JP2007023899A - 内燃機関における排気浄化用触媒装置の燃料供給装置 - Google Patents

内燃機関における排気浄化用触媒装置の燃料供給装置 Download PDF

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Abstract

【課題】エキゾーストマニホールドに添加された排気浄化用触媒装置の燃料が、排気流に乗らずに排気系の壁面に付着するのを回避する。
【解決手段】エンジン11はＶ型で８気筒の構成を有し、各気筒の排気ポート17に接続されたエキゾーストマニホールド25Ｌ，25Ｒが接続された排気通路28Ｌ，28Ｒの途中に排気浄化用触媒装置36を備えている。シリンダヘッド13Ｌ，13Ｒにはエキゾーストマニホールド25Ｌ，25Ｒに排気浄化用触媒装置の触媒活性化用の燃料を添加する添加ノズル44が設けられている。エンジンの運転中、エキゾーストマニホールド内から排気通路への排気流出がない無排気行程が存在する。添加ノズル44による燃料の添加を制御するＥＣＵ46は、添加ノズル44が設けられた側のエキゾーストマニホールドに対応する気筒の無排気行程中を除いた期間に、添加ノズルからの燃料添加を行うように添加ノズルを制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化用触媒装置の燃料供給装置に係り、詳しくは複数の気筒を備えるとともに、各気筒の排気ポートに接続されたエキゾーストマニホールドが接続された排気通路の途中に排気浄化用触媒装置を備えた内燃機関における排気浄化用触媒装置の燃料供給装置に関する。
従来から、排気に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を減少させるため、内燃機関では排気再循環装置（以下、ＥＧＲ装置という）を設置するといった対策がなされている。このような対策により、ＮＯｘの発生を減少させることは可能となっているがその発生を無くすまでには至っておらず、依然として排気中にはＮＯｘが含まれている。そこで、近年、排気中のＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒が開発され、このＮＯｘ還元触媒を使用する排気浄化用触媒装置を上記対策と併用することにより、大気中に放出されるＮＯｘの量を更に低減させている。
このＮＯｘ還元触媒を使用する排気浄化用触媒装置を備える内燃機関では、ＮＯｘ還元触媒のＮＯｘ浄化率を維持させるために、ＮＯｘ還元触媒のＮＯｘ吸蔵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とともに還元剤を供給して、ＮＯｘ還元触媒の能力を回復させる必要がある。そして、還元剤として排気ガス中に燃料を供給（添加）することが提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
特許文献１では、排気系に添加された燃料（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防止するため、４気筒エンジンにおいて、還元剤（燃料）を添加する燃料添加ノズルの添加口の位置と、排気再循環装置の排気吸込口の位置とを特定している。具体的には、各気筒の排気ポートに接続された排気マニホールドと排気管とを接続する排気集合管の上流端が排気マニホールドの一端側に接続され、燃料添加ノズルの添加口は、排気マニホールドの前記一端側に接近して位置する気筒（４番気筒）の排気ポートに臨んで取り付けられ、排気吸込口は排気マニホールドの他端に設けられている。そして、燃料添加ノズルからの燃料の添加タイミングが４番気筒の排気弁の開弁時期に同期させるようになっている。
特許文献２には、４気筒エンジンにおいて、第３気筒が排気行程にあるとき、第４気筒の排気ポート内には燃料添加ノズルの先端に向かう排気流、即ちエンジン排気の吹き返しが圧力脈動に起因して発生するため、燃料添加ノズルから噴射される燃料の向きと逆向きの排気流が生じるときに、燃料の噴射を休止することが開示されている。従って、４気筒エンジンにおいて、連続して最大５４０°のクランク角間に燃料の添加が可能となる。
特開２００１−２８０１２５号公報（明細書の段落［００２９］〜［００３２］［００４７］，［００４９］、図１） 特開２００３−２０１８３６号公報（明細書の段落［００６４］〜［００６６］、図１，図１２）
本願発明者は、Ｖ型８気筒エンジンにおいて、各バンクのエキゾーストマニホールド（排気マニホールド）に還元剤（燃料）を添加する場合について検討したところ、既存の４気筒エンジンとは異なり、燃料添加ノズルの設置位置を適切に設定することにより、エンジン排気の吹き返しによる添加燃料の逆流を回避する必要はないことが分かった。しかし、一般的な８気筒エンジンの噴射順序において、片側バンクの排気に着目すると、排気行程となる気筒が無いため気筒からエキゾーストマニホールドへの排気流出がなく、ひいてはエキゾーストマニホールド内から排気通路への排気流出がない無排気行程が発生することを確認した。無排気行程で燃料を添加（噴射）すると、添加燃料が排気流に乗らず、排気系（エキゾーストマニホールド）の壁面に付着するという問題がある。片側バンクについてみると、無排気行程を避けて燃料を連続して添加できる期間は、最大４５０°のクランク角間となり、４気筒エンジンの場合の連続５４０°のクランク角間より短くなる。
本発明は前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、エキゾーストマニホールドに添加された排気浄化用触媒装置の燃料が、排気流に乗らずに排気系の壁面に付着するのを回避することができる内燃機関における排気浄化用触媒装置の燃料供給装置を提供することにある。
前記第１の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、複数の気筒を備えるとともに、各気筒の排気ポートに接続されたエキゾーストマニホールドが接続された排気通路の途中に排気浄化用触媒装置を備え、前記エキゾーストマニホールドに前記排気浄化用触媒装置の触媒活性化用の燃料を添加する添加ノズルが設けられた内燃機関における排気浄化用触媒装置の燃料供給装置である。前記内燃機関は、運転中に前記エキゾーストマニホールド内から前記排気通路への排気流出がない無排気行程が存在し、前記添加ノズルによる前記燃料の添加を制御する添加制御手段は、前記添加ノズルが設けられた側の前記エキゾーストマニホールドに対応する気筒の無排気行程中を除いた期間に、前記添加ノズルからの燃料添加を行うように前記添加ノズルを制御する。
この発明の内燃機関においては、運転中にエキゾーストマニホールド内から前記排気通路への排気流出がない無排気行程が存在する。無排気行程中に、添加ノズルから燃料添加が行われると、添加された燃料は、排気流に乗れずに排気系の壁面に付着する。しかし、添加ノズルは、無排気行程中を除いた期間に、燃料添加を行うように添加制御手段によって制御される。従って、エキゾーストマニホールドに添加された排気浄化用触媒装置の燃料が、排気流に乗らずに排気系の壁面に付着するのを回避することができる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記添加制御手段は、前記添加ノズルからの燃料添加期間が前記無排気行程を跨ぐように分割して前記燃料の添加が行われるように前記添加ノズルを制御する。
一般に、内燃機関における排気浄化用触媒装置の燃料供給装置は、燃料として内燃機関の燃料の一部を使用しており、添加ノズルに供給される燃料の圧力は、内燃機関の回転速度によって変化する。また、エンジンの回転速度が低いときに高圧で添加ノズルから燃料を添加すると、添加された燃料が排気系の壁に付着する。そのため、添加ノズルから添加された燃料が排気系の壁に付着するのが回避され、かつ、内燃機関の１サイクルの間に供給すべき量の燃料を添加ノズルから添加できるように、燃料添加可能な期間は長い方がよい。燃料添加期間を内燃機関の１サイクルの間に１回に限定すると、燃料添加期間が無排気行程の前か後のみとなり、燃料添加可能な期間を従来の４気筒エンジン並みに長く確保するのが難しい。しかし、この発明では、燃料添加期間が無排気行程を跨ぐように分割されて、無排気行程の前と後の両方の期間で添加ノズルから燃料添加が行われるため、分割された各期間を合計すると、４気筒エンジン並みの燃料添加期間を確保することが可能となる。従って、添加ノズルから添加された燃料が排気系の壁に付着するような高圧で燃料を添加しなくても、必要な燃料添加量を確保することが容易になる。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記燃料添加期間は、前記無排気行程を跨って２分割されており、前記添加制御手段は、前記無排気行程より後半に添加される燃料量がＮＯｘ還元のための適正雰囲気となる量に満たない場合は、その量を次回の燃料添加期間に持ち越して噴射するように前記添加ノズルを制御する。
内燃機関における排気浄化用触媒装置の燃料供給装置が、燃料として内燃機関の燃料の一部を使用している場合、添加ノズルに供給される燃料の圧力は、内燃機関の回転速度によって変化する。そのため、内燃機関の回転速度によっては、無排気行程より後半に添加される燃料量がＮＯｘ還元のための適正雰囲気となる量に満たない場合が生じる。その場合、添加ノズルからは燃料は添加されない。そのような場合、この発明では、添加されなかった量の燃料が次回の燃料添加期間に持ち越されるため、今回は活性化されなかった触媒の一部が次回に活性化される。
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記添加ノズルに前記燃料を供給する燃料供給手段は、前記添加ノズルに供給される燃料の圧力を内燃機関に供給される燃料の圧力以上となるように変更可能に構成されている。そして、前記添加制御手段は、前記添加ノズルに供給される燃料の圧力が内燃機関に供給される燃料の圧力と同じでは、内燃機関の１サイクルの間に供給すべき量の前記燃料を前記燃料添加期間内で前記添加ノズルから添加できないと判断した場合、前記燃料供給手段の燃料供給圧力を高めるように制御する。
この発明では、燃料供給手段により、通常は内燃機関に供給される燃料の圧力と同じ圧力で、添加ノズルに燃料が供給される。そして、添加ノズルに供給される燃料の圧力が内燃機関に供給される燃料の圧力と同じでは、内燃機関の１サイクルの間に供給すべき量の燃料を燃料添加期間内で添加ノズルから添加できない場合には、添加制御手段からの指令により、燃料供給手段の燃料供給圧力が高められ、燃料添加期間内に所定量の燃料の添加が可能になる。
本発明によれば、エキゾーストマニホールドに添加された排気浄化用触媒装置の燃料が、排気流に乗らずに排気系の壁面に付着するのを回避することができる。
（第１の実施形態）
以下、本発明の排気浄化用触媒装置の燃料供給装置を自動車に搭載されたディーゼルエンジン（以下、単にエンジンと記載する。）に具体化した第１の実施形態について図１〜図５に従って説明する。図１は排気浄化用触媒装置を備えたディーゼルエンジン及びその周辺構成を示す模式図、図２（ａ），（ｂ）は各気筒の吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の関係を示す図である。
図１に示すように、内燃機関としてのエンジン１１は複数（この実施形態では８つ）の気筒＃１〜＃８を備えており、複数の気筒＃１〜＃８は２群に分けられて、Ｖ字状をなす左右のバンク１２Ｌ，１２Ｒにそれぞれ４つ宛配置されている。右のバンク１２Ｒには気筒＃１，＃３，＃５，＃７が配置され、左のバンク１２Ｌには気筒＃２，＃４，＃６，＃８が配置されている。即ち、エンジン１１はＶ型で８気筒の構成を有している。
シリンダヘッド１３Ｌには各気筒＃２，＃４，＃６，＃８毎に燃料噴射弁１４が取り付けられており、シリンダヘッド１３Ｒには各気筒＃１，＃３，＃５，＃７毎に燃料噴射弁１４が取り付けられている。各燃料噴射弁１４は、高圧燃料を蓄圧するコモンレール１５に接続されており、コモンレール１５にはサプライポンプ１６から燃料が供給される。コモンレール１５に供給された高圧燃料は、各燃料噴射弁１４の開弁時に燃料噴射弁１４から気筒内に噴射される。
シリンダヘッド１３Ｌ，１３Ｒには、外気を気筒内に導入するための吸気ポート１７と燃焼ガスを気筒外へ排出するための排気ポート１８とが各気筒＃１〜＃８に対応して設けられている。シリンダヘッド１３Ｌ，１３Ｒには、各吸気ポート１７に接続される共通のインテークマニホールド１９が接続されている。インテークマニホールド１９は、メイン吸気通路２０から分岐された分岐吸気通路２１Ｌ，２１Ｒに接続されている。即ち、メイン吸気通路２０から供給される吸気は、一旦、分岐吸気通路２１Ｌ，２１Ｒで分岐されるとともに、再びインテークマニホールド１９の合流部で合流した後、各気筒＃１〜＃８に供給される。メイン吸気通路２０の入口にはエアクリーナ２２が設けられている。分岐吸気通路２１Ｌ，２１Ｒには吸気圧センサ２３ａ、吸気温センサ２３ｂ及び吸入空気量を調整するためのスロットル弁２４がそれぞれ設けられている。
シリンダヘッド１３Ｌにはエキゾーストマニホールド２５Ｌが接続されており、シリンダヘッド１３Ｒにはエキゾーストマニホールド２５Ｒが接続されている。分岐吸気通路２１Ｌはエキゾーストマニホールド２５Ｌの出口付近を通るように配置され、エキゾーストマニホールド２５Ｌは、出口が過給機２６Ｌのタービン２７を介して排気通路２８Ｌに接続されている。分岐吸気通路２１Ｒはエキゾーストマニホールド２５Ｒの出口付近を通るように配置され、エキゾーストマニホールド２５Ｒは、出口が過給機２６Ｒのタービン２７を介して排気通路２８Ｒに接続されている。
分岐吸気通路２１Ｌの途中には過給機２６Ｌのコンプレッサ２９が設けられており、分岐吸気通路２１Ｒの途中には過給機２６Ｒのコンプレッサ２９が設けられている。過給機２６Ｌ，２６Ｒは、排気流によって作動される公知の可変ノズル式ターボチャージャである。可変ノズル式ターボチャージャは、排気流の作用によりタービンに生じる回転トルクを駆動源としてコンプレッサを駆動させ、空気を圧送する。分岐吸気通路２１Ｌ，２１Ｒには過給機２６Ｌ，２６Ｒより下流側にインタクーラ３０が設けられている。各分岐吸気通路２１Ｌ，２１Ｒには、それぞれコンプレッサ２９より上流側にエアフローメータ３１がそれぞれ設けられている。
エンジン１１は排気再循環装置（ＥＧＲ装置）付きのエンジンであり、エキゾーストマニホールド２５Ｌ，２５Ｒとインテークマニホールド１９との間には排気の一部を吸気系に還流させるＥＧＲ通路３２Ｌ，３２Ｒが設けられている。ＥＧＲ通路３２Ｌは一端がエキゾーストマニホールド２５Ｌに連通され、他端がＥＧＲ弁３３を介してインテークマニホールド１９に連通されている。一方、ＥＧＲ通路３２Ｒは一端がエキゾーストマニホールド２５Ｒに連通され、他端がＥＧＲ弁３３を介してインテークマニホールド１９に連通されている。ＥＧＲ弁３３の開度調節により、エンジン１１の排気系から吸気系へのＥＧＲガス供給量の調節が可能である。
ＥＧＲ通路３２Ｌ，３２Ｒの途中には、ＥＧＲクーラ３４の入口及び出口がそれぞれ接続され、該入口及び出口の間においてＥＧＲ通路３２Ｌ，３２Ｒにはバイパス弁３５が配置されている。そして、このバイパス弁３５の閉塞によってＥＧＲガスがＥＧＲクーラ３４を経由して冷却され、逆にバイパス弁３５の開放によってＥＧＲガスがＥＧＲクーラ３４を迂回する。
排気通路２８Ｌ，２８Ｒのタービン２７より下流には、それぞれ排気浄化用触媒装置３６が設けられ、排気浄化用触媒装置３６の下流には酸化触媒装置３７が設けられている。排気浄化用触媒装置３６内には、ＮＯｘを還元するための触媒３８が収容されている。この触媒３８はＮＯｘ吸蔵還元型触媒であり、排気の空燃比がリーンの時は排気中のＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチになると吸蔵したＮＯｘを還元して同ＮＯｘを分解する。また、排気浄化用触媒装置３６内には、表面にＮＯｘ吸蔵還元型触媒の層をコーティングしたフィルタ３９が収容され、ＰＭ（粒子状物質）の浄化が行われる。酸化触媒装置３７内には、酸化触媒が収容されており、ＨＣやＣＯが酸化されて浄化される。排気浄化用触媒装置３６及び酸化触媒装置３７により所謂ＤＰＮＲ（ディーゼル・パティキュレイト・ＮＯｘ・リダクションシステム）が構成されている。
触媒３８とフィルタ３９との間には第１排気温センサ４０が設けられている。排気浄化用触媒装置３６内のフィルタ３９より下流には第２排気温センサ４１が設けられ、酸化触媒装置３７の入口には空燃比センサ４２がそれぞれ設けられている。空燃比センサ４２は、排気成分に基づいて排気の空燃比を検出する。第１排気温センサ４０と第２排気温センサ４１は、それぞれの位置で排気温を検出する。フィルタ３９の上流側と下流側には差圧センサ４３の配管がそれぞれ設けられ、差圧センサ４３はフィルタ３９の目詰まりの程度、すなわち粒子状物質の堆積度合を検出するためにフィルタ３９の上下流での差圧を検出している。
ディーゼルエンジンの場合、排気の空燃比は通常リーンであるため、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵量が限界に達する前に、排気の空燃比をリッチにする必要がある。そこで、添加ノズル４４から燃料をＮＯｘ還元燃料として添加することにより、排気の空燃比をリッチにしている。触媒３８が有効に機能するためには、触媒温度が適正範囲内にある必要がある。そのため、排気浄化用触媒装置３６の温度が予め設定された所定範囲内のときに、添加ノズル４４から燃料が添加され、触媒３８からＮＯｘを放出させるとともに同ＮＯｘの還元が行われる。このとき添加される燃料の添加期間や添加間隔はエンジン１１の運転状態や前回の燃料添加量等に基づいて設定される。
シリンダヘッド１３Ｌ，１３Ｒには燃料を排気浄化用触媒装置３６の触媒３８に供給するための添加ノズル４４がそれぞれ取り付けられている。シリンダヘッド１３Ｌに取り付けられる添加ノズル４４は、エキゾーストマニホールド２５Ｌの第８気筒＃８の排気ポート１８と対応する位置に燃料を添加するように設けられている。シリンダヘッド１３Ｒに取り付けられる添加ノズル４４は、エキゾーストマニホールド２５Ｒの第７気筒＃７の排気ポート１８と対応する位置に燃料を添加するように設けられている。即ち、添加ノズル４４は、エキゾーストマニホールド２５Ｌ，２５ＲにおけるＥＧＲ通路３２Ｌ，３２ＲのＥＧＲガスの入口から最も遠くに位置する第７気筒＃７及び第８気筒＃８の排気ポート１８と対応する位置に燃料を添加するように、シリンダヘッド１３Ｌ，１３Ｒに設けられている。また、添加ノズル４４とサプライポンプ１６とは燃料供給管４５によって接続されており、燃料としてエンジン１１の燃料である軽油が供給されるようになっている。この添加ノズル４４は燃料噴射弁１４と同様な構造を有している。サプライポンプ１６及び燃料供給管４５は、添加ノズル４４に燃料を供給する燃料供給手段を構成する。
エンジン１１は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）４６により制御される。ＥＣＵ４６は、中央処理制御装置（ＣＰＵ）、各種プログラムやマップ等を予め記憶した読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵの演算結果等を一時記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、タイマカウンタ、入力インターフェース、出力インターフェース等を備えたマイクロコンピュータを中心として構成されている。そして、ＥＣＵ４６により、例えば、燃料噴射弁１４の燃料噴射量や燃料添加期間、サプライポンプ１６の吐出圧力、スロットル弁２４を開閉するアクチュエータの駆動量、ＥＧＲ弁３３の開度等、エンジン１１の各種制御が行われる。また、ＥＣＵ４６により、添加ノズル４４の燃料添加量や燃料添加時期が制御される。ＥＣＵ４６は、添加ノズル４４による触媒活性化用の燃料の添加を制御する添加制御手段を構成する。
ＥＣＵ４６には、機関運転状態を検出するための各種センサの検出信号が入力される。前記センサには、吸気圧センサ２３ａ、吸気温センサ２３ｂ、エアフローメータ３１、第１排気温センサ４０、第２排気温センサ４１、空燃比センサ４２がある。前記センサには、エンジン１１の水温を検出する水温センサ４７、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ４８、エンジン１１の回転速度及びクランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ４９、ＥＧＲ弁３３の開度を検出するＥＧＲ開度センサ５０、スロットル弁２４の開度を検出するスロットル開度センサ５１がある。また、前記センサには特定気筒の圧縮上死点を検出する気筒判別センサがある。なお、図１においては図示の都合上、センサの検出信号及びＥＣＵ４６からの指令信号を示す矢印線の一部の図示を省略している。
ＥＣＵ４６が内蔵するメモリには、前記各センサの各種信号等から得られるエンジン１１の運転状態に基づいて、エンジン制御のために指令すべき各種指令値（制御値）の決定に用いられるマップ、式等が記憶されている。前記マップ、式等には、例えば、添加ノズル４４からの燃料添加時期、燃料添加量を決めるマップ、式等が含まれる。メモリには、添加ノズル４４の燃料添加制御を実行するためのプログラムが記憶されている。
Ｖ８型エンジンにおける各気筒＃１〜＃８の圧縮燃焼順序は、左右のバンク順ではなく、気筒＃１、気筒＃２、気筒＃７、気筒＃３、気筒＃４、気筒＃５、気筒＃６、気筒＃８の順に設定されている。そして、左バンク及び右バンクの各気筒＃１〜＃８は、図２（ａ），（ｂ）に示す順で吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程が行われる。そのため、エキゾーストマニホールド２５Ｌ，２５Ｒ内から排気通路２８Ｌ，２８Ｒへの排気流出がない無排気行程が存在する。無排気行程中に添加ノズル４４から燃料添加を行うと、エキゾーストマニホールド２５Ｌ，２５Ｒ内に添加された燃料が排気系の壁面であるエキゾーストマニホールド２５Ｌ，２５Ｒの壁面に付着し易くなる。そのため、ＥＣＵ４６は、添加ノズル４４が設けられた側のエキゾーストマニホールド２５Ｌ，２５Ｒに対応する気筒の無排気行程中を除いた期間に、添加ノズル４４からの燃料添加を行うように添加ノズル４４を制御するようになっている。
この実施形態では、触媒活性化の燃料としてエンジン１１の燃料の一部を使用しているため、添加ノズル４４に供給される燃料の圧力は、エンジン１１の回転速度によって変化する。そのため、エンジン１１の回転速度が低いときに高圧で添加ノズル４４から燃料を添加すると、添加された燃料がエキゾーストマニホールド２５Ｌ，２５Ｒの壁面に付着し易い。しかし、上述したように燃料の圧力がエンジン１１の回転速度によって変化する構造であると、エンジン１１の回転速度が低いときは燃料の圧力は低いため、添加ノズル４４から添加された燃料が排気系の壁に付着するのが回避される。また、エンジン１１の１サイクルの間に供給すべき量の燃料を添加ノズル４４から添加できるように、燃料添加可能な期間は長い方がよい。しかし、燃料添加期間を従来の４気筒エンジンの場合と同様に連続５４０°のクランク角間に設定すると、図３（ａ）に示すように、燃料添加期間内に無排気行程が含まれる状態となる。そのため、燃料添加期間をエンジン１１の１サイクルの間に１回に限定すると、燃料添加期間が無排気行程の前か後のみとなり、燃料添加可能な期間を従来の４気筒エンジン並みに（連続５４０°のクランク角間に）長く確保するのが難しい。そこで、この実施形態では、燃料添加期間をエンジン１１の１サイクルの間に１回に限定せずに、図３（ｂ）に示すように、燃料添加期間のうち無排気行程と対応する期間を後半に付加するように、即ち、燃料添加期間が無排気行程を跨ぐように分割して設定されている。
この実施形態では、図２（ａ），（ｂ）に示すように、燃料添加期間は、右バンクにおいては、前半の燃料添加は、開始が気筒＃７の排気行程開始時で、終了が気筒＃３の圧縮行程開始時に、後半の燃料添加は、開始が気筒＃１の排気行程開始時で、終了が気筒＃５の圧縮行程開始時にそれぞれ設定されている。即ち、前半の燃料添加期間は最大４５０°のクランク角間で、後半の燃料添加期間は最大９０°のクランク角間で合計５４０°のクランク角間となる。
また、左バンクにおいては、前半の燃料添加は、開始が気筒＃８の排気行程開始時で、終了が気筒＃８の圧縮行程開始時に、後半の燃料添加は、開始が気筒＃４の排気行程開始時で、終了が気筒＃６の排気行程開始時にそれぞれ設定されている。即ち、前半の燃料添加期間は最大３６０°のクランク角間で、後半の燃料添加期間は最大１８０°のクランク角間で合計５４０°のクランク角間となる。
また、ＥＣＵ４６は、エンジン１１の１サイクルの間に必要な燃料添加量及びそれに対応する燃料添加期間を各サイクル毎に演算するとともに、添加ノズル４４の開弁期間、即ち添加ノズル４４への通電時間の設定演算は、無排気行程を挟んで前及び後のいずれにおいても個別に処理を行う。そのため、図４に示すように、無排気行程以外の期間においても添加ノズル４４への通電時間の設定演算のための期間を必要とし、無排気行程以外の期間においても添加ノズル４４からの燃料添加が行われない期間が存在する。
ＥＣＵ４６は、無排気行程を挟んで前半の期間に優先的に添加ノズル４４からの燃料添加が行われるように、即ち、添加ノズル４４の開弁時間を前半に対して優先的に割り付け、前半における燃料添加だけでは１サイクルに必要な量の燃料添加が行えない場合に残りの量を後半で添加するように、開弁時間（通電時間）を設定する。
ＮＯｘ還元触媒の能力を回復させるには単に燃料が触媒３８に供給されるだけではなく、所謂リッチスパイクと呼ばれるように短時間で空燃比がリッチな状態となる量が供給される必要がある。添加ノズル４４の最低開弁時間は、燃料をリッチスパイクとなる量以上、添加できる時間に設定されている。ＥＣＵ４６は、前半で供給できない分を後半に持ち越した場合、その量が最低開弁時間に対応する量未満の場合は、後半での燃料添加を行わず、持ち越した分は次回の添加時における前半の添加量に加算して、次回の開弁時間（通電時間）を設定する。
前半及び後半の合計の燃料添加期間で添加可能な燃料量が１サイクルの間に必要な燃料添加量より少ない場合は、残り分は、次回に持ち越さない。
次に前記のように構成された装置の作用を説明する。
ＥＣＵ４６は、エアフローメータ３１、水温センサ４７、アクセル開度センサ４８、クランク角センサ４９等の検出信号から運転状態を把握する。そして、把握されたエンジンの運転状態（負荷状態）に対応した適正な燃焼状態となるように、燃料噴射弁１４からの燃料噴射量、燃料噴射時期、排気環流量を演算し、サプライポンプ１６、燃料噴射弁１４及びＥＧＲ弁３３を制御する。
また、ＥＣＵ４６は、触媒３８に吸蔵されたＮＯｘの還元処理を、排気浄化用触媒装置３６の温度が、触媒３８が活性作用を呈する適正な温度範囲の状態で行ように添加ノズル４４を制御する。ＥＣＵ４６は、ＮＯｘの還元処理を行う場合、図５のフローチャートに従って添加ノズル４４の制御を行う。
ＥＣＵ４６は、ステップＳ１で排気浄化用触媒装置３６内の温度及びエンジン１１回転速度、即ちクランク角センサ４９、第１排気温センサ４０及び第２排気温センサ４１の検出信号を読み込む。次にＥＣＵ４６は、ステップＳ２でエンジン回転速度が添加ノズル４４からの燃料添加を行う設定速度を満たしているか否か、及び排気浄化用触媒装置３６内の温度が添加ノズル４４からの燃料添加を行う所定範囲内か否かを判断する。ＥＣＵ４６は、ステップＳ２でエンジン回転速度及び排気浄化用触媒装置３６の温度が所定の条件を満たしていなければ処理を終了し、所定の条件を満たしていればステップＳ３に進む。
ＥＣＵ４６は、ステップＳ３でエンジン１１の１サイクルの間に必要な燃料添加量及びそれに対応する添加ノズル４４の開弁時間（通電時間）を、無排気行程の前及び後について演算する。このとき、ＥＣＵ４６は、一つ前のサイクルからの持ち越し量が有れば、その持ち越し量を加算した量を１サイクルの間に必要な燃料添加量として前記開弁時間を設定する。
次にＥＣＵ４６はステップＳ４に進み、ステップＳ４で今回の燃料添加時が無排気行程の前か後かをクランク角センサ４９の出力信号から判断する。そして、今回の燃料添加時が前であればステップＳ５に進み、ステップＳ５で前に対応する通電時間を設定した後、ステップＳ７に進む。前でなければ、ステップＳ６に進み、ステップＳ６で後に対応する通電時間を設定した後、ステップＳ７に進む。ＥＣＵ４６は、ステップＳ７で、通電時間が最低開弁時間以上か否かを判断し、通電時間が最低開弁時間未満であれば処理を終了し、通電時間が最低開弁時間以上であればステップＳ８に進む。
ＥＣＵ４６は、ステップＳ８でクランク角センサ４９の出力信号から開弁開始時期か否かを判断し、開弁開始時期になるまで待機する。そして、開弁時期になったらステップＳ９に進み、ステップＳ９で添加ノズル４４に通電指令を出力した後、ステップＳ１０に進む。ＥＣＵ４６は、ステップＳ１０でクランク角センサ４９の出力信号から開弁終了時期か否かを判断し、開弁終了時期になるまで待機する。そして、開弁終了時期になったらステップＳ１１に進み、ステップＳ１１で添加ノズル４４に通電終了指令を出力した後、処理を終了する。
また、ＥＣＵ４６は、排気浄化用触媒装置３６の触媒３８やフィルタ３９にＰＭが堆積し、排気浄化用触媒装置３６の入口と出口との差圧力が予め設定された所定圧以下になったことを差圧センサ４３の検出信号により検出すると、ＰＭ除去処理をＮＯｘ還元処理より優先させて行う。ＰＭ除去処理は、高温でリーンな条件下において燃料添加が行われる。
また、触媒３８は、燃料中の硫黄分を吸蔵する硫黄被毒により触媒性能が劣化するので、ＮＯｘ還元の条件より高温でリッチな条件下での被毒回復処理も必要である。この被毒回復処理の頻度はＰＭ除去処理より少ない。ＥＣＵ４６は、ＰＭ除去処理及びＮＯｘ還元処理の合間に被毒回復処理を行う。
この実施形態では以下の効果を有する。
（１）エンジン１１は、エキゾーストマニホールド２５Ｌ，２５Ｒが接続された排気通路２８Ｌ，２８Ｒの途中に排気浄化用触媒装置３６を備え、排気浄化用触媒装置３６の触媒活性化用の燃料を添加供給する添加ノズル４４が、添加制御手段（ＥＣＵ４６）によって制御される。ＥＣＵ４６は、エンジン１１の運転中、エキゾーストマニホールド２５Ｌ，２５Ｒ内から排気通路２８Ｌ，２８Ｒへの排気流出がない無排気行程中を除いた期間に、添加ノズル４４からの燃料添加を行うように添加ノズル４４を制御する。従って、エキゾーストマニホールド２５Ｌ，２５Ｒに添加された排気浄化用触媒装置３６の燃料が、排気流に乗らずに排気系の壁面に付着するのを回避することができる。
（２）ＥＣＵ４６は、添加ノズル４４からの燃料添加期間が無排気行程を跨ぐように分割して、無排気行程の前と後の両方の期間で前記燃料の添加が行われるように添加ノズル４４を制御する。従って、分割された各期間を合計すると、４気筒エンジン並みの燃料添加期間を確保することが可能となる。その結果、添加ノズル４４から添加された燃料が排気系の壁に付着するような高圧で燃料を添加しなくても必要な燃料添加量を確保することが容易になる。
（３）燃料添加期間は、無排気行程を跨って２分割されており、ＥＣＵ４６は、無排気行程より後半に添加される燃料量がＮＯｘ還元のための適正雰囲気となる量、即ちリッチスパイクとなる量に満たない場合は、その量を次回の燃料添加時期に持ち越して噴射するように添加ノズル４４を制御する。添加ノズル４４に供給される燃料の圧力は、エンジン１１の回転速度によって変化し、エンジン１１の回転速度によっては、無排気行程より後半に添加される燃料量がＮＯｘ還元のための適正雰囲気となる量に満たない場合が生じる。その場合、添加ノズル４４からは燃料は添加されない。そのような場合、この実施形態では、添加されなかった量の燃料が次回の燃料添加時期に持ち越されるため、今回は活性化されなかった触媒の一部が次回に活性化される。
（４）添加ノズル４４は、気筒の排気ポート１８と対応する位置に燃料を添加するように設けられるとともに、対応する気筒（この実施形態では第７気筒＃７及び第８気筒＃８）の排気に同期して燃料添加を開始するように制御される。従って、排気系（エキゾーストマニホールド２５Ｌ，２５Ｒ）の壁面に燃料が付着し難くなる。
（５）添加ノズル４４は、エキゾーストマニホールド２５Ｌ，２５ＲにおけるＥＧＲ通路３２Ｌ，３２ＲのＥＧＲガスの入口から最も遠くに位置する第７気筒＃７及び第８気筒＃８の排気ポート１８と対応する位置に燃料を添加するように、シリンダヘッド１３Ｌ，１３Ｒに設けられている。従って、添加ノズル４４から添加された燃料がＥＧＲ通路３２Ｌ，３２Ｒに入るのを防止できる。
（６）添加ノズル４４の制御を無排気行程を跨って前半の場合と後半の場合とで、同様に行うため、制御プログラムが簡単になる。
（第２の実施形態）
次に第２の実施形態を図６に従って説明する。この実施形態は、添加ノズル４４に燃料を供給する燃料供給手段が、添加ノズル４４に供給される燃料の圧力をエンジン１１に供給される燃料の圧力以上となるように変更可能に構成されている点が前記第１の実施形態と大きく異なっている。また、添加制御手段（ＥＣＵ４６）は、添加ノズル４４に供給される燃料の圧力がエンジン１１に供給される燃料の圧力と同じでは、エンジン１１の１サイクルの間に供給すべき量の燃料を燃料添加期間内で添加ノズル４４から添加できないと判断した場合、燃料供給手段の燃料供給圧力を高めるように制御する点も第１の実施形態と大きく異なっている。その他の構成は第１の実施形態と同じであり、第１の実施形態と同様の部分については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。図６は燃料供給手段を示す部分模式図である。
図６に示すように、燃料供給管５２は逆止め弁５３を介してサプライポンプ１６に接続されている。逆止め弁５３の下流側には電磁三方弁５４が設けられて、電磁三方弁５４を介して分岐された分岐管５２ａ，５２ｂの一方にはポンプ５５が設けられている。分岐管５２ａ，５２ｂはポンプ５５の下流で再び集合されている。燃料供給管５２は、分岐管５２ａ，５２ｂの合流部より下流部で再び分岐管５２ｃ，５２ｄに分岐されて添加ノズル４４に連結されている。電磁三方弁５４は、逆止め弁５３を介して供給される燃料が分岐管５２ａに流れる状態と、分岐管５２ｂに流れる状態とにＥＣＵ４６からの指令信号により切換え制御される。ポンプ５５はＥＣＵ４６からの指令信号により駆動制御され、ポンプ５５が駆動されると、燃料供給管５２内の燃料の圧力がエンジン１１に供給される燃料の圧力より高くなるようになっている。即ち、この実施形態の燃料供給手段は、燃料供給管５２に、前記実施形態の燃料供給手段の構成に加えて逆止め弁５３、電磁三方弁５４及びポンプ５５を備えており、添加ノズル４４に供給する燃料の圧力をエンジン１１に供給される燃料の圧力と独立して変更可能に構成されている。
電磁三方弁５４は、常には燃料が分岐管５２ａを流れるように切換えられており、ポンプ５５が駆動される場合には燃料が分岐管５２ｂを流れるように切換えられる。ＥＣＵ４６は、図５のフローチャートのステップＳ３の処理、即ち燃料添加量及び添加ノズル４４の開弁時間（通電時間）の演算処理が異なる点を除き、図５のフローチャートに従ってＮＯｘの還元処理を行う。ＥＣＵ４６は、ステップＳ３の処理に代わる燃料添加量及び開弁時間の演算処理において、先ず添加燃料の圧力をサプライポンプ１６から供給される燃料の圧力で行うとして開弁時間を演算し、演算された開弁時間内で燃料添加が可能か否かの判断を行う。そして、可能であればその開弁時間に設定し、可能でなければ添加燃料の圧力を高めた状態で開弁時間を演算して開弁時間を設定する。そして、電磁三方弁５４を燃料が分岐管５２ｂを流れるように切換えるとともに、ポンプ５５に駆動指令を出力する。但し、燃料の圧力は、添加ノズル４４から添加された燃料がエキゾーストマニホールド２５Ｌ，２５Ｒの壁面に付着し易い圧力未満に設定されている。
従って、この第２の実施形態では、前記第１の実施形態の効果（１），（２），（４）〜（６）と同様の効果を有する他に次の効果を有する。
（７）燃料供給手段は、添加ノズル４４に供給される燃料の圧力をエンジン１１に供給される燃料の圧力以上となるように変更可能に構成されている。そして、ＥＣＵ４６は、添加ノズル４４に供給される燃料の圧力がエンジン１１に供給される燃料の圧力と同じでは、エンジン１１の１サイクルの間に供給すべき量の燃料を燃料添加期間内で添加ノズル４４から添加できないと判断した場合、燃料供給手段の燃料供給圧力を高めるように制御する。従って、エンジン１１に供給される燃料の圧力が低い場合でも、燃料供給手段の燃料供給圧力が高められ、燃料添加期間内に所定量の燃料の添加が可能になる。
（８）燃料供給手段を添加ノズル４４用としてエンジン１１への燃料供給系と完全に独立して構成するのではなく、通常はエンジン１１に燃料を供給するサプライポンプ１６の供給圧力で供給し、必要なときにポンプ５５を駆動して燃料の圧力を高める構成となっている。従って、エンジン１１への燃料供給系と完全に独立して構成する場合に比較して、構成が簡単になる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように構成してもよい。
○ 添加ノズル４４からの燃料添加は無排気行程中を除いた期間であればよく、燃料の添加開始時期は、添加ノズル４４と対応する気筒（この実施形態では第７気筒＃７及び第８気筒＃８）の排気行程開始時期と同期させなくてもよい。従って、前記実施形態では燃料の添加開始時期を気筒の排気行程開始時期と同期させるため、左バンクと右バンクでは燃料添加期間が異なる長さに分割されていたが、左右両バンクにおける燃料添加期間が同じ分割状態になるように、例えば、前半の燃料の燃料添加期間を４５０°のクランク角間になるように添加開始時期を設定してもよい。この場合、左右両添加ノズル４４の添加制御を同じに行うことができ、燃料添加期間が異なる場合に比較して制御が容易になる。
○ 添加ノズル４４からの燃料添加期間は、無排気行程を挟んで前半が長くなるように設定しなくても、前半及び後半が同じ長さあるいは後半が長くなるように設定してもよい。
○ 添加ノズル４４の開弁時間の設定を、無排気行程を挟んで前半及び後半それぞれの添加開始時期毎に演算せずに、前半において後半の開弁時間も設定し、後半の添加開始時期をクランク角センサ４９の検出角度を基準に設定しなくてもよい。例えば、前半の添加開始時期はクランク角センサ４９の検出角度を基準に設定し、後半の添加開始時期は前半の開始時期を基準にしてカウントを開始するタイマで設定してもよい。
○ 添加ノズル４４の取付け位置は、第７気筒＃７及び第８気筒＃８と対応する位置に限らない。添加ノズル４４からの燃料添加位置がＥＧＲ通路３２Ｌ，３２Ｒの入口から離れた位置であればよい。また、左右両バンクへの添加ノズル４４の取付け位置が対称位置である必要はない。
○ ＥＣＵ４６は、排気浄化用触媒装置３６の温度が、触媒３８が活性作用を呈する適正な温度範囲内の状態において常に燃料噴射を行ように添加ノズル４４を制御する代わりに、触媒３８にＮＯｘが所定量以上吸蔵されるまでは、排気浄化用触媒装置３６の温度が適正な温度範囲内であっても燃料噴射を行わないように制御してもよい。例えば、ＥＣＵ４６が、エンジン１１の運転状態、ＮＯｘ還元を行ってからの経過時間等に基づいて触媒３８のＮＯｘ吸蔵量を推定する。そして、この推定量が所定量未満の場合は、排気浄化用触媒装置３６の温度が適正な温度範囲内であっても、添加ノズル４４からの燃料噴射を行わず、触媒３８のＮＯｘ吸蔵量と、排気浄化用触媒装置３６の温度とが所定の条件を満たしたときに、添加ノズル４４からの燃料噴射を行うように制御する。
○ 酸化触媒装置３７を省略して排気浄化用触媒装置３６のみで排気処理を行うようにしてもよい。
○ 排気浄化用触媒装置３６内にＰＭ除去用のフィルタ３９を設けて排気浄化用触媒装置３６でＮＯｘ還元処理とＰＭ除去処理の両方を行う構成に代えて、排気浄化用触媒装置３６はＮＯｘ還元処理専用としてＰＭ除去処理用に別のフィルタ装置を設けてもよい。
○ 排気浄化用触媒装置３６の温度が触媒３８のＮＯｘ還元を行うのに適正な温度範囲内であるか否かを判断するため、排気浄化用触媒装置３６の温度を第１排気温センサ４０及び第２排気温センサ４１で直接検出する代わりに、排気温度センサを排気浄化用触媒装置３６内以外の箇所に設けてもよい。例えば、排気温度センサをエキゾーストマニホールド２５Ｌ，２５Ｒや排気通路２８Ｌ，２８Ｒの排気浄化用触媒装置３６より上流側に設けてもよい。また、排気ガスの温度をセンサで検出せずにエンジン回転速度と運転状態を示すパラメータとを利用して推定してもよい。前記パラメータとしては、例えば、アクセル開度、スロットル弁２４の開度、ＥＧＲ弁３３の開度、排気中の酸素濃度等がある。
○ 内燃機関はＶ８型エンジンに限らず、運転中にエキゾーストマニホールド内から排気通路への排気流出がない無排気行程が存在する他のエンジンに適用してもよい。
○ 内燃機関はディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンに適用してもよい。また、自動車のエンジンに限らず、発電装置用エンジン等の定置式のエンジンに適用してもよい。
○ 実施の形態では、リッチスパイクとなる量に満たない場合に後半の燃料の添加を中止したが、それに替えて、燃料噴射ノズルの性能としての実施可能な最小噴射時間（あまり噴射時間が短いと開弁しても燃料が噴射されない等の理由で決められる時間）よりも要求噴射時間が短い場合に後半の噴射を中止するようにしてもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記内燃機関は、Ｖ型エンジンであり、各バンクに前記添加ノズルがそれぞれ設けられるとともに、各排気マニホールドに対応して前記排気浄化用触媒装置が設けられている。
（２）請求項１〜請求項４及び前記技術的思想（１）のいずれか一項に記載の発明において、前記添加制御手段は、クランク角を基準にして前記添加ノズルの噴射時期を設定する。
（３）前記技術的思想（１）又は（２）に記載の発明において、前記添加ノズルの噴射時期は同じに設定されている。
第１の実施形態のエンジン及びその周辺の模式図。 （ａ）は右バンクの各気筒の吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の関係を示す図、（ｂ）は同じく左バンクの（ａ）に対応する図。 （ａ），（ｂ）は燃料添加期間を分割しない場合とする場合の開弁期間を示す図。 燃料分割添加の制御例を示す図。 燃料添加制御の手順のフローチャート。 第２の実施形態の燃料供給手段を示す部分模式図。
符号の説明
＃１，＃２，＃３，＃４，＃５，＃６，＃７，＃８…気筒、１１…内燃機関としてのエンジン、１６…燃料供給手段を構成するサプライポンプ、１８…排気ポート、２５Ｌ，２５Ｒ…エキゾーストマニホールド、２８Ｌ，２８Ｒ…排気通路、３６…排気浄化用触媒装置、４４…添加ノズル、４５，５２…燃料供給手段を構成する燃料供給管、４６…噴射制御手段を構成するＥＣＵ、５３…燃料供給手段を構成する逆止め弁、５４…同じく電磁三方弁、５５…同じくポンプ。

Claims (4)

  1. 複数の気筒を備えるとともに、各気筒の排気ポートに接続されたエキゾーストマニホールドが接続された排気通路の途中に排気浄化用触媒装置を備え、前記エキゾーストマニホールドに前記排気浄化用触媒装置の触媒活性化用の燃料を添加する添加ノズルが設けられた内燃機関における排気浄化用触媒装置の燃料供給装置であって、
    前記内燃機関は、運転中に前記エキゾーストマニホールド内から前記排気通路への排気流出がない無排気行程が存在し、前記添加ノズルによる前記燃料の添加を制御する添加制御手段は、前記添加ノズルが設けられた側の前記エキゾーストマニホールドに対応する気筒の無排気行程中を除いた期間に、前記添加ノズルからの燃料添加を行うように前記添加ノズルを制御する内燃機関における排気浄化用触媒装置の燃料供給装置。
  2. 前記添加制御手段は、前記添加ノズルからの燃料添加期間が前記無排気行程を跨ぐように分割して前記燃料の添加が行われるように前記添加ノズルを制御する請求項１に記載の内燃機関における排気浄化用触媒装置の燃料供給装置。
  3. 前記燃料添加期間は、前記無排気行程を跨って２分割されており、前記添加制御手段は、前記無排気行程より後半に添加される燃料量がＮＯｘ還元のための適正雰囲気となる量に満たない場合は、その量を次回の燃料添加時期に持ち越して添加するように前記添加ノズルを制御する請求項２に記載の内燃機関における排気浄化用触媒装置の燃料供給装置。
  4. 前記添加ノズルに前記燃料を供給する燃料供給手段は、前記添加ノズルに供給される燃料の圧力を内燃機関に供給される燃料の圧力以上となるように変更可能に構成されており、前記添加制御手段は、前記添加ノズルに供給される燃料の圧力が内燃機関に供給される燃料の圧力と同じでは、内燃機関の１サイクルの間に供給すべき量の前記燃料を前記燃料添加期間内で前記添加ノズルから添加できないと判断した場合、前記燃料供給手段の燃料供給圧力を高めるように制御する請求項２に記載の内燃機関における排気浄化用触媒装置の燃料供給装置。
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