(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入空気量を調整する空気量調整手段と、内燃機関に燃料を供給する燃料噴射弁と、筒内の混合気に点火する点火装置と、排気ガスを浄化する排気浄化装置とを備える前記内燃機関を制御し、かつ、理論空燃比以下の空燃比での第１燃焼と理論空燃比よりも大きな空燃比での第２燃焼とを実施可能な内燃機関の制御装置であって、
第２燃焼から第１燃焼に切り替える際に第１切替モードもしくは第２切替モードを実行する燃焼切替実行手段を備え、
前記第１切替モードを実行する場合に前記燃焼切替実行手段は、吸入空気量を減少させ、かつ、吸入空気量の当該減少に伴って燃料噴射量を徐々に増加させるとともに点火時期を徐々に遅角することによって、第２燃焼から第１燃焼への切り替えの前後で要求トルクに対するエンジントルクの変化を抑制し、
前記第２切替モードを実行する場合に前記燃焼切替実行手段は、燃料噴射量のステップ的な増加と点火時期のステップ的な遅角とを行うことで空燃比を第１燃焼での目標空燃比に向けてステップ的に変更し、前記目標空燃比の変更後に吸入空気量を減少させつつ燃料噴射量を徐々に減少させるとともに点火時期を徐々に進角させ、
前記第１切替モードは、ＮＯｘ量が第１所定値未満となる状況下において実行され、一方、前記第２切替モードは、前記ＮＯｘ量が前記第１所定値以上となる状況下において実行され、
前記ＮＯｘ量は、第２燃焼から第１燃焼への切り替えを前記第１切替モードを実行して行うと仮定した場合に空燃比の切り替えの過程で筒内から排出される筒内排出ＮＯｘの総排出量、もしくは、前記排気浄化装置が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を備える場合であれば当該切り替えの過程で筒内から排出される筒内排出ＮＯｘのうちで前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されずに下流に吹き抜ける吹き抜けＮＯｘの総排出量を含む
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記ＮＯｘ量を推定するＮＯｘ排出量推定手段をさらに備え、
前記燃焼切替実行手段は、前記ＮＯｘ排出量推定手段により推定された前記ＮＯｘ量が前記第１所定値未満である場合には前記第１切替モードを実行し、推定された前記ＮＯｘ量が前記第１所定値以上である場合には前記第２切替モードを実行す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ＮＯｘ量は、前記筒内排出ＮＯｘの総排出量を含み、
前記ＮＯｘ排出量推定手段は、第２燃焼から第１燃焼に切り替える過程での吸入空気量の変化率に基づいて、筒内排出ＮＯｘの前記総排出量を推定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記ＮＯｘ排出量推定手段は、第２燃焼から第１燃焼への切り替えが要求されたときの吸入空気量と切り替え後の第１燃焼に必要な要求吸入空気量との差の絶対値を少なくともパラメータとして筒内排出ＮＯｘの前記総排出量を規定するマップに従って、筒内排出ＮＯｘの前記総排出量を算出することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記燃焼切替実行手段は、第２燃焼から第１燃焼への切り替えが要求されたときの吸入空気量と切り替え後の第１燃焼に必要な要求吸入空気量との差の絶対値が第２所定値未満である場合には前記第１切替モードを実行し、一方、前記差の絶対値が前記第２所定値以上である場合には前記第２切替モードを実行す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６】
前記排気浄化装置は、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を含み、
前記ＮＯｘ量は、前記筒内排出ＮＯｘの総排出量もしくは前記吹き抜けＮＯｘの総排出量と、第２燃焼から第１燃焼への切り替えを前記第１切替モードを実行して行うと仮定した場合に空燃比の切り替えに伴って前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒から脱離した後に還元されずに下流に流れていくＮＯｘの総排出量との和であ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７】
前記排気浄化装置は、選択還元型ＮＯｘ触媒を含み、
前記第１所定値は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＨ３吸蔵量に基づいて決定されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１つに記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、理論空燃比以下の空燃比での第１燃焼と理論空燃比よりも大きな空燃比での第２燃焼とを実施可能な内燃機関を制御する装置として好適な内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１には、内燃機関の空燃比制御装置が開示されている。この空燃比制御装置は、燃焼空燃比の切り替え時にエンジン出力変化を抑制するために点火時期制御を行う。より具体的には、エンジン負荷が高いほど、点火時期の遅角量に対する発生トルクの低減量が大きくなる。そこで、上記制御装置では、燃焼空燃比の切り替え時に点火時期の遅角を行う場合には、変速機を用いてエンジン出力を変化させないようにしつつエンジン運転状態を高回転低負荷側の状態に変化させ、これにより、点火時期の変化量に対する発生トルクの変化量を小さくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２３１８０７号公報
【特許文献２】特開２０１３−２４１８９６号公報
【特許文献３】特開２００６−２９１８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
理論空燃比よりも大きな空燃比での第２燃焼（リーン燃焼）から理論空燃比以下の空燃比での第１燃焼（ストイキ燃焼、もしくは理論空燃比よりも小さな空燃比でのリッチ燃焼）に切り替える場合には、次のような配慮がなされていることが望ましい。すなわち、第２燃焼と第１燃焼との切り替えは、上記特許文献１に記載の技術において行われているように、エンジントルクに段差が生じないようにしつつ行うことが要求される。ここで、第２燃焼と第１燃焼では、同じエンジントルクを実現するために必要な吸入空気量が異なる。このため、燃焼を切り替えるときには、燃料噴射量および点火時期を吸入空気量の調整とともに調整してエンジントルクをスムーズに繋げることが必要となる。そして、このような燃焼の切り替えは、切り替えの過程での燃費低減と当該切り替えに伴うＮＯｘ排出抑制とに配慮されたものであることが望ましい。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第２燃焼から第１燃焼への燃焼の切り替えの過程での燃費低減と当該切り替えに伴うＮＯｘ排出抑制とを両立しつつ、当該切り替えを行えるようにした内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る内燃機関の制御装置は、空気量調整手段と、燃料噴射弁と、点火装置と、排気浄化装置と、を備える内燃機関を制御し、かつ、理論空燃比以下の空燃比での第１燃焼と理論空燃比よりも大きな空燃比での第２燃焼とを実施可能なものである。内燃機関の制御装置は、燃焼切替実行手段を備える。空気量調整手段は、吸入空気量を調整する。燃料噴射弁は、前記内燃機関に燃料を供給する。点火装置は、筒内の混合気に点火する。排気浄化装置は、排気ガスを浄化する。燃焼切替実行手段は、第２燃焼から第１燃焼に切り替える際に第１切替モードもしくは第２切替モードを実行する。前記第１切替モードを実行する場合に前記燃焼切替実行手段は、吸入空気量を減少させ、かつ、吸入空気量の当該減少に伴って燃料噴射量を徐々に増加させるとともに点火時期を徐々に遅角することによって、第２燃焼から第１燃焼への切り替えの前後で要求トルクに対するエンジントルクの変化を抑制する。前記第２切替モードを実行する場合に前記燃焼切替実行手段は、燃料噴射量のステップ的な増加と点火時期のステップ的な遅角とを行うことで空燃比を第１燃焼での目標空燃比に向けてステップ的に変更し、前記目標空燃比の変更後に吸入空気量を減少させつつ燃料噴射量を徐々に減少させるとともに点火時期を徐々に進角させる。前記第１切替モードは、ＮＯｘ量が第１所定値未満となる状況下において実行され、一方、前記第２切替モードは、前記ＮＯｘ量が前記第１所定値以上となる状況下において実行される。前記ＮＯｘ量は、第２燃焼から第１燃焼への切り替えを前記第１切替モードを実行して行うと仮定した場合に空燃比の切り替えの過程で筒内から排出される筒内排出ＮＯｘの総排出量、もしくは当該切り替えの過程で筒内から排出される筒内排出ＮＯｘのうちで前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されずに下流に吹き抜ける吹き抜けＮＯｘの総排出量を含む。
【０００７】
前記制御装置は、前記ＮＯｘ量を推定するＮＯｘ排出量推定手段をさらに備えるものであってもよい。そして、前記燃焼切替実行手段は、前記ＮＯｘ排出量推定手段により推定された前記ＮＯｘ量が前記第１所定値未満である場合には前記第１切替モードを実行し、推定された前記ＮＯｘ量が前記第１所定値以上である場合には前記第２切替モードを実行するものであってもよい。
【０００８】
前記ＮＯｘ量は、前記筒内排出ＮＯｘの総排出量を含むものであってもよい。そして、前記ＮＯｘ排出量推定手段は、第２燃焼から第１燃焼に切り替える過程での吸入空気量の変化率に基づいて、筒内排出ＮＯｘの前記総排出量を推定するものであってもよい。
【０００９】
前記ＮＯｘ排出量推定手段は、第２燃焼から第１燃焼への切り替えが要求されたときの吸入空気量と切り替え後の第１燃焼に必要な要求吸入空気量との差の絶対値を少なくともパラメータとして筒内排出ＮＯｘの前記総排出量を規定するマップに従って、筒内排出ＮＯｘの前記総排出量を算出するものであってもよい。
【００１０】
前記燃焼切替実行手段は、第２燃焼から第１燃焼への切り替えが要求されたときの吸入空気量と切り替え後の第１燃焼に必要な要求吸入空気量との差の絶対値が第２所定値未満である場合には前記第１切替モードを実行し、一方、前記差の絶対値が前記第２所定値以上である場合には前記第２切替モードを実行するものであってもよい。
【００１１】
前記排気浄化装置は、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を含むものであってもよい。そして、前記ＮＯｘ量は、前記筒内排出ＮＯｘの総排出量もしくは前記吹き抜けＮＯｘの総排出量と、第２燃焼から第１燃焼への切り替えを前記第１切替モードを実行して行うと仮定した場合に空燃比の切り替えに伴って前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒から脱離した後に還元されずに下流に流れていくＮＯｘの総排出量との和であることが好ましい。
【００１２】
前記排気浄化装置は、選択還元型ＮＯｘ触媒を含むものであってもよい。そして、前記第１所定値は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＨ３吸蔵量に基づいて決定されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、第２燃焼から第１燃焼への切り替えが要求された場合に、当該切り替えを第１切替モードを実行して行うと仮定した場合に空燃比の切り替えの過程で筒内から排出される筒内排出ＮＯｘの総排出量、もしくは当該切り替えの過程で筒内から排出される筒内排出ＮＯｘのうちで前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されずに下流に吹き抜ける吹き抜けＮＯｘの総排出量を含むＮＯｘ量が第１所定値未満となる状況下では、燃費低減の観点で優れた第１切替モードが使用される。一方、上記ＮＯｘ量が第１所定値以上となる状況下では、ＮＯｘ排出抑制の観点で優れた第２切替モードが使用される。これにより、燃費低減とＮＯｘ排出抑制という観点で、切り替えが要求されたときの個々の状況に適した切替モードが選択できるようになる。このため、本発明によれば、トルク段差を抑制しつつ第２燃焼から第１燃焼に切り替えようとする際に、燃費低減とＮＯｘの排出抑制とを好適に両立させられるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る内燃機関のシステム構成を概略的に説明するための図である。
【図２】エンジン運転領域と燃焼方式との関係の一例を表した図である。
【図３】第１切替モードの動作を表したタイムチャートである。
【図４】第２切替モードの動作を表したタイムチャートである。
【図５】ＮＯｘ排出量と空燃比（Ａ／Ｆ）との関係を表した図である。
【図６】リーン燃焼からストイキ燃焼への切り替えの過程の各サイクルにおいて筒内から排出されるＮＯｘの量の推定手法を説明するためのタイムチャートである。
【図７】エンジントルクと吸入空気量と空燃比との関係を表した図である。
【図８】筒内からのＮＯｘの排出量と空燃比との関係を表した図である。
【図９】ＮＳＲ触媒のＮＯｘ浄化率と床温との関係を表した図である。
【図１０】燃焼の切り替えに伴って発生するしみ出しＮＯｘの量の推定手法の一例を説明するための図である。
【図１１】吹き抜けＮＯｘの総排出量の推定値としみ出しＮＯｘの総排出量の推定値との和（ＮＯｘ量Ｘ）の時間変化の一例を表した図である。
【図１２】ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化量とＮＨ３吸蔵量との関係を表した図である。
【図１３】本発明の実施の形態１に係る制御の流れを示すフローチャートである。
【図１４】スロットルバルブを最速でステップ的に閉じるようにした場合の課題を説明するための図である。
【図１５】図１４を参照して説明した課題への対策がなされた第１切替モードを表したタイムチャートである。
【図１６】図１４を参照して説明した課題への対策がなされた第２切替モードを表したタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
まず、図１〜図１３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
［実施の形態１のシステムの構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る内燃機関１０のシステム構成を概略的に説明するための図である。図１に示す内燃機関１０は、内燃機関本体１２を備えている。内燃機関１０は、火花点火式エンジン（一例として、ガソリンエンジン）であり、車両に搭載され、その動力源とされているものとする。内燃機関本体１２の各気筒には、吸気通路１４および排気通路１６が連通している。
【００１６】
吸気通路１４の入口付近には、エアクリーナ１８が設けられている。エアクリーナ１８には、吸気通路１４に取り入れられた空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ２０が設けられている。エアクリーナ１８よりも下流側の吸気通路１４には、吸入空気を過給するために、ターボ過給機２２のコンプレッサ２２ａが配置されている。ターボ過給機２２は、排気ガスの排気エネルギによって作動するタービン２２ｂを排気通路１６に備えている。コンプレッサ２２ａは、連結軸２２ｃを介してタービン２２ｂと一体的に連結されており、タービン２２ｂに入力される排気ガスの排気エネルギによって回転駆動される。
【００１７】
コンプレッサ２２ａよりも下流側の吸気通路１４には、吸気通路１４を開閉する電子制御式のスロットルバルブ２４が配置されている。スロットルバルブ２４よりも下流側の吸気通路１４は、各気筒に向けて吸入空気を分配する吸気マニホールド２６として構成されている。吸気マニホールド２６の集合部（サージタンク）には、コンプレッサ２２ａによって圧縮された吸入空気を冷却するためのインタークーラ２８が配置されている。吸気通路１４におけるコンプレッサ２２ａとスロットルバルブ２４との間には、スロットル上流圧力、すなわち、過給圧を計測するための第１吸気圧力センサ３０が配置されている。また、吸気マニホールド２６には、スロットル下流圧力、すなわち、吸気マニホールド圧力を計測するための第２吸気圧力センサ３２が配置されている。
【００１８】
各気筒には、燃焼室３４内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁３６と、燃焼室３４内の混合気に点火するための点火プラグ３８とが備えられている。燃焼室３４内に燃料を供給する燃料噴射弁としては、燃料噴射弁３６に代え、あるいはそれとともに各吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁が用いられていてもよい。
【００１９】
排気通路１６には、タービン２２ｂをバイパスする排気バイパス通路４０が接続されている。排気バイパス通路４０には、排気バイパス通路４０を開閉するバイパスバルブとして、ウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）４２が配置されている。ＷＧＶ４２は、一例として電動式であり、所定の開度制御範囲内で任意の開度に調整可能に構成されている。ＷＧＶ４２の開度を変更することにより、タービン２２ｂを通過する排気ガスの流量を調整してコンプレッサ２２ａの駆動力を調整することができる。
【００２０】
また、タービン２２ｂよりも上流側の排気通路１６には、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４４が配置されている。空燃比センサ４４よりも下流側の排気通路１６には、排気ガスを浄化するための排気浄化装置が配置されている。具体的には、一例として、排気ガスの上流側から順に、三元触媒４６、ＮＳＲ触媒（吸蔵還元型ＮＯｘ触媒）４８およびＳＣＲ触媒（選択還元型ＮＯｘ触媒）５０が備えられている。
【００２１】
さらに、本実施形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)６０を備えている。ＥＣＵ６０は、少なくとも入出力インターフェースとメモリと演算処理装置（ＣＰＵ）とを備えている。入出力インターフェースは、内燃機関１０もしくはこれを搭載する車両に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、内燃機関１０が備える各種アクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられている。ＥＣＵ６０が信号を取り込むセンサには、上述したエアフローメータ２０、吸気圧力センサ３０および３２ならびに空燃比センサ４４に加え、クランク軸の回転位置およびエンジン回転速度を取得するためのクランク角センサ６２等のエンジン運転状態を取得するための各種センサが含まれる。上記センサには、内燃機関１０を搭載する車両のアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するためのアクセル開度センサ６４も含まれる。ＥＣＵ６０が操作信号を出すアクチュエータには、上述したスロットルバルブ２４、燃料噴射弁３６、点火プラグ３８を利用する点火装置（図示省略）、およびＷＧＶ４２等のエンジン運転を制御するための各種アクチュエータが含まれる。メモリには、内燃機関１０を制御するための各種の制御プログラムおよびマップ等が記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて各種アクチュエータの操作信号を生成する。
【００２２】
［前提とするエンジントルク制御］
本実施形態のシステムでのエンジントルク制御では、アクセル開度に応じて要求トルクが算出され、算出された要求トルクを目標トルクとしてエンジントルクが制御される。より具体的には、要求トルクが算出されると、現在の空燃比の下で要求トルクを実現するために必要な要求吸入空気量（筒内に吸入される空気量の要求値）が算出される。吸入空気量（筒内空気量）の計算は、公知のエアモデルを用いて行うことができる。点火時期は、基本的には、空燃比に応じたＭＢＴ点火時期に制御される。
【００２３】
内燃機関１０の場合には、吸入空気量は、スロットルバルブ２４とＷＧＶ４２とを用いて調整することができる。低負荷側のトルク領域では、ＷＧＶ４２の開度を開度制御範囲内の最大開度にて開いた状態で、スロットルバルブ２４の開度調整によって要求吸入空気量が得られるように吸入空気量が調整される。この調整の下でスロットルバルブ２４が全開開度に到達するときの吸入空気量よりも多くの吸入空気量を必要とする領域（すなわち、過給領域）では、スロットルバルブ２４を全開開度にて開いた状態で、要求吸入空気量を実現する要求過給圧が得られるようにＷＧＶ４２の開度調整によって過給圧が調整され、これにより、過給領域での吸入空気量が要求吸入空気量となるように調整される。
【００２４】
［実施の形態１における燃焼の切り替え制御］
（ストイキ燃焼領域とリーン燃焼領域）
図２は、エンジン運転領域と燃焼方式との関係の一例を表した図である。図２に示すエンジン運転領域は、エンジントルク（エンジン負荷）とエンジン回転速度とによって規定されている。エンジン運転領域には、理論空燃比よりも大きな（リーンな）空燃比を用いるリーン燃焼領域が含まれている。リーン燃焼領域は、おおよそ、低中負荷かつ低中回転の領域に該当する。リーン燃焼領域よりも高負荷高回転側には、理論空燃比を用いる第１ストイキ燃焼領域が設けられている。また、リーン燃焼領域よりも低負荷低回転側にも、理論空燃比を用いる第２ストイキ燃焼領域が設けられている。第２ストイキ燃焼領域は、この領域においてリーン燃焼を行うと燃焼が不安定となるため、それを避けるために理論空燃比を用いる領域である。
【００２５】
リーン燃焼領域内の高負荷側の領域は、過給リーン燃焼領域として設定されている。過給リーン燃焼領域は、この領域内のエンジントルクをリーン燃焼で実現するために過給を必要とする領域である。この領域よりも低負荷側のリーン燃焼領域が、自然吸気リーン燃焼領域となる。なお、第２ストイキ燃焼領域は、過給を必要としない領域であり、一方、第１ストイキ燃焼領域内には、図示は省略するが、過給を必要とする過給領域と過給を必要としない自然吸気領域とが含まれている。
【００２６】
本実施形態の制御は、リーン燃焼からストイキ燃焼に切り替える際の動作に特徴を有している。リーン燃焼からストイキ燃焼への切り替えの態様としては、リーン燃焼を実施する自然吸気領域もしくは過給領域からストイキ燃焼を実施する自然吸気領域への切り替え、または、リーン燃焼を実施する自然吸気領域もしくは過給領域からストイキ燃焼を実施する過給領域への切り替えがある。リーン燃焼とストイキ燃焼との切り替えは、エンジントルクに段差が生じないようにしつつ行うことが要求される。ここで、リーン燃焼とストイキ燃焼では、同じエンジントルクを実現するために必要な吸入空気量が異なる。このため、燃焼を切り替えるときには、燃料噴射量および点火時期を吸入空気量の調整とともに調整してエンジントルクをスムーズに繋げることが必要となる。より具体的には、ストイキ燃焼の実施時においてリーン燃焼でのエンジントルクと同じエンジントルクを実現するために必要な吸入空気量は、リーン燃焼の実施時のそれよりも少なくなる。したがって、リーン燃焼からストイキ燃焼への切り替えは、エンジントルクを上げる場合（加速時）であっても、吸入空気量の減少を必要とするケースが多くなる。本実施形態では、吸入空気量の減少を伴ってリーン燃焼からストイキ燃焼に切り替える際の空燃比の切替モードとして、以下に説明する第１切替モードおよび第２切替モードが用いられる。
【００２７】
（第１切替モードと第２切替モード）
図３は、第１切替モードの動作を表したタイムチャートであり、図４は、第２切替モードの動作を表したタイムチャートである。図３および図４では、一例として、リーン燃焼を実施する過給領域からストイキ燃焼を実施する自然吸気領域への切り替えの動作について説明する。また、図３および図４は、燃焼の切り替えの前後で目標トルク（要求トルク）が一定である場合の動作を示している。
【００２８】
第１切替モードは、切り替え後のストイキ燃焼の下で要求トルクに相当する目標トルクを実現するために必要な要求吸入空気量ＫＬＳに向けて吸入空気量を減らしながら、空燃比をストイキ燃焼での目標空燃比（すなわち、理論空燃比）に向けて「連続的に（複数のサイクルを利用して）」切り替えるというものである。燃焼（すなわち、空燃比）の切り替えは、図３に示すように、切り替え要求が出されたときに直ちに開始される。具体的には、要求吸入空気量ＫＬＳが目標吸入空気量（破線）として算出される。この場合の切り替え後のストイキ燃焼は自然吸気の下で行われるものであるため、ＷＧＶ開度を開度制御範囲上の最大開度（全開開度）に制御することにより過給圧を下げつつ、目標吸入空気量ＫＬｓに対応する目標スロットル開度ＴＡｓが得られるようにスロットルバルブ２４が速やかに（より具体的には、ステップ的に）閉じられる。これに伴い、吸入空気量が目標吸入空気量ＫＬｓに向けて減少していく。なお、切り替えの前後で過給が行われる運転領域間でリーン燃焼からストイキ燃焼に切り替える場合には、スロットルバルブ２４は全開開度に制御されたままでＷＧＶ開度が開かれることによって吸入空気量が減らされることとなる。
【００２９】
第１切替モードに基づく切り替え中の空燃比は、変化していく実吸入空気量の下で目標トルクを維持するための値となるように燃料噴射量が調整されることで変更される。より具体的には、実吸入空気量が徐々に減少することに伴って燃料噴射量が徐々に増やされていく。ＭＢＴ点火時期は、吸入空気量およびエンジン回転速度等の運転条件に応じて変化するとともに、空燃比が理論空燃比に対して大きくなるにつれて進角する。このため、切り替えの過程での点火時期は、理論空燃比に向けて空燃比が小さくなるにつれ、現在の運転条件での燃焼に理論空燃比が用いられるときのＭＢＴ点火時期ＭＢＴｓに向けて徐々に遅角されていく。実空燃比が目標空燃比である理論空燃比に到達したときに、第１切替モードによる燃焼の切り替え動作が終了される。
【００３０】
一方、第２切替モードは、図４に示すように、燃焼の切り替え要求が出された場合に、まず、切り替え後の目標空燃比である理論空燃比に向けて空燃比を「ステップ的に（１サイクルで）」切り替えつつ、目標吸入空気量ＫＬＳに向けて吸入空気量を減少させるというものである。具体的には、切り替えが要求されたときに吸入空気量を減少させる動作（過給圧調整のための動作を含む）については、第１切替モードと同様である。ここでの空燃比のステップ的な切り替えは、燃料噴射量をステップ的に増加させることによって行われる。第１切替モードとの主な相違点は、空燃比を理論空燃比に向けてステップ的に切り替えることによってエンジントルクに段差が生じないようにするために、点火時期がステップ的に、かつ大幅に遅角される点にある。より具体的には、点火時期は、現在の運転条件での燃焼に理論空燃比が用いられるときのＭＢＴ点火時期ＭＢＴｓよりも遅角側の時期であってエンジントルクの段差の発生を抑制するために必要な時期に向けてステップ的に遅角される。
【００３１】
第２切替モードによれば、空燃比をステップ的に変化させた後に実吸入空気量が減少する過程での燃料噴射量は、実空燃比を理論空燃比で維持するために、実吸入空気量の減少に伴って徐々に減らされていく。また、空燃比をステップ的に変化させた後に実吸入空気量が減少する過程での点火時期は、目標トルクを維持するために、実吸入空気量の減少に伴い、ＭＢＴ点火時期ＭＢＴｓに向けて徐々に進角されていく。実吸入空気量が目標吸入空気量ＫＬｓに到達したときに、第２切替モードによる燃焼の切り替え動作が終了される。
【００３２】
（第１切替モードと第２切替モードの長所と短所）
第２切替モードは、上述のように、空燃比を理論空燃比に向けてステップ的に切り替えたときに目標トルクに対するエンジントルクの変化が発生することを抑制するために、点火時期の遅角を利用する。ＭＢＴ点火時期よりも点火時期を遅角することは燃費の悪化要因となる。これに対し、第１切替モードは、エンジントルクの変化抑制のために点火時期の遅角を利用しないため、第２切替モードと比べて、切り替えの過程での燃費という点において優れており、また、ロバスト性も高い。したがって、第１切替モードを主な切替モードとして利用することで、切り替えの過程での燃費低減に配慮した燃焼の切り替えを行えるようになる。その一方で、図３および図４を比較すると分かるように、第１切替モードでは、第２切替モードと比べて、空燃比の切り替えに要する時間が長くなる。
【００３３】
図５は、ＮＯｘ排出量と空燃比（Ａ／Ｆ）との関係を表した図である。燃焼室３４からのＮＯｘの排出量は、図５に示すように、理論空燃比よりも少し大きな空燃比（１６程度）にてピークがあり、これを超えて空燃比が大きくなるにつれて減少していく特性を有している。本実施形態のシステムでは、リーン燃焼領域にて用いる目標空燃比として、図５中に示すようにＮＯｘ排出量が十分に少なくなるレベルの値（すなわち、ＮＯｘ排出量が相対的に多くなる空燃比範囲（１６〜２０付近）内の値よりも大きな値）が使用されるようになっている。
【００３４】
上記のように第１切替モードは、空燃比の切り替えに時間を要する（すなわち、切り替えの過程で複数のサイクルの経過を必要とする）。このため、リーン燃焼での目標空燃比から理論空燃比に移行する過程で、図５に示すようにＮＯｘ排出量が多い空燃比（１６〜２０付近）での燃焼を経験することになる。このことは、各気筒からのＮＯｘ排出量の増加に繋がる。
【００３５】
（ＮＳＲ触媒からのしみ出しＮＯｘ）
ＮＳＲ触媒４８は、理論空燃比と比べて酸素過剰なリーン雰囲気下において排気ガス中のＮＯｘをＢａ(ＮＯ３)２等の硝酸塩の形態で吸蔵する。そして、外部から還元剤が供給されたとき、ＮＳＲ触媒４８は、吸蔵しているＮＯｘを放出し、還元剤とＮＯｘとを反応させてＮＯｘをＮＨ３およびＮ２に還元する。ただし、還元剤の供給量が不足するとき、ＮＳＲ触媒４８から脱離したＮＯｘは還元されずにそのまま下流へ排出される。このように、ＮＳＲ触媒４８からしみ出すように排出されるＮＯｘは、しみ出しＮＯｘと呼ばれる。
【００３６】
リーン燃焼からストイキ燃焼に切り替える状況では、還元剤の供給量が不足するので、しみ出しＮＯｘが発生する。より具体的には、切り替え前のＮＳＲ触媒４８内はリーン雰囲気である。ＮＳＲ触媒４８に流入するガスの雰囲気が上記切り替えに伴ってストイキ雰囲気に近くなってくると、ＮＳＲ触媒４８に吸蔵されていたＮＯｘの一部がＮＳＲ触媒４８から脱離して、しみ出しＮＯｘとなる。ＳＣＲ触媒５０をＮＳＲ触媒４８の下流に備える本実施形態のシステムでは、このしみ出しＮＯｘは、ＳＣＲ触媒５０に吸蔵されているＮＨ３と反応させることによってＮ２に還元して浄化することが予定されている。しかしながら、ＳＣＲ触媒５０のＮＨ３吸蔵量が不足すると、しみ出しＮＯｘを含む排気ガス中のＮＯｘを十分に浄化し切れなくなるおそれがある。ＳＣＲ触媒５０にてＮＯｘが浄化し切れないことがあると、浄化されなかったＮＯｘは大気中に排出されてしまうことになる。
【００３７】
（実施の形態１の特徴的な制御）
燃焼の切り替えは、切り替えの過程での燃費低減と（大気中への）ＮＯｘ排出抑制とに配慮されたものであることが望ましい。図３〜図５を参照した以上の説明から、切り替えの過程における燃費低減という観点では、第１切替モードが優れているといえる。切り替えに伴うＮＯｘ排出の抑制という観点では、空燃比をステップ的に切り替えることで各気筒からのＮＯｘの排出量を抑制させられるため、第２切替モードが優れているといえる。したがって、ＮＯｘの排出が許容レベルであれば、第１切替モードを利用することで、切り替えの過程における燃費低減を図ることができるといえる。また、ＮＳＲ触媒４８を備えている本実施形態のシステムの構成の場合には、リーン燃焼からストイキ燃焼への切り替えに伴って発生するしみ出しＮＯｘの存在をも考慮しつつＮＯｘ排出の抑制が図られるようになっていることが望ましい。
【００３８】
リーン燃焼運転時には、三元触媒４６はＮＯｘを還元させられないため、各気筒から排出されるＮＯｘは、そのままＮＳＲ触媒４８に流入する。ここで、リーン燃焼運転時にＮＳＲ触媒４８に流入したＮＯｘのうちでＮＳＲ触媒４８に吸蔵されずに下流に吹き抜けるＮＯｘを、「吹き抜けＮＯｘ」と称する。リーン燃焼からストイキ燃焼への切り替えに伴ってＮＳＲ触媒４８の出口から排出されるＮＯｘには、この吹き抜けＮＯｘと上述のしみ出しＮＯｘとが該当する。
【００３９】
そこで、本実施形態では、吸入空気量の減少を伴う切り替えを対象として、リーン燃焼からストイキ燃焼への切り替えが要求されたときには、当該切り替えを第１切替モードを実行して行うと仮定した場合に空燃比の切り替えに伴ってＮＳＲ触媒４８の出口から排出されると予想される吹き抜けＮＯｘおよびしみ出しＮＯｘのそれぞれの総排出量（すなわち、これらのＮＯｘの排出量の積算値）を推定することとした。そのうえで、要求された切り替えのために、推定された吹き抜けＮＯｘの総排出量としみ出しＮＯｘ量の総排出量との和であるＮＯｘ量Ｘ（本発明における「ＮＯｘ量」に相当）が所定の判定閾値（本発明における「第１所定値」に相当）未満である場合には第１切替モードを実行し、推定されたＮＯｘ量Ｘが上記判定閾値以上である場合には第２切替モードを実行することとした。
【００４０】
（吹き抜けＮＯｘの総排出量の推定手法）
まず、図６〜図８を参照して、空燃比の切り替えの過程の各サイクルにおいて筒内から排出されるＮＯｘの量の推定手法について説明する。図６は、リーン燃焼からストイキ燃焼への切り替えの過程の各サイクルにおいて筒内から排出されるＮＯｘの量の推定手法を説明するためのタイムチャートである。図６は、第１切替モードを利用した燃焼の切り替えの前後で目標トルクが一定のケースを例に挙げているが、ここで説明する推定手法の考え方は、アクセルペダルが操作されて目標トルクがステップ的に変化することに伴ってリーン燃焼からストイキ燃焼への切り替えが要求された場合も同様に適用することができる。ただし、図６に示す推定手法では、空燃比の切り替えの過程でエンジン回転速度が一定であると仮定している。
【００４１】
図６（Ａ）は、現在の吸入空気量（すなわち、燃焼の切り替え要求が出された時の吸入空気量であり、図６の説明においては、「ＫＬ（０）」とも称する）から切り替え後の吸入空気量（すなわち、目標（要求）吸入空気量ＫＬｓ）に向けて変化する吸入空気量の予測波形を表している。あるエンジン回転速度の下で現在の吸入空気量ＫＬ（０）から目標吸入空気量ＫＬｓにまで吸入空気量を減らす際のおおよその空気量の変化率は、内燃機関１０の仕様および吸入空気量の制御に用いるアクチュエータ（ここでは、スロットルバルブ２４とＷＧＶ４２）の制御状態に応じて定まるものである。そこで、本実施形態では、所定の空気量変化率Ａを用いて、切り替えの過程での吸入空気量を推定することとしている。より具体的には、空気量変化率Ａは、現在の吸入空気量ＫＬ（０）およびエンジン回転速度Ｎｅ（すなわち、現在の運転領域）と目標吸入空気量ＫＬｓとの関係で事前に定めておくことができる。
【００４２】
現在の吸入空気量ＫＬ（０）から目標吸入空気量ＫＬｓに到達するまでの到達時間ΔＴ（秒）は、目標吸入空気量ＫＬｓから現在の吸入空気量ＫＬ（０）を引いて得られる差ΔＫＬの絶対値と空気量変化率Ａとに基づいて次の（１）式に従って算出することができる。また、到達時間ΔＴ中に行われる点火の回数ｎは、次の（２）式に従って算出することができる。
ΔＴ＝｜ΔＫＬ｜／Ａ  ・・・（１）
ｎ＝ΔＴ×（Ｎｅ／６０）×（ｉ／２）  ・・・（２）
ただし、（２）式において、Ｎｅは、上述のように一定と仮定された切り替え時のエンジン回転速度（ｍｉｎ−１）であり、ｉは、内燃機関１０の気筒数である。
【００４３】
到達時間ΔＴ中に各気筒において点火が行われるタイミングでの吸入空気量ＫＬ（ｋ）の値は、点火回数ｋがｎ回であるとすると次の（３）式に従って算出することができる。例えば、点火回数ｋが４回であれば、４回の点火のそれぞれに対応した吸入空気量ＫＬが順に算出されることになる。
ＫＬ（ｋ）＝ＫＬ（ｋ−１）−Ａ×ΔＴ／ｎ  ・・・（３）
【００４４】
図６（Ｂ）は、燃焼の切り替えの過程での目標空燃比の時間変化を表している。図７は、エンジントルクと吸入空気量と空燃比との関係を表した図である。図７に示すように、空燃比が理論空燃比に向けて小さくなるにつれ、同じエンジントルクを実現するために必要な吸入空気量ＫＬ（ｋ）は少なくなる。図７に示すような関係をマップとして備えておくことで、到達時間ΔＴ中に点火が行われるタイミングでの吸入空気量ＫＬ（ｋ）の下で目標トルクを維持するために必要な目標空燃比Ａ／Ｆ（ｋ）を算出できるようになる。例えば、図６（Ｂ）に示す例では、ＫＬ（１）およびＫＬ（２）に対応するＡ／Ｆ（１）およびＡ／Ｆ（２）がそれぞれ算出される。
【００４５】
図６（Ｃ）は、燃焼の切り替えの過程の各時点において燃焼が行われたとしたら筒内から排出されることとなるＮＯｘの量の時間変化を表している。図８は、筒内からのＮＯｘの排出量と空燃比との関係を表した図である。空燃比に対するＮＯｘ排出量の図８に示す特性は、図５を参照して既述した通りである。この特性は、吸入空気量とエンジン回転速度とによって異なるものとなる。したがって、吸入空気量、エンジン回転速度および空燃比との関係でＮＯｘ排出量を定めたマップを備えておくことで、切り替えの過程での目標空燃比Ａ／Ｆ（ｋ）、ＫＬ（ｋ）およびエンジン回転速度（一定値）に基づいて、筒内排出ＮＯｘのＮＯｘ排出量ＮＯｘ（ｋ）（図６（Ｃ）に示す例では、ＮＯｘ（１）とＮＯｘ（２））を算出することができる。
【００４６】
既述したようにリーン燃焼運転時には、三元触媒４６にてＮＯｘが還元されないため、燃焼の切り替えに伴い、上記のＮＯｘ排出量ＮＯｘ（ｋ）として推定された量のＮＯｘがＮＳＲ触媒４８に流入する。図９は、ＮＳＲ触媒４８のＮＯｘ浄化率と床温との関係を表した図である。図９に示すように、ＮＳＲ触媒４８のＮＯｘ浄化率は、その床温に応じて変化する。したがって、図９に示すようなＮＯｘ浄化率と床温との関係をマップとしてＥＣＵ６０に持たせておくことで、床温からＮＯｘ浄化率を算出することができる。ＮＳＲ触媒４８の床温自体は、ＮＳＲ触媒４８の容積（既知の値）と、エンジン回転速度、吸入空気量および空燃比等のエンジン運転条件の履歴とに基づいて推定することができる。
【００４７】
ＮＳＲ触媒４８におけるＮＯｘの浄化率が分かれば、ＮＳＲ触媒４８へのＮＯｘの流入量に相当するＮＯｘ排出量ＮＯｘ（ｋ）にＮＯｘ浄化率を乗じることで、ＮＳＲ触媒４８におけるＮＯｘ浄化量（吸蔵量）を算出することができる。そして、ＮＯｘ排出量ＮＯｘ（ｋ）から上記ＮＯｘ浄化量を減じることで、ＮＳＲ触媒４８では吸蔵されずに下流に排出される吹き抜けＮＯｘの量を算出することができる。燃焼の切り替えの過程で各気筒において点火が行われるタイミングでのＮＯｘ排出量ＮＯｘ（ｋ）のそれぞれに対して吹き抜けＮＯｘ量の算出を行い、得られた吹き抜けＮＯｘ量を積算することにより、切り替えに伴ってＮＳＲ触媒４８から排出されると予想される吹き抜けＮＯｘの総排出量（積算値）の推定値を算出することができる。
【００４８】
（しみ出しＮＯｘの総排出量の推定手法）
図１０は、燃焼の切り替えに伴って発生するしみ出しＮＯｘの量の推定手法の一例を説明するための図である。図１０に示す特性の対象となる空燃比範囲は、切り替え前のリーン燃焼での目標空燃比付近から理論空燃比付近までの空燃比範囲である。このような空燃比範囲では、空燃比が理論空燃比に近くなるにつれ、ＮＳＲ触媒４８から脱離するＮＯｘをＮ２やＮＨ３に還元させられるほどではないがＮＳＲ触媒４８に供給される還元剤の量が増えていく。その結果、空燃比が理論空燃比に近くなるにつれ、図１０に示すように、しみ出しＮＯｘ量が増加する。したがって、図１０に示すような関係をＥＣＵ６０にマップとして備えておくことで、現在の制御空燃比での燃焼により得られる排気ガスがＮＳＲ触媒４８に流入した際に発生するしみ出しＮＯｘの量を空燃比から推定することができる。そこで、本実施形態では、次のような手法を用いて、切り替えに伴って発生するしみ出しＮＯｘの総排出量（積算値）の推定値を算出する。具体的には、切り替えの過程での各燃焼サイクルに対して、目標空燃比Ａ／Ｆ（ｋ）（図６（Ｂ）参照）に対応するしみだしＮＯｘ量が図１０に示すような関係を用いて算出される。そして、算出された各しみだしＮＯｘ量を、各燃焼サイクルでの排気ガスがＮＳＲ触媒４８に流入した際に発生するしみだしＮＯｘの量であるとみなし、上記各しみ出しＮＯｘ量を積算することで、切り替えに伴って発生するしみ出しＮＯｘの総排出量が算出される。
【００４９】
（ＮＯｘ量Ｘの判定閾値）
図１１は、吹き抜けＮＯｘの総排出量の推定値としみ出しＮＯｘの総排出量の推定値との和（ＮＯｘ量Ｘ）の時間変化の一例を表した図である。既述したように算出される吹き抜けＮＯｘの総排出量の推定値としみ出しＮＯｘの総排出量の推定値との和（ＮＯｘ量Ｘ）は、燃焼の切り替えの過程において点火（燃焼）が行われる度に増加していくものである。このため、時間変化に対する当該ＮＯｘ量Ｘの波形は、図１１に示すようなものとなる。図１１は、ＮＯｘ量Ｘが判定閾値に到達しなかった場合のものである。この場合には、燃費面で優れているために基本の切替モードとされている第１切替モードがそのまま選択されることになる。一方、ＮＯｘ量Ｘが判定閾値以上となる場合には、第１切替モードに代えて、ＮＯｘの排出抑制に優れている第２切替モードが選択される。ここで、ＮＯｘ量Ｘの判定閾値は、ＳＣＲ触媒５０のＮＨ３吸蔵量に基づいて決定されている。以下、当該判定閾値の具体的な決定手法について説明する。
【００５０】
本実施形態のシステムでは、リーン燃焼からストイキ燃焼への切り替えに伴ってＮＳＲ触媒４８の出口から排出されるＮＯｘ（すなわち、吹き抜けＮＯｘとしみ出しＮＯｘ）は、ＮＳＲ触媒４８の下流に備えられたＳＣＲ触媒５０に吸蔵されているＮＨ３と反応させることによってＮ２に還元して浄化することが予定されている。ここで、リーン燃焼運転が長く続くと、ＳＣＲ触媒５０にＮＨ３が十分に供給されないため、ＳＣＲ触媒５０内のＮＨ３が消費されていく。このため、前提として、本実施形態のシステムでは、ＳＣＲ触媒５０によるＮＯｘの浄化性能を良好に維持するために、ＳＣＲ触媒５０のＮＨ３吸蔵量を推定し、かつ、その推定値が所定値以下にならないようにするための処理を行うことによってＮＨ３吸蔵量を管理している。具体的には、この処理は、三元触媒４６およびＮＳＲ触媒４８に対して還元剤（ＨＣ等）を供給してＮＨ３を生成させるというものであり、そのための還元剤の供給は、燃料噴射量を増やして空燃比を一時的に理論空燃比以下の空燃比に変更する処理（いわゆる、リッチスパイク処理）によって行われるようになっている。
【００５１】
燃焼の切り替えに伴って大気中にＮＯｘが排出されることを抑制するためには、切り替えに伴って発生してＳＣＲ触媒５０に流入する吹き抜けＮＯｘとしみ出しＮＯｘとを、ＳＣＲ触媒５０にて確実に浄化できることが必要とされる。図１２は、ＳＣＲ触媒５０におけるＮＯｘ浄化量とＮＨ３吸蔵量との関係を表した図であり、ＮＨ３吸蔵量が多いほど、ＮＯｘ浄化量（浄化可能なＮＯｘの最大量）が多くなる。そこで、本実施形態では、図１２に示すような関係をマップとしてＥＣＵ６０に備えるようにした。そして、リーン燃焼からストイキ燃焼への切り替えが要求されたときに、そのようなマップを参照して、現在のＮＨ３吸蔵量に対応するＮＯｘ浄化量を算出し、算出したＮＯｘ浄化量を上記判定閾値として用いることとした。
【００５２】
ここで、ＳＣＲ触媒５０によるＮＯｘの浄化率は、ＳＣＲ触媒５０の床温に応じて変化する。このため、ＥＣＵ６０が備えておくべきＮＨ３吸蔵量とＮＯｘ浄化量との関係（マップ）は、床温に応じて異なるものとされていることが好ましい。ＳＣＲ触媒５０の床温自体は、ＮＳＲ触媒４８の床温と同様の考え方に基づき、ＳＣＲ触媒５０の容積（既知の値）と、エンジン回転速度、吸入空気量および空燃比等のエンジン運転条件の履歴とに基づいて推定することができる。また、ＳＣＲ触媒５０のＮＨ３吸蔵量は、例えば、ＳＣＲ触媒５０に対するＮＨ３供給量からＮＨ３消費量を減算することによって得られる値として推定することができる。ＮＨ３供給量は、排気ガスの空燃比と排気ガス量（吸入空気量）とに基づいて、所定の関数またはマップによって算出することができる。ＮＨ３消費量は、各気筒からのＮＯｘの排出量（上記ＮＯｘ排出量ＮＯｘ（ｋ）がこれに相当）とＳＣＲ触媒５０の床温とに基づいて、所定の関数またはマップによって算出することができる。
【００５３】
（実施の形態１における具体的処理）
図１３は、本発明の実施の形態１における燃焼の切り替え制御の流れを示すフローチャートである。
【００５４】
図１３に示すように、ＥＣＵ６０は、まず、ステップ１００において、燃焼の切り替え要求があるか否かを判定する。より具体的には、ＥＣＵ６０は、各運転領域で用いる燃焼方式を規定した関係（図２参照）をマップとして記憶している。そして、現在の運転領域で使用している燃焼方式と、アクセル開度に基づいて算出される現在の要求トルク（目標トルク）に対応する要求運転領域での燃焼方式とを比較して、燃焼の切り替えが要求されているか否かが判定される。また、運転領域上の動作点に変更はない場合であっても、例えば、リーン燃焼が禁止されてストイキ燃焼が用いられるとき等においても、燃焼の切り替え要求があると判定される。
【００５５】
ステップ１００の判定が成立する場合には、ＥＣＵ６０は、ステップ１０２に進み、ストイキ燃焼での目標空燃比（すなわち、理論空燃比）の下で現在の要求トルクを実現するために必要な要求吸入空気量ＫＬｓを算出する。次いで、ＥＣＵ６０は、ステップ１０４に進み、今回の切り替え要求が、吸入空気量の減少を伴うリーン燃焼からストイキ燃焼への切り替えを要求するものであるか否かを判定する。具体的には、現在の運転領域で使用している燃焼方式がリーン燃焼であり、要求されている燃焼方式がストイキ燃焼である場合であって、ステップ１０２にて算出した要求吸入空気量ＫＬｓが現在の実吸入空気量よりも多い場合には、ステップ１０４の判定が成立する。
【００５６】
ステップ１０４の判定が不成立となる場合、すなわち、ストイキ燃焼からリーン燃焼への切り替え要求である場合、もしくは、吸入空気量の減少を伴わないリーン燃焼からストイキ燃焼への切り替え要求である場合には、ＥＣＵ６０は、ステップ１０６に進み、直ちに所定の切替動作を実行する。
【００５７】
一方、ステップ１０４の判定が成立する場合には、ＥＣＵ６０は、ステップ１０８に進み、図６〜図１０を参照して説明した推定手法を利用して、第１切替モードを使用すると仮定した場合に切り替えに伴ってＮＳＲ触媒４８の出口から排出されると予想される吹き抜けＮＯｘおよびしみ出しＮＯｘのそれぞれの総排出量の推定値を算出する。そのうえで、ステップ１０８では、算出された推定値の和であるＮＯｘ量Ｘが算出される。次いで、ＥＣＵ６０は、ステップ１１０に進み、算出したＮＯｘ量Ｘが図１１および図１２を参照して説明した判定閾値以上であるか否かを判定する。
【００５８】
ステップ１１０の判定が不成立となる場合、つまり、今回の燃焼の切り替えに第１切替モードを使用すると仮定した場合に空燃比の切り替えに伴って排出が予想されるＮＯｘ量Ｘが、ＳＣＲ触媒５０の現在のＮＨ３吸蔵量の下で浄化可能なＮＯｘ浄化量未満であると判断できる場合には、ＥＣＵ６０は、ステップ１１２に進み、第１切替モードを実行する。
【００５９】
一方、ステップ１１０の判定が成立する場合、つまり、上記ＮＯｘ量Ｘが、ＳＣＲ触媒５０の現在のＮＨ３吸蔵量の下で浄化可能なＮＯｘ浄化量以上になると判断できる場合には、ＥＣＵ６０は、ステップ１１４に進み、第２切替モードを実行する。
【００６０】
以上説明した本実施形態の制御によれば、切り替えの過程で排出が予想されるＮＯｘ量Ｘ（切り替えの過程での吹き抜けＮＯｘおよびしみ出しＮＯｘの総排出量の推定値の和）が判定閾値未満である場合には、燃費面で優れた第１切替モードが使用され、一方、ＮＯｘ量Ｘが判定閾値以上である場合には、ＮＯｘの排出抑制に適した第２切替モードが第１切替モードの代わりに使用される。換言すると、燃費低減とＮＯｘ排出抑制という観点で、切り替えが要求されたときの個々の状況に適した切替モードが選択できるようになる。その一方で、上記の配慮なしに第１切替モードが常に使用されると、切り替えの過程での燃費低減は基本的に図れるが、切り替えに伴って実際に排出される吹き抜けＮＯｘおよびしみ出しＮＯｘの総排出量が、ＳＣＲ触媒５０の現在のＮＨ３吸蔵量の下で浄化可能なＮＯｘ浄化量よりも多くなってしまうケースが生じ得る。逆に、第２切替モードが常に使用されると、切り替えに伴うＮＯｘ排出の抑制は図れるが、常に燃費面で劣る手法を選択することになってしまう。これに対し、本実施形態の制御によれば、トルク段差を抑制しつつストイキ燃焼からリーン燃焼に切り替えようとする際に、燃費低減とＮＯｘの排出抑制とを好適に両立させられるようになる。
【００６１】
また、上述した切替モードの選択に用いるＮＯｘ量Ｘは、しみ出しＮＯｘ量をも考慮したものである。このため、本手法によれば、ＮＳＲ触媒４８を含む排気浄化装置を備える内燃機関１０を対象とした場合において、燃焼の切り替えに伴って発生するＮＯｘの量をより正確に把握しながら、ＮＯｘ量Ｘに応じて切替モードを適切に選択できるようになる。
【００６２】
また、ＮＯｘ量Ｘの大きさの評価に用いる上記判定閾値は、ＳＣＲ触媒５０のＮＨ３吸蔵量に基づいて決定されている。これにより、ＳＣＲ触媒５０を含む排気浄化装置を備える内燃機関１０を対象とした場合において、ＳＣＲ触媒５０にて浄化可能なＮＯｘの量を適切に把握しながら、ＮＯｘ量Ｘに応じて切替モードを適切に選択できるようになる。
【００６３】
（燃焼の切り替え時のスロットル開度制御）
上述した実施の形態１においては、図３および図４に示すように、第１切替モードおよび第２切替モードの何れの切替モードを使用する場合においても、切り替えの開始時にスロットルバルブ２４を最速でステップ的に閉じることとしている。図１４は、そのようなスロットル制御を行った場合の課題を説明するための図である。リーン燃焼からストイキ燃焼への切り替えの開始時にスロットルバルブ２４を最速でステップ的に閉じるようにした場合には、スロットル開度の波形は、より詳細に説明すると図１４に示すように、要求トルクに応じた開度に対してアンダーシュートを伴ったものとなる。このようなスロットル制御によれば、空気量応答は最大限に高められるが、吸入空気量の波形もアンダーシュートを伴ったものとなる。その結果、実吸入空気量が一時的に目標吸入空気量を下回ってしまうため、エンジントルクに一時的な不足が生じてしまう。
【００６４】
図１５および図１６は、上記の課題への対策がなされた第１および第２切替モードをそれぞれ表したタイムチャートである。第１切替モードを実行する場合には、図１５のタイムチャートに示す動作を、図３のタイムチャートに示す動作に代えて用いるようにしてもよく、同様に、第２切替モードを実行する場合には、図１６のタイムチャートに示す動作を、図４のタイムチャートに示す動作に代えて用いるようにしてもよい。
【００６５】
図１５および図１６のタイムチャートに示す動作は、スロットル開度の制御において図３および図４のタイムチャートに示す動作と相違している。より具体的には、図１５および図１６に示す第１および第２切替モードの何れにおいても、応答性の高いスロットルバルブ２４を目標スロットル開度ＴＡｓに向けて閉じる速度を遅くすることによって、目標吸入空気量ＫＬｓに対する実吸入空気量のアンダーシュートが生じないようにしている。このようなスロットル開度の制御の使用時に用いられる空気量変化率Ａとしては、目標吸入空気量ＫＬｓに対する実吸入空気量のアンダーシュートが生じない範囲内での変化率（絶対値）の上限として位置づけられる値が用いられる。以上説明したスロットル開度の制御を実施の形態１における燃焼の切り替え制御に適用することで、吸入空気量のアンダーシュートの発生に伴うエンジントルクの段差を抑制しつつ、かつ空気量応答をできるだけ高めつつ、燃費低減とＮＯｘの排出抑制とを好適に両立させられるようになる。
【００６６】
なお、上述した実施の形態１においては、スロットルバルブ２４およびＷＧＶ４２が本発明における「空気量調整手段」に相当している。ＥＣＵ６０がステップ１０４の判定が成立する状況下においてステップ１１０の判定結果に応じてステップ１１２または１１４の処理を実行することにより本発明における「燃焼切替実行手段」が実現されており、そして、ＥＣＵ６０がステップ１０８の処理を実行することにより本発明における「ＮＯｘ排出量推定手段」が実現されている。
【００６７】
その他実施の形態．
ところで、上述した実施の形態１においては、リーン燃焼からストイキ燃焼への切り替えを対象とした制御を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明における第２燃焼（リーン燃焼）から第１燃焼への切り替えの対象となる「第１燃焼」は、ストイキ燃焼に限られるものではなく、理論空燃比よりも小さな空燃比でのリッチ燃焼であってもよい。このようなリッチ燃焼からリーン燃焼への切り替えの具体例としては、例えば、既述したリッチスパイク処理のためにリーン燃焼運転中にリッチ燃焼運転を一時的に実行するときが該当する。さらに付け加えると、第１切替モードを利用してリーン燃焼からリッチ燃焼に切り替えるときにも、ストイキ燃焼への切り替えの場合と同様に、切り替えの過程で理論空燃比付近の空燃比での燃焼を経験する。そして、この燃焼により得られる排気ガスがＮＳＲ触媒４８に流入することで、リッチ燃焼への切り替えの場合においても、しみ出しＮＯｘは発生する。
【００６８】
また、実施の形態１においては、リーン燃焼からストイキ燃焼への切り替えを第１切替モードを実行して行うと仮定した場合に空燃比の切り替えに伴って発生するＮＯｘの量であるＮＯｘ量Ｘを得るために、図６〜図１０を参照して説明した推定手法を用いて、筒内排出ＮＯｘの排出量であるＮＯｘ排出量ＮＯｘ（ｋ）を基礎とする吹き抜けＮＯｘの総排出量と、しみ出しＮＯｘの総排出量とを算出することとしている。しかしながら、本発明における「ＮＯｘ排出量推定手段」によるＮＯｘ量Ｘの推定手法は、上記のものに限られるものではなく、例えば、次のような手法であってもよい。すなわち、リーン燃焼からストイキ燃焼への切り替えが要求されたときの吸入空気量と切り替え後のストイキ燃焼に必要な要求吸入空気量ＫＬｓとの差（上記ΔＫＬ）の絶対値が大きくなると、第１切替モードでの空燃比の切り替えに要する時間が長くなり、ＮＯｘ量Ｘが増加する。したがって、切り替えが要求された場合には、この差の絶対値を算出し、算出した差の絶対値の大きさを利用してＮＯｘ量Ｘを簡易的に推定するようにしてもよい。具体的には、例えば、この差の絶対値を少なくともパラメータとして、切り替えの過程で各気筒から排出される筒内排出ＮＯｘの総排出量を規定するマップをＥＣＵ６０に備えるようにする。そして、そのようなマップに従って算出した筒内排出ＮＯｘの総排出量自体をＮＯｘ量Ｘとして扱ってもよいし、この筒内排出ＮＯｘの総排出量をＮＯｘ量Ｘの算出の基礎として用いてもよい。より具体的には、当該マップによれば、筒内排出ＮＯｘの総排出量は、上記の差の絶対値が大きいほど大きくなる値として算出される。そこで、例えば、このような手法によって算出された筒内排出ＮＯｘの総排出量が所定の判定閾値未満である場合には第１切替モードを使用し、筒内排出ＮＯｘの当該総排出量が判定閾値以上である場合には第２切替モードを使用するようにしてもよい。さらに付け加えると、吸入空気量の上記の差の絶対値が同じ値であっても燃焼の切り替えの対象となるエンジン運転領域が異なると、吸入空気量の応答性が異なり、その結果として、空燃比の切り替えに要する時間が変化する。このため、上記マップは、当該マップを規定するための上記差の絶対値以外のパラメータとして、例えば、燃焼の切り替えが要求されたときの現在の吸入空気量およびそのときのエンジン回転速度を備えるようにし、これらの吸入空気量およびエンジン回転速度の少なくとも一方の大きさをも考慮して筒内排出ＮＯｘの総排出量が規定されることが好ましい。
【００６９】
また、本発明の思想に基づく第１切替モードまたは第２切替モードの選択は、必ずしも、ＮＯｘ量Ｘの推定手法（例えば、図６〜図１０を参照して説明した推定手法、もしくは上記マップを利用した推定手法）を用いて実際にＮＯｘ量Ｘを算出し、算出されたＮＯｘ量Ｘを判定閾値と比較して行うものに限られない。すなわち、例えば、吸入空気量の上記の差の絶対値が所定の判定閾値（本発明における「第２所定値」に相当）未満である場合にはＥＣＵ６０が第１切替モードを実行するという処理を行うことにより、本発明における第１切替モードが、ＮＯｘ量Ｘが第１所定値未満となる状況下において実行されるようになっていてもよい。そして、上記の差の絶対値が上記判定閾値以上である場合にはＥＣＵ６０が第２切替モードを実行するという処理を行うことにより、本発明における第２切替モードが、ＮＯｘ量Ｘが第１所定値以上となる状況下において実行されるようになっていてもよい。
【００７０】
また、実施の形態１においては、ＮＯｘ量Ｘの算出のために、吹き抜けＮＯｘ量をしみ出しＮＯｘ量とともに用いている。すなわち、ＮＳＲ触媒４８でのＮＯｘの浄化を考慮した後のＮＯｘ量である吹き抜けＮＯｘ量を用いているが、この吹き抜けＮＯｘ量は、燃焼の切り替えの過程で筒内から排出される筒内排出ＮＯｘ量に比例する量であるため、簡易的な推定手法としては、吹き抜けＮＯｘ量に代え、筒内排出ＮＯｘ量を用いるようにしてもよい。つまり、ＮＯｘ量Ｘは、筒内排出ＮＯｘ量としみ出しＮＯｘ量との和として算出されるものであってもよい。
【００７１】
また、実施の形態１においては、排気ガスの流れの上流側から順にＮＳＲ触媒４８およびＳＣＲ触媒５０を含む排気浄化装置を備える内燃機関１０において、吹き抜けＮＯｘの総排出量としみ出しＮＯｘの総排出量との和であるＮＯｘ量Ｘが判定閾値以上であるか否かに応じて、切替モードを使い分けるようにしている。そして、上記判定閾値は、ＳＣＲ触媒５０のＮＨ３吸蔵量に基づいて決定されている。しかしながら、本発明は、上記配置の排気浄化装置以外の排気浄化装置を備える内燃機関にも適用することができる。具体的には、本発明の対象となる排気浄化装置は、例えば、ＳＣＲ触媒は含まずにＮＳＲ触媒を含むものであってもよい。ＳＣＲ触媒の有無に関係なくＮＳＲ触媒を含む排気浄化装置が用いられている場合であれば、ＮＯｘ量Ｘは、燃焼の切り替えの過程での筒内排出ＮＯｘの総排出量もしくは吹き抜けＮＯｘの総排出量を少なくとも含む量とし、より好ましくは、実施の形態１と同様に、これらの総排出量の何れか一方にしみ出しＮＯｘの総排出量を加えた値とするのが好適である。また、本発明の対象となる排気浄化装置は、例えば、ＮＳＲ触媒は含まずにＳＣＲ触媒を含むものであってもよい。この場合には、ＮＯｘ量Ｘとしては、筒内排出ＮＯｘ量を用いるのがよい。また、ＳＣＲ触媒を含まない排気浄化装置が用いられる場合におけるＮＯｘ量Ｘの判定閾値（本発明における「第１所定値」）は、上記のようにＮＨ３吸蔵量に基づいて決定される値に代え、切り替えの過程での燃費低減と当該切り替えに伴うＮＯｘ排出抑制とのバランスを考慮して事前に決定した値を用いるのがよい。
【００７２】
また、実施の形態１においては、リーン燃焼からストイキ燃焼への切り替えが要求された場合には、第１切替モードもしくは第２切替モードを用いて、リーン燃焼での目標空燃比から直接的に理論空燃比に向けて空燃比を切り替える制御を行うようにしている。実施の形態１の内燃機関１０がそうであるようにＳＣＲ触媒を含む排気浄化装置を備えている内燃機関の場合には、上記の制御を前提としつつ、ＳＣＲ触媒のＮＨ３吸蔵量が所定値以上であるか否かに応じて次のような態様で燃焼の切り替えを行うようにしてもよい。具体的には、ＳＣＲ触媒のＮＨ３吸蔵量が所定値以上である場合には、第１切替モードもしくは第２切替モードを用いて、リーン燃焼での目標空燃比から理論空燃比に向けて直接的に切り替えるようにする。一方、ＳＣＲ触媒のＮＨ３吸蔵量が所定値未満である場合には、リーン燃焼から直接的にストイキ燃焼に切り替えるのではなく、ＳＣＲ触媒へのＮＨ３の供給量を十分に確保するためにリッチ燃焼を介してリーン燃焼からストイキ燃焼に切り替えるようにする。
【００７３】
また、実施の形態１においては、過給エンジンである内燃機関１０を例に挙げて説明を行った。しかしながら、実施の形態１において説明したように、燃焼の切り替えに伴って発生するＮＯｘ量Ｘの大きさに応じた切替モードの選択の対象には、リーン燃焼を実施する自然吸気領域からストイキ燃焼を実施する自然吸気領域への切り替えも含まれている。したがって、本発明の対象となる内燃機関は、過給エンジンに限らず、自然吸気エンジンであってもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１０  内燃機関
１２  内燃機関本体
１４  吸気通路
１６  排気通路
１８  エアクリーナ
２０  エアフローメータ
２２  ターボ過給機
２２ａ  コンプレッサ
２２ｂ  タービン
２２ｃ  連結軸
２４  スロットルバルブ
２６  吸気マニホールド
２８  インタークーラ
３０  第１吸気圧力センサ
３２  第２吸気圧力センサ
３４  燃焼室
３６  燃料噴射弁
３８  点火プラグ
４０  排気バイパス通路
４２  ウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）
４４  空燃比センサ
４６  三元触媒
４８  ＮＳＲ触媒（吸蔵還元型ＮＯｘ触媒）
５０  ＳＣＲ触媒（選択還元型ＮＯｘ触媒）
６０  ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
６２  クランク角センサ
６４  アクセル開度センサ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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