JP3551771B2 - Internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より内燃機関、例えばディーゼル機関においてはNOx の発生を抑制するために機関排気通路と機関吸気通路とを排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路により連結し、このEGR通路を介して排気ガス、即ちEGRガスを機関吸気通路内に再循環させるようにしている。この場合、EGRガスは比較的比熱が高く、従って多量の熱を吸収することができるので、EGRガス量を増大するほど、即ちEGR率(EGRガス量/(EGRガス量+吸入空気量))を増大するほど燃焼室内における燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下するとNOx の発生量が低下し、従ってEGR率を増大すればするほどNOx の発生量は低下することになる。
【0003】
このように従来よりEGR率を増大すればNOx の発生量を低下しうることはわかっている。しかしながらEGR率を増大させていくとEGR率が或る限度を越えたときに煤の発生量、即ちスモークが急激に増大し始める。この点に関し従来より、それ以上EGR率を増大すればスモークが限りなく増大していくものと考えられており、従ってスモークが急激に増大し始めるEGR率がEGR率の最大許容限界であると考えられている。
【0004】
従って従来よりEGR率がこの最大許容限界を越えない範囲内に定められている。このEGR率の最大許容限界は機関の形式や燃料によってかなり異なるがおおよそ30パーセントから50パーセントである。従って従来のディーゼル機関ではEGR率は最大でも30パーセントから50パーセント程度に抑えられている。
【0005】
このように従来ではEGR率に対して最大許容限界が存在すると考えられていたので従来よりEGR率はこの最大許容限界を越えない範囲内においてNOx およびスモークが発生量ができるだけ少なくなるように定められていた。しかしながらこのようにしてEGR率をNOx およびスモークの発生量ができるだけ少なくなるように定めてもNOx およびスモークの発生量の低下には限度があり、実際には依然としてかなりの量のNOx およびスモークが発生してしまうのが現状である。
【0006】
ところがディーゼル機関の燃焼の研究の過程においてEGR率を最大許容限界よりも大きくすれば上述の如くスモークが急激に増大するがこのスモークの発生量にはピークが存在し、このピークを越えてEGR率を更に大きくすると今度はスモークが急激に減少しはじめ、アイドリング運転時においてEGR率を70パーセント以上にすると、またEGRガスを強力に冷却した場合にはEGR率をほぼ55パーセント以上にするとスモークがほとんど零になる、即ち煤がほとんど発生しないことが見い出されたのである。また、このときにはNOx の発生量が極めて少量となることも判明している。この後この知見に基づいて煤が発生しない理由について検討が進められ、その結果これまでにない煤およびNOx の同時低減が可能な新たな燃焼システムが構築されるに至ったのである。この新たな燃焼システムについては後に詳細に説明するが簡単に言うと炭化水素が煤に成長するまでの途中の段階において炭化水素の成長を停止させることを基本としている。
【0007】
即ち、実験研究を重ねた結果判明したことは燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以下のときには炭化水素の成長が煤に至る前の途中の段階で停止し、燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以上になると炭素水素は一気に煤まで成長してしまうということである。この場合、燃料およびその周囲のガス温度は燃料が燃焼した際の燃料周りのガスの吸熱作用が大きく影響しており、燃料燃焼時の発熱量に応じて燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって燃料およびその周囲のガス温度を制御することができる。
【0008】
従って、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制すれば煤が発生しなくなり、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制することは燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって可能となる。一方、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化水素は酸化触媒等を用いた後処理によって容易に浄化することができる。これが新たな燃焼システムの基本的な考え方である。この新たな燃焼システムを採用した内燃機関については本出願人により既に出願されている(特願平9−305850号)。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこの内燃機関においても燃料噴射量が増大すれば噴射された燃料全体の発熱量が高くなり、斯くして燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温を煤が生成される温度よりも低い温度に維持しうるのは燃料噴射量が比較的少ないときである。しかしながらこの新たな燃焼システムを用いれば煤およびNOx を同時に低減することが可能であり、従ってこの新たな燃焼システムを使用しうる機関の運転領域をできる限り拡大することが好ましいと言える。
【0010】
本発明の目的はこの新たな燃焼システムを使用しうる機関の運転領域を拡大することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために1番目の発明では、燃料室内に供給される再循環排気ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達達し、燃焼室内に供給される再循環排気ガス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる内燃機関において、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気ガス量を多くすることによって燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制し、燃焼室内に送り込まれる吸入空気中に水を供給するようにしている。即ち、吸入空気中に水を供給すると燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が低下する。
【0012】
2番目の発明では1番目の発明において、機関負荷が予め定められた負荷よりも高いときには機関負荷が予め定められた負荷よりも低いときに比べて吸入空気中に供給される水の量が多くされる。
3番目の発明では1番目の発明において、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるNOx を吸収しかつ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したNOx を放出するNOx 吸収剤を機関排気通路内に配置し、NOx 吸収剤からNOx を放出すべく燃焼室内おける空燃比を理論空燃比又はリッチにしたときに吸入空気中に水が供給される。
【0013】
4番目の発明では1番目の発明において、再循環排気ガス中の水分を集める手段を具備し、集められた水を吸入空気中に供給するようにしている。
5番目の発明では1番目の発明において、機関排気通路内に酸化機能を有する触媒を配置している。
6番目の発明では5番目の発明において、触媒が酸化触媒、三元触媒又はNOx 吸収剤の少くとも一つからなる。
【0014】
7番目の発明では1番目の発明において、排気ガス再循環率がほぼ55パーセント以上である。
8番目の発明では1番目の発明において、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気ガス量が多く煤がほとんど発生しない第1の燃焼と、煤の発生量がピークとなる再循環ガス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気ガス量が少ない第2の燃焼とを選択的に切換える切換手段を具備している。
【0015】
9番目の発明では8番目の発明において、第1の燃焼における空燃比が理論空燃比か、或いは理論空燃比に対してわずかにリーンなリーン空燃比か、或いはリッチ空燃比とされ、第2の燃焼における空燃比がリーン空燃比とされる。
10番目の発明では8番目の発明において、機関の運転領域を低負荷側の第1の運転領域と高負荷側の第2の運転領域に分割し、第1の運転領域では第1の燃焼を行い、第2の運転領域では第2の燃焼を行うようにしている。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1は本発明を4ストローク圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。
図1を参照すると、1は機関本体、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は電気制御式燃料噴射弁、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートを夫々示す。吸気ポート8は対応する吸気枝管11を介してサージタンク12に連結され、サージタンク12は吸気ダクト13およびインタークーラ14を介して過給機、例えば排気ターボチャージャ15のコンプレッサ16の出口部に連結される。コンプレッサ16の入口部は空気吸込管17を介してエアクリーナ18に連結され、空気吸込管17内にはステップモータ19により駆動されるスロットル弁20が配置される。
【0017】
一方、排気ポート10は排気マニホルド21および排気管22を介して排気ターボチャージャ15の排気タービン23の入口部に連結され、排気タービン23の出口部は排気管24を介して酸化機能を有する触媒25を内蔵した触媒コンバータ26に連結される。排気マニホルド21内には空燃比センサ27が配置される。
【0018】
触媒コンバータ26の出口部に連結された排気管28とスロットル弁20下流の空気吸込管17とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路29を介して互いに連結され、EGR通路29内にはステップモータ30により駆動されるEGR制御弁31が配置される。また、EGR通路29内にはEGR通路29内を流れるEGRガスを冷却するためのインタークーラ32が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水がインタークーラ32内に導びかれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。
【0019】
一方、燃料噴射弁6は燃料供給管33を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール34に連結される。このコモンレール34内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ35から燃料が供給され、コモンレール34内に供給された燃料は各燃料供給管33を介して燃料噴射弁6に供給される。コモンレール34にはコモンレール34内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ36が取付けられ、燃料圧センサ36の出力信号に基づいてコモンレール34内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ35の吐出量が制御される。
【0020】
また、各吸気枝管11には夫々水噴射弁37が取付けられる。これら水噴射弁37は水供給ポンプ38を介して水タンク39に連結される。水噴射を行うときには水タンク39内の水が水供給ポンプ38により各水噴射弁37に供給され、各水噴射弁37から対応する吸気ポート8内に向けて水が供給される。即ち、吸入空気中に水が噴射される。
【0021】
一方、EGRガス中には水分が含まれており、従ってEGRガスがインタークーラ32により冷却されるとEGRガス中に含まれる水分がインタークーラ32内において凝縮する。この凝縮した水分はインタークーラ32内を流下し、インタークーラ32の底部に溜まる。図1に示されるようにインタークーラ32の底部は導管40および開閉弁41を介して水タンク39に連結されている。
【0022】
図1に示す実施例では例えば機関停止直後に開閉弁41が一時的に開弁せしめられ、このときインタークーラ32の底部に溜まっている凝集水が導管40を介して水タンク39内に供給される。この凝縮水だけでは水タンク39内の水量が不足する場合には必要に応じて水タンク39内に水が補給される。
電子制御ユニット50はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス51によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)52、RAM(ランダムアセクスメモリ)53、CPU(マイクロプロセッサ)54、入力ポート55および出力ポート56を具備する。空燃比センサ27の出力信号は対応するAD変換器57を介して入力ポート55に入力され、燃料圧センサ36の出力信号も対応するAD変換器57を介して入力ポート55に入力される。アクセルペダル60にはアクセルペダル60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61が接続され、負荷センサ61の出力電圧は対応するAD変換器57を介して入力ポート55に入力される。また、入力ポート55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62が接続される。一方、出力ポート56は対応する駆動回路58を介して燃料噴射弁6、スロットル弁制御用ステップモータ19、EGR制御弁制御用ステップモータ30、燃料ポンプ35、水供給ポンプ38および開閉弁41に接続される。
【0023】
図2は機関低負荷運転時にスロットル弁20の開度およびEGR率を変化させることにより空燃比A/F(図2の横軸)を変化させたときの出力トルクの変化、およびスモーク、HC,CO,NOx の排出量の変化を示す実験例を表している。図2からわかるようにこの実験例では空燃比A/Fが小さくなるほどEGR率が大きくなり、理論空燃比(≒14.6)以下のときにはEGR率は65パーセント以上となっている。
【0024】
図2に示されるようにEGR率を増大することにより空燃比A/Fを小さくしていくとEGR率が40パーセント付近となり空燃比A/Fが30程度になったときにスモークの発生量が増大を開始する。次いで、更にEGR率を高め、空燃比A/Fを小さくするとスモークの発生量が急激に増大してピークに達する。次いで更にEGR率を高め、空燃比A/Fを小さくなると今度はスモークが急激に低下し、EGR率を65パーセント以上とし、空燃比A/Fが15.0付近になるとスモークがほぼ零となる。即ち、煤がほとんど発生しなくなる。このとき機関の出力トルクは若干低下し、またNOx の発生量がかなり低くなる。一方、このときHC,COの発生量は増大し始める。
【0025】
図3(A)は空燃比A/Fが18付近でスモークの発生量が最も多いときの燃焼室5内の燃焼圧変化を示しており、図3(B)は空燃比A/Fが13付近でスモークの発生量がほぼ零のときの燃焼室5内の燃焼圧の変化を示している。図3(A)と図3(B)とを比較すればわかるようにスモークの発生量がほぼ零である図3(B)に示す場合はスモークの発生量が多い図3(A)に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【0026】
図2および図3に示される実験結果から次のことが言える。即ち、まず第1に空燃比A/Fが15.0以下でスモークの発生量がほぼ零のときには図2に示されるようにNOx の発生量がかなり低下する。NOx の発生量が低下したということは燃焼室5内の燃焼温度が低下していることを意味しており、従って煤がほとんど発生しないときには燃焼室5内の燃焼温度が低くなっていると言える。同じことが図3からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図3(B)に示す状態では燃焼圧が低くなっており、従ってこのとき燃焼室5内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【0027】
第2にスモークの発生量、即ち煤の発生量がほぼ零になると図2に示されるようにHCおよびCOの排出量が増大する。このことは炭化水素が煤まで成長せずに排出されることを意味している。即ち、燃料中に含まれる図4に示されるような直鎖状炭化水素や芳香族炭化水素は酸素不足の状態で温度上昇せしめられると熱分解して煤の前駆体が形成され、次いで主に炭素原子が集合した固体からなる煤が生成される。この場合、実際の煤の生成過程は複雑であり、煤の前駆体がどのような形態をとるかは明確ではないがいずれにしても図4に示されるような炭化水素は煤の前駆体を経て煤まで成長することになる。従って、上述したように煤の発生量がほぼ零になると図2に示される如くHCおよびCOの排出量が増大するがこのときのHCは煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素である。
【0028】
図2および図3に示される実験結果に基づくこれらの考察をまとめると燃焼室5内の燃焼温度が低いときには煤の発生量がほぼ零になり、このとき煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素が燃焼室5から排出されることになる。このことについて更に詳細に実験研究を重ねた結果、燃焼室5内における燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以下である場合には煤の成長過程が途中で停止してしまい、即ち煤が全く発生せず、燃焼室5内における燃料およびその周囲の温度が或る温度以上になると煤が生成されることが判明したのである。
【0029】
ところで煤の前駆体の状態で炭化水素の生成過程が停止するときの燃料およびその周囲の温度、即ち上述の或る温度は燃料の種類や空燃比や圧縮比等の種々の要因によって変化するので何度であるかということは言えないがこの或る温度はNOx の発生量と深い関係を有しており、従ってこの或る温度はNOx の発生量から或る程度規定することができる。即ち、EGR率が増大するほど燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度は低下し、NOx の発生量が低下する。このときNOx の発生量が10p.p.m 前後又はそれ以下になったときに煤がほとんど発生しなくなる。従って上述の或る温度はNOx の発生量が10p.p.m 前後又はそれ以下になったときの温度にほぼ一致する。
【0030】
一旦、煤が生成されるとこの煤は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって浄化することはできない。これに対して煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって容易に浄化することができる。このように酸化機能を有する触媒による後処理を考えると炭化水素の煤の前駆体又はその前の状態で燃焼室5から排出させるか、或いは煤の形で燃焼室5から排出させるかについては極めて大きな差がある。本発明において採用されている新たな燃焼システムは燃焼室5内において煤を生成させることなく炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態の形でもって燃焼室5から排出させ、この炭化水素を酸化機能を有する触媒により酸化せしめることを核としている。
【0031】
さて、煤が生成される前の状態で炭化水素の成長を停止させるには燃焼室5内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制する必要がある。この場合、燃料およびその周囲のガス温度を抑制するには燃料が燃焼した際の燃料周りのガスの吸熱作用が極めて大きく影響することが判明している。
【0032】
即ち、燃料周りに空気しか存在しないと蒸発した燃料はただちに空気中の酸素と反応して燃焼する。この場合、燃料から離れている空気の温度はさほど上昇せず、燃料周りの温度のみが局所的に極めて高くなる。即ち、このときには燃料から離れている空気は燃料の燃焼熱の吸熱作用をほとんど行わない。この場合には燃焼温度が局所的に極めて高くなるために、この燃焼熱を受けた未燃炭化水素は煤を生成することになる。
【0033】
一方、多量の不活性ガスと少量の空気の混合ガス中に燃料が存在する場合には若干状況が異なる。この場合には蒸発燃料は周囲に拡散して不活性ガス中に混在する酸素と反応し、燃焼することになる。この場合には燃焼熱は周りの不活性ガスに吸収されるために燃焼温度はさほど上昇しなくなる。即ち、燃焼温度を低く抑えることができることになる。即ち、燃焼温度を抑制するには不活性ガスの存在が重要な役割を果しており、不活性ガスの吸熱作用によって燃焼温度を低く抑えることができることになる。
【0034】
この場合、燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制するにはそうするのに十分な熱量を吸収しうるだけの不活性ガス量が必要となる。従って燃料量が増大すれば必要となる不活性ガス量はそれに伴なって増大することになる。なお、この場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用は強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが好ましいことになる。この点、CO2 やEGRガスは比較的比熱が大きいので不活性ガスとしてEGRガスを用いることは好ましいと言える。
【0035】
図5は不活性ガスとしてEGRガスを用い、EGRガスの冷却度合を変えたときのEGR率とスモークとの関係を示している。即ち、図5において曲線AはEGRガスを強力に冷却してEGRガス温をほぼ90℃に維持した場合を示しており、曲線Bは小型の冷却装置でEGRガスを冷却した場合を示しており、曲線CはEGRガスを強制的に冷却していない場合を示している。
【0036】
図5の曲線Aで示されるようにEGRガスを強力に冷却した場合にはEGR率が50パーセントよりも少し低いところで煤の発生量がピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ55パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。
一方、図5の曲線Bで示されるようにEGRガスを少し冷却した場合にはEGR率が50パーセントよりも少し高いところで煤の発生量がピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ65パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。
【0037】
また、図5の曲線Cで示されるようにEGRガスを強制的に冷却していない場合にはEGR率が55パーセントの付近で煤の発生量がピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ70パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。
なお、図5は機関負荷が比較的高いときのスモークの発生量を示しており、機関負荷が小さくなると煤の発生量がピークとなるEGR率は若干低下し、煤がほとんど発生しなくなるEGR率の下限も若干低下する。このように煤がほとんど発生しなくなるEGR率の下限はEGRガスの冷却度合や機関負荷に応じて変化する。
【0038】
図6は不活性ガスとしてEGRガスを用いた場合において燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要なEGRガスと空気の混合ガス量、およびこの混合ガス量中の空気の割合、およびこの混合ガス中のEGRガスの割合を示している。なお、図6において縦軸は燃焼室5内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Yは過給が行われないときに燃焼室5内に吸入しうる全吸入ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示している。
【0039】
図6を参照すると空気の割合、即ち混合ガス中の空気量は噴射された燃料を完全に燃焼せしめるのに必要な空気量を示している。即ち、図6に示される場合では空気量と噴射燃料量との比は理論空燃比となっている。一方、図6においてEGRガスの割合、即ち混合ガス中のEGRガス量は噴射燃料が燃焼せしめられたときに燃料およびその周囲のガス温度を煤が形成される温度よりも低い温度にするのに必要最低限のEGRガス量を示している。このEGRガス量はEGR率で表すとほぼ55パーセント以上であり、図6に示す実施例では70パーセント以上である。即ち、燃焼室5内に吸入された全吸入ガス量を図6において実線Xとし、この全吸入ガス量Xのうちの空気量とEGRガス量との割合を図6に示すような割合にすると燃料およびその周囲のガス温度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯くして煤が全く発生しなくなる。また、このときのNOx 発生量は10p.p.m 前後、又はそれ以下であり、従ってNOx の発生量は極めて少量となる。
【0040】
燃料噴射量が増大すれば燃料が燃焼した際の発熱量が増大するので燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持するためにはEGRガスによる熱の吸収量を増大しなければならない。従って図6に示されるようにEGRガス量は噴射燃料量が増大するにつれて増大せしめなければならない。即ち、EGRガス量は要求負荷が高くなるにつれて増大する必要がある。
【0041】
ところで過給が行われていない場合には燃焼室5内に吸入される全吸入ガス量Xの上限はYであり、従って図6において要求負荷がLo よりも大きい領域では要求負荷が大きくなるにつれてEGRガス割合を低下させない限り空燃比を理論空燃比に維持することができない。云い換えると過給が行われていない場合に要求負荷がLo よりも大きい領域において空燃比を理論空燃比に維持しようとした場合には要求負荷が高くなるにつれてEGR率が低下し、斯くして要求負荷がLo よりも大きい領域では燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持しえなくなる。
【0042】
ところが図1に示されるようにEGR通路29を介して過給機の入口側、即ち排気ターボチャージャ15の空気吸込管17内にEGRガスを再循環させると要求負荷がLo よりも大きい領域においてEGR率を55パーセント以上、例えば70パーセントに維持することができ、斯くして燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持することができる。即ち、空気吸込管17内におけるEGR率が例えば70パーセントになるようにEGRガスを再循環させれば排気ターボチャージャ15のコンプレッサ16により昇圧された吸入ガスのEGR率も70パーセントとなり、斯くしてコンプレッサ16により昇圧しうる限度まで燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持することができる。従って、低温燃焼を生じさせることのできる機関の運転領域を拡大することができることになる。
【0043】
なお、要求負荷がLo よりも大きい領域でEGR率を55パーセント以上にする際にはEGR制御弁31が全開せしめられ、スロットル弁20が若干閉弁せしめられる。
前述したように図6は燃料を理論空燃比のもとで燃焼させる場合を示しているが空気量を図6に示される空気量よりも少くしても、即ち空燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつNOx の発生量を10p.p.m 前後又はそれ以下にすることができ、また空気量を図6に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を17から18のリーンにしても煤の発生を阻止しつつNOx の発生量を10p.p.m 前後又はそれ以下にすることができる。
【0044】
即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くして煤が生成されることがない。また、このときNOx も極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが本発明では燃焼温度が低い温度に抑制されているので煤は全く生成されない。更に、NOx も極めて少量しか発生しない。
【0045】
このように、低温燃焼が行われているときには空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろうと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーンであろうと煤が発生されず、NOx の発生量が極めて少量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこのとき平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
【0046】
ところで燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長の途中で停止する温度以下に抑制しうるのに燃焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限られる。従って本発明による実施例では機関中低負荷運転時には燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制して第1の燃焼、即ち低温燃焼を行うようにし、機関高負荷運転時には第2の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにしている。なお、ここで第1の燃焼、即ち低温燃焼とはこれまでの説明から明らかなように煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない燃焼のことを言い、第2の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少い燃焼のことを言う。
【0047】
図7(A)は第1の燃焼、即ち低温燃焼が行われる第1の運転領域Iと、第2の燃焼、即ち従来の燃焼方法による燃焼が行われる第2の運転領域IIとを示している。なお、図7(A)において縦軸Lはアクセルペダル60の踏込み量、即ち要求負荷を示しており、横軸Nは機関回転数を示している。また、図7(A)においてX(N)は第1の運転領域Iと第2の運転領域IIとの第1の境界を示しており、Y(N)は第1の運転領域Iと第2の運転領域IIとの第2の境界を示している。第1の運転領域Iから第2の運転領域IIへの運転領域の変化判断は第1の境界X(N)に基づいて行われ、第2の運転領域IIから第1の運転領域Iへの運転領域の変化判断は第2の境界Y(N)に基づいて行われる。
【0048】
即ち、機関の運転状態が第1の運転領域Iにあって低温燃焼が行われているときに要求負荷Lが機関回転数Nの関数である第1の境界X(N)を越えると運転領域が第2の運転領域IIに移ったと判断され、従来の燃焼方法による燃焼が行われる。次いで要求負荷Lが機関回転数Nの関数である第2の境界Y(N)よりも低くなると運転領域が第1の運転領域Iに移ったと判断され、再び低温燃焼が行われる。
【0049】
このように第1の境界X(N)と第1の境界X(N)よりも低負荷側の第2の境界Y(N)との二つの境界を設けたのは次に二つの理由による。第1の理由は、第2の運転領域IIの高負荷側では比較的燃焼温度が高く、このとき要求負荷Lが第1の境界X(N)より低くなったとしてもただちに低温燃焼を行えないからである。即ち、要求負荷Lがかなり低くなったとき、即ち第2の境界Y(N)よりも低くなったときでなければただちに低温燃焼が開始されないからである。第2の理由は第1の運転領域Iと第2の運転領域II間の運転領域の変化に対してヒステリシスを設けるためである。
【0050】
ところで前述したように排気ターボチャージャー15の空気吸込管17にEGRガスを再循環させると低温燃焼を生じさせることのできる機関の運転領域を拡大することができる。この場合、特に低温燃焼時において燃料が燃焼した際の発熱量が大きくなるとき、即ち第1の運転領域Iにおいて要求負荷Lが高いときに水噴射弁37から吸気ポート8内に水を噴射すると燃焼室5内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度が低くなり、斯くして低温燃焼を生じさせることのできる機関の運転領域を更に拡大することができる。
【0051】
そこで本発明による第1実施例では低温燃焼が行われる第1の運転領域Iにおいて要求負荷Lが図7(B)に示される境界Z(N)を越えたときには水噴射弁37から吸気ポート8内に水を噴射するようにしている。なお、図7(B)は水噴射を行うようにしたときの第1の境界X(N)および第2の境界Y(N)を示している。図7(A)および図7(B)を比較すると、水噴射が行われるときの図7(B)に示される第1の境界X(N)および第2の境界Y(N)は、図7(A)に示される水噴射が行われないときの第1の境界X(N)および第2の境界Y(N)に比べて高負荷に移動していることがわかる。云い換えると水噴射を行うようにした場合には低温燃焼しうる運転領域が高負荷側に拡大することがわかる。
【0052】
なお、境界Z(N)は機関回転数Nの関数であり、このZ(N)は機関回転数Nが高くなるほど小さくなる。
ところで機関の運転状態が第1の運転領域Iにあって低温燃焼が行われているときには煤はほとんど発生せず、その代り未燃炭化水素が煤の前駆体又はその前の状態の形でもって燃焼室5から排出される。このとき燃焼室5から排出された未燃炭化水素は酸化機能を有する触媒25により良好に酸化せしめられる。
【0053】
触媒25としては酸化触媒、三元触媒、又はNOx 吸収剤を用いることかできる。NOx 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NOx を吸収し、燃焼室5内における平均空燃比が理論空燃比又はリッチになるとNOx を放出する機能を有する。
このNOx 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、リウチム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。
【0054】
酸化触媒はもとより、三元触媒およびNOx 吸収剤も酸化機能を有しており、従って上述した如く三元触媒およびNOx 吸収剤を触媒25として用いることができる。
図8は空燃比センサ27の出力を示している。図8に示されるように空燃比センサ27の出力電流Iは空燃比A/Fに応じて変化する。従って空燃比センサ27の出力電流Iから空燃比を知ることができる。
【0055】
次に図9を参照しつつ第1の運転領域Iおよび第2の運転領域IIにおける運転制御について概略的に説明する。
図9は要求負荷Lに対するスロットル弁20の開度、EGR制御弁31の開度、EGR率、空燃比、噴射時期および噴射量を示している。図9に示されるように要求負荷Lの低い第1の運転領域Iではスロットル弁20の開度は要求負荷Lが高くなるにつれて全閉近くから1/3開度程度まで徐々に増大せしめられ、EGR制御弁31の開度は要求負荷Lが高くなるにつれて全閉近くから全開まで徐々に増大せしめられる。また、図9に示される例では第1の運転領域IではEGR率がほぼ70パーセントとされており、空燃比はわずかばかりリーンなリーン空燃比とされている。
【0056】
言い換えると第1の運転領域IではEGR率がほぼ70パーセントとなり、空燃比がわずかばかりリーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁20の開度およびEGR制御弁31の開度が制御される。なお、このとき空燃比は空燃比センサ27の出力信号に基づいてEGR制御弁31の開度を補正することによって目標リーン空燃比に制御される。また、第1の運転領域Iでは圧縮上死点TDC前に燃料噴射が行われる。この場合、噴射開始時期θSは要求負荷Lが高くなるにつれて遅くなり、噴射完了時期θEも噴射開示時期θSが遅くなるにつれて遅くなる。
【0057】
なお、第1の運転領域Iにおいて図9のZで示される要求負荷Lの高い運転領域では水噴射弁37から水噴射が行われる。
また、アイドリング運転時にはスロットル弁20は全閉近くまで閉弁され、このときEGR制御弁31も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁20を全閉近くまで閉弁すると圧縮始めの燃焼室5内の圧力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が小さくなるとピストン4による圧縮仕事が小さくなるために機関本体1の振動が小さくなる。即ち、アイドリング運転時には機関本体1の振動を抑制するためにスロットル弁20が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【0058】
一方、機関の運転領域が第1の運転領域Iから第2の運転領域IIに変わるとスロットル弁20の開度が1/3開度程度から全開方向へステップ状に増大せしめられる。このとき図9に示す例ではEGR率がほぼ70パーセントから40パーセント以下までステップ状に減少せしめられ、空燃比がステップ状に大きくされる。即ち、EGR率が多量のスモークを発生するEGR率範囲(図5)を飛び越えるので機関の運転領域が第1の運転領域Iから第2の運転領域IIに変わるときに多量のスモークが発生することがない。
【0059】
第2の運転領域IIでは従来から行われている燃焼が行われる。この第2の運転領域IIではスロットル弁20は一部を除いて全開状態に保持され、EGR制御弁31の開度は要求負荷Lが高くなると次第に小さくされる。また、この運転領域IIではEGR率は要求負荷Lが高くなるほど低くなり、空燃比は要求負荷Lが高くなるほど小さくなる。ただし、空燃比は要求負荷Lが高くなってもリーン空燃比とされる。また、第2の運転領域IIでは噴射開始時期θSは圧縮上死点TDC付近とされる。
【0060】
図10は第1の運転領域Iにおける空燃比A/Fを示している。図10において、A/F=15.5,A/F=16,A/F=17,A/F=18で示される各曲線は夫々空燃比が15.5,16,17,18であるときを示しており、各曲線間の空燃比は比例配分により定められる。図10に示されるように第1の運転領域Iでは空燃比がリーンとなっており、更に第1の運転領域Iでは要求負荷Lが低くなるほど空燃比A/Fがリーンとされる。
【0061】
即ち、要求負荷Lが低くなるほど燃焼による発熱量が少くなる。従って要求負荷Lが低くなるほどEGR率を低下させても低温燃焼を行うことができる。EGR率を低下させると空燃比は大きくなり、従って図10に示されるように要求負荷Lが低くなるにつれて空燃比A/Fが大きくされる。空燃比A/Fが大きくなるほど燃料消費率は向上し、従ってできる限り空燃比をリーンにするために本発明による実施例では要求負荷Lが低くなるにつれて空燃比A/Fが大きくされる。
【0062】
なお、空燃比を図10に示す目標空燃比とするのに必要なスロットル弁20の目標開度STが図11(A)に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM52内に記憶されており、空燃比を図10に示す目標空燃比とするのに必要なEGR制御弁31の目標開度SEが図11(B)に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM52内に記憶されている。
【0063】
図12は第2の燃焼、即ち従来の燃焼方法による普通の燃焼が行われるときの目標空燃比を示している。なお、図12においてA/F=24,A/F=35,A/F=45,A/F=60で示される各曲線は夫々目標空燃比24,35,45,60を示している。空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なスロットル弁20の目標開度STが図13(A)に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM52内に記憶されており、空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なEGR制御弁31の目標開度SEが図13(B)に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM52内に記憶されている。
【0064】
次に図14を参照しつつ運転制御について説明する。
図14を参照すると、まず初めにステップ100において機関の運転状態が第1の運転領域Iであることを示すフラグIがセットされているか否かが判別される。フラグIがセットされているとき、即ち機関の運転状態が第1の運転領域Iであるときにはステップ101に進んで要求負荷Lが図7(B)に示される第1の境界X(N)よりも大きくなったか否かが判別される。L≦X(N)のときにはステップ103に進んで低温燃焼が行われる。
【0065】
即ち、ステップ103では図11(A)に示すマップからスロットル弁20の目標開度STが算出され、スロットル弁20の開度がこの目標開度STとされる。次いでステップ104では図11(B)に示すマップからEGR制御弁31の目標開度SEが算出され、EGR制御弁31の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ105では図10に示される空燃比となるように燃料噴射が行われる。このとき低温燃焼が行われる。次いでステップ106では要求負荷Lが図7(B)に示される境界Z(N)よりも大きいか否かが判別される。L>Z(N)のときにはステップ107に進んで水噴射弁37から水が噴射される。
【0066】
一方、ステップ101においてL>X(N)になったと判別されたときにはステップ102に進んでフラグIがリセットされ、次いでステップ110に進んで第2の燃焼が行われる。
即ち、ステップ110では図13(A)に示すマップからスロットル弁20の目標開度STが算出され、スロットル弁20の開度がこの目標開度STとされる。次いでステップ111では図13(B)に示すマップからEGR制御弁31の目標開度SEが算出され、EGR制御弁31の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ112では図12に示されるリーン空燃比となるように燃料噴射が行われる。
【0067】
フラグIがリセットされると次の処理サイクルではステップ100からステップ108に進んで要求負荷Lが図7(B)に示される第2の境界Y(N)よりも低くなったか否かが判別される。L≧Y(N)のときにはステップ110に進み、リーン空燃比のもとで第2の燃焼が行われる。
一方、ステップ108においてL<Y(N)になったと判別されたときにはステップ109に進んでフラグIがセットされ、次いでステップ103に進んで低温燃焼が行われる。
【0068】
次に触媒25としてNOx 吸収剤を用いた第2実施例について説明する。
前述したようにNOx 吸収剤25は燃焼室5内における平均空燃比がリーンのときにNOx を吸収し、燃焼室5内における平均空燃比が理論空燃比又はリッチになるとNOx を放出する機能を有する。即ち、機関吸気通路、燃焼室5およびNOx 吸収剤25上流の排気通路内に供給された空気および燃料(炭化水素)の比をNOx 吸収剤25への流入排気ガスの空燃比と称するとこのNOx 吸収剤25は流入排気ガスの空燃比がリーンのときにはNOx を吸収し、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したNOx を放出するNOx の吸放出作用を行う。
【0069】
このNOx 吸収剤25を機関排気通路内に配置すればNOx 吸収剤25は実際にNOx の吸放出作用を行うがこの吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放出作用は図15に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。次にこのメカニズムについて担体上に白金PtおよびバリウムBaを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【0070】
図1に示される圧縮着火式内燃機関では通常燃焼室5における空燃比がリーンの状態で燃焼が行われる。このように空燃比がリーンの状態で燃焼が行われている場合には排気ガス中の酸素濃度は高く、このときには図15(A)に示されるようにこれら酸素O2 がO2 − 又はO2−の形で白金Ptの表面に付着する。一方、流入排気ガス中のNOは白金Ptの表面上でO2 − 又はO2−と反応し、NO2 となる(2NO+O2 →2NO2 )。次いで生成されたNO2 の一部は白金Pt上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら図15(A)に示されるように硝酸イオンNO3 − の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてNOx がNOx 吸収剤25内に吸収される。流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ptの表面でNO2 が生成され、吸収剤のNOx 吸収能力が飽和しない限りNO2 が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンNO3 − が生成される。
【0071】
一方、流入排気ガスの空燃比がリッチにされると流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、その結果白金Ptの表面でのNO2 の生成量が低下する。NO2 の生成量が低下すると反応が逆方向(NO3 − →NO2 )に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンNO3 − がNO2 の形で吸収剤から放出される。このときNOx 吸収剤25から放出されたNOx は図15(B)に示されるように流入排気ガス中に含まれる多量の未燃HC,COと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ptの表面上にNO2 が存在しなくなると吸収剤から次から次へとNO2 が放出される。従って流入排気ガスの空燃比がリッチにされると短時間のうちにNOx 吸収剤25からNOx が放出され、しかもこの放出されたNOx が還元されるために大気中にNOx が排出されることはない。
【0072】
なお、この場合、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にしてもNOx 吸収剤25からNOx が放出される。しかしながら流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にした場合にはNOx 吸収剤25からNOx が徐々にしか放出されないためにNOx 吸収剤25に吸収されている全NOx を放出させるには若干長い時間を要する。
【0073】
ところでNOx 吸収剤25のNOx 吸収能力には限度があり、NOx 吸収剤25のNOx 吸収能力が飽和する前にNOx 吸収剤25からNOx を放出させる必要がある。そのためにはNOx 吸収剤25に吸収されているNOx 量を推定する必要がある。そこで本発明による実施例では第1の燃焼が行われているときの単位時間当りのNOx 吸収量Aを要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図16(A)に示すようなマップの形で予め求めておき、第2の燃焼が行われているときの単位時間当りのNOx 吸収量Bを要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図16(B)に示すようなマップの形で予め求めておき、これら単位時間当りのNOx 吸収量A,Bを積算することによってNOx 吸収剤25に吸収されているNOx 量ΣNOXを推定するようにしている。
【0074】
第2実施例ではこのNOx 吸収量ΣNOXが予め定められた許容最大値を越えたときにNOx 吸収剤25からNOx を放出させるようにしている。次にこのことについて図17を参照しつつ説明する。
図17を参照すると第2実施例では二つの許容最大値、即ち許容最大値MAX1と許容最大値MAX2とが設定されている。許容最大値MAX1はNOx 吸収剤25が吸収しうる最大NOx 吸収量の30パーセント程度とされており、許容最大値MAX2はNOx 吸収剤25が吸収しうる最大吸収量の80パーセント程度とされている。第1の燃焼が行われているときにNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたときにはNOx 吸収剤25からNOx を放出すべく空燃比がリッチとされ、第2の燃焼が行われているときにNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたときには第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときにNOx 吸収剤25からNOx を放出すべく空燃比がリッチとされ、第2の燃焼が行われているときにNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX2を越えたときにはNOx 吸収剤25からNOx を放出すべく膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料が噴射される。
【0075】
即ち、図17において期間Xは要求負荷Lが第1の境界X(N)よりも低く、第1の燃焼が行われている場合を示しており、このとき空燃比は理論空燃比よりもわずかばかりリーンなリーン空燃比となっている。第1の燃焼が行われているときにはNOx の発生量が極めて少なく、従ってこのときには図17に示されるようにNOx 吸収量ΣNOXはきわめてゆっくりと上昇する。第1の燃焼が行われているときにNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えると空燃比A/Fは一時的にリッチとされ、それによってNOx 吸収剤25からNOx が放出される。このときNOx 吸収量ΣNOXは零とされる。
【0076】
前述したように第1の燃焼が行われているときには煤が発生しない。しかしながらNOx 吸収剤25からNOx を放出すべく空燃比がかなりリッチにされると燃料が燃焼する際の発熱量が急激に増大するために煤が発生する危険性がある。そこで第2実施例では空燃比がリッチにされるときには水噴射弁37から水を噴射し、燃焼室5内のガス温を低下させるようにしている。
【0077】
再び図17に戻り、時刻t1 において要求負荷Lが第1の境界X(N)を越えると第1の燃焼から第2の燃焼に切換えられる。図17に示されるように第2の燃焼が行われているときには空燃比A/Fはかなりリーンとなる。第2の燃焼が行われているときには第1の燃焼が行われている場合に比べてNOx の発生量が多く、従って第2の燃焼が行われているときにはNOx 量ΣNOXは比較的急速に上昇する。
【0078】
第2の燃焼が行われているときに空燃比A/Fをリッチにすると多量の煤が発生し、従って第2の燃焼が行われているときに空燃比A/Fをリッチにすることはできない。従って図17に示されるように第2の燃焼が行われているときにNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたとしてもNOx 吸収剤25からNOx を放出すべく空燃比A/Fがリッチとされない。この場合には図17の時刻t2 におけるように要求負荷Lが第2の境界Y(N)よりも低くなって第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときにNOx 吸収剤25からNOx を放出すべく空燃比A/Fが一時的にリッチにされる。このときにも煤の発生する危険性を回避するために水噴射弁37から水が噴射される。
【0079】
次いで図17の時刻t3 において第1の燃焼から第2の燃焼に切換えられ、暫らくの間第2の燃焼が継続したとする。このときNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越え、次いで時刻t4 において許容最大値MAX2を越えたとするとこのときにはNOx 吸収剤25からNOx を放出すべく膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料が噴射され、NOx 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比がリッチとされる。
【0080】
膨張行程の後半又は排気行程中に噴射される追加の燃料は機関出力の発生には寄与せず、従って追加の燃料を噴射する機会はできるだけ少くすることが好ましい。従って第2の燃焼が行われたときにNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたときには第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときに空燃比A/Fを一時的にリッチにし、NOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX2を越えた特別の場合に限って追加の燃料を噴射するようにしている。
【0081】
図18はNOx 吸収剤25からNOx を放出すべきときにセットされるNOx 放出フラグの処理ルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図18を参照するとまず初めにステップ200において機関の運転領域が第1の運転領域Iであることを示すフラグIがセットされているか否かが判別される。フラグIがセットされているとき、即ち機関の運転領域が第1の運転領域Iであるときにはステップ201に進んで図16(A)に示すマップから単位時間当りのNOx 吸収量Aが算出される。次いでステップ202ではNOx 吸収量ΣNOXがAに加算される。次いでステップ203ではNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたか否かが判別される。ΣNOX>MAX1になるとステップ204に進み、第1の燃焼が行われているときにNOx を放出すべきことを示すNOx 放出フラグIがセットされる。
【0082】
一方、ステップ200においてフラグIがリセットされていると判断されたとき、即ち機関の運転領域が第2の運転領域IIであるときにはステップ205に進んで図16(B)に示すマップから単位時間当りのNOx 吸収量Bが算出される。次いでステップ206ではNOx 吸収量ΣNOXにBが加算される。次いでステップ207ではNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたか否かが判別される。ΣNOX>MAX1になるとステップ208に進み、第1の燃焼が行われているときにNOx を放出すべきことを示すNOx 放出フラグIがセットされる。
【0083】
一方、ステップ209ではNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX2を越えたか否かが判別される。ΣNOX>MAX2になるとステップ210に進み、第2の燃焼中にNOx を放出すべきことを示すNOx 放出フラグIIがセットされる。
次に図19を参照しつつ運転制御について説明する。
【0084】
図19を参照すると、まず初めにステップ300において機関の運転状態が第1の運転領域Iであることを示すフラグIがセットされているか否かが判別される。フラグIがセットされているとき、即ち機関の運転状態が第1の運転領域Iであるときにはステップ301に進んで要求負荷Lが図7(A)に示される第1の境界X(N)よりも大きくなったか否かが判別される。L≦X(N)のときにはステップ303に進んで低温燃焼が行われる。
【0085】
即ち、ステップ303では図11(A)に示すマップからスロットル弁20の目標開度STが算出され、スロットル弁20の開度がこの目標開度STとされる。次いでステップ304では図11(B)に示すマップからEGR制御弁31の目標開度SEが算出され、EGR制御弁31の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ305ではNOx 放出フラグIがセットされているか否かが判別される。NOx 放出フラグIがセットされていないときにはステップ306に進んで図10に示される空燃比となるように燃料噴射が行われる。このときリーン空燃比のもとで低温燃焼が行われる。
【0086】
一方、ステップ305においてNOx 放出フラグIがセットされていると判別されたときにはステップ307に進んで図20に示されるリッチ処理Iが行われる。
一方、ステップ301においてL>X(N)になったと判別されたときにはステップ302に進んでフラグIがリセットされ、次いでステップ310に進んで第2の燃焼が行われる。
【0087】
即ち、ステップ310では図13(A)に示すマップからスロットル弁20の目標開度STが算出され、スロットル弁20の開度がこの目標開度STとされる。次いでステップ311では図13(B)の示すマップからEGR制御弁31の目標開度SEが算出され、EGR制御弁31の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ312ではNOx 放出フラグIIがセットされているか否かが判別される。NOx 放出フラグIIがセットされていないときにはステップ313に進んで図12に示される空燃比となるように燃料噴射が行われる。このときリーン空燃比のもとで第2の燃焼が行われる。
【0088】
一方、ステップ312においてNOx 放出フラグIIがセットされていると判別されたときにはステップ314に進んで図21に示されるリッチ処理IIが行われる。
次に図20を参照しつつリッチ処理Iについて説明する。
図20を参照するとまず初めにステップ400においてNOx 吸収剤25に吸収されていると推定される全NOx ΣNOXを放出させるのに必要なリッチ時間tr が算出される。次いでステップ401ではリッチ処理I開始後の経過時間tがリッチ時間tr を越えたか否かが判別される。t≦tr のときにはステップ402に進んで燃料噴射量が増量され、空燃比がリッチとされる。次いでステップ403において水噴射弁37から水が水が噴射される。
【0089】
一方、ステップ401においてt>tr になったと判断されたときにはステップ404に進んでNOx 放出フラグIがリセットされ、次いでステップ405においてΣNOXが零とされる。
次に図21を参照しつつリッチ処理IIについて説明する。
図21を参照するとまず初めにステップ500においてNOx 吸収剤25に吸収されていると推定される全NOx ΣNOXを放出させるのに必要なリッチ時間tr が算出される。次いでステップ501ではリッチ処理II開始後の経過時間tがリッチ時間tr を越えたか否かが判別される。t≦tr のときにはステップ502に進んで図12に示す空燃比A/Fとなるように主噴射が行われ、NOx 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比をリッチとするのに必要な追加の燃料が膨張行程後半又は排気行程中に噴射される。
【0090】
一方、ステップ501においてt>tr になったと判断されたときにはステップ503に進んでNOx 放出フラグIおよびIIがリセットされ、次いでステップ504においてΣNOXが零とされる。
なお、この第2実施例においても第1実施例と同様に、低温燃焼時において要求負荷Lが図7(B)に示される境界Z(N)を越えたときに水噴射弁37から水を噴射させることができる。
【0091】
【発明の効果】
低温燃焼領域を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図2】スモークおよびNOx の発生量等を示す図である。
【図3】燃焼圧を示す図である。
【図4】燃料分子を示す図である。
【図5】スモークの発生量とEGR率との関係を示す図である。
【図6】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図7】第1の運転領域Iおよび第2の運転領域IIを示す図である。
【図8】空燃比センサの出力を示す図である。
【図9】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図10】第1の運転領域Iにおける空燃比を示す図である。
【図11】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図12】第2の燃焼における空燃比を示す図である。
【図13】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図14】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図15】NOx の放出作用を説明するための図である。
【図16】単位時間当りのNOx 吸収量のマップを示す図である。
【図17】NOx 放出制御を説明するための図である。
【図18】NOx 放出フラグを処理するためのフローチャートである。
【図19】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図20】リッチ処理Iを実行するためのフローチャートである。
【図21】リッチ処理IIを実行するためのフローチャートである。
【符号の説明】
6…燃料噴射弁
15…排気ターボチャージャ
20…スロットル弁
29…EGR通路
37…水噴射弁[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in an internal combustion engine, for example, a diesel engine, NOxThe engine exhaust passage and the engine intake passage are connected by an exhaust gas recirculation (hereinafter, referred to as EGR) passage in order to suppress the generation of the exhaust gas, that is, the exhaust gas, that is, the EGR gas is introduced into the engine intake passage through the EGR passage. I try to recirculate. In this case, the EGR gas has a relatively high specific heat and can absorb a large amount of heat. Therefore, as the EGR gas amount increases, the EGR rate (EGR gas amount / (EGR gas amount + intake air amount)) Increases, the combustion temperature in the combustion chamber decreases. NO when combustion temperature dropsxThe more the EGR rate increases, the lower the NOxWill decrease.
[0003]
If the EGR rate is increased as compared with the conventional case, NOxIt has been known that the amount of generation of phenol can be reduced. However, when the EGR rate is increased, when the EGR rate exceeds a certain limit, the amount of generated soot, that is, smoke starts to increase rapidly. In this regard, it has been conventionally considered that if the EGR rate is further increased, the smoke will increase infinitely. Therefore, the EGR rate at which the smoke starts to increase rapidly is considered to be the maximum allowable limit of the EGR rate. Has been.
[0004]
Therefore, conventionally, the EGR rate is set within a range not exceeding the maximum allowable limit. The maximum allowable EGR rate varies substantially depending on the type of engine and fuel, but is approximately 30 to 50%. Therefore, in the conventional diesel engine, the EGR rate is suppressed to about 30% to 50% at the maximum.
[0005]
As described above, conventionally, it has been considered that the maximum allowable limit exists for the EGR rate. Therefore, the EGR rate is conventionally set to a value within the range not exceeding the maximum allowable limit.xAnd the amount of smoke was determined to be as small as possible. However, in this way, the EGR rate is set to NO.xNO even if the amount of smoke generated is minimizedxAnd the reduction in the amount of smoke generated is limited, and in practice, a considerable amount of NOxAt present, smoke is generated.
[0006]
However, if the EGR rate is made larger than the maximum permissible limit in the course of research on the combustion of a diesel engine, the smoke rapidly increases as described above. However, a peak exists in the amount of generated smoke. When the EGR rate is further increased, the smoke starts to decrease rapidly, and when the EGR rate is increased to 70% or more during idling operation, and when the EGR rate is increased to about 55% or more when the EGR gas is cooled strongly, the smoke is almost completely reduced. It was found that it was zero, ie, little soot was generated. In this case, NOxIt has also been found that the amount of generation is extremely small. After that, based on this finding, the reason why soot was not generated was examined, and as a result, soot and NOxThis has led to the construction of a new combustion system that can simultaneously reduce the combustion. This new combustion system will be described in detail later, but in short, it is basically based on stopping the growth of hydrocarbons in the middle of the process until the hydrocarbons grow into soot.
[0007]
That is, as a result of repeated experimental research, it has been found that when the temperature of the fuel during combustion in the combustion chamber and the gas temperature around it are below a certain temperature, the growth of hydrocarbons stops at a stage before reaching soot, and the fuel And when the temperature of the gas around it rises above a certain temperature, the hydrocarbons grow to soot at a stretch. In this case, the temperature of the fuel and the surrounding gas is greatly affected by the heat absorbing action of the gas around the fuel when the fuel is burned, and the amount of heat absorbed by the gas around the fuel is adjusted according to the calorific value at the time of burning the fuel. As a result, the temperature of the fuel and the surrounding gas can be controlled.
[0008]
Therefore, if the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber is suppressed to a temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway, soot will not be generated, and the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber will be reduced. Can be suppressed below the temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway, by adjusting the amount of heat absorbed by the gas around the fuel. On the other hand, hydrocarbons whose growth has stopped halfway before reaching soot can be easily purified by post-treatment using an oxidation catalyst or the like. This is the basic idea of a new combustion system. An internal combustion engine employing the new combustion system has already been filed by the present applicant (Japanese Patent Application No. 9-305850).
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, even in this internal combustion engine, if the fuel injection amount increases, the calorific value of the whole injected fuel increases, so that the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber is lower than the temperature at which soot is generated. The low temperature can be maintained when the fuel injection amount is relatively small. However, with this new combustion system, soot and NOxCan be reduced at the same time, and it is therefore preferable to extend the operating range of the engine in which the new combustion system can be used as much as possible.
[0010]
It is an object of the present invention to extend the operating range of an engine that can use this new combustion system.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the first invention, as the amount of recirculated exhaust gas supplied to the fuel chamber increases, the amount of soot generated gradually increases and reaches a peak.However, if the amount of recirculated exhaust gas supplied into the combustion chamber is further increased, the temperature of fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber becomes lower than the temperature at which soot is generated, and soot is hardly generated.In an internal combustion engine, by increasing the amount of recirculated exhaust gas supplied into the combustion chamber from the amount of recirculated exhaust gas at which the generation amount of soot becomes a peak, the temperature of fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber is reduced. Is suppressed to a temperature lower than the temperature at which water is generated, and water is supplied to the intake air sent into the combustion chamber. That is, when water is supplied to the intake air, the temperature of fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber decrease.
[0012]
According to a second aspect, in the first aspect, the amount of water supplied to the intake air is larger when the engine load is higher than the predetermined load than when the engine load is lower than the predetermined load. Is done.
In a third aspect based on the first aspect, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, NO contained in the exhaust gas is included.xAnd the NO absorbed when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas becomes stoichiometric or rich.xReleases NOxThe absorbent is disposed in the engine exhaust passage, and NOxNO from absorbentxWhen the air-fuel ratio in the combustion chamber is set to the stoichiometric air-fuel ratio or rich in order to release the water, water is supplied to the intake air.
[0013]
In a fourth aspect based on the first aspect, a means for collecting moisture in the recirculated exhaust gas is provided, and the collected water is supplied to the intake air.
In a fifth aspect based on the first aspect, a catalyst having an oxidizing function is disposed in the engine exhaust passage.
In a sixth aspect based on the fifth aspect, the catalyst is an oxidation catalyst, a three-way catalyst or NO.xConsists of at least one of the absorbents.
[0014]
In a seventh aspect based on the first aspect, the exhaust gas recirculation rate is approximately 55% or more.
In an eighth aspect based on the first aspect, the first combustion in which the amount of recirculated exhaust gas supplied into the combustion chamber is larger than the amount of recirculated exhaust gas at which the generation amount of soot reaches a peak and soot is hardly generated; There is provided switching means for selectively switching between the second combustion in which the amount of recirculated exhaust gas supplied into the combustion chamber is smaller than the amount of recirculated gas at which the amount of generated soot becomes a peak.
[0015]
According to a ninth aspect, in the eighth aspect, the air-fuel ratio in the first combustion is a stoichiometric air-fuel ratio, a lean air-fuel ratio slightly leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, or a rich air-fuel ratio. The air-fuel ratio in the combustion is defined as the lean air-fuel ratio.
In a tenth aspect based on the eighth aspect, the operating range of the engine is divided into a first operating range on the low load side and a second operating range on the high load side, and the first combustion is performed in the first operating range. In the second operation region, the second combustion is performed.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a case where the present invention is applied to a four-stroke compression ignition type internal combustion engine.
Referring to FIG. 1, 1 is an engine body, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is an electrically controlled fuel injection valve, 7 is an intake valve, 8 is an intake port, 9 Denotes an exhaust valve, and 10 denotes an exhaust port. The
[0017]
On the other hand, the
[0018]
The
[0019]
On the other hand, the fuel injection valve 6 is connected via a fuel supply pipe 33 to a fuel reservoir, a so-called
[0020]
A
[0021]
On the other hand, the EGR gas contains moisture. Therefore, when the EGR gas is cooled by the
[0022]
In the embodiment shown in FIG. 1, for example, the on-off valve 41 is temporarily opened immediately after the engine is stopped. At this time, the coagulated water accumulated at the bottom of the
The
[0023]
FIG. 2 shows a change in the output torque when the air-fuel ratio A / F (horizontal axis in FIG. 2) is changed by changing the opening degree and the EGR rate of the
[0024]
As shown in FIG. 2, when the air-fuel ratio A / F is reduced by increasing the EGR rate, the amount of smoke generated when the EGR rate becomes about 40% and the air-fuel ratio A / F becomes about 30 is reduced. Start growing. Next, when the EGR rate is further increased and the air-fuel ratio A / F is reduced, the amount of smoke generated sharply increases and reaches a peak. Next, when the EGR rate is further increased and the air-fuel ratio A / F is reduced, the smoke is sharply reduced. When the EGR rate is increased to 65% or more, and when the air-fuel ratio A / F is around 15.0, the smoke becomes almost zero. . That is, almost no soot is generated. At this time, the output torque of the engine slightly decreases, and NOxThe amount of generation is considerably low. On the other hand, at this time, the generation amounts of HC and CO begin to increase.
[0025]
FIG. 3A shows a change in the combustion pressure in the
[0026]
The following can be said from the experimental results shown in FIGS. That is, first, when the air-fuel ratio A / F is 15.0 or less and the amount of generated smoke is almost zero, NO as shown in FIG.xThe amount of generation of methane is considerably reduced. NOxThe decrease in the amount of the generated gas means that the combustion temperature in the
[0027]
Second, when the amount of generated smoke, that is, the amount of generated soot becomes almost zero, the amount of HC and CO emissions increases as shown in FIG. This means that hydrocarbons are emitted without growing to soot. That is, the linear hydrocarbon and the aromatic hydrocarbon contained in the fuel as shown in FIG. 4 are thermally decomposed when the temperature is increased in a state of lack of oxygen, so that a precursor of soot is formed. A soot consisting of a solid aggregate of carbon atoms is produced. In this case, the actual soot generation process is complicated, and it is not clear what form the soot precursor takes, but in any case, the hydrocarbon as shown in FIG. It will grow to soot. Therefore, as described above, when the generation amount of soot becomes almost zero, the emission amounts of HC and CO increase as shown in FIG. 2, but HC at this time is a soot precursor or a hydrocarbon in a state before it. .
[0028]
Summarizing these considerations based on the experimental results shown in FIGS. 2 and 3, when the combustion temperature in the
[0029]
By the way, the temperature of the fuel and its surrounding when the process of producing hydrocarbons is stopped in the state of the soot precursor, that is, the above-mentioned certain temperature varies depending on various factors such as the type of fuel, the air-fuel ratio, the compression ratio, and the like. I can not say how many times, but this certain temperature is NOxIs closely related to the amount of NOx generated, so that this certain temperature is NOxCan be defined to some extent from the amount of occurrence of. That is, as the EGR rate increases, the fuel temperature during combustion and the gas temperature around the fuel decrease, and the NOxGeneration amount decreases. NO at this timexIs 10 p. p. When it is less or equal to or less than m, almost no soot is generated. Therefore, the above certain temperature is NOxIs 10 p. p. m The temperature almost coincides with the temperature when the temperature becomes lower or higher.
[0030]
Once soot is produced, it cannot be purified by post-treatment using a catalyst having an oxidizing function. On the other hand, the soot precursor or the hydrocarbon in the state before the soot can be easily purified by a post-treatment using a catalyst having an oxidation function. Considering the post-treatment with the catalyst having the oxidation function, it is extremely difficult to discharge the hydrocarbon soot from the
[0031]
Now, in order to stop the growth of hydrocarbons before soot is generated, it is necessary to suppress the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion in the
[0032]
That is, if there is only air around the fuel, the evaporated fuel immediately reacts with oxygen in the air and burns. In this case, the temperature of the air separated from the fuel does not rise so much, and only the temperature around the fuel becomes extremely high locally. That is, at this time, the air separated from the fuel hardly absorbs the heat of combustion heat of the fuel. In this case, since the combustion temperature becomes extremely high locally, the unburned hydrocarbons that have received the heat of combustion will generate soot.
[0033]
On the other hand, when fuel is present in a mixed gas of a large amount of inert gas and a small amount of air, the situation is slightly different. In this case, the evaporated fuel diffuses to the surroundings, reacts with oxygen mixed in the inert gas, and burns. In this case, since the combustion heat is absorbed by the surrounding inert gas, the combustion temperature does not rise so much. That is, the combustion temperature can be kept low. That is, the presence of the inert gas plays an important role in suppressing the combustion temperature, and the combustion temperature can be kept low by the endothermic effect of the inert gas.
[0034]
In this case, controlling the temperature of the fuel and its surrounding gas to a temperature lower than the temperature at which soot is generated requires an amount of an inert gas that can absorb a sufficient amount of heat to do so. Therefore, if the amount of fuel increases, the required amount of inert gas increases accordingly. In this case, the endothermic effect becomes stronger as the specific heat of the inert gas increases, so that the inert gas preferably has a higher specific heat. In this regard, CO2Since EGR gas has a relatively large specific heat, it can be said that it is preferable to use EGR gas as the inert gas.
[0035]
FIG. 5 shows the relationship between the EGR rate and smoke when the EGR gas is used as the inert gas and the degree of cooling of the EGR gas is changed. That is, in FIG. 5, the curve A shows a case where the EGR gas is cooled strongly and the EGR gas temperature is maintained at approximately 90 ° C., and the curve B shows a case where the EGR gas is cooled by a small cooling device. , Curve C shows the case where the EGR gas is not forcibly cooled.
[0036]
As shown by the curve A in FIG. 5, when the EGR gas is cooled strongly, the amount of soot generation peaks at a point where the EGR rate is slightly lower than 50%. In this case, the EGR rate is increased to approximately 55% or more. Then, almost no soot is generated.
On the other hand, as shown by the curve B in FIG. 5, when the EGR gas is slightly cooled, the amount of soot generation peaks at a point where the EGR rate is slightly higher than 50%, and in this case, the EGR rate is increased to about 65% or more. So that almost no soot is generated.
[0037]
As shown by the curve C in FIG. 5, when the EGR gas is not forcibly cooled, the amount of soot generation reaches a peak when the EGR rate is around 55%. Above a percentage, soot is hardly generated.
FIG. 5 shows the amount of smoke generated when the engine load is relatively high. When the engine load decreases, the EGR rate at which the amount of soot peaks slightly decreases, and the EGR rate at which almost no soot is generated Also lowers slightly. As described above, the lower limit of the EGR rate at which almost no soot is generated varies depending on the degree of cooling of the EGR gas and the engine load.
[0038]
FIG. 6 shows a mixed gas amount of the EGR gas and the air necessary for setting the fuel temperature during combustion and the surrounding gas temperature to a temperature lower than the temperature at which soot is generated when EGR gas is used as the inert gas; Further, the ratio of air in the mixed gas amount and the ratio of EGR gas in the mixed gas are shown. In FIG. 6, the vertical axis indicates the total intake gas amount drawn into the
[0039]
Referring to FIG. 6, the proportion of air, that is, the amount of air in the mixed gas, indicates the amount of air required to completely burn the injected fuel. That is, in the case shown in FIG. 6, the ratio between the air amount and the injected fuel amount is the stoichiometric air-fuel ratio. On the other hand, in FIG. 6, the ratio of the EGR gas, that is, the amount of the EGR gas in the mixed gas, is set so that when the injected fuel is burned, the temperature of the fuel and the surrounding gas is lower than the temperature at which the soot is formed. The minimum required EGR gas amount is shown. This EGR gas amount is approximately 55% or more in terms of the EGR rate, and is 70% or more in the embodiment shown in FIG. That is, the total intake gas amount sucked into the
[0040]
As the amount of fuel injection increases, the amount of heat generated when the fuel burns increases. Therefore, in order to maintain the temperature of the fuel and its surrounding gas at a temperature lower than the temperature at which soot is generated, the amount of heat absorbed by the EGR gas Must be increased. Accordingly, as shown in FIG. 6, the EGR gas amount must be increased as the injected fuel amount increases. That is, the EGR gas amount needs to increase as the required load increases.
[0041]
By the way, when the supercharging is not performed, the upper limit of the total intake gas amount X sucked into the
[0042]
However, as shown in FIG. 1, when the EGR gas is recirculated through the
[0043]
When the EGR rate is set to 55% or more in a region where the required load is larger than Lo, the
As described above, FIG. 6 shows the case where the fuel is burned under the stoichiometric air-fuel ratio. However, even if the air amount is smaller than the air amount shown in FIG. NO while preventing generation ofx
[0044]
That is, when the air-fuel ratio is made rich, the fuel becomes excessive, but since the combustion temperature is suppressed to a low temperature, the excess fuel does not grow to soot, and thus no soot is generated. At this time, NOxOnly a very small amount is generated. On the other hand, when the average air-fuel ratio is lean, or even when the air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio, a small amount of soot is generated when the combustion temperature increases, but in the present invention, the soot is suppressed to a low temperature, so that the soot is reduced. Not generated at all. Furthermore, NOxOnly a very small amount is generated.
[0045]
Thus, when low-temperature combustion is being performed, soot is not generated regardless of the air-fuel ratio, that is, whether the air-fuel ratio is rich, the stoichiometric air-fuel ratio, or the average air-fuel ratio is lean, NOxIs extremely small. Therefore, considering the improvement of the fuel consumption rate, it can be said that it is preferable to make the average air-fuel ratio lean at this time.
[0046]
By the way, the temperature of the fuel and the surrounding gas during the combustion in the combustion chamber can be suppressed to a temperature lower than the temperature at which the fuel stops during the growth of hydrocarbons, but is limited to the low load operation in the engine where the amount of heat generated by combustion is relatively small. Therefore, in the embodiment according to the present invention, the first combustion, that is, the low-temperature combustion is performed by suppressing the temperature of the fuel during combustion and the gas temperature around the same at or below the temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway during the low load operation in the engine. In addition, the second combustion, that is, the combustion that has been performed conventionally, is performed during the high load operation of the engine. Here, the first combustion, that is, the low-temperature combustion, has a larger amount of the inert gas in the combustion chamber than the amount of the inert gas at which the generation amount of soot is a peak, as is apparent from the description so far, and almost all the soot is generated. The second combustion, that is, the combustion that has been performed conventionally, is a combustion in which the amount of the inert gas in the combustion chamber is smaller than the amount of the inert gas at which the amount of soot is peaked. Say that.
[0047]
FIG. 7A shows a first operation region I in which first combustion, that is, low-temperature combustion is performed, and a second operation region II in which second combustion, that is, combustion by a conventional combustion method, is performed. I have. In FIG. 7A, the vertical axis L indicates the depression amount of the
[0048]
That is, if the required load L exceeds a first boundary X (N), which is a function of the engine speed N, when the operating state of the engine is in the first operating region I and low-temperature combustion is being performed, the operating region Is shifted to the second operation region II, and combustion is performed by the conventional combustion method. Next, when the required load L becomes lower than a second boundary Y (N) which is a function of the engine speed N, it is determined that the operation region has shifted to the first operation region I, and low-temperature combustion is performed again.
[0049]
The two boundaries of the first boundary X (N) and the second boundary Y (N) on the lower load side than the first boundary X (N) are provided for the following two reasons. . The first reason is that the combustion temperature is relatively high on the high load side of the second operation region II, and even if the required load L becomes lower than the first boundary X (N), low-temperature combustion cannot be performed immediately. Because. That is, the low-temperature combustion does not start immediately unless the required load L becomes considerably low, that is, when the required load L becomes lower than the second boundary Y (N). The second reason is that hysteresis is provided for a change in the operation range between the first operation range I and the second operation range II.
[0050]
By the way, as described above, when the EGR gas is recirculated to the
[0051]
Therefore, in the first embodiment according to the present invention, when the required load L exceeds the boundary Z (N) shown in FIG. Water is sprayed inside. FIG. 7B shows a first boundary X (N) and a second boundary Y (N) when water injection is performed. When comparing FIG. 7A and FIG. 7B, the first boundary X (N) and the second boundary Y (N) shown in FIG. 7B when water injection is performed are shown in FIG. It can be seen that the load has moved to a higher load than the first boundary X (N) and the second boundary Y (N) when the water injection shown in FIG. 7 (A) is not performed. In other words, it can be seen that when water injection is performed, the operating range in which low-temperature combustion can be performed expands to the high load side.
[0052]
The boundary Z (N) is a function of the engine speed N, and this Z (N) decreases as the engine speed N increases.
By the way, when the operating state of the engine is in the first operating region I and low-temperature combustion is being performed, almost no soot is generated, and instead, the unburned hydrocarbon is in the form of a precursor of soot or a state before it. It is discharged from the
[0053]
As the
This NOxThe absorbent is, for example, alumina as a carrier, and on this carrier, for example, potassium K, sodium Na, lithium Li, alkali metal such as cesium Cs, barium Ba, alkaline earth such as calcium Ca, lanthanum La, yttrium Y or the like. And at least one selected from rare earths and a noble metal such as platinum Pt.
[0054]
Not only oxidation catalyst, but also three-way catalyst and NOxThe absorbent also has an oxidizing function, and therefore, as described above, the three-way catalyst and the NOxAn absorbent can be used as the
FIG. 8 shows the output of the air-
[0055]
Next, the operation control in the first operation region I and the second operation region II will be schematically described with reference to FIG.
FIG. 9 shows the opening degree of the
[0056]
In other words, in the first operating region I, the opening of the
[0057]
In the first operating region I, water is injected from the
In addition, during idling operation, the
[0058]
On the other hand, when the operating region of the engine changes from the first operating region I to the second operating region II, the opening of the
[0059]
In the second operation region II, the conventional combustion is performed. In the second operation region II, the
[0060]
FIG. 10 shows the air-fuel ratio A / F in the first operation region I. In FIG. 10, the curves indicated by A / F = 15.5, A / F = 16, A / F = 17, and A / F = 18 have air-fuel ratios of 15.5, 16, 17, and 18, respectively. And the air-fuel ratio between the curves is determined by proportional distribution. As shown in FIG. 10, the air-fuel ratio is lean in the first operating region I, and the air-fuel ratio A / F is leaner in the first operating region I as the required load L decreases.
[0061]
That is, the lower the required load L, the smaller the amount of heat generated by combustion. Therefore, as the required load L decreases, low-temperature combustion can be performed even if the EGR rate is reduced. When the EGR rate is reduced, the air-fuel ratio increases. Therefore, as shown in FIG. 10, the air-fuel ratio A / F increases as the required load L decreases. As the air-fuel ratio A / F increases, the fuel consumption rate increases. Therefore, in order to make the air-fuel ratio as lean as possible, in the embodiment according to the present invention, the air-fuel ratio A / F increases as the required load L decreases.
[0062]
Note that the target opening ST of the
[0063]
FIG. 12 shows the target air-fuel ratio when the second combustion, that is, the normal combustion by the conventional combustion method is performed. In FIG. 12, curves indicated by A / F = 24, A / F = 35, A / F = 45, and A / F = 60 indicate target air-
[0064]
Next, the operation control will be described with reference to FIG.
Referring to FIG. 14, first, in
[0065]
That is, in
[0066]
On the other hand, when it is determined in
That is, in
[0067]
When the flag I is reset, in the next processing cycle, the process proceeds from
On the other hand, when it is determined in
[0068]
Next, NO as the catalyst 25xA second embodiment using an absorbent will be described.
NO as described abovexThe absorbent 25 is NO when the average air-fuel ratio in the
[0069]
This NOxIf the absorbent 25 is arranged in the engine exhaust passage, NOx
[0070]
In the compression ignition type internal combustion engine shown in FIG. 1, combustion is performed in a state where the air-fuel ratio in the
[0071]
On the other hand, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is made rich, the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas decreases, and as a result, NO on the surface of the platinum Pt is reduced.2Is reduced. NO2The reaction proceeds in the reverse direction (NO3 −→ NO2) And thus the nitrate ions NO in the absorbent3 −Is NO2Released from the absorbent in the form of NO at this timexNO released from absorbent 25xIs reacted with a large amount of unburned HC and CO contained in the inflowing exhaust gas and reduced as shown in FIG. Thus, NO on the surface of platinum Pt2When no longer exists, NO is changed from one absorbent to the next2Is released. Therefore, if the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is made rich, NOxNO from absorbent 25xIs released, and the released NOxNO in the atmosphere to be reducedxIs not emitted.
[0072]
In this case, even if the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is set to the stoichiometric air-fuel ratio, NOxNO from absorbent 25xIs released. However, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is set to the stoichiometric air-fuel ratio, NOxNO from absorbent 25xIs released only slowlyxTotal NO absorbed in
[0073]
By the way, NOxNO of absorbent 25xAbsorption capacity is limited, NOxNO of absorbent 25xNO before absorption capacity is saturatedxNO from absorbent 25xMust be released. NO for thatxNO absorbed by
[0074]
In the second embodiment, this NOxNO when the absorption amount ΣNOX exceeds a predetermined allowable maximum value.xNO from absorbent 25xIs to be released. Next, this will be described with reference to FIG.
Referring to FIG. 17, in the second embodiment, two allowable maximum values, that is, an allowable maximum value MAX1 and an allowable maximum value MAX2 are set. Maximum allowable value MAX1 is NOxMaximum NO that can be absorbed by the absorbent 25xIt is about 30% of the absorption amount, and the allowable maximum value MAX2 is NOxIt is about 80% of the maximum absorption amount that the absorbent 25 can absorb. NO when the first combustion is being performedxNO when the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1.xNO from absorbent 25xWhen the air-fuel ratio is made rich and the second combustion is performed, NOxWhen the absorption amount ΣNOX exceeds the permissible maximum value MAX1, when the second combustion is switched to the first combustion, NOxNO from absorbent 25xWhen the air-fuel ratio is made rich and the second combustion is performed, NOxNO when the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX2.xNO from absorbent 25xAdditional fuel is injected during the second half of the expansion stroke or during the exhaust stroke to release.
[0075]
That is, FIG. 17 shows a case where the required load L is lower than the first boundary X (N) and the first combustion is performed in the period X, and the air-fuel ratio at this time is slightly smaller than the stoichiometric air-fuel ratio. It has a lean air-fuel ratio. NO when first combustion is being performedxIs extremely small, and therefore, at this time, as shown in FIG.xThe absorption amount ΣNOX rises very slowly. NO when the first combustion is being performedxWhen the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1, the air-fuel ratio A / F is temporarily made rich, whereby the NOxNO from absorbent 25xIs released. NO at this timexThe absorption amount ΣNOX is set to zero.
[0076]
As described above, no soot is generated during the first combustion. However, NOxNO from absorbent 25xIf the air-fuel ratio is made considerably rich to release the fuel, there is a danger that soot will be generated due to a rapid increase in the amount of heat generated when the fuel burns. Therefore, in the second embodiment, when the air-fuel ratio is made rich, water is injected from the
[0077]
Returning again to FIG.1When the required load L exceeds the first boundary X (N), the first combustion is switched to the second combustion. As shown in FIG. 17, when the second combustion is being performed, the air-fuel ratio A / F becomes considerably lean. NO is performed when the second combustion is performed, compared to when the first combustion is performed.xIs large when the second combustion is being performed.xThe amount ΣNOX rises relatively quickly.
[0078]
If the air-fuel ratio A / F is made rich while the second combustion is being performed, a large amount of soot is generated. Therefore, it is difficult to make the air-fuel ratio A / F rich when the second combustion is being performed. Can not. Therefore, when the second combustion is being performed as shown in FIG.xEven if the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1, NOxNO from absorbent 25xThe air-fuel ratio A / F is not made rich in order to release the fuel. In this case, time t in FIG.2When the required load L becomes lower than the second boundary Y (N) and the second combustion is switched to the first combustion as inxNO from absorbent 25xThe air-fuel ratio A / F is temporarily made rich to release the air. Also at this time, water is injected from the
[0079]
Next, at time t in FIG.3Is switched from the first combustion to the second combustion, and the second combustion is continued for a while. NO at this timexThe absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1, and then the time t4In this case, if the allowable maximum value MAX2 is exceeded, then NOxNO from absorbent 25xAdditional fuel is injected during the second half of the expansion stroke or during the exhaust stroke to releasexThe air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 25 is made rich.
[0080]
The additional fuel injected during the second half of the expansion stroke or during the exhaust stroke does not contribute to the generation of engine power, so it is preferable to inject the additional fuel as little as possible. Therefore, when the second combustion is performed, NOxWhen the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1, the air-fuel ratio A / F is temporarily made rich when the second combustion is switched to the first combustion, and NOxAdditional fuel is injected only in special cases where the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX2.
[0081]
FIG. 18 is NOxNO from absorbent 25xSet when to releasexThis shows a routine for processing the release flag, and this routine is executed by interruption every predetermined time.
Referring to FIG. 18, first, at
[0082]
On the other hand, when it is determined in
[0083]
On the other hand, in
Next, the operation control will be described with reference to FIG.
[0084]
Referring to FIG. 19, first, at
[0085]
That is, in step 303, the target opening ST of the
[0086]
On the other hand, in
On the other hand, when it is determined in
[0087]
That is, in
[0088]
On the other hand, in
Next, the rich processing I will be described with reference to FIG.
Referring to FIG. 20, first, in step 400, NOxTotal NO presumed to be absorbed by absorbent 25xリ ッ チ Rich time t required to release NOXrIs calculated. Next, at
[0089]
On the other hand, in
Next, the rich process II will be described with reference to FIG.
Referring to FIG. 21, first, in
[0090]
On the other hand, in
In the second embodiment, similarly to the first embodiment, when the required load L exceeds the boundary Z (N) shown in FIG. 7B during low-temperature combustion, water is injected from the
[0091]
【The invention's effect】
The low temperature combustion area can be expanded.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of a compression ignition type internal combustion engine.
FIG. 2 Smoke and NOxFIG.
FIG. 3 is a diagram showing a combustion pressure.
FIG. 4 is a diagram showing fuel molecules.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a generation amount of smoke and an EGR rate.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between an injected fuel amount and a mixed gas amount.
FIG. 7 is a diagram showing a first operation region I and a second operation region II.
FIG. 8 is a diagram showing an output of an air-fuel ratio sensor.
FIG. 9 is a diagram showing an opening degree of a throttle valve and the like.
FIG. 10 is a diagram showing an air-fuel ratio in a first operation region I.
FIG. 11 is a diagram showing a map of a target opening degree of a throttle valve and the like.
FIG. 12 is a view showing an air-fuel ratio in a second combustion.
FIG. 13 is a diagram showing a map of a target opening degree of a throttle valve and the like.
FIG. 14 is a flowchart for controlling operation of the engine.
FIG. 15 NOxIt is a figure for explaining the release operation of.
FIG. 16: NO per unit timexIt is a figure showing a map of an amount of absorption.
FIG. 17 NOxIt is a figure for explaining discharge control.
FIG. 18 NOxIt is a flowchart for processing a release flag.
FIG. 19 is a flowchart for controlling the operation of the engine.
FIG. 20 is a flowchart for executing a rich process I.
FIG. 21 is a flowchart for executing a rich process II.
[Explanation of symbols]
6 ... Fuel injection valve
15 Exhaust turbocharger
20 ... Throttle valve
29… EGR passage
37 ... water injection valve
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