JP5918096B2 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。より詳しくは、ＮＨ_３やＨＣなどの還元剤の存在下で排気中のＮＯｘを還元する選択還元触媒を備えた排気浄化システムに関する。

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、ＮＨ_３やＨＣ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ＮＨ_３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ＮＨ_３を生成し、このＮＨ_３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ＮＨ_３を生成し、このＮＨ_３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。

このような選択還元触媒には、排気中のＮＯｘの還元に供されなかったＮＨ_３を貯蔵する能力がある。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ＮＨ_３は選択還元触媒に貯蔵され、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、選択還元触媒に貯蔵されていたＮＨ_３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ＮＨ_３の貯蔵量を制御することができる。

ＮＯｘ浄化の観点からは、選択還元触媒にできるだけ多くのＮＨ_３が貯蔵されていることが好ましいものの、選択還元触媒で貯蔵できるＮＨ_３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ＮＨ_３が供給されると、飽和したＮＨ_３は下流側へ排出されてしまうこととなる。以下、これをＮＨ_３スリップ又は還元剤スリップという。

特許文献１には、このようなＮＨ_３スリップを抑制する技術が開示されている。選択還元触媒の最大ＮＨ_３貯蔵可能量は、選択還元触媒の温度が高くなるに従って小さくなることから、選択還元触媒の温度の上昇に伴ってＮＨ_３は飽和しやすくなる。そこで、特許文献１の技術では、選択還元触媒の温度の上昇が予想される場合には、将来の選択還元触媒の予測温度に基づいて将来生じ得るＮＨ_３スリップ量を算出し、この将来のＮＨ_３スリップを相殺するように現在の尿素水の供給量を本来の供給量から低減している。

特表２００９−５１０３３３号公報

しかしながら、選択還元触媒の温度が上昇しているからといって、直ちにＮＨ_３スリップが発生するとはいえない。すなわち、選択還元触媒の温度が上昇すれば、その最大ＮＨ_３貯蔵可能量が低下するためＮＨ_３スリップの発生の可能性は高くなるといえるが、このとき選択還元触媒に流入するＮＯｘ量が増加すればその分だけＮＨ_３の消費量も増えるため、上述のような尿素水の供給量の低減処理を行わずともＮＨ_３スリップが回避される場合もある。したがってこのような場合にまで尿素水の供給量を低減してしまうと、ＮＨ_３スリップを回避できても選択還元触媒のＮＯｘ浄化率が低下するおそれがある。

本発明は、還元剤スリップの発生を回避しかつＮＯｘ浄化率が低下しないように適切に選択還元触媒への還元剤の供給量を制御す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。

（１）本発明の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）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、還元剤によって排気中の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、前記選択還元触媒の上流に還元剤又はその前駆体を供給する還元剤供給装置（例えば、後述の尿素水噴射装置２５）と、前記選択還元触媒の将来の温度上昇の推定に基づいて、前記選択還元触媒からの将来の還元剤スリップの発生を判定する第１判定手段（例えば、後述の抑制フラグ設定部５５６、図１２のＳ１４の実行に係る手段）と、前記第１判定手段によって還元剤スリップが発生すると判定されたことに応じて、還元剤の供給量を所定の基準量（GUREA_BS）よりも低減させる供給量制御手段（例えば、後述の尿素水噴射制御部５）と、現在の選択還元触媒に供給されるＮＯｘ量を検出又は推定するＮＯｘ量取得手段（例えば、後述のＮＯｘセンサ２８、ＥＣＵ３など）と、前記ＮＯｘ量（VNOx）に基づいて、前記選択還元触媒からの還元剤スリップの発生を判定する第２判定手段（例えば、後述の図７のスリップ判定部５８、図１２のＳ１８の実行に係る手段）をさらに備え、前記供給量制御手段は、前記第１判定手段によって還元剤スリップが発生すると判定されている場合であっても、前記第２判定手段によって還元剤スリップが発生しないと判定された場合には還元剤の供給量を基準量から低減しないことを特徴とする。

（２）この場合、前記排気浄化システムは、前記選択還元触媒の上流に設けられた酸化機能を有する酸化触媒（例えば、後述の酸化触媒２１）と、当該酸化触媒の温度を検出又は推定する酸化触媒温度取得手段（例えば、後述の排気温度センサ２７、ＥＣＵ３など）と、をさらに備え、前記第２判定手段は、前記ＮＯｘ量（VNOx）及び前記酸化触媒の温度（TSCR）に基づいて前記選択還元触媒に流入するＮＯ量及びＮＯ_２量を算出し、これらＮＯ量（QNO_IN）及びＮＯ_２量（QNO2_IN）に基づいて前記選択還元触媒からの還元剤スリップの発生を判定することが好ましい。

（３）この場合、前記排気浄化システムは、現在の選択還元触媒からの還元剤スリップ量を算出する還元剤スリップ量算出手段（例えば、後述の第１スリップ速度算出部５８１）と、前記ＮＯ量（QNO_IN）及びＮＯ_２量（QNO2_IN）に基づいて前記選択還元触媒における還元剤消費量を算出する還元剤消費量算出手段（例えば、後述の消費速度算出部５８５）と、をさらに備え、前記第２判定手段は、前記還元剤スリップ量（V_SLIP1）と前記還元剤消費量（V_RED）とを比較することによって還元剤スリップの発生を判定することが好ましい。

（４）この場合、前記排気浄化システムは、現在の選択還元触媒の温度を検出又は推定する現在温度取得手段（例えば、後述の排気温度センサ２７、ＥＣＵ３など）と、前記機関の運転状態に基づいて前記選択還元触媒の将来の温度を推定する将来温度推定手段（例えば、後述の触媒温度予測部４）と、をさらに備え、前記還元剤の供給量の基準量（GUREA_BS）は、前記選択還元触媒の還元剤貯蔵量がその最大還元剤貯蔵可能量に又はその近傍に維持されるように、前記選択還元触媒の下流側の還元剤濃度に基づいて算出され、前記供給量制御手段は、前記現在の温度（TSCR）に基づいて現在の還元剤貯蔵可能量を算出し、前記将来の温度（TSCR_PRE）に基づいて算出された将来の還元剤貯蔵可能量を算出し、これら現在の還元剤貯蔵可能量と将来の還元剤貯蔵可能量との差（ΔST）に基づいて前記還元剤の基準量からの低減量（ΔST_UREA）を算出することが好ましい。

（５）この場合、前記排気浄化システムは、前記供給量制御手段によって還元剤の供給量が基準量から低減されていることを前提として前記選択還元触媒からの還元剤スリップの発生を判定する第３判定手段（例えば、後述の図１０のセレクタ６３、図１２のＳ２０の実行に係る手段）と、前記第３判定手段によって還元剤スリップが発生すると判定されたことに応じて、前記機関からのＮＯｘ排出量を増加させるＮＯｘ排出量増加手段（例えば、後述の吸気制御部６）と、をさらに備えることが好ましい。

（６）この場合、前記排気浄化システムは、前記選択還元触媒の最大還元剤貯蔵可能量の単位時間当りの変化量（dST_max）から、前記供給量制御手段によって還元剤の供給量を基準量から低減した場合に抑制される還元剤スリップ量の単位時間当りの量（V_ST）を減算することで、還元剤の低減時における選択還元触媒からの単位時間当りの還元剤スリップ量（V_SLIP2）を算出する低減時スリップ量算出手段（例えば、後述の第２スリップ速度算出部６４）と、前記ＮＯｘ量及び前記選択還元触媒の上流に設けられた酸化触媒の温度に基づいて前記選択還元触媒に流入するＮＯ量及びＮＯ_２量を算出し、これらＮＯ量及びＮＯ_２量に基づいて前記選択還元触媒における単位時間当りの還元剤消費量（V_RED）を算出する消費量算出手段（例えば、後述の消費速度算出部６５）と、をさらに備え、前記第３判定手段は、前記還元剤の低減時の還元剤スリップ量（V_SLIP2）と前記還元剤消費量（V_RED）とを比較することによって前記選択還元触媒からの還元剤スリップの発生を判定することが好ましい。

（７）この場合、前記排気浄化システムは、前記排気通路と前記機関の吸気通路（例えば、後述の吸気管１２）とを連通し、排気の一部を前記吸気通路にＥＧＲガスとして還流するＥＧＲ通路（例えば、後述のＥＧＲ管１８）と、前記ＥＧＲ通路に設けられ、ＥＧＲ量を制御するＥＧＲ弁（例えば、後述のＥＧＲ弁１９）と、をさらに備え、前記ＮＯｘ排出量増加手段は、前記ＥＧＲ弁を所定の基準開度（VO_BS）より閉弁側へ補正することで前記機関からのＮＯｘ排出量を増加させることが好ましい。

（８）この場合、前記排気浄化システムは、前記還元剤の低減時における選択還元触媒からの単位時間当りの還元剤スリップ量（V_SLIP2）から前記選択還元触媒において単位時間当りに消費される還元剤量（V_RED）を減算することで、単位時間当りに消費させる必要のある還元剤量（ΔNH3）を算出し、当該消費させる必要のある還元剤量に基づいて増加させる必要のあるＮＯｘ量（ΔNOx）を算出し、当該増加させる必要のあるＮＯｘ量に応じて閉側補正時の前記ＥＧＲ弁の開度（VO_COR）を算出する補正開度算出手段（補正開度算出部６２）をさらに備えることが好ましい。

（９）この場合、前記排気浄化システムは、前記機関の運転状態に基づいて、当該機関が加速運転状態であるか否かを判定する加速判定手段（例えば、後述の運転状態判定部５５７）をさらに備え、前記第１判定手段は、将来の選択還元触媒の温度から現在の選択還元触媒の温度を減算して得られる温度差が所定の閾値以上である場合、又は前記加速判定手段により加速運転状態であると判定された場合に、還元剤スリップが発生すると判定することが好ましい。

（１０）この場合、前記第１判定手段は、前記加速判定手段により加速運転状態であると判定されてから所定時間が経過するまでは前記供給量制御手段による還元剤の供給量の低減を禁止し、前記所定時間が経過した後も加速運転状態であると判定された場合に前記供給量制御手段による還元剤の供給量の低減を許可することが好ましい。

（１）の発明によれば、選択還元触媒の将来の温度上昇の推定に基づいて将来の還元剤スリップの発生を判定し、還元剤スリップが将来発生すると判定されたことに応じて還元剤の供給量を所定の基準量よりも低減させることにより、選択還元触媒の温度上昇による還元剤スリップの発生を抑制できる。また、温度上昇に基づいて将来還元剤スリップが発生すると判定されている場合であっても、現在の選択還元触媒に供給されるＮＯｘ量に基づいて、上記将来よりも近い将来において還元剤スリップが発生しないと判定される場合には、上記還元剤の供給量の低減せずに、選択還元触媒に流入するＮＯｘで選択還元触媒に貯蔵されている還元剤の消費を促すことにより、ＮＯｘ浄化率の低下を防止しながら還元剤スリップの発生を抑制できる。

（２）の発明では、選択還元触媒の上流に酸化触媒を設けることにより、機関から排出されるＮＯをＮＯ_２に酸化し、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比を、ＮＯｘ浄化率が最大となる最適比（約０．５）に近づけることができる。また、（２）の発明では、選択還元触媒において還元されるＮＯｘ量はその内訳（ＮＯ量及びＮＯ_２量）に応じて変化するところ、選択還元触媒に流入するＮＯ量及びＮＯ_２量の算出を経て還元剤スリップを判定することにより、より正確に還元剤スリップの発生を判定できる。また、この還元剤スリップの発生を精度よく判定することで、ＮＯｘ浄化率の低下を防止しかつ還元剤スリップの発生を抑制できるように、より適切なタイミングで上記還元剤の供給量を低減できる。

（３）の発明では、選択還元触媒における還元剤スリップ量と還元剤消費量とを別々に算出し、これらの比較に基づいて選択還元触媒における還元剤スリップの発生を判定することにより、より正確に還元剤スリップの発生を判定できる。

（４）の発明では、還元剤の供給量の基準量を、選択還元触媒の還元剤貯蔵量がその最大還元剤貯蔵可能量又はその近傍に維持されるような量とすることにより、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率を高く維持できる。また、還元剤貯蔵量を定常的に最大にすると、例えば温度上昇によって最大還元剤貯蔵可能量が減少した場合、この最大還元剤貯蔵可能量の減少分と同じ量の還元剤が選択還元触媒から排出され得る。したがって、基準量をこのように設定することにより、現在の還元剤貯蔵可能量と将来の還元剤貯蔵可能量との差を、現在から将来までの間に排出され得る還元剤の量、すなわち還元剤スリップを回避するために減らすべき還元剤の量とすることができる。（４）の発明では、これを利用し、現在の還元剤貯蔵可能量と将来の還元剤貯蔵可能量との差に基づいて還元剤の基準量からの低減量を算出する。これにより、ＮＯｘ浄化率の低下を防止しかつ還元剤スリップを回避するために必要最小限の低減量を、簡易かつ正確に算出できる。

（５）の発明では、還元剤の供給量を基準量から低減しても還元剤スリップが発生すると判定される場合には、機関からのＮＯｘ排出量を増加させることにより、確実に還元剤スリップの発生を抑制できる。

（６）の発明では、還元剤の低減時における選択還元触媒からの単位時間当りの還元剤スリップ量を算出し、単位時間当りの還元剤スリップ量と選択還元触媒における単位時間当りの還元剤消費量とを比較することによって還元剤スリップの発生を判定することにより、より確実に還元剤の低減時における還元剤スリップの発生を判定できる。またこれにより、選択還元触媒における還元剤スリップの発生を抑制できるように、より適切なタイミングでＮＯｘ排出量を増加させることができる。

（７）の発明では、ＥＧＲ弁を基準開度より閉弁側へ補正することで機関からのＮＯｘ排出量を増加させることにより、容易かつ速やかにＮＯｘ排出量を増加でき、ひいてはより確実に還元剤スリップを抑制できる。

（８）の発明では、単位時間当りに選択還元触媒で消費させる必要のある還元剤量を算出し、この消費させる必要のある還元剤量から増加させる必要のあるＮＯｘ量を算出し、さらにこの増加させる必要のあるＮＯｘ量から閉側補正時のＥＧＲ弁の開度を算出することにより、還元剤スリップの発生を抑制できるように、適切な量だけＮＯｘ排出量を増加させることができる。

（９）の発明では、将来の選択還元触媒の温度と現在の選択還元触媒の温度差が所定の閾値以上である場合、又は加速運転状態である場合に還元剤スリップが発生すると判定することにより、適切なタイミングで還元剤の供給量を低減できる。

（１０）の発明では、各種センサの出力遅れを考慮して、加速運転状態であると判定されてから所定時間が経過するまでは還元剤の供給量の低減を禁止する。これにより、加速運転状態となった後に排出される多量のＮＯｘが十分に浄化されずにシステム外に排出されるのを防止できる。また、加速運転状態が継続すると、次第に選択還元触媒の温度が上昇し還元剤スリップが生じる可能性が高くなることから、（１０）の発明では、所定時間が経過した後も加速運転状態であると判定された場合に還元剤の供給量の低減を許可する。これにより、ＮＯｘ浄化率を悪化させることなく適切なタイミングで還元剤の供給量を低減し、還元剤スリップの発生を防止できる。

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。 上記実施形態に係る触媒温度予測部の構成を示すブロック図である。 エンジントルクの値を予測する手順を示すフローチャートである。 エンジントルクの値を予測する手順を説明するためのタイムチャートである。 エンジントルクの値を予測する手順を説明するためのタイムチャートである。 上記実施形態に係る尿素水噴射装置による尿素水噴射量の決定に係るブロック図である。 上記実施形態に係る噴射量選択部の構成を示すブロック図である。 上記実施形態に係る低減量算出部の構成を示すブロック図である。 上記実施形態に係るスリップ量予測部において算出される予測ストレージ量差を模式的に示す図である。 エンジンの新気量を所定の目標新気量に制御するためのＥＧＲ弁開度の決定に係るブロック図である。 上記実施形態に係る第２スリップ速度算出部の構成を示すブロック図である。 上記実施形態に係る尿素水噴射制御及び吸気制御の手順を示すフローチャートである。

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。

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ＰＭを捕集するフィルタとしてのＤＰＦ２２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ＮＯｘを還元剤としてのＮＨ_３によって浄化する選択還元触媒２３と、排気管１１のうち選択還元触媒２３の上流側に、ＮＨ_３の前駆体である尿素水を供給する尿素水噴射装置２５と、排気管１１を流通する排気の一部をＥＧＲガスとして吸気管１２内へ還流するＥＧＲ装置１７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。

ＥＧＲ装置１７は、排気管１１のうち酸化触媒２１の上流側と吸気管１２とを連通するＥＧＲ管１８と、このＥＧＲ管１８に設けられＥＧＲガスの流量（以下、「ＥＧＲ量」という）を制御するＥＧＲ弁１９とを含んで構成される。ＥＧＲ弁１９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ＥＧＲ管１８を介して吸気管１２内へ還流される排気の流量、ひいてはエンジン１の新気量を制御する。

尿素水噴射装置２５は、尿素水タンク２５１と、尿素水噴射弁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及び図示しないポンプを介して、尿素水噴射弁２５３に接続されている。この尿素水タンク２５１には、レベルセンサ２５５が設けられている。このレベルセンサ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内の選択還元触媒２３の上流に噴射する。

酸化触媒２１は、排気管１１のうちＤＰＦ２２よりも上流側に設けられ、選択還元触媒２３に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比が、当該触媒２３におけるＮＯｘ浄化率が最も高くなる最適比（約０．５）になるように、排気中のＮＯの一部を酸化してＮＯ_２に変換する。

ＤＰＦ２２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。

選択還元触媒２３は、ＮＨ_３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ＮＨ_３が生成される。生成されたＮＨ_３は、選択還元触媒２３に供給され、これらＮＨ_３により、排気中のＮＯｘが選択的に還元される。

ところで、選択還元触媒２３は、尿素水から生成したＮＨ_３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ＮＨ_３を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２３に貯蔵されたＮＨ_３量をＮＨ_３ストレージ量といい、このストレージ量の限界を最大ＮＨ_３ストレージ量という。このようにして吸着されたＮＨ_３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。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、貯蔵されたＮＨ_３が、この尿素水の不足分を補うようにしてＮＯｘの還元に消費される。ここで、選択還元触媒２３において、最大ＮＨ_３ストレージ量を超えてＮＨ_３が生成された場合、生成されたＮＨ_３は、選択還元触媒２３の下流側へ排出される。以下では、選択還元触媒において飽和したＮＨ_３がその下流側へ排出されることをＮＨ_３スリップという。

なお、この選択還元触媒２３の下流側には、選択還元触媒２３から排出されたＮＨ_３がシステム外へ排出されるのを抑制するスリップ抑制触媒２４が設けられる。このスリップ抑制触媒２４としては、選択還元触媒又は酸化触媒が用いられる。

ＥＣＵ３には、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のセンサとして、ＮＨ_３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、及びアクセル開度センサ１５等が接続されている。

ＮＨ_３センサ２６は、排気管１１のうち選択還元触媒２３とスリップ抑制触媒２４との間における排気のＮＨ_３濃度[ppm]を検出し、検出値に略比例した検出信号VNH3をＥＣＵ３に供給する。排気温度センサ２７は、スリップ抑制触媒２４の下流側の排気の温度[K]を検出し、検出値に略比例した検出信号TGASをＥＣＵ３に供給する。ＮＯｘセンサ２８は、選択還元触媒２３に流入する排気のＮＯｘ濃度[ppm]を検出し、検出値に略比例した検出信号VNOxをＥＣＵ３に供給する。エアフローメータ２９は、吸気管１２を流通する吸入空気量[mg/sec]を検出し、検出値に略比例した検出信号QAをＥＣＵ３に供給する。

クランク角度位置センサ１４は、エンジン１のクランク軸の回転角度を検出するとともに、所定の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。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、検出値に略比例した検出信号APをＥＣＵ３に供給する。ＥＣＵ３では、このアクセル開度AP及びエンジン回転数NEに応じて、ドライバ要求トルクTRQが算出される。

酸化触媒２１の温度TDOC[K]や選択還元触媒２３の温度TSCR[K]など、排気管１１内の各部分の現在の温度は、例えば排気温度TGAS、エンジン回転数NE、及び吸入空気量QAなどの入力に基づいて、ＥＣＵ３にて図示しない処理により推定される。また、排気流量Gex[mg/sec]は、吸入空気量QAやエンジン回転数ＮＥなどに基づいて、ＥＣＵ３にて図示しない処理により推定される。

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、尿素水噴射弁２５３、ＥＧＲ弁１９等に制御信号を出力する出力回路と、を備える。

以下、このＥＣＵ３に構成された、排気系の温度予測に係る触媒温度予測部４と、尿素水の噴射制御に係る尿素水噴射制御部５と、吸気系の制御に係る吸気制御部６との構成について、順に説明する。

［触媒温度予測部４］
図２〜図５を参照して、触媒温度予測部４の構成について説明する。
図２は、触媒温度予測部４の構成を示すブロック図である。
触媒温度予測部４は、選択還元触媒の将来の温度、より具体的には現在から所定の予測時間TPRE後における選択還元触媒の温度の値である触媒予測温度TSCR_PREを推定する。

触媒温度予測部４は、運転パターン予測部４１と、熱伝導モデル演算部４２と、を備える。
運転パターン予測部４１は、エンジン回転数、車速、及びドライバ要求トルクなど、車両の運転状態に関わるパラメータ（以下、これらパラメータを総称して「運転状態パラメータ」という）の現在の値に基づいて、エンジンのポート部の排気温度と直接的に相関のある内燃機関パラメータとしてのエンジンの発生トルク（以下、「エンジントルク」という）について、現在から予測時間T_PRE後までの値を推定する。

図３は、エンジントルクの値を予測する手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、運転パターン予測部４１（図２参照）により実行される。
図４及び図５は、エンジントルクの値を予測する手順を説明するためのタイムチャートである。なおこれら図４及び図５に示す例では、現在の時刻をＴ_０とし、時刻Ｔ_−１，Ｔ_−２，Ｔ_−３を現在よりも過去の時刻とし、時刻Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３，…，Ｔ_Ｎ−１，Ｔ_Ｎを、将来の時刻とする。したがって、時刻Ｔ_０以前の実線で示す値は実値であり、時刻Ｔ_０以降の破線で示す値は運転パターン予測部による予測値である。
また、本実施形態では、図４及び図５において白丸で示すように、現在から予測時間T_PRE後までの時間をＮ分割し、各時刻における値を推定する。すなわち、エンジントルクの現在値をT_PRE_0とし、現在より後の時刻Ｔ_ｉにおけるエンジントルクの予測値をTRQ_PRE_iとする。

先ず、Ｓ１では、現在の運転状態パラメータの値に基づいて、エンジントルクの現在値TRQ_PRE_0を推定し、Ｓ２に移る。

Ｓ２では、現在のエンジンが高負荷運転状態にあるか否か、より具体的にはＳ１で推定したエンジントルクの現在値TRQ_PRE_0がエンジントルク値に対する所定の閾値TRQ_THより大きいか否かを判定する。この判定がＮＯである場合にはＳ３に移り、この判定がＹＥＳである場合にはＳ４に移る。なお、このエンジンが高負荷運転状態であるか否かを判定するための閾値TRQ_THは、運転状態パラメータの値に応じて図示しない処理により逐次設定される。

Ｓ３では、Ｓ２において現在のエンジンが高負荷運転状態にないと判定されたことに応じて、エンジントルク値は予測時間T_PRE後まで、現在値TRQ_PRE_0から変化しないと推定する。すなわち、下記式に示すように、エンジントルクの予測値TRQ_PRE_1，…，TRQ_PRE_Nは、全て現在値TRQ_PRE_0と等しいと推定する（図４参照）。
ＴＲＱ＿ＰＲＥ＿ｉ＝ＴＲＱ＿ＰＲＥ＿０ （ｉ＝１，…，Ｎ）

一方、Ｓ４以降では、Ｓ２において現在のエンジンが高負荷運転状態にあると判定されたことに応じて、現在から予測時間T_PRE後へ向けて、現在値TRQ_PRE_0から減少するように、エンジントルク値を推定する（図５参照）。これは、長時間にわたりエンジントルク値を高い値に維持したり増加させ続けたりするように運転されることが一般的には稀であることから、現在のエンジンが高負荷運転状態にある場合には、その後エンジントルク値は、継続して運転できるような現在値よりも小さな値へ収束するように減少に転じる可能性が高いと判断できるからである。

より具体的には、先ずＳ４では、エンジントルク値が収束すると予測される値であるトルク収束値TRQ_CNVを推定し、Ｓ５に移る。このトルク収束値TRQ_CNVは、例えば、運転状態パラメータの現在値に基づいて、図示しないマップを検索することにより算出される。
Ｓ５では、現在から、エンジントルク値が上記トルク収束値TRQ_CNVに収束するまでの時間である収束時間T_CNVを推定し、Ｓ６に移る。この収束時間T_CNVは、例えば、運転状態パラメータの現在値に基づいて、図示しないマップを検索することにより算出される。

Ｓ６では、エンジントルクの現在値TRQ_PRE_0と上記収束時間T_CNV後における値であるトルク収束値TRQ_CNVとを、図４中破線で示すように所定の減少態様で補間することにより、現在から予測時間T_PRE後の間におけるエンジントルク予測値TRQ_PRE_1，…，TRQ_PRE_Nを推定する。この際、上記エンジントルクの現在値TRQ_PRE_0とトルク収束値TRQ_CNVとを補間する減少態様は、例えば、運転状態パラメータの現在値に基づいて設定される。

図２に戻って、熱伝導モデル演算部４２は、エンジン１及びその排気を熱源と見立てた排気系の所定の熱伝導モデルに基づいて、現在から予測時間T_PRE後における選択還元触媒２３の温度である触媒予測温度TSCR_PREを推定する。より具体的には、運転パターン予測部４１により推定されたエンジントルクの現在から予測時間T_PRE後までの値TRQ_PRE_0，…，TRQ_PRE_Nに基づいてエンジン１のポート部の排気温度を予測し、この現在から予測時間T_PRE後までの間の排気温度の予測値を入力として、熱伝導モデルにより現在から予測時間T_PRE後における触媒予測温度TSCR_PREを推定する。なお、この熱伝導モデルとしては、例えば、本願出願人による特開２００６−２５０９４５号公報や特許第４３７３９０９号などに記載されているような、ニュートンの冷却則に従って定式化された排気系のモデルなど、従来既知のものが用いられる。

［尿素水噴射制御部５］
図６〜図９を参照して、尿素水噴射制御部５の構成について説明する。
図６は、尿素水噴射装置による単位時間当りの尿素水の噴射量（以下、「尿素水噴射量」という）GUREA[mg/sec]の決定に係るブロック図である。尿素水噴射制御部５は、基準噴射量GUREA_BSを算出する基準噴射量算出部５１と、基準噴射量からの低減量ΔST_UREAを算出する低減量算出部５５と、噴射量選択部５７と、を含んで構成される。図６に示すように、本実施形態の尿素水噴射制御部５では、基準噴射量GUREA_BSと、この基準噴射量から低減量を減算して得られる補正噴射量GUREA_CORとを算出し、噴射量選択部５７によってこれら２つの噴射量のうち何れかを最終的な噴射量GUREAとして決定する。より具体的には、噴射量選択部５７は、基本的には基準噴射量を最終的な噴射量とし、選択還元触媒においてＮＨ_３スリップが発生すると判定した場合に適切なタイミングで尿素水の供給量を基準噴射量よりも低減させるべく補正噴射量を最終的な噴射量として決定する。以下、基準噴射量算出部５１、低減量算出部５５、噴射量選択部５７の構成について、順に説明する。

基準噴射量算出部５１は、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率をできるだけ高く維持するため、選択還元触媒のＮＨ_３ストレージ量がそのときの選択還元触媒の最大ＮＨ_３ストレージ量に又はその近傍に維持されるように、ＮＨ_３センサ出力VNH3に基づいて基準噴射量GUREA_BSを算出する。より具体的には、基準噴射量算出部５１は、本願出願人による国際公開第２００９／１２８１６９又は特開２０１１−９４５９２号公報などに記載されている既知のアルゴリズムに基づいて、上述のような基準噴射量GUREA_BSを算出する。

例えば、国際公開第２００９／１２８１６９に記載されたアルゴリズムでは、基準噴射量算出部５１は、それぞれ独立して算出した３つの入力（フィードフォワード噴射量GUREA_FF、フィードバック噴射量GUREA_FB、ストレージ補正入力GUREA_ST）を合算したものを基準噴射量GUREA_BSとする（下記式（１）参照）。

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。

上記式（１）において、フィードフォワード噴射量GUREA_FFは、当量比αが値１になるようにされた尿素水の噴射量に相当し、エンジンから排出され選択還元触媒に流入するＮＯｘ量に応じて算出される。ここで、尿素水の当量比αとは、対象とする選択還元触媒について、単位時間当りの尿素水の流入量（ＮＨ_３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）であり、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は値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は値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は値１より大きな値となる。

上記式（１）において、フィードバック噴射量GUREA_FBは、ＮＨ_３センサ出力VNH3が値０より大きな値に設定された目標値VNH3_TRGTに収束するように図示しないフィードバックコントローラによって算出された尿素水の噴射量に相当する。
上記式（１）において、ストレージ補正入力GUREA_STは、選択還元触媒のＮＨ_３ストレージ量の推定値が、そのときの最大ＮＨ_３ストレージ量の推定値の近傍に設定された目標値に収束するように図示しないフィードバックコントローラによって算出された尿素水の噴射量に相当する。

また、例えば特開２０１１−９４５９２号公報に記載されたアルゴリズムでは、基準噴射量算出部５１は、それぞれ独立して算出した２つの入力（フィードフォワード噴射量GUREA_FF、スイッチング噴射量GUREA_SW）を合算したものを基準噴射量GUREA_BSとする（下記式（２）参照）。

上記式（２）において、フィードフォワード噴射量GUREA_FFは、上記式（１）に示すものと同じである。また、上記式（２）において、スイッチング噴射量GUREA_SWは、ＮＨ_３センサ出力に基づいて選択還元触媒においてＮＨ_３スリップが発生したと判定されたことに応じてＮＨ_３スリップを抑制すべく負の所定値に設定され、基準噴射量を減量側に補正する。その後スイッチング噴射量GUREA_SWは、ＮＨ_３ストレージ量の推定値が最大ＮＨ_３ストレージ量の推定値よりもやや小さな閾値を下回ったことに応じて正の所定値に設定され、基準噴射量を増量側に補正する。このようにＮＨ_３センサ出力に基づいて基準噴射量の減量側への補正と増量側への補正とを交互に繰り返すことにより、ＮＨ_３ストレージ量は最大ＮＨ_３ストレージ量の近傍に維持される。

基準噴射量算出部５１は、以上のような上記式（１）又は（２）に基づいて基準噴射量GUREA_BSを算出する。その具体的な手順は、国際公開第２００９／１２８１６９や特開２０１１−９４５９２号公報などに記載されているので、ここではより詳細な説明は省略する。

図７は、噴射量選択部５７の構成を示すブロック図である。
噴射量選択部５７は、排気浄化システムの現在の状態を示すパラメータに基づいてＮＨ_３スリップの発生を判定するスリップ判定部５８と、スリップ判定部５８における判定結果に基づいて尿素水の噴射量の低減の可否を判定する低減判定部５９と、を備える。

スリップ判定部５８は、選択還元触媒から単位時間当りに排出されるＮＨ_３量（以下、「第１ＮＨ_３スリップ速度」という）V_SLIP1[mg/sec]を算出する第１スリップ速度算出部５８１と、選択還元触媒における単位時間当りのＮＨ_３消費量（以下、「ＮＨ_３消費速度」という）V_RED[mg/sec]を算出する消費速度算出部５８５と、比較器５８４とを備える。スリップ判定部５８は、これら第１ＮＨ_３スリップ速度V_SLIP1とＮＨ_３消費速度V_REDとを比較器５８４で比較することによってＮＨ_３スリップの発生を判定する。

第１スリップ速度算出部５８１は、ＮＨ_３センサ出力VNH3に基づいてスリップ速度を算出するＮＨ_３センサベース算出部５８２と、選択還元触媒の温度TSCRに基づいてスリップ速度を算出する触媒温度ベース算出部５８３と、を備える。

ＮＨ_３センサベース算出部５８２は、排気中のＮＨ_３濃度に略比例したＮＨ_３センサ出力VNH3を排気流量Gexに基づいて単位変換し、単位時間当りに選択還元触媒から排出されるＮＨ_３量QNH3[mg/sec]を算出する。さらにＮＨ_３センサベース算出部５８２は、下記式（３）に示すように、このＮＨ_３量QNH3の差分値を算出し、これをＮＨ_３センサベーススリップ速度dQNH3[mg/sec]とする。

触媒温度ベース算出部５８３は、触媒温度TSCRに基づいて所定のマップを検索することにより選択還元触媒の最大ＮＨ_３ストレージ量の推定値ST_max[mg]を算出するとともに、下記式（４）に示すように、この最大ＮＨ_３ストレージ量の推定値ST_maxの差分値を算出し、これを触媒温度ベーススリップ速度dST_max[mg/sec]とする。上述のように、本実施形態の尿素水噴射制御部５によれば、選択還元触媒には最大ＮＨ_３ストレージ量又はその近傍にＮＨ_３ストレージ量を維持するような尿素水噴射制御が行われる。したがって、このような尿素水噴射制御が行われることを前提とすれば、上記触媒温度ベーススリップ速度dST_maxは、選択還元触媒から単位時間当りに排出されるＮＨ_３量の推定値に相当する。

第１スリップ速度算出部５８１は、それぞれ独立して算出された２つのスリップ速度dQNH3,dST_maxを比較し、大きい方を最終的な第１ＮＨ_３スリップ速度V_SLIP1として出力する。このように、複数の異なる手法でスリップ速度を推定し、そのうちの大きい方を用いることにより、より確実に過剰なＮＨ_３スリップを抑制することができる。

消費速度算出部５８５は、単位変換部５８６と、ＮＯｘ量算出部５８７と、反応モデル演算部５８８とを備え、これらによりＮＨ_３消費速度V_REDを算出する。

単位変換部５８６は、選択還元触媒に流入する排気中のＮＯｘ濃度に略比例したＮＯｘセンサ出力VNOxを排気流量Gexに基づいて単位変換し、単位時間当りに選択還元触媒に供給されるＮＯｘ量QNOx[mg/sec]を算出する。

ＮＯｘ量算出部５８７は、ＮＯ_２／ＮＯ量算出部５８７ａと、昇温時ＮＯｘ浄化率算出部５８７ｂとを備え、これらにより、選択還元触媒に流入したＮＯｘのうち選択還元触媒により還元可能なＮＯ量に相当するＮＯ還元可能量QNO_RED[mg/sec]及び還元可能なＮＯ_２量に相当するＮＯ_２還元可能量QNO2_RED[mg/sec]を算出する。

ＮＯ_２／ＮＯ量算出部５８７ａは、選択還元触媒に供給されるＮＯｘ量QNOxと酸化触媒の温度TDOCに基づいて所定のマップを検索することにより、選択還元触媒に流入するＮＯ量に相当するＮＯ流入量QNO_IN[mg/sec]と、選択還元触媒に流入するＮＯ_２量に相当するＮＯ_２流入量QNO2_IN[mg/sec]とを算出する。酸化触媒の温度TDOCが高くなるほど、酸化触媒におけるＮＯの酸化効率は高くなる。したがって、酸化触媒の温度TDOCが高くなるほど、ＮＯ流入量QNO_INは小さくなり、ＮＯ_２流入量QNO2_INは大きくなる。

ＮＯｘ浄化率算出部５８７ｂは、触媒温度TSCR及び空間速度SVなどのエンジンの運転状態に応じて変化するパラメータに基づいて所定のマップを検索することにより、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率の推定値ηを算出する。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積に基づいて算出されたものが用いられる。
上述のＮＯ還元可能量QNO_RED及びＮＯ_２還元可能量QNO2_REDは、下記式（５−１）、（５−２）に示すように、ＮＯ流入量QNO_IN及びＮＯ_２流入量QNO2_INに、そのときの選択還元触媒のＮＯｘ浄化率ηを乗算することで算出される。

反応モデル演算部５８８は、下記式（６−１）〜（６−３）に示すような反応の下で、ＮＨ_３によりＮＯ及びＮＯ_２が還元されると仮定することにより、上記ＮＯ還元可能量QNO_REDのＮＯ、及びＮＯ_２還元可能量QNO2_REDのＮＯ_２を浄化するために選択還元触媒において消費されるＮＨ_３量を推定し、これをＮＨ_３消費速度V_RED[mg/sec]とする。

比較器５８４は、第１ＮＨ_３スリップ速度V_SLIP1がＮＨ_３消費速度V_REDより大きい場合には選択還元触媒においてＮＨ_３スリップが発生すると判定し、第１ＮＨ_３スリップ速度V_SLIP1がＮＨ_３消費速度V_RED以下である場合にはＮＨ_３スリップは発生しないと判定する。

低減判定部５９は、後述のスリップ抑制フラグF_SLIPが“１”でありかつスリップ判定部５８によってＮＨ_３スリップが発生すると判定された場合にのみ、尿素水の噴射量を基準噴射量GUREA_BSから低減する（すなわち、補正噴射量GUREA_CORを最終的な噴射量GUREAとして決定する）。すなわち、スリップ抑制フラグF_SLIPが“１”となっている場合であっても、スリップ判定部５８によってＮＨ_３スリップが発生すると判定されない限り、尿素水の噴射量が基準噴射量から低減されることはない。また、低減判定部５９は、その他の場合、すなわちスリップ判定部５８によってＮＨ_３スリップは発生しないと判定された場合やスリップ抑制フラグF_SLIPが“０”である場合には、尿素水の噴射量を基準噴射量GUREA_BSから低減しない（すなわち、基準噴射量GUREA_BSを最終的な噴射量GUREAとして決定する）。

図８は、低減量算出部５５の構成を示すブロック図である。
低減量算出部５５は、スリップ量予測部５５１と、ＮＨ_３／尿素水変換部５５５と、抑制フラグ設定部５５６と、を備える。

スリップ量予測部５５１は、選択還元触媒の温度とその最大ＮＨ_３ストレージ量とを関係付けるマップについて、現在の選択還元触媒の温度TSCRに基づいて算出した最大ＮＨ_３ストレージ量から、触媒温度予測部４にて算出された触媒予測温度TSCR_PREに基づいて算出した最大ＮＨ_３ストレージ量を減算し、これを予測ストレージ量差ΔST[mg]とする（図９参照）。上述のように、本実施形態では、選択還元触媒には最大ＮＨ_３ストレージ量に近いＮＨ_３ストレージ量を維持するような制御が行われる。このような尿素水噴射制御が行われることを前提とすれば、予測ストレージ量差ΔSTは、現在から予測時間TPRE後までの間に選択還元触媒から排出され得るＮＨ_３量に相当する。

スリップ量予測部５５１は、予測ストレージ量差ΔSTを予測時間TPREで除算することにより、予測ストレージ量差ΔSTを単位時間当りの量に変換し、この単位時間当りの量から、消費速度算出部５８５（図７参照）において算出されたＮＨ_３消費速度V_REDを減算することにより、スリップ抑制速度V_ST[mg/sec]を算出する。このスリップ抑制速度V_STは、現在から予測時間TPRE後までの間にＮＨ_３スリップが発生するのを回避するために、上記基準噴射量GUREA_BSに相当するＮＨ_３供給量から低減する必要のあるＮＨ_３量の単位時間当りの量に相当する。

ＮＨ_３／尿素水変換部５５５は、予め定められた尿素水の濃度及び上記スリップ抑制速度V_STに基づいて、ＮＨ_３の量に相当する上記スリップ抑制速度V_STを尿素水の量に換算し、これを低減量ΔST_UREA[mg/sec]とする。

抑制フラグ設定部５５６は、運転状態判定部５５７及び温度差判定部５５８からの出力に基づいて選択還元触媒の将来の温度上昇を推定し、この推定に基づいてスリップ抑制フラグF_SLIPの値を更新する。このスリップ抑制フラグF_SLIPは、将来にＮＨ_３スリップが発生することを示すフラグである。なお、図７を参照して説明したように、スリップ抑制フラグF_SLIPが“０”である限り、尿素水の噴射量は基準噴射量から低減されることはない。したがってスリップ抑制フラグF_SLIPは、尿素水の噴射量の低減が禁止又は許可された状態であることを示すものとなっている。

運転状態判定部５５７は、エンジンの運転状態を示すパラメータ（エンジン回転数NE、及びドライバ要求トルクTRQなど）に基づいて、加速運転状態であるか否かを判定する。加速運転状態になると、排気温度が上昇するため、選択還元触媒の温度も上昇すると推定される。

温度差判定部５５８は、触媒予測温度TSCR_PREから現在の触媒温度TSCRを減算して得られる温度差と所定の正のスリップ判定閾値とを比較し、温度差がスリップ判定閾値以上である場合には温度上昇状態にあると判定し、温度差がスリップ判定閾値より小さい場合には温度上昇状態にないと判定する。

抑制フラグ設定部５５６は、運転状態判定部５５７により加速運転状態であると判定された場合又は温度差判定部５５８により温度上昇状態にあると判定された場合には、ＮＨ_３スリップが発生すると判定し、スリップ抑制フラグF_SLIPを“１”にセットする。これにより、尿素水の噴射量の低減が許可される。また、抑制フラグ設定部５５６は、加速運転状態でないと判定されかつ温度上昇状態でないと判定された場合には、ＮＨ_３スリップは発生しないと判定し、スリップ抑制フラグF_SLIPを“０”にセットする。これにより、尿素水の噴射量の低減が禁止される。

なお図８に示すように、抑制フラグ設定部５５６には、各種センサの出力遅れを考慮して、運転状態判定部５５７の出力を所定時間遅延させるディレイ回路５５９が設けられている。これにより運転状態判定部５５７によって加速運転状態であると判定されてから所定時間が経過するまでは尿素水の噴射量の低減は禁止され、所定時間が経過した後も加速運転状態であると判定された場合に尿素水の噴射量の低減が許可される。

以上のように、抑制フラグ設定部５５６は、図７を参照して説明したスリップ判定部５８と同様に選択還元触媒におけるＮＨ_３スリップの発生を判定する。ただし、スリップ判定部５８は、選択還元触媒の温度TSCRやＮＯｘ量QNOxなど現在の排気浄化システムの状態を示すパラメータに基づいてＮＨ３スリップの発生を判定しているのに対し、抑制フラグ設定部５５６は、触媒予測温度TSCR_PREのような現在から予測時間TPRE後の将来の排気浄化システムの状態を示すパラメータに基づいてＮＨ_３スリップの発生を判定している点で異なる。

［吸気制御部６］
図１０〜図１２を参照して、吸気制御部６のうちエンジン１の新気量制御に係るブロックについて説明する。
図１０は、エンジンの新気量を所定の目標新気量QNEW[mg/sec]に制御するためのＥＧＲ弁開度の決定に係るブロック図である。吸気制御部６は、基準開度VO_BSの算出に係る基準開度算出部６１と、補正開度VO_CORの算出に係る補正開度算出部６２、第２スリップ速度算出部６４及び消費速度算出部６５とを備え、セレクタ６３によって基準開度VO_BS及び補正開度VO_CORのうち何れかを選択することで最終的なＥＧＲ弁開度VOを決定する。

基準開度算出部６１は、エンジンの新気量の目標値である目標新気量QNEWを入力とし、この目標新気量QNEWに応じた適切なＥＧＲ弁開度を算出し、これを基準開度VO_BSとして出力する。この目標新気量QNEWは、車両の運転状態に応じて図示しない処理により決定される。

図１１は、第２スリップ速度算出部６４の構成を示すブロック図である。
第２スリップ速度算出部６４は、最大ＮＨ_３ストレージ量ST_maxの単位時間当りの変化量に相当する触媒温度ベーススリップ速度dST_maxを算出し（上述の図７の触媒温度ベース算出部５８３参照）、この触媒温度ベーススリップ速度dST_maxからスリップ抑制速度V_STを減算することにより第２スリップ速度V_SLIP2[mg/sec]を算出する（下記式（７）参照）。

上記式（７）において、スリップ抑制速度V_STは、上述のようにＮＨ_３スリップの発生を回避するために、基準噴射量に相当するＮＨ_３供給量から低減する必要のあるＮＨ_３量に相当する（上述の図８のスリップ量予測部５５１参照）。換言すれば、尿素水の供給量を基準噴射量から低減量ΔST_UREAだけ減量することにより、単位時間当りに排出されるＮＨ_３の量は、スリップ抑制速度V_STだけ削減される。したがって、上記式（７）から算出される第２スリップ速度V_SLIP2は、尿素水の噴射量が基準噴射量から低減されていることを前提としている点で、第１スリップ速度V_SLIP1と異なる。すなわち、第１スリップ速度V_SLIP1は、尿素水の噴射量の低減時を基準噴射量から低減していないときにおけるスリップ速度であり、第２スリップ速度V_SLIP2は、尿素水の噴射量の低減時におけるスリップ速度である。

図１０に戻って、消費速度算出部６５は、図７を参照して説明した消費速度算出部５８５と同じ手順によりＮＨ_３消費速度V_REDを算出する。

補正開度算出部６２は、第２ＮＨ_３スリップ速度V_SLIP2と、ＮＨ_３消費速度V_REDと、目標新気量QNEWとに基づいて、上記基準開度VO_BSよりも閉じ側に補正された補正開度VO_CORを算出する。補正開度算出部６２は、余剰ＮＨ_３量算出部６２１と、反応モデル演算部６２２と、追加新気量算出部６２３と、目標新気量補正部６２４と、開度算出部６２５とを含んで構成される。

余剰ＮＨ_３量算出部６２１は、下記式（８）に示すように、第２ＮＨ_３スリップ速度V_SLIP2からＮＨ_３消費速度V_REDを減算することにより、低減時余剰ＮＨ_３量ΔNH3を算出する。ここで算出された低減時余剰ＮＨ_３量ΔNH3は、尿素水の噴射量を基準噴射量から低減させても選択還元触媒に現在流入するＮＯｘのみでは消費しきれずに、その下流側へ排出され得るＮＨ_３の単位時間当りの量に相当する。換言すれば、低減時余剰ＮＨ_３量ΔNH3は、選択還元触媒の温度が上昇する過程において、吸着されていたＮＨ_３が排出されないようにするために、余分に消費させる必要のあるＮＨ_３の単位時間当りの量に相当する。

反応モデル演算部６２２は、上記式（６−１）〜（６−３）に示すような反応の下で、ＮＨ_３によりＮＯ及びＮＯ_２が還元されると仮定することにより、上記低減時余剰ＮＨ_３量ΔNH3のＮＨ_３を消費するために必要なＮＯｘ量を算出し、これを追加ＮＯｘ量ΔNOxとする。

追加新気量算出部６２３は、選択還元触媒に供給されるＮＯｘを、上記追加ＮＯｘ量ΔNOxに相当する分だけ追加するために必要な、新気量の追加量を算出し、これを追加新気量ΔQNEWとする。

目標新気量補正部６２４は、下記式（９）に示すように、目標新気量QNEWに追加新気量ΔQNEWを合算することにより、目標新気量の補正値に相当する補正新気量QNEW_CORを算出する。

開度算出部６２５は、補正新気量QNEW_CORを入力とし、この補正新気量QNEW_CORに応じた適切なＥＧＲ弁開度を算出し、これを閉側補正開度VO_CORとして出力する。例えば加速運転状態に移行し、これに伴い選択還元触媒の温度が上昇すると、それまでに選択還元触媒に吸着されていたＮＨ_３が排出されることで、上記低減時余剰ＮＨ_３量ΔNH3が正の値となり、結果として追加新気量ΔQNEWが正の値となる場合がある。このとき、補正新気量QNEW_CORは、補正される前の目標新気量QNEWよりも大きな値となるため、これにより補正開度VO_CORは、補正される前の目標新気量QNEWに応じて算出された基準開度VO_BSよりも閉じ側に補正される。

セレクタ６３は、第２ＮＨ_３スリップ速度V_SLIP2とＮＨ_３消費速度V_REDとを比較することによって尿素水の噴射量の低減時におけるＮＨ_３スリップの発生を判定し、この判定結果に応じて基準開度VO_BSと閉側補正開度VO_CORとの何れかを選択し、ＥＧＲ弁開度VOを決定する。

より具体的には、セレクタ６３は、第２スリップ速度V_SLIP2がＮＨ_３消費速度V_RED以下である場合、ＮＨ_３スリップは発生しないと判定し基準開度VO_BSを選択する。またセレクタ６３は、第２スリップ速度V_SLIP2がＮＨ_３消費速度V_REDより大きい場合、尿素水の噴射量を低減してもＮＨ_３スリップが発生すると判定し、補正開度VO_CORを選択する。これにより、エンジンからのＮＯｘ排出量、ひいては選択還元触媒に流入するＮＯｘ量が増加し、これまでに貯蔵されていたＮＨ_３の消費が促され、ＮＨ_３スリップが回避される。

図１２は、排気浄化システムにおける尿素水噴射制御及び吸気制御の手順を示すフローチャートである。図１２に示す処理は、ＥＣＵにより所定の制御周期ごとに実行される。

Ｓ１１では、尿素水噴射制御に係る装置が正常であるか否かを判別する。より具体的には、例えば、尿素水噴射装置が正常であるか否か、各種触媒が劣化及び故障していないか否か、尿素水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、ＮＨ_３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、各種触媒の温度が規定温度以上であるか否か、などが判別される。

Ｓ１１の判別がＮＯであり、尿素水噴射装置が正常でないと判別された場合にはＳ１２に移り、尿素水噴射制御を停止すべく尿素水噴射量を値０にし（GUREA=0）、Ｓ１３に移る。Ｓ１３では、ＥＧＲ弁の開度を基準開度に設定し（VO←VO_BS）、この処理を終了する。

Ｓ１１の判別がＹＥＳであり装置が正常であると判別された場合にはＳ１４に移る。Ｓ１４では、スリップ抑制フラグF_SLIPが“１”であるか否かを判別する。ここで、Ｓ１４における判別がＮＯである場合には、さしあたってＮＨ_３スリップが発生するおそれがないと判断し、Ｓ１５に移る。Ｓ１５では、上記式（１）又は（２）に基づいて基準噴射量GUREA_BSを算出し、これを尿素水噴射量GUREAに設定する（GUREA←GUREA_BS）。そして上記Ｓ１３に移り、ＥＧＲ弁の開度を基準開度に設定する。また、スリップ抑制フラグF_SLIPが“１”である場合、すなわち加速運転状態又は温度上昇状態である場合、ＮＨ_３スリップが発生するおそれがあると判断し、このＮＨ_３スリップを抑制すべくＳ１６に移る。

Ｓ１６では、加速運転状態又は温度上昇状態であると判定されたことに応じて、基準噴射量GUREA_BSの増量側への補正を禁止する。すなわち、上記Ｓ１５において基準噴射量GUREA_BSを算出するに際し、ＮＨ_３センサ出力等に基づいて、基準噴射量がフィードフォワード噴射量GUREA_FFに対し増量側に補正される場合には、この増量側への補正を禁止する。

より具体的には、例えば上記式（１）に基づいて基準噴射量を算出する場合、フィードバック噴射量GUREA_FB及びストレージ補正入力GUREA_STに対し値０に上限値を設定し、基準噴射量がフィードフォワード噴射量GUREA_FFに対し増量側に補正されないようにする。また、上記式（２）に基づいて基準噴射量を算出する場合、スイッチング噴射量GUREA_SWに対し値０に上限値を設定し、基準噴射量がフィードフォワード噴射量GUREA_FFに対し増量側に補正されないようにする。

Ｓ１７では、基準噴射量からの低減量ΔST_UREAを算出し、Ｓ１８に移る。Ｓ１８では、第１スリップ速度V_SLIP1がＮＨ_３消費速度V_REDより大きいか否かを判別する。この判別がＮＯの場合、すなわち第１スリップ速度V_SLIP1がＮＨ_３消費速度V_RED以下である場合、尿素水噴射量を基準噴射量から低減せずともＮＨ_３スリップは発生しないと判断しＳ１５に移る。この判別がＹＥＳの場合、すなわち第１スリップ速度V_SLIP1がＮＨ_３消費速度V_REDより大きい場合、尿素水噴射量を基準噴射量から低減しなければＮＨ_３スリップが発生すると判断し、Ｓ１９に移る。Ｓ１９では、基準噴射量GUREA_BSから低減量ΔST_UREAを減算することによって補正噴射量GUREA_CORを算出し、これを尿素水噴射量GUREAに設定する（GUREA←GUREA_COR）。

Ｓ２０では、第２スリップ速度V_SLIP2がＮＨ_３消費速度V_REDより大きいか否かを判別する。この判別がＮＯの場合、すなわち第２スリップ速度V_SLIP2がＮＨ_３消費速度V_RED以下である場合、尿素水噴射量の低減のみによってＮＨ_３スリップの発生は回避できると判断しＳ１３に移る。この判別がＹＥＳの場合、すなわち第２スリップ速度V_SLIP2がＮＨ_３消費速度V_REDより大きい場合、尿素水噴射量の低減に加え、さらにＮＯｘ排出量を増加しなければＮＨ_３スリップの発生は回避できないと判断し、Ｓ２１に移る。Ｓ２１では、ＥＧＲ弁の開度を基準開度より閉じ側に補正し（VO←VO_COR）、この処理を終了する。

上記実施形態では、ＮＨ_３を還元剤とし、かつこの前駆体としての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ＮＨ_３を供給してもよい。また、ＮＨ_３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ＮＨ_３に限るものではない。すなわち、上記実施形態では、ＮＨ_３を還元剤としてＮＯｘを浄化する所謂ＮＨ_３−選択還元触媒を備えた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、ＨＣを還元剤としてＮＯｘを浄化する所謂ＨＣ−選択還元触媒を備えた排気浄化システムにも本発明を適用できる。

１…エンジン（内燃機関）
１１…排気管（排気通路）
１２…吸気管（吸気通路）
１８…ＥＧＲ管（ＥＧＲ通路）
１９…ＥＧＲ弁
２…排気浄化システム
２１…酸化触媒
２３…選択還元触媒
２５…尿素水噴射装置（還元剤供給装置）
２７…排気温度センサ（酸化触媒温度取得手段、現在温度取得手段）
２８…ＮＯｘセンサ（ＮＯｘ量取得手段）
３…ＥＣＵ（ＮＯｘ量取得手段、酸化触媒温度取得手段、現在温度取得手段）
４…触媒温度予測部（将来温度推定手段）
５…尿素水噴射制御部（供給量制御手段）
５５…低減量算出部
５５１…スリップ量予測部
５５５…ＮＨ_３／尿素水変換部
５５６…抑制フラグ設定部（第１判定手段）
５５７…運転状態判定部（加速判定手段）
５５８…温度差判定部
５７…噴射量選択部
５８…スリップ判定部（第２判定手段）
５８１…第１スリップ速度算出部（還元剤スリップ量算出手段）
５８５…消費速度算出部（還元剤消費量算出手段）
６…吸気制御部（ＮＯｘ排出量増加手段）
６２…補正開度算出部（補正開度算出手段）
６３…セレクタ（第３判定手段）
６４…第２スリップ速度算出部（低減時スリップ量算出手段）
６５…消費速度算出部（消費量算出手段）

Claims (10)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、還元剤によって排気中のＮＯｘを浄化する選択還元触媒と、
   前記選択還元触媒の上流に還元剤又はその前駆体を供給する還元剤供給装置と、
   前記選択還元触媒の将来の温度上昇の推定に基づいて、前記選択還元触媒からの将来の還元剤スリップの発生を判定する第１判定手段と、
   前記第１判定手段によって還元剤スリップが発生すると判定されたことに応じて、還元剤の供給量を所定の基準量よりも低減させる供給量制御手段と、
   現在の選択還元触媒に供給されるＮＯｘ量を検出又は推定するＮＯｘ量取得手段と、を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記ＮＯｘ量に基づいて、前記選択還元触媒からの還元剤スリップの発生を判定する第２判定手段と、
   現在の選択還元触媒の温度を検出又は推定する現在温度取得手段と、
   前記機関の運転状態に基づいて前記選択還元触媒の将来の温度を推定する将来温度推定手段と、をさらに備え、
   前記供給量制御手段は、前記第１判定手段によって還元剤スリップが発生すると判定されている場合であっても、前記第２判定手段によって還元剤スリップが発生しないと判定された場合には還元剤の供給量を基準量から低減せず、
   前記供給量制御手段は、前記現在の温度に基づいて現在の還元剤貯蔵可能量を算出し、前記将来の温度に基づいて算出された将来の還元剤貯蔵可能量を算出し、これら現在の還元剤貯蔵可能量と将来の還元剤貯蔵可能量との差に基づいて前記還元剤の基準量からの低減量を算出することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 内燃機関の排気通路に設けられ、還元剤によって排気中のＮＯｘを浄化する選択還元触媒と、
   前記選択還元触媒の上流に還元剤又はその前駆体を供給する還元剤供給装置と、
   前記選択還元触媒の将来の温度上昇の推定に基づいて、前記選択還元触媒からの将来の還元剤スリップの発生を判定する第１判定手段と、
   前記第１判定手段によって還元剤スリップが発生すると判定されたことに応じて、還元剤の供給量を所定の基準量よりも低減させる供給量制御手段と、
   現在の選択還元触媒に供給されるＮＯｘ量を検出又は推定するＮＯｘ量取得手段と、を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記ＮＯｘ量に基づいて、前記選択還元触媒からの還元剤スリップの発生を判定する第２判定手段と、
   前記供給量制御手段によって還元剤の供給量が基準量から低減されていることを前提として前記選択還元触媒からの還元剤スリップの発生を判定する第３判定手段と、
   前記第３判定手段によって還元剤スリップが発生すると判定されたことに応じて、前記機関からのＮＯｘ排出量を増加させるＮＯｘ排出量増加手段と、をさらに備え、
   前記供給量制御手段は、前記第１判定手段によって還元剤スリップが発生すると判定されている場合であっても、前記第２判定手段によって還元剤スリップが発生しないと判定された場合には還元剤の供給量を基準量から低減しないことを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
3. 内燃機関の排気通路に設けられ、還元剤によって排気中のＮＯｘを浄化する選択還元触媒と、
   前記選択還元触媒の上流に還元剤又はその前駆体を供給する還元剤供給装置と、
   前記選択還元触媒の将来の温度上昇の推定に基づいて、前記選択還元触媒からの将来の還元剤スリップの発生を判定する第１判定手段と、
   前記第１判定手段によって還元剤スリップが発生すると判定されたことに応じて、還元剤の供給量を所定の基準量よりも低減させる供給量制御手段と、
   現在の選択還元触媒に供給されるＮＯｘ量を検出又は推定するＮＯｘ量取得手段と、を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記ＮＯｘ量に基づいて、前記選択還元触媒からの還元剤スリップの発生を判定する第２判定手段と、
   前記機関の運転状態に基づいて、当該機関が加速運転状態であるか否かを判定する加速判定手段と、をさらに備え、
   前記供給量制御手段は、前記第１判定手段によって還元剤スリップが発生すると判定されている場合であっても、前記第２判定手段によって還元剤スリップが発生しないと判定された場合には還元剤の供給量を基準量から低減せず、
   前記第１判定手段は、前記加速判定手段により加速運転状態であると判定されてから所定時間が経過するまでは前記供給量制御手段による還元剤の供給量の低減を禁止し、前記所定時間が経過した後も加速運転状態であると判定された場合に前記供給量制御手段による還元剤の供給量の低減を許可することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
4. 前記選択還元触媒の上流に設けられた酸化機能を有する酸化触媒と、当該酸化触媒の温度を検出又は推定する酸化触媒温度取得手段と、をさらに備え、
   前記第２判定手段は、前記ＮＯｘ量及び前記酸化触媒の温度に基づいて前記選択還元触媒に流入するＮＯ量及びＮＯ_２量を算出し、これらＮＯ量及びＮＯ_２量に基づいて前記選択還元触媒からの還元剤スリップの発生を判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。
5. 現在の選択還元触媒からの還元剤スリップ量を算出する還元剤スリップ量算出手段と、
   前記ＮＯ量及びＮＯ_２量に基づいて前記選択還元触媒における還元剤消費量を算出する還元剤消費量算出手段と、をさらに備え、
   前記第２判定手段は、前記還元剤スリップ量と前記還元剤消費量とを比較することによって還元剤スリップの発生を判定することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化システム。
6. 前記還元剤の供給量の基準量は、前記選択還元触媒の還元剤貯蔵量がその最大還元剤貯蔵可能量に又はその近傍に維持されるように、前記選択還元触媒の下流側の還元剤濃度に基づいて算出されることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
7. 前記選択還元触媒の最大還元剤貯蔵可能量の単位時間当りの変化量から、前記供給量制御手段によって還元剤の供給量を基準量から低減した場合に抑制される還元剤スリップ量の単位時間当りの量を減算することで、還元剤の低減時における選択還元触媒からの単位時間当りの還元剤スリップ量を算出する低減時スリップ量算出手段と、
   前記ＮＯｘ量及び前記選択還元触媒の上流に設けられた酸化触媒の温度に基づいて前記選択還元触媒に流入するＮＯ量及びＮＯ_２量を算出し、これらＮＯ量及びＮＯ_２量に基づいて前記選択還元触媒における単位時間当りの還元剤消費量を算出する消費量算出手段と、をさらに備え、
   前記第３判定手段は、前記還元剤の低減時の還元剤スリップ量と前記還元剤消費量とを比較することによって前記選択還元触媒からの還元剤スリップの発生を判定す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。
8. 前記排気通路と前記機関の吸気通路とを連通し、排気の一部を前記吸気通路にＥＧＲガスとして還流するＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路に設けられ、ＥＧＲ量を制御するＥＧＲ弁と、をさらに備え、
   前記ＮＯｘ排出量増加手段は、前記ＥＧＲ弁を所定の基準開度より閉弁側へ補正することで前記機関からのＮＯｘ排出量を増加させ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。
9. 前記還元剤の低減時における選択還元触媒からの単位時間当りの還元剤スリップ量から前記選択還元触媒において単位時間当りに消費される還元剤量を減算することで、単位時間当りに消費させる必要のある還元剤量を算出し、当該消費させる必要のある還元剤量に基づいて増加させる必要のあるＮＯｘ量を算出し、当該増加させる必要のあるＮＯｘ量に応じて閉側補正時の前記ＥＧＲ弁の開度を算出する補正開度算出手段をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の排気浄化システム。
10. 前記第１判定手段は、将来の選択還元触媒の温度から現在の選択還元触媒の温度を減算して得られる温度差が所定の閾値以上である場合、又は前記加速判定手段により加速運転状態であると判定されてから前記所定時間が経過した後も加速運転状態であると判定された場合に、還元剤スリップが発生すると判定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化システム。
    

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