(57)【要約】【課題】高負荷運転によってＮＯｘ還元触媒が高温になった場合でも、特別な構成を用いることなくＮＯｘ排出量を低減できる内燃機関システムを提供する。【解決手段】内燃機関システムは、エンジンと、三元触媒及びＮＯｘ還元触媒と、ＮＯｘ還元触媒の出口での触媒出口ＮＯｘ濃度を取得する触媒出口濃度取得手段と、ＮＯｘ還元触媒の出口での排気温度またはその触媒温度である触媒関係温度を取得する温度取得手段と、エンジンにおける燃料噴射量を制御する噴射制御部と、エンジン出口ＮＯｘ濃度を計測または推定するエンジン出口濃度取得手段と、触媒出口ＮＯｘ濃度及びエンジン出口ＮＯｘ濃度から算出されたＮＯｘ浄化率、触媒関係温度、エンジン回転数、及び、燃料噴射量に基づいて、エンジンの燃焼モードをリーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で切り替える燃焼切替制御部とを含む。【選択図】図１
2019002380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、
前記エンジンから排気された排ガスを浄化する三元触媒及びＮＯｘ還元触媒と、
前記ＮＯｘ還元触媒の出口での触媒出口ＮＯｘ濃度を取得する触媒出口濃度取得手段と、
前記ＮＯｘ還元触媒の出口での排気温度、または前記ＮＯｘ還元触媒の触媒温度である触媒関係温度を取得する温度取得手段と、
前記エンジンのエンジン回転数を取得する回転数取得手段と、
前記エンジンにおける燃料噴射の回数、量及び時期を制御する噴射制御部と、
前記エンジンから排出されるＮＯｘについてのエンジン出口ＮＯｘ濃度を計測または推定するエンジン出口濃度取得手段と、
前記触媒出口濃度取得手段によって取得された前記触媒出口ＮＯｘ濃度及び前記エンジン出口濃度取得手段によって取得された前記エンジン出口ＮＯｘ濃度から算出されたＮＯｘ浄化率と、前記温度取得手段によって取得された前記触媒関係温度と、前記回転数取得手段によって取得された前記エンジン回転数と、前記噴射制御部から取得された燃料噴射量とに基づいて、前記エンジンの燃焼モードをリーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で切り替える燃焼切替制御部と、を備える、
内燃機関システム。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関システムにおいて、
前記燃焼切替制御部は、
リーン燃焼モードにおいて、前記触媒関係温度が第１所定値より大きく、かつ、前記ＮＯｘ浄化率が第２所定値未満の場合には、ストイキ燃焼モードに切り替える、内燃機関システム。
【請求項３】
エンジンと、
前記エンジンから排気された排ガスを浄化する三元触媒及びＮＯｘ還元触媒と、
前記ＮＯｘ還元触媒の出口での触媒出口ＮＯｘ濃度を取得する触媒出口濃度取得手段と、
前記エンジンの運転時間及び運転停止時間を計測する時間計測部と、
前記時間計測部からの信号を受け取り、前記エンジンの運転履歴を記憶する運転履歴記憶部と、
前記エンジンのエンジン回転数を取得する回転数取得手段と、
前記エンジンにおける燃料噴射の回数、量及び時期を制御する噴射制御部と、
前記エンジンから排出されるＮＯｘについてのエンジン出口ＮＯｘ濃度を計測または推定するエンジン出口濃度取得手段と、
前記触媒出口濃度取得手段によって取得された前記触媒出口ＮＯｘ濃度及び前記エンジン出口濃度取得手段によって取得された前記エンジン出口ＮＯｘ濃度から算出されたＮＯｘ浄化率と、前記運転履歴記憶部から取得した前記エンジンの運転履歴を表す信号と、前記回転数取得手段によって取得された前記エンジン回転数と、前記噴射制御部から取得された燃料噴射量とに基づいて、前記エンジンの燃焼モードをリーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で切り替える燃焼切替制御部と、を備える、
内燃機関システム。
【請求項４】
請求項３に記載の内燃機関システムにおいて、
前記エンジンの運転履歴には、前記エンジンの今回の運転時間中の運転状態である前記エンジン回転数及び負荷が含まれる、内燃機関システム。
【請求項５】
請求項４に記載の内燃機関システムにおいて、
前記エンジンの運転履歴には、前記エンジンの前回の運転時間中の運転状態である前記エンジン回転数及び負荷と、運転時間と、前記エンジンが停止していた時間と、が含まれる内燃機関システム。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の内燃機関システムにおいて、
前記燃焼切替制御部は、前記エンジンの今回の運転時間中の所定時間範囲における前記エンジン回転数と負荷との積を時間積分することにより今回運転状態積分値を算出し、リーン燃焼モードにおいて、前記今回運転状態積分値が第４所定値を上回る場合には、前記エンジンの燃焼モードをストイキ燃焼モードに切り替える、内燃機関システム。
【請求項７】
請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の内燃機関システムにおいて、
前記燃焼切替制御部は、前記エンジンの前回の運転時間中の所定時間範囲における前記エンジン回転数と負荷との積を時間積分することにより前回運転状態積分値を算出し、リーン燃焼モードにおいて、前記前回運転状態積分値と、前記エンジンの運転停止時間とに基づいて、前記エンジンの燃焼モードをストイキ燃焼モードに切り替える、内燃機関システム。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の内燃機関システムにおいて、
前記ＮＯｘ還元触媒は、選択還元型触媒であり、
前記ＮＯｘ還元触媒に還元剤を添加する還元剤添加装置と、
前記ＮＯｘ還元触媒上の吸着還元剤量を推定する吸着量推定部と、
を備え、
前記燃焼切替制御部は、
リーン燃焼モードにおいて、前記吸着量推定部によって推定された吸着還元剤量が第３所定値を上回る場合には、ストイキ燃焼モードに切り替える、内燃機関システム。
【請求項９】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の内燃機関システムにおいて、
前記ＮＯｘ還元触媒は、選択還元型触媒であり、
前記ＮＯｘ還元触媒に還元剤を添加する還元剤添加装置と、
前記ＮＯｘ還元触媒上の吸着還元剤量を推定する吸着量推定部と、
前記還元剤添加装置を制御する還元剤添加制御部と、
を備え、
前記還元剤添加制御部は、
前記吸着量推定部によって推定された吸着還元剤量が第３所定値以下の場合には、前記還元剤添加装置によって、前記ＮＯｘ還元触媒に還元剤を添加させる、内燃機関システム。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の内燃機関システムにおいて、
前記燃焼切替制御部は、ストイキ燃焼モードでは空燃比が化学量論比となるように前記エンジンの吸気状態を制御する、内燃機関システム。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の内燃機関システムにおいて、
前記ＮＯｘ還元触媒は、排ガス排出方向に関して前記三元触媒の下流側に配置される、内燃機関システム。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の内燃機関システムにおいて、
前記エンジンの排ガスの一部を再循環する排気還流装置と、
前記エンジンに再循環する排ガス量を調整する排気還流量調整装置と、
前記エンジンに吸気される空気を過給する過給装置と、
前記過給装置による過給圧を調整する過給圧調整装置と、
吸気される空気量を調整する空気量調整装置と、をさらに備える、内燃機関システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の内燃機関システムにおいて、
前記過給装置は、ターボチャージャ、機械式スーパーチャージャ、電動圧縮機、及び蓄圧タンクの少なくとも１つで構成される、内燃機関システム。
【請求項１４】
請求項１２または請求項１３に記載の内燃機関システムにおいて、
前記過給圧調整装置は、タービンバイパス流路に設けられたウエストゲートバルブ、タービンに当たる排ガス流速を可変する可変ノズルベーン、電動圧縮機のモータ、または蓄圧タンクのバルブで構成される、内燃機関システム。
【請求項１５】
請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の内燃機関システムにおいて、
前記燃焼切替制御部は、ストイキ燃焼モードにおいてはエンジン運転条件に応じた所定の吸気酸素濃度および過給圧となるように前記排気還流量調整装置及び前記空気量調整装置を制御し、エンジン運転条件に応じた所定の燃料噴射制御を行う、内燃機関システム。
【請求項１６】
請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の内燃機関システムにおいて、
前記燃焼切替制御部は、ストイキ燃焼モードにおいてはエンジン運転条件に応じて所定の吸気酸素濃度および過給圧となるように排気再循環量調整装置、前記空気量調整装置、及び、前記過給圧調整装置を制御し、エンジン運転条件に応じた所定の燃料噴射制御を行う、内燃機関システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関システムに係り、特に、排ガス浄化触媒として三元触媒及びＮＯｘ還元触媒を備える内燃機関システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１には、有害排気ガス低減のため、三元触媒コンバータを備えた圧縮着火エンジンが記載されている。この圧縮着火エンジンにおいて、低エンジン負荷の第１モードでは、エンジンはＮＯｘの排出を減らすために、通常のディーゼル燃焼状態で高い排ガス再循環（ＥＧＲ）率で運転される。また、中間から高エンジン負荷の第２モードでは、エンジンは、三元触媒コンバータを用いてＮＯｘの排出を低減することができる化学量論的な状態で運転される。また、非常に高いエンジン負荷及び／またはエンジン速度の第３モードでは、エンジンは最大トルクを得るために通常のディーゼル燃焼状態及び低ＥＧＲ率で運転される。
【０００３】
特許文献２には、冷間時のＨＣとＮＯｘとを低減するために、排気通路に三元触媒とＨＣトラップ触媒とＮＯｘトラップ触媒（ＮＳＲ）とが順に配置されたディーゼル機関が記載されている。このディーゼル機関は、ＨＣトラップ触媒及びＮＯｘトラップ触媒の温度センサと排気空燃比センサとを備える。このディーゼル機関では、冷間始動後、まず排気空燃比がリッチとなるリッチ運転を行い、ＮＯｘの低減と触媒の早期活性化を図っている。このときのＨＣは、ＨＣトラップ触媒にトラップされる。ＨＣトラップ触媒からＨＣが脱離し、かつこれを浄化できる触媒温度となったら、リッチ運転を終了する。ＮＯｘトラップ触媒がＮＯｘをトラップできる温度に達していなければ、ストイキ運転とし、ＮＯｘをトラップできる温度に達したら、リーン運転とし、ＮＯｘの脱離浄化を促進するとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１９７７９４号公報
【特許文献２】特開２００４−２８５８３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の技術では、高価なＮＯｘ還元触媒を廃止してストイキ燃焼と三元触媒とでＮＯｘ浄化を図っているが、高負荷時の第３モードで通常のリーン燃焼を行うため、そのリーン燃焼でのＮＯｘ排出量が増加するという課題がある。
【０００６】
また、上記特許文献２の技術では、冷間時にはＮＯｘトラップ触媒が活性化しないため、その間はストイキ燃焼させて三元触媒でＮＯｘを浄化し、ＮＯｘトラップ触媒がある程度昇温すればＮＯｘ吸蔵活性を持つため、それ以降はリーン燃焼させてＮＯｘトラップ触媒によってＮＯｘを吸蔵・還元させている。しかし、この技術では、ディーゼル機関が高負荷運転されてＮＯｘトラップ触媒が高温になったときＮＯｘ浄化特性の低下によってＮＯｘ排出量が増加することは考慮されていない。
【０００７】
本発明の目的は、高負荷運転によってＮＯｘ還元触媒が高温になった場合でも、特別な構成を用いることなくＮＯｘ排出量を低減できる内燃機関システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る第１の内燃機関システムは、エンジンと、前記エンジンから排気された排ガスを浄化する三元触媒及びＮＯｘ還元触媒と、前記ＮＯｘ還元触媒の出口での触媒出口ＮＯｘ濃度を取得する触媒出口濃度取得手段と、前記ＮＯｘ還元触媒の出口での排気温度、または前記ＮＯｘ還元触媒の触媒温度である触媒関係温度を取得する温度取得手段と、前記エンジンのエンジン回転数を取得する回転数取得手段と、前記エンジンにおける燃料噴射の回数、量及び時期を制御する噴射制御部と、前記エンジンから排出されるＮＯｘについてのエンジン出口ＮＯｘ濃度を計測または推定するエンジン出口濃度取得手段と、前記触媒出口濃度取得手段によって取得された前記触媒出口ＮＯｘ濃度及び前記エンジン出口濃度取得手段によって取得された前記エンジン出口ＮＯｘ濃度から算出されたＮＯｘ浄化率と、前記温度取得手段によって取得された前記触媒関係温度と、前記回転数取得手段によって取得された前記エンジン回転数と、前記噴射制御部から取得された燃料噴射量とに基づいて、前記エンジンの燃焼モードをリーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で切り替える燃焼切替制御部と、を備える。
【０００９】
また、本発明に係る第２の内燃機関システムは、エンジンと、前記エンジンから排気された排ガスを浄化する三元触媒及びＮＯｘ還元触媒と、前記ＮＯｘ還元触媒の出口での触媒出口ＮＯｘ濃度を取得する触媒出口濃度取得手段と、前記エンジンの運転時間及び運転停止時間を計測する時間計測部と、前記時間計測部からの信号を受け取り、前記エンジンの運転履歴を記憶する運転履歴記憶部と、前記エンジンのエンジン回転数を取得する回転数取得手段と、前記エンジンにおける燃料噴射の回数、量及び時期を制御する噴射制御部と、前記エンジンから排出されるＮＯｘについてのエンジン出口ＮＯｘ濃度を計測または推定するエンジン出口濃度取得手段と、前記触媒出口濃度取得手段によって取得された前記触媒出口ＮＯｘ濃度及び前記エンジン出口濃度取得手段によって取得された前記エンジン出口ＮＯｘ濃度から算出されたＮＯｘ浄化率と、前記運転履歴記憶部から取得した前記エンジンの運転履歴を表す信号と、前記回転数取得手段によって取得された前記エンジン回転数と、前記噴射制御部から取得された燃料噴射量とに基づいて、前記エンジンの燃焼モードをリーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で切り替える燃焼切替制御部と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る内燃機関システムによれば、ＮＯｘ還元触媒の温度が高いと判断され、かつ、ＮＯｘ還元触媒を含む部分によるＮＯｘ浄化率が低くなったときに、エンジンの燃焼モードをリーン燃焼モードからストイキ燃焼モードに切り替える等により、三元触媒によるＮＯｘ浄化が可能になる。したがって、エンジンの高負荷運転によりＮＯｘ還元触媒が高温になってＮＯｘ浄化率が低下した場合にも、ＮＯｘ排出量を低減できる。また、排ガスの後処理システムとして、複雑で過大なコストを要する特別な構成を用いる必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る第１実施形態の内燃機関システムの全体構成を概略的に示す図である。
【図２】図１に示した内燃機関システムの燃焼切替制御装置において実行される処理を示すフローチャートである。
【図３】ＥＧＲ率を示すマップを例示するグラフである。
【図４】（ａ）はＮＯｘ還元触媒（ＳＣＲ）の温度、（ｂ）はＳＣＲでのＮＯｘ浄化率、（ｃ）は燃焼モード切替による空燃比の変化、（ｄ）は三元触媒及びＮＯｘ還元触媒のＮＯｘ浄化量、（ｅ）はＮＯｘ還元触媒の出口でのＮＯｘ値をそれぞれ示すグラフである。
【図５】第２実施形態の内燃機関システムの全体構成を概略的に示す図である。
【図６】図５に示した内燃機関システムの燃焼切替制御装置において実行される処理を示すフローチャートである。
【図７】（ａ）はＳＣＲの温度の実測値、（ｂ）はＳＣＲの温度の推定値、（ｃ）は三元触媒及びＳＣＲの全体でのＮＯｘ浄化率の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。
【００１３】
また、以下においては、エンジンが圧縮点火型のディーゼルエンジンである場合について説明するが、これに限定されず、本発明は火花点火型のガソリンエンジンを含む内燃機関に適用されてもよい。
【００１４】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明に係る第１実施形態の内燃機関システム１０の全体構成を概略的に示す図である。内燃機関システム１０は、エンジン１２、燃焼切替制御装置（燃焼切替制御部）１１、燃料噴射装置１６及び噴射制御装置（噴射制御部）１８を備える。本実施形態では、エンジン１２は、圧縮点火型のディーゼルエンジンであり、例えば４つのシリンダ１４を含む。各シリンダ１４には、燃料噴射装置１６がそれぞれ設置されている。各燃料噴射装置１６は、燃焼切替制御装置１１からの信号を受けた噴射制御装置１８によって、燃料噴射の回数、量及び時期が制御される。
【００１５】
また、内燃機関システム１０は、さらにエンジン１２に装着された回転数センサ（回転数取得手段）２０を備える。回転数センサ２０は、エンジン１２の各シリンダ内のピストンに連結されているクランク軸の回転数をエンジン回転数Ｎｅとして取得する機能を有する。回転数センサ２０によって取得されたエンジン回転数Ｎｅは、エンジン１２における燃焼モード切替等のために燃焼切替制御装置１１に送信される。
【００１６】
内燃機関システム１０は、さらに吸気系２１、排気系３０、排気還流装置５０、及び、ターボチャージャ（過給装置）６０を備える。
【００１７】
吸気系２１は、エンジン１２に空気を供給するための空気通路である。吸気系２１における空気の吸気方向が矢印Ａで示される。吸気系２１は、第１吸気通路２２及び第２吸気通路２４を含む。第１吸気通路２２は、一端が図示しないフィルタ等を介して大気開放され、他端がターボチャージャ６０のコンプレッサ室６２に接続されている。第２吸気通路２４は、一端が上記コンプレッサ室６２に接続され、他端がエンジン１２の吸気ポートに接続されている。第２吸気通路２４には、吸気絞り弁２６が設けられている。吸気絞り弁２６は、例えば、電磁開閉弁によって好適に構成される。本実施形態では、吸気絞り弁２６は、ターボチャージャ６０のコンプレッサ室６２近傍に設置されている。
【００１８】
吸気絞り弁２６は、エンジン１２に吸気される空気量を調整する空気量調整装置である。吸気絞り弁２６は、吸排気制御装置２８からの信号を受けて開度調整される。吸排気制御装置２８は、燃焼切替制御装置１１との間で信号を送受信する。吸排気制御装置２８は、燃焼切替制御装置１１からの指令信号を受けて、吸気絞り弁２６に開度信号を送信する。また、吸排気制御装置２８は、吸気絞り弁２６の開度状態を示す信号を燃焼切替制御装置１１へ送信する。なお、吸気絞り弁２６は、ターボチャージャ６０による過給圧を調整する過給圧調整装置の一部を構成してもよい。
【００１９】
排気系３０は、エンジン１２から排気される排ガスを外部に排出するための排ガス通路である。排気系３０は、第１排気通路３２、第２排気通路３４及びタービンバイパス流路３６を含む。第１排気通路３２は、一端がエンジン１２の排気ポートに接続され、他端がターボチャージャ６０のタービン室６４に接続されている。第２排気通路３４は、一端が上記タービン室６４に接続され、他端が図示しないマフラ（または消音器）を介して大気開放されている。
【００２０】
第２排気通路３４には、三元触媒３８及びＮＯｘ還元触媒４０が設けられている。排ガスは、これらの三元触媒３８及びＮＯｘ還元触媒４０を通過する間に、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等が排ガス中から除去・浄化されて大気排出される。なお、本実施形態では、三元触媒３８及びＮＯｘ還元触媒４０の他には触媒（例えば、ＨＣトラップ触媒や微粒子フィルタ（ＤＰＦ））は設けられていないが、設けてもよい。
【００２１】
三元触媒３８は、排ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを酸化・還元作用によって除去・浄化する機能を有し、その浄化効率は空燃比が化学量論比のときに高くなり、高温でも浄化効率を比較的高く維持できる。一方、ＮＯｘ還元触媒４０は、主として排ガス中のＮＯｘを還元作用によって除去・浄化する機能を有し、その浄化効率はリーン運転時においても非常に高いが、高温になると若干低くなる傾向にある。
【００２２】
本実施形態では、ＮＯｘ還元触媒４０が選択還元型触媒（ＳＣＲ）である。ＮＯｘ還元触媒４０として選択還元型触媒を用いることで、吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ）を用いる構成の場合と異なり、触媒を安価に構成できる。
【００２３】
第２排気通路３４において、排ガス排出方向に関して、ＮＯｘ還元触媒４０より下流側の配管でＮＯｘ還元触媒４０の出口近傍には、排気温センサ（温度取得手段）８０と、ＮＯｘセンサ（触媒出口濃度取得手段）８１とが配置されている。排気温センサ８０は、ＮＯｘ還元触媒４０の出口近傍での排気温度を直接検出することにより、ＮＯｘ還元触媒４０の出口での排気温度（触媒関係温度）を取得する。排気温センサ８０は、その取付位置での排気温度がＮＯｘ還元触媒４０の出口での排気温度と同じとみなせるような、ＮＯｘ還元触媒４０の出口近傍に配置する。排気温センサ８０によって取得された排気温度Ｔｇは、燃焼切替制御装置１１に送信される。
【００２４】
ＮＯｘセンサ８１は、ＮＯｘ還元触媒４０の出口近傍での触媒出口ＮＯｘ濃度を検出によって取得する。ＮＯｘセンサ８１は、その取付位置でのＮＯｘ濃度がＮＯｘ還元触媒４０の出口でのＮＯｘ濃度と同じとみなせるような、ＮＯｘ還元触媒４０の出口近傍に配置する。ＮＯｘセンサ８１によって取得された触媒出口ＮＯｘ濃度は、燃焼切替制御装置１１に送信される。
【００２５】
本実施形態では、ＮＯｘ還元触媒４０が、排ガス排出方向（矢印Ｅ方向）に関して、三元触媒３８の下流側に配置されている。換言すれば、三元触媒３８が排ガス排出方向Ｅに関してＮＯｘ還元触媒４０の上流側に配置されている。三元触媒３８は、ＮＯｘ還元触媒４０に比べて、高温耐性が高く、かつ、高温でもＮＯｘ等の汚染物質の浄化特性が維持されるため、より高温の排ガスに晒される上流側に配置するのが好ましい。ただし、これに限定されるものではなく、ＮＯｘ還元触媒４０が三元触媒３８の上流側に配置されてもよい。
【００２６】
内燃機関システム１０は、さらに尿素添加装置（還元剤添加装置）８２、尿素添加量制御装置８３、ＮＨ3吸着量推定装置（吸着量推定部）８４、及びＮＯｘ排出量推定装置（エンジン出口濃度取得手段）８５を備える。尿素添加装置８２は、第２排気通路３４において、排ガス排出方向に関して、ＮＯｘ還元触媒４０より上流側で三元触媒３８より下流側の配管に接続されている。尿素添加装置８２は、尿素を例えば尿素水として第２排気通路３４に添加する。これにより、第２排気通路３４を流れる排ガスがＮＯｘ還元触媒４０に送られることで、ＮＯｘ還元触媒４０に尿素の加水分解により生成された還元剤としてのアンモニア（ＮＨ3）が添加される。
【００２７】
尿素添加量制御装置８３は、尿素添加装置８２を制御して、ＮＯｘ還元触媒４０の排ガス上流側への尿素の添加を制御することにより、ＮＯｘ還元触媒４０へのＮＨ3の添加を制御する。尿素添加量制御装置８３は、燃焼切替制御装置１１によって制御される。
【００２８】
ＮＨ3吸着量推定装置８４は、ＮＯｘ還元触媒４０上での現時点の吸着還元剤量、すなわちＮＯｘ還元触媒４０に吸着しているＮＨ3の量を推定するとともに、飽和ＮＨ3吸着量を算出する。飽和ＮＨ3吸着量は、排気温センサ８０から取得した排気温度Ｔｇから算出される。現時点の吸着還元剤量であるＮＨ3吸着量は、後述のように所定時間に添加されたＮＨ3添加量と、その所定時間でＮＯｘの浄化に使用され減少したＮＨ3量と、現時点の飽和ＮＨ3吸着量、及びＮＯｘの浄化に使用されず脱離したＮＨ3量とから求める。ＮＨ3吸着量推定装置８４によって取得された現時点の吸着還元剤量の推定値と、飽和ＮＨ3吸着量の算出値とは、燃焼切替制御装置１１に送信される。
【００２９】
ＮＯｘ排出量推定装置８５は、エンジン１２から排出されるＮＯｘについてのエンジン出口ＮＯｘ濃度を推定して取得する。エンジン出口ＮＯｘ濃度は、回転数センサ２０から取得したエンジン回転数と、噴射制御装置１８が決定した燃料噴射量Ｑの取得値とから推定される。このために、ＮＯｘ排出量推定装置８５は、予めエンジン回転数、燃料噴射量Ｑ、及びエンジン出口ＮＯｘ濃度の関係を表すマップを記憶しておき、取得したエンジン回転数、燃料噴射量Ｑから、エンジン出口ＮＯｘ濃度を推定する。なお、エンジン出口ＮＯｘ濃度は、エンジン１２の運転状態を用いて求めるモデルから推定されてもよい。ＮＯｘ排出量推定装置８５によって取得されたエンジン出口ＮＯｘ濃度の推定値は、燃焼切替制御装置１１に送信される。
【００３０】
タービンバイパス流路３６は、ターボチャージャ６０のタービン室６４の上流側で第１排気通路３２に接続され、他端が三元触媒３８の排ガス排出方向Ｅの上流側で第２排気通路３４に接続されている。タービンバイパス流路３６には、ウエストゲートバルブ４２が設けられている。ウエストゲートバルブ４２は、ターボチャージャ６０による吸気の過給圧を調整する機能を有する。また、ウエストゲートバルブ４２は、上記過給圧が規定値以上になることを防止して、エンジン１２及びターボチャージャ６０が損壊しないように保護する機能を有する。
【００３１】
ウエストゲートバルブ４２は、例えば、電磁開閉弁によって好適に構成される。ウエストゲートバルブ４２は、燃焼切替制御装置１１からの信号を受けて開度調整される。ウエストゲートバルブ４２の開度が大きくなると、タービン室６４内に流入することなくタービンバイパス流路３６を通って第２排気通路３４にバイパスされる排ガスが増加する。これにより、エンジン１２及びターボチャージャ６０が損壊しないように保護される。なお、本実施形態におけるタービンバイパス流路３６及びウエストゲートバルブ４２が、本発明における「過給圧調整装置」に相当する。
【００３２】
第２吸気通路２４と第１排気通路３２との間には、排気還流装置５０が設けられている。排気還流装置５０は、第１排気通路３２と第２排気通路３４とを接続する排気還流通路５２と、この排気還流通路５２の途中に設置された排ガス還流量調整弁（排気還流量調整装置）５４とを含む。排ガス還流量調整弁５４は、吸排気制御装置２８からの信号を受けて開度調整される。吸排気制御装置２８は、燃焼切替制御装置１１からの指令を受けて、排ガス還流量調整弁５４へ開度調整信号を送信する。このようにして排ガス還流量調整弁５４が開度調整されることで、第１排気通路３２から排気還流通路５２を介して第２吸気通路２４に還流または再循環する排ガス量が調整される。
【００３３】
ターボチャージャ６０は、コンプレッサ室６２に収容されたコンプレッサホイール６３と、タービン室６４に収容されたタービン６５と、コンプレッサホイール６３とタービン６５とを連結するシャフト６６とを備える。第１排気通路３２からタービン室６４内のタービン６５に排ガスが噴き付けることによってタービン６５が回転し、この回転動力がシャフト６６を介してコンプレッサホイール６３に伝達される。これにより、コンプレッサホイール６３が回転駆動され、第２吸気通路２４を介してエンジン１２に供給される空気が加圧（すなわち過給）される構成となっている。
【００３４】
燃焼切替制御装置１１は、例えば、処理装置、記憶部、及び、Ｉ／Ｏインターフェースなどを備えるマイクロコンピュータによって好適に構成される。処理装置は、記憶部に記憶されたプログラムやデータ等を読み出して実行する。記憶部は、プログラムを記憶するとともに、回転数センサ２０で取得されて送信されるエンジン回転数Ｎｅ、排気温センサ８０によって取得された排気温度Ｔｇ、及びＮＯｘセンサ８１によって取得された触媒出口ＮＯｘ濃度を記憶する。記憶部は、ＮＯｘ排出量推定装置８５によって取得されたエンジン出口ＮＯｘ濃度、マップ、及び所定値も記憶する。
【００３５】
また、燃焼切替制御装置１１は、エンジン１２の各シリンダ１４への燃料噴射の回数、量や噴射時期を制御するための指令信号を噴射制御装置１８に送信する。また、燃焼切替制御装置１１は、吸気絞り弁２６及び排ガス還流量調整弁５４の開度調整を行うための指令信号を吸排気制御装置２８に送信する。さらに、燃焼切替制御装置１１は、ウエストゲートバルブ４２に対して開度調整信号を送信する。
【００３６】
また、燃焼切替制御装置１１は、ＮＯｘセンサ８１によって取得された触媒出口ＮＯｘ濃度及びＮＯｘ排出量推定装置８５によって取得されたエンジン出口ＮＯｘ濃度からＮＯｘ浄化率を算出する。そして、燃焼切替制御装置１１は、算出されたＮＯｘ浄化率と、排気温センサ８０によって取得された排気温度Ｔｇと、回転数センサ２０によって取得されたエンジン回転数Ｎｅと、噴射制御装置１８から取得された燃料噴射量Ｑとに基づいて、エンジン１２の燃焼モードをリーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で切り替える。このモードの切り換えについては後で、図２を参照して説明する。
【００３７】
なお、燃焼切替制御装置１１は、噴射制御装置１８、吸排気制御装置２８、尿素添加量制御装置８３、ＮＨ3吸着量推定装置８４、及びＮＯｘ排出量推定装置８５の少なくとも１つと一体のチップとして構成されてもよいし、あるいは、別体のチップとして構成されてもよい。
【００３８】
次に、図２を参照して、本実施形態の内燃機関システム１０の制御について説明する。図２は、図１に示した内燃機関システム１０の燃焼切替制御装置において実行される処理を示すフローチャートである。図３は、ＥＧＲ率を示すマップを例示するグラフである。図２に示す処理は、燃焼切替制御装置１１において、所定の制御周期（例えば、１秒）毎に繰り返し実行される。
【００３９】
図２に示すように、燃焼切替制御装置１１は、まず、ステップＳ１において、排気温度Ｔｇを取得する。この排気温度Ｔｇは、排気温センサ８０によって取得されて記憶部に記憶された値を用いることができる。
【００４０】
次に、燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ２において、触媒出口ＮＯｘ濃度を取得する。この触媒出口ＮＯｘ濃度は、ＮＯｘセンサ８１によって取得されて記憶部に記憶された値を用いることができる。
【００４１】
次に、燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ３において、エンジン回転数Ｎｅを取得する。このエンジン回転数Ｎｅは、回転数センサ２０によって取得されて記憶部に記憶された値を用いることができる。
【００４２】
続いて、燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ４において、排気温度Ｔｇから現在の飽和ＮＨ3吸着量Ｔａｎを推定するとともに、現時点でのＮＨ3吸着量Ａａｎを推定する。ＮＯｘ還元触媒４０の出口での排気温度は、その触媒床と排ガスとの熱交換の結果によって決まる。これにより、排気温度ＴｇとＮＯｘ還元触媒４０の床温との相関は高い。また、飽和ＮＨ3吸着量Ｔａｎは、触媒床温との相関が強いことから、排気温度Ｔｇと飽和ＮＨ3吸着量Ｔａｎとの相関も強く、その結果、排気温度Ｔｇから飽和ＮＨ3吸着量Ｔａｎを求めることができる。また、現時点（ｔ）でのＮＨ3吸着量Ａａｎ（ｔ）は、所定時間前の時刻ｔ−１から時刻ｔまでの間に添加されたＮＨ3添加量ａｄｄＮＨ3（ｔ）、時刻ｔ−１から時刻ｔまでの間のＮＯｘ浄化で使用されたＮＨ3量ＮＨ3ｒｄ（ｔ）、時刻ｔ−１から時刻ｔまでの間のＮＯｘ浄化で使用されず触媒から脱離したＮＨ3量ＮＨ3ｓｐ（ｔ）、及び現時点での飽和ＮＨ3吸着量Ｔａｎ（ｔ）から次の（１）式を用いて求められる。
【００４３】
Ａａｎ（ｔ）＝最小値(飽和ＮＨ3吸着量Ｔａｎ（ｔ）、Ａａｎ（ｔ−１）＋ａｄｄＮＨ3（ｔ）−ＮＨ3ｒｄ（ｔ）−ＮＨ3ｓｐ（ｔ）)  ・・・（１）
ここで、ｔは時間であり、最小値（ａ１、ａ２・・・ａｉ）はａ１からａｉのうち、最小の値を取ることを意味する。（１）式において、ＮＨ3添加量ａｄｄＮＨ3（ｔ）は、尿素添加量制御装置８３により決定した添加量から求めることができる。ＮＨ3ｒｄ（ｔ）は、排気温センサ８０から取得した排気温度Ｔｇの変化から、予め求めた関係式またはマップを用いて求めることができる。ＮＨ3ｓｐ（ｔ）は、例えば次の（２）式から求めることができる。
【００４４】
ＮＨ3ｓｐ（ｔ）＝ｆ（エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑ、噴射時期、吸気絞り弁開度、尿素添加量、ＮＨ3吸着量Ａａｎ（ｔ）、ガス温Ｔｇ（ｔ））  ・・・（２）
ここで、ｆは関数である。例えば（２）式は、次の（３）式で記述される。
【００４５】
ＮＨ3ｓｐ（ｔ）＝Ａ１×ＮＨ3吸着量Ａａｎ（ｔ）  ・・・（３）
ここで、右辺第１項の係数Ａ１は、次の（４）式で記述される。
【００４６】
Ａ１＝ａ×（エンジン回転数Ｎｅ）＋ｂ×（燃料噴射量Ｑ）＋ｃ×（噴射時期）＋ｄ×（吸気絞り弁開度×エンジン回転数Ｎｅ）＋ｅ×（尿素添加量）＋ｆ×（ガス温）  ・・・（４）
ここで、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆは所定の係数である。なお、（２）〜（４）式は例示であり、係数の数、種類及び式の形を限定するものではない。
【００４７】
また、ＮＨ3吸着量Ａａｎの初期値は０であり、エンジン１２が停止したときは、そのＮＨ3吸着量Ａａｎの値を保持し、再起動時には停止時の値から算出を始める。
【００４８】
ステップＳ５において、燃料噴射量Ｑを取得する。燃料噴射量Ｑは、噴射制御装置１８から送信されて記憶部に記憶されている値を用いることができる。また、燃焼切替制御装置１１は、図示しない上位制御装置から入力されるエンジン１２の運転条件（目標トルクＴｑ＿ｔａｇ及び目標エンジン回転数Ｎｅ＿ｔａｇ）が実現されるように、同ステップＳ５において、通常時のリーン燃焼条件としての、燃料噴射回数、噴射時期、目標ＥＧＲ率、過給圧、吸気絞り弁２６の開度を決定する。この決定の際には、例えば、記憶部に記憶された各種マップが参照される。例えば、図３にエンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑとから、目標ＥＧＲ率を導出するためのマップが例示されている。なお、図３に示される実線ＵＬは、エンジン１２における運転限界を示す上限ラインである。このようにエンジン１２は、燃料噴射量Ｑとエンジン回転数Ｎｅとから運転条件が決定される。
【００４９】
再び図２を参照すると、続いて、燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ６において、エンジン出口ＮＯｘ濃度を取得する。エンジン出口ＮＯｘ濃度は、ＮＯｘ排出量推定装置８５から送信されて記憶部に記憶されている値を用いることができる。上記のようにエンジン１２は、Ｓ５において燃料噴射量Ｑとエンジン回転数Ｎｅとから運転条件が決定され、運転条件が決まると燃焼状態も決まることから、エンジン１２から排出されるガス成分も決まる。この結果、燃料噴射量Ｑとエンジン回転数Ｎｅとを直交する２軸とするマップにおいて、Ｑ，Ｎｅとエンジン出口ＮＯｘ濃度との関係を表すことができる。ステップＳ６では予め計測によって求めた、エンジン運転状態である燃料噴射量Ｑ及びエンジン回転数Ｎｅと、エンジン出口ＮＯｘ濃度との関係から予め作成されたマップを利用する。ＮＯｘ排出量推定装置８５は、このマップの利用によって、現時点でのエンジン出口ＮＯｘ濃度を推定し、燃焼切替制御装置１１はその推定値を取得する。
【００５０】
なお、エンジン出口ＮＯｘ濃度は、エンジンの運転状態としての、吸入空気量、ＥＧＲ率、エンジン回転数及び燃料噴射量Ｑと、エンジン出口ＮＯｘ濃度との関係を表すマップを用いて推定されてもよい。
【００５１】
また、エンジン出口濃度取得手段として、ＮＯｘ排出量推定装置８５の代わりにエンジン出口ＮＯｘ濃度を計測によって取得する第２ＮＯｘセンサ（図示せず）を用いることもできる。第２ＮＯｘセンサは第１排気通路３２においてエンジン１２の排気ポートの出口近くに設けることができる。第２ＮＯｘセンサの計測値は、燃焼切替制御装置１１に送信される。
【００５２】
次に、燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ７において、排気温度Ｔｇが第１所定値Ｋ１より大きいか否かを判定する。ここでの第１所定値Ｋ１には、予め実験やシミュレーション等から求めて記憶部に記憶させた値を用いることができる。上記ステップＳ７において、肯定判定（ＹＥＳ）がされると、続くステップＳ８に進み、他方、否定判定（ＮＯ）がされると、ステップＳ１４に進む。
【００５３】
ステップＳ７において肯定判定がされたときには、燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ８において、ＮＯｘ浄化率Ｒを算出する。ＮＯｘ浄化率Ｒは、次の（５）式によって求められる。
【００５４】
Ｒ＝｛（エンジン出口ＮＯｘ濃度）−（触媒出口ＮＯｘ濃度）｝／（エンジン出口ＮＯｘ濃度）  ・・・（５）
（５）式において、｛（エンジン出口ＮＯｘ濃度）−（触媒出口ＮＯｘ濃度）｝は、三元触媒３８及びＮＯｘ還元触媒４０を含む排気浄化部によって浄化された浄化ＮＯｘ量に対応する。ＮＯｘ浄化率Ｒの値が高いことは、排気浄化部での浄化ＮＯｘ量が大きいことを意味する。
【００５５】
そして、ステップＳ９において、燃焼切替制御装置１１は、ＮＯｘ浄化率Ｒが第２所定値Ｋ２より小さいか否かを判定する。ここでの第２所定値Ｋ２には、予め実験やシミュレーション等から求めて記憶部に記憶させた値を用いることができる。ＮＯｘ浄化率Ｒが第２所定値Ｋ２より小さいときには、ＮＯｘ還元触媒４０での浄化能力が低下したと判断される。上記ステップＳ９において、肯定判定（ＹＥＳ）がされると、続くステップＳ１０に進み、他方、否定判定（ＮＯ）がされると、ステップＳ１４に進む。
【００５６】
続いて、ステップＳ１０において、燃焼切替制御装置１１は、現時点のＮＨ3吸着量Ａａｎと、飽和ＮＨ3吸着量Ｔａｎとの比Ａａｎ／Ｔａｎが第３所定値Ｋ３より大きいか否かを判定する。比Ａａｎ／Ｔａｎが第３所定値Ｋ３より大きい場合には、ＮＯｘ還元触媒４０でのＮＨ3吸着量が十分に大きく、ＮＯｘ浄化率Ｒの低下の理由がＮＨ3吸着量が少ないためではなく、ＮＯｘ還元触媒４０が高温になったことでＮＯｘ浄化量が低下したためと判断される。逆に、比Ａａｎ／Ｔａｎが第３所定値Ｋ３以下の場合には、ＮＯｘ還元触媒４０でのＮＨ3吸着量が少ないことでＮＯｘ浄化率Ｒが低下した可能性があると判断される。
【００５７】
上記ステップＳ１０において、肯定判定（ＹＥＳ）がされると、続くステップＳ１２に進み、他方、否定判定（ＮＯ）がされると、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、尿素添加量制御装置８３が制御されることにより、尿素添加装置８２によりＮＯｘ還元触媒４０の排ガス上流側に尿素を所定量添加させ、ステップＳ１４に進む。このとき、尿素の添加量として、例えば次の（６）式で求められるＮＨ3添加量に相当する量を用いる。
【００５８】
（ＮＨ3添加量）＝（飽和ＮＨ3吸着量Ｔａｎ）×所定値Ｋ３ａ−（ＮＨ3吸着量Ａａｎ）
・・・（６）
ここで、所定値Ｋ３ａは、上記の第３所定値Ｋ３より大きい値とすることが好ましい。
【００５９】
ステップＳ１２では、燃焼切替制御装置１１は、上記ステップＳ３で取得されたエンジン回転数Ｎｅと上記ステップＳ５で取得された燃料噴射量Ｑとから、所定のマップに基づいて、エンジン１２での燃焼モードがストイキ燃焼モードとなるように、目標ＥＧＲ率、目標過給圧、目標吸気絞り弁開度を決定する。ここでは、空気と燃料との比である空燃比が化学量論比（約１４．６：１）となるように、目標ＥＧＲ率、過給圧、吸気絞り弁開度が決定され、所定の吸気酸素濃度でのストイキ燃焼が行われるように設定される。そして、燃焼切替制御装置１１は、続くステップＳ１３において、エンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑから所定のマップに基づいて噴射回数及び噴射時期を決定する。
【００６０】
他方、ステップＳ１４では、燃焼切替制御装置１１は、上記ステップＳ５で取得した燃料噴射量Ｑ、及び、同ステップＳ５で決定した燃料噴射回数、噴射時期、目標ＥＧＲ率、過給圧、吸気絞り弁開度をリーン燃焼条件としてそのまま利用する。すなわち、燃焼切替制御装置１１は、上記ステップＳ５における決定を変更することなく、そのまま維持する。
【００６１】
そして、燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ１５において、ステップＳ１２及びＳ１３、又は、ステップＳ１４で決定された条件で燃焼を実行する。すなわち、ステップＳ１２及びＳ１３で決定された条件でエンジン１２の燃焼が実行される場合、燃焼モードがリーン燃焼モードからストイキ燃焼モードに切り替えられるか、もしくは、ストイキ燃焼モードを維持する。他方、ステップＳ１４で決定された条件でエンジン１２での燃焼が実行される場合、燃焼モードはリーン燃焼モードとなる。
【００６２】
上記のように制御されるので、ステップＳ７の否定判定の場合、排気温度Ｔｇが低いので、三元触媒３８及びＮＯｘ還元触媒４０のいずれもＮＯｘ浄化率が低いと判断して、リーン燃焼モードのままとする。逆に言えば、排気温度Ｔｇが高い場合には、ＮＯｘ還元触媒４０の浄化活性が低下したと判断してストイキ燃焼モードへの切り替えを可能とする。
【００６３】
図４において、（ａ）はＮＯｘ還元触媒４０の温度、（ｂ）はＮＯｘ還元触媒４０でのＮＯｘ浄化率、（ｃ）は燃焼モード切替による空燃比の変化をそれぞれ示すグラフである。また、図４において、（ｄ）は三元触媒３８及びＮＯｘ還元触媒４０のＮＯｘ浄化量、（ｅ）はＮＯｘ還元触媒４０の出口でのＮＯｘ値をそれぞれ示すグラフである。図４（ａ）〜（ｅ）の各グラフでは、それぞれ、横軸は時間を示している。図４は、エンジン始動前に三元触媒３８及びＮＯｘ還元触媒４０が十分に冷えていることを前提とする。
【００６４】
図４（ａ）に示すように、エンジン１２が始動すると、エンジン１２の通常燃焼モードとしてリーン燃焼モードが実行され、時間が経過すると、高温の排ガスがＮＯｘ還元触媒４０を通過することでＮＯｘ還元触媒温度（ＳＣＲ温度）が次第に上昇する。このとき、時間ｔ１までの期間Ｂ１（図４（ｄ））では、触媒温度が上昇するにしたがって、ＮＯｘ浄化活性も上がる。このとき、触媒の温度が十分に上がるまでは、リーン燃焼モードを実行する。時間ｔ１からｔ２までの期間Ｂ２（図４（ｄ））では、触媒温度が十分に高くなり、浄化活性が向上することでＮＯｘの高浄化率が維持される。一方、エンジンの高負荷運転が継続している場合、時間ｔ２以降の期間Ｂ３（図４（ｄ））では、ＮＯｘ還元触媒４０が高温になりすぎるので、ＮＯｘ浄化率が徐々に低下する。
【００６５】
このとき、時間ｔ１の時点で、ＮＯｘ還元触媒４０でのＮＯｘ浄化率が所定値を超える。このときには、排気温度Ｔｇはまだ低く、第１所定値Ｋ１以下である。さらに時間が経過して、ＮＯｘ還元触媒温度（ＳＣＲ温度）がさらに上昇すると、時間ｔ２で排気温度Ｔｇが第１所定値Ｋ１より大きく、かつ、ＮＯｘ還元触媒４０でのＮＯｘ浄化率が所定値未満となる。このときには、ＮＯｘ還元触媒４０が高温になったと判断され、かつ、三元触媒３８とＮＯｘ還元触媒４０とを含む排気浄化部でのＮＯｘ浄化率Ｒが第２所定値Ｋ２未満となっている。そして、このときに、図４（ｃ）に示すように、エンジンの燃焼モードがリーン燃焼モードからストイキ燃焼モードに切り替えられる。この場合には、図４（ｄ）に示すように、時間ｔ２以降で、ＮＯｘ還元触媒４０のＮＯｘ浄化量が大きく減少する。一方、図４（ｄ）に示すように、三元触媒３８は、空燃比が化学量論比に近い条件となるので、ＮＯｘ浄化量が増加する。また、三元触媒３８の浄化活性は、高温になっても維持される。これにより、排ガス中に含まれるＮＯｘは、浄化効率が低下したＮＯｘ還元触媒４０ではなく、空燃比が化学量論比になることでＮＯｘ浄化効率が高くなった三元触媒３８で浄化可能になる。したがって、本実施形態によれば、エンジン１２の高負荷運転などによりＮＯｘ還元触媒４０が高温になって、ＮＯｘ浄化率が低下した場合にも、三元触媒３８でＮＯｘを十分に浄化できるため、内燃機関システム１０のＮＯｘ排出量を低減できる。また、本実施形態の内燃機関システム１０では、排ガスの後処理システムとして、複雑で過大なコストを要する特別な構成を用いる必要がない。
【００６６】
図４（ｅ）の「三元触媒あり」の実線は、実施形態におけるＮＯｘ還元触媒４０の出口でのＮＯｘ値（出口ＮＯｘ値）を示している。図４（ｅ）に示すように、実施形態では、出口ＮＯｘ値が時間ｔ２以降でも低く維持される。図４（ｅ）の「三元触媒なし」の破線は、三元触媒を設けない比較例を示している。この比較例における出口ＮＯｘ値の特性は、時間ｔ２以降でもエンジン１２の燃焼モードをリーン燃焼モードとした場合における出口ＮＯｘ値の特性と同様であり、時間ｔ２以降で、出口ＮＯｘ値が急増している。
【００６７】
なお、触媒関係温度を取得する温度取得手段は、ＮＯｘ還元触媒４０の出口近傍に配置された排気温センサ８０に限定するものではない。温度取得手段として、ＮＯｘ還元触媒４０に取り付けられ、触媒関係温度である触媒床温（触媒温度）を検出する触媒温度センサを用いてもよい。このとき、燃焼切替制御部は、リーン燃焼モードにおいて、触媒床温が第１所定値Ｋ１ａより大きく、かつ、ＮＯｘ浄化率Ｒが第２所定値Ｋ２未満の場合に、ストイキ燃焼モードに切り替えるようにしてもよい。また、触媒床温は、エンジン１２の運転状態から排気温度の変化が推定される所定のモデルを用いて推定されてもよい。
【００６８】
＜第２実施形態＞
次に、図５から図７を参照して、第２実施形態の内燃機関システム１０ａを説明する。図５は、第２実施形態の内燃機関システム１０ａの全体構成を概略的に示す図である。以下では、上述した第１実施形態の内燃機関システム１０と同等の構成については同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００６９】
図５に示すように、内燃機関システム１０ａは、時間計測装置（時間計測部）８６、運転履歴記憶部８７、外気温センサ８８、触媒温度推定装置（触媒温度推定部）８９を備える。内燃機関システム１０ａは、第１実施形態の内燃機関システム１０と異なり、排気温センサ８０（図１）を備えていない。時間計測装置８６は、エンジン１２の運転時間及び運転停止時間を計測する。運転履歴記憶部８７は、時間計測装置８６、回転数センサ２０、及び噴射制御装置１８からの信号を受け取り、エンジン１２の運転履歴を記憶する。このとき、運転履歴には、エンジン１２の今回の始動からの運転時間中の運転状態であるエンジン回転数及び負荷としてのエンジン負荷トルクが含まれる。また、運転履歴には、エンジン１２の前回の運転停止前の運転時間中の運転状態であるエンジン回転数及び負荷としてのエンジン負荷トルクと、その運転時間と、エンジン１２が今回と前回との間で停止していた停止時間とも含まれる。
【００７０】
また、運転履歴記憶部８７は、エンジン１２の今回の運転時間中のエンジン回転数と負荷との積の時間変化である今回運転履歴Ｑｎ（ｔ）を記憶し、今回運転履歴Ｑｎ（ｔ）を燃焼切替制御装置１１に送信する。また、運転履歴記憶部８７は、エンジン１２の前回の運転時間中のエンジン回転数と負荷との積の時間変化である前回運転履歴Ｑｐｒｅ（ｔ）を記憶し、前回運転履歴Ｑｐｒｅ（ｔ）を燃焼切替制御装置１１に送信する。
【００７１】
外気温センサ８８は、車両の外気温Ｔ０を取得し、燃焼切替制御装置１１と触媒温度推定装置８９とに送信する。触媒温度推定装置８９は、運転履歴記憶部８７からの信号と外気温センサ８８からの信号とに基づいて、ＮＯｘ触媒の温度を推定し、そのＮＯｘ触媒の温度推定値を燃焼切替制御装置１１に送信する。この温度推定値の推定方法は、後で図６を参照して説明する。
【００７２】
時間計測装置８６と運転履歴記憶部８７とは一体の装置により構成してもよい。燃焼切替制御装置１１は、時間計測装置８６、運転履歴記憶部８７及び触媒温度推定装置８９の少なくとも１つと一体のチップとして構成されてもよいし、あるいは、別体のチップとして構成されてもよい。
【００７３】
燃焼切替制御装置１１は、運転履歴記憶部８７から取得したエンジン１２の運転履歴を表す信号と、ＮＯｘ浄化率と、エンジン回転数Ｎｅと、燃料噴射量Ｑとに基づいて、エンジンの燃焼モードをリーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で切り替える。ＮＯｘ浄化率は、ＮＯｘセンサ８１によって取得された触媒出口ＮＯｘ濃度、及びＮＯｘ排出量推定装置８５によって取得されたエンジン出口ＮＯｘ濃度から算出される。上記のモードの切り替えについては、後で図６を用いて説明する。
【００７４】
次に、図６を参照して、本実施形態の内燃機関システム１０ａの制御について説明する。図６は、内燃機関システム１０ａの燃焼切替制御装置１１において実行される処理を示すフローチャートである。
【００７５】
燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ２１において、時間計測装置８６から前回の運転時間中のエンジン回転数及び負荷の積である前回運転履歴Ｑｐｒｅ（ｔ）を取得する。また、燃焼切替制御装置１１は、時間計測装置８６から今回の運転時間中のエンジン回転数及び負荷の積である今回運転履歴Ｑｎ（ｔ）も取得する。また、燃焼切替制御装置１１は、時間計測装置８６から運転停止時間ｔｍｓｔも取得する。
【００７６】
次に、燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ２２において、ＮＯｘセンサ８１から触媒出口ＮＯｘ濃度を取得する。
【００７７】
次に、燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ２３において、回転数センサ２０からエンジン回転数Ｎｅを取得し、外気温センサ８８から車両の外気温Ｔ０を取得する。
【００７８】
続いて、燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ２４において、噴射制御装置１８が決定した燃料噴射量Ｑを取得し、通常時のリーン燃焼条件としての、燃料噴射回数、噴射時期、目標ＥＧＲ率、過給圧、吸気絞り弁２６の開度を決定する。このステップＳ２４の処理は、第１実施形態のステップＳ５（図２）の処理と同様である。
【００７９】
そして、燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ２５において、ＮＯｘ排出量推定装置８５からエンジン出口ＮＯｘ濃度を取得する。このステップＳ２５の処理は、第１実施形態のステップＳ６（図２）の処理と同様である。
【００８０】
次に、燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ２６において、エンジン１２の今回の運転時間中における始動から現在までの所定時間範囲における今回運転履歴Ｑｎ（ｔ）を時間積分することにより今回運転状態積分値ＩｎＱｎを算出する。所定時間範囲は予め設定される。運転開始直後で所定時間範囲を経過していない場合には、運転開始から現在時刻までの今回運転履歴Ｑｎ（ｔ）を時間積分することにより今回運転状態積分値ＩｎＱｎを算出する。また、燃焼切替制御装置１１は、同ステップにおいて、エンジン１２の前回の運転時間中における所定時間範囲における前回運転履歴Ｑｐｒｅ（ｔ）を時間積分することにより前回運転状態積分値ＩｎＱｐｒｅを算出する。このとき、前回の運転時間が所定時間範囲に満たない場合には、前回の運転時間の全体で時間積分値としての前回運転状態積分値ＩｎＱｐｒｅを算出する。
【００８１】
さらに、同ステップにおいて、触媒温度推定装置８９は、次の（７）式を用いて、現在時刻でのＮＯｘ触媒の触媒床温Ｔｃｐｒｅの推定値を算出する。
【００８２】
Ｔｃｐｒｅ＝max(β(ＩｎＱｐｒｅ−α×ｔｍｓｔ＋ＩｎＱｎ)、Ｔ０)  ・・・（７）
ここで、α、βは定数であり、max(ａ、ｂ)は、ａ及びｂの大きい方の値を取る関数である。
【００８３】
（７）式において、ＩｎＱｐｒｅは、前回運転での所定時間範囲または運転時間全体でのＮＯｘ還元触媒４０の入熱量に関係する値であり、ＩｎＱｎは、今回運転での所定時間範囲または運転開始から現在時刻までのＮＯｘ還元触媒４０の入熱量に関係する値である。また、α×ｔｍｓｔは、エンジン停止中のＮＯｘ還元触媒４０からの放熱分を表す。（ＩｎＱｐｒｅ−α×ｔｍｓｔ＋ＩｎＱｎ）は、現在時刻でのＮＯｘ還元触媒４０が持つ熱量に相当する。また、βはＮＯｘ還元触媒４０の熱容量に相当する定数であり、βを乗じることでＮＯｘ還元触媒４０の触媒床温に相当する値となる。触媒床温Ｔｃｐｒｅの推定値は、外気温Ｔ０と、β(ＩｎＱｐｒｅ−α×ｔｍｓｔ＋ＩｎＱｎ)との大きい方の値をとることで、触媒床温Ｔｃｐｒｅが外気温より低くならないようにしている。
【００８４】
そして、燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ２９において、今回運転状態積分値ＩｎＱｎが第４所定値Ｋ４を上回るか否かを判定する。上記ステップＳ２７において、肯定判定（ＹＥＳ）がされると、ステップＳ２９に進み、他方、否定判定（ＮＯ）がされると、ステップＳ２８に進む。これにより、今回運転でＮＯｘ還元触媒４０に十分に高い熱量が通過していることで、ＮＯｘ還元触媒４０の温度が十分に高いと判断される場合には、前回の運転状態を考慮することなく、Ｓ３０，Ｓ３１の処理で肯定判定がされることを前提にストイキモードに切り替えられる。
【００８５】
ステップＳ２９〜Ｓ３６の処理は上述した第１実施形態のステップＳ８〜Ｓ１５の処理と同様である。ここで、ステップＳ３１では、第１実施形態のステップＳ１０の処理において、ＮＨ3吸着量推定装置８４は、排気温度Ｔｇの代わりに、触媒温度推定装置８９で推定された触媒床温Ｔｃｐｒｅの推定値を用いて、現在の飽和ＮＨ3吸着量Ｔａｎを推定する。これとともに、ＮＨ3吸着量推定装置８４は、現時点でのＮＨ3吸着量Ａａｎを推定する。これらの推定における推定式は、第１実施形態で説明した式と同様である。ステップＳ３１では、燃焼切替制御装置１１は、そのＮＨ3吸着量Ａａｎと飽和ＮＨ3吸着量Ｔａｎとの比Ａａｎ／Ｔａｎと第３所定値Ｋ３との比較を行う。
【００８６】
一方、燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ２８において、触媒床温Ｔｃｐｒｅが第５所定値Ｋ５より大きいか否かを判定する。上記ステップＳ２８において、肯定判定（ＹＥＳ）がされると、ＮＯｘ還元触媒４０の温度が十分に高いと判断され、ステップＳ２９に進み、他方、否定判定（ＮＯ）がされると、ステップＳ３５に進む。これにより、ステップＳ２７では、今回運転でＮＯｘ還元触媒４０に十分に高い熱量が通過していると判断されない場合でも、前回運転も考慮して推定された触媒床温Ｔｃｐｒｅが十分に高い場合には、Ｓ３０，Ｓ３１の処理で肯定判定がされることを前提にストイキモードに切り替えられる。このときには、前回運転による熱と今回運転による熱とでＮＯｘ還元触媒４０の温度が十分に高いと判断される。
【００８７】
図７（ａ）はＮＯｘ還元触媒４０の温度の実測値、図７（ｂ）はＮＯｘ還元触媒４０の温度の推定値、図７（ｃ）は三元触媒３８及びＮＯｘ還元触媒４０の全体でのＮＯｘ浄化率の変化を示すグラフである。図７（ａ）〜（ｃ）の各グラフでは、それぞれ、横軸は時間を示している。図７は、前回運転と今回運転とその間の運転停止時間とにおける変化を示している。
【００８８】
図７に示すように、前回の運転時間において、ＮＯｘ還元触媒４０が十分に温まった状態でエンジン１２が停止し、再始動した場合を考える。この場合、ＮＯｘ還元触媒４０の温度は前回の運転で十分に温まっており、エンジン停止時間中に温度降下が見られるが、完全に冷え切る前に再始動が行われ、触媒温度（触媒床温）は再び上昇する。その後、高負荷運転が続くと触媒床温は高温となり、ＮＯｘ浄化率が悪化する。図７（ｂ）（ｃ）の破線は、前回の運転状態を考慮しない内燃機関システムの比較例を示している。この比較例では、再始動はＮＯｘ還元触媒４０が完全に冷え切った状態での初期状態からの始動と判断され、実際にはＮＯｘ還元触媒４０が高温になっているにも関わらず、触媒床温は低いとの判断からストイキ運転に切り替わらない。この結果、比較例では、図７（ｃ）の破線で示すように、ＮＯｘ浄化率の悪化が生じてしまう。
【００８９】
一方、本実施形態では、触媒床温Ｔｃｐｒｅの推定値は、前回の運転、エンジン停止中の温度低下、及び再始動後の運転による触媒温度変化を反映している。これにより、触媒床温が高温になっている実際の状態を精度よく推定でき、ストイキ燃焼に切り替えることで、三元触媒３８による高ＮＯｘ浄化に移行でき、ＮＯｘ排出量の低減を維持できる。
【００９０】
本実施形態では、ＩｎＱｐｒｅ及びＩｎＱｎの計算値に上限値を設けていないが、エンジン及び触媒ともに放熱があることから、ＩｎＱｐｒｅ及びＩｎＱｎの計算値には上限値を設けてもよい。また、（７）式では、エンジン停止中における触媒床温の低下を推定する式を線形式としているが、非線形式で表すこともできる。本実施形態において、その他の構成及び作用は、図１から図４に示した第１実施形態と同様である。
【００９１】
なお、本発明に係る内燃機関システムは、上述した実施形態及びその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項及びその均等な範囲内において種々の変更や改良が可能である。
【００９２】
例えば、上記においては、過給装置としてターボチャージャ６０を用いる例について説明したが、これに限定されるものではない。各実施形態におけるターボチャージャ６０に代えて、エンジン動力によって過給動作する機械式スーパーチャージャを用いてもよい。また、ターボチャージャ及び機械式スーパーチャージャの組合せによって、過給装置を複数段に設けてもよい。さらに、ターボチャージャまたは機械式スーパーチャージャまたはそれらの組み合わせに電動圧縮機を加えてもよい。
【００９３】
例えば、電動圧縮機は、コンプレッサホイール及びモータを有する。コンプレッサホイールは、このモータによって回転駆動される。モータの駆動は、電動過給制御装置によって制御される。電動過給制御装置は、燃焼切替制御装置１１からの指令を受けてモータを回転駆動する。そのモータによってコンプレッサホイールが回転駆動されることで、エンジン１２に供給される空気が加圧（すなわち過給）される。このような構成では、電動圧縮機によっても吸気の過給圧が制御される。このような電動圧縮機を設けることで、エンジンの運転状態が変化した際に素早く十分な過給圧を得ることができ、ＮＯｘ発生を低減することができる。なお、この構成では、電動圧縮機のモータが、過給圧調整装置の一部を構成する。
【００９４】
また、内燃機関システムのターボチャージャ６０は、排ガス流速を可変する可変ノズルベーン付きタービンを有してもよい。可変ノズルベーンでタービンに当たる排ガス流速を可変とすることで、ターボチャージャ６０による過給圧を調整できる。可変ノズルベーンの開度調整は、燃焼切替制御装置１１からの指令を受けて行われる。この構成では、ターボチャージャ６０において、可変ノズルベーンによって過給圧が規定値以上になるのを防止できるので、タービンバイパス流路３６及びウエストゲートバルブ４２を省略できる。なお、この構成では、可変ノズルベーンが、過給圧調整装置の一部を構成する。
【００９５】
また、圧縮空気を貯留する蓄圧タンクを設け、蓄圧タンクから供給された圧縮空気を過給に用いることもできる。例えば、蓄圧タンクのバルブの開度を調整することで、吸気の過給圧を制御できる。このとき、蓄圧タンクは過給装置を構成し、蓄圧タンクのバルブが過給圧調整装置の一部を構成する。また、蓄圧タンクによりターボチャージャ６０による過給をアシストする構成としてもよい。このとき、蓄圧タンクから供給される圧縮空気を吸気絞り弁２６の吸気方向下流側、または、タービン６５の排気方向上流側に導入して、過給をアシストする構成としてもよい。
【符号の説明】
【００９６】
１０，１０ａ  内燃機関システム、１１  燃焼切替制御装置、１２  エンジン、１４  シリンダ、１６  燃料噴射装置、１８  噴射制御装置（噴射制御部）、２０  回転数センサ（回転数取得手段）、２１  吸気系、２２  第１吸気通路、２４  第２吸気通路、２６  吸気絞り弁、２８  吸排気制御装置、３０  排気系、３２  第１排気通路、３４  第２排気通路、３６  タービンバイパス流路、３８  三元触媒、４０  ＮＯｘ還元触媒、４２  ウエストゲートバルブ（過給圧調整装置）、５０  排気還流装置、５２  排気還流通路、５４  排ガス還流量調整弁（排気還流量調整装置）、６０  ターボチャージャ（過給装置）、６２  コンプレッサ室、６３，７２  コンプレッサホイール、６４  タービン室、６５  タービン、６６  シャフト、８０  排気温センサ（温度取得手段）、８１  ＮＯｘセンサ（触媒出口濃度取得手段）、８２  尿素添加装置（還元剤添加装置）、８３  尿素添加量制御装置、８４  ＮＨ3吸着量推定装置（吸着量推定部）、８５  ＮＯｘ排出量推定装置（エンジン出口濃度取得手段）、８６  時間計測装置（時間計測部）、８７  運転履歴記憶部、８８  外気温センサ、８９  触媒温度推定装置（触媒温度推定部）。
【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】
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【図６】
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【図７】
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