JP2002047954A

JP2002047954A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2002047954A
Application number: JP2000237007A
Authority: JP
Inventors: Akira Tayama; 彰田山; Hirobumi Tsuchida; 博文土田; Takashi Fukuda; 隆福田; Shunichi Shiino; 俊一椎野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-08-04
Filing date: 2000-08-04
Publication date: 2002-02-15
Anticipated expiration: 2020-08-04
Also published as: JP3733845B2

Abstract

(57)【要約】【課題】内燃機関において、触媒によって排気浄化を図
る場合に、成層燃焼運転時における触媒による排気浄化
効果を高める。【解決手段】成層燃焼により発生した排気ガスを、燃焼
に寄与した排気ガスと、燃焼に寄与しなかった排気ガス
とに分離して、燃焼に寄与した排気ガスを第１の排気通
路２２ａに、燃焼に寄与しなかった排気ガスを第２の排
気通路２２ｂに流す。この排気ガスの分離は、第１の排
気弁２３ａを、ＣＯ₂濃度の高い排気ガスの排出タイミ
ングに合わせて開くことで達成する。また、第１の排気
通路２２ａにのみ上流側の触媒コンバータ２４を設け、
燃焼に寄与した排気ガスの空燃比を、この触媒コンバー
タ２４に適用される触媒の種類（三元触媒、ＮＯｘトラ
ップ触媒など）に応じて制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気浄
化装置に関し、より詳細には、成層燃焼が可能な内燃機
関において、成層燃焼運転時における触媒による排気浄
化効果を高めるための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球温暖化防止の観点から内燃機
関の燃費向上の必要性が高まり、特定運転領域にて稀薄
空燃比燃焼、すなわち、理論空燃比よりリーンで運転さ
れる内燃機関が普及しつつある。その中には、特に低負
荷低回転域にて成層燃焼、すなわち、点火栓近傍に適度
の空燃比の混合気を形成し、さらにその周りに多量の余
剰空気が存在する状態での燃焼を行うものがある。成層
燃焼では、点火栓近傍の混合気のみが燃焼に寄与するこ
とになるため、均質燃焼の場合と比較して、空燃比を大
幅にリーン化することができ、燃費向上効果が高い。

【０００３】ところで、内燃機関の排気ガス中のＨＣ，
ＣＯ，ＮＯｘといった汚染成分は、従来より三元触媒を
用いて浄化していた。この三元触媒は、流入する排気ガ
ス中のＨＣ及びＣＯを酸化してＨ₂ＯとＣＯ₂とし、ま
たＮＯｘを還元してＮ₂とすることにより、これらの汚
染成分を無害化するものであり、触媒中の平均空燃比が
ストイキのときに転換効率が最も高く、平均空燃比がリ
ッチ側に変化すると、触媒中の酸素濃度が低下してＨＣ
及びＣＯの転換効率（即ち、酸化率）が低下し、一方リ
ーン側に変化すると、酸素濃度が過剰となってＮＯｘの
転換効率（即ち、還元率）が低下してしまう。

【０００４】このような理由から、上記のようなリーン
燃焼機関にあっては、三元触媒によって排気ガス中のＮ
Ｏｘを充分な低レベルにまで浄化することは困難であ
る。ここで、リーンな空燃比の下でＮＯｘを浄化するた
めの技術として、以下のものを挙げることができる。ま
ず、流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排
気ガス中のＮＯｘをトラップして保持し、さらに流入す
る排気ガスの空燃比がリッチであるときに保持されてい
るＮＯｘを脱離還元して浄化するＮＯｘトラップ触媒と
呼ばれるものがある（特開平６−２９４３１９号公報参
照）。

【０００５】このＮＯｘトラップ触媒をリーン燃焼機関
の排気通路に設置すれば、リーン運転時にて燃焼室から
排出されるＮＯｘをトラップして排気ガスから除去し、
触媒により保持されているＮＯｘの量（以下、「ＮＯｘ
保持量」という。）が所定量以上となった場合には、空
燃比を一時的にリッチ化して、保持されているＮＯｘを
脱離浄化することができる。

【０００６】また、他の技術として、リーンな排気ガス
が流入する場合でもＮＯｘを選択的に還元することがで
きるＮＯｘ選択還元触媒と呼ばれるものがある（特開平
６−２８５３３５号公報参照）。選択還元の効率を向上
するために、触媒の上流に還元剤を添加することも可能
である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、成層燃
焼を行う内燃機関の排気ガスの浄化については、前述の
いずれの触媒を適用するとしても、成層燃焼の特性に起
因して、従来の構成では結果として触媒の性能が低下
し、充分な排気浄化効果が得られないという問題があ
る。それは、以下の理由による。

【０００８】成層燃焼において燃焼に寄与することがで
きるのは、点火栓近傍領域に分布する可燃空燃比の混合
気であり、その周辺領域に分布する不可燃空燃比の混合
気は、燃焼に寄与することができない。燃焼に寄与して
生成された排気ガスは、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを多く含
み、燃焼に寄与せずに生成された排気ガスは、不可燃空
燃比の混合気が燃焼せずに排出されるものであり、酸素
を多く含んでいる。

【０００９】成層燃焼により発生した排気ガスを触媒を
設けて浄化する従来の構成では、燃焼に寄与して生成さ
れた排気ガスと、燃焼に寄与せずに生成された排気ガス
とが混ざり合った状態で触媒を通過することになる。こ
こで、触媒により浄化すべき成分は、実際には、燃焼に
寄与して生成された排気ガスに含まれるＨＣ，ＣＯ，Ｎ
Ｏｘである。従って、触媒に対して上記のように混ざり
合った状態の排気ガスが流入するのは、好ましくない。

【００１０】すなわち、燃焼に寄与して生成された排気
ガスと、燃焼に寄与せずに生成された排気ガスとが混ざ
り合った状態で触媒に流入することにより、燃焼に寄与
して生成された排気ガスが触媒中に留まることができる
時間は、燃焼に寄与せずに生成された排気ガスが触媒中
を流れる分だけ短くなる。このことは、触媒の空間速度
（＝触媒中を流れる排気ガス量／触媒の体積）が高くな
るのと等価であり、触媒による転換効率（又はトラップ
効率）が低下し、触媒の性能低下を来すのである。

【００１１】このような実情に鑑み、本発明は、成層燃
焼運転時における触媒による転換効率（又はトラップ効
率）を触媒の体積を増すことなく高めることができるよ
うにし、比較的小型の触媒によっても充分な低レベルに
まで排気ガスを浄化することができる内燃機関の排気浄
化装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る内燃機関の
排気浄化装置は、燃焼室内に、点火栓近傍領域が可燃空
燃比となり、その周辺領域が稀薄な不可燃空燃比となる
混合気層を形成して、成層燃焼を行わせることのできる
内燃機関ＥＮＧの排気浄化装置であって、図１に示すよ
うに、前記成層燃焼により発生した排気ガスから実際に
燃焼に寄与して生成された排気ガスを分離すべく、前記
排気ガスを燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなか
った排気ガスとに分離する排気ガス分離手段Ａと、前記
燃焼に寄与した排気ガスのみが流入する第１の排気浄化
手段Ｂと、を含んで構成される（請求項１）。

【００１３】前記第１の排気浄化手段Ｂは、三元触媒を
有し、前記排気ガス分離手段Ａは、前記燃焼に寄与した
排気ガスの平均空燃比がストイキとなるように、排気ガ
スを分離のが好ましい（請求項２）。前記第１の排気浄
化手段Ｂは、流入した排気ガスの空燃比がリーンのとき
に排気ガス中のＮＯｘをトラップして保持し、流入した
排気ガスの空燃比がリッチのときに保持しているＮＯｘ
を排気ガス中の還元剤成分で還元するトラップ触媒を有
し、前記排気ガス分離手段Ａは、前記燃焼に寄与した排
気ガスの平均空燃比がリーンとなるように、排気ガスを
分離するのが好ましい（請求項３）。

【００１４】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
前記トラップ触媒によるＮＯｘ保持量が所定量以上とな
ったときに、前記トラップ触媒に対して補助還元剤を添
加可能であるのが好ましい（請求項４）。前記排気ガス
分離手段Ａは、前記トラップ触媒によるＮＯｘ保持量が
所定量以上となったときに、前記燃焼に寄与した排気ガ
スの平均空燃比がリッチとなるように排気ガスを分離可
能であるのが好ましい（請求項５）。

【００１５】前記第１の排気浄化手段Ｂは、空燃比がリ
ーンの排気ガスを流入して、流入した排気ガス中のＮＯ
ｘを排気ガス中の還元剤成分で還元可能な選択還元型触
媒を有し、前記排気ガス分離手段Ａは、前記燃焼に寄与
した排気ガスの平均空燃比がリーンとなるように、排気
ガスを分離するのが好ましい（請求項６）。本発明に係
る内燃機関の排気浄化装置は、前記選択還元型触媒に対
して補助還元剤を添加可能であるのが好ましい（請求項
７）。

【００１６】前記排気ガス分離手段Ａは、前記燃焼に寄
与した排気ガスを第１の排気通路に、前記燃焼に寄与し
なかった排気ガスを第２の排気通路に流し、前記第１の
排気浄化手段Ｂは、前記第１の排気通路の途中に位置す
るのが好ましい（請求項８）。前記排気ガス分離手段Ａ
は、前記第１の排気通路側の第１の排気弁と前記第２の
排気通路側の第２の排気弁とのバルブタイミングを異な
らせ、前記第１の排気弁の開時期を前記第２の排気弁の
開時期より遅く設定するとともに、前記第１の排気弁の
閉時期を前記第２の排気弁の閉時期より早く設定して、
排気ガスを分離するのが好ましい（請求項９）。

【００１７】成層燃焼運転時にて、前記第１の排気弁と
前記第２の排気弁とがともに開弁しているときに、前記
第１の排気通路の開口部面積は、前記第２の排気通路の
開口部面積より大きいのが好ましい（請求項１０）。前
記第１の排気弁は、機関運転条件に応じてバルブタイミ
ングを可変に設定可能であるのが好ましい（請求項１
１）。

【００１８】前記第１の排気弁は、機関回転数及び負荷
のうちの少なくとも一方の増加に応じて、弁開期間を延
長するのが好ましい（請求項１２）。または、前記第１
及び第２の排気通路は、燃焼室に接続する第３の排気通
路を介して燃焼室と連通し、前記排気ガス分離手段Ａ
は、前記３つの排気通路間に設けられ、前記第３の排気
通路からの排気ガスの流路を、選択的に前記第１の排気
通路に設定することにより、排気ガスを分離するのが好
ましい（請求項１３）。

【００１９】前記排気ガス分離手段Ａは、前記第１の排
気通路の選択期間を、機関運転条件に応じて可変に設定
可能であるのが好ましい（請求項１４）。前記排気ガス
分離手段Ａは、機関回転数及び負荷のうちの少なくとも
一方の増加に応じて、前記選択期間を延長するのが好ま
しい（請求項１５）。または、前記排気ガス分離手段Ａ
は、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁により、
前記第１の排気通路側の第１の排気弁及び前記第２の排
気通路側の第２の排気弁のうち、前記第１の排気弁の方
向に燃料を噴射して、排気ガスを分離してもよい（請求
項１６）。

【００２０】前記第１の排気通路と前記第２の排気通路
とは、前記第１の排気浄化手段Ｂより下流側で合流し、
該合流部より下流側の排気通路に、第２の排気浄化手段
Ｃを備えるのが好ましい（請求項１７）。前記排気ガス
分離手段Ａは、機関の始動時を含む冷機時において、前
記燃焼室から排出されるべき排気ガス量に対する、前記
第１の排気浄化手段Ｂに流入する排気ガス量の比を、ほ
ぼ１とするのが好ましい（請求項１８）。

【００２１】前記排気ガス分離手段Ａは、燃焼室内に燃
料を直接噴射する燃料噴射弁の、１つの排気通路に対す
る噴射方向を該排気通路の一方の側に偏らせることによ
り、該排気通路を流れる排気ガスを分離してもよい（請
求項１９）。

【００２２】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、次の効果
を得ることができる。成層燃焼では、点火栓近傍領域の
可燃空燃比の混合気のみが燃焼に寄与することができ、
その周辺領域の余剰空気は、燃焼に寄与することはでき
ない。従って、燃焼直後の燃焼室内には、燃焼に寄与し
て生成された排気ガスと、燃焼に寄与せずに生成された
排気ガスとが混在している。これらのうち、前者の排気
ガス中に、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの汚染成分が多く存在す
る。

【００２３】そこで、成層燃焼運転時にて、排気ガス分
離手段Ａにより、燃焼によって発生した排気ガスから実
際に燃焼に寄与して生成された排気ガスを分離すべく、
前記排気ガスを燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与し
なかった排気ガスとに分離し、これらの排気ガスのうち
燃焼に寄与した排気ガスのみを第１の排気浄化手段Ｂに
流入させることで、燃焼に寄与した排気ガスに含まれる
上記汚染成分は、第１の排気浄化手段Ｂ内に、これまで
以上に長く留まることができるようになる。従って、第
１の排気浄化手段Ｂによる排気浄化効果が高まる。

【００２４】請求項２に係る発明によれば、三元触媒に
より、成層燃焼により発生した汚染成分であるＨＣ，Ｃ
Ｏ，ＮＯｘを同時に浄化することができる。また、触媒
へは、排気ガス分離手段Ａにより分離された、平均空燃
比がストイキの燃焼に寄与した排気ガスのみが流入する
ため、これに含まれる汚染成分が触媒内に長く留まるこ
とができ、触媒による転換効率が向上する。

【００２５】請求項３に係る発明によれば、トラップ触
媒へは、排気ガス分離手段Ａにより分離された、平均空
燃比がリーンの燃焼に寄与した排気ガスのみが流入する
ため、これに含まれる汚染成分が触媒内に長く留まるこ
とができ、触媒によるトラップ効率が向上する。請求項
４に係る発明によれば、次の効果を得ることができる。

【００２６】トラップ触媒へは、排気ガス分離手段Ａに
より分離された燃焼に寄与した排気ガスのみが流入する
が、この燃焼に寄与した排気ガスは、成層燃焼により発
生した排気ガス全体よりリッチな状態にある。従って、
補助還元剤を添加して保持されているＮＯｘを脱離還元
することができるだけでなく、その添加量を低減してこ
れを行うことができる。

【００２７】請求項５に係る発明によれば、燃焼に寄与
した排気ガスの平均空燃比をリッチとすることで、トラ
ップ触媒に流入する排気ガスもリッチとなる。このた
め、成層燃焼運転時においても、排気ガス中の還元剤成
分により、保持されているＮＯｘを脱離還元することが
できる。請求項６に係る発明によれば、選択還元型触媒
へは、排気ガス分離手段Ａにより分離された、平均空燃
比がリーンの燃焼に寄与した排気ガスのみが流入するた
め、これに含まれる汚染成分が触媒内に長く留まること
ができ、触媒による転換効率が向上する。

【００２８】請求項７に係る発明によれば、選択還元型
触媒に添加される補助還元剤が触媒内に長く留まること
ができるため、添加する補助還元剤の量を低減すること
ができる。請求項８に係る発明によれば、燃焼に寄与し
た排気ガスは、排気ガス分離手段Ａにより燃焼に寄与し
なかった排気ガスから分離された後、燃焼に寄与しなか
った排気ガスとは別に第１の排気通路内を流れる。従っ
て、燃焼に寄与した排気ガスは、燃焼に寄与しなかった
排気ガスと混ざることなく第１の排気浄化手段Ｂに流入
することとなるので、第１の排気浄化手段Ｂによる排気
浄化効果をより高めることができる。

【００２９】請求項９に係る発明によれば、次の効果を
得ることができる。前述のように、成層燃焼直後の燃焼
室内には、燃焼に寄与して生成された排気ガスと、燃焼
に寄与せずに生成された排気ガスとが混在しているが、
前者は主に点火栓周りの燃焼室略中央に分布しており、
一方後者は、前記燃焼に寄与して生成された排気ガス周
辺の、より壁面に近いところに分布している。従って、
排気時では、まず、排気弁近傍の燃焼に寄与せずに生成
された排気ガスが排気され、さらに燃焼に寄与して生成
された排気ガスが続き、最後に燃焼に寄与せずに生成さ
れた排気ガスが排気される。

【００３０】そこで、排気時において、第１の排気弁
が、第２の排気弁の開時期より遅く開き、また第２の排
気弁の閉時期より早く閉じることで、主に燃焼室略中央
に分布する燃焼に寄与して生成された排気ガスを積極的
に抽出し、燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなか
った排気ガスとの分離を良好なものとして、浄化すべき
汚染成分を多く含む燃焼に寄与した排気ガスを、第１の
排気浄化手段Ｂに流すことができる。

【００３１】請求項１０に係る発明によれば、第１の排
気通路の排気ガス流量を、第２の排気通路の排気ガス流
量よりも大きくすることができるため、燃焼に寄与して
生成された排気ガスは、第１の排気通路側により積極的
に流入するようになる。このため、より多量の汚染成分
を第１の排気浄化手段Ｂに流すことができる。請求項１
１に係る発明によれば、第１の排気弁のバルブタイミン
グを機関運転条件に応じて変更することで、燃焼に寄与
して生成された排気ガスを効率的に抽出して排気ガスを
分離することができる。

【００３２】請求項１２に係る発明によれば、次の効果
を得ることができる。機関回転数が増加すると、１サイ
クル当たりの排気の実時間は減少する。このときに、第
１の排気弁の弁開期間を延長することで、第１の排気弁
による排気の実時間を延長して、燃焼に寄与して生成さ
れた排気ガスの第１の排気通路への流入量を可及的に維
持することができる。

【００３３】また、負荷が増加すると、これに付随して
燃料噴射量も増加して、燃焼に寄与することのできる混
合気の絶対量が増える。従って、この場合にも第１の排
気弁の弁開期間を延長することで、燃焼に寄与して生成
された排気ガスをより多く第１の排気通路に流すことが
できる。請求項１３に係る発明によれば、次の効果を得
ることができる。

【００３４】排気時には、前述のように、燃焼に寄与せ
ずに生成された排気ガス、燃焼に寄与して生成された排
気ガス、及び燃焼に寄与せずに生成された排気ガスが順
次排気され、第３の排気通路を流れる。従って、第３の
排気通路からの排気ガスの流路を選択的に第１の排気通
路に設定することで、排気ガスを容易に分離することが
できる。

【００３５】請求項１４に係る発明によれば、第１の排
気通路の選択期間を機関運転条件に応じて変更すること
で、燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなかった排
気ガスとを、より高精度に分離することができる。請求
項１５に係る発明によれば、次の効果を得ることができ
る。機関回転数が増加すると、１サイクル当たりの排気
の実時間は減少する。このときに、第１の排気通路の選
択期間を延長することで、燃焼に寄与して生成された排
気ガスの第１の排気通路への流入量を可及的に維持する
ことができる。

【００３６】また、負荷が増加すると、これに付随して
燃料噴射量も増加して、燃焼に寄与することのできる混
合気の絶対量が増える。従って、この場合にも第１の排
気通路の選択期間を延長することで、燃焼に寄与して生
成された排気ガスをより多く第１の排気通路に流すこと
ができる。請求項１６に係る発明によれば、燃料の噴射
方向を第１の排気弁の方向に傾けることで、燃焼に寄与
することのできる混合気は、第１の排気弁近傍に集中的
に分布されることとなる。従って、第１の排気弁と第２
の排気弁とのバルブタイミングが同じであっても、燃焼
に寄与して生成された排気ガスを、第２の排気通路より
も、第１の排気通路内に多量に取り込むことができる。

【００３７】請求項１７に係る発明によれば、第１の排
気浄化手段Ｂを浄化されずに通過した汚染成分と、排気
ガス分離手段Ａにより分離されて第２の排気通路を介し
た排気ガス中の汚染成分とを、第２の排気浄化手段Ｃに
より浄化することができる。請求項１８に係る発明によ
れば、第１の排気浄化手段Ｂの暖機（活性化）のため
に、燃焼に寄与した排気ガスの熱に加えて燃焼に寄与し
なかった排気ガスの熱をも利用することができるため、
第１の排気浄化手段Ｂの暖機に要する時間を短縮するこ
とがきる。

【００３８】請求項１９に係る発明によれば、燃料の噴
射方向を１つの排気通路の一方の側に偏らせることで、
燃焼に寄与することのできる混合気は、この排気通路に
対して、前記一方の側に偏って分布されることとなる。
従って、排気時には、前記１つの排気通路を、燃焼に寄
与して生成された排気ガスが前記一方の側に沿って偏っ
て流れることとなるので、排気通路が１つのみ形成され
る内燃機関においても、排気ガスを分離し、触媒による
排気浄化効果を高めることができる。

【００３９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。図２は、本発明の第１の
実施形態に係る内燃機関（以下、「エンジン」とい
う。）１の構造を概略示す断面図であり、本発明に係る
排気浄化装置を備えている。同図を参照して、エンジン
１の構造について説明する。

【００４０】エンジン１の吸気通路２の入口には、エア
クリーナ３が取り付けられている。このすぐ下流には、
エアフロメータ４が設置されており、その検出信号が後
述する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という。）
４１に送られて、エンジン１への吸入空気量Ｑａを測定
可能となっている。エアフロメータ４の下流の吸気通路
２には、スロットル弁５が設置されており、これにより
吸入空気量Ｑａが制御される。さらに、スロットル弁５
の下流には、コレクタ６及びポート部７が接続し、スロ
ットル弁５により流量制御された空気は、これらを介し
て、１気筒につき２つの吸気弁８（８ａ，８ｂ）の弁開
期間にてシリンダ９内の燃焼室に供給される。これらの
吸気弁８ａ及び８ｂは、ＥＣＵ４１からの制御信号を基
に作動する吸気側電磁アクチュエータ３１により、所定
のバルブタイミングにて吸気通路２を開く。

【００４１】シリンダ９の内部には、ピストン１０が往
復動自在に挿入されている。このピストン１０の冠面に
は、タンブル制御のための凹凸１１が設けられており、
燃焼室内に進入した吸入空気は、この凹凸１１により案
内されてタンブル流を形成する。なお、ポート部７は、
燃焼室に対して、タンブル流が形成され易い角度をもっ
て接続している。

【００４２】また、シリンダ９には、燃料噴射弁１２
が、ポート部７の開口部近傍にて燃焼室内に直接臨むよ
うに設置されており、さらに点火栓１３が、燃焼室略中
央に位置するように設置されている。上記のようにして
タンブル流を形成する吸入空気に対して、燃料噴射弁１
２により所定のタイミングに、所定量の燃料が噴射供給
され、このようにして形成された混合気は、点火栓１３
の作動により、所定のタイミングにて着火燃焼する。

【００４３】なお、燃料噴射弁１２は、エンジン１の燃
焼方式に応じて噴射時期が切り換えられ、燃料を燃焼室
内に均一に分布させて出力を得る均質燃焼の場合には、
吸気行程にて噴射する。一方、燃焼に寄与することので
きる可燃空燃比の混合気を点火栓１３の近傍に分布させ
て混合気を層状化して、燃費向上を狙う成層燃焼の場合
には、圧縮行程にて噴射する。

【００４４】燃焼後、生成された排気ガスは、１気筒に
つき２つずつ形成されている排気ポート２１（２１ａ，
２１ｂ）から排気通路２２（２２ａ，２２ｂ）を通して
排気される。これらの排気通路２２ａ及び２２ｂをそれ
ぞれ開閉する排気弁２３（２３ａ，２３ｂ）は、ＥＣＵ
４１からの制御信号を基に作動する排気側電磁アクチュ
エータ３２により駆動される。

【００４５】なお、排気弁２３ａ及び２３ｂと、排気側
電磁アクチュエータ３２とは、本発明の排気ガス分離手
段を構成する。図３は、シリンダ９を上方から見たとこ
ろを表している。２つの排気通路２２ａ，２２ｂのうち
第１の排気通路２２ａの途中には、上流側の触媒コンバ
ータ２４を設けている。この触媒コンバータ２４には、
エンジン１とのマッチングに応じて三元触媒、ＮＯｘト
ラップ触媒及びＮＯｘ選択還元触媒のいずれをも内蔵さ
せることができる。排気通路２２ａと２２ｂとは、触媒
コンバータ２４より下流において合流しており、該合流
部より下流の排気通路に、下流側の触媒コンバータ２５
を設けてある。

【００４６】下流側の触媒コンバータ２５は、第１の排
気通路２２ａを通過したものの上流側の触媒コンバータ
２４において完全に浄化しきれなかった汚染成分や、第
２の排気通路２２ｂを通過した排気ガス中の汚染成分
を、大気への放出前に浄化するためのものであり、やは
りエンジン１とのマッチングに応じて適宜選択すること
ができる。

【００４７】なお、上流側の触媒コンバータ２４は、本
発明の第１の排気浄化手段を構成し、下流側の触媒コン
バータ２５は、本発明の第２の排気浄化手段を構成す
る。また、図２に示すように、排気通路にＯ₂センサ５
１を設置し、これにより排気ガス中のＯ₂濃度を測定す
るようにしてある。そして、エンジン１を理論空燃比で
運転する際には、このＯ₂センサ５１からの情報を基
に、フィードバック制御を行う。

【００４８】電子制御ユニット４１は、ＣＰＵ、ＲＯ
Ｍ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェースを
含んで構成され、吸入空気量ＱａやＯ₂濃度の他、クラ
ンク角センサ５２からのクランク軸回転位置信号（これ
に基づいてエンジン回転数Ｎｅを算出することができ
る。）、アクセルセンサ５３からのアクセルペダル開度
信号Ａｐｓ、及び水温センサ５４からのエンジン冷却水
温Ｔｗなどの情報を入力し、これらを基に、吸気側電磁
アクチュエータ３１及び排気側電磁アクチュエータ３２
についての制御信号を発生する。

【００４９】次に、電子制御ユニット４１の制御内容
を、図４及び５に示すフローチャートを参照して説明す
る。まず始めに、燃焼方式選択について図４を参照して
説明した後、続いて、排気側電磁アクチュエータ３２の
燃焼方式に応じた制御について図５を参照して説明す
る。図４は、燃焼方式選択ルーチンのフローチャートで
ある。

【００５０】まず、ステップ（以下、単に「Ｓ」とい
う。）１で各種運転条件を読み込んだ後、続くＳ２で、
アクセル開度Ａｐｓを基に、マップから目標トルクＴＴ
Ｃを求める。Ｓ３では、エンジン回転数Ｎｅと目標トル
クＴＴＣとを基に、燃焼フラグＦCmb （０〜２）を設定
する。成層燃焼により燃費向上を図るべき運転条件にお
いては、燃焼フラグＦCmb は０に設定される。これ以外
の運転条件では、均質燃焼が行われることとなるが、特
に燃費を向上すべき領域においては、均質リーン燃焼の
ため、燃焼フラグＦCmb は１に設定される。上記２つの
領域以外の領域では、均質ストイキ燃焼のため、燃焼フ
ラグＦCmb は２に設定される。

【００５１】Ｓ４では、水温Ｔｗが所定値ＴｗＬ以上か
否かを判定する。所定値ＴｗＬ以上であると判定された
場合には、本ルーチンをそのままリターンして、Ｓ３で
設定された燃焼フラグＦCmb を維持する。しかし、上記
判定が否定的（即ち、水温Ｔｗが所定値ＴｗＬ未満）と
判定された場合には、Ｓ５に進んで、燃焼フラグＦCmb
を２に設定する。冷機時では、リーン燃焼を行う場合に
安定性が得られない可能性があるため、リーン燃焼を禁
止し、理論空燃比での燃焼を行うためである。

【００５２】次に、排気側電磁アクチュエータ３２の燃
焼方式に応じた制御について説明する。図５は、排気弁
２３ａ及び２３ｂのバルブ作動角設定ルーチンの基本的
な流れを示すフローチャートである。まず、Ｓ１１で
は、各種制御情報を読み込む。Ｓ１２では、水温Ｔｗが
所定値ＴｗＬ以上であるか、すなわち、エンジン１の暖
機後であるか否かを判定する。所定値ＴｗＬ以上である
と判定された場合には、Ｓ１４に進む。一方、上記判定
が否定的である場合（冷機時）には、Ｓ１３に進んで、
第２の排気弁２３ｂを停止してその閉状態を維持し、第
１の排気弁２３ａのみによる排気を選択する。エンジン
始動時を含む冷機時では、触媒温度を上げて触媒を活性
化する必要があるので、かかる条件において発生したす
べての排気ガスを上流側の触媒コンバータ２４に提供す
ることにより、より多くの熱量を触媒に与え、活性時間
の短縮を図るのである。

【００５３】Ｓ１４では、燃焼フラグＦCmb が０である
か、すなわち、選択された燃焼方式が成層燃焼であるか
否かを判定する。その結果、燃焼フラグＦCmb が０であ
ると判定された場合には、Ｓ１５に進んで、エンジン回
転数Ｎｅと、目標トルクＴＴＣとに対応させて割り付け
られたマップを用いて、排気弁２３ａ及び２３ｂの目標
バルブ作動角を設定する。

【００５４】例えば、運転条件が領域Ａにある場合に
は、第１及び第２の排気弁２３ａ，２３ｂのリフトカー
ブは、それぞれ図６（ａ）に示すプロフィールＰra１，
Ｐrb１のようになり、第１の排気弁２３ａの開時期は、
第２の排気弁２３ｂの開時期より遅く設定され、また第
１の排気弁２３ａの閉時期は、第２の排気弁２３ｂの閉
時期より早く設定される。

【００５５】第１の排気弁２３ａの目標バルブ作動角
は、エンジン回転数Ｎｅの変化に伴い、そして特に目標
トルクＴＴＣの変化に伴って変更され、これらの増大に
応じて目標バルブ作動角が拡大設定される（図の矢印方
向）と、図６（ｂ）に示すプロフィールＰra２のよう
に、第１の排気弁２３ａは、開時期が早められるととも
に閉時期が遅らされて、弁開期間が延長される。

【００５６】一方、Ｓ１４の判定結果が否定的、すなわ
ち、選択された燃焼方式が均質燃焼（均質リーン燃焼又
は均質ストイキ燃焼）であると判定された場合には、Ｓ
１６に進んで、選択された燃焼方式のための目標バルブ
作動角を設定する。図７は、成層燃焼運転時における燃
焼直後の燃焼室内のＣＯ₂濃度の分布傾向を表してい
る。

【００５７】前述のようにして燃焼方式として成層燃焼
が選択された場合（即ち、燃焼フラグＦCmb ＝０）に
は、点火栓１３近傍の混合気のみが燃焼に寄与すること
ができ、その周辺の混合気は稀薄な状態であって、燃焼
に寄与することができない。このため、燃焼直後の燃焼
室内のＣＯ₂濃度分布は、図示のように、点火栓１３周
りが高く、さらにその周りは低くなる。

【００５８】このようなＣＯ₂濃度の分布傾向は、排気
弁２３が開いて排気が開始された後も、およそ維持され
る。すなわち、排気弁２３が開くと、まず、排気弁２３
近傍の燃焼に寄与せずに生成されたＣＯ₂濃度の低い排
気ガスが燃焼室から排出され、さらに燃焼室中央部に集
中している燃焼に寄与して生成されたＣＯ₂濃度の高い
排気ガスが続き、最後に排気弁２３から遠い位置にある
ＣＯ₂濃度の低い排気ガスが排出されることとなる。従
って、燃焼室から排気通路２２に排出される排気ガス中
のＣＯ₂濃度は、図８（ａ）に示すような傾向で変化す
る。

【００５９】排気ガス中のＣＯ₂濃度は、排気ガスの空
燃比をほぼ示しているから、排気ガス中のＣＯ₂濃度、
ＣＯ濃度及び排気ガスの空燃比の時間変化は、それぞれ
図８（ａ）〜（ｃ）のようになる。なお、ＣＯは、一般
的に、空燃比がリッチな領域において検出されるもので
あり、図示のＣＯの検出点は、ＣＯ₂濃度変化のピーク
点に対応し、該ピーク点にくぼみが検出される。

【００６０】また、燃焼に寄与して生成されたＣＯ₂濃
度の高い排気ガスには、燃焼時に発生したＮＯｘが多く
含まれており、一方、燃焼に寄与せずに生成されたＣＯ
₂濃度の低い排気ガスに含まれるＮＯｘは、少ない。従
って、ＮＯｘを多く含む排気ガスは、主に排気行程中期
に排出されることとなる。そこで、前述の構成により、
第１の排気弁２３ａの弁開期間を排気行程中期、すなわ
ち、燃焼に寄与して生成されたＮＯｘを多く含む排気ガ
スの排出タイミングにあわせて設定することで、ＮＯｘ
を多く含む排気ガスのみを上流側の触媒コンバータ２４
に流すことができる。

【００６１】ここで、上流側の触媒コンバータ２４に三
元触媒を内蔵させた場合には、空燃比が主にストイキ〜
リッチの燃焼に寄与して生成された排気ガスを、第１の
排気通路２２ａ内に取り込むことで、第１の排気通路２
２ａ内の平均空燃比をストイキとし、三元触媒の転換効
率が最も高い状態で排気ガス中のＮＯｘを浄化すること
ができる。

【００６２】この触媒コンバータ２４ですべてのＮＯｘ
を浄化しきれないとしても、下流側の触媒コンバータ２
５にＮＯｘトラップ触媒や、ＮＯｘ選択還元触媒を内蔵
させることで、残りのＮＯｘを浄化することができる。
このとき、下流側の触媒によって浄化すべきＮＯｘは上
流側の触媒によって低減されているので、燃費やエミッ
ションを改善することができる。

【００６３】また、上流側の触媒コンバータ２４にＮＯ
ｘトラップ触媒を内蔵させた場合には、第１の排気通路
２２ａ内の平均空燃比は、リーンにする。すなわち、排
気ガス中のＮＯｘをトラップするときには、第１の排気
弁２３ａの弁開期間を図９（ａ−１）に示すΔｔａとし
て、空燃比がストイキ〜リッチの排気ガスの排出タイミ
ングを含む比較的長期に渡って第１の排気弁２３ａを開
弁させる。このときの第１及び第２の排気弁２３ａ，２
３ｂのリフトカーブは、それぞれ図９（ａ−２）のプロ
ファイルＰra３，Ｐrb３のようになる。

【００６４】これに対して、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯ
ｘ保持量が所定量以上となった場合など、保持されてい
るＮＯｘを還元するときには、第１の排気弁２３ａの弁
開期間を図９（ｂ−１）に示すΔｔｂとして、空燃比が
リッチの排気ガスの排出タイミングにおいて第１の排気
弁２３ａを開弁させる。このときの第１及び第２の排気
弁２３ａ，２３ｂのリフトカーブは、それぞれ図９（ｂ
−２）のプロファイルＰra４，Ｐrb４のようになり、第
１の排気弁２３ａの弁開期間は、ＮＯｘをトラップする
ときと比べて、より狭められる。

【００６５】このようにして上流側の触媒コンバータ２
４に流入する排気ガスの空燃比をリッチとすることで、
保持されているＮＯｘを、排気ガス中の還元剤成分によ
って還元浄化することができる。また、上流側の触媒コ
ンバータ２４に三元触媒や、ＮＯｘ選択還元触媒などを
内蔵させる場合には、触媒コンバータ２４上流の第１の
排気通路２２ａ内にＮＨ ₃，Ｈ₂，ＣＯ，ＨＣなどの補
助還元剤を添加して、ＮＯｘを浄化することも可能であ
る。第１の排気通路２２ａ内の排気ガスは、そのリーン
度合いが従来よりも低くなっている（よりリッチ側にあ
る）から、補助還元剤の添加量は、従来よりも少なくて
済む。

【００６６】図１０は、成層燃焼運転時における燃焼直
後の燃焼室内のＣＯ₂濃度の分布傾向を、負荷の違い
（高低）に分けて表したものである。また、図１１は、
負荷が低い場合と高い場合とにおける第１及び第２の排
気弁２３ａ，２３ｂの弁開期間を、燃焼室から排出され
る排気ガス中のＣＯ₂濃度の時間変化に対応させて示し
たものである。

【００６７】低負荷側、すなわち、燃料噴射量が少ない
場合には、図１０（ａ）に示すように、ＣＯ₂濃度の高
い部分は点火栓１３近傍のごく狭い範囲内に限られ、そ
の周辺に形成されるＣＯ₂濃度の低い部分の占める割合
が大きくなる。このため、排気ガス中のＣＯ₂濃度の時
間変化は、図１１（ａ）のように一時的なピークを形成
する。前述のように、排気ガス中のＣＯ₂濃度は、排気
ガスの空燃比をほぼ示しているから、第１の排気弁２３
ａの作動角を狭めることで、燃焼に寄与して生成された
排気ガスを精度良く第１の排気通路２２ａ内に取り込む
ことができる。

【００６８】一方、高負荷側、すなわち、燃料噴射量が
多い場合には、図１０（ｂ）に示すように、ＣＯ₂濃度
の高い部分は点火栓１３周りの比較的広い範囲に拡大す
る。このため、排気ガス中のＣＯ₂濃度は、図１１
（ｂ）のように高濃度値をある程度の時間維持する。従
って、第１の排気弁２３ａの作動角を比較的広くとるこ
とで、燃焼に寄与して生成された排気ガスを、より多く
第１の排気通路２２ａ内に取り込むことができる。

【００６９】本実施形態では、吸排気弁の動弁装置とし
て、電磁駆動式アクチュエータを利用しているので、バ
ルブタイミングだけでなくリフト量も所望に変化させる
ことができる。そこで、第１の排気弁２３ａ及び第２の
排気弁２３ｂのリフトカーブを、例えば図１２に示すプ
ロファイルＰra５，Ｐrb５に沿うように設定して、第１
及び第２の排気弁がともに開弁しているときに、第１の
排気弁のリフト量が、第２の排気弁のリフト量よりも大
きくなるようにする。

【００７０】これにより、排気ポート２１ａの開口部面
積が、排気ポート２１ｂの開口部面積よりも大きくなる
ため、第２の排気通路２２ｂへの排気ガス流量よりも、
第１の排気通路２２ａへの排気ガス流量を大きくするこ
とができる。なお、第２の排気通路２２ｂの流路面積を
調節可能な絞り弁を設けても、同様な効果を得ることが
できる。

【００７１】さらに、第１の排気弁２３ａ及び第２の排
気弁２３ｂのリフトカーブを、図１３に示すプロファイ
ルＰra６，Ｐrb６に沿うように設定して、燃焼室から燃
焼に寄与して生成された排気ガスが排出されるタイミン
グにあわせて第１の排気弁２３ａを開き、これとともに
第２の排気弁２３ｂのリフト量を小さくすることも可能
である。

【００７２】以上の説明では、複数の排気通路のうち特
定の排気通路に対して、上流側の触媒コンバータ２４を
個別に設置する例を説明したが、本発明はこれに限ら
ず、集合的な上流側の触媒コンバータを設けて、実施す
ることもできる。図１４は、その一例を示しており、す
べての排気通路が１つの上流側の触媒コンバータ１２４
に接続されている。この触媒コンバータ１２４内は、格
子状の通路となっているため、分離された後に混ざり合
うことなく流入した排気ガス（即ち、燃焼に寄与した排
気ガス及び燃焼に寄与しなかった排気ガス）は、触媒コ
ンバータ１２４内においても混ざり合うことはない。上
流側の触媒コンバータ１２４下流の排気通路には、下流
側の触媒コンバータを設けることもできる。

【００７３】このように、本発明によれば、成層燃焼運
転時において、燃焼に寄与して生成されたＮＯｘを多く
含む排気ガスを、積極的に排気通路２２ａ内に取り込む
ことができる。その結果、燃焼によって発生した排気ガ
スは、燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなかった
排気ガスとに分離され、燃焼に寄与した排気ガスのみ
が、前記分離状態が維持されたまま上流側の触媒コンバ
ータ２４（集合的な触媒コンバータ１２４の一部）に流
入することとなる。従って、汚染成分を多く含む排気ガ
スを選択的に上流側の触媒コンバータ２４に流入させる
ことができ、体積を増すことなく上流側の触媒の空間速
度を低減し、その触媒による転換効率（又はトラップ効
率）を高めることができる。

【００７４】本実施形態では、電磁駆動式の動弁装置を
利用しているが、本発明はこれに限らず、カム駆動式の
可変動弁装置を利用しても同様な効果を得ることができ
るし、また、所望のリフトカーブを与える固定カムを設
けてもよい。次に、本発明の第２の実施形態について説
明する。図１５は、本実施形態に係るエンジン１０１の
構造を概略示す断面図である。前述のエンジン１と同一
の構成部分については、図２における符号と同一の符号
を付している。

【００７５】エンジン１０１は、本発明の排気ガス分離
手段としての流路切換え弁２６１を備えており、１組の
第１及び第２の排気通路２２ａ，２２ｂとこの切換え弁
２６１を介して接続するポート部３２１が形成されてい
る。従って、燃焼後、排気ガスはこのポート部３２１か
ら、排気通路３２６を通って切換え弁２６１に至る。切
換え弁２６１は、燃焼に寄与して生成された排気ガスが
流入するタイミングにて、排気ガスの流路を第１の排気
通路２２ａに設定し、一方燃焼に寄与せずに生成された
排気ガスが流入するタイミングにて、排気ガスの流路を
第２の排気通路２２ｂに設定する。

【００７６】なお、切換え弁２６１は、ＥＣＵ４１から
の制御信号を基に駆動される。第１の排気通路２２ａの
選択期間は、燃焼方式（成層燃焼、均質リーン燃焼又は
均質ストイキ燃焼）に応じて、またエンジン回転数や負
荷などに応じて可変に設定することができる。また、第
１の排気通路２２ａの途中には、上流側の触媒コンバー
タ２４が設けられている。第１及び第２の排気通路２２
ａ，２２ｂの合流部より下流に、下流側の触媒コンバー
タ２５を適宜設けることができる。

【００７７】なお、吸排気弁の動弁装置は、求められる
エンジン性能に応じて選択することができるが、図示の
例では、吸気弁８は、リフタ３１を介して吸気側カム３
２により、排気弁２３は、リフタ３３を介して排気側カ
ム３４により、それぞれ駆動される。排気ガスを燃焼に
寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなかった排気ガスとに
分離する方法は、以上に示した排気弁２３や、流路切換
え弁２６１によるものに限られない。以下に示すよう
に、燃料噴射弁による燃料の噴射方向により分離するこ
とも可能である。そこで、次に、本発明の第３の実施形
態について説明する。

【００７８】図１６は、本実施形態に係るエンジン２０
１の構造を示す平面図である。前述のエンジン１と同一
の構成部分については、図２における符号と同一の符号
を付している。このように、燃焼室内に燃料を直接噴射
する燃料噴射弁２１２の噴射方向を、第１の排気通路２
２ａのポート部（排気弁）に向けて設定し、燃焼に寄与
することのできる混合気を、このポート部の開口部近傍
に集中させる。これにより、燃焼に寄与して生成された
排気ガスを、第２の排気通路２２ｂよりも、第１の排気
ポート２２ａ内に多量に取り込むことができる。

【００７９】これに加えて、図１７に示すように、ピス
トン２０９の冠面に形成されるピストンボウル（凹部）
Ｃの位置を、第１の排気通路２２ａの開口部寄りに設定
して、燃焼に寄与することのできる混合気を、前記開口
部近傍に集中させることとしてもよい。ここに、燃料噴
射弁２１２及びピストンボウルＣは、本発明の排気ガス
分離手段を構成する。

【００８０】次に、本発明の第３の実施形態について説
明する。図１８は、本実施形態に係るエンジン３０１の
構造を示す平面図である。前述のエンジン１と同一の構
成部分については、図２における符号と同一の符号を付
している。エンジン３０１では、各気筒につき１つの排
気通路３２２が形成されており、この排気通路３２２に
上流側の触媒コンバータ３２４が接続している。また、
燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁３１２の噴射
方向は、排気通路３２２の開口部（排気弁）の一方の側
に向けて設定されている。

【００８１】このような構成によれば、燃焼に寄与する
ことのできる混合気は、排気通路３２２に対して、その
開口部の一方の側に偏って形成されるから、燃焼後に排
気弁が開くと、燃焼に寄与して生成された排気ガスは、
主に図の斜線領域Ｒを流れる。従って、上流側の触媒コ
ンバータ３２４の特定の部分に燃焼に寄与して生成され
た排気ガスを集中して流入させることができるので、触
媒による排気浄化効果を高めることができる。

【００８２】ここに、燃料噴射弁３１２は、本発明の排
気ガス分離手段を構成する。なお、上流側の触媒コンバ
ータ３２４に三元触媒を内蔵させる場合には、領域Ｒの
平均空燃比はほぼストイキとなるので、汚染成分を効率
よく浄化することができる。また、排気通路３２２内に
セパレータを設けて、通路内における燃焼に寄与して生
成された排気ガスの偏りを保つこととしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を示すブロック図

【図２】本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の構成
を概略示す断面図

【図３】同上内燃機関の排気系の平面図

【図４】燃焼方式選択ルーチンのフローチャート

【図５】目標バルブ作動角設定ルーチンのフローチャー
ト

【図６】排気弁のリフトカーブの一例を示す図

【図７】成層燃焼運転時における燃焼直後の燃焼室内の
ＣＯ₂濃度の分布傾向を示す図

【図８】成層燃焼後に燃焼室から排出される排気ガス中
のＣＯ₂濃度、ＣＯ濃度及び空燃比の時間変化を示す図

【図９】燃焼に寄与した排気ガスの空燃比の制御方法を
示す図

【図１０】ＣＯ₂濃度分布の目標トルクに応じた変化傾
向を示す図

【図１１】排気弁開期間の目標トルクに応じた変化傾向
を示す図

【図１２】排気弁のリフトカーブの他の例を示す図

【図１３】排気弁のリフトカーブの他の例を示す図

【図１４】集合的な上流側の触媒コンバータの一例を示
す図

【図１５】本発明の第２の実施形態に係る内燃機関の構
成を概略示す断面図

【図１６】本発明の第３の実施形態に係る内燃機関の構
成を概略示す平面図

【図１７】同上内燃機関のピストン形状を示す図

【図１８】本発明の第４の実施形態に係る内燃機関の構
成を概略示す平面図

【符号の説明】

１…エンジン２…吸気通路８…吸気弁９…シリンダ１０…ピストン１２…燃料噴射弁１３…点火栓２１…排気ポート２２…排気通路２３…排気弁２４…上流側の触媒コンバータ２５…下流側の触媒コンバータ３１…吸気側電磁アクチュエータ３２…排気側電磁アクチュエータ４１…電子制御ユニット２６１…流路切換え弁

───────────────────────────────────────────────────── 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 3/24 Ｆ０１Ｎ 3/24 ＵＨ 3/28 ３０１ 3/28 ３０１ＣＦ０２Ｂ 17/00 Ｆ０２Ｂ 17/00 Ｆ 23/10 23/10 ＤＦ０２Ｄ 41/04 ３２０Ｆ０２Ｄ 41/04 ３２０３３５３３５Ｃ 41/06 ３３５ 41/06 ３３５ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｊ３０１Ｔ３０１Ｚ (72)発明者福田隆神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者椎野俊一神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G023 AA04 AA05 AB03 AC05 AD02 AD06 AD29 AE05 AG01 AG02 3G084 AA04 BA15 BA19 BA23 BA24 CA01 CA02 DA10 FA07 FA20 FA28 FA29 FA32 FA33 FA38 3G091 AA12 AA17 AA24 AB03 AB05 AB06 BA03 BA14 BA15 BA19 BA32 BA33 CA12 CA13 CA17 CA18 CA19 CB02 CB03 CB07 CB08 DA01 DA02 DB10 EA01 EA03 EA05 EA07 EA16 EA31 EA34 FA02 FA04 FB02 FB10 FB11 FB12 FC02 FC04 FC07 GA06 HA08 HA36 HA37 3G092 AA01 AA06 AA09 AA10 AA11 CB02 DA01 DA02 DA07 DA11 DA14 DC12 DC14 EA03 EA04 EA05 EA06 EA07 EA14 GA01 GA02 HA01Z HE01Z HE03Z HE06X HE08Z HF08Z 3G301 HA01 HA04 HA09 HA16 HA17 HA19 JA25 JA26 KA01 KA05 KA06 LA01 LA07 LB04 MA18 NE11 NE12 NE13 NE14 NE15 PA01Z PE01Z PE03Z PE06Z PE08Z PF03Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室内に、点火栓近傍領域が可燃空燃比
となり、その周辺領域が稀薄な不可燃空燃比となる混合
気層を形成して、成層燃焼を行わせることのできる内燃
機関の排気浄化装置であって、前記成層燃焼により発生した排気ガスから実際に燃焼に
寄与して生成された排気ガスを分離すべく、前記排気ガ
スを燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなかった排
気ガスとに分離する排気ガス分離手段と、前記燃焼に寄与した排気ガスのみが流入する第１の排気
浄化手段と、を含んで構成される内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】前記第１の排気浄化手段は、三元触媒を有
し、前記排気ガス分離手段は、前記燃焼に寄与した排気ガス
の平均空燃比がストイキとなるように、排気ガスを分離
す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】前記第１の排気浄化手段は、流入した排気
ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘをト
ラップして保持し、流入した排気ガスの空燃比がリッチ
のときに保持しているＮＯｘを排気ガス中の還元剤成分
で還元するトラップ触媒を有し、前記排気ガス分離手段は、前記燃焼に寄与した排気ガス
の平均空燃比がリーンとなるように、排気ガスを分離す
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４】前記トラップ触媒によるＮＯｘ保持量が所
定量以上となったときに、前記トラップ触媒に対して補
助還元剤を添加可能であ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】前記排気ガス分離手段は、前記トラップ触
媒によるＮＯｘ保持量が所定量以上となったときに、前
記燃焼に寄与した排気ガスの平均空燃比がリッチとなる
ように排気ガスを分離可能であることを特徴とする請求
項３又は４記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】前記第１の排気浄化手段は、空燃比がリー
ンの排気ガスを流入して、流入した排気ガス中のＮＯｘ
を排気ガス中の還元剤成分で還元可能な選択還元型触媒
を有し、前記排気ガス分離手段は、前記燃焼に寄与した排気ガス
の平均空燃比がリーンとなるように、排気ガスを分離す
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７】前記選択還元型触媒に対して補助還元剤を
添加可能であることを特徴とする請求項６記載の内燃機
関の排気浄化装置。
【請求項８】前記排気ガス分離手段は、前記燃焼に寄与
した排気ガスを第１の排気通路に、前記燃焼に寄与しな
かった排気ガスを第２の排気通路に流し、前記第１の排気浄化手段は、前記第１の排気通路の途中
に位置することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１
つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】前記排気ガス分離手段は、前記第１の排気
通路側の第１の排気弁と前記第２の排気通路側の第２の
排気弁とのバルブタイミングを異ならせ、前記第１の排
気弁の開時期を前記第２の排気弁の開時期より遅く設定
するとともに、前記第１の排気弁の閉時期を前記第２の
排気弁の閉時期より早く設定して、排気ガスを分離する
ことを特徴とする請求項８記載の内燃機関の排気浄化装
置。
【請求項１０】成層燃焼運転時にて、前記第１の排気弁
と前記第２の排気弁とがともに開弁しているときに、前
記第１の排気通路の開口部面積は、前記第２の排気通路
の開口部面積より大きいことを特徴とする請求項９記載
の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】前記第１の排気弁は、機関運転条件に応
じてバルブタイミングを可変に設定可能であることを特
徴をする請求項９又は１０記載の内燃機関の排気浄化装
置。
【請求項１２】前記第１の排気弁は、機関回転数及び負
荷のうちの少なくとも一方の増加に応じて、弁開期間を
延長することを特徴とする請求項１１記載の内燃機関の
排気浄化装置。
【請求項１３】前記第１及び第２の排気通路は、燃焼室
に接続する第３の排気通路を介して燃焼室と連通し、前記排気ガス分離手段は、前記３つの排気通路間に設け
られ、前記第３の排気通路からの排気ガスの流路を、選
択的に前記第１の排気通路に設定することにより、排気
ガスを分離することを特徴とする請求項８記載の内燃機
関の排気浄化装置。
【請求項１４】前記排気ガス分離手段は、前記第１の排
気通路の選択期間を、機関運転条件に応じて可変に設定
可能であることを特徴とする請求項１３記載の内燃機関
の排気浄化装置。
【請求項１５】前記排気ガス分離手段は、機関回転数及
び負荷のうちの少なくとも一方の増加に応じて、前記選
択期間を延長することを特徴とする請求項１４記載の内
燃機関の排気浄化装置。
【請求項１６】前記排気ガス分離手段は、燃焼室内に燃
料を直接噴射する燃料噴射弁により、前記第１の排気通
路側の第１の排気弁及び前記第２の排気通路側の第２の
排気弁のうち、前記第１の排気弁の方向に燃料を噴射し
て、排気ガスを分離することを特徴とする請求項８記載
の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１７】前記第１の排気通路と前記第２の排気通
路とは、前記第１の排気浄化手段より下流側で合流し、
該合流部より下流側の排気通路に、第２の排気浄化手段
を備えることを特徴とする請求項８〜１６のいずれか１
つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１８】前記排気ガス分離手段は、機関の始動時
を含む冷機時において、前記燃焼室から排出されるべき
排気ガス量に対する、前記第１の排気浄化手段に流入す
る排気ガス量の比を、ほぼ１とすることを特徴とする請
求項１〜１７のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄
化装置。
【請求項１９】前記排気ガス分離手段は、燃焼室内に燃
料を直接噴射する燃料噴射弁の、１つの排気通路に対す
る噴射方向を該排気通路の一方の側に偏らせることによ
り、該排気通路を流れる排気ガスを分離することを特徴
とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の内燃機関の
排気浄化装置。