(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路が共通の排気通路部分と、並列配置された主排気通路および副排気通路からなる並列通路部分からなり、主排気通路内を流れる排気ガスおよび副排気通路内を流れる排気ガスが共通の触媒に導びかれ、副排気通路内を流通した後の排気ガス温が主排気通路内を流通した後の排気ガス温よりも低下するように副排気通路が形成されており、機関排気通路内に排気ガス流を制御するための排気制御弁装置を配置し、触媒の温度を上昇せしめるときには排気制御弁装置によって機関排気通路をほぼ全閉にすると共に、機関出力を発生するために燃焼室内に噴射された主燃料を空気過剰のもとで燃焼させることに加え副燃料を副燃料が燃焼しうる膨張行程中又は排気行程中の予め定められた時期に燃焼室内に追加噴射し、触媒の温度を下降せしめるときには排気制御弁装置により排気ガスが副排気通路内を流通するようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
排気制御弁装置が主排気通路内に配置された主排気制御弁と副排気通路内に配置された副排気制御弁からなり、触媒の温度を上昇せしめるときには主排気制御弁がほぼ全閉せしめられると共に副排気制御弁が全閉せしめられ、触媒の温度を下降せしめるときには主排気制御弁が全閉せしめられると共に副排気制御弁がほぼ全開せしめられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
排気制御弁装置が共通の排気通路部分内に配置された主排気制御弁と、排気ガスを主排気通路内又は副排気通路内へ選択的に流通せしめる副排気制御弁からなり、触媒の温度を上昇せしめるときには主排気制御弁がほぼ全閉せしめられると共に副排気制御弁によって排気ガスが主排気通路内を流通せしめられ、触媒の温度を下降せしめるときには主排気制御弁が全開にせしめられると共に副排気制御弁によって排気ガスが副排気通路内を流通せしめられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
上記触媒が主排気通路および副排気通路下流の共通の排気通路部分内に配置されており、上記主排気制御弁が触媒下流の共通の排気通路部分内に配置されている請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
主排気通路内を流れる排気ガスおよび副排気通路内を流れる排気ガスが直列配置された複数個の触媒内に順次導びかれ、触媒の温度を上昇又は下降せしめるときであるか否かが最初に最も上流側に位置する触媒の温度に基づいて判断され、このとき触媒の温度を上昇又は下降せしめるときでないと判断されたときには次に下流側に位置する触媒の温度に基づいて触媒の温度を上昇又は下降せしめるときであるか否かが判断される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
副吸気通路内を流れる排気ガスを冷却するための冷却手段を具備した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
触媒温度が触媒の活性化温度よりも低いときには触媒の温度を上昇せしめるときであると判断され、触媒の温度が触媒の許容最大温度よりも高くなったときには触媒の温度を下降せしめるときであると判断される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
触媒の温度を上昇せしめるときには同一の機関運転状態のもとで機関排気通路がほぼ全開せしめられた場合の機関の発生トルクに近づくように同一の機関運転状態のもとで機関排気通路がほぼ全開せしめられた場合に比べて主燃料の噴射量を増量させるようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【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】
ディーゼル機関においては機関の低速低負荷運転時、特に機関の暖機運転時には燃焼室内の温度が低く、その結果多量の未燃ＨＣが発生する。また、このときには排気ガス温が低いために機関排気通路内に配置された触媒が活性化しない。そこで機関排気通路内に排気制御弁を配置し、機関低速低負荷運転時に排気制御弁を閉弁すると共に燃料噴射量を大巾に増量することにより燃焼室内の温度を高めて噴射燃料を燃焼室内で完全燃焼させ、それによって未燃ＨＣの発生量を抑制すると共に、触媒を迅速に活性化させるようにしたディーゼル機関が公知である（特開昭４９−８０４１４号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようにこのディーゼル機関では排気制御弁を閉弁し、燃料噴射量を大巾に増量することによって触媒を迅速に活性化させるようにしている。ところがこの場合、触媒の温度が過度に高くなると触媒が熱劣化を生じ、従って触媒の温度が過度に高くなるのを阻止しなければならない。即ち、触媒の温度が過度に高くなったときには触媒の温度を下降させる必要がある。しかしながらこのディーゼル機関では触媒の温度を下降させることについて何ら考慮が払われていない。
【０００４】
本発明は触媒の温度を上昇すべきときには触媒の温度を上昇させることができ、触媒の温度を下降すべきときには触媒の温度を下降させることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために１番目の発明では、機関排気通路が共通の排気通路部分と、並列配置された主排気通路および副排気通路からなる並列通路部分からなり、主排気通路内を流れる排気ガスおよび副排気通路内を流れる排気ガスが共通の触媒に導びかれ、副排気通路内を流通した後の排気ガス温が主排気通路内を流通した後の排気ガス温よりも低下するように副排気通路が形成されており、機関排気通路内に排気ガス流を制御するための排気制御弁装置を配置し、触媒の温度を上昇せしめるときには排気制御弁装置によって機関排気通路をほぼ全閉にすると共に、機関出力を発生するために燃焼室内に噴射された主燃料を空気過剰のもとで燃焼させることに加え副燃料を副燃料が燃焼しうる膨張行程中又は排気行程中の予め定められた時期に燃焼室内に追加噴射し、触媒の温度を下降せしめるときには排気制御弁装置により排気ガスが副排気通路内を流通するようにしている。
【０００６】
２番目の発明では１番目の発明において、排気制御弁装置が主排気通路内に配置された主排気制御弁と副排気通路内に配置された副排気制御弁からなり、触媒の温度を上昇せしめるときには主排気制御弁がほぼ全閉せしめられると共に副排気制御弁が全閉せしめられ、触媒の温度を下降せしめるときには主排気制御弁が全閉せしめられると共に副排気制御弁がほぼ全開せしめられる。
【０００７】
３番目の発明では１番目の発明において、排気制御弁装置が共通の排気通路部分内に配置された主排気制御弁と、排気ガスを主排気通路内又は副排気通路内へ選択的に流通せしめる副排気制御弁からなり、触媒の温度を上昇せしめるときには主排気制御弁がほぼ全閉せしめられると共に副排気制御弁によって排気ガスが主排気通路内を流通せしめられ、触媒の温度を下降せしめるときには主排気制御弁が全開にせしめられると共に副排気制御弁によって排気ガスが副排気通路内を流通せしめられる。
【０００８】
４番目の発明では３番目の発明において、触媒が主排気通路および副排気通路下流の共通の排気通路部分内に配置されており、主排気制御弁が触媒下流の共通の排気通路部分内に配置されている。
５番目の発明では１番目の発明において、主排気通路内を流れる排気ガスおよび副排気通路内を流れる排気ガスが直列配置された複数個の触媒内に順次導びかれ、触媒の温度を上昇又は下降せしめるときであるか否かが最初に最も上流側に位置する触媒の温度に基づいて判断され、このとき触媒の温度を上昇又は下降せしめるときでないと判断されたときには次に下流側に位置する触媒の温度に基づいて触媒の温度を上昇又は下降せしめるときであるか否かが判断される。
【０００９】
６番目の発明では１番目の発明において、副吸気通路内を流れる排気ガスを冷却するための冷却手段を具備している。
７番目の発明では１番目の発明において、触媒温度が触媒の活性化温度よりも低いときには触媒の温度を上昇せしめるときであると判断され、触媒の温度が触媒の許容最大温度よりも高くなったときには触媒の温度を下降せしめるときであると判断される。
【００１０】
８番目の発明では１番目の発明において、触媒の温度を上昇せしめるときには同一の機関運転状態のもとで機関排気通路がほぼ全開せしめられた場合の機関の発生トルクに近づくように同一の機関運転状態のもとで機関排気通路がほぼ全開せしめられた場合に比べて主燃料の噴射量を増量させるようにしている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１および図２は本発明を成層燃焼式内燃機関に適用した場合を示している。しかしながら本発明は均一リーン空燃比のもとで燃焼が行われる火花点火式内燃機関、および空気過剰のもとで燃焼が行われるディーゼル機関にも適用することができる。
【００１２】
図２を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６はシリンダヘッド３の内壁面周縁部に配置された燃料噴射弁、７はシリンダヘッド３の内壁面中央部に配置された点火栓、８は吸気弁、９は吸気ポート、１０は排気弁、１１は排気ポートを夫々示す。
図１および図２を参照すると、吸気ポート９は対応する吸気枝管１２を介してサージタンク１３に連結され、サージタンク１３は吸気ダクト１４およびエアフローメータ１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ダクト１４内にはステップモータ１７により駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、図１に示される実施例では機関排気通路が各気筒の排気ポート１１に連結された共通の排気マニホルド１９と、排気マニホルド１９の出口に連結された共通の排気通路部分２０と、共通の排気通路部分２０に連結された並列通路部分２１と、並列通路部分２１に連結された共通の排気通路部分２２からなり、共通の排気通路部分２２の出口には触媒２３を内蔵した触媒コンバータ２４が連結される。
【００１３】
並列通路部分２１は共通の排気通路部分２０から分岐されかつ互いに並列配置された主排気通路２１ａと副排気通路２１ｂからなり、これら主排気通路２１ａと副排気通路２１ｂの下流端は共通の排気通路部分２２に連結される。副排気通路２１ｂは副排気通路２１ｂ内を流通した後の排気ガス温が主排気通路２１ａ内を流通した後の排気ガス温よりも低下するように形成されており、図１に示す実施例では副吸気通路２１ｂ内に排気ガスの冷却装置２５が設けられている。この冷却装置２５は例えば走行風によって排気ガスを冷却する空冷式冷却装置からなる。
【００１４】
機関排気通路には排気制御弁装置が設けられており、図１に示す実施例ではこの排気制御弁装置が主排気通路２１ａ内に配置されかつアクチュエータ２６により駆動される主排気制御弁２７と、副排気通路２１ｂ内に配置されかつアクチュエータ２８により駆動される副排気制御弁２９からなる。
図１に示されるように排気マニホルド１９とサージタンク１３とは排気ガス再循環（以下ＥＧＲと称す）通路３０を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路３０内には電気制御式ＥＧＲ制御弁３１が配置される。燃料噴射弁６は共通の燃料リザーバ、いわゆるコモンレール３２に連結される。このコモンレール３２内へは燃料タンク３３内の燃料が電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３４を介して供給され、コモンレール３２内に供給された燃料が各燃料噴射弁６に供給される。コモンレール３２にはコモンレール３２内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３５が取付けられ、燃料圧センサ３５の出力信号に基づいてコモンレール３２内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ３４の吐出量が制御される。
【００１５】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。エアフローメータ１５は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。機関本体１には機関冷却水温を検出するための水温センサ３６が取付けられ、触媒コンバータ２４には触媒２３の温度を検出するための温度センサ３７が取付けられる。これら水温センサ３６および温度センサ３７の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５には燃料圧センサ３５の出力信号が対応するＡＤ変換器４７を介して入力される。
【００１６】
また、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁６、点火栓７、スロットル弁制御用ステップモータ１７、排気制御弁制御用アクチュエータ２６，２８、ＥＧＲ制御弁３１および燃料ポンプ３４に接続される。
【００１７】
図３は燃料噴射量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ（＝Ｑ1 ＋Ｑ2 ）、噴射開始時期θＳ１，θＳ２、噴射完了時期θＥ１，θＥ２および燃焼室５内における平均空燃比Ａ／Ｆを示している。なお、図３において横軸Ｌはアクセルペダル５０の踏込み量、即ち要求負荷を示している。
図３からわかるように要求負荷ＬがＬ1 よりも低いときには圧縮行程末期のθＳ２からθＥ２の間において燃料噴射Ｑ２が行われる。このときには平均空燃比Ａ／Ｆはかなりリーンとなっている。要求負荷ＬがＬ1 とＬ2 の間のときには吸気行程初期のθＳ１からθＥ１の間において第１回目の燃料噴射Ｑ１が行われ、次いで圧縮行程末期のθＳ２からθＥ２の間において第２回目の燃料噴射Ｑ２が行われる。このときにも空燃比Ａ／Ｆはリーンとなっている。要求負荷ＬがＬ2 よりも大きいときには吸気行程初期のθＳ１からθＥ１の間において燃料噴射Ｑ１が行われる。このときには要求負荷Ｌが低い領域では平均空燃比Ａ／Ｆがリーンとされており、要求負荷Ｌが高くなると平均空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比とされ、要求負荷Ｌが更に高くなると平均空燃比Ａ／Ｆがリッチとされる。なお、圧縮行程末期にのみ燃料噴射Ｑ２が行われる運転領域、二回に亘って燃料噴射Ｑ１およびＱ２が行われる運転領域および吸気行程初期にのみ燃料噴射Ｑ１が行われる運転領域は要求負荷Ｌのみにより定まるのではなく、実際には要求負荷Ｌおよび機関回転数により定まる。
【００１８】
図２は要求負荷ＬがＬ1 （図３）よりも小さいとき、即ち圧縮行程末期においてのみ燃料噴射Ｑ２が行われる場合を示している。図２に示されるようにピストン４の頂面上にはキャビティ４ａが形成されており、要求負荷ＬがＬ1 よりも低いときには燃料噴射弁６からキャビティ４ａの底壁面に向けて圧縮行程末期に燃料が噴射される。この燃料はキャビティ４ａの周壁面により案内されて点火栓７に向かい、それによって点火栓７の周りに混合気Ｇが形成される。次いでこの混合気Ｇは点火栓７により着火せしめられる。
【００１９】
一方、前述したように要求負荷ＬがＬ1 とＬ2 との間にあるときには二回に分けて燃料噴射が行われる。この場合、吸気行程初期に行われる第１回目の燃料噴射Ｑ１によって燃焼室５内に稀薄混合気が形成される。次いで圧縮行程末期に行われる第２回目の燃料噴射Ｑ２によって点火栓７周りに最適な濃度の混合気が形成される。この混合気が点火栓７により着火せしめられ、この着火火炎によって稀薄混合気が燃焼せしめられる。
【００２０】
一方、要求負荷ＬがＬ2 よりも大きいときには図３に示されるように燃焼室５内にはリーン又は理論空燃比又はリッチ空燃比の均一混合気が形成され、この均一混合気が点火栓７により着火せしめられる。
触媒コンバータ２４内に収容されている触媒２３としては酸化触媒、三元触媒又はＮＯx 吸収剤が用いられる。ＮＯx 吸収剤は燃焼室５内における平均空燃比がリーンのときにＮＯx を吸収し、燃焼室５内における平均空燃比がリッチになるとＮＯx を放出する機能を有する。
【００２１】
このＮＯx 吸収剤は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。
【００２２】
触媒２３は触媒２３の種類に応じて定まる活性化温度以上にならないと排気ガスの浄化作用を良好に行うことができず、従って触媒２３の温度が活性化温度以下のとき、或いは活性化温度以下になったとき、或いは触媒２３の温度が活性化温度以下になりそうなときには触媒２３の温度を上昇させる必要がある。特に機関始動後暫らくの間は触媒２３の温度が活性化温度以下となっており、従って機関の運転が開始されたときには触媒２３の温度を迅速に上昇させる必要がある。
【００２３】
また、機関始動後暫らくの間は多量の未燃ＨＣが発生し、従って機関始動後暫らくの間はこれら未燃ＨＣを良好に浄化する必要がある。即ち、機関の運転が開始されたときには触媒２３の温度を迅速に上昇させ、かつ未燃ＨＣを良好に浄化する必要がある。そこで図１に示す実施例では機関始動および暖機運転時におけるように触媒２３の温度が活性化温度以下のときには膨張行程中に燃焼室５内に副燃料を追加噴射し、かつ主排気制御弁２７をほぼ全閉にすると共に副排気制御弁２９を全閉するようにしている。
【００２４】
このように膨張行程中に燃焼室５内に副燃料を追加噴射し、かつ主排気制御弁２７をほぼ全閉にすると共に副排気制御弁２９を全閉にすると触媒２３の温度を迅速に上昇させることができかつ大気中に放出される未燃ＨＣを大巾に低減することができる。次にこのことについてまず初めに図４を参照しつつ概略的に説明する。なお、図４において横軸はクランク角を示しており、ＢＴＤＣおよびＡＴＤＣは夫々上死点前および上死点後を示している。
【００２５】
図４（Ａ）は特に触媒２３の温度を迅速に上昇させる必要がなくしかも未燃ＨＣを低減する必要のない場合であって要求負荷ＬがＬ1 よりも小さいときの燃料噴射時期を示している。図４（Ａ）に示されるようにこのときには圧縮行程末期に主燃料Ｑｍのみが噴射され、このとき主排気制御弁２７又は副排気制御弁２９のいずれか一方が全開状態に保持されている。
【００２６】
これに対し触媒２３の温度を迅速に上昇させる必要がありしかも未燃ＨＣを低減する必要がある場合には主排気制御弁２７がほぼ全閉せしめられると共に副排気制御弁２９が全閉せしめられ、更に図４（Ｂ）に示されるように機関出力を発生させるための主燃料Ｑｍの噴射に加え、膨張行程中に、図４（Ｂ）に示される例では圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）６０°付近において副燃料Ｑａが追加噴射される。なおこの場合、主燃料Ｑｍの燃焼後、副燃料Ｑａを完全に燃焼せしめるのに十分な酸素が燃焼室５内に残存するように主燃料Ｑｍは空気過剰のもとで燃焼せしめられる。また、図４（Ａ）と図４（Ｂ）とは機関負荷と機関回転数が同一であるときの燃料噴射期間を示しており、従って機関負荷と機関回転数が同一である場合には図４（Ｂ）に示される場合の主燃料Ｑｍの噴射量の方が図４（Ａ）に示される場合の主燃料Ｑｍの噴射量に比べて増量せしめられている。
【００２７】
次に図５を参照しつつ未燃ＨＣの低減作用について先に説明する。図５は機関排気通路の各位置における排気ガス中の未燃ＨＣの濃度（ppm ）の一例を示している。図５に示す例において黒三角は主排気制御弁２７を全開にした状態で図４（Ａ）に示す如く圧縮行程末期において主燃料Ｑｍを噴射した場合の排気ポート１１出口における排気ガス中の未燃ＨＣの濃度（ppm ）を示している。この場合には排気ポート１１出口における排気ガス中の未燃ＨＣの濃度は６０００ppm 以上の極めて高い値となる。
【００２８】
一方、図５に示す例において黒丸および実線は主排気制御弁２７をほぼ全閉にすると共に副排気制御弁２９を全閉とし、図４（Ｂ）に示されるように主燃料Ｑｍおよび副燃料Ｑａを噴射した場合の排気ガス中の未燃ＨＣの濃度（ppm ）を示している。この場合には排気ポート１１出口における排気ガス中の未燃ＨＣの濃度は２０００ppm 以下となり、主排気制御弁２７の付近においては排気ガス中の未燃ＨＣの濃度は１５０ppm 程度まで減少する。従ってこの場合には大気中に排出される未燃ＨＣの量が大巾に低減せしめられることがわかる。
【００２９】
このように主排気制御弁２７上流の排気通路内において未燃ＨＣが減少するのは未燃ＨＣの酸化反応が促進されているからである。しかしながら図５の黒三角で示されるように排気ポート１１出口における未燃ＨＣの量が多い場合、即ち燃焼室５内での未燃ＨＣの発生量が多い場合にはたとえ排気通路内における未燃ＨＣの酸化反応を促進しても大気中に排出される未燃ＨＣの量はさほど低減しない。即ち、排気通路内における未燃ＨＣの酸化反応を促進することによって大気中に排出される未燃ＨＣの量を大巾に低減しうるのは図５の黒丸で示されるように排気ポート１１出口における未燃ＨＣの濃度が低いとき、即ち燃焼室５内での未燃ＨＣの発生量が少ないときである。
【００３０】
このように大気中に排出される未燃ＨＣの量を低減させるためには燃焼室５内での未燃ＨＣの発生量を低下させかつ排気通路内における未燃ＨＣの酸化反応を促進させるという二つの要求を同時に満たす必要がある。そこでまず初めに２番目の要求、即ち排気通路内における未燃ＨＣの酸化反応を促進させることから説明する。
【００３１】
主排気制御弁２７がほぼ全閉とされ、副排気制御弁２９が全閉にされると排気ポート１１内、排気マニホルド１９内、および主排気制御弁２７上流の排気通路内の圧力、即ち背圧はかなり高くなる。背圧が高くなるということは燃焼室５内から排気ポート１１内に排気ガスが排出されたときに排気ガスの圧力がさほど低下せず、従って燃焼室５から排出された排気ガス温もさほど低下しないことを意味している。従って排気ポート１１内に排出された排気ガス温はかなり高温に維持されている。一方、背圧が高いということは排気ガスの密度が高いことを意味しており、排気ガスの密度が高いということは排気ポート１１から主排気制御弁２７に至る排気通路内における排気ガスの流速が遅いことを意味している。従って排気ポート１１内に排出された排気ガスは高温のもとで長時間に亘り主排気制御弁２７上流の排気通路内に滞留することになる。
【００３２】
このように排気ガスが高温のもとで長時間に亘り主排気制御弁２７上流の排気通路内に滞留せしめられるとその間に未燃ＨＣの酸化反応が促進される。この場合、本発明者による実験によると排気通路内における未燃ＨＣの酸化反応を促進するためには排気ポート１１出口における排気ガス温をほぼ７５０℃以上、好ましくは８００℃以上にする必要があることが判明している。
【００３３】
また、高温の排気ガスが主排気制御弁２７上流の排気通路内に滞留している時間が長くなればなるほど未燃ＨＣの低減量は増大する。この滞留時間は主排気制御弁２７の位置が排気ポート１１出口から離れれば離れるほど長くなり、従って主排気制御弁２７は排気ポート１１出口から未燃ＨＣを十分に低減するのに必要な距離を隔てて配置する必要がある。主排気制御弁２７を排気ポート１１出口から未燃ＨＣを十分に低減するのに必要な距離を隔てて配置すると図５の実線に示されるように未燃ＨＣの濃度は大巾に低減する。
【００３４】
ところで前述したように排気通路内における未燃ＨＣの酸化反応を促進するためには排気ポート１１出口における排気ガス温をほぼ７５０℃以上、好ましくは８００℃以上にする必要がある。また、大気中に排出される未燃ＨＣの量を低減するためには前述した１番目の要求を満たさなければならない。即ち燃焼室５内での未燃ＨＣの発生量を低下させる必要がある。そのために本発明による実施例では機関出力を発生するための主燃料Ｑｍに加え、主燃料Ｑｍの噴射後に副燃料Ｑａを追加噴射して副燃料Ｑａを燃焼室５内で燃焼せしめるようにしている。
【００３５】
即ち、副燃料Ｑａを燃焼室５内で燃焼せしめると副燃料Ｑａの燃焼時に主燃料Ｑｍの燃え残りである多量の未燃ＨＣが燃焼せしめられる。また、この副燃料Ｑａは高温ガス中に噴射されるので副燃料Ｑａは良好に燃焼せしめられ、従って副燃料Ｑａの燃え残りである未燃ＨＣはさほど発生しなくなる。斯くして最終的に燃焼室５内で発生する未燃ＨＣの量はかなり少なくなる。
【００３６】
また、副燃料Ｑａを燃焼室５内で燃焼せしめると主燃料Ｑｍ自身および副燃料Ｑａ自身の燃焼による発熱に加え、主燃料Ｑｍの燃え残りである未燃ＨＣの燃焼熱が追加的に発生するので燃焼室５内の既燃ガス温はかなり高くなる。このように主燃料Ｑｍに加え副燃料Ｑａを追加噴射して副燃料Ｑａを燃焼させることにより燃焼室５内で発生する未燃ＨＣの量を低減しかつ排気ポート１１出口における排気ガス温を７５０℃以上、好ましくは８００℃以上にすることができる。
【００３７】
このように本発明による実施例では副燃料Ｑａを燃焼室５内で燃焼せしめる必要があり、そのためには副燃料Ｑａの燃焼時に燃焼室５内に十分な酸素が残存していることが必要であり、しかも噴射された副燃料Ｑａが燃焼室５内で良好に燃焼せしめられる時期に副燃料Ｑａを噴射する必要がある。
そこで本発明による実施例では副燃料Ｑａの燃焼時に燃焼室５内に十分な酸素が残存しうるように主燃料Ｑｍは空気過剰のもとで燃焼せしめられる。また、図２に示される成層燃焼式内燃機関において噴射された副燃料Ｑａが燃焼室５において良好に燃焼せしめられる噴射時期は図４において矢印Ｚで示される圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）ほぼ５０°からほぼ９０°の膨張行程であり、従って図２に示される成層燃焼式内燃機関においては副燃料Ｑａは圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）ほぼ５０°からほぼ９０°の膨張行程において噴射される。なお、圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）ほぼ５０°からほぼ９０°の膨張行程において噴射された副燃料Ｑａは機関の出力の発生には寄与しない。
【００３８】
ところで本発明者による実験によると図２に示される成層燃焼式内燃機関では副燃料Ｑａが圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）６０°付近において噴射されたときに大気中に排出される未燃ＨＣの量は最も少なくなる。従って本発明による実施例では図４（Ｂ）に示されるように副燃料Ｑａの噴射時期はほぼ圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）６０°付近とされる。
【００３９】
副燃料Ｑａの最適な噴射時期は機関の型式によって異なり、例えばディーゼル機関では副燃料Ｑａの最適な噴射時期は膨張行程中か又は排気行程中となる。従って本発明では副燃料Ｑａの燃料噴射は膨張行程中又は排気行程中に行われる。一方、燃焼室５内の既燃ガス温は主燃料Ｑｍの燃焼熱と副燃料Ｑａの燃焼熱の双方の影響を受ける。即ち、燃焼室５内の既燃ガス温は主燃料Ｑｍの噴射量が増大するほど高くなり、副燃料Ｑａの噴射量が増大するほど高くなる。更に、燃焼室５内の既燃ガス温は背圧の影響を受ける。即ち、背圧が高くなるほど燃焼室５から既燃ガスが流出しにくくなるために燃焼室５内に残留する既燃ガス量が多くなり、斯くして主排気制御弁２７がほぼ全閉せしめられると共に副排気制御弁２９が全閉せしめられると燃焼室５内の既燃ガス温が上昇せしめられる。
【００４０】
ところで主排気制御弁２７がほぼ全閉せしめられると共に副排気制御弁２９が全閉せしめられ、それによって背圧が高くなると機関の発生トルクが最適な要求発生トルクに対して減少する。そこで本発明による実施例では図４（Ｂ）に示されるように主排気制御弁２７がほぼ全閉せしめられると共に副排気制御弁２９が全閉せしめられたときには図４（Ａ）に示されるように同一の機関運転状態のもとで主排気制御弁２７又は副排気制御弁２９が全開せしめられた場合の機関の要求発生トルクに近づくように同一の機関運転状態のもとで主排気制御弁２７又は副排気制御弁２９が全開せしめられた場合に比べて主燃料Ｑｍの噴射量が増量せしめられる。なお、本発明による実施例では主排気制御弁２７がほぼ全閉せしめられかつ副排気制御弁２９が全開せしめられたときにはそのときの機関の発生トルクが同一の機関運転状態のもとで主排気制御弁２７又は副排気制御弁２９が全開せしめられた場合の機関の要求発生トルクに一致するように主燃料Ｑｍが増量される。
【００４１】
次に触媒２３の迅速な温度上昇作用について説明する。
前述したように本発明による実施例では主燃料Ｑｍに加え副燃料Ｑａを追加噴射し、主排気制御弁２７をほぼ全閉にすると共に副排気制御弁２９を全閉にすることによって排気ポート１１出口における排気ガス温を７５０℃以上にすることができる。排気ガス温は排気ガスが排気ポート１１出口から主排気制御弁２７まで流れる間に低下し、主排気制御弁２７を通過直後に低下するがそれでも排気ガス温はかなり高く、従って触媒２３に流入する排気ガス温はかなり高くなる。従って触媒２３の温度は迅速に上昇せしめられることになる。
【００４２】
即ち、本発明による実施例では主燃料Ｑｍに加え副燃料Ｑａを追加噴射し、主排気制御弁２７をほぼ全閉にすると共に副排気制御弁２９を全閉にすることによって大気中に排出される未燃ＨＣの量を大巾に低減しつつ触媒２３の温度を迅速に上昇させることができることになる。
図６は要求負荷Ｌに対して機関の要求発生トルクを得るのに必要な主燃料Ｑｍの変化を示している。なお、図６において実線は主排気制御弁２７がほぼ全閉せしめられると共に副排気制御弁２９が全閉せしめられた場合を示しており、破線は主排気制御弁２７又は副排気制御弁２９が全開せしめられた場合を示している。
【００４３】
一方、図７は主排気制御弁２７をほぼ全閉せしめると共に副排気制御弁２９を全閉せしめた場合において排気ポート１１出口における排気ガス温をほぼ７５０℃からほぼ８００℃にするのに必要な主燃料Ｑｍと副燃料Ｑａの関係を示している。前述したように主燃料Ｑｍを増量しても燃焼室５内の既燃ガス温は高くなり、副燃料Ｑａを増量しても燃焼室５内の既燃ガス温は高くなる。従って排気ポート１１出口における排気ガス温をほぼ７５０℃からほぼ８００℃にするのに必要な主燃料Ｑｍと副燃料Ｑａとの関係は図７に示されるように主燃料Ｑｍを増大すれば副燃料Ｑａは減少し、主燃料Ｑｍを減少すれば副燃料Ｑａは増大する関係となる。
【００４４】
ただし、主燃料Ｑｍおよび副燃料Ｑａを同一量増大した場合には副燃料Ｑａを増量した場合の方が主燃料Ｑｍを増量した場合に比べて燃焼室５内の温度上昇量がはるかに大きくなる。従って燃料消費量の低減という観点からみると副燃料Ｑａを増大させることによって燃焼室５内の既燃ガス温を上昇させることが好ましいと言える。
【００４５】
従って本発明による実施例では主排気制御弁２７をほぼ全閉せしめると共に副排気制御弁２９を全閉せしめたときに機関の発生トルクを要求発生トルクまで上昇させるのに必要な分だけ主燃料Ｑｍを増量し、主として副燃料Ｑａの燃焼熱によって燃焼室５内の既燃ガス温を上昇させるようにしている。
このように主排気制御弁２７をほぼ全閉せしめ、排気ポート１１出口における排気ガスをほぼ７５０℃以上、好ましくはほぼ８００℃以上とするのに必要な量の副燃料Ｑａを噴射すると排気ポート１１から主排気制御弁２７に至る排気通路内において未燃ＨＣの濃度を大巾に減少することができる。このとき排気ポート１１から主排気制御弁２７に至る排気通路内において図５に示されるように未燃ＨＣの濃度をほぼ１５０p.p.m 程度まで低下させるには主排気制御弁２７上流の排気通路内の圧力をゲージ圧でもってほぼ８０KPa 以上にする必要がある。このときの主排気制御弁２７による排気通路断面積の閉鎖割合はほぼ９５パーセント以上である。
【００４６】
従って図１に示される実施例では大気中への未燃ガスの排出量を大巾に低減すべきときには主排気制御弁２７による排気通路断面積の閉鎖割合がほぼ９５パーセント以上となるように主排気制御弁２７がほぼ全閉せしめられる。
さて、触媒２３の温度を迅速に上昇させる必要があるのは触媒２３の温度が活性化温度以下のときであり、触媒２３の温度が活性化温度以下となるのは主に機関の運転が開始されてから暫らくの間である。従って本発明による実施例では機関始動および暖機運転時において触媒２３の温度が活性化温度に達するまで主燃料Ｑｍを増量すると共に副燃料を追加噴射し、主排気制御弁２７をほぼ全閉せしめると共に副排気制御弁２９を全閉せしめるようにしている。なお、この間前述したように大気中に排出される未燃ＨＣの量は大巾に低減せしめられる。
【００４７】
図８は機関始動および暖機運転時において触媒２３の温度が活性化温度に達するまでの主燃料Ｑｍの変化の一例、主排気制御弁２７および副排気制御弁２９の開度を示している。なお、図８において実線Ｘは主排気制御弁２７をほぼ全閉にすると共に副排気制御弁２９を全閉にした場合の最適な主燃料Ｑｍの噴射量を示しており、破線Ｙは主排気制御弁２７又は副排気制御弁２９を全開にした場合の最適な主燃料Ｑｍの噴射量を示している。図８からわかるように機関始動および暖機運転時には主排気制御弁２７がほぼ全閉せしめられると共に副排気制御弁２９が全閉せしめられ、同一の機関運転状態のもとで主排気制御弁２７又は副排気制御弁２９が全開せしめられた場合の最適な主燃料Ｑｍの噴射量Ｙよりも主燃料Ｑｍの噴射量Ｘが増量せしめられ、更に副燃料Ｑａが追加噴射される。
【００４８】
一方、触媒２３の温度が過度に高くなると触媒２３は熱劣化を生ずる。従って本発明による実施例では触媒２３の温度が触媒２３の熱劣化をひき起す可能性のある許容最大温度に達したときには主排気制御弁２７を全閉し、副排気制御弁２９をほぼ全開にするようにしている。即ち、このときには全排気ガスが副排気通路２１ｂ内を流通せしめられるので全排気ガスは冷却装置２５によって冷却される。その結果、触媒２３に流入する排気ガス温が低下せしめられるために触媒２３の温度が低下せしめられる。斯くして触媒２３が熱劣化を生ずるのを阻止することができる。
【００４９】
次に図９を参照しつつ運転制御ルーチンについて説明する。
図９を参照するとまず初めにステップ１００において温度センサ３７により検出された触媒２３の温度ＴＣが活性化温度Ｔｓよりも高いか否かが判別される。ＴＣ≦Ｔｓのとき、即ち触媒２３が活性化していないときにはステップ１０１に進んで主排気制御弁２７がほぼ全閉せしめられ、次いでステップ１０２では副排気制御弁２９が全閉せしめられる。次いでステップ１０３では主燃料Ｑｍの噴射制御が行われる。このとき主燃料Ｑｍは図８において実線Ｘで示されるように制御される。次いでステップ１０４では副燃料Ｑａの噴射制御が行われる。
【００５０】
一方、ステップ１００においてＴＣ＞Ｔｓであると判別されたときにはステップ１０５に進んで触媒２３の温度ＴＣが触媒２３の熱劣化をひき起す可能性のある許容最大温度Ｔｍａｘよりも高いか否かが判別されるＴＣ≦Ｔｍａｘのときにはステップ１０６に進んで副排気制御弁２９が全閉せしめられ、次いでステップ１０７に進んで主排気制御弁２７が全開せしめられる。従ってこのときには全排気ガスが主排気通路２１ａ内を流通せしめられる。次いでステップ１１０では主燃料Ｑｍの噴射制御が行われる。このとき副燃料Ｑａの噴射は行われない。
【００５１】
一方、ステップ１０５においてＴＣ＞Ｔｍａｘであると判別されたとき、即ち触媒２３が熱劣化を生ずる可能性があるときにはステップ１０８に進んで副排気制御弁２９が全開せしめられ、次いでステップ１０９に進んで主排気制御弁２７が全閉せしめられる。このとき全排気ガスが副排気通路２１ｂ内を流通せしめられる。次いでステップ１１０に進み、主燃料Ｑｍの噴射制御が行われる。
【００５２】
図１０に別に実施例を示す。
この実施例では触媒コンバータ２４下流の共通の排気通路部分２２内に触媒６０を内蔵した別の触媒コンバータ６１が配置される。この触媒６０は酸化触媒、三元触媒又はＮＯx 吸収剤からなり、触媒コンバータ６１には触媒６０の温度を検出するための温度センサ６２が取付けられる。
【００５３】
更にこの実施例では主排気制御弁２７が触媒コンバータ６１下流の共通の排気通路部分２２内に配置されており、副排気制御弁２９が共通の排気通路部分２０からの主排気通路２１ａと副排気通路２１ｂの分岐部に設けられている。この副排気制御弁２９は実線で示すように副排気通路２１ｂの入口部を閉鎖するＺ１位置と、破線で示すように主排気通路２１ａを遮断するＺ２位置との二つの位置をとる。
【００５４】
また、この実施例ではまず初めに上流側の触媒２３の温度が活性化温度以上でかつ許容最大温度以下となるように制御され、上流側の触媒２３が活性化温度以上であって許容最大温度以下のときには下流側の触媒６０の温度が活性化温度以上でかつ許容最大温度以下となるように制御される。即ち、上流側の触媒２３の温度制御が優先して行われる。
【００５５】
即ち、触媒２３の温度が活性化温度以下のときには主排気制御弁２７がほぼ全閉せしめられ、副排気制御弁２９は図１０において実線で示されるＺ１位置に回動制御される。従ってこのとき全排気ガスは主排気通路２１ａ内を流通せしめられる。更にこのとき副燃料Ｑａが追加噴射され、主燃料Ｑｍが増量される。このとき主排気制御弁２７上流の機関排気通路２１内を流れる排気ガス温はかなり高いので触媒２３，６０の温度が迅速に上昇せしめられる。
【００５６】
この場合通常は触媒２３の方が先に活性化する。しかしながら触媒２３が活性化したとしても図１０に示される実施例では触媒６０が活性化するまで主排気制御弁２７はほぼ全閉状態に維持される。次いで触媒６０が活性化すると主排気制御弁２７が全開せしめられる。その後、触媒２３又は触媒６０の温度が許容最大温度以下になると副排気制御弁２９は図１０において破線で示されるＺ２位置に回動制御される。このとき全排気ガスが副排気通路２１ｂ内を流通せしめられる。
【００５７】
次に図１１を参照しつつ運転制御ルーチンについて説明する。
図１１を参照するとまず初めにステップ２００において温度センサ３７により検出された上流側の触媒２３の温度ＴＣ１が活性化温度Ｔｓよりも高いか否かが判別される。ＴＣ１≦Ｔｓのとき、即ち触媒２３が活性化していないときにはステップ２０１に進んで主排気制御弁２７がほぼ全閉せしめられ、次いでステップ２０２では副排気制御弁２９がＺ１位置に保持される。次いでステップ２０３では主燃料Ｑｍの噴射制御が行われる。このとき主燃料Ｑｍは図８において実線Ｘで示されるように制御される。次いでステップ２０４では副燃料Ｑａの噴射制御が行われる。
【００５８】
一方、ステップ２００においてＴＣ１＞Ｔｓであると判別されたときにはステップ２０５に進んで上流側の触媒２３の温度ＴＣ１が触媒２３の熱劣化をひき起す可能性のある許容最大温度Ｔｍａｘよりも高いか否かが判別されるＴＣ１＞Ｔｍａｘのとき、即ち上流側の触媒２３が熱劣化を生ずる可能性があるときにはステップ２０９に進んで副排気制御弁２９が位置Ｚ２に回動制御せしめられ、次いでステップ２１０に進んで主排気制御弁２７が全開せしめられる。このとき全排気ガスが副排気通路２１ｂ内を流通せしめられる。次いでステップ２１１に進み、主燃料Ｑｍの噴射制御が行われる。
【００５９】
これに対しステップ２０５においてＴＣ１≦Ｔｍａｘであると判別されたときにはステップ２０６に進んで温度センサ６２により検出された下流側の触媒６０の温度ＴＣ２が活性化温度Ｔｓよりも高いか否かが判別される。ＴＣ２≦Ｔｓのとき、即ち下流側の触媒６０が活性化していないときにはステップ２０１に進んで主排気制御弁２７がほぼ全閉せしめられる。これに対してＴＣ２＞Ｔｓのときにはステップ２０７に進んで下流側の触媒６０の温度ＴＣ２が触媒６０の熱劣化をひき起す可能性のある許容最大温度Ｔｍａｘよりも高いか否かが判別されるＴＣ２＞Ｔｍａｘのときにはステップ２０９に進んで副排気制御弁２９がＺ２位置に回動制御される。
【００６０】
一方、ステップ２０７においてＴＣ２≦Ｔｍａｘであると判別されたときにはステップ２０８に進んで副排気制御弁２９がＺ１位置に保持され、次いでステップ２１０に進んで主排気制御弁２７が全開せしめられる。従ってこのときには全排気ガスが主排気通路２１ａ内を流通せしめられる。
【００６１】
【発明の効果】
触媒の温度を活性化温度まで迅速に上昇させることができ、更に触媒が熱劣化するのを阻止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】燃焼室の側面断面図である。
【図３】噴射量、噴射時期および空燃比を示す図である。
【図４】噴射時期を示す図である。
【図５】未燃ＨＣの濃度を示す図である。
【図６】主燃料の噴射量を示す図である。
【図７】主燃料の噴射量と副燃料の噴射量との関係を示す図である。
【図８】主燃料の噴射量と主排気制御弁および副排気制御弁の開度を示す図である。
【図９】運転制御を行うためのフローチャートである。
【図１０】内燃機関の別の実施例を示す全体図である。
【図１１】運転制御を行うためのフローチャートである。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
１９…排気マニホルド
２１ａ…主排気通路
２１ｂ…副排気通路
２３…触媒
２７…主排気制御弁
２９…副排気制御弁
【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】
0004292632.tif 000009
【図９】
0004292632.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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