(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン排気通路に窒素酸化物還元触媒を備えたディーゼルエンジンにおいて、
運転状態を検出する検出手段と、
エンジンの膨張比を可変制御する膨張比可変手段と、
エンジン運転状態が排気温度制御域の場合には、排気温度が前記窒素酸化物還元触媒の活性化温度域に入るように膨張比を制御し、前記排気温度制御域よりも低回転低負荷、高負荷又は高回転の場合には、膨張比を一定にする制御手段と
を備え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】
前記制御手段は、エンジン運転状態が排気温度制御域の場合であって、低速低負荷側のときには膨張比を小さくし、高速高負荷側のときには膨張比を大きくする
ことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
前記膨張比可変手段は、排気弁の開時期を進遅させる可変動弁機構により構成した
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
前記制御手段は、窒素酸化物還元触媒の入口排気温度を４５０±５０℃の範囲の排気温度制御域に制御するように構成した
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項５】
上記排気温度制御域よりもエンジン負荷およびエンジン回転数の低い運転域では低温予混合燃焼を行わせるように構成した
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項６】
コモンレール噴射系を備え、
上記排気温度制御域内にてコモンレール噴射系を介してアフターインジェクションを行うように構成した
ことを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項７】
アフターインジェクションの噴射量を、排気中の未燃燃料成分との総和が運転状態によらず略一定となるように制御する
ことを特徴とする請求項６に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項８】
アフターインジェクションの噴射時期を、排気弁の開時期に対応するように進遅させる
ことを特徴とする請求項６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】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン排気通路に希薄空燃比域にて使用可能な窒素酸化物還元触媒（以下ＮＯｘ触媒という。）を備えたディーゼルエンジンの排気浄化装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
エンジン排気中の窒素酸化物の浄化に有効なＮＯｘ触媒の転換効率は、温度、雰囲気（排気中のＨＣ濃度）によって変化し、特に排気温度による性能差が大きく、具体的には転換効率の高い領域は５０〜１００℃のごく狭い領域に限られる。そのため、運転範囲が広く回転数や負荷の変動が激しい乗用車用ディーゼルエンジン等では転換効率を高く維持することが困難であり、浄化領域を広げるためには例えば低温用、高温用といった複数の触媒を装着する必要がある。（ＮＯｘ触媒を装備したディーゼルエンジンの公知文献としては、例えば特開平７−１９０３１号公報がある。）
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたもので、排気温度をＮＯｘ触媒の転換効率の高い温度域に制御して効率よく排気を浄化することを目的としている。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明では、エンジン排気通路に窒素酸化物還元触媒を備えたディーゼルエンジンにおいて、運転状態を検出する検出手段と、エンジンの膨張比を可変制御する膨張比可変手段と、エンジン運転状態が排気温度制御域の場合には、排気温度が前記窒素酸化物還元触媒の活性化温度域に入るように膨張比を制御し、前記排気温度制御域よりも低回転低負荷、高負荷又は高回転の場合には、膨張比を一定にする制御手段とを備えた。
請求項２の発明は、上記請求項１の発明の制御手段を、エンジン運転状態が排気温度制御域の場合であって、低速低負荷側のときには膨張比を小さくし、高速高負荷側のときには膨張比を大きくするように構成した。
【０００４】
請求項３の発明は、上記請求項１，２の発明の膨張比可変手段を、排気弁の開時期を進遅させる可変動弁機構により構成した。
【０００５】
請求項４の発明は、上記請求項１，２の発明の制御手段を、窒素酸化物還元触媒の入口排気温度を４５０±５０℃の範囲の排気温度制御域に制御するように構成した。
【０００６】
請求項５の発明は、上記請求項１，２の発明において、その排気温度制御域よりもエンジン負荷およびエンジン回転数の低い運転域では低温予混合燃焼を行わせるように構成した。
【０００７】
請求項６の発明は、上記請求項１ないし５の発明において、コモンレール噴射系を備え、上記排気温度制御域内にてコモンレール噴射系を介してアフターインジェクションを行うように構成した。
【０００８】
請求項７の発明は、上記請求項６の発明において、アフターインジェクションの噴射量を、排気中の未燃燃料成分との総和が運転状態によらず略一定となるように制御するようにした。
【０００９】
請求項８な発明は、上記請求項６の発明において、アフターインジェクションの噴射時期を、排気弁の開時期に対応して設定するようにした。
【００１０】
【作用・効果】
上記請求項１，２以下の各発明によれば、エンジンの膨張比を制御することで排気温度を幅広い運転域でＮＯｘ触媒の活性化温度域に維持することができ、すなわちＮＯｘを還元できる運転域が拡大するので、ＮＯｘの排出量を大幅に低減することができる。
【００１１】
請求項３の発明に示したように膨張比は排気弁の開時期を可変とする可変動弁機構により実現できる。
【００１２】
ＮＯｘ触媒への排気温度は請求項４の発明に示したように４５０±５０℃の範囲内に制御することにより効果的なＮＯｘ低減が可能である。
【００１３】
請求項５の発明に示したように、排気温度を触媒活性化温度に制御しない比較的負荷および回転数の低いエンジン運転領域では低温予混合燃焼を行わせることにより、当該運転領域でのＮＯｘをも低減して、総合的に排気浄化性能をより向上させることができる。
【００１４】
請求項６の発明に示したように、コモンレール噴射系を備えてアフターインジェクションを実施することにより、触媒に流入する排気中の未燃ＨＣ濃度を触媒活性濃度域に維持することが可能となり、これにより一層の排気浄化を図ることができる。このとき、アフターインジェクションの噴射量は、請求項７の発明に示したように、排気中の未燃ＨＣ量が略一定となるように図ることが望ましい。また、アフターインジェクションの噴射時期は、排気弁の開時期に対応して設定することが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は実施形態の機械的構成例を示したもので、図中１０はエンジン本体、１１は吸気通路、１２は排気通路、１３は燃料噴射ポンプ、１４は排気弁の開時期を可変制御する可変動弁機構、１５はＮＯｘ触媒である。排気通路１２と吸気通路１１の間には排気還流通路１６及び排気還流制御弁１７が設けられている。
【００１６】
可変動弁機構１４は、図２に例示したように各排気弁２０を閉弁方向に付勢するバルブスブリング２１が取付けられると共に、各排気弁２０の上端にピストン２３が設けられており、このピストン２３が油圧室２２に作用する作動油圧によりバルブスプリングに抗して下降し排気弁２０を開作動させる。オイルポンプ２４から吐出される作動油は、アキュムレータ２５から入口側電磁切換弁２６，２７を介して油通路２８，２９に選択的に供給される。この作動油は、ロータリーバルブ３０、３１を介して各気筒の排気弁２０を点火順序に従って開作動させる。図は直列４気筒機関であるので、例えば＃１−＃３−＃４−＃２の順で排気行程時に各排気弁２０が開き作動するようにロータリーバルブ３０または３１を介して油圧経路が切り換えられる。
【００１７】
エンジン運転状態を検出する手段として、エンジン回転数を検出する回転センサ３６（図１に示す）とエンジン負荷を検出するアクセル開度センサ３７とが設けられ、これらからの信号に基づき制御手段としてのコントロールユニット１８が入口側電磁切換弁２６，２７（図２に示す）の切換タイミングつまり排気バルブ２０の開時期を運転状態に応じた所定の時期となるように制御する。
【００１８】
次に上記構成下での制御例につき説明する。図３に排気弁開時期と排気温度の関係を示す。なお排気弁開時期の基準は排気行程の下死点（ＢＤＣ）を基準としている。図示したように、排気温度は排気弁開時期を進めるほど高くなり、遅らせるほど低くなる。そこで、図４に示したように中速・中負荷の領域で排気温度がＮＯｘ触媒の活性温度（例えば約４５０℃）となる運転点を中心として、排気弁開時期ＥＶＯをその初期値Ｘに対して排気温度が低くなる低速・低負荷側では最大限２５度（クランク角度、以下同様。）まで進め、排気温度が高くなる高速・高負荷側では最大限２５度まで遅らせるようにしている。この排気温度制御領域以外ではＥＶＯ＝Ｘに固定である。また、本実施形態では、前記排気温度制御領域よりも負荷および回転数の低い運転領域では低温予混合燃焼をさせることによりＮＯｘの発生を抑制している。
【００１９】
このようにして排気弁開時期を進遅させて排気温度が広い運転範囲にわたってＮＯｘ触媒の活性化温度域の中に入るように制御することにより（図５太線参照）、ＮＯｘ触媒の転換効率を広い運転域にわたって高く維持できるためＮＯｘの発生を効率よく抑制することができる。図６を参照すると、低温予混合燃焼のみでは、低温予混合燃焼領域のＮＯｘ排出量は効果的に低減されるもののそれ以外の領域でのＮＯｘ量の割合は９０％以上となっている。この９０％のＮＯｘを排出する領域は、排気還流ガス温度が高温となり、低温予混合燃焼の条件である着火遅れ期間が確保できない比較的高負荷の領域（本案の排気温度制御領域）にあたる。ここで、従来の高温用ＮＯｘ触媒を装着すると、図示するように活性化温度域は極く僅かであるため、この活性化領域に含まれる運転領域は僅かに限られてしまい、したがってＮＯｘ低滅効果は小さい。これに対して本実施形態では、図６から分かるように、上述の通り排気温度を制御して実質的に活性化温度領域を広げたことによって、触媒の効果を大きく引き出すことを可能としている。
【００２０】
なお、排気弁開時期の制御は、この実施形態では運転状態（エンジン回転速度と負荷）に応じて予め設定したマップにより排気弁開時期を決定して可変動弁装置を制御するものを想定しているが、これに限られず例えば触媒入口部に温度センサを設けて排気温度を検出しながら排気温度が触媒活性化温度となるように排気弁開時期をフィードバック制御するようにしてもよい。
【００２１】
図７以下に本発明の第２の実施形態を示す。この実施形態は、燃料成分（ＨＣ）をＮＯｘの還元剤とする場合を前提として、上述したような排気温度制御に加えて、燃料のアフターインジェクションを行い、転換効率のさらなる向上を図ったものである。図には、本実施形態で用いるコモンレール噴射系を示す。本噴射系は、上記第１の実施形態の噴射ポンプ１３に代わるものである。コモンレール噴射系の構成を説明すると、図７において１０はディーゼルエンジン、４１は燃料タンク、４２はフィードポンプ、４３は燃料供給ポンプ、４４はアキュムレータを含むコモンレール（高圧燃料系）、４５は噴射弁、４６は噴射弁４５を開閉作動させる高速電磁弁である。４７はコントロールユニットであり、エンジン回転センサ３６、アクセル開度センサ３７、燃料圧力センサ３８からの信号に基づき、運転状態に応じた所定の燃料圧力となるように燃料供給ポンプ４５の吐出圧力またはコモンレール４４のレギュレータ圧力を制御すると共に、燃料噴射時期及び燃料噴射量を決定して高速電磁弁４６を開閉駆動する。コモンレール４４には供給ポンプ４５を介して常時高圧の燃料が蓄積されており、燃料の噴射時期と噴射量はそれぞれ高速電磁弁３４の開弁時期と開弁時間とによって制御される。このため、排気行程での二次的な噴射（アフターインジェクション）を容易に実施することができる。
【００２２】
図８は上記アフターインジェクションによる燃料噴射量を例示したもので、排気温度制御域内にて、排気中に含まれるベースＨＣ量に対してアフターインジェクションによる噴射燃料を加えたＨＣの総和量が略一定となるように燃料噴射を行う。噴射時期は排気弁開時期に対応して、開時期が進むほど早く、遅れるほど遅くなるように制御する。
【００２３】
図９にはアフターインジェクションによる転換効率の変化を示す。一般に、ＨＣを還元剤として用いるＮＯｘ触媒は、ＨＣの量と活性化温度によってその効率が決定される。本実施形態では、コモンレール噴射系を用いて、エンジンシリンダ内での燃焼が終了した後期に少量の燃料を噴射することによって未燃ＨＣを触媒に供給する。そして、これと上記第１の実施形態に示した排気温度制御との組み合わせによって転換効率を大幅に向上せしめている。図１０に示したように、排気温度を第１の実施形態と同様に触媒活性化温度領域内に制御すると共に、該排気温度制御領域内でアフターインジェクションを行い、排気中のＨＣ濃度を高い還元効果が得られる濃度域に維持することによって、図１１に示したようにＮＯｘ触煤の転換効率が飛躍的に向上し、ＮＯｘ排出量を大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るディーゼルエンジンの概略構成図。
【図２】第１の実施形態に係る可変動弁装置の一例の断面図。
【図３】排気弁開時期（ＢＢＤＣ）と排気温度との関係を示す特性線図。
【図４】第１の実施形態による排気温度制御領域をエンジン回転数とエンジン負荷との関係において示した説明図。
【図５】第１の実施形態における排気温度制御特性と触媒活性化温度域との関係を示す特性線図。
【図６】第１の実施形態によるＮｏｘ低減効果を従来技術との比較において示す説明図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るコモンレール噴射系の概略構成図。
【図８】第２の実施形態に係るアフターインジェクションの噴射量制御特性を示す特性線図。
【図９】アフターインジェクションによる転換効率と温度域との関係を示す特性線図。
【図１０】第２の実施形態における排気温度制御特性と触媒活性化温度域との関係、及び、ＨＣ濃度制御特性と触媒活性化濃度域との関係を示す特性線図。
【図１１】第２の実施形態によるＮｏｘ低減効果を台１の実施形態及び従来技術との比較において示す説明図。
【符号の説明】
１０  エンジン本体
１１  吸気通路
１２  排気通路
１３  燃料噴射ポンプ
１４  可変動弁機構
１５  ＮＯｘ触媒
１６  排気還流通路
１７  排気還流制御弁
１８  コントロールユニット
２０  排気バルブ
３６  エンジン回転センサ
３７  アクセル開度センサ
３８  燃料圧力センサ
４１  燃料タンク
４２  フィードポンプ
４３  燃料供給ポンプ
４４  アキュムレータ
４５  噴射弁
４６  高速電磁弁
４７  コントロールユニット
【図１】
0003931403.tif 000002
【図２】
0003931403.tif 000003
【図３】
0003931403.tif 000004
【図４】
0003931403.tif 000005
【図５】
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【図６】
0003931403.tif 000007
【図７】
0003931403.tif 000008
【図８】
0003931403.tif 000009
【図９】
0003931403.tif 000010
【図１０】
0003931403.tif 000011
【図１１】
0003931403.tif 000012