JP3551785B2 - Internal combustion engine - Google Patents

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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より内燃機関、例えばディーゼル機関においてはNO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NOの発生量が低下し、従ってEGR率を増大すればするほどNO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NO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NO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NO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NO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NO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NO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。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)。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこの新たな燃焼システムではEGR率をほぼ55パーセント以上にする必要があり、EGR率をほぼ55パーセント以上にすることが可能なのは吸入空気量が比較的少ないときである。即ち、吸入空気量が一定量を越えるとこの新たな燃焼を行うことはできず、従って吸入空気量が一定量を越えたときには従来より行われている燃焼に切換えられる。この場合、新たな燃焼のもとではNOおよび煤がほとんど発生せず、従ってできるだけ広い運転領域において新たな燃焼を行うことが好ましい。
【0010】
ところで新たな燃焼のもとでは空燃比が大きくなると、即ち燃料周りの空気量が増大すると燃焼が活発となり、その結果燃焼温度が高くなる。これに対して空燃比を小さくすると、即ち燃料周りの空気量が減少すると燃焼が活発でなくなり、その結果燃焼温度が低くなる。従って空燃比が小さくなるほど燃料噴射量を増大してもNOおよび煤の発生しない新たな燃焼を行うことができることになる。云い換えると空燃比が小さくなるほど新たな燃焼を行いうる運転領域を高負荷側に広げることができることになる。
【0011】
【課題を解決するための手段】
そこで1番目の発明では、燃焼室内の不活性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し、燃焼室内の不活性ガス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において、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない第1の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第2の燃焼とを選択的に切換える切換手段を具備し、機関の運転領域が第1の燃焼を行いうる低負荷側の第1の運転領域と第2の燃焼が行われる高負荷側の第2の運転領域とに分割され、空燃比が小さくなるにつれて第1の運転領域が高負荷側に移動せしめられる。
【0012】
2番目の発明では1番目の発明において、空燃比が小さくなるにつれて第1の運転領域の高負荷側限界と低負荷側限界が高負荷側に移動せしめられる。
3番目の発明では2番目の発明において、空燃比がリーンであるときには第1の運転領域の低負荷側限界が存在せず、空燃比がリッチであるときには第1の運転領域の低負荷側限界が現われる。
【0013】
4番目の発明では1番目の発明において、第1の運転領域を制御するための制御手段を具備し、この制御手段は目標空燃比に応じて第1の運転領域を制御するようにしている。
5番目の発明では1番目の発明において、第1の燃焼時における燃料およびその周囲のガス温度が低下するにつれて第1の運転領域が高負荷側に移動せしめられる。
【0014】
6番目の発明では5番目の発明において、空燃比がリッチのもとで第1の燃焼が行われているときには燃焼時における燃料およびその周囲のガス温度が低下するにつれて第1の運転領域の高負荷側限界および低負荷側限界が高負荷側に移動せしめられる。
7番目の発明では5番目の発明において、第1の燃焼時における燃料およびその周囲のガス温度に変化を与えるパラメータの値に基づいて第1の運転領域を制御する制御手段を具備し、この制御手段はパラメータの値から第1の燃焼時における燃料およびその周囲のガス温度が低下すると判断されたときには第1の運転領域を高負荷側に移動せしめるようにしている。
【0015】
8番目の発明では7番目の発明において、パラメータが燃焼室内に流入するガスの温度、機関冷却水の温度、機関吸気通路内の圧力又は吸入空気の湿度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、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、不活性ガスが再循環排気ガスからなる。
【0016】
10番目の発明では9番目の発明において、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る。
11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。
12番目の発明では11番目の発明において、触媒が酸化触媒又は三元触媒からなる。
【0017】
13番目の発明では11番目の発明において、触媒が、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるNOを吸収しかつ流入する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NOを放出するNO吸収剤からなる。
14番目の発明では13番目の発明において、機関の運転状態が空燃比がリッチであるときの第1の運転領域にあるときにNO吸収剤からNOを放出すべく空燃比がリッチとされる。
【0018】
【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。
【0019】
一方、排気ポート10は排気マニホルド21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。
【0020】
一方、燃料噴射弁6は燃料供給管33を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール34に連結される。このコモンレール34内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ35から燃料が供給され、コモンレール34内に供給された燃料は各燃料供給管33を介して燃料噴射弁6に供給される。コモンレール34にはコモンレール34内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ36が取付けられ、燃料圧センサ36の出力信号に基づいてコモンレール34内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ35の吐出量が制御される。
【0021】
電子制御ユニット40はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス41によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)42、RAM(ランダムアクセスメモリ)43、CPU(マイクロプロセッサ)44、入力ポート45および出力ポート46を具備する。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にはサージタンク12内の絶対圧を検出するための圧力センサ61と、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62が配置され、これら圧力センサ61と温度センサ62の出力信号は夫々対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。
【0022】
一方、スロットル弁20上流の空気吸込管17内には吸入空気の湿度を検出するための湿度センサ63が配置され、この湿度センサ63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。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51が接続され、負荷センサ51の出力電圧は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。また、入力ポート45にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ52が接続される。一方、出力ポート46は対応する駆動回路48を介して燃料噴射弁6、スロットル弁制御用ステップモータ19、EGR制御弁制御用ステップモータ30および燃料ポンプ35に接続される。
【0023】
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,NO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NO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。
【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NOの発生量がかなり低下する。NO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上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NO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NO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、NOの発生量が低下する。このときNO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、CO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NO発生量は10p.p.m 前後、又はそれ以下であり、従ってNO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】
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。
【0042】
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。
【0043】
なお、この場合、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、スロットル弁20が若干閉弁せしめられる。
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NO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NOの発生量を10p.p.m 前後又はそれ以下にすることができる。
【0044】
即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くして煤が生成されることがない。また、このときNO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、NOも極めて少量しか発生しない。
【0045】
このように、低温燃焼が行われているときには空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろうと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーンであろうと煤が発生されず、NOの発生量が極めて少量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこのとき平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
【0046】
ところで燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制しうるのは燃焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限られる。従って本発明による実施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。
【0047】
次に図7(A)および(B)を参照しつつ第1の燃焼、即ち低温燃焼を行いうる機関の運転領域について説明する。なお、図7(A)および(B)において縦軸TQは要求トルクを示しており、横軸Nは機関回転数を示している。
まず初めに図17(B)を参照すると、図17(B)には空燃比がほぼ理論空燃比又はリーンのもとで低温燃焼を行うことのできる第1の運転領域Iと、空燃比がほぼ理論空燃比又はリーンのもとでは低温燃焼を行うことができず、従来より行われている燃焼を行わざるを得ない第2の運転領域IIとが示されている。
【0048】
なお、図7(B)においてX(N)は空燃比がほぼ理論空燃比又はリーンのもとで低温燃焼を行うことのできる第1の運転領域Iと、空燃比がほぼ理論空燃比又はリーンのもとでは従来より行われている燃焼を行わざるを得ない第2の運転領域IIとの第1の境界を示しており、Y(N)はこれら第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。
【0049】
即ち、本発明による実施例では機関の運転状態が図7(B)に示す第1の運転領域Iにあるときには低温燃焼が行われる。このとき要求トルクTQ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。次いで要求トルクTQ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。
このように第1の境界X(N)と第1の境界X(N)よりも低トルク側の第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の高トルク側では比較的燃焼温度が高く、このとき要求トルクTQ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、要求トルクTQ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。
【0050】
一方、図7(A)には図7(B)に示される第1の境界X(N)に加え、空燃比がかなりリッチにされたとき、例えば空燃比がほぼ13.5よりも小さくされたときに良好な低温燃焼を行うことのできる第1の運転領域Zと、この第1の運転領域Zの高負荷側限界Z1(N)および低負荷側限界Z2(N)が示されている。図7(A)からわかるようにこれら限界Z1(N)およびZ2(N)は機関回転数Nの関数である。
【0051】
図7(B)からわかるように空燃比がほぼ理論空燃比又はリーンのときに低温燃焼を行うことのできる第1の運転領域Iには低負荷側の限界が存在しない。これに対して空燃比がかなりリッチのときに低温燃焼しうる第1の運転領域Zの低負荷側限界Z2(N)は要求トルクTQが負のところで表われる。従って空燃比が小さくなるほど低温燃焼しうる第1の運転領域の低負荷側限界が高負荷側に移動することがわかる。
【0052】
また、図7(A)に示されるように空燃比がかなりリッチのときに低温燃焼を行うことのできる第1の運転領域Zの高負荷側限界Z1(N)は、空燃比がほぼ理論空燃比又はリーンのときに低温燃焼しうる第1の運転領域Iの高負荷側限界X(N)よりも高負荷側となる。従って空燃比が小さくなるほど低温燃焼しうる第1の運転領域は高負荷側に移動することがわかる。
【0053】
即ち、前述したように空燃比がリッチであろうとリーンであろうと低温燃焼を行うことができる。しかしながら燃料噴射量が極度に少ないときには空燃比をかなりリッチにすると失火を生じ、斯くして良好な低温燃焼が行われなくなる。即ち、燃料噴射量が極度に少ないときであっても空燃比がリーンであれば燃料粒子周りに十分な空気が存在するために燃料が活発に燃焼せしめられる。これに対し、空燃比がかなりリッチにされると燃料粒子周りに十分な空気が存在しないために燃料粒子の燃焼はあまり活発に行われない。このとき、燃料噴射量が極度に少ないと燃焼温および燃焼圧が十分に上昇せず、斯くして失火を生ずることになる。
【0054】
図7(A)において要求トルクTQが負の領域は減速運転時を示しており、このとき燃料噴射量は極めて少なくなる。従って要求トルクTQが負の領域において第1の運転領域Zの低負荷側限界Z2(N)が現われることになる。
一方、第1の境界X(N)付近において低温燃焼が行われているときに空燃比がリッチにされると燃料増量分だけトルクが増大し、従ってZ1(N)はX(N)に比べて高負荷側となる。
【0055】
ところで機関の運転状態が第1の運転領域I又はZ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る。
【0056】
触媒25としては酸化触媒、三元触媒、又はNO吸収剤を用いることができる。NO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NO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NOを放出する機能を有する。
このNO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。
【0057】
酸化触媒はもとより、三元触媒およびNO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NO吸収剤を触媒25として用いることができる。
次に図8を参照しつつ空燃比がほぼ理論空燃比又はリーンのもとで低温燃焼を行うようにした場合の第1の運転領域Iおよび第2の運転領域IIにおける運転制御について概略的に説明する。
【0058】
図8は要求トルクTQ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8に示されるように要求トルクTQ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。
【0059】
言い換えると第1の運転領域IではEGR率がほぼ70パーセントとなり、空燃比がわずかばかりリーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁20の開度およびEGR制御弁31の開度が制御される。なお、第1の運転領域Iでは圧縮上死点TDC前に燃料噴射が行われる。この場合、噴射開始時期θSは要求負荷Lが高くなるにつれて遅くなり、噴射完了時期θEも噴射開始時期θSが遅くなるにつれて遅くなる。
【0060】
なお、アイドリング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。
【0061】
一方、機関の運転領域が第1の運転領域Iから第2の運転領域IIに変わるとスロットル弁20の開度が2/3開度程度から全開方向へステップ状に増大せしめられる。このとき図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。
【0062】
第2の運転領域IIでは第2の燃焼、即ち従来から行われている燃焼が行われる。この燃焼方法では煤およびNOが若干発生するが低温燃焼に比べて熱効率は高く、従って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に変わると図8に示されるように噴射量がステップ状に低減せしめられる。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の開度は要求トルクTQ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率は要求トルクTQが高くなるほど低くなり、空燃比は要求トルクTQが高くなるほど小さくなる。ただし、空燃比は要求トルクTQが高くなってもリーン空燃比とされる。また、第2の運転領域IIでは噴射開始時期θSは圧縮上死点TDC付近とされる。
【0063】
図9(A)は要求トルクTQと、アクセルペダル50の踏込み量Lと、機関回転数Nとの関係を示している。なお、図9(A)において各曲線は等トルク曲線を表しており、TQ=0で示される曲線はトルクが零であることを示しており、残りの曲線はTQ=a,TQ=b,TQ=c,TQ=dの順に次第に要求トルクが高くなる。また、TQ=−f,TQ=−gは要求トルクが負の場合、即ち減速運転時を示しており、この場合TQ=−gのほうがTQ=−fよりも要求トルクが小さい。図9(A)に示される要求トルクTQは図9(B)に示されるようにアクセルペダル50の踏込み量Lと機関回転数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。本発明による実施例では図9(B)に示すマップからアクセルペダル50の踏込み量Lおよび機関回転数Nに応じた要求トルクTQがまず初めに算出され、この要求トルクTQに基づいて目標空燃比等が算出される。
【0064】
ところで低温燃焼しうる第1の運転領域Iの高負荷側限界は圧縮始めにおける燃焼室5内のガス温やシリンダ内壁面温度等に応じて変化する。即ち、要求トルクTQが高くなって燃焼による発熱量が増大すると、燃焼時における燃料およびその周囲のガス温が高くなり、斯くして低温燃焼を行うことができなくなる。一方、圧縮始めの燃焼室5内のガス温TGが低くなると燃焼が開始される直前の燃焼室5内のガス温が低くなるので燃焼時における燃料およびその周囲のガス温が低くなる。従って圧縮始めの燃焼室5内のガス温TGが低くなれば燃焼による発熱量が増大しても、即ち要求トルクTQが高くなっても燃焼時における燃料およびその周囲のガス温は高くならず、斯くして低温燃焼が行われることになる。云い換えると圧縮始めの燃焼室5内のガス温TGが低くなればなるほど低温燃焼しうる第1の運転領域Iが高負荷側に拡大することになる。
【0065】
また、シリンダ内壁面温度TWと圧縮始めの燃焼室5内のガス温TGとの温度差(TW−TG)が小さいほど圧縮行程中にシリンダ内壁面を介して逃げる熱量が増大する。従ってこの温度差(TW−TG)が小さくなるほど圧縮工程中における燃焼室5内のガスの温度上昇量が少なくなり、斯くして燃焼時における燃料およびその周囲のガス温が低くなる。従って温度差(TW−TG)が小さいほど低温燃焼しうる第1の運転領域Iが高負荷側に拡大することになる。
【0066】
一方、吸気通路内、例えばサージタンク12内の圧力が低くなるほど燃焼室5内における圧縮圧力が低くなり、斯くして燃焼時における燃料およびその周囲のガス温が低くなる。従ってサージタンク12内の圧力が低くなるほど低温燃焼しうる第1の運転領域Iが高負荷側に拡大することになる。また、吸入空気中の湿度が高くなるほど吸入空気中に含まれる水分による吸熱量が大きくなり、斯くして燃焼時における燃料およびその周囲のガス温が低くなる。従って吸入空気中の湿度が高くなるほど低温燃焼しうる第1の運転領域Iが高負荷側に拡大することになる。
【0067】
本発明による実施例では圧縮始めにおける燃焼室5内のガス温TGが低くなると図10に示されるように第1の境界がXo (N)からX(N)に移動せしめられ、温度差(TW−TG)が小さくなると図10に示されるように第1の境界がXo (N)からX(N)に移動せしめられる。更に、本発明による実施例ではサージタンク12内の圧力PMが低くなると図10に示されるように第1の境界がXo (N)からX(N)に移動せしめられ、吸入空気中の湿度DFが高くなると図10に示されるように第1の境界がXo (N)からX(N)に移動せしめられる。なお、ここでXo (N)は基準となる第1の境界を示している。基準となる第1の境界Xo (N)は機関回転数Nの関数であり、X(N)はこのXo (N)を用いて次式に基づいて算出される。
【0068】
X(N)=Xo (N)+C1・K(T)・K(N)
K(T)=K(T)+K(T)+K(T)+K(T)
ここでC1は定数、K(T)は図11(A)に示されるように圧縮始めにおける燃焼室5内のガス温TGの関数であり、このK(T)の値は圧縮始めにおける燃焼室5内のガス温TGが低くなるほど大きくなる。また、K(T)は図11(B)に示されるように温度差(TW−TG)の関数であり、このK(T)の値は温度差(TW−TG)が小さくなるほど大きくなる。また、K(T)は図11(C)に示されるようにサージタンク12内の圧力PMの関数であり、このK(T)の値はサージタンク12内の圧力PMが低くなるほど大きくなる。また、K(T)は図11(D)に示されるように湿度DFの関数であり、このK(T)の値は湿度DFが高くなるほど大きくなる。なお、図11(A)から図11(D)においてTは基準温度、Tは基準温度差、PMは基準圧力、DFは基準湿度であり、TG=T、(TW−TG)=T、PM=PMかつDF=DFのときに第1の境界が図10のXo (N)となる。
【0069】
一方、K(N)は図11(E)に示されるように機関回転数Nの関数であり、K(N)の値は機関回転数Nが高くなるほど小さくなる。即ち、圧縮始めにおける燃焼室5内のガス温TGが基準温度Tよりも低くなると圧縮始めにおける燃焼室5内のガス温TGが低くなるほど第1の境界X(N)はXo (N)に対して高負荷側に移動し、温度差(TW−TG)が基準温度差Tよりも低くなると温度差(TW−TG)が小さくなるほど第1の境界X(N)はXo (N)に対して高負荷側に移動する。また、サージタンク12内の圧力PMが基準圧力PMよりも低くなるとサージタンク12内の圧力PMが低くなるほど第1の境界X(N)はXo (N)に対して高負荷側に移動し、湿度DFが基準湿度DFよりも大きくなると湿度DFが高くなるほど第1の境界X(N)はXo (N)に対して高負荷側に移動する。また、Xo (N)に対するX(N)の移動量は機関回転数Nが高くなるほど少なくなる。
【0070】
図12(A)は第1の境界が基準となる第1の境界Xo (N)であるときの第1の運転領域Iにおける空燃比A/Fを示している。図12(A)において、A/F=15,A/F=16,A/F=17,A/F=18で示される各曲線は夫々空燃比が15,16,17,18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12(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が低くなるほど空燃比A/Fがリーンとされる。
【0071】
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12(A)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例では要求負荷Lが低くなるにつれて空燃比A/Fが大きくされる。
【0072】
図12(B)は第1の境界が図10に示されるX(N)のときの第1の運転領域Iにおける空燃比A/Fを示している。図12(A)および(B)を比較するとわかるように第1の境界X(N)がXo (N)に対して高負荷側に移動するとそれに追従して各空燃比を示すA/F=15,A/F=16,A/F=17,A/F=18の曲線も高負荷側に移動する。従って第1の境界X(N)がXo (N)に対して高負荷側に移動すると同一要求負荷Lおよび同一機関回転数Nにおける空燃比A/Fが大きくなることがわかる。即ち、第1の運転領域Iが高負荷側に拡大せしめられると煤およびNOのほとんど発生しない運転領域が拡大されるばかりでなく、燃料消費率が向上せしめられることになる。
【0073】
本発明による実施例では第1の境界X(N)が種々に変化したときの第1の運転領域Iにおける目標空燃比、即ち種々のK(T)の値に対する第1の運転領域Iにおける目標空燃比が図13(A)から図13(D)に示されるように要求トルクTQ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。即ち、図13(A)はK(T)の値がKT1のときの目標空燃比AFKT1を示しており、図13(B)はK(T)の値がKT2のときの目標空燃比AFKT2を示しており、図13(C)はK(T)の値がKT3のときの目標空燃比AFKT3を示しており、図13(D)はK(T)の値がKT4のときの目標空燃比AFKT4を示している。
【0074】
一方、空燃比を目標空燃比とするのに必要なスロットル弁20の目標開度が図14(A)から図14(D)に示されるように要求トルクTQ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、また空燃比を目標空燃比とするのに必要なEGR制御弁31の目標開度が図15(A)から図15(D)に示されるように要求トルクTQ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。
【0075】
即ち、図14(A)は空燃比が15のときのスロットル弁20の目標開度ST15を示しており、図15(A)は空燃比が15のときのEGR制御弁31の目標開度SE15を示している。
また、図14(B)は空燃比が16のときのスロットル弁20の目標開度ST16を示しており、図15(B)は空燃比が16のときのEGR制御弁31の目標開度SE16を示している。
【0076】
また、図14(C)は空燃比が17のときのスロットル弁20の目標開度ST17を示しており、図15(B)は空燃比が17のときのEGR制御弁31の目標開度SE17を示している。
また、図14(D)は空燃比が18のときのスロットル弁20の目標開度ST18を示しており、図15(B)は空燃比が18のときのEGR制御弁31の目標開度SE18を示している。
【0077】
図16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。空燃比をこの目標空燃比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トルクTQ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31の目標開度SEが図17(B)に示されるように要求トルクTQ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。
【0078】
一方、空燃比がかなりリッチであるときに低温燃焼しうる第1の運転領域Zも圧縮始めにおける燃焼室5内のガス温TG、シリンダ内壁面温度TWとガス温TGとの温度差(TW−TG)、サージタンク12内の圧力PMおよび吸入空気中の湿度DFにより変化する。この場合、この第1の運転領域Zも前述した第1の運転領域Iと同様に燃焼時における燃料およびその周囲のガス温度が低くなるほど高負荷側に移動せしめられる。
【0079】
即ち、図18においてZo を基準となる第1の運転領域とし、Z1o (N)を基準となる高負荷側限界とし、Z2o (N)を基準となる低負荷側限界とするとこれら基準のときに比べて燃焼時における燃料およびその周囲のガス温度が低くなるときには高負荷側限界Z1(N)および低負荷側限界Z2(N)が共に高負荷側に移動せしめられ、従って第1の運転領域Zも高負荷側に移動せしめられる。
【0080】
このときの高負荷側限界Z1 (N)および低負荷側限界Z2(N)も図11に示される各値K(T),K(T),K(T),K(T),K(N)を用いて次式から算出される。
Z1(N)=Z1o (N)+C2・K(T)・K(N)
Z2(N)=Z2o (N)+C3・K(T)・K(N)
K(T)=K(T)+K(T)+K(T)+K(T)
ここでC2,C3は定数である。
【0081】
従って、圧縮始めにおける燃焼室5内のガス温TGが基準温度T(図11)よりも低くなると圧縮始めにおける燃焼室5内のガス温TGが低くなるほどZ1(N)およびZ2(N)は夫々Z1o (N)およびZ2o (N)に対して高負荷側に移動し、温度差(TW−TG)が基準温度差T(図11)よりも低くなると温度差(TW−TG)が小さくなるほどZ1(N)およびZ2(N)は夫々Z1o (N)およびZ2o (N)に対して高負荷側に移動する。また、サージタンク12内の圧力PMが基準圧力PM(図11)よりも低くなるとサージタンク12内の圧力PMが低くなるほどZ1(N)およびZ2(N)は夫々Z1o (N)およびZ2o (N)に対して高負荷側に移動し、湿度DFが基準湿度DF(図11)よりも大きくなると湿度DFが高くなるほどZ1(N)およびZ2(N)は夫々Z1o (N)およびZ2o (N)に対して高負荷側に移動する。
【0082】
前述したように触媒25としては酸化触媒、三元触媒又はNO吸収剤を用いることができるが、以下触媒25としてNO吸収剤を用いた場合について説明する。
機関吸気通路、燃焼室5およびNO吸収剤25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NO吸収剤25への流入排気ガスの空燃比と称するとこのNO吸収剤25は流入排気ガスの空燃比がリーンのときにはNO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NOを放出するNOの吸放出作用を行う。
【0083】
このNO吸収剤25を機関排気通路内に配置すればNO吸収剤25は実際にNO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19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。
【0084】
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19(A)に示されるようにこれら酸素OがO 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O 又はO2−と反応し、NOとなる(2NO+O→2NO)。次いで生成されたNO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19(A)に示されるように硝酸イオンNO の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてNOがNO吸収剤25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NOが生成され、吸収剤のNO吸収能力が飽和しない限りNOが吸収剤内に吸収されて硝酸イオンNO が生成される。
【0085】
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NOの生成量が低下する。NOの生成量が低下すると反応が逆方向(NO →NO)に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンNO がNOの形で吸収剤から放出される。このときNO吸収剤25から放出されたNOは図19(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NOが存在しなくなると吸収剤から次から次へとNO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NO吸収剤25からNOが放出され、しかもこの放出されたNOが還元されるために大気中にNOが排出されることはない。
【0086】
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NO吸収剤25からNO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NO吸収剤25からNOが徐々にしか放出されないためにNO吸収剤25に吸収されている全NOを放出させるには若干長い時間を要する。
【0087】
ところでNO吸収剤25のNO吸収能力には限度があり、NO吸収剤25のNO吸収能力が飽和する前にNO吸収剤25からNOを放出させる必要がある。そのためにはNO吸収剤25に吸収されているNO量を推定する必要がある。そこで本発明による実施例では第1の燃焼が行われているときの単位時間当りのNO吸収量Aを要求トルクTQおよび機関回転数Nの関数として図20(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NO吸収量Bを要求トルクTQおよび機関回転数Nの関数として図20(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NO吸収量A,Bを積算することによってNO吸収剤25に吸収されているNO量ΣNOXを推定するようにしている。
【0088】
本発明による実施例ではこのNO吸収量ΣNOXが予め定められた許容最大値を越えたときにNO吸収剤25からNOを放出させるようにしている。次にこのことについて図21を参照しつつ説明する。
図21を参照すると本発明による実施例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NO吸収剤25が吸収しうる最大NO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NO吸収剤25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の燃焼が行われているときにNO吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたときにはNO吸収剤25からNO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NO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、例えば減速運転時にNO吸収剤25からNO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NO吸収量ΣNOXが許容最大値MAX2を越えたときにはNO吸収剤25からNO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。
【0089】
即ち、図21において期間Xは要求トルクTQ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NOの発生量が極めて少く、従ってこのときには図21に示されるようにNO吸収量ΣNOXは極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NO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NO吸収剤25からNOが放出される。このときNO吸収量ΣNOXは零とされる。
【0090】
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NO吸収剤25からNO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tにおいて要求トルクTQ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21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NO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NO量ΣNOXは比較的急速に上昇する。
【0091】
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21に示されるように第2の燃焼が行われているときにNO吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたとしてもNO吸収剤25からNOを放出すべく空燃比A/Fがリッチとされない。この場合には要求トルクTQ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後にNO吸収剤25からNOを放出すべく空燃比A/Fが一時的にリッチにされる。
【0092】
ところで図21の時刻tは減速運転が行われ、それによって第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられた場合を示している。減速運転が行われると要求トルクTQが負となり、その結果図18からわかるように第1の運転領域Zの低負荷側限界Z2(N)の位置によって空燃比をリッチにしうる場合と、空燃比をリッチにしえない場合とがある。
【0093】
そこで本発明による実施例では空燃比をリッチにすべきときには機関の運転状態が第1の運転領域Z内にあるか否かを判断し、機関の運転状態が第1の運転領域Z内にあるときには図21の時刻tに示されるように第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときにNO吸収剤25からNOを放出すべく空燃比A/Fが一時的にリッチにされる。
【0094】
次いで図21の時刻t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NO吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越え、次いで時刻tにおいて許容最大値MAX2を越えたとするとこのときにはNO吸収剤25からNO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、NO吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比がリッチとされる。
【0095】
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NO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、NO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。
【0096】
図22はNO吸収剤25からNOを放出すべきときにセットされるNO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。
図22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20(A)に示すマップから単位時間当りのNO吸収量Aが算出される。次いでステップ102ではNO吸収量ΣNOXにAが加算される。次いでステップ103ではNO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NOを放出すべきことを示すNO放出フラグ1がセットされる。
【0097】
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106に進んで図20(B)に示すマップから単位時間当りのNO吸収量Bが算出される。次いでステップ107ではNO吸収量ΣNOXがBに加算される。次いでステップ108ではNO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109に進み、第1の燃焼が行われているときにNOを放出すべきことを示すNO放出フラグ1がセットされる。
【0098】
一方、ステップ110では、NO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111に進み、膨張行程の後半又は排気行程中にNOを放出すべきことを示すNO放出フラグ2がセットされる。
図23は低温燃焼領域、即ち第1の運転領域IおよびZを制御するためのルーチンを示している。
【0099】
図23を参照すると、まず初めにステップ200において圧縮始めにおける燃焼室5内のガス温TG、シリンダ内壁面温度TW、サージタンク12内の圧力PMおよび吸入空気中の湿度DFが算出される。この実施例では温度センサ62により検出された吸入空気とEGRガスの混合ガス温が圧縮始めにおける燃焼室5内のガス温TGとされ、温度センサ60により検出された機関冷却水温がシリンダ内壁面温度TWとされる。また、サージタンク12内の圧力PMは圧力センサ61により検出され、湿度DFは湿度センサ63により検出される。次いでステップ201では図11(A)から図11(D)に示す関係からK(T),K(T),K(T),K(T)が求められ、これらK(T)からK(T)を加算することによってK(T)(=K(T)+K(T)+K(T)+K(T))が算出される。
【0100】
次いでステップ202では機関回転数Nに基づいて図11(E)に示す関係からK(N)が算出される。次いでステップ203では予め記憶されている第1の境界Xo (N)の値を用いて次式に基づき第1の境界X(N)の値が算出される。
X(N)=Xo (N)+C1・K(T)・K(N)
次いでステップ204では機関回転数Nに応じて変化するX(N)とY(N)との差ΔL(N)が算出される。次いでステップ205ではX(N)からΔL(N)を減算することによって第2の境界Y(N)の値(=X(N)−ΔL(N))が算出される。次いでステップ206では予め記憶されている高負荷側限界Z1o (N)の値を用いて次式から高負荷側限界Z1(N)が算出される。
【0101】
Z1(N)=Z1o (N)+C2・K(T)・K(N)
次いでステップ207では予め記憶されている低負荷側限界Z2o (N)の値を用いて次式から低負荷側限界Z2(N)が算出される。
Z2(N)=Z2o (N)+C3・K(T)・K(N)
次に図24を参照しつつ運転制御について説明する。
【0102】
図24を参照すると、まず初めにステップ300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301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303に進んで低温燃焼が行われる。
即ち、ステップ303では図14(A)から図14(D)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304では図15(A)から図15(D)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305ではNO放出フラグ1がセットされているか否かが判別される。NO放出フラグ1がセットされていないときにはステップ307に進んで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。
【0103】
一方、ステップ305においてNO放出フラグ1がセットされていると判別されたときにはステップ306に進んで機関の運転状態が第1の運転領域Zであるか否かが判別される。機関の運転状態が第1の運転領域Zでないときにはステップ307に進み、リーン空燃比のもとで低温燃焼が行われる。これに対し、機関の運転状態が第1の運転領域Zであるときにはステップ308に進み、予め定められた期間空燃比がリッチとされる。この間にNO吸収剤25からNOが放出される。次いでNO放出フラグ1がリセットされ、ΣNOXがクリアされる。
【0104】
一方、ステップ301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302に進んでフラグIがリセットされ、次いでステップ311に進んで第2の燃焼が行われる。
即ち、ステップ311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。次いでステップ312では図17(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313ではNO放出フラグ2がセットされているか否かが判別される。NO放出フラグ2がセットされていないときにはステップ314に進んで図16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。
【0105】
一方、ステップ313においてNO放出フラグ2がセットされていると判別されたときにはステップ315に進んで予め定められた期間、膨張行程後半又は排気行程中に追加の燃料が噴射される。このときNO吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなり、この間にNO吸収剤25からNOが放出される。次いでNO放出フラグ1および2がリセットされ、ΣNOXがクリアされる。
【0106】
【発明の効果】
空燃比に応じ低温燃焼しうる領域を変えることによって空燃比に応じた安定した低温燃焼を確保することができる。
【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NO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,Z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】要求トルクを示す図である。
【図10】第1の境界Z(N)を示す図である。
【図11】K(T)からK(T)およびK(N)を示す図である。
【図12】第1の運転領域Iにおける目標空燃比を示す図である。
【図13】目標空燃比のマップを示す図である。
【図14】スロットル弁の目標開度のマップを示す図である。
【図15】EGR制御弁の目標開度のマップを示す図である。
【図16】第2の燃焼における空燃比を示す図である。
【図17】スロットル弁等の目標開度を示す図である。
【図18】第1の運転領域Zを示す図である。
【図19】NOの放出作用を説明するための図である。
【図20】単位時間当りのNO吸収量のマップを示す図である。
【図21】NO放出制御を説明するための図である。
【図22】NO放出フラグを処理するためのフローチャートである。
【図23】低温燃焼領域を制御するためのフローチャートである。
【図24】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】
6…燃料噴射弁
20…スロットル弁
31…EGR制御弁
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in an internal combustion engine, for example, a diesel engine, NOxThe engine exhaust passage and the engine intake passage are connected by an exhaust gas recirculation (hereinafter, referred to as EGR) passage in order to suppress the generation of the exhaust gas, that is, the exhaust gas, that is, the EGR gas is introduced into the engine intake passage through the EGR passage. I try to recirculate. In this case, the EGR gas has a relatively high specific heat and can absorb a large amount of heat. Therefore, as the EGR gas amount increases, the EGR rate (EGR gas amount / (EGR gas amount + intake air amount)) Increases, the combustion temperature in the combustion chamber decreases. NO when combustion temperature dropsxThe more the EGR rate increases, the lower the NOxWill decrease.
[0003]
If the EGR rate is increased as compared with the conventional case, NOxIt has been known that the amount of generation of phenol can be reduced. However, when the EGR rate is increased, when the EGR rate exceeds a certain limit, the amount of generated soot, that is, smoke starts to increase rapidly. In this regard, it has been conventionally considered that if the EGR rate is further increased, the smoke will increase infinitely. Therefore, the EGR rate at which the smoke starts to increase rapidly is considered to be the maximum allowable limit of the EGR rate. Has been.
[0004]
Therefore, conventionally, the EGR rate is set within a range not exceeding the maximum allowable limit. The maximum allowable EGR rate varies substantially depending on the type of engine and fuel, but is approximately 30 to 50%. Therefore, in the conventional diesel engine, the EGR rate is suppressed to about 30% to 50% at the maximum.
[0005]
As described above, conventionally, it has been considered that the maximum allowable limit exists for the EGR rate. Therefore, the EGR rate is conventionally set to a value within the range not exceeding the maximum allowable limit.xAnd the amount of smoke generated was determined to be as small as possible. However, in this way, the EGR rate is set to NO.xNO even if the amount of smoke generated is minimizedxAnd the reduction in the amount of smoke generated is limited, and in practice, a considerable amount of NOxAt present, smoke is generated.
[0006]
However, if the EGR rate is made larger than the maximum permissible limit in the course of research on the combustion of a diesel engine, the smoke rapidly increases as described above. However, a peak exists in the amount of generated smoke. When the EGR rate is further increased, the smoke starts to decrease rapidly, and when the EGR rate is increased to 70% or more during idling operation, and when the EGR rate is increased to about 55% or more when the EGR gas is cooled strongly, the smoke is almost completely reduced. It was found that it was zero, ie, little soot was generated. In this case, NOxIt has also been found that the amount of generation is extremely small. After that, based on this finding, the reason why soot was not generated was examined, and as a result, soot and NOxThis has led to the construction of a new combustion system that can simultaneously reduce the combustion. This new combustion system will be described in detail later, but in short, it is basically based on stopping the growth of hydrocarbons in the middle of the process until the hydrocarbons grow into soot.
[0007]
That is, as a result of repeated experimental research, it has been found that when the temperature of the fuel during combustion in the combustion chamber and the gas temperature around it are below a certain temperature, the growth of hydrocarbons stops at a stage before reaching soot, and the fuel When the temperature of the gas surrounding the gas exceeds a certain temperature, hydrocarbons grow to soot at a stretch. In this case, the temperature of the fuel and the surrounding gas is greatly affected by the heat absorbing action of the gas around the fuel when the fuel is burned, and the amount of heat absorbed by the gas around the fuel is adjusted according to the calorific value at the time of burning the fuel. As a result, the temperature of the fuel and the surrounding gas can be controlled.
[0008]
Therefore, if the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber is suppressed to a temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway, soot will not be generated, and the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber will be reduced. Can be suppressed below the temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway, by adjusting the amount of heat absorbed by the gas around the fuel. On the other hand, hydrocarbons whose growth has stopped halfway before reaching soot can be easily purified by post-treatment using an oxidation catalyst or the like. This is the basic idea of a new combustion system. An internal combustion engine employing the new combustion system has already been filed by the present applicant (Japanese Patent Application No. 9-305850).
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in this new combustion system, the EGR rate needs to be about 55% or more, and the EGR rate can be made about 55% or more when the intake air amount is relatively small. That is, if the amount of intake air exceeds a certain amount, this new combustion cannot be performed. Therefore, if the amount of intake air exceeds a certain amount, the combustion is switched to the conventionally performed combustion. In this case, NO under new combustionxIt is preferable that new combustion is performed in a wide operating range as much as possible.
[0010]
By the way, under the new combustion, when the air-fuel ratio increases, that is, when the amount of air around the fuel increases, the combustion becomes active, and as a result, the combustion temperature increases. On the other hand, when the air-fuel ratio is reduced, that is, when the amount of air around the fuel decreases, the combustion becomes inactive, and as a result, the combustion temperature decreases. Therefore, even if the fuel injection amount increases as the air-fuel ratio decreases, NOxIn addition, new combustion without generation of soot can be performed. In other words, as the air-fuel ratio decreases, the operating range in which new combustion can be performed can be expanded to the higher load side.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in the first invention, when the amount of inert gas in the combustion chamber increases, the amount of soot generated gradually increases and reaches a peak, and when the amount of inert gas in the combustion chamber further increases, the amount of soot in the combustion chamber increases. In an internal combustion engine in which the temperature of the fuel during combustion and its surrounding gas is lower than the soot generation temperature and soot is hardly generated, the amount of inert gas in the combustion chamber is smaller than the amount of inert gas at which the amount of soot is peaked. Switching means for selectively switching between first combustion in which the amount of soot is hardly generated and second combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber is smaller than the amount of inert gas in which the amount of generated soot is peaked; The engine operating region is divided into a first operating region on the low load side where the first combustion can be performed and a second operating region on the high load side where the second combustion is performed, and the air-fuel ratio is small. As the first operating area becomes higher, It is caused to dynamic.
[0012]
According to a second aspect, in the first aspect, as the air-fuel ratio decreases, the high load limit and the low load limit of the first operation range are shifted to the high load side.
In a third aspect based on the second aspect, the low load side limit of the first operation region does not exist when the air-fuel ratio is lean, and the low load side limit of the first operation region when the air-fuel ratio is rich. Appears.
[0013]
According to a fourth aspect, in the first aspect, a control means for controlling the first operation area is provided, and the control means controls the first operation area in accordance with the target air-fuel ratio.
In a fifth aspect based on the first aspect, the first operating region is shifted to a higher load side as the temperature of the fuel and the surrounding gas during the first combustion decreases.
[0014]
In a sixth aspect based on the fifth aspect, when the first combustion is performed under a rich air-fuel ratio, as the temperature of the fuel during combustion and the gas around it decrease, the first operating range increases. The load side limit and the low load side limit are moved to the high load side.
According to a seventh aspect, in the fifth aspect, there is provided a control means for controlling the first operation range based on a value of a parameter which changes the temperature of the fuel and the surrounding gas during the first combustion. The means moves the first operation range to the higher load side when it is determined from the parameter values that the temperature of the fuel and the surrounding gas during the first combustion decreases.
[0015]
In an eighth aspect based on the seventh aspect, the parameters comprise at least one of a temperature of the gas flowing into the combustion chamber, a temperature of the engine cooling water, a pressure in the engine intake passage, and a humidity of the intake air.
In a ninth aspect based on the first aspect, there is provided an exhaust gas recirculation device for recirculating exhaust gas discharged from the combustion chamber into the engine intake passage, wherein the inert gas comprises recirculated exhaust gas.
[0016]
In a tenth aspect based on the ninth aspect, the exhaust gas recirculation rate during the first combustion is approximately 55% or more.
In an eleventh aspect based on the first aspect, a catalyst having an oxidation function is disposed in the engine exhaust passage.
In a twelfth aspect based on the eleventh aspect, the catalyst comprises an oxidation catalyst or a three-way catalyst.
[0017]
In a thirteenth aspect based on the eleventh aspect, in the eleventh aspect, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, the catalyst includes NO contained in the exhaust gas.xAnd the NO absorbed when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas becomes stoichiometric or rich.xReleases NOxConsists of an absorbent.
According to a fourteenth aspect, in the thirteenth aspect, when the operating state of the engine is in the first operating range when the air-fuel ratio is rich, NOxNO from absorbentxThe air-fuel ratio is made rich to release.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT 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 Denotes an exhaust valve, and 10 denotes an exhaust port. The intake port 8 is connected to a surge tank 12 via a corresponding intake branch 11, and the surge tank 12 is connected to a supercharger, for example, an outlet of a compressor 16 of an exhaust turbocharger 15 via an intake duct 13 and an intercooler 14. Be linked. An inlet of the compressor 16 is connected to an air cleaner 18 via an air suction pipe 17, and a throttle valve 20 driven by a step motor 19 is arranged in the air suction pipe 17.
[0019]
On the other hand, the exhaust port 10 is connected to an inlet of an exhaust turbine 23 of the exhaust turbocharger 15 via an exhaust manifold 21 and an exhaust pipe 22, and an outlet of the exhaust turbine 23 is connected to a catalyst 25 having an oxidation function through an exhaust pipe 24. Is connected to a catalytic converter 26 having a built-in.
The exhaust pipe 28 connected to the outlet of the catalytic converter 26 and the air suction pipe 17 downstream of the throttle valve 20 are connected to each other via an EGR passage 29, and EGR control driven by a step motor 30 is provided in the EGR passage 29. A valve 31 is arranged. In the EGR passage 29, an intercooler 32 for cooling the EGR gas flowing in the EGR passage 29 is arranged. In the embodiment shown in FIG. 1, the engine cooling water is guided into the intercooler 32, and the engine cooling water cools the EGR gas.
[0020]
On the other hand, the fuel injection valve 6 is connected via a fuel supply pipe 33 to a fuel reservoir, a so-called common rail 34. Fuel is supplied into the common rail 34 from an electric control type variable discharge fuel pump 35, and the fuel supplied into the common rail 34 is supplied to the fuel injection valve 6 through each fuel supply pipe 33. A fuel pressure sensor 36 for detecting the fuel pressure in the common rail 34 is attached to the common rail 34, and the fuel pump 35 is controlled so that the fuel pressure in the common rail 34 becomes the target fuel pressure based on the output signal of the fuel pressure sensor 36. Is controlled.
[0021]
The electronic control unit 40 is composed of a digital computer, and is connected to each other by a bidirectional bus 41 such as a ROM (Read Only Memory) 42, a RAM (Random Access Memory) 43, a CPU (Microprocessor) 44, an input port 45 and an output port 46. Is provided. A water temperature sensor 60 for detecting an engine cooling water temperature is disposed in the engine body 1, and an output signal of the water temperature sensor 60 is input to an input port 45 via a corresponding AD converter 47. A pressure sensor 61 for detecting an absolute pressure in the surge tank 12 and a temperature sensor 62 for detecting a temperature of a mixed gas of the intake air and the EGR gas are arranged in the surge tank 12. The output signal of the sensor 62 is input to the input port 45 via the corresponding AD converter 47.
[0022]
On the other hand, a humidity sensor 63 for detecting the humidity of the intake air is disposed in the air suction pipe 17 upstream of the throttle valve 20, and an output signal of the humidity sensor 63 is supplied to an input port 45 via a corresponding AD converter 47. Is input to The output signal of the fuel pressure sensor 36 is also input to the input port 45 via the corresponding AD converter 47. A load sensor 51 that generates an output voltage proportional to the depression amount L of the accelerator pedal 50 is connected to the accelerator pedal 50, and the output voltage of the load sensor 51 is input to the input port 45 via the corresponding AD converter 47. . The input port 45 is connected to a crank angle sensor 52 that generates an output pulse every time the crankshaft rotates, for example, by 30 °. On the other hand, the output port 46 is connected to the fuel injection valve 6, the step motor 19 for controlling the throttle valve, the step motor 30 for controlling the EGR control valve, and the fuel pump 35 via the corresponding drive circuit 48.
[0023]
FIG. 2 shows a change in the output torque when the air-fuel ratio A / F (horizontal axis in FIG. 2) is changed by changing the opening degree and the EGR rate of the throttle valve 20 during the low load operation of the engine, and smoke, HC, CO, NOx4 shows an experimental example showing a change in the emission amount of the gas. As can be seen from FIG. 2, in this experimental example, the smaller the air-fuel ratio A / F, the higher the EGR rate. When the air-fuel ratio A / F is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio (.14.6), the EGR rate is 65% or more.
[0024]
As shown in FIG. 2, when the air-fuel ratio A / F is reduced by increasing the EGR rate, the amount of smoke generated when the EGR rate becomes about 40% and the air-fuel ratio A / F becomes about 30 is reduced. Start growing. Next, when the EGR rate is further increased and the air-fuel ratio A / F is reduced, the amount of smoke generated sharply increases and reaches a peak. Next, when the EGR rate is further increased and the air-fuel ratio A / F is reduced, the smoke is sharply reduced. When the EGR rate is increased to 65% or more, and the air-fuel ratio A / F becomes about 15.0, the smoke becomes almost zero. . That is, almost no soot is generated. At this time, the output torque of the engine slightly decreases, and NOxThe amount of generation is considerably low. On the other hand, at this time, the generation amounts of HC and CO begin to increase.
[0025]
FIG. 3A shows a change in the combustion pressure in the combustion chamber 5 when the air-fuel ratio A / F is around 21 and the amount of generated smoke is the largest, and FIG. The graph shows changes in the combustion pressure in the combustion chamber 5 when the amount of generated smoke is almost zero in the vicinity. As can be seen by comparing FIG. 3 (A) and FIG. 3 (B), FIG. 3 (B) in which the amount of smoke generation is almost zero is shown in FIG. 3 (A) where the amount of smoke generation is large. It can be seen that the combustion pressure is lower than in the case.
[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 generated smoke is almost zero, NO as shown in FIG.xThe amount of generation of methane is considerably reduced. NOxThe decrease in the amount of the generated gas means that the combustion temperature in the combustion chamber 5 has decreased. Therefore, it can be said that the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low when little soot is generated. The same can be said from FIG. That is, in the state shown in FIG. 3B where almost no soot is generated, the combustion pressure is low, and the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low at this time.
[0027]
Second, when the amount of generated smoke, that is, the amount of generated soot becomes almost zero, the amount of HC and CO emissions increases as shown in FIG. This means that hydrocarbons are emitted without growing to soot. That is, the linear hydrocarbon and the aromatic hydrocarbon contained in the fuel as shown in FIG. 4 are thermally decomposed when the temperature is increased in a state of lack of oxygen, so that a precursor of soot is formed. A soot consisting of a solid aggregate of carbon atoms is produced. In this case, the actual soot generation process is complicated, and it is not clear what form the soot precursor takes, but in any case, the hydrocarbon as shown in FIG. It will grow to soot. Therefore, as described above, when the generation amount of soot becomes almost zero, the emission amounts of HC and CO increase as shown in FIG. 2, but HC at this time is a soot precursor or a hydrocarbon in a state before it. .
[0028]
Summarizing these considerations based on the experimental results shown in FIGS. 2 and 3, when the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low, the amount of generated soot becomes almost zero. The hydrocarbon will be discharged from the combustion chamber 5. As a result of further detailed experimental research on this fact, when the temperature of the fuel and the surrounding gas in the combustion chamber 5 is lower than a certain temperature, the growth process of the soot is stopped halfway. It was found that no soot was generated, and soot was generated when the temperature of the fuel and its surroundings in the combustion chamber 5 exceeded a certain temperature.
[0029]
By the way, the temperature of the fuel and its surrounding when the process of producing hydrocarbons is stopped in the state of the soot precursor, that is, the above-mentioned certain temperature varies depending on various factors such as the type of fuel, the air-fuel ratio, the compression ratio, and the like. I can not say how many times, but this certain temperature is NOxIs closely related to the amount of NOx generated, so that this certain temperature is NOxCan be defined to some extent from the amount of occurrence of. That is, as the EGR rate increases, the fuel temperature during combustion and the gas temperature around the fuel decrease, and the NOxGeneration amount decreases. NO at this timexIs 10 p. p. When it is less or equal to or less than m, almost no soot is generated. Therefore, the above certain temperature is NOxIs 10 p. p. m The temperature almost coincides with the temperature when the temperature becomes lower or higher.
[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 state before the soot can be easily purified by a post-treatment using a catalyst having an oxidation function. Considering the post-treatment with the catalyst having the oxidation function as described above, it is extremely difficult to discharge hydrocarbons from the combustion chamber 5 in the state of the precursor of soot or in the state before the soot or in the form of soot from the combustion chamber 5. There is a big difference. The new combustion system employed in the present invention discharges hydrocarbons from the combustion chamber 5 in the form of a precursor or previous soot without producing soot in the combustion chamber 5 and removing the hydrocarbons. The core is to oxidize with a catalyst having an oxidation function.
[0031]
Now, in order to stop the growth of hydrocarbons before soot is generated, it is necessary to suppress the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber 5 to a temperature lower than the temperature at which soot is generated. There is. In this case, it has been found that the endothermic effect of the gas around the fuel when the fuel burns has an extremely large effect on suppressing the temperature of the fuel and the gas around the fuel.
[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 separated from the fuel does not rise so much, and only the temperature around the fuel becomes extremely high locally. That is, at this time, the air separated from the fuel hardly absorbs the heat of combustion heat of the fuel. In this case, since the combustion temperature becomes extremely high locally, the unburned hydrocarbons that have received the heat of combustion will generate soot.
[0033]
On the other hand, when fuel is present in a mixed gas of a large amount of inert gas and a small amount of air, the situation is slightly different. In this case, the evaporated fuel diffuses to the surroundings, 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 effect of the inert gas.
[0034]
In this case, controlling the temperature of the fuel and its surrounding gas to a temperature lower than the temperature at which soot is generated requires an amount of an inert gas that can absorb a sufficient amount of heat to do so. Therefore, if the amount of fuel increases, the required amount of inert gas increases accordingly. In this case, the larger the specific heat of the inert gas, the stronger the endothermic action, and therefore, the inert gas is preferably a gas having a large specific heat. In this regard, CO2Since EGR gas has a relatively large specific heat, it can be said that it is preferable to use EGR gas as the 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 degree of cooling of the EGR gas is changed. That is, in FIG. 5, the curve A shows a case where the EGR gas is cooled strongly and the EGR gas temperature is maintained at approximately 90 ° C., and the curve B shows a 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 the curve A in FIG. 5, when the EGR gas is cooled strongly, the amount of soot generation peaks at a point where the EGR rate is slightly lower than 50%. In this case, the EGR rate is increased to approximately 55% or more. Then, almost no soot is generated. On the other hand, as shown by the curve B in FIG. 5, when the EGR gas is slightly cooled, the amount of soot generation peaks at a point where the EGR rate is slightly higher than 50%, and in this case, the EGR rate is increased to about 65% or more. So that almost no soot is generated.
[0037]
As shown by the curve C in FIG. 5, when the EGR gas is not forcibly cooled, the amount of soot generation reaches a peak when the EGR rate is around 55%. Above a percentage, soot is hardly generated. FIG. 5 shows the amount of smoke generated when the engine load is relatively high. When the engine load decreases, the EGR rate at which the amount of soot peaks slightly decreases, and the EGR rate at which almost no soot is generated Also lowers slightly. As described above, the lower limit of the EGR rate at which almost no soot is generated varies depending on the degree of cooling of the EGR gas and the engine load.
[0038]
FIG. 6 shows a mixed gas amount of the EGR gas and the air necessary for setting the fuel temperature during combustion and the surrounding gas temperature to a temperature lower than the temperature at which soot is generated when EGR gas is used as the inert gas; Further, the ratio of air in the mixed gas amount and the ratio of EGR gas in the mixed gas are shown. In FIG. 6, the vertical axis indicates the total intake gas amount drawn into the combustion chamber 5, and the dashed line Y indicates the total intake gas amount that can be drawn into the combustion chamber 5 when supercharging is not performed. ing. The horizontal axis shows the required load.
[0039]
Referring to FIG. 6, the proportion of air, that is, the amount of air in the mixed gas, indicates the amount of air required to completely burn the injected fuel. That is, in the case shown in FIG. 6, the ratio between the air amount and the injected fuel amount is the stoichiometric air-fuel ratio. On the other hand, in FIG. 6, the ratio of the EGR gas, that is, the amount of the EGR gas in the mixed gas, is set so that when the injected fuel is burned, the temperature of the fuel and the surrounding gas is lower than the temperature at which the soot is formed. The minimum required EGR gas amount is shown. This EGR gas amount is approximately 55% or more in terms of the EGR rate, and is 70% or more in the embodiment shown in FIG. That is, the total intake gas amount sucked into the combustion chamber 5 is indicated by a solid line X in FIG. 6, and the ratio between the air amount and the EGR gas amount in the total intake gas amount X is as shown in FIG. The temperature of the fuel and the gas around it will be lower than the temperature at which soot is produced, so that no soot is generated. In this case, NOxThe amount generated is 10 p. p. m around or below and therefore NOxIs extremely small.
[0040]
As 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 its 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. Accordingly, as shown in FIG. 6, the EGR gas amount must be increased as the injected fuel amount increases. That is, the EGR gas amount needs to increase as the required load increases.
[0041]
By the way, when the supercharging is not performed, the upper limit of the total intake gas amount X sucked into the combustion chamber 5 is Y, and therefore, in FIG. 6, in the region where the required load is larger than Lo, as the required load increases, Unless the EGR gas ratio is reduced, the air-fuel ratio cannot be maintained at the stoichiometric air-fuel ratio. In other words, when the supercharge is not performed, and when the required air-fuel ratio is maintained at the stoichiometric air-fuel ratio in a region where the required load is larger than Lo, the EGR rate decreases as the required load increases. In a region where the required load is larger than Lo, the temperature of the fuel and the surrounding gas cannot be maintained at a temperature lower than the temperature at which soot is generated.
[0042]
However, as shown in FIG. 1, when the EGR gas is recirculated through the EGR passage 29 into the inlet side of the supercharger, that is, into the air suction pipe 17 of the exhaust turbocharger 15, the EGR rate is increased in a region where the required load is larger than Lo. Can be maintained at or above 55 percent, for example, 70 percent, and thus the temperature of the fuel and its surrounding gas can be maintained below the temperature at which soot is produced. That is, if the EGR gas is recirculated so that the EGR rate in the air suction pipe 17 becomes, for example, 70%, the EGR rate of the suction gas boosted by the compressor 16 of the exhaust turbocharger 15 also becomes 70%. The temperature of the fuel and the surrounding gas can be maintained at a temperature lower than the temperature at which soot is generated, to the extent that the pressure can be increased by the compressor 16. Therefore, the operating range of the engine that can generate low-temperature combustion can be expanded.
[0043]
In this case, when the EGR rate is set to 55% or more in a region where the required load is larger than Lo, the EGR control valve 31 is fully opened and the throttle valve 20 is slightly closed.
As described above, FIG. 6 shows the case where the fuel is burned under the stoichiometric air-fuel ratio. However, even if the air amount is smaller than the air amount shown in FIG. NO while preventing generation ofxIs 10 p. p. m or less, and even if the air amount is larger than the air amount shown in FIG. 6, that is, the average value of the air-fuel ratio is 17 to 18 lean, soot generation is prevented. NOxIs 10 p. p. m can be around or below.
[0044]
That is, when the air-fuel ratio is made rich, the fuel becomes excessive, but since the combustion temperature is suppressed to a low temperature, the excess fuel does not grow to soot, and thus no soot is generated. At this time, NOxOnly a very small amount 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 when the combustion temperature increases, but in the present invention, the soot is suppressed to a low temperature, so that the soot is reduced. Not generated at all. Furthermore, NOxOnly a very small amount is generated.
[0045]
Thus, when low-temperature combustion is being performed, soot is not 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, NOxIs extremely small. Therefore, considering the improvement of the fuel consumption rate, it can be said that it is preferable to make the average air-fuel ratio lean at this time.
[0046]
By the way, the temperature of the fuel and the surrounding gas at the time of combustion in the combustion chamber can be suppressed to a temperature at or below the temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway, only during low load operation in the engine, which generates a relatively small amount of heat by combustion. Therefore, in the embodiment according to the present invention, the first combustion, that is, the low-temperature combustion is performed by suppressing the temperature of the fuel during combustion and the gas temperature around the same at or below the temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway during the low load operation in the engine. In addition, the second combustion, that is, the combustion that has been performed conventionally, is performed during the high load operation of the engine. Here, the first combustion, that is, the low-temperature combustion, has a larger amount of the inert gas in the combustion chamber than the amount of the inert gas at which the generation amount of soot is a peak, as is apparent from the description so far, and almost all the soot is generated. The second combustion, that is, the combustion that has been performed conventionally, is a combustion in which the amount of the inert gas in the combustion chamber is smaller than the amount of the inert gas at which the amount of soot is peaked. Say that.
[0047]
Next, an operation region of the engine that can perform the first combustion, that is, the low-temperature combustion, will be described with reference to FIGS. 7A and 7B. 7A and 7B, the vertical axis TQ indicates the required torque, and the horizontal axis N indicates the engine speed.
First, referring to FIG. 17 (B), FIG. 17 (B) shows that the air-fuel ratio is substantially equal to the stoichiometric air-fuel ratio or the first operating region I in which low-temperature combustion can be performed under a lean condition. A second operation region II is shown in which low-temperature combustion cannot be performed substantially under the stoichiometric air-fuel ratio or lean, and conventional combustion must be performed.
[0048]
In FIG. 7B, X (N) represents a first operating region I in which low-temperature combustion can be performed with an air-fuel ratio substantially equal to the stoichiometric air-fuel ratio or lean, and an air-fuel ratio substantially equal to the stoichiometric air-fuel ratio or lean. , A first boundary with a second operation region II in which combustion conventionally performed must be performed, and Y (N) indicates the first boundary between the first operation region I and the second operation region II. 2 shows a second boundary with the operating region II. The determination of the change of the operation region from the first operation region I to the second operation region II is made based on the first boundary X (N), and the change from the second operation region II to the first operation region I is performed. The determination of the change of the operating region is performed based on the second boundary Y (N).
[0049]
That is, in the embodiment according to the present invention, when the operating state of the engine is in the first operating region I shown in FIG. 7B, low-temperature combustion is performed. At this time, when the required torque TQ exceeds a first boundary X (N) which is a function of the engine speed N, it is determined that the operation region has shifted to the second operation region II, and combustion is performed by a conventional combustion method. Next, when the required torque TQ becomes lower than a second boundary Y (N) which is a function of the engine speed N, it is determined that the operation region has shifted to the first operation region I, and low-temperature combustion is performed again.
The two boundaries of the first boundary X (N) and the second boundary Y (N) on the lower torque side than the first boundary X (N) are provided for the following two reasons. . The first reason is that the combustion temperature is relatively high on the high torque side of the second operation region II, and even if the required torque TQ becomes lower than the first boundary X (N), low-temperature combustion cannot be performed immediately. Because. That is, low temperature combustion is not immediately started unless the required torque TQ becomes considerably low, that is, when the required torque TQ becomes lower than the second boundary Y (N). The second reason is that hysteresis is provided for a change in the operation range between the first operation range I and the second operation range II.
[0050]
On the other hand, in FIG. 7A, in addition to the first boundary X (N) shown in FIG. 7B, when the air-fuel ratio is made considerably rich, for example, the air-fuel ratio is made smaller than approximately 13.5. A first operating region Z in which good low-temperature combustion can be performed when the load is high, and a high-load-side limit Z1 (N) and a low-load-side limit Z2 (N) of the first operating region Z are shown. . As can be seen from FIG. 7A, these limits Z1 (N) and Z2 (N) are functions of the engine speed N.
[0051]
As can be seen from FIG. 7B, there is no limit on the low load side in the first operation region I where the low-temperature combustion can be performed when the air-fuel ratio is substantially the stoichiometric air-fuel ratio or lean. On the other hand, the low-load-side limit Z2 (N) of the first operating region Z where the low-temperature combustion can be performed when the air-fuel ratio is considerably rich appears when the required torque TQ is negative. Accordingly, it can be seen that the lower the lower the air-fuel ratio, the lower the load-side limit of the first operating region where the low-temperature combustion can be performed moves to the higher load side.
[0052]
Also, as shown in FIG. 7A, the high load side limit Z1 (N) of the first operating region Z in which low-temperature combustion can be performed when the air-fuel ratio is considerably rich is substantially equal to the stoichiometric air-fuel ratio. The load is higher than the high load limit X (N) of the first operating region I where low temperature combustion is possible when the fuel ratio is lean or lean. Therefore, it can be seen that the lower the air-fuel ratio, the lower the first operating region in which low-temperature combustion can be performed moves to the higher load side.
[0053]
That is, as described above, low-temperature combustion can be performed regardless of whether the air-fuel ratio is rich or lean. However, when the fuel injection amount is extremely small, misfiring occurs if the air-fuel ratio is made considerably rich, so that good low-temperature combustion cannot be performed. That is, even when the fuel injection amount is extremely small, if the air-fuel ratio is lean, the fuel is actively burned because there is sufficient air around the fuel particles. On the other hand, when the air-fuel ratio is made considerably rich, the combustion of the fuel particles is not so active because there is not enough air around the fuel particles. At this time, if the fuel injection amount is extremely small, the combustion temperature and the combustion pressure will not be sufficiently increased, thus causing a misfire.
[0054]
In FIG. 7A, the region where the required torque TQ is negative indicates the time of deceleration operation, and at this time, the fuel injection amount is extremely small. Therefore, in the region where the required torque TQ is negative, the low-load-side limit Z2 (N) of the first operation region Z appears.
On the other hand, if the air-fuel ratio is made rich while the low-temperature combustion is being performed near the first boundary X (N), the torque increases by the amount of fuel increase, and therefore Z1 (N) is larger than X (N). On the high load side.
[0055]
By the way, when the operating state of the engine is in the first operating region I or Z and low-temperature combustion is being performed, soot is hardly generated, and instead, the unburned hydrocarbon is in the form of a precursor of soot or a state before it. Thus, it is discharged from the combustion chamber 5. At this time, the unburned hydrocarbon discharged from the combustion chamber 5 is oxidized well by the catalyst 25 having an oxidizing function.
[0056]
As the catalyst 25, an oxidation catalyst, a three-way catalyst, or NOxAn absorbent can be used. NOxThe absorbent is NO when the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is lean.xNO when the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 becomes richxHas the function of releasing.
This NOxThe absorbent is, for example, alumina as a carrier. On this carrier, for example, potassium K, sodium Na, lithium Li, alkali metal such as cesium Cs, barium Ba, alkaline earth such as calcium Ca, lanthanum La, yttrium Y, or the like. And at least one selected from rare earths and a noble metal such as platinum Pt.
[0057]
Not only oxidation catalyst, but also three-way catalyst and NOxThe absorbent also has an oxidizing function, and therefore, as described above, the three-way catalyst and the NOxAn absorbent can be used as the catalyst 25.
Next, the operation control in the first operation region I and the second operation region II when the low-temperature combustion is performed under the condition that the air-fuel ratio is substantially the stoichiometric air-fuel ratio or lean with reference to FIG. explain.
[0058]
FIG. 8 shows the opening degree of the throttle valve 20, the opening degree of the EGR control valve 31, the EGR rate, the air-fuel ratio, the injection timing, and the injection amount with respect to the required torque TQ. As shown in FIG. 8, in the first operating region I where the required torque TQ is low, the opening of the throttle valve 20 is gradually increased from almost fully closed to about 2/3 as the required load L increases. The opening degree of the EGR control valve 31 is gradually increased from near full closure to full opening as the required load L increases. In the example shown in FIG. 8, in the first operation region I, the EGR rate is set to approximately 70%, and the air-fuel ratio is set to a slightly lean air-fuel ratio.
[0059]
In other words, in the first operating region I, the opening of the throttle valve 20 and the opening of the EGR control valve 31 are controlled such that the EGR rate becomes approximately 70% and the air-fuel ratio becomes a slightly lean air-fuel ratio. In the first operation region I, fuel injection is performed before the compression top dead center TDC. In this case, the injection start timing θS is delayed as the required load L is increased, and the injection completion timing θE is delayed as the injection start timing θS is delayed.
[0060]
At the time of idling operation, the throttle valve 20 is closed to almost fully closed, and at this time, the EGR control valve 31 is also closed to almost fully closed. When the throttle valve 20 is closed close to the fully closed state, the pressure in the combustion chamber 5 at the start of compression decreases, so that the compression pressure decreases. When the compression pressure decreases, the compression work by the piston 4 decreases, so that the vibration of the engine body 1 decreases. That is, at the time of idling operation, the throttle valve 20 is closed to almost fully closed in order to suppress the vibration of the engine body 1.
[0061]
On the other hand, when the operating region of the engine changes from the first operating region I to the second operating region II, the opening of the throttle valve 20 is increased stepwise from about 2/3 opening toward the full opening direction. At this time, in the example shown in FIG. 8, the EGR rate is reduced stepwise from approximately 70% to 40% or less, and the air-fuel ratio is increased stepwise. That is, since the EGR rate jumps over the EGR rate range (FIG. 5) in which a large amount of smoke is generated, a large amount of smoke is generated when the engine operating region changes from the first operating region I to the second operating region II. There is no.
[0062]
In the second operation region II, the second combustion, that is, the conventional combustion is performed. In this combustion method, soot and NOxIs generated, but the thermal efficiency is higher than that of low-temperature combustion. Therefore, when the operating region of the engine changes from the first operating region I to the second operating region II, the injection amount decreases stepwise as shown in FIG. I'm sick. In the second operation region II, the throttle valve 20 is held in a fully open state except for a part, and the opening of the EGR control valve 31 is gradually reduced as the required torque TQ increases. In this operating region II, the EGR rate decreases as the required torque TQ increases, and the air-fuel ratio decreases as the required torque TQ increases. However, the air-fuel ratio is a lean air-fuel ratio even when the required torque TQ increases. In the second operation region II, the injection start timing θS is set near the compression top dead center TDC.
[0063]
FIG. 9A shows the relationship between the required torque TQ, the depression amount L of the accelerator pedal 50, and the engine speed N. In FIG. 9A, each curve represents an equal torque curve, a curve indicated by TQ = 0 indicates that the torque is zero, and the remaining curves are TQ = a, TQ = b, The required torque gradually increases in the order of TQ = c and TQ = d. Further, TQ = -f and TQ = -g indicate the case where the required torque is negative, that is, the time of deceleration operation. In this case, the required torque is smaller in TQ = -g than in TQ = -f. The required torque TQ shown in FIG. 9A is stored in advance in the ROM 42 as a function of the depression amount L of the accelerator pedal 50 and the engine speed N as shown in FIG. 9B. In the embodiment according to the present invention, the required torque TQ according to the depression amount L of the accelerator pedal 50 and the engine speed N is first calculated from the map shown in FIG. 9B, and the target air-fuel ratio is calculated based on the required torque TQ. Are calculated.
[0064]
Incidentally, the high-load limit of the first operating region I where low-temperature combustion can be performed changes according to the gas temperature in the combustion chamber 5 at the start of compression, the cylinder inner wall surface temperature, and the like. That is, when the required torque TQ increases and the amount of heat generated by combustion increases, the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion increases, and it becomes impossible to perform low-temperature combustion. On the other hand, when the gas temperature TG in the combustion chamber 5 at the start of compression decreases, the gas temperature in the combustion chamber 5 immediately before the start of combustion decreases, so that the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion decreases. Therefore, if the gas temperature TG in the combustion chamber 5 at the start of compression decreases, the amount of heat generated by combustion increases, that is, even if the required torque TQ increases, the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion does not increase. Thus, low-temperature combustion is performed. In other words, as the gas temperature TG in the combustion chamber 5 at the start of compression becomes lower, the first operating region I in which low-temperature combustion can be performed expands to a higher load side.
[0065]
Further, the smaller the temperature difference (TW-TG) between the cylinder inner wall surface temperature TW and the gas temperature TG in the combustion chamber 5 at the start of compression, the greater the amount of heat that escapes through the cylinder inner wall surface during the compression stroke. Therefore, the smaller the temperature difference (TW-TG), the smaller the temperature rise of the gas in the combustion chamber 5 during the compression process, and thus the lower the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion. Therefore, as the temperature difference (TW-TG) is smaller, the first operating region I in which low-temperature combustion can be performed expands to the higher load side.
[0066]
On the other hand, as the pressure in the intake passage, for example, in the surge tank 12, decreases, the compression pressure in the combustion chamber 5 decreases, and thus the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion decreases. Therefore, as the pressure in the surge tank 12 becomes lower, the first operating region I in which low-temperature combustion can be performed expands to the higher load side. Further, as the humidity in the intake air increases, the amount of heat absorbed by the moisture contained in the intake air increases, and thus the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion decreases. Therefore, as the humidity in the intake air increases, the first operating region I in which low-temperature combustion can be performed expands to the high load side.
[0067]
In the embodiment according to the present invention, when the gas temperature TG in the combustion chamber 5 at the start of compression becomes low, the first boundary is moved from Xo (N) to X (N) as shown in FIG. When −TG) becomes smaller, the first boundary is moved from Xo (N) to X (N) as shown in FIG. Further, in the embodiment according to the present invention, when the pressure PM in the surge tank 12 decreases, the first boundary is moved from Xo (N) to X (N) as shown in FIG. Becomes higher, the first boundary is moved from Xo (N) to X (N) as shown in FIG. Here, Xo (N) indicates a first boundary serving as a reference. The reference first boundary Xo (N) is a function of the engine speed N, and X (N) is calculated using this Xo (N) based on the following equation.
[0068]
X (N) = Xo (N) + C1 · K (T) · K (N)
K (T) = K (T)1+ K (T)2+ K (T)3+ K (T)4
Where C1 is a constant, K (T)1Is a function of the gas temperature TG in the combustion chamber 5 at the start of compression as shown in FIG.1Increases as the gas temperature TG in the combustion chamber 5 at the start of compression decreases. Also, K (T)2Is a function of the temperature difference (TW-TG) as shown in FIG.2Becomes larger as the temperature difference (TW-TG) becomes smaller. Also, K (T)3Is a function of the pressure PM in the surge tank 12 as shown in FIG.3Becomes larger as the pressure PM in the surge tank 12 becomes lower. Also, K (T)4Is a function of the humidity DF as shown in FIG.4Increases as the humidity DF increases. Note that T in FIGS. 11A to 11D1Is the reference temperature, T2Is the reference temperature difference, PM3Is the reference pressure, DF4Is the reference humidity, TG = T1, (TW−TG) = T2, PM = PM3And DF = DF4In this case, the first boundary is Xo (N) in FIG.
[0069]
On the other hand, K (N) is a function of the engine speed N as shown in FIG. 11E, and the value of K (N) decreases as the engine speed N increases. That is, the gas temperature TG in the combustion chamber 5 at the start of the compression becomes equal to the reference temperature T.1If the temperature is lower than the lower limit, the lower the gas temperature TG in the combustion chamber 5 at the beginning of the compression, the lower the first boundary X (N) moves toward the higher load side with respect to Xo (N), and the temperature difference (TW-TG) is used as a reference. Temperature difference T2If the temperature is lower than the lower limit, the first boundary X (N) moves toward the higher load side with respect to Xo (N) as the temperature difference (TW-TG) becomes smaller. Further, the pressure PM in the surge tank 12 is equal to the reference pressure PM.3As the pressure PM in the surge tank 12 becomes lower, the first boundary X (N) moves to a higher load side with respect to Xo (N), and the humidity DF becomes lower than the reference humidity DF.4As the humidity DF increases, the first boundary X (N) moves toward a higher load with respect to Xo (N). Further, the moving amount of X (N) with respect to Xo (N) decreases as the engine speed N increases.
[0070]
FIG. 12A shows the air-fuel ratio A / F in the first operation region I when the first boundary is the first boundary Xo (N) as a reference. In FIG. 12A, curves indicated by A / F = 15, A / F = 16, A / F = 17, and A / F = 18 are obtained when the air-fuel ratio is 15, 16, 17, and 18, respectively. And the air-fuel ratio between the curves is determined by proportional distribution. As shown in FIG. 12A, the air-fuel ratio is lean in the first operating region I, and the air-fuel ratio A / F is leaner in the first operating region I as the required load L decreases. .
[0071]
That is, the lower the required load L, the smaller the amount of heat generated by combustion. Therefore, as the required load L decreases, low-temperature combustion can be performed even if the EGR rate is reduced. When the EGR rate is reduced, the air-fuel ratio increases. Therefore, as shown in FIG. 12A, the air-fuel ratio A / F increases as the required load L decreases. As the air-fuel ratio A / F increases, the fuel consumption rate increases. 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.
[0072]
FIG. 12B shows the air-fuel ratio A / F in the first operation region I when the first boundary is X (N) shown in FIG. As can be seen by comparing FIGS. 12A and 12B, when the first boundary X (N) moves toward the high load side with respect to Xo (N), A / F = The curve of 15, A / F = 16, A / F = 17, A / F = 18 also moves to the high load side. Therefore, it can be seen that when the first boundary X (N) moves toward the higher load side with respect to Xo (N), the air-fuel ratio A / F at the same required load L and the same engine speed N increases. That is, when the first operation region I is expanded to the high load side, soot and NOxNot only is the operating region in which the occurrence of stagnation rarely occurs expanded, but also the fuel consumption rate is improved.
[0073]
In the embodiment according to the present invention, the target air-fuel ratio in the first operation region I when the first boundary X (N) changes variously, that is, the target in the first operation region I for various values of K (T). The air-fuel ratio is stored in the ROM 42 in advance in the form of a map as a function of the required torque TQ and the engine speed N as shown in FIGS. 13 (A) to 13 (D). That is, FIG. 13A shows the target air-fuel ratio AFKT1 when the value of K (T) is KT1, and FIG. 13B shows the target air-fuel ratio AFKT2 when the value of K (T) is KT2. 13C shows the target air-fuel ratio AFKT3 when the value of K (T) is KT3, and FIG. 13D shows the target air-fuel ratio when the value of K (T) is KT4. AFKT4 is shown.
[0074]
On the other hand, as shown in FIGS. 14A to 14D, the target opening degree of the throttle valve 20 necessary for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio is mapped as a function of the required torque TQ and the engine speed N as shown in FIGS. The target opening of the EGR control valve 31 required for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio is stored in the ROM 42 in advance as shown in FIGS. 15 (A) to 15 (D). It is stored in the ROM 42 in advance in the form of a map as a function of the required torque TQ and the engine speed N.
[0075]
That is, FIG. 14A shows the target opening ST15 of the throttle valve 20 when the air-fuel ratio is 15, and FIG. 15A shows the target opening SE15 of the EGR control valve 31 when the air-fuel ratio is 15. Is shown.
FIG. 14B shows the target opening ST16 of the throttle valve 20 when the air-fuel ratio is 16, and FIG. 15B shows the target opening SE16 of the EGR control valve 31 when the air-fuel ratio is 16. Is shown.
[0076]
FIG. 14C shows the target opening ST17 of the throttle valve 20 when the air-fuel ratio is 17, and FIG. 15B shows the target opening SE17 of the EGR control valve 31 when the air-fuel ratio is 17. Is shown.
FIG. 14 (D) shows the target opening ST18 of the throttle valve 20 when the air-fuel ratio is 18, and FIG. 15 (B) shows the target opening SE18 of the EGR control valve 31 when the air-fuel ratio is 18. Is shown.
[0077]
FIG. 16 shows the target air-fuel ratio when the second combustion, that is, the normal combustion by the conventional combustion method is performed. Note that, in FIG. 16, each curve indicated by A / F = 24, A / F = 35, A / F = 45, and A / F = 60 indicates target air-fuel ratios 24, 35, 45, and 60, respectively. As shown in FIG. 17A, the target opening degree ST of the throttle valve 20 necessary for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio is stored in the ROM 42 in advance in the form of a map as a function of the required torque TQ and the engine speed N. The target opening SE of the EGR control valve 31 required for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio is calculated as a function of the required torque TQ and the engine speed N as shown in FIG. It is stored in the ROM 42 in the form of a map in advance.
[0078]
On the other hand, in the first operating region Z where low-temperature combustion is possible when the air-fuel ratio is considerably rich, the gas temperature TG in the combustion chamber 5 and the temperature difference (TW− TG), the pressure PM in the surge tank 12 and the humidity DF in the intake air. In this case, as in the first operation region I, the first operation region Z is also moved to a higher load side as the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion becomes lower.
[0079]
That is, in FIG. 18, when Zo is a first operation region as a reference, Z1o (N) is a high load limit as a reference, and Z2o (N) is a low load limit as a reference, Z0 (N) is a low load limit as a reference. In contrast, when the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion becomes lower, both the high load side limit Z1 (N) and the low load side limit Z2 (N) are moved to the high load side, so that the first operating region Z Is also moved to the high load side.
[0080]
At this time, the high load side limit Z1 (N) and the low load side limit Z2 (N) are also the respective values K (T) shown in FIG.1, K (T)2, K (T)3, K (T)4, K (N) using the following equation.
Z1 (N) = Z1o (N) + C2 · K (T) · K (N)
Z2 (N) = Z2o (N) + C3 · K (T) · K (N)
K (T) = K (T)1+ K (T)2+ K (T)3+ K (T)4
Here, C2 and C3 are constants.
[0081]
Therefore, the gas temperature TG in the combustion chamber 5 at the start of compression becomes equal to the reference temperature T.1When the temperature is lower than (FIG. 11), as the gas temperature TG in the combustion chamber 5 at the start of compression becomes lower, Z1 (N) and Z2 (N) move toward the higher load side with respect to Z1o (N) and Z2o (N), respectively. And the temperature difference (TW-TG) is equal to the reference temperature difference T2When the temperature difference (TW-TG) is smaller than (FIG. 11), Z1 (N) and Z2 (N) move to the higher load side with respect to Z1o (N) and Z2o (N), respectively. Further, the pressure PM in the surge tank 12 is equal to the reference pressure PM.3When the pressure is lower than (FIG. 11), the lower the pressure PM in the surge tank 12 is, the more Z1 (N) and Z2 (N) move toward the higher load side with respect to Z1o (N) and Z2o (N), respectively. Is the reference humidity DF4When it is larger than (FIG. 11), as the humidity DF increases, Z1 (N) and Z2 (N) move to the higher load side with respect to Z1o (N) and Z2o (N), respectively.
[0082]
As described above, the catalyst 25 may be an oxidation catalyst, a three-way catalyst or NO.xAn absorbent can be used.xThe case where an absorbent is used will be described.
Engine intake passage, combustion chamber 5 and NOxThe ratio of air and fuel (hydrocarbon) supplied into the exhaust passage upstream of the absorbent 25 is set to NO.xWhen the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 25 is called this NOxThe absorbent 25 is NO when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean.xNO when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas becomes stoichiometric or rich.xReleases NOxPerforms the absorption and release action.
[0083]
This NOxIf the absorbent 25 is arranged in the engine exhaust passage, NOxAbsorbent 25 is actually NOxHowever, there is a part where the detailed mechanism of the absorption / release action is not clear. However, it is considered that this absorption / release action is performed by a mechanism as shown in FIG. Next, this mechanism will be described by taking platinum Pt and barium Ba supported on a carrier as an example, but the same mechanism can be obtained by using other noble metals, alkali metals, alkaline earths, and rare earths.
[0084]
In the compression ignition type internal combustion engine shown in FIG. 1, combustion is performed in a state where the air-fuel ratio in the normal combustion chamber 5 is lean. When the combustion is performed with the lean air-fuel ratio, the oxygen concentration in the exhaust gas is high. At this time, as shown in FIG.2Is O2 Or O2-On the surface of platinum Pt. On the other hand, NO in the inflowing exhaust gas becomes O 2 on the surface of platinum Pt.2 Or O2-Reacts with NO2(2NO + O2→ 2NO2). NO generated next2Is absorbed in the absorbent while being oxidized on the platinum Pt and combined with barium oxide BaO, as shown in FIG.3 Diffuses into the absorbent in the form of NO in this wayxIs NOxIt is absorbed in the absorbent 25. NO on the surface of platinum Pt as long as the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas is high2Is generated, and the NOxNO unless absorption capacity is saturated2Is absorbed in the absorbent and nitrate ion NO3 Is generated.
[0085]
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 the platinum Pt is reduced.2Is reduced. NO2The reaction proceeds in the reverse direction (NO3 → NO2) And thus the nitrate ions NO in the absorbent3 Is NO2Released from the absorbent in the form of NO at this timexNO released from absorbent 25xIs reduced by reacting with a large amount of unburned HC and CO contained in the inflowing exhaust gas as shown in FIG. 19 (B). Thus, NO on the surface of platinum Pt2When no longer exists, NO is changed from one absorbent to the next2Is released. Therefore, if the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is made rich, NOxNO from absorbent 25xIs released, and the released NOxNO in the atmosphere to be reducedxIs not emitted.
[0086]
In this case, even if the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is set to the stoichiometric air-fuel ratio, NOxNO from absorbent 25xIs released. However, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is set to the stoichiometric air-fuel ratio, NOxNO from absorbent 25xIs released only slowlyxTotal NO absorbed in absorbent 25xIt takes a slightly longer time to release.
[0087]
By the way, NOxNO of absorbent 25xAbsorption capacity is limited, NOxNO of absorbent 25xNO before absorption capacity is saturatedxNO from absorbent 25xMust be released. NO for thatxNO absorbed by absorbent 25xThe quantity needs to be estimated. Therefore, in the embodiment according to the present invention, NO per unit time when the first combustion is performedxThe amount of absorption A is determined in advance in the form of a map as shown in FIG. 20A as a function of the required torque TQ and the engine speed N, and the NO per unit time during the second combustion is performed.xThe amount of absorption B is determined in advance as a function of the required torque TQ and the engine speed N in the form of a map as shown in FIG.xNO by integrating absorption amounts A and BxNO absorbed by absorbent 25xThe amount ΣNOX is estimated.
[0088]
In the embodiment according to the present invention, this NOxNO when the absorption amount ΣNOX exceeds a predetermined allowable maximum value.xNO from absorbent 25xIs to be released. Next, this will be described with reference to FIG.
Referring to FIG. 21, in the embodiment according to the present invention, two allowable maximum values, that is, an allowable maximum value MAX1 and an allowable maximum value MAX2 are set. Maximum allowable value MAX1 is NOxMaximum NO that can be absorbed by the absorbent 25xIt is about 30% of the absorption amount, and the allowable maximum value MAX2 is NOxIt is about 80% of the maximum absorption amount that the absorbent 25 can absorb. NO when the first combustion is being performedxNO when the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1.xNO from absorbent 25xWhen the air-fuel ratio is made rich and the second combustion is performed, NOxWhen the absorption amount ΣNOX exceeds the permissible maximum value MAX1, when switching from the second combustion to the first combustion is performed, for example, NO during the deceleration operationxNO from absorbent 25xWhen the air-fuel ratio is made rich and the second combustion is performed, NOxNO when the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX2.xNO from absorbent 25xAdditional fuel is injected during the second half of the expansion stroke or during the exhaust stroke to release.
[0089]
That is, FIG. 21 shows a case where the required torque TQ is lower than the first boundary X (N) and the first combustion is performed in the period X, and the air-fuel ratio at this time is slightly smaller than the stoichiometric air-fuel ratio. It has a lean air-fuel ratio. NO when first combustion is being performedxIs extremely small. Therefore, at this time, as shown in FIG.xThe absorption amount ΣNOX rises very slowly. NO when the first combustion is being performedxWhen the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1, the air-fuel ratio A / F is temporarily made rich, whereby the NOxNO from absorbent 25xIs released. NO at this timexThe absorption amount ΣNOX is set to zero.
[0090]
As described above, when the first combustion is performed, no soot is generated regardless of whether the air-fuel ratio is lean, the stoichiometric air-fuel ratio, or rich, and therefore, when the first combustion is performed. NOxNO from absorbent 25xAt this time, no soot is generated even if the air-fuel ratio A / F is made rich in order to release the air.
Then at time t1When the required torque TQ exceeds the first boundary X (N), the first combustion is switched to the second combustion. As shown in FIG. 21, when the second combustion is being performed, the air-fuel ratio A / F becomes considerably lean. NO is performed when the second combustion is performed, compared to when the first combustion is performed.xIs large when the second combustion is being performed.xThe amount ΣNOX rises relatively quickly.
[0091]
If the air-fuel ratio A / F is made rich while the second combustion is being performed, a large amount of soot is generated. Therefore, it is difficult to make the air-fuel ratio A / F rich when the second combustion is being performed. Can not. Therefore, when the second combustion is being performed as shown in FIG.xEven if the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1, NOxNO from absorbent 25xThe air-fuel ratio A / F is not made rich in order to release the fuel. In this case, after the required torque TQ becomes lower than the second boundary Y (N) and switching from the second combustion to the first combustion is performed, NO is determined.xNO from absorbent 25xThe air-fuel ratio A / F is temporarily made rich to release the air.
[0092]
By the way, at time t in FIG.2Shows the case where the deceleration operation is performed and the second combustion is switched to the first combustion. When the deceleration operation is performed, the required torque TQ becomes negative. As a result, as shown in FIG. 18, the case where the air-fuel ratio can be made rich by the position of the low load side limit Z2 (N) in the first operation region Z, and the case where the air-fuel ratio May not be rich.
[0093]
Therefore, in the embodiment according to the present invention, when the air-fuel ratio is to be made rich, it is determined whether or not the operation state of the engine is within the first operation area Z, and the operation state of the engine is within the first operation area Z. Sometimes time t in FIG.2NO when switching from the second combustion to the first combustion as shown in FIG.xNO from absorbent 25xThe air-fuel ratio A / F is temporarily made rich to release the air.
[0094]
Next, at time t in FIG.3Is switched from the first combustion to the second combustion, and the second combustion is continued for a while. NO at this timexThe absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1, and then the time t4In this case, if the allowable maximum value MAX2 is exceeded, then NOxNO from absorbent 25xAdditional fuel is injected during the second half of the expansion stroke or during the exhaust stroke to releasexThe air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 25 is made rich.
[0095]
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, so it is preferable to inject the additional fuel as little as possible. Therefore, when the second combustion is performed, NOxWhen the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1, the air-fuel ratio A / F is temporarily made rich when the second combustion is switched to the first combustion, and NOxAdditional fuel is injected only in special cases where the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX2.
[0096]
FIG. 22 shows NOxNO from absorbent 25xSet when to releasexThis shows a routine for processing the release flag, and this routine is executed by interruption every predetermined time.
Referring to FIG. 22, first, at step 100, it is determined whether or not a flag I indicating that the operation region of the engine is the first operation region I is set. When the flag I is set, that is, when the operation region of the engine is the first operation region I, the routine proceeds to step 101, where NO per unit time is obtained from the map shown in FIG.xThe absorption amount A is calculated. Next, at step 102, NOxA is added to the absorption amount ΣNOX. Next, at step 103, NOxIt is determined whether or not the absorption amount XNOX has exceeded the allowable maximum value MAX1. If ΣNOX> MAX1, the routine proceeds to step 104, where NO is set when the first combustion is being performed.xNO indicating that the gas should be releasedxRelease flag 1 is set.
[0097]
On the other hand, when it is determined in step 100 that the flag I has been reset, that is, when the operating region of the engine is in the second operating region II, the routine proceeds to step 106, where the per-unit time is determined from the map shown in FIG. NOxThe absorption amount B is calculated. Next, at step 107, NOxThe absorption amount ΣNOX is added to B. Next, at step 108, NOxIt is determined whether or not the absorption amount XNOX has exceeded the allowable maximum value MAX1. If ΣNOX> MAX1, the routine proceeds to step 109, where NO is set when the first combustion is being performed.xNO indicating that the gas should be releasedxRelease flag 1 is set.
[0098]
On the other hand, in step 110, NOxIt is determined whether or not the absorption amount XNOX has exceeded the allowable maximum value MAX2. When ΣNOX> MAX2, the routine proceeds to step 111, where NO is determined in the latter half of the expansion stroke or during the exhaust stroke.xNO indicating that the gas should be releasedxRelease flag 2 is set.
FIG. 23 shows a routine for controlling the low temperature combustion region, that is, the first operation regions I and Z.
[0099]
Referring to FIG. 23, first, in step 200, the gas temperature TG in the combustion chamber 5, the cylinder wall surface temperature TW, the pressure PM in the surge tank 12, and the humidity DF in the intake air at the start of compression are calculated. In this embodiment, the mixed gas temperature of the intake air and the EGR gas detected by the temperature sensor 62 is used as the gas temperature TG in the combustion chamber 5 at the start of compression, and the engine cooling water temperature detected by the temperature sensor 60 is used as the cylinder inner wall surface temperature. TW. The pressure PM in the surge tank 12 is detected by a pressure sensor 61, and the humidity DF is detected by a humidity sensor 63. Next, in step 201, K (T) is obtained from the relationship shown in FIGS.1, K (T)2, K (T)3, K (T)4Is required, and these K (T)1To K (T)4K (T) (= K (T)1+ K (T)2+ K (T)3+ K (T)4) Is calculated.
[0100]
Next, at step 202, K (N) is calculated from the relationship shown in FIG. Next, in step 203, the value of the first boundary X (N) is calculated based on the following equation using the value of the first boundary Xo (N) stored in advance.
X (N) = Xo (N) + C1 · K (T) · K (N)
Next, at step 204, the difference ΔL (N) between X (N) and Y (N) that changes according to the engine speed N is calculated. Next, at step 205, the value of the second boundary Y (N) (= X (N) -ΔL (N)) is calculated by subtracting ΔL (N) from X (N). Next, in step 206, the high load side limit Z1 (N) is calculated from the following equation using the value of the high load side limit Z1o (N) stored in advance.
[0101]
Z1 (N) = Z1o (N) + C2 · K (T) · K (N)
Next, at step 207, the low load limit Z2 (N) is calculated from the following equation using the value of the low load limit Z2o (N) stored in advance.
Z2 (N) = Z2o (N) + C3 · K (T) · K (N)
Next, the operation control will be described with reference to FIG.
[0102]
Referring to FIG. 24, first, in step 300, it is determined whether or not a flag I indicating that the operation state of the engine is in the first operation region I is set. When the flag I is set, that is, when the operating state of the engine is in the first operating region I, the routine proceeds to step 301, where it is determined whether or not the required load L has become larger than the first boundary X1 (N). Is done. When L ≦ X1 (N), the routine proceeds to step 303, where low-temperature combustion is performed.
That is, in step 303, the target opening ST of the throttle valve 20 is calculated from the maps shown in FIGS. 14A to 14D, and the opening of the throttle valve 20 is set to the target opening ST. Next, at step 304, the target opening SE of the EGR control valve 31 is calculated from the maps shown in FIGS. 15A to 15D, and the opening of the EGR control valve 31 is set as the target opening SE. Next, at step 305, NOxIt is determined whether the release flag 1 is set. NOxIf the release flag 1 has not been set, the routine proceeds to step 307, where fuel injection is performed. At this time, low-temperature combustion is performed under a lean air-fuel ratio.
[0103]
On the other hand, in step 305, NOxWhen it is determined that the release flag 1 is set, the routine proceeds to step 306, where it is determined whether or not the operating state of the engine is in the first operating region Z. If the operating state of the engine is not in the first operating region Z, the routine proceeds to step 307, where low-temperature combustion is performed under a lean air-fuel ratio. On the other hand, when the operating state of the engine is in the first operating region Z, the routine proceeds to step 308, where the air-fuel ratio is made rich for a predetermined period. NO during this timexNO from absorbent 25xIs released. Then NOxThe release flag 1 is reset, and ΣNOX is cleared.
[0104]
On the other hand, when it is determined in step 301 that L> X (N), the routine proceeds to step 302, where the flag I is reset, and then proceeds to step 311 to perform the second combustion.
That is, in step 311, the target opening ST of the throttle valve 20 is calculated from the map shown in FIG. 17A, and the opening of the throttle valve 20 is set to the target opening ST. Next, at step 312, the target opening SE of the EGR control valve 31 is calculated from the map shown in FIG. 17B, and the opening of the EGR control valve 31 is set as the target opening SE. Next, at step 313, NOxIt is determined whether the release flag 2 is set. NOxIf the release flag 2 has not been set, the routine proceeds to step 314, where fuel injection is performed so as to achieve the air-fuel ratio shown in FIG. At this time, the second combustion is performed under the lean air-fuel ratio.
[0105]
On the other hand, in step 313, NOxWhen it is determined that the release flag 2 is set, the routine proceeds to step 315, where additional fuel is injected during the second half of the expansion stroke or during the exhaust stroke for a predetermined period. NO at this timexThe air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 25 becomes rich.xNO from absorbent 25xIs released. Then NOxThe release flags 1 and 2 are reset, and ΣNOX is cleared.
[0106]
【The invention's effect】
By changing the region where low-temperature combustion is possible according to the air-fuel ratio, stable low-temperature combustion according to the air-fuel ratio can be ensured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of a compression ignition type internal combustion engine.
FIG. 2 Smoke and NOxFIG.
FIG. 3 is a diagram showing a combustion pressure.
FIG. 4 is a diagram showing fuel molecules.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a generation amount of smoke and an 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, Z and a second operation region II.
FIG. 8 is a view showing an opening degree of a throttle valve and the like.
FIG. 9 is a diagram showing a required torque.
FIG. 10 is a diagram showing a first boundary Z (N).
FIG. 11: K (T)1To K (T)4And K (N).
FIG. 12 is a diagram showing a target air-fuel ratio in a first operation region I.
FIG. 13 is a diagram showing a map of a target air-fuel ratio.
FIG. 14 is a view showing a map of a target opening of the throttle valve.
FIG. 15 is a view showing a map of a target opening of the EGR control valve.
FIG. 16 is a diagram showing an air-fuel ratio in the second combustion.
FIG. 17 is a view showing a target opening degree of a throttle valve and the like.
FIG. 18 is a diagram showing a first operation region Z.
FIG. 19xIt is a figure for explaining the release operation of.
FIG. 20: NO per unit timexIt is a figure showing a map of an amount of absorption.
FIG. 21 NOxIt is a figure for explaining discharge control.
FIG. 22xIt is a flowchart for processing a release flag.
FIG. 23 is a flowchart for controlling a low-temperature combustion region.
FIG. 24 is a flowchart for controlling operation of the engine.
[Explanation of symbols]
6 ... Fuel injection valve
20 ... Throttle valve
31 ... EGR control valve

Claims (14)

燃焼室内の不活性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し、燃焼室内の不活性ガス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において、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない第1の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第2の燃焼とを選択的に切換える切換手段を具備し、機関の運転領域が第1の燃焼を行いうる低負荷側の第1の運転領域と第2の燃焼が行われる高負荷側の第2の運転領域とに分割され、空燃比が小さくなるにつれて第1の運転領域が高負荷側に移動せしめられる内燃機関。As the amount of inert gas in the combustion chamber increases, the amount of soot generated gradually increases and reaches a peak, and when the amount of inert gas in the combustion chamber further increases, fuel during combustion in the combustion chamber and its surroundings In an internal combustion engine where the gas temperature becomes lower than the soot generation temperature and soot is hardly generated, the amount of inert gas in the combustion chamber is larger than the amount of inert gas at which the amount of soot generated peaks, and soot is generated Switching means for selectively switching between the first combustion that does not perform the combustion and the second combustion in which the amount of the inert gas in the combustion chamber is smaller than the amount of the inert gas at which the amount of generated soot becomes a peak, Is divided into a first operating region on the low load side where the first combustion can be performed and a second operating region on the high load side where the second combustion is performed, and the first operating region is reduced as the air-fuel ratio decreases. Internal combustion engine that can be moved to high load side 空燃比が小さくなるにつれて第1の運転領域の高負荷側限界と低負荷側限界が高負荷側に移動せしめられる請求項1に記載の内燃機関。2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein as the air-fuel ratio decreases, the high load limit and the low load limit of the first operating range are shifted to the high load side. 空燃比がリーンであるときには第1の運転領域の低負荷側限界が存在せず、空燃比がリッチであるときには第1の運転領域の低負荷側限界が現われる請求項2に記載の内燃機関。3. The internal combustion engine according to claim 2, wherein when the air-fuel ratio is lean, there is no low-load limit in the first operating region, and when the air-fuel ratio is rich, the low load-side limit appears in the first operating region. 第1の運転領域を制御するための制御手段を具備し、該制御手段は目標空燃比に応じて第1の運転領域を制御する請求項1に記載の内燃機関。2. The internal combustion engine according to claim 1, further comprising control means for controlling the first operation range, wherein the control means controls the first operation range in accordance with the target air-fuel ratio. 第1の燃焼時における燃料およびその周囲のガス温度が低下するにつれて第1の運転領域が高負荷側に移動せしめられる請求項1に記載の内燃機関。2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the first operating region is shifted to a higher load side as the temperature of the fuel and the gas around the fuel during the first combustion decreases. 3. 空燃比がリッチのもとで第1の燃焼が行われているときには燃焼時における燃料およびその周囲のガス温度が低下するにつれて第1の運転領域の高負荷側限界および低負荷側限界が高負荷側に移動せしめられる請求項5に記載の内燃機関。When the first combustion is performed under a rich air-fuel ratio, as the fuel and the surrounding gas temperatures during the combustion decrease, the high load side limit and the low load side limit of the first operation region become high load. The internal combustion engine according to claim 5, wherein the internal combustion engine is moved to the side. 第1の燃焼時における燃料およびその周囲のガス温度に変化を与えるパラメータの値に基づいて第1の運転領域を制御する制御手段を具備し、該制御手段はパラメータの値から第1の燃焼時における燃料およびその周囲のガス温度が低下すると判断されたときには第1の運転領域を高負荷側に移動せしめる請求項5に記載の内燃機関。Control means for controlling the first operating range based on the value of a parameter that changes the temperature of the fuel and its surrounding gas during the first combustion; 6. The internal combustion engine according to claim 5, wherein, when it is determined that the temperature of the fuel and the gas around the fuel cell decreases in the first operation range, the first operation range is shifted to the high load side. 該パラメータが燃焼室内に流入するガスの温度、機関冷却水の温度、機関吸気通路内の圧力又は吸入空気の湿度の少くとも一つからなる請求項7に記載の内燃機関。The internal combustion engine according to claim 7, wherein the parameter comprises at least one of a temperature of gas flowing into the combustion chamber, a temperature of engine cooling water, a pressure in an engine intake passage, and a humidity of intake air. 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、上記不活性ガスが再循環排気ガスからなる請求項1に記載の内燃機関。2. The internal combustion engine according to claim 1, further comprising an exhaust gas recirculation device for recirculating exhaust gas discharged from the combustion chamber into the engine intake passage, wherein the inert gas comprises recirculated exhaust gas. 上記第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る請求項9に記載の内燃機関。The internal combustion engine according to claim 9, wherein an exhaust gas recirculation rate during the first combustion is substantially 55% or more. 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。The internal combustion engine according to claim 1, wherein a catalyst having an oxidizing function is disposed in the engine exhaust passage. 該触媒が酸化触媒又は三元触媒からなる請求項11に記載の内燃機関。The internal combustion engine according to claim 11, wherein the catalyst comprises an oxidation catalyst or a three-way catalyst. 上記触媒が、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるNOを吸収しかつ流入する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NOを放出するNO吸収剤からなる請求項11に記載の内燃機関。The catalyst, the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas when the lean releasing NO x when the air-fuel ratio of the exhaust gas is absorbed and becomes the stoichiometric air-fuel ratio or rich to absorb and flowing the NO x contained in the exhaust gas NO The internal combustion engine according to claim 11, comprising an x absorbent. 機関の運転状態が空燃比がリッチであるときの第1の運転領域にあるときにNO吸収剤からNOを放出すべく空燃比がリッチとされる請求項13に記載の内燃機関。The internal combustion engine of claim 13 in which the engine operating condition air-fuel ratio is the air-fuel ratio in order to release the NO x from the NO x absorbent is made rich when in the first operating region when it is rich.
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