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JP7110837B2 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関し、詳しくは、ＮＯｘ吸蔵還元機能を有する触媒を備えた内燃機関の排気浄化システムに関する。
特許文献１には、触媒が不活性となる条件において触媒の活性化を促進するための技術が開示されている。この技術では、可変動弁機構の動作を変更して燃焼室の排気期間後に当該燃焼室内に残留する排気ガス量を増加させる触媒活性化動作が行われる。このような動作によれば、燃焼室の空燃比をよりリッチ側に設定して排気ガス中の一酸化炭素ガスを増加させるので、これに応じて触媒温度が上昇する。この結果、触媒が不活性となる条件でも触媒の活性化が促進される。
特開２００４－２５７３３１号公報
ところで、エンジン負荷が低い運転条件では、筒内温度の低下や空気量の減少によって着火性能が低下する傾向がある。このため、上記の技術において、低負荷の運転条件において燃焼室の空燃比をよりリッチ側に設定することとした場合、失火等の着火性能に関する問題が生じるおそれがある。
このような特定運転領域での着火性能の問題は、例えば、ＮＯｘ吸蔵還元機能を有するＮＳＲ触媒を備えたリーンバーンエンジンにおいても起こりうる。すなわち、ＮＳＲ触媒を備えたリーンバーンエンジンでは、ＮＳＲ触媒のＮＯｘ還元機能の回復のために、筒内空燃比を理論空燃比よりも燃料リッチな空燃比とするリッチ燃焼を定期的に行うことが求められる。しかしながら、エンジン負荷が低い運転条件等においてリッチ燃焼を実行すると、失火等の着火性能に関する問題が生じるおそれがある。そこで、このような運転条件を避けてリッチ燃焼を行うこととすると、触媒の還元性能の回復時期が遅れてしまい、その間の排気エミッションが悪化するおそれがある。
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、ＮＯｘ吸蔵還元機能を有する触媒を備える内燃機関において、幅広い運転条件において触媒の機能回復のための燃焼制御を行うことができる内燃機関の排気浄化システムを提供することを目的とする。
第１の発明は、上記の課題を解決するため、内燃機関の排気浄化システムに適用される。排気浄化システムは、内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ吸蔵還元機能を有する触媒と、触媒の上流の排気ガスを前記内燃機関の筒内へ還流させるＥＧＲ通路と、内燃機関の燃焼を制御する制御装置と、を備える。制御装置により選択される内燃機関の運転モードには、内燃機関の筒内空燃比を理論空燃比よりも燃料リーンなリーン空燃比に制御して運転するリーン燃焼運転と、筒内空燃比を理論空燃比よりも燃料リッチな要求リッチ空燃比に制御することで前記触媒に還元剤を供給するリッチ燃焼運転と、が含まれる。制御装置は、リーン燃焼運転の最中にリッチ燃焼運転の実行要求が出された場合、運転モードをリーン燃焼運転からリッチ燃焼運転へと切り替えるように構成される。ＥＧＲ通路を通って筒内に吸入されるＮＯｘ量である筒内ＮＯｘ量の要求値である筒内要求ＮＯｘ量は、要求空燃比の低下に応じて増加するように構成される。そして、制御装置は、実行要求が出された場合、リッチ燃焼運転への切り替えに先立って、筒内ＮＯｘ量が、筒内要求ＮＯｘ量以上となるように内燃機関の燃焼を制御するＮＯｘ増量処理を行い、リッチ燃焼運転中の筒内ＮＯｘ量が筒内要求ＮＯｘ量となるように構成される。
第２の発明は、第１の発明において更に以下の特徴を有する。
ＮＯｘ増量処理は、筒内へ吸入される吸気の吸気温度と、要求リッチ空燃比とに基づいて、筒内要求ＮＯｘ量を設定するように構成される。
第３の発明は、第１又は第２の発明において更に以下の特徴を有する。
ＮＯｘ増量処理は、内燃機関の着火時期を進角する着火時期進角処理を含んで構成される。
第４の発明は、第３の発明において更に以下の特徴を有する。
着火時期進角処理は、内燃機関の燃料噴射時期を進角するように構成される。
第５の発明は、第３又は第４の発明において更に以下の特徴を有する。
ＮＯｘ増量処理は、筒内ＮＯｘ量と、筒内へ吸入される吸気の吸気温度とに基づいて、筒内空燃比を要求リッチ空燃比よりも燃料リーンとなるリッチ寄せ空燃比に制御するリッチ寄せ処理を含んで構成される。
第６の発明は、第５の発明において更に以下の特徴を有する。
ＮＯｘ増量処理は、リッチ寄せ処理の後の筒内温度の変化に基づいて、着火時期を更に進角側に補正する着火時期補正処理を含んで構成される。
第７の発明は、第５又は第６の発明において更に以下の特徴を有する。
ＮＯｘ増量処理は、リッチ寄せ処理の後の吸気温度に基づいて、筒内要求ＮＯｘ量を更新するように構成される。
第１の発明によれば、リーン燃焼運転からリッチ燃焼運転への切り替えに先立って、筒内ＮＯｘ量が筒内要求ＮＯｘ量以上となるように増量される。筒内ＮＯｘ量が増えると着火性能が向上する。このため、本発明によれば、リッチ燃焼運転に先立って着火性能を向上させることができるので、幅広い運転条件において触媒の機能回復のためのリッチ燃焼運転が可能となる。
第２の発明によれば、吸気温度と要求リッチ空燃比に基づいて、筒内要求ＮＯｘ量が設定される。吸気温度が低いほど着火性能は低下する。このため、吸気温度が低いほど要求リッチ空燃比での着火性能を確保するために要求される筒内要求ＮＯｘ量は多くなる。また、要求リッチ空燃比が燃料リッチであるほど着火性能を確保するために要求される筒内要求ＮＯｘ量は多くなる。このため、本発明によれば、着火性能を確保するために要求される筒内要求ＮＯｘ量を適切に設定することができる。
第３の発明によれば、着火時期進角処理によって燃焼温度を上昇させることができる。これにより、排気ガス中のＮＯｘ量を増やすことができるので、ＥＧＲ通路を通って筒内に吸入される筒内ＮＯｘ量を増量することができる。
第４の発明によれば、燃料噴射時期を進角することにより、着火時期を進角することができる。
第５の発明によれば、筒内空燃比が筒内ＮＯｘ量と吸気温度から定まるリッチ寄せ空燃比に制御される。これにより、筒内温度を上昇させることができるので、筒内ＮＯｘ量を効果的に増量することができる。
リッチ寄せ処理によって筒内温度が高まると、着火時の筒内温度を下げずに着火時期を更に進角させることができる。第６の発明によれば、リッチ寄せ処理の後に着火時期が更に進角側に補正されるので、筒内ＮＯｘ量を更に増量して筒内要求ＮＯｘ量に近づけることが可能となる。
第７の発明によれば、リッチ寄せ処理の後の吸気温度が上昇することによって、筒内要求ＮＯｘ量がより低い値に更新される。これにより、筒内ＮＯｘ量を筒内要求ＮＯｘ量に近づけることが可能となる。
実施の形態１の構成を説明するための図である。 リッチ燃焼運転の実行可能領域を示す図である。 吸気にＮＯｘを混合させた場合の吸気のＮＯｘ濃度と着火遅れとの関係を示す図である。 吸気にＮＯとＨＣを混合させた場合の吸気のＮＯｘ濃度と着火遅れとの関係を示す図である。 筒内空燃比を実現するための筒内ＮＯｘ量を吸気温度毎に示した図である。 リッチ寄せ処理を説明するための図である。 クランク角に対する筒内温度の変化を、リッチ寄せ処理の実行前後で比較した図である。 実施の形態１のシステムがリーン燃焼運転の実行中に実行するルーチンのフローチャートである。 実施の形態１のシステムがＮＯｘ増量処理を実行するためのサブルーチンのフローチャートである。 図８及び図９のルーチンが実行された場合の各種状態量の変化を燃焼サイクル毎に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。
実施の形態１．
実施の形態１について図を参照して説明する。
１－１．実施の形態１の構成
図１は、実施の形態１の構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施の形態の排気浄化システム１００は、内燃機関（エンジン）１０を備えている。本実施の形態に係るエンジン１０は、ディーゼルエンジンである。エンジン１０には４つの気筒が直列に備えられ、気筒ごとにインジェクタ８が設けられている。エンジン１０には、吸気マニホールドと排気マニホールドが取り付けられている（何れも図示省略）。排気マニホールドには、エンジン１０から出た排気ガスを大気中に放出するための排気通路１２が接続されている。
排気通路１２には、ＮＳＲ（NOx Storage Reduction）触媒１４が配置されている。ＮＳＲ触媒１４は、ＮＯｘの吸蔵機能とＮＯｘの還元機能とを兼ね備えた触媒である。なお、ＮＯｘの吸着機能を有するいわゆるＮＯｘ吸着触媒（PNA;Passive NOx Adsorbers）は、本明細書のＮＳＲ触媒１４に含まれるものとする。
ＮＳＲ触媒１４は、リーン雰囲気下では、排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵する。また、ＮＳＲ触媒１４は、リッチ雰囲気下で吸蔵しているＮＯｘを放出する。リッチ雰囲気下で放出されたＮＯｘは、ＨＣやＣＯにより還元される。
図１に示す排気浄化システム１００は、排気通路１２を流れる排気ガスをエンジン１０の筒内に還流させるＥＧＲ装置１６を備えている。ＥＧＲ装置１６は、ＮＳＲ触媒１４の上流の排気通路１２と吸気マニホールドとをＥＧＲ通路１６１によって接続している。ＥＧＲ通路１６１には、ＥＧＲ弁１６２が設けられている。
本実施の形態に係る排気浄化システム１００はＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０を備えている。ＥＣＵ３０は、排気浄化システムの全体を総合制御する制御装置であって、本発明に係る制御装置はＥＣＵ３０の一つの機能として具現化されている。
ＥＣＵ３０は、少なくとも入出力インタフェース、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵを有する。入出力インタフェースは、排気浄化システム１００が備えるセンサの信号を取り込むとともに、エンジン１０が備えるアクチュエータに対して操作信号を出力する。センサはシステム１００の各所に取り付けられている。排気通路１２におけるＮＳＲ触媒１４の上流側には、空燃比センサ２０が設けられている。空燃比センサ２０は、エンジン１０の排気空燃比を検出することができる。吸気マニホールドには、ＮＯｘセンサ２２が設けられている。ＮＯｘセンサ２２は、吸気に含まれるＮＯｘ量を検出する。また、吸気マニホールドには、吸気温度を検出するための温度センサ２４が取り付けられている。さらに、クランク軸の回転速度を検出する回転速度センサ２６や、アクセルペダルの開度に応じた信号を出力するアクセル開度センサ２８なども取り付けられている。ＥＣＵ３０は、取り込んだ各センサの信号を処理して所定の制御プログラムにしたがって各アクチュエータを操作する。ＥＣＵ３０によって操作されるアクチュエータには、インジェクタ８、ＥＧＲ弁１６２などが含まれている。ＲＯＭには、エンジン１０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。なお、ＥＣＵ３０に接続されるアクチュエータやセンサは図中に示す以外にも多数存在するが、本明細書においてはその説明は省略する。
１－２．実施の形態１の燃焼制御
ＥＣＵ３０により実行されるエンジン１０の燃焼制御には空燃比制御が含まれる。本実施の形態の空燃比制御では、筒内空燃比が要求空燃比となるようにインジェクタ８からの燃料噴射量が制御される。実施の形態１のエンジン１０では、通常、ＥＣＵ３０は要求空燃比を理論空燃比よりも燃料リーンなリーン空燃比に設定する。以下の説明では、リーン空燃比によるエンジン１０の運転を「リーン燃焼運転」と表記する。リーン燃焼運転の実行中は、ＮＯｘ等の酸化剤がＨＣ、ＣＯ等の還元剤よりも多量に排出される。このため、三元触媒を用いて当該排気ガスを浄化しようとしても、還元剤の不足によって全てのＮＯｘを浄化することができない。そこで、本実施の形態のシステム１００は、排気通路１２にＮＳＲ触媒１４を備えることとしている。ＮＳＲ触媒１４は、ＮＯｘをＢａ（ＮＯ３）２等の硝酸塩として吸蔵する機能を有している。このため、本実施の形態１のシステム１００によれば、リーン燃焼運転の実行中であっても、該ＮＯｘが大気中に放出されてしまうことを効果的に抑制することができる。
但し、ＮＳＲ触媒１４のＮＯｘ吸蔵性能は、吸蔵量が増加するにつれて低下してしまう。このため、リーン燃焼運転が長時間継続して実行されると、ＮＯｘが吸蔵されずに排気通路１２の下流に流れてしまう。そこで、実施の形態１のシステムでは、ＮＳＲ触媒１４に吸蔵されたＮＯｘを定期的に脱離させて処理するリッチ燃焼運転が実行される。具体的には、ＥＣＵ３０は、リッチ燃焼運転の実行条件が成立した場合に、エンジン１０の運転モードをリーン燃焼運転からリッチ燃焼運転へと切り替える。リッチ燃焼運転では、ＥＣＵ３０は、要求空燃比を理論空燃比よりも燃料リッチな空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝１４．６）に設定する。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ＮＳＲ触媒１４に供給されることで、ＮＳＲ触媒１４に吸蔵されていたＮＯｘはＮＳＲ触媒１４から放出され、ＮＳＲ触媒１４上でＮＨ３やＮ２に還元される。
なお、リッチ燃焼運転の実行要求は、ＮＳＲ触媒１４のＮＯｘ吸蔵性能を回復させる必要が生じた場合に出される本実施の形態のシステム１００では、例えば、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要求が出される。また、本実施の形態のシステム１００では、ＮＯｘセンサ等で計測されるＮＳＲ触媒１４の出口のＮＯｘ濃度が所定の閾値を超えたときに実行要求が出される構成でもよい。
１－３．リッチ燃焼運転の課題
ＥＣＵ３０は、リーン燃焼運転の実行中にリッチ燃焼運転の実行要求を受けた場合にリッチ燃焼運転を実行する。ここで、エンジン１０の着火性能は、運転条件によって異なる。図２は、リッチ燃焼運転の実行可能領域を示す図である。この図中の鎖線で囲まれた領域Ａは、リッチ燃焼運転によってリッチ空燃比を実現可能な領域を例示している。以下の説明では、この領域Ａを「リッチ燃焼可能領域」と表記する。また、この図中の一点鎖線で囲まれた領域Ｂは、リッチ燃焼運転のみによってリッチ空燃比を実現できないが、排気通路１２に設けられた燃料添加弁から排気に直接燃料を添加する燃料添加制御と組み合わせればリッチ空燃比を実現可能な領域を例示している。以下の説明では、この領域Ｂを「条件付きリッチ燃焼可能領域」と表記する。そして、この図中の２点鎖線で囲まれた領域Ｃは、リッチ燃焼運転と燃料添加制御とを組み合わせたとしてもリッチ空燃比を実現することが困難な領域を例示している。以下の説明では、この領域Ｃを「リッチ燃焼困難領域」と表記する。
図２に例示するように、リッチ燃焼困難領域は、エンジン負荷が極低負荷となる領域に分布している。このようなエンジン１０の低負荷条件では、筒内温度の低下や吸入空気量の減少などの要因によって着火性能が低下するからである。エンジン１０の運転条件がリッチ燃焼困難領域に属する場合、リッチ燃焼運転の要求を受けてもリッチ燃焼運転を行うことができない。リッチ燃焼運転の実行が遅れると、ＮＳＲ触媒１４に吸着できないＮＯｘが下流へ流れてしまうおそれがある。
１－４．実施の形態１の特徴
本願の発明者らは、上記の課題について鋭意研究を重ねた。その結果、エンジン１０の筒内に吸入されるＮＯｘ量である筒内ＮＯｘ量が着火性能に影響を与えることを見出した。図３は、吸気にＮＯｘを混合させた場合の吸気のＮＯｘ濃度と着火遅れとの関係を示す図である。この図では、吸気にＮＯを混合させた場合と、ＮＯとＮＯ２を混合させた場合とをそれぞれ図示している。また、この図では、吸気温度をＴ１、Ｔ２（＞Ｔ１）及びＴ３（＞Ｔ２）とした場合をそれぞれ図示している。この図に示すように、発明者らが見出した新たな知見では、吸気ＮＯｘ濃度［ｐｐｍ］が高いほど着火遅れ［ＣＡ°］が小さくなり、着火性能が向上することが見出された。また、このような着火性能の向上は、吸気ガス温度が高いほど顕著となることも見出された。
図４は、吸気にＮＯとＨＣを混合させた場合の吸気のＮＯｘ濃度と着火遅れとの関係を示す図である。この図では、吸気にＮＯを混合させた場合と、ＮＯとＣ２Ｈ４を混合させた場合とをそれぞれ図示している。また、この図では、吸気温度をＴ１、Ｔ２（＞Ｔ１）及びＴ３（＞Ｔ２）とした場合をそれぞれ図示している。この図に示すように、発明者らが見出した新たな知見では、ＮＯｘとともにＨＣを混合させたとしても、吸気ＮＯｘ濃度［ｐｐｍ］が高いほど着火遅れ［ＣＡ°］が小さくなる関係が維持されることが見出された。
実施の形態１のシステム１００は、上記の知見に基づき、リッチ燃焼運転を実行可能な運転領域を拡げる動作に特徴を有している。具体的には、実施の形態１のシステム１００では、エンジン１０の運転条件がリッチ燃焼困難領域に属する場合に、リッチ燃焼運転に先立って、筒内ＮＯｘ量を増量するＮＯｘ増量処理が実行される。また、実施の形態１のシステム１００では、ＮＯｘ増量処理の実行後の筒内ＮＯｘ量が筒内ＮＯｘ量の要求値である筒内要求ＮＯｘ量に達しない場合、筒内空燃比を燃料リッチ側に推移させるリッチ寄せ処理が実行される。さらに、実施の形態１のシステム１００では、リッチ寄せ処理の後に着火時期を更に進角側に補正する着火時期補正処理が行われる。以下、これらの処理について更に詳細に説明する。
１－５．ＮＯｘ増量処理
ＮＯｘ増量処理は、リッチ燃焼運転に先立って筒内ＮＯｘ量を増量するための処理である。ＮＯｘ増量処理では、ＥＣＵ３０は、先ずＮＯｘ増量処理における筒内要求ＮＯｘ量を決定する。図５は、筒内空燃比を実現するための筒内ＮＯｘ量を吸気温度毎に示した図である。ＥＣＵ３０は、図５に示す関係を用いて、リッチ燃焼運転での筒内空燃比及び現在の吸気温度に対応する筒内要求ＮＯｘ量を決定する。次に、ＥＣＵ３０は、筒内ＮＯｘ量が筒内要求ＮＯｘ量に近づくように着火時期を進角させる着火時期進角処理を行う。着火時期進角処理では、具体的には、ＥＣＵ３０は、ＥＧＲ弁１６２を開弁している期間において、インジェクタ８からのメイン噴射又はパイロット噴射の燃料噴射時期を進角することによって着火時期を進角させる。これにより、筒内の燃焼温度が上昇するので、排気ガス中のＮＯｘ量が増える。排気ガスはＥＧＲ通路１６１を通って筒内へ還流されるので、これにより筒内ＮＯｘ量が増量する。このように、ＮＯｘ増量処理によれば、筒内ＮＯｘ量を筒内要求ＮＯｘ量に近づけることが可能となる。なお、着火時期進角処理によって着火時期を進角させる方法は上記に限られない。すなわち、例えば、コモンレールのレール圧を増大することによって着火時期を進角する構成でもよい。
１－６．リッチ寄せ処理
リッチ寄せ処理は、ＮＯｘ増量処理後の筒内ＮＯｘ量が筒内要求ＮＯｘ量に達していない場合に、着火性能を確保可能な範囲で筒内空燃比を燃料リッチ側に推移させる処理である。図６は、リッチ寄せ処理を説明するための図である。この図に示すように、ＮＯｘ増量処理によって着火時期が進角されて筒内ＮＯｘ量が増量されると、着火性能を確保可能な筒内空燃比の限界値が燃料リッチ側に推移する。ＥＣＵ３０は、現在の吸気温度と筒内ＮＯｘ量に基づいて、筒内空燃比をリッチ側に寄せるときの限界値を算出する。以下の説明では、この限界値を「リッチ寄せ限界空燃比」と表記する。そして、ＥＣＵ３０は、エンジン１０の筒内空燃比を算出したリッチ寄せ限界空燃比に制御する。リッチ寄せ処理が行われると排気ガスの温度が上昇する。これにより、ＥＧＲ通路１６１を通って還流される排気ガスの温度が上昇するので、吸気温度が上昇する。吸気温度が上昇すると筒内要求ＮＯｘ量が小さくなるため、筒内要求ＮＯｘ量と筒内ＮＯｘ量との乖離を小さくすることができる。
１－７．着火時期補正処理
着火時期補正処理は、リッチ寄せ処理によって筒内温度が上昇した場合に、インジェクタ８からの燃料噴射時期を進角側に補正する処理である。図７はクランク角に対する筒内温度の変化を、リッチ寄せ処理の実行前後で比較した図である。この図に示すように、リッチ寄せ処理が実行されると、実行前よりも筒内温度が上昇する。これは、筒内空燃比が燃料リッチ側に推移したことによる燃焼温度の上昇と、より高温の排気ガスがＥＧＲ通路１６１を通って還流されることによる吸気温度の上昇とに起因する。このため、例えばリッチ寄せ処理の後においてリッチ寄せ処理の実行前と同じ温度で着火させることとすると、着火時期はリッチ寄せ処理の実行前よりも更に進角させることが可能となる。
そこで、着火時期補正処理では、ＥＣＵ３０は、推定された筒内温度の前回値からの上昇分に対応する着火時期の進角量を算出する。そしてＥＣＵ３０は、算出した進角量に基づいて、インジェクタ８からのメイン噴射又はパイロット噴射の燃料噴射時期を進角側に補正する。このような着火時期補正処理によれば、着火時期が更に進角されるので、筒内ＮＯｘ量を更に増量することが可能となる。
このように、実施の形態１のシステム１００によれば、エンジン１０の運転条件がリッチ燃焼困難領域に属する場合に、ＮＯｘ増量処理、リッチ寄せ処理、及び着火時期補正処理によって、筒内ＮＯｘ量を筒内要求ＮＯｘ量以上に増量することができる。これにより、リッチ燃焼運転を実行可能な運転領域を拡げることができるので、リッチ燃焼運転の遅延を抑制してエミッションの悪化を防ぐことが可能となる。
１－８．実施の形態１のシステムにおいて実行される制御の具体的処理
次に、フローチャートに沿ってＥＣＵ３０がリーン燃焼運転の実行中に実行するルーチンの具体的処理について説明する。
図８は、実施の形態１のシステムがリーン燃焼運転の実行中に実行するルーチンのフローチャートである。図８に示すルーチンでは、先ず、ＥＣＵ３０は、リッチ燃焼運転の実行要求が出されたか否かを判定する（ステップＳ１００）。ここでは、ＥＣＵ３０は、例えば各種センサの検出値に基づいて推定されたＮＯｘの吸蔵量が所定の閾値を超えたときに実行要求の成立を判定する。その結果、判定の成立が認められない場合には、リーン燃焼運転を継続しても問題ないと判断されて、本ルーチンは終了される。
一方、上記ステップＳ１００の判定の成立が認められた場合、リッチ燃焼運転を行う必要があると判断されて、次のステップの処理に移行する。次のステップでは、ＥＣＵ３０は、リッチ燃焼制御における要求空燃比を決定する（ステップＳ１０２）。ここでは、ＥＣＵ３０は、エンジン１０の運転条件に応じた所定の要求リッチ空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝１４．６）を要求空燃比として決定する。
次のステップでは、ＥＣＵ３０は、エンジン１０のエンジン負荷及びエンジン回転速度から定まる現在の運転条件が図２に示すリッチ困難領域に属するか否かを判定する（ステップＳ１０４）。その結果、判定の成立が認められない場合、着火性能を確保しつつリッチ燃焼運転を実行可能と判断される。この場合、ＥＣＵ３０は、次のステップに移行して、リッチ燃焼運転を実行する（ステップＳ１０６）。ここでは、ＥＣＵ３０は、筒内空燃比がステップＳ１０２で決定された要求空燃比となるように空燃比を制御する。
一方、上記ステップＳ１０４の処理において、判定の成立が認められた場合、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘ増量処理を実行する（ステップＳ１０８）。図９は、実施の形態１のシステムがＮＯｘ増量処理を実行するためのサブルーチンのフローチャートである。ステップＳ１０８では、ＥＣＵ３０は、図９に示すサブルーチンを実行する。
図９に示すサブルーチンでは、ＥＣＵ３０は、先ず筒内要求ＮＯｘ量を決定する（ステップＳ２００）。ここでは、ＥＣＵ３０は、図５に示す関係を用いて、ステップＳ１０２において決定した要求空燃比、及び温度センサ２４によって検出された現在の吸気温度に対応する筒内要求ＮＯｘ量を決定する。
次に、ＥＣＵ３０は、筒内ＮＯｘ量が決定した筒内要求ＮＯｘ量に近づくように、着火時期進角処理を実行する（ステップＳ２０２）。ここでは、具体的には、ＥＣＵ３０は、インジェクタ８からのメイン噴射又はパイロット噴射の燃料噴射時期を進角して着火時期を進角させる。着火時期が進角されると排気ガス中のＮＯｘ量が増えるので筒内ＮＯｘ量が増量される。
次に、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘセンサ２２によって検出された吸気のＮＯｘ量と吸入空気量に基づいて、筒内に吸入された筒内ＮＯｘ量を検出する（ステップＳ２０４）。次に、ＥＣＵ３０は、ステップＳ２０４において検出された筒内ＮＯｘ量が筒内要求ＮＯｘ量以上となったか否かを判定する（ステップＳ２０６）。
ステップＳ２０６の処理の結果、筒内ＮＯｘ量≧筒内要求ＮＯｘ量の判定の成立が認められた場合には、筒内ＮＯｘ量が増量されたことによって着火性能を確保しつつリッチ燃焼運転を実行可能となったと判断される。この場合、図９に示すサブルーチンは終了されて、処理は図８に示すルーチンのステップＳ１０６に移行する。ステップＳ１０６では、ＥＣＵ３０は、リッチ燃焼運転を実行する。
一方、ステップＳ２０６の処理の結果、筒内ＮＯｘ量≧筒内要求ＮＯｘ量の判定の成立が認められない場合には、リッチ燃焼運転の実行が未だ困難であると判断されて、次の処理に移行する。次の処理では、ＥＣＵ３０は、リッチ寄せ処理を実行する（ステップＳ２０８）。ここでは、ＥＣＵ３０は、図６に示す現在の吸気温度と筒内ＮＯｘ量に基づいて、筒内空燃比リッチ側に寄せるためのリッチ寄せ限界空燃比を算出する。そして、ＥＣＵ３０は、エンジン１０の筒内空燃比を算出したリッチ寄せ空燃比に制御する。
上記ステップＳ２０８の処理が行われると、次に、ＥＣＵ３０は、温度センサ２４によって検出された現在の吸気温度と筒内空燃比等に基づいて、筒内温度を推定する（ステップＳ２１０）。次に、ＥＣＵ３０は、着火時期補正処理を実行する（ステップＳ２１２）。ここでは、ＥＣＵ３０は、ステップＳ２１０において推定された筒内温度の前回値からの上昇分に対応する着火時期の進角量を算出する。そしてＥＣＵ３０は、算出した進角量に基づいて、インジェクタ８からのメイン噴射又はパイロット噴射の燃料噴射時期を進角側に補正する。
上記ステップＳ２１２の処理が行われると、処理は再びステップＳ２００へと移行して、筒内要求ＮＯｘ量が更新される。本サブルーチンの一連の処理が実行されると吸気温度が上昇する。図５に示すように、吸気温度が高いほど筒内要求ＮＯｘ量は小さくなる。このため、ステップＳ２００で更新される筒内要求ＮＯｘ量は、前回値よりも小さな値となる。
このように、本サブルーチンの処理が繰り返されると、筒内ＮＯｘ量は及び筒内要求ＮＯｘ量が互いに近づく方向に変化する。そして、ステップＳ２０６の処理において筒内ＮＯｘ量≧筒内要求ＮＯｘ量の判定が成立すると、本サブルーチンの処理は終了される。
図１０は、図８及び図９のルーチンが実行された場合の各種状態量の変化を燃焼サイクル毎に示すタイムチャートである。なお、図１０において、１段目のチャートは空燃比の燃焼サイクル毎の変化を示している。また、２段目のチャートは筒内ＮＯｘの燃焼サイクル毎の変化を示している。また、３段目のチャートは着火時期の燃焼サイクル毎の変化を示している。そして、４段目のチャートは筒内温度の燃焼サイクル毎の変化を示している。
図１０に示すチャートは、時間ｔ１においてリッチ燃焼運転の実行要求が出された場合を例示している。なお、実行要求が出された時点では、エンジン１０の運転条件がリッチ燃焼困難領域に属しており、また、筒内ＮＯｘ量は筒内要求ＮＯｘ量よりも小さい。この場合、次の燃焼サイクルとなる時間ｔ２では、着火時期進角処理が実行される。
着火時期進角処理が実行されると筒内ＮＯｘ量が増大する。次の燃焼サイクルとなる時間ｔ３では、筒内ＮＯｘ量の増大を受けてリッチ寄せ処理が実行される。リッチ寄せ処理が実行されると筒内温度が上昇する。次の燃焼サイクルとなる時間ｔ４では、筒内温度が上昇を受けて筒内要求ＮＯｘ量が小さくなる。
また、次の燃焼サイクルとなる時間ｔ５では、筒内温度の上昇を受けて着火時期補正処理が実行される。着火時期補正処理が実行されると筒内ＮＯｘ量が増大する。次の燃焼サイクルとなる時間ｔ６では、筒内ＮＯｘ量の筒内要求ＮＯｘ量への到達を受けてリッチ燃焼運転が実行される。
このように、本実施の形態のシステム１００によれば、筒内ＮＯｘ量を増大することによってリッチ燃焼運転を実行可能な運転領域を拡げることができる。これにより、リッチ燃焼運転の実行タイミングが遅れることを防ぐことができるので、エミッションの悪化を防ぐことが可能となる。
１－８．実施の形態１のシステムの変形例
実施の形態１のシステム１００は、以下のように変形した形態を採用してもよい。
図８に示すルーチンのステップＳ１０４の判定は必須ではない。すなわち、例えばエンジン１０の運転条件がリッチ燃焼可能領域に属している場合には、リッチ燃焼困難領域に属している場合よりも吸気温度が高いため、筒内要求ＮＯｘ量が小さい値となる。このため、ステップＳ１０４の判定を行わずにステップＳ１０８のＮＯｘ増量処理に移行することとしても、ステップＳ２０６の判定の成立によってリッチ燃焼運転に切り替えることが可能となる。
本実施の形態のシステム１００において実行されるリッチ寄せ処理は必須ではない。すなわち、図９に示すサブルーチンでは、ステップＳ２０６の判定の成立が認めらない場合に、ステップＳ２０８のリッチ寄せ処理を行わずにステップＳ２１０の処理に移る構成でもよい。
また、本実施の形態のシステム１００において実行される着火時期補正処理も必須ではない。すなわち、図９に示すサブルーチンでは、ステップＳ２１０の処理の後、ステップＳ２１２の着火時期補正処理を行わずにステップＳ２００の処理に戻る構成でもよい。
８ インジェクタ
１０ エンジン
１２ 排気通路
１４ ＮＳＲ触媒
１６ ＥＧＲ装置
１６１ ＥＧＲ通路
１６２ ＥＧＲ弁
２２ ＮＯｘセンサ
２４ 温度センサ
２６ 回転速度センサ
２８ アクセル開度センサ
３０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
１００ 排気浄化システム

Claims (7)

  1. 内燃機関の排気浄化システムにおいて、
    前記内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ吸蔵還元機能を有する触媒と、
    前記触媒の上流の排気ガスを前記内燃機関の筒内へ還流させるＥＧＲ通路と、
    前記内燃機関の燃焼を制御する制御装置と、を備え、
    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、
    前記内燃機関の筒内空燃比を理論空燃比よりも燃料リーンなリーン空燃比に制御して運転するリーン燃焼運転と、
    前記筒内空燃比を理論空燃比よりも燃料リッチな要求リッチ空燃比に制御することで前記触媒に還元剤を供給するリッチ燃焼運転と、が含まれ、
    前記制御装置は、前記リーン燃焼運転の最中に前記リッチ燃焼運転の実行要求が出された場合、前記運転モードを前記リーン燃焼運転から前記リッチ燃焼運転へと切り替えるように構成され、
    前記ＥＧＲ通路を通って前記筒内に吸入されるＮＯｘ量である筒内ＮＯｘ量の要求値である筒内要求ＮＯｘ量は、要求空燃比の低下に応じて増加するように構成され、
    前記制御装置は、前記実行要求が出された場合、
    前記リッチ燃焼運転への切り替えに先立って、前記筒内ＮＯｘ量が、前記筒内要求ＮＯｘ量以上となるように前記内燃機関の燃焼を制御するＮＯｘ増量処理を行い、
    前記リッチ燃焼運転中の前記筒内ＮＯｘ量を前記筒内要求ＮＯｘ量とする
    よう構成されることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
  2. 前記ＮＯｘ増量処理は、
    前記筒内へ吸入される吸気の吸気温度と、前記要求リッチ空燃比とに基づいて、前記筒内要求ＮＯｘ量を設定するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化システム。
  3. 前記ＮＯｘ増量処理は、
    前記内燃機関の着火時期を進角する着火時期進角処理を含んで構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化システム。
  4. 前記着火時期進角処理は、
    前記内燃機関の燃料噴射時期を進角するように構成されることを特徴とする請求項３に記載の排気浄化システム。
  5. 前記ＮＯｘ増量処理は、
    前記筒内ＮＯｘ量と、前記筒内へ吸入される吸気の吸気温度とに基づいて、前記筒内空燃比を前記要求リッチ空燃比よりも燃料リーンとなるリッチ寄せ空燃比に制御するリッチ寄せ処理を含んで構成されることを特徴とする請求項３又は４に記載の排気浄化システム。
  6. 前記ＮＯｘ増量処理は、
    前記リッチ寄せ処理の後の筒内温度の変化に基づいて、前記着火時期を更に進角側に補正する着火時期補正処理を含んで構成されることを特徴とする請求項５に記載の排気浄化システム。
  7. 前記ＮＯｘ増量処理は、
    前記リッチ寄せ処理の後の前記吸気温度に基づいて、前記筒内要求ＮＯｘ量を更新するように構成されることを特徴とする請求項５又は６に記載の排気浄化システム。
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