JP5218663B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関の排気ガスには、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃燃料（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）または、粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート）などの成分が含まれている。
内燃機関には、これらの成分を浄化するために、排気処理装置が取り付けられる。排気処理装置には、一酸化炭素などを酸化するための酸化触媒、窒素酸化物を除去するためのＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒又はＮＯ_Ｘ選択還元触媒、粒子状物質を除去するためのパティキュレートフィルタ等が含まれる。
機関排気通路に配置された排気処理装置の昇温を行なうために、機関排気通路において未燃燃料を燃焼させることが知られている。特開平０６−１１７２３９号公報においては、内燃機関の排気系に設けられた触媒コンバータと、排気系の触媒コンバータの上流に配置された点火栓と、点火栓の近傍に水素を供給するための水素発生装置とを備える触媒暖機装置が開示されている。この触媒暖機装置では、触媒コンバータの触媒温度が所定値以下の時に、水素が点火栓の近傍に供給されて、点火が実行されることが開示されている。

特開平０６−１１７２３９号公報

機関排気通路のうち排気処理装置よりも上流側で燃料を燃焼させることにより、排気処理装置を短時間で昇温することができる。燃料を燃焼させることにより排気ガスの温度を上昇させ、高温の排気ガスにより排気処理装置を昇温することができる。たとえば、酸化触媒の上流側で燃料を燃焼させることにより酸化触媒を短時間で活性化温度以上に昇温することができる。
機関排気通路に供給された燃料は、完全に燃焼させることが好ましい。燃料が不完全燃焼すると、黒煙等を含むスモークが発生する場合がある。特に、燃料として軽油等の液体燃料を用いる場合には、液体燃料の燃焼速度が遅い。このため、燃料の不完全燃焼等が生じて、スモークが発生する場合がある。液体の燃料を十分に燃焼させるためには、液体燃料を十分に気化させた状態で燃焼させることが好ましい。ところが、機関排気通路は、燃焼室等と比較すると低温であるために、気化しにくいという問題がある。
また、機関排気通路に液体燃料を噴射する場合には、燃料が液滴となって供給される。このときに、燃焼室に燃料を噴射する場合等に比較して、小さな圧力で燃料を供給することができる。しかしながら、燃料を噴射する圧力が小さいために液滴の粒径が大きくなる。たとえば、機関排気通路に供給される燃料の液滴の粒径は、燃焼室に供給される燃料の液滴の粒径よりも大きくなる。機関排気通路に噴射される燃料は、気化しにくいという特性を有する。このため、燃料が十分に燃焼せずにスモークが発生する場合があった。
また、スモークは、燃料を十分に酸素と反応させることにより抑制することができる。しかしながら、液体燃料を機関排気通路に供給した場合には、燃焼している領域に多くの酸素が存在しても、未燃燃料と排気ガスに含まれる酸素とが十分に反応せずにスモークが生じる場合があった。
本発明は、機関排気通路において燃料を燃焼させる時にスモークの発生を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路に配置され、排気を浄化する排気処理装置と、排気処理装置よりも上流側に配置され、機関排気通路に燃料を供給する燃料供給装置と、燃料供給装置により供給された燃料を着火させる着火装置と、着火装置に向かって流れる排気ガスの流量を調整する流量調整装置とを備える。燃料供給装置は、液体の燃料を供給するように形成されている。機関排気通路に供給された燃料が燃焼することにより排気ガスの逆流が生じる運転領域を有する。排気ガスの逆流が生じる運転領域内にて燃料を燃焼させ、更に、燃料の燃焼を開始すべきときから燃料の燃焼が終了するまでの期間中に、排気ガスの流量を増加させる制御を行う。
上記発明においては、燃料の供給を停止した直後に、流量調整装置により排気ガスの流量を減少させることが好ましい。
上記発明においては、燃料供給装置は、複数回の燃料の燃焼を間欠的に行うように制御され、排気ガスの流量が小さくなるほど、燃料を供給する間隔を長くすることが好ましい。
上記発明においては、燃料供給装置は、複数回の燃料の燃焼を間欠的に行うように制御され、排気ガスの流量が小さくなるほど、１回の燃料の供給量を少なくすることが好ましい。
上記発明においては、燃料供給装置は、複数回の燃料の燃焼を間欠的に行うように制御され、燃料供給装置から燃料を供給し、排気処理装置に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにする場合に、前回に供給された燃料の燃焼が残存しているときに今回の燃料の燃焼を開始することが好ましい。
上記発明においては、機関排気通路の内部に配置され、排気ガスの圧力損失を生じさせる補助部材を備え、着火装置は、発熱部を有し、燃料供給装置は、発熱部に向けて燃料を供給するように形成されており、補助部材は、発熱部の下流側において、発熱部に近接して配置されていることが好ましい。
上記発明においては、機関排気通路の内部に配置され、排気ガスの流れ方向に延びる棒状部材を備え、着火装置は、発熱部を有し、棒状部材は、一部分が切り欠かれた形状を有する切欠き部を有し、燃料供給装置は、発熱部に向けて燃料を供給するように形成されており、発熱部は、切欠き部が形成されている領域の内部に配置されていることが好ましい。

本発明によれば、機関排気通路において燃料を燃焼させる時にスモークの発生を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。

実施の形態１における内燃機関の概略図である。 実施の形態１における排気浄化装置のグロープラグの部分の拡大部分断面図である。 実施の形態１における第１の運転制御のタイムチャートである。 実施の形態１における排気浄化装置のグロープラグの部分の拡大部分断面図である。 実施の形態１における第２の運転制御のタイムチャートである。 実施の形態１における第３の運転制御のタイムチャートである。 実施の形態１における第４の運転制御のタイムチャートである。 実施の形態２における第１の排気浄化装置のグロープラグの部分の拡大部分断面図である。 実施の形態２における第２の排気浄化装置のグロープラグの部分の拡大部分断面図である。 実施の形態２における第２の排気浄化装置の棒状部材およびグロープラグの概略斜視図である。 実施の形態２における第３の排気浄化装置の棒状部材およびグロープラグの概略斜視図である。

実施の形態１
図１から図７を参照して、実施の形態１における内燃機関の排気浄化装置について説明する。
図１に、本実施の形態における内燃機関の全体図を示す。本実施の形態においては、圧縮着火式のエンジンを例に取り上げて説明する。本実施の形態における内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、各気筒の燃焼室２と、各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気マニホールド４と、排気マニホールド５とを含む。
吸気マニホールド４は、吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結されている。コンプレッサ７ａの入口は、吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結されている。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置されている。吸気ダクト６には、吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置されている。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
一方、排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結されている。排気タービン７ｂの出口は、排気管１２を介して排気処理装置５５に連結されている。排気処理装置５５は、機関本体１から排出される排気を浄化することができる装置である。排気処理装置５５としては、酸化触媒、パティキュレートフィルタ、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒、またはＮＯ_Ｘ選択還元触媒等を例示することができる。
排気処理装置５５の上流には、機関排気通路内に未燃燃料を供給するための燃料供給装置として、燃料添加弁１５が配置されている。燃料添加弁１５は、燃料を供給したり停止したりする燃料供給作用を有するように形成されている。燃料添加弁１５と排気処理装置５５との間には、着火装置としてのグロープラグ５１が配置されている。グロープラグ５１は、燃料添加弁１５から噴射される燃料を着火する機能を有する。
排気マニホールド５と吸気マニホールド４との間には、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うためにＥＧＲ通路１８が配置されている。ＥＧＲ通路１８内には電子制御式のＥＧＲ制御弁１９が配置されている。また、ＥＧＲ通路１８にはＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０が配置されている。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２０に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
それぞれの燃焼室２ごとに、燃料噴射弁３が配置されている。燃料噴射弁３は、燃料供給管２１を介してコモンレール２２に連結されている。このコモンレール２２は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３を介して燃料タンク２４に連結されている。燃料タンク２４内に貯蔵されている燃料は、燃料ポンプ２３によってコモンレール２２内に供給される。コモンレール２２内に供給された燃料は、それぞれの燃料供給管２１を介して燃料噴射弁３に供給される。
電子制御ユニット３０は、デジタルコンピュータを含む。本実施の形態における電子制御ユニット３０は、排気浄化装置の制御装置として機能する。電子制御ユニット３０は、双方性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を備える。
排気処理装置５５の下流には、排気処理装置５５の温度を検出するための温度センサ２６が配置されている。温度センサ２６の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。機関排気通路には、排気処理装置の状態を検出するための任意のセンサが配置されていても構わない。
吸入空気量検出器８の出力信号は、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０には、アクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１の出力電圧は、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続されている。クランク角センサ４２の出力により、機関本体１の回転数を検出することができる。
一方、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１９および燃料ポンプ２３に接続されている。さらに、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して燃料添加弁１５およびグロープラグ５１に接続されている。本実施の形態における燃料添加弁１５およびグロープラグ５１は、電子制御ユニット３０により制御されている。
図２に、本実施の形態の排気浄化装置の燃料添加弁およびグロープラグが配置されている部分の拡大部分断面図を示す。排気管１２は、筒状に形成されている。燃料添加弁１５は、排気処理装置５５およびグロープラグ５１の上流側に配置されている。本実施の形態における燃料添加弁１５は、燃料を放射状に噴射する様に形成されている。また、燃料添加弁１５は、霧状に燃料を噴射するように形成されている。本実施の形態における排気浄化装置は、機関本体１の燃料である軽油が燃料添加弁１５から噴射されるように形成されている。機関排気通路に供給される燃料については、この形態に限られず、機関本体１の燃料とは異なる燃料が供給されても構わない。
グロープラグ５１は、燃料添加弁１５から供給される燃料を加熱するように配置されている。グロープラグ５１は、温度が上昇する発熱部５１ａを有する。この装置例における発熱部５１ａは、グロープラグ５１の先端に形成されている。本実施の形態における燃料添加弁１５は、発熱部５１ａに向けて燃料を噴射するように形成されている。燃料添加弁１５の噴射口は、グロープラグ５１の発熱部５１ａに向いている。グロープラグ５１は、発熱部５１ａが燃料添加弁１５から噴射される燃料と接触する位置に配置されている。本実施の形態におけるグロープラグ５１および燃料添加弁１５は、それぞれが棒状に形成されているが、この形態に限られず、任意の形状のものを採用することができる。
機関本体１から排出される排気ガスは、通常の運転時においては、矢印９０に示すように、排気管１２の延びる方向に沿って流れる。
本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、燃料添加弁１５から供給される燃料を燃焼させる。本実施の形態における排気浄化装置は、燃料添加弁１５から供給される燃料の燃焼が可能な運転領域を有する。燃料の燃焼は、排気ガスの酸素濃度が所定値以上である場合に行なうことができる。また、排気ガスの流量が大きすぎると着火しない場合がある。燃料の燃焼は、排気ガスの流量が所定値以下の場合に行なうことができる。また、燃料の燃焼は、着火するときの排気ガスの温度にも依存する。排気ガスの温度が高いほど未燃燃料が着火しやすいという特性を有する。このように、所定の条件下において燃料を燃焼させることができる。
図３に、本実施の形態における排気浄化装置の第１の運転制御のタイムチャートを示す。時刻ｔ_１までは、通常の運転を行なっている。通常の運転時において、スロットル弁の開度は、たとえば要求負荷に対応した開度になっている。また、スロットル弁の開度は、燃焼室における燃焼時の空燃比に対応した開度になっている。
燃料添加弁１５から供給される燃料の燃焼に先立って、時刻ｔ_１においてグロープラグ５１の通電を開始する。グロープラグ５１の通電により、発熱部５１ａの温度が上昇する。燃料添加弁１５から供給する燃料を着火する前にグロープラグ５１の予熱を行なう。本実施の形態においては、燃料を着火する時刻ｔ_３において、発熱部５１ａが未燃燃料を着火できる温度以上になるように、グロープラグ５１の予熱を行なっている。
本実施の形態における排気浄化装置は、着火装置に向かって流れる排気ガスの流量を調整する流量調整装置を備える。本実施の形態においては、機関吸気通路に配置されているスロットル弁１０が流量調整装置として機能する。時刻ｔ_２において、スロットル弁１０の開度を大きくしている。スロットル弁１０の開度を大きくして、燃焼室２に流入する空気流量を増加させる。これに伴って、機関本体１から排出され、グロープラグ５１に向かって流れる排気ガスの流量が増加する。グロープラグ５１における排気ガスの流速が大きくなる。本実施の形態では、燃料添加弁１５から供給する燃料を着火できる運転領域の範囲内で排気ガスの流速を増加させる。
時刻ｔ_３において、燃料添加弁１５から燃料を供給することにより、未燃燃料が着火する。排気管１２の内部において燃料が燃焼する。
図４に、未燃燃料が着火した後のグロープラグの部分における拡大部分断面図を示す。グロープラグ５１の発熱部５１ａの近傍から燃焼が開始する。発熱部５１ａの周りの排気ガスは膨張する。グロープラグ５１の下流側では、矢印９１に示すように、排気処理装置５５に向かって燃焼ガスが進行する。グロープラグ５１の上流側では、矢印９２に示すように燃焼ガスが通常の排気ガスの流れに逆らって逆流する。
図３を参照して、第１の運転制御においては、時刻ｔ_３から時刻ｔ_４まで燃料添加弁１５からの燃料の供給を継続している。燃料添加弁１５から燃料を供給している期間では燃料が燃焼する。また、燃料添加弁１５からの燃料の供給が停止した直後においても、グロープラグ５１よりも上流側において未燃燃料が残存するために燃焼が継続する。図３に示す運転例では、燃料の燃焼が継続する燃焼期間においてグロープラグを通電している。
グロープラグ５１の近傍においては、燃料が着火した時刻ｔ_３の直後において、圧力が急激に上昇する。このために、排気ガスの流速は、一時的に低下する。すなわち、燃料の燃焼を開始したときの急激な排気ガスの膨張により流速が小さくなる。グロープラグ５１よりも上流側では、圧力上昇に伴って排気ガスの逆流が生じる。逆流する排気ガスは、機関本体１から排出される排気ガスと衝突する。この結果、機関排気通路において排気ガスの流速の脈動が生じる。第１の運転制御においては、時刻ｔ_３から脈動が開始している。排気ガスの流速の脈動は、時間とともに減衰して所定の流速に収束する。
第１の運転制御においては、時刻ｔ_６から燃料の燃焼を繰り返している。時刻ｔ_６から時刻ｔ_７まで、再び燃料を供給している。第１の運転制御においては、複数回の燃料添加弁からの燃料の供給を間欠的に行なっている。複数回の燃焼を行なう期間中には、排気ガスの流量を増加させた状態を維持している。図３に示す例では、時刻ｔ_１から時刻ｔ_８まで、スロットル弁１０の開度を維持している。時刻ｔ_８において、スロットル弁１０の開度を小さくしている。機関本体１から排出される排気ガスの流量が小さくなる。
このように、燃料添加弁１５から供給する燃料を燃焼させることができる。図３に示す例においては、燃料添加弁１５からの燃料の供給を２回行っているが、この形態に限られず、燃料添加弁からの燃料の供給が１回であっても構わない。または、燃料添加弁からの燃料の供給を３回以上行なっても構わない。
機関排気通路において排気処理装置５５よりも上流側で燃料を燃焼させることにより、排気ガスを昇温することができる。高温の排気ガスにより排気処理装置５５を短時間で昇温することができる。たとえば、排気処理装置５５が酸化触媒を含む場合には、内燃機関の始動時等に排気処理装置５５を短時間で活性化温度以上まで昇温することができる。または、排気処理装置５５がパティキュレートフィルタを含む場合には、パティキュレートフィルタに蓄積する粒子状物質を燃焼させるために、短時間で目標の燃焼温度まで昇温させることができる。
本実施の形態の第１の運転制御においては、燃料添加弁から供給される未燃燃料を着火すべき時、即ち燃料を着火する直前に、排気ガスの流量を増加させている。燃焼を開始して生じる脈動を大きくすることができる。機関排気通路における排気ガスの流れを大きく乱すことができ、燃料と排気ガスとを十分に混合することができる。燃焼中の燃料を多くの酸素と接触させることができて、燃料の燃焼性が向上する。また、燃料と排気ガスとがより効果的に攪拌され、燃料の気化を促進することができて、燃料の燃焼性が向上する。この結果、スモークの発生を抑制できる。
ところで、排気ガスが逆流するときの特性は内燃機関の運転状態に依存する。たとえば、排気ガスの流量が大きすぎると、燃料が燃焼したときに逆流が生じない場合がある。燃料を燃焼させる場合には、所定の排気ガスの流量未満の運転領域にて燃料を燃焼させることが好ましい。本実施の形態においては、燃料が燃焼したときに逆流が生じる運転領域内で、排気ガスの流量を増加させている。
図５に、本実施の形態における第２の運転制御のタイムチャートを示す。時刻ｔ_１において、グロープラグ５１の通電を開始している。時刻ｔ_２においてスロットル弁１０の開度を大きくし、グロープラグ５１に向かって流れる排気ガスの流量を増加させている。時刻ｔ_３において燃料添加弁１５からの燃料の供給を開始している。未燃燃料を着火して、燃焼を開始している。時刻ｔ_５において、燃料の供給を停止している。
第２の運転制御においては、燃料添加弁１５からの燃料の供給を停止した直後にグロープラグに向かって流れる排気ガスの流量を減少させている。本実施の形態においては、スロットル弁１０の開度の変更を行ってから排気ガスの流量が変化するまでに所定の時間を要する。このために、時刻ｔ_５よりも前の時刻ｔ_４において、スロットル弁１０の開度を減少させている。時刻ｔ_５において、機関本体１から排出される排気ガスの流量が減少し始める。２回目の燃料の燃焼では、時刻ｔ_１から時刻ｔ_５までの制御と同様の制御を、時刻ｔ_６から時刻ｔ_１０まで繰り返している。
第２の運転制御においては、１回の燃料の供給を停止するごとに、グロープラグに向かって流れる排気ガスの流量を減少させている。排気ガスの流量を減少させることにより、未燃燃料が燃焼したときの排気ガスの膨張に起因する脈動に加えて、グロープラグに向かって流れる排気ガスの流量の変動に起因する脈動が加わる。排気ガスの脈動を大きくすることができる。このために、排気ガスの流れが大きく乱されて、排気ガスと未燃燃料とをより効果的に混合することができる。この結果、スモークの生成をより効果的に抑制することができる。
第１の運転制御および第２の運転制御においては、燃料の燃焼を開始すべきとき、すなわち、未燃燃料の供給の直前に、グロープラグに向かって流れる排気ガスの流量を増加しているが、この形態に限られず、燃料の燃焼の開始と同時、または燃料が燃焼している期間中に排気ガスの流量を増加させても構わない。たとえば、排気ガスの逆流が生じる運転領域にて燃焼を開始した後に、排気ガスの流量を増加させることができる。特に、燃料添加弁からの燃料の供給を停止した後において、機関排気通路にて燃料の燃焼が残存している期間に排気ガスの流量を増加させても構わない。この制御によっても、排気ガスの流れを乱して、スモークの生成を抑制することができる。また、上記の実施形態では、排気ガスの流量を１回増加させているが、この形態に限られず、複数回の増加を行なっても構わない。
第１の運転制御および第２の運転制御においては、複数回の燃料の燃焼を間欠的に行なっている。燃料の燃焼においては、複数回の燃料の供給の代わりに１回の燃料の供給で行なうことができる。たとえば、図３に示す２回の燃料の燃焼を１回で行うことができる。燃料添加弁１５から複数回に分けて間欠的に燃料を供給することにより、燃料が着火したときの大きな脈動の生成を繰り返すことができる。この結果、スモークの生成をより効果的に抑制することができる。
ところで、複数回の燃料の燃焼を間欠的に行なう場合には、生成された燃焼ガスのうち逆流した燃焼ガスは、所定の時間の経過後にグロープラグ５１を通過する。図４を参照して、矢印９２に示すように燃料の燃焼に伴って上流側に向かって進行した燃焼ガスは、所定の位置で向きを変えて、所定の時間の経過後にグロープラグ５１を通過する。燃料の供給の停止後に、燃焼ガスがグロープラグ５１を通過するまでは、グロープラグ５１における酸素濃度が低くなる。このため、複数回の燃料の燃焼を間欠的に行なう場合には、グロープラグ５１よりも上流側に進行した燃焼ガスのほぼ全てがグロープラグ５１を通過した後に、次の燃料の燃焼を行なうことが好ましい。
燃料を着火すべきときにグロープラグ５１における排気ガスの流量が小さいと、逆流する燃焼ガスがグロープラグ５１から遠く離れた位置まで進行する。グロープラグ５１よりも上流側に進行した燃焼ガスのほぼ全てがグロープラグ５１を通過するまでには長い時間を要する。このため、未燃燃料を着火すべきときの排気ガスの流量が小さくなるほど、燃料を供給する間隔を長くする制御を行うことが好ましい。例えば、図３を参照して、排気ガスの流量が小さくなるほど、１回の燃料の供給の終了時刻ｔ_４から次の燃料の燃焼の開始時刻ｔ_６までの時間を長くすることが好ましい。この制御を行うことにより、グロープラグよりも上流側に進行した燃焼ガスのほぼ全てがグロープラグを通過した後に、次の燃料の燃焼を行なうことができる。スモークの発生をより効果的に抑制することができる。
本実施の形態においては、排気ガスの流量と燃料の供給を行なう間隔との関係を、電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２に記憶させている。排気浄化装置は、排気ガスの流量を検出し、検出した排気ガスの流量に基づいて、燃料を供給する間隔を定めることができる。
排気ガスの流量の検出方法としては、例えば、内燃機関の回転数および排気ガスの温度を関数にする排気ガスの流量のマップを電子制御ユニット３０に記憶させておく。内燃機関の回転数と排気ガスの温度とを検出し、内燃機関の回転数と排気ガスの温度とに基づいて排気ガスの流量を推定することができる。
または、排気ガスの流量が小さくなるほど、１回の燃焼における燃料の供給量を少なくすることができる。例えば、図３を参照して、１回の燃料の燃焼における時刻ｔ_３から時刻ｔ_４までの時間を短くすることができる。１回の燃料の供給量を少なくすることにより、燃料の燃焼により生成される燃焼ガスの量を少なくすることができる。または、燃料の燃焼により生じる風圧を小さくすることができ、燃焼ガスが機関排気通路を逆流して進行する距離を小さくすることができる。この制御によっても、グロープラグよりも上流側に進行した燃焼ガスのほぼ全てがグロープラグに通過した後に、次の燃料の燃焼を行なうことができる。スモークの発生をより効果的に抑制することができる。
第１の運転制御および第２の運転制御においては、排気ガスの脈動が収束した後に、次の燃料の燃焼を開始しているが、この形態に限られず、排気ガスの脈動が残存しているときに、次の燃料の燃焼を開始しても構わない。
図６に、本実施の形態における第３の運転制御のタイムチャートを示す。第３の運転制御においては、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までの期間において、第１の運転制御による燃料の燃焼を複数回行っている。この後に、時刻ｔ_３から時刻ｔ_４までの期間において、第１の運転制御による燃料の燃焼を複数回行っている。このように、複数回の間欠的な燃焼を行う制御を所定の時間をあけて繰り返し行っても構わない。
次に、本実施の形態における第４の運転制御について説明する。第４の運転制御は、排気処理装置５５の要求に基づいて、排気処理装置５５に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにする。第４の運転制御においては、排気処理装置５５が、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を含む場合について例示する。本発明においては、機関吸気通路、燃焼室、または機関排気通路に供給された排気ガスの空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称する。
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ：ＮＯ_Ｘ Ｓｔｏｒａｇｅ−Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｃａｔａｌｙｓｔ）は、例えば基体上にアルミナからなる触媒担体が担持されている。触媒担体の表面上には貴金属触媒が分散して担持されている。触媒担体の表面上にはＮＯ_Ｘ吸収剤の層が形成されている。貴金属触媒としては、例えば白金Ｐｔが用いられる。ＮＯ_Ｘ吸収剤を構成する成分としては、例えば、アルカリ金属、バリウムＢａのようなアルカリ土類、または希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、機関本体１から排出される排気ガスに含まれるＮＯ_Ｘを一時的に吸蔵して、吸蔵したＮＯ_Ｘを放出するときにＮ_２に物質に変換する触媒である。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、排気ガスの空燃比がリーンの時にはＮＯ_Ｘを吸蔵する。ＮＯ_Ｘの吸蔵量が許容量に達した時に、排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にすることにより、吸蔵したＮＯ_Ｘが放出される。このように、ＮＯ_Ｘ放出制御を行なう。
内燃機関の排気ガスには、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）が含まれる場合がある。この場合にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、ＮＯ_Ｘの吸蔵と同時にＳＯ_Ｘを吸蔵する。ＳＯ_Ｘが吸蔵されると、ＮＯ_Ｘの吸蔵可能量が低下する。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒には、いわゆる硫黄被毒が生じる。硫黄被毒を解消するために、ＳＯ_Ｘを放出する硫黄被毒回復が行なわれる。硫黄被毒回復においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を昇温した状態で、排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にすることによりＳＯ_Ｘを放出する。このように、ＳＯ_Ｘ放出制御を行なう。
本実施の形態においては、ＳＯ_Ｘ放出制御の昇温のときに、燃料添加弁１５から未燃燃料を供給して燃料を燃焼させることにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の速やかな昇温を行なうことができる。
次に、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ放出制御またはＳＯ_Ｘ放出制御において、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにする制御について説明する。
図７は、本実施の形態における第４の運転制御のタイムチャートである。以下では主にＮＯ_Ｘ放出制御について説明するが、ＳＯ_Ｘ放出制御についてもＮＯ_Ｘ放出制御と同様の制御により、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることができる。
第４の運転制御においては、複数回の燃料の燃焼を間欠的に行なっている。時刻ｔ_１から時刻ｔ_６まで機関本体から排出される排気ガスの流量を増加させる制御を行なっている。第４の運転制御においては、複数回の燃料の燃焼を行なう期間を通してグロープラグに通電している。
時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までの期間、時刻ｔ_３から時刻ｔ_４までの期間、および時刻ｔ_５から時刻ｔ_６までの期間において、燃料添加弁１５から未燃燃料を供給することにより、燃料を燃焼させている。これらの期間において、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしている。
排気処理装置の上流側で燃料を燃焼させることにより、排気処理装置に供給する還元剤としての燃料を改質することができる。例えば、燃料を燃焼させることにより、重質の未燃燃料を改質して軽質な未燃燃料を生成することができる。排気処理装置に対して、還元性に優れた軽質の還元剤を供給することができる。本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ放出制御やＳＯ_Ｘ放出制御において、効率よくＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘの放出を行なうことができる。
第４の運転制御においては、燃料を供給する間隔として時刻ｔ_２から時刻ｔ_３までの時間が設定されている。１回目の燃料の供給は、時刻ｔ_２において停止している。しかしながら、グロープラグ５１の上流側には、燃焼しているガスや未燃燃料が残存しており、燃焼が継続している。前回の燃料の燃焼が残存している時刻ｔ_３に、次の燃料の供給を行なっている。すなわち、前回の燃焼が残存している期間中に今回の燃料の燃焼を開始している。同様に時刻ｔ_４で燃料の供給を停止し、前回の燃料の燃焼が残存している時刻ｔ_５に、次の燃料の燃焼を開始している。
第４の運転制御においては、燃料の燃焼が残存しているときに、次の燃料の燃焼を開始する。排気ガスに含まれる酸素量が抑制された状態で、次の燃料の燃焼を行なっている。燃料の燃焼が促進されない状態で液体の未燃燃料が供給される。このために、燃焼温度を低下させることができて、スモークの生成を抑制することができる。このように、排気ガスの空燃比をリッチにする場合においては、燃焼が残存する期間中に、次の燃料の燃焼を開始することにより、スモークの発生を抑制できる。
本実施の形態における流量調整装置は、機関吸気通路に配置されているスロットル弁を含むが、この形態に限られず、グロープラグに向かって流れる排気ガスの流量を調整できるように形成されていれば構わない。
流量調整装置は、たとえば排気ガス再循環装置を含むことができる。図１を参照して、ＥＧＲ制御弁１９の開度を小さくすることにより、排気ガスの再循環流量が少なくなる。この結果、一時的にグロープラグ５１に向かって流れる排気ガスの流量を多くすることができる。また、流量調整装置は、グロープラグ５１および燃料添加弁１５を迂回するバイパス流路を含んでいても構わない。このバイパス流路には、たとえば、流量調整弁が配置される。バイパス流路の流量調整弁を、所定の開度から小さくすることにより、グロープラグに向かう排気ガスの流量を多くすることができる。
また、本実施の形態における燃料供給装置は、排気管の内部に燃料を噴射する燃料添加弁を含むが、この形態に限られず、機関排気通路に燃料を供給できる任意の装置を採用することができる。特に、機関排気通路に直接的に燃料を噴射する内燃機関の排気浄化装置において、効果的にスモークを抑制することができる。
本実施の形態における着火装置は、グロープラグを含むが、この形態に限られず、供給される未燃燃料を着火することができる任意の装置を採用することができる。例えば、着火装置は、点火プラグまたはセラミックヒーターなどを含んでいても構わない。着火装置の通電を開始する時刻は、燃料を燃焼させることができる任意の時刻を採用することができる。
また、本実施の形態においては、液体の燃料として軽油を例に取り上げて説明したが、液体の燃料としては、この形態に限られず、スモークを発生する任意の燃料を採用することができる。たとえば、炭素を含む燃料を採用することができる。このような液体の燃料としては、ガソリン、灯油、重油またはアルコール等を例示することができる。
本実施の形態においては、圧縮着火式の内燃機関を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、火花点火式の内燃機関についても本発明を適用することができる。
実施の形態２
図８から図１１を参照して、実施の形態２における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、実施の形態１と同様に、燃料を着火すべきとき、又は燃料が燃焼しているときに排気ガスの流量を増加させている。本実施の形態における排気浄化装置は、着火装置の近傍に排気ガスの流れを調整する部材が配置されている。
図８に、本実施の形態における第１の排気浄化装置のグロープラグの部分の拡大部分断面図を示す。第１の排気浄化装置は、排気ガスの圧力損失を生じさせる補助部材としての円筒部材６１を備える。
円筒部材６１は、グロープラグ５１の下流側の機関排気通路内に配置されている。円筒部材６１は、軸方向が排気ガスの流れ方向とほぼ平行になるように配置されている。円筒部材６１は、発熱部５１ａの下流側に配置されている。円筒部材６１は、発熱部５１ａに近接して配置されている。円筒部材６１が機関排気通路に配置されることにより、機関排気通路の流路断面積が小さくなっている。このために、円筒部材６１の部分で排気ガスの圧力損失が生じる。
本実施の形態の第１の排気浄化装置において、燃料添加弁１５は、グロープラグ５１の発熱部５１ａに向かって燃料を噴射するように形成されている。グロープラグ５１の発熱部５１ａに通電を行なって、燃料添加弁１５から燃料を供給することにより、未燃燃料の燃焼が開始する。排気ガスが円筒部材６１の内部の流路および周りの流路を抜けるときに圧力損失が生じる。燃料が燃焼したときの風圧は、一部が円筒部材６１において反射して上流側に戻される。このために、排気ガスの逆流を加勢することができる。
このように、グロープラグ５１の下流側に排気ガスの圧力損失を生じさせる補助部材を配置することにより、燃料添加弁１５から供給された燃料が燃焼したときに生じる排気ガスの逆流を加勢して、排気ガスの逆流の流速を大きくすることができる。この結果、燃焼中の燃料と排気ガスとをより効果的に混合することができる。
排気ガスの圧力損失を生じさせる補助部材としては、円筒部材に限られず、任意の形状の部材を採用することができる。たとえば、補助部材は、排気管の延びる方向とほぼ平行に延びる円柱状部材、格子状の流路が形成されている部材、または触媒を有する部材等を含んでいても構わない。
また、補助部材としては、板状部材を採用することができる。板状部材は、面積が最大となる面積最大面を有する。板状部材は、面積最大面が排気ガスの流れ方向にほぼ垂直になるように配置することができる。この構成により、グロープラグにおいて未燃燃料が燃焼したときの風圧を板状部材で反射することができて、機関排気通路における排気ガスの逆流を加勢することができる。
図９に、本実施の形態における第２の排気浄化装置のグロープラグの部分の拡大部分断面図を示す。図１０に、本実施の形態における第２の排気浄化装置のグロープラグおよび棒状部材の概略斜視図を示す。図９および図１０を参照して、第２の排気浄化装置においては、ガスの流れを調整する部材として、棒状部材６２が配置されている。本実施の形態における棒状部材６２は、円柱状に形成されている。棒状部材６２は、排気ガスの流れ方向とほぼ平行に延びるように配置されている。
棒状部材６２は、一部分が切り欠かれた形状を有する切欠き部６３を有する。切欠き部６３は、排気ガスの流れ方向の上流側の端部に形成されている。本実施の形態における切欠き部６３は、棒状部材６２の軸方向にほぼ平行な方向に切断された表面６３ａと、棒状部材６２の軸方向にほぼ垂直な方向に切断された表面６３ｂとを有する。本実施の形態においては、それぞれの表面６３ａ，６３ｂが平面状に形成されているが、この形態に限られず、曲面状に形成されていても構わない。
グロープラグ５１の発熱部５１ａは、切欠き部６３が形成されている領域の内部に配置されている。すなわち、切欠き部６３を有しない場合には、発熱部５１ａが棒状部材６２の内部に位置するように配置されている。発熱部５１ａは、棒状部材６２の軸方向に沿って投影したときに影となる領域が表面６３ｂに含まれるように配置されている。発熱部５１ａは、棒状部材６２の軸方向に垂直な方向に投影したときに影となる領域が表面６３ａに含まれるように配置されている。
第２の排気浄化装置においては、発熱部５１ａの近傍において燃焼した燃焼ガスは、棒状部材６２の軸方向に平行な表面６３ａにて反射する。図９および図１０の例においては、排気管１２の径方向のうち、グロープラグ５１が挿入されている方向に向かって反射する。この後に、燃焼ガスは、燃焼を継続しながら排気管１２と棒状部材６２との間に形成されている排気通路に沿って、排気管１２の下流側に向かって進行する。矢印９３に示すように、棒状部材６２を中心として旋回する流れが形成される。この旋回する流れによって、燃焼中の燃料と排気ガスとをより効果的に混合することができて燃焼性が向上する。この結果、スモークの発生をより効果的に抑制することができる。
更に、棒状部材６２の軸方向に垂直な表面６３ｂにおいて、燃料が燃焼したときの風圧が反射されて、燃焼ガスの一部が上流側に戻される。この結果、排気ガスの逆流を加勢できる。この逆流する流れによっても未燃燃料と排気ガスとをより効果的に混合することができて、スモークの発生をより効果的に抑制することができる。
切欠き部６３を棒状部材の上流側の端部に形成することにより、切欠き部６３の下流側において、棒状部材と排気管とで挟まれる流路を長くすることができ、より確実に旋回流を形成することができる。切欠き部６３については、棒状部材の上流側の端部に限られず、任意の位置に形成することができる。
図１１に、本実施の形態における第３の排気浄化装置のグロープラグおよび棒状部材の概略斜視図を示す。第３の排気浄化装置における棒状部材６２は、軸方向にほぼ平行な側面に形成されている切欠き部６３を含む。第３の排気浄化装置の切欠き部６３は、表面から凹むように形成されている。切欠き部６３は、グロープラグ５１の発熱部５１ａを収容できる大きさに形成されている。発熱部５１ａは、切欠き部６３が形成されている領域の内部に配置されている。
第３の排気浄化装置においても、燃料の燃焼を開始したときに、矢印９３に示すように、棒状部材６２を中心として旋回する排気ガスの流れを形成することができ、燃料と排気ガスとを十分に混合することができる。この結果、スモークの発生をより効果的に抑制することができる。
本実施の形態における棒状部材は、円柱状に形成されているが、この形態に限られず、排気ガスの旋回する流れを形成する任意の形状を採用することができる。切欠き部の形状についても、排気ガスを反射させて旋回する流れを形成する任意の形状を採用することができる。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に含まれる変更が意図されている。

１…機関本体
２…燃焼室
１２…排気管
１５…燃料添加弁
１８…ＥＧＲ通路
３０…電子制御ユニット
５１…グロープラグ
５１ａ…発熱部
５５…排気処理装置
６１…円筒部材
６２…棒状部材
６３…切欠き部
６３ａ，６３ｂ…表面

Claims (7)

1. 機関排気通路に配置され、排気を浄化する排気処理装置と、排気処理装置よりも上流側に配置され、機関排気通路に燃料を供給する燃料供給装置と、燃料供給装置により供給された燃料を着火させる着火装置と、着火装置に向かって流れる排気ガスの流量を調整する流量調整装置とを備え、
   燃料供給装置は、液体の燃料を供給するように形成されており、
   機関排気通路に供給された燃料が燃焼することにより排気ガスの逆流が生じる運転領域を有し、
   排気ガスの逆流が生じる運転領域内にて燃料を燃焼させ、更に、燃料の燃焼を開始すべきときから燃料の燃焼が終了するまでの期間中に、排気ガスの流量を増加させる制御を行うことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
2. 燃料の供給を停止した直後に、流量調整装置により排気ガスの流量を減少させ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. 燃料供給装置は、複数回の燃料の燃焼を間欠的に行うように制御され、
   排気ガスの流量が小さくなるほど、燃料を供給する間隔を長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。
4. 燃料供給装置は、複数回の燃料の燃焼を間欠的に行うように制御され、
   排気ガスの流量が小さくなるほど、１回の燃料の供給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。
5. 燃料供給装置は、複数回の燃料の燃焼を間欠的に行うように制御され、
   燃料供給装置から燃料を供給し、排気処理装置に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにする場合に、前回に供給された燃料の燃焼が残存しているときに今回の燃料の燃焼を開始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。
6. 機関排気通路の内部に配置され、排気ガスの圧力損失を生じさせる補助部材を備え、
   着火装置は、発熱部を有し、
   燃料供給装置は、発熱部に向けて燃料を供給するように形成されており、
   補助部材は、発熱部の下流側において、発熱部に近接して配置されてい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。
7. 機関排気通路の内部に配置され、排気ガスの流れ方向に延びる棒状部材を備え、
   着火装置は、発熱部を有し、
   棒状部材は、一部分が切り欠かれた形状を有する切欠き部を有し、
   燃料供給装置は、発熱部に向けて燃料を供給するように形成されており、
   発熱部は、切欠き部が形成されている領域の内部に配置されてい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。

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