JP3598894B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

【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】
機関の排気マニホルド内に第１の触媒を配置し、第１の触媒下流の機関排気通路内に第２の触媒を配置した内燃機関が公知である（特開平６−９３９０２号公報参照）。このように排気マニホルド内に第１の触媒を配置すると機関始動後比較的早い時期に第１の触媒が活性化し、斯くして機関始動後比較的早い時期から排気ガスを浄化することができる。この場合、機関始動後更に早い時期から排気ガスを浄化するには更に早い時期に第１の触媒を活性化させることが好ましい。従ってこの内燃機関では機関始動後暫らくの間、燃料噴射時期を遅くすると共に点火時期を遅角させて排気ガス温を高め、それによってできるだけ早く第１の触媒を活性化させるようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで第１の触媒は一旦活性化すると機関運転中は活性化され続け、従って未燃ＨＣやＣＯのような排気ガス中のかなりの量の還元成分は常に第１の触媒によって酸化せしめられることになる。言い換えると第２の触媒に流入する排気ガス中の還元成分はそれほど多くなくなる。このことは排気ガスの浄化という面から見ると一見好ましいように見える。しかしながら実際には第２の触媒が多量の還元成分を必要とする場合があり、このような場合に十分な量の還元成分を第２の触媒に送り込めないと問題を生ずる。
【０００４】
たとえば第２の触媒は第１の触媒の下流に配置されているために第１の触媒に比べて温度が低く、従って第２の触媒は第１の触媒とは異なり一旦活性化したとしても不活性状態になりやすい。第２の触媒が不活性状態にならないようにするには第２の触媒を加熱する必要があり、第２の触媒を加熱する最も適切な方法は未燃ＨＣやＣＯのような排気ガス中の還元成分を第２の触媒上において酸化せしめ、それによって第２の触媒内で酸化反応熱を発生せしめる方法である。そのためには第２の触媒に流入する排気ガス中が多量の還元成分を含んでいることが必要となる。
【０００５】
従って上述の内燃機関におけるように排気ガス中の還元成分のかなりの部分が常に第１の触媒によって酸化せしめられ、それによって第２の触媒に流入する排気ガス中の還元成分がそれほど多くなくなると第２の触媒が不活性状態になりやすくなり、第２の触媒が不活性状態になるとかなりの量の未燃ＨＣやＣＯのような還元成分が大気中に放出されることになる。即ち、第２の触媒の上流に第１の触媒を設けるとかえって大気中に排出される未燃ＨＣ，ＣＯが増大してしまうという問題を生ずる。従って第２の触媒が多量の還元成分を必要とするときには第１の触媒により酸化せしめられる還元成分の量を低減させる必要がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では、機関排気通路内に第１の触媒を配置すると共に第１の触媒下流の機関排気通路内に第２の触媒を配置し、第１の触媒として第２の触媒よりも活性化温度の高い触媒が用いられており、排気ガス中の還元成分を第１の触媒で主に酸化させるべき機関の運転状態であるか或いは排気ガス中の還元成分を第２の触媒で主に酸化させるべき機関の運転状態であるかを判断する判断手段と、排気ガス中の還元成分を第１の触媒で主に酸化させるべき機関の運転状態であると判断されたときには第１の触媒における排気ガス中の還元成分の酸化割合を増大させると共に、排気ガス中の還元成分を第２の触媒で主に酸化させるべき機関の運転状態であると判断されたときには第１の触媒における排気ガス中の還元成分の酸化割合を減少させる酸化割合制御手段とを具備し、酸化割合制御手段は、排気ガス中の還元成分を第１の触媒で主に酸化させるべき機関の運転状態であると判断されたときに機関排気通路内の背圧又は機関から排出される排気ガス温の少くとも一方を上昇させるようにしている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１および図２は本発明を成層燃焼式内燃機関に適用した場合を示している。しかしながら本発明は均一リーン空燃比のもとで燃焼が行われる火花点火式内燃機関、および空気過剰のもとで燃焼が行われるディーゼル機関にも適用することができる。
【００１７】
図１を参照すると、１は機関本体を示し、機関本体１は１番気筒＃１、２番気筒＃２、３番気筒＃３および４番気筒＃４からなる４つの気筒を有する。図２は各気筒＃１，＃２，＃３，＃４の側面断面図を示している。図２を参照すると、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６はシリンダヘッド３の内壁面周縁部に配置された燃料噴射弁、７はシリンダヘッド３の内壁面中央部に配置された点火栓、８は吸気弁、９は吸気ポート、１０は排気弁、１１は排気ポートを夫々示す。
【００１８】
図１および図２を参照すると、吸気ポート９は対応する吸気枝管１２を介してサージタンク１３に連結され、サージタンク１３は吸気ダクト１４およびエアフローメータ１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ダクト１４内にはステップモータ１７により駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、各気筒＃１，＃２，＃３，＃４の排気ポート１１は夫々対応する排気マニホルド１９の枝管１９ａに連結され、各枝管１９ａ内に形成された各排気枝通路内には第１の触媒２０が配置される。排気マニホルド１９は排気管２１を介して第２の触媒２２を収容した触媒コンバータ２２ａに連結され、触媒コンバータ２２ａには排気管２３が連結される。排気管２３内にはアクチュエータ２５によって制御される排気制御弁２４が配置される。
【００１９】
図１に示されるように排気マニホルド１９とサージタンク１３とは排気ガス再循環（以下ＥＧＲと称す）通路２６を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２６内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２７が配置される。燃料噴射弁６は共通の燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２８に連結される。このコモンレール２８内へは燃料タンク２９内の燃料が電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３０を介して供給され、コモンレール２８内に供給された燃料が各燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２８にはコモンレール２８内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３１が取付けられ、燃料圧センサ３１の出力信号に基づいてコモンレール２８内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ３０の吐出量が制御される。
【００２０】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。エアフローメータ１５は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。機関本体１には機関冷却水温を検出するための水温センサ３２が取付けられ、この水温センサ３２の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５には燃料圧センサ３１の出力信号が対応するＡＤ変換器４７を介して入力される。
【００２１】
また、排気管２１内には排気マニホルド１９および排気管２１内の排気ガスの圧力、即ち背圧を検出するための圧力センサ３３が配置され、この圧力センサ３３の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。触媒コンバータ２２ａには触媒２２の温度を検出するための温度センサ３４が取付けられ、この温度センサ３４の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。
【００２２】
また、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁６、点火栓７、スロットル弁制御用ステップモータ１７、排気制御弁制御用アクチュエータ２５、ＥＧＲ制御弁２７および燃料ポンプ３０に接続される。
【００２３】
図３は燃料噴射量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ（＝Ｑ_１ ＋Ｑ_２ ）、噴射開始時期θＳ１，θＳ２、噴射完了時期θＥ１，θＥ２および燃焼室５内における平均燃料比Ａ／Ｆを示している。なお、図３において横軸Ｌはアクセルペダル５０の踏込み量、即ち要求負荷を示している。
図３からわかるように要求負荷ＬがＬ_１ よりも低いときには圧縮行程末期のθＳ２からθＥ２の間において燃料噴射Ｑ２が行われる。このときには平均空燃比Ａ／Ｆはかなりリーンとなっている。要求負荷ＬがＬ_１ とＬ_２ の間のときには吸気行程初期のθＳ１からθＥ１の間において第１回目の燃料噴射Ｑ１が行われ、次いで圧縮行程末期のθＳ２からθＥ２の間において第２回目の燃料噴射Ｑ２が行われる。このときにも空燃比Ａ／Ｆはリーンとなっている。要求負荷ＬがＬ_２ よりも大きいときには吸気行程初期のθＳ１からθＥ１の間において燃料噴射Ｑ１が行われる。このときには要求負荷Ｌが低い領域では平均空燃比Ａ／Ｆがリーンとされており、要求負荷Ｌが高くなると平均空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比とされ、要求負荷Ｌが更に高くなると平均空燃比Ａ／Ｆがリッチとされる。なお、圧縮行程末期にのみ燃料噴射Ｑ２が行われる運転領域、二回に亘って燃料噴射Ｑ１およびＱ２が行われる運転領域および吸気行程初期にのみ燃料噴射Ｑ１が行われる運転領域は要求負荷Ｌのみにより定まるのではなく、実際には要求負荷Ｌおよび機関回転数により定まる。
【００２４】
図２は要求負荷ＬがＬ_１ （図３）よりも小さいとき、即ち圧縮行程末期においてのみ燃料噴射Ｑ２が行われる場合を示している。図２に示されるようにピストン４の頂面上にはキャビティ４ａが形成されており、要求負荷ＬがＬ_１ よりも低いときには燃料噴射弁６からキャビティ４ａの底壁面に向けて圧縮行程末期に燃料が噴射される。この燃料はキャビティ４ａの周壁面により案内されて点火栓７に向かい、それによって点火栓７の周りに混合気Ｇが形成される。次いでこの混合気Ｇは点火栓７により着火せしめられる。
【００２５】
一方、前述したように要求負荷ＬがＬ_１ とＬ_２ との間にあるときには二回に分けて燃料噴射が行われる。この場合、吸気行程初期に行われる第１回目の燃料噴射Ｑ１によって燃焼室５内に稀薄混合気が形成される。次いで圧縮行程末期に行われる第２回目の燃料噴射Ｑ２によって点火栓７周りに最適な濃度の混合気が形成される。この混合気が点火栓７により着火せしめられ、この着火火炎によって稀薄混合気が燃焼せしめられる。
【００２６】
一方、要求負荷ＬがＬ_２ よりも大きいときには図３に示されるように燃焼室５内にはリーン又は理論空燃比又はリッチ空燃比の均一混合気が形成され、この均一混合気が点火栓７により着火せしめられる。
次に第１の触媒２０の配置に関する種々の実施例について説明する。
図４（Ａ）は図１に示されている実施例そのものを示している。
【００２７】
図４（Ｂ）に示される実施例では点火順序が１−３−４−２とされており、図４（Ｂ）に示されるように点火順序が一つおきの気筒＃１，＃４の排気ポート１１は共通の第１の排気マニホルド６０に連結され、点火順序が一つおきの残りの気筒＃２，＃３の排気ポート１１は共通の第２の排気マニホルド６１に連結される。第１の排気マニホルド６０の集合部、即ち一対の気筒＃１，＃４に対して共通の排気枝通路は第１の触媒２０を収容した第１の触媒コンバータ６２に連結され、第２の排気マニホルド６１の集合部、即ち一対の気筒＃２，＃３に対して共通の排気枝通路は第１の触媒２０を収容した第２の触媒コンバータ６３に連結される。第１の触媒コンバータ６２および第２の触媒コンバータ６３は共通の排気管６４を介して排気管２１に連結される。
【００２８】
図４（Ｃ）に示される実施例では全気筒＃１，＃２，＃３，＃４に対して共通の排気マニホルド１９の出口に第１の触媒２０を収容した触媒コンバータ６５が連結され、この触媒コンバータ６５は排気管２１に連結される。
第１の触媒２０としては酸化触媒又は三元触媒が用いられ、第２の触媒２２としては酸化触媒、三元触媒又はＮＯ_ｘ 吸収剤が用いられる。ＮＯ_ｘ 吸収剤は燃焼室５内における平均空燃比がリーンのときにＮＯ_ｘ を吸収し、燃焼室５内における平均空燃比がリッチになるとＮＯ_ｘ を放出する機能を有する。
【００２９】
このＮＯ_ｘ 吸収剤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。
【００３０】
図５は図４（Ａ）から図４（Ｃ）に示される第２の触媒２２の触媒反応活性化状態を表している。なお、図５において縦軸Ｔｃは第２の触媒２２の温度を示しており、横軸ＳＶは空間速度（二単位時間当りの排気ガスの体積流量／触媒の体積）を示している。また、Ｔｏは第２の触媒２２の活性化温度を示しており、曲線Ｋは第２の触媒２２の触媒反応が活性化する触媒反応活性化限界を示している。即ち、触媒反応活性化限界Ｋよりも上方の領域Ｉは触媒反応が活性化する触媒反応活性化領域を示しており、触媒反応活性化限界Ｋよりも下方の領域IIは触媒反応が行われない触媒反応不活性領域を示している。また、Ｒ３０，Ｒ５０，Ｒ９０は第２の触媒２２による排気ガス中の還元成分の浄化率が夫々３０％，５０％，９０％である場合を示している。
【００３１】
空間速度ＳＶが大きくなるということは第２の触媒２２内を流れる排気ガスの流速が速くなることを意味しており、従って空間速度ＳＶが大きくなるほど第２の触媒２２に対する排気ガスの接触時間が短かくなる。一方、第２の触媒２２は空間速度ＳＶとは無関係に活性化温度Ｔｏに達すれば活性化する。しかしながら第２の触媒２２が活性化温度Ｔｏになっても空間速度ＳＶが大きくなると第２の触媒２２に対する排気ガスの接触時間が短かくなるために触媒反応は行われなくなる。この場合、第２の触媒２２の温度Ｔｃが高くなれば触媒反応が行われる。従って触媒反応活性化限界Ｋは図５に示されるようになる。
【００３２】
一方、第２の触媒２２の温度Ｔｃが触媒反応活性化温度限界Ｋに対して高くなればなるほど触媒反応は活発となり、従って第２の触媒２２の温度Ｔｃが高くなればなるほど排気ガス中の還元成分の浄化率が高くなる。従って排気ガス中の還元成分の各浄化率Ｒ３０，Ｒ５０，Ｒ９０は図５に示されるようになる。
ところで図５からわかるように排気ガス温が低い運転状態においても、即ち第２の触媒２２の温度Ｔｃが低いときであっても第２の触媒２２を触媒反応活性化領域Ｉ内に維持しておくためには第２の触媒２２内を流れる排気ガスの空間速度ＳＶを小さくしなければならず、そのためには第２の触媒２２を大きくしなければならない。ところが第２の触媒２２を大きくすると第２の触媒２２をエンジンルーム内に配置するのが困難となり、斯くして第２の触媒２２はエンジンから離れた車両本体の床下に配置せざるを得なくなる。しかしながら第２の触媒２２をエンジンから離れた位置に配置すると第２の触媒２２内を流れる排気ガス温が低くなり、その結果第２の触媒２２を触媒反応活性化領域Ｉ内に維持するのが困難となる。
【００３３】
この場合、第２の触媒２２を触媒反応活性化領域Ｉ内に維持するためには第２の触媒２２の温度Ｔｃを上昇させる必要があり、そのための最も適切な方法は排気ガス中の還元成分を第２の触媒２２において酸化せしめ、そのとき発生する酸化反応熱によって第２の触媒２２を高温に保持する方法である。
一方、機関始動後暫らくの間は第２の触媒２２の温度Ｔｃはかなり低く、このときには第２の触媒２２における排気ガス中の還元成分の酸化作用は期待できない。そこで本発明による実施例では図４（Ａ）から４（Ｃ）に示されるようにエンジンの近くに第１の触媒２０を配置し、機関始動後暫らくの間はこの第１の触媒２０において未燃ＨＣ，ＣＯのような排気ガス中の還元成分を酸化させるようにしている。
【００３４】
しかしながら機関の運転中、第１の触媒２０において排気ガス中の還元成分を酸化させ続けると第２の触媒２２内に流入する排気ガス中の還元成分の量が減少し、その結果第２の触媒２２において十分な酸化反応熱が発生しなくなるために第２の触媒２２を触媒反応活性化領域Ｉ内に維持しておくのが困難となる。即ち、第２の触媒２２が多量の還元成分を必要とするときには第１の触媒２２における還元成分の酸化作用を抑制する必要がある。
【００３５】
また、前述したように第２の触媒２２としてＮＯ_ｘ 吸収剤を用いた場合にはＮＯ_ｘ 吸収剤からＮＯ_ｘ を放出すべきときに燃焼室５内における空燃比がリッチとされ、多量の未燃ＨＣ，ＣＯ、即ち多量の還元成分が燃焼室５から排出される。この場合、この多量の還元成分が第１の触媒２０によって酸化せしめられるとＮＯ_ｘ 吸収剤からＮＯ_ｘ を放出しえなくなる。即ち、この場合にも第２の触媒２２が多量の還元成分を必要とするときには第１の触媒２０における還元成分の酸化作用を抑制する必要がある。
【００３６】
そこで本発明では、排気ガス中の還元成分を第１の触媒２０で主に酸化させるべきときには第１の触媒２０における排気ガス中の還元成分の酸化割合を増大させ、排気ガス中の還元成分を第２の触媒２２で主に酸化させるべきときには第１の触媒２０における排気ガス中の還元成分の酸化割合を減少させるようにしている。
【００３７】
次にこのことについて、活性化温度Ｔｏが第２の触媒２２とほぼ同じである第１の触媒２０を用いた場合を例にとって図６および図７を参照しつつ説明する。図６において（１）は機関低負荷運転時における排気ポート１１出口付近での排気ガスの流速の変化を示しており、（２）は機関高負荷運転時における排気ポート１１出口付近での排気ガスの流速の変化を示している。また、図６において（３）は機関低負荷運転時における第２の触媒２２内での排気ガスの流速の変化を示しており、（４）は機関高負荷運転時における第２の触媒２２内での排気ガスの流速の変化を示している。
【００３８】
排気弁１０が開弁すると燃焼室５内から排気ポート１１内に排気ガスが一気に噴出し、従って図６（１），（２）に示されるように排気ポート１１出口付近における排気ガスの流速は排気弁１０が開弁する毎に一時的に高くなる。この場合、機関負荷が高くなるほど燃焼室５内の既燃ガスの圧力が高くなるので排気ポート１１出口付近における排気ガスの流速は図６（２）に示される高負荷運転時のほうが図６（１）に示される低負荷運転時よりもかなり速くなる。一方、排気通路内を流れる間に排気ガスのピーク値は次第に低くなり、また各排気ポート１１から流出した排気ガスは互いに合流して第２の触媒２２内に流入するので第２の触媒２２内における排気ガスの流速は図６（３），（４）に示されるようになる。
【００３９】
一方、図６（３），（４）においてＫは図５に示される触媒反応活性化限界を示している。排気ガスの流速がこの触媒反応活性化限界Ｋよりも高くなると図５に示される触媒反応不活性領域ＩＩとなり、従って第２の触媒２２における排気ガス中の還元成分の酸化作用が中断される。図６（３），（４）では排気ガスの流速は常に触媒反応活性化限界Ｋよりも低く、従って常に排気ガス中の還元成分の酸化作用が行われている。本発明では暖機が完了すると通常、触媒反応活性化限界Ｋは図６（３），（４）に示されるような位置となる。
【００４０】
一方、第２の触媒２２と寸法および構造が全く同一の触媒を第１の触媒２０として用い、この第１の触媒２０を図４（Ａ）に示す実施例と同じ様に夫々排気マニホルド１９の各枝管内に配置したとすると、この場合には各第１の触媒２０に対する触媒反応活性化限界Ｋが図６（１），（２）に示されるようになる。即ち、この場合には第１の触媒２０の方が第２の触媒２２よりもはるかに高温となるので触媒反応活性化限界Ｋは図６（３）に示す場合に比べて図６（１）に示す場合の方が高くなり、図６（４）に示す場合に比べて図６（２）に示す場合の方が高くなる。
【００４１】
本発明による実施例では図４（Ａ）に示されるように第１の触媒２０の体積を第２の触媒２２の体積よりもかなり小さくすることによって図６（１），（２）に示されるように触媒反応活性化限界ＫをΔＫ，ΔＫ′だけ大巾に低下させるようにしている。即ち、第１の触媒２０の体積を小さくすると第１の触媒２０に対する排気ガスの接触時間が短かくなる。第１の触媒２０に対する排気ガスの接触時間が短かくなると排気ガスの流速が遅くならなければ第１の触媒２０における触媒反応が行われず、斯くして第１の触媒２０の体積を小さくすると図６（１），（２）に示されるように触媒反応活性化限界Ｋが低下することになる。
【００４２】
図７（１）および（２）に示す実線は第１の触媒２０の体積を第２の触媒２２の体積よりもかなり小さくした場合の図６（１）および（２）の拡大図を夫々示している。この場合には前述したように触媒反応活性化限界Ｋが低下する。また、図７（１）および（２）には排気ガス中の還元成分の浄化率が５０％となるラインも示されている。
【００４３】
図７（１），（２）において排気ガスの流速が触媒反応活性化限界Ｋを越えたときには排気ガス中の還元成分の酸化作用は行われず、従ってこのときには排気ガス中の還元成分は第１の触媒２０を素通りする。一方、排気ガスの流速が触媒反応活性化限界Ｋよりも低くなると排気ガス中の還元成分の酸化作用が行われる。ただしこの場合、排気ガスの流速が低くなるほど排気ガス中の還元成分の酸化作用が促進され、従って排気ガスの流速が低くなるほど排気ガス中の還元成分の浄化率が高くなる。
【００４４】
このように第２の触媒２２に比べてかなり体積の小さな第１の触媒２０を図４（Ａ）に示されるように排気マニホルド１９の各枝管内に配置するとかなりの量の排気ガス中の還元成分が第１の触媒２０を素通りし、従ってかなりの量の排気ガス中の還元成分が第２の触媒２２内に送り込まれることになる。なお、図７（１）および（２）を比較するとわかるように図７（２）に示される機関高負荷運転時の方が図７（１）に示される機関低負荷運転時に比べて第１の触媒２０を素通りする還元成分の量が増大する。
【００４５】
一方、本発明による第１実施例では第１の触媒２０による排気ガス中の還元成分の浄化率を高くすべきときには排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられる。具体的に云うと本発明による実施例ではこのとき排気制御弁２４によって排気管２３の流路面積のほぼ９５％が閉鎖され、このとき排気マニホルド１９内および排気管２１内の圧力、即ち背圧はほぼ８０ＫＰａ となる。即ち、このとき背圧は大気圧のほぼ２倍となる。
【００４６】
このように背圧が大気圧のほぼ２倍になると燃焼室５内から排気ポート１１内への排気ガスの流出速度が低下する。また背圧が大気圧のほぼ２倍になると排気ガスの密度が高くなり、従って排気通路内を流れる排気ガスの流速も低下する。即ち、このときには第１の触媒２０を通過する排気ガスの流速は図７（１）において破線で示されるように常に触媒反応活性化限界Ｋよりも低くなる。従ってこのときには排気ガス中の還元成分の大部分が第１の触媒２０において酸化せしめられ、少量の還元成分が第１の触媒２０を通り過ぎて第２の触媒２２内に流入する。
このように排気制御弁２４を全開にすると図７（１）において実線で示されるように排気ガスの流速が速くなり、排気ガス中に含まれるかなりの量の還元成分が第１の触媒２０を素通りして第２の触媒２２内に送り込まれ、排気制御弁２４をほぼ全閉せしめると図７（１）において破線で示されるように排気ガス中に含まれる大部分の還元成分が第１の触媒２０において酸化せしめられる。
【００４７】
ところで機関の運転が開始されてから暫らくの期間は通常、低負荷運転が行われ、このとき第２の触媒２２の温度は低くなっている。従ってこのときには第２の触媒２２による排気ガス中の還元成分の酸化作用、即ち未燃ＨＣ，ＣＯの浄化作用はほとんど期待できない。従って第１実施例においては機関の運転が開始されてから第２の触媒２２が活性化するまでの間において低負荷運転が行われたときには排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられる。このとき第１の触媒２０内を流れる排気ガスの流速は図７において破線で示されるように遅くなり、斯くして排気ガス中に含まれるかなりの量の未燃ＨＣ，ＣＯが第１の触媒２０において浄化せしめられる。
【００４８】
次いで第２の触媒２２が活性化すると排気制御弁２４は全開せしめられる。このときには図７（１），（２）の実線からわかるように排気ガス中に含まれるかなりの量の未燃ＨＣ，ＣＯが第１の触媒２０を素通りして第２の触媒２２内に流入する。その結果、第２の触媒２２において多量の未燃ＨＣ，ＣＯが酸化せしめられるために第２の触媒２２内において多量の酸化反応熱が発生し、斯くして第２の触媒２２は触媒反応活性化状態に保持される。図５において鎖線で囲まれた領域Ｍは、本発明による第１実施例において第２の触媒２２が通常とりうる範囲、即ち第２の触媒２２の使用領域を示している。
【００４９】
このように本発明による第１実施例では第２の触媒２２が一旦活性化すると第２の触媒２２は通常領域Ｍ内に、即ち触媒反応活性化領域Ｉ内に保持される。しかしながら減速運転が行われたり、或いは低負荷運転が一定時間以上継続したり、或いはその他の理由によって第２の触媒２２が触媒反応不活性領域ＩＩとなる場合がある。本発明による実施例ではこのような場合には排気制御弁２４をほぼ全閉し、第２の触媒２２が再び触媒反応活性化領域Ｉとなるまで第１の触媒２０によって排気ガス中の未燃成分ＨＣ，ＣＯを酸化せしめるようにしている。
【００５０】
次に図８を参照しつつ本発明による第２実施例について説明する。図８においてＴｏ，Ｋ，Ｍは図５に示されるＴｏ，Ｋ，Ｍと同じであって夫々第２の触媒２２の活性化温度、触媒反応活性化限界および通常の使用領域を示している。これに対し図８においてＲＴｏ，ＲＫおよびＮは図４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示される第１の触媒２０の活性化温度、触媒反応活性化限界および使用領域を夫々示している。また、図８においてＲＲ３０，ＲＲ５０およびＲＲ９０は第１の触媒２０による排気ガス中の還元成分の浄化率が夫々３０％，５０％，９０％である場合を示している。
【００５１】
即ち、図８からわかるように本発明による第２実施例では第１の触媒２０として第２の触媒２２よりも高い活性化温度ＲＴｏを有する触媒が用いられている。図８に示されるようにこの第１の触媒２０の触媒反応活性化限界ＲＫにおける第１の触媒２０の温度Ｔｃも第１の触媒２０内を流れる排気ガスの空間速度ＳＶが増大するほど高くなる。また、この第２実施例では第１の触媒２０の触媒反応活性化限界ＲＫが図８において第２の触媒２２の通常使用領域Ｍよりも触媒温Ｔｃについては高温側であり空間速度ＳＶについては低空間速度側に位置するように定められている。
【００５２】
この第２実施例においては第１の触媒２０において主に排気ガス中の還元成分を酸化すべきときには第１の触媒２０が図８に示す使用領域Ｎ内となるように第１の触媒２０内を流れる排気ガスの空間速度ＳＶが低くされかつ第１の触媒２０の温度Ｔｃが上昇せしめられる。具体的な一例を挙げると空間速度ＳＶの低い機関低負荷運転時において燃焼室５内に副燃料が追加噴射され、それにより燃焼室５から排出される排気ガス温を上昇させて第１の触媒２０を図８に示す使用領域Ｎ内に保持するようにしている。
【００５３】
このように副燃料を追加噴射することによって第１の触媒２０の温度Ｔｃを上昇させる場合には図９に示されるように機関出力を発生させるための主燃料Ｑｍの噴射に加え、膨張行程中に、図９に示される例では圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）６０°付近において副燃料Ｑａが追加噴射される。なおこの場合、主燃料Ｑｍの燃焼後、副燃料Ｑａを完全に燃焼せしめるのに十分な酸素が燃焼室５内に残存するように主燃料Ｑｍは空気過剰のもとで燃焼せしめられる。このように副燃料Ｑａを燃焼室５内で燃焼せしめると主燃料Ｑｍ自身および副燃料Ｑａ自身の燃焼による発熱に加え、主燃料Ｑｍの燃え残りである未燃ＨＣの燃焼熱が追加的に発生するので燃焼室５内の既燃ガス温はかなり高くなる。その結果、燃焼室５から排出される排気ガスが高くなり、斯くして第１の触媒２０は触媒反応活性化領域Ｉ内に保持されることになる。
【００５４】
なお、図２に示される成層燃焼式内燃機関において噴射された副燃料Ｑａが燃焼室５において良好に燃焼せしめられる噴射時期は図９において矢印Ｚで示される圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）ほぼ５０°からほぼ９０°の膨張行程であり、従って図２に示される成層燃焼式内燃機関においては副燃料Ｑａを圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）ほぼ５０°からほぼ９０°の膨張行程において噴射する必要がある。
【００５５】
また、燃焼室５内から排出される排気ガス温を上昇させる方法としては副燃料を追加噴射する以外にも種々の方法が存在し、例えば主噴射の噴射時期を大巾に遅らせたり、或いは吸気弁８又は排気弁１０の開閉弁時期を変化させることによって排気ガス温を上昇させることができる。
一方、この第２実施例では主に第２の触媒２２において排気ガス中の還元成分を酸化せしめる場合には排気ガス温の昇温作用、前述した具体例では副燃料の追加噴射作用が停止される。排気ガスの昇温作用が停止されると第１の触媒２０は図８において触媒反応不活性限界ＲＫよりも下方の領域となるために第１の触媒２０における排気ガス中の還元成分の酸化作用は行われなくなる。従ってこのときには排気ガス中の還元成分は第１の触媒２０を素通りして第２の触媒２２において酸化せしめられる。斯くして第２の触媒２２を触媒反応活性化領域′Ｉ内に保持することができる。
【００５６】
なお、この第２実施例においても機関始動後第２の触媒２２が活性化するまでの期間、および第２の触媒２２が活性化した後に第２の触媒２２が触媒反応不活性領域ＩＩになったときに排気ガスの昇温作用が行われる。
一方、この第２実施例では排気ガス温の上昇作用を行うことなく、排気制御弁２４をほぼ全閉にすることによっても第１の触媒２０を図８に示す使用領域Ｎに保持することができる。即ち、排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられると第１の触媒２０内を流れる排気ガスの空間速度ＳＶは低くなる。また、排気制御弁２４がほぼ全閉にされて背圧が高くなると燃焼室５内から排気ポート１１内に排気ガスが排出されたときに排気ガス圧がさほど低下せず、従って排気ガス温もさほど低下しない。斯くして排気ガス温が上昇し、その結果第１の触媒２０は使用領域Ｎ内に維持されることになる。
【００５７】
なお、副燃料を追加噴射することにより、或いは排気制御弁２４をほぼ全閉にすることにより排気ガス温を上昇させた場合に排気ガス温が使用領域Ｎ内の触媒温度Ｔｃまで上昇しなくても第１の触媒２０の温度Ｔｃが触媒反応活性化限界ＲＫよりも高くなりさえすれば第１の触媒２０を使用領域Ｎ内に保持することができる。
【００５８】
即ち、第１の触媒２０の温度Ｔｃが触媒反応活性化限界ＲＫよりも高くなれば第１の触媒２０において排気ガス中の還元成分の酸化作用が行われる。酸化作用が行われると酸化反応熱によって第１の触媒２０の温度Ｔｃが上昇し、第１の触媒２０の温度Ｔｃが上昇すれば酸化反応は更に激しくなる。その結果、第１の触媒２０の温度Ｔｃが更に上昇し、最終的には第１の触媒２０は使用領域Ｎに保持されることになる。
【００５９】
活性化温度の高い触媒としては種々の触媒が存在しており、従ってこれら触媒を第１の触媒２０として用いることができる。この場合、第２の触媒２２を活性化温度が高くなるように改変して改変された第２の触媒２２を第１の触媒２０として用いることもできる。例えば第１の触媒２０に担持されている金属触媒の担持量を第２の触媒２２に比べて低下させれば第１の触媒２０の活性は第２の触媒２２の活性よりも低くなり、斯くして第１の触媒２０の活性化温度は第２の触媒２０に比べて高くなる。
【００６０】
一方、金属担持量が同一であっても第１の触媒２０に担持されている金属触媒の粒径を大きくすると第１の触媒２０の活性は第２の触媒２２の活性よりも低くなり、斯くしてこの場合でも第１の触媒２０の活性化温度は第２の触媒２０に比べて高くなる。また、第２の触媒２０が軸線方向に延びる多数のセルを見えたハニカム構造を有する場合には単位断面積内における第１の触媒２０のセルの数を第２の触媒２２に比べて減少させると排気ガス中の還元成分が金属触媒に接触する機会が減少する。その結果、第１の触媒２０の活性は第２の触媒２２の活性よりも低くなり、斯くして第１の触媒２０の活性化温度は第２の触媒２０に比べて高くなる。
【００６１】
また、排気マニホルド１９の内壁面上に触媒層を形成し、この触媒層により第１の触媒２０を構成することができる。このように排気マニホルド１９の内壁面上に触媒層を形成すると排気ガス中の還元成分が金属触媒に接触する機会が減少する。その結果、第１の触媒２０の活性は第２の触媒２２の活性よりも低くなり、斯くして第１の触媒２０の活性化温度は第２の触媒２０に比べて高くなる。
【００６２】
また、通常金属触媒の担体として用いられているアルミナやペロブスカイト等の担体は担体の温度が高くなると、たとえ金属触媒を担持していなくても触媒の機能を果すようになる。従って第１の触媒２０として金属触媒を担持していないアルミナやペロブスカイト等の担体を用いることができる。
上述したように第１の触媒２０の活性化温度を第２の触媒２２の活性化温度よりも高くした場合において主に第１の触媒２０により排気ガス中の還元成分を酸化せしめるときには第１の触媒２０の温度Ｔｃを触媒反応活性化限界ＲＫ以上に上昇させる必要がある。この場合、本発明による実施例では排気ガスによって第１の触媒２０の温度Ｔｃを上昇させるようにしており、従って第１の触媒２０の温度Ｔｃを上昇させるためには第１の触媒２０をできるだけ温度の高い排気ガスと接触させることが好ましいことになる。排気通路内の排気ガス温は下流に行くほど低くなり、従って触媒温度Ｔｃを上昇させるという点からみると図４（Ａ）から（Ｃ）に示される実施例のうちで最も好ましいのは図４（Ａ）に示すように排気マニホルド１９の各枝管内に夫々第１の触媒２０を配置したものである。
【００６３】
これまで述べたように第１の触媒２０において主に排気ガス中の還元成分を酸化せしめる場合には排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられるか、又は副燃料の追加噴射等により排気ガス温が上昇せしめられる。この場合、無論のこと排気制御弁２４をほぼ全閉せしめると共に副燃料を追加噴射してもよい。ところがこのように排気制御弁２４をほぼ全閉せしめると共に副燃料を追加噴射すると大気中に排出される未燃ＨＣの量を大巾に低減することができる。
【００６４】
次にこのようにして大気中に排出される未燃ＨＣを低減するようにした実施例について図１０を参照しつつ説明する。なお、図１０において横軸はクランク角を示しており、ＢＴＤＣおよびＡＴＤＣは夫々上死点前および上死点後を示している。
図１０（Ａ）は主に第２の触媒２２において排気ガス中の還元成分が酸化せしめられる場合であって要求負荷ＬがＬ_１ よりも小さいときの燃料噴射時期を示している。図１０（Ａ）に示されるようにこのときには圧縮行程末期に主燃料Ｑｍのみが噴射され、このとき排気制御弁２４は全開状態に保持されている。
【００６５】
一方、図１０（Ｂ）は主に第１の触媒２０において排気ガス中の還元成分を酸化せしめる場合を示しており、この場合には排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられ、かつ機関出力を発生させるための主燃料Ｑｍの噴射に加え、膨張行程中に、図１０（Ｂ）に示される例では圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）６０°付近において副燃料Ｑａが追加噴射される。なおこの場合、主燃料Ｑｍの燃焼後、副燃料Ｑａを完全に燃焼せしめるのに十分な酸素が燃焼室５内に残存するように主燃料Ｑｍは空気過剰のもとで燃焼せしめられる。また、図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）とは機関負荷と機関回転数が同一であるときの燃料噴射期間を示しており、従って機関負荷と機関回転数が同一である場合には図１０（Ｂ）に示される場合の主燃料Ｑｍの噴射量の方が図１０（Ａ）に示される場合の主燃料Ｑｍの噴射量に比べて若干増量せしめられている。
【００６６】
図１１は第２の触媒２２が活性化していないときの機関排気通路の各位置における排気ガス中の未燃ＨＣの濃度（ｐｐｍ）の一例を示している。図１１に示す例において黒三角は排気制御弁２４を全開にした状態で図１０（Ａ）に示す如く圧縮行程末期において主燃料Ｑｍを噴射した場合の排気ポート１１出口における排気ガス中の未燃ＨＣの濃度（ｐｐｍ）を示している。この場合には排気ポート１１出口における排気ガス中の未燃ＨＣの濃度は６０００ｐｐｍ 以上の極めて高い値となる。
【００６７】
一方、図１１に示す例において黒丸および実線は排気制御弁２４をほぼ全閉とし、図１０（Ｂ）に示されるように主燃料Ｑｍおよび副燃料Ｑａを噴射した場合の排気ガス中の未燃ＨＣの濃度（ｐｐｍ）を示している。この場合には排気ポート１１出口における排気ガス中の未燃ＨＣの濃度は２０００ｐｐｍ 以下となり、排気制御弁２４の付近においては排気ガス中の未燃ＨＣの濃度は５０ｐｐｍ 以下まで減少する。従ってこの場合には大気中に排出される未燃ＨＣの量が大巾に低減せしめられることがわかる。
【００６８】
このように排気制御弁２４上流の排気通路内において未燃ＨＣが減少するのは第１の触媒２０において未燃ＨＣが酸化せしめられることに加え、第１の触媒２０下流の排気通路内において未燃ＨＣの酸化反応が促進されているからである。しかしながら図１１の黒三角で示されるように排気ポート１１出口における未燃ＨＣの量が多い場合、即ち燃焼室５内での未燃ＨＣの発生量が多い場合にはたとえ第１の触媒２０において未燃ＨＣが酸化せしめられても大気中に放出される未燃ＨＣの量は５０（ｐｐｍ）以下にはならない。即ち、第１の触媒２０において未燃ＨＣを酸化させかつ第１の触媒２０下流での未燃ＨＣの酸化反応を促進することによって大気中に排出される未燃ＨＣの量を大巾に低減しうるのは図１１の黒丸で示されるように排気ポート１１出口における未燃ＨＣの濃度が低いとき、即ち燃焼室５内での未燃ＨＣの発生量が少ないときである。
【００６９】
このように大気中に排出される未燃ＨＣの量を低減させるためには燃焼室５内での未燃ＨＣの発生量を低下させかつ排気通路内における未燃ＨＣの酸化反応を促進させるという二つの要求を同時に満たす必要がある。そこでまず初めに２番目の要求、即ち排気通路内における未燃ＨＣの酸化反応を促進させることから説明する。
【００７０】
排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられると背圧が高くなる。背圧が高くなるということは燃焼室５内から排気ポート１１内に排気ガスが排出されたときに排気ガスの圧力がさほど低下せず、従って燃焼室５から排出された排気ガス温もさほど低下しないことを意味している。従って排気ポート１１内に排出された排気ガス温はかなり高温に維持されている。一方、背圧が高いということは排気ガスの密度が高いことを意味しており、排気ガスの密度が高いということは排気ポート１１から排気制御弁２４に至る排気通路内における排気ガスの流速が遅いことを意味している。従って排気ポート１１内に排出された排気ガスは高温のもとで長時間に亘り排気制御弁２４上流の排気通路内に滞留することになる。
【００７１】
このように排気ガスが高温のもとで長時間に亘り排気制御弁２４上流の排気通路内に滞留せしめられるとその間に第１の触媒２０において未燃ＨＣの酸化反応が促進され、更に第１の触媒２０下流の排気通路内における未燃ＨＣの酸化反応が促進される。この場合、本発明者による実験によると特に第１の触媒２０下流の排気通路内における未燃ＨＣの酸化反応を促進するためには排気ポート１１出口における排気ガス温をほぼ７５０℃以上、好ましくは８００℃以上にする必要があることが判明している。
【００７２】
また、高温の排気ガスが排気制御弁２４上流の排気通路内に滞留している時間が長くなればなるほど未燃ＨＣの低減量は増大する。この滞留時間は排気制御弁２４の位置が排気ポート１１出口から離れれば離れるほど長くなり、従って排気制御弁２４は排気ポート１１出口から未燃ＨＣを十分に低減するのに必要な距離を隔てて配置する必要がある。排気制御弁２４を排気ポート１１出口から未燃ＨＣを十分に低減するのに必要な距離を隔てて配置すると図１１の実線に示されるように未燃ＨＣの濃度は大巾に低減する。なお、本発明者による実験によると未燃ＨＣを十分に低減するためには排気ポート１１出口から排気制御弁２４までの距離を１メートル以上とすることが好ましいことが判明している。
【００７３】
ところで前述したように第１の触媒２０下流の排気通路内における未燃ＨＣの酸化反応を促進するためには排気ポート１１出口における排気ガス温をほぼ７５０℃以上、好ましくは８００℃以上にする必要がある。また、大気中に排出される未燃ＨＣの量を低減するためには前述した１番目の要求を満たさなければならない。即ち燃焼室５内での未燃ＨＣの発生量を低下させる必要がある。そのためにこの実施例では機関出力を発生するための主燃料Ｑｍに加え、主燃料Ｑｍの噴射後に副燃料Ｑａを追加噴射して副燃料Ｑａを燃焼室５内で燃焼せしめるようにしている。
【００７４】
即ち、副燃料Ｑａを燃焼室５内で燃焼せしめると副燃料Ｑａの燃焼時に主燃料Ｑｍの燃え残りである多量の未燃ＨＣが燃焼せしめられる。また、この副燃料Ｑａは高温ガス中に噴射されるので副燃料Ｑａは良好に燃焼せしめられ、従って副燃料Ｑａの燃え残りである未燃ＨＣはさほど発生しなくなる。斯くして最終的に燃焼室５内で発生する未燃ＨＣの量はかなり少なくなる。
【００７５】
また、副燃料Ｑａを燃焼室５内で燃焼せしめると前述したように主燃料Ｑｍ自身および副燃料Ｑａ自身の燃焼による発熱に加え、主燃料Ｑｍの燃え残りである未燃ＨＣの燃焼熱が追加的に発生するので燃焼室５内の既燃ガス温はかなり高くなる。このように主燃料Ｑｍに加え副燃料Ｑａを追加噴射して副燃料Ｑａを燃焼させることにより燃焼室５内で発生する未燃ＨＣの量を低減しかつ排気ポート１１出口における排気ガス温を７５０℃以上、好ましくは８００℃以上にすることができる。
【００７６】
このようにこの実施例では副燃料Ｑａを燃焼室５内で燃焼せしめる必要があり、そのためには副燃料Ｑａの燃焼時に燃焼室５内に十分な酸素が残存していることが必要であり、しかも噴射された副燃料Ｑａが燃焼室５内で良好に燃焼せしめられる時期に副燃料Ｑａを噴射する必要がある。
そこでこの実施例では副燃料Ｑａの燃焼時に燃焼室５内に十分な酸素が残存しうるように主燃料Ｑｍは空気過剰のもとで燃焼せしめられる。また、図２に示される成層燃焼式内燃機関において噴射された副燃料Ｑａが燃焼室５において良好に燃焼せしめられる噴射時期は前述したように図１０において矢印Ｚで示される圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）ほぼ５０°からほぼ９０°の膨張行程であり、従って図２に示される成層燃焼式内燃機関においては副燃料Ｑａは圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）ほぼ５０°からほぼ９０°の膨張行程において噴射される。なお、圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）ほぼ５０°からほぼ９０°の膨張行程において噴射された副燃料Ｑａは機関の出力の発生には寄与しない。
【００７７】
ところで本発明者による実験によると図２に示される成層燃焼式内燃機関では副燃料Ｑａが圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）６０°付近において噴射されたときに大気中に排出される未燃ＨＣの量は最も少なくなる。従ってこの実施例では図１０（Ｂ）に示されるように副燃料Ｑａの噴射時期はほぼ圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）６０°付近とされる。
【００７８】
副燃料Ｑａの最適な噴射時期は機関の型式によって異なり、例えばディーゼル機関では副燃料Ｑａの最適な噴射時期は膨張行程中か又は排気行程中となる。従って本発明では副燃料Ｑａの燃料噴射は膨張行程中又は排気行程中に行われる。一方、燃焼室５内の既燃ガス温は主燃料Ｑｍの燃焼熱と副燃料Ｑａの燃焼熱の双方の影響を受ける。即ち、燃焼室５内の既燃ガス温は主燃料Ｑｍの噴射量が増大するほど高くなり、副燃料Ｑａの噴射量が増大するほど高くなる。更に、燃焼室５内の既燃ガス温は背圧の影響を受ける。即ち、背圧が高くなるほど燃焼室５から既燃ガスが流出しにくくなるために燃焼室５内に残留する既燃ガス量が多くなり、斯くして排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられると燃焼室５内の既燃ガス温が上昇せしめられる。
【００７９】
ところで排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられ、それによって背圧が高くなると機関の発生トルクが最適な要求発生トルクに対して減少する。そこでこの実施例では図１０（Ｂ）に示されるように排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられたときには図１０（Ａ）に示されるように同一の機関運転状態のもとで排気制御弁２４が全開せしめられた場合の機関の要求発生トルクに近づくように同一の機関運転状態のもとで排気制御弁２４が全開せしめられた場合に比べて主燃料Ｑｍの噴射量が増量せしめられる。なお、この実施例では排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられたときにはそのときの機関の発生トルクが同一の機関運転状態のもとで排気制御弁２４が全開せしめられた場合の機関の要求発生トルクに一致するように主燃料Ｑｍが増量される。
【００８０】
図１２は要求負荷Ｌに対して機関の要求発生トルクを得るのに必要な主燃料Ｑｍの変化を示している。なお、図１２において実線は排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられた場合を示しており、破線は排気制御弁２４が全開せしめられた場合を示している。
一方、図１３は排気制御弁２４をほぼ全閉せしめた場合において排気ポート１１出口における排気ガス温をほぼ７５０℃からほぼ８００℃にするのに必要な主燃料Ｑｍと副燃料Ｑａの関係を示している。前述したように主燃料Ｑｍを増量しても燃焼室５内の既燃ガス温は高くなり、副燃料Ｑａを増量しても燃焼室５内の既燃ガス温は高くなる。従って排気ポート１１出口における排気ガス温をほぼ７５０℃からほぼ８００℃にするのに必要な主燃料Ｑｍと副燃料Ｑａとの関係は図１３に示されるように主燃料Ｑｍを増大すれば副燃料Ｑａは減少し、主燃料Ｑｍを減少すれば副燃料Ｑａは増大する関係となる。
【００８１】
ただし、主燃料Ｑｍおよび副燃料Ｑａを同一量増大した場合には副燃料Ｑａを増量した場合の方が主燃料Ｑｍを増量した場合に比べて燃焼室５内の温度上昇量がはるかに大きくなる。従って燃料消費量の低減という観点からなると副燃料Ｑａを増大させることによって燃焼室５内の既燃ガス温を上昇させることが好ましいと言える。
【００８２】
従ってこの実施例では排気制御弁２４をほぼ全閉せしめたときに機関の発生トルクを要求発生トルクまで上昇させるのに必要な分だけ主燃料Ｑｍを増量し、主として副燃料Ｑａの燃焼熱によって燃焼室５内の既燃ガス温を上昇させるようにしている。
このように排気制御弁２４をほぼ全閉せしめ、排気ポート１１出口における排気ガスをほぼ７５０℃以上、好ましくはほぼ８００℃以上とするのに必要な量の副燃料Ｑａを噴射すると排気ポート１１から排気制御弁２４に至る排気通路内において未燃ＨＣの濃度を大巾に減少することができる。このとき排気ポート１１から排気制御弁２４に至る排気通路内において図１１に示されるように未燃ＨＣの濃度を５００ｐ．ｐ．ｍ 以下まで低下させるには排気制御弁２４上流の排気通路内の圧力をケージ圧でもってほぼ８０ＫＰａ 以上にする必要がある。このときの排気制御弁２４による排気通路断面積の閉鎖割合はほぼ９５パーセント以上である。従ってこの実施例では大気中への未燃ガスの排出量を大巾に低減すべきときには背圧がほぼ８０ＫＰａ となるように圧力センサ３３の出力信号に基づいて排気制御弁２４の開度がフィードバック制御される。
【００８３】
この実施例では機関始動後第２の触媒２２が活性化するまでの間、および第２の触媒２２が一旦活性化した後例えば低負荷運転が一定時間以上継続して第２の触媒２２が不活性状態となったときに排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられ、副燃料Ｑａが追加噴射される。
図１４は機関始動後第２の触媒２２が活性化するまでの間における主燃料Ｑｍの変化の一例および排気制御弁２４の開度を示している。なお、図１４において実線Ｘは排気制御弁２４をほぼ全閉にした場合の最適な主燃料Ｑｍの噴射量を示しており、破線Ｙは排気制御弁２４を全開にした場合の最適な主燃料Ｑｍの噴射量を示している。図１４からわかるように機関始動および暖機運転時には排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられ、同一の機関運転状態のもとで排気制御弁２４が全開せしめられた場合の最適な主燃料Ｑｍの噴射量Ｙよりも主燃料Ｑｍの噴射量Ｘが増量せしめられ、更に副燃料Ｑａが追加噴射される。
【００８４】
図１５は機関低負荷時における主燃料Ｑｍの変化の一例および排気制御弁２４の開度を示している。なお、図１５において実線Ｘは排気制御弁２４をほぼ全閉にした場合の最適な主燃料Ｑｍの噴射量を示しており、破線Ｙは排気制御弁２４を全開にした場合の最適な主燃料Ｑｍの噴射量を示している。図１５からわかるように機関低負荷運転が一定時間ｔｏ以上継続すると排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられ、同一の機関運転状態のもとで排気制御弁２４が全開せしめられた場合の最適な主燃料Ｑｍの噴射量Ｙよりも主燃料Ｑｍの噴射量Ｘが増量せしめられ、更に副燃料Ｑａが追加噴射される。
【００８５】
前述したように本発明による実施例では主に第１の触媒２０において排気ガス中の還元成分を酸化すべきときには排気制御弁２４がほぼ閉弁せしめられるか、又は副燃料の追加噴射等により排気ガスが上昇せしめられるか、又は排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられかつ副燃料の追加噴射等により排気ガス温が上昇せしめられる。図１６は代表例として、第１の触媒２０およびその下流において排気ガス中の還元成分を酸化すべきときに排気制御弁２４をほぼ全閉としかつ副燃料を追加噴射するようにした場合の運転制御ルーチンを示している。
【００８６】
図１６を参照するとまず初めにステップ１００において第２の触媒２２が活性化したことを示す暖機完了フラグがセットされているか否かが判別される。暖機完了フラグがセットされていないとき、即ち第２の触媒２２が活性化していないときにはステップ１０１に進んで排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられる。このとき排気制御弁２４の開度は圧力センサ３３の出力信号に基づいて背圧が８０ＫＰａ となるようにフィードバック制御される。次いでステップ１０２では主燃料Ｑｍの噴射量が図１４に示されるＸとなるように制御される。次いでステップ１０３では副燃料Ｑａの噴射制御が行われる。次いでステップ１０４では温度センサ３４の出力信号に基づいて第２の触媒２２の温度Ｔｃが活性化温度Ｔ２、例えば２５０℃を越えたか否かが判別され、Ｔｃ＞Ｔ２となったときにはステップ１０５に進んで暖機完了フラグがセットされる。
【００８７】
暖機完了フラグがセットされると、即ち第２の触媒２２が活性化するとステップ１００からステップ１０６に進んで第１の触媒２２を昇温すべきときにセットされる昇温フラグがセットされているか否かが判別される。昇温フラグがセットされていないときにはステップ１０７に進んで機関負荷が予め定められた負荷以下である低負荷運転状態となってからの経過時間ｔｉが予め定められた一定時間ｔｏ、例えば１２０秒を越えたか否かが判別される。ｔｉ＞ｔｏになったときには第２の触媒２２が不活性状態になったと判断され、このときにはステップ１０９に進んで昇温フラグがセットされる。次いでステップ１１２に進む。
【００８８】
これに対して低負荷運転時でないとき、又は低負荷運転時であってもｔｉ≦ｔｏのときにはステップ１０８に進んで第２の触媒２２の温度Ｔｃが触媒の活性を失なう不活性温度Ｔ１、例えば２００℃よりも低くかつ機関回転数Ｎが予め定められた回転数Ｎ１、例えば９００ｒ．ｐ．ｍ．よりも低いか否かが判別される。ｔｃ≧Ｔ１又はＮ≧Ｎ１のときにはステップ１１２にジャンプし、ｔｃ＜Ｔ１でかつＮ＜Ｎ１になるとステップ１０９に進んで昇温フラグがセットされる。次いでステップ１１２に進む。
【００８９】
昇温フラグがセットされるとステップ１０６からステップ１１０に進んで第２の触媒２２の温度Ｔｃが活性化温度Ｔ２、例えば２５０℃以上になったか又は機関回転数Ｎが予め定められた回転数Ｎ２、例えば１０００r.p.m.以上になったか否かが判別される。Ｔｃ≦Ｔ２でかつＮ≦Ｎ２のときにはステップ１１２にジャンプする。これに対してＴｃ＞Ｔ２又はＮ＞Ｎ２になるとステップ１１１に進んで昇温フラグがリセットされ、次いでステップ１１２に進む。
【００９０】
ステップ１１２では昇温フラグがセットされているか否かが判別される。昇温フラグがセットされていないときにはステップ１１３に進んで排気制御弁２４が全開せしめられ、次いでステップ１１４に進んで主燃料Ｑｍの噴射制御が行われる。このとき副燃料Ｑａの噴射は行われない。これに対し昇温フラグがセットされているときにはステップ１１５に進んで排気制御弁２４がほぼ全閉せしめられる。このとき排気制御弁２４の開度は圧力センサ３３の出力信号に基づいて背圧が８０ＫＰａ となるようにフィードバック制御される。次いでステップ１１６では主燃料Ｑｍの噴射量が図１５に示されるＸとなるように制御される。次いでステップ１１７では副燃料Ｑａの噴射制御が行われる。
【００９１】
【発明の効果】
第１の触媒において排気ガス中の多量の還元成分を酸化すべきときには多量の還元成分を第１の触媒において酸化せしめることができ、第２の触媒が多量の還元成分を必要とするときは第１の触媒により酸化せしめられる還元成分を低減することにより第２の触媒に必要な量の還元成分を送り込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】燃焼室の側面断面図である。
【図３】噴射量、噴射時期および空燃比を示す図である。
【図４】第１の触媒の配置に関する種々の実施例を示す図である。
【図５】触媒反応活性化領域を示す図である。
【図６】排気ガスの流速変化を示す図である。
【図７】排気ガスの流速変化を示す図である。
【図８】触媒反応活性化領域を示す図である。
【図９】噴射時期を示す図である。
【図１０】噴射時期を示す図である。
【図１１】未燃ＨＣの濃度を示す図である。
【図１２】主燃料の噴射量を示す図である。
【図１３】主燃料の噴射量と副燃料の噴射量との関係を示す図である。
【図１４】主燃料の噴射量と排気制御弁の開度を示す図である。
【図１５】主燃料の噴射量と排気制御弁の開度を示す図である。
【図１６】運転制御を行うためのフローチャートである。
【符号の説明】
１９…排気マニホルド
２０…第１の触媒
２２…第２の触媒
２４…排気制御弁

Claims (14)

1. 機関排気通路内に第１の触媒を配置すると共に第１の触媒下流の機関排気通路内に第２の触媒を配置し、該第１の触媒として該第２の触媒よりも活性化温度の高い触媒が用いられており、排気ガス中の還元成分を第１の触媒で主に酸化させるべき機関の運転状態であるか或いは排気ガス中の還元成分を第２の触媒で主に酸化させるべき機関の運転状態であるかを判断する判断手段と、排気ガス中の還元成分を第１の触媒で主に酸化させるべき機関の運転状態であると判断されたときには第１の触媒における排気ガス中の還元成分の酸化割合を増大させると共に、排気ガス中の還元成分を第２の触媒で主に酸化させるべき機関の運転状態であると判断されたときには第１の触媒における排気ガス中の還元成分の酸化割合を減少させる酸化割合制御手段とを具備し、該酸化割合制御手段は、排気ガス中の還元成分を第１の触媒で主に酸化させるべき機関の運転状態であると判断されたときに機関排気通路内の背圧又は機関から排出される排気ガス温の少くとも一方を上昇させる内燃機関の排気浄化装置。
2. 機関排気通路が各気筒に夫々連結された複数個の排気枝通路と、各排気枝通路に連結された共通の排気通路からなり、第１の触媒が夫々各排気枝通路内に配置され、第２の触媒が共通の排気通路内に配置されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 気筒を少くとも一対の気筒群に分割し、機関排気通路が、気筒群毎に設けられかつ各気筒群に対して共通の排気枝通路と、これら共通の排気枝通路に連結された共通の排気通路からなり、第１の触媒が夫々各共通の排気枝通路内に設けられ、第２の触媒が共通の排気通路内に配置されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 機関排気通路が各気筒に共通の排気通路を有し、第１の触媒および第２の触媒が共通の排気通路内に配置されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 上記酸化割合制御手段は、排気ガス中の還元成分を第１の触媒で主に酸化させるべき機関の運転状態であると判断されたときに機関排気通路内の背圧を上昇させると共に機関から排出される排気ガス温を上昇させる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 上記第１の触媒として、機関負荷が予め定められた負荷よりも低いときに上記酸化割合制御手段により機関の排気通路内の背圧又は機関から排出される排気ガス温の少くとも一方が上昇せしめられたときには活性化しかつ機関負荷が予め定められた負荷よりも低いときに上記酸化割合制御手段による機関の排気通路内の背圧の上昇作用および機関から排出される排気ガス温の上昇作用が行われないときには活性化しない触媒が用いられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 第２の触媒下流の機関排気通路内に排気制御弁が配置され、上記酸化割合制御手段は排気制御弁をほぼ全閉にすることによって機関排気通路内の背圧を上昇させる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 機関出力を発生するために燃焼室内に噴射された主燃料を空気過剰のもとで燃焼させることに加え副燃料を副燃料が燃焼しうる膨張行程中又は排気行程中の予め定められた時期に燃焼室内に追加噴射することによって機関から排出される排気ガス温が上昇せしめられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 上記判断手段は、機関始動後予め定められた期間が経過するまで排気ガス中の還元成分を第１の触媒で主に酸化させるべき機関の運転状態であると判断する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 上記予め定められた期間は第２の触媒が活性化するまでの期間である請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 上記判断手段は、第２の触媒を活性化した状態に維持することができないと判断されたときに排気ガス中の還元成分を第１の触媒で主に酸化させるべき機関の運転状態であると判断する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 機関低負荷運転が予め定められた期間継続したときには第２の触媒 を活性化した状態に維持することができないと判断される請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
13. 上記判断手段は、第２の触媒が不活性となったときに排気ガス中の還元成分を第１の触媒で主に酸化させるべき機関の運転状態であると判断する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
14. 上記判断手段は、第２の触媒が不活性となりかつ機関回転数が予め定められた回転数以下のときに排気ガス中の還元成分を第１の触媒で主に酸化させるべき機関の運転状態であると判断する請求項１３に記載の内燃機関の排気浄化装置。

Images