JPH10252523A

JPH10252523A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JPH10252523A
Application number: JP9082025A
Authority: JP
Inventors: Douou Nakano; 道王中野; Shuichi Kubo; 修一久保
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1997-03-15
Filing date: 1997-03-15
Publication date: 1998-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構成により、排気中に含まれる窒素酸
化物を低減すること。【解決手段】排気管路１１中にＮＯ_Xを低減する触媒
装置２を有するディーゼルエンジンの内燃機関１におい
て、上死点付近においてシリンダ内の各気筒に直接燃料
を噴射する主噴射に先立ち少なくとも１回各気筒に予備
噴射する燃料噴射装置３と、排気中の可燃成分を検出す
る可燃成分検出センサ４と、排気および触媒の温度を検
出する温度センサ５と、運転状態、排気の温度および組
成に応じて前記燃料噴射装置の噴射量および噴射時期を
制御するコントローラ６とから成り、排気中のＮＯ_X還
元剤として作用する反応中間生成物の量を制御すること
により、排気管路中に放出される排気の組成を変化さ
せ、前記触媒装置２における触媒反応を制御する内燃機
関の排気浄化装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排気管路中に窒素
酸化物（ＮＯ_X）を低減する触媒装置を有する内燃機関
において、運転状態、排気の温度および組成に応じて、
上死点付近においてシリンダ内の各気筒に直接燃料を噴
射する主噴射に先立ち少なくとも１回各気筒に予備噴射
する燃料噴射装置の噴射量および噴射時期を制御するこ
とによって、排気中のＮＯ_X還元剤として作用する反応
中間生成物の量を制御することにより、排気管路中に放
出される排気の組成を変化させ、前記触媒装置における
触媒反応を制御して、排気中に含まれる窒素酸化物を低
減する内燃機関の排気浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来希薄燃焼を行う内燃機関において、
燃焼に伴い発生するＮＯ_Xの低減は重要な課題となって
いる。ＮＯ_Xを低減するために排気管路中に設置された
触媒装置を使用する場合、ＮＯ_Xを還元するための還元
剤（主に炭化水素）を供給することが必要であった。

【０００３】理論混合気付近で燃焼させガソリンを燃料
とする従来の火花点火式内燃機関では、排気中に燃え残
りの炭化水素（ＨＣ）と燃焼に伴い生成されたＮＯ_Xが
共存するため、触媒装置によるＮＯ_X低減が有効に作用
する。

【０００４】しかし、希薄燃焼を行うガソリン火花点火
希薄燃焼内燃機関であるリーンバーンエンジンや、軽油
を燃料とする圧縮着火式内燃機関であるディーゼルエン
ジンでは、ＮＯ_Xが生成されるが、燃え残りのＨＣが少
なく、又、排気中に余剰の酸素が存在するために触媒装
置によるＮＯ_Xの低減が充分に行われない。

【０００５】上記課題を解決するために、従来より排気
中にＮＯ_Xの還元に必要なＨＣを残すための手法が提案
されている。

【０００６】従来の第１の内燃機関の排気浄化装置（特
開平４−３５８７１５，特開平４−３５８７１７，特開
平５−１１３１４４）は、図１５に示されるように燃焼
室Ｃに配設された噴射装置Ｖとは別に、吸気管路Ｉ中に
希薄な混合気を生成するための第２の噴射装置ＳＶを設
けることが示されている。

【０００７】また従来の第２の内燃機関の排気浄化装置
（特開平６−７４０２３）は、図１６に示されるように
吸気管路Ｉ中の第２の噴射弁ＳＶに加えて排気管路Ｅ中
に第３の噴射装置ＴＶを設けることが示されている。

【０００８】これら以外にも、排気管路中に噴射弁を設
ける手法が提案されている。上記手法は、いずれも第
２、第３の噴射装置ＳＶ、ＴＶから噴射された燃料（Ｈ
Ｃ）の全部または一部を排気中に残存させ、これをＮＯ
_X低減のために用いるというものである。

【０００９】また、ＮＯ_Xを還元する触媒反応におい
て、触媒反応が活発に行われる温度条件は触媒の組成に
よって異なるが、該温度条件の幅（通称温度ウィンド
ウ）は広くない。一方、内燃機関の排気温度は運転条件
により変化し、排気温度は必ずしも触媒装置の温度ウィ
ンドウと一致するわけではないので、仮に還元剤として
ＨＣを供給してもＮＯ_Xの低減が充分行われない運転条
件が存在することになる。そこで、触媒装置に加熱装置
を付加する等の手法が検討されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の内燃機関の
排気浄化装置において、排気中に還元剤としてのＨＣを
残すための噴射装置を別に用意する必要があり、システ
ム構成が複雑になるとともに、制御が複雑になるという
問題があった。

【００１１】さらに液体燃料を前記排気管路に配設され
た前記噴射装置から供給する内燃機関において、排気温
度が低い条件では十分な気化が行われないという問題が
あった。

【００１２】排気管中に配設された触媒装置によるＮＯ
_Xの低減が活発に行われる温度ウィンドウは、触媒の組
成だけでなく還元剤の組成によっても変化する。そこ
で、触媒装置によるＮＯ_Xの低減を有効に利用するため
には、排気中の還元剤の組成を制御することが有効であ
る。

【００１３】しかし、前記の排気管路中に噴射装置を設
け、排気中にガソリンや軽油などの燃料（ＨＣ）を供給
する内燃機関においては、該噴射装置から噴射された燃
料（ＨＣ）は高負荷運転時を除いてほとんど反応するこ
となく触媒装置に到達する。また、排気温度が高い等の
理由によって排気中に噴射された燃料ＨＣが反応する場
合でも、その反応の程度（反応中間生成物の量）を制御
することは難しいという問題があった。

【００１４】前記吸気管に配設された前記噴射装置から
供給する内燃機関の排気浄化装置において、液体燃料を
噴射する場合には気化を良好にする工夫が必要であり、
特に軽油を用いた場合にはその沸点が高いことから、良
好な気化を得ることが困難であるという問題があった。

【００１５】また、吸気管中に噴射する内燃機関におい
ては、排気中に放出される還元剤のもとになる希薄混合
気の空間的な混合比の分布である混合状態は、吸入およ
び圧縮行程における攪拌効果をうけるために積極的な制
御が難しい。

【００１６】そのため、吸気管中への噴射量を変えるこ
とで還元剤の量や組成を変化させることはできるが、量
と組成を独立に制御することが容易ではなく、ＮＯ_X浄
化に最適な還元剤の量と組成を得ることができない条件
が存在する。そのような条件では、例えば、組成を最適
にした結果として還元剤の量が余剰または不足し、還元
剤の消費量の増加やＮＯ_X低減作用の低下を招くという
問題があった。

【００１７】そこで、本発明者らは、排気管路中にＮＯ
_Xを低減する触媒装置を有する内燃機関において、上死
点到達前の早期に予備的に燃料を噴射して燃焼室内の一
部または全体に所望の希薄な混合気分布を予め形成した
後、上死点付近において燃料を主噴射して、燃焼に寄与
する混合気領域を形成することにより、前記触媒装置に
おける触媒反応を制御するという本発明の第１の技術的
思想に着眼した。

【００１８】また、本発明者らは、運転状態、排気の温
度および組成に応じて、上死点付近においてシリンダ内
の各気筒に直接燃料を噴射する主噴射に先立ち少なくと
も１回各気筒に予備噴射する燃料噴射装置の噴射量およ
び噴射時期を制御することによって、排気中においてＮ
Ｏ_Xの還元剤として作用する燃焼可燃成分の量を制御す
ることにより、排気管路中へ放出される排気の組成を変
化させ、前記触媒装置における触媒反応を制御するとい
う本発明の第２の技術的思想に着眼した。

【００１９】さらに本発明者らは、本発明の上記第１お
よび第２の技術的思想に基づき、研究開発を重ねた結
果、簡単な構成により、排気中に含まれる窒素酸化物を
低減するという目的を達成する本発明に到達した。

【００２０】すなわち本発明は、より簡単なシステム構
成で排気中にＨＣ等の還元剤を残し、還元剤の量を容易
に制御することができる装置を実現することをねらった
ものである。

【００２１】また本発明は、排気中の還元剤の量を制御
するだけでなく、還元剤の組成を燃焼反応の利用によっ
て変化させ、還元剤の量と組成を制御することで、触媒
装置によるＮＯ_Xの低減作用が行われる温度条件を拡大
しつつ、ＮＯ_X低減に必要十分な還元剤を供給すること
を可能とする装置を実現するものである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明（請求項に記載さ
れた発明）の内燃機関の排気浄化装置は、排気管路中に
窒素酸化物（ＮＯ_X）を低減する触媒装置を有する内燃
機関において、上死点付近においてシリンダ内の各気筒
に直接燃料を噴射する主噴射に先立ち少なくとも１回各
気筒に予備噴射する燃料噴射装置と、運転状態、排気の
温度および組成に応じて前記燃料噴射装置の噴射量およ
び噴射時期を制御するコントローラとから成り、排気中
のＮＯ_X還元剤として作用する反応中間生成物の量を制
御することにより、排気管路中に放出される排気の組成
を変化させ、前記触媒装置における触媒反応を制御する
ものである。

【Ｃ０２３】（作用）上記構成より成る本発明の内燃機
関の排気浄化装置は、排気管路中に窒素酸化物（Ｎ
Ｏ_X）を低減する触媒装置を有する内燃機関において、
前記コントローラが、運転状態、排気の温度および組成
に応じて前記燃料噴射装置の噴射量および噴射時期を制
御する信号を出力するので、前記燃料噴射装置が、上死
点付近においてシリンダ内の各気筒に直接燃料を噴射す
る主噴射に先立ち少なくとも１回各気筒に予備噴射する
ため、燃焼室内の一部または全体に所望の希薄な混合気
分布を予め形成した後、上死点付近において燃料を主噴
射することにより、排気管路中へ放出される排気の組成
を変化させ、前記触媒装置における触媒反応を制御する
ものである。

【００２３】

【発明の効果】上記作用を奏する本発明の内燃機関の排
気浄化装置は、主噴射に先立ち少なくとも１回各気筒に
予備噴射するため、燃焼室内の一部または全体に所望の
希薄な混合気分布を予め形成した後、上死点付近におい
て燃料を主噴射することにより、排気管路中へ放出され
る排気の組成を変化させ、前記触媒装置における触媒反
応を制御するので、排気中に含まれる窒素酸化物を低減
するという効果を奏する。

【００２４】本発明の実施の形態について、以下図面を
用いて詳細に説明する。

【００２５】（実施形態）本実施形態の内燃機関の排気
浄化装置は、排気管路中にＮＯ_Xを低減する触媒装置を
有する内燃機関において、シリンダ内に直接燃料を噴射
することが可能で且つ各気筒に対して、１サイクル中に
任意の回数を任意の時期に燃料噴射できる燃料噴射装置
と、機関の運転状態および排気組成に応じて燃料噴射回
数と噴射毎の燃料噴射量を制御するコントローラとから
成り、排気中のＮＯ_X還元剤（主にＨＣ）の量および組
成を制御し該触媒装置における触媒反応（ＮＯ_X低減作
用）を制御するものである。

【００２６】本実施形態における最大の特徴は、シリン
ダ内の内燃性混合気を、出力に寄与する明確な燃焼およ
び発熱に寄与する部分と、ＮＯ_Xの還元剤（燃料成分や
燃料の反応過程で生成される反応中間生成物）として排
気中に放出される部分が形成されるように燃料を異なっ
たタイミングで供給することにある。以下、この原理に
ついて説明する。

【００２７】炭化水素を燃料とする可燃性混合気は、混
合気の混合比（当量比）により、着火遅れ時間が大きく
異なる。図１に示されるように、一般的には理論混合比
付近で最も短い着火遅れ時間をとり、ここから希薄にな
るに従い着火遅れ時間は長くなる。特に当量比０．４よ
り希薄な領域では、急激に着火遅れ時間が長くなる。

【００２８】つまり、当量比０．４より希薄な混合気が
シリンダ内に形成されている場合には、シリンダ内で完
全に燃焼しないため、出力に寄与せずに残存して、反応
中間生成物として排気管に排出される可能性がある。

【００２９】一方、出力に寄与する明確な発熱を有する
混合気は、ガソリンを用いた火花点火式内燃機関におい
て火炎伝播を行わせるためには、当量比０．５より濃い
混合気でなければならない。よってシリンダ内で当量比
が不均一な状態を形成し、出力は当量比０．５より濃い
混合気の燃焼により取り出し、排気中に放出されるＨＣ
等のＮＯ_X還元剤は、これより薄い混合気が燃え残るこ
とで生成される。

【００３０】また軽油を用いた圧縮着火式内燃機関（デ
ィーゼルエンジン）では、出力に寄与する燃焼は、燃焼
室内に噴射された燃料の自着火により行われる。この噴
射による燃料は、シリンダ内の一部の空気を利用して燃
焼し、残りの空気は燃焼に利用されずに残る。この利用
されない空気の領域に当量比の極薄い混合気が存在して
も、この希薄混合気は着火遅れ時間が長いために自着火
することなく排気中に放出される。

【００３１】上記のように、図２に示されるように上死
点付近における主噴射に先立ち予備的に噴射することに
より、シリンダ内に燃焼されない程度の希薄な混合気を
予め形成することで、排気中にＨＣ等のＮＯ_X還元剤を
放出できるのであるが、希薄の程度を変えることで、排
気中の還元剤の組成を変化させることも可能となる。

【００３２】すなわち、図１を用いて説明した原理を用
いて、後述する図５のようなＮＯ_X還元可能な温度範囲
を拡大するために上記図２に示される混合気形成を用い
る。シリンダ内に、主として燃焼を目的とする濃い混合
気部分（図２中では上死点付近で噴射された噴霧）と、
主として排気中にＮＯ_X還元剤として排出するための希
薄な混合気（図２中では上死点前の事前に予備的に形成
された希薄な混合気）を形成するものである。

【００３３】すなわち、図３に示されるように非常に薄
い混合気を形成すれば燃料はほとんど反応せず、ほとん
どが燃料成分のままでシリンダから排気される。図４に
示されるようにこれを僅かに濃くすればある程度の反応
が進み、燃料分子より小さいＨＣ等の反応中間生成物が
生成される。これにより、運転条件やＮＯ_X生成量や排
気温度に応じた最適な排気の組成に制御することが可能
となる。

【００３４】後述する図５を用いて説明するように、温
度が低い場合には、オレフィン系炭化水素等の反応中間
生成物を排出することで、ＮＯ_X還元率を向上させるこ
とができる。一方温度が高い場合には燃料成分のように
未反応の成分を排出することが効果的である。そこで、
本手法において、未反応の燃料成分を多く排出したい場
合には、図３に示されるように希薄な混合気を燃焼室全
体に分布させることが望ましい。

【００３５】またオレフィン系炭化水素等の反応中間生
成物を排出したい場合には、図３よりも幾分濃い混合気
を燃焼室の一部または全体に分布させることが望まし
い。希薄な混合気とはいっても燃料の濃度を濃くするに
従い燃焼反応の進行が促進され、反応生成物の量が増え
るからである。

【００３６】さらに、図３および図４に示されるように
上記の希薄な混合気のシリンダ内における空間的分布を
変えることで、還元剤の組成を制御しつつ還元剤の量を
変化させることも可能となる。

【００３７】上記の燃焼されない希薄な混合気は、各気
筒の吸気行程または圧縮行程において、出力に寄与する
混合気形成のための噴射よりも早い時期に、少量の燃料
を１回以上噴射することによって形成することができ
る。その量や時期を変化させることで、上述のように該
希薄混合気の濃度や空間的な分布を変えることができ
る。

【００３８】出力に寄与する燃料の噴射は、前記の噴射
により形成された希薄な混合気の中にさらに燃料を噴射
するかたちで行われる。このように、一つのシリンダに
一つの噴射弁が配設される機関においても、予め希薄な
混合気をシリンダ内に形成した後に、出力に寄与する燃
料を噴射することにより希薄な領域と燃焼可能な領域を
形成することができる。

【００３９】また、図５に示されるようにゼオライト系
の触媒を用いて、希薄燃焼により酸素が残存している排
気中種々の還元剤を用いてＮＯ_Xの浄化率を比較した。
還元剤として軽油を用いた場合には、比較的高い温度に
ＮＯ_X還元のピークがある。一方還元剤にオレフィン系
炭化水素を用いた場合には、ＮＯ_X還元のピークは低温
側に移動し、ＮＯ_X還元の効果も向上する。このように
還元剤の成分を成分を変化させることでＮＯ_Xを還元で
きる温度範囲を拡大することができる。オレフィン系炭
化水素は反応の中間生成物として排出される物質の一種
である。

【００４０】図２ないし図４に示される手法を用いて、
濃い混合気の量と希薄な混合気の量を変化させた場合、
トルクに対して排出可能な未燃炭化水素（ＨＣ）の量
は、図６に示されるようになる。図６中の太線は、通常
のディーゼル燃焼の排気中のＨＣ量である。図６から、
本手法を用いることで排気中のＨＣ量を制御できること
が分かる。

【００４１】同様に濃い混合気の量と希薄な混合気の量
を変化させた場合、トルクに対して排出可能な中間生成
物の量は、図７に示されるようになる。図７中の太線
は、通常のディーゼル燃焼の排気中の中間生成物の量で
ある。図７から、本手法を用いることで排気中の中間生
成物を制御できることが分かる。

【００４２】

【実施例】以下本発明の実施例について、図面を用いて
説明する。

【００４３】本実施例の内燃機関の排気浄化装置は、図
１２に示されるように排気管路１１中にＮＯ_Xを低減す
る触媒装置２を有するディーゼルエンジンの内燃機関１
において、上死点付近においてシリンダ内の各気筒に直
接燃料を噴射する主噴射に先立ち少なくとも１回各気筒
に予備噴射する燃料噴射装置３と、排気中の可燃成分を
検出する可燃成分検出センサ４と、排気および触媒の温
度を検出する温度センサ５と、運転状態、排気の温度お
よび組成に応じて前記燃料噴射装置の噴射量および噴射
時期を制御するコントローラ６とから成り、排気中にお
いてＮＯ_Xの還元剤として作用する可燃成分の量を制御
することにより、排気管路中へ放出される排気の組成を
変化させ、前記触媒装置２における触媒反応を制御する
ものである。

【００４４】前記可燃成分検出センサ４は、排気管１１
に配設され排気中の可燃成分であるＨＣを検出するＨＣ
センサ４２によって代用されている。ＮＯ_Xセンサ４１
は排気管１１に配設される。

【００４５】前記温度センサ５は、前記排気管１１に配
設されの排気の温度を検出する排気温度センサ５１と、
前記触媒装置２に配設され触媒の温度を検出する触媒温
度センサ５２とから成る。

【００４６】前記内燃機関１の回転数を検出する回転数
センサ７１と、アクセル開度またはコントロールレバー
の位置等の該内燃機関１の負荷を検出する負荷センサ７
２を備えている。

【００４７】前記コントローラ６は、ＮＯ_Xセンサ４１
とＨＣセンサ４２と排気温度センサ５１と触媒温度セン
サ５２と回転数センサ７１と負荷センサ７２が接続さ
れ、ＲＯＭに格納されたプログラムおよびデータに基づ
き、燃料噴射装置３の噴射タイミングおよび噴射量を制
御する制御信号を出力するものである。

【００４８】前記ＲＯＭに予め格納されるプログラムに
ついて、図１３に従い説明する。前記排気管１１に配設
された前記触媒装置２が有効に働く温度範囲である温度
ウィンドウは、データとして予め入力され既知である。

【００４９】ステップ１０１において、前記排気温度セ
ンサ５１および触媒温度センサ５２からの排気温度およ
び触媒温度の少なくとも一方に基づきＮＯ_X還元が可能
な温度条件かどうかを判定する。

【００５０】ＮＯ_X還元が可能な温度条件の場合には、
ステップ１０２において、還元剤の組成（Ｃ₁、Ｃ₂、
Ｃ₃）を決定する。すなわち図１１におけるＣ₁線、Ｃ
₂線、Ｃ₃線のどのラインを用いるかを決定するもので
ある。

【００５１】ステップ１０３において、前記ＮＯ_Xセン
サ４１によって検出されたＮＯ_X濃度に基づき、ＮＯ_X
の還元が必要かどうか判定され、ＮＯ_Xの還元が必要で
ない場合には排気中への還元剤の放出が停止される。

【００５２】ＮＯ_Xの還元が必要な場合は、ステップ１
０４において、前記ステップ１０２において組成が決定
された還元剤の量が算出される。ＮＯ_Xの還元が必要で
あれば、ＮＯ_X濃度と還元剤の組成および温度条件か
ら、図を用いて後述するように必要な還元剤の量が算出
される。

【００５３】ステップ１０５において、前記ＨＣセンサ
４２と回転数センサ７１と負荷センサ７２から出力され
るＨＣ濃度、エンジン回転数、エンジン負荷に基づき、
早期に予備的に噴射する燃料および主として燃焼に寄与
する主噴射の燃料の量と噴射時期が決定される。

【００５４】すなわち必要な還元剤の量と組成とエンジ
ンの負荷と回転数、実際の排気中のＨＣ濃度から、早期
に予備的に噴射する燃料の量と噴射時期および主として
燃焼に寄与する燃料の主噴射の時期と量を決定するもの
である。

【００５５】予備噴射および主噴射の燃料の量と噴射時
期が決定されると、ステップ１０６において、運転条件
が一定かどうか判定され、運転条件が一定の場合は、ス
テップ１０７において、補正が必要かどうか判定され
る。

【００５６】ＮＯ_X還元が可能な温度条件でない場合す
なわちＮＯ_X浄化が期待出来ない温度の場合には、ステ
ップ１０８において、排気中への還元剤の放出が停止さ
れる。

【００５７】本実施例においては、希薄な混合気を作る
ために、主燃焼に寄与する上死点付近における燃料の主
噴射の前に、幾らかの燃料を早期に予備的に噴射してシ
リンダ内に供給するものである。

【００５８】図８において、その早期噴射の時期および
主燃焼に寄与する燃料噴射量を一定として、早期噴射の
燃料量だけを変化させるもので、つまり希薄な混合気の
濃度を変化させたことになる。

【００５９】図８から明かなように、早期噴射を行う
と、燃焼室全体に希薄な混合気が形成されるために、排
気中のＨＣが増大する。しかし、排気中のＨＣ濃度は、
早期噴射の燃料量をある程度以上を増やすと減少する。
これは、早期噴射により形成される希薄な混合気の濃度
が濃くなり、希薄混合気中でも燃焼反応が進行するため
である。

【００６０】希薄な混合気の濃度を濃くするにともない
希薄混合気中での燃焼反応が進行し、排出されるＨＣが
減少するが、希薄混合気中での燃焼反応が進行すること
で不完全燃焼成分が増大することになる。

【００６１】図９に示されるように排出されるＨＣの総
量が減少した後でも、排出される中間生成物の量はそれ
ほど減少しない。つまり、希薄な混合気中の燃料分子の
一部が反応の進行によって中間生成物に変化しているこ
とを示している。

【００６２】上述の説明から明かなように、排気中の還
元剤の成分を変化させる場合において、排気中にＨＣを
残したい場合は薄い混合気を形成する必要があり、排気
中にできるだけ多くの中間生成物を残したい場合は幾分
濃い混合気を形成する必要がある。

【００６３】また還元剤の量を変化させる場合におい
て、多量の還元剤を残したい場合は希薄混合気の量を増
やす必要があり、少量の還元剤を残したい場合は希薄混
合気の量を減らす必要がある。

【００６４】そこで、上記の成分と量の任意の組み合わ
せを実現する手法が早期に噴射する燃料の噴射時期とな
る。例えば、少量の燃料であっても上死点に近い時期に
噴射すれば比較的濃い混合気が狭い領域に形成され、一
方比較的多量の燃料であっても充分早く噴射することで
比較的濃い混合気を広い範囲に形成することが出来る。

【００６５】上述の特性は、図１０に示される。噴射量
を多量（Ａ₁）ないし少量（Ａ₄）の４種類とし、それ
ぞれの条件に対してこれを噴射する時期を変化させて、
排出されるＨＣの量を比較したものである。

【００６６】噴射量Ａ₁では、噴射時期を上死点に近付
けるにともないＨＣ量が減ってゆく。これは、形成され
る希薄混合気が噴射時期を遅らせるに従って狭い領域で
濃くなるためである。ＨＣが減少するにつれ、中間生成
物の量が増加し、図１０中斜線領域では比較的多くの中
間生成物が排出されることになる。

【００６７】これに対して、噴射量Ａ₄では、噴射時期
を遅らせてもＨＣ量の変化が少ない。これは、噴射量が
少ないために形成される混合気が希薄になりすぎるため
である。しかし噴射量Ａ₄でも噴射時期を充分に遅らせ
ることでＨＣ量が減少する領域を得ることが出来る。

【００６８】この特性を利用すると、例えば図１０中の
破線で示したような必要なＨＣ量に対して、噴射量Ａ₁
で噴射時期を充分遅らせた場合と、噴射量Ａ₂で噴射時
期をあまり遅らせない場合を用いることが出来る。そし
て、前者の噴射量Ａ₁では、中間生成物の量が後者の噴
射量Ａ₂よりも多くなる。つまり、ＨＣ全体の量を一定
としながらも、中間生成物の量を制御することができる
ものである。

【００６９】これまでに説明した現象を、より広い条件
で検証した結果が、図１１に示される。図１１は、早期
に予備的に噴射する噴射量とその噴射時期を変化させた
場合について、排出されるＨＣ量が等しい条件を線で結
んだ等ＨＣ量線図である。

【００７０】図１１中斜線で示した領域は、早期に噴射
するＨＣ量を増加させても排出されるＨＣ量が増えない
領域、つまりＣＯが多く排出される領域を示している。

【００７１】例えば中間生成物をあまり排出せずに主に
燃料成分に近い組成のＨＣを排出したい場合には、図１
１中のＣ₂線上で制御することが望ましい。また中間生
成物と燃料成分を適度に共存させたい場合には、図１１
中のＣ₁線上で制御すればよい。一方出来るだけ多くの
中間生成物を排出したい場合には、図１１中のＣ₃線上
で制御することが望ましい。

【００７２】上述したＣ₁線、Ｃ₂線、Ｃ₃線に従った
制御は、使用条件としての一例であり、これにこだわる
ことなく、必要に応じて図１１中の全領域を有効に利用
することが出来るものである。

【００７３】上記構成より成る本実施例の内燃機関の排
気浄化装置は、コントローラ６において、前記排気温度
センサ５１および触媒温度センサ５２からの排気温度お
よび触媒温度の少なくとも一方に基づきＮＯ_X還元が可
能な温度条件かどうかを判定し、ＮＯ_X還元が可能な温
度条件の場合には、還元剤の組成（Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃）
を決定する。すなわち図１１におけるＣ₁線、Ｃ₂線、
Ｃ₃線のどのラインを用いるかを決定する。

【００７４】前記ＮＯ_Xセンサ４１によって検出された
ＮＯ_X濃度に基づき、ＮＯ_Xの還元が必要な場合は、前
記ステップ１０２において組成が決定された還元剤の量
が算出される。すなわち前記ＨＣセンサ４２と回転数セ
ンサ７１と負荷センサ７２から出力されるＨＣ濃度、エ
ンジン回転数、エンジン負荷に基づき、早期に予備的に
噴射する燃料および主として燃焼に寄与する主噴射の燃
料の量と噴射時期が決定される。

【００７５】予備噴射および主噴射の燃料の量と噴射時
期が決定されると、運転条件が一定かどうか判定され、
運転条件が一定の場合は、補正が必要かどうか判定さ
れ、決定された予備噴射および主噴射の燃料の量と噴射
時期を制御する制御信号が前記燃料噴射装置２に出力さ
れる。

【００７６】前記燃料噴射装置２が、前記コントローラ
６から出力される予備噴射および主噴射の燃料の量と噴
射時期を制御する制御信号に基づき、予備噴射および主
噴射の燃料の量と噴射時期を制御して、出力に寄与する
燃料を噴射する前に燃料を予備的に噴射することで希薄
な混合気を形成し、この希薄な混合気の一部を排気中に
放出させることにより、前記触媒装置２によるＮＯ_Xを
低減するものである。

【００７７】すなわち前記希薄な混合気中の燃料濃度と
空間的な分布を変化させることで排気の組成と還元剤の
量を変化させることが可能であり、これを用いて前記触
媒装置２によるＮＯ_X低減作用を変化させるものであ
る。

【００７８】上記作用を奏する本実施例の内燃機関の排
気浄化装置は、主噴射に先立ち１回各気筒に予備噴射す
るため、燃焼室内の一部または全体に所望の希薄な混合
気分布を予め形成した後、上死点付近において主燃料を
噴射することにより、排気管路中へ放出される排気の組
成を変化させ、前記触媒装置２における触媒反応を制御
するので、排気中に含まれる窒素酸化物を低減するとい
う効果を奏する。

【００７９】また排気温度が２３０度および２６０度の
時を例にとって、本実施例における制御によるＮＯ_X低
減の効果について、軽油を排気管１１に噴射した場合と
比較して、図１４を用いて説明する。

【００８０】排気温度が２３０度付近では、排気管１１
中に軽油を噴射した場合に比べて４倍程度浄化率が向上
している。これは、低い温度条件では中間生成物などの
不完全燃焼成分がＮＯ_X浄化に有効であり、排気管中に
軽油を噴射した場合ではこれらの成分を触媒に供給する
ことができないためである。

【００８１】排気温度が２６０度付近になると、還元剤
として燃料成分を供給することで充分なＮＯ_X還元作用
が得られる温度条件となるため、排気管中に軽油を噴射
した場合でも本実施例によって制御した場合でも、同程
度のＮＯ_X浄化効果が得られる。

【００８２】上述の実施形態および実施例は、説明のた
めに例示したもので、本発明としてはそれらに限定され
るものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明お
よび図面の記載から当業者が認識することができる本発
明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能
である。

【００８３】前記実施例において、一例としてＮＯ_Xセ
ンサ４１、ＨＣセンサ４２、排気温度センサ５１、およ
び触媒温度センサ５２を用いる例について説明したが、
本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、エン
ジンの回転数と負荷からＮＯ_X量と、ＨＣ量を推定すれ
ば、前記ＮＯ_Xセンサ４１およびＨＣセンサ４２を省略
することも出来る。また冷却水温度と回転数から排気温
度を推定することも出来る。さらに排気温度とその変化
から触媒の温度を推定することも出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態における当量比と着火遅れ時
間との関係を示す線図である。

【図２】本実施形態における混合気形成を説明するため
の断面図である。

【図３】本実施形態における上死点前に燃焼室全体に希
薄な混合気が形成された場合を説明するための断面図で
ある。

【図４】本実施形態における上死点前に燃焼室の一部に
幾分濃い混合気が形成された場合を説明するための断面
図である。

【図５】本実施形態における排気温度とＮＯ_Xと還元率
との関係を示す線図である。

【図６】本実施形態におけるトルクと排気中のＨＣ濃度
との関係を示す線図である。

【図７】本実施形態におけるトルクと排気中の中間生成
物濃度との関係を示す線図である。

【図８】本発明の実施例における噴射量と排気中のＨＣ
濃度との関係を示す線図である。

【図９】本実施例における噴射量と排気中の中間生成物
の濃度との関係を示す線図である。

【図１０】本実施例の各噴射量における噴射時期と排気
中のＨＣの濃度との関係を示す線図である。

【図１１】本実施例における排出されるＨＣ量が等しい
条件を線で結んだ等ＨＣ量線図である。

【図１２】本実施例の内燃機関の排気浄化装置の概要を
示すブロック図である。

【図１３】本実施例装置の制御フローを示すチャート図
である。

【図１４】本実施例装置のＮＯ_X低減効果を説明するた
めの線図である。

【図１５】従来の第１の内燃機関の排気浄化装置の概要
を示すブロック図である。

【図１６】従来の第２の内燃機関の排気浄化装置の概要
を示すブロック図である。

【符号の説明】

１内燃機関２触媒装置３燃料噴射装置４可燃成分検出センサ５温度センサ６コントローラ１１排気管路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ０２Ｄ 41/38 Ｆ０２Ｄ 41/38 ＢＦ０２Ｍ 45/02 ＺＡＢＦ０２Ｍ 45/02 ＺＡＢ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項】排気管路中に窒素酸化物（ＮＯ_X）を低減
する触媒装置を有する内燃機関において、上死点付近においてシリンダ内の各気筒に直接燃料を噴
射する主噴射に先立ち少なくとも１回各気筒に予備噴射
する燃料噴射装置と、運転状態、排気の温度および組成に応じて前記燃料噴射
装置の噴射量および噴射時期を制御するコントローラと
から成り、排気中のＮＯ_X還元剤として作用する反応中間生成物の
量を制御することにより、排気管路中に放出される排気
の組成を変化させ、前記触媒装置における触媒反応を制
御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。