JP6350397B2

JP6350397B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP6350397B2
Application number: JP2015116857A
Authority: JP
Inventors: 慎太郎堀田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2035-06-09
Also published as: EP3103993A1; EP3103993B1; US10174695B2; CN106246368B; US20160363070A1; JP2017002792A; CN106246368A

Description

本発明は、内燃機関の制御装置、詳しくは、排気通路に選択還元型触媒を備えさらにその上流にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備える内燃機関の制御装置に関する。

排気に含まれるＮＯｘを浄化することができる触媒として、選択還元型触媒（以下、ＳＣＲともいう）が知られている。ＳＣＲは、アンモニア（ＮＨ_３）を吸着する機能を有し、ＮＨ_３によって排気中のＮＯｘを選択的に還元することができる。

下記の特許文献１には、ＳＣＲの上流にＮＯｘ吸蔵還元型触媒（以下、ＮＳＲともいう）を配置する構成が開示されている。ＮＳＲは、リーン雰囲気下において排気中のＮＯｘを吸蔵し、上流からＨＣやＣＯ等の還元剤が供給されたとき、吸蔵しているＮＯｘを放出して還元剤と反応させ、ＮＯｘをＮＨ_３及びＮ_２に還元する。よって、この構成によれば、ＮＳＲにおけるＮＯｘの還元時に生成されたＮＨ_３をＳＣＲに吸着させることができる。そして、そのＮＨ_３を利用することにより、ＮＳＲを通り過ぎたＮＯｘやＮＳＲからしみ出たＮＯｘをＳＣＲにて選択的に還元することができる。つまり、この構成によれば、ＳＣＲにＮＨ_３を吸着させるために尿素添加手段のような特別な手段を必要としない。

また、特許文献１には、筒内空燃比を理論空燃比にして運転するストイキ運転から、筒内空燃比を理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比にして運転するリーン運転への切り替え時、ＮＳＲに流入する排気の空燃比を短期間リッチ化する所謂リッチスパイクを実行することが開示されている。ＳＣＲが吸着しているＮＨ_３の量はストイキ運転中に減少するが、上記のようにリッチスパイクを実行してＮＳＲに還元剤を供給し、ＮＳＲにＮＨ_３を生成させることで、ＳＣＲのＮＨ_３吸着量を回復させることができる。

特開２０１４−００１６８２号公報特開２０１４−１０１８３６号公報

ストイキ運転中にＳＣＲのＮＨ_３吸着量が減少するのは、高温環境下においてＮＨ_３が酸化することによる。ＳＣＲの温度には適正範囲があり、ＳＣＲの温度が適正範囲の上限温度（およそ４７０℃）以上になるとＮＨ_３の酸化が進むことが知られている。リーン運転中の排気温度はストイキ運転中の排気温度よりも低いため、ストイキ運転中に上昇したＳＣＲの温度はリーン運転に切り替わることで低下する。

しかし、ＳＣＲが上限温度を超える高温になっている場合、切り替え後も暫くの間、ＳＣＲにおいてＮＨ_３の酸化が続くことになる。この場合、リッチスパイクの実行によって生成されたＮＨ_３のうちのいくらかはＳＣＲに吸着される前に酸化してしまい、ＳＣＲに吸着されたＮＨ_３も次第に酸化されてしまう。その結果、リッチスパイクの実行後もＮＨ_３の吸着量を十分に回復させることができず、ＳＣＲのＮＯｘ浄化性能の低下を招いてしまう。

本発明は、上記の問題に鑑みて創案されたものであって、上流のＮＳＲで生成されたＮＨ_３が高温環境下で酸化してしまうことによるＳＣＲのＮＯｘ浄化性能の低下を抑え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。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、排気通路に配置された選択還元型触媒と、排気通路の選択還元型触媒よりも上流に配置されたＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、排気通路から吸気通路にＥＧＲガスを再循環させるＥＧＲ装置とを備える内燃機関を制御する制御装置である。本発明においては、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒には、三元触媒にＮＯｘ吸蔵機能を持たせたものも含まれる。

本制御装置により選択される内燃機関の運転モードには、少なくともリーンモードとストイキモードとが含まれる。リーンモードは、筒内空燃比を理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比に制御して運転する運転モードである。ストイキモードは、筒内空燃比を理論空燃比に制御して運転する運転モードである。リーンモードが選択される運転域と、ストイキモードが選択される運転域とは異ならせてもよい。その場合、ストイキモードは、リーンモードが選択される運転域よりもトルクが高い運転域、より詳しくは、リーンモードでの上限トルクを超える運転域で選択されることが好ましい。

本制御装置は、第１の制御手段を備える。第１の制御手段は、運転モードがストイキモードからリーンモードへ切り替わる間に、理論空燃比に対して過剰な燃料を供給するリッチスパイクを実行するように構成される。リッチスパイクの具体的な方法に限定はない。例えば、トルクに寄与する燃料噴射の燃料噴射量を理論空燃比に対して過剰にしてもよいし、トルクに寄与する燃料噴射とは別にトルクに寄与しないポスト噴射を行うことで総燃料噴射量を理論空燃比に対して過剰にしてもよい。リッチスパイクが実行されることによって排気中には多量の還元剤が含まれるようになる。この還元剤がＮＯｘ吸蔵還元型触媒に供給されることで、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸蔵されていたＮＯｘと還元剤とが反応してＮＨ_３が生成される。

本制御装置は、さらに第２の制御手段を備える。第２の制御手段は、ストイキモードからの切り替え時の選択還元型触媒の温度が上限温度以上の場合、リッチスパイクの実行後、所定の過渡制御を実行してから、リーンモードへ切り替えるように構成される。ストイキモードからの切り替え時とは、リッチスパイクの実行中、或いはリッチスパイクが終了するまさにその時点を意味する。上限温度は、ＮＨ_３の酸化が起きる温度或いはその近傍の温度に設定されることが好ましい。過渡制御では、吸気に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率をリーンモードのＥＧＲ率よりも高くし、筒内空燃比を理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比であってリーンモードの空燃比よりも燃料リッチな空燃比にすることが行われる。ここで、リーンモードのＥＧＲ率とは、内燃機関がリーンモードで運転されている場合に設定されるＥＧＲ率であって、内燃機関が定常状態にあるときに設定されるＥＧＲ率を意味する。設定ＥＧＲ率にはゼロも含まれる。リーンモードの空燃比とは、内燃機関がリーンモードで運転されている場合に設定される空燃比であって、内燃機関が定常状態にあるときに設定される空燃比を意味する。また、定常状態とは、内燃機関の回転速度及びトルクが一定となっている状態を意味する。

上記のごとく構成される本制御装置によれば、選択還元型触媒の温度が上限温度以上となりＮＨ_３の酸化が起こりうる状況では、ＥＧＲ率がリーンモードの設定ＥＧＲ率よりも高くされることで、排気中の酸素濃度が下げられ、高温環境下でのＮＨ_３の酸化が抑えられる。これにより、選択還元型触媒のＮＨ_３の吸着量を十分に回復させることができ、また、リーンモードへの切り替え後のＳＣＲのＮＯｘ浄化性能の低下を抑えることができる。また、同時に、筒内空燃比がリーンモードの設定空燃比よりは燃料リッチにされることで、ＥＧＲ率の上昇による燃焼の不安定化を抑えることができる。

第２の制御手段は、選択還元型触媒の温度が上限温度よりも低くなるまで、上述の過渡制御を実行するように構成されてもよい。筒内空燃比をリーンモードの設定空燃比よりも燃料リッチにする期間が長いほど燃費性能は低下する一方、ＮＨ_３の酸化が起きるのは選択還元型触媒が高温のときであるので、選択還元型触媒の温度が低下したならばＥＧＲ率を高めて酸素濃度を下げる必要はない。ゆえに、過渡制御の実行期間を上記のように調整するならば、燃費性能を無駄に低下させることなく、ＮＨ_３の酸化によるＳＣＲのＮＯｘ浄化性能の低下を抑えることができる。

第２の制御手段は、上述の過渡制御を実行する場合、ＥＧＲ率が最大になるようにＥＧＲ装置を操作するように構成されてもよい。ここでいう最大のＥＧＲ率とは、ＥＧＲ装置の操作量をＥＧＲガスの流量を増やす側に最大にしたときに得られるＥＧＲ率である。ＥＧＲ率を最大にすることで、排気中の酸素濃度を最小にしてＮＨ_３の酸化をより効果的に抑えることができる。

ストイキモードでは、リーンモードの設定ＥＧＲ率よりも高いＥＧＲ率でＥＧＲガスの再循環が行われてもよい。ＮＯｘの生成を抑えるためである。この場合、第２の制御手段は、上述の過渡制御において、ＥＧＲ率をストイキモードの設定ＥＧＲ率に維持するように構成されてもよい。ストイキモードの設定ＥＧＲ率が最大ＥＧＲ率であるならば、過渡制御においてもＥＧＲ率が最大になるようにＥＧＲ装置を操作することが好ましい。

リーンモードには、ＥＧＲガスの再循環を行わない第１リーンモードと、ＥＧＲガスの再循環を行う第２リーンモードとが含まれてもよい。第２リーンモードは、第１リーンモードが選択される運転域よりもトルクが高い運転域で選択される。高トルク域はノッキングが起こりやすく、ＥＧＲガスの再循環を行うことにはノッキングを抑える効果があるからである。一方、第１リーンモードによるリーン運転、つまり、ＥＧＲガスの再循環を行わずに新気のみでリーン運転することには、ＥＧＲガスを導入する場合に比べて燃費性能を高めることができる効果がある。この場合、第２の制御手段は、ストイキモードから第１リーンモードへの切り替え時と、ストイキモードから第２リーンモードへの切り替え時の両方において上述の過渡制御を実行し、過渡制御では、ＥＧＲ率を第２リーンモードの設定ＥＧＲ率よりも高くするように構成されてもよい。

以上述べたように、本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、ストイキモードからリーンモードへの切り替え時の選択還元型触媒の温度が上限温度以上の場合、リッチスパイクの実行後、ＥＧＲ率をリーンモードの設定ＥＧＲ率よりも高くすることが行われるので、リッチスパイクによって生成されたＮＨ_３の高温環境下での酸化を抑えて、ＳＣＲのＮＯｘ浄化性能の低下を抑えることができる。また、リッチスパイクの実行後、筒内空燃比がリーンモードの設定空燃比よりは燃料リッチにされるので、ＥＧＲ率の上昇による燃焼の不安定化は抑えられる。これらの効果により、本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、ストイキモードからリーンモードへの切り替え時に排気性能が悪化することを防ぐことができる。

本発明の実施の形態に係るシステムの構成を示す図である。運転領域と運転モードとの関係を示す図である。運転モードの切り替えに係るエンジン制御のフローを示すフローチャートである。減速時の目標動作点の移動の一例を示す図である。目標動作点が図４に示すように移動した場合において、ＳＣＲ温度がウインドウ内に収まっているときのシステムの動作を示すタイムチャートである。目標動作点が図４に示すように移動した場合において、ＳＣＲ温度がウインドウ上限を超えているときのシステムの動作を示すタイムチャートである。減速時の目標動作点の移動の別の例を示す図である。目標動作点が図７に示すように移動した場合において、ＳＣＲ温度がウインドウ内に収まっているときのシステムの動作を示すタイムチャートである。目標動作点が図７に示すように移動した場合において、ＳＣＲ温度がウインドウ上限を超えているときのシステムの動作を示す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の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．実施の形態のシステム構成
図１は、本発明の実施の形態にかかるシステムの構成を示す図である。本実施の形態にかかるシステムは、自動車に動力装置として搭載される内燃機関（以下、単にエンジンという）２を備える。エンジン２の気筒数および気筒配置は特に限定されない。

エンジン２は、ピストン１２が配置されたシリンダブロック４とシリンダヘッド３とを備える。シリンダヘッド３とピストン１２とで挟まれた空間が燃焼室５となる。エンジン２は火花点火式エンジンであって、シリンダヘッド３には燃焼室５の頂部に突き出るように点火装置の点火プラグ１８が取り付けられている。

燃焼室５には、シリンダヘッド３に形成された吸気ポート６と排気ポート８がそれぞれ開口している。燃焼室５と吸気ポート６との連通状態は、シリンダヘッド３に設けられた吸気バルブ１４によって制御される。燃焼室５と排気ポート８との連通状態は、シリンダヘッド３に設けられた排気バルブ１６によって制御される。吸気バルブ１４と排気バルブ１６のそれぞれに対して、バルブタイミングと作用角とを可変にする可変動弁装置２４，２６が設けられている。

また、シリンダヘッド３には、燃焼室５の中に燃料を直接噴射する筒内噴射弁２２と、吸気ポート６に燃料を噴射するポート噴射弁２０が取り付けられている。筒内噴射弁２２は、燃焼室５の吸気側から燃焼室５の中央に向けて燃料を噴射するように吸気ポート６の下方に配置されている。

シリンダヘッド３の吸気ポート６には、吸気マニホールド１０が接続されている。吸気マニホールド１０はサージタンク１９を備える。サージタンク１９には、エアクリーナ３１から取り込んだ空気を導く吸気通路３０が接続されている。吸気通路３０には、電子制御式のスロットルバルブ４０が設けられている。一方、シリンダヘッド３の排気ポート８には、排気マニホールド１１が接続されている。排気マニホールド１１には、排気を外部に排出する排気通路３２が接続されている。排気通路３２には、排気浄化装置６０が配置されている。

エンジン２は、ターボ過給機２８を有している。ターボ過給機２８のコンプレッサ２８ａは、吸気通路３０のスロットルバルブ４０よりも上流に設けられている。コンプレッサ２８ａとスロットルバルブ４０との間には、コンプレッサ２８ａで圧縮された吸入空気を冷却するインタークーラ３６が設けられている。ターボ過給機２８のタービン２８ｂは、排気通路３２の排気浄化装置６０よりも上流に設けられている。排気通路３２には、タービン２８ｂをバイパスするバイパス通路４４が設けられている。バイパス通路４４には、電子制御式のウェイストゲートバルブ４６が設置されている。

エンジン２は、排気通路３２から吸気通路３０へ排気の一部を再循環させるＥＧＲ装置８０を備える。ＥＧＲ装置８０は、排気浄化装置６０よりも下流で排気通路３２から分岐し、コンプレッサ２８ａよりも上流で吸気通路３０に接続するＥＧＲ通路８２を備えるＬＰＬ−ＥＧＲ装置（低圧ＥＧＲ装置）である。ＥＧＲ通路８２には、ＥＧＲガスの流れの上流側にＥＧＲクーラ８４が配置され、下流側にＥＧＲバルブ８６が配置されている。

排気浄化装置６０は、三元触媒であるスタート触媒（以下、ＳＣという）６２、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（以下、ＮＳＲという）６４、及び選択還元型触媒（以下、ＳＣＲという）６６から構成されている。排気通路３２における上流側から、ＳＣ６２、ＮＳＲ６４、ＳＣＲ６６の順に配置されている。

ＳＣ６２は、酸素濃度の高いリーン雰囲気下では、排気中の酸素を吸着しながら排気中のＮＯｘをＮ_２に還元し、酸素濃度の低いリッチ雰囲気下では、酸素を放出しながら排気中のＨＣ及びＣＯを酸化させてＨ_２Ｏ及びＣＯ_２に変化させる。

ＮＳＲ６４は、酸素濃度の高いリーン雰囲気下において排気ガス中のＮＯｘを硝酸塩の形態で吸蔵する。そして、リッチスパイクによって還元剤となるＨＣ、ＣＯ、Ｈ２等が供給されたとき、ＮＳＲ６４は、吸蔵しているＮＯｘを放出し、還元剤とＮＯｘとを反応させてＮＯｘをＮＨ_３及びＮ_２に還元する。

ＳＣＲ６６は、リッチスパイクによりＮＳＲ６４において生成されたＮＨ_３を吸着する。そして、吸着したＮＨ_３と排気ガス中のＮＯｘとを反応させてＮＯｘをＮ_２に還元する。なお、リッチスパイクによって還元剤が供給されたとき、排気中のＮＯｘと還元剤との反応がＳＣ６２でも起こり、ＮＯｘからＮＨ_３が生成される。このため、ＳＣＲ６６に吸着されるＮＨ_３には、ＮＳＲ６４で生成されたＮＨ_３に加えて、ＳＣ６２で生成されたＮＨ_３も含まれている。

本実施形態のシステムは、エンジン２の運転状態に関する情報を得るためのセンサを各所に備えている。吸気通路３０におけるエアクリーナ３１の直下流には、吸入新気量を計測するためのエアフローメータ３４が設置されている。排気通路３２におけるＳＣ６２の直上流には、限界電流式の空燃比センサ７０が設置されている。ＮＳＲ６４には、その温度（詳しくは床温）を計測するための温度センサ７４が取り付けられている。また、ＳＣＲ６６には、その温度（詳しくは床温）を計測するための温度センサ７６が取り付けられている。さらに、本実施形態のシステムは、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を計測するためのアクセルポジションセンサ５２と、エンジン２のクランク角度を計測するためのクランク角センサ５４とを有している。これらの他にも、燃焼圧センサ、吸気圧センサ、過給圧センサ、ＮＯ_ｘセンサ等（いずれも図示省略）の様々なセンサがエンジン２或いは車両に取り付けられている。

上述した各種のセンサ及びアクチュエータは、制御装置５０に電気的に接続されている。制御装置５０は、少なくとも入出力インタフェース、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵを有するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。入出力インタフェースは、エンジン２及び車両に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、エンジン２が備えるアクチュエータに対して操作信号を出力する。アクチュエータには、ポート噴射弁２０、筒内噴射弁２２、点火プラグ１８を含む点火装置、スロットルバルブ４０、ウェイストゲートバルブ４６、ＥＧＲバルブ８６、可変動弁装置２４、２６等が含まれる。ＲＯＭには、エンジン２を制御するための各種の制御プログラムやマップを含む各種の制御データが記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラムをＲＯＭから読みだして実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。

２．エンジンの運転モード
制御装置５０によって選択されるエンジン２の運転モードには、大別して、ストイキ運転を行うストイキモードと、リーン運転を行うリーンモードとが含まれる。ストイキ運転は、筒内空燃比を理論空燃比に制御して行う運転であり、リーン運転は、筒内空燃比を理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比に制御して行う運転である。本実施の形態では、リーンモードは、さらに、ＥＧＲガスの再循環を行わず新気のみでリーン運転を行う第１リーンモードと、ＥＧＲガスの再循環を行う第２リーンモードとに分けられる。また、本実施の形態では、ストイキモードでもＥＧＲガスの再循環が行われる。以下、ストイキモードをストイキＥＧＲモードと呼び、第１リーンモードをエアリーンモードと呼び、第２リーンモードをリーンＥＧＲモードと呼ぶことにする。

図２は、制御装置５０によって選択されるエンジン２の運転モードと、トルク及びエンジン回転速度との対応関係を示す図である。図２において太い実線で示す折れ線は、エンジン２が運転可能な領域と運転不可能な領域との間の境界線であり、各回転速度における最大トルクを示している。この境界線より低トルク側の領域が、エンジン２が運転可能な領域である。

図２において細い実線で示す折れ線は、ストイキ運転を行う領域とリーン運転を行う領域との間の境界線であり、各回転速度においてリーン運転により実現可能な最大トルクを示している。この境界線より高トルク側の領域は、エンジン２が運転可能な領域のうちストイキ運転を行う領域、すなわち、ストイキＥＧＲモードが選択される領域（以下、ストイキＥＧＲ域ともいう）である。一方、境界線より低トルク側の領域は、リーン運転を行う領域（以下、リーン域ともいう）、すなわち、エアリーンモード或いはリーンＥＧＲモードが選択される領域である。

図２において破線で示す直線は、新気のみでリーン運転を行った場合にノッキングが許容範囲に収まる領域と収まらないとの間の境界線である。この境界線より高トルク側の領域は、リーン運転を行う領域のうちＥＧＲガスの再循環を行う領域、すなわち、リーンＥＧＲモードが選択される領域（以下、リーンＥＧＲ域ともいう）である。一方、境界線より低トルク側の領域は、新気のみでリーン運転を行う領域、すなわち、エアリーンモードが選択される領域（以下、エアリーン域ともいう）である。

ストイキＥＧＲモードによる運転では、空燃比センサ７０の出力値が理論空燃比に対応する基準値になるように燃料噴射量がフィードバック制御される。ストイキＥＧＲモードでの燃料噴射は、ポート噴射弁２０と筒内噴射弁２２の併用による燃料噴射、或いは、筒内噴射弁２２のみによる燃料噴射の何れか一方がエンジン２の動作点に応じて選択される。例えば、過給によりスカベンジンが発生する領域では、筒内噴射弁２２による吸気行程又は圧縮行程での燃料噴射によってストイキ運転が行われる。ストイキＥＧＲモードでは、できる限り多量のＥＧＲガスを再循環させてＮＯｘの発生をできる限り抑えるべく、ＥＧＲ装置８０の操作量であるＥＧＲバルブ８６の開度は、ＥＧＲ率が最大になるように最大開度に制御される。

エアリーンモードによる運転では、筒内空燃比は失火限界近くまで燃料リーンにされた強リーン空燃比（例えば２６程度の値）に設定される。また、エアリーンモードでは、ＥＧＲ率はゼロに設定されてＥＧＲバルブ８６は全閉にされる。エアリーンモードでの燃料噴射は、ポート噴射弁２０のみによる燃料噴射、或いは、ポート噴射弁２０と筒内噴射弁２２の併用による燃料噴射の何れか一方がエンジン２の動作点に応じて選択される。ポート噴射弁２０による燃料噴射は、好ましくは、吸気バルブ１４が閉じている期間に行なわれる非同期噴射である。ただし、吸気バルブ１４が開いている期間と燃料噴射期間とが重なる同期噴射となってもよい。筒内噴射弁２２による燃料噴射は、吸気行程で行なわれる吸気行程噴射である。なお、エアリーンモードでは、点火時期はＭＢＴに設定される。

リーンＥＧＲモードによる運転では、筒内へのＥＧＲガスの導入によってノッキングを抑えるべく、予め設定されたＥＧＲ率に基づいてＥＧＲバルブ８６の開度が制御される。リーンＥＧＲモードでの設定ＥＧＲ率は、ノッキングを有効に抑えることができる範囲においてなるべく低い値に設定されている。また、リーンＥＧＲモードでは、ＥＧＲガスの導入によるリーン限界の悪化に合わせて、筒内空燃比はエアリーンモードでの設定空燃比よりも僅かに燃料リッチな空燃比に設定される。リーンＥＧＲモードでの燃料噴射は、ポート噴射弁２０のみによる燃料噴射、ポート噴射弁２０と筒内噴射弁２２の併用による燃料噴射、筒内噴射弁２２のみによる燃料噴射の何れかがエンジン２の動作点に応じて選択される。なお、リーンＥＧＲモードは、エアリーンモードに比較してノッキングを抑える効果は高いが、燃費性能は冷却損失がより少ないエアリーンモードに比較して低下する。このため、リーンＥＧＲモードが選択される領域は、エアリーンモードによる運転ではノッキングが許容レベルを超えてしまう領域に限定されている。なお、リーンＥＧＲモードでは、点火時期はＭＢＴよりも遅角側に設定される。

エアリーンモードによる運転とリーンＥＧＲモードによる運転では、所定の実行規則に従ってリッチスパイクが実行される。本実施の形態で実行されるリッチスパイクは、１サイクル当たりの燃料噴射量の増量によって筒内空燃比を理論空燃比よりも燃料リッチな空燃比に一時的に変更する処理である。リッチスパイクのための燃料噴射量の増量は、筒内噴射弁２２から噴射される燃料に対して行われる。筒内空燃比を理論空燃比よりも燃料リッチにすることによって、排気中の酸素濃度が減少するとともにＨＣ、ＣＯ、Ｈ２等の還元剤が多量に発生する。還元剤を多量に含む排気がＮＳＲ６４に供給されることで、ＮＳＲ６４に吸蔵されていたＮＯｘはＮＳＲ６４から放出され、ＮＳＲ６４上でＮＨ_３やＮ_２に還元される。なお、リッチスパイクは、ＮＯｘセンサ（図示略）で計測されるＮＳＲ６４の出口のＮＯｘ濃度が所定の閾値を超えたとき、或いは、エンジン回転速度や吸入空気量や空燃比に基づいて推定計算されたＮＯｘの吸蔵量が所定の閾値を超えたときに実行される。

３．運転モードの切り替えに係るエンジン制御
制御装置５０は、アクセルポジションセンサ５２によって計測されるアクセルペダルの踏み込み量に基づいてドライバのエンジン２に対する要求出力を算出する。そして、要求出力から、目標トルクと目標回転速度とで定義されるエンジン２の目標動作点を決定し、目標動作点が位置する領域に設定された運転モードを選択する。例えば、図２において、細い実線で示す境界線を高トルク側から低トルク側に超えて目標動作点が移動した場合、制御装置５０は、運転モードをストイキＥＧＲモードからリーンモード（エアリーンモード或いはリーンＥＧＲモード）に切り替える。逆に、細い実線で示す境界線を低トルク側から高トルク側に超えて目標動作点が移動した場合、制御装置５０は、運転モードをリーンモードからストイキＥＧＲモードに切り替える。

ただし、運転モードをストイキＥＧＲモードからリーンモードへ切り替える場合、制御装置５０は、必ずリッチスパイクを実行してからリーンモードへの切り替えを行う。この処理は、リーンモードがエアリーンモードであってもリーンＥＧＲモードであっても行われる。ストイキ運転中の排気温度は高温のため、ＳＣＲ６６に吸着されていたＮＨ_３の酸化が起こり、ＳＣＲ６６のＮＨ_３吸着量は大きく減少している。そこで、リッチスパイクを実行してＮＳＲ６４にＮＨ_３を生成させることで、ストイキ運転中に減少したＳＣＲ６６のＮＨ_３吸着量を回復させることができる。なお、リッチスパイクを実行する期間（サイクル数）は、予め定められている。

運転モードをストイキＥＧＲモードからリーンモードへ切り替える場合、制御装置５０は、さらに、リッチスパイクの実行後、所定の条件が成立した場合、リーンモードへの切り替えに先立って過渡制御を実行する。所定の条件とは、ＳＣＲ温度がウインドウの上限温度以上になっていることである。判定に用いるＳＣＲ温度は、温度センサ７６による計測値でもよいし、排気の温度及び流量から計算される推定値であってもよい。ウインドウはＳＣＲ６６が有効に働く温度範囲に設定され、その上限温度は、ＮＨ_３の酸化反応が起きる４７０℃或いはその近傍の温度に設定されている。ＳＣＲ温度の判定の時期は、ストイキＥＧＲモードからの切り替えが行われる直前、或いは切り替えが行われるまさにその時点である。前者には、目標動作点の移動によってストイキＥＧＲモードからリーンモードへの切り替えが決定した時点が含まれる。後者には、リッチスパイクが完了した時点が含まれる。ＳＣＲ温度が上限温度以上になっている場合、リッチスパイクにより生成したＮＨ_３の酸化が起きるため、ＳＣＲ６６のＮＨ_３吸着量を十分に回復させることができない。そこで、制御装置５０によって実行されるのが、次に説明する過渡制御である。

制御装置５０が行う過渡制御には、ＥＧＲ率をリーンモードの設定ＥＧＲ率よりも高くすることが含まれる。少なくともリーンモードの設定ＥＧＲ率よりも高いＥＧＲ率にすれば、設定どおりのリーンモードで運転する場合に比較して、相対的に酸素濃度を低くしてＮＨ_３の酸化を抑えることができる。ただし、ＥＧＲ率が高いほど排気中の酸素濃度は低くなるので、本実施の形態に係る過渡制御では、ＥＧＲ率が最大になるようにＥＧＲバルブ８６の開度を最大に制御することが行われる。ＥＧＲ率を最大にすることで、排気中の酸素濃度を可能な限り低くしてＮＨ_３の酸化を抑えることができる。

また、制御装置５０が行う過渡制御には、ＥＧＲ率をリーンモードの設定ＥＧＲ率よりも高くしている間、筒内空燃比をリーンモードの設定空燃比よりも燃料リッチな空燃比に制御することが含まれる。過渡制御において筒内空燃比をリーンモードの設定空燃比よりも燃料リッチにするのは、ＥＧＲガスの導入によるリーン限界の悪化に対応するためである。ＥＧＲ率が高いほど、リーン限界は悪化するため、理論空燃比に対する燃料リーンの程度は低くせざるを得ない。過渡制御で設定されるＥＧＲ率は、リーンＥＧＲモードの設定ＥＧＲ率よりも高いので、過渡制御における筒内空燃比は、リーンＥＧＲモードの設定空燃比よりも燃料リッチに設定される。

制御装置５０は、上記の過渡制御をＳＣＲ温度が上限温度よりも低くなるまで継続する。筒内空燃比を理論空燃比よりも燃料リーンにすることで排気温度が低下し、やがてＳＣＲ温度はウインドウ内に収まるようになる。ＳＣＲ温度がウインドウ内に収まれば、もはやＥＧＲ率を高めて酸素濃度を下げる必要はない。過渡制御は、筒内空燃比の燃料リーンの程度を下げる制御でもあるため、長く継続するほど燃費性能を低下させることになる。このため、制御装置５０は、ＳＣＲ温度がウインドウ内に収まったら過渡制御を終了し、目標動作点の位置する領域に応じてエアリーンモード或いはリーンＥＧＲモードの本来の設定へ移行する。これにより、燃費性能を無駄に低下させることなく、ＮＨ_３の酸化によるＳＣＲのＮＯｘ浄化性能の低下を抑えることができる。

運転モードがストイキＥＧＲモードからリーンモードへ切り替わる間に制御装置５０が行うリッチスパイクは、本発明に係る第１の制御手段としての機能に相当する。また、制御装置５０が行う過渡制御は、本発明に係る第２の制御手段としての機能に相当する。なお、運転モードのリーンモードからストイキＥＧＲモードへの切り替えの場合、上述のような特別な制御は行われない。

図３は、運転モードの切り替えに係るエンジン制御のフローを示すフローチャートである。制御装置５０は、このフローチャートに示す手順をＥＣＵのクロック数に対応する所定の制御周期で繰り返し実行する。

まず、ステップＳ２では、エンジン２の目標動作点がリーン運転を行う領域であるリーン域内にあるかどうかの判定が行われる。目標動作点がリーン域内にない場合、ステップＳ４の処理が選択される。ステップＳ４では、ストイキＥＧＲモードが運転モードとして選択され、ストイキＥＧＲモードによるエンジン２の運転が行われる。

目標動作点がリーン域内にある場合、次に、ステップＳ６の判定が行われる。ステップＳ６では、リーン運転への切り替えの際に実行するリッチスパイクが既に実行済みかどうか判定される。今回、初めて目標動作点がリーン域に入った場合、ステップＳ６の判定は否定となる。また、リッチスパイクの実行中である場合も、ステップＳ６の判定は否定となる。ステップＳ６の判定が否定の場合、ステップＳ８の処理が選択される。ステップＳ８では、今回、初めて目標動作点がリーン域に入ったのであればリッチスパイクが開始され、リッチスパイクの実行中である場合には引き続きリッチスパイクが継続される。ステップＳ６の判定は、リッチスパイクの開始から予め定められた実行期間（サイクル数）が経過したときに肯定となる。

リッチスパイクが実行済みとなった場合、次に、ステップＳ１０の判定が行われる。ステップＳ１０では、ＳＣＲ温度が上限温度以上であるかどうか判定される。なお、判定に用いるＳＣＲ温度は、排気の温度及び流量から計算される推定値であってもよい。ＳＣＲ温度が上限温度以上になっている場合、ステップＳ１２の処理が選択される。ステップＳ１２では、リーンモードの本来の設定ＥＧＲ率及び設定空燃比で運転するのではなく、リッチスパイクによりで生成されたＮＨ_３の酸化を抑えるための過渡制御が実行される。ＳＣＲ温度が上限温度よりも低くなるまで、過渡制御は継続して行われる。

ＳＣＲ温度が上限温度よりも低い場合、ステップＳ１４の処理が選択される。ステップＳ１４では、目標動作点がリーン域のうちのどの領域にあるかによって、エアリーンモードとリーンＥＧＲモードの何れか一方が選択され、エアリーンモード或いはリーンＥＧＲモードの本来の設定ＥＧＲ率及び設定空燃比で運転される。エアリーンモードが運転モードとして選択されるエアリーン域は、リーン域のうちＭＢＴでの運転が可能な領域（ＭＢＴ域）に対応している。リーンＥＧＲモードが運転モードとして選択されるリーンＥＧＲ域は、リーン域のうちノッキングの起きる領域（ノック域）に対応している。

４．運転モードの切り替えに係るシステムの動作
４−１．ストイキＥＧＲモードからエアリーンモードへ移行する場合の動作
まず、図４に示すように、エンジン２の目標動作点がストイキＥＧＲ域にある状態において、減速要求によって要求出力が減少し、目標動作点がストイキＥＧＲ域内の動作点Ａからエアリーン域内の動作点Ｂへ移動した場合のシステムの動作について説明する。なお、変速比或いはギヤ段が固定されている場合、目標動作点は一点鎖線で示すロードロードライン（Ｒ／Ｌ）に沿って移動する。ロードロードラインは、変速比或いはギヤ段を固定した場合にエンジン２の出力と車両の走行負荷抵抗とが釣り合う動作点を結んだ曲線である。

図５は、減速により目標動作点が図４に示すように移動した場合において、リーンモードへの切り替えの時のＳＣＲ温度がウインドウ内に収まっているときのシステムの動作を示すタイムチャートである。ここに示す動作は、図３に示すフローにおいて、ステップＳ１２の処理を経ることなくステップＳ１４の処理が選択された場合の動作である。タイムチャートには、エンジン出力、筒内空燃比、ＥＧＲ率、ＮＳＲ温度、ＳＣＲ温度、及び、ＳＣＲのＮＨ_３吸着量の時刻による変化が示されている。

このタイムチャートでは、時刻t1において減速が開始され、時刻t2においてリッチスパイクが実行されている。これは、時刻t2或いはその直前において、目標動作点がストイキＥＧＲ域からエアリーン域へ移動したことによる。リッチスパイクは所定の期間実行され、リッチスパイクが完了した時刻t3においてストイキＥＧＲモードからエアリーンモードへの切り替えが行われる。

ＳＣＲ温度はリッチスパイクが実行される時刻t2よりも以前に既にウインドウ内に収まっている。このため、時刻t3ではＳＣＲ６６のＮＨ_３吸着能力は既に回復している。この場合、リーンモードの過渡制御は行われず、時刻t3からエアリーンモードの本来の設定ＥＧＲ率及び設定空燃比で運転が行われる。エアリーンモードの設定ＥＧＲ率はゼロであり、設定空燃比は強リーン空燃比である。なお、このタイムチャートでは、ＮＳＲ温度がウインドウ内に収まるのは時刻t3のエアリーンモードへの切り替えよりも後であり、切り替えから暫くの間はＮＳＲ６４のＮＯｘ吸蔵能力は回復していない。しかし、ＳＣＲ６６のＮＨ_３吸着能力が既に回復しているため、ＮＳＲ６４で捕らえられなかったＮＯｘはＳＣＲ６６で浄化することができる。

図６は、減速により目標動作点が図４に示すように移動した場合において、リーンモードへの切り替えの時のＳＣＲ温度がウインドウ上限を超えているときのシステムの動作を示すタイムチャートである。ここに示す動作は、図３に示すフローにおいて、ステップＳ１２の処理を何度か繰り返した後にステップＳ１４の処理が選択された場合の動作である。タイムチャートには、エンジン出力、筒内空燃比、ＥＧＲ率、ＮＳＲ温度、ＳＣＲ温度、及び、ＳＣＲのＮＨ_３吸着量の時刻による変化が示されている。

このタイムチャートでも、時刻t1において減速が開始され、時刻t2においてリッチスパイクが実行されている。しかし、リッチスパイクが完了した時刻t3におけるＳＣＲ温度がウインドウの上限温度を超えているため、リーンモードへの切り替えは直ぐには行われない。すなわち、エアリーンモードの本来の設定ＥＧＲ率及び設定空燃比で運転が行われるのではなく、過渡制御が実行される。タイムチャートでは、過渡制御を実行した場合のＥＧＲ率及び空燃比の時刻による変化を実線で示し、エアリーンモードの本来のＥＧＲ率及び空燃比の時刻による変化を破線で示している。

過渡制御は、ＳＣＲ温度がウインドウ内に収まる時刻t4まで継続される。ＳＣＲ温度がウインドウ内に収まることで、ＳＣＲ６６のＮＨ_３吸着能力は回復する。それまでの間、ＥＧＲ率はエアリーンモードの本来の設定ＥＧＲ率よりも高くされる。詳しくは、ストイキＥＧＲモードの設定ＥＧＲ率である最大ＥＧＲ率を維持するように、ＥＧＲバルブ８６の開度が操作される。多量のＥＧＲガスの導入によって高温環境下でのＮＨ_３の酸化が抑えられるので、ＳＣＲ６６のＮＨ_３吸着量を速やかに回復させることができ、また、リーン運転への切り替え後のＳＣＲ６６のＮＯｘ浄化性能の低下を抑えることができる。タイムチャートでは、過渡制御を実行した場合のＳＣＲ６６のＮＨ_３吸着量の時刻による変化を実線で示し、過渡制御を実行しない場合のＮＨ_３吸着量の時刻による変化を破線で示している。

また、過渡制御における筒内空燃比は、理論空燃比よりも燃料リーンではあるが、エアリーンモードの本来の設定空燃比よりも燃料リッチな空燃比に制御される。ＥＧＲ率を高めている間、筒内空燃比がエアリーンモードの本来の設定空燃比より燃料リッチにされることで、ＥＧＲ率の上昇による燃焼の不安定化を抑えることができる。

４−２．ストイキＥＧＲモードからリーンＥＧＲモードへ移行する場合の動作
次に、図７に示すように、エンジン２の目標動作点がストイキＥＧＲ域にある状態において、減速要求によって要求出力が減少し、目標動作点がストイキＥＧＲ域内の動作点ＡからリーンＥＧＲ域内の動作点Ｃへ移動した場合のシステムの動作について説明する。

図８は、減速により目標動作点が図７に示すように移動した場合において、リーンモードへの切り替えの時のＳＣＲ温度がウインドウ内に収まっているときのシステムの動作を示すタイムチャートである。ここに示す動作は、図３に示すフローにおいて、ステップＳ１２の処理を経ることなくステップＳ１４の処理が選択された場合の動作である。タイムチャートには、エンジン出力、筒内空燃比、ＥＧＲ率、ＮＳＲ温度、ＳＣＲ温度、及び、ＳＣＲのＮＨ_３吸着量の時刻による変化が示されている。

このタイムチャートに示す時刻t3までのシステムの動作は、図５のタイムチャートに示す動作と同じであるので、その説明は省略する。このタイムチャートでは、リッチスパイクが完了した時刻t3においてストイキＥＧＲモードからリーンＥＧＲモードへの切り替えが行われる。時刻t3におけるＳＣＲ温度はウインドウ上限よりも低い温度になっているので、過渡制御は行われない。時刻t3からリーンＥＧＲモードの本来の設定ＥＧＲ率及び設定空燃比で運転が行われる。リーンＥＧＲモードの設定ＥＧＲ率は、ストイキＥＧＲモードの設定ＥＧＲ率よりも低い値に設定され、リーンＥＧＲモードの設定空燃比はエアリーンモードの設定空燃比よりも燃料リッチな空燃比に設定されている。

図９は、減速により目標動作点が図７に示すように移動した場合において、リーンモードへの切り替えの時のＳＣＲ温度がウインドウ上限を超えているときのシステムの動作を示すタイムチャートである。ここに示す動作は、図３に示すフローにおいて、ステップＳ１２の処理を何度か繰り返した後にステップＳ１４の処理が選択された場合の動作である。タイムチャートには、エンジン出力、筒内空燃比、ＥＧＲ率、ＮＳＲ温度、ＳＣＲ温度、及び、ＳＣＲのＮＨ_３吸着量の時刻による変化が示されている。

このタイムチャートに示す時刻t3までのシステムの動作は、図６のタイムチャートに示す動作と同じであるので、その説明は省略する。このタイムチャートでは、リッチスパイクが完了した時刻t3におけるＳＣＲ温度がウインドウの上限温度を超えているため、リッチスパイクの実行後、リーンＥＧＲモードの本来の設定ＥＧＲ率及び設定空燃比で運転が行われるのではなく、過渡制御が実行される。タイムチャートでは、過渡制御を実行した場合のＥＧＲ率及び空燃比の時刻による変化を実線で示し、リーンＥＧＲモードの本来のＥＧＲ率及び空燃比の時刻による変化を破線で示している。

過渡制御は、ＳＣＲ温度がウインドウ内に収まる時刻t4まで継続される。時刻t4までの間、ＥＧＲ率はストイキＥＧＲモードの設定ＥＧＲ率である最大ＥＧＲ率に維持される。これにより、リーンＥＧＲモードで導入されるＥＧＲガスよりも多量のＥＧＲガスが導入されるようになって、高温環境下でのＮＨ_３の酸化が抑えられる。タイムチャートでは、過渡制御を実行した場合のＳＣＲ６６のＮＨ_３吸着量の時刻による変化を実線で示し、過渡制御を実行しない場合のＮＨ_３吸着量の時刻による変化を破線で示している。過渡制御を実行することにより、ＳＣＲ６６のＮＨ_３吸着量を速やかに回復させることができ、また、リーン運転への切り替え後のＳＣＲ６６のＮＯｘ浄化性能の低下を抑えることができる。

また、過渡制御における筒内空燃比は、理論空燃比よりも燃料リーンではあるが、リーンＥＧＲモードの本来の設定空燃比よりも燃料リッチな空燃比に制御される。ＥＧＲ率を高めている間、筒内空燃比がリーンＥＧＲモードの本来の設定空燃比より燃料リッチにされることで、ＥＧＲ率の上昇による燃焼の不安定化を抑えることができる。

５．その他実施の形態
上述の実施の形態では、ストイキＥＧＲモードではＥＧＲバルブの開度を最大にしてＥＧＲ率を最大に制御しているが、ストイキＥＧＲモードの設定ＥＧＲ率は最大ＥＧＲ率よりも低く設定されていてもよい。また、過渡制御のＥＧＲ率はストイキＥＧＲモードの設定ＥＧＲ率と同じである必要はなく、リーンモードの設定ＥＧＲ率よりも高ければよい。

リッチスパイクは、理論空燃比に対して過剰な燃料を供給することができる方法であれば、上述の実施の形態には限定されない。例えば筒内噴射弁２２によって膨張行程或いは排気行程で燃料を噴射する等、トルクに寄与する燃料噴射とは別にトルクに寄与しないポスト噴射を行ってもよい。また、吸気バルブ１４の閉弁期間内にポート噴射弁２０から吸気ポート６内に噴射された燃料を、スカベンジを利用して排気ポート８に吹き抜けさせる方法をとることもできる。なお、筒内噴射弁２２は、図１に示す位置の他、燃焼室５の頂部に点火プラグ１８と並んで配置することもできる。

上述の実施の形態に係るエンジンは過給エンジンであるが、本発明は過給機を備えない自然吸気型のエンジンにも適用することができる。

２エンジン
５燃焼室
６吸気ポート
２０ポート噴射弁
２２筒内噴射弁
３０吸気通路
３２排気通路
５０制御装置
６０排気浄化装置
６２スタート触媒（ＳＣ）
６４ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ）
６６選択還元型触媒（ＳＣＲ）
８０ＥＧＲ装置
８２ＥＧＲ通路
８４ＥＧＲクーラ
８６ＥＧＲバルブ

Claims

排気通路に配置された選択還元型触媒と、前記排気通路の前記選択還元型触媒よりも上流に配置されたＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、前記排気通路から吸気通路にＥＧＲガスを再循環させるＥＧＲ装置とを備える内燃機関の制御装置において、
前記制御装置により選択される前記内燃機関の運転モードには、
筒内空燃比を理論空燃比に制御して運転するストイキモードと、
筒内空燃比を理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比に制御して運転するリーンモードと、が含まれ、
前記制御装置は、
前記運転モードが前記ストイキモードから前記リーンモードへ切り替わる間に、理論空燃比に対して過剰な燃料を供給するリッチスパイクを実行する第１の制御手段と、
前記ストイキモードからの切り替え時の前記選択還元型触媒の温度が上限温度以上の場合、前記リッチスパイクの実行後、吸気に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率を前記リーンモードにおけるＥＧＲ率よりも高くし、筒内空燃比を理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比であって前記リーンモードの空燃比よりも燃料リッチな空燃比にする過渡制御を実行してから、前記リーンモードに切り替える第２の制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記第２の制御手段は、前記選択還元型触媒の温度が前記上限温度よりも低くなるまで、前記過渡制御を実行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。
前記第２の制御手段は、前記過渡制御において、ＥＧＲ率が最大になるように前記ＥＧＲ装置を操作することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。