(57)【要約】【課題】本発明の目的は、電動機付ターボチャージャを利用して、強制的に排気空燃比をリッチにしてＮＯｘ吸収材からＮＯｘを放出させる際に、より確実にＮＯｘを放出させることのできる内燃機関の制御装置を提供すること。【解決手段】本発明の内燃機関の制御装置は、排気空燃比がリーンの時に窒素酸化物ＮＯｘを吸収し、リッチ又はストイキの時にＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収材（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒）２９と、内燃機関に付随して配設されたターボチャージャ１１と、排気流によってタービン／コンプレッサ１１ａを回転させて過給圧を変更し得ると共に排気エネルギーによって回生発電を行い得る電動機１１ｂと、電動機１１ｂを制御する電動機制御手段１６，２１とを備え、電動機制御手段１６，２１が、排気空燃比がリッチにされてＮＯｘ吸収材２９からＮＯｘが放出される際に、吸入空気量を低減させるように電動機１１ｂを制御することを特徴としている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路上に配設され、流入する排気ガスの排気空燃比がリーンの時に窒素酸化物ＮＯｘを吸収し、リッチ又はストイキの時に吸収した窒素酸化物ＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収材と、
内燃機関に付随して配設されたターボチャージャと、
排気流によって該ターボチャージャのタービン／コンプレッサを回転させて過給圧を変更し得ると共に排気エネルギーによって回生発電を行い得る電動機と、
前記電動機の駆動・回生発電制御を行う電動機制御手段とを備え、
前記電動機制御手段が、排気空燃比が強制的にリッチにされて前記ＮＯｘ吸収材から吸収したＮＯｘが放出される際に、吸入空気量を低減させるように前記電動機を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記電動機制御手段が、前記電動機に供給する駆動用通電量を低下させて吸入空気量を低減させ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。
【請求項３】
前記電動機制御手段が、前記電動機から回収する回生発電量を増加させて吸入空気量を低減させ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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路上にＮＯｘ吸収材を有すると共にタービン／コンプレッサに電動機が組み込まれたターボチャージャを有している内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年になって、燃費向上や排気ガスのクリーン化に対する要望が強くなっており、リーンバーンエンジンなども実用されている。リーンバーンエンジンにおいては、リーンバーン時に排出されるＮＯｘの浄化のためにＮＯｘ吸収材を三元触媒と併用したり、ＮＯｘ吸蔵還元型の排気浄化触媒を採用するなどして、排気ガス中のＮＯｘの浄化率を向上させている。ＮＯｘ吸収材は、流入する排気ガスの排気空燃比がリーンの時に窒素酸化物ＮＯｘを吸収し、リッチ又はストイキの時に吸収した窒素酸化物ＮＯｘを放出する性質を有しており、排気空燃比がリーンの時に排出されるＮＯｘを一旦吸収・吸蔵し、排気空燃比がリッチ又はストイキとなったときに放出して三元触媒（ＮＯｘ吸蔵還元型排気浄化触媒の場合はそれ自身）で浄化させる。吸蔵したＮＯｘを強制的に浄化させるため、排気空燃比を短時間強制的にリッチにするいわゆるリッチスパイクなどが行われることもある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−５５９４６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
リッチスパイクを行う内燃機関としては［特許文献１］に記載のものが知られている。［特許文献１］に記載の内燃機関においては、リッチスパイク時に増量して噴射された燃料の霧化が促進されるようにターボチャージャによる過給圧を上げるものである。ターボチャージャを有する内燃機関においてリッチスパイクを行うと排気エネルギーが増大して過給圧が上昇するため、リッチになりにくいという傾向がある。［特許文献１］ではさらに霧化促進のためにさらに過給圧を上げる（吸入空気量を増やす）ため、排気空燃比を十分にリッチにできずにリッチスパイクの効果が十分に得られないことが懸念される。
【０００５】
本発明における内燃機関にはタービン／コンプレッサに電動機（モータ）を組み込んだ電動機付ターボチャージャが付随して配設されており、電動機を駆動して強制的にタービン／コンプレッサを駆動して過給をアシストしたり、排気エネルギーを利用して電動機に回生発電を行わせることが可能である。本発明の目的は、電動機付ターボチャージャを利用して、強制的に排気空燃比をリッチにしてＮＯｘ吸収材からＮＯｘを放出させる際（リッチスパイク時など）に、より確実かつより早期にＮＯｘを放出させることのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気通路上に配設され、流入する排気ガスの排気空燃比がリーンの時に窒素酸化物ＮＯｘを吸収し、リッチ又はストイキの時に吸収した窒素酸化物ＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収材と、内燃機関に付随して配設されたターボチャージャと、排気流によって該ターボチャージャのタービン／コンプレッサを回転させて過給圧を変更し得ると共に排気エネルギーによって回生発電を行い得る電動機と、電動機の駆動・回生発電制御を行う電動機制御手段とを備え、電動機制御手段が、排気空燃比が強制的にリッチにされてＮＯｘ吸収材から吸収したＮＯｘが放出される際に、吸入空気量を低減させるように電動機を制御することを特徴としている。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、電動機制御手段が、電動機に供給する駆動用通電量を低下させて吸入空気量を低減させることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、電動機制御手段が、電動機から回収する回生発電量を増加させて吸入空気量を低減させることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の制御装置の一実施形態について以下に説明する。本実施形態の制御装置を有するエンジン１を図１に示す。
【００１０】
本実施形態で説明するエンジン１は、多気筒エンジンであるが、ここではそのうちの一気筒のみが断面図として図１に示されている。エンジン１は、インジェクタ２によってシリンダ３内のピストン４の上面に燃料を噴射するタイプのエンジンである。このエンジン１は、成層燃焼が可能であり、いわゆるリーンバーンエンジンである。後述するターボチャージャによってより多くの吸入空気を過給してリーンバーンを行うことによって、高出力化だけでなく低燃費化をも実現し得るものである。
【００１１】
エンジン１は、吸気通路５を介してシリンダ３内に吸入した空気をピストン４によって圧縮し、ピストン４の上面に形成された窪みの内部に燃料を噴射して濃い混合気を点火プラグ７近傍に集め、これに点火プラグ７で着火させて燃焼させ得る（成層燃焼）。吸気行程に燃料噴射すれば、通常の均質燃焼も行える。シリンダ３の内部と吸気通路５との間は、吸気バルブ８によって開閉される。燃焼後の排気ガスは排気通路６に排気される。シリンダ３の内部と排気通路６との間は、排気バルブ９によって開閉される。吸気通路５上には、上流側からエアクリーナ１０、エアフロメータ２７、ターボユニット１１、インタークーラー１２、スロットルバルブ１３などが配置されている。
【００１２】
エアクリーナ１０は、吸入空気中のゴミや塵などを取り除くフィルタである。本実施形態のエアフロメータ２７は、ホットワイヤ式のものであり、吸入空気量を質量流量として検出するものである。ターボユニット１１は、吸気通路５と排気通路６との間に配され、過給を行うものである。本実施形態のターボユニット１１においては、タービン側インペラーとコンプレッサ側インペラーとが回転軸で連結されている（以下、この部分を単にタービン／コンプレッサ１１ａと言うこととする）。
【００１３】
また、本実施形態のターボチャージャは、タービン／コンプレッサ１１ａの回転軸が出力軸となるように電動機１１ｂが組み込まれている電動機付ターボチャージャである。電動機１１ｂは、排気エネルギーを用いて発電する発電機としても機能し得る。なお、ターボユニット１１は、排気エネルギーによってのみ過給を行う通常の過給機としても機能し得るが、電動機１１ｂによってタービン／コンプレッサ１１ａを強制的に駆動することでさらなる過給を行うこともできる。
【００１４】
また、排気エネルギーを利用して、タービン／コンプレッサ１１ａを介して電動機１１ｂを回転させることで回生発電させ、発電された電力を回収することもできる。電動機１１ｂは、タービン／コンプレッサ１１ａの回転軸に固定されたロータと、その周囲に配置されたステータとを主たる構成部分として有している。吸気通路５上のターボユニット１１の下流側には、ターボユニット１１による過給で圧力上昇に伴って温度が上昇した吸入空気の温度を下げる空冷式インタークーラー１２が配されている。インタークーラー１２によって吸入空気の温度を下げ、充填効率を向上させる。
【００１５】
インタークーラー１２の下流側には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ１３が配されている。本実施形態のスロットルバルブ１３は、いわゆる電子制御式スロットルバルブであり、アクセルペダル１４の操作量をアクセルポジショニングセンサ１５で検出し、この検出結果と他の情報量とに基づいてＥＣＵ１６がスロットルバルブ１３の開度を決定するものである。スロットルバルブ１３は、これに付随して配設されたスロットルモータ１７によって開閉される。また、スロットルバルブ１３に付随して、その開度を検出するスロットルポジショニングセンサ１８も配設されている。
【００１６】
スロットルバルブ１３の下流側には、吸気通路５内の圧力（過給圧・吸気圧）を検出する圧力センサ１９が配設されている。これらのセンサ１５，１８，１９，２７はＥＣＵ１６に接続されており、その検出結果をＥＣＵ１６に送出している。ＥＣＵ１６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等からなる電子制御ユニットである。ＥＣＵ１６には、上述したインジェクタ２、点火プラグ７や、電動機１１ｂ、等が接続されており、これらはＥＣＵ１６からの信号によって制御されている。ＥＣＵ１６には、このほかにも、吸気バルブ８の開閉タイミングを制御する可変バルブタイミング機構２０の油圧や、電動機１１ｂと接続されたコントローラ２１、バッテリ２２なども接続されている。
【００１７】
コントローラ２１は、電動機１１ｂの駆動を制御するだけでなく、電動機１１ｂが回生発電した電力の電圧変換を行うインバータとしての機能も有している。回生発電による電力は、コントローラ２１によって電圧変換された後にバッテリ２２に充電される。一方、排気通路６上には、ターボユニット１１の上流側に、排気空燃比を検出する空燃比センサ２８が配されている。空燃比センサ２８の上述したＥＣＵ１６に接続されており、その検出結果をＥＣＵ１６に送出している。本実施形態における空燃比センサ２８は、リーン域からリッチ域までリニアに空燃比を検出することのできる、いわゆるリニア空燃比センサである。
【００１８】
また、ターボユニット１１の下流側には、排気ガスを浄化する排気浄化触媒２３が取り付けられている。この排気浄化触媒２３は通常の三元触媒で、排気通路６の上流側に配設され、冷間始動時に排気温によってより早期に活性化温度まで昇温され、より早期に触媒機能を発現するものである。この排気浄化触媒２３の下流側には、ＮＯｘ吸収還元型の排気浄化触媒（以下単にＮＯｘ吸蔵還元型触媒とも言う）２９が配設されている。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２９は、三元触媒上にＮＯｘ吸収材をも担持させたもので、通常の三元触媒としての機能とＮＯｘ吸収材としての機能とを併有している。即ち、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２９はＮＯｘ吸収材でもある。
【００１９】
ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２９は、表面にアルミナの薄膜層がコーティングされた担体上に、白金やパラジウムやロジウムなどの貴金属の他にアルミナコーティング層上に、アルカリ金属（Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ，Ｃｓなど）、アルカリ土類金属（Ｂａ，Ｃａなど）又は希土類元素（Ｌａ，Ｙなど）などをもさらに担持させ、エンジンがリーン空燃比で運転されたときに排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵させることができるようにしたものである。このため、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２９は、上述したように、通常の三元触媒としての機能、即ち、理論空燃比近傍で燃焼されたときの排気ガス内のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを浄化する機能に加えて、排気ガス中に含まれる還元されないＮＯｘを吸蔵することができる。
【００２０】
ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２９に吸蔵されたＮＯｘは、リッチ空燃比あるいは理論空燃比（ストイキ空燃比）で燃焼されたときに放出され、排気ガス中のＨＣ，ＣＯによって還元されて浄化される（このときＨＣ，ＣＯは同時に酸化されて浄化される）。このため、リーンバーン領域での運転が継続した場合など、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２９のＮＯｘ吸蔵量が一杯に近づいたと判断されたときは、リッチ空燃比で短時間エンジンを運転して吸蔵されたＮＯｘを還元させる、いわゆるリッチスパイク運転が強制的に行われる場合もある。
【００２１】
また、排気通路６（空燃比センサ２８の上流側）から吸気通路５（圧力センサ１９の下流側に形成されたサージタンク部）にかけて排気ガスを還流させるためのＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）通路２４が配設されている。ＥＧＲ通路２４上には、排気ガス還流量を調節するＥＧＲバルブ２５が取り付けられている。ＥＧＲバルブ２５の開度制御も上述したＥＣＵ１６によって行われる。また、エンジン１のクランクシャフト近傍には、クランクシャフトの回転位置を検出するクランクポジショニングセンサ２６が取り付けられている。クランクポジショニングセンサ２６は、クランクポジションの位置からエンジン回転数を検出することもできる。
【００２２】
上述した内燃機関における制御について説明する。図２に、本実施形態における制御のフローチャートを示す。
【００２３】
図２のフローチャートの制御は、空燃比制御や通常の電動機制御と並行して実行されている。そして、電動機制御に関しては、通常の電動機制御に対して割り込む形で実行される。なお、通常の電動機制御とは、目標過給圧と実過給圧とから電動機１１ｂによる過給アシスト量（電動機１１ｂへの通電量）を決定すると共に、エンジン１の状況によっては過給アシストではなく回生発電を行わせる制御である。なお、電動機１１ｂは、ＥＣＵ１６とコントローラ２１とが協調して制御しており、これらが電動機制御手段として機能している。
【００２４】
まず、リッチスパイク要求が生成されているか否かが判定される（ステップ２００）。リッチスパイク要求は、平行して実行されている空燃比制御において生成される。この空燃比制御では、上述したようにリッチスパイクが行われる場合があり、このときリッチスパイク要求が生成され、これに基づいて燃料噴射量が制御される。なお、このとき、必要があればスロットルバルブ１３によって吸入空気量が制御されたり、ＥＧＲバルブ２５に排気ガス還流量が制御される。例えば、リーンバーン領域での運転が継続されているような場合はＮＯｘ吸蔵還元型触媒２９にはＮＯｘが蓄積されていくので、リーンバーン領域での運転が数十秒継続したらリッチスパイクがコンマ数秒から１秒程度行われる。
【００２５】
リッチスパイク要求がなければ、図２に示されるフローチャートの制御を終えるが、リッチスパイク要求がある場合は、電動機１１ｂを制御して吸入空気量を低減させるべく、まず、電動機１１ｂが駆動中であるかどうかを判定する（ステップ２１０）。電動機１１ｂが駆動中であるとは、電動機１１ｂに対して駆動電力が供給されており、電動機１１ｂによる過給アシストが行われている最中であるということである。ステップ２１０が肯定される場合は、まず、電動機１１ｂへの駆動電力の供給を停止して電動機１１ｂによる過給アシストを停止させ（ステップ２２０）、回生発電を開始する（ステップ２３０）。
【００２６】
過給アシストを停止させ、かつ、回生発電を開始させることで、タービン／コンプレッサ１１ａの回転に抵抗が生じることとなり、この結果、吸入空気量を低減させることとなる。リッチスパイク時に吸入空気量を低減させることで、よりリッチ度合いを増すことができ、より確実に、また、より多くのＮＯｘを放出させることができる。本実施形態では、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２９から放出されたＮＯｘは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２９自身によって浄化される。また、電動機１１ｂを制御して吸入空気量を直接的に低減させるため、より早期にリッチな状態を実現することができるので、より早期にリッチスパイクの効果が得られる。
【００２７】
一方、ステップ２１０が否定される場合は、次いで、電動機１１ｂによる回生発電が既に行われているか否かを判定する（ステップ２４０）。ステップ２４０が否定される場合、即ち、電動機１１ｂによって過給アシストも回生発電も行われていない場合は、回生発電を開始して（ステップ２３０）、吸入空気量を低減させる。この場合も、リッチスパイクの効果をより確実に、かつ、より早期に得ることができる。また、ステップ２４０が肯定される場合は、回生発電量を増加させる（ステップ２５０）。制御にもよるが、コントローラ２１によって回生発電量を可変制御しているような場合は本実施形態のように、回生発電量を増加させることでも吸入空気量を低減させることができる。
【００２８】
最大発電量を既に発電しているような場合は、スロットルバルブ１３の開度を絞るなどしても良い。ステップ２３０によって開始された回生発電、又は、ステップ２５０によって発電量が増加された回生発電は、所定時間継続される（ステップ２６０）。この所定時間としては、例えば、リッチスパイクの時間に合わせた時間が考えられる。なお、より早期にリッチに移行させればその状況は維持され得るため、本実施形態のように所定時間だけ電動機１１ｂによって吸入空気量を低減させてリッチな状態に移行させるだけで十分な効果が得られる。この所定時間は、予め実験によって最適な時間が決定されている。また、この所定時間は固定値としても良いし、過給圧やリッチ度合い（リッチスパイク実行時の空燃比やその前後の空燃比差など）に基づいて可変制御しても良い。
【００２９】
電動機１１ｂによって所定時間吸入空気量を低減させた後、通常の状態に復帰する（ステップ２７０）。即ち、上述したように、目標過給圧と実過給圧とから電動機１１ｂによる過給アシスト量（電動機１１ｂへの通電量）を決定すると共に、エンジン１の状況によっては過給アシストではなく回生発電を行わせる制御に基づいて電動機１１ｂが制御される。その後、再度リッチスパイクが行われる場合は、上述した図２のフローチャートの制御が実行される。本実施形態では、電動機１１ｂによる吸入空気量低減に伴って、回生発電が開始されたり、その回生発電量が増加されるので、電気エネルギーの回収によってエネルギー効率を向上させることができるという利点もある。
【００３０】
なお、リッチスパイク時には、エンジン１の出力トルクに段差が生じ得る。特に、リーンバーン領域での運転時にリッチスパイクが実行されれば、空燃比はリーンから一気にリッチとなるので、トルクの段差も顕著になりやすい。そこで、本実施形態では、このトルクの段差は点火時期を調節し（遅角し）、リッチスパイクの実行前後での出力トルクがほぼ同等となるようにしている。
【００３１】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態においては、リッチスパイク実行時（排気空燃比を強制的にリッチにしてＮＯｘ吸収材からＮＯｘを放出させる際）に、ターボチャージャの電動機が駆動中（過給アシスト中）である場合は、電動機を停止し、かつ、電動機による回生発電を開始した。しかし、駆動中の電動機を停止させるだけでも吸入空気量を低減させる効果はあるので、駆動中の電動機を停止させるだけでも良い。
【００３２】
また、ＮＯｘ吸収材（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒）には、硫黄酸化物ＳＯｘがＮＯｘよりも安定的に吸蔵されてしまうという性質がある。このため、燃料やエンジンオイル中の硫黄成分がＳＯｘとしてＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸蔵され、ＮＯｘを吸蔵する容量が減少する、いわゆるＳＯｘ被毒が生じ得る。このＳＯｘ被毒を解消するためにもリッチスパイクが行われ得るが、この場合のリッチスパイクにおいてもＳＯｘと同時にＮＯｘも放出されるため、このときに電動機を制御して吸入空気量を低減させれば本発明の範囲内である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の制御装置によれば、排気空燃比を強制的にリッチにしてＮＯｘ吸収材からＮＯｘを放出させる際に電動機によって吸入空気量を低減させることで、より早期により確実に排気空燃比をリッチに移行させることができ、ＮＯｘの放出効果をより早期かつ確実に得ることができる。ここで、電動機への通電量を低下させることで吸入空気量を低減させれば、無駄な電気エネルギーの消費を抑制してエネルギー効率を向上させることができる。ここで、電動機による回生発電量を増加させれば、電気エネルギーの回収行え、エネルギー効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御装置の一実施形態を有する内燃機関（エンジン）の構成を示す構成図である。
【図２】本発明の制御装置の一実施形態による電動機制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１…エンジン、２…インジェクタ、３…シリンダ、４…ピストン、５…吸気通路、６…排気通路、７…点火プラグ、８…吸気バルブ、９…排気バルブ、１０…エアクリーナ、１１…ターボユニット、１１ａ…タービン、１１ｂ…電動機、１２…インタークーラー、１３…エアクリーナ、１３…スロットルバルブ、１４…アクセルペダル、１５…アクセルポジショニングセンサ、１６…ＥＣＵ（電動機制御手段）、１７…スロットルモータ、１８…スロットルポジショニングセンサ、１９…圧力センサ、２０…可変バルブタイミング機構、２１…コントローラ（電動機制御手段）、２２…バッテリ、２３…排気浄化触媒（三元触媒）、２４…ＥＧＲ通路、２５…ＥＧＲバルブ、２６…クランクポジショニングセンサ、２７…エアフロメータ、２８…空燃比センサ、２９…ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＮＯｘ吸収材）。
【図１】
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【図２】
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