JP6344259B2 - 尿素添加制御装置、学習装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から排出されるＮＯｘを還元浄化するための尿素の添加を制御する尿素添加制御装置、及び、尿素から生成されたアンモニアに基づきＮＯｘの還元浄化を行う触媒に吸着可能な最大アンモニア吸着量を学習する学習装置に関する。

内燃機関の排気浄化システムの一つに尿素ＳＣＲシステムが知られている。その尿素ＳＣＲシステムでは排気通路に排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元浄化するためのＮＯｘ選択還元触媒が設けられる。そのＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ触媒）の上流には、排気通路内に還元剤としての尿素を添加する尿素添加弁が設けられる。そして、ＮＯｘ選択還元触媒において、尿素から生成されたアンモニアでＮＯｘを窒素と水とに分解する還元反応が行われる。

また、尿素ＳＣＲシステムに関連して、従来、ＳＣＲ触媒コンバータと微粒子フィルター（ＰＦ）を含む後処理システムにおいて、エンジンから排出される煤（Ｓｏｏｔ）の量に応じてＳＣＲ触媒コンバータに注入する尿素の注入量を増減する技術が開示されている（特許文献１参照）。

米国特許出願公開第２０１１／０１６７８０５号明細書

ところで、排気ガス中のＳｏｏｔ（ＰＭ）を捕集するフィルタ（ＤＰＦ）に、ＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ触媒）を担持させたＳＣＲＦ（Selective Catalytic Reduction Filter）がある。このＳＣＲＦにおいては、ＮＯｘ選択還元触媒の表面にＳｏｏｔやアッシュが堆積する。その堆積は、ＳＣＲＦにおけるアンモニアの吸着を阻害し、結果、最大アンモニア吸着量が減少する。なお、アッシュは、内燃機関の潤滑油等に含まれるカルシウム等の金属元素、燃料に含まれる硫黄等に由来し、硝酸カルシウムや硫酸マグネシウム等の金属塩を主たる成分としたものである。このアッシュは、内燃機関における燃焼によって発生して、排気ガス中に含まれる。

ＳＣＲＦに堆積したＳｏｏｔについては、ＤＰＦの再生処理により燃焼除去が可能であるが、アッシュはＤＰＦの再生処理では除去できない。また、ＳＣＲＦにおけるＮＯｘ浄化率を高くしたり、ＳＣＲＦからアンモニアが放出されるアンモニアスリップを抑制したりするためには、尿素添加弁から適切な量の尿素添加を行う必要がある。しかし、従来では、ＳＣＲＦに堆積したアッシュを考慮しないで尿素添加を行っているので、尿素添加量の最適化という点では不十分であった。

また、ＳＣＲＦに堆積したアッシュ量に応じて変化する最大アンモニア吸着量を学習することは、最大アンモニア吸着量に応じて効率的な尿素添加を行う場合に有益である。一方で、最大アンモニア吸着量は、ＳＣＲＦに堆積したＳｏｏｔの影響によっても変化するので、アッシュの堆積の影響による最大アンモニア吸着量を学習する場合には、Ｓｏｏｔの影響をできるだけ排除する必要がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ＳＣＲＦに堆積したアッシュを考慮することで効率的な尿素添加を行うことができる尿素添加制御装置、及びＳＣＲＦに堆積したアッシュ量に応じて変化する最大アンモニア吸着量をＳｏｏｔの影響を抑制した形で学習することができる学習装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の尿素添加制御装置は、内燃機関の排気通路に尿素を添加する尿素添加弁と、
前記尿素添加弁の下流の前記排気通路に配置されて、前記尿素添加弁が添加した尿素から生成されたアンモニアを吸着して、そのアンモニアに基づき排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する触媒を含むとともに、排気ガス中のＳｏｏｔを捕集する排気浄化部とを備えたシステムに適用され、
前記排気浄化部に堆積するアッシュ量を推定するアッシュ量推定手段と、
前記アッシュ量に基づき前記排気浄化部に吸着可能な最大のアンモニア量である最大アンモニア吸着量を推定する吸着量推定手段と、
前記最大アンモニア吸着量に基づき前記尿素添加弁による尿素の添加を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、排気浄化部に堆積するアッシュ量に応じて変化する最大アンモニア吸着量に基づいて尿素添加を制御するので、堆積したアッシュを考慮した効率的な尿素添加が可能となる。

本発明の学習装置は、内燃機関の排気通路に尿素を添加する尿素添加弁と、
前記尿素添加弁の下流の前記排気通路に配置されて、前記尿素添加弁が添加した尿素から生成されたアンモニアを吸着して、そのアンモニアに基づき排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する触媒を含むとともに、排気ガス中のＳｏｏｔを捕集する排気浄化部とを備えたシステムに適用され、
前記排気浄化部に堆積したＳｏｏｔを燃焼除去する再生処理が完了したことを条件に、前記排気浄化部からアンモニアが放出されるアンモニアスリップが発生するよう前記尿素添加弁に尿素を添加させる添加制御手段と、
前記再生処理が完了したことを条件に前記アンモニアスリップを検知する検知手段と、
前記添加制御手段による尿素添加の開始から、前記検知手段が前記アンモニアスリップを検知するまでに前記尿素添加弁から添加された尿素の総量を算出する総量算出手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、排気浄化部の再生処理が完了したことを条件に尿素添加及びアンモニアスリップの検知を開始し、尿素添加の開始からアンモニアスリップが検知されるまでに尿素添加弁から添加された尿素の総量を算出するので、排気浄化部に堆積したＳｏｏｔの影響を抑制した形で、実際の最大アンモニア吸着量を反映した値（尿素の総量）を得ることができる。つまり、排気浄化部に堆積したアッシュ量に応じて変化する最大アンモニア吸着量を学習（取得）することができる。

排気浄化システムの構成図である。 ＥＣＵが実行する尿素添加処理のフローチャートである。 時間経過に対するアンモニア吸着量の変化を上段に、ＤＰＦ再生処理の実行期間を下段に示した図である。 ＥＣＵが実行する学習処理のフローチャートである。 図４のＳ１２のアンモニアスリップ検知処理の詳細なフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は、車両に搭載された排気浄化システム１００の構成図である。排気浄化システム１００は、内燃機関としてのディーゼルエンジン５０（以下、単にエンジンという）から排出される排気ガス中のＮＯｘ、Ｓｏｏｔ等の有害成分を浄化するシステムである。排気浄化システム１００では、エンジン５０に排気通路１２が接続されており、エンジン５０からの排気ガスはその排気通路１２を通って車両外に排出されるようになっている。

排気通路１２には、排気ガス中の有害成分の一つであるＨＣやＣＯを酸化浄化する酸化触媒３（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）が配置されている。酸化触媒３は、例えば、フロースルータイプのセラミック製ハニカムや金属製のメッシュなどに、ＨＣ、ＣＯの酸化反応を促進させる触媒成分（例えば、Ｐｔ（白金）やＰｄ（パラジウム）など）を担持した構造となっている。

酸化触媒３の活性は温度による依存性が高く、低温ではほとんど酸化作用はない。そのため、エンジン５０の始動後に早めに酸化触媒３を暖めてＨＣやＣＯの酸化浄化を促進するために、酸化触媒３は後述するＳＣＲＦ１よりも上流（エンジン５０に近い側）に配置されている。また、酸化触媒３は、酸化反応により排気ガスを昇温して、昇温した排気ガスによりＳＣＲＦ１に堆積したＳｏｏｔ（ＰＭ、粒子状物質）を燃焼除去する役割も担っている。酸化触媒３による排気ガスの昇温は、例えば、エンジン５０において動力を得るための主噴射の後に実施されるポスト噴射により酸化触媒３に供給される未燃燃料（ＨＣ）、又は酸化触媒３の前段（上流）の排気通路１２に設置される排気燃料インジェクタ（図示外）から酸化触媒３に供給される燃料（ＨＣ）が、酸化触媒３で燃焼することにより実施される。

酸化触媒３の下流の排気通路１２には、排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元浄化する本発明の排気浄化部としてのＳＣＲＦ（Selective Catalytic Reduction Filter）１が配置されている。ＳＣＲＦ１は、ＮＯｘの選択触媒還元を促進するＳＣＲ触媒を含有するとともに、排気ガス中のＳｏｏｔを捕集する機能（ＤＰＦ機能）も有している。ＳＣＲＦ１は、例えば、ウォールスルータイプのセラミック製ハニカムにＳＣＲ触媒を担持した構造となっている。排気ガスは、ＳＣＲＦ１の多孔性の隔壁を通過しながら下流に流れ、その間に排気ガス中のＳｏｏｔがＳＣＲＦ１に捕集される。

ＳＣＲＦ１に含有されているＳＣＲ触媒は、尿素から生成されたアンモニア（ＮＨ３）が吸着して、そのアンモニアとＮＯｘとの還元反応として例えば下記式１、式２、式３の還元反応を促進させるものであり、例えばバナジウム、モリブデン、タングステン等の卑金属酸化物である。このように、排気ガスがＳＣＲＦ１を通過する間に、ＮＯｘは例えば下記式１、式２、式３により水や窒素に分解（浄化）する。
４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ ・・・（式１）
６ＮＯ２＋８ＮＨ３→７Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ ・・・（式２）
ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ ・・・（式３）

なお、ＳＣＲＦ１は無尽蔵にアンモニアを吸着できるわけではなく、ＳＣＲＦ１に吸着可能な最大アンモニア吸着量が存在する。その最大アンモニア吸着量はＳＣＲＦ１の温度（触媒温度）によって変化する。詳しくは、触媒温度がある温度以上の領域では、触媒温度が高くなるほど最大アンモニア吸着量が減少していく。例えば、ＳＣＲＦ１に堆積したＳｏｏｔを燃焼除去する再生処理の実施時におけるＳＣＲＦ１の温度（例えば６００℃以上）では、最大アンモニア吸着量はほぼゼロとなり、ＳＣＲＦ１に吸着していたアンモニアのほぼ全てがＳＣＲＦ１から離脱する。

さらに、ＳＣＲ触媒の表面にＳｏｏｔ、ＨＣ、アッシュ等の成分が堆積すると、これら成分によってアンモニアのＳＣＲ触媒への吸着が阻害されるので、この場合にも最大アンモニア吸着量は減少する。この場合、Ｓｏｏｔ、ＨＣ、アッシュ等の堆積量が多くなるほど、最大アンモニア吸着量は少なくなる。

ＳＣＲＦ１に供給されたアンモニア供給量が最大アンモニア吸着量を超えた場合には、その超えた分のアンモニアがＳＣＲＦ１から放出されるアンモニアスリップという現象が発生する。そのため、排気通路１２のＳＣＲＦ１より下流には、アンモニアスリップによってＳＣＲＦ１から放出されたアンモニアを浄化するための酸化触媒が設けられることがある。その酸化触媒は、酸化機能を有し、アンモニアを水や窒素に分解する。

排気浄化システム１００には、ＳＣＲＦ１に尿素水を供給するために、排気通路１２のＳＣＲＦ１より上流に尿素水を供給する尿素供給系が設けられている。詳しくは、排気通路１２のＳＣＲＦ１より上流には尿素水を排気通路１２に添加（供給）する尿素添加弁２が設けられている。その尿素添加弁２は、エンジン５０の筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と同様の構造を有している。具体的には、尿素添加弁２は、電磁ソレノイド等からなる駆動部と、尿素水を流通させる尿素水通路や先端噴出口を開閉するためのニードル（摺動部）を有する弁本部とを備えた電磁式開閉弁として構成されており、ＥＣＵ１１からの駆動信号に基づき開弁又は閉弁する。すなわち、駆動信号に基づき電磁ソレノイドが通電されると、その通電に伴いニードルが開弁方向に移動し、そのニードルの移動に伴い先端噴出口から尿素水が添加（噴射）される。

尿素添加弁２に対しては、尿素水タンク８から尿素水が逐次供給される。その尿素水タンク８は、給液キャップ付きの密閉容器にて構成されており、その内部に所定の規定濃度の尿素水が貯蔵されている。尿素水タンク８と尿素添加弁２とは配管１３により接続されており、配管１３内に尿素水通路が形成されている。配管１３のうち尿素水タンク８側の先端部には、尿素水を吸い込むための吸込口が形成されており、その吸込口が尿素水タンク８内に尿素水が貯留された状態において尿素水に浸漬した状態になっている。

配管１３の途中には、ポンプ７が設けられている。ポンプ７は、ＥＣＵ１１からの駆動信号により回転駆動されるインライン式の電動ポンプ（例えば３相式交流モータ）であり、正逆いずれの方向にも回転が可能となっている。ポンプ７が正回転方向に回転駆動されることにより、尿素水タンク８から尿素水か汲み上げられ配管１３を通じて尿素添加弁２側に吐出される。反対に、ポンプ７が逆回転方向に回転駆動されることにより、尿素添加弁２や配管１３に充填された尿素水を尿素水タンク８に吸い戻すこと（回収）ができるようになっている。なお、図１では、ポンプ７は尿素水タンク８内の尿素水に浸漬した状態で設けられているが、尿素水タンク８外に設けられたとしても良い。

配管１３の途中には、尿素水を濾過する多孔質状の尿素水フィルタ４が設けられている。この尿素水フィルタ４によって尿素水内の異物が除去され、尿素添加弁２や尿素水タンク８内に異物が入り込むのが抑制される。

また、ポンプ７よりも下流側（尿素添加弁２側）には、尿素水添加圧が所定の圧力となるように調整する尿素水圧レギュレータ６が設けられている。尿素水圧レギュレータ６にて圧力調整の結果、余剰となった尿素水は尿素水タンク８に戻される。また、配管１３の途中には、配管１３内の尿素水の圧力を検出する尿素水圧センサ５が設けられている。尿素水添加圧を尿素水圧レギュレータ６で機械的に制御する方法に代えて、尿素水圧センサ５の検出値に基づきＥＣＵ１１がポンプ７の駆動を制御することで、尿素水添加圧を調整する方法を採用しても良い。

排気通路１２のＳＣＲＦ１の上流（図１では、酸化触媒３と尿素添加弁２の間の位置）には、ＳＣＲＦ１に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ９が設けられる。また、ＳＣＲＦ１の下流の排気通路１２には、ＳＣＲＦ１から流出した排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１０が設けられる。

これらＮＯｘセンサ９、１０は、ＮＯｘ濃度及びアンモニア濃度に比例した大きさの出力信号を発する。すなわち、ＮＯｘセンサ９、１０は、排気ガス中のＮＯｘだけでなく、排気ガス中のアンモニア（ＮＨ３）をも検出可能なものであり、所謂限界電流式ＮＯｘセンサである。ＮＯｘセンサ９、１０は、その内部で排気ガス中のＮＯｘ（特にＮＯ）をＮ２とＯ２に分解し、そのＯ２に基づく酸素イオンの電極間移動により酸素イオン量に比例した電流出力を発生する。その一方で、ＮＯｘセンサ９、１０は、その内部で排気ガス中のＮＨ３をＮＯとＨ２Ｏに分解し、さらにそのＮＯをＮ２とＯ２に分解し、あとはＮＯｘの場合と同様の原理で電流出力を発生する。ＮＯｘセンサ９、１０は、ＮＯｘ濃度とアンモニア濃度の合計濃度に比例した出力を発するものであり、ＮＯｘ濃度とアンモニア濃度とを区別して出力を発することができない。

また、排気浄化システム１００には、ＮＯｘセンサ９、１０の他にも各種センサが設けられている。具体的には例えば、エンジン５０の回転数を検知する回転数センサ、車両の運転者の要求トルクを車両側に知らせるためのアクセルペダルの操作量（踏み込み量）を検知するアクセルペダルセンサ、吸気の状態（吸気量、吸気温等）を検知する吸気センサ（エアフロメータ、吸気温センサ等）、エンジン５０を冷却するための冷却水の温度を検知する水温センサ、ＳＣＲＦ１の前後差圧を検知する差圧センサなどが設けられている。

排気浄化システム１００はＥＣＵ１１を備えている。そのＥＣＵ１１は、周知のマイクロコンピュータを備え、エンジン５０が作動（オン）している間、各種センサの検出値に基づいて尿素添加弁２による排気通路１２内への尿素水添加（尿素水の添加時期、添加量）を制御する。

また、ＥＣＵ１１は、ＥＣＵ１１が実行する処理のプログラムや、その処理に必要な各種情報を記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリ１１１を備えている。そのメモリ１１１には、尿素添加制御のための、ＳＣＲＦ１に堆積するアッシュ量（堆積したアッシュの積算量）を推定する推定モデル１４（以下、アッシュ量推定モデルという）及び最大アンモニア吸着量の推定モデル１５（以下、吸着量推定モデルという）が記憶されている。

アッシュ量推定モデル１４は、エンジン５０から排出される単位時間当たりのアッシュ量を推定するとともに、推定した単位時間当たりのアッシュ量の積算値を、ＳＣＲＦ１に堆積したアッシュ量として推定するモデルである。アッシュは、エンジンの燃焼によって発生し、その燃焼状態に応じて発生量が変わってくる。例えば、燃焼温度が高いと、潤滑油（エンジンオイル）が蒸発しやすくなることで、アッシュが排気に混ざりやすくなる。また、エンジン５０の燃焼状態は、エンジン５０の運転状態、すなわち例えばエンジン５０の回転数、エンジン５０の負荷（燃料噴射量）、エンジン５０を冷却するための冷却水の温度、エンジン５０の筒内に吸入する空気の状態（吸気温、吸気圧、吸気量）によって変わってくる。よって、アッシュ量推定モデル１４は、エンジン５０の運転状態（エンジン回転数、負荷、冷却水温、吸入空気の状態等）と、ＳＣＲＦ１に堆積するアッシュ量との関係を示したモデルである。

なお、ＳＣＲＦ１に堆積するアッシュ量は、車両の総走行時間や総走行距離が長くなるほど多くなる。よって、アッシュ量推定モデル１４は、エンジン５０の運転状態に加えて、又はエンジン５０の運転状態に代えて、車両の総走行時間や総走行距離との関係を示したモデルとして構成されたとしても良い。

吸着量推定モデル１５は、最大アンモニア吸着量に影響を及ぼす変数（例えばＳＣＲＦ１に堆積したＳｏｏｔ量、ＳＣＲＦ１に堆積したアッシュ量、ＳＣＲＦ１の温度など）と、最大アンモニア吸着量との関係を示したモデルである。吸着量推定モデル１５は、ＳＣＲＦ１に堆積したアッシュ量が多いほど、最大アンモニア吸着量が少なくなるモデルとされる。

次に、ＥＣＵ１１が実行する処理を説明する。ＥＣＵ１１が実行する処理の一つとして、ＥＣＵ１１は、定期的に、ＳＣＲＦ１に堆積したＳｏｏｔを燃焼除去する再生処理を実行する。詳しくは、ＥＣＵ１１は、例えばＳＣＲＦ１の前後差圧に基づいてＳＣＲＦ１に堆積したＳｏｏｔ量を推定する。このとき、ＳＣＲＦ１の前後差圧が大きいほど多いＳｏｏｔ量を推定する。なお、ＥＣＵ１１は、エンジン５０の運転状態（エンジン回転数、エンジン負荷など）に基づいて単位時間当たりにエンジン５０から排出されるＳｏｏｔ量を推定し、そのＳｏｏｔ量の積算値を、ＳＣＲＦ１に堆積したＳｏｏｔ量として推定しても良い。

ＥＣＵ１１は、例えば、推定したＳｏｏｔ量が所定の閾値を超えた場合に再生処理を実行する。この再生処理は、上述したように、例えばポスト噴射により排気温度を上昇させることにより行われる。また、ＥＣＵ１１は、ＳＣＲＦ１に堆積したＳｏｏｔ量がゼロとなるように、Ｓｏｏｔ量が多いほど長い再生処理の時間を設定する。または、その時間を予め設定せずに、再生処理中にＳＣＲＦ１の前後差圧をモニターし続け、その前後差圧が所定値未満になるまで再生処理を継続しても良い。なお、ＥＣＵ１１は、再生処理中は尿素添加弁２による尿素添加を停止させる。

また、ＥＣＵ１１は、尿素添加弁２に尿素を添加させる尿素添加処理を実行する。ここで、図２は、ＥＣＵ１１が実行する尿素添加処理のフローチャートである。図２の処理は、例えばエンジン５０の始動と同時に開始し、以降所定周期で繰り返し実行される。

図２の処理を開始すると、ＥＣＵ１１は、メモリ１１１に記憶されたアッシュ量推定モデル１４に基づいて、ＳＣＲＦ１に堆積したアッシュ量（アッシュの積算量）を推定する（Ｓ１）。すなわち、各種センサから、アッシュ量に影響を及ぼす変数（エンジン回転数、負荷、冷却水温、吸入空気の状態、総走行時間、総走行距離など）を取得し、取得した変数に対応するアッシュ量を、アッシュ量推定モデル１４に基づいて演算する。なお、Ｓ１の処理を実行するＥＣＵ１１が本発明のアッシュ量推定手段に相当する。

次に、Ｓ１で推定したアッシュ量及びメモリ１１１に記憶された吸着量推定モデル１５に基づいて、ＳＣＲＦ１の最大アンモニア吸着量を推定する（Ｓ２）。なお、ＳＣＲＦ１に堆積したＳｏｏｔ量や、ＳＣＲＦ１の温度も考慮して最大アンモニア吸着量を推定する場合には、Ｓ２では、Ｓｏｏｔ量やＳＣＲＦ１の温度を推定して、それらＳｏｏｔ量、温度に対応する最大アンモニア吸着量を、吸着量推定モデル１５に基づいて演算する。Ｓｏｏｔ量は、ＳＣＲＦ１の前後差圧又はエンジン５０の運転状態に基づいて推定することができる。また、ＳＣＲＦ１の温度は、例えば排気通路１２に排気温センサを設けて、その排気温センサの検出値（排気温度）に基づいて推定することができる。以下、吸着量推定モデル１５に基づいて推定した値を最大アンモニア吸着量のモデル値という場合もある。なお、Ｓ２の処理を実行するＥＣＵ１１が本発明の吸着量推定手段に相当する。

次に、Ｓ２で推定した最大アンモニア吸着量のモデル値に基づいて、尿素水の添加量を決定し、決定した添加量の尿素水を添加するように尿素添加弁２を駆動する（Ｓ３）。詳しくは、上流側のＮＯｘセンサ９の検出値に基づいて、ＳＣＲＦ１においてＮＯｘの還元反応で消費されるアンモニアの消費量を推定する。その消費量を補うように、かつ、最大アンモニア吸着量のモデル値を超えないように、尿素水の添加量を決定する。なお、ＮＯｘセンサ９を省いて、エンジン５０の運転状態（エンジン回転数、エンジン負荷）に基づいてエンジン５０から排出されるＮＯｘ量を推定し、そのＮＯｘ量に基づいてアンモニアの消費量を推定しても良い。なお、Ｓ３の処理を実行するＥＣＵ１１が本発明の制御手段に相当する。

ここで、図３は、時間経過に対するＳＣＲＦ１に吸着されたアンモニア吸着量の変化を上段に示し、時間経過に対するＳＣＲＦ１の再生処理（ＤＰＦ再生処理）の実行期間を下段に示している。図３の上段において、点線のライン２０１は、実際の最大アンモニア吸着量（以下、最大アンモニア吸着量の実値という場合もある）の変化を示している。細い実線のライン２０２は、最大アンモニア吸着量のモデル値の変化を示している。太い実線のライン２０３は、ＳＣＲＦ１でのアンモニア吸着量の変化を示している。図３の横軸の時間＝０は、ＳＣＲＦ１に堆積したアッシュ量＝ゼロ、つまりＳＣＲＦ１にはアッシュが堆積していないことを示している。

ライン２０２で示されるように、Ｓ２で推定するモデル値は、アッシュ量がゼロの時が最大値となり、時間経過に伴い、つまり堆積したアッシュ量の増加に伴い次第に減少していく。ライン２０３で示されるように、アンモニア吸着量は、再生処理が行われていない期間においては、モデル値を超えない範囲でモデル値に近い値となるように推移する。すなわち、ＥＣＵ１１は、尿素添加弁２から添加した尿素の添加量及びＳＣＲＦ１でのアンモニア消費量に基づいてＳＣＲＦ１でのアンモニア吸着量を演算し、そのアンモニア吸着量がモデル値（ライン２０２）付近となるように、尿素添加を行う（Ｓ３）。これによって、ＳＣＲＦ１でのＮＯｘ浄化率を高くすることができる。また、モデル値を超えないように尿素添加を行うことで、アンモニアスリップを抑制できる。

一方で、図３に示すように、最大アンモニア吸着量のモデル値２０２と実値２０１の間には、少なからず誤差が生じる。この誤差の原因はいくつか考えられるが、例えば同じ量のアッシュ量であっても、ＳＣＲＦ１の表面（触媒表面）の広い範囲でアッシュが堆積しているのか、狭い範囲にしかアッシュが堆積していないのかによって、最大アンモニア吸着量は変わってくる。広い範囲でアッシュが堆積した場合のほうが、狭い範囲にしかアッシュが堆積していない場合に比べて、最大アンモニア吸着量は少なくなる。よって、例えば、吸着量推定モデル１５は、ＳＣＲＦ１の表面の広い範囲にアッシュが堆積することを想定して構成された場合に、実際はＳＣＲＦ１の表面の狭い範囲にしかアッシュが堆積していないときには、モデル値と実値との間で誤差が生じる。また、Ｓ２で推定するアッシュ量に誤差がある場合にも、モデル値と実値との間で誤差が生じる。

さらに、この誤差は時間経過（アッシュ量の増加）にしたがって次第に大きくなっていく。誤差が大きいと、最大アンモニア吸収量の実値２０１に対して過剰のアンモニアが供給されることでアンモニアスリップが発生したり、反対に過少のアンモニアしか供給されないことでＮＯｘ浄化率が低下したりするおそれがある。一方で、ＳＣＲＦ１にＳｏｏｔが堆積することによっても最大アンモニア吸着量が減少するが、ＳｏｏｔについてはＳＣＲＦ１の再生処理によって除去できるので、Ｓｏｏｔの堆積に基づく最大アンモニア吸着量のモデル値と実値との誤差は、アッシュによる誤差ほど問題にならない。

そこで、ＥＣＵ１１は、モデル値２０２（吸着量推定モデル１５）に、最大アンモニア吸着量の実値２０１を学習させる学習処理を実行する。図４はこの学習処理のフローチャートを示している。図４の処理は、図２の処理と並列的に実行され、例えば、エンジン５０の始動と同時に開始し、以降所定周期で繰り返し実行される。

図４の処理を開始すると、ＥＣＵ１１は、ＳＣＲＦ１の再生処理（ＤＰＦ再生処理）が完了し、且つ、図４の学習処理が未だ完了していないか否かを判断する（Ｓ１１）。ＤＰＦ再生処理が未だ完了していない場合（再生処理の実行前又は実行中の場合）には（Ｓ１１：Ｎｏ）、ＳＣＲＦ１にＳｏｏｔが堆積しており、その堆積による影響で学習の精度が低下するとして、図４の処理を終了する。また、ＤＰＦ再生処理が完了している場合であっても、既に学習処理を完了している場合にも（Ｓ１１：Ｎｏ）、図４の処理を終了する。

一方、ＤＰＦ再生処理が完了し、且つ、学習処理が未完了の場合には（Ｓ１１：Ｙｅｓ）、次に、アンモニアスリップを意図的に発生させるとともに、そのアンモニアスリップを検知する処理を行う（Ｓ１２）。詳しくは、図５のフローチャートの処理にしたがって、アンモニアスリップ検知処理を行う。なお、図３に示すように、ＤＰＦ再生処理の期間では、アンモニア吸着量２０３は急激に減少している。これは、再生処理ではＳＣＲＦ１は６００℃程度の高温となり、この高温によってアンモニアがＳＣＲＦ１から離脱（アンモニアスリップ）するためである。再生処理により、アンモニア吸着量及びＳｏｏｔ、ＨＣ等の成分はほぼ空の状態となる。Ｓ１２以降の処理は、図３の時間ｔ１で開始する。

図５の処理に移行すると、尿素添加弁２に尿素添加を行わせる（Ｓ２１）。このときの尿素添加量は適宜に設定すれば良い。次に、Ｓ２１の尿素添加を開始してから現時点までの尿素添加総量を計算する（Ｓ２２）。次に、下流側のＮＯｘセンサ１０の出力値を取得して、そのセンサ出力値が予め定められた閾値を超えたか否かを判断する（Ｓ２３）。この閾値は、ＮＯｘセンサ１０がＮＯｘ又はアンモニアを検知していないか、検知したかの境界の値に設定される。センサ出力が閾値以下の場合には（Ｓ２３：Ｎｏ）、ＮＯｘセンサ１０はＮＯｘ又はアンモニアを検知していないとして、図５の処理を終了する。

センサ出力が閾値を超えた場合には（Ｓ２３：Ｙｅｓ）、ＮＯｘセンサ１０がＮＯｘ又はアンモニアを検知したとして、Ｓ２４に進む。そして、検知点（センサ出力値が閾値を超えた時点）でのＮＯｘセンサ１０の出力値と、その検知点での尿素添加総量とをメモリ１１１に記憶する（Ｓ２４）。

次に、尿素添加弁２に、ＮＯｘセンサ１０がＮＯｘを検知したのかアンモニアを検知したのかを判定するための尿素（判定用尿素）を添加させる（Ｓ２５）。この判定用尿素の添加量は、ＮＯｘセンサ１０がＮＯｘ又はアンモニアを検知するまでの尿素添加量、つまりＳ２１での尿素添加量より多くする。このとき、ＳＣＲＦ１からＮＯｘが放出された場合（ＮＯｘセンサ１０がＮＯｘを検知した場合）には、判定用尿素から生成されたアンモニアはＳＣＲＦ１に吸着し、そのアンモニアによってＳＣＲＦ１からのＮＯｘの放出が抑えられるので、ＮＯｘセンサ１０の出力値は、検知点での出力値から下がる。これに対し、ＳＣＲＦ１へのアンモニア供給量が最大アンモニア吸着量を超えたことにより、ＳＣＲＦ１からアンモニアが放出された場合（ＮＯｘセンサ１０がアンモニアを検知した場合）には、判定用尿素の添加によってＳＣＲＦ１からさらにアンモニアが放出されるので、ＮＯｘセンサ１０の出力値は、検知点での出力値から増加する。

そこで、判定用尿素を添加したことにより得られるＮＯｘセンサ１０の出力値（今回のセンサ出力値）が、Ｓ２４で記憶した検知点でのセンサ出力値より大きいか否かを判断する（Ｓ２６）。大きい場合には（Ｓ２６：Ｙｅｓ）、ＮＯｘセンサ１０はアンモニア（アンモニアスリップ）を検知したと判定する（Ｓ２７）。その後、図５の処理を終了して、図４の処理に戻る。

一方、今回のセンサ出力値が検知点でのセンサ出力値以下の場合には（Ｓ２６：Ｎｏ）、ＮＯｘセンサ１０はＮＯｘを検知したとして、メモリ１１１に記憶された尿素添加総量に、Ｓ２５で添加した判定用尿素の添加量を加算する（Ｓ２８）。その後、図５の処理を終了して、図４の処理に戻る。

なお、Ｓ２１の処理を実行するＥＣＵ１１が本発明の添加制御手段に相当する。また、Ｓ２３〜Ｓ２７の処理を実行するＥＣＵ１１及びＮＯｘセンサ１０が本発明の検知手段に相当する。また、Ｓ２２及びＳ２８の処理を実行するＥＣＵ１１が本発明の総量算出手段に相当する。また、Ｓ２３〜Ｓ２７の処理を実行するＥＣＵ１１が本発明の判定手段に相当する。

図４の処理に戻り、次に、Ｓ１２の処理によりアンモニアスリップを検知できたか否かを判断する（Ｓ１３）。なお、Ｓ１２及びＳ１３の処理を実行するＥＣＵ１１が本発明の取得手段に相当する。アンモニアスリップを未だ検知できない場合には（Ｓ１３：Ｎｏ）、再度Ｓ１２の処理を実行する。つまり、アンモニアスリップを検知するまでは、Ｓ１２の処理を繰り返し実行する。Ｓ１２の処理が繰り返されることで、Ｓ２１の尿素添加によりＳＣＲＦ１のアンモニア吸着量が次第に増加していき、またＳ２２で計算される尿素添加総量は次第に増加していく。

アンモニアスリップを検知できた場合、つまり、図５のＳ２７でＮＯｘセンサ１０がアンモニアを検知したと判定した場合には（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、Ｓ１４に進む。ここで、図５のＳ２４でメモリ１１１に記憶した尿素添加総量は、ＤＰＦ再生処理の完了後に尿素添加を開始してからアンモニアスリップを検知するまでに尿素添加弁２から添加された尿素の総量である。図３の例では、時間ｔ２でアンモニアスリップが検知されたとしており、尿素添加総量は時間ｔ１から時間ｔ２までに添加された尿素の総量を意味する。また、ＤＰＦ再生処理の完了時点ではＳＣＲＦ１のアンモニア吸着量はほぼゼロとなっているので、メモリ１１１に記憶された尿素添加総量は、時間ｔ２での最大アンモニア吸着量の実値２０４（図３参照）に略一致する。ＤＰＦ再生処理の完了時点で仮にＳＣＲＦ１内にアンモニアが多少残っていたとしても、メモリ１１１に記憶された尿素添加総量は実値２０４を反映した値となり、具体的には尿素添加総量が多いほど実値２０４は大きくなる。

そこで、Ｓ１４では、図５のＳ２４でメモリ１１１に記憶された尿素添加総量に基づいて、吸着量推定モデル１５又はアッシュ量推定モデル１４の学習値（補正値）を演算する（Ｓ１４）。具体的には、例えば、尿素添加総量は実値２０４に略一致すると考えて、時間ｔ２において吸着量推定モデル１５から得られるモデル値２０５（図３参照）と、時間ｔ２での尿素添加総量（実値２０４）との誤差２０６（図３参照）を学習値として演算する。その誤差２０６として、例えば尿素添加総量（実値２０４）とモデル値２０５との差分を演算しても良いし、比を演算しても良い。

また、ＤＰＦ再生処理の完了時点でＳＣＲＦ１にいくらかアンモニアが残っている場合には、その残ったアンモニア量（アンモニア残量）を考慮して、学習値を演算しても良い。具体的には、図５のＳ２４でメモリ１１１に記憶された尿素添加総量にアンモニア残量を加算した値が、実値２０４に相当するので、例えば尿素添加総量とアンモニア残量との加算値（実値２０４）とモデル値２０５との誤差を学習値として演算する。このとき、アンモニア残量は予め定められた一定値としても良いし、ＤＰＦ再生処理の内容（ＳＣＲＦ１の温度、再生時間等）に基づいてアンモニア残量を推定しても良い。

また、時間ｔ１から時間ｔ２の間もエンジン５０からはＮＯｘが排出され、そのＮＯｘによりＳＣＲＦ１でアンモニアが消費される。よって、そのアンモニア消費量を考慮して学習値を演算しても良い。具体的には、メモリ１１１に記憶された尿素添加総量からアンモニア消費量を減算した値を実値２０４と考えて、この減算値とモデル値２０５との誤差を学習値として演算する。このとき、アンモニア消費量は予め定められた一定値としても良いし、ＮＯｘセンサ９の検出値やエンジン５０の運転状態に基づいて、時間ｔ１から時間ｔ２の間におけるＮＯｘの排出量を推定し、その排出量に基づいて時間ｔ１から時間ｔ２の間におけるアンモニア消費量を推定しても良い。

次に、Ｓ１４で演算した学習値（誤差２０６）を、誤差２０６が無くなるように、吸着量推定モデル１５又はアッシュ量推定モデル１４に反映（学習）させる（Ｓ１５）。つまり、学習値に基づいて、吸着量推定モデル１５又はアッシュ量推定モデル１４を補正する。例えば、図３の実値２０４（≒尿素添加総量）が１００、モデル値２０５が９０である場合に、Ｓ１４では、実値２０４とモデル値２０５との差分（１００−９０＝１０）を学習値として演算した場合には、Ｓ１５では、この差分（＝１０）を、吸着量推定モデル１５により得られるモデル値（図３のライン２０２）に加算する。これによって、時間ｔ２の時点において、吸着量推定モデル１５のモデル値を実値に一致させることができ、時間ｔ２以降のモデル値と実値との誤差を小さくすることができる。

また、例えば、図３の実値２０４（≒尿素添加総量）が１００、モデル値２０５が９０である場合に、Ｓ１４では、実値２０４とモデル値２０５との比（１００／９０≒１．１）を学習値として演算した場合には、Ｓ１５では、この比（≒１．１）を、吸着量推定モデル１５により得られるモデル値（図３のライン２０２）に乗算する。これによって、時間ｔ２の時点において、吸着量推定モデル１５のモデル値を実値に一致させることができ、さらに、吸着量推定モデル１５のライン２０２の傾きを、実際の最大アンモニア吸着量のライン２０１の傾きに近づけることができる。

また、最大アンモニア吸着量の実値とモデル値に誤差が生じているということは、アッシュ量推定モデル１４のモデル値に誤差が生じている可能性があるので、Ｓ１５では、アッシュ量推定モデル１４の補正を行っても良い。このとき、アッシュ量推定モデル１４のモデル値は、実値２０４とモデル値２０５との誤差（差分又は比）に応じた分だけ、実際のアッシュ量より多い又は少ないと考えることができる。よって、アッシュ量推定モデル１４のモデル値を、実値２０４とモデル値２０５との誤差、すなわちＳ１４で演算した学習値に応じた分だけ、増加側又は減少側に補正することで、アッシュ量推定モデル１４のモデル値を実際のアッシュ量に近づけることができる。その結果、最大アンモニア吸着量のモデル値を実値に近づけることができる。また、アッシュ量推定モデル１４の誤差が原因で、最大アンモニア吸着量のモデル値に誤差が生じている場合には、アッシュ量推定モデル１４を補正することで、吸着量推定モデル１５のライン２０２の傾きを、実際の最大アンモニア吸着量のライン２０１の傾きに近づけることができる。

このように、Ｓ１４、Ｓ１５では、尿素添加総量を、吸着量推定モデル１５又はアッシュ量推定モデル１４に反映させることで、吸着量推定モデル１５又はアッシュ量推定モデル１４に、実際の最大アンモニア吸着量を学習させる。なお、Ｓ１４、Ｓ１５では、吸着量推定モデル１５のライン２０２が、実際の最大アンモニア吸着量のライン２０１に近づくのであれば、尿素添加総量をどのように吸着量推定モデル１５又はアッシュ量推定モデル１４に反映させたとしても良い。Ｓ１５の後、図４の処理を終了する。Ｓ１４及びＳ１５の処理を実行するＥＣＵ１１が本発明の学習手段に相当する。なお、Ｓ１２〜Ｓ１５の処理（学習処理）は、ＤＰＦ再生処理が完了する度に実行される。つまり、最大アンモニア吸着量のモデル値は定期的に補正されることになるので、モデル値の誤差が大きくなるのを抑制できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ＳＣＲＦ１に堆積したアッシュ量を推定し、そのアッシュ量に基づいて最大アンモニア吸着量を推定し、その最大アンモニア吸着量に応じて尿素添加を制御するので、アッシュ量の堆積を考慮した効率的な尿素添加を行うことができる。また、ＤＰＦ再生処理の完了後に最大アンモニア吸着量の学習を行うので、その学習に、ＳＣＲＦ１に堆積したＳｏｏｔやＨＣの影響を排除することができる。これにより、最大アンモニア吸着量に及ぼすアッシュ量の影響を正確に学習することができる。そして、学習により吸着量推定モデル又はアッシュ量推定モデルを補正しているので、正確な最大アンモニア吸着量を推定でき、結果、ＮＯｘ浄化率を高くし、かつアンモニアスリップを抑制した効率的な尿素添加を行うことができる。

また、図５の処理において、ＮＯｘセンサ１０の出力が発生した場合に、その出力がアンモニアによるものなのか、ＮＯｘによるものなのかを判定しているので、アンモニアスリップの誤検知を抑制できる。その結果、Ｓ２１の尿素添加の開始からアンモニアスリップを検知するまでの尿素添加総量（実際の最大アンモニア吸着量を反映した値）を正確に求めることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載を逸脱しない限度で種々の変更が可能である。

１ ＳＣＲＦ（排気浄化部）
２ 尿素添加弁
１０ ＮＯｘセンサ
１１ ＥＣＵ
１２ 排気通路
５０ ディーゼルエンジン（内燃機関）
１００ 排気浄化システム

Claims (8)

1. 内燃機関（５０）の排気通路（１２）に尿素を添加する尿素添加弁（２）と、
   前記尿素添加弁の下流の前記排気通路に配置されて、前記尿素添加弁が添加した尿素から生成されたアンモニアを吸着して、そのアンモニアに基づき排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する触媒を含むとともに、排気ガス中のＳｏｏｔを捕集する排気浄化部（１）とを備えたシステム（１００）に適用され、
   前記排気浄化部に堆積するアッシュ量を推定するアッシュ量推定手段（１１、Ｓ１）と、
   前記アッシュ量に基づき前記排気浄化部に吸着可能な最大のアンモニア量である最大アンモニア吸着量を推定する吸着量推定手段（１１、Ｓ２）と、
   前記最大アンモニア吸着量に基づき前記尿素添加弁による尿素の添加を制御する制御手段（１１、Ｓ３）と、
   前記排気浄化部に堆積したＳｏｏｔを燃焼除去する再生処理が完了したことを条件に、前記排気浄化部からアンモニアが放出されるアンモニアスリップが発生するよう前記尿素添加弁に尿素を添加させる添加制御手段（１１、Ｓ２１）と、
   前記排気浄化部の下流に配置された、ＮＯｘに加えてアンモニアも検知するＮＯｘセンサ（１０）の出力値が閾値を超えた場合に、前記尿素添加弁に判定用尿素を添加させて、その判定用尿素の添加により前記ＮＯｘセンサの出力値が増加した場合に前記アンモニアスリップを検知したと判定する判定手段（１１、Ｓ２３〜Ｓ２７）と、
   前記添加制御手段による尿素添加の開始から、前記判定手段が前記アンモニアスリップを検知したと判定するまでに前記尿素添加弁から添加された尿素の総量を算出する総量算出手段（１１、Ｓ２２、Ｓ２８）と、
   前記総量算出手段が算出した前記総量を、前記吸着量推定手段による前記最大アンモニア吸着量の推定モデル（１５）又は前記アッシュ量推定手段による前記アッシュ量の推定モデル（１４）に反映させる学習手段（１１、Ｓ１４、Ｓ１５）と、
   を備えることを特徴とする尿素添加制御装置。
2. 内燃機関（５０）の排気通路（１２）に尿素を添加する尿素添加弁（２）と、
   前記尿素添加弁の下流の前記排気通路に配置されて、前記尿素添加弁が添加した尿素から生成されたアンモニアを吸着して、そのアンモニアに基づき排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する触媒を含むとともに、排気ガス中のＳｏｏｔを捕集する排気浄化部（１）とを備えたシステム（１００）に適用され、
   前記排気浄化部に堆積するアッシュ量を推定するアッシュ量推定手段（１１、Ｓ１）と、
   前記アッシュ量に基づき前記排気浄化部に吸着可能な最大のアンモニア量である最大アンモニア吸着量を推定する吸着量推定手段（１１、Ｓ２）と、
   前記最大アンモニア吸着量に基づき前記尿素添加弁による尿素の添加を制御する制御手段（１１、Ｓ３）と、
   実際の前記最大アンモニア吸着量を反映した値を取得する取得手段（１１、Ｓ１２、Ｓ１３）と、
   前記取得手段が取得した値を、前記アッシュ量推定手段による前記アッシュ量の推定モデル（１４）に反映させる学習手段（１１、Ｓ１４、Ｓ１５）と、
   を備えることを特徴とする尿素添加制御装置。
3. 前記取得手段は、前記排気浄化部に堆積したＳｏｏｔを燃焼除去する再生処理が完了したことを条件に前記値を取得することを特徴とする請求項２に記載の尿素添加制御装置。
4. 前記取得手段は、
   前記再生処理が完了したことを条件に、前記排気浄化部からアンモニアが放出されるアンモニアスリップが発生するよう前記尿素添加弁に尿素を添加させる添加制御手段（１１、Ｓ２１）と、
   前記再生処理が完了したことを条件に前記アンモニアスリップを検知する検知手段（１１、Ｓ２３〜Ｓ２７、１０）と、
   前記添加制御手段による尿素添加の開始から、前記検知手段が前記アンモニアスリップを検知するまでに前記尿素添加弁から添加された尿素の総量を前記値として算出する総量算出手段（１１、Ｓ２２、Ｓ２８）とを備えることを特徴とする請求項３に記載の尿素添加制御装置。
5. 前記検知手段は、
   前記排気浄化部の下流に配置されて、ＮＯｘに加えてアンモニアも検知するＮＯｘセンサ（１０）と、
   前記ＮＯｘセンサがアンモニアを検知したことを、ＮＯｘの検知と区別した形で判定する判定手段（１１、Ｓ２３〜Ｓ２７）とを備えることを特徴とする請求項４に記載の尿素添加制御装置。
6. 前記判定手段は、前記ＮＯｘセンサの出力値が閾値を超えた場合に、前記尿素添加弁に判定用尿素を添加させて、その判定用尿素の添加により前記ＮＯｘセンサの出力値が増加した場合にアンモニアを検知したと判定することを特徴とする請求項５に記載の尿素添加制御装置。
7. 内燃機関（５０）の排気通路（１２）に尿素を添加する尿素添加弁（２）と、
   前記尿素添加弁の下流の前記排気通路に配置されて、前記尿素添加弁が添加した尿素から生成されたアンモニアを吸着して、そのアンモニアに基づき排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する触媒を含むとともに、排気ガス中のＳｏｏｔを捕集する排気浄化部（１）とを備えたシステム（１００）に適用され、
   前記排気浄化部に堆積したＳｏｏｔを燃焼除去する再生処理が完了したことを条件に、前記排気浄化部からアンモニアが放出されるアンモニアスリップが発生するよう前記尿素添加弁に尿素を添加させる添加制御手段（１１、Ｓ２１）と、
   前記排気浄化部の下流に配置された、ＮＯｘに加えてアンモニアも検知するＮＯｘセンサ（１０）の出力値が閾値を超えた場合に、前記尿素添加弁に判定用尿素を添加させて、その判定用尿素の添加により前記ＮＯｘセンサの出力値が増加した場合に前記アンモニアスリップを検知したと判定する判定手段（１１、Ｓ２３〜Ｓ２７）と、
   前記添加制御手段による尿素添加の開始から、前記判定手段が前記アンモニアスリップを検知したと判定するまでに前記尿素添加弁から添加された尿素の総量を算出する総量算出手段（１１、Ｓ２２、Ｓ２８）と、
   を備えることを特徴とする学習装置。
8. 前記排気浄化部に吸着可能な最大のアンモニア量である最大アンモニア吸着量の推定モデル（１５）又は前記排気浄化部に堆積するアッシュ量の推定モデル（１４）に前記総量を反映させる学習手段（１１、Ｓ１４、Ｓ１５）とを備えることを特徴とする請求項７に記載の学習装置。
   

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