JP2006083776A

JP2006083776A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2006083776A
Application number: JP2004270064A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Maehara; 利之前原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】低燃費を実現しつつＮＯ_X触媒に吸蔵されたＮＯ_Xを簡易且つ確実に放出・還元させることができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】排気通路に、排気ガス中の成分の酸化を促進させる酸化触媒２６と、流入する排気ガス中にＮＯ_Xが存在するときには該ＮＯ_Xを吸蔵すると共に流入する排気ガス中に還元剤が存在するときには吸蔵されているＮＯ_Xを放出して還元させるＮＯ_X触媒２９とが順次設けられている内燃機関の制御装置において、ＮＯ_X触媒からＮＯ_Xを放出させるべきときには、内燃機関の運転を停止させて酸化触媒上流における排気通路内の排気ガスの温度を所定温度以下にまで低下させ、その後内燃機関を再始動させるようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

成層燃焼等を利用した多くの希薄燃焼式の内燃機関では、内燃機関の排気通路に三元触媒と、この三元触媒の下流に配置されると共に流入する排気ガス中にＮＯ_Xが存在するときには該ＮＯ_Xを吸蔵すると共に流入する排気ガス中に還元剤が存在するときには吸蔵されているＮＯ_Xを放出して還元させるＮＯ_X触媒が設けられる。このため、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等の成分は三元触媒によって酸化・浄化され、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_X）は、ＮＯ_X触媒によって吸蔵されると共にＨＣ、ＣＯ等の還元剤が存在する雰囲気中においてＮＯ_X触媒から放出されて還元・浄化される。これにより、低い排気エミッションが実現される。

ＮＯ_X触媒は、流入する排気ガス中のＮＯ_Xを常に吸蔵することができるわけではなく、ＮＯ_X触媒の構成に応じてＮＯ_X触媒が吸蔵可能なＮＯ_X量が決まっている。したがって、ＮＯ_X触媒によるＮＯ_X吸蔵量が一定量以上となったらＮＯ_X触媒に還元剤を供給して、強制的にＮＯ_Xを放出、還元する必要がある。特に、希薄燃焼を行いつつ高負荷高回転の運転状態が継続されているような場合には、内燃機関の出力が高くて燃焼ガスが高温になるため機関本体からのＮＯ_X排出量が多い。この場合、ＮＯ_X触媒に吸蔵されるＮＯ_Xの量は多く、よってＮＯ_Xを浄化するためにはＮＯ_X触媒への還元剤の供給を頻繁に行う必要がある。

ＮＯ_X触媒への還元剤の供給は、吸気通路、燃焼室、排気通路への燃料の供給量を増量して、ＮＯ_X触媒に流入する排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比またはリッチにすること（以下、「リッチスパイク」と称す）によっておこなわれることが多い。しかしながら、このリッチスパイクを行うにあたっては、排気ガスの空燃比をリッチ等にするために燃費が悪化するという問題、および機関運転状態が高負荷高回転にあるときには頻繁にリッチスパイクが行われてトルク変動等が発生し、かかる内燃機関を搭載した車両の運転性の悪化を招くという問題等がある。

そこで、特許文献１に記載の発明では、下流側に配置されたＮＯ_X触媒へのＮＯ_X吸蔵量が多くなったら、三元触媒の酸化能力を低下させ、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ等の還元剤が三元触媒で酸化されずに三元触媒を通過するようにさせる。これにより、機関本体から排出された排気ガスの空燃比がリーンであってもＮＯ_X触媒には還元剤を含んだ排気ガスが流入し、ＮＯ_X触媒に吸蔵されているＮＯ_Xを放出・還元させることができる。よって特許文献１に記載の発明によれば、ＮＯ_X触媒からＮＯ_Xを放出・還元させるにあたり、リッチスパイクを行う必要がなく、燃費の向上と運転性の確保が実現される。

特開２００２−７０５４２号公報特開平９−７２２２９号公報特開２００２−１９５０６４号公報特開２００３−３４３２５３号公報特開２００４−１１４３１号公報特開２００３−１７６７３７号公報

ところで、特許文献１に記載の発明では、点火時期、噴射タイミング等を制御して三元触媒の温度を低下させることで、三元触媒の酸化能力を低下させるようにしている。ところが、例えば機関運転状態が高負荷高回転にあるときには、機関本体から排出される排気ガスの温度は高い（例えば、７００℃）。したがって、このような場合に、酸化能力が低くなるまで三元触媒の温度を低下させる（例えば、４００℃以下）には、内燃機関の出力を大きく変化させなければならないと共に、三元触媒の温度を低下させるまでには時間がかかる。すなわち、比較的長期間に亘って機関運転状態を高負荷高回転にすることができなくなってしまう。

また、特許文献１に記載の発明のように、三元触媒の温度を低下させるのに点火時期、噴射タイミング等を制御する場合、三元触媒の温度は徐々に低下することとなり、これに伴って三元触媒の下流に配置されたＮＯ_X触媒の温度も徐々に低下することとなる。ＮＯ_X触媒も低温になるとＮＯ_Xを浄化することができなくなるため、結果として排気エミッションの低下を招いてしまう虞がある。

さらに、特許文献１に記載の発明では、三元触媒に冷却水を循環させるシステムや、冷却風をあてるシステムにより三元触媒の温度を低下させる例が記載されているが、このようなシステムを配置すると製造コストが高くなると共にこのようなシステムを搭載することにより他の構成要素に対する設計上の制限が生じる。

そこで、本発明の目的は、低燃費を実現しつつＮＯ_X触媒に吸蔵されたＮＯ_Xを簡易且つ確実に放出・還元させることができる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、排気通路に、排気ガス中の成分の酸化を促進させる酸化触媒と、流入する排気ガス中にＮＯ_Xが存在するときには該ＮＯ_Xを吸蔵すると共に流入する排気ガス中に還元剤が存在するときには吸蔵されているＮＯ_Xを放出して還元させるＮＯ_X触媒とが順次設けられている内燃機関の制御装置において、上記ＮＯ_X触媒からＮＯ_Xを放出させるべきときには、上記内燃機関の運転を停止させて上記酸化触媒上流における排気通路内の排気ガスの温度を所定温度以下にまで低下させ、その後内燃機関を再始動させるようにした。
第１の発明によれば、ＮＯ_X触媒からＮＯ_Xを放出・還元させるべきときには、酸化触媒上流における排気通路内の排気ガスの温度が所定温度以下になるまで内燃機関の運転が停止せしめられる。内燃機関の運転が停止せしめられると、上記排気通路内の排気ガスの温度は急速に上記所定温度以下にまで低下する。その後、内燃機関を再始動させると、上記排気通路内の低温の排気ガスが酸化触媒に流入し、その結果、酸化触媒の温度が低下せしめられる。このため、酸化触媒では排気ガス中のＨＣ、ＣＯ等の還元剤が酸化されずにＮＯ_X触媒にまで到達し、ＮＯ_X触媒に吸蔵されているＮＯ_Xが放出・還元せしめられるようになる。第１の発明では、急速に酸化触媒の温度が低下せしめられるため、長時間に渡って酸化触媒の温度を低下させるための処理をする必要がなく、またＮＯ_X触媒の温度が酸化触媒の温度と共に低くなってしまうことが抑制される。また、冷却水や空気を酸化触媒に供給するシステムは不要であるため、製造コストの上昇を抑制することができる。
なお、「ＮＯ_X触媒からＮＯ_Xを放出させるべきとき」とは、例えば、ＮＯ_X触媒のＮＯ_X吸蔵量が多くてＮＯ_X触媒がそれ以上ＮＯ_Xを吸蔵することができないようなときである。また、「所定温度」とは、酸化触媒の活性温度以下の温度または内燃機関を再始動した後に上記排気通路内の排気ガスが酸化触媒に流入すると酸化触媒の酸化能力が低いものとなる程度まで酸化触媒の温度が低下するような温度であり、例えば、３５０℃以下である。

第２の発明では、第１の発明において、上記内燃機関を再始動させるときには、内燃機関本体から排出される排気ガス中に含まれる還元剤の量が通常運転時に比べて多くなるようにした。
第２の発明によれば、内燃機関を再始動させるとき、すなわち酸化触媒の温度が低下して還元剤が酸化触媒で酸化されずにＮＯ_X触媒にまで到達するときに、内燃機関本体から排出される排気ガス中の還元剤の量が多くされるため、ＮＯ_X触媒に吸蔵されているＮＯ_Xの放出・還元を迅速に行うことができる。

第３の発明では、第１または第２の発明の内燃機関の制御装置を備えた内燃機関と電動機とを動力源として備えるハイブリッドシステムであって、上記内燃機関および上記電動機の少なくともいずれか一つにより当該ハイブリッドシステムに対する要求出力が出力され、上記内燃機関の運転を停止させたときには上記電動機のみによって要求出力が出力される。
第３の発明によれば、上記内燃機関の運転停止中であっても電動機によってハイブリッドシステム全体の出力が維持され、ハイブリッドシステムを搭載した車両の運転性の悪化が抑制される。

本発明によれば、ＮＯ_X触媒からＮＯ_Xを放出・還元させる際にはリッチスパイクは行われず、よってＮＯ_Xの放出・還元は低燃費で行われる。また、急速に酸化触媒の温度が低下せしめられるため、酸化触媒の温度のみが低下されて下流側のＮＯ_X触媒の温度は低下されにくい。このため、ＮＯ_X触媒に吸蔵されたＮＯ_Xを確実に放出・還元させることができる。さらに、酸化触媒の温度を低下させるために冷却装置等の付加的なシステムを追加する必要もない。したがって、本発明によれば、内燃機関について低燃費を実現しつつＮＯ_X触媒に吸蔵されたＮＯ_Xを簡易且つ確実に放出・還元させることができるようになる。

以下、図面を参照して本発明の内燃機関の制御装置およびハイブリッドシステムについて詳細に説明する。図１は本発明の制御装置が搭載された内燃機関の全体図であり、図２は本発明のハイブリッドシステムの構成を概略的に示す図である。

図１を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火栓１０が配置され、シリンダヘッド４内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。またピストン３の頂面上には燃料噴射弁１１の下方から点火栓１０の下方まで延びるキャビティ１２が形成されている。

各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気マニホルド１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５および吸気用インタークーラ１６を介して過給機（例えば、排気ターボチャージャ）１７のコンプレッサ１８の出口部に連結される。コンプレッサ１８の入口部は吸気管１９を介してエアクリーナ２０に連結される。吸気管１９内には、ステップモータ２１によって駆動されるスロットル弁２２が配置される。

一方、排気ポート１０は、排気マニホルド２３を介して排気ターボチャージャ１７の排気タービン２４の入口部に連結される。排気タービン２４の出口部は、排気管２５を介して三元触媒２６を内蔵したケーシング２７に連結される。ケーシング２７の出口は、排気管２８を介してＮＯ_X触媒２９を内蔵したケーシング３０に連結される。

ケーシング２７の出口部に連結された排気管２８とスロットル弁２２下流の吸気管１９とは、排気ガス再循環（以下、ＥＧＲ）通路３１を介して互いに連結される。ＥＧＲ通路３１内には、ステップモータ３２によって駆動されるＥＧＲ制御弁３３が配置される。また、ＥＧＲ通路３１内には、そこを流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲガス用インタークーラ３４が配置される。ＥＧＲガス用インタークーラ３４には、機関冷却水が導かれ、この機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）４１はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス４２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）４４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４５、入力ポート４６および出力ポート４７を具備する。スロットル弁２２上流の吸気管１９には、燃焼室５に吸入される空気（吸気）の流量を検出するためのエアフロメータ５０が配置される。エアフロメータ５０は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するＡＤ変換器４８を介して入力ポート４６に入力される。

また、排気マニホルド２３には排気マニホルド２３内の排気ガスの温度を検出するための排気温センサ５１および排気マニホルド２３内を通る排気ガス中のＮＯ_X濃度を検出するためのＮＯ_X濃度センサ５２が取付けられ、これら排気温センサ５１およびＮＯ_X濃度センサ５２の出力信号が対応するＡＤ変換器４８を介して入力ポート４６に入力される。さらに、三元触媒２６とＮＯ_X触媒２９との間の排気管２８にはこの排気管２８内を通る排気ガスのＨＣ濃度またはＣＯ濃度を検出するためのＨＣ濃度センサまたはＣＯ濃度センサ５３が取付けられ、このＨＣ濃度センサまたはＣＯ濃度センサ５３の出力信号が対応するＡＤ変換器４８を介して入力ポート４６に入力される。

アクセルペダル５４にはアクセルペダル５４の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５５が接続され、負荷センサ５５の出力電圧は対応するＡＤ変換器４８を介して入力ポート４６に入力される。クランク角センサ５６は例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート４６に入力される。ＣＰＵ４５ではこのクランク角センサ５６の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート４７は対応する駆動回路４９を介して点火栓１０、燃料噴射弁１１、スロットル弁用ステップモータ２１およびＥＧＲ制御弁用ステップモータ３２に接続される。

図２は、本発明のハイブリッドシステムが搭載されたハイブリッド車両を概略的に示す図である。特に、図２は動力源として内燃機関と電動機６５とを備えたいわゆるハイブリッドシステム６０によって駆動されるハイブリッド車両を示している。

図２を参照すると、機関本体１は動力分配機構６１及び減速機６２を介して駆動車軸６３に機械的に連結され、駆動輪６４に駆動力を提供する。一方、電動機６５は減速機６２を介して駆動車軸６３に機械的に連結され、駆動輪６４に駆動力を提供する。動力分配機構６１は発電機６６にも連結される。発電機６６は、動力分配機構６１を介して内燃機関１の駆動力を受けて発電する。発電機６６および電動機６５はインバータ６７を介してバッテリ６８に対し電気的に接続されている。発電機６６により発電された交流電力は、インバータ６７により直流に変換されてバッテリ６８に充電される。バッテリ６８の直流電力は、インバータ６７により交流変換されて電動機６５に供給され、その交流電力の供給により電動機６５が駆動せしめられる。動力分配機構６１としては、例えば、遊星歯車機構が用いられる。動力分配機構６１および電動機６５は対応する駆動回路４９を介してＥＣＵ４１の出力ポート４７に接続されており、ＥＣＵ４１からの信号によって制御される。

図２のハイブリッド車両では、通常、電動機６５と共に内燃機関が運転されているが、例えばハイブリッドシステム６０に対する要求出力が小さくなると内燃機関の運転が停止され、電動機６５のみによって駆動される。そして、ハイブリッドシステム６０に対する要求出力が大きくなると内燃機関の運転が再開される。従って、車両運転中に内燃機関の運転が行われたり停止されたりするということになる。また、ハイブリッドシステム６０に対する要求出力が小さい時等であっても、バッテリ６８の蓄電量が少ないときには発電機６６を駆動するために内燃機関が運転される。すなわち、本実施形態のハイブリッドシステム６０では、バッテリ６８の充電状態が適切に保たれるように監視され、充電放電の制御が行われる。特に、本実施形態のハイブリッドシステム６０では、通常運転時において、その時の運転状態での燃料消費率が最小になるように且つ内燃機関からの有害物質の排出が最小になるように、内燃機関、電動機６５および発電機６６を制御する。

なお、ハイブリッドシステムは、上述したハイブリッドシステムに限られるものではなく、電動機と発電機の双方の機能を備える電動発電機を備えるものであってもよい。また、ハイブリッドシステムは、車両駆動を電動機で行い内燃機関を発電機への電力供給源として用いるシリーズタイプ、内燃機関と発電機との双方で車輪を駆動可能としたパラレルタイプ等いずれのタイプのものであってもよい。

ところで、機関本体１から排出された排気ガス中には、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）および窒素酸化物（ＮＯ_X）等の有害物質が含まれている。内燃機関での燃焼が主に成層燃焼によって行われる希薄燃焼式内燃機関（リーンバーンエンジン）では、排気ガスの空燃比（燃焼室５および吸気通路に供給された空気と燃料との比率）がリーンであることが多く、この場合、上記有害物質のうちＨＣおよびＣＯが三元触媒２６により酸化され、ＮＯ_XがＮＯ_X触媒２９により還元されて排気ガスの浄化が行われる。

ＮＯ_X触媒２９は、ＮＯ_X吸蔵剤と触媒貴金属とを有し、ＮＯ_X触媒２９に流入する排気ガスにＮＯ_Xが存在するときにはＮＯ_Xを吸蔵すると共に流入する排気ガス中に還元剤（例えば、ＨＣおよびＣＯ）が存在するときには吸蔵されているＮＯ_Xを放出させて還元させる触媒である。ＮＯ_X触媒２９によるＮＯ_Xの吸放出作用のメカニズムについては完全に明らかにされていない。以下に、現在考えられているメカニズムを、担体上に触媒貴金属として白金を、ＮＯ_X吸蔵剤としてバリウムを担持させた場合を例にとって説明する。

流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになって排気ガス中の酸素濃度が大幅に増大し且つ流入排気ガス中に還元剤が存在しないと、酸素がＯ₂ ^-またはＯ^2-の形で白金の表面に付着する。一方、流入排気ガス中のＮＯは白金の表面上でＯ₂ ^-またはＯ^2-と反応し、ＮＯ₂となる（２ＮＯ＋Ｏ₂→２ＮＯ₂）。次いで流入排気ガス中のＮＯ₂および生成されたＮＯ₂の一部は、白金上で更に酸化されつつＮＯ_x吸蔵剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸イオン（ＮＯ₃ ^-）の形でＮＯ_x吸蔵剤内に拡散して吸蔵されるか、または亜硝酸（ＮＯ₂ ^-）の形でＮＯ_X吸蔵剤内に拡散して吸蔵される。

これに対して流入排気ガス中に還元剤が多く存在するようになると、ＮＯ₂の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂）に進む。このためＮＯ_X吸蔵剤内の硝酸イオン（ＮＯ₃ ^-）等がＮＯ₂の形でＮＯ_X吸蔵剤から放出される。放出されたＮＯ_Xは排気ガス中の還元剤、すなわち未燃燃料、ＨＣ、ＣＯ等と反応して還元せしめられる。このようにして白金の表面上にＮＯ₂が存在しなくなるとＮＯ_x吸蔵剤から次から次へとＮＯ₂が放出され、ＮＯ_X吸蔵剤内に吸蔵されているＮＯ_Xの量が減少せしめられる。

なお、上記説明では、ＮＯ_XはＮＯ_X吸蔵剤に吸収される（すなわち、硝酸塩等の形で蓄積する）ものとして説明しているが、実際にはＮＯ_Xは吸収されているのか吸着（すなわち、ＮＯ_XをＮＯ₂等の形で吸着する）しているのかは必ずしも明確ではなく、これら吸収および吸着の両概念を含む吸蔵という用語を用いる。また、ＮＯ_X吸蔵剤からの「放出」という用語についても、「吸収」に対応する「放出」の他、「吸着」に対応する「脱離」の意味も含むものとして用いる。

このようなＮＯ_X触媒２９では、吸蔵可能なＮＯ_Xの量が決まっており、ＮＯ_X触媒２９のＮＯ_X吸蔵量が限界吸蔵量を超えるとＮＯ_X触媒２９はそれ以上ＮＯ_Xを吸蔵することができなくなる。このため、ＮＯ_X触媒２９のＮＯ_X吸蔵量が限界吸蔵量に達したら、ＮＯ_X触媒２９に還元剤を流入させて、ＮＯ_X触媒２９に吸蔵されているＮＯ_Xを強制的に放出する必要がある。

そこで、従来では、ＮＯ_X触媒のＮＯ_X吸蔵量が限界吸蔵量に達すると、例えば、機関本体から排出される排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比またはリッチにして、ＮＯ_X触媒に流入する排気ガス中に還元剤を含ませるようにしていた（リッチスパイク）。なお、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリーンであってもその排気ガス中には還元剤が含まれている。しかしながら、図１に示したようにＮＯ_X触媒２９の上流に三元触媒２６が配置される構成では、これら還元剤は三元触媒２６において空気と反応して排気ガス中から除去されてしまい、還元剤がＮＯ_X触媒２９にまで到達しない。このため、従来技術では、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリーンの場合にはＮＯ_X触媒からＮＯ_Xを放出させることができず、よってＮＯ_X触媒からＮＯ_Xを放出させるときには排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比またはリッチにするようにしていた。

しかしながら、ＮＯ_X触媒に吸蔵されているＮＯ_Xを放出させるのにリッチスパイクを行うと、多量の燃料を供給することとなり燃費の悪化を招くことになる。また、それまでリーン空燃比で運転されていた内燃機関を、ＮＯ_X放出のためにリッチスパイクを行ってほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比で運転させることになると、トルクショック等が起こり、かかる内燃機関を搭載した車両の運転性の悪化を招くことになる。

図３は、三元触媒２６によるＨＣ、ＣＯ等（還元剤）の浄化率の温度推移を表している。図３において、縦軸は三元触媒２６によるＨＣ、ＣＯ等の浄化率であり、横軸は三元触媒２６の温度である。図から分かるように、三元触媒２６によるＨＣ、ＣＯ等の浄化率は、三元触媒２６の温度によって異なり、三元触媒２６の温度が４００℃以上の高温であるとＨＣ、ＣＯ等の浄化率は非常に高く、逆に、三元触媒２６の温度が３５０℃以下の低温であるとＨＣ、ＣＯ等の浄化率は非常に低い。

また、上述したように、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比がリーンであってもその排気ガス中にはＨＣ、ＣＯ等、すなわち還元剤が含まれており、これら還元剤が三元触媒２６において酸化・除去されなければ、排気ガスの空燃比がリーンのときにもＮＯ_X触媒２９に還元剤を含んだ排気ガスが流入し、ＮＯ_X触媒２９からＮＯ_Xを放出させることができる。そして、三元触媒２６の温度が低温であるときには三元触媒２６による還元剤の浄化率が低い。すなわち、三元触媒２６の温度が３５０℃以下の低温であれば、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比がリーンであっても、ＮＯ_X触媒２９に還元剤を含んだ排気ガスを流入させることができ、これによりＮＯ_X触媒２９からＮＯ_Xを放出させることができる。

ただし、三元触媒２６の温度を低下させるにあたっては、三元触媒２６と同時にＮＯ_X触媒２９の温度を低下させてはならない。すなわち、ＮＯ_X触媒２９にも活性温度があり、ＮＯ_X触媒２９の温度が活性温度よりも低くなると、ＮＯ_Xの吸放出作用が低下してしまい、ＮＯ_X触媒２９によりＮＯ_Xを浄化することができなくなってしまう。したがって、例えば、点火時期や燃料噴射時期を進角させることによって機関本体１から排出される排気ガスの温度を徐々に下げることで三元触媒２６の温度を低下させようとすると、ＮＯ_X触媒２９の温度も三元触媒２６の温度低下に伴って徐々に低下してしまうので、このような方法によって三元触媒２６の温度を低下させるのは好ましくない。

そこで、本発明の内燃機関の制御装置では、内燃機関を一時的に停止させることで三元触媒２６の温度を低下させるようにしている。以下、図４を参照して、本発明の制御装置におけるＮＯ_X触媒２９からのＮＯ_X放出制御について説明する。なお、図４は、内燃機関の出力、電動機６５の出力、排気マニホルド２３内（排気弁８から三元触媒２６までの排気通路）の排気ガスの温度（以下、「マニホルド内の排気温」と称す）、三元触媒２６の温度、ＮＯ_X触媒２９の温度、三元触媒２６で酸化されずに三元触媒２６を通過した還元剤の量（以下、「還元剤通過量」と称す）およびＮＯ_X触媒２９に吸蔵されているＮＯ_Xの量のタイムチャートである。なお、本実施形態では希薄燃焼式の内燃機関が用いられているため、図４の時間全体に亘って機関本体１から排出される排気ガスの空燃比はリーンである。また、図４は、ハイブリッドシステム６０を搭載した車両が高速定常運転を行っている場合等、ハイブリッドシステム６０に対する要求出力が継続的に高い場合について示している。

ハイブリッドシステム６０に対する要求出力が高い場合、機関運転状態は高負荷高回転となっており、機関本体１から排出された排気ガスの温度は高く、よって高温の排気ガスが流入する三元触媒２６の温度も高い。一方、このような機関運転状態が高負荷高回転であると、燃焼温度が高く、機関本体１から排出される排気ガス中に含まれるＮＯ_Xの量も多い。したがって、図４の時刻ｔ₀前においてはＮＯ_X触媒２９にはＮＯ_Xが徐々に吸蔵されていき、また、三元触媒２６の温度が高いため、ＨＣ、ＣＯ等の還元剤は三元触媒２６において酸化・除去される。

時刻ｔ₀において、ＮＯ_X触媒２９のＮＯ_X吸蔵量ΣＮＯＸが限界吸蔵量ΣＮＯＸＭに達すると、内燃機関の出力が急速に低下せしめられ、そして内燃機関が停止せしめられる。一方、ハイブリッドシステム６０に対する要求出力は依然として高いままであるため、内燃機関の出力低下分を補うように電動機６５の出力が上昇せしめられる。なお、内燃機関を急に停止させずに出力を滑らかに低下させてから停止させるのは、動力源を内燃機関から電動機６５に切り替える際にトルクショックを最小限に抑制するためである。

このように内燃機関の出力が低下せしめられると、機関本体１から排出される排気ガスの温度が低くなるため、マニホルド内の排気温も僅かながら低下する。一方、三元触媒２６では酸化反応等が起きており、また、三元触媒２６およびＮＯ_X触媒２９の熱容量が大きいため、三元触媒２６およびＮＯ_X触媒２９の温度はほとんど低下しない。

時刻ｔ₁において内燃機関が停止されて内燃機関の出力が零になると、電動機６５のみによってハイブリッドシステム６０に対する要求出力が出力されるため、電動機６５の出力は最大となる。このとき、排気マニホルド２３内の排気ガスの流れは停止しており、外気により急速に冷却せしめられる。このため、マニホルド内の排気温は急速に低下する。一方、三元触媒２６およびＮＯ_X触媒２９では上述したように熱容量が大きい等の理由で、ほとんど温度が低下しない。また、このとき、排気通路全体に亘って排気ガスの流れが停止しているため、ＮＯ_X触媒２９にも排気ガスが流入せず、よってＮＯ_X触媒２９のＮＯ_X吸蔵量も増加しない。

時刻ｔ₂において、マニホルド内の排気温が予め定められた運転再開温度Ｔｍｔにまで低下すると、再び内燃機関の運転が開始せしめられる。内燃機関の運転が再開されると、排気マニホルド２３内に滞留していた低温の排気ガスが三元触媒２６に流入するため、三元触媒２６の温度は急速に低下せしめられ、遂には三元触媒２６の活性温度（三元触媒２６が酸化能力を十分に発揮できる温度。例えば、３５０℃〜４００℃）よりも低くなる。これにより、その後三元触媒２６に流入する排気ガス中のＨＣ、ＣＯ等の還元剤は三元触媒２６において酸化されず、還元剤を含んだ排気ガスがＮＯ_X触媒２９にまで達する。よって、ＮＯ_X触媒２９では、ＮＯ_X触媒２９に吸蔵されているＮＯ_Xが放出されると同時に還元剤によって還元、浄化される。したがって、ＮＯ_X触媒２９のＮＯ_X吸蔵量は徐々に減少していく。

なお、このとき三元触媒２６に流入する排気ガスの温度と三元触媒２６の温度との間には大きな差があり、三元触媒２６に流入する排気ガスは三元触媒２６から熱を奪ってその温度が上昇せしめられる。したがって、三元触媒２６に流入する排気ガスの温度が低くても三元触媒２６から流出する排気ガスの温度は比較的高く、よってＮＯ_X触媒２９に流入する排気ガスの温度も比較的高い。このため、三元触媒２６に流入する排気ガスの温度が低くてもＮＯ_X触媒２９の温度はほとんど低下することがなく、ＮＯ_X触媒２９の吸放出能力は維持される。

また、運転再開温度Ｔｍｔとは、三元触媒２６の活性温度以下の温度、または内燃機関を再始動した後に排気マニホルド２３内の排気ガスが三元触媒２６に流入すると三元触媒２６の酸化能力が低いものとなる程度まで三元触媒２６の温度が低下するような温度、すなわち内燃機関を再始動した後の排気マニホルド２３内の排気ガスが三元触媒２６に流入すると三元触媒２６の温度が４００℃以下（好ましくは３５０℃以下）にまで低下するような温度であり、例えば、４００℃以下、好ましくは３５０℃以下である。

ただし、内燃機関の運転が再び開始されたときには内燃機関の出力はＮＯ_X放出制御を開始する前の程度までには上昇せしめられず、比較的低出力に維持される。これにより、機関本体１から排出される排気ガスの温度は低いものとなり、三元触媒２６の温度をその活性温度以上にまで上昇させてしまうことが抑制される。したがって、電動機６５の出力もＮＯ_X放出制御を開始する前の程度にまでは低下せしめられず、結果として内燃機関と電動機６５とによってハイブリッドシステム６０への要求出力が出力せしめられる。

時刻ｔ₃において、ＮＯ_X触媒２９に吸蔵されていたＮＯ_Xがほとんど全て放出されて、ＮＯ_X触媒２９のＮＯ_X吸蔵量がほぼ零になると、ハイブリッドシステム６０は通常運転状態に戻され、内燃機関および電動機６５の出力はＮＯ_X放出制御を開始する前の状態にまで戻される。これに伴ってマニホルド内の排気温が上昇すると共に三元触媒２６の温度も上昇する。そして、三元触媒２６の温度はその活性温度以上となり、三元触媒２６の酸化能力が回復し、三元触媒２６に流入した排気ガス中のＨＣ、ＣＯ等は三元触媒２６によって酸化、除去される（時刻ｔ₄）。そして再びＮＯ_X触媒２９には徐々にＮＯ_Xが吸蔵せしめられる。

このように、本発明では、内燃機関の運転を停止させることによってマニホルド内の排気温を急速に低下させ、その後かなり低温の排気ガスを三元触媒２６に流入させることで三元触媒２６が急速に冷却せしめられる。このように三元触媒２６の温度を急速に冷却させる場合、三元触媒２６から排出される排気ガスは三元触媒２６から熱を奪うためその温度が比較的高く、よってＮＯ_X触媒２９の温度はほとんど低下せしめられない。したがって、本発明では、点火時期や燃料噴射時期を進角させることによって機関本体１から排出される排気ガスの温度を徐々に下げることによって三元触媒２６の温度を低下させる場合と異なり、ＮＯ_X触媒２９の温度をほとんど低下させずに三元触媒２６の温度のみを低下させることができ、よってＮＯ_X触媒２９からのＮＯ_Xの放出を効率的に行うことができる。

図５は、本発明の内燃機関の制御装置およびハイブリッドシステムによって行われるＮＯ_X放出制御の制御ルーチンを示す。

まず、ステップ１０１において、ＮＯ_X触媒２９のＮＯ_X吸蔵量ΣＮＯＸが推定せしめられる。ＮＯ_X吸蔵量ΣＮＯＸは、内燃機関の機関回転数、エアフロメータ５０によって検出された吸入空気量および燃料噴射弁１１から噴射された燃料噴射量等の履歴から推定されてもよいし、ＮＯ_X触媒２９の上流に配置されたＮＯ_X濃度センサ５２の出力の積算値から推定されてもよい。次いで、ステップ１０２では、ステップ１０１において推定されたＮＯ_X触媒２９のＮＯ_X吸蔵量ΣＮＯＸが限界吸蔵量ΣＮＯＸＭ以上であるか否かが推定される。ＮＯ_X吸蔵量ΣＮＯＸが限界吸蔵量ΣＮＯＸＭよりも少ないと判定された場合、すなわちまだＮＯ_X触媒２９にＮＯ_Xを吸蔵させることが可能である場合にはステップ１０１へと戻され、ステップ１０１およびステップ１０２が繰り返される。

一方、ステップ１０２において、ＮＯ_X吸蔵量ΣＮＯＸが限界吸蔵量ΣＮＯＸＭ以上であると判定された場合にはステップ１０３へと進む。ステップ１０３では、内燃機関の出力が滑らか且つ急速に低下せしめられ、そして内燃機関が停止せしめられる。この内燃機関の出力低下に伴って、ハイブリッドシステム６０への要求出力がハイブリッドシステム６０全体によって出力されるように電動機６５の出力が上昇せしめられる。この時に必要な電力は内燃機関が停止せしめられる前に予めバッテリ６８に蓄えられている。

次いで、ステップ１０４では、排気温センサ５１によって検出されたマニホルド内の排気温Ｔｍが上記運転再開温度Ｔｍｔ以下であるか否かが判定される。マニホルド内の排気温Ｔｍが運転再開温度Ｔｍｔよりも高いと判定された場合には、マニホルド内の排気温Ｔｍが運転再開温度Ｔｍｔ以下になるまでステップ１０４が繰り返される。ステップ１０４において、マニホルド内の排気温Ｔｍが運転再開温度Ｔｍｔ以下であると判定された場合には、ステップ１０５へと進む。

ステップ１０５では、内燃機関が再び始動せしめられ、低出力で運転せしめられる。これにより、三元触媒２６の温度が低下せしめられて、機関本体１から排出された排気ガス中の還元剤は三元触媒２６を通過してＮＯ_X触媒２９へ到達し、ＮＯ_X触媒２９からＮＯ_Xが放出、還元せしめられる。

次いで、ステップ１０６では、内燃機関が再始動後に機関本体１から排出された還元剤の積算量ΣＲＥが予め定められた所定還元剤量ΣＲＥＴ以上であるか否かが判定される。内燃機関が再始動後に機関本体１から排出された還元剤の積算量ΣＲＥは、内燃機関の機関回転数、エアフロメータ５０によって検出された吸入空気量および燃料噴射弁１１から噴射された燃料噴射量等の履歴から推定されてもよいし、ＨＣ濃度センサまたはＣＯ濃度センサ５３の出力の積算値から推定されてもよい。また、上記所定還元剤量ΣＲＥＴは、ＮＯ_X触媒２９のＮＯ_X吸蔵量が限界吸蔵量であるときにＮＯ_X触媒２９に吸蔵されているＮＯ_Xを全て放出させるのに必要な還元剤の量である。

ステップ１０６において、還元剤の積算量ΣＲＥが所定還元剤量ΣＲＥＴよりも少ないと判定された場合には、還元剤の積算量ΣＲＥが所定還元剤量ΣＲＥＴ以上となるまでステップ１０６が繰り返される。一方、ステップ１０６において、還元剤の積算量ΣＲＥが所定還元剤量ΣＲＥＴ以上であると判定された場合にはステップ１０７へと進む。ステップ１０７では、ハイブリッドシステム６０が通常運転状態に戻される。すなわち、内燃機関の出力が上昇せしめられ、電動機６５の出力が低下せしめられる。

なお、上記実施形態におけるＮＯ_X触媒２９のＮＯ_X吸蔵量の推定、または還元剤の積算量ΣＲＥの推定すなわち内燃機関が再始動後にＮＯ_X触媒２９から放出されたＮＯ_Xの量の推定は、排気マニホルド２３内に配置された空燃比センサ、三元触媒２６およびＮＯ_X触媒２９にそれぞれ取付けられた三元触媒温度センサおよびＮＯ_X触媒温度センサ、および三元触媒２６とＮＯ_X触媒２９との間の排気管２８に配置された酸素濃度センサ（全て図示せず）等を用いてこれらセンサからの情報を加えて行ってもよい。

次に、上記実施形態の変更例について説明する。上記実施形態の変更例では、内燃機関の再始動後、または三元触媒２６の温度が活性温度よりも低くなった後に、内燃機関を低出力で運転させるだけでなく、機関本体１からＨＣ、ＣＯ等の還元剤が多く排出されるように機関運転状態を制御する。機関本体１からＨＣ、ＣＯ等の還元剤を多く排出させる運転状態とは、例えば、通常運転時に比べて内燃機関に対する負荷を軽いものにすること、点火栓による点火時期を遅角させること、燃料噴射弁からの燃料噴射時期を遅角させること等が挙げられる。

このように、内燃機関の再始動後に機関本体１から排出されるＨＣ、ＣＯ等の量を多くすることにより、ＮＯ_X触媒２９に流入する還元剤の量が多くなり、よってＮＯ_X触媒２９からより多くのＮＯ_Xを放出させることができるようになる。したがって、ＮＯ_X触媒２９にＮＯ_Xを流入させる期間、すなわち三元触媒２６の温度をその活性温度よりも低くしておく期間を短くすることができる。

なお、上記実施形態ではＮＯ_X触媒２９の上流に三元触媒２６が配置されているが、この触媒は酸化触媒等、酸化能力を有する触媒であれば如何なる触媒であってもよい。

本発明の制御装置が搭載された内燃機関の全体を示す図である。本発明のハイブリッドシステムの構成を概略的に示す図である。三元触媒によるＨＣ、ＣＯ等の浄化率の温度推移を表すグラフである。本発明のＮＯ_X放出制御における各種パラメータのタイムチャートである。ＮＯ_X放出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１機関本体
５燃焼室
１０点火栓
１１燃料噴射弁
１３吸気マニホルド
２３排気マニホルド
２６三元触媒
２９ＮＯ_X触媒
４１ＥＣＵ
６１動力分配機構
６２減速機
６３駆動車軸
６５電動機
６６発電機
６８バッテリ

Claims

排気通路に、排気ガス中の成分の酸化を促進させる酸化触媒と、流入する排気ガス中にＮＯ_Xが存在するときには該ＮＯ_Xを吸蔵すると共に流入する排気ガス中に還元剤が存在するときには吸蔵されているＮＯ_Xを放出して還元させるＮＯ_X触媒とが順次設けられている内燃機関の制御装置において、
上記ＮＯ_X触媒からＮＯ_Xを放出させるべきときには、上記内燃機関の運転を停止させて上記酸化触媒上流における排気通路内の排気ガスの温度を所定温度以下にまで低下させ、その後内燃機関を再始動させるようにした内燃機関の制御装置。
上記内燃機関を再始動させるときには、内燃機関本体から排出される排気ガス中に含まれる還元剤の量が通常運転時に比べて多くなるようにした請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置を備えた内燃機関と電動機とを動力源として備えるハイブリッドシステムであって、上記内燃機関および上記電動機の少なくともいずれか一つにより当該ハイブリッドシステムに対する要求出力が出力され、上記内燃機関の運転を停止させたときには上記電動機のみによって要求出力が出力されるハイブリッドシステム。