JP3551788B2 - Compression ignition type internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧縮着火式内燃機関に関する。
【0002】
【従来の技術】
流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにはNOX を吸収し、流入する排気ガスがリッチ又は理論空燃比になると吸収したNOX を放出するNOX 吸収剤を機関排気通路内に配置し、リーン混合気が燃焼せしめられているときに発生するNOX をNOX 吸収剤により吸収し、NOX 吸収剤のNOX 吸収能力が飽和する前に全気筒の燃焼室内における空燃比を一時的にリッチにしてNOX 吸収剤からNOX を放出させると共に放出されたNOX 排気ガス中に含まれる未燃HC,COにより還元するようにした圧縮着火式内燃機関が公知である(国際公開WO93/07363号参照)。この圧縮着火式内燃機関ではNOX 吸収剤からNOX を放出すべきときにはスロットル弁を閉弁すると共に燃料噴射量を増量することにより全気筒の燃焼室内における空燃比をリッチにするようにしている。
【0003】
また排気ガス中にはSOX も含まれており、このSOX もNOX 吸収剤に吸収される。このSOX をNOX 吸収剤から放出させるときにも空燃比をリッチにする必要がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら圧縮着火式内燃機関においてスロットル弁を閉弁し、燃料噴射量を増量することによって全気筒の燃焼室内における空燃比をリッチにすると多量の未燃HCおよび多量のスモークが発生するという問題がある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために1番目の発明では、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる圧縮着火式内燃機関において、流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにはNO X を吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したNO X を放出するNO X 吸収剤を機関排気通路内に配置し、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない第1の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少い第2の燃焼とを選択的に切換える切換手段を具備し、第2の燃焼が行われているときにNO X 吸収剤からNO X を放出すべきときにはNO X 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように一部の気筒の空燃比をリッチとすると共に残りの気筒の空燃比をリーンにするようにしている。
【0007】
2番目の発明では1番目の発明において、上述の一部の気筒では第2の燃焼のもとで空燃比がリッチとされる。
3番目の発明では1番目の発明において、上述の一部の気筒では第2燃焼から第1の燃焼に切換えられた後第1の燃焼のもとで空燃比がリッチとされる。
4番目の発明では1番目の発明において、第1の燃焼が行われているときにNOX 吸収剤からNOX を放出すべきときには全気筒の燃焼室内における空燃比を一時的に理論空燃比又はリッチにするようにしている。
【0008】
5番目の発明では1番目の発明において、燃焼室から排出された排気ガスを機関吸気通路内に再循環させる排気ガス再循環装置を具備し、不活性ガスが再循環排気ガスからなる。
6番目の発明では5番目の発明において、第1の燃焼状態における排気ガス再循環率がほぼ55パーセント以上である。
【0009】
7番目の発明では1番目の発明において、機関の運転領域を低負荷側の第1の運転領域と高負荷側の第2の運転領域に分割し、第1の運転領域では第1の燃焼を行い、第2の運転領域では第2の燃焼を行うようにしている。
8番目の発明では、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる圧縮着火式内燃機関において、流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにはNO X を吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したNO X を放出するNO X 吸収剤を機関排気通路内に配置し、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない第1の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少い第2の燃焼とを選択的に切換える切換手段を具備し、NOX 吸収剤からSOX を放出すべきときには第1の燃焼が行われているときにNOX 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように一部の気筒の空燃比をリッチとすると共に残りの気筒の空燃比をリーンにするようにしている。
【0010】
9番目の発明では8番目の発明において、NOX 吸収剤からSOX を放出すべきときにNOX 吸収剤の温度が予め定められた温度よりも低いときにはNOX 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリーンとなるように一部の気筒の空燃比をリッチとすると共に残りの気筒の空燃比をリーンにし、NOX 吸収剤の温度が予め定められた温度よりも高くなったときにNOX 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように一部の気筒の空燃比をリッチとすると共に残りの気筒の空燃比をリーンにするようにしている。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1および図2は本発明を4ストローク圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。
図1および図2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。
【0012】
一方、排気ポート10は排気マニホルド21および排気管22を介して排気ターボチャージャ15の排気タービン23の入口部に連結され、排気タービン23の出口部は排気管24を介してNOX 吸収剤25および酸化触媒26に連結される。排気マニホルド21内には空燃比センサ27が配置される。
酸化触媒26下流の排気管28とスロットル弁20下流の空気吸込管17とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路29を介して互いに連結され、EGR通路29内にはステップモータ30により駆動されるEGR制御弁31が配置される。また、EGR通路29内にはEGR通路29内を流れるEGRガスを冷却するためのインタークーラ32が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水がインタークーラ32内に導びかれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。
【0013】
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。
【0014】
電子制御ユニット40はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス41によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)42、RAM(ランダムアクセスメモリ)43、CPU(マイクロプロセッサ)44、入力ポート45および出力ポート46を具備する。空燃比センサ27の出力信号は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力され、燃料圧センサ36の出力信号も対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。また、NOX 吸収剤25にはNOX 吸収剤25の温度を検出するための温度センサ37が取付けられ、この温度センサ37の出力信号は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。アクセルペダル50にはアクセルペダル50の踏込み量Lに比例した出力電圧を発生する負荷センサ51が接続され、負荷センサ51の出力電圧は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。また、入力ポート45にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ52が接続される。一方、図1に示される実施例では図2に示されるように内燃機関は1番気筒#1、2番気筒#2、3番気筒#3、4番気筒#4からなる4つの気筒を具備しており、噴射順序は1−3−4−2とされている。図1に示されるように出力ポート46は対応する駆動回路48を介して各気筒の燃料噴射弁6、スロットル弁制御用ステップモータ19、EGR制御弁制御用ステップモータ30および燃料ポンプ35に接続される。
【0015】
ところで従来より内燃機関、例えば圧縮着火式機関においては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EGR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。
【0016】
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。
【0017】
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。従って従来の圧縮着火式内燃機関では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。
【0018】
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。
【0019】
ところが圧縮着火式内燃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、アイドリンク運転時において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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
図1および図2はこの新たな燃焼システムを採用した圧縮着火式内燃機関を示している。
図3は図1および図2に示される圧縮着火式内燃機関において、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3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3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率が高くなり、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。
【0023】
図3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。
【0024】
図4(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4(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4(A)と図4(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4(B)に示す場合はスモークの発生量が多い図4(A)に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【0025】
図3および図4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3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4からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図4(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。
【0026】
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3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5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5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3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。
【0027】
図3および図4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。
【0028】
ところで煤の前駆体の状態で炭化水素の生成過程が停止するときの燃料およびその周囲の温度、即ち上述の或る温度は燃料の種類や空燃比や圧縮比等の種々の要因によって変化するので何度であるかということは言えないがこの或る温度は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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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は強力となり、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。
【0034】
図6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6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。
【0035】
図6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バーセントよりも少し低いところで煤の発生量がピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ55パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。一方、図6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。
【0036】
また、図6の曲線Cで示されるようにEGRガスを強制的に冷却していない場合にはEGR率が55パーセントの付近で煤の発生量がピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ70パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。なお、図6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。
【0037】
図7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7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。
【0038】
図7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7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7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7に示す実施例では70パーセント以上である。即ち、燃焼室5内に吸入された全吸入ガス量を図7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7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。
【0039】
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7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。
【0040】
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7において要求負荷がL0 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L0 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L0 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。
【0041】
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L0 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。
【0042】
なお、要求負荷がL0 よりも大きい領域でEGR率を55パーセント以上にする際にはEGR制御弁31が全開せしめられ、スロットル弁20が若干閉弁せしめられる。
前述したように図7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7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7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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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い機関中低負荷運転時に限られる。従って本発明による実施例では機関中低負荷運転時には燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制して第1の燃焼、即ち低温燃焼を行うようにし、機関高負荷運転時には第2の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにしている。なお、ここで第1の燃焼、即ち低温燃焼とはこれまでの説明から明らかなように煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない燃焼のことを言い、第2の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量の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。
【0046】
図8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1Iとを示している。なお、図8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8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1I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。
【0047】
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。
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。
【0048】
図9は空燃比センサ27の出力を示している。図9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。
次に図10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。
【0049】
図10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10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10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。
【0050】
言い換えると第1の運転領域IではEGR率がほぼ70パーセントとなり、空燃比がわずかばかりリーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁20の開度およびEGR制御弁31の開度が制御される。なお、このとき空燃比は空燃比センサ27の出力信号に基づいてEGR制御弁31の開度を補正することによって目標リーン空燃比に制御される。また、第1の運転領域Iでは圧縮上死点TDC前に燃料噴射が行われる。この場合、噴射開始時間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。
【0051】
なお、アイドリング運転時にはスロットル弁20は全閉近くまで閉弁され、このときEGR制御弁31も全開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内の圧力が高くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が小さくなるとピストン4による圧縮仕事が小さくなるために機関本体1の振動が小さくなる。即ち、アイドリング運転時には機関本体1の振動を抑制するためにスロットル弁20が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【0052】
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10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6)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。
【0053】
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が高くなるほど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。
【0054】
図11は第1の運転領域Iにおける空燃比A/Fを示している。図11において、A/F=15.5,A/F=16,A/F=17,A/F=18で示される各曲線は夫々空燃比が15.5,16,17,18であるときを示しており、各曲線間の空燃比は比例配分により定められる。図11に示されるように第1の運転領域Iでは空燃比がリーンとなっており、更に第1の運転領域Iでは要求負荷Lが低くなるほど空燃比A/Fがリーンとされる。
【0055】
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11に示されるように要求負荷Lが低くなるにつれて空燃比A/Fが大きくされる。空燃比A/Fが大きくなるほど燃料消費率は向上し、従ってできる限り空燃比をリーンにするために本発明による実施例では要求負荷Lが低くなるにつれて空燃比A/Fが大きくされる。
【0056】
なお、空燃比を図11に示す目標空燃比とするのに必要なスロットル弁20の目標開度STが図12(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11に示す目標空燃比とするのに必要なEGR制御弁31の目標開度SEが図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。
【0057】
図13は第2の燃焼、即ち従来の燃焼方法による普通の燃焼が行われるときの目標空燃比を示している。なお、図13においてA/F=24,A/F=35,A/F=45,A/F=60で示される各曲線は夫々目標空燃比24,35,45,60を示している。空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なスロットル弁20の目標開度STが図14(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、空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なEGR制御弁31の目標開度SEが図14(B)に示されるように要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM42内に記憶されている。
【0058】
一方、排気ターボチャージャ15下流の機関排気通路内に配置されたNOX 吸収剤25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。機関吸気通路、燃焼室5およびNOX 吸収剤25上流の排気通路内に供給された空気および燃料(炭化水素)の比をNOX 吸収剤25への流入排気ガスの空燃比と称するとこのNOX 吸収剤25は流入排気ガスの空燃比がリーンのときにはNOX を吸収し、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したNOX を放出するNOX の吸放出作用を行う。
【0059】
このNOX 吸収剤25を機関排気通路内に配置すればNOX 吸収剤25は実際にNOX の吸放出作用を行うがこの吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放出作用は図15に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。次にこのメカニズムについて担体上に白金PtおよびバリウムBaを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【0060】
図1に示される圧縮着火式内燃機関では通常燃焼室5における空燃比がリーンの状態で燃焼が行われる。このように空燃比がリーンの状態で燃焼が行われている場合には排気ガス中の酸素濃度は高く、このときには図15(A)に示されるようにこれら酸素O2 がO2 − 又はO2−の形で白金Ptの表面に付着する。一方、流入排気ガス中のNOは白金Ptの表面上でO2 − 又はO2−と反応し、NO2 となる(2NO+O2 →2NO2 )。次いで生成されたNO2 の一部は白金Pt上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら図15(A)に示されるように硝酸イオンNO3 − の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてNOX がNOX 吸収剤25内に吸収される。流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ptの表面でNO2 が生成され、吸収剤のNOX 吸収能力が飽和しない限りNO2 が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンNO3 − が生成される。
【0061】
一方、流入排気ガスの空燃比がリッチにされると流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、その結果白金Ptの表面でのNO2 の生成量が低下する。NO2 の生成量が低下すると反応が逆方向(NO3 − →NO2 )に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンNO3 − がNO2 の形で吸収剤から放出される。このときNOX 吸収剤25から放出されたNOX は図15(B)に示されるように流入排気ガス中に含まれる多量の未燃HC,COと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ptの表面上にNO2 が存在しなくなると吸収剤から次から次へとNO2 が放出される。従って流入排気ガスの空燃比がリッチにされると短時間のうちにNOX 吸収剤25からNOX が放出され、しかもこの放出されたNOX が還元されるために大気中にNOX が排出されることはない。
【0062】
なお、この場合、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にしてもNOX 吸収剤25からNOX が放出される。しかしながら流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にした場合にはNOX 吸収剤25からNOX が徐々にしか放出されないためにNOX 吸収剤25に吸収されている全NOX を放出させるには若干長い時間を要する。
【0063】
前述したように機関の運転状態が第1の運転領域Iにあって低温燃焼が行われているときには煤はほとんど発生せず、その代り未燃炭化水素が煤の前駆体又はその前の状態の形でもって燃焼室5から排出される。このとき燃焼室5から排出された未燃炭化水素はNOX 吸収剤25の下流に配置された酸化触媒26により良好に酸化せしめられる。なお、上述したようにNOX 吸収剤25は白金Ptのような貴金属を含んでおり、従ってNOX 吸収剤25も酸化機能を有している。従って、低温燃焼が行われているときに燃焼室5から排出された未燃炭化水素はNOX 吸収剤25によっても良好に酸化せしめられることになる。
【0064】
ところでNOX 吸収剤25のNOX 吸収能力には限度があり、NOX 吸収剤25のNOX 吸収能力が飽和する前にNOX 吸収剤25からNOX を放出させる必要がある。そのためにはNOX 吸収剤25に吸収されているNOX 量を推定する必要がある。そこで本発明による実施例では第1の燃焼が行われているときの単位時間当りのNOX 吸収量Aを要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図16(A)に示すようなマップの形で予め求めておき、第2の燃焼が行われているときの単位時間当りのNOX 吸収量Bを要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図16(B)に示すようなマップの形で予め求めておき、これら単位時間当りのNOX 吸収量A,Bを積算することによってNOX 吸収剤25に吸収されているNOX 量ΣNOXを推定するようにしている。
【0065】
本発明による実施例ではこのNOX 吸収量ΣNOXが予め定められた許容最大値を越えたときのNOX 吸収剤25からNOX を放出させるようにしている。次にこのことについて図17を参照しつつ説明する。
図17を参照すると本発明による実施例では二つの許容最大値、即ち許容最大値MAX1と許容最大値MAX2とが設定されている。許容最大値MAX1はNOX 吸収剤25が吸収しうる最大NOX 吸収量の30パーセント程度とされており、許容最大値MAX2はNOX 吸収剤25が吸収しうる最大吸収量の80パーセント程度とされている。第1の燃焼が行われているときにNOX 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたときにはNOX 吸収剤25からNOX を放出すべく空燃比がリッチとされ、第2の燃焼が行われているときにNOX 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたときには第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときにNOX 吸収剤25からNOX を放出すべく空燃比がリッチとされ、第2の燃焼が行われているときにNOX 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX2を越えたときにはNOX 吸収剤25からNOX を放出すべく一部の気筒のみの空燃比がリッチとされる。
【0066】
即ち、図17において期間Xは要求負荷Lが第1の境界X(N)よりも低く、第1の燃焼が行われている場合を示しており、このとき空燃比は理論空燃比よりもわずかばかりリーンなリーン空燃比となっている。第1の燃焼が行われているときにはNOX の発生量が極めて少く、従ってこのときには図17に示されるようにNOX 吸収量ΣNOXが極めてゆっくりと上昇する。第1の燃焼が行われているときにNOX 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えると全気筒の空燃比A/Fは一時的にリッチとされ、それによってNOX 吸収剤25からNOX が放出される。このときNOX 吸収量ΣNOXは零とされる。
【0067】
前述したように第1の燃焼が行われているときには空燃比がリーンであろうと、理論空燃比であろうと、リッチであろうと煤は発生せず、従って第1の燃焼が行われているときにNOX 吸収剤25からNOX を放出すべく空燃比A/Fがリッチとされてもこのとき煤が発生することはない。
次いで時刻t1 において要求負荷Lが第1の境界X(N)を越えると第1の燃焼から第2の燃焼に切換えられる。図17に示されるように第2の燃焼が行われているときには空燃比A/Fはかなりリーンとなる。第2の燃焼が行われているときには第1の燃焼が行われている場合に比べてNOX の発生量が多く、従って第2の燃焼が行われているときにはNOX 量ΣNOXは比較的急速に上昇する。
【0068】
第2の燃焼が行われているときに全気筒の空燃比A/Fをリッチにすると多量の煤が発生し、従って第2の燃焼が行われているとき全気筒の空燃比A/Fをリッチにすることは好ましくない。従って図17に示されるように第2の燃焼が行われているときにNOX 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたとしてもNOX 吸収剤25からNOX を放出すべく空燃比A/Fがリッチとされない。この場合には図17の時刻t2 におけるように要求負荷Lが第2の境界Y(N)よりも低くなって第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときにNOX 吸収剤25からNOX を放出すべく全気筒の空燃比A/Fが一時的にリッチにされる。
【0069】
次いで図17の時刻t3 において第1の燃焼から第2の燃焼に切換えられ、暫らくの間第2の燃焼が継続したとする。このときNOX 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越え、次いで時刻t4 において許容最大値MAX2を越えたとするとこのときにNOX 吸収剤25からNOX を放出すべくNOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように一部の気筒の空燃比A/Fがリッチとされ、残りの気筒の空燃比がリーンとされる。
【0070】
例えば図18(A)において実線で示される噴射量でもって第2の燃焼が行われているときにNOX 吸収剤25からNOX を放出すべくNOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするときには1番気筒#1における空燃比が例えば8程度のリッチとなるように1番気筒#1への噴射量が破線Q1 で示されるように大巾に増大せしめられる。一方、このとき残りの気筒#2,#3,#4の空燃比ができるだけ小さなリーン空燃比となるようにこれら気筒#2,#3,#4への噴射量も破線Q2 ,Q3 ,Q4 で示されるように増大せしめられる。
【0071】
即ち、一部の気筒、図18(A)に示す例では1番気筒#1の空燃比が大巾にリッチにせしめられると1番気筒#1の出力トルクが低下する。この出力トルクの低下分を補なうために残りの気筒#2,#3,#4への噴射量が増大せしめられる。また、このように残りの気筒#2,#3,#4への噴射量を増大せしめることによって各気筒の空燃比の平均値、即ちNOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしやすくなる。
【0072】
なお、一つの気筒の空燃比を大巾にリッチにしてもNOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしえない場合、又は十分にリッチにしえない場合には図18(B)に示されるように二つの気筒、例えば1番気筒#1と、1番気筒#1に対し噴射時期が360クランク角度ずれている4番気筒#4における空燃比が大巾にリッチになるように1番気筒#1と4番気筒#4への噴射量が破線Q1 ,Q4 で示されるように大巾に増大せしめられる。この場合にも残りの気筒#2,#3の空燃比ができるだけ小さなリーン空燃比となるように残りの気筒#2,#3への噴射量Q2 ,Q3 も増大せしめられる。
【0073】
第2の燃焼が行われているときには機関の運転状態により空燃比がかなり異なっており、従ってNOX 吸収剤25からNOX を放出すべきときの図18(A)又は図18(B)に示す各噴射量Q1 ,Q2 ,Q3 ,Q4 は機関の運転状態に応じて異なっている。本発明による実施例ではこれらの各噴射量Q1 ,Q2 ,Q3 ,Q4 は要求負荷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。
【0074】
図18(A)に示されるようにNOX 吸収剤25からNOX を放出すべく1番気筒#1における空燃比が大巾にリッチにされると1番気筒#1からは多量の未燃HCおよび煤が排出され、図18(B)に示されるようにNOX 吸収剤25からNOX を放出すべく1番気筒#1および4番気筒#4における空燃比が大巾にリッチにされると1番気筒#1および4番気筒#4からは多量の未燃HCおよび煤が排出される。しかしながらいずれの場合でも全気筒をリッチにした場合に比べれば未燃HCおよび煤の排出量は少く、従って未燃HCおよび煤の排出量を低減できることになる。また、全気筒をリッチにした場合には機関の出力トルクが変動するが図18(A)および図18(B)に示す場合には機関の出力トルクがほとんど変動しないという利点がある。
【0075】
このように一部の気筒のみをリッチにした場合には全筒をリッチにした場合に比べて未燃HCおよび煤の排出量が低減するがそれでも未燃HCおよび煤が排出される。従ってこのように一部の気筒のみをリッチにする機会はできるだけ少くすることが好ましい。従って第2の燃焼が行われたときにNOX 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたときには第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときに空燃比A/Fを一時的にリッチにし、NOX 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX2を越えた特別の場合に限って一部の気筒のみをリッチにするようにしている。
【0076】
図19はNOX 吸収剤25からNOX を放出すべきときにセットされるNOX 放出フラグの処理ルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図19を参照するとまず初めにステップ100において機関の運転領域が第1の運転領域Iであることを示すフラグIがセットされているか否かが判別される。フラグIがセットされているとき、即ち機関の運転領域が第1の運転領域Iであるときにはステップ101に進んで図16(A)に示すマップから単位時間当りのNOX 吸収量Aが算出される。次いでステップ102ではNOX 吸収量ΣNOXにAが加算される。次いでステップ103ではNOX 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたか否かが判別される。ΣNOX>MAX1になるとステップ104に進み、第1の燃焼が行われているときにNOX を放出すべきことを示すNOX 放出フラグIがセットされる。
【0077】
一方、ステップ100においてフラグIがリセットされていると判断されたとき、即ち機関の運転領域が第2の運転領域IIであるときにはステップ106に進んで図16(B)に示すマップから単位時間当りのNOX 吸収量Bが算出される。次いでステップ107ではNOX 吸収量ΣNOXがBに加算される。次いでステップ108ではNOX 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1に越えたか否かが判別される。ΣNOX>MAX1になるとステップ109に進み、第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときにNOX を放出すべきことを示すNOX 放出フラグIがセットされる。
【0078】
一方、ステップ110では、NOX 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX2を越えたか否かが判別される。ΣNOX>MAX2になるとステップ111に進み、一部の気筒をリッチにすることによりNOX を放出すべきことを示すNOX 放出フラグIIがセットされる。
次に図20を参照しつつ運転制御について説明する。
【0079】
図20を参照すると、まず初めにステップ200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201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203に進んで低温燃焼が行われる。
【0080】
即ち、ステップ203では図12(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204では図12(B)に示すマップからEGR制御弁31の目標開度SEが算出され、EGR制御弁31の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ205ではNOX 放出フラグIがセットされているか否かが判別される。NOX 放出フラグIがセットされていないときにはステップ206に進んで図11に示される空燃比となるように燃料噴射が行われる。このときリーン空燃比のもとで低温燃焼が行われる。一方、ステップ205においてNOX 放出フラグIがセットされていると判別されたときにはステップ207に進んで図21に示されるリッチ処理Iが行われる。
【0081】
一方、ステップ201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202に進んでフラグIがリセットされ、次いでステップ210に進んで第2の燃焼が行われる。
即ち、ステップ210では図14(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211では図14(B)に示すマップからEGR制御弁31の目標開度SEが算出され、EGR制御弁31の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ212ではNOX 放出フラグIIがセットされているか否かが判別される。NOX 放出フラグIIがセットされていないときにはステップ213に進んで図13に示される空燃比となるように燃料噴射が行われる。このときリーン空燃比のもとで第2の燃焼が行われる。一方、ステップ212においてNOX 放出フラグIIがセットされていると判別されたときにはステップ214に進んで図22に示されるリッチ処理IIが行われる。
【0082】
フラグIがリセットされると次の処理サイクルではステップ200からステップ208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210に進み、リーン空燃比のもとで第2の燃焼が行われる。一方、ステップ208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209に進んでフラグIがセットされ、次いでステップ203に進んで低温燃焼が行われる。
【0083】
次に図21を参照しつつリッチ処理Iについて説明する。
図21を参照するとまず初めにステップ300においてNOX 吸収剤25に吸収されていると推定される全NOX ΣNOXを放出させるのに必要なリッチ時間tr が算出される。次いでステップ301ではリッチ処理I開始後の経過時間tがリッチ時間tr を越えたか否かが判別される。t≦tr のときにはステップ302に進んで燃料噴射量が増量され、空燃比がリッチとされる。一方、ステップ301においてt>tr になったと判断されたときにはステップ303に進んでNOX 放出フラグIがリセットされ、次いでステップ304においてΣNOXが零とされる。
【0084】
次に図22を参照しつつリッチ処理IIについて説明する。
図22を参照するとまず初めにステップ400においてNOX 吸収剤25に吸収されていると推定される全NOX ΣNOXを放出させるのに必要なリッチ時間tr が算出される。次いでステップ401ではリッチ処理II開始後の経過時間tがリッチ時間tr を越えたか否かが判別される。t≦tr のときにはステップ402に進んで機関の運転状態から図18(A)又は図18(B)において破線で示される各噴射量Q1 ,Q2 ,Q3 ,Q4 が算出される。一方、ステップ401においてt>tr になったと判断されたときにはステップ403に進んでNOX 放出フラグIおよびIIがリセットされ、次いでステップ404においてΣNOXが零とされる。
【0085】
図23に別の実施例を示す。この実施例では例えば1番気筒#1の吸気枝管11の入口部にアクチュエータ60により駆動制御される吸気制御弁61が配置される。また、インタークーラ32とEGR制御弁31間のEGR通路29からはEGR枝通路62が分岐され、このEGR枝通路62は吸気制御弁61下流の吸気枝管11に連結される。このEGR枝管62内にはアクチュエータ63により駆動制御される補助EGR制御弁64が配置される。
【0086】
この実施例では通常、吸気制御弁61は全開せしめられており、補助EGR制御弁64は全閉せしめられている。このときには図1および図2に示される実施例と同様に第1の運転領域Iでは第1の燃焼が行われ、第2の運転領域IIでは第2の燃焼が行われる。
一方、この実施例では第2の燃焼が行われているときにNOX 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX2を越えたときには一部の気筒、図23に示す実施例では1番気筒#1が第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられ、NOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように1番気筒#1の空燃比が大巾にリッチとされる。即ち、具体的に云うと、NOX 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX2を越えたときには吸気制御弁61が閉弁せしめられると共に補助EGR制御弁64が開弁せしめられて多量のEGRガスが1番気筒#1に供給され、このとき1番気筒#1ではリッチ空燃比のもとで低温燃焼が行われる。このとき残りの気筒#2,#3,#4への噴射量Q2 ,Q3 ,Q4 が増大せしめられる。
【0087】
この実施例においても1番気筒#1において第1の燃焼を行い、残りの気筒#2,#3,#4において第2の燃焼を行うことによりNOX 吸収剤25からNOX を放出させる場合の各気筒#1,#2,#3,#4への噴射量Q1 ,Q2 ,Q3 ,Q4 、吸気制御弁61の開度および補助EGR制御弁64の開度は要求負荷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、1番気筒#1においてのみリッチ空燃比のもとで低温燃焼してもNOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしえない場合、又は十分にリッチにしえない場合には二つの気筒、例えば1番気筒#1と4番気筒#4においてリッチ空燃比のもとで低温燃焼させることができる。ただし、その場合にはEGR枝通路62を4番気筒#4の吸気枝管11にも連結する必要がある。
【0088】
この実施例においても図19から図21に示すルーチンがそのまま用いられる。ただし、リッチ処理IIについては図22に示すルーチンに代えて図24に示すルーチンが用いられる。従って以下、図24に示すルーチンのみについて説明する。
図24を参照するとまず初めにステップ500においてNOX 吸収剤25に吸収されていると推定される全NOX ΣNOXを放出させるのに必要なリッチ時間tr が算出される。次いでステップ501ではリッチ処理II開始後の経過時間tがリッチ時間tr を越えたか否かが判別される。t≦tr のときにはステップ502に進んで気筒#1,#2,#3,#4への噴射量Q1 ,Q2 ,Q3 ,Q4 が算出される。次いでステップ503では吸気制御弁61の開度が機関の運転状態から定まる開度まで閉弁制御され、次いでステップ504では補助EGR制御弁64の開度が機関の運転状態から定まる開度まで開弁制御される。一方、ステップ501においてt>tr になったと判断されたときにはステップ505に進んでNOX 放出フラグIおよびIIがリセットされ、次いでステップ506においてΣNOXが零とされる。
【0089】
ところで排気ガス中にはSOX が含まれており、NOX 吸収剤25にはNOX ばかりでなくSOX も吸収される。このNOX 吸収剤25へのSOX の吸収メカニズムはNOX の吸収メカニズムと同じであると考えられる。
即ち、NOX の吸収メカニズムを説明したときと同様に担体上に白金PtおよびバリウムBaを担持させた場合を例にとって説明すると、前述したように流入排気ガスの空燃比がリーンのときには酸素O2 がO2 − 又はO2−の形で白金Ptの表面に付着しており、流入排気ガス中のSO2 は白金Ptの表面でO2 − 又はO2−と反応してSO3 となる。次いで生成されたSO3 の一部は白金Pt上で更に酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら、硫酸イオンSO4 2− の形で吸収剤内に拡散し、安定した硫酸塩BaSO4 を生成する。
【0090】
しかしながらこの硫酸塩BaSO4 は安定していて分解しづらく、流入排気ガスの空燃比を単にリッチにしても硫酸塩BaSO4 は分解されずにそのまま残る。従ってNOX 吸収剤25内には時間が経過するにつれて硫酸塩BaSO4 が増大することになり、斯くして時間が経過するにつれてNOX 吸収剤25が吸収しうるNOX 量が低下することになる。
【0091】
ところがこの硫酸塩BaSO4 はNOX 吸収剤25の温度が一定温度以上、例えば600℃以上になると分解し、このときNOX 吸収剤25への流入排気ガスの空燃比をリッチにするとSOX の形でNOX 吸収剤25から放出される。
そこで以下に説明する実施例ではNOX 吸収剤25からSOX を放出すべきときにはNOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように一部の気筒の空燃比をリッチにすると共に残りの気筒の空燃比をリーンにするようにしている。即ち、一部の気筒の空燃比をリッチにし、残りの気筒の空燃比をリーンにすると空燃比がリッチとされた気筒からは多量の未燃HC,COが排出され、空燃比がリーンとされた気筒からは多量の残存酸素が排出される。
【0092】
このように多量の未燃HC,COおよび多量の残存酸素が同時に排出されると多量の未燃HC,COはNOX 吸収剤25において酸化せしめられ、このときの酸化反応熱によってNOX 吸収剤25の温度は急速に高温となる。その結果、NOX 吸収剤25からSOX が放出されることになる。
なお、NOX 吸収剤25からSOX を放出させるにはNOX 吸収剤25からNOX を放出させる場合に比べてはるかに長い時間を要し、この間一部の気筒の空燃比はリッチにされ続ける。従って以下に述べる実施例では第1の燃焼、即ち低温燃焼が行われているときにNOX 吸収剤25からのSOX 放出制御が行われる。
【0093】
次に図25を参照しつつNOX 吸収剤25からSOX を放出すべきときにセットされるSOX 放出フラグの処理ルーチンについて説明する。
図25を参照するとまず初めにステップ600においてΣQに現在の噴射量Qが加算される。従ってΣQは噴射量の積算値を表している。次いでステップ601では噴射量の積算値ΣQが一定値QMAXを越えたか否かが判別される。ΣQ>QMAXのときにはステップ602に進んでSOX 放出フラグがセットされる。即ち、燃料中には或る割合でイオウ分が含まれているのでΣQ>QMAXになったときにはNOX 吸収剤25に一定量以上のSOX が吸収されていると判断でき、斯くしてこのときSOX 放出フラグがセットされる。
【0094】
次に図26を参照しつつ運転制御について説明する。
図26を参照すると、まず初めにステップ700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701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703に進んで低温燃焼が行われる。
【0095】
即ち、ステップ703では図12(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704では図12(B)に示すマップからEGR制御弁31の目標開度SEが算出され、EGR制御弁31の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ705ではSOX 放出フラグがセットされているか否かが判別される。SOX 放出フラグがセットされていないときにはステップ706に進んでNOX 放出フラグIがセットされているか否かが判別される。NOX 放出フラグIがセットされていないときにはステップ707に進んで図11に示される空燃比となるように燃料噴射が行われる。このときリーン空燃比のもとで低温燃焼が行われる。一方、ステップ706においてNOX 放出フラグIがセットされていると判別されたときにはステップ208に進んで図21に示される既に説明したリッチ処理Iが行われる。
【0096】
一方、ステップ701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702に進んでフラグIがリセットされ、次いでステップ712に進んで第2の燃焼が行われる。
即ち、ステップ712では図14(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713では図14(B)に示すマップからEGR制御弁31の目標開度SEが算出され、EGR制御弁31の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ714ではNOX 放出フラグIIがセットされているか否かが判別される。NOX 放出フラグIIがセットされていないときにはステップ715に進んで図13に示される空燃比となるように燃料噴射が行われる。このときリーン空燃比のもとで第2の燃焼が行われる。一方、ステップ714においてNOX 放出フラグIIがセットされていると判別されたときにはステップ716に進んで図22に示される既に説明したリッチ処理IIが行われる。
フラグIがリセットされると次の処理サイクルではステップ700からステップ710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712に進み、リーン空燃比のもとで第2の燃焼が行われる。一方、ステップ710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711に進んでフラグIがセットされ、次いでステップ703に進んで低温燃焼が行われる。
【0097】
一方、低温燃焼が行われているときにステップ705においてSOX 放出フラグがセットされていると判断されたときにはステップ709に進んでリッチ処理III が行われる。このリッチ処理III の第1実施例が図27に示されている。
次に図27を参照しつつリッチ処理III の第1実施例について説明する。
図27を参照するとまず初めにステップ800においてNOX 吸収剤25に吸収されていると推定される全SOX を放出させるのに必要なリッチ時間ts が算出される。次いでステップ801ではリッチ処理III 開始後の経過時間tがリッチ時間ts を越えたか否かが判別される。t≦ts のときにはステップ802に進んでNOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように一部の気筒の空燃比をリッチにし、残りの気筒の空燃比をリーンにするのに必要な各気筒#1,#2,#3,#4の噴射量Q1 ,Q2 ,Q3 ,Q4 が算出される。
【0098】
この実施例では1番気筒#1および4番気筒#4の空燃比が12とされ、2番気筒#2および3番気筒#3の空燃比が17とされる。このときNOX 吸収剤25への流入排気ガスの空燃比は14程度のリッチ空燃比となる。
従ってこの実施例では1番気筒#1および4番気筒#4からは多量の未燃HC,COが排出され、2番気筒#2および3番気筒#3からは多量の残存酸素が排出されるので酸化反応熱によりNOX 吸収剤25の温度が急速に上昇し、斯くしてNOX 吸収剤25からSOX が放出されることになる。
【0099】
一方、ステップ801においてt>ts になったと判断されたときにはステップ803に進んでSOX 放出フラグがリセットされ、次いでステップ804においてNOX 放出フラグIがリセットされる。次いでステップ805においてΣQおよびΣNOXが零とされる。
次にリッチ制御III の第2実施例について説明する。
【0100】
この実施例ではNOX 吸収剤25からSOX を放出すべきときに温度センサ37により検出されたNOX 吸収剤25の温度Tc が予め定められた温度To 、例えば600℃よりも低いときにはNOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比がリーンとなるように一部の気筒#1,#4の空燃比がリッチにされると共に残りの気筒#2,#3の空燃比がリーンにされ、NOX 吸収剤25の温度Tc が予め定められた温度TC を越えたときにNOX 吸収剤25からSOX を放出すべくNOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように一部の気筒#1,#4の空燃比がリッチにされると共に残りの気筒#2,#3の空燃比がリーンとされる。
【0101】
このようにTc >To のときのNOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比がリーンとなるように一部の気筒#1,#4の空燃比をリッチにすると共に残りの気筒#2,#3の空燃比をリーンにすると排気ガス中の酸素濃度が高くなる。その結果、NOX 吸収剤25の温度を一層急速に上昇させることができ、短時間でTc >To となる。
【0102】
次に図28を参照しつつリッチ処理III の第2実施例について説明する。
図28を参照するとまず初めにステップ900においてNOX 吸収剤25の温度Tc が予め定められた温度To よりも高いか否かが判別される。Tc ≦To のときにはステップ901に進んでNOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比がリーンとなるように一部の気筒#1,#4の空燃比をリッチにし、残りの気筒#2,#3の空燃比をリーンにするのに必要な各気筒#1,#2,#3,#4の噴射量Q1 ,Q2 ,Q3 ,Q4 が算出される。
【0103】
次いでTc ≦Tc になるとステップ902に進んでNOX 吸収剤25に吸収されていると推定される全SOX を放出させるのに必要なリッチ時間ts が算出される。次いでステップ903ではリッチ処理III 開始後の経過時間tがリッチ時間ts を越えたか否かが判別される。t≦ts のときにはステップ904に進んでNOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように一部の気筒#1,#4の空燃比をリッチにし、残りの気筒#2,#3の空燃比をリーンにするのに必要な各気筒#1,#2,#3,#4の噴射量Q1 ,Q2 ,Q3 ,Q4 が算出される。
【0104】
一方、ステップ903においてt>ts になったと判断されたときにはステップ905に進んでSOX 放出フラグがリセットされ、次いでステップ906においてNOX 放出フラグIがリセットされる。次いでステップ907においてΣQおよびΣNOXが零とされる。
次に図29を参照しつつリッチ制御III の第3実施例について説明する。
【0105】
この実施例では図29に示されるように2番気筒#2および3番気筒#3に対し共通の第1の排気マニホルド21aが取付けられ、この第1の排気マニホルド21aに酸化触媒又は三元触媒を内蔵した第1の触媒コンバータ38aが連結される。また、1番気筒#1および4番気筒#4に対し共通の第2の排気マニホルド21bが取付けられ、この第2の排気マニホルド21bに酸化触媒又は三元触媒を内蔵した第2の触媒コンバータ38bが連結される。これら触媒コンバータ38a,38bは共通の排気管22を介して図1に示されるようにNOX 吸収剤25に連結される。
【0106】
即ち、NOX 吸収剤25の上流に全気筒#1,#2,#3,#4に対して共通の酸化触媒又は三元触媒を配置するとNOX 吸収剤25からSOX を放出すべく一部の気筒の空燃比がリッチにされ、残りの気筒の空燃比がリーンにされると空燃比がリッチとされている気筒から排出される多量の未燃HC,COおよび空燃比がリーンとされている気筒から排出される多量の酸素が酸化触媒又は三元触媒において反応し、NOX 吸収剤25では未燃HC,COの酸化反応がほとんど行われなくなる。その結果、NOX 吸収剤25の温度を上昇させることができなくなる。
【0107】
しかしながら図29に示す実施例において例えば1番気筒#1と4番気筒#4がリッチにされ、2番気筒#2と3番気筒#3がリーンにされると1番気筒#1および4番気筒#4から排出された多量の未燃HC,COは第2の触媒コンバータ38b内を素通りしてNOX 吸収剤25内に流入し、2番気筒#2および3番気筒#3から排出された多量の残存酸素は第1の触媒コンバータ38a内を素通りしてNOX 吸収剤25内に流入する。その結果、NOX 吸収剤25内において未燃HC,COの酸化反応が行われるのでNOX 吸収剤25の温度が急速に上昇せしめられることになる。
【0108】
なお、酸化触媒又は三元触媒にもSOX が付着する。本発明による実施例ではこれら触媒に付着したSOX を除去するためにNOX 吸収剤25からSOX を放出すべきときには1番気筒#1および4番気筒#4の空燃比と、2番気筒#2および3番気筒#3の空燃比とが交互にリッチとされる。
次に図30を参照しつつリッチ処理III の第3実施例について説明する。
【0109】
図30を参照するとまず初めにステップ1000においてNOX 吸収剤25に吸収されていると推定される全SOX を放出させるのに必要なリッチ時間ts が算出される。次いでステップ1001ではリッチ処理III 開始後の経過時間tがリッチ時間ts を越えたか否かが判別される。t≦ts のときにはステップ1002に進んで1番気筒#1および4番気筒#4の空燃比をリッチにすべきであることを示すフラグXがセットされているか否かが判別される。フラグXがセットされているときにはステップ1003に進んでNOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように一部の気筒#1,#4の空燃比をリッチにし、残りの気筒#2,#3の空燃比をリーンにするのに必要な各気筒#1,#2,#3,#4の噴射量Q1 ,Q2 ,Q3 ,Q4 が算出される。これに対してフラグXがセットされていないときにはステップ1004に進んでNOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように一部の気筒#2,#3の空燃比をリッチにし、残りの気筒#1,#4の空燃比をリーンにするのに必要な各気筒#1,#2,#3,#4の噴射量Q1 ,Q2 ,Q3 ,Q4 が算出される。
【0110】
一方、ステップ1001においてt>ts になったと判断されたときにはステップ1005に進んでSOX 放出フラグがリセットされ、次いでステップ1006においてNOX 放出フラグIがリセットされる。次いでステップ1007においてΣQおよびΣNOXが零とされる。次いでステップ1008ではフラグXがセットからリセットへ、又はリセットからセットへ反転せしめられる。
【0111】
なお、これまで述べたリッチ制御III の第1実施例から第3実施例においてNOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比をリッチ又はリーンにするときには空燃比センサ27の出力に基づいて各噴射量Q1 ,Q2 ,Q3 ,Q4 を制御することができる。即ち、各噴射量Q1 ,Q2 ,Q3 ,Q4 に夫々フィードバック補正係数FAFを乗算することによって最終的な噴射量Q1 ・FAF,Q2 ・FAF,Q3 ・FAF,Q4 ・FAFを算出するようにする。フィードバック補正係数FAFは図31(A),(B)に示されるように空燃比がリッチになるとスキップ的に減少せしめられた後に一定の積分定数Kでもって徐々に減少し、空燃比がリーンになるとスキップ的に増大せしめられた後に一定の積分定数Kでもって徐々に増大するように制御される。
【0112】
この場合、図31(A)に示されるように空燃比がリッチからリーンになったときのFAFのスキップ量SRを空燃比がリーンからリッチになったときのFAFのスキップ量SLよりも大きくすると図31(A)に示されるようにリッチ時間がリーン時間が長くなり、その結果NOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比はリッチとなる。即ち、SR>SLとすることによってNOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることができることになる。
【0113】
一方、図31(B)に示されるように空燃比がリッチからリーンになったときのFAFのスキップ量SRを空燃比がリーンからリッチになったときのFAFのスキップ量SLよりも小さくすると図31(B)に示されるようにリーン時間がリッチ時間が長くなり、その結果NOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比はリーンとなる。即ち、SR<SLとすることによってNOX 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比をリーンにすることができることになる。
【0114】
【発明の効果】
未燃HCおよび煤の排出をできる限り抑制しつつNOX 吸収剤からNOX 又はSOX を放出することができる。
【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】圧縮着火式内燃機関の平面図である。
【図3】スモークおよびNOX の発生量等を示す図である。
【図4】燃焼圧を示す図である。
【図5】燃料分子を示す図である。
【図6】スモークの発生量とEGR率との関係を示す図である。
【図7】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図8】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9】空燃比センサの出力を示す図である。
【図10】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図11】第1の運転領域Iにおける空燃比を示す図である。
【図12】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図13】第2の燃料における空燃比を示す図である。
【図14】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図15】NOX の放出作用を説明するための図である。
【図16】単位時間当りのNOX 吸収量のマップを示す図である。
【図17】NOX 放出制御を説明するための図である。
【図18】噴射量を説明するための図である。
【図19】NOX 放出フラグを処理するためのフローチャートである。
【図20】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図21】リッチ処理Iを実行するためのフローチャートである。
【図22】リッチ処理IIを実行するためのフローチャートである。
【図23】圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す平面図である。
【図24】リッチ処理IIを実行するためのフローチャートである。
【図25】SOX 放出フラグを処理するためのフローチャートである。
【図26】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図27】リッチ処理III の第1実施例を実行するためのフローチャートである。
【図28】リッチ処理III の第2実施例を実行するためのフローチャートである。
【図29】圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す平面図である。
【図30】リッチ処理III の第3実施例を実行するためのフローチャートである。
【図31】フィードバック補正係数の変化を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
6…燃料噴射弁
15…排気ターボチャージャ
20…スロットル弁
29…EGR通路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a compression ignition type internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
NO when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is leanXNO when the inflowing exhaust gas becomes rich or stoichiometric.XReleases NOXNO generated when the lean mixture is burned by arranging an absorbent in the engine exhaust passageXNOXAbsorbed by absorbent, NOXAbsorbent NOXBefore the absorption capacity is saturated, the air-fuel ratio in the combustion chambers of all cylinders is temporarily made rich to reduce NO.XNO from absorbentXAnd released
[0003]
The exhaust gas contains SOXIs also included in this SOXNOXAbsorbed by absorbent. This SOXNOXIt is necessary to make the air-fuel ratio rich when releasing from the absorbent.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the air-fuel ratio in the combustion chamber of all cylinders is made rich by closing the throttle valve and increasing the fuel injection amount in the compression ignition type internal combustion engine, there is a problem that a large amount of unburned HC and a large amount of smoke are generated. .
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, in the first invention,As the amount of inert gas in the combustion chamber increases, the amount of soot generated gradually increases and reaches a peak, and when the amount of inert gas in the combustion chamber further increases, fuel during combustion in the combustion chamber and its surroundings The compression-ignition internal combustion engine in which the gas temperature becomes lower than the soot generation temperature and soot is hardly generated, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, NO X And when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas becomes stoichiometric or rich, the NO absorbed X Releases NO X The first combustion in which the absorbent is disposed in the engine exhaust passage, the amount of inert gas in the combustion chamber is larger than the amount of inert gas at which the amount of generated soot peaks, and soot is hardly generated, and the amount of generated soot is reduced. Switching means for selectively switching between the second combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber is smaller than the peak amount of inert gas, and NO when the second combustion is being performed; X NO from absorbent X NO when should be released X The air-fuel ratio of some cylinders is made rich and the air-fuel ratio of the remaining cylinders is made lean so that the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent becomes rich.
[0007]
2In the second invention1In the second invention, the air-fuel ratio is made rich under the second combustion in some of the cylinders described above.
3In the second invention1In the second invention, in some of the above-mentioned cylinders, the air-fuel ratio is made rich under the first combustion after switching from the second combustion to the first combustion.
4In the second invention1In the second invention, when the first combustion is performed, NOX NO from absorbentX , The air-fuel ratio in the combustion chambers of all cylinders is temporarily set to the stoichiometric air-fuel ratio or rich.
[0008]
5In the second invention1According to a second 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, wherein the inert gas comprises recirculated exhaust gas.
6In the second invention5In the second invention, the exhaust gas recirculation rate in the first combustion state is approximately 55% or more.
[0009]
In a seventh aspect based on the first aspect, 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. In the second operation region, the second combustion is performed.
In the eighth invention, as the amount of inert gas in the combustion chamber increases, the amount of soot generated gradually increases and reaches a peak, and when the amount of inert gas in the combustion chamber further increases, the combustion in the combustion chamber increases. The temperature of the fuel at the time and its surrounding gas is lower than the soot generation temperature and soot is hardly generatedCompression ignition typeInternal combustion engineNO when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean X And when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas becomes stoichiometric or rich, the NO absorbed X Releases NO X Place the absorbent in the engine exhaust passage,The first combustion in which 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 hardly generated, and the combustion chamber is smaller than the amount of inert gas at which the amount of soot is peaked. Switching means for selectively switching between the second combustion having a small amount of inert gas and the second combustion;X Absorbent to SOX Is to be released when the first combustion is being performed.X The air-fuel ratio of some of the cylinders is made rich while the air-fuel ratio of the remaining cylinders is made lean so that the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent becomes rich.
[0010]
9In the second invention8In the second invention, NOX Absorbent to SOX To release NOX NO when the temperature of the absorbent is lower than a predetermined temperatureX The air-fuel ratio of some of the cylinders is made rich so that the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent becomes lean, and the air-fuel ratio of the remaining cylinders is made lean.X NO when the temperature of the absorbent becomes higher than a predetermined temperature.X The air-fuel ratio of some of the cylinders is made rich while the air-fuel ratio of the remaining cylinders is made lean so that the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent becomes rich.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
1 and 2 show a case where the present invention is applied to a four-stroke compression ignition type internal combustion engine.
Referring to FIGS. 1 and 2, 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, and 8 is intake.
[0012]
On the other hand, the
An
[0013]
On the other hand, the
[0014]
The
[0015]
By the way, conventionally, in an internal combustion engine, for example, in a compression ignition type engine, NOXThe engine exhaust passage and the engine intake passage are connected by an EGR passage in order to suppress the generation of the exhaust gas, and the exhaust gas, that is, the EGR gas is recirculated through the EGR passage 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. As the combustion temperature increases, the combustion temperature in the combustion chamber decreases.XThe more the EGR rate increases, the lower the NOXWill decrease.
[0016]
If the EGR rate is increased as compared with the conventional case, NOXIt has been known that the amount of generation of phenol can be reduced. However, when the EGR rate is increased, when the EGR rate exceeds a certain limit, the amount of generated soot, that is, smoke starts to increase rapidly. In this regard, it has been conventionally considered that if the EGR rate is further increased, the smoke will increase infinitely. Therefore, the EGR rate at which the smoke starts to increase rapidly is considered to be the maximum allowable limit of the EGR rate. Has been.
[0017]
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 compression ignition type internal combustion engine, the EGR rate is suppressed to 30 to 50% at the maximum.
[0018]
As described above, conventionally, it has been considered that the maximum allowable limit exists for the EGR rate. Therefore, the EGR rate is conventionally set to a value within the range not exceeding the maximum allowable limit.XAnd the amount of smoke generated was determined to be as small as possible. However, in this way, the EGR rate is set to NO.XNO even if the amount of generated smoke is minimizedXAnd the reduction in the amount of smoke generated is limited, and in practice, a considerable amount of NOXAt present, smoke is generated.
[0019]
However, in the course of research on combustion of a compression ignition type internal combustion engine, if the EGR rate is made larger than the maximum permissible limit, the smoke increases sharply as described above. However, the amount of generated smoke has a peak. When the EGR rate is further increased, the smoke starts to decrease sharply. Then, it was found that the smoke became almost zero, that is, almost no soot was generated. In this case, NOXIt has also been found that the amount of generation is extremely small. After that, based on this finding, the reason why soot was not generated was examined, and as a result, soot and NOXThis has led to the construction of a new combustion system that can simultaneously reduce the combustion. This new combustion system will be described in detail later, but in short, it is basically based on stopping the growth of hydrocarbons in the middle of the process until the hydrocarbons grow into soot.
[0020]
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.
[0021]
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.
[0022]
FIGS. 1 and 2 show a compression ignition type internal combustion engine employing this new combustion system.
FIG. 3 shows that in the compression ignition type internal combustion engine shown in FIGS. 1 and 2, the air-fuel ratio A / F (horizontal axis in FIG. 3) is changed by changing the opening degree of the
[0023]
As shown in FIG. 3, when the air-fuel ratio A / F is reduced by increasing the EGR rate, the amount of smoke generated when the air-fuel ratio A / F becomes about 30 when the EGR rate becomes close to 40%. Start growing. Next, when the EGR rate is further increased and the air-fuel ratio A / F is reduced, the amount of smoke generated sharply increases and reaches a peak. Next, when the EGR rate is further increased and the air-fuel ratio A / F is reduced, the smoke is sharply reduced. When the EGR rate is increased to 65% or more, and the air-fuel ratio A / F becomes about 15.0, the smoke becomes almost zero. . That is, almost no soot is generated. At this time, the output torque of the engine slightly decreases, and NOXThe amount of generation is considerably low. On the other hand, at this time, the generation amounts of HC and CO begin to increase.
[0024]
FIG. 4A 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. FIG. 4B shows an air-fuel ratio A / F of 18. 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. 4 (A) and FIG. 4 (B), the case of FIG. 4 (B) where the amount of smoke generation is almost zero is shown in FIG. 4 (A) where the amount of smoke generation is large. It can be seen that the combustion pressure is lower than in the case.
[0025]
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, as shown in FIG.XThe amount of generation of methane is considerably reduced. NOXThe decrease in the amount of the generated gas means that the combustion temperature in the combustion chamber 5 has decreased. Therefore, it can be said that the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low when little soot is generated. The same can be said from FIG. That is, in the state shown in FIG. 4B where almost no soot is generated, the combustion pressure is low, and thus the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low at this time.
[0026]
Second, when the amount of generated smoke, that is, the amount of generated soot becomes substantially 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, linear hydrocarbons and aromatic hydrocarbons contained in the fuel as shown in FIG. 5 are thermally decomposed when the temperature is increased in a state of lack of oxygen, soot precursors are formed, and then mainly, 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 amount of generated soot becomes substantially zero, the emission amounts of HC and CO increase as shown in FIG. 3, but HC at this time is a precursor of soot or a hydrocarbon in a state before it. .
[0027]
Summarizing these considerations based on the experimental results shown in FIGS. 3 and 4, when the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low, the amount of generated soot becomes almost zero. The hydrocarbon will be discharged from the combustion chamber 5. As a result of further detailed experimental research on this fact, when the temperature of the fuel and the surrounding gas in the combustion chamber 5 is lower than a certain temperature, the growth process of the soot is stopped halfway. It was found that no soot was generated, and soot was generated when the temperature of the fuel and its surroundings in the combustion chamber 5 exceeded a certain temperature.
[0028]
By the way, the temperature of the fuel and its surrounding when the process of producing hydrocarbons is stopped in the state of the soot precursor, that is, the above-mentioned certain temperature varies depending on various factors such as the type of fuel, the air-fuel ratio, the compression ratio, and the like. I can not say how many times, but this certain temperature is NOXIs closely related to the amount of NOx generated, so that this certain temperature is NOXCan be defined to some extent from the amount of occurrence of. That is, as the EGR rate increases, the fuel temperature during combustion and the gas temperature around the fuel decrease, and the NOXGeneration amount decreases. NO at this timeXIs 10 p. p. When it is less or equal to or less than m, almost no soot is generated. Therefore, the above certain temperature is NOXIs 10 p. p. m The temperature almost coincides with the temperature when the temperature becomes lower or higher.
[0029]
Once soot is produced, it cannot be purified by post-treatment using a catalyst having an oxidizing function. On the other hand, the soot precursor or the hydrocarbon in the state before the soot can be easily purified by a post-treatment using a catalyst having an oxidation function. Considering the post-treatment with the catalyst having the oxidation function as described above, it is extremely difficult to discharge hydrocarbons from the combustion chamber 5 in the state of the precursor of soot or in the state before the soot or in the form of soot from the combustion chamber 5. There is a big difference. The new combustion system employed in the present invention discharges hydrocarbons from the combustion chamber 5 in the form of a precursor or previous soot without producing soot in the combustion chamber 5 and removing the hydrocarbons. The core is to oxidize with a catalyst having an oxidation function.
[0030]
Now, in order to stop the growth of hydrocarbons before soot is generated, it is necessary to suppress the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber 5 to a temperature lower than the temperature at which soot is generated. There is. In this case, it has been found that the endothermic effect of the gas around the fuel when the fuel burns has an extremely large effect on suppressing the temperature of the fuel and the gas around the fuel.
[0031]
That is, if there is only air around the fuel, the evaporated fuel immediately reacts with oxygen in the air and burns. In this case, the temperature of the air separated from the fuel does not rise so much, and only the temperature around the fuel becomes extremely high locally. That is, at this time, the air separated from the fuel hardly absorbs the heat of combustion heat of the fuel. In this case, since the combustion temperature becomes extremely high locally, the unburned hydrocarbons that have received the heat of combustion will generate soot.
[0032]
On the other hand, when fuel is present in a mixed gas of a large amount of inert gas and a small amount of air, the situation is slightly different. In this case, the evaporated fuel diffuses to the surroundings, reacts with oxygen mixed in the inert gas, and burns. In this case, since the combustion heat is absorbed by the surrounding inert gas, the combustion temperature does not rise so much. That is, the combustion temperature can be kept low. That is, the presence of the inert gas plays an important role in suppressing the combustion temperature, and the combustion temperature can be kept low by the endothermic effect of the inert gas.
[0033]
In this case, controlling the temperature of the fuel and its surrounding gas to a temperature lower than the temperature at which soot is generated requires an amount of an inert gas that can absorb a sufficient amount of heat to do so. Therefore, if the amount of fuel increases, the required amount of inert gas increases accordingly. In this case, the endothermic effect becomes stronger as the specific heat of the inert gas increases, so that the inert gas preferably has a higher specific heat. In this regard, CO2Since EGR gas has a relatively large specific heat, it can be said that it is preferable to use EGR gas as the inert gas.
[0034]
FIG. 6 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. 6, curve A shows the case where the EGR gas is cooled strongly and the EGR gas temperature is maintained at approximately 90 ° C., and curve B shows the 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.
[0035]
As shown by the curve A in FIG. 6, when the EGR gas is strongly cooled, the amount of soot generation peaks at a point where the EGR rate is slightly lower than 50%, and in this case, the EGR rate is increased to approximately 55% or more. Then, almost no soot is generated. On the other hand, as shown by the curve B in FIG. 6, 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 approximately 65% or more. So that almost no soot is generated.
[0036]
As shown by the curve C in FIG. 6, when the EGR gas is not forcibly cooled, the generation amount of soot reaches a peak near the EGR rate of 55%, and in this case, the EGR rate becomes approximately 70%. Above a percentage, soot is hardly generated. FIG. 6 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.
[0037]
FIG. 7 shows a mixed gas amount of the EGR gas and the air necessary to make the temperature of the fuel during combustion and the surrounding gas 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. 7, the vertical axis indicates the total intake gas amount sucked into the combustion chamber 5, and the dashed line Y indicates the total intake gas amount that can be sucked into the combustion chamber 5 when supercharging is not performed. ing. The horizontal axis shows the required load.
[0038]
Referring to FIG. 7, 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. 7, the ratio between the amount of air and the amount of injected fuel is the stoichiometric air-fuel ratio. On the other hand, in FIG. 7, 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 made lower than the temperature at which 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 represented by a solid line X in FIG. 7, and the ratio between the air amount and the EGR gas amount in the total intake gas amount X is as shown in FIG. The temperature of the fuel and the gas around it will be lower than the temperature at which soot is produced, so that no soot is generated. In this case, NOXThe amount generated is 10 p. p. m around or below and therefore NOXIs extremely small.
[0039]
As the amount of fuel injection increases, the amount of heat generated when the fuel burns increases. Therefore, in order to maintain the temperature of the fuel and its surrounding gas at a temperature lower than the temperature at which soot is generated, the amount of heat absorbed by the EGR gas Must be increased. Therefore, as shown in FIG. 7, 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.
[0040]
By the way, when supercharging is not performed, the upper limit of the total intake gas amount X to be sucked into the combustion chamber 5 is Y. Therefore, in FIG.0In the larger range, the air-fuel ratio cannot be maintained at the stoichiometric air-fuel ratio unless the EGR gas ratio is reduced as the required load increases. In other words, when supercharging is not performed, the required load is L0If the air-fuel ratio is to be maintained at the stoichiometric air-fuel ratio in a region larger than the required load, the EGR rate decreases as the required load increases.0In the larger region, the temperature of the fuel and its surrounding gas cannot be maintained below the temperature at which soot is produced.
[0041]
However, as shown in FIG. 1, when the EGR gas is recirculated through the
[0042]
When the required load is L0When the EGR rate is set to 55% or more in a larger region, the
As described above, FIG. 7 shows the case where the fuel is burned under the stoichiometric air-fuel ratio. However, even if the air amount is smaller than the air amount shown in FIG. NO while preventing generation ofX
[0043]
That is, when the air-fuel ratio is made rich, the fuel becomes excessive, but since the combustion temperature is suppressed to a low temperature, the excess fuel does not grow to soot, and thus no soot is generated. At this time, NOXOnly a very small amount is generated. On the other hand, when the average air-fuel ratio is lean, or even when the air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio, a small amount of soot is generated when the combustion temperature increases, but in the present invention, the soot is suppressed to a low temperature, so that the soot is reduced. Not generated at all. Furthermore, NOXOnly a very small amount is generated.
[0044]
Thus, when low-temperature combustion is being performed, soot is not generated regardless of the air-fuel ratio, that is, whether the air-fuel ratio is rich, the stoichiometric air-fuel ratio, or the average air-fuel ratio is lean, NOXIs extremely small. Therefore, considering the improvement of the fuel consumption rate, it can be said that it is preferable to make the average air-fuel ratio lean at this time.
[0045]
By the way, the temperature of the fuel and the surrounding gas during 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 the low load operation in the engine, which generates a relatively small amount of heat by combustion. Therefore, in the embodiment according to the present invention, the first combustion, that is, the low-temperature combustion is performed by suppressing the temperature of the fuel during combustion and the gas temperature around the same at or below the temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway during the low load operation in the engine. In addition, the second combustion, that is, the combustion that has been performed conventionally, is performed during the high load operation of the engine. Here, the first combustion, that is, the low-temperature combustion, has a larger amount of the inert gas in the combustion chamber than the amount of the inert gas at which the generation amount of soot is a peak, as is apparent from the description so far, and almost all the soot is generated. The second combustion, that is, the combustion that has been conventionally performed, is a combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber is smaller than the amount of inert gas that becomes the peak of soot generation. Say that.
[0046]
FIG. 8 shows a first operation region I in which first combustion, that is, low-temperature combustion is performed, and a second operation region 1I in which second combustion, that is, combustion by a conventional combustion method, is performed. In FIG. 8, the vertical axis L indicates the amount of depression of the
[0047]
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 shifted to the second operation region II, and combustion is performed by the 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.
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 operation 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 start immediately 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 that hysteresis is provided for a change in the operation range between the first operation range I and the second operation range II.
[0048]
FIG. 9 shows the output of the air-
Next, the operation control in the first operation region I and the second operation region II will be schematically described with reference to FIG.
[0049]
FIG. 10 shows the opening degree of the
[0050]
In other words, in the first operating region I, the opening of the
[0051]
At the time of idling operation, the
[0052]
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
[0053]
In the second operation region II, the conventional combustion is performed. In the second operation region II, the
[0054]
FIG. 11 shows the air-fuel ratio A / F in the first operation region I. In FIG. 11, the curves indicated by A / F = 15.5, A / F = 16, A / F = 17, and A / F = 18 have air-fuel ratios of 15.5, 16, 17, and 18, respectively. And the air-fuel ratio between the curves is determined by proportional distribution. As shown in FIG. 11, the air-fuel ratio is lean in the first operating region I, and the air-fuel ratio A / F is leaner in the first operating region I as the required load L decreases.
[0055]
That is, the lower the required load L, the smaller the amount of heat generated by combustion. Therefore, as the required load L decreases, low-temperature combustion can be performed even if the EGR rate is reduced. When the EGR rate is reduced, the air-fuel ratio increases. Therefore, as shown in FIG. 11, as the required load L decreases, the air-fuel ratio A / F increases. As the air-fuel ratio A / F increases, the fuel consumption rate increases. Therefore, in order to make the air-fuel ratio as lean as possible, in the embodiment according to the present invention, the air-fuel ratio A / F increases as the required load L decreases.
[0056]
Note that the target opening ST of the
[0057]
FIG. 13 shows the target air-fuel ratio when the second combustion, that is, the normal combustion by the conventional combustion method is performed. In FIG. 13, curves A / F = 24, A / F = 35, A / F = 45, and A / F = 60 indicate target air-
[0058]
On the other hand, NO arranged in the engine exhaust passage downstream of the
[0059]
This NOXIf the absorbent 25 is arranged in the engine exhaust passage, NOX
[0060]
In the compression ignition type internal combustion engine shown in FIG. 1, combustion is performed in a state where the air-fuel ratio in the normal combustion chamber 5 is lean. As described above, when combustion is performed with a lean air-fuel ratio, the oxygen concentration in the exhaust gas is high. At this time, as shown in FIG.2Is O2 −Or O2-On the surface of platinum Pt. On the other hand, NO in the inflowing exhaust gas becomes
[0061]
On the other hand, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is made rich, the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas decreases, and as a result, NO on the surface of the platinum Pt is reduced.2Is reduced. NO2The reaction proceeds in the reverse direction (NO3 −→ NO2) And thus the nitrate ions NO in the absorbent3 −Is NO2Released from the absorbent in the form of NO at this timeXNO released from absorbent 25XIs reacted with a large amount of unburned HC and CO contained in the inflowing exhaust gas and reduced as shown in FIG. Thus, NO on the surface of platinum Pt2When no longer exists, NO is changed from one absorbent to the next2Is released. Therefore, if the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is made rich, NOXNO from absorbent 25XIs released, and the released NOXNO in the atmosphere to be reducedXIs not emitted.
[0062]
In this case, even if the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is set to the stoichiometric air-fuel ratio, NOXNO from absorbent 25XIs released. However, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is set to the stoichiometric air-fuel ratio, NOXNO from absorbent 25XIs released only slowlyXTotal NO absorbed in
[0063]
As described above, when the operation state of the engine is in the first operation region I and low-temperature combustion is being performed, soot is hardly generated, and instead, the unburned hydrocarbon is a precursor of soot or a state of the state before it. It is discharged from the combustion chamber 5 in the form. At this time, the unburned hydrocarbon discharged from the combustion chamber 5 is NOXOxidation is performed well by an
[0064]
By the way, NOXNO of absorbent 25XAbsorption capacity is limited, NOXNO of absorbent 25XNO before absorption capacity is saturatedXNO from absorbent 25XMust be released. NO for thatXNO absorbed by
[0065]
In the embodiment according to the present invention, this NOXNO when the absorption amount ΣNOX exceeds a predetermined allowable maximum valueXNO from absorbent 25XIs to be released. Next, this will be described with reference to FIG.
Referring to FIG. 17, in the embodiment according to the present invention, two allowable maximum values, that is, an allowable maximum value MAX1 and an allowable maximum value MAX2 are set. Maximum allowable value MAX1 is NOXMaximum NO that can be absorbed by the absorbent 25XIt is about 30% of the absorption amount, and the allowable maximum value MAX2 is NOXIt is about 80% of the maximum absorption amount that the absorbent 25 can absorb. NO when the first combustion is being performedXNO when the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1.XNO from absorbent 25XWhen the air-fuel ratio is made rich and the second combustion is performed, NOXWhen the absorption amount ΣNOX exceeds the permissible maximum value MAX1, when the second combustion is switched to the first combustion, NOXNO from absorbent 25XWhen the air-fuel ratio is made rich and the second combustion is performed, NOXNO when the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX2.XNO from
[0066]
That is, FIG. 17 shows a case where the required load L is lower than the first boundary X (N) and the first combustion is performed in the period X, and the air-fuel ratio at this time is slightly smaller than the stoichiometric air-fuel ratio. It has a lean air-fuel ratio. NO when first combustion is being performedXIs extremely small. Therefore, at this time, as shown in FIG.XThe absorption amount ΣNOX rises very slowly. NO when the first combustion is being performedXWhen the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1, the air-fuel ratios A / F of all the cylinders are temporarily made rich, whereby NOXNO from absorbent 25XIs released. NO at this timeXThe absorption amount ΣNOX is set to zero.
[0067]
As described above, when the first combustion is performed, no soot is generated regardless of whether the air-fuel ratio is lean, the stoichiometric air-fuel ratio, or rich, and therefore, when the first combustion is performed. NOXNO from absorbent 25XAt this time, no soot is generated even if the air-fuel ratio A / F is made rich in order to release the air.
Then at time t1When the required load L exceeds the first boundary X (N), the first combustion is switched to the second combustion. As shown in FIG. 17, when the second combustion is being performed, the air-fuel ratio A / F becomes considerably lean. NO is performed when the second combustion is performed, compared to when the first combustion is performed.XIs large when the second combustion is being performed.XThe amount ΣNOX rises relatively quickly.
[0068]
If the air-fuel ratio A / F of all the cylinders is made rich while the second combustion is being performed, a large amount of soot is generated. Therefore, when the second combustion is being performed, the air-fuel ratio A / F of all the cylinders is reduced. Making it rich is not preferred. Therefore, when the second combustion is being performed as shown in FIG.XEven if the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1, NOXNO from absorbent 25XThe air-fuel ratio A / F is not made rich in order to release the fuel. In this case, time t in FIG.2When the required load L becomes lower than the second boundary Y (N) and the second combustion is switched to the first combustion as inXNO from absorbent 25X, The air-fuel ratio A / F of all cylinders is temporarily made rich.
[0069]
Next, at time t in FIG.3Is switched from the first combustion to the second combustion, and the second combustion is continued for a while. NO at this timeXThe absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1, and then the time t4In this case, if the allowable maximum value MAX2 is exceeded, then NOXNO from absorbent 25XNO to releaseXThe air-fuel ratio A / F of some of the cylinders is made rich so that the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 25 becomes rich, and the air-fuel ratio of the remaining cylinders is made lean.
[0070]
For example, when the second combustion is performed with the injection amount indicated by the solid line in FIG.XNO from absorbent 25XNO to releaseXWhen the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 25 is made rich, the injection amount to the
[0071]
That is, when the air-fuel ratio of some of the cylinders, that is, the
[0072]
Note that even if the air-fuel ratio of one cylinder is made very rich, NOXWhen the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 25 cannot be made rich or cannot be made sufficiently rich, as shown in FIG. 18B, two cylinders, for example, the
[0073]
When the second combustion is being performed, the air-fuel ratio is considerably different depending on the operation state of the engine, and therefore, the NO.XNO from absorbent 25X18 (A) or FIG. 18 (B) when the fuel is to be discharged.1, Q2, Q3, Q4Differs depending on the operating state of the engine. In the embodiment according to the present invention, each of these injection quantities Q1, Q2, Q3, Q4Are stored in the
[0074]
As shown in FIG.XNO from absorbent 25XWhen the air-fuel ratio in the
[0075]
As described above, when only some of the cylinders are made rich, the discharge amount of unburned HC and soot is reduced as compared with the case where all the cylinders are made rich, but unburned HC and soot are still discharged. Therefore, it is preferable to minimize the chance of enriching only some of the cylinders. Therefore, when the second combustion is performed, NOXWhen the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1, the air-fuel ratio A / F is temporarily made rich when the second combustion is switched to the first combustion, and NOXOnly in a special case where the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX2, only some of the cylinders are made rich.
[0076]
FIG. 19 is NOXNO from absorbent 25XSet when to releaseXThis shows a routine for processing the release flag, and this routine is executed by interruption every predetermined time.
Referring to FIG. 19, first, at
[0077]
On the other hand, when it is determined in
[0078]
On the other hand, in
Next, the operation control will be described with reference to FIG.
[0079]
Referring to FIG. 20, first, at
[0080]
That is, in
[0081]
On the other hand, when it is determined in
That is, in
[0082]
When the flag I is reset, the process proceeds from
[0083]
Next, the rich processing I will be described with reference to FIG.
Referring to FIG. 21, first, in
[0084]
Next, the rich process II will be described with reference to FIG.
Referring to FIG. 22, first, in
[0085]
FIG. 23 shows another embodiment. In this embodiment, for example, an
[0086]
In this embodiment, normally, the
On the other hand, in this embodiment, when the second combustion is being performed, NOXWhen the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX2, some of the cylinders, in the embodiment shown in FIG. 23, the
[0087]
Also in this embodiment, the first combustion is performed in the
[0088]
Also in this embodiment, the routine shown in FIGS. 19 to 21 is used as it is. However, for the rich process II, the routine shown in FIG. 24 is used instead of the routine shown in FIG. Therefore, only the routine shown in FIG. 24 will be described below.
Referring to FIG. 24, first, in
[0089]
By the way, SO in the exhaust gasXIs contained and NOXNO in the absorbent 25XNot only SOXIs also absorbed. This NOXSO to absorbent 25XNO absorption mechanismXIt is thought to be the same as the absorption mechanism.
That is, NOXThe case where platinum Pt and barium Ba are carried on a carrier as in the case of the absorption mechanism described above will be described as an example. As described above, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, oxygen O2Is O2 −Or O2-Is attached to the surface of platinum Pt in the form of2Is O on the surface of platinum Pt2 −Or O2-Reacts with SO3It becomes. Then the generated SO3Is further oxidized on platinum Pt, absorbed in the absorbent and combined with barium oxide BaO, and sulfate ion SO4 2-And diffused into the absorbent in the form of a stable sulfate BaSO4Generate
[0090]
However, this sulfate BaSO4Is stable and difficult to decompose, and the sulfate BaSO4Remains undisassembled. Therefore NOXAs time passes, the sulfate BaSO is contained in the absorbent 25.4And thus NO over timeXNO that can be absorbed by the absorbent 25XThe amount will be reduced.
[0091]
However, this sulfate BaSO4Is NOXWhen the temperature of the absorbent 25 exceeds a certain temperature, for example, 600 ° C. or more, it decomposes.XIf the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 25 is made rich, SOXNO in the form ofXIt is released from the absorbent 25.
Therefore, in the embodiment described below, NOXAbsorbent 25 to SOXNO when should be releasedXThe air-fuel ratio of some cylinders is made rich so that the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 25 becomes rich, and the air-fuel ratio of the remaining cylinders is made lean. That is, when the air-fuel ratio of some cylinders is made rich and the air-fuel ratio of the remaining cylinders is made lean, a large amount of unburned HC and CO is discharged from the cylinders whose air-fuel ratio is made rich, and the air-fuel ratio is made lean. A large amount of residual oxygen is discharged from the closed cylinder.
[0092]
When a large amount of unburned HC and CO and a large amount of residual oxygen are simultaneously discharged, a large amount of unburned HC and CO becomes NO.XNOx is oxidized by the absorbent 25, and NO is generated by the heat of the oxidation reaction.XThe temperature of the absorbent 25 rises rapidly. As a result, NOXAbsorbent 25 to SOXWill be released.
Note that NOXAbsorbent 25 to SOXNO to releaseXNO from absorbent 25XIt takes a much longer time than in the case of releasing, and during this time, the air-fuel ratio of some cylinders continues to be made rich. Therefore, in the embodiment described below, when the first combustion, that is, the low-temperature combustion is performed, NOXSO from absorbent 25XRelease control is performed.
[0093]
Next, referring to FIG.XAbsorbent 25 to SOXSO set when to releaseXThe processing routine of the release flag will be described.
Referring to FIG. 25, first, at step 600, the current injection amount Q is added to ΔQ. Therefore, ΣQ represents the integrated value of the injection amount. Next, at
[0094]
Next, the operation control will be described with reference to FIG.
Referring to FIG. 26, first, at
[0095]
That is, in
[0096]
On the other hand, when it is determined in
That is, in step 712, the target opening ST of the
When the flag I is reset, in the next processing cycle, the process proceeds from
[0097]
On the other hand, when low-temperature combustion is being performed, in
Next, a first embodiment of the rich process III will be described with reference to FIG.
Referring to FIG. 27, first, at step 800, NOXTotal SO estimated to be absorbed by the absorbent 25XTime t required to releasesIs calculated. Next, at
[0098]
In this embodiment, the air-fuel ratio of the
Therefore, in this embodiment, a large amount of unburned HC and CO is discharged from the
[0099]
On the other hand, at
Next, a second embodiment of the rich control III will be described.
[0100]
In this embodiment, NOXAbsorbent 25 to SOXNO detected by the
[0101]
Thus Tc> ToNO at the timeXWhen the air-fuel ratio of some of the
[0102]
Next, a second embodiment of the rich process III will be described with reference to FIG.
Referring to FIG. 28, first, in
[0103]
Then Tc≤TcWhen it reaches, it proceeds to step 902 and NOXTotal SO estimated to be absorbed by the absorbent 25XTime t required to releasesIs calculated. Next, at
[0104]
On the other hand, in
Next, a third embodiment of the rich control III will be described with reference to FIG.
[0105]
In this embodiment, as shown in FIG. 29, a common
[0106]
That is, NOXIf a common oxidation catalyst or three-way catalyst is arranged upstream of the absorbent 25 for all the
[0107]
However, in the embodiment shown in FIG. 29, for example, when the
[0108]
The oxidation catalyst or the three-way catalyst is also SOXAdheres. In the embodiment according to the present invention, the SO adhering to these catalysts isXNO to removeX
Next, a third embodiment of the rich process III will be described with reference to FIG.
[0109]
Referring to FIG. 30, first, in
[0110]
On the other hand, in
[0111]
In the first to third embodiments of the rich control III described above, NOXWhen the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 25 is made rich or lean, each of the injection amounts Q based on the output of the air-
[0112]
In this case, as shown in FIG. 31A, the FAF skip amount SR when the air-fuel ratio changes from rich to lean is made larger than the FAF skip amount SL when the air-fuel ratio changes from lean to rich. As shown in FIG. 31 (A), the rich time becomes longer and the lean time becomes longer.XThe air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 25 becomes rich. That is, by setting SR> SL, NOXThe air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 25 can be made rich.
[0113]
On the other hand, as shown in FIG. 31B, the FAF skip amount SR when the air-fuel ratio changes from rich to lean is made smaller than the FAF skip amount SL when the air-fuel ratio changes from lean to rich. As shown in FIG. 31 (B), the lean time becomes longer and the rich time becomes longer.XThe air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 25 is lean. That is, by setting SR <SL, NOXThe air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 25 can be made lean.
[0114]
【The invention's effect】
NO while keeping unburned HC and soot emissions as low as possibleXNO from absorbentXOr SOXCan be released.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of a compression ignition type internal combustion engine.
FIG. 2 is a plan view of a compression ignition type internal combustion engine.
FIG. 3 Smoke and NOXFIG.
FIG. 4 is a diagram showing a combustion pressure.
FIG. 5 is a diagram showing fuel molecules.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a generation amount of smoke and an EGR rate.
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between an injected fuel amount and a mixed gas amount.
FIG. 8 is a diagram showing a first operation region I and a second operation region II.
FIG. 9 is a diagram showing an output of an air-fuel ratio sensor.
FIG. 10 is a diagram showing an opening degree of a throttle valve and the like.
FIG. 11 is a diagram showing an air-fuel ratio in a first operation region I.
FIG. 12 is a diagram showing a map of a target opening degree of a throttle valve and the like.
FIG. 13 is a diagram showing an air-fuel ratio of a second fuel.
FIG. 14 is a view showing a map of a target opening degree of a throttle valve and the like.
FIG. 15 NOXIt is a figure for explaining the release operation of.
FIG. 16: NO per unit timeXIt is a figure showing a map of an amount of absorption.
FIG. 17 NOXIt is a figure for explaining discharge control.
FIG. 18 is a diagram for explaining an injection amount.
FIG. 19XIt is a flowchart for processing a release flag.
FIG. 20 is a flowchart for controlling operation of the engine.
FIG. 21 is a flowchart for executing a rich process I.
FIG. 22 is a flowchart for executing a rich process II.
FIG. 23 is a plan view showing another embodiment of the compression ignition type internal combustion engine.
FIG. 24 is a flowchart for executing a rich process II.
FIG. 25: SOXIt is a flowchart for processing a release flag.
FIG. 26 is a flowchart for controlling operation of the engine.
FIG. 27 is a flowchart for executing a first embodiment of a rich process III.
FIG. 28 is a flowchart for executing a second embodiment of the rich process III.
FIG. 29 is a plan view showing another embodiment of the compression ignition type internal combustion engine.
FIG. 30 is a flowchart for executing a third embodiment of the rich process III.
FIG. 31 is a time chart showing changes in the feedback correction coefficient.
[Explanation of symbols]
6 ... Fuel injection valve
15 Exhaust turbocharger
20 ... Throttle valve
29… EGR passage
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