JP3061035B2 - 内燃機関 - Google Patents
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- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
- Exhaust-Gas Circulating Devices (AREA)
- Exhaust Gas After Treatment (AREA)
Description
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、E
GR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。
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E
GR率がEGR率の最大許容限界であると考えられてい
る。
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3
0パーセントから50パーセント程度に抑えられてい
る。
許容限界が存在すると考えられていたので従来よりEG
R率はこの最大許容限界を越えない範囲内においてNO
x 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N
Ox およびスモークが発生してしまうのが現状である。
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N
Ox 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NO
x 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。
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。
よびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止
する温度以下に抑制すれば煤が発生しなくなり、燃焼室
内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭
化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制すること
は燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって可能
となる。一方、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化
水素は酸化触媒等を用いた後処理によって容易に浄化す
ることができる。これが新たな燃焼システムの基本的な
考え方である。この新たな燃焼システムを採用した内燃
機関については本出願人により既に出願されている(特
願平9−305850号)。
ける燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度は例えば燃
焼室内に供給される吸入ガスの温度や機関冷却水温の影
響を受け、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周
囲のガス温度は燃焼室内に供給される吸入ガスの温度や
機関冷却水温が上昇すると上昇する。従ってこの場合、
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
るためには燃焼室内に供給される吸入ガスの温度や機関
冷却水温が上昇するほど燃料周りのガスによる吸熱量を
増大させることが必要である。
は、機関吸気通路内に排気ガスを再循環させるための排
気ガス再循環装置を具備し、燃焼室内に供給される再循
環排気ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大
してピークに達する内燃機関において、煤の発生量がピ
ークとなる再循環排気ガス量よりも燃焼室内に供給され
る再循環排気ガス量を多くし、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に影響を与える代表温
度であって上昇するとそれに伴なって上記ガス温度も上
昇する代表温度を検出するための検出手段を具備し、代
表温度が高くなるにつれて排気ガス再循環率を増大させ
るようにしている。
度や機関冷却水温のような代表温度が高くなるにつれて
排気ガス再循環率が増大せしめられ、それによって燃料
周りのガスによる吸熱量が増大せしめられる。2番目の
発明では1番目の発明において、代表温度が少くとも燃
焼室内に供給される吸入ガスの温度を代表する温度に基
づいて定められる。
代表温度が少くとも燃焼室内に供給される吸入ガスの温
度を代表する温度および機関冷却水温に基づいて定めら
れる。4番目の発明では1番目の発明において、排気ガ
ス再循環装置がスロットル弁下流の吸気通路に供給され
る再循環排気ガス量を制御するための排気ガス再循環制
御弁を具備し、排気ガス再循環制御弁の開度を増大させ
ることによって排気ガス再循環率を増大させるようにし
ている。
排気ガス再循環制御弁が全開したときにはスロットル弁
の開度を減少させるようにしている。6番目の発明では
1番目の発明において、排気ガス再循環率がほぼ55パ
ーセント以上である。7番目の発明では1番目の発明に
おいて、機関排気通路内に酸化機能を有する触媒を配置
している。
触媒が酸化触媒、三元触媒又はNO x 吸収剤の少くとも
一つからなる。9番目の発明では1番目の発明におい
て、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも
燃焼室内に供給される再循環排気ガス量が多く煤がほと
んど発生しない第1の燃焼と、煤の発生量がピークとな
る再循環ガス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気
ガス量が少ない第2の燃焼とを選択的に切換える切換手
段を具備している。
て、機関の運転領域を低負荷側の第1の運転領域と高負
荷側の第2の運転領域に分割し、第1の運転領域では第
1の燃焼を行い、第2の運転領域では第2の燃焼を行う
ようにしている。
着火式内燃機関に適用した場合を示している。図1を参
照すると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3は
シリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は電気
制御式燃料噴射弁、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は
排気弁、10は排気ポートを夫々示す。吸気ポート8は
対応する吸気枝管11を介してサージタンク12に連結
され、サージタンク12は吸気ダクト13およびインタ
ークーラ14を介して過給機、例えば排気ターボチャー
ジャ15のコンプレッサ16の出口部に連結される。コ
ンプレッサ16の入口部は空気吸込管17を介してエア
クリーナ18に連結され、空気吸込管17内にはステッ
プモータ19により駆動されるスロットル弁20が配置
される。
1および排気管22を介して排気ターボチャージャ15
の排気タービン23の入口部に連結され、排気タービン
23の出口部は排気管24を介して酸化機能を有する触
媒25を内蔵した触媒コンバータ26に連結される。触
媒コンバータ26の出口部に連結された排気管28とス
ロットル弁20下流の空気吸込管17とはEGR通路2
9を介して互いに連結され、EGR通路29内にはステ
ップモータ30により駆動されるEGR制御弁31が配
置される。また、EGR通路29内にはEGR通路29
内を流れるEGRガスを冷却するためのインタークーラ
32が配置される。図1に示される実施例では機関冷却
水がインタークーラ32内に導びかれ、機関冷却水によ
ってEGRガスが冷却される。
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。
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。機関本体1には機関冷却水温を検出するための水
温センサ60が配置され、この水温センサ60の出力信
号は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に
入力される。サージタンク12内には吸入空気とEGR
ガスとの混合ガス温を検出するための温度センサ61が
配置され、この温度センサ61の出力信号は対応するA
D変換器47を介して入力ポート45に入力される。
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62が配置され、この質量流量検出器62の出
力信号は対応するAD変換器47を介して入力ポート4
5に入力される。また、燃料圧センサ36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5
1が接続され、負荷センサ51の出力電圧は対応するA
D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および燃料ポンプ35に接続される。
0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。
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N
Ox 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。
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18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。
のことが言える。即ち、まず第1に空燃比A/Fが1
5.0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。N
Ox 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。
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。
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。
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NO
x 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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9
0℃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。
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。
Rガスを強制的に冷却していない場合にはEGR率が5
5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。
た場合において燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度
を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要
なEGRガスと空気の混合ガス量、およびこの混合ガス
量中の空気の割合、およびこの混合ガス中のEGRガス
の割合を示している。なお、図6において縦軸は燃焼室
5内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Yは
過給が行われないときに燃焼室5内に吸入しうる全吸入
ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示してい
る。
ス中の空気量は噴射された燃料を完全に燃焼せしめるの
に必要な空気量を示している。即ち、図6に示される場
合では空気量と噴射燃料量との比は理論空燃比となって
いる。一方、図6においてEGRガスの割合、即ち混合
ガス中のEGRガス量は噴射燃料が燃焼せしめられたと
きに燃料およびその周囲のガス温度を煤が形成される温
度よりも低い温度にするのに必要最低限のEGRガス量
を示している。このEGRガス量はEGR率で表すとほ
ぼ55パーセント以上であり、図6に示す実施例では7
0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N
Ox の発生量は極めて少量となる。
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。
焼室5内に吸入される全吸入ガス量Xの上限はYであ
り、従って図6において要求負荷がL0 よりも大きい領
域では要求負荷が大きくなるにつれてEGRガス割合を
低下させない限り空燃比を理論空燃比に維持することが
できない。云い換えると過給が行われていない場合に要
求負荷がL0 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L 0 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。
29を介して過給機の入口側即ち排気ターボチャージャ
15の空気吸込管17内にEGRガスを再循環させると
要求負荷がL0 よりも大きい領域においてEGR率を5
5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L0 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E
GR制御弁31が全開せしめられる、スロットル弁20
が若干閉弁せしめられる。
もとで燃焼させる場合を示しているが空気量を図6に示
される空気量よりも少くしても、即ち空燃比をリッチに
しても煤の発生を阻止しつつNOx の発生量を10p.p.
m 前後又はそれ以下にすることができ、また空気量を図
6に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平
均値を17から18のリーンにしても煤の発生を阻止し
つつNOx の発生量を10p.p.m 前後又はそれ以下にす
ることができる。
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。
には空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろ
うと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリー
ンであろうと煤が発生されず、NOx の発生量が極めて
少量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこのと
き平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
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
による実施例では機関中低負荷運転時には燃焼時の燃料
およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停
止する温度以下に抑制して第1の燃焼、即ち低温燃焼を
行うようにし、機関高負荷運転時には第2の燃焼、即ち
従来より普通に行われている燃焼を行うようにしてい
る。なお、ここで第1の燃焼、即ち低温燃焼とはこれま
での説明から明らかなように煤の発生量がピークとなる
不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤が
ほとんど発生しない燃焼のことを言い、第2の燃焼、即
ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量がピ
ークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量
が少い燃焼のことを言う。
る第1の運転領域Iと、第2の燃焼、即ち従来の燃焼方
法による燃焼が行われる第2の運転領域IIとを示してい
る。なお、図7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。
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。
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。
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記体又はそ
の前の状態の形でもって燃焼室5から排出される。この
とき燃焼室5から排出された未燃炭化水素は酸化機能を
有する触媒25により良好に酸化せしめられる。触媒2
5としては酸化触媒、三元触媒、又はNOx 吸収剤を用
いることができる。NOx 吸収剤は燃焼室5内における
平均空燃比がリーンのときにNOx を吸収し、燃焼室5
内における平均空燃比がリッチになるとNOx を放出す
る機能を有する。
とし、この担体上に例えばカリウムK、ナトリウムN
a、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。
x 吸収剤も酸化機能を有しており、従って上述した如く
三元触媒およびNOx 吸収剤を触媒25として用いるこ
とができる。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。
0の開度、EGR制御弁31の開度、EGR率、空燃
比、噴射時期および噴射量を示している。図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、E
GR制御弁31の開度は要求負荷Lが高くなるにつれて
全閉近くから全開まで徐々に増大せしめられる。また、
図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。
率がほぼ70パーセントとなり、空燃比がわずかばかり
リーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁20の
開度およびEGR制御弁31の開度が制御される。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。
弁20は全閉近くまで閉弁され、このときEGR制御弁
31も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁2
0を全閉近くまで閉弁すると圧縮始めの燃焼室5内の圧
力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が
小さくなるとピストン4による圧縮仕事が小さくなるた
めに機関本体1の振動が小さくなる。即ち、アイドリン
グ運転時には機関本体1の振動を抑制するためにスロッ
トル弁20が全閉近くまで閉弁せしめられる。
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8に示す例ではEGR率がほぼ
70パーセントから40パーセント以下までステップ状
に減少せしめられ、空燃比がステップ状に大きくされ
る。即ち、EGR率が多量のスモークを発生するEGR
率範囲(図5)を飛び越えるので機関の運転領域が第1
の運転領域Iから第2の運転領域IIに変わるときに多量
のスモークが発生することがない。
る燃焼が行われる。この第2の運転領域IIではスロット
ル弁20は一部を除いて全開状態に保持され、EGR制
御弁31の開度は要求負荷Lが高くなると次第に小さく
される。また、この運転領域IIではEGR率は要求負荷
Lが高くなるほど低くなり、空燃比は要求負荷Lが高く
なるほど小さくなる。ただし、空燃比は要求負荷Lが高
くなってもリーン空燃比とされる。また、第2の運転領
域IIでは噴射開始時期θSは圧縮上死点TDC付近とさ
れる。
比A/Fを示している。図9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9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。
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
9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例では要求負
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。
例では第1の燃焼が行われているときにはEGR率がほ
ぼ70パーセントとされている。しかしながら例えば燃
焼室5内に供給される吸入ガスの温度が上昇すると燃焼
室5内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度
が上昇する。従ってこのとき燃焼室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炭化水素の成長が途
中で停止する温度以下に抑制するには、即ち煤が発生し
ないようにするには吸入ガスの温度が上昇するほど燃料
周りのガスによる吸熱量を増大させることが必要とな
る。
える。即ち、機関冷却水温が高くなると圧縮行程中にシ
リンダボアの内壁面を介して逃げる熱量が減少するため
に燃焼室5内における燃焼時の燃料およびその周囲のガ
ス温度が上昇する。従ってこのとき燃焼室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炭化水素の成
長が途中で停止する温度以下に抑制するには、即ち煤が
発生しないようにするには機関冷却水温が上昇するほど
燃料周りのガスによる吸熱量を増大させることが必要と
なる。
の燃料およびその周囲のガス温度に影響を与える代表温
度であって上昇するとそれに伴なって燃料およびその周
囲のガス温度も上昇する代表温度に応じて燃料周りのガ
スによる吸熱量を調整し、この代表温度が上昇するほど
燃料周りのガスによる吸熱量を増大させることが必要と
なる。
度が上昇したときには燃料周りのガスによる吸熱量を増
大させるためにEGR率を大きくするようにしている。
次にこのことについて具体的に説明する。図10(A)
は基準となるEGR率に対して増大すべきEGR率ΔE
G0が零の場合、即ちEGR率が基準EGR率の場合
と、基準となるEGR率に対して増大すべきEGR率Δ
EG5が5パーセントの場合と、基準となるEGR率に
対して増大すべきEGR率ΔEG10が10パーセント
の場合と、基準となるEGR率に対して増大すべきEG
R率ΔEG15が15パーセントの場合とを示してい
る。即ち、例えば基準となるEGR率が70パーセント
であるとすると曲線ΔEG0はEGR率が70パーセン
トを示しており、曲線ΔEG5はEGR率が75パーセ
ントを示しており、曲線ΔEG10はEGR率が80パ
ーセントを示しており、曲線ΔEG15はEGR率が8
5パーセントを示している。
焼室5内に供給される吸入ガスの温度を示しており、縦
軸TWは機関冷却水温を示している。従って吸入ガス温
TGが高くなるにつれて目標とするEGR率が高くな
り、機関冷却水温TWが高くなるにつれて目標とするE
GR率が高くなることがわかる。増大すべきEGR率Δ
EGは図10(B)に示すように吸入ガス温TGおよび
機関冷却水温TWの関数として予めROM42内に記憶
されている。
び同一機関回転数のもとで増大すべきEGR率ΔEGが
大きくなったときのスロットル弁20の開度STの変
化、EGR制御弁31の開度SEの変化、EGR率の変
化、空燃比の変化の概要について説明する。図11に示
されるように増大すべきEGR率ΔEGが比較的小さい
とき、即ち領域Aにおいては空燃比A/Fが一定に保持
された状態でΔEGが大きくなるほどEGR率が増大せ
しめられる。このときスロットル弁20の開度STおよ
びEGR制御弁31の開度SEは図11に示されるEG
R率および空燃比A/Fとなるように制御される。空燃
比A/Fを一定に保持しつつEGR率を大きくするには
目標とするEGR率が高くなるほどEGR制御弁31の
開度SEおよびスロットル弁20の開度STを大きくす
る必要があり、従ってEGR制御弁31の開度SEおよ
びスロットル弁20の開度STはΔEGの増大に伴なっ
て図11に示すように変化する。
EGR制御弁31が全開している領域を示している。E
GR制御弁31が全開するとスロットル弁20の開度を
小さくしない限りEGR率が大きくならず、従って領域
BにおいてはEGR制御弁31は全開状態に保持され、
スロットル弁20はΔEGが大きくなるにつれて少しず
つ閉弁せしめられる。それによって領域BにおいてもE
GR率はΔEGが大きくなるにつれて増大せしめられ
る。
しめられると吸入空気量が減少するために図11に示さ
れる如く空燃比A/Fは次第に小さくなる。このように
空燃比A/Fが小さくなると燃料周りの酸素量が少なく
なるために燃焼がおだやかとなる。即ち、領域BではE
GR率の増大作用と空燃比の低下作用によって燃焼時の
燃料およびその周囲のガス温度が煤の発生しない温度に
抑制される。
ときのスロットル弁20の目標開度STのマップ(図1
2(A))と、EGR制御弁31の目標開度SEのマッ
プ(図12(B))と、目標空燃比A/Fのマップ(図
12(C))とを示しており、図13は増大すべきEG
R率がΔEG5のときのスロットル弁20の目標開度S
Tのマップ(図13(A))と、EGR制御弁31の目
標開度SEのマップ(図13(B))と、目標空燃比A
/Fのマップ(図13(C))とを示しており、図14
は増大すべきEGR率がΔEG10のときのスロットル
弁20の目標開度STのマップ(図14(A))と、E
GR制御弁31の目標開度SEのマップ(図14
(B))と、目標空燃比A/Fのマップ(図14
(C))とを示しており、図15は増大すべきEGR率
がΔEG15のときのスロットル弁20の目標開度ST
のマップ(図15(A))と、EGR制御弁31の目標
開度SEのマップ(図15(B))と、目標空燃比A/
Fのマップ(図15(C))とを示している。
のマップも要求負荷Lと機関回転数Nの関数であり、こ
れらのマップは予めROM42内に記憶されている。Δ
EG0とΔEG5の中間値、ΔEG5とΔEG10の中
間値、ΔEG10とΔEG15の中間値は補間により算
出される。図12から図15には空燃比A/Fが一定に
維持される領域Aと、領域Aに比べて空燃比A/Fが小
さくされる領域Bとが示されている。図13、図14、
図15からわかるように領域Bは多量のEGRガスが要
求される要求負荷Lの高い運転領域にのみ存在し、この
領域BはΔEGが高くなるほど低負荷側に拡大する。図
12に示されるΔEGがΔEG0のとき、即ちEGR率
が基準EGR率のときには領域Aのみとなり、このとき
の目標空燃比A/Fは図9に示される目標空燃比とな
る。
による普通の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16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。空燃比を図16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17(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16に示す目標空燃比A/Fとするのに
必要なEGR制御弁31の目標開度SEが図17(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、第2の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18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。
説明する。図19を参照すると、まず初めにステップ1
00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10
1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103に進んで低温燃焼が行われる。
により検出された燃焼室5内への吸入ガス温TGと水温
センサ60により検出された機関冷却水温TWに基づい
て図10(B)に示すマップから増大すべきEGR率Δ
EGが算出される。次いでステップ104ではΔEGに
基づいて図12(A)、図13(A)、図14(A)、
図15(A)のうちから選択されたマップよりスロット
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1
05ではΔEGに基づいて図12(B)、図13
(B)、図14(B)、図15(B)のうちから選択さ
れたマップよりEGR制御弁31の目標開度SEが算出
され、EGR制御弁31の開度がこの目標開度SEとさ
れる。
て図12(C)、図13(C)、図14(C)、図15
(C)のうちから選択されたマップより目標空燃比A/
Fが算出される。次いでステップ107では質量流量検
出器62により検出された吸入空気の質量流量Gaが取
込まれ、次いでステップ108では吸入空気の質量流量
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。
(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111
に進んで第2の燃焼が行われる。即ち、ステップ111
では図18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112では図17(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。
示すマップからEGR制御弁31の目標開度SEが算出
され、EGR制御弁31の開度がこの目標開度SEとさ
れる。フラグIがリセットされると次の処理サイクルで
はステップ100からステップ109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111に進
み、リーン空燃比のもとで第2の燃焼が行われる。
(N)になったと判別されたときにはステップ110に
進んでフラグIがセットされ、次いでステップ103に
進んで低温燃焼が行われる。
機関冷却水温等により代表される温度が変化しても良好
な低温燃焼を確保することができる。
る。
である。
る。
す図である。
ある。
EGR制御弁の目標開度、目標空燃比のマップを示す図
である。
EGR制御弁の目標開度、目標空燃比のマップを示す図
である。
度、EGR制御弁の目標開度、目標空燃比のマップを示
す図である。
度、EGR制御弁の目標開度、目標空燃比のマップを示
す図である。
である。
である。
Claims (10)
- 【請求項1】 機関吸気通路内に排気ガスを再循環させ
るための排気ガス再循環装置を具備し、燃焼室内に供給
される再循環排気ガス量を増大していくと煤の発生量が
次第に増大してピークに達する内燃機関において、煤の
発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも燃焼室内
に供給される再循環排気ガス量を多くし、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に影響を与
える代表温度であって上昇するとそれに伴なって該ガス
温度も上昇する代表温度を検出するための検出手段を具
備し、該代表温度が高くなるにつれて排気ガス再循環率
を増大させるようにした内燃機関。 - 【請求項2】 該代表温度が少くとも燃焼室内に供給さ
れる吸入ガスの温度を代表する温度に基づいて定められ
る請求項1に記載の内燃機関。 - 【請求項3】 該代表温度が少くとも燃焼室内に供給さ
れる吸入ガスの温度を代表する温度および機関冷却水温
に基づいて定められる請求項1に記載の内燃機関。 - 【請求項4】 上記排気ガス再循環装置はスロットル弁
下流の吸気通路に供給される再循環排気ガス量を制御す
るための排気ガス再循環制御弁を具備し、該排気ガス再
循環制御弁の開度を増大させることによって排気ガス再
循環率を増大させるようにした請求項1に記載の内燃機
関。 - 【請求項5】 該排気ガス再循環制御弁が全開したとき
にはスロットル弁の開度を減少させるようにした請求項
4に記載の内燃機関。 - 【請求項6】 排気ガス再循環率がほぼ55パーセント
以上である請求項1に記載の内燃機関。 - 【請求項7】 機関排気通路内に酸化機能を有する触媒
を配置した請求項1に記載の内燃機関。 - 【請求項8】 該触媒が酸化触媒、三元触媒又はNOx
吸収剤の少くとも一つからなる請求項7に記載の内燃機
関。 - 【請求項9】 煤の発生量がピークとなる再循環排気ガ
ス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気ガス量が多
く煤がほとんど発生しない第1の燃焼と、煤の発生量が
ピークとなる再循環ガス量よりも燃焼室内に供給される
再循環排気ガス量が少ない第2の燃焼とを選択的に切換
える切換手段を具備した請求項1に記載の内燃機関。 - 【請求項10】 機関の運転領域を低負荷側の第1の運
転領域と高負荷側の第2の運転領域に分割し、第1の運
転領域では第1の燃焼を行い、第2の運転領域では第2
の燃焼を行うようにした請求項9に記載の内燃機関。
Priority Applications (3)
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JP10238959A JP3061035B2 (ja) | 1998-08-25 | 1998-08-25 | 内燃機関 |
EP99116508A EP0982486B1 (en) | 1998-07-21 | 1999-08-23 | Internal combustion engine |
DE69939638T DE69939638D1 (de) | 1998-08-25 | 1999-08-23 | Brennkraftmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2000073816A JP2000073816A (ja) | 2000-03-07 |
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