(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気過剰率が１よりも大きい領域で排気ガス中の窒素酸化物の浄化が可能な窒素酸化物の浄化触媒と、電子制御式の燃料供給手段とを備え、この燃料供給手段によるメイン噴射の前にパイロット噴射を行うように構成されたディーゼルエンジンの排気浄化装置において、上記浄化触媒の活性化率を検出する活性化率検出手段と、この活性化率検出手段の検出値に応じて上記パイロット噴射時期を制御することにより、このパイロット噴射時期とメイン噴射時期との間隔を調節する燃料噴射制御手段を設け、窒素酸化物の浄化触媒が活性化されるのに伴い、パイロット噴射時期とメイン噴射時期との間隔を短くするように構成したことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
エンジンが冷間状態にあるか否かを検出する冷間状態検出手段を設け、この冷間状態検出手段によってエンジンが冷間状態にあることが確認された場合に、パイロット噴射時期とメイン噴射時期との間隔を調節する噴射時期制御を実行するように構成したことを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
空気過剰率が１よりも大きい領域で排気ガス中の窒素酸化物の浄化が可能な窒素酸化物の浄化触媒と、電子制御式の燃料供給手段とを備え、この燃料供給手段によるメイン噴射の前にパイロット噴射を行うように構成されたディーゼルエンジンの排気浄化装置において、上記浄化触媒の活性化率を検出する活性化率検出手段と、この活性化率検出手段の検出値に応じて上記パイロット噴射時期を制御することにより、このパイロット噴射時期とメイン噴射時期との間隔を調節する燃料噴射制御手段を設け、燃料噴射制御手段によってメイン噴射開始時期に対するパイロット噴射開始時期の進角量を制御することにより、このパイロット噴射時期とメイン噴射時期と間隔を調節するように構成したことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
窒素酸化物の浄化触媒に導入される排気ガスの温度を検出する第１温度センサと、上記浄化触媒から導出される排気ガスの温度を検出する第２温度センサとを設け、この両温度センサの検出値の差に基づいて触媒の活性化率を検出するように構成したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、空気過剰率が１よりも大きい領域、つまりリーン域で排気ガス中の窒素酸化物を浄化可能な浄化触媒を備えたディーゼルエンジンの排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ディーゼルエンジンから排出されるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化させる浄化触媒として、例えば特開平４−３３４５２６号公報に示されるように、白金等の貴金属もしくは遷移金属が、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、リン酸アルミニウム、硝酸アルミニウム等からなる担体に担持された触媒を用いることが行われているが、この浄化触媒は、空気過剰率が１よりも大きい領域で窒素酸化物の浄化が可能であって、排気ガス中の未燃焼燃料が多く、かつ温度がある程度高い場合に活性化することが知られている。
【０００３】
また、特開平３−６８５１６号公報に示されるように、窒素酸化物の浄化触媒が排気系に設けられたディーゼルエンジンにおいて、燃料供給通路の途中にリリーフ弁を有する連通路を設け、燃料噴射期間の気筒に供給される燃料の一部を、上記連通路を介して排気行程の気筒にリリーフし、熱分解させた後に排出させることにより、上記浄化触媒を活性化させることが行われている。
【０００４】
さらに、上記浄化触媒の活性の低いエンジンの冷間時等に、各気筒に噴射される燃料の噴射時期をリタードさせることにより、排気系に導出される燃料の未燃焼成分を増大させ、これによって上記浄化触媒を活性化させて窒素酸化物を効果的に浄化するようにしたものが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成の従来装置は、本来エンジンにおいて燃焼させる燃料の一部を排気系に導出するようにしたものであるため、エンジンの燃料効率が低下して燃費が悪化することが避けられないとともに、エンジンの燃焼性が低下して排出される排気ガス中のスモーク（黒煙）量が増大するという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、燃費の悪化およびスモークの増大等を生じることなく、簡単な構成で排気ガスを効果的に浄化することができるディーゼルエンジンの排気浄化装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、空気過剰率が１よりも大きい領域で排気ガス中の窒素酸化物の浄化が可能な窒素酸化物の浄化触媒と、電子制御式の燃料供給手段とを備え、この燃料供給手段によるメイン噴射の前にパイロット噴射を行うように構成されたディーゼルエンジンの排気浄化装置において、上記浄化触媒の活性化率を検出する活性化率検出手段と、この活性化率検出手段の検出値に応じて上記パイロット噴射時期を制御することにより、このパイロット噴射時期とメイン噴射時期との間隔を調節する燃料噴射制御手段を設け、窒素酸化物の浄化触媒が活性化されるのに伴い、パイロット噴射時期とメイン噴射時期との間隔を短くするように構成したものである。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載されたディーゼルエンジンの排気浄化装置において、エンジンが冷間状態にあるか否かを検出する冷間状態検出手段を設け、この冷間状態検出手段によってエンジンが冷間状態にあることが確認された場合に、パイロット噴射時期とメイン噴射時期との間隔を調節する噴射時期制御を実行するように構成したものである。
【０００９】
請求項３に係る発明は、空気過剰率が１よりも大きい領域で排気ガス中の窒素酸化物の浄化が可能な窒素酸化物の浄化触媒と、電子制御式の燃料供給手段とを備え、この燃料供給手段によるメイン噴射の前にパイロット噴射を行うように構成されたディーゼルエンジンの排気浄化装置において、上記浄化触媒の活性化率を検出する活性化率検出手段と、この活性化率検出手段の検出値に応じて上記パイロット噴射時期を制御することにより、このパイロット噴射時期とメイン噴射時期との間隔を調節する燃料噴射制御手段を設け、燃料噴射制御手段によってメイン噴射開始時期に対するパイロット噴射開始時期の進角量を制御することにより、このパイロット噴射時期とメイン噴射時期と間隔を調節するように構成したものである。
【００１０】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れかに記載されたディーゼルエンジンの排気浄化装置において、窒素酸化物の浄化触媒に導入される排気ガスの温度を検出する第１温度センサと、上記浄化触媒から導出される排気ガスの温度を検出する第２温度センサとを設け、この両温度センサの検出値の差に基づいて触媒の活性化率を検出するように構成したものである。
【００１１】
【作用】
上記請求項１記載の発明によれば、活性化率検出手段において検出された浄化触媒の活性化率に応じてメイン噴射時期に対するパイロット噴射時期の進角量が設定され、上記活性化率が低い程、上記パイロット噴射時期とメイン噴射時期との間隔が長くなるように、燃料噴射制御手段によってパイロット噴射時期が制御されることにより、上記触媒の設置部に導出される未燃焼燃料量が増加することになる。また、上記燃料噴射制御手段によるパイロット噴射時期の制御が実行されて上記浄化触媒が活性化するのに伴い、上記パイロット噴射時期とメイン噴射時期との間隔が短くなるように制御され、これによって上記浄化触媒の設置部に導出される未燃焼燃料量が減少することになる。
【００１２】
上記請求項２記載の発明によれば、冷間状態検出手段によってエンジンが冷間状態にあることが確認された場合には、上記浄化触媒の活性化率に対応したパイロット噴射時期の制御が実行され、エンジンが冷間状態にないことが確認された場合には、上記パイロット噴射時期の制御が行われることなく、通常の噴射制御が実行されることになる。
【００１３】
上記請求項３記載の発明によれば、活性化率検出手段において検出された浄化触媒の活性化率に応じてメイン噴射時期に対するパイロット噴射時期の進角量が設定され、上記活性化率が低い程、上記パイロット噴射時期とメイン噴射時期との間隔が長くなるように、燃料噴射制御手段によってパイロット噴射時期が制御されることにより、上記触媒の設置部に導出される未燃焼燃料量が増加することになる。また、触媒の活性化率に応じてメイン噴射開始時期に対するパイロット噴射開始時期の進角量が設定されることにより、浄化触媒の設置部に導出される未燃焼燃料量が制御されることになる。
【００１４】
上記請求項４記載の発明によれば、第１温度センサ出手段の検出値と、第２温度センサの検出値との差に応じ、浄化触媒を介して窒素酸化物と未燃焼燃料との反応が促進されることによって生じる発熱量が検出され、この検出値に基づいて上記浄化触媒の活性化率が検出される。そして、この活性化率の検出値に基づいてパイロット噴射時期とメイン噴射時期との間隔を調節する噴射時期制御が実行されることになる。
【００１５】
【実施例】
図１は本発明に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置の実施例を示している。この排気浄化装置には、排気管１に設けられた窒素酸化物の浄化触媒２と、エンジン本体３の各気筒に設けられた電子制御式の燃料噴射ノズル４と、この燃料噴射ノズル４を介して上記各気筒に燃料を供給する電子制御式の燃料噴射ポンプ５と、この燃料噴射ノズル４および燃料噴射ポンプ５からなる電子制御式の燃料供給手段に制御信号を出力して燃料の噴射時期、噴射圧および噴射量を制御するコントローラ６とが設けられている。
【００１６】
上記浄化触媒２は、空気過剰率が１よりも大きい領域で排気ガス中の窒素酸化物を浄化可能な触媒であって、例えば白金等の貴金属もしくは遷移金属が、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、リン酸アルミニウム、硝酸アルミニウム等からなる担体に担持されたものからなっている。
【００１７】
上記エンジン本体１には、冷却水の温度を検出する冷却水温センサ７と、クランク角度を検出するクランク角センサ８とが設けられ、また上記排気管１には、浄化触媒２の上流部および下流部の排気ガス温度を検出する第１温度センサ９と、第２温度センサ１０とが設けられている。
【００１８】
上記コントローラ６には、燃料噴射ノズル４から各気筒に噴射される燃料の噴射時期を制御する燃料噴射制御手段１１と、上記第１，第２温度センサ９，１０の出力信号に応じて上記浄化触媒２の活性化率を検出する活性化率検出手段１２と、上記冷却水温センサ７の出力信号に応じてエンジンが冷間状態にあるか否かを検出する冷間状態検出手段１３とが設けられている。
【００１９】
上記燃料噴射制御手段１１は、図２に示すように、エンジンの運転状態に対応した適正時期に必要量の燃料をメイン噴射し、かつこのメイン噴射の前に少量の燃料をパイロット噴射させる制御信号を上記燃料噴射ノズル４および燃料噴射ポンプ５に出力するとともに、上記活性化率検出手段１２の検出値に応じて上記パイロット噴射開始時期を制御することにより、このパイロット噴射開始時期と、上記メイン噴射開始時期との間隔Ｐｔを調節するように構成されている。
【００２０】
すなわち、上記浄化触媒２の活性化率が低い程、上記間隔Ｐｔが大きくなるように予め浄化触媒２の種類およびエンジンの形式等に対応して最適値に設定された制御テーブルから、浄化触媒２の活性化率に適合した間隔Ｐｔが読出され、これに応じて上記メイン噴射開始時期に対するパイロット噴射開始時期の進角量が設定されるようになっている。そして、上記クランク角センサ８の検出値と、上記進角量の設定値とに基づいて決定された所定のタイミングでパイロット燃料を噴射させる制御信号が上記コントローラ６から各噴射ノズル４および燃料噴射ポンプ５に出力されることになる。
【００２１】
上記活性化率検出手段１２は、第１温度センサ９によって検出された上記浄化触媒２に導入される排気ガスの温度と、第２温度センサ１０によって検出された上記浄化触媒２から排出される排気ガスの温度との差に基づき、窒素酸化物が浄化触媒２に接触して窒素ガスに還元されることにより発生した熱量を検出するように構成されている。そして、上記温度の検出値の差が大きい程、上記活性検出手段１２において浄化触媒２の活性化率が高いことが検出されるようになっている。
【００２２】
また、上記冷間状態検出手段１３は、冷却水温センサ７によって検出された冷却水の温度と、予め設定された基準値とを比較することによってエンジンが冷間状態にあるか否かを検出するものである。この冷間状態検出手段１３おいてエンジンが冷間状態にあることが確認された場合には、上記燃料噴射制御手段１１によってパイロット噴射開始時期とメイン噴射開始時期との間隔Ｐｔを調節する噴射時期制御を実行し、冷間状態にないことが確認された場合には、上記噴射時期制御を停止する制御信号が上記活性化率検出手段１２を介して燃料噴射制御手段１１に出力されるように構成されている。
【００２３】
上記構成において、上記冷間状態検出手段１３によりエンジンが冷間状態にあることが検出された場合には、上記浄化触媒２の活性化率が活性化率検出手段１２おいて検出され、この検出信号が上記燃料噴射制御手段１１に出力される。そして、上記の制御テーブルから求められるパイロット噴射開始時期の進角量が活性化率検出手段１２の検出値に応じて補正されることにより、パイロット噴射のタイミングがフィードバック制御される。
【００２４】
この結果、上記浄化触媒２の活性化率が低い場合には、メイン噴射開始時期に対するパイロット噴射開始時期の進角量が大きくなるようにパイロット噴射開始時期が制御され、上記パイロット噴射開始時期とメイン噴射開始時期との間隔Ｐｔが長くなるように調節される。また、上記浄化触媒２が活性化するのに伴い、メイン噴射開始時期に対するパイロット噴射開始時期の進角量が小さくなるようにパイロット噴射開始時期が制御され、上記パイロット噴射開始時期とメイン噴射開始時期との間隔Ｐｔが短くなるように調節されることになる。
【００２５】
このように上記浄化触媒２の活性化率が低い程、早いタイミングでパイロット噴射が行われ、シリンダ圧が十分に上昇する前に噴射されたパイロット燃料の一部がピストンの壁面等に付着することになるため、排気管１に導出される未燃焼燃料量が増大する。例えば、図３の（Ａ）に示すように、上記パイロット噴射開始時期とメイン噴射開始時期との間隔Ｐｔ、つまりパイロット噴射開始時期の進角量を１０〜４０°の範囲に設定した場合には、進角量の増加に伴って浄化触媒に供給されるＨＣガス等からなる未燃焼燃料の排出量が増加することになる。
【００２６】
上記パイロット噴射開始時期を進角させることにより、従来装置のように燃料のメイン噴射時期を遅延させるリタード制御を実行するように構成した場合〔図３の（Ｂ）参照〕と同程度に、排気管１に導出される未燃焼燃料量（ＨＣ排出量）を増大させることができる。また、上記のようにパイロット噴射開始時期を進角させ、あるいはメイン噴射時期を遅延させることにより、図４の（Ａ），（Ｂ）に示すように、排気管１に導出される排気ガスの温度が上昇することになる。
【００２７】
そして、上記浄化触媒２に供給される未燃焼燃料の増大および排気ガス温度の上昇に伴って浄化触媒２が活性化されるため、図５の（Ａ）に示すように、上記進角量を増加させる制御を実行することにより、窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化率を増大させることができる。
【００２８】
すなわち、上記浄化触媒２の設置部に導入される未燃焼燃料が増加することによる浄化触媒２の活性化効果と、上記パイロット噴射が行われることによる内部ＥＧＲ効果とが相俟って窒素酸化物（ＮＯｘ）を効果的に浄化することができる。この結果、図５の（Ｂ）に示すようにメイン噴射の時期を遅延させるように構成した場合と同程度に、窒素酸化物の浄化率を増大させることができる。したがって、上記浄化触媒２の活性化率に対応させてパイロット噴射開始時期の進角量を適正値に設定することにより、排気ガス中の窒素酸化物を効果的に還元することができる。
【００２９】
また、上記のようにパイロット噴射開始時期を進角させることにより、排気管１に導出される未燃焼燃料量を増大させるように構成したため、上記燃料の燃焼効率が最適状態となるように設定されたメイン噴射に影響を与えることなく、上記浄化触媒２を効果的に活性化することができる。したがって、図６の（Ａ）および図７の（Ａ）に示すように、エンジンの燃費をそれ程低下させることなく、上記浄化触媒２による窒素酸化物の浄化機能を向上させることができるとともに、排気管１から排出されるスモーク量を低減することができる。
【００３０】
すなわち、上記メイン噴射の時期を遅延させることにより、本来エンジンにおいて燃焼される燃料の一部を排気管に導出するように構成した場合のように、燃焼効率が低下することに起因して図６の（Ｂ）に示すように燃費が大きく低下したり、あるいは着火遅れに起因して図７の（Ｂ）に示すように、大量のスモークが発生したりすることを効果的に防止することができる。
【００３１】
さらに、上記浄化触媒２の活性化率に応じてパイロット噴射開始時期とメイン噴射開始時期との間隔Ｐｔを調節する噴射時期制御を実行することにより、浄化触媒２が活性化されたことが上記活性化率検出手段１２において検出された場合に、これに伴って上記間隔Ｐｔを短くするようにした構成によると、上記排気管１に導出されるパイロット噴射の未燃焼燃料量を低減することができるので、より効果的にエンジンの燃費を向上させることができる。
【００３２】
また、上記実施例では、温度センサ７によって検出された冷却水の温度に応じ、エンジンが冷間状態にあるか否かを冷間状態検出手段１３において検出し、エンジンが冷間状態にあることが確認された場合に、上記パイロット噴射開始時期とメイン噴射開始時期との間隔Ｐｔを調節する上記噴射時期制御を実行するように構成したため、上記浄化触媒２の活性化率の低い上記冷間時に、浄化触媒２を活性化して排気ガス中の窒素酸化物を効果的に低減することができるとともに、不必要に上記噴射時期制御が実行されてエンジンの燃費が低下するという事態の発生を確実に防止することができる。
【００３３】
しかも、エンジンの冷間時に上記パイロット噴射を行うことにより、着火遅れを防止できるため、この着火遅れ等に起因してエンジンの冷間時に発生し易い燃焼騒音を効果的に抑制することができる。
【００３４】
なお、上記パイロット噴射圧のピーク時と、メイン噴射圧のピーク時との間隔を調節することにより、排気管１に導出される未燃焼燃料量を制御するように構成することもできるが、上記のようにパイロット噴射開始時期を変化させることにより、このパイロット噴射開始時期とメイン噴射開始時期との間隔Ｐｔを調節するように構成した場合には、上記噴射時期の設定が容易であるため、簡単かつ正確に未燃焼燃料の排出量制御を実行することができる。
【００３５】
また、上記のように排気管１に設けられた第１，第２温度センサ９，１０により、窒素酸化物の浄化触媒２に供給される排気ガスの温度と、上記浄化触媒２から排出される排気ガスの温度とをそれぞれ検出し、この検出値の差に基づいて浄化触媒２の活性化率を上記活性化率検出手段１２で検出するように構成した場合には、安価な温度センサを使用して上記浄化触媒２の活性化率を正確に検出することができる。
【００３６】
また、上記実施例では、燃料の噴射時期を制御する電子制御式の燃料噴射ノズル４と、燃料の噴射量および噴射圧を制御する電子式の燃料噴射ポンプ５とからなる燃料供給装置を設けた例について説明したが、この構成に代え、燃料の噴射時期、噴射量および噴射圧力を制御可能なユニットインジェクタタイプの燃料供給装置を設けた構造としてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明は、活性化率検出手段において検出された浄化触媒の活性化率に応じてパイロット噴射時期とメイン噴射時期との間隔を調節するように構成したため、上記パイロット燃料の一部を未燃焼の状態で上記浄化触媒の設置部に導出させることにより、燃費を悪化させることなく、かつスモーク量を増大させることなく、上記浄化触媒を適正状態に活性化して排気ガス中の窒素酸化物を減少させることができるという利点がある。また、上記燃料噴射制御手段によるパイロット噴射時期の制御が実行されて窒素酸化物の浄化触媒が活性化するのに伴い、上記パイロット噴射時期とメイン噴射時期との間隔を短くするように構成したため、上記浄化触媒の設置部に導出される未燃焼燃料量が不必要に多くなるのを防止し、燃費の悪化をより効果的に抑制することができる。
【００３８】
上記請求項２記載の発明は、冷間状態検出手段によってエンジンが冷間状態にあることが確認された場合に、上記燃料噴射制御手段によるパイロット噴射時期の制御を実行するように構成したため、上記浄化触媒の活性化率の低い上記冷間時に、浄化触媒を活性化して排気ガス中の窒素酸化物を効果的に低減することができるとともに、不必要に上記噴射時期制御が実行されてエンジンの燃費が低下するという事態の発生を確実に防止することができる。さらに、エンジンの冷間時に上記パイロット噴射を行うことにより、着火遅れを防止できるため、この着火遅れ等に起因してエンジンの冷間時に発生し易い燃焼騒音を効果的に抑制できるという利点がある。
【００３９】
上記請求項３記載の発明は、活性化率検出手段において検出された浄化触媒の活性化率に応じてパイロット噴射時期とメイン噴射時期との間隔を調節するように構成したため、上記パイロット燃料の一部を未燃焼の状態で上記浄化触媒の設置部に導出させることにより、燃費を悪化させることなく、かつスモーク量を増大させることなく、上記浄化触媒を適正状態に活性化して排気ガス中の窒素酸化物を減少させることができるという利点がある。また、触媒の活性化率に応じてメイン噴射開始時期に対するパイロット噴射開始時期の進角量を変化させることにより、このパイロット噴射時期とメイン噴射時期との間隔を調節するように構成したため、浄化触媒の設置部に導出される未燃焼燃料量を容易かつ正確に制御して上記浄化触媒の活性化率を適正に制御することができる。
【００４０】
上記請求項４記載の発明は、第１温度センサ出手段の検出値と、第２温度センサの検出値との差に応じ、浄化触媒による窒素酸化物と未燃焼燃料との反応が促進されることによって生じる発熱量が検出され、この検出値に基づいて上記浄化触媒の活性化率を検出するように構成したため、安価なセンサを用いて触媒の活性化率を簡単かつ適正に検出することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置の実施例を示す概略説明図である。
【図２】燃料の噴射状態を示すグラフである。
【図３】未燃焼燃料（ＨＣガス）の排出量の変化状態を示し、（Ａ）は本発明例のグラフであり、（Ｂ）は比較例のグラフである。
【図４】排気ガス温度の変化状態を示し、（Ａ）は本発明例のグラフ、（Ｂ）は比較例のグラフである。
【図５】窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化率の変化状態を示し、（Ａ）は本発明例のグラフ、（Ｂ）は比較例のグラフである。
【図６】燃費の変化状態を示し、（Ａ）は本発明例のグラフ、（Ｂ）は比較例のグラフである。
【図７】スモーク量の変化状態を示し、（Ａ）は本発明例のグラフ、（Ｂ）は比較例のグラフである。
【符号の説明】
２  浄化触媒
４  燃料噴射ノズル（燃料供給装置）
５  燃料噴射ポンプ（燃料供給装置）
９  第１温度センサ
１０  第２温度センサ
１１  燃料噴射制御装置
１２  浄化率検出手段
１３  冷間状態検出手段
【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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