(57)【要約】【課題】リーンバーンエンジンにおいて、運転性を害することなく排気エミッションの低減を図る。【解決手段】理論空燃比よりも薄い空燃比で運転するリーンバーンエンジン１において、排気通路２０に設けられ、少なくともＮＯｘを還元する作用を有する第１の触媒２２と、排気通路２０に設けられ、第１の触媒２２の上流に燃料を供給する付加燃料供給手段２５とを備え、エンジン１が理論空燃比よりも薄い空燃比で運転しているときに、付加燃料供給手段２５から排気中に燃料を供給する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
理論空燃比よりも薄い空燃比で運転するリーンバーンエンジンにおいて、
前記エンジンの排気通路に設けられ、少なくともＮＯｘを還元する作用を有する第１の触媒と、
同じく前記エンジンの排気通路に設けられ、前記第１の触媒の上流に燃料を供給する付加燃料供給手段と、
を備え、前記エンジンが理論空燃比よりも薄い空燃比で運転しているときに、前記付加燃料供給手段から排気中に燃料を供給することを特徴とするリーンバーンエンジン。
【請求項２】
前記第１の触媒はＨＣ吸着性の触媒であることを特徴とする請求項１に記載のリーンバーンエンジン。
【請求項３】
前記第１の触媒の下流に酸化触媒である第２の触媒をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のリーンバーンエンジン。
【請求項４】
前記付加燃料供給手段は、
前記排気通路内に突出する袋状の多孔体と、
前記多孔体の内部に燃料を噴射する噴射機構と、
で構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかひとつに記載のリーンバーンエンジン。
【請求項５】
前記噴射機構は、弁体と、前記弁体を駆動する弁体駆動部とで構成され、前記弁体と弁体駆動部の間が他の部位よりも細くなっていることを特徴とする請求項４に記載のリーンバーンエンジン。
【請求項６】
点火ギャップを複数有する多点点火プラグをさらに備え、
前記リーンバーンエンジンは前記多点点火プラグを用いて均一な混合気に着火させることで、空燃比２０以上の空燃比で運転するリーンバーンエンジンであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載のリーンバーンエンジン。
【請求項７】
排気通路に少なくともＮＯｘを浄化する作用を有する触媒を有するリーンバーンエンジンの排気通路に設けられ、前記触媒の上流に燃料を供給する付加燃料供給装置において、
前記排気通路内に突出する袋状の多孔体と、
前記多孔体の内部に燃料を噴射する噴射機構と、
を備えたことを特徴とする付加燃料供給装置。
【請求項８】
前記噴射機構は、弁体と、前記弁体を駆動する弁体駆動部とで構成され、前記弁体と弁体駆動部の間が弁体駆動部よりも細くなっていることを特徴とする請求項７に記載の付加燃料供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、リーンバーンエンジンに関し、特に、その排気エミッション低減技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の希薄混合気を燃焼させるリーンバーンエンジンでは、点火点は燃焼室一つにつき一個であるため、点火点周りに濃い混合気を形成し、その周囲を薄い混合気や空気で囲むことで着火を容易にする成層燃焼を行っている。
【０００３】
しかしながら、成層燃焼を行うエンジンでは、層状の混合気を形成するために、ピストンの頂面に湾曲型のくぼみが形成されており、空燃比が濃い高速域や高負荷域では熱損失の増大を防ぐことができなかった。また、ピストン重量の増大を招くとともに、熱効率のよい単純な形状の燃焼室形状を実現することが不可能であった。
【０００４】
一方、成層ではなく希薄混合気を均一に形成した場合、点火して火炎核ができても燃焼速度が遅く、立ち消え状態になる確率が高くなり、これは混合気の希薄化に伴って急増する。しかし、特許文献１に開示されている多点点火プラグを用いれば複数の火炎核ができるので空燃比が３０といった極めて薄い空燃比でも安定した運転が可能であり、この空燃比の領域ではＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘも低減し、触媒に頼らなくてもクリーンな運転が可能である。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−７０５６１公報
【０００６】
【発明が解決しようとしている問題点】
特許文献１に開示されている多点点火プラグを用いてリーン運転を行う場合であっても、さらにＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘレベルを下げることが必要とされる場合にはなお触媒を用いる必要がある。しかしながら、空燃比が理論空燃比よりも薄いと排気中に酸素が排出され、触媒が還元雰囲気とはならず、排気中のＮＯｘを十分に浄化できなくなってしまう。
【０００７】
従来のリーンバーンエンジンで行われているように、空燃比を時々理論空燃比に戻して還元剤となるＣＯやＨＣを触媒に供給することも考えられるが、リーン空燃比から理論空燃比に切り替えるとエンジントルクが急に増大し、ショックが生じるなど運転性を害する可能性がある。
【０００８】
本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたものであり、リーンバーンエンジンにおいて、運転性を害することなく排気エミッションの低減を図ることを目的とする。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
リーンバーンエンジンにおいて、少なくともＮＯｘを還元する作用を有する触媒（三元触媒、ゼオライト触媒等）と、その上流に燃料を供給する付加燃料供給手段とを設け、エンジンが理論空燃比よりも薄い空燃比で運転しているときに、付加燃料供給手段から排気中に燃料を供給する。
【００１０】
【作用及び効果】
本発明によれば、エンジンがリーン空燃比で運転しているときは触媒の上流で排気中に燃料が噴射される。これにより、酸素過剰となっている排気中のＨＣの量が増大し、触媒雰囲気が理論空燃比に近づけられるので、触媒において排気中のＮＯｘを十分に還元することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係るリーンバーンエンジンの全体構成を示す。エンジン１の吸気通路２には上流から順に、エアクリーナ３、過給機４、インタークーラ５、スロットルバルブ６、燃料噴射弁７が設けられている。
【００１３】
エアクリーナ３を介して吸気通路２内に導入された空気は過給機４で圧縮された後、インタークーラ５において冷却される。これは過給機４で圧縮された空気は温度が上昇しているため、そのままエンジン１に供給すると充填効率を下げたりノッキングを発生させたりすることがあるからである。
【００１４】
スロットルバルブ６で流量を調節された空気は、燃料噴射弁７から噴射される燃料と混合され、均一の混合気がエンジン１の燃焼室１０内に導入される。また、過給機４の上流にはエアクリーナ３を介して吸入される空気の流量を検出する空気流量センサ８が取り付けられており、空気流量センサ８の出力はコントロールユニット３０に入力される。
【００１５】
燃料噴射弁７はコントロールユニット３０から送られてくる噴射パルスに従い駆動され、加圧された燃料を所定のタイミングで吸気マニホールド１１に噴射する。なお、このエンジンは吸気マニホールド１１に燃料を噴射する方式であるが、シリンダ１２内に直接燃料を噴射する方式であってもよい。いずれの方式であっても燃料は点火直前にはシリンダ１２内で均一な予混合気が形成されるものとする。
【００１６】
エンジン１は全運転域で理論空燃比よりも薄い希薄混合気で運転するが、全運転域で希薄混合気で運転しようとすると高速高負荷域でトルクが不足する。そこで、このエンジンでは、過給機４で過給することでこのトルク不足を補うようにする。なお、従来のリーンバーンエンジンのように高速高負荷域で空燃比を濃くすることでトルク不足を補うようにしてもよい。
【００１７】
燃焼室１０内に導入された混合気はピストン１３の上昇に伴い圧縮され、多点点火プラグ１４によって点火される。多点点火プラグ１４はその碍子部が棒状の点火プラグであり、エンジン１のシリンダ１２を横断するように燃焼室１０に取り付けられる碍子部には、一列に並んだ複数の点火ギャップ１４ｇが形成されている。多点点火プラグ１４のターミナル１４ｇに電圧を印加すると複数の点火ギャップ１４ｇで略同時に火花が飛び、多数の火炎核が形成されて火炎が燃焼室１１全体に急速に燃え広がる。これにより、空燃比２０以上の極めて薄い混合気、例えば空燃比３０であっても着火させ、安定燃焼させることができる。
【００１８】
エンジン１の排気は、排気マニホールド２０、排気通路２１に設けられた第１の触媒２２、その下流に設けられる第２の触媒２３を経て大気中に放出される。また、第２の触媒２３の下流には排気の温度を検出する排気温度センサ２７が取り付けられており、排気温度センサ２７の出力はコントロールユニット３０に入力される。
【００１９】
第１の触媒２２はいわゆる三元触媒であり、好ましくはＨＣ吸着性のある三元触媒が用いられる。あるいは第１の触媒２２としてＨＣ吸着性のある還元触媒、例えば、排出されたＨＣの分子の大きさに対応した細い孔を有するゼオライト触媒を用いてもよい。第２の触媒２３は白金等を担持した酸化触媒である。
【００２０】
第１の触媒２２の上流にはコントロールユニット３０から入力されるパルス信号に応じて駆動される付加燃料供給装置２５が取り付けられており、エンジン１がリーン空燃比で運転しているときに燃料を排気中に供給する。付加燃料の供給はエンジン１がリーン空燃比で運転しているときであっても触媒２２の表面の極近傍のＮＯとＨＣとの関係を理論空燃比における関係に近づけ、第１の触媒２２の転換効率を最高にするために行われる。
【００２１】
希薄燃焼状態では排気マニホールド２０内の排気には酸素が多く含まれている。つまり、空気中の酸素濃度は２１％であるので、もし空燃比が理論空燃比の２倍の２９．４であれば排気マニホールド２０内の酸素濃度は１０．５％となり、酸素過剰の状態になっている。したがって、排気をそのままの状態で第１の触媒２２に流入させても触媒雰囲気が酸素過剰になるため、ＮＯｘを十分に還元することができない。そこで、このエンジンでは、排気空燃比に応じて排気中に燃料を供給し、触媒表面におけるＮＯとＨＣとの関係を理論空燃比における関係に近づけるようにする。
【００２２】
具体的には、排気マニホールド２０内の酸素濃度の一価関数として出力電圧を発生する空燃比センサ２６を排気マニホールド２０に取り付け、その出力をコントロールユニット３０へ入力する。そして、コントロールユニット３０がこの信号に基づき付加燃料供給装置２５に供給するパルス幅を所定の値にフィードバック制御するようにする。例えば、空燃比センサ２６で検出された空燃比がリーンになればなるほど排気中の酸素濃度が高くなることから、パルス幅を増大させ、付加燃料供給装置２５から供給される燃料量を増大させる。
【００２３】
付加燃料供給装置２５から供給された燃料は、空燃比が薄くなると排気温度が低下することから燃焼することはなく、分解されながら第１の触媒２２に到達し、第１の触媒２２がＨＣ吸着性を有する触媒であれば第１の触媒２２に吸着される。そして、排気中のＮＯｘは第１の触媒２２においてこのＨＣが還元剤となって還元され、窒素（Ｎ２）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）に転換される。
【００２４】
ガソリンを構成するＣとＨの比は約１対１．９であり、排気中の窒素酸化物は殆どＮＯであるので（テールパイプから排出されると空気中の酸素で酸化されて殆どがＮＯ２となる）、炭化水素（ＨＣ）によるＮＯの還元特性は、
ＣＨ１．９＋２．９５ＮＯ＝ＣＯ２＋０．９５Ｈ２Ｏ＋１．４７５Ｎ２
となる。分子量はＨが１、Ｃが１２、Ｎが１４であるから、１２＋１×１．９＝１３．９ｇの燃料を付加燃料供給装置２５から供給すれば、２．９５×（１４＋１６）＝８８．５ｇのＮＯｘを還元することができる。
【００２５】
付加燃料を必要以上に供給した場合、ＮＯｘを全て還元してもＨＣが余り、余剰のＨＣは第１の触媒２２を通過することになるが、この余剰のＨＣは第２の触媒２３において排気中の余剰酸素で酸化されるので、大気中に放出されるＨＣレベルが増大することはない。第１の触媒２２としてＨＣ吸着性のない触媒を用いた場合も一部のＨＣが第１の触媒２２の下流に流出するが、この場合も同様に第２の触媒２３においてＨＣが酸化されるので、大気中に放出されるＨＣの量の増大は抑えられる。
【００２６】
なお、上記付加燃料供給装置２５から供給される燃料の量はごく僅かである。例えば、１ｋｍ走行する毎にエンジンから排気マニホールド２０内に排出されるＮＯが０．８８５ｇである場合は、付加燃料供給装置２５から走行距離１ｋｍ当たり０．１３９ｇの燃料を供給すればよい。この程度の量であれば、若干の余裕をとったとしても、走行するのに消費する燃料に比べ無視できる量であり、燃費性能に与える影響はごく僅かである。
【００２７】
図２は付加燃料供給装置２５の詳細な構造を示している。
【００２８】
付加燃料供給装置２５の噴口５０を開閉する弁体５１は、通常の燃料インジェクタのように、コイルユニット５２内を動くアーマチャーと一体となっている。コイルユニット５２に通電するとノズルから燃料がスプレイとなって袋状の多孔体ケース５３内に噴射される。
【００２９】
多孔体ケース５３は連続した気泡状の細孔を有するセラミックや焼結合金でできた燃料気化用の多孔体ケースであり、その内部に燃料が噴射されると表面から燃料が滲み出るようになっている。このように多孔体ケース５３を介して排気中に燃料を供給するようにすることで、排気中に供給される燃料の量を平滑化して排気空燃比を均一にし、ＮＯｘの浄化効率を高めることができる。また、噴口５０、弁体５１が多孔体ケース５３内に収められ、排気中に露出しないので、噴口５０、弁体５１を汚損、熱損から保護し、良好な作動性を保つことができる。
【００３０】
なお、上記したように空燃比が薄くなると排気温度は低くなり、空燃比が３０近くになると６００℃程度であるため、この多孔体ケース５３から滲み出た燃料がその表面で燃焼してしまうことはなく、熱分解されながら第１の触媒２２に到達する。
【００３１】
多孔体ケース５３はガスケット５４を介して弾性的に弁本体に取り付けられている。付加燃料供給装置２５は排気マニホールド２０にボルト６０により取り付けられるが、排気マニホールド２０からコイルユニット５２への熱伝導を抑えるため、弁体５１とコイルユニット５２の連結部である胴部５５はコイルユニット５２よりも細くくびれている。付加燃料供給装置２５のニップル５６には加圧燃料が供給され、ソケット５７に加わる噴射パルス幅に応じて多孔体ケース５３内に燃料が噴射される。
【００３２】
図３はコントロールユニット３０から付加燃料供給装置２５に送られる噴射パルスの一例を示した図である。噴射パルスは図３のように各パルスの立ち上りタイミングの間隔が一定（ｔ０）、すなわち周波数は一定のままパルス幅（デューティ、ｔ）を変化させるようになっている。例えば、付加燃料供給装置２５は基本的には２５Ｈｚで弁体５１をオンオフさせ、開弁時間に対応するパルス幅ｔのみを変化させている。噴射する必要のないときには図中点線のようにパルス幅ｔをゼロにすればよい。
【００３３】
パルス幅ｔは、例えば、エンジンの制御マップに単位時間当たりに排出されるＮＯ量を予めコントロールユニット３０のメモリに記憶させておき、その重量の１３．９／８８．５倍すなわち０．１６倍以上の燃料を付加燃料供給装置２５から噴射するようにプリセットしておく。
【００３４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記実施形態は本発明を適用したエンジンの一例を示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の構成に限定する趣旨ではない。例えば、本発明は上記エンジンのように多点点火を行うリーンバーンエンジンに適用するのが好適でありその効果も大きいが、従来の成層燃焼を行うリーンバーンエンジンであっても同様に適用することができる。また、上記エンジンは全運転域で希薄燃焼を行うとしているが、特定の運転域でのみ希薄燃焼を行うエンジンであっても本発明を適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るリーンバーンエンジンの全体構成を示した図である。
【図２】付加燃料供給装置の構造を示した部分断面図である。
【図３】付加燃料供給装置に加えられる噴射パルスの説明図である。
【符号の説明】
１　エンジン
２　吸気通路
３　エアクリーナ
４　過給機
５　インタークーラ
７　燃料噴射弁
８　空気流量センサ
１４　多点点火プラグ
１４ｇ　点火ギャップ
１４ｔ　ターミナル
２１　排気通路
２２　第１の触媒（三元触媒等）
２３　第２の触媒（酸化触媒）
２５　付加燃料供給装置
２６　空燃比センサ
３０　コントロールユニット
５０　噴口
５１　弁体
５２　コイルユニット
５３　多孔体ケース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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