JP2003113730A - ＮＯｘ吸蔵触媒を備えた内燃機関及びその燃焼制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機関がＮＯx 吸
蔵触媒に吸蔵したＮＯxを放出・還元するために必要な
リッチ運転時に、黒煙や未燃燃料等の排出量を低減す
る。 【解決手段】 レシプロ型内燃機関の排気管１０にＮＯ
x 吸蔵触媒１５が設けられ、該ＮＯx 吸蔵触媒１５に吸
蔵されたＮＯx がリッチ運転を行うことで放出・還元さ
れるＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機関において、シリン
ダ２ａ〜２ｄ内に形成する吸気スワールの強さを調整す
る吸気スワール制御弁２５を設け、ＮＯx吸蔵触媒１５
からＮＯx を放出・還元するリッチ運転時には吸気スワ
ールを強めるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レシプロ型内燃機
関の排気系にＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機関及びその
燃焼制御方法に係り、特に、ＮＯx 吸蔵触媒からＮＯx
を放出・還元させるリッチ運転時における内燃機関の燃
焼改善に用いて好適な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】陸舶用ディーゼルエンジン等のレシプロ
型内燃機関は、燃料を燃焼させることにより発生する高
温，高圧のガスエネルギによってシリンダ内でピストン
を往復動させ、これにより動力を得る機関である。この
ような内燃機関においては、近年の環境問題対策とし
て、排気系に窒素酸化物（ＮＯx ）の排出量を低減する
目的で、ＮＯx 吸蔵触媒を備えたものが開発されてい
る。

【０００３】図４は、従来のＮＯx 吸蔵触媒を備えたレ
シプロ型内燃機関（以下、単に「内燃機関」と呼ぶ）と
して、４気筒直接噴射式ディーゼルエンジンの構成例を
示したものである。図において、符号の１はエンジン本
体、２はシリンダ、３はピストン、４は燃料噴射弁、５
は燃料噴射弁駆動回路、６は制御部（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃ
ｔｒｉｃＣｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、７は吸気管、８
は吸気スロットル、９は吸気スロットル駆動回路、１０
は排気管、１１は排気再循環（以下、「ＥＧＲ」）管
路、１２はＥＧＲ弁、１３はＥＧＲ弁駆動回路、１４は
ＥＧＲクーラー、１５はＮＯx 吸蔵触媒である。

【０００４】図示した構成のＮＯx 吸蔵触媒１５を備え
たディーゼルエンジンでは、リーン燃焼を行う通常運転
時において、排気管１０に設けたＮＯx 吸蔵触媒１５が
排気ガス中のＮＯx を吸蔵する。このため、排気ガス中
に含まれるＮＯx の濃度は、ＮＯx 吸蔵触媒１５の入口
（シリンダ）側と出口側とを比較すると、ＮＯx 吸蔵触
媒１５における吸蔵分だけ出口側が低濃度となる。

【０００５】しかし、ＮＯx 吸蔵触媒１５のＮＯx 吸蔵
量には限度があるため、ＮＯx 吸蔵量が飽和した時には
短時間（０．５〜５秒程度）のＮＯx 放出・還元運転を
実施する必要がある。このようなＮＯx の放出・還元時
には一酸化炭素が関与するため、空気過剰率（λ）を１
より低くしたリッチ運転が行われている。この空気過剰
率（λ）は、下記の式で示される。

【０００６】λ＝Ｗ／Ｗｔ ここで、Ｗはシリンダ内の空気重量、Ｗｔは燃料を完全
燃焼させるために化学的に必要な空気重量である。

【０００７】従って、ＮＯx 吸蔵触媒１５を備えたディ
ーゼルエンジン等の内燃機関では、図５に示すように、
比較的時間の長い通常運転（リーン燃焼）と比較的時間
の短いリッチ運転とが交互に行われている。なお、上述
したリッチ運転時においては、通常の場合、ＥＧＲ弁
１２を開とする排気再循環、吸気スロットル８もしく
は図示省略の排気絞り弁を絞る、燃料噴射量の増量、
燃料噴射時期の進角、といった制御の全部もしくは一
部を適宜組み合わせて実施される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したＮ
Ｏx 吸蔵触媒を備えた内燃機関は、空気過剰率λが１よ
り低いリッチ運転を行うと、極端に燃焼性能が悪化して
黒煙や未燃燃料等を大量に排出するおそれがある。この
ような黒煙や未燃燃料等の排出は、大気汚染等の環境問
題を引き起こす原因となるため、ＮＯx 吸蔵触媒１５に
吸蔵されたＮＯx を放出・還元するためのリッチ運転時
においても、その排出量を低減することが求められる。

【０００９】図３は、黒煙の発生量と空気過剰率λとの
関係を示したもので、上述した従来構造の場合が実線で
示されている。黒煙の発生量は、空気過剰率λが１より
大きいリーン燃焼運転時には少なく、このリーン燃焼運
転から空気過剰率λが１以下のリッチ運転に変化する途
中のλ≒１付近で最大となる。このような背景から、排
気ガス中のＮＯx 低減に有効なＮＯx 吸蔵触媒１５を備
えたレシプロ型の内燃機関においては、リッチ運転とな
るＮＯx の放出・還元運転時の黒煙や未燃燃料の排出量
を低減し、内燃機関全体として排出する黒煙や未燃燃料
等の総量をより一層低減することが望まれる。

【００１０】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、ＮＯx 吸蔵触媒を備えたレシプロ型の内燃機関に
おいて、特に、ＮＯx 吸蔵触媒に吸蔵したＮＯx を放出
・還元するために必要なリッチ運転時の黒煙や未燃燃料
等の排出量を低減することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、以下の手段を採用した。請求項１に記載の
ＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機関は、ピストンがシリン
ダ内を往復動するように構成されたレシプロ型内燃機関
の排気系にＮＯx 吸蔵触媒が設けられ、該ＮＯx 吸蔵触
媒に吸蔵されたＮＯx がリッチ運転を行うことで放出・
還元されるＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機関において、
前記シリンダ内に形成する吸気スワールの強さを調整す
る吸気スワール制御手段を設け、前記ＮＯx 吸蔵触媒か
らＮＯx を放出・還元するリッチ運転時に前記吸気スワ
ールを強めることを特徴とするものである。

【００１２】このようなＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機
関によれば、吸気スワール制御手段によってリッチ運転
時の吸気スワールを強めると、空気量が少ない状態で運
転するリッチ運転に燃料と空気との混合が促進されるの
で、燃焼性能を向上させて黒煙等の発生量を低減させる
ことができる。

【００１３】請求項２に記載のＮＯx 吸蔵触媒を備えた
内燃機関は、請求項１記載のＮＯx吸蔵触媒を備えた内
燃機関において、前記吸気スワール制御手段が、ひとつ
のシリンダに複数設けられている吸気弁にそれぞれ吸気
を導く吸気通路の少なくとも一つに取り付けた開度制御
弁であることを特徴としている。

【００１４】このようなＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機
関によれば、開度制御弁の開度を調整することによって
複数設けられた各吸気弁から吸気される吸気量に差が生
じ、シリンダ内に形成されるスワールの強弱を調整する
ことが可能になる。

【００１５】請求項３に記載のＮＯx 吸蔵触媒を備えた
内燃機関は、請求項１または２記載のＮＯx 吸蔵触媒を
備えた内燃機関において、リッチ運転時の排気黒煙を計
測し、前回のリッチ運転時における計測値が規定値より
多い場合に前記吸気スワールをさらに強めることを特徴
としている。

【００１６】このようなＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機
関とすれば、実際の排気黒煙を計測して次回のリッチ運
転時における吸気スワールの強さを最適化し、より一層
燃焼性能を向上させて黒煙等の発生量を低減させること
ができる。

【００１７】請求項４記載のＮＯx 吸蔵触媒を備えた内
燃機関は、請求項１から３のいずれかに記載のＮＯx 吸
蔵触媒を備えた内燃機関において、リッチ運転時の排気
温度変動を計測し、前回のリッチ運転時における計測値
が規定値より低い場合には前記吸気スワールをさらに強
め、前回のリッチ運転時における計測値が規定値より高
い場合には前記吸気スワールを弱めることを特徴として
いる。

【００１８】このようなＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機
関とすれば、実際の排気温度を計測して次回のリッチ運
転時における吸気スワールの強さを最適化し、より一層
燃焼性能を向上させて黒煙等の発生量を低減させること
ができる。

【００１９】請求項５記載のＮＯx 吸蔵触媒を備えた内
燃機関は、請求項１から４のいずれかに記載のＮＯx 吸
蔵触媒を備えた内燃機関において、前記シリンダ内の空
気過剰率検出手段を設け、空気過剰率の検出値が小さく
なるにつれて前記吸気スワールを強めることを特徴とし
ている。

【００２０】このようなＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機
関によれば、空気過剰率が小さくなるにつれて、すなわ
ち空気量が少なくなるほど吸気スワールを強くして燃料
と空気との混合を促進し、燃焼性能を向上させて黒煙等
の発生量を低減させることができる。

【００２１】この場合、前記空気過剰率検出手段が、吸
入空気量検出手段と燃料噴射量演算手段とを具備してな
ることが好ましく、これにより、空気過剰率を正確かつ
容易に検出することができる。

【００２２】請求項７記載のＮＯx 吸蔵触媒を備えた内
燃機関は、請求項１から６のいずれかに記載のＮＯx 吸
蔵触媒を備えた内燃機関において、前記シリンダ内に吸
入される吸気の酸素濃度を検出する吸気酸素濃度検出手
段を設け、酸素濃度の検出値が低いほど前記吸気スワー
ルを強めることを特徴としている。

【００２３】このようなＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機
関によれば、酸素濃度の検出値が低いときほど吸気スワ
ールを強めて燃料と空気との混合を促進し、燃焼性能を
向上させて黒煙等の発生量を低減させることができる。

【００２４】請求項８記載のＮＯx 吸蔵触媒を備えた内
燃機関は、請求項１から７のいずれかに記載のＮＯx 吸
蔵触媒を備えた内燃機関において、リーン運転からリッ
チ運転に切り換えるとき、緩やかに変化する燃料噴射量
の増量及び燃料噴射時期の進角に合わせて、前記吸気ス
ワールを緩やかにあるいは段階的に変化させることを特
徴とするものである。

【００２５】このようなＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機
関によれば、燃料噴射量の増量や燃料噴射時期の進角に
合わせて、吸気スワールを緩やかにあるいは段階的に変
化させるようにしたので、内燃機関のトルク変動を小さ
くすることができる。

【００２６】請求項９に記載のＮＯx 吸蔵触媒を備えた
内燃機関の燃焼制御方法は、ピストンがシリンダ内を往
復動するように構成されたレシプロ型内燃機関の排気系
にＮＯx 吸蔵触媒が設けられ、該ＮＯx 吸蔵触媒に吸蔵
されたＮＯx がリッチ運転を行うことで放出・還元され
るＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機関の燃焼制御方法であ
って、前記ＮＯx 吸蔵触媒が吸蔵したＮＯx を放出・還
元するリッチ運転を行う時、前記吸気スワールを強める
方向に変化させることを特徴とするものである。

【００２７】このようなＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機
関の燃焼制御方法によれば、リッチ運転時には燃料と空
気との混合を行うために通常運転時より多くのエネルギ
ーを必要とするので、吸気スワールを強めることによっ
て混合のエネルギーが増し、混合を促進して良好な燃焼
性能を得ることができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るＮＯx 吸蔵触
媒を備えた内燃機関及びその燃焼制御方法の一実施形態
を、図面に基づいて説明する。図１は、ＮＯx 吸蔵触媒
を備えたレシプロ型内燃機関（以下、「内燃機関」と呼
ぶ）の構成例として、４気筒の直接噴射式ディーゼルエ
ンジンを示している。ここで、図中の符号１はエンジン
本体、２ａ〜２ｄはシリンダ、４は燃料噴射弁、５は燃
料噴射弁駆動回路、６Ａは制御部（ＥＣＵ）、７は吸気
管、８は吸気スロットル、９は吸気スロットル駆動回
路、１０は排気管、１１は排気再循環（以下、「ＥＧ
Ｒ」）管路、１２はＥＧＲ弁、１３はＥＧＲ弁駆動回
路、１４はＥＧＲクーラー、１５はＮＯx 吸蔵触媒、２
０は吸気マニホールド、２５はスワール制御弁、２６は
スワール制御弁駆動回路、３０は排気マニホールド、４
０は酸素濃度検出手段、４１は排気温度検出手段、４２
は排気黒煙計測手段である。

【００２９】図示の内燃機関は、エンジン本体１に４つ
のシリンダ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを備え、各シリンダ
２ａ〜２ｄ毎に燃料噴射弁４が設けられている。燃料噴
射弁４は、燃料噴射弁駆動回路５を備えている。この燃
料噴射弁駆動回路５は、エンジン負荷等の運転条件に応
じた制御信号を制御部６Ａから受け、燃料噴射弁４の開
閉動作を制御してシリンダ内へ噴射する燃料噴射量や燃
料噴射時期を変化させる機能を有している。

【００３０】シリンダ２ａ〜２ｄには、上述した燃料の
燃焼用空気（吸気）が吸気管７から吸気マニホールド２
０を経て供給される。吸気管７の適所には、開度調整可
能な開閉弁である吸気スロットル８が設けられている。
吸気スロットル８は、制御部６Ａから制御信号を受ける
吸気スロットル駆動回路９を備えている。この吸気スロ
ットル駆動回路９は、制御信号に応じて吸気スロットル
８の弁開度を調整し、シリンダに供給する吸気量を変化
させる機能を有している。すなわち、吸気スロットル８
の弁開度は、シリンダ内が所望の空気過剰率λとなるよ
うに、制御部６Ａの制御信号によって、燃料噴射弁５の
燃料噴射量と共に所望の吸気（空気）量を供給するよう
調整される。

【００３１】吸気スロットル８を通過して流量制御され
た吸気は、吸気管７から吸気マニホールド２０に導かれ
る。吸気マニホールド２０と各シリンダ２ａ〜２ｄの吸
気弁との間は、それぞれ吸気通路によって連結されてい
る。図示の例では、各シリンダ２ａ〜２ｄがそれぞれ二
つの吸気弁を、すなわち第１吸気弁２３及び第２吸気弁
２４を備えている。

【００３２】また、各シリンダ２ａ〜２ｄ内で燃料が燃
焼して生成された燃料ガスは排気ガスとなり、排気弁か
ら排気通路を通って排気マニホールド３０に集められ
る。この排気ガスは、排気マニホールド３０から排気管
１０へ導かれ、ＮＯx 吸蔵触媒１５及び図示省略のマフ
ラを通過して大気へ放出される。図示の例では、各シリ
ンダ２ａ〜２ｄがそれぞれ二つの排気弁を、すなわち第
１排気弁３３及び第２排気弁３４を備えている。

【００３３】ＮＯx 吸蔵触媒１５は、通過する排気ガス
中に含まれるＮＯx を吸蔵する機能を有しているが、そ
の吸蔵量には限界がある。従って、ＮＯx 吸蔵触媒１５
に吸蔵したＮＯx が飽和したら、あるいは飽和する前
に、空気過剰率λが１より大きいリーン状態で運転する
通常運転の間に、空気過剰率λが１より小さいリッチ運
転を短時間実施し、一酸化炭素の排出量を増加させて吸
蔵したＮＯx を放出・還元する必要がある（図５参
照）。これは、ＮＯx 吸蔵触媒１５に吸蔵したＮＯxを
放出・還元するために、リッチ運転で生成される一酸化
炭素（ＣＯ）が必要なためである。

【００３４】ＥＧＲ管路１１は、ＮＯx 吸蔵触媒１５よ
り排気マニホールド３０側の排気管１０から分岐し、吸
気スロットル８と吸気マニホールド２０との間の吸気管
７に連結されている。このＥＧＲ管路１１には、ＥＧＲ
弁１２及びＥＧＲクーラー１４が設けられている。ＥＧ
Ｒ弁１２は、制御部６Ａから出力される制御信号を受け
るＥＧＲ弁駆動回路１３によって開閉操作される。ＥＧ
Ｒ弁１２が開になれば、排気管１０を流れる排気ガスの
一部がＥＧＲ管路１１に流れ込む。この排気ガスは、Ｅ
ＧＲクーラー１４を通過して冷却された後に吸気管７を
流れる吸気と合流し、吸気と共に吸気マニホールド２０
から各シリンダ２ａ〜２ｄに供給される。このような排
気再循環は、通常運転時においては排気中の窒素酸化物
低減に有効なことが知られている。

【００３５】ここで、４つのシリンダ２ａ〜２ｄのう
ち、シリンダ２ａを例にして具体的に説明する。吸気マ
ニホールド２０とシリンダ２ａとの間は、吸気マニホー
ルド２０から第１吸気弁２３までが第１吸気通路２１に
よって連結され、吸気マニホールド２０から第２吸気弁
２４までが第２吸気通路２２によって連結されている。

【００３６】そして、吸気マニホールド２０から分岐し
た第１吸気通路２１及び第２吸気通路２２のうち、本発
明では一方の第１吸気通路２１に吸気スワール制御手段
としてスワール制御弁２５を設けてある。このスワール
制御弁２５は、制御部６Ａから出力される制御信号をス
ワール制御弁駆動回路２６に受け、このスワール制御弁
駆動機構２６によって弁体の開度調整が可能な開閉弁で
ある。

【００３７】スワール制御弁２５は、通常運転時には全
開位置または全開に近い開度位置にあって第１吸気通路
２１の流路面積を大きくし、強い吸気スワールが必要に
なるほど全閉に近い開度に調整して第１吸気通路２１の
流路面積を小さくする。すなわち、第１吸気流路２１の
流路面積が大きくスワール制御弁２５のない第２吸気流
路２２と圧損の差がないか、あるいはあっても小さい状
態では、シリンダ２ａに吸気を供給する二つの吸気通路
２１，２２間に生じる吸気量の差がないか、あっても小
さなものとなる。このため、シリンダ２ａ内に供給され
る吸気量は第１吸気弁２３及び第２吸気弁２４から均一
あるいはほぼ均一に分割されて流入し、二つの流れがバ
ランスすることによってシリンダ内における吸気スワー
ルの発生はほとんどないか、あるいは発生しても弱いも
のとなる。

【００３８】一方、第１吸気流路２１の流路面積が小さ
くスワール制御弁２５のない第２吸気流路２２と圧損の
差が大きい状態では、シリンダ２ａに吸気を供給する二
つの吸気通路２１，２２間に生じる吸気量の差が大きく
なる。このため、シリンダ２ａ内に供給される吸気量
は、第１吸気弁２３から少なくかつ第２吸気弁２４から
多く流入することになり、この流量差によってシリンダ
内には強い吸気スワールが発生する。この吸気スワール
は、流量差が大きいほど強いものとなる。

【００３９】シリンダ２ａ内では、燃料噴射弁４から噴
射された燃料と吸気とが混合され、高温高圧の環境下に
おいて自発火して燃焼する。こうして発生した高温高圧
の燃焼ガスは、そのエネルギーによってシリンダ２ａ内
のピストンを押す。そして、このピストンが往復動を繰
り返すことにより、クランクシャフトを回転させて出力
が発生する。こうしてシリンダ２ａ内で仕事をした燃焼
ガスは、排気ガスとなって第１排気弁３３及び第２排気
弁３４から流出し、第１排気通路３１及び第２排気通路
３２を通って排気マニホールド３０に集められる。な
お、他のシリンダ２ｂ〜２ｄについても上述したシリン
ダ２ａと同様に、一方の第１吸気通路２１にスワール制
御弁２５が設けられている。

【００４０】さて、上述した構成の内燃機関とすれば、
「通常運転」の運転モードではスワール制御弁２５を開
いて通常の吸気スワール与え、「リッチ運転」の運転モ
ードではスワール制御弁２５の開度を小さくして通常よ
り吸気スワールを強めるという吸気スワール制御が可能
になる。このような吸気スワール制御は、制御部６Ａか
らスワール制御弁駆動回路２６に出力される運転モード
の信号に基づいてスワール制御弁２５の開度を調整して
行われる。すなわち、ＮＯx 吸蔵触媒１５に吸蔵された
ＮＯx を放出・還元するためのリッチ運転では、吸気ス
ワールを強めて少ない空気と燃料との混合エネルギーを
増す。この結果、燃料と空気とが混合しながら燃焼する
拡散燃焼の燃焼性能が改善され、吸気スワールを強めな
い従来技術と比較して、黒煙や未燃燃料の排出量を低減
することができる。

【００４１】図３のグラフは、空気過剰率λと黒煙発生
量との関係を示したもので、一点鎖線で示す本願発明の
場合と実線で示す従来技術とを比較すると、空気過剰率
λが１付近で大幅な低減効果が確認されている。すなわ
ち、リーン状態で燃焼させる通常運転時とリッチ状態で
運転させるＮＯx 放出・還元との間で空気過剰率λが変
化する時、最も黒煙等の発生量が多くなっていた空気過
剰率λ≒１付近の燃焼性能が改善され、ＮＯx 放出・還
元時の黒煙発生量を低減することができる。

【００４２】なお、上述した実施形態では、第１吸気通
路２１にスワール制御弁２５を設置した構成としてある
が、本発明はこれに限定されることはなく、たとえば第
２吸気通路２２にスワール制御弁２５を設置したり、あ
るいは、第１吸気通路２１及び第２吸気通路２２の両方
にスワール制御弁２５を設置する構成とすることも可能
である。

【００４３】さて、上述した実施形態では、リッチ運転
時に吸気スワールを強めるという制御を行っているが、
以下に説明する実施形態の各変形例では、吸気スワール
の強さをフィードバック制御により補正している。

【００４４】＜第１変形例＞この変形例では、排気管１
０に排気黒煙計測手段４２を設け、ここで計測した排気
黒煙が規定値より大きい場合には、次回のリッチ運転時
で吸気スワールの強さをさらに増すように制御する。す
なわち、前回のリッチ運転時に計測した排気黒煙の発生
量が規定値より大きいということは、吸気スワールが不
足して十分な混合エネルギーを得られていないことを意
味するため、次のリッチ運転時にはスワール制御弁２５
の開度をより小さくして吸気スワールを強め、規定値以
下になるよう制御するのである。

【００４５】このような制御を行うと、実際に排出され
ている排気黒煙を計測して吸気スワールの強さを最適化
できるので、リッチ運転時における黒煙及び未燃燃料の
排出量をより一層低減することが可能となる。なお、排
気黒煙計測手段４２の具体例としては、公知の光学式セ
ンサなどが採用可能である。

【００４６】＜第２変形例＞この変形例では、排気管１
０の適所に排気温度検出手段４１を設け、ここで計測し
たリッチ運転時の排気温度変動が規定値より低い場合に
は、次回のリッチ運転時で吸気スワールの強さをさらに
増すように制御する。すなわち、リッチ運転時における
排気温度変動が小さいということは、混合エネルギーが
小さく良好な燃焼性能が得られていないことを意味する
ため、次のリッチ運転時にはスワール制御弁２５の開度
をより小さくして吸気スワールを強め、規定値以下にな
るよう制御するのである。

【００４７】また、排気温度検出手段４１で計測したリ
ッチ運転時の排気温度変動が規定値より高い場合には、
次回のリッチ運転時で吸気スワールの強さを弱めるよう
に制御する。すなわち、リッチ運転時における排気温度
変動が大きいということは、大きな混合エネルギーが得
られて必要以上の燃焼性能が得られていないことを意味
するため、次のリッチ運転時にはスワール制御弁２５の
開度を大きくして吸気スワールを弱め、規定値以上にな
るよう制御するのである。

【００４８】このような制御を行うと、実際に排出され
ている排気温度を計測して吸気スワールの強さを最適化
できるので、リッチ運転時における黒煙及び未燃燃料の
排出量をより一層低減することが可能となる。なお、排
気温度検出手段４１の具体例としては、公知の非接触式
温度センサなどが採用可能である。

【００４９】＜第３変形例＞この変形例では、シリンダ
２ａ〜２ｄ内の空気過剰率検出手段を設け、空気過剰率
λの検出値が小さくなるにつれて吸気スワールを強める
ように制御する。空気過剰率λの検出は、燃料噴射弁４
と吸気スロットル８との制御信号から算出することも可
能であるが、好ましくは、実際の吸気量を計測する吸入
空気量検出手段を吸気系の適所に設ける。また、燃料噴
射量の算出値は、燃料噴射弁４から噴射する量を燃料噴
射弁駆動回路５に出力する制御信号から演算する図示省
略の燃料噴射量演算手段によって得られる。なお、この
燃料噴射量演算手段は、たとえば制御部６Ａ内に設けら
れる。

【００５０】そして、上述した吸入空気量検出手段の計
測値と、燃料噴射量演算手段の算出値とにより空気過剰
率λの検出値を求め、この検出値が小さいほど吸気スワ
ールを強める。すなわち、実際の空気過剰率λに応じた
最適の強さで吸気スワールを与えることが可能になり、
リッチ運転時における黒煙及び未燃燃料の排出量をより
一層低減することが可能になる。

【００５１】＜第４変形例＞この変形例では、吸気管７
の適所に酸素濃度検出手段４０を設け、ここで検出した
吸気中の酸素濃度の検出値が低い場合ほど吸気スワール
の強さを増すように制御する。すなわち、リッチ運転時
における酸素濃度が小さいということは、燃料の燃焼に
必要な酸素量が少ないことを意味するので、その程度に
応じてスワール制御弁２５の開度を小さくして吸気スワ
ールを強め、混合エネルギーを増して燃焼性能が向上す
るように制御するのである。

【００５２】このような制御を行うと、実際に吸気中に
含まれている酸素濃度を検出して吸気スワールの強さを
最適化することができるので、リッチ運転時における黒
煙及び未燃燃料の排出量をより一層低減することが可能
となる。なお、排気温度検出手段４１の具体例として
は、公知の非接触式温度センサなどが採用可能である。

【００５３】ところで、上述した実施形態及び各変形例
においては、従来技術と同様にしてリッチ運転時に下記
の制御が行われる。 （１）ＥＧＲ弁１２を開とする排気再循環 （２）吸気スロットル８もしくは図示省略の排気絞り弁
を絞る （３）燃料噴射量の増量 （４）燃料噴射時期の進角 これらの制御は、必要に応じてその全部もしくは一部を
適宜組み合わせて実施される。

【００５４】また、リーン運転からリッチ運転に切り換
えるときには、吸気スワールの変化についても燃料噴射
量の増量や燃料噴射時期の進角に合わせて、緩やかにあ
るいは段階的に変化させるのが好ましい。これを図２の
タイムチャートに基づいて説明する。なお、図中の横軸
は時間を示し、縦軸の（１）は運転モード、（２）は吸
入空気（吸気）量、（３）は燃料噴射量、（４）は吸気
スワールの強さを示している。

【００５５】図によれば、（１）の運転モードが通常運
転（リーン運転）からリッチ運転に切り換える制御信号
が出力されると、吸気スロットル８の操作で変化する吸
入空気量及び燃料噴射弁４の操作で変化する燃料噴射量
は、トルク変動を防止するため所定値まで緩やかに減少
または増加する。図５の横軸に示す時間は、１回のリッ
チ運転時間が０．５〜５秒程度の短時間であり、この短
時間の中では一瞬にして所定値まで変化するのではな
く、緩やかな傾斜をもって変化する。

【００５６】この時、吸気スワールの強さが制御信号を
受けて瞬時に変化すると、短時間の中で瞬時に燃焼性能
も変化することになるので、内燃機関にトルク変動が発
生する原因となる。そこで、吸気スワールの強さについ
ても、吸入空気量及び燃料噴射量と同様に、緩やかな変
化あるいは段階的な変化をするように制御する。なお、
図５においては燃料噴射時期の進角について図示を省略
しているが、この燃料噴射時期の進角についても、トル
ク変動を防止する目的で同様の緩やかな変化をするよう
にしてある。

【００５７】また、上述した各変形例の制御は、リッチ
運転を行うときに吸気スワールを強める方向に変化させ
るというＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機関の燃焼制御方
法にそれぞれを単独で組み合わせて採用してもよいし、
あるいは、複数または全部を適宜組み合わせて採用する
ことも可能である。なお、複数の制御を選択して組み合
わせる場合には、たとえばマップ制御を採用すること
で、複数の情報から判断した最適な吸気スワールの強さ
を決定することが可能である。

【００５８】このように、上述した本発明のＮＯx 吸蔵
触媒を備えた内燃機関及びその燃焼制御方法によれば、
ＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機関において、ＮＯx 吸蔵
触媒１５に吸収したＮＯx を放出・還元するために必要
なリッチ運転時に、吸気スワールが強まることで混合エ
ネルギーが増し、燃焼性能が向上して黒煙や未燃燃料の
排出量を低減することができる。

【００５９】なお、本発明の構成は上述した実施形態に
限定されるものではなく、たとえばエンジン本体のシリ
ンダ数、吸気弁数及び排気弁数などが異なる構成の内燃
機関に適用するなど、本発明の要旨を逸脱しない範囲内
において適宜変更することができる。

【００６０】

【発明の効果】本発明のＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機
関及びその燃焼制御方法によれば、吸気スワール制御手
段によってリッチ運転時の吸気スワールを強めると、空
気量が少ない状態で運転するリッチ運転に燃料と空気と
の混合が促進されるので、燃焼性能が向上して黒煙や未
燃燃料の発生量を低減させることができる。従って、通
常運転時におけるＮＯx 吸蔵触媒のＮＯx 吸蔵作用に加
え、リッチ運転時の黒煙や未燃燃料の排出も改善される
ので、より一層きれいな排気の内燃機関を提供できると
いう顕著な効果を奏する。

【００６１】また、排気黒煙の計測、排気温度変動の計
測、空気過剰率の検出及び酸素濃度の検出のうち、少な
くとも一つを採用して吸気スワールの強さを補正すれ
ば、実際の燃焼状態が反映される最適な吸気スワールの
強さを設定することができ、より一層燃焼性能が向上し
て黒煙や未燃燃料の発生量を低減できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機
関の一実施形態として、４気筒ディーゼルエンジンの構
成例を示す図である。

【図２】 本発明の制御例を示すタイムチャートであ
る。

【図３】 空気過剰率λと黒煙発生量との関係を示すグ
ラフであり、実線が従来技術、一点鎖線が本願発明を示
している。

【図４】 従来のＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機関とし
て、４気筒ディーゼルエンジンの構成例を示す図であ
る。

【図５】 図４に示したＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機
関の運転制御を示すタイムチャート例である。

【符号の説明】

１ エンジン本体 ２，２ａ〜２ｄ シリンダ ３ ピストン ４ 燃料噴射弁 ６，６Ａ 制御部（ＥＣＵ） ７ 吸気管 ８ 吸気スロットル １０ 排気管 １５ ＮＯx 吸蔵触媒 ２０ 吸気マニホールド ２１ 第１吸気通路 ２２ 第２吸気通路 ２３ 第１吸気弁 ２４ 第２吸気弁 ２５ スワール制御弁 ４０ 酸素濃度検出手段 ４１ 排気温度検出手段 ４２ 排気黒煙計測手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｂ 31/00 ３３１ Ｆ０２Ｂ 31/00 ３３１Ｆ ４Ｄ０４８ ３３１Ｚ 31/02 Ｃ 31/02 Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１Ｈ Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１ ３０１Ｕ Ｆ０２Ｆ 1/42 Ｆ Ｆ０２Ｆ 1/42 Ｆ０２Ｍ 25/07 Ａ Ｆ０２Ｍ 25/07 Ｂ ５７０Ｄ ５７０ ５７０Ｊ Ｂ０１Ｄ 53/36 １０１Ａ １０１Ｂ Ｆターム(参考） 3G024 AA09 DA02 DA06 DA18 3G062 AA01 AA03 BA02 BA04 BA05 BA06 DA01 DA02 EA10 EB15 EB16 ED08 GA00 GA09 GA17 3G084 AA01 BA13 BA21 DA10 FA07 FA13 FA26 FA29 FA37 3G091 AA11 AA18 AA28 AB06 BA11 BA17 CA18 CB02 DA03 EA05 EA08 EA21 EA36 FB06 FB10 FB12 FC01 HB05 3G301 HA02 HA06 HA13 JA24 JA28 JA33 LA05 LB11 MA01 MA11 NE02 PA01Z PB03A PD02Z 4D048 AA06 AB02 AB07 CC27 CC38 DA01 DA02 DA03 DA06 DA08 DA20 EA04

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストンがシリンダ内を往復動するよ
   うに構成されたレシプロ型内燃機関の排気系にＮＯx 吸
   蔵触媒が設けられ、該ＮＯx 吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯ
   x がリッチ運転を行うことで放出・還元されるＮＯx 吸
   蔵触媒を備えた内燃機関において、 前記シリンダ内に形成する吸気スワールの強さを調整す
   る吸気スワール制御手段を設け、前記ＮＯx 吸蔵触媒か
   らＮＯx を放出・還元するリッチ運転時に前記吸気スワ
   ールを強めることを特徴とするＮＯx 吸蔵触媒を備えた
   内燃機関。
2. 【請求項２】 前記吸気スワール制御手段が、ひとつ
   のシリンダに複数設けられている吸気弁にそれぞれ吸気
   を導く吸気通路の少なくとも一つに取り付けた開度制御
   弁であることを特徴とする請求項１記載のＮＯx 吸蔵触
   媒を備えた内燃機関。
3. 【請求項３】 リッチ運転時の排気黒煙を計測し、前
   回のリッチ運転時における計測値が規定値より多い場合
   に前記吸気スワールをさらに強めることを特徴とする請
   求項１または２記載のＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機
   関。
4. 【請求項４】 リッチ運転時の排気温度変動を計測
   し、前回のリッチ運転時における計測値が規定値より低
   い場合には前記吸気スワールをさらに強め、前回のリッ
   チ運転時における計測値が規定値より高い場合には前記
   吸気スワールを弱めることを特徴とする請求項１から３
   のいずれかに記載のＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機関。
5. 【請求項５】 前記シリンダ内の空気過剰率検出手段
   を設け、空気過剰率の検出値が小さくなるにつれて前記
   吸気スワールを強めることを特徴とする請求項１から４
   のいずれかに記載のＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃機関。
6. 【請求項６】 前記空気過剰率検出手段が、吸入空気
   量検出手段と燃料噴射量演算手段とを具備してなること
   を特徴とする請求項５記載のＮＯx 吸蔵触媒を備えた内
   燃機関。
7. 【請求項７】 前記シリンダ内に吸入される吸気の酸
   素濃度を検出する吸気酸素濃度検出手段を設け、酸素濃
   度の検出値が低いほど前記吸気スワールを強めることを
   特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のＮＯx 吸
   蔵触媒を備えた内燃機関。
8. 【請求項８】 リーン運転からリッチ運転に切り換え
   るとき、緩やかに変化する燃料噴射量の増量及び燃料噴
   射時期の進角に合わせて、前記吸気スワールを緩やかに
   あるいは段階的に変化させることを特徴とする請求項１
   から７のいずれかに記載のＮＯx 吸蔵触媒を備えた内燃
   機関。
9. 【請求項９】 ピストンがシリンダ内を往復動するよ
   うに構成されたレシプロ型内燃機関の排気系にＮＯx 吸
   蔵触媒が設けられ、該ＮＯx 吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯ
   x がリッチ運転を行うことで放出・還元されるＮＯx 吸
   蔵触媒を備えた内燃機関の燃焼制御方法であって、 前記ＮＯx 吸蔵触媒が吸蔵したＮＯx を放出・還元する
   リッチ運転を行う時、前記吸気スワールを強める方向に
   変化させることを特徴とするＮＯx 吸蔵触媒を備えた内
   燃機関の燃焼制御方法。