JP5680060B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気中の窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」と略す。）を、アンモニアを還元剤に用いて浄化するエンジンの排気浄化装置に関し、詳細には、ＮＯｘ触媒の触媒層に吸着しているアンモニアの量を数値モデルによって推定計算し、算出したアンモニア吸着量に応じてＮＯｘ触媒に供給するアンモニアの量を制御する技術に関する。

ディーゼルエンジンに代表される希薄燃焼エンジンから排出されるＮＯｘを、アンモニアを還元剤に用いて浄化する触媒システムにおいて、アンモニアの発生源にその前駆体である尿素の水溶液（以下「尿素水」という。）を用いることが検討されており（特開２０００−０２７６２７号公報等）、既に実用化されている。

このような尿素水を用いる触媒システム（以下「尿素ＳＣＲ」という。）では、エンジンの排気通路に選択還元型のＮＯｘ触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」という。）が設けられ、更にこのＮＯｘ触媒の上流側で排気に尿素水を噴射供給する還元剤添加装置が設けられる。還元剤添加装置によって排気に供給された尿素水中の尿素が排気熱によって加水分解を生じてアンモニアが発生し、このアンモニアがＮＯｘ触媒の触媒層上で排気中のＮＯｘと反応することで、ＮＯｘが還元浄化される。

ここで、エンジンの運転状態によってはＮＯｘと反応することなくＮＯｘ触媒を通過するアンモニア（以下、この現象を「アンモニアスリップ」という。）が存在する。アンモニアスリップについては国土交通省自動車交通局策定の技術指針（「尿素選択還元型触媒システムの技術指針」）に規定されているところであり、単に大気中へのＮＯｘ放出量を低減するだけでなく、アンモニアスリップを極力抑制することが尿素ＳＣＲの実用上重要となる。

ゼオライト系の触媒等一般的に採用されるＮＯｘ触媒では、その吸着能力を生かして低温時にアンモニアを触媒層に吸着させておくことで、アンモニアとＮＯｘとの接触機会を増やし、ＮＯｘ浄化率を向上させている。しかし、低温時において既に飽和状態に近い量のアンモニアが吸着しているにも拘らず、これを考慮せずに引き続き尿素水を供給したとすれば、吸着能力に応じた上限を超える量のアンモニアが触媒層に吸着されることなくそのままＮＯｘ触媒を通過することになる。他方で、加速時等の増負荷運転時にアンモニア吸着量を考慮せずに尿素水を供給し続けたとすれば、排気温度の上昇によって吸着しているアンモニアの脱離が生じるため、アンモニアスリップを助長させる結果となる。従って、尿素ＳＣＲにあってはＮＯｘ触媒に吸着しているアンモニアの量（以下「アンモニア吸着量」という。）を考慮して尿素水を供給することが必要である。ここで、アンモニア吸着量を考慮した尿素ＳＣＲに関して、次のような技術が存在する。

エンジンのＮＯｘ排出量と、ＮＯｘ触媒の温度に応じたＮＯｘ浄化率とから、ＮＯｘの還元に消費されるアンモニアの量を算出し、これを前回算出のアンモニア保持量から差し引いた残りの量を、現在のアンモニア保持量として算出するものである（下記特許文献１）。そして、算出したアンモニア保持量が所定の範囲内に収まるように、アンモニア系溶液の供給量を制御する。ここで、ＮＯｘ浄化率の算出には、予め実験等によって設定したマップが用いられるのが一般的である。

特開２００８−２６１２５３号公報（段落番号００５３，００５４）

このように、前掲特許文献１に記載の技術は、ＮＯｘ触媒のアンモニア吸着量を、予め設定したマップを用いて算出するものであって、数値モデルによってこれを推定計算するものではない。

本発明は、ＮＯｘ触媒の内部で生じる還元化学反応を数式化した触媒反応モデルを設計し、これを還元剤添加に関わる制御装置に組み込むことで、正確なアンモニア吸着量の推定を可能とし、ＮＯｘ浄化率の向上及びアンモニアスリップの抑制を両立させる。

本発明の一形態では、エンジンの排気通路に設置された選択還元型のＮＯｘ触媒と、エンジンの排気に対してＮＯｘ触媒の上流側でアンモニア又はその前駆体を添加する還元剤添加装置と、ＮＯｘ触媒に対するアンモニア供給量を算出し、算出したアンモニア供給量に応じて還元剤添加装置を制御する制御装置と、を含んでエンジンの排気浄化装置を構成する。ここで、前記制御装置は、ＮＯｘ触媒の触媒層に吸着したアンモニアを有効還元剤とするＮＯｘの還元に関わる化学反応を数式化した第１の触媒反応モデルを記憶した第１の記憶部と、第１の記憶部から第１の触媒反応モデルを取得し、ＮＯｘ触媒の内部をその軸方向に連なるように分割した複数のセルのそれぞれについて、取得した第１の触媒反応モデルによってアンモニア吸着量を算出するアンモニア吸着量算出部と、アンモニア吸着量算出部が算出した各セルのアンモニア吸着量のうち、エンジンの運転状態に応じた所定のセルのアンモニア吸着量をもとに、アンモニア供給量を算出するアンモニア供給量算出部と、を含んで構成する。

他の形態において、本発明は、エンジンの排気通路においてＮＯｘ触媒の上流側に設けられる酸化触媒について、その内部におけるＮＯ（一酸化窒素）の酸化反応を数式化した第２の触媒反応モデルを構築し、ＮＯｘ触媒に流入する排気のＮＯ₂（二酸化窒素）比率を第２の触媒反応モデルによって推定計算し且つこれをアンモニア供給量の算出に反映させることで、実際の運転状態に即したアンモニア供給量の算出を可能とする。ここで、ＮＯ₂比率を推定計算するＮＯ₂比率演算装置は、第２の触媒反応モデルを記憶した第２の記憶部と、第２の記憶部から第２の触媒反応モデルを取得し、酸化触媒の内部をその軸方向に連なるように分割した複数のセルのそれぞれについて、取得した第２の触媒反応モデルによって各セルを通過する排気のＮＯ₂比率を算出し、前記複数のセルのうち最も下流側に位置するセルについて算出したＮＯ₂比率を、ＮＯｘ触媒に流入する排気のＮＯ₂比率として算出するＮＯ₂比率算出部と、を含んで構成し、制御装置は、ＮＯ₂比率演算装置が算出したＮＯ₂比率をもとに、ＮＯｘ触媒に対するアンモニア供給量を算出する。

更に別の形態では、エンジンの排気通路に設置された選択還元型のＮＯｘ触媒と、排気通路においてＮＯｘ触媒の上流側に設置された酸化触媒と、エンジンの排気に対し、ＮＯｘ触媒の上流側でアンモニア又はその前駆体を添加する還元剤添加装置と、ＮＯｘ触媒に流入する排気のＮＯ₂比率を推定計算するＮＯ₂比率演算装置と、ＮＯ₂比率演算装置が算出したＮＯ₂比率をもとにＮＯｘ触媒に対するアンモニア供給量を算出し、算出したアンモニア供給量に応じて還元剤添加装置を制御する制御装置と、を含んでエンジンの排気浄化装置を構成する。ここで、ＮＯ₂比率演算装置は、第２の触媒反応モデルを記憶した第２の記憶部と、第２の記憶部から第２の触媒反応モデルを取得し、酸化触媒の内部をその軸方向に連なるように分割した複数のセルのそれぞれについて、第２の触媒反応モデルによって各セルを通過する排気のＮＯ₂比率を算出し、前記複数のセルのうち最も下流側に位置するセルについて算出したＮＯ₂比率を、ＮＯｘ触媒に流入する排気のＮＯ₂比率として算出するＮＯ₂比率算出部と、を含んで構成する。

本発明によれば、ＮＯｘ触媒の内部で生じる還元化学反応を数式化した触媒反応モデル（第１の触媒反応モデル）を還元剤添加に関わる制御装置に組み込み、ＮＯｘ触媒のアンモニア吸着量を第１の触媒反応モデルによって算出するようにしたことで、マップを用いることなく正確なアンモニア吸着量の推定が可能となる。そして、第１の触媒反応モデルによって算出したアンモニア吸着量をもとにＮＯｘ触媒に対するアンモニア供給量を算出し、更にアンモニア供給量の算出にエンジンの運転状態に応じた所定のセルのアンモニア吸着量を用いるようにしたことで、アンモニア吸着量の触媒軸方向分布を考慮した適切なアンモニア供給量の設定が可能となり、ＮＯｘ浄化率の向上及びアンモニアスリップの抑制を両立させることができる。

更に本発明によれば、ＮＯｘ触媒の上流側に設けられる酸化触媒について、その内部におけるＮＯ（一酸化窒素）の酸化反応を数式化した第２の触媒反応モデルを構築し、ＮＯｘ触媒に流入する排気のＮＯ₂比率を第２の触媒反応モデルによって推定計算し且つこれをＮＯｘ触媒に対するアンモニア供給量の算出に反映させることで、実際の運転状態に即したより適切なアンモニア供給量の算出が可能となる。

本発明に関する他の目的及び特徴は、添付の図面を参照した以下の説明から明らかとなる。
優先権主張の基礎となる日本国特許出願第２０１０−０６９３２６号の内容は、その全体の内容が本願の一部として組み込まれ、以下の説明において参照される。

第１の実施形態に係るディーゼルエンジン及びその排気浄化装置の構成図 第１の実施形態に係る還元剤添加制御ユニットの構成図 第１の実施形態に係るＮＯｘ触媒のアンモニア吸着量推定部位（セル）の説明図 第１の実施形態に係る触媒反応モデル（第１の触媒反応モデル）の説明図 第１の実施形態に係る還元剤添加制御の基本ルーチンの流れを示すフローチャート 図５の基本ルーチンにおける尿素水噴射量算出処理（Ｓ１０８）の内容を示すフローチャート 第１の実施形態の、マップ制御と比較した効果の説明図（尿素水噴射量） 第１の実施形態の、マップ制御と比較した効果の説明図（ＳＣＲ出口ガス濃度） 第１の実施形態の、マップ制御と比較した効果の説明図（ＳＣＲ出口ＮＯｘ積算値、ＳＣＲ出口ＮＨ₃積算値、尿素水噴射量積算値） 第１の実施形態の、マップ制御と比較した効果の説明図（ＮＯｘ浄化率） アンモニア吸着量推定部位に応じた排気浄化性能、ならびにアンモニアスリップ量（Ｔｏｔａｌ／Ｍａｘ）及び尿素水消費量の比較説明図 本発明の第２の実施形態に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置の構成図 第２の実施形態に係る還元剤添加制御ユニットの構成図 第２の実施形態に係る酸化触媒のＮＯ₂比率演算部位（セル）の説明図 第２の実施形態に係る触媒反応モデル（第２の触媒反応モデル）の説明図 第２の実施形態に係る還元剤添加制御の基本ルーチンの流れを示す基本フローチャート 図１６の基本ルーチンにおける尿素水噴射量算出処理（Ｓ１０８）の内容を示すフローチャート 第２の実施形態に係る排気浄化装置の、増負荷運転時における動作の一例を示す説明図 増負荷運転時におけるアンモニア吸着量の軸方向分布の経時変化の一例を示す説明図 第２の実施形態の、マップ制御と比較した効果の説明図（尿素水噴射量） 第２の実施形態の、マップ制御と比較した効果の説明図（ＳＣＲ出口ガス濃度） 第２の実施形態の、マップ制御と比較した効果の説明図（ＮＯｘ浄化率、ＳＣＲ出口ＮＨ₃積算値）

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るディーゼルエンジン（以下、単に「エンジン」という。）１及びその排気浄化装置２の構成図である。

本実施形態に係る排気浄化装置２は、エンジン１の排気管１０１に介装された選択還元型のＮＯｘ触媒２０１と、このＮＯｘ触媒２０１の上流側で排気に尿素水を供給可能に設置された尿素水インジェクタ２０２（「還元剤添加装置」に相当する。）とを備え、エンジン１が排出したＮＯｘを、尿素水インジェクタ２０２が排気に供給した尿素水を発生源とするアンモニアを還元剤に用いて還元浄化する。図示していないが、本実施形態では、ＮＯｘ触媒２０１の上流側に酸化触媒を設け、この酸化触媒によって排気中のＮＯの一部をＮＯ₂に転換させて、ＮＯｘ触媒２０１に流入する排気における一酸化窒素（ＮＯ）及び二酸化窒素（ＮＯ₂）のバランスを図るようにしている。

排気管１０１のうちＮＯｘ触媒２０１の上流側（本実施形態では、ＮＯｘ触媒２０１と図示しない酸化触媒との間）にＮＯｘセンサ２１１、温度センサ２１２、圧力センサ２１３及び酸素センサ２１４が設置される一方、下流側に圧力センサ２１５が設置されている。ＮＯｘセンサ２１１は、ＮＯｘ触媒２０１上流の排気のＮＯｘ濃度（以下「ＳＣＲ上流ＮＯｘ濃度」という。）を検出し、温度センサ２１２は、ＮＯｘ触媒２０１上流の排気温度（以下「ＳＣＲ上流排気温度」という。）を、圧力センサ２１３は、ＮＯｘ触媒２０１上流の排気圧力（以下「ＳＣＲ上流排気圧力」という。）を夫々検出する。そして、酸素センサ２１４は、ＮＯｘ触媒２０１上流の排気の酸素濃度（以下「ＳＣＲ上流酸素濃度」という。）に応じた電気信号を出力する。圧力センサ２１５は、ＮＯｘ触媒２０１の下流側でそのケースに取り付けられ、ＮＯｘ触媒２０１出口付近の圧力（以下「ＳＣＲ出口圧力」という。）を検出する。ＮＯｘセンサ２１１、温度センサ２１２、圧力センサ２１３、酸素センサ２１４及び圧力センサ２１５の検出信号は、次に述べる還元剤添加制御ユニット３０１（「制御装置」に相当し、以下「ＥＣＵ」と略す。）に入力される。以上に加え、本実施形態では、運転状態センサ１１１及び１１２が設けられ、エンジン１の運転状態を示す指標である燃料流量及びエンジン回転速度がこれらのセンサ１１１，１１２によって検出され、ＥＣＵ３０１に入力される。

ＥＣＵ３０１は、入力した各種のセンサ出力をもとにＮＯｘ触媒２０１に対するアンモニア供給量を算出し、尿素水インジェクタ２０２を制御する。
図２は、本実施形態に係る尿素水添加制御ユニット（ＥＣＵ）３０１の構成をブロックダイアグラムによって表している。

本実施形態では、ＮＯｘ触媒２０１の内部で生じる還元化学反応を数式化した触媒反応モデル（「第１の触媒反応モデル」に相当し、以下「ＳＣＲ触媒反応モデル」という。）をアンモニア吸着量算出部３１６に組み込み、尿素水噴射量Ｑ_urea及び排気浄化装置２の作動条件から、このＳＣＲ触媒反応モデルによってＮＯｘ触媒２０１のアンモニア吸着量を算出する。

平均値算出部３１１は、ＥＣＵ３０１が入力した各種のセンサ出力の移動平均値（例えば、１０点移動平均値）を算出する。これにより、センサ出力の時々刻々の振れがアンモニア吸着量の算出に与える影響を緩和する。

尿素当量比算出部３１２及びアンモニア目標吸着量算出部３１３は、平均値算出部３１１が算出したＳＣＲ上流ＮＯｘ濃度の平均値ＮＯＸ_SCRin及びＳＣＲ上流排気温度の平均値Ｔ_SCRin、ならびにＮＯｘ触媒２０１の空間速度ＧＨＳＶをもとに、予め記憶した応答曲面（Response Surface）から尿素当量比φ_urea及びアンモニア目標吸着量Ｓ_{NH3_threshold}を算出する。本実施形態では、尿素当量比及びアンモニア目標吸着量の各応答曲面の設定において、ＮＯｘ触媒２０１に流入する排気におけるＮＯ₂とＮＯとの比率（モル比率）を１：１と近似している。空間速度（ガス毎時空間速度）ＧＨＳＶは、空間速度算出部３１４によって算出され、空間速度算出部３１４は、エンジン１の運転状態（本実施形態では、燃料流量Ｑｆ及びエンジン回転速度Ｎｅ）をもとに、空間速度ＧＨＳＶを算出する。

尿素水噴射量算出部３１５は、尿素当量比算出部３１２及びアンモニア目標吸着量算出部３１３が算出した尿素当量比φ_urea及びアンモニア目標吸着量Ｓ_{NH3_threshold}、次に述べるアンモニア吸着量算出部３１６が算出したアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}（本実施形態では、後に述べるＳ_{NH3_center}）、ならびにＳＣＲ上流ＮＯｘ濃度ＮＯＸ_SCRin及び空間速度ＧＨＳＶをもとに、尿素水噴射量Ｑ_ureaを算出する。尿素水噴射量Ｑ_ureaは、アンモニア吸着量算出部３１６に出力される一方、尿素水インジェクタ２０２に対する制御指令信号に変換され、尿素水インジェクタ２０２の図示しない駆動ユニットに出力される。

アンモニア吸着量算出部３１６は、尿素水噴射量算出部３１５が算出した尿素水噴射量Ｑ_urea、触媒温度算出部３１７が算出したＮＯｘ触媒２０１の触媒層の温度Ｔｅｍｐ及び各種のセンサ出力をもとに、ＳＣＲ触媒反応モデルによって各セルのアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}を算出する。本実施形態において、ＳＣＲ触媒反応モデルは、不揮発メモリ（例えば、フラッシュメモリ）等の形態で具現可能な記憶部３１６ａに記憶されており、還元剤添加制御に際してアンモニア吸着量算出部３１６によって記憶部３１６ａから読み出される。算出したアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}のうちエンジン１の運転状態に応じた所定のセルのアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}（本実施形態では、Ｓ_{NH3_center}）が尿素水噴射量算出部３１５に入力され、尿素水噴射量Ｑ_ureaの算出に用いられる。

本実施形態では、尿素当量比算出部３１２、アンモニア目標吸着量算出部３１３及び尿素水噴射量算出部３１５が「アンモニア供給量算出部」に、アンモニア吸着量算出部３１６が「アンモニア吸着量算出部」に、記憶部３１６ａが「第１の記憶部」に夫々相当する。

ここで、本実施形態に係る触媒反応モデルについて説明する。
本実施形態では、ＮＯｘ触媒２０１の触媒層に吸着したアンモニア（以下、特に「吸着アンモニア」という。）を有効還元剤とするＮＯｘの還元に関わる一連の化学反応を数式化した触媒反応モデル（ＳＣＲ触媒反応モデル）を設計する。有効還元剤とは、ＮＯｘの還元に実際に寄与する還元剤をいい、触媒層の吸着サイト又は活性点σに吸着した状態のアンモニアを、特に化学記号σＮＨ₃で表すこととする。この吸着アンモニアσＮＨ₃が本実施形態に係る有効還元剤である。本実施形態で考慮する化学反応を以下に示す。ＮＯｘの還元化学反応は、アンモニアの加水分解、アンモニアの吸着及び脱離、吸着アンモニアを有効還元剤とするＮＯｘの還元、ならびに吸着アンモニアの酸化から成り立つ。

本実施形態では、図３に示すように、ＮＯｘ触媒２０１の内部を触媒軸方向に連なる複数のセル（セル１〜５）に分割し、これらのセル１〜５のそれぞれについてＳＣＲ触媒反応モデルを用いてアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}（ｉ＝１〜５）を算出する。そして、算出した５箇所のアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}のうちエンジン１の運転状態に応じた所定のセルのアンモニア吸着量を選択し、尿素水噴射量Ｑ_ureaの算出に反映させる。１セル当たりのアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}は、ＮＯｘ触媒２０１のアンモニア吸着率（又は被覆率）を示す。本実施形態では、後に述べる増負荷運転時のアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}に、ＮＯｘ触媒２０１の軸方向中央部に位置するセル３のアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_center}を採用する。

図４は、ＳＣＲ触媒反応モデルの説明図であり、同図（Ａ）及び（Ｂ）は、夫々各セルについて考慮する質量バランス及びエネルギーバランスを、図中軸方向（ｚ方向）の近似一次元流れのもとで表している。下式（１）は、ＮＯｘの還元に関わる化学種Ｘ_iの気相での質量バランスを表し、下式（２）は、化学種Ｘ_iの触媒層での質量バランスを表している。下式（３）は、気相のエネルギーバランスを、下式（４）は、触媒層のエネルギーバランスを夫々表す。式中［Ｘ_i］_gas，［Ｘ_i］_catは、夫々化学種Ｘ_iの、気相又は触媒層での濃度を示す。

式（１）の左辺第２項は、化学種Ｘ_iの対流項（Convection）であり、式（１）の右辺及び式（２）の右辺第１項は、気相及び触媒層の間での化学種Ｘ_iの質量移動項（Mass transfer）である。ｈ_iは、物質移動係数を示し、下式（５）によって算出する。Ｓνは、比表面積を示す。式（２）の右辺第２項は、触媒層での反応項（Reactions）であり、υ_{k, i}及びα_{k, i}は、夫々化学反応式ｋにおける化学種ｉの生成側と消費側との化学量論比の差、反応次数を示す。ｋ_iは、下式（６）によって表される化学種ｉの反応速度定数である。

ｈ_i＝Ｓｈ_i×Ｄ_i／ｄｐ …（５）
ｋ_i＝Ａｅｘｐ｛−Ｅ_a／（ＲＴ）｝ …（６）
ここで、式（５）のＳｈ_iは、Sherwood数であり、Ｄ_iは、化学種ｉの拡散係数であり、ｄｐは、水力直径である。拡散係数Ｄ_iは、Slattery-Birdの式によって算出する。式（６）のＡは、反応頻度因子であり、Ｅ_aは、活性化エネルギーであり、Ｒ及びＴは、夫々ガス定数及び温度である。

式（３）の左辺第２項は、対流項（Convection）であり、式（３）の右辺及び式（４）の右辺第２項は、熱移動項（Heat transfer）である。式（４）の右辺第１項は、熱伝達項（Conduction）である。ｕは、流速を示し、α，ρ，ｃ，Ｔ，λは、夫々熱伝達率、密度、比熱、温度及び（触媒層の）熱伝導率を示す。下付符号ｇ，ｃは、夫々気相及び触媒層の別を示す。

本実施形態に係る触媒反応モデルは、ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ上で構築することができる。
図５は、本実施形態に係る還元剤添加制御の基本ルーチンの流れを示すフローチャートであり、図６は、図５の基本ルーチンにおける尿素水噴射量算出処理（Ｓ１０８）の内容を詳細に示している。

Ｓ１０１では、ＳＣＲ上流ＮＯｘ濃度ＮＯＸ_SCRin等、各種のセンサ出力を読み込む。
Ｓ１０２では、読み込んだセンサ出力の１０点移動平均値を算出する。
Ｓ１０３では、エンジン１の運転状態をもとに、ＮＯｘ触媒２０１の空間速度ＧＨＳＶを算出する。

Ｓ１０４では、質量バランス式及びエネルギーバランス式の係数を計算する。本実施形態では、質量バランス式（２）の反応速度定数ｋ_iを対象とし、ＮＯｘ触媒２０１の触媒層の温度が高い条件で係数ｋ_iをより大きな値に変更する。

Ｓ１０５では、各セルの気相及び触媒層の温度を算出する。本実施形態では、これらの温度を、ＳＣＲ触媒反応モデルのエネルギーバランス式（３）及び（４）をもとに、Ｓｉｍｕｌｉｎｋライブラリの連続積分器を用いて算出する。より簡易な方法として、ＮＯｘ触媒２０１の上流側と下流側とのそれぞれに温度センサを備える場合は、センサ出力の線形補完によって算出することも可能である。ここで、気相の温度と触媒層の温度とは、等しいと近似することができる。

Ｓ１０６では、応答曲面から尿素当量比φ_ureaを算出する。本実施形態では、Ｓ１０６及び次のＳ１０７の処理において、ＮＯｘ触媒２０１に流入する排気におけるＮＯ₂とＮＯとの比率を１：１とする。

Ｓ１０７では、応答曲面からアンモニア目標吸着量Ｓ_{NH3_threshold}を算出する。
Ｓ１０８では、尿素当量比φ_urea、アンモニア目標吸着量Ｓ_{NH3_threshold}及びアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_center}から、尿素水噴射量Ｑ_ureaを算出する。

Ｓ１０９では、ＳＣＲ触媒反応モデルによって各セルのアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}を算出し、エンジン１の運転状態に応じた所定のセルのアンモニア吸着量を選択する。本実施形態では、セル１〜５のうちＮＯｘ触媒２０１の軸方向中央部に位置するセル３について算出したアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_center}を選択する。

図６において、Ｓ２０１では、エンジン１の増負荷運転時にあるか否かを判定する。増負荷運転時にある場合は、Ｓ２０２へ進み、増負荷運転時にない場合は、Ｓ２０５へ進む。

Ｓ２０２では、ＳＣＲ上流排気温度Ｔ_SCRinが所定の温度Ｘｄｅｇ．Ｃよりも低いか否かを判定する。所定の温度Ｘｄｅｇ．Ｃよりも低い場合は、Ｓ２０３へ進み、それ以外の場合は、Ｓ２０５へ進む。

Ｓ２０３では、アンモニア吸着量Ｓ_{NH3_center}がアンモニア目標吸着量Ｓ_{NH3_threshold}を超えているか否かを判定する。アンモニア目標吸着量Ｓ_{NH3_threshold}を超えている場合は、Ｓ２０４へ進み、それ以外の場合は、Ｓ２０５へ進む。

Ｓ２０４では、尿素水インジェクタ２０２による尿素水の供給を停止する。
Ｓ２０５では、尿素水インジェクタ２０２を駆動して、排気に尿素水を供給する。本実施形態では、ＳＣＲ上流ＮＯｘ濃度ＮＯＸ_SCRinに対し、Ｓ１０６で算出した尿素当量比φ_ureaとなるように、尿素水噴射量Ｑ_ureaを設定する。

図７〜１０は、本実施形態に係るエンジンの排気浄化装置２の作用及び効果を示す説明図であり、本実施形態に係る還元剤添加制御（以下、特に「モデルベース制御」という。）を、ＮＯｘ排出量の算出にマップを用いた例（以下、特に「マップ制御」という。）と比較して示している。

比較実験には、いずれも排気量９．２リットル、ＴＣＩ（インタークーラターボ）ディーゼルエンジンを用い、φ（直径）１０．５×Ｌ（長さ）４インチのＮＯｘ触媒２０１の上流側にφ１０．５×Ｌ６インチの酸化触媒を設置するとともに、ＮＯｘ触媒２０１の下流側に排圧形成用のダミー触媒（φ１０．５×Ｌ４インチ）を設置した。そして、状態Ａ：回転速度８０％及び負荷４０％、状態Ｂ：回転速度８０％及び負荷６０％、状態Ｃ：回転速度４０％及び負荷６０％の順序でエンジンの運転状態を変化させ、排気温度を段階的に上昇させていった場合（図７）の各評価パラメータの変化を取得した。マップ制御では、エンジンの運転状態からマップ参照によってエンジンのＮＯｘ排出量を算出し、これに応じた量の尿素水を排気に供給するようにした。

図７は、尿素水噴射量を、モデルベース制御及びマップ制御のそれぞれについて示している。モデルベース制御では、排気温度が上昇するもののＮＯｘ排出量は減少する、比較的低温での増負荷運転時（以下「低温増負荷時」という。）に、尿素水の供給が一時的に停止する。

図８は、ＮＯｘ触媒２０１の出口付近でのＮＯｘ及びアンモニアの各濃度を、モデルベース制御（図８の下段）及びマップ制御（同じく上段）のそれぞれについて示している。マップ制御による場合は、低温増負荷時においても引き続き尿素水が供給されるので、ＮＯｘ触媒２０１に対して過剰な量のアンモニアが供給され、アンモニアスリップが生じている。１０００ｓ直後に現れているアンモニア濃度のピークがアンモニアスリップの発生を示している。これに対し、モデルベース制御では、低温増負荷時に尿素水の供給を停止することで（図７）、アンモニアの過剰供給によるアンモニアスリップを抑制することができる。本実施形態において、低温増負荷時にエンジン１から排出されるＮＯｘは、触媒層に吸着しているアンモニアによって還元されることになる。

図９は、ＮＯｘ触媒２０１の出口付近でのＮＯｘ積算値及びアンモニア積算値、ならびに尿素水噴射量積算値を、モデルベース制御及びマップ制御のそれぞれについて示している。モデルベース制御では、既に述べたようにアンモニアの過剰供給が抑制されるので、マップ制御による場合と比べて触媒出口付近でのアンモニア積算値を大幅に低減し、尿素水噴射量を削減することができる。

図１０は、ＮＯｘ触媒２０１によるＮＯｘ浄化率を、モデルベース制御及びマップ制御のそれぞれについて示している。同図に示すＮＯｘ浄化率を解析した結果、モデルベース制御では、マップ制御による場合に対してモードにおけるＮＯｘ浄化率が約３％向上していることが判明した。このことは、モデルベース制御によれば、単にアンモニアスリップを抑制するだけでなく、ＮＯｘ浄化率の悪化を伴わずにこれを達成し得ることを意味する。

図１１は、先の比較実験と同様の条件においてエンジンを運転した場合のＮＯｘ浄化率、全アンモニアスリップ量、尿素水消費量及び最大アンモニアスリップ量を、アンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}の選択対象を前面側のセル１（Ａ）、中央部のセル３（Ｂ）及び背面側のセル５（Ｃ）とした場合のそれぞれについて示している。このように、低温増負荷時の選択対象として中央部のセル３を選択することで、尿素水消費量において背面側のセル５とする場合に準ずるものの、それ以外の評価パラメータにおいて良好な結果が得られることが分かる。

以上の説明では、ＮＯｘ触媒２０１の上流側に温度センサ２１２を設置し、これが検出するＳＣＲ上流排気温度をＮＯｘ触媒２０１の入口温度と見做した。このような近似によらず、温度センサ２１２の位置（排気温度の測定点）からＮＯｘ触媒２０１の入口端面までの排気管１０１を介する放熱を考慮することで、ＳＣＲ触媒反応モデルによる吸着量推定をより高い精度で行うこともできる。下式（７）及び（８）は、この場合の放熱モデルを表しており、これにより、温度測定点よりも距離Ｌだけ下流側の触媒入口端面における排気温度を算出する。下式（７）は、気相のエネルギーバランスを示し、下式（８）は、排気管１０１のエネルギーバランスを示す。

∂（ρ_gｃ_gＶ_gＴ_g）／∂ｔ＋∂（ρ_gｕｃ_gＶ_gＴ_g）／∂ｚ＝α_gpＡ_g（Ｔ_p−Ｔ_g） …（７）
∂（ρ_pｃ_pＶ_pＴ_p）／∂ｔ＝α_gpＡ_g（Ｔ_p−Ｔ_g）＋α_paＡ_p（Ｔ_a−Ｔ_p） …（８）
α_gp＝Ｎｕλ／Ｄ₁
Ｎｕ＝０．００２７Ｒｅ^0.8Ｐｒ^0.4
Ｒｅ＝ｕＤ₁／μ
Ｐｒ＝μ（ρ_gｃ_g／λ_g）
Ａ_g＝π（Ｄ₁／４）Ｌ
Ａ_p＝π（Ｄ₂／４）Ｌ
α_gp：排気と排気管との間の熱伝達率
α_pa：排気管と外気との間の熱伝達率
Ｎｕ：ヌッセルト数
Ｒｅ：レイノルズ数
Ｐｒ：プラントル数
λ：排気管の熱伝導率
λ_g：気相の熱伝導率
μ：気体の粘性
ｕ：流速
ρ：密度
ｃ：比熱
Ｖ：体積
Ｔ：温度
Ｄ₁，Ｄ₂：排気管の内径及び外径
下付符号ｇ，ｐ，ａは、夫々気相、排気管１０１及び外気の別を示す。

本発明の他の実施形態について、以下に説明する。
図１２は、本発明の第２の実施形態に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置２の構成図である。以下の説明では、ＮＯｘ触媒２０１等、第１の実施形態のものと同様の構成要素について図１におけると同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態では、エンジン１の排気管１０１のうちＮＯｘ触媒２０１の上流側に酸化触媒２０３を介装し、ＮＯｘ触媒２０１とこの酸化触媒２０３との間に尿素水インジェクタ（「還元剤添加装置」に相当する。）２０２を配置している。酸化触媒２０３によって排気中のＮＯ（一酸化窒素）の一部をＮＯ₂（二酸化窒素）に転換させ、ＮＯｘ触媒２０１に流入する排気におけるＮＯ及びＮＯ₂のバランスを図るようにすることは、第１の実施形態におけると同様である。本実施形態では、後に述べるように、酸化触媒２０３におけるＮＯの酸化反応を数式化した触媒反応モデル（「第２の触媒反応モデル」に相当し、以下「ＤＯＣ触媒反応モデル」という。）を構築し、ＮＯｘ触媒２０１に流入する排気のＮＯ₂比率を、このＤＯＣ触媒反応モデルを用いて推定計算し、ＮＯｘ触媒２０１に対するアンモニア供給量（尿素水噴射量Ｑ_urea）の計算に反映させる。

更に本実施形態では、ＮＯｘセンサ２１１、温度センサ２１２、圧力センサ２１３及び酸素センサ２１４を酸化触媒２０３の上流側に設置するとともに、圧力センサ２１５をＮＯｘ触媒２０１の下流側に設置している。本実施形態において、ＮＯｘセンサ２１１は、酸化触媒２０３上流の排気のＮＯｘ濃度（以下「ＤＯＣ入口ＮＯｘ濃度」という。）を検出し、温度センサ２１２は、酸化触媒２０３上流の排気温度（以下「ＤＯＣ入口排気温度」という。）を、圧力センサ２１３は、酸化触媒２０３上流の排気圧力（以下「ＤＯＣ入口排気圧力」という。）を、酸素センサ２１４は、酸化触媒２０３上流の排気の酸素濃度（以下「ＤＯＣ入口酸素濃度」という。）を夫々検出する。圧力センサ２１５は、ＮＯｘ触媒２０１の下流側でそのケースに取り付けられ、ＮＯｘ触媒２０１出口付近の圧力（ＳＣＲ出口圧力）を検出する。ＮＯｘセンサ２１１、温度センサ２１２、圧力センサ２１３、酸素センサ２１４及び圧力センサ２１５の検出信号、ならびに運転状態センサ１１１及び１１２が検出する燃料流量及びエンジン回転速度は、還元剤添加制御ユニット（本実施形態において「ＮＯ₂比率演算装置」及び「制御装置」としての機能を併せ持ち、以下「ＥＣＵ」と略す。）３０１に入力される。

ＥＣＵ３０１は、入力した各種のセンサ出力をもとにＮＯｘ触媒２０１に対するアンモニア供給量を算出し、尿素水インジェクタ２０２を制御する。
図１３は、本実施形態に係る尿素水添加制御ユニット（ＥＣＵ）３０１の構成をブロックダイアグラムによって表している。

本実施形態では、第１の実施形態におけると同様にＳＣＲ触媒反応モデルによってＮＯｘ触媒２０１のアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}を算出することに加え、酸化触媒２０３におけるＮＯの酸化反応を数式化した触媒反応モデル（ＤＯＣ触媒反応モデル）を制御装置３０１（ＮＯ₂比率算出部４１１）に組み込み、排気浄化装置２の作動条件をもとに、このＤＯＣ触媒反応モデルによってＮＯｘ触媒２０１に流入する排気のＮＯ₂比率ＲＮＯ２_SCRinを推定計算する。算出したＮＯ₂比率ＲＮＯ２_SCRinは、尿素当量比算出部３１２及びアンモニア目標吸着量算出部３１３に入力され、応答曲面を用いた尿素当量比φ_urea及びアンモニア目標吸着量Ｓ_{NH3_threshold}の算出に反映される。本実施形態では、排気における全ＮＯｘ中のＮＯ₂のモル比率を「ＮＯ₂比率」とする。

ＮＯ₂比率算出部４１１は、平均値算出部３１１が算出したＤＯＣ入口ＮＯｘ濃度の平均値ＮＯＸ_DOCin、ＤＯＣ入口排気温度の平均値Ｔ_DOCin、ＤＯＣ入口排気圧力の平均値Ｐ_DOCin、ＤＯＣ入口酸素濃度の平均値Ｏ２_DOCin及びＳＣＲ出口圧力の平均値Ｐ_SCRoutをもとに、ＤＯＣ触媒反応モデルによって酸化触媒２０３を通過した排気のＮＯ₂比率を算出する。本実施形態において、ＤＯＣ触媒反応モデルは、不揮発メモリ（例えば、フラッシュメモリ）等の形態で具現可能な記憶部４１１ａに記憶されており、還元剤添加制御に際してＮＯ₂比率算出部４１１によって記憶部４１１ａから読み出される。

尿素当量比算出部３１２及びアンモニア目標吸着量算出部３１３は、ＮＯ₂比率算出部４１１が算出したＮＯ₂比率ＲＮＯ２_SCRin、酸化触媒２０３下流のＮＯｘ濃度（ＳＣＲ上流ＮＯｘ濃度）ＮＯＸ_SCRin及び排気温度（ＳＣＲ上流排気温度）Ｔ_SCRin、ならびにＮＯｘ触媒２０１の空間速度ＧＨＳＶをもとに、予め記憶した応答曲面から尿素当量比φ_urea及びアンモニア目標吸着量Ｓ_{NH3_threshold}を算出する。本実施形態では、第１の実施形態とは異なり、尿素当量比及びアンモニア目標吸着量の各応答曲面の関数において、ＮＯ₂比率に関する項を設定している。

尿素水噴射量算出部３１５は、尿素当量比算出部３１２及びアンモニア目標吸着量算出部３１３が算出した尿素当量比φ_urea及びアンモニア目標吸着量Ｓ_{NH3_threshold}、アンモニア吸着量算出部３１６が算出したアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}、ＳＣＲ上流ＮＯｘ濃度ＮＯＸ_SCRin及び空間速度ＧＨＳＶに加え、アンモニア吸着量算出部３１６が後に述べるように算出したアンモニアスリップ量ＮＨ３ｓｌｉｐ及びＮＯｘ浄化率ＮＯＸｃｏｎｖをもとに、尿素水噴射量Ｑ_ureaを算出する。尿素水噴射量Ｑ_ureaは、アンモニア吸着量算出部３１６に出力される一方、尿素水インジェクタ２０２に対する制御指令信号に変換され、尿素水インジェクタ２０２の駆動ユニットに出力される。

アンモニア吸着量算出部３１６は、記憶部３１６ａからＳＣＲ触媒反応モデルを取得するとともに、尿素水噴射量算出部３１５が算出した尿素水噴射量Ｑ_urea、触媒温度算出部３１７が算出したＮＯｘ触媒２０１の触媒層の温度Ｔｅｍｐ及び各種のセンサ出力をもとに、取得したＳＣＲ触媒反応モデルによって各セルのアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}を算出する。第１の実施形態におけると同様に、算出したアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}のうちエンジン１の運転状態に応じた所定のセルのアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}（本実施形態では、Ｓ_{NH3_center}）が尿素水噴射量算出部３１５に入力され、尿素水噴射量Ｑ_ureaの算出に用いられる。更に本実施形態では、アンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}に加えてアンモニアスリップ量ＮＨ３ｓｌｉｐ及びＮＯｘ浄化率ＮＯＸｃｏｎｖが尿素水噴射量算出部３１５に出力され、アンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}とともに尿素水噴射量Ｑ_ureaの算出に用いられる。アンモニアスリップ量ＮＨ３ｓｌｉｐは、ＮＯｘ触媒２０１から流出したアンモニアの量（例えば、モル数）として、ＮＯｘ浄化率ＮＯＸｃｏｎｖは、例えば、ＮＯｘ触媒２０１に流入するＮＯｘの量に対するＮＯｘ触媒２０１における還元浄化分の割合として、いずれもアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}の推算結果から算出することができる。

本実施形態では、ＮＯ₂比率算出部４１１が「ＮＯ₂比率算出部」に、記憶部４１１ａが「第２の記憶部」に、尿素当量比算出部３１２、アンモニア目標吸着量算出部３１３及び尿素水噴射量算出部３１５が「アンモニア供給量算出部」に、アンモニア吸着量算出部３１６が「アンモニア吸着量算出部」に、記憶部３１６ａが「第１の記憶部」に夫々相当する。

ここで、ＤＯＣ触媒反応モデルについて説明する。
本実施形態では、酸化触媒２０３におけるＮＯの酸化反応を数式化した触媒反応モデル（ＤＯＣ触媒反応モデル）を構築する。酸化触媒２０３におけるＮＯの酸化反応は、以下に示す一連の化学反応からなり、各反応式において、触媒層の吸着サイト又は活性点σに吸着した状態を、化学種の分子記号にσを付して示している（例えば、吸着したＮＯについてσＮＯ）。

更に本実施形態では、図１４に示すように、酸化触媒２０３の内部を触媒軸方向に連なる複数のセル（本実施形態では、セル１〜５）に分割し、これらのセル１〜５のそれぞれを通過する排気について、ＤＯＣ触媒反応モデルを用いてＮＯ₂比率ＲＮＯ２_i（ｉ＝１〜５）を算出する。そして、最も下流側に位置するセル５について算出したＮＯ₂比率ＲＮＯ２₅を、ＮＯｘ触媒２０１に流入する排気のＮＯ₂比率ＲＮＯ２_SCRinとして尿素当量比算出部３１２及びアンモニア目標吸着量算出部３１３に出力し、尿素当量比φ_urea及びアンモニア目標吸着量Ｓ_{NH3_threshold}の算出に反映させる。

図１５は、ＤＯＣ触媒反応モデルの説明図であり、同図（Ａ）及び（Ｂ）は、夫々各セルについて考慮する質量バランス及びエネルギーバランスを、図中軸方向（ｚ方向）の近似一次元流れのもとで表している。下式（５）は、酸化触媒２０３での酸化反応に関わる化学種Ｘ_iの気相での質量バランスを表し、下式（６）は、化学種Ｘ_iの触媒層での質量バランスを表している。下式（７）は、気相のエネルギーバランスを、下式（８）は、触媒層のエネルギーバランスを夫々表す。式中［Ｘ_i］_gas，［Ｘ_i］_catは、夫々化学種Ｘ_iの、気相又は触媒層での濃度を示す。

式（５）〜（８）の各項の意義及び式中の変数についてはＳＣＲ触媒反応モデルに関する式（１）〜（４）におけると同様であり、ＤＯＣ触媒反応モデルは、ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ上で構築することができる。

本実施形態において採用するＳＣＲ触媒反応モデルの数式は、第１の実施形態における式（１）〜（４）と同様であるが、本実施形態では、ＮＯｘ触媒２０１に流入する排気のＮＯ₂比率ＲＮＯ２_SCRinを推算可能としたことに対応して、ＮＯｘの還元に関わる化学反応として第１の実施形態で考慮した上記４つの反応に加え、次の３式で示す反応を考慮する。これにより、アンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}の計算において、ＮＯ₂のＮＯに対する実際の比率に応じた反応量の変化を再現することが可能となる。

更に加えて、次の６式のいずれか１つ、又は任意の組み合わせ若しくは全てを考慮することも可能である。

図１６は、本実施形態に係る還元剤添加制御の基本ルーチンの流れを示すフローチャートであり、図１７は、図１６の基本ルーチンにおける尿素水噴射量算出処理（Ｓ１０８）の内容を詳細に示している。

Ｓ１０１では、ＤＯＣ入口ＮＯｘ濃度ＮＯＸ_DOCin等、各種のセンサ出力を読み込む。
Ｓ１０２では、読み込んだセンサ出力の１０点移動平均値を算出する。
Ｓ１１１では、ＳＣＲ入口ＮＯ₂比率ＲＮＯ２_SCRinを算出する。本実施形態では、ＤＯＣ触媒反応モデルによって各セル１〜５（図１４）を通過する排気のＮＯ₂比率を算出し、セル１〜５のうち最も下流側に位置するセル５について算出したＮＯ₂比率を、ＳＣＲ入口ＮＯ₂比率ＲＮＯ２_SCRinとする。

Ｓ１０３では、エンジン１の運転状態をもとに、ＮＯｘ触媒２０１の空間速度ＧＨＳＶを算出する。
Ｓ１０４では、質量バランス式及びエネルギーバランス式の係数ｋ_iを計算する。

Ｓ１０５では、各セル１〜５の気相及び触媒層の温度を算出する。これらの温度は、ＤＯＣ触媒反応モデルのエネルギーバランス式（７）及び（８）をもとに、Ｓｉｍｕｌｉｎｋライブラリの連続積分器を用いて算出することが可能である。温度センサ２１２に加えて酸化触媒２０３の下流側にも温度センサを備える場合は、センサ出力の線形補完によって算出してもよい。ここで、気相の温度と触媒層の温度とは、等しいと近似することができる。

Ｓ１０６では、応答曲面から尿素当量比φ_ureaを算出する。本実施形態では、応答曲面の関数に、ＮＯ₂比率に関する項を設定しており、Ｓ１０６及び次に述べるＳ１０７の処理において、Ｓ１１１で算出したＮＯ₂比率（ＳＣＲ入口ＮＯ₂比率ＲＮＯ２_SCRin）を適用する。

Ｓ１０７では、応答曲面からアンモニア目標吸着量Ｓ_{NH3_threshold}を算出する。
Ｓ１０８では、尿素当量比φ_urea、アンモニア目標吸着量Ｓ_{NH3_threshold}、アンモニア吸着量Ｓ_{NH3_center}、アンモニアスリップ量ＮＨ３ｓｌｉｐ及びＮＯｘ浄化率ＮＯＸｃｏｎｖから、尿素水噴射量Ｑ_ureaを算出する。

Ｓ１１２では、ＳＣＲ触媒反応モデルによって各セル１〜５のアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}を算出し、エンジン１の運転状態に応じた所定のセル（本実施形態では、図３に示す軸方向中央部のセル３）のアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_center}を選択する。更に本実施形態では、アンモニアスリップ量ＮＨ３ｓｌｉｐ及びＮＯｘ浄化率ＮＯＸｃｏｎｖを算出する。

図１７において、Ｓ２０１では、エンジン１の増負荷運転時にあるか否かを判定する。増負荷運転時にある場合は、Ｓ２１１へ進み、増負荷運転時にない場合は、Ｓ２０５へ進む。

Ｓ２１１では、アンモニアスリップ量ＮＨ３ｓｌｉｐが減少しているか否かを判定する。本実施形態では、アンモニアスリップ量ＮＨ３ｓｌｉｐの単位時間当たりの変化量（＝ｄ（ＮＨ３ｓｌｉｐ）／ｄｔ）を算出し、これが０よりも小さいか否かを判定するが、簡易的には、現時点でのアンモニアスリップ量ＮＨ３ｓｌｉｐが所定の時間前のアンモニアスリップ量（例えば、前回の制御実行時でのアンモニアスリップ量ＮＨ３ｓｌｉｐ_n-1）よりも減少しているか否かを判定してもよい。アンモニアスリップ量ＮＨ３ｓｌｉｐに振動があり、単純な２時点間での比較が困難な場合は、各時点でのアンモニアスリップ量ＮＨ３ｓｌｉｐ_t1，ＮＨ３ｓｌｉｐ_t2として時刻ｔ１，ｔ２夫々での移動平均値（例えば、単純移動平均値）を採用するとよい。例えば、相前後する２つの時点ｔ１，ｔ２夫々でのアンモニアスリップ量の移動平均値の差（＝ＮＨ３ｓｌｉｐ_t2−ＮＨ３ｓｌｉｐ_t1）を、時間Δｔ（＝ｔ２−ｔ１）で除した値が０よりも小さいか否かを判定する。Ｓ２１１の処理において、アンモニアスリップ量ＮＨ３ｓｌｉｐが減少している場合は、Ｓ２１２へ進み、それ以外の場合は、Ｓ２１３へ進む

Ｓ２１２では、ＮＯｘ浄化率ＮＯＸｃｏｎｖが低下しているか否かを判定する。Ｓ２１１におけると同様に、ＮＯｘ浄化率ＮＯＸｃｏｎｖの単位時間当たりの変化量（＝ｄ（ＮＯＸｃｏｎｖ）／ｄｔ）が０よりも小さいか否かを判定してもよいし、簡単のため、現時点でのＮＯｘ浄化率ＮＯＸｃｏｎｖが所定の時間前のＮＯｘ浄化率（例えば、前回の制御実行時でのＮＯｘ浄化率ＮＯＸｃｏｎｖ_n-1）よりも低下しているか否かを判定してもよい。低下している場合は、Ｓ２０５へ進み、それ以外の場合は、Ｓ２１３へ進む。前述同様に、ＮＯｘ浄化率の移動平均値を好適に採用することができる。

このように、本実施形態では、増負荷運転時において排気に対する尿素水の供給を停止した後（Ｓ２０４）、Ｓ２１１及び２１２の処理によってアンモニアスリップ量ＮＨ３ｓｌｉｐ及びＮＯｘ浄化率ＮＯＸｃｏｎｖがともに減少又は低下していることを検出した場合は、Ｓ２０５へ処理を進め、尿素水の供給を再開する。これにより、アンモニアスリップ量の増大を抑制しつつ、ＮＯｘ浄化率の過度な低下を回避することが可能となる。

Ｓ２１３では、ＮＯｘ触媒２０１において上流側に位置するセル（本実施形態では、セル１及び２）のアンモニア吸着量の合計値（「アンモニア吸着量Ｓ_{NH3_1st+2nd}」と表記する。）が所定の値Ａよりも小さい否かを判定する。小さい場合は、Ｓ２１４へ進み、それ以外の場合は、Ｓ２０３へ進む。

Ｓ２１４では、ＮＯｘ触媒２０１において上流側に位置するセル（本実施形態では、セル１及び２）のアンモニア吸着量の合計値Ｓ_{NH3_1st+2nd}が下流側に位置するセル（本実施形態では、セル４及び５）のアンモニア吸着量の合計値（「アンモニア吸着量Ｓ_{NH3_4th+5th}」と表記する。）よりも大きいか否かを判定する。大きい場合は、Ｓ２０５へ進み、それ以外の場合は、Ｓ２０３へ進む。

Ｓ２０３では、アンモニア吸着量Ｓ_{NH3_center}がアンモニア目標吸着量Ｓ_{NH3_threshold}を超えているか否かを判定する。アンモニア目標吸着量Ｓ_{NH3_threshold}を超えている場合は、Ｓ２０４へ進み、それ以外の場合は、Ｓ２０５へ進む。

Ｓ２０４では、尿素水インジェクタ２０２による尿素水の供給を停止する。
Ｓ２０５では、尿素水インジェクタ２０２を駆動して、排気に尿素水を供給する。第１の実施形態におけると同様に、ＳＣＲ上流ＮＯｘ濃度ＮＯＸ_SCRinに対し、Ｓ１０６で算出した尿素当量比φ_ureaとなるように、尿素水噴射量Ｑ_ureaを設定する。

ここで、図１７に示すＳ２１３及び２１４の処理について、図１８及び１９を参照して説明する。
図１８は、本実施形態に係る排気浄化装置２の、エンジン１の増負荷運転時における動作を示し、図１９は、増負荷運転時におけるアンモニア吸着量の軸方向分布の経時変化を、図１８に示す時刻ｔ１〜ｔ５に対応させて示している。

図１８に示すように、エンジン１の増負荷運転時では、排気温度（ＳＣＲ入口ガス温度Ｔ_SCRin）の上昇に伴ってアンモニアスリップ量が増大する。これは、温度上昇によって触媒層からの吸着アンモニアの脱離が活発となるからであると考えられる。本実施形態では、ＮＯｘ触媒２０１におけるＮＯｘの還元浄化が活発となる高温条件のもとで積極的に尿素水の供給を行うこととするが、特にアンモニアスリップが急峻に生じている期間（図１８に示す時刻ｔ１〜ｔ４の期間）では尿素水インジェクタ２０２による尿素水の供給を停止することとし、過剰な尿素水の供給を防止する。

ここで、図１９によれば、排気温度の上昇に対してＮＯｘ触媒２０１における吸着アンモニアの分布が入口側偏在型（入口側吸着、時刻ｔ１〜ｔ２）から出口側偏在型（出口側吸着、時刻ｔ３〜ｔ４）へと移行しており、この分布形態の移行期間（ｔ１〜ｔ４）においてアンモニアスリップの発生が急峻となることが分かる。従って、尿素水の供給を再開させる際の条件の１つとして、吸着アンモニアの分布が入口側偏在型であることを考慮する必要がある（例えば、図１７のＳ_{NH3_1st+2nd}＞Ｓ_{NH3_4th+5th}）。ここで、増負荷運転開始直後の時刻ｔ１〜ｔ２の期間においても分布形態が入口側偏在型であることを考慮する（例えば、図１７のＳ_{NH3_1st+2nd}＜Ａ）。

このように、Ｓ２１３及び２１４の処理によれば、温度上昇に対してアンモニアスリップの発生が急峻となる期間における尿素水の供給を停止し、過剰な尿素水の供給によるアンモニアスリップ量の増大を抑制することができる。特に本実施形態では、単に排気温度の上昇のみを監視して尿素水供給の停止及び再開を判断する場合に比べ、頻繁な切り換えに伴うＮＯｘ浄化率の悪化を防止するとともに、排気温度が急速に上昇した場合に対処することも可能となる。例えば、図１９に示す時刻ｔ２では、温度上昇によってアンモニアスリップが急峻に生じている（アンモニアスリップ量が増大しつつある）にも拘らず、吸着アンモニアの分布は入口側偏在型を維持している。これは、入口側偏在型から出口側偏在型への分布形態の移行に、温度上昇に対する遅れが存在するためである。温度のみによる判断では、急速な温度上昇によって時刻ｔ２に尿素水の供給を再開させることになるが、本実施形態では、このようなアンモニアスリップを却って助長させることとなる判断を回避することができる。

図２０〜２２は、本実施形態に係るエンジンの排気浄化装置２の作用及び効果を示す説明図であり、本実施形態に係る還元剤添加制御（モデルベース制御）を、ＮＯｘ排出量の算出にマップを用いた例（マップ制御）と比較して示している。

比較実験には、第１の実施形態におけると同様に、排気量９．２リットル、ＴＣＩ（インタークーラターボ）ディーゼルエンジンを用い、φ（直径）１０．５×Ｌ（長さ）４インチのＮＯｘ触媒２０１の上流側にφ１０．５×Ｌ６インチの酸化触媒を設置するとともに、ＮＯｘ触媒２０１の下流側に排圧形成用のダミー触媒（φ１０．５×Ｌ４インチ）を設置した。そして、状態Ａ：回転速度８０％及び負荷４０％、状態Ｂ：回転速度８０％及び負荷６０％、状態Ｃ：回転速度４０％及び負荷６０％の順序でエンジンの運転状態を変化させ、排気温度を段階的に上昇させていった場合（図２０）の各評価パラメータの変化を取得した。マップ制御では、エンジンの運転状態からマップ参照によってエンジンのＮＯｘ排出量を算出し、これに応じた量の尿素水を排気に供給するようにした。

図２０は、運転状態の推移に対するＤＯＣ入口ＮＯｘ濃度、排気温度（ＤＯＣ入口排気温度、ＳＣＲ出口排気温度）及び尿素水噴射量の変化を、モデルベース制御及びマップ制御のそれぞれについて示している。同図に示すように、モデルベース制御では、状態Ａから状態Ｂへの増負荷運転時において、尿素水の供給が一時的に停止するとともに、供給再開後の尿素水噴射量がマップ制御による場合と比べて増大している。

図２１は、ＮＯｘ触媒２０１の出口付近でのＮＯｘ及びアンモニアの各濃度を、モデルベース制御（図２１の下段）及びマップ制御（同じく上段）のそれぞれについて示している。モデルベース制御では、増負荷運転時に尿素水の供給を一時的に停止させたことで（図２０）、マップ制御による場合に１０００ｓ（秒）直後に顕著に現れているアンモニアスリップが抑制されている。これに加え、本実施形態では、２０００ｓ前後における状態Ｂから状態Ｃへの減速時に生じているＮＯｘ濃度（ＳＣＲ出口ＮＯｘ濃度）の増大が、マップ制御による場合と比べて抑制されている。これは、ＮＯｘ触媒２０１のアンモニア吸着量Ｓ_{NH3_i}を正確に把握し、排気に対してより適切な量のアンモニアを添加可能としたことで、状態Ｃへの移行までに、減速に伴うＮＯｘ排出量の増大に対処し得るだけの充分な量の吸着アンモニアを確保することができたためであると考えられる。

図２２は、ＮＯｘ浄化率及びＮＯｘ触媒２０１の出口付近でのアンモニア積算値（ＳＣＲ出口ＮＨ₃積算値）を、モデルベース制御及びマップ制御のそれぞれについて示している。同図に示す実験結果によれば、モデルベース制御について、増負荷運転時におけるＳＣＲ出口ＮＨ₃積算値に低減効果が認められる。これは、増負荷直後にアンモニアスリップが抑制されたことに起因するものであると考えられる。更に上段に示すＮＯｘ浄化率の解析から、モデルベース制御によれば、実験時間全体を通じてＮＯｘ浄化率が約２％向上したという結果が得られている。このように、本実施形態によれば、アンモニアスリップを抑制しつつ、ＮＯｘ浄化率を向上させることができる。ここで、２０００ｓ以降において、モデルベース制御とマップ制御との間でＳＣＲ出口ＮＨ₃積算値に逆転が生じている。図２０に示すように、モデルベース制御では、状態Ｃへの移行に伴うＮＯｘ排出量（ＤＯＣ入口ＮＯｘ濃度）の大幅な増大に対して尿素水噴射量が増大しているが（このＮＯｘ排出量の増大は、供試エンジンの特性によるものであり、本来意図する増大ではない）、このことがＳＣＲ出口ＮＨ₃積算値の増大を助長している可能性がある。

本発明は、以上に説明した尿素ＳＣＲに限らず、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）とＮＯｘ触媒システムとの組み合わせ、又はＮＯｘ触媒層をコーティングしたＤＰＦ触媒システムに適用することも可能である。

以上の説明では、本発明について好ましい実施の形態について述べたが、本発明の範囲は、以上の説明に何ら制限されるものではなく、請求の範囲の記載をもとに、適用条文に従って判断される。

１…ディーゼルエンジン、１０１…排気管、１１１…燃料流量センサ、１１２…エンジン回転速度センサ、２…排気浄化装置、２０１…ＮＯｘ触媒、２０２…尿素水インジェクタ（還元剤添加装置）、２０３…酸化触媒、３０１…尿素水添加制御ユニット（制御装置）、２１１…ＮＯｘセンサ、２１２…温度センサ、２１３…圧力センサ、２１４…酸素センサ、２１５…圧力センサ。

Claims (19)

1. エンジンが排出するＮＯｘを、アンモニアを還元剤に用いて還元浄化するエンジンの排気浄化装置であって、
   エンジンの排気通路に設置された選択還元型のＮＯｘ触媒と、
   前記エンジンの排気に対し、前記ＮＯｘ触媒の上流側でアンモニア又はその前駆体を添加する還元剤添加装置と、
   前記ＮＯｘ触媒に対するアンモニア供給量を算出し、算出したアンモニア供給量に応じて前記還元剤添加装置を制御する制御装置と、
   を含んで構成され、
   前記制御装置は、
   前記ＮＯｘ触媒の触媒層に吸着したアンモニアを有効還元剤とする前記ＮＯｘの還元に関わる化学反応を数式化した第１の触媒反応モデルを記憶した第１の記憶部と、
   前記第１の記憶部から前記第１の触媒反応モデルを取得し、前記ＮＯｘ触媒の内部をその軸方向に連なるように分割した複数のセルのそれぞれについて、前記取得した第１の触媒反応モデルによってアンモニア吸着量を算出するアンモニア吸着量算出部と、
   前記アンモニア吸着量算出部が算出した各セルのアンモニア吸着量のうち、前記エンジンの運転状態に応じた所定のセルのアンモニア吸着量をもとに、前記アンモニア供給量を算出するアンモニア供給量算出部と、
   を含んで構成される、
   エンジンの排気浄化装置。
2. 前記第１の触媒反応モデルは、前記ＮＯｘの還元に関わる化学種の気相及び触媒層夫々での質量バランスを表す数式を含んで構成される、請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記第１の触媒反応モデルは、前記ＮＯｘ触媒内部の流れを軸方向の一次元流れで近似して、前記化学種の前記気相での質量バランスを表す式（１）、及び前記化学種の前記触媒層での質量バランスを表す式（２）を含んで構成され、更に式（２）の係数ｋ_iは、反応頻度因子Ａ、活性化エネルギーＥ_a、ガス定数Ｒ及び温度Ｔに関して式（３）によって表される、請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
   
   
   
4. 前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段を更に含んで構成され、
   前記アンモニア吸着量算出部は、前記運転状態検出手段が検出した運転状態に応じて少なくとも前記式（２）及び（３）の係数ｋ_iを変更する、
   請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 前記アンモニア吸着量を算出するセルに、前記複数のセルのうち前記ＮＯｘ触媒の軸方向中央部に位置するセルを含む、請求項１〜４のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
6. 前記制御装置は、前記ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘに対するアンモニア当量比及び前記ＮＯｘ触媒のアンモニア目標吸着量を予め設定した応答曲面を有し、
   前記アンモニア供給量算出部は、前記応答曲面からアンモニア当量比及びアンモニア目標吸着量を算出し、算出したアンモニア当量比及びアンモニア目標吸着量、ならびに前記所定のセルのアンモニア吸着量をもとに、前記アンモニア供給量を算出する、
   請求項１〜５のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
7. 前記制御装置は、１セル当たりのアンモニア目標吸着量を算出するアンモニア目標吸着量算出部を更に含んで構成され、前記アンモニア吸着量算出部が算出したアンモニア吸着量が、前記アンモニア目標吸着量算出部が算出したアンモニア目標吸着量よりも大きい場合に、前記還元剤添加装置によるアンモニア又は前駆体の添加を停止する、請求項１〜６のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
8. 前記制御装置は、前記ＮＯｘ触媒の各セルにおける触媒層の温度を第１の触媒温度として算出する第１の触媒温度算出部を更に含んで構成され、
   前記アンモニア吸着量算出部は、前記第１の触媒温度算出部が算出した各セルの前記第１の触媒温度と、前記アンモニア供給量算出部が算出したアンモニア供給量とをもとに、前記アンモニア吸着量を算出する、
   請求項１〜７のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
9. 前記ＮＯｘ触媒の上流側の排気温度を検出する排気温度検出手段を更に含んで構成され、
   前記制御装置は、前記排気温度検出手段が検出した排気温度から、前記エンジンの排気管を介する放熱特性を考慮した前記ＮＯｘ触媒の入口温度を算出する触媒入口温度算出部を更に含み、
   前記アンモニア吸着量算出部は、前記触媒入口温度算出部が算出した前記ＮＯｘ触媒の入口温度をもとに、前記アンモニア吸着量を算出する、
   請求項１〜７のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
10. 前記制御装置は、前記触媒入口温度算出部が算出した前記ＮＯｘ触媒の入口温度をもとに、前記ＮＯｘ触媒の各セルにおける触媒層の温度を第１の触媒温度として算出する第１の触媒温度算出部を更に含んで構成され、
    前記アンモニア吸着量算出部は、前記第１の触媒温度算出部が算出した第１の触媒温度と、前記アンモニア供給量算出部が算出したアンモニア供給量とをもとに、前記アンモニア吸着量を算出する、
    請求項９に記載のエンジンの排気浄化装置。
11. 前記第１の触媒反応モデルは、前記式（１）及び（２）に加え、前記気相及び触媒層夫々のエネルギーバランスを表す数式を更に含んで構成され、
    前記第１の触媒温度算出部は、前記エネルギーバランスを表す数式によって各セルの前記第１の触媒温度を算出する、
    請求項８又は１０に記載のエンジンの排気浄化装置。
12. 前記第１の触媒反応モデルは、前記気相のエネルギーバランスを表す式（４）、及び前記触媒層のエネルギーバランスを表す式（５）を含んで構成される、請求項１１に記載のエンジンの排気浄化装置。
    
    
13. 前記排気通路において前記ＮＯｘ触媒の上流側に設置された酸化触媒と、
    前記ＮＯｘ触媒に流入する排気のＮＯ₂比率を推定計算するＮＯ₂比率演算装置と、を更に含んで構成され、
    前記ＮＯ₂比率演算装置は、
    前記酸化触媒におけるＮＯの酸化反応を数式化した第２の触媒反応モデルを記憶した第２の記憶部と、
    前記第２の記憶部から前記第２の触媒反応モデルを取得し、前記酸化触媒の内部をその軸方向に連なるように分割した複数のセルのそれぞれについて、前記第２の触媒反応モデルによって各セルを通過する排気のＮＯ₂比率を算出し、前記複数のセルのうち最も下流側に位置するセルについて算出したＮＯ₂比率を、前記流入する排気のＮＯ₂比率として算出するＮＯ₂比率算出部と、
    を含んで構成され、
    前記制御装置は、前記ＮＯ₂比率演算装置が算出したＮＯ₂比率をもとに、前記ＮＯｘ触媒に対するアンモニア供給量を算出する、
    請求項１〜１２のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
14. 前記第２の触媒反応モデルは、前記酸化触媒におけるＮＯ₂、ＮＯ及びＯ₂の気相及び触媒層夫々での質量バランスを表す数式を含んで構成される、請求項１３に記載のエンジンの排気浄化装置。
15. 前記第２の触媒反応モデルは、前記酸化触媒内部の流れを軸方向の一次元流れで近似して、前記気相での質量バランスを表す式（６）、及び前記触媒層での質量バランスを表す式（７）を含んで構成され、更に式（７）の係数ｋ_iは、反応頻度因子Ａ、活性化エネルギーＥ_a、ガス定数Ｒ及び温度Ｔに関して式（８）によって表される、請求項１４に記載のエンジンの排気浄化装置。
    
    
    
16. 前記ＮＯ₂比率演算装置は、前記酸化触媒の各セルにおける触媒層の温度を第２の触媒温度として算出する第２の触媒温度算出部を更に含んで構成され、
    前記ＮＯ₂比率算出部は、前記第２の触媒温度算出部が算出した第２の触媒温度をもとに、前記各セルを通過する排気のＮＯ₂比率を算出する、
    請求項１３〜１５のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
17. 前記第２の触媒反応モデルは、前記式（６）及び（７）に加え、前記気相及び触媒層夫々のエネルギーバランスを表す数式を更に含んで構成され、
    前記第２の触媒温度算出部は、前記エネルギーバランスを表す数式によって各セルについて前記第２の触媒温度を算出する、
    請求項１６に記載のエンジンの排気浄化装置。
18. 前記第２の触媒反応モデルは、前記気相のエネルギーバランスを表す式（９）、及び前記触媒層のエネルギーバランスを表す式（１０）を含んで構成される、請求項１７に記載のエンジンの排気浄化装置。
    
    
19. エンジンが排出するＮＯｘを、アンモニアを還元剤に用いて還元浄化するエンジンの排気浄化装置であって、
    エンジンの排気通路に設置された選択還元型のＮＯｘ触媒と、
    前記排気通路において前記ＮＯｘ触媒の上流側に設置された酸化触媒と、
    前記エンジンの排気に対し、前記ＮＯｘ触媒の上流側でアンモニア又はその前駆体を添加する還元剤添加装置と、
    前記ＮＯｘ触媒に流入する排気のＮＯ₂比率を推定計算するＮＯ₂比率演算装置であって、
    前記酸化触媒におけるＮＯの酸化反応を数式化した第２の触媒反応モデルを記憶した第２の記憶部と、
    前記第２の記憶部から前記第２の触媒反応モデルを取得し、前記酸化触媒の内部をその軸方向に連なるように分割した複数のセルのそれぞれについて、前記第２の触媒反応モデルによって各セルを通過する排気のＮＯ₂比率を算出し、前記複数のセルのうち最も下流側に位置するセルについて算出したＮＯ₂比率を、前記流入する排気のＮＯ₂比率として算出するＮＯ₂比率算出部と、
    を含んで構成されるＮＯ₂比率演算装置と、
    前記ＮＯ₂比率演算装置が算出したＮＯ₂比率をもとに前記ＮＯｘ触媒に対するアンモニア供給量を算出し、算出したアンモニア供給量に応じて前記還元剤添加装置を制御する制御装置と、
    を含んで構成され、
    前記第２の触媒反応モデルは、前記酸化触媒におけるＮＯ ₂ 、ＮＯ及びＯ ₂ の気相及び触媒層夫々での質量バランスを表す第１の数式と、前記気相及び触媒層夫々のエネルギーバランスを表す第２の数式と、を含んで構成され、
    前記第１の数式は、前記酸化触媒内部の流れを軸方向の一次元流れで近似し且つ反応頻度因子Ａ、活性化エネルギーＥ _a 、ガス定数Ｒ及び温度Ｔに対して係数ｋ _i を式（１３）によって定義して、前記気相での質量バランスを表す式（１１）、及び前記触媒層での質量バランスを表す式（１２）を含んで構成され、
    前記第２の数式は、前記気相のエネルギーバランスを表す式（１４）、及び前記触媒層のエネルギーバランスを表す式（１５）を含んで構成される、エンジンの排気浄化装置。