(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気の一部を吸気に戻すＥＧＲを行うために排気マニホルドと吸気管とを連結するＥＧＲ通路と、
このＥＧＲ通路に設けられてＥＧＲ量を調整するＥＧＲ弁と、
内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記内燃機関の運転状態から出力を算出する出力算出手段と、
前記内燃機関の運転状態から燃料噴射時期を算出する噴射時期算出手段と、
前記内燃機関の運転状態から前記ＥＧＲ量を算出するＥＧＲ量算出手段と、
前記内燃機関の燃料燃焼時のシリンダ内温度を低減するために、前記噴射時期算出手段により算出された燃料噴射時期、及び前記ＥＧＲ量算出手段により算出されたＥＧＲ量を補正する燃焼温度低減手段とを備え、
前記ＥＧＲ通路の取り出し口が、前記排気マニホルドの集合部より上流側で前記内燃機関の特定の気筒に接続される排気管に設けられている内燃機関の排気浄化装置であって、
前記内燃機関の出力が中負荷域の時に、前記噴射時期算出手段により算出された燃料噴射時期を所定量遅角させた状態で、前記ＥＧＲ量算出手段により算出されたＥＧＲ量を増加させると、そのＥＧＲ量の増加に伴って前記内燃機関から排出されるスモーク量が次第に増加し、ピークに達してから減少する特性を示す、この特性を中負荷域スモーク特性と呼ぶ時に、
前記燃焼温度低減手段は、前記出力算出手段で算出された出力が前記中負荷域の時に、前記中負荷域スモーク特性が得られるまで燃料噴射時期を遅角させる噴射時期遅角補正と、スモーク量がピークに達した後、減少する領域までＥＧＲ量を増加させるＥＧＲ量増加補正とを行い、
前記噴射時期遅角補正では、前記中負荷域スモーク特性が得られる範囲内で、前記内燃機関の特定の気筒以外の他気筒に対する燃料噴射時期の遅角量より前記特定の気筒に対する燃料噴射時期の遅角量を小さく設定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】
請求項１に記載した内燃機関の排気浄化装置において、
気筒毎の発生出力が等しくなるように、前記気筒毎の燃料噴射量を補正する気筒毎噴射量補正手段を有することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した内燃機関の排気浄化装置において、
前記ＥＧＲ通路の途中にＥＧＲガスを冷却するＥＧＲ冷却装置を設けていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
請求項１〜３に記載した何れかの内燃機関の排気浄化装置において、
前記排気マニホルドの集合部より下流側の排気通路に酸化触媒を有する排気浄化手段を設けていることを特徴とする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（特にディーゼル機関）の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として特開平11-107821 号公報がある。この公報には、多量のクールドＥＧＲ（ＥＧＲクーラにより冷却したＥＧＲ）と、燃料噴射時期の遅角制御とによりシリンダ内の燃焼温度を低減することで、従来と比較してＮＯｘ（窒素酸化物）とスモーク（黒煙）を同時に、且つ大幅な低減を狙ったディーゼル機関の低エミッション燃焼技術が開示されている。
【０００３】
ここで、エンジン出力が中負荷域（例えば出力トルク３０〜７０Ｎｍ）の時のＥＧＲ量とスモーク及びＮＯｘとの関係を図４に基づいて説明する。
ａ）スモーク
ＥＧＲ量を増やすと、シリンダ内の燃焼悪化（局所的な酸素不足）に伴いスモークの発生量が徐々に増加する。通常はこの範囲内（ＥＧＲ量の増加に伴ってスモーク発生量が増加する範囲内）で、ＮＯｘや燃費等との兼ね合いからＥＧＲ量が決定される（例えば図４(B) の範囲）。しかし、この範囲内では、スモークの発生を抑制した上で十分にＥＧＲ量を増やすことができないため、大幅にＮＯｘを低減することは困難である。
【０００４】
これに対し、燃料噴射時期をある程度遅角させ、且つ従来のＥＧＲ量をはるかに超える図４(A) の領域（例えば70％）まで更にＥＧＲ量を増やすと、スモーク量は一旦ピークに達した後、急激に低下し、その後ほとんど発生しなくなる。これは、多量のＥＧＲにより、シリンダ内の不活性ガスが増加して酸素濃度が低下するために燃焼が緩慢になり、且つシリンダ内のガスの熱容量が増加して燃料燃焼時のシリンダ内温度が低下するためである。この結果、シリンダ内の未燃燃料が蒸し焼き状態とならないため、スモークにまで成長せず、そのままＨＣあるいはＳＯＦ（有機溶剤に可溶なパティキュレート成分）として排出される。このＨＣやＳＯＦは、排気系に設けた触媒により容易に浄化される。これにより、スモークが出ない燃焼が可能となる。
【０００５】
ｂ）ＮＯｘ
ＥＧＲ量の増加とともにシリンダ内の酸素濃度の低下及びシリンダ内熱容量の増加のため、燃焼が緩慢になり、且つ燃焼時のシリンダ内温度が低下する。その結果、予混合燃焼に伴う急激な熱発生が抑制され、サーマルＮＯｘの発生量が減少する。このＮＯｘの発生量は、ＥＧＲ量が多いほど少なくなる（図４参照）。
上述の様に、スモークの発生量がピークを超えた領域（図４(A) の範囲）では、従来にない多量のＥＧＲが可能となるため、ＮＯｘが非常に少ない燃焼が可能となる。
【０００６】
以上の説明のとおり、多量のＥＧＲにより燃料燃焼時のシリンダ内温度を低減することで、スモークとＮＯｘを共に非常に少なくすることが可能である。しかし、エンジン出力が大きく、シリンダ内で燃焼する燃料の量が増えると、燃焼温度の低下が困難となり、低エミッションの燃焼が成立しなくなる。これを回避するためには、ＥＧＲクーラを用いてＥＧＲガスを冷却すること、及び燃料噴射時期を遅角して上死点後のシリンダ内温度が低い状態で燃料を燃焼させることが非常に有効である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の低エミッション燃焼では、ＮＯｘとスモークの同時低減には有効であるが、その反面、多量のＨＣあるいはＳＯＦ（有機溶剤に可溶なパティキュレート成分）が排出される。従って、この状態で多量ＥＧＲを実施すると、多量のＨＣやＳＯＦを含んだ排気がＥＧＲクーラ及びＥＧＲバルブを経由して吸気通路へと戻ることになる。
【０００８】
この場合、吸気通路へ戻る途中でＨＣやＳＯＦがＥＧＲクーラの熱交換部に付着すると、ＥＧＲクーラの冷却性能（熱交換率）が低下する。また、ＥＧＲバルブの表面に付着すると、ＥＧＲ通路の閉塞等により所定量のＥＧＲの実施が困難となる。これらの結果、低エミッション燃焼が成立せず、エミッションが大きく悪化するという問題があった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、多量ＥＧＲと燃料噴射時期の遅角による低エミッション燃焼に伴うＥＧＲ系の劣化を抑制できる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
本発明は、ＥＧＲ通路の取り出し口が、排気マニホルドの集合部より上流側で内燃機関の特定の気筒に接続される排気管に設けられている内燃機関の排気浄化装置であって、内燃機関の燃料燃焼時のシリンダ内温度を低減するために、噴射時期算出手段により算出された燃料噴射時期、及びＥＧＲ量算出手段により算出されたＥＧＲ量を補正する燃焼温度低減手段を備える。
【００１０】
ここで、内燃機関の出力が中負荷域の時に、噴射時期算出手段により算出された燃料噴射時期を所定量遅角させた状態で、ＥＧＲ量算出手段により算出されたＥＧＲ量を増加させると、そのＥＧＲ量の増加に伴って内燃機関から排出されるスモーク量が次第に増加し、ピークに達してから減少する特性を示す、この特性を中負荷域スモーク特性と呼ぶ時に、燃焼温度低減手段は、出力算出手段で算出された出力が中負荷域の時に、中負荷域スモーク特性が得られるまで燃料噴射時期を遅角させる噴射時期遅角補正と、スモーク量がピークに達した後、減少する領域までＥＧＲ量を増加させるＥＧＲ量増加補正とを行い、噴射時期遅角補正では、中負荷域スモーク特性が得られる範囲内で、内燃機関の特定の気筒以外の他気筒に対する燃料噴射時期の遅角量より特定の気筒に対する燃料噴射時期の遅角量を小さく設定している。
【００１１】
この構成によれば、ＥＧＲ通路の取り出し口が特定の気筒に接続される排気管に設けられているので、主に特定の気筒から排出された排気の一部がＥＧＲガスとして吸気側に還流する。
また、特定の気筒に対する燃料噴射時期の遅角量（噴射遅角量と呼ぶ）を他の気筒より小さくすることにより、他の気筒と比較してＨＣやＳＯＦの排出量を低減できる。これにより、ＨＣやＳＯＦの少ないＥＧＲガスを吸気に戻すことができるので、ＨＣやＳＯＦによるＥＧＲ系の劣化を抑制できる。
一方、特定の気筒以外の気筒は、特定の気筒より噴射遅角量を大きく設定することにより、スモークとＮＯｘの排出量を大幅に低減できる。
【００１２】
（請求項２の手段）
請求項１に記載した内燃機関の排気浄化装置において、
気筒毎の発生出力が等しくなるように、気筒毎の燃料噴射量を補正する気筒毎噴射量補正手段を有することを特徴とする。
気筒により燃料噴射時期が異なると、燃焼の結果発生する出力トルクが異なる。即ち、噴射遅角量が小さい程（燃料噴射時期を進角する程）、出力トルクが大きくなる。これは、回転変動、ドラビリ（ドライバビリティ）悪化の原因となる。これを防止するために、噴射遅角量を他の気筒より小さくする特定の気筒では、他の気筒より噴射遅角量を小さくした（進角した）量に応じて燃料噴射量を減量補正する。これにより、出力トルクが減少するため、他の気筒と略同じ出力トルクを発生することができ、回転変動を回避できる。
【００１３】
（請求項３の手段）
請求項１または２に記載した内燃機関の排気浄化装置において、
ＥＧＲ通路の途中にＥＧＲガスを冷却するＥＧＲ冷却装置を設けていることを特徴とする。
ＥＧＲ冷却装置によりＥＧＲガスを冷却することで、シリンダ内の燃焼温度をより低下させることができるので、スモークとＮＯｘの排出量を更に低減できる。また、本発明の排気浄化装置は、請求項１の手段で説明したように、ＥＧＲガスに含まれるＨＣやＳＯＦの量を少なくできるので、ＥＧＲ冷却装置に付着するＨＣやＳＯＦを低減でき、ＥＧＲ冷却装置の性能低下を抑制できる。
【００１４】
（請求項４の手段）
請求項１〜３に記載した何れかの内燃機関の排気浄化装置において、
排気マニホルドの集合部より下流側の排気通路に酸化触媒を有する排気浄化手段を設けていることを特徴とする。
内燃機関の特定の気筒以外の気筒は、噴射遅角量を特定の気筒より大きくすることでスモークとＮＯｘの排出量を低減できるが、その代わり特定の気筒よりＨＣやＳＯＦの排出量が多くなる。これに対し、ＨＣやＳＯＦは、排気浄化手段の酸化触媒で容易に浄化可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１はコモンレール式の燃料噴射装置を搭載した４気筒ディーゼルエンジン１であり、図示しない高圧ポンプから圧送された高圧の燃料が常時コモンレール２に蓄えられ、所望の圧力、燃料噴射量、燃料噴射時期でインジェクタ３からエンジン１の燃焼室に噴射される。
【００１６】
このディーゼルエンジン１に適用される排気浄化装置は、エンジン１の排気マニホルド４と吸気管５とを連結するＥＧＲ通路６、このＥＧＲ通路６に設けられるＥＧＲバルブ７とＥＧＲ冷却装置８、吸気管５内に設けられる吸気絞り弁９、排気通路に設けられるトラップフィルタ１０、及び本システムの作動を制御する電子制御装置（以下ＥＣＵ１１と呼ぶ）等より構成される。
ＥＧＲ通路６の取り出し口６ａは、図１に示す様に、排気マニホルド４の集合部４ａより上流側でエンジン１の特定の気筒に接続される排気管に設けられている。なお、本実施例では、特定の気筒を第１気筒１Ａ、その他の気筒を他気筒１Ｂと呼ぶ。
【００１７】
ＥＧＲバルブ７は、ＥＧＲ通路６を流れる排気ガス（ＥＧＲガス）の量を調整するもので、エンジン１の運転条件に応じて速やかにバルブ開度を設定可能に設けられている。
ＥＧＲ冷却装置８は、図示しない冷却水が導入され、その冷却水との熱交換によってＥＧＲガスを冷却するもので、例えば冷却効率の高い積層フィンタイプが用いられる。
【００１８】
吸気絞り弁９は、エンジン１に吸入される吸気量を調整するもので、ＥＧＲバルブ７と同様に、エンジン１の運転条件に応じて速やかにバルブ開度を設定可能に設けられている。
この吸気絞り弁９とＥＧＲ冷却装置８は、多量ＥＧＲを実施するために必要である。即ち、吸気絞り弁９を大きく絞り（開度を小さくし）、吸気管５内の圧力が低い状態でＥＧＲバルブ７を開くと、ＥＧＲバルブ７の前後差圧が増大して、ＥＧＲ量を従来と比較して大きく増加することができる。
【００１９】
この時、ＥＧＲ通路６を流れるＥＧＲガスをＥＧＲ冷却装置８で冷却することにより、高温で膨張した状態ではなく、冷却されて収縮した高密度なＥＧＲガスを吸気管５からシリンダ内へ導入することができる。これにより、燃料の燃焼に必要な酸素量を確保したうえで、シリンダ内のガスの熱容量を最大限に増加できるので、燃料燃焼時のシリンダ内温度が大きく低下する。さらに、ＥＧＲガスを十分に冷却することで、シリンダ内吸入ガスの温度を低下させることができる。これも、燃料燃焼時のシリンダ内温度低下に大きく寄与する。従って、低スモークと低ＮＯｘを両立できる燃焼が可能となる。
【００２０】
トラップフィルタ１０は、例えばコージェライトや炭化珪素等の多孔質セラミックから成るハニカム状の流路を交互に目封じして形成され、フィルタ表面にＰｔやＰｄ等の貴金属を主成分とする酸化触媒が担持されている。
このトラップフィルタ１０は、排気マニホルド４の下流にターボチャージャ１２（図１参照）を介して配置され、エンジン１から排出されたスモークを含む排気が多孔質セラミックの壁面内を通過する際に、フィルタ細孔径より大きなスモーク粒子を主にフィルタ表面で捕集する。また、酸化触媒の作用により、燃焼時に排出されるＨＣ、ＣＯ、ＳＯＦを酸化して容易に浄化することができる。
【００２１】
ＥＣＵ１１は、下述する各種センサで検出されたエンジン１の運転状態に基づき、インジェクタ３に具備される電磁弁１３、ＥＧＲバルブ７、及び吸気絞り弁９の開閉動作を制御する。
各種センサは、エンジン回転速度を検出するエンジン回転センサ１４、アクセルペダルの踏み込み量からアクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、コモンレール２内の噴射圧力を検出する噴射圧センサ１６等が設けられている。
【００２２】
次に、本発明に係わるＥＣＵ１１の作動を図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
Step100 …エンジン回転センサ１４及びアクセル開度センサ１５の出力からエンジン回転数ＮＥとアクセル開度を読み込む。
Step101 …Step100 で読み込んだアクセル開度からエンジン１の出力トルクＴを算出する（本発明の出力算出手段）。
Step102 …Step100 で読み込んだセンサ出力（エンジン１の運転状態）から必要燃料噴射量Ｍ、基本の燃料噴射時期、及び基本のＥＧＲ量を算出する。
【００２３】
Step103 …Step101 で算出された出力トルクＴが、図３に示す中負荷域（Ｔ1 ＞Ｔ＞Ｔ2 ）に入るか否かを判定する。判定結果がYES の場合は、次のStep104 へ進み、判定結果がＮＯの場合は、低負荷域または高負荷域の制御ルーチンへ移行する。
Step104 …Step101 で算出された出力トルクＴに基づいて、第１気筒１Ａ及び他気筒１Ｂに対する噴射遅角量とＥＧＲ補正量を求める。ここで、第１気筒１Ａに対する噴射遅角量は、他気筒１Ｂに対する噴射遅角量より小さく（進角側に）設定される。
【００２４】
Step105 …Step102 で算出された基本の燃料噴射時期とＥＧＲ量に対し、Step104 で算出された噴射遅角量とＥＧＲ補正量とをそれぞれ加算して最終の燃料噴射時期とＥＧＲ量を求める。なお、ここで求められる燃料噴射時期は、中負荷域スモーク特性（ＥＧＲ量の増加に伴ってエンジン１から排出されるスモーク量が次第に増加し、ピークに達してから減少する特性：図４参照）が得られる領域に設定される。言い換えると、上記Step104 では、中負荷域スモーク特性が得られる範囲内で、且つエンジン１の燃料消費量が大きく増加しない程度に第１気筒１Ａ及び他気筒１Ｂに対する噴射遅角量が設定される（図５参照）。また、ＥＧＲ量は、中負荷域スモーク特性において、スモーク量がピークに達した後、減少する領域に設定される。
【００２５】
Step106 …各気筒の発生出力が等しくなる様に、第１気筒１Ａに対する燃料噴射量を補正する。ここでは、第１気筒１Ａの噴射遅角量を他気筒１Ｂより小さくした量（進角量）に応じて燃料噴射量を減量補正する（図６参照）。他気筒１Ｂに対する燃料噴射量は、Step102 で算出された必要燃料噴射量Ｍである。
Step107 …決定されたＥＧＲ量及び燃料噴射時期に従って多量ＥＧＲと燃料噴射を実施する。なお、ＥＧＲは、吸気絞り弁９とＥＧＲバルブ７の開度を所定値に制御して行われる。また、燃料噴射時期の変更は、ＥＣＵ１１からインジェクタ３の電磁弁１３に出力する開弁指令時刻を変更して行われる。
【００２６】
（本実施例の効果）
上述の排気浄化装置によれば、エンジン出力が中負荷域（Ｔ1 ＞Ｔ＞Ｔ2 ）の時に、エンジン１の各気筒に対して中負荷域スモーク特性が得られるまで燃料噴射時期を遅角させ、且つ図４に示すように、従来のＥＧＲ量(B) より更に多い(A) の領域（スモーク量がピークに達した後、大幅に減少する領域）までＥＧＲ量を増加させることにより、スモークとＮＯｘの発生量を共に大幅に低減した上で、燃費悪化を抑制することができる。
【００２７】
また、本システムでは、図５に示すように、第１気筒１Ａに対する噴射遅角量を他気筒１Ｂより小さく（進角側に）設定しているので、他気筒１Ｂと比較して第１気筒１Ａにおける燃焼温度の低減量が小さくなり、第１気筒１Ａから排出されるＨＣ、ＳＯＦが低減する。
ここで、ＥＧＲ通路６の取り出し口６ａが第１気筒１Ａに接続される排気管（排気マニホルド４の集合部４ａより上流側）に設けられているので、主に第１気筒１Ａから排出された排気の一部がＥＧＲガスとして吸気側に還流する。これにより、ＥＧＲ系へのＨＣ、ＳＯＦの還流量が低減するので、必然的にＥＧＲバルブ７やＥＧＲ冷却装置８の熱交換部等に付着するＨＣやＳＯＦの量が少なくなり、ＥＧＲ系の劣化を抑制できる。その結果、ＥＧＲ制御を精度良く実施できるので、スモーク及びＮＯｘの発生量が少ない低エミッション燃焼を実現できる。
【００２８】
なお、第１気筒１Ａからは、他気筒１Ｂに比較してスモークの発生量が多くなるが、そのスモークは、排気通路に設置されるトラップフィルタ１０の表面で捕集された後、フィルタ温度が昇温されて焼却される。この時、フィルタ表面に担持した酸化触媒の作用により、スモーク粒子は従来より低い温度（触媒がない場合はスモーク粒子を燃焼させるために６００℃以上の温度が必要であるが、触媒がある場合には４５０℃で燃焼する）で容易に燃焼するため、フィルタの温度上昇量は僅かで済み、高速運転時には排気温度のみでフィルタを再生することも可能である。
【００２９】
更に、本実施例では、第１気筒１Ａと他気筒１Ｂとで燃料噴射時期が異なることにより、第１気筒１Ａと他気筒１Ｂとで発生出力にバラツキが生じる。つまり、噴射遅角量が小さい程（燃料噴射時期を進角する程）、出力トルクが大きくなる。これに対し、噴射遅角量を他気筒１Ｂより小さく設定する第１気筒１Ａでは、他気筒１Ｂより噴射遅角量を小さくした（進角した）量に応じて燃料噴射量を減量補正する。これにより、第１気筒１Ａの出力トルクが減少するため、他気筒１Ｂと略同じ出力トルクを発生することができ、回転変動やドラビリ（ドライバビリティ）の悪化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】排気浄化装置の全体図である。
【図２】ＥＣＵの処理手順を示すフローチャートである。
【図３】運転領域をエンジン回転数とトルクとの関係で示す特性図である。
【図４】中負荷域でのＥＧＲ量とエミッションとの関係を示す特性図である。
【図５】中負荷域での燃料噴射時期とエミッションとの関係を示す特性図である。
【図６】燃料噴射時期進角量と燃料噴射補正量との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１    エンジン（内燃機関）
１Ａ  第１気筒（特定の気筒）
１Ｂ  他気筒
４    排気マニホルド
４ａ  排気マニホルドの集合部
５    吸気管
６    ＥＧＲ通路
６ａ  ＥＧＲ通路の取り出し口
７    ＥＧＲバルブ
８    ＥＧＲ冷却装置
１０    トラップフィルタ（排気浄化手段）
１１    ＥＣＵ（出力算出手段、噴射時期算出手段、ＥＧＲ量算出手段、
燃焼温度低減手段、気筒毎噴射量補正手段）
１４    エンジン回転センサ（運転状態検出手段）
１５    アクセル開度センサ（運転状態検出手段）
【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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