JP2010112290A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】付加的に用いる燃料量を抑制しながらＮ2Ｏ生成量を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒２４を配置した内燃機関の排気浄化装置において、機関の燃焼状態を変化させることにより燃焼室５において生成されるＮＯｘの生成量を低減させるＮＯｘ生成量低減手段を具備し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４から流出するＮ2Ｏ量が許容量を超えると予想されるとき、ＮＯｘ生成量低減手段によってＮＯｘの生成量を一時的に低減させる。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置において、吸蔵したＮＯｘの還元浄化時に、Ｎ2やＯ2と共にＮ2Ｏが発生する場合がある。Ｎ2Ｏは、大気中へ放出されるとＣＯ2と同様なメカニズムにより温室効果をもたらすことが知られているため、地球温暖化を抑制するためその排出を抑制することが望ましい。
Ｎ2Ｏの排出量を抑制するため、吸蔵したＮＯｘを還元浄化すべきときに、推定されるＮ2Ｏ量が所定量以上である場合には、触媒温度を上昇させ、その後にＮＯｘの還元浄化処理を行うようにした内燃機関の排気浄化装置が公知である（特許文献１参照）。
特開２００４−２１１６７６号公報
しかしながら、触媒温度を上昇させる昇温処理のために付加的に燃料を必要とするが、燃費の観点から付加的な燃料は少ない方が望ましい。特に、排気ガスの温度が低い状態の場合においては昇温処理に必要な燃料が増大し好ましいことではない。
本発明は上記問題に鑑み、付加的に用いる燃料量を抑制しながらＮ2Ｏ生成量を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
請求項１に記載の発明によれば、機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置において、機関の燃焼状態を変化させることにより燃焼室において生成されるＮＯｘの生成量を低減させるＮＯｘ生成量低減手段を具備し、少なくともＮＯｘ吸蔵還元触媒で生成されるＮ2Ｏ量が許容量を超えると予想されるとき、ＮＯｘ生成量低減手段によってＮＯｘの生成量を一時的に低減させる内燃機関の排気浄化装置が提供される。
また、請求項２に記載の発明によれば、機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置において、機関の燃焼状態を変化させることにより燃焼室において生成されるＮＯｘの生成量を低減させるＮＯｘ生成量低減手段を具備し、少なくともＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切り替わる期間及びリッチからリーンに切り替わる期間に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の触媒温度がＮ2Ｏ生成温度範囲内のとき、ＮＯｘ生成量低減手段によってＮＯｘの生成量を一時的に低減させる内燃機関の排気浄化装置が提供される。
即ち、請求項１及び２に記載の発明では、Ｎ2Ｏの生成量を抑制する方法として、その発生原因の１つであるＮＯｘの生成量を低減させる方法を採用している。従って、従来の方法のように触媒昇温のために必要な付加的に用いる燃料量を抑制し、燃費の観点から非常に望ましいＮ2Ｏの生成量の抑制方法が実現可能となる。なお、機関吸気通路、燃焼室及びＮＯｘ吸蔵還元触媒上流の排気通路内に供給された空気及び燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称する。
また、請求項３に記載の発明によれば請求項２に記載の発明において、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切り替わる期間からリッチからリーンに切り替わる期間に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の触媒温度がＮ2Ｏ生成温度範囲内のとき、前記ＮＯｘ生成量低減手段によってＮＯｘの生成量を一時的に低減させる内燃機関の排気浄化装置が提供される。
また、請求項４に記載の発明によれば請求項２に記載の発明において、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切り替わる期間及びリッチからリーンに切り替わる期間に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の触媒温度がＮ2Ｏ生成温度範囲内のとき、前記ＮＯｘ生成量低減手段によってＮＯｘの生成量を一時的に低減させ、これら期間の間では、前記ＮＯｘ生成量低減手段によるＮＯｘの生成量の一時的な低減を行わない内燃機関の排気浄化装置が提供される。
また、請求項５に記載の発明によれば請求項１から４のいずれか１つに記載の発明において、燃焼室内へ流入する吸気流を調整し燃焼室内に機関運転状態に応じた最適なガスの乱れを形成する吸気流調整手段を更に具備し、前記ＮＯｘ生成量低減手段が、前記吸気流調整手段を制御し最適なガスの乱れと異なる乱れを形成することによって燃焼室において生成されるＮＯｘの生成量を低減させる内燃機関の排気浄化装置が提供される。
即ち、請求項５に記載の発明では、燃焼室内に最適なガスの乱れと異なる乱れを形成すると、最適なガス乱れが形成された場合に比べて燃焼が不完全になる。その結果、最適なガス乱れが形成された場合に比べて燃焼時の最高温度も低くなり、ＮＯｘの生成が抑制され、Ｎ2Ｏの生成量の抑制が可能となる。ＮＯｘは燃焼時の最高温度が高温であるほど発生量が増加するからである。
また、請求項６に記載の発明によれば請求項５に記載の発明において、機関排気通路内に酸化触媒及び排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを更に配置し、前記ＮＯｘ生成量低減手段が、前記吸気流調整手段を制御し前記最適なガスの乱れよりも減少した乱れを形成し、該乱れによる燃焼によって増大した排気ガス中の粒子状物質をパティキュレートフィルタによって捕集する内燃機関の排気浄化装置が提供される。
即ち、請求項６に記載の発明では、最適なガスの乱れよりも減少した乱れによって燃料を燃焼させた結果、乱れが少ないことによって燃焼に必要な酸素が不足し、最適なガス乱れが形成された場合に比べて燃焼時の最高温度も低くなる。その結果、ＮＯｘの生成が抑制され、Ｎ2Ｏの生成量の抑制が可能となる。しかし、それに伴って排気ガス中に含まれる粒子状物質の量が増大する。この場合において、排気通路内にパティキュレートフィルタを配置することによって、大気中に粒子状物質が排出されることが防止される。
また、請求項７に記載の発明によれば請求項６に記載の発明において、酸化触媒の活性時において、前記ＮＯｘ生成量低減手段が、前記吸気流調整手段を制御し前記最適なガスの乱れよりも増大した乱れを形成し、該乱れによる燃焼によって増大した排気ガス中の炭化水素を酸化触媒で酸化する内燃機関の排気浄化装置が提供される。
即ち、請求項７に記載の発明では、最適なガスの乱れよりも増大した乱れによって燃料を燃焼させた結果、乱れが大きすぎることによって燃焼が不安定になり、最適なガス乱れが形成された場合に比べて燃焼時の最高温度も低くなる。その結果、ＮＯｘの生成が抑制され、Ｎ2Ｏの生成量の抑制が可能となる。しかし、それに伴って排気ガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の量が増大する。この場合において、排気通路内に酸化触媒を配置することによって、これらを酸化し、大気中にＨＣやＣＯが排出されることが防止される。
また、請求項８に記載の発明によれば請求項１から７のいずれかに記載の発明において、機関排気通路内の排気ガスの一部を機関吸気通路に再循環させる排気再循環通路を更に具備し、前記ＮＯｘ生成量低減手段が、燃焼室に再循環させる排気ガス量を増量させることによって燃焼室において生成されるＮＯｘの生成量を低減させる内燃機関の排気浄化装置が提供される。
即ち、請求項８に記載の発明では、再循環させる排気ガス量を増量させることによって燃焼時の最高温度も低くなり、最終的にＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入するＮＯｘ量も抑制され、Ｎ2Ｏの生成量の抑制が可能となる。
また、請求項９に記載の発明によれば請求項１から８のいずれかに記載の発明において、燃焼室内へ燃料を噴射する燃料噴射手段と該燃料噴射手段の燃料噴射圧を調整する噴射圧調整手段とを更に具備し、前記ＮＯｘ生成量低減手段が、前記噴射圧調整手段を制御し燃料噴射圧を低下させることによって燃焼室内において生成されるＮＯｘの生成量を低減させる内燃機関の排気浄化装置が提供される。
即ち、請求項９に記載の発明では、燃料噴射圧を低下させることによって、燃料の霧化が不十分となる結果、通常の燃料噴射圧によって噴射された場合に比べて燃焼が不完全となる。その結果、燃焼時の最高温度も低くなり、ＮＯｘの生成が抑制され、Ｎ2Ｏの生成量の抑制が可能となる。
また、請求項１０に記載の発明によれば請求項１から９のいずれかに記載の発明において、燃焼室内へ燃料を噴射する燃料噴射手段と該燃料噴射手段が機関サイクル毎に噴射すべき燃料を複数回に分割する分割回数調整手段を更に具備し、前記ＮＯｘ生成量低減手段が、前記分割回数調整手段を制御し機関サイクル毎に噴射すべき燃料を複数回に分割することによって燃焼室内において生成されるＮＯｘの生成量を低減させる内燃機関の排気浄化装置が提供される。
即ち、請求項１０に記載の発明では、噴射すべき燃料を複数回に分割して噴射することによって、１回の噴射で燃料噴射を行った場合に比べて、燃焼時間が長くなる。その結果、燃焼時の最高温度は低くなり、ＮＯｘの生成が抑制され、Ｎ2Ｏの生成量の抑制が可能となる。
各請求項に記載の発明によれば、ＮＯｘの生成量を抑制することによって、付加的に用いる燃料を抑制しながらＮ2Ｏ生成量を抑制することが可能になるという共通の効果を奏する。
以下、図面を参照して本発明の排気浄化装置について説明する。以下に示す実施形態では、本発明を圧縮着火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を火花点火式内燃機関に適用することもできる。
図１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は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートをそれぞれ示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。
吸気ダクト１３内にはスロットル弁駆動用アクチュエータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、さらに吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８が配置される。図１に示した内燃機関では冷却装置１８内に機関冷却水が導かれ、この機関冷却水により吸入空気が冷却される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９及び排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１に連結され、排気タービン２１の出口は排気管２２ａを介して酸化触媒２３の入口に連結され、酸化触媒２３の出口は排気管２２ｂを介してＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の入口に連結され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の出口は、パティキュレートフィルタ２５の入口に連結される。酸化触媒２３、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４、及びパティキュレートフィルタ２５には、それぞれの温度Ｔｃ，Ｔｎ，Ｔｐを検出するための温度センサ２６ａ、２６ｂ、２６ｃが取り付けられる。また、排気管２２ａ，２２ｂには空燃比を検出するための空燃比センサ２７ａ，２７ｂがそれぞれ取り付けられる。
排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、「ＥＧＲ」と称す）通路２８を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２８内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２９が配置される。またＥＧＲ通路２８周りにはＥＧＲ通路２８内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲガス冷却装置３０が配置される。図１に示した内燃機関ではＥＧＲガス冷却装置３０内に機関冷却水が導かれ、この機関冷却水によりＥＧＲガスが冷却される。
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール３１に連結される。このコモンレール３１内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３２から燃料が供給され、コモンレール３１内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール３１にはコモンレール３１内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３３が取付けられ、燃料圧センサ３３の出力信号に基づいてコモンレール３１内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ３２の吐出量が制御される。
吸気枝管１１内にはスワール制御弁駆動用アクチュエータ３４によって駆動されるスワール制御弁（ＳＣＶ）３５が更に配置される。
電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１により互いに接続された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及び出力ポート４６を具備する。温度センサ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、空燃比センサ２７ａ，２７ｂ及び燃料圧センサ３３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。
アクセルペダル４９にはアクセルペダル４９の踏込量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５０が接続され、負荷センサ５０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。さらに入力ポート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５１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、スロットル弁駆動用アクチュエータ１６、ＥＧＲ制御弁２９、燃料ポンプ３２、及びスワール制御弁駆動用アクチュエータ３４に接続される。
まず初めに図１に示されるＮＯｘ吸蔵還元触媒２４について説明する。このＮＯｘ吸蔵還元触媒２４は例えばアルミナからなる触媒担体を有しており、図２はこの触媒担体５５の表面部分の断面を図解的に示している。図２に示されるように触媒担体５５の表面上には貴金属触媒５６が分散して担持されており、更に触媒担体５５の表面上にはＮＯｘ吸収剤５７の層が形成されている。
本発明による実施例では貴金属触媒５６として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯｘ吸収剤５７を構成する成分としては例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、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１つが用いられている。
機関吸気通路、燃焼室５及びＮＯｘ吸蔵還元触媒２４上流の排気通路内に供給された空気及び燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯｘ吸収剤５７は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、排気ガスの空燃比がリッチのときには吸収したＮＯｘを還元放出するＮＯｘの吸収放出作用を行う。しかしながらリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間にＮＯｘ吸収剤５７のＮＯｘ吸収能力が飽和してしまい、ＮＯｘ吸収剤５７によりＮＯｘを吸収できなくなってしまう。そこで本発明による実施例ではＮＯｘ吸収剤５７の吸収能力が飽和する前に排気ガスの空燃比を一時的にリッチにし、それによってＮＯｘ吸収剤５７からＮＯｘを還元放出させるようにしている。
ところで、上述したように、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯｘの還元浄化時にＮ2やＯ2と共にＮ2Ｏが発生する場合がある。具体的には、（１）排気ガスの空燃比が理論空燃比又は理論空燃比近傍のリッチ空燃比であること、（２）触媒温度が比較的低温（２００℃〜３５０℃）であること、（３）流入するＮＯｘ量が比較的多いこと、という３つの条件（以下、「Ｎ2Ｏ生成条件」と称す）を満たす場合に、ＮＯｘの一部がＮ2Ｏに変化され、Ｎ2Ｏの生成量が増大し許容量を超えることが分かった。
図３は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵したＮＯｘの還元浄化時の各種成分の濃度変化を示す実験結果である。ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度を上記条件（２）の比較的低温（２００℃〜３５０℃）（以下、この温度域のことを「Ｎ2Ｏ生成温度範囲」と称す）とした状態で、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンからリッチに変更し保持し、その後、リッチからリーンに戻したときの様子を表している。
横軸を時間（単位は秒[s]）、縦軸を濃度（単位は[ppm]）とし、時間の経過に伴うＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入するＣＯ量と、ＮＯｘ吸蔵還元触媒から流出するＮＯ量及びＮ2Ｏ量とを示している。ＣＯが増加している期間は、燃焼状態を変更することにより未燃燃料ＨＣを増加させ、排気ガスの空燃比がリッチとなっている状態であることを表している。図３を参照すると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入するＣＯが急増する期間Ｉ、即ち排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切り替わる期間、及びＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入するＣＯが急減する期間ＩＩ、即ち排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切り替わる期間においてＮ2Ｏ量が増大し許容量を超える。
従って、少なくとも上記期間Ｉ及びＩＩにおいて、Ｎ2Ｏ量を抑制する必要がある。上述のように従来は、Ｎ2Ｏ量を抑制するため触媒温度を上昇させることによって上記条件（２）を満たさないようにしていたが、そのために付加的な燃料が必要とされるため、燃費の観点から好ましくない。
そこで本発明では、Ｎ2Ｏ量が許容量を超えると予想されるとき、上記条件（３）のＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入するＮＯｘ量、即ち、燃焼室内における燃焼で発生するＮＯｘ量を減らすことによってＮ2Ｏの発生量を抑制する。
図４は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４に流入する排気ガスの空燃比と後述するＮＯｘの生成量を低減するＮＯｘ生成量低減制御を行う期間との関係を示す。図３に示す実験結果より、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切り替わる期間Ｉ及びリーンからリッチに切り替わる期間ＩＩにおいて許容量を超えるため、ＮＯｘ生成量低減制御を行う期間は、少なくともそれらを含む期間実行される。即ち、以下に説明するＮＯｘ生成量低減制御は、図４に示されるＮＯｘ生成量低減期間１に示すように、図３に示す期間Ｉ及び期間ＩＩのように空燃比が切り替わる期間を含む期間をそれぞれ分けて実行してもよい。言い換えると、これら期間Ｉ及びＩＩの間では、ＮＯｘ生成量低減制御を実行しない。また、ＮＯｘ生成量低減期間２に示すように、排気ガスの空燃比がリッチにされる期間に亘って実行するようにしてもよい。
以下、図４に示すように排気ガスの空燃比を一時的にリッチにする処理をリッチ処理と称す。リッチ処理は、主に内燃機関から出力を得るために圧縮上死点付近で行われる燃料噴射による燃焼の膨張行程中に、主に排気ガスの空燃比を調整するための燃料噴射によって行われる。また、ＮＯｘの生成量を考慮せず、通常行われるリッチ処理を通常リッチ処理と称し、ＮＯｘ生成量低減制御を行い、Ｎ2Ｏ量を抑制するリッチ処理をＮ2Ｏ生成抑制リッチ処理と称す。ＮＯｘ生成量低減制御はＮ2Ｏ生成抑制リッチ処理中に、図４で示したＮＯｘ生成量低減期間１又はＮＯｘ生成量低減期間２で行われる。
以下、本発明によるＮＯｘ生成量低減制御及びＮ2Ｏ生成抑制リッチ処理について詳細に説明する。
図１に示す１番目の実施形態では、ＮＯｘ生成量低減制御として、燃焼室内における吸気流を制御し、燃焼室内のガスの乱れを調整することによってＮＯｘ量を減らしている。燃焼時、混合気の形成と燃焼の促進のため燃焼室内には適度な乱れが必要である。燃焼室内に最適なガスの乱れと異なる乱れを形成すると、最適なガスの乱れが形成された場合に比べて燃焼が不完全になる。その結果、最適なガス乱れが形成された場合に比べて燃焼時の最高温度も低くなり、ＮＯｘの生成が低減され、Ｎ2Ｏの生成量の抑制が可能となる。
本実施形態では、燃焼室内のガスの乱れを調整するために、スワール比（クランクシャフト一回転当りのスワールの旋回数）を調整する方法を用いる。そのため、まず、スワール比を変更するために用いられるスワール制御弁３５について図５及び図６を参照しながら説明する。
図５は、１つの気筒に通じる吸気ポート８及び吸気枝管１１の概略図を示している。図５を参照すると、吸気枝管１１はその下流側において２つの分岐管１１ａ及び１１ｂに分岐しており、各分岐管１１ａ、１１ｂはそれぞれ１つの吸気ポート８に連通する。そして、分岐管１１ａ、１１ｂに通じる２つの吸気ポート８は同一の気筒に連通する。
２つの分岐管１１ａ、１１ｂのうち一方の分岐管１１ｂ内にはスワール制御弁３５が設けられる。スワール制御弁３５は、分岐管１１ｂ内を通過する空気の流量を制御することができ、これに伴って燃焼室５内で生成されるスワール（旋回流）の強さを調整することができる。
図６（Ａ）はスワール制御弁３５を全開にしているとき、図６（Ｂ）はスワール制御弁３５を全閉にしているときの燃焼室５内に流入する空気の流れを示している。図中の矢印は空気の流れを示している。図６（Ａ）に示したように、スワール制御弁３５が全開になっているときには、両分岐管１１ａ、１１ｂに空気が流入し、よって両吸気ポート８から略同量の空気が燃焼室５内に流入する。このとき各吸気ポート８から流入した空気は他方の吸気ポート８から流入した空気と干渉するため、燃焼室５内にはスワールがほとんど生成されない。
一方、図６（Ｂ）に示したように、スワール制御弁３５が全閉になっているときには、分岐管１１ｂには空気が流入せず、よってスワール制御弁３５の設けられていない分岐管１１ａのみから空気が燃焼室５内に流入する。燃焼室５内に流入した空気は燃焼室５の内壁面に沿って流れようとするため、燃焼室５内には図６（Ｂ）に示したような空気の旋回流、即ちスワールが生成される。
また、図６（Ｂ）から分かるように、スワール制御弁３５を閉弁すると、２つの分岐管１１ａ、１１ｂのうち１つの分岐管１１ａのみしか空気が流れることができず、よって空気が流通可能な通路が絞られることになる。即ち、スワール制御弁３５の開度を変更することによって、吸気枝管１１を通過する空気の流量が変更され、その結果、燃焼室５内に供給される吸入空気量が変更される。特に、本実施形態では、スワール制御弁３５は全開と全閉との間で連続的に制御可能であることから、スワール制御弁３５の開度を制御することにより、燃焼室５内に供給される吸入空気量、即ちスワール比（クランクシャフト一回転当りのスワールの旋回数）を連続的に変更することができる。
通常、スワール比は、運転状態に応じて、機関回転数及び機関負荷等で表されるマップ等に基づいて予め定められ、最適な値となるようスワール制御弁３５が制御される。そこで本実施形態では、このスワール比を最適な値とは異なる値となるよう変更することによって、燃焼室内における燃焼で発生するＮＯｘ量を減らしている。
即ち、燃焼状態に応じた最適なスワール比は、燃焼室内において噴射された燃料が酸素と完全に反応し、燃焼時における最高温度が高くなる。燃焼時における最高温度が高いということは燃焼によって生成されるＮＯｘ量も多くなるため、この最高温度をできるだけ下げるのが好ましい。そのため、最適なスワール比に対して、スワール制御弁３５を制御することによって失火等しない程度にスワール比を増加又は減少させる。それによって、良好な燃焼が行われず、燃焼時の最高温度が下がる。
また、例えば、スワール比を最適値から減少させると、吸入空気量が減るため燃焼に必要な酸素が不足し、燃焼時の最高温度が低下する。しかし、その結果、排気ガス中の粒子状物質が増大するが、これはパティキュレートフィルタ２５によって捕集されるため、排気性状の悪化は防止される。一方、スワール比を最適値から増加させると、燃焼室５内のガス流れが速くなることによって着火しづらくなり、燃焼時の最高温度が低下する。しかし、その結果、未燃のＨＣ及びＣＯが増大するが、酸化触媒２３が活性化している場合には、酸化触媒２３においてこれらは酸化されるため、排気性状の悪化は防止される。
以上より、スワール比を増加又は減少させることで燃焼時の最高温度を低下させ、ＮＯｘの生成量を低減することが可能となる。その際、酸化触媒２３の活性状態に応じて、スワール比を増加させるか減少させるかを決定してもよい。即ち、スワール比を減少させることは、増大する排気ガス中の粒子状物質をパティキュレートフィルタで捕集すれば排気性状は保たれるため、酸化触媒２３の活性状態によらず可能である。しかし、スワール比を増加させる場合は、酸化触媒２３が活性状態にないと、未燃のＨＣが大気中に排出され好ましくない。従って、スワール比の増加は酸化触媒２３が活性している場合にのみ行うことができる。
スワール比を調整するその他の手段として、例えば、可変動弁機構を利用することができる。即ち、２つの吸気弁７のうち一方、例えば図５及び図６に示されるスワール制御弁３５と同様に分岐管１１ｂ側の吸気弁７に可変動弁機構を設ける。ここで、開弁動作は例えばリフト量、開弁期間（作用角）及び開弁開始時期のうち１つ又は複数によって定められ、本実施形態の機構は公知のいずれの機構も使用可能であるため詳述はしない。
そして、例えば、可変動弁機構によって分岐管１１ｂ側の吸気弁７のリフト量を調整して吸入空気量を絞ることによって、図６（Ｂ）の矢印に示すのと同様のスワールを生成することが可能となり、スワール比はリフト量の調整によって決定される。
ところで、吸蔵したＮＯｘを還元浄化するときは、必ず図４に示されるような空燃比の変化が発生するため最もＮ2Ｏが発生する可能性が高い。そこで次に、本発明によるＮ2Ｏ生成抑制リッチ処理を、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４に吸蔵されたＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元浄化処理に用いた場合について説明する。
本発明による実施形態では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４に単位時間当たりに吸蔵されるＮＯｘ量ＮＯＸＡが、要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎの関数として図７に示すマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されており、このＮＯｘ量ＮＯＸＡを積算することによってＮＯｘ吸蔵還元触媒２４に吸蔵されたＮＯｘ量ΣＮＯＸが算出される。このＮＯｘ量ΣＮＯＸが許容値ＮＸに達する毎にリッチ処理が行われ、それによってＮＯｘ吸蔵還元触媒２４からＮＯｘが還元浄化される。
図８はＮＯｘ吸蔵還元触媒２４に吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元浄化操作のフローチャートである。この操作は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０によって予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行されるルーチンとして行われる。
まず、ステップ１００において、図７に示すマップから単位時間当たりに吸蔵されるＮＯｘ量ＮＯＸＡが算出される。次いでステップ１０１では、ステップ１００で算出されたＮＯＸＡがＮＯｘ吸蔵還元触媒２４に吸蔵されているＮＯｘ量ΣＮＯＸに加算される。次いでステップ１０２では、吸蔵ＮＯｘ量ΣＮＯＸが許容値ＮＸを超えたか否かが判定される。吸蔵ＮＯｘ量ΣＮＯＸが許容値ＮＸ以下の場合には、リッチ処理を行わずにルーチンを終了する。一方、吸蔵ＮＯｘ量ΣＮＯＸが許容値ＮＸより大きい場合には、ステップ１０３へと進み、後述するリッチ処理を行い、ルーチンを終了する。
図９はリッチ処理操作のフローチャートである。この操作は、図８に示すＮＯｘ還元浄化操作のステップ１０３において実行されるルーチンとして行われるが、機関運転状態によって、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチになると予想されるその他の場合に行ってもよい。
まず、ステップ２００において、酸化触媒２３の触媒温度Ｔｃ及びＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の触媒温度Ｔｎが読み込まれる。次いで、ステップ２０１では、Ｎ2Ｏ生成条件が成立するか否かが判定される。上述のＮ2Ｏ生成条件のうち条件（１）は、後にリッチ処理が行われることにより満たす。従って、Ｎ2Ｏ生成条件が成立する場合とは、ステップ２００で読み込まれたＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の触媒温度ＴｎがＮ2Ｏ生成温度範囲にある場合（条件（２））であって、且つ、図７に示すマップにより算出されたＮＯｘ量ＮＯＸＡが許容値ＮＬ以上の場合（条件（３））である。
ステップ２０１において、Ｎ2Ｏ生成条件が成立しない場合、即ち、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の触媒温度ＴｎがＮ2Ｏ生成温度範囲にない場合及び／又はＮＯｘ量ＮＯＸＡが許容値ＮＬ未満の場合には、ステップ２０２へと進む。次いでステップ２０２では、Ｎ2Ｏ生成抑制リッチ処理を行うことなく、通常のリッチ処理を行い、ルーチンを終了する。
一方、ステップ２０１において、Ｎ2Ｏ生成条件が成立する場合、即ち、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の触媒温度ＴｎがＮ2Ｏ生成温度範囲にあって且つＮＯｘ量ＮＯＸＡが許容値ＮＬ以上の場合には、ステップ２０３へと進む。次いでステップ２０３では、酸化触媒２３の触媒温度Ｔｃが活性化温度Ｔｘより小さいか否かが判定される。
ステップ２０３において、酸化触媒２３の触媒温度Ｔｃが活性化温度Ｔｘより小さい場合には、ステップ２０４へと進む。次いでステップ２０４では、スワール比を最適な値から減少させることによるＮ2Ｏ生成抑制リッチ処理を行い、ルーチンを終了する。リッチ処理中に増大した排気ガス中の粒子状物質は、パティキュレートフィルタ２５によって捕集される。
一方、ステップ２０３において、酸化触媒２３の触媒温度Ｔｃが活性化温度Ｔｘ以上の場合には、ステップ２０５へと進む。次いでステップ２０５では、スワール比を最適な値から増加させることによるＮ2Ｏ生成抑制リッチ処理を行い、ルーチンを終了する。リッチ処理中に増大した排気ガス中のＨＣは、酸化触媒２３において酸化される。
上述のように、スワール比を減少させてＮＯｘ生成量を低減する方法は、排気性状の観点から酸化触媒２３の活性状態によらず用いることができる。従って、図９に示すリッチ処理操作の一部を変更した図１０に示すように、ステップ３０１でＮ2Ｏ生成条件が成立する場合には、次いでステップ３０３において、スワール比を最適な値から減少させることによるＮ2Ｏ生成抑制リッチ処理を行い、ルーチンを終了する。
なお、本実施形態では、燃焼室５内のガスの乱れを調整するため、スワール制御弁３５を用いてスワール比を制御したが、燃焼室５内のガスの乱れを調整することができ且つ燃焼室５内に供給される吸入空気量を或る程度制御することができれば（即ち絞りとして作用させることができれば）その他の手段を用いてもよい。このような手段として、例えばタンブル制御弁等が考えられる。その他の手段を用いた場合において、本実施形態におけるスワール比の増加又は減少は、それぞれ乱れの増加又は減少に相当する。
次に、図１１に示す２番目の実施形態について説明する。本実施形態に示す圧縮着火式内燃機関は、図１に示す１番目の実施形態とは、スワール制御弁駆動用アクチュエータ及びスワール制御弁を有さない点以外、同じ構成である。
２番目の実施形態では、ＮＯｘ生成量低減制御として、燃焼室５内へ再循環させるＥＧＲガスを増量することによってＮＯｘ量を減らしている。通常、リッチ処理中は、炭化水素等を多く含む排気ガスによりＥＧＲ通路２８内及び電気制御式ＥＧＲ制御弁２９において、主として固体炭素からなるいわゆるデポジットの発生を防止するため、再循環させるＥＧＲガス量を減少又は停止させる。しかし、本実施形態においては、少なくともＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切り替わる期間及びリッチからリーンに切り替わる期間である、図４に示すＮＯｘ生成量低減期間１においては、ＥＧＲガスを増量し、ＮＯｘの生成量を低減させる。図４に示すＮＯｘ生成量低減期間２においても、Ｎ2Ｏの生成が大量に予想される場合等においては、デポジットの発生よりＮ2Ｏ量の抑制を優先し、ＥＧＲガスを増量し、ＮＯｘ量を低減させてもよい。
図１２はリッチ処理操作のフローチャートである。この操作は、図８に示すＮＯｘ還元浄化操作のステップ１０３において実行されるルーチンとして行われるが、機関運転状態によって、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチになると予想されるその他の場合に行ってもよい。
まず、ステップ４００において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の触媒温度Ｔｎが読み込まれる。次いで、ステップ４０１では、Ｎ2Ｏ生成条件が成立するか否かが判定される。上述のＮ2Ｏ生成条件のうち条件（１）は、後にリッチ処理が行われることにより満たす。従って、Ｎ2Ｏ生成条件が成立する場合とは、ステップ４００で読み込まれたＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の触媒温度ＴｎがＮ2Ｏ生成温度範囲にある場合（条件（２））であって、且つ、図７に示すマップにより算出されたＮＯｘ量ＮＯＸＡが許容値ＮＬ以上の場合（条件（３））である。
ステップ４０１において、Ｎ2Ｏ生成条件が成立しない場合、即ち、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の触媒温度ＴｎがＮ2Ｏ生成温度範囲にない場合及び／又はＮＯｘ量ＮＯＸＡが許容値ＮＬ未満の場合には、ステップ４０２へと進む。次いでステップ４０２では、Ｎ2Ｏ生成抑制リッチ処理を行うことなく、通常のリッチ処理を行い、ルーチンを終了する。
一方、ステップ４０１において、Ｎ2Ｏ生成条件が成立する場合、即ち、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の触媒温度ＴｎがＮ2Ｏ生成温度範囲にあって且つＮＯｘ量ＮＯＸＡが許容値ＮＬ以上の場合には、ステップ４０３へと進む。次いでステップ４０３では、ＥＧＲガスを増量することによるＮ2Ｏ生成抑制リッチ処理を行い、ルーチンを終了する。
次に、３番目の実施形態について説明する。本実施形態に示す圧縮着火式内燃機関は、図１１に示す２番目の実施形態と同じ構成である。
３番目の実施形態では、ＮＯｘ生成量低減制御として、機関サイクル毎に噴射すべき燃料を分割して複数回に分けて噴射することによって、燃焼時の最高温度を低下させ、ＮＯｘの生成量を低減している。これに関し、図１３は、Ｎ2Ｏ生成抑制リッチ処理時の燃料噴射弁６の燃料噴射量を調整するニードルリフト量の変化を示す。図１３（Ａ）は、通常リッチ処理時のニードルリフト量の変化を示す。図中、噴射期間ｉにおける噴射は、予め燃焼室内に混合気を作って燃えやすくするための第１副噴射であり、噴射期間ｉｉにおける噴射は、主に内燃機関から出力を得るために圧縮上死点付近で噴射される主噴射であり、噴射期間ｉｉｉにおける噴射は、主噴射による燃焼の膨張行程中に、主に排気ガスの空燃比を調整し、排気ガスの空燃比をリッチにするために噴射される第２副噴射である。
図１３（Ｂ）は、本実施形態におけるＮ2Ｏ生成抑制リッチ処理中のニードルリフト量の変化を示す。図１３（Ａ）に示す通常リッチ処理中に比べ、主噴射において噴射すべき燃料を分割し、複数回に分けて噴射している。即ち、分割して噴射することによって主噴射による燃焼期間が長くなり、それによって燃焼時の最高温度が１度に全てを噴射する通常の主噴射に比べて低くなる。その結果、ＮＯｘの生成量を低減することが可能となる。
また、主噴射を複数回に分割することにより、噴射期間ｉｉにおいてＰで示される主噴射の中でも最初の噴射は、主に燃焼室内に種火を作るために利用され、主噴射の後半の噴射は、第２副噴射における着火性向上及び燃焼室内で拡散した燃焼の促進に利用されるという利点もある。
本実施形態は、２番目の実施形態において説明した図１２に示すリッチ処理操作と同様の操作を利用することができる。即ち、ステップ４０３におけるＮ2Ｏ生成抑制リッチ処理として、本実施形態による噴射すべき燃料を分割した噴射をすることによるＮ2Ｏ生成抑制リッチ処理を行う。
次に、４番目の実施形態について説明する。本実施形態に示す圧縮着火式内燃機関は、図１１に示す２番目の実施形態と同じ構成である。
４番目の実施形態では、ＮＯｘ生成量低減制御として、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射圧を低下させることによって、燃焼時の最高温度を低下させ、ＮＯｘの生成量を低減している。即ち、燃料の噴射圧を低下させると、通常の噴射圧に比べて燃料の霧化が不十分となる。その結果、通常の燃料噴射圧によって噴射された場合に比べて燃焼か不完全となり、燃焼時の最高温度も低くなる。これによってＮＯｘの生成が低減され、Ｎ2Ｏの生成量の抑制が可能となる。なお、燃料噴射圧は、燃料ポンプ３２の吐出量を制御することによって行われる。
本実施形態は、２番目の実施形態において説明した図１２に示すリッチ処理操作と同様の操作を利用することができる。即ち、ステップ４０３におけるＮ2Ｏ生成抑制リッチ処理として、本実施形態による燃料噴射圧を低下させる噴射をすることによるＮ2Ｏ生成抑制リッチ処理を行う。
なお、上記いずれの実施形態においても、確実にＮ2Ｏの生成を抑制するため、Ｎ2Ｏ生成条件の１つである、ＮＯｘ量ＮＯＸＡの許容値ＮＬを零に設定してもよい。また、上記４つの実施形態は任意に組み合わせて使用することもできる。
上述した実施形態において、Ｎ2Ｏの生成を抑制するために、燃焼室内における燃焼で発生するＮＯｘ量を低減させる方法として、主に燃焼時の最高温度を低下させる方法をいくつか説明してきた。しかしながら、本発明において、ＮＯｘ量を低減させるために利用可能な、その他の最高温度を低下させる方法、又はＮＯｘ量を低減させる最高温度を低下させる以外の方法も利用可能である。
内燃機関の全体図である。 ＮＯｘ吸蔵還元触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。 各種成分の濃度変化を示す実験結果である。 ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比とＮＯｘ生成量低減制御を行う期間との関係を示す図である。 吸気ポート、吸気枝管及びスワール制御弁の概略図である。 吸気ポート、吸気枝管及びスワール制御弁の概略図である。 吸蔵ＮＯｘ量ＮＯＸＡのマップを示す図である。 ＮＯｘ還元浄化操作のフローチャートである。 リッチ処理操作のフローチャートである。 リッチ処理操作のフローチャートである。 内燃機関の全体図である。 リッチ処理操作のフローチャートである。 ニードルリフト量の変化を示す図である。
符号の説明
１ 機関本体
５ 燃焼室
６ 燃料噴射弁
７ 吸気弁
９ 排気弁
２４ ＮＯｘ吸蔵還元触媒

Claims (10)

  1. 機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置において、機関の燃焼状態を変化させることにより燃焼室において生成されるＮＯｘの生成量を低減させるＮＯｘ生成量低減手段を具備し、少なくともＮＯｘ吸蔵還元触媒で生成されるＮ2Ｏ量が許容量を超えると予想されるとき、ＮＯｘ生成量低減手段によってＮＯｘの生成量を一時的に低減させる内燃機関の排気浄化装置。
  2. 機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置において、機関の燃焼状態を変化させることにより燃焼室において生成されるＮＯｘの生成量を低減させるＮＯｘ生成量低減手段を具備し、少なくともＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切り替わる期間及びリッチからリーンに切り替わる期間に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の触媒温度がＮ2Ｏ生成温度範囲内のとき、ＮＯｘ生成量低減手段によってＮＯｘの生成量を一時的に低減させる内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切り替わる期間からリッチからリーンに切り替わる期間に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の触媒温度がＮ2Ｏ生成温度範囲内のとき、前記ＮＯｘ生成量低減手段によってＮＯｘの生成量を一時的に低減させる請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切り替わる期間及びリッチからリーンに切り替わる期間に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の触媒温度がＮ2Ｏ生成温度範囲内のとき、前記ＮＯｘ生成量低減手段によってＮＯｘの生成量を一時的に低減させ、これら期間の間では、前記ＮＯｘ生成量低減手段によるＮＯｘの生成量の一時的な低減を行わない請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 燃焼室内へ流入する吸気流を調整し燃焼室内に機関運転状態に応じた最適なガスの乱れを形成する吸気流調整手段を更に具備し、前記ＮＯｘ生成量低減手段が、前記吸気流調整手段を制御し最適なガスの乱れと異なる乱れを形成することによって燃焼室において生成されるＮＯｘの生成量を低減させる請求項１から４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 機関排気通路内に酸化触媒及び排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを更に配置し、前記ＮＯｘ生成量低減手段が、前記吸気流調整手段を制御し前記最適なガスの乱れよりも減少した乱れを形成し、該乱れによる燃焼によって増大した排気ガス中の粒子状物質をパティキュレートフィルタによって捕集する請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 酸化触媒の活性時において、前記ＮＯｘ生成量低減手段が、前記吸気流調整手段を制御し前記最適なガスの乱れよりも増大した乱れを形成し、該乱れによる燃焼によって増大した排気ガス中の炭化水素を酸化触媒で酸化する請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  8. 機関排気通路内の排気ガスの一部を機関吸気通路に再循環させる排気再循環通路を更に具備し、前記ＮＯｘ生成量低減手段が、燃焼室に再循環させる排気ガス量を増量させることによって燃焼室において生成されるＮＯｘの生成量を低減させる請求項１から７のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
  9. 燃焼室内へ燃料を噴射する燃料噴射手段と該燃料噴射手段の燃料噴射圧を調整する噴射圧調整手段とを更に具備し、前記ＮＯｘ生成量低減手段が、前記噴射圧調整手段を制御し燃料噴射圧を低下させることによって燃焼室内において生成されるＮＯｘの生成量を低減させる請求項１から８のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
  10. 燃焼室内へ燃料を噴射する燃料噴射手段と該燃料噴射手段が機関サイクル毎に噴射すべき燃料を複数回に分割する分割回数調整手段を更に具備し、前記ＮＯｘ生成量低減手段が、前記分割回数調整手段を制御し機関サイクル毎に噴射すべき燃料を複数回に分割することによって燃焼室内において生成されるＮＯｘの生成量を低減させる請求項１から９のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
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