JP2019167848A - 内燃機関システム - Google Patents

Abstract

【課題】ストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとの燃焼切替時の移行期間におけるエンジンからの排ガスのＮＯｘ濃度の増加を抑制するとともに、当該移行期間中の積算ＮＯｘ排出量の増加を抑制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１０は、エンジン１２と、三元触媒３８及びＮＯｘ還元触媒４０と、排気還流装置５０と、排気還流量調整弁５４と、ターボチャージャ６０と、タービンバイパス流路３６及びウエストゲートバルブ４２と、吸気絞り弁２６と、エンジン１２の燃焼モードを切り替える燃焼切替制御装置１１と、を備える。燃焼切替制御装置１１は、移行期間において、排ガス再循環率が所定の第１目標値になるようにリーン燃焼条件からストイキ燃焼条件に切り替える空燃比切替工程と、ストイキ燃焼条件を維持しながら排ガス再循環率を低減する排ガス再循環率切替工程と、を行う。【選択図】図１

Description

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。

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。

特許文献２には、ストイキよりリッチな燃焼領域とリーン燃焼領域との間の燃焼領域切換時において、排気浄化装置下流のＮＯｘ排出量及びトルク変動量をオンラインで推定した推定値に基づき、ＮＯｘ排出量及びトルク変動量を低減すべく、燃焼室に吸入される吸入空気量を通常時とは異なる態様で制御する燃焼制御手段を備えるエンジンの制御装置が記載されている。これにより、燃焼領域切換時の排気エミッションの悪化と運転性の悪化を防止するとされている。

特開２０１２−１９７７９４号公報 国際公開第２００５／０７５８０３号パンフレット

特許文献１の技術では、ＮＯｘ還元触媒を廃止するとともに、エンジン負荷に応じてリーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとで切り替え、ストイキ燃焼モードでは三元触媒を用いることでＮＯｘ排出量の低減を図っている。

ところで、特許文献１等の従来技術では、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際、三元触媒が機能するストイキ燃焼領域よりリーン側の燃焼領域において一時的にエンジン排ガス中のＮＯｘ濃度が増加し、積算ＮＯｘ排出量が増加する問題がある。しかしながら、特許文献１には、ストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとの切り替え時における制御に関する言及はない。

特許文献２には、ストイキよりリッチな燃焼領域とリーン燃焼領域との間の切替え時において、混合気の空燃比、エンジン回転数、トルク及びＥＧＲ量に基づくＮＯｘ排出量の推定と、例えば吸気弁のリフト量の調整により吸入空気量を制御して行う三元触媒入口の空燃比の短時間での切替えにより、ＮＯｘ排出量を低減する方法が記載されている。しかしながら、特許文献２には、ストイキ燃焼領域とリーン燃焼領域とを切り替える移行期間におけるＮＯｘ排出量を低減するための制御について具体的な言及はなく、また、外部ＥＧＲ装置又は過給器の制御を伴う場合についての具体的な言及もない。

本発明の課題は、ストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとの燃焼切替時の移行期間におけるエンジンからの排ガスのＮＯｘ濃度の増加を抑制するとともに、当該移行期間中の積算ＮＯｘ排出量の増加を抑制できる内燃機関システムを提供することにある。

本発明に係る第１の内燃機関システムは、エンジンと、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、ＮＯｘ還元触媒の温度を取得する温度取得手段と、エンジンの回転数を取得する回転数取得手段と、エンジンにおける燃料噴射量を制御する噴射制御部と、エンジンの排ガスの一部を再循環する排気還流装置と、エンジンに再循環させる排ガス量を調整する排気還流量調整装置と、エンジンに吸気される空気を過給する過給装置と、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、温度取得手段によって取得されたＮＯｘ還元触媒温度、回転数取得手段によって取得されたエンジン回転数、及び、噴射制御部から取得された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、を備える。燃焼切替制御部は、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへ切り替える移行期間において、排気還流量調整装置、過給圧調整装置及び空気量調整装置を制御することにより、排ガス再循環率が所定の第１目標値になるように、空燃比をリーン燃焼条件からストイキ燃焼条件に切り替える空燃比切替工程と、空燃比切替工程の後、ストイキ燃焼条件を維持しながら、排ガス再循環率を第１目標値から所定の第２目標値にまで低減する排ガス再循環率切替工程と、を行う。

本発明に係る第２の内燃機関システムは、エンジンと、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、ＮＯｘ還元触媒の温度を取得する温度取得手段と、エンジンの回転数を取得する回転数取得手段と、エンジンにおける燃料噴射量を制御する噴射制御部と、エンジンの排ガスの一部を再循環する排気還流装置と、エンジンに再循環させる排ガス量を調整する排気還流量調整装置と、エンジンに吸気される空気を過給する過給装置と、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、温度取得手段によって取得されたＮＯｘ還元触媒温度、回転数取得手段によって取得されたエンジン回転数、及び、噴射制御部から取得された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、を備える。燃焼切替制御部は、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへ切り替える燃焼切替時において、排気還流量調整装置、過給圧調整装置及び空気量調整装置を制御して、ストイキ燃焼条件を維持しながら、排ガス再循環率を所定の第１目標値にまで増加する排ガス再循環率切替工程と、排ガス再循環率切替工程の後、排ガス再循環率を第１目標値から所定の第２目標値にまで増加するとともに、空燃比をリーン燃焼条件からストイキ燃焼条件に切り替える空燃比切替工程と、を行う。

本発明に係る内燃機関システムによれば、ＮＯｘ濃度の増加を抑制する所定の目標ＥＧＲ率となるようにリーン燃焼条件とストイキ燃焼条件とを切り替える工程と、ストイキ燃焼条件を維持して三元触媒によるＮＯｘ浄化を機能させながらＥＧＲ率の調整する工程とで構成された燃焼切替制御を行うことにより、燃焼切替時の移行期間におけるエンジンからの排ガスのＮＯｘ濃度の増加を抑制することができ、その結果、当該移行期間中の積算ＮＯｘ排出量の増加を抑制することができる。

実施形態に係る内燃機関システムの全体構成を概略的に示す図である。 エンジンの空燃比、ＮＯｘ排出量及び過給圧の関係を示すグラフである。 エンジンの吸気酸素濃度とＮＯｘ排出量との関係を示すグラフである。 実施形態の一例に係る燃料切替制御による各パラメータの変化を示すグラフである。 図１に示す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の一例を示すフローチャートである。 実施形態の他の例に係る燃料切替制御による各パラメータの変化を示すグラフである。 図１に示す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の他の例を示すフローチャートである。

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。

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システムに適用されてもよい。

＜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、燃料及び噴射の回数、量及び時期が制御される。

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。

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。

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、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り、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。吸気絞り弁２６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。

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。

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の他の触媒（例えば、ＨＣトラップ触媒や微粒子フィルタ（ＤＰＦ））を設けていないが、他の触媒を更に設けてもよい。

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であるストイキ燃焼条件（ストイキ燃焼領域）のときに高くなり、高温でも比較的高く維持できる。これに対し、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、空燃比が化学量論比よりもリーン側であるリーン燃焼条件（リーン燃焼領域）での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。

本実施形態では、ＮＯｘ還元触媒４０として、選択還元型触媒（ＳＣＲ）が好適に用いられる。ただし、これに限定されるものではなく、ＮＯｘ還元触媒４０は、吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ）によって構成されてもよいし、あるいは、ＳＣＲとＮＳＲとの組合せにより構成されてもよい。なお、これらの三元触媒、ＳＣＲ及びＮＳＲには、公知または今後開発される如何なる触媒が用いられてもよい。

ＮＯｘ還元触媒４０には、温度センサ４１が配置されている。温度センサ４１は、ＮＯｘ還元触媒４０の温度Ｔｇを取得する温度取得手段を構成する。温度センサ４１は、ＮＯｘ還元触媒４０の内部温度を検出するように配置されるのが好ましい。温度センサ４１によって取得されたＮＯｘ還元触媒４０の温度Ｔｇは、燃焼切替制御装置１１に送信される。なお、本実施形態では、ＮＯｘ還元触媒４０の温度Ｔｇを温度センサ４１で検出する例について説明するが、これに限定されるものではなく、第１排気通路３２または第２排気通路３４を流れる排ガスの温度に基づいて燃焼切替制御装置１１がＮＯｘ還元触媒温度Ｔｇを予測してもよい。

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。

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。

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。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は、本発明における「過給圧調整装置」に相当する。

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吸気通路２４の吸気絞り弁２６よりも下流側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、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。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。

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。

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、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶素子で構成され、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、温度センサ４１によって取得されたＮＯｘ還元触媒温度Ｔｇ、マップ及び所定値等を記憶する。

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、ウエストゲートバルブ４２及び排ガス還流量調整弁５４のそれぞれに対して開度調整信号を送信し、各弁の開度を調整する。なお、燃焼切替制御装置１１は、噴射制御装置１８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。

次に、本実施形態の内燃機関システム１０において燃焼切替制御装置１１が実行する燃焼切替制御について、詳しく説明する。図２は、本実施形態に係る燃焼切替制御の一例を示すグラフである。図２のグラフでは、空燃比（Ａ／Ｆ）を横軸に、エンジン１２からの排出直後の排ガス（エンジン出ガス）におけるＮＯｘの濃度（単位：ｇ／ｋＷｈ）を縦軸にそれぞれ示している。

図２のグラフ中、Ａ点はリーン燃焼モード、即ち本実施形態の燃焼切替制御の開始点の座標を示し、Ｂ点は本実施形態の燃焼切替制御における第１工程から第２工程への中継点（後述）の座標を示し、Ｃ点はストイキ燃焼モード、即ち本実施形態の燃焼切替制御の終了点の座標を示している。なお、図２のグラフでは、燃料噴射装置１６からの燃料噴射量ｍ_ｆは一定とされている。

リーン燃焼モード（Ａ）とストイキ燃焼モード（Ｃ）との間の燃焼切替えは、燃料噴射装置１６からの燃料噴射量ｍ_ｆが一定である場合、吸気バルブ閉鎖（ＩＶＣ）時の過給圧（吸気圧）Ｐと、ＥＧＲ率（ｅｇｒ）とを調整することにより、行われる。リーン燃焼モード（Ａ）では、排気還流装置５０により所定のＥＧＲ率（ｅｇｒ_０）で排ガスが再循環され、ターボチャージャ６０により所定の過給圧（Ｐ_０）で過給されることにより、空燃比が（Ａ／Ｆ）_０に調整されるものとする。また、ストイキ燃焼モード（Ｃ）においても同様に、排気還流装置５０により所定のＥＧＲ率（ｅｇｒ_２）で排ガスが再循環され、ターボチャージャ６０により所定の過給圧（Ｐ_２）で過給されることにより、空燃比が化学量論比（１４．６）である空燃比（Ａ／Ｆ）_{ｓｔｏｉｃｈ}に調整されるものとする。この場合、燃料噴射量ｍｆが一定であるため、ストイキ燃焼モード（Ｃ）のＥＧＲ率及び過給圧は共にリーン燃焼モード（Ａ）よりも低下する（ｅｇｒ_０＞ｅｇｒ_２、Ｐ_０＞Ｐ_２）。その結果、図２に示すように、ストイキ燃焼モード（Ｃ）では、エンジン出ガスのＮＯｘ濃度がリーン燃焼モード（Ａ）に比べて増加することになる。しかしながら、空燃比が化学量論比であるストイキ燃焼モード（Ｃ）では、三元触媒３８が機能してエンジン出ガス中のＮＯｘを浄化するため、三元触媒３８及びＮＯｘ還元触媒４０通過後のテイルパイプでの排ガスのＮＯｘ濃度は、エンジン出ガスに比して格段に低減する（図４（ｇ）参照）。

ここで、図２に破線で示すように、ただ単にリーン燃焼モード（Ａ）からストイキ燃焼モード（Ｃ）へと切り替える場合（Ａ→Ｃ）を考える。このリーン燃焼モード（Ａ）からストイキ燃焼モード（Ｃ）へ切り替える移行期間では、ＥＧＲ率の低下に伴い、ストイキ燃焼モード（Ｃ）に近づくにつれてエンジン出ガス中のＮＯｘ濃度が増加する。ところが、当該移行期間中の空燃比は化学量論比よりも高いため、三元触媒３８を適切に機能させ、エンジン出ガス中のＮＯｘを還元により浄化することができず、排ガスはそのままのＮＯｘ濃度でテイルパイプから排出されることになる。したがって、上記の場合、リーン燃焼モード（Ａ）からストイキ燃焼モード（Ｃ）への移行期間中の積算ＮＯｘ排出量が増加してしまう。

そこで、本実施形態では、リーン燃焼モード（Ａ）からストイキ燃焼モード（Ｃ）への燃焼切替制御を、排ガス再循環率が所定の目標値になるように、空燃比をリーン燃焼条件からストイキ燃焼条件に切り替える空燃比切替工程（以下「第１工程」と記載）と、ストイキ燃焼条件を維持しながら、排ガス再循環率を低減する排ガス再循環率切替工程（以下「第２工程」と記載）の２工程に分けて行うものとする。具体的には、図２に示すように、ストイキ燃焼条件の空燃比（（Ａ／Ｆ）_{ｓｔｏｉｃｈ}）であり、所定のＥＧＲ率（ｅｇｒ_１）を有する中継点（Ｂ）を設定し、ＥＧＲ率及び過給圧の制御により、第１工程ではリーン燃焼モード（Ａ）から中継点（Ｂ）に切り替え、続く第２工程では、ストイキ燃焼条件の空燃比を維持しながら中継点（Ｂ）からストイキ燃焼モード（Ｃ）へと切り替える。

中継点（Ｂ）のＥＧＲ率（ｅｇｒ_１）は、例えば、エンジン１２に導入される吸気酸素濃度ｘ_ｉに基づいて設定される。図３は、エンジン１２の吸気酸素濃度ｘ_ｉとエンジン出ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示すグラフである。図３のグラフに示すように、燃料噴射量ｍ_ｆ一定、即ち等トルクである場合、エンジン出ガス中のＮＯｘ濃度と吸気酸素濃度ｘ_ｉとは強い相関を有し、エンジン出ガス中のＮＯｘ濃度は吸気酸素濃度ｘ_ｉによってほぼ決定されることが知られている（自動車技術会論文集、Ｖｏｌ．４３（２０１２年）、Ｎｏ．１、１０９〜１１４頁）。そこで、例えば、第１工程の第１目標ＥＧＲ率（第１目標値）として、リーン燃焼モード（Ａ）時の吸気酸素濃度ｘ_ｉ０に基づいて、第１工程前後の吸気酸素濃度が同等となるＥＧＲ率（ｅｇｒ_１）を設定する。すると、第１工程では、リーン燃焼モード（Ａ）から設定したＥＧＲ率（ｅｇｒ_１）を有する中継点（Ｂ）に向けて、空燃比をストイキ燃焼条件にまで低下させる間、図２に示すように、エンジン出ガスのＮＯｘ濃度が一定となる。よって、この間の積算ＮＯｘ排出量の増加が抑えられる。

第１工程が終了すれば（中継点（Ｂ））、ストイキ燃焼条件となるため、三元触媒３８を適切に機能させ、エンジン出ガス中のＮＯｘを浄化することができる。そのため、ＥＧＲ率をｅｇｒ_１から第２目標ＥＧＲ率（第２目標値）であるｅｇｒ_２にまで低下させ、中継点（Ｂ）からストイキ燃焼モード（Ｃ）へと切り替える第２工程では、エンジン出ガスのＮＯｘ濃度は増加するものの、三元触媒３８の浄化機能により、テイルパイプでの排ガス中のＮＯｘ濃度は低減される。このように、本実施形態に係る燃焼切替制御では、吸気酸素濃度に基づいて設定した第１目標ＥＧＲ率を有する中継点（Ｂ）に向けてリーン燃焼条件からストイキ燃焼条件に切り替える第１工程と、ストイキ燃焼条件を維持しながらＥＧＲ率を第２目標ＥＧＲ率にまで低下させる第２工程とを実行することにより、テイルパイプにおける積算ＮＯｘ排出量の増加を抑制することができる。

本実施形態に係る燃焼切替制御装置１１が実行する燃焼切替制御の作用について、図４を参照しながら詳しく説明する。図４の各グラフにおいて、横軸は時間の経過を示し、縦軸は燃焼切替制御による各パラメータの変化を示している。即ち、燃焼切替制御が、時刻ｔ０において開始し、時刻ｔ２において終了したことを示す。図４（ａ）は燃焼切替制御による空燃比の変化を、図４（ｂ）は同じくＥＧＲ率の変化を、図４（ｃ）は同じく過給圧の変化を、図４（ｄ）は同じく吸気酸素濃度の変化を、図４（ｅ）は同じくエンジン出ガスのＮＯｘ濃度の変化を、図４（ｆ）は同じく三元触媒のＮＯｘ浄化率の変化を、図４（ｇ）は同じくテイルパイプにおける排ガスのＮＯｘ濃度の変化を、それぞれ示す。

図４の各グラフ中の実線は、本実施形態に係る燃焼切替制御による変化を示しており、時刻ｔ０まではリーン燃焼モード（Ａ）でエンジン１２が運転され、時刻ｔ０〜ｔ２の移行期間において、第１工程（ｔ０〜ｔ１）と第２工程（ｔ１〜ｔ２）とで構成される燃焼切替制御が実行され、時刻ｔ２より後、ストイキ燃焼モード（Ｃ）でエンジン１２が運転されたことを示す。

リーン燃焼モード（Ａ）では、空燃比が（Ａ／Ｆ）_０であり、ＥＧＲ率がｅｇｒ_０であり、過給圧がＰ_０であり、吸気酸素濃度がｘ_ｉ０である。本実施形態に係る燃焼切替制御が開始されると（時刻ｔ０）、ＥＧＲ率及び過給圧を低減しながら、空燃比をストイキ燃焼条件である（Ａ／Ｆ）_{ｓｔｏｉｃｈ}にまで低減する第１工程に入る。図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、第１工程では、第１目標ＥＧＲ率ｅｇｒ_１及び第１目標過給圧Ｐ_１に向かってＥＧＲ率及び過給圧が低減されるが、これら第１目標ＥＧＲ率ｅｇｒ_１及び第１目標過給圧Ｐ_１は、第１工程終了時の吸気酸素濃度ｘ_ｉ１がリーン燃焼モード（Ａ）の吸気酸素濃度ｘ_ｉ０と同等に維持されるように、予め設定された値である。ＥＧＲ率及び過給圧が低下して、空燃比、ＥＧＲ率及び過給圧が各目標値（図２における中継点Ｂ）に到達すると、第１工程が終了する（時刻ｔ１）。時刻ｔ０からｔ１までの第１工程の間、図４（ｄ）及び（ｅ）に示すように吸気酸素濃度が一定に維持されるため、エンジン出ガスのＮＯｘ濃度は増加しない。よって、図４（ｇ）に示すように、第１工程では、リーン燃焼モード（Ａ）と同程度のテイルパイプでのＮＯｘ排出量を維持したまま、リーン燃焼条件（（Ａ／Ｆ）_０）からストイキ燃焼条件（（Ａ／Ｆ）_{ｓｔｏｉｃｈ}）にエンジン１２の運転条件が切り替えられる。

続いて、空燃比をストイキ燃焼条件に維持しながらＥＧＲ率を低減する第２工程に入る。第２工程では、ＥＧＲ率及び過給圧が第２目標ＥＧＲ率ｅｇｒ_２及び第２目標過給圧Ｐ_２のそれぞれに低減される。第２目標ＥＧＲ率ｅｇｒ_２は、第２工程後のストイキ燃焼モード（Ｃ）でのＥＧＲ率であり、エンジン出ガスの温度又はＮＯｘ還元触媒温度Ｔｇ等に基づいて設定された値であり、第２目標過給圧Ｐ_２は第２目標ＥＧＲ率ｅｇｒ_２によって決定される。第２工程において、ＥＧＲ率及び過給圧が低下して各目標値に到達すると、第２工程が終了し（時刻ｔ２）、エンジン１２はストイキ燃焼モード（Ｃ）で運転される。図４（ｆ）に示すように、第１工程から第２工程に移る中継点（Ｂ）の周辺で空燃比が化学量論比に近い値となるため、三元触媒３８が機能してエンジン出ガス中のＮＯｘが浄化される。そのため、第２工程ではＥＧＲ率及び過給圧の低下により吸気酸素濃度が増加することに伴い、エンジン出ガスのＮＯｘ濃度が増加する（図４（ｅ））ものの、三元触媒３８の浄化機能により、テイルパイプでのＮＯｘ排出量は低減される（図４（ｇ））。

一方、図４の各グラフ中の破線は、本実施形態のように２工程で構成される燃焼切替制御を行わず、ただ単にリーン燃焼モード（Ａ）からストイキ燃焼モード（Ｃ）へと切り替える制御を実行した場合の各パラメータの変化を示すものである（図２参照）。この例では、リーン燃焼モード（Ａ）からストイキ燃焼モード（Ｃ）へと切り替える移行期間の開始時（ｔ０）における空燃比及びＥＧＲ率の目標値をストイキ燃焼モード（Ｃ）における空燃比（（Ａ／Ｆ）_{ｓｔｏｉｃｈ}）及びＥＧＲ率（ｅｇｒ_２）に設定し、ＥＧＲ率及び過給圧を低減する燃焼切替制御が実行される。すると、図４（ａ）〜（ｄ）において破線で示すように、移行期間（ｔ０→ｔ２）において、ＥＧＲ率及び過給圧の低下により吸気酸素濃度が増加し、これに伴い、エンジン出ガスのＮＯｘ濃度が増加する。ところが、時刻ｔ２の近傍を除く移行期間の大部分では、空燃比が化学量論比の近傍になく（図４（ａ））、三元触媒がＮＯｘ浄化機能を発揮しない（図４（ｆ））。そのため、図４（ｇ）に示すように、エンジン出ガス中のＮＯｘ濃度が増加した分、テイルパイプにおける排ガスのＮＯｘ濃度が増加し、テイルパイプでの積算ＮＯｘ排出量が増加してしまう。

それに対して、本実施形態に係る燃焼切替制御では、リーン燃焼モード（Ａ）からストイキ燃焼モード（Ｃ）への燃焼切替時において、上述の第１工程及び第２工程とを行うことにより、単にストイキ燃焼モード（Ｃ）における空燃比及びＥＧＲ率を目標値として設定して１つの工程で燃焼モードを切り替える場合と比較して、図４（ｇ）における破線で囲われた領域に相当する積算ＮＯｘ排出量を低減することができる。

上述の本実施形態に係る燃焼切替制御における各目標値の設定について説明する。燃焼切替制御装置１１は、まず、リーン燃焼モードにおける吸気酸素濃度ｘ_ｉ０を取得し、吸気酸素濃度ｘ_ｉ０に基づいて第１工程の目標値となる吸気酸素濃度ｘ_ｉ１が設定される。吸気酸素濃度ｘ_ｉ，Ｏ２は、例えば、次式から求めることができる。

式（１）中、（Ａ／Ｆ）_０はリーン燃焼モードにおける空燃比を、（Ａ／Ｆ）_{ｓｔｏｉｃｈ}は化学量論比（１４．６）を、ｅｇｒ_０はリーン燃焼モードにおけるＥＧＲ率を、η_ｃｏｍｂは燃焼効率をそれぞれ表す。ここで式（１）は、下記のようにして導出される。まず、エンジン出ガスの酸素モル分率ｘｅ，ｏ２を下記式（２）より求める。

式中、Ｗ_ａは空気の平均分子量を、Ｗｅは再循環された排ガスの平均分子量を、ｍａはシリンダ１４内の空気の質量を、ｍｅはシリンダ１４内の再循環された排ガスの質量を、ｍｆは噴射された燃料の質量を、それぞれ表す。Ｗａ＝Ｗｅとして上記式（２）を整理すると、下記式（３）が得られる。

上記式に、ｍａ／ｍｆ＝Ａ／Ｆを代入すると、下記式（４）が得られる。

エンジン１２への吸気の酸素モル分率ｘｉ，ｏ２は、下記式（５）より求めることができる。

上記式（５）において、Ｗａ＝Ｗｅとし、ｅｇｒ＝ｍｅ／（ｍａ＋ｍｅ）と式（４）とを代入し、さらに大気中の酸素の体積割合を２１％とすることにより、上記式（１）が得られる。

式（１）中の空燃比Ａ／Ｆ_０は、例えば、公知の空燃比センサを用いて、または、公知の方法により推定された推定空燃比として燃焼切替制御装置１１により取得される。空燃比センサは、例えば、第１排気通路３２のうち、エンジン１２の各シリンダ１４の排出ポートから排出された排ガスが集合する部分に設けられ、検出した排ガスの酸素濃度に対応する信号を燃焼切替制御装置１１に送信する。リーン燃焼モードにおけるＥＧＲ率（ｅｇｒ_０）は、例えば、リーン燃焼モード時に燃焼切替制御装置１１が設定されて記憶部に記憶された値を用いることができる。或いは、第１吸気通路２２、第２吸気通路２４、第１排気通路３２及び排気還流通路５２に設けられた圧力センサ、酸素濃度センサ及び流量計等の各種センサから取得された値に基づいて、燃焼切替制御装置１１によりＥＧＲ率（ｅｇｒ_０）が推定されてもよい。また、燃焼効率η_ｃｏｍｂは、例えば、大気条件とエンジン回転と負荷からの推定式もしくはマップ値により取得される。

リーン燃焼モードにおける吸気酸素濃度ｘ_ｉ０に基づいて、燃焼切替制御装置１１は、第１工程の目標値となる吸気酸素濃度ｘ_ｉ１を設定する。図４（ｄ）及び（ｅ）に示すように、第１工程前後におけるエンジン出ガスのＮＯｘ濃度を同等に維持する場合は、吸気酸素濃度ｘ_ｉ１を、取得されたリーン燃焼モードの吸気酸素濃度ｘ_ｉ０と同じ値に設定する。また、第１工程におけるエンジン出ガスのＮＯｘ濃度をより低減させたい場合は、吸気酸素濃度ｘ_ｉ０よりも低い値に吸気酸素濃度ｘ_ｉ１を設定する。燃焼切替制御装置１１は、例えば、第１工程前後の吸気酸素濃度の比（ｘ_ｉ１／ｘ_ｉ０）を予め記憶部に記憶しておき、本実施形態に係る燃焼切替制御を実行する際、それを記憶部から読み出して吸気酸素濃度ｘ_ｉ１を設定する。

燃焼切替制御装置１１は、設定された吸気酸素濃度ｘ_ｉ１に基づいて、第１工程の第１目標ＥＧＲ率（ｅｇｒ_１）及び第１目標過給圧（Ｐ_１）を算出し、設定する。例えば、吸気酸素濃度ｘ_ｉ１を吸気酸素濃度ｘ_ｉ０と同値にする場合、第１目標ＥＧＲ率（ｅｇｒ_１）及び第１目標過給圧（Ｐ_１）は下記式（６）及び（７）により求められる。

式（７）中、ＴはＩＶＣ時のシリンダ１４内の温度を表し、ｍ_ｆは燃料噴射量を表す。Ｔ０及びＴ１は、例えば、第１排気通路３２に設けた図示しない温度センサから取得された値に基づいて、記憶部に記憶された所定のマップを参照することにより、推定することができる。また、リーン燃焼モードにおける燃料噴射量ｍ_ｆ０は記憶部に記憶された値を用いればよい。第１工程後の燃料噴射量ｍ_ｆ１は、図示しない上位制御装置から入力された目標トルクＴｑや目標エンジン回転数Ｎｅ等のエンジン１２の運転条件が実現されるように、例えば、記憶部に記憶された所定のマップを参照して燃焼切替制御装置１１により決定される。

燃焼切替制御装置１１は、さらに、第２工程における第２目標ＥＧＲ率（ｅｇｒ_２）を設定する。第２目標ＥＧＲ率は０％であることが好ましい。第２目標ＥＧＲ率が０％であると、エンジン出ガスにおけるスモークの生成が抑制され、また、ストイキ燃焼モードでの過給が不要になるためターボチャージャ６０等の過給装置を小型化することができる。その一方、例えばストイキ燃焼モードで過給せずに高速条件で運転する場合に、エンジン出ガスの温度上昇により、排気系３０の耐久性の低下をもたらす可能性がある。そのような場合には、エンジン出ガスの温度又はＮＯｘ還元触媒温度Ｔｇが所定値以上であるか否かの判定に基づいて、第２目標ＥＧＲ率を０％よりも大きい値に設定する。これにより、エンジン出ガスの温度低下及び排気系３０の耐久性改善が図られる。

燃焼切替制御装置１１は、設定された第２目標ＥＧＲ率（ｅｇｒ_２）に基づいて、第２工程の第２目標過給圧（Ｐ_２）を算出し、設定する。第２目標過給圧（Ｐ_２）は下記式（８）により求められる。

式（８）中のＴ２は、例えば、第１排気通路３２に設けた図示しない温度センサから取得された値に基づいて、記憶部に記憶された所定のマップを参照することにより、推定することができる。第２工程後の燃料噴射量ｍｆ２は、図示しない上位制御装置から入力された目標トルクＴｑや目標エンジン回転数Ｎｅ等のエンジン１２の運転条件が実現されるように、例えば、記憶部に記憶された所定のマップを参照して燃焼切替制御装置１１により決定される。また、第２目標ＥＧＲ率（ｅｇｒ_２）が０％である場合、第２目標過給圧（Ｐ_２）は下記式（９）により求められる。

次に、図５を参照して、本実施形態の内燃機関システム１０の具体的な制御について説明する。図５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１１において実行される処理の一例を示すフローチャートである。

図５に示す処理は、燃焼切替制御装置１１が、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへ切り替える燃焼切替制御の開始条件が成立したと判定した場合に実行される。例えば、燃料噴射の回数及び量や、吸気絞り弁２６、ウエストゲートバルブ４２及び排ガス還流量調整弁５４の開度等に基づいて、エンジン１２がリーン燃焼モードで運転されていると判定することができる。また、例えば、温度センサ４１によって取得されたＮＯｘ還元触媒４０のＮＯｘ還元触媒温度Ｔｇが所定値以上の高温である場合に、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへ切り替える燃焼切替制御の開始条件が成立したと判定することができる。一方、リーン燃焼モードで運転されていると判定されない場合、或いは、ＮＯｘ還元触媒温度Ｔｇが所定値を超えていない場合は、燃焼切替制御の開始条件が成立していないと判定することができる。

図５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、現在のリーン燃焼モードにおける吸気酸素濃度ｘ_ｉ０を取得する。吸気酸素濃度ｘ_ｉ０は、取得されたリーン燃焼モードにおける空燃比（Ａ／Ｆ）_０及びＥＧＲ率ｅｇｒ_０に基づいて上記式（１）により算出することができる。

ステップＳ２では、燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ１で得られた吸気酸素濃度ｘ_ｉ０に基づいて、第１工程の目標値とする吸気酸素濃度ｘ_ｉ１を設定する。例えば、吸気酸素濃度ｘ_ｉ１を吸気酸素濃度ｘ_ｉ０以下の値に設定することにより、第１工程におけるエンジン出ガスのＮＯｘ濃度を維持または低減することができる。

ステップＳ３では、燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ２で得られた吸気酸素濃度ｘ_ｉ１に基づいて、第１目標ＥＧＲ率（ｅｇｒ_１）及び第１目標過給圧（Ｐ_１）を算出し、設定する。第１目標ＥＧＲ率及び第１目標過給圧は、上記式（６）及び（７）により算出することができる。

ステップＳ４では、燃焼切替制御装置１１は、第１工程を開始し、吸気絞り弁２６、ウエストゲートバルブ４２及び排ガス還流量調整弁５４に対して開度調整信号を送信することにより、ＥＧＲ率及び過給圧を低減する。ステップＳ４において、ＥＧＲ率及び過給圧を調整する際、例えば、第１吸気通路２２、第２吸気通路２４、第１排気通路３２、排気還流通路５２等に設けられた圧力センサ、酸素濃度センサ及び流量計等の各種センサから取得された値に基づいて、ＥＧＲ率または過給圧を補正してもよい。

ステップＳ５では、燃焼切替制御装置１１は、第１工程が完了したか否かを判定する。具体的には、燃焼切替制御装置１１は、ＥＧＲ率及び過給圧を推定し、または、上記の各種センサから取得された値に基づいて算出し、得られたＥＧＲ率及び過給圧と第１目標ＥＧＲ率及び第１目標過給圧との比較を行う。その結果、ＥＧＲ率が第１目標ＥＧＲ率よりも大きいか、または、過給圧が第１目標過給圧よりも大きく、第１工程が完了していない（ＮＯ）と判定されれば、ステップＳ４の処理を繰り返す。他方、ＥＧＲ率が第１目標ＥＧＲ率と同等であり、且つ、過給圧が第１目標過給圧と同等であり、第１工程が完了した（ＹＥＳ）と判定されれば、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、燃焼切替制御装置１１は、第２目標ＥＧＲ率（ｅｇｒ_２）及び第２目標過給圧（Ｐ_２）を設定する。例えば、第２目標ＥＧＲ率を０％に設定した場合、第２目標過給圧は上記式（９）により算出することができる。ステップＳ６において、エンジン出ガスの温度又はＮＯｘ還元触媒温度Ｔｇが所定値以上である場合に、第２目標ＥＧＲ率を０％よりも大きい値に設定してもよく、その場合、第２目標過給圧（Ｐ_２）は上記式（８）により算出することができる。

ステップＳ７では、燃焼切替制御装置１１は、第２工程を開始し、吸気絞り弁２６、ウエストゲートバルブ４２及び排ガス還流量調整弁５４に対して開度調整信号を送信することにより、ＥＧＲ率及び過給圧を低減する。ステップＳ７において、ステップＳ４と同様にＥＧＲ率及び過給圧を補正してもよい。

ステップＳ８では、燃焼切替制御装置１１は、第２工程が完了したか否かを判定する。具体的には、燃焼切替制御装置１１は、ＥＧＲ率及び過給圧を推定し、または、上記の各種センサから取得された値に基づいて算出し、得られたＥＧＲ率及び過給圧と第２目標ＥＧＲ率及び第２目標過給圧との比較を行う。その結果、ＥＧＲ率が第２目標ＥＧＲ率よりも大きいか、または、過給圧が第２目標過給圧よりも大きく、第２工程が完了していない（ＮＯ）と判定されれば、ステップＳ７の処理を繰り返す。他方、ＥＧＲ率が第２目標ＥＧＲ率と同等であり、且つ、過給圧が第２目標過給圧と同等であり、第２工程が完了した（ＹＥＳ）と判定されれば、燃焼切替制御の処理を終了し、引き続きエンジン１２がストイキ燃焼モードで運転されるよう制御する。

このように、本実施形態の内燃機関システム１０における燃焼切替制御では、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへの燃焼切替時において、吸気絞り弁２６、ウエストゲートバルブ４２及び排ガス還流量調整弁５４によりＥＧＲ率及び過給圧を調整する制御を実行して、ＥＧＲ率が第１目標ＥＧＲ率になるように、空燃比をリーン燃焼条件からストイキ燃焼条件に切り替える第１工程と、第１工程の後、ストイキ燃焼条件を維持しながらＥＧＲ率を更に低減する第２工程とを行うことにより、燃焼モードを切り替える移行期間におけるエンジン出ガスのＮＯｘ濃度を低減することができ、ひいては、当該移行期間中のテイルパイプにおける積算ＮＯｘ排出量を低減することができる。

＜第２実施形態＞
次に、図６及び図７を参照して、第２実施形態の内燃機関システム１０の燃焼切替制御について説明する。なお、第２実施形態の内燃機関システム１０は、上述した第１実施形態と同様であるため、その構成の説明については省略する。

本実施形態では、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの燃焼切替制御を、ストイキ燃焼条件を維持しながら、排ガス再循環率を所定の第１目標値にまで増加する排ガス再循環率切替工程（以下「第３工程」と記載）と、排ガス再循環率を所定の第２目標値にまで増加するとともに、空燃比をリーン燃焼条件からストイキ燃焼条件に切り替える空燃比切替工程（以下「第４工程」と記載）の２工程に分けて行う。具体的には、所定のＥＧＲ率（ｅｇｒ_３）（第１目標値）を有する中継点を設定し、ＥＧＲ率及び過給圧の制御により、第３工程では、ストイキ燃焼条件の空燃比を維持しながらストイキ燃焼モードから中継点に切り替え、続く第４工程では、中継点から所定のＥＧＲ率（ｅｇｒ_４）（第２目標値）及び過給圧（Ｐ_４）を有するリーン燃焼モードへと切り替える。即ち、本実施形態に係るストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの燃焼切替制御は、第１実施形態のリーン燃焼モード（Ａ）から中継点（Ｂ）を経てストイキ燃焼モード（Ｃ）へと至る（図２参照）、第１工程及び第２工程で構成された燃焼切替制御の始点と終点を逆転させたものに対応する。

本実施形態に係る燃焼切替制御の作用について、図６を参照しながら詳しく説明する。図６の各グラフにおいて横軸及び縦軸が示すパラメータは、図４と同じであるので、説明を省略する。図６の各グラフ中の実線が、本実施形態に係る燃焼切替制御による変化を示しており、時刻ｔ０〜ｔ２の移行期間において、第３工程（ｔ０〜ｔ１）と第４工程（ｔ１〜ｔ２）とで構成される燃焼切替制御が実行され、ｔ０以前のストイキ燃焼モードからｔ２以降のリーン燃焼モードに燃焼モードが切り替えられたことを示す。

本実施形態に係る燃焼切替制御が開始されると（時刻ｔ０）、空燃比をストイキ燃焼条件である（Ａ／Ｆ）_{ｓｔｏｉｃｈ}に維持しながらＥＧＲ率を増加させる第３工程に入る。第３工程では、ＥＧＲ率が第３目標ＥＧＲ率（ｅｇｒ_３）にまで増加し、過給圧が第３目標過給圧（Ｐ_３）にまで増加する。第３工程において、ＥＧＲ率及び過給圧が増加して各目標値に到達すると、第３工程が終了する（時刻ｔ１）。この第３工程により、図６（ｄ）に示すように、吸気酸素濃度が低下し、リーン燃焼モードにおける吸気酸素濃度ｘｉ０に到達する。また、時刻ｔ０からｔ１までの第３工程の間は、図６（ａ）に示すように空燃比が化学量論比に近い値となるため、三元触媒３８が機能してエンジン出ガス中のＮＯｘが浄化される。そのため、三元触媒３８の浄化機能により、テイルパイプでのＮＯｘ排出量は低減されたままとなる（図６（ｇ））。

続いて、吸気酸素濃度を維持しながら、ＥＧＲ率及び過給圧を増加させ、空燃比をストイキ燃焼条件（（Ａ／Ｆ）_{ｓｔｏｉｃｈ}）からリーン燃焼条件（（Ａ／Ｆ）_４）にまで増加させる第４工程に入る。上記の通り、第４工程の開始時（ｔ２）にリーン燃焼モードにおける吸気酸素濃度（ｘ_ｉ４）にまで低下している。図６（ｄ）に示すように、第４工程では、吸気酸素濃度を維持しながら、最終目標値となる第４目標ＥＧＲ率及び第４目標過給圧に向かってＥＧＲ率及び過給圧が増加する。図６（ｆ）及び（ｇ）に示すように、第４工程の開始直後から、空燃比が化学量論比よりも大きい値となるため、三元触媒３８の浄化機能が働かなくなり、テイルパイプにおける排ガスのＮＯｘ濃度が増加する。しかしながら、第３工程の終了時には既にリーン燃焼モードにおける吸気酸素濃度ｘ_ｉ０にまで低下しているため、第２工程におけるエンジン出ガスのＮＯｘ濃度は低く抑えられている分、テイルパイプにおけるＮＯｘ濃度の増加を抑制することができる。そして、ＥＧＲ率及び過給圧が最終目標値に到達すると、第４工程が終了し（時刻ｔ２）、エンジン１２はリーン燃焼モードで運転される。

一方、図６の各グラフ中の破線は、本実施形態のように２工程で構成される燃焼切替制御を行わず、ただ単にストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへと切り替える制御を実行した場合の各パラメータの変化を示すものである（図２における破線の逆方向の制御に対応）。この例では、移行期間の開始時（ｔ０）において、空燃比及びＥＧＲ率の目標値をリーン燃焼モードにおける空燃比（（Ａ／Ｆ）_４）及びＥＧＲ率（ｅｇｒ_４）に設定し、ＥＧＲ率及び過給圧を増加する燃焼切替制御が実行される。すると、図６（ｅ）〜（ｇ）に示すように、制御開始直後から三元触媒３８の浄化機能が働かなくなるため、ストイキ燃焼条件からリーン側の高いＮＯｘ濃度を有するエンジン出ガスが、そのままテイルパイプから排出される。そして、時間の経過に従って、ＥＧＲ率及び過給圧が増加し、エンジン出ガス及びテイルパイプにおける排ガスのＮＯｘ濃度は低下していく。このように、制御開始直後から高いＮＯｘ濃度を有する排ガスがテイルパイプから排出された分、テイルパイプでの積算ＮＯｘ排出量が増加してしまう。

それに対して、本実施形態に係る燃焼切替制御では、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの燃焼切替時において、上述の第３工程及び第４工程とを行うことにより、単にリーン燃焼モードにおける空燃比及びＥＧＲ率を目標値として設定して１つの工程で燃焼モードを切り替える場合と比較して、図６（ｇ）における破線で囲われた領域に相当する積算ＮＯｘ排出量を低減することができる。

次に、図７を参照して、本実施形態の燃焼切替制御について説明する。図７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１１において実行される処理の他の例を示すフローチャートである。

図７に示す処理は、燃焼切替制御装置１１が、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへ切り替える燃焼切替制御の開始条件が成立したと判定した場合に実行される。例えば、燃料噴射の回数及び量や、吸気絞り弁２６、ウエストゲートバルブ４２及び排ガス還流量調整弁５４の開度等に基づいて、エンジン１２がストイキ燃焼モードで運転されていると判定することができる。また、例えば、温度センサ４１によって取得されたＮＯｘ還元触媒４０のＮＯｘ還元触媒温度Ｔｇが所定値以下の低温である場合に、燃焼切替制御の開始条件が成立したと判定することができる。一方、ストイキ燃焼モードで運転されていると判定されない場合、或いは、ＮＯｘ還元触媒温度Ｔｇが所定値を超えている場合は、燃焼切替制御の開始条件が成立していないと判定することができる。

図７に示すように、燃焼切替制御装置１１は、まずステップＳ１１において、最終目標値であるリーン燃焼モードにおける第４目標空燃比（（Ａ／Ｆ）_４）、第４目標ＥＧＲ率（ｅｇｒ_４）及び第４目標過給圧（Ｐ_４）を取得する。これらの目標値は、例えば、記憶部に記憶されているマップ等を参照して取得される。

ステップＳ１２では、燃焼切替制御装置１１は、リーン燃焼モードにおける吸気酸素濃度となる第４目標吸気酸素濃度（ｘ_ｉ４）を取得する。第４目標吸気酸素濃度は、ステップＳ１１で取得された第４目標空燃比及び第４目標ＥＧＲ率に基づいて上記式（１）を参照して算出することができる。

ステップＳ１３では、燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ１２で得られた吸気酸素濃度に基づいて、第３工程の目標値とする第３目標吸気酸素濃度（ｘ_ｉ３）を設定する。例えば、吸気酸素濃度（ｘ_ｉ３）を吸気酸素濃度（ｘ_ｉ４）以下の値に設定することにより、第３工程におけるエンジン出ガスのＮＯｘ濃度を維持または低減することができる。

ステップＳ１４では、燃焼切替制御装置１１は、ステップＳ１３で得られた吸気酸素濃度ｘ_ｉ１に基づいて、第３目標ＥＧＲ率（ｅｇｒ_３）及び第３目標過給圧（Ｐ_３）を算出し、設定する。第３目標ＥＧＲ率及び第３目標過給圧は、上記式（６）及び（７）により算出することができる。

ステップＳ１５では、燃焼切替制御装置１１は、第３工程を開始し、吸気絞り弁２６、ウエストゲートバルブ４２及び排ガス還流量調整弁５４に対して開度調整信号を送信することにより、ＥＧＲ率及び過給圧を増加する制御を行う。ステップＳ１５において、ＥＧＲ率及び過給圧を調整する際、例えば、第１吸気通路２２、第２吸気通路２４、第１排気通路３２、排気還流通路５２等に設けられた圧力センサ、酸素濃度センサ及び流量計等の各種センサから取得された値に基づいて、ＥＧＲ率または過給圧を補正してもよい。

ステップＳ１６では、燃焼切替制御装置１１は、第３工程が完了したか否かを判定する。具体的には、燃焼切替制御装置１１は、ＥＧＲ率及び過給圧を推定し、または、上記の各種センサから取得された値に基づいて算出し、得られたＥＧＲ率及び過給圧と第３目標ＥＧＲ率及び第３目標過給圧との比較を行う。その結果、ＥＧＲ率が第３目標ＥＧＲ率よりも小さいか、または、過給圧が第３目標過給圧よりも小さく、第３工程が完了していない（ＮＯ）と判定されれば、ステップＳ１５の処理を繰り返す。他方、ＥＧＲ率が第３目標ＥＧＲ率と同等であり、且つ、過給圧が第３目標過給圧と同等であり、第３工程が完了した（ＹＥＳ）と判定されれば、ステップＳ１７に進む。

ステップＳ１７では、燃焼切替制御装置１１は、第４工程を開始する。第４工程では、吸気絞り弁２６、ウエストゲートバルブ４２及び排ガス還流量調整弁５４に対して開度調整信号を送信することにより、ＥＧＲ率及び過給圧を、ステップＳ１１で取得された第４目標空燃比及び第４目標ＥＧＲ率にまで増加する制御を行う。ステップＳ１７において、ステップＳ１４と同様にＥＧＲ率及び過給圧を補正してもよい。

ステップＳ１８では、燃焼切替制御装置１１は、第４工程が完了したか否かを判定する。具体的には、燃焼切替制御装置１１は、ＥＧＲ率及び過給圧を推定し、または、上記の各種センサから取得された値に基づいて算出し、得られたＥＧＲ率及び過給圧と第４目標ＥＧＲ率及び第４目標過給圧との比較を行う。その結果、ＥＧＲ率が第４目標ＥＧＲ率よりも小さいか、または、過給圧が第４目標過給圧よりも小さく、第２工程が完了していない（ＮＯ）と判定されれば、ステップＳ１７の処理を繰り返す。他方、ＥＧＲ率が第４目標ＥＧＲ率と同等であり、且つ、過給圧が第４目標過給圧と同等であり、第４工程が完了した（ＹＥＳ）と判定されれば、燃焼切替制御の処理を終了し、引き続きエンジン１２がリーン燃焼モードで運転されるよう制御する。

上述したように、本実施形態によっても、第１実施形態と対応する作用効果を奏することができる。すなわち、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの燃焼切替時において、吸気絞り弁２６、ウエストゲートバルブ４２及び排ガス還流量調整弁５４によりＥＧＲ率及び過給圧を調整する制御を実行して、ストイキ燃焼条件を維持しながらＥＧＲ率を増加する第３工程と、第３工程の後、ＥＧＲ率が第４目標ＥＧＲ率になるように、空燃比をストイキ燃焼条件からリーン燃焼条件に切り替える第４工程とを行うことにより、燃焼モードを切り替える移行期間におけるエンジン出ガスのＮＯｘ濃度を低減することができ、ひいては、当該移行期間中のテイルパイプにおける積算ＮＯｘ排出量を低減することができる。

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。

例えば、上記の説明では、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、過給装置はこれに限定されるものではなく、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く、或いは、ターボチャージャ６０による過給をアシストする電動圧縮機を用いてもよい。また、ターボチャージャ、機械式スーパーチャージャ及び電動圧縮機から選択される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、機械式スーパーチャージャ、電動圧縮機に加えて、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てもよい。これらの過給装置による過給は、燃焼切替制御装置１１からの指令を受けて行われる。

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。

さらにまた、上記第１及び第２実施形態において、ＮＯｘ還元触媒がＳＣＲの場合は、その上流側に還元剤（例えば、尿素）を添加する装置を排気系３０に設けることが望ましい。

１０ 内燃機関システム、１１ 燃焼切替制御装置（燃焼切替制御部）、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（空気量調整装置）、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（過給圧調整装置）、３８ 三元触媒、４０ ＮＯｘ還元触媒、４１ 温度センサ、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 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、Ａ 吸気方向、Ｅ 排ガス排出方向。

Claims (11)

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還元触媒の温度を取得する温度取得手段と、
   前記エンジンの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量を制御する噴射制御部と、
   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させ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、
   前記温度取得手段によって取得されたＮＯｘ還元触媒温度、前記回転数取得手段によって取得されたエンジン回転数、及び、前記噴射制御部から取得された燃料噴射量に基づいて、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、
   前記燃焼切替制御部は、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへ切り替える移行期間において、前記排気還流量調整装置、前記過給圧調整装置及び前記空気量調整装置を制御することにより、
   排ガス再循環率が所定の第１目標値になるように、空燃比をリーン燃焼条件からストイキ燃焼条件に切り替える空燃比切替工程と、
   前記空燃比切替工程の後、ストイキ燃焼条件を維持しながら、排ガス再循環率を前記第１目標値から所定の第２目標値にまで低減する排ガス再循環率切替工程と、を行う、
   内燃機関システム。
2. 前記空燃比切替工程の終了時の吸気酸素濃度が前記空燃比切替工程の開始時の吸気酸素濃度を超えないように、前記排ガス再循環率の前記第１目標値が設定される、請求項１に記載の内燃機関システム。
3. 前記排ガス再循環率の前記第２目標値が０％である、請求項１または２に記載の内燃機関システム。
4. 前記燃焼切替制御部は、温度センサにより取得される前記ＮＯｘ還元触媒の触媒温度が所定値以上であるとき、前記排ガス再循環率の前記第２目標値を０％を超える値に設定する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関システム。
5. 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還元触媒の温度を取得する温度取得手段と、
   前記エンジンの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量を制御する噴射制御部と、
   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させ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、
   前記温度取得手段によって取得されたＮＯｘ還元触媒温度、前記回転数取得手段によって取得されたエンジン回転数、及び、前記噴射制御部から取得された燃料噴射量に基づいて、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、
   前記燃焼切替制御部は、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへ切り替える燃焼切替時において、前記排気還流量調整装置、前記過給圧調整装置及び前記空気量調整装置を制御して、
   ストイキ燃焼条件を維持しながら、排ガス再循環率を所定の第１目標値にまで増加する排ガス再循環率切替工程と、
   前記排ガス再循環率切替工程の後、排ガス再循環率を前記第１目標値から所定の第２目標値にまで増加するとともに、空燃比をリーン燃焼条件からストイキ燃焼条件に切り替える空燃比切替工程と、を行う、
   内燃機関システム。
6. 前記空燃比切替工程の開始時の吸気酸素濃度が前記空燃比切替工程の終了時の吸気酸素濃度を超えないように、前記排ガス再循環率の前記第１目標値が設定される、請求項５に記載の内燃機関システム。
7. 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及び電動圧縮機の少なくとも１つで構成される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関システム。
8. 前記排気還流量調整装置は、前記エンジンの吸気通路及び排気通路と接続する排気還流通路に設置された排ガス還流量調整弁である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関システム。
9. 前記過給圧調整装置は、前記エンジンの排気通路に設けたタービンバイパス流路及びウエストゲートバルブである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の内燃機関システム。
10. 前記空気量調整装置は、前記エンジンの吸気通路に設けた吸気絞り弁である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の内燃機関システム。
11. 前記ＮＯｘ還元触媒は、選択還元型触媒（ＳＣＲ）及び／または吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ）である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の内燃機関システム。