JP2016109041A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素吸蔵剤の発熱によるＮＯｘ吸蔵還元触媒等の熱劣化を抑制する。【解決手段】ＮＯｘ吸蔵還元触媒と、酸素吸蔵剤と、を担体２１に担持した触媒コンバータ２０を排気通路１９に備える内燃機関１００の制御装置２００が、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を硫黄被毒から回復させるときは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒から硫黄成分が放出される所定温度まで担体２１の温度を昇温させると共に触媒コンバータ２０に流入する排気の空燃比を交互にリーンとリッチに切り替える硫黄被毒回復制御を実施し、硫黄被毒回復制御時に排気の空燃比をリッチからリーンに切り替えるときは、排気の空燃比をリッチからリーンに向けて変化させるための排気の目標空燃比として、酸素吸蔵剤の発熱による担体２１の温度増加量が所定値未満となる過渡目標空燃比を設定し、排気の空燃比をその過渡目標空燃比に制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来の内燃機関の制御装置として、排気通路に設けられたＮＯｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒回復制御時に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を交互にリーンとリッチに切り替えるものがある（特許文献１参照）。

特表２００３−５１８５７８号公報

しかしながら、前述した従来の内燃機関の制御装置は、硫黄被毒回復制御時に排気の空燃比をリッチからリーンに向けて急峻に変化させていた。そのため、排気の空燃比をリッチからリーンに切り替えたときに排気中の酸素量が急増するので、例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒として、酸素吸蔵時に発熱する酸素吸蔵剤を含むものを使用すると、酸素吸蔵剤の発熱量が大きくなるという問題点があった。硫黄被毒回復制御時は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒から硫黄成分を放出するために雰囲気温度が例えば６００℃以上の高温とされる。そのため、酸素吸蔵剤の発熱量が大きくなると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒などを熱劣化させてしまうおそれがある。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、酸素吸蔵剤の発熱によるＮＯｘ吸蔵還元触媒などの熱劣化を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを酸化して吸蔵し、ストイキ又はリッチのときに吸蔵したＮＯｘを放出して還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中の酸素を吸蔵すると共に発熱し、リッチのときに吸蔵した酸素を放出する酸素吸蔵剤と、を担体に担持した触媒コンバータを排気通路に備える内燃機関を制御する制御装置が、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を硫黄被毒から回復させるときは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒から硫黄成分が放出される所定温度まで担体の温度を昇温させると共に触媒コンバータに流入する排気の空燃比を交互にリーンとリッチに切り替える硫黄被毒回復制御を実施し、硫黄被毒回復制御時に排気の空燃比をリッチからリーンに切り替えるときは、排気の空燃比をリッチからリーンに向けて変化させるための排気の目標空燃比として、酸素吸蔵剤の発熱による担体の温度増加量が所定値未満となる過渡目標空燃比を設定し、排気の空燃比をその過渡目標空燃比に制御するように構成されている。

本発明によれば、硫黄被毒回復制御時において、酸素吸蔵剤の発熱による触媒コンバータの担体の温度上昇を抑えることができる。よって、触媒コンバータの担体に担持されたＮＯｘ吸蔵還元触媒などの熱劣化を抑制することができる。

図１は、本発明の一実施形態による内燃機関及び内燃機関を制御する電子制御ユニットの概略構成図である。 図２は、追加燃料の噴射について説明する図である。 図３は、ＮＯｘ再生制御について説明するタイムチャートである。 図４は、ＮＯｘ排出量のマップを示す図である。 図５は、硫黄被毒回復制御について説明するタイムチャートである。 図６は、ＳＯｘ排出量のマップを示す図である。 図７Ａは、排気の空燃比をリッチからリーンに向けて急峻に変化させたときの入口空燃比と出口空燃比の変化を示す図である。 図７Ｂは、排気の空燃比をリッチからリーンに向けて緩やかに変化させたときの入口空燃比と出口空燃比の変化を示す図である。 図８は、本発明の一実施形態による過渡時の空燃比制御について説明するフローチャートである。 図９は、本発明の一実施形態による目標入口空気過剰率の具体的な設定方法について説明する図である。 図１０は、本発明の一実施形態による過渡時の空燃比制御の動作について説明するタイムチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

図１は、本発明の一実施形態による内燃機関１００及び内燃機関１００を制御する電子制御ユニット２００の概略構成図である。

内燃機関１００は、内部で燃料を圧縮自己着火燃焼させて、例えば車両などを駆動するための動力を発生させる機関本体１を備える。機関本体１は、各気筒に形成される燃焼室２と、各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３と、各燃焼室２内に吸入空気を導入するための吸気マニホールド４と、各燃焼室２内から排気を排出するための排気マニホールド５と、を含む。

各燃料噴射弁３は、燃料供給管１５を介してコモンレール１６に連結される。コモンレール１６は、吐出量の変更が可能な電子制御式の燃料ポンプ１７を介して燃料タンク１８に連結される。燃料タンク１８内に貯蔵されている燃料は、燃料ポンプ１７によってコモンレール１６内に供給される。コモンレール１６内に供給された燃料は、各燃料供給管１５を介して燃料噴射弁３に供給される。

吸気マニホールド４は、吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結される。コンプレッサ７ａの入口は、吸気管８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気管８には、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ２１１が設けられる。吸気ダクト６内には、ステップモータにより駆動される電気制御式のスロットル弁１０が配置される。吸気ダクト６の周りには、吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。

排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結される。排気タービン７ｂの出口は、触媒コンバータ２０が設けられた排気管１９に連結される。排気マニホールド５と吸気マニホールド４とは、排気再循環（Exhaust Gas Recirculation；以下「ＥＧＲ」という。）を行うためにＥＧＲ通路１２を介して互いに連結される。ＥＧＲ通路１２内には、電子制御式のＥＧＲ制御弁１３が配置される。ＥＧＲ通路１２の周りには、ＥＧＲ通路１２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１４が配置される。

触媒コンバータ２０は、ＮＯｘ（窒素酸化物）の酸化・還元反応を促進する貴金属触媒と、ＮＯｘを吸蔵・放出する機能を有するＮＯｘ吸蔵剤と、を含むいわゆるＮＯｘ吸蔵還元触媒に、酸素を吸蔵・放出する機能（酸素吸蔵能；ＯＳＣ（Oxygen Storage capacity））を有する酸素吸蔵剤を添加したものを、アルミナ（ＡＬ_２Ｏ_３）などの担体２１に担持したものである。本実施形態では、吸収及び吸着の双方を含む用語として吸蔵という用語を使用している。

貴金属触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）などの貴金属類が挙げられる。本実施形態では、貴金属触媒として白金（Ｐｔ）を用いている。

ＮＯｘ吸蔵剤としては、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、セシウム（Ｃｓ）などのアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）などのアルカリ土類、又は、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）などの希土類から選ばれた少なくとも１つが挙げられる。本実施形態では、ＮＯｘ吸蔵剤としてバリウム（Ｂａ）を用いている。

酸素吸蔵剤としては、セリア（酸化セリウムＩＶ：ＣｅＯ_２）などの遷移金属や、セリアを含む複合酸化物、例えばセリア−ジルコニア複合酸化物（ＣｅＯ_２−ＺｒＯ_２複合酸化物）などが挙げられる。本実施形態では、酸素吸蔵剤としてセリアを用いている。

機関吸気通路、燃焼室２及び触媒コンバータ２０よりも上流の排気通路内に供給された空気及び燃料（炭化水素）の比を排気の空燃比と定義すると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、触媒コンバータ２０に流入する排気の空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチ又はストイキになると吸蔵しているＮＯｘを放出して還元する。

すなわち、触媒コンバータ２０に流入する排気の空燃比がリーンのとき、つまり排気中に酸素（Ｏ_２）が存在するときは、排気中に含まれる一酸化窒素（ＮＯ）は白金により酸化されて二酸化窒素（ＮＯ_２）となる。このＮＯ_２は、ＮＯｘ吸蔵剤内に吸収されて炭酸バリウム（ＢａＣＯ_３）と結合しながら硝酸イオン（ＮＯ_３ ⁻）の形でＮＯｘ吸蔵剤内に拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ吸蔵剤内に吸収される。排気中の酸素濃度が高い限り白金の表面でＮＯ_２が生成され、ＮＯｘ吸蔵剤のＮＯｘ吸蔵能力が飽和しない限り、ＮＯ_２がＮＯｘ吸蔵剤内に吸蔵されて硝酸イオン（ＮＯ_３ ⁻）が生成される。

これに対し、触媒コンバータ２０に流入する排気の空燃比がリーンからストイキ（理論空燃比）又はリッチに切り換えられて排気中に酸素が存在しなくなると、排気中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ_３ ⁻→ＮＯ_２）に進み、ＮＯｘ吸蔵剤内の硝酸イオン（ＮＯ_３ ⁻）がＮＯ_２の形でＮＯｘ吸蔵剤から放出される。放出されたＮＯ_２は、排気中に含まれる未燃炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）によって還元されて窒素（Ｎ_２）となり、排気中の諸成分は、二酸化炭素（ＣＯ_２）や水（Ｈ_２Ｏ）、Ｎ_２などの無害な物質として大気中に排出される。

酸素吸蔵剤は、触媒コンバータ２０に流入する排気の空燃比がリーンのときは、以下の（１）式に示す酸化反応を起こしてΔＨ＝１９１ｋＪ／ｍｏｌの熱を発熱する。また酸素吸蔵剤は、流入する排気の空燃比がリッチのときは、以下の（２）式に示す還元反応を起こしてΔＨ＝１９１ｋＪ／ｍｏｌの熱を吸熱する。
Ｃｅ_２Ｏ_３＋Ｏ_２→２ＣｅＯ_２＋ΔＨ …（１）
２ＣｅＯ_２→Ｃｅ_２Ｏ_３＋Ｏ_２−ΔＨ …（２）

すなわち酸素吸蔵剤は、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中の酸素を吸蔵すると共に発熱し、リッチのときに吸蔵した酸素を放出し、これにより前述したＮＯｘ吸蔵還元触媒において生じる反応を助ける。

触媒コンバータ２０には、触媒コンバータ２０の担体２１の温度（以下「触媒床温」という。）Ｔ_ｃａｔを検出するための触媒床温センサ２１２が設けられる。

また、触媒コンバータ２０よりも上流側の排気管１９には、触媒コンバータ２０に流入する排気の温度Ｔ_ｇａｓを検出するための排気温度センサ２１３と、触媒コンバータ２０に流入する排気の空燃比（以下「入口空燃比」という。）ＡＦＲ_ｉｎを検出するための第１空燃比センサ２１４と、が設けられる。

さらに、触媒コンバータ２０よりも下流側の排気管１９には、触媒コンバータ２０から流出する排気の空燃比（以下「出口空燃比」という。）ＡＦＲ_ｏｕｔを検出するための第２空燃比センサ２１５が設けられる。

電子制御ユニット２００は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス２０１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２０３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０４、入力ポート２０５及び出力ポート２０６を備える。

入力ポート２０５には、前述したエアフローメータ２１１や触媒床温センサ２１２、排気温度センサ２１３、第１空燃比センサ２１４、第２空燃比センサ２１５のほか、外気温度Ｔ_ｏｕｔを検出するための外気温度センサ２１６などの出力信号が、対応する各ＡＤ変換器２０７を介して入力される。また、入力ポート２０５には、アクセルペダル２２０の踏み込み量（以下「アクセル踏込量」という。）Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ２１７の出力電圧が、対応するＡＤ変換器２０７を介して入力される。さらに入力ポート２０５には、機関回転数Ｎを算出するための信号として、機関本体１のクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ２１８の出力信号が入力される。このように入力ポート２０５には、内燃機関１００を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力される。

出力ポート２０６は、対応する駆動回路２０８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０を駆動するステップモータ、ＥＧＲ制御弁１３及び燃料ポンプ１７に接続される。

電子制御ユニット２００は、機関通常運転時には機関運転状態（アクセル踏込量Ｌ及び機関回転数Ｎ）に基づいて設定した目標噴射量を燃料噴射弁３から主燃料Ｑｍとして圧縮上死点（ＴＤＣ）周りで噴射し、機関本体１の燃焼室２内において酸素過剰状態の混合気を燃焼させている。したがって、機関通常運転時には触媒コンバータ２０に流入する排気の空燃比がリーンとなり、排気中のＮＯｘがＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵される。しかしながら、機関運転時間が長くなるとＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が多くなり、ついにはＮＯｘ吸蔵還元触媒がＮＯｘを吸蔵できなくなってしまう。

そこで本実施形態による電子制御ユニット２００は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からＮＯｘを放出してＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復させるために、必要に応じて入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎを一時的にリッチに切り換えるＮＯｘ再生制御を実施する。電子制御ユニット２００は、ＮＯｘ再生制御時には、図２に示すように圧縮上死点周りで噴射する主燃料Ｑｍとは別に、燃焼行程又は排気行程に追加燃料Ｑａを燃料噴射弁３から燃焼室２内に噴射することで、入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎを一時的にリッチに切り換える。なお、追加燃料Ｑａについては、例えば排気マニホールド５や触媒コンバータ２０よりも上流側の排気管１９に燃料添加弁を別途に設け、燃料添加弁から供給するようにしても良い。

図３は、ＮＯｘ再生制御について説明するタイムチャートである。

図３に示すように、電子制御ユニット２００は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸが許容量ＭＡＸＮを越えたときにＮＯｘ再生制御を実施する。その結果、入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎが一時的にリッチに切り換えられ、ＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸが減少する。本実施形態では、ＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸは例えば機関本体１から排出されるＮＯｘ排出量に基づいて算出される。すなわち、機関本体１から単位時間当り排出されるＮＯｘ排出量ＮＯＸＡがアクセル踏込量Ｌ及び機関回転数Ｎの関数として図４に示すようなマップの形で予めＲＯＭ２０２内に記憶されており、電子制御ユニット２００は、このＮＯｘ排出量ＮＯＸＡを繰り返し積算することでＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸを算出する。

ところで、排気中にはＮＯｘの他にもＳＯｘ（硫黄酸化物）すなわち二酸化硫黄（ＳＯ_２）が含まれており、ＳＯ_２が触媒コンバータ２０に流入すると、ＳＯ_２は白金により酸化されて三酸化硫黄（ＳＯ_３）となる。このＳＯ_３はＮＯｘ吸蔵剤内に吸蔵されて炭酸バリウム（ＢａＣＯ_３）と結合しながら硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）の形でＮＯｘ吸蔵剤内に拡散し、安定した硫酸塩（ＢａＳＯ_４）を生成する。

この硫酸塩ＢａＳＯ_４は、ＮＯｘ吸蔵剤が強い塩基性を有するために安定していて分解しづらく、排気の空燃比を単にリッチにしただけでは分解されずにＮＯｘ吸蔵剤内にそのまま残ってしまう。したがって、ＮＯｘ吸蔵剤内には時間が経過するにつれて硫酸塩ＢａＳＯ_４が増大することになり、時間が経過するにつれてＮＯｘ吸蔵剤が吸収しうるＮＯｘ吸蔵量が低下するいわゆる硫黄被毒が生じる。

一方、触媒床温（ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度）Ｔ_ｃａｔを６００℃以上の所定のＳＯｘ放出温度（本実施形態では６８０℃）まで上昇させた状態で触媒コンバータ２０に流入する排気の空燃比をリッチにするとＮＯｘ吸蔵剤からＳＯｘが放出される。

そこで本実施形態による電子制御ユニット２００は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からＳＯｘを放出するために、燃焼行程又は排気行程に燃焼室２内に追加燃料Ｑｂを噴射することにより触媒床温Ｔ_ｃａｔをＳＯｘ放出温度以上に維持しつつ入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎをリッチ及びリーンに交互に切り換える硫黄被毒回復制御を実施する。追加燃料Ｑｂについても、追加燃料Ｑａと同様に、排気マニホールド５や触媒コンバータ２０よりも上流側の排気管１９に別途に設けた燃料添加弁から供給するようにしても良い。

図５は、硫黄被毒回復制御について説明するタイムチャートである。

図５に示すように、電子制御ユニット２００は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯｘ吸蔵量ＳＯＸが許容量ＭＡＸＳを越えたときに硫黄被毒回復制御を実施する。その結果、触媒床温Ｔ_ｃａｔがＳＯｘ放出温度以上まで高められると共に入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎがリッチ及びリーンに交互に切り換えられ、ＳＯｘ吸蔵量ＳＯＸが減少する。本実施形態では、ＳＯｘ吸蔵量ＳＯＸは例えば機関本体１から排出されるＳＯｘ排出量に基づいて算出される。すなわち、機関本体１から単位時間当り排出されるＳＯｘ排出量ＳＯＸＡがアクセル踏込量Ｌ及び機関回転数Ｎの関数として図６に示すようなマップの形で予めＲＯＭ２０２内に記憶されており、電子制御ユニット２００は、このＳＯｘ排出量ＳＯＸＡを繰り返し積算することによってＳＯｘ吸蔵量ＳＯＸを算出する。

なお、硫黄被毒回復制御時に、入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎをリッチに維持するのではなく、リッチ及びリーンに交互に切り換えるのは以下の理由による。すなわち、入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎがリッチのときは、排気中にＯ_２が存在しないため、ＮＯｘ吸蔵還元触媒から放出された硫黄成分がＨ_２と結合し、有毒な硫化水素（Ｈ_２Ｓ）が生成される場合がある。そのため、入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎを所定期間リッチにした後は、生成されたＨ_２Ｓを酸化してＳＯ_２にするために必要なＯ_２を供給するために、所定期間リーンに戻すようにしているのである。

そして本実施形態では、硫黄被毒回復制御時に入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎをリッチからリーンに切り替える場合は、ＮＯｘ再生制御時のように入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎをリッチからリーンに向けて急峻に変化させるのではなく、入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎをリッチからリーンに向けて緩やかに変化させる。以下、その理由について、図７Ａ及び図７Ｂを参照して説明する。

図７Ａは、排気の空燃比をリッチからリーンに向けて急峻に変化させたときの入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎと出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔの変化を示す図である。図７Ｂは、排気の空燃比をリッチからリーンに向けて緩やかに変化させたときの入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎと出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔの変化を示す図である。図７Ａ及び図７Ｂにおいて、実線が入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎであり、破線が出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔである。

前述したように、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に添加されている酸素吸蔵剤は、排気の空燃比がリーンのときに排気中の酸素を吸蔵し、リッチのときに吸蔵した酸素を放出する。

そのため、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、排気の空燃比がリーンからリッチに切り替わると、酸素吸蔵剤に吸蔵されていた酸素が酸素吸蔵剤から放出される。したがって、触媒コンバータ２０の入口側と出口側の酸素量を比べると、酸素吸蔵剤から放出された分だけ出口側の酸素量のほうが多くなる。その結果、酸素が放出されている間は、出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔが入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎよりも大きくなる。そして、酸素が全て放出された後は、出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔと入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎとが等しくなる。

その後、排気の空燃比がリッチからリーンに切り替わると、酸素吸蔵剤に酸素が吸蔵される。そのため、触媒コンバータ２０の入口側と出口側の酸素量を比べると、酸素吸蔵剤に吸蔵された分だけ出口側の酸素量のほうが少なくなる。その結果、酸素が吸蔵されている間は、出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔが入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎよりも小さくなる。そして、酸素吸蔵剤の酸素吸蔵能力が飽和した後は、それ以上酸素を吸蔵できなくなるので、出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔと入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎとが等しくなる。

ここで前述したように、酸素吸蔵剤は酸素を吸蔵したときに発熱する。このときの単位時間当たりの発熱量は、単位時間当たりに吸蔵される酸素量が多くなるほど、換言すれば入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎと出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔとの差（以下「前後空燃比差」という。）が大きくなるほど多くなる。

そして、図７Ａに示すように、排気の空燃比をリッチからリーンに向けて急峻に変化させた場合は、排気中の酸素量が一気に増加するため、前後空燃比差が大きくなる。

一方で、図７Ｂに示すように、排気の空燃比をリッチからリーンに向けて緩やかに変化させた場合は、排気中の酸素量が緩やかに増加する。そのため、排気の空燃比をリッチからリーンに向けて急峻に変化させた場合と比較して、単位時間当たりに酸素吸蔵剤に吸蔵される酸素量が抑えられ、前後空燃比差が小さくなる。

すなわち、図７Ａに示すように排気の空燃比をリッチからリーンに向けて急峻に変化させた場合は、排気中の酸素量が一気に増加するため、単位時間当たりに酸素吸蔵剤に吸蔵される酸素量が多くなり、前後空燃比差が大きくなって単位時間当たりの発熱量が多くなる。その結果、酸素吸蔵剤の発熱に起因する触媒床温の温度増加量も多くなる。

硫黄被毒回復制御時は、ＮＯｘ再生制御時と比べて触媒床温が高くなる。そのため、硫黄被毒回復制御時に、酸素吸蔵剤の発熱に起因する触媒床温の増加を無視して排気の空燃比をリッチからリーンに急峻に変化させてしまうと、触媒床温が過剰に上昇してＮＯｘ吸蔵還元触媒や酸素吸着剤、さらには触媒コンバータ２０自体が熱劣化するおそれがある。

そこで本実施形態では、硫黄被毒回復制御時に排気の空燃比をリッチからリーンに向けて変化させる過渡時は、前後空燃比差が、酸素吸蔵剤の発熱による触媒床温の温度増加量が所定値未満となる前後空燃比差となるように入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎを制御し、入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎをリッチからリーンに向けて緩やかに変化させることにしたのである。以下、この本実施形態による過渡時の空燃比制御について説明する。

図８は、電子制御ユニットが実施する本実施形態による過渡時の空燃比制御について説明するフローチャートである。

ステップＳ１において、電子制御ユニット２００は、出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔに基づいて、触媒コンバータ２０から流出する排気の空気過剰率（以下「出口空気過剰率」という。）λ_ｏｕｔを算出する。電子制御ユニット２００は、具体的には出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔを理論空燃比で除算して出口空気過剰率λ_ｏｕｔを算出する。

なお電子制御ユニット２００は、本ルーチンの初回の演算時はステップＳ１において出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔを理論空燃比に設定して出口空気過剰率λ_ｏｕｔを算出し、それ以降は後述するステップＳ６において第２空燃比センサ２１５で検出された出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔに基づいて出口空気過剰率λ_ｏｕｔを算出する。

このように、初回の演算時は出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔを理論空燃比に設定して出口空気過剰率λ_ｏｕｔを算出することで、硫黄被毒回復制御時に排気の空燃比をリッチからリーンに切り替えるときは、リッチからストイキ近傍までは排気の空燃比を急峻に変化させている。これは、酸素吸蔵剤の発熱は、触媒コンバータ２０に流入する排気の空燃比がリーンのとき、すなわち入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎがリーンのときに起こり、入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎがストイキのときには起こらない。したがって、リッチからストイキ近傍までは排気の空燃比を急峻に変化させても、酸素吸蔵剤で発熱が生じず、ＮＯｘ吸蔵還元触媒等が熱劣化するおそれがないためである。

ステップＳ２において、電子制御ユニット２００は、出口空気過剰率λ_ｏｕｔに基づいて、排気の空燃比をリッチからリーンに向けて変化させる過渡時に触媒コンバータ２０に流入させる排気の空気過剰率（以下「入口空気過剰率」という。）λ_ｉｎの目標値（以下「目標入口空気過剰率」という。）ｔλ_ｉｎを設定する。この目標入口空気過剰率ｔλ_ｉｎは、換言すれば、硫黄被毒回復制御時に排気の空燃比をリッチからリーンに向けて変化させる過渡時における入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎの目標値（以下「過渡目標入口空燃比」という。）ｔＡＦＲ_ｉｎである。

以下、図９を参照して、ステップＳ２における目標入口空気過剰率ｔλ_ｉｎの具体的な設定方法について説明する。

本実施形態では、排気から触媒コンバータ２０の担体２１が受ける単位時間当たりの熱量Ｑ_１[Ｊ／ｓ]、触媒コンバータ２０の担体２１から外気に放出される単位時間当たりの熱量Ｑ_２[Ｊ／ｓ]、及び、酸素吸蔵剤から触媒コンバータ２０の担体２１が受ける単位時間当たりの熱量（酸素吸蔵剤の単位時間当たりの発熱量）Ｑ_３[Ｊ／ｓ]を考慮し、以下の（３）式が成立する入口空気過剰率λ_ｉｎを目標入口空気過剰率ｔλ_ｉｎとして設定する。
Ｑ_{ｔｏｔａｌ}＝（Ｑ１＋Ｑ３）−Ｑ２＝許容熱量 …（３）

熱量Ｑ_１は、排気温度Ｔ_ｇａｓ[Ｋ]と、触媒床温Ｔ_ｃａｔ[Ｋ]と、排気と担体２１間の熱伝達率ｈ_１[Ｗ／ｍ^２Ｋ]と、排気と担体２１との接触面積Ａ_１[ｍ^２]と、に基づいて、以下の（４）式によって算出される。
Ｑ_１＝ｈ_１×Ａ_１（Ｔ_ｇａｓ−Ｔ_ｃａｔ） …（４）

なお、熱量Ｑ_１に関しては、触媒床温Ｔ_ｃａｔよりも排気温度Ｔ_ｇａｓのほうが高くなる場合も考えられるので、マイナスの値となる場合もある。

熱量Ｑ_２は、触媒床温Ｔ_ｃａｔ[Ｋ]と、触媒コンバータ２０周りの温度、すなわち外気温度センサで検出される外気温度Ｔ_ｏｕｔ[Ｋ]と、担体２１と外気間の熱伝達率ｈ_２[Ｗ／ｍ^２Ｋ]と、担体２１（触媒コンバータ２０）と外気との接触面積Ａ_２[ｍ^２]と、に基づいて、以下の（５）式によって算出される。
Ｑ_２＝ｈ_２×Ａ_２（Ｔ_ｃａｔ−Ｔ_ｏｕｔ） …（５）

熱量Ｑ_３は、エンタルピーΔＨ[Ｊ／ｍｏｌ]と、エアフローメータ２１１で検出される吸入空気量Ｇａ[ｇ／ｓ]と、空気中の酸素分率（＝０．２１）と、酸素のモル質量（＝３２[ｇ／ｍｏｌ]）と、出口空気過剰率λ_ｏｕｔと、入口空気過剰率λ_ｉｎと、に基づいて、以下の（６）式の通り表すことができる。
Ｑ_３＝ΔＨ（１／λ_ｏｕｔ−１／λ_ｉｎ）×Ｇａ×０．２１×３２ …（６）

なお（６）式について簡単に説明すると、（６）式は、触媒コンバータ２０に供給された単位時間当たりの酸素量（Ｇａ×０．２１×３２）のうち、酸素吸蔵剤に吸蔵された酸素の割合（すなわち吸蔵酸素量）を求め、その吸蔵酸素量に、１ｍｏｌの酸素が酸素吸蔵剤に吸蔵されたときに発生する熱量（ΔＨ）を乗算したものである。

つまり本実施形態では、担体２１が受ける熱量（Ｑ１＋Ｑ３）から担体２１から放出される熱量Ｑ２を減算した最終的に担体２１が受ける熱量Ｑ_{ｔｏｔａｌ}、すなわち触媒床温の増加に用いられる熱量Ｑ_{ｔｏｔａｌ}が許容熱量となる入口空気過剰率λ_ｉｎを、（３）式から（６）式に基づいて算出し、算出した入口空気過剰率λ_ｉｎを目標入口空気過剰率ｔλ_ｉｎとして設定する。

許容熱量に関しては、担体２１に担持されたＮＯｘ吸蔵還元触媒等が熱劣化する触媒床温（以下「熱劣化床温」という。）と、硫黄被毒回復制御中に触媒床温を熱劣化床温まで昇温させるために必要な熱量（以下「熱劣化熱量」という。）と、を予め実験等で求めておくことで、その熱劣化熱量未満の熱量から適宜選択することができる。本実施形態では、酸素吸蔵剤の発熱によって触媒床温が増加しないように、許容熱量をゼロに設定して酸素吸蔵剤の発熱による触媒床温の温度増加量がゼロになるようにしている。

このように、熱劣化熱量未満の熱量から予め選択された所定の熱量を許容熱量として設定することで、酸素吸蔵剤の発熱による触媒床温の温度増加量を、触媒床温を熱劣化床温まで増加させる温度増加量未満にすることができる。

再び図８に戻り、ステップＳ３において、電子制御ユニット２００は、目標入口空気過剰率ｔλ_ｉｎに基づいて、追加燃料Ｑｂの目標噴射量を算出する。電子制御ユニット２００は、具体的には機関運転状態（アクセル踏込量Ｌ及び機関回転数Ｎ）に基づいて設定される主燃料Ｑｍの目標噴射量と、吸入空気量Ｇａと、を読み込み、それらから入口空気過剰率λ_ｉｎを目標入口空気過剰率ｔλ_ｉｎにするために必要な追加燃料Ｑｂの目標噴射量を算出する。

ステップＳ４において、電子制御ユニット２００は、ステップＳ３で算出された目標噴射量を、燃焼行程又は排気行程で追加燃料Ｑｂとして燃料噴射弁３から噴射させる。これにより、入口空気過剰率λ_ｉｎが目標入口空気過剰率ｔλ_ｉｎに制御される。すなわち、入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎが過渡目標入口空燃比ｔＡＦＲ_ｉｎに制御される。

ステップＳ５において、電子制御ユニット２００は、リッチからリーンの切り替えが終了したか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、ステップＳ３で算出した追加燃料Ｑｂの目標噴射量がゼロであれば、リッチからリーンの切り替えが終了したと判定して過渡時におる空燃比制御を終了する。一方で電子制御ユニット２００は、ステップＳ３で算出した追加燃料Ｑｂの目標噴射量がゼロよりも多ければ、ステップＳ６の処理に進む。

ステップＳ６において、電子制御ユニット２００は、入口空気過剰率λ_ｉｎがステップ２で設定された目標入口空気過剰率ｔλ_ｉｎに制御された後の出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔを、第２空燃比センサ２１５によって検出する。

電子制御ユニット２００は、ステップＳ６で出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔを検出した後は、ステップＳ１に戻り、それ以降は追加燃料Ｑｂの目標噴射量がゼロになるまで、順次検出される出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔに基づいて目標入口空気過剰率ｔλ_ｉｎを設定する。

図１０は、本実施形態による過渡時における空燃比制御の動作について説明するタイムチャートである。なお、機関運転状態は一定とする。

時刻ｔ１で、硫黄被毒回復制御中に排気の空燃比がリーンからリッチに切り替えられたとすると、時刻ｔ１から所定期間が経過した時刻ｔ２で、排気の空燃比をリッチからリーンに切り替えるために、本実施形態による過渡時における空燃比制御が実施される。

時刻ｔ２で過渡時における空燃比制御が開始されると、まず出口空気過剰率λ_ｏｕｔを１にすることができ、かつ、担体２１が受ける熱量Ｑ_{ｔｏｔａｌ}を許容熱量にすることができる目標入口空気過剰率ｔλ_ｉｎが設定される。すなわち、出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔをストイキにすることができ、かつ、担体２１が受ける熱量Ｑ_{ｔｏｔａｌ}を許容熱量にすることができる過渡目標入口空燃比ｔＡＦＲ_ｉｎが設定される。そして、入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎが過渡目標入口空燃比ｔＡＦＲ_ｉｎとなるように追加燃料Ｑｂの噴射量が制御され、追加燃料Ｑの噴射量が減少する。

このように、過渡時の空燃比制御が開始されると、まず出口空気過剰率λ_ｏｕｔが１になるように入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎが制御されるので、リッチからストイキ近傍まで入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎが急峻に変化する。これは前述したように、酸素吸蔵剤の発熱は、入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎがリーンのときに起こり、ストイキのときには起こらないため、リッチからストイキ近傍までは排気の空燃比を急峻に変化させても、酸素吸蔵剤で発熱が生じず、ＮＯｘ吸蔵還元触媒等が熱劣化するおそれがないためである。リッチからストイキ近傍までは入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎを急峻に変化させることで、追加燃料Ｑｂの噴射量を抑えることができるので、燃費の悪化を抑制できる。

入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎをストイキ近傍まで変化させた後は、第２空燃比センサ２１５で検出された出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔに基づいて、担体２１が受ける熱量Ｑ_{ｔｏｔａｌ}を許容熱量にすることができる目標入口空気過剰率ｔλ_ｉｎ、すなわち過渡目標入口空燃比ｔＡＦＲ_ｉｎが順次設定される。

入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎをストイキ近傍まで変化させることにより、排気温度Ｔ_ｇａｓが低下して熱量Ｑ_２が減少するため、その分熱量Ｑ_３を増大させる必要がある。その結果、入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎをストイキ近傍まで変化させた後は、目標入口空気過剰率ｔλ_ｉｎ、すなわち過渡目標入口空燃比ｔＡＦＲ_ｉｎが徐々に増加していく。また、酸素吸蔵剤に酸素が吸蔵されていくと酸素吸蔵剤の酸素吸蔵効率が低下していき、ある時点で出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔが増加していく。その結果、過渡目標入口空燃比ｔＡＦＲ_ｉｎがさらに増加していく。

そして、入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎが順次設定された過渡目標入口空燃比ｔＡＦＲ_ｉｎとなるように、追加燃料Ｑｂの噴射量が順次制御され、追加燃料Ｑの噴射量が徐々に減少していく。これにより、前後空燃比差が、酸素吸蔵剤の発熱による触媒床温の温度増加量が所定値（＝触媒床温を熱劣化床温まで増加させる温度増加量）未満となる前後空燃比差に制御される。そのため、酸素吸蔵剤の発熱による触媒床温の過剰な上昇を抑制できるので、ＮＯｘ吸蔵還元触媒等の熱劣化を抑制することができる。

時刻ｔ３で、追加燃料Ｑｂの噴射量（目標噴射量）がゼロになると、過渡時における空燃比制御が終了される。

以上説明した本実施形態によれば、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを酸化して吸蔵し、ストイキ又はリッチのときに吸蔵したＮＯｘを放出して還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中の酸素を吸蔵すると共に発熱し、リッチのときに吸蔵した酸素を放出する酸素吸蔵剤と、を担体２１に担持した触媒コンバータ２０を排気管（排気通路）１９に備える内燃機関１００を制御する電子制御ユニット（制御装置）２００が、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を硫黄被毒から回復させるときは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒から硫黄成分が放出されるＳＯｘ放出温度（所定温度）まで担体２１の温度を昇温させると共に触媒コンバータ２０に流入する排気の空燃比（入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎ）を交互にリーンとリッチに切り替える硫黄被毒回復制御を実施し、硫黄被毒回復制御時に排気の空燃比をリッチからリーンに切り替えるときは、排気の空燃比をリッチからリーンに向けて変化させるための排気の目標空燃比として、酸素吸蔵剤の発熱による担体２１の温度増加量が所定値未満となる過渡目標空燃比（過渡目標入口空燃比ｔλ_ｉｎ）を設定し、排気の空燃比をその過渡目標空燃比に制御するように構成されている。

具体的には、電子制御ユニット２００は、触媒コンバータ２０に流入する排気の空燃比と流出する排気の空燃比（出口空燃比ＡＦＲ_ｏｕｔ）との空燃比差（前後空燃比差）が、酸素吸蔵剤の発熱による担体２１の温度増加量が所定値未満となる空燃比差となるように、触媒コンバータ２０から流出する排気の空燃比に基づいて過渡目標空燃比を設定するように構成されている。

そのため、硫黄被毒回復制御時において、酸素吸蔵剤の発熱による触媒コンバータ２０の担体２１の温度上昇を抑えることができる。よって、触媒コンバータ２０や触媒コンバータ２０の担体２１に担持されたＮＯｘ吸蔵還元触媒の熱劣化を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば上記の実施形態では、（３）式から（６）式に基づいて演算によって目標入口空気過剰率ｔλ_ｉｎ、すなわち過渡目標入口空燃比ｔＡＦＲ_ｉｎを設定していたが、予め設定した傾きで入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎがリッチからリーンに向けて変化するように過渡目標入口空燃比ｔＡＦＲ_ｉｎを設定しても良い。

すなわち、酸素吸蔵剤の発熱による触媒床温の温度増加量が所定値未満となる入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎの傾きを予め実験等で求めておき、その傾きで入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎがリッチからリーンに向けて変化するように過渡目標入口空燃比ｔＡＦＲ_ｉｎを設定する。そして、入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎが過渡目標入口空燃比ｔＡＦＲ_ｉｎとなるように追加燃料Ｑｂの噴射量を制御する。この場合、入口空燃比ＡＦＲ_ｉｎの傾きについては、固定値としても良いし、排気温度Ｔ_ｇａｓや吸入空気量Ｇａなど機関運転状態に基づいて補正するようにしても良い。

このようにしても、上記の実施形態と同様の効果が得られるほか、電子制御ユニット２００の演算負荷を軽減することができる。また、目標入口空気過剰率ｔλ_ｉｎを演算するために必要だったセンサ類（例えば第２空燃比センサ２１５など）が不要となるので、コストの削減を図ることができる。

また、上記の実施形態では、燃料を圧縮自己着火燃焼させるように機関本体１を構成していたが、火花点火燃焼させるように構成しても良い。

また、上記の実施形態において、排気管１９に他の排気浄化触媒や、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタなどを別途に配置しても良い。

また、上記の実施形態では、排気の空燃比を制御するために燃料噴射量を制御していたが、必要に応じてスロットル弁１０の開度等を制御するようにしても良い。

１ 機関本体
１９ 排気管（排気通路）
２０ 触媒コンバータ
２１ 担体
１００ 内燃機関
２００ 電子制御ユニット（制御装置）

Claims (1)

1. 流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを酸化して吸蔵し、ストイキ又はリッチのときに吸蔵したＮＯｘを放出して還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中の酸素を吸蔵すると共に発熱し、リッチのときに吸蔵した酸素を放出する酸素吸蔵剤と、を担体に担持した触媒コンバータを排気通路に備える内燃機関の制御装置であって、
   前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒を硫黄被毒から回復させるときは、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒から硫黄成分が放出される所定温度まで前記担体の温度を昇温させると共に前記触媒コンバータに流入する排気の空燃比を交互にリーンとリッチに切り替える硫黄被毒回復制御を実施し、
   前記硫黄被毒回復制御時に排気の空燃比をリッチからリーンに切り替えるときは、排気の空燃比をリッチからリーンに向けて変化させるための排気の目標空燃比として、前記酸素吸蔵剤の発熱による前記担体の温度増加量が所定値未満となる過渡目標空燃比を設定し、排気の空燃比をその過渡目標空燃比に制御するように構成された、
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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