JP4568991B2 - エンジンの排気浄化装置および燃料噴射時期の設定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に搭載されるエンジンの排気浄化装置および燃料噴射時期の設定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開平９−３１７５２４号公報に示されるように、触媒装置が排気通路の上流側に配置された第１触媒装置と、その下流側に直列に配置された第２触媒装置とからなるとともに、全体の気筒が上記第１触媒装置の上流に接続された第１の気筒群と、上記第１触媒装置と第２触媒装置との間の排気通路に接続された第２気筒群とからなる内燃機関の窒素酸化物浄化装置において、燃料噴射手段により機関出力発生のための主燃料噴射指令と、炭化水素（ＨＣ）を供給するための後燃料噴射指令とを各気筒毎に発することにより、触媒温度判定手段により判定された第１触媒装置及び第２触媒装置の温度に対応して後燃料噴射の量を調整し、各触媒装置の過熱を抑制しつつ窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化率を最大化することが行われている。
【０００３】
また、特開平８−２６１０５２号公報に示されるように、気筒毎に設けられた燃料噴射手段と、ＮＯｘを還元浄化する排気通路に配設された触媒装置と、上記燃料噴射手段を作動させる燃料噴射制御手段とを有する内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、上記燃料噴射制御手段は、機関出力発生のために圧縮行程上死点近傍で燃料を噴射させる主燃料噴射指令と、上記触媒装置にＨＣを供給するために膨張行程又は排気行程で燃料を噴射させる後噴射指令とを上記燃料噴射手段に対して発し、上記後噴射指令を、主燃料噴射指令の回数よりも少ない回数だけ発することにより、良好なＮＯｘの浄化率が得られるにしたものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにエンジンの運転状態に対応した燃料の主噴射以外に、後燃料噴射を行って排気ガス中のＨＣ量を増大させることにより、各触媒装置の加熱を抑制しつつＮＯｘの浄化率を向上させるように構成したものでは、触媒装置が活性化した通常の運転時に、ＨＣ等からなる還元剤とＮＯｘとを反応させてＮＯｘを浄化することができるが、触媒温度が低い未活性状態にある場合及び触媒温度が一定値よりも高い場合に、ＮＯｘを効果的に浄化することができないとともに、エンジンの燃焼室で発生した炭素粒子の凝集物からなる煤が大気中に排出されるのを効果的に抑制することができないという問題がある。
【０００５】
また、触媒装置の早期暖機や、触媒装置の温度上昇度合いに基づいて触媒の劣化状態を判断するために、主噴射以外に燃料を後噴射することが行われているが、この後噴射の時期が適切でないと、エンジンの燃焼室で発生した煤が排気通路に導出され、大気中に排出される煤量が増えるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑み、エンジンの燃焼室から導出されたＲａｗＮＯｘや煤が大気中に排出されるのを抑制して排気ガスを効果的に浄化することができるエンジンの排気浄化装置および燃料噴射時期の設定方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気行程から膨張行程初期にかけての所定時期にエンジンの運転状態に応じて上記燃料噴射弁から主噴射される燃料の噴射状態を制御する主噴射制御手段と、上記燃料の主噴射時点から膨張行程までの間の所定時期に上記燃料噴射弁から燃料を後噴射させる後噴射制御手段と、排気ガスにより駆動されて吸気を過給するターボ過給機とを備えたエンジンの排気浄化装置であって、燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準に、この拡散燃焼の終了時点またはその近傍で、上記燃料の後噴射による燃焼が開始されるように後噴射の時期を設定し、この後噴射の時期を、上記ターボ過給機の過給作用により吸入空気量が増大するほど進角側に補正するように構成したものである。
【０００８】
上記構成によれば、燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期が設定されることにより、エンジンの燃焼室内に存在する炭素と酸素とが混合された状態で、上記後噴射された燃料とともに上記炭素が燃焼するため、炭素の凝縮体からなる煤の排出量が効果的に低減されることになる。
【０００９】
また、燃料の後噴射により排気ガス圧力が上昇し、ターボ過給機の過給作用に応じて吸入空気量が増大されるため、燃焼室内に残存する炭素の燃焼が促進されて煤の発生が効果的に抑制されるとともに、上記ターボ過給機の過給作用により吸入空気量が増大するのに応じて上記拡散燃焼の終了時期が早くなった場合に、後噴射された燃料が、上記ターボ過給機の過給作用により変化する拡散燃焼の終了時点近傍で燃焼するように上記燃料の後噴射時期が補正されることにより、上記煤の発生が効果的に抑制されて燃焼室から排気通路に導出される煤の排出量が、より低減されることになる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、上記請求項１記載のエンジンの排気浄化装置において、燃料の主噴射によって燃焼室内で発生した拡散燃焼状態を判別する燃焼状態判別手段を備え、この燃焼状態判別手段によって判別された上記拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期を設定するように構成したものである。
【００１１】
上記構成によれば、燃焼室内の筒内圧力を検出する圧力センサの検出信号、燃焼室内の温度を検出する温度センサの検出信号、拡散燃焼によって発生する輝光を検出する燃焼光センサの検出信号または燃焼室内に存在する電荷を帯びた反応性の高い水素や炭化水素の量等を検出するセンサの検出信号等に応じ、上記燃焼状態判別手段において判別された上記拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期が設定されるため、エンジンの運転状態に対応した最適時期に燃料が後噴射されて上記煤の排出量が効果的に低減されることになる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、上記請求項１記載のエンジンの排気浄化装置において、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス還流手段と、この排気ガス還流手段によって排気ガスの環流率が目標値となるようにフィードバック制御する排気還流制御手段とを備えたものである。
【００１３】
上記構成によれば、主噴射後の所定時期に燃料が後噴射されることにより、排気ガス圧力が上昇し、ターボ過給機の過給作用に応じて吸入空気量が増大すると、これに対応して吸気系に還流される排気ガスを増量する制御が上記排気還流制御手段により実行されるため、燃焼室内から排気通路に導出されるＲａｗＮＯｘ量が、さらに効果的に低減されることになる。
【００１４】
請求項４に係る発明は、上記請求項３記載のエンジンの排気浄化装置において、エンジンの排気通路に配置されて少なくともＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒を備え、このＮＯｘ浄化触媒が不活性状態にある場合に、燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点に基づいて燃料の後噴射時期を設定するように構成したものである。
【００１５】
上記構成によれば、エンジンの排気通路に配置されたＮＯｘ浄化触媒が不活性状態にある場合に、上記燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期が設定されるため、燃焼室内に存在する電荷が偏った反応性の高い水素や炭化水素等を増加させることによるＲａｗＮＯｘの低減作用と、炭素の燃焼を促進することによる煤の低減作用とが同時に得られることになる。
【００１６】
請求項５に係る発明は、上記請求項４記載のエンジンの排気ガス浄化装置において、ＮＯｘ浄化触媒が活性状態にある場合には、このＮＯｘ浄化触媒に供給される還元剤量が充分に確保されるように、燃料の後噴射時期を設定するとともに、上記ＮＯｘ浄化触媒が不活性状態にある場合には、上記燃料の後噴射時期を進角させることにより、上記拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期を設定するように構成したものである。
【００１７】
上記構成によれば、ＮＯｘ浄化触媒が活性状態にある場合には、このＮＯｘ浄化触媒に供給される還元剤量が充分に確保されることにより、上記ＮＯｘ浄化触媒の浄化作用により大気中へのＮＯｘの放出が抑制されるとともに、上記ＮＯｘ浄化触媒が不活性状態にある場合には、後噴射された燃料が拡散燃焼の終了時点近傍で燃焼するように燃料の後噴射時期が設定されることにより、燃焼室から排気通路に導出されるＲａｗＮＯｘ量が効果的に低減されることになる。
【００１８】
請求項６に係る発明は、上記請求項１記載のエンジンの排気ガス浄化装置において、エンジンの排気通路に配置されて少なくともＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒を備え、このＮＯｘ浄化触媒が不活性状態にある場合、または、エンジンが中負荷中回転以上の運転状態にある場合に、燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点に基づいて燃料の後噴射時期を設定するとともに、その時期を、圧縮行程上死点後のクランク角にして３０°〜６０°の範囲内としたものである。
【００１９】
上記構成によれば、ＮＯｘ浄化触媒の下流側に導出されるＮＯｘ量が多いときには、燃料の主噴射後における圧縮行程上死点後のクランク角にして３０°〜６０°の範囲内で燃料の後噴射が行われることにより、後噴射された燃料が拡散燃焼の終了時点近傍で燃焼し、燃焼室から排気通路に導出されるＲａｗＮＯｘ量が低減されるため、上記ＮＯｘ浄化触媒が不活性状態にある場合等においても、大気中へのＮＯｘの放出が抑制されることになる。
【００２０】
請求項７に係る発明は、上記請求項１〜６のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置において、上記燃料の後噴射量を、燃料の総噴射量の０．２％〜５０％に設定するように構成したものである。
【００２１】
上記構成によれば、燃料の後噴射量が、総噴射量の０．２％〜５０％の範囲内に設定されることにより、燃費を悪化させることなく、上記煤の排出量が効果的に低減されることになる。
【００２２】
請求項８に係る発明は、上記請求項５記載のエンジンの排気浄化装置において、上記ＮＯｘ浄化触媒として、酸素濃度の高い酸素過剰雰囲気でＮＯｘと還元剤とを反応させることにより、ＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ還元触媒を備えたものである。
【００２３】
上記構成によれば、上記ＮＯｘと還元剤とを反応させることによりＮＯｘを浄化するＮＯｘ還元触媒が不活性状態にあることが確認された場合には、燃料の噴射時期を、ＮＯｘ浄化触媒が活性状態にある場合に比べて進角させる制御が上記還元剤増量手段において実行され、エンジンの燃焼室から導出されるＮＯｘ量が低減されて特に大気へのＮＯｘの放出が抑制されることになる。
【００２４】
請求項９に係る発明は、上記請求項８記載のエンジンの排気浄化装置において、上記活性状態判定手段は、ＮＯｘ還元触媒の温度を検出し、この検出温度が、ＮＯｘ還元触媒のＮＯｘ浄化率が所定値以上となる温度領域より高い場合に、上記ＮＯｘ還元触媒が不活性状態にあると判定するものである。
【００２５】
上記構成によれば、ＮＯｘ還元触媒の検出温度に基づき不活性状態にあると上記活性状態判定手段により判定された場合には、燃料の後噴射時期が所定時期に進角されることにより、エンジンの燃焼室から導出されるＮＯｘ量が低減されて大気中へのＮＯｘの放出が抑制されることになる。
【００２６】
請求項１０に係る発明は、上記請求項８または９記載のエンジンの排気浄化装置において、ゼオライトに触媒金属を担持させたＮＯｘ浄化触媒を備えたものである。
【００２７】
上記構成によれば、上記ＮＯｘ還元触媒等のＮＯｘ浄化触媒によるＮＯｘの浄化率が低い状態にある場合においても、多孔質材料であるゼオライトの空孔内に捕集されたＨＣ等の還元剤を利用して排気ガス中のＮＯｘが効果的に浄化されることになる。
【００２８】
請求項１１に係る発明は、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気行程から膨張行程初期にかけての所定時期にエンジンの運転状態に応じて上記燃料噴射弁から主噴射される燃料の噴射状態を制御する主噴射制御手段と、上記燃料の主噴射時点から膨張行程までの間の所定時期に上記燃料噴射弁から燃料を後噴射させる後噴射制御手段と、排気ガスにより駆動されて吸気を過給するターボ過給機とを備えたエンジンの燃料噴射時期を設定する方法であって、上記燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準に、この拡散燃焼の終了時点またはその近傍で、上記燃料の後噴射による燃焼が開始されるように後噴射の時期を設定し、この後噴射の時期を、上記ターボ過給機の過給作用により吸入空気量が増大するほど進角側に補正するものである。
【００２９】
上記構成によれば、燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期が設定されることにより、エンジンの燃焼室内に存在する炭素と酸素とが混合された状態で、上記燃料の後噴射が行われて上記炭素が燃焼するため、炭素の凝縮体からなる煤の発生が効果的に抑制されることになる。
【００３０】
また、燃料の後噴射により排気ガス圧力が上昇し、ターボ過給機の過給作用に応じて吸入空気量が増大されるため、燃焼室内に残存する炭素の燃焼が促進されて煤の発生が効果的に抑制されるとともに、上記ターボ過給機の過給作用により吸入空気量が増大するのに応じて上記拡散燃焼の終了時期が早くなった場合に、後噴射された燃料が、上記ターボ過給機の過給作用により変化する拡散燃焼の終了時点近傍で燃焼するように上記燃料の後噴射時期が補正されることにより、上記煤の発生が効果的に抑制されて燃焼室から排気通路に導出される煤の排出量が、より低減されることになる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係るエンジンの排気浄化装置を自動車に搭載されるディーゼルエンジンに適用した第１実施形態を示している。上記エンジンの本体１は、複数の気筒（図には一つのみを示す）２を有し、各気筒２内にはピストン３が往復動可能に嵌挿され、このピストン３によって各気筒２内に燃焼室４が区画されている。また、上記燃焼室４の上面略中央には燃料噴射弁５が配設され、各気筒２の燃焼室４内に燃料が所定のタイミングで直接噴射されるようになっている。さらに、エンジン本体１のウォータジャケット（図示せず）に臨むように、エンジンの冷却水温度を検出する水温センサ１８が設けられている。
【００３２】
上記各燃料噴射弁５は、高圧の燃料を蓄えるコモンレール６に接続され、このコモンレール６には、内部の燃圧（コモンレール圧）を検出する圧力センサ６ａが配設されるとともに、クランク軸７により駆動される高圧供給ポンプ８が接続されている。この高圧供給ポンプ８は、燃料の供給圧力を制御することにより、上記圧力センサ６ａにより検出されたコモンレール６内の燃圧を、例えばエンジンのアイドル運転時に約２０ＭＰａ以上に保持し、その以外の運転時には５０ＭＰａ以上に保持するように構成されている。
【００３３】
また、上記クランク軸７には、その回転角度を検出するクランク角センサ９が設けられている。このクランク角センサ９は、クランク軸７の端部に設けられた被検出プレートと、その外周に対向するように配設された電磁ピックアップとからなり、この電磁ピックアップが被検出用プレートの外周部に形成された突起部の通過を検出してパルス信号を出力するように構成されている。
【００３４】
上記エンジン本体１に接続された吸気通路１０の下流端部は、図示を省略したサージタンクを介して各気筒２毎に分岐し、この分岐部がそれぞれ吸気ポートを介して各気筒２の燃焼室４に接続されている。また、上記サージタンクには、各気筒２内に供給される吸気の圧力を検出する吸気圧センサ１０ａが設けられている。
【００３５】
上記吸気通路１０には、その上流側から順に、エンジン本体１内に吸入される吸気流量を検出するエアフローセンサ１１と、下記タービン２１により駆動されて吸気を圧縮するブロワ１２と、このブロワ１２により圧縮された空気を冷却するインタークーラ１３と、吸気の流通面積を変化させる吸気絞り弁１４とがそれぞれが設けられている。
【００３６】
上記吸気絞り弁１４は、全閉状態でも吸気の流通が可能なように切欠きが設けられたバタフライバルブからなり、後述するＥＧＲ弁２４と同様に、負圧制御用の電磁弁１６によってダイヤフラム式アクチュエータ１５に作用する負圧の大きさが調節されるのに応じ、弁開度が変更されるように構成されている。また、上記吸気絞り弁１４の設置部には、その弁開度を検出するセンサが設けられている。
【００３７】
また、エンジン本体１に接続された排気通路２０の上流端部は、各気筒２毎に分岐し、この分岐部がそれぞれ排気ポートを介して各気筒２の燃焼室４に接続されている。上記排気通路２０には、その上流側から順に、排気流により回転駆動されるタービン２１と、排気ガス中の少なくともＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ還元触媒からなるＮＯｘ浄化触媒２２と、このＮＯｘ浄化触媒２２を通過した排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１９とが配設されている。
【００３８】
上記ＮＯｘ還元触媒からなるＮＯｘ浄化触媒２２は、排気の流れ方向に沿って互いに平行に延びる多数の貫通孔を有するハニカム構造に形成されたコージュライト製担体を備え、その各貫通孔壁面に触媒層を２層に形成したものである。具体的には、白金（Ｐｔ）と、ロジウム（Ｒｈ）とが、多孔質材であるＭＦＩ型ゼオライト（ＺＳＭ５）等をサポート材として担持されることにより上記触媒層が形成されている。
【００３９】
そして、上記ＮＯｘ浄化触媒２２は、燃焼室４内の混合気がリーン状態となって排気ガス中の酸素濃度が高い場合、例えば酸素濃度が４％以上である場合に、ＮＯｘを還元剤と反応させて還元することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化するように構成されている。なお、上記ＮＯｘ浄化触媒２２においては、酸素濃度が低い場合でも三元触媒機能を持っている。
【００４０】
また、吸気通路１０に配設された上記ブロワ１１と、排気通路２０に配設された上記タービン２１とにより、排気通路２０のノズル断面積が変化するように構成されたバリアブルジオメトリーターボ（ＶＧＴ）からなるターボ過給機２５が構成されている。このターボ過給機２５には、そのノズル断面積を変化させるためのダイヤフラム式アクチュエータ３０と、このダイヤフラム式アクチュエータ３０の負圧を制御するための電磁弁３１とが設けられている。
【００４１】
上記排気通路２０には、排気ガスの一部を吸気通路１０に還流させる排気還流通路（以下ＥＧＲ通路という）２３が、タービン２１の上流側部に接続されている。そして、上記ＥＧＲ通路２３の下流端は、上記吸気絞り弁１４の下流側において吸気通路１０に接続されるとともに、上記ＥＧＲ通路２３の下流側には、弁開度が調節可能に構成された負圧作動式の排気還流量調節弁（以下ＥＧＲ弁という）２４が配設され、このＥＧＲ弁２４と、上記ＥＧＲ通路２３とにより排気ガス環流手段３３が構成されている。
【００４２】
上記ＥＧＲ弁２４は、図示を省略した弁本体がスプリングによって閉方向に付勢されるとともに、ダイヤフラム式アクチュエータ２４ａにより開方向に駆動されることにより、ＥＧＲ通路２３の開度をリニアに調節するように構成されている。すなわち、上記ダイヤフラム式アクチュエータ２４ａには、負圧通路２７が接続されるとともに、この負圧通路２７が負圧制御用の電磁弁２８を介してバキュームポンプ（負圧源）２９に接続されている。そして、上記電磁弁２８が負圧通路２７を連通または遮断することにより、ＥＧＲ弁駆動用の負圧が調節されてＥＧＲ弁２４が開閉駆動されるようになっている。また、上記ＥＧＲ弁２４の設置部には、その弁本体の位置を検出するリフトセンサ２６が設けられている。
【００４３】
上記燃料噴射弁５、高圧供給ポンプ８、吸気絞り弁１４、ＥＧＲ弁２４及びターボ過給機２５等は、後述するエンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）３５から出力される制御信号に応じて作動状態が制御されるように構成されている。また、上記ＥＣＵ３５には、上記圧力センサ６ａの出力信号と、クランク角センサ９の出力信号と、エアフローセンサ１１の出力信号と、水温センサ１８の出力信号と、運転者によって操作されるアクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ３２の出力信号とが入力されるようになっている。
【００４４】
上記ＥＣＵ３５は、エンジンの要求出力が得られるように燃料の燃焼状態を制御する燃焼制御手段３６と、上記ＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にあるか否かを判定する活性状態判定手段３７と、上記ＮＯｘ浄化触媒２２に供給されるＨＣ等の還元剤を増量する還元剤増量手段３８と、エンジンの運転状態に応じて上記ＥＧＲ弁２４を駆動して排気還流量を制御する排気還流制御手段３９とを有している。
【００４５】
上記排気還流制御手段３９において実行される排気還流制御の制御動作を、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。上記制御動作がスタートすると、まず上記各センサによって検出されたデータを入力した後（ステップＳ１）、上記アクセルセンサ３２によって検出されたアクセル開度と、クランク角センサ９の出力信号に応じて検出されたエンジン回転数とに基づき、予め設定されたマップからエンジンの運転状態に対応した基本排気還流率ＥＧＲｂを読み出して設定する（ステップＳ２）。なお、排気還流率とは、ＥＧＲ通路２３を介して吸気通路１０に還流される排気還流量の総吸気量に対する割合のことである。
【００４６】
上記基本排気還流率ＥＧＲｂを設定するためのマップは、図３に示すように、アクセル開度とエンジン回転数とをパラメータとして予め実験的に求めた排気還流率をマップ化したものであり、アクセル開度の小さい低負荷時に基本排気還流率ＥＧＲｂが大きな値となるように設定されている。なお、図３に斜線で示すエンジンのアイドル運転領域では、エンジンの中負荷時よりも基本排気還流率ＥＧＲｂが小さな値となるように設定されている。
【００４７】
上記ステップＳ２の後、アクセル開度とエンジン回転数とに基づき、予め設定されたマップから目標新気量ｑを読み出して設定する（ステップＳ３）。この新気量は、燃焼室４内に導入される気体（吸気）の総量から、還流排気量やブローバイガス量等を除いた値であり、上記エアーフローセンサ１１の出力信号に基づいて求められる。また、上記新気量は、排気還流率と密接に関連しており、通常は排気還流率が大きいほど、新気量が少なくなる傾向がある。
【００４８】
上記目標新気量ｑを設定するためのマップは、図４に示すように、アクセル開度とエンジン回転数とをパラメータとして予め実験的に求めた目標新気量ｑをマップ化したものであり、アクセル開度が大きいほど、目標新気量が多くなり、かつエンジン回転数が高いほど目標新気量ｑが多くなるように設定されている。なお、図４に斜線で示すエンジンのアイドル運転領域では、エンジンの中負荷時よりも目標新気量ｑが多くなるように設定されている。
【００４９】
直噴式ディーゼルエンジンでは、排気還流率を高めることでＮＯｘの生成を抑制することができるが、この排気還流率を高めれば、燃焼室４の平均的空燃比がリッチ側に変化する。そして、図５に示すように、上記平均的空燃比が理論空燃比に近くなると、スモーク量（煤発生量）が急増する傾向がある。このため、上記ステップＳ２，Ｓ３における基本排気還流率ＥＧＲｂ及び目標新気量ｑのマップでは、燃焼室４内の平均的空燃比を、例えば図５のＡ／Ｆ*１で示すように、スモークが急増することのない範囲で、極力小さな値に設定している。
【００５０】
また、エンジンのアイドル運転領域では、燃焼室４内の平均的空燃比が上記図５のグラフにＡ／Ｆ*２で示すように、上記Ａ／Ｆ*１に比べてかなりリーンな状態となるように、上記基本排気還流率ＥＧＲｂ及び目標新気量ｑのマップにおいて、それぞれ基本排気還流率ＥＧＲｂを小さめに設定するとともに、目標新気量ｑを多めに設定している。すなわち、エンジンがアイドル運転状態にあるときには、ＥＧＲ弁２４の開度が相対的に小さくされ、この状態から加速運転状態に移行するときに、直ちにＥＧＲ弁２４を閉じて、燃焼室４内に吸入される新気量を速やかに増大させることが可能となるようにしている。これによってエンジンの加速性が向上するとともに、加速運転状態への移行時に、空燃比が一時的に過度にリッチな状態となることが回避されて、加速初期におけるスモークの増加が抑制されることになる。
【００５１】
上記ステップＳ３の後、エアーフローセンサ１１の出力信号に応じて求められる実新気量から目標新気量ｑを減算した新気量偏差に基づき、排気還流率のフィードバック補正値ＥＧＲｆ／ｂを、予め設定されたマップから読み出して設定する（ステップＳ４）。このフィードバック補正値ＥＧＲｆ／ｂは、目標新気量ｑが実新気量よりも多いときに、負の値に設定されるとともに、目標新気量ｑが実新気量よりも少ないときに、正の値に設定され、何れも上記偏差が大きいほど絶対値が大きくなるように設定されている。なお、上記マップには、目標新気量ｑが実新気量に近いところに、不感帯域が設けられている。
【００５２】
次いで、上記ステップＳ２で設定された基本排気還流率ＥＧＲｂに、ステップＳ３で設定された排気還流率のフィードバック補正値ＥＧＲｆ／ｂを加算して目標排気還流率ＥＧＲｔを求める（ステップＳ５）。そして、この目標排気還流率ＥＧＲｔに対応する制御信号を負圧制御用電磁弁２８に出力してＥＧＲ弁２４を駆動した後（ステップＳ６）、リターンする。
【００５３】
上記排気還流制御を実行することにより、基本的にエンジンの低負荷側で排気還流率が相対的に大きな値に設定され、燃焼室４への排気還流量が確保されて、ＮＯｘの生成量が低減されることになる。一方、エンジン負荷が増大するに従い、排気還流率が徐々に小さな値に設定されて新気の吸入量が多くなるので、負荷状態に対応した十分な出力が得られることになる。さらに、エンジンがアイドル運転状態にあるときには、ＥＧＲ２４の開度が相対的に小さくされることで、加速状態の移行時における一時的なスモークの増加が抑制されるようになっている。
【００５４】
上記ＥＣＵ３５に設けられた燃焼制御手段３６は、エンジンの運転状態に応じて上記燃料噴射弁５から噴射される燃料の主噴射量及び主噴射時期を制御するとともに、上記高圧供給ポンプ８によって調節されるコモンレール圧、つまり燃料の噴射圧力を制御し、かつ上記吸気絞り弁１４によって調節される吸気量を制御する等により、エンジンの要求出力が得られるように燃料の燃焼状態を制御するものである。
【００５５】
上記活性状態判定手段３７は、例えば上記クランク角センサ９の出力信号に応じて検出されたエンジン回転数と、上記アクセルセンサ３２の出力信号に応じて検出されたエンジン負荷とに基づき、予め設定されたマップからエンジン運転状態に対応したＮＯｘ浄化触媒２２の温度の推定値を読み出し、あるいはエンジンの運転状態と、図外の排気ガス温度センサによって検出された排気ガス温度とに基づいて上記ＮＯｘ浄化触媒２２の温度を推定し、その推定値等に基づいてＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にあるか否かを判定するように構成されている。
【００５６】
すなわち、図６に示すように、ＮＯｘ浄化率が所定値α以上となるＮＯｘ浄化触媒２２の温度領域Ｒで、ＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にあると判定され、上記温度領域よりも触媒温度が低い場合及び高い場合の何れにおいても、上記ＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にあると判定されて、この判定信号が上記還元剤増量手段３８に出力されるようになっている。
【００５７】
上記還元剤増量手段３８は、上記燃焼制御手段３６により実行される燃料の主噴射後における膨張行程から排気行程までの間の所定時期に、燃料を噴射する後噴射を行うように制御する燃料の後噴射制御手段からなり、上記燃料の後噴射を行うことによって燃焼室４から排気通路２０に排出されるＨＣまたはＣＯ等からなる還元剤を増量するとともに、上記ＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にあるか否かに応じ、上記後噴射時期を制御するように構成されている。
【００５８】
すなわち、上記活性状態判定手段３７においてＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にあると判定された場合には、圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）のクランク角（ＣＡ）にして６０〜１８０°の範囲内における所定時期、例えば圧縮行程上死点後の９０°（ＣＡ）の時期に、燃料が後噴射されるとともに、この燃料の後噴射が１燃料サイクル毎に連続して実行されることにより、燃焼室４から排気通路２０に排出されるＨＣまたはＣＯ等からなる還元剤を増量するようになっている。なお、上記燃料の後噴射量は、主噴射量の０．５％〜４％程度に設定される。
【００５９】
一方、上記活性状態判定手段３７においてＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にあると判定された場合には、主噴射時点から圧縮行程上死点後の（ＡＴＤＣ）６０°（ＣＡ）までの範囲内における所定時期、例えば圧縮行程上死点後のクランク角（ＣＡ）にして４５°を中心とした４０°〜５０°（ＣＡ）の範囲内の時期に、燃料が後噴射されるように、ＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にある場合に比べて上記後噴射時期を進角させるとともに、この燃料の後噴射が１燃料サイクルよりも長い時間毎、例えば２５燃焼サイクル毎に実行されて間引き噴射されるように構成されている。この場合における燃料の後噴射量は、間引きされた後噴射量分を足し合わせた値となる。
【００６０】
上記エンジンの排気浄化装置において実行される制御動作を、図７及び図８に示すフローチャートに基づいて説明する。上記制御動作がスタートすると、まず上記各センサによって検出されたデータを入力した後（ステップＳ１１）、エンジンの運転状態に対応した燃料の主噴射量Ｑｂ及び主噴射時期Ｉｂを予め設定されたマップから読み出して設定する（ステップＳ１２）。
【００６１】
次いで、エンジンが定常運転状態にあるか否かを判定し（ステップＳ１３）、ＮＯと判定された場合には、燃焼サイクルのカウント値Ｎを０にリセットする（ステップＳ１４）。また、上記ステップＳ１３でＹＥＳと判定されてエンジンが定常運転状態にあることが確認された場合には、上記燃焼サイクルのカウント値Ｎを１だけインクリメントした後（ステップＳ１５）、このカウント値Ｎが２５となったか否かを判定する（ステップＳ１６）。
【００６２】
上記ステップＳ１６でＹＥＳと判定されて上記カウント値Ｎが２５となったことが確認された場合には、このカウント値Ｎを０にリセットした後（ステップＳ１７）、上記活性状態判定手段３７においてＮＯｘ浄化触媒２２が所定温度の活性状態にあるか否かを判定するとともに（ステップＳ１８）、この判定結果に対応した燃料の後噴射量Ｑｐ及び後噴射時期Ｉｐを設定する（ステップＳ１９）。
【００６３】
すなわち、上記ステップＳ１８でＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にあると判定された場合には、圧縮行程上死点後の（ＡＴＤＣ）６０°〜１８０°（ＣＡ）の範囲内における所定時期（例えば圧縮行程上死点後のクランク角にして９０°の時期）に、燃料を後噴射するとともに、この燃料の後噴射を１燃料サイクル毎に連続して実行するように上記燃料の後噴射量Ｑｐ及び後噴射時期Ｉｐを設定する。
【００６４】
一方、上記ステップＳ１８でＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にあると判定された場合には、燃料の主噴射時点から圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の６０°（ＣＡ）までの範囲内における所定時期（例えば圧縮行程上死点後のクランク角にして４５°）の時期に、燃料を後噴射するとともに、この燃料の後噴射を１燃料サイクルよりも長い時間毎（例えば２５燃焼サイクル毎）に実行して間引き噴射するように上記燃料の後噴射量Ｑｐ及び後噴射時期Ｉｐを設定する。
【００６５】
次いで、現時点が燃料の主噴射時期Ｉｂであるか否かを判定し（ステップＳ２０）、ＹＥＳと判定された時点で、燃料の主噴射制御を実行する（ステップＳ２１）。また、燃料の後噴射量Ｑｐが０に設定されているか否かを判定し（ステップＳ２０）、ＹＥＳと判定された場合には、燃料の後噴射を行うことなくリターンして制御動作を終了する。
【００６６】
上記ステップＳ２２でＮＯと判定されて燃料の後噴射量Ｑｐが所定値に設定されていることが確認された場合には、現時点が燃料の後噴射時期Ｉｐであるか否かを判定し（ステップＳ２３）、ＹＥＳと判定された時点で、上記燃料の後噴射制御を実行する（ステップＳ２４）。
【００６７】
上記のようにエンジンの排気通路２０に配置されて酸素濃度の高い酸素過剰雰囲気でＮＯｘと還元剤とを反応させることにより、少なくともＮＯｘを浄化するＮＯｘ還元触媒からなるＮＯｘ浄化触媒２２と、燃料噴射弁５により膨張行程から排気行程までの所定時期に燃料を後噴射して上記ＮＯｘ浄化触媒２２に供給される還元剤を増量する還元剤増量手段３８とを備えたエンジンの排気浄化装置において、上記ＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にあるか否かを判定する活性状態判定手段３７を設け、この活性状態判定手段３７によって上記ＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にあると判定された場合には、上記還元剤増量手段３８により制御される燃料の後噴射時期を、ＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にある場合に比べて進角させるように構成したため、上記ＮＯｘ浄化触媒２２の温度が活性温度よりも低い場合及び高い場合の何れにおいても、大気中へのＮＯｘの放出を効果的に抑制して排気ガスを浄化することができる。
【００６８】
すなわち、酸素濃度の高い酸素過剰雰囲気でＮＯｘと還元剤とを反応させてＮＯｘを浄化する上記ＮＯｘ浄化触媒２２は、図６に示すように、触媒温度が一定値となった場合に、ＮＯｘの浄化率がピークを示し、このピーク値よりも触媒温度が低下し、あるいは上昇するのに従ってＮＯｘの浄化率が低下してＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態となることが知られている。
【００６９】
そして、上記のようにＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にあると判定された場合には、エンジンの運転状態に応じて上記燃料噴射弁５から噴射される燃料の主噴射後に、上記燃料噴射弁５から燃料を後噴射する時期を、上記ＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にある場合に比べて進角させることにより、エンジンの燃焼室４から導出されるＮＯｘ量を低減することができるため、ＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にある場合でも、大気中へのＮＯｘの放出を効果的に抑制することができる。
【００７０】
例えば、エンジン回転数が１５００ｒｐｍ程度に制御されるとともに、エンジン負荷が高負荷に設定された運転状態において、燃料の後噴射時期Ｉｐを圧縮行程上死点後の１２０°（ＣＡ）の時点から、同３０°（ＣＡ）の時点まで段階的に進角させるとともに、１燃焼サイクル毎に燃料を後噴射する連続噴射を行い、後噴射を開始した後に３０秒が経過した時点で、燃焼室４内から導出されるＮＯｘ量（以下ＲａｗＮＯｘ量という）の平均値を測定する実験を行ったところ、図９に示すデータが得られた。このデータから、燃料の後噴射を圧縮行程上死点後の１２０°（ＣＡ）の時点で行った場合には、上記ＲａｗＮＯｘ量が、線βで示す後噴射を行わない場合と略同じであるのに対し、後噴射時期Ｉｐを進角させるのに応じてＲａｗＮＯｘ量を次第に低減できることが分かる。
【００７１】
また、同様にして燃料の後噴射時期Ｉｐを進角させるとともに、燃料の後噴射を、５燃焼サイクル毎（０．４秒程度毎）、または２５燃焼サイクル毎（２．０秒程度毎）に行って間引き噴射するように構成した場合には、図１０及び図１１に示すデータが得られ、このデータから、上記後噴射時期Ｉｐを進角させることにより、ＲａｗＮＯｘ量を低減できることが分かる。
【００７２】
上記ＲａｗＮＯｘ量の低減作用は、圧縮行程上死点の近傍で噴射される主噴射時点から圧縮行程上死点後の６０°（ＣＡ）までの範囲内に、後噴射時期Ｉｐを設定することにより効果的に得られ、特に図１１に示すように、燃料の後噴射時期Ｉｐを圧縮行程上死点後のクランク角（ＣＡ）にして４５°の近傍、例えば圧縮行程上死点後における４０°〜５０°（ＣＡ）程度の範囲内に設定するとともに、後噴射を２５燃焼サイクル毎（２．０秒毎）に行った場合には、燃焼室４から導出されるＲａｗＮＯｘ量を顕著に低減できることが確認された。
【００７３】
上記のように燃料の後噴射制御手段からなる還元剤増量手段３８により制御される燃料の後噴射時期を、例えば上記燃料の主噴射時点から圧縮行程上死点後の６０°（ＣＡ）までの範囲内で進角させることにより、燃焼室４から導出されるＲａｗＮＯｘ量を低減できるのは、燃料の主噴射後の早い時期に燃料の後噴射を行うことにより、上記コモンレール６内で生じる燃圧変動の影響が、上記燃料の主噴射に及び、燃料の主噴射量が減少するためであると考えられる。また、上記後噴射時期を進角させた場合には、後噴射された燃料が後燃えし易いため、この後燃えによって生成されたＣＯ2等の不活性ガスが、上記ＥＧＲ通路２３を介して吸気通路１０に大量に還流されることによっても、上記ＲａｗＮＯｘ量が低減されることになると考えられる。
【００７４】
また、上記ＮＯｘ浄化触媒２２の不活性時に、上記燃料の後噴射を１燃焼サイクルよりも長い期間、例えば５燃焼サイクル毎（０．４秒程度毎）または２５燃焼サイクル毎（２．０秒程度毎）に実行し、好ましくは１０燃焼サイクル毎（０．８秒程度）から２５燃焼サイクル毎（２．０秒程度）までの範囲内で間引きして実行し、かつ一回当たりの燃料噴射量を主噴射量の０．２％〜７％、好ましくは０．２％〜５％程度に設定した場合には、上記図１０及び図１１に示すように、ＲａｗＮＯｘ量をより効果的に低減できるため、大気中へのＮＯｘの放出を、さらに効果的に抑制できるという利点がある。
【００７５】
図１２は、排気通路２０に第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａを配設するとともに、その下流側に、上記第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａの不活性時に活性状態となる第２ＮＯｘ浄化触媒２２ｂを配設してなる本発明の第２実施形態を示している。
【００７６】
この場合、比較的低い活性温度を有する第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａを上流側に配設するとともに、比較的高い活性温度を有する第２ＮＯｘ浄化触媒２２ｂを下流側に配設し、上記活性状態判定手段３７において上流側の第１ＮＯｘ浄化触媒２２ｂが活性状態となる基準温度よりも高いことが検出された場合に、上記燃料の後噴射時期を進角させるとともに、この後噴射時期を１燃焼サイクルよりも長い期間毎、例えば２５燃焼サイクル毎（２．０秒程度毎）に設定することにより、後噴射を間引きして実行することが好ましい。
【００７７】
すなわち、圧縮行程上死点後の９０°（ＣＡ）の時点で後噴射を１燃焼サイクル毎に連続して行う第１実験例Ａと、圧縮行程上死点後の９０°（ＣＡ）の時点で後噴射を２５燃焼サイクル毎に間引きして行う第２実験例Ｂと、圧縮行程上死点後の４５°（ＣＡ）の時点で後噴射を２５燃焼サイクル毎に間引きして行う第３実験例Ｃとにおいて、ＮＯｘ還元触媒の下流側におけるＨＣ量をそれぞれ測定したところ、図１３に示すようなデータが得られた。
【００７８】
この図１３に示すデータから、圧縮行程上死点後の４５°（ＣＡ）の時点で後噴射を２５燃焼サイクル毎に間引きして行う第３実験例Ｃでは、上記第１，第２実験例Ａ，Ｂに比べてＮＯｘ還元触媒の下流側におけるＨＣ量が顕著に増大することが確認された。これは、上記第３実験例Ｃのように、後噴射の時期を、燃料の主噴射時点から圧縮行程上死点後の６０°（ＣＡ）までの範囲内の所定時期、例えば圧縮行程上死点後の４５°（ＣＡ）の時点に進角させて燃料の後燃えを促進するとともに、この後噴射を１燃焼サイクルよりも長い時間毎に実行して一回当たりの後噴射量を増大させることにより、排気通路２０内で顕著な圧力変動が生じ、排気圧力が高い時点でＮＯｘ還元触媒の下流側に大量のＨＣ成分が流出するためであると考えられる。
【００７９】
したがって、上記のように第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａの下流側に、活性温度が高い第２ＮＯｘ浄化触媒２２ｂが配設されたエンジンにおいて、上記第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａが活性温度よりも高くなった不活性時、例えば図１４に示す温度領域Ｔ３の範囲内で、上記のように後噴射の時期を燃料の主噴射時点から圧縮行程上死点後６０°（ＣＡ）までの範囲内で進角させるとともに、この後噴射を１燃焼サイクルよりも長い時間毎に実行し、燃料の後噴射を間引きして実行することにより、上記第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａの下流側に大量のＨＣ成分等を流出させ、このＨＣ等を上記第２ＮＯｘ浄化触媒２２ｂの設置部に供給することができる。そして、上記第２ＮＯｘ浄化触媒２２ｂにおいて、ＨＣ等を利用したＮＯｘの還元を行ってＮＯｘを浄化することにより、大気中に放出されるＮＯｘ量を効果的に低減することができる。
【００８０】
一方、上記上流側の第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａが低温の未活性状態となる温度領域Ｔ１では、後噴射の時期を所定時期に進角させるとともに、この後噴射を連続または間引きして行う。また、上記上流側の第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａが活性状態となる温度領域Ｔ２では、主噴射時点から圧縮行程上死点後の９０°（ＣＡ）の時期に、燃料を後噴射するとともに、この燃料の後噴射を１燃料サイクル毎に連続して実行する通常の後噴射を行うことにより、上記第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａの設置部にＮＯｘの還元剤となるＨＣ成分等を供給するようにしている。なお、上記第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａが活性状態となる温度領域Ｔ２と、第２ＮＯｘ浄化触媒２２ｂが活性状態となる温度領域Ｔ３との間に、上記後噴射を行わない不制御領域を設けてもよい。
【００８１】
上記のように膨張行程から排気行程までの間の所定時期に燃料を噴射する後噴射を行うことにより排気ガス中の還元剤量を増大させるように構成された上記第１，第２実施形態に代え、エンジン負荷に対応して設定された燃料の主噴射時期をリタードさせることにより、上記還元剤量を増大させ、かつ上記活性状態判定手段３７においてＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にあると判定された場合に、上記主噴射時期のリタード量を減少させて通常時に比べて主噴射時期を進角させることにより、ＲａｗＮＯｘ量を低減するように構成してもよい。
【００８２】
すなわち、上記のようにエンジン負荷に対応した燃料の主噴射時期をリタードさせて、ＨＣまたはＣＯ等からなる未燃焼燃料の排出量を増加させることによっても、排気ガス中の上記還元剤を増量することができる。この場合、燃料の着火性が悪化するのを防止するため、上記燃料の主噴射を行う前に、吸気行程前半等に微量の燃料を噴射するパイロット噴射を、併せて実行することが好ましい。
【００８３】
そして、上記活性状態判定手段３７においてＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にあることが検出された場合には、上記主噴射時期を通常時に比べて進角させ、つまり上記主噴射時期のリタード量を小さくし、ＥＧＲ通路２３を介して吸気通路１０内に還流される不活性ガス量を増大させる等により、ＲａｗＮＯｘ量を低減することができるため、大気中に放出されるＮＯｘ量を低減することが可能となる。
【００８４】
また、上記第１，第２実施形態では、ＭＦＩ型ゼオライト等の多孔質材料であるゼオライトに、白金等からなる触媒金属を担持させたＮＯｘ浄化触媒２２を排気通路２０に配設したため、酸素過剰雰囲気にある通常の運転状態及び上記ＮＯｘ浄化触媒２２の温度が低い未活性時の何れの場合においても、上記ゼオライトの空孔内に捕集されたＨＣ等の還元剤を利用することにより、排気ガス中のＮＯｘを還元して効果的に浄化できるという利点がある。
【００８５】
上記第１，第２実施形態では、ＮＯｘ還元触媒からなるＮＯｘ浄化触媒２２を排気通路２０に配設した例について説明したが、このＮＯｘ浄化触媒２２に代えて、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収し、還元剤過剰雰囲気でＮＯｘを放出して浄化するＢａ等のアルカリ土類金属とＰｔ等の貴金属とを含有するＮＯｘトラップ触媒等からなるＮＯｘ浄化触媒を備えたエンジンについても、本発明を適用可能であり、この場合には、上記ＮＯｘトラップ触媒の温度が所定の高温以上、あるいは所定の低温以下で、ＮＯｘをトラップする性能が悪化した場合に、大気中にＮＯｘが排出されるのを効果的に防止できるという利点がある。
【００８６】
図１５は、本発明に係る排気ガス浄化装置の第３実施形態を示している。この排気ガス浄化装置は、燃焼室４内に燃料を噴射する燃料噴射弁５と、エンジンの運転状態に応じて上記燃料噴射弁５から主噴射される燃料の噴射状態を制御する主噴射制御手段４０と、上記燃料の主噴射時点から膨張行程までの間の所定時期に上記燃料噴射弁５から燃料を後噴射させるように制御する後噴射制御手段４１と、エンジンの排気通路２０に配置されてＮＯｘの大気中への排出量を低減するＮＯｘ還元触媒またはＮＯｘトラップ触媒等のＮＯｘ浄化触媒２２とを備えたディーゼルエンジンにおいて、燃焼室４内から排出されるＲａｗＮＯｘ量が多い運転状態、例えばエンジンが中負荷中回転以上の運転状態にある場合、または上記ＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にある場合等に、燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後のクランク角（ＣＡ）にして３０°〜６０°の範囲内における所定時期に燃料の後噴射を行うように構成することにより、大気中へのＮＯｘの放出を抑制するように構成されている。
【００８７】
また、上記図１５に示すディーゼルエンジンにおいて、燃料の主噴射後の所定時期に後噴射を行うことで、上記主噴射により発生した煤を低減することが可能である。この場合、燃焼室４から排出される煤の量が多い傾向にある運転状態、例えばエンジン負荷が中負荷以上の運転状態、あるいはエンジン回転数が２０００ｒｐ円程度の中回転数以上の運転状態にある場合や、排気通路２０にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が設置されたエンジンにあっては、このＤＰＦが３００°以下の低温状態にあることに起因してその浄化機能が低い場合に、燃料の主噴射による拡散燃焼が終了した時点を基準にして設定された所定時期（エンジン回転数が１５００ｒｐｍ以上の運転状態では、圧縮行程上死点後の３０°〜６０°ＣＡの時期）に、燃料の後噴射を行うことにより、上記煤の排出を低減することができる。
【００８８】
上記主噴射とは、エンジンの要求出力に相当する噴射量か、それ以上の量を、吸気行程から膨張行程初期までの所定時期に行う燃料噴射であり、この主噴射された燃料の全部または一部が拡散燃焼すると煤が発生するので、この煤を低減するために上記燃料の後噴射が行われる。この場合、圧縮行程上死点付近から膨張行程の初期にかけての所定時期に燃料を主噴射すれば、軽負荷状態では、ほとんど予混合燃焼となり、軽負荷状態以外では、予混合燃焼と拡散燃焼との両方が行われる。
【００８９】
また、吸気行程から圧縮行程上死点前の間に燃料を主噴射すると、予混合燃焼を主体となり、この燃焼によっては煤が発生することはないが、燃焼室壁面に付着した燃料が圧縮行程上死点付近で着火することにより拡散燃焼が行われて煤が発生することがあり、このような場合においても、上記燃料の後噴射を行うことで煤を低減することができる。
【００９０】
なお、上記燃料の主噴射は、吸気行程から圧縮工程上死点までの間の所定時期と、圧縮行程上死点付近から膨張行程初期までの間の所定時期との少なくとも二以下に分けて噴射する場合も含むものである。
【００９１】
上記第３実施形態の具体的構成および作用効果を、図１６〜図２３に基づいて説明する。図１６に示すように、各センサの検出データを入力するとともに（ステップＳ３１）、エンジンの要求トルクに対応した燃料の主噴射量Ｑｂおよび主噴射時期Ｉｂを予め設定したマップから読み出して設定した後（ステップＳ３２）、エンジンが定常運転状態にあるか否かを判定する（ステップＳ３３）。
【００９２】
上記ステップＳ３３でＹＥＳと判定された場合には、ＥＣＵ３５に設けられた活性状態判別手段３７において、上記ＮＯｘ浄化触媒２２が所定温度の活性状態にあるか否かを判定し（ステップＳ３４）、ＹＥＳと判定された場合には、エンジン負荷が中負荷以上であるか否かを判定する（ステップＳ３５）。このステップＳ３５でＮＯと判定された場合には、エンジン回転数が中回転以上であるか否かを判定する（ステップＳ３６）。
【００９３】
上記ステップＳ３４でＮＯと判定されてＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にあることが確認された場合、上記ステップＳ３５でＹＥＳと判定されてエンジン負荷が中負荷以上であることが確認された場合、または上記ステップＳ３６でＹＥＳと判定されてエンジン回転数が中回転以上であることが確認された場合には、予め設定されたマップからエンジンの運転状態に対応した燃料の後噴射量Ｑｐおよび後噴射時期Ｉｐを読み出して設定することにより（ステップＳ３７）、燃料の主噴射後の３０°〜６０°（ＣＡ）の範囲内における所定時期に後噴射時期を設定した後、ステップＳ３８に移行して燃料の噴射制御を実行する。
【００９４】
上記のように燃料の主噴射後であって圧縮行程上死点後の例えば３０°〜６０°（ＣＡ）の範囲内で燃料の後噴射を行うように構成した場合には、燃焼室４内に主噴射された燃料が予混合燃焼した後に生じる拡散燃焼が終了した時点で、上記燃料の後噴射による燃焼が行われることになる。したがって、上記拡散燃焼の終了時点で燃焼室４内に存在する煤と酸素との混合が促進され、着火し易い状態で、燃料が後噴射されることによる燃焼が始まるため、煤の発生を低減することができる。
【００９５】
ここで、拡散燃焼の終了時期について詳細に説明する。この拡散燃焼は、熱発生率に基づいて求められ、「内燃機関講義」(出版社株式会社養賢堂、著者長尾不二夫)によれば、上記熱発生率は下記式（１）に示すように表される。
【００９６】
ｄＱ／ｄθ＝Ａ／（Ｋ(θ)−１）×[Ｖ(θ)・（ｄＰ(θ)／ｄθ）＋Ｋ(θ)・Ｐ(θ)・（ｄＶ(θ)／ｄθ）]…（１）
ここで、Ａは熱の仕事当量、Ｋ(θ)は比熱比、Ｖ(θ)は行程容積、Ｐ(θ)は筒内圧力、θはクランク角である。
【００９７】
小野測器株式会社製の燃焼解析装置ＣＢ５６６のマニュアルによれば、上記比熱比Ｋ(θ)は、下記式（２）〜（５）に基づいて表される。
【００９８】
Ｋ(θ)＝Ｃｐ／Ｃｖ…（２）
Ｃｐ＝ａｐ＋ｂ（Ｔ(θ)／１００）＋ｃ（Ｔ(θ)／１００）2＋ｄ（１００／Ｔ(θ)）…（３）
Ｃｖ＝Ｃｐ−（Ａ・Ｒｏ）／Ｍ…（４）
Ｔ(θ)＝（Ｐ(θ)・Ｖ(θ)）／２９．２７・Ｇ…（５）
ここで、Ｃｐは定圧比熱、Ｃｖは定容比熱、Ｒｏはガス定数、Ｍは空気の分子量、Ｔ(θ)はガス温度、Ｇはガス重量、ａｐ，ｂ，ｃ，ｄはその他の定数である。
【００９９】
上記式（２）〜（５）より、式（１）で示す熱発生率ｄＱ／ｄθは、筒内圧力Ｐ(θ)と、行程容積Ｖ(θ)との関数ｆ（Ｐ(θ)，Ｖ(θ)）になる。また、上記行程容積Ｖ(θ)を、ボア径ＢおよびストロークＳに基づいて表すと、下記式（６）に示すようになるため、上記熱発生率ｄＱ／ｄθは、下記式（７）に示すようになる。
【０１００】
Ｖ(θ)＝（π・Ｂ2Ｓ／８）・（１−ｃｏｓθ）…（６）
ｄＱ／ｄθ＝[ｆ（Ｐ(θ+Δθ)，Ｖ(θ+Δθ)）−ｆ（Ｐ(θ)，Ｖ(θ)）]／Δθ…（７）
したがって、クランク角毎の筒内圧力データがあれば、これに基づいて上記熱発生率を計算することができる。このようにして求めた熱発生率を図示すると、図１７（ａ）〜（ｃ）に示すようになり、燃料の主噴射による燃焼に応じて熱発生率が正の方向に大きな値を示した後、上記拡散燃焼の終了に応じて熱発生率が０となるため、この熱発生率が略０となる時点ｔ１に基づき、上記拡散燃焼の終了時点が求められる。
【０１０１】
本実施形態では、上記のようにして予め求められた時点ｔ１の近傍で、後噴射による燃焼が開始されるように、運転状態に基づいて予め設定された着火遅れ時間（例えば０．４ｍｓ〜０．７ｍｓ程度の時間）を考慮して、上記熱発生率が略０となる時点ｔ１よりも上記着火遅れ時間に相当する分だけ、後噴射時期を早くするように設定している。
【０１０２】
なお、上記着火遅れ時間は、エンジンの排気量および燃料の噴射圧力に応じて変化するが、１０００ｃｃ〜３０００ｃｃクラスのエンジンで、噴射圧力が５０ＭＰａ〜２００ＭＰａの場合には、０．４ｍｓ〜０．７ｍｓ程度となる。また、上記着火遅れ時間は、圧縮行程上死点で行われる主噴射の着火遅れ時間（０．１ｍｓ〜０．３ｍｓ）よりも長く、これは圧縮行程上死点後の筒内温度が比較的低いときに、上記後噴射が行われるためである。
【０１０３】
また、燃料噴射弁に対する噴射駆動信号の出力タイミングとしては、上記の着火遅れ時間に、さらに噴射弁開閉信号の出力時点から実際に燃料の噴射が開始される間の無効時間（駆動遅れ時間）も考慮されたものがＥＣＵ３５に記憶されている。
【０１０４】
例えばエンジン回転数が２０００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．５７Ｍｐａに制御されたエンジンの中負荷中回転時に、圧縮工程上死点付近で燃料を主噴射した場合における燃焼室内の熱発生率を、クランク角に対応したシリンダ内の圧力変化と、シリンダの容積変化とに基づき、熱力学的に計算してグラフ化すると、図１７（ｂ）に示すように、上記主噴射時点ｔ０から０．１ｍｓ程度の遅れ時間Ｔｍが経過した後に、主噴射された燃料が予混合燃焼することによる熱発生Ｙと、略同程度の拡散燃焼による熱発生Ｋが生じるとともに、圧縮行程上死点後の３５°（ＣＡ）程度より、約０．６ｍｓ遅れた時点ｔ１で上記拡散燃焼が終了することが確認された。
【０１０５】
したがって、上記圧縮行程上死点後の３５°（ＣＡ）程度の時点ｔｆで燃料の後噴射を行うことにより、この後噴射された燃料を上記拡散燃焼の終了時点ｔ１で燃焼させることができる。つまり、上記時点ｔｆで後噴射された燃料が、約０．６ｍｓ程度の着火遅れ時間（Ｔｆ）が経過した時点ｔ１で、燃焼し始めて熱発生量Ｎが増大することになる。
【０１０６】
これに対してエンジン回転数が２５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．９Ｍｐａに制御されたエンジンの高負荷高回転時には、図１７（ｃ）に示すように、上記燃料の予混合燃焼の熱発生Ｙに比べて、かなりの長期間に亘り拡散燃焼による熱発生Ｋが生じ、この拡散燃焼が圧縮行程上死点後の４７°（ＣＡ）程度より約０．７ｍｓ遅れたかなり遅い時点ｔ１で終了する傾向があるため、上記圧縮行程上死点後の４７°（ＣＡ）程度の時点ｔｆで、燃料の後噴射を行うことにより、この後噴射された燃料を上記拡散燃焼の終了時点ｔ１で燃焼させることができる（図の破線Ｎ参照）。
【０１０７】
なお、エンジン回転数が１５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．３Ｍｐａに制御されたエンジンの低負荷低回転時には、図１７（ａ）に示すように、燃料の予混合燃焼と拡散燃焼とを熱発生状態によって区別することは困難であるが、圧縮行程上死点後の３０°（ＣＡ）程度より約０．５ｍｓ遅れた比較的に早い時点ｔ１で、上記拡散燃焼が終了して熱発生率が０となるため、上記圧縮行程上死点後の３０°（ＣＡ）程度の時点ｔｆで、燃料の後噴射を行うことにより、この後噴射された燃料を上記拡散燃焼の終了時点ｔ１で燃焼させることができる（図の破線Ｎ参照）。
【０１０８】
次に、上記拡散燃焼の終了時期を基準にして燃料の後噴射時期を設定することによる煤の低減効果について説明する。すなわち、エンジン回転数が１５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．３Ｍｐａに制御されたエンジンの低負荷低回転時において、燃料の主噴射後に、燃料の後噴射時期を種々に変化させて煤の発生量を測定する実験を行ったところ、図１８（ａ）に示すように、燃料の主噴射後で、拡散燃焼の終了時点ｔ１より上記着火遅れ時間に相当する時間だけ進角させた時点ｔｆであると考えられる圧縮行程上死点後の３０°（ＣＡ）以降に、燃料の後噴射時期を設定した場合に、煤の発生量が顕著に低減されることが確認された。
【０１０９】
また、同様にエンジン回転数が２０００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．５７Ｍｐａに制御されたエンジンの中負荷中回転時に、燃料の主噴射後に、燃料の後噴射時期を種々に変化させて煤の発生量を測定する実験を行ったところ、図１８（ｂ）に示すように、燃料の主噴射後で、拡散燃焼の終了時点ｔ１より上記着火遅れ時間に相当する時間だけ進角させた時点ｔｆであると考えられる圧縮行程上死点後の３５°（ＣＡ）以降に燃料の後噴射時期を設定した場合に、煤の発生量が顕著に低減されることが確認された。
【０１１０】
さらに、エンジン回転数が２５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．９Ｍｐａに制御されたエンジンの高負荷高回転時において、燃料の主噴射後に、燃料の後噴射時期を種々に変化させて煤の発生量を測定する実験を行ったところ、図１８（ｃ）に示すように、燃料の主噴射後で、拡散燃焼の終了時点ｔ１の近傍より上記着火遅れ時間に相当する時間だけ進角させた時点ｔｆであると考えられる圧縮行程上死点後の４７°（ＣＡ）以降に燃料の後噴射時期を設定した場合に、煤の発生量が顕著に低減されることが確認された。なお、上記各実験例では、エンジン負荷を一定に設定するとともに、燃料の主噴射量に対する後噴射量の比率を２０％に設定した。
【０１１１】
なお、上記図１８（ａ）〜（ｃ）において、後噴射時期が０°（ＣＡ）の場合は、燃料の後噴射を実行することなく、主噴射のみを実行したときのデータを示している。
【０１１２】
また、エンジン回転数が１５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．３Ｍｐａに制御されたエンジンの低負荷低回転時に、燃料の主噴射による拡散燃焼の終了時点ｔ１の近傍より上記着火遅れ時間に相当する時間だけ進角させた時点ｔｆであると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の３０°（ＣＡ）の時点で、燃料の後噴射を行う燃料の主噴射量に対する後噴射量の比率（Ｐ／Ｔ）を１０％〜４５％の範囲内で種々に変化させて煤の発生量を測定する実験を行ったところ、図１９（ａ）の実線で示すように、上記後噴射量の比率（Ｐ／Ｔ）の増大に応じて煤発生量が減少した。これに対して上記時点ｔｆよりも前であると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の８°（ＣＡ）の時点で、燃料の後噴射を行った場合には、図１９（ａ）の破線で示すように、上記後噴射量の比率（Ｐ／Ｔ）の増大に応じて煤の発生量が増加した。
【０１１３】
さらに、エンジン回転数が２０００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．５７Ｍｐａに制御されたエンジンの中負荷中回転時に、燃料の主噴射による拡散燃焼の終了時点ｔ１の近傍より上記着火遅れ時間に相当する時間だけ進角させた時点ｔｆであると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の３５°（ＣＡ）の時点および上記時点ｔｆよりも前であると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の２０°（ＣＡ）の時点で、燃料を後噴射して煤の発生量を測定する実験を行い、かつエンジン回転数が２５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．９Ｍｐａに制御されたエンジンの高負荷高回転時に、燃料の主噴射による拡散燃焼の終了時点ｔ１より上記着火遅れ時間に相当する時間だけ進角させた時点ｔｆ以降であると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の４８°（ＣＡ）の時点および上記時点ｔｆよりも前であると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の２０°（ＣＡ）の時点で、燃料を後噴射して煤の発生量を測定する実験を行った場合においても、図１９（ｂ），（ｃ）に示すように、上記低負荷低回転時と同様のデータが得られた。
【０１１４】
上記実験データから、上記燃料の主噴射により燃焼室４内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期を設定し、上記拡散燃焼の終了時点、またはその前後近傍に後噴射された燃料を着火させるように構成したエンジンの排気浄化装置および燃料の噴射時期設定方法によれば、上記拡散燃焼の終了に応じてエンジンの燃焼室４内に存在する炭素と酸素とを充分に混合した状態で、上記燃料の後噴射を行って上記炭素を効果的に燃焼させることにより、燃焼室４内から排気通路２０に導出される煤の排出量を低減できることがわかる。
【０１１５】
上記拡散燃焼の終了時点は、エンジンの負荷および回転数等に応じて変化するため、例えば上記図１７（ａ）〜（ｃ）に示すように、拡散燃焼による熱発生率が０となる時点ｔ１を、エンジンの運転状態において行った種々の実験データに基づいてマップ化し、このマップからを読み出すことにより設定することができる。
【０１１６】
また、燃焼室４内の温度を検出する温度センサの検出信号、燃焼光センサの検出信号、または燃焼室４内に存在する電荷が偏った反応性の高い水素や炭化水素等の量を検出するセンサの検出信号等に応じて上記拡散燃焼状態を判別する燃焼状態判別手段を設け、この燃焼状態判別手段において、燃料の主噴射後の温度が所定温度以下の低温となった否か、燃焼光の発光がなくなったか否か、または水素や炭化水素の量が急減したか否か等を判別することにより、上記拡散燃焼の終了時点を求め、この時点を基準にして次の燃焼サイクルにおける燃料の後噴射時期を設定するように構成してもよい。さらに、温度センサによって検出された気筒内温度から断熱膨張温度を減算した値の微分値を求め、この微分値が−の値から０になった時点を検出することによって上記拡散燃焼の終了時期を判別するようにしてもよい。
【０１１７】
上記のようにエンジンの各運転状態に基づいて判別された拡散燃焼の終了時点に基づき、この拡散燃焼の終了時点付近（クランク角にして±５°）の時期、好ましくは上記拡散燃焼の終了直後に後噴射による燃焼が開始されるように、それぞれの運転状態に応じて燃料の後噴射の開始時期を設定するように構成した場合には、エンジンの運転状態に対応した最適時期に燃料を後噴射して上記煤の排出量を効果的に低減することができる。
【０１１８】
次に、上記第３実施形態におけるＮＯｘ低減の効果についての検討結果を説明する。すなわち、エンジン回転数が１５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．３Ｍｐａに制御されたエンジンの低負荷低回転時に、燃料の主噴射後のクランク角（ＣＡ）にして２．５°〜５０°の範囲内で、燃料の後噴射時期を種々に変化させてＨＣの生成量を測定したところ、図２０（ａ）に示すように、燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後の３０°（ＣＡ）以降に設定した場合に、ＨＣの生成量が顕著に増加することが確認された。
【０１１９】
また、同様にエンジン回転数が２０００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．５７Ｍｐａに制御されたエンジンの中負荷中回転時に、燃料の後噴射時期を種々に変化させてＨＣの生成量を測定したところ、図２０（ｂ）に示すように、燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後の３５°（ＣＡ）以降に設定した場合に、ＨＣの生成量が顕著に増加することが確認された。
【０１２０】
さらに、エンジン回転数が２５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．９Ｍｐａに制御されたエンジンの高負荷高回転時に、燃料の後噴射時期を種々に変化させてＨＣの生成量を測定したところ、図２０（ｃ）に示すように、燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後の４５°（ＣＡ）以降に設定した場合に、ＨＣの生成量が顕著に増加することが確認された。なお、上記各実験例では、エンジン負荷を一定に制御するとともに、燃料の主噴射量に対する後噴射量の比率をそれぞれ２０％に設定した。
【０１２１】
なお、上記図２０（ａ）〜（ｃ）において、後噴射時期が０°（ＣＡ）の場合は、燃料の後噴射を実行することなく、主噴射のみを実行したときのデータを示している。
【０１２２】
上記実験データから、燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後のクランク角（ＣＡ）にして３０°以降に燃料を後噴射した場合に、ＨＣの生成量を増加させてＮＯｘの還元剤となる電荷が偏った反応性の高い水素や炭化水素量を増加させることにより、燃焼室４内から排気通路２０に導出されるＲａｗＮＯｘの排出量を低減できることがわかる。
【０１２３】
また、上記エンジンの低負荷低回転時、中負荷中回転時および高負荷高回転時に、燃料の主噴射後のクランク角（ＣＡ）にして２．５°〜５０°程度の範囲内で、燃料の後噴射時期を種々に変化させた場合と、燃料の後噴射を実行しない場合とで、燃費率を測定する実験を行ったところ、図２１（ａ）〜（ｃ）に示すように、上記燃料の後噴射時期が遅くなるほど燃費率が悪化することが確認された。これは、上記燃料の後噴射時期を遅くするほど、後噴射された燃料がエンジン出力の向上に寄与しなくなるためであり、燃費が悪化するのを防止するためには、上記燃料の後噴射時期を、燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後のクランク角（ＣＡ）にして６０°以前に設定することが好ましい。
【０１２４】
したがって、上記のように燃料の主噴射後で、圧縮行程上死点後のクランク角（ＣＡ）にして例えば３０〜６０°の範囲内における所定時期に燃料の後噴射を行うように燃料の噴射時期を設定することにより、燃費を悪化させることなく、大気中へのＮＯｘの放出を効果的に防止して排気ガスを浄化できるという利点がある。
【０１２５】
具体的には、上記エンジンの低負荷低回転時、中負荷中回転時および高負荷高回転時において、燃料の後噴射時期を種々に変化させてＮＯｘの排出量を測定する実験を行ったところ、図２２（ａ）〜（ｃ）に示すように、燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後のクランク角（ＣＡ）にして３０〜６０°の範囲内における所定時期に燃料の後噴射を行うように燃料の噴射時期を設定することにより、燃費を悪化させることなく、大気中へのＮＯｘの放出を効果的に防止して排気ガスを浄化できることが確認された。上記実験例では、排気還流制御手段３９による排気ガスの還流制御と、燃料の後噴射とが同時に実行されると、排圧が上昇することによるＥＧＲ効果によりＲａｗＮＯｘの発生量が変化し、上記燃料の後噴射によるＲａｗＮＯｘの低減効果を正確に確認することが困難となるため、排気還流率が一定になるように制御した。
【０１２６】
なお、上記燃料の後噴射時期をクランク角（ＣＡ）に応じて設定してなる上記第３実施形態に代え、タイマーに基づいて設定される時間に応じて上記燃料の後噴射時期を設定してもよく、この場合、燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後の１．２ｍｓ〜４ｍｓの範囲内における所定時期に上記燃料の後噴射を行うことにより、燃費を悪化させることなく、大気中へのＮＯｘの放出を効果的に防止することができる。
【０１２７】
以上のように煤の発生量の低減と、ＮＯｘの発生量の低減とが両立でき、かつ燃費を向上できる後噴射時期を、主噴射後の拡散燃焼の終了時点を基準にして設定することができる。例えば、エンジン回転数が１５００ｒｐｍで、低負荷の場合、拡散燃焼の終了時点は３０°（ＣＡ）よりも約０．５ｍｓ遅れた時点であり、煤の発生量およびＮＯｘの発生量を低減するためには、燃料の後噴射時期を圧縮行程上死点後３０°付近、例えば２７°〜３５°（ＣＡ）に設定すればよく、最適時期は３０°（ＣＡ）である。
【０１２８】
また、エンジン回転数が２０００ｒｐｍで、中負荷の場合、拡散燃焼の終了時点は３５°（ＣＡ）よりも約０．６ｍｓ遅れた時点であり、同様に、燃料の後噴射時期を圧縮行程上死点後３５°付近、例えば３３°〜４０°（ＣＡ）に設定すればよく、最適時期は３５°（ＣＡ）である。エンジン回転数が２５００ｒｐｍで、高負荷の場合、拡散燃焼の終了時点は４７°（ＣＡ）よりも約０．７ｍｓ遅れた時点であり、同様に、燃料の後噴射時期を圧縮行程上死点後４７°付近、例えば４５°〜４８°（ＣＡ）に設定すればよく、最適時期は４７°（ＣＡ）である。
【０１２９】
また、排気ガスにより駆動されて吸気を過給するターボ過給機２５を備えたディーゼルエンジンでは、上記のように燃料の主噴射後に所定量の燃料が後噴射されると、排気ガス圧力が上昇して上記ターボ過給機２５の過給作用が高められる。この結果、燃焼室４内に導入される新気量が増大されることにより、燃焼室４内に残存する炭素の燃焼が促進されて煤の発生が効果的に抑制されるという効果が得られる。そして、上記ターボ過給機２５の過給作用により吸入空気量が増大すると、上記主噴射された燃料の拡散燃焼の終了時期が早くなる傾向があるので、この拡散燃焼の終了時期に対応させて上記燃料の後噴射時期を補正することにより、煤の発生を効果的に抑制して排気通路２０に導出される煤の導出量を、より低減することができる。
【０１３０】
また、上記ターボ過給機２５を備えたディーゼルエンジンにおいて、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス還流手段３３を設けるとともに、上記ＥＣＵ３５に設けられた排気還流制御手段３９により排気ガスの環流率が目標値となるようにフィードバック制御するように構成した場合には、上記ターボ過給機２５の過給作用に応じて吸入空気量が増大すると、これに対応して吸気系に還流される排気ガスが増量されるため、燃焼室４内から排気通路２０に導出されるＲａｗＮＯｘ量が、さらに効果的に低減されるという利点がある。
【０１３１】
さらに、エンジンの排気通路２０に配置されたＮＯｘ還元触媒等からなるＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にある場合に、上記燃料の主噴射により燃焼室４内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期を設定する制御を行った場合には、上記のように燃焼室４内で反応性の高い水素量等を増大させＲａｗＮＯｘを低減する作用と、炭素の燃焼を促進させて煤の排出量を低減する作用とが同時に得られるという利点がある。
【０１３２】
特に、上記ＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にある場合には、このＮＯｘ浄化触媒２２に供給される還元剤量が充分に確保される時期、つまり圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の６０°〜１８０°（ＣＡ）の範囲内における所定時期に、燃料の後噴射時期を設定するとともに、上記ＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にある場合には、上記燃料の後噴射時期を進角させることにより、上記拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期を設定するように構成した場合には、上記ＮＯｘ浄化触媒２２の活性時に、その浄化作用により大気中へのＮＯｘの放出を抑制することができるとともに、上記ＮＯｘ浄化触媒２２の不活性時に、燃焼室４内における反応性の高い水素量を増大させる等により、燃焼室４から排気通路２０に導出されるＮＯｘ量を効果的に低減できるという利点がある。
【０１３３】
また、上記拡散燃焼の終了時点で噴射される燃料の後噴射量と、煤の発生量との対応関係を調べる実験を行うことにより、上記図１９（ａ）〜（ｃ）の実線で示すように、エンジンの低負荷低回転時、中負荷中回転時および高負荷高回転時のいずれの運転状態においても、燃料の総噴射量に対する後噴射量の比率（Ｐ／Ｔ）を大きくするほど、上記煤の発生を抑制できるというデータが得られた。
【０１３４】
一方、上記エンジンの低負荷低回転時に、上記拡散燃焼の終了前であると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の８°（ＣＡ）の時点で、燃料の後噴射を行う燃料の主噴射量に対する後噴射量の比率（Ｐ／Ｔ）を、種々に変化させて燃費率の変化を測定する実験を行ったところ、図２３の破線で示すように、上記後噴射量の比率（Ｐ／Ｔ）の増大に応じて燃費率にほとんど変化がないのに対し、燃料の主噴射による拡散燃焼の終了時点ｔ１の近傍で、後噴射による燃焼が行われると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の３０°（ＣＡ）の時点で、上記燃料の後噴射を行った場合には、図２３（ａ）の実線で示すように、上記後噴射量の比率（Ｐ／Ｔ）の増大に応じて燃費率が顕著に悪化した。
【０１３５】
また、上記エンジンの中負荷中回転時に、燃料の主噴射による拡散燃焼の終了時点ｔ１の近傍で、後噴射による燃焼が行われると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の３５°（ＣＡ）の時点および上記拡散燃焼の終了前であると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の２０°（ＣＡ）の時点で、燃料を種々の比率で後噴射して燃費率の変化を測定する実験を行い、かつ上記エンジンの高負荷高回転時に、燃料の主噴射による拡散燃焼の終了時点ｔ１の近傍で、後噴射による燃焼が行われると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の４８°（ＣＡ）の時点および上記拡散燃焼の終了前であると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の２０°（ＣＡ）の時点で、燃料を種々の比率で後噴射して燃費率の変化を測定する実験を行った場合においても、図２３（ｂ），（ｃ）に示すように、上記低負荷低回転時と同様のデータが得られた。
【０１３６】
したがって、上記燃料の主噴射により燃焼室４内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期を設定し、上記拡散燃焼の終了時点、またはその前後近傍に後噴射された燃料を着火させるように構成されたエンジンの排気浄化装置および燃料の噴射時期設定方法において、燃料の後噴射量を、総噴射量の０．２％〜５０％で、好ましくは１５％〜３５％の範囲内に設定することにより、燃費を悪化させることなく、上記煤の発生量を効果的に低減することができる。
【０１３７】
なお、上記実施形態では、ＮＯｘ浄化触媒２２の活性状態や、エンジン負荷および回転数に応じて燃料の後期制御を実行するようにした例について説明したが、これに限られず種々の変形が可能であり、例えばエンジンの全ての運転状態で上記燃料の後噴射制御を実行するようにしてもよい。
【０１３８】
また、上記実施形態では、燃焼室４内に燃料を直接噴射する直噴式ディーゼルエンジンについて本発明を適用した例について説明したが、理論空燃比よりも薄い混合気を燃焼させるリーンバーン運転を行う直噴式ガソリンエンジンについても本発明を適用して、ＮＯｘを低減することができる。
【０１３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、この燃料噴射弁から噴射される燃料の燃焼状態を制御する燃焼制御手段と、エンジンの排気通路に配置されて少なくともＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒と、上記燃料噴射弁により膨張行程から排気行程までの所定時期に燃料を噴射して排気ガス中の還元剤を増量する還元剤増量手段とを備えたエンジンの排気浄化装置において、上記ＮＯｘ浄化触媒が活性状態にあるか否かを判定する活性状態判定手段を有し、この活性状態判定手段によって上記ＮＯｘ浄化触媒が不活性状態にあると判定された場合には、上記還元剤増量手段により制御される燃料の噴射時期を、ＮＯｘ還元触媒が活性状態にある場合に比べて進角させるように構成したため、エンジンの燃焼室から導出されるＮＯｘ量を低減することにより、大気中へのＮＯｘの放出を効果的に抑制して排気ガスを効果的に浄化することができる。
【０１４０】
また、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、エンジンの運転状態に応じて上記燃料噴射弁から主噴射される燃料の噴射状態を制御する主噴射制御手段と、上記燃料の主噴射時点から膨張行程までの間の所定時期に上記燃料噴射弁から燃料を後噴射させる後噴射制御手段とを設け、上記燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期を設定するように構成した場合には、煤の発生を抑制して大気中への煤の放出量を効果的に低減して排気ガスを浄化できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るエンジンの排気浄化装置の実施形態を示す説明図である。
【図２】 排気還流制御の制御動作を示すフローチャートである。
【図３】 基本排気還流率を設定するためのマップの具体例を示すグラフである。
【図４】 目標新気量を設定するためのマップの具体例を示すグラフである。
【図５】 スモークの発生量と空燃比との関係を示すグラフである。
【図６】 ＮＯｘ浄化率と触媒温度との関係を示すグラフである。
【図７】 上記排気浄化装置の制御動作の前半部を示すフローチャートである。
【図８】 上記排気浄化装置の制御動作の後半部を示すフローチャートである。
【図９】 後噴射時期とＲａｗＮＯｘ量との関係の一例を示すタイムチャートである。
【図１０】 後噴射サイクルを変化させた場合におけるＲａｗＮＯｘ量の変化状態を示すタイムチャートである。
【図１１】 後噴射サイクルをさらに変化させた場合におけるＲａｗＮＯｘ量の変化状態を示すタイムチャートである。
【図１２】 本発明に係る排気浄化装置の別の実施形態を示す説明図である。
【図１３】 ＮＯｘ還元触媒を通過した排気ガスのＨＣ濃度の変化状態を示すタイムチャートである。
【図１４】 触媒温度とＮＯｘ浄化率との関係を示すグラフである。
【図１５】 本発明に係る排気浄化装置のさらに別の実施形態を示す説明図である。
【図１６】 上記排気浄化装置の制御動作を示すフローチャートである。
【図１７】 燃焼室内における熱発生率の変化状態を示すタイムチャートである。
【図１８】 後噴射時期と煤発生量との対応関係を示すグラフである。
【図１９】 燃料の総噴射量に対する後噴射量の比率と煤発生量との対応関係を示すグラフである。
【図２０】 後噴射時期と炭化水素量との対応関係を示すグラフである。
【図２１】 後噴射時期と燃費率との対応関係を示すグラフである。
【図２２】 後噴射時期とＮＯｘ量との対応関係を示すグラフである。
【図２３】 燃料の総噴射量に対する後噴射量の比率と燃費率との対応関係を示すグラフである。
【符号の説明】
４ 燃焼室
５ 燃料噴射弁
２０ 排気通路
２２ ＮＯｘ浄化触媒
３３ 排気ガス還流手段
３６ 燃焼制御手段
３７ 活性状態判定手段
３８ 還元剤増量手段
３９ 排気還流制御手段
４０ 主噴射制御手段
４１ 後噴射制御手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に搭載されるエンジンの排気浄化装置および燃料噴射時期の設定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開平９−３１７５２４号公報に示されるように、触媒装置が排気通路の上流側に配置された第１触媒装置と、その下流側に直列に配置された第２触媒装置とからなるとともに、全体の気筒が上記第１触媒装置の上流に接続された第１の気筒群と、上記第１触媒装置と第２触媒装置との間の排気通路に接続された第２気筒群とからなる内燃機関の窒素酸化物浄化装置において、燃料噴射手段により機関出力発生のための主燃料噴射指令と、炭化水素（ＨＣ）を供給するための後燃料噴射指令とを各気筒毎に発することにより、触媒温度判定手段により判定された第１触媒装置及び第２触媒装置の温度に対応して後燃料噴射の量を調整し、各触媒装置の過熱を抑制しつつ窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化率を最大化することが行われている。
【０００３】
また、特開平８−２６１０５２号公報に示されるように、気筒毎に設けられた燃料噴射手段と、ＮＯｘを還元浄化する排気通路に配設された触媒装置と、上記燃料噴射手段を作動させる燃料噴射制御手段とを有する内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、上記燃料噴射制御手段は、機関出力発生のために圧縮行程上死点近傍で燃料を噴射させる主燃料噴射指令と、上記触媒装置にＨＣを供給するために膨張行程又は排気行程で燃料を噴射させる後噴射指令とを上記燃料噴射手段に対して発し、上記後噴射指令を、主燃料噴射指令の回数よりも少ない回数だけ発することにより、良好なＮＯｘの浄化率が得られるにしたものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにエンジンの運転状態に対応した燃料の主噴射以外に、後燃料噴射を行って排気ガス中のＨＣ量を増大させることにより、各触媒装置の加熱を抑制しつつＮＯｘの浄化率を向上させるように構成したものでは、触媒装置が活性化した通常の運転時に、ＨＣ等からなる還元剤とＮＯｘとを反応させてＮＯｘを浄化することができるが、触媒温度が低い未活性状態にある場合及び触媒温度が一定値よりも高い場合に、ＮＯｘを効果的に浄化することができないとともに、エンジンの燃焼室で発生した炭素粒子の凝集物からなる煤が大気中に排出されるのを効果的に抑制することができないという問題がある。
【０００５】
また、触媒装置の早期暖機や、触媒装置の温度上昇度合いに基づいて触媒の劣化状態を判断するために、主噴射以外に燃料を後噴射することが行われているが、この後噴射の時期が適切でないと、エンジンの燃焼室で発生した煤が排気通路に導出され、大気中に排出される煤量が増えるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑み、エンジンの燃焼室から導出されたＲａｗＮＯｘや煤が大気中に排出されるのを抑制して排気ガスを効果的に浄化することができるエンジンの排気浄化装置および燃料噴射時期の設定方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気行程から膨張行程初期にかけての所定時期にエンジンの運転状態に応じて上記燃料噴射弁から主噴射される燃料の噴射状態を制御する主噴射制御手段と、上記燃料の主噴射時点から膨張行程までの間の所定時期に上記燃料噴射弁から燃料を後噴射させる後噴射制御手段と、排気ガスにより駆動されて吸気を過給するターボ過給機とを備えたエンジンの排気浄化装置であって、燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準に、この拡散燃焼の終了時点またはその近傍で、上記燃料の後噴射による燃焼が開始されるように後噴射の時期を設定し、この後噴射の時期を、上記ターボ過給機の過給作用により吸入空気量が増大するほど進角側に補正するように構成したものである。
【０００８】
上記構成によれば、燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期が設定されることにより、エンジンの燃焼室内に存在する炭素と酸素とが混合された状態で、上記後噴射された燃料とともに上記炭素が燃焼するため、炭素の凝縮体からなる煤の排出量が効果的に低減されることになる。
【０００９】
また、燃料の後噴射により排気ガス圧力が上昇し、ターボ過給機の過給作用に応じて吸入空気量が増大されるため、燃焼室内に残存する炭素の燃焼が促進されて煤の発生が効果的に抑制されるとともに、上記ターボ過給機の過給作用により吸入空気量が増大するのに応じて上記拡散燃焼の終了時期が早くなった場合に、後噴射された燃料が、上記ターボ過給機の過給作用により変化する拡散燃焼の終了時点近傍で燃焼するように上記燃料の後噴射時期が補正されることにより、上記煤の発生が効果的に抑制されて燃焼室から排気通路に導出される煤の排出量が、より低減されることになる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、上記請求項１記載のエンジンの排気浄化装置において、燃料の主噴射によって燃焼室内で発生した拡散燃焼状態を判別する燃焼状態判別手段を備え、この燃焼状態判別手段によって判別された上記拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期を設定するように構成したものである。
【００１１】
上記構成によれば、燃焼室内の筒内圧力を検出する圧力センサの検出信号、燃焼室内の温度を検出する温度センサの検出信号、拡散燃焼によって発生する輝光を検出する燃焼光センサの検出信号または燃焼室内に存在する電荷を帯びた反応性の高い水素や炭化水素の量等を検出するセンサの検出信号等に応じ、上記燃焼状態判別手段において判別された上記拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期が設定されるため、エンジンの運転状態に対応した最適時期に燃料が後噴射されて上記煤の排出量が効果的に低減されることになる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、上記請求項１記載のエンジンの排気浄化装置において、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス還流手段と、この排気ガス還流手段によって排気ガスの環流率が目標値となるようにフィードバック制御する排気還流制御手段とを備えたものである。
【００１３】
上記構成によれば、主噴射後の所定時期に燃料が後噴射されることにより、排気ガス圧力が上昇し、ターボ過給機の過給作用に応じて吸入空気量が増大すると、これに対応して吸気系に還流される排気ガスを増量する制御が上記排気還流制御手段により実行されるため、燃焼室内から排気通路に導出されるＲａｗＮＯｘ量が、さらに効果的に低減されることになる。
【００１４】
請求項４に係る発明は、上記請求項３記載のエンジンの排気浄化装置において、エンジンの排気通路に配置されて少なくともＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒を備え、このＮＯｘ浄化触媒が不活性状態にある場合に、燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点に基づいて燃料の後噴射時期を設定するように構成したものである。
【００１５】
上記構成によれば、エンジンの排気通路に配置されたＮＯｘ浄化触媒が不活性状態にある場合に、上記燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期が設定されるため、燃焼室内に存在する電荷が偏った反応性の高い水素や炭化水素等を増加させることによるＲａｗＮＯｘの低減作用と、炭素の燃焼を促進することによる煤の低減作用とが同時に得られることになる。
【００１６】
請求項５に係る発明は、上記請求項４記載のエンジンの排気ガス浄化装置において、ＮＯｘ浄化触媒が活性状態にある場合には、このＮＯｘ浄化触媒に供給される還元剤量が充分に確保されるように、燃料の後噴射時期を設定するとともに、上記ＮＯｘ浄化触媒が不活性状態にある場合には、上記燃料の後噴射時期を進角させることにより、上記拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期を設定するように構成したものである。
【００１７】
上記構成によれば、ＮＯｘ浄化触媒が活性状態にある場合には、このＮＯｘ浄化触媒に供給される還元剤量が充分に確保されることにより、上記ＮＯｘ浄化触媒の浄化作用により大気中へのＮＯｘの放出が抑制されるとともに、上記ＮＯｘ浄化触媒が不活性状態にある場合には、後噴射された燃料が拡散燃焼の終了時点近傍で燃焼するように燃料の後噴射時期が設定されることにより、燃焼室から排気通路に導出されるＲａｗＮＯｘ量が効果的に低減されることになる。
【００１８】
請求項６に係る発明は、上記請求項１記載のエンジンの排気ガス浄化装置において、エンジンの排気通路に配置されて少なくともＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒を備え、このＮＯｘ浄化触媒が不活性状態にある場合、または、エンジンが中負荷中回転以上の運転状態にある場合に、燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点に基づいて燃料の後噴射時期を設定するとともに、その時期を、圧縮行程上死点後のクランク角にして３０°〜６０°の範囲内としたものである。
【００１９】
上記構成によれば、ＮＯｘ浄化触媒の下流側に導出されるＮＯｘ量が多いときには、燃料の主噴射後における圧縮行程上死点後のクランク角にして３０°〜６０°の範囲内で燃料の後噴射が行われることにより、後噴射された燃料が拡散燃焼の終了時点近傍で燃焼し、燃焼室から排気通路に導出されるＲａｗＮＯｘ量が低減されるため、上記ＮＯｘ浄化触媒が不活性状態にある場合等においても、大気中へのＮＯｘの放出が抑制されることになる。
【００２０】
請求項７に係る発明は、上記請求項１〜６のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置において、上記燃料の後噴射量を、燃料の総噴射量の０．２％〜５０％に設定するように構成したものである。
【００２１】
上記構成によれば、燃料の後噴射量が、総噴射量の０．２％〜５０％の範囲内に設定されることにより、燃費を悪化させることなく、上記煤の排出量が効果的に低減されることになる。
【００２２】
請求項８に係る発明は、上記請求項５記載のエンジンの排気浄化装置において、上記ＮＯｘ浄化触媒として、酸素濃度の高い酸素過剰雰囲気でＮＯｘと還元剤とを反応させることにより、ＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ還元触媒を備えたものである。
【００２３】
上記構成によれば、上記ＮＯｘと還元剤とを反応させることによりＮＯｘを浄化するＮＯｘ還元触媒が不活性状態にあることが確認された場合には、燃料の噴射時期を、ＮＯｘ浄化触媒が活性状態にある場合に比べて進角させる制御が上記還元剤増量手段において実行され、エンジンの燃焼室から導出されるＮＯｘ量が低減されて特に大気へのＮＯｘの放出が抑制されることになる。
【００２４】
請求項９に係る発明は、上記請求項８記載のエンジンの排気浄化装置において、上記活性状態判定手段は、ＮＯｘ還元触媒の温度を検出し、この検出温度が、ＮＯｘ還元触媒のＮＯｘ浄化率が所定値以上となる温度領域より高い場合に、上記ＮＯｘ還元触媒が不活性状態にあると判定するものである。
【００２５】
上記構成によれば、ＮＯｘ還元触媒の検出温度に基づき不活性状態にあると上記活性状態判定手段により判定された場合には、燃料の後噴射時期が所定時期に進角されることにより、エンジンの燃焼室から導出されるＮＯｘ量が低減されて大気中へのＮＯｘの放出が抑制されることになる。
【００２６】
請求項１０に係る発明は、上記請求項８または９記載のエンジンの排気浄化装置において、ゼオライトに触媒金属を担持させたＮＯｘ浄化触媒を備えたものである。
【００２７】
上記構成によれば、上記ＮＯｘ還元触媒等のＮＯｘ浄化触媒によるＮＯｘの浄化率が低い状態にある場合においても、多孔質材料であるゼオライトの空孔内に捕集されたＨＣ等の還元剤を利用して排気ガス中のＮＯｘが効果的に浄化されることになる。
【００２８】
請求項１１に係る発明は、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気行程から膨張行程初期にかけての所定時期にエンジンの運転状態に応じて上記燃料噴射弁から主噴射される燃料の噴射状態を制御する主噴射制御手段と、上記燃料の主噴射時点から膨張行程までの間の所定時期に上記燃料噴射弁から燃料を後噴射させる後噴射制御手段と、排気ガスにより駆動されて吸気を過給するターボ過給機とを備えたエンジンの燃料噴射時期を設定する方法であって、上記燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準に、この拡散燃焼の終了時点またはその近傍で、上記燃料の後噴射による燃焼が開始されるように後噴射の時期を設定し、この後噴射の時期を、上記ターボ過給機の過給作用により吸入空気量が増大するほど進角側に補正するものである。
【００２９】
上記構成によれば、燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期が設定されることにより、エンジンの燃焼室内に存在する炭素と酸素とが混合された状態で、上記燃料の後噴射が行われて上記炭素が燃焼するため、炭素の凝縮体からなる煤の発生が効果的に抑制されることになる。
【００３０】
また、燃料の後噴射により排気ガス圧力が上昇し、ターボ過給機の過給作用に応じて吸入空気量が増大されるため、燃焼室内に残存する炭素の燃焼が促進されて煤の発生が効果的に抑制されるとともに、上記ターボ過給機の過給作用により吸入空気量が増大するのに応じて上記拡散燃焼の終了時期が早くなった場合に、後噴射された燃料が、上記ターボ過給機の過給作用により変化する拡散燃焼の終了時点近傍で燃焼するように上記燃料の後噴射時期が補正されることにより、上記煤の発生が効果的に抑制されて燃焼室から排気通路に導出される煤の排出量が、より低減されることになる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係るエンジンの排気浄化装置を自動車に搭載されるディーゼルエンジンに適用した第１実施形態を示している。上記エンジンの本体１は、複数の気筒（図には一つのみを示す）２を有し、各気筒２内にはピストン３が往復動可能に嵌挿され、このピストン３によって各気筒２内に燃焼室４が区画されている。また、上記燃焼室４の上面略中央には燃料噴射弁５が配設され、各気筒２の燃焼室４内に燃料が所定のタイミングで直接噴射されるようになっている。さらに、エンジン本体１のウォータジャケット（図示せず）に臨むように、エンジンの冷却水温度を検出する水温センサ１８が設けられている。
【００３２】
上記各燃料噴射弁５は、高圧の燃料を蓄えるコモンレール６に接続され、このコモンレール６には、内部の燃圧（コモンレール圧）を検出する圧力センサ６ａが配設されるとともに、クランク軸７により駆動される高圧供給ポンプ８が接続されている。この高圧供給ポンプ８は、燃料の供給圧力を制御することにより、上記圧力センサ６ａにより検出されたコモンレール６内の燃圧を、例えばエンジンのアイドル運転時に約２０ＭＰａ以上に保持し、その以外の運転時には５０ＭＰａ以上に保持するように構成されている。
【００３３】
また、上記クランク軸７には、その回転角度を検出するクランク角センサ９が設けられている。このクランク角センサ９は、クランク軸７の端部に設けられた被検出プレートと、その外周に対向するように配設された電磁ピックアップとからなり、この電磁ピックアップが被検出用プレートの外周部に形成された突起部の通過を検出してパルス信号を出力するように構成されている。
【００３４】
上記エンジン本体１に接続された吸気通路１０の下流端部は、図示を省略したサージタンクを介して各気筒２毎に分岐し、この分岐部がそれぞれ吸気ポートを介して各気筒２の燃焼室４に接続されている。また、上記サージタンクには、各気筒２内に供給される吸気の圧力を検出する吸気圧センサ１０ａが設けられている。
【００３５】
上記吸気通路１０には、その上流側から順に、エンジン本体１内に吸入される吸気流量を検出するエアフローセンサ１１と、下記タービン２１により駆動されて吸気を圧縮するブロワ１２と、このブロワ１２により圧縮された空気を冷却するインタークーラ１３と、吸気の流通面積を変化させる吸気絞り弁１４とがそれぞれが設けられている。
【００３６】
上記吸気絞り弁１４は、全閉状態でも吸気の流通が可能なように切欠きが設けられたバタフライバルブからなり、後述するＥＧＲ弁２４と同様に、負圧制御用の電磁弁１６によってダイヤフラム式アクチュエータ１５に作用する負圧の大きさが調節されるのに応じ、弁開度が変更されるように構成されている。また、上記吸気絞り弁１４の設置部には、その弁開度を検出するセンサが設けられている。
【００３７】
また、エンジン本体１に接続された排気通路２０の上流端部は、各気筒２毎に分岐し、この分岐部がそれぞれ排気ポートを介して各気筒２の燃焼室４に接続されている。上記排気通路２０には、その上流側から順に、排気流により回転駆動されるタービン２１と、排気ガス中の少なくともＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ還元触媒からなるＮＯｘ浄化触媒２２と、このＮＯｘ浄化触媒２２を通過した排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１９とが配設されている。
【００３８】
上記ＮＯｘ還元触媒からなるＮＯｘ浄化触媒２２は、排気の流れ方向に沿って互いに平行に延びる多数の貫通孔を有するハニカム構造に形成されたコージュライト製担体を備え、その各貫通孔壁面に触媒層を２層に形成したものである。具体的には、白金（Ｐｔ）と、ロジウム（Ｒｈ）とが、多孔質材であるＭＦＩ型ゼオライト（ＺＳＭ５）等をサポート材として担持されることにより上記触媒層が形成されている。
【００３９】
そして、上記ＮＯｘ浄化触媒２２は、燃焼室４内の混合気がリーン状態となって排気ガス中の酸素濃度が高い場合、例えば酸素濃度が４％以上である場合に、ＮＯｘを還元剤と反応させて還元することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化するように構成されている。なお、上記ＮＯｘ浄化触媒２２においては、酸素濃度が低い場合でも三元触媒機能を持っている。
【００４０】
また、吸気通路１０に配設された上記ブロワ１１と、排気通路２０に配設された上記タービン２１とにより、排気通路２０のノズル断面積が変化するように構成されたバリアブルジオメトリーターボ（ＶＧＴ）からなるターボ過給機２５が構成されている。このターボ過給機２５には、そのノズル断面積を変化させるためのダイヤフラム式アクチュエータ３０と、このダイヤフラム式アクチュエータ３０の負圧を制御するための電磁弁３１とが設けられている。
【００４１】
上記排気通路２０には、排気ガスの一部を吸気通路１０に還流させる排気還流通路（以下ＥＧＲ通路という）２３が、タービン２１の上流側部に接続されている。そして、上記ＥＧＲ通路２３の下流端は、上記吸気絞り弁１４の下流側において吸気通路１０に接続されるとともに、上記ＥＧＲ通路２３の下流側には、弁開度が調節可能に構成された負圧作動式の排気還流量調節弁（以下ＥＧＲ弁という）２４が配設され、このＥＧＲ弁２４と、上記ＥＧＲ通路２３とにより排気ガス環流手段３３が構成されている。
【００４２】
上記ＥＧＲ弁２４は、図示を省略した弁本体がスプリングによって閉方向に付勢されるとともに、ダイヤフラム式アクチュエータ２４ａにより開方向に駆動されることにより、ＥＧＲ通路２３の開度をリニアに調節するように構成されている。すなわち、上記ダイヤフラム式アクチュエータ２４ａには、負圧通路２７が接続されるとともに、この負圧通路２７が負圧制御用の電磁弁２８を介してバキュームポンプ（負圧源）２９に接続されている。そして、上記電磁弁２８が負圧通路２７を連通または遮断することにより、ＥＧＲ弁駆動用の負圧が調節されてＥＧＲ弁２４が開閉駆動されるようになっている。また、上記ＥＧＲ弁２４の設置部には、その弁本体の位置を検出するリフトセンサ２６が設けられている。
【００４３】
上記燃料噴射弁５、高圧供給ポンプ８、吸気絞り弁１４、ＥＧＲ弁２４及びターボ過給機２５等は、後述するエンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）３５から出力される制御信号に応じて作動状態が制御されるように構成されている。また、上記ＥＣＵ３５には、上記圧力センサ６ａの出力信号と、クランク角センサ９の出力信号と、エアフローセンサ１１の出力信号と、水温センサ１８の出力信号と、運転者によって操作されるアクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ３２の出力信号とが入力されるようになっている。
【００４４】
上記ＥＣＵ３５は、エンジンの要求出力が得られるように燃料の燃焼状態を制御する燃焼制御手段３６と、上記ＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にあるか否かを判定する活性状態判定手段３７と、上記ＮＯｘ浄化触媒２２に供給されるＨＣ等の還元剤を増量する還元剤増量手段３８と、エンジンの運転状態に応じて上記ＥＧＲ弁２４を駆動して排気還流量を制御する排気還流制御手段３９とを有している。
【００４５】
上記排気還流制御手段３９において実行される排気還流制御の制御動作を、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。上記制御動作がスタートすると、まず上記各センサによって検出されたデータを入力した後（ステップＳ１）、上記アクセルセンサ３２によって検出されたアクセル開度と、クランク角センサ９の出力信号に応じて検出されたエンジン回転数とに基づき、予め設定されたマップからエンジンの運転状態に対応した基本排気還流率ＥＧＲｂを読み出して設定する（ステップＳ２）。なお、排気還流率とは、ＥＧＲ通路２３を介して吸気通路１０に還流される排気還流量の総吸気量に対する割合のことである。
【００４６】
上記基本排気還流率ＥＧＲｂを設定するためのマップは、図３に示すように、アクセル開度とエンジン回転数とをパラメータとして予め実験的に求めた排気還流率をマップ化したものであり、アクセル開度の小さい低負荷時に基本排気還流率ＥＧＲｂが大きな値となるように設定されている。なお、図３に斜線で示すエンジンのアイドル運転領域では、エンジンの中負荷時よりも基本排気還流率ＥＧＲｂが小さな値となるように設定されている。
【００４７】
上記ステップＳ２の後、アクセル開度とエンジン回転数とに基づき、予め設定されたマップから目標新気量ｑを読み出して設定する（ステップＳ３）。この新気量は、燃焼室４内に導入される気体（吸気）の総量から、還流排気量やブローバイガス量等を除いた値であり、上記エアーフローセンサ１１の出力信号に基づいて求められる。また、上記新気量は、排気還流率と密接に関連しており、通常は排気還流率が大きいほど、新気量が少なくなる傾向がある。
【００４８】
上記目標新気量ｑを設定するためのマップは、図４に示すように、アクセル開度とエンジン回転数とをパラメータとして予め実験的に求めた目標新気量ｑをマップ化したものであり、アクセル開度が大きいほど、目標新気量が多くなり、かつエンジン回転数が高いほど目標新気量ｑが多くなるように設定されている。なお、図４に斜線で示すエンジンのアイドル運転領域では、エンジンの中負荷時よりも目標新気量ｑが多くなるように設定されている。
【００４９】
直噴式ディーゼルエンジンでは、排気還流率を高めることでＮＯｘの生成を抑制することができるが、この排気還流率を高めれば、燃焼室４の平均的空燃比がリッチ側に変化する。そして、図５に示すように、上記平均的空燃比が理論空燃比に近くなると、スモーク量（煤発生量）が急増する傾向がある。このため、上記ステップＳ２，Ｓ３における基本排気還流率ＥＧＲｂ及び目標新気量ｑのマップでは、燃焼室４内の平均的空燃比を、例えば図５のＡ／Ｆ*１で示すように、スモークが急増することのない範囲で、極力小さな値に設定している。
【００５０】
また、エンジンのアイドル運転領域では、燃焼室４内の平均的空燃比が上記図５のグラフにＡ／Ｆ*２で示すように、上記Ａ／Ｆ*１に比べてかなりリーンな状態となるように、上記基本排気還流率ＥＧＲｂ及び目標新気量ｑのマップにおいて、それぞれ基本排気還流率ＥＧＲｂを小さめに設定するとともに、目標新気量ｑを多めに設定している。すなわち、エンジンがアイドル運転状態にあるときには、ＥＧＲ弁２４の開度が相対的に小さくされ、この状態から加速運転状態に移行するときに、直ちにＥＧＲ弁２４を閉じて、燃焼室４内に吸入される新気量を速やかに増大させることが可能となるようにしている。これによってエンジンの加速性が向上するとともに、加速運転状態への移行時に、空燃比が一時的に過度にリッチな状態となることが回避されて、加速初期におけるスモークの増加が抑制されることになる。
【００５１】
上記ステップＳ３の後、エアーフローセンサ１１の出力信号に応じて求められる実新気量から目標新気量ｑを減算した新気量偏差に基づき、排気還流率のフィードバック補正値ＥＧＲｆ／ｂを、予め設定されたマップから読み出して設定する（ステップＳ４）。このフィードバック補正値ＥＧＲｆ／ｂは、目標新気量ｑが実新気量よりも多いときに、負の値に設定されるとともに、目標新気量ｑが実新気量よりも少ないときに、正の値に設定され、何れも上記偏差が大きいほど絶対値が大きくなるように設定されている。なお、上記マップには、目標新気量ｑが実新気量に近いところに、不感帯域が設けられている。
【００５２】
次いで、上記ステップＳ２で設定された基本排気還流率ＥＧＲｂに、ステップＳ３で設定された排気還流率のフィードバック補正値ＥＧＲｆ／ｂを加算して目標排気還流率ＥＧＲｔを求める（ステップＳ５）。そして、この目標排気還流率ＥＧＲｔに対応する制御信号を負圧制御用電磁弁２８に出力してＥＧＲ弁２４を駆動した後（ステップＳ６）、リターンする。
【００５３】
上記排気還流制御を実行することにより、基本的にエンジンの低負荷側で排気還流率が相対的に大きな値に設定され、燃焼室４への排気還流量が確保されて、ＮＯｘの生成量が低減されることになる。一方、エンジン負荷が増大するに従い、排気還流率が徐々に小さな値に設定されて新気の吸入量が多くなるので、負荷状態に対応した十分な出力が得られることになる。さらに、エンジンがアイドル運転状態にあるときには、ＥＧＲ２４の開度が相対的に小さくされることで、加速状態の移行時における一時的なスモークの増加が抑制されるようになっている。
【００５４】
上記ＥＣＵ３５に設けられた燃焼制御手段３６は、エンジンの運転状態に応じて上記燃料噴射弁５から噴射される燃料の主噴射量及び主噴射時期を制御するとともに、上記高圧供給ポンプ８によって調節されるコモンレール圧、つまり燃料の噴射圧力を制御し、かつ上記吸気絞り弁１４によって調節される吸気量を制御する等により、エンジンの要求出力が得られるように燃料の燃焼状態を制御するものである。
【００５５】
上記活性状態判定手段３７は、例えば上記クランク角センサ９の出力信号に応じて検出されたエンジン回転数と、上記アクセルセンサ３２の出力信号に応じて検出されたエンジン負荷とに基づき、予め設定されたマップからエンジン運転状態に対応したＮＯｘ浄化触媒２２の温度の推定値を読み出し、あるいはエンジンの運転状態と、図外の排気ガス温度センサによって検出された排気ガス温度とに基づいて上記ＮＯｘ浄化触媒２２の温度を推定し、その推定値等に基づいてＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にあるか否かを判定するように構成されている。
【００５６】
すなわち、図６に示すように、ＮＯｘ浄化率が所定値α以上となるＮＯｘ浄化触媒２２の温度領域Ｒで、ＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にあると判定され、上記温度領域よりも触媒温度が低い場合及び高い場合の何れにおいても、上記ＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にあると判定されて、この判定信号が上記還元剤増量手段３８に出力されるようになっている。
【００５７】
上記還元剤増量手段３８は、上記燃焼制御手段３６により実行される燃料の主噴射後における膨張行程から排気行程までの間の所定時期に、燃料を噴射する後噴射を行うように制御する燃料の後噴射制御手段からなり、上記燃料の後噴射を行うことによって燃焼室４から排気通路２０に排出されるＨＣまたはＣＯ等からなる還元剤を増量するとともに、上記ＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にあるか否かに応じ、上記後噴射時期を制御するように構成されている。
【００５８】
すなわち、上記活性状態判定手段３７においてＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にあると判定された場合には、圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）のクランク角（ＣＡ）にして６０〜１８０°の範囲内における所定時期、例えば圧縮行程上死点後の９０°（ＣＡ）の時期に、燃料が後噴射されるとともに、この燃料の後噴射が１燃料サイクル毎に連続して実行されることにより、燃焼室４から排気通路２０に排出されるＨＣまたはＣＯ等からなる還元剤を増量するようになっている。なお、上記燃料の後噴射量は、主噴射量の０．５％〜４％程度に設定される。
【００５９】
一方、上記活性状態判定手段３７においてＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にあると判定された場合には、主噴射時点から圧縮行程上死点後の（ＡＴＤＣ）６０°（ＣＡ）までの範囲内における所定時期、例えば圧縮行程上死点後のクランク角（ＣＡ）にして４５°を中心とした４０°〜５０°（ＣＡ）の範囲内の時期に、燃料が後噴射されるように、ＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にある場合に比べて上記後噴射時期を進角させるとともに、この燃料の後噴射が１燃料サイクルよりも長い時間毎、例えば２５燃焼サイクル毎に実行されて間引き噴射されるように構成されている。この場合における燃料の後噴射量は、間引きされた後噴射量分を足し合わせた値となる。
【００６０】
上記エンジンの排気浄化装置において実行される制御動作を、図７及び図８に示すフローチャートに基づいて説明する。上記制御動作がスタートすると、まず上記各センサによって検出されたデータを入力した後（ステップＳ１１）、エンジンの運転状態に対応した燃料の主噴射量Ｑｂ及び主噴射時期Ｉｂを予め設定されたマップから読み出して設定する（ステップＳ１２）。
【００６１】
次いで、エンジンが定常運転状態にあるか否かを判定し（ステップＳ１３）、ＮＯと判定された場合には、燃焼サイクルのカウント値Ｎを０にリセットする（ステップＳ１４）。また、上記ステップＳ１３でＹＥＳと判定されてエンジンが定常運転状態にあることが確認された場合には、上記燃焼サイクルのカウント値Ｎを１だけインクリメントした後（ステップＳ１５）、このカウント値Ｎが２５となったか否かを判定する（ステップＳ１６）。
【００６２】
上記ステップＳ１６でＹＥＳと判定されて上記カウント値Ｎが２５となったことが確認された場合には、このカウント値Ｎを０にリセットした後（ステップＳ１７）、上記活性状態判定手段３７においてＮＯｘ浄化触媒２２が所定温度の活性状態にあるか否かを判定するとともに（ステップＳ１８）、この判定結果に対応した燃料の後噴射量Ｑｐ及び後噴射時期Ｉｐを設定する（ステップＳ１９）。
【００６３】
すなわち、上記ステップＳ１８でＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にあると判定された場合には、圧縮行程上死点後の（ＡＴＤＣ）６０°〜１８０°（ＣＡ）の範囲内における所定時期（例えば圧縮行程上死点後のクランク角にして９０°の時期）に、燃料を後噴射するとともに、この燃料の後噴射を１燃料サイクル毎に連続して実行するように上記燃料の後噴射量Ｑｐ及び後噴射時期Ｉｐを設定する。
【００６４】
一方、上記ステップＳ１８でＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にあると判定された場合には、燃料の主噴射時点から圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の６０°（ＣＡ）までの範囲内における所定時期（例えば圧縮行程上死点後のクランク角にして４５°）の時期に、燃料を後噴射するとともに、この燃料の後噴射を１燃料サイクルよりも長い時間毎（例えば２５燃焼サイクル毎）に実行して間引き噴射するように上記燃料の後噴射量Ｑｐ及び後噴射時期Ｉｐを設定する。
【００６５】
次いで、現時点が燃料の主噴射時期Ｉｂであるか否かを判定し（ステップＳ２０）、ＹＥＳと判定された時点で、燃料の主噴射制御を実行する（ステップＳ２１）。また、燃料の後噴射量Ｑｐが０に設定されているか否かを判定し（ステップＳ２０）、ＹＥＳと判定された場合には、燃料の後噴射を行うことなくリターンして制御動作を終了する。
【００６６】
上記ステップＳ２２でＮＯと判定されて燃料の後噴射量Ｑｐが所定値に設定されていることが確認された場合には、現時点が燃料の後噴射時期Ｉｐであるか否かを判定し（ステップＳ２３）、ＹＥＳと判定された時点で、上記燃料の後噴射制御を実行する（ステップＳ２４）。
【００６７】
上記のようにエンジンの排気通路２０に配置されて酸素濃度の高い酸素過剰雰囲気でＮＯｘと還元剤とを反応させることにより、少なくともＮＯｘを浄化するＮＯｘ還元触媒からなるＮＯｘ浄化触媒２２と、燃料噴射弁５により膨張行程から排気行程までの所定時期に燃料を後噴射して上記ＮＯｘ浄化触媒２２に供給される還元剤を増量する還元剤増量手段３８とを備えたエンジンの排気浄化装置において、上記ＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にあるか否かを判定する活性状態判定手段３７を設け、この活性状態判定手段３７によって上記ＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にあると判定された場合には、上記還元剤増量手段３８により制御される燃料の後噴射時期を、ＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にある場合に比べて進角させるように構成したため、上記ＮＯｘ浄化触媒２２の温度が活性温度よりも低い場合及び高い場合の何れにおいても、大気中へのＮＯｘの放出を効果的に抑制して排気ガスを浄化することができる。
【００６８】
すなわち、酸素濃度の高い酸素過剰雰囲気でＮＯｘと還元剤とを反応させてＮＯｘを浄化する上記ＮＯｘ浄化触媒２２は、図６に示すように、触媒温度が一定値となった場合に、ＮＯｘの浄化率がピークを示し、このピーク値よりも触媒温度が低下し、あるいは上昇するのに従ってＮＯｘの浄化率が低下してＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態となることが知られている。
【００６９】
そして、上記のようにＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にあると判定された場合には、エンジンの運転状態に応じて上記燃料噴射弁５から噴射される燃料の主噴射後に、上記燃料噴射弁５から燃料を後噴射する時期を、上記ＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にある場合に比べて進角させることにより、エンジンの燃焼室４から導出されるＮＯｘ量を低減することができるため、ＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にある場合でも、大気中へのＮＯｘの放出を効果的に抑制することができる。
【００７０】
例えば、エンジン回転数が１５００ｒｐｍ程度に制御されるとともに、エンジン負荷が高負荷に設定された運転状態において、燃料の後噴射時期Ｉｐを圧縮行程上死点後の１２０°（ＣＡ）の時点から、同３０°（ＣＡ）の時点まで段階的に進角させるとともに、１燃焼サイクル毎に燃料を後噴射する連続噴射を行い、後噴射を開始した後に３０秒が経過した時点で、燃焼室４内から導出されるＮＯｘ量（以下ＲａｗＮＯｘ量という）の平均値を測定する実験を行ったところ、図９に示すデータが得られた。このデータから、燃料の後噴射を圧縮行程上死点後の１２０°（ＣＡ）の時点で行った場合には、上記ＲａｗＮＯｘ量が、線βで示す後噴射を行わない場合と略同じであるのに対し、後噴射時期Ｉｐを進角させるのに応じてＲａｗＮＯｘ量を次第に低減できることが分かる。
【００７１】
また、同様にして燃料の後噴射時期Ｉｐを進角させるとともに、燃料の後噴射を、５燃焼サイクル毎（０．４秒程度毎）、または２５燃焼サイクル毎（２．０秒程度毎）に行って間引き噴射するように構成した場合には、図１０及び図１１に示すデータが得られ、このデータから、上記後噴射時期Ｉｐを進角させることにより、ＲａｗＮＯｘ量を低減できることが分かる。
【００７２】
上記ＲａｗＮＯｘ量の低減作用は、圧縮行程上死点の近傍で噴射される主噴射時点から圧縮行程上死点後の６０°（ＣＡ）までの範囲内に、後噴射時期Ｉｐを設定することにより効果的に得られ、特に図１１に示すように、燃料の後噴射時期Ｉｐを圧縮行程上死点後のクランク角（ＣＡ）にして４５°の近傍、例えば圧縮行程上死点後における４０°〜５０°（ＣＡ）程度の範囲内に設定するとともに、後噴射を２５燃焼サイクル毎（２．０秒毎）に行った場合には、燃焼室４から導出されるＲａｗＮＯｘ量を顕著に低減できることが確認された。
【００７３】
上記のように燃料の後噴射制御手段からなる還元剤増量手段３８により制御される燃料の後噴射時期を、例えば上記燃料の主噴射時点から圧縮行程上死点後の６０°（ＣＡ）までの範囲内で進角させることにより、燃焼室４から導出されるＲａｗＮＯｘ量を低減できるのは、燃料の主噴射後の早い時期に燃料の後噴射を行うことにより、上記コモンレール６内で生じる燃圧変動の影響が、上記燃料の主噴射に及び、燃料の主噴射量が減少するためであると考えられる。また、上記後噴射時期を進角させた場合には、後噴射された燃料が後燃えし易いため、この後燃えによって生成されたＣＯ2等の不活性ガスが、上記ＥＧＲ通路２３を介して吸気通路１０に大量に還流されることによっても、上記ＲａｗＮＯｘ量が低減されることになると考えられる。
【００７４】
また、上記ＮＯｘ浄化触媒２２の不活性時に、上記燃料の後噴射を１燃焼サイクルよりも長い期間、例えば５燃焼サイクル毎（０．４秒程度毎）または２５燃焼サイクル毎（２．０秒程度毎）に実行し、好ましくは１０燃焼サイクル毎（０．８秒程度）から２５燃焼サイクル毎（２．０秒程度）までの範囲内で間引きして実行し、かつ一回当たりの燃料噴射量を主噴射量の０．２％〜７％、好ましくは０．２％〜５％程度に設定した場合には、上記図１０及び図１１に示すように、ＲａｗＮＯｘ量をより効果的に低減できるため、大気中へのＮＯｘの放出を、さらに効果的に抑制できるという利点がある。
【００７５】
図１２は、排気通路２０に第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａを配設するとともに、その下流側に、上記第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａの不活性時に活性状態となる第２ＮＯｘ浄化触媒２２ｂを配設してなる本発明の第２実施形態を示している。
【００７６】
この場合、比較的低い活性温度を有する第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａを上流側に配設するとともに、比較的高い活性温度を有する第２ＮＯｘ浄化触媒２２ｂを下流側に配設し、上記活性状態判定手段３７において上流側の第１ＮＯｘ浄化触媒２２ｂが活性状態となる基準温度よりも高いことが検出された場合に、上記燃料の後噴射時期を進角させるとともに、この後噴射時期を１燃焼サイクルよりも長い期間毎、例えば２５燃焼サイクル毎（２．０秒程度毎）に設定することにより、後噴射を間引きして実行することが好ましい。
【００７７】
すなわち、圧縮行程上死点後の９０°（ＣＡ）の時点で後噴射を１燃焼サイクル毎に連続して行う第１実験例Ａと、圧縮行程上死点後の９０°（ＣＡ）の時点で後噴射を２５燃焼サイクル毎に間引きして行う第２実験例Ｂと、圧縮行程上死点後の４５°（ＣＡ）の時点で後噴射を２５燃焼サイクル毎に間引きして行う第３実験例Ｃとにおいて、ＮＯｘ還元触媒の下流側におけるＨＣ量をそれぞれ測定したところ、図１３に示すようなデータが得られた。
【００７８】
この図１３に示すデータから、圧縮行程上死点後の４５°（ＣＡ）の時点で後噴射を２５燃焼サイクル毎に間引きして行う第３実験例Ｃでは、上記第１，第２実験例Ａ，Ｂに比べてＮＯｘ還元触媒の下流側におけるＨＣ量が顕著に増大することが確認された。これは、上記第３実験例Ｃのように、後噴射の時期を、燃料の主噴射時点から圧縮行程上死点後の６０°（ＣＡ）までの範囲内の所定時期、例えば圧縮行程上死点後の４５°（ＣＡ）の時点に進角させて燃料の後燃えを促進するとともに、この後噴射を１燃焼サイクルよりも長い時間毎に実行して一回当たりの後噴射量を増大させることにより、排気通路２０内で顕著な圧力変動が生じ、排気圧力が高い時点でＮＯｘ還元触媒の下流側に大量のＨＣ成分が流出するためであると考えられる。
【００７９】
したがって、上記のように第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａの下流側に、活性温度が高い第２ＮＯｘ浄化触媒２２ｂが配設されたエンジンにおいて、上記第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａが活性温度よりも高くなった不活性時、例えば図１４に示す温度領域Ｔ３の範囲内で、上記のように後噴射の時期を燃料の主噴射時点から圧縮行程上死点後６０°（ＣＡ）までの範囲内で進角させるとともに、この後噴射を１燃焼サイクルよりも長い時間毎に実行し、燃料の後噴射を間引きして実行することにより、上記第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａの下流側に大量のＨＣ成分等を流出させ、このＨＣ等を上記第２ＮＯｘ浄化触媒２２ｂの設置部に供給することができる。そして、上記第２ＮＯｘ浄化触媒２２ｂにおいて、ＨＣ等を利用したＮＯｘの還元を行ってＮＯｘを浄化することにより、大気中に放出されるＮＯｘ量を効果的に低減することができる。
【００８０】
一方、上記上流側の第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａが低温の未活性状態となる温度領域Ｔ１では、後噴射の時期を所定時期に進角させるとともに、この後噴射を連続または間引きして行う。また、上記上流側の第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａが活性状態となる温度領域Ｔ２では、主噴射時点から圧縮行程上死点後の９０°（ＣＡ）の時期に、燃料を後噴射するとともに、この燃料の後噴射を１燃料サイクル毎に連続して実行する通常の後噴射を行うことにより、上記第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａの設置部にＮＯｘの還元剤となるＨＣ成分等を供給するようにしている。なお、上記第１ＮＯｘ浄化触媒２２ａが活性状態となる温度領域Ｔ２と、第２ＮＯｘ浄化触媒２２ｂが活性状態となる温度領域Ｔ３との間に、上記後噴射を行わない不制御領域を設けてもよい。
【００８１】
上記のように膨張行程から排気行程までの間の所定時期に燃料を噴射する後噴射を行うことにより排気ガス中の還元剤量を増大させるように構成された上記第１，第２実施形態に代え、エンジン負荷に対応して設定された燃料の主噴射時期をリタードさせることにより、上記還元剤量を増大させ、かつ上記活性状態判定手段３７においてＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にあると判定された場合に、上記主噴射時期のリタード量を減少させて通常時に比べて主噴射時期を進角させることにより、ＲａｗＮＯｘ量を低減するように構成してもよい。
【００８２】
すなわち、上記のようにエンジン負荷に対応した燃料の主噴射時期をリタードさせて、ＨＣまたはＣＯ等からなる未燃焼燃料の排出量を増加させることによっても、排気ガス中の上記還元剤を増量することができる。この場合、燃料の着火性が悪化するのを防止するため、上記燃料の主噴射を行う前に、吸気行程前半等に微量の燃料を噴射するパイロット噴射を、併せて実行することが好ましい。
【００８３】
そして、上記活性状態判定手段３７においてＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にあることが検出された場合には、上記主噴射時期を通常時に比べて進角させ、つまり上記主噴射時期のリタード量を小さくし、ＥＧＲ通路２３を介して吸気通路１０内に還流される不活性ガス量を増大させる等により、ＲａｗＮＯｘ量を低減することができるため、大気中に放出されるＮＯｘ量を低減することが可能となる。
【００８４】
また、上記第１，第２実施形態では、ＭＦＩ型ゼオライト等の多孔質材料であるゼオライトに、白金等からなる触媒金属を担持させたＮＯｘ浄化触媒２２を排気通路２０に配設したため、酸素過剰雰囲気にある通常の運転状態及び上記ＮＯｘ浄化触媒２２の温度が低い未活性時の何れの場合においても、上記ゼオライトの空孔内に捕集されたＨＣ等の還元剤を利用することにより、排気ガス中のＮＯｘを還元して効果的に浄化できるという利点がある。
【００８５】
上記第１，第２実施形態では、ＮＯｘ還元触媒からなるＮＯｘ浄化触媒２２を排気通路２０に配設した例について説明したが、このＮＯｘ浄化触媒２２に代えて、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収し、還元剤過剰雰囲気でＮＯｘを放出して浄化するＢａ等のアルカリ土類金属とＰｔ等の貴金属とを含有するＮＯｘトラップ触媒等からなるＮＯｘ浄化触媒を備えたエンジンについても、本発明を適用可能であり、この場合には、上記ＮＯｘトラップ触媒の温度が所定の高温以上、あるいは所定の低温以下で、ＮＯｘをトラップする性能が悪化した場合に、大気中にＮＯｘが排出されるのを効果的に防止できるという利点がある。
【００８６】
図１５は、本発明に係る排気ガス浄化装置の第３実施形態を示している。この排気ガス浄化装置は、燃焼室４内に燃料を噴射する燃料噴射弁５と、エンジンの運転状態に応じて上記燃料噴射弁５から主噴射される燃料の噴射状態を制御する主噴射制御手段４０と、上記燃料の主噴射時点から膨張行程までの間の所定時期に上記燃料噴射弁５から燃料を後噴射させるように制御する後噴射制御手段４１と、エンジンの排気通路２０に配置されてＮＯｘの大気中への排出量を低減するＮＯｘ還元触媒またはＮＯｘトラップ触媒等のＮＯｘ浄化触媒２２とを備えたディーゼルエンジンにおいて、燃焼室４内から排出されるＲａｗＮＯｘ量が多い運転状態、例えばエンジンが中負荷中回転以上の運転状態にある場合、または上記ＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にある場合等に、燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後のクランク角（ＣＡ）にして３０°〜６０°の範囲内における所定時期に燃料の後噴射を行うように構成することにより、大気中へのＮＯｘの放出を抑制するように構成されている。
【００８７】
また、上記図１５に示すディーゼルエンジンにおいて、燃料の主噴射後の所定時期に後噴射を行うことで、上記主噴射により発生した煤を低減することが可能である。この場合、燃焼室４から排出される煤の量が多い傾向にある運転状態、例えばエンジン負荷が中負荷以上の運転状態、あるいはエンジン回転数が２０００ｒｐ円程度の中回転数以上の運転状態にある場合や、排気通路２０にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が設置されたエンジンにあっては、このＤＰＦが３００°以下の低温状態にあることに起因してその浄化機能が低い場合に、燃料の主噴射による拡散燃焼が終了した時点を基準にして設定された所定時期（エンジン回転数が１５００ｒｐｍ以上の運転状態では、圧縮行程上死点後の３０°〜６０°ＣＡの時期）に、燃料の後噴射を行うことにより、上記煤の排出を低減することができる。
【００８８】
上記主噴射とは、エンジンの要求出力に相当する噴射量か、それ以上の量を、吸気行程から膨張行程初期までの所定時期に行う燃料噴射であり、この主噴射された燃料の全部または一部が拡散燃焼すると煤が発生するので、この煤を低減するために上記燃料の後噴射が行われる。この場合、圧縮行程上死点付近から膨張行程の初期にかけての所定時期に燃料を主噴射すれば、軽負荷状態では、ほとんど予混合燃焼となり、軽負荷状態以外では、予混合燃焼と拡散燃焼との両方が行われる。
【００８９】
また、吸気行程から圧縮行程上死点前の間に燃料を主噴射すると、予混合燃焼を主体となり、この燃焼によっては煤が発生することはないが、燃焼室壁面に付着した燃料が圧縮行程上死点付近で着火することにより拡散燃焼が行われて煤が発生することがあり、このような場合においても、上記燃料の後噴射を行うことで煤を低減することができる。
【００９０】
なお、上記燃料の主噴射は、吸気行程から圧縮工程上死点までの間の所定時期と、圧縮行程上死点付近から膨張行程初期までの間の所定時期との少なくとも二以下に分けて噴射する場合も含むものである。
【００９１】
上記第３実施形態の具体的構成および作用効果を、図１６〜図２３に基づいて説明する。図１６に示すように、各センサの検出データを入力するとともに（ステップＳ３１）、エンジンの要求トルクに対応した燃料の主噴射量Ｑｂおよび主噴射時期Ｉｂを予め設定したマップから読み出して設定した後（ステップＳ３２）、エンジンが定常運転状態にあるか否かを判定する（ステップＳ３３）。
【００９２】
上記ステップＳ３３でＹＥＳと判定された場合には、ＥＣＵ３５に設けられた活性状態判別手段３７において、上記ＮＯｘ浄化触媒２２が所定温度の活性状態にあるか否かを判定し（ステップＳ３４）、ＹＥＳと判定された場合には、エンジン負荷が中負荷以上であるか否かを判定する（ステップＳ３５）。このステップＳ３５でＮＯと判定された場合には、エンジン回転数が中回転以上であるか否かを判定する（ステップＳ３６）。
【００９３】
上記ステップＳ３４でＮＯと判定されてＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にあることが確認された場合、上記ステップＳ３５でＹＥＳと判定されてエンジン負荷が中負荷以上であることが確認された場合、または上記ステップＳ３６でＹＥＳと判定されてエンジン回転数が中回転以上であることが確認された場合には、予め設定されたマップからエンジンの運転状態に対応した燃料の後噴射量Ｑｐおよび後噴射時期Ｉｐを読み出して設定することにより（ステップＳ３７）、燃料の主噴射後の３０°〜６０°（ＣＡ）の範囲内における所定時期に後噴射時期を設定した後、ステップＳ３８に移行して燃料の噴射制御を実行する。
【００９４】
上記のように燃料の主噴射後であって圧縮行程上死点後の例えば３０°〜６０°（ＣＡ）の範囲内で燃料の後噴射を行うように構成した場合には、燃焼室４内に主噴射された燃料が予混合燃焼した後に生じる拡散燃焼が終了した時点で、上記燃料の後噴射による燃焼が行われることになる。したがって、上記拡散燃焼の終了時点で燃焼室４内に存在する煤と酸素との混合が促進され、着火し易い状態で、燃料が後噴射されることによる燃焼が始まるため、煤の発生を低減することができる。
【００９５】
ここで、拡散燃焼の終了時期について詳細に説明する。この拡散燃焼は、熱発生率に基づいて求められ、「内燃機関講義」(出版社株式会社養賢堂、著者長尾不二夫)によれば、上記熱発生率は下記式（１）に示すように表される。
【００９６】
ｄＱ／ｄθ＝Ａ／（Ｋ(θ)−１）×[Ｖ(θ)・（ｄＰ(θ)／ｄθ）＋Ｋ(θ)・Ｐ(θ)・（ｄＶ(θ)／ｄθ）]…（１）
ここで、Ａは熱の仕事当量、Ｋ(θ)は比熱比、Ｖ(θ)は行程容積、Ｐ(θ)は筒内圧力、θはクランク角である。
【００９７】
小野測器株式会社製の燃焼解析装置ＣＢ５６６のマニュアルによれば、上記比熱比Ｋ(θ)は、下記式（２）〜（５）に基づいて表される。
【００９８】
Ｋ(θ)＝Ｃｐ／Ｃｖ…（２）
Ｃｐ＝ａｐ＋ｂ（Ｔ(θ)／１００）＋ｃ（Ｔ(θ)／１００）2＋ｄ（１００／Ｔ(θ)）…（３）
Ｃｖ＝Ｃｐ−（Ａ・Ｒｏ）／Ｍ…（４）
Ｔ(θ)＝（Ｐ(θ)・Ｖ(θ)）／２９．２７・Ｇ…（５）
ここで、Ｃｐは定圧比熱、Ｃｖは定容比熱、Ｒｏはガス定数、Ｍは空気の分子量、Ｔ(θ)はガス温度、Ｇはガス重量、ａｐ，ｂ，ｃ，ｄはその他の定数である。
【００９９】
上記式（２）〜（５）より、式（１）で示す熱発生率ｄＱ／ｄθは、筒内圧力Ｐ(θ)と、行程容積Ｖ(θ)との関数ｆ（Ｐ(θ)，Ｖ(θ)）になる。また、上記行程容積Ｖ(θ)を、ボア径ＢおよびストロークＳに基づいて表すと、下記式（６）に示すようになるため、上記熱発生率ｄＱ／ｄθは、下記式（７）に示すようになる。
【０１００】
Ｖ(θ)＝（π・Ｂ2Ｓ／８）・（１−ｃｏｓθ）…（６）
ｄＱ／ｄθ＝[ｆ（Ｐ(θ+Δθ)，Ｖ(θ+Δθ)）−ｆ（Ｐ(θ)，Ｖ(θ)）]／Δθ…（７）
したがって、クランク角毎の筒内圧力データがあれば、これに基づいて上記熱発生率を計算することができる。このようにして求めた熱発生率を図示すると、図１７（ａ）〜（ｃ）に示すようになり、燃料の主噴射による燃焼に応じて熱発生率が正の方向に大きな値を示した後、上記拡散燃焼の終了に応じて熱発生率が０となるため、この熱発生率が略０となる時点ｔ１に基づき、上記拡散燃焼の終了時点が求められる。
【０１０１】
本実施形態では、上記のようにして予め求められた時点ｔ１の近傍で、後噴射による燃焼が開始されるように、運転状態に基づいて予め設定された着火遅れ時間（例えば０．４ｍｓ〜０．７ｍｓ程度の時間）を考慮して、上記熱発生率が略０となる時点ｔ１よりも上記着火遅れ時間に相当する分だけ、後噴射時期を早くするように設定している。
【０１０２】
なお、上記着火遅れ時間は、エンジンの排気量および燃料の噴射圧力に応じて変化するが、１０００ｃｃ〜３０００ｃｃクラスのエンジンで、噴射圧力が５０ＭＰａ〜２００ＭＰａの場合には、０．４ｍｓ〜０．７ｍｓ程度となる。また、上記着火遅れ時間は、圧縮行程上死点で行われる主噴射の着火遅れ時間（０．１ｍｓ〜０．３ｍｓ）よりも長く、これは圧縮行程上死点後の筒内温度が比較的低いときに、上記後噴射が行われるためである。
【０１０３】
また、燃料噴射弁に対する噴射駆動信号の出力タイミングとしては、上記の着火遅れ時間に、さらに噴射弁開閉信号の出力時点から実際に燃料の噴射が開始される間の無効時間（駆動遅れ時間）も考慮されたものがＥＣＵ３５に記憶されている。
【０１０４】
例えばエンジン回転数が２０００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．５７Ｍｐａに制御されたエンジンの中負荷中回転時に、圧縮工程上死点付近で燃料を主噴射した場合における燃焼室内の熱発生率を、クランク角に対応したシリンダ内の圧力変化と、シリンダの容積変化とに基づき、熱力学的に計算してグラフ化すると、図１７（ｂ）に示すように、上記主噴射時点ｔ０から０．１ｍｓ程度の遅れ時間Ｔｍが経過した後に、主噴射された燃料が予混合燃焼することによる熱発生Ｙと、略同程度の拡散燃焼による熱発生Ｋが生じるとともに、圧縮行程上死点後の３５°（ＣＡ）程度より、約０．６ｍｓ遅れた時点ｔ１で上記拡散燃焼が終了することが確認された。
【０１０５】
したがって、上記圧縮行程上死点後の３５°（ＣＡ）程度の時点ｔｆで燃料の後噴射を行うことにより、この後噴射された燃料を上記拡散燃焼の終了時点ｔ１で燃焼させることができる。つまり、上記時点ｔｆで後噴射された燃料が、約０．６ｍｓ程度の着火遅れ時間（Ｔｆ）が経過した時点ｔ１で、燃焼し始めて熱発生量Ｎが増大することになる。
【０１０６】
これに対してエンジン回転数が２５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．９Ｍｐａに制御されたエンジンの高負荷高回転時には、図１７（ｃ）に示すように、上記燃料の予混合燃焼の熱発生Ｙに比べて、かなりの長期間に亘り拡散燃焼による熱発生Ｋが生じ、この拡散燃焼が圧縮行程上死点後の４７°（ＣＡ）程度より約０．７ｍｓ遅れたかなり遅い時点ｔ１で終了する傾向があるため、上記圧縮行程上死点後の４７°（ＣＡ）程度の時点ｔｆで、燃料の後噴射を行うことにより、この後噴射された燃料を上記拡散燃焼の終了時点ｔ１で燃焼させることができる（図の破線Ｎ参照）。
【０１０７】
なお、エンジン回転数が１５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．３Ｍｐａに制御されたエンジンの低負荷低回転時には、図１７（ａ）に示すように、燃料の予混合燃焼と拡散燃焼とを熱発生状態によって区別することは困難であるが、圧縮行程上死点後の３０°（ＣＡ）程度より約０．５ｍｓ遅れた比較的に早い時点ｔ１で、上記拡散燃焼が終了して熱発生率が０となるため、上記圧縮行程上死点後の３０°（ＣＡ）程度の時点ｔｆで、燃料の後噴射を行うことにより、この後噴射された燃料を上記拡散燃焼の終了時点ｔ１で燃焼させることができる（図の破線Ｎ参照）。
【０１０８】
次に、上記拡散燃焼の終了時期を基準にして燃料の後噴射時期を設定することによる煤の低減効果について説明する。すなわち、エンジン回転数が１５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．３Ｍｐａに制御されたエンジンの低負荷低回転時において、燃料の主噴射後に、燃料の後噴射時期を種々に変化させて煤の発生量を測定する実験を行ったところ、図１８（ａ）に示すように、燃料の主噴射後で、拡散燃焼の終了時点ｔ１より上記着火遅れ時間に相当する時間だけ進角させた時点ｔｆであると考えられる圧縮行程上死点後の３０°（ＣＡ）以降に、燃料の後噴射時期を設定した場合に、煤の発生量が顕著に低減されることが確認された。
【０１０９】
また、同様にエンジン回転数が２０００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．５７Ｍｐａに制御されたエンジンの中負荷中回転時に、燃料の主噴射後に、燃料の後噴射時期を種々に変化させて煤の発生量を測定する実験を行ったところ、図１８（ｂ）に示すように、燃料の主噴射後で、拡散燃焼の終了時点ｔ１より上記着火遅れ時間に相当する時間だけ進角させた時点ｔｆであると考えられる圧縮行程上死点後の３５°（ＣＡ）以降に燃料の後噴射時期を設定した場合に、煤の発生量が顕著に低減されることが確認された。
【０１１０】
さらに、エンジン回転数が２５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．９Ｍｐａに制御されたエンジンの高負荷高回転時において、燃料の主噴射後に、燃料の後噴射時期を種々に変化させて煤の発生量を測定する実験を行ったところ、図１８（ｃ）に示すように、燃料の主噴射後で、拡散燃焼の終了時点ｔ１の近傍より上記着火遅れ時間に相当する時間だけ進角させた時点ｔｆであると考えられる圧縮行程上死点後の４７°（ＣＡ）以降に燃料の後噴射時期を設定した場合に、煤の発生量が顕著に低減されることが確認された。なお、上記各実験例では、エンジン負荷を一定に設定するとともに、燃料の主噴射量に対する後噴射量の比率を２０％に設定した。
【０１１１】
なお、上記図１８（ａ）〜（ｃ）において、後噴射時期が０°（ＣＡ）の場合は、燃料の後噴射を実行することなく、主噴射のみを実行したときのデータを示している。
【０１１２】
また、エンジン回転数が１５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．３Ｍｐａに制御されたエンジンの低負荷低回転時に、燃料の主噴射による拡散燃焼の終了時点ｔ１の近傍より上記着火遅れ時間に相当する時間だけ進角させた時点ｔｆであると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の３０°（ＣＡ）の時点で、燃料の後噴射を行う燃料の主噴射量に対する後噴射量の比率（Ｐ／Ｔ）を１０％〜４５％の範囲内で種々に変化させて煤の発生量を測定する実験を行ったところ、図１９（ａ）の実線で示すように、上記後噴射量の比率（Ｐ／Ｔ）の増大に応じて煤発生量が減少した。これに対して上記時点ｔｆよりも前であると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の８°（ＣＡ）の時点で、燃料の後噴射を行った場合には、図１９（ａ）の破線で示すように、上記後噴射量の比率（Ｐ／Ｔ）の増大に応じて煤の発生量が増加した。
【０１１３】
さらに、エンジン回転数が２０００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．５７Ｍｐａに制御されたエンジンの中負荷中回転時に、燃料の主噴射による拡散燃焼の終了時点ｔ１の近傍より上記着火遅れ時間に相当する時間だけ進角させた時点ｔｆであると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の３５°（ＣＡ）の時点および上記時点ｔｆよりも前であると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の２０°（ＣＡ）の時点で、燃料を後噴射して煤の発生量を測定する実験を行い、かつエンジン回転数が２５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．９Ｍｐａに制御されたエンジンの高負荷高回転時に、燃料の主噴射による拡散燃焼の終了時点ｔ１より上記着火遅れ時間に相当する時間だけ進角させた時点ｔｆ以降であると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の４８°（ＣＡ）の時点および上記時点ｔｆよりも前であると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の２０°（ＣＡ）の時点で、燃料を後噴射して煤の発生量を測定する実験を行った場合においても、図１９（ｂ），（ｃ）に示すように、上記低負荷低回転時と同様のデータが得られた。
【０１１４】
上記実験データから、上記燃料の主噴射により燃焼室４内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期を設定し、上記拡散燃焼の終了時点、またはその前後近傍に後噴射された燃料を着火させるように構成したエンジンの排気浄化装置および燃料の噴射時期設定方法によれば、上記拡散燃焼の終了に応じてエンジンの燃焼室４内に存在する炭素と酸素とを充分に混合した状態で、上記燃料の後噴射を行って上記炭素を効果的に燃焼させることにより、燃焼室４内から排気通路２０に導出される煤の排出量を低減できることがわかる。
【０１１５】
上記拡散燃焼の終了時点は、エンジンの負荷および回転数等に応じて変化するため、例えば上記図１７（ａ）〜（ｃ）に示すように、拡散燃焼による熱発生率が０となる時点ｔ１を、エンジンの運転状態において行った種々の実験データに基づいてマップ化し、このマップからを読み出すことにより設定することができる。
【０１１６】
また、燃焼室４内の温度を検出する温度センサの検出信号、燃焼光センサの検出信号、または燃焼室４内に存在する電荷が偏った反応性の高い水素や炭化水素等の量を検出するセンサの検出信号等に応じて上記拡散燃焼状態を判別する燃焼状態判別手段を設け、この燃焼状態判別手段において、燃料の主噴射後の温度が所定温度以下の低温となった否か、燃焼光の発光がなくなったか否か、または水素や炭化水素の量が急減したか否か等を判別することにより、上記拡散燃焼の終了時点を求め、この時点を基準にして次の燃焼サイクルにおける燃料の後噴射時期を設定するように構成してもよい。さらに、温度センサによって検出された気筒内温度から断熱膨張温度を減算した値の微分値を求め、この微分値が−の値から０になった時点を検出することによって上記拡散燃焼の終了時期を判別するようにしてもよい。
【０１１７】
上記のようにエンジンの各運転状態に基づいて判別された拡散燃焼の終了時点に基づき、この拡散燃焼の終了時点付近（クランク角にして±５°）の時期、好ましくは上記拡散燃焼の終了直後に後噴射による燃焼が開始されるように、それぞれの運転状態に応じて燃料の後噴射の開始時期を設定するように構成した場合には、エンジンの運転状態に対応した最適時期に燃料を後噴射して上記煤の排出量を効果的に低減することができる。
【０１１８】
次に、上記第３実施形態におけるＮＯｘ低減の効果についての検討結果を説明する。すなわち、エンジン回転数が１５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．３Ｍｐａに制御されたエンジンの低負荷低回転時に、燃料の主噴射後のクランク角（ＣＡ）にして２．５°〜５０°の範囲内で、燃料の後噴射時期を種々に変化させてＨＣの生成量を測定したところ、図２０（ａ）に示すように、燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後の３０°（ＣＡ）以降に設定した場合に、ＨＣの生成量が顕著に増加することが確認された。
【０１１９】
また、同様にエンジン回転数が２０００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．５７Ｍｐａに制御されたエンジンの中負荷中回転時に、燃料の後噴射時期を種々に変化させてＨＣの生成量を測定したところ、図２０（ｂ）に示すように、燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後の３５°（ＣＡ）以降に設定した場合に、ＨＣの生成量が顕著に増加することが確認された。
【０１２０】
さらに、エンジン回転数が２５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０．９Ｍｐａに制御されたエンジンの高負荷高回転時に、燃料の後噴射時期を種々に変化させてＨＣの生成量を測定したところ、図２０（ｃ）に示すように、燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後の４５°（ＣＡ）以降に設定した場合に、ＨＣの生成量が顕著に増加することが確認された。なお、上記各実験例では、エンジン負荷を一定に制御するとともに、燃料の主噴射量に対する後噴射量の比率をそれぞれ２０％に設定した。
【０１２１】
なお、上記図２０（ａ）〜（ｃ）において、後噴射時期が０°（ＣＡ）の場合は、燃料の後噴射を実行することなく、主噴射のみを実行したときのデータを示している。
【０１２２】
上記実験データから、燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後のクランク角（ＣＡ）にして３０°以降に燃料を後噴射した場合に、ＨＣの生成量を増加させてＮＯｘの還元剤となる電荷が偏った反応性の高い水素や炭化水素量を増加させることにより、燃焼室４内から排気通路２０に導出されるＲａｗＮＯｘの排出量を低減できることがわかる。
【０１２３】
また、上記エンジンの低負荷低回転時、中負荷中回転時および高負荷高回転時に、燃料の主噴射後のクランク角（ＣＡ）にして２．５°〜５０°程度の範囲内で、燃料の後噴射時期を種々に変化させた場合と、燃料の後噴射を実行しない場合とで、燃費率を測定する実験を行ったところ、図２１（ａ）〜（ｃ）に示すように、上記燃料の後噴射時期が遅くなるほど燃費率が悪化することが確認された。これは、上記燃料の後噴射時期を遅くするほど、後噴射された燃料がエンジン出力の向上に寄与しなくなるためであり、燃費が悪化するのを防止するためには、上記燃料の後噴射時期を、燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後のクランク角（ＣＡ）にして６０°以前に設定することが好ましい。
【０１２４】
したがって、上記のように燃料の主噴射後で、圧縮行程上死点後のクランク角（ＣＡ）にして例えば３０〜６０°の範囲内における所定時期に燃料の後噴射を行うように燃料の噴射時期を設定することにより、燃費を悪化させることなく、大気中へのＮＯｘの放出を効果的に防止して排気ガスを浄化できるという利点がある。
【０１２５】
具体的には、上記エンジンの低負荷低回転時、中負荷中回転時および高負荷高回転時において、燃料の後噴射時期を種々に変化させてＮＯｘの排出量を測定する実験を行ったところ、図２２（ａ）〜（ｃ）に示すように、燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後のクランク角（ＣＡ）にして３０〜６０°の範囲内における所定時期に燃料の後噴射を行うように燃料の噴射時期を設定することにより、燃費を悪化させることなく、大気中へのＮＯｘの放出を効果的に防止して排気ガスを浄化できることが確認された。上記実験例では、排気還流制御手段３９による排気ガスの還流制御と、燃料の後噴射とが同時に実行されると、排圧が上昇することによるＥＧＲ効果によりＲａｗＮＯｘの発生量が変化し、上記燃料の後噴射によるＲａｗＮＯｘの低減効果を正確に確認することが困難となるため、排気還流率が一定になるように制御した。
【０１２６】
なお、上記燃料の後噴射時期をクランク角（ＣＡ）に応じて設定してなる上記第３実施形態に代え、タイマーに基づいて設定される時間に応じて上記燃料の後噴射時期を設定してもよく、この場合、燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後の１．２ｍｓ〜４ｍｓの範囲内における所定時期に上記燃料の後噴射を行うことにより、燃費を悪化させることなく、大気中へのＮＯｘの放出を効果的に防止することができる。
【０１２７】
以上のように煤の発生量の低減と、ＮＯｘの発生量の低減とが両立でき、かつ燃費を向上できる後噴射時期を、主噴射後の拡散燃焼の終了時点を基準にして設定することができる。例えば、エンジン回転数が１５００ｒｐｍで、低負荷の場合、拡散燃焼の終了時点は３０°（ＣＡ）よりも約０．５ｍｓ遅れた時点であり、煤の発生量およびＮＯｘの発生量を低減するためには、燃料の後噴射時期を圧縮行程上死点後３０°付近、例えば２７°〜３５°（ＣＡ）に設定すればよく、最適時期は３０°（ＣＡ）である。
【０１２８】
また、エンジン回転数が２０００ｒｐｍで、中負荷の場合、拡散燃焼の終了時点は３５°（ＣＡ）よりも約０．６ｍｓ遅れた時点であり、同様に、燃料の後噴射時期を圧縮行程上死点後３５°付近、例えば３３°〜４０°（ＣＡ）に設定すればよく、最適時期は３５°（ＣＡ）である。エンジン回転数が２５００ｒｐｍで、高負荷の場合、拡散燃焼の終了時点は４７°（ＣＡ）よりも約０．７ｍｓ遅れた時点であり、同様に、燃料の後噴射時期を圧縮行程上死点後４７°付近、例えば４５°〜４８°（ＣＡ）に設定すればよく、最適時期は４７°（ＣＡ）である。
【０１２９】
また、排気ガスにより駆動されて吸気を過給するターボ過給機２５を備えたディーゼルエンジンでは、上記のように燃料の主噴射後に所定量の燃料が後噴射されると、排気ガス圧力が上昇して上記ターボ過給機２５の過給作用が高められる。この結果、燃焼室４内に導入される新気量が増大されることにより、燃焼室４内に残存する炭素の燃焼が促進されて煤の発生が効果的に抑制されるという効果が得られる。そして、上記ターボ過給機２５の過給作用により吸入空気量が増大すると、上記主噴射された燃料の拡散燃焼の終了時期が早くなる傾向があるので、この拡散燃焼の終了時期に対応させて上記燃料の後噴射時期を補正することにより、煤の発生を効果的に抑制して排気通路２０に導出される煤の導出量を、より低減することができる。
【０１３０】
また、上記ターボ過給機２５を備えたディーゼルエンジンにおいて、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス還流手段３３を設けるとともに、上記ＥＣＵ３５に設けられた排気還流制御手段３９により排気ガスの環流率が目標値となるようにフィードバック制御するように構成した場合には、上記ターボ過給機２５の過給作用に応じて吸入空気量が増大すると、これに対応して吸気系に還流される排気ガスが増量されるため、燃焼室４内から排気通路２０に導出されるＲａｗＮＯｘ量が、さらに効果的に低減されるという利点がある。
【０１３１】
さらに、エンジンの排気通路２０に配置されたＮＯｘ還元触媒等からなるＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にある場合に、上記燃料の主噴射により燃焼室４内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期を設定する制御を行った場合には、上記のように燃焼室４内で反応性の高い水素量等を増大させＲａｗＮＯｘを低減する作用と、炭素の燃焼を促進させて煤の排出量を低減する作用とが同時に得られるという利点がある。
【０１３２】
特に、上記ＮＯｘ浄化触媒２２が活性状態にある場合には、このＮＯｘ浄化触媒２２に供給される還元剤量が充分に確保される時期、つまり圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の６０°〜１８０°（ＣＡ）の範囲内における所定時期に、燃料の後噴射時期を設定するとともに、上記ＮＯｘ浄化触媒２２が不活性状態にある場合には、上記燃料の後噴射時期を進角させることにより、上記拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期を設定するように構成した場合には、上記ＮＯｘ浄化触媒２２の活性時に、その浄化作用により大気中へのＮＯｘの放出を抑制することができるとともに、上記ＮＯｘ浄化触媒２２の不活性時に、燃焼室４内における反応性の高い水素量を増大させる等により、燃焼室４から排気通路２０に導出されるＮＯｘ量を効果的に低減できるという利点がある。
【０１３３】
また、上記拡散燃焼の終了時点で噴射される燃料の後噴射量と、煤の発生量との対応関係を調べる実験を行うことにより、上記図１９（ａ）〜（ｃ）の実線で示すように、エンジンの低負荷低回転時、中負荷中回転時および高負荷高回転時のいずれの運転状態においても、燃料の総噴射量に対する後噴射量の比率（Ｐ／Ｔ）を大きくするほど、上記煤の発生を抑制できるというデータが得られた。
【０１３４】
一方、上記エンジンの低負荷低回転時に、上記拡散燃焼の終了前であると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の８°（ＣＡ）の時点で、燃料の後噴射を行う燃料の主噴射量に対する後噴射量の比率（Ｐ／Ｔ）を、種々に変化させて燃費率の変化を測定する実験を行ったところ、図２３の破線で示すように、上記後噴射量の比率（Ｐ／Ｔ）の増大に応じて燃費率にほとんど変化がないのに対し、燃料の主噴射による拡散燃焼の終了時点ｔ１の近傍で、後噴射による燃焼が行われると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の３０°（ＣＡ）の時点で、上記燃料の後噴射を行った場合には、図２３（ａ）の実線で示すように、上記後噴射量の比率（Ｐ／Ｔ）の増大に応じて燃費率が顕著に悪化した。
【０１３５】
また、上記エンジンの中負荷中回転時に、燃料の主噴射による拡散燃焼の終了時点ｔ１の近傍で、後噴射による燃焼が行われると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の３５°（ＣＡ）の時点および上記拡散燃焼の終了前であると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の２０°（ＣＡ）の時点で、燃料を種々の比率で後噴射して燃費率の変化を測定する実験を行い、かつ上記エンジンの高負荷高回転時に、燃料の主噴射による拡散燃焼の終了時点ｔ１の近傍で、後噴射による燃焼が行われると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の４８°（ＣＡ）の時点および上記拡散燃焼の終了前であると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の２０°（ＣＡ）の時点で、燃料を種々の比率で後噴射して燃費率の変化を測定する実験を行った場合においても、図２３（ｂ），（ｃ）に示すように、上記低負荷低回転時と同様のデータが得られた。
【０１３６】
したがって、上記燃料の主噴射により燃焼室４内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期を設定し、上記拡散燃焼の終了時点、またはその前後近傍に後噴射された燃料を着火させるように構成されたエンジンの排気浄化装置および燃料の噴射時期設定方法において、燃料の後噴射量を、総噴射量の０．２％〜５０％で、好ましくは１５％〜３５％の範囲内に設定することにより、燃費を悪化させることなく、上記煤の発生量を効果的に低減することができる。
【０１３７】
なお、上記実施形態では、ＮＯｘ浄化触媒２２の活性状態や、エンジン負荷および回転数に応じて燃料の後期制御を実行するようにした例について説明したが、これに限られず種々の変形が可能であり、例えばエンジンの全ての運転状態で上記燃料の後噴射制御を実行するようにしてもよい。
【０１３８】
また、上記実施形態では、燃焼室４内に燃料を直接噴射する直噴式ディーゼルエンジンについて本発明を適用した例について説明したが、理論空燃比よりも薄い混合気を燃焼させるリーンバーン運転を行う直噴式ガソリンエンジンについても本発明を適用して、ＮＯｘを低減することができる。
【０１３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、この燃料噴射弁から噴射される燃料の燃焼状態を制御する燃焼制御手段と、エンジンの排気通路に配置されて少なくともＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒と、上記燃料噴射弁により膨張行程から排気行程までの所定時期に燃料を噴射して排気ガス中の還元剤を増量する還元剤増量手段とを備えたエンジンの排気浄化装置において、上記ＮＯｘ浄化触媒が活性状態にあるか否かを判定する活性状態判定手段を有し、この活性状態判定手段によって上記ＮＯｘ浄化触媒が不活性状態にあると判定された場合には、上記還元剤増量手段により制御される燃料の噴射時期を、ＮＯｘ還元触媒が活性状態にある場合に比べて進角させるように構成したため、エンジンの燃焼室から導出されるＮＯｘ量を低減することにより、大気中へのＮＯｘの放出を効果的に抑制して排気ガスを効果的に浄化することができる。
【０１４０】
また、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、エンジンの運転状態に応じて上記燃料噴射弁から主噴射される燃料の噴射状態を制御する主噴射制御手段と、上記燃料の主噴射時点から膨張行程までの間の所定時期に上記燃料噴射弁から燃料を後噴射させる後噴射制御手段とを設け、上記燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期を設定するように構成した場合には、煤の発生を抑制して大気中への煤の放出量を効果的に低減して排気ガスを浄化できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るエンジンの排気浄化装置の実施形態を示す説明図である。
【図２】 排気還流制御の制御動作を示すフローチャートである。
【図３】 基本排気還流率を設定するためのマップの具体例を示すグラフである。
【図４】 目標新気量を設定するためのマップの具体例を示すグラフである。
【図５】 スモークの発生量と空燃比との関係を示すグラフである。
【図６】 ＮＯｘ浄化率と触媒温度との関係を示すグラフである。
【図７】 上記排気浄化装置の制御動作の前半部を示すフローチャートである。
【図８】 上記排気浄化装置の制御動作の後半部を示すフローチャートである。
【図９】 後噴射時期とＲａｗＮＯｘ量との関係の一例を示すタイムチャートである。
【図１０】 後噴射サイクルを変化させた場合におけるＲａｗＮＯｘ量の変化状態を示すタイムチャートである。
【図１１】 後噴射サイクルをさらに変化させた場合におけるＲａｗＮＯｘ量の変化状態を示すタイムチャートである。
【図１２】 本発明に係る排気浄化装置の別の実施形態を示す説明図である。
【図１３】 ＮＯｘ還元触媒を通過した排気ガスのＨＣ濃度の変化状態を示すタイムチャートである。
【図１４】 触媒温度とＮＯｘ浄化率との関係を示すグラフである。
【図１５】 本発明に係る排気浄化装置のさらに別の実施形態を示す説明図である。
【図１６】 上記排気浄化装置の制御動作を示すフローチャートである。
【図１７】 燃焼室内における熱発生率の変化状態を示すタイムチャートである。
【図１８】 後噴射時期と煤発生量との対応関係を示すグラフである。
【図１９】 燃料の総噴射量に対する後噴射量の比率と煤発生量との対応関係を示すグラフである。
【図２０】 後噴射時期と炭化水素量との対応関係を示すグラフである。
【図２１】 後噴射時期と燃費率との対応関係を示すグラフである。
【図２２】 後噴射時期とＮＯｘ量との対応関係を示すグラフである。
【図２３】 燃料の総噴射量に対する後噴射量の比率と燃費率との対応関係を示すグラフである。
【符号の説明】
４ 燃焼室
５ 燃料噴射弁
２０ 排気通路
２２ ＮＯｘ浄化触媒
３３ 排気ガス還流手段
３６ 燃焼制御手段
３７ 活性状態判定手段
３８ 還元剤増量手段
３９ 排気還流制御手段
４０ 主噴射制御手段
４１ 後噴射制御手段
Claims (11)
- 燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気行程から膨張行程初期にかけての所定時期にエンジンの運転状態に応じて上記燃料噴射弁から主噴射される燃料の噴射状態を制御する主噴射制御手段と、上記燃料の主噴射時点から膨張行程までの間の所定時期に上記燃料噴射弁から燃料を後噴射させる後噴射制御手段と、排気ガスにより駆動されて吸気を過給するターボ過給機とを備えたエンジンの排気浄化装置であって、
燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準に、この拡散燃焼の終了時点またはその近傍で、上記燃料の後噴射による燃焼が開始されるように後噴射の時期を設定し、この後噴射の時期を、上記ターボ過給機の過給作用により吸入空気量が増大するほど進角側に補正するように構成したことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 燃料の主噴射によって燃焼室内で発生した拡散燃焼状態を判別する燃焼状態判別手段を備え、この燃焼状態判別手段によって判別された上記拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期を設定するように構成したことを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
- 排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス還流手段と、この排気ガス還流手段によって排気ガスの環流率が目標値となるようにフィードバック制御する排気還流制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
- エンジンの排気通路に配置されて少なくともＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒を備え、このＮＯｘ浄化触媒が不活性状態にある場合に、燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点に基づいて燃料の後噴射時期を設定するように構成したことを特徴とする請求項３記載のエンジンの排気浄化装置。
- ＮＯｘ浄化触媒が活性状態にある場合には、このＮＯｘ浄化触媒に供給される還元剤量が充分に確保されるように、燃料の後噴射時期を設定するとともに、上記ＮＯｘ浄化触媒が不活性状態にある場合には、上記燃料の後噴射時期を進角させることにより、上記拡散燃焼の終了時点を基準にして燃料の後噴射時期を設定するように構成したことを特徴とする請求項４記載のエンジンの排気浄化装置。
- エンジンの排気通路に配置されて少なくともＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒を備え、このＮＯｘ浄化触媒が不活性状態にある場合、または、エンジンが中負荷中回転以上の運転状態にある場合に、燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点に基づいて燃料の後噴射時期を設定するとともに、その時期を、圧縮行程上死点後のクランク角にして３０°〜６０°の範囲内としたことを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
- 上記燃料の後噴射量を、燃料の総噴射量の０．２％〜５０％に設定するように構成したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
- 上記ＮＯｘ浄化触媒として、酸素濃度の高い酸素過剰雰囲気でＮＯｘと還元剤とを反応させることにより、ＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ還元触媒を備えたことを特徴とする請求項５記載のエンジンの排気浄化装置。
- 上記活性状態判定手段は、ＮＯｘ還元触媒の温度を検出し、この検出温度が、ＮＯｘ還元触媒のＮＯｘ浄化率が所定値以上となる温度領域より高い場合に、上記ＮＯｘ還元触媒が不活性状態にあると判定することを特徴とする請求項８記載のエンジンの排気浄化装置。
- ゼオライトに触媒金属を担持させたＮＯｘ浄化触媒を備えたことを特徴とする請求項８または９記載のエンジンの排気浄化装置。
- 燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気行程から膨張行程初期にかけての所定時期にエンジンの運転状態に応じて上記燃料噴射弁から主噴射される燃料の噴射状態を制御する主噴射制御手段と、上記燃料の主噴射時点から膨張行程までの間の所定時期に上記燃料噴射弁から燃料を後噴射させる後噴射制御手段と、排気ガスにより駆動されて吸気を過給するターボ過給機とを備えたエンジンの燃料噴射時期を設定する方法であって、
上記燃料の主噴射により燃焼室内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準に、この拡散燃焼の終了時点またはその近傍で、上記燃料の後噴射による燃焼が開始されるように後噴射の時期を設定し、この後噴射の時期を、上記ターボ過給機の過給作用により吸入空気量が増大するほど進角側に補正することを特徴とする燃料噴射時期の設定方法。
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