内燃機関の排気浄化システム
【課題】燃費や商品性を悪化させることなく選択還元触媒のＮＯｘ浄化率を定常的に高く維持できる内燃機関の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、選択還元触媒に流入する排気中のＮＯｘに対するＮＯ２の比率に相当するＮＯ２−ＮＯｘ比を変化させるＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構と、所定期間の選択還元触媒におけるＮＯ２の吸着を正とし放出を負としたＮＯ２収支が０になるようにＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行するＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラを備える。ここで、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御とは、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構によりＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５近傍の基準値よりも大きくさせるＮＯ２増大制御と、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構によりＮＯ２−ＮＯｘ比を基準値よりも小さくさせるＮＯ２低減制御とを交互に実行する制御として定義される。
【解決手段】排気浄化システムは、選択還元触媒に流入する排気中のＮＯｘに対するＮＯ２の比率に相当するＮＯ２−ＮＯｘ比を変化させるＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構と、所定期間の選択還元触媒におけるＮＯ２の吸着を正とし放出を負としたＮＯ２収支が０になるようにＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行するＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラを備える。ここで、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御とは、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構によりＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５近傍の基準値よりも大きくさせるＮＯ２増大制御と、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構によりＮＯ２−ＮＯｘ比を基準値よりも小さくさせるＮＯ２低減制御とを交互に実行する制御として定義される。
【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）を選択的に還元する選択還元触媒（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ）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、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】
選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率は、流入する排気中のＮＯｘを構成する一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ２）との割合によって変化することが知られている。より具体的には、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）が０．５であるとき、すなわちＮＯとＮＯ２の比率が１：１であるときに最大となる。
【０００４】
特許文献１には、このような選択還元触媒の性能を最大限に生かすため、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比が０．５になるようにした排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置では、内燃機関の運転状態から、予め定められたマップを検索することでフィードフォワード的にＥＧＲ量や燃料噴射時期などを制御することにより、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比が常に０．５に維持されるようにする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２３１９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、運転者による要求や車両の状態などに応じて内燃機関の運転状態は常に変動するが、このような状況下でＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５に維持し続けることは、実際には極めて困難なことである。例えば、選択還元触媒の上流側にＮＯをＮＯ２に酸化する酸化触媒を設けた場合、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比は、酸化触媒の温度、酸化触媒における排気の空間速度（ＳＶ）、酸化触媒に流入する排気中のＮＯｘ量、Ｏ２濃度及びＨＣ濃度などに応じて変化するが、ＮＯ２−ＮＯｘ比が０．５となるようにこれらパラメータを全ての運転領域でマッピングすることはできない。
【０００７】
また、仮にこのようなマッピングが可能であったとしても、この場合、燃費や商品性の悪化を避けることはできない。例えば、選択還元触媒のＮＯｘ浄化率はその温度によっても変化するので、排気温度を上昇させることにより適切な温度に維持する温度制御が行われる。ここでＮＯ２−ＮＯｘ比が０．７にある状態から最適な０．５まで低下させたときにおける、上記温度制御にかかるエネルギーの変化について検討する。例えば、ＮＯ２−ＮＯｘ比を低下させるために酸化触媒に流入する排気のＳＶを増加させたとすると、この場合、選択還元触媒に流入する排気の温度も低下するため、温度制御にかかるエネルギーは増加してしまう。また、例えば、ＮＯ２−ＮＯｘ比を低下させるために酸化触媒に流入する排気のＮＯｘ量を増加させたとすると、この場合、選択還元触媒における還元剤の消費量が増加するおそれもある。
【０００８】
以上のように、特許文献１に示された技術のようなＮＯ２−ＮＯｘ比を最適値に維持し続ける制御は、実際には困難であるばかりか可能であったとしても燃費や商品性の悪化を避けることはできない。
【０００９】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、燃費や商品性を悪化させることなく選択還元触媒のＮＯｘ浄化率を定常的に高く維持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（例えば、後述のＮＨ３）の存在下で排気中のＮＯｘを選択的に還元し、かつ排気中のＮＯ２を吸着する機能を備えたＮＯｘ選択還元触媒（例えば、後述の選択還元触媒２３）と、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ選択還元触媒より上流側に還元剤又はその前駆体（例えば、後述の尿素水）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、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。前記排気浄化システムは、前記ＮＯｘ選択還元触媒に流入する排気中のＮＯｘに対するＮＯ２の比率に相当するＮＯ２−ＮＯｘ比を変化させるＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構（例えば、後述のエンジン１、酸化触媒２１、ＣＳＦ２２、及び高圧ＥＧＲ装置２６など）と、所定期間の前記ＮＯｘ選択還元触媒におけるＮＯ２の吸着を正とし放出を負としたＮＯ２収支が目標値になるようにＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行するパータベーション制御手段（例えば、後述のＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラ６１、及びメインコントローラ７）と、を備える。前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御は、前記ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構により前記ＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５近傍の基準値よりも大きくさせるＮＯ２増大制御と、前記ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構により前記ＮＯ２−ＮＯｘ比を前記基準値よりも小さくさせるＮＯ２低減制御とを交互に実行する制御として定義される。
【００１１】
従来、ＮＯｘ選択還元触媒における定常的なＮＯｘ浄化率は、流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比が０．５近傍の基準値にある場合に最大となり、またＮＯ２−ＮＯｘ比がＮＯ２過多側あるいはＮＯ過多側へ変化してもその定常的なＮＯｘ浄化率は低下するとされていた。これに対し、ＮＯｘ選択還元触媒にＮＯ２を吸着する機能がある場合、ＮＯ２−ＮＯｘ比が上記基準値からＮＯ２過多側又はＮＯ過多側へ大きく変動したとしても、あたかもＮＯ２−ＮＯｘ比が最適値に維持されるかのようにＮＯ２が吸着又は放出されるため、ＮＯｘ選択還元触媒に吸着されているＮＯ２の量が適切な範囲内に維持されている間の過渡的なＮＯｘ浄化率は高く維持される。
本発明では、このようなＮＯｘ選択還元触媒の新たな特性に着目し、所定期間のＮＯｘ選択還元触媒におけるＮＯ２収支が目標値になるようにＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行する。すなわち、ＮＯｘ選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比を基準値よりも大きくさせるＮＯ２増大制御と、これとは逆にＮＯ２−ＮＯｘ比を基準値よりも小さくさせるＮＯ２低減制御とを交互に実行する。これにより、ＮＯｘ選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率を定常的に高く維持することができる。
また、本発明のＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御では、所定期間のＮＯ２収支が目標値になるように、ＮＯ２−ＮＯｘ比を上記基準値に対し上下に変動させることから、ＮＯ２−ＮＯｘ比を最適値に合わせ込む制御を行っていた従来技術と比較して、上記所定期間のＮＯ２−ＮＯｘ比の変動パターンに大きな自由度を持たせることができる。このため、他の要因によるＮＯ２−ＮＯｘ比の変動をある程度許容することができるので、従来技術のように燃費や商品性が悪化することもない。
また本発明では、ＮＯ２−ＮＯｘ比に対する基準値を０．５近傍、すなわち０．５を含むある程度の拡がりを持った範囲内の値とする。定常的なＮＯｘ浄化率が最も高くなるＮＯ２−ＮＯｘ比は、基本的には０．５である。しかしながら、例えば、選択還元触媒の状態や選択還元触媒に流入する排気の状態など、より具体的には選択還元触媒に付着したＨＣの量や選択還元触媒に流入する排気中のＨＣやＣＯなどのＮＯ２還元成分の量などに応じて、選択還元触媒に流入するＮＯ２−ＮＯｘ比が変化するため、定常的なＮＯｘ浄化率が最大となるＮＯ２−ＮＯｘ比も実質的には変化する。本発明では、このような選択還元触媒や排気の状態の不定性を見込んで、上記基準値を０．５一定ではなく、０．５近傍の値とする。なお上記基準値は、上述のようなＮＯ２還元成分の存在により、０．５よりも大きい方へ変動しがちであることから、本発明における０．５近傍の値とは、より具体的には０．４以上０．７未満の範囲内の値であるとする。
【００１２】
この場合、前記排気浄化システムは、前記ＮＯｘ選択還元触媒のＮＯ２吸着量を推定するＮＯ２吸着量推定手段（例えば、後述の選択還元触媒状態推定部５４）をさらに備え、前記パータベーション制御手段は、前記ＮＯ２吸着量に基づいて前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行に係る制御パラメータ（後述のＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値、ＮＯ２収支の目標値、及び波形パラメータなど）の値を設定することが好ましい。
【００１３】
ＮＯｘ選択還元触媒のＮＯ２吸着量は、内燃機関の運転状態によって常に変化する。また、ＮＯｘ選択還元触媒の上流側に排気中のＣＯやＨＣを浄化するための酸化触媒を設けた場合、この酸化触媒の状態によってはＮＯｘ選択還元触媒にＨＣが流入する場合がある。ＮＯｘ選択還元触媒にＨＣが流入した場合、吸着したＮＯ２を還元するため、ＮＯ２吸着量は変化する。したがって、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比のみでは、このようなＮＯ２吸着量の変化を把握することができない。そこで本発明では、推定したＮＯ２吸着量に基づいて、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行に係る制御パラメータの値を設定することにより、所定期間のＮＯ２収支がより適切に目標値になるようにＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行することができる。
【００１４】
この場合、前記排気浄化システムは、前記ＮＯｘ選択還元触媒の下流側の排気のＮＯ２濃度を検出するＮＯ２検出手段（例えば、後述のＮＯ２センサ４３）をさらに備え、前記パータベーション制御手段は、前記ＮＯ２検出手段の出力値に基づいて前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行に係る制御パラメータの値を設定することが好ましい。
【００１５】
ＮＯｘ選択還元触媒のＮＯ２吸着量がその許容量に近づくと、吸着しきれなかったＮＯ２が選択還元触媒から排出されることとなるため、上述のようなＮＯ２検出手段を用いることにより、ＮＯ２吸着量の絶対値までは正確には把握できずとも、少なくともＮＯ２吸着量が許容量の近傍にあるか否かを判断することはできる。したがって、このようなＮＯ２検出手段の出力値に基づいてＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行に係る制御パラメータの値を設定することにより、所定期間のＮＯ２収支がより適切に目標値になるようにＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行することができる。
【００１６】
この場合、前記排気浄化システムは、前記ＮＯｘ選択還元触媒の下流側の排気のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ検出手段（例えば、後述のＮＯｘセンサ）と、前記ＮＯ２検出手段及び前記ＮＯｘ検出手段の出力値に基づいて前記ＮＯｘ選択還元触媒のＮＯ２吸着量を推定するＮＯ２吸着量推定手段（例えば、後述の選択還元触媒状態推定部５４）と、をさらに備え、前記パータベーション制御手段は、前記ＮＯ２吸着量に基づいて前記制御パラメータの値を設定することが好ましい。
【００１７】
本発明では、ＮＯ２検出手段及びＮＯｘ検出手段の出力値に基づいてＮＯｘ選択還元触媒のＮＯ２吸着量を推定し、さらにこの推定したＮＯ２吸着量に基づいて、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行に係る制御パラメータの値を設定することにより、上述のように所定期間のＮＯ２収支がより適切に目標値になるようにＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行することができる。
【００１８】
この場合、前記パータベーション制御手段は、前記ＮＯ２吸着量が所定の上限値と下限値との間に設定されるＮＯｘスリップ抑制範囲内に維持されるように前記ＮＯ２収支に対する目標値を設定することが好ましい。ここで、前記ＮＯ２吸着量が前記上限値より大きな状態でＮＯ２過多の排気を供給するとＮＯ２スリップが発生し、前記ＮＯ２吸着量が前記下限値より小さな状態でＮＯ過多の排気を供給するとＮＯスリップが発生する。
【００１９】
ＮＯｘ選択還元触媒にＮＯ２を吸着する機能がある場合、過渡的なＮＯｘ浄化率については、ＮＯ２吸着量が許容量に近くなるとＮＯ２−ＮＯｘ比のＮＯ２過多側への変動に対するタフネスが低下し、またＮＯ２吸着量が０に近くなるとＮＯ２−ＮＯｘ比のＮＯ過多側への変動に対するタフネスが低下する。このため、上述のようにＮＯｘ選択還元触媒のＮＯ２吸着量は、適切な範囲内に維持されていることが好ましい。そこで本発明では、ＮＯ２吸着量に対し上述のような吸着上限値と吸着下限値で規定されたＮＯｘスリップ抑制範囲を設定するとともに、ＮＯ２吸着量がこのＮＯｘスリップ抑制範囲内に維持されるように、所定期間のＮＯ２収支に対する目標値を設定する。これにより、ＮＯｘ選択還元触媒を、ＮＯ２−ＮＯｘ比のＮＯ２過多側又はＮＯ過多側への両方の変動に対するタフネスの高い状態に維持することができるので、ＮＯｘ浄化率を定常的に高く維持することができる。
【００２０】
この場合、前記パータベーション制御手段は、前記ＮＯ２吸着量が前記ＮＯｘ抑制スリップ範囲内にある場合には、前記ＮＯ２収支の目標値を０又はその近傍に設定し、前記ＮＯ２吸着量が前記ＮＯｘスリップ抑制範囲の上限値より大きい場合には、前記ＮＯ２吸着量が減少するように前記ＮＯ２収支の目標値を負に設定し、前記ＮＯ２吸着量が前記ＮＯｘスリップ抑制範囲の下限値より小さい場合には、前記ＮＯ２吸着量が増加するように前記ＮＯ２収支の目標値を正に設定することが好ましい。
【００２１】
本発明では、ＮＯ２吸着量がＮＯｘスリップ抑制範囲内にある場合には、上記所定期間のＮＯ２収支の目標値を０又はその近傍にし、ＮＯ２吸着量の変化量を小さくする。そして、ＮＯ２吸着量がＮＯｘスリップ抑制範囲の上限値より大きい場合にはＮＯ２吸着量が減少するようにＮＯ２収支の目標値を負に設定し、ＮＯ２吸着量がＮＯｘスリップ抑制範囲の下限値より小さい場合にはＮＯ２吸着量が増加するようにＮＯ２収支の目標値を正に設定する。これにより、ＮＯｘ選択還元触媒を、ＮＯ２−ＮＯｘ比のＮＯ２過多側又はＮＯ過多側への両方の変動に対するタフネスの高い状態に維持することができるので、ＮＯｘ浄化率を定常的に高く維持することができる。
【００２２】
この場合、前記パータベーション制御手段は、前記内燃機関から排出され前記ＮＯｘ選択還元触媒に流入するＮＯ２還元成分が多くなるほど、前記ＮＯ２低減制御に対し前記ＮＯ２増大制御が優先的に実行されるように前記制御パラメータの値を設定することが好ましい。
【００２３】
内燃機関からはＨＣやＣＯなどのＮＯ２還元成分が排出される。通常、これらＮＯ２還元成分は、例えば内燃機関の直下に設けられた酸化触媒により酸化されるものの、この酸化触媒の状態によって選択還元触媒に流入するものもある。このようなＮＯ２還元成分が選択還元触媒に流入したり付着したりすると、ＮＯ２が還元されるため、ＮＯ２吸着量は徐々に減少する。そこで本発明では、選択還元触媒に流入するＮＯ２還元成分が多くなるほど、ＮＯ２低減制御に対しＮＯ２増大制御が優先的に実行されるように制御パラメータの値を設定することにより、ＮＯ２還元成分の流入によるＮＯ２吸着量の低下を補いながら、所定期間のＮＯ２収支をより適切に目標値に制御することができる。
【００２４】
この場合、前記パータベーション制御手段は、前記内燃機関から排出され前記ＮＯｘ選択還元触媒に流入するＮＯ２還元成分が多くなるほど、前記ＮＯ２−ＮＯｘ比に対する基準値をより大きな値に補正することが好ましい。
【００２５】
本発明では、選択還元触媒に流入するＮＯ２還元成分が多くなるほど、ＮＯ２−ＮＯｘ比に対する基準値をより大きな値に補正することにより、ＮＯ２還元成分の流入によるＮＯ２吸着量の低下を補いながら、所定期間のＮＯ２収支をより適切に目標値に制御することができる。
【００２６】
この場合、前記パータベーション制御手段は、前記内燃機関が加速運転状態である場合には、前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行を停止することが好ましい。
【００２７】
加速運転時、吸気は増大側へ制御されＥＧＲ量は減少側へ制御されるので、内燃機関から排出されるＮＯｘ量は増加しかつＳＶも増加する。したがって、内燃機関が加速運転状態にある場合、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比もＮＯ過多側に変化することとなるので、あえてＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行する必要はない。また、このような時期にパータベーション制御を実行すると、運転者による加速の要求とパータベーション制御による要求とが干渉した場合、例えば運転者により加速要求されている状態でさらにパータベーション制御によりＮＯ２−ＮＯｘ比の低減が要求された場合、ＮＯ２−ＮＯｘ比が必要以上に大きく低下してしまい、ＮＯｘ浄化率が低下してしまうおそれもある。また、このような時期にＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行すると、運転者の要求に応じた適切な加速が得られない場合もある。さらに、制御ロジックの簡素化の観点からも、エンジンが加速運転状態にある場合には、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行を停止することが好ましい。
【００２８】
この場合、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ選択還元触媒の上流側には酸化触媒（例えば、後述の酸化触媒２１及びＣＳＦ２２など）が設けられ、前記パータベーション制御手段は、前記酸化触媒が活性に達していない場合には、前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行を禁止することが好ましい。
【００２９】
酸化触媒が活性に達していない場合、酸化触媒におけるＮＯ酸化効率は低く、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行したところで、ＮＯ２−ＮＯｘ比を要求通りに変化させることはできないと考えられる。また、酸化触媒が活性に達していない場合、ＮＯ酸化効率が低下しているばかりか、ＣＯやＨＣの酸化効率も低下した状態であり、エンジンも暖機中であると考えられるので、このような時期にパータベーション制御を実行すると、ＣＯやＨＣなどのＮＯｘ以外の浄化性能や燃費も悪化するおそれがある。以上のことから、酸化触媒が活性に達していない場合には、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行を禁止するとともに、酸化触媒や内燃機関の暖機を優先した方が好ましい。
【００３０】
この場合、前記ＮＯｘ選択還元触媒は、ＮＯ２を吸着する機能に加えてＨＣを吸着する機能を有するゼオライトを含むことが好ましい。
【００３１】
上述のようにＮＯ２還元成分であるＨＣは、ＮＯｘ選択還元触媒においてＮＯ２を還元しＮＯにすることから、ＮＯｘ選択還元触媒にＨＣを吸着する機能があるということは、ＮＯｘ選択還元触媒のＮＯ２吸着機能を向上させていることと、ほぼ同義であるといえる。したがって、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御において、ＮＯ２−ＮＯｘ比を変動させることができる領域を広げることができるため、さらにＮＯｘ浄化率を定常的に高く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【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模式図である。
【図２】酸化触媒の温度と、酸化触媒におけるＮＯ酸化効率との関係を示す図である。
【図３】酸化触媒及びＣＳＦの各部分におけるＣＯ量、ＨＣ量、ＮＯ量及びＮＯ２量を示す図である。
【図４】選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比と定常ＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。
【図５】上記実施形態に係るＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構に対する指令値などの決定に係るブロックの構成を示す図である。
【図６】上記実施形態に係る触媒パラメータ推定装置の構成を示すブロック図である。
【図７】上記実施形態に係る選択還元触媒モデルを模式的に示す図である。
【図８】選択還元触媒のＮＯ２ストレージ率とＮＯ又はＮＯ２のスリップ量との関係を示す図である。
【図９】上記実施形態に係る選択還元触媒状態推定部の構成を示すブロック図である。
【図１０】上記実施形態に係るＮＯ２吸着効率を決定するマップの一例を示す図である。
【図１１】上記実施形態に係る過渡ＮＯｘ浄化率を決定するマップの一例を示す図である。
【図１２】選択還元触媒に流入するＮＯ２−ＮＯｘ比の変動パターンと、ＮＯ又はＮＯ２のスリップ量との相関を模式的に示す図である。
【図１３】上記実施形態に係るパータベーションコントローラの動作の一例を示すタイムチャートである。
【図１４】ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値の変化の態様の一例を示す図である。
【図１５】上記実施形態に係るパータベーションコントローラの動作の一例を示すタイムチャートである。
【図１６】ＮＯ２−ＮＯｘ比と、ＮＯ２−ＮＯｘ比を直接的に変動させる４つのパラメータとの関係を示す図である。
【図１７】比較例の試験結果を示す図である。
【図１８】上記実施形態に係るＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行した場合における試験結果を示す図である。
【図１９】上記実施形態に係るＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行時における実際のＮＯ２−ＮＯｘ比、フィードＮＯｘ量、ＮＯ２濃度及びＮＯ濃度の変化を示す図である。
【図２０】本発明の第２実施形態に係る触媒パラメータ推定装置の構成を示すブロック図である。
【図２１】上記実施形態に係る選択還元触媒状態推定部の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
［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。
【００３４】
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ＮＯｘを還元剤としてのＮＨ３の存在下で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、アンモニア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吸気管１２内に還流する高圧ＥＧＲ装置２６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。
【００３５】
高圧ＥＧＲ装置２６は、高圧ＥＧＲ管２６１と、高圧ＥＧＲバルブ２６２と、を含んで構成される。高圧ＥＧＲ管２６１は、排気管１１のうち酸化触媒２１より上流側と、吸気管１２とを接続する。高圧ＥＧＲバルブ２６２は、高圧ＥＧＲ管２６１に設けられ、この高圧ＥＧＲ管２６１を介して還流される排気の量（以下、「ＥＧＲ量」という）を制御する。この高圧ＥＧＲバルブ２６２は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ３に接続されており、その開度（リフト量）はＥＣＵ３により電磁的に制御される。
【００３６】
酸化触媒２１は、排気管１１のうちエンジン１の直下であって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を酸化しＮＯ２に変換する。
【００３７】
図２は、酸化触媒の温度と、酸化触媒におけるＮＯ酸化効率との関係を示す図である。ここで、ＮＯ酸化効率とは、酸化触媒に流入するＮＯ量に対し、この酸化触媒で酸化され流出するＮＯ２量の割合をいい、したがってＮＯ２生成効率ともいうことができる。図２に示すように、酸化触媒におけるＮＯ酸化効率は、酸化触媒の温度に対して上に凸の特性を示し、図２に示す例では３００℃近傍において最も効率良くＮＯを酸化するようになっている。すなわち、酸化触媒におけるＮＯ酸化効率は、酸化触媒の温度が最適値（図２の例では３００℃）より低くなると低下し、また最適値より高くなっても低下する。なお、これに対し、酸化触媒におけるＣＯ及びＨＣの酸化効率は、基本的には酸化触媒の温度とともに上昇する特性がある。すなわち、酸化触媒の温度が高くなる程ＣＯ及びＨＣの酸化効率も高くなる。
【００３８】
図１に戻って、ＣＳＦ２２は、排気管１１のうち酸化触媒２１よりも下流側かつ選択還元触媒２３よりも上流側に設けられる。ＣＳＦ２２は、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スートを、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。
【００３９】
なお、上流側の酸化触媒２１と下流側のＣＳＦ２２とで貴金属組成の異なるものを用いることにより、上流側と下流側とで機能を分担させてもよい。例えば上流側の酸化触媒２１にはＰｔとＰｄとを混合したものを用いることにより、低温時のＨＣ及びＣＯの酸化性能を向上し、下流側のＣＳＦ２２にはＰｄを少量混合するとともにＰｔを主体としたものを用いることにより、ＮＯの酸化性能（すなわちＮＯ２の生成性能）を向上することができる。
【００４０】
図３は、酸化触媒及びＣＳＦの各部分におけるＣＯ量、ＨＣ量、ＮＯ量及びＮＯ２量を示す図である。
図３に示すように、エンジンから排出された排気に含まれるＣＯ、ＨＣ及びＮＯは、それぞれ、酸化触媒及びＣＳＦを通過する過程で酸化されるため、上流側から下流側へ向かうに従い各々の量は減少する。また、ＮＯが酸化されることでＮＯ２が生成されるため、上流側から下流側へ向かうに従いＮＯ２量は増加する。
【００４１】
また、酸化触媒及びこの酸化触媒とほぼ同じ機能を有するＣＳＦでは、ＣＯ、ＨＣ及びＮＯの酸化反応に、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯの順の優先順位がある。すなわち、ＣＯ、ＨＣ及びＮＯを含んだ排気が酸化触媒及びＣＳＦを通過する過程において、最も先に（すなわち最も上流側で）ＣＯが酸化され、その次にＨＣが酸化され、最後に（すなわち最も下流側で）ＮＯが酸化されＮＯ２が生成される。すなわち、排気中のＮＯは、排気中のＣＯとＨＣが無くなった後で酸化されＮＯ２が生成されるようになっており、したがって、排気中にＣＯ及びＨＣが多く含まれていると、酸化触媒及びＣＳＦにおけるＣＯ、ＨＣ酸化効率が低下するよりも先に、ＮＯ酸化効率が低下する傾向がある。
また、一般的には酸化触媒やＣＳＦでは、排気の空間速度、すなわち酸化する物質（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯ）の単位時間当たりの通過量（ｇ／ｓ）が大きくなるに従い、その酸化効率は低下する。さらに、上述のように、排気中のＮＯは、酸化触媒及びＣＳＦの最も下流側において酸化されるため、エンジンから排出される排気のボリュームが大きくなると、ＣＯ、ＨＣ酸化効率が低下するよりも先に、ＮＯ酸化効率が低下する傾向がある。
【００４２】
図１に戻って、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及び図示しない尿素水ポンプを介して、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、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に供給する。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作動し、この制御信号に応じた量の尿素水を排気管１１内に噴射する。
【００４３】
選択還元触媒２３は、ＮＨ３など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２３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。
【００４４】
ＮＨ３の存在下にある選択還元触媒２３において進行するＮＯ及びＮＯ２の還元反応の反応式は、下記式（１−１）、（１−２）、（１−３）のようになっている。式（１−１）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（１−２）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（１−３）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。
【数１】
【００４５】
選択還元触媒では上記式（１−１）〜（１−３）に示す反応が進行することで、排気中のＮＯ及びＮＯ２がＮＨ３により還元されることとなるが、各反応の進行度合いは、ＮＯ２−ＮＯｘ比に応じて変化する。
【００４６】
例えば、ＮＯ２−ＮＯｘ比が０．５である場合、排気中のＮＯとＮＯ２のモル比が１：１であることから、選択還元触媒では主として上記式（１−１）に示す反応が進行する。このＦａｓｔ ＳＣＲは、これら３つの反応の中では最も反応速度が速い。
【００４７】
ＮＯ２−ＮＯｘ比が０．５より小さい場合、すなわちＮＯ２よりもＮＯの方が多い場合、上記式（１−１）に示す反応だけでは還元しきれないＮＯが残るが、この余剰分のＮＯは上記式（１−２）に示す反応が進行することで還元される。したがって、ＮＯ２−ＮＯｘ比が０．５より小さい場合には、ＮＯ２−ＮＯｘ比が小さくなるに従い、上記式（１−１）に示す反応の進行度合いが低くなり、上記式（１−２）に示す反応の進行度合いが高くなる。このＳｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲは、これら３つの反応の中では最も反応速度が遅い。
【００４８】
一方、ＮＯ２−ＮＯｘ比が０．５より大きい場合、すなわちＮＯよりもＮＯ２の方が多い場合、上記式（１−１）に示す反応だけでは還元しきれないＮＯ２が残るが、この余剰分のＮＯ２は上記式（１−３）に示す反応が進行することで還元される。したがって、ＮＯ２−ＮＯｘ比が０．５よりも大きい場合には、ＮＯ２−ＮＯｘ比が大きくなるに従い、上記式（１−１）に示す反応の進行度合いが低くなり、上記式（１−３）に示す反応の進行度合いが高くなる。このＳｌｏｗ ＳＣＲの反応速度は、Ｓｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲよりは速いが、Ｆａｓｔ ＳＣＲよりは遅くなっている。
【００４９】
図４は、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比と定常的なＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。ここで、定常的なＮＯｘ浄化率とは、選択還元触媒を一定の温度に保ちつつ一定のＳＶで排気を供給し続け、選択還元触媒で進行する反応及びその内部状態が定常的になったときにおけるＮＯｘ浄化率を言う。すなわち、この定常的なＮＯｘ浄化率には、排気の供給開始直後におけるＮＯｘ浄化率の過渡的な変動は考慮されていない。
【００５０】
図４に示すように、ＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５にすると、選択還元触媒では、反応速度が最も速いＦａｓｔ ＳＣＲが主に進行することとなるため、定常的なＮＯｘ浄化率は最も高くなる。これに対しＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５から大きくすると、Ｆａｓｔ ＳＣＲのみでは還元できないＮＯ２の余剰分を還元するため、Ｆａｓｔ ＳＣＲよりも反応速度の遅いＳｌｏｗ ＳＣＲが進行する割合が大きくなるため、定常ＮＯｘ浄化率は低下する。また逆にＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５から小さくすると、Ｆａｓｔ ＳＣＲのみでは還元できないＮＯの余剰分を還元するため、Ｓｌｏｗ ＳＣＲよりもさらに反応速度の遅いＳｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲが進行する割合が大きくなり、定常的なＮＯｘ浄化率は低下する。
また、定常的なＮＯｘ浄化率は、選択還元触媒の温度に対して上に凸の特性を示す。図４に示す例によれば、定常的なＮＯｘ浄化率は、選択還元触媒の温度が約２５０℃であるときに最も高くなり、この最適温度より高くなっても低くなっても低下する。
【００５１】
図１に戻って、選択還元触媒２３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、選択還元触媒２３において貯蔵されたＮＨ３量をＮＨ３ストレージ量とし、選択還元触媒２３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。
このようにして選択還元触媒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、選択還元触媒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ストレージ容量に近くなり選択還元触媒２３が飽和状態になると、ＮＯｘ浄化率も最高値に近づくものの、ＮＯｘの還元に供されず余剰となったＮＨ３が選択還元触媒２３の下流側へ排出されるＮＨ３スリップが発生する。このようにして選択還元触媒２３の下流側へ排出されたＮＨ３がシステム外に排出されるのを防止するため、選択還元触媒２３の下流側にはスリップ抑制触媒２４が設けられている。このスリップ抑制触媒２４としては、例えば、選択還元触媒２３からスリップしたＮＨ３を酸化しＮ２とＨ２Ｏに分解する酸化触媒や、スリップしたＮＨ３を貯蔵するかあるいは排気中のＮＯｘの還元に供する選択還元触媒などを用いることができる。
【００５２】
また、この選択還元触媒２３はゼオライトを含んでおり、排気中のＮＯ２やＨＣを吸着し所定の量だけ貯蔵する機能も有する。以下では、選択還元触媒２３において貯蔵されたＮＯ２量をＮＯ２ストレージ量とし、選択還元触媒２３において貯蔵できるＮＯ２量を最大ＮＯ２ストレージ量とする。
このようなＮＯ２吸着機能を備えた選択還元触媒２３では、流入する排気がＮＯ２過多（ＮＯ２−ＮＯｘ比＞０．５）となった場合に、還元しきれなかったＮＯ２を吸着する。そして、このようにして選択還元触媒２３に貯蔵されたＮＯ２は、選択還元触媒２３に流入する排気がＮＯ過多（ＮＯ２−ＮＯｘ比＜０．５）となった場合に放出され、余分に供給されたＮＯとともにＦａｓｔ ＳＣＲにより還元される。すなわち、ＮＯ２吸着機能を備えた選択還元触媒２３は、流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比が最適値からＮＯ２過多側又はＮＯ過多側に変動した場合であっても、あたかもＮＯ２−ＮＯｘ比を最適値に維持するかのようにＮＯ２を吸着したり放出したりする。
【００５３】
図１に戻って、エンジン１や排気浄化システム２の状態を検出するため、ＥＣＵ３には、排気温度センサ４１、ＮＨ３センサ４２、ＮＯ２センサ４３、クランク角度位置センサ１４、アクセル開度センサ１５、エアフローメータ１６などが接続されている。
【００５４】
排気温度センサ４１は、酸化触媒２１及びＣＳＦ２２の下流側の排気温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ３に供給する。ＥＣＵ３では、この排気温度センサ４１の検出値に基づいて選択還元触媒２３の温度や酸化触媒２１の温度を推定する。なお、本実施形態では、酸化触媒２１の温度とＣＳＦ２２の温度はほぼ等しいものとして扱うが、これに限るものではない。
【００５５】
ＮＨ３センサ４２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アンモニアの濃度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ３に供給する。ＮＯ２センサ４３は、排気管１１のうち選択還元触媒２３の直下の排気中のＮＯ２の濃度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ３に供給する。
【００５６】
エアフローメータは、図示しない吸気通路を流通する吸入空気量を検出し、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。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。ＥＣＵ３では、このパルス信号に基づいて、エンジン１のエンジン回転数を算出する。アクセル開度センサ１５は、車両の図示しないアクセルペダルの踏み込み量（以下、「アクセル開度」という）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、このアクセル開度及び上記エンジン回転数に応じて、エンジン１のエンジン負荷を算出する。また、排気流量は、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などに基づいて、ＥＣＵ３により算出される。
【００５７】
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など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などを記憶する記憶回路と、エンジン１、高圧ＥＧＲバルブ２６２、及び尿素水噴射弁２５３などに制御信号を出力する出力回路と、を備える。
【００５８】
図５は、ＥＣＵ３に構成された制御ブロックのうち、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８に対する指令値や目標値並びにこれら指令値や目標値のマップ値に対する補正値など（以下、これらをまとめて「指令値」という）の決定に係るブロックの構成を示す図である。ここでＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８とは、図１に示すような選択還元触媒２３が排気管１１に設けられた排気浄化システム２を構成する装置のうち、選択還元触媒２３に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比を変化させることができる装置をいう。
【００５９】
例えば、酸化触媒２１及びＣＳＦ２２は、排気中のＮＯを酸化しＮＯ２に変換できる能力がありかつそのＮＯ酸化効率は温度によって変化するため、温度を変化させることによりＮＯ２−ＮＯｘ比を変化させることができる。したがって、これら酸化触媒２１及びＣＳＦ２２は、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８に含まれる。
またエンジン１は、例えばその混合気の空燃比を変えることにより、酸化触媒２１及びＣＳＦ２２に流入する排気の酸素濃度、すなわち酸化触媒２１及びＣＳＦ２２におけるＮＯ酸化効率を変化させ、ひいてはＮＯ２−ＮＯｘ比を変化させることができる。したがって、エンジン１は、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８に含まれる。
また高圧ＥＧＲ装置２６は、例えばＥＧＲ量を変化させることにより、エンジン１から排出されるＮＯ量及び排気流量、すなわち酸化触媒２１及びＣＳＦ２２におけるＮＯ酸化効率を変化させ、ひいてはＮＯ２−ＮＯｘ比を変化させることができる。したがって、高圧ＥＧＲ装置２６は、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８に含まれる。この他、エンジン１の過給圧や吸入空気量などによっても、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比を変化させることができることから、図１には図示されていない過給機やスロットルバルブなどもＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８に含まれる。
【００６０】
図５には、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８に対する指令値の具体例として、酸化触媒２１の温度に対する目標値（酸化触媒目標温度）、エンジン１の混合気の空燃比に対する目標値（目標空燃比）、高圧ＥＧＲバルブ２６２のリフト量に対する指令値（ＥＧＲバルブ指令値）の３つのみを例示列挙するが、本発明はこれらに限るものではない。
【００６１】
図５に示すように、ＥＣＵ３には、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８の指令値を決定するためのモジュールとして、選択還元触媒及びその直下の排気の状態を評価するための触媒パラメータ（選択還元触媒から排出されるＮＯ量及びＮＯ２量、並びにＮＯ２ストレージ量）を推定する触媒パラメータ推定装置５と、後述のＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行するＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラ６及びメインコントローラ７と、が形成されている。
【００６２】
なお、ＥＣＵ３には、図５に示す制御ブロックの他、例えば、尿素水噴射制御、すなわち尿素水噴射弁２５３からの尿素水の噴射量を決定する制御ブロックが形成されている。より具体的には、尿素水噴射制御では、選択還元触媒２３のＮＨ３ストレージ量及び最大ＮＨ３ストレージ容量を推定しながら、このＮＨ３ストレージ量が最大ストレージ容量の近傍に維持されるように、選択還元触媒２３の下流側に設けられたＮＨ３センサ４２の検出値に基づいて尿素水の噴射量を決定する。このように、ＮＨ３ストレージ量を最大ＮＨ３ストレージ容量の近傍に維持することにより、選択還元触媒２３からのＮＨ３スリップを最小限にとどめつつ、選択還元触媒２３におけるＮＯｘ浄化率を高く維持することができる。なお、以上のような尿素水噴射制御の詳細なアルゴリズムは、例えば、本願出願人による国際公開第２００８／５７６２８などに詳しく記載されているので、ここではこれ以上詳細な説明を省略する。
【００６３】
以下、図５中の触媒パラメータ推定装置５、パータベーションコントローラ６、及びメインコントローラ７の構成について順に説明する。
【００６４】
＜触媒パラメータ推定装置５＞
図６は、触媒パラメータ推定装置５の構成を示すブロック図である。
図６に示すように、触媒パラメータ推定装置５は、エンジン直下の排気の状態を推定するエンジン直下推定部５１と、酸化触媒及びＣＳＦからなる酸化ブロックの状態を推定する酸化ブロック状態推定部５２と、この酸化ブロックの直下の排気の状態を推定する酸化ブロック直下推定部５３と、選択還元触媒及びその直下の排気の状態を推定する選択還元触媒状態推定部５４と、を含んで構成される。
【００６５】
エンジン直下推定部５１では、エンジン回転数、エンジン負荷、ＥＧＲ量、吸入空気量及び混合気の空燃比などのエンジンの運転状態を示すパラメータに基づいて、エンジンから排出される排気、すなわち酸化触媒に流入する排気中に含まれるＮＯ量（又はＮＯ濃度）及びＮＯ２量（又はＮＯ２濃度）を推定する。
【００６６】
酸化ブロック状態推定部５２は、ポスト噴射量、排気温度及び排気流量などに基づいて、酸化触媒温度、並びにＣＳＦから下流側へ排出される排気中に含まれるＨＣ量（又はＨＣ濃度）を推定する。
酸化ブロック直下推定部５３は、エンジン直下推定部５１にて推定されたＮＯ量及びＮＯ２量、酸化ブロック状態推定部５２にて推定された酸化触媒温度及びＨＣ量、並びに排気流量など、酸化ブロックにおけるＮＯ酸化効率に相関のあるパラメータに基づいて、酸化ブロック直下の排気の状態、すなわち選択還元触媒に流入する排気のＮＯ量（又はＮＯ濃度）及びＮＯ２量（又はＮＯ２濃度）を推定する。なお以下では、この酸化ブロック直下推定部５３で推定されたＮＯ量及びＮＯ２量を、ＮＯ流入量及びＮＯ２流入量という。
【００６７】
選択還元触媒状態推定部５４は、酸化ブロック直下推定部５３にて推定されたＮＯ量及びＮＯ２量に基づいて、図７に示す選択還元触媒モデルにより選択還元触媒のＮＯ２ストレージ量、選択還元触媒直下の排気のＮＯ量（又はＮＯ濃度）及びＮＯ２量（又はＮＯ２濃度）を推定する。なお以下では、特に選択還元触媒から排出されるＮＯ量及びＮＯ２量を、ＮＯスリップ量及びＮＯ２スリップ量という。
【００６８】
図７は、選択還元触媒におけるＮＯｘの浄化とＮＯ２の吸着を模した選択還元触媒モデルを模式的に示す図である。
上述のように、ＮＨ３の存在下にある選択還元触媒では、Ｆａｓｔ、Ｓｌｏｗ及びＳｔａｎｄａｒｄの３種類の反応速度の異なるＮＯｘ還元反応が進行する。また、選択還元触媒には排気中のＮＯ２を吸着し所定の量だけ貯蔵する能力があるため、選択還元触媒で進行する反応は、そのＮＯ２ストレージ量及び選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比に応じて大きく変化する。以下では、流入したＮＯ及びＮＯ２に対し選択還元触媒で進行する反応について、（Ａ）ＮＯ２ストレージ量が０又はその近傍である状態と、（Ｂ）ＮＯ２ストレージ量が最大ＮＯ２ストレージ容量又はその近傍である状態と、（Ｃ）ＮＯ２ストレージ量が０よりも十分に大きくかつ最大ＮＯ２ストレージ容量よりも十分に小さく、したがって過不足なくＮＯ２が吸着されている状態と、で場合分けして説明する。
【００６９】
（Ａ）ＮＯ２ストレージ量が０又はその近傍である状態
ＮＯ２ストレージ量が０又はその近傍であり、選択還元触媒にはＮＯ２があまり吸着されていない場合、選択還元触媒にはＮＯ２吸着機能に余裕はあるがＮＯ２放出機能に余裕は無いといえる。
このような状態において、ＮＯ２過多（ＮＯ２−ＮＯｘ比＞０．５）の排気が流入すると、選択還元触媒では、排気中のＮＯと、このＮＯと等量のＮＯ２とを併せて還元すべくＦａｓｔ ＳＣＲが進行する。また、ここで余剰となったＮＯ２を還元する反応は、より反応速度の遅いＳｌｏｗ ＳＣＲであるため、定常的なＮＯｘ（特にＮＯ２）浄化率は低い。しかしながら、ＮＯ２吸着機能には余裕があり、還元されなかったＮＯ２を選択還元触媒に吸着できるので、ＮＯ２を吸着できる間の過渡的なＮＯｘ浄化率は高い。すなわちこの場合、ＮＯ２ストレージ量は増加しながら、そのＮＯｘ浄化率は高く維持される。
一方、ＮＯ過多（ＮＯ２−ＮＯｘ比＜０．５）の排気が流入すると、選択還元触媒では、排気中のＮＯ２と、このＮＯ２と等量のＮＯとを併せて還元すべくＦａｓｔ ＳＣＲが進行する。また、ここで余剰となったＮＯを還元する反応は、より反応速度の遅いＳｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲであるため、定常的なＮＯｘ（特にＮＯ）浄化率は低い。また、ＮＯ２放出機能には余裕がなく、上記余剰となったＮＯと併せてＦａｓｔ ＳＣＲを進行させるべく、選択還元触媒から放出されるＮＯ２も少ないため、過渡的にもＮＯｘ浄化率も低いままである。
【００７０】
（Ｂ）ＮＯ２ストレージ量が最大ＮＯ２ストレージ容量又はその近傍である状態
ＮＯ２ストレージ量が最大ＮＯ２ストレージ容量又はその近傍であり、選択還元触媒には限界に近い量のＮＯ２が吸着している場合、選択還元触媒にはＮＯ２放出機能に余裕はあるがＮＯ２吸着機能に余裕は無いといえる。
このような状態において、ＮＯ２過多の排気が流入すると、選択還元触媒では、排気中のＮＯと、このＮＯと等量のＮＯ２とを併せて還元すべくＦａｓｔ ＳＣＲが進行する。また、ここで余剰となったＮＯ２を還元する反応は、より反応速度の遅いＳｌｏｗ ＳＣＲであるため、定常的なＮＯｘ（特にＮＯ２）浄化率は低い。また、ＮＯ２吸着機能には余裕がなく、還元されなかったＮＯ２を選択還元触媒で吸着することもできないので、過渡的にもＮＯｘ浄化率は低いままである。
一方、ＮＯ過多の排気が流入すると、選択還元触媒では、排気中のＮＯ２と、このＮＯ２と等量のＮＯとを併せて還元すべくＦａｓｔ ＳＣＲが進行する。また、ここで余剰となったＮＯを還元する反応は、より反応速度の遅いＳｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲであるため、定常的なＮＯｘ（特にＮＯ）浄化率は低い。しかしながら、ＮＯ２放出機能には余裕があるため、上記余剰となったＮＯは、上記Ｓｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲによりＮＯ単体で還元される割合よりも、Ｆａｓｔ ＳＣＲにより選択還元触媒から放出されたＮＯ２と併せて還元される割合の方が高くなるため、ＮＯ２を放出できる間の過渡的なＮＯｘ浄化率は高い。すなわちこの場合、ＮＯ２ストレージ量は減少しながら、ＮＯｘ浄化率は高く維持される。
【００７１】
（Ｃ）過不足なくＮＯ２が吸着されている状態
選択還元触媒に過不足なくＮＯ２が吸着されている場合、選択還元触媒にはＮＯ２吸着機能及びＮＯ２放出機能ともに余裕があるといえる。
このような状態において、ＮＯ２過多の排気が流入すると、選択還元触媒では、排気中のＮＯと、このＮＯと等量のＮＯ２とを併せて還元すべくＦａｓｔ ＳＣＲが進行する。また、ここで余剰となったＮＯ２を還元する反応は、より反応速度の遅いＳｌｏｗ ＳＣＲであるため、定常的なＮＯｘ（特にＮＯ２）浄化率は低い。しかしながら、ＮＯ２吸着機能には余裕があり、還元されなかったＮＯ２を選択還元触媒に吸着できるので、ＮＯ２を吸着できる間の過渡的なＮＯｘ浄化率は高い。すなわちこの場合、ＮＯ２ストレージ量は増加しながら、ＮＯｘ浄化率は高く維持される。
一方、ＮＯ過多の排気が流入すると、選択還元触媒では、排気中のＮＯ２と、このＮＯ２と等量のＮＯとを併せて還元すべくＦａｓｔ ＳＣＲが進行する。また、ここで余剰となったＮＯを還元する反応は、より反応速度の遅いＳｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲであるため、定常的なＮＯｘ（特にＮＯ）浄化率は低い。しかしながら、ＮＯ２放出機能には余裕があるため、上記余剰となったＮＯは、上記Ｓｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲによりＮＯ単体で還元される割合よりも、Ｆａｓｔ ＳＣＲにより選択還元触媒から放出されたＮＯ２と併せて還元される割合の方が高くなるため、ＮＯ２を放出できる間の過渡的なＮＯｘ浄化率は高い。すなわちこの場合、ＮＯ２ストレージ量は減少しながら、ＮＯｘ浄化率は高く維持される。
【００７２】
図８は、選択還元触媒のＮＯ２ストレージ率（横軸）とＮＯ又はＮＯ２のスリップ量（縦軸）との関係を示す図である。ここで横軸のＮＯ２ストレージ率とは、最大ＮＯ２ストレージ容量に対するＮＯ２ストレージ量の割合をいう。図８において、実線は、ＮＯ２過多の排気の供給開始直後におけるＮＯ２スリップ量を示し、破線は、ＮＯ過多の排気の供給開始直後におけるＮＯスリップ量を示す。
【００７３】
図８に示すように、ＮＯ２ストレージ率が閾値Ａ（例えば、３０％）より低くなると、ＮＯ過多の排気を供給したときに直ちにＮＯスリップが発生するようになる。すなわち、上記ＮＯ２放出機能が低下した状態（Ａ）は、この図では、ＮＯ２ストレージ率が閾値Ａよりも小さくなった状態に相当する。また、ＮＯ２ストレージ率が閾値Ｂ（例えば、７０％）より高くなると、ＮＯ２過多の排気を供給したときに直ちにＮＯ２スリップが発生するようになる。すなわち、上記ＮＯ２吸着機能が低下した状態（Ｂ）は、この図では、ＮＯ２ストレージ率が閾値Ｂよりも大きくなった状態に相当する。
したがって、閾値Ａを下限値とし閾値Ｂを上限値とした最適ストレージ範囲内にＮＯ２ストレージ率がある場合、選択還元触媒にＮＯ過多又はＮＯ２過多の排気を供給しても、ＮＯ又はＮＯ２が直ちにスリップすることはない。すなわち、上記ＮＯ２放出機能及びＮＯ２吸着機能共に余裕がある状態（Ｃ）はＮＯ２ストレージ率が閾値Ａと閾値Ｂとの間にある状態に相当する。
【００７４】
このように、過渡的なＮＯｘ浄化率については、ＮＯ２ストレージ量が小さくなるとＮＯ２−ＮＯｘ比のＮＯ過多側への変動に対するタフネスが低下し、ＮＯ２ストレージ量が大きくなるとＮＯ２−ＮＯｘ比のＮＯ２過多側への変動に対するタフネスが低下するといえる。したがって、選択還元触媒には過不足なくＮＯ２が吸着されていれば、ＮＯ２−ＮＯｘ比のＮＯ過多側及びＮＯ２過多側の両方の変動に対するタフネスが高く、最も好ましい状態であるといえる。
【００７５】
なお、以上の説明では、ＮＯ２ストレージ率に対して閾値Ａ，Ｂ並びに最適ストレージ範囲を設定したが、これら閾値Ａ，Ｂに最大ＮＯ２ストレージ容量を乗算することにより、ＮＯ２ストレージ量に対しても同様の最適ストレージ範囲が設定される。したがって、以下の説明では、これら閾値Ａ，Ｂ並びに最適ストレージ範囲は、ＮＯ２ストレージ量に対しても設定されたものとする。
【００７６】
図９は、選択還元触媒状態推定部５４の構成を示すブロック図である。
この選択還元触媒状態推定部５４は、図７及び図８を参照して説明した選択還元触媒モデルを具現化したものであり、定常スリップ量演算部５４０と、ＮＯ２ストレージモデル演算部５４５と、ＮＯ＋吸着ＮＯ２浄化モデル演算部５４６とを含んで構成される。
【００７７】
定常スリップ量演算部５４０は、図６の酸化ブロック直下推定部５３にて推定されたＮＯ流入量及びＮＯ２流入量の排気を選択還元触媒に定常的に供給し続けた場合に選択還元触媒から排出されるＮＯ量及びＮＯ２量に相当する定常ＮＯスリップ量及び定常ＮＯ２スリップ量を算出する。すなわち、これら定常ＮＯスリップ量及び定常ＮＯ２スリップ量は、選択還元触媒にＮＯ２吸着機能及びＮＯ２放出機能も無いと仮定した場合における各々のスリップ量に相当する。
【００７８】
定常ＮＯ＋ＮＯ２浄化モデル演算部５４１は、選択還元触媒ではＦａｓｔ ＳＣＲのみが進行するとの仮定の下で、流入したＮＯ及びＮＯ２のうち還元されずに排出されるＮＯ及びＮＯ２の量を、予め定められたマップに基づいて算出する。
定常ＮＯ浄化モデル演算部５４２は、選択還元触媒ではＳｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲのみが進行するとの仮定の下で、流入したＮＯのうち還元されずに排出されるＮＯの量を、予め定められたマップに基づいて算出する。
定常ＮＯ２浄化モデル演算部５４３は、選択還元触媒ではＳｌｏｗ ＳＣＲのみが進行するとの仮定の下で、流入したＮＯ２のうち還元されずに排出されるＮＯ２の量を、予め定められたマップに基づいて算出する。
【００７９】
定常スリップ量演算部５４０は、流入するＮＯ及びＮＯ２のうち少ない方の全てに対しＦａｓｔ ＳＣＲが進行するとの仮定の下で、推定されたＮＯ流入量及びＮＯ２流入量を、Ｆａｓｔ ＳＣＲが進行する分（等量ＮＯ及び等量ＮＯ２）と、Ｓｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲが進行する分（余剰ＮＯ）と、Ｓｌｏｗ ＳＣＲが進行する分（余剰ＮＯ２）とに分けた上、上記定常浄化モデル演算部５４１，５４２，５４３のそれぞれに入力する。なお、流入するＮＯ及びＮＯ２のうち少ない方の全てに対しＦａｓｔ ＳＣＲが進行するとの仮定の下では、上記余剰ＮＯ及び余剰ＮＯ２のうち何れかは０になる。
そして、定常スリップ量演算部５４０は、上記定常浄化モデル演算部５４１，５４２により算出されたＮＯのスリップ量を合算したものを定常ＮＯスリップ量とし、モデル演算部５４１，５４３により算出されたＮＯ２のスリップ量を合算したものを定常ＮＯ２スリップ量とする。
【００８０】
ＮＯ２ストレージモデル演算部５４５は、選択還元触媒のＮＯ２吸着量に相当するＮＯ２ストレージ量と、選択還元触媒から排出されるＮＯ２量に相当するＮＯ２スリップ量とを推定する。
ＮＯ＋吸着ＮＯ２浄化モデル演算部５４６は、選択還元触媒に吸着されていたもののうち、選択還元触媒に流入するＮＯと併せてＦａｓｔ ＳＣＲが進行することで消費されるＮＯ２量に相当するＮＯ２消費量と、選択還元触媒から排出されるＮＯ量に相当するＮＯスリップ量とを推定する。
【００８１】
ＮＯ２ストレージモデル演算部５４５は、定常スリップ量演算部５４０にて推定された定常ＮＯ２スリップ量のうち新たに選択還元触媒に吸着されるＮＯ２量（新規ＮＯ２吸着量）を正とし、上記ＮＯ＋吸着ＮＯ２浄化モデル演算部５４６にて推定されたＮＯ２消費量を負とし、これら新規ＮＯ２吸着量とＮＯ２消費量とを積算したものをＮＯ２ストレージ量とする。
ここで、新規ＮＯ２吸着量は、定常ＮＯ２スリップ量に、マップ（図１０参照）を検索することで決定されたＮＯ２吸着効率を乗算することにより算出される。また、ＮＯ２スリップ量は、定常ＮＯ２スリップ量から、上記新規ＮＯ２吸着量を減算することで算出される。
【００８２】
図１０は、ＮＯ２吸着効率を決定するマップの一例を示す図である。
流入したＮＯ２のうち選択還元触媒に吸着されるＮＯ２の割合に相当するＮＯ２吸着効率は、図１０に示すように、ＮＯ２ストレージ量が大きくなるに従い小さくなる。すなわち、選択還元触媒のＮＯ２吸着機能は、ＮＯ２ストレージ量が大きくなるに従い低下する。なお、ＮＯ２ストレージ量の上限値に相当する最大ＮＯ２ストレージ容量は、図１０に示すようなマップでは、ＮＯ２吸着効率がほぼ０となるＮＯ２ストレージ量として規定される。
【００８３】
また、図１０には、ＮＯ２ストレージ量のみに基づいてＮＯ２吸着効率を決定するマップの具体例を示したが、本発明はこれに限るものではない。ＮＯ２ストレージ量とＮＯ２吸着効率との関係及び最大ＮＯ２ストレージ容量は、選択還元触媒温度、選択還元触媒の劣化度合い、及びＮＨ３ストレージ量などによっても変化する。特に、選択還元触媒には、ＮＯ２のみの状態で吸着するものの他、ＮＨ３との化合物の状態で吸着するものもあることが検証されており、またこのことと関連して、選択還元触媒のＮＯ２吸着効率と選択還元触媒に吸着されているＮＨ３の量との間には相関があることも検証されている。したがって、これら選択還元触媒温度、劣化度合い及びＮＨ３ストレージ量など、ＮＯ２吸着機能と相関のあるパラメータに応じて、上記マップを修正してもよい。
【００８４】
図９に戻って、ＮＯ＋吸着ＮＯ２浄化モデル演算部５４６は、定常スリップ量演算部５４０にて推定された定常ＮＯスリップ量、すなわち選択還元触媒にはＮＯ放出機能が無いと仮定した場合に、還元されずにそのまま排出されるＮＯ量のうち、選択還元触媒に吸着されたＮＯ２と併せてＦａｓｔ ＳＣＲにより還元されるＮＯ量（ＮＯ還元量）を算出する。
ここで、ＮＯ還元量は、定常ＮＯスリップ量に、マップ（図１１参照）を検索することで決定された過渡ＮＯ浄化率を乗算することにより算出される。また、ＮＯスリップ量は、定常ＮＯスリップ量から、上記ＮＯ還元量を減算することで算出され、ＮＯ２消費量は、Ｆａｓｔ ＳＣＲにより上記ＮＯ還元量のＮＯと併せて還元されるＮＯ２量として算出される。
【００８５】
図１１は、過渡ＮＯｘ浄化率を決定するマップの一例を示す図である。
流入するＮＯのうち、選択還元触媒から放出されたＮＯ２と併せて還元されるＮＯの割合に相当する過渡ＮＯ浄化率は、ＮＯ２ストレージ量が大きくなるに従い小さくなる。すなわち、選択還元触媒のＮＯ２放出機能は、ＮＯ２ストレージ量が大きくなるに従い低下する。
【００８６】
以上、図９〜図１１を参照してＮＯ２ストレージ量、ＮＯ２スリップ量及びＮＯスリップ量を推定する選択還元触媒状態推定部５４の構成について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、上述のようにＮＯ２ストレージ量が最大ＮＯ２ストレージ容量に近づくに従い、より多くのＮＯ２が排出されることから、選択還元触媒の下流側に設けられたＮＯ２センサの出力値により実際のＮＯ２ストレージ量が実際の最大ＮＯ２ストレージ容量に近い状態であることを判断することができる。したがって、ＮＯ２ストレージ量が最大ストレージ容量の近傍にあるときに、ＮＯ２センサの出力値とＮＯ２スリップ量とのずれに基づいて、ＮＯ２ストレージ量を修正してもよい。
【００８７】
また、上記ＮＯ２センサに加え、選択還元触媒の下流側の排気のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを設けた場合には、このＮＯｘセンサの出力値に基づいてＮＯ２ストレージ量を修正してもよい。現存するＮＯｘセンサは、排気中のＮＯ、ＮＯ２及びＮＨ３に対して感応するが、このＮＯｘセンサの出力値からＮＨ３センサ及びＮＯ２センサの出力値を減算することにより、選択還元触媒の下流側に排出されるＮＯ量を推定することができる。したがって、このようにＮＯｘセンサの出力値に基づいて推定したＮＯ量と、上記選択還元触媒状態推定部５４により推定されたＮＯスリップ量とのずれに基づいて、ＮＯ２ストレージ量を修正してもよい。
【００８８】
次に、図５に戻って、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラ６の構成と、このパータベーションコントローラ６及びメインコントローラ７により実行されるＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の概念と、について説明する。
【００８９】
＜ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御＞
図８を参照して説明したように、選択還元触媒のＮＯ２吸着機能及びＮＯ２放出機能に着目すると、選択還元触媒のＮＯ２ストレージ量は閾値Ａと閾値Ｂとの間に規定された最適ストレージ範囲内にあれば、ＮＯ２−ＮＯｘ比は最適値である０．５からＮＯ過多側又はＮＯ２過多側へ変動しようとも、ＮＯｘ浄化率は定常的に高く維持されることが分かる。また、図８に示すように、このような最適ストレージ範囲には有意な幅があることから、ＮＯ２ストレージ量は常に一定に保ち続けている必要は無く、この最適ストレージ範囲内で変動していたとしても、ＮＯｘ浄化率は定常的に高く維持される。
そこで本発明では、ＮＯ２ストレージ量を最適ストレージ範囲内に維持しながら、かつその変動をある程度許容するため、所定期間の選択還元触媒におけるＮＯ２の吸着を正とし放出を負としたＮＯ２収支に着目する。
【００９０】
図１２は、選択還元触媒に流入するＮＯ２−ＮＯｘ比の変動パターンと、ＮＯ又はＮＯ２のスリップ量との相関を模式的に示す図である。図１２には、左側から順に、（ａ）ＮＯ２−ＮＯｘ比をＮＯ過多側で一定にした場合、（ｂ）ＮＯ２−ＮＯｘ比をＮＯ２過多側で一定にした場合、（ｃ）所定期間にわたるＮＯ２収支を０にするとの条件下でＮＯ２−ＮＯｘ比を様々なパターンで変動させた場合を示す。また、排気の供給開始時におけるＮＯ２ストレージ率は５０％程度であったものとする。
【００９１】
図１２の（ａ）に示すように、ＮＯ過多の排気を定常的に供給し続けた場合、ＮＯ２ストレージ量の低下に合わせて、ＮＯスリップ量は増加する。また、図１２の（ｂ）に示すように、ＮＯ２過多の排気を定常的に供給し続けた場合、ＮＯ２ストレージ量の上昇に合わせて、ＮＯ２スリップ量は増加する。
【００９２】
これに対し、図１２の（ｃ）に示すように、所定期間（例えば、１周期）のＮＯ２収支がほぼ０となるように、ＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５近傍の基準値を跨いで周期的に変動させた場合、ＮＯ２ストレージ量は上記最適ストレージ範囲内に維持されるため、ＮＯ及びＮＯ２共にスリップしない。このように、ＮＯ２−ＮＯｘ比を周期的に変動させるとともに、その１周期のＮＯ２収支を０にするという条件下では、この図１２の（ｃ）に示すように、ＮＯ２−ＮＯｘ比の変動パターン（ＮＯ過多側あるいはＮＯ２過多側への深さや、ＮＯ過多側あるいはＮＯ２過多側にする時間など）の詳細によらず、ＮＯｘ浄化率は定常的に高く維持されることとなる。本発明では、このようにＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５近傍の基準値よりも大きくさせるＮＯ２増大制御と、ＮＯ２−ＮＯｘ比を基準値よりも小さくさせるＮＯ２低減制御とを交互に実行する制御を、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御と定義する。
【００９３】
＜ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラ６＞
図５に戻って、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラ６の具体的な構成について説明する。
ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラ６１は、触媒パラメータ推定装置５により推定されたＮＯ２ストレージ量、ＮＯスリップ量及びＮＯ２スリップ量などに基づいて、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値を決定する。より具体的には、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラ６１は、所定期間の選択還元触媒のＮＯ２収支が所定の目標値になるように、ＮＯ２−ＮＯｘ比を基準値よりも大きくさせたり小さくさせたりするべく、その目標値を変動させる。
【００９４】
図１３は、パータベーションコントローラ６の動作の一例を示すタイムチャートである。図１３には、上段から順に、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比及びＮＯ２ストレージ量を示す。
図１３には、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値を、基準値（０．５）よりＮＯ２過多側の値と、基準値よりＮＯ過多側の値との間で２値的に変化させた場合を示す。
【００９５】
パータベーションコントローラ６は、推定されたＮＯ２ストレージ量がＮＯ２増大閾値以下になったことを契機として、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値をＮＯ２過多側の値にし、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比を基準値よりも大きくさせる（ＮＯ２増大制御）。その後、ＮＯ２ストレージ量が増加し、ＮＯ２低減閾値以上になったことを契機として、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値をＮＯ過多側の値にし、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比を基準値よりも小さくさせる（ＮＯ２低減制御）。パータベーションコントローラ６は、以上のようなＮＯ２増大制御とＮＯ２低減制御とを交互に実行する（ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御）。
ここで、図８に示すように、ＮＯ２増大閾値を最適ストレージ範囲の下限値とし、ＮＯ２低減閾値を最適ストレージ範囲の上限値とすることにより、選択還元触媒のＮＯ２ストレージ量を最適ストレージ範囲内に維持することができる。
【００９６】
なお、以上の制御例では、ＮＯ２収支とその目標値について明確な演算を経ているわけではないが、ＮＯ２増大制御を開始してからＮＯ２低減制御が終了するまでをＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の１周期とすれば、この１周期の間のＮＯ２収支が０又はその近傍に設定された目標値になるようにＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行することと同義である。
【００９７】
また、図１３には、ＮＯ２ストレージ量と閾値との比較に基づいてＮＯ２増大制御を開始する時期又はＮＯ２低減制御を開始する時期を判断したが、これに限らず、図１４に示すように予め定められた態様に基づいてＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値を変化させてもよい。
【００９８】
図１４は、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値の変化の態様の一例を示す図である。このような波形は、例えば、以下の７種類の波形パラメータで特徴付けられる。
１．基準値
２．ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の周期Ｔ
３．ＮＯ２低減制御の実行時間ＴｌとＮＯ２増大制御の実行時間Ｔｒとの比
４．ＮＯ２過多側の深さＤｒ（基準値からＮＯ２過多側の最大値までの距離）
５．ＮＯ過多側の深さＤｌ（基準値からＮＯ過多側の最小値までの距離）
６．ＮＯ２増大時の傾き（図１４中、区間ａ１の傾き）
７．ＮＯ２低減時の傾き（図１４中、区間ａ２の傾き）
【００９９】
これら波形パラメータの値は、推定されたＮＯ２ストレージ量、ＮＯ２スリップ量及びＮＯスリップ量、ＮＯ２センサの出力値、エンジン回転数、及びエンジン負荷などに応じて適宜設定される。以下、その具体的な方針について例示列挙する。
【０１００】
これら波形パラメータの値は、例えば、推定されたＮＯ２ストレージ量やＮＯ２センサの出力値に基づいて、ＮＯ２スリップ量及びＮＯスリップ量が最小になるように設定されることが好ましい。
また、これら波形パラメータの値は、例えば、排気温度やエンジン負荷などのエンジンの運転状態を示すパラメータに基づいて、ＮＯスリップ量及びＮＯ２スリップ量がともに最小になるように、又は燃費が最小になるように設定されることが好ましい。
【０１０１】
とりわけ、上記波形パラメータのうち、基準値、ＮＯ２過多側の深さＤｒ及びＮＯ過多側の深さＤｌは、ＮＯスリップ量及びＮＯ２スリップ量との相関が強くなっているため、エンジンの運転領域ごとにＮＯｘスリップ量が最小になるように設定されることが好ましい。例えば、ＨＣやＣＯなどのＮＯ２還元成分が、選択還元触媒に多く流入するような運転領域では、これらＮＯ２還元成分が多くなるほど、ＮＯ２低減制御に対しＮＯ２増大制御が優先的に実行されるように、基準値や深さＤｒ，Ｄｌなどの値は設定されることが好ましい。すなわち、ＮＯ２還元成分が多くなるほど、基準値をより０．５より大きな値へ補正するか、又はＮＯ過多側への深さＤｌに対するＮＯ２過多側への深さＤｒの割合が大きくなるように補正することが好ましい。
【０１０２】
また、図１３に示す例では、目標値の変化に合わせて実際のＮＯ２−ＮＯｘ比も変化した場合を示したが、実際のＮＯ２−ＮＯｘ比は、常にこのように性質良く変化するとは限らない。例えば、図１５に示すように、目標値の変化と実際のＮＯ２−ＮＯｘ比との変化が一致せず、したがって、ＮＯ２ストレージ量が最適ストレージ範囲から大きく外れてしまう場合がある。
【０１０３】
このような場合、すなわち、ＮＯ２ストレージ量が最適ストレージ範囲から外れてしまう場合には、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の１周期の間のＮＯ２収支の目標値を０から変化させることで、ＮＯ２ストレージ量を最適ストレージ範囲内に維持することができる。
【０１０４】
例えば、ＮＯ２ストレージ量が最適ストレージ範囲内にある場合には、上述のように１周期の間のＮＯ２収支の目標値は０又はその近傍に設定することが好ましい。
これに対し、ＮＯ２ストレージ量が最適ストレージ範囲の上限値より大きい場合には、ＮＯ２ストレージ量が減少し最適ストレージ範囲内に収まるように、１周期の間のＮＯ２収支の目標値は負に設定することが好ましい。
また、ＮＯ２ストレージ量が最適ストレージ範囲の下限値より小さい場合には、ＮＯ２ストレージ量が上昇し最適ストレージ範囲内に収まるように、１周期の間のＮＯ２収支の目標値は正に設定することが好ましい。
【０１０５】
また、図１３に示す例では、推定されたＮＯ２ストレージ量に基づいてＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値を変化させたが、本発明はこれに限らない。この他、推定されたＮＯ２スリップ量やＮＯスリップ量に基づいて、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値を設定してもよい。すなわち、ＮＯスリップ量が所定の閾値以下になったことを契機として、ＮＯ２ストレージ量がＮＯ２増大閾値以下になったと判断し、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値をＮＯ２過多側の値にし、ＮＯ２スリップ量が所定の閾値以上になったことを契機として、ＮＯ２ストレージ量がＮＯ２低減閾値以上になったと判断し、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値をＮＯ過多側の値にするようにしてもよい。
【０１０６】
また、図１３に示す例では、推定されたＮＯ２ストレージ量に基づいてＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値を変化させたが、本発明はこれに限らない。この他、ＮＯ２センサの出力値に基づいて、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値を設定してもよい。
ただし、ＮＯ２センサのみでは、ＮＯ２ストレージ量がＮＯ２低減閾値以上になったことは判断できるが、ＮＯ２ストレージ量がＮＯ２増大閾値以下になったことは判断できない。すなわち、ＮＯ２センサのみでは、ＮＯ２低減制御を開始する適切な時期は判断できるが、その後ＮＯ２増大制御を開始する適切な時期は判断できない。
したがってこの場合、ＮＯ２センサの出力値が所定の閾値以上になったことを契機として、ＮＯ２ストレージ量がＮＯ２低減閾値以上になったと判断し、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値をＮＯ過多側の値にし、その後、所定の時間が経過したことを契機として、ＮＯ２ストレージ量がＮＯ２増大閾値以下になったと判断し、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値をＮＯ２過多側の値にするようにしてもよい。
【０１０７】
なお、以上のように構成されたＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラ６において、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行に係る制御パラメータには、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値、ＮＯ２収支の目標値、及び波形パラメータなどが含まれる。
【０１０８】
図５に戻って、メインコントローラ７には、以上のようなパータベーションコントローラ６の他、ＮＯ２−ＮＯｘ比に対する上限値及び下限値を設定するＮＯ２−ＮＯｘ比上限設定部６２及びＮＯ２−ＮＯｘ比下限設定部６３が接続されている。
ＮＯ２−ＮＯｘ比上限設定部６２は、エンジン回転数及びエンジン負荷などのエンジンの運転状態を示すパラメータに基づいて、ＮＯ２−ＮＯｘ比の上限値を設定する。
ＮＯ２−ＮＯｘ比下限設定部６３は、エンジン回転数及びエンジン負荷などのエンジンの運転状態を示すパラメータに基づいて、ＮＯ２−ＮＯｘ比の下限値を設定する。
【０１０９】
＜メインコントローラ７＞
図５に戻って、メインコントローラ７は、パータベーションコントローラ６により決定されたＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値、上限設定部６２により設定されたＮＯ２−ＮＯｘ比の上限値、及び下限設定部６３により設定されたＮＯ２−ＮＯｘ比の下限値に基づいて、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８に対する指令値（ＥＧＲバルブ指令値、目標空燃比、酸化触媒目標温度など）を決定する。ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８は、メインコントローラ７により決定された指令値に応じて作動し、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比を要求に応じて変化させる。
【０１１０】
図１６は、ＮＯ２−ＮＯｘ比と、ＮＯ２−ＮＯｘ比を直接的に変動させる４つのパラメータ（フィードＮＯ濃度（上段左側）、ＳＶ（下段左側）、酸素濃度（上段右側）、酸化触媒温度（下段右側））との関係を示す図である。
メインコントローラ７により決定するＥＧＲバルブ指令値、目標空燃比及び酸化触媒目標温度と、これら４つのパラメータとは一意的に対応付けられているわけではないが、ＥＧＲバルブ指令値はフィードＮＯ濃度及びＳＶとの相関が強く、目標空燃比は排気の酸素濃度との相関が強く、酸化触媒目標温度は酸化触媒温度との相関が強い。すなわち、ＥＧＲバルブ指令値を変化させると主にフィードＮＯ濃度及びＳＶが変化し、目標空燃比を変化させると主に酸素濃度が変化し、酸化触媒目標温度を変化させると主に酸化触媒温度が変化する。
【０１１１】
図１６に示すように、フィードＮＯ濃度が高くなると、酸化触媒及びＣＳＦにおけるＮＯ酸化効率が低下するため選択還元触媒に流入するＮＯ２−ＮＯｘ比は低下する。ＳＶが大きくなると、酸化触媒及びＣＳＦにおけるＮＯ酸化効率が低下するためＮＯ２−ＮＯｘ比は低下する。酸素濃度が低くなると、酸化触媒及びＣＳＦにおけるＮＯ酸化効率が低下するためＮＯ２−ＮＯｘ比は低下する。また、酸化触媒温度が低くなると、酸化触媒及びＣＳＦにおけるＮＯ酸化効率が低下するためＮＯ２−ＮＯｘ比は低下する。
【０１１２】
また図１６に示すように、ＮＯ２−ＮＯｘ比は、酸化触媒温度やＳＶに対しては全領域でほぼリニアな関係がある。しかしながら、例えばフィードＮＯ濃度に対して、ＮＯ２−ＮＯｘ比は低濃度領域では大きく変化するのに対し、高濃度領域ではさほど変化しない。また、酸素濃度に対して、ＮＯ２−ＮＯｘ比は高濃度領域ではさほど変化しないのに対し、低濃度領域では大きく変化する。メインコントローラ７は、以上のように各パラメータの領域ごとにＮＯ２−ＮＯｘ比の変化の度合いが異なる点を考慮した上で、パータベーションコントローラ６からの要求に沿ってＮＯ２−ＮＯｘ比が変化するように、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構に対する指令値を決定する。
【０１１３】
次に、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の効果について説明する。
図１７は、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行しなかった比較例、より具体的には、選択還元触媒の温度が２５０℃に保たれるようにＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構を制御した場合における試験結果を示す図である。
図１８は、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行した場合における試験結果を示す図である。なお、これら図１７及び１８には、上段から順に、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比、テールパイプから排出される排気のＮＯ２濃度及びＮＯ濃度を示す。また、参考のため車速も同じ図に示す。
【０１１４】
図１７に示すように、比較例では、ＮＯ２−ＮＯｘ比は０．５よりもＮＯ２過多側を推移するため、選択還元触媒のＮＯ２ストレージ量は常に飽和状態にある。このため、ＮＯに対する浄化率は高く維持されるものの、ＮＯ２に対する浄化率は低い。
【０１１５】
これに対し、図１８に示すように、所定期間のＮＯ２収支が０になるようにＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行すると、ＮＯ２−ＮＯｘ比は、０．５をまたいでＮＯ２過多側又はＮＯ過多側へ交互に変化する。これにより、選択還元触媒におけるＮＯ２ストレージ量は最適ストレージ範囲内に維持されるので、ＮＯ及びＮＯ２共に浄化率は高く維持されることとなる。
【０１１６】
ところで、上記試験ではＮＯ酸化性能の高い酸化触媒及びＣＳＦを用いたため、図１７に示す比較例におけるＮＯ２−ＮＯｘ比は０．５よりも大きなＮＯ２過多側を推移する。これはすなわち、酸化触媒やＣＳＦのＮＯ酸化性能を低下させることにより、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行せずとも、ＮＯ２浄化率をある程度は向上できることを意味する。しかしながら、酸化触媒やＣＳＦのＮＯ酸化性能を低下させると、ＣＯ及びＨＣの酸化性能の他、エンジン始動開始時における排気系の暖機性能も低下してしまうこととなる。したがって、以上のような事情を考慮すると、本発明のＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行することにより、選択還元触媒によるＮＯｘ浄化率を高くしながらかつＣＯ及びＨＣ浄化率並びに暖機性能も高くすることができる。
【０１１７】
図１９は、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行時における実際のＮＯ２−ＮＯｘ比（上段の細線）、エンジンから排出されるＮＯｘ量（上段の太線）、テールパイプから排出される排気のＮＯ２濃度（実線）及びＮＯ濃度（破線）の変化を示す図である。なお、この図１９に示す制御例では、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラからの要求に応じてＮＯ２−ＮＯｘ比を変化させるため、上記ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構に対する指令値のうち、特にＥＧＲバルブ指令値を変化させた場合（以下、「ＥＧＲ調整法」という）を示す。
【０１１８】
ＥＧＲ調整法によりＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行すると、ＮＯ２増大制御を実行している間はＥＧＲ量を低減することにより、フィードＮＯｘ濃度を及びＳＶを低下させる。これにより、酸化触媒及びＣＳＦにおけるＮＯ酸化効率が上昇し、ＮＯ２−ＮＯｘ比が増加する。また、ＮＯ２低減制御を実行している間はＥＧＲ量を増加することにより、フィードＮＯｘ濃度及びＳＶを上昇させる。これにより、酸化触媒及びＣＳＦにおけるＮＯ酸化効率が低下し、ＮＯ２−ＮＯｘ比が低下する。
【０１１９】
このように、ＮＯ２−ＮＯｘ比を、０．５をまたいでＮＯ２過多側又はＮＯ過多側へ交互に変化させることにより、ＮＯ２浄化率及びＮＯ浄化率をともに同程度まで低下させることができる。なお、図１９中、破線で示すように、ＮＯ２収支が目標値に合わなくなり、ＮＯ２ストレージ量が最適ストレージ範囲から外れると、ＮＯ２又はＮＯがスリップする。
【０１２０】
次ぎに、以上のようなＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行に適した時期及び適していない時期について検討する。先ず、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行することにより、ＮＯ２−ＮＯｘ比を最適値に維持し続けなくとも選択還元触媒のＮＯｘ浄化率を定常的に高く維持し続けることができるので、特にエンジンが定常運転状態にある場合にはパータベーション制御を継続して実行することが好ましい。
【０１２１】
しかしながら、エンジンが加速運転状態にある場合には、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行を一時的に停止することが好ましい。これは、エンジンが加速運転状態にあるときは、吸気は増大側へ制御されＥＧＲ量は減少側へ制御されることから、エンジンから排出されるＮＯｘ量及び排気ボリュームが増加し、パータベーション制御を実行せずともＮＯ２−ＮＯｘ比は低下する傾向があるためである。また、このような時期にパータベーション制御を実行すると、運転者による加速の要求とパータベーション制御による要求とが干渉した場合、例えば運転者により加速要求されている状態でさらにパータベーション制御によりＮＯ２−ＮＯｘ比の低減が要求された場合、ＮＯ２−ＮＯｘ比が必要以上に大きく低下してしまい、選択還元触媒のＮＯ２ストレージ率が最適ストレージ範囲（図８参照）から外れてしまうおそれもある。したがって、このような時期にあえてパータベーション制御を実行する必要性は低いと考えられる。さらに、制御ロジックの簡素化の観点からも、エンジンが加速運転状態にある場合には、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行を一時的に停止することが好ましい。
【０１２２】
この他、例えば、エンジンの始動開始直後など、酸化触媒及びＣＳＦが活性に達していない場合、これら酸化ブロックのＮＯ酸化効率は低いため、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行したところで、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比を要求通りに変化させることはできないと考えられる。また、これら酸化ブロックが活性に達していない場合には、ＮＯ酸化効率が低下しているばかりか、ＣＯやＨＣの酸化効率も低下した状態であり、エンジンも暖機中であると考えられるので、このような時期にパータベーション制御を実行するとＨＣやＣＯなどのＮＯｘ以外の浄化性能や燃費も悪化するおそれがある。以上のことから、酸化触媒及びＣＳＦが活性に達していない場合には、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行を禁止するとともに、これら酸化ブロックの暖機制御を優先し、ＣＯ及びＨＣ浄化性能を速やかに向上させ、かつＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を速やかに開始できるようにする方が好ましい。
【０１２３】
ここで、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比を最適値（例えば、０．５）に維持し続ける従来の制御における課題について検討する。
上述のように、実際にはＮＯ２−ＮＯｘ比を最適値に維持し続けることは困難であるため、一時的にＮＯ２−ＮＯｘ比が最適値から外れる場合がある。そこで、ＮＯ２過多（例えば、０．６）となった状態が一時的に続いた後、最適値へ向けて復帰させる状況を想定する。
このようなＮＯ２−ＮＯｘ比の復帰時、従来の制御によれば、できるだけＮＯ過多の状態へアンダーシュートさせることなくＮＯ２−ＮＯｘ比を最適値へ向けて低減させる。しかしながら、選択還元触媒のＮＯ２吸着機能に着目すると、上述のようにＮＯ２過多の状態が一時的に続いたのであれば、選択還元触媒のＮＯ２ストレージ率は高くなっており、そのＮＯ２過多側への変動に対するタフネスは低くなっていると考えられる。また、この状態から従来の制御のようにＮＯ２−ＮＯｘ比を最適値へ向けて低減させたところで、吸着されていたＮＯ２の放出が促進されることもないので、ＮＯ２−ＮＯｘ比が最適値に制御されたとしても、選択還元触媒はＮＯ２過多側への変動に対するタフネスの低い状態であることには変わりない。したがって、ＮＯ２−ＮＯｘ比の最適値への復帰後、何らかの事情によりＮＯ２−ＮＯｘ比がＮＯ２過多側へ少しでも振れた場合には、このＮＯ２の余剰分は直ちにスリップしてしまうこととなる。
これに対し、本発明のＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御では、ＮＯ２収支が目標値（例えば、０）となるようにＮＯ２−ＮＯｘ比を上記最適値に対し意図的にアンダーシュートさせる。したがって、選択還元触媒は、ＮＯ２過多側又はＮＯ過多側への変動に対するタフネスの高い状態に維持される。
【０１２４】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を、図面を参照して説明する。なお、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、その説明を省略する。
上述のように、ゼオライトを含む選択還元触媒には、ＮＯ２を吸着する機能に加えてＨＣを吸着機能も有する。また、選択還元触媒に吸着されたＨＣはＮＯ２を還元するため、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率やＮＯ２ストレージ量を変化させる要因となる。本実施形態では、このような選択還元触媒におけるＨＣの吸着を考慮する点で、上記第１実施形態と異なる。
【０１２５】
図２０は、触媒パラメータ推定装置５Ａの構成を示すブロック図である。
本実施形態は、触媒パラメータ推定装置５Ａの選択還元触媒状態推定部５４Ａの構成が、第１実施形態と異なる。図２０に示すように、選択還元触媒状態推定部５４Ａは、酸化ブロック直下推定部５３にて推定されたＮＯ流入量及びＮＯ２流入量、並びにエンジン直下推定部５１にて推定されたＨＣ量（以下、「ＨＣ流入量」という）に基づいて、選択還元触媒のＮＯ２ストレージ量、選択還元触媒直下の排気のＮＯ量（又はＮＯ濃度）及びＮＯ２量（又はＮＯ２濃度）を推定する。
【０１２６】
図２１は、選択還元触媒状態推定部５４Ａの構成を示すブロック図である。
この選択還元触媒状態推定部５４Ａは、定常スリップ量演算部５４０と、ＮＯ２ストレージモデル演算部５４５と、ＮＯ＋吸着ＮＯ２浄化モデル演算部５４６と、ＨＣストレージモデル演算部５４７Ａと、ＨＣ浄化モデル演算部５４８Ａとを含んで構成される。
【０１２７】
ＨＣストレージモデル演算部５４７Ａは、選択還元触媒のＨＣ吸着量に相当するＨＣストレージ量と、選択還元触媒から排出されるＨＣ量に相当するＨＣスリップ量とを推定する。
ＨＣ浄化モデル演算部５４８Ａは、選択還元触媒に吸着されていたもののうち、新たに流入したＮＯ２を還元することで酸化されるＨＣ量に相当するＨＣ消費量と、この反応で還元されたＮＯ２の量に相当する還元ＮＯ２量と、この反応でＮＯ２を還元することによりに新たに生成されたＮＯの量に相当する生成ＮＯ量とを推定する。
【０１２８】
ＨＣストレージモデル演算部５４７Ａは、エンジン直下推定部５１にて推定されたＨＣ流入量のうち新たに選択還元触媒に吸着されるＨＣ量（新規ＨＣ吸着量）を正とし、上記ＨＣ浄化モデル演算部５４８Ａにて推定されたＨＣ消費量を負とし、これら新規ＨＣ吸着量とＨＣ消費量とを積算したものをＨＣストレージ量とする。
ここで、新規ＨＣ吸着量は、ＨＣ流入量に、所定のマップを検索することで決定されたＨＣ吸着効率を乗算することにより算出される。なお、このＨＣ吸着効率を決定するマップは、上述のＮＯ２吸着効率を決定するマップ（図１０参照）と同様の構成であるので、その図示を省略する。すなわち、選択還元触媒のＨＣ吸着機能は、ＨＣストレージ量が大きくなるに従い低下する。また、ＨＣスリップ量は、ＨＣ流入量から、上記新規ＨＣ吸着量を減算することで算出される。
【０１２９】
ＨＣ浄化モデル演算部５４８Ａは、新たに流入したＮＯ２と選択還元触媒に吸着されていたＨＣとの間で下記式（２）に示すＮＯ２の還元反応が進行するとの仮定の下で、還元ＮＯ２量と、生成ＮＯ量と、ＨＣ消費量とを予め定められたマップを検索することにより算出する。
【数２】
【０１３０】
定常スリップ量演算部５４０には、酸化ブロック直下推定部５３にて推定されたＮＯ流入量に上記生成ＮＯ量を合算したものと、酸化ブロック直下推定部５３にて推定されたＮＯ２流入量から上記還元ＮＯ２量を減算したものとが入力される。
【０１３１】
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、エンジン直下推定部５１、酸化ブロック直下推定部５３及び選択還元触媒状態推定部５４において、それぞれエンジン直下、酸化ブロック直下及び選択還元触媒直下の排気のＮＯ量（又はＮＯ濃度）及びＮＯ２量（又はＮＯ２濃度）を推定するようにしたが、本発明はこれに限らない。これらＮＯ量及びＮＯ２量の代わりに、これらと等価なＮＯｘ量（又はＮＯｘ濃度）及びＮＯ２−ＮＯｘ比を推定するようにしてもよい。
【０１３２】
また上記実施形態では、ＮＯ２ストレージ率に対する最適ストレージ範囲を３０〜７０％としたが、本発明はこれに限るものではない。ＮＯ２ストレージ率が５０％にある場合には、ＮＯ２の吸着側及び放出側の両方に対し同程度の余裕があり、したがってＮＯ２過多側及びＮＯ過多側の両方の変動に対するタフネスが最も高いといえることから、上記最適ストレージ範囲を、５０％を中心としたより狭い範囲（例えば、４０〜６０％）に限定してもよい。
【符号の説明】
【０１３３】
１…エンジン（内燃機関、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構）
１１…排気管（排気通路）
２…排気浄化システム
２１…酸化触媒（酸化触媒、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構）
２２…ＣＳＦ（酸化触媒、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構）
２３…選択還元触媒（ＮＯｘ選択還元触媒）
２５…尿素水噴射装置（還元剤供給手段）
２６…高圧ＥＧＲ装置（ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構）
３…ＥＣＵ
４２…ＮＨ３センサ
４３…ＮＯ２センサ（ＮＯ２検出手段）
５，５Ａ…触媒パラメータ推定装置
５４，５４Ａ…選択還元触媒状態推定部（ＮＯ２吸着量推定手段）
６…ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラ（パータベーション制御手段）
７…メインコントローラ（パータベーション制御手段）
８…ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構（ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構）
【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）を選択的に還元する選択還元触媒（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ）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、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】
選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率は、流入する排気中のＮＯｘを構成する一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ２）との割合によって変化することが知られている。より具体的には、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）が０．５であるとき、すなわちＮＯとＮＯ２の比率が１：１であるときに最大となる。
【０００４】
特許文献１には、このような選択還元触媒の性能を最大限に生かすため、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比が０．５になるようにした排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置では、内燃機関の運転状態から、予め定められたマップを検索することでフィードフォワード的にＥＧＲ量や燃料噴射時期などを制御することにより、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比が常に０．５に維持されるようにする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２３１９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、運転者による要求や車両の状態などに応じて内燃機関の運転状態は常に変動するが、このような状況下でＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５に維持し続けることは、実際には極めて困難なことである。例えば、選択還元触媒の上流側にＮＯをＮＯ２に酸化する酸化触媒を設けた場合、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比は、酸化触媒の温度、酸化触媒における排気の空間速度（ＳＶ）、酸化触媒に流入する排気中のＮＯｘ量、Ｏ２濃度及びＨＣ濃度などに応じて変化するが、ＮＯ２−ＮＯｘ比が０．５となるようにこれらパラメータを全ての運転領域でマッピングすることはできない。
【０００７】
また、仮にこのようなマッピングが可能であったとしても、この場合、燃費や商品性の悪化を避けることはできない。例えば、選択還元触媒のＮＯｘ浄化率はその温度によっても変化するので、排気温度を上昇させることにより適切な温度に維持する温度制御が行われる。ここでＮＯ２−ＮＯｘ比が０．７にある状態から最適な０．５まで低下させたときにおける、上記温度制御にかかるエネルギーの変化について検討する。例えば、ＮＯ２−ＮＯｘ比を低下させるために酸化触媒に流入する排気のＳＶを増加させたとすると、この場合、選択還元触媒に流入する排気の温度も低下するため、温度制御にかかるエネルギーは増加してしまう。また、例えば、ＮＯ２−ＮＯｘ比を低下させるために酸化触媒に流入する排気のＮＯｘ量を増加させたとすると、この場合、選択還元触媒における還元剤の消費量が増加するおそれもある。
【０００８】
以上のように、特許文献１に示された技術のようなＮＯ２−ＮＯｘ比を最適値に維持し続ける制御は、実際には困難であるばかりか可能であったとしても燃費や商品性の悪化を避けることはできない。
【０００９】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、燃費や商品性を悪化させることなく選択還元触媒のＮＯｘ浄化率を定常的に高く維持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（例えば、後述のＮＨ３）の存在下で排気中のＮＯｘを選択的に還元し、かつ排気中のＮＯ２を吸着する機能を備えたＮＯｘ選択還元触媒（例えば、後述の選択還元触媒２３）と、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ選択還元触媒より上流側に還元剤又はその前駆体（例えば、後述の尿素水）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、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。前記排気浄化システムは、前記ＮＯｘ選択還元触媒に流入する排気中のＮＯｘに対するＮＯ２の比率に相当するＮＯ２−ＮＯｘ比を変化させるＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構（例えば、後述のエンジン１、酸化触媒２１、ＣＳＦ２２、及び高圧ＥＧＲ装置２６など）と、所定期間の前記ＮＯｘ選択還元触媒におけるＮＯ２の吸着を正とし放出を負としたＮＯ２収支が目標値になるようにＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行するパータベーション制御手段（例えば、後述のＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラ６１、及びメインコントローラ７）と、を備える。前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御は、前記ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構により前記ＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５近傍の基準値よりも大きくさせるＮＯ２増大制御と、前記ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構により前記ＮＯ２−ＮＯｘ比を前記基準値よりも小さくさせるＮＯ２低減制御とを交互に実行する制御として定義される。
【００１１】
従来、ＮＯｘ選択還元触媒における定常的なＮＯｘ浄化率は、流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比が０．５近傍の基準値にある場合に最大となり、またＮＯ２−ＮＯｘ比がＮＯ２過多側あるいはＮＯ過多側へ変化してもその定常的なＮＯｘ浄化率は低下するとされていた。これに対し、ＮＯｘ選択還元触媒にＮＯ２を吸着する機能がある場合、ＮＯ２−ＮＯｘ比が上記基準値からＮＯ２過多側又はＮＯ過多側へ大きく変動したとしても、あたかもＮＯ２−ＮＯｘ比が最適値に維持されるかのようにＮＯ２が吸着又は放出されるため、ＮＯｘ選択還元触媒に吸着されているＮＯ２の量が適切な範囲内に維持されている間の過渡的なＮＯｘ浄化率は高く維持される。
本発明では、このようなＮＯｘ選択還元触媒の新たな特性に着目し、所定期間のＮＯｘ選択還元触媒におけるＮＯ２収支が目標値になるようにＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行する。すなわち、ＮＯｘ選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比を基準値よりも大きくさせるＮＯ２増大制御と、これとは逆にＮＯ２−ＮＯｘ比を基準値よりも小さくさせるＮＯ２低減制御とを交互に実行する。これにより、ＮＯｘ選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率を定常的に高く維持することができる。
また、本発明のＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御では、所定期間のＮＯ２収支が目標値になるように、ＮＯ２−ＮＯｘ比を上記基準値に対し上下に変動させることから、ＮＯ２−ＮＯｘ比を最適値に合わせ込む制御を行っていた従来技術と比較して、上記所定期間のＮＯ２−ＮＯｘ比の変動パターンに大きな自由度を持たせることができる。このため、他の要因によるＮＯ２−ＮＯｘ比の変動をある程度許容することができるので、従来技術のように燃費や商品性が悪化することもない。
また本発明では、ＮＯ２−ＮＯｘ比に対する基準値を０．５近傍、すなわち０．５を含むある程度の拡がりを持った範囲内の値とする。定常的なＮＯｘ浄化率が最も高くなるＮＯ２−ＮＯｘ比は、基本的には０．５である。しかしながら、例えば、選択還元触媒の状態や選択還元触媒に流入する排気の状態など、より具体的には選択還元触媒に付着したＨＣの量や選択還元触媒に流入する排気中のＨＣやＣＯなどのＮＯ２還元成分の量などに応じて、選択還元触媒に流入するＮＯ２−ＮＯｘ比が変化するため、定常的なＮＯｘ浄化率が最大となるＮＯ２−ＮＯｘ比も実質的には変化する。本発明では、このような選択還元触媒や排気の状態の不定性を見込んで、上記基準値を０．５一定ではなく、０．５近傍の値とする。なお上記基準値は、上述のようなＮＯ２還元成分の存在により、０．５よりも大きい方へ変動しがちであることから、本発明における０．５近傍の値とは、より具体的には０．４以上０．７未満の範囲内の値であるとする。
【００１２】
この場合、前記排気浄化システムは、前記ＮＯｘ選択還元触媒のＮＯ２吸着量を推定するＮＯ２吸着量推定手段（例えば、後述の選択還元触媒状態推定部５４）をさらに備え、前記パータベーション制御手段は、前記ＮＯ２吸着量に基づいて前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行に係る制御パラメータ（後述のＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値、ＮＯ２収支の目標値、及び波形パラメータなど）の値を設定することが好ましい。
【００１３】
ＮＯｘ選択還元触媒のＮＯ２吸着量は、内燃機関の運転状態によって常に変化する。また、ＮＯｘ選択還元触媒の上流側に排気中のＣＯやＨＣを浄化するための酸化触媒を設けた場合、この酸化触媒の状態によってはＮＯｘ選択還元触媒にＨＣが流入する場合がある。ＮＯｘ選択還元触媒にＨＣが流入した場合、吸着したＮＯ２を還元するため、ＮＯ２吸着量は変化する。したがって、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比のみでは、このようなＮＯ２吸着量の変化を把握することができない。そこで本発明では、推定したＮＯ２吸着量に基づいて、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行に係る制御パラメータの値を設定することにより、所定期間のＮＯ２収支がより適切に目標値になるようにＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行することができる。
【００１４】
この場合、前記排気浄化システムは、前記ＮＯｘ選択還元触媒の下流側の排気のＮＯ２濃度を検出するＮＯ２検出手段（例えば、後述のＮＯ２センサ４３）をさらに備え、前記パータベーション制御手段は、前記ＮＯ２検出手段の出力値に基づいて前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行に係る制御パラメータの値を設定することが好ましい。
【００１５】
ＮＯｘ選択還元触媒のＮＯ２吸着量がその許容量に近づくと、吸着しきれなかったＮＯ２が選択還元触媒から排出されることとなるため、上述のようなＮＯ２検出手段を用いることにより、ＮＯ２吸着量の絶対値までは正確には把握できずとも、少なくともＮＯ２吸着量が許容量の近傍にあるか否かを判断することはできる。したがって、このようなＮＯ２検出手段の出力値に基づいてＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行に係る制御パラメータの値を設定することにより、所定期間のＮＯ２収支がより適切に目標値になるようにＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行することができる。
【００１６】
この場合、前記排気浄化システムは、前記ＮＯｘ選択還元触媒の下流側の排気のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ検出手段（例えば、後述のＮＯｘセンサ）と、前記ＮＯ２検出手段及び前記ＮＯｘ検出手段の出力値に基づいて前記ＮＯｘ選択還元触媒のＮＯ２吸着量を推定するＮＯ２吸着量推定手段（例えば、後述の選択還元触媒状態推定部５４）と、をさらに備え、前記パータベーション制御手段は、前記ＮＯ２吸着量に基づいて前記制御パラメータの値を設定することが好ましい。
【００１７】
本発明では、ＮＯ２検出手段及びＮＯｘ検出手段の出力値に基づいてＮＯｘ選択還元触媒のＮＯ２吸着量を推定し、さらにこの推定したＮＯ２吸着量に基づいて、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行に係る制御パラメータの値を設定することにより、上述のように所定期間のＮＯ２収支がより適切に目標値になるようにＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行することができる。
【００１８】
この場合、前記パータベーション制御手段は、前記ＮＯ２吸着量が所定の上限値と下限値との間に設定されるＮＯｘスリップ抑制範囲内に維持されるように前記ＮＯ２収支に対する目標値を設定することが好ましい。ここで、前記ＮＯ２吸着量が前記上限値より大きな状態でＮＯ２過多の排気を供給するとＮＯ２スリップが発生し、前記ＮＯ２吸着量が前記下限値より小さな状態でＮＯ過多の排気を供給するとＮＯスリップが発生する。
【００１９】
ＮＯｘ選択還元触媒にＮＯ２を吸着する機能がある場合、過渡的なＮＯｘ浄化率については、ＮＯ２吸着量が許容量に近くなるとＮＯ２−ＮＯｘ比のＮＯ２過多側への変動に対するタフネスが低下し、またＮＯ２吸着量が０に近くなるとＮＯ２−ＮＯｘ比のＮＯ過多側への変動に対するタフネスが低下する。このため、上述のようにＮＯｘ選択還元触媒のＮＯ２吸着量は、適切な範囲内に維持されていることが好ましい。そこで本発明では、ＮＯ２吸着量に対し上述のような吸着上限値と吸着下限値で規定されたＮＯｘスリップ抑制範囲を設定するとともに、ＮＯ２吸着量がこのＮＯｘスリップ抑制範囲内に維持されるように、所定期間のＮＯ２収支に対する目標値を設定する。これにより、ＮＯｘ選択還元触媒を、ＮＯ２−ＮＯｘ比のＮＯ２過多側又はＮＯ過多側への両方の変動に対するタフネスの高い状態に維持することができるので、ＮＯｘ浄化率を定常的に高く維持することができる。
【００２０】
この場合、前記パータベーション制御手段は、前記ＮＯ２吸着量が前記ＮＯｘ抑制スリップ範囲内にある場合には、前記ＮＯ２収支の目標値を０又はその近傍に設定し、前記ＮＯ２吸着量が前記ＮＯｘスリップ抑制範囲の上限値より大きい場合には、前記ＮＯ２吸着量が減少するように前記ＮＯ２収支の目標値を負に設定し、前記ＮＯ２吸着量が前記ＮＯｘスリップ抑制範囲の下限値より小さい場合には、前記ＮＯ２吸着量が増加するように前記ＮＯ２収支の目標値を正に設定することが好ましい。
【００２１】
本発明では、ＮＯ２吸着量がＮＯｘスリップ抑制範囲内にある場合には、上記所定期間のＮＯ２収支の目標値を０又はその近傍にし、ＮＯ２吸着量の変化量を小さくする。そして、ＮＯ２吸着量がＮＯｘスリップ抑制範囲の上限値より大きい場合にはＮＯ２吸着量が減少するようにＮＯ２収支の目標値を負に設定し、ＮＯ２吸着量がＮＯｘスリップ抑制範囲の下限値より小さい場合にはＮＯ２吸着量が増加するようにＮＯ２収支の目標値を正に設定する。これにより、ＮＯｘ選択還元触媒を、ＮＯ２−ＮＯｘ比のＮＯ２過多側又はＮＯ過多側への両方の変動に対するタフネスの高い状態に維持することができるので、ＮＯｘ浄化率を定常的に高く維持することができる。
【００２２】
この場合、前記パータベーション制御手段は、前記内燃機関から排出され前記ＮＯｘ選択還元触媒に流入するＮＯ２還元成分が多くなるほど、前記ＮＯ２低減制御に対し前記ＮＯ２増大制御が優先的に実行されるように前記制御パラメータの値を設定することが好ましい。
【００２３】
内燃機関からはＨＣやＣＯなどのＮＯ２還元成分が排出される。通常、これらＮＯ２還元成分は、例えば内燃機関の直下に設けられた酸化触媒により酸化されるものの、この酸化触媒の状態によって選択還元触媒に流入するものもある。このようなＮＯ２還元成分が選択還元触媒に流入したり付着したりすると、ＮＯ２が還元されるため、ＮＯ２吸着量は徐々に減少する。そこで本発明では、選択還元触媒に流入するＮＯ２還元成分が多くなるほど、ＮＯ２低減制御に対しＮＯ２増大制御が優先的に実行されるように制御パラメータの値を設定することにより、ＮＯ２還元成分の流入によるＮＯ２吸着量の低下を補いながら、所定期間のＮＯ２収支をより適切に目標値に制御することができる。
【００２４】
この場合、前記パータベーション制御手段は、前記内燃機関から排出され前記ＮＯｘ選択還元触媒に流入するＮＯ２還元成分が多くなるほど、前記ＮＯ２−ＮＯｘ比に対する基準値をより大きな値に補正することが好ましい。
【００２５】
本発明では、選択還元触媒に流入するＮＯ２還元成分が多くなるほど、ＮＯ２−ＮＯｘ比に対する基準値をより大きな値に補正することにより、ＮＯ２還元成分の流入によるＮＯ２吸着量の低下を補いながら、所定期間のＮＯ２収支をより適切に目標値に制御することができる。
【００２６】
この場合、前記パータベーション制御手段は、前記内燃機関が加速運転状態である場合には、前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行を停止することが好ましい。
【００２７】
加速運転時、吸気は増大側へ制御されＥＧＲ量は減少側へ制御されるので、内燃機関から排出されるＮＯｘ量は増加しかつＳＶも増加する。したがって、内燃機関が加速運転状態にある場合、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比もＮＯ過多側に変化することとなるので、あえてＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行する必要はない。また、このような時期にパータベーション制御を実行すると、運転者による加速の要求とパータベーション制御による要求とが干渉した場合、例えば運転者により加速要求されている状態でさらにパータベーション制御によりＮＯ２−ＮＯｘ比の低減が要求された場合、ＮＯ２−ＮＯｘ比が必要以上に大きく低下してしまい、ＮＯｘ浄化率が低下してしまうおそれもある。また、このような時期にＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行すると、運転者の要求に応じた適切な加速が得られない場合もある。さらに、制御ロジックの簡素化の観点からも、エンジンが加速運転状態にある場合には、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行を停止することが好ましい。
【００２８】
この場合、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ選択還元触媒の上流側には酸化触媒（例えば、後述の酸化触媒２１及びＣＳＦ２２など）が設けられ、前記パータベーション制御手段は、前記酸化触媒が活性に達していない場合には、前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行を禁止することが好ましい。
【００２９】
酸化触媒が活性に達していない場合、酸化触媒におけるＮＯ酸化効率は低く、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行したところで、ＮＯ２−ＮＯｘ比を要求通りに変化させることはできないと考えられる。また、酸化触媒が活性に達していない場合、ＮＯ酸化効率が低下しているばかりか、ＣＯやＨＣの酸化効率も低下した状態であり、エンジンも暖機中であると考えられるので、このような時期にパータベーション制御を実行すると、ＣＯやＨＣなどのＮＯｘ以外の浄化性能や燃費も悪化するおそれがある。以上のことから、酸化触媒が活性に達していない場合には、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行を禁止するとともに、酸化触媒や内燃機関の暖機を優先した方が好ましい。
【００３０】
この場合、前記ＮＯｘ選択還元触媒は、ＮＯ２を吸着する機能に加えてＨＣを吸着する機能を有するゼオライトを含むことが好ましい。
【００３１】
上述のようにＮＯ２還元成分であるＨＣは、ＮＯｘ選択還元触媒においてＮＯ２を還元しＮＯにすることから、ＮＯｘ選択還元触媒にＨＣを吸着する機能があるということは、ＮＯｘ選択還元触媒のＮＯ２吸着機能を向上させていることと、ほぼ同義であるといえる。したがって、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御において、ＮＯ２−ＮＯｘ比を変動させることができる領域を広げることができるため、さらにＮＯｘ浄化率を定常的に高く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【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模式図である。
【図２】酸化触媒の温度と、酸化触媒におけるＮＯ酸化効率との関係を示す図である。
【図３】酸化触媒及びＣＳＦの各部分におけるＣＯ量、ＨＣ量、ＮＯ量及びＮＯ２量を示す図である。
【図４】選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比と定常ＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。
【図５】上記実施形態に係るＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構に対する指令値などの決定に係るブロックの構成を示す図である。
【図６】上記実施形態に係る触媒パラメータ推定装置の構成を示すブロック図である。
【図７】上記実施形態に係る選択還元触媒モデルを模式的に示す図である。
【図８】選択還元触媒のＮＯ２ストレージ率とＮＯ又はＮＯ２のスリップ量との関係を示す図である。
【図９】上記実施形態に係る選択還元触媒状態推定部の構成を示すブロック図である。
【図１０】上記実施形態に係るＮＯ２吸着効率を決定するマップの一例を示す図である。
【図１１】上記実施形態に係る過渡ＮＯｘ浄化率を決定するマップの一例を示す図である。
【図１２】選択還元触媒に流入するＮＯ２−ＮＯｘ比の変動パターンと、ＮＯ又はＮＯ２のスリップ量との相関を模式的に示す図である。
【図１３】上記実施形態に係るパータベーションコントローラの動作の一例を示すタイムチャートである。
【図１４】ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値の変化の態様の一例を示す図である。
【図１５】上記実施形態に係るパータベーションコントローラの動作の一例を示すタイムチャートである。
【図１６】ＮＯ２−ＮＯｘ比と、ＮＯ２−ＮＯｘ比を直接的に変動させる４つのパラメータとの関係を示す図である。
【図１７】比較例の試験結果を示す図である。
【図１８】上記実施形態に係るＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行した場合における試験結果を示す図である。
【図１９】上記実施形態に係るＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行時における実際のＮＯ２−ＮＯｘ比、フィードＮＯｘ量、ＮＯ２濃度及びＮＯ濃度の変化を示す図である。
【図２０】本発明の第２実施形態に係る触媒パラメータ推定装置の構成を示すブロック図である。
【図２１】上記実施形態に係る選択還元触媒状態推定部の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
［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。
【００３４】
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ＮＯｘを還元剤としてのＮＨ３の存在下で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、アンモニア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吸気管１２内に還流する高圧ＥＧＲ装置２６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。
【００３５】
高圧ＥＧＲ装置２６は、高圧ＥＧＲ管２６１と、高圧ＥＧＲバルブ２６２と、を含んで構成される。高圧ＥＧＲ管２６１は、排気管１１のうち酸化触媒２１より上流側と、吸気管１２とを接続する。高圧ＥＧＲバルブ２６２は、高圧ＥＧＲ管２６１に設けられ、この高圧ＥＧＲ管２６１を介して還流される排気の量（以下、「ＥＧＲ量」という）を制御する。この高圧ＥＧＲバルブ２６２は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ３に接続されており、その開度（リフト量）はＥＣＵ３により電磁的に制御される。
【００３６】
酸化触媒２１は、排気管１１のうちエンジン１の直下であって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を酸化しＮＯ２に変換する。
【００３７】
図２は、酸化触媒の温度と、酸化触媒におけるＮＯ酸化効率との関係を示す図である。ここで、ＮＯ酸化効率とは、酸化触媒に流入するＮＯ量に対し、この酸化触媒で酸化され流出するＮＯ２量の割合をいい、したがってＮＯ２生成効率ともいうことができる。図２に示すように、酸化触媒におけるＮＯ酸化効率は、酸化触媒の温度に対して上に凸の特性を示し、図２に示す例では３００℃近傍において最も効率良くＮＯを酸化するようになっている。すなわち、酸化触媒におけるＮＯ酸化効率は、酸化触媒の温度が最適値（図２の例では３００℃）より低くなると低下し、また最適値より高くなっても低下する。なお、これに対し、酸化触媒におけるＣＯ及びＨＣの酸化効率は、基本的には酸化触媒の温度とともに上昇する特性がある。すなわち、酸化触媒の温度が高くなる程ＣＯ及びＨＣの酸化効率も高くなる。
【００３８】
図１に戻って、ＣＳＦ２２は、排気管１１のうち酸化触媒２１よりも下流側かつ選択還元触媒２３よりも上流側に設けられる。ＣＳＦ２２は、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スートを、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。
【００３９】
なお、上流側の酸化触媒２１と下流側のＣＳＦ２２とで貴金属組成の異なるものを用いることにより、上流側と下流側とで機能を分担させてもよい。例えば上流側の酸化触媒２１にはＰｔとＰｄとを混合したものを用いることにより、低温時のＨＣ及びＣＯの酸化性能を向上し、下流側のＣＳＦ２２にはＰｄを少量混合するとともにＰｔを主体としたものを用いることにより、ＮＯの酸化性能（すなわちＮＯ２の生成性能）を向上することができる。
【００４０】
図３は、酸化触媒及びＣＳＦの各部分におけるＣＯ量、ＨＣ量、ＮＯ量及びＮＯ２量を示す図である。
図３に示すように、エンジンから排出された排気に含まれるＣＯ、ＨＣ及びＮＯは、それぞれ、酸化触媒及びＣＳＦを通過する過程で酸化されるため、上流側から下流側へ向かうに従い各々の量は減少する。また、ＮＯが酸化されることでＮＯ２が生成されるため、上流側から下流側へ向かうに従いＮＯ２量は増加する。
【００４１】
また、酸化触媒及びこの酸化触媒とほぼ同じ機能を有するＣＳＦでは、ＣＯ、ＨＣ及びＮＯの酸化反応に、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯの順の優先順位がある。すなわち、ＣＯ、ＨＣ及びＮＯを含んだ排気が酸化触媒及びＣＳＦを通過する過程において、最も先に（すなわち最も上流側で）ＣＯが酸化され、その次にＨＣが酸化され、最後に（すなわち最も下流側で）ＮＯが酸化されＮＯ２が生成される。すなわち、排気中のＮＯは、排気中のＣＯとＨＣが無くなった後で酸化されＮＯ２が生成されるようになっており、したがって、排気中にＣＯ及びＨＣが多く含まれていると、酸化触媒及びＣＳＦにおけるＣＯ、ＨＣ酸化効率が低下するよりも先に、ＮＯ酸化効率が低下する傾向がある。
また、一般的には酸化触媒やＣＳＦでは、排気の空間速度、すなわち酸化する物質（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯ）の単位時間当たりの通過量（ｇ／ｓ）が大きくなるに従い、その酸化効率は低下する。さらに、上述のように、排気中のＮＯは、酸化触媒及びＣＳＦの最も下流側において酸化されるため、エンジンから排出される排気のボリュームが大きくなると、ＣＯ、ＨＣ酸化効率が低下するよりも先に、ＮＯ酸化効率が低下する傾向がある。
【００４２】
図１に戻って、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及び図示しない尿素水ポンプを介して、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、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に供給する。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作動し、この制御信号に応じた量の尿素水を排気管１１内に噴射する。
【００４３】
選択還元触媒２３は、ＮＨ３など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２３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。
【００４４】
ＮＨ３の存在下にある選択還元触媒２３において進行するＮＯ及びＮＯ２の還元反応の反応式は、下記式（１−１）、（１−２）、（１−３）のようになっている。式（１−１）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（１−２）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（１−３）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。
【数１】
【００４５】
選択還元触媒では上記式（１−１）〜（１−３）に示す反応が進行することで、排気中のＮＯ及びＮＯ２がＮＨ３により還元されることとなるが、各反応の進行度合いは、ＮＯ２−ＮＯｘ比に応じて変化する。
【００４６】
例えば、ＮＯ２−ＮＯｘ比が０．５である場合、排気中のＮＯとＮＯ２のモル比が１：１であることから、選択還元触媒では主として上記式（１−１）に示す反応が進行する。このＦａｓｔ ＳＣＲは、これら３つの反応の中では最も反応速度が速い。
【００４７】
ＮＯ２−ＮＯｘ比が０．５より小さい場合、すなわちＮＯ２よりもＮＯの方が多い場合、上記式（１−１）に示す反応だけでは還元しきれないＮＯが残るが、この余剰分のＮＯは上記式（１−２）に示す反応が進行することで還元される。したがって、ＮＯ２−ＮＯｘ比が０．５より小さい場合には、ＮＯ２−ＮＯｘ比が小さくなるに従い、上記式（１−１）に示す反応の進行度合いが低くなり、上記式（１−２）に示す反応の進行度合いが高くなる。このＳｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲは、これら３つの反応の中では最も反応速度が遅い。
【００４８】
一方、ＮＯ２−ＮＯｘ比が０．５より大きい場合、すなわちＮＯよりもＮＯ２の方が多い場合、上記式（１−１）に示す反応だけでは還元しきれないＮＯ２が残るが、この余剰分のＮＯ２は上記式（１−３）に示す反応が進行することで還元される。したがって、ＮＯ２−ＮＯｘ比が０．５よりも大きい場合には、ＮＯ２−ＮＯｘ比が大きくなるに従い、上記式（１−１）に示す反応の進行度合いが低くなり、上記式（１−３）に示す反応の進行度合いが高くなる。このＳｌｏｗ ＳＣＲの反応速度は、Ｓｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲよりは速いが、Ｆａｓｔ ＳＣＲよりは遅くなっている。
【００４９】
図４は、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比と定常的なＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。ここで、定常的なＮＯｘ浄化率とは、選択還元触媒を一定の温度に保ちつつ一定のＳＶで排気を供給し続け、選択還元触媒で進行する反応及びその内部状態が定常的になったときにおけるＮＯｘ浄化率を言う。すなわち、この定常的なＮＯｘ浄化率には、排気の供給開始直後におけるＮＯｘ浄化率の過渡的な変動は考慮されていない。
【００５０】
図４に示すように、ＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５にすると、選択還元触媒では、反応速度が最も速いＦａｓｔ ＳＣＲが主に進行することとなるため、定常的なＮＯｘ浄化率は最も高くなる。これに対しＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５から大きくすると、Ｆａｓｔ ＳＣＲのみでは還元できないＮＯ２の余剰分を還元するため、Ｆａｓｔ ＳＣＲよりも反応速度の遅いＳｌｏｗ ＳＣＲが進行する割合が大きくなるため、定常ＮＯｘ浄化率は低下する。また逆にＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５から小さくすると、Ｆａｓｔ ＳＣＲのみでは還元できないＮＯの余剰分を還元するため、Ｓｌｏｗ ＳＣＲよりもさらに反応速度の遅いＳｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲが進行する割合が大きくなり、定常的なＮＯｘ浄化率は低下する。
また、定常的なＮＯｘ浄化率は、選択還元触媒の温度に対して上に凸の特性を示す。図４に示す例によれば、定常的なＮＯｘ浄化率は、選択還元触媒の温度が約２５０℃であるときに最も高くなり、この最適温度より高くなっても低くなっても低下する。
【００５１】
図１に戻って、選択還元触媒２３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、選択還元触媒２３において貯蔵されたＮＨ３量をＮＨ３ストレージ量とし、選択還元触媒２３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。
このようにして選択還元触媒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、選択還元触媒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ストレージ容量に近くなり選択還元触媒２３が飽和状態になると、ＮＯｘ浄化率も最高値に近づくものの、ＮＯｘの還元に供されず余剰となったＮＨ３が選択還元触媒２３の下流側へ排出されるＮＨ３スリップが発生する。このようにして選択還元触媒２３の下流側へ排出されたＮＨ３がシステム外に排出されるのを防止するため、選択還元触媒２３の下流側にはスリップ抑制触媒２４が設けられている。このスリップ抑制触媒２４としては、例えば、選択還元触媒２３からスリップしたＮＨ３を酸化しＮ２とＨ２Ｏに分解する酸化触媒や、スリップしたＮＨ３を貯蔵するかあるいは排気中のＮＯｘの還元に供する選択還元触媒などを用いることができる。
【００５２】
また、この選択還元触媒２３はゼオライトを含んでおり、排気中のＮＯ２やＨＣを吸着し所定の量だけ貯蔵する機能も有する。以下では、選択還元触媒２３において貯蔵されたＮＯ２量をＮＯ２ストレージ量とし、選択還元触媒２３において貯蔵できるＮＯ２量を最大ＮＯ２ストレージ量とする。
このようなＮＯ２吸着機能を備えた選択還元触媒２３では、流入する排気がＮＯ２過多（ＮＯ２−ＮＯｘ比＞０．５）となった場合に、還元しきれなかったＮＯ２を吸着する。そして、このようにして選択還元触媒２３に貯蔵されたＮＯ２は、選択還元触媒２３に流入する排気がＮＯ過多（ＮＯ２−ＮＯｘ比＜０．５）となった場合に放出され、余分に供給されたＮＯとともにＦａｓｔ ＳＣＲにより還元される。すなわち、ＮＯ２吸着機能を備えた選択還元触媒２３は、流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比が最適値からＮＯ２過多側又はＮＯ過多側に変動した場合であっても、あたかもＮＯ２−ＮＯｘ比を最適値に維持するかのようにＮＯ２を吸着したり放出したりする。
【００５３】
図１に戻って、エンジン１や排気浄化システム２の状態を検出するため、ＥＣＵ３には、排気温度センサ４１、ＮＨ３センサ４２、ＮＯ２センサ４３、クランク角度位置センサ１４、アクセル開度センサ１５、エアフローメータ１６などが接続されている。
【００５４】
排気温度センサ４１は、酸化触媒２１及びＣＳＦ２２の下流側の排気温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ３に供給する。ＥＣＵ３では、この排気温度センサ４１の検出値に基づいて選択還元触媒２３の温度や酸化触媒２１の温度を推定する。なお、本実施形態では、酸化触媒２１の温度とＣＳＦ２２の温度はほぼ等しいものとして扱うが、これに限るものではない。
【００５５】
ＮＨ３センサ４２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アンモニアの濃度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ３に供給する。ＮＯ２センサ４３は、排気管１１のうち選択還元触媒２３の直下の排気中のＮＯ２の濃度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ３に供給する。
【００５６】
エアフローメータは、図示しない吸気通路を流通する吸入空気量を検出し、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。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。ＥＣＵ３では、このパルス信号に基づいて、エンジン１のエンジン回転数を算出する。アクセル開度センサ１５は、車両の図示しないアクセルペダルの踏み込み量（以下、「アクセル開度」という）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、このアクセル開度及び上記エンジン回転数に応じて、エンジン１のエンジン負荷を算出する。また、排気流量は、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などに基づいて、ＥＣＵ３により算出される。
【００５７】
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など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などを記憶する記憶回路と、エンジン１、高圧ＥＧＲバルブ２６２、及び尿素水噴射弁２５３などに制御信号を出力する出力回路と、を備える。
【００５８】
図５は、ＥＣＵ３に構成された制御ブロックのうち、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８に対する指令値や目標値並びにこれら指令値や目標値のマップ値に対する補正値など（以下、これらをまとめて「指令値」という）の決定に係るブロックの構成を示す図である。ここでＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８とは、図１に示すような選択還元触媒２３が排気管１１に設けられた排気浄化システム２を構成する装置のうち、選択還元触媒２３に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比を変化させることができる装置をいう。
【００５９】
例えば、酸化触媒２１及びＣＳＦ２２は、排気中のＮＯを酸化しＮＯ２に変換できる能力がありかつそのＮＯ酸化効率は温度によって変化するため、温度を変化させることによりＮＯ２−ＮＯｘ比を変化させることができる。したがって、これら酸化触媒２１及びＣＳＦ２２は、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８に含まれる。
またエンジン１は、例えばその混合気の空燃比を変えることにより、酸化触媒２１及びＣＳＦ２２に流入する排気の酸素濃度、すなわち酸化触媒２１及びＣＳＦ２２におけるＮＯ酸化効率を変化させ、ひいてはＮＯ２−ＮＯｘ比を変化させることができる。したがって、エンジン１は、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８に含まれる。
また高圧ＥＧＲ装置２６は、例えばＥＧＲ量を変化させることにより、エンジン１から排出されるＮＯ量及び排気流量、すなわち酸化触媒２１及びＣＳＦ２２におけるＮＯ酸化効率を変化させ、ひいてはＮＯ２−ＮＯｘ比を変化させることができる。したがって、高圧ＥＧＲ装置２６は、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８に含まれる。この他、エンジン１の過給圧や吸入空気量などによっても、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比を変化させることができることから、図１には図示されていない過給機やスロットルバルブなどもＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８に含まれる。
【００６０】
図５には、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８に対する指令値の具体例として、酸化触媒２１の温度に対する目標値（酸化触媒目標温度）、エンジン１の混合気の空燃比に対する目標値（目標空燃比）、高圧ＥＧＲバルブ２６２のリフト量に対する指令値（ＥＧＲバルブ指令値）の３つのみを例示列挙するが、本発明はこれらに限るものではない。
【００６１】
図５に示すように、ＥＣＵ３には、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８の指令値を決定するためのモジュールとして、選択還元触媒及びその直下の排気の状態を評価するための触媒パラメータ（選択還元触媒から排出されるＮＯ量及びＮＯ２量、並びにＮＯ２ストレージ量）を推定する触媒パラメータ推定装置５と、後述のＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行するＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラ６及びメインコントローラ７と、が形成されている。
【００６２】
なお、ＥＣＵ３には、図５に示す制御ブロックの他、例えば、尿素水噴射制御、すなわち尿素水噴射弁２５３からの尿素水の噴射量を決定する制御ブロックが形成されている。より具体的には、尿素水噴射制御では、選択還元触媒２３のＮＨ３ストレージ量及び最大ＮＨ３ストレージ容量を推定しながら、このＮＨ３ストレージ量が最大ストレージ容量の近傍に維持されるように、選択還元触媒２３の下流側に設けられたＮＨ３センサ４２の検出値に基づいて尿素水の噴射量を決定する。このように、ＮＨ３ストレージ量を最大ＮＨ３ストレージ容量の近傍に維持することにより、選択還元触媒２３からのＮＨ３スリップを最小限にとどめつつ、選択還元触媒２３におけるＮＯｘ浄化率を高く維持することができる。なお、以上のような尿素水噴射制御の詳細なアルゴリズムは、例えば、本願出願人による国際公開第２００８／５７６２８などに詳しく記載されているので、ここではこれ以上詳細な説明を省略する。
【００６３】
以下、図５中の触媒パラメータ推定装置５、パータベーションコントローラ６、及びメインコントローラ７の構成について順に説明する。
【００６４】
＜触媒パラメータ推定装置５＞
図６は、触媒パラメータ推定装置５の構成を示すブロック図である。
図６に示すように、触媒パラメータ推定装置５は、エンジン直下の排気の状態を推定するエンジン直下推定部５１と、酸化触媒及びＣＳＦからなる酸化ブロックの状態を推定する酸化ブロック状態推定部５２と、この酸化ブロックの直下の排気の状態を推定する酸化ブロック直下推定部５３と、選択還元触媒及びその直下の排気の状態を推定する選択還元触媒状態推定部５４と、を含んで構成される。
【００６５】
エンジン直下推定部５１では、エンジン回転数、エンジン負荷、ＥＧＲ量、吸入空気量及び混合気の空燃比などのエンジンの運転状態を示すパラメータに基づいて、エンジンから排出される排気、すなわち酸化触媒に流入する排気中に含まれるＮＯ量（又はＮＯ濃度）及びＮＯ２量（又はＮＯ２濃度）を推定する。
【００６６】
酸化ブロック状態推定部５２は、ポスト噴射量、排気温度及び排気流量などに基づいて、酸化触媒温度、並びにＣＳＦから下流側へ排出される排気中に含まれるＨＣ量（又はＨＣ濃度）を推定する。
酸化ブロック直下推定部５３は、エンジン直下推定部５１にて推定されたＮＯ量及びＮＯ２量、酸化ブロック状態推定部５２にて推定された酸化触媒温度及びＨＣ量、並びに排気流量など、酸化ブロックにおけるＮＯ酸化効率に相関のあるパラメータに基づいて、酸化ブロック直下の排気の状態、すなわち選択還元触媒に流入する排気のＮＯ量（又はＮＯ濃度）及びＮＯ２量（又はＮＯ２濃度）を推定する。なお以下では、この酸化ブロック直下推定部５３で推定されたＮＯ量及びＮＯ２量を、ＮＯ流入量及びＮＯ２流入量という。
【００６７】
選択還元触媒状態推定部５４は、酸化ブロック直下推定部５３にて推定されたＮＯ量及びＮＯ２量に基づいて、図７に示す選択還元触媒モデルにより選択還元触媒のＮＯ２ストレージ量、選択還元触媒直下の排気のＮＯ量（又はＮＯ濃度）及びＮＯ２量（又はＮＯ２濃度）を推定する。なお以下では、特に選択還元触媒から排出されるＮＯ量及びＮＯ２量を、ＮＯスリップ量及びＮＯ２スリップ量という。
【００６８】
図７は、選択還元触媒におけるＮＯｘの浄化とＮＯ２の吸着を模した選択還元触媒モデルを模式的に示す図である。
上述のように、ＮＨ３の存在下にある選択還元触媒では、Ｆａｓｔ、Ｓｌｏｗ及びＳｔａｎｄａｒｄの３種類の反応速度の異なるＮＯｘ還元反応が進行する。また、選択還元触媒には排気中のＮＯ２を吸着し所定の量だけ貯蔵する能力があるため、選択還元触媒で進行する反応は、そのＮＯ２ストレージ量及び選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比に応じて大きく変化する。以下では、流入したＮＯ及びＮＯ２に対し選択還元触媒で進行する反応について、（Ａ）ＮＯ２ストレージ量が０又はその近傍である状態と、（Ｂ）ＮＯ２ストレージ量が最大ＮＯ２ストレージ容量又はその近傍である状態と、（Ｃ）ＮＯ２ストレージ量が０よりも十分に大きくかつ最大ＮＯ２ストレージ容量よりも十分に小さく、したがって過不足なくＮＯ２が吸着されている状態と、で場合分けして説明する。
【００６９】
（Ａ）ＮＯ２ストレージ量が０又はその近傍である状態
ＮＯ２ストレージ量が０又はその近傍であり、選択還元触媒にはＮＯ２があまり吸着されていない場合、選択還元触媒にはＮＯ２吸着機能に余裕はあるがＮＯ２放出機能に余裕は無いといえる。
このような状態において、ＮＯ２過多（ＮＯ２−ＮＯｘ比＞０．５）の排気が流入すると、選択還元触媒では、排気中のＮＯと、このＮＯと等量のＮＯ２とを併せて還元すべくＦａｓｔ ＳＣＲが進行する。また、ここで余剰となったＮＯ２を還元する反応は、より反応速度の遅いＳｌｏｗ ＳＣＲであるため、定常的なＮＯｘ（特にＮＯ２）浄化率は低い。しかしながら、ＮＯ２吸着機能には余裕があり、還元されなかったＮＯ２を選択還元触媒に吸着できるので、ＮＯ２を吸着できる間の過渡的なＮＯｘ浄化率は高い。すなわちこの場合、ＮＯ２ストレージ量は増加しながら、そのＮＯｘ浄化率は高く維持される。
一方、ＮＯ過多（ＮＯ２−ＮＯｘ比＜０．５）の排気が流入すると、選択還元触媒では、排気中のＮＯ２と、このＮＯ２と等量のＮＯとを併せて還元すべくＦａｓｔ ＳＣＲが進行する。また、ここで余剰となったＮＯを還元する反応は、より反応速度の遅いＳｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲであるため、定常的なＮＯｘ（特にＮＯ）浄化率は低い。また、ＮＯ２放出機能には余裕がなく、上記余剰となったＮＯと併せてＦａｓｔ ＳＣＲを進行させるべく、選択還元触媒から放出されるＮＯ２も少ないため、過渡的にもＮＯｘ浄化率も低いままである。
【００７０】
（Ｂ）ＮＯ２ストレージ量が最大ＮＯ２ストレージ容量又はその近傍である状態
ＮＯ２ストレージ量が最大ＮＯ２ストレージ容量又はその近傍であり、選択還元触媒には限界に近い量のＮＯ２が吸着している場合、選択還元触媒にはＮＯ２放出機能に余裕はあるがＮＯ２吸着機能に余裕は無いといえる。
このような状態において、ＮＯ２過多の排気が流入すると、選択還元触媒では、排気中のＮＯと、このＮＯと等量のＮＯ２とを併せて還元すべくＦａｓｔ ＳＣＲが進行する。また、ここで余剰となったＮＯ２を還元する反応は、より反応速度の遅いＳｌｏｗ ＳＣＲであるため、定常的なＮＯｘ（特にＮＯ２）浄化率は低い。また、ＮＯ２吸着機能には余裕がなく、還元されなかったＮＯ２を選択還元触媒で吸着することもできないので、過渡的にもＮＯｘ浄化率は低いままである。
一方、ＮＯ過多の排気が流入すると、選択還元触媒では、排気中のＮＯ２と、このＮＯ２と等量のＮＯとを併せて還元すべくＦａｓｔ ＳＣＲが進行する。また、ここで余剰となったＮＯを還元する反応は、より反応速度の遅いＳｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲであるため、定常的なＮＯｘ（特にＮＯ）浄化率は低い。しかしながら、ＮＯ２放出機能には余裕があるため、上記余剰となったＮＯは、上記Ｓｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲによりＮＯ単体で還元される割合よりも、Ｆａｓｔ ＳＣＲにより選択還元触媒から放出されたＮＯ２と併せて還元される割合の方が高くなるため、ＮＯ２を放出できる間の過渡的なＮＯｘ浄化率は高い。すなわちこの場合、ＮＯ２ストレージ量は減少しながら、ＮＯｘ浄化率は高く維持される。
【００７１】
（Ｃ）過不足なくＮＯ２が吸着されている状態
選択還元触媒に過不足なくＮＯ２が吸着されている場合、選択還元触媒にはＮＯ２吸着機能及びＮＯ２放出機能ともに余裕があるといえる。
このような状態において、ＮＯ２過多の排気が流入すると、選択還元触媒では、排気中のＮＯと、このＮＯと等量のＮＯ２とを併せて還元すべくＦａｓｔ ＳＣＲが進行する。また、ここで余剰となったＮＯ２を還元する反応は、より反応速度の遅いＳｌｏｗ ＳＣＲであるため、定常的なＮＯｘ（特にＮＯ２）浄化率は低い。しかしながら、ＮＯ２吸着機能には余裕があり、還元されなかったＮＯ２を選択還元触媒に吸着できるので、ＮＯ２を吸着できる間の過渡的なＮＯｘ浄化率は高い。すなわちこの場合、ＮＯ２ストレージ量は増加しながら、ＮＯｘ浄化率は高く維持される。
一方、ＮＯ過多の排気が流入すると、選択還元触媒では、排気中のＮＯ２と、このＮＯ２と等量のＮＯとを併せて還元すべくＦａｓｔ ＳＣＲが進行する。また、ここで余剰となったＮＯを還元する反応は、より反応速度の遅いＳｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲであるため、定常的なＮＯｘ（特にＮＯ）浄化率は低い。しかしながら、ＮＯ２放出機能には余裕があるため、上記余剰となったＮＯは、上記Ｓｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲによりＮＯ単体で還元される割合よりも、Ｆａｓｔ ＳＣＲにより選択還元触媒から放出されたＮＯ２と併せて還元される割合の方が高くなるため、ＮＯ２を放出できる間の過渡的なＮＯｘ浄化率は高い。すなわちこの場合、ＮＯ２ストレージ量は減少しながら、ＮＯｘ浄化率は高く維持される。
【００７２】
図８は、選択還元触媒のＮＯ２ストレージ率（横軸）とＮＯ又はＮＯ２のスリップ量（縦軸）との関係を示す図である。ここで横軸のＮＯ２ストレージ率とは、最大ＮＯ２ストレージ容量に対するＮＯ２ストレージ量の割合をいう。図８において、実線は、ＮＯ２過多の排気の供給開始直後におけるＮＯ２スリップ量を示し、破線は、ＮＯ過多の排気の供給開始直後におけるＮＯスリップ量を示す。
【００７３】
図８に示すように、ＮＯ２ストレージ率が閾値Ａ（例えば、３０％）より低くなると、ＮＯ過多の排気を供給したときに直ちにＮＯスリップが発生するようになる。すなわち、上記ＮＯ２放出機能が低下した状態（Ａ）は、この図では、ＮＯ２ストレージ率が閾値Ａよりも小さくなった状態に相当する。また、ＮＯ２ストレージ率が閾値Ｂ（例えば、７０％）より高くなると、ＮＯ２過多の排気を供給したときに直ちにＮＯ２スリップが発生するようになる。すなわち、上記ＮＯ２吸着機能が低下した状態（Ｂ）は、この図では、ＮＯ２ストレージ率が閾値Ｂよりも大きくなった状態に相当する。
したがって、閾値Ａを下限値とし閾値Ｂを上限値とした最適ストレージ範囲内にＮＯ２ストレージ率がある場合、選択還元触媒にＮＯ過多又はＮＯ２過多の排気を供給しても、ＮＯ又はＮＯ２が直ちにスリップすることはない。すなわち、上記ＮＯ２放出機能及びＮＯ２吸着機能共に余裕がある状態（Ｃ）はＮＯ２ストレージ率が閾値Ａと閾値Ｂとの間にある状態に相当する。
【００７４】
このように、過渡的なＮＯｘ浄化率については、ＮＯ２ストレージ量が小さくなるとＮＯ２−ＮＯｘ比のＮＯ過多側への変動に対するタフネスが低下し、ＮＯ２ストレージ量が大きくなるとＮＯ２−ＮＯｘ比のＮＯ２過多側への変動に対するタフネスが低下するといえる。したがって、選択還元触媒には過不足なくＮＯ２が吸着されていれば、ＮＯ２−ＮＯｘ比のＮＯ過多側及びＮＯ２過多側の両方の変動に対するタフネスが高く、最も好ましい状態であるといえる。
【００７５】
なお、以上の説明では、ＮＯ２ストレージ率に対して閾値Ａ，Ｂ並びに最適ストレージ範囲を設定したが、これら閾値Ａ，Ｂに最大ＮＯ２ストレージ容量を乗算することにより、ＮＯ２ストレージ量に対しても同様の最適ストレージ範囲が設定される。したがって、以下の説明では、これら閾値Ａ，Ｂ並びに最適ストレージ範囲は、ＮＯ２ストレージ量に対しても設定されたものとする。
【００７６】
図９は、選択還元触媒状態推定部５４の構成を示すブロック図である。
この選択還元触媒状態推定部５４は、図７及び図８を参照して説明した選択還元触媒モデルを具現化したものであり、定常スリップ量演算部５４０と、ＮＯ２ストレージモデル演算部５４５と、ＮＯ＋吸着ＮＯ２浄化モデル演算部５４６とを含んで構成される。
【００７７】
定常スリップ量演算部５４０は、図６の酸化ブロック直下推定部５３にて推定されたＮＯ流入量及びＮＯ２流入量の排気を選択還元触媒に定常的に供給し続けた場合に選択還元触媒から排出されるＮＯ量及びＮＯ２量に相当する定常ＮＯスリップ量及び定常ＮＯ２スリップ量を算出する。すなわち、これら定常ＮＯスリップ量及び定常ＮＯ２スリップ量は、選択還元触媒にＮＯ２吸着機能及びＮＯ２放出機能も無いと仮定した場合における各々のスリップ量に相当する。
【００７８】
定常ＮＯ＋ＮＯ２浄化モデル演算部５４１は、選択還元触媒ではＦａｓｔ ＳＣＲのみが進行するとの仮定の下で、流入したＮＯ及びＮＯ２のうち還元されずに排出されるＮＯ及びＮＯ２の量を、予め定められたマップに基づいて算出する。
定常ＮＯ浄化モデル演算部５４２は、選択還元触媒ではＳｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲのみが進行するとの仮定の下で、流入したＮＯのうち還元されずに排出されるＮＯの量を、予め定められたマップに基づいて算出する。
定常ＮＯ２浄化モデル演算部５４３は、選択還元触媒ではＳｌｏｗ ＳＣＲのみが進行するとの仮定の下で、流入したＮＯ２のうち還元されずに排出されるＮＯ２の量を、予め定められたマップに基づいて算出する。
【００７９】
定常スリップ量演算部５４０は、流入するＮＯ及びＮＯ２のうち少ない方の全てに対しＦａｓｔ ＳＣＲが進行するとの仮定の下で、推定されたＮＯ流入量及びＮＯ２流入量を、Ｆａｓｔ ＳＣＲが進行する分（等量ＮＯ及び等量ＮＯ２）と、Ｓｔａｎｄａｒｄ ＳＣＲが進行する分（余剰ＮＯ）と、Ｓｌｏｗ ＳＣＲが進行する分（余剰ＮＯ２）とに分けた上、上記定常浄化モデル演算部５４１，５４２，５４３のそれぞれに入力する。なお、流入するＮＯ及びＮＯ２のうち少ない方の全てに対しＦａｓｔ ＳＣＲが進行するとの仮定の下では、上記余剰ＮＯ及び余剰ＮＯ２のうち何れかは０になる。
そして、定常スリップ量演算部５４０は、上記定常浄化モデル演算部５４１，５４２により算出されたＮＯのスリップ量を合算したものを定常ＮＯスリップ量とし、モデル演算部５４１，５４３により算出されたＮＯ２のスリップ量を合算したものを定常ＮＯ２スリップ量とする。
【００８０】
ＮＯ２ストレージモデル演算部５４５は、選択還元触媒のＮＯ２吸着量に相当するＮＯ２ストレージ量と、選択還元触媒から排出されるＮＯ２量に相当するＮＯ２スリップ量とを推定する。
ＮＯ＋吸着ＮＯ２浄化モデル演算部５４６は、選択還元触媒に吸着されていたもののうち、選択還元触媒に流入するＮＯと併せてＦａｓｔ ＳＣＲが進行することで消費されるＮＯ２量に相当するＮＯ２消費量と、選択還元触媒から排出されるＮＯ量に相当するＮＯスリップ量とを推定する。
【００８１】
ＮＯ２ストレージモデル演算部５４５は、定常スリップ量演算部５４０にて推定された定常ＮＯ２スリップ量のうち新たに選択還元触媒に吸着されるＮＯ２量（新規ＮＯ２吸着量）を正とし、上記ＮＯ＋吸着ＮＯ２浄化モデル演算部５４６にて推定されたＮＯ２消費量を負とし、これら新規ＮＯ２吸着量とＮＯ２消費量とを積算したものをＮＯ２ストレージ量とする。
ここで、新規ＮＯ２吸着量は、定常ＮＯ２スリップ量に、マップ（図１０参照）を検索することで決定されたＮＯ２吸着効率を乗算することにより算出される。また、ＮＯ２スリップ量は、定常ＮＯ２スリップ量から、上記新規ＮＯ２吸着量を減算することで算出される。
【００８２】
図１０は、ＮＯ２吸着効率を決定するマップの一例を示す図である。
流入したＮＯ２のうち選択還元触媒に吸着されるＮＯ２の割合に相当するＮＯ２吸着効率は、図１０に示すように、ＮＯ２ストレージ量が大きくなるに従い小さくなる。すなわち、選択還元触媒のＮＯ２吸着機能は、ＮＯ２ストレージ量が大きくなるに従い低下する。なお、ＮＯ２ストレージ量の上限値に相当する最大ＮＯ２ストレージ容量は、図１０に示すようなマップでは、ＮＯ２吸着効率がほぼ０となるＮＯ２ストレージ量として規定される。
【００８３】
また、図１０には、ＮＯ２ストレージ量のみに基づいてＮＯ２吸着効率を決定するマップの具体例を示したが、本発明はこれに限るものではない。ＮＯ２ストレージ量とＮＯ２吸着効率との関係及び最大ＮＯ２ストレージ容量は、選択還元触媒温度、選択還元触媒の劣化度合い、及びＮＨ３ストレージ量などによっても変化する。特に、選択還元触媒には、ＮＯ２のみの状態で吸着するものの他、ＮＨ３との化合物の状態で吸着するものもあることが検証されており、またこのことと関連して、選択還元触媒のＮＯ２吸着効率と選択還元触媒に吸着されているＮＨ３の量との間には相関があることも検証されている。したがって、これら選択還元触媒温度、劣化度合い及びＮＨ３ストレージ量など、ＮＯ２吸着機能と相関のあるパラメータに応じて、上記マップを修正してもよい。
【００８４】
図９に戻って、ＮＯ＋吸着ＮＯ２浄化モデル演算部５４６は、定常スリップ量演算部５４０にて推定された定常ＮＯスリップ量、すなわち選択還元触媒にはＮＯ放出機能が無いと仮定した場合に、還元されずにそのまま排出されるＮＯ量のうち、選択還元触媒に吸着されたＮＯ２と併せてＦａｓｔ ＳＣＲにより還元されるＮＯ量（ＮＯ還元量）を算出する。
ここで、ＮＯ還元量は、定常ＮＯスリップ量に、マップ（図１１参照）を検索することで決定された過渡ＮＯ浄化率を乗算することにより算出される。また、ＮＯスリップ量は、定常ＮＯスリップ量から、上記ＮＯ還元量を減算することで算出され、ＮＯ２消費量は、Ｆａｓｔ ＳＣＲにより上記ＮＯ還元量のＮＯと併せて還元されるＮＯ２量として算出される。
【００８５】
図１１は、過渡ＮＯｘ浄化率を決定するマップの一例を示す図である。
流入するＮＯのうち、選択還元触媒から放出されたＮＯ２と併せて還元されるＮＯの割合に相当する過渡ＮＯ浄化率は、ＮＯ２ストレージ量が大きくなるに従い小さくなる。すなわち、選択還元触媒のＮＯ２放出機能は、ＮＯ２ストレージ量が大きくなるに従い低下する。
【００８６】
以上、図９〜図１１を参照してＮＯ２ストレージ量、ＮＯ２スリップ量及びＮＯスリップ量を推定する選択還元触媒状態推定部５４の構成について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、上述のようにＮＯ２ストレージ量が最大ＮＯ２ストレージ容量に近づくに従い、より多くのＮＯ２が排出されることから、選択還元触媒の下流側に設けられたＮＯ２センサの出力値により実際のＮＯ２ストレージ量が実際の最大ＮＯ２ストレージ容量に近い状態であることを判断することができる。したがって、ＮＯ２ストレージ量が最大ストレージ容量の近傍にあるときに、ＮＯ２センサの出力値とＮＯ２スリップ量とのずれに基づいて、ＮＯ２ストレージ量を修正してもよい。
【００８７】
また、上記ＮＯ２センサに加え、選択還元触媒の下流側の排気のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを設けた場合には、このＮＯｘセンサの出力値に基づいてＮＯ２ストレージ量を修正してもよい。現存するＮＯｘセンサは、排気中のＮＯ、ＮＯ２及びＮＨ３に対して感応するが、このＮＯｘセンサの出力値からＮＨ３センサ及びＮＯ２センサの出力値を減算することにより、選択還元触媒の下流側に排出されるＮＯ量を推定することができる。したがって、このようにＮＯｘセンサの出力値に基づいて推定したＮＯ量と、上記選択還元触媒状態推定部５４により推定されたＮＯスリップ量とのずれに基づいて、ＮＯ２ストレージ量を修正してもよい。
【００８８】
次に、図５に戻って、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラ６の構成と、このパータベーションコントローラ６及びメインコントローラ７により実行されるＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の概念と、について説明する。
【００８９】
＜ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御＞
図８を参照して説明したように、選択還元触媒のＮＯ２吸着機能及びＮＯ２放出機能に着目すると、選択還元触媒のＮＯ２ストレージ量は閾値Ａと閾値Ｂとの間に規定された最適ストレージ範囲内にあれば、ＮＯ２−ＮＯｘ比は最適値である０．５からＮＯ過多側又はＮＯ２過多側へ変動しようとも、ＮＯｘ浄化率は定常的に高く維持されることが分かる。また、図８に示すように、このような最適ストレージ範囲には有意な幅があることから、ＮＯ２ストレージ量は常に一定に保ち続けている必要は無く、この最適ストレージ範囲内で変動していたとしても、ＮＯｘ浄化率は定常的に高く維持される。
そこで本発明では、ＮＯ２ストレージ量を最適ストレージ範囲内に維持しながら、かつその変動をある程度許容するため、所定期間の選択還元触媒におけるＮＯ２の吸着を正とし放出を負としたＮＯ２収支に着目する。
【００９０】
図１２は、選択還元触媒に流入するＮＯ２−ＮＯｘ比の変動パターンと、ＮＯ又はＮＯ２のスリップ量との相関を模式的に示す図である。図１２には、左側から順に、（ａ）ＮＯ２−ＮＯｘ比をＮＯ過多側で一定にした場合、（ｂ）ＮＯ２−ＮＯｘ比をＮＯ２過多側で一定にした場合、（ｃ）所定期間にわたるＮＯ２収支を０にするとの条件下でＮＯ２−ＮＯｘ比を様々なパターンで変動させた場合を示す。また、排気の供給開始時におけるＮＯ２ストレージ率は５０％程度であったものとする。
【００９１】
図１２の（ａ）に示すように、ＮＯ過多の排気を定常的に供給し続けた場合、ＮＯ２ストレージ量の低下に合わせて、ＮＯスリップ量は増加する。また、図１２の（ｂ）に示すように、ＮＯ２過多の排気を定常的に供給し続けた場合、ＮＯ２ストレージ量の上昇に合わせて、ＮＯ２スリップ量は増加する。
【００９２】
これに対し、図１２の（ｃ）に示すように、所定期間（例えば、１周期）のＮＯ２収支がほぼ０となるように、ＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５近傍の基準値を跨いで周期的に変動させた場合、ＮＯ２ストレージ量は上記最適ストレージ範囲内に維持されるため、ＮＯ及びＮＯ２共にスリップしない。このように、ＮＯ２−ＮＯｘ比を周期的に変動させるとともに、その１周期のＮＯ２収支を０にするという条件下では、この図１２の（ｃ）に示すように、ＮＯ２−ＮＯｘ比の変動パターン（ＮＯ過多側あるいはＮＯ２過多側への深さや、ＮＯ過多側あるいはＮＯ２過多側にする時間など）の詳細によらず、ＮＯｘ浄化率は定常的に高く維持されることとなる。本発明では、このようにＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５近傍の基準値よりも大きくさせるＮＯ２増大制御と、ＮＯ２−ＮＯｘ比を基準値よりも小さくさせるＮＯ２低減制御とを交互に実行する制御を、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御と定義する。
【００９３】
＜ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラ６＞
図５に戻って、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラ６の具体的な構成について説明する。
ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラ６１は、触媒パラメータ推定装置５により推定されたＮＯ２ストレージ量、ＮＯスリップ量及びＮＯ２スリップ量などに基づいて、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値を決定する。より具体的には、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラ６１は、所定期間の選択還元触媒のＮＯ２収支が所定の目標値になるように、ＮＯ２−ＮＯｘ比を基準値よりも大きくさせたり小さくさせたりするべく、その目標値を変動させる。
【００９４】
図１３は、パータベーションコントローラ６の動作の一例を示すタイムチャートである。図１３には、上段から順に、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比及びＮＯ２ストレージ量を示す。
図１３には、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値を、基準値（０．５）よりＮＯ２過多側の値と、基準値よりＮＯ過多側の値との間で２値的に変化させた場合を示す。
【００９５】
パータベーションコントローラ６は、推定されたＮＯ２ストレージ量がＮＯ２増大閾値以下になったことを契機として、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値をＮＯ２過多側の値にし、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比を基準値よりも大きくさせる（ＮＯ２増大制御）。その後、ＮＯ２ストレージ量が増加し、ＮＯ２低減閾値以上になったことを契機として、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値をＮＯ過多側の値にし、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比を基準値よりも小さくさせる（ＮＯ２低減制御）。パータベーションコントローラ６は、以上のようなＮＯ２増大制御とＮＯ２低減制御とを交互に実行する（ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御）。
ここで、図８に示すように、ＮＯ２増大閾値を最適ストレージ範囲の下限値とし、ＮＯ２低減閾値を最適ストレージ範囲の上限値とすることにより、選択還元触媒のＮＯ２ストレージ量を最適ストレージ範囲内に維持することができる。
【００９６】
なお、以上の制御例では、ＮＯ２収支とその目標値について明確な演算を経ているわけではないが、ＮＯ２増大制御を開始してからＮＯ２低減制御が終了するまでをＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の１周期とすれば、この１周期の間のＮＯ２収支が０又はその近傍に設定された目標値になるようにＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行することと同義である。
【００９７】
また、図１３には、ＮＯ２ストレージ量と閾値との比較に基づいてＮＯ２増大制御を開始する時期又はＮＯ２低減制御を開始する時期を判断したが、これに限らず、図１４に示すように予め定められた態様に基づいてＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値を変化させてもよい。
【００９８】
図１４は、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値の変化の態様の一例を示す図である。このような波形は、例えば、以下の７種類の波形パラメータで特徴付けられる。
１．基準値
２．ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の周期Ｔ
３．ＮＯ２低減制御の実行時間ＴｌとＮＯ２増大制御の実行時間Ｔｒとの比
４．ＮＯ２過多側の深さＤｒ（基準値からＮＯ２過多側の最大値までの距離）
５．ＮＯ過多側の深さＤｌ（基準値からＮＯ過多側の最小値までの距離）
６．ＮＯ２増大時の傾き（図１４中、区間ａ１の傾き）
７．ＮＯ２低減時の傾き（図１４中、区間ａ２の傾き）
【００９９】
これら波形パラメータの値は、推定されたＮＯ２ストレージ量、ＮＯ２スリップ量及びＮＯスリップ量、ＮＯ２センサの出力値、エンジン回転数、及びエンジン負荷などに応じて適宜設定される。以下、その具体的な方針について例示列挙する。
【０１００】
これら波形パラメータの値は、例えば、推定されたＮＯ２ストレージ量やＮＯ２センサの出力値に基づいて、ＮＯ２スリップ量及びＮＯスリップ量が最小になるように設定されることが好ましい。
また、これら波形パラメータの値は、例えば、排気温度やエンジン負荷などのエンジンの運転状態を示すパラメータに基づいて、ＮＯスリップ量及びＮＯ２スリップ量がともに最小になるように、又は燃費が最小になるように設定されることが好ましい。
【０１０１】
とりわけ、上記波形パラメータのうち、基準値、ＮＯ２過多側の深さＤｒ及びＮＯ過多側の深さＤｌは、ＮＯスリップ量及びＮＯ２スリップ量との相関が強くなっているため、エンジンの運転領域ごとにＮＯｘスリップ量が最小になるように設定されることが好ましい。例えば、ＨＣやＣＯなどのＮＯ２還元成分が、選択還元触媒に多く流入するような運転領域では、これらＮＯ２還元成分が多くなるほど、ＮＯ２低減制御に対しＮＯ２増大制御が優先的に実行されるように、基準値や深さＤｒ，Ｄｌなどの値は設定されることが好ましい。すなわち、ＮＯ２還元成分が多くなるほど、基準値をより０．５より大きな値へ補正するか、又はＮＯ過多側への深さＤｌに対するＮＯ２過多側への深さＤｒの割合が大きくなるように補正することが好ましい。
【０１０２】
また、図１３に示す例では、目標値の変化に合わせて実際のＮＯ２−ＮＯｘ比も変化した場合を示したが、実際のＮＯ２−ＮＯｘ比は、常にこのように性質良く変化するとは限らない。例えば、図１５に示すように、目標値の変化と実際のＮＯ２−ＮＯｘ比との変化が一致せず、したがって、ＮＯ２ストレージ量が最適ストレージ範囲から大きく外れてしまう場合がある。
【０１０３】
このような場合、すなわち、ＮＯ２ストレージ量が最適ストレージ範囲から外れてしまう場合には、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の１周期の間のＮＯ２収支の目標値を０から変化させることで、ＮＯ２ストレージ量を最適ストレージ範囲内に維持することができる。
【０１０４】
例えば、ＮＯ２ストレージ量が最適ストレージ範囲内にある場合には、上述のように１周期の間のＮＯ２収支の目標値は０又はその近傍に設定することが好ましい。
これに対し、ＮＯ２ストレージ量が最適ストレージ範囲の上限値より大きい場合には、ＮＯ２ストレージ量が減少し最適ストレージ範囲内に収まるように、１周期の間のＮＯ２収支の目標値は負に設定することが好ましい。
また、ＮＯ２ストレージ量が最適ストレージ範囲の下限値より小さい場合には、ＮＯ２ストレージ量が上昇し最適ストレージ範囲内に収まるように、１周期の間のＮＯ２収支の目標値は正に設定することが好ましい。
【０１０５】
また、図１３に示す例では、推定されたＮＯ２ストレージ量に基づいてＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値を変化させたが、本発明はこれに限らない。この他、推定されたＮＯ２スリップ量やＮＯスリップ量に基づいて、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値を設定してもよい。すなわち、ＮＯスリップ量が所定の閾値以下になったことを契機として、ＮＯ２ストレージ量がＮＯ２増大閾値以下になったと判断し、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値をＮＯ２過多側の値にし、ＮＯ２スリップ量が所定の閾値以上になったことを契機として、ＮＯ２ストレージ量がＮＯ２低減閾値以上になったと判断し、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値をＮＯ過多側の値にするようにしてもよい。
【０１０６】
また、図１３に示す例では、推定されたＮＯ２ストレージ量に基づいてＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値を変化させたが、本発明はこれに限らない。この他、ＮＯ２センサの出力値に基づいて、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値を設定してもよい。
ただし、ＮＯ２センサのみでは、ＮＯ２ストレージ量がＮＯ２低減閾値以上になったことは判断できるが、ＮＯ２ストレージ量がＮＯ２増大閾値以下になったことは判断できない。すなわち、ＮＯ２センサのみでは、ＮＯ２低減制御を開始する適切な時期は判断できるが、その後ＮＯ２増大制御を開始する適切な時期は判断できない。
したがってこの場合、ＮＯ２センサの出力値が所定の閾値以上になったことを契機として、ＮＯ２ストレージ量がＮＯ２低減閾値以上になったと判断し、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値をＮＯ過多側の値にし、その後、所定の時間が経過したことを契機として、ＮＯ２ストレージ量がＮＯ２増大閾値以下になったと判断し、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値をＮＯ２過多側の値にするようにしてもよい。
【０１０７】
なお、以上のように構成されたＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラ６において、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行に係る制御パラメータには、ＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値、ＮＯ２収支の目標値、及び波形パラメータなどが含まれる。
【０１０８】
図５に戻って、メインコントローラ７には、以上のようなパータベーションコントローラ６の他、ＮＯ２−ＮＯｘ比に対する上限値及び下限値を設定するＮＯ２−ＮＯｘ比上限設定部６２及びＮＯ２−ＮＯｘ比下限設定部６３が接続されている。
ＮＯ２−ＮＯｘ比上限設定部６２は、エンジン回転数及びエンジン負荷などのエンジンの運転状態を示すパラメータに基づいて、ＮＯ２−ＮＯｘ比の上限値を設定する。
ＮＯ２−ＮＯｘ比下限設定部６３は、エンジン回転数及びエンジン負荷などのエンジンの運転状態を示すパラメータに基づいて、ＮＯ２−ＮＯｘ比の下限値を設定する。
【０１０９】
＜メインコントローラ７＞
図５に戻って、メインコントローラ７は、パータベーションコントローラ６により決定されたＮＯ２−ＮＯｘ比の目標値、上限設定部６２により設定されたＮＯ２−ＮＯｘ比の上限値、及び下限設定部６３により設定されたＮＯ２−ＮＯｘ比の下限値に基づいて、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８に対する指令値（ＥＧＲバルブ指令値、目標空燃比、酸化触媒目標温度など）を決定する。ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構８は、メインコントローラ７により決定された指令値に応じて作動し、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比を要求に応じて変化させる。
【０１１０】
図１６は、ＮＯ２−ＮＯｘ比と、ＮＯ２−ＮＯｘ比を直接的に変動させる４つのパラメータ（フィードＮＯ濃度（上段左側）、ＳＶ（下段左側）、酸素濃度（上段右側）、酸化触媒温度（下段右側））との関係を示す図である。
メインコントローラ７により決定するＥＧＲバルブ指令値、目標空燃比及び酸化触媒目標温度と、これら４つのパラメータとは一意的に対応付けられているわけではないが、ＥＧＲバルブ指令値はフィードＮＯ濃度及びＳＶとの相関が強く、目標空燃比は排気の酸素濃度との相関が強く、酸化触媒目標温度は酸化触媒温度との相関が強い。すなわち、ＥＧＲバルブ指令値を変化させると主にフィードＮＯ濃度及びＳＶが変化し、目標空燃比を変化させると主に酸素濃度が変化し、酸化触媒目標温度を変化させると主に酸化触媒温度が変化する。
【０１１１】
図１６に示すように、フィードＮＯ濃度が高くなると、酸化触媒及びＣＳＦにおけるＮＯ酸化効率が低下するため選択還元触媒に流入するＮＯ２−ＮＯｘ比は低下する。ＳＶが大きくなると、酸化触媒及びＣＳＦにおけるＮＯ酸化効率が低下するためＮＯ２−ＮＯｘ比は低下する。酸素濃度が低くなると、酸化触媒及びＣＳＦにおけるＮＯ酸化効率が低下するためＮＯ２−ＮＯｘ比は低下する。また、酸化触媒温度が低くなると、酸化触媒及びＣＳＦにおけるＮＯ酸化効率が低下するためＮＯ２−ＮＯｘ比は低下する。
【０１１２】
また図１６に示すように、ＮＯ２−ＮＯｘ比は、酸化触媒温度やＳＶに対しては全領域でほぼリニアな関係がある。しかしながら、例えばフィードＮＯ濃度に対して、ＮＯ２−ＮＯｘ比は低濃度領域では大きく変化するのに対し、高濃度領域ではさほど変化しない。また、酸素濃度に対して、ＮＯ２−ＮＯｘ比は高濃度領域ではさほど変化しないのに対し、低濃度領域では大きく変化する。メインコントローラ７は、以上のように各パラメータの領域ごとにＮＯ２−ＮＯｘ比の変化の度合いが異なる点を考慮した上で、パータベーションコントローラ６からの要求に沿ってＮＯ２−ＮＯｘ比が変化するように、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構に対する指令値を決定する。
【０１１３】
次に、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の効果について説明する。
図１７は、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行しなかった比較例、より具体的には、選択還元触媒の温度が２５０℃に保たれるようにＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構を制御した場合における試験結果を示す図である。
図１８は、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行した場合における試験結果を示す図である。なお、これら図１７及び１８には、上段から順に、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比、テールパイプから排出される排気のＮＯ２濃度及びＮＯ濃度を示す。また、参考のため車速も同じ図に示す。
【０１１４】
図１７に示すように、比較例では、ＮＯ２−ＮＯｘ比は０．５よりもＮＯ２過多側を推移するため、選択還元触媒のＮＯ２ストレージ量は常に飽和状態にある。このため、ＮＯに対する浄化率は高く維持されるものの、ＮＯ２に対する浄化率は低い。
【０１１５】
これに対し、図１８に示すように、所定期間のＮＯ２収支が０になるようにＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行すると、ＮＯ２−ＮＯｘ比は、０．５をまたいでＮＯ２過多側又はＮＯ過多側へ交互に変化する。これにより、選択還元触媒におけるＮＯ２ストレージ量は最適ストレージ範囲内に維持されるので、ＮＯ及びＮＯ２共に浄化率は高く維持されることとなる。
【０１１６】
ところで、上記試験ではＮＯ酸化性能の高い酸化触媒及びＣＳＦを用いたため、図１７に示す比較例におけるＮＯ２−ＮＯｘ比は０．５よりも大きなＮＯ２過多側を推移する。これはすなわち、酸化触媒やＣＳＦのＮＯ酸化性能を低下させることにより、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行せずとも、ＮＯ２浄化率をある程度は向上できることを意味する。しかしながら、酸化触媒やＣＳＦのＮＯ酸化性能を低下させると、ＣＯ及びＨＣの酸化性能の他、エンジン始動開始時における排気系の暖機性能も低下してしまうこととなる。したがって、以上のような事情を考慮すると、本発明のＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行することにより、選択還元触媒によるＮＯｘ浄化率を高くしながらかつＣＯ及びＨＣ浄化率並びに暖機性能も高くすることができる。
【０１１７】
図１９は、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行時における実際のＮＯ２−ＮＯｘ比（上段の細線）、エンジンから排出されるＮＯｘ量（上段の太線）、テールパイプから排出される排気のＮＯ２濃度（実線）及びＮＯ濃度（破線）の変化を示す図である。なお、この図１９に示す制御例では、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラからの要求に応じてＮＯ２−ＮＯｘ比を変化させるため、上記ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構に対する指令値のうち、特にＥＧＲバルブ指令値を変化させた場合（以下、「ＥＧＲ調整法」という）を示す。
【０１１８】
ＥＧＲ調整法によりＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行すると、ＮＯ２増大制御を実行している間はＥＧＲ量を低減することにより、フィードＮＯｘ濃度を及びＳＶを低下させる。これにより、酸化触媒及びＣＳＦにおけるＮＯ酸化効率が上昇し、ＮＯ２−ＮＯｘ比が増加する。また、ＮＯ２低減制御を実行している間はＥＧＲ量を増加することにより、フィードＮＯｘ濃度及びＳＶを上昇させる。これにより、酸化触媒及びＣＳＦにおけるＮＯ酸化効率が低下し、ＮＯ２−ＮＯｘ比が低下する。
【０１１９】
このように、ＮＯ２−ＮＯｘ比を、０．５をまたいでＮＯ２過多側又はＮＯ過多側へ交互に変化させることにより、ＮＯ２浄化率及びＮＯ浄化率をともに同程度まで低下させることができる。なお、図１９中、破線で示すように、ＮＯ２収支が目標値に合わなくなり、ＮＯ２ストレージ量が最適ストレージ範囲から外れると、ＮＯ２又はＮＯがスリップする。
【０１２０】
次ぎに、以上のようなＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行に適した時期及び適していない時期について検討する。先ず、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行することにより、ＮＯ２−ＮＯｘ比を最適値に維持し続けなくとも選択還元触媒のＮＯｘ浄化率を定常的に高く維持し続けることができるので、特にエンジンが定常運転状態にある場合にはパータベーション制御を継続して実行することが好ましい。
【０１２１】
しかしながら、エンジンが加速運転状態にある場合には、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行を一時的に停止することが好ましい。これは、エンジンが加速運転状態にあるときは、吸気は増大側へ制御されＥＧＲ量は減少側へ制御されることから、エンジンから排出されるＮＯｘ量及び排気ボリュームが増加し、パータベーション制御を実行せずともＮＯ２−ＮＯｘ比は低下する傾向があるためである。また、このような時期にパータベーション制御を実行すると、運転者による加速の要求とパータベーション制御による要求とが干渉した場合、例えば運転者により加速要求されている状態でさらにパータベーション制御によりＮＯ２−ＮＯｘ比の低減が要求された場合、ＮＯ２−ＮＯｘ比が必要以上に大きく低下してしまい、選択還元触媒のＮＯ２ストレージ率が最適ストレージ範囲（図８参照）から外れてしまうおそれもある。したがって、このような時期にあえてパータベーション制御を実行する必要性は低いと考えられる。さらに、制御ロジックの簡素化の観点からも、エンジンが加速運転状態にある場合には、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行を一時的に停止することが好ましい。
【０１２２】
この他、例えば、エンジンの始動開始直後など、酸化触媒及びＣＳＦが活性に達していない場合、これら酸化ブロックのＮＯ酸化効率は低いため、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行したところで、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比を要求通りに変化させることはできないと考えられる。また、これら酸化ブロックが活性に達していない場合には、ＮＯ酸化効率が低下しているばかりか、ＣＯやＨＣの酸化効率も低下した状態であり、エンジンも暖機中であると考えられるので、このような時期にパータベーション制御を実行するとＨＣやＣＯなどのＮＯｘ以外の浄化性能や燃費も悪化するおそれがある。以上のことから、酸化触媒及びＣＳＦが活性に達していない場合には、ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行を禁止するとともに、これら酸化ブロックの暖機制御を優先し、ＣＯ及びＨＣ浄化性能を速やかに向上させ、かつＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を速やかに開始できるようにする方が好ましい。
【０１２３】
ここで、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比を最適値（例えば、０．５）に維持し続ける従来の制御における課題について検討する。
上述のように、実際にはＮＯ２−ＮＯｘ比を最適値に維持し続けることは困難であるため、一時的にＮＯ２−ＮＯｘ比が最適値から外れる場合がある。そこで、ＮＯ２過多（例えば、０．６）となった状態が一時的に続いた後、最適値へ向けて復帰させる状況を想定する。
このようなＮＯ２−ＮＯｘ比の復帰時、従来の制御によれば、できるだけＮＯ過多の状態へアンダーシュートさせることなくＮＯ２−ＮＯｘ比を最適値へ向けて低減させる。しかしながら、選択還元触媒のＮＯ２吸着機能に着目すると、上述のようにＮＯ２過多の状態が一時的に続いたのであれば、選択還元触媒のＮＯ２ストレージ率は高くなっており、そのＮＯ２過多側への変動に対するタフネスは低くなっていると考えられる。また、この状態から従来の制御のようにＮＯ２−ＮＯｘ比を最適値へ向けて低減させたところで、吸着されていたＮＯ２の放出が促進されることもないので、ＮＯ２−ＮＯｘ比が最適値に制御されたとしても、選択還元触媒はＮＯ２過多側への変動に対するタフネスの低い状態であることには変わりない。したがって、ＮＯ２−ＮＯｘ比の最適値への復帰後、何らかの事情によりＮＯ２−ＮＯｘ比がＮＯ２過多側へ少しでも振れた場合には、このＮＯ２の余剰分は直ちにスリップしてしまうこととなる。
これに対し、本発明のＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御では、ＮＯ２収支が目標値（例えば、０）となるようにＮＯ２−ＮＯｘ比を上記最適値に対し意図的にアンダーシュートさせる。したがって、選択還元触媒は、ＮＯ２過多側又はＮＯ過多側への変動に対するタフネスの高い状態に維持される。
【０１２４】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を、図面を参照して説明する。なお、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、その説明を省略する。
上述のように、ゼオライトを含む選択還元触媒には、ＮＯ２を吸着する機能に加えてＨＣを吸着機能も有する。また、選択還元触媒に吸着されたＨＣはＮＯ２を還元するため、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率やＮＯ２ストレージ量を変化させる要因となる。本実施形態では、このような選択還元触媒におけるＨＣの吸着を考慮する点で、上記第１実施形態と異なる。
【０１２５】
図２０は、触媒パラメータ推定装置５Ａの構成を示すブロック図である。
本実施形態は、触媒パラメータ推定装置５Ａの選択還元触媒状態推定部５４Ａの構成が、第１実施形態と異なる。図２０に示すように、選択還元触媒状態推定部５４Ａは、酸化ブロック直下推定部５３にて推定されたＮＯ流入量及びＮＯ２流入量、並びにエンジン直下推定部５１にて推定されたＨＣ量（以下、「ＨＣ流入量」という）に基づいて、選択還元触媒のＮＯ２ストレージ量、選択還元触媒直下の排気のＮＯ量（又はＮＯ濃度）及びＮＯ２量（又はＮＯ２濃度）を推定する。
【０１２６】
図２１は、選択還元触媒状態推定部５４Ａの構成を示すブロック図である。
この選択還元触媒状態推定部５４Ａは、定常スリップ量演算部５４０と、ＮＯ２ストレージモデル演算部５４５と、ＮＯ＋吸着ＮＯ２浄化モデル演算部５４６と、ＨＣストレージモデル演算部５４７Ａと、ＨＣ浄化モデル演算部５４８Ａとを含んで構成される。
【０１２７】
ＨＣストレージモデル演算部５４７Ａは、選択還元触媒のＨＣ吸着量に相当するＨＣストレージ量と、選択還元触媒から排出されるＨＣ量に相当するＨＣスリップ量とを推定する。
ＨＣ浄化モデル演算部５４８Ａは、選択還元触媒に吸着されていたもののうち、新たに流入したＮＯ２を還元することで酸化されるＨＣ量に相当するＨＣ消費量と、この反応で還元されたＮＯ２の量に相当する還元ＮＯ２量と、この反応でＮＯ２を還元することによりに新たに生成されたＮＯの量に相当する生成ＮＯ量とを推定する。
【０１２８】
ＨＣストレージモデル演算部５４７Ａは、エンジン直下推定部５１にて推定されたＨＣ流入量のうち新たに選択還元触媒に吸着されるＨＣ量（新規ＨＣ吸着量）を正とし、上記ＨＣ浄化モデル演算部５４８Ａにて推定されたＨＣ消費量を負とし、これら新規ＨＣ吸着量とＨＣ消費量とを積算したものをＨＣストレージ量とする。
ここで、新規ＨＣ吸着量は、ＨＣ流入量に、所定のマップを検索することで決定されたＨＣ吸着効率を乗算することにより算出される。なお、このＨＣ吸着効率を決定するマップは、上述のＮＯ２吸着効率を決定するマップ（図１０参照）と同様の構成であるので、その図示を省略する。すなわち、選択還元触媒のＨＣ吸着機能は、ＨＣストレージ量が大きくなるに従い低下する。また、ＨＣスリップ量は、ＨＣ流入量から、上記新規ＨＣ吸着量を減算することで算出される。
【０１２９】
ＨＣ浄化モデル演算部５４８Ａは、新たに流入したＮＯ２と選択還元触媒に吸着されていたＨＣとの間で下記式（２）に示すＮＯ２の還元反応が進行するとの仮定の下で、還元ＮＯ２量と、生成ＮＯ量と、ＨＣ消費量とを予め定められたマップを検索することにより算出する。
【数２】
【０１３０】
定常スリップ量演算部５４０には、酸化ブロック直下推定部５３にて推定されたＮＯ流入量に上記生成ＮＯ量を合算したものと、酸化ブロック直下推定部５３にて推定されたＮＯ２流入量から上記還元ＮＯ２量を減算したものとが入力される。
【０１３１】
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、エンジン直下推定部５１、酸化ブロック直下推定部５３及び選択還元触媒状態推定部５４において、それぞれエンジン直下、酸化ブロック直下及び選択還元触媒直下の排気のＮＯ量（又はＮＯ濃度）及びＮＯ２量（又はＮＯ２濃度）を推定するようにしたが、本発明はこれに限らない。これらＮＯ量及びＮＯ２量の代わりに、これらと等価なＮＯｘ量（又はＮＯｘ濃度）及びＮＯ２−ＮＯｘ比を推定するようにしてもよい。
【０１３２】
また上記実施形態では、ＮＯ２ストレージ率に対する最適ストレージ範囲を３０〜７０％としたが、本発明はこれに限るものではない。ＮＯ２ストレージ率が５０％にある場合には、ＮＯ２の吸着側及び放出側の両方に対し同程度の余裕があり、したがってＮＯ２過多側及びＮＯ過多側の両方の変動に対するタフネスが最も高いといえることから、上記最適ストレージ範囲を、５０％を中心としたより狭い範囲（例えば、４０〜６０％）に限定してもよい。
【符号の説明】
【０１３３】
１…エンジン（内燃機関、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構）
１１…排気管（排気通路）
２…排気浄化システム
２１…酸化触媒（酸化触媒、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構）
２２…ＣＳＦ（酸化触媒、ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構）
２３…選択還元触媒（ＮＯｘ選択還元触媒）
２５…尿素水噴射装置（還元剤供給手段）
２６…高圧ＥＧＲ装置（ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構）
３…ＥＣＵ
４２…ＮＨ３センサ
４３…ＮＯ２センサ（ＮＯ２検出手段）
５，５Ａ…触媒パラメータ推定装置
５４，５４Ａ…選択還元触媒状態推定部（ＮＯ２吸着量推定手段）
６…ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーションコントローラ（パータベーション制御手段）
７…メインコントローラ（パータベーション制御手段）
８…ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構（ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構）
【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を選択的に還元し、かつ排気中のＮＯ２を吸着する機能を備えたＮＯｘ選択還元触媒と、
前記排気通路のうち前記ＮＯｘ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、を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
前記ＮＯｘ選択還元触媒に流入する排気中のＮＯｘに対するＮＯ２の比率に相当するＮＯ２−ＮＯｘ比を変化させるＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構と、
前記ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構により前記ＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５近傍の基準値よりも大きくさせるＮＯ２増大制御と、前記ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構により前記ＮＯ２−ＮＯｘ比を前記基準値よりも小さくさせるＮＯ２低減制御とを交互に実行する制御をＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御と定義し、
所定期間の前記ＮＯｘ選択還元触媒におけるＮＯ２の吸着を正とし放出を負としたＮＯ２収支が目標値になるように前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行するパータベーション制御手段と、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】
前記ＮＯｘ選択還元触媒のＮＯ２吸着量を推定するＮＯ２吸着量推定手段をさらに備え、
前記パータベーション制御手段は、前記ＮＯ２吸着量に基づいて前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行に係る制御パラメータの値を設定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ＮＯｘ選択還元触媒の下流側の排気のＮＯ２濃度を検出するＮＯ２検出手段をさらに備え、
前記パータベーション制御手段は、前記ＮＯ２検出手段の出力値に基づいて前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行に係る制御パラメータの値を設定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ＮＯｘ選択還元触媒の下流側の排気のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ検出手段と、
前記ＮＯ２検出手段及び前記ＮＯｘ検出手段の出力値に基づいて前記ＮＯｘ選択還元触媒のＮＯ２吸着量を推定するＮＯ２吸着量推定手段と、をさらに備え、
前記パータベーション制御手段は、前記ＮＯ２吸着量に基づいて前記制御パラメータの値を設定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項５】
前記パータベーション制御手段は、前記ＮＯ２吸着量が所定の上限値と下限値との間に設定されるＮＯｘスリップ抑制範囲内に維持されるように前記ＮＯ２収支に対する目標値を設定し、
前記ＮＯ２吸着量が前記上限値より大きな状態でＮＯ２過多の排気を供給するとＮＯ２スリップが発生し、
前記ＮＯ２吸着量が前記下限値より小さな状態でＮＯ過多の排気を供給するとＮＯスリップが発生することを特徴とする請求項２又は４に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項６】
前記パータベーション制御手段は、
前記ＮＯ２吸着量が前記ＮＯｘ抑制スリップ範囲内にある場合には、前記ＮＯ２収支の目標値を０又はその近傍に設定し、
前記ＮＯ２吸着量が前記ＮＯｘスリップ抑制範囲の上限値より大きい場合には、前記ＮＯ２吸着量が減少するように前記ＮＯ２収支の目標値を負に設定し、
前記ＮＯ２吸着量が前記ＮＯｘスリップ抑制範囲の下限値より小さい場合には、前記ＮＯ２吸着量が増加するように前記ＮＯ２収支の目標値を正に設定することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項７】
前記パータベーション制御手段は、前記内燃機関から排出され前記ＮＯｘ選択還元触媒に流入するＮＯ２還元成分が多くなるほど、前記ＮＯ２低減制御に対し前記ＮＯ２増大制御が優先的に実行されるように前記制御パラメータの値を設定することを特徴とする請求項２から６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項８】
前記パータベーション制御手段は、前記内燃機関から排出され前記ＮＯｘ選択還元触媒に流入するＮＯ２還元成分が多くなるほど、前記ＮＯ２−ＮＯｘ比に対する基準値をより大きな値に補正することを特徴とする請求項２から６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項９】
前記パータベーション制御手段は、前記内燃機関が加速運転状態である場合には、前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行を停止することを特徴とする請求項１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】
前記排気通路のうち前記ＮＯｘ選択還元触媒の上流側には酸化触媒が設けられ、
前記パータベーション制御手段は、前記酸化触媒が活性に達していない場合には、前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行を禁止することを特徴とする請求項１から９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ＮＯｘ選択還元触媒は、ＮＯ２を吸着する機能に加えてＨＣを吸着する機能を有するゼオライトを含むことを特徴とする請求項１から１０の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【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を選択的に還元し、かつ排気中のＮＯ２を吸着する機能を備えたＮＯｘ選択還元触媒と、
前記排気通路のうち前記ＮＯｘ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、を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
前記ＮＯｘ選択還元触媒に流入する排気中のＮＯｘに対するＮＯ２の比率に相当するＮＯ２−ＮＯｘ比を変化させるＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構と、
前記ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構により前記ＮＯ２−ＮＯｘ比を０．５近傍の基準値よりも大きくさせるＮＯ２増大制御と、前記ＮＯ２−ＮＯｘ比調整機構により前記ＮＯ２−ＮＯｘ比を前記基準値よりも小さくさせるＮＯ２低減制御とを交互に実行する制御をＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御と定義し、
所定期間の前記ＮＯｘ選択還元触媒におけるＮＯ２の吸着を正とし放出を負としたＮＯ２収支が目標値になるように前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御を実行するパータベーション制御手段と、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】
前記ＮＯｘ選択還元触媒のＮＯ２吸着量を推定するＮＯ２吸着量推定手段をさらに備え、
前記パータベーション制御手段は、前記ＮＯ２吸着量に基づいて前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行に係る制御パラメータの値を設定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ＮＯｘ選択還元触媒の下流側の排気のＮＯ２濃度を検出するＮＯ２検出手段をさらに備え、
前記パータベーション制御手段は、前記ＮＯ２検出手段の出力値に基づいて前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行に係る制御パラメータの値を設定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ＮＯｘ選択還元触媒の下流側の排気のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ検出手段と、
前記ＮＯ２検出手段及び前記ＮＯｘ検出手段の出力値に基づいて前記ＮＯｘ選択還元触媒のＮＯ２吸着量を推定するＮＯ２吸着量推定手段と、をさらに備え、
前記パータベーション制御手段は、前記ＮＯ２吸着量に基づいて前記制御パラメータの値を設定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項５】
前記パータベーション制御手段は、前記ＮＯ２吸着量が所定の上限値と下限値との間に設定されるＮＯｘスリップ抑制範囲内に維持されるように前記ＮＯ２収支に対する目標値を設定し、
前記ＮＯ２吸着量が前記上限値より大きな状態でＮＯ２過多の排気を供給するとＮＯ２スリップが発生し、
前記ＮＯ２吸着量が前記下限値より小さな状態でＮＯ過多の排気を供給するとＮＯスリップが発生することを特徴とする請求項２又は４に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項６】
前記パータベーション制御手段は、
前記ＮＯ２吸着量が前記ＮＯｘ抑制スリップ範囲内にある場合には、前記ＮＯ２収支の目標値を０又はその近傍に設定し、
前記ＮＯ２吸着量が前記ＮＯｘスリップ抑制範囲の上限値より大きい場合には、前記ＮＯ２吸着量が減少するように前記ＮＯ２収支の目標値を負に設定し、
前記ＮＯ２吸着量が前記ＮＯｘスリップ抑制範囲の下限値より小さい場合には、前記ＮＯ２吸着量が増加するように前記ＮＯ２収支の目標値を正に設定することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項７】
前記パータベーション制御手段は、前記内燃機関から排出され前記ＮＯｘ選択還元触媒に流入するＮＯ２還元成分が多くなるほど、前記ＮＯ２低減制御に対し前記ＮＯ２増大制御が優先的に実行されるように前記制御パラメータの値を設定することを特徴とする請求項２から６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項８】
前記パータベーション制御手段は、前記内燃機関から排出され前記ＮＯｘ選択還元触媒に流入するＮＯ２還元成分が多くなるほど、前記ＮＯ２−ＮＯｘ比に対する基準値をより大きな値に補正することを特徴とする請求項２から６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項９】
前記パータベーション制御手段は、前記内燃機関が加速運転状態である場合には、前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行を停止することを特徴とする請求項１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】
前記排気通路のうち前記ＮＯｘ選択還元触媒の上流側には酸化触媒が設けられ、
前記パータベーション制御手段は、前記酸化触媒が活性に達していない場合には、前記ＮＯ２−ＮＯｘ比パータベーション制御の実行を禁止することを特徴とする請求項１から９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ＮＯｘ選択還元触媒は、ＮＯ２を吸着する機能に加えてＨＣを吸着する機能を有するゼオライトを含むことを特徴とする請求項１から１０の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１２−２１９６６２（Ｐ２０１２−２１９６６２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８３９６０（Ｐ２０１１−８３９６０）
【出願日】平成２３年４月５日（２０１１．４．５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月５日（２０１１．４．５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]