JP4042649B2 - 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率は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およびスモークの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化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。
【0009】
(例えば、特許文献1から特許文献6参照。)。
【特許文献1】
特開2000−008835号公報
【特許文献2】
特開2000−008964号公報
【特許文献3】
特許第3356075号
【特許文献4】
特開2000−130270号公報
【特許文献5】
特開2001−140703号公報
【特許文献6】
特開2002−221102号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この内燃機関では排気マニホルド内に排出された排気ガスの一部がそのままEGRガスとしてEGR通路に通されて吸気通路まで再循環せしめられる。また、EGR通路にはEGRガスを冷却するためのEGRクーラと、排気ガス中の多量のPM(パティキュレートマター)内のSOF(可溶性有機物質)と炭化水素(HC)とを浄化するためのEGRクーラ前触媒(例えば、酸化触媒)とが設けられている。しかしながら、この新たな燃焼システムを採用した内燃機関を高負荷において使用する場合には、過給圧力もこれに応じて高くなる。従って、吸気通路の圧力が高いために、これよりも低圧のEGRガスを吸気通路に再循環せしめるのが困難となり、結果としてEGRガス不足のために新たな燃焼を行うことができない。また、このような高負荷領域においては燃焼温度も上昇するためにスモークが発生するようになり、低温燃焼を行うこと自体が困難である。
【0011】
【課題を解決するための手段】
1番目に記載の発明によれば、燃焼室から排出された排気ガスを機関吸気通路内に再循環させる排気ガス再循環装置を具備し、前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの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し、前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量を更に増大していくと前記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低温燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも燃焼室内に供給される不活性ガスの量が少ない通常燃焼とを切換える切換え手段を具備する内燃機関において、前記排気ガス循環装置が、再循環排気ガスの圧力が低い低圧排気ガス再循環通路と、再循環排気ガスの圧力が高い高圧排気ガス再循環通路と、前記低圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を制御可能な第1の再循環排気ガス制御弁と、前記高圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を制御可能な第2の再循環排気ガス制御弁とを具備し、前記低温燃焼が行われるときに、機関要求負荷に基づいて前記低圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量および前記高圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を制御するようにした内燃機関が提供される。
【0012】
すなわち1番目の発明によって、機関要求負荷が比較的低い場合には内燃機関の吸気通路内の圧力も低いので、高圧排気ガス再循環通路の第2の再循環排気ガス制御弁を開放することにより高圧の再循環排気ガスを排気通路内の圧力と吸気通路内の圧力との圧力差のみによって高圧の再循環排気ガスを再循環させられる。機関要求負荷が比較的低い場合には高温の再循環排気ガスを供給するのが好ましいが、高圧排気ガス再循環通路内の再循環排気ガスは当然に高温であるので、高温の再循環排気ガスを供給し、これにより安定した低温燃焼を行うことができる。高圧排気ガス再循環通路はターボチャージャの排気タービンの上流側からコンプレッサの下流側まで延びるようにするのが好ましく、これにより燃焼室から排出された高圧の再循環排気ガスを高圧排気ガス再循環通路内に流すことができる。また、機関要求負荷が高い場合には吸気通路内の圧力も高くなるので前述した圧力差は小さくなるが、低圧排気ガス再循環通路の第1の再循環排気ガス制御弁を開放した状態でターボチャージャの過給を利用することにより低圧排気ガス再循環通路の低圧再循環排気ガスを大量に再循環させられる。機関要求負荷が高い場合には低温の再循環排気ガスを供給するのが好ましいが、低圧排気ガス再循環通路は内燃機関の構造上、高圧排気ガス再循環通路よりも必然的に長くなるので、低圧排気ガス再循環通路内を流れるときに再循環排気ガスを比較的低温にすることができる。従って、1番目の発明によって、機関要求負荷が低い場合は当然ながら、機関要求負荷が高い場合であっても低温燃焼を行うことが可能り、従来よりも高負荷領域において低温燃焼を行うことが可能となる。
【0013】
2番目の発明によれば、1番目の発明において、さらに、ターボチャージャを具備し、前記低圧排気ガス再循環通路は前記ターボチャージャの排気タービンの下流側と前記ターボチャージャのコンプレッサの上流側とを接続している。
すなわち2番目の発明によって、低圧排気ガス再循環通路は高圧排気ガス再循環通路よりも構造的に長くなるので、1番目の発明の場合と同様の作用および効果を得ることができる。
【0014】
3番目の発明によれば、1番目または2番目の発明において、前記低圧排気ガス再循環通路のみには、冷却装置が設けられている。
すなわち3番目の発明によって、低圧排気ガス再循環通路に冷却装置、例えばEGRクーラを設けることにより、再循環排気ガスを積極的に冷却することができる。
【0015】
4番目の発明によれば、1番目から3番目のいずれかの発明において、前記高圧排気ガス再循環通路には、酸化機能を有する触媒または該触媒を担持したフィルタが設けられている。
すなわち4番目の発明によって、再循環排気ガスが触媒を通過する際に再循環排気ガス内のCO、HC等を酸化させ、これにより、再循環排気ガスの温度が高められ、従って、機関要求負荷が低い場合にさらに高温の再循環排気ガスを供給することができる。触媒は酸化触媒もしくはNOx触媒であってよい。
【0016】
5番目の発明によれば、1番目から4番目のいずれかの発明において、機関要求負荷が低い領域と高い領域との境界付近においては、前記第1の再循環排気ガス制御弁および前記第2の再循環排気ガス制御弁を開放するようにした。
すなわち5番目の発明によって、第1および第2の再循環排気ガス制御弁の両方を開放することにより、機関要求負荷の低い領域から高い領域への移行、および機関要求負荷の高い領域から低い領域への移行をスムーズに行うことが可能となる。特に、ターボチャージャの排気タービンの上流側からコンプレッサの下流側まで延びうる高圧排気ガス再循環通路内は高圧であるので、要求負荷の低い領域と高い領域との間の移行時における再循環排気ガスの応答性を高めることができる。また、一方の再循環排気ガス制御弁の開弁と他方の再循環排気ガス制御弁の開弁とを同時に行う場合において要求負荷が低い領域から高い領域へ移行する際には再循環排気ガスが一時的に流れなくなる可能性があるが、両方の再循環排気ガス制御弁を開弁することによりこのような状態を回避することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同一の部材には同一の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
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第一の実施形態を示している。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。また、スロットル弁20上流の空気吸込管17内には吸入空気の質量流量を検出するための質量流量検出器21が配置される。
【0018】
一方、排気ポート10は排気マニホルド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を担持したフィルタ25を内蔵した触媒コンバータ26に連結される。この実施形態においては、吸蔵還元型NOx触媒を担持したフィルタが用いられる。なお、フィルタに代えて酸化機能を有するハニカム構造(ストレートフロータイプ)の触媒でもよい。排気マニホルド22内には空燃比センサ27が配置される。
【0019】
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下流で、かつコンプレッサ16上流の空気吸込管17とは第1の排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路61を介して互いに連結され、第1のEGR通路61内には第1のステップモータ63により駆動される第1のEGR制御弁64が配置される。また、第1のEGR通路61内には第1のEGR通路61内を流れるEGRガスを冷却するためのEGRクーラ62が配置される。図1に示される実施形態では機関冷却水がEGRクーラ62内に導びかれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。更に、排気タービン23よりも上流に位置する排気マニホルド22とサージタンク12とが第2のEGR通路29を介して互いに連結され、第2のEGR通路29内には第2のステップモータ30により駆動される第2のEGR制御弁31が配置される。第2のEGR通路29にはEGRクーラは設けられておらず、第2のEGR通路29内を流れるEGRガスは空冷によって冷却される。それゆえ、第2のEGR通路29は第1のEGR通路61よりもEGRガスの冷却能力が低い。また、図示されるように第2のEGR通路29には酸化機能を有する触媒を内蔵した触媒コンバータ32が設けられている。触媒コンバータ32内の触媒(図示しない)は後述する触媒コンバータ26内の触媒と同様でありうる。EGRガスが第2のEGR通路29を通過する際には、EGRガス内のCO、HCなどが酸化されるので、触媒コンバータ32通過後のEGRガスの温度は触媒コンバータ32の通過前よりも温度が高くなる。
【0020】
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。
【0021】
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。質量流量検出器21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、空燃比センサ27および燃料圧センサ36の出力信号も夫々対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。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、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及び63、並びに燃料ポンプ35に接続される。
【0022】
図2は、燃料噴射時期を固定した状態で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。
【0023】
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を小さくす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。
【0024】
図2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。
【0025】
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。
【0026】
図2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。
【0027】
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の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。
【0028】
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を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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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が強力となり、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。
【0033】
図3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3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。
【0034】
図3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。
【0035】
一方、図3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。
【0036】
また、図3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。
【0037】
なお、図3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4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4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4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4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4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4に示す実施形態では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4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4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、斯くして煤がほとんど発生しなくなる。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4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第2のEGR制御弁31を開弁させ、第2のEGR通路29を介して排気ターボチャージャ15のコンプレッサ16の出口側、図1においてはインタークーラ14の下流側にEGRガスを再循環させている。要求負荷がLAよりも小さい領域においては第2のEGR通路29内を流れるEGRガスは、吸気ポート8内の吸気圧と排気ポート10内の排気圧との差圧のみで再循環されている。このため、要求負荷が高くなってくると、このような差圧のみでEGRガスを再循環させるには限界がある。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4において要求負荷がLA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ガス割合が低下し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LA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LA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に示されるような第1のEGR通路61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LA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。要求負荷がLA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第1のEGR制御弁64が全開せしめられて、スロットル弁20が若干閉弁せしめられる。要求負荷がさらに増して要求負荷LBを越えると、第2のEGR制御弁31が閉弁し、第1のEGR制御弁64のみが開弁するようになる。
【0043】
前述したように図4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4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4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ほとんど生成されない。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ほとんど発生されず、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が途中で停止する温度以下に抑制しうるのは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形態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低温燃焼を行うようにし、機関高負荷運転時には従来より普通に行われている通常燃焼を行うようにしている。なお、ここで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、従来より普通に行われている通常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5は特定の運転状態におけるスモーク濃度FSNと、低温燃焼領域および通常燃料領域とを示す図であり、図6は低温燃焼領域と通常燃焼領域を示す概念図である。図5および図6などを用いて、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である低温燃焼と、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ない通常燃焼とを説明する。図5に示されるように煤の発生量がピークとなるEGR率の高EGR率側と低EGR率側に夫々低温燃焼領域と普通の燃焼領域とが存在している。また低温燃焼が行われるときには通常燃焼が行われるときに比べて噴射時期が進角側になるので、図5に示されるように低温燃焼領域は通常燃焼領域に比べて進角側になる。
【0048】
図6においては破線PはEGR率を増大したときに煤の発生量がピークになるところを示しており、実線QはEGR率をさらに増大したときに煤の発生量がほぼ零になるところを示している。図2および図6から分かるように通常燃焼と通常燃焼よりも進角側の低温燃焼とを切り替えるべくEGR率を増減させるとその間に煤の発生量がピークとなるところを通過する。また図2のように噴射時期を一定にした状態でEGR率を増大させた場合には図6において破線Pで示されるようにスモークの発生量にピークが発生する。そして、図6において通常燃焼領域から通常燃焼領域よりも進角側の低温燃焼領域に切り替えるべくEGR率を増大させると破線P上を通過するので、EGR率の増大中にスモークの発生量にピークが生じることとなる。
【0049】
図7は低温燃焼が行われる第1の運転領域Iと、通常燃焼が行われる第2の運転領域IIとを示している。なお、図7において縦軸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おり、横軸Nは機関回転数を示している。また、図7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。
【0050】
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、通常燃焼が行われる。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。
【0051】
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の二つの理由による。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。
【0052】
また、図7におけるX1(N)は第1の運転領域において第1のEGR制御弁64のみを開弁する領域と第1および第2のEGR制御弁31、64の両方を開弁する領域との境界を示している。さらにX2(N)は第1および第2のEGR制御弁31、64の両方を開弁する領域と第2のEGR制御弁31のみを開弁する領域との境界を示している。つまり、本発明においては負荷LがX1(N)とX2(N)との間にある場合には第1および第2のEGR制御弁31、64の両方が開弁するようになっている。
【0053】
ところで機関の運転領域が第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フィルタ25に担持された酸化機能を有する触媒により良好に酸化せしめられる。同時に排気微粒子はフィルタ25によって捕集される。
【0054】
触媒25としては酸化触媒、三元触媒、又は吸蔵されたNOxを放出し還元浄化する吸蔵還元型NOx触媒を用いることができる。NOx触媒は燃焼室5内における平均空燃比がリーンのときにNOxを吸蔵し、燃焼室5内における平均空燃比がリッチになるとNOxを放出する機能を有する。
【0055】
このNOx触媒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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
図9は要求負荷Lに対するスロットル弁20の開度、第2のEGR制御弁31の開度、第1のEGR制御弁64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2/3開度程度まで徐々に増大せしめられ、第2のEGR制御弁31の開度は要求負荷LがX2(N)に到達するまで増大す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。そして要求負荷LがX1(N)を越えると第2のEGR制御弁31の開度は全開からほぼ全閉に向かうよう低下する。また、第1のEGR制御弁64の開度は要求負荷LがX2(N)に到達するまでは全閉状態となるよう維持されており、X2(N)を越えると全閉から全開に向かうよう増大される。そして、要求負荷LがX1(N)を越えても第1のEGR制御弁64の開度は全開状態に維持される。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。
【0059】
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の開度および第2のEGR制御弁31の開度が制御される。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も噴射開始時期θSが遅くなるにつれて遅くなる。
【0060】
なお、アイドル運転時にはスロットル弁20は全閉近くまで閉弁され、このとき第2の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、アイドル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。
【0061】
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2/3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3)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。
【0062】
第2の運転領域IIでは通常燃焼が行われる。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、第1のEGR制御弁64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。
【0063】
図10(A)は第1の運転領域Iにおける目標空燃比A/Fを示している。図10(A)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目標空燃比が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(A)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が低くなるほど目標空燃比A/Fがリーンとされる。
【0064】
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(A)に示されるように要求負荷Lが低くなるにつれて目標空燃比A/Fが大きくされる。目標空燃比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形態では要求負荷Lが低くなるにつれて目標空燃比A/Fが大きくされる。
【0065】
なお、図10(A)に示される目標空燃比A/Fは図10(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ROM42内に記憶されている。また、空燃比を図10(A)に示す目標空燃比A/F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ROM42内に記憶されており、空燃比を図10(A)に示す目標空燃比A/Fとするのに必要な第1のEGR制御弁64の開度SELと第2のEGR制御弁31の開度SEHとの合計である目標合計開度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ROM42内に記憶されている。第1のEGR制御弁64の開度SELと第2のEGR制御弁31の開度SEHとの比については、後で詳細に説明する。
【0066】
図12(A)は通常燃焼が行われるときの目標空燃比A/Fを示している。なお、図12(A)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。図12(A)に示される目標空燃比A/Fは図12(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ROM42内に記憶されている。また、空燃比を図12(A)に示す目標空燃比A/F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ROM42内に記憶されており、空燃比を図12(A)に示す目標空燃比A/Fとするのに必要な第1のEGR制御弁64の開度SELとなる目標開度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ROM42内に記憶されている。
【0067】
また、通常燃焼が行われているときには燃料噴射量Qは要求負荷Lおよび機関回転数Nに基づいて算出される。この燃料噴射量Qは図14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ROM42内に記憶されている。
【0068】
次に、低温燃焼が行われるときのEGRガスの温度、空燃比A/F、要求負荷L及び燃料噴射時期の関係について説明する。図15は低温燃焼が行われるときに空燃比A/F及びEGRガスの冷却方法を変更したそれぞれの場合の要求負荷Lと噴射時期との関係を示したグラフである。図15において、実線Aは空燃比A/Fが17であって空冷されたEGRガスを燃焼室内に供給したときの要求負荷Lと噴射時期との関係を示しており、破線Bは空燃比A/Fが12であって空冷されたEGRガスを燃焼室内に供給したときの要求負荷Lと噴射時期との関係を示しており、実線Cは空燃比A/Fが17であって水冷されたEGRガスを燃焼室内に供給したときの要求負荷Lと噴射時期との関係を示しており、破線Dは空燃比A/Fが12であって水冷されたEGRガスを燃焼室内に供給したときの要求負荷Lと噴射時期との関係を示している。
【0069】
図15に示すように、燃焼室内に供給されるEGRガスの温度が変化すると最適な噴射時期が変化する。また、燃焼時の空燃比A/Fが変化しても最適な噴射時期が変化する。また、要求負荷Lによっても最適な噴射時期が変化する。詳細には、EGRガスが空冷により冷却される時、要求負荷Lが高くなると煤が発生してしまう。つまり、EGRガスの冷却能力が低い時には、中低負荷の下でなければ低温燃焼を実行できない。一方、EGRガスが水冷により冷却される時は、高負荷の下でも煤は発生せず、低温燃焼を実行可能である。ところが、空燃比A/Fがリッチになると要求噴射時期が進み側になってしまい、噴射された燃焼が燃焼に使用されることなくボアに付着してしまう。噴射時期を進めない場合には燃料供給が遅れてしまい失火してしまう。また、EGRガスが水冷により冷却されるときには、EGRガスが空冷により冷却されるときに比べ、低負荷領域において、空燃比A/Fが12の時の噴射時期と空燃比A/Fが17の時の噴射時期との差が大きくなり過ぎてしまう。そのため、低負荷領域においてEGRガスが水冷により冷却されている場合、低温燃焼から通常燃焼に燃焼が切り換わったときに噴射時期が進み過ぎてしまい、ノック音が発生し易くなってしまう。
【0070】
以上の理由から、低温燃焼が行われる時には、要求負荷Lに応じて燃焼室内に供給されるEGRガスの温度を適切な温度に調整する必要がある。それゆえ、本実施形態では、図1に示されるように、EGRガスの圧力の低い第1のEGR通路61と、第1のEGR通路61を流れるEGRガスの量を制御可能な第1のEGR制御弁64と、EGRガスの圧力の高い第2のEGR通路29と、第2のEGR通路29を流れるEGRガスの量を制御可能な第2のEGR制御弁31とが設けられており、低温燃焼が行われる時に、要求負荷Lに基づいて第1のEGR通路61を流れる低圧のEGRガスの量と第2のEGR通路29を流れる高圧のEGRガスの量とが制御される。
【0071】
詳細には、要求負荷Lが低い時には、第1のEGR通路61を流れる低圧のEGRガスの量が減少されると共に第2のEGR通路29を流れる高圧のEGRガスの量が増加され、つまり、第1のEGR制御弁64の開度SELと第2のEGR制御弁31の開度SEHとの比SEL/SEHが小さくされ、燃焼室内には比較的高圧のEGRガスが供給される。そして、第2のEGR通路29は排気ポート10の直後から延びているために第2のEGR通路29内のEGRガスの温度は比較的高くなっている。これにより、燃焼室内の混合気温度を高くでき低負荷時に安定した状態で低温燃焼を行うことができる。
【0072】
一方、要求負荷Lが高い時には、第1のEGR通路61を流れる低圧のEGRガスの量が増加されると共に第2のEGR通路29を流れる高圧のEGRガスの量が減少され、つまり、第1のEGR制御弁64の開度SELと第2のEGR制御弁31の開度SEHとの比SEL/SEHが大きくされ、燃焼室内には比較的低圧のEGRガスが供給される。図1から分かるように第1のEGR通路61からのEGRガスはEGRクーラ62およびインタークーラ14を経由するために温度が比較的低くなっており、その結果、燃焼温度を下げることにより煤が発生してしまうことを回避できる。
【0073】
次に図16を参照しつつ本実施形態の運転制御について説明する。図16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105に進んで低温燃焼が行われる。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113に進んで第2の燃焼が行われる。
【0074】
一方、スロットル100においてフラグIがセットされていないとき、即ち機関の運転状態が第2の運転領域IIであるときにはステップ103に進んで要求負荷Lが第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113に進み、リーン空燃比のもとで第2の燃焼が行われる。ステップ103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104に進んでフラグIがセットされ、次いでステップ105に進んで低温燃焼が行われる。
【0075】
ステップ105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106では図17に示すマップから第1のEGR制御弁64の開度SE1又は第2のEGR制御弁31の開度SE2となる目標開度SEが算出される。図17は機関回転数Nと要求負荷Lと目標開度SEとの関係を示した図11(B)と同様のマップである。
【0076】
次いでステップ1001では要求負荷LがL1(図17参照)より高いか否か、つまり要求負荷Lが高いか低いかが判別される。要求負荷Lが高いとき(図7において要求負荷LがX1(N)より上方に位置するとき)には、ステップ1002にて第2のEGR制御弁31の開度SE2が零にされ、ステップ1003にて第1のEGR制御弁64の開度SE1が目標開度SEにされる。つまり、要求負荷Lが高いときには、背圧の排気ターボチャージャ15の上流側にEGRガス取り入れ口が配置された第1のEGR通路61を介してEGRガスが燃焼室5内に供給される。そのため、多量のEGRガスを燃焼室5内に容易に供給することができる。また、第1のEGR通路61を通るEGRガスがEGRクーラ62により冷却されており、さらに混合気となった後でもインタークーラ14によって冷却されるので比較的低温のEGRガスが燃焼室内に大量に供給される。従って、燃焼室内における燃焼温度を下げることができ、これによりスモークの発生を抑えることができる。さらに、図1においては第1のEGR通路61を通るEGRガスは触媒25の下流側から取り出されているので既に浄化されており、第1のEGR通路61内のデポジットの量を少なくすることができる。
【0077】
一方、要求負荷LがL1以下であるときには、ステップ1004にて要求負荷LがL1よりも小さいL0(図17参照)より高いか否か、つまり要求負荷LがL0とL1との間にあるか(L0<L<L1)が判別される。要求負荷LがL0以下である場合(図7において要求負荷LがX2(N)以下である場合)には、ステップ1007に進んで、第2のEGR制御弁31の開度SE2が目標開度SEにされ、ステップ1008にて第1のEGR制御弁64の開度SE1が零にされる。つまり、要求負荷が低いときには、第2のEGR通路29を流れる高圧のEGRガスが燃焼室に供給されるようになる。第2のEGR通路29は排気ポート10の下流から取り出されているので第2のEGR通路29を流れるEGRガスはかなり高温になっている。そして、図1における第1のEGR通路29内のEGRガスは触媒コンバータ32における酸化により発熱しているので、さらに高温状態で燃焼室に供給されることになる。従って、燃焼室に供給される混合気の温度を高温にできるので、要求負荷が低いときに低温燃焼を良好に行うことができる。要求負荷LがL0とL1との間にある場合(図7において要求負荷LがX1(N)とX2(N)との間にある場合)には、ステップ1005に進んで、第2のEGR制御弁31の開度SE2が目標開度SEにされ、ステップ1006にて第1のEGR制御弁64の開度SE1が目標開度SEにされる。つまり、この場合には第1および第2のEGR制御弁64、31の両方が開弁されることとなる。このような場合であっても、第2のEGR通路29内のEGRガスは吸気枝管11内の吸気圧と排気マニホルド22内の排気圧との差圧により流れるだけであるので、第1および第2のEGR通路61、29から極めて大量のEGRガスが燃焼室内に流れ込むことはない。また、一方のEGR制御弁の閉弁と同時に他方のEGR制御弁の開弁を行う場合、例えば第1のEGR制御弁64の開弁と同時に第2のEGR制御弁31を閉弁する場合には排気ターボチャージャ15のコンプレッサ16から吸気ダクト13にわたってEGRガスが一時的に存在しないようになりうる。しかしながら、このように第1および第2のEGR制御弁64、31の両方を開弁する領域を設定することにより、一方のEGR制御弁のみが開弁する領域と他方のEGR制御弁のみが開弁する領域との間の移行を円滑に行うことができる。
【0078】
次いでステップ110では質量流量検出器21により検出された吸入空気の質量流量(以下、単に吸入空気量と称す)Gaが取込まれ、次いでステップ111では図10(B)に示すマップから目標空燃比A/Fが算出される。次いでステップ112では吸入空気量Gaと目標空燃比A/Fに基づいて空燃比を目標空燃比A/Fとするのに必要な燃料噴射量Qが算出される。
【0079】
このように低温燃焼が行われているときには要求負荷L又は機関回転数Nが変化するとスロットル弁20の開度および第1のEGR制御弁64の開度又は第2のEGR制御弁31の開度がただちに要求負荷Lおよび機関回転数Nに応じた目標開度ST,SEに一致せしめられる。従って例えば要求負荷Lが増大せしめられるとただちに燃焼室5内の空気量が増大せしめられ、斯くして機関の発生トルクがただちに増大せしめられる。
【0080】
一方、スロットル弁20の開度又は第1のEGR制御弁64の開度又は第2のEGR制御弁31の開度が変化して吸入空気量が変化するとこの吸入空気量Gaの変化が質量流量検出器21により検出され、この検出された吸入空気量Gaに基づいて燃料噴射量Qが制御される。即ち、吸入空気量Gaが実際に変化した後に燃料噴射量Qが変化せしめられることになる。
【0081】
第2の燃焼が行われるステップ113では図14に示されるマップから目標燃料噴射量Qが算出され、燃料噴射量がこの目標燃料噴射量Qとされる。次いでステップ114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が算出される。次いでステップ115では図13(B)に示すマップから第1のEGR制御弁64の開度とされる目標開度SEが算出される。次いでステップ1006では第2のEGR制御弁31の開度SE2が零にされ、ステップ1007では第1のEGR制御弁64の開度SE1が目標開度SEにされる。
【0082】
次いでステップ116では質量流量検出器21により検出された吸入空気量Gaが取込まれる。次いでステップ117では燃料噴射量Qと吸入空気量Gaから実際の空燃比(A/F)R が算出される。次いでステップ118では図12(B)に示すマップから目標空燃比A/Fが算出される。次いでステップ119では実際の空燃比(A/F)R が目標空燃比A/Fよりも大きいか否かが判別される。(A/F)R >A/Fのときにはステップ120に進んでスロットル開度の補正値ΔSTが一定値αだけ減少せしめられ、次いでステップ112へ進む。これに対して(A/F)R ≦A/Fのときにはステップ121に進んで補正値ΔSTが一定値αだけ増大せしめられ、次いでステップ122に進む。ステップ122ではスロットル弁20の目標開度STに補正値ΔSTを加算することにより最終的な目標開度STが算出され、スロットル弁20の開度がこの最終的な目標開度STとされる。即ち、実際の空燃比(A/F)R が目標空燃比A/Fとなるようにスロットル弁20の開度が制御される。
【0083】
このように通常燃焼が行われているときには要求負荷L又は機関回転数Nが変化すると燃料噴射量がただちに要求負荷Lおよび機関回転数Nに応じた目標燃料噴射量Qに一致せしめられる。例えば要求負荷Lが増大せしめられるとただちに燃料噴射量が増大せしめられ、斯くして機関の発生トルクがただちに増大せしめられる。
【0084】
一方、燃料噴射量Qが増大せしめられて空燃比が目標空燃比A/Fからずれると空燃比が目標空燃比A/Fとなるようにスロットル弁20の開度が制御される。即ち、燃料噴射量Qが変化した後に空燃比が変化せしめられることになる。
【0085】
これまで述べた実施形態では低温燃焼が行われているときに燃料噴射量Qはオープンループ制御され、通常燃焼が行われているときに空燃比がスロットル弁20の開度を変化させることによって制御される。しかしながら低温燃焼が行われているときに燃料噴射量Qを空燃比センサ27の出力信号に基づいてフィードバック制御することもできるし、また通常燃焼が行われているときに空燃比を第1のEGR制御弁64の開度又は第2のEGR制御弁31の開度を変化させることによって制御することもできる。
【0086】
次いで図18を参照しつつ本発明の他の実施形態の内燃機関の運転制御について説明する。図18において、図16と同一の参照番号により示されるステップは図16の場合と同様であるので説明を省略する。
【0087】
本実施形態においては例えば吸気枝管11および排気マニホルド22内にそれぞれ圧力センサ(図示しない)が配置されている。これら圧力センサはそれぞれ吸気圧P1および排気圧P2を計測し、これら排気圧P2と吸気圧P1との圧力差ΔP(=P2−P1)を算出するようになっている。次いでステップ2001では圧力差ΔPがP1より高いか否か、つまり圧力差ΔPが高いか低いかが判別される。圧力差ΔPと機関回転数Nおよび/または要求負荷Lとに基づいたEGR制御弁の目標開度に関する前述したようなマップ(図示しない)によって、圧力差ΔPが高いときには、ステップ2002にて第2のEGR制御弁31の開度SE2が目標開度SEにされ、ステップ2003にて第1のEGR制御弁64の開度SE1が零にされる。つまり、圧力差ΔPが高いときには、この圧力差ΔPのみによってEGRガスをEGR通路29に通して燃焼室5内に供給できる。このEGRガスは排気ポート10の下流から取り出されているのでかなり高温になっている。そして、図18においてこのEGRガスは触媒コンバータ32における酸化により発熱しているので、さらに高温状態で燃焼室に供給されることになる。従って、燃焼室に供給される混合気の温度を高温にできるので、要求負荷が低いときに低温燃焼を良好に行うことができる。
【0088】
一方、圧力差ΔPがP1以下であるときには、ステップ2004にて圧力差ΔPがP1よりも小さいP0より高いか否か、つまり圧力差ΔPがP0とP1との間にあるか(P0<L<P1)が判別される。圧力差ΔPがP0以下である場合には、ステップ2007に進んで、第2のEGR制御弁31の開度SE2が零にされ、ステップ2008にて第1のEGR制御弁64の開度SE1が目標開度SEにされる。つまり、圧力差ΔPが小さいときには、第1のEGR通路61を介してEGRガスが燃焼室5内に供給される。また、第1のEGR通路61を通るEGRガスはEGRクーラ62により冷却されており、さらに混合気となった後においてもインタークーラ14により冷却されるので、比較的低温のEGRガスが燃焼室内に供給される。従って、燃焼温度を下げることができ、これによりスモークの発生を抑えることができる。さらに、図18においては第1のEGR通路61を通るEGRガスが触媒25の下流側から取り出されているので既に浄化されており、第1のEGR通路61内のデポジットの量を少なくすることができる。圧力差ΔPがP0とP1との間にある場合には、ステップ2005に進んで、第2のEGR制御弁31の開度SE2が目標開度SEにされ、ステップ2006にて第1のEGR制御弁64の開度SE1が目標開度SEにされる。つまり、この場合には第1および第2のEGR制御弁64、31が開放される。このような場合であっても、第2のEGR通路29内のEGRガスは吸気枝管11内の吸気圧と排気マニホルド22内の排気圧との差圧により流れるだけであるので、第1および第2のEGR通路61、29から極めて大量のEGRガスが燃焼室内に流れ込むことはない。また、一方のEGR制御弁の閉弁と同時に他方のEGR制御弁の開弁を行う場合、例えば第1のEGR制御弁64の開弁と同時に第2のEGR制御弁31を閉弁する場合にはインタークーラ14付近においてEGRガスが一時的に存在しないようになりうる。しかしながら、このように第1および第2のEGR制御弁64、31の両方を開弁する領域を設定することにより、一方のEGR制御弁のみが開弁する領域と他方のEGR制御弁のみが開弁する領域との間の移行を円滑に行うことができる。このため、本実施形態の場合にも前述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0089】
なお、通常燃焼が行われるステップ113では図14に示されるマップから目標燃料噴射量Qが算出され、燃料噴射量がこの目標燃料噴射量Qとされる。次いでステップ114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が算出される。次いでステップ115では図13(B)に示すマップから第1のEGR制御弁64の開度とされる目標開度SEが算出される。次いでステップ2006では第2のEGR制御弁31の開度SE2が零にされ、ステップ2007では第1のEGR制御弁64の開度SE1が目標開度SEにされる。
【0090】
【発明の効果】
各発明によれば、要求負荷が高い場合においても低温燃焼が可能できるという共通の効果を奏しうる。
【0091】
さらに、2番目の発明によれば、1番目の発明の場合と同様の作用および効果を得ることができるという効果を奏しうる。
さらに、3番目の発明によれば、機関要求負荷が高い場合にさらに低温の再循環排気ガスを供給することができるという効果を奏しうる。
さらに、4番目の発明によれば、再循環排気ガスを積極的に冷却することができるという効果を奏しうる。
さらに、5番目の発明によれば、機関要求負荷が低い場合にさらに高温の再循環排気ガスを供給することができるという効果を奏しうる。
さらに、6番目の発明によれば、機関要求負荷の高い領域と低い領域との間の移行をスムーズに行うことができるという効果を奏しうる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第一の実施形態の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】スモークの発生量とEGR率との関係を示す図である。
【図4】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図5】特定の運転状態におけるスモーク濃度FSNと、低温燃焼領域および普通の燃料領域とを示す図である。
【図6】低温燃焼領域と通常燃焼領域を示す概念図である。
【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における空燃比等を示す図である。
【図11】第一の実施形態の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等を示す図である。
【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】燃料噴射量のマップを示す図である。
【図15】低温燃焼が行われるときに空燃比A/F及びEGRガスの冷却方法を変更したそれぞれの場合の要求負荷Lと噴射時期との関係を示したグラフである。
【図16】第一の実施形態の機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図17】第一の実施形態のEGR制御弁の目標開度のマップを示す図である。
【図18】他の実施形態の機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【符号の説明】
1…内燃機関
5…燃焼室
6…燃料噴射弁
14…インタークーラ
15…ターボチャージャ
16…コンプレッサ
20…スロットル弁
23…排気タービン
25…酸化機能を有する触媒(吸蔵還元型NOx触媒)を担持したフィルタ
29…第2のEGR通路(高圧排気ガス再循環通路)
31…第2のEGR制御弁(第2の再循環排気ガス制御弁)
32…触媒コンバータ
61…第1のEGR通路(低圧排気ガス再循環通路)
64…第1のEGR制御弁(第1の再循環排気ガス制御弁)
62…EGRクーラ(冷却装置)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in an internal combustion engine, for example, a diesel engine, an engine exhaust passage and an engine intake passage are connected by an exhaust gas recirculation (hereinafter referred to as EGR) passage in order to suppress the generation of NOx, and the exhaust gas is exhausted through the EGR passage. Gas, that is, EGR gas is recirculated into the engine intake passage. In this case, since the EGR gas has a relatively high specific heat and can absorb a large amount of heat, the EGR gas amount increases, that is, the EGR rate (EGR gas amount / (EGR gas amount + intake air amount)). As the value increases, the combustion temperature in the combustion chamber decreases. As the combustion temperature decreases, the amount of NOx generated decreases, and as the EGR rate increases, the amount of NOx generated decreases.
[0003]
Thus, it has been known that the amount of NOx generated can be reduced if the EGR rate is increased. However, when the EGR rate is increased, when the EGR rate exceeds a certain limit, the generation amount of soot, that is, the smoke starts to increase rapidly. With respect to this point, it is conventionally considered that if the EGR rate is further increased, the smoke will increase as much as possible. Therefore, the EGR rate at which the smoke starts to increase rapidly is considered to be the maximum allowable limit of the EGR rate. It has been.
[0004]
Therefore, the EGR rate is conventionally determined within a range not exceeding the maximum allowable limit. The maximum allowable limit for this EGR rate is roughly 30 to 50 percent, although it varies considerably depending on the engine type and fuel. Therefore, in the conventional diesel engine, the EGR rate is suppressed to about 30% to 50% at the maximum.
[0005]
As described above, since it has been conventionally considered that there is a maximum allowable limit for the EGR rate, the EGR rate is conventionally determined so that the generation amount of NOx and smoke is minimized within a range not exceeding the maximum allowable limit. It was. However, even if the EGR rate is determined in this way so that the amount of NOx and smoke generated becomes as small as possible, there is a limit to the reduction in the amount of NOx and smoke generated. In fact, a considerable amount of NOx and smoke is still generated. This is the current situation.
[0006]
However, if the EGR rate is made larger than the maximum allowable limit in the course of research on combustion of diesel engines, smoke increases rapidly as described above, but there is a peak in the amount of smoke generated, and the EGR rate exceeds this peak. If the value is further increased, the smoke starts to decrease abruptly. When the EGR rate is increased to 70% or higher during idling operation, and when the EGR gas is strongly cooled, the smoke is almost reduced when the EGR rate is increased to approximately 55% or higher. Becomes zero. That is, it has been found that almost no wrinkles occur. At this time, it has been found that the amount of NOx generated is extremely small. After that, the reason why soot is not generated has been studied based on this knowledge, and as a result, a new combustion system capable of simultaneously reducing soot and NOx has been constructed. Although this new combustion system will be described in detail later, it is basically based on stopping the growth of hydrocarbons in the middle of the course 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 surrounding gas is below a certain temperature, the growth of the hydrocarbon stops before it reaches the soot. And when the temperature of the gas around it exceeds a certain temperature, the hydrocarbon grows up to a soot. In this case, the endothermic effect of the gas around the fuel when the fuel burns greatly affects the temperature of the fuel and the surrounding gas, and the endothermic amount of the gas around the fuel is adjusted according to the amount of heat generated during fuel combustion. As a result, the temperature of the fuel and the surrounding gas can be controlled.
[0008]
Therefore, if the temperature of the fuel during combustion in the combustion chamber and the surrounding gas temperature is suppressed below the temperature at which hydrocarbon growth stops halfway, soot will not be generated, and the temperature of the fuel during combustion in the combustion chamber and the surrounding gas temperature It is possible to suppress the temperature below the temperature at which hydrocarbon growth stops halfway by adjusting the endothermic amount of the gas around the fuel. On the other hand, hydrocarbons that have stopped growing before reaching soot can be easily purified by post-treatment using an oxidation catalyst or the like. This is the basic concept of the new combustion system.
[0009]
(For example, see
[Patent Document 1]
JP 2000-008835 A
[Patent Document 2]
JP 2000-008964 A
[Patent Document 3]
Japanese Patent No. 3356075
[Patent Document 4]
JP 2000-130270 A
[Patent Document 5]
JP 2001-140703 A
[Patent Document 6]
JP 2002-221102 A
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this internal combustion engine, a part of the exhaust gas discharged into the exhaust manifold is directly passed through the EGR passage as EGR gas and recirculated to the intake passage. The EGR passage also has an EGR cooler for cooling the EGR gas, and an EGR for purifying SOF (soluble organic substances) and hydrocarbons (HC) in a large amount of PM (particulate matter) in the exhaust gas. A pre-cooler catalyst (for example, an oxidation catalyst) is provided. However, when the internal combustion engine employing this new combustion system is used at a high load, the supercharging pressure also increases accordingly. Therefore, since the pressure in the intake passage is high, it becomes difficult to recirculate EGR gas having a lower pressure to the intake passage, and as a result, new combustion cannot be performed due to the lack of EGR gas. Further, in such a high load region, the combustion temperature also rises so that smoke is generated, and it is difficult to perform low temperature combustion itself.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the invention, the exhaust gas recirculation device that recirculates the exhaust gas discharged from the combustion chamber into the engine intake passage is provided, and the amount of the recirculated exhaust gas supplied to the combustion chamber is reduced. As the amount of soot increases, the amount of soot gradually increases and reaches a peak, and when the amount of recirculated exhaust gas supplied into the combustion chamber is further increased, the fuel in the combustion chamber and its surroundings are combusted. Low temperature combustion where the gas temperature is lower than the soot generation temperature and soot is hardly generated, and the amount of inert gas supplied into the combustion chamber is less than the amount of inert gas at which soot generation peaks In an internal combustion engine having switching means for switching between normal combustion, the exhaust gas circulation device includes a low pressure exhaust gas recirculation passage in which the pressure of the recirculated exhaust gas is low, and a high pressure exhaust gas recirculation in which the pressure of the recirculated exhaust gas is high Passage and A first recirculation exhaust gas control valve capable of controlling the amount of recirculation exhaust gas flowing through the low pressure exhaust gas recirculation passage, and a first recirculation exhaust gas capable of controlling the amount of recirculation exhaust gas flowing through the high pressure exhaust gas recirculation passage. And the amount of recirculated exhaust gas flowing through the low pressure exhaust gas recirculation passage based on the engine demand load and the high pressure exhaust gas recirculation when the low temperature combustion is performed. An internal combustion engine is provided that controls the amount of recirculated exhaust gas flowing through a passage.
[0012]
That is, according to the first invention, when the engine required load is relatively low, the pressure in the intake passage of the internal combustion engine is also low, so that the second recirculation exhaust gas control valve of the high pressure exhaust gas recirculation passage is opened. The high-pressure recirculated exhaust gas can be recirculated only by the pressure difference between the pressure in the exhaust passage and the pressure in the intake passage. When the engine demand load is relatively low, it is preferable to supply high-temperature recirculation exhaust gas. However, since the recirculation exhaust gas in the high-pressure exhaust gas recirculation passage is naturally hot, the high-temperature recirculation exhaust gas Thus, stable low-temperature combustion can be performed. The high-pressure exhaust gas recirculation passage preferably extends from the upstream side of the exhaust turbine of the turbocharger to the downstream side of the compressor, whereby the high-pressure recirculation exhaust gas discharged from the combustion chamber is transferred to the high-pressure exhaust gas recirculation passage. Can flow inside. Further, when the engine demand load is high, the pressure in the intake passage is also high, so the above-mentioned pressure difference is small. However, the turbo is in a state where the first recirculation exhaust gas control valve of the low pressure exhaust gas recirculation passage is opened. By utilizing the supercharging of the charger, a large amount of the low-pressure recirculation exhaust gas in the low-pressure exhaust gas recirculation passage can be recirculated. When the engine demand load is high, it is preferable to supply low-temperature recirculation exhaust gas, but the low-pressure exhaust gas recirculation passage is inevitably longer than the high-pressure exhaust gas recirculation passage due to the structure of the internal combustion engine. When flowing in the low pressure exhaust gas recirculation passage, the recirculation exhaust gas can be at a relatively low temperature. Therefore, according to the first invention, when the engine required load is low, naturally, low temperature combustion can be performed even when the engine required load is high, and low temperature combustion can be performed in a higher load region than before. It becomes possible.
[0013]
According to a second invention, in the first invention, a turbocharger is further provided, and the low-pressure exhaust gas recirculation passage is connected to a downstream side of the exhaust turbine of the turbocharger and an upstream side of the compressor of the turbocharger. Connected.
That is, according to the second invention, the low-pressure exhaust gas recirculation passage is structurally longer than the high-pressure exhaust gas recirculation passage, so that the same operation and effect as in the first invention can be obtained.
[0014]
According to the third invention, in the first or second invention, a cooling device is provided only in the low-pressure exhaust gas recirculation passage.
That is, according to the third aspect of the invention, the recirculated exhaust gas can be actively cooled by providing a cooling device such as an EGR cooler in the low pressure exhaust gas recirculation passage.
[0015]
According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, the high-pressure exhaust gas recirculation passage is provided with a catalyst having an oxidation function or a filter carrying the catalyst.
That is, according to the fourth aspect of the invention, when the recirculated exhaust gas passes through the catalyst, CO, HC, etc. in the recirculated exhaust gas are oxidized, thereby increasing the temperature of the recirculated exhaust gas, and accordingly, the engine required load. When the temperature is low, higher-temperature recirculated exhaust gas can be supplied. The catalyst may be an oxidation catalyst or a NOx catalyst.
[0016]
According to a fifth aspect, in any one of the first to fourth aspects, the first recirculation exhaust gas control valve and the second recycle exhaust gas control valve are located in the vicinity of the boundary between the region where the engine required load is low and the region where the engine required load is high. The recirculation exhaust gas control valve was opened.
That is, according to the fifth aspect, by opening both the first and second recirculation exhaust gas control valves, a transition from a low engine demand load region to a high region, and a high engine demand load region to a low region. The transition to can be performed smoothly. In particular, since the high-pressure exhaust gas recirculation passage that can extend from the upstream side of the turbocharger exhaust turbine to the downstream side of the compressor has a high pressure, the recirculated exhaust gas at the time of transition between the low and high demand areas Can increase the responsiveness. In addition, when one recirculation exhaust gas control valve and the other recirculation exhaust gas control valve are simultaneously opened, the recirculation exhaust gas does not move when the required load shifts from a low region to a high region. Although it may temporarily stop flowing, such a situation can be avoided by opening both recirculation exhaust gas control valves.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the following drawings, the same members are denoted by the same reference numerals. In order to facilitate understanding, the scales of these drawings are appropriately changed.
FIG. 1 shows a first embodiment in which 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 Is an exhaust valve, and 10 is an exhaust port. The
[0018]
On the other hand, the
[0019]
The
[0020]
On the other hand, the
[0021]
The
[0022]
FIG. 2 shows the output when the air-fuel ratio A / F (horizontal axis in FIG. 2) is changed by changing the opening degree of the
[0023]
As shown in FIG. 2, when the air-fuel ratio A / F is decreased by increasing the EGR rate, the EGR rate becomes around 40%, and the amount of smoke generated when the air-fuel ratio A / F becomes about 30. Start to increase. Next, when the EGR rate is further increased and the air-fuel ratio A / F is decreased, the amount of smoke generated increases rapidly and reaches a peak. Next, when the EGR rate is further increased and the air-fuel ratio A / F is reduced, the smoke suddenly decreases, the EGR rate is increased to 65% or more, and when the air-fuel ratio A / F is near 15.0, the smoke becomes almost zero. . That is, almost no wrinkles occur. At this time, the output torque of the engine slightly decreases, and the amount of NOx generated becomes considerably low. On the other hand, the generation amount of HC and CO starts to increase at this time.
[0024]
The following can be said from the experimental results shown in FIG. That is, first, when the air-fuel ratio A / F is 15.0 or less and the amount of smoke generated is almost zero, the amount of NOx generated decreases considerably as shown in FIG. A reduction in the amount of NOx generated means that the combustion temperature in the
[0025]
Secondly, when the amount of smoke generated, that is, the amount of soot is substantially zero, the HC and CO emissions increase as shown in FIG. This means that the hydrocarbons are discharged without growing to the soot. In other words, linear hydrocarbons and aromatic hydrocarbons contained in fuel are thermally decomposed to form soot precursors when the temperature is raised in an oxygen-deficient state, and then from solids mainly composed of carbon atoms. A cocoon is generated. In this case, the actual soot formation process is complicated, and it is not clear what form the soot precursor will take, but in any case hydrocarbons will grow to soot via the soot precursor. Become. Therefore, as described above, when the generation amount of soot becomes almost zero, the emission amount of HC and CO increases as shown in FIG. 2. At this time, HC is a precursor of soot or a hydrocarbon in the previous state. .
[0026]
Summarizing these considerations based on the experimental results shown in FIG. 2, when the combustion temperature in the
[0027]
By the way, when the hydrocarbon generation process stops in the state of soot precursor, the temperature of the fuel and its surroundings, that is, the above-mentioned certain temperature changes depending on various factors such as the type of fuel and the compression ratio of the air-fuel ratio. Although it cannot be said how many times, this certain temperature has a deep relationship with the amount of NOx generated, and therefore this certain temperature can be defined to some extent from the amount of NOx generated. That is, as the EGR rate increases, the temperature of the fuel during combustion and the surrounding gas temperature decrease, and the amount of NOx generated decreases. At this time, the amount of NOx generated is 10 p. p. When it becomes around m or less, wrinkles hardly occur. Therefore, at a certain temperature described above, the amount of NOx generated is 10 p. p. It almost corresponds to the temperature when it becomes around m or less.
[0028]
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 previous state can be easily purified by post-treatment using a catalyst having an oxidation function. Considering the post-treatment with a catalyst having an oxidation function in this way, it is extremely important whether hydrocarbons are discharged from the
[0029]
Now, in order to stop the growth of hydrocarbons before the soot is generated, it is necessary to suppress the temperature of the fuel and the surrounding gas in the
[0030]
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 away from the fuel does not increase so much, and only the temperature around the fuel becomes extremely high locally. That is, at this time, the air away from the fuel hardly performs the endothermic action of the combustion heat of the fuel. In this case, since the combustion temperature becomes extremely high locally, the unburned hydrocarbons that have received this heat of combustion produce soot.
[0031]
On the other hand, the situation is slightly different when fuel is present in a mixed gas of a large amount of inert gas and a small amount of air. In this case, the evaporated fuel diffuses around and 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 action of the inert gas.
[0032]
In this case, in order to suppress the temperature of the fuel and the surrounding gas to a temperature lower than the temperature at which soot is generated, an amount of inert gas that can absorb a sufficient amount of heat is required. Therefore, as the amount of fuel increases, the amount of inert gas required increases accordingly. In this case, the greater the specific heat of the inert gas, the stronger the endothermic action. Therefore, the inert gas is preferably a gas having a large specific heat. This point, CO 2 Since EGR gas has a relatively large specific heat, it can be said that it is preferable to use EGR gas as an inert gas.
[0033]
FIG. 3 shows the relationship between the EGR rate and smoke when EGR gas is used as the inert gas and the cooling degree of the EGR gas is changed. That is, in FIG. 3, curve A shows the case where EGR gas is cooled strongly and the EGR gas temperature is maintained at about 90 ° C., and curve B shows the case where EGR gas is cooled by a small cooling device. Curve C shows the case where the EGR gas is not forcibly cooled.
[0034]
As shown by curve A in FIG. 3, when the EGR gas is cooled strongly, the amount of soot peaks when the EGR rate is slightly lower than 50%. In this case, the EGR rate is increased to about 55% or more. If you do, almost no wrinkles will occur.
[0035]
On the other hand, as shown by the curve B in FIG. 3, when the EGR gas is slightly cooled, the amount of soot peaks when the EGR rate is slightly higher than 50%. In this case, the EGR rate is about 65% or more. If this is done, almost no wrinkles will occur.
[0036]
In addition, as shown by the curve C in FIG. 3, when the EGR gas is not forcibly cooled, the amount of soot generated reaches a peak when the EGR rate is around 55%. In this case, the EGR rate is approximately 70%. If the percentage is exceeded, almost no wrinkles occur.
[0037]
FIG. 3 shows the amount of smoke generated when the engine load is relatively high. When the engine load is small, the EGR rate at which the amount of soot reaches a peak slightly decreases, and the EGR rate at which soot hardly occurs. The lower limit is also slightly reduced. Thus, the lower limit of the EGR rate at which soot hardly occurs varies depending on the degree of cooling of the EGR gas and the engine load.
[0038]
FIG. 4 shows the amount of mixed gas of EGR gas and air required to make the temperature of the fuel and the surrounding gas lower than the temperature at which soot is generated when EGR gas is used as the inert gas. And the ratio of the air in this gas mixture amount, and the ratio of the EGR gas in this gas mixture are shown. In FIG. 4, the vertical axis represents the total intake gas amount sucked into the
[0039]
Referring to FIG. 4, the ratio of air, that is, the amount of air in the mixed gas, indicates the amount of air necessary to completely burn the injected fuel. That is, in the case shown in FIG. 4, the ratio between the air amount and the injected fuel amount is the stoichiometric air-fuel ratio. On the other hand, in FIG. 4, the ratio of EGR gas, that is, the amount of EGR gas in the mixed gas is used to make the temperature of the fuel and its surrounding gas lower than the temperature at which soot is formed when the injected fuel is burned. The minimum EGR gas amount is shown. This EGR gas amount is approximately 55% or more in terms of EGR rate, and is 70% or more in the embodiment shown in FIG. That is, if the total intake gas amount sucked into the
[0040]
If 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 the 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. Therefore, as shown in FIG. 4, the EGR gas amount must be increased as the amount of injected fuel increases. That is, the amount of EGR gas needs to increase as the required load increases.
[0041]
When supercharging is not being performed, the second
[0042]
However, when EGR gas is recirculated through the
[0043]
As described above, FIG. 4 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. The amount of NOx generated is 10 p. p. m or less, and even if the air amount is made larger than the air amount shown in FIG. 4, that is, even if the average air-fuel ratio is lean from 17 to 18, soot formation is prevented. However, the amount of NOx generated is 10 p. p. It can be around m or less.
[0044]
That is, when the air-fuel ratio is made rich, the fuel becomes excessive, but the combustion temperature is suppressed to a low temperature, so that the excess fuel does not grow to soot, and so no soot is generated. At this time, only a very small amount of NOx 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 if the combustion temperature is high, but in the present invention the soot is suppressed to a low temperature so Almost no generation. Furthermore, only a very small amount of NOx is generated.
[0045]
Thus, when low-temperature combustion is performed, soot is hardly 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. , NOx generation is 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 during combustion in the combustion chamber and the surrounding gas temperature can be suppressed to a temperature equal to or lower than the temperature at which the growth of hydrocarbons stops midway, only when the engine medium-low load operation has a relatively small amount of heat generated by combustion. Therefore, in the embodiment according to the present invention, at the time of engine low load operation, the temperature of the fuel at the time of combustion and the surrounding gas temperature is controlled to be equal to or lower than the temperature at which hydrocarbon growth stops halfway, and low temperature combustion is performed. In some cases, normal combustion, which is conventionally performed, is performed. Note that the low-temperature combustion here refers to combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber is larger than the amount of inert gas at which soot generation peaks, and soot is hardly generated, as is apparent from the above description. Ordinary combustion, which is normally performed conventionally, refers to combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber is smaller than the amount of inert gas in which the amount of generated soot reaches a peak.
[0047]
FIG. 5 is a diagram showing the smoke concentration FSN, the low temperature combustion region and the normal fuel region in a specific operating state, and FIG. 6 is a conceptual diagram showing the low temperature combustion region and the normal combustion region. Using FIG. 5 and FIG. 6 and the like, low-temperature combustion, which is a combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber is larger than the amount of inert gas at which soot generation peaks, and soot is hardly generated, and the amount of soot generation is The normal combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber is smaller than the peak amount of inert gas will be described. As shown in FIG. 5, there are a low temperature combustion region and a normal combustion region on the high EGR rate side and the low EGR rate side of the EGR rate where the generation amount of soot peaks. Further, when low temperature combustion is performed, the injection timing is advanced compared to when normal combustion is performed. Therefore, as shown in FIG. 5, the low temperature combustion region is advanced compared to the normal combustion region.
[0048]
In FIG. 6, the broken line P indicates that the amount of soot generation peaks when the EGR rate is increased, and the solid line Q indicates that the amount of soot generation becomes almost zero when the EGR rate is further increased. Show. As can be seen from FIGS. 2 and 6, when the EGR rate is increased or decreased to switch between normal combustion and low-temperature combustion on the more advanced side than normal combustion, it passes through a point where the amount of soot generated reaches a peak. Further, when the EGR rate is increased with the injection timing kept constant as shown in FIG. 2, a peak occurs in the amount of smoke generated as shown by the broken line P in FIG. In FIG. 6, if the EGR rate is increased to switch from the normal combustion region to the low temperature combustion region on the more advanced side than the normal combustion region, it passes over the broken line P, so that a peak occurs in the amount of smoke generated during the increase of the EGR rate. Will occur.
[0049]
FIG. 7 shows a first operation region I in which low-temperature combustion is performed and a second operation region II in which normal combustion is performed. In FIG. 7, the vertical axis L indicates the amount of depression of the
[0050]
That is, if the required load L exceeds the first boundary X (N) that is a function of the engine speed N when the engine operating state is in the first operating region I and low-temperature combustion is being performed, the operating region Is determined to have moved to the second operating region II, and normal combustion is performed. Next, when the required load L becomes lower than the second boundary Y (N) that is a function of the engine speed N, it is determined that the operating region has shifted to the first operating region I, and low temperature combustion is performed again.
[0051]
The reason for providing 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) is as follows. . The first reason is that the combustion temperature is relatively high on the high load side of the second operation region II, and at this time, even if the required load L becomes lower than the first boundary X (N), the low temperature combustion cannot be performed immediately. Because. That is, low temperature combustion is not started immediately unless the required load L is considerably low, that is, when the required load L is lower than the second boundary Y (N). The second reason is to provide hysteresis with respect to a change in the operation region between the first operation region I and the second operation region II.
[0052]
Further, X1 (N) in FIG. 7 is a region in which only the first
[0053]
By the way, when the engine operating region is in the first operating region I and low-temperature combustion is performed, soot is hardly generated, and instead, the unburned hydrocarbon is in the form of soot precursor or the previous state. It is discharged from the
[0054]
As the
[0055]
This NOx catalyst has, for example, alumina as a carrier, and on this carrier, for example, alkali metal such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, alkaline earth such as barium Ba, calcium Ca, lanthanum La, yttrium Y, etc. At least one selected from such rare earths and a noble metal such as platinum Pt are supported.
[0056]
FIG. 8 shows the output of the air-
[0057]
Next, operation control in the first operation region I and the second operation region II will be schematically described with reference to FIG.
[0058]
FIG. 9 shows the opening degree of the
[0059]
In other words, the opening degree of the
[0060]
During idle operation, the
[0061]
On the other hand, when the operating range of the engine is changed from the first operating range I to the second operating range II, the opening degree of the
[0062]
In the second operation region II, normal combustion is performed. In the second operation region II, the
[0063]
FIG. 10A shows the target air-fuel ratio A / F in the first operation region I. In FIG. 10A, each of the curves indicated by A / F = 15.5, A / F = 16, A / F = 17, A / F = 18 has a target air-fuel ratio of 15.5, 16, 17 respectively. , 18, and the air-fuel ratio between the curves is determined by proportional distribution. As shown in FIG. 10 (A), the air-fuel ratio is lean in the first operating region I, and in the first operating region I, the target air-fuel ratio A / F is made lean as the required load L becomes lower. The
[0064]
That is, the lower the required load L, the smaller the amount of heat generated by combustion. Therefore, low temperature combustion can be performed even if the EGR rate is reduced as the required load L is reduced. When the EGR rate is decreased, the air-fuel ratio increases, and therefore the target air-fuel ratio A / F is increased as the required load L decreases as shown in FIG. As the target air-fuel ratio A / F increases, the fuel consumption rate improves. Therefore, in order to make the air-fuel ratio as lean as possible, in the embodiment according to the present invention, the target air-fuel ratio A / F increases as the required load L decreases. .
[0065]
The target air-fuel ratio A / F shown in FIG. 10 (A) is stored in advance in the
[0066]
FIG. 12A shows the target air-fuel ratio A / F when normal combustion is performed. In FIG. 12A, the curves indicated by A / F = 24, A / F = 35, A / F = 45, and A / F = 60 indicate the target air-
[0067]
When normal combustion is being performed, the fuel injection amount Q is calculated based on the required load L and the engine speed N. The fuel injection amount Q is stored in advance in the
[0068]
Next, the relationship between the temperature of the EGR gas, the air-fuel ratio A / F, the required load L, and the fuel injection timing when low-temperature combustion is performed will be described. FIG. 15 is a graph showing the relationship between the required load L and the injection timing in each case where the air-fuel ratio A / F and the EGR gas cooling method are changed when low-temperature combustion is performed. In FIG. 15, the solid line A indicates the relationship between the required load L and the injection timing when the air-fuel ratio A / F is 17 and the air-cooled EGR gas is supplied into the combustion chamber, and the broken line B indicates the air-fuel ratio A The relationship between the required load L and the injection timing when / F is 12 and air-cooled EGR gas is supplied into the combustion chamber, and the solid line C is water-cooled with an air-fuel ratio A / F of 17 The relationship between the required load L when the EGR gas is supplied into the combustion chamber and the injection timing is shown. The broken line D is when the air-fuel ratio A / F is 12 and the water-cooled EGR gas is supplied into the combustion chamber. The relationship between the required load L and the injection timing is shown.
[0069]
As shown in FIG. 15, the optimum injection timing changes when the temperature of the EGR gas supplied into the combustion chamber changes. Even if the air-fuel ratio A / F during combustion changes, the optimal injection timing changes. Also, the optimal injection timing changes depending on the required load L. Specifically, when the EGR gas is cooled by air cooling, soot is generated when the required load L becomes high. That is, when the cooling capacity of the EGR gas is low, low-temperature combustion cannot be performed unless the load is medium or low. On the other hand, when the EGR gas is cooled by water cooling, soot is not generated even under a high load, and low temperature combustion can be performed. However, when the air-fuel ratio A / F becomes rich, the required injection timing becomes the leading side, and the injected combustion adheres to the bore without being used for combustion. If the injection timing cannot be advanced, fuel supply will be delayed and misfire will occur. Further, when the EGR gas is cooled by water cooling, the injection timing when the air-fuel ratio A / F is 12 and the air-fuel ratio A / F are 17 in the low load region, compared to when the EGR gas is cooled by air cooling. The difference from the time of injection becomes too large. For this reason, when the EGR gas is cooled by water cooling in the low load region, the injection timing is excessively advanced when the combustion is switched from the low temperature combustion to the normal combustion, and a knock noise is likely to be generated.
[0070]
For the above reasons, when low temperature combustion is performed, it is necessary to adjust the temperature of the EGR gas supplied into the combustion chamber according to the required load L to an appropriate temperature. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
[0071]
Specifically, when the required load L is low, the amount of low-pressure EGR gas flowing through the
[0072]
On the other hand, when the required load L is high, the amount of low-pressure EGR gas flowing through the
[0073]
Next, the operation control of this embodiment will be described with reference to FIG. Referring to FIG. 16, first, at
[0074]
On the other hand, when the flag I is not set in the
[0075]
In step 105, the target opening ST of the
[0076]
Next, at
[0077]
On the other hand, when the required load L is equal to or less than L1, it is determined in
[0078]
Next, at
[0079]
When the required load L or the engine speed N changes during low temperature combustion in this way, the opening degree of the
[0080]
On the other hand, when the opening degree of the
[0081]
In
[0082]
Next, at
[0083]
When the required load L or the engine speed N changes during normal combustion in this way, the fuel injection amount is immediately matched with the target fuel injection amount Q corresponding to the required load L and the engine speed N. For example, when the required load L is increased, the fuel injection amount is immediately increased, and thus the generated torque of the engine is immediately increased.
[0084]
On the other hand, when the fuel injection amount Q is increased and the air-fuel ratio deviates from the target air-fuel ratio A / F, the opening degree of the
[0085]
In the embodiments described so far, the fuel injection amount Q is open-loop controlled when low-temperature combustion is performed, and the air-fuel ratio is controlled by changing the opening of the
[0086]
Next, the operation control of the internal combustion engine according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 18, steps indicated by the same reference numerals as those in FIG. 16 are the same as those in FIG.
[0087]
In the present embodiment, for example, pressure sensors (not shown) are arranged in the
[0088]
On the other hand, when the pressure difference ΔP is equal to or smaller than P1, it is determined in
[0089]
In
[0090]
【The invention's effect】
According to each invention, it is possible to achieve a common effect that low temperature combustion is possible even when the required load is high.
[0091]
Furthermore, according to the second invention, it is possible to obtain an effect that the same operation and effect as in the case of the first invention can be obtained.
Furthermore, according to the third aspect of the present invention, it is possible to provide an effect that even lower temperature recirculated exhaust gas can be supplied when the required engine load is high.
Furthermore, according to the fourth aspect of the invention, it is possible to positively cool the recirculated exhaust gas.
Furthermore, according to the fifth aspect of the present invention, it is possible to provide an effect that even higher temperature recirculated exhaust gas can be supplied when the required engine load is low.
Further, according to the sixth aspect of the invention, it is possible to achieve an effect that the transition between the high engine demand load area and the low engine load area can be smoothly performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of a compression ignition type internal combustion engine of a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing the amount of smoke and NOx generated.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the amount of smoke generated and the EGR rate.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between an injected fuel amount and a mixed gas amount.
FIG. 5 is a diagram showing a smoke concentration FSN, a low-temperature combustion region, and a normal fuel region in a specific operation state.
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a low temperature combustion region and a normal combustion region.
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.
10 is a diagram showing an air-fuel ratio and the like in a first operating region I. FIG.
FIG. 11 is a diagram showing a map of target opening degrees of the throttle valve and the like according to the first embodiment.
FIG. 12 is a diagram showing an air-fuel ratio and the like in the second combustion.
FIG. 13 is a view showing a map of a target opening degree of a throttle valve or the like.
FIG. 14 is a diagram showing a map of fuel injection amounts.
FIG. 15 is a graph showing the relationship between the required load L and the injection timing in each case where the air-fuel ratio A / F and the cooling method of EGR gas are changed when low-temperature combustion is performed.
FIG. 16 is a flowchart for controlling the operation of the engine of the first embodiment.
FIG. 17 is a view showing a map of a target opening degree of the EGR control valve according to the first embodiment.
FIG. 18 is a flowchart for controlling the operation of an engine according to another embodiment.
[Explanation of symbols]
1. Internal combustion engine
5 ... Combustion chamber
6 ... Fuel injection valve
14 ... Intercooler
15 ... Turbocharger
16 ... Compressor
20 ... Throttle valve
23 ... Exhaust turbine
25. Filter carrying a catalyst having an oxidation function (NOx storage reduction catalyst)
29 ... Second EGR passage (high-pressure exhaust gas recirculation passage)
31 ... Second EGR control valve (second recirculation exhaust gas control valve)
32 ... Catalytic converter
61 ... 1st EGR passage (low pressure exhaust gas recirculation passage)
64 ... 1st EGR control valve (1st recirculation exhaust gas control valve)
62 ... EGR cooler (cooling device)
Claims (5)
前記排気ガス循環装置が、再循環排気ガスの圧力が低い低圧排気ガス再循環通路と、再循環排気ガスの圧力が高い高圧排気ガス再循環通路と、前記低圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を制御可能な第1の再循環排気ガス制御弁と、前記高圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を制御可能な第2の再循環排気ガス制御弁とを具備し、
前記低温燃焼が行われるときに機関要求負荷が閾値よりも高い場合には、前記低圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を増加させる共に前記高圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を減少させ、
前記低温燃焼が行われるときに前記機関要求負荷が前記閾値よりも高くない場合には、前記低圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を減少させると共に前記高圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を増加させるようにした、内燃機関。An exhaust gas recirculation device that recirculates exhaust gas discharged from the combustion chamber into the engine intake passage is provided, and when the amount of recirculated exhaust gas supplied to the combustion chamber is increased, the amount of soot generated is increased. As the amount of recirculated exhaust gas supplied into the combustion chamber increases further and gradually reaches a peak, the temperature of the fuel and the surrounding gas in the combustion chamber is lower than the soot generation temperature. Therefore, there is provided switching means for switching between low-temperature combustion in which soot is hardly generated and normal combustion in which the amount of inert gas supplied to the combustion chamber is smaller than the amount of inert gas in which the amount of soot reaches a peak. In internal combustion engines,
The exhaust gas circulation device includes a low pressure exhaust gas recirculation passage having a low recirculation exhaust gas pressure, a high pressure exhaust gas recirculation passage having a high recirculation exhaust gas pressure, and a recirculation flowing through the low pressure exhaust gas recirculation passage. A first recirculation exhaust gas control valve capable of controlling the amount of exhaust gas; and a second recirculation exhaust gas control valve capable of controlling the amount of recirculation exhaust gas flowing through the high-pressure exhaust gas recirculation passage. And
If the engine demand load is higher than a threshold when the low temperature combustion is performed, the amount of recirculated exhaust gas flowing through the low pressure exhaust gas recirculation passage is increased and the recirculation flowing through the high pressure exhaust gas recirculation passage Reduce the amount of exhaust gas,
If the engine required load is not higher than the threshold when the low temperature combustion is performed, the amount of recirculated exhaust gas flowing through the low pressure exhaust gas recirculation passage is reduced and the high pressure exhaust gas recirculation passage is An internal combustion engine that increases the amount of recirculated exhaust gas that flows .
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