JP2017025801A

JP2017025801A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2017025801A
Application number: JP2015145824A
Authority: JP
Inventors: 真吾是永; Shingo Korenaga
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2035-07-23
Also published as: JP6376066B2; US20170138294A1; EP3159518A1; US10253720B2

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の制御装置に関し、リーンモードで運転中の内燃機関に、理論空燃比側への空燃比への変更が要求された場合に排気特性の悪化を阻止することを目的とする。【解決手段】NOx吸蔵還元触媒を排気通路に備える内燃機関を制御する。NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOxが放出閾値７６，８４に達したら、そのNOxを放出させるためのリッチ制御を実行する。混合気の空燃比がリーン限界に近い第２領域に属している状態では、リッチ制御の開始を判定する放出閾値７６をNOx吸蔵還元触媒のNOx吸蔵容量付近に設定する。混合気の空燃比が理論空燃比に近い第１領域に進入した場合は、放出閾値８４をより小さな値に変更する。【選択図】図９

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、リーン燃焼による運転モードを有する車載用内燃機関の制御装置として好適な制御装置に関する。

特許文献１には、排気通路にNOx吸蔵還元触媒を備える内燃機関が開示されている。この内燃機関は、混合気をリーン空燃比とするリーンモードで運転することができる。内燃機関の排気ガスにはNOxが含まれている。排気ガス中のNOx濃度は、混合気の空燃比により決せられ、理論空燃比よりリーン側の空燃比領域で高い値を示す。

より具体的には、排気ガス中のNOx濃度は、理論空燃比を僅かに越えた辺り（空燃比１６程度）で最大となり、そこから更に空燃比が高まる（リーン化する）に連れて、高い値を保ったまま減少する傾向を示す。このため、内燃機関をリーンモードで運転させる際には、NOxの大気放出を阻止することが必要になる。

上記の内燃機関が備えるNOx吸蔵還元触媒は、排気ガスに含まれるNOxを、自らの吸蔵能力の範囲内で吸蔵することができる。このため、この内燃機関によれば、リーンモードでの運転中にNOxが大気に排出されてしまうのを防ぐことができる。

また、上記の内燃機関は、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOx吸蔵量を積算し、その吸蔵量が判定量に達すると混合気の空燃比を一時的にリッチ化する制御（以下、「リッチ制御」と称す）を行う。NOx吸蔵還元触媒は、空燃比がリッチな排気ガスの供給を受けると、吸蔵しているNOxを放出する。このため、この内燃機関によれば、NOx吸蔵還元触媒がNOx飽和の状態に至る前にその再生を図ることができる。リッチ制御の実行に伴って放出されるNOxは、リッチな排気ガス中に含まれるHC等により還元され、浄化された状態で大気へ放出される。このため、上記の内燃機関によれば、排気ガスの浄化特性を損なうことなく、継続的にNOxの大気放出を阻止することができる。

特開２０００−１７０５７３号公報特開２００９−１６７９１６号公報

特許文献１に記載の内燃機関において燃費特性を改善するためには、リーンモードにおいて常用する空燃比を、燃焼が確保できる空燃比の上限値（リーン限界）付近とすることが望ましい。リーン領域における排気ガス中のNOx濃度は、上述した通り空燃比が高いほど薄くなる。従って、内燃機関からのNOx排出量を抑えるうえでも、その空燃比はリーン限界付近の値であることが望ましい。

また、上記の内燃機関において、良好な燃費特性を得るためには、多量の燃料消費を伴うリッチ制御の頻度を下げることも重要である。このためには、リッチ制御の開始を要求するNOx吸蔵量と、NOx吸蔵還元触媒の吸蔵容量との間のマージンを必要最小限に抑えることが必要である。

上記の内燃機関では、リッチ制御の開始が指令されると内燃機関に供給される混合気の空燃比がリッチ化される。そして、その後ある程度の遅延を伴って、リッチ化された排気ガスがNOx吸蔵還元触媒に到達する。この遅延の期間中、NOx吸蔵還元触媒には、リーンな排気ガス、つまり、NOxを多量に含む排気ガスが流入する。上述したマージンが、その間に流入するNOx量より多量であれば、NOx吸蔵還元触媒の下流にNOxが吹き抜けることはない。このため、上記のマージンは、その遅延の間に流入するNOx量をカバーするように設定することが必要である。

このNOx流入量は、リーンモード中の内燃機関から排出される排気ガス中のNOx濃度や、その内燃機関に固有な上記遅延の時間等により決定される。そして、その排気ガス中のNOx濃度は、リーンモード中に常用される空燃比を前提として設定することが望ましい。従って、リーンモード中にリーン限界付近の空燃比を常用するとすれば、上記のマージンは、そのリーン限界付近の空燃比を前提として決定することが望ましい。

しかしながら、内燃機関においては、様々な状況に対応するため、空燃比の変更が求められる場合がある。特許文献１の内燃機関においても、リーンモードでの運転中に、リーン限界付近の空燃比から、より理論空燃比側の空燃比へのシフトが求められる事態が生じ得る。そして、内燃機関において、リーン限界付近の空燃比が理論空燃比側にシフトすると、排気ガス中のNOx濃度が急激に高まり、NOx吸蔵還元触媒へのNOx流入量が急増する事態が生じ得る。この際、NOx吸蔵還元触媒に、リッチ制御の開始を要求する判定量に近いNOxが既に吸蔵されていれば、再生が始まるまでのタイムラグの間に、NOx吸蔵還元触媒からNOxが吹き抜ける事態が生ずる。このように、特許文献１に記載の内燃機関は、リーンモードの実行中に空燃比が理論空燃比側へシフトした場合に、一時的にではあるが排気特性を悪化させる可能性を有するものであった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、リーンモードで運転中の内燃機関に、理論空燃比側への空燃比への変更が要求された場合にも、その内燃機関の排気特性を悪化させることのない制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、NOx吸蔵還元触媒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吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOxを放出させるために混合気をリッチ空燃比とするリッチ制御を実行し、
混合気の空燃比が第１領域に属している状態で前記リッチ制御を開始する際の前記NOx吸蔵還元触媒内のNOx吸蔵量は、前記空燃比が第２領域に属している状態で前記リッチ制御を開始する際の前記NOx吸蔵量より少なく、
前記第１領域は、理論空燃比よりリーン側の空燃比領域であり、
前記第２領域は、前記第１領域より更にリーン側であり、前記内燃機関の排気ガス中のNOx濃度が、前記第１領域でのNOx濃度よりも低くなる空燃比領域であることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記排気通路には前記NOx吸蔵還元触媒と直列に三元触媒が配置されており、
前記第１領域は、前記三元触媒の浄化ウィンドウよりリーン側の空燃比領域であることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記NOx吸蔵還元触媒に流入するNOx量を積算することで前記NOx吸蔵量を算出し、
前記NOx吸蔵量が放出閾値に達したら前記リッチ制御を実行し、
混合気の空燃比が前記第１領域に属している場合は、前記空燃比が前記第２領域に属している場合に比して、前記放出閾値を低い値とすることを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記第２領域での運転中に点火時期の遅角要求が生じた場合に、当該遅角要求に応じて前記点火時期を遅角すると共に、混合気の空燃比をリッチ化し、
前記リッチ化後の空燃比が前記第１領域に属する場合には、前記放出閾値を、前記第２領域用の値から前記第１領域用の値に下げることを特徴とする。

また、第５の発明は、第４の発明において、
内燃機関の出力トルクの増大が予想される場合に、当該増大を抑える遅角要求を発生し、
点火時期の遅角可能量と空燃比との関係を記憶しており、
当該関係の前記遅角可能量に前記遅角要求を当てはめることにより、前記リッチ化後の空燃比を算出することを特徴とする。

また、第６の発明は、第５の発明において、前記関係は、前記遅角可能量と、当該遅角可能量の反映された点火時期により混合気を適正に燃焼させることのできる空燃比との関係であることを特徴とする。

第１の発明によれば、内燃機関は、第１領域に属するリーン空燃比と、第２領域に属するリーン空燃比を用いて運転することができる。第１領域では、第２領域に比して排気ガス中のNOx濃度は高くなる。第１領域に属している状態では、第２領域に属している状態に比してNOx吸蔵量が少ない段階でリッチ制御が開始される。NOx吸蔵量が少ない段階でリッチ制御が開始されれば、排気ガス中のNOx濃度が高くても、NOxの吹き抜けは防ぐことができる。このため、本発明によれば、使用中のリーン空燃比が第１領域に属していても第２領域に属していても、排気特性を損なうことなく、良好な燃費特性を内燃機関に付与することができる。

第２の発明によれば、第１領域よりリッチ側の空燃比が用いられる場合は、三元触媒により排気ガスの浄化が図られる。三元触媒の浄化ウィンドウからリーン側に外れる空燃比領域では、第１の発明の場合と同様に、内燃機関に対して、良好な燃費特性と排気特性を付与することができる。

第３の発明によれば、第１領域で用いられる放出閾値を、第２領域で用いられる放出閾値に比して低い値にすることにより、確実に、第１領域でリッチ制御が開始されるタイミングを、第２領域でリッチ制御が開始されるタイミングに比して早めることができる。

第４の発明によれば、第２領域で遅角要求が生じた場合に、空燃比をリッチ化することで混合気の燃焼性を高めることができる。このため、点火時期の遅角に伴う燃焼性の悪化に関わらず、混合気を適切に燃焼させることができる。また、その際のリッチ化に伴って空燃比の領域が第２領域から第１領域に変化した場合には、放出閾値が下げられるため、リッチ制御の開始遅れによるNOxの吹き抜けも確実に阻止することができる。

第５の発明によれば、出力トルクの増大を点火時期の遅角により総裁することができる。そして、予め記憶している遅角可能量と空燃比との関係に遅角要求を当てはめることにより、遅角後の点火時期に応じた適切な空燃比を算出することができる。このため、本発明によれば、出力トルクの変化を適切に吸収しつつ、混合気の空燃比を適切に制御することができる。

第６の発明によれば、出力トルクの変化を点火時期の遅角で適切に吸収しつつ、その遅角後の点火時期により適正な燃焼を得られる空燃比に混合気を制御することができる。このため、本発明によれば、リーン空燃比で運転中の内燃機関を、極めてスムーズに作動させ続けることができる。

本発明の実施の形態１の構成を示す図である。内燃機関の排気ガス中の成分濃度と空燃比の関係を示す図である。図１に示す内燃機関がリッチ制御を実行した際の動作を説明するためのタイミングチャートである。図１に示す内燃機関において生ずるトルク変動と空燃比との関係を示す図である。図１に示す内燃機関において生ずるトルク変動と点火時期の遅角量との関係を、リーン空燃比の場合と理論空燃比の場合とで対比して表した図である。図１に示す内燃機関において解決すべき課題を説明するためのタイミングチャートである。本発明の実施の形態１において電子制御ユニットが実行するルーチンのフローチャートである。点火時期の遅角可能量と空燃比との関係を定めたマップの一例である。本発明の実施の形態１の動作を説明するためのタイミングチャートである。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は本発明の実施の形態１の構成を示す。本実施形態は内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、吸気ポート１２側に、吸気弁１４を駆動する可変動弁機構（以下、「InVVT」とする）１６を備えている。また、内燃機関１０は、排気ポート側に、排気弁２０を駆動する可変動弁機構（以下、「ExVVT」とする）２２を備えている。InVVT１６及びExVVT２２は、それぞれ、吸気弁１４及び排気弁２０の作動タイミングを変化させることができる。

内燃機関１０は、気筒毎に、点火プラグ２４、筒内噴射弁２６、及びポート噴射弁２８を備えている。更に、内燃機関１０には、水温センサ３０及びクランク角センサ３２が装備されている。クランク角センサ３２によれば、内燃機関１０の回転速度Neを検知することができる。

内燃機関１０の排気ポート１８には、排気マニホールド３４を介して排気通路３６が連通している。排気通路３６は、ターボチャージャ３８のタービン４０に連通している。また、排気通路３６は、タービン４０をバイパスするバイパス通路４１を備えている。バイパス通路４１には、ウェストゲートバルブ４２が組み込まれている。タービン４０及びバイパス通路４１の下流には、三元触媒４３及びNOx吸蔵還元触媒（NSR触媒）４４が配置されている。

三元触媒４３の上流には空燃比センサ４５が配置されている。空燃比センサ４５は、空燃比に対してリニアな信号を発生する。三元触媒４３の下流には酸素センサ４６が配置されている。酸素センサ４６は、理論空燃比を境にして、リーン側とリッチ側とでステップ的に変化する信号を出力する。NSR触媒４４の下流には、NOx濃度に応じた信号を発するNOxセンサ４７が設置されている。また、NSR触媒４４には、触媒床温に応じた信号を発する触媒温度センサ４８が装着されている。

内燃機関１０の吸気ポート１２には、吸気マニホールド５０及びサージタンク５２を介して吸気通路５４が連通している。吸気通路５４は、エアフィルタ５６の下流に、吸入空気量Gaを検出するためのエアフロメータ５８を備えている。エアフロメータ５８の下流には、ターボチャージャ３８のコンプレッサ６０が配置されている。また、コンプレッサ６０の下流には、インタークーラ６２、過給圧センサ６４及び電子式のスロットル弁６６が配置されている。

スロットル弁６６の近傍には、スロットル開度センサ６８が設けられている。また、スロットル弁６６の下流には、サージタンク５２に装着された吸気圧センサ７０が配置されている。

また、本実施形態は、電子制御ユニット（以下、「ECU」とする）７２を備えている。ECU７２には、上述した各種センサ及びアクチュエータに加えて、アクセル開度センサ７４が電気的に接続されている。ECU７２は、アクセル開度センサ７４の出力に基づいて、車両のドライバーの要求を検知することができる。

［実施の形態１の動作］
（リーンモード運転）
図２は、混合気の空燃比と排気ガス中の成分濃度との関係を示す。図２に示すように、排気ガス中のCO濃度は、理論空燃比よりリーンな領域ではほぼゼロとなり、理論空燃比よりリッチな領域では混合気がリッチであるほど高くなる。また、HCは、リッチ領域で高濃度になり易く、リーン領域では比較的低濃度に維持される。そして、NOx濃度は、理論空燃比より僅かにリッチな１６程度の空燃比でピークを示し、そこから更に空燃比がリーン化するに連れて、高い値を保ってなだらかに低下する。

内燃機関１０が備える三元触媒４３は、理論空燃比の近傍に浄化ウィンドウを有しておおり、混合気の空燃比がそのウィンドウに収まる場合には、CO、HC及びNOxの全てを浄化することができる。以下、その空燃比領域を「理論空燃比領域」と称す。従って、混合気の空燃比を理論空燃比領域内で制御すれば、内燃機関１０の排気特性は、三元触媒４３により良好に保つことができる。

本実施形態の内燃機関１０は、混合気の空燃比を、理論空燃比領域よりリーンな値とするリーンモード運転を行う。混合気の空燃比が、理論空燃比領域からリーン側に外れた領域（以下、その領域を「リーン領域」と称す）にある場合は、CO濃度がほぼゼロとなり、HC濃度もさほど高い値にはならない。しかし、リーン領域では、図２に示すように、その全域でNOx濃度が高い値となる。このため、内燃機関１０がリーンモードで運転される際には、三元触媒４３の下流にNOxが吹き抜ける事態が生ずる。

本実施形態では、このようにして吹き抜けてくるNOxの大気放出を防ぐために、三元触媒４３の下流にNSR触媒４４を設置している。NSR触媒４４は、排気ガスがリーンである場合は、自らの吸蔵容量の範囲内で、排気ガス中のNOxを吸蔵することができる。このため、図１に示すシステムによれば、NSR触媒４４が適切にNOxを吸蔵し得る状態にある限り、大気中へのNOxの放出を防ぐことができる。

NSR触媒４４内のNOx吸蔵量は、リーンモード運転が継続されるに連れて増加する。そして、その状態が長期に渡って継続すれば、やがてはNSR触媒４４がNOx飽和の状態に至る。本実施形態において、内燃機関１０は、NSR触媒４４内のNOx吸蔵量が、NOx飽和を起こす間際の値（以下、「放出閾値」と称す）に達すると、混合気の空燃比を一時的にリッチな値とする。以下、この制御を「リッチ制御」と称す。NSR触媒４４は、燃料リッチな排気ガスの供給を受けると、吸蔵しているNOxを放出する。このため、リッチ制御が行われるとNSR触媒４４に吸蔵されていたNOxが放出され、NSR触媒４４の再生が図られる。この際、放出されるNOxは、排気ガス中に含まれるCOやHCにより還元（浄化）される。従って、内燃機関１０は、リッチ制御を適宜実施することにより、NOxの大気放出を継続的に防ぐことができる。

（リーンモードでの常用空燃比）
内燃機関１０の燃費特性を向上させるうえでは、混合気の空燃比がリーンであるほど有利である。また、図２を参照して説明した通り、リーン領域でのNOx濃度は、空燃比がリーンであるほど低下する。従って、NSR触媒４４内のNOx吸蔵量の増加速度を抑えるうえでも、リーンモードで常用される空燃比はリーンであるほど望ましい。このため、本実施形態では、リーンモードでの常用空燃比を、適正な燃焼が得られるリーン限界付近の値（例えば２５〜２６程度）としている。

（NOx吸蔵量の放出閾値）
図３は、リーン限界付近の空燃比を用いてリーンモードが継続された場合の本実施形態の動作を説明するためのタイミングチャートである。図３において、符号７６を付して示す破線は、リッチ制御の開始を判定するための「放出閾値」を示す。また、符号７８を付して示す一点鎖線はNSR触媒４４の「NOx吸蔵容量」を表している。

図３に示す例では、時刻t31に、NOx吸蔵量が放出閾値７６に達し、リッチ制御の開始が指令されている。リッチ制御の開始が指令されると、内燃機関１０の混合気は、リーン限界付近の値からリッチ空燃比に変更される。リッチ化された混合気は、燃焼室内で燃焼した後、ある程度のタイムラグを伴ってNSR触媒４４に到達する。その結果、図３に示す例では、時刻t32に、NSR触媒４４における空燃比がリーンからリッチに反転している。

リッチ制御の開始が判定された時刻t31から、NSR触媒４４の空燃比がリッチに変化する時刻t32までの間は、引き続きNSR触媒４４に、高濃度でNOxを含むリーンな排気ガスが流入する。このため、NOx吸蔵量は、時刻t31の後も増加を続け、時刻t32にNOxの放出が開始された後に急激に減少する。

本実施形態のシステムは、リッチ制御の開始後、NOx吸蔵量が終了閾値まで低下すると、リッチ制御を終了する。図３に示す例では、時刻t33にその終了の指令が発せられている。これにより混合気の空燃比は再びリーン限界付近の値に変更され、リーンモードでの運転が再開される。その後、時刻t34には、NSR触媒４４に流入する排気ガスの空燃比が再びリーンとなり、NOx吸蔵量が増加に転ずる。

以上説明した通り、NSR触媒４４には、リーン制御の開始が判定された後も、上記のタイムラグの間は、引き続きNOx濃度の高い排気ガスが流入する。その結果、NOx吸蔵量のピーク値は、放出閾値７６を越える値となる。このピーク値がNSR触媒４４のNOx吸蔵容量７８を超えてしまうと、NOxが大気中に放出されてしまう。このため、放出閾値７６は、そのような事態が生じないよう、NOx吸蔵容量７８との間に十分なマージンが確保されるように設定する必要がある。

他方、放出閾値７６の値が小さすぎると、リッチ制御の開始が必要以上に判定されてしまい、その実行頻度が不必要に高まる事態が生ずる。リッチ制御の実行中は、リーンモードでの運転中に比して多分に燃料が消費される。このため、内燃機関１０の燃費特性を高めるうえで、リッチ制御が不必要に繰り返される事態は好ましいものではない。

以上の観点より、リッチ制御の開始を判定するための放出閾値７６は、以下のような関係を満たす値であることが理想的である。
(放出閾値７６)＝(NOx吸蔵容量７８)−(時刻t31〜t32のNOx流入量) ・・・（式１）
そして、本実施形態では、具体的には、以下の手法により放出閾値７６を決定する。
(Step1)右辺第２項の「時刻t31〜t32のNOx流入量」を、リーンモードでの常用空燃比、つまり、リーン限界付近の空燃比を前提として想定する。
(Step2)安全マージンを確保しておくため、上記（式１）で定まる値より僅かに小さな値を、放出閾値７６として決定する。

上記の設定によれば、不必要に高い頻度でリッチ制御が実行されてしまうのを防ぐことができる。また、リッチ制御の開始指令の後に、NOxが、NSR触媒４４を吹き抜けて大気に放出されてしまうのを適切に回避することができる。このため、本実施形態によれば、内燃機関１０に対して、良好な燃費特性と、良好な排気特性の双方を付与することができる。

（点火遅角と空燃比の関係）
内燃機関１０においては、様々な状況において、点火時期の遅角が要求されることがある。例えば、自動変速機の作動に伴うトルクショックが予測される場合に、そのショックを吸収するために点火時期の遅角が求められる場合がある。また、触媒の早期暖機を目的として点火時期の遅角が求められる場合がある。このような遅角要求は、リーンモードでの運転中にも発生することがある。

図４は、内燃機関１０のトルクに現れる変動（TF：Torque Fluctuation）と空燃比の関係を示す。図４に示すように、内燃機関１０のTFは、空燃比が２６を超える辺りから急激な立ち上がりを示す。リーンモードでは、その立ち上がりが生ずる間際の空燃比がリーン限界付近の空燃比として常用される。つまり、本実施形態では、安定した燃焼が確保できるぎりぎりの空燃比を用いてリーンモードの運転が行われる。

混合気の燃焼性は、点火時期がMBT（Minimum advance for the Best Torque）から遅角されるに連れて悪化する。このため、リーン限界付近の空燃比での運転中に単純に点火時期が遅角されると、内燃機関１０のTFが悪化する事態が生じ得る。

図５は、内燃機関１０のTFと点火時期の遅角量との関係を、空燃比がリーンの場合と理論空燃比が用いられる場合との対比で表した図である。図５において、符号８０を付して示す実線は、空燃比がリーンである場合のTFを示す。また、符号８２を付して示す破線は、理論空燃比を使用した際のTFを示している。

図５に示す実線８０は、空燃比がリーンである場合、点火時期がMBTから遅角された段階からTFが悪化し始めることを示している。一方、破線８２は、理論空燃比の場合は、MBTからの遅角量が４°CAを超える辺りまではTFに悪化が生じないことを示している。これらの傾向から明らかなように、理論空燃比付近のTFは、リーン限界付近のTFに比して、点火時期の遅角に対して高い耐性を有している。そこで、本実施形態では、リーンモードでの運転中に点火時期の遅角要求が生じた場合には、混合気の空燃比を、リーン限界付近の値から理論空燃比側へリッチ化することとした。

（空燃比のリッチ化に伴うNOx増加）
次に、リーンモードでの運転中に空燃比をリッチ化することに伴う課題について説明する。以下の記載において、空燃比領域の区分は、下記の定義によるものとする。
「理論空燃比領域」：三元触媒４３の浄化ウィンドウと重なる領域（上記参照）
「リーン領域」：理論空燃比領域のリーン側に隣接する領域（上記参照）
「第１領域」：リーン領域中、理論空燃比領域に隣接し下記第２領域より高い濃度でNOxを発生させる領域
「第２領域」：リーン領域中、第１領域のリーン側境界とリーン限界の間に位置し、リーンモードにおいて常用される空燃比領域

図６は、リーンモードでの運転中に、遅角要求の発生に合わせて空燃比をリッチ化する際の課題を説明するためのタイミングチャートである。図６に示す例では、時刻t61までNSR触媒４４における空燃比がリーン限界付近の空燃比、つまり、第２領域に属する空燃比に維持されている。そして、点火時期の遅角に合わせた空燃比のリッチ化により、時刻t61に、NSR触媒４４における空燃比が、理論空燃比側にリッチ化されている。ここでは、そのリッチ化により空燃比が第２領域から第１領域に変化したものとする。

リーン領域で空燃比がリッチ方向に変化した場合、排気ガス中のNOx量が増加する（図２参照）。特に、空燃比が第２領域から第１領域に変化する際には、NOxの排出量が顕著に増加する。このため、図６に示す例では、時刻t61において、NOx吸蔵量の増加率が高くなっている。

時刻t62にNOx吸蔵量が放出判定値に達すると、その時点でリッチ制御の開始が判定される。その結果、図６に示す例では、所定のタイムラグを経た時刻t63に、NSR触媒４４における空燃比がリッチ空燃比に変化している。以後、NSR触媒４４内のNOxの放出が開始され、NOx吸蔵量が急激に減少する。

上記の動作において、時刻t62から時刻t63までのタイムラグの間に、NOx吸蔵量は、第１領域の空燃比に起因する高い増加率で増加する。放出閾値７６とNOx吸蔵容量７８との間のマージンは、第２領域の空燃比による低い増加率を想定して設定されている。このため、時刻t62において第１領域の空燃比が用いられていると、NOxの放出が開始される前にNSR触媒４４がNOx飽和の状態に至り、NOxが大気中に放出されてしまう事態が生じ得る。従って、第１領域の空燃比を用いる際には、何らかの手法でそのような大気放出を防ことが必要である。

（リッチ制御の開始タイミング）
第１領域の空燃比を用いた際にNOxの大気放出が生ずるのは、放出閾値７６とNOx吸蔵容量７８との間のマージンが小さいことによる。従って、そのマージンをより大きなものとすれば、NOxの大気放出は阻止することができる。そこで、本実施形態では、リーンモードでの運転中に空燃比のリッチ化が要求された場合は、常用する放出閾値７６より更に小さな放出閾値を新たに設定することとした。このような新たな設定によれば、NOxの放出が現実の開始されるタイミングを早めることができ、NOxの大気放出を適切に阻止することができる。

（電子制御ユニットによる処理）
図７は、上記の機能を実現するために本実施形態においてECU７２が実行するルーチンのフローチャートである。図７に示すルーチンは、リーンモードでの運転中に、個々の気筒の燃焼サイクル毎に起動されるものとする。但し、ECU７２は、リーンモードでの運転中は、別ルーチンにより、第２領域に属する空燃比を常用して内燃機関１０を作動させるものとする。

図７に示すルーチンが起動されると、先ず、内燃機関１０において点火時期の遅角要求が生じているか否かが判別される（ステップ１００）。遅角要求は、上述した通り、自動変速機の変速時や、早期暖機のために排気エネルギを増やす必要がある場合などに生ずる。ECU７２は、何れかの要因で点火時期の遅角が要求されている場合に、遅角要求フラグをオンとする。ここでは、そのフラグの状態に基づいて上記判定がなされる。

上記の処理により遅角要求が生じていないと判別された場合は、速やかに今回のルーチンが終了される。一方、遅角要求の発生が認められた場合は、次に、要求遅角量が算出される（ステップ１０２）。ECU７２は、要求の要因毎に要求遅角量の算出方法を記憶している。ここでは、それらの方法に従って、発生中の要因に適した要求遅角量が算出される。

次に、目標空燃比が算出される（ステップ１０４）。図８は、内燃機関１０において成立するMBTからの遅角可能量と空燃比との関係を示す。図８に示すように、遅角可能量は、空燃比がリーンになるほど小さく、空燃比がリッチになるほど大きくなる傾向を示す。ECU７２は、図８に対応するマップを記憶している。本ステップ１０４では、上記ステップ１０２で算出された要求遅角量（例えば「A」）を、図８の縦軸に当てはめて、対応する空燃比を読み出すことにより目標空燃比A/Ftを算出する。

上記の処理が終わると、次に、目標空燃比A/Ftが第１領域に属しているか否かが判別される（ステップ１０６）。ECU７２は、第１領域の下限空燃比（const.1）及び上限空燃比（const.2）を記憶している。ここでは、具体的には、目標空燃比A/Ftがそれらの間に収まる値であるかが判別される。尚、図８は、目標空燃比A/Ftが第1領域に属する場合を例示している。

目標空燃比A/Ftが第１領域に属していると判別された場合は、空燃比の領域が第２領域から第１領域に変化すると判断できる。つまり、NOx吸蔵量が以後急増すると予測することができる。この場合、ECU７２は、リッチ制御の開始判定を早めるべく、NOxの放出閾値を、図３又は図６に示す放出閾値７６に比して小さな値に変更する（ステップ１０８）。より具体的には、ECU７２は、第２領域の空燃比を前提として設定した放出閾値７６と同様に、第１領域の空燃比を前提とした放出閾値（８４、図９参照）を記憶している。ここでは、前者の放出閾値７６に代えて後者の放出閾値８４を有効とするための処理を行う。

一方、上記ステップ１０６の判定が否定された場合は、空燃比の変更に伴ってNOx増加率に大きな変化は現れないと判断することができる。この場合は、上記ステップ１０８がジャンプされ、放出閾値が第２領域用の値（７６）のまま維持される。

上記の処理が終わると、最後に、点火時期の遅角処理が行われる（ステップ１１０）。以上の処理によれば、内燃機関１０のTFを悪化させることなく点火時期の遅角要求に応え、かつ、NOxの大気放出を適切に回避することができる。

（第１領域での動作と第２領域での動作の対比）
図９は、空燃比が第２領域に維持される場合の動作（時刻t91〜t92）と、空燃比が第１領域に進入する場合の動作（時刻t92以降）とを対比して表したタイミングチャートである。図９に示すように、本実施形態では、点火時期の遅角に伴ってリッチ化される空燃比が第２領域に維持されるのか、第１領域に侵入するのかに応じて、二種類の放出閾値７６，８４が適宜使い分けられる。そして、放出閾値７６を用いることにより、リッチ制御の無駄な繰り返しを有効に排除することができる。また、放出閾値８４を用いることにより、空燃比のリッチ化に関わらずNOxの大気放出を適切に防ぐことができる。

［実施の形態１の変形例］
ところで、上述した実施の形態１では、リーンモードでの運転中に空燃比が第１領域に進入するようにリッチ化された場合に、常に放出閾値７６を放出閾値８４に変更することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、空燃比がリッチ化される際に、その時点でのNOx吸蔵量を確認して、空燃比がリッチ化されている間のNOx排出量が吸蔵しきれないと判断される場合にのみ放出閾値を変更することとしてもよい。

また、上述した実施の形態１では、空燃比のリッチ化を要求する要因を点火時期の遅角に限定しているが、本発明はこれに限定されるものではない。内燃機関１０においては、トルクの増大を目的にする場合など、種々の場面で空燃比のリッチ化が求められることがある。本発明は、空燃比がリッチ化される何れの場面についても適用が可能である。

１０内燃機関
２４点火プラグ
４３三元触媒
４４ NOx吸蔵還元触媒（NSR触媒）
７２電子制御ユニット（ECU）
７６、８４放出閾値
７８ NOx吸蔵容量

Claims

NOx吸蔵還元触媒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吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOxを放出させるために混合気をリッチ空燃比とするリッチ制御を実行し、
混合気の空燃比が第１領域に属している状態で前記リッチ制御を開始する際の前記NOx吸蔵還元触媒内のNOx吸蔵量は、前記空燃比が第２領域に属している状態で前記リッチ制御を開始する際の前記NOx吸蔵量より少なく、
前記第１領域は、理論空燃比よりリーン側の空燃比領域であり、
前記第２領域は、前記第１領域より更にリーン側であり、前記内燃機関の排気ガス中のNOx濃度が、前記第１領域でのNOx濃度よりも低くなる空燃比領域である内燃機関の制御装置。
前記排気通路には前記NOx吸蔵還元触媒と直列に三元触媒が配置されており、
前記第１領域は、前記三元触媒の浄化ウィンドウよりリーン側の空燃比領域である請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
前記NOx吸蔵還元触媒に流入するNOx量を積算することで前記NOx吸蔵量を算出し、
前記NOx吸蔵量が放出閾値に達したら前記リッチ制御を実行し、
混合気の空燃比が前記第１領域に属している場合は、前記空燃比が前記第２領域に属している場合に比して、前記放出閾値を低い値とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
前記第２領域での運転中に点火時期の遅角要求が生じた場合に、当該遅角要求に応じて前記点火時期を遅角すると共に、混合気の空燃比をリッチ化し、
前記リッチ化後の空燃比が前記第１領域に属する場合には、前記放出閾値を、前記第２領域用の値から前記第１領域用の値に下げる請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
内燃機関の出力トルクの増大が予想される場合に、当該増大を抑える遅角要求を発生し、
点火時期の遅角可能量と空燃比との関係を記憶しており、
当該関係の前記遅角可能量に前記遅角要求を当てはめることにより、前記リッチ化後の空燃比を算出する請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
前記関係は、前記遅角可能量と、当該遅角可能量の反映された点火時期により混合気を適正に燃焼させることのできる空燃比との関係である請求項５に記載の内燃機関の制御装置。