CN1326532A - 内燃机 - Google Patents

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Abstract

内燃机有选择地进行第1燃烧和第2燃烧,该第1燃烧是燃烧室(5)内的EGR气体量比黑烟的发生量为最大值的EGR气体量还多、几乎不产生黑烟,第2燃烧是燃烧室(5)内的EGR气体量比黑烟的发生量为最大值的EGR气体量少。在第1燃烧和第2燃烧进行切换时,喷射时间延迟到压缩至上死点之后。

Description

内燃机
本发明涉及一种内燃机。
以往，内燃机、例如柴油机，为了抑制NOX的产生，用废气再循环(以下称EGR)通道连接发动机排气通道和发动机吸气通道，通过该EGR通道使废气、即，使EGR气体在发动机吸气通道内再循环。在这种场合，EGR气体的比热较高，因此，由于能吸收大量的热，所以，越是增大EGR量，即，越是增大EGR率(EGR气体量/(EGR气体量＋吸入空气量))，燃烧室内的燃烧温度越低。若燃烧温度降低，则NOX的发生量降低，因此，越是增大EGR率，NOX的发生量越低。
这样就明白了一个道理，若增大EGR率，就能降低NOX的发生量。但是，若增大EGR率，当EGR率超过某一限度时，黑烟的发生量、即烟雾开始急剧增大。关于这一点，以往认为如果再增大EGR率，烟雾将无限增大，因此，认为烟雾开始急剧增大的EGR率是EGR率的最大允许界限。
因此，以往将EGR率设定在不超过该最大允许界限的范围内。该EGR率的最大允许界限根据发动机的形式和燃料的不同而差别很大，但大约在百分之30到百分之50之间。因此，以往的柴油机EGR率最大也就控制在百分之30到百分之50的程度。
这样一来，过去，由于认为对于EGR率来说，存在最大允许界限，所以以往规定EGR率在不超过该最大允许界限的范围内，以尽量减少NOX和烟雾的发生量。但是，这样一来，其现状是，即使是规定了EGR率，以尽量减少NOX和烟雾的发生量，降低的NOX和烟雾的发生量是有限度的，实际上依然产生大量的NOX和烟雾。
但是，在研究柴油机燃烧的过程中，发现如果使EGR率比最大允许界限还大，虽然如上述所述的那样，烟雾急剧增大，但该烟雾的发生量存在最大值，若超过该最大值，进一步增大EGR率的话，在此之后，烟雾开始急剧减少，在空载运转时，若使EGR率在百分之70以上，还有在强力冷却EGR气体的场合，若使EGR率大致在百分之55以上，则烟雾几乎为零，即，几乎不产生黑烟。另外，还判明此时NOX的发生量极少。此后根据这一发现对不产生黑烟的原因进行研究，其结果是，到了能构筑此前没有的、黑烟和NOX能同时降低的新的燃烧系统的程度。对于该新的燃烧系统，在后面要作详细说明，但简单地说，是以在碳氢化合物生成黑烟之前的中途阶段使碳氢化合物的成长停止为基础。
即，反复实验研究的结果表明，燃烧室内的燃烧时的燃料及其周围的气体的温度在某一温度以下时，碳氢化合物在到达黑烟之前的中途阶段停止成长，当燃料及其周围的气体温度到某一温度以上时，碳氢化合物一下子成长为(煤)黑烟。在这种场合，燃料及其周围的气体温度对燃料燃烧时的燃料周围的气体的吸热作用影响很大，根据燃料燃烧时的发热量的不同，调整燃料周围的气体的吸热量，由此能控制燃料及其周围的气体温度。
因此，如果将燃烧室内的燃烧时的燃料及其周围的气体温度控制在碳氢化合物的成长在中途停止的温度以下的话，就不会产生黑烟，通过调整燃料周围的气体的吸热量，将燃烧室内的燃烧时的燃料及其周围的气体温度控制在碳氢化合物的成长在中途停止的温度以下是可行的。另一方面，在到达黑烟之前在中途停止成长的碳氢化合物，通过使用氧化催化剂等的后处理，能很容易地净化。这是新的燃烧系统的基本的想法。对于采用该新的燃烧系统的内燃机已经由本发明人提出了申请(日本专利特愿平9-305850号)。
但是，该新的燃烧系统，必须使EGR率大致在百分之55以上，可以使EGR率大致在百分之55以上，是在吸入的空气量在比较少时。即，若吸入空气量超过一定量，则不能进行该新的燃烧，因此，在吸入空气量超过一定量时，必须切换到以往进行的燃烧。在这种场合，若降低应切换到以往进行的燃烧的EGR率，则由于EGR率要通过烟雾的发生量为最大值的EGR率范围，所以要产生大量的烟雾。
但是，在新的燃烧的基础下，若使喷射时间延迟到压缩至上死点之后，在进行喷射时，由于燃烧室内的温度降低了，所以燃烧时的燃料及其周围的气体温度并不怎么升高，因此，表明此时烟雾发生量的最大值变小了。因此，在从新燃烧切换到以往进行的燃烧时，若将喷射时间延迟到压缩至上死点之后，则能控制切换时的烟雾的发生量。
本发明的目的，在于提供一种在新的燃烧和以往进行的燃烧进行切换时，能控制烟雾发生的内燃机。
根据本发明所提供的一种内燃机，若增大燃烧室内的非活性气体量，黑烟的发生量逐渐增大，达最大值，若进一步增大燃烧室内的非活性气体量，燃烧室内的燃烧时的燃料及其周围的气体温度比黑烟的生成温度还低，几乎不产生黑烟，该内燃机具备有选择地切换第1燃烧和第2燃烧的切换手段，该第1燃烧是，燃烧室内的非活性气体量比黑烟的发生量为最大值的非活性气体量还多，几乎不产生黑烟，而该第2燃烧是，燃烧室内的非活性气体量比黑烟的发生量为最大值的非活性气体量少，在第1燃烧和第2燃烧进行切换时，喷射时间延迟到压缩至上死点之后。
图1是整个压缩着火式内燃机的示意图。
图2是表示烟雾和NOX的发生量的图。
图3A和图3B是表示燃烧压的图。
图4是表示燃料分子的图。
图5是表示烟雾的发生量和EGR率的关系的图。
图6是表示燃料喷射量和混合气体量的关系的图。
图7是表示第1运转区域I和第2运转区域II的图。
图8是表示烟雾的发生量和EGR率的关系的图。
图9是表示节流阀的开度等的图。
图10A和图10B是表示要求扭矩的图。
图11是表示在第1运转区域I的空燃比的图。
图12A和图12B是表示喷射量等的映射的图。
图13A和图13B是表示节流阀的目标开度等的映射的图。
图14是表示第2燃烧的空燃比的图。
图154A和图15B是表示喷射量等的映射的图。
图16A和图16B是表示节流阀的目标开度等的映射的图。
图17是用于控制发动机的运转的程序方框图。
图18是表示节流阀的开度等的图。
图19是表示第1运转区域I的空燃比的图。
图20是表示喷射量的映射的图。
图21A和图21B是用于说明NOX的吸放作用的图。
图22A和图22B是表示单位时间的NOX吸收量的映射的图。
图23是用于处理释放NOX标志的程序方框图。
图24是用于控制发动机的运转的程序方框图。
图1所示是将本发明应用于4冲程压缩着火式内燃机的场合。
参照图1，1代表发动机本体，2代表缸体，3代表缸盖，4代表活塞，5代表燃烧室，6代表电气控制式喷油嘴，7代表吸气阀，8代表吸气口，9代表排气阀，10代表排气口。吸气口8通过对应的吸气支管11与恒压罐12相连接，恒压罐12通过吸气管道13和中冷器14与增压机、例如与废气涡轮增压机15的压气机16的出口部相连接。压气机16的入口部通过空气吸入管17与空气滤清器18相连接，在空气吸入管17内配置有由步进电机19驱动的节流阀20。
另一方面，排气口10通过排气多支管21和排气管22与废气涡轮增压机15的废气涡轮23的入口部相连接，废气涡轮23的出口部通过排气管24与内藏具有氧化功能的催化剂25的催化转换器26相连接。
与催化转换器26的出口部相连接的排气管28和节流阀20下游的空气吸入管17通过EGR通道29相互连接，在EGR通道29内配置有由步进电机30驱动的EGR控制阀31。另外，在EGR通道29内配置有用于冷却在EGR通道29内流过的EGR气体的中冷器32。在图1所示的实施例，发动机冷却水被导入到中冷器32内，由发动机冷却水冷却EGR气体。
另一方面，喷油嘴6通过燃料供给管33与油箱、所谓的公共横管34相连接。从电气控制式的排量可变的燃料泵35向该公共横管34内供给燃料，供给到公共横管34内的燃料通过各燃料供给管33供给到喷油嘴6。在公共横管34上安装有用于检测公共横管34内的燃料压力的燃料压力传感器36，依据燃料压力传感器36的输出信号，控制燃料泵35的排量，以使公共横管34内的燃料压力为目标燃料压力。
电子控制单元40由数字式计算机构成，具备由双向信息转移通路(双向总线)41相互连接的ROM(只读存储器)42、RAM(随机存取存储器)43、CPU(微处理机)44、输入口45和输出口46。燃料压力传感器36的输出信号通过对应的AD转换器47输入到输入口45。在油门踏板50上连接有负荷传感器51，负荷传感器51产生与油门踏板50的踏入量L成比例的输出电压，负荷传感器51的输出电压通过对应的AD转换器47输入到输入口45。另外，输入口45上连接有曲轴例如每旋转30°就产生输出脉冲的曲轴角传感器52。另一方面，输出口45通过对应的驱动回路48与喷油嘴6、节流阀控制用步进电机19、EGR控制阀控制用步进电机30和燃料泵35相连接。
图2所示是一实验例，表示在发动机低负荷运转时，通过改变节流阀20的开度和EGR率来改变空燃比A/F(图2的横轴)时的输出扭矩的变化情况、以及烟雾、HC、CO、NOX的排量的变化情况。如图2所表明的那样，在该实验例，空燃比A/F越小，EGR率越大，在理论空燃比(≈14.6)以下时，EGR率在百分之65以上。
如图2所示，若通过增大EGR率来降低空燃比A/F，则EGR率在百分之40附近、空燃比A/F为30的程度时，烟雾的发生量开始增大。接着，若进一步提高EGR率，减小空燃比A/F，则烟雾的发生量急剧增大，达到最大值。接着，若进一步提高EGR率，减小空燃比A/F，这回烟雾急剧降低，当EGR率在百分之65以上、空燃比A/F在15.0附近时，烟雾大致为零。即，几乎不产生黑烟。此时，发动机的输出扭矩降低一些，另外，NOX的发生量变得相当低。另一方面，此时HC、CO的发生量开始增加。
图3A表示在空燃比A/F在21附近、烟雾的发生量最多时的燃烧室5内的燃烧压力的变化情况，图3B表示空燃比A/F在18附近、黑烟的发生量大致为零时的燃烧室5内的燃烧压力的变化情况。比较图3A和图3B，我们知道，与黑烟的发生量多的图3A所示的场合相比，黑烟的发生量大致为零的图3B所示的场合，燃烧压力低。
根据图2和图3A、3B所示的实验结果，可以说有以下结论：即，第1，在空燃比A/F在15.0以下，黑烟的发生量大致为零时，如图2所示，NOX的发生量降得相当低。NOX的发生量降低，意味着燃烧室5内的燃烧温度降低了，因此，可以说，在几乎不发生黑烟时，燃烧室5内的燃烧温度变低了。由图3也能得出同一结论。即，在几乎不发生黑烟的图3B所示的状态下，燃烧压力变低了，因此，此时燃烧室5内的燃烧温度变低了。
第2，若烟雾的发生量、即黑烟的发生量大致为零，则如图2所示，HC和CO的排量增大。这意味着，碳氢化合物没有生成黑烟就排出了。即，若包含在燃料中的图4所示那样的直链状碳氢化合物和芳香族碳氢化合物，在氧气不足的状态下，使温度上升，则出现热分解，形成黑烟的前身，接着，主要生成由碳原子集合成的固体所构成的黑烟。在这种场合，实际的黑烟的生成过程是很复杂的，虽然不明确黑烟的前身是怎样一种形态，但总之图4所示的那样的碳氢化合物，要经过黑烟的前身，生成黑烟。因此，如上所述，当黑烟的发生量大致为零时，如图2所示，HC和CO的排量增大，但此时的HC是黑烟的前身或此前状态的碳氢化合物。
若汇总依据图2和图3A、3B所示的实验结果得出的这些研究成果，就是以下结论：在燃烧室5内的燃烧温度低时，黑烟的发生量大致为零，此时，黑烟的前身或此前状态的碳氢化合物从燃烧室5排出了。对于这一结论进一步详细地反复进行实验研究，结果表明，在燃烧室5内的燃料及其周围的气体温度在某一温度以下的场合，黑烟的生成过程在中途停止了，即，没有完全产生黑烟，当燃烧室5内的燃料及其周围的温度在某一温度以上时，生成黑烟。
那么，虽然说不清以黑烟的前身的状态，碳氢化合物的生成过程停止时的燃料及其周围的温度，即上述的某一温度，由于燃料的种类、空燃比和压缩比等的各种原因而产生的变化有多少，但该某一温度与NOX的发生量有深刻的关系，因此，能在某种程度上从NOX的发生量确定该某一温度。即，EGR率越增大，燃烧时的燃料及其周围的气体温度越低，NOX的发生量越低。此时，在NOX的发生量是10p.p.m左右或在其以下时，几乎不产生黑烟。因此，上述的某一温度大致与NOX的发生量是10p.p.m左右或在其以下时的温度一致。
若一旦生成黑烟，该黑烟即使用具有氧化功能的催化剂进行后处理也不能净化了。与此相反，黑烟的前身或此前状态的碳氢化合物用具有氧化功能的催化剂进行后处理能很容易地净化。这样一来，若考虑用具有氧化功能的催化剂进行后处理，对于使碳氢化合物是以黑烟的前身或此前的状态从燃烧室5排出、还是以黑烟的形式从燃烧室5排出来说，具有极大的差别。本发明所采用的新的燃烧系统，其核心是在燃烧室5内，不使其产生黑烟，使碳氢化合物以黑烟的前身或此前的状态的形式从燃烧室5排出，用具有氧化功能的催化剂使该碳氢化合物氧化。
那么，在生成黑烟之前的状态下，为了使碳氢化合物的生长停止，必须将在燃烧室5内燃烧时的燃料及其周围气体的温度抑制在生成黑烟的温度以下。表明在这种情况下，为了抑制燃料及其周围的气体的温度，要极大地影响燃料燃烧时的燃料周围的气体的吸热作用。
即，若在燃料周围仅存在空气，则蒸发的燃料立刻与空气中的氧气发生反应而燃烧。在这种场合，脱离燃料的空气的温度并不怎么上升，仅有局部的燃料周围的温度变得极高。即，此时，脱离燃料的空气几乎不进行吸收燃料的燃烧热的吸热作用。在这种场合，由于燃烧温度局部极高，所以，承受该燃烧热的未燃碳氢化合物生成黑烟。
另一方面，在燃料存在于大量的非活性气体和少量的空气的混合气体中的场合，有些状况有所不同。在这种场合，蒸发燃料向周围扩散，与混在非活性气体中的氧气发生反应而燃烧。在这种场合，由于燃烧热没有被周围的非活性气体所吸收，燃烧温度并不怎么上升。即，能将燃烧温度抑制得较低。即，为了抑制燃烧温度，非活性气体的存在起很重要的作用，能通过非活性气体的吸热作用，将燃烧温度抑制得较低。
在这种场合，为了将燃料及其周围的气体的温度抑制在生成黑烟的温度以下，这样反倒需要足够的能尽量吸收热量的非活性气体量。因此，如果增大燃料量，所需要的非活性气体量随之增大。而且，在这种场合，非活性气体的比热越大，吸热作用越强，因此，非活性气体最好是比热大的气体。这一点，由于CO2和EGR气体比热较大，所以，可以说用EGR气体作为非活性气体是比较理想的。
图5所示是用EGR气体作为非活性气体、喷射时间为压缩至上死点前、改变EGR气体的冷却程度时的EGR率和烟雾的关系。即，在图5中，曲线A表示强力冷却EGR气体、将EGR气体温度大致保持在90℃的场合，曲线B表示用小型的冷却装置冷却EGR气体的场合，曲线C表示不强制冷却EGR气体的场合。
如图5的曲线A所示，在强力冷却EGR气体的场合，在EGR率稍微低于百分之50的地方，黑烟的发生量达到最大值，在这种场合下，若使EGR率大致在百分之55以上，则几乎不产生黑烟。
另一方面，如图5的曲线B所示，在稍微冷却EGR气体的场合，在EGR率稍微低于百分之50的地方，黑烟的发生量达到最大值，在这种场合下，若使EGR率大致在百分之65以上，则几乎不产生黑烟。
另外，如图5的曲线C所示，在不强制地冷却EGR气体的场合，EGR率在百分之55附近，黑烟的发生量达到最大值，在这种场合下，若使EGR率大致在百分之70以上，则几乎不产生黑烟。
而且，图5所示是发动机负荷比较高时的烟雾的发生量，当发动机负荷变小时，黑烟的发生量达到最大值的EGR率降低一些，几乎不产生黑烟的EGR率的下限也降低一些。这样一来，几乎不产生黑烟的EGR率的下限随EGR气体的冷却程度和发动机的负荷而变化。
图6所示是在用EGR气体作为非活性气体的场合下，为了使燃烧时的燃料及其周围的气体温度比生成黑烟的温度低所必需的EGR气体和空气的混合气体量、以及该混合气体量中的空气的比例、以及该混合气体中的EGR气体的比例。而且，在图6中，纵轴表示吸入到燃烧室5内的全吸入气体量，点划线代表在未进行增压时能吸入到燃烧室5内的全吸入气体量。另外，横轴表示要求负荷。
参照图6，空气的比例，即混合气体中的空气量代表为了使喷射的燃料完全燃烧所必需的空气量。即，在图6所示的场合，空气量和喷射燃料量的比为理论空燃比。另一方面，在图6中，EGR的比例、即混合气体中的EGR气体量，代表在喷射燃料燃烧时，为了使燃料及其周围的气体温度比形成黑烟的温度低所必需的最低限的EGR气体量。该EGR气体量用EGR率表示的话，大致是百分之55以上，在图6所示的实施例是百分之70以上。即，在图6中，吸入到燃烧室5内的全吸入气体量为实线X，若设该全吸入气体量X中的空气量和EGR气体量的比例为图6所示的比例的话，燃料及其周围的气体温度比生成黑烟的温度低，这样一来，完全不产生黑烟。另外，此时的NOX的发生量是10p.p.m左右或在此以下，因此，NOX的发生量极少。
由于若增大燃料喷射量，则燃料燃烧时的发热量增大，所以，为了将燃料及其周围的气体温度保持在比生成黑烟的温度低的温度水平，必须增大由EGR气体所吸收的热的吸收量。因此，如图6所示，必须使EGR气体量随燃料喷射量的增大而增大。即，EGR气体量必须随要求负荷的提高而增大。
但是，在不进行增压的场合，吸入到燃烧室5内的全吸入气体量X的上限是Y，因此，在图6中，在要求负荷比L0大的区域，只要不随着要求负荷的提高降低EGR气体比例，是不能使空燃比保持为理论空燃比的。换言之，在不进行增压的情况下，在要求负荷比L0大的区域，在要使空燃比保持为理论空燃比的场合，要随要求负荷的提高降低EGR率，这样一来，在要求负荷比L0大的区域，不能将燃料及其周围的气体的温度保持在比生成黑烟的温度低的温度。
可是，如图1所示，若通过EGR通路29使EGR气体在增压机的入口侧、即在废气涡轮增压机15的空气吸入管17内再循环的话，在要求负荷比L0大的区域，能将EGR率保持在百分之55以上，例如保持在百分之70，这样一来，能将燃料及其周围的气体的温度保持在比生成黑烟的温度低的温度。即，若空气吸入管17内的EGR率为百分之70，使EGR气体再循环的话，则被废气涡轮增压机15的压气机16升压的吸入气体的EGR率也为百分之70，这样一来，一直到能由压气机16升压的限度，就能将燃料及其周围的气体的温度保持在比生成黑烟的温度低的温度。因此，可扩大能使其产生低温燃烧的发动机的运转区域。
另外，在这种场合，在要求负荷比L0大的区域，在使EGR率在百分之55以上时，EGR控制阀31完全打开，节流阀20部分关闭。
如上所述，虽然图6所示的是在理论空燃比的基础上使燃料燃烧的场合，但即使是使空气量比图6所示的空气量少，即，即使是使空燃比较浓，也能阻止黑烟的产生且使NOX的发生量在10p.p.m左右或在此以下，而且，即使是使空气量比图6所示的空气量多，即，即使是使空燃比的平均值为较稀的17至18的水平，也能阻止黑烟的发生且使NOX的发生量在10p.p.m左右或在此以下。
即，若空燃比较浓，则燃料过剩，但，由于将燃烧温度抑制在较低的温度，过剩的燃料不长成至黑烟、这样一来，就不会产生黑烟。另外，此时，NOX也极少产生。另一方面，虽然在空燃比较稀时，或即使在空燃比是理论空燃比时，如果燃烧温度高的话，能产生少量的黑烟，但，在本发明，由于燃烧温度抑制在较低的温度，所以，不能全部产生黑烟。进一步，NOX也极少产生。
这样一来，在进行低温燃烧时，不管空燃比是多少，即，空燃比浓也好、是理论空燃比也好、或是平均空燃比较稀也好，都不产生黑烟，NOX的发生量极少。因此，可以说，若考虑提高燃料消耗率，最好使平均空燃比较稀。
但是，仅有在由于燃烧而产生的发热量较少的发动机中低负荷运转时，能将在燃烧室内燃烧时的燃料及其周围的气体温度抑制在碳氢化合物的成长在中途停止的温度以下。因此，在本发明的实施例，发动机在中低负荷运转时，将燃烧时的燃料及其周围的气体的温度抑制在碳氢化合物的生成在中途停止的温度以下，进行第1燃烧，即进行低温燃烧，在发动机高负荷运转时，进行第2燃烧，即，进行以往通常进行的燃烧。而且，在此，第1燃烧，即所谓低温燃烧，如此前的说明所表明的那样，可以说是燃烧室内的非活性气体量比黑烟的发生量达最大值的非活性气体量多、几乎不产生黑烟的燃烧，第2燃烧，即所谓以往通常进行的燃烧，可以说是燃烧室内的非活性气体量比黑烟的发生量达最大值的非活性气体量少的燃烧。
图7所示为进行第1燃烧、即进行低温燃烧的第1运转区域I和进行第2燃烧、即进行依据现有的燃烧方法燃烧的第2运转区域II。而且，在图7中，纵轴TQ代表要求扭矩，横轴N代表发动机转速。另外，在图7中，X(N)表示第1运转区域I和第2运转区域II的第1边界，Y(N)表示第1运转区域I和第2运转区域II的第2边界。从第1运转区域I到第2运转区域Ⅱ的运转区域的变化依据第1边界X(N)进行判断，从第2区域Ⅱ到第1运转区域I的运转区域的变化依据第2边界Y(N)进行判断。
即，发动机的运转状态在第1运转区域进行低温燃烧时，当要求扭矩TQ超过发动机转速N的函数-第1边界X(N)时，则判断为运转区域转移到了第2运转区域II，进行依据现有燃烧方法的燃烧。其次，若要求扭矩TQ变得比发动机转速N的函数-第2边界Y(N)低，则判断为运转区域转移到了第1运转区域I，再次进行低温燃烧。
这样一来，要根据以下两个理由设置第1边界X(N)和扭矩比第1边界X(N)低的一侧的第2边界Y(N)这两个边界。第1理由是由于在第2运转区域II的高扭矩一侧，燃烧温度较高，此时即使要求扭矩TQ比第1边界X(N)低，也不能立即进行低温燃烧。即，是由于在要求扭矩TQ变得相当低时，也就是若不是在比第2边界Y(N)还低时，低温燃烧不会立即开始。第2理由是由于与第1运转区域I和第2运转区域II之间的运转区域的变化相对应，设置了滞后区域。
另一方面，在图7中，在用剖面线表示的RR区域，即在第1运转区域I内的负荷最高的RR区域，空燃比为较稀或理论空燃比，喷射时间延迟到压缩至上死点之后。在发动机的运转状态从第1运转区域I转移到第2运转区域II时，必须通过该RR区域，在发动机的运转状态从第2运转区域II转移到第1运转区域I时，也必须通过该RR区域。
可是，在要求扭矩TQ较高时，即在喷射量增大时，若在压缩至上死点之前喷射燃料，则由于发热量增大，燃烧时的燃料及其周围的气体温度变高。其结果是要产生烟雾。
另一方面，若不喷射燃烧，而越过上死点的话，燃烧室5内的压力逐渐降低，燃烧室5内的温度也逐渐降低。因此，如果压缩至上死点之后喷射燃料，即使在喷射量较多的场合，燃烧时的燃料及其周围的气体的温度也变得相当低，其结果是，在图8中如D所示的那样，烟雾发生量的最大值变低，且产生烟雾的EGR的范围变窄了。而且，在图8中，曲线B表示与图5所示的曲线相同的曲线。
因此，在图7的RR区域，若喷射时间延迟到压缩至上死点之后，在第1燃烧和第2燃烧进行切换时，能抑制产生烟雾。另外，在这种场合下，即使使EGR率在百分之55以下，也能抑制产生烟雾。
但是，当发动机的运转状态在第1运转区域I进行低温燃烧时，几乎不产生黑烟，取而代之的是，未燃碳氢化合物以黑烟的前身或此前状态的形式从燃烧室5排出。此时从燃烧室5排出的未燃碳氢化合物能由具有氧化功能的催化剂25良好地使其氧化。
催化剂25可以使用氧化催化剂、三元催化剂或NOX吸收剂。NOX吸收剂具有在燃烧室5内的平均空燃比较稀时吸收NOX、当燃烧室5内的平均空燃比较浓时放出NOX的功能。
该NOX吸收剂以矾土为载体，在其载体方面可以由例如从钾K、钠Na、锂Li、铯Cs这样的碱金属、钡Ba、钙Ca这样的碱土族、镧La、钇Y这样的稀土族中选择的至少一种和铂Pt这样的贵金属来担当。
氧化催化剂，本来三元催化剂和NOX吸收剂也具有氧化功能，因此，如以上所述，可以将三元催化剂和NOX吸收剂作为催化剂25使用。
以下参照图9简略地对第1运转区域I和第2运转区域II中的运转控制进行说明。
图9表示相对要求扭矩TQ的节流阀20的开度、EGR控制阀31的开度、EGR率、空燃比、喷射时间和喷射量。如图9所示，在要求扭矩TQ低的第1运转区域I，节流阀20的开度随着要求扭矩TQ的提高，渐渐地从接近全闭增大至2/3开度程度，EGR控制阀31的开度随着要求扭矩TQ的提高从接近全闭渐渐增大至全开。另外，在图9所示的例子中，在除了RR区域之外的第1运转区域I，EGR率大致在百分之55以上，空燃比仅有一点点为较稀的稀空燃比。
换言之，在除了RR区域之外的第1运转区域I，EGR率大致在百分之55以上，控制节流阀20的开度和EGR控制阀31的开度，以使空燃比仅有一点点为较稀的稀空燃比。另外，在除了RR区域之外的第1运转区域I，在压缩至上死点TDC之前开始喷射燃料。在这种场合下，喷射时间θS随着要求扭矩TQ的提高而推迟，喷射结束时间θE也随着开始喷射时间θS的推迟而推迟。
而且，在空载运转时，节流阀20关闭至接近全闭，此时，EGR控制阀31也关闭至接近全闭。若关闭节流阀20至接近全闭，则由于开始压缩的燃烧室5内的压力变低，压缩压力变小。当压缩压力变小时，由活塞4所做的压缩功变小了，所以发动机本体1的振动变小了。即，在空载运转时，为了抑制发动机本体1的振动，节流阀20关闭至接近全闭。
在RR区域，要求扭矩TQ越大，开始喷射时间θS越迟，在RR区域的高要求扭矩一侧，开始喷射时间θS为上死点之后。另外，在该RR区域，随着要求扭矩TQ的增大，空燃比从稀空燃比渐渐变小至理论空燃比，随着要求扭矩TQ的增大，EGR率降低。另外，在该RR区域，由于随着要求扭矩TQ的增大降低了空燃比，所以，能增加喷射量。
另一方面，若发动机的运转区域从第1运转区域I变至第2运转区域II，则节流阀20的开度从2/3开度程度阶梯状向全开方向增大。此时，在图9所示的例子，EGR率大致从百分之40阶梯状减少至百分之20以下，空燃比阶梯状增大。
在第2运转区域II进行第2燃烧、即进行以往所进行的燃烧。在该第2运转区域II，节流阀20除了一部分之外，保持全开状态，若要求扭矩TQ变大，则EGR控制阀31的开度逐渐变小。另外，在该运转区域II，要求扭矩TQ越大EGR率越低，要求扭矩TQ越大空燃比越小。但是，即使要求扭矩TQ变大了，空燃比也是稀空燃比。另外，在第2运转区域II，开始喷射时间θS为压缩上死点TDC附近。
图10表示要求扭矩TQ、油门踏板50的踏入量L、发动机转速N的关系。而且，在图10中，各曲线为等扭矩曲线，TQ＝O所示的曲线表示扭矩是零，其余的曲线依TQ＝a、TQ＝b、TQ＝c、TQ＝d的顺序要求扭矩依次变大。图10A所示的要求扭矩TQ如图10B所示的那样，作为油门踏板50的踏入量L和发动机转速N的函数，以映射的形式预先存储在ROM42内。在本发明，首先根据图10B所示的映射算出与油门踏板50的踏入量L和发动机转速N相对应的要求扭矩TQ，然后依据该要求扭矩TQ算出燃料喷射量等。
图11表示第1运转区域I的空燃比A/F。在图11中，A/F＝14.6、A/F＝15、A/F＝16、A/F＝18、A/F＝20所示的曲线分别表示空燃比是14.6(理论空燃比)、15、16、18、20时的曲线，各曲线间的空燃比按比例分配确定的。如图11所示的那样，在除了RR区域的一部分之外的第1运转区域I，空燃比较稀，再有，在该第1运转区域I要求扭矩TQ越低，空燃比A/F越稀。
即，要求扭矩TQ越低，由于燃烧而产生的发热量越少。因此，即使要求扭矩TQ越低，越使EGR率降低，也能进行低温燃烧。若降低EGR率，则空燃比增大，因此，如图11所示，随着要求扭矩TQ的降低，空燃比A/F增大。空燃比A/F越大燃料消耗率越大，因此，为了尽量使空燃比较稀，在本发明的实施例，随着要求扭矩TQ的降低，增大空燃比A/F。
图12A表示的是在第1运转区域I的喷射量Q，图12B表示的是在第1运转区域I的开始喷射时间θS。如图12A所示，在第1运转区域I的喷射量Q，作为要求扭矩TQ和发动机转速N的函数，以映射的形式预先存储在ROM42内，如图12B所示，在第1运转区域I的开始喷射时间θS，也作为要求扭矩TQ和发动机转速N的函数，以映射的形式预先存储在ROM42内。
另外，为了使空燃比为图11所示的目标空燃比，如图13A所示，必要的节流阀20的目标开度ST，作为要求扭矩TQ和发动机转速N的函数，以映射的形式预先存储在ROM42内，为了使空燃比为图11所示的目标空燃比，如图13B所示，必要的EGR控制阀31的目标开度SE，作为要求扭矩TQ和发动机转速N的函数，以映射的形式预先存储在ROM42内。
图14所示是在进行第2燃烧、即在进行依据现有的燃烧方法的普通的燃烧时的目标空燃比。而且，在图14中，A/F＝24、A/F＝35、A/F＝45、A/F＝60所示的各曲线分别表示目标空燃比是24、35、45、60时的曲线。
图15A表示的是在第2运转区域II的喷射量Q，图15B表示的是在第2运转区域II的开始喷射时间θS。如图15A所示，在第2运转区域II的喷射量Q，作为要求扭矩TQ和发动机转速N的函数，以映射的形式预先存储在ROM42内，如图15B所示，在第2运转区域II的开始喷射时间θS，也作为要求扭矩TQ和发动机转速N的函数，以映射的形式预先存储在ROM42内。
另外，为了使空燃比为图14所示的目标空燃比，如图16A所示，必要的节流阀20的目标开度ST，作为要求扭矩TQ和发动机转速N的函数，以映射的形式预先存储在ROM42内，为了使空燃比为图14所示的目标空燃比，如图16B所示，必要的EGR控制阀31的目标开度SE，作为要求扭矩TQ和发动机转速N的函数，以映射的形式预先存储在ROM42内。
以下参照图17对运转控制进行说明。
参照图17，首先，在步骤100判断表示发动机的运转状态是第1运转区域I的标志I是否置位。在标志I已置位时，即在发动机的运转状态是第1运转区域I时，进入步骤101，判断要求扭矩TQ是否比第1边界X1(N)大。在TQ≤X1(N)时，进入步骤103进行低温燃烧。
即，在步骤103，根据图10B所示的映射算出要求扭矩TQ。接着在步骤104根据图13A所示的映射算出节流阀20的目标开度ST，设节流阀20的开度为该目标开度ST。接着在步骤105根据图13B所示的映射算出EGR控制阀31的目标开度SE，设EGR控制阀31的开度为该目标开度SE。接着在步骤106根据图12A所示的映射算出喷射量Q。接着在步骤107根据图12B所示的映射算出开始喷射时间θS。
另一方面，在步骤101，在判断为TQ＞X(N)时，进入步骤102，标志I复位，接着进入步骤110进行第2燃烧。
即，在步骤110，根据图10B所示的映射算出要求扭矩TQ。接着在步骤111根据图16A所示的映射算出节流阀20的目标开度ST，设节流阀20的开度为该目标开度ST。接着在步骤112根据图16B所示的映射算出EGR控制阀31的目标开度SE，设EGR控制阀31的开度为该目标开度SE。接着在步骤113根据图15A所示的映射算出喷射量Q。接着在步骤114根据图15B所示的映射算出开始喷射时间θS。
若标志I复位，则在以下的处理循环中，从步骤100进入步骤108，判断要求扭矩TQ是否比第2边界Y(N)低。在TQ≥Y(N)时，进入步骤110进行第2燃烧。另一方面，在步骤108判定为TQ＜Y(N)时，进入步骤109，标志I置位，接着进入步骤103，进行第1燃烧。
以下根据图18参照图20对第2实施例进行说明。
如图18所示，即使在该实施例，在RR区域，要求扭矩TQ越大，开始喷射时间θS越迟，在RR区域的高要求扭矩一侧，开始喷射时间θS为上死点之后。另外，即使在该实施例，在RR区域，随着要求扭矩TQ的增大，EGR率降低，另外，由于在RR区域，随着要求扭矩TQ的增大空燃比减小，因此喷射量增加。但是，在该实施例，在RR区域，随着要求扭矩TQ的增大，空燃比从稀空燃比渐渐地减小到浓空燃比。因此，在RR区域的喷射量的增量比例，与图9所示的实施例相比，图18所示的第2实施例的场合要大。
图19所示是第2实施例的在第1运转区域I的空燃比A/F。在图19中，A/F＝13、A/F＝14、A/F＝16、A/F＝18、A/F＝20所示的各曲线分别表示空燃比是13、14、16、18、20时的曲线，各曲线间的空燃比是按比例分配确定的。在该实施例也是如图19所示，除了RR区域的一部分之外，在第1运转区域I，空燃比较稀，而且，在该第1运转区域I，要求扭矩TQ越低，空燃比A/F越稀。
图20所示是在第1运转区域I的喷射量Q。如图20所示，在第1运转区域I的喷射量Q，作为要求扭矩TQ和发动机转速N的函数，以映射的形式预先存储在ROM42内。而且，在第2实施例，开始喷射时间θS、节流阀20的目标开度ST和EGR控制阀31的目标开度SE分别根据图12B、图13A、图13B所示的映射算出。
在该实施例，在从第1燃烧向第2燃烧、或从第2燃烧向第1燃烧切换时，空燃比较浓，开始喷射时间θS延迟到达上死点之后。这样一来，存在的优点是：若空燃比较浓，则燃料消耗量增大一些，但不会全部产生黑烟。
另外，这样一来，在第1燃烧和第2燃烧进行切换时使空燃比较浓，在使用NOX吸收剂作为催化剂25的场合，伴有其它作用。以下对这一情况进行说明。
如前面所描述的那样，该NOX吸收剂25具有在燃烧室5内的平均空燃比较稀时吸收NOX，在燃烧室5内的平均空燃比较浓时放出NOX的功能。如果再稍微严密地说，若将供给到发动机吸气通道、燃烧室5和NOX吸收剂25上游的排气通道内的空气和燃料(碳氢化合物)的比，称为供向NOX吸收剂25的流入废气的空燃比，则该NOX吸收剂25进行吸放NOX的作用，即在流入废气的空燃比较稀时，吸收NOX，在流入废气的空燃比为理论空燃比或较浓时，放出吸收的NOX。
若将该NOX吸收剂25配置在发动机排气通道内，虽然NOX吸收剂25实际上进行吸放NOX的作用，但对于该吸放作用的详细的机理来说也存在不明确的部分。但是，可以认为该吸放作用是根据图21A和图21B所示的那样的机理进行的。以下关于其机理虽然在载体方面以使铂Pt和钡Ba担当的场合为例进行了说明，但即使使用其它的贵金属、碱金属、碱土族、稀土族，也是同样的机理。
在图1所示的压缩着火式内燃机，通常在燃烧室5内的空燃比较稀的状态下进行燃烧。这样一来，在以空燃比较稀的状态进行燃烧的场合，废气中的氧气浓度高，此时，如图21A所示，这些氧气O2以O2 -或O2-的形式附着在铂Pt的表面上。另一方面，流入废气中的NO在铂Pt的表面上与O2 -或O2-反应，生成NO2( )。接着，生成的NO2的一部分一边在铂Pt上氧化，一边被吸收到吸收剂内，一边与氧化钡BaO结合，一边如图21A所示，以硝酸离子NO3 -的形式在吸收剂内扩散。这样一来，NOX被吸收到NOX吸收剂25内。只要流入废气中的氧气浓度高，在铂Pt的表面就生成NO2，只要吸收剂的NOX吸收能力不饱和，NO2就会被吸收到吸收剂内，生成硝酸离子NO3 -。
另一方面，若流入废气的空燃比较浓，则流入废气中的氧气浓度低，其结果是，在铂Pt的表面的NO2的生成量降低。若NO2的生成量降低，反应反向( )进行，这样一来，吸收剂内的硝酸离子NO3 -以NO2的形式从吸收剂释放出来。此时，从NOX吸收剂25释放出来的NOX如图21B所示，与包含在流入废气中的大量的未燃HC、CO反应，使其还原。这样一来，若在铂Pt的表面上不存在NO2，则从吸收剂中接二连三地释放出NO2。因此，若流入废气的空燃比较浓，则能在短时间内从NOX吸收剂25释放出NOX，而且由于该被释放出的NOX被还原，所以NOX不会被排放到大气中。
而且，在这种场合，即使使流入废气的空燃比为理论空燃比，也能从NOX吸收剂25释放出NOX。但是，在流入废气的空燃比为理论空燃比的场合，由于NOX只能渐渐地从NOX吸收剂25释放出来，所以，为了使被NOX吸收剂25吸收的全部NOX释放出来，需要一些时间。
但是，NOX吸收剂25的NOX吸收能力是有限度的，在NOX吸收剂25的NOX吸收能力饱和之前，必须使NOX从NOX吸收剂25释放出来。因此，必须估算被NOX吸收剂25吸收的NOX量。所以，在本发明的实施例，预先将进行第1燃烧时的单位时间的NOX吸收量A，作为要求负荷L和发动机转速N的函数，以图22A所示那样的映射的形式求出来，预先将进行第2燃烧时的单位时间的NOX吸收量B，作为要求负荷L和发动机转速N的函数，以图22B所示那样的映射的形式求出来，通过累计这些单位时间的NOX吸收量A、B，估算被NOX吸收剂25吸收的NOX量∑NOX。
在本发明的实施例，在该NOX吸收量∑NOX超过预定的允许最大值MAX之后，使其从NOX吸收剂25释放出NOX。即，具体地说，在∑NOX≤MAX时，如图9所示那样，控制空燃比和开始喷射时间θS等。与此相反，若∑NOX＞MAX，则如图18那样，控制空燃比和开始喷射时间θS。因此，这时在第1燃烧和第2燃烧进行切换时，在空燃比较浓时，从NOX吸收剂25释放出NOX。
以下参照图23，对在应从NOX吸收剂25释放出NOX时所置的释放NOX标志的处理程序进行说明。而且，该程序通过一定时间的中断来进行。
参照图23，首先，在步骤200，判断表示发动机的运转区域是第1运转区域I的标志是否置位。在标志I已置位时，即，在发动机的运转区域是第1运转区域I时，进入步骤201，根据图22A所示的映射算出单位时间的NOX吸收量A。接着，在步骤202累加A计算NOX吸收量∑NOX。接着，在步骤203判断NOX吸收量∑NOX是否超过最大值MAX。当∑NOX＞MAX时，进入步骤204，表示应该释放NOX的释放NOX标志置位。
另一方面，在步骤200，在判定为标志I已复位时，即，在发动机的运转区域是第2运转区域II时，进入步骤205，根据图22B所示的映射算出单位时间的NOX吸收量B。接着，在步骤206累加B计算NOX吸收量∑NOX。接着，在步骤207判断NOX吸收量∑NOX是否超过最大值MAX。当∑NOX＞MAX时，进入步骤208，表示应该释放NOX的释放NOX标志置位。
以下参照图24对运转控制进行说明。
参照图24，首先，在步骤300，判断表示发动机的运转状态是第1运转区域I的标志I是否置位。在标志I已置位时，即，在发动机的运转状态是第1运转区域I时，进入步骤301，判断要求扭矩TQ是否比第1边界X1(N)大。在TQ≤X1(N)时，进入步骤303进行低温燃烧。
即，在步骤303根据图10B所示的映射算出要求扭矩TQ。接着，在步骤304根据图13A所示的映射算出节流阀20的目标开度ST，设节流阀20的开度为该目标开度ST。接着，在步骤305根据图13B所示的映射算出EGR控制阀31的目标开度SE，设EGR控制阀31的开度为该目标开度SE。接着，在步骤306，根据图12B所示的映射算出开始喷射时间θS。
接着，在步骤307判断释放NOX标志是否置位。在释放NOX标志没有置位时，进入步骤308，根据图12A所示的映射算出喷射量Q。与此相反，在释放NOX标志已置位时，进入步骤309，进行用于从NOX吸收剂25释放出NOX的处理。
即，在步骤309，首先根据图20所示的映射算出喷射量Q。接着，判断空燃比是否是在预定的时间以上为较浓的，在空燃比在预定的时间以上为较浓的时候，释放NOX标志复位。
另一方面，在步骤301，在判定为TQ＞X(N)时，进入步骤302，标志I复位，接着，进入步骤312，进行第2燃烧。
即，在步骤312，根据图10B所示的映射算出要求扭矩TQ。接着，在步骤313，根据图16A所示的映射算出节流阀20的目标开度ST，设节流阀20的开度为该目标开度ST。接着，在步骤314，根据图16B所示的映射算出EGR控制阀31的目标开度SE，设EGR控制阀31的目标开度为该目标开度SE。接着，在步骤315，根据图15A所示的映射算出喷射量Q。接着，在步骤316，根据图15B所示的映射算出开始喷射时间θS。
若标志I已复位，则在以下的处理循环中，从步骤300进入步骤310，判断要求扭矩TQ是否比第2边界Y(N)低。在TQ≥Y(N)时，进入步骤312，进行第2燃烧。另一方面，在步骤310，在判定为TQ＜Y(N)时，进入步骤311，标志I置位，接着，进入步骤303进行第1燃烧。
根据本发明，在第1燃烧和第2燃烧进行切换时能阻止产生烟雾。

Claims (13)

1.一种内燃机，若增大燃烧室内的非活性气体量，黑烟的发生量逐渐增大，达最大值，若进一步增大燃烧室内的非活性气体量，燃烧室内的燃烧时的燃料及其周围的气体温度比黑烟的生成温度还低，几乎不产生黑烟，其特征在于：该内燃机具备有选择地切换第1燃烧和第2燃烧的切换手段，该第1燃烧是燃烧室内的非活性气体量比黑烟的发生量为最大值的非活性气体量还多，几乎不产生黑烟，该第2燃烧是燃烧室内的非活性气体量比黑烟的发生量为最大值的非活性气体量少，在第1燃烧和第2燃烧进行切换时，喷射时间延迟到压缩至上死点之后。
2.权利要求1所记载的内燃机，在第1燃烧和第2燃烧进行切换时，在第1燃烧的基础上，空燃比较稀或为理论空燃比且喷射时间延迟到压缩至上死点之后。
3.权利要求1所记载的内燃机，发动机的运转区域分为低负荷的第1运转区域和高负荷的第2运转区域，在第1运转区域，进行第1燃烧，在第2运转区域进行第2燃烧。
4.权利要求3所记载的内燃机，在第1运转区域内的负荷最高的区域，空燃比较稀或为理论空燃比，喷射时间延迟到压缩至上死点之后。
5.权利要求4所记载的内燃机，具备用于使从燃烧室排出的废气在发动机吸气通道内再循环的废气再循环装置，上述非活性气体由再循环废气构成，在上述负荷最高的区域以外的第1运转区域，废气再循环率大致在百分之55以上，在上述负荷最高的区域内，废气再循环率在百分之55以下。
6.权利要求1所记载的内燃机，在发动机排气通道内配置有具有氧化功能的催化剂。
7.权利要求6所记载的内燃机，该催化剂由氧化催化剂、三元催化剂或NOX吸收剂中的至少一种所构成。
8.权利要求1所记载的内燃机，在第1燃烧和第2燃烧进行切换时，在第1燃烧的基础上，空燃比较浓且喷射时间延迟到压缩至上死点之后。
9.权利要求8所记载的内燃机，发动机的运转区域分为低负荷的第1运转区域和高负荷的第2运转区域，在第1运转区域进行第1燃烧，在第2运转区域进行第2燃烧。
10.权利要求9所记载的内燃机，在第1运转区域内的负荷最高的区域，空燃比较浓，喷射时间延迟到压缩至上死点之后。
11.权利要求10所记载的内燃机，具备用于使从燃烧室排出的废气在发动机吸气通道内再循环的废气再循环装置，上述非活性气体由再循环废气构成，在上述负荷最高的区域以外的第1运转区域，废气再循环率大致在百分之55以上，在上述负荷最高的区域内，废气再循环率在百分之55以下。
12.权利要求8所记载的内燃机，在发动机排出通道内配置有NOX吸收剂。
13.权利要求1所记载的内燃机，在发动机排气通道内配置有NOX吸收剂，在第1燃烧和第2燃烧进行切换时，通常在第1燃烧的基础上，空燃比较稀或为理论空燃比，且喷射时间延迟到压缩至上死点之后，在应从NOX吸收剂释放出NOX时，在第1燃烧和第2燃烧进行切换时，在第1燃烧的基础上，空燃比较浓，且喷射时间延迟到压缩至上死点之后。
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