(57)【要約】【課題】バイオ燃料を使用して触媒雰囲気の酸素濃度調整を行う場合にも、的確に触媒雰囲気の酸素濃度を制御して触媒制御を好適に行うことのできる内燃機関の触媒制御装置を提供する。【解決手段】バイオ燃料を燃料としてを用いる内燃機関において、排気への未燃燃料の添加による触媒雰囲気の酸素濃度の調整を通じたＮＯｘ還元制御や硫黄被毒回復制御といった触媒制御を実施する電子制御ユニット２１は、燃料の酸素含有量を推定するとともに、触媒制御での未燃燃料の添加量をその推定した酸素含有量に応じて補正する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオ燃料を用いての触媒雰囲気の酸素濃度の調整を通じた触媒制御を実施する内燃機関の触媒制御装置において、
前記バイオ燃料の酸素含有量を推定する推定手段と、
その推定した酸素含有量に応じて、前記触媒制御での前記触媒雰囲気の酸素濃度調整に係るバイオ燃料使用量を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の触媒制御装置。
【請求項２】
前記補正手段は、前記推定した酸素含有量が多いほど、前記バイオ燃料使用量を増大させる
請求項１に記載の内燃機関の触媒制御装置。
【請求項３】
前記補正手段は、前記触媒雰囲気の酸素濃度の検出結果に基づく前記バイオ燃料使用量のフィードバック調整における前記酸素濃度の目標値を前記酸素含有量に応じて補正する
請求項１に記載の触媒制御装置。
【請求項４】
前記推定手段は、当該内燃機関で燃焼される混合気の空燃比を目標空燃比とすべく行われる空燃比フィードバック制御についてそのフィードバック積分項の値に基づいて前記推定を行う
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒制御装置。
【請求項５】
前記推定手段は、当該内燃機関の燃料噴射量に基づいて前記推定を行う
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒制御装置。
【請求項６】
前記推定手段は、当該内燃機関の気筒内圧の検出結果に基づいて前記推定を行う
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒制御装置。
【請求項７】
前記推定手段は、燃焼前後の機関回転速度の変動の大きさに基づいて前記推定を行う
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒制御装置。
【請求項８】
前記推定手段は、インジェクタの微小燃料噴射時の前記内燃機関の出力トルクから前記インジェクタの微小燃料噴射特性のばらつきを学習する微小噴射量学習制御の学習値に基づいて前記推定を行う
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒制御装置。
【請求項９】
前記推定手段は、前記燃料の酸素含有量を検出する燃料センサの検出結果に基づいて前記推定を行う
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の内燃機関の触媒制御装置。
【請求項１０】
前記触媒制御は、触媒に吸蔵された窒素酸化物を還元する目的で行われる
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒制御装置。
【請求項１１】
前記触媒制御は、触媒を硫黄被毒から回復させることを目的に行われる
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオ燃料を用いての触媒雰囲気の酸素濃度の調整を通じた触媒制御を実施する内燃機関の触媒制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車載内燃機関の排気系には、排気中の有害成分を浄化するための触媒コンバータが設置されている。そうした触媒コンバータとして、ＮＯｘ吸蔵還元型の触媒が担持されたＮＯｘ触媒コンバータがある。ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、周囲の酸素濃度が高いときには、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵し、周囲の酸素濃度が低いときには、吸蔵したＮＯｘを還元した上で放出する。そこでＮＯｘ触媒コンバータを備える内燃機関では、通常は排気を高酸素濃度の酸化雰囲気とした状態で運転して、排気中のＮＯｘを触媒中に吸蔵させるとともに、時折、排気への未燃燃料の添加によって排気を低酸素濃度の還元雰囲気として、触媒に吸蔵されたＮＯｘの還元浄化を図るようにしている。またＮＯｘとともに触媒に吸蔵された硫黄酸化物（ＳＯｘ）の除去、いわゆる触媒の硫黄被毒回復にも、排気への未燃燃料の添加を行うようにしている。
【０００３】
一方、近年には、温室効果ガスの削減といった環境問題に関連して、脂肪酸メチルエステル（ＦＡＭＥ：Ｆａｔｔｙ  Ａｃｉｄ  Ｍｅｔｈｙｌ  Ｅｓｔｅｒ）、いわゆるバイオディーゼルなどのバイオ燃料が化石燃料の代替燃料として着目されている。バイオ燃料は、再生可能な自然エネルギーであることや、その燃焼によって大気中の二酸化炭素量を増やさないことから、次世代のエネルギー源として期待されている。そして車載等の内燃機関の燃料としても、こうしたバイオ燃料の利用が進められている。
【０００４】
そうした車載内燃機関では、純粋なバイオ燃料、或いはバイオ燃料と化石燃料との混合燃料を用いている。ただし、バイオ燃料は、化石燃料に比して揮発性が低いため、上記のようなＮＯｘ還元や硫黄被毒回復などの触媒制御に際して排気に添加する燃料として、バイオ燃料を使用する場合には、次のような不具合が発生する。すなわち、バイオ燃料は揮発性が低いため、燃料添加の開始から触媒雰囲気の酸素濃度が十分に低下するまでの時間や、燃料添加の終了から低下した触媒雰囲気の酸素濃度が元に戻るまでの時間が長くなる。上記のような触媒制御には、制御中の触媒雰囲気の酸素濃度に加え、触媒雰囲気を低酸素濃度に維持する期間にも、緻密な制御が求められる。そのため、上記のようなバイオ燃料使用時の触媒雰囲気の酸素濃度変化速度の低下は、触媒制御時の低酸素濃度維持期間の管理に支障をもたらすようになる。
【０００５】
従来、こうした問題の解決を図る技術として特許文献１に記載のものが提案されている。同文献では、触媒制御装置では、添加燃料のバイオ燃料濃度を推定するとともに、推定したバイオ燃料濃度が高いほど、触媒制御初期の燃料添加量を増やす一方で、触媒制御後期の燃料添加量をその分減らすようにしている。そしてこれにより、触媒制御開始後の触媒雰囲気の酸素濃度の低下速度、及び触媒制御終了後の触媒雰囲気の酸素濃度の上昇速度を高め、添加燃料の揮発性の低下による触媒雰囲気の酸素濃度変化速度の低下の影響を好適に抑制するようにしている。なお同文献では、触媒制御全体での燃料添加の総量は、添加燃料のバイオ燃料濃度に拘わらず、一定となっている。
【特許文献１】特開２００６−１７７３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の技術によれば、バイオ燃料濃度の増加による添加燃料の揮発性の低下に起因した触媒制御中の触媒雰囲気の酸素濃度の変化速度の低下の影響については、確かにその抑制が可能である。ところで、バイオ燃料中には少なからぬ酸素が含まれており、その酸素が触媒制御に悪影響を与えることがある。
【０００７】
すなわち、バイオ燃料の混合比率の高い燃料を添加するときには、そのバイオ燃料に含まれる酸素の分だけ、触媒制御中の触媒雰囲気の酸素濃度が高くなる。そのため、触媒制御中の触媒雰囲気の酸素濃度を十分に低下させることができなくなり、触媒のＮＯｘ還元や硫黄被毒回復を十分行えなくなってしまう虞がある。また触媒制御によっては、その制御中に触媒雰囲気の酸素濃度を検出し、その検出結果に応じて排気への燃料添加量をフィードバック調整することもある。この場合には、燃料の酸素含有量に拘わらず、最終的には、触媒雰囲気の酸素濃度を必要な値とすることは可能であるが、燃料中の酸素の影響でフィードバック負荷が増大してしまうことがある。
【０００８】
本発明は、こうした実状に鑑みてなされたものであって、その解決しようとする課題は、バイオ燃料を使用して触媒雰囲気の酸素濃度調整を行う場合にも、的確に触媒雰囲気の酸素濃度を制御して触媒制御を好適に行うことのできる内燃機関の触媒制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果を記載する。
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、バイオ燃料を用いての触媒雰囲気の酸素濃度の調整を通じた触媒制御を実施する内燃機関の触媒制御装置において、前記燃料の酸素含有量を推定する推定手段と、その推定した酸素含有量に応じて、前記触媒制御での前記触媒雰囲気の酸素濃度の調整に係るバイオ燃料使用量を補正する補正手段と、を備えることをその要旨としている。
【００１０】
上記構成では、燃料の酸素含有量を推定するとともに、その推定した酸素含有量に応じて触媒制御中の触媒雰囲気の酸素濃度の調整に係るバイオ燃料使用量が、すなわち触媒雰囲気の酸素濃度の調整に供されるバイオ燃料の量が補正されるようになる。そのため、触媒雰囲気の酸素濃度調整に使用するバイオ燃料の酸素含有量が多くとも、そうした燃料中の酸素による触媒制御中の触媒雰囲気の高酸素濃度化を抑えることが可能となる。したがって上記構成によれば、バイオ燃料を使用して触媒雰囲気の酸素濃度調整を行う場合にも、的確に触媒雰囲気の酸素濃度を制御して触媒制御を好適に行うことができるようになる。なおここでの燃料の酸素含有量とは、単位質量の燃料に含まれる酸素の質量を示すものとする。またここでの「バイオ燃料」には、純粋なバイオ燃料のみならず、バイオ燃料と化石燃料との混合燃料も含むものとする。
【００１１】
なおバイオ燃料を用いての触媒雰囲気の酸素濃度の調整態様としては、例えば次のものがある。まず、排気通路に設置した燃料添加弁より排気中に直接燃料を添加することで触媒雰囲気の酸素濃度を調整することができる。また気筒内に燃料を直接噴射する直噴式内燃機関であれば、圧縮行程後期から排気行程にかけての気筒内への燃料噴射、いわゆるポスト噴射により排気に未燃燃料を添加して触媒雰囲気の酸素濃度を調整することも可能である。更に燃焼室内で燃焼される混合気の空燃比調整によっても、触媒雰囲気の酸素濃度を調整することが、具体的には混合気のリッチ化を通じて触媒雰囲気の酸素濃度を低下させることが可能である。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の触媒制御装置において、前記補正手段は、前記推定した酸素含有量が多いほど、前記バイオ燃料使用量を増大させることをその要旨としている。
【００１３】
上記構成では、推定された燃料の酸素含有量が多いほど、触媒雰囲気の酸素濃度調整に供されるバイオ燃料の量が増大されるようになる。触媒雰囲気の酸素濃度調整に使用する燃料の酸素含有量が多ければ、触媒雰囲気の酸素量は増加するが、上記のようなバイオ燃料使用量の増大補正によれば、その分、排気中の未燃燃料の量も増やされることになるため、燃料中の酸素による触媒制御中の触媒雰囲気の高酸素濃度化を抑えることができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の触媒制御装置において、前記補正手段は、前記触媒雰囲気の酸素濃度の検出結果に基づく前記バイオ燃料使用量のフィードバック調整における前記酸素濃度の目標値を前記酸素含有量に応じて補正することをその要旨としている。
【００１５】
上記構成では、触媒雰囲気の酸素濃度を検出するとともに、その検出結果に基づいて、触媒雰囲気の酸素濃度が目標値となるように、触媒雰囲気の酸素濃度調整に供されるバイオ燃料の量がフィードバック調整されるようになる。そして上記構成では、こうしたフィードバック調整での触媒雰囲気の酸素濃度の目標値が、推定した燃料の酸素含有量に応じて補正されるようになる。ここで、燃料の酸素含有量が多いときほど、触媒雰囲気の酸素濃度の目標値を低濃度側に設定すれば、酸素濃度調整に供されるバイオ燃料の量が増やされることになり、燃料中の酸素による触媒制御中の触媒雰囲気の高酸素濃度化を抑えることができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒制御装置において、前記推定手段は、当該内燃機関で燃焼される混合気の空燃比を目標空燃比とすべく行われる空燃比フィードバック制御についてそのフィードバック積分項の値に基づいて前記推定を行うことをその要旨とする。
【００１７】
ＰＩ制御、ＰＩＤ制御による空燃比フィードバック制御のフィードバック積分項には、燃料噴射時間の理論値と実際に空燃比を目標空燃比とするために必要な燃料噴射時間との乖離の定常偏差分が反映される。ここで燃料中の酸素含有量が多ければ、その分、空燃比はリーン側にずれるため、上記フィードバック積分項の値は、燃料中の酸素含有量に応じて変化することになる。すなわち、燃料中の酸素濃度が高ければ、上記フィードバック積分項の値はその分、燃料噴射時間を増大する側に変化することになる。したがって、空燃比フィードバック制御のフィードバック積分項の値を参照することで、燃料の酸素含有量を推定することができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒制御装置において、前記推定手段は、当該内燃機関の燃料噴射量に基づいて前記推定を行うことをその要旨としている。
【００１９】
燃料の酸素含有量が多ければ、すなわち燃料のバイオ燃料比率が高ければ、単位質量当りの燃料の燃焼により生じる発熱量が低下する。そのため、同一出力を得るために必要な燃料噴射量は、燃料のバイオ燃料比率が高いほど増加する。そしてバイオ燃料比率が高まれば、燃料の酸素含有量は多くなる。したがって、燃料噴射量から燃料の酸素含有量を推定することが可能である。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒制御装置において、前記推定手段は、当該内燃機関の気筒内圧の検出結果に基づいて前記推定を行うことをその要旨としている。
【００２１】
燃料の酸素含有量が多ければ、豊富な酸素により燃料の燃焼速度が上昇するため、燃料の酸素含有量が多いほど気筒内圧が高くなる。このように、燃料の酸素含有量と内燃機関の気筒内圧とに間は一定の相関があり、気筒内圧の検出結果から燃料の酸素含有量を推定することが可能である。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒制御装置において、前記推定手段は、燃焼前後の機関回転速度の変動の大きさに基づいて前記推定を行うことをその要旨としている。
【００２３】
上記のように燃料の酸素含有量は、内燃機関の燃焼状態に少なからぬ影響を与えるため、内燃機関の燃焼の前後における機関回転速度の変動の大きさにも、燃料の酸素含有量は影響する。そのため、燃焼前後の機関回転速度の変動の大きさに基づいても、燃料の酸素含有量の推定を行うが可能である。
【００２４】
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒制御装置において、前記推定手段は、インジェクタの微小燃料噴射時の前記内燃機関の出力トルクから前記インジェクタの微小燃料噴射特性のばらつきを学習する微小噴射量学習制御の学習値に基づいて前記推定を行うことをその要旨としている。
【００２５】
車載等の内燃機関には、インジェクタの微小噴射量学習制御を行うものがある。この学習制御は、例えば燃料カット中などに微小量の燃料噴射を実施し、その後の機関回転速度の推移からその噴射による内燃機関の出力トルクを求め、その結果から、インジェクタの微小燃料噴射特性のばらつきを学習するために行われている。燃料の酸素含有量が変れば、すなわち燃料のバイオ燃料の混合比率が増えれば、単位質量の燃料の燃焼時の発熱量が低下し、上記微小噴射量学習制御の学習値がより大きくなる。そのため、微小噴射量学習制御の学習値に基づいても、燃料の酸素含有量の推定を行うことが可能である。
【００２６】
請求項９に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の内燃機関の触媒制御装置において、前記推定手段は、前記燃料の酸素含有量を検出する燃料センサの検出結果に基づいて前記推定を行うことをその要旨としている。
【００２７】
こうした燃料センサを用いれば、燃料の酸素含有量を推定（検出）することは当然可能である。
請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒制御装置において、前記触媒制御は、触媒に吸蔵された窒素酸化物を還元する目的で行われることをその要旨としている。
【００２８】
このように本発明では、バイオ燃料の混合燃料を添加燃料として使用しての触媒のＮＯｘ還元制御において、的確に触媒雰囲気の酸素濃度を制御してこれを好適に行うことのできるようすることができる。
【００２９】
請求項１１に記載の発明では、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の内燃機関の触媒制御装置において、前記触媒制御は、触媒を硫黄被毒から回復させることを目的に行われることをその要旨としている。
【００３０】
またこのように本発明では、バイオ燃料の混合燃料を添加燃料として使用しての硫黄被毒回復制御において、的確に触媒雰囲気の酸素濃度を制御してこれを好適に行うことのできるようすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の内燃機関の触媒制御装置を具体化した第１の実施の形態を、図１及び図２を参照して詳細に説明する。
【００３２】
図１は、本実施の形態に係る触媒制御装置の適用される内燃機関及びその制御系の構成を模式的に示したものである。なおこの内燃機関は、バイオ燃料のみ、或いはバイオ燃料と化石燃料との混合燃料を使用するものとなっている。ちなみに市場において販売される混合燃料は、バイオ燃料の混合比率が一定ではないため、この内燃機関は、バイオ燃料の混合比率について広幅の混合燃料を使用可能とされている。
【００３３】
さて同図に示すように、内燃機関は大きくは、吸気通路１０、燃焼室１１及び排気通路１２を備えている。吸気通路１０には、その上流から順に、吸入した空気を浄化するエアクリーナ１３、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４、吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ１５が設置されている。そして吸気通路１０は、スロットルバルブ１５の下流にて気筒毎に分岐された後、各気筒の燃焼室１１に接続されている。また燃焼室１１には、その内部に導入された吸気中に燃料を噴射供給するインジェクタ１６が設置されている。こうした燃焼室１１に接続される排気通路１２には、その上流から順に、排気中に燃料を添加する燃料添加弁１８、排気を浄化するためのＮＯｘ触媒コンバータ２０、及び排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ１９が設置されている。
【００３４】
こうした内燃機関の制御は、電子制御ユニット２１によって行われる。電子制御ユニット２１は、機関制御に係る各種の演算処理を実施する中央演算処理装置（ＣＰＵ）、機関制御用のプログラムやデータの記憶された読込専用メモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵの演算結果等を一時記憶するランダムアクセスメモリ、外部との信号の授受に係る入出力ポート（Ｉ／Ｏ）を備えて構成されている。こうした電子制御ユニット２１の入力ポートには、上記エアフローメータ１４、酸素濃度センサ１９を始め、機関運転状況を検出する各種センサが接続されている。また電子制御ユニット２１の出力ポートには、スロットルバルブ１５、インジェクタ１６及び燃料添加弁１８等の各種アクチュエータの駆動回路が接続されている。そして電子制御ユニット２１は、各センサの検出結果に基づいて各アクチュエータを駆動制御することで、内燃機関の制御を行っている。
【００３５】
また電子制御ユニット２１は、そうした機関制御の一環として、燃焼される混合気の空燃比を目標空燃比とするための空燃比フィードバック制御を実施している。この空燃比フィードバック制御において電子制御ユニット２１は、エアフローメータ１４により検出された吸入空気量から、空燃比を目標空燃比とするために必要な燃料噴射時間の理論値であるベース噴射量を算出する。そして電子制御ユニット２１は、酸素濃度センサ１９による排気酸素濃度の検出結果から、そのときの実際の空燃比と目標空燃比との偏差を求め、その偏差に応じて上記ベース噴射量を補正する。なおここでは電子制御ユニット２１は、こうした空燃比フィードバック制御をＰＩ制御、又はＰＩＤ制御により行っている。
【００３６】
更に電子制御ユニット２１は、上記ＮＯｘ触媒コンバータ２０に対する触媒制御として、ＮＯｘ還元制御と硫黄被毒回復制御とを実施する。これらの触媒制御は、次の目的で行われるものとなっている。
【００３７】
上記ＮＯｘ触媒コンバータ２０には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が担持されている。このＮＯｘ吸蔵還元触媒は、従来の三元触媒にＮＯｘ吸蔵剤としてアルカリ性の物質を加えたもので、モノリス担体にアルミナをコートして、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、及びアルカリ類、バリウム（Ｂａ）などのアルカリ土類、希土類酸化物を担持したものとなっている。ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、触媒雰囲気の酸素濃度が高い酸化雰囲気では、排気中のＮＯｘは、触媒の貴金属上で酸化され、それに隣接するＮＯｘ吸蔵物質と結合して硝酸塩を形成して触媒中に吸蔵される。一方、触媒雰囲気の酸素濃度の低い当量点及び還元雰囲気では、触媒中に吸蔵された硝酸塩が分解して、貴金属上で炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）などの還元性ガスと反応して窒素に還元される。そこでこの内燃機関ではその希薄燃焼運転中に排気中のＮＯｘを触媒中に吸蔵し、排気への燃料添加により排気空燃比をリッチとして触媒中に吸蔵されたＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元制御を間欠的に行うことで、吸蔵と還元を繰り返してＮＯｘを浄化するようにしている。
【００３８】
またこうしたＮＯｘ吸蔵触媒は、酸化雰囲気では、ＮＯｘと同様に排気中の酸化硫黄成分（ＳＯｘ）も吸蔵してしまう。触媒中に硫化塩として吸蔵されたＳＯｘは、ＮＯｘ還元制御時の触媒床温（２５０℃程度）では放出されないため、次第に触媒中に堆積されてしまい、触媒のＮＯｘ吸蔵能力を劣化させてしまう。これが、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒と呼ばれる現象である。こうした触媒の硫黄被毒を解消するには、硫黄分を放出可能となる温度（６００℃以上）まで触媒を昇温させた状態で、還元剤となる未燃燃料を排気に添加して、触媒に堆積した硫黄分を放出させる硫黄被毒再生制御を定期的に行うことが必要となる。
【００３９】
なお上記のようにこの内燃機関では、バイオ燃料、或いはバイオ燃料と化石燃料との混合燃料が使用されており、バイオ燃料には酸素が含有されている。そしてこうした混合燃料の酸素含有量は、バイオ燃料の混合比率やその酸化劣化の度合により変化する。そして上述したように、こうした混合燃料を排気に添加して行われる触媒制御での触媒雰囲気は、燃料に含まれる酸素の分、その酸素濃度が高くなってしまうようになる。したがって、燃料の酸素含有量が多いときには、触媒制御中に、触媒雰囲気の酸素濃度を十分に低下させられず、ＮＯｘの還元浄化や硫黄被毒回復を存分に行えなくなってしまう虞がある。
【００４０】
そこで本実施の形態では、電子制御ユニット２１は、燃料の酸素含有量を推定するとともに、その推定した酸素含有量に応じて、触媒制御での排気に対する未燃燃料の添加量を補正することで、こうした燃料中の酸素が触媒制御に与える影響を抑制するようにしている。以下、こうした本実施の形態での燃料中の酸素含有量の推定、その推定結果に基づく触媒制御での排気燃料添加量の補正の詳細を説明する。
【００４１】
まず本実施の形態での燃料中の酸素含有量の推定について説明する。本実施の形態では、上記のような空燃比フィードバック制御でのフィードバック積分項の値に基づいて燃料中の酸素含有量の推定を行うようにしている。上述したように本実施の形態では、ＰＩ制御、又はＰＩＤ制御により空燃比フィードバック制御を行っている。こうしたＰＩ制御、ＰＩＤ制御による空燃比フィードバック制御のフィードバック積分項Ｉには、燃料噴射時間の理論値と実際に空燃比を目標空燃比とするために必要な燃料噴射時間との乖離の定常偏差分が反映される。ここで燃料中の酸素含有量が多ければ、その分、空燃比はリーン側にずれるため、上記フィードバック積分項Ｉの値は、燃料中の酸素含有量に応じて変化することになる。すなわち、燃料中の酸素濃度が高ければ、上記フィードバック積分項Ｉの値はその分、燃料噴射時間を増大する側に変化することになる。したがって、空燃比フィードバック制御のフィードバック積分項Ｉの値を参照することで、燃料の酸素含有量を推定することができる。
【００４２】
詳しくは、フィードバック積分項Ｉの平均値Ｉｍは、燃料の酸素含有量のばらつきに加え、エアフローメータ１４の検出特性やインジェクタ１６の噴射特性のばらつきが反映されたものとなっている。そこでここでは、燃料添加弁１８からの燃料添加量とその添加による排気酸素濃度の変化との相関を学習した添加弁学習値ＥＭＱＴＨＣＡＤを併せ参照することで、燃料の酸素含有量の差異に起因したフィードバック積分項Ｉの変化分を求め、その値からバイオ混合補正係数αを算出するようにしている。このバイオ混合補正係数αは、単位質量の燃料についてその含有する酸素による排気酸素濃度の変化率に相当する係数であり、推定される燃料中の酸素含有量の指標値となっている。ここでは図２に示すように、バイオ混合補正係数αの値が「１」であれば、燃料中の酸素含有量は「０」と推定されたことになる。またバイオ混合補正係数αの値が「１」より大きくなるほど、燃料の単位質量当りの酸素含有量が多いと推定されたことになる。
【００４３】
次に、こうした燃料中の酸素含有量の推定結果のＮＯｘ還元制御への反映態様を説明する。本実施の形態では、電子制御ユニット２１は、ＮＯｘ還元制御時の排気燃料添加量を下式（１）に基づいて算出するようにしている。下式（１）において、「ｅｑａｄｎｘｂ」はベース添加量であり、その値は、そのときの機関回転速度Ｎｅとそのときのインジェクタ１６からの燃料噴射量Ｑとから算出されている。また「ｅｑａｄｆ」は、最終添加指令値であり、最終的にはこの値に応じた量の燃料が燃料添加弁１８から排気中に添加されるようになっている。更に「ＥＭＱＴＨＣＡＤ」は、上記のように添加弁学習値であり、その値は、排気燃料添加後の排気酸素濃度の検出値とそのときの排気酸素濃度の目標値との偏差に基づいて算出されている。
ｅｑａｄｆ＝ｅｑａｄｎｘｂ×ＥＭＱＴＨＣＡＤ×α    …（１）
【００４４】
このように本実施の形態では、バイオ混合補正係数αを乗算して最終添加指令値ｅｑａｄｆが算出されており、燃料の酸素含有量の推定結果がＮＯｘ還元制御時の排気への未燃燃料添加量に反映されている。そしてバイオ混合補正係数αにより、燃料の酸素含有量が多いときほど、そうした未燃燃料の添加量は増量補正されるようになっている。
【００４５】
続いて、燃料中酸素含有量の推定結果の硫黄被毒回復制御への反映態様を説明する。硫黄被毒回復制御では、排気酸素濃度の目標を定め、実際の排気酸素濃度とその目標との偏差を縮小すべく、燃料添加量のフィードバック制御を行っている。ここでは、そうした排気酸素濃度の目標値の算出、及び燃料添加量のフィードバック制御のフィードフォワード項の算出の双方に、燃料中酸素含有量の推定結果（バイオ混合補正係数α）を反映させている。
【００４６】
本実施の形態では、電子制御ユニット２１は、硫黄被毒回復制御時の排気酸素濃度の目標値である目標Ａ／Ｆ値ｅａｂｙｆｔｒｇを、次式（２）に基づいて算出するようにしている。下式（２）において「ｅａｂｙｆｂｓｅ」は、目標Ａ／Ｆベース値であり、その値は、そのときの機関回転速度Ｎｅやそのときのインジェクタ１６からの燃料噴射量Ｑから算出されている。そして下式（２）に示されるように、目標Ａ／Ｆ値ｅａｂｙｆｔｒｇは、目標Ａ／Ｆベース値ｅａｂｙｆｂｓｅをバイオ混合補正係数αで割った値として求められている。
ｅａｂｙｆｔｒｇ＝ｅａｂｙｆｂｓｅ／α    …（２）
【００４７】
また本実施の形態では、電子制御ユニット２１は、硫黄被毒回復制御中の燃料添加量を下式（３）に基づいて算出するようにしている。下式（３）において「ｅｑａｃ」はベース添加量であり、その値は排気酸素濃度を目標Ａ／Ｆ値ｅａｂｙｆｔｒｇとするために必要な排気燃料添加量の理論値として求められている。また「ｅｑａｆｐ」及び「ｅｑａｆｉ」はそれぞれ、燃料添加量のフィードバック比例項及びフィードバック積分項であり、前者はそのときの目標Ａ／Ｆ値ｅａｂｙｆｔｒｇと実際の排気酸素濃度との偏差に応じて、後者はその偏差の積分値に応じてそれぞれ算出されている。更に「ｅｑａｄｆ」は、最終添加指令値であり、最終的にはこの値に応じた量の燃料が燃料添加弁１８から排気中に添加されるようになっている。なお下式（３）の右辺第１項（ｅｑａｄｃ×ＥＭＱＴＨＣＡＤ×α）は、燃料添加量のフィードバック制御におけるフィードフォワード項となっている。
ｅｑａｄｆ＝ｅｑａｄｃ×ＥＭＱＴＨＣＡＤ×α＋ｅｑａｆｐ＋ｅｑａｆｉ  …（３）
【００４８】
以上のように本実施の形態では、ＮＯｘ還元制御、硫黄被毒回復制御の双方において、排気への未燃燃料の添加量が、推定した酸素含有量が多いほど、増量補正されている。また本実施の形態では、硫黄被毒回復制御での触媒雰囲気の酸素濃度の検出結果に基づく排気燃料添加量のフィードバック調整における酸素濃度の目標値を酸素含有量の推定結果に応じて補正するようにもしている。更に、こうした本実施の形態では、電子制御ユニット２１が、燃料の酸素含有量を推定する推定手段としての処理、及びその推定した酸素含有量に応じて触媒制御での未燃燃料の添加量を補正する補正手段としての処理を実施するものとなっている。また本実施の形態では、燃料添加弁１８からの排気中への燃料添加量、すなわち最終添加指令値ｅｑａｄｆが「触媒制御での触媒雰囲気の酸素濃度調整に係るバイオ燃料使用量」に相当するパラメータとなっている。
【００４９】
以上説明した本実施の形態の内燃機関の触媒制御装置によれば、次の効果を奏することができる。
（１）本実施の形態では、電子制御ユニット２１は、燃料の酸素含有量を推定するとともに、その推定した酸素含有量に応じて触媒制御中の未燃燃料の添加量を補正している。そのため、排気に添加する燃料の酸素含有量が多くとも、そうした燃料中の酸素による触媒制御中の触媒雰囲気の高酸素濃度化を抑えることが可能となる。したがって、バイオ燃料の混合燃料を添加燃料として使用する場合にも、的確に触媒雰囲気の酸素濃度を制御して触媒制御を好適に行うことができるようになる。
【００５０】
（２）本実施の形態では、電子制御ユニット２１は、ＮＯｘ還元制御、硫黄被毒回復制御の双方において、推定した酸素含有量が多いほど、排気への未燃燃料の添加量を増量補正している。排気に添加する燃料の酸素含有量が多ければ、触媒雰囲気の酸素量は増加するが、増量補正により、その分、未燃燃料の添加量が増やされるため、添加燃料中の酸素による触媒制御中の触媒雰囲気の高酸素濃度化を抑えることができる。
【００５１】
（３）本実施の形態では、電子制御ユニット２１は、硫黄被毒回復制御において、触媒雰囲気の酸素濃度の検出結果に基づく排気燃料添加量のフィードバック調整における酸素濃度の目標値を、酸素含有量の推定結果に応じて補正するようにしている。燃料の酸素含有量が多いときほど、触媒雰囲気の酸素濃度の目標値を低濃度側に設定すれば、未燃燃料の添加量が増やされることになり、添加燃料中の酸素による触媒制御中の触媒雰囲気の高酸素濃度化を抑えることができる。
【００５２】
（４）本実施の形態では、電子制御ユニット２１は、当該内燃機関で燃焼される混合気の空燃比を目標空燃比とすべく行われる空燃比フィードバック制御についてそのフィードバック積分項Ｉの値に基づいて、燃料中の酸素含有量の推定を行うようにしている。ＰＩ制御、ＰＩＤ制御による空燃比フィードバック制御のフィードバック積分項Ｉには、燃料噴射時間の理論値と実際に空燃比を目標空燃比とするために必要な燃料噴射時間との乖離の定常偏差分が反映される。ここで燃料中の酸素含有量が多ければ、その分、空燃比はリーン側にずれるため、上記フィードバック積分項Ｉの値は、燃料中の酸素含有量に応じて変化することになる。すなわち、燃料中の酸素濃度が高ければ、上記フィードバック積分項Ｉの値はその分、燃料噴射時間を増大する側に変化することになる。したがって、空燃比フィードバック制御のフィードバック積分項Ｉの値を参照することで、燃料の酸素含有量を推定することができる。
【００５３】
（燃料酸素含有量の他の推定手法）
上記実施の形態では、空燃比フィードバック制御のフィードバック積分項Ｉの値に基づいて燃料の酸素含有量を推定するようにしていた。こうした燃料の酸素含有量の推定は、他の態様でも行うことが可能である。以下、そうした種々の燃料の酸素含有量の推定手法について説明する。
【００５４】
＜燃料補給前後の空燃比の変化に基づく酸素含有量の推定＞
燃料の酸素含有量は、燃料補給前後の空燃比の変化から推定することもできる。
空燃比フィードバック制御では、空燃比を目標空燃比とするために必要な燃料噴射時間の理論値と実値との定常偏差を空燃比学習値ＫＧとして学習するようにしている。こうした空燃比学習値ＫＧには、エアフローメータ１４の検出特性やインジェクタ１６の噴射特性のばらつきが反映される。そして空燃比学習値ＫＧの学習が十分になされていれば、空燃比フィードバック制御のフィードバック補正値の絶対値を極小さい値とすることができる。すなわち、空燃比学習値ＫＧの学習が十分であれば、フィードバック補正をほとんど行わずとも、空燃比を目標空燃比近傍とすることができる。
【００５５】
さてバイオ燃料と化石燃料とでは理論空燃比点が異なるため、それらの混合燃料においては、そのバイオ燃料の混合比率に応じて空燃比制御でのフィードバック補正値のずれの度合が変化する。ここでそうした混合燃料を使用する内燃機関において、空燃比学習値ＫＧの学習が十分なされていた状態で燃料補給が行われ、その後、実空燃比と目標空燃比とが大きく乖離したとすれば、その乖離は、燃料補給の結果、バイオ燃料の混合比率が変化したことに依るものと判断することができる。したがって、燃料供給後の実空燃比と目標空燃比と乖離の度合から、燃料のバイオ燃料比率の変化を、ひいては燃料の酸素含有量を推定することができる。
【００５６】
図３は、こうした態様での燃料の酸素含有量の推定に係る酸素含有量推定ルーチンのフローチャートである。本ルーチンの処理は、機関始動後に電子制御ユニット２１により実行されるものとなっている。なお、ここでは、空燃比フィードバック制御において、燃料の酸素含有量の多寡に応じた空燃比フィードバック補正値のずれに相当する補正値（酸素含有量補正値）を、以前の本ルーチンの処理での燃料の酸素含有量の推定値に基づいて算出し、その値を空燃比フィードバック制御に反映させている。
【００５７】
さて本ルーチンが開始されると、電子制御ユニット２１はまずステップＳ１０において、燃料補給の有無を確認する。この確認は、例えば機関始動の前後において残量センサにより検出された燃料タンクの燃料残量が一定値以上増加したか否かによって行うことができる。そして電子制御ユニット２１は、燃料補給が確認されたときに限り（Ｓ１０：ＹＥＳ）、ステップＳ２０以下の処理を実施する。
【００５８】
ステップＳ２０に処理が移行すると、電子制御ユニット２１はそのステップＳ２０において、上記酸素含有量補正値の空燃比フィードバック制御への反映を一時停止する。次に電子制御ユニット２１は、ステップＳ３０において、空燃比算出条件の成立の可否を確認する。すなわち、空燃比フィードバック制御がある程度安定した状態にあるか否かを確認する。ここで空燃比算出条件が未成立であれば（Ｓ３０：ＮＯ）、電子制御ユニット２１は、その成立まで本ルーチンの処理を待機する。
【００５９】
空燃比算出条件が成立すると（Ｓ３０：ＹＥＳ）、電子制御ユニット２１は、ステップＳ４０において、燃料の酸素含有量が「０」であるとしてそのときの燃料噴射時間及び吸入空気量から計算される空燃比の計算値と、酸素濃度センサ１９の検出結果より求められた空燃比の実値との乖離が、予め設定されたクライテリアを越えているか否かを確認する。ここでクライテリアを越えていなければ、すなわち空燃比の計算値と実値との乖離が十分小さいのであれば、燃料の酸素含有量は十分に少ない、すなわち「０」と見做せるとして、電子制御ユニット２１は、そのまま今回の本ルーチンの処理を終了する。
【００６０】
一方、上記空燃比の計算値と実値との乖離がクライテリアを越えていれば、電子制御ユニット２１は、ステップＳ５０において、その乖離の大きさに基づいて燃料の酸素含有量の推定値を算出する。ここでは、予め電子制御ユニット２１のＲＯＭに記憶された、上記空燃比の計算値と実値との乖離量と、燃料の酸素含有量との相関を表わす演算マップを用いて酸素含有量の推定値の算出を行うようにしている。そして電子制御ユニット２１は、ステップＳ６０においてその酸素含有量の推定値から上述のバイオ混合補正係数αを算出し、今回の本ルーチンの処理を終了する。
【００６１】
＜燃料噴射量に基づく酸素含有量の推定＞
バイオ燃料は、化石燃料に比して単位質量当りの発熱量が小さい。そのため、混合燃料におけるバイオ燃料の混合比率が高ければ、燃料の燃焼により発生する発熱量が低下するようになる。そのため、同一出力を得るために必要な燃料噴射量は、バイオ燃料の混合比率が高いほど、ひいては燃料の酸素含有量が多いほど多くなる。したがって、インジェクタ１６の噴射特性の経時変化の影響分を除いた状態での燃料噴射量の値に基づいて燃料の酸素含有量を推定することが可能である。
【００６２】
＜内燃機関の気筒内圧に基づく酸素含有量の推定＞
燃料の酸素含有量は、内燃機関の気筒内圧から推定することもできる。燃料の酸素含有量が多ければ、豊富な酸素により燃料の燃焼速度が上昇するため、燃料の酸素含有量が多いほど気筒内圧が高くなる。このように、燃料の酸素含有量と内燃機関の気筒内圧とに間は一定の相関があり、気筒内圧の検出結果から燃料の酸素含有量を推定することが可能である。
【００６３】
＜機関回転速度の変動に基づく酸素含有量の推定＞
燃料の酸素含有量は、機関回転速度の変動から求めることもできる。上記のようにバイオ燃料は、化石燃料に比して、単位質量当りの発熱量が小さいため、燃料噴射量が同一であれば、混合燃料におけるバイオ燃料の混合比率が高いほど、燃焼により生じるトルクが小さくなる。そのため、燃料のバイオ燃料比率が高いほど、内燃機関の爆発行程における機関回転速度の上昇は小さくなる。したがって、機関回転速度の変動パターンは、混合燃料のバイオ燃料の混合比率により変化することとなり、その変動パターンの差異から、バイオ燃料の混合比率を、ひいては燃料の酸素含有量を推定することができるようになる。
【００６４】
＜微小噴射量学習制御の学習値に基づく酸素含有量の推定＞
燃料の酸素含有量は、微小噴射量学習制御の学習値からも推定することができる。微小噴射量学習制御（微小Ｑ学習）とは、インジェクタの微小燃料噴射特性のばらつきを学習する制御である。この学習制御は、例えば燃料カット中などに微小量の燃料噴射を実施し、その後の機関回転速度の推移からその噴射による内燃機関の出力トルクを求め、その結果から、インジェクタの微小燃料噴射特性のばらつきを学習するようにしている。ここで燃料の酸素含有量が変れば、すなわち混合燃料のバイオ燃料の混合比率が増えれば、単位質量の燃料の燃焼時の発熱量が低下し、上記微小噴射量学習制御の学習値がより大きくなる。そのため、微小噴射量学習制御の学習値に基づいても、燃料の酸素含有量の推定を行うことが可能である。
【００６５】
＜燃料センサの検出結果に基づく酸素含有量の推定＞
センサには、燃料のアルコール濃度を検出するものがある。こうした燃料センサの検出結果からは、混合燃料のバイオ燃料比率を、ひいては燃料の酸素含有量を求めることが可能である。よってそうした燃料センサさえ設置すれば、その検出結果から燃料の酸素含有量を推定することができるようになる。
【００６６】
なお、以上の各実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施の形態では、硫黄被毒回復制御では、排気酸素濃度の目標を定め、実際の排気酸素濃度とその目標との偏差を縮小すべく、燃料添加量のフィードバック制御を行っていた。そして、そうしたフィードバック制御の排気酸素濃度の制御目標である目標Ａ／Ｆ値ｅａｂｙｆｔｒｇを燃料の酸素含有量の推定結果（バイオ混合補正係数α）に応じて補正するようにしていた。また上記実施の形態では、そうしたフィードバック制御を通じて設定される燃料添加弁１８による燃料添加量（最終添加指令値ｅｑａｄｆ）についても、燃料の酸素含有量の推定結果（バイオ混合補正係数α）に応じた補正を行うようにしていた。そしてそれら補正の双方により、燃料の酸素含有量が多いほど、燃料添加量を増量するようにしていた。もっとも、上記目標Ａ／Ｆ値ｅａｂｙｆｔｒｇの補正、最終添加指令値ｅｑａｄｆの補正のいずれか一方のみによっても、燃料の酸素含有量に応じて燃料添加量を補正することは可能であり、それら補正のいずれか一方のみを行うようにしても良い。
【００６７】
・上記実施の形態では、内燃機関の排気通路１２に設置された燃料添加弁１８から排気に直接燃料を添加することで、ＮＯｘ還元制御や硫黄被毒回復制御を行うようにしていた。なお気筒内に燃料を直接噴射する直噴式内燃機関であれば、圧縮行程後期から排気行程にかけての気筒内への燃料噴射、いわゆるポスト噴射により排気に未燃燃料を添加して触媒制御を行うことも可能である。そうした場合には、燃料の酸素含有量の推定結果に応じてポスト噴射量を補正することで、上記実施の形態と同様の触媒制御を行うことも可能である。なおこの場合には、ポスト噴射量が、上述の「触媒制御での触媒雰囲気の酸素濃度調整に係るバイオ燃料使用量」に相当するパラメータとなる。
【００６８】
・上記実施の形態では、燃料添加弁１８からの燃料添加やインジェクタ１６からのポスト噴射を通じて排気に燃料を直接的に添加することで、触媒制御での触媒雰囲気の酸素濃度調整を行うようにしていた。なお触媒雰囲気の酸素濃度調整は、燃焼室１１内で燃焼される混合気の空燃比調整によっても行うことが可能である。例えば燃焼される混合気をリッチ化（空燃比を低下）すれば、その分、触媒雰囲気はリッチ化することに、すなわち触媒雰囲気の酸素濃度は低下することになる。このように空燃比の調整により触媒制御を行う場合にも、燃料の酸素含有量の推定結果に応じて、空燃比のリッチ化に係る燃料噴射量の増量補正の度合を補正することで、上記実施の形態と同様の触媒制御を行うことが可能となる。なおこの場合には、触媒雰囲気のリッチ化のための燃料噴射量の増量補正量が、上述の「触媒制御での触媒雰囲気の酸素濃度調整に係るバイオ燃料使用量」に相当するパラメータとなる。
【００６９】
・上記実施の形態では、ＮＯｘ還元制御及び硫黄被毒回復制御における排気への未燃燃料の添加量を、燃料の酸素含有量の推定結果に応じて補正するようにしていた。なお排気への未燃燃料の添加による触媒雰囲気の酸素濃度の調整を通じて実施される触媒制御であれば、ＮＯｘ還元制御、硫黄被毒回復制御以外の制御についても、これと同様の燃料添加量の補正を適用することで、その触媒制御での触媒雰囲気の酸素濃度の制御をより的確とすることができる。例えば、排気中の微粒子物質（ＰＭ）の捕集機能を備える触媒装置にあってその捕集したＰＭを燃焼させて除去する目的で行われるＰＭ再生制御についても、上記実施の形態と同様、或いはそれに順じた態様で燃料添加量の補正を行うことで、そのＰＭ再生制御をより的確に行えるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態についてその適用される内燃機関及びその制御系の構成を模式的に示す略図。
【図２】燃料の単位質量当りの酸素含有量とバイオ混合補正係数との関係を示すグラフ。
【図３】燃料酸素含有量の推定態様を変更した本発明の他の実施形態についてその酸素含有量の推定ルーチンの処理手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００７１】
１０…吸気通路、１１…燃焼室、１２…排気通路、１３…エアクリーナ、１４…エアフローメータ、１５…スロットルバルブ、１６…インジェクタ、１８…燃料添加弁、１９…酸素濃度センサ、２０…ＮＯｘ触媒コンバータ、２１…電子制御ユニット（推定手段、補正手段）。
【図１】
2010053838.tif 000003
【図２】
2010053838.tif 000004
【図３】
2010053838.tif 000005