JP3876569B2 - 筒内噴射式内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は筒内噴射式内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、排気浄化のために必要なＮＯx 触媒の昇温もしくはＳＯx 被毒からの再生に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内噴射式内燃機関の排気浄化装置に関連して、筒内噴射型内燃機関の排気昇温装置の一例が特開平１０−２１２９９５号に開示されている。
【０００３】
この装置は、排気昇温が要求されるエンジン運転時に、層状燃焼（成層燃焼）のための主噴射を機関の圧縮行程で行うとともに、追加燃料の噴射を膨張行程で行う燃料制御手段と、層状燃焼が緩慢になるようにエンジン制御パラメータを制御するエンジン制御手段とを備えている。
【０００４】
ここで、層状燃焼が緩慢になるようにするためには、例えば層状燃焼時の空燃比をリーン（希薄）側にする。層状燃焼が緩慢になるということは、通常の層状燃焼時に比べて長く層状燃焼が維持されるということである。従って、これを追加燃料の着火源として利用することができる。そして、緩慢な層状燃焼と追加燃料の燃焼により排気昇温効果を得ることができる。
【０００５】
但し、追加燃料の噴射タイミングの取り方によっては、層状燃焼を追加燃焼の着火源として利用できない場合もある。その場合、追加燃料を自己着火させることになるが、主燃料の緩慢化のため、燃焼が遅くなると燃焼室内の混合気の一部は火炎が伝播する前に周囲に拡散することとなって燃焼不可能な濃度に薄められ、燃焼直前連鎖反応を推し進めるのに必要な活性化反応種（例えば、ＣＨＯ，
Ｈ2Ｏ2，ＯＨ等の前炎反応生成物）が存在することになり、追加燃料がより自己着火しやすい雰囲気を作り出す。
【０００６】
このように、前記した公報に記載された装置では、層状燃焼の緩慢化とともに追加燃料を噴射することで、排気昇温効果を容易に得ることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、筒内噴射型内燃機関では、層状燃焼（成層燃焼）による運転が低負荷時から高速運転時にわたって行われるが、層状燃焼（成層燃焼）の運転中にも空燃比を下げて、リッチ側へ振りたい場合が生じる。
【０００８】
例えば、排気浄化触媒の昇温を急速に行いたいとか、排気浄化触媒が被毒してしまい、これを再生したいという場合である。
このような場合、前記した公報記載の装置では、層状燃焼のための主噴射で筒内の空燃比をリッチにしようとすると、点火プラグ周りの混合気のみが濃くなりすぎて着火しない、あるいはスモークが出る、などの問題が生じてしまうので、結局層状燃焼ではストイキ（理論空燃比）まで空燃比を下げるということはできない。
【０００９】
そこで、副噴射の量を増やすことが考えられるが、そうすると、触媒へ供給される燃料が多くなりすぎて触媒温度が高くなりすぎる。
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、筒内噴射式内燃機関において、スモークの発生等なしに排気ガスの空燃比を下げて排気浄化装置の昇温あるいは再生を図ることを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するため、以下の手段を採った。すなわち、本発明は機関運転状態に応じて少なくとも成層燃焼と均質リーン燃焼とを切り替えて行い得る筒内噴射式内燃機関を対象としている。そして、内燃機関の排気通路に、ＮＯx触媒を備えている。さらに、機関運転用の主たる燃料噴射とは別に、追加燃料の副噴射を行うことで、未燃焼燃料をＮＯx触媒に供給制御する副噴射燃料制御手段を備えている。そして、筒内噴射式内燃機関において成層燃焼が行われる機関運転状態であるときに、副噴射燃料制御手段によって副噴射を行う場合には、燃焼状態を成層燃焼から均質リーン燃焼に変更することで、主噴射と副噴射を行ったときの排気ガスのトータルの空燃比を下げることとした。
【００１１】
成層燃焼時に、ＮＯx 触媒の昇温を図るため排気ガスの空燃比を例えば１８以下にしたいとする。あるいは、ＳＯx 被毒したＮＯx 触媒を再生するため、排気ガスの空燃比を例えば理論空燃比である１４．５にしたいとする。
【００１２】
しかし、このために成層燃焼の運転状態で主噴射の量を多くするとスモークが発生する。一方、主噴射の量はそのままで副噴射の量を増やすと未燃燃料が多くなりすぎて過度な昇温となる。
【００１３】
そこで、本発明では、主噴射を均質リーンにしてスモークの発生なくして排気ガスの空燃比を下げる一方、それだけでは不十分なため、副噴射も行うこととしている。副噴射を行う側からみれば、副噴射だけで空燃比を下げるのではないから未燃燃料がＮＯx 触媒に過度に供給されてＮＯx 触媒が高温になりすぎない。
【００１４】
本発明は、ＳＯx被毒したＮＯx触媒の再生制御にも好適に応用できる。すなわち、機関運転状態に応じて少なくとも成層燃焼と均質リーン燃焼とを切り替えて行い得る筒内噴射式内燃機関と、筒内噴射式内燃機関の排気通路に設けられたＮＯx触媒と、ＮＯx触媒がＳＯxにより被毒されているか否かを判定するＳＯx被毒判定手段と、このＳＯx被毒判定手段により前記ＮＯx触媒がＳＯx被毒されていると判定されたとき、機関運転用の主たる燃料噴射とは別に、追加燃料の副噴射を機関の膨張行程もしくは排気行程で行い、未燃焼燃料をＮＯx触媒に供給制御する副噴射燃料制御手段と、を備え、筒内噴射式内燃機関において成層燃焼が行われる機関運転状態であるときに、副噴射燃料制御手段によって副噴射を行う場合には、燃焼状態を成層燃焼から均質リーン燃焼に変更することで、主噴射と副噴射を行ったときの排気ガスのトータルの空燃比をストイキまたはリッチに制御するようにした。
【００１５】
本発明においては、ＮＯx 触媒の温度が所定値を越えるまで主噴射と副噴射のトータルの排気ガスの空燃比をリーンに制御するようにするとよい。
本発明が適用される内燃機関は筒内噴射式のディーゼルエンジンやガソリンエンジンであり、成層燃焼や均質リーン燃焼、均質燃焼を行える内燃機関をいう。
【００１６】
筒内噴射型内燃機関では、例えば、層状燃焼（成層燃焼）時の空燃比が２５〜５０、弱成層燃焼時の空燃比が２０〜３０、均質リーン燃焼時の空燃比が１５〜２３、均質燃焼時の空燃比が１２〜１５と設定される。
【００１７】
本発明でいうＮＯx 触媒とは、例えば、吸蔵還元型ＮＯx 触媒や選択還元型ＮＯx 触媒などを例示できる。
吸蔵還元型ＮＯx 触媒は、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。機関吸気通路及びＮＯx 触媒上流での排気通路内に供給された空気及び燃料（炭化水素）の比をＮＯx 触媒への流入排気ガスの空燃比と称するとき、このＮＯx 触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときはＮＯx を吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯx を放出する。
【００１８】
また、選択還元型ＮＯx 触媒とは、酸素過剰の雰囲気（リーン雰囲気）で、かつ、炭化水素（ＨＣ）が存在する状態でＮＯx を還元または分解する触媒であり、例えば、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒や、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒等を例示できる。選択還元型ＮＯx 触媒は、触媒床温が所定の温度領域（触媒浄化ウインドウ）内にあって、流入する排気の空燃比がリーン雰囲気であり、更に排気中にＨＣ、好ましくは熱分解されて分子サイズが小さくなったＨＣが存在していれば、ＨＣの一部が部分酸化して活性種を生成し、その活性種が排気中のＮＯx と反応して、ＮＯx をＮ2、Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等に還元する。
【００１９】
これら触媒は、触媒床温が触媒浄化ウインドウに達しないと活性化せず、ＮＯx 浄化作用を発揮しにくい。
なお、本発明では、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段を備えることが好ましい。すなわち、内燃機関の運転状態が成層燃焼や均質リーン燃焼等を行う主燃料噴射制御のための前提となっており、また、ＮＯx 触媒がＳＯx 被毒しているか否かの判定にもこのような運転状態に関する情報が必要だからである。
【００２０】
成層燃焼等は主燃料噴射によって、圧縮行程に行われる。一方、副噴射は、膨張行程から排気行程で行われる。
ＳＯx 被毒判定手段は、ＮＯx 触媒がＳＯx で被毒されているか否かを判定する。ＮＯx 触媒がＳＯx 被毒しているか否かは、次のような方法により検出することができる。まず、ＮＯx 触媒への入りガスの空燃比をストイキあるいはリッチにすると、ＮＯx 触媒に吸収されていたＮＯx が放出・還元されるので、ＮＯx 触媒からの出ガスの空燃比はリーンとなる。もし、ＳＯx 被毒している場合、ＮＯx の放出・還元が行われないので、出ガスの空燃比がリーンとなる程度あるいはリーンとなる時間が少なくなる。よって、ＮＯx 触媒からの出ガスの空燃比を検出することで、ＮＯx 触媒がＳＯx 被毒していると判定することが可能となる。
【００２１】
なお、ＳＯx 被毒の判定時までにおける走行状態や燃料使用量などからＳＯx 被毒していると推定するようにしてもよい。
このＳＯx 被毒判定手段により前記ＮＯx 触媒がＳＯx 被毒されていると判定されたとき、副噴射燃料制御手段は、機関運転用の主たる燃料噴射とは別に、追加燃料の副噴射を機関の膨張行程もしくは排気行程で行い、未燃焼燃料をＮＯx 触媒に供給制御する。このとき、主噴射を均質リーンに制御し、主噴射と副噴射を行ったときの排気ガスのトータルの空燃比をストイキまたはリッチに制御する。
【００２２】
このことにより、ＮＯx 触媒の温度を所定の温度まで昇温させることが可能となり、ＮＯx 触媒に吸着されたＳＯx を放出することができる。
主噴射を均質リーンとすることで、主噴射での空燃比のリッチ度合いを成層燃焼に比べて大きくすることができる。このため、主噴射と副噴射の関係で決まるトータル空燃比をストイキ又はリッチとするための副噴射燃料量を大きくする必要がなく、ＮＯx 触媒の温度が高くなりすぎない。
【００２３】
なお、前記ＮＯx 触媒の温度が所定値を越えるまで主噴射と副噴射のトータルの排気ガス中の空燃比をリーンに制御するようにすると、より確実な昇温を確保できる。
以上説明した本発明の各構成は、可能な限り互いに組み合わせることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
図１に示した例は、筒内噴射式の内燃機関であり、ピストン１を有するシリンダ２のヘッドに燃料噴射弁３、吸気バルブ４、排気バルブ５を備えている。そして、排気ポートから排気ガスを排出する排気管６に、三元触媒７とＮＯx 吸蔵還元型触媒８を配置した例である。なお、排気管６の途中から排気ガスの一部を吸気管９へと戻すＥＧＲ管１０が設けられている。なお、１１は電子制御スロットル、１２は燃料ポンプ、１３はエンジン制御用コンピュータからなる制御装置（ＥＣＵと呼ぶ）である。また、１４、１５は酸素センサであり、排気ガスの空燃比を測定するためのものである。１６はクランク角センサでありエンジン回転数を検出する。
【００２５】
三元触媒７は、ＳＯx を捕捉するＳＯx 捕捉機能を持ち合わせてもよい。
三元触媒７は、アルミナからなる担体上に銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ、マンガンＭｎ、ニッケルＮｉのような遷移金属、ナトリウムＮａ、チタンＴｉおよびリチウムＬｉから選ばれた少なくとも一つを担持した吸収材である。
【００２６】
また、前記ＮＯx 吸蔵還元型触媒８は、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。機関吸気通路およびＮＯx 吸蔵還元型触媒８上流での排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比をＮＯx 吸蔵還元型触媒８への流入排気ガスの空燃比と称するとき、このＮＯx 吸蔵還元型触媒８は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときはＮＯx を吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯx を放出する。
【００２７】
なお、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８上流の排気通路内に燃料（炭化水素）あるいは空気が供給されない場合、流入排気ガスの空燃比は燃焼室内に供給される混合気の空燃比に一致し、従って、この場合には、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８は燃焼室内に供給される混合気の空燃比がリーンのときには、ＮＯx を吸収し、燃焼室内に供給される混合気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯx を放出・還元する。
【００２８】
ＮＯx 吸蔵還元型触媒８でのＮＯx 吸収・還元は、図２に示したようなメカニズムで行われると考えられている。このメカニズムは、担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合であるが、他の貴金属，アルカリ金属，アルカリ土類，希土類を用いても同様のメカニズムとなる。
【００２９】
まず、排気ガスがかなりリーンになると排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大するため、図２（Ａ）に示すように酸素Ｏ2 がＯ2 -またはＯ2-の形で白金Ｐｔの表面に付着する。次に、排気ガスに含まれるＮＯは、白金Ｐｔの表面上でＯ2 -またはＯ2-と反応し、ＮＯ2 となる（２ＮＯ＋Ｏ2 →２ＮＯ2 ）。
【００３０】
その後、生成されたＮＯ2 は、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８のＮＯx 吸収能力が飽和しない限り、白金Ｐｔ上で酸化されながら触媒内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合し、図２（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ3 -の形でＮＯx 吸蔵還元型触媒８内に拡散する。このようにしてＮＯx がＮＯx 吸蔵還元型触媒８内に吸収される。
【００３１】
これに対し、排気ガス中の酸素濃度が低下した場合は、ＮＯ2の生成量が低下し、前記反応とは逆の反応によって、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８内の硝酸イオンＮＯ3 -は、ＮＯ2 またはＮＯの形でＮＯx 吸蔵還元型触媒８から放出される。
【００３２】
つまり、ＮＯx は、排気ガス中の酸素濃度が低下すると、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８から放出されることになる。図３に示されたように、流入排気ガスのリーン度合いが低くなれば、流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、従って、流入排気ガスのリーン度合いを低くすれば、たとえ流入排気ガスの空燃比がリーンであってもＮＯx 吸蔵還元型触媒８からＮＯx が放出されることとなる。
【００３３】
一方、このとき、燃焼室内に供給する混合気がストイキあるいはリッチにされて、排気ガスの空燃比がストイキあるいはリッチになると、図３に示すように多量の未燃ＨＣ，ＣＯがエンジンから排出される。これら未燃ＨＣ，ＣＯは、白金Ｐｔ上の酸素Ｏ2 -またはＯ2-とすぐに反応して酸化される。
【００３４】
また、流入排気ガスの空燃比がストイキあるいはリッチになると、排気ガス中の酸素濃度は極度に低下するため、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８は、ＮＯ2 またはＮＯを放出する。このＮＯ2 またはＮＯは、図２（Ｂ）に示すように、未燃ＨＣ、ＣＯと反応して還元される。このようにして白金Ｐｔ上のＮＯ2 またはＮＯが存在しなくなると、触媒から次から次へとＮＯ2 またはＮＯが放出される。従って、流入排気ガスの空燃比をリッチにすると短時間の内にＮＯx 吸蔵還元型触媒８からＮＯx が放出される。白金Ｐｔ上のＯ2 -またはＯ2-を消費しても未燃ＨＣ，ＣＯが残っていれば、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８から放出されたＮＯx も、エンジンから排出されたＮＯx も、この未燃ＨＣ，ＣＯによって還元される。
【００３５】
従って、流入排気ガスの空燃比をリッチにすれば短時間の内にＮＯx 吸蔵還元型触媒８に吸収されているＮＯx が放出され、しかも、この放出されたＮＯx が還元されるために大気中にＮＯx が排出されるのを阻止することができる。
【００３６】
また、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８は還元触媒の機能を有しているので、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にしてもＮＯx 吸蔵還元型触媒８から放出されたＮＯx が還元される。
【００３７】
流入排気ガスの空燃比をリーンの度合いを低くすればたとえ流入排気ガスの空燃比がリーンであったとしても、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８からＮＯx が放出される。従って、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８からＮＯx を放出させるには、流入排気ガス中の酸素濃度を低下させればよいこととなる。
【００３８】
また、排気管６には、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８の上流側に、触媒入ガス温度センサ１７、が設けられ、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８の下流側に触媒出ガス温度センサ１８が設けられ、これらもまたそれぞれコンピュータからなる制御装置（ＥＣＵ）１３に電気的に接続されている。
【００３９】
これらセンサや酸素センサ、クランク角センサ等からの情報により、各触媒の状態ひいては内燃機関の運転状態が検出される。そして、これらセンサ等から入力されるデータから内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段２１が前記制御装置（ＥＣＵ）１３のコンピュータ上に実現されている。さらに、触媒入ガス温度センサ１７と触媒出ガス温度センサ１８とで検出した触媒温度状況によって触媒の温度状態を検出する。
【００４０】
さらに、酸素センサ１４，１５からの情報を基にＮＯx 吸蔵還元型触媒８がＳＯx 被毒しているか否かの判定を行うＳＯx 被毒判定手段２２もまた制御装置（ＥＣＵ）１３上に実現されている。すなわち、酸素センサ１４で検出したＮＯx 吸蔵還元型触媒８への入りガスの空燃比がストイキあるいはリッチになった後、酸素センサ１５で検出したＮＯx 吸蔵還元型触媒８の出ガスの空燃比が通常よりも短時間の間だけリーンとなるか全くリーンとならない場合は、ＮＯx の放出・還元が行われていないか十分でないことを意味するのでＳＯx 被毒状態にあると判定する。
以下、本排気浄化装置による排気浄化制御例を説明する。
【００４１】
＜第１の制御例＞
まず、制御装置１３に、機関の運転状態を示す各種パラーメータが入力される。すなわち、エンジン回転数や触媒入りガス温度、触媒出ガス温度等が入力されている。
【００４２】
図４に示したように、軽負荷運転時、スパークプラグ近傍にのみ可燃混合気を形成し、シリンダー内全体では超希薄な空燃比（例えば５０：１）を実現する。このような燃焼を成層燃焼という。成層燃焼を実現するため、圧縮行程で燃料噴射弁から直接筒内へと燃料を噴射し、スパークプラグ周りに混合気を形成する。
【００４３】
一方、加速時や登坂時などのような高負荷運転時には、吸気行程で燃料を噴射し、均質な混合気を生成し、高出力を実現する。
成層燃焼と均質燃焼と間には、弱成層燃焼、均質リーン燃焼の領域を実現し、成層燃焼と均質燃焼との間のトルクのつながりをスムーズにする。弱成層燃焼は吸気行程と圧縮行程の２回に分けて燃料を噴射し、空燃比２０〜３０の弱成層燃焼状態を生成する。均質リーンは、圧縮行程において、均質燃焼時より少ない量の燃料を噴射して空燃比を１５から２３とする。
【００４４】
機関の運転により発生するＮＯx はＮＯx 吸蔵還元型触媒８に吸収され、前記した原理により放出・還元される。
空燃比をリッチ側にして触媒を活性化するため、副噴射による追加燃料の噴射を行う。この追加燃料の噴射により、触媒を活性化して吸収していたＮＯx を放出・還元する。
【００４５】
なお、本例ではガソリンエンジンの例であるが、ディーゼルエンジンの場合は、燃焼室での燃焼がストイキよりもはるかにリーン域で行われるので、通常の機関運転状態ではＮＯx 吸蔵還元型触媒８に流入する排気ガスの空燃比は非常にリーンであり、ＮＯx の吸収は行われるものの、ＮＯx の放出が行われることは殆どない。従って、このような追加燃料の噴射はディーゼルエンジンにおいても重要な技術である。
【００４６】
また、ＳＯx 被毒判定手段２２で、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８がＳＯx により被毒されていると判定したとき、ＮＯx 吸蔵還元型触媒の温度を上げて、空燃比をストイキあるいはリッチにすることでＳＯx 被毒再生処理を行う。
【００４７】
ところで、成層燃焼状態にあるとき、その燃焼形態で空燃比をリッチ側にすると、点火プラグ周りの燃料が濃くなりすぎてスモークが発生し十分な燃焼ができなくなる。そこで、成層燃焼のまま空燃比をストイキあるいはリッチにするには主噴射はそのままにして副噴射による追加燃料を増やすことで対処しなければならない。すると、副噴射での燃料量が多くなりすぎで、触媒温度が高くなりすぎる。
【００４８】
そこで、主噴射の空燃比を均質リーンにして、副噴射をすることで、トータルの空燃比をストイキまたはリッチにし、これにより、触媒温度を６００℃以上とし、ＳＯx 被毒したＮＯx 吸蔵還元型触媒８を再生する。
【００４９】
この手順を図５のフローチャートで説明する。
まず、機関の運転状態を読み込み（ステップ１０１）、得られた情報からＮＯx 吸蔵還元型触媒がＳＯx 被毒しているか否かの判定を行う（ステップ１０２）、ＳＯx 被毒していなければ、そのままルーチンを終了し、ＳＯx 被毒していれば、今度はＮＯx 吸蔵還元型触媒が所定の再生温度（６００℃）に達しているか否かを判定する（ステップ１０３）。所定の再生温度にすでに達している場合、空燃比をストイキあるいはリッチにしてＳＯx 被毒の再生制御を行う（ステップ１０４）。ここでのストイキあるいはリッチ化は主噴射のみで均質燃焼状態にして行う。
【００５０】
一方、所定の温度に達していない場合、主噴射での燃料噴射状態を成層燃焼状態（空燃比３０）から、均質リーン状態（空燃比１８）にし、また、副噴射を同時に行い、トータルの空燃比をストイキ（１４．５）にする。これにより、触媒温度が６００℃に達し、ＮＯx 吸蔵還元型触媒に吸着していたＳＯx を燃やし、除去する。
【００５１】
この制御例における主噴射と副噴射との関係、及び、それらによるトータル空燃比、触媒温度の上昇を図６に示す。
このように、主噴射による空燃比を均質リーンである１８にして副噴射で追加燃料を補い、トータル空燃比を１４．５のストイキにすることで、触媒温度を触媒再生温度である６００℃に制御することができる。
【００５２】
なお、副噴射は２回以上の数回に分けて行ってもよい。
【００５３】
＜制御例２＞
次に、第２の制御例を説明する。
この例も、ＳＯx 被毒判定手段で、ＮＯx 吸蔵還元型触媒がＳＯx により被毒されていると判定したとき、ＮＯx 吸蔵還元型触媒の温度を上げて、空燃比をストイキあるいはリッチにすることでＳＯx 被毒再生処理を行う場合である。
【００５４】
この例では、触媒温度が所定の再生温度になるまで、主噴射と副噴射のトータルの空燃比を均質リーンにして、触媒を６００℃以上に昇温する。そして、触媒温度が所定の再生温度になった後に、主噴射と副噴射のトータルの空燃比をストイキまたはリッチにすることで、ＳＯx 被毒したＮＯx 吸蔵還元型触媒を再生する。
【００５５】
この手順を図７のフローチャートで説明する。
まず、機関の運転状態を読み込み（ステップ２０１）、得られた情報からＮＯx 吸蔵還元型触媒がＳＯx 被毒しているか否かの判定を行う（ステップ２０２）。ＳＯx 被毒していなければ、そのままルーチンを終了し、ＳＯx 被毒していれば、今度はＮＯx 吸蔵還元型触媒が所定の再生温度（６００℃）に達しているか否かを判定する（ステップ２０３）。
【００５６】
所定の温度に達していない場合、主噴射での燃料噴射状態を成層燃焼状態（空燃比３０）から、均質リーン状態（空燃比１８）にし、また、副噴射を同時に行い、トータルの空燃比を均質リーン（空燃比１６）として、触媒温度を昇温する（ステップ２０４）。
【００５７】
これにより、触媒温度が６００℃に達したら、ステップ２０３で肯定判定されるので、主噴射を均質リーン（空燃比１８）としたまま、さらに副噴射量を増やし、トータルでの空燃比をストイキ（１４．５）あるいはリッチにしてＳＯx 被毒の再生制御を行う（ステップ２０５）。この経緯を図８に示す。
【００５８】
図８で特徴的な点は、触媒温度が６００℃に達する前に、副噴射を少量行い、６００℃に達した時点でさらに副噴射の量を多くしている点である。
このように、予め昇温してから、ストイキあるいはリッチに制御するので、ＳＯx 被毒したＮＯx 触媒の再生処理がよりスムーズに行われる。
【００５９】
＜制御例３＞
次に、第３の制御例を図９に従い説明する。
図８で示した実施例が、主噴射量一定、副噴射量可変であるのに対し、図９で示した例では、主噴射量を可変とし、副噴射量を一定とした。
【００６０】
まず、機関の運転状態を読み込み、得られた情報からＮＯx 吸蔵還元型触媒がＳＯx 被毒しているか否かの判定し、ＳＯx 被毒していれば、ＮＯx 吸蔵還元型触媒が所定の再生温度（６００℃）に達しているか否かを判定する。
【００６１】
所定の温度に達していない場合、主噴射での燃料噴射状態を成層燃焼状態（空燃比３０）から、均質リーン状態（空燃比２０）にし、また、副噴射を同時に行い、トータルの空燃比を均質リーン（空燃比１６）として、触媒温度を昇温する。
【００６２】
これにより、触媒温度が６００℃に達したら、主噴射を均質リーン（空燃比１８）とする。この間、副噴射量は一定とし、主噴射と合わせたトータルでの空燃比をストイキ（１４．５）あるいはリッチにしてＳＯx 被毒の再生制御を行う。
【００６３】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、成層燃焼中において、主噴射を均質リーンに制御しつつ、副噴射で追加燃料を補充することで、容易に排気浄化用のＮＯx 触媒の昇温を行うことができる。
【００６４】
また、この制御をＳＯx 被毒判定手段でＮＯx 触媒がＳＯx 被毒していると判定したときに行うことで、ＳＯx 被毒再生処理に応用することができる。
さらに、ＮＯx 触媒の温度が所定値を越えるまで主噴射と副噴射のトータルの排気ガス中の空燃比をリーンに制御することで、昇温後に空燃比をリッチ側にしてより確実にＮＯx 触媒の再生処理を行うことができる。
【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実施形態の概略構成図である。
【図２】 吸蔵還元型ＮＯx 触媒のＮＯx 吸放出作用を説明するための図である。
【図３】 機関から排出される排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯおよび酸素の濃度を概略的に示す線図である。
【図４】 内燃機関の燃焼状態領域を示すグラフ図である。
【図５】 本発明による第１の制御例を示したフローチャート図である。
【図６】 第１の制御例における空燃比の推移と触媒温度との関係を示す図である。
【図７】 本発明による第２の制御例を示したフローチャート図である。
【図８】 第２の制御例における空燃比の推移と触媒温度との関係を示す図である。
【図９】 第３の制御例における空燃比の推移と触媒温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ピストン
２シリンダ
３燃料噴射弁
４吸気バルブ
５排気バルブ
６排気管
７三元触媒
８吸蔵還元型触媒
９吸気管
１０ ＥＧＲ管
１１電子制御スロットル
１２燃料ポンプ
１３制御装置（ＥＣＵ）
14,15 酸素センサ
１６クランク角センサ
１７触媒入ガス温度センサ
１８触媒出ガス温度センサ
１８均質リーン（空燃比
２１運転状態検出手段
２２ＳＯx 被毒判定手段
【発明の属する技術分野】
本発明は筒内噴射式内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、排気浄化のために必要なＮＯx 触媒の昇温もしくはＳＯx 被毒からの再生に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内噴射式内燃機関の排気浄化装置に関連して、筒内噴射型内燃機関の排気昇温装置の一例が特開平１０−２１２９９５号に開示されている。
【０００３】
この装置は、排気昇温が要求されるエンジン運転時に、層状燃焼（成層燃焼）のための主噴射を機関の圧縮行程で行うとともに、追加燃料の噴射を膨張行程で行う燃料制御手段と、層状燃焼が緩慢になるようにエンジン制御パラメータを制御するエンジン制御手段とを備えている。
【０００４】
ここで、層状燃焼が緩慢になるようにするためには、例えば層状燃焼時の空燃比をリーン（希薄）側にする。層状燃焼が緩慢になるということは、通常の層状燃焼時に比べて長く層状燃焼が維持されるということである。従って、これを追加燃料の着火源として利用することができる。そして、緩慢な層状燃焼と追加燃料の燃焼により排気昇温効果を得ることができる。
【０００５】
但し、追加燃料の噴射タイミングの取り方によっては、層状燃焼を追加燃焼の着火源として利用できない場合もある。その場合、追加燃料を自己着火させることになるが、主燃料の緩慢化のため、燃焼が遅くなると燃焼室内の混合気の一部は火炎が伝播する前に周囲に拡散することとなって燃焼不可能な濃度に薄められ、燃焼直前連鎖反応を推し進めるのに必要な活性化反応種（例えば、ＣＨＯ，
Ｈ2Ｏ2，ＯＨ等の前炎反応生成物）が存在することになり、追加燃料がより自己着火しやすい雰囲気を作り出す。
【０００６】
このように、前記した公報に記載された装置では、層状燃焼の緩慢化とともに追加燃料を噴射することで、排気昇温効果を容易に得ることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、筒内噴射型内燃機関では、層状燃焼（成層燃焼）による運転が低負荷時から高速運転時にわたって行われるが、層状燃焼（成層燃焼）の運転中にも空燃比を下げて、リッチ側へ振りたい場合が生じる。
【０００８】
例えば、排気浄化触媒の昇温を急速に行いたいとか、排気浄化触媒が被毒してしまい、これを再生したいという場合である。
このような場合、前記した公報記載の装置では、層状燃焼のための主噴射で筒内の空燃比をリッチにしようとすると、点火プラグ周りの混合気のみが濃くなりすぎて着火しない、あるいはスモークが出る、などの問題が生じてしまうので、結局層状燃焼ではストイキ（理論空燃比）まで空燃比を下げるということはできない。
【０００９】
そこで、副噴射の量を増やすことが考えられるが、そうすると、触媒へ供給される燃料が多くなりすぎて触媒温度が高くなりすぎる。
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、筒内噴射式内燃機関において、スモークの発生等なしに排気ガスの空燃比を下げて排気浄化装置の昇温あるいは再生を図ることを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するため、以下の手段を採った。すなわち、本発明は機関運転状態に応じて少なくとも成層燃焼と均質リーン燃焼とを切り替えて行い得る筒内噴射式内燃機関を対象としている。そして、内燃機関の排気通路に、ＮＯx触媒を備えている。さらに、機関運転用の主たる燃料噴射とは別に、追加燃料の副噴射を行うことで、未燃焼燃料をＮＯx触媒に供給制御する副噴射燃料制御手段を備えている。そして、筒内噴射式内燃機関において成層燃焼が行われる機関運転状態であるときに、副噴射燃料制御手段によって副噴射を行う場合には、燃焼状態を成層燃焼から均質リーン燃焼に変更することで、主噴射と副噴射を行ったときの排気ガスのトータルの空燃比を下げることとした。
【００１１】
成層燃焼時に、ＮＯx 触媒の昇温を図るため排気ガスの空燃比を例えば１８以下にしたいとする。あるいは、ＳＯx 被毒したＮＯx 触媒を再生するため、排気ガスの空燃比を例えば理論空燃比である１４．５にしたいとする。
【００１２】
しかし、このために成層燃焼の運転状態で主噴射の量を多くするとスモークが発生する。一方、主噴射の量はそのままで副噴射の量を増やすと未燃燃料が多くなりすぎて過度な昇温となる。
【００１３】
そこで、本発明では、主噴射を均質リーンにしてスモークの発生なくして排気ガスの空燃比を下げる一方、それだけでは不十分なため、副噴射も行うこととしている。副噴射を行う側からみれば、副噴射だけで空燃比を下げるのではないから未燃燃料がＮＯx 触媒に過度に供給されてＮＯx 触媒が高温になりすぎない。
【００１４】
本発明は、ＳＯx被毒したＮＯx触媒の再生制御にも好適に応用できる。すなわち、機関運転状態に応じて少なくとも成層燃焼と均質リーン燃焼とを切り替えて行い得る筒内噴射式内燃機関と、筒内噴射式内燃機関の排気通路に設けられたＮＯx触媒と、ＮＯx触媒がＳＯxにより被毒されているか否かを判定するＳＯx被毒判定手段と、このＳＯx被毒判定手段により前記ＮＯx触媒がＳＯx被毒されていると判定されたとき、機関運転用の主たる燃料噴射とは別に、追加燃料の副噴射を機関の膨張行程もしくは排気行程で行い、未燃焼燃料をＮＯx触媒に供給制御する副噴射燃料制御手段と、を備え、筒内噴射式内燃機関において成層燃焼が行われる機関運転状態であるときに、副噴射燃料制御手段によって副噴射を行う場合には、燃焼状態を成層燃焼から均質リーン燃焼に変更することで、主噴射と副噴射を行ったときの排気ガスのトータルの空燃比をストイキまたはリッチに制御するようにした。
【００１５】
本発明においては、ＮＯx 触媒の温度が所定値を越えるまで主噴射と副噴射のトータルの排気ガスの空燃比をリーンに制御するようにするとよい。
本発明が適用される内燃機関は筒内噴射式のディーゼルエンジンやガソリンエンジンであり、成層燃焼や均質リーン燃焼、均質燃焼を行える内燃機関をいう。
【００１６】
筒内噴射型内燃機関では、例えば、層状燃焼（成層燃焼）時の空燃比が２５〜５０、弱成層燃焼時の空燃比が２０〜３０、均質リーン燃焼時の空燃比が１５〜２３、均質燃焼時の空燃比が１２〜１５と設定される。
【００１７】
本発明でいうＮＯx 触媒とは、例えば、吸蔵還元型ＮＯx 触媒や選択還元型ＮＯx 触媒などを例示できる。
吸蔵還元型ＮＯx 触媒は、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。機関吸気通路及びＮＯx 触媒上流での排気通路内に供給された空気及び燃料（炭化水素）の比をＮＯx 触媒への流入排気ガスの空燃比と称するとき、このＮＯx 触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときはＮＯx を吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯx を放出する。
【００１８】
また、選択還元型ＮＯx 触媒とは、酸素過剰の雰囲気（リーン雰囲気）で、かつ、炭化水素（ＨＣ）が存在する状態でＮＯx を還元または分解する触媒であり、例えば、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒や、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒等を例示できる。選択還元型ＮＯx 触媒は、触媒床温が所定の温度領域（触媒浄化ウインドウ）内にあって、流入する排気の空燃比がリーン雰囲気であり、更に排気中にＨＣ、好ましくは熱分解されて分子サイズが小さくなったＨＣが存在していれば、ＨＣの一部が部分酸化して活性種を生成し、その活性種が排気中のＮＯx と反応して、ＮＯx をＮ2、Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等に還元する。
【００１９】
これら触媒は、触媒床温が触媒浄化ウインドウに達しないと活性化せず、ＮＯx 浄化作用を発揮しにくい。
なお、本発明では、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段を備えることが好ましい。すなわち、内燃機関の運転状態が成層燃焼や均質リーン燃焼等を行う主燃料噴射制御のための前提となっており、また、ＮＯx 触媒がＳＯx 被毒しているか否かの判定にもこのような運転状態に関する情報が必要だからである。
【００２０】
成層燃焼等は主燃料噴射によって、圧縮行程に行われる。一方、副噴射は、膨張行程から排気行程で行われる。
ＳＯx 被毒判定手段は、ＮＯx 触媒がＳＯx で被毒されているか否かを判定する。ＮＯx 触媒がＳＯx 被毒しているか否かは、次のような方法により検出することができる。まず、ＮＯx 触媒への入りガスの空燃比をストイキあるいはリッチにすると、ＮＯx 触媒に吸収されていたＮＯx が放出・還元されるので、ＮＯx 触媒からの出ガスの空燃比はリーンとなる。もし、ＳＯx 被毒している場合、ＮＯx の放出・還元が行われないので、出ガスの空燃比がリーンとなる程度あるいはリーンとなる時間が少なくなる。よって、ＮＯx 触媒からの出ガスの空燃比を検出することで、ＮＯx 触媒がＳＯx 被毒していると判定することが可能となる。
【００２１】
なお、ＳＯx 被毒の判定時までにおける走行状態や燃料使用量などからＳＯx 被毒していると推定するようにしてもよい。
このＳＯx 被毒判定手段により前記ＮＯx 触媒がＳＯx 被毒されていると判定されたとき、副噴射燃料制御手段は、機関運転用の主たる燃料噴射とは別に、追加燃料の副噴射を機関の膨張行程もしくは排気行程で行い、未燃焼燃料をＮＯx 触媒に供給制御する。このとき、主噴射を均質リーンに制御し、主噴射と副噴射を行ったときの排気ガスのトータルの空燃比をストイキまたはリッチに制御する。
【００２２】
このことにより、ＮＯx 触媒の温度を所定の温度まで昇温させることが可能となり、ＮＯx 触媒に吸着されたＳＯx を放出することができる。
主噴射を均質リーンとすることで、主噴射での空燃比のリッチ度合いを成層燃焼に比べて大きくすることができる。このため、主噴射と副噴射の関係で決まるトータル空燃比をストイキ又はリッチとするための副噴射燃料量を大きくする必要がなく、ＮＯx 触媒の温度が高くなりすぎない。
【００２３】
なお、前記ＮＯx 触媒の温度が所定値を越えるまで主噴射と副噴射のトータルの排気ガス中の空燃比をリーンに制御するようにすると、より確実な昇温を確保できる。
以上説明した本発明の各構成は、可能な限り互いに組み合わせることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
図１に示した例は、筒内噴射式の内燃機関であり、ピストン１を有するシリンダ２のヘッドに燃料噴射弁３、吸気バルブ４、排気バルブ５を備えている。そして、排気ポートから排気ガスを排出する排気管６に、三元触媒７とＮＯx 吸蔵還元型触媒８を配置した例である。なお、排気管６の途中から排気ガスの一部を吸気管９へと戻すＥＧＲ管１０が設けられている。なお、１１は電子制御スロットル、１２は燃料ポンプ、１３はエンジン制御用コンピュータからなる制御装置（ＥＣＵと呼ぶ）である。また、１４、１５は酸素センサであり、排気ガスの空燃比を測定するためのものである。１６はクランク角センサでありエンジン回転数を検出する。
【００２５】
三元触媒７は、ＳＯx を捕捉するＳＯx 捕捉機能を持ち合わせてもよい。
三元触媒７は、アルミナからなる担体上に銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ、マンガンＭｎ、ニッケルＮｉのような遷移金属、ナトリウムＮａ、チタンＴｉおよびリチウムＬｉから選ばれた少なくとも一つを担持した吸収材である。
【００２６】
また、前記ＮＯx 吸蔵還元型触媒８は、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。機関吸気通路およびＮＯx 吸蔵還元型触媒８上流での排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比をＮＯx 吸蔵還元型触媒８への流入排気ガスの空燃比と称するとき、このＮＯx 吸蔵還元型触媒８は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときはＮＯx を吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯx を放出する。
【００２７】
なお、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８上流の排気通路内に燃料（炭化水素）あるいは空気が供給されない場合、流入排気ガスの空燃比は燃焼室内に供給される混合気の空燃比に一致し、従って、この場合には、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８は燃焼室内に供給される混合気の空燃比がリーンのときには、ＮＯx を吸収し、燃焼室内に供給される混合気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯx を放出・還元する。
【００２８】
ＮＯx 吸蔵還元型触媒８でのＮＯx 吸収・還元は、図２に示したようなメカニズムで行われると考えられている。このメカニズムは、担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合であるが、他の貴金属，アルカリ金属，アルカリ土類，希土類を用いても同様のメカニズムとなる。
【００２９】
まず、排気ガスがかなりリーンになると排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大するため、図２（Ａ）に示すように酸素Ｏ2 がＯ2 -またはＯ2-の形で白金Ｐｔの表面に付着する。次に、排気ガスに含まれるＮＯは、白金Ｐｔの表面上でＯ2 -またはＯ2-と反応し、ＮＯ2 となる（２ＮＯ＋Ｏ2 →２ＮＯ2 ）。
【００３０】
その後、生成されたＮＯ2 は、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８のＮＯx 吸収能力が飽和しない限り、白金Ｐｔ上で酸化されながら触媒内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合し、図２（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ3 -の形でＮＯx 吸蔵還元型触媒８内に拡散する。このようにしてＮＯx がＮＯx 吸蔵還元型触媒８内に吸収される。
【００３１】
これに対し、排気ガス中の酸素濃度が低下した場合は、ＮＯ2の生成量が低下し、前記反応とは逆の反応によって、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８内の硝酸イオンＮＯ3 -は、ＮＯ2 またはＮＯの形でＮＯx 吸蔵還元型触媒８から放出される。
【００３２】
つまり、ＮＯx は、排気ガス中の酸素濃度が低下すると、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８から放出されることになる。図３に示されたように、流入排気ガスのリーン度合いが低くなれば、流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、従って、流入排気ガスのリーン度合いを低くすれば、たとえ流入排気ガスの空燃比がリーンであってもＮＯx 吸蔵還元型触媒８からＮＯx が放出されることとなる。
【００３３】
一方、このとき、燃焼室内に供給する混合気がストイキあるいはリッチにされて、排気ガスの空燃比がストイキあるいはリッチになると、図３に示すように多量の未燃ＨＣ，ＣＯがエンジンから排出される。これら未燃ＨＣ，ＣＯは、白金Ｐｔ上の酸素Ｏ2 -またはＯ2-とすぐに反応して酸化される。
【００３４】
また、流入排気ガスの空燃比がストイキあるいはリッチになると、排気ガス中の酸素濃度は極度に低下するため、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８は、ＮＯ2 またはＮＯを放出する。このＮＯ2 またはＮＯは、図２（Ｂ）に示すように、未燃ＨＣ、ＣＯと反応して還元される。このようにして白金Ｐｔ上のＮＯ2 またはＮＯが存在しなくなると、触媒から次から次へとＮＯ2 またはＮＯが放出される。従って、流入排気ガスの空燃比をリッチにすると短時間の内にＮＯx 吸蔵還元型触媒８からＮＯx が放出される。白金Ｐｔ上のＯ2 -またはＯ2-を消費しても未燃ＨＣ，ＣＯが残っていれば、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８から放出されたＮＯx も、エンジンから排出されたＮＯx も、この未燃ＨＣ，ＣＯによって還元される。
【００３５】
従って、流入排気ガスの空燃比をリッチにすれば短時間の内にＮＯx 吸蔵還元型触媒８に吸収されているＮＯx が放出され、しかも、この放出されたＮＯx が還元されるために大気中にＮＯx が排出されるのを阻止することができる。
【００３６】
また、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８は還元触媒の機能を有しているので、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にしてもＮＯx 吸蔵還元型触媒８から放出されたＮＯx が還元される。
【００３７】
流入排気ガスの空燃比をリーンの度合いを低くすればたとえ流入排気ガスの空燃比がリーンであったとしても、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８からＮＯx が放出される。従って、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８からＮＯx を放出させるには、流入排気ガス中の酸素濃度を低下させればよいこととなる。
【００３８】
また、排気管６には、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８の上流側に、触媒入ガス温度センサ１７、が設けられ、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８の下流側に触媒出ガス温度センサ１８が設けられ、これらもまたそれぞれコンピュータからなる制御装置（ＥＣＵ）１３に電気的に接続されている。
【００３９】
これらセンサや酸素センサ、クランク角センサ等からの情報により、各触媒の状態ひいては内燃機関の運転状態が検出される。そして、これらセンサ等から入力されるデータから内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段２１が前記制御装置（ＥＣＵ）１３のコンピュータ上に実現されている。さらに、触媒入ガス温度センサ１７と触媒出ガス温度センサ１８とで検出した触媒温度状況によって触媒の温度状態を検出する。
【００４０】
さらに、酸素センサ１４，１５からの情報を基にＮＯx 吸蔵還元型触媒８がＳＯx 被毒しているか否かの判定を行うＳＯx 被毒判定手段２２もまた制御装置（ＥＣＵ）１３上に実現されている。すなわち、酸素センサ１４で検出したＮＯx 吸蔵還元型触媒８への入りガスの空燃比がストイキあるいはリッチになった後、酸素センサ１５で検出したＮＯx 吸蔵還元型触媒８の出ガスの空燃比が通常よりも短時間の間だけリーンとなるか全くリーンとならない場合は、ＮＯx の放出・還元が行われていないか十分でないことを意味するのでＳＯx 被毒状態にあると判定する。
以下、本排気浄化装置による排気浄化制御例を説明する。
【００４１】
＜第１の制御例＞
まず、制御装置１３に、機関の運転状態を示す各種パラーメータが入力される。すなわち、エンジン回転数や触媒入りガス温度、触媒出ガス温度等が入力されている。
【００４２】
図４に示したように、軽負荷運転時、スパークプラグ近傍にのみ可燃混合気を形成し、シリンダー内全体では超希薄な空燃比（例えば５０：１）を実現する。このような燃焼を成層燃焼という。成層燃焼を実現するため、圧縮行程で燃料噴射弁から直接筒内へと燃料を噴射し、スパークプラグ周りに混合気を形成する。
【００４３】
一方、加速時や登坂時などのような高負荷運転時には、吸気行程で燃料を噴射し、均質な混合気を生成し、高出力を実現する。
成層燃焼と均質燃焼と間には、弱成層燃焼、均質リーン燃焼の領域を実現し、成層燃焼と均質燃焼との間のトルクのつながりをスムーズにする。弱成層燃焼は吸気行程と圧縮行程の２回に分けて燃料を噴射し、空燃比２０〜３０の弱成層燃焼状態を生成する。均質リーンは、圧縮行程において、均質燃焼時より少ない量の燃料を噴射して空燃比を１５から２３とする。
【００４４】
機関の運転により発生するＮＯx はＮＯx 吸蔵還元型触媒８に吸収され、前記した原理により放出・還元される。
空燃比をリッチ側にして触媒を活性化するため、副噴射による追加燃料の噴射を行う。この追加燃料の噴射により、触媒を活性化して吸収していたＮＯx を放出・還元する。
【００４５】
なお、本例ではガソリンエンジンの例であるが、ディーゼルエンジンの場合は、燃焼室での燃焼がストイキよりもはるかにリーン域で行われるので、通常の機関運転状態ではＮＯx 吸蔵還元型触媒８に流入する排気ガスの空燃比は非常にリーンであり、ＮＯx の吸収は行われるものの、ＮＯx の放出が行われることは殆どない。従って、このような追加燃料の噴射はディーゼルエンジンにおいても重要な技術である。
【００４６】
また、ＳＯx 被毒判定手段２２で、ＮＯx 吸蔵還元型触媒８がＳＯx により被毒されていると判定したとき、ＮＯx 吸蔵還元型触媒の温度を上げて、空燃比をストイキあるいはリッチにすることでＳＯx 被毒再生処理を行う。
【００４７】
ところで、成層燃焼状態にあるとき、その燃焼形態で空燃比をリッチ側にすると、点火プラグ周りの燃料が濃くなりすぎてスモークが発生し十分な燃焼ができなくなる。そこで、成層燃焼のまま空燃比をストイキあるいはリッチにするには主噴射はそのままにして副噴射による追加燃料を増やすことで対処しなければならない。すると、副噴射での燃料量が多くなりすぎで、触媒温度が高くなりすぎる。
【００４８】
そこで、主噴射の空燃比を均質リーンにして、副噴射をすることで、トータルの空燃比をストイキまたはリッチにし、これにより、触媒温度を６００℃以上とし、ＳＯx 被毒したＮＯx 吸蔵還元型触媒８を再生する。
【００４９】
この手順を図５のフローチャートで説明する。
まず、機関の運転状態を読み込み（ステップ１０１）、得られた情報からＮＯx 吸蔵還元型触媒がＳＯx 被毒しているか否かの判定を行う（ステップ１０２）、ＳＯx 被毒していなければ、そのままルーチンを終了し、ＳＯx 被毒していれば、今度はＮＯx 吸蔵還元型触媒が所定の再生温度（６００℃）に達しているか否かを判定する（ステップ１０３）。所定の再生温度にすでに達している場合、空燃比をストイキあるいはリッチにしてＳＯx 被毒の再生制御を行う（ステップ１０４）。ここでのストイキあるいはリッチ化は主噴射のみで均質燃焼状態にして行う。
【００５０】
一方、所定の温度に達していない場合、主噴射での燃料噴射状態を成層燃焼状態（空燃比３０）から、均質リーン状態（空燃比１８）にし、また、副噴射を同時に行い、トータルの空燃比をストイキ（１４．５）にする。これにより、触媒温度が６００℃に達し、ＮＯx 吸蔵還元型触媒に吸着していたＳＯx を燃やし、除去する。
【００５１】
この制御例における主噴射と副噴射との関係、及び、それらによるトータル空燃比、触媒温度の上昇を図６に示す。
このように、主噴射による空燃比を均質リーンである１８にして副噴射で追加燃料を補い、トータル空燃比を１４．５のストイキにすることで、触媒温度を触媒再生温度である６００℃に制御することができる。
【００５２】
なお、副噴射は２回以上の数回に分けて行ってもよい。
【００５３】
＜制御例２＞
次に、第２の制御例を説明する。
この例も、ＳＯx 被毒判定手段で、ＮＯx 吸蔵還元型触媒がＳＯx により被毒されていると判定したとき、ＮＯx 吸蔵還元型触媒の温度を上げて、空燃比をストイキあるいはリッチにすることでＳＯx 被毒再生処理を行う場合である。
【００５４】
この例では、触媒温度が所定の再生温度になるまで、主噴射と副噴射のトータルの空燃比を均質リーンにして、触媒を６００℃以上に昇温する。そして、触媒温度が所定の再生温度になった後に、主噴射と副噴射のトータルの空燃比をストイキまたはリッチにすることで、ＳＯx 被毒したＮＯx 吸蔵還元型触媒を再生する。
【００５５】
この手順を図７のフローチャートで説明する。
まず、機関の運転状態を読み込み（ステップ２０１）、得られた情報からＮＯx 吸蔵還元型触媒がＳＯx 被毒しているか否かの判定を行う（ステップ２０２）。ＳＯx 被毒していなければ、そのままルーチンを終了し、ＳＯx 被毒していれば、今度はＮＯx 吸蔵還元型触媒が所定の再生温度（６００℃）に達しているか否かを判定する（ステップ２０３）。
【００５６】
所定の温度に達していない場合、主噴射での燃料噴射状態を成層燃焼状態（空燃比３０）から、均質リーン状態（空燃比１８）にし、また、副噴射を同時に行い、トータルの空燃比を均質リーン（空燃比１６）として、触媒温度を昇温する（ステップ２０４）。
【００５７】
これにより、触媒温度が６００℃に達したら、ステップ２０３で肯定判定されるので、主噴射を均質リーン（空燃比１８）としたまま、さらに副噴射量を増やし、トータルでの空燃比をストイキ（１４．５）あるいはリッチにしてＳＯx 被毒の再生制御を行う（ステップ２０５）。この経緯を図８に示す。
【００５８】
図８で特徴的な点は、触媒温度が６００℃に達する前に、副噴射を少量行い、６００℃に達した時点でさらに副噴射の量を多くしている点である。
このように、予め昇温してから、ストイキあるいはリッチに制御するので、ＳＯx 被毒したＮＯx 触媒の再生処理がよりスムーズに行われる。
【００５９】
＜制御例３＞
次に、第３の制御例を図９に従い説明する。
図８で示した実施例が、主噴射量一定、副噴射量可変であるのに対し、図９で示した例では、主噴射量を可変とし、副噴射量を一定とした。
【００６０】
まず、機関の運転状態を読み込み、得られた情報からＮＯx 吸蔵還元型触媒がＳＯx 被毒しているか否かの判定し、ＳＯx 被毒していれば、ＮＯx 吸蔵還元型触媒が所定の再生温度（６００℃）に達しているか否かを判定する。
【００６１】
所定の温度に達していない場合、主噴射での燃料噴射状態を成層燃焼状態（空燃比３０）から、均質リーン状態（空燃比２０）にし、また、副噴射を同時に行い、トータルの空燃比を均質リーン（空燃比１６）として、触媒温度を昇温する。
【００６２】
これにより、触媒温度が６００℃に達したら、主噴射を均質リーン（空燃比１８）とする。この間、副噴射量は一定とし、主噴射と合わせたトータルでの空燃比をストイキ（１４．５）あるいはリッチにしてＳＯx 被毒の再生制御を行う。
【００６３】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、成層燃焼中において、主噴射を均質リーンに制御しつつ、副噴射で追加燃料を補充することで、容易に排気浄化用のＮＯx 触媒の昇温を行うことができる。
【００６４】
また、この制御をＳＯx 被毒判定手段でＮＯx 触媒がＳＯx 被毒していると判定したときに行うことで、ＳＯx 被毒再生処理に応用することができる。
さらに、ＮＯx 触媒の温度が所定値を越えるまで主噴射と副噴射のトータルの排気ガス中の空燃比をリーンに制御することで、昇温後に空燃比をリッチ側にしてより確実にＮＯx 触媒の再生処理を行うことができる。
【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実施形態の概略構成図である。
【図２】 吸蔵還元型ＮＯx 触媒のＮＯx 吸放出作用を説明するための図である。
【図３】 機関から排出される排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯおよび酸素の濃度を概略的に示す線図である。
【図４】 内燃機関の燃焼状態領域を示すグラフ図である。
【図５】 本発明による第１の制御例を示したフローチャート図である。
【図６】 第１の制御例における空燃比の推移と触媒温度との関係を示す図である。
【図７】 本発明による第２の制御例を示したフローチャート図である。
【図８】 第２の制御例における空燃比の推移と触媒温度との関係を示す図である。
【図９】 第３の制御例における空燃比の推移と触媒温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ピストン
２シリンダ
３燃料噴射弁
４吸気バルブ
５排気バルブ
６排気管
７三元触媒
８吸蔵還元型触媒
９吸気管
１０ ＥＧＲ管
１１電子制御スロットル
１２燃料ポンプ
１３制御装置（ＥＣＵ）
14,15 酸素センサ
１６クランク角センサ
１７触媒入ガス温度センサ
１８触媒出ガス温度センサ
１８均質リーン（空燃比
２１運転状態検出手段
２２ＳＯx 被毒判定手段
Claims (3)
- 機関運転状態に応じて少なくとも成層燃焼と均質リーン燃焼とを切り替えて行い得る筒内噴射式内燃機関と、
前記筒内噴射式内燃機関の排気通路に設けられたＮＯx触媒と、
機関運転用の主たる燃料噴射である主噴射とは別に、追加燃料の副噴射を行うことで、未燃焼燃料を前記ＮＯx触媒に供給制御する副噴射燃料制御手段と、
前記筒内噴射式内燃機関において成層燃焼が行われる機関運転状態であるときに、前記副噴射燃料制御手段によって副噴射を行う場合には、燃焼状態を成層燃焼から均質リーン燃焼に変更する手段と、
を備え、主噴射と副噴射を行ったときの排気ガスのトータルの空燃比を下げることを特徴とする筒内噴射式内燃機関の排気浄化装置。 - 機関運転状態に応じて少なくとも成層燃焼と均質リーン燃焼とを切り替えて行い得る筒内噴射式内燃機関と、
前記筒内噴射式内燃機関の排気通路に設けられたＮＯx触媒と、
前記ＮＯx触媒がＳＯxにより被毒されているか否かを判定するＳＯx被毒判定手段と、
前記ＳＯx被毒判定手段により前記ＮＯx触媒がＳＯx被毒されていると判定されたとき
、機関運転用の主たる燃料噴射である主噴射とは別に、追加燃料の副噴射を機関の膨張行程もしくは排気行程で行い、未燃焼燃料を前記ＮＯx触媒に供給制御する副噴射燃料制御
手段と、
前記筒内噴射式内燃機関において成層燃焼が行われる機関運転状態であるときに、前記副噴射燃料制御手段によって副噴射を行う場合には、燃焼状態を成層燃焼から均質リーン燃焼に変更する手段と、
を備え、主噴射と副噴射を行ったときの排気ガスのトータルの空燃比をストイキまたはリッチに制御することを特徴とする筒内噴射式内燃機関の排気浄化装置。 - 前記ＮＯx触媒の温度が所定値を越えるまで主噴射と副噴射のトータルの排気ガス中の
空燃比をリーンに制御することを特徴とする請求項２記載の筒内噴射式内燃機関の排気浄化装置。
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