(57)【要約】【課題】内燃機関の外部へ排出されるＮＯｘ量をより低減することができる制御装置を提供する。【解決手段】制御装置１は、触媒温度算出部２、ＮＯｘ量推定部３、燃焼制御部１１及び水素制御部１２を有している。燃焼制御部１１は、ＮＯｘ量推定部３によって推定されたＮＯｘ吸蔵量Ｓが所定のＮＯｘ閾値Ｓth以上であり、かつ、触媒温度算出部２によって算出された触媒温度ＴＣが所定の温度閾値ＴＣth未満である場合に、燃焼室８１から排出される排気ガスの空燃比である上流空燃比Ａが理論空燃比Ａstよりもリーンな第１空燃比指示値Ａ1となるように燃焼室８１の燃焼状態を制御する。また、燃焼制御部１１は、上流空燃比Ａが第１空燃比指示値Ａ1よりもリッチな第２空燃比指示値Ａ2となるように燃焼室８１の燃焼状態を制御する。水素制御部１２は、燃焼制御部１１による燃焼室８１の燃焼状態の制御が完了した後に水素供給部８４を制御して水素の供給を開始する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼させる燃焼室（８１）と、前記燃焼室から排出される排気ガスの通路となる排気通路（８２）と、前記排気通路内に配置されたＮＯｘ吸蔵還元触媒（８３）と、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に水素を供給するための水素供給部（８４）とを備えた内燃機関（８）の制御装置（１）であって、
前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度である触媒温度（ＴＣ）を算出する触媒温度算出部（２、２０２）と、
前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒内に吸蔵されたＮＯｘの量であるＮＯｘ吸蔵量（Ｓ）を推定するＮＯｘ量推定部（３、３０２）と、
前記燃焼室の燃焼状態を制御する燃焼制御部（１１、１１２）と、
前記水素供給部の動作を制御する水素制御部（１２、１２２）と、を有し、
前記燃焼制御部は、
前記ＮＯｘ吸蔵量が所定のＮＯｘ閾値（Ｓth）以上であり、かつ、前記触媒温度が所定の温度閾値（ＴＣth）未満である場合には、理論空燃比（Ａst）よりもリーンな第１空燃比指示値（Ａ1）を設定し、前記燃焼室から排出される排気ガスの空燃比である上流空燃比（Ａ）が前記第１空燃比指示値となるように前記燃焼室の燃焼状態を制御するとともに、
前記ＮＯｘ吸蔵量が前記ＮＯｘ閾値以上であり、かつ、前記触媒温度が前記温度閾値以上である場合には、前記第１空燃比指示値よりもリッチな第２空燃比指示値（Ａ2）を設定し、前記上流空燃比が前記第２空燃比指示値となるように前記燃焼室の燃焼状態を制御し、
前記水素制御部は、
前記燃焼制御部による前記燃焼室の燃焼状態の制御が完了した後に前記水素供給部を制御して水素の供給を開始し、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒から脱離したＮＯｘを還元する、制御装置（１、１０２）。
【請求項２】
前記制御装置（１０２）は、更に、
前記上流空燃比を取得する上流空燃比取得部（５）と、
前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流における排気ガスの温度である上流ガス温度を取得する上流温度取得部（４）と、
前記触媒温度に基づいて、前記触媒温度を前記温度閾値まで上昇させるために必要な酸素濃度である第１所要酸素濃度（ＣO1）と、水素濃度である第１所要水素濃度（ＣH1）とを算出する第１所要濃度算出部（６１）と、
前記上流ガス温度に基づいて、前記上流ガス温度を前記温度閾値まで上昇させるために必要な酸素濃度である第２所要酸素濃度（ＣO2）と、水素濃度である第２所要水素濃度（ＣH2）とを算出する第２所要濃度算出部（６２）と、
前記上流空燃比、前記第１所要水素濃度及び前記第２所要水素濃度に基づいて、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒内の酸素濃度に対して水素濃度と燃料濃度との合計を過剰にするために必要な水素濃度である第３所要水素濃度（ＣH3）を算出する第３所要濃度算出部（６３）と、を有し、
前記燃焼制御部（１１２）は、前記ＮＯｘ吸蔵量が前記ＮＯｘ閾値以上であり、かつ、前記触媒温度が前記温度閾値未満である場合に、前記燃焼室から排出される排気ガスの酸素濃度である上流酸素濃度が前記第１所要酸素濃度と前記第２所要酸素濃度との合計となるように前記第１空燃比指示値を設定して前記燃焼室の燃焼状態を制御し、
前記水素制御部（１２２）は、前記燃焼制御部による前記燃焼室の燃焼状態の制御が完了し、前記ＮＯｘ吸蔵量が前記ＮＯｘ閾値以上であり、かつ、前記触媒温度が前記温度閾値未満である場合に、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流における水素濃度が前記第１所要水素濃度と前記第２所要水素濃度と前記第３所要水素濃度との合計となるように前記水素供給部を制御する、請求項１に記載の制御装置（１０２）。
【請求項３】
前記燃焼制御部は、前記水素供給部が水素の供給を開始した後、前記触媒温度が前記温度閾値に到達した時点で、前記上流酸素濃度が前記第２所要酸素濃度となるように第３空燃比指示値（Ａ3）を設定して前記燃焼室の燃焼状態を制御し、
前記水素制御部は、前記水素供給部が水素の供給を開始した後、前記触媒温度が前記温度閾値に到達した時点で、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流における水素濃度が前記第２所要水素濃度と前記第３所要水素濃度との合計となるように前記水素供給部を制御する、請求項２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記水素制御部は、前記燃焼制御部による前記燃焼室の燃焼状態の制御が完了し、前記ＮＯｘ吸蔵量が前記ＮＯｘ閾値以上であり、かつ、前記触媒温度が前記温度閾値以上である場合に、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流における水素濃度が第３所要水素濃度となるように前記水素供給部を制御する、請求項２または３に記載の制御装置。
【請求項５】
前記第２空燃比指示値は理論空燃比である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項６】
前記制御装置は、更に、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の下流における空燃比である下流空燃比を測定する下流空燃比センサ（１２１）を有しており、前記水素制御部は、前記下流空燃比が水素の供給を開始した時点の値よりもリッチになった時点で前記水素供給部を制御して水素の供給を停止する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に搭載される内燃機関の排気通路には、排気ガスを浄化するための排ガス浄化触媒が配置されている。この種の排ガス浄化触媒として、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が知られている。ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、排気ガス中のＮＯｘ（つまり、窒素酸化物）を触媒内に吸蔵することにより、排気通路外部へのＮＯｘの排出量を低減することができる。また、ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒内に吸蔵されたＮＯｘ量が所定の量を超えた場合には、触媒からＮＯｘを放出させつつ触媒内でＮＯｘを還元する再生処理を行うことにより、ＮＯｘ吸蔵還元触媒内に吸蔵されたＮＯｘを低減することができる。
【０００３】
従来、ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、触媒の温度が十分に高い状態で内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチな状態に制御し、排気ガス中の燃料とＮＯｘとを反応させることによりＮＯｘを還元している。しかし、近年、内燃機関の燃費をより向上させることを目的として、内燃機関の燃焼効率をより高くすることが望まれている。そのため、内燃機関から排出される排気ガスの温度が低下し、燃料によるＮＯｘの還元を十分に行うことが難しくなっている。
【０００４】
そこで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に供給する還元剤として、燃料よりも低い温度においてＮＯｘを還元することができる水素を利用する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、ＮＯｘトラップ触媒にトラップされているＮＯｘを脱離浄化する際に、内燃機関の空燃比を略理論空燃比に保持するとともに、Ｈ2供給手段によりＮＯｘトラップ触媒にＨ2を供給する内燃機関の排気浄化装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１８０８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＮＯｘ吸蔵還元触媒内に吸蔵されたＮＯｘには、触媒からの脱離温度の異なる複数の形態が存在している。特許文献１の排気浄化装置においては、内燃機関の空燃比を理論空燃比よりもリーンな状態から略理論空燃比に変更する際に、排気ガス中の燃料が触媒内で反応して触媒の温度が上昇する。この温度上昇により、触媒内に吸蔵されたＮＯｘの一部が脱離し、還元されないまま排気通路の外部へ排出されるおそれがある。
【０００７】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の外部へ排出されるＮＯｘ量をより低減することができる制御装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、燃料を燃焼させる燃焼室（８１）と、前記燃焼室から排出される排気ガスの通路となる排気通路（８２）と、前記排気通路内に配置されたＮＯｘ吸蔵還元触媒（８３）と、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に水素を供給するための水素供給部（８４）とを備えた内燃機関（８）の制御装置（１）であって、
前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度である触媒温度（ＴＣ）を算出する触媒温度算出部（２、２０２）と、
前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒内に吸蔵されたＮＯｘの量であるＮＯｘ吸蔵量（Ｓ）を推定するＮＯｘ量推定部（３、３０２）と、
前記燃焼室の燃焼状態を制御する燃焼制御部（１１、１１２）と、
前記水素供給部の動作を制御する水素制御部（１２、１２２）と、を有し、
前記燃焼制御部は、
前記ＮＯｘ吸蔵量が所定のＮＯｘ閾値（Ｓth）以上であり、かつ、前記触媒温度が所定の温度閾値（ＴＣth）未満である場合には、理論空燃比（Ａst）よりもリーンな第１空燃比指示値（Ａ1）を設定し、前記燃焼室から排出される排気ガスの空燃比である上流空燃比（Ａ）が前記第１空燃比指示値となるように前記燃焼室の燃焼状態を制御するとともに、
前記ＮＯｘ吸蔵量が前記ＮＯｘ閾値以上であり、かつ、前記触媒温度が前記温度閾値以上である場合には、前記第１空燃比指示値よりもリッチな第２空燃比指示値（Ａ2）を設定し、前記上流空燃比が前記第２空燃比指示値となるように前記燃焼室の燃焼状態を制御し、
前記水素制御部は、
前記燃焼制御部による前記燃焼室の燃焼状態の制御が完了した後に前記水素供給部を制御して水素の供給を開始し、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒から脱離したＮＯｘを還元する、制御装置（１、１０２）にある。
【発明の効果】
【０００９】
前記制御装置は、触媒温度算出部により、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、「触媒」と省略する。）の触媒温度を算出することができる。また、前記制御装置は、ＮＯｘ量推定部により、触媒のＮＯｘ吸蔵量を推定することができる。更に、前記制御装置は、ＮＯｘ吸蔵量が所定のＮＯｘ閾値以上となった際に、触媒内に吸蔵されたＮＯｘを触媒から脱離させつつ還元する動作を実施する。
【００１０】
ＮＯｘを還元する際に触媒温度が所定の温度閾値未満である場合、燃焼制御部は、上流空燃比が理論空燃比よりもリーンな第１空燃比指示値となるように燃焼室の燃焼状態を制御する。その後、水素制御部が水素供給部を制御することにより、触媒への水素の供給が開始される。
【００１１】
触媒温度が所定の温度閾値未満である場合、排気ガス中には余剰の酸素が存在しているため、水素は、排気ガス中の酸素と反応することができる。水素は、排気ガス中の燃料に比べて低い温度で酸素と反応し、反応熱によって排気ガスの温度を急速に上昇させることができる。更に、この排気ガスが触媒と接触することにより、触媒温度を急速に上昇させることができる。
【００１２】
このように、前記制御装置は、触媒内にＮＯｘが吸蔵された状態から、触媒温度を速やかに上昇させて触媒内のＮＯｘを放出させるとともに、触媒から脱離したＮＯｘを還元することができる。その結果、触媒温度を上昇させる過程におけるＮＯｘの排出量の増大を抑制することができる。
【００１３】
また、触媒温度が所定の温度閾値以上である場合、燃焼制御部は、上流空燃比が第１空燃比指示値よりもリッチな第２空燃比指示値となるように内燃機関を制御する。その後、水素制御部が水素供給部を制御することにより、触媒への水素の供給が開始される。その結果、水素と燃料とによってＮＯｘを還元し、ＮＯｘの排出量を低減することができる。
【００１４】
以上のごとく、上記態様によれば、内燃機関における排気通路の外部へ排出されるＮＯｘ量をより低減することができる制御装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、実施形態１における制御装置の全体構成を示す説明図である。
【図２】図２は、実施形態１における制御装置のブロック図である。
【図３】図３は、実施形態１における制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】図４は、実施形態１における、触媒温度が温度閾値未満である場合の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】図５は、実施形態１における、触媒温度が温度閾値以上である場合の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】図６は、実施形態２における制御装置の全体構成を示す説明図である。
【図７】図７は、実施形態２における制御装置のブロック図である。
【図８】図８は、実施形態２における制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図９】図９は、実施形態２における、触媒温度が温度閾値未満である場合の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図１０】図１０は、実施形態２における、触媒温度が温度閾値以上である場合の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施形態１）
前記制御装置に係る実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。図１に示すように、本形態の制御装置１は、燃料を燃焼させる燃焼室８１と、燃焼室８１から排出される排気ガスの通路となる排気通路８２と、排気通路８２内に配置されたＮＯｘ吸蔵還元触媒８３と、触媒８３に水素を供給するための水素供給部８４とを備えた内燃機関８の制御装置１として構成されている。制御装置１は、触媒温度算出部２、ＮＯｘ量推定部３、燃焼制御部１１及び水素制御部１２を有している。
【００１７】
触媒温度算出部２は、触媒８３の温度である触媒温度ＴＣを算出することができる。ＮＯｘ量推定部３は、触媒８３内に吸蔵されたＮＯｘの量であるＮＯｘ吸蔵量Ｓを推定することができる。燃焼制御部１１は、燃焼室８１の燃焼状態を制御することができる。水素制御部１２は、水素供給部８４の動作を制御することができる。
【００１８】
燃焼制御部１１は、ＮＯｘ吸蔵量Ｓが所定のＮＯｘ閾値Ｓth以上であり、かつ、触媒温度ＴＣが所定の温度閾値ＴＣth未満である場合には、理論空燃比Ａstよりもリーンな第１空燃比指示値Ａ1を設定し、燃焼室８１から排出される排気ガスの空燃比である上流空燃比Ａが第１空燃比指示値Ａ1となるように燃焼室８１の燃焼状態を制御する。また、燃焼制御部１１は、ＮＯｘ吸蔵量Ｓが所定のＮＯｘ閾値Ｓth以上であり、かつ、触媒温度ＴＣが所定の温度閾値ＴＣth以上である場合には、第１空燃比指示値Ａ1よりもリッチな第２空燃比指示値Ａ2を設定し、上流空燃比Ａが第２空燃比指示値Ａ2となるように燃焼室８１の燃焼状態を制御する。水素制御部１２は、燃焼制御部１１による燃焼室８１の燃焼状態の制御が完了した後に水素供給部８４を制御して水素の供給を開始し、触媒８３から脱離したＮＯｘを還元する。
【００１９】
本形態の制御装置１は、例えば、自動車に搭載されるガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの、燃焼室８１を備えた内燃機関８に取り付けることができる。内燃機関８の排気通路８２における燃焼室８１とＮＯｘ吸蔵還元触媒８３との間には、水素供給部８４が接続されている。
【００２０】
水素供給部８４の態様は、特に限定されるものではない。本形態の水素供給部８４は、例えば、水素が貯蔵された水素ボンベ８４１と、水素ボンベ８４１に接続され、排気通路８２内に挿入されたインジェクタ８４２と、を有している。インジェクタ８４２は、例えば、排気通路８２内に水素を供給する開状態と、排気通路８２内への水素の供給を遮断する閉状態とを切り替え可能に構成されていてもよい。この場合、水素制御部１２によって設定される水素濃度の指示値に基づいて開状態と閉状態とを切換え、開状態の継続時間を制御することにより、排気通路８２内に供給する水素の量を調節することができる。
【００２１】
また、インジェクタ８４２は、例えば、弁の開度を調節することができるように構成されていてもよい。この場合、水素濃度の指示値に基づいて弁の開度を調節することにより、排気通路８２内に供給する水素の量を調節することができる。
【００２２】
また、水素供給部８４は、例えば、改質用燃料を改質して水素を含む改質ガスを発生させる燃料改質器と、燃料改質器に改質用燃料を供給する燃料供給部と、燃料改質器に空気を供給する空気供給部と、燃料改質器から排気通路内へ改質ガスを供給するインジェクタと、を有していてもよい。
【００２３】
燃料改質器は、例えば、炭化水素を含む改質用燃料を改質し、水素を含む改質ガスを発生させるための改質触媒を有していてもよい。改質触媒は、例えば、水蒸気改質反応によって燃料を改質し、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスを発生させることができる。
【００２４】
燃料供給部は、燃焼室に供給する燃料を改質用燃料としても使用することができるように構成されていてもよい。この場合には、内燃機関の燃料タンクと、燃料改質器用の燃料タンクとを共通化し、部品点数を削減するとともに、燃料タンクの占有体積を削減することができる。かかる構成は、部品の配置スペースが限られている自動車に好適である。
【００２５】
また、燃料供給部は、燃焼室に燃料を供給するタンクとは独立した改質用燃料タンクを備えており、改質用燃料タンクから燃料改質器に改質用燃料を供給することができるように構成されていてもよい。
【００２６】
本形態の制御装置１は、図２に示すように、触媒温度算出部２、ＮＯｘ量推定部３、燃焼制御部１１及び水素制御部１２を有している。これら各部は、例えば、エンジンコントロールユニット等の電子制御装置に組み込まれたソフトウェアであってもよいし、エンジンコントロールユニット等とは独立した電子制御装置として構成されていてもよい。本形態の触媒温度算出部２、ＮＯｘ量推定部３、燃焼制御部１１及び水素制御部１２は、エンジンコントロールユニットにソフトウェアとして組み込まれている。
【００２７】
触媒温度算出部２は、触媒温度ＴＣを算出することができるように構成されている。また、触媒温度算出部２は、触媒温度ＴＣを燃焼制御部１１に送信することができるように構成されている。
【００２８】
触媒温度算出部２における触媒温度ＴＣの算出方法としては、種々の態様を採用することができる。例えば、本形態の触媒温度算出部２には、燃焼室８１の燃焼状態と触媒温度ＴＣとの対応関係が保持されている。触媒温度算出部２は、燃焼制御部１１からアクセル開度やエンジン回転数などに基づいて燃焼室８１の燃焼状態に関する情報を取得し、これらの情報と前述した対応関係とに基づいて触媒温度ＴＣを算出することができるように構成されている。
【００２９】
ＮＯｘ量推定部３は、ＮＯｘ吸蔵量Ｓを推定することができるように構成されている。また、ＮＯｘ量推定部３は、ＮＯｘ吸蔵量Ｓを燃焼制御部１１に送信することができるように構成されている。
【００３０】
ＮＯｘ量推定部３におけるＮＯｘ吸蔵量Ｓの推定方法としては、種々の態様を採用することができる。例えば、本形態のＮＯｘ量推定部３には、燃焼室８１の燃焼状態と、燃焼室８１から排出される排気ガス中のＮＯｘ濃度との対応関係が保持されている。ＮＯｘ量推定部３は、燃焼制御部１１からアクセル開度やエンジン回転数などに基づいて燃焼室８１の燃焼状態に関する情報を取得し、これらの情報と前述した対応関係とに基づいて排気ガス中のＮＯｘ濃度を推定することができる。そして、本形態のＮＯｘ量推定部３は、このＮＯｘ量の積算値をＮＯｘ吸蔵量Ｓとするように構成されている。
【００３１】
なお、例えば、触媒８３の上流にガスセンサを設ける場合、ＮＯｘ量推定部３は、このガスセンサにより測定された排気ガス中のＮＯｘ濃度に基づいて、ＮＯｘ吸蔵量Ｓを推定することもできる。この場合、ＮＯｘ量推定部３は、例えば、予めＮＯｘ吸蔵量Ｓと触媒８３におけるＮＯｘの吸着率との対応関係を保持し、ガスセンサにより測定された排気ガス中のＮＯｘ濃度に、前述した対応関係に基づいて算出したＮＯｘの吸着率を乗じることにより、触媒８３内に吸着されるＮＯｘ量を推定することができる。そして、このＮＯｘ量を積算することにより、ＮＯｘ吸蔵量Ｓを推定することができる。このように、ＮＯｘ量推定部３を、触媒８３の上流におけるＮＯｘ濃度に基づいてＮＯｘ吸蔵量Ｓを算出するように構成することにより、ＮＯｘ吸蔵量Ｓをより精確に算出することができる。
【００３２】
本形態の制御装置１は、図１及び図２に示すように、更に、触媒８３の下流における排気ガスの空燃比である下流空燃比を測定する下流空燃比センサ１２１を有している。下流空燃比センサ１２１は、水素制御部１２に接続されており、下流空燃比の値を水素制御部１２に送信することができる。
【００３３】
燃焼制御部１１は、上流空燃比Ａ、つまり、燃焼室８１から排出される排気ガスに含まれる燃料濃度に対する空気濃度の比の指示値を設定し、上流空燃比Ａの指示値に基づいて燃焼室８１の燃焼状態を制御するように構成されている。なお、燃焼制御部１１は、上流空燃比Ａの指示値に加えて、燃焼室８１から排出される排気ガスの酸素濃度である上流酸素濃度の指示値を設定し、これらの設定値に基づいて燃焼室８１の燃焼状態を制御するように構成されていてもよい。
【００３４】
本形態の燃焼制御部１１は、ＮＯｘ吸蔵量ＳとＮＯｘ閾値Ｓthとの比較結果、及び、触媒温度ＴＣと温度閾値ＴＣthとの比較結果に基づいて、上流空燃比Ａが第１空燃比指示値Ａ1または第２空燃比指示値Ａ2のいずれかとなるように燃焼室８１の燃焼状態を制御する。より具体的には、燃焼制御部１１は、上流空燃比Ａが所望の値とは異なる場合には、燃焼室８１の燃焼状態を変更することにより、上流空燃比Ａを所望の値に変更する。また、燃焼制御部１１は、上流空燃比Ａが所望の値である場合には、燃焼室８１の燃焼状態を変更せず、上流空燃比Ａを維持する。このように、本形態における「燃焼室８１の燃焼状態を制御する」という概念には、上流空燃比Ａを所望の値に変更するために燃焼室８１の燃焼状態を変更する概念と、所望の上流空燃比Ａを維持するために燃焼室８１の燃焼状態を維持する概念とが含まれる。
【００３５】
本形態のＮＯｘ閾値Ｓth及び温度閾値ＴＣthは、予め燃焼制御部１１に保持されている。本形態のＮＯｘ閾値Ｓthは、触媒８３のＮＯｘ吸着率、つまり、触媒８３に流入する排気ガスのＮＯｘ濃度を１００％とした場合における、触媒８３に流入する排気ガスのＮＯｘ濃度から触媒８３から流出する排気ガスのＮＯｘ濃度を差し引いた値の比率に基づいて設定されている。触媒８３のＮＯｘ吸着率は、ＮＯｘ吸蔵量Ｓが多くなるほど低くなる傾向がある。そのため、ＮＯｘ吸蔵量Ｓが多くなると、触媒８３に吸着されるＮＯｘの割合が低くなり、触媒８３を通過して内燃機関８の外部へ排出されるＮＯｘ量が増加するおそれがある。
【００３６】
それ故、ＮＯｘ吸着率に基づいてＮＯｘ閾値Ｓthを設定することにより、内燃機関８の外部へ排出されるＮＯｘ量の増大を抑制することができる。ＮＯｘ閾値Ｓthは、例えば、ＮＯｘ吸着率が５０％となるＮＯｘ吸蔵量Ｓとすることができる。内燃機関８の外部へ排出されるＮＯｘ量の増大をより確実に抑制する観点からは、ＮＯｘ吸着率が７５％となるＮＯｘ吸蔵量ＳをＮＯｘ閾値Ｓthに設定することが好ましく、８０％となるＮＯｘ吸蔵量ＳをＮＯｘ閾値Ｓthに設定することがより好ましく、９０％となるＮＯｘ吸蔵量ＳをＮＯｘ閾値Ｓthに設定することがさらに好ましく、９５％となるＮＯｘ吸蔵量ＳをＮＯｘ閾値Ｓthに設定することが特に好ましい。
【００３７】
本形態のＮＯｘ閾値Ｓthは、ＮＯｘ吸着率が９５％となるＮＯｘ吸蔵量Ｓである。
【００３８】
温度閾値ＴＣthは、触媒８３内における水素と酸素との反応温度よりも高い温度であることが好ましい。温度閾値ＴＣthをこのように設定することにより、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣthよりも低い場合には、主に水素と酸素との反応によって触媒温度ＴＣを急速に上昇させ、触媒８３内に吸蔵されたＮＯｘを触媒８３から脱離させることができる。更に、触媒８３から脱離したＮＯｘを、主に水素によって還元することができる。
【００３９】
また、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣth以上である場合には、触媒８３から脱離したＮＯｘを、排気ガス中の燃料及び水素の両方と反応させ、ＮＯｘの還元をより効率よく行うことができる。
【００４０】
また、温度閾値ＴＣthは、ＮＯｘを還元する際の触媒温度ＴＣと、当該温度においてＮＯｘを還元した後に触媒８３内に残留するＮＯｘの量との関係に基づいて設定されていてもよい。前述したように、触媒８３内にＮＯｘを還元した後に触媒８３内に残留するＮＯｘの量は、触媒温度ＴＣを高くするほど少なくなる傾向がある。
【００４１】
それ故、触媒８３に残留するＮＯｘの量に基づいて温度閾値ＴＣthを設定することにより、ＮＯｘを還元した後に触媒８３内に残留するＮＯｘの量を低減することができる。その結果、ＮＯｘを還元する作業が完了した後における触媒８３のＮＯｘ吸着率をより高くし、内燃機関８の外部へ排出されるＮＯｘの量をより低減することができる。内燃機関８の外部へ排出されるＮＯｘの量をより低減する観点からは、触媒８３内に残留するＮＯｘの量が、飽和量、つまり、触媒８３内に吸蔵できるＮＯｘ量の最大値の５０％となる温度を温度閾値ＴＣthに設定することが好ましく、８０％となる温度を温度閾値ＴＣthに設定することがより好ましく、９０％となる温度を温度閾値ＴＣthに設定することがさらに好ましく、９５％となる温度を温度閾値ＴＣthに設定することが特に好ましい。
【００４２】
本形態においては、水素と酸素との反応温度よりも高い温度であって、更に、触媒８３内に残留するＮＯｘの量が飽和量の９５％となる温度が温度閾値ＴＣthに設定されている。
【００４３】
第１空燃比指示値Ａ1は、理論空燃比Ａstよりもリーンな値、つまり、理論空燃比Ａstに比べて酸素が豊富な状態となるような値である。第１空燃比指示値Ａ1を理論空燃比Ａstよりもリーンな値に設定することにより、触媒８３内において排気ガス中の酸素と水素とを反応させることができる。その結果、触媒温度ＴＣを迅速に上昇させることができる。
【００４４】
なお、理論空燃比Ａstとは、排気ガス中の燃料と酸素とが過不足なく反応するときの空燃比をいう。また、理論空燃比Ａstよりもリーンな状態とは、排気ガス中の燃料濃度に対する酸素濃度の比の値が理論空燃比Ａstよりも高く、酸素が過剰に存在している状態をいう。理論空燃比Ａstの値は、予め燃焼制御部１１に保持されていてもよい。
【００４５】
第１空燃比指示値Ａ1は、例えば、０．１〜５％の範囲内から適宜設定することができる。
【００４６】
第２空燃比指示値Ａ2は、第１空燃比指示値Ａ1よりもリッチな値、つまり、第１空燃比指示値Ａ1よりも酸素濃度が低くなるような値である。第２空燃比指示値Ａ2を第１空燃比指示値Ａ1よりもリッチな値に設定することにより、触媒８３に水素を供給した際に酸素が不足する状態を容易に実現することができる。その結果、触媒８３内においてＮＯｘの還元を行うことができる。
【００４７】
第２空燃比指示値Ａ2は、理論空燃比Ａstであることが好ましい。この場合には、触媒８３に水素を供給した際に、排気ガス中の燃料と水素との合計に対して酸素が不足する状態を確実に実現することができる。その結果、水素や燃料によってＮＯｘをより効率よく還元し、内燃機関８の外部に排出されるＮＯｘ量をより低減することができる。
【００４８】
本形態の第１空燃比指示値Ａ1及び第２空燃比指示値Ａ2は、予め燃焼制御部１１に保持されている。また、本形態の第２空燃比指示値Ａ2は、理論空燃比Ａstである。なお、例えば触媒８３よりも上流に空燃比センサ等が配置されており、センサによって上流空燃比Ａを取得できる場合には、この上流空燃比Ａに基づいて第１空燃比指示値Ａ1及び第２空燃比指示値Ａ2の値を設定してもよい。
【００４９】
水素制御部１２は、燃焼室８１の燃焼状態の制御が完了した後に水素供給部８４を制御し、触媒８３への水素の供給を開始する。本形態の水素制御部１２は、触媒８３に供給するべき水素濃度の指示値を設定することにより、水素供給部８４を制御することができるように構成されている。ここで、「水素濃度の指示値を設定する」という概念には、水素濃度の指示値を任意の値に設定する概念と、水素制御部１２内に予め複数段階の指示値を保持し、これらの段階を切り替えることによって水素濃度の指示値を設定する概念とが含まれる。また、水素濃度の指示値は、ゼロ以上の値をとり得る。また、本形態の制御装置１において、水素濃度の指示値は、予め水素制御部１２内に保持されている。
【００５０】
水素制御部１２は、触媒温度ＴＣと温度閾値ＴＣthとの比較結果に基づいて、水素濃度の指示値を変更してもよい。例えば、本形態の水素制御部１２は、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣth未満の場合には、水素濃度の指示値を第１水素指示値に設定し、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣth以上の場合には、水素濃度の指示値を第１水素指示値よりも小さい第２水素指示値に設定するように構成されている。
【００５１】
前述したように、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣthよりも低い場合には、水素と酸素とを反応させて触媒温度ＴＣを上昇させる必要がある。一方、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣth以上の場合には、触媒温度ＴＣがすでに十分に高いため、触媒温度ＴＣを更に上昇させなくてもよい。従って、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣthよりも低い場合には、温度閾値ＴＣth以上の場合に比べて多量の水素が必要となる。
【００５２】
それ故、触媒温度ＴＣと温度閾値ＴＣthとの大小関係に応じて水素濃度の指示値を第１水素指示値または第２水素指示値のいずれかに設定することにより、適切な量の水素を触媒８３に供給することができる。
【００５３】
本形態の水素制御部１２は、排気通路８２内への水素の供給を開始した後、水素濃度の指示値をゼロに設定して水素の供給を停止することができるように構成されている。水素濃度の指示値をゼロにするタイミングとしては、種々の態様を採用することができる。例えば、水素供給部８４は、排気通路８２内への水素の供給を開始した後、所定の時間が経過した後に水素濃度の指示値をゼロにするように構成されていてもよい。
【００５４】
本形態の水素制御部１２は、下流空燃比センサ１２１によって測定された下流空燃比が、水素の供給を開始した時点の値よりもリッチになったこと、つまり、ＮＯｘの還元が完了し、余剰の水素が排出され始めたことを契機として水素濃度の指示値をゼロに設定し、水素の供給を停止するように構成されている。このように、下流空燃比センサ１２１によってＮＯｘの還元の完了を確認した上で水素の供給を停止することにより、排気通路８２外へのＮＯｘの排出量をより低減することができる。更に、この場合には、排気通路８２外への余剰の水素の排出を抑制することもできる。
【００５５】
次に、本形態の制御装置１の動作を説明する。本形態のＮＯｘ量推定部３は、内燃機関８の動作中、常にＮＯｘ吸蔵量Ｓの推定を実施する。図３に示すように、燃焼制御部１１は、内燃機関８が動作を開始した後、ＮＯｘ量推定部３から送信されたＮＯｘ吸蔵量ＳとＮＯｘ閾値Ｓthとを比較するステップＳ１０１を実施する。燃焼制御部１１は、ＮＯｘ吸蔵量ＳがＮＯｘ閾値Ｓth未満である間（ステップＳ１０１、「Ｎｏ」）は、ＮＯｘ吸蔵量ＳとＮＯｘ閾値Ｓthとの比較を行うステップＳ１０１を繰り返し実施する。
【００５６】
一方、燃焼制御部１１は、ＮＯｘ吸蔵量ＳがＮＯｘ閾値Ｓth以上となった場合（ステップＳ１０１、「Ｙｅｓ」）に、燃焼室８１の燃焼状態に基づいて触媒温度ＴＣを算出するステップＳ１０２を実施する。なお、以下の説明においては、ＮＯｘ吸蔵量ＳがＮＯｘ閾値Ｓth以上となった時刻を時刻ｔ1という。
【００５７】
燃焼制御部１１は、触媒温度ＴＣを算出した後、触媒温度ＴＣと温度閾値ＴＣthとを比較するステップＳ１０３を実施する。触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣth未満である場合（ステップＳ１０３、「Ｙｅｓ」）、つまり、還元後に触媒８３内に残留するＮＯｘ量を十分に低減することが難しい場合、燃焼制御部１１は、上流空燃比Ａの指示値を第１空燃比指示値Ａ1に設定し、上流空燃比Ａの値が第１空燃比指示値Ａ1となるように燃焼室８１の燃焼状態を制御するステップＳ１０４を実施する。第１空燃比指示値Ａ1は理論空燃比Ａstよりもリーンであるため、上流空燃比Ａが第１空燃比指示値Ａ1となる場合、図４に示すように、燃焼室８１から排出された排気ガスは、酸素が過剰な状態となる。
【００５８】
図３に示すように、燃焼制御部１１による燃焼室８１の燃焼状態の制御が完了した後、下流空燃比センサ１２１が下流空燃比の取得を開始するステップＳ１０５を実施する。次いで、水素制御部１２が水素濃度の設定値を第１水素指示値に設定し、水素供給部８４を制御して触媒８３への水素の供給を開始するステップＳ１０６を実施する。
【００５９】
触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣth未満である場合、図４に示すように時刻ｔ1から燃焼室８１が制御され、上流空燃比Ａが変更されている。そのため、水素の供給を開始する時刻ｔ2において、上流空燃比Ａの値は理論空燃比Ａstよりもややリーンな第１空燃比指示値Ａ1となっている。従って、ステップＳ１０６において水素供給部８４から水素を供給することにより、触媒８３内で水素と酸素とを反応させ、触媒温度ＴＣを急速に上昇させることができる。そして、触媒８３内に吸蔵されたＮＯｘを触媒８３から脱離させるとともに、主に水素によってＮＯｘを還元することができる。
【００６０】
一方、図３に示すように、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣth以上である場合（ステップＳ１０３、「Ｎｏ」）、つまり、還元後に触媒８３内に残留するＮＯｘ量を十分に低減することが可能な場合、燃焼制御部１１は、上流空燃比Ａの指示値を第２空燃比指示値Ａ2に設定し、上流空燃比Ａの値が第２空燃比指示値Ａ2となるように燃焼室８１の燃焼状態を制御するステップＳ１２４を実施する。
【００６１】
ステップＳ１２４において燃焼制御部１１による燃焼室８１の燃焼状態の制御が完了した後、下流空燃比センサ１２１が下流空燃比の取得を開始するステップＳ１２５を実施する。次いで、水素制御部１２が水素濃度の設定値を第２水素指示値に設定し、水素供給部８４を制御して触媒８３への水素の供給を開始するステップＳ１２６を実施する。第２水素指示値は、前述したように、第１水素指示値よりも小さい値である。
【００６２】
触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣth以上である場合には、図５に示すように時刻ｔ1から燃焼室８１が制御され、上流空燃比Ａが変更されている。そのため、水素の供給を開始する時刻ｔ2において、上流空燃比Ａの値は第１空燃比指示値Ａ1よりもリッチな第２空燃比指示値Ａ2となっている。従って、ステップＳ１２６において水素供給部８４から水素を供給することにより、触媒８３内を酸素不足の状態とすることができる。その結果、排気ガス中の燃料及び水素をＮＯｘと反応させ、ＮＯｘを還元することができる。
【００６３】
図３に示すように、ステップＳ１０６またはステップＳ１２６において水素の供給を開始した後、水素制御部１２は、水素の供給を開始した時点の下流空燃比の値と、現在の下流空燃比との値とを比較するステップＳ１０７を実施する。水素制御部１２は、下流空燃比が水素の供給を開始した時点の値と同一か、または水素の供給を開始した時点の値よりもリーンである間（ステップＳ１０７、「Ｎｏ」）は、水素の供給を継続する。
【００６４】
触媒８３内に吸蔵されたＮＯｘの還元が完了すると、ＮＯｘと反応しなかった燃料が触媒８３を通過し、触媒８３の下流に排出される。そのため、ＮＯｘの還元が完了した時刻ｔ3以降においては、図４及び図５に示すように、下流空燃比が水素の供給を開始した時刻ｔ2の値よりもリッチになる。
【００６５】
水素制御部１２は、下流空燃比が水素の供給を開始した時刻ｔ2の値よりもリッチになったことを契機として（ステップＳ１０７、「Ｙｅｓ」）、時刻ｔ4において水素濃度の指示値をゼロに設定し、水素の供給を停止するように水素供給部８４を制御するステップＳ１０８を実施する。このように、下流空燃比センサ１２１によってＮＯｘの還元の完了を確認した上で水素の供給を停止することにより、排気通路８２外へのＮＯｘの排出量をより低減することができる。更に、この場合には、排気通路８２外への余剰の水素の排出を抑制することもできる。
【００６６】
本形態の制御装置１は、以上のステップＳ１０１〜Ｓ１０８により触媒８３内に吸蔵されたＮＯｘの還元が完了した後、再びステップＳ１０１を実行する。つまり、本形態の制御装置１は、内燃機関８の運転中、常にＮＯｘ吸蔵量Ｓを確認し、ＮＯｘ吸蔵量ＳがＮＯｘ閾値Ｓthを超えた時点で触媒８３内に吸蔵されたＮＯｘを還元する動作を行うように構成されている。
【００６７】
以上のように、本形態の制御装置１は、ＮＯｘを還元する際に触媒温度ＴＣが所定の温度閾値ＴＣth未満である場合には、上流空燃比Ａが理論空燃比Ａstよりもリーンとなるように燃焼室８１の燃焼状態を制御し、次いで触媒８３への水素の供給を行う。これにより、触媒８３内にＮＯｘが吸蔵された状態から、触媒温度ＴＣを速やかに上昇させて触媒８３内のＮＯｘを放出させるとともに、触媒８３から脱離したＮＯｘを還元することができる。その結果、触媒温度ＴＣを上昇させる過程におけるＮＯｘの排出量の増大を抑制することができる。
【００６８】
一方、ＮＯｘを還元する際に触媒温度ＴＣが所定の温度閾値ＴＣth以上である場合には、触媒温度ＴＣが所定の温度閾値ＴＣth未満である場合に比べて上流空燃比Ａがリッチとなるように燃焼室８１の燃焼状態を制御し、次いで触媒８３への水素の供給を行う。これにより、そのため、水素と燃料とによってＮＯｘを還元し、ＮＯｘの排出量を低減することができる。
【００６９】
以上のごとく、上記態様によれば、内燃機関８における排気通路８２の外部へ排出されるＮＯｘ量をより低減することができる制御装置１を提供することができる。
【００７０】
（実施形態２）
本形態の制御装置１０２は、触媒８３に供給する水素の量を調節するための構成を有している。なお、本形態以降において用いた符号のうち、既出の形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
【００７１】
本形態の制御装置１０２は、図６及び図７に示すように、触媒温度算出部２０２、ＮＯｘ量推定部３０２、燃焼制御部１１２、水素制御部１２２及び下流空燃比センサ１２１を有している。更に、制御装置１０２は、上流温度取得部４、上流空燃比取得部５、第１所要濃度算出部６１、第２所要濃度算出部６２、第３所要濃度算出部６３を有している。なお、便宜上、図６においては触媒温度算出部２０２、ＮＯｘ量推定部３０２、燃焼制御部１１２、水素制御部１２２、上流温度取得部４、第１所要濃度算出部６１、第２所要濃度算出部６２及び第３所要濃度算出部６３を簡略化して記載した。
【００７２】
図６に示すように、本形態の制御装置１０２は、センサとして、下流温度センサ２１、上流ＮＯｘセンサ３１、下流ＮＯｘセンサ３２及び上流空燃比センサ５１を有している。下流温度センサ２１は触媒８３の下流に配置されており、触媒８３の下流における排気ガスの温度を測定することができるように構成されている。
【００７３】
上流ＮＯｘセンサ３１は触媒８３の上流に配置されており、触媒８３の上流における排気ガス中のＮＯｘ濃度を測定することができるように構成されている。下流ＮＯｘセンサ３２は触媒８３の下流に配置されており、触媒８３の下流における排気ガス中のＮＯｘ濃度を測定することができるように構成されている。上流空燃比センサ５１は触媒８３の上流に配置されており、上流空燃比、つまり、燃焼室８１から排出された排気ガスの空燃比を測定することができるように構成されている。
【００７４】
図７に示すように、本形態の触媒温度算出部２０２は、下流温度センサ２１に接続されており、下流温度センサ２１により測定された排気ガスの温度に基づいて触媒温度ＴＣを推定することができるように構成されている。より具体的には、本形態の触媒温度算出部２０２には、触媒８３の下流における排気ガスの温度と触媒温度ＴＣとの対応関係が保持されている。触媒温度算出部２０２は、下流温度センサ２１により測定された排気ガスの温度と前述した対応関係とに基づいて触媒温度ＴＣを推定することができる。本形態のように、触媒温度算出部２０２を、触媒８３の下流における排気ガスの温度に基づいて触媒温度ＴＣを算出するように構成することにより、触媒温度ＴＣをより精確に算出することができる。
【００７５】
本形態のＮＯｘ量推定部３０２は、上流ＮＯｘセンサ３１及び下流ＮＯｘセンサ３２に接続されており、これらのセンサにより測定された排気ガス中のＮＯｘ濃度に基づいてＮＯｘ吸蔵量Ｓを推定することができるように構成されている。単位時間あたりに触媒８３に吸着されたＮＯｘの量は、触媒８３の上流における排気ガス中のＮＯｘ濃度と、下流における排気ガス中のＮＯｘ濃度との差に基づいて算出することができる。
【００７６】
それ故、本形態のＮＯｘ量推定部３０２は、上流ＮＯｘセンサ３１により測定されたＮＯｘ濃度と下流ＮＯｘセンサ３２により測定されたＮＯｘ濃度との差を積算することにより、ＮＯｘ吸蔵量Ｓを推定することができる。本形態のように、ＮＯｘ量推定部３０２を、触媒８３の上流におけるＮＯｘ濃度と下流におけるＮＯｘ濃度との差に基づいてＮＯｘ吸蔵量Ｓを算出するように構成することにより、ＮＯｘ吸蔵量Ｓを更に精確に算出することができる。
【００７７】
上流温度取得部４は、上流ガス温度、つまり、触媒８３の上流における排気ガスの温度を取得することができるように構成されている。また、上流温度取得部４は、上流ガス温度を第２所要濃度算出部６２に送信することができるように構成されている。
【００７８】
上流温度取得部４による上流ガス温度の取得方法としては、種々の態様を採用することができる。例えば、本形態の上流温度取得部４には、燃焼室８１の燃焼状態と、上流ガス温度との対応関係が保持されている。上流温度取得部４は、燃焼制御部１１２からアクセル開度やエンジン回転数などに基づいて燃焼室８１の燃焼状態に関する情報を取得し、これらの情報と前述した対応関係とに基づいて上流ガス温度を取得することができるように構成されている。なお、例えば、触媒８３の上流に温度センサを設ける場合、上流温度取得部４は、この温度センサにより測定された排気ガスの温度を上流ガス温度とすることもできる。
【００７９】
上流空燃比取得部５は、上流空燃比、つまり、触媒８３の上流における排気ガスの空燃比を取得することができるように構成されている。また、上流空燃比取得部５は、上流空燃比を第３所要濃度算出部６３に送信することができるように構成されている。
【００８０】
上流空燃比取得部５による上流空燃比の取得方法としては、種々の態様を採用することができる。例えば、本形態の上流空燃比取得部５は、上流空燃比センサ５１から上流空燃比を取得することができるように構成されている。
【００８１】
上流空燃比取得部５は、燃焼室８１の燃焼状態に基づいて上流空燃比を推定することができるように構成されていてもよい。この場合、上流空燃比取得部５には、燃焼室８１の燃焼状態と、上流空燃比との対応関係が保持されている。上流空燃比取得部５は、燃焼制御部１１２からアクセル開度やエンジン回転数などに基づいて燃焼室８１の燃焼状態に関する情報を取得し、これらの情報と前述した対応関係とに基づいて上流空燃比を取得することができる。
【００８２】
また、上流空燃比取得部５は、燃焼制御部１１２から上流空燃比Ａの指示値を取得し、この値を上流空燃比の値とするように構成されていてもよい。
【００８３】
第１所要濃度算出部６１は、触媒温度ＴＣに基づいて第１所要酸素濃度ＣO1及び第１所要水素濃度ＣH1とを算出することができるように構成されている。第１所要酸素濃度ＣO1及び第１所要水素濃度ＣH1は、それぞれ、触媒温度ＴＣを温度閾値ＴＣthまで上昇させるために必要な酸素濃度及び水素濃度である。
【００８４】
第１所要酸素濃度ＣO1及び第１所要水素濃度ＣH1の算出方法は、種々の態様をとり得る。例えば本形態の第１所要濃度算出部６１には、触媒８３の熱容量が保持されている。第１所要濃度算出部６１は、触媒８３の熱容量を用いて現在の触媒温度ＴＣを温度閾値ＴＣthまで上昇させるために必要な熱量を算出し、次いで、この熱量を発生させるために必要な酸素の量と水素の量とを算出する。第１所要濃度算出部６１は、この酸素の量及び水素の量に基づいて、第１所要酸素濃度ＣO1と第１所要水素濃度ＣH1とを算出する。
【００８５】
第２所要濃度算出部６２は、上流ガス温度に基づいて、第２所要酸素濃度ＣO2及び第２所要水素濃度ＣH2を算出することができるように構成されている。第２所要酸素濃度ＣO2及び第２所要水素濃度ＣH2は、それぞれ、上流ガス温度を温度閾値ＴＣthまで上昇させるために必要な酸素濃度及び水素濃度である。
【００８６】
第２所要酸素濃度ＣO2及び第２所要水素濃度ＣH2の算出方法は、種々の態様をとり得る。例えば本形態の第２所要濃度算出部６２には、排気ガスの熱容量が保持されている。第２所要濃度算出部６２は、排気ガスの熱容量を用いて現在の上流ガス温度を温度閾値ＴＣthまで上昇させるために必要な熱量を算出し、次いで、この熱量を発生させるために必要な酸素の量と水素の量とを算出する。第２所要濃度算出部６２は、この酸素の量及び水素の量に基づいて、第２所要酸素濃度ＣO2と第２所要水素濃度ＣH2とを算出する。
【００８７】
第３所要濃度算出部６３は、第１所要水素濃度ＣH1、第２所要水素濃度ＣH2及び上流空燃比に基づいて、第３所要水素濃度ＣH3を算出することができるように構成されている。第３所要水素濃度ＣH3は、触媒８３内の酸素濃度に対して水素濃度と燃料濃度との合計が過剰になるような水素濃度である。
【００８８】
第３所要水素濃度ＣH3の算出方法は、種々の態様をとり得る。例えば本形態の第３所要濃度算出部６３は、上流空燃比に基づいて触媒８３内の酸素濃度及び燃料濃度を算出する。次いで、第３所要濃度算出部６３は、触媒８３内の酸素が燃料と水素との合計に対して不足するような水素濃度を算出し、この水素濃度から第１所要水素濃度ＣH1と第２所要水素濃度ＣH2とを差し引いた値を第３所要水素濃度CH3とする。
【００８９】
第１所要酸素濃度ＣO1、第１所要水素濃度ＣH1、第２所要酸素濃度ＣO2、第２所要水素濃度ＣH2及び第３所要水素濃度ＣH3は、それぞれ、触媒８３の昇温速度が所定の上限速度を超えないように設定されていることが好ましい。上限速度は、例えば、触媒８３からのＮＯｘの脱離速度がＮＯｘの還元速度よりも遅くなるような昇温速度とすることができる。この場合には、触媒８３の温度を上昇させる過程において、触媒８３から脱離したＮＯｘを迅速に還元し、排気通路８２の外部へのＮＯｘの排出量をより低減することができる。
【００９０】
第１所要酸素濃度ＣO1、第１所要水素濃度ＣH1、第２所要酸素濃度ＣO2、第２所要水素濃度ＣH2及び第３所要水素濃度ＣH3を前述したように設定する方法は、種々の態様をとり得る。例えば、第１所要濃度算出部６１、第２所要濃度算出部６２及び第３所要濃度算出部６３は、予め、触媒８３の昇温速度が上限速度となる酸素濃度及び水素濃度を保持していてもよい。この場合、例えば、第１所要濃度算出部６１は、前述した方法により算出した第１所要酸素濃度ＣO1及び第１所要水素濃度ＣH1と、触媒８３の昇温速度が上限速度となる酸素濃度及び水素濃度とを比較し、前者の値が後者の値を超える場合には、第１所要酸素濃度ＣO1及び第１所要水素濃度ＣH1を後者の値に変更すればよい。
【００９１】
同様に、第２所要濃度算出部６２は、前述した方法により算出した第２所要酸素濃度ＣO2及び第２所要水素濃度ＣH2と、触媒８３の昇温速度が上限速度となる酸素濃度及び水素濃度とを比較し、前者の値が後者の値を超える場合には、第２所要酸素濃度ＣO2及び第２所要水素濃度ＣH2を後者の値に変更すればよい。第３所要濃度算出部６３は、前述した方法により算出した第３所要水素濃度ＣH3と、触媒８３の昇温速度が上限速度となる酸素濃度及び水素濃度とを比較し、前者の値が後者の値を超える場合には第３所要水素濃度ＣH3を後者の値に変更すればよい。
【００９２】
本形態の燃焼制御部１１２は、ＮＯｘ吸蔵量ＳがＮＯｘ閾値Ｓth以上であり、かつ、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣth未満である場合に、燃焼室８１の燃焼状態を制御して上流空燃比Ａを第１空燃比指示値Ａ1にすることができるように構成されている。本形態における第１空燃比指示値Ａ1は、上流酸素濃度、つまり、燃焼室８１から排出される排気ガスの酸素濃度が第１所要酸素濃度ＣO1と第２所要酸素濃度ＣO2との合計となる値である。
【００９３】
また、本形態の水素制御部１２２は、燃焼制御部１１２による燃焼室８１の燃焼状態の制御が完了し、ＮＯｘ吸蔵量ＳがＮＯｘ閾値Ｓth以上であり、かつ、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣth未満である場合に、水素供給部８４を制御して触媒８３の上流における水素濃度を第１水素指示値にすることができるように構成されている。本形態の第１水素指示値は、第１所要水素濃度ＣH1と第２所要水素濃度ＣH2と第３所要水素濃度ＣH3の合計である。
【００９４】
即ち、本形態の燃焼制御部１１２は、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣth未満である場合には、触媒８３の上流における排気ガス中の酸素濃度を、触媒温度ＴＣと上流ガス温度とを温度閾値ＴＣthまで上昇させるために必要な値に制御することができる。更に、本形態の水素制御部１２２は、排気ガス中の水素濃度を、水素と酸素との反応によって触媒温度ＴＣ及び上流ガス温度を温度閾値ＴＣthまで上昇させた上で、触媒８３内の水素と燃料との合計が酸素に対して過剰になるように制御することができる。
【００９５】
これにより、本形態の制御装置１０２は、触媒温度ＴＣ及び上流ガス温度を速やかに温度閾値ＴＣthまで上昇させてＮＯｘを脱離させるとともに、水素によって触媒８３から脱離したＮＯｘを還元することができる。その結果、内燃機関８の外部へのＮＯｘの排出量をより低減することができる。
【００９６】
また、本形態の燃焼制御部１１２は、水素供給部８４が水素の供給を開始した後、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣthに到達した時点で、燃焼室８１の燃焼状態を制御して上流空燃比Ａを第３空燃比指示値Ａ3にすることができるように構成されている。本形態における第３空燃比指示値Ａ3は、上流酸素濃度が第２所要酸素濃度ＣO2となる値である。更に、本形態の水素制御部１２２は、水素供給部８４が水素の供給を開始した後、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣthに到達した時点で、水素供給部８４を制御して触媒８３の上流における水素濃度の指示値を第３水素指示値にすることができるように構成されている。本形態の第３水素指示値は、第２所要水素濃度ＣH2と第３所要水素濃度ＣH3の合計である。
【００９７】
即ち、本形態の制御装置１０２は、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣthまで上昇し、それ以上触媒温度ＴＣを上昇させる必要がなくなった場合に、触媒温度ＴＣ及び上流ガス温度を維持しつつＮＯｘを還元できるように上流酸素濃度及び水素濃度を調整することができる。これにより、水素の消費量を低減しつつ、触媒８３から脱離したＮＯｘを還元することができる。その結果、内燃機関８の外部へのＮＯｘの排出量をより低減することができる。
【００９８】
第３空燃比指示値Ａ3は、理論空燃比であってもよい。この場合には、触媒８３に水素を供給した際に、排気ガス中の燃料と水素との合計に対して酸素が不足する状態を確実に実現することができる。その結果、水素によってＮＯｘをより効率よく還元し、内燃機関８の外部に排出されるＮＯｘ量をより低減することができる。
【００９９】
また、本形態の水素制御部１２２は、燃焼制御部１１２による燃焼室８１の燃焼状態の制御が完了し、ＮＯｘ吸蔵量ＳがＮＯｘ閾値Ｓth以上であり、かつ、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣth以上である場合に、水素供給部８４を制御する触媒８３の上流における水素濃度の指示値を第２水素指示値に設定することができるように構成されている。本形態の第２水素指示値は、第３所要水素濃度ＣH3である。
【０１００】
即ち、本形態の水素制御部１２２は、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣth以上であり、触媒温度ＴＣを上昇させる必要がない場合には、触媒８３の上流における排気ガス中の酸素が水素と燃料との合計に対して不足するように水素濃度を調整することができる。これにより、水素の消費量を低減しつつ、触媒８３から脱離したＮＯｘを還元することができる。その結果、内燃機関８の外部へのＮＯｘの排出量をより低減することができる。
【０１０１】
次に、本形態の制御装置１０２の動作を説明する。図８に示すように、本形態の制御装置１０２における燃焼制御部１１２は、実施形態１と同様に、ＮＯｘ吸蔵量ＳとＮＯｘ閾値Ｓthとの比較を行うステップＳ１０１を実施する。そして、燃焼制御部１１２は、ＮＯｘ吸蔵量ＳがＮＯｘ閾値Ｓth未満である間（ステップＳ１０１、「Ｎｏ」）は、ＮＯｘ吸蔵量ＳとＮＯｘ閾値Ｓthとの比較を行うステップＳ１０１を繰り返し実施する。
【０１０２】
また、燃焼制御部１１２は、ＮＯｘ吸蔵量ＳがＮＯｘ閾値Ｓth以上となった場合（ステップＳ１０１、「Ｙｅｓ」）、上流ガス温度に基づいて触媒温度ＴＣを算出するステップＳ１０２を実施する。燃焼制御部１１２は、その後、触媒温度ＴＣと温度閾値ＴＣthとの比較を行うステップＳ１０３を実施する。なお、以下の説明においては、ＮＯｘ吸蔵量ＳがＮＯｘ閾値Ｓth以上となった時刻を時刻ｔ1という。
【０１０３】
ステップＳ１０３において触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣth未満である場合（ステップＳ１０３、「Ｙｅｓ」）、第１所要酸素濃度ＣO1、第１所要水素濃度ＣH1、第２所要酸素濃度ＣO2、第２所要水素濃度ＣH2を算出するステップＳ２０１が実施される。
【０１０４】
ステップＳ２０１では、第１所要濃度算出部６１が触媒温度ＴＣに基づいて第１所要酸素濃度ＣO1及び第１所要水素濃度ＣH1を算出する。また、第２所要濃度算出部６２が上流ガス温度に基づいて第２所要酸素濃度ＣO2及び第２所要水素濃度ＣH2を算出する。ステップＳ２０１における第１所要酸素濃度ＣO1、第１所要水素濃度ＣH1、第２所要酸素濃度ＣO2及び第２所要水素濃度ＣH2の算出は、順番に行ってもよいし、並行して行ってもよい。
【０１０５】
ステップＳ２０１が完了した後、第３所要濃度算出部６３が第１所要水素濃度ＣH1、第２所要水素濃度ＣH2及び上流空燃比に基づいて第３所要水素濃度ＣH3を算出するステップＳ２０２を実施する。
【０１０６】
次に、燃焼制御部１１２により、上流空燃比Ａが第１空燃比指示値Ａ1となるように燃焼室８１の燃焼状態を制御するステップＳ１０４が実施される。本形態の第１空燃比指示値Ａ1は、前述したように、上流酸素濃度が第１所要酸素濃度ＣO1と第２所要酸素濃度ＣO2との合計になる値である。それ故、図９に示すように、燃焼室８１の燃焼状態の制御が完了した時刻ｔ2における上流酸素濃度は、第１所要酸素濃度ＣO1と第２所要酸素濃度ＣO2との合計となる。ステップＳ１０４の後、図８に示すように、下流空燃比センサ１２１が下流空燃比の取得を開始するステップＳ１０５を実施する。
【０１０７】
水素制御部１２２は、燃焼室８１の燃焼状態の制御が完了した時刻ｔ2に、水素濃度が第１水素指示値となるように水素供給部８４を制御して触媒８３への水素の供給を開始するステップＳ１０６を実施する。本形態の第１水素指示値は、前述したように、第１所要水素濃度ＣH1と、第２所要水素濃度ＣH2と、第３所要水素濃度ＣH3との合計である。
【０１０８】
ステップＳ１０６の実施後、触媒８３内には、図９に示すように、上流ガス温度及び触媒温度ＴＣを温度閾値ＴＣthまで上昇させるために必要な量の酸素と水素とが供給される。触媒８３内においてこれらの酸素と水素とが反応することにより、時刻ｔ2から時刻ｔ3までに亘って上流ガス温度及び触媒温度ＴＣを速やかに上昇させることができる。また、触媒温度ＴＣが上昇する過程において、触媒８３内に吸蔵されたＮＯｘが触媒８３から脱離する。触媒８３内の酸素は、水素と燃料との合計に対して不足しているため、触媒８３から脱離したＮＯｘは、主に、酸素と反応しなかった水素によって迅速に還元される。
【０１０９】
図８に示すように、ステップＳ１０６において水素の供給を開始した後、燃焼制御部１１２及び水素制御部１２２は、触媒温度ＴＣと温度閾値ＴＣthとを比較するステップＳ２０３を実施する。燃焼制御部１１２及び水素制御部１２２は、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣthに到達するまでの間（ステップＳ２０３、「Ｎｏ」）、前述した上流酸素濃度及び水素濃度を維持するように燃焼室８１と水素供給部８４とを制御する。
【０１１０】
一方、燃焼制御部１１２は、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣthに到達した時点で（ステップＳ２０３、「Ｙｅｓ」）、上流空燃比Ａが第３空燃比指示値Ａ3となるように燃焼室８１の燃焼状態を制御するステップＳ２０４を実施する。本形態の第３空燃比指示値Ａ3は、前述したように、上流酸素濃度が第２所要酸素濃度ＣO2となる値である。それ故、図９に示すように、触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣthに到達した時刻ｔ3から燃焼室８１の燃焼状態の制御が完了した時刻ｔ4までに亘って上流酸素濃度が減少する。そして、時刻ｔ4における上流酸素濃度は第２所要酸素濃度ＣO2となる。
【０１１１】
水素制御部１２２は、燃焼室の燃焼状態の制御が完了した時刻ｔ4に水素濃度の指示値を第２水素指示値に変更し、水素供給部８４を制御して触媒８３への水素の供給量を変更するステップＳ２０５を実施する。本形態の第２水素指示値は、第２所要水素濃度ＣH2と第３所要水素濃度ＣH3との合計である。
【０１１２】
ステップＳ２０４の実施後、触媒８３内には、図９に示すように、上流ガス温度及び触媒温度ＴＣを温度閾値ＴＣthに維持するために必要な量の酸素と水素とが供給される。そのため、触媒８３内において酸素と水素とが反応することにより、上流ガス温度及び触媒温度ＴＣを維持することができる。また、触媒８３内の酸素は、水素と燃料との合計に対して不足しているため、酸素と反応しなかった過剰の水素によって触媒８３から脱離したＮＯｘを迅速に還元し、無害な窒素に変換することができる。
【０１１３】
図８に示すステップＳ１０３において触媒温度ＴＣが温度閾値ＴＣth以上である場合（ステップＳ１０３、「Ｎｏ」）、第３所要濃度算出部６３が第１所要水素濃度ＣH1、第２所要水素濃度ＣH2及び上流空燃比に基づいて第３所要水素濃度ＣH3を算出するステップＳ２２２を実施する。なお、ステップＳ２２２においては、触媒温度ＴＣ及び上流ガス温度が十分に高いため、これらの温度を更に上昇させる必要がない。そのため、第１所要水素濃度ＣH1及び第２所要水素濃度ＣH2の値はゼロとして扱われる。
【０１１４】
次に、燃焼制御部１１２により上流空燃比Ａが第２空燃比指示値Ａ2となるように燃焼室８１の燃焼状態を制御するステップＳ１２４が実施される。本形態の第２空燃比指示値は、理論空燃比Ａstである。時刻ｔ2に燃焼室８１の燃焼状態の制御が完了した後、下流空燃比センサ１２１が下流空燃比の取得を開始するステップＳ１２５を実施する。
【０１１５】
その後、水素制御部１２２が水素濃度の設定値を第２水素指示値に設定し、水素供給部８４を制御して水素の供給量を開始するステップＳ１２６を実施する。本形態の第２水素指示値は、第３所要水素濃度ＣH3である。
【０１１６】
燃焼室８１の燃焼状態の制御が完了した時刻ｔ2においては、図１０に示すように、触媒８３内に、酸素に対して過剰な量の水素と燃料とが供給される。そのため、触媒８３から脱離したＮＯｘを水素及び燃料によって迅速に還元し、無害な窒素に変換することができる。
【０１１７】
図８に示すように、ステップＳ２０５またはステップＳ１２６において水素の供給を開始した後、水素制御部１２は、実施形態１と同様に、水素の供給を開始した時点の下流空燃比の値と、現在の下流空燃比との値とを比較するステップＳ１０７を実施する。水素制御部１２は、下流空燃比が水素の供給を開始した時点の値と同一か、または水素の供給を開始した時点の値よりもリーンである間（ステップＳ１０７、「Ｎｏ」）は、水素の供給を継続する。
【０１１８】
また、ＮＯｘの還元が完了した時刻ｔ5以降においては、図４及び図５に示すように、下流空燃比が水素の供給を開始した時刻ｔ2の値よりもリッチになる。水素制御部１２は、下流空燃比が水素の供給を開始した時刻ｔ2の値よりもリッチになったことを契機として（ステップＳ１０７、「Ｙｅｓ」）、時刻ｔ6において水素濃度の指示値をゼロに設定し、水素の供給を停止するように水素供給部８４を制御するステップＳ１０８を実施する。その他は実施形態１と同様である。
【０１１９】
本形態の制御装置１０２は、触媒温度ＴＣ及び上流ガス温度に応じた適切な量の水素と酸素とを触媒８３内に供給することができる。そのため、水素によるＮＯｘの還元をより効率よく行い、内燃機関８の外部へのＮＯｘの排出量をより低減することができる。その他、本形態の制御装置１０２は、実施形態１と同様の作用効果を奏することができる。
【０１２０】
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。
【０１２１】
例えば、制御装置は、上流酸素濃度、つまり、燃焼室から排出される排気ガスの酸素濃度を測定する上流酸素センサを有していてもよい。この場合には、燃焼室から排出される排気ガスの実際の酸素濃度を測定することができる。そのため、例えば、上流酸素センサを燃焼制御部に接続し、上流酸素濃度に基づいて燃焼室の燃焼状態の制御をより正確に行うことができる。
【符号の説明】
【０１２２】
１、１０２  制御装置
１１、１１２  燃焼制御部
１２、１２２  水素制御部
２、２０２  触媒温度算出部
３、３０３  ＮＯｘ量推定部
８  内燃機関
８１  燃焼室
８２  排気通路
８３  ＮＯｘ吸蔵還元触媒
８４  水素供給部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2020033903.tif 000007
【図６】
2020033903.tif 000008
【図７】
2020033903.tif 000009
【図８】
2020033903.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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