(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気ポートの出口に接続された排気通路内に排気ポートの出口から予め定められた距離を隔てて排気制御弁を配置し、大気中への未燃ＨＣの排出量を低減すべきであると判断されたときには排気制御弁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かつ排気弁の開弁時期又は閉弁時期の少なくとも一方を早めるようにし、排気制御弁がほぼ全閉せしめられたときには同一の機関運転状態のもとで排気制御弁が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排気制御弁が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内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
機関の暖機運転が行われているときには大気中への未燃ＨＣの排出量を低減すべ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。
【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なり、その結果多量の未燃ＨＣが発生する。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】
また、機関排気通路内に排気浄化用触媒を配置した場合には触媒温度が十分に高くならないと触媒による良好な排気浄化作用は行われない。そこで機関の出力を発生させるための主燃料の噴射に加え副燃料を膨張行程中に噴射し、副燃料を燃焼させることにより排気ガス温を上昇させ、それによって触媒の温度を上昇させるようにした内燃機関が公知である（特開平８−３０３２９０号公報および特開平１０−２１２９９５号公報参照）。
【０００４】
また、従来より未燃ＨＣを吸着しうる触媒が知られている。この触媒は周囲の圧力が高くなればなるほど未燃ＨＣの吸着量が増大し、周囲の圧力が低くなると吸着した未燃ＨＣを放出する性質を有する。そこでこの性質を利用して触媒から放出された未燃ＨＣによりＮＯx を還元するために、機関排気通路内にこの触媒を配置すると共に触媒下流の機関排気通路内に排気制御弁を配置し、ＮＯx の発生量の少ない機関低速低負荷運転時には機関出力の発生のための主燃料に加え少量の副燃料を膨張行程中又は排気行程中に噴射して多量の未燃ＨＣを燃焼室から排出させ、更にこのとき機関の出力低下が許容範囲内に納まるように排気制御弁を比較的に小さな開度まで閉弁することにより排気通路内の圧力を高めて燃焼室から排出される多量の未燃ＨＣを触媒内に吸着させ、ＮＯx の発生量の多い機関高速又は高負荷運転時には排気制御弁を全開にして排気通路内の圧力を低下させ、このとき触媒から放出される未燃ＨＣによってＮＯx を還元するようにした内燃機関が公知である（特開平１０−２３８３３６号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
さて、現在ディーゼル機関はもとより火花点火式内燃機関においても機関低負荷運転時、特に機関の暖機運転時に発生する未燃ＨＣの量をいかにして低減するかが大きな問題となっている。そこで本発明者はこの問題を解決すべく実験研究を行い、その結果機関の暖機運転時等において大気中に排出される未燃ＨＣの量を大巾に低減するためには燃焼室内における未燃ＨＣの発生量を低減しかつ同時に排気通路内における未燃ＨＣの低減量を増大しなければならないことが判明したのである。
【０００６】
具体的に言うと、膨張行程中又は排気行程中に燃焼室内に副燃料を追加噴射してこの副燃料を燃焼させ、機関排気ポートの出口からかなり距離を隔てた機関排気通路内に排気制御弁を設けてこの排気制御弁をほぼ全閉させると、これら副燃料の燃焼と排気制御弁による排気絞り作用との相乗効果によって燃焼室内における未燃ＨＣの発生量が低減すると共に排気通路内における未燃ＨＣの低減量が増大し、斯くして大気中に排出される未燃ＨＣの量を大巾に低減しうることが判明したのである。
【０００７】
もう少し詳しく言うと、副燃料が噴射されると副燃料自身が燃焼せしめられるばかりでなく主燃料の燃え残りである未燃ＨＣが燃焼室内で燃焼せしめられる。従って燃焼室内で発生する未燃ＨＣの量が大巾に低減するばかりでなく、主燃料の燃え残りである未燃ＨＣおよび副燃料が燃焼せしめられるので既燃ガス温がかなり高温となる。
【０００８】
一方、排気制御弁がほぼ全閉せしめられると機関の排気ポートから排気制御弁に到る排気通路内の圧力、即ち背圧がかなり高くなる。背圧が高いということは燃焼室内から排出された排気ガス温がさほど低下しないことを意味しており、従って排気ポート内における排気ガス温はかなり高温となっている。一方、背圧が高いということは排気ポート内に排出された排気ガスの流速が遅いことを意味しており、従って排気ガスは高温の状態で排気制御弁上流の排気通路内に長時間に亘って滞留することになる。この間に排気ガス中に含まれる未燃ＨＣが酸化せしめられ、斯くして大気中に排出される未燃ＨＣの量が大巾に低減されることになる。
【０００９】
この場合、もし副燃料を噴射しなかった場合には主燃料の燃え残りの未燃ＨＣがそのまま残存するために燃焼室内において多量の未燃ＨＣが発生する。また副燃料を噴射しなかった場合には燃焼室内の既燃ガス温がさほど高くならないためにこのときたとえ排気制御弁をほぼ全閉させても排気制御弁上流の排気通路内での未燃ＨＣの十分な酸化作用は期待できない。従ってこのときには多量の未燃ＨＣが大気中に排出されることになる。
【００１０】
一方、排気制御弁による排気絞り作用を行わない場合でも副燃料を噴射すれば燃焼室内で発生する未燃ＨＣの発生量は低減し、燃焼室内の既燃ガス温は高くなる。しかしながら排気制御弁による排気絞り作用を行わない場合には燃焼室から排気ガスが排出されるや否や排気ガス圧はただちに低下し、斯くして排気ガス温もただちに低下する。従ってこの場合には排気通路内における未燃ＨＣの酸化作用はほとんど期待できず、斯くしてこのときにも多量の未燃ＨＣが大気中に排出されることになる。
【００１１】
即ち、大気中に排出される未燃ＨＣの量を大巾に低減するためには副燃料を噴射しかつ同時に排気制御弁をほぼ全閉にしなければならないことになる。
前述の特開昭４９−８０４１４号公報に記載されたディーゼル機関では副燃料が噴射されず、主燃料の噴射量が大巾に増大せしめられるので排気ガス温は上昇するが極めて多量の未燃ＨＣが燃焼室内で発生する。このように燃焼室内において極めて多量の未燃ＨＣが発生するとたとえ排気通路内において未燃ＨＣの酸化作用が行われたとしても一部の未燃ＨＣしか酸化されないので多量の未燃ＨＣが大気中に排出されることになる。
【００１２】
一方、前述の特開平８−３０３２９０号公報又は特開平１０−２１２９９５号公報に記載された内燃機関では排気制御弁による排気絞り作用が行われていないので排気通路内における未燃ＨＣの酸化作用はほとんど期待できない。従ってこの内燃機関においても多量の未燃ＨＣが大気中に排出されることになる。
また前述の特開平１０−２３８３３６号公報に記載された内燃機関では機関の出力低下が許容範囲内に納まるように排気制御弁が比較的小さな開度まで閉弁せしめられる。しかしながら機関の出力低下が許容範囲内に納まる程度の排気制御弁の閉弁量では背圧はそれほど高くなっていない。
【００１３】
また、この内燃機関では触媒に吸着すべき未燃ＨＣを発生させるために少量の副燃料が膨張行程中又は排気行程中に噴射される。この場合、副燃料が良好に燃焼せしめられれば未燃ＨＣが発生しなくなるのでこの内燃機関では副燃料が良好に燃焼しないように副燃料の噴射制御を行っているものと考えられる。従ってこの内燃機関では少量の副燃料が既燃ガス温の温度上昇にはさほど寄与していないものと考えられる。
【００１４】
このようにこの内燃機関では多量の未燃ＨＣが燃焼室内において発生せしめられ、しかも背圧はそれほど高くならず既燃ガス温もさほど温度上昇しないと考えられるので排気通路内においても未燃ＨＣはさほど酸化されないものと考えられる。この内燃機関ではできるだけ多量の未燃ＨＣを触媒に吸着させることを目的としており、従ってこのように考えるのが理にかなっていると言える。
【００１５】
本発明の目的は機関の安定した運転を確保しつつ大気中に排出される未燃ＨＣの量を大巾に低減す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。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明によれば、機関排気ポートの出口に接続された排気通路内に排気ポートの出口から予め定められた距離を隔てて排気制御弁を配置し、大気中への未燃ＨＣの排出量を低減すべきであると判断されたときには排気制御弁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かつ排気弁の開弁時期又は閉弁時期の少なくとも一方を早めるようにし、排気制御弁がほぼ全閉せしめられたときには同一の機関運転状態のもとで排気制御弁が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排気制御弁が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。
【００１８】
【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。
【００１９】
図１を参照すると、１は機関本体を示し、機関本体１は１番気筒＃１、２番気筒＃２、３番気筒＃３および４番気筒＃４からなる４つの気筒を有する。図２は各気筒＃１，＃２，＃３，＃４の側面断面図を示している。図２を参照すると、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。
【００２０】
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点火順序が１−３−４−２とされており、図１に示されるように点火順序が一つおきの気筒＃１，＃４の排気ポート１１は共通の第１の排気マニホルド１９に連結され、点火順序が一つおきの残りの気筒＃２，＃３の排気ポート１１は共通の第２の排気マニホルド２０に連結される。これら第１の排気マニホルド１９と第２の排気マニホルド２０は共通の排気管２１に連結され、排気管２１は更に別の排気管２２に連結される。排気管２２内には負圧ダイアフラム装置又は電気モータからなるアクチュエータ２３により駆動される排気制御弁２４が配置される。
【００２１】
図１に示されるように排気管２１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２５を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２５内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２６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２７に連結される。このコモンレール２７内へは燃料タンク２８内の燃料が電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２９を介して供給され、コモンレール２７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２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３０が取付けられ、燃料圧センサ３０の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２９の吐出量が制御される。
【００２２】
一方、図２に示されるように排気弁１０の頂部には排気弁駆動用のアクチュエータ３１が配置されており、３２は排気弁１０の頂部に取付けられた円板状鉄片、３３，３４は鉄片３２の両側に配置されたソレノイド、３５，３６は鉄片３２の両側に配置された圧縮ばねを夫々示している。ソレノイド３３が付勢されると鉄片３２が上昇し、排気弁１０が閉弁する。これに対してソレノイド３４が付勢されると鉄片３２が下降し、排気弁１０が開弁する。従って各ソレノイド３３，３４の付勢タイミングを制御することによって排気弁１０を任意の時期に開弁し、閉弁することができる。
【００２３】
図１を参照すると、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３７が取付けられ、この水温センサ３７の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５には燃料圧センサ３０の出力信号が対応するＡＤ変換器４７を介して入力される。
【００２４】
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２３、ＥＧＲ制御弁２６、燃料ポンプ２９およびアクチュエータ３１（図２）に接続される。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
次に図４を参照しつつまず初めに本発明による未燃ＨＣの低減方法について概略的に説明する。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。
【００２９】
図４（Ａ）は本発明による方法によって特に未燃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、排気制御弁２４は全開状態に保持され、排気弁１０が図５から図７において実線Ｘで示される予め定められた開弁時期に亘って開弁せしめられる。
【００３０】
これに対し、本発明による方法によって未燃ＨＣを低減する必要がある場合には排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられ、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、更に図５から図７において夫々破線Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３で示されるように排気弁１０の開弁期間が変更せしめられる。即ち、図５に示す例では排気弁１０の開弁時期が早められ、図６に示す例では排気弁１０の閉弁時期が早められ、図７に示す例では排気弁１０の開弁時期および閉弁時期が共に早められる。
【００３１】
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。
【００３２】
図８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８に示す例において黒三角は排気制御弁２４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、排気弁１０の開弁期間を図５から図７のＸと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。
【００３３】
一方、図８に示す例において黒丸および実線は排気制御弁２４をほぼ全閉とし、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、図５に示されるように排気弁１０の開弁時期を早め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、排気制御弁２４の付近においては排気ガス中の未燃ＨＣの濃度は１５０ppm 以下まで減少する。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。
【００３４】
このように排気制御弁２４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８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８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。
【００３５】
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。
【００３６】
本発明によれば大気中に排出される未燃ＨＣの量を低減すべきときには排気制御弁２４がほぼ全閉とされる。このように排気制御弁２４がほぼ全閉にされると排気ポート１１内、排気マニホルド１９，２０内、排気管２１内、および排気制御弁２４上流の排気管２２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から排気制御弁２４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排気制御弁２４上流の排気通路内に滞留することになる。
【００３７】
このように排気ガスが高温のもとで長時間に亘り排気制御弁２４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。
【００３８】
また、高温の排気ガスが排気制御弁２４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。この滞留時間は排気制御弁２４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、従って排気制御弁２４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。排気制御弁２４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８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。なお、本発明者による実験によると未燃ＨＣを十分に低減するためには排気ポート１１出口から排気制御弁２４までの距離を１メートル以上とすることが好ましいことが判明している。
【００３９】
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、更に排気弁１０の開弁時期を早めるようにしている。
【００４０】
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。
【００４１】
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。また、排気弁１０の開弁時期を早めると排気ポート１１内に排出される排気ガス温が高くなる。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を燃焼させかつ排気弁１０の開弁時期を早め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。なお、排気弁１０の開弁時期を早めると背圧が上昇し、斯くして前述したように排気ポート１１から排気制御弁２４に至る排気通路の流速が遅くなる。その結果、排気制御弁２４上流の排気通路内での排気ガスの滞留時間が更に長くなるので排気通路内における未燃ＨＣの酸化作用が更に促進されることになる。
【００４２】
上述したように本発明では副燃料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。
【００４３】
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。
【００４４】
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、斯くして排気制御弁２４がほぼ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。
【００４５】
ところで排気制御弁２４がほぼ閉弁せしめられ、排気弁１０の開弁時期が早められ、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。そこで本発明では図４（Ｂ）に示されるように排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられかつ排気弁１０の開弁時期が早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排気制御弁２４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排気制御弁２４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排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられかつ排気弁１０の開弁時期が早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排気制御弁２４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。
【００４６】
図９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９において実線Ｘ１は排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられかつ排気弁１０の開弁時期が早められた場合を示しており、破線は排気制御弁２４が全開せしめられた場合を示している。
一方、図１０は排気制御弁２４をほぼ全閉せしめかつ排気弁１０の開弁時期を早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１０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。
【００４７】
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。
【００４８】
従って本発明による実施例では排気制御弁２４をほぼ全閉せしめかつ排気弁１０の開弁時期が早められ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。
このように排気制御弁２４をほぼ全閉せしめ、排気弁１０の開弁時期を早め、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から排気制御弁２４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から排気制御弁２４に至る排気通路内において図８に示されるように未燃ＨＣの濃度をほぼ１５０p.p.m 以下まで低下させるには排気制御弁２４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。このときの排気制御弁２４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。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排気通路内の圧力がほぼ８０KPa となるように排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられる。
【００４９】
内燃機関において多量の未燃ＨＣが発生するのは燃焼室５内の温度が低いときである。燃焼室５内の温度が低いときは機関の始動および暖機運転時、および機関低負荷時であり、従って機関の始動および暖機運転時、および機関低負荷時に多量の未燃ＨＣが発生することになる。このように燃焼室５内の温度が低いときにはたとえ排気通路内に酸化機能を有する触媒を配置しておいても触媒温度が低く触媒が活性化していないのでこのときに発生する多量の未燃ＨＣを触媒により酸化させることは困難である。
【００５０】
そこで本発明による実施例では機関の始動および暖機運転時、および機関低負荷時には排気制御弁２４をほぼ全閉せしめ、排気弁１０の開弁時期を早め、主燃料Ｑｍを増量すると共に副燃料Ｑａを追加噴射し、それによって大気中に排出される未燃ＨＣの量を大巾に低減せしめるようにしている。
図１１は機関始動および暖機運転時における主燃料Ｑｍの変化の一例、排気制御弁２４の開度および排気弁１０の開弁時期を示している。なお、図１１において実線Ｘは排気制御弁２４をほぼ全閉にしかつ排気弁１０の開弁時期を早めた場合の最適な主燃料Ｑｍの噴射量を示しており、破線Ｙは排気制御弁２４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１１からわかるように機関始動および暖機運転時には排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられ、排気弁１０の開弁時期が早められ、同一の機関運転状態のもとで排気制御弁２４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。
【００５１】
図１２は機関低負荷時における主燃料Ｑｍの変化の一例、排気制御弁２４の開度および排気弁１０の開弁時期を示している。なお、図１２において実線Ｘ１は排気制御弁２４をほぼ全閉にしかつ排気弁１０の開弁時期を早めた場合の最適な主燃料Ｑｍの噴射量を示しており、破線Ｙは排気制御弁２４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１２からわかるように機関低負荷時には排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられ、排気弁１０の開弁時期が早められ、同一の機関運転状態のもとで排気制御弁２４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。
一方、前述したように本発明による方法によって未燃ＨＣを低減する場合には図６に示されるように排気弁１０の閉弁時期を早めることもできる。排気弁１０の閉弁時期を早めると燃焼室５内に残留する既燃ガス量が増大し、斯くして燃焼室５内の温度が上昇するために排気ガス温が上昇する。また、このように排気弁１０の閉弁時期早めると機関出力が低下する。そこで本発明による実施例ではこの出力低下分を補うために主燃料Ｑｍが更に増大せしめられる。このときの主燃料Ｑｍが図９において実線Ｘ２で示されている。
【００５２】
このように主燃料Ｑｍが増大せしめられると排気ガス温は更に上昇し、斯くして未燃ＨＣの酸化反応を更に促進することができる。
なお、図７に示されるように排気弁１０の開弁時期および閉弁時期を共に早めることもでき、このときも主燃料Ｑｍは図９の実線Ｘ２で示されるように増量せしめられる。
【００５３】
図１３は運転制御ルーチンを示している。
図１３を参照するとまず初めにステップ１００において機関始動および暖機運転時であるか否かが判別される。機関始動および暖機運転時でないときにはステップ１０２にジャンプして機関低負荷時か否かが判別される。機関低負荷時でないときにはステップ１０３に進んで排気制御弁２４が全開せしめられ、次いでステップ１０４に進んで主燃料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。
【００５４】
一方、ステップ１００において機関始動および暖機運転時であると判断されたときにはステップ１０１に進んで機関の始動後、予め定められた設定期間が経過したか否かが判別される。設定期間が経過していないときにはステップ１０５に進み、設定期間が経過したときにはステップ１０２に進む。一方、ステップ１０２において機関低負荷時であると判別されたときにもステップ１０５に進む。ステップ１０５では排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられ、次いでステップ１０６では主燃料Ｑｍの噴射制御が行われる。即ち、主燃料Ｑｍの噴射量が図９に示されるＸ１又はＸ２とされる。次いでステップ１０７では副燃料Ｑａの噴射制御が行われる。次いでステップ１０８では排気弁１０の開弁時期又は閉弁時期の少なくとも一方が早められる。
【００５５】
図１４に別の実施例を示す。この実施例では排気制御弁２４上流の排気管２２内に触媒６０が配置される。このように排気制御弁２４上流の排気管２２内に触媒６０が配置されている場合には副燃料Ｑａが追加噴射され、排気制御弁２４がほぼ全閉とされ、排気弁１０の開弁時期又は閉弁時期が早められているときに触媒６０は高温の排気ガスによって強力に加熱される。従って機関始動および暖機運転時に触媒６０を早期に活性化することができる。
【００５６】
排気管２２内に配置された触媒６０としては酸化触媒、三元触媒、ＮＯx 吸収剤又はＨＣ吸着触媒を用いることができる。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。
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。
【００５７】
一方、ＨＣ吸着触媒では例えばゼオライト、アルミナＡｌ2 Ｏ3 、シリカアルミナＳｉＯ2 ・Ａｌ2 Ｏ3 、活性炭、チタニアＴｉＯ2 のような多孔質担体上に白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ、イリジウムＩｒのような貴金属、または銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ、コバルトＣｏ、ニッケルＮｉのような遷移金属が担持されている。
【００５８】
このようなＨＣ吸着触媒では排気ガス中の未燃ＨＣが触媒内に物理吸着し、未燃ＨＣの吸着量は触媒の温度が低いほど増大し、触媒を流通する排気ガスの圧力が高くなるほど増大する。従って図１４に示される実施例では触媒６０の温度が低くかつ排気制御弁２４の排気絞り作用により背圧が高められているとき、即ち機関始動および暖機運転時、および機関低負荷時に排気ガス中に含まれる未燃ＨＣがＨＣ吸着触媒に吸着できる。従って大気中に放出される未燃ＨＣの量を更に低下させることができる。なお、ＨＣ吸着触媒に吸着された未燃ＨＣは背圧が低くなったとき、或いはＨＣ吸着触媒の温度が高くなったときにＨＣ吸着触媒から放出される。
【００５９】
図１５に更に別の実施例を示す。
この実施例では排気制御弁２４上流の排気管２２内にＮＯx 吸収剤又はＨＣ吸着触媒からなる触媒６０が配置され、第１排気マニホルド１９と排気管２１間、および第２排気マニホルド２０と排気管２１間には夫々酸化触媒や三元触媒のような酸化機能を有する触媒６１，６２が配置される。
【００６０】
【発明の効果】
大気中に排出される未燃ＨＣの量を大巾に低減することができる。
【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】排気弁の開弁期間を示す図である。
【図６】排気弁の開弁期間を示す図である。
【図７】排気弁の開弁期間を示す図である。
【図８】未燃ＨＣの濃度を示す図である。
【図９】主燃料の噴射量を示す図である。
【図１０】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１１】主燃料の噴射量と排気制御弁の開度等を示す図である。
【図１２】主燃料の噴射量と排気制御弁の開度等を示す図である。
【図１３】運転制御を行うためのフローチャートである。
【図１４】内燃機関の別の実施例を示す全体図である。
【図１５】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
１０…排気弁
２４…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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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