JP4209317B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等車両や定置式の内燃機関の排気浄化装置に関する。

近年、環境浄化の要求に伴い、自動車等内燃機関（以下エンジンという）の排気ガス規制は強化される傾向にあり、特に、ディーゼルエンジン車においては、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）及びＰＭ（粒子状物質）の規制が、またガソリンエンジン車においては、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）及びＨＣ（未燃ガス）の規制が強化されている。

ＨＣやＮＯｘ、ＰＭ等の低減のために、排気ガスはエンジン排出後に、排気系に設けられた触媒等の後処理装置を通過することでクリーン化されることが一般的技術である。また、特許文献１のように、排気系ではなく、シリンダ内面、シリンダヘッド内面及びピストン上面よりなる燃焼室壁面の少なくとも一部に触媒をコーティングするものも提案されている。

特開平５−８６８６３号公報（図１）

しかしながら、特許文献１に開示されたような燃焼室壁面への触媒担持技術と燃料噴射装置による燃料噴射制御や動弁機構による吸，排気弁制御を組み合わせて、燃焼室壁面への触媒担持技術を最大限に活用するようにした技術は未だ開示されていない。

そこで、本発明の目的は、燃焼室壁面への触媒担持技術に燃料噴射装置による燃料噴射制御や動弁機構による吸，排気弁制御を効果的に組み合わせて、排気エミッションをより一層改善することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある

前記目的を達成するための本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
燃焼室内に直接燃料を噴射する電子制御式燃料噴射装置を備えた内燃機関において、
シリンダ内面、シリンダヘッド内面及びピストン上面よりなる燃焼室壁面の少なくとも一部にＮＯx を還元する触媒を担持すると共に、
前記内燃機関の所定の運転状態下で前記内燃機関の燃料の主噴射に先立って排気浄化用の微量の燃料をパイロット噴射すべく前記燃料噴射装置を制御する制御手段と、
前記燃焼室の吸気弁及び排気弁を開閉駆動する電子制御式動弁機構と、
前記内燃機関の所定の運転状態下で吸気弁が開かれている吸気行程前半の所定時期に排気弁を所定期間再開すべく前記動弁機構を制御する制御手段と、
を設けたことを特徴とする。
また、
燃焼室内に直接燃料を噴射する電子制御式燃料噴射装置を備えた内燃機関において、
シリンダ内面、シリンダヘッド内面及びピストン上面よりなる燃焼室壁面の少なくとも一部にＮＯx を還元する触媒を担持すると共に、
前記内燃機関の所定の運転状態下で前記内燃機関の燃料の主噴射に先立って排気浄化用の微量の燃料をパイロット噴射すべく前記燃料噴射装置を制御する制御手段と、
前記燃焼室の吸気弁及び排気弁を開閉駆動する電子制御式動弁機構と、
前記内燃機関の所定の運転状態下で排気弁が開かれている排気行程中の所定時期に吸気弁を所定期間再開すべく前記動弁機構を制御する制御手段と、
を設けたことを特徴とする。
また、
燃焼室内に直接燃料を噴射する電子制御式燃料噴射装置を備えた内燃機関において、
シリンダ内面、シリンダヘッド内面及びピストン上面よりなる燃焼室壁面の少なくとも一部にＮＯx を還元する触媒を担持すると共に、
前記内燃機関の所定の運転状態下で前記内燃機関の燃料の主噴射に先立って排気浄化用の微量の燃料をパイロット噴射すべく前記燃料噴射装置を制御する制御手段と、
前記燃焼室の吸気弁及び排気弁を開閉駆動する電子制御式動弁機構と、
前記内燃機関の排気ガス温度が適正な温度範囲以上の高温であることを検知した場合に、排気行程後期から吸気行程前期にかけて吸，排気弁を共に開くよう前記動弁機構を制御する制御手段と、
を設けたことを特徴とする。
また、
前記触媒は、少なくともピストン上面に断熱材をコーティングした後担持されることを特徴とする。

前記構成の内燃機関の排気浄化装置によれば、パイロット噴射により予め発生させたＨＣと燃焼室壁面に担持された触媒とで主噴射時に発生したＮＯｘを効率的に還元できると共に、燃焼室壁面への触媒担持構造の改善により、排気エミッションが良好となる。この際、吸，排気弁のオーバーラップにより内部ＥＧＲ（排気還流）を行うと、より一層排気エミッションが改善される。

また、内燃機関の排気ガス温度が適正な温度範囲以上の高温であることを検知した場合に、排気弁が開かれる排気行程後期から吸気弁が開かれる吸気行程前期にかけて吸，排気弁を共に開くよう前記動弁機構を制御する制御手段を設けたことにより、吸気から排気へ空気が直接吹き抜ける量を制御することで、排気温度の過剰な上昇を抑制し、触媒の熱劣化の防止と内燃機関の信頼性の向上が図れる。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１を示す自動車等車両における内燃機関の構造説明図、図２は同じく噴射パターン選定のフローチャート、図３は同じく噴射パターンの説明図（グラフ）である。

図１に示すように、多気筒内燃機関（以下、単にエンジンという）１は、シリンダヘッド２とシリンダブロック３とから構成され、シリンダブロック３の各気筒（シリンダ）にはシリンダライナ４を介してピストン５が摺動自在に収装されている。そして、ピストン５の上面に形成された燃焼室壁面には白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒がコーティング（担持）されている（図中触媒コーティング層３０参照）。

一方、シリンダヘッド２の各気筒には、吸気ポート６を開閉する吸気弁７と排気ポート８を開閉する排気弁９が備えられ、これら吸気弁７及び排気弁９は、図示しない動弁機構により開閉駆動されるようになっている。

また、シリンダヘッド２の各気筒には、電子制御式の燃料噴射装置としてのユニットインジェクタ１４が備えられる。このユニットインジェクタ１４は、エンジン１の回転に連動するカム１５の回転がカムフォロア１６及びプッシュロッド１７を介してロッカーアーム１８に伝達され、このロッカーアーム１８によりプランジャ１９がリターンスプリング２０の付勢力に抗して図中下方に押圧されることで燃料を燃焼室内に噴射し得るようになっている。つまり、プランジャ１９が押圧されることにより燃料通路２１内の燃料が加圧され、この加圧された燃料が針弁２２をリターンスプリング２３の付勢力に抗して図中上方へ押し上げることで噴孔２４が開かれるのである。

そして、燃料の噴射量及び噴射タイミングは、燃料通路２１を開閉する電磁駆動のポペット弁２５により制御されるようになっている。つまり、制御手段としてのユニットインジェクタ用電子制御ユニット（ＥＣＵ）１３からの制御信号（開閉タイミング信号）によりソレノイド２６が励磁されてポペット弁２５がリターンスプリング２７の付勢力に抗して図中上方に吸引されて閉弁（燃料通路２１が遮断）されている間は、プランジャ１９の押圧下で燃料通路２１内の燃料が加圧されて噴射可能となるが、ソレノイド２６が非励磁となりポペット弁２５がリターンスプリング２７の付勢力により図中下方に移動されて開弁（燃料通路２１が連通）されている間は、プランジャ１９の押圧下でも燃料通路２１内の燃料が加圧されないので噴射不可能となるのである。

前記ＥＣＵ１３は、中央処理装置（ＣＰＵ）、読出し専用記憶装置（ＲＯＭ）、内部クロック及び入出力信号処理回路としてのインタフェース等で構成され、エンジン回転数、アクセル開度、エンジン冷却水，排気ガスなどの各種温度、吸気，排気ガスなどの各種圧力、ＥＴＣ（ノンストップ自動料金収受システム）の車載器からの送・受信信号、車速等の各種センサ信号を入力してユニットインジェクタ１４からの燃料の噴射量及び噴射タイミングをエンジン１の運転状態に応じて最適に制御するようになっている。

また、前記ＥＣＵ１３は、図２及び図３に示すように、前記エンジン１の所定の運転状態下即ち、排気ガス温度が低く、かつこの状態が長い時間続くと共に、エンジン冷却水温度が低く、かつエンジン回転数が低い時は、通常の燃料噴射タイミングで燃料の主噴射のみを行う単発噴射を実施する制御を行い（図２中のステップＰ１〜ステップＰ５参照）、それ以外の運転状態下では、燃料の主噴射に先立って吸気又は圧縮行程中に排気浄化用の微量の燃料をパイロット噴射し、その後通常の燃料噴射タイミングで燃料の主噴射を行う複数噴射を実施する制御を行うようになっている（図２中のステップＰ６参照）。

このように構成されるため、単発噴射が実施される例えばエンジン１の低速・低負荷域では、ユニットインジェクタ１４により通常の燃料噴射タイミングで燃料が噴射されるので、安定した燃焼が保持される。

一方、複数噴射が実施される例えばエンジン１の中高速・中高負荷域では、吸気又は圧縮行程中にパイロット噴射によりＨＣ、ＣＯ（一酸化炭素）が発生され、このＨＣとピストン５上面の触媒コーティング層３０の触媒とで燃焼（膨張）行程の主噴射により発生したＮＯｘが効率的に還元され、排気エミッションが良好となる。

このように、エンジン１の内部でＮＯｘが低減されるので、排気系におけるＮＯｘ吸蔵触媒等の後処理装置が不要になる（もちろん、後処理装置と併用しても良い）。ちなみに、後処理装置までの距離が長いと排気系における熱損失により排気ガス温度が低下して触媒活性が低下するが、本装置では、排気ガス温度の低下がないので、活性が良好な触媒で効率よくＮＯｘが低減される。

また、排気系により熱容量が大きくなる後処理の方法に比べて、本装置は熱容量が小さいので、エンジン１の始動時にエンジン１の暖機とともに触媒コーティング層３０の触媒も速やかに昇温・暖機される。

また、前記後処理の方法に比べて、エンジン１の過渡状態における応答遅れがないので、直ちに噴射パターンを単発噴射からＮＯｘ低減に最適な複数噴射に切り替えることが可能となる。

図４は本発明の実施例２を示す触媒担持構造の断面図である。

これは、実施例１におけるピストン５の上面に形成された燃焼室壁面に、断熱効果の高い例えばセラミックを溶射するなどコーティングした（図中セラミック溶射層３１参照）後、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒３０ａをスポット状に担持させた例である。

これによれば、セラミック溶射層３１によりピストン表面温度を高く保持することができるので、触媒３０ａの活性が高まり、より一層の低公害化と、断熱効果による燃費向上が図れる。

尚、本実施例におけるピストン５を燃焼ガス（又は排気ガス）に曝される壁面に置き換えることで、ガスタービンやボイラ等のあらゆる種類の熱機関において、熱損失低減と触媒活性のさらなる向上が図れる。

図５は本発明の実施例３を示す自動車等車両における内燃機関の構造説明図、図６−１は同じく排気弁再開制御の説明図、である。図６−２は同じく吸気弁再開制御の説明図、図７は同じくバルブオーバーラップ制御の説明図である。

これは、図５に示すように、実施例１における吸気弁７及び排気弁９を、電子制御式の動弁機構により開閉駆動するようにした例である。つまり、吸気弁７及び排気弁９は、バルブスプリング１０ａ，１０ｂにより常時図中上方に付勢されて閉弁される一方、ソレノイド１１ａ，１１ｂが制御手段としての吸，排気弁用電子制御ユニット（ＥＣＵ）１２からの制御信号により励磁されると、前記バルブスプリング１０ａ，１０ｂの付勢力に抗して図中下方に移動され開弁するようになっている。その他の構成は実施例１と同様である。

前記ＥＣＵ１２は、中央処理装置（ＣＰＵ）、読出し専用記憶装置（ＲＯＭ）及び入出力信号処理回路としてのインタフェースとで構成され、コントロールエリアネットワーク（ＣＡＮ）などの通信手段で結ばれた実施例１におけるＥＣＵ１３からの情報により吸，排気弁７，９の開弁時期及び開弁期間をエンジン１の運転状態に応じて最適に制御するようになっている。

そして、前記ＥＣＵ１２は、実施例１で説明した複数噴射が実施される例えばエンジン１の中高速・中高負荷域では、図６−１に示すように、吸気行程中の最適なタイミングと期間において排気弁９を再開し、このバルブオーバーラップにより排気ガスを燃焼室に逆流（内部ＥＧＲ）させた後ユニットインジェクタ１４により主噴射を行う制御を実施するようになっている。

また、前記ＥＣＵ１２は、実施例１で説明した複数噴射が実施される例えばエンジン１の中高速・中高負荷域では、図６−２に示すように、排気行程中の最適なタイミングと期間において吸気弁７を再開し、このバルブオーバーラップにより排気ガスを吸気マニホルドに逆流（内部ＥＧＲ）させた後ユニットインジェクタ１４により主噴射を行う制御を実施するようになっている。

また、前記ＥＣＵ１２は、実施例１で説明したエンジン１の排気ガス温度が触媒の耐熱温度以上にあると検知すると、図７に示すように、排気行程終了を遅らせ、かつ、吸気行程開始時期を早めることで、このバルブオーバーラップの期間を時間的又は、吸，排気弁リフト量制御により新気ガスを燃焼室内に吹き抜けさせ、排気温度を低下させる制御を実施するようになっている。

この実施例によれば、ピストン５上の触媒コーティング層３０の触媒の作用で、排気ガス中のＰＭの酸化と、パイロット噴射と内部ＥＧＲによるＨＣを還元剤としたＮＯｘの低減効果が得られると共に、内部ＥＧＲによる低酸素濃度での燃焼（最高燃焼温度の低下）によるＮＯｘの低減効果が得られる。また、内部ＥＧＲによる触媒温度の向上も図れる。

また、排気弁９の再開の後直ちに直接燃焼室内に燃料を噴射することで、排気ガスの逆流に伴う時間遅れを生じることなく、内部ＥＧＲとパイロット噴射を組み合わせた制御により、内部ＥＧＲされた排気ガスがそのまま排気系に排出されることが防止される。

尚、上記実施例３において、実施例１で説明した複数噴射を特に実施しなくても良い。もちろん実施例３に実施例２の触媒担持構造を採用しても良い。また、上記各実施例において、触媒をピストン５の上面に担持させたが、シリンダライナ（シリンダライナが無い場合はシリンダ）４の内面やシリンダヘッド２の内面に触媒を担持させても良い。また、上記実施例３の変形例として、ＥＣＵ１２が排気ガス温度等の温度センサ等により排気ガスが適正な温度範囲以上に高温であることを検知した場合に、排気弁９が開かれる排気行程後期から吸気弁７を開くべく前述した動弁機構を制御して、排気ガスの温度を適正な温度範囲に制御するようにしてもよい。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、自動車等車両に限らず、定置式の内燃機関にも広く適用することができる。

本発明の実施例１を示す自動車等車両における内燃機関の構造説明図である。 同じく噴射パターン選定のフローチャートである。 同じく噴射パターンの説明図（グラフ）である。 本発明の実施例２を示す触媒担持構造の断面図である。 本発明の実施例３を示す自動車等車両における内燃機関の構造説明図である。 同じく排気弁再開制御の説明図である。 同じく吸気弁再開制御の説明図である。 同じくバルブオーバ−ラップ排気弁再開制御の説明図である。

符号の説明

１ エンジン
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
４ シリンダライナ
５ ピストン
６ 吸気ポート
７ 吸気弁
８ 排気ポート
９ 排気弁
１０ａ，１０ｂ バルブスプリング
１１ａ，１１ｂ ソレノイド
１２ 吸，排気弁用電子制御ユニット（ＥＣＵ）
１３ ユニットインジェクタ用電子制御ユニット（ＥＣＵ）
１４ ユニットインジェクタ
１５ カム
１６ カムフォロア
１７ プッシュロッド
１８ ロッカーアーム
１９ プランジャ
２０ リターンスプリング
２１ 燃料通路
２２ 針弁
２３ リターンスプリング
２４ 噴孔
２５ ポペット弁
２６ ソレノイド
２７ リターンスプリング
２８ ディスプレィ
３０ 触媒コーティング層

Claims (4)

1. 燃焼室内に直接燃料を噴射する電子制御式燃料噴射装置を備えた内燃機関において、
   シリンダ内面、シリンダヘッド内面及びピストン上面よりなる燃焼室壁面の少なくとも一部にＮＯx を還元する触媒を担持すると共に、
   前記内燃機関の所定の運転状態下で前記内燃機関の燃料の主噴射に先立って排気浄化用の微量の燃料をパイロット噴射すべく前記燃料噴射装置を制御する制御手段と、
   前記燃焼室の吸気弁及び排気弁を開閉駆動する電子制御式動弁機構と、
   前記内燃機関の所定の運転状態下で吸気弁が開かれている吸気行程前半の所定時期に排気弁を所定期間再開すべく前記動弁機構を制御する制御手段と、
   を設けたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 燃焼室内に直接燃料を噴射する電子制御式燃料噴射装置を備えた内燃機関において、
   シリンダ内面、シリンダヘッド内面及びピストン上面よりなる燃焼室壁面の少なくとも一部にＮＯx を還元する触媒を担持すると共に、
   前記内燃機関の所定の運転状態下で前記内燃機関の燃料の主噴射に先立って排気浄化用の微量の燃料をパイロット噴射すべく前記燃料噴射装置を制御する制御手段と、
   前記燃焼室の吸気弁及び排気弁を開閉駆動する電子制御式動弁機構と、
   前記内燃機関の所定の運転状態下で排気弁が開かれている排気行程中の所定時期に吸気弁を所定期間再開すべく前記動弁機構を制御する制御手段と、
   を設けたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 燃焼室内に直接燃料を噴射する電子制御式燃料噴射装置を備えた内燃機関において、
   シリンダ内面、シリンダヘッド内面及びピストン上面よりなる燃焼室壁面の少なくとも一部にＮＯx を還元する触媒を担持すると共に、
   前記内燃機関の所定の運転状態下で前記内燃機関の燃料の主噴射に先立って排気浄化用の微量の燃料をパイロット噴射すべく前記燃料噴射装置を制御する制御手段と、
   前記燃焼室の吸気弁及び排気弁を開閉駆動する電子制御式動弁機構と、
   前記内燃機関の排気ガス温度が適正な温度範囲以上の高温であることを検知した場合に、排気行程後期から吸気行程前期にかけて吸，排気弁を共に開くよう前記動弁機構を制御する制御手段と、
   を設けたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記触媒は、少なくともピストン上面に断熱材をコーティングした後担持されることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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