JP3577968B2 - 内燃機関 - Google Patents
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Description
【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】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したような新たな燃焼システムについてはまだ開示されていない。そのため、既に開示されている従来の燃焼システムでは、上述した新たな燃焼システムに基づく新たな効果を奏することができない。
【0010】
そこで、本発明は、内燃機関から煤(スモーク)が排出されること及びNOxが排出されることを同時に阻止すると共に、未燃炭化水素が内燃機関から排出されるのを阻止しつつ、機関排気通路内に配置された触媒の温度が異常に上昇してしまうのを回避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。
【0011】
【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、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、前記燃焼室内に供給される不活性ガス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内燃機関であって、前記燃焼室から排出された未燃炭化水素を酸化するために機関排気通路内に酸化機能を有する触媒を配置し、燃焼室への燃料供給を遮断する燃料カット手段を具備し、煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも前記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燃焼が行われている時であって前記触媒の温度が予め定められた温度以上であるときは、前記燃料カットが実行されるのを禁止するようにした内燃機関が提供される。
【0012】
請求項2に記載の発明によれば、車速が最高速に到達した時の最高速時燃料カットの実行を禁止するようにした請求項1に記載の内燃機関が提供される。
【0013】
請求項3に記載の発明によれば、高速運転中に車速が減速される時の減速時燃料カットの実行を禁止するようにした請求項1に記載の内燃機関が提供される。
【0014】
請求項1〜3に記載の内燃機関では、燃焼室から排出された未燃炭化水素が機関排気通路内にて酸化されるため、未燃炭化水素が内燃機関から排出されるのを阻止することができる。更に、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燃焼が実行される時、つまり、多量の未燃炭化水素が機関排気通路内に排出される時であって、吸入空気量が多い高速運転時に、燃料カットの実行が禁止される。燃料カットの実行を禁止することにより、吸入空気が、燃焼室内での燃焼に使用されることなく、そのまま機関排気通路内に排出されるのを阻止することができる。それゆえ、機関排気通路内にそのまま排出された吸入空気と機関排気通路内に排出された未燃炭化水素とが機関排気通路内において後燃えすることにより、機関排気通路内に配置された触媒の温度が異常に上昇してしまうのを回避することができる。
【0015】
請求項4に記載の発明によれば、前記煤がほとんど発生しない燃焼である第1の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量が少ない第2の燃焼とを選択的に切り換える切換手段を具備し、車速が予め定められた車速以上である時には前記第2の燃焼を実行するようにした請求項1に記載の内燃機関が提供される。
【0016】
請求項4に記載の内燃機関では、車速が予め定められた車速以上である時に、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、つまり、機関排気通路内に排出される未燃炭化水素が少ない第2の燃焼を実行する。それゆえ、機関排気通路内における後燃えを回避することができ、機関排気通路内に配置された触媒の温度が異常に上昇してしまうのを回避することができる。
【0017】
請求項5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、前記燃焼室内に供給される不活性ガス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内燃機関であって、前記燃焼室から排出された未燃炭化水素を酸化するために機関排気通路内に酸化機能を有する触媒を配置し、燃焼室への燃料供給を遮断する燃料カット手段を具備し、煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも前記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燃焼が行われている時であって車速が最高速に到達した時に、前記燃料カットを実行すると共に吸入空気量を低下せしめ、次いで前記触媒の温度が予め定められた温度以下に低下した時に燃焼を再開するようにした内燃機関が提供される。
【0018】
請求項6に記載の発明によれば、前記煤がほとんど発生しない燃焼である第1の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量が少ない第2の燃焼とを選択的に切り換える切換手段を具備し、前記触媒の温度が予め定められた温度以下に低下した時、機関負荷が高い場合には前記第2の燃焼により燃焼を再開し、機関負荷が低い場合には前記第1の燃焼により燃焼を再開するようにした請求項5に記載の内燃機関が提供される。
【0019】
請求項5及び6に記載の内燃機関では、燃焼室から排出される未燃炭化水素が機関排気通路内にて酸化されるため、未燃炭化水素が内燃機関から排出されるのを阻止することができる。更に、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燃焼が実行される時、つまり、多量の未燃炭化水素が機関排気通路内に排出される時であって、車速が最高速に到達した時、つまり、吸入空気量が多い時に、燃料カットを実行すると共に吸入空気量を低下せしめて機関排気通路内における後燃えを阻止し、予め定められた温度以下まで触媒の温度を低下させる。その結果、触媒の温度が異常に上昇してしまうのを回避することができる。
【0020】
請求項7に記載の発明によれば、前記触媒が酸化触媒、三元触媒又はNOx吸収剤の少くとも一つからなる請求項1又は5に記載の内燃機関が提供される。
【0021】
請求項7に記載の内燃機関では、機関排気通路内に配置される触媒を酸化触媒、三元触媒又はNOx吸収剤の少くとも一つから構成することにより、未燃炭化水素が内燃機関から排出されるのを阻止することができる。
【0022】
請求項8に記載の発明によれば、前記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、前記不活性ガスが前記機関吸気通路内に再循環された再循環排気ガスからなる請求項1又は5に記載の内燃機関が提供される。
【0023】
請求項8に記載の内燃機関では、排気ガス再循環装置によって機関吸気通路内に再循環される再循環排気ガスを不活性ガスとして利用することにより、外部から燃焼室内に不活性ガスを供給する手段を特別に設ける必要性を回避することができる。
【0024】
請求項9に記載の発明によれば、前記煤がほとんど発生しない燃焼である第1の燃焼と、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量が少ない第2の燃焼とを選択的に切り換える切換手段を具備し、前記第1の燃焼から前記第2の燃焼に又は前記第2の燃焼から前記第1の燃焼に切り換えられるときに排気ガス再循環率をステップ状に変化させるようにした請求項8に記載の内燃機関が提供される。
【0025】
請求項9に記載の内燃機関では、第1の燃焼から第2の燃焼に又は第2の燃焼から第1の燃焼に切り換えられるときに排気ガス再循環率をステップ状に変化させることにより、排気ガス再循環率が、煤の発生量がピークになる排気ガス再循環率に設定されるのを回避することができる。
【0026】
請求項10に記載の発明によれば、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の運転領域とに分割し、前記第1の運転領域では前記第1の燃焼を行い、前記第2の運転領域では前記第2の燃焼を行うようにした請求項9に記載の内燃機関が提供される。
【0027】
請求項10に記載の内燃機関では、第1の燃焼を実行し得る時、つまり、燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度を煤の生成温度よりも低く維持し得る時が、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という理由から、低負荷側の第1の運転領域で第1の燃焼を行うと共に高負荷側の第2の運転領域で第2の燃焼を行う。それゆえ、運転領域に応じて適切な燃焼を実行することができる。
【0028】
請求項11に記載の発明によれば、前記第1の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ55パーセント以上であり、前記第2の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ50パーセント以下である請求項9に記載の内燃機関が提供される。
【0029】
請求項11に記載の内燃機関では、第1の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率をほぼ55パーセント以上にすると共に第2の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率をほぼ50パーセント以下にすることにより、排気ガス再循環率が、煤の発生量がピークになる排気ガス再循環率に設定されるのを回避することができる。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
【0031】
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。
【0032】
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の下流側の排気管24内には、触媒25の温度を算出するために使用される排気ガスの温度を検出するための触媒温度センサ61が配置される。排気マニホルド22内には空燃比センサ27が配置される。
【0033】
触媒コンバータ26の出口部に連結された排気管28とスロットル弁20下流の空気吸込管17とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路29を介して互いに連結され、EGR通路29内にはステップモータ30により駆動されるEGR制御弁31が配置される。また、EGR通路29内にはEGR通路29内を流れるEGRガスを冷却するためのインタークーラ32が配置される。図1に示される実施形態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。
【0034】
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。後で詳細に説明するが、燃料噴射弁6から燃焼室5内への燃料供給は必要に応じて遮断(以下「燃料カット」という)され、また、必要に応じてその遮断(燃料カット)の実行が禁止される。
【0035】
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、触媒温度センサ61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。機関回転数は入力されたクランク角センサ52からの出力信号に基づいて算出される。また入力ポート45には、車速を検出するための車速センサ60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。
【0036】
図2は機関低負荷運転時にスロットル弁20の開度およびEGR率を変化させることにより空燃比A/F(図2の横軸)を変化させたときの出力トルクの変化、およびスモーク、HC,CO,NOxの排出量の変化を示す実験例を表している。図2からわかるようにこの実験例では空燃比A/Fが小さくなるほどEGR率が大きくなり、理論空燃比(≒14.6)以下のときにはEGR率は65パーセント以上となっている。
【0037】
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。
【0038】
図3(A)は空燃比A/Fが21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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
図2および図3に示される実験結果に基づくこれらの考察をまとめると燃焼室5内の燃焼温度が低いときには煤の発生量がほぼ零になり、このとき煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素が燃焼室5から排出されることになる。このことについて更に詳細に実験研究を重ねた結果、燃焼室5内における燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以下である場合には煤の成長過程が途中で停止してしまい、即ち煤が全く発生せず、燃焼室5内における燃料およびその周囲の温度が或る温度以上になると煤が生成されることが判明したのである。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
図6は不活性ガスとしてEGRガスを用いた場合において燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要なEGRガスと空気の混合ガス量、およびこの混合ガス量中の空気の割合、およびこの混合ガス中のEGRガスの割合を示している。なお、図6において縦軸は燃焼室5内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Yは過給が行われないときに燃焼室5内に吸入しうる全吸入ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示している。
【0054】
図6を参照すると空気の割合、即ち混合ガス中の空気量は噴射された燃料を完全に燃焼せしめるのに必要な空気量を示している。即ち、図6に示される場合では空気量と噴射燃料量との比は理論空燃比となっている。一方、図6においてEGRガスの割合、即ち混合ガス中のEGRガス量は噴射燃料が燃焼せしめられたときに燃料およびその周囲のガス温度を煤が形成される温度よりも低い温度にするのに必要最低限のEGRガス量を示している。このEGRガス量はEGR率で表すとほぼ55パーセント以上であり、図6に示す実施形態では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。
【0055】
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。
【0056】
ところで過給が行われていない場合には燃焼室5内に吸入される全吸入ガス量Xの上限はYであり、従って図6において要求負荷がLo よりも大きい領域では要求負荷が大きくなるにつれてEGRガス割合を低下させない限り空燃比を理論空燃比に維持することができない。云い換えると過給が行われていない場合に要求負荷がLo よりも大きい領域において空燃比を理論空燃比に維持しようとした場合には要求負荷が高くなるにつれてEGR率が低下し、斯くして要求負荷がLo よりも大きい領域では燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持しえなくなる。
【0057】
ところが図1に示されるようにEGR通路29を介して過給機の入口側即ち排気ターボチャージャ15の空気吸込管17内にEGRガスを再循環させると要求負荷がLo よりも大きい領域においてEGR率を55パーセント以上、例えば70パーセントに維持することができ、斯くして燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持することができる。即ち、空気吸込管17内におけるEGR率が例えば70パーセントになるようにEGRガスを再循環させれば排気ターボチャージャ15のコンプレッサ16により昇圧された吸入ガスのEGR率も70パーセントとなり、斯くしてコンプレッサ16により昇圧しうる限度まで燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持することができる。従って、低温燃焼を生じさせることのできる機関の運転領域を拡大することができることになる。要求負荷がLo よりも大きい領域でEGR率を55パーセント以上にする際にはEGR制御弁31が全開せしめられる、スロットル弁20が若干閉弁せしめられる。
【0058】
前述したように図6は燃料を理論空燃比のもとで燃焼させる場合を示しているが空気量を図6に示される空気量よりも少くしても、即ち空燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつNOxの発生量を10p.p.m 前後又はそれ以下にすることができ、また空気量を図6に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を17から18のリーンにしても煤の発生を阻止しつつNOxの発生量を10p.p.m 前後又はそれ以下にすることができる。
【0059】
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。
【0060】
このように、低温燃焼が行われているときには空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろうと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーンであろうと煤が発生されず、NOxの発生量が極めて少量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこのとき平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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酸化機能を有する触媒25により良好に酸化せしめられ、未燃炭化水素が内燃機関から排出されるのを阻止することができる。
【0066】
触媒25としては酸化触媒、三元触媒、又はNOx吸収剤を用いることができる。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。
【0067】
このNOx吸収剤は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムK、ナトリウムNa、リチウム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。
【0068】
酸化触媒はもとより、三元触媒およびNOx吸収剤も酸化機能を有しており、従って上述した如く三元触媒およびNOx吸収剤を触媒25として用いることができる。
【0069】
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。
【0070】
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。
【0071】
図9は要求負荷Lに対するスロットル弁20の開度、EGR制御弁31の開度、EGR率、空燃比、噴射時期および噴射量を示している。図9に示されるように要求負荷Lの低い第1の運転領域Iではスロットル弁20の開度は要求負荷Lが高くなるにつれて全閉近くから2/3開度程度まで徐々に増大せしめられ、EGR制御弁31の開度は要求負荷Lが高くなるにつれて全閉近くから全開まで徐々に増大せしめられる。また、図9に示される例では第1の運転領域IではEGR率がほぼ70パーセントとされており、空燃比はわずかばかりリーンなリーン空燃比とされている。
【0072】
言い換えると第1の運転領域IではEGR率がほぼ70パーセントとなり、空燃比がわずかばかりリーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁20の開度およびEGR制御弁31の開度が制御される。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。
【0073】
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。
【0074】
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。
【0075】
第2の運転領域IIでは従来から行われている燃焼が行われる。この第2の運転領域IIではスロットル弁20は一部を除いて全開状態に保持され、EGR制御弁31の開度は要求負荷Lが高くなると次第に小さくされる。また、この運転領域IIではEGR率は要求負荷Lが高くなるほど低くなり、空燃比は要求負荷Lが高くなるほど小さくなる。ただし、空燃比は要求負荷Lが高くなってもリーン空燃比とされる。また、第2の運転領域IIでは噴射開始時期θSは圧縮上死点TDC付近とされる。
【0076】
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。
【0077】
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。
【0078】
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EGR制御弁31の目標開度SEが図11(B)に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM42内に記憶されている。
【0079】
図12(A)は第2の燃焼、即ち従来の燃焼方法による普通の燃焼が行われるときの目標空燃比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EGR制御弁31の目標開度SEが図13(B)に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM42内に記憶されている。
【0080】
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。
【0081】
次に図15及び図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15及び図16を参照すると、まず初めにステップ1501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1502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1506に進んで低温燃焼が行われる。一方、ステップ1502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1503に進んでフラグIがリセットされ、次いでステップ1513に進み、第2の燃焼(従来の燃焼方法による燃焼)が行われる。
【0082】
ステップ1501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がセットされていないと判断されたとき、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1504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1513に進み、第2の燃焼(従来の燃焼方法による燃焼)が行われる。一方、ステップ1504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1505に進んでフラグIがセットされ、次いでステップ1506に進んで低温燃焼が行われる。
【0083】
ステップ1506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1507では図11(B)に示すマップからEGR制御弁31の目標開度SEが算出され、EGR制御弁31の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ1508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1509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。
【0084】
次いでステップ1510では車速センサ60により検出された車速SPが取込まれ、ステップ1511において車速SPが予め定められた車速SP1以上であるか否か、つまり、触媒25の温度が予め定められた温度以上であるか否か、詳細には、高速運転中であるか否かが判別される。YESの時にはステップ1513に進み、第2の燃焼(従来の燃焼方法による燃焼)が行われる。つまり、低温燃焼(第1の燃焼)が行われる時であって高速運転が行われる時、詳細には、触媒温度が所定温度以上である時には、燃焼室5への燃料供給を遮断する燃料カットは行われない。詳細には、低温燃焼実行時に車速が最高速SPMAXに到達した時に、燃料カットは行われない。また、高速運転中(SP≧SP1)に車速が減速される時には、燃料カットは行われない。
【0085】
低温燃焼(第1の燃焼)が行われる時であって高速運転が行われる時に燃料カットの実行を禁止することにより、吸入空気が、燃焼室5内での燃焼に使用されることなく、そのまま排気管24内に排出されるのを阻止することができる。それゆえ、排気管24内にそのまま排出された吸入空気と排気管24内に排出された未燃炭化水素とが排気管24内において後燃えすることにより、排気管24内に配置された触媒25の温度が異常に上昇してしまうのを回避することができる。
【0086】
車速SPが予め定められた車速SP1以上である時に、第2の燃焼(従来の燃焼方法による燃焼)を実行することにより、つまり、排気管25内に排出される未燃炭化水素が少ない第2の燃焼を実行することにより、排気管25内における後燃えを回避することができ、排気管24内に配置された触媒25の温度が異常に上昇してしまうのを回避することができる。
【0087】
一方、ステップ1511にてNOと判断された時、つまり、中低速運転中であると判断された時にはステップ1512に進み、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。つまり、低温燃焼を実行する。
【0088】
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。
【0089】
一方、スロットル弁20の開度又は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。
【0090】
ステップ1513では、ステップ1510と同様に、車速センサ60により検出された車速SPが取込まれる。次いでステップ1514では、車速SPが最高速SPMAXに到達したか否かが判別される。YESの時にはステップ1515にて燃料カットが行われ(Q←0)、NOの時にはステップ1516に進む。
【0091】
ステップ1516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1517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1518では図13(B)に示すマップからEGR制御弁31の目標開度SEが算出され、EGR制御弁31の開度がこの目標開度SEとされる。
【0092】
次いでステップ1519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1520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1521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1522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1523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1525へ進む。これに対して(A/F)R ≦A/Fのときにはステップ1524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1525に進む。ステップ1525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。
【0093】
このように第2の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。
【0094】
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。
【0095】
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、第2の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、また第2の燃焼が行われているときに空燃比を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。
【0096】
以下、本発明の内燃機関の第二の実施形態について説明する。第二の実施形態の構成は、図1に示した第一の実施形態のものとほぼ同様である。次に図17〜図19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17〜図19を参照すると、まず初めにステップ1501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1502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1506に進んで低温燃焼が行われる。一方、ステップ1502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1503に進んでフラグIがリセットされ、次いでステップ1513に進み、第2の燃焼(従来の燃焼方法による燃焼)が行われる。
【0097】
ステップ1501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がセットされていないと判断されたとき、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1504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1513に進み、第2の燃焼(従来の燃焼方法による燃焼)が行われる。一方、ステップ1504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1505に進んでフラグIがセットされ、次いでステップ1506に進んで低温燃焼が行われる。
【0098】
ステップ1506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1507では図11(B)に示すマップからEGR制御弁31の目標開度SEが算出され、EGR制御弁31の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ1508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1509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。
【0099】
次いでステップ1510では車速センサ60により検出された車速SPが取込まれ、ステップ1701において車速SPが最高速SPMAXに到達したか否かが判別される。NOと判断された時、つまり、車速SPが最高速SPMAXに到達していないと判断された時にはステップ1702に進み、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。つまり、低温燃焼を実行する。
【0100】
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。
【0101】
一方、スロットル弁20の開度又は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。
【0102】
一方、ステップ1701でYESと判断された時にはステップ1703に進む。ステップ1703では、燃焼室5への燃料供給を遮断する燃料カットが行われる(Q←0)。次いでステップ1704ではスロットル開度STが減少される、つまり、吸入空気量Gaが低下せしめられる(ST←ST−β)。次いでステップ1705では触媒温度センサ61により検出された触媒温度CTが取込まれ、ステップ1706にて、触媒温度CTが予め定められた温度CT1以下であるか否かが判別される。YESの時にはステップ1707に進み、NOの時には触媒温度CTが温度CT1以下になるまでステップ1705及びステップ1706を繰り返す。
【0103】
ステップ1707では要求負荷Lが予め定められた負荷L1より高いか否か、つまり、要求負荷Lが高負荷であるか低負荷であるかが判別される。YESの時にはステップ1513に進み、第2の燃焼(従来の燃焼方法による燃焼)により燃焼が再開される。要求負荷Lが高い時とは、例えばスロットル開度STが全開にされるような高負荷時のことである。一方、NOの時、つまり、要求負荷Lが低負荷である時にはステップ1506に戻り、低温燃焼(第1の燃焼)により燃焼が再開される。要求負荷Lが低い時とは、例えばスロットル開度STが全開よりも小さい所定の開度に維持されるような低負荷時のことである。
【0104】
本実施形態によれば、低温燃焼(第1の燃焼)が実行される時、つまり、多量の未燃炭化水素が排気管24内に排出される時であって、車速SPが最高速SPMAXに到達した時、つまり、吸入空気量Gaが多い時に、燃料カットを実行する(Q←0)と共に吸入空気量を低下せしめ(ST←ST−β)、排気管24内における後燃えを阻止し、予め定められた温度CT1以下まで触媒温度CTを低下させる。その結果、触媒温度CTが異常に上昇してしまうのを回避することができる。
【0105】
ステップ1513では、ステップ1510と同様に、車速センサ60により検出された車速SPが取込まれる。次いでステップ1514では、車速SPが最高速SPMAXに到達したか否かが判別される。YESの時にはステップ1515にて燃料カットが行われ(Q←0)、NOの時にはステップ1516に進む。
【0106】
ステップ1516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1517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1518では図13(B)に示すマップからEGR制御弁31の目標開度SEが算出され、EGR制御弁31の開度がこの目標開度SEとされる。
【0107】
次いでステップ1519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1520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1521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1522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1523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1525へ進む。これに対して(A/F)R ≦A/Fのときにはステップ1524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1525に進む。ステップ1525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。
【0108】
このように第2の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。
【0109】
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。
【0110】
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、第2の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、また第2の燃焼が行われているときに空燃比を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。
【0111】
【発明の効果】
請求項1〜3に記載の発明によれば、内燃機関から煤が排出されること及びNOxが排出されることを同時に阻止すると共に、未燃炭化水素が内燃機関から排出されるのを阻止しつつ、多量の未燃炭化水素が機関排気通路内に排出される時であって、吸入空気量が多い高速運転時に、吸入空気が、燃焼室内での燃焼に使用されることなく、そのまま機関排気通路内に排出されるのを阻止することができる。それゆえ、機関排気通路内にそのまま排出された吸入空気と機関排気通路内に排出された未燃炭化水素とが機関排気通路内において後燃えすることにより、機関排気通路内に配置された触媒の温度が異常に上昇してしまうのを回避することができる。
【0112】
請求項4に記載の発明によれば、車速が予め定められた車速以上である時に、機関排気通路内における後燃えを回避することができ、機関排気通路内に配置された触媒の温度が異常に上昇してしまうのを回避することができる。
【0113】
請求項5及び6に記載の発明によれば、内燃機関から煤が排出されること及びNOxが排出されることを同時に阻止すると共に、未燃炭化水素が内燃機関から排出されるのを阻止しつつ、多量の未燃炭化水素が機関排気通路内に排出される時であって、車速が最高速に到達した時、つまり、吸入空気量が多い時に、機関排気通路内における後燃えにより触媒の温度が異常に上昇してしまうのを回避することができる。
【0114】
請求項7に記載の発明によれば、未燃炭化水素が内燃機関から排出されるのを阻止することができる。
【0115】
請求項8に記載の発明によれば、外部から燃焼室内に不活性ガスを供給する手段を特別に設ける必要性を回避することができる。
【0116】
請求項9に記載の発明によれば、排気ガス再循環率が、煤の発生量がピークになる排気ガス再循環率に設定されるのを回避することができる。
【0117】
請求項10に記載の発明によれば、運転領域に応じて適切な燃焼を実行することができる。
【0118】
請求項11に記載の発明によれば、排気ガス再循環率が、煤の発生量がピークになる排気ガス再循環率に設定されるのを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図2】スモークおよびNOxの発生量等を示す図である。
【図3】燃焼圧を示す図である。
【図4】燃料分子を示す図である。
【図5】スモークの発生量とEGR率との関係を示す図である。
【図6】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図7】第1の運転領域Iおよび第2の運転領域IIを示す図である。
【図8】空燃比センサの出力を示す図である。
【図9】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図10】第1の運転領域Iにおける空燃比等を示す図である。
【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】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】第二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18】第二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19】第二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】
5…燃焼室
6…燃料噴射弁
20…スロットル弁
24…排気管
25…触媒
29…EGR通路
31…EGR制御弁
60…車速センサ
61…触媒温度センサ
Claims (11)
- 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、前記燃焼室内に供給される不活性ガス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内燃機関であって、前記燃焼室から排出された未燃炭化水素を酸化するために機関排気通路内に酸化機能を有する触媒を配置し、燃焼室への燃料供給を遮断する燃料カット手段を具備し、煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも前記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燃焼が行われている時であって前記触媒の温度が予め定められた温度以上であるときは、前記燃料カットが実行されるのを禁止するようにした内燃機関。
- 車速が最高速に到達した時の最高速時燃料カットの実行を禁止するようにした請求項1に記載の内燃機関。
- 高速運転中に車速が減速される時の減速時燃料カットの実行を禁止するようにした請求項1に記載の内燃機関。
- 前記煤がほとんど発生しない燃焼である第1の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量が少ない第2の燃焼とを選択的に切り換える切換手段を具備し、車速が予め定められた車速以上である時には前記第2の燃焼を実行するようにした請求項1に記載の内燃機関。
- 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、前記燃焼室内に供給される不活性ガス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内燃機関であって、前記燃焼室から排出された未燃炭化水素を酸化するために機関排気通路内に酸化機能を有する触媒を配置し、燃焼室への燃料供給を遮断する燃料カット手段を具備し、煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも前記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燃焼が行われている時であって車速が最高速に到達した時に、前記燃料カットを実行すると共に吸入空気量を低下せしめ、次いで前記触媒の温度が予め定められた温度以下に低下した時に燃焼を再開するようにした内燃機関。
- 前記煤がほとんど発生しない燃焼である第1の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量が少ない第2の燃焼とを選択的に切り換える切換手段を具備し、前記触媒の温度が予め定められた温度以下に低下した時、機関負荷が高い場合には前記第2の燃焼により燃焼を再開し、機関負荷が低い場合には前記第1の燃焼により燃焼を再開するようにした請求項5に記載の内燃機関。
- 前記触媒が酸化触媒、三元触媒又はNOx吸収剤の少くとも一つからなる請求項1又は5に記載の内燃機関。
- 前記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、前記不活性ガスが前記機関吸気通路内に再循環された再循環排気ガスからなる請求項1又は5に記載の内燃機関。
- 前記煤がほとんど発生しない燃焼である第1の燃焼と、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量が少ない第2の燃焼とを選択的に切り換える切換手段を具備し、前記第1の燃焼から前記第2の燃焼に又は前記第2の燃焼から前記第1の燃焼に切り換えられるときに排気ガス再循環率をステップ状に変化させるようにした請求項8に記載の内燃機関。
- 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の運転領域とに分割し、前記第1の運転領域では前記第1の燃焼を行い、前記第2の運転領域では前記第2の燃焼を行うようにした請求項9に記載の内燃機関。
- 前記第1の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ55パーセント以上であり、前記第2の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ50パーセント以下である請求項9に記載の内燃機関。
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