃機関の運転状態に基づいて前記第２選択還元触媒における還元剤の目標ストレージ量を設定する第２目標ストレージ量設定手段（例えば、後述の第２目標ストレージ量設定部５２３）と、をさらに備え、前記還元剤供給量決定手段は、前記推定された還元剤のストレージ量（ＳＴ２ｎｄ）が前記設定された目標ストレージ量（ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤ）未満である場合には、前記推定された還元剤の消費量（ＱＮＨ３ｃｏｎｓ）と等量の還元剤が前記第２選択還元触媒に再吸着されるように、前記消費量（ＱＮＨ３ｃｏｎｓ）に基づいて前記還元剤供給手段による還元剤又は前駆体の供給量（ＧＵＲＥＡ，ＧＵＲＥＡ＿ＦＢ）を決定し、前記推定された還元剤のストレージ量（ＳＴ２ｎｄ）が前記設定された目標ストレージ量（ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤ）以上である場合には、前記推定された還元剤の消費量（ＱＮＨ３ｃｏｎｓ）より少ない量の還元剤が前記第２選択還元触媒に再吸着されるように、前記還元剤供給手段による還元剤又は前駆体の供給量（ＧＵＲＥＡ，ＧＵＲＥＡ＿ＦＢ）を決定することが好ましい。
【００１３】
本発明では、第２選択還元触媒における還元剤のストレージ量を推定するとともに、内燃機関の運転状態に基づいてストレージ量に対する目標ストレージ量を設定する。そして、ストレージ量が目標ストレージ量未満であり、ストレージ量に余裕があると判断できる場合には、上述のように消費量と等量の還元剤が再吸着されるように還元剤又は前駆体の供給量を決定する。また、ストレージ量が目標ストレージ量以上であり、ストレージ量に余裕が無いと判断できる場合には、上記消費量より少ない量の還元剤が再吸着されるように還元剤又は前駆体の供給量を決定することにより、第２選択還元触媒のストレージ量を目標ストレージ量へ向けて低下させる。これにより、第２選択還元触媒のストレージ量を目標ストレージ量の近傍に制御できるので、そのＮＯｘ浄化率を高く維持しつつ、またテールパイプから過剰な量の還元剤が排出するのを抑制することができる。
【００１４】
この場合、前記推定された還元剤のストレージ量（ＳＴ２ｎｄ）が前記設定された目標ストレージ量（ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤ）以上である場合には、前記第２選択還元触媒に再吸着される還元剤の量が０又は０近傍の所定量になるように、前記消費量に基づいて前記還元剤供給手段による還元剤又は前駆体の供給量（ＧＵＲＥＡ，ＧＵＲＥＡ＿ＦＢ）を決定することが好ましい。
【００１５】
本発明によれば、第２選択還元触媒のストレージ量が上記目標ストレージ量以上である場合には、第２選択還元触媒に再吸着される還元剤の量が０又は０近傍の所定値になるように、すなわち第２選択還元触媒のストレージ量が確実に低下するように、還元剤又は前駆体の供給量を決定する。これにより、テールパイプから還元剤が排出されないように、速やかにストレージ量を低下させることができる。
【００１６】
この場合、前記排気浄化システムは、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排気の還元剤濃度又は還元剤量を検出する還元剤検出手段（例えば、後述のＮＨ３センサ２６）をさらに備え、前記還元剤供給量決定手段は、前記還元剤検出手段の出力値（ＶＮＨ３）が所定の目標値（ＶＮＨ３ＣＭＤ）になるように前記還元剤供給手段による還元剤又は前駆体の供給量を決定するフィードバック制御手段（例えば、後述のスライディングモードコントローラ５３）と、前記還元剤検出手段の出力値に対する目標値を、前記消費量に応じた０より大きな値に設定する目標値設定手段（例えば、後述の目標ＮＨ３濃度決定部５２）と、を含むことが好ましい。
【００１７】
本発明によれば、第１選択還元触媒と第２選択還元触媒の間に設けられた還元剤検出手段の出力値に基づくフィードバック制御を行うことにより、第２選択還元触媒に流入する排気中のアンモニアの量をより正確に把握できるので、より確実に第２選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率を高く維持しつつ、かつテールパイプからのアンモニアの排出を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジン及びその排気浄化システムの構成を示す模式図である。
【図２】ＥＣＵに構成された尿素水噴射量の決定に係るブロック図である。
【図３】補正噴射量決定部の第２消費量推定部の構成を示すブロック図である。
【図４】補正噴射量決定部の目標ＮＨ３濃度決定部の構成を示すブロック図である。
【図５】第２消費量推定部及び目標ＮＨ３濃度決定部における、各パラメータの変化の一例を示すタイムチャートである。
【図６】第２選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量の推定値と、目標ＮＨ３濃度決定部により決定された目標値との関係を示すタイムチャートである。
【図７】切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥの設定テーブルを示す図である。
【図８】尿素水噴射量を決定する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】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関（以下「エンジン」という）１及びその排気浄化システム２の構成を示す模式図である。エンジン１は、リーンバーン運転方式のガソリンエンジン又はディーゼルエンジンであり、図示しない車両に搭載されている。
【００２０】
排気浄化システム２は、エンジン１の排気管１１に設けられた酸化触媒２１と、排気管１１に設けられ、排気中のスートを捕集するＣＳＦ（Ｃａｔａｌｙｚｅｄ  Ｓｏｏｔ  Ｆｉｌｔｅｒ）２２と、排気管１１に設けられ、この排気管１１を流通する排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元剤としてのアンモニア（ＮＨ３）の存在下で浄化するユリア選択還元触媒２３と、排気管１１のうちユリア選択還元触媒２３の上流側に、ＮＨ３の前駆体である尿素水を供給するユリア噴射装置２５と、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）３とを含んで構成される。
【００２１】
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管１１内に噴射する。すなわち、ユリア噴射制御が実行される。
【００２２】
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管１１内に噴射する。すなわち、ユリア噴射制御が実行される。
【００２３】
酸化触媒２１は、排気管１１のうちＣＳＦ２２よりも上流側に設けられ、排気中のＨＣ及びＣＯを酸化し浄化する他、排気中のＮＯをＮＯ２に変換する。
ＣＳＦ２２は、排気管１１のうち酸化触媒２１よりも下流側に設けられ、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素を主成分とするＰＭを、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。また、このフィルタ壁には、酸化触媒が塗布されているため、上述の酸化触媒２１と同様に、排気中のＣＯ、ＨＣ、及びＮＯを酸化する機能を有する。
これら酸化触媒２１及びＣＳＦ２２をユリア選択還元触媒２３の上流側に設けることにより、ユリア選択還元触媒２３に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比（ＮＯとＮＯ２を合わせたＮＯｘに対するＮＯ２のモル比）は、そのＮＯｘ浄化率が最大となる最適値（例えば、０．５）近傍に制御される。
【００２４】
ユリア選択還元触媒２３は、第１選択還元触媒２３１と、排気管１１のうち第１選択還元触媒２３１よりも下流側に設けられた第２選択還元触媒２３２とを含んで構成される。これら選択還元触媒２３１，２３２は、それぞれ、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、ユリア噴射装置２５により尿素水を噴射すると、この尿素水は、排気の熱により熱分解又は加水分解されて還元剤としてのＮＨ３が生成される。生成されたＮＨ３は、選択還元触媒２３１，２３２に供給され、これらＮＨ３により、排気中のＮＯｘが選択的に還元される。
【００２５】
ところで、これら選択還元触媒２３１，２３２は、尿素水から生成した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を吸着し所定の量だけ貯蔵する機能も有する。本実施形態では、選択還元触媒２３１，２３２において吸着されたＮＨ３量をストレージ量といい、このストレージ量の限界を最大ストレージ容量という。このようにして吸着されたＮＨ３は、排気中のＮＯｘの還元にも適宜消費される。このため、ストレージ量が大きくなるに従い、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率は高くなる。
【００２６】
また、エンジンから排出されたＮＯｘの量に対し尿素水の供給量が少ない場合等には、吸着されたＮＨ３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が、各々の最大ストレージ容量を超えてＮＨ３が生成された場合、生成されたＮＨ３は、選択還元触媒２３１，２３２の下流側へ排出される。
【００２７】
以上のようなエンジン１及び排気浄化システム２の状態を検出するため、ＥＣＵ３には、ＮＨ３センサ２６、排気温度センサ２７、ＮＯｘセンサ２８、エアフローメータ２９、クランク角度位置センサ１４等が接続されている。
【００２８】
ＮＨ３センサ２６は、排気管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ＮＨ３濃度を検出し、検出したＮＨ３濃度に略比例した出力信号ＶＮＨ３をＥＣＵ３に供給する。排気温度センサ２７は、第２選択還元触媒２３２の下流側の排気の温度を検出し、検出した温度に略比例した出力信号を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の濃度を検出し、検出したＮＯｘ濃度に略比例した出力信号ＶＮＯｘをＥＣＵ３に供給する。エアフローメータ２９は、図示しない吸気通路を流通する吸入空気量（質量流量）を検出し、検出した吸入空気量に略比例した出力信号をＥＣＵ３に供給する。
【００２９】
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、所定クランク角ごとにパルスを発生し、そのパルス信号をＥＣＵ３に供給する。エンジン１の回転数ＮＥは、このパルス信号に基づいてＥＣＵ３により算出される。酸化触媒２１やＣＳＦ２２の温度（以下、まとめてＣＳＦ温度とする）ＴＣＳＦ、及び第１、第２選択還元触媒の温度（以下、まとめて選択還元触媒温度とする）ＴＳＣＲなど排気系の温度は、例えば排気温度センサの出力値、及びエンジン回転数ＮＥなどの入力に基づいて、ＥＣＵ３により算出される。また、排気流量Ｇｅｘは、吸入空気量に略比例したエアフローメータの出力値やエンジン回転数ＮＥなどに基づいて、ＥＣＵ３により算出される。
【００３０】
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及びユリア噴射弁２５３等に制御信号を出力する出力回路と、を備える。
【００３１】
図２は、ＥＣＵに構成された尿素水噴射量ＧＵＲＥＡの決定に係るブロック図である。
本実施形態では、下記式（１）に示すように、フィードフォワード噴射量決定部４により算出されたＦＦ噴射量ＧＵＲＥＡ＿ＦＦに、補正噴射量決定部５により算出された補正噴射量ＧＵＲＥＡ＿ＦＢを加算することにより、尿素水噴射量ＧＵＲＥＡを決定する。
【数１】
0005837312.tif 000002
【００３２】
ここで、記号（ｋ）は、離散化した時間を示す記号であり、所定の制御周期ごとに検出又は算出されたデータであることを示す。すなわち、記号（ｋ）が今回の制御タイミングにおいて検出又は算出されたデータであるとした場合、記号（ｋ−１）は前回の制御タイミングにおいて検出又は算出されたデータであることを示す。なお、以下の説明においては、記号（ｋ）を適宜、省略する。また、以下の説明における単位時間とは、ＥＣＵにおける一制御周期に相当するものとする。
【００３３】
フィードフォワード噴射量決定部４は、第１、第２選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率が最大値に維持されるように、ＮＯｘセンサの出力値ＶＮＯｘに基づいて予め設定されたマップを検索することによりＦＦ噴射量ＧＵＲＥＡ＿ＦＦを決定する。すなわち、このＦＦ噴射量ＧＵＲＥＡ＿ＦＦは、当量比αが１になるように算出された尿素水の噴射量に相当する。
【００３４】
ここで、尿素水の当量比αとは、単位時間当りの尿素水の流入量（ＮＨ３として流入する分も含む）と、単位時間当りのＮＯｘの流入量との比（尿素水流入量／ＮＯｘ流入量）である。選択還元触媒に流入するＮＯｘに対し、このＮＯｘを過不足なく還元できる量の尿素水が流入した場合、この当量比αは１となる。すなわち、対象とする選択還元触媒に流入するＮＯｘに対し、流入するＮＯｘを還元するために必要な量の尿素水が供給されなかった場合、当量比αは１より小さな値となり、流入するＮＯｘを還元するために必要な量より多くの尿素水が供給された場合、当量比αは１より大きな値となる。
【００３５】
補正噴射量決定部５は、第２消費量推定部５１と、目標ＮＨ３濃度決定部５２と、スライディングモードコントローラ５３と、を含んで構成される。
第２消費量推定部５１は、第２選択還元触媒に流入したＮＯｘについて、これを浄化するために第２選択還元触媒で消費されたＮＨ３の量を推定する。目標ＮＨ３濃度決定部５２は、第２消費量推定部５１により推定されたＮＨ３の消費量に基づいて、第２選択還元触媒に流入する排気のＮＨ３濃度の目標値、すなわちＮＨ３センサの出力値ＶＮＨ３に対する目標値ＶＮＨ３ＣＭＤを決定する。スライディングモードコントローラ５３は、ＮＨ３センサの出力値ＶＮＨ３が、決定された目標値ＶＮＨ３ＣＭＤの近傍に収束するように補正噴射量ＧＵＲＥＡ＿ＦＢを決定する。以下、これら補正噴射量決定部５を構成する各ブロックの構成について、順に詳細に説明する。
【００３６】
図３は、第２消費量推定部５１の構成を示すブロック図である。
第２消費量推定部５１は、図３に示すように、第１選択還元触媒からその下流側へ排出したＮＯｘ量、すなわち単位時間当りに第２選択還元触媒に流入したＮＯｘ量（ＮＯ量とＮＯ２量とを合わせた量）を推定する第２ＮＯｘ流入量推定部５１１と、この流入した量のＮＯｘを第２選択還元触媒により浄化するために単位時間当りに消費されたＮＨ３の量を推定する第２ＮＨ３消費量推定部５１５と、で構成される。
【００３７】
第２ＮＯｘ流入量推定部５１１は、第１選択還元触媒に流入したＮＯ量及びＮＯ２量を推定する第１ＮＯｘ流入量推定部５１２と、エンジンの運転状態に基づいて第１選択還元触媒のＮＯｘ浄化率を推定する第１ＮＯｘ浄化率推定部５１３と、を含んで構成される。
【００３８】
第１ＮＯｘ流入量推定部５１２は、第１選択還元触媒に流入した排気のＮＯ２−ＮＯｘ比を推定するとともに、推定したＮＯ２−ＮＯｘ比及び単位時間当りに第１選択還元触媒に流入したＮＯｘ量ＱＮＯｘ１ｓｔなどに基づいて、単位時間当りに第１選択還元触媒に流入したＮＯ量の推定値ＱＮＯ１ｓｔ及びＮＯ２量の推定値ＱＮＯ２１ｓｔを算出する。ここで、第１選択還元触媒に流入した排気のＮＯ２−ＮＯｘ比は、例えば、ＣＳＦ温度ＴＳＣＦや酸化触媒及びＣＳＦにおける排気の空間速度ＳＶなどにより算出される。ここで、酸化触媒及びＣＳＦにおける排気の空間速度ＳＶとしては、例えば排気流量Ｇｅｘ及びこれら酸化触媒及びＣＳＦの容量に基づいて算出されたものが用いられる。また、単位時間当りに第１選択還元触媒に流入したＮＯｘ量ＱＮＯｘ１ｓｔは、排気のＮＯｘ濃度に略比例したＮＯｘセンサの出力値ＶＮＯｘに排気流量Ｇｅｘを乗算するなどして、濃度［ｐｐｍ］を単位とした値から量［ｇ］を単位とした値へ単位変換することで得られた値が用いられる。
【００３９】
第１ＮＯｘ浄化率推定部５１３は、選択還元触媒温度ＴＳＣＲ、選択還元触媒における排気の空間速度ＳＶ、及び第１選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量の推定値ＳＴ１ｓｔなどに基づいて、予め定められたマップを検索することにより第１選択還元触媒のＮＯｘ浄化率の推定値η１ｓｔを算出する。ＮＯｘ浄化率の推定値η１ｓｔは、空間速度ＳＶが高くなるほど小さな値に設定され、またＮＨ３ストレージ量の推定値ＳＴ１ｓｔが大きくなるほど大きな値に設定される。また、選択還元触媒温度ＴＳＣＲが所定の活性温度範囲内又はその近傍にあるときには大きな値に設定され、上記活性温度範囲から離れるに従い小さな値になるように設定される。ここで、選択還元触媒における排気の空間速度ＳＶとしては、例えば排気流量Ｇｅｘ及び選択還元触媒の容量により算出されたものが用いられる。また、第１選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量の推定値ＳＴ１ｓｔとしては、従来既知のアルゴリズムに基づいて推定された値が用いられる。より具体的には、例えば、本願出願人による国際公開第２００９／１２８１６９号において図１６〜図２１を参照して説明されているアルゴリズムが用いられる。
【００４０】
単位時間当りに第２選択還元触媒に流入したＮＯ量の推定値ＱＮＯ２ｎｄは、図３に示すように、単位時間当りに第１選択還元触媒に流入したＮＯ量の推定値ＱＮＯ１ｓｔから、単位時間当りに第１選択還元触媒で還元されたＮＯ量（ＱＮＯ１ｓｔ×η１ｓｔ）を減算することにより算出される。また、単位時間当りに第２選択還元触媒に流入したＮＯ２量の推定値ＱＮＯ２２ｎｄは、単位時間当りに第１選択還元触媒に流入したＮＯ２量の推定値ＱＮＯ２１ｓｔから、単位時間当りに第１選択還元触媒で還元されたＮＯ２量（ＱＮＯ２１ｓｔ×η１ｓｔ）を減算することにより算出される。
【００４１】
第２ＮＨ３消費量推定部５１５は、エンジンの運転状態に基づいて第２選択還元触媒のＮＯｘ浄化率を推定する第２ＮＯｘ浄化率推定部５１６と、還元反応演算部５１７と、を含んで構成される。
【００４２】
第２ＮＯｘ浄化率推定部５１６は、選択還元触媒温度ＴＳＣＲ、選択還元触媒における排気の空間速度ＳＶ、及び第２選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量ＳＴ２ｎｄに基づいて、予め定められたマップを検索することにより第２選択還元触媒のＮＯｘ浄化率の推定値η２ｎｄを算出する。ＮＯｘ浄化率の推定値η２ｎｄは、空間速度ＳＶが高くなるほど小さな値に設定され、またＮＨ３ストレージ量の推定値ＳＴ２ｎｄが大きくなるほど大きな値になるように設定される。また、選択還元触媒温度ＴＳＣＲが所定の活性温度範囲内又はその近傍にあるときには大きな値に設定され、上記活性温度範囲から離れるに従い小さな値になるように設定される。なお、この第２ＮＯｘ浄化率推定部５１６において、第２選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量の推定値ＳＴ２ｎｄの具体的な値としては、例えば、後述の目標ＮＨ３濃度決定部５２において算出された値が用いられる。
【００４３】
また、第２選択還元触媒に流入したＮＯ及びＮＯ２のうち、単位時間当りに第２選択還元触媒において還元されたＮＯ量及びＮＯ２量は、単位時間当りに第２選択還元触媒に流入したＮＯ量及びＮＯ２量の推定値ＱＮＯ２ｎｄ，ＱＮＯ２２ｎｄにＮＯｘ浄化率の推定値η２ｎｄを乗算することで算出される。
【００４４】
還元反応演算部５１７は、下記式（２−１）〜（２−３）に示すような反応の下でＮＨ３によりＮＯ及びＮＯ２が還元されると仮定し、第２選択還元触媒に流入したＮＯ及びＮＯ２を第２選択還元触媒により還元するために単位時間当りに消費されたＮＨ３量の推定値ＱＮＨ３ｃｏｎｓを、単位時間当りに第２選択還元触媒で還元されたＮＯ量及びＮＯ２量から算出する。式（２−１）に示す反応は、排気中のＮＯとＮＯ２とを同時に還元する反応であり、Ｆａｓｔ  ＳＣＲ（Ｓｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｒｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）と称される。式（２−２）に示す反応は、排気中のＮＯのみを還元する反応であり、Ｓｔａｎｄａｒｄ  ＳＣＲと称される。式（２−３）に示す反応は、排気中のＮＯ２のみを還元する反応であり、Ｓｌｏｗ  ＳＣＲと称される。なお、これら３種類の反応の反応速度は異なっており、式（２−１）のＦａｓｔ  ＳＣＲが最も速く、式（２−２）のＳｔａｎｄａｒｄ  ＳＣＲが最も遅くなっている。
【数２】
0005837312.tif 000003
【００４５】
還元反応演算部５７１では、例えば第２選択還元触媒で還元されたＮＯ量とＮＯ２量とが等しい場合には、式（２−１）に示す反応のみによりＮＨ３が消費されたと仮定することにより推定値ＱＮＨ３ｃｏｎｓを算出する。第２選択還元触媒で消費されたＮＯ量がＮＯ２量より多い場合には、ＮＯとＮＯ２の等量分は式（２−１）に示す反応によりＮＨ３が消費されたと仮定し、さらにＮＯの余剰分は式（２−２）に示す反応によりＮＨ３が消費されたと仮定することにより推定値ＱＮＨ３ｃｏｎｓを算出する。また、第２選択還元触媒で消費されたＮＯ２量がＮＯ量より多い場合には、ＮＯとＮＯ２の等量分は式（２−１）に示す反応によりＮＨ３が消費されたと仮定し、さらにＮＯ２の余剰分は式（２−３）に示す反応によりＮＨ３が消費されたと仮定することにより推定値ＱＮＨ３ｃｏｎｓを算出する。
【００４６】
以上、本実施形態では単位時間当りに第２選択還元触媒に流入したＮＯｘ量を、第２ＮＯｘ流入量推定部５１１により推定したが、これに限らずＮＯｘセンサを用いて検出するようにしてもよい。すなわち、上記第２ＮＯｘ流入量推定部５１１に替えて、第１選択還元触媒と第２選択還元触媒の間の排気のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを新たに設け、このＮＯｘセンサの出力値に基づいて単位時間当りに第２選択還元触媒に流入したＮＯｘ量を算出するようにしてもよい。なお、現存するＮＯｘセンサは、ＮＯｘだけでなくＮＨ３に対する検出能も有するため、ＮＯｘセンサの出力値からＮＨ３センサの出力値を減算するなどの処理を施しておくことが好ましい。
【００４７】
図４は、目標ＮＨ３濃度決定部５２の構成を示すブロック図である。
目標ＮＨ３濃度決定部５２は、図４に示すように、第２選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量の推定値ＳＴ２ｎｄを算出する第２ストレージ量推定部５２１と、エンジンの運転状態に基づいて第２選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量に対する目標値ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤを設定する第２目標ストレージ量設定部５２３と、これらＮＨ３ストレージ量の推定値ＳＴ２ｎｄとその目標値ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤに応じてＮＨ３センサの出力値に対する目標値ＶＮＨ３ＣＭＤを決定するＮＨ３センサ目標値決定部５２７と、を含んで構成される。
【００４８】
第２ストレージ量推定部５２１は、単位時間当りに第２選択還元触媒に流入したＮＨ３量ＱＮＨ３２ｎｄから、単位時間当りに第２選択還元触媒で消費されたＮＨ３量の推定値ＱＮＨ３ｃｏｎｓを減算した値ＱＮＨ３２ｎｄ−ＱＮＨ３ｃｏｎｓを積算することにより、第２選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量の推定値ＳＴ２ｎｄを算出する。なお、この第２ストレージ量推定部５２１における上記積算演算では、後述の第２最大ストレージ容量推定部５２４により算出された第２選択還元触媒の最大ストレージ容量ＳＴ２ｎｄ＿ｍａｘを上限値とし、０を下限値とする。また、単位時間当りに第２選択還元触媒に流入したＮＨ３量ＱＮＨ３２ｎｄは、排気のＮＨ３濃度に略比例したＮＨ３センサの出力値ＶＮＨ３に排気流量Ｇｅｘを乗算するなどして、濃度［ｐｐｍ］を単位とした値から量［ｇ］を単位とした値へ単位変換することで得られた値が用いられる。
【００４９】
第２目標ストレージ量設定部５２３は、第２最大ストレージ容量推定部５２４と許容ファクタ設定部５２５と、を含んで構成される。
第２最大ストレージ容量推定部５２４は、選択還元触媒温度ＴＳＣＲに基づいて、予め定められたマップを検索することにより、第２選択還元触媒の最大ＮＨ３ストレージ容量の推定値ＳＴ２ｎｄ＿ｍａｘを算出する。推定値ＳＴ２ｎｄ＿ｍａｘは、選択還元触媒温度ＴＳＣＲが高くなるに従い小さな値になるように設定される。
【００５０】
許容ファクタ設定部５２５は、選択還元触媒で貯蔵できるＮＨ３の最大量に対し実際に貯蔵されているＮＨ３の量の割合をストレージ率と定義し、選択還元触媒温度ＴＳＣＲに基づいて予め定められたマップを検索することにより、第２選択還元触媒に対し許容できるストレージ率の上限値を設定する。すなわち、第２選択還元触媒では、その最大ストレージ容量を超えた量のＮＨ３が流入し、下流側へ排出されてしまった場合には、そのままテールパイプから車両外へ排出されてしまうことになるため、第１選択還元触媒とは異なり、上述のようなストレージ率の上限値を設定することでＮＨ３ストレージ量に余裕を持たせておくことが好ましい。また、許容ファクタ設定部５２５では、選択還元触媒温度ＴＳＣＲが高くなり、上述のように最大ＮＨ３ストレージ容量が小さくなるに従い大きな値になるように設定される。
【００５１】
そして、第２選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量に対する目標値ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤは、最大ＮＨ３ストレージ容量の推定値ＳＴ２ｎｄ＿ｍａｘに、許容ファクタ設定部５２５により設定されたストレージ率の上限値を乗算することにより算出される。
【００５２】
ＮＨ３センサ目標値決定部５２７は、第２選択還元触媒において単位時間当りに消費された分のＮＨ３を再吸着させるために第２選択還元触媒に供給する必要のある排気のＮＨ３濃度ＶＮＨ３ｃｏｎｓと、このＮＨ３濃度ＶＮＨ３ｃｏｎｓより小さくかつ０より大きな値に設定された所定の下限値ＶＮＨ３Ｌ（０＜ＶＮＨ３Ｌ＜ＶＮＨ３ｃｏｎｓ）との２つの値のうち、何れかを目標値ＶＮＨ３ＣＭＤとして決定する。なお、上記ＮＨ３濃度ＮＨ３ｃｏｎｓは、単位時間当りに第２選択還元触媒において消費されたＮＨ３量の推定値ＱＮＨ３ｃｏｎｓに排気流量Ｇｅｘを除算するなどして、量［ｇ］を単位とした値から濃度［ｐｐｍ］を単位とした値へ単位変換することで得られた値が用いられる。
【００５３】
ＮＨ３センサ目標値決定部５２７では、下記式（３）に示すように、第２選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量に対する目標値ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤと、ＮＨ３ストレージ量の推定値ＳＴ２ｎｄとを比較し、推定値ＳＴ２ｎｄが目標値ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤ未満である場合には、上述のように消費した量ＱＮＨ３ｃｏｎｓを単位変換することで算出されたＮＨ３濃度ＶＮＨ３ｃｏｎｓをＮＨ３センサの目標値ＶＮＨ３ＣＭＤとして決定する。以上のようにして目標値ＶＮＨ３ＣＭＤを設定した上で、後述のスライディングモードコントローラによりＮＨ３センサの出力値ＶＮＨ３がこの目標値ＶＮＨ３ＣＭＤに収束するように補正噴射量ＧＵＲＥＡ＿ＦＢを決定することにより、消費した量と等量のＮＨ３を第２選択還元触媒に再吸着させることができる。
また、推定値ＳＴ２ｎｄが目標値ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤ以上である場合には、上述のようにＮＨ３濃度ＶＮＨ３ｃｏｎｓより小さくかつ０より大きな値に設定された下限値ＶＮＨ３ＬをＮＨ３センサの目標値ＶＮＨ３ＣＭＤとして決定する。これにより、上記消費した量ＱＮＨ３ｃｏｎｓよりも少ない量のＮＨ３が第２選択還元触媒に再吸着させ、したがって第２選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量の推定値ＳＴ２ｎｄを目標値ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤに向けて徐々に低下させることができる。特にこの下限値ＶＮＨ３Ｌを０の近傍の量に設定することにより、第２選択還元触媒に再吸着されるＮＨ３の量を０又は０の近傍にできるので、第２選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量の推定値ＳＴ２ｎｄを目標値ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤに向けて速やかに減少させることができる。
【数３】
0005837312.tif 000004
【００５４】
図５は、以上のように構成された第２消費量推定部５１及び目標ＮＨ３濃度決定部５２における、各パラメータ（第１選択還元触媒に流入するＮＯｘ量ＱＮＯｘ１ｓｔ、第１選択還元触媒のＮＯｘ浄化率η１ｓｔ、第１選択還元触媒から第２選択還元触媒にスリップするＮＯ量ＱＮＯ２ｎｄ及びＮＯ２量ＱＮＯ２２ｎｄ、ＮＨ３センサ目標値ＶＮＨ３ＣＭＤ）の変化の一例を示すタイムチャートである。
【００５５】
図５に示すように、エンジンが中負荷にある状態から高負荷に移行すると、第１選択還元触媒に流入するＮＯｘ量が増加する（ＱＮＯｘ１ｓｔ増加）。また、このとき、排気の空間速度が高くなることにより、第１選択還元触媒のＮＯｘ浄化率が低下する（η１ｓｔ減少）。そして、第１選択還元触媒に流入するＮＯｘ量が増加しかつ浄化率が低下することにより、第１選択還元触媒から第２選択還元触媒にスリップするＮＯｘ量は増加する（ＱＮＯ２ｎｄ，ＱＮＯ２２ｎｄ増加）。
このように、第２選択還元触媒に流入するＮＯｘ量が増加すると、これを還元するために第２選択還元触媒で消費されたＮＨ３量ＱＮＨ３ｃｏｎｓも増加するため、ここで消費されたＮＨ３を第２選択還元触媒に再吸着させるべく、ＮＨ３センサの出力値ＶＮＨ３に対する目標値ＶＮＨ３ＣＭＤがより大きな値に設定される。
【００５６】
また逆に、エンジンが中負荷にある状態から低負荷に移行すると、第１選択還元触媒に流入するＮＯｘ量が減少し（ＱＮＯｘ１ｓｔ減少）、第１選択還元触媒のＮＯｘ浄化率が上昇する（η１ｓｔ上昇）。そして、第１選択還元触媒に流入するＮＯｘ量が減少しかつ浄化率が上昇することにより、第１選択還元触媒から第２選択還元触媒にスリップするＮＯｘ量は減少する（ＱＮＯ２ｎｄ，ＱＮＯ２２ｎｄ減少）。
このように、第２選択還元触媒に流入するＮＯｘ量が減少すると、これを還元するために第２選択還元触媒で消費されたＮＨ３量ＱＮＨ３ｃｏｎｓも減少するため、ＮＨ３センサの出力値ＶＮＨ３に対する目標値ＶＮＨ３ＣＭＤがより小さな値に設定される。
【００５７】
図６は、第２選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量の推定値ＳＴ２ｎｄ（下段）と、目標ＮＨ３濃度決定部により決定された目標値ＶＮＨ３ＣＭＤ（上段）との関係を示すタイムチャートである。
図６に示すように、第２選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量の目標値ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤは、最大ストレージ容量ＳＴ２ｎｄ＿ｍａｘに対し、ストレージ率の上限値を乗算した分だけ小さな値に設定される。このように、目標値ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤと最大ストレージ容量ＳＴ２ｎｄ＿ｍａｘとの間に余裕を持たせることにより、急加速や急昇温等により第１選択還元触媒から過剰な量のＮＨ３が排出された場合であっても、テールパイプから排出されないように第２選択還元触媒に吸着させることができる。
【００５８】
また、上記式（３）に示すように、第２選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量の推定値ＳＴ２ｎｄがその目標値ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤ未満である場合には、第２選択還元触媒において消費した分のＮＨ３が再吸着されるように、ＮＨ３センサの目標値ＶＮＨ３ＣＭＤは、単位時間当りのＮＨ３消費量ＱＮＨ３ｃｏｎｓに応じた値に設定される。そして、第２選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量の推定値ＳＴ２ｎｄがその目標値ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤ以上である場合には、ＮＨ３ストレージ量を減少させるべく、ＮＨ３センサの目標値ＶＮＨ３ＣＭＤは、ＮＨ３消費量ＱＮＨ３ｃｏｎｓによらず下限値ＶＮＨ３Ｌに設定される。
【００５９】
図２に戻って、スライディングモードコントローラ５３の構成について説明する。
スライディングモードコントローラ５３は、ＮＨ３センサの出力値ＶＮＨ３が、上記設定された目標値ＶＮＨ３ＣＭＤの近傍に収束するように、補正噴射量ＧＵＲＥＡ＿ＦＢを決定する。以下詳細に説明するように、本実施形態では、ＮＨ３センサの出力値ＶＮＨ３の目標値ＶＮＨ３ＣＭＤへの収束速度を設定できる応答指定型制御により補正噴射量ＧＵＲＥＡ＿ＦＢを決定するが、この他、従来既知のフィードバックアルゴリズムを用いてもよい。
【００６０】
先ず、下記式（４）に示すように、ＮＨ３センサの検出値ＶＮＨ３と目標値ＶＮＨ３ＣＭＤとの偏差を算出し、これをスリップ量偏差ＥＮＨ３として定義する。
【数４】
0005837312.tif 000005
【００６１】
次に、所定のＶＰＯＬＥ設定テーブルに基づいて、出力値ＶＮＨ３に応じた切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥを算出する。さらに、下記式（５）に示すように、このＶＰＯＬＥ（ｋ）とスリップ量偏差の前回値ＥＮＨ３（ｋ−１）との積と、スリップ量偏差の現在値ＥＮＨ３（ｋ）との和を算出し、これを切換関数σ（ｋ）として定義する。
【数５】
0005837312.tif 000006
【００６２】
例えば、横軸を偏差の前回値ＥＮＨ３（ｋ−１）とし、縦軸を誤差の現在値ＥＮＨ３（ｋ）とした位相平面を定義すると、式（５）で定義される切換関数σ（ｋ）が０となる偏差ＥＮＨ３（ｋ）とＥＮＨ３（ｋ−１）の組み合わせは、傾きが−ＶＰＯＬＥの切換直線となる。また、この切換直線上では、−ＶＰＯＬＥを１より小さく０より大きい値に設定することにより、ＥＮＨ３（ｋ−１）＞ＥＮＨ３（ｋ）となるので、偏差ＥＮＨ３は、０に収束することとなる。すなわち、切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥは、誤差ＥＮＨ３の収束性を指定するパラメータとなっている。
【００６３】
図７は、切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥの設定テーブルを示す図である。ここで、横軸はＮＨ３センサの出力値ＶＮＨ３（ｋ）を示し、縦軸は切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥ（ｋ）を示す。本実施形態では、決定された目標値ＶＮＨ３ＣＭＤを含むように、出力値ＶＮＨ３に対し０より大きな領域に範囲［ＶＮＨ３ＣＭＤ＿Ｌ，ＶＮＨ３ＣＭＤ＿Ｈ］を設定する。そして、出力値ＶＮＨ３が上記範囲内にある場合には、切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥを−１近傍の低収束値（例えば、−０．９５）に設定することにより、出力値ＶＮＨ３が上記範囲内を漂うように制御する。また、出力値ＶＮＨ３が上記範囲の上限値ＶＮＨ３ＣＭＤ＿Ｈより大きい場合には、切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥを、上記低収束値よりも大きな値に設定された中収束値（例えば、−０．４）に設定し、出力値ＶＮＨ３が上記範囲の下限値ＶＮＨ３ＣＭＤ＿Ｌより小さい場合には、切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥを、上記中収束値よりもさらに大きな値に設定された高収束値（例えば、−０．２）に設定することにより、出力値ＶＮＨ３が上記範囲内に速やかに収束するように制御する。
【００６４】
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ＵＲＣＨ（ｋ）、非線形入力ＵＮＬ（ｋ）、及び適応則入力ＵＡＤＰ（ｋ）を算出し、さらに下記式（６）に示すように、これらＵＲＣＨ（ｋ）、ＵＮＬ（ｋ）、及びＵＡＤＰ（ｋ）の和を算出し、これを補正噴射量ＧＵＲＥＡ＿ＦＢ（ｋ）として定義する。
【数６】
0005837312.tif 000007
【００６５】
到達則入力ＵＲＣＨ（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（７）に示すように、切換関数σ（ｋ）に所定の到達則制御ゲインＫＲＣＨを乗算することで算出される。
【数７】
0005837312.tif 000008
【００６６】
非線形入力ＵＮＬ（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（８）に示すように、ｓｉｇｎ（σ（ｋ））に所定の非線形入力ゲインＫＮＬ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。
【数８】
0005837312.tif 000009
【００６７】
適応則入力ＵＡＤＰ（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（９）に示すように、切換関数σ（ｋ）と所定の適応則ゲインＫＡＤＰを乗算したものと、適応則入力の前回値ＵＡＤＰ（ｋ−１）との和により算出される。
【数９】
0005837312.tif 000010
【００６８】
図８は、尿素水噴射量ＧＵＲＥＡを決定する手順を示すフローチャートである。この処理は、以上のようなＥＣＵにより上記制御周期ごとに実行される。
Ｓ１では、排気浄化システムが正常であるか否かを判別する。より具体的には、例えば、ユリア噴射装置が正常であるか否か、第１、第２選択還元触媒が劣化又は故障していないか否か、ユリアタンク内の尿素水の残量が規定値以上であるか否か、エンジン始動後の暖機が完了しているか否か、ＮＨ３センサ、ＮＯｘセンサ、排気温度センサなど各種センサが故障していないか否か、及びこれらセンサが活性に達しているか否か、などが判別される。Ｓ１の判別がＮＯであり装置が正常でないと判別された場合にはＳ２に移り、尿素水の供給を停止し、すなわち尿素水噴射量ＧＵＲＥＡを０に設定した後に、この処理を終了する。Ｓ１の判別がＹＥＳである場合にはＳ３に移る。
【００６９】
Ｓ３では、尿素水噴射が可能な状態であるか否かを判別する。ここで、尿素水噴射が可能でない場合とは、例えば、選択還元触媒の温度が低く尿素水を噴射しても選択還元触媒によるＮＯｘの還元が見込めない場合や、排気温度が低く尿素水を噴射してもＮＨ３に加水分解されない場合などが挙げられる。この判別がＮＯである場合にも、Ｓ２に移り、尿素水の供給を停止し、この処理を終了する。
【００７０】
Ｓ３における判別がＹＥＳである場合には、Ｓ４においてＦＦ噴射量ＧＵＲＥＡ＿ＦＦを決定し（図２のフィードフォワード噴射量決定部４参照）、Ｓ５において第１、第２選択還元触媒のＮＯｘ浄化率の推定値η１ｓｔ，η２ｎｄなどを算出し（図３の第１ＮＯｘ浄化率推定部５１３及び第２ＮＯｘ浄化率推定部５１６など参照）、Ｓ６において第２選択還元触媒で単位時間の間に消費されたＮＨ３量の推定値ＱＮＨ３ｃｏｎｓを算出する（図３の還元反応演算部５１７参照）。
【００７１】
Ｓ７では、第２選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量の推定値ＳＴ２ｎｄが、その目標値ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤ未満であるか否かを判別する（上記式（３）参照）。この判別がＹＥＳであり、ＮＨ３ストレージ量の推定値ＳＴ２ｎｄが目標値ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤ未満である場合には、Ｓ８に移り、ＮＨ３センサの目標値ＶＮＨ３ＣＭＤを、第２選択還元触媒において消費されたＮＨ３量ＱＮＨ３ｃｏｎｓに応じて設定された濃度ＶＮＨ３ｃｏｎｓに設定する。この判別がＮＯであり、ＮＨ３ストレージ量の推定値ＳＴ２ｎｄが目標値ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤ以上である場合には、Ｓ９に移り、ＮＨ３センサの目標値ＶＮＨ３ＣＭＤを、下限値ＶＮＨ３Ｌに設定する。
【００７２】
以上のようにしてＮＨ３センサの目標値ＶＮＨ３ＣＭＤを設定した後、Ｓ１０においてこの目標値ＶＮＨ３ＣＭＤにＮＨ３センサの出力値ＶＮＨ３が収束するように補正噴射量ＧＵＲＥＡ＿ＦＢを算出し（図２のスライディングモードコントローラ５３参照）、Ｓ１１においてこの補正噴射量ＧＵＲＥＡ＿ＦＢとＦＦ噴射量ＧＵＲＥＡ＿ＦＦとを合算したものを尿素水噴射量ＧＵＲＥＡとして決定し、この処理を終了する。
【００７３】
本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）本実施形態では、エンジンの運転状態に応じて変化する第２選択還元触媒のＮＯｘ浄化率の推定値η２ｎｄを算出し、この第２選択還元触媒に流入したＮＯ量及びＮＯ２量の推定値ＱＮＯ２ｎｄ，ＱＮＯ２２ｎｄを算出し、さらにこれら推定値η２ｎｄ，ＱＮＯ２ｎｄ，ＱＮＯ２２ｎｄに基づいて第２選択還元触媒におけるＮＨ３の消費量の推定値ＱＮＨ３ｃｏｎｓを算出する。そして、ここで推定したＮＨ３の消費量と等量のＮＨ３が第２選択還元触媒に再吸着されるように、上記推定値ＱＮＨ３ｃｏｎｓに基づいて補正噴射量ＧＵＲＥＡ＿ＦＢひいては尿素水噴射量ＧＵＲＥＡを決定する。このように、第２選択還元触媒において実際に消費された量を再び補うようにして、新たに供給する尿素水噴射量ＧＵＲＥＡを決定することにより、第２選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量が過剰に増加してしまい、その下流側へＮＨ３が排出されるのを抑制することができる。また、消費した分だけ再吸着させることにより、第２選択還元触媒のＮＨ３ストレージ量が過剰に低下してしまい、そのＮＯｘ浄化率が低下するのを抑制することができる。
また、第２選択還元触媒を第１選択還元触媒の下流側に設けたので、ＮＨ３は、第２選択還元触媒へ、第１選択還元触媒で貯蔵可能な量を超えて供給されて初めて流入することとなる。したがって、第２選択還元触媒に対して、消費した分のＮＨ３が再吸着するように尿素水噴射量ＧＵＲＥＡを決定することにより、第１選択還元触媒には貯蔵可能な量の還元剤を貯蔵させ続けることができるので、第１選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率も高く維持できる。
【００７４】
（２）本実施形態では、第２選択還元触媒におけるＮＨ３ストレージ量の推定値ＳＴ２ｎｄを算出するとともに、エンジンの運転状態に基づいてストレージ量ＳＴ２ｎｄに対する目標ストレージ量ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤを設定する。そして、ストレージ量ＳＴ２ｎｄが目標ストレージ量ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤ未満であり、ストレージ量に余裕があると判断できる場合には、上述のように消費量の推定値ＱＮＨ３ｃｏｎｓと等量のＮＨ３が再吸着されるように補正噴射量ＧＵＲＥＡ＿ＦＢを決定する。また、ストレージ量ＳＴ２ｎｄが目標ストレージ量ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤ以上であり、ストレージ量に余裕が無いと判断できる場合には、上記消費量の推定値ＱＮＨ３ｃｏｎｓより少ない量のＮＨ３が再吸着されるように補正噴射量ＧＵＲＥＡ＿ＦＢを決定することにより、第２選択還元触媒のストレージ量ＳＴ２ｎｄを目標ストレージ量ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤへ向けて低下させる。これにより、第２選択還元触媒のストレージ量ＳＴ２ｎｄを目標ストレージ量ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤの近傍に制御できるので、そのＮＯｘ浄化率を高く維持しつつ、またテールパイプから過剰な量の還元剤が排出するのを抑制することができる。
【００７５】
（３）本実施形態によれば、第２選択還元触媒のストレージ量ＳＴ２ｎｄが上記目標ストレージ量ＳＴ２ｎｄ＿ＣＭＤ以上である場合には、第２選択還元触媒に再吸着されるＮＨ３の量が０又は０近傍の所定値になるように、すなわち第２選択還元触媒のストレージ量ＳＴ２ｎｄが確実に低下するように、補正噴射量ＧＵＲＥＡ＿ＦＢを決定する。これにより、テールパイプから還元剤が排出されないように、速やかにストレージ量ＳＴ２ｎｄを低下させることができる。
【００７６】
（４）本実施形態によれば、第１選択還元触媒と第２選択還元触媒の間に設けられたＮＨ３センサの出力値ＶＮＨ３に基づくフィードバック制御を行うことにより、第２選択還元触媒に流入する排気中のＮＨ３の量をより正確に把握できるので、より確実に第２選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率を高く維持しつつ、かつテールパイプからのアンモニアの排出を抑制できる。
【００７７】
上記実施形態では、アンモニアを還元剤とし、かつこの前駆体として尿素水を供給する尿素添加式の排気浄化システムに、本発明を適用した例を示したが、これに限るものではない。
例えば、尿素水を供給しこの尿素水からアンモニアを生成せずに、直接アンモニアを供給してもよい。また、アンモニアの前駆体としては、尿素水に限らず他の添加剤を用いてもよい。また、ＮＯｘを還元するための還元剤はアンモニアに限るものではない。本発明は、ＮＯｘを還元するための還元剤として、アンモニアの代わりに、例えば炭化水素を用いた排気浄化システムに適用することもできる。
【符号の説明】
【００７８】
１…エンジン（内燃機関）
２…排気浄化システム
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…ＮＨ３センサ（還元剤検出手段）
３…ＥＣＵ
５…補正噴射量決定部
５１…第２消費量推定部
５１１…第２ＮＯｘ流入量推定部（第２ＮＯｘ流入量取得手段）
５１５…第２ＮＨ３消費量推定部（第２還元剤消費量推定手段）
５１６…第２ＮＯｘ浄化率推定部（第２ＮＯｘ浄化率推定手段）
５２…目標ＮＨ３濃度決定部（還元剤供給量決定手段、目標値設定手段）
５２１…第２ストレージ量推定部（第２ストレージ量推定手段）
５２３…第２目標ストレージ量設定部（第２目標ストレージ量設定手段）
５３…スライディングモードコントローラ（還元剤供給量決定手段、フィードバック制御手段）
【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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