CN100462534C

CN100462534C - 柴油机

Info

Publication number: CN100462534C
Application number: CNB200580033450XA
Authority: CN
Inventors: 石川直也; 岛崎直基
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2025-09-28
Also published as: CN101035976A

Abstract

本发明提供一种柴油机，具备：凹设于活塞(4)的顶部的凹形的空腔(11)；向空腔(11)喷射燃料的燃料喷射机构(9)；将排气的一部分回流到燃烧室内的排气回流机构(19)；控制燃料喷射机构(9)的燃料喷射时间以及排气回流机构(19)的 EGR 率或 EGR 量的控制装置(26)，控制装置(26)在发动机的运转状态在规定的运转区域时，将燃料喷射机构(9)的燃料喷射时间控制成：在活塞(4)的压缩上死点之前结束燃料的喷射，并且所喷射的燃料全部进入空腔(11)内；并且将排气回流机构(19)的EGR率或EGR量控制成：通过燃料喷射机构(9)喷射的燃料在燃料喷射结束后，在活塞(4)的压缩上死点附近点火；以实现预混合燃烧。由此，可以实现良好的预混合燃烧，并且即使在转换成扩散燃烧的情况下也可以确保良好的燃烧。

Description

柴油机

技术领域

本发明涉及一种在规定的运行区域实现预混合燃烧的柴油机。

背景技术

在向气缸内直接喷射燃料的柴油机中，通常在气缸内达到高温·高压的活塞的压缩上死点附近喷射燃料。这种情况下，在燃料的喷射中开始点火并形成火焰，并通过向该火焰供给后续的燃料而持续燃烧。这样，在燃料的喷射中开始点火的燃烧方式通常被称为扩散燃烧，但在该扩散燃烧中产生NOx或烟等的问题被指出。

因此在近年，提出以下方案：实现被称为预混合燃烧的燃烧方式，所谓预混合燃烧为，使燃料的喷射时刻比活塞的压缩上死点早，并在燃料喷射结束后点燃预混合气(参照特开2003-83119号公报、特开2002-227650号公报)。

在预混合燃烧中，由于在燃料喷射结束后，经过一定程度的时间再点燃预混合气，因此在点火之前预混合气被充分地稀薄·均一化。因此，局部的燃烧温度下降且NOx的排出量降低，并且由于可以回避在空气不足状态下的燃烧，因此也抑制烟的产生。

但是，由于在预混合燃烧中在活塞位置较低时喷射燃料，因此当要在以实现扩散燃烧为前提设计的通常的柴油机中实现预混合燃烧时，可能使喷射的燃料附着在气缸的侧壁、或者碰撞活塞的顶部而弹回的燃料附着在气缸盖的下面，导致未燃HC的产生。

因此，提出如下方案：如图7所示，在实现预混合燃烧的柴油机中，使形成在活塞P的顶部的空腔CA成为朝向开口部(最上端)扩大的开放型，并且使喷嘴I的燃料喷射角度α比通常的小(参照特开2003-83119号公报、特开2002-227650号公报)。这样，由于喷射的燃料F进入空腔CA内，不附着于气缸CL的侧壁或气缸盖CH的下面，因此可以抑制未燃HC的产生。

但是，在这种使用了开放型空腔CA和小喷射角度α的喷嘴I的柴油机中，存在以下问题。

1)由于空腔CA为开放型，因此难以将形成在空腔CA内的涡流(swirl)保持在空腔CA内。其结果，预混合气的混合的稀薄·均一化可能变得不充分，并导致输出功率的降低以及排气的恶化。

2)由于当在燃料喷射量多的高负载区域实现预混合燃烧时，可能发生爆燃，因此在高负载区域需要转换成扩散燃烧，但由于喷嘴I的喷射角度α小，所以当在为了实现扩散燃烧的活塞P的压缩上死点附近喷射燃料时，所喷射的燃料与空腔CA的底面(中央侧)碰撞，并产生烟。也就是说，使用了开放型空腔CA和小喷射角度α的喷嘴I的柴油机被设计为重视预混合燃烧，并将实现扩散燃烧作为课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种柴油机，能够实现良好的预混合燃烧，并且即使在转换到扩散燃烧的情况下也能确保良好的燃烧。

为了达到上述目的，技术方案1的柴油机为，具备：凹形(reentrant)的空腔，凹设于活塞顶部，且为了将涡流保持在内部，该空腔上部的开口部收缩、并且在该空腔的底部中央形成有向上方隆起的凸部；燃料喷射机构，向上述空腔喷射燃料，且喷射角度被设定在140°～165°的范围内，以便在活塞的压缩上死点附近喷射燃料时，该燃料到达比上述空腔的凸部靠径向外侧的内壁；排气回流机构，将排气的一部分回流到燃烧室内；以及控制装置，控制上述燃料喷射机构的燃料喷射时间、以及上述排气回流机构的EGR率；上述控制装置，在发动机的运转状态处于低负载区域时，通过上述燃料喷射机构在14°～30°BTDC的范围内开始燃料的喷射，使该喷射的燃料与上述空腔上部的开口部碰撞而导入该空腔内，并且在活塞的压缩上死点之前结束该燃料的喷射，另一方面，以50％以上的EGR率来进行上述排气回流机构的排气回流，通过上述空腔内的涡流对该回流的排气、进气以及导入上述空腔内的燃料进行了预混合之后，在活塞的压缩上死点附近压缩点火而进行预混合燃烧。

技术方案2的柴油机为，上述控制装置在发动机的运转状态处于中、高负载区域时，将上述燃料喷射机构的燃料喷射时间控制在活塞的压缩上死点附近，以实现扩散燃烧。

技术方案3的柴油机为，上述技术方案1或2所述的柴油机，还具备排气后处理装置和添加剂残余量检测机构，排气后处理装置具有：设置在排气通路中的催化剂；添加剂添加机构，用于在该催化剂的上游侧，将添加剂添加到在上述排气通路流过的排气中；以及添加剂收容机构，用于存放供给该添加剂添加机构的添加剂，添加剂残余量检测机构用于检测存放在上述添加剂收容机构的添加剂的量，上述控制装置在上述添加剂残余量检测机构的检测值为第1规定值以下时，即使发动机的运转状态处于中、高负载区域，也实现上述预混合燃烧。

技术方案4的柴油机为，上述控制装置在上述添加剂残余量检测机构的检测值为第1规定值以下时，将根据发动机转速和油门开度决定的要求转矩，限制在上述低负载区域的最大要求转矩以下。

技术方案5的柴油机为，上述控制装置在上述添加剂残余量检测机构的检测值为第1规定值以下时，将根据发动机转速和油门开度决定的燃料喷射量，限制在上述低负载区域的最大燃料喷射量以下。

技术方案6的柴油机为，还具备可通过上述控制装置动作的警告机构，当上述添加剂残余量检测机构的检测值成为被设定为上述第1规定值以上的值的第2规定值以下时，上述控制装置使上述警告机构动作。

技术方案7的柴油机为，上述排气后处理装置的催化剂为选择接触还原催化剂，上述添加剂为氨水溶液、尿素水溶液或液态氨。

根据本发明，可实现良好的预混合燃烧，并且即使在转换为扩散燃烧的情况下，也可确保良好的燃烧。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的柴油机的概略图。

图2是决定混合燃烧和扩散燃烧的转换线的点火控制曲线图(MAP图)。

图3a是表示从喷嘴喷射燃料之前的活塞的位置的图。

图3b是从图3(a)经过了规定时间的图，是表示从喷嘴喷射的燃料与活塞的关系的图。

图3c是从图3(b)经过了规定时间的图，是表示从喷嘴喷射的燃料与活塞的关系的图。

图4是用于决定燃料的喷射开始时间和喷射量的MAP图。

图5是表示本发明的一个实施方式的柴油机、和开放型发动机中、平均有效压力Pmi、THC排出量、烟排出量的测定结果的曲线图。

图6是表示在本发明的一个实施方式的柴油机中对燃料喷射开始时间进行三种设定，且在各喷射开始时间使EGR率在大约40～60％之间变化时的、THC排出量、NOx排出量、烟排出量、净平均有效压力BMEP的测定结果的曲线图。

图7是表示开放型发动机的概略的图。

图8是ECU(控制装置)实行的控制流程图。

图9a是根据在通常状态下的、发动机转速和油门开度决定了要求转矩的MAP图的概略图。

图9b是根据在由图8的步骤S5变更了满负载特性后的状态下的、发动机转速和油门开度决定了要求转矩的MAP图的概略图。

具体实施方式

以下，根据附图详细说明本发明的优选实施方式。

图1是本实施方式的柴油机(以下，只称为发动机)的概略图。另外，在图1中只表示一个气缸，当然也可以是多个气缸。

图中，1为发动机主体，其由气缸2、气缸盖3、活塞4、进气口5、排气口6、进气阀7、排气阀8、喷嘴9(燃料喷射机构)等构成。在由气缸2、气缸盖3和活塞4围成的空间中形成燃烧室10。在活塞4的顶部凹设有空腔11，从面向燃烧室10内设置的喷嘴9向空腔11直接喷射燃料。

本实施方式的发动机的空腔11以及喷嘴9与以实现扩散燃烧为前提设计的通常的柴油机的相同。

进行具体说明，本实施方式的空腔11为如图3a所示的凹形的空腔，垂直于活塞4的轴向的面积最大的部分，位于比活塞4的上端部(在本实施方式中垂直于活塞4的轴向的面积最小的部分)靠下侧，并且在其底部中央形成有向上方隆起的凸部11a。喷嘴9与气缸2大致同轴地配置，并从多个喷孔以喷射角度β(参照图3(c))喷射燃料。喷嘴9的喷射角度β与通常的(实现扩散燃烧)发动机的喷射角度相等，在本实施方式中被设定在140°～165°的范围内。

返回图1，喷嘴9与共轨24连接，储存在该共轨24的高压燃料被常时供给喷嘴9。向共轨24的燃料加压输送由高压供给泵25进行。进气口5和排气口6分别与进气管12和排气管13连接。

本实施方式的发动机还具备EGR装置19(排气回流机构)，将排气管13内的排气的一部分回流到燃烧室10内。

EGR装置19具备：连接进气管12和排气管13的EGR通道20；EGR阀21，用于改变EGR通道20的通道面积地调节进气的EGR率以及EGR量；在EGR阀21的上游侧冷却EGR气体(排气)的EGR冷却器22。通过增大EGR阀21的阀开度，可以增加进气的EGR率以及EGR量，相反通过减小EGR阀21的阀开度，可以降低进气的EGR率以及EGR量。

在进气管12中设置有进气节流阀23，用于在与EGR管20的连接部的更上游侧，适当节流吸入空气。也可通过开关该进气节流阀23，对进气全体中的吸入空气(新气)的量或比例进行调节地调节EGR率。即，通过使进气节流阀23的阀开度变大，可增加吸入空气量(比例)，并使进气的EGR率以及EGR量降低，相反，通过使进气节流阀23的阀开度变小，可减少吸入空气量并使进气的EGR率以及EGR量增加。

设置用于对该发动机进行电子控制的电子控制单元(以下称为ECU)26。ECU26(控制装置)从各种传感器类读取发动机的运转状态，并根据该发动机运转状态控制喷嘴9、EGR阀21和进气节流阀23等。作为上述传感器类，包括：用于检测油门开度的油门开度传感器14；用于检测发动机的曲轴(未图示)的相位、即曲轴转角的曲轴转角传感器16；用于检测共轨24内的燃料压力的共轨压传感器17等，ECU26根据该各传感器的输出信号决定实际的油门开度、曲轴转角、共轨压等。另外，ECU26根据油门开度值决定发动机的负载(要求转矩)，并且计算相对于时间的曲轴转角的增加比例并决定发动机的转速NE。

喷嘴9由ECU26开启/关闭，由此喷嘴9的燃料喷射被实行/停止。ECU26根据由上述传感器类检测的表示发动机运转状态的参数、尤其是发动机转速NE和油门开度决定要求转矩，并根据该要求转矩决定燃料喷射量Q以及喷射时间的目标值，如果实际的曲轴转角达到目标喷射时间，则从此时开始仅在目标喷射量相当的时间内对喷嘴9进行通电(开启)。由此，可进行根据实际的发动机运转状态的燃料喷射控制。另外，目标喷射量和目标喷射时间通过实机试验等预先决定，该值以MAP图形式存储在ECU26内的存储器中。

另外，还实行共轨压即喷射压力的反馈控制。即，ECU26根据由上述传感器类检测的表示发动机运转状态的参数、尤其是发动机转速NE和要求转矩(发动机负载)，决定共轨压的目标值，并控制未图示的调量阀的开度地控制从高压供给泵25向共轨24的燃料供给量，以便使实际的共轨压接近该目标值。

本实施方式的发动机在规定的运转区域中实现如“背景技术”部分所说明的预混合燃烧。进行具体说明，如图2所示，根据由发动机转速NE和燃料喷射量Q所决定的发动机的运转状态，将用于转换预混合燃烧和扩散燃烧的转换线A预先输入ECU26，ECU26根据由上述传感器类的检测值决定的发动机的运转状态(发动机转速NE和燃料喷射量Q)，控制喷嘴9、EGR阀21、进气节流阀23，以便实现预混合燃烧和扩散燃烧中的任意一种燃烧方式。如上所述，由于燃料喷射量Q是根据要求转矩决定的，因此也可以说发动机的运转状态是根据发动机转速NE和要求转矩决定的。根据图2可知，在本实施方式的发动机中，在燃料喷射量Q较少(要求转矩较小)的低负载区域实现预混合燃烧，并在燃料喷射量Q较多(要求转矩较大)的中/高负载区域实现扩散燃烧。

如此本实施方式的发动机，使用凹形的空腔11和具有通常的喷射角度β的喷嘴9实现预混合燃烧。以下，说明本实施方式的发动机的预混合燃烧的实现方法。

在实现预混合燃烧的运转区域中，ECU26将喷嘴9的燃料的喷射开始时间控制成如下喷射开始时间：在活塞4到达压缩上死点之前结束燃料的喷射，并且所喷射的燃料全部进入空腔11内。这样的喷射开始时间例如为上死点之前5～35°的范围。即，为了实现预混合燃烧的燃料的喷射时间，比压缩上死点具有提前角，但是将该提前角范围限制在所喷射的燃料全部进入空腔11内的范围。

这里，利用图3具体说明燃料全部进入空腔11内的喷射开始时间。

图3(a)表示燃料的喷射开始时(对喷嘴9的通电开始时)的状态，在该时刻活塞4位于压缩上死点的下方，燃料不从喷嘴9喷射。之后，如图3(b)所示，伴随时间的推移活塞4上升，燃料F开始从喷嘴9向径向外侧飞散。但是，在该时刻燃料F没有到达活塞4的空腔11。并且，如图3c所示，在燃料的喷射开始后、经过了规定时间时，燃料F碰撞空腔11的侧壁上部。这时，如果燃料F的碰撞位置正确，则如图示那样，喷射的全部燃料F流入空腔11内侧。这样，全部燃料F被供给到空腔11内侧的喷射时间，是在本实施方式中所设定的喷射时间。相反地，碰撞了空腔11的燃料的一部分向上方反弹并附着在气缸盖3的下面的喷射时间，在本实施方式中没有设定。另外，在燃料的喷射全部结束的时刻，活塞4位于压缩上死点的下方。

由于燃料F的适当的碰撞位置由空腔11的形状和喷嘴9的喷射角度β等决定，因此根据该适当的碰撞位置和活塞行程等，预先对每个发动机的运转状态求出适当的喷射开始时间，并预先作为MAP图存储到ECU26中。

图4是具体表示用于决定燃料的喷射开始时间和喷射量的MAP图。横轴为发动机转速(rpm)，纵轴为燃料喷射量(mm³/st)，比转换线A更靠近低负载侧(下侧)为实现预混合燃烧的区域。并且，在实用上，由于除了切断燃料时等之外燃料喷射量不可能为0，所以使用与空转相当的燃料喷射量(在本实施方式中5mm³/st)以上的区域。根据图可知，在实现预混合燃烧的区域中，燃烧喷射时间设定在上死点之前5°～35°的范围内，随着发动机转速以及燃料喷射量(相当于发动机负载)增大，具有提前的倾向。并且，在发动机转速稳定的情况下，负载越增大喷射时间越提前。这是因为随着喷射量的增大需要增大预混合时间。另一方面，在燃料喷射量稳定的情况下，转速越高喷射时间越提前。这是因为随着转速的增大活塞速度也增加，为了确保预混合时间需要更早地开始喷射。

但是，在使用了一般的喷射角度β(140°～165°的范围内)的喷嘴9的本实施方式的发动机中，燃料的喷射开始时间可提前的范围，当然变得比减小了喷射角度的发动机(参照图7)的小。因此，在本实施方式的发动机中，在燃料室10内的压力以及温度较高(与喷射角度减小的发动机比较)的状态下进行燃料喷射。由此，预混合气在活塞的压缩上死点之前点火，可能不能使预混合气充分地稀薄·均一化。

因此，本实施方式的发动机在实现预混合燃烧时，实行与EGR装置19相比较多量的EGR，从而回避该问题。

即，在实现预混合燃烧的运转区域中，ECU26将EGR装置19决定的预混合气的EGR率或EGR量控制成如下的EGR率或EGR量：由喷嘴9喷射的燃料在燃料喷射结束后、在活塞4的压缩上死点附近点火。也就是说，通过由EGR使预混合气的空气浓度降低，来充分地确保预混合时间，并实现点火时间的准确化。在本实施方式中，对每个发动机运转状态决定的EGR阀21以及进气节流阀23的适当阀开度的MAP图，被预先输入ECU26，ECU26根据该MAP图控制EGR阀21以及进气节流阀23，并控制预混合气的EGR率或EGR量。在本实施方式中，在实现预混合燃烧的运转区域中，设定EGR阀21以及进气节流阀23的阀开度MAP图，以便使预混合气的EGR率为50％以上。

这样，通过由EGR装置19实行较多量的EGR并使预混合气的氧浓度降低，可以充分地确保预混合时间并促进预混合气的稀薄·均一化。因此，在不能使燃料的喷射开始时间极端提前的本实施方式的发动机中，可使预混合燃烧良好地实现。并且，由于调节EGR率或EGR量地将预混合气的点火时间控制在适当的时间(活塞的压缩上死点附近)，因此燃料消耗率以及输出也提高。而且，通过实行多量的EGR地使预混合气的氧浓度降低，可以降低排气中的NOx。

图5表示在本实施方式的发动机、和使用了图7所示的开放型空腔CA以及小喷射角度α的喷嘴I的发动机(以下，称为开放型发动机)中，平均有效压力Pmi、THC(总碳氢化合物)排出量、烟排出量的测定结果的一例。

图的横轴是燃料的喷射开始时间(ATDC)，图中连接方形点的线表示本实施方式的发动机、连接三角形点的线表示开放型发动机的测定结果。另外，连接菱形点的线表示作为参考的进行扩散燃烧的通常柴油机的测定结果。

根据图可知，本实施方式的发动机为，平均有效压力Pmi(相当于发动机输出)在所有喷射开始时间都超过开放型发动机。

并且，关于THC以及烟排出量，在所有喷射开始时间与开放型发动机相同或在其以下。应特别指出的点为，本实施方式的发动机在长的喷射开始时间内烟排出量小。这就意味着喷射开始时间的设定的自由度高。也就是说，在开放型发动机中，由于烟排出量小的喷射开始时间的范围小(在该例中大约-26°～大约-18ATDC)，因此喷射开始时间的设定可能范围就小，但在本实施方式的发动机中，由于烟排出量小的喷射开始时间的范围大(在该例中大约-30°～大约-14°ATDC)，因此可以将喷射开始时间在该大范围内自由设定。

这样，本实施方式的发动机与开放型发动机相比，输出和排气都优良的理由，可以推测为凹形的空腔11的效果。也就是说，在凹形的空腔11中，由于可将燃烧几乎全部在空腔11内进行，因此导致输出的提高。并且，由于凹形的空腔11可以积极地将在空腔11内形成的涡流保持在空腔11内，因此可以使预混合气的混合实现更充分的稀薄·均一化。这导致排气的改善。而且，作为凹形空腔11的其它优点的高挤气的形成，也对排气的改善有贡献。

图6是表示在本实施方式的发动机中对燃料喷射开始时间进行三种设定，并在各个喷射开始时间使EGR率在大约40～60％之间变化时的、THC排出量、NOx排出量、烟排出量、净平均有效压力BMEP(与发动机输出相当)的测定结果的一个示例。

图的横轴表示预混合气的空燃比(A/F)，预混合气的EGR率越高空燃比越低，EGR率越低空燃比越高。图中连接圆形点的线为喷射开始时间20°BTDC、连接三角形点的线为喷射开始时间30°BTDC、连接菱形点的线为喷射开始时间40°BTDC。另外，连接方形点的线表示作为参考的、进行扩散燃烧的通常的柴油机的测定结果。

根据图可知，THC排出量在喷射开始时间20°BTDC和30°BTDC的情况下大致相等，而只在喷射开始时间为40°BTDC的情况下大幅增加。并且，对于净平均有效压力BMEP，也是在喷射开始时间20°BTDC和30°BTDC的情况下大致相等，而只在喷射开始时间为40°BTDC的情况下大幅降低。

这样，喷射开始时间为40°BTDC的情况与喷射开始时间为20°BTDC和30°BTDC的情况相比，THC排出量、输出都恶化，其理由是，喷射的燃料的一部分从空腔11飞散到外侧的原因。

也就是说，在喷射开始时间为20°BTDC和30°BTDC的情况下，由于所喷射的燃料全部进入空腔11内，因此THC排出量、输出都良好，两者没有大的差别，但在喷射开始时间为40°BTDC的情况下，喷射开始时间过早、燃料的一部分飞散到空腔11外，并附着在气缸盖3的下面等，从而导致THC的排出。并且，由于飞散到空腔11外的燃料不能在空腔11内燃烧，因此导致输出的降低。

然后，在图6中，着眼于EGR率和排气以及输出之间的关系时，可知在所有的喷射开始时间中，EGR率越高NOx排出量越低。其原因是，通过大量的EGR降低了预混合气的氧浓度。根据图可知，在燃料的喷射开始时间为20°BTDC和30°BTDC的情况下，如果使EGR率为大约50％以上，则可以将NOx排出量降低到几乎0的水平。另外，对于THC排出量、烟排出量以及净平均有效压力BMEP，不能发现与EGR率的明确的相关关系。

根据图6的测定结果可知，根据使燃料全部进入空腔11地设定喷射开始时间、并且实行大量的EGR(EGR率50％以上)的本实施方式的发动机，可以得到优良的排气特性和输出。

如上所述，本实施方式的发动机，在中·高负载区域中实现扩散燃烧，但是本实施方式的发动机使用适合于扩散燃烧的凹形的空腔11、和喷射角度β较大(140°～165°左右)的通常的喷嘴9，因此在实现扩散燃烧时也可以确保良好的燃烧。也就是说，当为了实现扩散燃烧在压缩上死点附近喷射燃料时，由于所喷射的燃料与通常的柴油机相同地碰撞空腔11的侧壁，因此不会大量产生烟等。另外，通过凹形的空腔11，由于可以将在空腔11内形成的涡流保持在空腔11内，因此可以得到优良的排气特性。

因此，根据本实施方式的发动机，可以在低负载区域实现良好的预混合燃烧，并且在中·高负载区域转换到扩散燃烧的情况下，也可以确保良好的燃烧。

这里，为了确实地实现良好的扩散燃烧，优选如下设定喷嘴9的燃料喷射角度β。即，该角度是，使为了实现扩散燃烧在活塞4的压缩上死点附近喷射的燃料，到达比空腔11的最低位置B(参照图3(a))更靠径向外侧的空腔内壁。因此，如果在满足该条件的范围内最大限度使喷嘴9的喷射角度β变小，则可以确保良好的扩散燃烧，并且在实现预混合燃烧时，可使燃烧喷射开始时间较大地提前。

另外，在本实施方式的柴油机中，为了进一步促进预混合气的混合，优选使用高涡流型气缸盖3或进气口5。例如也可以在进气口5设置涡流生成装置。

另外，在上述实施方式中作为EGR装置，说明了将排气管13内的排气的一部分回流到进气管12内的外部EGR装置，但本发明不限于此，也可以使用通过开闭控制排气阀8或进气阀7使排气回流到燃烧室10内的内部EGR装置。

但是，由于本实施方式的发动机在发动机的运转状态处于中·高负载区域时实现扩散燃烧，因此在中·高负载区域行驶(运转)时若干NOx被排出到排气中。

因此，如图1所示，在本实施方式的发动机中，设置有用于还原·净化排气中含有的NOx的排气后处理装置40。

排气后处理装置40具备：设置在排气管13(排气通路)中的催化剂41；添加剂添加机构42(添加剂用喷嘴)，在该催化剂41的上游侧，用于将添加剂添加到在排气管13内流过的排气中；用于存放供给该添加剂用喷嘴42的添加剂收纳机构43(添加剂箱)，在添加剂箱43中设置有添加剂残余量检测机构44，用于检测存放在箱43内的添加剂的量。

本实施方式的排气后处理装置40的催化剂41为选择接触还原催化剂(SCR催化剂)，作为添加剂使用氨水溶液、尿素水溶液或液态氨等。作为SCR催化剂41可以使用如下的催化剂：将形成为颗粒状或蜂窝状的矾土(氧化铝：Al₂O₃)、钛白(二氧化钛：TiO₂)等作为载体，并将白金(Pt)、氧化钒(V₂O₅)、氧化铁(Fe₂O₃)、氧化铜(CuO)、氧化锰(Mn₂O₃)、氧化铬(Cr₂O₃)、氧化钼(MoO₃)等作为活性体。

作为添加剂残余量检测机构44可以使用各种机构，在这里使用浮子式水准仪。

在发动机的运转状态处于中·高负载区域、并实现扩散燃烧时，当通过排气后处理装置40的添加剂用喷嘴42向排气中喷射(添加)氨(NH₃)时，通过SCR催化剂41氨(NH₃)与排气中的NOx反应，并将其还原成无害的氮气(N₂)和水(H₂O)。另外，如上所述，由于在预混合燃烧中NOx排出量几乎为0，因此在发动机的运转状态处于实现预混合燃烧的区域(低负载区域)时，没有必要使排气后处理装置40动作。

但是，在利用添加剂的排气后处理装置40中，当添加剂箱43内的添加剂用尽时，当然就不能得到排气的净化效果。因此，在本实施方式的柴油机中进行了研究，以便在添加剂箱43内的添加剂少、或完全用尽时，将其通知驾驶员并催促添加剂的补充。

进行具体说明，在本实施方式的柴油机中，在由添加剂残余量检测机构44检测的添加剂箱43内的添加剂的量变为规定值以下时，设置在驾驶座等的警告机构45(参照图1)动作，通知驾驶员。另外，在本实施方式中作为警告机构45使用灯，但也可以使用蜂鸣器等其它机构，也可以多个机构并用。

而且，在本实施方式的柴油机中，在由添加剂残余量检测机构44检测的添加剂箱43内的添加剂的量变为规定值以下时，即使发动机的运转状态处于上述的实现预混合燃烧的区域以外，也实现预混合燃烧。进行具体说明，在添加剂箱43内的添加剂的量变为规定值以下时，将根据发动机转速和油门开度等决定的要求转矩以及燃料喷射量的上限值，限制在实现预混合燃烧的区域中的最大要求转矩和最大燃料喷射量以下，由此可以与油门开度无关地实现预混合燃烧。

这样，由于通过在添加剂的残余量变少或用尽时实现预混合燃烧，可以使NOx的排出量几乎为0水平，因此即使由于添加剂不足得不到排气后处理装置40的净化效果，也不向大气中排出NOx。另外，由于限制要求转矩和燃料喷射量，因此不能按驾驶员的意图进行运转·行驶，并可以催促驾驶员尽早补充添加剂。并且，由于不用完全停止发动机的运转，因此可以自行到可补充添加剂的位置。

由于以上说明的控制由ECU26执行，因此使用图8的流程图说明ECU26执行的控制的内容的具体例子。该控制流程由ECU26在每个规定时间执行。

首先，在步骤S1中，读取由添加剂残余量检测机构44检测的添加剂箱43内的添加剂的残余量(水平)L。

其次，在步骤S2中，判断在步骤S1读取的添加剂的残余量L是否比预先输入ECU26的规定值(由于相当于权利要求书中的第2规定值，所以以下称为第2规定值)大。

在判断为添加剂的残余量L比第2规定值大时(YES判断)，返回步骤S1，再次进行添加剂的残余量L的读取。

在步骤S2中，在判断为添加剂的残余量L为第2规定值以下时(NO判断)，前进到步骤S3，使警告机构动作(在本实施方式中点亮灯45)。由此，可以向驾驶员通知添加剂变少或用尽。

然后，前进到步骤S4，判断在步骤S1读取的添加剂的残余量L是否比预先输入ECU26的规定值(由于相当于权利要求书中的第1规定值，所以以下称为第1规定值)大。该第1规定值被设定成与步骤S2的第2规定值相同或比其小的值。

在判断为添加剂的残余量L比第1规定值大时(YES判断)，返回步骤S1，再次进行添加剂的残余量L的读取。

另一方面，在步骤S4中，在判断为添加剂的残余量L为第1规定值以下时(NO判断)，前进到步骤S5，变更发动机的满负载特性。另外，在第1规定值被设定成与第2规定值相同时，在步骤S4中必定判断成NO。

这里，参照图9对在步骤S5执行的满负载特性的变更进行说明。

图9表示根据发动机转速和油门开度制定要求转矩(发动机输出)的MAP图，图9(a)表示通常时的状态，图9(b)表示在通过步骤S5变更了满负载特性后的状态。

首先，参照图9(a)对通常时的MAP图进行说明，通过发动机转速和油门开度将发动机的运转状态决定为MAP图上的1点。然后，根据其运转状态从MAP图中确定要求转矩。如上所述，根据该要求转矩确定燃料喷射量，并且决定实现预混合燃烧和扩散燃烧中的哪一个。根据图可知，油门开度越大要求转矩被设定得越大。另外，实现预混合燃烧的区域被设定在要求转矩较低的区域，在该区域上侧的区域为实现扩散燃烧的区域。

在图9(a)中，位于最上侧的线表示油门开度最大(100％)时的要求转矩，是满负载特性。在图中用虚线表示车速变化的一个例子，在油门开度为100％时车速达到最高速。

下面，参照图9(b)说明变更了满负载特性后的状态。

在图8的步骤S4中，在判断为添加剂残余量L为第1规定值以下时，ECU26将发动机的满负载特性从图9(a)变更成如图9(b)那样。

即，根据图可知，使满负载特性(油门开度为100％时的要求转矩的特性)与预混合燃烧区域的最大值一致。由此，根据油门开度和发动机转速决定的要求转矩，被限制为预混合燃烧区域内的值。进行具体说明，在根据发动机转速和油门开度决定的1点(运转状态)在预混合燃烧区域内的情况下，按通常那样决定要求转矩，但是在上述1点(运转状态)在预混合燃烧区域外的情况下，所决定的要求转矩为此时发动机转速的、预混合燃烧区域的最大要求转矩。因此，即使驾驶员将油门开度操作为0～100％的任意开度，根据发动机转速和油门开度决定的要求转矩也一定为预混合燃烧区域内的值。并且，通过将要求转矩限制在预混合燃烧区域的最大要求转矩以下，根据要求转矩决定的燃料喷射量也被限制在预混合燃烧区域的最大燃料喷射量以下。

如此，在上述本实施方式的柴油机中，在添加剂箱43内的添加剂的残余量变为第1规定值以下时，与油门开度无关地实现预混合燃烧，要求转矩以及燃料喷射量的上限值被限制为比通常时的低(小)。由此，由于NOx排出量几乎为0，因此即使因添加剂不足、得不到排气后处理装置40的排气净化效果，也不向大气中排出NOx。另外，由于限制发动机输出，因此不能按照驾驶员的意图行驶，并可以催促添加剂的尽早补充。也就是说，如图9(b)所示，由于车辆的最高速与通常时相比被限制得极低，因此驾驶员不得不补充添加剂。

另外，在上述实施方式中，作为利用活性剂的排气后处理装置40说明了SCR催化剂，但本发明不限于此，只要是利用被独立地向排气供给的活性剂的排气后处理装置，也可以是其它类型。例如，作为向排气添加的活性剂也可以使用利用碳氢化物(HC)的氧化·NOx催化剂、或利用碳氢化物的带有催化剂的DPF(柴油·散式流化·滤清器)等。

另外，在上述实施方式中，在添加剂的残余量变为第1规定值以下时，只变更满负载特性、即要求转矩的上限值，但本发明不限于此，也可以将图9(a)所示的MAP图的要求转矩特性整体以规定比率缩小·压缩，并使根据发动机转速和油门开度决定的要求转矩为实现预混合燃烧的区域的最大要求转矩以下。

另外，在上述实施方式中，说明了实行根据转矩的控制的例子，根据转矩的控制为根据发动机转速和油门开度决定要求转矩、并根据该要求转矩决定燃料喷射量，但本发明不限于此，也可以适用于实行根据喷射量的控制的类型，根据喷射量的控制为根据发动机转速和油门开度直接决定燃料喷射量。这种情况下，在添加剂的残余量变为第1规定值以下时，也可以将根据发动机转速和油门开度决定的燃料喷射量的上限值，限制在实现预混合燃烧的区域的最大燃料喷射量以下。

Claims

1.一种柴油机，其特征在于，具备：

凹形的空腔，凹设于活塞顶部，且为了将涡流保持在内部，该空腔上部的开口部收缩、并且在该空腔的底部中央形成有向上方隆起的凸部；

燃料喷射机构，向上述空腔喷射燃料，且喷射角度被设定在140°～165°的范围内，以便在活塞的压缩上死点附近喷射燃料时，该燃料到达比上述空腔的凸部靠径向外侧的内壁；

排气回流机构，将排气的一部分回流到燃烧室内；以及

控制装置，控制上述燃料喷射机构的燃料喷射时间、以及上述排气回流机构的EGR率；

上述控制装置，在发动机的运转状态处于低负载区域时，

通过上述燃料喷射机构在14°～30°BTDC的范围内开始燃料的喷射，使该喷射的燃料与上述空腔上部的开口部碰撞而导入该空腔内，并且在活塞的压缩上死点之前结束该燃料的喷射，

另一方面，以50％以上的EGR率来进行上述排气回流机构的排气回流，通过上述空腔内的涡流对该回流的排气、进气以及导入上述空腔内的燃料进行了预混合之后，在活塞的压缩上死点附近压缩点火而进行预混合燃烧。

2.如权利要求1所述的柴油机，其特征在于，

上述控制装置在发动机的运转状态处于中、高负载区域时，将上述燃料喷射机构的燃料喷射时间控制在活塞的压缩上死点附近，以实现扩散燃烧。

3.如权利要求1或2所述的柴油机，其特征在于，还具备：

排气后处理装置，具有：设置在排气通路中的催化剂；添加剂添加机构，用于在该催化剂的上游侧，将添加剂添加到在上述排气通路中流过的排气中；以及添加剂收容机构，用于存放向该添加剂添加机构供给的添加剂；和

添加剂残余量检测机构，用于检测存放在上述添加剂收容机构中的添加剂的量，

上述控制装置，在上述添加剂残余量检测机构的检测值为第1规定值以下时，即使发动机的运转状态处于上述中、高负载区域，也实现上述预混合燃烧。

4.如权利要求3所述的柴油机，其特征在于，

上述控制装置，在上述添加剂残余量检测机构的检测值为第1规定值以下时，将根据发动机转速和油门开度决定的要求转矩，限制在上述低负载区域的最大要求转矩以下。

5.如权利要求3所述的柴油机，其特征在于，

上述控制装置，在上述添加剂残余量检测机构的检测值为第1规定值以下时，将根据发动机转速和油门开度决定的燃料喷射量，限制在上述低负载区域的最大燃料喷射量以下。

6.如权利要求5所述的柴油机，其特征在于，

还具备可通过上述控制装置动作的警告机构，

当上述添加剂残余量检测机构的检测值变为第2规定值以下时，上述控制装置使上述警告机构动作，该第2规定值被设定为上述第1规定值以上的值。

7.如权利要求6所述的柴油机，其特征在于，

上述排气后处理装置的催化剂为选择接触还原催化剂，上述添加剂为氨水溶液、尿素水溶液或液态氨。