JP3539238B2 - Internal combustion engine - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より内燃機関、例えばディーゼル機関においてはNOxの発生を抑制するために機関排気通路と機関吸気通路とを排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路により連結し、このEGR通路を介して排気ガス、即ちEGRガスを機関吸気通路内に再循環させるようにしている。この場合、EGRガスは比較的比熱が高く、従って多量の熱を吸収することができるので、EGRガス量を増大するほど、即ちEGR率(EGRガス量/(EGRガス量+吸入空気量))を増大するほど燃焼室内における燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下するとNOxの発生量が低下し、従ってEGR率を増大すればするほどNOxの発生量は低下することになる。
【0003】
このように従来よりEGR率を増大すればNOxの発生量を低下しうることはわかっている。しかしながらEGR率を増大させていくとEGR率が或る限度を越えたときに煤の発生量、即ちスモークが急激に増大し始める。この点に関し従来より、それ以上EGR率を増大すればスモークが限りなく増大していくものと考えられており、従ってスモークが急激に増大し始めるEGR率がEGR率の最大許容限界であると考えられている。
【0004】
従って従来よりEGR率はこの最大許容限界を越えない範囲内に定められている。このEGR率の最大許容限界は機関の形式や燃料によってかなり異なるがおおよそ30パーセントから50パーセントである。従って従来のディーゼル機関ではEGR率は最大でも30パーセントから50パーセント程度に抑えられている。
【0005】
このように従来ではEGR率に対して最大許容限界が存在すると考えられていたので従来よりEGR率はこの最大許容限界を越えない範囲内においてNOxおよびスモークの発生量ができるだけ少なくなるように定められていた。しかしながらこのようにしてEGR率をNOxおよびスモークの発生量ができるだけ少なくなるように定めてもNOxおよびスモークの発生量の低下には限度があり、実際には依然としてかなりの量のNOxおよびスモークが発生してしまうのが現状である。
【0006】
ところがディーゼル機関の燃焼の研究の過程においてEGR率を最大許容限界よりも大きくすれば上述の如くスモークが急激に増大するがこのスモークの発生量にはピークが存在し、このピークを越えてEGR率を更に大きくすると今度はスモークが急激に減少しはじめ、アイドリング運転時においてEGR率を70パーセント以上にすると、またEGRガスを強力に冷却した場合にはEGR率をほぼ55パーセント以上にするとスモークがほとんど零になる。即ち煤がほとんど発生しないことが見い出されたのである。また、このときにはNOxの発生量が極めて少量となることも判明している。この後この知見に基づいて煤が発生しない理由について検討が進められ、その結果これまでにない煤およびNOxの同時低減が可能な新たな燃焼システムが構築されるに至ったのである。この新たな燃焼システムについては後に詳細に説明するが簡単に言うと炭化水素が煤に成長するまでの途中の段階において炭化水素の成長を停止させることを基本としている。
【0007】
即ち、実験研究を重ねた結果判明したことは燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以下のときには炭化水素の成長が煤に至る前の途中の段階で停止し、燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以上になると炭化水素は一気に煤まで成長してしまうということである。この場合、燃料およびその周囲のガス温度は燃料が燃焼した際の燃料周りのガスの吸熱作用が大きく影響しており、燃料燃焼時の発熱量に応じて燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって燃料およびその周囲のガス温度を制御することができる。
【0008】
従って、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制すれば煤が発生しなくなり、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制することは燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって可能となる。一方、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化水素は酸化触媒等を用いた後処理によって容易に浄化することができる。これが新たな燃焼システムの基本的な考え方である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したような新たな燃焼システムについてはまだ開示されていない。そのため、既に開示されている従来の燃焼システムでは、上述した新たな燃焼システムに基づく新たな効果を奏することができない。
【0010】
そこで、本発明は、内燃機関から煤(スモーク)が排出されること及びNOxが排出されることを同時に阻止しつつ、水冷式冷却装置の容量をあまり大きくできない場合であっても再循環排気ガスを所望の温度まで冷却することができ、更に、安定した温度の再循環排気ガスを燃焼室内に供給することができる内燃機関を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明によれば、燃焼室から排出された排気ガスを機関吸気通路内に再循環させる排気ガス再循環装置を具備し、前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量を更に増大していくと前記燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる内燃機関であって、機関排気通路と前記機関吸気通路とを連結する排気ガス再循環通路内に空冷式冷却装置と水冷式冷却装置とを配置し、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量が多く煤がほとんど発生しない燃焼が行われたときに前記排気ガス再循環排気通路内を流れる再循環排気ガスをまず前記空冷式冷却装置により冷却し、次いで前記水冷式冷却装置により冷却するようにした内燃機関が提供される。
【0012】
請求項1に記載の内燃機関では、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量が多く煤がほとんど発生しない低温燃焼を実行可能であるため、煤及びNOxの排出を同時に阻止することができる。更に、水冷式冷却装置だけでなく空冷式冷却装置を排気ガス再循環通路内に配置したため、水冷式冷却装置の容量をあまり大きくできない場合であっても、再循環排気ガスを所望の温度まで冷却することができ、それゆえ、低温燃焼を実行可能な機関運転領域を拡大することができる。その上、再循環排気ガスをまず空冷式冷却装置により冷却し、次いで外気温の変動にかかわらず冷却水温が比較的安定している水冷式冷却装置により冷却するため、安定した温度の再循環排気ガスを燃焼室内に供給することができる。
【0013】
請求項2に記載の発明によれば、排気タービン過給機を具備し、前記機関吸気通路内の前記排気タービン過給機のコンプレッサよりも上流側部分と前記水冷式冷却装置とを連結したコンプレッサ上流側通路と、前記機関吸気通路内の前記排気タービン過給機のコンプレッサよりも下流側部分と前記水冷式冷却装置とを連結したコンプレッサ下流側通路とを具備し、前記機関吸気通路と前記水冷式冷却装置とを連通させる通路が、要求される再循環排気ガスの量に応じて前記コンプレッサ上流側通路又は前記コンプレッサ下流側通路に切り換えられる請求項1に記載の内燃機関が提供される。
【0014】
請求項3に記載の発明によれば、要求される再循環排気ガスの量が多い時、前記コンプレッサ上流側通路を介して前記機関吸気通路と前記水冷式冷却装置とが連通される請求項2に記載の内燃機関が提供される。
【0015】
請求項2及び3に記載の内燃機関では、要求再循環排気ガス量が多い時、機関吸気通路内の排気タービン過給機のコンプレッサよりも上流側部分と水冷式冷却装置とを連結したコンプレッサ上流側通路を介して機関吸気通路と水冷式冷却装置とが連通されるため、機関吸気通路内に導入された再循環排気ガスがコンプレッサにより加圧される。それゆえ、コンプレッサにより加圧されない場合よりも多量の再循環排気ガスを燃焼室内に供給することができる。
【0016】
請求項4に記載の発明によれば、排気タービン過給機と、前記燃焼室から排出された未燃炭化水素を酸化するために前記機関排気通路内の前記排気タービン過給機のタービンの下流側に配置された酸化機能を有する触媒とを具備し、前記機関排気通路内の前記排気タービン過給機のタービンよりも上流側部分と前記空冷式冷却装置とを連結したタービン上流側通路と、前記機関排気通路内の前記触媒よりも下流側部分と前記空冷式冷却装置とを連結した触媒下流側通路とを具備し、前記機関排気通路と前記空冷式冷却装置とを連通させる通路が、要求される再循環排気ガスの量に応じて前記タービン上流側通路又は前記触媒下流側通路に切り換えられる請求項1に記載の内燃機関が提供される。
【0017】
請求項5に記載の発明によれば、要求される再循環排気ガスの量が多い時、前記触媒下流側通路を介して前記機関排気通路と前記空冷式冷却装置とが連通される請求項4に記載の内燃機関が提供される。
【0018】
請求項4及び5に記載の内燃機関では、要求再循環排気ガス量が多い時、機関排気通路内の触媒よりも下流側部分と空冷式冷却装置とを連結した触媒下流側通路を介して機関排気通路と空冷式冷却装置とが連通される、つまり、触媒により浄化された再循環排気ガスが排気ガス再循環通路内を通される。その結果、排気ガス再循環通路内に多量のデポジットが付着してしまうのを回避することができる。更に、請求項4及び5に記載の内燃機関では、要求再循環排気ガス量が少ない時、つまり、排気ガス再循環通路内に多量のデポジットが付着する心配がない時に、機関排気通路内の排気タービン過給機のタービンよりも上流側部分、即ち、前記下流側部分よりも機関に近い部分と空冷式冷却装置とを連結したタービン上流側通路を介して機関排気通路と空冷式冷却装置とが連通される。その結果、燃焼室内に再循環排気ガスを供給する際に機関の排圧を利用することができる。
【0019】
請求項6に記載の発明によれば、前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量を絞るための再循環排気ガス制御弁を備えると共に前記水冷式冷却装置と前記機関吸気通路とを連結した再循環排気ガス制御弁付き通路と、前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量を絞るための再循環排気ガス制御弁を有さないために前記再循環排気ガス制御弁付き通路よりも再循環排気ガスの圧力損失が小さくかつ前記水冷式冷却装置と前記機関吸気通路とを連結した再循環排気ガス制御弁なし通路とを具備し、前記機関吸気通路と前記水冷式冷却装置とを連通させる通路が、要求される再循環排気ガスの量に応じて前記再循環排気ガス制御弁付き通路又は前記再循環排気ガス制御弁なし通路に切り換えられる請求項1に記載の内燃機関が提供される。
【0020】
請求項7に記載の発明によれば、要求される再循環排気ガスの量が多い時、前記再循環排気ガス制御弁なし通路を介して前記機関吸気通路と前記水冷式冷却装置とが連通される請求項6に記載の内燃機関が提供される。
【0021】
請求項6及び7に記載の内燃機関では、要求再循環排気ガス量が多い時、再循環排気ガス制御弁なし通路を介して機関吸気通路と水冷式冷却装置とが連通されるため、再循環排気ガス制御弁付き通路を介して燃焼室内に再循環排気ガスを供給する場合よりも、再循環排気ガスの圧力損失が小さくなる。その結果、多量の再循環排気ガスを容易に供給することができる。
【0022】
請求項8に記載の発明によれば、前記燃焼室から排出された未燃炭化水素を酸化するために機関排気通路内に酸化機能を有する触媒を配置した請求項1に記載の内燃機関が提供される。
【0023】
請求項9に記載の発明によれば、前記触媒が酸化触媒、三元触媒又はNOx吸収剤の少くとも一つからなる請求項8に記載の内燃機関が提供される。
【0024】
請求項8及び9に記載の内燃機関では、燃焼室から排出される未燃炭化水素が機関排気通路内にて酸化されるため、未燃炭化水素が内燃機関から排出されるのを阻止することができる。
【0025】
請求項10に記載の発明によれば、前記煤がほとんど発生しない燃焼である第1の燃焼と、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量が少ない第2の燃焼とを選択的に切り換える切換手段を具備し、前記第1の燃焼から前記第2の燃焼に又は前記第2の燃焼から前記第1の燃焼に切り換えられるときに排気ガス再循環率をステップ状に変化させるようにした請求項1に記載の内燃機関が提供される。
【0026】
請求項10に記載の内燃機関では、第1の燃焼から第2の燃焼に又は第2の燃焼から第1の燃焼に切り換えられるときに排気ガス再循環率をステップ状に変化させることにより、排気ガス再循環率が、煤の発生量がピークになる排気ガス再循環率に設定されるのを回避することができる。
【0027】
請求項11に記載の発明によれば、前記第1の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ55パーセント以上であり、前記第2の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ50パーセント以下である請求項10に記載の内燃機関が提供される。
【0028】
請求項11に記載の内燃機関では、第1の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率をほぼ55パーセント以上にすると共に第2の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率をほぼ50パーセント以下にすることにより、排気ガス再循環率が、煤の発生量がピークになる排気ガス再循環率に設定されるのを回避することができる。
【0029】
請求項12に記載の発明によれば、機関の運転領域を低負荷側の第1の運転領域と高負荷側の第2の運転領域とに分割し、前記第1の運転領域では前記第1の燃焼を行い、前記第2の運転領域では前記第2の燃焼を行うようにした請求項10に記載の内燃機関が提供される。
【0030】
請求項12に記載の内燃機関では、第1の燃焼を実行し得る時、つまり、燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度を煤の生成温度よりも低く維持し得る時が、燃焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限られるという理由から、低負荷側の第1の運転領域で第1の燃焼を行うと共に高負荷側の第2の運転領域で第2の燃焼を行う。それゆえ、運転領域に応じて適切な燃焼を実行することができる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
【0032】
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一実施形態を示している。図1を参照すると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は電気制御式燃料噴射弁、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートを夫々示す。吸気ポート8は対応する吸気枝管11を介してサージタンク12に連結され、サージタンク12は吸気ダクト13およびインタークーラ14を介して過給機、例えば排気ターボチャージャ15のコンプレッサ16の出口部に連結される。コンプレッサ16の入口部は空気吸込管17を介してエアクリーナ18に連結され、空気吸込管17内にはステップモータ19により駆動されるスロットル弁20が配置される。また、スロットル弁20上流の空気吸込管17内には吸入空気の質量流量を検出するための質量流量検出器21が配置される。
【0033】
一方、排気ポート10は排気マニホルド22を介して排気ターボチャージャ15の排気タービン23の入口部に連結され、排気タービン23の出口部は排気管24を介して酸化機能を有する触媒25を内蔵した触媒コンバータ26に連結される。排気マニホルド22内には空燃比センサ27が配置される。
【0034】
機関排気通路と機関吸気通路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内には水冷式EGRクーラ32と空冷式EGRクーラ1032とが配置される。機関排気通路の側から機関吸気通路の側に向かってEGR通路29内を流れるEGRガスは、まず空冷式EGRクーラ1032によってある程度の温度まで冷却され、次いで水冷式EGRクーラ32によって目標温度まで冷却される。
【0035】
詳細には、コンプレッサ16の上流側の空気吸込管17と水冷式EGRクーラ32とは第一通路1029を介して連結され、機関吸気通路内のコンプレッサ16よりも下流側の部分と水冷式EGRクーラ32とは第二通路2029を介して連結される。第二通路2029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、機関排気通路内のタービン23よりも上流側の部分と空冷式EGRクーラ1032とは第三通路3029を介して連結され、触媒25の下流側の排気管28と空冷式EGRクーラ1032とは第四通路4029を介して連結される。第一通路1029、第二通路2029、第三通路3029及び第四通路4029の連通・遮断の切換は切換弁60により行われる。第一通路1029内にはEGRガス量を絞るEGR制御弁が配置されないため、第一通路1029内を流れるEGRガスの圧力損失は、EGR制御弁31の全開時に第二通路2029内を流れるEGRガスの圧力損失よりも小さくなる。図1に示される実施形態では機関冷却水がEGR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。
【0036】
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。
【0037】
電子制御ユニット40はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス41によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)42、RAM(ランダムアクセスメモリ)43、CPU(マイクロプロセッサ)44、入力ポート45および出力ポート46を具備する。質量流量検出器21の出力信号は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力され、空燃比センサ27および燃焼圧センサ36の出力信号も夫々対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。アクセルペダル50にはアクセルペダル50の踏込み量Lに比例した出力電圧を発生する負荷センサ51が接続され、負荷センサ51の出力電圧は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。また、入力ポート45にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ52が接続される。機関回転数はクランク角センサ52の出力値に基づいて算出される。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、燃料ポンプ35及び切換弁60に接続される。
【0038】
図2は機関低負荷運転時にスロットル弁20の開度およびEGR率を変化させることにより空燃比A/F(図2の横軸)を変化させたときの出力トルクの変化、およびスモーク、HC,CO,NOxの排出量の変化を示す実験例を表している。図2からわかるようにこの実験例では空燃比A/Fが小さくなるほどEGR率が大きくなり、理論空燃比(≒14.6)以下のときにはEGR率は65パーセント以上となっている。
【0039】
図2に示されるようにEGR率を増大することにより空燃比A/Fを小さくしていくとEGR率が40パーセント付近となり空燃比A/Fが30程度になったときにスモークの発生量が増大を開始する。次いで、更にEGR率を高め、空燃比A/Fを小さくするとスモークの発生量が急激に増大してピークに達する。次いで更にEGR率を高め、空燃比A/Fを小さくすると今度はスモークが急激に低下し、EGR率を65パーセント以上とし、空燃比A/Fが15.0付近になるとスモークがほぼ零となる。即ち、煤がほとんど発生しなくなる。このとき機関の出力トルクは若干低下し、またNOxの発生量がかなり低くなる。一方、このときHC,COの発生量は増大し始める。
【0040】
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。
【0041】
図2および図3に示される実験結果から次のことが言える。即ち、まず第1に空燃比A/Fが15.0以下でスモークの発生量がほぼ零のときには図2に示されるようにNOxの発生量がかなり低下する。NOxの発生量が低下したということは燃焼室5内の燃焼温度が低下していることを意味しており、従って煤がほとんど発生しないときには燃焼室5内の燃焼温度が低くなっていると言える。同じことが図3からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図3(B)に示す状態では燃焼圧が低くなっており、従ってこのとき燃焼室5内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
ところで煤の前駆体の状態で炭化水素の生成過程が停止するときの燃料およびその周囲の温度、即ち上述の或る温度は燃料の種類や空燃比の圧縮比等の種々の要因によって変化するので何度であるかということは言えないがこの或る温度はNOxの発生量と深い関係を有しており、従ってこの或る温度はNOxの発生量から或る程度規定することができる。即ち、EGR率が増大するほど燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度は低下し、NOxの発生量が低下する。このときNOxの発生量が10p.p.m 前後又はそれ以下になったときに煤がほとんど発生しなくなる。従って上述の或る温度はNOxの発生量が10p.p.m 前後又はそれ以下になったときの温度にほぼ一致する。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
図6を参照すると空気の割合、即ち混合ガス中の空気量は噴射された燃料を完全に燃焼せしめるのに必要な空気量を示している。即ち、図6に示される場合では空気量と噴射燃料量との比は理論空燃比となっている。一方、図6においてEGRガスの割合、即ち混合ガス中のEGRガス量は噴射燃料が燃焼せしめられたときに燃料およびその周囲のガス温度を煤が形成される温度よりも低い温度にするのに必要最低限のEGRガス量を示している。このEGRガス量はEGR率で表すとほぼ55パーセント以上であり、図6に示す実施形態では70パーセント以上である。即ち、燃焼室5内に吸入された全吸入ガス量を図6において実線Xとし、この全吸入ガス量Xのうちの空気量とEGRガス量との割合を図6に示すような割合にすると燃料およびその周囲のガス温度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯くして煤が全く発生しなくなる。また、このときのNOx発生量は10p.p.m 前後、又はそれ以下であり、従ってNOxの発生量は極めて少量となる。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
ところが図1に示されるようにEGR通路29を介して過給機の入口側即ち排気ターボチャージャ15の空気吸込管17内にEGRガスを再循環させると要求負荷がLo よりも大きい領域においてEGR率を55パーセント以上、例えば70パーセントに維持することができ、斯くして燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持することができる。即ち、空気吸込管17内におけるEGR率が例えば70パーセントになるようにEGRガスを再循環させれば排気ターボチャージャ15のコンプレッサ16により昇圧された吸入ガスのEGR率も70パーセントとなり、斯くしてコンプレッサ16により昇圧しうる限度まで燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持することができる。従って、低温燃焼を生じさせることのできる機関の運転領域を拡大することができることになる。要求負荷がLo よりも大きい領域でEGR率を55パーセント以上にする際にはEGR制御弁31が全開せしめられる、スロットル弁20が若干閉弁せしめられる。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
ところで燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制しうるのは燃焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限られる。従って本発明による実施形態では機関中低負荷運転時には燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制して第1の燃焼、即ち低温燃焼を行うようにし、機関高負荷運転時には第2の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにしている。なお、ここで第1の燃焼、即ち低温燃焼とはこれまでの説明から明らかなように煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない燃焼のことを言い、第2の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少い燃焼のことを言う。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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。
【0067】
ところで機関の運転領域が第1の運転領域Iにあって低温燃焼が行われているときには煤はほとんど発生せず、その代り未燃炭化水素が煤の前駆体又はその前の状態の形でもって燃焼室5から排出される。このとき燃焼室5から排出された未燃炭化水素は酸化機能を有する触媒25により良好に酸化せしめられる。
【0068】
触媒25としては酸化触媒、三元触媒、又はNOx吸収剤を用いることができる。NOx吸収剤は燃焼室5内における平均空燃比がリーンのときにNOxを吸収し、燃焼室5内における平均空燃比がリッチになるとNOxを放出する機能を有する。
【0069】
このNOx吸収剤は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCsのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土類、ランタンLa、イットリウムYのような希土類から選ばれた少くとも一つと、白金Ptのような貴金属とが担持されている。
【0070】
酸化触媒はもとより、三元触媒およびNOx吸収剤も酸化機能を有しており、従って上述した如く三元触媒およびNOx吸収剤を触媒25として用いることができる。
【0071】
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。
【0072】
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。
【0073】
図9は要求負荷Lに対するスロットル弁20の開度、EGR制御弁31の開度、EGR率、空燃比、噴射時期および噴射量を示している。図9に示されるように要求負荷Lの低い第1の運転領域Iではスロットル弁20の開度は要求負荷Lが高くなるにつれて全閉近くから2/3開度程度まで徐々に増大せしめられ、EGR制御弁31の開度は要求負荷Lが高くなるにつれて全閉近くから全開まで徐々に増大せしめられる。また、図9に示される例では第1の運転領域IではEGR率がほぼ70パーセントとされており、空燃比はわずかばかりリーンなリーン空燃比とされている。
【0074】
言い換えると第1の運転領域IではEGR率がほぼ70パーセントとなり、空燃比がわずかばかりリーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁20の開度およびEGR制御弁31の開度が制御される。また、第1の運転領域Iでは圧縮上死点TDC前に燃料噴射が行われる。この場合、噴射開始時期θSは要求負荷Lが高くなるにつれて遅くなり、噴射完了時期θEも噴射開始時期θSが遅くなるにつれて遅くなる。
【0075】
なお、アイドル運転時にはスロットル弁20は全閉近くまで閉弁され、このときEGR制御弁31も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁20を全閉近くまで閉弁すると圧縮始めの燃焼室5内の圧力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が小さくなるとピストン4による圧縮仕事が小さくなるために機関本体1の振動が小さくなる。即ち、アイドル運転時には機関本体1の振動を抑制するためにスロットル弁20が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【0076】
一方、機関の運転領域が第1の運転領域Iから第2の運転領域IIに変わるとスロットル弁20の開度が2/3開度程度から全開方向へステップ状に増大せしめられる。このとき図9に示す例ではEGR率がほぼ70パーセントから40パーセント以下までステップ状に減少せしめられ、空燃比がステップ状に大きくされる。即ち、EGR率が多量のスモークを発生するEGR率範囲(図5)を飛び越えるので機関の運転領域が第1の運転領域Iから第2の運転領域IIに変わるときに多量のスモークが発生することがない。
【0077】
第2の運転領域IIでは従来から行われている燃焼が行われる。この第2の運転領域IIではスロットル弁20は一部を除いて全開状態に保持され、EGR制御弁31の開度は要求負荷Lが高くなると次第に小さくされる。また、この運転領域IIではEGR率は要求負荷Lが高くなるほど低くなり、空燃比は要求負荷Lが高くなるほど小さくなる。ただし、空燃比は要求負荷Lが高くなってもリーン空燃比とされる。また、第2の運転領域IIでは噴射開始時期θSは圧縮上死点TDC付近とされる。
【0078】
図10(A)は第1の運転領域Iにおける目標空燃比A/Fを示している。図10(A)において、A/F=15.5,A/F=16,A/F=17,A/F=18で示される各曲線は夫々目標空燃比が15.5,16,17,18であるときを示しており、各曲線間の空燃比は比例配分により定められる。図10(A)に示されるように第1の運転領域Iでは空燃比がリーンとなっており、更に第1の運転領域Iでは要求負荷Lが低くなるほど目標空燃比A/Fがリーンとされる。
【0079】
即ち、要求負荷Lが低くなるほど燃焼による発熱量が少くなる。従って要求負荷Lが低くなるほどEGR率を低下させても低温燃焼を行うことができる。EGR率を低下させると空燃比は大きくなり、従って図10(A)に示されるように要求負荷Lが低くなるにつれて目標空燃比A/Fが大きくされる。目標空燃比A/Fが大きくなるほど燃料消費率は向上し、従ってできる限り空燃比をリーンにするために本発明による実施形態では要求負荷Lが低くなるにつれて目標空燃比A/Fが大きくされる。
【0080】
なお、図10(A)に示される目標空燃比A/Fは図10(B)に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM42内に記憶されている。また、空燃比を図10(A)に示す目標空燃比A/Fとするのに必要なスロットル弁20の目標開度STが図11(A)に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM42内に記憶されており、空燃比を図10(A)に示す目標空燃比A/Fとするのに必要なEGR制御弁31の目標開度SEが図11(B)に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM42内に記憶されている。
【0081】
図12(A)は第2の燃焼、即ち従来の燃焼方法による普通の燃焼が行われるときの目標空燃比A/Fを示している。なお、図12(A)においてA/F=24,A/F=35,A/F=45,A/F=60で示される各曲線は夫々目標空燃比24,35,45,60を示している。図12(A)に示される目標空燃比A/Fは図12(B)に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM42内に記憶されている。また、空燃比を図12(A)に示す目標空燃比A/Fとするのに必要なスロットル弁20の目標開度STが図13(A)に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM42内に記憶されており、空燃比を図12(A)に示す目標空燃比A/Fとするのに必要なEGR制御弁31の目標開度SEが図13(B)に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM42内に記憶されている。
【0082】
また、第2の燃焼が行われているときには燃料噴射量Qは要求負荷Lおよび機関回転数Nに基づいて算出される。この燃料噴射量Qは図14に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM42内に記憶されている。
【0083】
次に図15を参照しつつ運転制御について説明する。図15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101に進んで要求負荷Lが第1の境界X(N)よりも大きくなったか否かが判別される。L≦X(N)のときにはステップ105に進んで低温燃焼が行われる。
【0084】
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119に進んで第2の燃焼が行われる。
【0085】
ステップ100において機関の運転状態が第1の運転領域Iであることを示すフラグIがセットされていない、つまり、機関の運転状態が第2の運転領域IIであると判断されると、ステップ103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119に進み、リーン空燃比のもとで第2の燃焼が行われる。
【0086】
一方、ステップ103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104に進んでフラグIがセットされ、次いでステップ105に進んで低温燃焼が行われる。
【0087】
ステップ105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106では図11(B)に示すマップからEGR制御弁31の目標開度SEが算出される。次いでステップ107では目標開度SEが全開SEmaxであるか否かが判別される。YESの時には要求EGR量が多いと判断し、大量のEGRガスを容易に供給するために、ステップ108においてEGRガスの圧力損失の小さい第一通路1029を連通すると共に、ステップ109においてEGRガスの圧力損失の大きい第二通路2029を遮断する。次いでEGR通路29内に大量のデポジットが付着するのを回避するために、ステップ110において第三通路3029を遮断すると共に、ステップ111において第四通路4029を連通する。
【0088】
一方、ステップ107においてNOと判別した時には、要求EGR量が少なくEGR量を微妙に調節する必要があると判断し、正確な量のEGRガスを容易に供給するために、ステップ112においてEGR制御弁のない第一通路1029を遮断すると共に、EGR制御弁31を有する第二通路2029を連通する。次いで機関の排圧を利用してEGRガスを供給するために、ステップ114において第三通路3029を連通すると共に、ステップ115において第四通路4029を遮断する。
【0089】
次いでステップ116では質量流量検出器21により検出された吸入空気の質量流量(以下、単に吸入空気量と称す)Gaが取込まれ、次いでステップ117では図10(B)に示すマップから目標空燃比A/Fが算出される。次いでステップ118では吸入空気量Gaと目標空燃比A/Fに基づいて空燃比を目標空燃比A/Fとするのに必要な燃料噴射量Qが算出される。
【0090】
このように低温燃焼が行われているときには要求負荷L又は機関回転数Nが変化するとスロットル弁20の開度およびEGR制御弁31の開度がただちに要求負荷Lおよび機関回転数Nに応じた目標開度ST,SEに一致せしめられる。従って例えば要求負荷Lが増大せしめられるとただちに燃焼室5内の空気量が増大せしめられ、斯くして機関の発生トルクがただちに増大せしめられる。
【0091】
一方、スロットル弁20の開度又はEGR制御弁31の開度が変化して吸入空気量が変化するとこの吸入空気量Gaの変化が質量流量検出器21により検出され、この検出された吸入空気量Gaに基づいて燃料噴射量Qが制御される。即ち、吸入空気量Gaが実際に変化した後に燃料噴射量Qが変化せしめられることになる。
【0092】
ステップ119では図14に示されるマップから目標燃料噴射量Qが算出され、燃料噴射量がこの目標燃料噴射量Qとされる。次いでステップ120では図13(A)に示すマップからスロットル弁20の目標開度STが算出される。次いでステップ121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。
【0093】
次いでステップ122では質量流量検出器21により検出された吸入空気量Gaが取込まれる。次いでステップ123では燃料噴射量Qと吸入空気量Gaから実際の空燃比(A/F)R が算出される。次いでステップ124では図12(B)に示すマップから目標空燃比A/Fが算出される。次いでステップ125では実際の空燃比(A/F)R が目標空燃比A/Fよりも大きいか否かが判別される。(A/F)R >A/Fのときにはステップ126に進んでスロットル開度の補正値ΔSTが一定値αだけ減少せしめられ、次いでステップ128へ進む。これに対して(A/F)R ≦A/Fのときにはステップ127に進んで補正値ΔSTが一定値αだけ増大せしめられ、次いでステップ128に進む。ステップ128ではスロットル弁20の目標開度STに補正値ΔSTを加算することにより最終的な目標開度STが算出され、スロットル弁20の開度がこの最終的な目標開度STとされる。即ち、実際の空燃比(A/F)R が目標空燃比A/Fとなるようにスロットル弁20の開度が制御される。
【0094】
このように第2の燃焼が行われているときには要求負荷L又は機関回転数Nが変化すると燃料噴射量がただちに要求負荷Lおよび機関回転数Nに応じた目標燃料噴射量Qに一致せしめられる。例えば要求負荷Lが増大せしめられるとただちに燃料噴射量が増大せしめられ、斯くして機関の発生トルクがただちに増大せしめられる。
【0095】
一方、燃料噴射量Qが増大せしめられて空燃比が目標空燃比A/Fからずれると空燃比が目標空燃比A/Fとなるようにスロットル弁20の開度が制御される。即ち、燃料噴射量Qが変化した後に空燃比が変化せしめられることになる。
【0096】
これまで述べた実施形態では低温燃焼が行われているときに燃料噴射量Qはオープンループ制御され、第2の燃焼が行われているときに空燃比がスロットル弁20の開度を変化させることによって制御される。しかしながら低温燃焼が行われているときに燃料噴射量Qを空燃比センサ27の出力信号に基づいてフィードバック制御することもできるし、また第2の燃焼が行われているときに空燃比をEGR制御弁31の開度を変化させることによって制御することもできる。
【0097】
上述したように本実施形態によれば、ステップ105からステップ118において、煤の発生量がピークとなるEGRガス量よりも燃焼室5内に供給されるEGRガス量が多く煤がほとんど発生しない低温燃焼を行うため、煤及びNOxの排出を同時に阻止することができる。更に、水冷式EGRクーラ32だけでなく空冷式EGRクーラ1032をEGR通路29内に配置したため、水冷式EGRクーラ32の容量をあまり大きくできない場合であっても、EGRガスを所望の温度まで冷却することができ、それゆえ、低温燃焼を実行可能な機関運転領域を拡大することができる。その上、EGRガスをまず空冷式EGRクーラ1032により冷却し、次いで外気温の変動にかかわらず冷却水温が比較的安定している水冷式EGRクーラ32により冷却するため、安定した温度のEGRガスを燃焼室5内に供給することができる。
【0098】
更に本実施形態によれば、ステップ107において要求EGRガス量が多いと判断した時に、ステップ108においてコンプレッサ16の上流側の空気吸込管17と水冷式EGRクーラ32とを連結した第一通路1029を介して機関吸気通路と水冷式EGRクーラ32とが連通されるため、機関吸気通路内に導入されたEGRガスがコンプレッサ16により加圧される。それゆえ、コンプレッサにより加圧されない場合よりも多量のEGRガスを燃焼室5内に供給することができる。
【0099】
更に本実施形態によれば、ステップ107において要求EGRガス量が多いと判断した時に、ステップ111において触媒25の下流側の排気管28と空冷式EGRクーラ1032とを連結した第四通路4029を介して機関排気通路と空冷式EGRクーラ1032とが連通される、つまり、触媒25により浄化されたEGRガスがEGR通路29内を通される。その結果、EGR通路29内に多量のデポジットが付着してしまうのを回避することができる。更に、ステップ107において要求EGRガス量が少ないと判断した時、EGR通路29内に多量のデポジットが付着する心配がない時に、ステップ114においてタービン23よりも上流側の部分、即ち、触媒25の下流側の部分よりも機関本体1に近い部分と空冷式EGRクーラ1032とを連結した第三通路3029を介して機関排気通路と空冷式EGRクーラ1032とが連通される。その結果、燃焼室5内にEGRガスを供給する際に機関の排圧を利用することができる。
【0100】
更に本実施形態によれば、ステップ107において要求EGRガス量が多いと判断した時に、ステップ108においてEGR制御弁のない第一通路1029を介して機関吸気通路と水冷式EGRクーラ32とが連通されるため、EGR制御弁31を有する第二通路2029を介して燃焼室5内にEGRガスを供給する場合よりも、EGRガスの圧力損失が小さくなる。その結果、多量のEGRガスを容易に供給することができる。
【0101】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明によれば、内燃機関から煤(スモーク)が排出されること及びNOxが排出されることを同時に阻止しつつ、水冷式冷却装置の容量をあまり大きくできない場合であっても再循環排気ガスを所望の温度まで冷却することができ、更に、安定した温度の再循環排気ガスを燃焼室内に供給することができる。
【0102】
請求項2及び3に記載の発明によれば、機関吸気通路内に導入された再循環排気ガスをコンプレッサで加圧することにより、コンプレッサにより加圧されない場合よりも、多量の再循環排気ガスを燃焼室内に供給することができる。
【0103】
請求項4及び5に記載の発明によれば、排気ガス再循環通路内に多量のデポジットが付着してしまうのを回避すると共に、燃焼室内に再循環排気ガスを供給する際に機関の排圧を利用することができる。
【0104】
請求項6及び7に記載の発明によれば、再循環排気ガスの圧力損失を小さくすることにより、多量の再循環排気ガスを容易に供給することができる。
【0105】
請求項8及び9に記載の発明によれば、未燃炭化水素が内燃機関から排出されるのを阻止することができる。
【0106】
請求項10及び11に記載の発明によれば、排気ガス再循環率が、煤の発生量がピークになる排気ガス再循環率に設定されるのを回避することができる。
【0107】
請求項12に記載の発明によれば、運転領域に応じて適切な燃焼を実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図2】スモークおよびNOxの発生量等を示す図である。
【図3】燃焼圧を示す図である。
【図4】燃料分子を示す図である。
【図5】スモークの発生量とEGR率との関係を示す図である。
【図6】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図7】第1の運転領域Iおよび第2の運転領域IIを示す図である。
【図8】空燃比センサの出力を示す図である。
【図9】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図10】第1の運転領域Iにおける空燃比等を示す図である。
【図11】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図12】第2の燃焼における空燃比等を示す図である。
【図13】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図14】燃料噴射量のマップを示す図である。
【図15】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図16】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【符号の説明】
5…燃焼室
15…排気ターボチャージャ
29…EGR通路
31…EGR制御弁
32…水冷式EGRクーラ
60…切換弁
1032…空冷式EGRクーラ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in an internal combustion engine, for example, a diesel engine, an engine exhaust passage and an engine intake passage are connected by an exhaust gas recirculation (hereinafter, referred to as EGR) passage in order to suppress generation of NOx, and exhaust gas is passed through the EGR passage. Gas, that is, EGR gas is recirculated into the engine intake passage. 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. When the combustion temperature decreases, the amount of generated NOx decreases. Therefore, the higher the EGR rate, the lower the amount of generated NOx.
[0003]
As described above, it is known that the amount of generated NOx can be reduced by increasing the EGR rate as compared with the related art. 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 so that the generation amount of NOx and smoke is minimized within a range not exceeding the maximum allowable limit. I was However, even if the EGR rate is determined so that the amount of NOx and smoke generated is as small as possible, the reduction of the amount of generated NOx and smoke is limited, and in fact, a considerable amount of NOx and smoke is still generated. The current situation is to do it.
[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 sharply, and when the EGR rate is increased to 70% or more during idling operation, and when the EGR gas is strongly cooled, the smoke is reduced to about 55% or more. Becomes zero. That is, it was found that soot was hardly generated. At this time, it has also been found that the amount of generated NOx is extremely small. After that, the reason why soot was not generated was studied based on this finding, and as a result, a new combustion system capable of simultaneously reducing soot and NOx, which has never been seen before, was constructed. 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.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, a new combustion system as described above has not been disclosed yet. Therefore, the conventional combustion system already disclosed cannot provide a new effect based on the new combustion system described above.
[0010]
Accordingly, the present invention provides a method for recirculating exhaust gas while simultaneously preventing the emission of soot and NOx from an internal combustion engine, and even when the capacity of a water-cooled cooling device cannot be increased significantly. It is an object of the present invention to provide an internal combustion engine capable of cooling a gas to a desired temperature and supplying recirculated exhaust gas at a stable temperature into a combustion chamber.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, there is provided an exhaust gas recirculation device for recirculating exhaust gas discharged from the combustion chamber into the engine intake passage, and the amount of recirculated exhaust gas supplied into the combustion chamber. As the amount of soot is gradually increased, the amount of soot gradually increases and reaches a peak, and when the amount of recirculated exhaust gas supplied into the combustion chamber is further increased, fuel during combustion in the combustion chamber and its surroundings An internal combustion engine in which the gas temperature of the engine is lower than the soot generation temperature and soot is hardly generated, and an air-cooled cooling device and a water-cooling device are provided in an exhaust gas recirculation passage connecting an engine exhaust passage and the engine intake passage. With cooling system When the amount of recirculated exhaust gas supplied into the combustion chamber is larger than the amount of recirculated exhaust gas at which the amount of generated soot becomes a peak, and combustion is performed in which almost no soot is generated. An internal combustion engine is provided in which recirculated exhaust gas flowing in the exhaust gas recirculation exhaust passage is first cooled by the air-cooled cooling device, and then cooled by the water-cooled cooling device.
[0012]
In the internal combustion engine according to the first aspect, it is possible to perform low-temperature combustion in which the amount of recirculated exhaust gas supplied to the combustion chamber is larger than the amount of recirculated exhaust gas at which the generation amount of soot is at a peak and soot is hardly generated. Therefore, the emission of soot and NOx can be simultaneously prevented. Furthermore, since the air-cooled cooling device as well as the water-cooled cooling device is arranged in the exhaust gas recirculation passage, even if the capacity of the water-cooled cooling device cannot be increased so much, the recirculated exhaust gas is cooled to a desired temperature. Therefore, the engine operating range in which low-temperature combustion can be performed can be expanded. In addition, the recirculated exhaust gas is first cooled by an air-cooled cooling device, and then cooled by a water-cooled cooling device whose cooling water temperature is relatively stable regardless of fluctuations in the outside air temperature. Gas can be supplied into the combustion chamber.
[0013]
According to the invention as set forth in claim 2, a compressor including an exhaust turbine supercharger, wherein a portion of the engine intake passage upstream of the compressor of the exhaust turbine supercharger and the water-cooled cooling device are connected. An upstream passage, and a compressor downstream passage connecting a portion of the engine intake passage downstream of the compressor of the exhaust turbine supercharger and the water-cooled cooling device, wherein the engine intake passage and the water cooling The internal combustion engine according to claim 1, wherein a passage communicating with the cooling device is switched to the compressor upstream passage or the compressor downstream passage in accordance with a required amount of recirculated exhaust gas.
[0014]
According to the third aspect of the present invention, when the required amount of recirculated exhaust gas is large, the engine intake passage and the water-cooled cooling device are communicated via the compressor upstream passage. Is provided.
[0015]
In the internal combustion engine according to claims 2 and 3, when the required amount of recirculated exhaust gas is large, the upstream of the compressor of the exhaust turbine supercharger in the engine intake passage and the water-cooled cooling device are connected. Since the engine intake passage communicates with the water-cooled cooling device via the side passage, the recirculated exhaust gas introduced into the engine intake passage is pressurized by the compressor. Therefore, a larger amount of recirculated exhaust gas can be supplied to the combustion chamber than when the compressor is not pressurized.
[0016]
According to the invention as set forth in claim 4, an exhaust turbine supercharger and a turbine downstream of the exhaust turbine supercharger in the engine exhaust passage for oxidizing unburned hydrocarbons discharged from the combustion chamber. A catalyst having an oxidation function disposed on the side, a turbine upstream passage connecting the air-cooling type cooling device and a portion of the engine exhaust passage upstream of the turbine of the exhaust turbine supercharger, A catalyst downstream passage connecting the air-cooled cooling device to the downstream portion of the catalyst in the engine exhaust passage, wherein a passage for communicating the engine exhaust passage with the air-cooled cooling device is required. 2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the internal combustion engine is switched to the turbine upstream passage or the catalyst downstream passage according to the amount of recirculated exhaust gas.
[0017]
According to the invention described in claim 5, when the required amount of recirculated exhaust gas is large, the engine exhaust passage and the air-cooled cooling device are communicated via the catalyst downstream passage. Is provided.
[0018]
In the internal combustion engine according to claims 4 and 5, when the required amount of recirculated exhaust gas is large, the engine is provided via a catalyst downstream passage connecting a portion downstream of the catalyst in the engine exhaust passage and an air-cooled cooling device. The exhaust passage communicates with the air-cooled cooling device, that is, the recirculated exhaust gas purified by the catalyst passes through the exhaust gas recirculation passage. As a result, it is possible to prevent a large amount of deposit from adhering in the exhaust gas recirculation passage. Furthermore, in the internal combustion engine according to the fourth and fifth aspects, when the required amount of recirculated exhaust gas is small, that is, when there is no fear that a large amount of deposits will adhere to the exhaust gas recirculation passage, the exhaust gas in the engine exhaust passage is reduced. The engine exhaust passage and the air-cooled cooling device are arranged upstream of the turbine of the turbine supercharger, i.e., through a turbine upstream passage connecting the portion closer to the engine than the downstream portion and the air-cooled cooling device. Communicated. As a result, the exhaust pressure of the engine can be used when supplying the recirculated exhaust gas into the combustion chamber.
[0019]
According to the invention described in claim 6, a recirculation exhaust gas control valve for reducing the amount of recirculation exhaust gas supplied into the combustion chamber is provided, and the water-cooled cooling device is connected to the engine intake passage. A passage with a recirculation exhaust gas control valve, and a passage with a recirculation exhaust gas control valve to have no recirculation exhaust gas control valve for reducing the amount of recirculation exhaust gas supplied into the combustion chamber. Also, the pressure loss of the recirculated exhaust gas is small and the water-cooled cooling device is provided with a passage without a recirculated exhaust gas control valve connecting the engine intake passage, and the engine intake passage and the water-cooled cooling device are provided. 2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the communication passage is switched to the passage with the recirculation exhaust gas control valve or the passage without the recirculation exhaust gas control valve in accordance with a required amount of the recirculation exhaust gas. You.
[0020]
According to the invention described in claim 7, when the required amount of recirculated exhaust gas is large, the engine intake passage and the water-cooled cooling device are communicated via the passage without the recirculated exhaust gas control valve. An internal combustion engine according to claim 6 is provided.
[0021]
In the internal combustion engine according to the sixth and seventh aspects, when the required recirculation exhaust gas amount is large, the engine intake passage and the water-cooled cooling device are communicated via the passage without the recirculation exhaust gas control valve. The pressure loss of the recirculated exhaust gas is smaller than in the case where the recirculated exhaust gas is supplied into the combustion chamber through the passage with the exhaust gas control valve. As a result, a large amount of recirculated exhaust gas can be easily supplied.
[0022]
According to the invention of claim 8, there is provided the internal combustion engine of claim 1, wherein a catalyst having an oxidation function is disposed in an engine exhaust passage for oxidizing unburned hydrocarbons discharged from the combustion chamber. Is done.
[0023]
According to the ninth aspect of the present invention, there is provided the internal combustion engine according to the eighth aspect, wherein the catalyst comprises at least one of an oxidation catalyst, a three-way catalyst, and a NOx absorbent.
[0024]
In the internal combustion engine according to claims 8 and 9, since unburned hydrocarbons discharged from the combustion chamber are oxidized in the engine exhaust passage, the unburned hydrocarbons are prevented from being discharged from the internal combustion engine. Can be.
[0025]
According to the tenth aspect of the present invention, the first combustion in which the soot is hardly generated and the refueling supplied to the combustion chamber are smaller than the amount of the recirculated exhaust gas in which the amount of soot is peaked. Switching means for selectively switching between the second combustion having a small amount of circulating exhaust gas and the second combustion; and the second combustion being switched to the first combustion from the first combustion. An internal combustion engine according to claim 1, wherein the exhaust gas recirculation rate is sometimes changed stepwise.
[0026]
In the internal combustion engine according to the present invention, when the first combustion is switched from the first combustion to the second combustion, or when the second combustion is switched to the first combustion, the exhaust gas recirculation rate is changed in a stepwise manner, so that the exhaust gas is changed. It is possible to prevent the gas recirculation rate from being set to the exhaust gas recirculation rate at which the generation amount of soot becomes a peak.
[0027]
According to the eleventh aspect, the exhaust gas recirculation rate during the first combustion is approximately 55% or more, and the exhaust gas when the second combustion is performed. An internal combustion engine according to claim 10, wherein the recirculation rate is less than or equal to about 50 percent.
[0028]
12. The internal combustion engine according to claim 11, wherein the exhaust gas recirculation rate during the first combustion is substantially equal to or more than 55%, and the exhaust gas recirculation rate during the second combustion is performed. Is set to approximately 50% or less, it is possible to prevent the exhaust gas recirculation rate from being set to the exhaust gas recirculation rate at which the generation amount of soot reaches a peak.
[0029]
According to the twelfth aspect of the present invention, the operating range of the engine is divided into the first operating range on the low load side and the second operating range on the high load side, and the first operating range in the first operating range. 11. The internal combustion engine according to claim 10, wherein the second combustion is performed in the second operation range.
[0030]
In the internal combustion engine according to the twelfth aspect, when the first combustion can be performed, that is, when the temperature of the fuel and the surrounding gas during the combustion in the combustion chamber can be maintained lower than the soot generation temperature, The first combustion is performed in the first operation region on the low load side and the second combustion is performed in the second operation region on the high load side because the heat generation amount is limited to the engine low load operation in which the heat generation is relatively small. I do. Therefore, appropriate combustion can be performed according to the operation range.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0032]
FIG. 1 shows an embodiment in which 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. A mass flow detector 21 for detecting the mass flow of the intake air is disposed in the air suction pipe 17 upstream of the throttle valve 20.
[0033]
On the other hand, the exhaust port 10 is connected to an inlet of an exhaust turbine 23 of an exhaust turbocharger 15 via an exhaust manifold 22, and an outlet of the exhaust turbine 23 is provided with a catalyst 25 having an oxidizing function via an exhaust pipe 24. Connected to converter 26. An air-fuel ratio sensor 27 is disposed in the exhaust manifold 22.
[0034]
The engine exhaust passage and the engine intake passage are connected to each other via an exhaust gas recirculation (hereinafter, referred to as EGR) passage 29, and a water-cooled EGR cooler 32 and an air-cooled EGR cooler 1032 are arranged in the EGR passage 29. You. EGR gas flowing through the EGR passage 29 from the engine exhaust passage toward the engine intake passage is first cooled to a certain temperature by an air-cooled EGR cooler 1032, and then cooled to a target temperature by a water-cooled EGR cooler 32. You.
[0035]
Specifically, the air suction pipe 17 on the upstream side of the compressor 16 and the water-cooled EGR cooler 32 are connected via a first passage 1029, and a portion of the engine intake passage downstream of the compressor 16 is connected to a water-cooled EGR cooler. 32 is connected via a second passage 2029. An EGR control valve 31 driven by a step motor 30 is disposed in the second passage 2029. Further, a portion of the engine exhaust passage upstream of the turbine 23 and the air-cooled EGR cooler 1032 are connected via a third passage 3029, and the exhaust pipe 28 downstream of the catalyst 25 and the air-cooled EGR cooler 1032 are connected to each other. They are connected via a fourth passage 4029. The switching of the communication between the first passage 1029, the second passage 2029, the third passage 3029, and the fourth passage 4029 is performed by the switching valve 60. Since the EGR control valve for reducing the amount of the EGR gas is not arranged in the first passage 1029, the pressure loss of the EGR gas flowing in the first passage 1029 is reduced by the EGR gas flowing in the second passage 2029 when the EGR control valve 31 is fully opened. Pressure loss. In the embodiment shown in FIG. 1, the engine cooling water is guided into the EGR cooler 32, and the engine cooling water cools the EGR gas.
[0036]
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.
[0037]
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. The output signal of the mass flow detector 21 is input to the input port 45 via the corresponding AD converter 47, and the output signals of the air-fuel ratio sensor 27 and the combustion pressure sensor 36 are also input to the input port via the corresponding AD converter 47, respectively. 45 is input. 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 °. The engine speed is determined by the crank angle sensor 52. output It is calculated based on the value. On the other hand, the output port 46 is connected to the fuel injection valve 6, the throttle valve control step motor 19, the EGR control valve control step motor 30, the fuel pump 35, and the switching valve 60 via the corresponding drive circuit 48.
[0038]
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, An experimental example showing a change in CO and NOx emissions is shown. 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.
[0039]
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 the generation amount of NOx becomes considerably low. On the other hand, at this time, the generation amounts of HC and CO begin to increase.
[0040]
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.
[0041]
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, the amount of generated NOx is considerably reduced as shown in FIG. The decrease in the amount of generated NOx 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 has decreased 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.
[0042]
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. .
[0043]
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, 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, that is, the soot is 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.
[0044]
By the way, the temperature of the fuel and its surroundings 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 and the compression ratio of the air-fuel ratio. Although it cannot be said how many times, this certain temperature is closely related to the amount of NOx generated, so that this certain temperature can be defined to some extent from the amount of NOx generated. That is, as the EGR rate increases, the temperature of the fuel during combustion and the gas temperature around it decrease, and the amount of generated NOx decreases. At this time, when the generation amount of NOx becomes about 10 p.pm or less, soot is hardly generated. Therefore, the above-mentioned certain temperature substantially coincides with the temperature when the amount of generated NOx is around 10 ppm or less.
[0045]
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 a 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, it is extremely difficult to discharge the hydrocarbon from the combustion chamber 5 in the state of the precursor of soot or in the state before the soot, or to discharge the hydrocarbon from the combustion chamber 5 in the form of soot. 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 soot precursor or previous state without producing soot in the combustion chamber 5 and removes the hydrocarbons. The core is to oxidize with a catalyst having an oxidation function.
[0046]
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 is burned has an extremely large effect on suppressing the temperature of the fuel and the gas around the fuel.
[0047]
That is, if there is only air around the fuel, the evaporated fuel immediately reacts with the 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 locally becomes extremely high, the unburned hydrocarbons that have received the combustion heat will generate soot.
[0048]
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 fuel vapor 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 suppressed low by the endothermic effect of the inert gas.
[0049]
In this case, in order to suppress the temperature of the fuel and the surrounding gas to a temperature lower than the temperature at which the soot is generated, an amount of the inert gas is required to be able to absorb enough heat to do so. Therefore, if the fuel amount 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, CO Two Since EGR gas has a relatively large specific heat, it can be said that it is preferable to use EGR gas as the inert gas.
[0050]
FIG. 5 shows the relationship between the EGR rate and the 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.
[0051]
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.
[0052]
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.
[0053]
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.
[0054]
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.
[0055]
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 indicates the required load.
[0056]
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. Further, the amount of NOx generated at this time is about 10 p.pm or less, and therefore, the amount of generated NOx is extremely small.
[0057]
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 the 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.
[0058]
When the supercharging is not performed, the upper limit of the total intake gas amount X sucked into the combustion chamber 5 is Y. 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 supercharging 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.
[0059]
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. 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.
[0060]
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. The generation amount of NOx can be reduced to about 10 p.pm or less while the generation of NOx is prevented. Even if the air amount is larger than the air amount shown in FIG. Even with a lean of 18 to 18, the generation amount of NOx can be reduced to around 10 ppm or less while preventing the generation of soot.
[0061]
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, only a very small amount of NOx 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 if the combustion temperature is high. Not generated at all. Further, only a very small amount of NOx is generated.
[0062]
In this way, 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, The generation amount of NOx becomes 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.
[0063]
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, during the low load operation in the engine, the first combustion, that is, the low-temperature combustion is performed by suppressing the temperature of the fuel during combustion and the gas around it at a temperature below the temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway. In addition, the second combustion, that is, the combustion that is usually performed conventionally, is performed during the high load operation of the engine. Here, the first combustion, that is, the low-temperature combustion, as is clear from the above description, the amount of inert gas in the combustion chamber is larger than the amount of inert gas at which the amount of soot is peaked, and soot is almost generated. The second combustion, that is, the combustion that has been performed conventionally, is a combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber is smaller than the amount of inert gas at which the amount of soot generation peaks. Say that.
[0064]
FIG. 7 shows a first operation region I in which first combustion, that is, low-temperature combustion is performed, and a second operation region II in which second combustion, that is, combustion by a conventional combustion method, is performed. In FIG. 7, the vertical axis L indicates the amount of depression of the accelerator pedal 50, that is, the required load, and the horizontal axis N indicates the engine speed. In FIG. 7, X (N) indicates the first boundary between the first operating region I and the second operating region II, and Y (N) indicates the first operating region I and the second operating region. The second boundary with the area II is shown. The determination of the change of the operation region from the first operation region I to the second operation region II is performed 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).
[0065]
That is, if the required load L exceeds a first boundary X (N), which is a function of the engine speed N, when the operating state of the engine is in the first operating region I and low-temperature combustion is being performed, the operating region Is determined to have shifted to the second operation region II, and combustion is performed by a conventional combustion method. Next, when the required load L 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.
[0066]
The two boundaries of the first boundary X (N) and the second boundary Y (N) on the lower load 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 load side of the second operating region II, and even if the required load L becomes lower than the first boundary X (N), low-temperature combustion cannot be performed immediately. Because. That is, the low-temperature combustion does not immediately start unless the required load L becomes considerably low, that is, when the required load L becomes lower than the second boundary Y (N). The second reason is to provide a hysteresis for a change in the operation region between the first operation region I and the second operation region II.
[0067]
By the way, when the operation region of the engine is in the first operation region I and low-temperature combustion is being performed, soot is hardly generated, and instead, unburned hydrocarbons are in the form of a precursor of soot or a state before it. 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.
[0068]
As the catalyst 25, an oxidation catalyst, a three-way catalyst, or a NOx absorbent can be used. The NOx absorbent has a function of absorbing NOx when the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is lean, and releasing NOx when the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 becomes rich.
[0069]
The NOx absorbent uses, for example, alumina as a carrier, and on the carrier, for example, alkali metals such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, alkaline earths such as barium Ba, calcium Ca, lanthanum La, yttrium Y And at least one noble metal such as platinum Pt.
[0070]
Not only the oxidation catalyst but also the three-way catalyst and the NOx absorbent have an oxidation function. Therefore, the three-way catalyst and the NOx absorbent can be used as the catalyst 25 as described above.
[0071]
FIG. 8 shows the output of the air-fuel ratio sensor 27. As shown in FIG. 8, the output current I of the air-fuel ratio sensor 27 changes according to the air-fuel ratio A / F. Therefore, the air-fuel ratio can be known from the output current I of the air-fuel ratio sensor 27.
[0072]
Next, the operation control in the first operation region I and the second operation region II will be schematically described with reference to FIG.
[0073]
FIG. 9 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 load L. As shown in FIG. 9, in the first operating region I where the required load L 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. 9, in the first operation region I, the EGR rate is approximately 70%, and the air-fuel ratio is a slightly lean air-fuel ratio.
[0074]
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.
[0075]
At the time of the idling operation, the throttle valve 20 is closed until the valve is almost fully closed. At this time, the EGR control valve 31 is also closed almost completely. 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.
[0076]
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. 9, 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.
[0077]
In the second operation region II, the conventional combustion is performed. In the second operation region II, the throttle valve 20 is held in a fully opened state except for a part, and the opening of the EGR control valve 31 is gradually reduced as the required load L increases. In this operating region II, the EGR rate decreases as the required load L increases, and the air-fuel ratio decreases as the required load L increases. However, the air-fuel ratio is a lean air-fuel ratio even when the required load L increases. In the second operation region II, the injection start timing θS is set near the compression top dead center TDC.
[0078]
FIG. 10A shows the target air-fuel ratio A / F in the first operation region I. In FIG. 10 (A), curves indicated by A / F = 15.5, A / F = 16, A / F = 17, and A / F = 18 have target air-fuel ratios of 15.5, 16, and 17, respectively. , 18 and the air-fuel ratio between the curves is determined by proportional distribution. As shown in FIG. 10A, the air-fuel ratio is lean in the first operation region I, and the target air-fuel ratio A / F is made leaner as the required load L decreases in the first operation region I. You.
[0079]
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 decreased, the air-fuel ratio increases. Therefore, as shown in FIG. 10A, as the required load L decreases, the target air-fuel ratio A / F increases. As the target air-fuel ratio A / F increases, the fuel consumption rate increases. Therefore, in order to make the air-fuel ratio as lean as possible, the embodiment according to the present invention increases the target air-fuel ratio A / F as the required load L decreases. .
[0080]
The target air-fuel ratio A / F shown in FIG. 10A is stored in advance in the ROM 42 in the form of a map as a function of the required load L and the engine speed N as shown in FIG. 10B. . In addition, as shown in FIG. 11A, the target opening ST of the throttle valve 20 required for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio A / F shown in FIG. The target opening degree SE of the EGR control valve 31 required for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio A / F shown in FIG. 10A is stored in advance in the ROM 42 in the form of a map as a function of N. As shown in FIG. 11 (B), it is stored in the ROM 42 in advance in the form of a map as a function of the required load L and the engine speed N.
[0081]
FIG. 12A shows the target air-fuel ratio A / F when the second combustion, that is, the normal combustion according to the conventional combustion method is performed. In FIG. 12A, curves A / F = 24, A / F = 35, A / F = 45, and A / F = 60 indicate target air-fuel ratios 24, 35, 45, and 60, respectively. ing. The target air-fuel ratio A / F shown in FIG. 12A is stored in the ROM 42 in advance in the form of a map as a function of the required load L and the engine speed N as shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 13A, the target opening ST of the throttle valve 20 necessary for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio A / F shown in FIG. The target opening SE of the EGR control valve 31 required for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio A / F shown in FIG. 12A is stored in advance in the ROM 42 in the form of a map as a function of N. As shown in FIG. 13 (B), a map is stored in advance in the ROM 42 as a function of the required load L and the engine speed N.
[0082]
Further, when the second combustion is being performed, the fuel injection amount Q is calculated based on the required load L and the engine speed N. The fuel injection amount Q is stored in the ROM 42 in advance in the form of a map as a function of the required load L and the engine speed N as shown in FIG.
[0083]
Next, the operation control will be described with reference to FIG. Referring to FIG. 15, first, in step 100, it is determined whether or not a flag I indicating that the operating state of the engine is in the first operating 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 101, where it is determined whether the required load L has become larger than the first boundary X (N). Is done. When L ≦ X (N), the routine proceeds to step 105, where low-temperature combustion is performed.
[0084]
When it is determined in step 101 that L> X (N), the routine proceeds to step 102 where the flag I is reset, and then proceeds to step 119 to perform the second combustion.
[0085]
If the flag I indicating that the operating state of the engine is in the first operating region I is not set in step 100, that is, if it is determined that the operating state of the engine is in the second operating region II, step 103 is performed. It is determined whether the required load L has become lower than the second boundary Y (N). When L ≧ Y (N), the routine proceeds to step 119, where the second combustion is performed under a lean air-fuel ratio.
[0086]
On the other hand, when it is determined in step 103 that L <Y (N), the routine proceeds to step 104, where the flag I is set, and then proceeds to step 105 to perform low-temperature combustion.
[0087]
In step 105, the target opening ST of the throttle valve 20 is calculated from the map shown in FIG. 11A, and the opening of the throttle valve 20 is set to the target opening ST. Next, at step 106, the target opening degree SE of the EGR control valve 31 is calculated from the map shown in FIG. Next, at step 107, it is determined whether or not the target opening SE is the full opening SEmax. In the case of YES, it is determined that the required EGR amount is large, and in order to easily supply a large amount of EGR gas, the first passage 1029 having a small pressure loss of the EGR gas is communicated in step 108, and the pressure of the EGR gas is reduced in step 109. The high-loss second passage 2029 is blocked. Next, in order to prevent a large amount of deposit from adhering in the EGR passage 29, the third passage 3029 is shut off in step 110, and the fourth passage 4029 is communicated in step 111.
[0088]
On the other hand, when NO is determined in step 107, it is determined that the required EGR amount is small and the EGR amount needs to be finely adjusted, and the EGR control valve is determined in step 112 in order to easily supply an accurate amount of EGR gas. The first passage 1029 having no EGR valve is shut off, and the second passage 2029 having the EGR control valve 31 is communicated. Next, in order to supply the EGR gas using the exhaust pressure of the engine, the third passage 3029 is communicated in step 114, and the fourth passage 4029 is shut off in step 115.
[0089]
Next, at step 116, the mass flow rate (hereinafter simply referred to as "intake air amount") Ga of the intake air detected by the mass flow rate detector 21 is taken in. Next, at step 117, the target air-fuel ratio is obtained from the map shown in FIG. A / F is calculated. Next, at step 118, based on the intake air amount Ga and the target air-fuel ratio A / F, a fuel injection amount Q necessary for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio A / F is calculated.
[0090]
When the required load L or the engine speed N changes during such low-temperature combustion, the opening of the throttle valve 20 and the opening of the EGR control valve 31 are immediately changed to the target according to the required load L and the engine speed N. The opening degrees ST and SE are made to match. Therefore, for example, when the required load L is increased, the amount of air in the combustion chamber 5 is increased immediately, and the generated torque of the engine is immediately increased.
[0091]
On the other hand, when the opening degree of the throttle valve 20 or the opening degree of the EGR control valve 31 changes to change the intake air amount, the change in the intake air amount Ga is detected by the mass flow rate detector 21, and the detected intake air amount The fuel injection amount Q is controlled based on Ga. That is, the fuel injection amount Q is changed after the intake air amount Ga is actually changed.
[0092]
In step 119, the target fuel injection amount Q is calculated from the map shown in FIG. 14, and the fuel injection amount is set as the target fuel injection amount Q. Next, at step 120, the target opening ST of the throttle valve 20 is calculated from the map shown in FIG. Next, at step 121, the target opening SE of the EGR control valve 31 is calculated from the map shown in FIG. 13B, and the opening of the EGR control valve 31 is set as the target opening SE.
[0093]
Next, at step 122, the intake air amount Ga detected by the mass flow detector 21 is taken. Next, at step 123, the actual air-fuel ratio (A / F) is obtained from the fuel injection amount Q and the intake air amount Ga. R Is calculated. Next, at step 124, the target air-fuel ratio A / F is calculated from the map shown in FIG. Next, at step 125, the actual air-fuel ratio (A / F) R Is larger than the target air-fuel ratio A / F. (A / F) R If> A / F, the routine proceeds to step 126, where the correction value ΔST of the throttle opening is decreased by a constant value α, and then the routine proceeds to step 128. (A / F) R If .ltoreq.A / F, the routine proceeds to step 127, where the correction value .DELTA.ST is increased by a constant value .alpha. In step 128, the final target opening ST is calculated by adding the correction value ΔST to the target opening ST of the throttle valve 20, and the opening of the throttle valve 20 is set as the final target opening ST. That is, the actual air-fuel ratio (A / F) R Of the throttle valve 20 is controlled so that the target air-fuel ratio A / F is obtained.
[0094]
As described above, when the required load L or the engine speed N changes during the second combustion, the fuel injection amount is immediately matched with the target fuel injection amount Q corresponding to the required load L and the engine speed N. For example, when the required load L is increased, the fuel injection amount is immediately increased, and thus the torque generated by the engine is immediately increased.
[0095]
On the other hand, when the fuel injection amount Q is increased and the air-fuel ratio deviates from the target air-fuel ratio A / F, the opening of the throttle valve 20 is controlled so that the air-fuel ratio becomes the target air-fuel ratio A / F. That is, the air-fuel ratio is changed after the fuel injection amount Q changes.
[0096]
In the embodiments described so far, the fuel injection amount Q is subjected to open-loop control during low-temperature combustion, and the air-fuel ratio changes the opening of the throttle valve 20 during second combustion. Is controlled by However, the fuel injection amount Q can be feedback-controlled based on the output signal of the air-fuel ratio sensor 27 when the low-temperature combustion is being performed, and the air-fuel ratio can be controlled by the EGR control when the second combustion is being performed. The control can also be performed by changing the opening of the valve 31.
[0097]
As described above, according to the present embodiment, in steps 105 to 118, the amount of EGR gas supplied into the combustion chamber 5 is larger than the amount of EGR gas at which soot generation peaks, and the low temperature at which soot is hardly generated. Since combustion is performed, soot and NOx emissions can be simultaneously prevented. Furthermore, since the air-cooled EGR cooler 1032 as well as the water-cooled EGR cooler 32 is disposed in the EGR passage 29, the EGR gas is cooled to a desired temperature even when the capacity of the water-cooled EGR cooler 32 cannot be increased so much. Therefore, the engine operating range in which low-temperature combustion can be performed can be expanded. In addition, since the EGR gas is first cooled by the air-cooled EGR cooler 1032 and then cooled by the water-cooled EGR cooler 32 whose cooling water temperature is relatively stable irrespective of the fluctuation of the outside air temperature, the EGR gas having a stable temperature is cooled. It can be supplied into the combustion chamber 5.
[0098]
Further, according to the present embodiment, when it is determined in step 107 that the required EGR gas amount is large, the first passage 1029 connecting the air suction pipe 17 on the upstream side of the compressor 16 and the water-cooled EGR cooler 32 is determined in step 108. Since the engine intake passage and the water-cooled EGR cooler 32 are communicated with each other, the EGR gas introduced into the engine intake passage is pressurized by the compressor 16. Therefore, a larger amount of EGR gas can be supplied into the combustion chamber 5 than when it is not pressurized by the compressor.
[0099]
Further, according to this embodiment, when it is determined in step 107 that the required EGR gas amount is large, in step 111, the fourth passage 4029 connecting the exhaust pipe 28 downstream of the catalyst 25 and the air-cooled EGR cooler 1032 is connected. Thus, the engine exhaust passage communicates with the air-cooled EGR cooler 1032, that is, the EGR gas purified by the catalyst 25 flows through the EGR passage 29. As a result, it is possible to prevent a large amount of deposit from adhering in the EGR passage 29. Further, when it is determined in step 107 that the required EGR gas amount is small, and there is no concern that a large amount of deposits will adhere in the EGR passage 29, in step 114, a portion on the upstream side of the turbine 23, that is, downstream of the catalyst 25, The engine exhaust passage and the air-cooled EGR cooler 1032 are communicated via a third passage 3029 that connects a portion closer to the engine body 1 than the side portion and the air-cooled EGR cooler 1032. As a result, the exhaust pressure of the engine can be used when supplying the EGR gas into the combustion chamber 5.
[0100]
Further, according to the present embodiment, when it is determined in step 107 that the required EGR gas amount is large, in step 108, the engine intake passage and the water-cooled EGR cooler 32 are communicated via the first passage 1029 having no EGR control valve. Therefore, the pressure loss of the EGR gas is smaller than when the EGR gas is supplied into the combustion chamber 5 through the second passage 2029 having the EGR control valve 31. As a result, a large amount of EGR gas can be easily supplied.
[0101]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the invention, the capacity of the water-cooled cooling device cannot be increased so much while simultaneously preventing soot (smoke) and NOx from being discharged from the internal combustion engine. Also, the recirculated exhaust gas can be cooled to a desired temperature, and the recirculated exhaust gas having a stable temperature can be supplied into the combustion chamber.
[0102]
According to the second and third aspects of the present invention, by compressing the recirculated exhaust gas introduced into the engine intake passage by the compressor, a larger amount of the recirculated exhaust gas is burned than when the compressor is not pressurized. Can be supplied indoors.
[0103]
According to the fourth and fifth aspects of the present invention, it is possible to prevent a large amount of deposit from adhering in the exhaust gas recirculation passage, and to reduce the exhaust pressure of the engine when supplying the recirculated exhaust gas into the combustion chamber. Can be used.
[0104]
According to the sixth and seventh aspects of the present invention, a large amount of recirculated exhaust gas can be easily supplied by reducing the pressure loss of the recirculated exhaust gas.
[0105]
According to the eighth and ninth aspects of the invention, it is possible to prevent unburned hydrocarbons from being discharged from the internal combustion engine.
[0106]
According to the tenth and eleventh aspects of the present invention, it is possible to prevent the exhaust gas recirculation rate from being set to the exhaust gas recirculation rate at which the generation amount of soot reaches a peak.
[0107]
According to the twelfth aspect, appropriate combustion can be performed according to the operation range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of a compression ignition type internal combustion engine.
FIG. 2 is a diagram showing amounts of smoke and NOx generated, and the like.
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 and a second operation region II.
FIG. 8 is a diagram showing an output of an air-fuel ratio sensor.
FIG. 9 is a diagram showing an opening degree of a throttle valve and the like.
FIG. 10 is a diagram showing an air-fuel ratio and the like in a first operation region I.
FIG. 11 is a diagram showing a map of a target opening degree of a throttle valve and the like.
FIG. 12 is a diagram showing an air-fuel ratio and the like in a second combustion.
FIG. 13 is a diagram showing a map of a target opening degree of a throttle valve and the like.
FIG. 14 is a diagram showing a map of a fuel injection amount.
FIG. 15 is a flowchart for controlling operation of the engine.
FIG. 16 is a flowchart for controlling operation of the engine.
[Explanation of symbols]
5. Combustion chamber
15 Exhaust turbocharger
29… EGR passage
31 ... EGR control valve
32 ... water-cooled EGR cooler
60 ... switching valve
1032 ... Air-cooled EGR cooler

Claims (12)

燃焼室から排出された排気ガスを機関吸気通路内に再循環させる排気ガス再循環装置を具備し、前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量を更に増大していくと前記燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる内燃機関であって、機関排気通路と前記機関吸気通路とを連結する排気ガス再循環通路内に空冷式冷却装置と水冷式冷却装置とを配置し、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量が多く煤がほとんど発生しない燃焼が行われたときに前記排気ガス再循環排気通路内を流れる再循環排気ガスをまず前記空冷式冷却装置により冷却し、次いで前記水冷式冷却装置により冷却するようにした内燃機関。An exhaust gas recirculation device that recirculates exhaust gas discharged from the combustion chamber into the engine intake passage is provided, and when the amount of recirculated exhaust gas supplied into the combustion chamber is increased, the amount of soot generated is reduced. When the amount of recirculated exhaust gas supplied into the combustion chamber increases further and reaches a peak, the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber becomes lower than the soot generation temperature. An internal combustion engine that generates almost no soot, wherein an air-cooled cooling device and a water-cooled cooling device are disposed in an exhaust gas recirculation passage connecting an engine exhaust passage and the engine intake passage, thereby generating soot. The amount of the recirculated exhaust gas supplied into the combustion chamber is larger than the amount of the recirculated exhaust gas having a peak amount, and the amount of the recirculated exhaust gas flows through the exhaust gas recirculation exhaust passage when combustion in which little soot is generated is performed. Recirculation exhaust gas The first cooled by the air-cooling type cooling device, then an internal combustion engine which is adapted to cooled by the water-cooling unit. 排気タービン過給機を具備し、前記機関吸気通路内の前記排気タービン過給機のコンプレッサよりも上流側部分と前記水冷式冷却装置とを連結したコンプレッサ上流側通路と、前記機関吸気通路内の前記排気タービン過給機のコンプレッサよりも下流側部分と前記水冷式冷却装置とを連結したコンプレッサ下流側通路とを具備し、前記機関吸気通路と前記水冷式冷却装置とを連通させる通路が、要求される再循環排気ガスの量に応じて前記コンプレッサ上流側通路又は前記コンプレッサ下流側通路に切り換えられる請求項1に記載の内燃機関。An exhaust turbine supercharger, a compressor upstream passage connecting the water-cooled cooling device and an upstream portion of the exhaust turbine supercharger in the engine intake passage with respect to the compressor, and an engine intake passage in the engine intake passage. The exhaust turbine turbocharger further includes a compressor downstream passage that connects a portion downstream of the compressor and the water-cooled cooling device, and a passage that communicates the engine intake passage with the water-cooled cooling device is required. 2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the internal combustion engine is switched to the compressor upstream passage or the compressor downstream passage in accordance with an amount of the recirculated exhaust gas. 要求される再循環排気ガスの量が多い時、前記コンプレッサ上流側通路を介して前記機関吸気通路と前記水冷式冷却装置とが連通される請求項2に記載の内燃機関。3. The internal combustion engine according to claim 2, wherein when a required amount of recirculated exhaust gas is large, the engine intake passage and the water-cooled cooling device are communicated via the compressor upstream passage. 排気タービン過給機と、前記燃焼室から排出された未燃炭化水素を酸化するために前記機関排気通路内の前記排気タービン過給機のタービンの下流側に配置された酸化機能を有する触媒とを具備し、前記機関排気通路内の前記排気タービン過給機のタービンよりも上流側部分と前記空冷式冷却装置とを連結したタービン上流側通路と、前記機関排気通路内の前記触媒よりも下流側部分と前記空冷式冷却装置とを連結した触媒下流側通路とを具備し、前記機関排気通路と前記空冷式冷却装置とを連通させる通路が、要求される再循環排気ガスの量に応じて前記タービン上流側通路又は前記触媒下流側通路に切り換えられる請求項1に記載の内燃機関。An exhaust turbine supercharger, and a catalyst having an oxidation function disposed in the engine exhaust passage downstream of a turbine of the exhaust turbine supercharger to oxidize unburned hydrocarbons discharged from the combustion chamber. A turbine upstream passage connecting the air-cooling type cooling device with a portion of the exhaust turbine turbocharger upstream of the turbine in the engine exhaust passage, and downstream of the catalyst in the engine exhaust passage. A catalyst downstream side passage connecting the side portion and the air-cooled cooling device, wherein a passage communicating the engine exhaust passage and the air-cooled cooling device is provided in accordance with an amount of recirculated exhaust gas required. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the internal combustion engine is switched to the turbine upstream passage or the catalyst downstream passage. 要求される再循環排気ガスの量が多い時、前記触媒下流側通路を介して前記機関排気通路と前記空冷式冷却装置とが連通される請求項4に記載の内燃機関。The internal combustion engine according to claim 4, wherein when a required amount of recirculated exhaust gas is large, the engine exhaust passage and the air-cooled cooling device are communicated via the catalyst downstream passage. 前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量を絞るための再循環排気ガス制御弁を備えると共に前記水冷式冷却装置と前記機関吸気通路とを連結した再循環排気ガス制御弁付き通路と、前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量を絞るための再循環排気ガス制御弁を有さないために前記再循環排気ガス制御弁付き通路よりも再循環排気ガスの圧力損失が小さくかつ前記水冷式冷却装置と前記機関吸気通路とを連結した再循環排気ガス制御弁なし通路とを具備し、前記機関吸気通路と前記水冷式冷却装置とを連通させる通路が、要求される再循環排気ガスの量に応じて前記再循環排気ガス制御弁付き通路又は前記再循環排気ガス制御弁なし通路に切り換えられる請求項1に記載の内燃機関。A passage with a recirculation exhaust gas control valve comprising a recirculation exhaust gas control valve for reducing the amount of recirculation exhaust gas supplied to the combustion chamber and connecting the water-cooled cooling device and the engine intake passage; Since there is no recirculation exhaust gas control valve for reducing the amount of recirculation exhaust gas supplied to the combustion chamber, the pressure loss of the recirculation exhaust gas is smaller than that of the passage with the recirculation exhaust gas control valve, and A recirculation exhaust gas control valve-free passage connecting the water-cooled cooling device and the engine intake passage, wherein a passage for communicating the engine intake passage with the water-cooled cooling device is provided with a required recirculated exhaust gas; 2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the passage is switched to the passage with the recirculation exhaust gas control valve or the passage without the recirculation exhaust gas control valve according to the amount of gas. 要求される再循環排気ガスの量が多い時、前記再循環排気ガス制御弁なし通路を介して前記機関吸気通路と前記水冷式冷却装置とが連通される請求項6に記載の内燃機関。7. The internal combustion engine according to claim 6, wherein when a required amount of the recirculated exhaust gas is large, the engine intake passage and the water-cooled cooling device are communicated via the passage without the recirculated exhaust gas control valve. 前記燃焼室から排出された未燃炭化水素を酸化するために機関排気通路内に酸化機能を有する触媒を配置した請求項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 an engine exhaust passage for oxidizing unburned hydrocarbons discharged from the combustion chamber. 前記触媒が酸化触媒、三元触媒又はNOx吸収剤の少くとも一つからなる請求項8に記載の内燃機関。9. The internal combustion engine according to claim 8, wherein the catalyst comprises at least one of an oxidation catalyst, a three-way catalyst, and a NOx absorbent. 前記煤がほとんど発生しない燃焼である第1の燃焼と、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量が少ない第2の燃焼とを選択的に切り換える切換手段を具備し、前記第1の燃焼から前記第2の燃焼に又は前記第2の燃焼から前記第1の燃焼に切り換えられるときに排気ガス再循環率をステップ状に変化させるようにした請求項1に記載の内燃機関。A first combustion in which the soot is hardly generated, and a second combustion in which the amount of the recirculated exhaust gas supplied to the combustion chamber is smaller than the amount of the recirculated exhaust gas in which the amount of generated soot becomes a peak. Switching means for selectively switching between the first combustion and the second combustion or the second combustion to the first combustion when the exhaust gas recirculation rate is changed stepwise. 2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein said internal combustion engine is varied. 前記第1の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ55パーセント以上であり、前記第2の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ50パーセント以下である請求項10に記載の内燃機関。The exhaust gas recirculation rate when the first combustion is performed is approximately 55% or more, and the exhaust gas recirculation rate when the second combustion is performed is approximately 50% or less. Item 11. The internal combustion engine according to Item 10. 機関の運転領域を低負荷側の第1の運転領域と高負荷側の第2の運転領域とに分割し、前記第1の運転領域では前記第1の燃焼を行い、前記第2の運転領域では前記第2の燃焼を行うようにした請求項10に記載の内燃機関。The operating range of the engine is divided into a first operating range on the low load side and a second operating range on the high load side, and the first combustion is performed in the first operating range, and the second operating range is performed. The internal combustion engine according to claim 10, wherein the second combustion is performed.
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