JP3551797B2 - 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上述したように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浄化しているが、例えば酸化触媒等の温度が炭化水素を浄化できる温度、即ち活性温度より低いときには炭化水素を浄化できない。従って完全に炭化水素を浄化できるシステムが必要である。
【0010】
本発明の目的は新たな燃焼システムにおいて完全に炭化水素を浄化できるシステムを構築することにある。
【0011】
【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、排気ガス中のHCを吸着させるHC吸着剤を機関排気通路内に配置する。
【0012】
即ち、排気ガス中の炭化水素はHC吸着剤に吸着される。
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。
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。
【0013】
4番目の発明によれば1番目の発明において、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 吸収剤を前記機関排気通路に配置する。
5番目の発明によれば4番目の発明において、前記NOx 吸収剤が予め定められた温度以上で排気ガス中のHCを酸化する機能を有し、NOx 吸収剤の温度が前記予め定められた温度より低いときには燃焼室内への燃料の噴射時期を遅らせるようにする。
【0014】
6番目の発明によれば1番目の発明において、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する。
【0015】
7番目の発明によれば6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。
8番目の発明によれば6番目の発明において第1の燃焼が行われているときに前記HC吸着剤に吸着しているHCを除去すべきときには第1の燃焼を第2の燃焼に切り換える。
【0016】
【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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
ところで煤の前駆体の状態で炭化水素の生成過程が停止するときの燃料およびその周囲の温度、即ち上述の或る温度は燃料の種類や空燃比や圧縮比等の種々の要因によって変化するので何度であるかということは言えないがこの或る温度はNOx の発生量と深い関係を有しており、従ってこの或る温度はNOx の発生量から或る程度規定することができる。即ち、EGR率が増大するほど燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度は低下し、NOx の発生量が低下する。このときNOx の発生量が10p.p.m 前後又はそれ以下になったときに煤がほとんど発生しなくなる。従って上述の或る温度はNOx の発生量が10p.p.m 前後又はそれ以下になったときの温度にほぼ一致する。
【0027】
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。酸化機能を有する触媒としては酸化触媒、三元触媒、NOx 吸収剤がある。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
図6は不活性ガスとしてEGRガスを用いた場合において燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要なEGRガスと空気の混合ガス量、およびこの混合ガス量中の空気の割合、およびこの混合ガス中のEGRガスの割合を示している。なお、図6において縦軸は燃焼室5内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Yは過給が行われないときに燃焼室5内に吸入しうる全吸入ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示している。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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L0 よりも大きい領域では要求負荷が大きくなるにつれてEGRガス割合を低下させない限り空燃比を理論空燃比に維持することができない。云い換えると過給が行われていない場合に要求負荷がL0 よりも大きい領域において空燃比を理論空燃比に維持しようとした場合には要求負荷が高くなるにつれてEGR率が低下し、斯くして要求負荷がL0 よりも大きい領域では燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持しえなくなる。
【0039】
ところが図1に示されるようにEGR通路29を介して過給機の入口側即ち排気ターボチャージャ15の空気吸込管17内にEGRガスを再循環させると要求負荷がL0 よりも大きい領域においてEGR率を55パーセント以上、例えば70パーセントに維持することができ、斯くして燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持することができる。即ち、空気吸込管17内におけるEGR率が例えば70パーセントになるようにEGRガスを再循環させれば排気ターボチャージャ15のコンプレッサ16により昇圧された吸入ガスのEGR率も70パーセントとなり、斯くしてコンプレッサ16により昇圧しうる限度まで燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持することができる。従って、低温燃焼を生じさせることのできる機関の運転領域を拡大することができることになる。要求負荷がL0 よりも大きい領域でEGR率を55パーセント以上にする際にはEGR制御弁31が全開せしめられ、スロットル弁20が若干閉弁せしめられる。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
ところで排気管24には排気ガス中に含まれる未燃炭化水素(HC)を吸着させるHC吸着剤53が配置されている。HC吸着剤53は後述するNOx 吸収剤がNOx を吸放出できる温度、即ち活性温度より低い温度でもHCを吸収することができる。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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NO3 − の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてNOx がNOx 吸収剤25内に吸収される。流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ptの表面でNO2 が生成され、吸収剤のNOx 吸収能力が飽和しない限りNO2 が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンNO3 − が生成される。
【0060】
一方、流入排気ガスの空燃比がリッチにされると流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、その結果白金Ptの表面でのNO2 の生成量が低下する。NO2 の生成量が低下すると反応が逆方向(NO3 − →NO2 )に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンNO3 − がNO2 の形で吸収剤から放出される。このときNOx 吸収剤25から放出されたNOx は図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吸収剤から次から次へとNO2 が放出される。従って流入排気ガスの空燃比がリッチにされると短時間のうちにNOx 吸収剤25からNOx が放出され、しかもこの放出されたNOx が還元されるために大気中にNOx が排出されることはない。
【0061】
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。
【0062】
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はその温度が予め定められた温度、即ち活性温度以上であるときに酸化機能を有しており、従ってNOx 吸収剤25の温度が活性温度より高いとき燃焼室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。しかしながら機関始動時であってアイドリング時のように要求負荷が小さく、低温燃焼が行われるのが好ましいときであってもこのときにはNOx 吸収剤25の温度がその活性温度より低く、未燃炭化水素を浄化することはできない。しかしながらNOx 吸収剤25の上流側に配置されたHC吸着剤53はその温度がNOx 吸収剤25の活性温度以下のときであっても未燃炭化水素を吸着させることができる。即ちNOx 吸収剤25の温度がその活性温度以上になるまでHC吸着剤53は未燃炭化水素を吸着させておくことができる。従って本発明によれば機関始動時のようにNOx 吸収剤25の温度がその活性温度より低いときに低温燃焼を行っても未燃炭化水素がNOx 吸収剤25から下流へ流出することはない。なおHC吸着剤53に吸着している未燃炭化水素は第1の燃焼、即ち低温燃焼が第2の燃焼、即ち通常の燃焼に切り換えられたときに排気ガス中に多量に含まれている酸素と反応してHC吸着剤53から除去される。
【0063】
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 量ΣNOXを推定するようにしている。
【0064】
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。
【0065】
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は零とされる。
【0066】
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。
【0067】
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る。
【0068】
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、次いで時刻t4 において許容最大値MAX2を越えたとするとこのときには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。
【0069】
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。
【0070】
図19はNOx 吸収剤25からNOx を放出すべきときにセットされるNOx 放出フラグの処理ルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図19を参照するとまず初めにステップ100において機関の運転領域が第1の運転領域Iであることを示すフラグIがセットされているか否かが判別される。フラグIがセットされているとき、即ち機関の運転領域が第1の運転領域Iであるときにはステップ101に進んで図17(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。
【0071】
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NOx 吸収量Bが算出される。次いでステップ107ではNOx 吸収量ΣNOXにBが加算される。次いでステップ108ではNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたか否かが判別される。ΣNOX>MAX1になるとステップ109に進み、第2の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときにNOx を放出すべきことを示すNOx 放出フラグ1がセットされる。
【0072】
ステップ110では、NOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAX2を越えたか否かが判別される。ΣNOX>MAX2になるとステップ111に進み、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。
さらにHC吸着剤53が吸着させることができるHCの量には限界がある。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たりのHC吸着量Cを要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図20(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たりのHC吸着量Dを要求負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図20(B)に示すようなマップの形で予め求めておき、これら単位時間当たりのHC吸着量C,Dを積算することによりHC吸着剤53に吸着しているHC量ΣHCを推定するようにしている。
【0073】
本発明の実施例では第1の燃焼が行われているときにHC吸着剤53のHC吸着量が最大値を越えたときには、HCをHC吸着剤53から排除すべく第1の燃焼を第2の燃焼に切換える。第2の燃焼では空燃比がかなりリーンの排気ガスがHC吸着剤53に流入する。従ってHC吸着剤53に吸着しているHCは排気ガス中の過剰な酸素と反応し、HC吸着剤53から除去される。
【0074】
図21はHC吸着剤53からHCを除去すべきときにセットされるHC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201に進んで図20(A)に示すマップから単位時間当りのHC吸着量Cが算出される。次いでステップ202ではHC吸着量ΣHCにCが加算される。次いでステップ203ではHC吸着量ΣHCが許容最大値MAXを越えたか否かが判別される。ΣHC>MAXになるとステップ104に進んでHCフラグをセットする処理が行われる。
【0075】
一方、ステップ200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206に進んで図20(B)に示すマップから単位時間当りのHC吸着量Dが算出される。次いでステップ207ではHC吸着量ΣHCにDが加算される。次いでステップ208ではHC吸着量ΣHCが許容最大値MAXを越えたか否かが判別される。ΣHC>MAXになるとステップ209に進んでHCフラグをセットする処理が行われる。
【0076】
ところでHC吸着剤53とNOx 吸収剤25との間の機関排気通路24には排気ガスの温度を検出するための温度センサ54が取り付けられる。本実施例では温度センサ54により検出した排気ガスの温度からNOx 吸収剤25の温度を推定し、NOx 吸収剤25の温度がその活性温度より低いときであって排気ガスの温度が比較的低い低温燃焼が行われているときには、NOx 吸収剤25の温度を上昇すべく機関の運転制御を行う。即ち燃料室内に燃料を噴射する時期を遅らせる。これにより排気ガスの温度が高くなり、NOx 吸収剤25の温度が上昇せしめられる。
【0077】
次に図22および図23を参照しつつ運転制御について説明する。
図22を参照すると、まず初めにステップ300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301に進んで要求負荷Lが第1の境界X1(N)よりも大きくなったか否かが判別される。L≦X1(N)のときにはステップ302aに進む。
【0078】
ステップ302aではNOx 吸収剤25の温度Tが予め定められた温度、即ちNOx 吸収剤25がNOx の吸放出を行うことができる温度Tx より高いか否かが判別される。ステップ302aにおいてT>Tx であるときにはステップ303に進んで低温燃焼が行われる。
即ち、ステップ303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304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305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306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。
【0079】
一方、ステップ305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307に進んで図12のマップから算出された量Qに図24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、ステップ307aにおいてΣNOXが零とされる。このときNOx 吸収剤25からNOx が放出される。
【0080】
一方、ステップ302aにおいてT≦TX であるときにはステップ302bに進んでHCフラグがセットされているか否かが判別される。ステップ302bにおいてHCフラグがリセットされていると判別されたときにはステップ302cに進んで低温燃焼が行われる。即ち、ステップ302c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302dにおいて図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302eにおいて燃料噴射弁6の開弁時期SIを補正して遅らせる。次いでステップ302fにおいて図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。
【0081】
一方、ステップ301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302に進んでフラグIがリセットされ、次いでステップ310に進んで第2の燃焼が行われ、ステップ302bにおいてHCフラグがセットされていると判別されたときにもステップ310に進んで第2の燃焼が行われる。即ち、ステップ310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311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312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313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312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314に進んで図15のマップから算出された量Qの燃料噴射が行われ、機関の膨張行程後半又は排気行程に追加の燃料を噴射し、NOx 吸収剤25に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように噴射制御され、それによってNOx 吸収剤25からNOx が放出される。次いでステップ315においてΣNOXが零とされ、ステップ316においてΣHCが零とされる。
【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300からステップ308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302aに進む。
一方、ステップ308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309に進んでフラグIがセットされる。次いでステップ302aに進む。
【0084】
【発明の効果】
1番目から7番目の発明によれば内燃機関から放出されるHCがHC吸着剤に吸着されるため、HCが大気に放出されることはない。
さらに5番目の発明によればNOx 吸収剤の温度が予め定められた温度より低いときにはHCはHC吸着剤に吸着されるためHCが大気に流出することはなく、さらにこのときには燃料の噴射時期を遅らせてNOx 吸収剤の温度を早期に上昇させ、NOx 吸収剤の温度が予め定められた温度より高くなればHC吸着剤に吸着されているHCの量がその計容量を越えても、NOx 吸収剤によりHCが浄化される。即ち機関始動直後のように排気ガスの温度が低いときには内燃機関から放出されるHCはHC吸着剤に吸着され、次第に排気ガスの温度が高くなったときにはNOx 吸収剤の温度がその活性温度を越えるので、たとえHC吸着剤に吸着されているHC量がその許容量を越えたとしても、HC吸着剤から流出したHCはNOx 吸収剤により浄化される。従ってHC吸着剤およびNOx 吸収剤の温度に係わらず常にHCの大気への流出を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図2】スモークおよびNOx の発生量等を示す図である。
【図3】燃焼圧を示す図である。
【図4】燃料分子を示す図である。
【図5】スモークの発生量とEGR率との関係を示す図である。
【図6】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図7】第1の運転領域Iおよび第2の運転領域IIを示す図である。
【図8】空燃比センサの出力を示す図である。
【図9】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図10】第1の運転領域Iにおける空燃比等を示す図である。
【図11】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図12】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】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】NOx 放出フラグを処理するためのフローチャートである。
【図20】単位時間当りのHC吸着量のマップを示す図である。
【図21】HCフラグを処理するためのフローチャートである。
【図22】機関の運転を制御するためのフローチャートの一部である。
【図23】機関の運転を制御するためのフローチャートの一部である。
【図24】第1の燃焼における噴射燃料量の増分のマップを示す図である。
【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 engine, for example, exhaust gas recirculation and engine exhaust passage and the engine intake passage in order to suppress the generation of the NO x in the diesel engine (hereinafter, referred to as EGR) connected by passage through the EGR passage Exhaust gas, that is, EGR gas, is recirculated into the engine intake passage. In this case, the EGR gas has a relatively high specific heat and can absorb a large amount of heat. Therefore, as the EGR gas amount increases, the EGR rate (EGR gas amount / (EGR gas amount + intake air amount)) Increases, the combustion temperature in the combustion chamber decreases. When the combustion temperature is lowered to decrease the generated amount of NO x, thus the generation amount of the more NO x to be increased EGR rate is lowered.
[0003]
Thus it may reduce the generation amount of the NO x if increasing the EGR rate has conventionally been found. 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]
Thus the maximum EGR rate than conventional since the allowable limit has been considered to exist determined as NO x and the amount of smoke produced becomes as small as possible within a range not exceeding the maximum allowable limit with respect to the EGR rate in the conventional Had been. However, this way there is a limit to the EGR rate to decrease of the NO x and NO x and the amount of smoke produced be determined so that the amount generated is as small as possible of smoke, the actual NO x and still a significant amount to At 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 rapidly increases as described above. However, a peak exists in the amount of generated smoke. When the EGR rate is further increased, the smoke starts to decrease sharply, and when the EGR rate is increased to 70% or more during idling operation, and when the EGR gas is strongly cooled, the smoke is reduced to about 55% or more. Becomes zero. That is, it was found that soot was hardly generated. Further, it has been found that the generation amount of the NO x becomes extremely small in this case. The reason why the soot is not generated based Thereafter this finding study is underway, the results so far no possibility to simultaneously reduce the soot and NO x new combustion system is had come to be constructed. This new combustion system will be described in detail later, but in short, it is basically based on stopping the growth of hydrocarbons in the middle of the process until the hydrocarbons grow into soot.
[0007]
That is, as a result of repeated experimental research, it has been found that when the temperature of the fuel during combustion in the combustion chamber and the gas temperature around it are below a certain temperature, the growth of hydrocarbons stops at a stage before reaching soot, and the fuel When the temperature of the gas surrounding the gas exceeds a certain temperature, hydrocarbons grow to soot at a stretch. In this case, the temperature of the fuel and the surrounding gas is greatly affected by the heat absorbing action of the gas around the fuel when the fuel is burned, and the amount of heat absorbed by the gas around the fuel is adjusted according to the calorific value at the time of burning the fuel. As a result, the temperature of the fuel and the surrounding gas can be controlled.
[0008]
Therefore, if the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber is suppressed to a temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway, soot will not be generated, and the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber will be reduced. Can be suppressed below the temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway, by adjusting the amount of heat absorbed by the gas around the fuel. On the other hand, hydrocarbons whose growth has stopped halfway before reaching soot can be easily purified by post-treatment using an oxidation catalyst or the like. This is the basic idea of a new combustion system. 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, as described above, hydrocarbons whose growth has stopped halfway before reaching soot are purified by post-treatment using an oxidation catalyst or the like. If the temperature is lower than the purifying temperature, that is, the activation temperature, the hydrocarbon cannot be purified. Therefore, there is a need for a system that can completely purify hydrocarbons.
[0010]
An object of the present invention is to construct a system capable of completely purifying hydrocarbons in a new combustion system.
[0011]
[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 inert gas supplied into the combustion chamber increases. When the amount of active gas is further increased, the temperature of the fuel during combustion in the combustion chamber and the temperature of the surrounding gas become lower than the temperature at which soot is generated, so that HC in the exhaust gas is adsorbed in the internal combustion engine where almost no soot is generated. The HC adsorbent to be disposed is disposed in the engine exhaust passage.
[0012]
That is, hydrocarbons in the exhaust gas are adsorbed by the HC adsorbent.
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.
According to a third aspect, in the second aspect, the exhaust gas recirculation rate is approximately 55% or more.
[0013]
In the first aspect according to the fourth aspect, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the lean air-fuel ratio is stoichiometric or rich exhaust gas absorb and flowing the NO x contained in the exhaust gas the the NO x absorbent to release the the absorbed NO x arranged in the engine exhaust passage.
In the fifth invention to the fourth invention according, wherein the NO x absorbent has the function of oxidizing HC in exhaust gas at a predetermined temperature or higher, the temperature of the NO x absorbent is defined the advance When the temperature is lower than the predetermined temperature, the timing of fuel injection into the combustion chamber is delayed.
[0014]
According to a sixth aspect, in the first aspect, 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 generation amount of soot is at a peak and soot is hardly generated, There is provided 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 of soot reaches a peak.
[0015]
According to a seventh aspect, in the sixth aspect, 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 the first operating region is divided into the first operating region on the high load side. Combustion is performed, and second combustion is performed in the second operation region.
According to an eighth aspect, in the sixth aspect, when the first adsorbent is to be removed while the first combustion is being performed, the first combustion is switched to the second combustion.
[0016]
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
[0017]
On the other hand, the
The
[0018]
On the other hand, the fuel injection valve 6 is connected via a
[0019]
The
[0020]
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
[0021]
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 is slightly reduced and the generation amount of the NO x becomes considerably lower. On the other hand, at this time, the generation amounts of HC and CO begin to increase.
[0022]
FIG. 3A shows a change in the combustion pressure in the
[0023]
The following can be said from the experimental results shown in FIGS. That is, the generation amount of the NO x, as shown in FIG. 2 when the first air-fuel ratio A / F is approximately the amount of smoke produced at 15.0 below zero in the first drops significantly. That the generation amount of the NO x produced falls means that the combustion temperature in the
[0024]
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. .
[0025]
Summarizing these considerations based on the experimental results shown in FIGS. 2 and 3, when the combustion temperature in the
[0026]
By the way, the temperature of the fuel and its surrounding when the process of producing hydrocarbons is stopped in the state of the soot precursor, that is, the above-mentioned certain temperature varies depending on various factors such as the type of fuel, the air-fuel ratio , the compression ratio, and the like. Although not say that how many times has a generation amount and the deep relationship between the certain temperature is nO x, therefore this certain temperature can be defined to a certain degree from the generation amount of the nO x . That is, the fuel and the gas temperature surrounding it at the time of combustion and the greater the EGR rate, decreases, the amount of the NO x is reduced. At this time, the generation amount of NOx is 10 p . p. When it is less or equal to or less than m, almost no soot is generated. Therefore, at the above-mentioned certain temperature, the generation amount of NOx is 10 p . p. m The temperature almost coincides with the temperature when the temperature becomes lower or higher.
[0027]
Once soot is produced, it cannot be purified by post-treatment using a catalyst having an oxidizing function. On the other hand, the soot precursor or the hydrocarbon in a state before the soot can be easily purified by a post-treatment using a catalyst having an oxidation function. This way the hydrocarbon consider post-treatment by the catalyst having an oxidation function is discharged from the
[0028]
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
[0029]
That is, if there is only air around the fuel, the evaporated fuel immediately reacts with the oxygen in the air and burns. In this case, the temperature of the air separated from the fuel does not rise so much, and only the temperature around the fuel becomes extremely high locally. That is, the air away from the fuel in this case is not performed hardly absorb the heat of combustion of the fuel. In this case, since the combustion temperature locally becomes extremely high, the unburned hydrocarbons that have received the combustion heat will generate soot.
[0030]
On the other hand, when fuel is present in a mixed gas of a large amount of inert gas and a small amount of air, the situation is slightly different. In this case, the fuel vapor diffuses to the surroundings, reacts with oxygen mixed in the inert gas, and burns. In this case, since the combustion heat is absorbed by the surrounding inert gas, the combustion temperature does not rise so much. That is, the combustion temperature can be kept low. That is, the presence of the inert gas plays an important role in suppressing the combustion temperature, and the combustion temperature can be suppressed low by the endothermic effect of the inert gas.
[0031]
In this case, in order to suppress the temperature of the fuel and the surrounding gas to a temperature lower than the temperature at which the soot is generated, an amount of the inert gas is required to be able to absorb enough heat to do so. Therefore, if the fuel amount increases, the required amount of inert gas increases accordingly. In this case, the larger the specific heat of the inert gas, the stronger the endothermic action, and therefore, the inert gas is preferably a gas having a large specific heat. In this regard, since CO 2 and EGR gas have relatively large specific heats, it can be said that it is preferable to use EGR gas as the inert gas.
[0032]
FIG. 5 shows the relationship between the EGR rate and the smoke when the EGR gas is used as the inert gas and the degree of cooling of the EGR gas is changed. That is, in FIG. 5, the curve A shows a case where the EGR gas is cooled strongly and the EGR gas temperature is maintained at approximately 90 ° C., and the curve B shows a case where the EGR gas is cooled by a small cooling device. , Curve C shows the case where the EGR gas is not forcibly cooled.
[0033]
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.
[0034]
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.
[0035]
FIG. 6 shows a mixed gas amount of the EGR gas and the air necessary for setting the fuel temperature during combustion and the surrounding gas temperature to a temperature lower than the temperature at which soot is generated when EGR gas is used as the inert gas; Further, the ratio of air in the mixed gas amount and the ratio of EGR gas in the mixed gas are shown. In FIG. 6, the vertical axis indicates the total intake gas amount drawn into the
[0036]
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
[0037]
As the amount of fuel injection increases, the amount of heat generated when the fuel burns increases. Therefore, in order to maintain the temperature of the fuel and the surrounding gas at a temperature lower than the temperature at which soot is generated, the amount of heat absorbed by the EGR gas Must be increased. Accordingly, as shown in FIG. 6, the EGR gas amount must be increased as the injected fuel amount increases. That is, the EGR gas amount needs to increase as the required load increases.
[0038]
However the upper limit of the total intake gas amount X sucked into the
[0039]
However EGR in the region recirculated to the required load EGR gas into the
[0040]
As described above, FIG. 6 shows the case where the fuel is burned under the stoichiometric air-fuel ratio. However, even if the air amount is smaller than the air amount shown in FIG. The generation of NOx is reduced to 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. While the amount of generated NOx is 10 p . p. m can be around or below.
[0041]
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. Further, at this time NO x even only an extremely small amount of generated. On the other hand, when the average air-fuel ratio is lean, or even when the air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio, a small amount of soot is generated if the combustion temperature is high. Not generated at all. Further, NO x is also only an extremely small amount of generated.
[0042]
In this way, when low-temperature combustion is being performed, soot is not generated regardless of the air-fuel ratio, that is, whether the air-fuel ratio is rich, the stoichiometric air-fuel ratio, or the average air-fuel ratio is lean, generation amount of the NO x becomes extremely small. Therefore, considering the improvement of the fuel consumption rate, it can be said that it is preferable to make the average air-fuel ratio lean at this time.
[0043]
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
[0044]
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
[0045]
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.
[0046]
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 immediately start unless the required load L becomes considerably low, that is, when the required load L becomes lower than the second boundary Y (N). The second reason is that hysteresis is provided for a change in the operation range between the first operation range I and the second operation range II.
[0047]
By the way, when the operation region of the engine is in the first operation region I and low-temperature combustion is being performed, soot is hardly generated, and instead, unburned hydrocarbons are in the form of a precursor of soot or a state before it. It is discharged from the
FIG. 8 shows the output of the air-
[0048]
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
[0049]
In other words, in the first operating region I, the opening of the
[0050]
At the time of idling operation, the
[0051]
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
[0052]
In the second operation region II, the conventional combustion is performed. In the second operation region II, the
[0053]
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.
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. .
[0054]
The target air-fuel ratio A / F shown in FIG. 10A is stored in advance in the
[0055]
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-
[0056]
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
Incidentally, an
[0057]
On the other hand, NO x absorbent 25 is disposed in the
[0058]
The NO x absorbent 25 be disposed the the NO x absorbent 25 in the engine exhaust passage is performing absorption and release action of actually NO x are also part not clear detailed mechanism of action out this absorbing and releasing. 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 as an example a case where platinum Pt and barium Ba are supported on a carrier, but the same mechanism can be obtained by using other noble metals, alkali metals, alkaline earths and rare earths.
[0059]
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
[0060]
On the other hand, the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lowered the oxygen concentration of the inflow exhaust gas is made rich, so that the amount of NO 2 on the surface of the platinum Pt is lowered. When the production amount of NO 2 decreases, the reaction proceeds in the reverse direction (NO 3 − → NO 2 ), and thus the nitrate ion NO 3 − in the absorbent is released from the absorbent in the form of NO 2 . In this case the NO x absorbent NO x released from 25 large amount of unburned HC contained in the inflowing exhaust gas as shown in FIG. 16 (B), it is caused to reduction by reaction with CO. In this way, when NO 2 is no longer present on the surface of the platinum Pt, NO 2 is released from the absorbent one after another. Thus the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is NO x is released from the NO x absorbent 25 in a short time when it is rich, yet NO x is discharged into the atmosphere to the released NO x is reduced It will not be done.
[0061]
In this case, NO x is released from the NO x absorbent 25 even if the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas the stoichiometric air-fuel ratio. However to release all NO x absorbed in the NO x absorbent 25 to NO x from the NO x absorbent 25 is not only released gradually when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is the stoichiometric air-fuel ratio It takes a little longer time.
[0062]
The NO x absorbent 25 as described above includes a noble metal such as platinum Pt, thus the NO x 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
[0063]
Meanwhile the absorption of NO x capacity of the NO x absorbent 25 is limited, absorption of NO x capacity of the NO x absorbent 25 needs to release the NO x from the NO x absorbent 25 before saturation. For this purpose it is necessary to estimate the amount of NO x is absorbed in the NO x absorbent 25. Therefore, in this embodiment of the present invention of a map as shown in FIG. 17 (A) as a function of the NO x absorption amount A of the required load L and engine speed N per unit time when it is performed first combustion is previously obtained in the form of a map as shown in FIG. 17 (B) the absorption of NO x amount B per unit time as a function of the required load L and engine speed N when the second combustion is being performed It is previously obtained in the form, per these unit time of absorption of NO x amount a, so that to estimate the amount of NO x ΣNOX being absorbed in the NO x absorbent 25 by integrating the B.
[0064]
In the embodiment according to the present invention so that to release the NO x from the NO x absorbent 25 when exceeding the allowable maximum value that this absorption of NO x amount ΣNOX has predetermined. 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 the 30% of the maximum absorption of NO x amount the NO x absorbent 25 can absorb, the allowable maximum value MAX2 is 80 percent of the maximum amount of absorption the NO x absorbent 25 can absorb Have been. The air-fuel ratio in order to release the NO x from the NO x absorbent 25 when the absorption of NO x amount ΣNOX has exceeded the allowable maximum value MAX1 When the first combustion is being performed is rich, the second combustion row air-fuel ratio is rich so as to release the NO x from the NO x absorbent 25 when it is switched to the first combustion from the second combustion when the absorption of NO x amount ΣNOX has exceeded the allowable maximum value MAX1 when that we is a, added late or during the exhaust stroke of the expansion stroke so as to release the NO x from the NO x absorbent 25 when the absorption of NO x amount ΣNOX has exceeded the allowable maximum value MAX2 when the second combustion is being performed Of fuel is injected.
[0065]
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. Very little occurrence amount of the NO x when the first combustion is being performed, thus absorption of NO x amount ΣNOX as is shown in Figure 18 at this time rises very slowly. Air-fuel ratio A / F when the absorption of NO x amount ΣNOX exceeds the allowable maximum value MAX1 When the first combustion is being performed is temporarily rich, NO x is released thereby from the NO x absorbent 25 You. The time of absorption of NO x amount ΣNOX is set to zero.
[0066]
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. does not soot generated at this time also the air-fuel ratio a / F in order to release the nO x from the nO x absorbent 25 is made rich to.
Then the required load L at time t 1 is switched from the first combustion exceeds the first boundary X (N) 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. When the second combustion is being performed the amount of NO x ΣNOX when the generation amount of the NO x as compared with the case where the first combustion is being performed is large and therefore the second combustion is being performed relatively quickly To rise.
[0067]
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. Thus the air-fuel ratio in order to release the NO x from the NO x absorbent 25 as the second of the NO x absorption amount ΣNOX when combustion is being performed has exceeded the allowable maximum value MAX1, as shown in FIG. 18 A / F is not made rich. The required load L as at time t 2 in FIG. 18 when the the NO x absorbent when is switched from the second combustion is lower in the first combustion than the second boundary Y (N) 25 air-fuel ratio a / F in order to release the NO x is rich temporarily from.
[0068]
Then from the first combustion is switched to the second combustion at the time t 3 in FIG. 18, the second combustion during interim pleasure continues. The time of absorption of NO x amount ΣNOX has exceeded the allowable maximum value MAX1, then in the second half or the exhaust stroke of the expansion stroke so as to release the NO x assuming that exceeds the allowable maximum value MAX2 at time t 4 at this time from the NO x absorbent 25 additional fuel is injected, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NO x absorbent 25 is made rich.
[0069]
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 additional fuel as little as possible. Thus when the absorption of NO x amount ΣNOX when the second combustion is performed has exceeded the allowable maximum value MAX1 is temporarily rich air-fuel ratio A / F when it is switched to the first combustion from the second combustion to, so that to inject additional fuel only if special where absorption of NO x amount ΣNOX has exceeded the allowable maximum value MAX2.
[0070]
Figure 19 shows the processing routine for the NO x releasing flag which is set when releasing the NO x from the NO x absorbent 25, this routine is executed by interruption every predetermined time.
Referring to FIG. 19, first, at
[0071]
On the other hand, when it is determined in
[0072]
In
Further, the amount of HC that can be adsorbed by the
[0073]
In the embodiment of the present invention, when the amount of HC adsorbed by the
[0074]
FIG. 21 shows a routine for processing an HC flag which is set when HC is to be removed from the
Referring to FIG. 21, first, at
[0075]
On the other hand, when it is determined in
[0076]
Meanwhile the
[0077]
Next, the operation control will be described with reference to FIGS.
Referring to FIG. 22, first, in
[0078]
Temperature at which the temperature T is a predetermined in
That is, in step 303, the target opening ST of the
[0079]
Meanwhile, the amount of addition of incremental Qa calculated from the map of FIG. 24 to the amount Q calculated from the map of FIG. 12 proceeds to step 307 when the NO x releasing
[0080]
On the other hand, whether the HC flag is set is determined the routine proceeds to step 302b when a T ≦ T X in
[0081]
On the other hand, when it is determined that that L> X (N) in
[0082]
On the other hand, when the the NO x releasing flag 2 in
[0083]
When the flag I is reset, in the next processing cycle, the process proceeds from
On the other hand, when it is determined in
[0084]
【The invention's effect】
According to the first to seventh aspects, HC released from the internal combustion engine is adsorbed by the HC adsorbent, so that HC is not released to the atmosphere.
Further fifth when below the temperature at which the temperature reaches a predetermined of the NO x absorbent according to the invention HC is never HC to be adsorbed by the HC adsorbent flows out into the atmosphere, further injection timing of fuel at this time the early increase the temperature of the NO x absorbent is delayed, the amount of HC temperature of the NO x absorbent is adsorbed on the HC adsorbent if higher than the predetermined temperature even beyond its total capacity , HC is purified by the NO x absorbent. That HC discharged from the internal combustion engine when the temperature of the exhaust gas as immediately after engine startup is low is adsorbed by the HC adsorbent, the activation temperature the temperature of the NO x absorbent is when gradually the temperature of the exhaust gas is increased since excess amount HC that if adsorbed on the HC adsorbent even exceeds the allowable amount, HC flowing out from the HC adsorbent is purified by the NO x absorbent. Therefore always regardless of the temperature of the HC adsorbent and the NO x absorbent can be prevented from flowing out to the atmosphere of the HC.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of a compression ignition type internal combustion engine.
2 is a diagram showing a generation amount of the smoke and NO x.
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.
16 is a diagram for explaining the absorbing and releasing action of NO x.
17 is a diagram showing a map of the NO x absorption amount per unit time.
18 is a diagram for explaining the NO x releasing control.
19 is a flowchart for processing the NO x releasing flag.
FIG. 20 is a diagram showing a map of the amount of HC adsorption per unit time.
FIG. 21 is a flowchart for processing an HC flag.
FIG. 22 is a part of a flowchart for controlling operation of the engine.
FIG. 23 is a part of a flowchart for controlling operation of the engine.
FIG. 24 is a view showing a map of an increment of an injected fuel amount in the first combustion.
[Explanation of symbols]
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