JP5686036B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関し、より詳細には、排気ガス中のＮＯｘを浄化するための変換装置を備える内燃機関の制御装置に関する。

従来、排気通路の上流側から順に、排気空燃比が所定のリーン空燃比域にある場合に排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、所定のリッチ空燃比域にある場合に吸蔵したＮＯｘを放出してＮＨ_３に還元するＮＳＲ（NOx Storage Reduction catalysts：吸蔵還元触媒）と、排気ガス中のＮＨ_３を吸蔵すると共に、吸蔵したＮＨ_３により排気ガス中のＮＯｘを還元するＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction catalysts：選択還元触媒）とを設けた内燃機関が公知である。

例えば特許文献１には、このような内燃機関において、ＳＣＲにおける吸蔵ＮＨ_３量に基づいて目標空燃比を制御することが開示されている。具体的には、ＳＣＲにおける吸蔵ＮＨ_３量を取得等してその吸蔵量に余裕があると判定した場合に、目標空燃比を一時的にリッチするリッチスパイクを実行する。これにより、ＮＳＲからＮＨ_３を放出してＳＣＲに吸蔵させる。従って、ＮＳＲにおけるＮＯｘおよびＳＣＲにおけるＮＨ_３の吸蔵飽和を未然に防止しつつ、大気中へのＮＨ_３の放出を抑制できる。

特開２０１０−１１２３４５号公報 特開２０１０−１１６７８４号公報 特開２００９−１１４８７９号公報 特開２００９−０９７４７１号公報

しかしながら、ＳＣＲにおけるＮＨ_３の吸蔵許容量には温度依存性があり、この吸蔵許容量は、ＳＣＲの床温が高くなるにつれて減少する。そのため、高温の排気ガスがＳＣＲに流入した場合には、吸蔵されていたＮＨ_３が脱離して大気中へ放出されるという問題がある。この問題は特に、ＳＣＲにおける吸蔵ＮＨ_３量が多い場合、つまり、吸蔵ＮＨ_３量がその吸蔵許容量に近い場合ほど顕著となる。

また、高温条件下では、ＮＨ_３とＯ_２とが反応してＮＯｘが生成する反応が進行する。そのため、高温の排気ガス中にＯ_２が含まれるような場合には、高温化により脱離したＮＨ_３とＯ_２とが反応し、ＮＯｘが大気中へ放出されるという問題があった。この問題も、ＳＣＲにおける吸蔵ＮＨ_３量がその吸蔵許容量に近い場合ほど顕著となる。

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、大気中へのＮＨ_３やＮＯｘの放出を抑制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、
内燃機関の排気通路に設けられ、排気空燃比が所定リーン空燃比域にある場合に排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、排気空燃比が所定リッチ空燃比域にある場合に吸蔵したＮＯｘを放出してＮＨ_３に還元する吸蔵還元型触媒と、
前記吸蔵還元型触媒よりも下流側の前記排気通路に設けられ、排気ガス中のＮＨ_３を吸蔵すると共に、吸蔵したＮＨ_３により排気ガス中のＮＯｘを還元する選択還元型触媒と、
前記所定リーン空燃比域でのリーン運転から高排気温運転へ切り替える運転切替要求の有無を判定する運転切替要求判定手段と、
前記運転切替要求があると判定された場合に、前記吸蔵還元型触媒における吸蔵ＮＯｘ量と、前記選択還元型触媒における吸蔵ＮＨ_３量との大小関係に応じて、前記リーン運転から前記高排気温運転へと切り替える間の目標空燃比を設定する目標空燃比設定手段と、
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、
前記目標空燃比設定手段は、前記吸蔵ＮＨ_３量が前記吸蔵ＮＯｘ量よりも多い場合には、目標空燃比を所定時間に亘って前記所定リーン空燃比域よりもリッチ側の弱リーン空燃比に設定することを特徴とする。

また、第３の発明は、第１の発明において、
前記目標空燃比設定手段は、前記吸蔵ＮＨ_３量が前記吸蔵ＮＯｘ量よりも少ない場合には、前記吸蔵ＮＨ_３量が前記吸蔵ＮＯｘ量よりも多くなるまで目標空燃比を一時的にリッチに設定し、その後、所定時間に亘って前記所定リーン空燃比域よりもリッチ側の弱リーン空燃比に設定することを特徴とする。

また、第４の発明は、第２または第３の発明において、
前記選択還元型触媒の劣化度合いが大きいほど、前記弱リーン空燃比のリッチ化度合いを弱めることを特徴とする。

また、第５の発明は、第１の発明において、
前記目標空燃比設定手段は、前記吸蔵ＮＨ_３量が前記吸蔵ＮＯｘ量と等しい場合には、目標空燃比を所定時間に亘って理論空燃比近傍に設定することを特徴とする。

第１の発明によれば、運転切替要求があると判定された場合に、上記吸蔵還元型触媒における吸蔵ＮＯｘ量と、上記選択還元型触媒における吸蔵ＮＨ_３量との大小関係に応じて、運転切替期間の目標空燃比を設定することができる。そのため、例えば、上記吸蔵ＮＨ_３量の方が多い場合は上記選択還元型触媒のＮＨ_３を優先的に浄化する目標空燃比に設定し、上記吸蔵ＮＨ_３量の方が少ない場合は、上記吸蔵還元型触媒からＮＨ_３を放出して上記選択還元型触媒に一旦吸蔵させ、その後に浄化する目標空燃比に設定することができる。従って、本発明によれば、運転切替期間中に、上記吸蔵ＮＨ_３量を効率的に低減させることが可能となるので、上記選択還元型触媒の高温化に伴いＮＨ_３やＮＯｘが大気中に放出されるのを良好に防止できる。

第２の発明によれば、上記吸蔵ＮＨ_３量が上記吸蔵ＮＯｘ量よりも多い場合には、目標空燃比を所定時間に亘って上記所定リーン空燃比域よりもリッチ側の弱リーン空燃比に設定することができる。このような弱リーン空燃比に設定すれば、上記吸蔵還元型触媒に排気ガス中のＮＯｘを吸蔵させずに通過させることができる。また、上記弱リーン空燃比に設定すれば、上記吸蔵還元型触媒に吸蔵されているＮＯｘの一部を放出できる。従って、本発明によれば、これらのＮＯｘを上記選択還元型触媒に導入して、そのＮＨ_３を効率的に浄化できる。

第３の発明によれば、上記吸蔵ＮＨ_３量が上記吸蔵ＮＯｘ量よりも少ない場合には、上記吸蔵ＮＨ_３量が上記吸蔵ＮＯｘ量よりも多くなるまで目標空燃比を一時的にリッチに設定した後、所定時間に亘って上記弱リーン空燃比に設定することができる。上記吸蔵ＮＨ_３量が上記吸蔵ＮＯｘ量よりも多くなるまで目標空燃比を一時的にリッチに設定すれば、上記弱リーン空燃比に設定する所定時間の算出を容易化できるので上記選択還元型触媒のＮＨ_３を効率的に浄化できる。

第４の発明によれば、上記選択還元型触媒の劣化度合いが大きいほど、上記弱リーン空燃比のリッチ化度合いを弱めることができる。上記選択還元型触媒が劣化すると、上記所定リーン空燃比域がリーン側に縮小する。また、上記弱リーン空燃比の近傍の空燃比域においては、エンジンから排気される排気ガス中のＮＯｘ量は、よりリーン側の空燃比で多くなる。そのため、上記弱リーン空燃比のリッチ化度合いを弱めれば、上記弱リーン空燃比の設定中に排気ガス中のＮＯｘをより多く上記選択還元型触媒に導入できる。従って、上記所定時間を短縮化して速やかに上記高排気温運転に切り替えることが可能となる。

第５の発明によれば、上記吸蔵ＮＨ_３量が上記吸蔵ＮＯｘ量と等しい場合には、目標空燃比を所定時間に亘って理論空燃比近傍に設定できる。このような理論空燃比近傍に設定すれば、上記吸蔵還元型触媒に吸蔵されているＮＯｘの一部を放出できる。従って、本発明によれば、放出したＮＯｘを上記選択還元型触媒に導入して、そのＮＨ_３を効率的に浄化できる。

本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。 ＳＣＲの床温（℃）と、ＮＨ_３吸蔵許容量（ｇ）との関係を示した図である。 実施の形態１における加速要求時空燃比制御を説明するための図である。 実施の形態１においてＥＣＵ３０により実行される加速要求時空燃比制御を示すフローチャートである。 ＮＳＲのＮＯｘ吸蔵ウィンドウおよびエンジン出ガスＮＯｘ量と、空燃比との関係を示した図である。 実施の形態２における加速要求時空燃比制御を説明するタイミングチャートである。 実施の形態２においてＥＣＵ３０により実行される加速要求時空燃比制御を示すフローチャートである。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
先ず、図１乃至図４を参照しながら、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本実施形態の構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、内燃機関としてのエンジン１０を備えている。なお、エンジンの気筒数及び各気筒の配列形態は、図１のエンジン１０に限定されず、例えば、６気筒、８気筒あるいは１２気筒エンジンであってもよいし、Ｖ型、水平対向型等であってもよい。

エンジン１０には排気通路１２が連通している。排気通路１２には、ターボチャージャ１４、ＴＷＣ（Three-Way Catalyst：三元触媒）１６、ＮＳＲ１８およびＳＣＲ２０がこの順で配置されている。エンジン１０は、空燃比がリッチである場合にＨＣおよびＣＯを排出し易く、空燃比がリーンである場合にＮＯｘを排出し易い。ＴＷＣ１６は、空燃比がリーンである場合に排気ガス中のＯ_２を吸着しながらＮＯｘをＮ_２に還元し、空燃比がリッチである場合にＯ_２を放出しながらＨＣおよびＣＯをＨ_２ＯやＣＯ_２に酸化する。また、空燃比がリッチである場合には、排気ガス中に含まれるＮ_２がＨ_２と反応することにより、ＮＨ_３が生成される。

ＮＳＲ１８は、空燃比が所定のリーン空燃比域にある場合に排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵する。また、ＮＳＲ１８は、空燃比が所定のリッチ空燃比域にある場合に吸蔵しているＮＯｘを放出する。ＮＳＲ１８から放出されたＮＯｘは、排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯにより還元される。この場合、ＴＷＣ１６の場合同様、ＮＳＲ１８においてもＮＨ_３が生成される。

ＳＣＲ２０は、ＴＷＣ１６やＮＳＲ１８において生成したＮＨ_３を吸蔵し、吸蔵したＮＨ_３を還元剤として、排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元する機能を有している。ＳＣＲ２０によれば、ＮＳＲ１８の後段に吹き抜けてきたＮＨ_３やＮＯｘが、大気中に放出されてしまうのを有効に阻止することができる。

また、本実施形態のシステムは、制御装置としてのＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０を備えている。ＥＣＵ３０には、ＮＳＲ１８の上流におけるＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサ２２や、ＳＣＲ２０の上流におけるＮＨ_３濃度を検出するためのＮＨ_３センサ２４が電気的に接続されている。また、上記センサの他にも、エンジン１０の制御に必要な各種センサ（例えば、エンジン回転数を検出するクランク角センサ、吸入空気量を検出するエアフロメータ、スロットルバルブの開度を検出するスロットルセンサ等）がＥＣＵ３０に電気的に接続されている。ＥＣＵ３０は、これらの検出結果や運転者からの要求に応じて、インジェクタ、点火プラグ、ＶＶＴといった各アクチュエータを駆動することにより、エンジン１０の運転状態を制御する。

［実施の形態１の基本動作］
本実施形態において、エンジン１０は、通常時、リーン空燃比で運転（リーン運転）される。リーン運転中、エンジン１０はＮＯｘを比較的多量に排出するので、ＮＳＲ１８にＮＯｘが流入する。そのため、リーン運転中は、時間の経過に伴いＮＳＲ１８における吸蔵ＮＯｘ量（以下、「ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量」ともいう。）が増加する。但し、ＮＳＲ１８の吸蔵許容値を超えると、ＮＯｘを含む排気ガスがその後段に多量に吹き抜けてしまい、排気エミッションが悪化する。そのため、本実施形態においては、ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量がこの許容値に近づいた時点で、リッチスパイクが実行される。

リッチスパイクにおいては、エンジン１０が一時的にリッチ空燃比で運転される。そのため、ＮＳＲ１８に吸蔵されていたＮＯｘが放出され、ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量を少なくすることができる。また、リッチスパイクの実行中、エンジン１０は、ＨＣ、ＣＯを多量に含む排気ガスを排出するので、ＴＷＣ１６において、ＨＣやＣＯが酸化されると共に、ＮＨ_３が生成される。また、ＮＳＲ１８から放出されたＮＯｘがＨＣやＣＯと反応してＮＨ_３が生成される。そのため、ＳＣＲ２０には多量のＮＨ_３が流入する。この結果、リッチスパイクの実行中は、時間の経過に伴い、ＳＣＲ２０における吸蔵ＮＨ_３量（以下、「ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量」ともいう。）が増加する。

また、本実施形態において、エンジン１０は、運転者からの加速要求があった場合、理論空燃比で運転（ストイキ運転）される。つまり、加速要求があった場合、リーン運転からストイキ運転に切り替えられる。ストイキ運転中、エンジン１０から排出されたＮＯｘ、ＨＣやＣＯはＴＷＣ１６において浄化される。また、ストイキ運転中、ＮＳＲ１８に吸蔵されたＮＯｘの一部がしみ出してＳＣＲ２０に流入する。そのため、このＮＯｘがＳＣＲ２０に吸蔵されたＮＨ_３と反応する。この結果、ストイキ運転中は、時間の経過に伴い、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量が減少する。

リッチスパイクやストイキ運転の実行後、エンジン１０は再びリーン運転される。上述したように、エンジン１０は、リーン運転中はＮＯｘを比較的多量に排出するので、ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量が増加する。また、ＮＳＲ１８に流入したＮＯｘの一部は、ＮＳＲ１８に吸蔵されずにＳＣＲ２０に流入する。そのため、ＳＣＲ２０に吸蔵されたＮＨ_３は、このＮＯｘと反応する。従って、リーン運転中は、ストイキ運転中同様、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量が減少する。

［実施の形態１の特徴］
ところで、ＳＣＲのＮＨ_３吸蔵許容量は、温度依存性を有する。図２は、ＳＣＲの床温（℃）と、そのＮＨ_３吸蔵許容量（ｇ）との関係を示した図である。図２に示すように、ＮＨ_３吸蔵許容量はＳＣＲの床温に反比例し、ＳＣＲの床温が上昇するにつれて少なくなる。そのため、本実施形態のシステムにおいて、ＳＣＲ２０の床温が高温化した場合には、吸蔵許容量を超えた分のＮＨ_３がその後段に放出されてしまう。この現象は、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量がＮＨ_３吸蔵許容量に近い状態で高温化した場合ほど顕著となる。

また、高温条件下においては、下記式（１）で表されるＮＨ_３の分解反応が進行する。
４ＮＨ_３＋５Ｏ_２→４ＮＯ＋６Ｈ_２Ｏ ・・・（１）
そのため、高温化した状態のＳＣＲ２０にＯ_２が流入すると、吸蔵されていたＮＨ_３からＮＯが生成してＳＣＲ２０の後段に放出されてしまう。そして、分解反応によるＮＯの生成量は、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量がＳＣＲ２０のＮＨ_３吸蔵許容量に近い場合ほど多くなる。この理由は、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量が上記ＮＨ_３吸蔵許容量に近い場合ほどＮＨ_３が放出され易いからである。

ここで、エンジン１０への供給燃料が増量すれば排気温が上昇してＳＣＲ２０が高温化する。つまり、リッチスパイクの実行中や、ストイキ運転中は、排気温が上昇し易い環境であると言える。その一方で、リッチスパイクの実行は一時的なものであるため、排気温の上昇も一時的でありその影響は少ない。従って、ストイキ運転中においては、ＮＨ_３やＮＯがＳＣＲ２０の後段に放出される可能性が高い。そこで、本実施形態においては、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量とＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量とを考慮して、リーン運転からストイキ運転へと切り替える間の空燃比を制御することとした（加速要求時空燃比制御）。

図３を参照しながら、本実施形態における加速要求時空燃比制御を説明する。加速要求時空燃比制御においては、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量とＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量との大小関係に応じて、図３（Ａ）〜（Ｃ）の３つの空燃比制御を実行する。

ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量＜ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量の場合は、リーン運転からストイキ運転に切り替える前に、弱リーン空燃比で運転（弱リーン運転）する（図３（Ａ））。ここで、弱リーン空燃比とは、ＴＷＣ１６におけるＮＯｘ浄化ウィンドウおよびＮＳＲ１８のＮＯｘ吸蔵ウィンドウを共に外れる空燃比域に存在する空燃比である。このような弱リーン空燃比とすることで、同図に示すように、エンジン出ガス中のＮＯｘをＴＷＣ１６やＮＳＲ１８で浄化或いは吸蔵させることなくＳＣＲ２０に導入させることができる。また、弱リーン運転中は、ストイキ運転中と同様に、ＮＳＲ１８に吸蔵されたＮＯｘの一部がしみ出す。そのため、このしみ出しＮＯｘもＳＣＲ２０に導入させることができる。従って、ＳＣＲ２０に吸蔵されているＮＨ_３と、これらのＮＯｘとを反応させて、ＳＣＲ２０に吸蔵されているＮＨ_３の全量を消費させることが可能となる。

ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量＝ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量の場合は、ストイキ運転に切り替える前に、ストイキ近傍の空燃比で運転（ストイキ近傍運転）する（図３（Ｂ））。ストイキ近傍の空燃比とすることで、同図に示すように、ＮＳＲ１８に吸蔵していたＮＯｘをしみ出させてＳＣＲ２０に流入させることができる。これにより、排気温が上昇する前に、ＳＣＲ２０に吸蔵されているＮＨ_３をＮＯｘと反応させてＳＣＲ２０に吸蔵されているＮＨ_３の全量を消費させることが可能となる。なお、エンジン１０から排出されたＮＯｘはＴＷＣ１６で浄化されるので、ＮＳＲ１８やＳＣＲ２０に流入することはない。

ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量＞ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量の場合は、ストイキ運転に切り替える前に、リッチスパイクを実行した上で、弱リーン運転する（図３（Ｃ））。同図に示すように、リッチスパイクの実行により、ＮＳＲ１８から放出されたＮＯｘをＨＣやＣＯと反応させてＮＨ_３を生成し、ＳＣＲ２０に流入させることができる。その結果、ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量を減少させ、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量を増加させることができる。リッチスパイクは、ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量＜ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量となるまで繰り返して実行され、その後、弱リーン運転に切り替えられる。この弱リーン運転は、図３（Ａ）で説明したとおりである。このような一連の運転制御により、ＳＣＲ２０に吸蔵されているＮＨ_３の全量を消費させることが可能となる。

なお、弱リーン運転やストイキ近傍運転の継続時間は、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量（具体的には、ＳＣＲ２０に吸蔵されているＮＨ_３の物質量）に応じ、エンジン１０からの出ガスＮＯｘ量およびＮＳＲ１８からのしみ出しＮＯｘ量で調整する。ここで、出ガスＮＯｘ量に関し、ＮＨ_３とＮＯｘとの反応は、例えば、下記式（２）および（３）で表される。
６ＮＯ＋４ＮＨ_３→５Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ ・・・（３）
出ガスＮＯｘ量は、弱リーン空燃比として設定する空燃比や、上記式（２），（３）の反応を考慮した上で、エンジン１０への吸入空気量、ＥＧＲ量、ＶＶＴバルブオーバーラップ量や点火時期等の各種パラメータを用いて算出するものとする。一方、しみ出しＮＯｘ量は固定値である。

［実施の形態１における具体的処理］
次に、図４を参照しながら、上述した加速要求時空燃比制御を実現するための具体的処理について説明する。図４は、本実施形態においてＥＣＵ３０により実行される加速要求時空燃比制御を示すフローチャートである。なお、図４に示すルーチンは、エンジン１０の運転中に繰り返し実行されるものとする。

図４に示すルーチンでは、先ず、ストイキ運転に対する要求の有無が判定される（ステップ１００）。ストイキ運転に対する要求の有無は、例えば、トルク要求の有無によって判定できる。具体的に、その時々のスロットル開度に基づいて高負荷域にあると判断されれば、トルク要求が有ると判定される。一方、低中負荷域にあると判断されれば、トルク要求が無いと判定される。本ステップにおいて、要求無しと判定された場合には、本ルーチンが終了される。

一方、ステップ１００において、要求有りと判定された場合には、ＳＣＲ２０の推定到達床温が設定温度Ａよりも高くなるか否かが判定される（ステップ１１０）。ＳＣＲ２０の推定到達床温は、例えば、エンジン回転数やスロットル開度等の運転状態から算出できる。また、設定温度Ａは、ＳＣＲ２０からＮＨ_３の放出が開始する温度であり、例えば図２の関係をマップデータ化したものに、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量を適用することで決定できる。なお、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量は、別途吸蔵量モデル等から求めた値が用いられる。本ステップにおいて、ＳＣＲ２０の床温が設定温度Ａよりも低いと判定された場合には、ストイキ運転を実行してもＳＣＲ２０からのＮＨ_３放出は無いと判断できる。従って、ストイキ運転が実行される（ステップ１２０）。

一方、ステップ１１０において、ＳＣＲ２０の床温が設定温度Ａよりも高いと判定された場合には、ＳＣＲ２０からＮＨ_３が放出される可能性が高いと判断できる。そのため、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量＝ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量を満たすか否かが判定される（ステップ１３０）。本ステップにおいて、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量およびＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量のそれぞれは、別途、ＮＯｘセンサ２２やＮＨ_３センサ２４の検出値を吸蔵量モデルに適用して求めた値が用いられる。そして、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量＝ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量を満たすと判定された場合には、ストイキ近傍運転が所定時間に亘って実行され（ステップ１４０）、その後、ストイキ運転が実行される（ステップ１２０）。

一方、ステップ１３０において、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量＝ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量を満たさないと判定された場合は、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量＞ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量を満たすか否かが判定される（ステップ１５０）。そして、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量＞ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量を満たすと判定された場合には、目標空燃比が上記弱リーン空燃比に設定され、弱リーン運転の実行が開始される（ステップ１６０）。上述したように、弱リーン運転が実行されると、エンジン出ガス中のＮＯｘやＮＳＲ１８からしみ出したＮＯｘがＳＣＲ２０に導入される。

続いて、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量≦ＳＣＲ導入ＮＯｘ量を満たすか否かが判定される（ステップ１７０）。ここで、ＳＣＲ導入ＮＯｘ量は、弱リーン運転の継続時間に比例するので、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量≦ＳＣＲ導入ＮＯｘ量となるか否かは、弱リーン運転の継続時間が上記所定時間を経過したか否かで判断できる。そのため、継続時間が上記所定時間を経過したと判定された場合には、弱リーン運転からストイキ運転に切り替えられる（ステップ１２０）。

一方、ステップ１５０において、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量＞ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量を満たさないと判定された場合には、リッチスパイクが実行され（ステップ１８０）、ＳＣＲ生成ＮＨ_３量＞過剰ＮＯｘ量を満たすか否かが判定される（ステップ１９０）。ここで、過剰ＮＯｘ量は、ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量とＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量との物質量の差分に相当し、ＳＣＲ生成ＮＨ_３量は、リッチスパイクの実行中にＮＳＲ１８において生成したＮＨ_３の物質量に相当する。ＳＣＲ生成ＮＨ_３量＞過剰ＮＯｘ量を満たさないと判定された場合は、再びステップ１８０に戻りリッチスパイクが実行される。つまり、ＳＣＲ生成ＮＨ_３量が過剰ＮＯｘ量よりも多くなるまではリッチスパイクが繰り返し実行される。ＳＣＲ生成ＮＨ_３量＞過剰ＮＯｘ量を満たすと判定された場合は、ステップ１６０に進み、弱リーン運転が所定時間に亘って実行される。ステップ１６０以後の処理は、上述したとおりである。

以上、図４に示したルーチンによれば、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量とＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量との大小関係に応じて、ストイキ運転へと切り替える間の空燃比を制御できる。そのため、ＳＣＲ２０の高温化前に、吸蔵されているＮＨ_３をＮＯｘと反応させて消費できる。従って、ＳＣＲ２０の高温化に伴いＮＨ_３やＮＯがその後段に放出されるのを良好に防止できる。

ところで、上述した実施の形態１においては、ストイキ運転に対する要求があった場合に、このストイキ運転に切り替える間の空燃比を制御したが、このような空燃比制御は、ストイキ運転以外の運転に対する要求があった場合にも適用できる。即ち、排気温が高温化するような運転に対する要求があれば、その運転の実行によりＳＣＲ２０が高温化する。従って、このような高排気温運転に対する要求があった場合に、上記加速要求時空燃比制御と同様に空燃比を制御すれば、本実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、本変形例については、後述の実施の形態２においても同様に適用が可能である。

なお、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ３０が図４のステップ１００の処理を実行することにより上記第１の発明における「運転切替要求判定手段」が、同図ステップ１３０〜１９０の処理を実行することにより上記第１の発明における「目標空燃比設定手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図５〜図７を参照しながら、本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態は、図１の構成において、ＥＣＵ３０に、後述する図７に示すルーチンを実行させることにより実現される。そのため、本実施の形態では、上記実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

［実施の形態２の特徴］
上記実施の形態１においては、弱リーン運転時の目標空燃比、即ち弱リーン空燃比が、ＮＳＲ１８のＮＯｘ吸蔵ウィンドウを外れる空燃比域の空燃比に設定された。しかしながら、ＮＳＲ１８は長時間の使用により劣化してくる。ＮＳＲ１８が劣化すれば、そのＮＯｘ吸蔵ウィンドウが縮小する。そこで、本実施形態では、ＮＯｘ吸蔵ウィンドウの縮小の程度に応じて、上記弱リーン運転時の目標空燃比を変更することとした。

この目標空燃比の変更について、図５を参照しながら説明する。図５は、ＮＳＲのＮＯｘ吸蔵ウィンドウおよびエンジン出ガスＮＯｘ量と、空燃比との関係を示した図である。図５に実線で示したものが劣化前のＮＯｘ吸蔵ウィンドウである。また、図５に点線で示したものが劣化後のＮＯｘ吸蔵ウィンドウである。これらのＮＯｘ吸蔵ウィンドウから分かるように、ＮＳＲが劣化するとそのＮＯｘ吸蔵ウィンドウがよりリーン側に縮小する。換言すれば、ＮＳＲのＮＯｘ吸蔵ウィンドウを外れる空燃比域が拡大する。従って、劣化後の目標空燃比は、劣化前の弱リーン空燃比（空燃比ｒ_Ａ）よりも大きい値に設定できることになる。

また、図５に示すように、エンジン出ガスＮＯｘ量は、ストイキ側からリーン側に行くほど増加し、ある極大値を境に減少する。そこで、本実施形態においては、ＮＳＲ１８のＮＯｘ吸蔵ウィンドウを外れる領域のうち、エンジン出ガスＮＯｘ量が最大となる空燃比（空燃比ｒ_Ｂ）に劣化後の目標空燃比を設定する。このような目標空燃比に設定すれば、劣化前に比してより多くのＮＯｘをＳＣＲ２０に導入できるので、弱リーン運転の継続時間を短縮できる。従って、より迅速にストイキ運転に切り替え可能となるので、加速要求に対するトルクを確保できる。加えて、弱リーン運転の実行によるＴＷＣ１６の劣化を抑制できる。

上記について、図６を参照しながら更に説明する。図６は、本実施形態における加速要求時空燃比制御を説明するタイミングチャートである。なお、図６（Ａ）は劣化前の加速要求時空燃比制御を表し、図６（Ｂ）は劣化後の加速要求時空燃比制御を表している。また、図６（Ａ），（Ｂ）は、加速要求時におけるＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量とＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量との大小関係が、ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量＜ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量の場合における加速要求時空燃比制御を表している。

図６（Ａ）に示すように、時刻ｔ_０において、目標空燃比（Ａ／Ｆ）が空燃比ｒ_Ａに設定されて弱リーン運転が開始されると、ＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量が減少し始める。これは、ＮＳＲ１８からしみ出したＮＯｘと、ＴＷＣ１６およびＮＳＲ１８をすり抜けたエンジン出ガス中のＮＯｘとがＳＣＲ２０に導入されるからである。そのため、ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量は、しみ出したＮＯｘ量に比例して減少する。そして、ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量がＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量と等しくなった時刻ｔ_１において、Ａ／Ｆがストイキに設定されてストイキ運転が開始される。つまり、劣化前の弱リーン運転の継続時間はＴ_Ａ（＝ｔ_１−ｔ_０）で表される。

一方、図６（Ｂ）に示すように、目標空燃比（Ａ／Ｆ）を空燃比ｒ_Ｂに設定して弱リーン運転を開始した場合には、空燃比ｒ_Ａに設定した場合よりもＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量の減少速度が増加する。これは、空燃比ｒ_Ｂに設定することでエンジン出ガス中のＮＯｘ量が増加するためである。そのため、時刻ｔ_１よりも早い時刻ｔ_２において、ＮＳＲ吸蔵ＮＯｘ量がＳＣＲ吸蔵ＮＨ_３量と等しくなり、Ａ／Ｆがストイキに設定されてストイキ運転が開始される。つまり、劣化後の弱リーン運転の継続時間Ｔ_Ｂ（＝ｔ_２−ｔ_０）は、劣化前の弱リーン運転の継続時間はＴ_Ａよりも短くなる。従って、上述したトルク確保やＴＷＣ１６の劣化抑制といった効果を得ることができる。

［実施の形態２における具体的処理］
次に、図７を参照しながら、本実施形態の加速要求時空燃比制御を実現するための具体的処理について説明する。図７は、本実施形態においてＥＣＵ３０により実行される加速要求時空燃比制御を示すフローチャートである。なお、図７に示すルーチンは、エンジン１０の運転中に繰り返し実行されるものとする。

図７に示すルーチンでは、先ず、ストイキ運転に対する要求の有無が判定される（ステップ２００）。本ステップの処理は、図４のステップ１００と同一の処理である。ステップ２００において、ストイキ運転に対する要求が有ると判定された場合には、ＳＣＲ２０の推定到達床温が設定温度Ａよりも高くなるか否かが判定される（ステップ２１０）。本ステップにおいて、ＳＣＲ２０の床温が設定温度Ａよりも低いと判定された場合には、ストイキ運転が実行される（ステップ２２０）。このような処理がなされる理由については、図４のステップ１２０の説明の際に述べたとおりである。

ステップ２１０において、ＳＣＲ２０の床温が設定温度Ａよりも高いと判定された場合には、ＮＳＲ１８の劣化検定がなされる（ステップ２３０）。劣化検定は、具体的に、次の手順で行われる。即ち、先ず、検定用のリッチスパイクを実行して、その際のＮＨ_３センサ２４の検出値を取得する。次いで、初期値（設定値）に対するセンサ検出値を算出してＮＳＲ劣化度を求める。

続いて、弱リーン運転時の目標空燃比が算出される（ステップ２４０）。具体的には、ＮＳＲ劣化度と目標空燃比との関係を示したマップデータにステップ２３０で求めたＮＳＲ劣化度を適用して、目標空燃比を求める。なお、このマップデータは、予めＥＣＵ３０内部に記憶されているものとする。本ステップにおいて求めた目標空燃比は、新たな弱リーン空燃比として書き換えられる。目標空燃比を書き換えた後のステップ２５０〜３１０の処理については、図４のステップ１３０〜１９０と同一の処理である。

以上、図７に示したルーチンによれば、ＮＳＲ劣化度に応じてよりリーン側の目標空燃比に変更されるので、弱リーン運転の継続時間を短縮できる。従って、上記実施の形態１の効果に加え、トルク確保やＴＷＣ１６の劣化抑制といった効果を得ることができる。

１０ エンジン
１２ 排気通路
１４ ターボチャージャ
１６ ＴＷＣ
１８ ＮＳＲ
２０ ＳＣＲ
２２ ＮＯｘセンサ
２４ ＮＨ_３センサ
３０ ＥＣＵ

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排気空燃比が所定リーン空燃比域にある場合に排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、排気空燃比が所定リッチ空燃比域にある場合に吸蔵したＮＯｘを放出してＮＨ_３に還元する吸蔵還元型触媒と、
   前記吸蔵還元型触媒よりも下流側の前記排気通路に設けられ、排気ガス中のＮＨ_３を吸蔵すると共に、吸蔵したＮＨ_３により排気ガス中のＮＯｘを還元する選択還元型触媒と、
   前記所定リーン空燃比域でのリーン運転から高排気温運転へ切り替える運転切替要求の有無を判定する運転切替要求判定手段と、
   前記運転切替要求があると判定された場合に、前記吸蔵還元型触媒に吸蔵されているＮＯｘの物質量を表す吸蔵ＮＯｘ量と、前記選択還元型触媒に吸蔵されているＮＨ _３ の物質量を表す吸蔵ＮＨ_３量との大小関係に応じて、前記リーン運転から前記高排気温運転へと切り替える間の目標空燃比を設定する目標空燃比設定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記目標空燃比設定手段は、
   前記吸蔵ＮＨ_３量が前記吸蔵ＮＯｘ量よりも多い場合には、目標空燃比を所定時間に亘って前記所定リーン空燃比域よりもリッチ側の弱リーン空燃比に設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記目標空燃比設定手段は、前記吸蔵ＮＨ_３量が前記吸蔵ＮＯｘ量よりも少ない場合には、前記吸蔵ＮＨ_３量が前記吸蔵ＮＯｘ量よりも多くなるまで目標空燃比を一時的にリッチに設定し、その後、所定時間に亘って前記所定リーン空燃比域よりもリッチ側の弱リーン空燃比に設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記選択還元型触媒の劣化度合いが大きいほど、前記弱リーン空燃比のリッチ化度合いを弱めることを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記目標空燃比設定手段は、
   前記吸蔵ＮＨ_３量が前記吸蔵ＮＯｘ量と等しい場合には、目標空燃比を所定時間に亘って理論空燃比近傍に設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

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