JP2019157736A

JP2019157736A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2019157736A
Application number: JP2018044328A
Authority: JP
Inventors: 優貴土橋; Yuki Dobashi; 明寛澤田; Akihiro Sawada
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2018-03-12
Filing date: 2018-03-12
Publication date: 2019-09-19

Abstract

【課題】燃料の噴射タイミングと酸素富化空気の噴射タイミングとを最適化する。【解決手段】理論空燃比より高い空燃比で運転される内燃機関１が提供される。内燃機関は、吸気中の空気を窒素富化空気と酸素富化空気に分離する分離器２０と、分離器により生成された窒素富化空気を燃焼室１２に向かって送るように構成された吸気通路３と、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁１３と、分離器により生成された酸素富化空気を燃焼室内に噴射する空気噴射弁１４と、燃料噴射弁から燃料が噴射される直前に空気噴射弁から酸素富化空気が噴射されるよう、燃料噴射弁と空気噴射弁を制御するように構成された制御ユニット１００と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、理論空燃比より高い空燃比で運転される内燃機関に関する。

この種の内燃機関、例えば車両用ディーゼルエンジンでは、厳しい排ガス規制に対処するため、複雑かつ高価な排気処理システムを採用している。そしてディーゼルエンジンの主要な排気成分であるＮＯｘ（窒素酸化物）を除去するため、比較的高価なＮＯｘ触媒、特に選択還元型ＮＯｘ触媒を備えた排気処理システムを採用している。

特開平７−２１７５０２号公報特開２００４−１９０５７０号公報特開２００８−２９１８２２号公報

しかし、排ガス規制が今後さらに厳しくなることを考慮すると、排気処理システムが益々高価になることは否めない。そこで、比較的安価で高いＮＯｘ浄化性能を発揮する三元触媒をＮＯｘ触媒の代替品として使用することが考えられる。

三元触媒は、主に理論空燃比で運転されるガソリンエンジンに使用されるもので、空燃比が理論空燃比付近のとき、すなわち排気中酸素濃度が理論空燃比相当の値付近であるときに、ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）およびＮＯｘを同時に高効率で浄化する。言い換えれば、殆どの場合に理論空燃比より高い空燃比で運転されるディーゼルエンジンでは、三元触媒は通常、十分なＮＯｘ浄化性能を発揮し得ず、使用できないものである。

そこで、吸気中の空気を窒素富化空気と酸素富化空気に分離し、窒素富化空気を吸気としてエンジンの燃焼室内に導入し、噴射燃料と共に着火させることが考えられる（例えば特許文献１，２参照）。こうすると排気ガスの酸素濃度が低減されるため、三元触媒を使用できる可能性が高まる。

但しこれだけだと、燃焼室内の酸素濃度が低下した分、噴射燃料の着火性が悪化することが懸念される。そこで、分離した酸素富化空気を別途燃焼室内に噴射し、噴射燃料を酸素富化空気と共に着火させることが考えられる（例えば特許文献２，３参照）。これにより、噴射燃料の着火性を向上することが可能である。

しかしながら、燃料の噴射タイミングと酸素富化空気の噴射タイミングとに関しては、好ましい提案が特に存在せず、その最適化が望まれる。

そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、燃料の噴射タイミングと酸素富化空気の噴射タイミングとを最適化できる内燃機関を提供することにある。

本開示の一の態様によれば、
理論空燃比より高い空燃比で運転される内燃機関であって、
吸気中の空気を窒素富化空気と酸素富化空気に分離する分離器と、
前記分離器により生成された窒素富化空気を燃焼室に向かって送るように構成された吸気通路と、
前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記分離器により生成された酸素富化空気を前記燃焼室内に噴射する空気噴射弁と、
前記燃料噴射弁から燃料が噴射される直前に前記空気噴射弁から酸素富化空気が噴射されるよう、前記燃料噴射弁と前記空気噴射弁を制御するように構成された制御ユニットと、
を備えることを特徴とする内燃機関が提供される。

好ましくは、前記空気噴射弁は、前記燃焼室内のピストンに向かって酸素富化空気を噴射するよう配置され、
前記制御ユニットは、前記空気噴射弁から噴射された酸素富化空気が前記ピストンで反射して燃料噴射直前に前記燃料噴射弁の周囲に到達するよう、前記燃料噴射弁と前記空気噴射弁を制御する。

好ましくは、前記内燃機関は、排気通路に配置された三元触媒をさらに備える。

好ましくは、前記吸気通路は、主通路と、前記主通路をバイパスすると共に前記分離器が配置されるバイパス通路とを備え、
前記内燃機関は、
前記バイパス通路の流量を調節するための調節弁と、
前記排気通路における前記三元触媒の下流側に配置されたＮＯｘ触媒と、
をさらに備え、
前記制御ユニットは、前記ＮＯｘ触媒の未活性時には前記バイパス通路の流量が多くなり、前記ＮＯｘ触媒の活性時には前記バイパス通路の流量が少なくなるよう、前記調節弁を制御する。

本開示によれば、燃料の噴射タイミングと酸素富化空気の噴射タイミングとを最適化できる。

内燃機関の概略構成図である。酸素富化空気噴射時の燃焼室内の様子を示す縦断面図である。燃料噴射時の燃焼室内の様子を示す縦断面図である。燃焼室内のガスの組成を比較した模式図で、（Ａ）は通常のディーゼルエンジンの場合、（Ｂ）は本実施形態のディーゼルエンジンの場合である。第１変形例における酸素富化空気噴射時の燃焼室内の様子を示す縦断面図である。第１変形例における燃料噴射時の燃焼室内の様子を示す縦断面図である。第２変形例の内燃機関の概略構成図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。

図１に、本実施形態に係る内燃機関を概略的に示す。内燃機関（エンジン）１は車両用の圧縮着火式内燃機関すなわちディーゼルエンジンである。但し本実施形態は、燃料と空気の混合比率である空燃比αが理論空燃比αｓ（例えばαｓ＝１４．６）より高いリーンな状態で運転されるエンジンを対象としている。よってエンジンは、所謂リーンバーン方式の火花点火式内燃機関すなわちガソリンエンジンであってもよい。エンジンの用途、シリンダ配置形式、気筒数等は任意である。

エンジン１は、エンジン本体２と、エンジン本体２に接続された吸気通路３および排気通路４とを備える。エンジン本体２は、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケース等の構造部品と、その内部に収容されたピストン、クランクシャフト、バルブ等の可動部品とを含む。図にはそのうちのシリンダヘッド５、シリンダブロック６、ピストン７、吸気弁８、排気弁９を示す。シリンダヘッド５には、吸気ポート１０および排気ポート１１が形成される。吸気ポート１０および排気ポート１１は、吸気通路３および排気通路４にそれぞれ連通され、吸気弁８および排気弁９によりそれぞれ開閉される。シリンダヘッド５、シリンダブロック６およびピストン７により燃焼室１２が画成される。

シリンダヘッド５には、燃焼室１２内に燃料を噴射する燃料噴射弁１３が取り付けられる。また本実施形態のシリンダヘッド５には、燃焼室１２内に後述する酸素富化空気を噴射する空気噴射弁１４が取り付けられる。燃料噴射弁１３は、燃料出口となる複数の噴孔を燃焼室１２内に位置させた状態で下向きに、かつシリンダ軸Ｃと同軸に配置される。空気噴射弁１４は、酸素富化空気の出口となる一乃至複数（本実施形態では単一）の噴孔を燃焼室１２内に位置させた状態で下向きに、かつシリンダ軸Ｃと平行に配置され、燃料噴射弁１３に近接して配置される。燃料噴射弁１３および空気噴射弁１４は、その内部に電磁ソレノイドを含み、電磁ソレノイドがオンされたときに燃料および酸素富化空気をそれぞれ噴射する。

吸気通路３は、主通路１５と、主通路１５をバイパスするバイパス通路１６とを備える。主通路１５の上流端にはエアクリーナ１７が設けられ、主通路１５の途中には吸気スロットルバルブ１８が設けられる。バイパス通路１６は、エアクリーナ１７と吸気スロットルバルブ１８の間の分岐位置Ｂ１で主通路１５から分岐し、合流位置Ｂ２で主通路１５に合流する。

分岐位置Ｂ１には、主通路１５からバイパス通路１６に分岐する吸気の流量、すなわちバイパス通路流量を調節するための切替弁１９が設けられる。切替弁１９は、主通路１５とバイパス通路１６を切替可能とするものであり、破線で示す全閉位置Ｐ１と全開位置Ｐ２の間で連続的に可変である。切替弁１９が全閉位置Ｐ１にあるとき、切替弁１９の開度は０（％）、バイパス通路１６は全閉、主通路１５は全開とされ、吸気はバイパス通路１６に流されず、その全量が主通路１５を流される。また切替弁１９が全開位置Ｐ２にあるとき、切替弁１９の開度は１００（％）、バイパス通路１６は全開、主通路１５は全閉とされ、吸気は主通路１５に流されず、その全量がバイパス通路１６を流される。図示の如く切替弁１９の開度が０（％）と１００（％）の間の中間開度にあるとき、吸気はその開度に見合った分配比でバイパス通路１６と主通路１５に分配される。

バイパス通路１６の途中には、吸気中の空気を窒素富化空気と酸素富化空気に分離する分離器２０が設けられている。ここで空気は約８０％の窒素（Ｎ₂）と約２０％の酸素（Ｏ₂）を含むが、窒素富化空気とは、空気よりも窒素濃度が高く酸素濃度が低い空気を意味し、酸素富化空気とは、空気よりも酸素濃度が高く窒素濃度が低い空気を意味する。分離器２０は例えば、窒素より分子の小さい酸素を選択的に透過させる分離膜２１を有する。分離膜２１は例えばポリブタジエン、エチルセルロース、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリジメチルシロキサン、ポリイミド樹脂等の素材で作製されている。

バイパス通路１６における分離器２０の上流側に、吸気を分離器２０に向けて圧送するポンプ２２が設けられる。本実施形態のポンプ２２は電動式であるが、ターボチャージャのコンプレッサをポンプ２２として使用してもよい。エアクリーナ１７から吸引されバイパス通路１６に分岐した外気もしくは新気である空気を、ポンプ２２により分離器２０に圧送すると、酸素が分離膜２１を透過し、分離膜２１の後側に酸素富化空気が生成される。分離膜２１の前側には窒素富化空気が生成され、この窒素富化空気は、バイパス通路１６の下流側部分を通じて合流位置Ｂ２から主通路１５に合流する。

バイパス通路１６における分離器２０の下流側には、通路を開閉する開閉弁２３と、窒素富化空気の酸素濃度を検出するための第１濃度センサ２４とが設けられる。

分離器２０と空気噴射弁１４は空気供給通路２５により連結され、分離器２０内の酸素富化空気は、空気供給通路２５を通じて空気噴射弁１４に供給される。空気供給通路２５の途中には、酸素富化空気を貯留する貯留室２６と、酸素富化空気の酸素濃度を検出するための第２濃度センサ２７とが設けられる。

排気通路４には三元触媒３０が配置されている。三元触媒３０は、空燃比が理論空燃比付近のとき、すなわち排気中酸素濃度が理論空燃比相当の値付近であるときに、ＣＯ、ＨＣおよびＮＯｘを同時に高効率で浄化する。ディーゼルエンジンに三元触媒３０を装備した点が特徴的である。排気通路４における三元触媒３０の上流側には、排気ガスの酸素濃度を検出するための第３濃度センサ３１が設けられる。

またエンジン１は、制御ユニット、回路要素（circuitry）もしくはコントローラをなす電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）１００を備える。ＥＣＵ１００はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含む。ＥＣＵ１００は、前述の燃料噴射弁１３、空気噴射弁１４、吸気スロットルバルブ１８、切替弁１９、ポンプ２２、開閉弁２３を制御するように構成されている。特に言及しない限り、吸気スロットルバルブ１８は全開、開閉弁２３は全開に制御されているものとする。また第１〜第３濃度センサ２４，２７，３１の検出信号はＥＣＵ１００に送られる。

図２には、本実施形態の燃焼室１２の構造を示す。ピストン７は、シリンダ軸Ｃと同軸に配置されたピストン軸に対し軸対称となるよう構成されている。特に断らない限り、ピストン軸を基準とした軸方向、半径方向および周方向を単に軸方向、半径方向および周方向という。ピストン７は、ピストン頂面３５とピストン外周面３６を有する。ピストン外周面３６の複数（本実施形態では三つ）のリング溝にはそれぞれピストンリング３７が嵌合されている。

ピストン７は、ピストン頂面３５の中央部に凹設されたキャビティ３８を有する。本実施形態のキャビティ３８はリエントラント型キャビティであり、下方の底部側に対し上方の入口側が絞られた形状となっている。キャビティ３８は、その入口部を形成すると共にピストン頂面３５に連なって半径方向内側に突出するリップ部３９と、リップ部３９に連なってその下方でアンダーカット状に拡径する側面部４０と、側面部４０に連なる底面部４１とを有する。底面部４１は、半径方向内側に向かうほど高さが高くなるよう傾斜され、その底面部４１の中心部には高さが最も高くなる底面頂面部４２が形成される。底面頂面部４２は、ピストン軸に垂直な平面である。

次に本実施形態の作動を述べる。図１に示すように、エンジン１の運転時には、切替弁１９の開度が０（％）より大きく１００（％）より小さい中間開度とされ、エアクリーナ１７から吸引された空気の一部がバイパス通路１６に分岐され、残部が主通路１５を流される。

バイパス通路１６に分岐した空気は、オンされたポンプ２２により分離器２０内に圧送される。これにより分離器２０内では酸素が分離膜２１を通して押し出され、その結果、分離膜２１の前側には窒素富化空気が生成される。この窒素富化空気はバイパス通路１６の下流側部分を流れ、開となっている開閉弁２３を通過し、合流位置Ｂ２から、主通路１５内の空気に合流される。

他方、分離膜２１の後側には酸素富化空気が生成される。この酸素富化空気は、空気供給通路２５を通じて貯留室２６に貯留され、空気噴射弁１４からの噴射のために準備される。

窒素富化空気が合流された後の主通路１５内の空気も、通常の空気より酸素濃度が低く、窒素濃度が高い。従ってその空気は相変わらず窒素富化空気である。もし合流後の窒素富化空気の窒素濃度を高めたい場合には、切替弁１９の開度を増大したり、ポンプ２２の単位時間当たりの回転数を増大したりして、バイパス通路流量を増やせばよい。切替弁１９の開度は最大１００（％）まで、すなわち吸気の全量が分離器２０を通過するようになるまで、増大し得る。

こうしてできた窒素富化空気は、吸気行程で燃焼室１２内に吸入され、圧縮行程で圧縮される。このとき燃焼室１２内は、通常のディーゼルエンジンより低酸素濃度の状態となっている。従って仮にこの状態で燃料噴射弁１３から燃料を噴射し、燃料を着火、燃焼させた場合、理論空燃比またはその付近の排気ガスを得られ、三元触媒３０によるＮＯｘ浄化を高効率で行うことができる。

しかしながら、燃焼室１２内が低酸素濃度となっているため、噴射燃料の着火性が悪化する虞がある。そこで本実施形態では、着火性向上のため空気噴射弁１４から燃焼室１２内に酸素富化空気を噴射する。とりわけ本実施形態では、燃料噴射弁１３から燃料が噴射される直前に空気噴射弁１４から酸素富化空気が噴射されるよう、燃料噴射弁１３と空気噴射弁１４をＥＣＵ１００により制御する。

詳細には図２に示すように、ピストン７の位置が圧縮上死点付近に到達した時、まず空気噴射弁１４がＥＣＵ１００によりオンされ、空気噴射弁１４の噴孔４５からピストン７に向かって酸素富化空気が噴射される。すると酸素富化空気は、図中矢示するように、キャビティ３８の底面頂面部４２に衝突し反射して上方に向かい、燃料噴射弁１３の周囲に到達する。そして燃料噴射弁１３の周囲に酸素富化空気層Ｒを形成する。このように、空気噴射弁１４から噴射された酸素富化空気をピストン７で反射させるようにしたため、酸素富化空気層Ｒを燃料噴射弁１３の周囲に好適に形成することができる。

その直後、図３に示すように、燃料噴射弁１３がＥＣＵ１００によりオンされ、燃料噴射弁１３における周方向等間隔の複数（本実施形態では五つ）の噴孔４６から、燃料がリップ部３９の下端部付近に向かって放射状に噴射される。Ｆは燃料噴霧を示し、Ｇは燃料噴霧の中心である噴霧軸を示す。

このとき、燃料噴霧Ｆの半径方向外側への拡散に従って、燃料が噴孔４６に近い方から順次着火を開始する。燃料噴霧Ｆが、予め形成された噴孔４６付近の酸素富化空気層Ｒを通過するため、噴射開始後の初期段階から燃料噴霧Ｆを高酸素濃度の酸素富化空気と混合させて着火させることができる。このため、良好な着火性を得られ、単に燃焼室１２内に酸素富化空気を噴射する場合に比べ、着火性を著しく向上させることができる。そして燃料の噴射タイミングと酸素富化空気の噴射タイミングとを最適化することが可能となる。

なお特許文献１は、既に噴射された燃料に向かって酸素富化空気を噴射するため、本実施形態と順番が逆である。特許文献１だと、噴射開始後の初期段階から酸素富化空気を活用することは困難となるため、着火性が悪化することが予想される。

１燃焼当たりの酸素富化空気の噴射量は、それに含まれる酸素が全量燃焼に用い尽くされるような必要十分な量とされる。

他方、酸素富化空気層Ｒより外側のガスは窒素富化空気であるため、燃料噴射弁１３から比較的離れ且つ燃焼に直接寄与しない余剰酸素を減らし、余剰酸素と窒素の結合により生成されるＮＯｘの量を低減できる。これは、三元触媒３０により処理するＮＯｘ量の低減に繋がるため、有利である。

図４は、燃焼室１２内のガスの組成を比較した模式図で、（Ａ）は通常のディーゼルエンジンの場合、（Ｂ）は本実施形態のディーゼルエンジンの場合である。前者の場合、燃焼室１２内には、理論空燃比の混合気Ｄ１と通常の空気Ｄ２とが存在するとみなせる。燃焼室１２内には、理論空燃比相当の酸素の他に、空気Ｄ２の約２０（％）の酸素も存在する。しかし後者の場合だと、前者の空気Ｄ２を窒素Ｄ３に置き換えることができ、燃焼室１２内に理論空燃比相当の酸素しか存在させないことができる。よって理論空燃比の排気ガスを得て三元触媒３０をＮＯｘ浄化のため高効率で作動させることができる。

なお本実施形態において、シリンダ軸Ｃ回りに旋回するスワール流を燃焼室１２内に生成するスワール生成手段を設けるのが好ましい。こうすると燃焼室１２内の中心部のガスが淀んで燃料噴射弁１３の周囲に酸素富化空気層Ｒを形成するのが容易になるからである。

本実施形態においては、三元触媒３０に供給される排気ガスの空燃比が理論空燃比に一致もしくは接近するよう、第３濃度センサ３１の酸素濃度検出値に基づき、バイパス通路流量がフィードバック制御される。具体的にはＥＣＵ１００は、第３濃度センサ３１の酸素濃度検出値を、理論空燃比相当の酸素濃度である所定の目標値（第３目標値）と比較する。酸素濃度検出値が目標値より高い場合、切替弁１９の開度を増大し、バイパス通路流量を増大すると共に主通路流量を減少する。これにより、分離器２０で生成される窒素富化空気の流量が増大すると共に、合流位置Ｂ２でこの窒素富化空気に混合される通常の空気の流量が減少する。結果的に、合流後の吸気である窒素富化空気の酸素濃度を減少し、三元触媒３０に供給される排気ガスの空燃比を理論空燃比に一致もしくは接近させることができる。

逆に酸素濃度検出値が目標値より低い場合は、逆の操作となり、ＥＣＵ１００は、切替弁１９の開度を減少し、バイパス通路流量を減少すると共に主通路流量を増大する。これにより、分離器２０で生成される窒素富化空気の流量が減少すると共に、合流位置Ｂ２でこの窒素富化空気に混合される通常の空気の流量が増大する。結果的に、合流後の吸気である窒素富化空気の酸素濃度を増大し、三元触媒３０に供給される排気ガスの空燃比を理論空燃比に一致もしくは接近させることができる。

なおバイパス通路流量の制御に際して、切替弁１９の開度調節に加えまたはその代わりに、開閉弁２３の開度調節を行ってもよい。但し、開閉弁２３の開度調節だけだと、主通路１５を絞って通常空気の流量を減少し、吸気中酸素濃度を著しく低減させるのが難しい。よって、切替弁１９の開度調節のみか、切替弁１９および開閉弁２３の両方の開度調節を行うのが好ましい。このように切替弁１９および開閉弁２３の少なくとも一方は、バイパス通路１６の流量を調節するための調節弁を構成する。

また、ポンプ２２の回転数制御も併用してバイパス通路流量の制御を行ってもよい。

また、第３濃度センサ３１に加え、第１および第２濃度センサ２４，２７の少なくとも一方の酸素濃度検出値にも基づいて、バイパス通路流量をフィードバック制御するのも好ましい。例えば第１濃度センサ２４の酸素濃度検出値を用いる場合、その酸素濃度検出値が所定の目標値（第１目標値）に一致もしくは接近するよう、切替弁１９の開度が制御される。酸素濃度検出値が目標値より高い場合、切替弁１９の開度が増大される。また例えば第２濃度センサ２７の酸素濃度検出値を用いる場合、その酸素濃度検出値が所定の目標値（第２目標値）に一致もしくは接近するよう、切替弁１９の開度が制御される。酸素濃度検出値が目標値より高い場合、切替弁１９の開度が減少される。このように第１および第２濃度センサ２４，２７の少なくとも一方を併用することにより、燃焼室１２に供給される窒素富化空気の酸素濃度をより高精度で制御できる。

なお、排気再循環（ＥＧＲ）ガスを通常の空気に混合して理論空燃比相当の酸素濃度を有する吸気を生成することも可能である。しかしこうした場合、三原子分子（ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ等）の割合が多くなり、比熱比が減少して、理論熱効率が低下する問題がある。他方、本実施形態のように窒素富化空気を混合した場合には、ＥＧＲガスを混合した場合に比べ、三原子分子の割合が多くならないため、高い熱効率の維持に有利である。

次に、変形例を説明する。なお上述の基本実施形態と同様の部分は説明を割愛し、以下、基本実施形態との相違点を主に説明する。

図５および図６に示す第１変形例は、ピストン７のキャビティ３８の形状が異なり、キャビティ３８が浅皿型となっている。キャビティ３８の上端入口部は絞られておらず、その入口部にリップ部３９は設けられていない。その代わりに、キャビティ３８は、ピストン軸に平行な側面部５０と、側面部５０に連なりピストン軸に垂直かつ平坦な底面部５１とを有する。

燃料噴射弁１３と空気噴射弁１４からそれぞれ噴射される燃料と酸素富化空気の挙動も略同様である。図５に示すように、ピストン７の位置が圧縮上死点付近に到達した時、まず空気噴射弁１４がＥＣＵ１００によりオンされ、空気噴射弁１４の噴孔４５からピストン７に向かって酸素富化空気が噴射される。すると酸素富化空気は、図中矢示するように、キャビティ３８の底面部５１に衝突し、反射して上方に向かい、燃料噴射弁１３の周囲に到達し、酸素富化空気層Ｒを形成する。

その直後、図６に示すように、燃料噴射弁１３の複数の噴孔４６から、燃料が側面部５０に向かって放射状に噴射される。燃料噴霧Ｆが、予め形成された酸素富化空気層Ｒを通過するため、噴射開始後の初期段階から燃料噴霧Ｆを高酸素濃度の酸素富化空気と混合させて着火させることができる。このため、良好な着火性を得られ、着火性を著しく向上させることができる。

なお、キャビティ３８の形状はトロイダル型等の他の形状であってもよい。

図７に示す第２変形例は、排気通路４における三元触媒３０の下流側に配置され排気中のＮＯｘを除去するＮＯｘ触媒５５をさらに備える。ＮＯｘ触媒５５は、還元剤としてのアンモニアが供給されているときにＮＯｘを連続的に還元浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒（所謂ＳＣＲ）により形成される。なお代替的に、ＮＯｘ触媒５５は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（所謂ＬＮＴ）により形成されてもよい。

三元触媒３０の下流側かつＮＯｘ触媒５５の上流側には、排気通路４内に尿素水を噴射する尿素水噴射弁５６と、排気ガスの温度を検出する第１温度センサ５７とが配置されている。尿素水噴射弁５６から噴射された尿素水が加水分解してアンモニアが生成される。またＮＯｘ触媒５５の下流側には、排気ガスの温度を検出する第２温度センサ５８が配置されている。

ＥＣＵ１００は尿素水噴射弁５６も制御する。またＥＣＵ１００は、第１および第２温度センサ５７，５８の少なくとも一方の温度検出値に基づき、ＮＯｘ触媒５５の触媒温度を推定する。推定方法は周知であるため説明を省略する。なお推定する代わりに、ＮＯｘ触媒５５に温度センサを設置して触媒温度を直接検出することも可能である。

この第２変形例では、ＮＯｘ触媒５５を主なＮＯｘ浄化用触媒として用い、三元触媒３０を補助的なＮＯｘ浄化用触媒として用いる。すなわちＮＯｘ触媒５５の活性時にはＮＯｘ触媒５５によりＮＯｘ浄化を行い、ＮＯｘ触媒５５の未活性時には三元触媒３０によりＮＯｘ浄化を行う。

三元触媒３０の方がＮＯｘ触媒５５より上流側に配置されているため、三元触媒３０の方がより高温の排気ガスを供給され、暖まり易い。よって冷間始動後に三元触媒３０の方が早く活性化するため、ＮＯｘ触媒５５の未活性時に三元触媒３０によりＮＯｘ浄化を行うことで、冷間始動後のＮＯｘエミッションを改善することが可能である。

ＥＣＵ１００は、推定したＮＯｘ触媒５５の触媒温度を所定の活性開始温度と比較する。触媒温度が活性開始温度未満の場合、ＮＯｘ触媒５５が未活性と判断し、前述の基本実施形態と同様、窒素富化空気と酸素富化空気を生成すると共に、これらを燃焼室１２に供給して燃焼を行い、三元触媒３０によりＮＯｘ浄化を行う。

他方、ＥＣＵ１００は、触媒温度が活性開始温度以上の場合、ＮＯｘ触媒５５が活性と判断し、通常のディーゼルエンジンと同様に制御を行う。このときには窒素富化空気と酸素富化空気の生成を中止もしくは停止する。ＥＣＵ１００は、切替弁１９の開度を０（％）すなわち全閉位置Ｐ１とし、バイパス通路流量をゼロとする。そしてポンプ２２をオフし、空気噴射弁１４をオフに維持し、開閉弁２３を全閉とする。これにより通常のディーゼルエンジンの如く、通常の空気が燃焼室１２内に送られ、三元触媒３０によるＮＯｘ浄化は実質的に不可能となる。しかし、燃焼室１２内で生成されたＮＯｘはＮＯｘ触媒５５により確実に浄化される。

このようにＥＣＵ１００は、ＮＯｘ触媒５５の未活性時にはバイパス通路１６の流量が多くなり、ＮＯｘ触媒５５の活性時にはバイパス通路１６の流量が少なくなる（本実施形態ではゼロとなる）よう、切替弁１９を制御する。

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明は以下のような他の実施形態も可能である。

（１）例えば排気通路に、ＮＯｘ以外の他の有害物質を除去もしくは低減する他の後処理部材を追加して設けてもよい。こうした他の後処理部材には、排気中の粒子状物質（PM: Particulate Matter）を捕集して除去するフィルタ、または排気ガス中の未燃成分（炭化水素ＨＣおよび一酸化炭素ＣＯ）を酸化して除去する酸化触媒等が含まれる。

（２）調節弁は、切替弁１９および開閉弁２３以外の弁により構成することも可能である。例えば、分離器２０より上流側のバイパス通路１６の途中に開閉弁を配置し、この開閉弁により調節弁を構成してもよい。

（３）通常のディーゼルエンジンに装備されている他の構成要素、例えばターボチャージャ、コモンレール、ＥＧＲ装置等を上記エンジン１に装備してもよい。

本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１内燃機関（エンジン）
３吸気通路
４排気通路
７ピストン
１２燃焼室
１３燃料噴射弁
１４空気噴射弁
１５主通路
１６バイパス通路
１９切替弁
２０分離器
２３開閉弁
３０三元触媒
５５ＮＯｘ触媒
１００電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims

理論空燃比より高い空燃比で運転される内燃機関であって、
吸気中の空気を窒素富化空気と酸素富化空気に分離する分離器と、
前記分離器により生成された窒素富化空気を燃焼室に向かって送るように構成された吸気通路と、
前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記分離器により生成された酸素富化空気を前記燃焼室内に噴射する空気噴射弁と、
前記燃料噴射弁から燃料が噴射される直前に前記空気噴射弁から酸素富化空気が噴射されるよう、前記燃料噴射弁と前記空気噴射弁を制御するように構成された制御ユニットと、
を備えることを特徴とする内燃機関。
前記空気噴射弁は、前記燃焼室内のピストンに向かって酸素富化空気を噴射するよう配置され、
前記制御ユニットは、前記空気噴射弁から噴射された酸素富化空気が前記ピストンで反射して燃料噴射直前に前記燃料噴射弁の周囲に到達するよう、前記燃料噴射弁と前記空気噴射弁を制御する
請求項１に記載の内燃機関。
排気通路に配置された三元触媒をさらに備える
請求項１または２に記載の内燃機関。
前記吸気通路は、主通路と、前記主通路をバイパスすると共に前記分離器が配置されるバイパス通路とを備え、
前記内燃機関は、
前記バイパス通路の流量を調節するための調節弁と、
前記排気通路における前記三元触媒の下流側に配置されたＮＯｘ触媒と、
をさらに備え、
前記制御ユニットは、前記ＮＯｘ触媒の未活性時には前記バイパス通路の流量が多くなり、前記ＮＯｘ触媒の活性時には前記バイパス通路の流量が少なくなるよう、前記調節弁を制御する
請求項３に記載の内燃機関。