JPH11101124A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 還元剤が触媒を通過することを防止する。 【解決手段】 触媒が排気通路に配置される。排気ガス
を浄化するための還元剤を触媒に供給する。触媒を通過
する排気ガス量を検出し、この検出された排気ガス量に
基づいて触媒に供給すべき還元剤の量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関の排気浄化
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関から排出される窒素酸化物（以
下、ＮＯ_X ）を浄化するための排気浄化装置が公知であ
る。例えば、特開平４−２３１６４５号公報にはＮＯ_X
を浄化するために、排気ガス中の酸素濃度が非常に高い
状態において、炭化水素（以下、ＨＣ）を触媒表面に吸
着させてＨＣの活性種を生成し、このＨＣの活性種とＮ
Ｏ_X とを反応させることによりＮＯ_X を浄化するＮＯ_X
選択還元触媒（以下、ＮＯ_X 触媒）を具備する排気浄化
装置が開示されている。この排気浄化装置はＮＯ _X 触媒
においてＮＯ_X を浄化するためのＨＣをＮＯ_X 触媒に供
給するＨＣ供給手段を有する。また、この排気浄化装置
では機関駆動用に供給される燃料、すなわちＨＣ量に基
づいてＨＣ供給手段によりＮＯ_X 触媒に供給すべきＨＣ
量を決定している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＮＯ_X 触媒
におけるＮＯ_X 浄化反応には或る時間がかかる。したが
ってＮＯ_X 触媒を通過する排気ガスの速度が速いと、排
気ガス中のＨＣがＮＯ_Xと反応する十分な時間をＮＯ_X
触媒内において確保できない。すなわち上記排気浄化装
置においてＮＯ_X 触媒内を通過する排気ガスの速度が速
いときにＮＯ_X と反応しなかったＨＣが外部に放出され
てしまうという問題がある。したがって本発明の目的は
還元剤、すなわち炭化水素が触媒を通過することを防止
することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に一番目の発明によれば、排気通路に配置された触媒
と、該触媒に排気ガスを浄化するための還元剤を供給す
る還元剤供給手段とを具備する内燃機関の排気浄化装置
において、前記触媒を通過する排気ガス量を検出する通
過排気ガス量検出手段と、該通過排気ガス量検出手段に
より検出された排気ガス量に基づいて前記還元剤供給手
段により触媒に供給すべき還元剤の量を制御する還元剤
量制御手段とを具備する。

【０００５】上記課題を解決するために二番目の発明に
よれば、一番目の発明において、前記還元剤制御手段は
前記通過排気ガス量検出手段により検出された排気ガス
量が多いほど前記還元剤供給手段により触媒に供給すべ
き量を少なくする。

【０００６】上記課題を解決するために三番目の発明に
よれば、一番目の発明において、前記通過排気ガス量検
出手段が吸入空気量または機関から排出される排気ガス
量に基づいて触媒を通過する排気ガス量を検出する。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態の内燃機
関の排気浄化装置の構成を示す図である。図１におい
て、１は機関本体、♯１、♯２、♯３および♯４はそれ
ぞれ機関本体１内に形成された第一気筒、第二気筒、第
三気筒および第四気筒、２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄは
それぞれ対応する気筒♯１〜♯４内に機関駆動用燃料お
よび排気ガス浄化用燃料を供給するための第一燃料噴射
弁、第二燃料噴射弁、第三燃料噴射弁および第四燃料噴
射弁、３はインテークマニホルド４を介して機関本体１
に接続された吸気通路である。インテークマニホルド４
には吸入空気量を算出するために吸入空気圧を検出する
吸気圧センサ５が取り付けられる。また、本発明の内燃
機関はクランク角を検出するクランク角センサ６を具備
する。このクランク角センサ６により検出されたクラン
ク角に基づいて機関回転数が算出される。各燃料噴射弁
２ａ〜２ｄはこれら燃料噴射弁２ａ〜２ｄに共通の燃料
分配手段、すなわちコモンレール３０に接続される。コ
モンレール３０はポンプＰを介して燃料タンク３１に接
続される。コモンレール３０内には燃料タンク３１によ
り予め定められた圧力に加圧された燃料が蓄積される。
また、コモンレール３０にはコモンレール３０内の燃料
の圧力を検出するための圧力検出手段として燃圧センサ
３２が取り付けられる。

【０００８】第一気筒♯１、第二気筒♯２、第三気筒♯
３および第四気筒♯４にはそれぞれ対応して第一排気枝
管７ａ、第二排気枝管７ｂ、第三排気枝管７ｃおよび第
四排気枝管７ｄが接続される。第一排気枝管７ａと第二
排気枝管７ｂと第四排気枝管７ｄとは機関本体１の下流
側の上流側合流部８において合流せしめられ、集合管９
に接続される。集合管９と第三排気枝管７ｃとは上流側
合流部８のさらに下流側の下流側合流部１０において互
いに略平行な方向に排気ガスを排出するように合流せし
められる。このため集合管９から排出された排気ガスが
第三排気ガス７ｃ内に流入することが抑制され、また、
第三排気枝管７ｃから排出された排気ガスが集合管９内
に流入することが抑制される。なお、本明細書において
『上流』および『下流』とは排気ガスの流れに沿った方
向について用いる用語である。

【０００９】本発明の内燃機関は吸入される空気量を増
大するために吸入空気を過給する過給機１１を具備す
る。過給機１１はインテークマニホルド４の上流側の吸
気通路３内に配置された吸気側タービンホイール１１ａ
と、下流側合流部１０の下流側の排気通路２０内に配置
された排気側タービンホイール１１ｂとを具備する。本
発明では各気筒から排出された排気ガスが合流する位置
に排気側タービンホイール１１ｂが配置されているた
め、排気側タービンホイール１１ｂを通過する排気ガス
量が多く、過給機１１の過給効果を最大限に維持するこ
とができる。また、下流側合流部１０が排気側タービン
ホイール１１ｂの近傍に位置し、且つ、排気側タービン
ホイール１１ｂの慣性回転運動により排気ガスが下流側
への排出されるため、集合管９から排出された排気ガス
が第三排気ガス７ｃ内に流入することがさらに抑制さ
れ、また、第三排気枝管７ｃから排出された排気ガスが
集合管９内に流入することがさらに抑制される。

【００１０】吸気側タービンホイール１１ａと排気側タ
ービンホイール１１ｂとは一つのシャフト１１ｃにより
互いに連結される。排気側タービンホイール１１ｂはこ
の排気側タービンホイール１１ｂの回転面と平行な方向
から排気ガスを受けて回転せしめられ、回転面に対して
垂直な方向へ向けて排気ガスを排出する。一方、吸気側
タービンホイール１１ａは排気側タービンホイール１１
ｂの回転に伴い回転せしめられ、この吸気側タービンホ
イール１１ａの回転面に対して垂直な方向から空気を引
き込み、回転面と平行な方向へ向けて吸入空気を送りだ
す。

【００１１】排気側タービンホイール１１ｂの下流側の
排気通路２０には内燃機関から排出される窒素酸化物
（以下、ＮＯ_X ）を浄化するための排気浄化触媒１２が
配置される。本発明の排気浄化触媒１２は、機関で燃焼
せしめられる混合気の空燃比が理論空燃比より非常に大
きいために排気ガス中の酸素濃度が非常に高い状態にお
いて、炭化水素（以下、ＨＣ）を触媒表面に吸着させて
ＨＣの活性種を生成し、このＨＣの活性種とＮＯ_X とを
反応させることによりＮＯ_X を浄化するＮＯ_X 選択還元
触媒（以下、ＮＯ_X 触媒）である。ＮＯ_X 触媒１２の上
流端部分には該上流端部分の温度を検出する上流側温度
センサ１３が配置され、ＮＯ_X 触媒１２の下流端部分に
は該下流側部分の温度を検出する下流側温度センサ１４
が配置される。

【００１２】第四排気枝管７ｄには排気ガスを吸入空気
中に導入するための排気循環管１５が接続される。排気
循環管１５の他端はインテークマニホルド４に接続され
る。排気循環管１５には吸入空気中への排気ガスの導入
の有無を制御するための排気循環弁１６が配置される。
排気循環弁１６は三方弁１７を介して吸引ポンプ１８お
よび大気に連通される。排気循環弁１６は機関運転状態
に応じて開閉制御される。三方弁１７により排気循環弁
１６と大気とが連通せしめられると排気循環弁１６内に
大気圧がかかり排気循環弁１６は閉弁せしめられ、排気
ガスは吸入空気中に導入されない。一方、三方弁１７に
より排気循環弁１６と吸引ポンプ１８とが連通せしめら
れると排気循環弁１６内に負圧がかかり排気循環弁１６
が開弁せしめられ、排気ガスが吸入空気中に導入され
る。内燃機関において生成されるＮＯ_X 量は燃焼時の火
炎伝播速度が大きいほど多くなる。また、ＮＯ_X 生成量
は燃焼時の燃焼温度が高いほど多くなる。一方、不活性
ガスは燃焼時の火炎伝播を緩慢にするため、燃焼時の火
炎伝播速度は吸入空気中の不活性ガス量が多いほど小さ
くなる。また、不活性ガスは燃焼時の熱を吸収するた
め、燃焼時の燃焼温度は吸入空気中の不活性ガス量が多
いほど低くなる。したがって不活性ガスであるＣＯ₂ や
Ｈ₂ Ｏを含んだ排気ガスが吸入空気に導入されると、燃
焼時の火炎伝播速度が小さくなり且つ燃焼時の燃焼温度
が低く抑制されるため、燃焼に伴うＮＯ_Xの生成が抑制
される。

【００１３】図１において制御装置（ＥＣＵ）４０はデ
ジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１を介し
て相互に接続されたＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４
２、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）４３、ＲＡＭ（ラ
ンダムアクセスメモリ）４４、Ｂ−ＲＡＭ（バックアッ
プＲＡＭ）４５、入力ポート４６、出力ポート４７およ
びクロック発生器４８を具備する。吸気圧センサ５、上
流側温度センサ１３、下流側温度センサ１４および燃圧
センサ３２の出力電圧はそれぞれ対応するＡＤ変換器４
９を介して入力ポート４６に入力される。また、クラン
ク角センサ６の出力電圧は直接入力ポート４６に入力さ
れる。一方、出力ポート４７はそれぞれ対応する駆動回
路５０を介して各燃料噴射弁２ａ〜２ｄおよび三方弁１
７に接続される。

【００１４】次に本実施形態の内燃機関の作動について
説明する。初めに各気筒♯１〜♯４の圧縮行程の予め定
められたクランク角度においてコモンレール３０内の燃
圧が燃圧センサ３２により検出される。次に各気筒♯１
〜♯４の圧縮上死点の直前において予噴射が実行され、
各燃料噴射弁２ａ〜２ｄから予め定められた量の燃料が
噴射される。予噴射は気筒内において生成されるＮＯ_X
量の低減および気筒において生じる騒音の低減のために
実行される噴射である。

【００１５】次に予噴射により供給された燃料が筒内に
おいて着火した後の圧縮上死点付近の予め定められたク
ランク角度において主噴射が実行される。主噴射は機関
を駆動するための燃料を供給するために実行される噴射
である。主噴射により各燃料噴射弁２ａ〜２ｄから噴射
すべき主噴射燃料量はアクセルペダル（図示せず）の踏
込量に基づいて決定される。

【００１６】なお、予噴射および主噴射により各燃料噴
射弁２ａ〜２ｄから噴射すべき予噴射燃料量および主噴
射燃料量を供給するために各燃料噴射弁２ａ〜２ｄを開
弁する開弁時間はコモンレール３０内の燃圧に基づいて
決定される。また、各気筒における予噴射および主噴射
は第一気筒♯１、第三気筒♯３、第四気筒♯４、第二気
筒♯２の順で実行される。

【００１７】さらに本実施形態では第三気筒♯３におい
て主噴射が実行された後に該主噴射とは別個に副噴射を
実行し、第三燃料噴射弁２ｃからＮＯ_X 触媒１２に燃
料、すなわちＨＣを供給する。ＮＯ_X 触媒１２に供給す
べき燃料量は次のように算出される。すなわち、まず、
吸気圧センサ５およびクランク角センサ６の出力から推
定した機関からのＮＯ_X 排出量と、上流側温度センサ１
３および下流側温度センサ１４の出力とに基づいて基本
燃料量を算出する。次に、この基本燃料量を吸気圧セン
サ５により検出された吸入空気量に基づいて補正する。
具体的には、本実施形態では吸入空気量が多いほど副噴
射により噴射すべき燃料量を少なくする。吸入空気量が
多いほど単位時間あたりにＮＯ_X 触媒１２を通過する排
気ガス量が多く、排気ガスはＮＯ_X 触媒１２を速く通過
する。このため、ＮＯ_X 触媒１２内での排気ガスの滞在
時間が短くなり、ＮＯ_X 触媒内において確保できるＨＣ
とＮＯ_X との反応時間も短くなる。本実施形態では副噴
射により噴射すべき燃料量を少なくするため、排気ガス
中に含まれるＨＣ量が少ない。したがって短い時間でも
全てのＨＣがＮＯ_X と反応する。このため、ＨＣが排気
ガスとともにＮＯ_X 触媒１２を通過して外部に排出され
ることが抑制される。

【００１８】なお、ＮＯ_X 触媒を通過する排気ガス量を
算出するのに機関から排出される排気ガス量を用いても
よい。しかしながら、この場合において排気循環弁が開
弁されて排気ガスが吸入空気に導入されているときに
は、機関から排出される排気ガス量から吸入空気に導入
される排気ガス量を差し引く。また、副噴射の実行時期
は上流側温度センサ１３の出力から推定した第三気筒♯
３内の温度およびコモンレール３０内の燃圧に基づいて
決定される。さらに、副噴射により第三燃料噴射弁２ｃ
から噴射すべき副噴射燃料量を供給するために第三燃料
噴射弁２ｃを開弁する開弁時間はコモンレール３０内の
燃圧に基づいて決定される。

【００１９】次に図２のフローチャートを参照して本実
施形態の予噴射・主噴射実行制御を説明する。なお、図
２においてｎは気筒番号を示し、１、３、４、２の順で
変化する。まず、ステップＳ１１０において現在のクラ
ンク角度ＣＡが第ｎ気筒において予噴射を実行すべき予
め定められた予噴射クランク角度ＰＣＡｐｎである（Ｃ
Ａ＝ＰＣＡｐｎ）か否かが判別される。ステップＳ１１
０においてＣＡ＝ＰＣＡｐｎである判別されると、ステ
ップＳ１１２に進んで予め定められた予噴射用開弁時間
ｔｐｎだけ第ｎ気筒の燃料噴射弁を開弁し、ステップＳ
１１４に進む。一方、ステップＳ１１０においてＣＡ≠
ＰＣＡｐｎであると判別されると、ＣＡ＝ＰＣＡｐｎと
判別されるまでステップＳ１１０が繰り返される。

【００２０】ステップＳ１１４では現在のクランク角度
ＣＡが第ｎ気筒において主噴射を実行すべき予め定めら
れた主噴射クランク角度ＰＣＡｍｎである（ＣＡ＝ＰＣ
Ａｍｎ）か否かが判別される。ステップＳ１１４におい
てＣＡ＝ＰＣＡｍｎである判別されると、ステップＳ１
１６に進んで予め定められた主噴射用開弁時間ｔｍｎだ
け第ｎ気筒の燃料噴射弁を開弁し、処理を終了する。一
方、ステップＳ１１４においてＣＡ≠ＰＣＡｍｎである
と判別されると、ＣＡ＝ＰＣＡｍｎと判別されるまでス
テップＳ１１４が繰り返される。

【００２１】次に図３のフローチャートを参照して本実
施形態の主噴射燃料量算出制御を説明する。なお、図３
においてｎは気筒番号を示し、１、３、４、２の順で変
化する。まず、ステップＳ２１０においてアクセルペダ
ルの踏込量Ｄａが読み込まれる。次にステップＳ２１２
においてステップＳ２１０で読み込まれたアクセルペダ
ルの踏込量Ｄａに基づいて主噴射により第ｎ気筒内に供
給すべき主噴射燃料量を燃料噴射弁から噴射するのに必
要な燃料噴射弁の開弁時間ｔｍｐｎを算出する。次にス
テップＳ２１４においてステップＳ２１２で算出した開
弁時間ｔｍｐｎを主噴射用開弁時間ｔｍｎにセットし、
処理を終了する。

【００２２】次に図４のフローチャートを参照して本実
施形態の副噴射実行制御を説明する。まず、ステップＳ
３１０において現在のクランク角度ＣＡが第三気筒にお
いて副噴射を実行すべき予め定められた副噴射クランク
角度ＣＡｓ３である（ＣＡ＝ＣＡｓ３）か否かが判別さ
れる。ステップＳ３１０においてＣＡ＝ＣＡｓ３である
判別されると、ステップＳ３１２に進んで予め定められ
た副噴射用開弁時間ｔｓ３だけ第三気筒の第三燃料噴射
弁２ｃを開弁し、処理を終了する。一方、ステップＳ３
１０においてＣＡ≠ＣＡｓ３であると判別されると、Ｃ
Ａ＝ＣＡｓ３と判別されるまでステップＳ３１０が繰り
返される。

【００２３】次に図５のフローチャートを参照して本実
施形態の副噴射燃料量算出制御を説明する。まず、ステ
ップＳ４１０において上流側温度センサ１３により検出
された触媒上流側温度Ｔｕ、下流側温度センサ１４によ
り検出された触媒下流側温度Ｔｄ、吸気圧センサ５によ
り検出された吸入空気圧Ｐｉ、クランク角度センサ６に
より検出されたクランク角度ＣＡおよび燃圧センサ３２
により検出されたコモンレール３０内の燃圧Ｐｃを読み
込み、ステップＳ４１２に進む。

【００２４】次にステップＳ４１２においてステップＳ
４１０で読み込まれた各データに基づいて副噴射により
第三気筒内に供給すべき副噴射燃料量を第三燃料噴射弁
２ｃから噴射するのに必要な燃料噴射弁開弁時間ｔｓｐ
３と、副噴射を実行すべき副噴射実行時期ＰＣＡｓ３を
算出し、ステップＳ４１４に進む。

【００２５】ステップＳ４１４では吸入空気圧Ｐｉに対
応する補正係数αをマップから読み込み、ステップＳ４
１６に進む。なお、補正係数αは吸入空気圧Ｐｉが高い
ほど小さくなる。次にステップＳ４１６ではステップＳ
４１２で算出された開弁時間ｔｓｐ３にステップＳ４１
４で読み込まれた補正係数αをかけた値を予め定められ
た副噴射用開弁時間ｔｓ３にセットするとともにステッ
プＳ４１２で算出されたクランク角度ＣＡｓｐ３を予め
定められた副噴射クランク角度ＣＡｓ３にセットし、処
理を終了する。

【００２６】なお、上記実施形態では吸入空気量が多い
ほど副噴射により噴射すべき燃料量を少なくしたが、吸
入空気量が予め定められた量より少ないときには副噴射
により基本燃料噴射量の燃料を噴射し、吸入空気が予め
定められた量より多くなったときに基本燃料噴射量を小
さくするようにしてもよい。また、上記実施形態では主
噴射と同じ燃料噴射弁から浄化用ＨＣを供給したが、排
気循環管が接続されていない排気枝管にＨＣ供給手段を
別途設けて、このＨＣ供給手段から浄化用ＨＣを供給し
てもよい。さらに、排気ガス中の酸素濃度が非常に高い
状態においてＮＯ_X を吸収して貯蔵しておき、ＨＣを供
給したときにＮＯ_X を放出してＨＣと反応させる触媒に
本発明を適用することもできる。

【００２７】

【発明の効果】一番目から三番目の発明によれば、触媒
を通過する排気ガス量に基づいて触媒に供給すべき還元
剤の量が制御される。触媒を通過する排気ガス量は還元
剤を含んだ排気ガスの触媒内における滞在時間に係わる
パラメータであり、この排気ガスの触媒内における滞在
時間は還元剤が排気ガスを浄化するのに確保できる時間
に係わるパラメータである。したがって一番目から三番
目の発明によれば、触媒内において確保できる浄化反応
時間に応じて供給すべき還元剤の量が制御されるため、
排気ガスの浄化にとって、より最適な量の還元剤を供給
することができるため、還元剤が触媒を通過することが
防止される。

【００２８】さらに二番目の発明によれば、触媒を通過
する排気ガス量が多いほど触媒に供給すべき還元剤の量
が少なくされる。触媒を通過する排気ガス量が多いほど
排気ガスの触媒内における滞在時間が短くなる。すなわ
ち、二番目の発明によれば、排気ガスの触媒内における
滞在時間が短くなるほど触媒に供給すべき還元剤の量を
少なくするため、触媒内における滞在時間内に浄化反応
で消費される量の還元剤が供給される。したがって二番
目の発明によれば、排気ガスの浄化にとって、より最適
な量の還元剤を供給することができるため、還元剤が触
媒を通過することが防止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の内燃機関の排気浄化装置の
構成を示す図である。

【図２】本発明の実施形態の予噴射・主噴射実行制御を
示すフローチャートである。

【図３】本発明の実施形態の主噴射燃料量算出制御を示
すフローチャートである。

【図４】本発明の実施形態の副噴射実行制御を示すフロ
ーチャートである。

【図５】本発明の実施形態の副噴射燃料量算出制御を示
すフローチャートである。

【符号の説明】

１…機関本体 ５…吸気圧センサ ７ａ…第一排気枝管 ７ｂ…第二排気枝管 ７ｃ…第三排気枝管 ７ｄ…第四排気枝管 ９…集合管 １２…ＮＯ_X 触媒 ２０…排気通路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気通路に配置された触媒と、該触媒に
   排気ガスを浄化するための還元剤を供給する還元剤供給
   手段とを具備する内燃機関の排気浄化装置において、前
   記触媒を通過する排気ガス量を検出する通過排気ガス量
   検出手段と、該通過排気ガス量検出手段により検出され
   た排気ガス量に基づいて前記還元剤供給手段により触媒
   に供給すべき還元剤の量を制御する還元剤量制御手段と
   を具備することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 【請求項２】 前記還元剤制御手段は前記通過排気ガス
   量検出手段により検出された排気ガス量が多いほど前記
   還元剤供給手段により触媒に供給すべき量を少なくする
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化
   装置。
3. 【請求項３】 前記通過排気ガス量検出手段が吸入空気
   量または機関から排出される排気ガス量に基づいて触媒
   を通過する排気ガス量を検出することを特徴とする請求
   項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。