JP2004132318A - Exhaust emission control device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
【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する。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼル機関に代表される希薄燃焼式内燃機関では、窒素酸化物NOxや未燃燃料成分(HC、CO)の排出量を低減するため種々の対策が講じられている。
【0003】
この対策の一つとして、排気通路にNOx触媒を設けた排気浄化装置がある。
【0004】
NOx触媒は、流入排気ガスの酸素濃度が高いとき、すなわち排気ガスの空燃比がリーンのときにその排気ガス中に含まれるNOxを吸蔵し、流入排気ガスの酸素濃度が低いとき、すなわち排気ガスの空燃比がリッチのときにその吸蔵していたNOxを二酸化窒素NO2や一酸化窒素NOの形で排気ガス中に還元・放出し、同時にそのNO2やNOを排気ガス中に含まれている未燃燃料成分CO、HCと酸化反応せしめることで無害な水蒸気H2O及び二酸化炭素CO2に浄化する排気浄化作用を備えている。
【0005】
しかしながら、ディーゼル機関においては、通常の燃焼状態のときには、A/F=25〜40に達する空気過剰のもとで機関運転が行われており、NOx触媒が吸蔵していたNOxを排気ガス中に還元・放出することが困難である。
【0006】
このような問題に対し、従来では、低負荷運転領域では、スモークの発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも燃焼室に供給される不活性ガスの量が多くスモークがほとんど発生しない低温燃焼が行われ、中高負荷運転領域では、スモークの発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも燃焼室に供給される不活性ガスの量が少ない通常燃焼が行われる内燃機関において、通常燃焼が行われるときには排気通路に還元剤を供給し、低温燃焼が行われるときには還元剤の供給を中止する技術が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。
【0007】
上記従来の技術によれば、低負荷運転領域においては燃焼室内に供給される不活性ガスの量が多いため、また、中高負荷運転領域においては排気通路に還元剤が供給されるため、排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となり、NOx触媒に吸蔵されていたNOxが排気ガス中に還元・放出されることになる。
【0008】
また、一般的なディーゼルエンジンでは、圧縮行程においてピストンが上死点付近にあるときにシリンダ内へ燃料を噴射する拡散燃焼が行われるが、近年では、NOxやスモークの発生低減を目的とし、吸気行程初期から圧縮行程の中期までの間にシリンダ内へ燃料を噴射し、噴射された燃料を圧縮行程で気化混合させて圧縮行程の終わりに自然発火により着火燃焼させる予混合圧縮着火燃焼方式が提案されている(例えば、特許文献2を参照)。この予混合圧縮着火燃焼では燃料と空気とが均一に混合した状態で燃焼することになるためNOxやスモークの発生を抑制することができる。
【0009】
予混合圧縮着火燃焼によれば、拡散燃焼よりもリッチな空燃比での燃焼が可能であるため(空燃比をリッチにしてもNOxやスモークの発生が少ない)、予混合圧縮着火燃焼を理論空燃比またはリッチ空燃比の下で行うことによって、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比とし、NOx触媒に吸蔵されてたNOxを排気ガス中に還元・放出することができる。
【0010】
【特許文献1】
特開2001−152832号公報
【特許文献2】
特開平9−158810号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来の技術においては、中高負荷運転時に通常燃焼の下で排気系に還元剤を供給する場合には、リーン空燃比の排気ガスを理論空燃比またはリッチ空燃比とするために多量の還元剤の供給が必要である。そのため、還元剤を燃料とした場合は燃費の悪化を招くことになり、また、多量の還元剤による触媒被毒によってNOx触媒の排気浄化能力の低下を招く虞がある。
【0012】
また、予混合圧縮着火燃焼においては、気筒内温度が高くなると、混合気の燃焼速度が速くなり、ピストンが圧縮行程上死点に到達する以前に急激に気筒内圧力が上昇する、いわゆる過早着火が発生し易くなる。そのため、気筒内温度が高くなる中高負荷運転領域では予混合圧縮着火燃焼を行うことは困難である。
【0013】
本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気浄化装置において、燃費の悪化や触媒被毒によるNOx触媒の排気浄化能力の低下を防止しつつ排気浄化を行うことができる内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下のような手段を採用した。すなわち、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
燃料噴射弁を具備し少なくとも2つの気筒群に分かれた複数の気筒を有する内燃機関と、
前記内燃機関の排気通路に設けられたNOx触媒と、
前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段と、を備え、
前記気筒群のうち、一方の気筒群では、前記気筒内において吸気工程または圧縮行程中に燃料が噴射され、前記気筒内に燃料と空気の予混合気を形成し、該予混合気を圧縮により着火させる第1の燃焼を行い、他方の気筒群では、前記気筒内において、ピストンが圧縮上死点付近にあり、高温となった燃焼室に燃料が噴射される第2の燃焼を行う構成としてもよい。
【0015】
この発明は、複数の気筒を少なくとも2つの気筒群に分け、一方の気筒群では、前記気筒内において吸気工程または圧縮行程中に燃料が噴射され、前記気筒内に燃料と空気の予混合気を形成し、該予混合気を圧縮により着火させる第1の燃焼、即ち、予混合圧縮着火燃焼を行い、他方の気筒群では、前記気筒内において、ピストンが圧縮上死点付近にあり、高温となった燃焼室に燃料が噴射される第2の燃焼、即ち、拡散燃焼を行うことを最大の特徴としている。
【0016】
前記予混合圧縮着火燃焼ではNOxやスモークの発生を誘発することなく理論空燃比またはリッチ空燃比での燃焼が可能である。そのため、本発明に係る排気浄化装置によれば、全ての気筒で前記拡散燃焼を行った場合に比べ排気ガス全体としての空燃比をリッチとすることができる。
【0017】
その結果、NOx触媒に吸蔵されていたNOxを排気ガス中に還元・放出するために排気通路へ添加される燃料を少なくする、または、不要とすることが可能となる。
【0018】
従って、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、過剰な燃料添加による燃費の悪化や触媒被毒によるNOx触媒の排気浄化能力の低下を防止しつつ排気浄化を行うことができる。
【0019】
また、前記拡散燃焼を行う気筒群から排出されるリーン空燃比の排気ガスと前記予混合圧縮着火燃焼を行う気筒群から排出される理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスとがNOx触媒を交互に流通することになるため、NOxの吸蔵と還元・放出とが繰り返されることになり、NOx触媒の排気浄化能力が活性化される。
【0020】
さらに、本発明に係る排気浄化装置によれば、前記一方の気筒群においては、前記予混合圧縮着火燃焼が可能な負荷領域で運転を行い、前記他方の気筒群においては、前記拡散燃焼によって前記一方の気筒群よりも高い負荷で運転を行うことができる。
【0021】
その結果、気筒全体としては、全ての気筒で前記予混合圧縮着火燃焼を行った場合に比べ、より高い負荷領域での運転が可能となる。
【0022】
従って、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、従来より広い負荷領域において、燃費の悪化や触媒被毒によるNOx触媒の排気浄化能力の低下を防止しつつ排気浄化を行うことができる。
【0023】
尚、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、前記予混合圧縮着火燃焼を行う気筒群からの排気ガスの空燃比を前記拡散燃焼を行う気筒群からの排気ガスの空燃比よりリッチとしてもよい。
【0024】
前記予混合圧縮着火燃焼を行う気筒群からの排気ガスの空燃比を前記拡散燃焼を行う気筒群からの排気ガスの空燃比よりリッチにする方法としては、前記予混合圧縮着火燃焼を行う気筒群に再循環される再循環ガス量を前記拡散燃焼を行う気筒群に再循環される再循環ガス量より多くする方法や、前記予混合圧縮着火燃焼を行う気筒群への吸入空気量を前記拡散燃焼を行う気筒群への吸入空気量より少なくする方法、等を例示することができる。
【0025】
また、前記予混合圧縮着火燃焼を行う気筒群からの排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比とした場合、該排気ガスへの燃料添加なしでもNOx触媒に吸蔵されていたNOxを還元・放出することができる。
【0026】
そこで、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、排気通路に燃料添加手段が設けられ、この燃料添加手段によって排気通路への燃料添加を行う場合は、前記拡散燃焼を行う気筒群からの排気ガスが前記燃料添加手段近傍を流通するときに燃料添加を実行する構成としてもよい。
【0027】
この構成によれば、燃料添加を行わない場合に比べて、前記拡散燃焼を行う気筒群からの排気ガスの空燃比がリッチとなるため、NOx触媒からのNOxの還元・放出を促進させることができる。また、前記予混合圧縮着火燃焼を行う気筒群からの排気ガスへは燃料添加は行われないため、過剰な燃料添加による燃費の悪化や触媒被毒によるNOx触媒の排気浄化能力の低下を防止することができる。
【0028】
更に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、全ての気筒で前記予混合圧縮着火燃焼を行い、一方の気筒群の空燃比をリッチ空燃比とし、他方の気筒群の空燃比をリーン空燃比とする構成としてもよい。
【0029】
この構成によれば、前記予混合圧縮着火燃焼が可能となる低負荷運転時においては、リッチ空燃比の排気ガスとリーン空燃比の排気ガスとが交互にNOx触媒を流通することになるため、NOx触媒の排気浄化能力がより活性化されることになる。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【0031】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【0032】
内燃機関1は、希薄燃焼式内燃機関の一種であるディーゼルエンジンであり、4つの気筒2a、2b、2c、2dを備えている。4つの気筒の内、1番気筒2aと3番気筒2cとで第1気筒群11を構成し、2番気筒2bと4番気筒2dとで第2気筒群12を構成している。
【0033】
ここで、前記内燃機関1の気筒周辺の構成について説明する。図2は、前記内燃機関1の気筒周辺の概略構成図である。
【0034】
前記内燃機関1は、シリンダブロック1bと、このシリンダブロック1bの上部に固定されたシリンダヘッド1aと、を備えており、前記シリンダブロック1bにシリンダ2が形成されている。また、前記シリンダ2の周囲には冷却水路1cが設けられている。
【0035】
シリンダブロック1bには、機関出力軸であるクランクシャフト73が回転自在に支持され、このクランクシャフト73は、各シリンダ2内に摺動自在に装填されたピストン72と連結されている。
【0036】
ピストン72の上方には、ピストン72の頂面とシリンダヘッド1aの壁面ととシリンダ2の壁面とに囲まれた燃焼室74が形成されている。
【0037】
シリンダヘッド1aには、2つの吸気ポート76の開口端と2つの排気ポート77の開口端とが燃焼室74に臨むよう形成されるとともに、噴孔が燃焼室74に臨むよう燃料噴射弁7が取り付けられている。
【0038】
吸気ポート76の各開口端は、シリンダヘッド1aに進退自在に支持された吸気弁78によって開閉されるようになっており、これら吸気弁78は、シリンダヘッド1aに設けられた電磁駆動機構80(以下、吸気側電磁駆動機構80と記す)によって開閉駆動されるようになっている。
【0039】
排気ポート77の各開口端は、シリンダヘッド1aに進退自在に支持された排気弁79により開閉されるようになっており、これら排気弁79は、シリンダヘッド1aに設けられた電磁駆動機構81(以下、排気側電磁駆動機構81と記す)によって開閉駆動されるようになっている。吸気側電磁駆動機構80と排気側電磁駆動機構81とは後述するECU20と電気的に繋がっており、ECU20によって吸気弁78と排気弁79との開閉時期及びリフト量は制御される。
【0040】
ここで図1に戻り、内燃機関1は燃料供給系、吸気系、排気系、制御系などをその主要構成要素として備えている。
【0041】
(燃料供給系)
燃料供給系は、燃料噴射弁7、コモンレール(蓄圧室)6、燃料供給管22、燃料ポンプ21、などを備え、各気筒2a〜2dに対して燃料供給を行っている。燃料噴射弁7は、各気筒2a〜2dに対して夫々設けられる電磁駆動式の開閉弁であり、各燃料噴射弁7は、燃料の分配管となるコモンレール6に接続されている。また、コモンレール6は、燃料供給管22を介して燃料ポンプ21に連結されている。
【0042】
このように構成された燃料供給系では、まず、燃料ポンプ21によって燃料タンク(図示略)内の燃料が汲み上げられる。汲み上げられた燃料は、燃料供給管22を介してコモンレール6に供給される。コモンレール6に供給された燃料は、コモンレール6内にて所定燃圧まで高められ、各燃料噴射弁7に分配される。燃料噴射弁7は、ECU20と電気的に繋がっており、燃料噴射弁7に駆動電圧が印可され燃料噴射弁7が開弁すると、その燃料は、燃料噴射弁7を介して気筒2内に噴射される。
【0043】
(吸気系)
吸気系は、吸気管14、エアクリーナボックス18、インタークーラ15、インテークマニホールド13、第1吸気支管3a、第2吸気支管3b、第1スロットル弁31、第2スロットル弁32などを備え、各気筒に対して空気を供給する吸気通路を形成している。
【0044】
吸気管14は、エアクリーナボックス18、インテークマニホールド13を介して吸入される空気を第1吸気支管3a及び第2吸気支管3bに導く通路を形成している。第1吸気支管3aは吸気管14を経て流入する空気を第1気筒群11の各気筒2a、2cに分配する通路を形成し、第2吸気支管3bは吸気管14を経て流入する空気を第2気筒群12の各気筒2b、2dに分配する通路を形成している。
【0045】
また、エアクリーナボックス18から第1吸気支管3a及び第2吸気支管3bに至る吸気管14には、吸入した空気を圧縮するターボチャージャ25(コンプレッサホイール25a)、及びターボチャージャ25にて圧縮した空気を冷却するインタークーラ15を備え、さらに、ターボチャージャ25の上流には、吸気管14に流れ込む空気の流量を計測するエアフロメータ19を備えている。
【0046】
また、第1吸気支管3aの直上流には、第1気筒群11に流れ込む空気量を調整する第1スロットル弁31を備え、第2吸気支管3bの直上流には、第2気筒群12に流れ込む空気量を加減する第2スロットル弁32を備えており、第1スロットル弁31と第2スロットル弁32との開度は後述するECU20によって制御されている。
【0047】
このように構成された吸気系では、まず、機関運転に伴う負圧の発生により各気筒2に供給されるべき空気がエアクリーナボックス18に流れ込む。エアクリーナボックス18内に流入した空気は、エアクリーナボックス18内にて塵や埃を除去された後、吸気管14を経てターボチャージャ25に流れ込む。ターボチャージャ25に流入した空気は、コンプレッサホイール25aにて圧縮された後、インタークーラ15によって冷却される。その後インテークマニホールド13を介し、第1スロットル弁31または第2スロットル弁32によって流量調整され、第1吸気支管3aまたは第2吸気支管3bに流入する。第1吸気支管に流入した空気は、第1気筒群11の各気筒2a、2cに分配され、第2吸気支管に流入した空気は、第2気筒群12の各気筒2b、2dに分配され、燃料噴射弁7から噴射供給された燃料と共に燃焼に供される。
【0048】
排気系は、排気管8,第1排気支管4a、第2排気支管4bを備え、各気筒2から排出される排気ガスを機関本体外に排出する排気通路を形成している。また、EGR装置26、NOx触媒10、燃料添加装置24、などを備え、排気ガス中に含まれる窒素酸化物(NOx)やスモークを浄化せしめる排気浄化装置としての機能を有する。
【0049】
第1排気支管4aは第1気筒群11の各気筒2a、2cから排出される排気ガスを排気管8に導く通路を形成し、第2排気支管は第2気筒群12の各気筒2b、2dから排出される排気ガスを排気管8に導く通路を形成している。排気管8は、各気筒2から排出された排気ガスを図示しない消音器まで導く通路を形成している。また、排気管8には、NOx触媒10が設けられており、NOx触媒10より上流には燃料添加インジェクタ9を備えている。さらに、燃料添加インジェクタ9とNOx触媒10との間にはターボチャージャ25のタービンハウジング25bが設けられている。
【0050】
また、第1排気支管4a、第2排気支管4bには、それぞれ第1空燃比センサ41、第2空燃比センサ42が設けられており、第1空燃比センサ41は第1気筒群11から排出される排気ガスの空燃比を検出し、第2空燃比センサ42は第2気筒群12から排出される排気ガスの空燃比を検出する。さらに、排気管8の燃料添加インジェクタ9近傍には第3空燃比センサ43が設けられており、燃料添加インジェクタ9近傍を流通する排気ガスの空燃比を検出する。第1空燃比センサ41と、第2空燃比センサ42と、第3空燃比センサ43と、の出力は後述するECU20に入力される。
【0051】
(NOx触媒)
NOx触媒10は排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を主として浄化せしめる排気浄化作用を有している。より詳しくは、NOx触媒10に流れ込む排気ガスの酸素濃度が高いときにその排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低いとき、すなわちNOx触媒10に流れ込む排気ガスの空燃比が低いときにその吸収していた窒素酸化物(NOx)を二酸化窒素(NO2)や一酸化窒素(NO)の形で排気ガス中に還元・放出し、同時にその二酸化窒素(NO2)や一酸化窒素(NO)を排気ガス中に含まれている未燃燃料成分(CO、HC)と酸化反応せしめることで無害な水蒸気(H2O)及び二酸化炭素(CO2)に浄化する排気浄化能力を有する。
【0052】
(燃料添加装置)
燃料添加装置24は、燃料添加インジェクタ9、添加燃料供給路23、燃圧制御バルブ27等を備え、必要に応じて適切量の燃料をNOx触媒10上流の排気通路に添加している。すなわち、NOx触媒10に流れ込む排気ガスの空燃比が所望の空燃比となるように燃料を排気ガス中に供給している。
【0053】
燃料添加インジェクタ9は所定電圧が印可されたときに開弁する電気式の開閉弁を備えている。添加燃料供給路23は、燃料ポンプ21によって汲み上げられた燃料の一部を燃料添加インジェクタ9に導く通路を形成している。燃圧制御バルブ27は、添加燃料供給路23の経路途中に配置され、添加燃料供給路23内の燃圧を所定燃圧に維持している。
【0054】
このように構成した燃料添加装置24では、燃料ポンプ21から吐出した燃料を燃圧制御バルブ27にて所定燃圧に維持し、添加燃料供給路23を通じて燃料添加インジェクタ9に供給する。続いて、燃料添加インジェクタ9に所定電圧を印可すると開閉弁が開弁状態となり、添加燃料供給路23内の燃料は燃料添加インジェクタ9を通じて排気管8内に噴射供給される。排気管8に供給された燃料は、タービンハウジング25b内にて撹拌された後、NOx触媒10に流入する。したがって、NOx触媒10には、酸素濃度が低く、また未燃燃料成分たる炭化水素(HC)を含んだ排気ガスが流れ込むこととなり、上記の排気浄化作用が促進されることとなる。
【0055】
(EGR装置)
EGR装置26は、EGR通路16、第1EGR弁33、第2EGR弁34、EGRクーラ17等を備えている。
【0056】
EGR通路16は、排気管8と第1吸気支管3a、第2吸気支管3bとを接続する通路である。EGR通路16と第1吸気支管3aとの接続部分には第1EGR弁33が設けられており、EGR通路16と第2吸気支管3bとの接続部分には第2EGR弁34が設けられている。第1EGR弁33と第2EGR弁34とは電気式の開閉弁であり、ECU20によって制御され、それぞれ第1吸気支管3aと第2吸気支管3bとに流入する排気ガス(EGRガス)量の調整を行っている。EGRクーラ17は、機関冷却水を熱媒体として、EGR通路16を流れる排気ガスの冷却を行っている。なお、以下の説明では、EGR通路16を通じて第1吸気支管3aと第2吸気支管3bとに流れ込む排気ガスを単にEGRガスと称することもある。
【0057】
このように構成されたEGR装置26によれば、排気管8を流れる排気ガスの一部が、第1EGR弁33及び第2EGR弁34の開弁量に即した流量でEGR通路16に流入する。EGR通路16に流入したEGRガス(排気ガス)は、EGRクーラ17を介して冷却され、第1吸気支管3aまたは第2吸気支管3bに流れ込む。そして、第1吸気支管3aまたは第2吸気支管3bに流入したEGRガスは、各吸気支管3a,3b上流から流れ込む空気(新気)と混ざり合いつつ混合気を形成し、燃料噴射弁7から噴射された燃料と共に燃焼に供される。
【0058】
EGRガスとなる排気ガス中には、水蒸気(H2O)や二酸化炭素(CO2)などの不活性ガスが含まれている。このため不活性ガスたる排気ガスが各気筒の燃焼室内に流入すると、その排気ガスの混入に起因して燃焼温度は低下し、窒素酸化物(NOx)の生成は抑制される。また、EGRガスの導入に伴い、各気筒の燃焼室内の酸素量も減るため、この点においても窒素酸化物(NOx)と酸素(O2)との結びつきが抑制され、窒素酸化物(NOx)の排出は抑制される。
【0059】
(制御系)
制御系は、双方向性バス61によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)62、RAM(ランダムアクセスメモリ)63、CPU(中央制御装置)64、入力ポート65、出力ポート66を備える、いわゆるECU20である。
【0060】
入力ポート65には、上記した各センサの出力信号の他、アクセルペダル60の踏込み量を検出する負荷センサ44、クランクシャフト73の回転数を検知するクランク角センサ45、車速を測定する車速センサ46等が対応したA/D変換器67を介して、又は直接入力されている。一方、出力ポート66には、対応する駆動回路68を介して燃料噴射弁7、燃料添加インジェクタ9、第1スロットル弁31、第2スロットル弁32、第1EGR弁33、第2EGR弁34、吸気側電磁駆動機構80、排気側電磁駆動機構81等が接続されている。
【0061】
また、ROM62には、各種装置の制御プログラム、及びそのプログラムの処理時に参照される制御マップ等が各装置に対応して記録されている。また、RAM63には、入力ポート65に入力された各種センサの出力信号、及び出力ポート66に出力した制御信号などを内燃機関の運転履歴として記録している。CPU64は、RAM63上に記録された各種センサの出力信号およびROM62上に展開された制御マップ等を所望のプログラム上にて比較し、その処理過程で出力される各種制御信号を前記の出力ポート66を介して対応する装置に出力し、各種装置を集中管理している。
【0062】
たとえば、CPU64は、クランク角センサ45、第1空燃比センサ41、第2空燃比センサ42、第3空燃比センサ43等の出力信号に基づき、燃料噴射弁7、燃料添加インジェクタ9、第1スロットル弁31、第2スロットル弁32、第1EGR弁33、第2EGR弁34、吸気弁78、排気弁79の開閉時期または開度を制御することによりNOx触媒10に流れ込む排気ガスの空燃比を制御する。
【0063】
(燃料噴射制御)
次に、本実施の形態における各気筒2a、2b、2c、2dでの燃料噴射時期について説明する。
図3は、本実施の形態における各気筒2a、2b、2c、2dでの燃料噴射時期及び排気ガスの空燃比(当量比)を示した図である。
【0064】
本実施の形態において、CPU64は、1番気筒2a→3番気筒2c→4番気筒2d→2番気筒2bの順に燃料噴射が行われるように各燃料噴射弁7a、7b、7c、7dをそれぞれ制御する。
【0065】
更に、CPU64は、クランク角センサ45の出力に基づき、1番気筒2aと3番気筒2cとにおいては、ピストン72が圧縮行程上死点に到達する以前(例えば、図3に示すように、圧縮工程上死点より30°前)の時点で燃料噴射を実行し、2番気筒2bと4番気筒2dとにおいては、ピストン72が圧縮工程上死点付近に到達した時点で燃料噴射を実行する。
【0066】
気筒2b、2dでは、ピストン72が圧縮行程上死点付近に到達した時点で気筒2b、2d内に燃料が噴射されるため、気筒2b、2d内の空気が高温となった状態で、燃料が噴射されることになる。そのため、噴射された燃料の液滴表面と高温の空気との境界面に火炎が形成される。つまり、気筒2b、2dにおいては、いわゆる拡散燃焼が行われる。
【0067】
気筒2a、2cでは、ピストン72が圧縮工程上死点に到達する前の時点で気筒2a、2c内に燃料が噴射されることによって、燃料と気筒内の空気との均一な混合気が形成される。この均一混合気はピストン72の上昇とともに圧縮され温度が上昇し、圧縮行程上死点付近で混合気全体に着火が生じ燃焼が進行する。つまり、気筒2a、2cにおいては、いわゆる予混合圧縮着火燃焼が行われる。
【0068】
予混合圧縮着火燃焼では、火炎温度が拡散燃焼に比べて低くなるため、NOxの生成が抑制される。また、燃料と空気とが均一に混合した状態で十分な量の酸素の下で燃焼するため、酸素不足によるスモークの発生も抑制されることになる。従って、拡散燃焼に比べてリッチな空燃比での燃焼が可能である。
【0069】
また、各気筒に再循環されるEGRガス量を増大させると、NOxの生成が抑制されるとともに、各気筒内の酸素量が減少し、空燃比をリッチとすることができるが、拡散燃焼においては、同時にスモークの発生量の増加を招くことになる。しかしながら、予混合圧縮着火燃焼においては、上記理由により、EGRガス量を増大させてもスモークの発生は抑制される。
【0070】
そこで、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置においては、第2気筒群12へ再循環するEGRガスの量を、第2EGRガス弁34によって、スモークの発生が過剰とならない量(例えば、図3に示すように、排気ガスの空燃比が当量比0.5となる量)に調整し、更に、第1空燃比センサ41と第2空燃比センサ42との出力に基づき、第1気筒群11からの排気ガスの空燃比が第2気筒群12からの排気ガスの空燃比よりリッチ(例えば、図3に示すように、当量比1.0、即ち理論空燃比)となるように、第1気筒群11へ再循環するEGRガスの量を第1EGRガス弁33によって調整する。
【0071】
その結果、全ての気筒2a、2b、2c、2dで拡散燃焼を行った場合に比べ、排気ガス全体としての空燃比はリッチとなるため、NOx触媒10に吸蔵されているNOxを還元・放出するために燃料添加インジェクタ9から排気管8に添加される燃料の量を少なくすることができる。
【0072】
従って、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、排気管8への過剰な燃料添加による燃費の悪化やNOx触媒10の排気浄化能力の低下を防止しつつ排気浄化を行うことができる。
【0073】
また、第1気筒群11からのリッチな空燃比(例えば、理論空燃比)の排気ガスと、第2気筒群12からのリーンな空燃比(例えば、当量比0.5)の排気ガスとが、NOx触媒10を交互に流通することになるため、NOxの吸蔵と還元・放出とが繰り返されることになり、NOx触媒10の排気浄化能力が活性化される。
【0074】
本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、燃料添加インジェクタ9近傍に設けられた第3空燃比センサ43によって検出された排気ガスの空燃比が第1気筒群11からの排気ガスの空燃比と同等の場合は、燃料添加インジェクタ9からの排気管8への燃料添加は行わないように、CPU64によって燃料添加時期を制御するとしてもよい。
【0075】
即ち、この制御によれば、第2気筒群12からの排気ガス、つまり、リーン空燃比の排気ガスが燃料添加インジェクタ9を通過するときに排気管8への燃料添加が行われることになる。
【0076】
従って、第2気筒群12からの排気ガスの空燃比を、燃料添加を行わない場合に比べて、リッチとすることができるため、NOx触媒10からのNOxの還元・放出を促進させることが可能となる。また、第1気筒群11からの排気ガスへは燃料添加は行われないため、過剰な燃料添加による燃費の悪化や触媒被毒によるNOx触媒10の排気浄化能力の低下を防止することができる。
【0077】
また、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、第1気筒群11へ再循環するEGRガスの量がさらに増加するように第1EGRガス弁33の開度を大きくし、第1気筒群11からの排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチ(例えば、当量比1.5)としてもよい。第1気筒群11からの排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とすることによって、排気ガス全体としての空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比とすることができる。
【0078】
その結果、燃料添加インジェクタ9からの排気管8への燃料添加を行うことなくNOx触媒10に吸蔵されたNOxが排気ガス中に還元・放出することになるため、燃費の悪化や触媒被毒によるNOx触媒10の排気浄化能力の低下をさらに防止することができる。
【0079】
(第2の実施の形態)
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における第2の実施の形態について説明する。
本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成は上記第1の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置と同様である。
【0080】
上記したような予混合圧縮着火燃焼では、吸気または圧縮行程において噴射された燃料により形成された気筒内の混合気が、ピストン72が圧縮行程上死点に到達する前に着火して、比較的緩やかに燃焼を続け気筒内圧力が上死点直後付近で最大圧力に到達することが好ましい。ところが、気筒内混合気の燃焼速度が予混合圧縮着火燃焼に適切な範囲より大きいと、ピストン72が圧縮行程上死点に到達する前に着火した混合気は一挙に燃焼してしまい、上死点到達前に急激に気筒内圧力が上昇するようになる。このように、上死点到達前に急激な圧力上昇が生じるとガソリンエンジンのノックと同様に機関には大きな振動や騒音が生じる、いわゆる過早着火が発生する。また、この過早着火は、高負荷運転領域において発生し易くなる。
【0081】
そこで、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置においては、各気筒2a、2b、2c、2dにおける燃焼方法及び燃料噴射時期、空燃比は上記第1の実施の形態と同様とし、燃料噴射量を調整することによって、各気筒2a、2b、2c、2dの負荷を制御する。
【0082】
図4は、本実施の形態における各気筒2a、2b、2c、2dでの燃料噴射時期及び排気ガスの空燃比(当量比)及び燃料噴射量を示した図である。
【0083】
本実施の形態において、CPU64は、1番気筒2aと3番気筒2cの負荷が予混合圧縮着火燃焼を行うことが可能な負荷となるように、各燃料噴射弁7a、7cからの燃料噴射量を調整する(例えば、燃料噴射量を10mm3/stとする)。また、2番気筒2bと4番気筒2dとへの各燃料噴射弁7b、7dからの燃料噴射量は、燃料噴射弁7a、7cからの燃料噴射量よりも多くなるよう調整する(例えば、燃料噴射量を15mm3/stとする)。
【0084】
その結果、拡散燃焼を行う第2気筒群12の負荷は予混合圧縮着火燃焼を行う第1気筒群11の負荷よりも高くなるため、全ての気筒2a、2b、2c、2dで予混合圧縮着火燃焼を行った場合に比べて、気筒全体としての負荷を高くすることができる。
【0085】
従って、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、従来より広い負荷領域において、燃費の悪化や触媒被毒によるNOx触媒の排気浄化能力の低下を防止しつつ排気浄化を行うことが可能となる。
【0086】
(第3の実施の形態)
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における第3の実施の形態について説明する。
本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成は上記第1の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置と同様である。
【0087】
図5は、本実施の形態における各気筒2a、2b、2c、2dでの燃料噴射時期及び排気ガスの空燃比(当量比)を示した図である。
【0088】
本実施の形態において、CPU64は、上記第1の実施の形態と同様、1番気筒2a→3番気筒2c→4番気筒2d→2番気筒2bの順に燃料噴射が行われるように各燃料噴射弁7a、7b、7c、7dをそれぞれ制御する。また、CPU64は、全ての気筒において上記したような予混合圧縮着火燃焼が行われるように、各燃料噴射弁7a、7b、7c、7dからの燃料噴射時期をピストン72が圧縮行程上死点に到達する以前(例えば、図5に示すように、圧縮行程上死点に到達する30°前)の時点となるよう制御する。
【0089】
さらに、第1気筒群11からの排気ガスの空燃比がリッチ空燃比(例えば、図5に示すように、当量比1.5)となり、第2気筒群12からの排気ガスの空燃比がリーン空燃比(例えば、図5に示すように、当量比0.5)となるように、それぞれ第1空燃比センサ41または第2空燃比センサ42の出力に基づき、それぞれ第1EGR弁33または第2EGR弁34によって、各気筒群11、12へ再循環するEGRガスの量を調整する。
【0090】
その結果、予混合圧縮着火燃焼が可能となる低負荷運転時においては、リッチ空燃比の排気ガスとリーン空燃比の排気ガスとが交互にNOx触媒10を流通することになるため、NOxの吸蔵と還元・放出とが繰り返されることになり、NOx触媒10の排気浄化能力がより活性化される。
【0091】
尚、上記した実施の形態においては、第1EGR弁33または第2EGR弁34の開度を制御し、各気筒へ再循環するEGRガスの量を調整することによって、気筒内の燃焼に供される混合気の空燃比を所望の空燃比となるよう制御したが、第1スロットル弁31または第2スロットル弁32の開度を制御し、または、吸気側電磁駆動機構80用いて各気筒の吸気弁78のリフト量を制御し、各気筒への吸入空気量を調整することによって気筒内の燃焼に供される混合気の空燃比を制御してもよい。
【0092】
上記した実施の形態においては、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を4気筒の内燃機関に適用した場合について説明したが、例えば、直列6気筒やV型8気筒等の4つ以上の気筒を有する多気筒エンジンにも適用可能である。
【0093】
また、上記した実施の形態に係る内燃機関においては、1番気筒2aと3番気筒2cとで一方の気筒群を形成し、2番気筒2bと4番気筒2dとで他方の気筒群を形成する構成としたが、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、複数の気筒において、予混合圧縮着火燃焼を行う気筒と拡散燃焼を行う気筒とがあればよく、例えば、ある1つの気筒で一方の気筒群を形成し、残りの気筒で他方の気筒群を形成する構成、または、3つ以上の気筒群に分ける構成等としてもよい。複数の気筒を3つ以上の気筒群にわける構成としては、直列6気筒エンジンにおいて6つの気筒を燃料噴射の順にそれぞれ2つずつ3つの気筒群に分ける構成、または、V型8気筒エンジンにおいて、8つの気筒を燃料噴射の順にそれぞれ2つずつ4つの気筒群に分ける構成等が例示できる。
【0094】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、少なくとも2つの気筒群のうち、一方の気筒群では予混合圧縮着火燃焼を行い、他方の気筒群では拡散燃焼を行うことによって、全ての気筒で拡散燃焼を行った場合に比べ、排気ガス全体としての空燃比をリッチとすることができる。
【0095】
その結果、NOx触媒に吸蔵されていたNOxを排気ガス中に還元・放出するために排気通路へ添加される燃料が少なくなり、以て、燃費の悪化や触媒被毒によるNOx触媒の排気浄化能力の低下を防止しつつ排気浄化を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図
【図2】本発明に係る内燃機関の気筒周辺の概略構成図
【図3】第1の実施の形態における各気筒での燃料噴射時期及び排気ガスの空燃比(当量比)
【図4】第2の実施の形態における各気筒での燃料噴射時期及び排気ガスの空燃比(当量比)及び燃料噴射量
【図5】第3の実施の形態における各気筒での燃料噴射時期及び排気ガスの空燃比(当量比)
【符号の説明】
1・・・内燃機関
1a・・シリンダヘッド
1b・・シリンダブロック
1c・・冷却水路
2・・・シリンダ
3a・・第1吸気支管
3b・・第2吸気支管
4a・・第1排気支管
4b・・第2排気支管
6・・・コモンレール
7・・・燃料噴射弁
8・・・排気管
9・・・燃料添加インジェクタ
10・・NOx触媒
11・・第1気筒群
12・・第2気筒群
13・・インテークマニホールド
14・・吸気管
15・・インタークーラ
16・・EGR通路
17・・EGRクーラ
18・・エアクリーナ
19・・エアフロメータ
20・・ECU
21・・燃料ポンプ
22・・燃料供給管
23・・添加燃料供給路
24・・燃料添加装置
25・・ターボチャージャ
25a・・コンプレッサホイール
25b・・タービンハウジング
26・・EGR装置
27・・燃圧制御バルブ
31・・第1吸気弁
32・・第2吸気弁
33・・第1EGR弁
34・・第2EGR弁
41・・第1空燃比センサ
42・・第2空燃比センサ
43・・第3空燃比センサ
44・・負荷センサ
45・・クランク角センサ
46・・車速センサ
60・・アクセルペダル
61・・双方向バス
62・・ROM
63・・RAM
64・・CPU
65・・入力ポート
66・・出力ポート
67・・A/D変換器
68・・駆動回路
72・・ピストン
73・・クランクシャフト
74・・燃焼室
76・・吸気ポート
77・・排気ポート
78・・吸気弁
79・・排気弁
80・・吸気側電磁駆動機構
81・・排気側電磁駆動機構[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
In lean-burn internal combustion engines typified by diesel engines, various measures have been taken to reduce emissions of nitrogen oxides NOx and unburned fuel components (HC, CO).
[0003]
As one of the countermeasures, there is an exhaust purification device provided with a NOx catalyst in an exhaust passage.
[0004]
When the oxygen concentration of the inflowing exhaust gas is high, that is, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean, the NOx catalyst stores NOx contained in the exhaust gas, and when the oxygen concentration of the inflowing exhaust gas is low, NOx that was stored when the air-fuel ratio of the fuel was rich was converted to nitrogen dioxide NO. 2 And NO in the form of NO or NO in the form of NO 2 Harmless steam H by oxidizing NO and NO with unburned fuel components CO and HC contained in exhaust gas. 2 O and carbon dioxide CO 2 It has an exhaust purification function to purify the exhaust gas.
[0005]
However, in a diesel engine, during a normal combustion state, the engine is operated under an excess of air reaching A / F = 25 to 40, and NOx stored by the NOx catalyst is contained in the exhaust gas. It is difficult to reduce and release.
[0006]
To cope with such a problem, conventionally, in the low load operation region, the amount of the inert gas supplied to the combustion chamber is larger than the amount of the inert gas at which the amount of generated smoke is peaked, and the low temperature where almost no smoke is generated. In an internal combustion engine in which normal combustion is performed in which the amount of inert gas supplied to the combustion chamber is smaller than the amount of inert gas at which the amount of smoke generated peaks in the middle and high load operation region in which combustion is performed, A technique has been proposed in which a reducing agent is supplied to an exhaust passage when the combustion is performed, and the supply of the reducing agent is stopped when low-temperature combustion is performed (for example, see Patent Document 1).
[0007]
According to the above-described conventional technology, the amount of inert gas supplied into the combustion chamber is large in a low-load operation region, and a reducing agent is supplied to an exhaust passage in a medium-high load operation region. Becomes the stoichiometric air-fuel ratio or the rich air-fuel ratio, and the NOx stored in the NOx catalyst is reduced and released into the exhaust gas.
[0008]
Further, in a general diesel engine, diffusion combustion is performed in which fuel is injected into a cylinder when a piston is near a top dead center in a compression stroke. A premixed compression ignition combustion system is proposed in which fuel is injected into the cylinder from the beginning of the stroke to the middle stage of the compression stroke, the injected fuel is vaporized and mixed in the compression stroke, and ignited and burned by spontaneous ignition at the end of the compression stroke. (For example, see Patent Document 2). In this premixed compression ignition combustion, fuel and air are burned in a uniformly mixed state, so that generation of NOx and smoke can be suppressed.
[0009]
According to the homogeneous charge compression ignition combustion, it is possible to perform combustion at an air-fuel ratio richer than the diffusion combustion (there is little generation of NOx and smoke even when the air-fuel ratio is rich). By performing at a fuel ratio or a rich air-fuel ratio, the air-fuel ratio of the exhaust gas can be set to a stoichiometric air-fuel ratio or a rich air-fuel ratio, and NOx stored in the NOx catalyst can be reduced and released into the exhaust gas.
[0010]
[Patent Document 1]
JP 2001-152832A
[Patent Document 2]
JP-A-9-158810
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional technology as described above, when the reducing agent is supplied to the exhaust system under normal combustion during a medium to high load operation, the exhaust gas having a lean air-fuel ratio is set to a stoichiometric air-fuel ratio or a rich air-fuel ratio. Requires a large supply of reducing agent. Therefore, when a fuel is used as the reducing agent, the fuel efficiency is deteriorated, and the poisoning of the catalyst by a large amount of the reducing agent may cause a decrease in the exhaust purification ability of the NOx catalyst.
[0012]
Further, in the premixed compression ignition combustion, when the temperature in the cylinder increases, the combustion speed of the air-fuel mixture increases, and the pressure in the cylinder increases rapidly before the piston reaches the top dead center of the compression stroke. Ignition is more likely to occur. Therefore, it is difficult to perform the homogeneous charge compression ignition combustion in the medium-high load operation region where the temperature in the cylinder is high.
[0013]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to prevent an exhaust purification device for an internal combustion engine from deteriorating fuel efficiency and reducing the exhaust purification capability of a NOx catalyst due to catalyst poisoning. An object of the present invention is to provide an exhaust gas purification device for an internal combustion engine that can perform exhaust gas purification.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve the above problems. That is, the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present invention includes:
An internal combustion engine having a fuel injection valve and having a plurality of cylinders divided into at least two cylinder groups;
A NOx catalyst provided in an exhaust passage of the internal combustion engine;
Fuel injection timing control means for controlling the fuel injection timing of the fuel injection valve,
In one of the cylinder groups, fuel is injected in the cylinder during an intake process or a compression stroke, and a premixed mixture of fuel and air is formed in the cylinder, and the premixed air is compressed. In the other cylinder group, a piston is located near a compression top dead center in the other cylinder group, and a second combustion is performed in which fuel is injected into a high-temperature combustion chamber. Is also good.
[0015]
According to the present invention, a plurality of cylinders are divided into at least two cylinder groups. In one cylinder group, fuel is injected during an intake process or a compression stroke in the cylinder, and a premixed fuel and air mixture is injected into the cylinder. The first combustion that forms and ignites the premixed gas by compression, that is, premixed compression ignition combustion is performed, and in the other cylinder group, the piston is located near the compression top dead center in the cylinder, The greatest feature is that the second combustion in which the fuel is injected into the burned combustion chamber, that is, the diffusion combustion is performed.
[0016]
In the homogeneous charge compression ignition combustion, combustion at a stoichiometric air-fuel ratio or a rich air-fuel ratio can be performed without inducing generation of NOx or smoke. Therefore, according to the exhaust emission control device of the present invention, the air-fuel ratio of the entire exhaust gas can be made richer than when the diffusion combustion is performed in all the cylinders.
[0017]
As a result, the amount of fuel added to the exhaust passage to reduce and release NOx stored in the NOx catalyst into exhaust gas can be reduced or made unnecessary.
[0018]
Therefore, according to the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, it is possible to purify exhaust gas while preventing deterioration of fuel efficiency due to excessive fuel addition and reduction in exhaust gas purifying ability of the NOx catalyst due to catalyst poisoning.
[0019]
Further, the exhaust gas of the lean air-fuel ratio discharged from the cylinder group performing the diffusion combustion and the stoichiometric air-fuel ratio or the exhaust gas of the rich air-fuel ratio discharged from the cylinder group performing the premixed compression ignition combustion alternately use the NOx catalyst. Therefore, the NOx occlusion and the reduction / release are repeated, and the exhaust purification ability of the NOx catalyst is activated.
[0020]
Further, according to the exhaust gas purification apparatus of the present invention, in one of the cylinder groups, the operation is performed in a load region where the homogeneous charge compression ignition combustion is possible, and in the other cylinder group, the diffusion combustion is performed. Operation can be performed with a higher load than one of the cylinder groups.
[0021]
As a result, the entire cylinder can be operated in a higher load range than in the case where the premixed compression ignition combustion is performed in all cylinders.
[0022]
Therefore, according to the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, it is possible to purify exhaust gas in a wider load range than before, while preventing deterioration of fuel efficiency and deterioration of exhaust gas purifying ability of the NOx catalyst due to catalyst poisoning. .
[0023]
In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, the air-fuel ratio of the exhaust gas from the cylinder group performing the premixed compression ignition combustion may be richer than the air-fuel ratio of the exhaust gas from the cylinder group performing the diffusion combustion. Good.
[0024]
As a method of making the air-fuel ratio of the exhaust gas from the cylinder group performing the premixed compression ignition combustion richer than the air-fuel ratio of the exhaust gas from the cylinder group performing the diffusion combustion, the cylinder group performing the premixed compression ignition combustion is used. A method in which the amount of recirculated gas recirculated to the cylinder group performing the diffusion combustion is made larger than the amount of recirculated gas recirculated to the cylinder group performing the diffusion combustion, and the amount of intake air to the cylinder group performing the premixed compression ignition combustion is diffused. For example, a method of reducing the amount of intake air to the cylinder group that performs combustion may be used.
[0025]
When the air-fuel ratio of the exhaust gas from the cylinder group performing the premixed compression ignition combustion is a stoichiometric air-fuel ratio or a rich air-fuel ratio, the NOx stored in the NOx catalyst is reduced without adding fuel to the exhaust gas.・ Can be released.
[0026]
Therefore, in the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, fuel addition means is provided in the exhaust passage, and when fuel is added to the exhaust passage by the fuel addition means, the exhaust gas from the cylinder group performing the diffusion combustion is provided. The fuel may be added when the gas flows near the fuel adding means.
[0027]
According to this configuration, since the air-fuel ratio of the exhaust gas from the cylinder group performing the diffusion combustion becomes rich as compared with the case where the fuel addition is not performed, the reduction and release of NOx from the NOx catalyst can be promoted. it can. Further, since fuel is not added to the exhaust gas from the cylinder group that performs the premixed compression ignition combustion, deterioration of fuel efficiency due to excessive fuel addition and reduction of the exhaust purification ability of the NOx catalyst due to catalyst poisoning are prevented. be able to.
[0028]
Further, in the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, the premixed compression ignition combustion is performed in all cylinders, the air-fuel ratio of one cylinder group is set to a rich air-fuel ratio, and the air-fuel ratio of the other cylinder group is set to lean air-fuel ratio. The fuel ratio may be configured.
[0029]
According to this configuration, during the low-load operation in which the premixed compression ignition combustion becomes possible, the exhaust gas having the rich air-fuel ratio and the exhaust gas having the lean air-fuel ratio alternately flow through the NOx catalyst. The exhaust gas purifying ability of the NOx catalyst is more activated.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, specific embodiments of the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0031]
(First Embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust gas purification device for an internal combustion engine according to a first embodiment of the present invention.
[0032]
The
[0033]
Here, the configuration around the cylinder of the
[0034]
The
[0035]
The cylinder block 1b rotatably supports a
[0036]
Above the
[0037]
In the cylinder head 1a, an opening end of two
[0038]
Each open end of the
[0039]
Each open end of the
[0040]
Returning to FIG. 1, the
[0041]
(Fuel supply system)
The fuel supply system includes a
[0042]
In the fuel supply system configured as described above, first, fuel in a fuel tank (not shown) is pumped up by the fuel pump 21. The pumped fuel is supplied to the common rail 6 via the
[0043]
(Intake system)
The intake system includes an
[0044]
The
[0045]
Further, a turbocharger 25 (compressor wheel 25a) for compressing the intake air and air compressed by the turbocharger 25 are supplied to the
[0046]
Further, a
[0047]
In the intake system configured as described above, first, the air to be supplied to each
[0048]
The exhaust system includes an exhaust pipe 8, a first exhaust branch pipe 4a, and a second
[0049]
The first exhaust branch pipe 4a forms a passage for guiding the exhaust gas discharged from each of the
[0050]
Further, a first air-fuel ratio sensor 41 and a second air-
[0051]
(NOx catalyst)
The
[0052]
(Fuel addition device)
The
[0053]
The fuel addition injector 9 includes an electric on-off valve that opens when a predetermined voltage is applied. The additional
[0054]
In the
[0055]
(EGR device)
The
[0056]
The
[0057]
According to the
[0058]
In the exhaust gas that becomes the EGR gas, water vapor (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) And the like. Therefore, when exhaust gas as an inert gas flows into the combustion chamber of each cylinder, the combustion temperature is reduced due to the mixing of the exhaust gas, and the generation of nitrogen oxides (NOx) is suppressed. Also, with the introduction of EGR gas, the amount of oxygen in the combustion chamber of each cylinder also decreases. Therefore, in this regard, nitrogen oxide (NOx) and oxygen (O 2 ) Is suppressed, and the emission of nitrogen oxides (NOx) is suppressed.
[0059]
(Control system)
The control system includes a ROM (Read Only Memory) 62, a RAM (Random Access Memory) 63, a CPU (Central Control Unit) 64, an
[0060]
In addition to the output signals of the above-described sensors, a
[0061]
In the
[0062]
For example, based on output signals from the
[0063]
(Fuel injection control)
Next, the fuel injection timing in each of the
FIG. 3 is a diagram showing the fuel injection timing and the air-fuel ratio (equivalent ratio) of the exhaust gas in each of the
[0064]
In the present embodiment, the
[0065]
Further, based on the output of the
[0066]
In the
[0067]
In the
[0068]
In the homogeneous charge compression ignition combustion, since the flame temperature is lower than that in the diffusion combustion, the generation of NOx is suppressed. In addition, since the fuel and the air are burned under a sufficient amount of oxygen in a uniformly mixed state, generation of smoke due to lack of oxygen is suppressed. Therefore, combustion at an air-fuel ratio richer than diffusion combustion can be performed.
[0069]
Also, when the amount of EGR gas recirculated to each cylinder is increased, the generation of NOx is suppressed, and the amount of oxygen in each cylinder is reduced, so that the air-fuel ratio can be made rich. Causes an increase in the amount of smoke generated at the same time. However, in the homogeneous charge compression ignition combustion, generation of smoke is suppressed even if the amount of EGR gas is increased for the above reason.
[0070]
Therefore, in the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present embodiment, the amount of EGR gas recirculated to the second cylinder group 12 is reduced by the second
[0071]
As a result, the air-fuel ratio of the exhaust gas as a whole becomes rich as compared with the case where diffusion combustion is performed in all the
[0072]
Therefore, according to the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present embodiment, it is possible to purify the exhaust gas while preventing the fuel efficiency from being deteriorated due to excessive fuel addition to the exhaust pipe 8 and the exhaust gas purifying ability of the
[0073]
Further, the exhaust gas having a rich air-fuel ratio (for example, stoichiometric air-fuel ratio) from the first cylinder group 11 and the exhaust gas having a lean air-fuel ratio (for example, equivalent ratio 0.5) from the second cylinder group 12 are different. Since the
[0074]
In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present embodiment, the air-fuel ratio of the exhaust gas detected by the third air-
[0075]
That is, according to this control, when the exhaust gas from the second cylinder group 12, that is, the exhaust gas having the lean air-fuel ratio passes through the fuel addition injector 9, the fuel is added to the exhaust pipe 8.
[0076]
Accordingly, since the air-fuel ratio of the exhaust gas from the second cylinder group 12 can be made richer than when no fuel is added, the reduction and release of NOx from the
[0077]
Further, in the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present embodiment, the opening degree of the first
[0078]
As a result, the NOx stored in the
[0079]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present invention will be described.
The configuration of the exhaust gas purification device for an internal combustion engine according to the present embodiment is the same as that of the exhaust gas purification device for an internal combustion engine according to the first embodiment.
[0080]
In the above-described premixed compression ignition combustion, the air-fuel mixture in the cylinder formed by the intake air or the fuel injected in the compression stroke ignites before the
[0081]
Therefore, in the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present embodiment, the combustion method, the fuel injection timing, and the air-fuel ratio in each of the
[0082]
FIG. 4 is a diagram illustrating the fuel injection timing, the air-fuel ratio (equivalent ratio) of the exhaust gas, and the fuel injection amount in each of the
[0083]
In the present embodiment, the
[0084]
As a result, the load of the second cylinder group 12 that performs diffusion combustion becomes higher than the load of the first cylinder group 11 that performs premixed compression ignition combustion, so that the premixed compression ignition is performed in all the
[0085]
Therefore, according to the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present embodiment, it is possible to purify exhaust gas in a wider load range while preventing deterioration of fuel efficiency and reduction in exhaust gas purifying ability of the NOx catalyst due to catalyst poisoning. Becomes possible.
[0086]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present invention will be described.
The configuration of the exhaust gas purification device for an internal combustion engine according to the present embodiment is the same as that of the exhaust gas purification device for an internal combustion engine according to the first embodiment.
[0087]
FIG. 5 is a diagram showing the fuel injection timing and the air-fuel ratio (equivalent ratio) of the exhaust gas in each of the
[0088]
In the present embodiment, as in the first embodiment, the
[0089]
Further, the air-fuel ratio of the exhaust gas from the first cylinder group 11 becomes a rich air-fuel ratio (for example, an equivalence ratio of 1.5 as shown in FIG. 5), and the air-fuel ratio of the exhaust gas from the second cylinder group 12 becomes lean. Based on the output of the first air-fuel ratio sensor 41 or the second air-
[0090]
As a result, during low-load operation in which premixed compression ignition combustion is possible, the exhaust gas having a rich air-fuel ratio and the exhaust gas having a lean air-fuel ratio alternately flow through the
[0091]
In the embodiment described above, the opening degree of the
[0092]
In the above-described embodiment, the case where the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention is applied to a four-cylinder internal combustion engine has been described. For example, four or more cylinders such as an in-line six-cylinder and a V-type eight-cylinder are used. The present invention is also applicable to a multi-cylinder engine having
[0093]
Further, in the internal combustion engine according to the above-described embodiment, one cylinder group is formed by the first cylinder 2a and the
[0094]
【The invention's effect】
According to the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, among the at least two cylinder groups, one cylinder group performs premixed compression ignition combustion, and the other cylinder group performs diffusion combustion, whereby all cylinders are subjected to diffusion combustion. The air-fuel ratio of the exhaust gas as a whole can be made richer as compared with the case where diffusion combustion is performed.
[0095]
As a result, the amount of fuel added to the exhaust passage to reduce and release the NOx stored in the NOx catalyst into the exhaust gas is reduced, and therefore, the exhaust purification capability of the NOx catalyst due to deterioration of fuel efficiency and catalyst poisoning. It is possible to purify the exhaust while preventing a decrease in the exhaust gas.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust gas purification device for an internal combustion engine according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram around a cylinder of the internal combustion engine according to the present invention.
FIG. 3 shows a fuel injection timing and an exhaust gas air-fuel ratio (equivalent ratio) in each cylinder according to the first embodiment.
FIG. 4 shows the fuel injection timing, the exhaust gas air-fuel ratio (equivalent ratio), and the fuel injection amount in each cylinder according to the second embodiment.
FIG. 5 shows a fuel injection timing and an exhaust gas air-fuel ratio (equivalent ratio) in each cylinder according to the third embodiment.
[Explanation of symbols]
1 ... internal combustion engine
1a Cylinder head
1b Cylinder block
1c ・ ・ Cooling channel
2 ... Cylinder
3a-1st intake branch pipe
3b-2nd intake branch pipe
4a-1st exhaust branch pipe
4b ··· Second exhaust branch
6 ... Common rail
7 ... Fuel injection valve
8 ・ ・ ・ Exhaust pipe
9 Fuel injector
10. NOx catalyst
11 ・ ・ First cylinder group
12. Second cylinder group
13. Intake manifold
14. Intake pipe
15. Intercooler
16. EGR passage
17. EGR cooler
18. Air cleaner
19. Air flow meter
20 ECU
21 ... Fuel pump
22 .. Fuel supply pipe
23 ... Additional fuel supply path
24 ・ ・ Fuel addition device
25 Turbocharger
25a Compressor wheel
25b Turbine housing
26 EGR device
27 .. Fuel pressure control valve
31 .. First intake valve
32 .. Second intake valve
33..First EGR valve
34 .. Second EGR valve
41 ··· First air-fuel ratio sensor
42..Second air-fuel ratio sensor
43 .. Third air-fuel ratio sensor
44..Load sensor
45 Crank angle sensor
46 Vehicle speed sensor
60 ・ Accelerator pedal
61 ... bidirectional bus
62 ROM
63 RAM
64 CPU
65 Input port
66 output port
67 A / D converter
68..Drive circuit
72 ・ ・ Piston
73 Crankshaft
74 ・ ・ Combustion chamber
76 ... intake port
77 ... Exhaust port
78 ... intake valve
79 ・ ・ Exhaust valve
80 .. Intake side electromagnetic drive mechanism
81 ... Exhaust side electromagnetic drive mechanism
Claims (7)
前記内燃機関の排気通路に設けられたNOx触媒と、
前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段と、を備え、
前記気筒群のうち、一方の気筒群では、前記気筒内において吸気工程または圧縮行程中に燃料が噴射され、前記気筒内に燃料と空気の予混合気を形成し、該予混合気を圧縮により着火させる第1の燃焼を行い、他方の気筒群では、前記気筒内において、ピストンが圧縮上死点付近にあり、高温となった燃焼室に燃料が噴射される第2の燃焼を行うことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。An internal combustion engine having a fuel injection valve and having a plurality of cylinders divided into at least two cylinder groups;
A NOx catalyst provided in an exhaust passage of the internal combustion engine;
Fuel injection timing control means for controlling the fuel injection timing of the fuel injection valve,
In one of the cylinder groups, fuel is injected in the cylinder during an intake process or a compression stroke to form a premixed mixture of fuel and air in the cylinder, and the premixed gas is compressed. In the other cylinder group, a second combustion in which a piston is near the compression top dead center and fuel is injected into a high-temperature combustion chamber is performed in the other cylinder group. An exhaust gas purification device for an internal combustion engine.
前記空燃比制御手段は、前記一方の気筒群に再循環される再循環排気ガス量を前記他方の気筒群に再循環される再循環排気ガス量より多くなるように前記再循環排気ガス量調整弁を制御することを特徴とする請求項2または3記載の内燃機関の排気浄化装置。Further comprising a recirculation exhaust gas amount adjustment valve for adjusting the amount of recirculation exhaust gas recirculated to the combustion chamber of each cylinder,
The air-fuel ratio control means adjusts the amount of recirculated exhaust gas so that the amount of recirculated exhaust gas recirculated to the one cylinder group is larger than the amount of recirculated exhaust gas recirculated to the other cylinder group. 4. The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 2, wherein the valve is controlled.
前記空燃比制御手段は、前記一方の気筒群への吸入空気量を前記他方の気筒群への吸入空気量より少なくなるように前記吸気量調整弁を制御することを特徴とする請求項2または3記載の内燃機関の排気浄化装置。An intake air amount adjusting valve that adjusts an amount of air taken into the combustion chamber of each of the cylinders;
The air-fuel ratio control means controls the intake air amount adjusting valve so that the amount of air taken into the one cylinder group is smaller than the amount of air taken into the other cylinder group. 4. The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 3.
前記他方の気筒群からの排気ガスが前記燃料添加手段近傍を流通するときに前記燃料添加手段による燃料の添加を実行することを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。Fuel addition means provided upstream of the NOx catalyst in the exhaust passage, for adding fuel to the exhaust passage;
The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5, wherein when the exhaust gas from the other cylinder group flows in the vicinity of the fuel addition means, the addition of fuel by the fuel addition means is performed. Exhaust gas purification device.
前記一方の気筒群からの排気ガスの空燃比を理論空燃比より過濃とし、前記他方の気筒群からの排気ガスの空燃比を理論空燃比より過薄と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。In all of the cylinder groups, fuel is injected in the cylinder during an intake process or a compression stroke to form a premixed mixture of fuel and air in the cylinder and ignite the premixed gas by compression. Burning,
4. The air-fuel ratio of exhaust gas from the one cylinder group is made richer than the stoichiometric air-fuel ratio, and the air-fuel ratio of exhaust gas from the other cylinder group is made leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. An exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 1.
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JP2008144765A (en) * | 2006-12-08 | 2008-06-26 | Ford Global Technologies Llc | Method and system for controlling engine provided with cylinders using electronic valve actuation |
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