JP4232708B2

JP4232708B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP4232708B2
Application number: JP2004217292A
Authority: JP
Inventors: 泰志伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-07-26
Filing date: 2004-07-26
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2024-07-26
Also published as: JP2006037810A

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、ガソリンや軽油等の主燃料と水素燃料の双方を燃料として利用する内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば、特開平７−１６６９１３号公報に開示されているように、排気空燃比がリーンであるときに排気ガス中のNOxを吸蔵するとともに、排気空燃比がリッチであるときに吸蔵されていたNOxを放出し還元するNOx吸蔵還元触媒を排気通路に備え、NOx吸蔵量が飽和に近づいたら、NOx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするリッチスパイク制御を実行する技術が知られている。上記従来の技術では、機関のトルク変動を抑制すべく、リッチスパイク制御の実行に伴うリーン燃焼とリッチ燃焼の切り換えを徐々に行うこととしている。

特開平７−１６６９１３号公報特開平６−２００８０５号公報特開２００４−１１６３９８号公報

上述したリッチスパイク制御は、よりリッチな（小さい）空燃比で行われることで、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOxをより短時間で放出し、還元することが可能となる。しかしながら、リッチスパイク制御を過剰にリッチな空燃比で行うこととすると、燃焼が悪化してしまう。このような燃焼の悪化を回避すべく、大きくリッチ化していない空燃比でリッチスパイク制御を行うと、リッチスパイク制御に要する時間が長くなり、無駄な燃料消費が増加してしまう。

また、リッチスパイク制御を行うには、リーン燃焼とリッチ燃焼とを切り換える必要があり、この際、燃料噴射量の調整に加え、吸入空気量を調整するためのスロットルバルブの開度変更などが実行される。ここで、スロットルバルブを例にとると、スロットルバルブの開度が変更されてから吸入空気量が変化するまでには、ある程度の遅れが存在する。このため、リーン燃焼とリッチ燃焼との切り換え時には、そのような遅れの影響によって燃焼が不安定になり易い。上記従来の技術では、既述した通り、リーン燃焼とリッチ燃焼との切り換えを徐々に行うことにより、燃焼の不安定化に起因するトルク変動を抑制している。しかしながら、上記従来の手法によれば、燃焼が切り換わるまでの時間が長くなり、その分だけ燃費が悪化してしまう。

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、リッチスパイク制御の実行期間を短縮することができ、更に、リッチスパイク制御の実行に伴うリーン燃焼とリッチ燃焼との切り換えを速やかに実行することができ、これにより燃費を改善することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、主燃料と水素燃料を燃料として供給可能に構成され、排気空燃比がリーンであるときに排気ガス中のNOxを吸蔵するとともに排気空燃比がリッチであるときに吸蔵されていたNOxを放出し還元するNOx吸蔵還元触媒を排気通路に備え、前記NOx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするリッチスパイク制御を実行することで前記NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOxを放出、還元させる内燃機関の制御装置であって、
主燃料のみを燃料としてリーンバーン運転を行う主燃料リーンバーン運転モード、および、主燃料に所定の第１添加割合となる水素燃料を添加することによってリーンバーン運転を行う水素添加リーンバーン運転モードの少なくとも１つを含む運転モードを備え、当該運転モードの中から運転状態に応じた運転モードを選択する運転モード選択手段と、
前記運転モード選択手段により選択された運転モードを実行する運転モード実行手段と、
前記リッチスパイク制御の実行中に、主燃料の供給量に対して所定の第２添加割合となる量の水素燃料を筒内に供給する水素燃料供給手段と、
を備え、
前記第２添加割合は、前記主燃料の供給量に対する、理論空燃比からの空燃比のリッチ分に応じた水素燃料の供給量の割合であって、空燃比が理論空燃比に対してより大きくリッチ化されるのに伴ってより大きくされる割合であることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記運転モード選択手段により水素添加リーンバーン運転モードが選択されている期間中に前記リッチスパイク制御が実行される場合には、前記水素燃料供給手段は、前記第１添加割合に比して大きく設定された前記第２添加割合で水素燃料を筒内に供給することを特徴とする。

また、第３の発明は、主燃料と水素燃料を燃料として供給可能に構成され、排気空燃比がリーンであるときに排気ガス中のNOxを吸蔵するとともに排気空燃比がリッチであるときに吸蔵されていたNOxを放出し還元するNOx吸蔵還元触媒を排気通路に備え、前記NOx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするリッチスパイク制御を実行することで前記NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOxを放出、還元させる内燃機関の制御装置であって、
主燃料のみを燃料としてリーンバーン運転を行う主燃料リーンバーン運転モード、および、主燃料に所定の第１添加割合となる水素燃料を添加することによってリーンバーン運転を行う水素添加リーンバーン運転モードの少なくとも１つを含む運転モードを備え、当該運転モードの中から運転状態に応じた運転モードを選択する運転モード選択手段と、
前記運転モード選択手段により選択された運転モードを実行する運転モード実行手段と、
前記主燃料リーンバーン運転モードおよび前記水素添加リーンバーン運転モードの何れかから前記リッチスパイク制御へのリッチスパイク移行過程が行われている期間中に、主燃料の供給量に対して所定の第２添加割合となる量の水素燃料を筒内に供給する第１水素燃料供給手段と、
前記リッチスパイク制御から前記主燃料リーンバーン運転モードおよび前記水素添加リーンバーン運転モードの何れへのリッチスパイク解除過程が行われている期間中に、主燃料の供給量に対して所定の第３添加割合となる量の水素燃料を筒内に供給する第２水素燃料供給手段と、
を備え、
前記第２添加割合は、前記主燃料の供給量に対する、理論空燃比からの空燃比のリッチ分に応じた水素燃料の供給量の割合であって、空燃比が理論空燃比に対してより大きくリッチ化されるのに伴ってより大きくされる割合であり、
前記第３添加割合は、前記主燃料の供給量に対する、理論空燃比からの空燃比のリッチ分に応じた水素燃料の供給量の割合であって、空燃比が理論空燃比に対してより大きくリッチ化されるのに伴ってより大きくされる割合であることを特徴とする内燃機関の制御装置。

また、第４の発明は、第３の発明において、前記運転モード選択手段により水素添加リーンバーン運転モードが選択されている期間中に、前記リッチスパイク移行過程および前記リッチスパイク解除過程が行われる場合には、前記第１水素燃料供給手段または第２水素燃料供給手段は、前記第１添加割合に比してそれぞれ大きく設定された前記第２添加割合または前記第３添加割合で水素燃料を筒内に供給することを特徴とする。

第１の発明によれば、リッチスパイク制御実行中に水素を添加することにより、リッチスパイク制御実行中の燃焼を安定させることができる。これにより、よりリッチな（小さい）空燃比とした場合であっても、燃焼を不安定にすることなく、リッチスパイク制御を短時間で実行することが可能となる。このため、本発明によれば、リッチスパイク制御実行中の燃費を改善することができる。

第２の発明によれば、水素添加リーンバーン運転モードの実行中に用いられる第１添加割合をリッチスパイク制御中にも継続使用する場合に比して、更にリッチスパイク制御に要する時間を短縮でき、更なる燃費の改善が可能となる。

第３の発明によれば、燃焼が不安定となり易いリッチスパイク移行過程および解除過程において、水素を添加することにより、燃焼を安定させることができる。このため、本発明によれば、リッチスパイク制御の実行に伴うリーン燃焼とリッチ燃焼との切り換えを速やかに実行することができ、これにより、リッチスパイク移行過程および解除過程が行われている期間中の燃費を改善することができる。

第４の発明によれば、水素添加リーンバーン運転モードの実行中に用いられる第１添加割合をリッチスパイク移行過程および解除過程の経過中にも継続使用する場合に比して、筒内環境が不安定となる移行過程および解除過程における燃焼を確実に安定させることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の内燃機関１０の構成を説明するための図である。内燃機関１０の筒内には、その内部を往復移動するピストン１２が設けられている。また、内燃機関１０は、シリンダヘッド１４を備えている。ピストン１２とシリンダヘッド１４との間には、燃焼室１６が形成されている。燃焼室１６には、吸気通路１８および排気通路２０が連通している。吸気通路１８および排気通路２０には、それぞれ吸気弁２２および排気弁２４が配置されている。また、吸気通路１８には、スロットルバルブ２６が設けられている。スロットルバルブ２６は、アクセル開度と独立してスロットル開度を制御することのできる電子制御式スロットルバルブである。

シリンダヘッド１４には、燃焼室１６の頂部から燃焼室１６内に突出するように点火プラグ２８が取り付けられている。また、シリンダヘッド１４には、主燃料であるガソリンを筒内に噴射するガソリン噴射弁３０が設けられている。ガソリン噴射弁３０には、ガソリン供給管３２を介してガソリンタンク３４が連通している。ガソリン供給管３２は、ガソリン噴射弁３０とガソリンタンク３４との間に、ポンプ３６を備えている。ポンプ３６は、ガソリン噴射弁３０に所定の圧力でガソリンを供給することができる。このため、ガソリン噴射弁３０は、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量のガソリンを筒内に噴射することができる。

吸気通路１８には、ポート内に水素ガスを噴射する水素噴射弁３８が設けられている。本実施形態のシステムは、気体状態にある水素を高圧で貯留するための水素タンク４０を備えている。水素タンク４０には、水素供給管４２が連通している。水素供給管４２は、水素噴射弁３８に連通している。水素供給管４２には、水素タンク４０と水素噴射弁３８との間に、レギュレータ４４が設置されている。このような構成によれば、水素噴射弁３８には、レギュレータ４４により減圧された所定の圧力で、水素が供給される。このため、水素噴射弁３８は、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量の水素を吸気通路１８内に噴射することができる。また、水素供給管４２には、レギュレータ４４と水素噴射弁３８との間に、水素噴射弁３８に供給される水素ガスの圧力に応じた出力を発する水素燃圧センサ４６が組み込まれている。

排気通路２０には、触媒（三元触媒）４８が配置されている。触媒４８の下流には、NOx吸蔵還元触媒５０が配置されている。NOx吸蔵還元触媒５０は、リーンバーン運転が実行されることで排気空燃比がリーンとなっている場合に、そのガス中に含まれるNOxを吸蔵することで排気ガスを浄化する装置である。また、排気通路２０には、触媒４８の上流に空燃比センサ５２が組み込まれている。空燃比センサ５２は、内燃機関１０から排出されてきた直後の排気ガスの空燃比を検出することができる。更に、NOx吸蔵還元触媒５０の下流には、NOx濃度センサ５４が組み込まれている。NOx濃度センサ５４は、NOx吸蔵還元触媒５０の下流に流出してくる排気ガス中のNOx濃度を検出することができる。

本実施形態のシステムは、ECU５６を備えている。ECU５６には、上述した水素燃圧センサ４６に加え、内燃機関１０の運転状態を把握すべく、アクセルポジションセンサ５８、機関回転数など（図示省略する）を検出するための各種センサが接続されている。また、ECU５６には、上述したスロットルバルブ２６、点火プラグ２８、ガソリン噴射弁３０、ポンプ３６、水素噴射弁３８などの機器が接続されている。ECU５６は、それらのセンサ出力を基礎として所定の処理を行うことにより、上述した各種の機器を適当に駆動することができる。

上記のように構成された本実施形態のシステムは、複数の運転モードを有し、それらの運転モードの中から適切な運転モードを運転状態に応じて選択することとしている。具体的には、ECU５６は、負荷（要求負荷）と機関回転数をパラメータとして、それらの運転モードを選択することのできるマップを記憶している。そのマップによれば、常用域となる低負荷域において、その中でも機関回転数が低い領域では、ガソリンに所定の添加割合R_Leanで水素を添加することでストイキよりも大幅にリーンな空燃比で行う運転モード、すなわち、水素添加リーンバーン運転モードを選択することとされている。また、低負荷高回転領域では、ガソリンのみを燃料として行うガソリンリーンバーン運転モードを選択し、更に、上記以外の高負荷領域では、ガソリンのみを燃料として行うガソリンストイキ運転モードを選択することとされている。

NOx吸蔵還元触媒５０に吸蔵されたNOxは、排気ガスの空燃比を短時間だけリッチにすることで放出、還元させることができる。以下、NOx吸蔵還元触媒５０に吸蔵されたNOxを放出し、還元するために、上記の如く空燃比を一時的にリッチにする制御を「リッチスパイク制御」と称する。

図２は、リッチスパイク制御の実行中に水素添加を行うことにより得られる効果を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図２（Ａ）は、ECU５６が空燃比フィードバック制御の際に用いる目標空燃比の波形であり、図２（Ｂ）は、ガソリンに添加される水素の添加割合を示している。

図２（Ａ）において空燃比がリッチとされた期間がリッチスパイク制御期間を示している。リッチスパイク制御の開始時期は、例えば、NOx吸蔵還元触媒５０の推定NOx吸蔵量が予め設定された所定値に達したか否かを判定することで把握することができる。リッチスパイク制御時にNOxを還元させる還元剤として作用する未燃HC、COなどは、空燃比をリーンからストイキを越えてリッチにすることにより、内燃機関１０から多量に排出される。換言すると、リッチスパイク制御実行中の空燃比をよりリッチにする（小さくする）ことにより、還元剤をより多くNOx吸蔵還元触媒５０に供給可能となる。このため、よりリッチな空燃比でリッチスパイク制御を行うことができると、NOx吸蔵還元触媒５０からのNOxの放出、還元をより短時間に行うことができる。しかしながら、過剰にリッチ化すると、酸素不足となるため、リッチスパイク制御実行中の燃焼が悪化してしまう。

還元剤として有効に機能する燃料は、図２に示すストイキ（理論空燃比）からリッチ側の燃料増量分であり、空燃比をリーンからストイキにするために増量される燃料（図２にハッチングを付して示す範囲に相当）は、還元剤として有効ではない燃料、すなわち、リーンからリッチにするうえで必要ではあるが無駄に消費される燃料である。従って、燃焼の悪化を回避すべく、大きくリッチ化していない空燃比でリッチスパイク制御を行うと、リッチスパイク制御に要する時間が長くなり、無駄な燃料消費が増加してしまう。

そこで、本実施形態のシステムでは、燃焼を悪化させることなく、よりリッチな空燃比でのリッチスパイク制御を可能とすべく、リッチスパイク制御実行中に、ガソリンに水素を添加することとした。以下、図３を参照して、その具体的な処理を説明する。
図３は、本実施の形態１において、上記の機能を実現するためにECU５６が実行するルーチンのフローチャートである。尚、本ルーチンは、一定のクランク角毎に周期的に実行されるものとする。

図３に示すルーチンでは、先ず、機関回転数およびアクセル開度が入手され（ステップ１００）、上記ステップ１００において入手された機関回転数とアクセル開度に基づいて、負荷率が算出される（ステップ１０２）。次いで、低負荷領域か否かが判定される（ステップ１０４）。その結果、低負荷領域でないと判定された場合には、ガソリンのみを燃料とするガソリンストイキ運転モードが実行される（ステップ１０６）。

一方、上記ステップ１０４において、低負荷領域であると判定された場合には、低回転領域か否かが判定される（ステップ１０８）。その結果、低回転領域であると判定された場合には、ガソリンを主燃料とする水素添加リーンバーン運転モードが実行される（ステップ１１０）。次に、リッチスパイク制御の実行中か否かが判定される（ステップ１１２）。

上記ステップ１１２において、リッチスパイク制御の実行中でないと判定された場合には、この時点で用いる水素添加割合Rとして、運転状態に応じて予め設定された通常の水素添加割合R_Leanが設定される（ステップ１１４）。
また、上記ステップ１１２において、リッチスパイク制御の実行中であると判定された場合には、リッチスパイク制御実行中に用いる水素添加割合Rとして、通常の水素添加割合R_Leanより大きい値R_RSが設定される（ステップ１１６）。つまり、リッチスパイク制御の直前の運転が水素添加リーンバーン運転モードである場合には、リッチスパイク制御が行われている期間中においても水素添加が継続され、更に、水素添加リーンバーン運転時よりも大きい添加割合R_RSに変更される。

一方、上記ステップ１０８において、低回転領域でないと判定された場合には、ガソリンのみを燃料とするガソリンリーンバーン運転モードが実行される（ステップ１１８）。次いで、上記ステップ１１２の同様に、リッチスパイク制御の実行中か否かが判定され（ステップ１２０）、リッチスパイク制御の実行中でないと判定された場合には、水素添加割合Rはゼロに設定される（ステップ１２２）。
また、上記ステップ１２０において、リッチスパイク制御の実行中であると判定された場合には、この場合に用いる水素添加割合Rとして、所定のリッチスパイク用添加割合R_RSが設定される（ステップ１２４）。つまり、リッチスパイク制御の直前の運転がガソリンリーンバーン運転モードである場合には、リッチスパイク制御実行中にのみ水素添加が行われる。

以上説明した図３に示すルーチンの処理によれば、リッチスパイク制御実行中に水素を添加することにより、リッチスパイク制御実行中の燃焼を安定させることができる。これにより、図２に示すように、よりリッチな（小さい）空燃比とした場合であっても、燃焼を不安定にすることなく、リッチスパイク制御を実行することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、リッチスパイク制御を短時間で実行することが可能となり、還元剤として有効でない燃料の消費を節約できる（すなわち、図２（Ａ）中にハッチングを付して示す還元剤として有効でない部分が、リッチスパイク制御による燃料増量分中に占める割合を下げることができる）ため、リッチスパイク制御実行中の燃費を改善することができる。

また、本実施形態のシステムによれば、水素添加リーンバーン運転モード時にリッチスパイク制御が実行された場合には、リッチスパイク制御実行中に、通常時より大きな添加割合R_RSで水素を供給することで、燃焼を悪化させることなく、よりリッチな空燃比のもとでリッチスパイク制御を行うことが可能となる。尚、通常時よりも大きな添加割合R_RSで水素が供給された結果、燃焼に付されることなく水素が筒内から排出されることがあったとしても、排出された水素は、NOx吸蔵還元触媒５０に流入されて有効な還元剤として作用する。このため、通常時よりも大きな添加割合R_RSとしたことにより、リッチスパイク制御時に通常の添加割合R_Leanを継続使用する場合に比して、更にリッチスパイク制御に要する時間を短縮でき、更なる燃費の改善が可能となる。

ところで、上述した実施の形態１においては、リッチスパイク制御の実行期間中に渡って水素添加を行う、或いは、その期間中の添加割合R_RSを大きくすることとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、水素添加を伴わないリッチスパイク制御の実行中に、燃焼が不安定であることに起因する内燃機関１０の回転変動などが検知されたときに、水素添加を行う、或いは、その検知後の残りのリッチスパイク制御期間中の添加割合を大きくすることとしてもよい。このような手法によれば、リッチスパイク制御中に生じた回転変動を解消することができる。また、回転変動を抑制すべく、リッチスパイク制御中に空燃比がリーン側に変更された場合には、リッチスパイク実行期間が長くなることにより燃費が悪化するが、上記の手法によれば、そのような事態を回避することができる。

尚、上述した実施の形態１においては、ECU５６が、上記ステップ１０４、１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「運転モード選択手段」が、上記ステップ１０６、１１０、１１８の処理を実行することにより前記第１の発明における「運転モード実行手段」が、上記ステップ１１６、１２４の処理を実行することにより前記第１の発明における「水素燃料供給手段」が、それぞれ実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、水素添加割合R_Leanが前記第１の発明における「第１添加割合」に、水素添加割合R_RS、R_RS’が前記第１の発明における「第２添加割合」に、それぞれ相当している。

実施の形態２．
次に、図４および図５を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態のシステムは、上述した実施の形態１の装置構成を用いて、ECU５６に図３に示すルーチンに代えて図５に示すルーチンを実行させることにより実現されるものである。より具体的には、本実施形態のシステムは、上述した水素添加リーンバーン運転モードおよびガソリンリーンバーン運転モードの何れかからリッチスパイク制御に移行される過程、並びに、リッチスパイク制御から水素添加リーンバーン運転モードおよびガソリンリーンバーン運転モードの何れにリッチスパイクが解除される過程が行われている期間中に、それぞれ水素添加を行うことを特徴としている。

図４は、リッチスパイク制御の実行に伴うリーン燃焼とリッチ燃焼との切り換え時における本実施形態のシステムの動作を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図４（Ａ）乃至図４（Ｅ）は、上段から順に燃焼モード、スロットル開度、吸入空気量、ガソリン噴射量、および水素添加割合の各時間変化を示している。尚、ここでは、ガソリンリーンバーン運転モードの実行中にリッチスパイク制御が行われた場合の動作を例に説明する。また、本実施形態におけるガソリンリーンバーン運転モードは、成層燃焼により実現されているものとし、リッチスパイク制御時の運転は、均質燃焼により実現されているものとする。

図４（Ａ）乃至図４（Ｄ）は、リッチスパイク制御への切り換え時の一般的な制御を示しており、ここでは、説明の便宜上、リッチスパイク移行過程および解除過程での切り換えを２段階としている。図４（Ａ）は、リッチスパイク制御を実行するために、ガソリンリーンバーン運転モード（リーン燃焼）からリッチスパイク移行過程やリッチスパイク解除過程を経て、リッチスパイク制御（リッチ燃焼）に燃焼モードを段階的に切り換えた場合の一例を示している。

上記のように、リーン燃焼とリッチ燃焼とを切り換える場合には、図４（Ｂ）に示すように、スロットルバルブ２６の開度を変更することで吸入空気量が調整される。スロットルバルブ２６の開度変更に伴う吸入空気量の変化は、図４（Ｃ）に示すように、スロットルバルブ２６の動作に対して、ある程度の遅れを有している。その結果、リッチスパイク制御への切り換え時には、このような遅れの影響により、燃焼が不安定になり易い。このため、リッチスパイク移行過程の開始初期段階では、そのような吸入空気量の変化の遅れによって均質燃焼を行うには空燃比がリーンすぎる状態となるため、移行過程開始と同時に直ちに均質燃焼に切り換えることができない。そこで、図４（Ｄ）に示すように、移行過程時の燃焼モードが２段階目となったときに、ガソリン噴射時期を変更し、成層燃焼から均質燃焼に切り換えることとされている。これは、リッチスパイク解除過程においても同様である。

尚、上記図４のタイミングチャートでは、吸入空気量の遅れの場合について説明しているが、リーン燃焼とリッチ燃焼とを切り換える際の遅れ要因はこれに限らない、すなわち、内燃機関１０においては、EGR弁、スワール制御弁、タンブル制御弁などを備え、リーン燃焼とリッチ燃焼の切り換え時にこれらの弁開度を変更して、排気ガスの再循環量（EGR量）や筒内のガス流動に変化を生じさせる場合がある。これらのEGR弁等についても、それぞれの制御対象の特性に起因する特有の遅れを有しており、吸入空気量の遅れの場合と同様に、迅速な燃焼切り換えを阻害する要因となるが、ここでは、それぞれについての詳細な説明を省略する。また、図４では、移行過程および解除過程での燃焼モードの変化が２段階とされているが、その段数は、一般に、それぞれの制御対象の遅れの特性が異なることに伴い異なるものとされる。

上記のように、一般的な制御手法によれば、切り換え時の燃焼悪化によるトルク変動を抑制すべく、燃焼を段階的に切り換えたり、或いは、時間をかけて切り換えを行っている。しかしながら、このような手法によれば、リッチスパイク移行過程および解除過程の経過時間を長く要するため、上述した図２の場合と同様の理由で、移行過程および解除過程において、還元剤として機能しない無駄な燃料消費が増加してしまう。そこで、本実施形態のシステムでは、図４（Ｅ）に示すように、リッチスパイク移行過程およびリッチスパイク解除過程が行われている期間中に、水素を添加することとした。以下、図５に示すルーチンを参照して、具体的な処理について説明する。

図５は、本実施の形態２において、上記の機能を実現するためにECU５６が実行するルーチンのフローチャートである。尚、本ルーチンは、一定のクランク角毎に周期的に実行されるものとする。また、本実施形態のシステムにおいても、上記図３に示すルーチンにおけるステップ１００〜１１０、および１１８の処理と類似の処理を実行することにより、運転状態に応じて所定の運転モードの選択が行われているものとする。図５に示すルーチンは、そのような一連の処理によって選択された水素添加リーンバーン運転モードが実行されている場合に起動されるルーチンである。

図５に示すルーチンでは、先ず、リッチスパイク移行過程か否かが判定される（ステップ１２６）。その結果、リッチスパイク移行過程でないと判定された場合には、次いで、リッチスパイク解除過程か否かが判定される（ステップ１２８）。
上記ステップ１２８において、リッチスパイク移行過程でなく、かつ、リッチスパイク解除過程でもないと判定された場合には、この時点で用いる水素添加割合Rとして、運転状態に応じて予め設定された通常の水素添加割合R_Leanが設定される（ステップ１３０）。

一方、上記ステップ１２６において、リッチスパイク移行過程であると判定された場合には、リッチスパイク移行過程で用いる水素添加割合として、通常の水素添加割合R_Leanより大きい値R_Aが設定される（ステップ１３２）。つまり、水素添加リーンバーン運転中にリッチスパイク移行過程になる場合には、移行過程中においても水素添加が継続され、更に、水素添加リーンバーン運転時よりも大きい添加割合R_Aに変更される。
また、上記ステップ１２８において、リッチスパイク解除過程であると判定された場合には、リッチスパイク解除過程で用いる水素添加割合Rとして、通常の水素添加割合R_Leanより大きい値R_Bが設定される（ステップ１３４）。リッチスパイク解除過程の場合においても、移行過程の場合と同様に水素添加が継続され、更に、水素添加リーンバーン運転モード時よりも大きい添加割合R_Bに変更される。

水素添加リーンバーン運転モードの場合には、以上説明した図５に示すルーチンの処理により、燃焼切り換え時の水素添加割合Rが変更される。一方のガソリンリーンバーン運転モードにおける燃焼切り換え時の水素添加割合Rの制御は、図５に類似するルーチンの処理を実行することにより実現されるものとする。すなわち、この場合における水素添加割合Rの制御は、図５に類似するルーチンにおいて、リッチスパイク移行過程であると判定された場合には（ステップ１２６参照）、この場合に用いる水素添加割合Rとして、所定の移行過程用添加割合R_A’が設定される。また、リッチスパイク解除過程にあると判定された場合には（ステップ１２８参照）、この場合に用いる水素添加割合Rとして、所定の解除過程用添加割合R_B’が設定される。また、移行過程および解除過程の何れでもないと判定された場合には（ステップ１２６、１２８参照）、水素添加割合Rはゼロに設定される。

以上説明した通り、図５に示すルーチン、および図５に類似するルーチンの処理によれば、燃焼が不安定となり易いリッチスパイク移行過程および解除過程において、水素を添加することにより、燃焼を安定させることができる。更に、水素添加リーンバーン運転モードの場合には、切り換え時の水素添加割合Rを、通常時の添加割合R_Lean、すなわち、定常的な水素添加リーンバーン運転が行われるときの添加割合R_Leanより大きな値としたことにより、筒内環境が不安定となる移行過程および解除過程における燃焼を確実に安定させることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、燃焼の切り換えに要する時間の短縮や、移行過程および解除過程における燃焼モードの段数を少なくすることが可能となる。これにより、リッチスパイク移行過程および解除過程が行われている期間中の燃費を改善することができ、また、排気エミッション、トルク変動を改善することができる。

ところで、上述した実施の形態１および２においては、水素噴射弁３８を吸気通路１８に配置することとしているが、本発明における水素噴射弁の配置はこれに限定されるものではない。すなわち、水素噴射弁は、燃焼室１６内に水素を直接噴射できるように、シリンダヘッド１４に組み込まれたものであってもよい。また、ガソリン噴射弁についても、燃焼室１６内にガソリンを直接噴射するものに限定されるものではなく、吸気ポート内にガソリンを噴射できるように、吸気通路１８に組み込まれたものであってもよい。

また、上述した実施の形態１および２においては、主燃料としてガソリンが用いられている例を説明したが、本発明における主燃料はこれに限定されるものではなく、例えば、軽油であってもよい。

尚、上述した実施の形態２においては、ECU５６が、上記ステップ１３２の処理を実行することにより前記第３の発明における「第１水素燃料供給手段」が、上記ステップ１３４の処理を実行することにより前記第３の発明における「第２水素燃料供給手段」が、それぞれ実現されている。
また、上述した実施の形態２においては、水素添加割合R_Leanが前記第３の発明における「第１添加割合」に、水素添加割合R_A、R_A’が前記第３の発明における「第２添加割合」に、水素添加割合R_B、R_B’が前記第３の発明における「第３添加割合」に、それぞれ相当している。

本発明の実施の形態１の内燃機関の構成を説明するための図である。本発明の実施の形態１において、リッチスパイク制御の実行中に水素添加を行うことにより得られる効果を説明するためのタイミングチャートである。本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。リッチスパイク制御の実行に伴うリーン燃焼とリッチ燃焼との切り換え時における本発明の実施の形態２のシステムの動作を説明するためのタイミングチャートである。本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０内燃機関
１６燃焼室
２０排気通路
３０ガソリン噴射弁
３８水素噴射弁
５０ NOx吸蔵還元触媒
５６ ECU(Electronic Control Unit)

Claims

主燃料と水素燃料を燃料として供給可能に構成され、排気空燃比がリーンであるときに排気ガス中のNOxを吸蔵するとともに排気空燃比がリッチであるときに吸蔵されていたNOxを放出し還元するNOx吸蔵還元触媒を排気通路に備え、前記NOx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするリッチスパイク制御を実行することで前記NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOxを放出、還元させる内燃機関の制御装置であって、
主燃料のみを燃料としてリーンバーン運転を行う主燃料リーンバーン運転モード、および、主燃料に所定の第１添加割合となる水素燃料を添加することによってリーンバーン運転を行う水素添加リーンバーン運転モードの少なくとも１つを含む運転モードを備え、当該運転モードの中から運転状態に応じた運転モードを選択する運転モード選択手段と、
前記運転モード選択手段により選択された運転モードを実行する運転モード実行手段と、
前記リッチスパイク制御の実行中に、主燃料の供給量に対して所定の第２添加割合となる量の水素燃料を筒内に供給する水素燃料供給手段と、
を備え、
前記第２添加割合は、前記主燃料の供給量に対する、理論空燃比からの空燃比のリッチ分に応じた水素燃料の供給量の割合であって、空燃比が理論空燃比に対してより大きくリッチ化されるのに伴ってより大きくされる割合であることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記運転モード選択手段により水素添加リーンバーン運転モードが選択されている期間中に前記リッチスパイク制御が実行される場合には、前記水素燃料供給手段は、前記第１添加割合に比して大きく設定された前記第２添加割合で水素燃料を筒内に供給することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
主燃料と水素燃料を燃料として供給可能に構成され、排気空燃比がリーンであるときに排気ガス中のNOxを吸蔵するとともに排気空燃比がリッチであるときに吸蔵されていたNOxを放出し還元するNOx吸蔵還元触媒を排気通路に備え、前記NOx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするリッチスパイク制御を実行することで前記NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOxを放出、還元させる内燃機関の制御装置であって、
主燃料のみを燃料としてリーンバーン運転を行う主燃料リーンバーン運転モード、および、主燃料に所定の第１添加割合となる水素燃料を添加することによってリーンバーン運転を行う水素添加リーンバーン運転モードの少なくとも１つを含む運転モードを備え、当該運転モードの中から運転状態に応じた運転モードを選択する運転モード選択手段と、
前記運転モード選択手段により選択された運転モードを実行する運転モード実行手段と、
前記主燃料リーンバーン運転モードおよび前記水素添加リーンバーン運転モードの何れかから前記リッチスパイク制御へのリッチスパイク移行過程が行われている期間中に、主燃料の供給量に対して所定の第２添加割合となる量の水素燃料を筒内に供給する第１水素燃料供給手段と、
前記リッチスパイク制御から前記主燃料リーンバーン運転モードおよび前記水素添加リーンバーン運転モードの何れへのリッチスパイク解除過程が行われている期間中に、主燃料の供給量に対して所定の第３添加割合となる量の水素燃料を筒内に供給する第２水素燃料供給手段と、
を備え、
前記第２添加割合は、前記主燃料の供給量に対する、理論空燃比からの空燃比のリッチ分に応じた水素燃料の供給量の割合であって、空燃比が理論空燃比に対してより大きくリッチ化されるのに伴ってより大きくされる割合であり、
前記第３添加割合は、前記主燃料の供給量に対する、理論空燃比からの空燃比のリッチ分に応じた水素燃料の供給量の割合であって、空燃比が理論空燃比に対してより大きくリッチ化されるのに伴ってより大きくされる割合であることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記運転モード選択手段により水素添加リーンバーン運転モードが選択されている期間中に、前記リッチスパイク移行過程および前記リッチスパイク解除過程が行われる場合には、前記第１水素燃料供給手段または第２水素燃料供給手段は、前記第１添加割合に比してそれぞれ大きく設定された前記第２添加割合または前記第３添加割合で水素燃料を筒内に供給することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の制御装置。