(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内に第１の触媒を配置すると共に第１の触媒下流の機関排気通路内に第２の触媒を配置した内燃機関において、該第２の触媒を異なる気筒に対して共通の機関排気通路内に配置し、該第２の触媒が活性化するまでは各気筒に対し主燃料に加えて膨張行程中又は排気行程中に副燃料を噴射して第１の触媒および第２の触媒を昇温させ、該第２の触媒が活性化したときには副燃料の噴射を停止し、上記異なる気筒のうちの一部の気筒の空燃比をリッチにすると共に残りの気筒の空燃比をリーンにして該第２の触媒を昇温するようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
第２の触媒下流の機関排気通路内に排気制御弁を配置して第２の触媒が活性化するまでは該排気制御弁をほぼ全閉にするようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機関排気通路内に触媒を配置した場合には触媒温度が十分に高くならないと触媒による良好な排気浄化作用は行われない。そこで機関の出力を発生させるための主燃料の噴射に加え副燃料を膨張行程中に追加噴射し、副燃料を燃焼させることにより排気ガス温を上昇させ、それによって触媒の温度を上昇させるようにした内燃機関が公知である（特開平１０−２１２９９５号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこの内燃機関において機関排気通路内に一対の触媒を直列に配置し、副燃料を追加噴射することにより下流側の触媒の温度を上昇させようとすると上流側の触媒の温度が過度に高くなってしまうという問題がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために１番目の発明では、機関排気通路内に第１の触媒を配置すると共に第１の触媒下流の機関排気通路内に第２の触媒を配置した内燃機関において、第２の触媒を異なる気筒に対して共通の機関排気通路内に配置し、第２の触媒が活性化するまでは各気筒に対し主燃料に加えて膨張行程中又は排気行程中に副燃料を噴射して第１の触媒および第２の触媒を昇温させ、第２の触媒が活性化したときには副燃料の噴射を停止し、上述の異なる気筒のうちの一部の気筒の空燃比をリッチにすると共に残りの気筒の空燃比をリーンにして第２の触媒を昇温するようにしている。
【０００５】
２番目の発明では１番目の発明において、第２の触媒下流の機関排気通路内に排気制御弁を配置して第２の触媒が活性化するまでは排気制御弁をほぼ全閉にするようにしている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１および図２は本発明を成層燃焼式内燃機関に適用した場合を示している。しかしながら本発明は均一リーン空燃比のもとで燃焼が行われる火花点火式内燃機関、および空気過剰のもとで燃焼が行われるディーゼル機関にも適用することができる。
【０００７】
図１を参照すると、１は機関本体を示し、機関本体１は１番気筒＃１、２番気筒＃２、３番気筒＃３および４番気筒＃４からなる４つの気筒を有する。図２は各気筒＃１，＃２，＃３，＃４の側面断面図を示している。図２を参照すると、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６はシリンダヘッド３の内壁面周縁部に配置された燃料噴射弁、７はシリンダヘッド３の内壁面中央部に配置された点火栓、８は吸気弁、９は吸気ポート、１０は排気弁、１１は排気ポートを夫々示す。
【０００８】
図１および図２を参照すると、吸気ポート９は対応する吸気枝管１２を介してサージタンク１３に連結され、サージタンク１３は吸気ダクト１４およびエアフローメータ１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ダクト１４内にはステップモータ１７により駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、図１に示される実施例では点火順序が１−３−４−２とされており、図１に示されるように点火順序が一つおきの気筒＃１，＃４の排気ポート１１は共通の第１の排気マニホルド１９に連結され、点火順序が一つおきの残りの気筒＃２，＃３の排気ポート１１は共通の第２の排気マニホルド２０に連結される。これら第１の排気マニホルド１９と第２の排気マニホルド２０の各枝管内には夫々第１の触媒２１が配置される。
【０００９】
一方、第１の排気マニホルド１９および第２の排気マニホルド２０は夫々対応する第２の触媒２２を介して共通の排気管２３に連結される。この共通の排気管２３は排気管２４および第３の触媒２５を介して排気管２６に連結され、この排気管２６内には負圧ダイアフラム装置又は電気モータからなるアクチュエータ２７により駆動される排気制御弁２８が配置される。
【００１０】
図１に示されるように排気管２３とサージタンク１３とは排気ガス再循環（以下ＥＧＲと称す）通路２９を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２９内には電気制御式ＥＧＲ制御弁３０が配置される。燃料噴射弁６は共通の燃料リザーバ、いわゆるコモンレール３１に連結される。このコモンレール３１内へは燃料タンク３２内の燃料が電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３３を介して供給され、コモンレール３１内に供給された燃料が各燃料噴射弁６に供給される。コモンレール３１にはコモンレール３１内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３４が取付けられ、燃料圧センサ３４の出力信号に基づいてコモンレール３１内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ３３の吐出量が制御される。
【００１１】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。エアフローメータ１５は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５には燃料圧センサ３４の出力信号が対応するＡＤ変換器４７を介して入力される。また、第２の触媒２２の温度を検出するための温度センサ３５および第３の触媒３６の温度を検出するための温度センサ３６が設けられ、これら温度センサ３５，３６の出力信号が対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に排気管２４内には空燃比センサ３７が配置され、この空燃比センサ３７の出力信号が対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。
【００１２】
また、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁６、点火栓７、スロットル弁制御用ステップモータ１７、排気制御弁制御用アクチュエータ２７、ＥＧＲ制御弁３０および燃料ポンプ３３に接続される。
【００１３】
図３は燃料噴射量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ（＝Ｑ１  ＋Ｑ２  ）、噴射開始時期θＳ１，θＳ２、噴射完了時期θＥ１，θＥ２および燃焼室５内における平均燃料比Ａ／Ｆを示している。なお、図３において横軸Ｌはアクセルペダル５０の踏込み量、即ち要求負荷を示している。
図３からわかるように要求負荷ＬがＬ１  よりも低いときには圧縮行程末期のθＳ２からθＥ２の間において燃料噴射Ｑ２が行われる。このときには平均空燃比Ａ／Ｆはかなりリーンとなっている。要求負荷ＬがＬ１  とＬ２  の間のときには吸気行程初期のθＳ１からθＥ１の間において第１回目の燃料噴射Ｑ１が行われ、次いで圧縮行程末期のθＳ２からθＥ２の間において第２回目の燃料噴射Ｑ２が行われる。このときにも空燃比Ａ／Ｆはリーンとなっている。要求負荷ＬがＬ２  よりも大きいときには吸気行程初期のθＳ１からθＥ１の間において燃料噴射Ｑ１が行われる。このときには要求負荷Ｌが低い領域では平均空燃比Ａ／Ｆがリーンとされており、要求負荷Ｌが高くなると平均空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比とされ、要求負荷Ｌが更に高くなると平均空燃比Ａ／Ｆがリッチとされる。なお、圧縮行程末期にのみ燃料噴射Ｑ２が行われる運転領域、二回に亘って燃料噴射Ｑ１およびＱ２が行われる運転領域および吸気行程初期にのみ燃料噴射Ｑ１が行われる運転領域は要求負荷Ｌのみにより定まるのではなく、実際には要求負荷Ｌおよび機関回転数により定まる。
【００１４】
図２は要求負荷ＬがＬ１  （図３）よりも小さいとき、即ち圧縮行程末期においてのみ燃料噴射Ｑ２が行われる場合を示している。図２に示されるようにピストン４の頂面上にはキャビティ４ａが形成されており、要求負荷ＬがＬ１  よりも低いときには燃料噴射弁６からキャビティ４ａの底壁面に向けて圧縮行程末期に燃料が噴射される。この燃料はキャビティ４ａの周壁面により案内されて点火栓７に向かい、それによって点火栓７の周りに混合気Ｇが形成される。次いでこの混合気Ｇは点火栓７により着火せしめられる。
【００１５】
一方、前述したように要求負荷ＬがＬ１  とＬ２  との間にあるときには二回に分けて燃料噴射が行われる。この場合、吸気行程初期に行われる第１回目の燃料噴射Ｑ１によって燃焼室５内に稀薄混合気が形成される。次いで圧縮行程末期に行われる第２回目の燃料噴射Ｑ２によって点火栓７周りに最適な濃度の混合気が形成される。この混合気が点火栓７により着火せしめられ、この着火火炎によって稀薄混合気が燃焼せしめられる。
【００１６】
一方、要求負荷ＬがＬ２  よりも大きいときには図３に示されるように燃焼室５内にはリーン又は理論空燃比又はリッチ空燃比の均一混合気が形成され、この均一混合気が点火栓７により着火せしめられる。
第１の触媒２１および第２の触媒２２としては酸化触媒又は三元触媒が用いられ、第３の触媒２５としては酸化触媒、三元触媒又はＮＯｘ  吸収剤が用いられる。ＮＯｘ  吸収剤は燃焼室５内における平均空燃比がリーンのときにＮＯｘ  を吸収し、燃焼室５内における平均空燃比がリッチになるとＮＯｘ  を放出する機能を有する。
【００１７】
このＮＯｘ  吸収剤は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。
【００１８】
なお、図１に示す実施例では第１の触媒２１および第２の触媒２２として三元触媒が用いられており、第３の触媒２５としてＮＯｘ  吸収剤が用いられている。さて、機関始動時には三元触媒２１、三元触媒２２およびＮＯｘ  吸収剤２５はいずれも温度が低く、従ってこれら三元触媒２１、三元触媒２２およびＮＯｘ  吸収剤２５により排気ガスを浄化するためにはこれら三元触媒２１、三元触媒２２およびＮＯｘ  吸収剤２５をできるだけ早く活性化する必要がある。ところでこれらのうちで最も活性化しやすいのは最も上流側に位置する三元触媒２１であり、従って本発明による実施例ではまず初めに最も上流側に位置する三元触媒２１を活性化させ、次いで次に上流側に位置する三元触媒２２を活性化させ、最後にＮＯｘ  吸収剤２５を活性化させるようにしている。
【００１９】
即ち、本発明による実施例では機関の運転が開始されると最も上流側に位置する三元触媒２１を活性化するために図４に示されるように圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）に噴射される主燃料Ｑｍに加え圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）の膨張行程中に副燃料Ｑａが追加噴射される。この場合、本発明による実施例では主燃料Ｑｍは副燃料Ｑａの燃焼時に十分な空気が存在するように空気過剰のもとで燃焼せしめられる。このように副燃料Ｑａを追加噴射すると燃焼室５内から排出される排気ガス温が初めて高くなり、斯くして三元触媒２１は急速に加熱される。
【００２０】
ところでこの場合、本発明者による実験によると図２に示される成層燃焼式内燃機関では副燃料Ｑａが圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）６０°から７０°付近において噴射されたときに排気ガス温が最も高くなる。従ってこの実施例では図４に示されるように副燃料Ｑａの噴射時期はほぼ圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）６０°付近とされる。なお、副燃料Ｑａの最適な噴射時期は機関の型式によって異なり、例えばディーゼル機関では副燃料Ｑａの最適な噴射時期は膨張行程中か又は排気行程中となる。従って本発明では副燃料Ｑａの燃料噴射は膨張行程中又は排気行程中に行われる。
【００２１】
上述したように燃焼室５内から排出される排気ガス温が極めて高くなると少なくとも三元触媒２１の上流端は短時間のうちに活性化する。その結果機関の運転開始後短時間のうちに排気ガス中に含まれる未燃ＨＣの酸化作用が促進される。また、図１に示される実施例ではこのとき空燃比センサ３７の出力信号に基づいて全吸入空気量と全燃料量（Ｑｍ＋Ｑａ）との比である空燃比が理論空燃比となるように例えば副燃料Ｑａの噴射量がフィードバック制御される。このように空燃比が理論空燃比となるようにフィードバック制御されると排気ガス中の未燃ＨＣばかりでなくＮＯｘ  も三元触媒２１によって浄化せしめられる。
【００２２】
更に本発明による実施例ではこのとき排気制御弁２８上流の排気通路内の圧力、即ち背圧が６０ＫＰａ  から８０ＫＰａ  程度となるように排気制御弁２８がほぼ全閉せしめられる。背圧が６０ＫＰａ  から８０ＫＰａ  程度まで上昇せしめられると燃焼室５から排出された排気ガスはさほど圧力低下せず、さほど温度低下しなくなる。従って排気ガス温が一層高くなるために三元触媒２１は急速に活性化温度以上になる。
【００２３】
副燃料Ｑａの追加噴射は三元触媒２２が活性化するまで行われる。即ち、三元触媒２２が活性化した後も副燃料Ｑａを追加噴射し続けると三元触媒２２の温度は次第に高くなるが三元触媒２１の温度は三元触媒２２の温度に比べて極めて高くなる。即ち、三元触媒２１は過熱せしめられる。
そこで本発明による実施例では三元触媒２２が活性化すると副燃料Ｑａの追加噴射を停止すると共に排気制御弁２８を全開せしめ、例えば１番気筒＃１および２番気筒＃２の空燃比がリッチとされ、３番気筒＃３および４番気筒＃４の空燃比がリーンとされる。即ち、各三元触媒２２へはリッチ空燃比の気筒＃１，＃２からの排気ガスと、リーン空燃比の気筒＃３，＃４からの排気ガスが流入することになる。
【００２４】
この場合、リッチ空燃比の気筒＃１，＃２から排出される排気ガス中には多量の未燃ＨＣが含まれており、リーン空燃比の気筒＃３，＃４から排出される排気ガス中には多量の過剰酸素が含まれている。従ってリッチ空燃比の気筒＃１，＃２からの排気ガスと、リーン空燃比の気筒＃３、＃４からの排気ガスが各三元触媒２２内に供給されると三元触媒２２内において多量の未燃ＨＣが多量の酸素により酸化せしめられ、斯くして多量の酸化反応熱が発生する。その結果、三元触媒２２の温度はこの酸化反応熱によって急速に上昇せしめられる。
【００２５】
なお、本発明による実施例ではこのとき空燃比センサ３７の出力信号に基づいて各三元触媒２２に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比となるようにリッチ空燃比の気筒＃１，＃２への主燃料Ｑｍの噴射量、およびリーン空燃比の気筒＃３，＃４への主燃料Ｑｍの噴射量が制御される。従ってこの場合にも排気ガス中の未燃ＨＣに加えＮＯｘ  も三元触媒２１および三元触媒２２により浄化せしめられる。
【００２６】
このような三元触媒２２の昇温制御はＮＯｘ  吸収剤２５が活性化するまで行われる。この間、副燃料Ｑａの追加噴射が停止されているので三元触媒２１は過度に温度上昇することなく活性化温度以上に保持される。
ＮＯｘ  吸収剤２５が活性化すると暖機完了後の運転に切換えられ、このとき図３に示されるように大部分の運転状態において空燃比がリーンとされる。このとき発生するＮＯｘ  はＮＯｘ  吸収剤２５に吸収される。ＮＯｘ  吸収剤２５に吸収されているＮＯｘ  量が許容量を越えたと判断されたときには空燃比が一時的にリッチとされ、ＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  が放出される。
【００２７】
図５は運転制御ルーチンを示している。
図５を参照するとまず初めにステップ１００では温度センサ３５の出力信号に基づいて三元触媒２２の温度Ｔａが活性化温度Ｔａ０  を越えたか否かが判別される。Ｔａ≦Ｔａ０  のとき、即ち三元触媒２２が活性化していないときにはステップ１０１に進んで排気制御弁２８がほぼ全閉せしめられ、次いでステップ１０２では主燃料Ｑｍの噴射制御が行われる。次いでステップ１０３では副燃料Ｑａの噴射制御が行われる。このとき空燃比は理論空燃比にフィードバック制御される。
【００２８】
一方、ステップ１００においてＴａ＞Ｔａ０  であると判断されたとき、即ち三元触媒２２が活性化したときにはステップ１０４に進んで排気制御弁２８が全開せしめられる。次いでステップ１０５では温度センサ３６の出力信号に基づいてＮＯｘ  吸収剤２５の温度Ｔｂが活性化温度Ｔｂ０  を越えたか否かが判別される。Ｔｂ≦Ｔｂ０  のとき、即ちＮＯｘ  吸収剤２５が活性化していないときにはステップ１０６に進んで例えば１番気筒＃１および２番気筒＃２の空燃比がリッチとなり、３番気筒＃３および４番気筒＃４の空燃比がリーンとなるように主燃料Ｑｍの噴射量が制御される。このとき、各三元触媒２２に流入する排気ガスの空燃比は理論空燃比に維持される。なお、このとき副燃料Ｑａの噴射は停止される。
【００２９】
一方、ステップ１０５においてＴｂ＞Ｔｂ０  であると判断されたとき、即ちＮＯｘ  吸収剤２５が活性化したときにはステップ１０７に進んで図３に示される空燃比となるように主燃料Ｑｍの噴射量が制御される。次いでステップ１０８ではＮＯｘ  吸収剤２５に吸収されているＮＯｘ  量が許容量を越えたと判断されたときにＮＯｘ  吸収剤２５からのＮＯｘ  放出処理が行われる。
【００３０】
【発明の効果】
機関排気通路内に触媒が直列配置されている場合に上流側の触媒を過度に昇温させることなく下流側触媒を昇温させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】燃焼室の側面断面図である。
【図３】噴射量、噴射時期および空燃比を示す図である。
【図４】噴射時期を示す図である。
【図５】運転制御を行うためのフローチャートである。
【符号の説明】
１９，２０…排気マニホルド
２１…第１の触媒
２２…第２の触媒
２５…第３の触媒
【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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