JP3551789B2 - 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NOの発生を抑制するために機関排気通路と機関吸気通路とを排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路により連結し、このEGR通路を介して排気ガス、即ちEGRガスを機関吸気通路内に再循環させるようにしている。この場合、EGRガスは比較的比熱が高く、従って多量の熱を吸収することができるので、EGRガス量を増大するほど、即ちEGR率(EGRガス量/(EGRガス量+吸入空気量))を増大するほど燃焼室内における燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下するとNOの発生量が低下し、従ってEGR率を増大すればするほどNOの発生量は低下することになる。
【0003】
このように従来よりEGR率を増大すればNOの発生量を低下しうることはわかっている。しかしながらEGR率を増大させていくとEGR率が或る限度を越えたときに煤の発生量、即ちスモークが急激に増大し始める。この点に関し従来より、それ以上EGR率を増大すればスモークが限りなく増大していくものと考えられており、従ってスモークが急激に増大し始めるEGR率がEGR率の最大許容限界であると考えられている。
【0004】
従って従来よりEGR率はこの最大許容限界を越えない範囲内に定められている。このEGR率の最大許容限界は機関の形式や燃料によってかなり異なるがおおよそ30パーセントから50パーセントである。従って従来のディーゼル機関ではEGR率は最大でも30パーセントから50パーセント程度に抑えられている。
【0005】
このように従来ではEGR率に対して最大許容限界が存在すると考えられていたので従来よりEGR率はこの最大許容限界を越えない範囲内においてNOおよびスモークの発生量ができるだけ少なくなるように定められていた。しかしながらこのようにしてEGR率をNOおよびスモークの発生量ができるだけ少なくなるように定めてもNOおよびスモークの発生量の低下には限度があり、実際には依然としてかなりの量のNOおよびスモークが発生してしまうのが現状である。
【0006】
ところがディーゼル機関の燃焼の研究の過程においてEGR率を最大許容限界よりも大きくすれば上述の如くスモークが急激に増大するがこのスモークの発生量にはピークが存在し、このピークを越えてEGR率を更に大きくすると今度はスモークが急激に減少しはじめ、アイドリング運転時においてEGR率を70パーセント以上にすると、またEGRガスを強力に冷却した場合にはEGR率をほぼ55パーセント以上にするとスモークがほとんど零になる。即ち煤がほとんど発生しないことが見い出されたのである。また、このときにはNOの発生量が極めて少量となることも判明している。この後この知見に基づいて煤が発生しない理由について検討が進められ、その結果これまでにない煤およびNOの同時低減が可能な新たな燃焼システムが構築されるに至ったのである。この新たな燃焼システムについては後に詳細に説明するが簡単に言うと炭化水素が煤に成長するまでの途中の段階において炭化水素の成長を停止させることを基本としている。
【0007】
即ち、実験研究を重ねた結果判明したことは燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以下のときには炭化水素の成長が煤に至る前の途中の段階で停止し、燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以上になると炭化水素は一気に煤まで成長してしまうということである。この場合、燃料およびその周囲のガス温度は燃料が燃焼した際の燃料周りのガスの吸熱作用が大きく影響しており、燃料燃焼時の発熱量に応じて燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって燃料およびその周囲のガス温度を制御することができる。
【0008】
従って、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制すれば煤が発生しなくなり、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制することは燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって可能となる。一方、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化水素は酸化触媒等を用いた後処理によって容易に浄化することができる。これが新たな燃焼システムの基本的な考え方である。この新たな燃焼システムを採用した内燃機関については本出願人により既に出願されている(特願平9−305850号)。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこの新たな燃焼システムではEGR率をほぼ55パーセント以上にする必要がある。しかしながらEGR率をほぼ55パーセント以上にすることが可能なのは吸入空気量が比較的少ないとき、即ち機関負荷が比較的低いときであり、吸入空気量が一定限度を越えるとEGR率を低下させない限り吸入空気量を増大させることができなくなる。従って吸入空気量が一定限度を越えたときには従来より行われている燃焼に切換える必要がある。
【0010】
従来より行われている燃焼に切り換えられた場合、機関からNOが少なからず放出される。また従来より行われている燃焼のもとでは空気過剰のもとで燃焼が行われている。従って上記内燃機関では流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるNOを吸収しかつ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したNOを放出するNO吸収剤を機関排気通路に配置し、NOが大気に放出されることを防止している。
【0011】
上記内燃機関ではNOを放出させ還元すべきときには新たな燃焼のもとで空燃比をリッチとし、NO吸収剤に流入する排気ガスの空燃比をリッチとし、NOを放出させ還元している。新たな燃焼は理論空燃比又はわずかばかりのリーンで行われているため空燃比をリッチとするために増量すべき燃料の量は非常に少なくてすむ。
【0012】
しかしながらNOを放出させ還元すべきときに新たな燃焼が行われていない時、即ち従来の燃焼が行われている時には従来の燃焼のもとで空燃比をリッチとしなければならない。上述したように従来の燃焼のもとでは空気過剰、即ち酸素過剰のもとで燃焼が行われている。従ってNOを放出還元するためにNO吸収剤に流入する排気ガスを還元雰囲気に保持するには、NOの放出還元に必要燃料に加え、流入する排気ガス中の酸素を消費するのに必要な分の燃料を増量しなければならない。即ち燃費が悪化する。
【0013】
本発明の目的は燃費を悪化せずにNO吸収剤から十分にNOを放出し還元できる内燃機関を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、1番目の発明では、燃焼室内に供給される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、燃焼室内に供給される不活性ガス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる内燃機関において、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるNOを吸収しかつ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したNOを放出するNO吸収剤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に供給される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に供給される不活性ガス量が少ない第2の燃焼とを選択的に切換える切換手段を具備し、NO吸収剤からNOを放出すべきときに前記NO吸収剤に流入する排気ガス中の酸素を消費して前記NO吸収剤からのNO放出時の還元剤消費量を低減する酸素消費手段を設ける。
【0015】
即ちNOをNO吸収剤から放出すべき時に排気ガス中の酸素が消費され、NO吸収剤に流入する排気ガス中の酸素量が少なくされる。言い換えればNO吸収剤に流入する排気ガスが還元雰囲気にせしめられる。
2番目の発明によれば1番目の発明において、燃焼室から排出された排気ガスを機関吸気通路内に再循環させる再循環装置を具備し、上記不活性ガスが再循環排気ガスからなる。
【0016】
3番目の発明によれば2番目の発明において、排気ガス再循環率がほぼ55パーセント以上である。
4番目の発明によれば1番目の発明において、前記酸素消費手段が酸化触媒、三元触媒又はNO吸収剤の少なくとも一つからなる。
5番目の発明によれば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する。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1は本発明を4ストローク圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。
図1を参照すると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は電気制御式燃料噴射弁、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートを夫々示す。吸気ポート8は対応する吸気枝管11を介してサージタンク12に連結され、サージタンク12は吸気ダクト13およびインタークーラ14を介して過給機、例えば排気ターボチャージャ15のコンプレッサ16の出口部に連結される。コンプレッサ16の入口部は空気吸込管17を介してエアクリーナ18に連結され、空気吸込管17内にはステップモータ19により駆動されるスロットル弁20が配置される。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。
【0018】
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。
触媒コンバータ26の出口部に連結された排気管28とスロットル弁20下流の空気吸込管17とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路29を介して互いに連結され、EGR通路29内にはステップモータ30により駆動されるEGR制御弁31が配置される。また、EGR通路29内にはEGR通路29内を流れるEGRガスを冷却するためのインタークーラ32が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水がインタークーラ32内に導かれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。
【0019】
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。
【0020】
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および燃料圧センサ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。一方、出力ポート46は対応する駆動回路48を介して燃料噴射弁6、スロットル弁制御用ステップモータ19、EGR制御弁制御用ステップモータ30および燃料ポンプ35に接続される。
【0021】
図2は機関低負荷運転時にスロットル弁20の開度およびEGR率を変化させることにより空燃比A/F(図2の横軸)を変化させたときの出力トルクの変化、およびスモーク、HC,CO,NOの排出量の変化を示す実験例を表している。図2からわかるようにこの実験例では空燃比A/Fが小さくなるほどEGR率が大きくなり、理論空燃比(≒14.6)以下のときにはEGR率は65パーセント以上となっている。
【0022】
図2に示されるようにEGR率を増大することにより空燃比A/Fを小さくしていくとEGR率が40パーセント付近となり空燃比A/Fが30程度になったときにスモークの発生量が増大を開始する。次いで、更にEGR率を高め、空燃比A/Fを小さくするとスモークの発生量が急激に増大してピークに達する。次いで更にEGR率を高め、空燃比A/Fを小さくすると今度はスモークが急激に低下し、EGR率を65パーセント以上とし、空燃比A/Fが15.0付近になるとスモークがほぼ零となる。即ち、煤がほとんど発生しなくなる。このとき機関の出力トルクは若干低下し、またNOの発生量がかなり低くなる。一方、このときHC,COの発生量は増大し始める。
【0023】
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。
【0024】
図2および図3に示される実験結果から次のことが言える。即ち、まず第1に空燃比A/Fが15.0以下でスモークの発生量がほぼ零のときには図2に示されるようにNOの発生量がかなり低下する。NOの発生量が低下したということは燃焼室5内の燃焼温度が低下していることを意味しており、従って煤がほとんど発生しないときには燃焼室5内の燃焼温度が低くなっていると言える。同じことが図3からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図3(B)に示す状態では燃焼圧が低くなっており、従ってこのとき燃焼室5内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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NOの発生量と深い関係を有しており、従ってこの或る温度はNOの発生量から或る程度規定することができる。即ち、EGR率が増大するほど燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度は低下し、NOの発生量が低下する。このときNOの発生量が10p.p.m 前後又はそれ以下になったときに煤がほとんど発生しなくなる。従って上述の或る温度はNOの発生量が10p.p.m 前後又はそれ以下になったときの温度にほぼ一致する。
【0028】
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から排出されるか、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。
【0029】
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。
【0030】
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の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。
【0031】
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。
【0032】
この場合、燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制するにはそうするのに十分な熱量を吸収しうるだけの不活性ガス量が必要となる。従って燃料量が増大すれば必要となる不活性ガス量はそれに伴なって増大することになる。なお、この場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用が強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが好ましいことになる。この点、COやEGRガスは比較的比熱が大きいので不活性ガスとしてEGRガスを用いることは好ましいと言える。
【0033】
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。
【0034】
図5の曲線Aで示されるようにEGRガスを強力に冷却した場合にはEGR率が50パーセントよりも少し低いところで煤の発生量がピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ55パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。一方、図5の曲線Bで示されるようにEGRガスを少し冷却した場合にはEGR率が50パーセントよりも少し高いところで煤の発生量がピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ65パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。
【0035】
また、図5の曲線Cで示されるようにEGRガスを強制的に冷却していない場合にはEGR率が55パーセントの付近で煤の発生量がピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ70パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。なお、図5は機関負荷が比較的高いときのスモークの発生量を示しており、機関負荷が小さくなると煤の発生量がピークとなるEGR率は若干低下し、煤がほとんど発生しなくなるEGR率の下限も若干低下する。このような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。
【0036】
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。
【0037】
図6を参照すると空気の割合、即ち混合ガス中の空気量は噴射された燃料を完全に燃焼せしめるのに必要な空気量を示している。即ち、図6に示される場合では空気量と噴射燃料量との比は理論空燃比となっている。一方、図6においてEGRガスの割合、即ち混合ガス中のEGRガス量は噴射燃料が燃焼せしめられたときに燃料およびその周囲のガス温度を煤が形成される温度よりも低い温度にするのに必要最低限のEGRガス量を示している。このEGRガス量はEGR率で表すとほぼ55パーセント以上であり、図6に示す実施例では70パーセント以上である。即ち、燃焼室5内に吸入された全吸入ガス量を図6において実線Xとし、この全吸入ガス量Xのうちの空気量とEGRガス量との割合を図6に示すような割合にすると燃料およびその周囲のガス温度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯くして煤が全く発生しなくなる。また、このときのNO発生量は10p.p.m 前後、又はそれ以下であり、従ってNOの発生量は極めて少量となる。
【0038】
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。
【0039】
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L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L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L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。
【0040】
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L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L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。
【0041】
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なくしても、即ち空燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつNOの発生量を10p.p.m 前後又はそれ以下にすることができ、また空気量を図6に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を17から18のリーンにしても煤の発生を阻止しつつNOの発生量を10p.p.m 前後又はそれ以下にすることができる。
【0042】
即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くして煤が生成されることがない。また、このときNOも極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが本発明では燃焼温度が低い温度に抑制されているので煤は全く生成されない。更に、NOも極めて少量しか発生しない。
【0043】
このように、低温燃焼が行われているときには空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろうと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーンであろうと煤が発生されず、NOの発生量が極めて少量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこのとき平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
【0044】
ところで燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制しうるのは燃焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限られる。従って本発明による実施例では機関中低負荷運転時には燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制して第1の燃焼、即ち低温燃焼を行うようにし、機関高負荷運転時には第2の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにしている。なお、ここで第1の燃焼、即ち低温燃焼とはこれまでの説明から明らかなように煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない燃焼のことを言い、第2の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない燃焼のことを言う。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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】
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後に詳述するパティキュレートフィルタ53に捕集される。
図8は空燃比センサ27の出力を示している。図8に示されるように空燃比センサ27の出力電流Iは空燃比A/Fに応じて変化する。従って空燃比センサ27の出力電流Iから空燃比を知ることができる。
【0049】
次に図9を参照しつつ第1の運転領域Iおよび第2の運転領域IIにおける運転制御について概略的に説明する。
図9は要求負荷Lに対するスロットル弁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。
【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。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。
【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も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁20を全閉近くまで閉弁すると圧縮始めの燃焼室5内の圧力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が小さくなるとピストン4による圧縮仕事が小さくなるために機関本体1の振動が小さくなる。即ち、アイドリング運転時には機関本体1の振動を抑制するためにスロットル弁20が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【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。
【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。
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。
【0054】
即ち、要求負荷Lが低くなるほど燃焼による発熱量が少なくなる。従って要求負荷Lが低くなるほどEGR率を低下させても低温燃焼を行うことができる。EGR率を低下させると空燃比は大きくなり、従って図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例では要求負荷Lが低くなるにつれて目標空燃比A/Fが大きくされる。
【0055】
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。
【0056】
また、第1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12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。
図13(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13(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13(A)に示される目標空燃比A/Fは図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。また、空燃比を図13(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、空燃比を図13(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。
【0057】
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15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。
一方、排気管24には排気ガス中に含まれる煤や未燃炭化水素、可溶性有機成分(SOF)等の微粒子(ディーゼルパティキュレート)を捕集するパティキュレートフィルタ53が配置されている。
【0058】
パティキュレートフィルタ53は通常、セラミック等の耐熱性を有する濾材から形成され、排気中のパティキュレートを濾過、捕集する。従ってフィルタ53内には時間と共に捕集されたパティキュレートが蓄積されるため、定期的に再生を行い捕集したパティキュレートを除去する必要がある。通常、このフィルタの再生はフィルタに捕集されたパティキュレートを着火温度(約600℃)以上に加熱し、燃焼させることにより行う。前述のようにパティキュレートは煤や未燃炭化水素、SOF等からなるため条件によっては燃焼によりCO等の還元性のガスを発生する。本実施例ではNO吸収剤からのNO放出操作時に後に詳述するように排気温度をパティキュレート着火温度以上に上昇させてフィルタ53に捕集したパティキュレートを燃焼させる。これにより排気ガス中の酸素がパティキュレート燃焼に消費され排気酸素濃度が低下すると共にパティキュレート燃焼によりCO,CO等の還元性ガスが発生し、NO吸収剤に供給される。
【0059】
一方、図1においてケーシング26内にはNO吸収剤25が配置されている。NO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なくとも一つと、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NO吸収剤25上流の排気通路内に供給された空気および燃料(炭化水素)の比をNO吸収剤25への流入排気ガスの空燃比と称するとこのNO吸収剤25は流入排気ガスの空燃比がリーンのときにはNOを吸収し、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したNOを放出するNOの吸放出作用を行う。
【0060】
このNO吸収剤25を機関排気通路内に配置すればNO吸収剤25は実際にNOの吸放出作用を行うがこの吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放出作用は図16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。
【0061】
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16(A)に示されるようにこれら酸素OがO 又はO2−の形で白金Ptの表面に付着する。一方、流入排気ガス中のNOは白金Ptの表面上でO 又はO2−と反応し、NOとなる(2NO+O→2NO)。次いで生成されたNOの一部は白金Pt上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら図16(A)に示されるように硝酸イオンNO の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてNOがNO吸収剤25内に吸収される。流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ptの表面でNOが生成され、吸収剤のNO吸収能力が飽和しない限りNOが吸収剤内に吸収されて硝酸イオンNO が生成される。
【0062】
一方、流入排気ガスの空燃比がリッチにされると流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、その結果白金Ptの表面でのNOの生成量が低下する。NOの生成量が低下すると反応が逆方向(NO →NO)に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンNO がNOの形で吸収剤から放出される。このときNO吸収剤25から放出されたNOは図16(B)に示されるように流入排気ガス中に含まれる多量の未燃HC,COと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ptの表面上にNOが存在しなくなると吸収剤から次から次へとNOが放出される。従って流入排気ガスの空燃比がリッチにされると短時間のうちにNO吸収剤25からNOが放出され、しかもこの放出されたNOが還元されるために大気中にNOが排出されることはない。
【0063】
なお、この場合、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にしてもNO吸収剤25からNOが放出される。しかしながら流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にした場合にはNO吸収剤25からNOが徐々にしか放出されないためにNO吸収剤25に吸収されている全NOを放出させるには若干長い時間を要する。
【0064】
上述したようにNO吸収剤25は白金Ptのような貴金属を含んでおり、従ってNO吸収剤25は酸化機能を有している。一方、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。ところが上述した如くNO吸収剤25は酸化機能を有しており、従ってこのとき燃焼室5から排出された未燃炭化水素はNO吸収剤25により良好に酸化せしめられることになる。
【0065】
ところでNO吸収剤25のNO吸収能力には限界があり、NO吸収剤25のNO吸収能力が飽和する前にNO吸収剤25からNOを放出させる必要がある。そのためにはNO吸収剤25に吸収されているNO量を推定する必要がある。そこで本発明による実施例では第1の燃焼が行われているときの単位時間当りのNO吸収量Aを要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図17(A)に示すようなマップの形で予め求めておき、第2の燃焼が行われているときの単位時間当りのNO吸収量Bを要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図17(B)に示すようなマップの形で予め求めておき、これら単位時間当りのNO吸収量A,Bを積算することによってNO吸収剤25に吸収されているNO量ΣNOXを推定するようにしている。
【0066】
後に詳述するが本発明による実施例ではこのNO吸収量ΣNOXが予め定められた許容最大値MAXを越えたときにNO吸収剤25からNOを放出させるようにしている。即ち、低温燃焼が行われているときにNO吸収量ΣNOXが許容最大値MAXを越えたときには燃料噴射量が予め定められた増分Qaだけ増量され、燃焼室5内における空燃比が一時的にリッチとされ、それによってNO吸収剤25からNOが放出される。予め定められた増分Qaは要求負荷Lおよび機関回転数Nに基づいて算出され、図19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。なお、前述したように低温燃焼が行われているときに空燃比がリッチとされても煤はほとんど発生しない。
【0067】
一方、第2の燃焼が行われているときにNO吸収量ΣNOXが許容最大値MAXを越えたときにはこの増分Qbの量はNO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定められており、従って増分Qbだけ増量された燃料が噴射されるとNO吸収剤25からNOが放出されることになる。予め定められた増分Qbは要求負荷Lおよび機関回転数Nに基づいて算出され、図20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に記憶されている。
【0068】
図18はNO吸収剤25からNOを放出すべきときにセットされるNO放出フラグの処理ルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図18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であることを示すグラフ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17(A)に示すマップから単位時間当りのNO吸収量Aが算出される。次いでステップ102ではNO吸収量ΣNOXにAが加算される。次いでステップ103ではNO吸収量ΣNOXが許容最大値MAXを越えたか否かが判別される。ΣNOX>MAXになるとステップ104に進んで予め定められた時間だけNO放出フラグをセットする処理が行われ、次いでステップ105においてΣNOXが零とされる。
【0069】
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17(B)に示すマップから単位時間当りのNO吸収量Bが算出される。次いでステップ107ではNO吸収量ΣNOXにBが加算される。次いでステップ108ではNO吸収量ΣNOXが許容最大値MAXを越えたか否かが判別される。ΣNOX>MAXになるとステップ109に進んで予め定められた時間だけNO放出フラグをセットする処理が行われ、次いでステップ110においてΣNOXが零とされる。
【0070】
次にNO吸収剤25のNO放出還元操作を概略的に説明する。まず上述したNO放出フラグがセットされており、かつ機関の運転領域が第1の運転領域1にある時、即ち低温燃焼が行われている時にはNO吸収剤25のNO放出還元操作実行のための条件(以下、第1実行条件)が成立しているか否かを判定する。第1実行条件は機関排気温度が所定値以上であることである。機関排気温度は排気管24に取り付けられた排気温度センサ56により検出される。排気温度センサ56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。上記機関排気温度の所定値はNO吸収剤25の温度がNO放出、還元のための活性温度以上になる温度とされる。
【0071】
上記第1実行条件が成立している場合にはパティキュレートフィルタ53の再生を実行する。即ち低温燃焼において燃焼室5内の空燃比が理論空燃比よりリッチとなるように燃料噴射量が図19のマップから読み込まれた予め定められた増分Qaだけ増量され、機関排気温度をパティキュレート着火温度(約600℃)以上に昇温させる。これによりパティキュレートフィルタ53では捕集された排気微粒子の燃焼が開始される。燃焼室5内の空燃比が理論空燃比よりリッチとされると排気中の未燃HC,CO等の成分が増大する。またパティキュレートフィルタ53に捕集された煤等の排気微粒子が燃焼を開始するため排気ガス中の酸素がこの燃焼により消費されて排気ガス中の酸素濃度が更に低下すると共に煤等の燃焼によりCO等が発生するため、排気ガス中の未燃HC,CO等の還元成分は更に増加し、NO吸収剤25でNOが放出され還元される条件が整う。
【0072】
またNO吸収剤25は温度が高い程吸収したNOを放出し易くなる特性を有し、一般的にはパティキュレートフィルタ53の着火温度である600℃以上ではNO放出速度が極めて大きくなる。従って本実施例のようにパティキュレートフィルタ53の燃焼再生と同時にNO吸収剤25からのNO放出還元を実行することにより短時間でNO吸収剤25からのNOの放出と還元とを完了することができる。
【0073】
なお第1実行条件が成立していない場合またはNO放出還元操作実行中に第1実行条件が成立しなくなった場合には、機関運転は理論空燃比または理論空燃比よりわずかばかりリーンでの低温燃焼に復帰する。
このように本実施例では機関の運転領域が第1の運転領域Iにある時にパティキュレートフィルタ53の再生操作によりNO吸収剤25でのNO放出、還元を開始させるようにしたことにより、(1)NO吸収剤に流入する排気ガス中の酸素濃度低減と、(2)排気ガス中のCO,HC等の還元成分増大と、(3)排気温度上昇によるNO放出還元時間の短縮とを同時に達成している。
【0074】
一方、上記NO放出フラグがセットされており、かつ機関の運転領域が第2の運転領域IIにあるときにはNO吸収剤25のNO放出還元操作実行のための条件(以下、第2実行条件)が成立しているか否かを判定する。第2実行条件は(1)機関排気温度が所定値以上であること、(2)車両が減速運転中であることである。(1)の条件は上記第1実行条件と同様である。また上記(2)の車両減速中であることの判断は機関回転数が所定値以上であり、かつアクセル開度が全閉であることに基づいて行われる。NO放出還元操作を車両減速運転中にのみ行うのは、後述のように放出還元時にはスロットル弁20を閉じて機関吸気を絞る必要があるため、これによりトルクショックが生じることを防止するためである。
【0075】
上記第2実行条件が成立している場合にはパティキュレートフィルタ53の再生を実行する。即ちスロットル弁20を閉弁して燃焼室5内への吸入空気量を低下させると共に燃料噴射量が図20のマップから読み込まれた予め定められた増分Qbだけ増量され、機関排気温度をパティキュレート着火温度(約600℃)以上に昇温させる。これによりパティキュレートフィルタ53では捕集された排気微粒子の燃焼が開始される。機関の運転領域が第2の運転領域IIにある時、即ち従来の燃焼が実行されている時の排気空燃比は大幅なリーンであるがスロットル弁閉弁による吸入空気量の低下と燃料噴射量との増量とを行うことにより排気空燃比はリッチ側に移行し、排気中の未燃HC,CO等の成分が大幅に増大する。また上記によりパティキュレートフィルタ53に捕集された煤等の排気微粒子が燃焼を開始するため排気ガス中の酸素がこの燃焼により消費されて排気ガス中の酸素濃度が更に低下すると共に煤等の燃焼によりCO等が発生するため、排気ガス中の未燃HC,CO等の還元成分は更に増加し、NO吸収剤25でNO放出、還元の条件が整う。
【0076】
なお第2実行条件が成立していない場合またはNO放出還元操作実行中に第2実行条件が成立しなくなった場合には、スロットル弁80の開弁と燃料噴射増量の中止が行われ、機関の運転領域が通常の第2の運転領域IIに復帰する。このように本実施例では機関の運転領域が第2の運転領域IIにあるときにおいてもパティキュレートフィルタ53の再生操作によりNO吸収剤25でのNO放出、還元を開始させるようにしたことにより、(1)NO吸収剤に流入する排気ガス中の酸素濃度低減と、(2)排気ガス中のCO,HC等の還元成分増大と、(3)排気温度上昇によるNO放出還元時間の短縮とを同時に達成している。
【0077】
なお上述の実施例ではスロットル弁20の閉弁と燃料噴射量増量とによる排気温度上昇のみでパティキュレートの着火を行っているが、パティキュレートフィルタ53に着火用電気ヒータを設け、排気昇温と併用して着火を促進するようにしても良い。
次に図21を参照しつつ運転制御について説明する。
【0078】
図21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。
【0079】
即ち、ステップ203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204では図11(B)に示すマップからEGR制御弁31の目標開度SEが算出され、EGR制御弁31の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ205ではNO放出フラグがセットされているか否かが判別される。NO放出フラグがセットされていないときにはステップ206に進んで図10に示される空燃比となるように図12のマップから算出された量Qの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。
【0080】
一方、ステップ205においてNO放出フラグがセットされていると判別されたときにはステップ207に進んで第1実行条件が成立しているか否かが判別される。第1実行条件が成立していないときにはステップ206に進んで上述した燃料噴射が行われる。一方、ステップ207において第1実行条件が成立しているときにはステップ208に進んで図12のマップから算出された量Qに図19のマップから算出された増分Qaを加えた量の燃料噴射が行われ、燃焼室5内における平均空燃比をリッチにする噴射制御が行われる。このときNO吸収剤25からNOが放出される。
【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211に進んで第2の燃焼が行われる。
即ち、ステップ211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213ではNO放出フラグがセットされているか否かが判別される。NO放出フラグがセットされていないときにはステップ214に進んで図13に示される空燃比となるように図15のマップから算出された量Qの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。
【0082】
一方、ステップ213においてNO放出フラグがセットされていると判別されたときにはステップ215に進んで第2実行条件が成立しているか否かが判別される。第2実行条件が成立していないときにはステップ214に進んで上述した燃料噴射が行われる。一方、ステップ215において第2実行条件が成立しているときにはステップ216に進んでスロットル弁20が閉弁され、図15のマップから算出された量Qに図20のマップから算出された増分Qbを加えた量の燃料噴射が行われ、NO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噴射制御され、それによってNO吸収剤25からNOが放出される。
【0083】
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209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211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209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210に進んでフラグIがセットされる。次いでステップ203に進んで低温燃焼が行われる。
【0084】
なお第1の実施例において第2の燃焼が行われているときにNO吸収量ΣNOXが許容最大値MAXを越えたときに、燃料噴射量を増量せずに機関駆動用の噴射とは別個に増量すべき量Qbの燃料を機関の膨張行程又は排気行程に噴射してもよい。従って追加の燃料Qbが噴射されるとNO吸収剤19からNOが放出されることになる。
【0085】
次に図22に本発明の第2の実施例を示す。図22においても図1と同じ参照符号は同一の要素を示している。本実施例ではパティキュレートフィルタ53入口に燃料油を用いたバーナ55が設けられている点で図1の実施例と相違している。即ち本実施例では機関の運転領域が第2の運転領域IIにある場合にパティキュレートフィルタ53を再生する時にスロットル弁20を閉弁すると共にバーナ55で燃料油を燃焼させることにより排気ガスの昇温を行い、機関への燃料噴射量増量は行なわない。本実施例によればパティキュレートフィルタ53の排気微粒子捕集量が少なく、パティキュレートフィルタ53での排気昇温が充分でないような場合でもバーナ55への燃料供給量を増大することにより排気昇温と酸素消費とが達成できるため、NO吸収剤25でのNO放出還元操作実施タイミングがパティキュレートフィルタ53の排気微粒子捕集量に影響されない利点がある。なお本実施例でもバーナ55から発生する未燃HC,COがNOの還元剤として作用することは図1の実施例と同様である。またバーナ55は対応する駆動回路48を介して出力ポート46に接続されている。
【0086】
図23は本発明の第3の実施例を示す。本実施例では図1、図22の実施例のパティキュレートフィルタを設けず、排気管24に燃料油を用いたバーナ55と着火用のグローヒータ56とを配置し、機関の運転領域が第2の運転領域IIにある場合にバーナ55の燃焼によりNO吸収剤25でのNO放出、還元を行う。即ち本実施例では機関の運転領域が第2の運転領域IIにある時に第1の実施例におけるパティキュレートフィルタでの燃焼による酸素消費と還元成分の発生、および排気昇温の全ての作用をスロットル弁20の閉弁とバーナ54の燃焼のみにより行っている。これによりNO吸収剤25でのNO放出還元操作のタイミングを自由に設定することができる利点がある。なおグローヒータ56は対応する駆動回路48を介して出力ポート46に接続される。
【0087】
次に図24に本発明の第四の実施例を示す。本実施例ではNO吸収剤25の上流側の排気管24、好ましくは排気マニホルド直下流に小容量の酸化触媒57を配置している。触媒57は熱容量の小さいメタル担体を使用し、活性温度の低い、例えば高Pt担持品が好適である。本実施例では酸化触媒57により酸素消費と排気温度上昇とを行う。即ち機関の運転領域が第1の運転領域Iにある時には上記第1実行条件が成立した場合に燃焼室5内の空燃比が理論空燃比よりリッチとされ、第2の運転領域IIにある時には上記第2実行条件が成立した場合に吸気管2のスロットル弁20を閉弁すると共に燃焼室5への燃料噴射量を増量し、空燃比を大幅にリッチ側に移行させる。これにより排気ガス中の未燃HC,CO等の成分が増大し、触媒57で酸化反応が生じて排気ガス中の酸素が消費されると共に反応熱により排気温度が上昇する。また触媒57は小容量であるため燃料噴射量増量により生じた排気ガス中の未燃HC,COの一部しか消費することはできず、残りの大部分の未燃HC,CO成分は触媒57を通過してNO吸収剤25に到達し、放出されたNOの還元剤として使用される。
【0088】
ところで排気ガスの温度は排気タービン23を通過する際に大幅に低下する。この時、排気温度がいったん酸化触媒57が未燃HC等を燃焼するために必要な活性化温度を下回ると、酸化触媒57において意図したように酸素を消費することができない。そこで本実施例では排気タービン23に隣接した排気マニホルド22内に小型の酸化触媒58を配置している。酸化触媒58には排気タービン23において温度が低下せしめられる前の高い温度の排気ガスが流入するため、排気ガス中の未燃HC等が酸化触媒58において容易に燃焼する。即ち酸化触媒58に流入する排気ガスが昇温される。従って排気タービン23の下流側に配置された酸化触媒57に流入する排気ガスの温度がその活性化温度以上に維持される。
【0089】
本実施例では触媒57として酸化触媒を用いているが、前述のようにNO吸収剤は酸化触媒としての機能を有しているため、触媒57の代わりに小容量のNO吸収剤を用いることも可能である。このように触媒57の代わりに小容量のNO吸収剤を配置することとすれば下流に配置したNO吸収剤と合わせて全体としてNO処理能力を増大させることができる。
【0090】
なお上述の実施例ではいずれも機関の運転領域が第2の運転領域IIにある場合のNO放出還元時に空気吸込管17のスロットル弁20を閉じて吸入空気量を減少させているが、例えばこれらの場合に排気再循環(EGR)を併用すれば排気中の酸素量低減のうえで一層効果がある。また上述の実施例はディーゼルエンジンについてのみ説明したが、本発明は希薄燃焼を行うガソリンエンジン(リーンバーンエンジン)等にも適用可能である。
【0091】
【発明の効果】
NO吸収剤に流入する排気ガスが還元雰囲気にせしめられるためNO吸収剤において少ない量の還元剤でNOを放出還元することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図2】スモークおよびNOの発生量等を示す図である。
【図3】燃焼圧を示す図である。
【図4】燃料分子を示す図である。
【図5】スモークの発生量とEGR率との関係を示す図である。
【図6】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図7】第1の運転領域I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】燃料噴射量のマップを示す図である。
【図13】第2の運転領域における空燃比等を示す図である。
【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】燃料噴射量のマップを示す図である。
【図16】NOの吸放出作用を説明するための図である。
【図17】単位時間当りのNO吸収量のマップを示す図である。
【図18】NO放出フラグを処理するためのフローチャートである。
【図19】第1の運転領域Iにおける増分を示す図である。
【図20】第2の運転領域IIにおける増分を示す図である。
【図21】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図22】圧縮着火式内燃機関の第2の実施例を示す全体図である。
【図23】圧縮着火式内燃機関の第3の実施例を示す全体図である。
【図24】圧縮着火式内燃機関の第4の実施例を示す全体図である。
【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
31…EGR制御弁
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in an internal combustion engine, for example, a diesel engine, NOxThe engine exhaust passage and the engine intake passage are connected by an exhaust gas recirculation (hereinafter, referred to as EGR) passage in order to suppress the generation of the exhaust gas, that is, the exhaust gas, that is, the EGR gas is introduced into the engine intake passage through the EGR passage. I try to recirculate. In this case, the EGR gas has a relatively high specific heat and can absorb a large amount of heat. Therefore, as the EGR gas amount increases, the EGR rate (EGR gas amount / (EGR gas amount + intake air amount)) Increases, the combustion temperature in the combustion chamber decreases. NO when combustion temperature dropsxThe more the EGR rate increases, the lower the NOxWill decrease.
[0003]
If the EGR rate is increased as compared with the conventional case, NOxIt has been known that the amount of generation of phenol can be reduced. However, when the EGR rate is increased, when the EGR rate exceeds a certain limit, the amount of generated soot, that is, smoke starts to increase rapidly. In this regard, it has been conventionally considered that if the EGR rate is further increased, the smoke will increase infinitely. Therefore, the EGR rate at which the smoke starts to increase rapidly is considered to be the maximum allowable limit of the EGR rate. Has been.
[0004]
Therefore, conventionally, the EGR rate is set within a range not exceeding the maximum allowable limit. The maximum allowable EGR rate varies substantially depending on the type of engine and fuel, but is approximately 30 to 50%. Therefore, in the conventional diesel engine, the EGR rate is suppressed to about 30% to 50% at the maximum.
[0005]
As described above, conventionally, it has been considered that the maximum allowable limit exists for the EGR rate. Therefore, the EGR rate is conventionally set to a value within the range not exceeding the maximum allowable limit.xAnd the amount of smoke generated was determined to be as small as possible. However, in this way, the EGR rate is set to NO.xNO even if the amount of smoke generated is minimizedxAnd the reduction in the amount of smoke generated is limited, and in practice, a considerable amount of NOxAt present, smoke is generated.
[0006]
However, if the EGR rate is made larger than the maximum permissible limit in the course of research on the combustion of a diesel engine, the smoke increases sharply 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 cooled strongly, the smoke is reduced to about 55% or more. Becomes zero. That is, it was found that soot was hardly generated. In this case, NOxIt has also been found that the amount of generation is extremely small. After that, based on this finding, the reason why soot was not generated was examined, and as a result, soot and NOxThis has led to the construction of a new combustion system that can simultaneously reduce the combustion. This new combustion system will be described in detail later, but in short, it is basically based on stopping the growth of hydrocarbons in the middle of the process until the hydrocarbons grow into soot.
[0007]
That is, as a result of repeated experimental research, it has been found that when the temperature of the fuel during combustion in the combustion chamber and the gas temperature around it are below a certain temperature, the growth of hydrocarbons stops at a stage before reaching soot, and the fuel When the temperature of the gas surrounding the gas exceeds a certain temperature, hydrocarbons grow to soot at a stretch. In this case, the temperature of the fuel and the surrounding gas is greatly affected by the heat absorbing action of the gas around the fuel when the fuel is burned, and the amount of heat absorbed by the gas around the fuel is adjusted according to the calorific value at the time of burning the fuel. As a result, the temperature of the fuel and the surrounding gas can be controlled.
[0008]
Therefore, if the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber is suppressed to a temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway, soot will not be generated, and the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber will be reduced. Can be suppressed below the temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway, by adjusting the amount of heat absorbed by the gas around the fuel. On the other hand, hydrocarbons whose growth has stopped halfway before reaching soot can be easily purified by post-treatment using an oxidation catalyst or the like. This is the basic idea of a new combustion system. An internal combustion engine employing the new combustion system has already been filed by the present applicant (Japanese Patent Application No. 9-305850).
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in this new combustion system, the EGR rate needs to be approximately 55% or more. However, the EGR rate can be increased to about 55% or more when the intake air amount is relatively small, that is, when the engine load is relatively low. If the intake air amount exceeds a certain limit, the intake air will be reduced unless the EGR rate is reduced. The amount of air cannot be increased. Therefore, when the amount of intake air exceeds a certain limit, it is necessary to switch to the conventional combustion.
[0010]
If the combustion is switched to the conventional combustion, the enginexIs released to some extent. Further, under the conventional combustion, combustion is performed under excess air. Therefore, in the above internal combustion engine, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, NO contained in the exhaust gasxAnd the NO absorbed when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas becomes stoichiometric or rich.xReleases NOxThe absorbent is disposed in the engine exhaust passage, and NOxIs prevented from being released to the atmosphere.
[0011]
NO in the above internal combustion enginexIs to be released and reduced, the air-fuel ratio is made rich under fresh combustion, and NOxWhen the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent is made rich, NOxIs released and reduced. Since the new combustion is performed at the stoichiometric air-fuel ratio or slightly lean, the amount of fuel to be increased in order to make the air-fuel ratio rich is very small.
[0012]
However, NOxWhen new combustion is not being performed when the fuel is to be released and reduced, that is, when conventional combustion is being performed, the air-fuel ratio must be made rich under conventional combustion. As described above, under the conventional combustion, combustion is performed under excess air, that is, under excess oxygen. Therefore NOxNO to release and reduce NOxTo maintain the exhaust gas flowing into the absorbent in a reducing atmosphere, NOxIn addition to the fuel required for the emission reduction of fuel, the amount of fuel required to consume the oxygen in the incoming exhaust gas must be increased. That is, fuel efficiency is deteriorated.
[0013]
An object of the present invention is to reduce NO without deteriorating fuel economy.xNO from the absorbentxIt is an object of the present invention to provide an internal combustion engine capable of releasing and reducing fuel.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the first invention, as the amount of inert gas supplied into the combustion chamber increases, the amount of soot generated gradually increases and reaches a peak, and the amount of soot that is supplied into the combustion chamber increases. When the amount of active gas is further increased, the temperature of fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber becomes lower than the temperature at which soot is generated, and the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is reduced in the internal combustion engine where almost no soot is generated. Is lean, NO contained in the exhaust gasxAnd the NO absorbed when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas becomes stoichiometric or rich.xReleases NOxThe first combustion in which the absorbent is disposed in the engine exhaust passage, the amount of inert gas supplied into the combustion chamber is larger than the amount of inert gas at which the amount of generated soot becomes a peak, and soot is hardly generated; Switching means for selectively switching between the second combustion in which the amount of inert gas supplied into the combustion chamber is smaller than the amount of inert gas at which the generation amount reaches a peak, and NOxNO from absorbentxWhen the NO should be releasedxThe oxygen in the exhaust gas flowing into the absorbent is consumed and the NOxNO from absorbentxOxygen consuming means is provided to reduce the amount of reducing agent consumed during discharge.
[0015]
That is, NOxNOxOxygen in exhaust gas is consumed when it should be released from the absorbent, and NOxThe amount of oxygen in the exhaust gas flowing into the absorbent is reduced. In other words, NOxExhaust gas flowing into the absorbent is reduced to a reducing atmosphere.
According to a second aspect, in the first aspect, there is provided a recirculation device for recirculating exhaust gas discharged from the combustion chamber into the engine intake passage, wherein the inert gas comprises recirculated exhaust gas.
[0016]
According to a third aspect, in the second aspect, the exhaust gas recirculation rate is approximately 55% or more.
According to a fourth aspect, in the first aspect, the oxygen consuming means is an oxidation catalyst, a three-way catalyst, or NO.xConsists of at least one of an absorbent.
According to a fifth aspect, in 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 operating range is divided into the first operating range on the high load side. Combustion is performed, and second combustion is performed in the second operation region.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a case where the present invention is applied to a four-stroke compression ignition type internal combustion engine.
Referring to FIG. 1, 1 is an engine body, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is an electrically controlled fuel injection valve, 7 is an intake valve, 8 is an intake port, 9 Denotes an exhaust valve, and 10 denotes an exhaust port. The intake port 8 is connected to a surge tank 12 via a corresponding intake branch 11, and the surge tank 12 is connected to a supercharger, for example, an outlet of a compressor 16 of an exhaust turbocharger 15 via an intake duct 13 and an intercooler 14. Be linked. An inlet of the compressor 16 is connected to an air cleaner 18 via an air suction pipe 17, and a throttle valve 20 driven by a step motor 19 is arranged in the air suction pipe 17. 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.
[0018]
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.
The exhaust pipe 28 connected to the outlet of the catalytic converter 26 and the air suction pipe 17 downstream of the throttle valve 20 are connected to each other via an exhaust gas recirculation (hereinafter, referred to as EGR) passage 29. An EGR control valve 31 driven by a step motor 30 is disposed. In the EGR passage 29, an intercooler 32 for cooling the EGR gas flowing in the EGR passage 29 is arranged. In the embodiment shown in FIG. 1, the engine cooling water is guided into the intercooler 32, and the engine cooling water cools the EGR gas.
[0019]
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.
[0020]
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 fuel 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 °. On the other hand, the output port 46 is connected to the fuel injection valve 6, the step motor 19 for controlling the throttle valve, the step motor 30 for controlling the EGR control valve, and the fuel pump 35 via the corresponding drive circuit 48.
[0021]
FIG. 2 shows a change in the output torque when the air-fuel ratio A / F (horizontal axis in FIG. 2) is changed by changing the opening degree and the EGR rate of the throttle valve 20 during the low load operation of the engine, and smoke, HC, CO, NOx4 shows an experimental example showing a change in the emission amount of the gas. As can be seen from FIG. 2, in this experimental example, the smaller the air-fuel ratio A / F, the higher the EGR rate. When the air-fuel ratio A / F is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio (.14.6), the EGR rate is 65% or more.
[0022]
As shown in FIG. 2, when the air-fuel ratio A / F is reduced by increasing the EGR rate, the amount of smoke generated when the EGR rate becomes about 40% and the air-fuel ratio A / F becomes about 30 is reduced. Start growing. Next, when the EGR rate is further increased and the air-fuel ratio A / F is reduced, the amount of smoke generated sharply increases and reaches a peak. Next, when the EGR rate is further increased and the air-fuel ratio A / F is reduced, the smoke is sharply reduced. When the EGR rate is increased to 65% or more, and the air-fuel ratio A / F becomes about 15.0, the smoke becomes almost zero. . That is, almost no soot is generated. At this time, the output torque of the engine slightly decreases, and NOxThe amount of generation is considerably low. On the other hand, at this time, the generation amounts of HC and CO begin to increase.
[0023]
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.
[0024]
The following can be said from the experimental results shown in FIGS. That is, first, when the air-fuel ratio A / F is 15.0 or less and the amount of generated smoke is almost zero, NO as shown in FIG.xThe amount of generation of methane is considerably reduced. NOxThe decrease in the amount of the generated gas means that the combustion temperature in the combustion chamber 5 has decreased. Therefore, it can be said that the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low when little soot is generated. The same can be said from FIG. That is, in the state shown in FIG. 3B where almost no soot is generated, the combustion pressure is low, and the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low at this time.
[0025]
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. .
[0026]
Summarizing these considerations based on the experimental results shown in FIGS. 2 and 3, when the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low, the amount of generated soot becomes almost zero. The hydrocarbon will be discharged from the combustion chamber 5. As a result of further detailed experimental research on this fact, when the temperature of the fuel and the surrounding gas in the combustion chamber 5 is lower than a certain temperature, the growth process of the soot is stopped halfway. It was found that no soot was generated, and soot was generated when the temperature of the fuel and its surroundings in the combustion chamber 5 exceeded a certain temperature.
[0027]
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 with various factors such as the type of fuel and the compression ratio of the air-fuel ratio. 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.
[0028]
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 a catalyst having an oxidation function as described above, it is determined whether the hydrocarbon is discharged from the combustion chamber 5 in the state of the precursor of soot or before it, or is discharged from the combustion chamber 5 in the form of soot. There is a huge 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.
[0029]
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.
[0030]
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, almost no heat absorbing action of the combustion heat of the fuel of the air separated from the fuel is performed. In this case, since the combustion temperature becomes extremely high locally, the unburned hydrocarbons that have received the heat of combustion will generate soot.
[0031]
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.
[0032]
In this case, controlling the temperature of the fuel and its surrounding gas to a temperature lower than the temperature at which soot is generated requires an amount of an inert gas that can absorb a sufficient amount of heat to do so. Therefore, if the amount of fuel increases, the required amount of inert gas increases accordingly. In this case, the larger the specific heat of the inert gas, the stronger the endothermic action, and therefore, the inert gas is preferably a gas having a large specific heat. In this regard, CO2Since EGR gas has a relatively large specific heat, it can be said that it is preferable to use EGR gas as the inert gas.
[0033]
FIG. 5 shows the relationship between the EGR rate and smoke when the EGR gas is used as the inert gas and the degree of cooling of the EGR gas is changed. That is, in FIG. 5, the curve A shows a case where the EGR gas is cooled strongly and the EGR gas temperature is maintained at approximately 90 ° C., and the curve B shows a case where the EGR gas is cooled by a small cooling device. , Curve C shows the case where the EGR gas is not forcibly cooled.
[0034]
As shown by the curve A in FIG. 5, when the EGR gas is cooled strongly, the amount of soot generation peaks at a point where the EGR rate is slightly lower than 50%. In this case, the EGR rate is increased to approximately 55% or more. Then, almost no soot is generated. On the other hand, as shown by the curve B in FIG. 5, when the EGR gas is slightly cooled, the amount of soot generation peaks at a point where the EGR rate is slightly higher than 50%, and in this case, the EGR rate is increased to about 65% or more. So that almost no soot is generated.
[0035]
As shown by the curve C in FIG. 5, when the EGR gas is not forcibly cooled, the amount of soot generation reaches a peak when the EGR rate is around 55%. Above a percentage, soot is hardly generated. FIG. 5 shows the amount of smoke generated when the engine load is relatively high. When the engine load decreases, the EGR rate at which the amount of soot peaks slightly decreases, and the EGR rate at which almost no soot is generated Also lowers slightly. 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.
[0036]
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; 2 shows the ratio of air in the mixed gas and the ratio of EGR gas in the mixed gas. In FIG. 6, the vertical axis indicates the total intake gas amount drawn into the combustion chamber 5, and the dashed line Y indicates the total intake gas amount that can be drawn into the combustion chamber 5 when supercharging is not performed. ing. The horizontal axis shows the required load.
[0037]
Referring to FIG. 6, the proportion of air, that is, the amount of air in the mixed gas, indicates the amount of air required to completely burn the injected fuel. That is, in the case shown in FIG. 6, the ratio between the air amount and the injected fuel amount is the stoichiometric air-fuel ratio. On the other hand, in FIG. 6, the ratio of the EGR gas, that is, the amount of the EGR gas in the mixed gas, is set so that when the injected fuel is burned, the temperature of the fuel and the surrounding gas is lower than the temperature at which the soot is formed. The minimum required EGR gas amount is shown. This EGR gas amount is approximately 55% or more in terms of the EGR rate, and is 70% or more in the embodiment shown in FIG. That is, the total intake gas amount sucked into the combustion chamber 5 is indicated by a solid line X in FIG. 6, and the ratio between the air amount and the EGR gas amount in the total intake gas amount X is as shown in FIG. The temperature of the fuel and the gas around it will be lower than the temperature at which soot is produced, so that no soot is generated. In this case, NOxThe amount generated is 10 p. p. m around or below and therefore NOxIs extremely small.
[0038]
As the amount of fuel injection increases, the amount of heat generated when the fuel burns increases. Therefore, in order to maintain the temperature of the fuel and its surrounding gas at a temperature lower than the temperature at which soot is generated, the amount of heat absorbed by the EGR gas Must be increased. Accordingly, as shown in FIG. 6, the EGR gas amount must be increased as the injected fuel amount increases. That is, the EGR gas amount needs to increase as the required load increases.
[0039]
By the way, when the supercharging is not performed, the upper limit of the total intake gas amount X sucked into the combustion chamber 5 is Y, and therefore, in FIG.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.
[0040]
However, as shown in FIG. 1, when the EGR gas is recirculated through the EGR passage 29 to the inlet side of the supercharger, that is, into the air suction pipe 17 of the exhaust turbocharger 15, the required load becomes L.0In the larger region, the EGR rate 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. Request load is L0When the EGR rate is set to 55% or more in a larger region, the EGR control valve 31 is fully opened and the throttle valve 20 is slightly closed.
[0041]
As described above, FIG. 6 shows the case where the fuel is burned under the stoichiometric air-fuel ratio. However, even if the air amount is smaller than the air amount shown in FIG. NO while preventing generation ofxIs 10 p. p. m or less, and even if the air amount is larger than the air amount shown in FIG. 6, that is, the average value of the air-fuel ratio is 17 to 18 lean, soot generation is prevented. NOxIs 10 p. p. m can be around or below.
[0042]
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.
[0043]
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.
[0044]
By the way, the temperature of the fuel and the surrounding gas at the time of combustion in the combustion chamber can be suppressed to a temperature at or below the temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway, only during low load operation in the engine, which generates a relatively small amount of heat by combustion. Therefore, in the embodiment according to the present invention, the first combustion, that is, the low-temperature combustion is performed by suppressing the temperature of the fuel during combustion and the gas temperature around the same at or below the temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway during the low load operation in the engine. In addition, the second combustion, that is, the combustion that has been performed conventionally, is performed during the high load operation of the engine. Here, the first combustion, that is, the low-temperature combustion, has a larger amount of the inert gas in the combustion chamber than the amount of the inert gas at which the generation amount of soot is a peak, as is apparent from the description so far, and almost all the soot is generated. The second combustion, that is, the combustion that has been conventionally performed, is the combustion in which the amount of the inert gas in the combustion chamber is smaller than the amount of the inert gas at which the soot generation peaks. Say
[0045]
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 a first boundary between the first operation region I and the second operation region II, and Y (N) indicates the first operation region I and the second operation 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 made based on the first boundary X (N), and the change from the second operation region II to the first operation region I is performed. The determination of the change of the operating region is performed based on the second boundary Y (N).
[0046]
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.
[0047]
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]
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 hydrocarbon is in the form of a precursor of soot or a state before it. It is discharged from the combustion chamber 5. At this time, unburned hydrocarbons discharged from the combustion chamber 5 are collected by a particulate filter 53 described later in detail.
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.
[0049]
Next, the operation control in the first operation region I and the second operation region II will be schematically described with reference to FIG.
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.
[0050]
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.
[0051]
At the time of idling operation, the throttle valve 20 is closed to almost fully closed, and at this time, the EGR control valve 31 is also closed to almost fully closed. When the throttle valve 20 is closed close to the fully closed state, the pressure in the combustion chamber 5 at the start of compression decreases, so that the compression pressure decreases. When the compression pressure decreases, the compression work by the piston 4 decreases, so that the vibration of the engine body 1 decreases. That is, at the time of idling operation, the throttle valve 20 is closed to almost fully closed in order to suppress the vibration of the engine body 1.
[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 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.
[0053]
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 open state except for a part, and the opening degree 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.
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.
[0054]
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, in the embodiment according to the present invention, the target air-fuel ratio A / F increases as the required load L decreases. .
[0055]
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), a map is stored in advance in the ROM 42 as a function of the required load L and the engine speed N.
[0056]
Further, when the first 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.
FIG. 13A shows the target air-fuel ratio A / F when the second combustion, that is, the normal combustion by the conventional combustion method is performed. In FIG. 13A, 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. 13A 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. 13B. Further, as shown in FIG. 14A, 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. 13A is stored in the ROM 42 in advance in the form of a map as a function of N. As shown in FIG. 14 (B), a map is stored in advance in the ROM 42 as a function of the required load L and the engine speed N.
[0057]
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.
On the other hand, the exhaust pipe 24 is provided with a particulate filter 53 for collecting fine particles (diesel particulates) such as soot, unburned hydrocarbons, and soluble organic components (SOF) contained in the exhaust gas.
[0058]
The particulate filter 53 is usually formed of a filter material having heat resistance such as ceramics, and filters and collects particulates in exhaust gas. Therefore, the collected particulates accumulate in the filter 53 with time, so that it is necessary to periodically regenerate and remove the collected particulates. Usually, regeneration of this filter is performed by heating the particulates collected by the filter to an ignition temperature (about 600 ° C.) or higher and burning it. As described above, the particulates are composed of soot, unburned hydrocarbons, SOF, and the like, so that depending on the conditions, reducing gases such as CO are generated by combustion. In this embodiment, NOxNO from absorbentxDuring the discharging operation, as will be described in detail later, the exhaust gas temperature is raised to the particulate ignition temperature or higher, and the particulates collected by the filter 53 are burned. As a result, the oxygen in the exhaust gas is consumed in the particulate combustion, the exhaust oxygen concentration decreases, and CO, CO is reduced by the particulate combustion.2And reducing gas such as NOxSupplied to the absorbent.
[0059]
On the other hand, in FIG.xAn absorbent 25 is provided. NOxThe absorbent 25 is made of, for example, alumina as a carrier. On this carrier, for example, potassium K, sodium Na, lithium Li, alkali metal such as cesium Cs, barium Ba, alkaline earth such as calcium Ca, lanthanum La, yttrium Y At least one selected from such rare earths and a noble metal such as platinum Pt are supported. Engine intake passage, combustion chamber 5 and NOxThe ratio of air and fuel (hydrocarbon) supplied into the exhaust passage upstream of the absorbent 25 is set to NO.xWhen the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 25 is called this NOxThe absorbent 25 is NO when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean.xNO when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas becomes stoichiometric or rich.xReleases NOxPerforms the absorption and release action.
[0060]
This NOxIf the absorbent 25 is arranged in the engine exhaust passage, NOxAbsorbent 25 is actually NOxHowever, there is a part where the detailed mechanism of the absorption / release action is not clear. However, it is considered that this absorption / release action is performed by a mechanism as shown in FIG. Next, this mechanism will be described by taking platinum Pt and barium Ba supported on a carrier as an example, but the same mechanism can be obtained by using other noble metals, alkali metals, alkaline earths, and rare earths.
[0061]
In the compression ignition type internal combustion engine shown in FIG. 1, combustion is performed in a state where the air-fuel ratio in the normal combustion chamber 5 is lean. When the combustion is performed with the lean air-fuel ratio, the oxygen concentration in the exhaust gas is high. At this time, as shown in FIG.2Is O2 Or O2-On the surface of platinum Pt. On the other hand, NO in the inflowing exhaust gas becomes O 2 on the surface of platinum Pt.2 Or O2-Reacts with NO2(2NO + O2→ 2NO2). NO generated next2Is absorbed in the absorbent while being oxidized on the platinum Pt and combined with barium oxide BaO, as shown in FIG.3 Diffuses into the absorbent in the form of NO in this wayxIs NOxIt is absorbed in the absorbent 25. NO on the surface of platinum Pt as long as the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas is high2Is generated, and the NOxNO unless absorption capacity is saturated2Is absorbed in the absorbent and nitrate ion NO3 Is generated.
[0062]
On the other hand, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is made rich, the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas decreases, and as a result, NO on the surface of the platinum Pt is reduced.2Is reduced. NO2The reaction proceeds in the reverse direction (NO3 → NO2) And thus the nitrate ions NO in the absorbent3 Is NO2Released from the absorbent in the form of NO at this timexNO released from absorbent 25xIs reduced by reacting with a large amount of unburned HC and CO contained in the inflowing exhaust gas as shown in FIG. 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.
[0063]
In this case, even if the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is set to the stoichiometric air-fuel ratio, NOxNO from absorbent 25xIs released. However, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is set to the stoichiometric air-fuel ratio, NOxNO from absorbent 25xIs released only slowlyxTotal NO absorbed in absorbent 25xIt takes a slightly longer time to release.
[0064]
NO as described abovexThe absorbent 25 contains a noble metal such as platinum Pt, and therefore NOxThe absorbent 25 has an oxidizing function. On the other hand, as described above, when the operating state of the engine is in the first operating 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 former soot. It is discharged from the combustion chamber 5 in the form of a state. However, as described above, NOxThe absorbent 25 has an oxidizing function, and the unburned hydrocarbon discharged from the combustion chamber 5 at this time is NO.xIt can be oxidized well by the absorbent 25.
[0065]
By the way, NOxNO of absorbent 25xAbsorption capacity is limited, NOxNO of absorbent 25xNO before absorption capacity is saturatedxNO from absorbent 25xMust be released. NO for thatxNO absorbed by absorbent 25xThe quantity needs to be estimated. Therefore, in the embodiment according to the present invention, NO per unit time when the first combustion is performedxThe absorption amount A is determined in advance in the form of a map as shown in FIG. 17A as a function of the required load L and the engine speed N, and the NO per unit time during the second combustion is performed.xThe absorption amount B is previously obtained as a function of the required load L and the engine speed N in the form of a map as shown in FIG.xNO by integrating absorption amounts A and BxNO absorbed by absorbent 25xThe amount ΣNOX is estimated.
[0066]
As will be described in detail later, in the embodiment according to the present invention, this NOxNO when the absorption amount ΣNOX exceeds a predetermined allowable maximum value MAX.xNO from absorbent 25xIs to be released. That is, when low-temperature combustion is being performed, NOxWhen the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX, the fuel injection amount is increased by a predetermined increment Qa, and the air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is temporarily made rich, whereby the NOxNO from absorbent 25xIs released. The predetermined increment Qa is calculated based on the required load L and the engine speed N, and 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. I have. As described above, even when the air-fuel ratio is made rich during low-temperature combustion, almost no soot is generated.
[0067]
On the other hand, when the second combustion is being performed, NOxWhen the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX, the amount of this increment Qb becomes NOxThe air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 25 is determined to be rich, so that when the fuel increased by the increment Qb is injected, NOxNO from absorbent 25xWill be released. The predetermined increment Qb is calculated based on the required load L and the engine speed N, and 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. .
[0068]
FIG. 18 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. 18, first, at step 100, it is determined whether or not a graph I indicating that the operating region of the engine is the first operating region I is set. When the flag I is set, that is, when the operation region of the engine is the first operation region I, the routine proceeds to step 101, where NO per unit time is obtained from the map shown in FIG.xThe absorption amount A is calculated. Next, at step 102, NOxA is added to the absorption amount ΣNOX. Next, at step 103, NOxIt is determined whether or not the absorption amount XNOX exceeds the allowable maximum value MAX.と If NOX> MAX, proceed to step 104 and NO for a predetermined time.xA process for setting a release flag is performed, and then in step 105, ΣNOX is made zero.
[0069]
On the other hand, when it is determined in step 100 that the flag I has been reset, that is, when the operating region of the engine is in the second operating region II, the routine proceeds to step 106, and the unit time per unit time is obtained from the map shown in FIG. NOxThe absorption amount B is calculated. Next, at step 107, NOxB is added to the absorption amount ΣNOX. Next, at step 108, NOxIt is determined whether or not the absorption amount XNOX exceeds the allowable maximum value MAX.と If NOX> MAX, the process proceeds to step 109 and NO for a predetermined time.xA process for setting the release flag is performed, and then in step 110, ΣNOX is made zero.
[0070]
Then NOxNO of absorbent 25xThe discharge reduction operation will be schematically described. First, the above-mentioned NOxNO when the release flag is set and the operating region of the engine is in the first operating region 1, that is, when low-temperature combustion is being performed.xNO of absorbent 25xIt is determined whether or not a condition for performing the discharge reduction operation (hereinafter, a first execution condition) is satisfied. The first execution condition is that the engine exhaust temperature is equal to or higher than a predetermined value. The engine exhaust temperature is detected by an exhaust temperature sensor 56 attached to the exhaust pipe 24. The output signal of the exhaust gas temperature sensor 56 is input to the input port 45 via the corresponding AD converter 47. The predetermined value of the engine exhaust temperature is NOxThe temperature of the absorbent 25 is NOxThe temperature is set to be higher than the activation temperature for release and reduction.
[0071]
When the first execution condition is satisfied, the regeneration of the particulate filter 53 is executed. That is, in low-temperature combustion, the fuel injection amount is increased by a predetermined increment Qa read from the map in FIG. 19 so that the air-fuel ratio in the combustion chamber 5 becomes richer than the stoichiometric air-fuel ratio, and the engine exhaust temperature is particulate-ignited. The temperature is raised to a temperature (about 600 ° C.) or higher. As a result, the particulate filter 53 starts burning the collected exhaust particulates. If the air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is made richer than the stoichiometric air-fuel ratio, components such as unburned HC and CO in the exhaust gas increase. In addition, since exhaust particulates such as soot trapped in the particulate filter 53 start burning, oxygen in the exhaust gas is consumed by this combustion, and the oxygen concentration in the exhaust gas further decreases, and CO2 is reduced by the combustion of the soot and the like. And the like, the reducing components such as unburned HC and CO in the exhaust gas further increase, and NOxNO in absorbent 25xAre released and reduced.
[0072]
Also NOxAbsorbent 25 absorbs NO as temperature increasesxAt the ignition temperature of the particulate filter 53 of 600 ° C. or higher.xThe release rate becomes extremely high. Therefore, as in the present embodiment, the NOxNO from absorbent 25xNO in a short time by performing release reductionxNO from absorbent 25xRelease and reduction can be completed.
[0073]
If the first execution condition is not satisfied or if NOxIf the first execution condition is not satisfied during the execution of the discharge reduction operation, the engine operation returns to the stoichiometric air-fuel ratio or low-temperature combustion slightly leaner than the stoichiometric air-fuel ratio.
As described above, in the present embodiment, when the operating region of the engine is in the first operating region I, NO is determined by the regeneration operation of the particulate filter 53.xNO in absorbent 25xBy starting release and reduction, (1) NOxReduction of oxygen concentration in exhaust gas flowing into the absorbent, (2) increase of reducing components such as CO and HC in exhaust gas, and (3) NO due to increase of exhaust temperaturexAt the same time, the emission reduction time is shortened.
[0074]
On the other hand, the above NOxNO when the release flag is set and the operating region of the engine is in the second operating region IIxNO of absorbent 25xIt is determined whether or not a condition for performing the discharge reduction operation (hereinafter, a second execution condition) is satisfied. The second execution condition is (1) that the engine exhaust temperature is equal to or higher than a predetermined value, and (2) that the vehicle is performing a deceleration operation. The condition (1) is the same as the first execution condition. The determination (2) that the vehicle is decelerating is made based on the fact that the engine speed is equal to or higher than the predetermined value and the accelerator opening is fully closed. NOxThe reason why the discharge reduction operation is performed only during the vehicle deceleration operation is to prevent the occurrence of torque shock because it is necessary to close the throttle valve 20 and reduce the engine intake during the discharge reduction as described later.
[0075]
When the second execution condition is satisfied, the regeneration of the particulate filter 53 is executed. That is, the throttle valve 20 is closed to reduce the amount of intake air into the combustion chamber 5, and the fuel injection amount is increased by a predetermined increment Qb read from the map of FIG. Raise the temperature to the ignition temperature (about 600 ° C) or higher. As a result, the particulate filter 53 starts burning the collected exhaust particulates. When the operating range of the engine is in the second operating range II, that is, when the conventional combustion is performed, the exhaust air-fuel ratio is significantly lean, but the intake air amount decreases due to the throttle valve closing and the fuel injection amount decreases. As a result, the exhaust air-fuel ratio shifts to the rich side, and components such as unburned HC and CO in the exhaust gas greatly increase. In addition, since the exhaust particulates such as soot collected by the particulate filter 53 start burning as described above, the oxygen in the exhaust gas is consumed by this combustion, and the oxygen concentration in the exhaust gas further decreases, and the combustion of the soot and the like also occurs. Generates CO and the like, so that the reducing components such as unburned HC and CO in the exhaust gas further increase, and NOxNO in absorbent 25xRelease and reduction conditions are established.
[0076]
If the second execution condition is not satisfied or NOxIf the second execution condition is not satisfied during execution of the discharge reduction operation, the throttle valve 80 is opened and the fuel injection increase is stopped, and the operation region of the engine returns to the normal second operation region II. I do. As described above, in the present embodiment, even when the operating region of the engine is in the second operating region II, NO is determined by the regeneration operation of the particulate filter 53.xNO in absorbent 25xBy starting release and reduction, (1) NOxReduction of oxygen concentration in exhaust gas flowing into the absorbent, (2) increase of reducing components such as CO and HC in exhaust gas, and (3) NO due to increase of exhaust temperaturexAt the same time, the emission reduction time is shortened.
[0077]
In the above-described embodiment, the particulate ignition is performed only by the exhaust gas temperature rise due to the closing of the throttle valve 20 and the increase in the fuel injection amount. However, the particulate filter 53 is provided with an electric heater for ignition, and the exhaust gas temperature is increased. The ignition may be promoted in combination.
Next, the operation control will be described with reference to FIG.
[0078]
Referring to FIG. 21, first, in step 200, 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 201, 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 203, where low-temperature combustion is performed.
[0079]
That is, in step 203, 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 204, the target opening SE of the EGR control valve 31 is calculated from the map shown in FIG. 11B, and the opening of the EGR control valve 31 is set to the target opening SE. Next, at step 205, NOxIt is determined whether the release flag is set. NOxWhen the release flag is not set, the routine proceeds to step 206, where the fuel injection of the amount Q calculated from the map of FIG. 12 is performed so as to obtain the air-fuel ratio shown in FIG. At this time, low-temperature combustion is performed under a lean air-fuel ratio.
[0080]
On the other hand, NOxWhen it is determined that the release flag is set, the routine proceeds to step 207, where it is determined whether the first execution condition is satisfied. When the first execution condition is not satisfied, the routine proceeds to step 206, where the above-described fuel injection is performed. On the other hand, when the first execution condition is satisfied in step 207, the process proceeds to step 208, and the fuel injection of the amount obtained by adding the increment Qa calculated from the map of FIG. 19 to the amount Q calculated from the map of FIG. Thus, injection control for enriching the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is performed. NO at this timexNO from absorbent 25xIs released.
[0081]
On the other hand, when it is determined in step 201 that L> X (N), the routine proceeds to step 202, where the flag I is reset. Then, the routine proceeds to step 211, where the second combustion is performed.
That is, in step 211, the target opening ST of the throttle valve 20 is calculated from the map shown in FIG. 14A, and the opening of the throttle valve 20 is set to the target opening ST. Next, at step 211, the target opening SE of the EGR control valve 31 is calculated from the map shown in FIG. 14B, and the opening of the EGR control valve 31 is set as the target opening SE. Next, at step 213, NOxIt is determined whether the release flag is set. NOxWhen the release flag is not set, the routine proceeds to step 214, where the fuel injection of the amount Q calculated from the map of FIG. 15 is performed so as to obtain the air-fuel ratio shown in FIG. At this time, the second combustion is performed under the lean air-fuel ratio.
[0082]
On the other hand, in step 213, NOxWhen it is determined that the release flag is set, the routine proceeds to step 215, where it is determined whether the second execution condition is satisfied. When the second execution condition is not satisfied, the routine proceeds to step 214, where the above-described fuel injection is performed. On the other hand, when the second execution condition is satisfied at step 215, the routine proceeds to step 216, where the throttle valve 20 is closed, and the increment Qb calculated from the map of FIG. The added amount of fuel is injected and NOxThe injection control is performed so that the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 25 becomes rich.xNO from absorbent 25xIs released.
[0083]
When the flag I is reset, in the next processing cycle, the process proceeds from step 200 to step 209 to determine whether the required load L has become lower than the second boundary Y (N). When L ≧ Y (N), the routine proceeds to step 211, where the second combustion is performed under a lean air-fuel ratio.
On the other hand, when it is determined in step 209 that L <Y (N), the routine proceeds to step 210, where the flag I is set. Next, the routine proceeds to step 203, where low-temperature combustion is performed.
[0084]
Note that when the second combustion is being performed in the first embodiment, NOxWhen the absorption amount ΣNOX exceeds the permissible maximum value MAX, the amount of fuel Qb to be increased separately from the engine driving injection is injected into the expansion stroke or the exhaust stroke of the engine without increasing the fuel injection amount. Is also good. Therefore, when additional fuel Qb is injected, NOxNO from absorbent 19xWill be released.
[0085]
Next, FIG. 22 shows a second embodiment of the present invention. 22, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same elements. This embodiment differs from the embodiment of FIG. 1 in that a burner 55 using fuel oil is provided at the entrance of the particulate filter 53. That is, in the present embodiment, when the operating region of the engine is in the second operating region II, when the particulate filter 53 is regenerated, the throttle valve 20 is closed and the burner 55 burns the fuel oil to increase the exhaust gas. The temperature is increased, and the fuel injection amount to the engine is not increased. According to the present embodiment, even when the trapped amount of exhaust particulates in the particulate filter 53 is small and the exhaust gas temperature rise in the particulate filter 53 is not sufficient, the exhaust gas temperature rise is increased by increasing the fuel supply amount to the burner 55. And oxygen consumption can be achieved,xNO in absorbent 25xThere is an advantage that the timing of performing the discharge reduction operation is not affected by the amount of trapped exhaust particulates of the particulate filter 53. In this embodiment, the unburned HC and CO generated from the burner 55 are NO.xIs the same as the embodiment of FIG. The burner 55 is connected to the output port 46 via the corresponding drive circuit 48.
[0086]
FIG. 23 shows a third embodiment of the present invention. In this embodiment, the particulate filter of the embodiment shown in FIGS. 1 and 22 is not provided, a burner 55 using fuel oil and a glow heater 56 for ignition are arranged in the exhaust pipe 24, and the operating range of the engine is the second. NO in combustion in burner 55 when in operating region IIxNO in absorbent 25xRelease and reduce. That is, in this embodiment, when the operation region of the engine is in the second operation region II, all the effects of the oxygen consumption and the reduction component generation by the combustion in the particulate filter and the exhaust gas heating in the first embodiment are throttled. This is performed only by closing the valve 20 and burning the burner 54. This makes NOxNO in absorbent 25xThere is an advantage that the timing of the discharge reduction operation can be freely set. The glow heater 56 is connected to the output port 46 via a corresponding drive circuit 48.
[0087]
Next, FIG. 24 shows a fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, NOxA small-volume oxidation catalyst 57 is disposed on the exhaust pipe 24 upstream of the absorbent 25, preferably immediately downstream of the exhaust manifold. As the catalyst 57, a metal carrier having a small heat capacity is used. In this embodiment, the oxygen consumption and the exhaust gas temperature are increased by the oxidation catalyst 57. That is, when the operating range of the engine is in the first operating range I, the air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is made richer than the stoichiometric air-fuel ratio when the first execution condition is satisfied, and when the engine is in the second operating range II. When the second execution condition is satisfied, the throttle valve 20 of the intake pipe 2 is closed, the amount of fuel injected into the combustion chamber 5 is increased, and the air-fuel ratio is largely shifted to the rich side. As a result, components such as unburned HC and CO in the exhaust gas increase, an oxidation reaction occurs in the catalyst 57, oxygen in the exhaust gas is consumed, and the exhaust temperature rises due to reaction heat. Further, since the catalyst 57 has a small capacity, only a part of the unburned HC and CO in the exhaust gas generated by the increase in the fuel injection amount can be consumed. NO after passingxNO that reaches the absorbent 25 and is releasedxUsed as a reducing agent.
[0088]
By the way, the temperature of the exhaust gas drops significantly when passing through the exhaust turbine 23. At this time, if the exhaust gas temperature is lower than the activation temperature required for the oxidation catalyst 57 to burn unburned HC or the like, oxygen cannot be consumed in the oxidation catalyst 57 as intended. Therefore, in the present embodiment, a small-sized oxidation catalyst 58 is disposed in the exhaust manifold 22 adjacent to the exhaust turbine 23. Since high-temperature exhaust gas before the temperature is reduced in the exhaust turbine 23 flows into the oxidation catalyst 58, unburned HC and the like in the exhaust gas easily burn in the oxidation catalyst 58. That is, the temperature of the exhaust gas flowing into the oxidation catalyst 58 is increased. Therefore, the temperature of the exhaust gas flowing into the oxidation catalyst 57 disposed downstream of the exhaust turbine 23 is maintained at or above its activation temperature.
[0089]
In this embodiment, an oxidation catalyst is used as the catalyst 57.xSince the absorbent has a function as an oxidation catalyst, a small amount of NOxIt is also possible to use absorbents. Thus, a small amount of NO is used instead of the catalyst 57.xIf the absorbent is to be disposed, NO disposed downstreamxNO as a whole together with the absorbentxProcessing capacity can be increased.
[0090]
In any of the above-described embodiments, when the operating region of the engine is in the second operating region II,xThe throttle valve 20 of the air suction pipe 17 is closed at the time of release reduction to reduce the amount of intake air. For example, in these cases, the combined use of exhaust gas recirculation (EGR) is more effective in reducing the amount of oxygen in exhaust gas. There is. Although the above embodiment has been described only with respect to a diesel engine, the present invention is also applicable to a gasoline engine (lean burn engine) that performs lean combustion.
[0091]
【The invention's effect】
NOxSince the exhaust gas flowing into the absorbent is reduced to a reducing atmosphere, NOxNO with a small amount of reducing agent in the absorbentxCan be released and reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of a compression ignition type internal combustion engine.
FIG. 2 Smoke and NOxFIG.
FIG. 3 is a diagram showing a combustion pressure.
FIG. 4 is a diagram showing fuel molecules.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a generation amount of smoke and an EGR rate.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between an injected fuel amount and a mixed gas amount.
FIG. 7 is a diagram showing a first operation region I 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 a map of a fuel injection amount.
FIG. 13 is a diagram showing an air-fuel ratio and the like in a second operation region.
FIG. 14 is a view showing a map of a target opening degree of a throttle valve and the like.
FIG. 15 is a diagram showing a map of a fuel injection amount.
FIG. 16 NOxIt is a figure for explaining the absorption-release action of.
FIG. 17: NO per unit timexIt is a figure showing a map of an amount of absorption.
FIG. 18 NOxIt is a flowchart for processing a release flag.
FIG. 19 is a diagram showing increments in a first operation region I.
FIG. 20 is a diagram showing an increment in a second operation region II.
FIG. 21 is a flowchart for controlling operation of the engine.
FIG. 22 is an overall view showing a second embodiment of the compression ignition type internal combustion engine.
FIG. 23 is an overall view showing a third embodiment of the compression ignition type internal combustion engine.
FIG. 24 is an overall view showing a fourth embodiment of the compression ignition type internal combustion engine.
[Explanation of symbols]
6 ... Fuel injection valve
15 Exhaust turbocharger
20 ... Throttle valve
29… EGR passage
31 ... EGR control valve

Claims (5)

燃焼室内に供給される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、燃焼室内に供給される不活性ガス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる内燃機関において、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるNOを吸収しかつ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したNOを放出するNO吸収剤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に供給される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に供給される不活性ガス量が少ない第2の燃焼とを選択的に切換える切換手段を具備し、NO吸収剤からNOを放出すべきときに前記NO吸収剤に流入する排気ガス中の酸素を消費して前記NO吸収剤からのNO放出時の還元剤消費量を低減する酸素消費手段を設けたことを特徴とする内燃機関。As the amount of inert gas supplied into the combustion chamber increases, the amount of soot generated gradually increases and reaches a peak. As the amount of inert gas supplied into the combustion chamber further increases, combustion in the combustion chamber increases. in fuel and generates almost no longer becomes the internal combustion engine soot is lower than the formation temperature of the gas temperature is soot surrounding the case, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the lean absorbing NO x contained in the exhaust gas the the NO x absorbent when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing vital emits NO x absorbed and becomes the stoichiometric air-fuel ratio or rich is arranged in the engine exhaust passage, from the inert gas where the amount of production of soot peaks Also, the first combustion in which the amount of inert gas supplied into the combustion chamber is large and soot is hardly generated, and the amount of inert gas supplied into the combustion chamber is smaller than the amount of inert gas at which the amount of generated soot peaks. Second Comprising a switching means for switching the baked selectively, by consuming oxygen in the exhaust gas flowing into the the NO x absorbent to when releasing the NO x from the NO x absorbent from the the NO x absorbent internal combustion engine, characterized in that a oxygen consumption means for reducing the reducing agent consumption during the NO x releasing. 燃焼室から排出された排気ガスを機関吸気通路内に再循環させる再循環装置を具備し、上記不活性ガスが再循環排気ガスからなる請求項1に記載の内燃機関。2. The internal combustion engine according to claim 1, further comprising a recirculation device for recirculating exhaust gas discharged from the combustion chamber into the engine intake passage, wherein the inert gas comprises recirculated exhaust gas. 排気ガス再循環率がほぼ55パーセント以上である請求項2に記載の内燃機関。3. The internal combustion engine of claim 2, wherein the exhaust gas recirculation rate is greater than or equal to approximately 55 percent. 前記酸素消費手段が酸化触媒、三元触媒又はNO吸収剤の少なくとも一つからなる請求項1に記載の内燃機関。The internal combustion engine of claim 1 wherein the oxygen consumption means comprising at least one oxidation catalyst, three-way catalyst or the NO x absorbent. 機関の運転領域を低負荷側の第1の運転領域と高負荷側の第2の運転領域に分割し、第1の運転領域では第1の燃焼を行い、第2の運転領域では第2の燃焼を行うようにした請求項1に記載の内燃機関。The operating region of the engine is divided into a first operating region on the low load side and a second operating region on the high load side, and a first combustion is performed in the first operating region, and a second combustion is performed in the second operating region. The internal combustion engine according to claim 1, wherein combustion is performed.
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