(57)【要約】【課題】過給域でリーン燃焼運転を行う内燃機関においてリッチスパイクの実行による燃費性能の低下を抑える。【解決手段】過給域でリッチスパイクを実行する場合、第１状態量制御と第２状態量制御のうち燃料消費量が少ない方を選択する。第１状態量制御では、過給圧を低下させるようにＷＧＶを操作しつつリッチスパイクを実行し、リッチスパイクの終了後、再び過給圧を上昇させるようにＷＧＶを操作し、過給圧が回復するまでは軸トルクを変動させないようにスロットルにより空気量を抑えつつ燃焼空燃比を理論空燃比に調整し、過給圧が回復したらスロットルにより空気量を増大させるとともに燃焼空燃比をリーン空燃比に戻す。第２状態量制御では、過給圧を維持するようにＷＧＶを操作しつつリッチスパイクを実行し、リッチスパイクの終了後、スロットルにより空気量を増大させるとともに燃焼空燃比をリーン空燃比に戻す。【選択図】図８
2017002789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路に設けられた過給機と、前記過給機の動作状態を変更して過給圧を調整するアクチュエータと、前記吸気通路の前記過給機よりも下流に設けられたスロットルと、排気通路に設けられたＮＯｘ吸蔵還元能を有する触媒とを備え、理論空燃比よりも燃料リーンな所定空燃比によるリーン燃焼運転が可能な内燃機関を制御する制御装置であって、前記リーン燃焼運転の実施中に、前記スロットルにより空気量を減少させ且つ燃焼空燃比を理論空燃比よりも燃料リッチにすることで前記触媒に還元剤を供給するリッチスパイクを実行する制御装置において、
前記リッチスパイクの実行前よりも過給圧を低下させるように前記アクチュエータを操作しつつ前記リッチスパイクを実行し、前記リッチスパイクの終了後、再び過給圧を上昇させるように前記アクチュエータを操作し、過給圧が前記リッチスパイクの実行前と同等に回復するまでは前記スロットルにより空気量を抑えつつ燃焼空燃比を理論空燃比に調整し、過給圧が前記リッチスパイクの実行前と同等に回復したら前記スロットルにより空気量を増大させるとともに燃焼空燃比を前記所定空燃比に戻す、第１状態量制御を実行する第１制御手段と、
前記リッチスパイクの実行前の過給圧を維持するように前記アクチュエータを操作しつつ前記リッチスパイクを実行し、前記リッチスパイクの終了後、前記スロットルにより空気量を増大させるとともに燃焼空燃比を前記所定空燃比に戻す、第２状態量制御を実行する第２制御手段と、
前記過給機により過給が行われる運転域において前記リッチスパイクを実行するタイミングが来た場合、前記第１制御手段により前記第１状態量制御を実行することと、前記第２制御手段により前記第２状態量制御を実行することのうち燃料消費量が少ない方を選択する選択手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記選択手段は、
前記第１状態量制御を実行したならば前記リーン燃焼運転を継続するよりも余計に消費することになる燃料量である第１燃料量を計算する手段と、
前記第２状態量制御を実行したならば前記リーン燃焼運転を継続するよりも余計に消費することになる燃料量である第２燃料量を計算する手段と、
前記第１燃料量が前記第２燃料量よりも多い場合は、前記第２状態量制御を実行することを選択し、前記第１燃料量が前記第２燃料量以下の場合は、前記第１状態量制御を実行することを選択する手段と、
を備え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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給機により過給が行われる運転域で理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比によるリーン燃焼運転が可能な内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、可変ノズルを有するターボ過給機を備えたディーゼルエンジンのリッチスパイクに関する技術が開示されている。この技術では、リッチスパイクを行っている期間、可変ノズルを操作して過給圧を低下させるとともに吸気絞り弁を閉じて空気量を減少させることが行われる。そして、リッチスパイクの終了に先立ち可変ノズルを操作して過給圧を上昇させていき、過給圧を上昇させてから吸気絞り弁を開いて空気量を増大させることが行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９１８９７号公報
【特許文献２】特開２０１１−２３４７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の技術によれば、予め過給圧を上昇させてから吸気絞り弁を開くことにより、リーン燃焼運転への切り替えの際に空気量を応答良く増大させることができる。このことは、ディーゼルエンジンでは、空気量の不足を防いでＥＧＲガスの過剰による失火を防ぐことができる点において有利である。また、上記の技術をガソリンエンジンのリッチスパイクに応用したならば、リーン燃焼運転への切り替え時にＮＯｘ排出量が特に多くなる特定の空燃比域（Ａ／Ｆ１６〜２０）での滞在時間を短くすることができるので、排気性能の低下を抑えることができる点において有利である。しかし、予め過給圧を上昇させておく期間が長くなると、リーン燃焼運転への切り替えが遅れるために燃費性能を低下させることになる。
【０００５】
本発明は、上記の問題に鑑みて創案されたものであって、過給機により過給が行われる運転域でリーン燃焼運転を行う内燃機関において、リッチスパイクの終了後のリーン燃焼運転への切り替え時に空気量を応答良く増大させることを可能にしながら、リッチスパイクによる燃費性能の低下を抑え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、吸気通路に設けられた過給機と、過給機の動作状態を変更して過給圧を調整するアクチュエータと、吸気通路の過給機よりも下流に設けられたスロットルと、排気通路に設けられたＮＯｘ吸蔵還元能を有する触媒とを備え、理論空燃比よりも燃料リーンな所定空燃比によるリーン燃焼運転が可能な内燃機関を制御する制御装置である。本制御装置は、内燃機関のリーン燃焼運転の実施中に、リッチスパイクを実行するように構成される。本発明において、リッチスパイクは、スロットルにより空気量を減少させ、且つ、燃焼空燃比を理論空燃比よりも燃料リッチにすることで触媒に還元剤を供給する処理と定義される。
【０００７】
本制御装置は、過給機により過給が行われる運転域においてリッチスパイクを実行する場合、第１状態量制御と第２状態量制御のどちらかの状態量制御によってリッチスパイクを実行するように構成される。詳しくは、本制御装置は、第１状態量制御を実行する第１制御手段と、第２状態量制御を実行する第２制御手段とを備える。第１状態量制御では、リッチスパイクの実行前よりも過給圧を低下させるようにアクチュエータを操作しつつリッチスパイクを実行し、リッチスパイクの終了後、再び過給圧を上昇させるようにアクチュエータを操作し、過給圧がリッチスパイクの実行前と同等に回復するまではスロットルにより空気量を抑えつつ燃焼空燃比を理論空燃比に調整し、過給圧がリッチスパイクの実行前と同等に回復したらスロットルにより空気量を増大させるとともに燃焼空燃比をリーン燃焼運転用の所定空燃比に戻すことが行われる。第２状態量制御では、リッチスパイクの実行前の過給圧を維持するようにアクチュエータを操作しつつリッチスパイクを実行し、リッチスパイクの終了後、スロットルにより空気量を増大させるとともに燃焼空燃比をリーン燃焼運転用の所定空燃比に戻すことが行われる。
【０００８】
第１状態量制御は、リッチスパイクの実行時に過給圧を低下させるため、過給圧を維持する第２状態量制御に比較すると、同じ空気量を得るためのスロットルの開度を大きくすることができ、ポンプ損を低減することができる。しかし、第１状態量制御は、リッチスパイクの終了後、過給圧が回復するまでの間は燃焼空燃比を理論空燃比にして運転するため、リッチスパイクの終了後に速やかにリーン燃焼運転に切り替える第２状態量制御に比較すると、スロットルの開度は小さくなるためにポンプ損は増大する。よって、内燃機関の運転条件により、第１状態量制御を実行した方が燃料消費量を少なくできる場合もあれば、第２状態量制御を実行した方が燃料消費量を少なくできる場合もある。
【０００９】
そこで、本制御装置は、過給機により過給が行われる運転域においてリッチスパイクを実行するタイミングが来た場合、第１制御手段により第１状態量制御を実行することと、第２制御手段により第２状態量制御を実行することのうち燃料消費量が少ない方を選択する選択手段を備える。選択手段によって、より燃料消費量が少ない方の状態量制御が選択されることで、リッチスパイクによる燃費性能の低下を抑えることができる。
【００１０】
なお、選択手段による具体的な選択の方法として、第１状態量制御を実行したならばリーン燃焼運転を継続するよりも余計に消費することになる燃料量である第１燃料量と、第２状態量制御を実行したならばリーン燃焼運転を継続するよりも余計に消費することになる燃料量である第２燃料量とをそれぞれ計算し、第１燃料量が第２燃料量よりも多い場合は、第２状態量制御を実行することを選択し、第１燃料量が第２燃料量以下の場合は、第１状態量制御を実行することを選択するようにしてもよい。こうすることで、燃費性能の良い方の制御方法を正確に選択することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る制御装置によれば、第１状態量制御と第２状態量制御のどちらが選択された場合でも、リッチスパイクの終了後のリーン燃焼運転への切り替え時に空気量を応答良く増大させることできる。そして、第１状態量制御と第２状態量制御のうち燃料消費量の少ない方が選択されることで、リッチスパイクによる燃費性能の低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係るシステムの構成を示す図である。
【図２】ＮＯｘ発生量と空燃比との関係を示す図である。
【図３】ＮＳＲのＮＯｘ吸蔵量とリッチスパイクとの関係を示す図である。
【図４】第１状態量制御について説明するタイミングチャートである。
【図５】第２状態量制御について説明するタイミングチャートである。
【図６】第１状態量制御のフローを示すフローチャートである。
【図７】第２状態量制御のフローを示すフローチャートである。
【図８】制御方法の選択手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００１４】
１．実施の形態のシステム構成
図１は、本発明の実施の形態に係るシステムの構成を示す図である。本実施の形態に係るシステムは、自動車に動力装置として搭載される内燃機関（以下、単にエンジンと表記する）２を備える。本実施の形態に係るエンジン２は、理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比によるリーン燃焼運転が可能なリーン燃焼エンジンである。
【００１５】
エンジン２は、ピストン１２が配置されたシリンダブロック４とシリンダヘッド３とを備える。シリンダヘッド３とピストン１２とで挟まれた空間が燃焼室５となる。エンジン２は火花点火式エンジンであって、シリンダヘッド３には燃焼室５の頂部に突き出るように点火装置の点火プラグ１８が取り付けられている。燃焼室５には、シリンダヘッド３に形成された吸気ポート６と排気ポート８がそれぞれ開口している。燃焼室５と吸気ポート６との連通状態は、シリンダヘッド３に設けられた吸気バルブ１４によって制御される。燃焼室５と排気ポート８との連通状態は、シリンダヘッド３に設けられた排気バルブ１６によって制御される。また、シリンダヘッド３には、燃焼室５の中に燃料を直接噴射する筒内噴射弁２２と、吸気ポート６に燃料を噴射するポート噴射弁２０が取り付けられている。
【００１６】
図示の構成では、エンジン２には、吸気バルブ１４の開弁特性を可変とする吸気可変動弁機構（ＩｎＶＶＴ）２４と、排気バルブ１６の開弁特性を可変とする排気可変動弁機構（ＥｘＶＶＴ）２６とが設けられている。これらの可変動弁機構には、少なくともバルブタイミングと作用角とを可変にする公知の動弁機構を適用することができる。
【００１７】
吸気ポート６には、吸気マニホールド１０が接続されている。吸気マニホールド１０はサージタンク１９を備える。サージタンク１９には、外部から空気を吸入する吸気通路３０が接続されている。吸気通路３０におけるサージタンク１９の近傍には、電子制御式のスロットル４０が設けられている。吸気通路３０の先端には、エアクリーナ３１が設けられている。吸気通路３０のエアクリーナ３１の近傍には、吸気量（新気量）を計測するためのエアフローメータ３４が設置されている。吸気通路３０のインタークーラ３６とスロットル４０との間には、過給圧を計測するための過給圧センサ３８が設置されている。サージタンク１９には、吸気圧を計測するための吸気圧センサ５６が設置されている。
【００１８】
排気ポート８には、排気マニホールド１１が接続されている。排気マニホールド１１には、排気ガスを外部に排出する排気通路３２が接続されている。排気通路３２には、その上流から順に、三元触媒であるスタート触媒（以下、Ｓ／Ｃという）６２、及びＮＯｘ吸蔵還元型触媒（以下、ＮＳＲと表記する）６４が配置されている。ＮＳＲ６４は、酸素濃度の高いリーン雰囲気下において排気ガス中のＮＯｘを硝酸塩の形態で吸蔵する。そして、リッチスパイクによって還元剤となるＨＣ、ＣＯ、Ｈ２等が供給されたとき、ＮＳＲ６４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を還元する。Ｓ／Ｃ６２の入口側と出口側には空燃比センサ７０，７２が取り付けられ、ＮＳＲ６４の出口側にはＮＯｘセンサ７４が取り付けられている。なお、排気通路３２のＮＳＲ６４よりも下流には、さらに、選択還元型触媒が配置されてもよい。
【００１９】
エンジン２は、ターボ過給機２８を有している。ターボ過給機２８のコンプレッサ２８ａは、吸気通路３０のスロットル４０よりも上流に設けられている。吸気通路３０におけるコンプレッサ２８ａとスロットル４０との間には、コンプレッサ２８ａで圧縮された吸入空気を冷却するインタークーラ３６が設けられている。
【００２０】
ターボ過給機２８のタービン２８ｂは、排気通路３２のＳ／Ｃ６２よりも上流に設けられている。排気通路３２には、タービン２８ｂをバイパスするバイパス通路４４が設けられている。バイパス通路４４には、ウェイストゲートバルブ（以下、ＷＧＶと表記する）４６が設置されている。ＷＧＶ４６が開くと、排気ガスの一部は、タービン２８ｂを通らずにバイパス通路４４を通って流れる。ＷＧＶ４６は、電子制御式のアクチュエータにより駆動される。
【００２１】
本実施の形態に係るシステムは、エンジン２を制御する制御装置５０を備える。制御装置５０は、少なくとも入出力インタフェース、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵを有するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。入出力インタフェースは、エンジン２及び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、エンジン２が備えるアクチュエータに対して操作信号を出力する。制御装置５０に接続されるセンサには、上述のセンサの他にも、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を計測するためのアクセルポジションセンサ５２や、エンジン２のクランク角度を計測するためのクランク角センサ５４が含まれる。ＲＯＭには、エンジン２の制御に用いる各種のプログラムやマップを含む各種のデータが記憶されている。ＣＰＵがＲＯＭからプログラムを読みだして実行することにより、制御装置５０には様々な機能が実現される。
【００２２】
２．実施の形態１のシステムの動作
２−１．リーン燃焼運転
制御装置５０は、エンジン回転速度とエンジントルクで定義されるエンジン２の動作点が予め定められた運転域内にある場合、燃焼空燃比（筒内で燃焼する混合気の空燃比）を理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比にしてエンジン２を運転する。ここで、図２は、ＮＯｘ発生量と空燃比との関係を示す図である。理論空燃比A/F_stよりもやや燃料リーンな空燃比においてＮＯｘの発生量は最大になり、燃料リーンの度合いがそれよりも大きいほどＮＯｘの発生量は少なくなる。リーン燃焼運転の空燃比A/F_leanは、失火限界近くまでリーン化された空燃比（例えば２５程度の空燃比）に設定されているので、ＮＯｘの発生量は最小限に抑えられる。
【００２３】
リーン燃焼運転が行われる運転域には、ターボ過給機２８により過給が行われる運転域、すなわち、過給域も含まれる。エンジン２の動作点が過給域に入っていない場合は、リーン燃焼運転は、ポート噴射弁２０によるポート噴射によって、或いはポート噴射と筒内噴射との併用によって行われる。エンジン２の動作点が過給域に入っている場合は、ポート噴射ではスカベンジによる燃料の吹き抜けが生じるため、筒内噴射弁２２による筒内噴射によってリーン燃焼運転が行われる。
【００２４】
２−２．リッチスパイク
制御装置５０は、リーン燃焼運転の実施中、リッチスパイクを間欠的に実行する。リッチスパイクは、スロットル４０により空気量を減少させ、且つ、燃焼空燃比を理論空燃比よりも燃料リッチにすることで、エンジン２の軸トルクを変動させずにＮＳＲ６４に還元剤を供給する処理である。リッチスパイクでは、リーン燃焼運転時よりも１サイクル当たりの燃料噴射量が増量される。燃料噴射量の増量分には、ＮＳＲ６４に供給する還元剤の分と、スロットル４０の開度を小さくすることで増大するポンプ損の分とが含まれる。
【００２５】
燃焼空燃比を理論空燃比よりも燃料リッチにすることによって、排気の酸素濃度が減少するとともにＨＣ、ＣＯ、Ｈ２等の還元剤が多量に発生する。還元剤を多量に含む排気がＮＳＲ６４に供給されることで、ＮＳＲ６４の周囲の雰囲気は還元雰囲気となり、硝酸塩として吸蔵されていたＮＯｘは、ＮＯまで還元されて塩基から脱離される。このように、リーン燃焼運転中にリッチスパイクを実行することにより、ＮＳＲ６４に吸蔵されていたＮＯｘを脱離させ、ＮＳＲ６４のＮＯｘ吸蔵性能を回復させることができる。リッチスパイクによってＮＳＲ６４から脱離したＮＯｘは、ＮＳＲ６４上でＮ２やＮＨ３に還元される。
【００２６】
図３は、ＮＳＲ６４のＮＯｘ吸蔵量とリッチスパイクとの関係を示す図である。図３において、実線は、リッチスパイクの実行時間が相対的に長い場合のＮＯｘ吸蔵量の時刻による変化を示し、破線は、リッチスパイクの実行時間が相対的に短い場合のＮＯｘ吸蔵量の時刻による変化を示している。リッチスパイクの実行時間を長くすると、ＮＳＲ６４に供給される還元剤の量が多くなるため、ＮＳＲ６４のＮＯｘ吸蔵容量の回復が進み、次回のリッチスパイクまでの期間が長くなる。このため、リッチスパイクの実行時間を長くすれば、リッチスパイク１回当たりの燃料消費量は多くなるが、リッチスパイクの実行頻度は低くすることができる。
【００２７】
制御装置５０は、リッチスパイクの要求が有った場合、エンジン回転速度や負荷や空燃比等のエンジン２の運転履歴に基づいてＮＯｘの吸蔵量を推定し、推定したＮＯｘ吸蔵量に応じてリッチスパイクの実行時間を決定する。ＮＯｘ吸蔵量とリッチスパイクの実行時間との最適な関係はマップ化され、制御装置５０のＲＯＭに記憶されている。なお、リッチスパイクの要求には、他の制御ロジックからの要求に加え、エンジン２の運転履歴から推定されるＮＯｘ吸蔵量が所定の閾値に達したことや、ＮＯｘセンサ７４により計測される排気のＮＯｘ濃度が所定の閾値を超えたこと等、リッチスパイクの実行条件が成立したことも含まれる。
【００２８】
２−３．リッチスパイクのための状態量制御
制御装置５０は、過給域でリッチスパイクの要求が有った場合、以下に説明する状態量制御によってリッチスパイクを実行する。リッチスパイクのための状態量制御には、燃焼空燃比の制御と空気量の制御に加えて、過給圧の制御が含まれる。制御装置５０は、制御方法が異なる２つの状態量制御、すなわち、第１状態量制御と第２状態量制御を選択的に実行するように構成されている。
【００２９】
２−３−１．第１状態量制御
図４は、第１状態量制御について説明するタイミングチャートである。タイミングチャートでは、上から順に、アクセル開度、燃焼空燃比、目標空気量、目標過給圧、スロットル開度、ＷＧＶ閉度の時刻による変化が示されている。目標空気量のチャートには、目標空気量と併せて、実空気量の時刻による変化が破線で示され、目標過給圧のチャートには、目標過給圧と併せて、実過給圧の時刻による変化が破線で示されている。
【００３０】
第１状態量制御では、リッチスパイクの要求が有った場合、制御装置５０は、目標空気量を低下させる。目標空気量は、空燃比と空気量とトルクとを関連付けるマップより、目標トルクと目標空燃比から決定される。目標トルクは、アクセル開度より決まる目標軸トルクに、過給圧情報及び吸気管圧情報より予測される予測ポンプ損を加算して得られる。目標空燃比は燃焼空燃比の目標値であり、リッチスパイクの要求が有った場合、リーン燃焼運転の設定空燃比から理論空燃比よりも燃料リッチな所定空燃比（例えば１２〜１４程度の空燃比）へ切り替えられる。この目標空燃比の切り替えにより、リッチスパイクの要求の前後で目標空気量は離散的に急減する。
【００３１】
制御装置５０は、スロットル４０の開度を目標空気量より決定する。詳しくは、マップ或いはモデル式を用いて目標空気量から目標吸気管圧を計算し、過給圧センサ３８により計測される実過給圧と目標吸気管圧とからスロットル４０の開度を計算する。スロットル４０の開度の計算には、例えば、スロットル４０の有効開口面積と、スロットル４０の前後の圧力比と、スロットル４０を通過するガスの流量との関係を規定したモデル式（ノズルの式）が用いられる。制御装置５０は、こうして決定した開度に従ってスロットル４０を操作する。スロットル４０の操作に対する空気量の応答遅れのため、リッチスパイクの要求を受けて目標空気量が急減したとき、実空気量は目標空気量に遅れて低下する。
【００３２】
また、制御装置５０は、リッチスパイクの要求が有った場合、目標空気量を低下させると同時に目標過給圧を低下させる。目標過給圧は、基本的には、目標吸気管圧に所定のオフセット値を加算した値に設定される。よって、目標空気量が離散的に急減したときには、目標過給圧は目標吸気管圧とともに離散的に急減する。
【００３３】
制御装置５０は、ＷＧＶ４６の閉度（全開を基準としたときの閉じ具合）を目標過給圧より決定し、決定した閉度に従ってＷＧＶ４６を操作する。詳しくは、過給圧とＷＧＶ閉度とを関連付けるマップよりＷＧＶ閉度のフィードフォワード項を決定し、目標過給圧と実過給圧との偏差よりＷＧＶ閉度のフィードバック項を決定する。ＷＧＶ４６の操作に対する過給圧の応答遅れのため、リッチスパイクの要求を受けて目標過給圧が急減したとき、実過給圧は目標過給圧に遅れて低下する。
【００３４】
第１状態量制御では、リッチスパイクが実行されている間、目標過給圧は低く維持される。しかし、リッチスパイクが終了すると、目標過給圧は目標吸気管圧から決まる値ではなく、リッチスパイクの実行前の値まで離散的に急増される。目標過給圧の急増を受けてＷＧＶ４６は急速に閉じられる。ＷＧＶ４６が閉じられることで実過給圧は上昇していくが、いわゆるターボラグにより、昇圧時の応答遅れは減圧時の応答遅れより大きい。このため、実過給圧が目標過給圧まで上昇するにはある程度の時間を要する。
【００３５】
第１状態量制御では、リッチスパイクの終了後、過給圧がリッチスパイクの実行前の圧力まで回復するまでの期間、燃焼空燃比を理論空燃比（ストイキ）に維持し、且つ、目標空気量をリッチスパイク期間におけるそれに維持することが行われる。この期間は過給圧を蓄える期間であり、以降、リザーブ期間と称する。目標空気量が維持される一方、実過給圧が上昇していくことにより、実過給圧と目標吸気管圧とから計算されるスロットル４０の開度は徐々に小さくされていく。
【００３６】
そして、実過給圧が目標過給圧に達した時、制御装置５０は、ストイキ燃焼から設定空燃比によるリーン燃焼への燃焼切り替えを開始する。燃焼切り替えの開始時には、目標空燃比を理論空燃比からリーン燃焼運転の設定空燃比へ切り替えることが行われる。この目標空燃比の切り替えにより、目標トルクと目標空燃比から決定される目標空気量は離散的に急増する。目標空気量の急増を受けてスロットル４０は急速に開かれる。既に実過給圧は回復しているので、スロットル４０が急速に開かれることにより、空気量は応答良く増大する。これにより、ストイキ燃焼からリーン燃焼への燃焼切り替えは速やかに終了する。前出の図２に示すように、リーン燃焼運転の設定空燃比と理論空燃比との間には、ＮＯｘ発生量が急増する領域が存在するが、燃焼切り替えを速やかに終了させることで、この領域での滞在時間を減らしてＮＯｘの排出量を抑えることができる。
【００３７】
以上説明した第１状態量制御に関し、そのフローをフローチャートで表したものが図６である。制御装置５０のＲＯＭには、このようなフローで表されるプログラムが記憶されている。そのプログラムがＣＰＵで実行されることにより、特許請求の範囲に記載されている“第１制御手段”としての機能が制御装置５０において実現される。
【００３８】
図６のフローチャートのステップＳ１０２では、リッチスパイクの要求前よりも過給圧を低下させるようにＷＧＶ４６を操作しつつリッチスパイクを実行することが行われる。次に、ステップＳ１０４では、推定ＮＯｘ吸蔵量に応じて決定されたリッチスパイクの実行期間が経過したかどうか判定され、実行期間が経過するまでステップＳ１０２とステップＳ１０４が繰り返される。
【００３９】
リッチスパイクの実行期間が経過した場合、ステップＳ１０６では、再び過給圧を上昇させるようにＷＧＶ４６を操作するとともに、エンジン２の軸トルクを変動させないようにスロットル４０により空気量を抑えつつ燃焼空燃比を理論空燃比に調整することが行われる。次に、ステップＳ１０８では、過給圧が目標過給圧であるリッチスパイクの実行前の過給圧まで回復したかどうか判定され、過給圧が回復するまでステップＳ１０６とステップＳ１０８が繰り返される。
【００４０】
そして、過給圧が回復した場合、ステップＳ１１０では、燃焼切り替え、すなわち、スロットル４０を開いて空気量を増大させるとともに燃焼空燃比をリーン燃焼運転の設定空燃比に戻すことが行われる。
【００４１】
２−３−２．第２状態量制御
図５は、第２状態量制御について説明するタイミングチャートである。タイミングチャートでは、上から順に、アクセル開度、燃焼空燃比、目標空気量、目標過給圧、スロットル開度、ＷＧＶ閉度の時刻による変化が示されている。目標空気量のチャートには、目標空気量と併せて、実空気量の時刻による変化が破線で示され、目標過給圧のチャートには、目標過給圧と併せて、実過給圧の時刻による変化が破線で示されている。
【００４２】
第２状態量制御では、リッチスパイクの要求が有った場合、制御装置５０は、目標空気量は低下させるが、目標過給圧はリッチスパイクの要求前の過給圧に維持する。制御装置５０は、過給圧センサ３８により計測される実過給圧と、目標空気量から計算される目標吸気管圧とからスロットル４０の開度を決定し、決定した開度に従ってスロットル４０を操作する。過給圧が高く維持されることにより、過給圧が下げられる第１状態量制御に比較して、スロットル４０の開度はより小さくされる。また、制御装置５０は、ＷＧＶ４６の閉度を目標過給圧より決定し、決定した閉度に従ってＷＧＶ４６を操作する。リッチスパイクの期間は空気量が下げられるためにタービン流量が低下する。このため、フィードバック制御の作用により、ＷＧＶ４６の閉度はリッチスパイクの要求前よりも大きくされる。
【００４３】
なお、第２状態量制御でも、目標空気量は、空燃比と空気量とトルクとを関連付けるマップより、目標トルクと目標空燃比から決定される。また、第２状態量制御でも、目標トルクは、アクセル開度より決まる目標軸トルクに、過給圧情報及び吸気管圧情報より予測される予測ポンプ損を加算して得られる。ただし、第２状態量制御では、第１状態量制御よりも過給圧が高く維持されてスロットル４０が絞られるため、発生するポンプ損は第１状態量制御の実行時よりも大きくなる。このため、第２状態量制御では、第１状態量制御に比較して、予測ポンプ損が大きくなる分だけリッチスパイク中の目標トルクが大きくなり、リッチスパイク中の燃料消費量も大きくなる。
【００４４】
第２状態量制御では、リッチスパイクの終了後、ストイキ燃焼から設定空燃比によるリーン燃焼への燃焼切り替えを開始する。燃焼切り替えの開始時には、目標空燃比をリッチスパイクの設定空燃比からリーン燃焼運転の設定空燃比へ切り替えることが行われる。この目標空燃比の切り替えにより、目標トルクと目標空燃比から決定される目標空気量は離散的に急増する。目標空気量の急増を受けてスロットル４０は急速に開かれる。過給圧はリッチスパイク中も維持されていたので、スロットル４０が急速に開かれることにより、空気量は応答良く増大する。これにより、ストイキ燃焼からリーン燃焼への燃焼切り替えは速やかに終了する。
【００４５】
以上説明した第２状態量制御に関し、そのフローをフローチャートで表したものが図７である。制御装置５０のＲＯＭには、このようなフローで表されるプログラムが記憶されている。そのプログラムがＣＰＵで実行されることにより、特許請求の範囲に記載されている“第２制御手段”としての機能が制御装置５０において実現される。
【００４６】
図７のフローチャートのステップＳ２０２では、リッチスパイクの要求前の過給圧を維持するようにＷＧＶ４６を操作しつつリッチスパイクを実行することが行われる。次に、ステップＳ２０４では、推定ＮＯｘ吸蔵量に応じて決定されたリッチスパイクの実行期間が経過したかどうか判定され、実行期間が経過するまでステップＳ２０２とステップＳ２０４が繰り返される。
【００４７】
そして、リッチスパイクの実行期間が経過した場合、ステップＳ２０６では、燃焼切り替え、すなわち、スロットル４０を開いて空気量を増大させるとともに燃焼空燃比をリーン燃焼運転の設定空燃比に戻すことが行われる。
【００４８】
２−３−３．状態量制御の選択
上述の２種類の状態量制御を比較した場合、燃費性能の点においてそれぞれに一長一短がある。具体的には、第１状態量制御によれば、リッチスパイクの実行時に過給圧を低下させるため、リッチスパイクの実行前の過給圧を維持する第２状態量制御に比較すると、同じ空気量を得るためのスロットル４０の開度を大きくすることができる。このことはポンプ損を低減させることになるため、燃費性能において有利となる。
【００４９】
しかし、その一方で、第１状態量制御によれば、リッチスパイクの終了後にリザーブ期間を設けるため、リッチスパイクの終了後直ぐに燃焼切り替えを行う第２状態量制御に比較すると、スロットル４０の開度が小さい期間が続くことになる。このことはポンプ損を増大させることになるため、燃費性能において不利となる。
【００５０】
つまり、第１状態量制御と第２状態量制御のどちらが燃費性能において有利かは一概には言えない。制御装置５０は、過給域でリッチスパイクの要求が有った場合、第１状態量制御と第２状態量制御のどちらの方の燃料消費量が少ないかエンジン２の運転条件から判断し、燃料消費量の少ない方を選択する。より具体的には、制御装置５０は、第１状態量制御を実行したならばリーン燃焼運転を継続するよりも余計に消費することになる燃料量（第１燃料量）と、第２状態量制御を実行したならばリーン燃焼運転を継続するよりも余計に消費することになる燃料量（第２燃料量）とをそれぞれ計算して比較する。
【００５１】
第１燃料量Ｑ１と第２燃料量Ｑ２は、それぞれ以下の式で計算することができる。
Ｑ１＝(q_rich1−q_lean)×t1＋(q_st−q_lean)×t2  ・・・式１
Ｑ２＝(q_rich2−q_lean)×t1  ・・・式２
【００５２】
上記式において、t1は、リッチスパイク期間の長さであり、これは第１状態量制御と第２状態量制御とで共通である。リッチスパイク期間の長さは、推定ＮＯｘ吸蔵量より計算される。t2は、第２状態量制御によるリザーブ期間の長さである。リザーブ期間の長さは、実機より得られた適合値であり、エンジン回転速度とトルクとに関連付けられてマップ化されている。
【００５３】
上記式において、q_rich1は、第１状態量制御によるリッチスパイク期間の単位時間当たりの燃料噴射量である。q_rich2は、第２状態量制御によるリッチスパイク期間の単位時間当たりの燃料噴射量である。q_stは、第１状態量制御によるリザーブ期間の単位時間当たりの燃料噴射量である。なお、先に説明したとおり、リザーブ期間中の燃焼空燃比は理論空燃比に設定されている。q_leanは、リーン燃焼運転中の単位時間当たりの燃料噴射量である。q_rich1，q_rich2，q_st，q_leanのいずれも目標空燃比と目標空気量（目標トルクと目標空燃比から計算される）から計算することができる。q_rich2の基礎となる目標トルクは、q_rich1の基礎となる目標トルクよりもポンプ損の差の分だけ大きい。このため、q_rich1とq_rich2とを比較すると、q_rich2の方が目標トルクに含まれるポンプ損の差の分だけ大きい。
【００５４】
制御装置５０は、上記式１で計算される第１燃料量Ｑ１が上記式２で計算される第２燃料量Ｑ２よりも多い場合は、第２状態量制御を実行することを選択し、第１燃料量Ｑ１が第２燃料量Ｑ２以下の場合は、第１状態量制御を実行することを選択する。なお、第１燃料量Ｑ１と第２燃料量Ｑ２の大小を判定することは、以下の不等式の正否を判定することと等価である。ゆえに、以下の不等式の正否によってどちらの状態量制御を実行するか判断してもよい。
(q_rich2−q_rich1)×t1−(q_st−q_lean)×t2＞０・・・式３
【００５５】
以上説明した制御方法の選択手順は、図８のフローチャートで表すことができる。制御装置５０のＲＯＭには、このフローチャートに示す処理及び判定を実行するためのプログラムが記憶されている。そのプログラムがＣＰＵで実行されることにより、特許請求の範囲に記載されている“選択手段”としての機能が制御装置５０において実現される。制御装置５０は、リーン燃焼運転を実施している間、このフローチャートに示す処理及び判定を制御周期ごとに繰り返し実行している。
【００５６】
図８のフローチャートのステップＳ２では、リッチスパイクの要求の有無が判定される。ＮＯｘセンサ７４で計測されるＮＳＲ６４の下流のＮＯｘの濃度が閾値を超えたこと、或いは、エンジン回転速度やトルクや空燃比に基づいて推定計算されるＮＳＲ６４のＮＯｘ吸蔵量が閾値を超えたこと、などのリッチスパイクの実行条件が満たされた場合や、他の制御ロジックからの要求が有った場合、リッチスパイクの要求有り、と判定される。リッチスパイクの要求が無い場合、以降の処理及び判定はスキップされる。
【００５７】
リッチスパイクの要求が有る場合、ステップＳ４では、エンジン２の動作点が過給域にあるかどうか判定される。エンジン２の動作点が過給域に無い場合、ステップＳ１６において、第３状態量制御を実行することが選択される。第３状態量制御については説明していなかったが、これは、過給圧制御を伴わない通常のリッチスパイクを意味する。つまり、スロットル４０により空気量を減少させ且つ燃焼空燃比を理論空燃比よりも燃料リッチにすることでエンジン２の軸トルクを変動させずにＮＳＲ６４に還元剤を供給することが行われる。
【００５８】
エンジン２の動作点が過給域に有る場合、ステップＳ６で第１燃料量Ｑ１が掲載され、ステップＳ８で第２燃料量Ｑ２が計算される。ステップＳ６とステップＳ８の順序は前後してもよい。そして、ステップＳ１０で第１燃料量Ｑ１が第２燃料量Ｑ２よりも多いかどうか判定される。
【００５９】
第１燃料量Ｑ１が第２燃料量Ｑ２よりも多い場合、ステップＳ１２において、第２状態量制御を実行することが選択される。一方、第１燃料量Ｑ１が第２燃料量Ｑ２以下の場合、ステップＳ１４において、第１状態量制御を実行することが選択される。このように、より燃料消費量が少ない方の状態量制御が選択されることで、リッチスパイクによる燃費性能の低下を抑えることができる。
【００６０】
３．その他実施の形態．
第１状態量制御と第２状態量制御のどちらの状態量制御の方が燃料消費量が少ないかエンジンの動作点ごとに計算し、エンジン回転速度とトルクとに関連付けてマップ化してもよい。つまり、上述の実施の形態のように毎回燃料量を計算して比較するのではなく、リッチスパイクが要求されたときのエンジン回転速度と目標トルクとに基づき、マップにしたがって第１状態量制御と第２状態量制御のどちらかを選択するようにしてもよい。
【００６１】
リッチスパイクの実行時間は、推定したＮＯｘ吸蔵量から決定するのではなく、一定時間（例えば３秒など）に固定するのでもよい。リザーブ期間は、上述の実施の形態のように予めマップで定めておくのではなく、過給圧を監視して過給圧が所定値に達するまでをリザーブ期間としてもよい。
【００６２】
上述の実施の形態では、過給機の動作状態を変更して過給圧を調整するアクチュエータとして、ウェイストゲートバルブ４６が設けられている。過給機が可変ノズルを備える可変容量型のターボ過給機であれば、可変ノズルがそのようなアクチュエータに該当する。また、過給機がコンプレッサを電動モータで駆動する電動過給機であれば、電動モータがそのようなアクチュエータに該当する。
【符号の説明】
【００６３】
２  内燃機関（エンジン）
５  燃焼室
１４  吸気バルブ
１６  排気バルブ
２０  ポート噴射弁
２２  筒内噴射弁
２８  ターボ過給機
３０  吸気通路
３２  排気通路
３８  過給圧センサ
４０  スロットル
４６  ウェイストゲートバルブ
５０  制御装置
６２  スタート触媒（Ｓ／Ｃ）
６４  ＮＯＸ吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ）
【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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