(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素過剰な排気ガス中の窒素酸化物を還元剤を用いて浄化するリーンＮＯｘ触媒を排気系に有する内燃機関において、
前記内燃機関の本体とは別に設けられる燃焼装置であって、該燃焼装置の出す燃焼ガスを該内燃機関の吸気系へ導入することで該吸気系に二酸化炭素を加えて該吸気系を流通する吸気中における二酸化炭素の濃度を増大する燃焼式ヒータを備えたことを特徴とするリーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関。
【請求項２】
前記燃焼式ヒータは、前記内燃機関の気筒内における燃焼時の圧力よりも低圧下で燃焼が行われることを特徴とする請求項１に記載のリーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関。
【請求項３】
前記燃焼式ヒータは、前記リーンＮＯｘ触媒による窒素酸化物の浄化を要するときに作動することを特徴とする請求項２に記載のリーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関。
【請求項４】
前記燃焼式ヒータは、内燃機関が所定の運転状態にある時に作動して、燃料を燃焼し、その燃焼時に出す燃焼ガスの熱で機関関連要素を暖めることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のリーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関。
【請求項５】
前記リーンＮＯｘ触媒が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であることを特徴とする請求項１に記載のリーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関。
【請求項６】
前記リーンＮＯｘ触媒が選択還元式ＮＯｘ触媒であることを特徴とする請求項１に記載のリーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関。
【請求項７】
前記リーンＮＯｘ触媒による窒素酸化物の浄化を要するとき、前記燃焼式ヒータの空燃比をリッチにすることを特徴とする請求項４に記載のリーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関。
【請求項８】
前記燃焼式ヒータの作動時で前記リーンＮＯｘ触媒による窒素酸化物の浄化を要するときは、燃料噴射装置による燃料噴射タイミングを遅角することを特徴とする請求項４に記載のリーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関。
【請求項９】
前記リーンＮＯｘ触媒は吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であることを特徴とする請求項８に記載のリーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関、詳しくは、内燃機関の排気系に設けられる排気浄化手段である触媒コンバータに三元触媒として使用され、排気系が特に酸素過剰な雰囲気状態、すなわちリーン状態にあるときに排気ガス中の窒素酸化物を還元剤を用いて浄化するリーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンリーンバーンエンジンやディーゼルエンジン等排気系における雰囲気が酸素過剰でかつ炭化水素や一酸化炭素が少ない内燃機関において用いられる触媒であって、窒素酸化物を炭化水素や一酸化炭素を還元剤として用いて浄化するいわゆるリーンＮＯｘ触媒が、例えば、特開平６−１１７２２５号公報で示されている。
【０００３】
この公報記載の技術では、還元剤として炭化水素を用いることでリーンＮＯｘ触媒が窒素酸化物を浄化する技術を示す。炭化水素は、その一部が部分酸化して活性種を生成し、この活性種が窒素酸化物と反応して窒素酸化物を還元し、人体に無害な窒素，水素，酸素および二酸化炭素を生成する。炭化水素は、内燃機関の燃料となるガソリンや軽油を構成する主成分である。よって、還元剤である炭化水素を供給するということは、ガソリンや軽油その他の内燃機関用燃焼燃料を本来の使途とは別に余分に供給することに他ならない。
【０００４】
そして、前記公報記載の技術では、リーンＮＯｘ触媒への炭化水素の供給を、内燃機関で通常行われる燃料噴射装置による吸入−圧縮行程時での噴射による供給とは別に、同じ燃料噴射装置による燃料噴射を膨張行程と排気行程とにおいて余分に行うことで為している。そして、これらの噴射のうち、前者の通常行う噴射を主噴射といい、後者の別途余分に行う噴射を副噴射という。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この公報記載の技術では、主噴射と副噴射を行うのに同じ燃料噴射装置を用いるので、燃料噴射装置の噴射回数は主噴射だけの場合と比して多い。このため、燃料噴射装置にかかる負担が増えて、燃料噴射装置の故障原因ともなりかねない。
【０００６】
本発明は、上記実情を鑑みて発明したものであって、リーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関において、副噴射を不用にしてもリーンＮＯｘ触媒への炭化水素等の還元剤の供給を行えるようにすることで、前記弊害を解消することを技術的課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明のリーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関は次の手段を採用した。
（１）酸素過剰な排気ガス中の窒素酸化物を還元剤を用いて浄化するリーンＮＯｘ触媒を排気系に有する内燃機関において、この内燃機関の吸気系を流通する吸気中における二酸化炭素の濃度を増大する濃度増大手段を備えたことを特徴とする。
【０００８】
ここで、「濃度増大手段」とは、二酸化炭素を含む吸気中の成分のうち、二酸化炭素と、それ以外の成分との相対的比較において、二酸化炭素の濃度を増大できる手段であればよい。よって、前記濃度増大手段は、前記吸気系に二酸化炭素を加える手段であっても、吸気ガス中の他の成分を削減することで二酸化炭素の濃度を他の成分との比較で増大できる手段であってもいずれでもよい。
【０００９】
但し、濃度増大手段には、内燃機関本体の排気ポートから出た直後のガスである出ガスに含まれる二酸化炭素を利用して、吸気系の二酸化炭素の濃度を増大する手段、例えば排気再循環装置である、いわゆるＥＧＲは含まない。言い換えれば、濃度増大手段は、ＥＧＲによって吸気系に循環される排気に含まれる二酸化炭素の濃度よりも高い濃度の二酸化炭素を吸気系に加え得る手段を対象とするということである。ＥＧＲは内燃機関の燃焼ガスを再利用するものであるから、ＥＧＲによって吸気系に再循環される排気再循環ガスに含まれる二酸化炭素の濃度は、内燃機関の燃焼状態によって可変である。よって、ＥＧＲに代表される、出ガスに含まれる二酸化炭素を利用して、吸気系の二酸化炭素濃度を増大する手段は、二酸化炭素の濃度を制御する難かしさが伴うので排除する。
【００１０】
濃度増大手段により吸気系で二酸化炭素の濃度が増大すると、炭化水素から一酸化炭素へ、また一酸化炭素から二酸化炭素への反応がしにくくなる。極論すれば二酸化炭素が飽和状態にあれば、二酸化炭素を生成する炭化水素と一酸化炭素の酸化反応が進行しにくくなるので、炭化水素と一酸化炭素とが遊離状態で内燃機関の排気ガス中に多量に含まれることになる。
【００１１】
つまり、本発明のリーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関では、内燃機関の排気ガス中に炭化水素と一酸化炭素とが単体で存在する割合が多くなる。よって、これら炭化水素と一酸化炭素とが還元剤となって窒素酸化物の浄化をリーンＮＯｘ触媒が極めて有効に行うことができる。
【００１２】
そして、炭化水素や一酸化炭素は窒素酸化物の還元剤として利用されるので、従来技術のように、炭化水素の供給、すなわち内燃機関の燃焼用燃料の供給を燃料噴射装置による副噴射で行う必要がない。すなわち、本発明では副噴射の技術的概念がない。このため、炭化水素や一酸化炭素の発生量をうまくコントロールできれば、副噴射に起因した弊害、すなわち、燃料噴射装置にかかる負荷を軽減できるので、燃料噴射装置を故障しにくくできる。
（２）前記（１）項において前記濃度増大手段は、前記吸気系に二酸化炭素を加える添加装置であると好適である。
（３）前記（２）項において前記添加装置は、前記内燃機関の本体とは別に設けられる燃焼装置であって、この燃焼装置の出す燃焼ガスを前記内燃機関の吸気系へ導入するようになっているものが望ましい。
【００１３】
ここで、「燃焼装置」とは、具体的には、前記内燃機関の燃焼用燃料を燃料として使用する燃焼式ヒータ装置が好適である。この燃焼式ヒータ装置は、燃焼室本体と、この燃焼室本体に燃焼用空気を前記内燃機関の吸気管から供給する空気供給路と、この空気供給路から前記燃焼室本体に供給され、そこで燃焼された燃焼ガスを前記吸気管に排出する燃焼ガス排出路とを備えているものとする。
【００１４】
また、燃焼装置が、「内燃機関の本体とは別に設けられる」の意味は、内燃機関本体のシリンダ内での燃焼に何等影響されることなく、前記燃焼装置は独自の燃焼を行って、その排出ガスを前記燃焼ガス排出路を通じて前記吸気管に排出できるように設定されるという意味である。
（４）前記（３）項において前記燃焼装置は、前記内燃機関の気筒内における燃焼時の圧力よりも低圧下で燃焼が行われるものであることが望ましい。
【００１５】
ここでいう「低圧」とは、例えば大気圧のことである。内燃機関の高圧なシリンダ内よりも低圧な大気圧下の方が燃料が気化し易く理論空燃比付近で燃焼でき二酸化炭素の排出濃度を多くできるからである。つまり、理論通りにきれいに燃えるので燃焼ガス中の二酸化炭素の割合いが多いのである。
（５）前記（４）項において前記燃焼装置は、前記リーンＮＯｘ触媒による窒素酸化物の浄化を要するときに作動することを特徴とする。
【００１６】
ここで、「リーンＮＯｘ触媒による窒素酸化物の浄化を要するとき」とは、窒素酸化物浄化のための特定の条件が揃ったときである。特定の条件とは、例えば触媒が活性したときである。すなわち、連続方式の選択還元によるときはエンジンを始動させても直後では触媒が活性していないので触媒は機能していないが、しばらくすると触媒が活性して機能するようになる。よって、リーンＮＯｘ触媒による窒素酸化物の浄化を要するときとは、選択還元の場合は、触媒が活性して機能するときである。また、間欠方式の吸蔵還元の場合は、触媒が窒素酸化物を吸込み過ぎて、すなわち窒素酸化物が飽和状態にあるときである。
（６）前記（３）項において前記燃焼装置は、内燃機関が所定の運転状態にある時に作動して、燃料を燃焼し、その燃焼時に出す燃焼ガスの熱で機関関連要素を暖めてもよい。
【００１７】
ここで、「内燃機関が所定の運転状態にある時」とは、寒冷時や極寒冷時における内燃機関の運転中または内燃機関を始動させた後、ならびに例えば燃料消費が少ないことに起因して、内燃機関自身の発熱量が少ないときおよびそれにより冷却水の受熱量が少ないときのことである。そして、寒冷時とは、外気温が略−１０℃〜略１５℃位の時であり、極寒冷時とは、外気温が略−１０℃よりも低い時である。
【００１８】
「機関関連要素」とは、機関冷却水や、あるいは吸気に燃焼式ヒータの燃焼ガスが導入される内燃機関自体のことである。
（７）前記（１）項において前記リーンＮＯｘ触媒が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であることを特徴としてもよい。
【００１９】
ここで、「吸蔵還元型」とは、窒素酸化物を触媒に吸込んでそこに一旦留め、後で炭化水素または／および一酸化炭素を適量に触媒に供給することによって窒素酸化物を一気に浄化する間欠処理方式のことである。
（８）前記（１）項において前記リーンＮＯｘ触媒が選択還元式ＮＯｘ触媒であることを特徴としてもよい。
【００２０】
ここで、「選択還元式」とは、窒素酸化物，炭化水素および一酸化炭素を同時にかつ連続的に浄化する連続処理方式のことである。
（９）前記（６）項において前記リーンＮＯｘ触媒による窒素酸化物の浄化を要するとき、前記燃焼装置の空燃比をリッチにすると好適である。
【００２１】
空燃比がリッチであれば、燃焼装置における混合気において燃料の量が多く、それだけ還元剤としての炭化水素や一酸化炭素の割合いが増えるため、リーンＮＯｘ触媒が窒素酸化物を浄化し易くなる。
（１０）前記（６）項において前記燃焼装置の作動時で前記リーンＮＯｘ触媒による窒素酸化物の浄化を要するときは、燃料噴射装置による燃料噴射タイミングを遅角するとよい。燃料噴射タイミングは、元来、燃費が最適になるように設定する。ところがその燃料噴射タイミングを遅角するとなるとそれだけ燃焼が遅くなる。燃焼が遅いと本来燃えるべき燃料が燃え残り、未燃ガスの発生割合いが増えるため、炭化水素や一酸化炭素の割合いが増えてリーンＮＯｘ触媒が窒素酸化物を浄化し易くなる。
（１１）前記（１０）項において前記リーンＮＯｘ触媒は吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であることが好ましい。
【００２２】
また、本発明のリーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関によれば、さらに次のような作用効果を奏する。
▲１▼内燃機関が所定の運転状態にある時に作動する燃焼装置から出る燃焼ガスを内燃機関の吸気管に混入することで、吸気管にそれまで流れていた新気は、燃焼ガスの燃焼熱を含んだ燃焼ガス混入吸気となる。よって、燃焼装置の燃焼熱の利用によって暖機促進や車室用ヒータの性能向上を図れる。燃焼装置として燃焼式ヒータを用いれば、これは内燃機関に通常備えられる暖機促進用の装置であるから、燃焼式ヒータを二酸化炭素の濃度増大手段として併用できる。
【００２３】
▲２▼そして、燃焼式ヒータは、本来スモークのほとんどない、換言すればカーボンを含まない二酸化炭素濃度の濃い燃焼ガスを出す。よって、そのような燃焼式ヒータの出す燃焼ガスを内燃機関に吸入するようにすれば、従来知られているＥＧＲ装置に比して内燃機関の摩耗と腐食発生の心配がなく、また耐久性向上も期待でき、さらには低水温からの窒素酸化物の低減が可能となる。
【００２４】
▲３▼加えて、二酸化炭素は、それ自体にもスモーク抑制効果がある。これは、次の理由による。すなわち、二酸化炭素の熱解離（すなわち、雰囲気温度が１４００℃において、ＣＯ２→２ＣＯ＋Ｏ２）により生成された酸素がすすを再燃焼し、かつ二酸化炭素が生成された炭素を酸化する（すなわち、ＣＯ２＋Ｃ→２ＣＯ）ので、内燃機関が高負荷のときでもスモークの抑制効果を期待できる。
【００２５】
▲４▼そして、ディーゼルエンジンやガソリンリーンバーンエンジン等の低燃費エンジンは、燃焼燃料が少ないので、冷却水への熱損失が元来少ない。よって、常温時でも内燃機関の暖機性が悪化傾向にあるが、燃焼式ヒータを必要時作動させることで暖機性を大幅に向上できる。この結果、暖機時のエミッションを大幅に改善できる。しかも、燃焼式ヒータは、その燃焼ガスが燃焼ガス排出路を経由して吸気系に導入され、やがて内燃機関の気筒内に至るので、燃焼ガス熱は内燃機関で回収されて内燃機関側冷却水受熱量を増やす。よって、ヒータ性能が向上する。
【００２６】
▲５▼また、燃焼式ヒータの始動時等における燃焼ガス中の未燃成分は、内燃機関で再度燃焼し、そしてこれが内燃機関の排気系に至ると、この排気系に設けられるリーンＮＯｘ触媒によって浄化できる。
【００２７】
▲６▼さらに、燃焼式ヒータが備える空気供給路および燃焼ガス排出路は大気に直接開口していないので、騒音の低減効果も期待できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付した図面に基いて説明する。
〈装置の全体説明〉
内燃機関としてのエンジン１は水冷式であって、冷却水が循環する図示しないウォータジャケットを備えたエンジン本体３と、エンジン本体３の図示しない複数の気筒内に燃焼に必要な空気を送り込む吸気装置５と、混合気が前記気筒内で燃焼した後の排気ガスを大気中に放出する排気装置７と、エンジン１が搭載される車輌の室内を暖める車室用ヒータ９とを有する。エンジン１には、ディーゼルエンジンまたは直噴ガソリンリーンバーンエンジンが適用される。
【００２９】
吸気装置５は、気筒内に新鮮な空気を取り入れるエアクリーナ１３を吸気装置５の始端とする。そして、このエアクリーナ１３から吸気装置５の終端であるエンジン本体３の図示しない吸気ポートまでの間に、吸気系構造物であるターボチャージャ１５のコンプレッサ１５ａ，エンジン本体３の図示しない気筒内における燃焼時の圧力よりも低圧である大気圧下で燃焼する燃焼式ヒータ１７，インタークーラ１９およびインテークマニホールド２１を備えている。
【００３０】
これらの吸気系構造物は、複数の連結管を備える吸気管２３に属する。
吸気管２３は、コンプレッサ１５ａを境に、吸気装置５に入って来る外気がコンプレッサ１５ａによって強制的に押し込まれて加圧状態となる下流側連結管２７と、そうでない上流側連結管２５とに大別できる。
【００３１】
図１において、上流側連結管２５は、エアクリーナ１３からコンプレッサ１５ａに向けてまっすぐ延びる棒状の本流管２９と、本流管２９に対してバイパス状に接続される支流管としてのヒータ用枝管３１とからなる。
【００３２】
本流管２９のうちエアクリーナ１３の下流側近傍箇所には外気温センサ３２が取付けられている。エアクリーナ１３から本流管２９に入って来る外気Ａは、エンジン１および燃焼式ヒータ１７に対する新気であって、その温度が外気温センサ３２によって検出される。
【００３３】
ヒータ用枝管３１は、その途中に燃焼式ヒータ１７を含み、また燃焼式ヒータ１７の空気の流れ方向における上流側部位と本流管２９とを結ぶとともに本流管２９から燃焼式ヒータ１７に新気すなわち空気を供給する空気供給路３３と、燃焼式ヒータ１７の空気の流れ方向における下流側部位と本流管２９とを結びかつ燃焼式ヒータ１７から出る燃焼（排気）ガスを本流管２９に出す燃焼ガス排出路３５とを有する。なお、ヒータ用枝管３１に係る空気とは、新気ａ１のことだけを意味するのではなく、燃焼式ヒータ１７から出る燃焼ガスａ２も意味する。燃焼式ヒータ１７の燃焼ガスは、スモークのほとんどない、換言すればカーボンを含まないガスである。よって、内燃機関の吸気として使用するに支障ない。
【００３４】
燃焼ガス排出路３５のうち燃焼式ヒータ１７寄り箇所には、燃焼ガス温度センサ３６および燃焼ガスに含まれる二酸化炭素の濃度を検出するＣＯ２センサ３７が取付けられている。燃焼ガス温度センサ３６によって燃焼式ヒータ１７から本流管２９に入る前の燃焼式ヒータ１７の燃焼ガスの温度が、また、ＣＯ２センサ３７によって燃焼ガス中の二酸化炭素の濃度が検出される。
【００３５】
また、空気供給路３３および燃焼ガス排出路３５の本流管２９とのそれぞれの接続箇所Ｃ１およびＣ２のうち、続箇所Ｃ１は接続箇所Ｃ２よりも本流管２９の上流側に位置する。よって、エアクリーナ１３からの外気Ａは、まず接続箇所Ｃ１でヒータ用枝管３１に分岐する空気ａ１と、分岐せずに本流管２９を接続箇所Ｃ２に向かう空気ａ１’とに分かれ、接続箇所Ｃ２では、接続箇所Ｃ１で分岐して燃焼式ヒータ１７の燃焼に供されて燃焼ガスとなった空気ａ２とＣ１で分岐しなかった新気ａ１’とが合流し、燃焼ガス混入空気ａ３となる。
【００３６】
接続箇所Ｃ１で分岐した空気ａ１は、空気供給路３３−燃焼式ヒータ１７−燃焼ガス排出路３５を経由して接続箇所Ｃ２から本流管２９に空気ａ２となって戻る。この本流管２９に戻る空気ａ２は、大気圧下で燃焼する燃焼式ヒータ１７の燃焼に供されて熱を持った燃焼ガスであるから、二酸化炭素を多量に含む。このガスが本流管２９に戻されて前記分岐しなかった空気ａ１’と接続箇所Ｃ２で合流して燃焼ガス混入空気ａ３となると、その結果、この燃焼ガス混入空気ａ３が二酸化炭素を多量に含んでエンジン本体３に入る吸気となる。なお、燃焼式ヒータ１７の燃焼状態が制御され、この制御の仕方によって二酸化炭素の濃度を自在に調整できる。
【００３７】
また、図１において、下流側連結管２７は、コンプレッサ１５ａとインテークマニホールド２１とを結ぶ管であり、図１で示されるものはＬ字形をしている。また、インテークマニホールド２１寄りの箇所にはインタークーラ１９が配置されている。
【００３８】
一方、排気装置７は、エンジン本体３の図示しない排気ポートを排気装置７の始端とし、そこから排気装置７の終端のマフラ４１までの間に、エキゾーストマニホールド３８，ターボチャージャ１５のタービン１５ｂおよび触媒コンバータ３９を排気管４２上に備えている。排気装置７を流れる空気はエンジン１の排気ガスとして符号ａ４で示す。
【００３９】
触媒コンバータ３９は、その内部にリーンＮＯｘ触媒を三元触媒として使用しており、排気系が特に酸素過剰な雰囲気状態、すなわちリーン状態にあるときに排気ガス中の窒素酸化物を還元剤を用いて浄化する。リーンＮＯｘ触媒は選択還元式と吸蔵還元型があるが、どちらを用いてもよい。
【００４０】
次に燃焼式ヒータ１７の構造を図２に概略示す。
燃焼式ヒータ１７は、エンジン本体３の前記ウォータジャケットとつながっており、燃焼式ヒータ１７は、その内部にウォータジャケットからの冷却水を通す冷却水通路１７ａを有する。この冷却水通路１７ａを流れる冷却水（図２に破線矢印で示す。）は、燃焼式ヒータ１７の内部に形成された燃焼部である燃焼室１７ｄの周りを巡るようにして通過し、その間に燃焼室１７ｄからの熱を受けて暖まる。これについては、順次詳しく述べる。
【００４１】
燃焼室１７ｄは、火炎を出す燃焼筒１７ｂと、燃焼筒１７ｂを覆うことで火炎が外部に漏れないようにする円筒状の隔壁１７ｃとからなる。燃焼筒１７ｂを隔壁１７ｃで覆うことで、燃焼室１７ｄが隔壁１７ｃ内に画成される。そして、この隔壁１７ｃも燃焼式ヒータ１７の外壁４３ａによって覆われており、両者間には間隔があけられてある。この間隔をおくことによって、外壁４３ａの内面と隔壁１７ｃの外面との間に前記冷却水通路１７ａが形成される。
【００４２】
また、燃焼室１７ｄは、前記空気供給路３３および燃焼ガス排出路３５とそれぞれ直接つながる空気供給口１７ｄ１および排気排出口１７ｄ２を有している。空気供給路３３から送られて来た空気ａ１は、空気供給口１７ｄ１から燃焼室１７ｄに入るとその中を伝って排気排出口１７ｄ２に至り、その後、燃焼ガス排出路３５を経由して、既述のように本流管２９に空気ａ２として流れ入る。よって、燃焼室１７ｄは、燃焼式ヒータ１７内において空気ａ２に燃焼によって変化する空気ａ１を通す空気通路の形態になっている。
【００４３】
そして、燃焼式ヒータ１７が燃焼した後、燃焼ガス排出路３５を経由して本流管２９に戻される空気ａ２は、いわば燃焼式ヒータ１７から排出される排気ガスのことであるから熱を持つ。そして、この熱を持った空気ａ２が燃焼式ヒータ１７から排出されるまでの間において、この空気ａ２の持つ熱が、隔壁１７ｃを通して前記冷却水通路１７ａを流れる冷却水に伝わり、既述のように冷却水を暖める。よって、燃焼室１７ｄは熱交換通路でもある。
【００４４】
なお、燃焼筒１７ｂは、図示しない燃料ポンプとつながっている燃料供給管１７ｅを備え、そこから前記燃料ポンプのポンプ圧を受けて燃焼用燃料を燃焼筒１７ｂに供給する。この供給された燃焼用燃料は、燃焼式ヒータ１７内で気化して気化燃料になり、この気化燃料は、図示しない着火源によって着火される。
【００４５】
なお、空気供給路３３と燃焼ガス排出路３５とは、燃焼式ヒータ１７のみに用いられるものであるから、これらは燃焼式ヒータ１７に属する部材といえる。
次に、冷却水通路１７ａに対する冷却水の循環について説明する。
【００４６】
冷却水通路１７ａは、エンジン本体３の前記ウォータジャケットとつながっている冷却水導入口１７ａ１と、車室用ヒータ９とつながっている冷却水排出口１７ａ２とを有している。
【００４７】
冷却水導入口１７ａ１とエンジン本体３との間には水管路Ｗ１が介在され、冷却水排出口１７ａ２と車室用ヒータ９との間には水管路Ｗ２が連結されている。これらの水管路Ｗ１および水管路Ｗ２を介して、燃焼式ヒータ１７はエンジン本体３の前記ウォータジャケットおよび車室用ヒータ９とつながっている。また、車室用ヒータ９とエンジン本体３も水管路Ｗ３を介してつながっている。
【００４８】
したがって、エンジン本体３のウォータジャケットの冷却水は、その流れの順序として、（１）水管路Ｗ１を介して冷却水導入口１７ａ１から燃焼式ヒータ１７に至り、そこで暖められる。（２）この暖められた冷却水は、燃焼式ヒータ１７の冷却水排出口１７ａ２から水管路Ｗ２を介して車室用ヒータ９に至る。（３）そして、冷却水は、車室用ヒータ９で熱交換されて温度が下がった後、水管路Ｗ３を介してウォータジャケットに戻る。
【００４９】
このように、冷却水は、水管路Ｗ１と、水管路Ｗ２と、水管路Ｗ３を介して、エンジン本体３と、燃焼式ヒータ１７と、車室用ヒータ９との間を循環する。
また、燃焼室本体４３の内部には、この他に送風ファン４５やエンジン電子制御装置（ＥＣＵ）４６とは分離された燃焼式ヒータ１７の制御用の中央処理制御装置（ＣＰＵ）４７が備えられている。
【００５０】
ＥＣＵ４６は、外気温センサ３２，燃焼ガス温度センサ３６、ＣＯ２センサ３７および回転数センサ５９とならびに送風ファン４５および燃料ポンプと電気的につながっている。そして、各センサ３２，３６，３７および５９等の各パラメータに応じてＣＰＵ４７が、リーンＮＯｘ触媒３９による窒素酸化物の浄化を要すると判断すると、燃焼式ヒータ１７の燃焼状態を適宜制御して、燃焼式ヒータ１７の火炎の勢いや大きさ，温度等を最適状態に維持する。ＣＰＵ４７による燃焼式ヒータ１７の燃焼状態の制御によって、燃焼式ヒータ１７の排気（燃焼ガス）の温度や燃焼ガスに含まれる二酸化炭素の量が調えられる。
【００５１】
なお、本流管２９のうち、空気供給路３３および燃焼ガス排出路３５の本流管２９とのそれぞれの接続箇所Ｃ１およびＣ２の間に、換言すれば本流管２９のうち、燃焼ガス排出路３５と本流管２９との接続箇所Ｃ２よりも上流箇所には、エアフロメータ７０を設けてある。この実施の形態で用いるエアフロメータ７０は、その入口側と出口側とで圧力差の少ない、例えばホットワイヤ式またはフィルム式のエアフロメータである。
【００５２】
以上述べたものが、本発明の実施形態に係るリーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関Ｉである。
〈実施形態の作用効果〉
次にこのような構成のリーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関Ｉの作用効果について説明する。
【００５３】
リーンＮＯｘ触媒３９を有する内燃機関Ｉによれば、燃焼式ヒータ１７の燃焼ガスａ２が燃焼ガス排出路３５を通じて吸気管２３に至ることにより、吸気系での二酸化炭素の濃度が増大する。すると、エンジン本体３の気筒内の燃焼では、炭化水素から一酸化炭素へ、また一酸化炭素から二酸化炭素への反応がしにくくなる。
【００５４】
すなわち、極論すれば気筒内で二酸化炭素が飽和状態にあると考えれば、二酸化炭素を構成する炭化水素と一酸化炭素の化学反応が進行しにくいので、ＮＯｘ還元剤としての炭化水素と一酸化炭素とが遊離状態でかつ適量にあることになる。よって、窒素酸化物の浄化が極めて有効になし得る。
【００５５】
図３，図４および図５は、リーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関Ｉと、これまでの技術との違いを、窒素酸化物，炭化水素および一酸化炭素の発生量の差で比較したものである。
【００５６】
図３，図４および図５は、それぞれ窒素酸化物，炭化水素および一酸化炭素の出ガスに占める割合を示している。各図における実線は従来技術によるものであり、破線がリーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関Ｉによるものである。また、各図の縦軸は、各有害物質の発生量を示しており、横軸は燃料の噴射タイミングの時期をクランク角で示している。横軸上に示される数値がクランク角であり、数値０が上死点を意味する。よって、０よりも図面に向かって右側に進む程、いわゆる進角であり、同じく左側に進む程、いわゆる遅角である。
【００５７】
これらの図３から、窒素酸化物の浄化が極めて有効になされていることが、グラフの傾き角が極めて小さいことからわかる。また、図４および図５から、それぞれ炭化水素および一酸化炭素が、どのクランク角であってもこれまでよりも多量に発生していることがわかる。
【００５８】
また、リーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関Ｉによれば、炭化水素と一酸化炭素とが単体で存在する割合が多くなる。そして、炭化水素や一酸化炭素は還元剤として利用されるので、従来技術のように、炭化水素の供給を副噴射で行う必要がない。
【００５９】
このため、炭化水素や一酸化炭素の発生量をうまくコントロールできれば、副噴射に起因した弊害、すなわち、燃料噴射装置にかかる負荷を軽減できるので、燃料噴射装置が故障しにくい。また、窒素酸化物の浄化を好適に制御できる。
【００６０】
炭化水素や一酸化炭素の発生量のコントロールの仕方については、後述する応用例の項で説明する。
また、リーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関Ｉでは、燃焼式ヒータ１７から出る燃焼ガスを吸気管２３に混入することで、吸気系にそれまで流れていた新気は、燃焼ガスの燃焼熱を含んだ燃焼ガス混入吸気ａ３となる。よって、燃焼式ヒータ１７の燃焼熱の利用によって暖機促進や車室用ヒータの性能向上を図ることができる。燃焼式ヒータは、内燃機関に通常備えられるものであるから、燃焼式ヒータ１７を二酸化炭素の濃度増大手段として併用できる。
【００６１】
さらに、燃焼式ヒータ１７は、本来スモークのほとんどない、換言すれば、カーボンを含まない、また、二酸化炭素の濃度の濃い燃焼ガスを出すので、それをエンジン１の気筒に吸入させれば、従来より知られているＮＯｘ低減装置といえるＥＧＲ装置に比して、内燃機関の摩耗と腐食発生の心配がなく耐久性向上も期待でき、低水温からの窒素酸化物の低減が可能となる。
【００６２】
加えて、二酸化炭素の熱解離（すなわち、雰囲気温度が１４００℃において、ＣＯ２→２ＣＯ＋Ｏ２）により生成された酸素がすすを再燃焼し、かつ二酸化炭素が生成された炭素を酸化する（すなわち、ＣＯ２＋Ｃ→２ＣＯ）ので、二酸化炭素自体にもスモーク抑制効果があるため、内燃機関が高負荷のときでもスモークの抑制効果を期待できる。
【００６３】
そして、ディーゼルエンジンやガソリンリーンバーンエンジン等の低燃費エンジンは、燃焼燃料が少ないので冷却水への熱損失が元来少ないものである。よって、これらのエンジンでは、常温時でも暖機性が悪化傾向にあるが、燃焼式ヒータ１７を必要時作動させることで暖機性を大幅に向上できる。この結果、暖機時のエミッションを大幅に改善できる。しかも、燃焼式ヒータ１７の排気熱は、エンジン本体３で回収するので、内燃機関側冷却水受熱量Ｑｗが増えるので、ヒータ性能が向上する。
【００６４】
また、燃焼式ヒータ１７の燃焼ガス排出路３５は吸気管２３に通じているので、燃焼式ヒータ１７の始動時等の燃焼ガス中の未燃成分は、エンジン本体３の気筒内で再度燃焼し、そしてこれが内燃機関の排気系に至ると、この排気系に設けられているリーンＮＯｘ触媒３９によって浄化できる。
【００６５】
さらに、燃焼式ヒータ１７の空気供給路３３および燃焼ガス排出路３５は大気に直接開口していないので、騒音の低減効果も期待できる。
〈応用例〉
炭化水素や一酸化炭素の発生量をコントロールして、窒素酸化物の浄化を好適に制御する方法として次の（１）および（２）で述べる。
（１）燃焼式ヒータ１７の空燃比調整によって窒素酸化物の浄化を行う場合
リーンＮＯｘ触媒による窒素酸化物の浄化を要するとき、燃焼式ヒータ１７の空燃比をリッチにする。
【００６６】
空燃比がリッチであれば、燃焼式ヒータ１７の混合気において燃料の量が多く、それだけ還元剤としての炭化水素や一酸化炭素の割合いが増えるため、リーンＮＯｘ触媒３９が窒素酸化物を浄化し易くなる。よって副噴射を不用にできる。
（２）燃料噴射タイミングの変更によって窒素酸化物の浄化を行う場合
燃焼式ヒータ１７の作動時でリーンＮＯｘ触媒３９による窒素酸化物の浄化を要するときは、燃料噴射装置による燃料噴射タイミングを還元処理が未だ実施されていない時（還元処理未実施時）よりも遅角するとよい。これは燃料噴射タイミングは、通常、燃費が最適になるように設定されている。ところがその燃料噴射タイミングを遅角するとそれだけ燃焼が遅くなる。燃焼が遅いと本来燃えるべき燃料が燃え残り、未燃ガスの割合いが増えるため、炭化水素や一酸化炭素の割合いが増えてリーンＮＯｘ触媒が窒素酸化物を浄化し易くなる。よって副噴射を不用にできる。
【００６７】
また、燃焼式ヒータ１７の作動時でリーンＮＯｘ触媒３９による窒素酸化物の浄化を要しないときは、燃料噴射装置による燃料噴射タイミングを還元処理を実施している時（還元処理実施時）よりも進角する。燃料噴射タイミングを進角するとそれだけ燃焼ガスが燃焼室から排出されるに要する時間が長くなるため、アフターバーンの発生を期待でき、アフターバーンの発生によって排気系の温度が上昇する。よって、リーンＮＯｘ触媒３９の活性化が進むため、窒素酸化物の触媒３９への吸蔵が促進される。そして、リーンＮＯｘ触媒３９による窒素酸化物の吸込みが過度になりリーンＮＯｘ触媒３９が窒素酸化物で飽和状態になると、前記のように燃料噴射タイミングを遅角して窒素酸化物をリーンＮＯｘ触媒３９から浄化する。
【００６８】
このように噴射タイミングを変更することによって窒素酸化物の浄化を行う場合の燃焼式ヒータ１７の作動制御ルーチンを図６のフローチャートに基づいて説明する。なお、この場合、リーンＮＯｘ触媒１７は吸蔵還元型とする。
【００６９】
このルーチンは、エンジン１を駆動する図示しない通常のフローチャートの一部であり、以下に述べるステップ１０１〜ステップ１０６からなる。また、以下の手順における動作はすべてＥＣＵ４６のＣＰＵによるものである。そして、ステップを意味する記号として符号Ｓを用い、例えばステップ１０１であればＳ１０１と省略して示す。
【００７０】
エンジン１のスタート後、処理がこのルーチンに移行すると、Ｓ１０１では燃焼式ヒータ１７が作動しているかどうか、換言すれば燃焼式ヒータ作動実行中かどうかを判定する。Ｓ１０１で肯定判定すればＳ１０２に進み、否定判定すればＳ１０４に進む。
【００７１】
Ｓ１０２では吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の還元処理に必要な条件が成立しているかどうか、すなわち吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が窒素酸化物を吸込みが過度になり窒素酸化物が飽和状態にあるかどうかを判定する。
【００７２】
Ｓ１０２で肯定判定すればＳ１０３に進み、否定判定すればＳ１０６に進む。Ｓ１０３では、還元処理未実施時に比べて遅らす、すなわち燃料噴射タイミングを遅角し、その後このルーチンを終了する。
【００７３】
話をＳ１０１に戻す。
Ｓ１０１で否定判定してＳ１０４に進むと、Ｓ１０４では燃焼式ヒータ１７が作動していない状態で吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の還元処理に必要な条件が成立しているかどうか、すなわちＳ１０２と同じに吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が窒素酸化物を吸い過ぎて飽和状態にあるかどうかを判定する。Ｓ１０４で肯定判定すればＳ１０５に進み、否定判定すればこのルーチンを終了する。
【００７４】
Ｓ１０５では燃焼式ヒータ１７を作動させる。
話をＳ１０２に戻す。
Ｓ１０２で否定判定してＳ１０６に進むと、Ｓ１０６では、燃料噴射タイミングを還元処理実施時に比べて進め、その後このルーチンを終了する。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、酸素過剰な排気ガス中の窒素酸化物を還元剤を用いて浄化するリーンＮＯｘ触媒を排気系に有する内燃機関において、この内燃機関の吸気系を流通する吸気中の二酸化炭素の濃度を増大する濃度増大手段を備えたことを特徴とするので、吸気系で二酸化炭素の濃度が増大すると、炭化水素から一酸化炭素へ、また一酸化炭素から二酸化炭素への反応がしにくくなる。極論すれば二酸化炭素が飽和状態にあれば、二酸化炭素を構成する炭化水素と一酸化炭素の化学反応が進行しないので、炭化水素と一酸化炭素とが遊離状態に多量にあることになる。よって、本発明のリーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関では、炭化水素と一酸化炭素とが単体で存在する割合が多くなる。このため、窒素酸化物の浄化を極めて有効に行える。そして、炭化水素や一酸化炭素は還元剤として利用されるので、炭化水素の供給をこれまでの技術で用いていた副噴射による積極的な燃料の供給によって行う必要がない。よって、炭化水素や一酸化炭素の発生量をうまくコントロールし、例えば、リーンＮＯｘ触媒による窒素酸化物の浄化を要するときに燃焼式ヒータの空燃比をリッチにしたり、燃焼式ヒータの作動時でリーンＮＯｘ触媒による窒素酸化物の浄化を要するときに燃料噴射装置による燃料噴射タイミングを遅角したりすることで、これまで副噴射に起因して生じた弊害、すなわち、燃料噴射装置にかかる負荷を軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るリーンＮＯｘ触媒を有する内燃機関の実施の形態の概略構成図
【図２】燃焼式ヒータの概略断面図
【図３】窒素酸化物の発生量をこれまでの技術と比較して示す図
【図４】炭化水素の発生量をこれまでの技術と比較して示す図
【図５】一酸化炭素の発生量をこれまでの技術と比較して示す図
【図６】噴射タイミングを遅角することで窒素酸化物の浄化を行う場合の燃焼式ヒータの作動制御ルーチンを示すフローチャート
【符号の説明】
１…エンジン（内燃機関）
３…エンジン本体（内燃機関の本体）
５…吸気装置
７…排気装置
９…車室用ヒータ
１３…エアクリーナ
１５…ターボチャージャ
１５ａ…コンプレッサ
１５ｂ…ターボチャージャのタービン
１７…燃焼式ヒータ（濃度増大手段，添加装置，燃焼装置）
１７ａ…燃焼式ヒータの冷却水通路
１７ａ１…冷却水導入口
１７ａ２…冷却水排出口
１７ｂ…燃焼筒
１７ｃ…円筒状隔壁
１７ｄ…燃焼室
１７ｄ１…空気供給口
１７ｄ２…排気排出口
１７ｅ…燃料供給管
１９…インタークーラ
２１…インテークマニホールド
２３…吸気管
２５…上流側連結管
２７…下流側連結管
２９…本流管
３１…ヒータ用枝管
３２…外気温センサ
３３…空気供給路
３５…燃焼ガス排出路
３６…燃焼ガス温度センサ
３７…ＣＯ２センサ
３８…エキゾーストマニホールド
３９…リーンＮＯｘ触媒
４１…マフラ
４２…排気管
４３…外壁
４５…送風ファン
４６…ＥＣＵ
４７…ＣＰＵ
４９…バイパス通路
５５…外気温センサ
５９…回転数センサ
６０…混入吸気温検出センサ
７０…エアフロメータ
８０…吸気圧センサ
Ｉ…実施の形態に係る燃焼式ヒータを有する内燃機関
Ｃ１…空気供給路３３と本流管２９との接続箇所
Ｃ２…燃焼ガス排出路３５と本流管２９との接続箇所
Ｃ３…バイパス通路４９と燃焼ガス排出路３５との接続部
Ｗ１…水管路
Ｗ２…水管路
Ｗ３…水管路
Ａ…エアクリーナ１３から本流管２９に入って来る外気
ａ１…接続箇所Ｃ１で外気Ａから分岐して空気供給路３３を流れる空気
ａ１’…本流管２９を接続箇所Ｃ２に向かう空気
ａ２…燃焼式ヒータ１７の燃焼に供されて燃焼ガスとなった空気
ａ３…燃焼ガス混入空気
ａ４…排気装置７を流れる空気
【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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