(57)【要約】【課題】内燃機関の始動直後から排気浄化触媒温度が触媒活性温度に達する前の機関冷間時における排気エミッションの改善を図ることが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供すること。【解決手段】本排気浄化装置は、排気浄化触媒よりも下流の排気系から内燃機関の吸気系に内燃機関本体から排出された排気を再循環させるＥＧＲ装置と、ＥＧＲ装置により吸気系に再循環された排気中に、少なくとも通常の空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給する酸素供給手段とを具備し、内燃機関の始動直後から排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、ＥＧＲ装置により内燃機関本体から排出された排気を前記吸気系に再循環させ、酸素供給手段により高濃度酸素ガスを前記吸気系に再循環された排気中に供給し、吸気系に再循環された排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させ浄化することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関本体から排出された排気中の有害成分を浄化する排気浄化触媒が排気系に配置された内燃機関の排気浄化装置において、
前記排気浄化触媒よりも下流の前記排気系から前記内燃機関の吸気系に前記内燃機関本体から排出された排気を再循環させるＥＧＲ装置と、
前記ＥＧＲ装置により前記吸気系に再循環された排気中に、少なくとも通常の空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給する酸素供給手段と、
を具備し、
前記内燃機関の始動直後から前記排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、前記ＥＧＲ装置により前記内燃機関本体から排出された排気を前記吸気系に再循環させ、前記酸素供給手段により高濃度酸素ガスを前記吸気系に再循環された排気中に供給し、前記吸気系に再循環された排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させ浄化する、
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記酸素供給手段は、酸素ガスのみを封入した酸素ボンベと、該酸素ボンベからの酸素ガスの供給量を調整する酸素供給量制御バルブとを有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記ＥＧＲ装置は、前記排気浄化触媒よりも下流の排気系に配置され前記吸気系に再循環させる排気の割合を制御するバルブであって、前記排気浄化触媒よりも下流の排気系の背圧を所定範囲内に制御する背圧制御用バルブを有する、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
当該排気浄化装置は、更に、前記内燃機関がエンストする危険性がある状態にあるか否かを判定するエンスト判定手段を有し、前記エンスト判定手段により、前記内燃機関がエンストする危険性があると判定された場合、前記背圧制御用バルブにより前記吸気系に再循環させる排気の割合を減少させる、ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記エンスト判定手段は、機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記内燃機関本体の燃焼室内の圧力を検出する燃焼圧センサーとを有し、
前記ＥＧＲ装置により前記吸気系に排気が再循環されている際の、前記機関回転数検出手段により検出された機関回転数の変動状態および前記燃焼圧センサーにより検出された燃焼室内の圧力値の少なくとも一方に基づいて、前記内燃機関がエンストする危険性がある状態にあるか否かを判定する、
ことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記内燃機関は、前記内燃機関本体の燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射装置と、前記燃焼室内に火花の発生をもたらす点火装置とを備え、
前記酸素供給手段は、前記燃焼室内に高濃度酸素ガスを直接供給するように構成され、
前記内燃機関の圧縮行程において、前記燃料噴射装置および前記酸素供給手段により燃料および高濃度酸素ガスが前記燃焼室内に供給され、前記点火装置により前記燃焼室内に火花の発生がもたらされる、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記ＥＧＲ装置は、該ＥＧＲ装置により前記吸気系に再循環される排気を冷却し該排気中のＨ2Ｏ成分を液化するインタークーラーと、該インタークーラーにより液化されたＨ2Ｏ成分を貯蔵し除去するＨ2Ｏ除去タンクとを有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記酸素供給手段は、前記排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達した後においては、要求トルクに応じて前記吸気系に所定量の高濃度酸素ガスを供給する、ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
前記ＥＧＲ装置は、該ＥＧＲ装置により前記吸気系に再循環される排気中の二酸化炭素を吸収あるいは吸着することにより吸蔵する二酸化炭素吸蔵手段を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
前記ＥＧＲ装置は、前記吸気系と前記排気浄化触媒よりも下流の前記排気系とを流体連通する排気再循環通路を有し、
当該排気浄化装置は、前記内燃機関の始動直後から前記排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、前記排気浄化触媒から流出した排気を前記排気浄化触媒の周囲に循環させてから前記排気再循環通路に導く排気迂回手段を具備する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】
前記インタークーラーにより液化されたＨ２Ｏ成分であって前記Ｈ２Ｏ除去タンクに貯蔵され除去されるＨ２Ｏ成分を電気分解して酸素成分と水素成分とを生成し、生成された酸素成分を前記酸素供給手段に供給し、生成された水素成分を前記吸気系に供給する水電気分解手段を具備する、ことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１２】
前記酸素供給手段は、大気中の空気から高濃度酸素ガスを生成し該高濃度酸素ガスを前記吸気系に供給する酸素濾過手段と、予め加圧され圧縮された高濃度酸素ガスを貯留し該高濃度酸素ガスを前記吸気系に供給する酸素タンクと、前記排気浄化触媒の温度に基づいて前記吸気系への高濃度酸素ガスの供給源として前記酸素濾過手段と前記酸素タンクとのどちらか一方を選択する切替え手段とを具備する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関本体から排出される排気中に含まれる有害な成分を浄化する内燃機関の排気浄化装置であって、特に、排気再循環装置（以下、ＥＧＲ装置と称す）を有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車用内燃機関においては、排気中に含まれるＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）などの有害成分を浄化するために内燃機関の排気系に排気浄化触媒が配置された排気浄化装置が知られている。
【０００３】
このような排気浄化装置に使用される排気浄化触媒としては、例えば、三元触媒が広く知られている。該三元触媒は、不完全燃焼成分であるＨＣ及びＣＯの酸化反応と、空気中の窒素と燃え残りの酸素とが反応して生成されるＮＯｘの還元反応とを同時に促進し、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘの外部への排出を低減させる機能を有する。
【０００４】
このような三元触媒に代表される排気浄化触媒の浄化性能は、一般に、使用時の排気浄化触媒の温度に大きく依存することが知られている。例えば、排気浄化触媒として貴金属触媒を使用する場合において該触媒の有する浄化性能を有効に発揮させるためには、触媒温度を、ある一定の温度、例えば約２５０℃以上に昇温させることが必要であることが知られている。
【０００５】
このため、内燃機関の始動直後から排気浄化触媒が排気浄化機能を有効に発揮できる温度（以下、触媒活性温度と称する）に暖機されるまでの機関冷間時においては、排気浄化触媒による排気中の有害成分の浄化は期待できず、排気エミッションの悪化を抑制すべく何らかの方策を講ずる必要がある。
【０００６】
内燃機関の始動直後の機関冷間時における排気エミッションの改善を図る方策の一つとして、内燃機関の排気系における排気浄化触媒の配置位置の最適化を図ることが知られている。具体的には、排気浄化触媒を内燃機関本体に対してできるだけ近い位置に配置する、すなわち、内燃機関本体から排気浄化触媒までの排気経路を短くすることで、内燃機関本体から排気浄化触媒までの排気経路おける排気の熱損失を低減し、排気熱により排気浄化触媒温度を迅速に触媒活性温度に昇温することを可能とし、これにより、内燃機関の始動直後の機関冷間時における排気エミッションの改善を図るものである。
【０００７】
また、内燃機関の始動直後の機関冷間時における排気エミッションの改善を図る方策の一つとして、内燃機関の排気系に、通常運転時の排気浄化用の主排気浄化触媒とは別に、始動直後の機関冷間時の排気浄化用の補助排気浄化触媒を配設することが知られている。具体的には、補助排気浄化触媒として、主排気浄化触媒よりも容量が小さく排気浄化性能が小さいものを選択することで、補助排気浄化触媒を主排気浄化触媒よりも早期に活性状態とすることを可能とし、これにより、内燃機関の始動直後の機関冷間時における排気エミッションの改善を図るものである。
【０００８】
更に、上述したような補助排気浄化触媒を排気系に配設する方策においては、コスト性やスペース性の向上の観点から、排気系から吸気系に排気の一部を再循環させるＥＧＲ通路内に補助排気浄化触媒を配設する提案もなされている。
【０００９】
【特許文献１】特開平８−２５４１５８号公報
【特許文献２】特開２００５−２６４８２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、内燃機関の始動直後の機関冷間時における排気エミッションの改善を図るべく、内燃機関本体から排気浄化触媒までの排気経路を短くする方策においては、機関冷間時においては排気浄化触媒温度を触媒活性温度に迅速に昇温することが可能であるが、一方で、例えば内燃機関が高負荷領域等の運転状態にある場合においては、内燃機関本体から排気浄化触媒までの排気経路が短いが故に、排気浄化触媒が許容温度を越えて過昇温され熱劣化を引き起こす危険性が高くなるという問題があると考える。
【００１１】
また、内燃機関の始動直後の機関冷間時における排気エミッションの改善を図るべく、内燃機関の排気系に、通常運転時の排気浄化用の主排気浄化触媒とは別に、始動直後の機関冷間時の排気浄化用の補助排気浄化触媒を配設する方策においては、補助排気浄化触媒として、主排気浄化触媒よりも容量が小さく排気浄化性能が小さいものを選択することで、補助排気浄化触媒を主排気浄化触媒よりも早期に活性状態とすることを可能とするが、それでも、補助排気浄化触媒が触媒活性温度に達するまでの間においては、排気エミッションの悪化の抑制を図ることはできないという問題があると考える。
【００１２】
本発明においては、上記課題に鑑み、内燃機関本体から排気浄化触媒までの排気経路の距離に影響を受けることなく、また、補助排気浄化触媒の使用を必要とすることなく、内燃機関の始動直後から排気浄化触媒温度が触媒活性温度に達する前の機関冷間時における排気エミッションの改善を図ることが可能な内燃機関の排気浄化装置であって、特に、排気系から吸気系に排気を再循環させるＥＧＲ装置を有する内燃機関に適用可能な排気浄化装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関本体から排出された排気中の有害成分を浄化する排気浄化触媒が排気系に配置された内燃機関の排気浄化装置において、前記排気浄化触媒よりも下流の前記排気系から前記内燃機関の吸気系に前記内燃機関本体から排出された排気を再循環させるＥＧＲ装置と、前記ＥＧＲ装置により前記吸気系に再循環された排気中に、少なくとも通常の空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給する酸素供給手段とを具備し、前記内燃機関の始動直後から前記排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、前記ＥＧＲ装置により前記内燃機関本体から排出された排気を前記吸気系に再循環させ、前記酸素供給手段により高濃度酸素ガスを前記吸気系に再循環された排気中に供給し、前記吸気系に再循環された排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させ浄化する、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１４】
すなわち、請求項１の発明では、内燃機関の始動直後から排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、ＥＧＲ装置により内燃機関本体から排出された排気を吸気系に再循環させ、酸素供給手段により高濃度酸素ガスを吸気系に再循環された排気中に供給することで、吸気系に再循環された排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させ浄化する。ここで、留意すべき点は、吸気系に再循環された排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させるために、新気すなわち新しい空気を供給するのではなく、少なくとも通常の空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給する点にある。新気中には約２１％の酸素しか含有されておらず、大量の排気が吸気系に再循環された場合、燃焼室に吸入される全ガス量のうち新気の占める割合は小さく制限されため、大量の排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させるのに十分な酸素を排気中に供給することは現実的に困難である。本発明では、吸気系に再循環された排気中に、少なくとも新気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給することで、新気を導入する場合と比較して、より多くの量の排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させることができ、排気エミッションの改善を図ることが可能となる。尚、排気浄化触媒の触媒活性温度とは、排気浄化触媒が浄化機能を有効に発揮することができる温度を意図する。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、前記酸素供給手段は、酸素ガスのみを封入した酸素ボンベと、該酸素ボンベからの酸素ガスの供給量を調整する酸素供給量制御バルブとを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化が提供される。
【００１６】
すなわち、請求項２の発明では、酸素供給手段が、酸素ガスのみを封入した酸素ボンベを有して構成されることで、吸気系に再循環された排気中に、酸素ガスのみを供給することができ、より多くの量の排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させることができ、排気エミッションの改善を図ることが可能となる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、前記ＥＧＲ装置は、前記排気浄化触媒よりも下流の排気系に配置され前記吸気系に再循環させる排気の割合を制御するバルブであって、前記排気浄化触媒よりも下流の排気系の背圧を所定範囲内に制御する背圧制御用バルブを有する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１８】
すなわち、請求項３の発明では、ＥＧＲ装置が、排気浄化触媒よりも下流の排気系に配置され吸気系に再循環させる排気の割合を制御するバルブであって、排気浄化触媒よりも下流の排気系の背圧を所定範囲内に制御する背圧制御用バルブを有することで、吸気系に再循環させる排気の割合を１００％とすれば内燃機関の始動直後の排気の略全量を吸気系に再循環させることができる。また、内燃機関の始動直後から排気浄化触媒温度が触媒活性温度に達するまでの間の排気浄化触媒よりも下流の排気系の背圧を、ＥＧＲ装置により排気が吸気系に再循環されている際に、背圧が安定している状態を維持することができ、且つ、排気系から内燃機関本体に直接吹き戻される排気量が極端に大きくならないようにすることができる所定値に制御することができる。これにより、内燃機関の始動直後から排気浄化触媒が触媒活性温度に達するまでの間の安定した吸気系への排気の再循環をもたらすことが可能となる。ここで、背圧とは、内燃機関で仕事すなわち燃焼がされた後に吐き出されるガスの圧力を意図しており、排気浄化触媒よりも下流の排気系の背圧とは、内燃機関で燃焼がされた後に吐き出された排気の圧力であって、排気浄化触媒よりも下流の排気系を流れる排気の圧力を意図する。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、当該排気浄化装置は、更に、前記内燃機関がエンストする危険性がある状態にあるか否かを判定するエンスト判定手段を有し、前記エンスト判定手段により、前記内燃機関がエンストする危険性があると判定された場合、前記背圧制御用バルブにより前記吸気系に再循環させる排気の割合を減少させる、ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２０】
すなわち、請求項４の発明では、エンスト判定手段により、内燃機関がエンストする危険性があると判定された場合、背圧制御用バルブにより吸気系に再循環させる排気の割合を減少させることで、内燃機関がエンストする危険性を回避する。本排気浄化装置においては、大量の排気が吸気系に再循環されても、大量の排気をも再燃焼させるのに十分な酸素ガスを供給できる酸素供給手段を備えることにより、エンストを回避できるものと考えるが、当該エンスト判定手段を備えることで、より確実なエンスト回避を可能とする。
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、前記エンスト判定手段は、機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記内燃機関本体の燃焼室内の圧力を検出する燃焼圧センサーとを有し、前記ＥＧＲ装置により前記吸気系に排気が再循環されている際の、前記機関回転数検出手段により検出された機関回転数の変動状態および前記燃焼圧センサーにより検出された燃焼室内の圧力値の少なくとも一方に基づいて、前記内燃機関がエンストする危険性がある状態にあるか否かを判定する、ことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２２】
すなわち、請求項５の発明では、エンスト判定手段は、機関回転数検出手段と、燃焼圧センサーとを有し、機関回転数の変動状態および燃焼室内の圧力値の少なくとも一方に基づいて、内燃機関がエンストする危険性がある状態にあるか否かが判定される。
【００２３】
請求項６に記載の発明によれば、前記内燃機関は、前記内燃機関本体の燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射装置と、前記燃焼室内に火花の発生をもたらす点火装置とを備え、前記酸素供給手段は、前記燃焼室内に高濃度酸素ガスを直接供給するように構成され、前記内燃機関の圧縮行程において、前記燃料噴射装置および前記酸素供給手段により燃料および高濃度酸素ガスが前記燃焼室内に供給され、前記点火装置により前記燃焼室内に火花の発生がもたらされる、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２４】
すなわち、請求項６の発明では、酸素供給手段が燃焼室内に高濃度酸素ガスを直接供給できるように構成配置されることで、内燃機関の圧縮行程において、燃焼室内の多くの割合を占める再循環された排気に対して燃料のみならず酸素をも点火プラグ近傍に集約することができ、酸素供給手段が吸気系に高濃度酸素ガスを供給するように構成配置された場合と比較して、より少量の燃料で安定した燃焼をもたらすことができる成層燃焼を可能とする。
【００２５】
請求項７に記載の発明によれば、前記ＥＧＲ装置は、該ＥＧＲ装置により前記吸気系に再循環される排気を冷却し該排気中のＨ2Ｏ成分を液化するインタークーラーと、該インタークーラーにより液化されたＨ2Ｏ成分を貯蔵し除去するＨ2Ｏ除去タンクとを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２６】
すなわち、請求項７の発明では、ＥＧＲ装置がインタークーラーおよびＨ2Ｏ除去タンクを備えることで、吸気系に再循環される排気中のＨ2Ｏを、排気が吸気系に導入される前に液化して除去することができ、吸気系に導入される排気量を低減することが可能となる。これにより、酸素供給手段による高濃度酸素ガス付加量が吸気系に導入される排気量に依存して決定される場合には、酸素供給手段による高濃度酸素ガス付加量を低減することが可能となる。
【００２７】
請求項８に記載の発明によれば、前記酸素供給手段は、前記排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達した後においては、要求トルクに応じて前記吸気系に所定量の高濃度酸素ガスを供給する、ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２８】
すなわち、請求項８の発明では、排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達した後において、例えば空気中の酸素のみではもたらすことができない様な高トルクが要求された場合であっても、酸素供給手段により所定量の高濃度酸素ガスを供給することで、不足する量の酸素を補うことができ、要求トルクをもたらすことを可能とする。
【００２９】
請求項９に記載の発明によれば、前記ＥＧＲ装置は、該ＥＧＲ装置により前記吸気系に再循環される排気中の二酸化炭素を吸収あるいは吸着することにより吸蔵する二酸化炭素吸蔵手段を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００３０】
すなわち、請求項９の発明では、二酸化炭素吸蔵手段を有することで、吸気系に再循環される排気中の二酸化炭素を吸収あるいは吸着することにより吸蔵することができる。これにより、酸素供給手段による高濃度酸素ガス供給量が吸気系に導入される排気量に依存して決定される場合には、酸素供給手段による高濃度酸素ガス供給量を低減することができる。
【００３１】
請求項１０に記載の発明によれば、前記ＥＧＲ装置は、前記吸気系と前記排気浄化触媒よりも下流の前記排気系とを流体連通する排気再循環通路を有し、当該排気浄化装置は、前記内燃機関の始動直後から前記排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、前記排気浄化触媒から流出した排気を前記排気浄化触媒の周囲に循環させてから前記排気再循環通路に導く排気迂回手段を具備する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００３２】
すなわち、請求項１０の発明では、排気迂回手段を有することで、排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、排気迂回手段が無い場合と比較して、排気の熱を利用して排気浄化触媒を効率的暖機することができ、一方で、排気浄化触媒を暖機する際に排気から熱を奪うことにより再循環されるガスの温度を低下させることができる。
【００３３】
請求項１１の記載の発明によれば、前記インタークーラーにより液化されたＨ２Ｏ成分であって前記Ｈ２Ｏ除去タンクに貯蔵され除去されるＨ２Ｏ成分を電気分解して酸素成分と水素成分とを生成し、生成された酸素成分を前記酸素供給手段に供給し、生成された水素成分を前記吸気系に供給する水電気分解手段を具備する、ことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００３４】
すなわち、請求項１１の発明では、水電気分解手段により生成された酸素成分を酸素供給手段に供給し酸素成分を補充することができ、酸素消費量の低減を図ることが可能となる。また、水電気分解手段により生成された水素成分を吸気系に供給することができ、燃焼室内の燃焼の改善を図ることが可能となる。
【００３５】
請求項１２に発明によれば、前記酸素供給手段は、大気中の空気から高濃度酸素ガスを生成し該高濃度酸素ガスを前記吸気系に供給する酸素濾過手段と、予め加圧され圧縮された高濃度酸素ガスを貯留し該高濃度酸素ガスを前記吸気系に供給する酸素タンクと、前記排気浄化触媒の温度に基づいて前記吸気系への高濃度酸素ガスの供給源として前記酸素濾過手段と前記酸素タンクとのどちらか一方を選択する切替え手段とを具備する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００３６】
すなわち、請求項１２の発明では、酸素濾過手段および酸素タンクの二つの高濃度酸素ガス供給源を有することで、酸素濾過手段あるいは酸素タンクのどちらか一方しか有さないものと比較して、より多くの高濃度酸素ガスを補充作業を必要とすることなく長期間にわたり吸気系に供給することができ、より確実に高濃度酸素ガスを吸気系に供給することが可能となる。
【発明の効果】
【００３７】
各請求項の記載の発明によれば、内燃機関の始動直後から排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、ＥＧＲ装置により内燃機関本体から排出された排気を吸気系に再循環させ、吸気系に再循環された排気中に、少なくとも新気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給することで、新気を導入する場合と比較して、より多くの量の排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させ浄化することができ、内燃機関の始動直後から排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間の排気エミッションの改善を図ることが可能となる共通の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、添付図面を用いて本発明に係る排気浄化装置の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第一の実施形態の概略構成を示す図である。図１において、１は内燃機関本体、２は燃焼室、３は点火装置、４は燃料噴射装置、５は酸素供給装置、６は排気系、７は三元触媒、８はＡ／Ｆセンサー、９は背圧センサー、１０はＥＧＲ装置、１１は排気再循環通路、１２は排気再循環量制御バルブ、１３はインタークーラー、１４はＨ2Ｏ除去タンク、１５は背圧制御バルブ、１６は吸気系、１７はサージタンク、１８はエアフローメータ、１９はスロットルバルブ、２０は吸気圧センサー、２１は機関回転数検出手段、２２はアクセル開度検出手段、２３は触媒温度検出手段、２４は燃焼圧センサー、２５は電子制御装置（以下、ＥＣＵと称する）、のそれぞれを示す。尚、後に説明する図６から図９においても、同じ構成要素については、同じ番号を付すものとする。
【００３９】
内燃機関本体１の燃焼室２には、点火装置３、燃料噴射装置４、燃焼圧センサー２４および酸素供給装置５が配設される。点火装置３は、燃焼室２内の混合気に確実に着火させるために、タイミングよく火花をスパークプラグのギャップ間で飛ばせる役割を果すものであり、点火時期は、後述するＥＣＵ２５にて制御される。燃料噴射装置４は、燃料を噴射する時期などを電子制御で行い、電磁噴射ノズルで燃料を燃焼室２に噴射するものであり、具体的には、後述するＥＣＵ２５にて最適な燃料噴射量を算出し、所定の圧力で燃料を電磁噴射ノズルで噴射するものである。燃焼圧センサー２４は燃焼室２内の圧力を検出する役割を果すものである。尚、本実施形態においては、ガソリン内燃機関を想定しているが、本排気浄化装置はディーゼル内燃機関にも適用可能である。ディーゼル内燃機関の場合には、点火装置３は通常含まれない。
【００４０】
酸素供給装置５は、後述するＥＧＲ装置１０により吸気系に再循環された排気中に、少なくとも通常の空気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給する酸素供給手段としての役割を果すものである。
【００４１】
本発明の主目的は、内燃機関始動直後の排気浄化触媒の浄化性能が期待できない機関冷間時において、排気浄化触媒よりも下流の排気系の排気のほぼ全量を吸気系に戻して、該排気中に高濃度酸素ガスを供給することで、該排気中の有害成分となるＣＯおよびＨＣを再燃焼させ、排気エミッションの改善を図ることにある。
【００４２】
吸気系に再循環された排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させるべく該排気中に酸素を供給する方策の一つとして、後述するスロットルバルブ１９を制御することにより吸気系に新気すなわち新しい空気を導入することが考えられる。
【００４３】
しかしながら、大量の排気を吸気系に再循環させた場合、燃焼室２に導入される全ガス量のうち新気の占める割合は小さく制限され、また、新気中には約２１％の酸素しか含有されていないため、大量の排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させるのに十分な酸素を排気中に供給することは現実的に困難である。
【００４４】
そこで、本発明の排気浄化装置においては、吸気系に再循環された排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させるための酸素を、少なくとも新気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給できる酸素供給装置５により供給することで、新気を導入する場合と比較して、より多くの量の排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させることができ、排気エミッションの改善を図ることを可能とする。
【００４５】
酸素供給装置５の構成については種々の構成が想定されるが、大量の排気が吸気系に再循環された際に、より多くの量の排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させるためには、酸素供給装置５は酸素ガスのみを直接供給できるように構成されることが最適であり、本実施形態においては、例えば加圧され圧縮された酸素ガスのみを封入した酸素ボンベと、該酸素ボンベからの酸素ガスの供給量を制御する酸素供給量制御バルブとを有して構成されることが想定されている。また、酸素供給装置５の他の構成として、例えば、酸素ボンベの代わりに、通常の空気の酸素濃度を越える高濃度酸素ガスをもたらすような高濃度酸素ガス発生装置が使用されてもよい。
【００４６】
また、酸素供給装置５の配置については、基本的には、吸気系に再循環された排気中に高濃度酸素ガスを供給できるように構成配置されていれば、大量の排気が吸気系に再循環された際に、より多くの量の排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させることができ、どのような位置に配置されてもよい。
【００４７】
本実施形態においては、酸素供給装置５は、燃焼室２内に高濃度酸素ガスを直接供給できるように構成配置させることで、内燃機関の圧縮行程において、燃焼室２内の多くの割合を占める再循環された排気に対して燃料のみならず酸素ガスをも点火プラグ近傍に集約することができ、酸素供給装置５が吸気系に高濃度酸素ガスを供給するように構成された場合と比較して、より少量の燃料で燃焼させることができる成層燃焼を可能とし、より燃費の向上の実現を図れるものとしている。
【００４８】
内燃機関本体１の排気系には排気中の有害成分を浄化するための排気浄化触媒として三元触媒７が配置されている。三元触媒７は、該三元触媒７の雰囲気が理論空燃比のときに、排気中の有害成分となるＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘを最大効率で浄化する役割を果すものであり、具体的には、三元触媒雰囲気が理論空燃比のときに排気中のＨＣおよびＣＯの酸化と、ＮＯｘの還元を同時に行い、排気中のこれらの有害成分を無害なＣＯ2（二酸化炭素）、Ｈ2Ｏ（水）およびＮ2（窒素）に浄化するものである。尚、本実施形態においては、内燃機関本体１の排気系に配置され排気中の有害成分の浄化をするための排気浄化触媒を三元触媒７としたが、排気中の有害成分を触媒反応により浄化しうる排気浄化触媒であればいかなる排気浄化触媒も本発明に適用可能であり、例えば、ＨＣの浄化を目的とした選択酸化触媒なども本発明の排気浄化装置に適用可能である。
【００４９】
また、内燃機関本体１と三元触媒７との間の排気系には空燃比センサー８（以下、Ａ／Ｆセンサーと称する）が配設される。該Ａ／Ｆセンサー８は、内燃機関本体１と三元触媒７との間の排気系を流れる排気の空燃比、三元触媒７に流入する排気の空燃比を検出する役割を果すものであり、排気の空燃比にほぼ比例する出力特性を有するセンサーである。
【００５０】
ＥＧＲ装置１０は、三元触媒７よりも下流の排気系から内燃機関の吸気系に内燃機関本体１から排出された排気を再循環させる機能を果すものである。ＥＧＲ装置１０は、三元触媒７よりも下流の排気系と吸気系とを流体連通する排気再循環通路１１を有し、該排気再循環通路１１には、該排気再循環通路１１を流れる排気（以下、ＥＧＲガスと称する）の流量を制御する排気再循環量制御バルブ１２と、ＥＧＲガスを冷却するためのインタークーラー１３と、ＥＧＲガス中のＨ2Ｏが冷却されたことによりもたらされる液体のＨ2Ｏ（水）を貯蔵し除去するＨ2Ｏ除去タンク１４とが配設される。排気再循環通路１１が、三元触媒７よりも上流の排気系と吸気系とを流体連通するように形成されているのではなく、三元触媒７よりも下流の排気系と吸気系とを流体連通するように形成されることで、内燃機関本体１から排出された排気の熱による三元触媒温度の迅速な触媒活性温度への昇温を可能とする。
【００５１】
ＥＧＲ装置１０は、更に、三元触媒７よりも下流の排気系に配置された背圧センサー９および背圧制御バルブ１５を有する。背圧センサー９は、三元触媒７よりも下流の排気系の背圧を検出する役割を果すものである。ここで、背圧とは、内燃機関で仕事すなわち燃焼がされた後に吐き出されるガスの圧力を意図しており、排気浄化触媒よりも下流の排気系の背圧とは、内燃機関で燃焼がされた後に吐き出された排気の圧力であって、排気浄化触媒よりも下流の排気系を流れる排気の圧力を意図する。背圧制御バルブ１５は、背圧センサー９からの検出情報に基づいて、背圧を予め定められた所定の範囲内に制御し、且つ、ＥＧＲ装置１０の排気再循環通路１１を介して吸気系に再循環させる排気の割合を制御する役割を果すものである。本実施形態においては、背圧センサー９は、三元触媒７よりも下流の排気系から排気再循環通路１１が分岐する場所と三元触媒７との間に配設される。また、背圧制御バルブ１５は三元触媒７よりも下流の排気系から排気再循環通路１１が分岐する場所よりも下流の排気系に配設される。
【００５２】
内燃機関の吸気系には、スロットル弁開度が電子制御されるスロットルバルブ１９と、該スロットルバルブ１９により調整された吸入空気流量を測定するエアフローメータ１８と、該エアフローメータ１８の精度に悪影響を与える吸気脈動や吸気干渉を防止するサージタンク１７と、内燃機関の吸気圧を検出する吸気圧センサー２０とが配置される。エアフローメータ１８は、該エアフローメータ１８の中を流れる空気の流量に基づいて内燃機関本体１に導入される空気量を計測する役割を果すものであって、ポテンシオメータ等を内蔵して吸入空気流量に比例したアナログ電圧の出力信号を発生するものである。
【００５３】
機関回転数検出手段２１は、内燃機関の回転数を検出する役割を果すものであり、具体的には、内燃機関の出力軸の回転数を検出する回転速度センサーを有して構成され、該回転速度センサーにより内燃機関の回転数を検出するものである。アクセル開度検出手段２２は、内燃機関運転中のアクセル開度を検出する役割を果すものである。
【００５４】
触媒温度検出手段２３は、三元触媒温度を推定する機能を有する。三元触媒温度は、例えば、三元触媒７の内燃機関本体１に近い上流側あるいは内燃機関本体１から遠い下流側に配置された排気温度センサーにより検出された温度情報に基づいて推定される。この場合、触媒温度検出手段２３は、排気温度センサーを主要素として構成されることになる。ただし、例えば、三元触媒７と排気温度センサーとの間には多少の隔たりがあり、この隔たりにおける温度勾配等を推定すべく、回転負荷、空燃比、熱伝達係数、触媒反応速度等のパラメータを用いて補正が行われることになり、これらの各情報を検出する各要素もまた、当該触媒温度検出手段２３の構成要素となる。
【００５５】
ＥＣＵ２５は、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、入出力ポートを双方向バスで接続した公知のデジタルコンピュータからなり、各種センサーや駆動装置と信号をやり取りして内燃機関の回転数や吸入空気量などの制御に必要なパラメータを算出するとともに、算出されたパラメータに基づいて燃焼空燃比制御あるいは燃料噴射量制御や点火時期制御等の内燃機関の運転に関する種々の制御を行う役割を果すものである。
【００５６】
ＥＣＵ２５には、エアフローメータ１８およびスロットルバルブ１９が接続されており、エアフローメータ１８からの検出情報をＥＣＵ２５に取り込むことができ、ＥＣＵ２５からの信号によってスロットルバルブ１９のスロットル弁開度を制御することができるように構成されている。また、ＥＣＵ２５には、Ａ／Ｆセンサー８、背圧センサー９、吸気圧センサー２０、機関回転数検出手段２１、アクセル開度検出手段２２、触媒温度検出手段２３および燃焼圧センサー２４が接続されており、これらのセンサーおよび手段からの各検出情報をＥＣＵ２５に取り込むことができるように構成されている。更に、ＥＣＵ２５には、点火装置３、燃料噴射装置４、酸素供給装置５、背圧制御バルブ１５および排気再循環量制御バルブ１２が接続されており、上記各種センサーおよび手段からの検出情報に基づいて、ＥＣＵ２５からの信号によって、点火装置３による点火の制御、燃料噴射装置４による燃料噴射の制御、酸素ガス供給装置５による酸素ガス供給量の制御、背圧制御バルブ１５による背圧およびＥＧＲ装置１０に再循環させる排気の割合の制御、および排気再循環量制御バルブ１２による吸気系に導入するＥＧＲガス量の制御を行うことができるように構成されている。
【００５７】
上述した各構成要素を有する図１に示す実施形態の内燃機関の排気浄化装置の作用効果について以下に説明する。
図２は、本排気浄化装置が適用された図１に示す内燃機関で実行される、始動直後の機関冷間時おける排気浄化処理の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。
【００５８】
図２に示す制御ルーチンでは、内燃機関始動直後から三元触媒７（以下、触媒と称する）の温度が浄化機能を発揮できる触媒活性温度に達するまでの間のＥＧＲ装置１０および酸素供給装置５による排気中のＣＯおよびＨＣの浄化処理を実行するに当たって、内燃機関の始動直後に内燃機関本体１から排出される全ての排気を吸気系に再循環させるような排気の流れをもたらすべく、まず、内燃機関が始動される前に、背圧制御バルブ１５が全閉される。内燃機関が始動されると、触媒温度が触媒活性温度に達しているか否かが判断され、触媒温度が触媒活性温度に達していないと判断された場合には、ＥＧＲ装置１０および酸素供給装置５による排気中のＣＯおよびＨＣの排気浄化処理が開始される。該排気浄化処理が開始されると、まず、機関回転数の変動状態や燃焼室内の圧力が検出され、内燃機関がエンスト（内燃機関作動停止）を引き起こす可能性のある状態にあるか否かの監視が開始される。ここで内燃機関がエンストを引き起こす可能性のある状態にあると推定された場合には、内燃機関のエンストを回避すべく、背圧制御バブル１５が一定量開かれる制御が実行される。次に、触媒７よりも下流の排気系の背圧が背圧制御目標所定値の範囲内にあるか否かが判断され、該背圧が背圧制御目標所定値の範囲内にないと判断されると、背圧制御バルブ１５により該背圧が背圧制御目標所定値の範囲内となるように制御される。次に、アクセル開度から必要トルク量が算出され、該必要トルク量から燃焼室２に導入させる必要ガス量が算出され、該必要ガス量に基づいて、排気再循環量制御バルブ１２の弁開度が制御され吸気系に排気が再循環される。尚、この際に、該必要ガス量に対して、吸気系に再循環させうる排気量だけでは不足する場合には、該必要ガス量を満たすべくスロットルバルブ１９を制御することにより不足分の量の新気を導入する。そして、内燃機関の圧縮行程において燃焼室２内に、吸気系に再循環されたＥＧＲガス量に応じて酸素供給装置５により必要量の酸素ガスを供給し、また、該必要ガス量に応じて燃料噴射装置４により必要量の燃料を噴射し、点火装置３により着火をもたらすことで、吸気系に再循環された排気中の有害成分となるＣＯおよびＨＣを再燃焼させ浄化することができ、排気エミッションの改善を図ることを可能とする。
以下に各ステップの詳細について説明する。
【００５９】
まず、ステップ１０１においては、内燃機関が運転状態にあるか否かが判定され、内燃機関が運転状態にないと判定された場合には、続くステップ１０２において、内燃機関への始動要求の有無が確認される。具体的には、これらの判定は、機関回転数検出手段２１やエアフローメータ１８などからの検出情報に基づいてＥＣＵ２５により判定あるいは確認される。ステップ１０２において、内燃機関への始動要求が確認されると、続くステップ１０３およびステップ１０４へと進む。
【００６０】
ステップ１０３およびステップ１０４においては、ＥＣＵ２５からの信号により背圧制御バルブ１５が全閉制御され、その後、内燃機関が始動される。内燃機関が始動される前に、背圧制御バルブ１５が全閉制御されることにより、内燃機関の始動直後の内燃機関本体１から排出される略全ての排気を吸気系に再循環させるような排気の流れをもたらすことを可能とする。背圧制御バルブ１５が全閉制御され、内燃機関が始動されると、続くステップ１０５に進む。
【００６１】
ステップ１０５においては、触媒温度が触媒活性温度すなわち触媒７が浄化機能を発揮することができる温度に達しているか否かの判定がなされる。具体的には、触媒温度検出手段２３からの検出情報に基づいてＥＣＵ２５により、触媒温度が触媒活性温度に達しているか否かの判定がなされ、触媒温度が触媒活性温度に達していないと判定された場合には、続くステップ１０６に進む。
【００６２】
ステップ１０６においては、内燃機関がエンストを引き起こす可能性のある状態にあるか否かの判定がなされる。機関回転数が安定していない状態あるいは燃焼圧値が十分でない状態において、大量のＥＧＲガスが吸気系に再循環され燃焼室２に導入されると、燃焼が不安定になり、機関トルクが低下してエンストを引き起こす可能性がある。本発明に係る排気浄化装置においては、大量のＥＧＲガスが吸気系に再循環されても、大量のＥＧＲガスをも再燃焼させるのに十分な酸素ガスを供給できる酸素供給装置５を備えることにより、エンストを回避できるものと考えるが、より確実なエンスト回避を実現するために、選択的に、内燃機関がエンストを引き起こす可能性があるか否かを判定する手段が備えられてもよい。本実施形態においては、機関回転数検出手段２１、燃焼圧センサー２４およびＥＣＵ２５からエンスト判定手段を構成することで、機関回転数（ＮＥ）の変動状態あるいは内燃機関本体１の燃焼室２内の圧力に基づいて、内燃機関がエンストを引き起こす可能性がある状態にあるか否かの判定をＥＣＵ２５にて行うことを可能とし、より確実な内燃機関のエンスト回避の実現を可能としている。
【００６３】
ステップ１０６において、内燃機関がエンストを引き起こす可能性がある状態にあると判定されると、続くステップ１０７に進み、ＥＣＵ２５により背圧制御バルブ１５が予め定められた一定量開弁される。これにより、背圧を低下させ、吸気系に再循環されるＥＧＲガス量を減少させることができ、機関回転数および燃焼室内の圧力を迅速に安定させることが可能となる。ステップ１０７にて背圧制御バルブ１５が一定量開弁された後に、ステップ１０６に戻り、再び、エンスト判定手段により内燃機関がエンストを引き起こす可能性がある状態にあるか否かの判定がなされる。本ステップ１０７における背圧制御バルブ１５の一定量のステップ幅の開弁制御は、ステップ１０６において内燃機関がエンストを引き起こす可能性がないと判定されるまで繰り返し実行される。尚、背圧制御バルブ１５を開弁制御する際の一定量の開弁量のステップ幅は、内燃機関の設計仕様に応じて予め適当に決定されるものである。
【００６４】
ステップ１０６において、内燃機関がエンストを引き起こす可能性がない状態にあると判定されると、続くステップ１０８に進む。ステップ１０８においては、触媒７よりも下流の排気系の背圧が予め定められた目標所定値の範囲内にあるか否かの判定がなされる。具体的には、触媒７よりも下流の排気系に配設された背圧センサー９の検出情報に基づいて、ＥＣＵ２５にて背圧が予め定められた目標所定値の範囲内にあるか否かの判定がなされる。尚、背圧の目標所定値は、ＥＧＲ装置１０によりＥＧＲガスが吸気系に再循環されている際における、背圧の安定性や排気系から燃焼室内に直接吹き戻される排気量などが考慮されて決定される。
【００６５】
内燃機関始動直後から触媒７が触媒活性温度に達するまでの間の排気エミッションの改善を図る上では、内燃機関始動直後から触媒７が触媒活性温度に達するまでの間を通して、内燃機関本体１から排出された排気の全てをＥＧＲガスとして吸気系に再循環させ、排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させ浄化させることができるように背圧の目標所定値が決定されることが最も望ましい。
【００６６】
しかしながら、本排気浄化装置においては、後述するステップ１１１にて詳細に述べるが、吸気系に再循環されるＥＧＲガス中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させるべく、酸素供給装置５によりＥＧＲガス量の約２１％に当たる酸素ガスを付加供給するため、内燃機関始動直後から触媒７が触媒活性温度に達するまでの間を通して内燃機関本体１から排出された排気の全てをＥＧＲガスとして吸気系に再循環させるようにした場合、ＥＧＲガスが吸気系に再循環される毎に、ＥＧＲガス量が約２１％ずつ増加することになる。本実施形態においては、排気再循環通路１１にインタークーラー１３およびＨ2Ｏ除去タンク１４を備えることで、ＥＧＲガス中のＨ2Ｏを液化して除去することができ、ＥＧＲガスが排気再循環通路１１を通過している間にＥＧＲガス量を減少させることで、上述したような酸素供給装置５による酸素ガス付加によりもたらされるＥＧＲガス量の増加を抑制することができる。しかしながら、ＥＧＲガス中のＨ2Ｏ成分は比較的少なく（約１０％程度）であることが想定され、上述したような酸素供給装置５による酸素付加によりもたらされるＥＧＲガス量の増加を抑制するには十分とは言えない。このことは、背圧を増加させていき、排気系から燃焼室２内に直接吹き戻される排気量の増加をもたらし、背圧を不安定とし安定したＥＧＲガスの再循環を阻害し、最悪の場合においては、内燃機関のストール（停止）をもたらすことにもなる。
【００６７】
そこで、本排気浄化装置においては、背圧の目標所定値は、ＥＧＲ装置１０によりＥＧＲガスが吸気系に再循環されている際に、背圧が安定している状態を維持することができる値であって、排気系から燃焼室２内に直接吹き戻される排気量が極端に大きくならないようにすることができる値とされ、予め実行された解析あるいは試験により得られたデータに基づいて決定される。具体的には、少なくとも、吸気系に再循環されたＥＧＲガス量の約２１％のガスについては、ＥＧＲ装置１０に再循環させることなく背圧制御バルブ１５よりも下流の排気系に排出されるような値に、背圧の目標所定値が設定されることが想定される。これにより、内燃機関始動直後から触媒７が触媒活性温度に達するまでの間のＥＧＲガスの再循環を安定させることができ、排気エミッションの改善を図ることを可能とする。
【００６８】
ステップ１０８において、触媒７よりも下流の排気系の背圧が予め定められた目標所定値の範囲内にないと判定されると、続くステップ１０９に進み、ステップ１０９においては、背圧が目標所定値の範囲内となるように制御される。具体的には、背圧センサー９の検出情報に基づいて、ＥＣＵ２５により背圧制御バルブ１５の弁開閉を制御することで、ＥＧＲ装置１０に再循環されることなく背圧制御バルブ１５よりも下流の排気系に排出されるガス量を制御することができ、これにより、背圧の目標所定値の範囲内への制御が可能となる。ステップ１０９にて背圧制御バルブ１５が一定量開弁あるいは閉弁された後に、ステップ１０８に戻り、再び、背圧が予め定められた目標所定値の範囲内にあるか否かの判定がなされる。本ステップ１０９における背圧制御バルブ１５の一定量の弁開閉制御は、ステップ１０８において背圧が予め定められた目標所定値の範囲内にあると判定されるまで繰り返し実行される。尚、背圧制御バルブ１５の弁開閉制御する際の一定量の弁開閉量は、内燃機関の設計仕様に応じて適当に決定されるものである。
【００６９】
ステップ１０８において、背圧が予め定められた目標所定値の範囲内にあると判定されると、続くステップ１１０に進み、ステップ１１０においては、アクセル開度検出手段２２の検出情報に基づいて、排気再循環量制御バルブ１２の弁開度およびスロットルバブル１９の弁開度がＥＣＵ２５により適当に制御され、燃焼室２内にガスが導入される。
【００７０】
具体的には、まず、アクセル開度検出手段２２からの検出情報がＥＣＵ２５に取り込まれ、ＥＣＵ２５にて、必要トルク量が算出され、該必要トルク量を実現するために必要な、燃焼室２内への導入すべき必要ガス量が算出される。また、排気再循環量制御バルブ１２が全開状態での、吸気圧センサー２０から検出された吸気圧、背圧センサー９から検出された背圧、および、ＥＧＲガスが流れる排気再循環通路１１の流路面積などから吸気系に再循環させうるＥＧＲガス量（以下、全ＥＧＲガス量と称する）がＥＣＵ２５にて同時に算出される。
【００７１】
本排気浄化装置は、内燃始動直後から触媒７が触媒活性温度に達するまでの間の内燃機関本体１から排出された排気をＥＧＲガスとして吸気系に再循環させ、ＥＧＲガス中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させ浄化することで排気エミッションの改善を図ることを目的としており、この目的を達成する上では、できるだけ多くのＥＧＲガスを燃焼室２内に導入させ、ＥＧＲガス中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させ浄化するように制御されることが好ましい。
【００７２】
そこで、本実施形態においては、吸気系に再循環させうる全ＥＧＲガス量がアクセル開度に基づいて算出された必要ガス量を越えている場合、すなわち、ＥＧＲガスのみで必要ガス量を満たすことができる場合には、必要ガス量のＥＧＲガスのみが燃焼室２内に導入されるように、排気再循環量制御バルブ１２およびスロットルバルブ１９の弁制御がＥＣＵ２５にてなされる。また、吸気系に再循環させうる全ＥＧＲガス量がアクセル開度に基づいて算出された必要ガス量を越えていない場合、すなわち、必要ガス量に対して全ＥＧＲガス量が不足している場合には、必要ガス量を満たすべく、全ＥＧＲガスと、必要ガス量に対して全ＥＧＲガス量だけでは不足する分の量の新気とが燃焼室２内に導入されるように、排気再循環量制御バルブ１２およびスロットルバルブ１９の弁制御がＥＣＵ２５にてなされる。
【００７３】
ステップ１１０において、アクセル開度検出手段２２の検出情報に基づいて、排気再循環量制御バルブ１２の弁開度およびスロットルバブル１９の弁開度がＥＣＵ２５により制御され、燃焼室２内にガスが導入されると、次に、ステップ１１１に進み、ステップ１１１においては、吸気系に再循環されたＥＧＲガス量に応じて必要量の酸素ガスを供給し、また、該必要ガス量に応じて必要量の燃料を噴射し、着火をもたらすことで、吸気系に再循環されたＥＧＲガス中の有害成分となるＣＯおよびＨＣを再燃焼させ浄化する。
【００７４】
具体的には、内燃機関の圧縮行程において、吸気系に再循環されたＥＧＲガス量に応じて酸素供給装置５により必要量の酸素ガスが燃焼室２内に供給され、また、該必要ガス量に応じて燃料噴射装置４により必要量の燃料が噴射され、点火装置３により燃焼室内の着火がもたらされる。
【００７５】
ここで、酸素供給装置５により供給する酸素ガスの必要量とは、吸気系に再循環されたＥＧＲガスを燃焼させるのに必要な酸素ガス量を意図しており、本実施形態においては、ＥＧＲガス中に酸素成分は存在しないものと仮定して、吸気系に再循環されたＥＧＲガス量に対して約２１％の量の酸素ガスが酸素供給装置により燃焼室２内に供給される。尚、必要に応じて燃焼室２内に供給される新気については、該新気中には約２１％の酸素が含有されているため、新気に対して酸素供給装置５により新たな酸素ガスの供給を考慮する必要はない。また燃料噴射装置４により噴射される燃料の必要量とは、燃焼室２内に導入された全ガスを燃焼させるのに必要な燃料量を意図しており、必要に応じて新気が燃焼室２内に導入された場合には、燃焼室２内に導入されたＥＧＲガスと新気と酸素供給装置５により供給されたガスとを合わせた量のガスが燃焼室２内に導入された全ガスとなる。
【００７６】
ＥＧＲガスは一旦燃焼したガスであるため、ＥＧＲガス中には二酸化炭素が含まれており、該二酸化炭素は燃焼速度を低下させる作用があり、大量のＥＧＲガスが燃焼室に導入された場合に燃焼が不安定になる可能性が高い。
【００７７】
そこで、本実施形態においては、酸素供給装置５を、燃焼室２内に高濃度酸素ガスを直接供給できるように構成配置することで、内燃機関の圧縮行程において、燃焼室２内の多くの割合を占める再循環されたＥＧＲガスに対して燃料のみならず酸素ガスをも点火プラグ近傍に集約することができ、酸素供給装置５が吸気系に高濃度酸素ガスを供給するように構成された場合と比較して、より少量の燃料で安定した燃焼をもたらすことができる成層燃焼を可能とし、より燃費の向上の実現を図れるものとしている。
【００７８】
更に、本実施形態においては、より少量の燃料で安定した燃焼をもたらすことができる最適な酸素ガス供給および燃料噴射の終了時期を、予め実行された解析や試験などから得られたデータに基づいてマップ化し該マップをＥＣＵ２５のメモリーに格納しておき、該マップに基づき圧縮行程後半において酸素ガス供給および燃料噴射を実行することで、より少量の燃料で安定した燃焼をもたらすことができ、排気エミッションおよび燃費の更なる向上を図ることを可能とする。
【００７９】
図３は、予め実行された解析や試験などから得られたデータに基づいて作成された、最適な酸素ガス供給および燃料噴射の終了時期のマップの一実施形態を示す図である。本実施形態においては、最適な酸素ガス供給および燃料噴射の終了時期は同時期に制御されるものとする。図３に示されるマップにおいては、最適な酸素ガス供給および燃料噴射の終了時期が、機関回転数および機関負荷に応じて決定され、上死点前（ＢＴＤＣ）角度をパラメータとして示されている。本マップを使用する酸素ガス供給制御および燃料噴射制御においては、機関回転数検出手段２１およびアクセル開度検出手段２２などからの検出情報に基づいて機関回転数および機関負荷がＥＣＵ２５にて特定され、ＥＣＵ２５のメモリーに格納された本マップに基づいて最適な酸素ガス供給および燃料噴射の終了時期が算出され、算出された最適な酸素ガス供給および燃料噴射の終了時期を満たすべくＥＣＵ２５にて酸素供給装置５および燃料噴射装置４が制御される。
【００８０】
更に、本実施形態においては、内燃機関始動直後から触媒温度が触媒活性温度に達するまでの間、内燃機関が理論空燃比にて運転されるように、フィードバック制御が行われる。該フィードバック制御は、具体的には、内燃機関本体１と触媒７との間の排気系に配置されたＡ／Ｆセンサー８の検出情報に基づいて、酸素供給装置５による酸素ガス供給量および燃料噴射装置４よる燃料噴射量がＥＣＵ２５により適当にフィードバック制御されることで実行される。これにより、より確実な燃焼室２内でのＥＧＲガス中のＣＯおよびＨＣの再燃焼をもたらすことができ、排気エミッションの向上を図ることを可能とする。
【００８１】
以上述べてきたステップ１０１からステップ１１１までの制御ルーチンは、内燃機関始動直後から触媒温度が触媒活性温度に達するまで繰り返し実行され、ステップ１０５において、触媒温度検出手段２３からの検出情報に基づいて触媒温度が触媒活性温度以上となったことがＥＣＵ２５にて確認されると、続くステップ１１２およびステップ１１３に進み、背圧制御バルブ１５が弁全開制御されるようにＥＣＵ２５により制御され、これにより、触媒温度が触媒活性温度以上となった以後、排気再循環量制御バルブ１２の弁制御のみによる通常のＥＧＲ制御の実行を可能とする。
【００８２】
図４は、本排気浄化装置が適用された図１に示す内燃機関で実行される、触媒暖機後の排気浄化処理の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。
【００８３】
排気浄化触媒の下流側の排気系に配設され吸気系に再循環させる排気の割合を制御する背圧制御バルブ１５を有することなく吸気系と排気系との差圧のみにより排気を吸気系に再循環するＥＧＲ装置を備える内燃機関の排気浄化装置においては、高負荷運転時には吸気系の負圧が減少するためにＥＧＲガスを大量に燃焼室内に導入することは困難である。また、過給機を有さない内燃機関においては、過給機を有する内燃機関と比較して燃焼室内に供給できる酸素量は少なく、出力可能な最大トルクは小さい。しかしながら、背圧制御バルブ１５が配設され且つ酸素供給装置５を有する本発明の排気浄化装置によれば、高負荷運転時においても大量のＥＧＲガスを燃焼室内に供給することができ、また、新気のみにより酸素を供給する場合と比較して、より多くの酸素を燃焼室内に供給することができる。
【００８４】
図４に示す制御ルーチンにおいては、このような特徴を有効に生かし、特に触媒暖機後すなわち触媒温度が触媒活性温度を越えた後における燃費及び排気エミッションの改善を図り、更に、過給機を備えることなく高出力化を図るような制御がなされる。尚、触媒暖機前すなわち内燃機関始動直後から触媒７の温度が触媒活性温度に達する前までの制御について図２に示される制御ルーチンと同様の制御が実行される。
【００８５】
具体的には、触媒暖機前までの間においては、図２に示される制御ルーチンと同様に、排気系の触媒７の後方より排出される排気の略全量を吸気系に戻し、酸素供給装置５により酸素ガスを付加し排気中のＣＯ及びＨＣを再燃焼させ、排気エミッションの改善を図る。そして、触媒暖機後においては、要求トルクによって運転条件が切換えられる。本制御ルーチンでは、触媒暖機後であっても、内燃機関本体１から排出された排気を吸気系に再循環させつつ空気中の酸素のみで要求トルクを満たすことができるようなトルク領域においては、燃焼が悪化しないような範囲で背圧制御バルブ１５によりＥＧＲガスを燃焼室２内に導入することで、燃費及び排気エミッションの改善を図ることを可能とする。更に、触媒暖機後、空気中の酸素のみではもたらすことができない様な高トルクが要求された場合であっても、燃焼室２内へのＥＧＲガスの導入を停止した上で、酸素供給装置５により不足する量の酸素ガスを供給することで、要求トルクをもたらすことを可能とする。
以下に各ステップの詳細について説明する。
【００８６】
まず、ステップ２１１においては、触媒温度検出手段２３からの検出情報に基づいて触媒温度が触媒活性温度以上であるか否かの判定がＥＣＵ２５にてなされる。そして、触媒温度が触媒活性温度以上であることが確認されると続くステップ２１２に進む。
【００８７】
ステップ２１２においては、アクセル開度に基づいて要求トルク及び必要酸素量が算出される。具体的には、アクセル開度検出手段２２からの検出情報がＥＣＵ２５に取り込まれ、アクセル開度に応じた要求トルクが算出され、該要求トルクを実現するために必要な燃焼室２内への導入すべき必要酸素量が算出される。これらが算出されると、続くステップ２１３に進む。
【００８８】
ステップ２１３においては、ステップ２１２にて算出された必要酸素量を、空気中の酸素のみで賄えるか否か、すなわちスロットルバルブ１９による新気の導入のみにより、必要酸素量を満たすことができるか否かがＥＣＵ２５にて判定される。図５は、機関回転数と要求トルクとに基づいて必要酸素量を空気中の酸素のみで賄えるか否かを判定するマップの一実施形態を示す図である。本実施形態においては、機関回転数と要求トルクとに基づいて必要酸素量を空気中の酸素のみで賄えるか否かは、図５に示すマップを使用して判定される。具体的には、機関回転数と要求トルクとのそれぞれが図５に示された領域Ｉにあるときには、必要酸素量を空気中の酸素のみで賄えるものとして判定され、領域IIにあるときには、必要酸素量を空気中の酸素のみで賄えないものとして判定される。尚、図５に示すマップは、試験評価や解析評価などにより予め作成されＥＣＵ２５のメモリーなどに格納されているものである。ステップ２１３において、要求トルクをもたらすために必要な酸素量を空気中の酸素のみで賄えると判定されると、続くステップ２１４に進む。
【００８９】
ステップ２１４においては、ＥＣＵ２５にて、ステップ２１２で算出された必要酸素量を確保できるスロットルバルブ１９の開度が算出され、また、燃料消費の観点から最適となるようなＥＧＲガス量が決定される。そして、該ＥＧＲガス量を実現すべく、吸気圧センサー２０から検出された吸気圧と背圧センサー９から検出された背圧とに基づいて、背圧制御バルブ１５の開度及び排気再循環量制御バルブ１２の開度が決定される。そして、燃焼室２内に新気及びＥＧＲガスが導入される。
【００９０】
ステップ２１４に続くステップ２１５においては、ＥＧＲガスの導入により燃焼室内の燃焼が悪化していないか否かの判定がなされる。この判定は、燃焼圧センサー２４の検出値に基づいて燃焼室２内の燃焼変動が所定値よりも大きいか否かの判定がＥＣＵ２５にてなされることで行われる。
【００９１】
ステップ２１５において燃焼室２内の燃焼が悪化していると判定されると、続くステップ２１６に進み、ＥＣＵ２５にて排気再循環量制御バルブ１２が一定量閉弁される。これにより燃焼室２内に導入されるＥＧＲガス量を減少させることができ、燃焼室２内の燃焼を改善し安定させることが可能となる。ステップ２１６にて排気再循環量制御バルブ１２が一定量閉弁された後に、ステップ２１５に戻り、再び、燃焼室２内の燃焼が悪化していないか否かの判定がなされる。本ステップ２１６における排気再循環量制御バルブ１２の一定量のステップ幅の閉弁制御は、ステップ２１５において燃焼室２内の燃焼が悪化していないと判定されるまで繰り返し実行される。尚、排気再循環量制御バルブ１２を閉弁制御する際の一定量の閉弁量のステップ幅は、内燃機関の設計仕様に応じて予め適当に決定されるものである。
【００９２】
ステップ２１５にて燃焼２内の燃焼が悪化していないと判定されと、ステップ２１７に進む。ステップ２１７においては、内燃機関が所望の空燃比に運転されるように、本実施形態においては理論空燃比で運転されるように、燃料噴射量の補正が実行される。具体的には、内燃機関本体１と触媒７との間の排気系に配置されたＡ／Ｆセンサー８の検出情報に基づいて、燃料噴射装置４よる燃料噴射量がＥＣＵ２５によりフィードバック制御されることで実行される。
【００９３】
以上のようなステップ２１２からステップ２１７の制御ルーチンによれば、触媒暖機後であっても、内燃機関本体１から排出された排気を吸気系に再循環させつつ空気中の酸素のみで要求トルクを満たすことができるようなトルク領域においては、燃焼が悪化しないような範囲で背圧制御バルブ１５によりＥＧＲガスを燃焼室２内に導入することで、燃費及び排気エミッションの改善を図ることを可能とする。
【００９４】
更に、本実施形態の制御ルーチンにおいては、ステップ２１３において、アクセル開度に基づいて算出された要求トルクをもたらすために必要な酸素量を空気中の酸素のみで賄えないと判定されると、続くステップ２１８及びステップ２１９に進み、排気再循環量制御バルブ１２が閉弁され、燃焼室２内へのＥＧＲガスの供給が停止され、要求トルクをもたらすために必要な酸素量を燃焼室２内に供給すべく、空気中の酸素だけでは不足する量の酸素ガスを酸素供給装置５により供給し、燃焼室２に供給された酸素量に応じた量の燃料噴射が実行される。これにより、触媒暖機後、空気中の酸素のみではもたらすことができない様な高トルクが要求トルクとされた場合であっても、該要求トルクをもたらすことが可能となる。
【００９５】
図６は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第二の実施形態の概略構成を示す図である。図６に示された第二の実施形態の排気浄化装置においては、排気再循環通路１１に二酸化炭素吸蔵装置３０が配設されていること、また、酸素供給装置５が酸素ガスを燃焼室２内に直接ではなく吸気系１６に供給するように構成されていることを除いては、図１に示される第一の実施形態の排気浄化装置の構成と同様である。上述したように、酸素供給装置５の配置については、基本的には、吸気系に再循環された排気中に酸素ガスを供給できるように構成配置されていれば、大量の排気が吸気系に再循環された際に、より多くの量の排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させることができ、どのような位置に配置されてもよく、図１に示す第一の実施形態と同様に、酸素供給装置５は、燃焼室２内に酸素ガスを直接供給できるように構成配置されてもよい。
【００９６】
本発明に係る排気浄化装置においては、上述したように、吸気系に再循環されるＥＧＲガス中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させるべく、酸素供給装置５によりＥＧＲガス量の約２１％に当たる酸素ガスを付加供給するため、内燃機関始動直後から触媒７が触媒活性温度に達するまでの間を通して内燃機関本体１から排出された排気の全てをＥＧＲガスとして吸気系に再循環させるようにした場合、ＥＧＲガスが吸気系に再循環される毎に、ＥＧＲガス量が約２１％ずつ増加することになる。排気再循環通路１１にインタークーラー１３およびＨ2Ｏ除去タンク１４を備えることで、ＥＧＲガス中のＨ2Ｏを液化して除去することができ、ＥＧＲガスが排気再循環通路１１を通過している間にＥＧＲガス量を減少させることで、上述したような酸素供給装置５による酸素ガス付加によりもたらされるＥＧＲガス量の増加を抑制することができる。しかしながら、ＥＧＲガス中のＨ2Ｏ成分は比較的少なく（約１０％程度）であることが想定され、上述したような酸素ガス供給装置５による酸素ガス付加によりもたらされるＥＧＲガス量の増加を抑制するには十分とは言えない。
【００９７】
そこで、図６に示す第二の実施形態においては、ＥＧＲガス量の増加を更に抑制すべく、インタークーラー１３およびＨ2Ｏ除去タンク１４に加えて、二酸化炭素吸蔵装置３０を排気再循環通路１１に配設する。該二酸化炭素吸蔵装置３０は、ＥＧＲ装置１０により吸気系１６に再循環される排気中の二酸化炭素を吸収あるいは吸着により吸蔵する二酸化炭素吸蔵手段としての役割を果すものである。
【００９８】
本実施形態においては、例えばジルコニウム酸リチウム（Ｌｉ２ＺｒＯ３）等のような二酸化炭素吸蔵材を構成要素として有する二酸化炭素吸蔵装置３０が適用される。ジルコニウム酸リチウムは、低温時に二酸化炭素を吸蔵し、高温時に二酸化炭素を放出することが知られている。従って、ジルコニウム酸リチウム（Ｌｉ２ＺｒＯ３）のような二酸化炭素吸蔵材を構成要素として有する二酸化炭素吸蔵装置３０によれば、機関冷間始動時のような排気温度が低い際に、排気中に約１５％程度含有していると考えられる二酸化炭素を吸蔵することができ、酸素供給装置５による酸素ガス付加供給によりもたらされるＥＧＲガス量の増加を抑制することが可能となる。そして、もし、排気中のＨ２Ｏ成分及び二酸化炭素を完全に除去あるいは吸蔵することができれば、酸素供給装置５による酸素ガス付加供給がなされた場合においても基本的にはＥＧＲガス量は増加しないため、背圧制御バルブ１５及びスロットルバルブ１９を全閉にした状態でＥＧＲガスを再循環させることができ、更なる排気エミッションの改善を図ることが可能となる。
【００９９】
図７は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第三の実施形態の概略構成を示す図である。図７に示された第三の実施形態の排気浄化装置においては、触媒系暖機通路４０及び触媒系暖機通路切り替えバルブ４３とが配設されていること、また、酸素供給装置５が酸素ガスを燃焼室２内に直接ではなく吸気系１６に供給するように構成されていることを除いては、図１に示される第一の実施形態の排気浄化装置の構成と同様である。上述したように、酸素供給装置５の配置については、基本的には、吸気系に再循環された排気中に酸素ガスを供給できるように構成配置されていれば、大量の排気が吸気系に再循環された際に、より多くの量の排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させることができ、どのような位置に配置されてもよく、図１に示す第一の実施形態と同様に、酸素供給装置５は、燃焼室２内に酸素ガスを直接供給できるように構成配置されてもよい。
【０１００】
触媒７及び該触媒７よりも上流側の排気通路は、通常外気にさらされているために、排気が触媒７に到達するまでに冷やされてしまう場合がある。この問題を解決する手段として、触媒７及び該触媒７よりも上流側の排気通路を何らかの方法で温めることが考えられる。しかしながら、特別なヒータ等の熱源を有しない場合においては、排気の有する熱のみが有効な熱源となる。一方で、ＥＧＲガスの温度が高い場合、ＥＧＲガス中のＨ２Ｏ成分を除去しにくく、酸素供給装置５による酸素ガス付加によりもたらされるＥＧＲガス量の増加を抑制するという観点において、ＥＧＲガスの温度は低いことが好ましい。
【０１０１】
このことに基づいて、図７に示す第三の実施形態においては、内燃機関の始動直後から触媒温度が触媒活性温度に達するまでの間、触媒７から流出した排気を触媒７の周囲に循環させてから排気循環通路１１に導く排気迂回手段が配設される。該排気迂回手段は、触媒系暖機通路４０と触媒系暖機通路切り替えバルブ４３とを有して構成される。触媒系暖機通路４０は、機関冷間時に触媒７及び該触媒７よりも上流側の排気通路を暖機するとともに、ＥＧＲガスの温度を下げる役割を果すものであり、触媒７と該触媒７よりも上流側の排気通路を取り巻く様に構成される。また、触媒系暖機通路切り替えバルブ４３は、排気再循環通路１１に配設されたインタークーラー１３の手前に（すなわちＥＧＲガスが流入側に）配設され、触媒暖機前において、触媒７から流出した排気を触媒系暖機通路４０を介して排気再循環通路１１に導く役割を果すものである。
【０１０２】
図７の触媒系暖機通路４０内に示された矢印は、背圧制御バルブ１５及び触媒系暖機通路切り替えバルブ４３が全閉された際の排気の流れを示す。図７の矢印に示されるように、背圧制御バルブ１５及び触媒系暖機通路切り替えバルブ４３を全閉することで、触媒７から流出した排気を、直接的にインタークーラー１３に流入させることなく、触媒系暖機通路の往路４１及び復路４２を通過させてからインタークーラー１３に流入させることができる。図７から理解されるごくと、触媒系暖機通路４０は、触媒７と該触媒７の上流側の排気通路を取り巻くように構成されており、排気を触媒系暖機通路４０に流すことで排気の熱により触媒７及び該触媒７よりも上流側の排気通路を暖機することができる。また、排気の熱は、触媒７及び該触媒７よりも上流側の排気通路を暖機する際に奪われるため、インタークーラー１３に流入されるＥＧＲガスの温度を低下させることができる。
【０１０３】
本排気浄化装置が適用された図７に示す内燃機関で実行される、始動直後の機関冷間時おける排気浄化処理の制御ルーチンは、以下の点を除いて図２に示される制御ルーチンと同様である。すなわち、図２に示す制御ルーチンのステップ１０５において、触媒温度が触媒活性温度に達していないと判定された場合においては、触媒系暖機通路切り替えバルブ４３を全閉することで、排気の熱により触媒７及び該触媒７よりも上流側の排気通路を暖機することができ、また、インタークーラー１３に流入されるＥＧＲガスの温度を低下させることができる。これにより、触媒７の暖機性の向上を図ることが可能になるとともに、インタークーラー１３の効果も合わせてＨ２Ｏ除去タンク１４にてＥＧＲガス中のＨ２Ｏ成分の除去を容易とすることが可能となる。また、図２に示す制御ルーチンのステップ１０５において、触媒温度が触媒活性温度に達している判定された場合においては、触媒系暖機通路切り替えバルブ４３が全開とされる。
【０１０４】
図８は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第四の実施形態の概略構成を示す図である。図８に示された第四の実施形態の排気浄化装置においては、水電気分解装置５０、酸素タンク５１及び水素タンク５２が配設されていること、また、酸素供給装置５が酸素ガスを燃焼室２内に直接ではなく吸気系１６に供給するように構成されていることを除いては、図１に示される第一の実施形態の排気浄化装置の構成と同様である。上述したように、酸素供給装置５の配置については、基本的には、吸気系に再循環された排気中に酸素ガスを供給できるように構成配置されていれば、大量の排気が吸気系に再循環された際に、より多くの量の排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させることができ、どのような位置に配置されてもよく、図１に示す第一の実施形態と同様に、酸素供給装置５は、燃焼室２内に酸素ガスを直接供給できるように構成配置されてもよい。
【０１０５】
本発明に係る排気浄化装置においては、上述したように、内燃機関始動直後から触媒温度が触媒活性温度に達するまでの間を通して、吸気系に再循環されるＥＧＲガス中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させるべく、酸素供給装置５によりＥＧＲガス量の約２１％に当たる酸素ガスを付加供給する。そのため、酸素供給装置５は、より多くの酸素ガスを供給することができるように構成されることが好ましい。また、燃焼室２内に大量のＥＧＲガスが導入された場合にはＥＧＲガス中の二酸化炭素量に起因して燃焼速度が低下し燃焼が不安定になりやすいが、このことを改善する一手段として、水素ガスを吸気系に供給することで燃焼を改善させることが考えられる。
【０１０６】
このことに基づいて、図８に示す第四の実施形態においては、インタークーラー１３により液化されたＨ２Ｏ成分であってＨ２Ｏ除去タンク１４に貯蔵され除去されるＨ２Ｏ成分を電気分解して酸素成分と水素成分とを生成し、生成された酸素成分を酸素供給装置５に供給し、生成された水素成分を吸気系１６に供給する水電気分解手段が配設される。該水電気分解手段は、水電気分解装置５０と酸素タンク５１と水素タンク５２とを有して構成される。水電気分解装置５０は、Ｈ２Ｏタンク１４に貯蔵された水分を吸引して、該水分から電気分解により酸素成分と水素成分とを生成し、生成した酸素成分を酸素タンク５１へ、また生成した水素成分を水素タンク５２へと供給する役割を果すものである。そして、水素タンク５２は、水電気分解装置５０により生成され供給された水素成分を貯蔵しまた必要に応じて水素ガスとして吸気系１６に供給する役割を果すように構成されるものである。尚、酸素タンク５１は、水電気分解装置５０により生成され供給された酸素成分を貯蔵しまた必要に応じて酸素ガスとして吸気系に供給する役割を果すように構成されるものであり、本実施形態においては、酸素供給装置５の一構成要素として構成される。
【０１０７】
このように構成された水電気分解装置５０、酸素タンク５１及び水素タンク５２を有する図８に示す第四の実施形態の排気浄化装置によれば、触媒暖機前すなわち内燃機関始動直後から触媒温度が触媒活性温度に達するまでの間において、排気の大部分をＥＧＲガスとして吸気系に再循環させてＥＧＲガス中のＣＯ及びＨＣを再燃焼させる際に、Ｈ２Ｏ除去タンク１４に貯蔵された水分を水電気分解装置５０により電気分解して酸素成分と水素成分とを生成することができる。そして、生成された酸素成分を酸素タンク５１に供給することで、酸素成分を補充することができ、酸素消費量の低減を図ることが可能となる。また、生成された水素成分を水素タンク５２を介して吸気系１６に供給することができ、燃焼室２内の燃焼を改善することが可能となる。尚、本排気浄化装置が適用された図８に示す内燃機関で実行される、機関始動直後の機関冷間時おける排気浄化処理の制御ルーチンは、図２に示される制御ルーチンと同様である。
【０１０８】
図９は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第五の実施形態の概略構成を示す図である。図９に示された第五の実施形態の排気浄化装置においては、酸素濾過装置６０、酸素タンク６１及び酸素ガス通路切替え装置６２が配設されていること、また、酸素供給装置５が酸素ガスを燃焼室２内に直接ではなく吸気系１６に供給するように構成されていることを除いては、図１に示される第一の実施形態の排気浄化装置の構成と同様である。上述したように、酸素供給装置５の配置については、基本的には、吸気系に再循環された排気中に酸素ガスを供給できるように構成配置されていれば、大量の排気が吸気系に再循環された際に、より多くの量の排気中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させることができ、どのような位置に配置されてもよく、図１に示す第一の実施形態と同様に、酸素供給装置５は、燃焼室２内に酸素ガスを直接供給できるように構成配置されてもよい。
【０１０９】
上述したように、背圧制御バルブ１５が配設され且つ酸素供給装置５を有する本発明の排気浄化触媒装置では、内燃機関始動直後から触媒温度が触媒活性温度に達するまでの触媒暖機前においては、吸気系に再循環されるＥＧＲガス中のＣＯおよびＨＣを再燃焼させるために、また、触媒温度が触媒活性温度を越えた後の触媒暖機後においては、空気中の酸素のみではもたらすことができない様な高トルクが要求された場合であって該要求トルクをもたらすために、酸素供給装置５による酸素ガスの供給がなされる場合がある。このように、触媒暖機前及び触媒暖機後の両方において酸素供給装置５による酸素ガスの供給が必要となる場合には、酸素ガスの消費量は極めて大きいものとなり、酸素供給装置５への酸素ガスの補充作業が頻繁に必要となる。
【０１１０】
このことに基づいて、図９に示す第五の実施形態においては、酸素供給装置５が、大気中の空気から高濃度酸素ガスを生成し該高濃度酸素ガスを吸気系１６に供給する酸素濾過手段となる酸素濾過装置６０と、予め加圧され圧縮された高濃度酸素ガスを貯留し該高濃度酸素ガスを吸気系１６に供給する酸素タンク６１と、触媒温度に基づいて吸気系１６への高濃度酸素ガスの供給源として酸素濾過装置６０と酸素タンク６１とのどちらか一方を選択する切替え手段となる酸素ガス通路切替え装置６２とを有して構成される。酸素濾過装置６０は、本実施形態においては、酸素濾過膜を有し、該濾過膜により大気中の空気から高濃度酸素ガスを生成し該高濃度酸素ガスを吸気系１６に供給する役割を果すように構成されるものである。酸素タンク６１は、本実施形態においては、例えば予め加圧され圧縮された酸素ガスのみを封入した酸素ボンベのようなものであって、該加圧され圧縮された酸素ガスを吸気系に供給する役割を果すように構成されたものである。尚、酸素濾過装置６０及び酸素タンク６１は、酸素ガスを吸気系１６を介することなく燃焼室２に直接供給するように構成されてもよい。酸素ガス通路切替え装置６２は、吸気系１６への酸素ガスの供給源の切り替えを実行する、すなわち、吸気系１６への酸素ガスの供給源として酸素濾過装置６０と酸素タンク６１とのどちらか一方を選択する役割を果すように構成されるものである。本実施形態においては、酸素濾過装置６０、酸素タンク６１及び酸素ガス通路切替え装置６２は、酸素供給装置５の一構成要素として構成される。
【０１１１】
このように構成された酸素濾過装置６０、酸素タンク６１及び酸素ガス通路切替え装置６２を有する図９に示す第五の実施形態の排気浄化装置によれば、酸素濾過装置６０及び酸素タンク６１のどちらか一方しか有さないものと比較して、より多くの酸素ガスを補充作業を必要することなく長期間にわたり供給することができ、触媒暖機前から触媒暖機後にわたり必要に応じて、より確実に酸素ガスを供給することが可能となる。
【０１１２】
本排気浄化装置が適用された図９に示す内燃機関で実行される、始動直後の機関冷間時おける排気浄化処理の制御ルーチンは、以下の点を除いて図２に示される制御ルーチンと同様である。すなわち、図２に示す制御ルーチンのステップ１０５において、触媒温度が活性温度に達していないと判定された場合においては、酸素ガス通路切り替え装置６２により酸素タンク６１から酸素ガスが吸気系１６に供給されるように制御される。また、図２に示す制御ルーチンのステップ１０５において、触媒温度が活性温度に達していると判定された場合においては、酸素ガス通路切り替え装置６２により酸素濾過装置６０から酸素ガスが必要に応じて吸気系１６に供給されるように制御される。尚、このような制御は、酸素タンク６１から供給される酸素ガス濃度が酸素濾過装置６０から供給される酸素ガス濃度よりも高いものであるとして、より多くの酸素ガスの供給が必要であると考えられる触媒暖機前においては酸素タンク６１から酸素ガスを供給するものとした。しかしながら、これに限定されることはなく、酸素濾過装置６０及び酸素タンク６１のそれぞれから供給される酸素ガスの濃度や必要とされる酸素ガス量などに応じて、酸素ガス通路切替え装置６２により適当に酸素ガス供給源が切換えられてもよい。このように酸素濾過装置６０および酸素タンク６１の二つの酸素ガス供給源を有することで、酸素濾過手段あるいは酸素タンクのどちらか一方しか有さないものと比較して、より多くの酸素ガスを補充作業を必要することなく長期間にわたり吸気系に供給することができ、触媒暖機前から触媒暖機後にわたり必要に応じて、より確実に酸素ガスを吸気系に供給することを可能とする。尚、酸素ガス通路切り替え装置６２により酸素濾過装置６０から酸素ガスが吸気系に供給されるように制御された後の、触媒暖機後の排気浄化処理の制御は図４に示された制御ルーチンのように制御されてもよい。
【０１１３】
以上、本発明の排気浄化装置によれば、内燃機関始動直後の排気浄化触媒の浄化性能が期待できない機関冷間時において、排気浄化触媒よりも下流の排気系の排気のほぼ全量を吸気系に戻して、該排気中に少なくとも通常の空気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給することで、該排気中の有害成分となるＣＯおよびＨＣを再燃焼させ、排気エミッションの改善を図ることが可能となる。更に、例えば高負荷運転時においてもＥＧＲガスを燃焼室内に供給することができ、また、新気のみにより酸素を供給する場合と比較して、より多くの酸素を燃焼室内に供給することができる本発明の排気浄化装置によれば、触媒暖機後すなわち触媒温度が触媒活性温度を越えた後においても、必要に応じて背圧制御バルブ１５や酸素供給装置５などを適当に制御することにより、燃費及び排気エミッションの改善を図り、更に、過給機を備えることなく高出力化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第一の実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】本排気浄化装置が適用された図１に示す内燃機関で実行される、始動直後の機関冷間時おける排気浄化処理の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。
【図３】予め実行された解析や試験などから得られたデータに基づいて作成された、最適な酸素ガス供給および燃料噴射の終了時期のマップの一実施形態を示す図である。
【図４】本排気浄化装置が適用された図１に示す内燃機関で実行される、触媒暖機後の排気浄化処理の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。
【図５】機関回転数と要求トルクとに基づいて必要酸素量を空気中の酸素のみで賄えるか否かを判定するマップの一実施形態を示す図である。
【図６】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第二の実施形態の概略構成を示す図である。
【図７】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第三の実施形態の概略構成を示す図である。
【図８】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第四の実施形態の概略構成を示す図である。
【図９】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第五の実施形態の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１    内燃機関本体
２    燃焼室
３    点火装置
４    燃料噴射装置
５    酸素供給装置
６    排気系
７    三元触媒
８    Ａ／Ｆセンサー
９    背圧センサー
１０    ＥＧＲ装置
１１    排気再循環通路
１２    排気再循環量制御バルブ
１３    インタークーラー
１４    Ｈ2Ｏ除去タンク
１５    背圧制御バルブ
１６    吸気系
１７    サージタンク
１８    エアフローメータ
１９    スロットルバルブ
２０    吸気圧センサー
２１    機関回転数検出手段
２２    アクセル開度検出手段
２３    触媒温度検出手段
２４    燃焼圧センサー
２５    ＥＣＵ
【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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【図８】
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【図９】
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