JP3551790B2 - Internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より内燃機関、例えばディーゼル機関においてはNOx の発生を抑制するために機関排気通路と機関吸気通路とを排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路により連結し、このEGR通路を介して排気ガス、即ちEGRガスを機関吸気通路内に再循環させるようにしている。この場合、EGRガスは比較的比熱が高く、従って多量の熱を吸収することができるので、EGRガス量を増大するほど、即ちEGR率(EGRガス量/(EGRガス量+吸入空気量))を増大するほど燃焼室内における燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下するとNOx の発生量が低下し、従ってEGR率を増大すればするほどNOx の発生量は低下することになる。
【0003】
このように従来よりEGR率を増大すればNOx の発生量を低下しうることはわかっている。しかしながらEGR率を増大させていくとEGR率が或る限度を越えたときに煤の発生量、即ちスモークが急激に増大し始める。この点に関し従来より、それ以上EGR率を増大すればスモークが限りなく増大していくものと考えられており、従ってスモークが急激に増大し始めるEGR率がEGR率の最大許容限界であると考えられている。
【0004】
従って従来よりEGR率はこの最大許容限界を越えない範囲内に定められている。このEGR率の最大許容限界は機関の形式や燃料によってかなり異なるがおおよそ30パーセントから50パーセントである。従って従来のディーゼル機関ではEGR率は最大でも30パーセントから50パーセント程度に抑えられている。
【0005】
このように従来ではEGR率に対して最大許容限界が存在すると考えられていたので従来よりEGR率はこの最大許容限界を越えない範囲内においてNOx およびスモークの発生量ができるだけ少なくなるように定められていた。しかしながらこのようにしてEGR率をNOx およびスモークの発生量ができるだけ少なくなるように定めてもNOx およびスモークの発生量の低下には限度があり、実際には依然としてかなりの量のNOx およびスモークが発生してしまうのが現状である。
【0006】
ところがディーゼル機関の燃焼の研究の過程においてEGR率を最大許容限界よりも大きくすれば上述の如くスモークが急激に増大するがこのスモークの発生量にはピークが存在し、このピークを越えてEGR率を更に大きくすると今度はスモークが急激に減少しはじめ、アイドリング運転時においてEGR率を70パーセント以上にすると、またEGRガスを強力に冷却した場合にはEGR率をほぼ55パーセント以上にするとスモークがほとんど零になる。即ち煤がほとんど発生しないことが見い出されたのである。また、このときにはNOx の発生量が極めて少量となることも判明している。この後この知見に基づいて煤が発生しない理由について検討が進められ、その結果これまでにない煤およびNOx の同時低減が可能な新たな燃焼システムが構築されるに至ったのである。この新たな燃焼システムについては後に詳細に説明するが簡単に言うと炭化水素が煤に成長するまでの途中の段階において炭化水素の成長を停止させることを基本としている。
【0007】
即ち、実験研究を重ねた結果判明したことは燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以下のときには炭化水素の成長が煤に至る前の途中の段階で停止し、燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以上になると炭化水素は一気に煤まで成長してしまうということである。この場合、燃料およびその周囲のガス温度は燃料が燃焼した際の燃料周りのガスの吸熱作用が大きく影響しており、燃料燃焼時の発熱量に応じて燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって燃料およびその周囲のガス温度を制御することができる。
【0008】
従って、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制すれば煤が発生しなくなり、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制することは燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって可能となる。一方、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化水素は酸化触媒等を用いた後処理によって容易に浄化することができる。これが新たな燃焼システムの基本的な考え方である。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NOx 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NOx 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NOx を放出するNOx 吸収剤を機関排気通路に配置し、NOx 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NOx 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、NOx 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比をリッチとし、NOx 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】
ところでNOx 吸収剤が吸収したNOx 吸収量を推定するためにNOx 吸収剤のNOx 吸収量を表すNOx 吸収量カウンタを設け、機関がリーン空燃比で運転されているときには、一定時間毎に上記NOx 吸収量カウンタに機関運転状態に応じて決定される所定の加算量を加算し、機関がリッチ又は理論空燃比で運転されているときには、運転時間に応じて上記NOx 吸収量カウンタの値を減少させるようにした内燃機関が知られている。
【0013】
即ち、機関運転中には機関から負荷、回転数等の機関運転条件に応じた量のNOx が発生するが、機関がリーン空燃比で運転されている場合(即ち、NOx 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリーンである場合)には、発生したNOx 量のうち一定の割合がNOx 吸収剤に吸収されるため、NOx 吸収剤中に吸収されたNOx の量は機関のNOx 発生量に応じて増大する。また、機関がリッチ又は理論空燃比で運転されている場合には、NOx 吸収剤からNOx が放出されるため、NOx 吸収剤中に吸収されているNOx の量は機関がリッチ又は理論空燃比で運転されている時間に応じて減少する。この内燃機関では、機運運転空燃比がリーン空燃比のときに一定時間毎に所定量ずつ加算され、機関運転空燃比がリッチ又は理論空燃比のときに運転時間に応じて所定量が減算されるNOx 吸収量カウンタを設けることによりNOx 吸収剤のNOx 吸収量を推定している。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の装置のように機関がリッチ又は理論空燃比で運転されている場合に運転時間にのみ基づいてNOx 吸収剤の吸収量カウンタの値を減少させていると、実際にNOx 吸収剤に吸収されているNOx 量とNOx 吸収量カウンタの値との間に誤差を生じる問題がある。
【0015】
即ち単位時間当たりにNOx 吸収剤から放出されるNOx の量(NOx 放出速度)は常に一定ではなく、後述するようにNOx 吸収剤の温度や排気ガス中に含まれる未燃HC,CO等の成分の量に応じて変化する。このため、上述の装置のようにリッチ又は理論空燃比の運転時間のみに基づいて(即ち、NOx 吸収剤からのNOx 放出速度を一定と仮定して)NOx 吸収量カウンタの値を減少させていると、機関運転状態やNOx 吸収剤温度によってはカウンタの減少量と実際にNOx 吸収剤から放出されたNOx の量との間に大きな誤差を生じてしまう場合がある。
【0016】
上記内燃機関では、NOx 吸収量カウンタの値を用いてNOx 吸収剤に吸収されたNOx の量を判断し、リーン空燃比運転時にNOx 吸収量が増大して所定値を越えた場合には強制的に機関の空燃比をリッチ空燃比に切り換えることにより、NOx 吸収剤からNOx を放出させている。従って現実にNOx 吸収剤中に吸収されているNOx 量とNOx 吸収量カウンタの値との間に誤差が生じると、実際にはNOx 吸収剤のNOx 吸収量が少なく、NOx を放出させる必要がないにもかかわらずNOx 吸収量カウンタの値が所定値を越えたためにリッチ空燃比運転への切換が行われて燃費が悪化したり、逆に実際にはNOx 吸収剤のNOx 吸収量が増加してNOx を放出させる必要があるにもかかわらず、NOx 吸収量カウンタの値が所定値を越えないためにNOx を放出させず、NOx 吸収剤の吸収能力が低下して排気ガス中のNOx を吸収できなくなる等の問題を生じるおそれがある。
【0017】
本発明の目的はNOx 吸収剤中に吸収されているNOx の量を正確に推定することにある。
【0018】
【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NOx 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NOx を放出するNOx 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と、前記内燃機関がリーン空燃比で運転されているときに、機関運転状態に応じて決定される所定の加算量を一定時間毎に前記NOx 吸収剤のNOx 吸収量を表すNOx 吸収量カウンタに加算し、前記内燃機関がリッチまたは理論空燃比で運転されているときに、所定の減算量を一定時間毎に前記NOx 吸収量カウンタから減算することにより、前記NOx 吸収剤のNOx 吸収量を推定するNO x 吸収量推定手段と、前記内燃機関がリッチまたは理論空燃比で運転されているときにNOx 吸収剤から放出されるNOx の量を推定するNOx 放出量推定手段と、前記内燃機関がリッチまたは理論空燃比で運転されているときに前記NOx 放出量に基づいてNOx 吸収量カウンタの前記減算量を決定する減算量決定手段とを備える。即ち実際にNOx 吸収剤から放出されたNOx の量に対応してNOx 吸収量カウンタが減算せしめられる。
【0019】
2番目の発明によれば1番目の発明において前記NOx 放出量推定手段が前記機関がリッチまたは理論空燃比で運転されているときにNOx 吸収剤に供給された燃料の量に基づいてNOx 放出量を推定する。
3番目の発明によれば1番目の発明において前記NOx 放出量推定手段がNOx 吸収剤の温度に基づいてNOx 放出量を推定する。
【0020】
4番目の発明によれば1番目の発明において前記NOx 放出量推定手段がNOx 吸収剤の劣化度合いに基づいてNOx 放出量を推定する。
5番目の発明によれば1番目の発明において前記NOx 放出量推定手段がNOx 吸収剤に流入する排気ガスの量に基づいてNOx 放出量を推定する。
6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。
【0021】
7番目の発明によれば6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。
8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。
【0022】
【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。
【0023】
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。
【0024】
一方、燃料噴射弁6は燃料供給管33を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール34に連結される。このコモンレール34内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ35から燃料が供給され、コモンレール34内に供給された燃料は各燃料供給管33を介して燃料噴射弁6に供給される。コモンレール34にはコモンレール34内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ36が取付けられ、燃料圧センサ36の出力信号に基づいてコモンレール34内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ35の吐出量が制御される。
【0025】
電子制御ユニット40はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス41によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)42、RAM(ランダムアクセスメモリ)43、CPU(マイクロプロセッサ)44、入力ポート45および出力ポート46を具備する。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。
【0026】
図2は機関低負荷運転時にスロットル弁20の開度およびEGR率を変化させることにより空燃比A/F(図2の横軸)を変化させたときの出力トルクの変化、およびスモーク、HC,CO,NOx の排出量の変化を示す実験例を表している。図2からわかるようにこの実験例では空燃比A/Fが小さくなるほどEGR率が大きくなり、理論空燃比(≒14.6)以下のときにはEGR率は65パーセント以上となっている。
【0027】
図2に示されるようにEGR率を増大することにより空燃比A/Fを小さくしていくとEGR率が40パーセント付近となり空燃比A/Fが30程度になったときにスモークの発生量が増大を開始する。次いで、更にEGR率を高め、空燃比A/Fを小さくするとスモークの発生量が急激に増大してピークに達する。次いで更にEGR率を高め、空燃比A/Fを小さくすると今度はスモークが急激に低下し、EGR率を65パーセント以上とし、空燃比A/Fが15.0付近になるとスモークがほぼ零となる。即ち、煤がほとんど発生しなくなる。このとき機関の出力トルクは若干低下し、またNOx の発生量がかなり低くなる。一方、このときHC,COの発生量は増大し始める。
【0028】
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。
【0029】
図2および図3に示される実験結果から次のことが言える。即ち、まず第1に空燃比A/Fが15.0以下でスモークの発生量がほぼ零のときには図2に示されるようにNOx の発生量がかなり低下する。NOx の発生量が低下したということは燃焼室5内の燃焼温度が低下していることを意味しており、従って煤がほとんど発生しないときには燃焼室5内の燃焼温度が低くなっていると言える。同じことが図3からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図3(B)に示す状態では燃焼圧が低くなっており、従ってこのとき燃焼室5内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【0030】
第2にスモークの発生量、即ち煤の発生量がほぼ零になると図2に示されるようにHCおよびCOの排出量が増大する。このことは炭化水素が煤まで成長せずに排出されることを意味している。即ち、燃料中に含まれる図4に示されるような直鎖状炭化水素や芳香族炭化水素は酸素不足の状態で温度上昇せしめられると熱分解して煤の前駆体が形成され、次いで主に炭素原子が集合した固体からなる煤が生成される。この場合、実際の煤の生成過程は複雑であり、煤の前駆体がどのような形態をとるかは明確ではないがいずれにしても図4に示されるような炭化水素は煤の前駆体を経て煤まで成長することになる。従って、上述したように煤の発生量がほぼ零になると図2に示される如くHCおよびCOの排出量が増大するがこのときのHCは煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素である。
【0031】
図2および図3に示される実験結果に基づくこれらの考察をまとめると燃焼室5内の燃焼温度が低いときには煤の発生量がほぼ零になり、このとき煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素が燃焼室5から排出されることになる。このことについて更に詳細に実験研究を重ねた結果、燃焼室5内における燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以下である場合には煤の成長過程が途中で停止してしまい、即ち煤が全く発生せず、燃焼室5内における燃料およびその周囲の温度が或る温度以上になると煤が生成されることが判明したのである。
【0032】
ところで煤の前駆体の状態で炭化水素の生成過程が停止するときの燃料およびその周囲の温度、即ち上述の或る温度は燃料の種類や空燃比の圧縮比等の種々の要因によって変化するので何度であるかということは言えないがこの或る温度はNOx の発生量と深い関係を有しており、従ってこの或る温度はNOx の発生量から或る程度規定することができる。即ち、EGR率が増大するほど燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度は低下し、NOx の発生量が低下する。このときNOx の発生量が10p.p.m 前後又はそれ以下になったときに煤がほとんど発生しなくなる。従って上述の或る温度はNOx の発生量が10p.p.m 前後又はそれ以下になったときの温度にほぼ一致する。
【0033】
一旦、煤が生成されるとこの煤は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって浄化することはできない。これに対して煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって容易に浄化することができる。このように酸化機能を有する触媒による後処理を考えると炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態で燃焼室5から排出させるか、或いは煤の形で燃焼室5から排出させるかについては極めて大きな差がある。本発明において採用されている新たな燃焼システムは燃焼室5内において煤を生成させることなく炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態の形でもって燃焼室5から排出させ、この炭化水素を酸化機能を有する触媒により酸化せしめることを核としている。
【0034】
さて、煤が生成される前の状態で炭化水素の成長を停止させるには燃焼室5内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制する必要がある。この場合、燃料およびその周囲のガス温度を抑制するには燃料が燃焼した際の燃料周りのガスの吸熱作用が極めて大きく影響することが判明している。
【0035】
即ち、燃料周りに空気しか存在しないと蒸発した燃料はただちに空気中の酸素と反応して燃焼する。この場合、燃料から離れている空気の温度はさほど上昇せず、燃料周りの温度のみが局所的に極めて高くなる。即ち、このときには燃料から離れている空気は燃料の燃焼熱の吸熱作用をほとんど行わない。この場合には燃焼温度が局所的に極めて高くなるために、この燃焼熱を受けた未燃炭化水素は煤を生成することになる。
【0036】
一方、多量の不活性ガスと少量の空気の混合ガス中に燃料が存在する場合には若干状況が異なる。この場合には蒸発燃料は周囲に拡散して不活性ガス中に混在する酸素と反応し、燃焼することになる。この場合には燃焼熱は周りの不活性ガスに吸収されるために燃焼温度はさほど上昇しなくなる。即ち、燃焼温度を低く抑えることができることになる。即ち、燃焼温度を抑制するには不活性ガスの存在が重要な役割を果しており、不活性ガスの吸熱作用によって燃焼温度を低く抑えることができることになる。
【0037】
この場合、燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制するにはそうするのに十分な熱量を吸収しうるだけの不活性ガス量が必要となる。従って燃料量が増大すれば必要となる不活性ガス量はそれに伴なって増大することになる。なお、この場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用が強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが好ましいことになる。この点、CO2 やEGRガスは比較的比熱が大きいので不活性ガスとしてEGRガスを用いることは好ましいと言える。
【0038】
図5は不活性ガスとしてEGRガスを用い、EGRガスの冷却度合を変えたときのEGR率とスモークとの関係を示している。即ち、図5において曲線AはEGRガスを強力に冷却してEGRガス温をほぼ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。
【0039】
図5の曲線Aで示されるようにEGRガスを強力に冷却した場合にはEGR率が50パーセントよりも少し低いところで煤の発生量がピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ55パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。一方、図5の曲線Bで示されるようにEGRガスを少し冷却した場合にはEGR率が50パーセントよりも少し高いところで煤の発生量がピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ65パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。
【0040】
また、図5の曲線Cで示されるように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。このように煤がほとんど発生しなくなるEGR率の下限はEGRガスの冷却度合や機関負荷に応じて変化する。
【0041】
図6は不活性ガスとしてEGRガスを用いた場合において燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要なEGRガスと空気の混合ガス量、およびこの混合ガス中の空気の割合、およびこの混合ガス中のEGRガスの割合を示している。なお、図6において縦軸は燃焼室5内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Yは過給が行われないときに燃焼室5内に吸入しうる全吸入ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示している。
【0042】
図6を参照すると空気の割合、即ち混合ガス中の空気量は噴射された燃料を完全に燃焼せしめるのに必要な空気量を示している。即ち、図6に示される場合では空気量と噴射燃料量との比は理論空燃比となっている。一方、図6においてEGRガスの割合、即ち混合ガス中のEGRガス量は噴射燃料が燃焼せしめられたときに燃料およびその周囲のガス温度を煤が形成される温度よりも低い温度にするのに必要最低限のEGRガス量を示している。このEGRガス量はEGR率で表すとほぼ55パーセント以上であり、図6に示す実施例では70パーセント以上である。即ち、燃焼室5内に吸入された全吸入ガス量を図6において実線Xとし、この全吸入ガス量Xのうちの空気量とEGRガス量との割合を図6に示すような割合にすると燃料およびその周囲のガス温度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯くして煤が全く発生しなくなる。また、このときのNOx 発生量は10p.p.m 前後、又はそれ以下であり、従ってNOx の発生量は極めて少量となる。
【0043】
燃料噴射量が増大すれば燃料が燃焼した際の発熱量が増大するので燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持するためにはEGRガスによる熱の吸収量を増大しなければならない。従って図6に示されるようにEGRガス量は噴射燃料量が増大するにつれて増大せしめなければならない。即ち、EGRガス量は要求負荷が高くなるにつれて増大する必要がある。
【0044】
ところで過給が行われていない場合には燃焼室5内に吸入される全吸入ガス量Xの上限はYであり、従って図6において要求負荷がLo よりも大きい領域では要求負荷が大きくなるにつれてEGRガス割合を低下させない限り空燃比を理論空燃比に維持することができない。云い換えると過給が行われていない場合に要求負荷がLo よりも大きい領域において空燃比を理論空燃比に維持しようとした場合には要求負荷が高くなるにつれてEGR率が低下し、斯くして要求負荷がLo よりも大きい領域では燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持しえなくなる。
【0045】
ところが図1に示されるようにEGR通路29を介して過給機の入口側即ち排気ターボチャージャ15の空気吸込管17内にEGRガスを再循環させると要求負荷がLo よりも大きい領域においてEGR率を55パーセント以上、例えば70パーセントに維持することができ、斯くして燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持することができる。即ち、空気吸込管17内におけるEGR率が例えば70パーセントになるようにEGRガスを再循環させれば排気ターボチャージャ15のコンプレッサ16により昇圧された吸入ガスのEGR率も70パーセントとなり、斯くしてコンプレッサ16により昇圧しうる限度まで燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持することができる。従って、低温燃焼を生じさせることのできる機関の運転領域を拡大することができることになる。要求負荷がLo よりも大きい領域でEGR率を55パーセント以上にする際にはEGR制御弁31が全開せしめられ、スロットル弁20が若干閉弁せしめられる。
【0046】
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NOx の発生量を10p.p.m 前後又はそれ以下にすることができ、また空気量を図6に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を17から18のリーンにしても煤の発生を阻止しつつNOx の発生量を10p.p.m 前後又はそれ以下にすることができる。
【0047】
即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くして煤が生成されることがない。また、このときNOx も極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが本発明では燃焼温度が低い温度に抑制されているので煤は全く生成されない。更に、NOx も極めて少量しか発生しない。
【0048】
このように、低温燃焼が行われているときには空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろうと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーンであろうと煤が発生されず、NOx の発生量が極めて少量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこのとき平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
【0049】
ところで燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制しうるのは燃焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限られる。従って本発明による実施例では機関中低負荷運転時には燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制して第1の燃焼、即ち低温燃焼を行うようにし、機関高負荷運転時には第2の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにしている。なお、ここで第1の燃焼、即ち低温燃焼とはこれまでの説明から明らかなように煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない燃焼のことを言い、第2の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない燃焼のことを言う。
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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NOx 吸収剤25により良好に酸化せしめられる。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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
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、図1においてケーシング26内にはNOx 吸収剤25が配置されている。NOx 吸収剤25は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCsのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土類、ランタンLa、イットリウムYのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、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NOx 吸収剤25上流の排気通路内に供給された空気および燃料(炭化水素)の比をNOx 吸収剤25への流入排気ガスの空燃比と称するとこのNOx 吸収剤25は流入排気ガスの空燃比がリーンのときにはNOx を吸収し、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したNOx を放出するNOx の吸放出作用を行う。
【0063】
このNOx 吸収剤25を機関排気通路内に配置すればNOx 吸収剤25は実際にNOx の吸放出作用を行うがこの吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放出作用は図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。
【0064】
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O2 がO2 − 又はO2−の形で白金Ptの表面に付着する。一方、流入排気ガス中のNOは白金Ptの表面上でO2 − 又はO2−と反応し、NO2 となる(2NO+O2 →2NO2 )。次いで生成されたNO2 の一部は白金Pt上で酸化されつつNOx 吸収剤25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NO3 − の形でNOx 吸収剤25内に拡散する。このようにしてNOx がNOx 吸収剤25内に吸収される。流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ptの表面でNO2 が生成され、吸収剤のNOx 吸収能力が飽和しない限りNO2 が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンNO3 − が生成される。
【0065】
一方、流入排気ガスの空燃比がリッチにされると流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、その結果白金Ptの表面でのNO2 の生成量が低下する。NO2 の生成量が低下すると反応が逆方向(NO3 − →NO2 )に進み、斯くしてNOx 吸収剤25内の硝酸イオンNO3 − がNO2 の形でNOx 吸収剤25から放出される。このときNOx 吸収剤25から放出されたNOx は図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NO2 が存在しなくなるとNOx 吸収剤25から次から次へとNO2 が放出される。従って流入排気ガスの空燃比がリッチにされると短時間のうちにNOx 吸収剤25からNOx が放出され、しかもこの放出されたNOx が還元されるために大気中にNOx が排出されることはない。
【0066】
なお、この場合、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にしてもNOx 吸収剤25からNOx が放出される。しかしながら流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にした場合にはNOx 吸収剤25からNOx が徐々にしか放出されないためにNOx 吸収剤25に吸収されている全NOx を放出させるには若干長い時間を要する。
【0067】
上述したようにNOx 吸収剤25は白金Ptのような貴金属を含んでおり、従ってNOx 吸収剤25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NOx 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NOx 吸収剤25により良好に酸化せしめられることになる。
【0068】
ところでNOx 吸収剤25のNOx 吸収能力には限界があり、NOx 吸収剤25のNOx 吸収能力が飽和する前にNOx 吸収剤25からNOx を放出させる必要がある。そのためにはNOx 吸収剤25に吸収されているNOx 量を推定する必要がある。そこで本発明による実施例では第1の燃焼が行われているときの単位時間当りのNOx 吸収量Aを要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図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NOx 吸収量Bを要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図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NOx 吸収量A,Bを積算することによってNOx 吸収剤25に吸収されているNOx 吸収量ΣNOXを推定するようにしている。
【0069】
本発明による実施例ではこのNOx 吸収量ΣNOXが予め定められた許容最大値を越えたときにNOx 吸収剤25からNOx を放出させるようにしている。次にこのことについて図18を参照しつつ説明する。
図18を参照すると本発明による実施例では二つの許容最大値、即ち許容最大値MAX1と許容最大値MAX2とが設定されている。許容最大値MAX1はNOx 吸収剤25が吸収しうる最大NOx 吸収量の30パーセント程度とされており、許容最大値MAX2はNOx 吸収剤25が吸収しうる最大吸収量の80パーセント程度とされている。第1の燃焼が行われているときにNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたときにはNOx 吸収剤25からNOx を放出すべく空燃比がリッチとされ、第2の燃焼が行われているときにNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたときには第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときにNOx 吸収剤25からNOx を放出すべく空燃比がリッチとされ、第2の燃焼が行われているときにNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX2を越えたときにはNOx 吸収剤25からNOx を放出すべく膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料が噴射される。
【0070】
即ち、図18において期間Xは要求負荷Lが第1の境界X(N)よりも低く、第1の燃焼が行われている場合を示しており、このとき空燃比は理論空燃比よりもわずかばかりリーンなリーン空燃比となっている。第1の燃焼が行われているときにはNOx の発生量が極めて少く、従ってこのときには図18に示されるようにNOx 吸収量ΣNOXは極めてゆっくりと上昇する。第1の燃焼が行われているときにNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えると空燃比A/Fは一時的にリッチとされ、それによってNOx 吸収剤25からNOx が放出される。このときNOx 吸収量ΣNOXは後に詳述するように徐々に減少せしめられる。
【0071】
前述したように第1の燃焼が行われているときには空燃比がリーンであろうと、理論空燃比であろうと、リッチであろうと煤は発生せず、従って第1の燃焼が行われているときにNOx 吸収剤25からNOx を放出すべく空燃比A/Fがリッチとされてもこのとき煤が発生することはない。
次いで時刻t1 において要求負荷Lが第1の境界X(N)を越えると第1の燃焼から第2の燃焼に切換えられる。図18に示されるように第2の燃焼が行われているときには空燃比A/Fはかなりリーンとなる。第2の燃焼が行われているときには第1の燃焼が行われている場合に比べてNOx の発生量が多く、従って第2の燃焼が行われているときにはNOx 量ΣNOXは比較的急速に上昇する。
【0072】
第2の燃焼が行われているときに空燃比A/Fをリッチにすると多量の煤が発生し、従って第2の燃焼が行われているときに空燃比A/Fをリッチにすることはできない。従って図18に示されるように第2の燃焼が行われているときにNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたとしてもNOx 吸収剤25からNOx を放出すべく空燃比A/Fがリッチとされない。この場合には図18の時刻t2 におけるように要求負荷Lが第2の境界Y(N)よりも低くなって第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときにNOx 吸収剤25からNOx を放出すべく空燃比A/Fが一時的にリッチにされ、それによってNOx 吸収剤25からNOx が放出される。このときNOx 吸収量ΣNOXは後に詳述するように徐々に減少せしめられる。
【0073】
次いで図18の時刻t3 において第1の燃焼から第2の燃焼に切換えられ、暫らくの間第2の燃焼が継続したとする。このときNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越える。
次いで要求負荷Lが増大するにつれて空燃比A/Fが小さくなり、図18の時刻t4 において空燃比A/Fがリッチとなる。このときNOx 吸収剤25からNOx が放出され、NOx 吸収量ΣNOXが後に詳述するように徐々に減少せしめられる。
【0074】
次いで図18の時刻t5 において空燃比A/Fがリーンとなり、暫らくの間第2の燃焼が継続し、次いで時刻t6 において許容最大値MAX2を越えたとするとこのときにはNOx 吸収剤25からNOx を放出すべく膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料が噴射され、NOx 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比がリッチとされる。このときNOx 吸収剤25からNOx が放出され、NOx 吸収量ΣNOXが後に詳述するように徐々に減少せしめられる。
【0075】
膨張行程の後半又は排気行程中に噴射される追加の燃料は機関出力の発生には寄与せず、従って追加の燃料を噴射する機会はできるだけ少くすることが好ましい。従って第2の燃焼が行われたときにNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたときには第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときに空燃比A/Fを一時的にリッチにし、NOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX2を越えた特別の場合に限って追加の燃料を噴射するようにしている。
【0076】
ところで空燃比A/Fがリッチとなったとき及びリッチとされたときに排気ガスとともにNOx 吸収剤25に流入するHC,CO成分の量は、機関に供給された燃料の量から、機関を理論空燃比で運転するのに必要とされる燃料の量を引いた燃料量、即ち過剰燃料量に比例して増大する。このため、単位時間にNOx 吸収剤25から放出されるNOx 量(NOx 放出速度)は、この単位時間に機関に供給された過剰燃料量に応じて増大する。
【0077】
また膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料が噴射されたときに排気ガスとともにNOx 吸収剤25に流入するHC成分の量は、供給された燃料の量、即ち過剰燃料量に比例して増大する。このためNOx 放出速度は、この過剰燃料量に応じて増大する。
またNOx 吸収剤25に排気ガス中に含まれる硫黄成分が付着することによりNOx 吸収剤25は劣化する。このためNOx 吸収剤25が単位時間に放出できるNOx の量が少なくなる。即ちNOx 放出速度はこのNOx 吸収剤25の劣化の度合いに応じて低下する。
【0078】
さらにNOx 吸収剤からのNOx 放出速度はNOx 吸収剤の温度による影響を受け、NOx 吸収剤温度によりNOx 放出速度の最大値がほぼ定まる。即ち充分な過剰燃料の存在下ではNOx 放出速度はNOx 吸収剤の温度が高くなるほど増大する傾向を示す。このように温度上昇とともにNOx 放出速度が増大するのは、NOx 吸収剤の温度が高くなると吸収剤中のBaOと結合した硝酸イオンが分離し易くなるためと考えられる。従って過剰燃料量が多くてもNOx 吸収剤の温度が低ければNOx 放出速度は小さくなる。
【0079】
さらにNOx 放出速度は単位時間にNOx 吸収剤に流入する排気ガスの量(以下、流入排気ガス量と称す)に影響される。即ちNOx 放出速度は流入排気ガス量が多いほど低下する。これは流入排気ガス量が多いほどNOx 吸収剤を通過する排気ガスの速度が早く、排気ガス中の燃料がNOx 放出作用に寄与するのに十分な時間が確保できないからである。
【0080】
次に本実施例におけるNOx 吸収剤からのNOx 放出速度の推定について詳細に説明する。
前述のようにNOx 吸収剤からのNOx 放出速度を正確に決定するためには過剰燃料量とNOx 吸収剤の劣化度合いとNOx 吸収剤の温度と流入排気ガス量とを知る必要がある。
【0081】
図19は過剰燃料量EFとNOx 放出速度Vとの関係の一例を示しており、NOx 放出速度Vは過剰燃料量EFが増大するのに略比例して増大する。また図20はNOx 吸収剤温度TとNOx 放出速度Vとの関係の一例を示しており、NOx 放出速度VはNOx 吸収剤温度Tが増大すると増大する。本実施例では過剰燃料量EFとNOx 吸収剤温度Tとに対応する基本NOx 放出速度VBが図21に示すように過剰燃料量EFとNOx 吸収剤温度Tとの関数としてマップの形で予めROM42内に記憶されている。
【0082】
さらに図22はNOx 吸収剤の劣化度合いDとNOx 放出速度Vとの関係の一例を示しており、NOx 放出速度Vは劣化度合いDが増大すると低下する。また図23は単位時間にNOx 吸収剤に流入する排気ガスの量AEとNOx 放出速度Vとの関係の一例を示しており、NOx 放出速度Vは流入排気ガス量AEが増大すると低下する。本実施例では劣化度合いDと流入排気ガス量AEとに対応するNOx 放出速度補正係数K1が図24に示すように劣化度合いDと流入排気ガス量AEとの関数としてマップの形で予めROM42内に記憶されている。
【0083】
本実施例ではNOx 吸収剤からNOx が放出されたときにNOx 吸収量ΣNOXを減少すべき量Cを上述のようにして算出される基本NOx 放出速度VBとNOx 放出速度補正係数K1とを用いて式C=CB×VB×K1に従って算出する。ここでCBは基本となる減少量である。
なお本実施例では空燃比A/Fがリッチ又は理論空燃比とされたとき又はなったときの過剰燃料量は空燃比と吸入空気量とにより算出される。また膨張行程後半又は排気行程中に追加の燃料が噴射されたときの過剰燃料量は単位時間に燃焼室内に噴射された追加の燃料の量に等しい。またNOx 吸収剤温度はNOx 吸収剤25の下流側排気通路に設けた排気温度センサ53により検出された温度に基づいて算出される。排気温度センサ53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。
【0084】
またNOx 吸収剤の劣化の度合いは内燃機関の総運転時間に基づいて算出され、総運転時間が長いほど劣化度合いは大きくなる。さらに流入排気ガス量は吸気管に設けられた質量流量検出器により検出された質量流量に基づいて算出される。
図25はNOx 吸収剤25からNOx を放出すべきときにセットされるNOx 放出フラグの処理ルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
【0085】
図25を参照するとまず初めにステップ100において機関の運転領域が第1の運転領域Iであることを示すフラグIがセットされているか否かが判別される。フラグIがセットされているとき、即ち機関の運転領域が第1の運転領域Iであるときにはステップ101に進んで図16(A)に示すマップから単位時間当りのNOx 吸収量Aが算出される。次いでステップ102ではNOx 吸収量ΣNOXにAが加算される。次いでステップ103ではNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたか否かが判別される。ΣNOX>MAX1になるとステップ104に進み、第1の燃焼が行われているときにNOx を放出すべきことを示すNOx 放出フラグ1がセットされる。
【0086】
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107に進んで図16(B)に示すマップから単位時間当りのNOx 吸収量Bが算出される。次いでステップ108ではNOx 吸収量ΣNOXにBが加算される。次いでステップ103ではNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたか否かが判別される。ΣNOX>MAX1になるとステップ104に進み、第1の燃焼が行われているときにNOx を放出すべきことを示すNOx 放出フラグ1がセットされる。即ちこの場合には第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときにNOx が放出される。
【0087】
ステップ105では、NOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX2を越えたか否かが判別される。ΣNOX>MAX2になるとステップ106に進み、膨張行程の後半又は排気行程中にNOx を放出すべきことを示すNOx 放出フラグ2がセットされる。
次に図26および図27を参照しつつ運転制御について説明する。
【0088】
図26を参照すると、先ず初めにステップ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。
【0089】
即ち、ステップ203では図12(A)に示すマップからスロットル弁20の目標開度STが算出され、スロットル弁20の開度がこの目標開度STとされる。次いでステップ204では図12(B)に示すマップからEGR制御弁31の目標開度SEが算出され、EGR制御弁31の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ205ではNOx 放出フラグ1がセットされているか否かが判別される。NOx 放出フラグ1がセットされていないときにはステップ206に進んで図11に示される空燃比となるように燃料噴射が行われる。このときリーン空燃比のもとで低温燃焼が行われる。
【0090】
一方、ステップ205においてNOx 放出フラグ1がセットされていると判別されたときにはステップ207に進んで噴射制御Iが行われる。即ち空燃比がリッチ又は理論空燃比とされる。
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212に進んで第2の燃焼が行われる。
【0091】
即ち、ステップ212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213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214ではNOx 放出フラグ2がセットされているか否かが判別される。NOx 放出フラグ2がセットされていないときにはステップ215に進んで図13に示される空燃比となるように燃料噴射が行われる。このときリーン空燃比のもとで第2の燃焼が行われる。
【0092】
一方、ステップ214においてNOx 放出フラグ2がセットされていると判別されたときにはステップ214に進んで噴射制御IIが行われる。即ち膨張行程後半又は排気行程中に追加の燃料が噴射される。
次いで図27のステップ217では上述したように減算量Cが算出される。なお減算量Cは空燃比がリーンのときは零である。次いでステップ218においてNOx 吸収量ΣNOXから減算量Cが減算される。次いでステップ219ではNOx 吸収量ΣNOXが零以上か否かが判別される。ΣNOX≧0であるときにはそのまま処理が終了する。一方、ΣNOX<0であるときにはステップ220においてNOx 吸収量ΣNOXが零とされ、処理が終了する。
【0093】
【発明の効果】
1番目から8番目の発明によれば実際にNOx 吸収剤から放出されたNOx の量だけNOx 吸収量カウンタが減算されるので、NOx 吸収剤中に吸収されているNOx の量が正確に推定される。
【図面の簡単な説明】
【図1】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図2】スモークおよびNOx の発生量等を示す図である。
【図3】燃焼圧を示す図である。
【図4】燃料分子を示す図である。
【図5】スモークの発生量とEGR率との関係を示す図である。
【図6】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図7】第1の運転領域Iおよび第2の運転領域IIを示す図である。
【図8】空燃比センサの出力を示す図である。
【図9】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図10】第1の運転領域Iにおける空燃比等を示す図である。
【図11】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図12】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II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】NOx 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NOx 吸収量のマップを示す図である。
【図18】NOx 放出制御を説明するための図である。
【図19】過剰燃料量とNOx 放出速度との関係を示す図である。
【図20】NOx 吸収剤温度とNOx 放出速度との関係を示す図である。
【図21】基本NOx 放出速度のマップを示す図である。
【図22】劣化度合いとNOx 放出速度との関係を示す図である。
【図23】流入排気ガス量とNOx 放出速度との関係を示す図である。
【図24】NOx 放出速度補正係数のマップを示す図である。
【図25】NOx 放出フラグを処理するためのフローチャートである。
【図26】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図27】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【符号の説明】
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]
By the way, NOxNO absorbed by the absorbentxNO to estimate absorptionxAbsorbent NOxNO indicating absorption amountxAn absorption amount counter is provided, and when the engine is operated at a lean air-fuel ratio, the NOxA predetermined addition amount determined according to the operating state of the engine is added to the absorption amount counter, and when the engine is operated at a rich or stoichiometric air-fuel ratio, the above NO is determined according to the operating time.xThere is known an internal combustion engine configured to decrease the value of an absorption counter.
[0013]
That is, during the operation of the engine, the amount of NO from the engine corresponding to the engine operating conditions such as the load and the number of revolutions is increased.xOccurs when the engine is operated at a lean air-fuel ratio (that is, NOxWhen the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent is lean), the generated NOxA certain percentage of the amount is NOxNO is absorbed by the absorbentxNO absorbed in the absorbentxIs the NO of the institutionxIt increases according to the amount of generation. When the engine is operated at a rich or stoichiometric air-fuel ratio, NOxNO from absorbentxIs released, so NOxNO absorbed in the absorbentxDecreases as the engine is operated at rich or stoichiometric. In this internal combustion engine, when the operating air-fuel ratio is a lean air-fuel ratio, a predetermined amount is added at regular intervals, and when the engine operating air-fuel ratio is a rich or stoichiometric air-fuel ratio, the predetermined amount is subtracted according to the operating time. NOxNO by providing an absorption counterxAbsorbent NOxThe amount of absorption is estimated.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the engine is operated at a rich or stoichiometric air-fuel ratio as in the above-described apparatus, the NOxIf the value of the absorption amount counter of the absorbent is decreased, NOxNO absorbed by absorbentxQuantity and NOxThere is a problem that an error occurs between the value of the absorption counter and the value of the absorption counter.
[0015]
That is, NO per unit timexNO released from absorbentxAmount (NOxRelease rate) is not always constant, and NOxIt changes according to the temperature of the absorbent and the amount of components such as unburned HC and CO contained in the exhaust gas. Therefore, based on only the operation time of the rich or stoichiometric air-fuel ratio as in the above-described apparatus (that is, NOxNO from absorbentxNO (assuming constant release rate)xIf the value of the absorption amount counter is decreased, the engine operation state or NOxDepending on the temperature of the absorbent, the amount of decrease in the counter and the actualxNO released from absorbentxA large error may occur with the amount of
[0016]
In the above internal combustion engine, NOxNO using the value of the absorption counterxNO absorbed by the absorbentxIs determined during lean air-fuel ratio operation.xWhen the amount of absorption increases and exceeds a predetermined value, the air-fuel ratio of the engine is forcibly switched to the rich air-fuel ratio, so that the NOxNO from absorbentxHas been released. Therefore, actually NOxNO absorbed in the absorbentxQuantity and NOxIf there is an error with the value of the absorption counter, NOxAbsorbent NOxLow absorption, NOxNO despite no need to releasexSince the value of the absorption amount counter has exceeded the predetermined value, switching to the rich air-fuel ratio operation is performed to deteriorate the fuel efficiency, or conversely, NOxAbsorbent NOxAbsorption increases and NOxDespite the need to release NOxNO because the value of the absorption counter does not exceed the predetermined valuexWithout releasing NOxNO in the exhaust gasxThis may cause problems such as the inability to absorb the water.
[0017]
The object of the present invention is NOxNO absorbed in the absorbentxIs to accurately estimate the amount of
[0018]
[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 gasx And the NO absorbed when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas becomes stoichiometric or rich.x Releases NOx The first combustion in which 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 is 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 the internal combustion engine is operated at a lean air-fuel ratio. When the predetermined addition amount determined according to the engine operating state isx Absorbent NOx NO indicating absorption amountx When the internal combustion engine is operated at a rich or stoichiometric air-fuel ratio, a predetermined subtraction amount is added to the absorption amount counter at regular time intervals.x By subtracting from the absorption amount counter, the NOx Absorbent NOx Estimate absorptionNO x Absorption amount estimating means; and NO when the internal combustion engine is operated at a rich or stoichiometric air-fuel ratio.x NO released from absorbentx NO to estimate the amount ofx Means for estimating the amount of emission; andx NO based on releasex A subtraction amount determining means for determining the subtraction amount of the absorption amount counter. That is, actually NOx NO released from absorbentx NO corresponding to the amount ofx The absorption counter is decremented.
[0019]
According to the second invention, the NO in the first inventionxWhen the emission amount estimating means determines that the engine is operating at a rich or stoichiometric air-fuel ratio,xNO based on the amount of fuel supplied to the absorbentxEstimate the release.
According to a third aspect, in the first aspect, the NOxNOxNO based on the temperature of the absorbentxEstimate the release.
[0020]
According to a fourth aspect, in the first aspect, the NOxNOxNO based on the degree of deterioration of the absorbentxEstimate the release.
According to a fifth aspect, in the first aspect, the NOxNOxNO based on the amount of exhaust gas flowing into the absorbentxEstimate the release.
According to a sixth 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.
[0021]
According to a seventh aspect, in the sixth aspect, the exhaust gas recirculation rate is approximately 55% or more.
According to an eighth aspect, in the first aspect, the operating region of the engine is divided into a first operating region on a low load side and a second operating region on a high load side. Combustion is performed, and second combustion is performed in the second operation region.
[0022]
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
[0023]
On the other hand, the
The
[0024]
On the other hand, the
[0025]
The
[0026]
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
[0027]
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.
[0028]
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.
[0029]
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.
[0030]
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. .
[0031]
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.
[0032]
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.
[0033]
Once soot is produced, it cannot be purified by post-treatment using a catalyst having an oxidizing function. On the other hand, the soot precursor or the hydrocarbon in the state before the soot can be easily purified by a post-treatment using a catalyst having an oxidation function. Considering the post-treatment with the catalyst having the oxidation function as described above, it is extremely difficult to discharge hydrocarbons from the combustion chamber 5 in the state of the precursor of soot or in the state before the soot or in the form of soot from the combustion chamber 5. There is a big difference. The new combustion system employed in the present invention discharges hydrocarbons from the combustion chamber 5 in the form of a precursor or previous soot without producing soot in the combustion chamber 5 and removing the hydrocarbons. The core is to oxidize with a catalyst having an oxidation function.
[0034]
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.
[0035]
That is, if there is only air around the fuel, the evaporated fuel immediately reacts with oxygen in the air and burns. In this case, the temperature of the air separated from the fuel does not rise so much, and only the temperature around the fuel becomes extremely high locally. That is, at this time, the air separated from the fuel hardly absorbs the heat of combustion heat of the fuel. In this case, since the combustion temperature becomes extremely high locally, the unburned hydrocarbons that have received the heat of combustion will generate soot.
[0036]
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.
[0037]
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.
[0038]
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.
[0039]
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.
[0040]
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. As described above, the lower limit of the EGR rate at which almost no soot is generated varies depending on the degree of cooling of the EGR gas and the engine load.
[0041]
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.
[0042]
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.
[0043]
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.
[0044]
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. 6, in the region where the required load is larger than Lo, as the required load increases, Unless the EGR gas ratio is reduced, the air-fuel ratio cannot be maintained at the stoichiometric air-fuel ratio. In other words, when the supercharge is not performed, and when the required air-fuel ratio is maintained at the stoichiometric air-fuel ratio in a region where the required load is larger than Lo, the EGR rate decreases as the required load increases. In a region where the required load is larger than Lo, the temperature of the fuel and the surrounding gas cannot be maintained at a temperature lower than the temperature at which soot is generated.
[0045]
However, as shown in FIG. 1, when the EGR gas is recirculated through the
[0046]
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 ofx
[0047]
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.
[0048]
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.
[0049]
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
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
[0050]
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.
[0051]
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.
[0052]
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, the unburned hydrocarbon discharged from the combustion chamber 5 is NOxIt is oxidized well by the absorbent 25. FIG. 8 shows the output of the air-
[0053]
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
[0054]
In other words, in the first operating region I, the opening of the
[0055]
At the time of idling operation, the
[0056]
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
[0057]
In the second operation region II, the conventional combustion is performed. In the second operation region II, the
[0058]
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.
[0059]
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. .
[0060]
The target air-fuel ratio A / F shown in FIG. 10A is stored in advance in the
[0061]
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
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-
[0062]
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
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.
[0063]
This NOxIf the absorbent 25 is arranged in the engine exhaust passage, NOx
[0064]
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
[0065]
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 NOxNitrate ion NO in absorbent 253 −Is NO2NO in the form ofxIt is released from the absorbent 25. 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 Pt2NO when no longer existsxNO from next to next from absorbent 252Is 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.
[0066]
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
[0067]
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.
[0068]
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
[0069]
In the embodiment according to the present invention, this NOxNO when the absorption amount ΣNOX exceeds a predetermined allowable maximum value.xNO from absorbent 25xIs to be released. Next, this will be described with reference to FIG.
Referring to FIG. 18, in the embodiment according to the present invention, two allowable maximum values, that is, an allowable maximum value MAX1 and an allowable maximum value MAX2 are set. Maximum allowable value MAX1 is NOxMaximum NO that can be absorbed by the absorbent 25xIt is about 30% of the absorption amount, and the allowable maximum value MAX2 is NOxIt is about 80% of the maximum absorption amount that the absorbent 25 can absorb. NO when the first combustion is being performedxNO when the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1.xNO from absorbent 25xWhen the air-fuel ratio is made rich and the second combustion is performed, NOxWhen the absorption amount ΣNOX exceeds the permissible maximum value MAX1, when the second combustion is switched to the first combustion, NOxNO from absorbent 25xWhen the air-fuel ratio is made rich and the second combustion is performed, NOxNO when the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX2.xNO from absorbent 25xAdditional fuel is injected during the second half of the expansion stroke or during the exhaust stroke to release.
[0070]
That is, in FIG. 18, the period X shows a case where the required load L is lower than the first boundary X (N) and the first combustion is performed, and at this time, the air-fuel ratio is slightly smaller than the stoichiometric air-fuel ratio. It has a lean air-fuel ratio. NO when first combustion is being performedxIs extremely small, and therefore, at this time, as shown in FIG.xThe absorption amount ΣNOX rises very slowly. NO when the first combustion is being performedxWhen the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1, the air-fuel ratio A / F is temporarily made rich, whereby the NOxNO from absorbent 25xIs released. NO at this timexThe absorption amount ΣNOX is gradually reduced as described later in detail.
[0071]
As described above, when the first combustion is performed, no soot is generated regardless of whether the air-fuel ratio is lean, the stoichiometric air-fuel ratio, or rich, and therefore, when the first combustion is performed. NOxNO from absorbent 25xAt this time, no soot is generated even if the air-fuel ratio A / F is made rich in order to release the air.
Then at time t1When the required load L exceeds the first boundary X (N), the first combustion is switched to the second combustion. As shown in FIG. 18, when the second combustion is being performed, the air-fuel ratio A / F becomes considerably lean. NO is performed when the second combustion is performed, compared to when the first combustion is performed.xIs large when the second combustion is being performed.xThe amount ΣNOX rises relatively quickly.
[0072]
If the air-fuel ratio A / F is made rich while the second combustion is being performed, a large amount of soot is generated. Therefore, it is difficult to make the air-fuel ratio A / F rich when the second combustion is being performed. Can not. Therefore, when the second combustion is being performed as shown in FIG.xEven if the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1, NOxNO from absorbent 25xThe air-fuel ratio A / F is not made rich in order to release the fuel. In this case, time t in FIG.2When the required load L becomes lower than the second boundary Y (N) and the second combustion is switched to the first combustion as inxNO from absorbent 25xThe air-fuel ratio A / F is temporarily enriched to releasexNO from absorbent 25xIs released. NO at this timexThe absorption amount ΣNOX is gradually reduced as described later in detail.
[0073]
Next, at time t in FIG.3Is switched from the first combustion to the second combustion, and the second combustion is continued for a while. NO at this timexThe absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1.
Next, as the required load L increases, the air-fuel ratio A / F decreases, and the time t in FIG.4At which the air-fuel ratio A / F becomes rich. NO at this timexNO from absorbent 25xIs released and NOxThe absorption amount ΣNOX is gradually reduced as described later in detail.
[0074]
Next, at time t in FIG.5, The air-fuel ratio A / F becomes lean, the second combustion continues for a while, and then at time t6In this case, if the allowable maximum value MAX2 is exceeded, then NOxNO from absorbent 25xAdditional fuel is injected during the second half of the expansion stroke or during the exhaust stroke to releasexThe air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 25 is made rich. NO at this timexNO from absorbent 25xIs released and NOxThe absorption amount ΣNOX is gradually reduced as described later in detail.
[0075]
The additional fuel injected during the second half of the expansion stroke or during the exhaust stroke does not contribute to the generation of engine power, so it is preferable to inject the additional fuel as little as possible. Therefore, when the second combustion is performed, NOxWhen the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1, the air-fuel ratio A / F is temporarily made rich when the second combustion is switched to the first combustion, and NOxAdditional fuel is injected only in special cases where the absorption amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX2.
[0076]
By the way, when the air-fuel ratio A / F becomes rich and when the air-fuel ratio is made rich,xThe amount of the HC and CO components flowing into the absorbent 25 is determined by subtracting the amount of fuel required to operate the engine at the stoichiometric air-fuel ratio from the amount of fuel supplied to the engine, that is, the amount of excess fuel. It increases in proportion to the amount. For this reason, NOxNO released from absorbent 25xAmount (NOxThe discharge rate increases in accordance with the amount of excess fuel supplied to the engine in this unit time.
[0077]
Also, when additional fuel is injected during the latter half of the expansion stroke or during the exhaust stroke, NOxThe amount of the HC component flowing into the absorbent 25 increases in proportion to the amount of supplied fuel, that is, the amount of excess fuel. Therefore NOxThe release rate increases with this excess fuel amount.
Also NOxNO is caused by the sulfur component contained in the exhaust gas adhering to the absorbent 25.xThe absorbent 25 deteriorates. Therefore NOxNO that the absorbent 25 can release per unit timexThe amount of is reduced. That is, NOxThe release rate is this NOxIt decreases according to the degree of deterioration of the absorbent 25.
[0078]
Further NOxNO from absorbentxRelease rate is NOxAffected by the temperature of the absorbent, NOxNO depending on absorbent temperaturexThe maximum value of the release rate is almost determined. That is, NO in the presence of sufficient excess fuelxRelease rate is NOxIt tends to increase as the temperature of the absorbent increases. In this way, NO increases with increasing temperature.xThe release rate increases with NOxIt is considered that when the temperature of the absorbent is increased, nitrate ions bonded to BaO in the absorbent are easily separated. Therefore, even if the excess fuel amount is large, NOxNO if the temperature of the absorbent is lowxThe release rate decreases.
[0079]
Further NOxRelease rate is NO per unit timexIt is affected by the amount of exhaust gas flowing into the absorbent (hereinafter referred to as the amount of exhaust gas flowing in). That is, NOxThe discharge speed decreases as the inflow exhaust gas amount increases. This means that the larger the inflow exhaust gas amount, the more NOxThe speed of the exhaust gas passing through the absorbent is high, and the fuel in the exhaust gas is NOxThis is because sufficient time cannot be secured to contribute to the release action.
[0080]
Next, in this embodiment, NOxNO from absorbentxThe estimation of the release rate will be described in detail.
NO as described abovexNO from absorbentxExact fuel and NOxDeterioration degree of absorbent and NOxIt is necessary to know the temperature of the absorbent and the amount of inflowing exhaust gas.
[0081]
FIG. 19 shows the excess fuel amount EF and NOx5 shows an example of a relationship with the release speed V, and NOxThe release speed V increases substantially in proportion to the increase in the excess fuel amount EF. FIG. 20 shows NOxAbsorbent temperature T and NOx5 shows an example of a relationship with the release speed V, and NOxRelease speed V is NOxIt increases as the absorbent temperature T increases. In this embodiment, the excess fuel amount EF and the NOxBasic NO corresponding to absorbent temperature TxAs shown in FIG. 21, when the release speed VB is higher than the excess fuel amount EF and NO.xIt is stored in the
[0082]
Further, FIG.xDeterioration degree D and NO of absorbentx5 shows an example of a relationship with the release speed V, and NOxThe release speed V decreases as the degree of deterioration D increases. FIG. 23 shows the case where NOxExhaust gas amount AE and NO flowing into the absorbentx5 shows an example of a relationship with the release speed V, and NOxThe discharge speed V decreases as the inflow exhaust gas amount AE increases. In this embodiment, NO corresponding to the degree of deterioration D and the inflow exhaust gas amount AExThe release speed correction coefficient K1 is stored in the
[0083]
In this embodiment, NOxNO from absorbentxIs released when NO is releasedxThe amount C to be reduced of the absorption amount ΣNOX is the basic NO calculated as described above.xRelease speed VB and NOxIt is calculated according to the formula C = CB × VB × K1 using the release rate correction coefficient K1. Here, CB is a basic decrease amount.
In this embodiment, the excess fuel amount when the air-fuel ratio A / F is set to or becomes rich or stoichiometric is calculated from the air-fuel ratio and the intake air amount. Also, the amount of excess fuel when additional fuel is injected during the second half of the expansion stroke or during the exhaust stroke is equal to the amount of additional fuel injected into the combustion chamber per unit time. Also NOxAbsorbent temperature is NOxIt is calculated based on the temperature detected by the exhaust
[0084]
Also NOxThe degree of deterioration of the absorbent is calculated based on the total operation time of the internal combustion engine, and the longer the total operation time, the greater the degree of deterioration. Further, the inflow exhaust gas amount is calculated based on the mass flow rate detected by the mass flow rate detector provided in the intake pipe.
FIG. 25 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.
[0085]
Referring to FIG. 25, first, at
[0086]
On the other hand, when it is determined in
[0087]
In
Next, the operation control will be described with reference to FIGS. 26 and 27.
[0088]
Referring to FIG. 26, first, in
[0089]
That is, in
[0090]
On the other hand, NOxWhen it is determined that the
On the other hand, when it is determined in
[0091]
That is, in
[0092]
On the other hand, in
Next, at
[0093]
【The invention's effect】
According to the first to eighth inventions, NOxNO released from absorbentxNO by amountxSince the absorption counter is decremented, NOxNO absorbed in the absorbentxIs accurately estimated.
[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 II.
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 figure for explaining discharge control.
FIG. 19: Excess fuel amount and NOxIt is a figure which shows the relationship with a release speed.
FIG. 20 NOxAbsorbent temperature and NOxIt is a figure which shows the relationship with a release speed.
FIG. 21: Basic NOxIt is a figure showing a map of a release rate.
FIG. 22: Deterioration degree and NOxIt is a figure which shows the relationship with a release speed.
FIG. 23: Inflow exhaust gas amount and NOxIt is a figure which shows the relationship with a release speed.
FIG. 24 NOxIt is a figure showing a map of a release rate correction coefficient.
FIG. 25xIt is a flowchart for processing a release flag.
FIG. 26 is a flowchart for controlling operation of the engine.
FIG. 27 is a flowchart for controlling operation of the engine.
[Explanation of symbols]
6 ... Fuel injection valve
15 Exhaust turbocharger
20 ... Throttle valve
29… EGR passage
31 ... EGR control valve
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