JP3797046B2 - ディーゼルエンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンは、全運転領域において、Ａ／Ｆ（空燃比）２０以上のリーン状態で運転されており、排気が酸素雰囲気であることから、排気後処理、特に触媒については、一般に排気中のＨＣ、ＳＯＦのみを酸化する触媒が用いられている。
【０００３】
このようなディーゼルエンジンにおいて、排気中のＮＯｘを低減するため、特開平８−２１８９２０号公報に示されるように、排気通路に、流入する排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを吸収し、流入する排気の酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収材を配置し、このＮＯｘ吸収材からＮＯｘを放出させるべきときに、Ａ／Ｆをリッチに切換えて（リッチスパイク）、吸収材に吸収させたＮＯｘを還元浄化するようにしたものがある。
【０００４】
この場合のリッチ化は、燃料噴射量を大幅に増量して、空気過剰率を低下させることにより行うが、ディーゼルエンジンの一般的な燃焼形態である拡散燃焼において燃料噴射量を増量すると、増量した燃料の大部分が燃焼せず、大量のスモークが発生することから、燃焼開始前に燃焼室内に噴射される燃料の量を増大させることにより、噴射燃料と空気との予混合燃焼に寄与する燃料の量を、噴射燃料により燃焼室内に生じる拡散燃焼に寄与する燃料の量に対して増大させており、また、予混合燃焼による燃焼室内での燃焼の運転性に与える影響が許容範囲内となる負荷条件、すなわち低負荷領域において、行っている。言い換えれば、低負荷領域において早期噴射による予混合燃焼を活用することで、リッチ化を可能としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低負荷領域でリッチスパイクを行うことは、大幅な燃費悪化とトルク変動とを伴い、運転性の悪化を招く恐れがある。また、ＮＯｘ排出量の多い中負荷〜高負荷領域でトルク変動が大きいことを理由にリッチスパイクを行わないとすると、ＮＯｘ吸収材のＮＯｘ吸収量がすぐ飽和に達してしまい、リッチスパイクのできる低負荷領域になるまで、ＮＯｘを浄化することができないという問題点がある。
【０００６】
一方、特開平８−８６２５１号公報に開示される燃焼方式がある。
これは、所定の運転条件にて、エンジンの燃焼温度を低下させる燃焼温度低下手段と、噴射燃料の着火遅れ期間を長くする着火遅れ増長手段と、燃焼室内にスワールを生成するスワール生成手段とを備え、比較的低温で予混合燃焼を行い、ＮＯｘとスモークとを同時に低減させる燃焼方式で、燃焼速度を抑制できるため燃焼音の低減にも効果がある。こうした燃焼方式を、以下ＭＫ（Modulated Kinetic）燃焼と称することとする。
【０００７】
このＭＫ燃焼を実現するための具体的な方策としては、（１）大量ＥＧＲ、（２）燃料噴射時期の最適化、（３）高スワールの生成を行っている。
（１）大量ＥＧＲ
予混合燃焼では燃焼が一気に行われるため、燃焼温度が高くなりＮＯｘが増加し、また燃焼音も大きくなるが、大量のＥＧＲを行うことにより、着火後の燃焼をゆっくり行わせ、着火後の燃焼温度の上昇を抑えて、燃焼音やＮＯｘを低減させる。また、大量のＥＧＲにより、着火遅れ期間を長くすることで、燃料の気化のための時間が十分にとれ、予混合燃焼とすることができる。
【０００８】
（２）燃料噴射時期の最適化
従来、圧縮上死点ＴＤＣよりかなり前で開始されていた燃料噴射をＴＤＣ以降に開始させること（噴射時期の遅角化）により、圧縮された空気が膨張過程に入り、圧力が下がり始めてから燃焼が行われるため、燃焼開始圧力が低く抑えられる。また、この時期に噴射することで噴射されてもすぐに着火せず、燃料の気化のための時間が十分にとれ、予混合燃焼とすることができる。
【０００９】
（３）高スワールの生成
スワール制御弁等により、燃焼室内に高（強い）スワールを生成し、燃料と空気との混合や燃焼を安定した形で行わせる。
【００１０】
本発明は、このような実状に鑑み、上記ＭＫ燃焼を前提とし、排気通路にＮＯｘトラップ材を備える場合に、燃料噴射時期の変更のみで、より広い領域（低負荷〜中負荷領域）で、トルク変動を抑制しつつ、ＮＯｘトラップ材の再生（トラップしたＮＯｘの還元浄化）を可能にすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、エンジンの運転条件を検出する運転条件検出手段により検出される所定の運転条件にて、エンジンの燃焼温度を低下させ、噴射燃料の着火遅れ期間を長くし、かつ燃焼室内にスワールを生成することにより、予混合燃焼を行わせるディーゼルエンジンであって、エンジンの排気通路に設置され、流入する排気中のＨＣ濃度が小のときは排気中のＮＯｘをトラップし、ＨＣ濃度が大のときはトラップしたＮＯｘを放出するＮＯｘトラップ材を備えるものにおいて、前記所定の運転条件であることを前提として、前記ＮＯｘトラップ材からＮＯｘを放出させるべきＮＯｘ放出条件を検出するＮＯｘ放出条件検出手段と、前記所定の運転条件で、かつ前記ＮＯｘ放出条件でないときに、ＥＧＲ率の増加と、圧縮上死点以降の燃料噴射と、前記スワールの生成とによって、前記予混合燃焼を実現する手段と、前記所定の運転条件で、かつ前記ＮＯｘ放出条件であるときに、前記所定の運転条件で、かつ前記ＮＯｘ放出条件でないときに対し、空燃比をリッチ化することなく、燃料噴射時期のみを変更して、ＥＧＲ率の増加と、圧縮上死点前の燃料噴射と、前記スワールの生成とによって、早期噴射による予混合燃焼を実現する手段と、を設けて、ディーゼルエンジンの排気浄化装置を構成する。
【００１２】
請求項２に係る発明では、前記ＮＯｘ放出条件検出手段は、前記ＮＯｘトラップ材のＮＯｘトラップ量を検出するＮＯｘトラップ量検出手段を有し、前記所定の運転条件にて、前記ＮＯｘトラップ材のＮＯｘトラップ量が所定値以上のときを、ＮＯｘ放出条件として検出することを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る発明では、前記ＮＯｘ放出条件検出手段は、計時手段を有し、前記所定の運転条件にて、所定時間毎に周期的に、ＮＯｘ放出条件を設定することを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る発明では、ＨＣ濃度が大のときはトラップしたＮＯｘを放出して還元するＮＯｘトラップ材と、前記ＮＯｘトラップ材の温度を検出するトラップ材温度検出手段を有し、前記燃料噴射時期変更手段は、前記ＮＯｘトラップ材の温度が所定の温度範囲内にあるときのみ、燃料噴射時期を進角させることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に係る発明では、前記燃料噴射時期変更手段は、燃料噴射時期の変更時に、燃料噴射時期を徐々に変更することを特徴とする。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、燃焼温度低下、着火遅れ増長及びスワール生成によるＭＫ燃焼から、早期噴射による予混合燃焼に切換えることで、エンジンから排出されるＨＣ濃度が大幅に増加し、このＨＣ濃度変動によってＮＯｘトラップ材にトラップしたＮＯｘを放出させることができる。
【００１７】
また、ＭＫ燃焼を基本とするため、エンジンから放出されるＮＯｘの量は従来の通常燃焼に比べ格段に減少する。よって、ＮＯｘトラップ材が飽和ＮＯｘトラップ量に達するインターバルを延ばすことが可能となり、早期噴射による予混合燃焼によってＨＣ濃度変動を起こす頻度を少なくすることが可能となり、燃費悪化等を抑制できる。
【００１８】
また、早期噴射による予混合燃焼を実現するためには、着火遅れ期間の増大、均一な予混合気の形成が必要であり、ＥＧＲによる着火遅れ期間の延長、高スワールによる予混合気の形成で可能であることから、基本的にはＭＫ燃焼で行っている高ＥＧＲ＋高スワールで対応可能である。よって、燃料噴射時期の変更のみで、ＭＫ燃焼→早期噴射による予混合燃焼に切換えが可能であり、Ａ／Ｆをほとんど変動させることなく、ＨＣ濃度を変化させられることから、運転性の悪化もほとんどない。
【００１９】
また、ＭＫ燃焼のためのＭＫ領域は、低負荷〜中負荷の広い範囲にまたがっており、小さいトルクショックでＮＯｘ浄化が可能なエリアが広いため、ＮＯｘ浄化を行いやすい。
【００２０】
また、燃料噴射時期を圧縮上死点以降から圧縮上死点前に進角させることで、ＭＫ燃焼（圧縮上死点以降の燃料噴射による予混合燃焼）から、早期噴射（圧縮上死点前の燃料噴射）による予混合燃焼に確実に切換えることができる。
【００２１】
請求項２に係る発明によれば、ＮＯｘトラップ材のＮＯｘトラップ量を検出し、これが所定値以上のときに、早期噴射による予混合燃焼に切換えて、ＮＯｘの還元浄化を図るため、ＮＯｘトラップ材が飽和状態に達する前に、ＮＯｘトラップ材を確実に再生できる。
【００２２】
請求項３に係る発明によれば、所定時間毎に周期的に、早期噴射による予混合燃焼に切換えるため、ＮＯｘのトラップ・脱離・浄化が確実に行われ、ＮＯｘトラップ材の性能を最大限発揮させることができる。
【００２３】
請求項４に係る発明によれば、ＮＯｘトラップ材の温度が所定の温度範囲内にあるときのみ、すなわち、トラップしたＮＯｘを還元する性能が高い所定の温度範囲内にて、早期噴射による予混合燃焼に切換えることで、ＮＯｘの還元性能を向上することが可能となる。
【００２４】
請求項５に係る発明によれば、燃料噴射時期の変更時に、燃料噴射時期を徐々に変更することで、トルクショックを更に低減することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
図２は本発明の実施形態を示すディーゼルエンジンのシステム図である。
【００２６】
ディーゼルエンジン（エンジン本体）１の各気筒には、直噴式の燃料噴射弁２が取付けられている。各燃料噴射弁２へは、共通のコモンレール（燃料蓄圧配管）３から高圧燃料が供給される。コモンレール３へは、エンジン駆動されるサプライポンプ４から高圧燃料が圧送される。このようなコモンレール式の燃料噴射装置を用いることにより、高圧燃料を任意の時期に筒内に噴射することが可能である。
【００２７】
エンジン１への吸気通路は、吸気管５及び吸気マニホールド６により構成され、エンジン１からの排気通路は、排気マニホールド７及び排気管８により構成される。
【００２８】
吸気通路（吸気管５）には、ターボチャージャ９、詳しくは、排気通路（排気管８）側の排気タービン９ａにより駆動される吸気コンプレッサ９ｂが介装されている。このターボチャージャ９は、排気タービン９ａ側に可変ノズル機構が付いており、そのノズル開度を調整することで、任意の過給圧に制御可能である。
【００２９】
また、排気通路（排気管８）から吸気通路（吸気マニホールド６）へ、排気の一部（ＥＧＲガス）を還流させるべく、ＥＧＲ通路１０が設けられ、該ＥＧＲ通路１０には、ＥＧＲ制御弁１１が介装されている。
【００３０】
また、図２には示していないが、吸気マニホールド６又は吸気ポートには、スワール生成手段が設けられている。
スワール生成手段としては、バタフライバルブの一部に切欠きを有するスワール制御弁を用いてもよいが、ここでは、図３及び図４に示すような回転ブレード式の可変スワール装置４５を設けて、筒内のスワールを任意に設定可能としてある。
【００３１】
可変スワール装置４５は、いわゆるヘリカル型の吸気ポート４６（略直線状の吸気路４６ａと吸気弁軸回りの渦巻状路４６ｂとで形成される）の渦巻状路４６ｂの近くに位置して回転自在に設けられる回転ブレード４７と、この回転ブレード４７に連結させたリンク機構４８と、このリンク機構４８を駆動する負圧アクチュエータ４９と、この負圧アクチュエータ４９の負圧作動室５０への負圧を制御する負圧調整弁５１とからなり、回転ブレード４７の回転位置でスワール比の調整が可能である。例えば、回転ブレード４７が図４（Ａ）の位置で高スワール比となり、図４（Ｂ）の位置までくると、低スワール比となる。この回転ブレード方式は、レスポンスも早く、広範囲でスワール制御が可能である。そのため、スワール比に敏感に反応するＨＣの低減に適している。
【００３２】
排気通路（排気管８）の排気タービン９ａ下流には、ＮＯｘトラップ材の機能を有するＮＯｘトラップ触媒１２が配置されている。
このＮＯｘトラップ触媒１２としては、本出願人が特願平１０−３１９６８９号で出願しているようなものがあり、例えば、カリウム、ナトリウム、リチウム、セシウムからなるアルカリ金属、バリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウムからなるアルカリ土類金属、ランタン、セリウム、プラセオジウム、ネオジウム、サマリウムからなる希土類、マンガン、鉄、ニッケル、コバルトからなる遷移金属、ジルコニウム、イットリウムから選ばれた少なくとも１つと、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウムから選ばれた少なくとも１つとを含む触媒で、リーン域（Ａ／Ｆ＞１８）で触媒入口のＨＣ濃度が変動すると、トラップしていたＮＯｘを放出して還元浄化することができる。
【００３３】
すなわち、図５に示すように、リーン域で、雰囲気に還元剤となるＨＣ、ＣＯが少ない状態であると、ＮＯｘはＮＯ3 の状態でトラップ材にトラップされる。そして、雰囲気に還元剤となるＨＣ、ＣＯが多い状態では、ＮＯ3 はトラップ材から放出され、Ｎ2 に還元される。
【００３４】
従って、図６に示すように、触媒入口のＨＣ濃度（エンジン出口ＨＣ濃度）を変動させることで、ＮＯｘのトラップ、放出還元が起きるのである。
図６の下のグラフは、エンジン出口でのＨＣ濃度を小（区間Ｔ１）から大（区間Ｔ２）に変化させた場合を示し、図６の上のグラフは、横軸（時間軸）を下のグラフと対応させて排気管出口でのＮＯｘ濃度の変化を示している。
【００３５】
図６によれば、区間Ｔ１ではＨＣ濃度小のため、ＮＯｘトラップ量が大きい。区間Ｔ２でＨＣ濃度が大となると、区間Ｔ１でトラップされたＮＯｘが放出される（区間Ｔ２Ａ）。ここでの放出量は、前の区間（Ｔ１、周期的に見るとＴ１とＴ２Ｂ）でトラップされたＮＯｘ量よりも少ない量が放出されており、その差がＮＯｘ浄化量となる。放出が終わると、再びＮＯｘがトラップされるが、ＨＣ濃度大の区間Ｔ２ＢでのＮＯｘトラップ量は区間Ｔ１より少ない。
【００３６】
また、表１に放出還元過程の雰囲気酸素濃度に応じた区間Ｔ１、Ｔ２でのＮＯｘ低減率を示すように、ＨＣ濃度変動型のＮＯｘトラップ触媒１２は、Ａ／Ｆ＞１８（酸素濃度１０％以上）の領域でその効果が更に発揮される。
【００３７】
【表１】
ここにおいて、コモンレール燃料噴射系の燃料噴射弁２、ＥＧＲ制御弁１１、可変スワール装置４５（負圧調整弁５１）の作動は、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）１３からの信号によって制御される。
【００３８】
このＥＣＵ１３には、エンジン回転数センサ、アクセル開度センサ等の他、トラップ材温度検出手段として、ＮＯｘトラップ触媒１２入口の排気温度を検出する温度センサ１４から信号が入力されている。
【００３９】
かかるＥＣＵ１３による制御内容を第１実施形態である図７のフローチャートに基づいて説明する。
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、エンジン回転数とアクセル開度（トルク）とから、運転条件を読込む。この部分が運転条件検出手段に相当する。
【００４０】
ステップ２では、運転条件の判定、すなわち、図８に示すＭＫ燃焼のためのＭＫ領域（低負荷〜中負荷領域）か否かの判定を行う。
ＭＫ領域の場合は、ステップ３へ進んで、高ＥＧＲ率（ＥＧＲ率３０％以上）、高スワールに設定し、また、所定の条件に合致しない限り、ステップ８へ進んで、噴射時期を圧縮上死点ＴＤＣ以降（例えば４°ＡＴＤＣ）に設定し、噴射時期がＴＤＣ以降の予混合燃焼（ＭＫ燃焼）を行わせる。
【００４１】
ここで、高ＥＧＲ率に設定する部分が燃焼温度低下手段に相当し、高ＥＧＲ率に設定する部分及び噴射時期をＴＤＣ以降に設定する部分が着火遅れ増長手段に相当し、高スワールに設定する部分がスワール生成手段に相当する。
【００４２】
噴射時期がＴＤＣ以降の予混合燃焼（ＭＫ燃焼）を実現すれば、図９に示すように低負荷〜中負荷の広い運転領域（ＭＫ領域）でＮＯｘの排出量が抑制される。図９において、ＭＫ領域では、等ＮＯｘ排出量線の間隔があいており、ＮＯｘ排出量の増加もゆるやかであることがわかる。
【００４３】
また、高ＥＧＲ、高スワール、噴射時期リタードによって、低温予混合燃焼が実現されるので、図１０の特にＩＴ＝４°ＡＴＤＣの場合に示すように、スモークの悪化なしにＮＯｘを大幅に低減することが可能となる。その結果、ＭＫ領域においてはＮＯｘ排出量を従来のディーゼルエンジンに対して大幅に低減することが可能となる。
【００４４】
ステップ４では、ＮＯｘトラップ触媒１２へのＮＯｘトラップ量を判定する。判定は、図９に示したエンジン回転数及びトルクに対するＮＯｘ排出量のマップから、エンジンから排出されるＮＯｘ排出量を読込み、その運転状態の時間頻度からＮＯｘトラップ触媒１２へのＮＯｘトラップ量を算出し、これを所定値と比較する。この部分がＮＯｘ放出条件検出手段（ＮＯｘトラップ量検出手段）に相当する。
【００４５】
ＮＯｘトラップ量判定の結果、ＮＯｘトラップ量≧所定値の場合（ＮＯｘトラップ量が飽和近くに達している場合）は、ステップ７へ進む。
ステップ７では、所定時間、噴射時期をＴＤＣ前（例えば吸気行程中）に変更する。すなわち、噴射時期をＴＤＣ前とする早期噴射による予混合燃焼に切換える。この部分が燃料噴射時期変更手段に相当する。ここで、早期噴射によって予混合燃焼を達成するためには、従来の非ＭＫ燃焼の噴射時期である上死点前１５〜５°よりも更に早期（例えば上死点前１００°）に噴射する必要がある。
【００４６】
噴射時期がＴＤＣ以降の予混合燃焼（ＭＫ燃焼）から噴射時期がＴＤＣ前の早期噴射による予混合燃焼（早期予混合燃焼）に切換えることで、図６に示したように、排気中のＨＣ濃度が増大する。これにより、ＮＯｘトラップ触媒１２からＮＯｘが放出されて、還元浄化される。
【００４７】
早期予混合燃焼を実現するためには、（１）着火遅れ期間の増大、（２）均一な予混合気の形成が必要であり、本実施形態では、（１）ＥＧＲによる着火遅れ期間の延長、（２）高スワールによる予混合気の形成で可能であることから、基本的にはＭＫ燃焼で行っている高スワール＋高ＥＧＲで対応可能である。よって、スワール可変装置４５はＭＫ燃焼時と同様に高スワールを発生するように維持し、かつ低温で燃焼させるためＥＧＲ制御弁１１によりＥＧＲガスも導入していることから、噴射時期の変更のみで、ＭＫ燃焼→早期予混合燃焼に切換えが可能であり、Ａ／Ｆをほとんど変動させることなく、ＨＣ濃度を変化させられることから、運転性の悪化もほとんどない。
【００４８】
ＭＫ燃焼と早期予混合燃焼との切換えに際しては、図１１に示すように、噴射時期を徐々に変更するように、より具体的には、ＭＫ燃焼用の噴射量（ＭＫ噴射量）と早期予混合燃焼用の噴射量（早期噴射量）との割合を徐々に変化させるようにして、急激な燃焼状態の変化を回避してトルクショックが生じることを防止するとよい。
【００４９】
図１１において、カーブＡは全燃料噴射量に対するＴＤＣより早期（例えば吸気行程中）に噴射される予混合気形成用の燃料の量（早期噴射量）の割合を、同様にカーブＢは全燃料噴射量に対するＭＫ燃焼時の噴射時期に噴射される燃料の量（ＭＫ噴射量）の割合を示している。また、横軸は、ＭＫ燃焼から早期予混合燃焼への移行の経過時間を示し、Ｔで示した期間はＭＫ燃焼から早期予混合燃焼へ完全に移行するまでの期間を示している。
【００５０】
図１１について説明すると、本実施形態では、通常運転時にはＴＤＣ以降に全量（１００％）の燃料が噴射されており、早期予混合燃焼への切換時には期間Ｔの間にＴＤＣ以降における燃料噴射量は徐々に低減され、期間Ｔ終了時にはゼロになるようにされる（カーブＢ）。また、早期噴射される燃料量は通常運転時にはゼロであり、早期予混合燃焼への切換時には期間Ｔの間に０から１００％まで増量される。すなわち、ＭＫ燃焼から早期予混合燃焼への移行期間Ｔの間には、早期噴射とＭＫ燃焼のためのＴＤＣ以降噴射との両方が行われる。このように、ＭＫ燃焼から早期予混合燃焼への切換えを急激に行うのではなく、ある移行期間Ｔを設け、この期間Ｔ内にＭＫ燃焼から早期予混合燃焼への切換えを徐々に進行させることにより、ＭＫ燃焼から早期予混合燃焼への切換えによるトルクショックの発生が防止される。
【００５１】
尚、図１１は、ＭＫ燃焼から早期予混合燃焼への移行についてのみ示しているが、同様に早期予混合燃焼からＭＫ燃焼に復帰する際にも移行期間を設け、燃焼の切換えを徐々に行うようにすれば、ＭＫ燃焼と早期予混合燃焼との切換えに伴うトルクショックの発生が完全に防止される。
【００５２】
次に本発明の第２実施形態について説明する。
図１２は本発明の第２実施形態の制御フローチャートである。
トラップしたＮＯｘを還元する性能（ＮＯｘ転化率）が高い所定温度範囲で早期噴射による予混合燃焼に切換えることで、ＮＯｘの還元性能を向上することが可能となる。
【００５３】
そこで、図１３に示すような触媒活性温度域（Ｔ１〜Ｔ２の排温条件、例えば２００〜４００℃）でのみ、早期予混合燃焼に切換える。
このため、図１２のフローでは、図７のフローに対し、ステップ６が追加されている。
【００５４】
すなわち、ステップ４にてＮＯｘトラップ量が所定値以上と判定された場合に、ステップ６に進む。
ステップ６では、温度センサ１４により検出されるＮＯｘトラップ触媒１２入口の排気温度（トラップ材温度、触媒温度）が図１３に示す触媒の還元活性の高い活性温度範囲Ｔ１〜Ｔ２内であるか否かを判定する。この部分がトラップ材温度検出手段に相当する。
【００５５】
この結果、活性温度範囲内の場合は、ＮＯｘの還元浄化が可能であるため、ステップ７へ進んで、噴射時期をＴＤＣ前に変更し、早期予混合燃焼に切換える。これに対し、活性温度範囲外で、触媒の活性がない状態では、早期予混合燃焼によりＨＣ濃度変動を与えてもその効果が得られないことから、ステップ８へ進んで噴射時期がＴＤＣ以降のＭＫ燃焼のままとする。
【００５６】
次に本発明の第３実施形態について説明する。
図１４は本発明の第３実施形態の制御フローチャートである。
触媒の活性領域で周期的にＨＣ濃度変動を起こしてやることで、ＮＯｘのトラップ・脱離・浄化が確実に行われ、触媒の性能を最大限発揮させることができる。
【００５７】
そこで、所定時間毎に周期的にＭＫ燃焼から早期予混合燃焼にを切換えることで、確実にトラップしたＮＯｘを浄化する。
このため、図１４のフローでは、図１２のフローに対し、ステップ４の代わりに、ステップ５が設けられている。
【００５８】
すなわち、ＭＫ領域にて、ステップ５に進む。
ステップ５では、所定時間毎のＮＯｘ放出周期か否かを判定する。具体的には、噴射時期がＴＤＣ以降のＭＫ燃焼の継続時間を計時し、この時間が所定時間以上となった場合に、ＮＯｘ放出周期とする。この部分がＮＯｘ放出条件検出手段（計時手段）に相当する。
【００５９】
そして、ＮＯｘ放出周期の場合に、ステップ６に進み、活性温度範囲内であれば、更にステップ７に進んで、噴射時期をＴＤＣ前に変更し、早期予混合燃焼に切換える。
【００６０】
このように、周期的にＭＫ燃焼と早期予混合燃焼を切換えることで、ＮＯｘトラップ触媒１２にトラップされたＮＯｘを常時脱離・浄化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の構成を示す機能ブロック図
【図２】 本発明の実施形態を示すディーゼルエンジンのシステム図
【図３】 可変スワール装置の構成図
【図４】 可変スワール装置によるスワール生成の様子を示す斜視図
【図５】 ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ・放出還元機構を示す図
【図６】 ＨＣ濃度変動によるＮＯｘトラップ・放出還元作用を示す図
【図７】 第１実施形態の制御フローチャート
【図８】 ＭＫ領域を示す図
【図９】 エンジンＮＯｘ排出量マップを示す図
【図１０】 ＮＯｘ及びスモーク発生量を示す図
【図１１】 ＭＫ燃焼と早期予混合燃焼との切換時の噴射量割合を示す図
【図１２】 第２実施形態の制御フローチャート
【図１３】 ＮＯｘトラップ触媒の活性温度範囲を示す図
【図１４】 第３実施形態の制御フローチャート
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン
２ 燃料噴射弁
３ コモンレール
４ サプライポンプ
５ 吸気管
６ 吸気マニホールド
７ 排気マニホールド
８ 排気管
９ ターボチャージャ
１０ ＥＧＲ通路
１１ ＥＧＲ制御弁
１２ ＮＯｘトラップ触媒（ＮＯｘトラップ材）
１３ ＥＣＵ
１４ 温度センサ
４５ 可変スワール装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンは、全運転領域において、Ａ／Ｆ（空燃比）２０以上のリーン状態で運転されており、排気が酸素雰囲気であることから、排気後処理、特に触媒については、一般に排気中のＨＣ、ＳＯＦのみを酸化する触媒が用いられている。
【０００３】
このようなディーゼルエンジンにおいて、排気中のＮＯｘを低減するため、特開平８−２１８９２０号公報に示されるように、排気通路に、流入する排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを吸収し、流入する排気の酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収材を配置し、このＮＯｘ吸収材からＮＯｘを放出させるべきときに、Ａ／Ｆをリッチに切換えて（リッチスパイク）、吸収材に吸収させたＮＯｘを還元浄化するようにしたものがある。
【０００４】
この場合のリッチ化は、燃料噴射量を大幅に増量して、空気過剰率を低下させることにより行うが、ディーゼルエンジンの一般的な燃焼形態である拡散燃焼において燃料噴射量を増量すると、増量した燃料の大部分が燃焼せず、大量のスモークが発生することから、燃焼開始前に燃焼室内に噴射される燃料の量を増大させることにより、噴射燃料と空気との予混合燃焼に寄与する燃料の量を、噴射燃料により燃焼室内に生じる拡散燃焼に寄与する燃料の量に対して増大させており、また、予混合燃焼による燃焼室内での燃焼の運転性に与える影響が許容範囲内となる負荷条件、すなわち低負荷領域において、行っている。言い換えれば、低負荷領域において早期噴射による予混合燃焼を活用することで、リッチ化を可能としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低負荷領域でリッチスパイクを行うことは、大幅な燃費悪化とトルク変動とを伴い、運転性の悪化を招く恐れがある。また、ＮＯｘ排出量の多い中負荷〜高負荷領域でトルク変動が大きいことを理由にリッチスパイクを行わないとすると、ＮＯｘ吸収材のＮＯｘ吸収量がすぐ飽和に達してしまい、リッチスパイクのできる低負荷領域になるまで、ＮＯｘを浄化することができないという問題点がある。
【０００６】
一方、特開平８−８６２５１号公報に開示される燃焼方式がある。
これは、所定の運転条件にて、エンジンの燃焼温度を低下させる燃焼温度低下手段と、噴射燃料の着火遅れ期間を長くする着火遅れ増長手段と、燃焼室内にスワールを生成するスワール生成手段とを備え、比較的低温で予混合燃焼を行い、ＮＯｘとスモークとを同時に低減させる燃焼方式で、燃焼速度を抑制できるため燃焼音の低減にも効果がある。こうした燃焼方式を、以下ＭＫ（Modulated Kinetic）燃焼と称することとする。
【０００７】
このＭＫ燃焼を実現するための具体的な方策としては、（１）大量ＥＧＲ、（２）燃料噴射時期の最適化、（３）高スワールの生成を行っている。
（１）大量ＥＧＲ
予混合燃焼では燃焼が一気に行われるため、燃焼温度が高くなりＮＯｘが増加し、また燃焼音も大きくなるが、大量のＥＧＲを行うことにより、着火後の燃焼をゆっくり行わせ、着火後の燃焼温度の上昇を抑えて、燃焼音やＮＯｘを低減させる。また、大量のＥＧＲにより、着火遅れ期間を長くすることで、燃料の気化のための時間が十分にとれ、予混合燃焼とすることができる。
【０００８】
（２）燃料噴射時期の最適化
従来、圧縮上死点ＴＤＣよりかなり前で開始されていた燃料噴射をＴＤＣ以降に開始させること（噴射時期の遅角化）により、圧縮された空気が膨張過程に入り、圧力が下がり始めてから燃焼が行われるため、燃焼開始圧力が低く抑えられる。また、この時期に噴射することで噴射されてもすぐに着火せず、燃料の気化のための時間が十分にとれ、予混合燃焼とすることができる。
【０００９】
（３）高スワールの生成
スワール制御弁等により、燃焼室内に高（強い）スワールを生成し、燃料と空気との混合や燃焼を安定した形で行わせる。
【００１０】
本発明は、このような実状に鑑み、上記ＭＫ燃焼を前提とし、排気通路にＮＯｘトラップ材を備える場合に、燃料噴射時期の変更のみで、より広い領域（低負荷〜中負荷領域）で、トルク変動を抑制しつつ、ＮＯｘトラップ材の再生（トラップしたＮＯｘの還元浄化）を可能にすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、エンジンの運転条件を検出する運転条件検出手段により検出される所定の運転条件にて、エンジンの燃焼温度を低下させ、噴射燃料の着火遅れ期間を長くし、かつ燃焼室内にスワールを生成することにより、予混合燃焼を行わせるディーゼルエンジンであって、エンジンの排気通路に設置され、流入する排気中のＨＣ濃度が小のときは排気中のＮＯｘをトラップし、ＨＣ濃度が大のときはトラップしたＮＯｘを放出するＮＯｘトラップ材を備えるものにおいて、前記所定の運転条件であることを前提として、前記ＮＯｘトラップ材からＮＯｘを放出させるべきＮＯｘ放出条件を検出するＮＯｘ放出条件検出手段と、前記所定の運転条件で、かつ前記ＮＯｘ放出条件でないときに、ＥＧＲ率の増加と、圧縮上死点以降の燃料噴射と、前記スワールの生成とによって、前記予混合燃焼を実現する手段と、前記所定の運転条件で、かつ前記ＮＯｘ放出条件であるときに、前記所定の運転条件で、かつ前記ＮＯｘ放出条件でないときに対し、空燃比をリッチ化することなく、燃料噴射時期のみを変更して、ＥＧＲ率の増加と、圧縮上死点前の燃料噴射と、前記スワールの生成とによって、早期噴射による予混合燃焼を実現する手段と、を設けて、ディーゼルエンジンの排気浄化装置を構成する。
【００１２】
請求項２に係る発明では、前記ＮＯｘ放出条件検出手段は、前記ＮＯｘトラップ材のＮＯｘトラップ量を検出するＮＯｘトラップ量検出手段を有し、前記所定の運転条件にて、前記ＮＯｘトラップ材のＮＯｘトラップ量が所定値以上のときを、ＮＯｘ放出条件として検出することを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る発明では、前記ＮＯｘ放出条件検出手段は、計時手段を有し、前記所定の運転条件にて、所定時間毎に周期的に、ＮＯｘ放出条件を設定することを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る発明では、ＨＣ濃度が大のときはトラップしたＮＯｘを放出して還元するＮＯｘトラップ材と、前記ＮＯｘトラップ材の温度を検出するトラップ材温度検出手段を有し、前記燃料噴射時期変更手段は、前記ＮＯｘトラップ材の温度が所定の温度範囲内にあるときのみ、燃料噴射時期を進角させることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に係る発明では、前記燃料噴射時期変更手段は、燃料噴射時期の変更時に、燃料噴射時期を徐々に変更することを特徴とする。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、燃焼温度低下、着火遅れ増長及びスワール生成によるＭＫ燃焼から、早期噴射による予混合燃焼に切換えることで、エンジンから排出されるＨＣ濃度が大幅に増加し、このＨＣ濃度変動によってＮＯｘトラップ材にトラップしたＮＯｘを放出させることができる。
【００１７】
また、ＭＫ燃焼を基本とするため、エンジンから放出されるＮＯｘの量は従来の通常燃焼に比べ格段に減少する。よって、ＮＯｘトラップ材が飽和ＮＯｘトラップ量に達するインターバルを延ばすことが可能となり、早期噴射による予混合燃焼によってＨＣ濃度変動を起こす頻度を少なくすることが可能となり、燃費悪化等を抑制できる。
【００１８】
また、早期噴射による予混合燃焼を実現するためには、着火遅れ期間の増大、均一な予混合気の形成が必要であり、ＥＧＲによる着火遅れ期間の延長、高スワールによる予混合気の形成で可能であることから、基本的にはＭＫ燃焼で行っている高ＥＧＲ＋高スワールで対応可能である。よって、燃料噴射時期の変更のみで、ＭＫ燃焼→早期噴射による予混合燃焼に切換えが可能であり、Ａ／Ｆをほとんど変動させることなく、ＨＣ濃度を変化させられることから、運転性の悪化もほとんどない。
【００１９】
また、ＭＫ燃焼のためのＭＫ領域は、低負荷〜中負荷の広い範囲にまたがっており、小さいトルクショックでＮＯｘ浄化が可能なエリアが広いため、ＮＯｘ浄化を行いやすい。
【００２０】
また、燃料噴射時期を圧縮上死点以降から圧縮上死点前に進角させることで、ＭＫ燃焼（圧縮上死点以降の燃料噴射による予混合燃焼）から、早期噴射（圧縮上死点前の燃料噴射）による予混合燃焼に確実に切換えることができる。
【００２１】
請求項２に係る発明によれば、ＮＯｘトラップ材のＮＯｘトラップ量を検出し、これが所定値以上のときに、早期噴射による予混合燃焼に切換えて、ＮＯｘの還元浄化を図るため、ＮＯｘトラップ材が飽和状態に達する前に、ＮＯｘトラップ材を確実に再生できる。
【００２２】
請求項３に係る発明によれば、所定時間毎に周期的に、早期噴射による予混合燃焼に切換えるため、ＮＯｘのトラップ・脱離・浄化が確実に行われ、ＮＯｘトラップ材の性能を最大限発揮させることができる。
【００２３】
請求項４に係る発明によれば、ＮＯｘトラップ材の温度が所定の温度範囲内にあるときのみ、すなわち、トラップしたＮＯｘを還元する性能が高い所定の温度範囲内にて、早期噴射による予混合燃焼に切換えることで、ＮＯｘの還元性能を向上することが可能となる。
【００２４】
請求項５に係る発明によれば、燃料噴射時期の変更時に、燃料噴射時期を徐々に変更することで、トルクショックを更に低減することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
図２は本発明の実施形態を示すディーゼルエンジンのシステム図である。
【００２６】
ディーゼルエンジン（エンジン本体）１の各気筒には、直噴式の燃料噴射弁２が取付けられている。各燃料噴射弁２へは、共通のコモンレール（燃料蓄圧配管）３から高圧燃料が供給される。コモンレール３へは、エンジン駆動されるサプライポンプ４から高圧燃料が圧送される。このようなコモンレール式の燃料噴射装置を用いることにより、高圧燃料を任意の時期に筒内に噴射することが可能である。
【００２７】
エンジン１への吸気通路は、吸気管５及び吸気マニホールド６により構成され、エンジン１からの排気通路は、排気マニホールド７及び排気管８により構成される。
【００２８】
吸気通路（吸気管５）には、ターボチャージャ９、詳しくは、排気通路（排気管８）側の排気タービン９ａにより駆動される吸気コンプレッサ９ｂが介装されている。このターボチャージャ９は、排気タービン９ａ側に可変ノズル機構が付いており、そのノズル開度を調整することで、任意の過給圧に制御可能である。
【００２９】
また、排気通路（排気管８）から吸気通路（吸気マニホールド６）へ、排気の一部（ＥＧＲガス）を還流させるべく、ＥＧＲ通路１０が設けられ、該ＥＧＲ通路１０には、ＥＧＲ制御弁１１が介装されている。
【００３０】
また、図２には示していないが、吸気マニホールド６又は吸気ポートには、スワール生成手段が設けられている。
スワール生成手段としては、バタフライバルブの一部に切欠きを有するスワール制御弁を用いてもよいが、ここでは、図３及び図４に示すような回転ブレード式の可変スワール装置４５を設けて、筒内のスワールを任意に設定可能としてある。
【００３１】
可変スワール装置４５は、いわゆるヘリカル型の吸気ポート４６（略直線状の吸気路４６ａと吸気弁軸回りの渦巻状路４６ｂとで形成される）の渦巻状路４６ｂの近くに位置して回転自在に設けられる回転ブレード４７と、この回転ブレード４７に連結させたリンク機構４８と、このリンク機構４８を駆動する負圧アクチュエータ４９と、この負圧アクチュエータ４９の負圧作動室５０への負圧を制御する負圧調整弁５１とからなり、回転ブレード４７の回転位置でスワール比の調整が可能である。例えば、回転ブレード４７が図４（Ａ）の位置で高スワール比となり、図４（Ｂ）の位置までくると、低スワール比となる。この回転ブレード方式は、レスポンスも早く、広範囲でスワール制御が可能である。そのため、スワール比に敏感に反応するＨＣの低減に適している。
【００３２】
排気通路（排気管８）の排気タービン９ａ下流には、ＮＯｘトラップ材の機能を有するＮＯｘトラップ触媒１２が配置されている。
このＮＯｘトラップ触媒１２としては、本出願人が特願平１０−３１９６８９号で出願しているようなものがあり、例えば、カリウム、ナトリウム、リチウム、セシウムからなるアルカリ金属、バリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウムからなるアルカリ土類金属、ランタン、セリウム、プラセオジウム、ネオジウム、サマリウムからなる希土類、マンガン、鉄、ニッケル、コバルトからなる遷移金属、ジルコニウム、イットリウムから選ばれた少なくとも１つと、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウムから選ばれた少なくとも１つとを含む触媒で、リーン域（Ａ／Ｆ＞１８）で触媒入口のＨＣ濃度が変動すると、トラップしていたＮＯｘを放出して還元浄化することができる。
【００３３】
すなわち、図５に示すように、リーン域で、雰囲気に還元剤となるＨＣ、ＣＯが少ない状態であると、ＮＯｘはＮＯ3 の状態でトラップ材にトラップされる。そして、雰囲気に還元剤となるＨＣ、ＣＯが多い状態では、ＮＯ3 はトラップ材から放出され、Ｎ2 に還元される。
【００３４】
従って、図６に示すように、触媒入口のＨＣ濃度（エンジン出口ＨＣ濃度）を変動させることで、ＮＯｘのトラップ、放出還元が起きるのである。
図６の下のグラフは、エンジン出口でのＨＣ濃度を小（区間Ｔ１）から大（区間Ｔ２）に変化させた場合を示し、図６の上のグラフは、横軸（時間軸）を下のグラフと対応させて排気管出口でのＮＯｘ濃度の変化を示している。
【００３５】
図６によれば、区間Ｔ１ではＨＣ濃度小のため、ＮＯｘトラップ量が大きい。区間Ｔ２でＨＣ濃度が大となると、区間Ｔ１でトラップされたＮＯｘが放出される（区間Ｔ２Ａ）。ここでの放出量は、前の区間（Ｔ１、周期的に見るとＴ１とＴ２Ｂ）でトラップされたＮＯｘ量よりも少ない量が放出されており、その差がＮＯｘ浄化量となる。放出が終わると、再びＮＯｘがトラップされるが、ＨＣ濃度大の区間Ｔ２ＢでのＮＯｘトラップ量は区間Ｔ１より少ない。
【００３６】
また、表１に放出還元過程の雰囲気酸素濃度に応じた区間Ｔ１、Ｔ２でのＮＯｘ低減率を示すように、ＨＣ濃度変動型のＮＯｘトラップ触媒１２は、Ａ／Ｆ＞１８（酸素濃度１０％以上）の領域でその効果が更に発揮される。
【００３７】
【表１】
【００３８】
このＥＣＵ１３には、エンジン回転数センサ、アクセル開度センサ等の他、トラップ材温度検出手段として、ＮＯｘトラップ触媒１２入口の排気温度を検出する温度センサ１４から信号が入力されている。
【００３９】
かかるＥＣＵ１３による制御内容を第１実施形態である図７のフローチャートに基づいて説明する。
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、エンジン回転数とアクセル開度（トルク）とから、運転条件を読込む。この部分が運転条件検出手段に相当する。
【００４０】
ステップ２では、運転条件の判定、すなわち、図８に示すＭＫ燃焼のためのＭＫ領域（低負荷〜中負荷領域）か否かの判定を行う。
ＭＫ領域の場合は、ステップ３へ進んで、高ＥＧＲ率（ＥＧＲ率３０％以上）、高スワールに設定し、また、所定の条件に合致しない限り、ステップ８へ進んで、噴射時期を圧縮上死点ＴＤＣ以降（例えば４°ＡＴＤＣ）に設定し、噴射時期がＴＤＣ以降の予混合燃焼（ＭＫ燃焼）を行わせる。
【００４１】
ここで、高ＥＧＲ率に設定する部分が燃焼温度低下手段に相当し、高ＥＧＲ率に設定する部分及び噴射時期をＴＤＣ以降に設定する部分が着火遅れ増長手段に相当し、高スワールに設定する部分がスワール生成手段に相当する。
【００４２】
噴射時期がＴＤＣ以降の予混合燃焼（ＭＫ燃焼）を実現すれば、図９に示すように低負荷〜中負荷の広い運転領域（ＭＫ領域）でＮＯｘの排出量が抑制される。図９において、ＭＫ領域では、等ＮＯｘ排出量線の間隔があいており、ＮＯｘ排出量の増加もゆるやかであることがわかる。
【００４３】
また、高ＥＧＲ、高スワール、噴射時期リタードによって、低温予混合燃焼が実現されるので、図１０の特にＩＴ＝４°ＡＴＤＣの場合に示すように、スモークの悪化なしにＮＯｘを大幅に低減することが可能となる。その結果、ＭＫ領域においてはＮＯｘ排出量を従来のディーゼルエンジンに対して大幅に低減することが可能となる。
【００４４】
ステップ４では、ＮＯｘトラップ触媒１２へのＮＯｘトラップ量を判定する。判定は、図９に示したエンジン回転数及びトルクに対するＮＯｘ排出量のマップから、エンジンから排出されるＮＯｘ排出量を読込み、その運転状態の時間頻度からＮＯｘトラップ触媒１２へのＮＯｘトラップ量を算出し、これを所定値と比較する。この部分がＮＯｘ放出条件検出手段（ＮＯｘトラップ量検出手段）に相当する。
【００４５】
ＮＯｘトラップ量判定の結果、ＮＯｘトラップ量≧所定値の場合（ＮＯｘトラップ量が飽和近くに達している場合）は、ステップ７へ進む。
ステップ７では、所定時間、噴射時期をＴＤＣ前（例えば吸気行程中）に変更する。すなわち、噴射時期をＴＤＣ前とする早期噴射による予混合燃焼に切換える。この部分が燃料噴射時期変更手段に相当する。ここで、早期噴射によって予混合燃焼を達成するためには、従来の非ＭＫ燃焼の噴射時期である上死点前１５〜５°よりも更に早期（例えば上死点前１００°）に噴射する必要がある。
【００４６】
噴射時期がＴＤＣ以降の予混合燃焼（ＭＫ燃焼）から噴射時期がＴＤＣ前の早期噴射による予混合燃焼（早期予混合燃焼）に切換えることで、図６に示したように、排気中のＨＣ濃度が増大する。これにより、ＮＯｘトラップ触媒１２からＮＯｘが放出されて、還元浄化される。
【００４７】
早期予混合燃焼を実現するためには、（１）着火遅れ期間の増大、（２）均一な予混合気の形成が必要であり、本実施形態では、（１）ＥＧＲによる着火遅れ期間の延長、（２）高スワールによる予混合気の形成で可能であることから、基本的にはＭＫ燃焼で行っている高スワール＋高ＥＧＲで対応可能である。よって、スワール可変装置４５はＭＫ燃焼時と同様に高スワールを発生するように維持し、かつ低温で燃焼させるためＥＧＲ制御弁１１によりＥＧＲガスも導入していることから、噴射時期の変更のみで、ＭＫ燃焼→早期予混合燃焼に切換えが可能であり、Ａ／Ｆをほとんど変動させることなく、ＨＣ濃度を変化させられることから、運転性の悪化もほとんどない。
【００４８】
ＭＫ燃焼と早期予混合燃焼との切換えに際しては、図１１に示すように、噴射時期を徐々に変更するように、より具体的には、ＭＫ燃焼用の噴射量（ＭＫ噴射量）と早期予混合燃焼用の噴射量（早期噴射量）との割合を徐々に変化させるようにして、急激な燃焼状態の変化を回避してトルクショックが生じることを防止するとよい。
【００４９】
図１１において、カーブＡは全燃料噴射量に対するＴＤＣより早期（例えば吸気行程中）に噴射される予混合気形成用の燃料の量（早期噴射量）の割合を、同様にカーブＢは全燃料噴射量に対するＭＫ燃焼時の噴射時期に噴射される燃料の量（ＭＫ噴射量）の割合を示している。また、横軸は、ＭＫ燃焼から早期予混合燃焼への移行の経過時間を示し、Ｔで示した期間はＭＫ燃焼から早期予混合燃焼へ完全に移行するまでの期間を示している。
【００５０】
図１１について説明すると、本実施形態では、通常運転時にはＴＤＣ以降に全量（１００％）の燃料が噴射されており、早期予混合燃焼への切換時には期間Ｔの間にＴＤＣ以降における燃料噴射量は徐々に低減され、期間Ｔ終了時にはゼロになるようにされる（カーブＢ）。また、早期噴射される燃料量は通常運転時にはゼロであり、早期予混合燃焼への切換時には期間Ｔの間に０から１００％まで増量される。すなわち、ＭＫ燃焼から早期予混合燃焼への移行期間Ｔの間には、早期噴射とＭＫ燃焼のためのＴＤＣ以降噴射との両方が行われる。このように、ＭＫ燃焼から早期予混合燃焼への切換えを急激に行うのではなく、ある移行期間Ｔを設け、この期間Ｔ内にＭＫ燃焼から早期予混合燃焼への切換えを徐々に進行させることにより、ＭＫ燃焼から早期予混合燃焼への切換えによるトルクショックの発生が防止される。
【００５１】
尚、図１１は、ＭＫ燃焼から早期予混合燃焼への移行についてのみ示しているが、同様に早期予混合燃焼からＭＫ燃焼に復帰する際にも移行期間を設け、燃焼の切換えを徐々に行うようにすれば、ＭＫ燃焼と早期予混合燃焼との切換えに伴うトルクショックの発生が完全に防止される。
【００５２】
次に本発明の第２実施形態について説明する。
図１２は本発明の第２実施形態の制御フローチャートである。
トラップしたＮＯｘを還元する性能（ＮＯｘ転化率）が高い所定温度範囲で早期噴射による予混合燃焼に切換えることで、ＮＯｘの還元性能を向上することが可能となる。
【００５３】
そこで、図１３に示すような触媒活性温度域（Ｔ１〜Ｔ２の排温条件、例えば２００〜４００℃）でのみ、早期予混合燃焼に切換える。
このため、図１２のフローでは、図７のフローに対し、ステップ６が追加されている。
【００５４】
すなわち、ステップ４にてＮＯｘトラップ量が所定値以上と判定された場合に、ステップ６に進む。
ステップ６では、温度センサ１４により検出されるＮＯｘトラップ触媒１２入口の排気温度（トラップ材温度、触媒温度）が図１３に示す触媒の還元活性の高い活性温度範囲Ｔ１〜Ｔ２内であるか否かを判定する。この部分がトラップ材温度検出手段に相当する。
【００５５】
この結果、活性温度範囲内の場合は、ＮＯｘの還元浄化が可能であるため、ステップ７へ進んで、噴射時期をＴＤＣ前に変更し、早期予混合燃焼に切換える。これに対し、活性温度範囲外で、触媒の活性がない状態では、早期予混合燃焼によりＨＣ濃度変動を与えてもその効果が得られないことから、ステップ８へ進んで噴射時期がＴＤＣ以降のＭＫ燃焼のままとする。
【００５６】
次に本発明の第３実施形態について説明する。
図１４は本発明の第３実施形態の制御フローチャートである。
触媒の活性領域で周期的にＨＣ濃度変動を起こしてやることで、ＮＯｘのトラップ・脱離・浄化が確実に行われ、触媒の性能を最大限発揮させることができる。
【００５７】
そこで、所定時間毎に周期的にＭＫ燃焼から早期予混合燃焼にを切換えることで、確実にトラップしたＮＯｘを浄化する。
このため、図１４のフローでは、図１２のフローに対し、ステップ４の代わりに、ステップ５が設けられている。
【００５８】
すなわち、ＭＫ領域にて、ステップ５に進む。
ステップ５では、所定時間毎のＮＯｘ放出周期か否かを判定する。具体的には、噴射時期がＴＤＣ以降のＭＫ燃焼の継続時間を計時し、この時間が所定時間以上となった場合に、ＮＯｘ放出周期とする。この部分がＮＯｘ放出条件検出手段（計時手段）に相当する。
【００５９】
そして、ＮＯｘ放出周期の場合に、ステップ６に進み、活性温度範囲内であれば、更にステップ７に進んで、噴射時期をＴＤＣ前に変更し、早期予混合燃焼に切換える。
【００６０】
このように、周期的にＭＫ燃焼と早期予混合燃焼を切換えることで、ＮＯｘトラップ触媒１２にトラップされたＮＯｘを常時脱離・浄化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の構成を示す機能ブロック図
【図２】 本発明の実施形態を示すディーゼルエンジンのシステム図
【図３】 可変スワール装置の構成図
【図４】 可変スワール装置によるスワール生成の様子を示す斜視図
【図５】 ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ・放出還元機構を示す図
【図６】 ＨＣ濃度変動によるＮＯｘトラップ・放出還元作用を示す図
【図７】 第１実施形態の制御フローチャート
【図８】 ＭＫ領域を示す図
【図９】 エンジンＮＯｘ排出量マップを示す図
【図１０】 ＮＯｘ及びスモーク発生量を示す図
【図１１】 ＭＫ燃焼と早期予混合燃焼との切換時の噴射量割合を示す図
【図１２】 第２実施形態の制御フローチャート
【図１３】 ＮＯｘトラップ触媒の活性温度範囲を示す図
【図１４】 第３実施形態の制御フローチャート
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン
２ 燃料噴射弁
３ コモンレール
４ サプライポンプ
５ 吸気管
６ 吸気マニホールド
７ 排気マニホールド
８ 排気管
９ ターボチャージャ
１０ ＥＧＲ通路
１１ ＥＧＲ制御弁
１２ ＮＯｘトラップ触媒（ＮＯｘトラップ材）
１３ ＥＣＵ
１４ 温度センサ
４５ 可変スワール装置
Claims (5)
- エンジンの運転条件を検出する運転条件検出手段により検出される所定の運転条件にて、エンジンの燃焼温度を低下させ、噴射燃料の着火遅れ期間を長くし、かつ燃焼室内にスワールを生成することにより、予混合燃焼を行わせるディーゼルエンジンであって、
エンジンの排気通路に設置され、流入する排気中のＨＣ濃度が小のときは排気中のＮＯｘをトラップし、ＨＣ濃度が大のときはトラップしたＮＯｘを放出するＮＯｘトラップ材を備えるものにおいて、
前記所定の運転条件であることを前提として、前記ＮＯｘトラップ材からＮＯｘを放出させるべきＮＯｘ放出条件を検出するＮＯｘ放出条件検出手段と、
前記所定の運転条件で、かつ前記ＮＯｘ放出条件でないときに、ＥＧＲ率の増加と、圧縮上死点以降の燃料噴射と、前記スワールの生成とによって、前記予混合燃焼を実現する手段と、
前記所定の運転条件で、かつ前記ＮＯｘ放出条件であるときに、前記所定の運転条件で、かつ前記ＮＯｘ放出条件でないときに対し、空燃比をリッチ化することなく、燃料噴射時期のみを変更して、ＥＧＲ率の増加と、圧縮上死点前の燃料噴射と、前記スワールの生成とによって、早期噴射による予混合燃焼を実現する手段と、
を設けたことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。 - 前記ＮＯｘ放出条件検出手段は、前記ＮＯｘトラップ材のＮＯｘトラップ量を検出するＮＯｘトラップ量検出手段を有し、前記所定の運転条件にて、前記ＮＯｘトラップ材のＮＯｘトラップ量が所定値以上のときを、ＮＯｘ放出条件として検出することを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
- 前記ＮＯｘ放出条件検出手段は、計時手段を有し、前記所定の運転条件にて、所定時間毎に周期的に、ＮＯｘ放出条件を設定することを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
- ＨＣ濃度が大のときはトラップしたＮＯｘを放出して還元するＮＯｘトラップ材と、前記ＮＯｘトラップ材の温度を検出するトラップ材温度検出手段を有し、
前記燃料噴射時期変更手段は、前記ＮＯｘトラップ材の温度が所定の温度範囲内にあるときのみ、燃料噴射時期を進角させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。 - 前記燃料噴射時期変更手段は、燃料噴射時期の変更時に、燃料噴射時期を徐々に変更することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
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