JP4765757B2

JP4765757B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP4765757B2
Application number: JP2006130219A
Authority: JP
Inventors: 泰之入澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2026-05-09
Also published as: JP2007303300A

Description

本発明は、リーン空燃比で運転可能な内燃機関の制御装置に関する。

理論空燃比より希薄なリーン空燃比で運転可能なリーンバーンエンジンが実用化されている。リーン空燃比で運転しているときは、排出ガスの中に多量の酸素が含まれているため、ＮＯｘを三元反応によって浄化することはできない。そこで、リーンバーンエンジンの排気通路に、ＮＯｘを吸蔵可能なＮＯｘ触媒を設け、リーン空燃比運転時にはＮＯｘをＮＯｘ触媒に一時的に吸蔵するようにしたシステムがある。

ＮＯｘ触媒は、その温度が、ある帯域（例えば３００℃〜５００℃）に入っていないと、効率良くＮＯｘを吸蔵することができないという特性を有している。このため、大気中へのＮＯｘの放出を防止する上では、ＮＯｘ触媒の温度が上記のような温度域（以下、「吸蔵可能温度域」と称する）に入っていない場合には、リーン空燃比運転を行わず、ＮＯｘを三元反応によって浄化できる理論空燃比運転を行うように制御することが望ましい。

しかしながら、ＮＯｘ触媒内の温度は必ずしも均一ではないのが普通である。つまり、ＮＯｘ触媒内に、吸蔵可能温度域に入っている部分と、吸蔵可能温度域に入っていない部分との両方が混在する場合がある。

そのような事情に鑑み、特表２００３−５０３６２２号公報には、ＮＯｘ触媒を複数のセル（区画）に分割してセル毎の温度を検出し、少なくとも一つのセル温度に基づいて内燃機関の運転モードを決定する運転モード制御方法が開示されている。

特表２００３−５０３６２２号公報特開２００３−１２０２７４号公報特開２００４−３２４５３８号公報

同公報記載の運転モード制御方法では、理論空燃比運転中に少なくとも一つのセルが吸蔵可能温度域に入ったことを条件として、リーン空燃比運転に切り替えるようにしている。しかしながら、高負荷域や高回転域のように、排出ガス量が多い場合には、吸蔵可能温度域に入ったセルのみではＮＯｘを捕捉しきれず、ＮＯｘ触媒下流にＮＯｘが吹き抜ける事態が生じ易い。

また、同公報記載の運転モード制御方法では、リーン空燃比運転中に少なくとも一つのセルが吸蔵可能温度域から外れたことを条件として、理論空燃比運転に切り替えるようにしている。しかしながら、低負荷域や低回転域のように、排出ガス量が少ない場合には、一部のセルが吸蔵可能温度域から外れたとしても、ＮＯｘを十分に捕捉可能であることも多い。このため、同公報記載の制御方法では、リーン空燃比運転領域を不必要に狭くなってしまい、リーンバーンエンジンの燃費改善効果を最大限に活用できない。

このように、上記公報に記載された運転モード制御方法では、様々な運転状態を考えた場合、必ずしも良好な燃費やエミッションを得ることはできない。

ところで、従来のリーンバーンエンジンには、次のような他の問題もある。ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元浄化するには、排気空燃比を一時的にリッチまたはストイキとするリッチスパイクを行う。リッチスパイクを行うと、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ_２等の還元剤成分がＮＯｘ触媒に到達し、吸蔵されたＮＯｘをＮ_２に還元して離脱させることができる。ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘがすべて還元放出されると、上記還元剤成分がＮＯｘ触媒の下流に漏れ出してくる。

従来は、ＮＯｘ触媒の下流に設けた０_２センサにより、ＮＯｘ触媒下流への還元剤成分の漏れ出しを検出することで、リッチスパイクを終了するタイミングを判定している。しかしながら、このような方法でリッチスパイクの終了タイミングを決める場合には、リッチスパイクの終了時に必然的にＨＣ、ＣＯ、Ｈ_２がＮＯｘ触媒の下流に吹き抜けることになる。このため、これらの還元剤成分の放出によってエミッションが悪化し易い問題がある。

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、リーン空燃比で運転可能な内燃機関において、優れた燃費性能およびエミッション性能を得ることのできる内燃機関の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、内燃機関の制御装置であって、
リーン空燃比で運転可能な内燃機関の排気通路に配置された吸蔵還元型のＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒内を仮想的に複数の区画に分けて、その区画毎の温度を検出または推定する触媒温度取得手段と、
前記内燃機関の運転状態に基づいて、その運転状態の下で排出される排出ガス量に対して必要とされる前記ＮＯｘ触媒の区画数を算出する必要区画数算出手段と、
前記触媒温度取得手段により取得された前記ＮＯｘ触媒の各区画の温度に基づいて、ＮＯｘを吸蔵するのに適した所定の温度域に入っている吸蔵可能区画を判別する吸蔵可能区画判別手段と、
前記吸蔵可能区画の数と、前記必要区画数算出手段により算出された必要区画数とを比較した結果に基づいて、前記内燃機関の運転モードを切り換える運転モード切換手段と、
を備え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、
前記運転モード切換手段は、前記吸蔵可能区画数が前記必要区画数以上である場合には、リーン空燃比運転モードを選択する手段を含むことを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記運転モード切換手段は、前記吸蔵可能区画数が前記必要区画数未満である場合には、理論空燃比運転モードを選択する手段を含むことを特徴とする。

また、第４の発明は、内燃機関の制御装置であって、
リーン空燃比で運転可能な内燃機関の排気通路に配置された吸蔵還元型のＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘの還元浄化が必要な場合に、排気空燃比を一時的にリッチまたは理論空燃比とするリッチスパイクを行うリッチスパイク手段と、
前記ＮＯｘ触媒内を仮想的に複数の区画に分けて、その区画毎の温度を検出または推定する触媒温度取得手段と、
前記内燃機関の運転状態に基づいて、その運転状態の下で排出される排出ガス量に対して必要とされる前記ＮＯｘ触媒の区画数を算出する必要区画数算出手段と、
前記触媒温度取得手段により取得された前記ＮＯｘ触媒の各区画の温度に基づいて、ＮＯｘを吸蔵するのに適した所定の温度域に入っている吸蔵可能区画を判別する吸蔵可能区画判別手段と、
前記リッチスパイクの実行中に、当該リッチスパイクを終了すべき時期を判定する終了時期判定手段と、
を備え、
前記終了時期判定手段は、前記必要区画数算出手段により算出された必要区画数をＮとしたとき、前記吸蔵可能区画のうちで上流側から数えてＮ番目にある区画の、当該リッチスパイク開始前に比しての温度上昇が所定の終了判定値以上になった判断されたときを当該リッチスパイクの終了時期とす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、
前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記終了判定値を設定する終了判定値設定手段を更に備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、ＮＯｘ触媒内を仮想的に複数の区画（セル）に分けて、その区画毎の温度を検出または推定することにより、ＮＯｘを吸蔵するのに適した所定の温度域に入っている吸蔵可能区画を判別することができる。一方、内燃機関の運転状態からは、その運転状態の下で排出される排出ガス量に対して必要とされる区画数を算出することができる。そして、第１の発明によれば、吸蔵可能区画数と必要区画数とを比較した結果に基づいて、内燃機関の運転モードを切り換えることができる。吸蔵可能区画数が必要区画数以上であれば、リーン空燃比運転を行った場合でも、排出ガス中のＮＯｘをＮＯｘ触媒で十分に捕捉することができると判断できる。つまり、吸蔵可能区画数と必要区画数とを比較することにより、リーン空燃比運転を行うべきかどうかを適切に判断することが可能である。よって、第１の発明によれば、内燃機関の運転モードを切り換えるべき条件を適切に判断することができるので、優れた燃費性能とエミッション性能を両立することができる。

第２の発明によれば、吸蔵可能区画数が必要区画数以上である場合には、リーン空燃比運転が行われる。吸蔵可能区画数が必要区画数以上であれば、リーン空燃比運転を行った場合でも、排出ガス中のＮＯｘをＮＯｘ触媒で十分に捕捉することができる。このため、吸蔵可能区画数が必要区画数以上である場合にリーン空燃比運転を行うこととすれば、大気中にＮＯｘを排出することなく、リーン空燃比運転領域を最大限に広げることができる。このため、低エミッションを確保しつつ、燃費を最大限に改善することできる。

第３の発明によれば、吸蔵可能区画数が必要区画数未満である場合には、理論空燃比運転が行われる。吸蔵可能区画数が必要区画数未満のときは、リーン空燃比運転を行うと、排出ガス中のＮＯｘをＮＯｘ触媒で十分に捕捉することができないと判断できる。このため、このような場合には、ＮＯｘを三元反応によって浄化することのできる理論空燃比運転を行うことにより、低エミッションを確保することができる。

第４の発明によれば、ＮＯｘ触媒内を仮想的に複数の区画に分けて、その区画毎の温度を検出または推定することにより、ＮＯｘを吸蔵するのに適した所定の温度域に入っている吸蔵可能区画を判別することができる。一方、内燃機関の運転状態からは、その運転状態の下で排出される排出ガス量に対して必要とされる区画数を算出することができる。そして、第４の発明によれば、リッチスパイク実行時において、必要区画数をＮとしたとき、吸蔵可能区画のうちで上流側から数えてＮ番目にある区画の温度上昇が所定の終了判定値以上になったとき、リッチスパイクを終了することができる。上記Ｎ番目の区画の温度上昇が終了判定値以上となれば、Ｎ番目の区画に吸蔵されていたＮＯｘの還元浄化が完了したと判断できる。そして、Ｎ番目の区画は、リッチスパイク前にＮＯｘを吸蔵していた区画のうちで最も下流側に位置する区画であるので、Ｎ番目の区画でＮＯｘの還元浄化が完了していれば、それより上流の区画でもＮＯｘの還元浄化が完了していることになる。よって、第４の発明によれば、上記のタイミングでリッチスパイクを終了することにより、適量の還元剤成分が供給されたタイミングでリッチスパイクを適切に終了することができる。そして、余剰の還元剤成分が存在する場合であっても、上記Ｎ番目の区画より下流の区画に吸蔵された酸素によって余剰の還元剤成分を酸化して浄化することができる。このため、第４の発明によれば、リッチスパイク実行時の大気中への還元剤成分の放出を抑制することができ、エミッションの悪化を有効に回避することができる。また、還元剤成分を無駄に供給することを防止することができるので、良好な燃費を確保することができる。

第５の発明によれば、内燃機関の運転状態に基づいて、リッチスパイクの終了判定値を設定することができる。これにより、リッチスパイクの終了タイミングをより適切に判定することができる。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、４サイクル火花点火式の内燃機関１０を備えている。図示の内燃機関１０は、左バンク１２と右バンク１４とにそれぞれ３気筒ずつを有するＶ型６気筒機関であるが、本発明における内燃機関の形式および気筒数はこれに限定されるものではない。

左バンク１２および右バンク１４には、それぞれ、ターボチャージャ１６，１８が設けられている。なお、本発明における内燃機関は、このような過給機付きのものに限らず、自然吸気式のものであってもよい。

内燃機関１０の吸気通路２０の入口付近には、エアクリーナ２２が設けられている。エアクリーナ２２の下流側には、吸入空気量GAを検出するエアフロメータ２４が配置されている。吸気通路２０は、エアフロメータ２４の下流で二つに分岐し、その各々がターボチャージャ１６，１８のコンプレッサに接続されている。

ターボチャージャ１６，１８の下流の吸気通路２０には、それぞれ、圧縮された空気を冷却するインタークーラ２６，２８が設けられている。インタークーラ２６，２８の下流で、吸気通路２０は再び一つに合流している。その合流後の箇所には、吸入される空気量を調節するためのスロットル弁３０が配置されている。スロットル弁３０は、モータの駆動によって開閉する電子制御式のスロットル弁である。スロットル弁３０の下流の吸気通路２０は、吸気マニホールドを介して、各気筒に接続されている。

左バンク１２の各気筒からの排出ガスが流入するターボチャージャ１６のタービンを出た位置における排気通路３２には、スタート触媒３４が設けられている。同様に、右バンク１４の各気筒からの排出ガスが流入するターボチャージャ１８のタービンを出た位置における排気通路３２には、スタート触媒３６が設けられている。スタート触媒３４，３６は、三元触媒であり、排気ポートに近い位置に配置されているので、始動から短時間のうちに暖機され、良好な排気浄化性能を発揮することができる。

両スタート触媒３４，３６の下流で、排気通路３２は一つに合流している。その合流後の箇所には、ＮＯｘ触媒３８が設けられている。ＮＯｘ触媒３８は、排気空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し、排気空燃比がリッチまたは理論空燃比のときに、吸蔵されているＮＯｘをＮ_２に還元浄化して放出することのできる吸蔵還元型のＮＯｘ触媒である。このＮＯｘ触媒３８は、三元触媒としての機能も備えている。また、ＮＯｘ触媒３８は、酸素吸蔵能も備えている。

ＮＯｘ触媒３８の後端付近には、排気温センサ４０が設置されている。排気温センサ４０によれば、ＮＯｘ触媒３８の出口における排出ガス温度（以下、「出口ガス温度」と称する）を検出することができる。そして、その検出信号に基づいて、出口ガス温度の実測値を取得することができる。

詳細な図示を省略するが、内燃機関１０の各気筒には、点火プラグ、燃料インジェクタがそれぞれ設けられている。なお、内燃機関１０は、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射式のもの、筒内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式のもの、ポート噴射と筒内噴射を併用するもの、の何れであってもよい。

また、内燃機関１０には、クランク軸の回転角を検出するためのクランク角センサ４２が設けられている。クランク角センサ４２の出力によれば、機関回転数NE（機関回転速度）を検知することもできる。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を更に備えている。ＥＣＵ５０には、上述した各種のセンサおよびアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、それらのセンサ出力に基づいて、内燃機関１０の運転状態を制御することができる。

内燃機関１０は、理論空燃比燃焼（またはリッチ空燃比燃焼）で運転する理論空燃比運転モードと、理論空燃比より希薄なリーン空燃比燃焼で運転するリーン空燃比運転モードとを状況に応じて切り換え可能とされている。なお、リーン空燃比運転モードにおける筒内の燃焼は、均質リーン燃焼、成層燃焼、それらを組み合わせた弱成層燃焼、の何れであってもよい。

リーン空燃比運転モードにあるときには、排気中にＯ_２が存在するため、三元触媒（スタート触媒３４，３６）でＮＯｘを浄化できない。そこで、本実施形態のシステムでは、リーン空燃比運転時、排出ガス中のＮＯｘをＮＯｘ触媒３８に吸蔵することができる。これにより、リーン空燃比運転時であっても、大気中へのＮＯｘの放出を防止することができる。

［実施の形態１の特徴］
ＮＯｘ触媒３８は、その温度が、ある帯域に入っていないと、効率良くＮＯｘを吸蔵することができないという特性を有している。本明細書では、ＮＯｘ触媒３８が効率良くＮＯｘを吸蔵することのできる温度域を「吸蔵可能温度域」と称する。吸蔵可能温度域は、ＮＯｘ触媒３８の触媒成分等によっても異なるが、例えば３００℃以上５００℃以下程度の範囲の温度域である。

大気中へのＮＯｘの放出を防止する上では、ＮＯｘ触媒３８の温度が、吸蔵可能温度域の下限より低い場合や、吸蔵可能温度域の上限より高い場合には、リーン空燃比運転を行わず、理論空燃比運転を行って、ＮＯｘをスタート触媒３４，３６によって浄化することが望ましい。

また、ＮＯｘ触媒３８の内部の温度は必ずしも均一ではなく、ＮＯｘ触媒３８の長手方向（入口から出口に向かう方向）に沿って温度分布が存在することが普通である。このため、ＮＯｘ触媒３８内に、吸蔵可能温度域に入っている部分と、吸蔵可能温度域に入っていない部分との両方が存在する場合もある。そのような場合には、吸蔵可能温度域に入っている部分でしかＮＯｘを吸蔵することができないので、ＮＯｘ触媒３８の有効容量（実質的な容量）が減少することとなる。このため、その有効容量で対応可能な量を超えるリーンな排出ガスが流入した場合には、ＮＯｘを捕捉しきれなくなり、一部のＮＯｘがＮＯｘ触媒３８の下流に吹き抜けてしまう事態が生ずる。

上述したような事情に鑑み、本発明では、ＮＯｘ触媒３８の内部を仮想的に複数の区画（セル）に分けて、その区画毎の温度を考慮することとした。本実施形態では、図２に示すように、ＮＯｘ触媒３８を長手方向に沿って８個の区画に分けて考えるものとする。また、以下の説明では、便宜上、各区画に１〜８の番号を付して区別することとする。図２に示すように、最も上流側（内燃機関１０側）の区画を１番とし、最も下流側（マフラー側）の区画を８番とする。

各区画は、その容量（ＮＯｘ吸蔵能力）が等しくなるように、区分されるものとする。なお、仮想する区画の数は８個に限らず、７個以下でも、９個以上でもよいことは言うまでもない。

区画毎の温度は、後述する手法によって、内燃機関１０の運転状態から推定することが可能である。また、推定するのではなく、区画毎に触媒温度センサを設け、区画毎の温度を直接に検出するようにしてもよい。

そのようにして求められた温度が吸蔵可能温度域に入っている区画では、ＮＯｘを効率良く吸蔵できると判断できる。以下の説明では、吸蔵可能温度域内にある区画のことを「吸蔵可能区画」と称する。ＮＯｘ触媒３８の各区画毎の温度を求めれば、吸蔵可能区画を判別し、その数を把握することができる。

そして、現在の運転状態の下で内燃機関１０から排出されるＮＯｘを吸蔵するために必要なＮＯｘ触媒３８の区画の数（以下、「必要区画数」と称する）が、吸蔵可能区画数以下であれば、吸蔵可能温度域外の区画があったとしても、ＮＯｘ触媒３８の下流にＮＯｘが吹き抜けることはないので、リーン空燃比運転を行えることになる。

逆に、必要区画数が吸蔵可能区画数を超えている場合には、リーン空燃比運転を行うと、現状の吸蔵可能区画数ではＮＯｘを捕捉しきることができず、ＮＯｘ触媒３８の下流にＮＯｘが吹き抜けることになると判断できる。よって、このような場合は、ＮＯｘを三元触媒によって浄化するべく、理論空燃比運転を行う必要があると判断できる。

必要区画数は、空間速度ＳＶ（Space Velocity）によって判断することができる。空間速度ＳＶは、ＮＯｘ触媒３８を通過する排出ガス量（dm³/h）を触媒体積（dm³/h）で除した値である。空間速度ＳＶが低いほど、排出ガスがＮＯｘ触媒３８内にとどまる時間が長くなるので、少ない区画数でもＮＯｘを捕捉しきることができる。逆に、空間速度ＳＶが高いほど、排出ガスがＮＯｘ触媒３８内にとどまる時間が短くなるので、ＮＯｘを捕捉しきるには、多くの区画が必要となる。

ＮＯｘ触媒３８を通過する排出ガス量は、内燃機関１０の機関回転数NEと負荷（空気量）と基づいて求めることが可能である。よって、機関回転数NEと負荷から空間速度ＳＶが求まり、その空間速度ＳＶから必要区画数を算出することができる。

本実施形態では、上述した考えに基づいて、理論空燃比運転モードとリーン空燃比運転モードとの切り換えを行うこととした。すなわち、ＮＯｘ触媒３８の吸蔵可能区画数が必要区画数以上である場合には、リーン空燃比運転モードを選択することとする。例えば、図２に示す例のように、吸蔵可能区画が２番〜７番の６個あり、運転状態から算出される必要区画数が５である場合には、ＮＯｘ触媒３８に流入した排出ガス中のＮＯｘは、２番〜６番の５個の区画で十分に捕捉できると考えられる。よって、このような場合には、リーン空燃比運転を行うこととする。これにより、ＮＯｘの放出によるエミッションの悪化を招くことなく、リーン空燃比運転領域を拡大することができる。

これに対し、吸蔵可能区画数が必要区画数未満である場合には、リーン空燃比運転を行うとすると、現在のＮＯｘ触媒３８の有効容量では、ＮＯｘを捕捉しきれないと判断できる。そこで、この場合には、スタート触媒３４，３６での三元反応によってＮＯｘを浄化できるように、理論空燃比運転モードを選択することとする。これにより、大気中へのＮＯｘの放出を確実に防止することができ、エミッションを改善することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図３は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行されるものとする。図３に示すルーチンによれば、まず、内燃機関１０の運転領域（運転状態）が算出される（ステップ１００）。具体的には、クランク角センサ４２の検出信号に基づいて機関回転数NEが算出され、エアフロメータ２４等の検出信号に基づいて負荷が算出される。

次いで、上記ステップ１００で求められた現在の運転領域に基づいて、現在の必要区画数が算出される（ステップ１０２）。この必要区画数とは、現在の運転領域においてリーン空燃比運転を行った場合に排出されるＮＯｘを捕捉しきるために必要なＮＯｘ触媒３８の区画の数のことである。このステップ１０２では、具体的には、まず、現在の機関回転数NEおよび負荷に基づいて、ＮＯｘ触媒３８を通過する排出ガス量が算出され、その排出ガス量に基づいて、空間速度ＳＶが算出される。そして、その空間速度ＳＶに基づいて、必要区画数が算出される。

続いて、ＮＯｘ触媒３８の各区画毎の推定温度が取得される（ステップ１０４）。本実施形態では、ＮＯｘ触媒３８の区画毎の推定温度は、触媒温度推定モデルを利用する他のルーチンの処理によって逐次算出されているものとし、そこでの算出値がこのステップ１０４で取得されるものとする。

ここで、ＮＯｘ触媒３８の各区画毎の推定温度を算出するのに用いる触媒温度推定モデルの一例について簡単に説明する。以下に説明する触媒温度推定モデルでは、まず、触媒温度を上昇させる要因として、触媒に流入するエネルギー量が算出される。触媒に流入するエネルギーとは、排出ガス自体が持つ熱エネルギーや、排出ガス中に含まれる未燃成分が持つ熱量などである。これら触媒に流入するエネルギー量は、内燃機関１０の運転状態（機関回転数NE、負荷、空燃比A/F、点火時期SA等）に基づいて、公知の手法により算出することができる。

次いで、触媒温度推定モデルでは、触媒温度を下降させる要因として、走行風などの影響による触媒からの放熱量が算出される。この触媒からの放熱量は、外気温や車速などに基づいて、公知の手法により算出することができる。

また、触媒温度推定モデルでは、触媒内部での伝熱量が算出される。触媒の内部においては、構成部材中（担体中）を熱が移動する熱伝導の作用や、排出ガスの流れによって熱が伝わる熱伝達の作用により、入口側の部位（ＮＯｘ触媒３８では１番の区画）から出口側の部位（ＮＯｘ触媒３８では８番の区画）に向かって、熱が順次伝わっていく。このような伝熱量は、公知の伝熱モデルにより、算出することができる。

触媒温度推定モデルでは、以上の各算出値に基づいて、ＮＯｘ触媒３８の各区画毎の推定温度を算出することができる。そして、図１に示すシステムにおいては、排気温センサ４０での検出値を用いて、各区画の推定温度を次のように補正することができる。

排気温センサ４０によれば、ＮＯｘ触媒３８の出口ガス温度を直接に検出することができる。一方、８番の区画の推定温度と、内燃機関１０の運転状態とを基礎とすれば、ＮＯｘ触媒３８の出口ガス温度の推定値を算出することができる。出口ガス温度の推定値と、排気温センサ４０で検出された実測値との偏差は、触媒温度推定モデルに重畳している誤差に相当するものであると判断できる。そこで、本実施形態では、出口ガス温度の実測値と推定値との偏差に所定の補正係数を乗じた値を、触媒温度推定モデルによって算出された各区画の推定温度に加えることによって、最終的な推定温度を得るものとする。これにより、触媒温度推定モデルの誤差を精度良く補正することができ、ＮＯｘ触媒３８の各区画毎の推定温度をより高精度に算出することができる。

以上、ＮＯｘ触媒３８の各区画毎の推定温度を算出するのに用いる触媒温度推定モデルの一例について簡単に説明したが、本発明で用いる触媒温度推定モデルは上述したようなものに限定されるものではなく、いかなるモデルであってもよい。触媒温度推定モデルの内容は、本発明の主要部ではないため、ここでは、これ以上の説明は省略する。また、前述したとおり、触媒温度推定モデルによらず、ＮＯｘ触媒３８の各区画毎の温度をセンサにより直接的に検出するようにしてもよい。

上記ステップ１０４の処理により求められたＮＯｘ触媒３８の各区画の推定温度のうち、所定の吸蔵可能温度域内（例えば３００℃〜５００℃）に入っている区画の数が、吸蔵可能区画数に相当することとなる。図３に示すルーチンによれば、次に、この吸蔵可能区画数が、上記ステップ１０２で算出された必要区画数以上であるか否かが判別される（ステップ１０６）。

上記ステップ１０６において、吸蔵可能区画数が必要区画数以上であると判別された場合には、現在の運転領域においてリーン空燃比運転を行ったときでも、排出ガスの量に対して現在のＮＯｘ触媒３８の有効容量は十分であり、排出ガス中のＮＯｘをＮＯｘ触媒３８で十分に捕捉することが可能であると判断できる。そこで、この場合には、リーン空燃比運転モードが選択され、リーン空燃比運転が実行される（ステップ１０８）。

一方、上記ステップ１０６において、吸蔵可能区画数が必要区画数に満たないと判別された場合には、現在の運転領域においてリーン空燃比運転を行うと、排出ガスの量に対して現在のＮＯｘ触媒３８の有効容量が十分でなく、ＮＯｘがＮＯｘ触媒３８の下流に吹き抜けることになると判断できる。そこで、この場合には、スタート触媒３４，３６での三元反応によってＮＯｘを浄化することができるように、理論空燃比運転モードが選択され、理論空燃比運転が実行される（ステップ１１０）。

以上説明した図３に示すルーチンの処理によれば、ＮＯｘ触媒３８の内部の温度分布によって変動するＮＯｘ触媒３８の有効容量に応じて、内燃機関１０の運転モードを適切なタイミングで切り換えることができる。このため、リーン空燃比運転領域を最大限に拡大しつつ、大気中へのＮＯｘの放出も防止することができる。このため、燃費とエミッションの双方を効果的に改善することができる。

なお、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「触媒温度取得手段」が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「必要区画数算出手段」が、上記ステップ１０６乃至１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「吸蔵可能区画判別手段」および「運転モード切換手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略または簡略する。本実施形態は、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ５０に、前述した図３に示すルーチンに代えて、後述する図４に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

ＮＯｘ触媒３８に吸蔵することのできるＮＯｘの量には限界がある。このため、リーン空燃比運転中は、適当な時点で排気空燃比を一時的にリッチまたはストイキとするリッチスパイクを行う。リッチスパイクを行うと、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ_２等の還元剤成分がＮＯｘ触媒３８に供給され、吸蔵されたＮＯｘをＮ_２に還元して離脱させることができる。本実施の形態２は、このリッチスパイクの終了時期を判定する方法に特徴を有している。

リッチスパイクを行うと、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ_２等の還元剤成分と、ＮＯｘ触媒３８に吸蔵されたＮＯｘとの間で三元反応が生じ、その反応熱によってＮＯｘ触媒３８の温度が上昇する。この場合、ＮＯｘ触媒３８に流入したＨＣ、ＣＯ、Ｈ_２等の還元剤成分は、まず上流側（入口に近い側）の区画で消費され、その区画のＮＯｘが離脱し終わると、その下流側の区画に還元剤成分が到達し、その区画で三元反応が起こる。このようにして、リッチスパイク時には、ＮＯｘを吸蔵している区画のうち、上流側の区画から順次温度が上昇するという現象が生ずる。

そして、ある区画のＮＯｘの還元浄化および離脱が完了したかどうかは、その区画の温度上昇量によって判断することが可能である。よって、ＮＯｘを吸蔵している区画のうち、最も下流側に位置する区画の温度がリッチスパイク開始前と比べて所定の温度上昇代だけ上昇したことが確認されれば、ＮＯｘ触媒３８に吸蔵された全部のＮＯｘの還元浄化が完了したと判断することができる。

リーン空燃比運転時、ＮＯｘ触媒３８に流入したＮＯｘは、複数の吸蔵可能区画のうちの上流側の区画から順に捕捉されていく。例えば、図２に示す例のように、吸蔵可能区画が２番〜７番であり、必要区画数が５である場合には、ＮＯｘは２番の区画から順に捕捉されていき、６番の区画まででその全量が捕捉されるので、７番の区画にはＮＯｘは吸蔵されていないことになる。このような状態にある場合に行うリッチスパイクにおいては、６番の区画の温度がリッチスパイク開始前と比べて所定の温度上昇代だけ上昇したことをもって、ＮＯｘ触媒３８に吸蔵されたＮＯｘの還元浄化が完了したと判断することができる。

そこで、本実施形態では、必要区画数をＮとしたとき、吸蔵可能区画のうちで上流側から数えてＮ番目にある区画の温度がリッチスパイク開始前と比べて所定の判定用温度上昇代だけ上昇したことが確認されたら、リッチスパイクを終了することとした。このような方法でリッチスパイクの終了時期を判定することにより、次のような利点がある。

リッチスパイク時、上記Ｎ番目の区画（図２に示す例では６番の区画）に吸蔵されていたＮＯｘの還元浄化が完了すると、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ_２等の還元剤成分がこのＮ番目の区画で消費されなくなる。このため、その直後には、上記Ｎ番目の区画の下流側に、余剰の還元剤成分が流入する事態が生ずる。このような事態が生じた場合であっても、上記Ｎ番目の区画より下流側に区画が残されている場合には、その区画に吸蔵されている酸素により、余剰の還元剤成分を酸化して浄化することができる。つまり、図２に示す例で言えば、６番の区画に吸蔵されていたＮＯｘの還元浄化が完了した後に余剰の還元剤成分が７番や８番の区画に流入した場合であっても、７番や８番の区画に吸蔵された酸素によって余剰の還元剤成分を酸化して浄化することができる。

このようなことから、本実施形態によれば、リッチスパイクの実行時、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ_２等の還元剤成分が大気中に放出されるのを有効に抑制することができ、還元剤成分の放出によるエミッションの悪化を防止することができる。

つまり、従来のように、ＮＯｘ触媒の下流に設けた０_２センサによって還元剤成分の漏れ出しを検出してからリッチスパイクを終了するような手法では、リッチスパイク実行のたびに多少なりとも還元剤成分が大気中に放出されてしまうが、本実施の形態２によれば、そのような還元剤成分の放出を有効に抑制することができる。

［実施の形態２における具体的処理］
図４は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、図４において、図３に示すステップと同一のステップには、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図４に示すルーチンによれば、ステップ１００〜１１０は図３に示すルーチンと同様の処理が実行される。これにより、内燃機関１０の運転モードの切り換えが行われる。

そして、図４に示すルーチンによれば、リーン空燃比運転の実行中、リッチスパイク要求があるか否かが判別される（ステップ１１２）。リッチスパイクの必要性は、公知の手法により判断することができる。例えば、内燃機関１０の運転状態に基づいて、ＮＯｘ触媒３８に流入したと推定されるＮＯｘ量を積算し、その積算値が所定値を超えた場合、リッチスパイクの必要性があると判断することができる。

上記ステップ１１２においてリッチスパイク要求がないと判別された場合には、そのまま今回の処理サイクルが終了される。一方、リッチスパイク要求があると判別された場合には、排気空燃比がリッチまたは理論空燃比となるようにインジェクタからの燃料噴射量とスロットル弁３０の開度とが制御され、リッチスパイクが実行される（ステップ１１４）。

このステップ１１４においては、更に、内燃機関１０の負荷および機関回転数NEに応じて、リッチスパイク終了判定用の温度上昇代が算出される。内燃機関１０の負荷や機関回転数NEが高いほど、リッチスパイク時にＮＯｘ触媒３８に流入する排気エネルギも多くなるので、ＮＯｘ触媒３８の温度上昇量も大きくなり易い。そこで、本実施形態では、内燃機関１０の負荷および機関回転数NEに応じ、それに見合った終了判定用温度上昇代を算出することとした。これにより、リッチスパイクを終了すべき時期をより高精度に判定することができる。

なお、本発明では、リッチスパイク終了判定用の温度上昇代を、内燃機関１０の負荷および機関回転数NE等によらずに一定としてもよい。

続いて、リッチスパイク開始前と比較した場合の該当区画の温度上昇代が、上記ステップ１１４で算出された終了判定用温度上昇代に達したか否かが判別される（ステップ１１６）。ここで、「該当区画」とは、ステップ１０２で算出された必要区画数をＮとしたとしたとき、上記ステップ１０４で取得された各区画の推定温度に応じて定まる吸蔵可能区画のうちで、上流側から数えてＮ番目にある区画であるものとする。つまり、図２に示す例では６番の区画が該当区画に相当する。

上記ステップ１１６において、該当区画の温度上昇代が終了判定用温度上昇代に未だ達していないと判別された場合には、該当区画におけるＮＯｘの還元浄化（三元反応）がまだ完了していないと判断できる。そこで、この場合には、上記ステップ１１４に戻り、リッチスパイクが継続される。

一方、上記ステップ１１６において、該当区画の温度上昇代が終了判定用温度上昇代以上になったことが認められた場合には、該当区画でのＮＯｘの還元浄化が完了したと判断できる。そして、該当区画は、リッチスパイク実行前にＮＯｘを吸蔵していた区画のうちで最も下流側に位置する区画であるので、該当区画でのＮＯｘの還元浄化が完了すれば、ＮＯｘ触媒３８に吸蔵されていたＮＯｘ全部の還元浄化が完了したことになる。そこで、この場合には、今回のリッチスパイクを終了し（ステップ１１８）、リーン空燃比に戻るようにインジェクタおよびスロットル弁３０が制御される。

以上説明した図４に示すルーチンの処理によれば、該当区画の温度上昇代が終了判定用温度上昇代に達した時点でリッチスパイクを終了するので、余剰の還元剤がＮＯｘ触媒３８に供給された場合であっても、該当区画より下流の区画に吸蔵された酸素によって余剰の還元剤を酸化して浄化することができる。このため、リッチスパイク実行時の大気中への還元剤の放出を抑制することができ、エミッションを改善することができる。

なお、排出ガス流量が多く、必要区画数がＮＯｘ触媒３８の全区画数に等しくなっている場合には、該当区画の下流に区画が残されていないこととなる。図４に示すルーチンの処理によれば、このような場合であっても、該当区画の温度上昇量によってリッチスパイクの終了を判定することにより、リッチスパイクを終了すべき時期を精度良く判定することができる。このため、ＮＯｘ触媒３８に吸蔵されたＮＯｘをなるべく残存させることなく還元浄化することができるとともに、大気中への還元剤の放出を最小限に抑制することができる。

なお、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１１２および１１４の処理を実行することにより前記第４の発明における「リッチスパイク手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第４の発明における「触媒温度取得手段」が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第４の発明における「必要区画数算出手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第４の発明における「吸蔵可能区画判別手段」が、上記ステップ１１４乃至１１８の処理を実行することにより前記第４の発明における「終了時期判定手段」が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより前記第５の発明における「終了判定値設定手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１のシステムにおけるＮＯｘ触媒を拡大して示す図である。本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０内燃機関
２０吸気通路
３０スロットル弁
３２排気通路
３４，３６スタート触媒
３８ＮＯｘ触媒
４０排気温センサ

Claims

リーン空燃比で運転可能な内燃機関の排気通路に配置された吸蔵還元型のＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘの還元浄化が必要な場合に、排気空燃比を一時的にリッチまたは理論空燃比とするリッチスパイクを行うリッチスパイク手段と、
前記ＮＯｘ触媒内を仮想的に複数の区画に分けて、その区画毎の温度を検出または推定する触媒温度取得手段と、
前記内燃機関の運転状態に基づいて、その運転状態の下で排出される排出ガス量に対して必要とされる前記ＮＯｘ触媒の区画数を算出する必要区画数算出手段と、
前記触媒温度取得手段により取得された前記ＮＯｘ触媒の各区画の温度に基づいて、ＮＯｘを吸蔵するのに適した所定の温度域に入っている吸蔵可能区画を判別する吸蔵可能区画判別手段と、
前記リッチスパイクの実行中に、当該リッチスパイクを終了すべき時期を判定する終了時期判定手段と、
を備え、
前記終了時期判定手段は、前記必要区画数算出手段により算出された必要区画数をＮとしたとき、前記吸蔵可能区画のうちで上流側から数えてＮ番目にある区画の、当該リッチスパイク開始前に比しての温度上昇が所定の終了判定値以上になったと判断されたときを当該リッチスパイクの終了時期とすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記終了判定値を設定する終了判定値設定手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。