JP3815140B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼル機関においては機関の低速低負荷運転時、特に機関の暖機運転時には燃焼室内の温度が低くなり、その結果多量の未燃HCが発生する。そこで機関排気通路内に排気制御弁を配置し、機関低速低負荷運転時に排気制御弁を閉弁すると共に燃料噴射量を大巾に増量することにより燃焼室内の温度を高めて噴射燃料を燃焼室内で完全燃焼させ、それによって未燃HCの発生量を抑制するようにしたディーゼル機関が公知である(特開昭49−80414号公報参照)。
【0003】
また、機関排気通路内に排気浄化用触媒を配置した場合には触媒温度が十分に高くならないと触媒による良好な排気浄化作用は行われない。そこで機関の出力を発生させるための主燃料の噴射に加え副燃料を膨張行程中に噴射し、副燃料を燃焼させることにより排気ガス温を上昇させ、それによって触媒の温度を上昇させるようにした内燃機関が公知である(特開平8−303290号公報および特開平10−212995号公報参照)。
【0004】
また、従来より未燃HCを吸着しうる触媒が知られている。この触媒は周囲の圧力が高くなればなるほど未燃HCの吸着量が増大し、周囲の圧力が低くなると吸着した未燃HCを放出する性質を有する。そこでこの性質を利用して触媒から放出された未燃HCによりNOx を還元するために、機関排気通路内にこの触媒を配置すると共に触媒下流の機関排気通路内に排気制御弁を配置し、NOx の発生量の少ない機関低速低負荷運転時には機関出力の発生のための主燃料に加え少量の副燃料を膨張行程中又は排気行程中に噴射して多量の未燃HCを燃焼室から排出させ、更にこのとき機関の出力低下が許容範囲内に納まるように排気制御弁を比較的に小さな開度まで閉弁することにより排気通路内の圧力を高めて燃焼室から排出される多量の未燃HCを触媒内に吸着させ、NOx の発生量の多い機関高速又は高負荷運転時には排気制御弁を全開にして排気通路内の圧力を低下させ、このとき触媒から放出される未燃HCによってNOx を還元するようにした内燃機関が公知である(特開平10−238336号公報参照)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
さて、現在ディーゼル機関はもとより火花点火式内燃機関においても機関低負荷運転時、特に機関の暖機運転時に発生する未燃HCの量をいかにして低減するかが大きな問題となっている。そこで本発明者はこの問題を解決すべく実験研究を行い、その結果機関の暖機運転時等において大気中に排出される未燃HCの量を大巾に低減するためには燃焼室内における未燃HCの発生量を低減しかつ同時に排気通路内における未燃HCの低減量を増大しなければならないことが判明したのである。
【0006】
具体的に言うと、膨張行程中又は排気行程中に燃焼室内に副燃料を追加噴射してこの副燃料を燃焼させ、機関排気ポートの出口からかなり距離を隔てた機関排気通路内に排気制御弁を設けてこの排気制御弁をほぼ全閉させると、これら副燃料の燃焼と排気制御弁による排気絞り作用との相乗効果によって燃焼室内における未燃HCの発生量が低減すると共に排気通路内における未燃HCの低減量が増大し、斯くして大気中に排出される未燃HCの量を大巾に低減しうることが判明したのである。
【0007】
もう少し詳しく言うと、副燃料が噴射されると副燃料自身が燃焼せしめられるばかりでなく主燃料の燃え残りである未燃HCが燃焼室内で燃焼せしめられる。従って燃焼室内で発生する未燃HCの量が大巾に低減するばかりでなく、主燃料の燃え残りである未燃HCおよび副燃料が燃焼せしめられるので既燃ガス温がかなり高温となる。
【0008】
一方、排気制御弁がほぼ全閉せしめられると機関の排気ポートから排気制御弁に到る排気通路内の圧力、即ち背圧がかなり高くなる。背圧が高いということは燃焼室内から排出された排気ガス温がさほど低下しないことを意味しており、従って排気ポート内における排気ガス温はかなり高温となっている。一方、背圧が高いということは排気ポート内に排出された排気ガスの流速が遅いことを意味しており、従って排気ガスは高温の状態で排気制御弁上流の排気通路内に長時間に亘って滞留することになる。この間に排気ガス中に含まれる未燃HCが酸化せしめられ、斯くして大気中に排出される未燃HCの量が大巾に低減されることになる。
【0009】
この場合、もし副燃料を噴射しなかった場合には主燃料の燃え残りの未燃HCがそのまま残存するために燃焼室内において多量の未燃HCが発生する。また副燃料を噴射しなかった場合には燃焼室内の既燃ガス温がさほど高くならないためにこのときたとえ排気制御弁をほぼ全閉させても排気制御弁上流の排気通路内での未燃HCの十分な酸化作用は期待できない。従ってこのときには多量の未燃HCが大気中に排出されることになる。
【0010】
一方、排気制御弁による排気絞り作用を行わない場合でも副燃料を噴射すれば燃焼室内で発生する未燃HCの発生量は低減し、燃焼室内の既燃ガス温は高くなる。しかしながら排気制御弁による排気絞り作用を行わない場合には燃焼室から排気ガスが排出されるや否や排気ガス圧はただちに低下し、斯くして排気ガス温もただちに低下する。従ってこの場合には排気通路内における未燃HCの酸化作用はほとんど期待できず、斯くしてこのときにも多量の未燃HCが大気中に排出されることになる。
【0011】
即ち、大気中に排出される未燃HCの量を大巾に低減するためには副燃料を噴射しかつ同時に排気制御弁をほぼ全閉にしなければならないことになる。
前述の特開昭49−80414号公報に記載されたディーゼル機関では副燃料が噴射されず、主燃料の噴射量が大巾に増大せしめられるので排気ガス温は上昇するが極めて多量の未燃HCが燃焼室内で発生する。このように燃焼室内において極めて多量の未燃HCが発生するとたとえ排気通路内において未燃HCの酸化作用が行われたとしても一部の未燃HCしか酸化されないので多量の未燃HCが大気中に排出されることになる。
【0012】
一方、前述の特開平8−303290号公報又は特開平10−212995号公報に記載された内燃機関では排気制御弁による排気絞り作用が行われていないので排気通路内における未燃HCの酸化作用はほとんど期待できない。従ってこの内燃機関においても多量の未燃HCが大気中に排出されることになる。
また前述の特開平10−238336号公報に記載された内燃機関では機関の出力低下が許容範囲内に納まるように排気制御弁が比較的小さな開度まで閉弁せしめられる。しかしながら機関の出力低下が許容範囲内に納まる程度の排気制御弁の閉弁量では背圧はそれほど高くなっていない。
【0013】
また、この内燃機関では触媒に吸着すべき未燃HCを発生させるために少量の副燃料が膨張行程中又は排気行程中に噴射される。この場合、副燃料が良好に燃焼せしめられれば未燃HCが発生しなくなるのでこの内燃機関では副燃料が良好に燃焼しないように副燃料の噴射制御を行っているものと考えられる。従ってこの内燃機関では少量の副燃料が既燃ガス温の温度上昇にはさほど寄与していないものと考えられる。
【0014】
このようにこの内燃機関では多量の未燃HCが燃焼室内において発生せしめられ、しかも背圧はそれほど高くならず既燃ガス温もさほど温度上昇しないと考えられるので排気通路内においても未燃HCはさほど酸化されないものと考えられる。この内燃機関ではできるだけ多量の未燃HCを触媒に吸着させることを目的としており、従ってこのように考えるのが理にかなっていると言える。
【0015】
本発明の目的は機関の安定した運転を確保しつつ大気中に排出される未燃HCの量を大巾に低減することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明によれば、機関排気ポートの出口に接続された排気通路内に排気ポートの出口から予め定められた距離を隔てて排気制御弁を配置し、大気中への未燃HCの排出量を低減すべきであると判断されたときには排気制御弁をほぼ全閉にすると共に、機関出力を発生するために燃焼室内に噴射された主燃料を空気過剰のもとで燃焼させることに加え副燃料を副燃料が燃焼しうる膨張行程中又は排気行程中の予め定められた時期に燃焼室内に追加噴射しかつ排気弁の開弁時期又は閉弁時期の少なくとも一方を早めるようにし、排気制御弁がほぼ全閉せしめられたときには同一の機関運転状態のもとで排気制御弁が全開せしめられた場合の機関の発生トルクに近づくように同一の機関運転状態のもとで排気制御弁が全開せしめられた場合に比べて主燃料の噴射量を増量させるようにしている。
【0018】
【発明の実施の形態】
図1および図2は本発明を成層燃焼式内燃機関に適用した場合を示している。しかしながら本発明は均一リーン空燃比のもとで燃焼が行われる火花点火式内燃機関、および空気過剰のもとで燃焼が行われるディーゼル機関にも適用することができる。
【0019】
図1を参照すると、1は機関本体を示し、機関本体1は1番気筒#1、2番気筒#2、3番気筒#3および4番気筒#4からなる4つの気筒を有する。図2は各気筒#1,#2,#3,#4の側面断面図を示している。図2を参照すると、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はシリンダヘッド3の内壁面周縁部に配置された燃料噴射弁、7はシリンダヘッド3の内壁面中央部に配置された点火栓、8は吸気弁、9は吸気ポート、10は排気弁、11は排気ポートを夫々示す。
【0020】
図1および図2を参照すると、吸気ポート9は対応する吸気枝管12を介してサージタンク13に連結され、サージタンク13は吸気ダクト14およびエアフローメータ15を介してエアクリーナ16に連結される。吸気ダクト14内にはステップモータ17により駆動されるスロットル弁18が配置される。一方、図1に示される実施例では点火順序が1−3−4−2とされており、図1に示されるように点火順序が一つおきの気筒#1,#4の排気ポート11は共通の第1の排気マニホルド19に連結され、点火順序が一つおきの残りの気筒#2,#3の排気ポート11は共通の第2の排気マニホルド20に連結される。これら第1の排気マニホルド19と第2の排気マニホルド20は共通の排気管21に連結され、排気管21は更に別の排気管22に連結される。排気管22内には負圧ダイアフラム装置又は電気モータからなるアクチュエータ23により駆動される排気制御弁24が配置される。
【0021】
図1に示されるように排気管21とサージタンク13とは排気ガス再循環(以下EGRと称す)通路25を介して互いに連結され、EGR通路25内には電気制御式EGR制御弁26が配置される。燃料噴射弁6は共通の燃料リザーバ、いわゆるコモンレール27に連結される。このコモンレール27内へは燃料タンク28内の燃料が電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ29を介して供給され、コモンレール27内に供給された燃料が各燃料噴射弁6に供給される。コモンレール27にはコモンレール27内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ30が取付けられ、燃料圧センサ30の出力信号に基づいてコモンレール27内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ29の吐出量が制御される。
【0022】
一方、図2に示されるように排気弁10の頂部には排気弁駆動用のアクチュエータ31が配置されており、32は排気弁10の頂部に取付けられた円板状鉄片、33,34は鉄片32の両側に配置されたソレノイド、35,36は鉄片32の両側に配置された圧縮ばねを夫々示している。ソレノイド33が付勢されると鉄片32が上昇し、排気弁10が閉弁する。これに対してソレノイド34が付勢されると鉄片32が下降し、排気弁10が開弁する。従って各ソレノイド33,34の付勢タイミングを制御することによって排気弁10を任意の時期に開弁し、閉弁することができる。
【0023】
図1を参照すると、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。エアフローメータ15は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、こ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。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37が取付けられ、この水温センサ37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。更に入力ポート45には燃料圧センサ30の出力信号が対応するAD変換器47を介して入力される。
【0024】
また、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、点火栓7、スロットル弁制御用ステップモータ17、排気制御弁制御用アクチュエータ23、EGR制御弁26、燃料ポンプ29およびアクチュエータ31(図2)に接続される。
【0025】
図3は燃料噴射量Q1,Q2,Q(=Q1 +Q2 )、噴射開始時期θS1,θS2、噴射完了時期θE1,θE2および燃焼室5内における平均空燃比A/Fを示している。なお、図3において横軸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いる。
図3からわかるように要求負荷LがL1 よりも低いときには圧縮行程末期のθS2からθE2の間において燃料噴射Q2が行われる。このときには平均空燃比A/Fはかなりリーンとなっている。要求負荷LがL1 とL2 の間のときには吸気行程初期のθS1からθE1の間において第1回目の燃料噴射Q1が行われ、次いで圧縮行程末期のθS2からθE2の間において第2回目の燃料噴射Q2が行われる。このときにも空燃比A/Fはリーンとなっている。要求負荷LがL2 よりも大きいときには吸気行程初期のθS1からθE1の間において燃料噴射Q1が行われる。このときには要求負荷Lが低い領域では平均空燃比A/Fがリーンとされており、要求負荷Lが高くなると平均空燃比A/Fが理論空燃比とされ、要求負荷Lが更に高くなると平均空燃比A/Fがリッチとされる。なお、圧縮行程末期にのみ燃料噴射Q2が行われる運転領域、二回に亘って燃料噴射Q1およびQ2が行われる運転領域および吸気行程初期にのみ燃料噴射Q1が行われる運転領域は要求負荷Lのみにより定まるのではなく、実際には要求負荷Lおよび機関回転数により定まる。
【0026】
図2は要求負荷LがL1 (図3)よりも小さいとき、即ち圧縮行程末期においてのみ燃料噴射Q2が行われる場合を示している。図2に示されるようにピストン4の頂面上にはキャビティ4aが形成されており、要求負荷LがL1 よりも低いときには燃料噴射弁6からキャビティ4aの底壁面に向けて圧縮行程末期に燃料が噴射される。この燃料はキャビティ4aの周壁面により案内されて点火栓7に向かい、それによって点火栓7の周りに混合気Gが形成される。次いでこの混合気Gは点火栓7により着火せしめられる。
【0027】
一方、前述したように要求負荷LがL1 とL2 との間にあるときには二回に分けて燃料噴射が行われる。この場合、吸気行程初期に行われる第1回目の燃料噴射Q1によって燃焼室5内に稀薄混合気が形成される。次いで圧縮行程末期に行われる第2回目の燃料噴射Q2によって点火栓7周りに最適な濃度の混合気が形成される。この混合気が点火栓7により着火せしめられ、この着火火炎によって稀薄混合気が燃焼せしめられる。
【0028】
一方、要求負荷LがL2 よりも大きいときには図3に示されるように燃焼室5内にはリーン又は理論空燃比又はリッチ空燃比の均一混合気が形成され、この均一混合気が点火栓7により着火せしめられる。
次に図4を参照しつつまず初めに本発明による未燃HCの低減方法について概略的に説明する。なお、図4において横軸はクランク角を示しており、BTDCおよびATDCは夫々上死点前および上死点後を示している。
【0029】
図4(A)は本発明による方法によって特に未燃HCを低減する必要のない場合であって要求負荷LがL1 よりも小さいときの燃料噴射時期を示している。図4(A)に示されるようにこのときには圧縮行程末期に主燃料Qmのみが噴射され、排気制御弁24は全開状態に保持され、排気弁10が図5から図7において実線Xで示される予め定められた開弁時期に亘って開弁せしめられる。
【0030】
これに対し、本発明による方法によって未燃HCを低減する必要がある場合には排気制御弁24がほぼ全閉せしめられ、図4(B)に示されるように機関出力を発生させるための主燃料Qmの噴射に加え、膨張行程中に、図4(B)に示される例では圧縮上死点後(ATDC)60°付近において副燃料Qaが追加噴射され、更に図5から図7において夫々破線Z1,Z2,Z3で示されるように排気弁10の開弁期間が変更せしめられる。即ち、図5に示す例では排気弁10の開弁時期が早められ、図6に示す例では排気弁10の閉弁時期が早められ、図7に示す例では排気弁10の開弁時期および閉弁時期が共に早められる。
【0031】
なおこの場合、主燃料Qmの燃焼後、副燃料Qaを完全に燃焼せしめるのに十分な酸素が燃焼室5内に残存するように主燃料Qmは空気過剰のもとで燃焼せしめられる。また、図4(A)と図4(B)とは機関負荷と機関回転数が同一であるときの燃料噴射期間を示しており、従って機関負荷と機関回転数が同一である場合には図4(B)に示される場合の主燃料Qmの噴射量の方が図4(A)に示される場合の主燃料Qmの噴射量に比べて増量せしめられている。
【0032】
図8は機関排気通路の各位置における排気ガス中の未燃HCの濃度(ppm)の一例を示している。図8に示す例において黒三角は排気制御弁24を全開にした状態で図4(A)に示す如く圧縮行程末期において主燃料Qmを噴射し、排気弁10の開弁期間を図5から図7のXとした場合の排気ポート11出口における排気ガス中の未燃HCの濃度(ppm)を示している。この場合には排気ポート11出口における排気ガス中の未燃HCの濃度は6000ppm 以上の極めて高い値となる。
【0033】
一方、図8に示す例において黒丸および実線は排気制御弁24をほぼ全閉とし、図4(B)に示されるように主燃料Qmおよび副燃料Qaを噴射し、図5に示されるように排気弁10の開弁時期を早めた場合の排気ガス中の未燃HCの濃度(ppm)を示している。この場合には排気ポート11出口における排気ガス中の未燃HCの濃度は2000ppm 以下となり、排気制御弁24の付近においては排気ガス中の未燃HCの濃度は150ppm 以下まで減少する。従ってこの場合には大気中に排出される未燃HCの量が大巾に低減せしめられることがわかる。
【0034】
このように排気制御弁24上流の排気通路内において未燃HCが減少するのは未燃HCの酸化反応が促進されているからである。しかしながら図8の黒三角で示されるように排気ポート11出口における未燃HCの量が多い場合、即ち燃焼室5内での未燃HCの発生量が多い場合にはたとえ排気通路内における未燃HCの酸化反応を促進しても大気中に排出される未燃HCの量はさほど低減しない。即ち、排気通路内における未燃HCの酸化反応を促進することによって大気中に排出される未燃HCの量を大巾に低減しうるのは図8の黒丸で示されるように排気ポート11出口における未燃HCの濃度が低いとき、即ち燃焼室5内での未燃HCの発生量が少ないときである。
【0035】
このように大気中に排出される未燃HCの量を低減させるためには燃焼室5内での未燃HCの発生量を低下させかつ排気通路内における未燃HCの酸化反応を促進させるという二つの要求を同時に満たす必要がある。そこでまず初めに2番目の要求、即ち排気通路内における未燃HCの酸化反応を促進させることから説明する。
【0036】
本発明によれば大気中に排出される未燃HCの量を低減すべきときには排気制御弁24がほぼ全閉とされる。このように排気制御弁24がほぼ全閉にされると排気ポート11内、排気マニホルド19,20内、排気管21内、および排気制御弁24上流の排気管22内の圧力、即ち背圧はかなり高くなる。
背圧が高くなるということは燃焼室5内から排気ポート11内に排気ガスが排出されたときに排気ガスの圧力がさほど低下せず、従って燃焼室5から排出された排気ガス温もさほど低下しないことを意味している。従って排気ポート11内に排出された排気ガス温はかなり高温に維持されている。一方、背圧が高いということは排気ガスの密度が高いことを意味しており、排気ガスの密度が高いということは排気ポート11から排気制御弁24に至る排気通路内における排気ガスの流速が遅いことを意味している。従って排気ポート11内に排出された排気ガスは高温のもとで長時間に亘り排気制御弁24上流の排気通路内に滞留することになる。
【0037】
このように排気ガスが高温のもとで長時間に亘り排気制御弁24上流の排気通路内に滞留せしめられるとその間に未燃HCの酸化反応が促進される。この場合、本発明者による実験によると排気通路内における未燃HCの酸化反応を促進するためには排気ポート11出口における排気ガス温をほぼ750℃以上、好ましくは800℃以上にする必要があることが判明している。
【0038】
また、高温の排気ガスが排気制御弁24上流の排気通路内に滞留している時間が長くなればなるほど未燃HCの低減量は増大する。この滞留時間は排気制御弁24の位置が排気ポート11出口から離れれば離れるほど長くなり、従って排気制御弁24は排気ポート11出口から未燃HCを十分に低減するのに必要な距離を隔てて配置する必要がある。排気制御弁24を排気ポート11出口から未燃HCを十分に低減するのに必要な距離を隔てて配置すると図8の実線に示されるように未燃HCの濃度は大巾に低減する。なお、本発明者による実験によると未燃HCを十分に低減するためには排気ポート11出口から排気制御弁24までの距離を1メートル以上とすることが好ましいことが判明している。
【0039】
ところで前述したように排気通路内における未燃HCの酸化反応を促進するためには排気ポート11出口における排気ガス温をほぼ750℃以上、好ましくは800℃以上にする必要がある。また、大気中に排出される未燃HCの量を低減するためには前述した1番目の要求を満たさなければならない。即ち燃焼室5内での未燃HCの発生量を低下させる必要がある。そのために本発明では機関出力を発生するための主燃料Qmに加え、主燃料Qmの噴射後に副燃料Qaを追加噴射して副燃料Qaを燃焼室5内で燃焼せしめるようにし、更に排気弁10の開弁時期を早めるようにしている。
【0040】
即ち、副燃料Qaを燃焼室5内で燃焼せしめると副燃料Qaの燃焼時に主燃料Qmの燃え残りである多量の未燃HCが燃焼せしめられる。また、この副燃料Qaは高温ガス中に噴射されるので副燃料Qaは良好に燃焼せしめられ、従って副燃料Qaの燃え残りである未燃HCはさほど発生しなくなる。斯くして最終的に燃焼室5内で発生する未燃HCの量はかなり少なくなる。
【0041】
また、副燃料Qaを燃焼室5内で燃焼せしめると主燃料Qm自身および副燃料Qa自身の燃焼による発熱に加え、主燃料Qmの燃え残りである未燃HCの燃焼熱が追加的に発生するので燃焼室5内の既燃ガス温はかなり高くなる。また、排気弁10の開弁時期を早めると排気ポート11内に排出される排気ガス温が高くなる。このように主燃料Qmに加え副燃料Qaを追加噴射して副燃料Qaを燃焼させかつ排気弁10の開弁時期を早めることにより燃焼室5内で発生する未燃HCの量を低減しかつ排気ポート11出口における排気ガス温を750℃以上、好ましくは800℃以上にすることができる。なお、排気弁10の開弁時期を早めると背圧が上昇し、斯くして前述したように排気ポート11から排気制御弁24に至る排気通路の流速が遅くなる。その結果、排気制御弁24上流の排気通路内での排気ガスの滞留時間が更に長くなるので排気通路内における未燃HCの酸化作用が更に促進されることになる。
【0042】
上述したように本発明では副燃料Qaを燃焼室5内で燃焼せしめる必要があり、そのためには副燃料Qaの燃焼時に燃焼室5内に十分な酸素が残存していることが必要であり、しかも噴射された副燃料Qaが燃焼室5内で良好に燃焼せしめられる時期に副燃料Qaを噴射する必要がある。
そこで本発明では副燃料Qaの燃焼時に燃焼室5内に十分な酸素が残存しうるように主燃料Qmは空気過剰のもとで燃焼せしめられる。また、図2に示される成層燃焼式内燃機関において噴射された副燃料Qaが燃焼室5において良好に燃焼せしめられる噴射時期は図4において矢印Zで示される圧縮上死点後(ATDC)ほぼ50°からほぼ90°の膨張行程であり、従って図2に示される成層燃焼式内燃機関においては副燃料Qaは圧縮上死点後(ATDC)ほぼ50°からほぼ90°の膨張行程において噴射される。なお、圧縮上死点後(ATDC)ほぼ50°からほぼ90°の膨張行程において噴射された副燃料Qaは機関の出力の発生には寄与しない。
【0043】
ところで本発明者による実験によると図2に示される成層燃焼式内燃機関では副燃料Qaが圧縮上死点後(ATDC)60°付近において噴射されたときに大気中に排出される未燃HCの量は最も少なくなる。従って本発明による実施例では図4(B)に示されるように副燃料Qaの噴射時期はほぼ圧縮上死点後(ATDC)60°付近とされる。
【0044】
副燃料Qaの最適な噴射時期は機関の型式によって異なり、例えばディーゼル機関では副燃料Qaの最適な噴射時期は膨張行程中か又は排気行程中となる。従って本発明では副燃料Qaの燃料噴射は膨張行程中又は排気行程中に行われる。一方、燃焼室5内の既燃ガス温は主燃料Qmの燃焼熱と副燃料Qaの燃焼熱の双方の影響を受ける。即ち、燃焼室5内の既燃ガス温は主燃料Qmの噴射量が増大するほど高くなり、副燃料Qaの噴射量が増大するほど高くなる。更に、燃焼室5内の既燃ガス温は背圧の影響を受ける。即ち、背圧が高くなるほど燃焼室5から既燃ガスが流出しにくくなるために燃焼室5内に残留する既燃ガス量が多くなり、斯くして排気制御弁24がほぼ全閉せしめられると燃焼室5内の既燃ガス温が上昇せしめられる。
【0045】
ところで排気制御弁24がほぼ閉弁せしめられ、排気弁10の開弁時期が早められ、それによって背圧が高くなると機関の発生トルクが最適な要求発生トルクに対して減少する。そこで本発明では図4(B)に示されるように排気制御弁24がほぼ全閉せしめられかつ排気弁10の開弁時期が早められたときには図4(A)に示されるように同一の機関運転状態のもとで排気制御弁24が全開せしめられた場合の機関の要求発生トルクに近づくように同一の機関運転状態のもとで排気制御弁24が全開せしめられた場合に比べて主燃料Qmの噴射量が増量せしめられる。なお、本発明による実施例では排気制御弁24がほぼ全閉せしめられかつ排気弁10の開弁時期が早められたときにはそのときの機関の発生トルクが同一の機関運転状態のもとで排気制御弁24が全開せしめられた場合の機関の要求発生トルクに一致するように主燃料Qmが増量される。
【0046】
図9は要求負荷Lに対して機関の要求発生トルクを得るのに必要な主燃料Qmの変化を示している。なお、図9において実線X1は排気制御弁24がほぼ全閉せしめられかつ排気弁10の開弁時期が早められた場合を示しており、破線は排気制御弁24が全開せしめられた場合を示している。
一方、図10は排気制御弁24をほぼ全閉せしめかつ排気弁10の開弁時期を早めた場合において排気ポート11出口における排気ガス温をほぼ750℃からほぼ800℃にするのに必要な主燃料Qmと副燃料Qaの関係を示している。前述したように主燃料Qmを増量しても燃焼室5内の既燃ガス温は高くなり、副燃料Qaを増量しても燃焼室5内の既燃ガス温は高くなる。従って排気ポート11出口における排気ガス温をほぼ750℃からほぼ800℃にするのに必要な主燃料Qmと副燃料Qaとの関係は図10に示されるように主燃料Qmを増大すれば副燃料Qaは減少し、主燃料Qmを減少すれば副燃料Qaは増大する関係となる。
【0047】
ただし、主燃料Qmおよび副燃料Qaを同一量増大した場合には副燃料Qaを増量した場合の方が主燃料Qmを増量した場合に比べて燃焼室5内の温度上昇量がはるかに大きくなる。従って燃料消費量の低減という観点からみると副燃料Qaを増大させることによって燃焼室5内の既燃ガス温を上昇させることが好ましいと言える。
【0048】
従って本発明による実施例では排気制御弁24をほぼ全閉せしめかつ排気弁10の開弁時期が早められたときに機関の発生トルクを要求発生トルクまで上昇させるのに必要な分だけ主燃料Qmを増量し、主として副燃料Qaの燃焼熱によって燃焼室5内の既燃ガス温を上昇させるようにしている。
このように排気制御弁24をほぼ全閉せしめ、排気弁10の開弁時期を早め、排気ポート11出口における排気ガスをほぼ750℃以上、好ましくはほぼ800℃以上とするのに必要な量の副燃料Qaを噴射すると排気ポート11から排気制御弁24に至る排気通路内において未燃HCの濃度を大巾に減少することができる。このとき排気ポート11から排気制御弁24に至る排気通路内において図8に示されるように未燃HCの濃度をほぼ150p.p.m 以下まで低下させるには排気制御弁24上流の排気通路内の圧力をゲージ圧でもってほぼ80KPa 以上にする必要がある。このときの排気制御弁24による排気通路断面積の閉鎖割合はほぼ95パーセント以上である。従って図1に示される実施例では大気中への未燃ガスの排出量を大巾に低減すべきときには排気通路内の圧力がほぼ80KPa となるように排気制御弁24がほぼ全閉せしめられる。
【0049】
内燃機関において多量の未燃HCが発生するのは燃焼室5内の温度が低いときである。燃焼室5内の温度が低いときは機関の始動および暖機運転時、および機関低負荷時であり、従って機関の始動および暖機運転時、および機関低負荷時に多量の未燃HCが発生することになる。このように燃焼室5内の温度が低いときにはたとえ排気通路内に酸化機能を有する触媒を配置しておいても触媒温度が低く触媒が活性化していないのでこのときに発生する多量の未燃HCを触媒により酸化させることは困難である。
【0050】
そこで本発明による実施例では機関の始動および暖機運転時、および機関低負荷時には排気制御弁24をほぼ全閉せしめ、排気弁10の開弁時期を早め、主燃料Qmを増量すると共に副燃料Qaを追加噴射し、それによって大気中に排出される未燃HCの量を大巾に低減せしめるようにしている。
図11は機関始動および暖機運転時における主燃料Qmの変化の一例、排気制御弁24の開度および排気弁10の開弁時期を示している。なお、図11において実線Xは排気制御弁24をほぼ全閉にしかつ排気弁10の開弁時期を早めた場合の最適な主燃料Qmの噴射量を示しており、破線Yは排気制御弁24を全開にした場合の最適な主燃料Qmの噴射量を示している。図11からわかるように機関始動および暖機運転時には排気制御弁24がほぼ全閉せしめられ、排気弁10の開弁時期が早められ、同一の機関運転状態のもとで排気制御弁24が全開せしめられた場合の最適な主燃料Qmの噴射量Yよりも主燃料Qmの噴射量Xが増量せしめられ、更に副燃料Qaが追加噴射される。
【0051】
図12は機関低負荷時における主燃料Qmの変化の一例、排気制御弁24の開度および排気弁10の開弁時期を示している。なお、図12において実線X1は排気制御弁24をほぼ全閉にしかつ排気弁10の開弁時期を早めた場合の最適な主燃料Qmの噴射量を示しており、破線Yは排気制御弁24を全開にした場合の最適な主燃料Qmの噴射量を示している。図12からわかるように機関低負荷時には排気制御弁24がほぼ全閉せしめられ、排気弁10の開弁時期が早められ、同一の機関運転状態のもとで排気制御弁24が全開せしめられた場合の最適な主燃料Qmの噴射量Yよりも主燃料Qmの噴射量Xが増量せしめられ、更に副燃料Qaが追加噴射される。
一方、前述したように本発明による方法によって未燃HCを低減する場合には図6に示されるように排気弁10の閉弁時期を早めることもできる。排気弁10の閉弁時期を早めると燃焼室5内に残留する既燃ガス量が増大し、斯くして燃焼室5内の温度が上昇するために排気ガス温が上昇する。また、このように排気弁10の閉弁時期早めると機関出力が低下する。そこで本発明による実施例ではこの出力低下分を補うために主燃料Qmが更に増大せしめられる。このときの主燃料Qmが図9において実線X2で示されている。
【0052】
このように主燃料Qmが増大せしめられると排気ガス温は更に上昇し、斯くして未燃HCの酸化反応を更に促進することができる。
なお、図7に示されるように排気弁10の開弁時期および閉弁時期を共に早めることもでき、このときも主燃料Qmは図9の実線X2で示されるように増量せしめられる。
【0053】
図13は運転制御ルーチンを示している。
図13を参照するとまず初めにステップ100において機関始動および暖機運転時であるか否かが判別される。機関始動および暖機運転時でないときにはステップ102にジャンプして機関低負荷時か否かが判別される。機関低負荷時でないときにはステップ103に進んで排気制御弁24が全開せしめられ、次いでステップ104に進んで主燃料Qmの噴射制御が行われる。このとき副燃料Qaの噴射は行われない。
【0054】
一方、ステップ100において機関始動および暖機運転時であると判断されたときにはステップ101に進んで機関の始動後、予め定められた設定期間が経過したか否かが判別される。設定期間が経過していないときにはステップ105に進み、設定期間が経過したときにはステップ102に進む。一方、ステップ102において機関低負荷時であると判別されたときにもステップ105に進む。ステップ105では排気制御弁24がほぼ全閉せしめられ、次いでステップ106では主燃料Qmの噴射制御が行われる。即ち、主燃料Qmの噴射量が図9に示されるX1又はX2とされる。次いでステップ107では副燃料Qaの噴射制御が行われる。次いでステップ108では排気弁10の開弁時期又は閉弁時期の少なくとも一方が早められる。
【0055】
図14に別の実施例を示す。この実施例では排気制御弁24上流の排気管22内に触媒60が配置される。このように排気制御弁24上流の排気管22内に触媒60が配置されている場合には副燃料Qaが追加噴射され、排気制御弁24がほぼ全閉とされ、排気弁10の開弁時期又は閉弁時期が早められているときに触媒60は高温の排気ガスによって強力に加熱される。従って機関始動および暖機運転時に触媒60を早期に活性化することができる。
【0056】
排気管22内に配置された触媒60としては酸化触媒、三元触媒、NOx 吸収剤又はHC吸着触媒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。
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。
【0057】
一方、HC吸着触媒では例えばゼオライト、アルミナAl2 O3 、シリカアルミナSiO2 ・Al2 O3 、活性炭、チタニアTiO2 のような多孔質担体上に白金Pt、パラジウムPd、ロジウムRh、イリジウムIrのような貴金属、または銅Cu、鉄Fe、コバルトCo、ニッケルNiのような遷移金属が担持されている。
【0058】
このようなHC吸着触媒では排気ガス中の未燃HCが触媒内に物理吸着し、未燃HCの吸着量は触媒の温度が低いほど増大し、触媒を流通する排気ガスの圧力が高くなるほど増大する。従って図14に示される実施例では触媒60の温度が低くかつ排気制御弁24の排気絞り作用により背圧が高められているとき、即ち機関始動および暖機運転時、および機関低負荷時に排気ガス中に含まれる未燃HCがHC吸着触媒に吸着できる。従って大気中に放出される未燃HCの量を更に低下させることができる。なお、HC吸着触媒に吸着された未燃HCは背圧が低くなったとき、或いはHC吸着触媒の温度が高くなったときにHC吸着触媒から放出される。
【0059】
図15に更に別の実施例を示す。
この実施例では排気制御弁24上流の排気管22内にNOx 吸収剤又はHC吸着触媒からなる触媒60が配置され、第1排気マニホルド19と排気管21間、および第2排気マニホルド20と排気管21間には夫々酸化触媒や三元触媒のような酸化機能を有する触媒61,62が配置される。
【0060】
【発明の効果】
大気中に排出される未燃HCの量を大巾に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】内燃機関の全体図である。
【図2】燃焼室の側面断面図である。
【図3】噴射量、噴射時期および空燃比を示す図である。
【図4】噴射時期を示す図である。
【図5】排気弁の開弁期間を示す図である。
【図6】排気弁の開弁期間を示す図である。
【図7】排気弁の開弁期間を示す図である。
【図8】未燃HCの濃度を示す図である。
【図9】主燃料の噴射量を示す図である。
【図10】主燃料の噴射量と副燃料の噴射量との関係を示す図である。
【図11】主燃料の噴射量と排気制御弁の開度等を示す図である。
【図12】主燃料の噴射量と排気制御弁の開度等を示す図である。
【図13】運転制御を行うためのフローチャートである。
【図14】内燃機関の別の実施例を示す全体図である。
【図15】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【符号の説明】
6…燃料噴射弁
10…排気弁
24…排気制御弁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
In a diesel engine, the temperature in the combustion chamber becomes low during low-speed and low-load operation of the engine, particularly during warm-up of the engine, and as a result, a large amount of unburned HC is generated. Therefore, an exhaust control valve is arranged in the engine exhaust passage, and the exhaust control valve is closed at the time of engine low speed and low load operation, and the fuel injection amount is greatly increased to increase the temperature in the combustion chamber, thereby injecting the injected fuel into the combustion chamber. There is known a diesel engine that is completely burned in order to suppress the amount of unburned HC generated (see Japanese Patent Laid-Open No. 49-80414).
[0003]
Further, when an exhaust purification catalyst is disposed in the engine exhaust passage, a good exhaust purification action by the catalyst is not performed unless the catalyst temperature is sufficiently high. Therefore, in addition to the injection of the main fuel for generating the engine output, the auxiliary fuel is injected during the expansion stroke, and the auxiliary fuel is combusted to raise the exhaust gas temperature, thereby raising the temperature of the catalyst. Internal combustion engines are known (see Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 8-303290 and 10-212995).
[0004]
Conventionally, a catalyst capable of adsorbing unburned HC is known. This catalyst has the property of increasing the amount of unburned HC adsorbed as the ambient pressure increases, and releasing the adsorbed unburned HC as the ambient pressure decreases. Therefore, in order to reduce NO x by unburned HC released from the catalyst using this property, this catalyst is arranged in the engine exhaust passage and an exhaust control valve is arranged in the engine exhaust passage downstream of the catalyst, During engine low speed and low load operation with low NO x generation, a small amount of secondary fuel is injected during the expansion stroke or exhaust stroke in addition to the main fuel for generating engine output, and a large amount of unburned HC is discharged from the combustion chamber. Further, at this time, the exhaust control valve is closed to a relatively small opening so that the engine output drop falls within the allowable range, thereby increasing the pressure in the exhaust passage, and a large amount of exhaust gas discharged from the combustion chamber. the combustible HC is adsorbed in the catalyst, is in the event a large amount of engine high speed or high load operation of the NO x reducing the pressure in the exhaust passage in the fully opened exhaust valve, by this time unburnt HC emitted from the catalyst the reduction of NO x Unishi was internal combustion engine is known (see Japanese Patent Laid-Open No. 10-238336).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Now, not only in diesel engines but also in spark ignition internal combustion engines, how to reduce the amount of unburned HC generated during engine low load operation, particularly during engine warm-up operation, has become a major problem. Therefore, the present inventor has conducted experimental research to solve this problem, and as a result, in order to greatly reduce the amount of unburned HC discharged into the atmosphere during engine warm-up operation, It has been found that it is necessary to reduce the amount of generated fuel HC and at the same time increase the amount of unburned HC in the exhaust passage.
[0006]
Specifically, during the expansion stroke or the exhaust stroke, additional fuel is injected into the combustion chamber to burn the secondary fuel, and the exhaust control valve is placed in the engine exhaust passage that is considerably spaced from the outlet of the engine exhaust port. When the exhaust control valve is substantially fully closed, the amount of unburned HC generated in the combustion chamber is reduced by the synergistic effect of the combustion of these auxiliary fuels and the exhaust throttling action of the exhaust control valve. It has been found that the amount of reduced fuel HC increases, and thus the amount of unburned HC discharged into the atmosphere can be greatly reduced.
[0007]
More specifically, when the auxiliary fuel is injected, not only the auxiliary fuel is combusted but also unburned HC, which is the unburned main fuel, is combusted in the combustion chamber. Accordingly, not only the amount of unburned HC generated in the combustion chamber is greatly reduced, but also the unburned HC and auxiliary fuel, which are unburned main fuel, are burned, and the burnt gas temperature becomes considerably high.
[0008]
On the other hand, when the exhaust control valve is almost fully closed, the pressure in the exhaust passage from the exhaust port of the engine to the exhaust control valve, that is, the back pressure becomes considerably high. A high back pressure means that the temperature of the exhaust gas discharged from the combustion chamber does not decrease so much, and therefore the exhaust gas temperature in the exhaust port is considerably high. On the other hand, a high back pressure means that the flow rate of the exhaust gas discharged into the exhaust port is slow. Therefore, the exhaust gas is in a high temperature state for a long time in the exhaust passage upstream of the exhaust control valve. Will stay. During this time, unburned HC contained in the exhaust gas is oxidized, and thus the amount of unburned HC discharged into the atmosphere is greatly reduced.
[0009]
In this case, if the auxiliary fuel is not injected, the unburned unburned HC of the main fuel remains as it is, so that a large amount of unburned HC is generated in the combustion chamber. Further, when the auxiliary fuel is not injected, the burnt gas temperature in the combustion chamber does not increase so much, so even if the exhaust control valve is almost fully closed at this time, unburned HC in the exhaust passage upstream of the exhaust control valve. It is not possible to expect sufficient oxidizing action. Accordingly, at this time, a large amount of unburned HC is discharged into the atmosphere.
[0010]
On the other hand, even if the exhaust throttle action by the exhaust control valve is not performed, if the auxiliary fuel is injected, the amount of unburned HC generated in the combustion chamber is reduced, and the burnt gas temperature in the combustion chamber is increased. However, when the exhaust throttle action by the exhaust control valve is not performed, the exhaust gas pressure immediately decreases as soon as the exhaust gas is discharged from the combustion chamber, and thus the exhaust gas temperature also decreases immediately. Therefore, in this case, almost no oxidizing action of unburned HC in the exhaust passage can be expected, and thus a large amount of unburned HC is also discharged into the atmosphere at this time.
[0011]
That is, in order to greatly reduce the amount of unburned HC discharged into the atmosphere, it is necessary to inject auxiliary fuel and simultaneously close the exhaust control valve almost completely.
In the diesel engine described in Japanese Patent Laid-Open No. 49-80414, the auxiliary fuel is not injected and the injection amount of the main fuel is greatly increased, so that the exhaust gas temperature rises but an extremely large amount of unburned HC. Is generated in the combustion chamber. As described above, when an extremely large amount of unburned HC is generated in the combustion chamber, even if the unburned HC is oxidized in the exhaust passage, only a part of the unburned HC is oxidized. Will be discharged.
[0012]
On the other hand, in the internal combustion engine described in the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 8-303290 or Japanese Patent Laid-Open No. 10-212995, the exhaust throttle action by the exhaust control valve is not performed, so the oxidation action of unburned HC in the exhaust passage is I can hardly expect it. Accordingly, even in this internal combustion engine, a large amount of unburned HC is discharged into the atmosphere.
Moreover, in the internal combustion engine described in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-238336, the exhaust control valve is closed to a relatively small opening so that the engine output falls within an allowable range. However, the back pressure is not so high when the exhaust control valve is closed so that the engine output falls within the allowable range.
[0013]
In this internal combustion engine, a small amount of auxiliary fuel is injected during the expansion stroke or the exhaust stroke in order to generate unburned HC to be adsorbed by the catalyst. In this case, since the unburned HC is not generated if the auxiliary fuel is combusted satisfactorily, it is considered that the injection control of the auxiliary fuel is performed in this internal combustion engine so that the auxiliary fuel does not burn well. Therefore, in this internal combustion engine, it is considered that a small amount of auxiliary fuel does not contribute much to the temperature increase of the burnt gas temperature.
[0014]
In this way, in this internal combustion engine, a large amount of unburned HC is generated in the combustion chamber, and the back pressure is not so high and the burnt gas temperature does not rise so much. It is thought that it is not oxidized so much. The purpose of this internal combustion engine is to adsorb as much unburned HC as possible to the catalyst, so it can be said that it makes sense to think in this way.
[0015]
An object of the present invention is to provide an exhaust emission control device for an internal combustion engine that can greatly reduce the amount of unburned HC discharged into the atmosphere while ensuring stable operation of the engine.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object , according to the present invention , an exhaust control valve is disposed in the exhaust passage connected to the outlet of the engine exhaust port at a predetermined distance from the outlet of the exhaust port, and is released into the atmosphere. When it is determined that the amount of unburned HC emissions should be reduced, the exhaust control valve is almost fully closed, and the main fuel injected into the combustion chamber to generate engine output is generated under excess air. In addition to burning, the auxiliary fuel is additionally injected into the combustion chamber at a predetermined timing during the expansion stroke or the exhaust stroke in which the auxiliary fuel can burn, and at least one of the opening timing and closing timing of the exhaust valve is advanced. When the exhaust control valve is almost fully closed, the engine is operated under the same engine operating condition so as to approach the generated torque of the engine when the exhaust control valve is fully opened under the same engine operating condition. Exhaust control valve fully open As compared with the case of swaged so that to increase the injection quantity of the main fuel.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 and 2 show a case where the present invention is applied to a stratified combustion internal combustion engine. However, the present invention can also be applied to a spark ignition type internal combustion engine in which combustion is performed under a uniform lean air-fuel ratio and a diesel engine in which combustion is performed under excess air.
[0019]
Referring to FIG. 1,
[0020]
Referring to FIGS. 1 and 2, the
[0021]
As shown in FIG. 1, the
[0022]
On the other hand, as shown in FIG. 2, an exhaust
[0023]
Referring to FIG. 1, the
[0024]
A
[0025]
Figure 3 is the fuel injection amount Q1, Q2, Q (=
When 3 required load L as can be seen from is lower than L 1 is the fuel injection Q2 is performed between θE2 from θS2 of the end of the compression stroke. At this time, the average air-fuel ratio A / F is considerably lean. When the required load L is between L 1 and L 2 , the first fuel injection Q1 is performed between θS1 and θE1 at the beginning of the intake stroke, and then the second fuel is injected between θS2 and θE2 at the end of the compression stroke. Injection Q2 is performed. Also at this time, the air-fuel ratio A / F is lean. When the required load L is greater than L 2 the fuel injection Q1 is performed between θE1 from the beginning of the intake stroke of the? S1. At this time, the average air-fuel ratio A / F is lean in the region where the required load L is low. When the required load L increases, the average air-fuel ratio A / F becomes the stoichiometric air-fuel ratio, and when the required load L becomes higher, The fuel ratio A / F is made rich. Note that only the required load L is the operation region in which the fuel injection Q2 is performed only at the end of the compression stroke, the operation region in which the fuel injections Q1 and Q2 are performed twice, and the operation region in which the fuel injection Q1 is performed only in the early stage of the intake stroke. Is actually determined by the required load L and the engine speed.
[0026]
FIG. 2 shows a case where the fuel injection Q2 is performed only when the required load L is smaller than L 1 (FIG. 3), that is, at the end of the compression stroke. The top surface of the piston 4 as shown in FIG. 2 and cavity 4a is formed, the required load L is the end of the compression stroke toward the
[0027]
On the other hand, as described above, when the required load L is between L 1 and L 2 , fuel injection is performed twice. In this case, a lean air-fuel mixture is formed in the combustion chamber 5 by the first fuel injection Q1 performed at the beginning of the intake stroke. Next, an air-fuel mixture having an optimum concentration is formed around the spark plug 7 by the second fuel injection Q2 performed at the end of the compression stroke. The air-fuel mixture is ignited by the spark plug 7, and the lean air-fuel mixture is combusted by the ignition flame.
[0028]
On the other hand, when the required load L is larger than L 2 , as shown in FIG. 3, a homogeneous mixture of lean, stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio is formed in the combustion chamber 5, and this homogeneous mixture becomes the spark plug 7. It can be ignited by.
Next, a method for reducing unburned HC according to the present invention will be schematically described with reference to FIG. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the crank angle, and BTDC and ATDC indicate before the top dead center and after the top dead center, respectively.
[0029]
FIG. 4A shows the fuel injection timing when it is not necessary to reduce unburned HC by the method according to the present invention and the required load L is smaller than L 1 . As shown in FIG. 4A, at this time, only the main fuel Qm is injected at the end of the compression stroke, the
[0030]
On the other hand, when it is necessary to reduce unburned HC by the method according to the present invention, the
[0031]
In this case, after combustion of the main fuel Qm, the main fuel Qm is burned under excess air so that sufficient oxygen remains in the combustion chamber 5 to completely burn the sub fuel Qa. 4 (A) and 4 (B) show the fuel injection period when the engine load and the engine speed are the same, and accordingly when the engine load and the engine speed are the same, FIG. The injection amount of the main fuel Qm in the case shown in FIG. 4 (B) is increased compared to the injection amount of the main fuel Qm in the case shown in FIG. 4 (A).
[0032]
FIG. 8 shows an example of the concentration (ppm) of unburned HC in the exhaust gas at each position in the engine exhaust passage. In the example shown in FIG. 8, the black triangle injects the main fuel Qm at the end of the compression stroke as shown in FIG. 4A with the
[0033]
On the other hand, in the example shown in FIG. 8, the black circles and solid lines close the
[0034]
The reason why the unburned HC is reduced in the exhaust passage upstream of the
[0035]
Thus, in order to reduce the amount of unburned HC discharged into the atmosphere, the amount of unburned HC generated in the combustion chamber 5 is reduced and the oxidation reaction of unburned HC in the exhaust passage is promoted. It is necessary to satisfy two requirements at the same time. First, the second requirement, that is, promoting the oxidation reaction of unburned HC in the exhaust passage will be described.
[0036]
According to the present invention, when the amount of unburned HC discharged into the atmosphere is to be reduced, the
An increase in the back pressure means that when exhaust gas is discharged from the combustion chamber 5 into the
[0037]
As described above, when the exhaust gas is retained in the exhaust passage upstream of the
[0038]
Further, as the time during which the high-temperature exhaust gas stays in the exhaust passage upstream of the
[0039]
As described above, in order to promote the oxidation reaction of unburned HC in the exhaust passage, the exhaust gas temperature at the outlet of the
[0040]
That is, when the auxiliary fuel Qa is burned in the combustion chamber 5, a large amount of unburned HC, which is the unburned main fuel Qm, is burned when the auxiliary fuel Qa is burned. Further, since the auxiliary fuel Qa is injected into the high-temperature gas, the auxiliary fuel Qa is burned well, so that unburned HC which is the unburned residue of the auxiliary fuel Qa is not generated so much. Thus, the amount of unburned HC finally generated in the combustion chamber 5 is considerably reduced.
[0041]
Further, when the auxiliary fuel Qa is burned in the combustion chamber 5, in addition to the heat generated by the combustion of the main fuel Qm and the auxiliary fuel Qa itself, the combustion heat of the unburned HC that is the unburned main fuel Qm is additionally generated. Therefore, the burnt gas temperature in the combustion chamber 5 becomes considerably high. Further, when the opening timing of the
[0042]
As described above, in the present invention, the auxiliary fuel Qa needs to be burned in the combustion chamber 5, and for that purpose, it is necessary that sufficient oxygen remains in the combustion chamber 5 when the auxiliary fuel Qa is burned. Moreover, it is necessary to inject the auxiliary fuel Qa at a time when the injected auxiliary fuel Qa is burned well in the combustion chamber 5.
Therefore, in the present invention, the main fuel Qm is burned under excess air so that sufficient oxygen can remain in the combustion chamber 5 during the combustion of the auxiliary fuel Qa. Further, the injection timing at which the auxiliary fuel Qa injected in the stratified combustion internal combustion engine shown in FIG. 2 is burned well in the combustion chamber 5 is approximately 50 after compression top dead center (ATDC) indicated by an arrow Z in FIG. Therefore, in the stratified combustion internal combustion engine shown in FIG. 2, the auxiliary fuel Qa is injected after the compression top dead center (ATDC) in the expansion stroke of approximately 50 ° to approximately 90 °. . The secondary fuel Qa injected in the expansion stroke from approximately 50 ° to approximately 90 ° after the compression top dead center (ATDC) does not contribute to the generation of the engine output.
[0043]
By the way, according to an experiment by the present inventor, in the stratified combustion internal combustion engine shown in FIG. 2, the unburned HC discharged into the atmosphere when the auxiliary fuel Qa is injected in the vicinity of 60 ° after compression top dead center (ATDC). The amount is the least. Therefore, in the embodiment according to the present invention, as shown in FIG. 4B, the injection timing of the auxiliary fuel Qa is approximately 60 ° after compression top dead center (ATDC).
[0044]
The optimal injection timing of the auxiliary fuel Qa varies depending on the engine type. For example, in a diesel engine, the optimal injection timing of the auxiliary fuel Qa is in the expansion stroke or in the exhaust stroke. Therefore, in the present invention, the fuel injection of the auxiliary fuel Qa is performed during the expansion stroke or the exhaust stroke. On the other hand, the burnt gas temperature in the combustion chamber 5 is affected by both the combustion heat of the main fuel Qm and the combustion heat of the auxiliary fuel Qa. That is, the burnt gas temperature in the combustion chamber 5 increases as the injection amount of the main fuel Qm increases, and increases as the injection amount of the auxiliary fuel Qa increases. Furthermore, the burnt gas temperature in the combustion chamber 5 is affected by the back pressure. That is, as the back pressure increases, the amount of burned gas remaining in the combustion chamber 5 increases because the burned gas does not easily flow out of the combustion chamber 5, and thus the
[0045]
By the way, the
[0046]
FIG. 9 shows changes in the main fuel Qm necessary for obtaining the required torque of the engine with respect to the required load L. In FIG. 9, the solid line X1 shows the case where the
On the other hand, FIG. 10 shows the main components required to bring the exhaust gas temperature at the outlet of the
[0047]
However, when the main fuel Qm and the auxiliary fuel Qa are increased by the same amount, the temperature increase in the combustion chamber 5 is much larger when the auxiliary fuel Qa is increased than when the main fuel Qm is increased. . Therefore, it can be said that it is preferable to raise the burnt gas temperature in the combustion chamber 5 by increasing the auxiliary fuel Qa from the viewpoint of reducing the fuel consumption.
[0048]
Therefore, in the embodiment according to the present invention, when the
Thus, the
[0049]
A large amount of unburned HC is generated in the internal combustion engine when the temperature in the combustion chamber 5 is low. When the temperature in the combustion chamber 5 is low, the engine is started and warmed up, and the engine is under a low load. Therefore, a large amount of unburned HC is generated when the engine is started and warmed up and when the engine is under a low load. It will be. Thus, when the temperature in the combustion chamber 5 is low, even if a catalyst having an oxidizing function is arranged in the exhaust passage, the catalyst temperature is low and the catalyst is not activated, so a large amount of unburned HC generated at this time is generated. It is difficult to oxidize with a catalyst.
[0050]
Therefore, in the embodiment according to the present invention, the
FIG. 11 shows an example of changes in the main fuel Qm during engine start-up and warm-up operation, the opening of the
[0051]
FIG. 12 shows an example of changes in the main fuel Qm at the time of engine low load, the opening degree of the
On the other hand, as described above, when unburned HC is reduced by the method according to the present invention, the closing timing of the
[0052]
When the main fuel Qm is increased in this way, the exhaust gas temperature further increases, and thus the oxidation reaction of unburned HC can be further promoted.
As shown in FIG. 7, both the opening timing and closing timing of the
[0053]
FIG. 13 shows an operation control routine.
Referring to FIG. 13, first, at
[0054]
On the other hand, when it is determined at
[0055]
FIG. 14 shows another embodiment. In this embodiment, a
[0056]
The
This NO x absorbent is, for example, alumina as a carrier, and on this carrier, for example, alkaline metal such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, alkaline earth such as barium Ba, calcium Ca, lanthanum La, yttrium. At least one selected from rare earths such as Y and a noble metal such as platinum Pt are supported.
[0057]
On the other hand, in the HC adsorption catalyst, platinum Pt, palladium Pd, rhodium Rh, iridium Ir on a porous carrier such as zeolite, alumina Al 2 O 3 , silica alumina SiO 2 .Al 2 O 3 , activated carbon, titania TiO 2 , for example. Such a noble metal or a transition metal such as copper Cu, iron Fe, cobalt Co, nickel Ni is supported.
[0058]
In such an HC adsorption catalyst, unburned HC in the exhaust gas is physically adsorbed in the catalyst, and the amount of unburned HC adsorbed increases as the temperature of the catalyst decreases, and increases as the pressure of the exhaust gas flowing through the catalyst increases. To do. Therefore, in the embodiment shown in FIG. 14, when the temperature of the
[0059]
FIG. 15 shows still another embodiment.
In the
[0060]
【The invention's effect】
The amount of unburned HC discharged into the atmosphere can be greatly reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of an internal combustion engine.
FIG. 2 is a side sectional view of a combustion chamber.
FIG. 3 is a diagram showing an injection amount, an injection timing, and an air-fuel ratio.
FIG. 4 is a diagram showing injection timing.
FIG. 5 is a diagram showing a valve opening period of an exhaust valve.
FIG. 6 is a diagram showing a valve opening period of an exhaust valve.
FIG. 7 is a view showing a valve opening period of an exhaust valve.
FIG. 8 is a diagram showing the concentration of unburned HC.
FIG. 9 is a diagram showing an injection amount of main fuel.
FIG. 10 is a diagram showing a relationship between an injection amount of main fuel and an injection amount of sub fuel.
FIG. 11 is a diagram showing an injection amount of main fuel, an opening degree of an exhaust control valve, and the like.
FIG. 12 is a diagram showing an injection amount of main fuel, an opening degree of an exhaust control valve, and the like.
FIG. 13 is a flowchart for performing operation control.
FIG. 14 is an overall view showing another embodiment of the internal combustion engine.
FIG. 15 is an overall view showing still another embodiment of the internal combustion engine.
[Explanation of symbols]
6 ...
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