JP2002021539A

JP2002021539A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2002021539A
Application number: JP2000201660A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Hayashi; 孝太郎林; Soichi Matsushita; 宗一松下; Yukihiro Tsukasaki; 之弘塚崎; Hiroki Matsuoka; 広樹松岡; Shinobu Ishiyama; 忍石山; Yasuhiko Otsubo; 康彦大坪; Hisafumi Magata; 尚史曲田; Masaaki Kobayashi; 正明小林; Daisuke Shibata; 大介柴田; Akihiko Negami; 秋彦根上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-07-03
Filing date: 2000-07-03
Publication date: 2002-01-23
Anticipated expiration: 2020-07-03
Also published as: JP3632570B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ＮＯｘ吸収剤に供給する還元剤のＥＧＲ系への
回り込み，ＥＧＲクーラ内のガス通路の目詰まりおよび
トルク変動の防止を図る。【解決手段】エンジン１は、直列４気筒エンジン１の各
排気ポートを結ぶエキマニ１４と、ＮＯｘ吸収剤１７を
備える機関排気通路と、エキマニおよび排気管１６上に
設置したタービン６ｂを接続する接続管１５と、機関吸
気系に排気ガスの一部を再循環するＥＧＲ管２３と、Ｎ
Ｏｘ吸収剤１７に軽油を添加するノズル１９とを備え
る。接続管１５をエキマニ１４の一端部分で接続し、Ｅ
ＧＲ管２３をエキマニ１４の他端部分で接続し、ノズル
１９をエキマニ１４の一端部分に最寄りの４番気筒＃４
の排気ポートに設置し、エキマニ１４のうち４番気筒＃
４と３番気筒＃３との間に逆止弁５０を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、希薄燃焼可能な内
燃機関（以下「希薄燃焼式内燃機関」という。）から排
出される排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】希薄燃焼式内燃機関に限らず、内燃機関
から排出される排気ガスに含まれるＮＯｘの低減手段の
一つに排気再循環装置（以下、ＥＧＲと略す）がある。

【０００３】ＥＧＲは、排気ガスの一部を再度吸気系に
戻し、不活性ガスの導入により燃焼室におけるガスの熱
容量を増大させ、燃焼室の最高燃焼温度を下げることに
よってＮＯxの発生を低減するものである。

【０００４】また、希薄燃焼式内燃機関から排出される
排気ガスのＮＯx低減手段として機関排気系に設置さ
れ、選択還元型ＮＯx触媒や吸蔵還元型ＮＯx触媒などの
ＮＯｘ吸収剤を包蔵する触媒コンバータがある。

【０００５】触媒コンバータは、ＥＧＲのようにＮＯx
の発生そのものを抑制する技術ではなく、発生してしま
ったＮＯxを大気に放出する前に前記ＮＯｘ吸収剤によ
りＮＯｘを浄化するものである。

【０００６】前記選択還元型ＮＯx触媒は、これが酸素
過剰の雰囲気下にあるときに炭化水素（ＨＣ）を積極的
に添加することでＮＯxを還元または分解する触媒であ
る。よって、この選択還元型ＮＯx触媒でＮＯxを浄化す
るためにはＨＣ成分からなる適量の還元剤を必要とす
る。

【０００７】選択還元型ＮＯx触媒を用いて排気浄化を
行う場合、希薄燃焼式内燃機関は元来その通常運転時に
おける排気成分中に含まれているＨＣの量がこれまでの
ガソリン車に比べて少ない。このため、ＮＯx浄化を行
うには選択還元型ＮＯx触媒にＨＣ成分を供給する必要
がある。

【０００８】一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流入排気
ガスの空燃比がリーンのときにＮＯxを吸収し、流入排
気ガスの酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出
し、Ｎ₂に還元する触媒である。

【０００９】この吸蔵還元型ＮＯx触媒を希薄燃焼式内
燃機関の排気浄化に用いる場合、該内燃機関では通常運
転時の排気ガスの空燃比がリーンであるため、排気ガス
中のＮＯxをＮＯx触媒が吸収することとなる。しかしな
がら、リーン空燃比の排気ガスをＮＯx触媒に供給し続
けると、ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力が飽和に達し、それ
以上ＮＯxを吸収できなくなってＮＯxがリークしてしま
うことになる。

【００１０】そこで、吸蔵還元型ＮＯx触媒では、ＮＯx
吸収能力が飽和する前に所定のタイミングで流入排気ガ
スの空燃比をリッチにすることによって酸素濃度を極度
に低下させるとともに還元剤を供給し、ＮＯx触媒に吸
収されたＮＯxを放出してＮ₂に還元し、ＮＯx触媒のＮ
Ｏx吸収能力を回復させる必要がある。

【００１１】ＮＯｘ吸収剤でＮＯxを浄化するために
は、排気ガスの空燃比をリッチにするとともに連続的に
あるいは間欠的に排気ガス中に還元剤を添加する必要が
ある。そして、内燃機関が排出する排気ガスのＮＯx低
減をより実効あるものとするために、例えば特開平６−
７４０２２号公報開示の技術のように、ＥＧＲとＮＯｘ
吸収剤を組み合わせる場合もある。

【００１２】前記公報には、４気筒エンジンを例示して
おり、この４気筒エンジンの３気筒の排気ポートに接続
されるエキゾーストマニホルドの３本の岐管に排気還流
通路（以下「ＥＧＲ管」という。）を接続し、この３本
の岐管から排気ガスの一部を吸い込んでＥＧＲ管を介し
て吸気管に戻している。

【００１３】また、残りの一気筒の排気ポートには還元
剤添加ノズルを取り付けてある。そして、この還元剤添
加ノズルから排気ガス中に機関燃料（還元剤）を導入す
ることで排気管下流に備えたＮＯｘ吸収剤に還元剤を添
加するようにしている。

【００１４】還元剤添加ノズルを備えた気筒をＥＧＲ管
に連なる前記３つの気筒からなる気筒群と区分したの
は、還元剤添加ノズルから導入された還元剤がＥＧＲ管
を介して吸気系に取り込まれないようにするためであ
る。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記公
報記載の技術では、ＥＧＲ管を３本（複数）の岐管に接
続しており、これらの管は通常溶接によってＥＧＲ管に
接続する。しかし、ＥＧＲ管に複数の岐管を溶接すると
その作業が面倒であるばかりか溶接の善し悪しの程度に
よってはガス漏れを生じるといった不具合を生じること
も考えられる。

【００１６】また、ＥＧＲ管と接続する岐管が多いと、
ＥＧＲガスの流れに対する排気脈動の影響を無視でき
ず、ＥＧＲガスの流量制御が難しくなる。一方、ＥＧＲ
管を介した再循環ガスの循環割合（以下「ＥＧＲ率」と
いう。）は、車輌に搭載してあるコンピュータ、すなわ
ちエンジンの制御装置である電子制御ユニット（Electr
onic Control Unit：ＥＣＵ、以下「ＥＣＵ」と称す
る。）に記憶してあるエンジン回転数−負荷マップから
エンジンの運転状態にあった適量が求められるようにな
っている。

【００１７】したがって、ＥＧＲ率の高い運転状態で内
燃機関が作動している時に還元剤が供給されてしまう
と、ＥＧＲ管に備えられている再循環ガス冷却装置であ
るＥＧＲクーラ内に配設されているガス通路の壁面に還
元剤が徐々に付着して目詰まりを起こしてしまう虞があ
る。

【００１８】すると本来吸気系に循環されるべき量の再
循環ガスが、この目詰まりに起因して吸気系に送られ
ず、よってトルク低下を招来しＥＧＲによるＮＯｘの低
減効果を期待できないことが考えられる。

【００１９】反対に前記のごとくＥＧＲ率の高い運転状
態で内燃機関が作動している時であって還元剤の供給量
が多すぎると、吸気系に送り込まれる還元剤が機関燃料
として燃焼してしまい必要以上に機関燃焼がなされ、そ
れに起因してトルクの増大を招来することが考えられ
る。

【００２０】よって、このようなトルク変動はドライバ
の意図するものではないため、ドライバビリティの悪化
を招くことになり好ましくない。本発明は、上記実情に
鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題
は、例えばＮＯｘ吸収剤によるＮＯｘ低減用として用い
られる還元剤のＥＧＲ系への流出を阻止することで前記
還元剤のＥＧＲ系への回り込み，ＥＧＲクーラ内に配設
したガス通路の目詰まりおよびトルク変動を防止し、さ
らには製品精度の向上や組付作業の向上を図ることを挙
げられる。

【００２１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明内燃機関の排気浄化装置は、次の手段を講じ
た。

【００２２】（１）本発明内燃機関の排気浄化装置は、
多気筒内燃機関の各排気ポートを結ぶ複数の枝通路をま
とめるエキゾーストマニホルドと、ＮＯｘ吸収剤を備え
る機関排気通路と、前記エキゾーストマニホルドおよび
前記機関排気通路上に設置した過給機を接続する接続通
路と、機関吸気系に排気ガスの一部を再循環する排気再
循環装置と、前記ＮＯｘ吸収剤に還元剤を添加する還元
剤添加装置とを備える内燃機関の排気浄化装置におい
て、前記接続通路を前記エキゾーストマニホルドの一端
部分で接続し、前記排気再循環装置を前記エキゾースト
マニホルドの他端部分で接続し、前記還元剤添加装置の
吐出口を前記エキゾーストマニホルドの一端部分に最寄
りの一気筒の排気ポートに設置し、前記エキゾーストマ
ニホルドのうち前記接続通路との接続箇所である前記一
端部分から他端部分側に向けて離れた適所に、還元剤の
前記他端部分側に向けた流れを防止する逆止弁を設ける
ことを特徴とする。

【００２３】ここで、「内燃機関」としては、筒内直接
噴射式のリーンバーンガソリンエンジンやディーゼルエ
ンジンを例示することができる。「ＮＯｘ吸収剤」とし
ては、吸蔵還元型ＮＯx触媒あるいは選択還元型ＮＯx触
媒を例示することができる。

【００２４】「吸蔵還元型ＮＯx触媒」は、流入する排
気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯxを吸収し、流入
する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯx
を放出し、Ｎ₂に還元する触媒である。この吸蔵還元型
ＮＯx触媒は、例えばアルミナを担体とし、この担体の
上に例えばカリウムＫ，ナトリウムＮａ，リチウムＬ
ｉ，セシウムＣｓのようなアルカリ金属，バリウムＢ
ａ，カルシウムＣａのようなアルカリ土類，ランタンＬ
ａ，イットリウムＹのような希土類から選んだ少なくと
も一つと、白金Ｐｔのような貴金属とを担持してなる。

【００２５】「選択還元型ＮＯx触媒」は、酸素過剰の
雰囲気で炭化水素の存在下でＮＯxを還元または分解す
る触媒をいい、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン
交換して担持した触媒，ゼオライトまたはアルミナに貴
金属を担持した触媒等をいう。

【００２６】「還元剤」としては軽油やガソリンなどＨ
Ｃ成分を含むものが好適である。「排気再循環装置」
は、機関排気系から吸気系に排気ガスを再循環する装置
であって、排気系と吸気系とを機関本体をバイパスして
結ぶバイパス通路であるＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路内を
排気系側から吸気系側に流れる排気ガス（以下「ＥＧＲ
ガス」という。）の量を制御する制御弁（以下「ＥＧＲ
バルブ」という。）と、ＥＧＲ通路を通るＥＧＲガスの
温度を下げるＥＧＲクーラとからなる。

【００２７】前記ＥＧＲクーラはＥＧＲガスと機関冷却
液との間で熱交換を行う熱交換器であり、その内部には
機関冷却液が通る機関冷却液管路とこの機関冷却液管路
にＥＧＲガスが直に接した状態でＥＧＲガスを通すＥＧ
Ｒガス通路管を備えている。そして、機関冷却液がこの
機関冷却液管路を流れている時にＥＧＲガスが機関冷却
液管路に接することでＥＧＲガスの温度を吸収しＥＧＲ
ガスの温度を下げる。

【００２８】「還元剤添加装置」としては、燃料添加ノ
ズル，燃料ポンプ，燃料パイプ，燃料添加ノズルからの
噴射燃料量を制御する制御弁，燃料通路を含むものを例
示できる。

【００２９】「逆止弁」は、エキゾーストマニホルドの
他端部分から一端部分に向けての排気ガスの流れは許容
しても反対方向への排気ガスの流れは許容しない一方向
弁のことである。

【００３０】このような構成の本発明内燃機関の排気浄
化装置では、エキゾーストマニホルドにおいて、接続通
路および排気再循環装置をそれぞれエキゾーストマニホ
ルドの一端部分および他端部分で接続してあり、還元剤
添加装置を前記一端部分に最寄りの一気筒の排気ポート
に設置してあるので、エキゾーストマニホルドにおける
還元剤添加装置と排気再循環装置とが互いに遠く離間す
る。

【００３１】よって、還元剤添加装置から吐出された還
元剤が排気再循環装置を介して吸気系に回り込むのをそ
れだけでも防止できる。しかも本発明では、エキゾース
トマニホルドのうち前記接続通路との接続箇所である前
記一端部分から前記他端部分側に向けて離れた適所にエ
キゾーストマニホルドの他端部分から一端部分に向けて
の排気ガスの流れのみを許容する一方向弁としての逆止
弁を設けてあるので、たとえ還元剤添加装置から吐出さ
れた還元剤が前記他端部分側に向けて必要以上に流れた
としても、還元剤が排気再循環装置を経由して機関吸気
系に流れることはない。よって必要以上にトルクの増大
を招来することもない。

【００３２】また、ＥＧＲ率の高い運転状態で内燃機関
が作動している時に還元剤が供給されるようなことがあ
ったにしても、還元剤がＥＧＲ管に備えられているＥＧ
Ｒクーラ内に配設したＥＧＲガス通路管の壁面に還元剤
が付着して目詰まりを起こしてしまうこともない。よっ
て本来吸気系に循環されるべき量の再循環ガスが吸気系
に送られないこともないのでトルク低下を招来すること
もない。さらにはＥＧＲによるＮＯｘの低減効果も充分
期待できる。

【００３３】さらにまた、還元剤の多寡に起因したトル
ク変動がないあるいはあっても小さなものであるからド
ライバビリティが悪化することもない。また、エキゾー
ストマニホルドに対する排気再循環装置の接続を他端部
分一箇所のみで行っているので、溶接作業も容易になり
かつ耐久性が向上し、コストダウンを図ることができ
る。（２）前記エキゾーストマニホルドに設置される前記逆
止弁は、前記一端部分に最寄りの一気筒とこの気筒に隣
接する他の気筒との間の箇所に設けるようにすることも
できる。このようにすることで逆止弁の設置範囲、すな
わち設計の自由度が広がって好適である。（３）内燃機関の作動状態に応じて前記還元剤添加装置
による燃料添加実行の可否を判断する燃料添加実行判断
手段を有する。

【００３４】ここで、内燃機関全体の制御を行うＥＣＵ
について簡単に述べるとともに、本項の構成要素につい
て説明する。ＥＣＵは、周知のごとくデジタルコンピュ
ータからなり、双方向性バスによって相互に接続した、
中央処理制御装置であるＣＰＵ，読み出し専用メモリで
あるＲＯＭ，ランダムアクセスメモリであるＲＡＭ，バ
ックアップＲＡＭ，入力ポート，出力ポート等から構成
する。

【００３５】入力ポートは、内燃機関や車輌に取り付け
た各種センサと電気的に接続され、これら各種センサの
出力信号が入力ポートを介してＥＣＵ内に入ると、これ
ら各センサに係るパラメータは一時的にＲＡＭに記憶さ
れる。

【００３６】そして、ＣＰＵは双方向性バスを通じてＲ
ＡＭに記憶しておいた前記パラメータを必要に応じて呼
び出し、これらのパラメータに基づいてＣＰＵが必要と
する演算処理を行い、この演算処理の結果、出力ポート
を介して内燃機関の各種構成部材が作動する。

【００３７】「燃料添加実行判断手段」としては、例え
ばＥＣＵのＲＯＭに記憶され、還元剤添加装置の作動制
御を実現するアプリケーションプログラムおよびこのア
プリケーションプログラムの実行用に用意された、エン
ジン回転数と負荷の関数として予めＲＯＭ内に記憶して
あるエンジン回転数−負荷マップを挙げられる。

【００３８】そしてエンジン回転数−負荷マップからＥ
ＧＲ管を介した再循環ガスの循環割合であるＥＧＲ率を
求める。そして、求めたＥＧＲ率がある所望の範囲にあ
る場合はＣＰＵが燃料添加実行時と判断し、当該所望の
範囲にない時は燃料添加非実行時と判断する。

【００３９】前記アプリケーションプログラムの実行は
ＣＰＵによってなされ、また前記マップはＲＯＭに予め
記憶してあり、ＣＰＵやＲＯＭの属性はＥＣＵにあるの
で、ＥＣＵのことを燃料添加実行判断手段ということに
する。

【００４０】本発明では燃料添加実行判断手段によって
内燃機関の作動状態に応じて前記還元剤添加装置による
燃料添加実行の可否を判断するので、好適な燃料添加の
実現ができる。（４）前記燃料添加実行判断手段により燃料添加実行の
判断がされた場合に前記還元剤添加装置から放出される
還元剤の吐出力を増大する還元剤吐出力増大手段を有す
ることが望ましい。

【００４１】「還元剤吐出力増大手段」としては、前記
燃料添加実行判断手段によって燃料添加の実行時と判断
された時に前記還元剤添加装置の動力を高める装置、例
えば適宜のポンプおよびこのポンプの作動制御を行う前
記ＥＣＵを例示できる。

【００４２】本発明では前記燃料添加実行判断手段によ
り燃料添加実行の判断がされた場合には還元剤吐出力増
大手段が作動して前記還元剤添加装置から接続管に向け
て放出される還元剤の吐出力を増大するので、還元剤の
ＥＧＲ系への回り込みを一層効果的に防止できる。（５）多気筒内燃機関の各排気ポートを結ぶ複数の枝通
路をまとめるエキゾーストマニホルドと、ＮＯｘ吸収剤
を備える機関排気通路と、前記エキゾーストマニホルド
および前記機関排気通路上に設置した過給機を接続する
接続通路と、機関吸気系に排気ガスの一部を再循環する
排気再循環装置と、前記ＮＯｘ吸収剤に還元剤を添加す
る還元剤添加装置とを備える内燃機関の排気浄化装置に
おいて、前記接続通路を前記エキゾーストマニホルドの
一端部分で接続し、前記排気再循環装置を前記エキゾー
ストマニホルドの他端部分で接続し、前記還元剤添加装
置の吐出口を前記エキゾーストマニホルドの一端部分に
最寄りの一気筒の排気ポートに設置し、内燃機関の作動
状態に応じて前記還元剤添加装置による燃料添加実行の
可否を判断する燃料添加実行判断手段を備えるととも
に、この燃料添加実行判断手段により燃料添加実行の判
断がされた場合に前記還元剤添加装置から放出される還
元剤の吐出力を増大する還元剤吐出力増大手段を有する
ようにすることもできる。

【００４３】この場合も燃料添加実行判断手段により燃
料添加実行の判断がされた場合には還元剤吐出力増大手
段が作動して還元剤添加装置から接続管に向けて放出さ
れる還元剤の吐出力を増大するので、還元剤のＥＧＲ系
への回り込みを効果的に防止できる。

【００４４】

【発明の実施の形態】〔第１の実施の形態〕まず、図１
を参照して第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置
の全体構成を説明する。

【００４５】エンジン１は直列４気筒ディーゼルエンジ
ンである。そしてこのエンジン１の各気筒の燃焼室に
は、吸気管３および吸入分岐管であるインテークマニホ
ルド２を介して吸気が導入される。

【００４６】吸気管３の始端にはエアクリーナ４を設け
てあり、吸気管３の途中には、エアフローメータ５，タ
ーボチャージャ６のコンプレッサ６ａ，インタークーラ
７，スロットルバルブ８を設けてある。

【００４７】エアフローメータ５はエアクリーナ４を介
して吸気管３に流入する新気の空気量に応じた出力信号
をＥＣＵ９に出力し、ＥＣＵ９はエアフローメータ５の
出力信号に基づいて吸入空気量を演算する。

【００４８】また、エンジン１の各気筒の燃焼室にはそ
れぞれ燃料噴射弁であるインジェクタ１０から燃料（軽
油）が噴射される。この燃料は、図示しない燃料タンク
から燃料ポンプ１２によってポンプアップされコモンレ
ール１１を介してインジェクタ１０に供給されるもので
ある。

【００４９】燃料ポンプ１２はエンジン１の図示しない
クランクシャフトによって駆動される。また各インジェ
クタ１０の開弁時期および開弁期間は、エンジン１の運
転状態に応じてＥＣＵ９によって制御される。

【００５０】また、エンジン１の各気筒の燃焼室で生じ
た排気ガスは、各気筒の排気ポート１３を結ぶ複数の枝
通路をまとめた形態の排気集合管であるエキゾーストマ
ニホルド１４に排出される。ここで、説明の都合上、エ
ンジン１の気筒番号を、図中右端に配置された気筒を１
番気筒＃１として、左側へ順に、２番気筒＃２，３番気
筒＃３とし、図中左端に配置された気筒を４番気筒＃４
とする。

【００５１】また、気筒＃１〜４の排気ポートに対応す
る前記枝通路をそれぞれ符合１４１から１４４を用いて
示す。エキゾーストマニホルド１４において４番気筒＃
４に対向する部位すなわちエキゾーストマニホルド１４
の一端部分には、当該部分および機関排気通路である排
気管１６上に設置した過給機であるターボチャージャ６
を接続する接続通路としての接続管１５を配管してあ
る。接続管１５によって排気ガスをターボチャージャ６
のタービン６ｂに導く。タービン６ｂは排気ガスによっ
て回転しタービン６ｂと連結してあるコンプレッサ６ａ
を作動して吸気を昇圧する。

【００５２】排気ガスはタービン６ｂを経由して排気管
１６におけるタービン６ｂの設置箇所よりも下流側に排
出された図示しないマフラーを経由して大気に排出され
る。排気管１６の途中には、吸蔵還元型ＮＯx触媒（Ｎ
Ｏｘ吸収剤）１７を包蔵した触媒コンバータ１８を備え
ている。吸蔵還元型ＮＯx触媒１７については後で詳述
する。

【００５３】また、エンジン１のシリンダヘッド３０に
は、４番気筒＃４の排気ポート１３に臨ませて燃料添加
ノズル１９を取り付けてある。換言すれば、燃料添加ノ
ズル１９を前記エキゾーストマニホルドの一端部分に最
寄りの一気筒である４番気筒＃４の排気ポートに設置し
燃料添加ノズル１９には、燃料ポンプ１２でポンプアッ
プされた燃料が、燃料パイプ２０およびシリンダヘッド
３０に設けた燃料通路２１を介して供給可能になってお
り、燃料パイプ２０の途中に設けた制御弁２２により燃
料添加ノズル１９から吐出される燃料の量を制御する。
なお、制御弁２２はＥＣＵ９によりその開閉および開度
制御を行う。

【００５４】図２は図１のII−II線縦断面であり、図３
は図１の要部拡大図であり、図３の×印で示す箇所は燃
料添加ノズル１９の吐出口を意味する。図２および図３
からわかるように、燃料添加ノズル１９はその吐出口か
ら噴射する燃料が接続管１５に向かうように取り付けて
ある。

【００５５】この実施の形態において、燃料添加ノズル
１９，燃料ポンプ１２，燃料パイプ２０，燃料添加ノズ
ル１９からの噴射燃料量を制御する制御弁２２および燃
料通路２１は、還元剤添加装置を構成する。なお、燃料
添加ノズル１９から還元剤が吐出するので燃料添加ノズ
ル１９を還元剤添加装置の吐出口ということもできる。

【００５６】また、エキゾーストマニホルド１４におい
て１番気筒＃１に対向する部位である他端部分には、排
気ガスの一部を吸気系に戻すための排気還流管（以下、
ＥＧＲ管と略す）２３の一端口である排気吸込口２３ａ
が接続してあり、ＥＧＲ管２３の他端はインテークマニ
ホルド２に接続してある。この他端部分に排気吸込口２
３ａを接続することで当該部分に各気筒から流入した排
気ガスが集合する。

【００５７】またＥＧＲ管２３の途中にはＥＧＲクーラ
２４とＥＧＲバルブを設けてある。ＥＧＲクーラ２４は
ＥＧＲガスと機関冷却液との間で熱交換を行う熱交換器
であり、その内部には機関冷却液が通る図示しない機関
冷却液管路とこの機関冷却液管路にＥＧＲガスが直に接
した状態でＥＧＲガスを通す図示しないＥＧＲガス通路
管を備えている。そして、機関冷却液が前記機関冷却液
管路を流れている時にＥＧＲガスが機関冷却液管路に接
することでＥＧＲガスの温度を吸収しＥＧＲガスの温度
を下げる。

【００５８】ＥＧＲバルブ２５は、エンジン１の運転状
態に応じてＥＣＵ９によって開度制御され、ＥＧＲ率を
制御する。ＥＧＲ管２３とＥＧＲクーラ２４とＥＧＲバ
ルブ２５は排気再循環装置（ＥＧＲ）を構成する。

【００５９】また、排気管１６において触媒コンバータ
１８の直ぐ下流には、触媒コンバータ１８から流出する
排気ガスの温度に対応した出力信号をＥＣＵ９に出力す
る排気温センサ１７ａを設けてある。この温度センサに
より触媒が有効に機能するかどうかの判断の目安となる
活性温度等、触媒に関する温度を検出する。

【００６０】ＥＣＵ９はデジタルコンピュータからな
り、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リー
ドオンリメモリ），ＲＡＭ（ランダムアクセスメモ
リ），ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット），入力
ポート，出力ポートを具備し、エンジン１全体の制御を
行う。

【００６１】ＥＣＵ９の入力ポートには、アクセル開度
センサ２６からの入力信号と、クランク角センサ２７か
らの入力信号が入る。アクセル開度センサ２６はスロッ
トルバルブ８の開度に比例した出力電圧をＥＣＵ９に出
力し、ＥＣＵ９はアクセル開度センサ２６の出力信号に
基づいてエンジン負荷を演算する。クランク角センサ２
７はクランクシャフトが一定角度回転する毎に出力パル
スをＥＣＵ９に出力し、ＥＣＵ９はこの出力パルスに基
づいてエンジン回転数を演算する。

【００６２】これらエンジン負荷とエンジン回転数によ
ってエンジン運転状態が判別され、ＥＣＵ９はエンジン
運転状態に応じてインジェクタ１０の開弁時期、開弁期
間を制御する。

【００６３】触媒コンバータ１８に収容された吸蔵還元
型ＮＯx触媒（以下、ＮＯx触媒と略す場合もある）１７
は、例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を担体とし、この担体
上に例えばカリウムＫ，ナトリウムＮａ，リチウムＬ
ｉ，セシウムＣｓのようなアルカリ金属，バリウムＢ
ａ，カルシウムＣａのようなアルカリ土類，ランタンＬ
ａ，イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なく
とも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されてな
る。

【００６４】このＮＯx触媒１７は、流入排気ガスの空
燃比（以下、排気空燃比と称す）が理論空燃比よりもリ
ーンのときはＮＯxを吸収し、排気空燃比が理論空燃比
あるいはそれよりもリッチになって流入排気ガス中の酸
素濃度が低下すると吸収したＮＯxをＮＯ₂またはＮＯと
して放出するＮＯxの吸放出作用を行う。そして、ＮＯx
触媒１７から放出されたＮＯx（ＮＯ₂またはＮＯ）は直
ちに排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯと反応してＮ₂に還元
される。

【００６５】したがって、排気空燃比を適宜に制御すれ
ば排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯxを浄化できることに
なる。尚、ここでは排気空燃比は、排気管１６のうちＮ
Ｏx触媒１７を含む触媒コンバータ１８の上流側箇所や
エンジン燃焼室，吸気通路等にそれぞれ供給された空気
量の合計と燃料（炭化水素）量の合計の比を意味するも
のとする。したがって、触媒コンバータ１８よりも上流
箇所の排気管１６内に燃料，還元剤あるいは空気が供給
されない場合には、排気空燃比はエンジン燃焼室内に供
給される混合気の空燃比に一致する。

【００６６】ところで、ディーゼルエンジンの場合は、
ストイキ（理論空燃比：Ａ／Ｆ＝１４〜１５）よりもは
るかにリーン域で燃焼を行うので、通常の機関運転状態
ではＮＯx触媒１７に流入する排気ガスの空燃比は非常
にリーンであり、排気ガス中のＮＯxはＮＯx触媒１７に
吸収され、ＮＯx触媒１７から放出されるＮＯx量は極め
て少なくなる。

【００６７】一方ガソリンエンジンの場合は、燃焼室に
供給する混合気をストイキまたはリッチ空燃比にするこ
とにより排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空
燃比にし、排気ガス中の酸素濃度を低下させて、ＮＯx
触媒に吸収されているＮＯxを放出することができる。
しかし、ディーゼルエンジンにおいてはその燃焼室に供
給する混合気をストイキまたはリッチ空燃比にすると、
燃焼の際に煤が発生するなどの問題がありよってガソリ
ン車なみの空燃比での使用はできない。

【００６８】したがって、ディーゼルエンジンでは、Ｎ
Ｏx触媒１７のＮＯx吸収能力が飽和する前に所定のタイ
ミングで、排気ガス中に還元剤を供給して排気ガス中の
酸素濃度を低下し、ＮＯx触媒１７が吸収していたＮＯx
を放出し還元する必要がある。尚、前記還元剤として
は、一般に、ディーゼルエンジンの燃料である軽油を使
用する場合が多い。

【００６９】そのため、この実施の形態では、ＥＣＵ９
によりエンジン１の運転状態の履歴からＮＯx触媒１７
が吸収していたＮＯx量を推定し、その推定ＮＯx量が予
め設定しておいた所定値に達したときに、所定時間だけ
制御弁２２を開弁して所定量の燃料を燃料添加ノズル１
９から排気ガス中に噴射し、ＮＯx触媒１７に流入する
排気ガス中の酸素濃度を低下させ、ＮＯx触媒に吸収さ
れていたＮＯxを放出し、Ｎ₂に還元する。すなわちエン
ジン１の作動状態に応じて還元剤添加装置による燃料添
加実行の可否を判断する。

【００７０】この判断は、ＥＣＵのＲＯＭに記憶され、
還元剤添加装置の作動制御を実現する図示しない周知の
アプリケーションプログラムの採用によって実現する。
そしてこのアプリケーションプログラムの実行にあたっ
てエンジン回転数と負荷の関数として予めＲＯＭ内に記
憶してあるエンジン回転数−負荷マップを適用する。

【００７１】詳しくは、エンジン１の作動状態に基づい
てエンジン回転数−負荷マップからＥＧＲ管を介した再
循環ガスの循環割合であるＥＧＲ率を求め、この求めた
ＥＧＲ率がある所望の範囲にある場合はＣＰＵが燃料添
加実行時と判断して燃料添加ノズル１９から軽油等の還
元剤を排気ガス中に噴射し、当該所望の範囲にない時は
燃料添加非実行時と判断して燃料添加ノズル１９からの
還元剤の噴射を止める。このような燃料添加実行判断は
ＣＰＵやＲＯＭに属するアプリケーションプログラムや
前記マップに基づいてなされ、ＣＰＵやＲＯＭの属性は
ＥＣＵにあるので、ＥＣＵ９のことを燃料添加実行判断
手段ということにする。

【００７２】燃料添加実行判断手段であるＥＣＵ９によ
り燃料添加実行の判断がされた場合には燃料添加ノズル
１９が放出する還元剤の吐出力を燃料ポンプのポンプ圧
を高めることで増大するとともに燃料添加ノズル１９は
燃料を接続管１５に向かって噴射するようになってい
る。よって、添加された燃料は接続管１５に向けて一気
にかつスムーズに流出するようになる。前記燃料添加実
行判断手段であるＥＣＵ９によって燃料添加の実行時と
判断された時に燃料添加ノズル１９の動力（吐出力）を
高める装置として、前記燃料ポンプ１２およびこのポン
プ１２の作動制御を行うＥＣＵ９を還元剤吐出力増大手
段ということにする。また燃料添加ノズル１９は４番気
筒＃４の排気ポート１３に取り付けられており、一方、
エキゾーストマニホルド１４におけるＥＧＲ管２３の接
続部位は１番気筒＃１に近接した位置である。すなわち
エキゾーストマニホルド１４において接続管１５および
ＥＧＲ管２３の前記排気吸込口２３ａをそれぞれエキゾ
ーストマニホルドの一端部分および他端部分で接続して
あり、燃料添加ノズル１９を前記一端部分に最寄りの一
気筒である４番気筒＃４の排気ポートに設置してあるの
で、エキゾーストマニホルド１４における燃料添加ノズ
ル１９とＥＧＲ管２３の排気吸込口２３ａとが互いに遠
く離間する。よって、燃料添加ノズル１９から吐出され
た軽油等の還元剤がＥＧＲ管２３を介してインテークマ
ニホルド２に回り込むのを防止できる。

【００７３】また、エキゾーストマニホルド１４とＥＧ
Ｒ管２３との接続個所が一箇所であるので、溶接作業が
容易になりかつ耐久性が向上し、コストダウンを図るこ
ともできる。

【００７４】さらに、ＥＧＲ管２３との接続部が、エキ
ゾーストマニホルド１４において各気筒から流入した排
気ガスが集合する部位といえる他端部分に設けられてい
るといえるので、ＥＧＲ管２３を流れる排気ガスが排気
脈動の影響を受けにくくなり、ＥＧＲ量の精密制御が可
能になる。

【００７５】また、燃料添加実行判断手段であるＥＣＵ
９により燃料添加実行の判断がされた場合には還元剤吐
出力増大手段である、ポンプ１２やその作動制御を行う
ＥＣＵ９が作動して前記燃料添加ノズル１９から接続管
１５に向けて放出される還元剤添である軽油の吐出力を
増大するので、軽油のＥＧＲ系への回り込みを一層効果
的に防止できる。〔第２の実施の形態〕次に、第２実施形態における内燃
機関の排気浄化装置を図４および図５を参照して説明す
る。

【００７６】この第２実施形態に係るエンジン１Ａは、
燃料添加ノズル１９から添加した燃料のＥＧＲ系への回
り込みをより確実に防止するために、前述した第１実施
形態の排気浄化装置をさらに発展させたものである。

【００７７】この第２実施形態に係るエンジン１Ａが第
１実施形態に係るエンジン１と異なる点は、エキゾース
トマニホルド１４のうち接続管１５との接続箇所である
前記一端部分から他端部分側に向けて離れた適所、詳し
くは前記一端部分に最寄りの一気筒である４番気筒＃４
とこの気筒＃４に隣接する他の気筒である３番気筒＃３
との間の箇所に逆止弁５０を設けた点だけである。

【００７８】よって、他の構成については、第１実施形
態のものと同じであるので、当該同一部分には第１実施
形態のものと同一符合を付してその説明を省略する。逆
止弁５０は、エキゾーストマニホルド１４の前記他端部
分から前記一端部分に向けての排気ガスの流れは許容し
ても反対方向、すなわちエキゾーストマニホルド１４の
前記一端部分から前記他端部分に向けての排気ガスの流
れは許容しない一方向弁である。

【００７９】逆止弁５０を有する第２実施形態に係るエ
ンジン１Ａの作用効果は、第１実施形態の作用効果に加
え次の作用効果を奏する。第１実施形態で述べたごとく
エキゾーストマニホルド１４において接続管１５および
ＥＧＲ管２３をそれぞれエキゾーストマニホルド１４の
一端部分および他端部分で接続してあり、燃料添加ノズ
ル１９を４番気筒＃４の排気ポートに設置してあるの
で、エキゾーストマニホルド１４における燃料添加ノズ
ル１９とＥＧＲ管２３とが互いに遠く離間するため、燃
料添加ノズル１９から吐出された軽油等の還元剤がＥＧ
Ｒ管２３を介して吸気系に回り込むのをそれだけでも防
止することができるが、このことに加え、エキゾースト
マニホルド１４のうち前記一端部分から前記他端部分側
に向けて離れた適所にエキゾーストマニホルド１４の他
端部分から一端部分に向けての排気ガスの流れ、すなわ
ち気筒＃４側から気筒＃１側に向けて流れる排気ガスの
流れのみを許容する一方向弁として機能する逆止弁５０
を設けたので、たとえ燃料添加ノズル１９から吐出され
た還元剤が前記他端部分側に向けて必要以上に流れたと
しても（図５の矢印参照）、その時に気筒＃４から排出
される排気ガスの流力によって図５の二点鎖線で示すよ
うに逆止弁５０は閉鎖される。

【００８０】よって、還元剤の流れは気筒＃４から排出
される排気ガスの流れとともに逆止弁設定箇所で抑制さ
れて還元剤がＥＧＲ管２３を経由して機関吸気系に流れ
ることはない。その結果、必要以上にトルクの増大を招
来することもない。

【００８１】また、ＥＧＲ率の高い運転状態でエンジン
１Ａが作動している時に還元剤が供給されても、還元剤
がＥＧＲ管２３に備えられているＥＧＲクーラ２４内に
配設した図示しないＥＧＲガス通路管の壁面に還元剤が
付着して目詰まりを起こしてしまうこともない。目詰ま
りがないので本来吸気系に循環されるべき量の再循環ガ
スが吸気系に送られないということもなく、よってトル
クが低下してもしまうこともなく、さらにはＥＧＲによ
るＮＯｘの低減効果も充分期待できる。

【００８２】さらに、還元剤の多寡に起因したトルク変
動がないあるいはあっても小さなものであるので、ドラ
イバビリティの悪化を招来することもない。また、エキ
ゾーストマニホルド１４に設置される前記逆止弁５０
は、４番気筒＃４と３番気筒＃３との間の箇所に設けた
ので逆止弁の設置範囲、すなわち設計の自由度が広がっ
て好適である。

【００８３】なお、前記逆止弁は気筒＃４側から気筒＃
１側に向けて流れる排気ガスの流れを抑制する一方向弁
であるので、気筒＃１〜＃３から排出された排気ガスが
当該逆止弁５０を経由して排気管１６に流れる分には何
ら問題ない。

【００８４】また、この明細書では、内燃機関としてデ
ィーゼルエンジンを例示したが、これに限ることなく、
他に例えば筒内直接噴射式のリーンバーンガソリンエン
ジンであってもよい。

【００８５】

【発明の効果】本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置
によれば、例えばＮＯｘ吸収剤によるＮＯｘ低減用とし
て用いられる還元剤のＥＧＲ系への流出を阻止すること
で前記還元剤のＥＧＲ系への回り込みを防止し、ＥＧＲ
クーラ内に配設したガス通路の目詰まりやトルク変動を
防止し、製品精度の向上や組付作業の向上を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置の第
１実施形態における概略構成を示す図である。

【図２】図１のII−II線断面図である。

【図３】図１の要部拡大図である。

【図４】本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置の第
２実施形態における概略構成を示す図である。

【図５】図１の要部拡大図である。

【符号の説明】

１エンジン（内燃機関）１Ａエンジン（内燃機関）２インテークマニホルド（吸気系）３吸気管４エアクリーナ５エアフローメータ６ターボチャージャ（過給機）６ａコンプレッサ６ｂタービン７インタークーラ８スロットルバルブ９ＥＣＵ（燃料添加実行判断手段，還元剤吐出力
増大手段）１０インジェクタ１１コモンレール１２燃料ポンプ（還元剤添加装置の構成部材，還元
剤吐出力増大手段）１３排気ポート１４エキゾーストマニホルド１５接続管（接続通路）１６排気管（機関排気通路）１７吸蔵還元型ＮＯx触媒（ＮＯｘ吸収剤）１７ａ触媒温度センサ１８触媒コンバータ１９燃料添加ノズル（還元剤添加装置の吐出口）２０燃料パイプ（還元剤添加装置の構成部材）２１燃料通路（還元剤添加装置の構成部材）２２制御弁（還元剤添加装置の構成部材）２３ＥＧＲ管（排気再循環装置）２３ａ排気吸込口２４ＥＧＲクーラ（排気再循環装置）２５ＥＧＲバルブ（排気再循環装置）２６アクセル開度センサ２７クランク角センサ３０シリンダヘッド５０逆止弁１４１枝通路１４２枝通路１４３枝通路１４４枝通路＃１１番気筒＃２２番気筒＃３３番気筒＃４４番気筒（エキゾーストマニホルドの一端部分
に最寄りの一気筒）

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０１Ｎ 7/08 Ｆ０１Ｎ 7/08 Ｂ 7/10 7/10 Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１Ｂ３１１３１１ＢＦ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｊ５８０５８０Ａ (72)発明者塚崎之弘愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者松岡広樹愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者石山忍愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者大坪康彦愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者曲田尚史愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者小林正明愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者柴田大介愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者根上秋彦愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者小田富久愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者原田泰生愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者小野智幸愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G004 AA01 BA06 DA24 EA02 EA03 FA04 3G062 AA01 AA06 BA02 BA04 BA05 BA06 DA01 DA02 EA10 ED01 ED04 ED08 ED10 ED14 GA04 GA06 GA09 3G091 AA02 AA10 AA11 AA18 AA28 AB06 BA14 BA15 BA19 BA32 BA36 CA13 CA18 CA27 CB02 CB03 CB07 CB08 DA01 DA02 DA05 DB10 EA01 EA03 EA07 EA17 EA18 EA31 FB10 FB12 GA06 GB01X GB02W GB03W GB04W GB05W GB06W GB10X GB16X HA37 HB01 HB03 HB05 HB06 3G092 AA02 AA17 AA18 DC08 DC15 HA01Z HD01Z HE01Z HE03Z HF08Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多気筒内燃機関の各排気ポートを結ぶ複
数の枝通路をまとめるエキゾーストマニホルドと、ＮＯｘ吸収剤を備える機関排気通路と、前記エキゾーストマニホルドおよび前記機関排気通路上
に設置した過給機を接続する接続通路と、機関吸気系に排気ガスの一部を再循環する排気再循環装
置と、前記ＮＯｘ吸収剤に還元剤を添加する還元剤添加装置と
を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記接続通路を前記エキゾーストマニホルドの一端部分
で接続し、前記排気再循環装置を前記エキゾーストマニホルドの他
端部分で接続し、前記還元剤添加装置の吐出口を前記エキゾーストマニホ
ルドの一端部分に最寄りの一気筒の排気ポートに設置
し、前記エキゾーストマニホルドのうち前記接続通路との接
続箇所である前記一端部分から他端部分側に向けて離れ
た適所に、還元剤の前記他端部分側に向けた流れを防止
する逆止弁を設けることを特徴とする内燃機関の排気浄
化装置。
【請求項２】前記エキゾーストマニホルドに設置する
前記逆止弁は、前記一端部分に最寄りの一気筒とこの気
筒に隣接する他の気筒との間の箇所に設けることを特徴
とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】内燃機関の作動状態に応じて前記還元剤
添加装置による燃料添加実行の可否を判断する燃料添加
実行判断手段を有することを特徴とする請求項１または
２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】前記燃料添加実行判断手段により燃料添
加実行の判断がされた場合に前記還元剤添加装置から放
出される還元剤の吐出力を増大する還元剤吐出力増大手
段を有することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の
排気浄化装置。
【請求項５】多気筒内燃機関の各排気ポートを結ぶ複
数の枝通路をまとめるエキゾーストマニホルドと、ＮＯｘ吸収剤を備える機関排気通路と、前記エキゾーストマニホルドおよび前記機関排気通路上
に設置した過給機を接続する接続通路と、機関吸気系に排気ガスの一部を再循環する排気再循環装
置と、前記ＮＯｘ吸収剤に還元剤を添加する還元剤添加装置と
を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記接続通路を前記エキゾーストマニホルドの一端部分
で接続し、前記排気再循環装置を前記エキゾーストマニホルドの他
端部分で接続し、前記還元剤添加装置の吐出口を前記エキゾーストマニホ
ルドの一端部分に最寄りの一気筒の排気ポートに設置
し、内燃機関の作動状態に応じて前記還元剤添加装置による
燃料添加実行の可否を判断する燃料添加実行判断手段を
備えるとともに、この燃料添加実行判断手段により燃料添加実行の判断が
された場合に前記還元剤添加装置から放出される還元剤
の吐出力を増大する還元剤吐出力増大手段を有する内燃
機関の排気浄化装置。