(57)【要約】【課題】本発明の課題は、内燃機関の排気浄化装置において、燃費の悪化や触媒被毒によるＮＯｘ触媒の排気浄化能力の低下を防止しつつ排気浄化を行うことができる内燃機関の排気浄化装置を提供することである。【解決手段】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、複数の気筒を少なくとも２つの気筒群に分け、一方の気筒群では、気筒内において吸気工程または圧縮行程中に燃料が噴射され、気筒内に燃料と空気の予混合気を形成し、該予混合気を圧縮により着火させる予混合圧縮着火燃焼を行い、他方の気筒群では、気筒内において、ピストンが圧縮上死点付近にあり、高温となった燃焼室に燃料が噴射される拡散燃焼を行うことによって、前記一方の気筒群からの排気ガスの空燃比を前記他方の気筒群からの排気ガスの空燃比よりリッチとする構成とした。【選択図】　図３
2004132318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射弁を具備し少なくとも２つの気筒群に分かれた複数の気筒を有する内燃機関と、
前記内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ触媒と、
前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段と、を備え、
前記気筒群のうち、一方の気筒群では、前記気筒内において吸気工程または圧縮行程中に燃料が噴射され、前記気筒内に燃料と空気の予混合気を形成し、該予混合気を圧縮により着火させる第１の燃焼を行い、他方の気筒群では、前記気筒内において、ピストンが圧縮上死点付近にあり、高温となった燃焼室に燃料が噴射される第２の燃焼を行うことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記他方の気筒群の負荷を前記一方の気筒の負荷よりも高くすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記一方の気筒群からの排気ガスの空燃比を前記他方の気筒群からの排気ガスの空燃比より過濃とする空燃比制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記各気筒の燃焼室に再循環される再循環排気ガス量を調整する再循環排気ガス量調整弁を更に備え、
前記空燃比制御手段は、前記一方の気筒群に再循環される再循環排気ガス量を前記他方の気筒群に再循環される再循環排気ガス量より多くなるように前記再循環排気ガス量調整弁を制御することを特徴とする請求項２または３記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記各気筒の燃焼室への吸入空気量を調整する吸気量調整弁を更に備え、
前記空燃比制御手段は、前記一方の気筒群への吸入空気量を前記他方の気筒群への吸入空気量より少なくなるように前記吸気量調整弁を制御することを特徴とする請求項２または３記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記排気通路の前記ＮＯｘ触媒より上流に設けられ、前記排気通路に燃料を添加する燃料添加手段と、
前記他方の気筒群からの排気ガスが前記燃料添加手段近傍を流通するときに前記燃料添加手段による燃料の添加を実行することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記全ての気筒群で、前記気筒内において吸気工程または圧縮行程中に燃料が噴射され、前記気筒内に燃料と空気の予混合気を形成し、該予混合気を圧縮により着火させる第１の燃焼を行い、
前記一方の気筒群からの排気ガスの空燃比を理論空燃比より過濃とし、前記他方の気筒群からの排気ガスの空燃比を理論空燃比より過薄とすることを特徴とする請求項３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】
ディーゼル機関に代表される希薄燃焼式内燃機関では、窒素酸化物ＮＯｘや未燃燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）の排出量を低減するため種々の対策が講じられている。
【０００３】
この対策の一つとして、排気通路にＮＯｘ触媒を設けた排気浄化装置がある。
【０００４】
ＮＯｘ触媒は、流入排気ガスの酸素濃度が高いとき、すなわち排気ガスの空燃比がリーンのときにその排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し、流入排気ガスの酸素濃度が低いとき、すなわち排気ガスの空燃比がリッチのときにその吸蔵していたＮＯｘを二酸化窒素ＮＯ２や一酸化窒素ＮＯの形で排気ガス中に還元・放出し、同時にそのＮＯ２やＮＯを排気ガス中に含まれている未燃燃料成分ＣＯ、ＨＣと酸化反応せしめることで無害な水蒸気Ｈ２Ｏ及び二酸化炭素ＣＯ２に浄化する排気浄化作用を備えている。
【０００５】
しかしながら、ディーゼル機関においては、通常の燃焼状態のときには、Ａ／Ｆ＝２５〜４０に達する空気過剰のもとで機関運転が行われており、ＮＯｘ触媒が吸蔵していたＮＯｘを排気ガス中に還元・放出することが困難である。
【０００６】
このような問題に対し、従来では、低負荷運転領域では、スモークの発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも燃焼室に供給される不活性ガスの量が多くスモークがほとんど発生しない低温燃焼が行われ、中高負荷運転領域では、スモークの発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも燃焼室に供給される不活性ガスの量が少ない通常燃焼が行われる内燃機関において、通常燃焼が行われるときには排気通路に還元剤を供給し、低温燃焼が行われるときには還元剤の供給を中止する技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００７】
上記従来の技術によれば、低負荷運転領域においては燃焼室内に供給される不活性ガスの量が多いため、また、中高負荷運転領域においては排気通路に還元剤が供給されるため、排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となり、ＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＮＯｘが排気ガス中に還元・放出されることになる。
【０００８】
また、一般的なディーゼルエンジンでは、圧縮行程においてピストンが上死点付近にあるときにシリンダ内へ燃料を噴射する拡散燃焼が行われるが、近年では、ＮＯｘやスモークの発生低減を目的とし、吸気行程初期から圧縮行程の中期までの間にシリンダ内へ燃料を噴射し、噴射された燃料を圧縮行程で気化混合させて圧縮行程の終わりに自然発火により着火燃焼させる予混合圧縮着火燃焼方式が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。この予混合圧縮着火燃焼では燃料と空気とが均一に混合した状態で燃焼することになるためＮＯｘやスモークの発生を抑制することができる。
【０００９】
予混合圧縮着火燃焼によれば、拡散燃焼よりもリッチな空燃比での燃焼が可能であるため（空燃比をリッチにしてもＮＯｘやスモークの発生が少ない）、予混合圧縮着火燃焼を理論空燃比またはリッチ空燃比の下で行うことによって、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比とし、ＮＯｘ触媒に吸蔵されてたＮＯｘを排気ガス中に還元・放出することができる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−１５２８３２号公報
【特許文献２】
特開平９−１５８８１０号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来の技術においては、中高負荷運転時に通常燃焼の下で排気系に還元剤を供給する場合には、リーン空燃比の排気ガスを理論空燃比またはリッチ空燃比とするために多量の還元剤の供給が必要である。そのため、還元剤を燃料とした場合は燃費の悪化を招くことになり、また、多量の還元剤による触媒被毒によってＮＯｘ触媒の排気浄化能力の低下を招く虞がある。
【００１２】
また、予混合圧縮着火燃焼においては、気筒内温度が高くなると、混合気の燃焼速度が速くなり、ピストンが圧縮行程上死点に到達する以前に急激に気筒内圧力が上昇する、いわゆる過早着火が発生し易くなる。そのため、気筒内温度が高くなる中高負荷運転領域では予混合圧縮着火燃焼を行うことは困難である。
【００１３】
本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気浄化装置において、燃費の悪化や触媒被毒によるＮＯｘ触媒の排気浄化能力の低下を防止しつつ排気浄化を行うことができる内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下のような手段を採用した。すなわち、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
燃料噴射弁を具備し少なくとも２つの気筒群に分かれた複数の気筒を有する内燃機関と、
前記内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ触媒と、
前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段と、を備え、
前記気筒群のうち、一方の気筒群では、前記気筒内において吸気工程または圧縮行程中に燃料が噴射され、前記気筒内に燃料と空気の予混合気を形成し、該予混合気を圧縮により着火させる第１の燃焼を行い、他方の気筒群では、前記気筒内において、ピストンが圧縮上死点付近にあり、高温となった燃焼室に燃料が噴射される第２の燃焼を行う構成としてもよい。
【００１５】
この発明は、複数の気筒を少なくとも２つの気筒群に分け、一方の気筒群では、前記気筒内において吸気工程または圧縮行程中に燃料が噴射され、前記気筒内に燃料と空気の予混合気を形成し、該予混合気を圧縮により着火させる第１の燃焼、即ち、予混合圧縮着火燃焼を行い、他方の気筒群では、前記気筒内において、ピストンが圧縮上死点付近にあり、高温となった燃焼室に燃料が噴射される第２の燃焼、即ち、拡散燃焼を行うことを最大の特徴としている。
【００１６】
前記予混合圧縮着火燃焼ではＮＯｘやスモークの発生を誘発することなく理論空燃比またはリッチ空燃比での燃焼が可能である。そのため、本発明に係る排気浄化装置によれば、全ての気筒で前記拡散燃焼を行った場合に比べ排気ガス全体としての空燃比をリッチとすることができる。
【００１７】
その結果、ＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＮＯｘを排気ガス中に還元・放出するために排気通路へ添加される燃料を少なくする、または、不要とすることが可能となる。
【００１８】
従って、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、過剰な燃料添加による燃費の悪化や触媒被毒によるＮＯｘ触媒の排気浄化能力の低下を防止しつつ排気浄化を行うことができる。
【００１９】
また、前記拡散燃焼を行う気筒群から排出されるリーン空燃比の排気ガスと前記予混合圧縮着火燃焼を行う気筒群から排出される理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスとがＮＯｘ触媒を交互に流通することになるため、ＮＯｘの吸蔵と還元・放出とが繰り返されることになり、ＮＯｘ触媒の排気浄化能力が活性化される。
【００２０】
さらに、本発明に係る排気浄化装置によれば、前記一方の気筒群においては、前記予混合圧縮着火燃焼が可能な負荷領域で運転を行い、前記他方の気筒群においては、前記拡散燃焼によって前記一方の気筒群よりも高い負荷で運転を行うことができる。
【００２１】
その結果、気筒全体としては、全ての気筒で前記予混合圧縮着火燃焼を行った場合に比べ、より高い負荷領域での運転が可能となる。
【００２２】
従って、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、従来より広い負荷領域において、燃費の悪化や触媒被毒によるＮＯｘ触媒の排気浄化能力の低下を防止しつつ排気浄化を行うことができる。
【００２３】
尚、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、前記予混合圧縮着火燃焼を行う気筒群からの排気ガスの空燃比を前記拡散燃焼を行う気筒群からの排気ガスの空燃比よりリッチとしてもよい。
【００２４】
前記予混合圧縮着火燃焼を行う気筒群からの排気ガスの空燃比を前記拡散燃焼を行う気筒群からの排気ガスの空燃比よりリッチにする方法としては、前記予混合圧縮着火燃焼を行う気筒群に再循環される再循環ガス量を前記拡散燃焼を行う気筒群に再循環される再循環ガス量より多くする方法や、前記予混合圧縮着火燃焼を行う気筒群への吸入空気量を前記拡散燃焼を行う気筒群への吸入空気量より少なくする方法、等を例示することができる。
【００２５】
また、前記予混合圧縮着火燃焼を行う気筒群からの排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比とした場合、該排気ガスへの燃料添加なしでもＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＮＯｘを還元・放出することができる。
【００２６】
そこで、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、排気通路に燃料添加手段が設けられ、この燃料添加手段によって排気通路への燃料添加を行う場合は、前記拡散燃焼を行う気筒群からの排気ガスが前記燃料添加手段近傍を流通するときに燃料添加を実行する構成としてもよい。
【００２７】
この構成によれば、燃料添加を行わない場合に比べて、前記拡散燃焼を行う気筒群からの排気ガスの空燃比がリッチとなるため、ＮＯｘ触媒からのＮＯｘの還元・放出を促進させることができる。また、前記予混合圧縮着火燃焼を行う気筒群からの排気ガスへは燃料添加は行われないため、過剰な燃料添加による燃費の悪化や触媒被毒によるＮＯｘ触媒の排気浄化能力の低下を防止することができる。
【００２８】
更に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、全ての気筒で前記予混合圧縮着火燃焼を行い、一方の気筒群の空燃比をリッチ空燃比とし、他方の気筒群の空燃比をリーン空燃比とする構成としてもよい。
【００２９】
この構成によれば、前記予混合圧縮着火燃焼が可能となる低負荷運転時においては、リッチ空燃比の排気ガスとリーン空燃比の排気ガスとが交互にＮＯｘ触媒を流通することになるため、ＮＯｘ触媒の排気浄化能力がより活性化されることになる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【００３１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【００３２】
内燃機関１は、希薄燃焼式内燃機関の一種であるディーゼルエンジンであり、４つの気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを備えている。４つの気筒の内、１番気筒２ａと３番気筒２ｃとで第１気筒群１１を構成し、２番気筒２ｂと４番気筒２ｄとで第２気筒群１２を構成している。
【００３３】
ここで、前記内燃機関１の気筒周辺の構成について説明する。図２は、前記内燃機関１の気筒周辺の概略構成図である。
【００３４】
前記内燃機関１は、シリンダブロック１ｂと、このシリンダブロック１ｂの上部に固定されたシリンダヘッド１ａと、を備えており、前記シリンダブロック１ｂにシリンダ２が形成されている。また、前記シリンダ２の周囲には冷却水路１ｃが設けられている。
【００３５】
シリンダブロック１ｂには、機関出力軸であるクランクシャフト７３が回転自在に支持され、このクランクシャフト７３は、各シリンダ２内に摺動自在に装填されたピストン７２と連結されている。
【００３６】
ピストン７２の上方には、ピストン７２の頂面とシリンダヘッド１ａの壁面ととシリンダ２の壁面とに囲まれた燃焼室７４が形成されている。
【００３７】
シリンダヘッド１ａには、２つの吸気ポート７６の開口端と２つの排気ポート７７の開口端とが燃焼室７４に臨むよう形成されるとともに、噴孔が燃焼室７４に臨むよう燃料噴射弁７が取り付けられている。
【００３８】
吸気ポート７６の各開口端は、シリンダヘッド１ａに進退自在に支持された吸気弁７８によって開閉されるようになっており、これら吸気弁７８は、シリンダヘッド１ａに設けられた電磁駆動機構８０（以下、吸気側電磁駆動機構８０と記す）によって開閉駆動されるようになっている。
【００３９】
排気ポート７７の各開口端は、シリンダヘッド１ａに進退自在に支持された排気弁７９により開閉されるようになっており、これら排気弁７９は、シリンダヘッド１ａに設けられた電磁駆動機構８１（以下、排気側電磁駆動機構８１と記す）によって開閉駆動されるようになっている。吸気側電磁駆動機構８０と排気側電磁駆動機構８１とは後述するＥＣＵ２０と電気的に繋がっており、ＥＣＵ２０によって吸気弁７８と排気弁７９との開閉時期及びリフト量は制御される。
【００４０】
ここで図１に戻り、内燃機関１は燃料供給系、吸気系、排気系、制御系などをその主要構成要素として備えている。
【００４１】
（燃料供給系）
燃料供給系は、燃料噴射弁７、コモンレール（蓄圧室）６、燃料供給管２２、燃料ポンプ２１、などを備え、各気筒２ａ〜２ｄに対して燃料供給を行っている。燃料噴射弁７は、各気筒２ａ〜２ｄに対して夫々設けられる電磁駆動式の開閉弁であり、各燃料噴射弁７は、燃料の分配管となるコモンレール６に接続されている。また、コモンレール６は、燃料供給管２２を介して燃料ポンプ２１に連結されている。
【００４２】
このように構成された燃料供給系では、まず、燃料ポンプ２１によって燃料タンク（図示略）内の燃料が汲み上げられる。汲み上げられた燃料は、燃料供給管２２を介してコモンレール６に供給される。コモンレール６に供給された燃料は、コモンレール６内にて所定燃圧まで高められ、各燃料噴射弁７に分配される。燃料噴射弁７は、ＥＣＵ２０と電気的に繋がっており、燃料噴射弁７に駆動電圧が印可され燃料噴射弁７が開弁すると、その燃料は、燃料噴射弁７を介して気筒２内に噴射される。
【００４３】
（吸気系）
吸気系は、吸気管１４、エアクリーナボックス１８、インタークーラ１５、インテークマニホールド１３、第１吸気支管３ａ、第２吸気支管３ｂ、第１スロットル弁３１、第２スロットル弁３２などを備え、各気筒に対して空気を供給する吸気通路を形成している。
【００４４】
吸気管１４は、エアクリーナボックス１８、インテークマニホールド１３を介して吸入される空気を第１吸気支管３ａ及び第２吸気支管３ｂに導く通路を形成している。第１吸気支管３ａは吸気管１４を経て流入する空気を第１気筒群１１の各気筒２ａ、２ｃに分配する通路を形成し、第２吸気支管３ｂは吸気管１４を経て流入する空気を第２気筒群１２の各気筒２ｂ、２ｄに分配する通路を形成している。
【００４５】
また、エアクリーナボックス１８から第１吸気支管３ａ及び第２吸気支管３ｂに至る吸気管１４には、吸入した空気を圧縮するターボチャージャ２５（コンプレッサホイール２５ａ）、及びターボチャージャ２５にて圧縮した空気を冷却するインタークーラ１５を備え、さらに、ターボチャージャ２５の上流には、吸気管１４に流れ込む空気の流量を計測するエアフロメータ１９を備えている。
【００４６】
また、第１吸気支管３ａの直上流には、第１気筒群１１に流れ込む空気量を調整する第１スロットル弁３１を備え、第２吸気支管３ｂの直上流には、第２気筒群１２に流れ込む空気量を加減する第２スロットル弁３２を備えており、第１スロットル弁３１と第２スロットル弁３２との開度は後述するＥＣＵ２０によって制御されている。
【００４７】
このように構成された吸気系では、まず、機関運転に伴う負圧の発生により各気筒２に供給されるべき空気がエアクリーナボックス１８に流れ込む。エアクリーナボックス１８内に流入した空気は、エアクリーナボックス１８内にて塵や埃を除去された後、吸気管１４を経てターボチャージャ２５に流れ込む。ターボチャージャ２５に流入した空気は、コンプレッサホイール２５ａにて圧縮された後、インタークーラ１５によって冷却される。その後インテークマニホールド１３を介し、第１スロットル弁３１または第２スロットル弁３２によって流量調整され、第１吸気支管３ａまたは第２吸気支管３ｂに流入する。第１吸気支管に流入した空気は、第１気筒群１１の各気筒２ａ、２ｃに分配され、第２吸気支管に流入した空気は、第２気筒群１２の各気筒２ｂ、２ｄに分配され、燃料噴射弁７から噴射供給された燃料と共に燃焼に供される。
【００４８】
排気系は、排気管８，第１排気支管４ａ、第２排気支管４ｂを備え、各気筒２から排出される排気ガスを機関本体外に排出する排気通路を形成している。また、ＥＧＲ装置２６、ＮＯｘ触媒１０、燃料添加装置２４、などを備え、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）やスモークを浄化せしめる排気浄化装置としての機能を有する。
【００４９】
第１排気支管４ａは第１気筒群１１の各気筒２ａ、２ｃから排出される排気ガスを排気管８に導く通路を形成し、第２排気支管は第２気筒群１２の各気筒２ｂ、２ｄから排出される排気ガスを排気管８に導く通路を形成している。排気管８は、各気筒２から排出された排気ガスを図示しない消音器まで導く通路を形成している。また、排気管８には、ＮＯｘ触媒１０が設けられており、ＮＯｘ触媒１０より上流には燃料添加インジェクタ９を備えている。さらに、燃料添加インジェクタ９とＮＯｘ触媒１０との間にはターボチャージャ２５のタービンハウジング２５ｂが設けられている。
【００５０】
また、第１排気支管４ａ、第２排気支管４ｂには、それぞれ第１空燃比センサ４１、第２空燃比センサ４２が設けられており、第１空燃比センサ４１は第１気筒群１１から排出される排気ガスの空燃比を検出し、第２空燃比センサ４２は第２気筒群１２から排出される排気ガスの空燃比を検出する。さらに、排気管８の燃料添加インジェクタ９近傍には第３空燃比センサ４３が設けられており、燃料添加インジェクタ９近傍を流通する排気ガスの空燃比を検出する。第１空燃比センサ４１と、第２空燃比センサ４２と、第３空燃比センサ４３と、の出力は後述するＥＣＵ２０に入力される。
【００５１】
（ＮＯｘ触媒）
ＮＯｘ触媒１０は排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を主として浄化せしめる排気浄化作用を有している。より詳しくは、ＮＯｘ触媒１０に流れ込む排気ガスの酸素濃度が高いときにその排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低いとき、すなわちＮＯｘ触媒１０に流れ込む排気ガスの空燃比が低いときにその吸収していた窒素酸化物（ＮＯｘ）を二酸化窒素（ＮＯ２）や一酸化窒素（ＮＯ）の形で排気ガス中に還元・放出し、同時にその二酸化窒素（ＮＯ２）や一酸化窒素（ＮＯ）を排気ガス中に含まれている未燃燃料成分（ＣＯ、ＨＣ）と酸化反応せしめることで無害な水蒸気（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）に浄化する排気浄化能力を有する。
【００５２】
（燃料添加装置）
燃料添加装置２４は、燃料添加インジェクタ９、添加燃料供給路２３、燃圧制御バルブ２７等を備え、必要に応じて適切量の燃料をＮＯｘ触媒１０上流の排気通路に添加している。すなわち、ＮＯｘ触媒１０に流れ込む排気ガスの空燃比が所望の空燃比となるように燃料を排気ガス中に供給している。
【００５３】
燃料添加インジェクタ９は所定電圧が印可されたときに開弁する電気式の開閉弁を備えている。添加燃料供給路２３は、燃料ポンプ２１によって汲み上げられた燃料の一部を燃料添加インジェクタ９に導く通路を形成している。燃圧制御バルブ２７は、添加燃料供給路２３の経路途中に配置され、添加燃料供給路２３内の燃圧を所定燃圧に維持している。
【００５４】
このように構成した燃料添加装置２４では、燃料ポンプ２１から吐出した燃料を燃圧制御バルブ２７にて所定燃圧に維持し、添加燃料供給路２３を通じて燃料添加インジェクタ９に供給する。続いて、燃料添加インジェクタ９に所定電圧を印可すると開閉弁が開弁状態となり、添加燃料供給路２３内の燃料は燃料添加インジェクタ９を通じて排気管８内に噴射供給される。排気管８に供給された燃料は、タービンハウジング２５ｂ内にて撹拌された後、ＮＯｘ触媒１０に流入する。したがって、ＮＯｘ触媒１０には、酸素濃度が低く、また未燃燃料成分たる炭化水素（ＨＣ）を含んだ排気ガスが流れ込むこととなり、上記の排気浄化作用が促進されることとなる。
【００５５】
（ＥＧＲ装置）
ＥＧＲ装置２６は、ＥＧＲ通路１６、第１ＥＧＲ弁３３、第２ＥＧＲ弁３４、ＥＧＲクーラ１７等を備えている。
【００５６】
ＥＧＲ通路１６は、排気管８と第１吸気支管３ａ、第２吸気支管３ｂとを接続する通路である。ＥＧＲ通路１６と第１吸気支管３ａとの接続部分には第１ＥＧＲ弁３３が設けられており、ＥＧＲ通路１６と第２吸気支管３ｂとの接続部分には第２ＥＧＲ弁３４が設けられている。第１ＥＧＲ弁３３と第２ＥＧＲ弁３４とは電気式の開閉弁であり、ＥＣＵ２０によって制御され、それぞれ第１吸気支管３ａと第２吸気支管３ｂとに流入する排気ガス（ＥＧＲガス）量の調整を行っている。ＥＧＲクーラ１７は、機関冷却水を熱媒体として、ＥＧＲ通路１６を流れる排気ガスの冷却を行っている。なお、以下の説明では、ＥＧＲ通路１６を通じて第１吸気支管３ａと第２吸気支管３ｂとに流れ込む排気ガスを単にＥＧＲガスと称することもある。
【００５７】
このように構成されたＥＧＲ装置２６によれば、排気管８を流れる排気ガスの一部が、第１ＥＧＲ弁３３及び第２ＥＧＲ弁３４の開弁量に即した流量でＥＧＲ通路１６に流入する。ＥＧＲ通路１６に流入したＥＧＲガス（排気ガス）は、ＥＧＲクーラ１７を介して冷却され、第１吸気支管３ａまたは第２吸気支管３ｂに流れ込む。そして、第１吸気支管３ａまたは第２吸気支管３ｂに流入したＥＧＲガスは、各吸気支管３ａ，３ｂ上流から流れ込む空気（新気）と混ざり合いつつ混合気を形成し、燃料噴射弁７から噴射された燃料と共に燃焼に供される。
【００５８】
ＥＧＲガスとなる排気ガス中には、水蒸気（Ｈ２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ２）などの不活性ガスが含まれている。このため不活性ガスたる排気ガスが各気筒の燃焼室内に流入すると、その排気ガスの混入に起因して燃焼温度は低下し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成は抑制される。また、ＥＧＲガスの導入に伴い、各気筒の燃焼室内の酸素量も減るため、この点においても窒素酸化物（ＮＯｘ）と酸素（Ｏ２）との結びつきが抑制され、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出は抑制される。
【００５９】
（制御系）
制御系は、双方向性バス６１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）６２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＣＰＵ（中央制御装置）６４、入力ポート６５、出力ポート６６を備える、いわゆるＥＣＵ２０である。
【００６０】
入力ポート６５には、上記した各センサの出力信号の他、アクセルペダル６０の踏込み量を検出する負荷センサ４４、クランクシャフト７３の回転数を検知するクランク角センサ４５、車速を測定する車速センサ４６等が対応したＡ／Ｄ変換器６７を介して、又は直接入力されている。一方、出力ポート６６には、対応する駆動回路６８を介して燃料噴射弁７、燃料添加インジェクタ９、第１スロットル弁３１、第２スロットル弁３２、第１ＥＧＲ弁３３、第２ＥＧＲ弁３４、吸気側電磁駆動機構８０、排気側電磁駆動機構８１等が接続されている。
【００６１】
また、ＲＯＭ６２には、各種装置の制御プログラム、及びそのプログラムの処理時に参照される制御マップ等が各装置に対応して記録されている。また、ＲＡＭ６３には、入力ポート６５に入力された各種センサの出力信号、及び出力ポート６６に出力した制御信号などを内燃機関の運転履歴として記録している。ＣＰＵ６４は、ＲＡＭ６３上に記録された各種センサの出力信号およびＲＯＭ６２上に展開された制御マップ等を所望のプログラム上にて比較し、その処理過程で出力される各種制御信号を前記の出力ポート６６を介して対応する装置に出力し、各種装置を集中管理している。
【００６２】
たとえば、ＣＰＵ６４は、クランク角センサ４５、第１空燃比センサ４１、第２空燃比センサ４２、第３空燃比センサ４３等の出力信号に基づき、燃料噴射弁７、燃料添加インジェクタ９、第１スロットル弁３１、第２スロットル弁３２、第１ＥＧＲ弁３３、第２ＥＧＲ弁３４、吸気弁７８、排気弁７９の開閉時期または開度を制御することによりＮＯｘ触媒１０に流れ込む排気ガスの空燃比を制御する。
【００６３】
（燃料噴射制御）
次に、本実施の形態における各気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄでの燃料噴射時期について説明する。
図３は、本実施の形態における各気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄでの燃料噴射時期及び排気ガスの空燃比（当量比）を示した図である。
【００６４】
本実施の形態において、ＣＰＵ６４は、１番気筒２ａ→３番気筒２ｃ→４番気筒２ｄ→２番気筒２ｂの順に燃料噴射が行われるように各燃料噴射弁７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄをそれぞれ制御する。
【００６５】
更に、ＣＰＵ６４は、クランク角センサ４５の出力に基づき、１番気筒２ａと３番気筒２ｃとにおいては、ピストン７２が圧縮行程上死点に到達する以前（例えば、図３に示すように、圧縮工程上死点より３０°前）の時点で燃料噴射を実行し、２番気筒２ｂと４番気筒２ｄとにおいては、ピストン７２が圧縮工程上死点付近に到達した時点で燃料噴射を実行する。
【００６６】
気筒２ｂ、２ｄでは、ピストン７２が圧縮行程上死点付近に到達した時点で気筒２ｂ、２ｄ内に燃料が噴射されるため、気筒２ｂ、２ｄ内の空気が高温となった状態で、燃料が噴射されることになる。そのため、噴射された燃料の液滴表面と高温の空気との境界面に火炎が形成される。つまり、気筒２ｂ、２ｄにおいては、いわゆる拡散燃焼が行われる。
【００６７】
気筒２ａ、２ｃでは、ピストン７２が圧縮工程上死点に到達する前の時点で気筒２ａ、２ｃ内に燃料が噴射されることによって、燃料と気筒内の空気との均一な混合気が形成される。この均一混合気はピストン７２の上昇とともに圧縮され温度が上昇し、圧縮行程上死点付近で混合気全体に着火が生じ燃焼が進行する。つまり、気筒２ａ、２ｃにおいては、いわゆる予混合圧縮着火燃焼が行われる。
【００６８】
予混合圧縮着火燃焼では、火炎温度が拡散燃焼に比べて低くなるため、ＮＯｘの生成が抑制される。また、燃料と空気とが均一に混合した状態で十分な量の酸素の下で燃焼するため、酸素不足によるスモークの発生も抑制されることになる。従って、拡散燃焼に比べてリッチな空燃比での燃焼が可能である。
【００６９】
また、各気筒に再循環されるＥＧＲガス量を増大させると、ＮＯｘの生成が抑制されるとともに、各気筒内の酸素量が減少し、空燃比をリッチとすることができるが、拡散燃焼においては、同時にスモークの発生量の増加を招くことになる。しかしながら、予混合圧縮着火燃焼においては、上記理由により、ＥＧＲガス量を増大させてもスモークの発生は抑制される。
【００７０】
そこで、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置においては、第２気筒群１２へ再循環するＥＧＲガスの量を、第２ＥＧＲガス弁３４によって、スモークの発生が過剰とならない量（例えば、図３に示すように、排気ガスの空燃比が当量比０．５となる量）に調整し、更に、第１空燃比センサ４１と第２空燃比センサ４２との出力に基づき、第１気筒群１１からの排気ガスの空燃比が第２気筒群１２からの排気ガスの空燃比よりリッチ（例えば、図３に示すように、当量比１．０、即ち理論空燃比）となるように、第１気筒群１１へ再循環するＥＧＲガスの量を第１ＥＧＲガス弁３３によって調整する。
【００７１】
その結果、全ての気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄで拡散燃焼を行った場合に比べ、排気ガス全体としての空燃比はリッチとなるため、ＮＯｘ触媒１０に吸蔵されているＮＯｘを還元・放出するために燃料添加インジェクタ９から排気管８に添加される燃料の量を少なくすることができる。
【００７２】
従って、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、排気管８への過剰な燃料添加による燃費の悪化やＮＯｘ触媒１０の排気浄化能力の低下を防止しつつ排気浄化を行うことができる。
【００７３】
また、第１気筒群１１からのリッチな空燃比（例えば、理論空燃比）の排気ガスと、第２気筒群１２からのリーンな空燃比（例えば、当量比０．５）の排気ガスとが、ＮＯｘ触媒１０を交互に流通することになるため、ＮＯｘの吸蔵と還元・放出とが繰り返されることになり、ＮＯｘ触媒１０の排気浄化能力が活性化される。
【００７４】
本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、燃料添加インジェクタ９近傍に設けられた第３空燃比センサ４３によって検出された排気ガスの空燃比が第１気筒群１１からの排気ガスの空燃比と同等の場合は、燃料添加インジェクタ９からの排気管８への燃料添加は行わないように、ＣＰＵ６４によって燃料添加時期を制御するとしてもよい。
【００７５】
即ち、この制御によれば、第２気筒群１２からの排気ガス、つまり、リーン空燃比の排気ガスが燃料添加インジェクタ９を通過するときに排気管８への燃料添加が行われることになる。
【００７６】
従って、第２気筒群１２からの排気ガスの空燃比を、燃料添加を行わない場合に比べて、リッチとすることができるため、ＮＯｘ触媒１０からのＮＯｘの還元・放出を促進させることが可能となる。また、第１気筒群１１からの排気ガスへは燃料添加は行われないため、過剰な燃料添加による燃費の悪化や触媒被毒によるＮＯｘ触媒１０の排気浄化能力の低下を防止することができる。
【００７７】
また、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、第１気筒群１１へ再循環するＥＧＲガスの量がさらに増加するように第１ＥＧＲガス弁３３の開度を大きくし、第１気筒群１１からの排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチ（例えば、当量比１．５）としてもよい。第１気筒群１１からの排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とすることによって、排気ガス全体としての空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比とすることができる。
【００７８】
その結果、燃料添加インジェクタ９からの排気管８への燃料添加を行うことなくＮＯｘ触媒１０に吸蔵されたＮＯｘが排気ガス中に還元・放出することになるため、燃費の悪化や触媒被毒によるＮＯｘ触媒１０の排気浄化能力の低下をさらに防止することができる。
【００７９】
（第２の実施の形態）
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における第２の実施の形態について説明する。
本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成は上記第１の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置と同様である。
【００８０】
上記したような予混合圧縮着火燃焼では、吸気または圧縮行程において噴射された燃料により形成された気筒内の混合気が、ピストン７２が圧縮行程上死点に到達する前に着火して、比較的緩やかに燃焼を続け気筒内圧力が上死点直後付近で最大圧力に到達することが好ましい。ところが、気筒内混合気の燃焼速度が予混合圧縮着火燃焼に適切な範囲より大きいと、ピストン７２が圧縮行程上死点に到達する前に着火した混合気は一挙に燃焼してしまい、上死点到達前に急激に気筒内圧力が上昇するようになる。このように、上死点到達前に急激な圧力上昇が生じるとガソリンエンジンのノックと同様に機関には大きな振動や騒音が生じる、いわゆる過早着火が発生する。また、この過早着火は、高負荷運転領域において発生し易くなる。
【００８１】
そこで、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置においては、各気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにおける燃焼方法及び燃料噴射時期、空燃比は上記第１の実施の形態と同様とし、燃料噴射量を調整することによって、各気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの負荷を制御する。
【００８２】
図４は、本実施の形態における各気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄでの燃料噴射時期及び排気ガスの空燃比（当量比）及び燃料噴射量を示した図である。
【００８３】
本実施の形態において、ＣＰＵ６４は、１番気筒２ａと３番気筒２ｃの負荷が予混合圧縮着火燃焼を行うことが可能な負荷となるように、各燃料噴射弁７ａ、７ｃからの燃料噴射量を調整する（例えば、燃料噴射量を１０ｍｍ３／ｓｔとする）。また、２番気筒２ｂと４番気筒２ｄとへの各燃料噴射弁７ｂ、７ｄからの燃料噴射量は、燃料噴射弁７ａ、７ｃからの燃料噴射量よりも多くなるよう調整する（例えば、燃料噴射量を１５ｍｍ３／ｓｔとする）。
【００８４】
その結果、拡散燃焼を行う第２気筒群１２の負荷は予混合圧縮着火燃焼を行う第１気筒群１１の負荷よりも高くなるため、全ての気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄで予混合圧縮着火燃焼を行った場合に比べて、気筒全体としての負荷を高くすることができる。
【００８５】
従って、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、従来より広い負荷領域において、燃費の悪化や触媒被毒によるＮＯｘ触媒の排気浄化能力の低下を防止しつつ排気浄化を行うことが可能となる。
【００８６】
（第３の実施の形態）
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における第３の実施の形態について説明する。
本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成は上記第１の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置と同様である。
【００８７】
図５は、本実施の形態における各気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄでの燃料噴射時期及び排気ガスの空燃比（当量比）を示した図である。
【００８８】
本実施の形態において、ＣＰＵ６４は、上記第１の実施の形態と同様、１番気筒２ａ→３番気筒２ｃ→４番気筒２ｄ→２番気筒２ｂの順に燃料噴射が行われるように各燃料噴射弁７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄをそれぞれ制御する。また、ＣＰＵ６４は、全ての気筒において上記したような予混合圧縮着火燃焼が行われるように、各燃料噴射弁７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄからの燃料噴射時期をピストン７２が圧縮行程上死点に到達する以前（例えば、図５に示すように、圧縮行程上死点に到達する３０°前）の時点となるよう制御する。
【００８９】
さらに、第１気筒群１１からの排気ガスの空燃比がリッチ空燃比（例えば、図５に示すように、当量比１．５）となり、第２気筒群１２からの排気ガスの空燃比がリーン空燃比（例えば、図５に示すように、当量比０．５）となるように、それぞれ第１空燃比センサ４１または第２空燃比センサ４２の出力に基づき、それぞれ第１ＥＧＲ弁３３または第２ＥＧＲ弁３４によって、各気筒群１１、１２へ再循環するＥＧＲガスの量を調整する。
【００９０】
その結果、予混合圧縮着火燃焼が可能となる低負荷運転時においては、リッチ空燃比の排気ガスとリーン空燃比の排気ガスとが交互にＮＯｘ触媒１０を流通することになるため、ＮＯｘの吸蔵と還元・放出とが繰り返されることになり、ＮＯｘ触媒１０の排気浄化能力がより活性化される。
【００９１】
尚、上記した実施の形態においては、第１ＥＧＲ弁３３または第２ＥＧＲ弁３４の開度を制御し、各気筒へ再循環するＥＧＲガスの量を調整することによって、気筒内の燃焼に供される混合気の空燃比を所望の空燃比となるよう制御したが、第１スロットル弁３１または第２スロットル弁３２の開度を制御し、または、吸気側電磁駆動機構８０用いて各気筒の吸気弁７８のリフト量を制御し、各気筒への吸入空気量を調整することによって気筒内の燃焼に供される混合気の空燃比を制御してもよい。
【００９２】
上記した実施の形態においては、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を４気筒の内燃機関に適用した場合について説明したが、例えば、直列６気筒やＶ型８気筒等の４つ以上の気筒を有する多気筒エンジンにも適用可能である。
【００９３】
また、上記した実施の形態に係る内燃機関においては、１番気筒２ａと３番気筒２ｃとで一方の気筒群を形成し、２番気筒２ｂと４番気筒２ｄとで他方の気筒群を形成する構成としたが、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、複数の気筒において、予混合圧縮着火燃焼を行う気筒と拡散燃焼を行う気筒とがあればよく、例えば、ある１つの気筒で一方の気筒群を形成し、残りの気筒で他方の気筒群を形成する構成、または、３つ以上の気筒群に分ける構成等としてもよい。複数の気筒を３つ以上の気筒群にわける構成としては、直列６気筒エンジンにおいて６つの気筒を燃料噴射の順にそれぞれ２つずつ３つの気筒群に分ける構成、または、Ｖ型８気筒エンジンにおいて、８つの気筒を燃料噴射の順にそれぞれ２つずつ４つの気筒群に分ける構成等が例示できる。
【００９４】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、少なくとも２つの気筒群のうち、一方の気筒群では予混合圧縮着火燃焼を行い、他方の気筒群では拡散燃焼を行うことによって、全ての気筒で拡散燃焼を行った場合に比べ、排気ガス全体としての空燃比をリッチとすることができる。
【００９５】
その結果、ＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＮＯｘを排気ガス中に還元・放出するために排気通路へ添加される燃料が少なくなり、以て、燃費の悪化や触媒被毒によるＮＯｘ触媒の排気浄化能力の低下を防止しつつ排気浄化を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図
【図２】本発明に係る内燃機関の気筒周辺の概略構成図
【図３】第１の実施の形態における各気筒での燃料噴射時期及び排気ガスの空燃比（当量比）
【図４】第２の実施の形態における各気筒での燃料噴射時期及び排気ガスの空燃比（当量比）及び燃料噴射量
【図５】第３の実施の形態における各気筒での燃料噴射時期及び排気ガスの空燃比（当量比）
【符号の説明】
１・・・内燃機関
１ａ・・シリンダヘッド
１ｂ・・シリンダブロック
１ｃ・・冷却水路
２・・・シリンダ
３ａ・・第１吸気支管
３ｂ・・第２吸気支管
４ａ・・第１排気支管
４ｂ・・第２排気支管
６・・・コモンレール
７・・・燃料噴射弁
８・・・排気管
９・・・燃料添加インジェクタ
１０・・ＮＯｘ触媒
１１・・第１気筒群
１２・・第２気筒群
１３・・インテークマニホールド
１４・・吸気管
１５・・インタークーラ
１６・・ＥＧＲ通路
１７・・ＥＧＲクーラ
１８・・エアクリーナ
１９・・エアフロメータ
２０・・ＥＣＵ
２１・・燃料ポンプ
２２・・燃料供給管
２３・・添加燃料供給路
２４・・燃料添加装置
２５・・ターボチャージャ
２５ａ・・コンプレッサホイール
２５ｂ・・タービンハウジング
２６・・ＥＧＲ装置
２７・・燃圧制御バルブ
３１・・第１吸気弁
３２・・第２吸気弁
３３・・第１ＥＧＲ弁
３４・・第２ＥＧＲ弁
４１・・第１空燃比センサ
４２・・第２空燃比センサ
４３・・第３空燃比センサ
４４・・負荷センサ
４５・・クランク角センサ
４６・・車速センサ
６０・・アクセルペダル
６１・・双方向バス
６２・・ＲＯＭ
６３・・ＲＡＭ
６４・・ＣＰＵ
６５・・入力ポート
６６・・出力ポート
６７・・Ａ／Ｄ変換器
６８・・駆動回路
７２・・ピストン
７３・・クランクシャフト
７４・・燃焼室
７６・・吸気ポート
７７・・排気ポート
７８・・吸気弁
７９・・排気弁
８０・・吸気側電磁駆動機構
８１・・排気側電磁駆動機構
【図１】
2004132318.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004132318.tif 000006
【図５】
2004132318.tif 000007