JP4165036B2 - 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、ターボチャージャを具備し、吸入空気量を減少させて空燃比をリッチ側にシフトさせる内燃機関が知られている。また、燃焼室内に供給される不活性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、燃焼室に供給される不活性ガスの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及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であって、燃焼室内における燃焼時の燃料及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と、ターボチャージャとを具備する内燃機関が知られている。この種の内燃機関の例としては、例えば特開平11−351016号公報に記載されたものがある。特開平11−351016号公報に記載された内燃機関では、空燃比をリッチ側にシフトさせてNOx触媒のNOxを還元するために吸入空気量を減少させている。また、特開平11−351016号公報に記載された内燃機関では、通常燃焼から低温燃焼に切換えるために吸入空気量を減少させている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開平11−351016号公報に記載された内燃機関では、空燃比をリッチ側にシフトさせてNOx触媒のNOxを還元するため、あるいは、通常燃焼から低温燃焼に切換えるために吸入空気量を減少させるときにターボチャージャのタービンの回転数が低下する点が考慮されていない。詳細には、吸入空気量を減少させるのに伴ってタービンの回転数が低下した後、吸入空気量を増加させようとしても、タービンの回転数がすぐには上昇し得ない点が考慮されていない。そのため、特開平11−351016号公報に記載された内燃機関では、吸入空気量を減少させた後、吸入空気量を増加させようとする時に吸入空気量の増加が遅れてしまうのに伴ってトルク不足が生じたり、スモークが増加したりするおそれがある。
【0004】
前記問題点に鑑み、本発明は吸入空気量を減少させた後、吸入空気量を増加させようとする時に吸入空気量の増加が遅れてしまうのに伴ってトルク不足が生じたり、スモークが増加したりするのを抑制することができる内燃機関を提供することを目的とする。更に本発明は低温燃焼から通常燃焼に切換えるために吸入空気量を増加させようとする時に吸入空気量の増加が遅れてしまうのに伴ってトルク不足が生じたり、スモークが増加したりするのを抑制することができる内燃機関を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明によれば、ターボチャージャを具備し、吸入空気量を減少させて空燃比をリッチ側にシフトさせる内燃機関において、ターボチャージャのタービンの回転数を増加させるための補助手段を具備し、吸入空気量を減少させて空燃比をリッチ側にシフトさせた後、空燃比をリーン側にシフトさせる時に、上記補助手段を作動することにより吸入空気量を増加させることを特徴とする内燃機関が提供される。
【0006】
請求項2に記載の発明によれば、吸入空気量を減少させかつトルクが減少しないように燃料噴射量を増加させて空燃比をリッチ側にシフトさせた後、空燃比をリーン側にシフトさせる時に、燃料噴射量を減少させ、かつ、燃料噴射量を減少させるのに伴ってトルクが減少しないように上記補助手段を作動することにより吸入空気量を増加させることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関が提供される。
【0007】
請求項1及び2に記載の内燃機関では、吸入空気量を減少させるのに伴ってタービンの回転数が低下した後、吸入空気量を増加させようとしても、タービンの回転数がすぐには上昇し得ない点に鑑み、ターボチャージャのタービンの回転数を増加させるための補助手段が設けられ、吸入空気量を減少させて空燃比をリッチ側にシフトさせた後、空燃比をリーン側にシフトさせる時に、補助手段を作動することにより吸入空気量が増加される。詳細には、吸入空気量を減少させかつトルクが減少しないように燃料噴射量を増加させて空燃比をリッチ側にシフトさせた後、空燃比をリーン側にシフトさせる時に、燃料噴射量を減少させ、かつ、燃料噴射量を減少させるのに伴ってトルクが減少しないように補助手段を作動することにより吸入空気量が増加される。そのため、吸入空気量を減少させた後、吸入空気量を増加させようとする時に吸入空気量の増加が遅れてしまうのに伴ってトルク不足が生じたり、スモークが増加したりするのを抑制することができる。
【0008】
請求項3に記載の発明によれば、燃焼室内に供給される不活性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、燃焼室に供給される不活性ガスの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及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であって、燃焼室内における燃焼時の燃料及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多く煤がほとんど発生しない通常燃焼とを切換え可能であり、ターボチャージャを具備する内燃機関において、ターボチャージャのタービンの回転数を増加させるための補助手段を具備し、低温燃焼から通常燃焼に切換えられる時に、補助手段を作動することにより吸入空気量を増加させることを特徴とする内燃機関が提供される。
【0009】
請求項3に記載の内燃機関では、吸入空気量を減少させるのに伴ってタービンの回転数が低下した後、吸入空気量を増加させようとしても、タービンの回転数がすぐには上昇し得ない点に鑑み、ターボチャージャのタービンの回転数を増加させるための補助手段が設けられ、低温燃焼から通常燃焼に切換えられる時に、補助手段を作動することにより吸入空気量が増加される。そのため、低温燃焼から通常燃焼に切換えるために吸入空気量を増加させようとする時に吸入空気量の増加が遅れてしまうのに伴ってトルク不足が生じたり、スモークが増加したりするのを抑制することができる。
【0010】
請求項4に記載の発明によれば、低温燃焼から通常燃焼に切換えられる時であって機関加速運転時に、上記補助手段を作動することにより吸入空気量を増加させることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関が提供される。
【0011】
請求項4に記載の内燃機関では、低温燃焼と通常燃焼とを切換え可能な内燃機関においては、機関定常運転時には低温燃焼が実行され、機関加速運転時には通常燃焼が実行されかつ要求吸入空気量がかなり多くなる点に鑑み、低温燃焼から通常燃焼に切換えられる時であって機関加速運転時には補助手段を作動することにより吸入空気量が増加される。そのため、要求吸入空気量が大幅に増加するときに要求通りに吸入空気量を迅速に増加させることができる。
【0012】
【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に連結される。一方、排気ポート10は排気マニホルド19を介して排気ターボチャージャ15の排気タービン20の入口部に連結され、排気タービン20の出口部は排気管21を介してNOx触媒としてのNOx吸収剤22を内蔵したケーシング23に連結される。この排気ターボチャージャ15には、排気タービン20の回転数を増加させるための電気的な補助手段が備えられている。
【0013】
吸気ダクト13内にはステップモータ24により駆動されるスロットル弁25が配置され、空気吸込管17内には吸入空気の質量流量を検出する吸入空気量センサ26が配置される。排気マニホルド19とサージタンク12とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路27を介して互いに連結され、EGR通路27内にはステップモータ28により駆動されるEGR制御弁29が配置される。また、EGR通路27周りにはEGR通路27内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置30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冷却装置30内に導かれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。
【0014】
一方、各燃料噴射弁6は燃料供給管31を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール32に連結される。このコモンレール32内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ33から燃料が供給され、コモンレール32内に供給された燃料は各燃料供給管31を介して燃料噴射弁6に供給される。コモンレール32にはコモンレール32内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ34が取付けられ、燃料圧センサ34の出力信号に基づいてコモンレール32内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ33の吐出量が制御される。
【0015】
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。吸入空気量センサ26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、燃料圧センサ34の出力信号も対応する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24、EGR制御弁制御用ステップモータ28および燃料ポンプ33に接続される。
【0016】
ところで従来より内燃機関、例えば圧縮着火式機関においては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EGR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。
【0017】
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。
【0018】
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。従って従来の圧縮着火式内燃機関では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。
【0019】
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。
【0020】
ところが圧縮着火式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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
図1はこの新たな燃焼システムを採用した圧縮着火式内燃機関を示している。図2は図1に示される圧縮着火式内燃機関において、機関低負荷運転時にスロットル弁25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。
【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下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。
【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おり、Z1は低負荷運転領域を示している。
【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率で表わすとほぼ55パーセント以上であり、図6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】
一方、図6の負荷領域Z2では煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Xが吸入しうる全吸入ガス量Yを越えてしまう。従ってこの場合、煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Xを燃焼室5内に供給するにはEGRガスおよび吸入空気の双方、或いはEGRガスを過給又は加圧する必要がある。EGRガス等を過給又は加圧しない場合には負荷領域Z2では全吸入ガス量Xは吸入しうる全吸入ガス量Yに一致する。従ってこの場合、煤の発生を阻止するためには空気量を若干減少させてEGRガス量を増大すると共に空燃比がリッチのもとで燃料を燃焼せしめることになる。
【0042】
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図6に示される低負荷運転領域Z1において空気量を図6に示される空気量よりも少なくても、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、また図6に示される低負荷領域Z1において空気量を図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。
【0043】
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。
【0044】
このように、機関低負荷運転領域Z1で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。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少ない比較的機関負荷が低いときに限られる。従って本発明による実施形態では機関負荷が比較的低いとき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、機関負荷が比較的高いときには第2の燃焼、即ち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ない燃焼のことを言う。
【0045】
図7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通常燃焼が行われる第2の燃焼領域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。
【0046】
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。
【0047】
次に図8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8は要求負荷Lに対するスロットル弁25の開度、EGR制御弁29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8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25の開度は要求負荷Lが高くなるにつれて全閉近くから半開程度まで徐々に増大せしめられ、EGR制御弁29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8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。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25の開度およびEGR制御弁29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。
【0048】
なお、アイドリング運転時にはスロットル弁25は全閉近くまで閉弁され、このときEGR制御弁29も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁25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25が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【0049】
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25の開度が半開状態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。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25は一部を除いて全開状態に保持され、EGR制御弁29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。
【0050】
図8に示されるように噴射量は要求負荷Lが高くなるにつれて増大する。この噴射量Qは図9に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数として予めROM42内に記憶されている。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。
【0051】
即ち、要求負荷Lが低くなるほど燃焼による発熱量が少なくなる。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形態では要求負荷Lが低くなるにつれて空燃比A/Fが大きくされる。
【0052】
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25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に示す目標空燃比とするのに必要なEGR制御弁29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ROM42内に記憶されている。
【0053】
図12は第2の燃焼、即ち従来の燃焼方法による通常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25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、空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なEGR制御弁29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ROM42内に記憶されている。
【0054】
一方、ケーシング23内に内蔵されているNOx触媒としてのNOx吸収剤22は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCsのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土類、ランタンLa、イットリウムYのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ptのような貴金属とが担持されている。機関吸気通路、燃焼室5およびNOx吸収剤22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22への流入排気ガスの空燃比と称するとこのNOx吸収剤22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。
【0055】
このNOx吸収剤22を機関排気通路内に配置すればNOx吸収剤22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14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。
【0056】
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14(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14(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22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。
【0057】
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22から放出されたNOxは図14(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22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。
【0058】
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22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22からNOxが徐々にしか放出されないためにNOx吸収剤22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。
【0059】
上述したようにNOx吸収剤22は白金Ptのような貴金属を含んでおり、従ってNOx吸収剤22は酸化機能を有している。一方、前述したように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。ところが上述した如くNOx吸収剤22は酸化機能を有しており、従ってこのとき燃焼室5から排出された未燃炭化水素はNOx吸収剤22により良好に酸化せしめられることになる。
【0060】
ところでNOx吸収剤22のNOx吸収能力には限度があり、NOx吸収剤22のNOx吸収能力が飽和する前にNOx吸収剤22からNOxを放出させる必要がある。そのためにはNOx吸収剤22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形態では第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15(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15(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22に吸収されているNOx量ΣNOXを推定するようにしている。
【0061】
本発明による実施形態ではこの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22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16を参照しつつ説明する。図16を参照すると本発明による実施形態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22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22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(低温燃焼)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22からNOxを放出すべく空燃比がリッチとされ、第2の燃焼(通常燃焼)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22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22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。
【0062】
即ち、図16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16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22からNOxが放出される。このときNOx吸収量ΣNOXは零とされる。
【0063】
前述したように第1の燃焼が行われているときには空燃比がリーンであろうと、理論空燃比であろうと、リッチであろうと煤は発生せず、従って第1の燃焼が行われているときにNOx吸収剤22からNOxを放出すべく空燃比A/Fがリッチとされてもこのとき煤が発生することはない。次いで時刻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16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。
【0064】
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16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22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16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22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。
【0065】
次いで図16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22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22に流入する排気ガスの空燃比がリッチとされる。
【0066】
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な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。
【0067】
次に図17を参照しつつ第1の燃焼が行われているときにNOx吸収剤22からNOxを放出すべくNOx吸収剤22に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする場合の噴射制御について説明する。図17に示されるように第1の燃焼が行われているときにNOx吸収剤22に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする場合にはスロットル開度およびEGR率を変化させず、燃料噴射量を増大することによって空燃比がリッチとされる。この場合、従来では空燃比が(A/F)Lで運転されているときに空燃比を目標リッチ空燃比(A/F)Rとすべきときには噴射量が〔(A/F)L/(A/F)R〕・Qとされる。図17に示される場合には従来では噴射量が(17/12)・Qとされる。ここでQは図9から算出された燃料噴射量である。
【0068】
しかしながら本発明におけるようにスロットル弁25の開度ST、EGR制御弁29の開度SEおよび燃料噴射量Qがマップの値に基づいて定められる場合には実際のリーン空燃比が必ずしも図10に示される目標リーン空燃比(A/F)Lに正確に一致しない。従って現在の空燃比が図10において要求負荷Lおよび機関回転数Nから定まる目標リーン空燃比(A/F)Lになっているとの前提に立って噴射量を〔(A/F)L/(A/F)R〕・Qなる式から算出しても空燃比は必ずしも目標リッチ空燃比(A/F)Rに一致しないことになる。
【0069】
ところで吸入空気量Gaと燃料噴射量QRと目標リッチ空燃比(A/F)Rとの間には次の関係がある。
吸入空気量Ga/燃料噴射量QR=目標リッチ空燃比(A/F)R
即ち、燃料噴射量QR=吸入空気量Ga/目標リッチ空燃比(A/F)R
そこで本発明による第1の実施形態では吸入空気量センサ26により検出された実際の吸入空気量Gaを目標リッチ空燃比(A/F)Rにより除算することによって燃料噴射量QRを求め、この燃料噴射量QRだけ燃料を噴射するようにしている。この場合、空燃比は目標リッチ空燃比(A/F)Rに正確に一致することになる。
【0070】
次に吸入空気量Gaと燃料噴射量QRと目標リッチ空燃比(A/F)Rとの関係についてもう少し詳細に説明する。即ち、吸入空気量センサ26では単位時間当りの吸入空気量の質量流量、例えば1秒間当りの吸入空気量の質量流量(g/sec )が検出される。一方、燃料噴射量QRは噴射一回りの体積を表わしている。従って燃料の比重をCとして、機関回転数をNとすると一秒間当りの噴射量(g/sec )は次式で表わされる。
【0071】
C・QR・(N/60)・(気筒数/2)
従って吸入空気量Gaと燃料噴射量QRと目標リッチ空燃比(A/F)Rとの関係は次のようになる。
Ga/〔C・QR・(N/60)・(気筒数/2)〕=(A/F)R
従って燃料噴射量QRは次式から算出される。
【0072】
QR=Ga/〔C・(N/60)・(気筒数/2)・(A/F)R〕
図18は第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられるときに空燃比が目標リッチ空燃比(A/F)Rとされる場合を示している。このときにも上述の式から燃料噴射量QRが算出される。
次に空燃比を目標リッチ空燃比(A/F)Rに維持する期間について説明する。
【0073】
まず初めに空燃比を理論空燃比(A/F)STにするのに必要な燃料噴射量QSTが算出される。次いで空燃比を目標リッチ空燃比(A/F)Rにするのに必要な燃料噴射量QRから、上述の燃料噴射量QSTを減算することによって過剰燃料量ΔQ(=QR−QST)が算出される。この過剰燃料量の累積値ΣΔQが設定値X1よりも大きくなるまで空燃比が目標リッチ空燃比(A/F)Rとされる。
【0074】
設定値X1はNOx吸収剤22内に吸収されている全NOxを放出させるのに必要な過剰燃料量を表わしており、従って設定値X1はNOx吸収量ΣNOXが増大するにつれて増大する。
図19はNOx吸収剤22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。
【0075】
図19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101に進んで図15(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102ではNOx吸収量ΣNOXにAが加算される。次いでステップ103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104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1がセットされる。
【0076】
一方、ステップ100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105に進んで図15(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106ではNOx吸収量ΣNOXにBが加算される。次いでステップ107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108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。
【0077】
一方、ステップ109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110に進み、膨張行程の後半又は排気行程中に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20を参照しつつ運転制御について説明する。
【0078】
図20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201に進んで要求負荷Lが第1の境界X1(N)よりも大きくなったか否かが判別される。L≦X1(N)のときにはステップ203に進んで低温燃焼が行われる。
【0079】
即ち、ステップ203では図11(A)に示すマップからスロットル弁25の目標開度STが算出され、スロットル弁25の開度がこの目標開度STとされる。次いでステップ204では図11(B)に示すマップからEGR制御弁29の目標開度SEが算出され、EGR制御弁29の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ205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206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。
【0080】
一方、ステップ205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207に進んで図21に示される噴射制御Iが行われる。一方、ステップ201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202に進んでフラグIがリセットされ、次いでステップ210に進んで第2の燃焼(通常燃焼)が行われる。
【0081】
即ち、ステップ210では図13(A)に示すマップからスロットル弁25の目標開度STが算出され、スロットル弁25の開度がこの目標開度STとされる。次いでステップ211では図13(B)に示すマップからEGR制御弁29の目標開度SEが算出され、EGR制御弁29の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ212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213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。
【0082】
一方、ステップ212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214に進んで図22に示される噴射制御IIが行われる。
次に図21を参照しつつ噴射制御I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300において吸入空気量センサ26により検出された吸入空気の質量流量Gaが取込まれる。次いでステップ301では空燃比を目標リッチ空燃比(A/F)Rとするための燃料噴射量QRが次式に基づいて算出される。
【0083】
QR=Ga/〔C・(N/60)・(気筒数/2)・(A/F)R〕
ここでCは前述したように燃料の比重を表しており、Nは機関回転数を表わしている。
次いでステップ302では空燃比がリーンからリッチに切換えられたときに機関の出力トルクが変動しないように噴射時期が遅角される。なお、本発明による実施形態では遅角された噴射時期が機関運転状態の関数としてマップの形で予めROM42内に記憶されており、ステップ302ではこのマップに基づいて噴射時期が算出される。次いでステップ303ではステップ302において算出された噴射時期にステップ301において算出された燃料噴射量QRを噴射するための処理が行われる。斯くして空燃比がリーン空燃比から目標リッチ空燃比(A/F)Rに切換えられることになる。
【0084】
ところで機関排気通路内に空燃比センサを取付け、この空燃比センサの出力信号に基づいて空燃比が目標空燃比(A/F)Rとなるようにフィードバック制御すればNOx吸収剤22からNOxを放出すべきときに空燃比を目標空燃比(A/F)Rに維持することができる。しかしながらこのようなフィードバック制御を用いた場合には空燃比がリーンからリッチに切換えられた直後の空燃比を正確に目標リッチ空燃比に制御することができない。
【0085】
これに対して本発明ではこれから機関シリンダ内に供給される吸入空気の質量流量Gaに基づいてこの吸入空気が流入するシリンダへの燃料噴射量QRが算出される。即ち、フィードホワード制御が行われる。従って本発明では空燃比がリーンからリッチに切換えられるや否や空燃比が正確に目標リッチ空燃比(A/F)Rに制御される。
【0086】
ステップ304以下では、NOx吸収剤22に吸収されている全NOxが放出するまで空燃比を目標リッチ空燃比(A/F)Rに維持するための処理が行われる。即ち、ステップ304では空燃比を理論空燃比(A/F)STとするのに必要な燃料噴射量QSTが次式に基づいて算出される。
QST=Ga/〔C・(N/60)・(気筒数/2)・(A/F)ST〕
次いでステップ305では過剰燃料量ΔQ(=QR−QST)が算出され、次いでステップ306では過剰燃料量の累積値ΣΔQ(=ΣΔQ+ΔQ)が算出される。次いでステップ307では過剰燃料量の累積値ΣΔQが設定値X1を越えたか否かが判別される。ΣΔQ>X1になるとステップ308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309においてΣNOXが零とされ、次いでステップ310においてΣΔQが零とされる。
【0087】
次に図22を参照しつつ噴射制御IIについて説明する。図22を参照するとまず初めにステップ400において図9に示されるマップから燃料噴射量Qが算出される。次いでステップ401では吸入空気量センサ26により検出された吸入空気の質量流量Gaが取込まれる。次いでステップ402では空燃比を目標リッチ空燃比(A/F)Rとするための燃料噴射量QRが次式に基づいて算出される。
【0088】
QR=Ga/〔C・(N/60)・(気筒数/2)・(A/F)R〕
ここでCは前述したように燃料の比重を表しており、Nは機関回転数を表わしている。
次いでステップ403では空燃比を目標リッチ空燃比(A/F)Rとするのに必要な燃料噴射量QRから燃料噴射量Qを減算することによって追加の燃料量Qadd(=QR−Q)が算出される。次いでステップ404では圧縮上死点付近において燃料噴射量Qの噴射を行い、膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料量Qaddの噴射を行うための処理が行われる。このときには図12に示されるリーン空燃比でもって第2の燃焼が行われ、追加の燃料によってNOx吸収剤22に流入する排気ガスの空燃比が目標リッチ空燃比(A/F)Rとされる。
【0089】
ステップ405以下では、NOx吸収剤22に吸収されている全NOxを放出させるまでNOx吸収剤22に流入する排気ガスの空燃比を目標リッチ空燃比(A/F)Rに維持するための処理が行われる。即ち、ステップ405では空燃比を理論空燃比(A/F)STとするのに必要な燃料噴射量QSTが次式に基づいて算出される。
【0090】
QST=Ga/〔C・(N/60)・(気筒数/2)・(A/F)ST〕
次いでステップ406では過剰燃料量ΔQ(=QR−QST)が算出され、次いでステップ407では過剰燃料量の累積値ΣΔQ(=ΣΔQ+ΔQ)が算出される。次いでステップ408では過剰燃料量の累積値ΣΔQが設定値X2(>X1)を越えたか否かが判別される。ΣΔQ>X2になるとステップ409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410においてΣNOXが零とされ、次いでステップ411においてΣΔQが零とされる。
【0091】
図23は第一の実施形態のタービン回転数のアシスト制御方法を説明するための図である。図23に示すように、時間t11以前は、スロットル開度が全開とされかつEGR制御弁開度が全閉とされ、高負荷状態の下で通常燃焼が実行されている。このときタービンの回転数は比較的高い値になっている。次いで時間t12にNOx吸収剤22からNOxを放出すべき要求が出されると、スロットル弁開度が全開から半開に切換えられると共に、EGR制御弁開度が全閉から全開に切換えられ、燃料噴射量が増量される。燃料噴射量を増量する場合には、燃料噴射量を増量すると共に燃料噴射時期を遅角させてもよく、あるいは、圧縮上死点付近の主噴射に加えて主噴射の前又は後に副噴射を実行してもよい。時間t11から時間t12までの間においては、スロットル弁開度が減少されるために吸入空気量が減少し、タービンの回転数も低下する。但し、燃料噴射量が増量されるために発生トルクは低下しない。
【0092】
時間t12にNOx吸収剤22からNOxを放出させる制御が終了すると、スロットル弁開度が再び全開にされ、EGR制御弁開度も再び全閉される。また、NOx吸収剤22からNOxを放出させる必要がなくなるため、燃料噴射量が減量される。更に第一の実施形態では、電気的補助手段付きターボチャージャ15により、タービンの回転数を迅速に増加させるためのアシスト制御が実行される。このように第一の実施形態では、NOx吸収剤22からNOxを放出させる制御が終了した時に、タービンの回転数を迅速に増加させるアシスト制御が実行されるため、発生トルクが一時的に低下してしまうのを回避することができる。
【0093】
つまり第一の実施形態によれば、吸入空気量を減少させるのに伴ってタービンの回転数が低下した後、吸入空気量を増加させようとしても、タービンの回転数がすぐには上昇し得ない点に鑑み、タービン20の回転数を増加させるための電気的な補助手段がターボチャージャ15に備えられ、時間t11に吸入空気量を減少させて空燃比をリッチ側にシフトさせた後、空燃比をリーン側にシフトさせる時間t12に、電気的な補助手段を作動することにより吸入空気量が増加される。詳細には、時間t11に吸入空気量を減少させかつトルクが減少しないように燃料噴射量を増加させて空燃比をリッチ側にシフトさせた後、空燃比をリーン側にシフトさせる時間t12に、燃料噴射量を減少させ、かつ、燃料噴射量を減少させるのに伴ってトルクが減少しないように電気的な補助手段を作動することにより吸入空気量が増加される。そのため、吸入空気量を減少させた後、吸入空気量を増加させようとする時に吸入空気量の増加が遅れてしまうのに伴ってトルク不足が生じたり、スモークが増加したりするのを抑制することができる。
【0094】
図24は第二の実施形態のタービン回転数のアシスト制御方法を説明するための図である。図24に実線で示すように、時間t21以前においては、上述した低温燃焼が実行されて機関定常運転が行われている。このときタービンの回転数は上述した通常燃焼が実行されているときに比べて低くなっている。次いで時間t21に機関を加速すべき要求が出されると、電気的補助手段付きターボチャージャ15により、タービンの回転数を迅速に増加させるためのアシスト制御が実行される。このように第二の実施形態では、機関定常運転から機関加速運転に切換えられた時に、タービンの回転数を迅速に増加させるアシスト制御が実行されるため、機関を加速させるのに必要な発生トルクを迅速に増加させることができる。
【0095】
つまり第二の実施形態によれば、例えば通常燃焼から低温燃焼に切換えるために吸入空気量を減少させるのに伴ってタービンの回転数が低下した後、吸入空気量を増加させようとしても、タービンの回転数がすぐには上昇し得ない点に鑑み、タービン20の回転数を増加させるための電気的な補助手段がターボチャージャ15に備えられ、低温燃焼から通常燃焼に切換えられる時間t21に、電気的な補助手段を作動することにより吸入空気量が増加される。そのため、低温燃焼から通常燃焼に切換えるために吸入空気量を増加させようとする時に吸入空気量の増加が遅れてしまうのに伴ってトルク不足が生じたり、スモークが増加したりするのを抑制することができる。
【0096】
また第二の実施形態によれば、低温燃焼と通常燃焼とを切換え可能な内燃機関においては、機関定常運転時には低温燃焼が実行され、機関加速運転時には通常燃焼が実行されかつ要求吸入空気量がかなり多くなる点に鑑み、低温燃焼から通常燃焼に切換えられる時であって機関加速運転時である時間t21に、電気的な補助手段を作動することにより吸入空気量が増加される。そのため、要求吸入空気量が大幅に増加するときに要求通りに吸入空気量を迅速に増加させることができる。
【0097】
【発明の効果】
請求項1及び2に記載の発明によれば、吸入空気量を減少させた後、吸入空気量を増加させようとする時に吸入空気量の増加が遅れてしまうのに伴ってトルク不足が生じたり、スモークが増加したりするのを抑制することができる。
【0098】
請求項3に記載の発明によれば、低温燃焼から通常燃焼に切換えるために吸入空気量を増加させようとする時に吸入空気量の増加が遅れてしまうのに伴ってトルク不足が生じたり、スモークが増加したりするのを抑制することができる。
【0099】
請求項4に記載の発明によれば、要求吸入空気量が大幅に増加するときに要求通りに吸入空気量を迅速に増加させることができる。
【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】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図9】噴射量のマップを示す図である。
【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を示す図である。
【図14】NOxの吸放出作用を説明するための図である。
【図15】単位時間当りのNOx吸収量のマップを示す図である。
【図16】NOx放出制御を説明するための図である。
【図17】リーン空燃比からリッチ空燃比へ切換えるときの噴射量変化と空燃比変化とを示す図である。
【図18】リーン空燃比からリッチ空燃比へ切換えるときの噴射量変化と空燃比変化とを示す図である。
【図19】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20】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図21】噴射制御Iを実行するためのフローチャートである。
【図22】噴射制御IIを実行するためのフローチャートである。
【図23】第一の実施形態のタービン回転数のアシスト制御方法を説明するための図である。
【図24】第二の実施形態のタービン回転数のアシスト制御方法を説明するための図である。
【符号の説明】
6…燃料噴射弁
15…排気ターボチャージャ
20…排気タービン
22…NOx吸収剤
25…スロットル弁
26…吸入空気量センサ
29…EGR制御弁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an internal combustion engine that includes a turbocharger and reduces the intake air amount to shift the air-fuel ratio to the rich side is known. Further, when the amount of inert gas supplied into the combustion chamber is increased, the amount of soot generated gradually increases and reaches a peak, and when the amount of inert gas supplied to the combustion chamber is further increased. An internal combustion engine in which the temperature of fuel and its surrounding gas during combustion in the combustion chamber is lower than the generation temperature of soot and soot is hardly generated, and the temperature of fuel and its surrounding gas during combustion in the combustion chamber Low-temperature combustion where soot is hardly generated at a temperature lower than the generation temperature of the soot, and normal combustion in which the amount of inert gas supplied into the combustion chamber is smaller than the amount of inert gas at which soot generation peaks. There is known an internal combustion engine including a switching means for switching and a turbocharger. An example of this type of internal combustion engine is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-35016, for example. In the internal combustion engine described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-35016, the intake air amount is reduced in order to reduce the NOx of the NOx catalyst by shifting the air-fuel ratio to the rich side. Further, in the internal combustion engine described in JP-A-11-35016, the intake air amount is reduced in order to switch from normal combustion to low-temperature combustion.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the internal combustion engine described in Japanese Patent Laid-Open No. 11-35016, the intake air amount is reduced in order to reduce the NOx of the NOx catalyst by shifting the air-fuel ratio to the rich side, or to switch from normal combustion to low temperature combustion. It is not taken into consideration that the rotational speed of the turbine of the turbocharger is reduced when it is reduced. Specifically, it is considered that the turbine speed cannot be increased immediately even if the intake air quantity is increased after the turbine speed has decreased as the intake air quantity has decreased. Absent. Therefore, in the internal combustion engine described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-35016, after reducing the intake air amount, when the intake air amount is to be increased, the torque increases as the increase in the intake air amount is delayed. There may be a shortage or an increase in smoke.
[0004]
In view of the above problems, the present invention reduces the intake air amount and then increases the intake air amount when the intake air amount is increased, resulting in insufficient torque or increased smoke. It is an object of the present invention to provide an internal combustion engine that can suppress the occurrence of the problem. Furthermore, according to the present invention, when the intake air amount is increased in order to switch from the low temperature combustion to the normal combustion, the increase in the intake air amount is delayed, resulting in a shortage of torque or an increase in smoke. It aims at providing the internal combustion engine which can be suppressed.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, in the internal combustion engine that includes the turbocharger and reduces the intake air amount and shifts the air-fuel ratio to the rich side, the auxiliary means for increasing the rotational speed of the turbine of the turbocharger. And reducing the intake air amount to shift the air-fuel ratio to the rich side, and then increasing the intake air amount by operating the auxiliary means when the air-fuel ratio is shifted to the lean side. An internal combustion engine is provided.
[0006]
According to the second aspect of the invention, the air-fuel ratio is shifted to the rich side by decreasing the intake air amount and increasing the fuel injection amount so that the torque does not decrease, and then the air-fuel ratio is shifted to the lean side. 2. The intake air amount is increased by actuating the auxiliary means so that the torque is not decreased as the fuel injection amount is decreased and the fuel injection amount is decreased. An internal combustion engine as described is provided.
[0007]
In the internal combustion engine according to
[0008]
According to the third aspect of the present invention, as the amount of inert gas supplied into the combustion chamber increases, the amount of soot generated gradually increases and reaches a peak, and the inert gas supplied into the combustion chamber. If the amount of the fuel is further increased, the temperature of the fuel and the surrounding gas in the combustion chamber becomes lower than the generation temperature of soot, and soot is hardly generated. Low temperature combustion in which the temperature of the fuel and surrounding gas is lower than the soot generation temperature and soot is hardly generated, and the inertness supplied to the combustion chamber rather than the amount of inert gas at which soot generation peaks It is possible to switch between normal combustion with a large amount of gas and almost no soot, and in an internal combustion engine equipped with a turbocharger, auxiliary means for increasing the rotational speed of the turbine of the turbocharger is provided, When switched to the normal combustion from the internal combustion engine, characterized in that increasing the amount of intake air is provided by actuating the auxiliary means.
[0009]
In the internal combustion engine according to claim 3, even if an attempt is made to increase the intake air amount after the turbine rotation speed has decreased as the intake air amount has decreased, the turbine rotation speed can immediately increase. In view of this, auxiliary means for increasing the rotational speed of the turbine of the turbocharger is provided, and the intake air amount is increased by operating the auxiliary means when switching from low temperature combustion to normal combustion. Therefore, when increasing the intake air amount in order to switch from low temperature combustion to normal combustion, it is possible to suppress a shortage of torque or an increase in smoke as the increase in the intake air amount is delayed. be able to.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, the intake air amount is increased by operating the auxiliary means at the time of switching from low temperature combustion to normal combustion and during engine acceleration operation. Is provided.
[0011]
In the internal combustion engine according to claim 4, in the internal combustion engine capable of switching between the low temperature combustion and the normal combustion, the low temperature combustion is executed during the engine steady operation, the normal combustion is executed during the engine acceleration operation, and the required intake air amount is reduced. In view of the considerable increase, the intake air amount is increased by operating the auxiliary means at the time of switching from low temperature combustion to normal combustion and during engine acceleration operation. Therefore, when the required intake air amount increases significantly, the intake air amount can be rapidly increased as required.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF 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 Is an exhaust valve, and 10 is an exhaust port. The
[0013]
A
[0014]
On the other hand, each fuel injection valve 6 is connected to a fuel reservoir, so-called
[0015]
The
[0016]
By the way, in an internal combustion engine, for example, a compression ignition type engine, in order to suppress generation of NOx, an engine exhaust passage and an engine intake passage are connected by an EGR passage, and exhaust gas, that is, EGR gas is connected to the engine through the EGR passage. The air is recirculated in the 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)). ) 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.
[0017]
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.
[0018]
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 compression ignition type internal combustion engine, the EGR rate is suppressed to about 30% to 50% at the maximum.
[0019]
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.
[0020]
However, if the EGR rate is made larger than the maximum allowable limit in the course of research on combustion in a compression ignition engine, smoke increases rapidly as described above, but there is a peak in the amount of smoke generated, and this peak is exceeded. When the EGR rate is further increased, the smoke starts to rapidly decrease. When the EGR rate is increased to 70% or higher during idling operation, and when the EGR gas is strongly cooled, the smoke is increased to approximately 55% or higher. Was found to be almost zero, i.e., almost no wrinkles occurred. 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.
[0021]
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.
[0022]
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.
[0023]
FIG. 1 shows a compression ignition type internal combustion engine employing this new combustion system. FIG. 2 shows the compression ignition type internal combustion engine shown in FIG. 1, in which the air-fuel ratio A / F (horizontal axis in FIG. 2) is changed by changing the opening of the
[0024]
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.
[0025]
FIG. 3A shows the change in 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 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
[0027]
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. That is, linear hydrocarbons and aromatic hydrocarbons as shown in FIG. 4 contained in the fuel are thermally decomposed to form soot precursors when the temperature is raised in an oxygen-deficient state, A soot made of a solid in which carbon atoms are assembled is produced. 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 the hydrocarbons shown in FIG. After that, it will grow up to heels. 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. .
[0028]
Summarizing these considerations based on the experimental results shown in FIG. 2 and FIG. 3, when the combustion temperature in the
[0029]
By the way, when the hydrocarbon production 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, the air-fuel ratio and the compression 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, almost no soot is generated when the amount of NOx generated is about 10 p.p.m or less. Therefore, the above-mentioned certain temperature substantially coincides with the temperature when the amount of NOx generated is around 10 p.p.m or less.
[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 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
[0031]
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
[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 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.
[0033]
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.
[0034]
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, if 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, CO2Since EGR gas has a relatively large specific heat, it can be said that it is preferable to use EGR gas as an 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 cooling degree of the EGR gas is changed. That is, in FIG. 5, curve A shows the case where the EGR gas is strongly cooled and the EGR gas temperature is maintained at about 90 ° C., and curve B shows the 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 curve A in FIG. 5, when the EGR gas is cooled strongly, soot generation 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. On the other hand, as shown by the curve B in FIG. 5, 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.
[0037]
Further, as shown by the curve C in FIG. 5, 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. FIG. 5 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. 6 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. 6, the vertical axis indicates the total intake gas amount sucked into the
[0039]
Referring to FIG. 6, the ratio of air, that is, the amount of air in the mixed gas indicates the amount of air necessary for completely burning the injected fuel. That is, in the case shown in FIG. 6, the ratio of the air amount and the injected fuel amount is the stoichiometric air-fuel ratio. On the other hand, in FIG. 6, 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 the 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. 6, 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]
On the other hand, in the load region Z2 of FIG. 6, the total intake gas amount X necessary for preventing the generation of soot exceeds the total intake gas amount Y that can be sucked. Therefore, in this case, it is necessary to supercharge or pressurize both the EGR gas and the intake air, or the EGR gas in order to supply the entire intake gas amount X necessary for preventing the generation of soot into the
[0042]
As described above, FIG. 6 shows the case where the fuel is burned under the stoichiometric air-fuel ratio, but even if the air amount is smaller than the air amount shown in FIG. 6 in the low load operation region Z1 shown in FIG. That is, even if the air-fuel ratio is rich, the generation amount of NOx can be reduced to around 10 ppm or less while preventing the generation of soot, and the air amount in the low load region Z1 shown in FIG. Even if the air amount is larger than that shown in FIG. 1, that is, even if the average value of the air-fuel ratio is 17 to 18, the generation amount of NOx can be reduced to around 10 p.pm or less while preventing the generation of soot. it can.
[0043]
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 Not generated at all. Furthermore, only a very small amount of NOx is generated.
[0044]
Thus, in the engine low load operation region Z1, no soot is 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. The amount of generated 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. 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 hydrocarbon growth stops midway only when the engine load is small and the combustion load is relatively low. Therefore, in the embodiment according to the present invention, when the engine load is relatively low, the temperature of the fuel during combustion and the surrounding gas temperature is suppressed to a temperature below the temperature at which the growth of hydrocarbons stops midway, and the first combustion, that is, low temperature combustion is performed Thus, when the engine load is relatively high, the second combustion, that is, the normal combustion that is normally performed conventionally is performed. Note that the first combustion, that is, low-temperature combustion, here, as is clear from the above description, the amount of inert gas in the combustion chamber is larger than the amount of inert gas at which the amount of generated soot peaks, and soot is almost generated. The second combustion, that is, the normal combustion that is normally performed conventionally, is a combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber is smaller than the amount of inert gas in which the generation amount of soot peaks. Say that.
[0045]
FIG. 7 shows a first operation region I in which the first combustion, that is, low-temperature combustion is performed, and a second combustion region II in which normal combustion by the conventional combustion method is performed. In FIG. 7, the vertical axis L indicates the amount of depression of the
[0046]
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 operation region II, and combustion by the conventional combustion method 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.
[0047]
Next, operation control in the first operation region I and the second operation region II will be schematically described with reference to FIG. FIG. 8 shows the opening degree of the
[0048]
During the idling operation, the
[0049]
On the other hand, when the engine operating region changes from the first operating region I to the second operating region II, the opening of the
[0050]
As shown in FIG. 8, the injection amount increases as the required load L increases. The injection quantity Q is stored in advance in the
[0051]
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 lowered, the air-fuel ratio increases, so the air-fuel ratio A / F increases as the required load L decreases as shown in FIG. As the 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 air-fuel ratio A / F increases as the required load L decreases.
[0052]
It should be noted that the target opening ST of the
[0053]
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, the curves indicated by A / F = 24, A / F = 35, A / F = 45, and A / F = 60 indicate the target air-
[0054]
On the other hand, the
[0055]
If this
[0056]
In the compression ignition internal combustion engine shown in FIG. 1, combustion is normally performed with the air-fuel ratio in the
[0057]
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 platinum Pt.2The production amount of is reduced. NO2When the production amount of NO decreases, the reaction reverses (NOThree -→ NO2) And thus nitrate ion NO in the absorbentThree -Is NO2Is released from the absorbent in the form of At this time, the NOx released from the
[0058]
In this case, NOx is released from the
[0059]
As described above, the
[0060]
Incidentally, the NOx absorption capacity of the
[0061]
In the embodiment according to the present invention, NOx is released from the
[0062]
That is, the period X in FIG. 16 shows a case where the required load L is lower than the first boundary X (N) and the first combustion is being performed. At this time, the air-fuel ratio is slightly lower than the stoichiometric air-fuel ratio. It is just a lean lean air-fuel ratio. When the first combustion is being performed, the amount of NOx generated is extremely small. Therefore, at this time, the NOx absorption amount ΣNOX increases very slowly as shown in FIG. If the NOx absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1 during the first combustion, the air-fuel ratio A / F is temporarily made rich, whereby NOx is released from the
[0063]
As described above, when the first combustion is being performed, no soot is generated regardless of whether the air-fuel ratio is lean, the stoichiometric air-fuel ratio, or the rich, so when the first combustion is being performed. Even if the air-fuel ratio A / F is made rich so as to release NOx from the
[0064]
When the air-fuel ratio A / F is made rich when the second combustion is being performed, a large amount of soot is generated, and therefore making the air-fuel ratio A / F rich when the second combustion is being performed is Can not. Therefore, as shown in FIG. 16, even when the NOx absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1 during the second combustion, the air-fuel ratio A / F is rich so as to release NOx from the
[0065]
Next, time t in FIG.ThreeIs switched from the first combustion to the second combustion, and the second combustion is continued for a while. At this time, the NOx absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1, and then the time tFourIf the maximum allowable value MAX2 is exceeded, additional fuel is injected during the second half of the expansion stroke or during the exhaust stroke to release NOx from the
[0066]
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 and therefore it is preferable to minimize the chance of injecting additional fuel. Therefore, if the NOx absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1 when the second combustion is performed, the air-fuel ratio A / F is temporarily made rich when the second combustion is switched to the first combustion. The additional fuel is injected only in a special case where the NOx absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX2.
[0067]
Next, referring to FIG. 17, the injection control when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
[0068]
However, when the opening degree ST of the
[0069]
By the way, intake air amount Ga and fuel injection amount QRAnd target rich air-fuel ratio (A / F)RHas the following relationship:
Intake air amount Ga / fuel injection amount QR= Target rich air-fuel ratio (A / F)R
That is, the fuel injection amount QR= Intake air amount Ga / Target rich air-fuel ratio (A / F)R
Therefore, in the first embodiment according to the present invention, the actual intake air amount Ga detected by the intake
[0070]
Next, the intake air amount Ga and the fuel injection amount QRAnd target rich air-fuel ratio (A / F)RThe relationship between and will be explained in more detail. That is, the intake
[0071]
C ・ QR・ (N / 60) ・ (Number of cylinders / 2)
Therefore, the intake air amount Ga and the fuel injection amount QRAnd target rich air-fuel ratio (A / F)RThe relationship is as follows.
Ga / [C ・ QR(N / 60) (Number of cylinders / 2)] = (A / F)R
Therefore, the fuel injection amount QRIs calculated from the following equation.
[0072]
QR= Ga / [C ・ (N / 60) ・ (Number of cylinders / 2) ・ (A / F)R]
FIG. 18 shows the target rich air-fuel ratio (A / F) when the air-fuel ratio is switched from the second combustion to the first combustion.RShows the case. Also at this time, the fuel injection amount QRIs calculated.
Next, the air-fuel ratio is set to the target rich air-fuel ratio (A / F)RThe period to be maintained will be described.
[0073]
First, the air-fuel ratio is set to the theoretical air-fuel ratio (A / F).STFuel injection amount Q required to makeSTIs calculated. Next, the air-fuel ratio is set to the target rich air-fuel ratio (A / F)RFuel injection amount Q required to makeRFrom the above fuel injection amount QSTIs subtracted from the excess fuel amount ΔQ (= QR-QST) Is calculated. The air-fuel ratio becomes the target rich air-fuel ratio (A / F) until the cumulative value ΣΔQ of the excess fuel amount becomes larger than the set value X1.RIt is said.
[0074]
The set value X1 represents the excess fuel amount required to release all NOx absorbed in the
FIG. 19 shows a processing routine of a NOx release flag that is set when NOx should be released from the
[0075]
Referring to FIG. 19, first, at
[0076]
On the other hand, when it is determined in
[0077]
On the other hand, at
Next, the operation control will be described with reference to FIG.
[0078]
Referring to FIG. 20, first, at
[0079]
That is, in step 203, the target opening ST of the
[0080]
On the other hand, when it is determined at
[0081]
That is, at
[0082]
On the other hand, when it is determined at
Next, the injection control I will be described with reference to FIG. Referring to FIG. 21, first, the intake air mass flow rate Ga detected by the intake
[0083]
QR= Ga / [C ・ (N / 60) ・ (Number of cylinders / 2) ・ (A / F)R]
Here, C represents the specific gravity of the fuel as described above, and N represents the engine speed.
Next, at
[0084]
By the way, an air-fuel ratio sensor is installed in the engine exhaust passage, and the air-fuel ratio is set to the target air-fuel ratio (A / F) based on the output signal of this air-fuel ratio sensor.RIf feedback control is performed so that NOx is released from the
[0085]
In contrast, in the present invention, the fuel injection amount Q to the cylinder into which the intake air flows is based on the mass flow rate Ga of the intake air to be supplied into the engine cylinder.RIs calculated. That is, feed forward control is performed. Therefore, in the present invention, as soon as the air-fuel ratio is switched from lean to rich, the air-fuel ratio is accurately set to the target rich air-fuel ratio (A / F).RControlled.
[0086]
In
QST= Ga / [C ・ (N / 60) ・ (Number of cylinders / 2) ・ (A / F)ST]
Next, at
[0087]
Next, the injection control II will be described with reference to FIG. Referring to FIG. 22, first, at
[0088]
QR= Ga / [C ・ (N / 60) ・ (Number of cylinders / 2) ・ (A / F)R]
Here, C represents the specific gravity of the fuel as described above, and N represents the engine speed.
Next, at
[0089]
In
[0090]
QST= Ga / [C ・ (N / 60) ・ (Number of cylinders / 2) ・ (A / F)ST]
Next, at
[0091]
FIG. 23 is a diagram for explaining the turbine rotational speed assist control method according to the first embodiment. As shown in FIG. 23, before time t11, the throttle opening is fully opened and the EGR control valve opening is fully closed, and normal combustion is performed under a high load condition. At this time, the rotational speed of the turbine is a relatively high value. Next, when a request to release NOx from the
[0092]
When the control for releasing NOx from the
[0093]
In other words, according to the first embodiment, even if an attempt is made to increase the intake air amount after the turbine rotational speed has decreased as the intake air amount has decreased, the turbine rotational speed can immediately increase. In view of the above, an electrical auxiliary means for increasing the rotational speed of the
[0094]
FIG. 24 is a diagram for explaining the turbine rotation speed assist control method according to the second embodiment. As shown by a solid line in FIG. 24, before the time t21, the low temperature combustion described above is executed and the engine steady operation is performed. At this time, the rotational speed of the turbine is lower than when the above-described normal combustion is performed. Next, when a request for accelerating the engine is issued at time t21, the
[0095]
That is, according to the second embodiment, for example, even if an attempt is made to increase the intake air amount after the rotational speed of the turbine has decreased as the intake air amount is decreased in order to switch from normal combustion to low temperature combustion, the turbine In view of the fact that the rotational speed of the
[0096]
Further, according to the second embodiment, in an internal combustion engine capable of switching between low temperature combustion and normal combustion, low temperature combustion is executed during engine steady operation, normal combustion is executed during engine acceleration operation, and the required intake air amount is reduced. In view of the considerable increase, the intake air amount is increased by operating the electrical auxiliary means at time t21 when the engine is switched from low temperature combustion to normal combustion and during engine acceleration operation. Therefore, when the required intake air amount increases significantly, the intake air amount can be rapidly increased as required.
[0097]
【The invention's effect】
According to the first and second aspects of the present invention, after the intake air amount is decreased, when the intake air amount is increased, the increase in the intake air amount is delayed, resulting in insufficient torque. Smoke can be suppressed from increasing.
[0098]
According to the third aspect of the present invention, when the intake air amount is increased in order to switch from the low temperature combustion to the normal combustion, an increase in the intake air amount is delayed. Can be prevented from increasing.
[0099]
According to the fourth aspect of the present invention, when the required intake air amount increases significantly, the intake air amount can be rapidly increased as required.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of a compression ignition type internal combustion engine.
FIG. 2 is a diagram showing the amount of smoke and NOx generated.
FIG. 3 is a diagram showing combustion pressure.
FIG. 4 is a diagram showing fuel molecules.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the amount of smoke generated and the 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 opening degree of a throttle valve and the like.
FIG. 9 is a diagram showing a map of injection amounts.
10 is a diagram showing an air-fuel ratio in a first operating region I. FIG.
FIG. 11 is a view showing a map of a target opening degree of a throttle valve or the like.
FIG. 12 is a diagram showing an air-fuel ratio in second combustion.
FIG. 13 is a diagram showing a target opening degree of a throttle valve or the like.
FIG. 14 is a view for explaining the NOx absorption / release action;
FIG. 15 is a diagram showing a map of NOx absorption per unit time.
FIG. 16 is a diagram for explaining NOx release control;
FIG. 17 is a diagram showing a change in injection amount and a change in air-fuel ratio when switching from a lean air-fuel ratio to a rich air-fuel ratio.
FIG. 18 is a diagram showing a change in injection amount and a change in air-fuel ratio when switching from a lean air-fuel ratio to a rich air-fuel ratio.
FIG. 19 is a flowchart for processing a NOx release flag;
FIG. 20 is a flowchart for controlling the operation of the engine.
FIG. 21 is a flowchart for executing injection control I;
FIG. 22 is a flowchart for executing injection control II.
FIG. 23 is a diagram for explaining a turbine rotation speed assist control method according to the first embodiment;
FIG. 24 is a diagram for explaining a turbine rotational speed assist control method according to a second embodiment;
[Explanation of symbols]
6 ... Fuel injection valve
15 ... exhaust turbocharger
20 ... exhaust turbine
22 ... NOx absorbent
25 ... Throttle valve
26. Intake air amount sensor
29 ... EGR control valve
Claims (4)
Priority Applications (1)
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