JP2000038950A - 内燃機関 - Google Patents

内燃機関

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JP2000038950A
JP2000038950A JP10205023A JP20502398A JP2000038950A JP 2000038950 A JP2000038950 A JP 2000038950A JP 10205023 A JP10205023 A JP 10205023A JP 20502398 A JP20502398 A JP 20502398A JP 2000038950 A JP2000038950 A JP 2000038950A
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Hiroki Murata
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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 第1の燃焼と第2の燃焼とを良好に切換え
る。 【解決手段】 煤の発生量がピークとなるEGRガス量
よりも燃焼室5内のEGR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EG
Rガス量よりも燃焼室5内のEGRガス量が少ない第2
の燃焼とを選択的に行う。第1の燃焼から第2の燃焼に
切換えられたときには燃料噴射開始時期を遅らせ、第2
の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときには燃料噴射
開始時期を早める。

Description

【発明の詳細な説明】
【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NOx の発生を抑制するために機関排気通
路と機関吸気通路とを排気ガス再循環(以下、EGRと
称す)通路により連結し、このEGR通路を介して排気
ガス、即ちEGRガスを機関吸気通路内に再循環させる
ようにしている。この場合、EGRガスは比較的比熱が
高く、従って多量の熱を吸収することができるので、E
GRガス量を増大するほど、即ちEGR率(EGRガス
量/(EGRガス量+吸入空気量))を増大するほど燃
焼室内における燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下す
るとNOx の発生量が低下し、従ってEGR率を増大す
ればするほどNOx の発生量は低下することになる。
【0003】このように従来よりEGR率を増大すれば
NOx の発生量を低下しうることはわかっている。しか
しながらEGR率を増大させていくとEGR率が或る限
度を越えたときに煤の発生量、即ちスモークが急激に増
大し始める。この点に関し従来より、それ以上EGR率
を増大すればスモークが限りなく増大していくものと考
えられており、従ってスモークが急激に増大し始めるE
GR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3
0パーセントから50パーセント程度に抑えられてい
る。
【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EG
R率はこの最大許容限界を越えない範囲内においてNO
x およびスモークの発生量ができるだけ少なくなるよう
に定められていた。しかしながらこのようにしてEGR
率をNOx およびスモークの発生量ができるだけ少なく
なるように定めてもNOx およびスモークの発生量の低
下には限度があり、実際には依然としてかなりの量のN
x 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N
x の発生量が極めて少量となることも判明している。
この後この知見に基づいて煤が発生しない理由について
検討が進められ、その結果これまでにない煤およびNO
x の同時低減が可能な新たな燃焼システムが構築される
に至ったのである。この新たな燃焼システムについては
後に詳細に説明するが簡単に言うと炭化水素が煤に成長
するまでの途中の段階において炭化水素の成長を停止さ
せることを基本としている。
【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
る必要がある。しかしながら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、即ち機関負荷が比較的低いときであり、吸入
空気量が一定量を越えるともはやこの新たな燃焼を行う
ことができない。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る必要があ
る。
【0010】ところがこの新たな燃焼と従来より行われ
ている燃焼とでは燃焼の形態が異なっており、従ってこ
の新たな燃焼下における最適の燃料噴射開始時期と従来
より行われている燃焼下における最適の燃料噴射開始時
期とは全く異なっている。即ち、新たな燃焼は多量のE
GRガスの存在下で行われるので燃焼は緩慢となり、従
って従来の燃焼下における最適な噴射開始時期において
燃料の噴射を開始すると噴射開始時期が遅くなりすぎる
ために良好な燃焼が行われず、その結果失火を生ずるこ
とになる。従って新たな燃焼を行う場合には従来より行
われている燃焼を行う場合に比べて燃料の噴射開始時期
を早める必要がある。
【0011】また、新たな燃焼と従来より行われている
燃焼とを切換える場合には燃焼室内におけるEGR率を
瞬時に切換えなければならないが実際には燃焼室内にお
けるEGR率を瞬時に切換えることは困難であり、実際
には燃焼室内におけるEGR率は徐々に変化することに
なる。即ち、新たな燃焼から従来より行われている燃焼
に切換えられる場合には新たな燃焼形態から従来より行
われている燃焼形態へと徐々に変化し、従来より行われ
ている燃焼から新たな燃焼に切換えられる場合には従来
より行われている燃焼形態から新たな燃焼形態へと徐々
に変化することになる。
【0012】従って新たな燃焼から従来より行われてい
る燃焼に切換えられる場合には燃料噴射開始時期や燃料
噴射量を新たな燃焼に適した噴射開始時期や噴射量から
従来より行われている燃焼に適した噴射開始時期や噴射
量に徐々に切換えることが好ましく、また従来より行わ
れている燃焼から新たな燃焼に切換えられる場合には燃
料噴射開始時期や燃料噴射量を従来より行われている燃
焼に適した噴射開始時期や噴射量から新たな燃焼に適し
た噴射開始時期や噴射量に徐々に切換えることが好まし
いと言える。
【0013】本発明の目的は新たな燃焼と従来より行わ
れている燃焼とを切換える際に最適な噴射制御を行うよ
うにした内燃機関を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に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、燃焼室内に燃料噴射弁を配置し、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、第1の燃焼から第2の燃焼に切換
えられたときには燃料噴射開始時期を遅らせると共に第
2の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときには燃料噴
射開始時期を早めるようにしている。
【0015】2番目の発明では1番目の発明において、
少くとも第1の燃焼と第2の燃焼との切換え時には主噴
射に先立ってパイロット噴射を行うことにより第2の燃
焼が行われ、第1の燃焼から第2の燃焼に切換えられた
ときには第1の燃焼が行われているときの噴射開始時期
に比べて主噴射の噴射開始時期を遅らせると共に、第2
の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときには主噴射の
噴射開始時期に比べて噴射開始時期を早めるようにして
いる。
【0016】3番目の発明では2番目の発明において、
第1の燃焼から第2の燃焼に切換えられたときには主噴
射の噴射量を徐々に増大させると共にパイロット噴射の
噴射量を徐々に減少させるようにしている。4番目の発
明では3番目の発明において、第1の燃焼から第2の燃
焼に切換えられたときにはパイロット噴射の噴射開始時
期が第1の燃焼時における噴射開始時期から第2の燃焼
時に機関の運転状態に応じ予め定められているパイロッ
ト噴射開始時期に向けて徐々に変化せしめられる。
【0017】5番目の発明では3番目の発明において、
第1の燃焼から第2の燃焼に切換えられたときには主噴
射の噴射開始時期が徐々に早められる。6番目の発明で
は2番目の発明において、第2の燃焼から第1の燃焼に
切換えられたときには主噴射の噴射量を徐々に減少させ
ると共にパイロット噴射の噴射量を徐々に増大させるよ
うにしている。
【0018】7番目の発明では6番目の発明において、
第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときにはパイ
ロット噴射の噴射開始時期が第1の燃焼時における噴射
開始時期に向けて徐々に変化せしめられる。8番目の発
明では6番目の発明において、第2の燃焼から第1の燃
焼に切換えられたときには主噴射の噴射開始時期が徐々
に遅くされる。
【0019】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。10番目の発明では9番目の発明におい
て、第1の燃焼状態における排気ガス再循環率がほぼ5
5パーセント以上である。
【0020】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、三元触媒又はNOx 吸収剤の少くとも一
つからなる。13番目の発明では1番目の発明におい
て、機関の運転領域を低負荷側の第1の運転領域と高負
荷側の第2の運転領域に分割し、第1の運転領域では第
1の燃焼を行い、第2の運転領域では第2の燃焼を行う
ようにしている。
【0021】
【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。
【0022】一方、排気ポート10は排気マニホルド2
1および排気管22を介して排気ターボチャージャ15
の排気タービン23の入口部に連結され、排気タービン
23の出口部は排気管24を介して酸化機能を有する触
媒25を内蔵した触媒コンバータ26に連結される。排
気マニホルド21内には空燃比センサ27が配置され
る。
【0023】触媒コンバータ26の出口部に連結された
排気管28とスロットル弁20下流の空気吸込管17と
は排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路29を介
して互いに連結され、EGR通路29内にはステップモ
ータ30により駆動されるEGR制御弁31が配置され
る。また、EGR通路29内にはEGR通路29内を流
れるEGRガスを冷却するためのインタークーラ32が
配置される。図1に示される実施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E
GRガスが冷却される。
【0024】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。
【0025】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。空燃比センサ27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、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4
5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。
【0026】図2は機関低負荷運転時にスロットル弁2
0の開度およびEGR率を変化させることにより空燃比
A/F(図2の横軸)を変化させたときの出力トルクの
変化、およびスモーク、HC,CO,NOx の排出量の
変化を示す実験例を表している。図2からわかるように
この実験例では空燃比A/Fが小さくなるほどEGR率
が大きくなり、理論空燃比(≒14.6)以下のときに
はEGR率は65パーセント以上となっている。
【0027】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N
x 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。
【0028】図3(A)は空燃比A/Fが18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13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。
【0029】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1
5.0以下でスモークの発生量がほぼ零のときには図2
に示されるようにNOx の発生量がかなり低下する。N
x 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。
【0030】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。
【0031】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。
【0032】ところで煤の前駆体の状態で炭化水素の生
成過程が停止するときの燃料およびその周囲の温度、即
ち上述の或る温度は燃料の種類や空燃比の圧縮比等の種
々の要因によって変化するので何度であるかということ
は言えないがこの或る温度はNOx の発生量と深い関係
を有しており、従ってこの或る温度はNOx の発生量か
ら或る程度規定することができる。即ち、EGR率が増
大するほど燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度は低
下し、NOx の発生量が低下する。このときNOx の発
生量が10p.p.m 前後又はそれ以下になったときに煤が
ほとんど発生しなくなる。従って上述の或る温度はNO
x の発生量が10p.p.m 前後又はそれ以下になったとき
の温度にほぼ一致する。
【0033】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。
【0034】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。
【0035】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。
【0036】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。
【0037】この場合、燃料およびその周囲のガス温度
を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制するにはそ
うするのに十分な熱量を吸収しうるだけの不活性ガス量
が必要となる。従って燃料量が増大すれば必要となる不
活性ガス量はそれに伴なって増大することになる。な
お、この場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用
が強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが
好ましいことになる。この点、CO2 やEGRガスは比
較的比熱が大きいので不活性ガスとしてEGRガスを用
いることは好ましいと言える。
【0038】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9
0℃に維持した場合を示しており、曲線Bは小型の冷却
装置でEGRガスを冷却した場合を示しており、曲線C
はEGRガスを強制的に冷却していない場合を示してい
る。
【0039】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。
【0040】また、図5の曲線Cで示されるようにEG
Rガスを強制的に冷却していない場合にはEGR率が5
5パーセントの付近で煤の発生量がピークとなり、この
場合にはEGR率をほぼ70パーセント以上にすれば煤
がほとんど発生しなくなる。なお、図5は機関負荷が比
較的高いときのスモークの発生量を示しており、機関負
荷が小さくなると煤の発生量がピークとなるEGR率は
若干低下し、煤がほとんど発生しなくなるEGR率の下
限も若干低下する。このように煤がほとんど発生しなく
なるEGR率の下限はEGRガスの冷却度合や機関負荷
に応じて変化する。
【0041】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。
【0042】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7
0パーセント以上である。即ち、燃焼室5内に吸入され
た全吸入ガス量を図6において実線Xとし、この全吸入
ガス量Xのうちの空気量とEGRガス量との割合を図6
に示すような割合にすると燃料およびその周囲のガス温
度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯くし
て煤が全く発生しなくなる。また、このときのNOx
生量は10p.p.m 前後、又はそれ以下であり、従ってN
x の発生量は極めて少量となる。
【0043】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。
【0044】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。
【0045】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5
5パーセント以上、例えば70パーセントに維持するこ
とができ、斯くして燃料およびその周囲のガス温度を煤
が生成される温度よりも低い温度に維持することができ
る。即ち、空気吸込管17内におけるEGR率が例えば
70パーセントになるようにEGRガスを再循環させれ
ば排気ターボチャージャ15のコンプレッサ16により
昇圧された吸入ガスのEGR率も70パーセントとな
り、斯くしてコンプレッサ16により昇圧しうる限度ま
で燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度
よりも低い温度に維持することができる。従って、低温
燃焼を生じさせることのできる機関の運転領域を拡大す
ることができることになる。
【0046】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NOx の発生
量を10p.p.m 前後又はそれ以下にすることができ、ま
た空気量を図6に示される空気量よりも多くしても、即
ち空燃比の平均値を17から18のリーンにしても煤の
発生を阻止しつつNOx の発生量を10p.p.m 前後又は
それ以下にすることができる。
【0047】即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過
剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために
過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くして煤が生成される
ことがない。また、このときNOx も極めて少量しか発
生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空
燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば少量
の煤が生成されるが本発明では燃焼温度が低い温度に抑
制されているので煤は全く生成されない。更に、NOx
も極めて少量しか発生しない。
【0048】このように、低温燃焼が行われているとき
には空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろ
うと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリー
ンであろうと煤が発生されず、NOx の発生量が極めて
少量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこのと
き平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
【0049】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。
【0050】図7は第1の燃焼、即ち低温燃焼が行われ
る第1の運転領域Iと、第2の燃焼、即ち従来の燃焼方
法による燃焼が行われる第2の運転領域IIとを示してい
る。なお、図7において縦軸Lはアクセルペダル50の
踏込み量、即ち要求負荷を示しており、横軸Nは機関回
転数を示している。また、図7においてX(N)は第1
の運転領域Iと第2の運転領域IIとの第1の境界を示し
ており、Y(N)は第1の運転領域Iと第2の運転領域
IIとの第2の境界を示している。第1の運転領域Iから
第2の運転領域IIへの運転領域の変化判断は第1の境界
X(N)に基づいて行われ、第2の運転領域IIから第1
の運転領域Iへの運転領域の変化判断は第2の境界Y
(N)に基づいて行われる。
【0051】即ち、機関の運転状態が第1の運転領域I
にあって低温燃焼が行われているときに要求負荷Lが機
関回転数Nの関数である第1の境界X(N)を越えると
運転領域が第2の運転領域IIに移ったと判断され、従来
の燃焼方法による燃焼が行われる。次いで要求負荷Lが
機関回転数Nの関数である第2の境界Y(N)よりも低
くなると運転領域が第1の運転領域Iに移ったと判断さ
れ、再び低温燃焼が行われる。
【0052】このように第1の境界X(N)と第1の境
界X(N)よりも低負荷側の第2の境界Y(N)との二
つの境界を設けたのは次の二つの理由による。第1の理
由は、第2の運転領域IIの高負荷側では比較的燃焼温度
が高く、このとき要求負荷Lが第1の境界X(N)より
低くなったとしてもただちに低温燃焼を行えないからで
ある。即ち、要求負荷Lがかなり低くなったとき、即ち
第2の境界Y(N)よりも低くなったときでなければた
だちに低温燃焼が開始されないからである。第2の理由
は第1の運転領域Iと第2の運転領域II間の運転領域の
変化に対してヒステリシスを設けるためである。
【0053】ところで機関の運転状態が第1の運転領域
Iにあって低温燃焼が行われているときには煤はほとん
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。触媒2
5としては酸化触媒、三元触媒、又はNOx 吸収剤を用
いることができる。NOx 吸収剤は燃焼室5内における
平均空燃比がリーンのときにNOx を吸収し、燃焼室5
内における平均空燃比がリッチになるとNOx を放出す
る機能を有する。
【0054】このNOx 吸収剤は例えばアルミナを担体
とし、この担体上に例えばカリウムK、ナトリウムN
a、リチウムLi、セシウムCsのようなアルカリ金
属、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土
類、ランタンLa、イットリウムYのような希土類から
選ばれた少くとも一つと、白金Ptのような貴金属とが
担持されている。
【0055】酸化触媒はもとより、三元触媒およびNO
x 吸収剤も酸化機能を有しており、従って上述した如く
三元触媒およびNOx 吸収剤を触媒25として用いるこ
とができる。図8は空燃比センサ27の出力を示してい
る。図8に示されるように空燃比センサ27の出力電流
Iは空燃比A/Fに応じて変化する。従って空燃比セン
サ27の出力電流Iから空燃比を知ることができる。
【0056】次に図9を参照しつつ第1の運転領域Iお
よび第2の運転領域IIにおける運転制御について概略的
に説明する。図9は要求負荷Lに対するスロットル弁2
0の開度、EGR制御弁31の開度、EGR率、空燃
比、噴射時期および噴射量を示している。図9に示され
るように要求負荷Lの低い第1の運転領域Iではスロッ
トル弁20の開度は要求負荷Lが高くなるにつれて全閉
近くから2/3開度程度まで徐々に増大せしめられ、E
GR制御弁31の開度は要求負荷Lが高くなるにつれて
全閉近くから全開まで徐々に増大せしめられる。また、
図9に示される例では第1の運転領域IではEGR率が
ほぼ70パーセントとされており、空燃比はわずかばか
りリーンなリーン空燃比とされている。
【0057】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、このとき空燃比は空燃比センサ27の出力信号に基
づいてEGR制御弁31の開度を補正することによって
目標リーン空燃比に制御される。また、第1の運転領域
Iでは圧縮上死点TDC前に燃料噴射が行われる。この
場合、噴射開始時期θは要求負荷Lが高くなるにつれて
遅くなる。
【0058】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2
0を全閉近くまで閉弁すると圧縮始めの燃焼室5内の圧
力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が
小さくなるとピストン4による圧縮仕事が小さくなるた
めに機関本体1の振動が小さくなる。即ち、アイドリン
グ運転時には機関本体1の振動を抑制するためにスロッ
トル弁20が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【0059】一方、機関の運転領域が第1の運転領域I
から第2の運転領域IIに変わるとスロットル弁20の開
度が2/3開度程度から全開方向へステップ状に増大せ
しめられる。このとき図9に示す例では、EGR率が多
量のスモークを発生するEGR率範囲(図5)を飛び越
えるように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。
【0060】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NOx 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9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。第2の運転領域
IIでは従来から行われている燃焼が行われる。この第2
の運転領域IIではスロットル弁20は一部を除いて全開
状態に保持され、EGR制御弁31の開度は要求負荷L
が高くなると次第に小さくされる。また、この運転領域
IIではEGR率は要求負荷Lが高くなるほど低くなり、
空燃比は要求負荷Lが高くなるほど小さくなる。ただ
し、空燃比は要求負荷Lが高くなってもリーン空燃比と
される。また、第2の運転領域IIでは主噴射Qm に先立
ってパイロット噴射Qp が行われる。
【0061】図10は第1の運転領域Iにおける空燃比
A/Fを示している。図10において、A/F=15.
5,A/F=16,A/F=17,A/F=18で示さ
れる各曲線は夫々空燃比が15.5,16,17,18
であるときを示しており、各曲線間の空燃比は比例配分
により定められる。図10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。
【0062】即ち、要求負荷Lが低くなるほど燃焼によ
る発熱量が少くなる。従って要求負荷Lが低くなるほど
EGR率を低下させても低温燃焼を行うことができる。
EGR率を低下させると空燃比は大きくなり、従って図
10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。
【0063】なお、空燃比を図10に示す目標空燃比と
するのに必要なスロットル弁20の目標開度STが図1
1(A)に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数
Nの関数としてマップの形で予めROM42内に記憶さ
れており、空燃比を図10に示す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11(B)
に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数
としてマップの形で予めROM42内に記憶されてい
る。
【0064】図12は第2の燃焼、即ち従来の燃焼方法
による燃焼が行われるときの目標空燃比を示している。
なお、図12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13(A)に示されるように要求負荷L
および機関回転数Nの関数としてマップの形で予めRO
M42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1
3(B)に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数
Nの関数としてマップの形で予めROM42内に記憶さ
れている。
【0065】図9に示されるように第1の運転領域Iに
おいて第1の燃焼が行われているときには圧縮行程末期
に一回だけ燃料噴射Qが行われ、第2の運転領域IIにお
いて第2の燃焼が行われているときに前述したように主
噴射Qm に先立ってパイロット噴射Qp が行われる。図
9に示されるように燃料噴射Qの噴射量、および主噴射
Qm の噴射量とパイロット噴射Qp の噴射量は要求負荷
Lが高くなるにつれて増大する。
【0066】実際には燃料噴射Qの噴射量は要求負荷L
および機関回転数Nの関数であり、この噴射量Qは図1
4(A)に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数
Nの関数としてマップの形で予めROM42内に記憶さ
れている。同様に主噴射Qmの噴射量も要求負荷Lおよ
び機関回転数の関数であり、この噴射量Qm も図14
(B)に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数N
の関数としてマップの形で予めROM42内に記憶され
ている。更に、パイロット噴射Qp の噴射量も要求負荷
Lおよび機関回転数Nの関数であり、この噴射量Qp も
図14(C)に示されるように要求負荷Lおよび機関回
転数Nの関数としてマップの形で予めROM42内に記
憶されている。
【0067】一方、図15(A)は燃料噴射Qの噴射開
始時期と主噴射Qm の噴射開始時期を示している。即
ち、図15(A)において第1の境界X(N)よりも低
負荷側は燃料噴射Qの噴射開始時期を示しており、第1
の境界X(N)よりも高負荷側は主噴射Qm の噴射開始
時期を示している。なお、図15(A)において各数値
は上死点前BTDCのクランク角を示しており、各実線
は等噴射開始時期を示している。
【0068】第1の燃焼、即ち低温燃焼はEGR率が高
い状態で行われるので燃焼は緩慢であり、従ってこのと
き主噴射Qm の噴射開始時期のように噴射開始時期を遅
くすると良好な燃焼が得られないために失火を生ずるこ
とになる。従って図15(A)からわかるように第1の
燃焼下における噴射開始時期は第2の燃焼下における主
噴射Qm の噴射開始時期よりも早められている。
【0069】なお、このことは第2の燃焼下において一
回だけ燃料噴射を行った場合でも同様であって、この場
合でも第1の燃焼下における噴射開始時期は第2の燃焼
下における噴射開始時期よりも早められる。従って第1
の燃焼から第2の燃焼に切換えられたときには噴射開始
時期が遅くされ、第2の燃焼から第1の燃焼に切換えら
れたときには噴射開始時期が早くされることになる。
【0070】図15(A)からわかるように第1の燃焼
が行われているときの噴射開始時期は要求負荷Lおよび
機関回転数Nの関数であり、この噴射開始時期θは図1
5(B)に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数
Nの関数としてマップの形で予めROM42内に記憶さ
れている。また、図15(A)からわかるように主噴射
Qm の噴射開始時期も要求負荷Lおよび機関回転数Nの
関数であり、この噴射開始時期θm も図15(C)に示
されるように要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数とし
てマップの形で予めROM42内に記憶されている。
【0071】図16(A)は一定の機関回転数Nのもと
で要求負荷Lが変化した場合の主噴射Qm の噴射開始時
期θm の変化およびパイロット噴射Qp の噴射開始時期
θpの変化を示しており、図16(B)は要求負荷Lが
一定のもとで機関回転数Nが変化した場合の主噴射Qm
の噴射開始時期θm の変化およびパイロット噴射Qpの
噴射開始時期θp の変化を示している。図16(A)お
よび図16(B)からわかるようにパイロット噴射Qp
の噴射開始時期θp は要求負荷Lおよび機関回転数Nの
関数であり、この噴射開始時期θp は図16(C)に示
されるように要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数とし
てマップの形で予めROM42内に記憶されている。
【0072】次に図17(A)および図17(B)を参
照しつつ第1の燃焼から第2の燃焼に切換えられる際の
噴射量および噴射開始時期の制御について説明する。前
述したように第1の燃焼から第2の燃焼に切換えられる
際にはスロットル弁20を開弁することによってEGR
率が例えば70パーセントから40パーセント以下まで
低下せしめられる。しかしながらこのとき吸入空気量の
増大遅れ等によりEGR率は瞬時に低下せず、EGR率
が70パーセントから40パーセント以下に低下するま
で一定時間を要する。即ち、第1の燃焼から第2の燃焼
に切換えられるときには第1の燃焼に適したEGR率か
ら第2の燃焼に適したEGR率まで次第に変化すること
になる。従って第1の燃焼から第2の燃焼に切換えられ
たときには噴射量および噴射開始時期を第1の燃焼に適
した噴射量および噴射開始時期から第2の燃焼に適した
噴射量および噴射開始時期に次第に変化させることが好
ましいことになる。
【0073】そこで本発明による実施例では図17
(A)および図17(B)に示されるように第1の燃焼
から第2の燃焼に切換えられる際には主噴射量Qmiを徐
々に増大させ、パイロット噴射量Qpiを徐々に減少さ
せ、主噴射の噴射開始時期θmiおよびパイロット噴射の
噴射開始時期θpiを徐々に変化させるようにしている。
なお、図17(A)および図17(B)はt1 からt4
へ向けて時間が経過するときの噴射期間の変化を示して
いる。また、図17(A)は機関回転数Nが比較的低い
ときを示しており、図17(B)は機関回転数Nが比較
的高いときを示している。図17(A)および図17
(B)において横軸はクランク角を示しており、従って
噴射量が同一であったとしても機関回転数Nが高くなる
ほど噴射期間は長くなる。
【0074】図17(A)および図17(B)において
1 は第1の燃焼が行われているときの噴射期間を示し
ており、t2 ,t3 は第1の燃焼から第2の燃焼に移る
途中の段階を示しており、t4 は第2の燃焼に完全に切
換えられたときを示している。図17(A)および図1
7(B)に示されるように第1の燃焼から第2の燃焼に
切換えられるときには主噴射量Qmiが最終的な主噴射量
Qm に向けて徐々に増大せしめられ、パイロット噴射量
Qpiが第1の燃焼下における噴射量Qから最終的なパイ
ロット噴射量Qp に向けて徐々に減少せしめられる。な
お、t2 およびt3 においてQmiを主噴射と称し、Qpi
をパイロット噴射と称するのは技術的にみて必ずしも適
切ではないが発明を理解しやすくするために本願の明細
書では第1の燃焼から第2の燃焼に移る途中の段階にお
いて先に行われる噴射をパイロット噴射と称し、後に行
われる噴射を主噴射と称する。
【0075】一方、第1の燃焼から第2の燃焼に切換え
られるときには主噴射の噴射開始時期θmiは最終的な噴
射開始時期θm に向けて徐々に早められる。また、第1
の燃焼から第2の燃焼に切換えられるときにはパイロッ
ト噴射の噴射開始時期θpiは第1の燃焼下における噴射
開始時期θから第2の燃焼下における最終的な噴射開始
時期θp に向けて徐々に変化せしめられる。
【0076】なお、機関回転数Nが低いときには図15
(A)に示されるように第1の燃焼下における噴射開始
時期θは比較的遅く、従ってこのときには図17(A)
に示されるようにパイロット噴射の噴射開始時期θpiは
徐々に早められる。これに対して、機関回転数Nが高い
ときには図15(A)に示されるように第1の燃焼下に
おける噴射開始時期θは比較的早く、従ってこのときに
は図17(B)に示されるようにパイロット噴射の噴射
開始時期θpiは徐々に遅くされる。
【0077】第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられる
ときには噴射期間は図17(A)および図17(B)に
おいてt4 からt1 に向けて変化せしめられる。従って
第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられる際には主噴射
量Qmiは徐々に減少し、パイロット噴射量Qpiは徐々に
増大し、主噴射の噴射開始時期θmiおよびパイロット噴
射の噴射開始時期θpiは徐々に変化せしめられるること
になる。
【0078】次に図18を参照しつつ運転制御について
説明する。図18を参照すると、まず初めにステップ1
00において機関の運転状態が第1の運転領域Iである
ことを示すフラグIがセットされているか否かが判別さ
れる。フラグIがセットされているとき、即ち機関の運
転状態が第1の運転領域Iであるときにはステップ10
1に進んで要求負荷Lが第1の境界X1(N)よりも大
きくなったか否かが判別される。L≦X1(N)のとき
にはステップ104に進んで低温燃焼が行われる。
【0079】即ち、ステップ104では図11(A)に
示すマップからスロットル弁20の目標開度STが算出
され、スロットル弁20の開度がこの目標開度STとさ
れる。次いでステップ105では図11(B)に示すマ
ップからEGR制御弁31の目標開度SEが算出され、
EGR制御弁31の開度がこの目標開度SEとされる。
次いでステップ106では図19に示される噴射制御I
が行われる。
【0080】一方、ステップ101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102に
進んでフラグIがリセットされ、次いでステップ103
に進んで第1の燃焼と第2の燃焼との切換え時における
噴射制御が完了したことを示す完了フラグがリセットさ
れる。次いでステップ110に進んで第2の燃焼が行わ
れる。
【0081】即ち、ステップ110では図13(A)に
示すマップからスロットル弁20の目標開度STが算出
され、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111では図13(B)に示すマ
ップからEGR制御弁31の目標開度SEが算出され、
EGR制御弁31の開度がこの目標開度SEとされる。
次いでステップ112では図21に示される噴射制御II
が行われる。
【0082】フラグIがリセットされると次の処理サイ
クルではステップ100からステップ107に進んで要
求負荷Lが第2の境界Y(N)よりも低くなったか否か
が判別される。L≧Y(N)のときにはステップ110
に進み、第2の燃焼が行われる。一方、ステップ107
においてL<Y(N)になったと判別されたときにはス
テップ108に進んでフラグIがセットされ、次いでス
テップ109に進んで完了フラグがリセットされる。次
いでステップ104に進んで低温燃焼が行われる。
【0083】次に図19および図20を参照しつつ噴射
制御Iについて説明する。図19および図20を参照す
ると、まず初めにステップ200において完了フラグが
セットされているか否かが判別される。この完了フラグ
は第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられるときにリセ
ットされるので第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられ
たときにはステップ201に進む。
【0084】ステップ201では第2の燃焼から第1の
燃焼に切換えられる直前の主噴射量Qm が一定整数値I
NTにより除算され、除算結果がΔQm とされる。次い
でステップ202では主噴射量QmiからΔθm が減算さ
れる。次いでステップ203では主噴射量Qmiが最小値
MINよりも小さくなったか否かが判別される。Qmi<
MINになるとステップ204に進んで主噴射量Qmiが
零とされる。従って第2の燃焼から第1の燃焼に切換え
られると主噴射量Qmiが徐々に減少せしめられることが
わかる。
【0085】次いでステップ205ではΔθm に一定値
αが加算される。次いでステップ206では第2の燃焼
から第1の燃焼に切換えられる直前の主噴射の噴射開始
時期θm からΔθm が減算され、減算結果が主噴射の噴
射開始時期θmiとされる。次いでステップ207では主
噴射の噴射開始時期θmiが予め定められた噴射開始時期
Rよりも小さくなったか否か、即ち遅くなったか否かが
判別される。θmi<Rになるとステップ208に進んで
θmiがRとされる。従って第2の燃焼から第1の燃焼に
切換えられると主噴射の噴射開始時期θmiが徐々に遅く
されることがわかる。
【0086】次いでステップ209では第1の燃焼下に
おける噴射量Qと、第2の燃焼から第1の燃焼に切換え
られる直前のパイロット噴射量Qp との差(Q−Qp )
が一定整数値INTにより除算され、除算結果がΔQp
とされる。次いでステップ210では積算値SにΔQp
が加算される。次いでステップ211ではパイロット噴
射量Qp に積算値Sが加算され、加算結果がパイロット
噴射量Qpiとされる。次いでステップ212ではパイロ
ット噴射量Qpiが第1の燃焼下における噴射量Qよりも
大きくなったか否かが判別される。Qpi>Qになるとス
テップ213に進んでパイロット噴射量QpiがQとされ
る。従って第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられたと
きにはパイロット噴射量Qpiが徐々に増大せしめられる
ことがわかる。
【0087】次いでステップ214では第2の燃焼から
第1の燃焼に切換えられる直前のパイロット噴射の噴射
開始時期θp と、第1の燃焼下における噴射開始時期θ
との差(θp −θ)が一定整数値INTにより除算さ
れ、除算結果がΔθp とされる。次いでステップ215
では積算値SSにΔθp が加算される。次いでステップ
216ではパイロット噴射の噴射開始時期θp から積算
値SSが減算され、減算結果がパイロット噴射の噴射開
始時期θpiとされる。次いでステップ217ではパイロ
ット噴射の噴射開始時期θpiと第1の燃焼下における噴
射開始時期θとの差の絶対値|θpi−θ|が一定値βよ
りも小さくなったか否かが判別され、|θpi−θ|<β
となったときにはステップ218に進んでパイロット噴
射の噴射開始時期θpiがθとされる。従って第2の燃焼
から第1の燃焼に切換えられたときにはパイロット噴射
の噴射開始時期θpiが徐々に変化せしめられることがわ
かる。
【0088】次いでステップ219ではステップ204
においてQmiが零とされ、ステップ208においてθmi
がRとされ、ステップ213においてQpiがQとされ、
ステップ218においてθpiがθとされたか否か、即ち
第1の燃焼への切換えが完了したか否かが判別される。
第1の燃焼への切換えが完了したときにはステップ22
0に進んで完了フラグがセットされ、次いでステップ2
21においてQmi,Δθm ,SおよびSSが零とされ
る。
【0089】完了フラグがセットされるとステップ20
0からステップ222に進んで図14(A)に示すマッ
プから噴射量Qが算出され、次いでステップ223に進
んで図15(B)に示すマップから噴射開始時期θが算
出される。従ってこのとき第1の燃焼が行われる。次に
図21および図22を参照しつつ噴射制御IIについて説
明する。
【0090】図21および図22を参照すると、まず初
めにステップ300において完了フラグがセットされて
いるか否かが判別される。この完了フラグは第1の燃焼
から第2の燃焼に切換えられるときにリセットされるの
で第1の燃焼から第2の燃焼に切換えられたときにはス
テップ301に進む。ステップ301では第1の燃焼か
ら第2の燃焼に切換えられた直後の主噴射量Qm が一定
整数値INTにより除算され、除算結果がΔQm とされ
る。次いでステップ302では主噴射量QmiにΔθm が
加算される。次いでステップ303では主噴射量Qmiが
第2の燃焼下における噴射量Qm よりも大きくなったか
否かが判別される。Qmi>Qm になるとステップ304
に進んで主噴射量QmiがQm とされる。従って第1の燃
焼から第2の燃焼に切換えられると主噴射量Qmiが徐々
に増大せしめられることがわかる。
【0091】次いでステップ305ではΔθm に一定値
αが加算される。次いでステップ306では第1の燃焼
から第2の燃焼に切換えられた直後の主噴射の噴射開始
時期θm から予め定められた期間Tが減算されると共に
Δθm が加算され、その計算結果が主噴射の噴射開始時
期θmiとされる。次いでステップ307では主噴射の噴
射開始時期θmiが第2の燃焼下における主噴射の噴射開
始時期θm よりも大きくなったか否か、即ち早くなった
か否かが判別される。θmi>θm になるとステップ30
8に進んでθmiがθm とされる。従って第1の燃焼から
第2の燃焼に切換えられると主噴射の噴射開始時期θmi
が徐々に早くされることがわかる。
【0092】次いでステップ309では第1の燃焼下に
おける噴射量Qと、第1の燃焼から第2の燃焼に切換え
られた直後のパイロット噴射量Qp との差(Q−Qp )
が一定整数値INTにより除算され、除算結果がΔQp
とされる。次いでステップ310では積算値SにΔQp
が加算される。次いでステップ311ではパイロット噴
射量Qp から積算値Sが減算され、減算結果がパイロッ
ト噴射量Qpiとされる。次いでステップ312ではパイ
ロット噴射量Qpiが第2の燃焼下におけるパイロット噴
射量Qp よりも小さくなったか否かが判別される。Qpi
<Qp になるとステップ313に進んでパイロット噴射
量QpiがQp とされる。従って第1の燃焼から第2の燃
焼に切換えられたときにはパイロット噴射量Qpiが徐々
に減少せしめられることがわかる。
【0093】次いでステップ314では第1の燃焼から
第2の燃焼に切換えられた直後のパイロット噴射の噴射
開始時期θp と、第1の燃焼下における噴射開始時期θ
との差(θp −θ)が一定整数値INTにより除算さ
れ、除算結果がΔθp とされる。次いでステップ315
では積算値SSにΔθp が加算される。次いでステップ
316では第1の燃焼下における噴射開始時期θに積算
値SSが加算され、加算結果がパイロット噴射の噴射開
始時期θpiとされる。次いでステップ317ではパイロ
ット噴射の噴射開始時期θpiと第2の燃焼下におけるパ
イロット噴射の噴射開始時期θp との差の絶対値|θpi
−θp |が一定値βよりも小さくなったか否かが判別さ
れ、|θpi−θp |<βとなったときにはステップ31
8に進んでパイロット噴射の噴射開始時期θpiがθp と
される。従って第1の燃焼から第2の燃焼に切換えられ
たときにはパイロット噴射の噴射開始時期θpiが徐々に
変化せしめられることがわかる。
【0094】次いでステップ319ではステップ304
においてQmiがQm とされ、ステップ308においてθ
miがθm とされ、ステップ313においてQpiがQp と
され、ステップ318においてθpiがθp とされたか否
か、即ち第2の燃焼への切換えが完了したか否かが判別
される。第2の燃焼への切換えが完了したときにはステ
ップ320に進んで完了フラグがセットされ、次いでス
テップ321においてQmi,Δθm ,SおよびSSが零
とされる。
【0095】完了フラグがセットされるとステップ30
0からステップ322に進んで図15(C)に示すマッ
プから主噴射量Qm が算出され、次いでステップ323
に進んで図15(C)に示すマップから主噴射の噴射開
始時期θm が算出される。次いでステップ324に進ん
で図14(C)に示すマップからパイロット噴射量Qp
が算出され、次いでステップ325に進んで図16
(C)に示すマップからパイロット噴射の噴射開始時期
θp が算出される。従ってこのとき第2の燃焼が行われ
る。
【0096】
【発明の効果】第1の燃焼と第2の燃焼とを良好に切換
えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図2】スモークおよびNOx の発生量等を示す図であ
る。
【図3】燃焼圧を示す図である。
【図4】燃料分子を示す図である。
【図5】スモークの発生量とEGR率との関係を示す図
である。
【図6】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図であ
る。
【図7】第1の運転領域Iおよび第2の運転領域IIを示
す図である。
【図8】空燃比センサの出力を示す図である。
【図9】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図10】第1の運転領域Iにおける空燃比を示す図で
ある。
【図11】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図
である。
【図12】第2の燃焼における空燃比を示す図である。
【図13】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図
である。
【図14】噴射量のマップを示す図である。
【図15】噴射開始時期を示す図である。
【図16】パイロット噴射時期を示す図である。
【図17】噴射期間を示す図である。
【図18】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。
【図19】噴射制御Iを実行するためのフローチャート
である。
【図20】噴射制御Iを実行するためのフローチャート
である。
【図21】噴射制御IIを実行するためのフローチャート
である。
【図22】噴射制御IIを実行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 15…排気ターボチャージャ 20…スロットル弁 29…EGR通路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F02D 41/38 F02D 41/38 B 43/00 301 43/00 301H 301J 301N F02M 25/07 550 F02M 25/07 550R 570 570J (72)発明者 吉▲崎▼ 康二 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 後藤 雅人 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 村田 宏樹 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 Fターム(参考) 3G062 AA01 AA06 BA02 BA04 BA05 BA06 CA07 CA08 DA05 DA07 EA11 ED04 ED08 FA05 FA06 GA04 GA06 GA17 3G084 AA01 AA04 BA05 BA08 BA09 BA13 BA15 BA20 CA03 CA04 DA10 DA11 EB09 EB12 EC02 EC03 EC07 FA10 FA18 FA29 FA33 3G091 AA12 AA18 AB02 AB03 AB06 AB09 BA13 BA14 BA15 CB02 CB03 DA01 DA02 DA05 DA09 DB10 DC03 EA01 EA03 EA07 EA34 FA13 FA14 FB10 FB11 FB12 GB02Y GB03Y GB04Y GB06Y GB10Y HA36 HB05 HB06 3G301 HA02 HA11 HA13 HA15 JA04 JA24 JA25 JA26 KA08 KA09 LA00 LA03 LC04 MA01 MA11 MA18 MA23 MA26 NA08 NC02 ND02 NE03 NE08 NE11 NE12 NE13 NE14 NE15 NE23 NE27 PA11Z PA17Z PB08A PB08Z PD03A PF03Z

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 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、燃焼室内に燃料噴射弁を配置し、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、第1の燃焼から第2の燃焼に切換えられ
    たときには燃料噴射開始時期を遅らせると共に第2の燃
    焼から第1の燃焼に切換えられたときには燃料噴射開始
    時期を早めるようにした内燃機関。
  2. 【請求項2】 少くとも第1の燃焼と第2の燃焼との切
    換え時には主噴射に先立ってパイロット噴射を行うこと
    により第2の燃焼が行われ、第1の燃焼から第2の燃焼
    に切換えられたときには第1の燃焼が行われているとき
    の噴射開始時期に比べて主噴射の噴射開始時期を遅らせ
    ると共に、第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられたと
    きには主噴射の噴射開始時期に比べて噴射開始時期を早
    めるようにした請求項1に記載の内燃機関。
  3. 【請求項3】 第1の燃焼から第2の燃焼に切換えられ
    たときには主噴射の噴射量を徐々に増大させると共にパ
    イロット噴射の噴射量を徐々に減少させる請求項2に記
    載の内燃機関。
  4. 【請求項4】 第1の燃焼から第2の燃焼に切換えられ
    たときにはパイロット噴射の噴射開始時期が第1の燃焼
    時における噴射開始時期から第2の燃焼時に機関の運転
    状態に応じ予め定められているパイロット噴射開始時期
    に向けて徐々に変化せしめられる請求項3に記載の内燃
    機関。
  5. 【請求項5】 第1の燃焼から第2の燃焼に切換えられ
    たときには主噴射の噴射開始時期が徐々に早められる請
    求項3に記載の内燃機関。
  6. 【請求項6】 第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられ
    たときには主噴射の噴射量を徐々に減少させると共にパ
    イロット噴射の噴射量を徐々に増大させる請求項2に記
    載の内燃機関。
  7. 【請求項7】 第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられ
    たときにはパイロット噴射の噴射開始時期が第1の燃焼
    時における噴射開始時期に向けて徐々に変化せしめられ
    る請求項6に記載の内燃機関。
  8. 【請求項8】 第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられ
    たときには主噴射の噴射開始時期が徐々に遅くされる請
    求項6に記載の内燃機関。
  9. 【請求項9】 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。
  10. 【請求項10】 上記第1の燃焼状態における排気ガス
    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。
  11. 【請求項11】 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。
  12. 【請求項12】 該触媒が酸化触媒、三元触媒又はNO
    x 吸収剤の少くとも一つからなる請求項11に記載の内
    燃機関。
  13. 【請求項13】 機関の運転領域を低負荷側の第1の運
    転領域と高負荷側の第2の運転領域に分割し、第1の運
    転領域では第1の燃焼を行い、第2の運転領域では第2
    の燃焼を行うようにした請求項1に記載の内燃機関。
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