JP4013930B2 - Compression ignition internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は圧縮着火式内燃機関に関する。 The present invention relates to a compression ignition type internal combustion engine.
圧縮着火式内燃機関において再循環排気ガス(以下、EGRガスという)の再循環率(EGRガス量/(吸入空気量+EGRガス量))、すなわちEGR率を55パーセント以上にすると燃焼温度が低下していわゆる低温燃焼が行われ、このときには空燃比をリッチにしても煤がほとんど発生しないことが知られている。このような圧縮着火式内燃機関が特許文献1に開示されている。 In a compression ignition type internal combustion engine, when the recirculation rate (EGR gas amount / (intake air amount + EGR gas amount)) of the recirculated exhaust gas (hereinafter referred to as EGR gas), that is, the EGR rate is 55% or more, the combustion temperature decreases. It is known that so-called low-temperature combustion is performed, and at this time, almost no soot is generated even if the air-fuel ratio is rich. Such a compression ignition type internal combustion engine is disclosed in Patent Document 1.
また機関排気通路に排気ガス中の成分を浄化するための排気浄化手段、例えば排気浄化触媒を配置することも知られている。 It is also known to arrange exhaust purification means for purifying components in the exhaust gas, for example, an exhaust purification catalyst, in the engine exhaust passage.
ところで排気浄化触媒を備えた圧縮着火式内燃機関において排気浄化触媒下流からEGRガスを採取し、機関吸気通路を介して燃焼室内に導入し、EGR率が55パーセント以上のいわゆる低温燃焼と、EGR率が55パーセント以下のいわゆる通常燃焼とを切り換えて行うようにした場合に要求機関負荷が増大して低温燃焼から通常燃焼に切り換えると多量の排気ガスが排気浄化触媒に流入することになる。ここで排気浄化触媒は低温燃焼時に燃焼室から排出される高温の排気ガスにより高温にせしめられており、このため排気浄化触媒に流入した多量の排気ガスも高温にせしめられ、結果として高温の排気ガスがEGRガスとして多量に機関吸気通路に導入せしめられる。このため機関吸気通路が高温のEGRガスにより少なからず熱的な被害を及ぼされる。 By the way, in a compression ignition type internal combustion engine equipped with an exhaust purification catalyst, EGR gas is sampled from the downstream of the exhaust purification catalyst and introduced into the combustion chamber via the engine intake passage, so-called low temperature combustion with an EGR rate of 55% or more, However, when the so-called normal combustion with 55% or less is switched and performed, the required engine load increases and when switching from low temperature combustion to normal combustion, a large amount of exhaust gas flows into the exhaust purification catalyst. Here, the exhaust purification catalyst is brought to a high temperature by high-temperature exhaust gas discharged from the combustion chamber during low-temperature combustion, so that a large amount of exhaust gas flowing into the exhaust purification catalyst is also brought to a high temperature, resulting in a high-temperature exhaust gas. A large amount of gas is introduced into the engine intake passage as EGR gas. For this reason, the engine intake passage is notably damaged by the high temperature EGR gas.
そこで本発明の目的は高温の排気ガスが多量に機関吸気通路に導入されることによる機関吸気通路に対する熱的な被害を回避することにある。 Therefore, an object of the present invention is to avoid thermal damage to the engine intake passage due to a large amount of high-temperature exhaust gas being introduced into the engine intake passage.
上記課題を解決するために、1番目の発明では、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる圧縮着火式内燃機関であって、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の不活性ガス量が多い第1の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第2の燃焼とを選択的に切り換える切換手段を具備し、排気ガス中の成分を浄化するための排気浄化手段を機関排気通路に配置し、該排気浄化手段下流から機関吸気通路に排気ガスを循環し、これにより燃焼室内に不活性ガスを導入するための排気再循環通路を具備する圧縮着火式内燃機関において、内燃機関の駆動力とは別個に車両駆動力を発生する電気モータを具備し、要求出力を機関運転状態に応じて定まる目標割合でもって電気モータと内燃機関とから出力させ、第1の燃焼を第2の燃焼に切り換えるときに排気再循環通路により循環せしめられる排気ガスの量を要求量よりも少なくした後に徐々に要求量まで増大すると共に電気モータからの出力と内燃機関からの出力との割合を徐々に変化させて目標割合とする。 In order to solve the above problems, in the first invention, as the amount of inert gas in the combustion chamber is increased, the amount of soot generated gradually increases and reaches a peak, and the amount of inert gas in the combustion chamber further increases. This is a compression ignition type internal combustion engine in which the temperature of the fuel during combustion in the combustion chamber and the surrounding gas temperature is lower than the soot generation temperature, and soot is hardly generated, and the soot generation amount reaches a peak. The first combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber is larger than the amount of inert gas, and the second combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber is smaller than the amount of inert gas in which the amount of generated soot reaches a peak A switching means for selectively switching is provided, and an exhaust purification means for purifying components in the exhaust gas is disposed in the engine exhaust passage, and the exhaust gas is circulated from the downstream of the exhaust purification means to the engine intake passage, thereby burning Introducing inert gas into the room A compression ignition type internal combustion engine having an exhaust gas recirculation passage is provided with an electric motor that generates a vehicle driving force separately from the driving force of the internal combustion engine, and the required output is determined at a target ratio determined according to the engine operating state. Therefore, the output from the electric motor and the internal combustion engine is increased, and when the first combustion is switched to the second combustion, the amount of exhaust gas circulated by the exhaust gas recirculation passage is reduced below the required amount and then gradually increased to the required amount. At the same time, the ratio between the output from the electric motor and the output from the internal combustion engine is gradually changed to a target ratio.
2番目の発明では、1番目の発明において、上記排気浄化手段が流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにはNOxを吸収し流入する排気ガスの空燃比がリッチまたは理論空燃比のときには吸収したNOxを放出するNOx吸収剤を具備する。
3番目の発明では、2番目の発明において、機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置し、該パティキュレートフィルタとして単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられかつ上記NOx吸収剤の機能を有するパティキュレートフィルタを用いた。
In the second invention, in the first invention, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the exhaust purification means is lean, NOx is absorbed, and when the air-fuel ratio of the flowing exhaust gas is rich or stoichiometric, the absorbed NOx NOx absorbent that releases NO.
In the third invention, in the second invention, the particulate filter arranged in the engine exhaust passage, the particulate discharged particulate amount exhausted from the combustion chamber per unit time as a filter unit time on the particulate filter When the amount of fine particles in the exhaust gas flowing into the particulate filter is less than the amount of fine particles that can be oxidized and removed without emitting a luminous flame, the NOx absorbent functions when the fine particles in the exhaust gas flow into the particulate filter without producing a luminous flame. A particulate filter having
4番目の発明では、3番目の発明において、パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を担持した。
5番目の発明では、4番目の発明において、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤をパティキュレートフィルタ上に担持し、パティキュレートフィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素放出剤から活性酸素を放出させ、放出された活性酸素によってパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させる。
In the fourth invention, in the third invention, a noble metal catalyst is supported on the particulate filter.
In the fifth invention, in the fourth invention, when there is excess oxygen in the surrounding area, oxygen is taken in and retained, and when the surrounding oxygen concentration is lowered, active oxygen release is released in the form of active oxygen. The agent is supported on the particulate filter, and when the fine particles adhere to the particulate filter, the active oxygen is released from the active oxygen release agent, and the fine particles adhering to the particulate filter are oxidized by the released active oxygen.
6番目の発明では、1番目の発明において、機関の運転領域を低負荷側の第1の運転領域と高負荷側の第2の運転領域に分割し、第1の運転領域では第1の燃焼が行われ、第2の運転領域では第2の燃焼が行われる。
7番目の発明では、1番目の発明において、第1の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ55パーセント以上であり、第2の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ50パーセント以下である。
According to a sixth aspect , in the first aspect, the engine operating region is divided into a first operating region on the low load side and a second operating region on the high load side. In the first operating region, the first combustion region is divided. And the second combustion is performed in the second operating region.
In the seventh invention, in the first invention, the exhaust gas recirculation rate when the first combustion is performed is approximately 55% or more, and the exhaust gas recirculation when the second combustion is performed. The circulation rate is approximately 50% or less.
本発明によれば、第1の燃焼が第2の燃焼に切り換えられたときに排気再循環通路を介して機関吸気通路に循環せしめられる排気ガスの量が少なくされる。このため高温の排気浄化触媒を通過して昇温せしめられた高温の排気ガスは少量しか機関吸気通路に流入しない。したがって排気ガスの熱による機関吸気通路への被害を回避することができる。 According to the present invention, the amount of exhaust gas circulated to the engine intake passage via the exhaust recirculation passage when the first combustion is switched to the second combustion is reduced. For this reason, only a small amount of the high-temperature exhaust gas that has been heated through the high-temperature exhaust purification catalyst flows into the engine intake passage. Therefore, damage to the engine intake passage due to the heat of the exhaust gas can be avoided.
図1および図2は本発明を4ストローク圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。
図1および図2を参照すると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は電気制御式燃料噴射弁、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートを夫々示す。吸気ポート8は対応する吸気枝管11を介してサージタンク12に連結され、サージタンク12は吸気ダクト13およびインタークーラ14を介して過給機、例えば排気ターボチャージャ15のコンプレッサ16の出口部に連結される。コンプレッサ16の入口部は吸気ダクト17およびエアフローメータ18を介してエアクリーナ19に連結され、吸気ダクト17内にはステップモータ20により駆動されるスロットル弁21が配置される。
1 and 2 show a case where the present invention is applied to a four-stroke compression ignition type internal combustion engine.
1 and 2, 1 is an engine body, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is an electrically controlled fuel injection valve, 7 is an intake valve, and 8 is intake air. Port, 9 is an exhaust valve, and 10 is an exhaust port. The
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の出口部は排気浄化手段としてパティキュレートフィルタ(以下単に「フィルタ」ともいう)24を内蔵したケーシング25に連結される。ケーシング25の出口部に連結された排気管26とスロットル弁21下流の吸気ダクト17とはEGR通路27を介して互いに連結され、EGR通路27内にはステップモータ28により駆動されるEGR制御弁29が配置される。またEGR通路27内にはEGR通路27内を流れるEGRガスを冷却するためのインタークーラ30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30内に導びかれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。
On the other hand, the
一方、燃料噴射弁6は燃料供給管31を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール32に連結される。このコモンレール32内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ33から燃料が供給され、コモンレール32内に供給された燃料は各燃料供給管31を介して燃料噴射弁6に供給される。コモンレール32にはコモンレール32内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ34が取り付けられ、燃料圧センサ34の出力信号に基づいてコモンレール32内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ33の吐出量が制御される。
On the other hand, the
一方、図1に示した実施例では機関の出力軸に変速機35が連結され、変速機35の出力軸36に電気モータ37が連結される。この場合、変速機35としてはトルクコンバータを具えた通常の自動変速機、各種の無段変速機、或いはクラッチを具えた手動変速機におけるクラッチ操作および変速操作を自動的に行うようにした形式の自動変速機等を用いることができる。
On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 1, a
また変速機35の出力軸36に連結された電気モータ37は機関の駆動力とは別個に駆動力を発生する駆動力発生装置を構成している。図1に示した実施例の電気モータ37は変速機35の出力軸36上に取り付けられかつ外周面に複数個の永久磁石を取り付けたロータ38と、回転磁界を形成する励磁コイルを巻設したステータ39とを具備した交流同期電動機からなる。ステータ39の励磁コイルはモータ駆動制御回路40に接続される。このモータ駆動制御回路40は直流高電圧を発生するバッテリ41に接続され、モータ駆動回路40とバッテリ41との間にはバッテリ電圧およびバッテリの充放電電流を検出するための検出器42が配置される。
The electric motor 37 connected to the
電子制御ユニット50はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス51によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)52、RAM(ランダムアクセスメモリ)53、CPU(マイクロプロセッサ)54、入力ポート55および出力ポート56を具備する。エアフローメータ18、燃料圧センサ34および検出器42の出力信号は夫々対応するAD変換器57を介して入力ポート55に入力される。排気管26内には排気ガス温を検出するための温度センサ43が配置され、この温度センサ43の出力信号は対応するAD変換器57を介して入力ポート55に入力される。また入力ポート55には変速機35の変速比または変速段、および出力軸36の回転数等を表わす種々の信号が入力される。
The
一方、アクセルペダル44にはアクセルペダル44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45が接続され、負荷センサ45の出力電圧は対応するAD変換器57を介して入力ポート55に入力される。更に入力ポート55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46が接続される。一方、出力ポート56は対応する駆動回路58を介して燃料噴射弁6、ステップモータ20、EGR制御弁28、燃料ポンプ33、変換機35、およびモータ駆動制御回路40に接続される。
On the other hand, a
電気モータ37のステータ39の励磁コイルへの電力の供給は通常停止せしめられており、このときロータ38は変速機37の出力軸36と共に回転している。一方、電気モータ37を駆動せしめるときにはバッテリ41の直流高電圧がモータ駆動制御回路40において周波数がfmで電流値がImの三相交流に変換され、この三相交流がステータ39の励磁コイルに供給される。この周波数fmは励磁コイルにより発生する回転磁界をロータ38の回転に同期して回転させるのに必要な周波数であり、この周波数fmは出力軸36の回転数に基づいてCPU54で算出される。モータ駆動制御回路40ではこの周波数fmが三相交流の周波数とされる。
The supply of electric power to the exciting coil of the
一方、電気モータ37の出力トルクは三相交流の電流値Imにほぼ比例する。この電流値Imは電気モータ37の要求出力トルクに基づきCPU54において算出され、モータ駆動制御回路40ではこの電流値Imが三相交流の電流値とされる。
また外力により電気モータ37を駆動する状態にすると電気モータ37は発電機として作動し、このとき発生した電力がバッテリ41に回生される。外力により電気モータ37を駆動すべきか否かはCPU54において判断され、外力により電気モータ37を駆動すべきであると判別されたときにはモータ制御回路40により電気モータ37に発生した電力バッテリ41に回生されるように制御される。
On the other hand, the output torque of the electric motor 37 is substantially proportional to the three-phase AC current value Im. The current value Im is calculated by the CPU 54 based on the required output torque of the electric motor 37, and the motor
When the electric motor 37 is driven by an external force, the electric motor 37 operates as a generator, and the electric power generated at this time is regenerated in the
図3に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。この実施例では機関の出力軸47に電気モータ37が連結され、電気モータ37の出力軸に変速機35が連結される。この実施例では電気モータ37のロータ38は機関の出力軸47上に取り付けられており、したがってロータ38は常時機関の出力軸47と共に回転する。またこの実施例においても変速機35としてはトルクコンバータを具えた通常の自動変速機、各種の無段変速機、或いはクラッチを具えた手動変速機におけるクラッチ操作および変速操作を自動的に行うようにした形式の自動変速機等を用いることができる。
FIG. 3 shows another embodiment of the compression ignition type internal combustion engine. In this embodiment, an electric motor 37 is connected to the
図4の縦軸TQは機関に対する要求トルク(要求負荷)を示しており、横軸Nは機関回転数を示しており、各実線はアクセルペダル44の同一踏込み量における要求トルクTQと機関回転数Nとの関係を示している。また図4において実線Aはアクセルペダル44の踏込み量が零のとき、実線Bはアクセルペダル44の踏込み量が最大のときを示しており、実線Aから実線Bに向けてアクセルペダル44の踏込み量が増大していく。本発明による実施例では図4に示す関係からアクセルペダル44の踏込み量Lおよび機関回転数Nに応じた要求トルクTQがまず初めに算出され、この要求トルクTQに基づいて燃料噴射量等が算出される。 The vertical axis TQ in FIG. 4 indicates the required torque (required load) for the engine, the horizontal axis N indicates the engine speed, and each solid line indicates the required torque TQ and the engine speed at the same depression amount of the accelerator pedal 44. The relationship with N is shown. In FIG. 4, the solid line A indicates that the amount of depression of the accelerator pedal 44 is zero, and the solid line B indicates that the amount of depression of the accelerator pedal 44 is maximum, and the amount of depression of the accelerator pedal 44 from the solid line A toward the solid line B. Will increase. In the embodiment according to the present invention, the required torque TQ corresponding to the depression amount L of the accelerator pedal 44 and the engine speed N is first calculated from the relationship shown in FIG. 4, and the fuel injection amount and the like are calculated based on this required torque TQ. Is done.
さて本発明における実施例では、機関負荷が比較的低いときには煤がほとんど発生しない低温燃焼を行わせるようにしており、したがってまず初めにこの煤がほとんど発生しない低温燃焼について説明する。
図5は機関低負荷運転時にスロットル弁21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5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5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。
In the embodiment of the present invention, low-temperature combustion in which soot is hardly generated when the engine load is relatively low is performed. Therefore, first, low-temperature combustion in which this soot is hardly generated will be described.
FIG. 5 shows changes in output torque when the air-fuel ratio A / F (horizontal axis in FIG. 5) is changed by changing the opening degree and EGR rate of the
図5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。すなわ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。 As shown in FIG. 5, when the air-fuel ratio A / F is decreased by increasing the EGR rate, the EGR rate becomes around 40%, and the amount of smoke generated when the air-fuel ratio A / F becomes about 30. Start to increase. Next, when the EGR rate is further increased and the air-fuel ratio A / F is decreased, the amount of smoke generated increases rapidly and reaches a peak. Next, when the EGR rate is further increased and the air-fuel ratio A / F is reduced, the smoke suddenly decreases, the EGR rate is increased to 65% or more, and when the air-fuel ratio A / F is near 15.0, the smoke becomes almost zero. . That is, almost no soot is generated. At this time, the output torque of the engine slightly decreases, and the amount of NOx generated becomes considerably low. On the other hand, the generation amount of HC and CO starts to increase at this time.
図6(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6(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6(A)と図6(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6(B)に示す場合はスモークの発生量が多い図6(A)に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。 FIG. 6A shows the change in combustion pressure in the combustion chamber 5 when the air-fuel ratio A / F is near 21 and the amount of smoke generated is the largest, and FIG. 6B shows that the air-fuel ratio A / F is 18. The change in the combustion pressure in the combustion chamber 5 when the amount of smoke generated in the vicinity is almost zero is shown. As can be seen by comparing FIG. 6A and FIG. 6B, the case of FIG. 6B where the amount of smoke generated is almost zero is shown in FIG. 6A where the amount of smoke generated is large. It can be seen that the combustion pressure is lower than the case.
図5および図6に示される実験結果から次のことが言える。すなわちまず第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5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、したが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6からも言える。すなわち煤がほとんど発生していない図6(B)に示す状態では燃焼圧が低くなっており、したが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。 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 smoke generated is almost zero, the amount of NOx generated decreases considerably as shown in FIG. The fact that the amount of NOx generated has decreased means that the combustion temperature in the combustion chamber 5 has decreased. Therefore, when almost no soot is generated, it can be said that the combustion temperature in the combustion chamber 5 has decreased. . The same can be said from FIG. That is, in the state shown in FIG. 6B where almost no soot is generated, the combustion pressure is low, and therefore the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low at this time.
第2にスモークの発生量、すなわち煤の発生量がほぼ零になると図5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。すなわち燃料中に含まれる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燃料中に含まれる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。したがって上述したように煤の発生量がほぼ零になると図5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は煤の前駆体またはその前の状態の炭化水素である。 Secondly, when the amount of smoke generated, that is, the amount of soot generated becomes almost zero, the HC and CO emissions increase as shown in FIG. This means that the hydrocarbons are discharged without growing to the soot. In other words, linear hydrocarbons and aromatic hydrocarbons contained in the fuel are pyrolyzed to form soot precursors when the temperature is raised in an oxygen-deficient state, and then consist of solids mainly composed of carbon atoms. A kite is generated. In this case, the actual soot formation process is complicated, and it is not clear what form the soot precursor will take, but in any case the hydrocarbons contained in the fuel will pass through the soot precursor. Will grow up to. Therefore, as described above, when the amount of soot generated becomes almost zero, the amount of HC and CO emissions increases as shown in FIG. 5. At this time, HC is a precursor of soot or a hydrocarbon in the previous state.
図5および図6に示した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また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、すなわち煤がほとんど発生せず、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。 Summarizing these considerations based on the experimental results shown in FIG. 5 and FIG. 6, when the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low, the amount of soot generated becomes almost zero, and at this time, the soot precursor or its previous state Hydrocarbons are discharged from the combustion chamber 5. As a result of repeated experimental research on this in detail, when the temperature of the fuel in the combustion chamber 5 and the gas surrounding it are below a certain temperature, the soot growth process stops midway, that is, soot It has been found that soot hardly occurs and soot is generated when the temperature of the fuel in the combustion chamber 5 and the surrounding temperature rise above a certain temperature.
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、すなわ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、したが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。すなわち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 前後また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。したがって上述の或る温度はNOxの発生量が10p.p.m 前後またはそれ以下になったときの温度にほぼ一致する。 By the way, when the hydrocarbon generation process stops in the state of soot precursor, the temperature of the fuel and its surroundings, that is, the above-mentioned certain temperature changes depending on various factors such as the type of fuel, the air-fuel ratio, the compression ratio, etc. Although it cannot be said how many times, this certain temperature has a deep relationship with the amount of NOx generated, and therefore this certain temperature can be defined to some extent from the amount of NOx generated. That is, as the EGR rate increases, the temperature of fuel and the surrounding gas during combustion decreases, and the amount of NOx generated decreases. At this time, almost no soot is generated when the amount of NOx generated is about 10 p.p.m or less. Therefore, the above-mentioned certain temperature substantially coincides with the temperature when the amount of NOx generated is around 10 p.p.m or less.
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また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また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。 Once soot is produced, it cannot be purified by post-treatment using a catalyst having an oxidizing function. On the other hand, the precursor of soot or the hydrocarbon in the previous state can be easily purified by post-treatment using a catalyst having an oxidation function. Considering the post-treatment with a catalyst having an oxidation function in this way, it is extremely important whether hydrocarbons are discharged from the combustion chamber 5 in the soot precursor or in the previous state or from the combustion chamber 5 in the form of soot. There is a big difference.
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。 Now, in order to stop the growth of hydrocarbons before the soot is generated, it is necessary to suppress the temperature of the fuel and the surrounding gas in the combustion chamber 5 to a temperature lower than the temperature at which soot is generated. is there. In this case, in order to suppress the temperature of the fuel and the surrounding gas, it has been found that the endothermic action of the gas around the fuel when the fuel burns has a great influence.
すなわ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。すなわ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。 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 away from the fuel does not increase so much, and only the temperature around the fuel becomes extremely high locally. That is, at this time, the air away from the fuel hardly performs the endothermic action of the combustion heat of the fuel. In this case, since the combustion temperature becomes extremely high locally, the unburned hydrocarbons that have received this heat of combustion produce soot.
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。すなわち燃焼温度を低く抑えることができることになる。すなわ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。 On the other hand, the situation is slightly different when fuel is present in a mixed gas of a large amount of inert gas and a small amount of air. In this case, the evaporated fuel diffuses around and 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 action of the inert gas.
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。したが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って増大することになる。なお、この場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用は強力となり、したが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。 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 soot is generated, an amount of inert gas that can absorb a sufficient amount of heat is required. Therefore, if the amount of fuel increases, the amount of inert gas required increases accordingly. In this case, the greater the specific heat of the inert gas, the stronger the endothermic action. Therefore, the inert gas is preferably a gas having a large specific heat. In this regard, it can be said that it is preferable to use EGR gas as an inert gas because CO 2 and EGR gas have a relatively large specific heat.
図7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。すなわち図7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。 FIG. 7 shows the relationship between the EGR rate and smoke when EGR gas is used as the inert gas and the cooling degree of the EGR gas is changed. That is, in FIG. 7, curve A shows the case where the EGR gas is cooled strongly and the EGR gas temperature is maintained at about 90 ° C., and curve B shows the case where the EGR gas is cooled by a small cooling device, A curve C shows a case where the EGR gas is not forcibly cooled.
図7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7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。
As shown by the curve A in FIG. 7, when the EGR gas is strongly cooled, the amount of soot peaks when the EGR rate is slightly lower than 50%. In this case, the EGR rate is increased to about 55% or more. If you do, almost no wrinkles will occur.
On the other hand, as shown by curve B in FIG. 7, when the EGR gas is slightly cooled, the amount of soot peaks when the EGR rate is slightly higher than 50%. In this case, the EGR rate is about 65% or more. If this is done, almost no wrinkles will occur.
また図7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7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。
Further, as shown by the curve C in FIG. 7, when the EGR gas is not forcibly cooled, the amount of soot generated reaches a peak when the EGR rate is around 55%. In this case, the EGR rate is about 70%. If it is above, almost no wrinkle will be generated.
FIG. 7 shows the amount of smoke generated when the engine load is relatively high. When the engine load is reduced, the EGR rate at which the amount of soot reaches a peak slightly decreases, and the EGR rate at which soot hardly occurs is shown. The lower limit also decreases slightly. Thus, the lower limit of the EGR rate at which soot hardly occurs varies depending on the degree of cooling of the EGR gas and the engine load.
図8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8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。また横軸は要求トルクを示している。 FIG. 8 shows the amount of mixed gas of EGR gas and air necessary to make the temperature of the fuel and the surrounding gas lower than the temperature at which soot is generated when EGR gas is used as the inert gas. And the ratio of the air in this gas mixture amount, and the ratio of the EGR gas in this gas mixture are shown. In FIG. 8, the vertical axis indicates the total intake gas amount sucked into the combustion chamber 5, and the chain line Y indicates the total intake gas amount that can be sucked into the combustion chamber 5 when supercharging is not performed. Yes. The horizontal axis shows the required torque.
図8を参照すると空気の割合、すなわ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。すなわち図8に示した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8においてEGRガスの割合、すなわち混合ガス中の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8に示した実施例では70パーセント以上である。すなわち燃焼室5内に吸入された全吸入ガス量を図8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8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、斯くして煤がほとんど発生しなくなる。またこのときのNOx発生量は10p.p.m 前後、またはそれ以下であり、したがってNOxの発生量は極めて少量となる。 Referring to FIG. 8, the ratio of air, that is, the amount of air in the mixed gas indicates the amount of air necessary to completely burn the injected fuel. That is, in the case shown in FIG. 8, the ratio between the air amount and the injected fuel amount is the stoichiometric air-fuel ratio. On the other hand, in FIG. 8, the ratio of EGR gas, that is, the amount of EGR gas in the mixed gas is used to make the temperature of the fuel and its surrounding gas lower than the temperature at which soot is formed when the injected fuel is burned. The minimum EGR gas amount is shown. This EGR gas amount is approximately 55% or more in terms of EGR rate, and is 70% or more in the embodiment shown in FIG. That is, if the total intake gas amount sucked into the combustion chamber 5 is a solid line X in FIG. 8, and the ratio of the air amount and the EGR gas amount in the total intake gas amount X is a ratio as shown in FIG. And the temperature of the gas around it is lower than the temperature at which soot is produced, so that soot is hardly generated. Further, the amount of NOx generated at this time is about 10 p.p.m or less, and therefore the amount of NOx generated is extremely small.
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。したがって図8に示したように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。すなわちEGRガス量は要求トルクが高くなるにつれて増大する必要がある。 If 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. Therefore, as shown in FIG. 8, the EGR gas amount must be increased as the amount of injected fuel increases. That is, the amount of EGR gas needs to increase as the required torque increases.
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、したがって図8において要求トルクがL0よりも大きい領域では要求トルク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トルクが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トルクが高くなるにつれてEGR率が低下し、斯くして要求トルクが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。 By the way, when supercharging is not performed, the upper limit of the total intake gas amount X sucked into the combustion chamber 5 is Y. Therefore, in the region where the required torque is larger than L 0 in FIG. Accordingly, the air-fuel ratio cannot be maintained at the stoichiometric air-fuel ratio unless the EGR gas ratio is decreased. In other words, when supercharging is not performed and an attempt is made to maintain the air-fuel ratio at the stoichiometric air-fuel ratio in a region where the required torque is greater than L 0 , the EGR rate decreases as the required torque increases, and thus In the region where the required torque is larger than L 0, the temperature of the fuel and the surrounding gas cannot be maintained at a temperature lower than the temperature at which soot is generated.
ところが図1および図3に示したようにEGR通路27を介して過給機の入口側、すなわち排気ターボチャージャ15のコンプレッサ16上流の吸気ダクト17内にEGRガスを再循環させると要求トルクが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。すなわち吸気ダクト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。したが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。
However, as shown in FIGS. 1 and 3, when the EGR gas is recirculated through the
なお、この場合、要求トルクが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29が全開せしめられ、スロットル弁21が若干閉弁せしめられる。
前述したように図8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8に示した空気量よりも少くしても、すなわ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 前後またはそれ以下にすることができ、また空気量を図8に示した空気量よりも多くしても、すなわ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 前後またはそれ以下にすることができる。
In this case, the
As described above, FIG. 8 shows the case where the fuel is burned under the stoichiometric air-fuel ratio. However, even if the air amount is smaller than the air amount shown in FIG. The generation amount of NOx can be reduced to around 10 p.pm or less while the generation of NO is suppressed, and even if the air amount is made larger than the air amount shown in FIG. Even when lean to 18, the generation amount of NOx can be reduced to around 10 p.pm or less while preventing the generation of soot.
すなわ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はほとんどない。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における燃焼方法のもとでは燃焼温度が低い温度に抑制されているので煤はほとんど生成されない。更にNOxも極めて少量しか発生しない。 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 so soot is hardly generated. At this time, only a very small amount of NOx is generated. On the other hand, when the average air-fuel ratio is lean, or even when the air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio, a small amount of soot is produced if the combustion temperature is high, but under the combustion method of the present invention, the combustion temperature is suppressed to a low temperature. As a result, almost no soot is generated. Furthermore, only a very small amount of NOx is generated.
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、すなわ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ほとんど発生せず、NOxの発生量が極めて少量となる。したが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。 Thus, when low-temperature combustion is performed, 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, almost no soot is generated, and NOx The amount of generated is 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.
一方、この低温燃焼を行うと燃料およびその周囲のガス温は低くなるが排気ガス温は上昇する。このことについて図9(A),(B)を参照しつつ説明する。
図9(A)の実線は低温燃焼が行われたときの燃焼室5内の平均ガス温Tgとクランク角との関係を示しており、図9(A)の破線は通常の燃焼が行われたときの燃焼室5内の平均ガス温Tgとクランク角との関係を示している。また図9(B)の実線は低温燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温Tfとクランク角との関係を示しており、図9(B)の破線は通常の燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温Tfとクランク角との関係を示している。
On the other hand, when this low temperature combustion is performed, the temperature of the fuel and the surrounding gas is lowered, but the exhaust gas temperature is raised. This will be described with reference to FIGS. 9A and 9B.
The solid line in FIG. 9A shows the relationship between the average gas temperature Tg in the combustion chamber 5 and the crank angle when low-temperature combustion is performed, and the broken line in FIG. 9A shows normal combustion. The relationship between the average gas temperature Tg in the combustion chamber 5 and the crank angle is shown. Also, the solid line in FIG. 9B shows the relationship between the fuel and the surrounding gas temperature Tf and the crank angle when low-temperature combustion is performed, and the broken line in FIG. 9B shows normal combustion. The relationship between the fuel and the surrounding gas temperature Tf and the crank angle is shown.
低温燃焼が行われているときには通常の燃焼が行われているときに比べてEGRガス量が多く、したがって図9(A)に示されるように圧縮上死点前は、すなわち圧縮工程中は実線で示した低温燃焼時における平均ガス温Tgのほうが破線で示す通常の燃焼時における平均ガス温Tgよりも高くなっている。なおこのとき図9(B)に示したように燃料およびその周囲のガス温Tfは平均ガス温Tgとほぼ同じ温度になっている。 When low-temperature combustion is performed, the amount of EGR gas is larger than when normal combustion is performed. Therefore, as shown in FIG. 9A, before compression top dead center, that is, a solid line during the compression process. The average gas temperature Tg at the time of low-temperature combustion indicated by is higher than the average gas temperature Tg at the time of normal combustion indicated by a broken line. At this time, as shown in FIG. 9B, the fuel and the surrounding gas temperature Tf are substantially equal to the average gas temperature Tg.
次いで圧縮上死点付近において燃焼が開始されるがこの場合、低温燃焼が行われているときには図9(B)の実線で示したようにEGRガスの吸熱作用により燃料およびその周囲のガス温Tfはさほど高くならない。これに対して通常の燃焼が行われている場合には燃料周りに多量の酸素が存在するために図9(B)の破線で示したように燃料およびその周囲のガス温Tfは極めて高くなる。このように通常の燃焼が行われた場合には燃料およびその周囲のガス温Tfは低温燃焼が行われている場合に比べてかなり高くなるが大部分を占めるそれ以外のガスの温度は低温燃焼が行われている場合に比べて通常の燃焼が行われている場合の方が低くなっており、したがって図9(A)に示したように圧縮上死点付近における燃焼室5内の平均ガス温Tgは低温燃焼が行われている場合の方が通常の燃焼が行われている場合に比べて高くなる。その結果、図9(A)に示したように燃焼が完了した後の燃焼室5内の既燃ガス温は低温燃焼が行われた場合の方が通常の燃焼が行われた場合に比べて高くなり、斯くして低温燃焼を行うと排気ガス温が高くなる。 Next, combustion starts near the compression top dead center. In this case, when low-temperature combustion is being performed, as shown by the solid line in FIG. 9B, the fuel and the surrounding gas temperature Tf are absorbed by the endothermic action of the EGR gas. It wo n’t be that expensive. On the other hand, when normal combustion is performed, since a large amount of oxygen exists around the fuel, the fuel and the surrounding gas temperature Tf become extremely high as shown by the broken line in FIG. 9B. . In this way, when normal combustion is performed, the temperature of the fuel and the surrounding gas temperature Tf is considerably higher than when low temperature combustion is performed, but the temperature of the other gases which occupy most is low temperature combustion. Therefore, the average gas in the combustion chamber 5 near the compression top dead center as shown in FIG. 9A is lower than that in the case where the normal combustion is performed. The temperature Tg is higher when low-temperature combustion is performed than when normal combustion is performed. As a result, as shown in FIG. 9A, the burned gas temperature in the combustion chamber 5 after the completion of the combustion is higher when the low temperature combustion is performed than when the normal combustion is performed. Therefore, when the low temperature combustion is performed, the exhaust gas temperature becomes high.
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。したが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、すなわ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、すなわ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、すなわ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、すなわ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。 By the way, the temperature of the fuel during combustion in the combustion chamber and the surrounding gas temperature can be suppressed to a temperature equal to or lower than the temperature at which the growth of hydrocarbons stops midway, only when the engine medium-low load operation has a relatively small amount of heat generated 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 surrounding gas temperature to a temperature lower than the temperature at which the hydrocarbon growth stops midway during the engine low load operation. In the engine high load operation, the second combustion, that is, the combustion normally performed conventionally is performed. Note that the first combustion, that is, low-temperature combustion, here, as is clear from the above description, the amount of inert gas in the combustion chamber is larger than the amount of inert gas at which the amount of generated soot peaks, and soot is almost generated. The second combustion, that is, the combustion that is normally performed in the past, is the combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber is smaller than the amount of inert gas in which the generation amount of soot peaks. Say.
図10は第1の燃焼、すなわち低温燃焼が行われる第1の運転領域Iと、第2の燃焼、すなわ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10において縦軸TQは要求トルクを示しており、横軸Nは機関回転数を示している。また図10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。 FIG. 10 shows a first operation region I in which the first combustion, that is, low-temperature combustion is performed, and a second operation region II in which the second combustion, that is, combustion by the conventional combustion method is performed. In FIG. 10, the vertical axis TQ indicates the required torque, and the horizontal axis N indicates the engine speed. In FIG. 10, X (N) indicates a first boundary between the first operation region I and the second operation region II, and Y (N) indicates the first operation region I and the second operation region. The second boundary with II is shown. The change determination of the operation region from the first operation region I to the second operation region II is performed based on the first boundary X (N), and the change from the second operation region II to the first operation region I is performed. The change determination of the operation region is performed based on the second boundary Y (N).
すなわ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。 That is, when the engine operating state is in the first operating region I and low-temperature combustion is being performed, if the required load L exceeds the first boundary X (N) that is a function of the engine speed N, the operating region is It is determined that the operation has shifted to the second operation region II, and combustion by the conventional combustion method is performed. Next, when the required load L becomes lower than the second boundary Y (N) that is a function of the engine speed N, it is determined that the operating region has shifted to the first operating region I, and low temperature combustion is performed again.
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、このとき要求トルクTQ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。すなわち要求トルクTQがかなり低くなったとき、すなわち第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か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。 The reason for providing 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) is as follows. . The first reason is that the combustion temperature is relatively high on the high load side of the second operation region II, and at this time, even if the required torque TQ becomes lower than the first boundary X (N), the low temperature combustion cannot be performed immediately. It is. That is, the low temperature combustion is not started immediately unless the required torque TQ is considerably low, that is, when the required torque TQ is lower than the second boundary Y (N). The second reason is to provide hysteresis with respect to a change in the operation region between the first operation region I and the second operation region II.
次に図11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11は要求トルクTQに対するスロットル弁21の開度、EGR制御弁29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11に示されるように要求トルクTQの低い第1の運転領域Iではスロットル弁21の開度は要求トルクTQ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29の開度は要求トルクTQ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11に示した例では第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。
Next, operation control in the first operation region I and the second operation region II will be schematically described with reference to FIG.
FIG. 11 shows the opening degree of the
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21の開度およびEGR制御弁29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は要求トルクTQ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。
In other words, in the first operating region I, the EGR rate is approximately 70%, and the opening degree of the
なおアイドリング運転時にはスロットル弁21は全閉近くまで閉弁され、このときEGR制御弁29も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁21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。すなわ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21が全閉近くまで閉弁せしめられる。
During the idling operation, the
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21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11に示した例では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。すなわちEGR率が多量のスモークを発生するEGR率範囲(図7)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。
On the other hand, when the operating range of the engine is changed from the first operating range I to the second operating range II, the opening degree of the
第2の運転領域IIでは第2の燃焼、すなわち従来から行われている燃焼が行われる。この燃焼方法では煤およびNOxが若干発生するが低温燃焼に比べて熱効率は高く、したがって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に変わると図11に示したように噴射量がステップ状に低減せしめられる。この第2の運転領域IIではスロットル弁21は一部を除いて全開状態に保持され、EGR制御弁29の開度は要求トルクTQ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率は要求トルクTQが高くなるほど低くなり、空燃比は要求トルクTQが高くなるほど小さくなる。ただし空燃比は要求トルクTQ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が圧縮上死点付近とされている。
In the second operation region II, the second combustion, that is, the conventional combustion is performed. Although some soot and NOx are generated in this combustion method, the thermal efficiency is higher than that in low-temperature combustion. Therefore, when the engine operating region is changed from the first operating region I to the second operating region II, as shown in FIG. The injection amount is reduced stepwise. In the second operation region II, the
図12は第1の運転領域Iにおける空燃比A/Fを示している。図12においてA/F=15.5,A/F=16,A/F=17,A/F=18で示した各曲線は夫々空燃比が15.5,16,17,18であるときを示しており、各曲線間の空燃比は比例配分により定められる。図12に示したように第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では要求トルクTQが低くなるほど空燃比A/Fがリーンとされる。 FIG. 12 shows the air-fuel ratio A / F in the first operating region I. In FIG. 12, the curves indicated by A / F = 15.5, A / F = 16, A / F = 17, and A / F = 18 are when the air-fuel ratio is 15.5, 16, 17, and 18, respectively. The air-fuel ratio between the curves is determined by proportional distribution. As shown in FIG. 12, the air-fuel ratio is lean in the first operating region I, and in the first operating region I, the air-fuel ratio A / F is leaner as the required torque TQ is lower.
すなわち要求トルクTQが低くなるほど燃焼による発熱量が少くなる。したがって要求トルクTQ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、したがって図12に示したように要求トルクTQが低くなるにつれて空燃比A/Fが大きくされる。空燃比A/Fが大きくなるほど燃料消費率は向上し、したがってできる限り空燃比をリーンにするために本発明の実施例では要求トルクTQが低くなるにつれて空燃比A/Fが大きくされる。 That is, the lower the required torque TQ, the smaller the amount of heat generated by combustion. Therefore, low temperature combustion can be performed even if the EGR rate is lowered as the required torque TQ is lowered. When the EGR rate is lowered, the air-fuel ratio increases, and therefore the air-fuel ratio A / F increases as the required torque TQ decreases as shown in FIG. As the air-fuel ratio A / F increases, the fuel consumption rate improves. Therefore, in order to make the air-fuel ratio as lean as possible, in the embodiment of the present invention, the air-fuel ratio A / F increases as the required torque TQ decreases.
第1の運転領域Iにおける噴射量Qは図13(A)に示したように要求トルクTQおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM52内に記憶されており、第1の運転領域Iにおける噴射開始時期θSは図13(B)に示したように要求トルクTQおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM52内に記憶されている。
The injection amount Q in the first operation region I is stored in advance in the
また空燃比を機関の運転状態に応じた図12に示す目標空燃比A/FとしかつEGR率を機関の運転状態に応じた目標EGR率とするのに必要なスロットル弁21の目標開度STが図14(A)に示したように要求トルクTQおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM52内に記憶されており、空燃比を機関の運転状態に応じた図12に示す目標空燃比A/FとしかつEGR率を機関の運転状態に応じた目標EGR率とするのに必要なEGR制御弁29の目標開度SEが図14(B)に示したように要求トルクTQおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM52内に記憶されている。
Further, the target opening ST of the
図15は第2の燃焼、すなわち従来の燃焼方法による普通の燃焼が行われるときの目標空燃比を示している。なお図15においてA/F=24,A/F=35,A/F=45,A/F=60で示した各曲線は夫々目標空燃比24,35,45,60を示している。
第2の燃焼が行われるときの噴射量Qは図16(A)に示したように要求トルクTQおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM52内に記憶されており、第2の燃焼が行われるときの噴射開始時期θSは図16(B)に示したように要求トルクTQおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM52内に記憶されている。
FIG. 15 shows the target air-fuel ratio when the second combustion, that is, normal combustion by the conventional combustion method is performed. In FIG. 15, the curves indicated by A / F = 24, A / F = 35, A / F = 45, and A / F = 60 indicate the target air-
The injection amount Q when the second combustion is performed is stored in the
また空燃比を機関の運転状態に応じた図15に示す目標空燃比A/FとしかつEGR率を機関の運転状態に応じた目標EGR率とするのに必要なスロットル弁21の目標開度STが図17(A)に示したように要求トルクTQおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM52内に記憶されており、空燃比を機関の運転状態に応じた図15に示す目標空燃比A/FとしかつEGR率を機関の運転状態に応じた目標EGR率とするのに必要なEGR制御弁29の目標開度SEが図17(B)に示したように要求トルクTQおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM52内に記憶されている。
Further, the target opening ST of the
次に図18を参照して本実施例の内燃機関の基本的な運転制御について説明する。図18を参照すると初めにステップ100において内燃機関の運転状態が第一の運転領域Iにあることを示した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100においてフラグがセットされていると判別されたとき、すなわち内燃機関の運転状態が第一の運転状態Iにあるときにはステップ101に進んで機関要求負荷Lが第一の境界X(N)よりも大きくなった(L>X(N))か否かが判別される。
Next, basic operation control of the internal combustion engine of the present embodiment will be described with reference to FIG. Referring to FIG. 18, first, at
ステップ101においてL≦X(N)であると判別されたときにはステップ103に進んで運転制御I(すなわち第一の燃焼)が実行される。すなわちステップ103では図14(A)に示した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、図14(B)に示したマップから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、図13(A)に示したマップから目標燃料噴射量Qが算出され、図13(B)に示したマップから目標噴射開始時期θSが算出され、燃料噴射弁6から目標燃料噴射量Qの燃料が噴射される。
When it is determined in
ステップ101においてL>X(N)であると判別されたときにはステップ102に進んでフラグがリセットされ、次いでステップ106に進んで運転制御II(すなわち第二の燃焼)が実行される。すなわちステップ106では図17(A)に示した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、図17(B)に示したマップから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、図16(A)に示したマップから目標燃料噴射量Qが算出され、図16(B)に示したマップから目標噴射開始時期θSが算出され、燃料噴射弁6からこの目標燃料噴射量Qの燃料が噴射される。
When it is determined at
次に図1および図3においてケーシング25内に収容されているフィルタ24の構造について図19を参照しつつ説明する。なお図19において(A)はフィルタ24の正面図を示しており、(B)はフィルタ24の側面断面図を示している。図19(A)および(B)に示されるようにフィルタ24はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路60,61を具備する。これら排気流通路は下流端が栓62により閉塞された排気ガス流入通路60と、上流端が栓63により閉塞された排気ガス流出通路61とにより構成される。なお図19(A)においてハッチングを付した部分は栓63を示している。したがって排気ガス流入通路60および排気ガス流出通路61は薄肉の隔壁64を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路60および排気ガス流出通路61は各排気ガス流入通路60が4つの排気ガス流出通路61によって包囲され、各排気ガス流出通路61が4つの排気ガス流入通路60によって包囲されるように配置される。
Next, the structure of the
フィルタ24は例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、したがって排気ガス流入通路60内に流入した排気ガスは図19(B)において矢印で示されるように周囲の隔壁64内を通って隣接する排気ガス流出通路61内に流出する。
本発明の実施例では各排気ガス流入通路60および各排気ガス流出通路61の周壁面、すなわち各隔壁64の両側表面上および隔壁64内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒、および周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤が担持されている。
The
In the embodiment of the present invention, a carrier layer made of, for example, alumina is formed on the peripheral wall surfaces of the exhaust
この場合、本発明による実施例では貴金属触媒として白金Ptが用いられており、活性酸素放出剤としてカリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウムRbのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCa、ストロンチウムSrのようなアルカリ土類金属、ランタンLa、イットリウムY、セリウムCeのような希土類、および遷移金属から選ばれた少なくとも一つが用いられている。 In this case, platinum Pt is used as a noble metal catalyst in the examples according to the present invention, and alkali metal such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, and rubidium Rb, barium Ba, calcium Ca as active oxygen release agents. At least one selected from alkaline earth metals such as strontium Sr, rare earths such as lanthanum La, yttrium Y, cerium Ce, and transition metals is used.
なお、この場合活性酸素放出剤としてはカルシウムCaよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属またはアルカリ土類金属、すなわちカリウムK、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウムRb、バリウムBa、ストロンチウムSrを用いることが好ましい。
次にフィルタ24による排気ガス中の微粒子除去作用について担体上に白金PtおよびカリウムK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、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属を用いても同様な微粒子除去作用が行われる。
In this case, it is preferable to use an alkali metal or alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca, that is, potassium K, lithium Li, cesium Cs, rubidium Rb, barium Ba, and strontium Sr as the active oxygen release agent.
Next, the action of removing fine particles in the exhaust gas by the
図1および図3に示したような圧縮着火式内燃機関では空気過剰のもとで燃焼が行われ、したがって排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。すなわち吸気通路、燃焼室5および排気通路内に供給された空気と燃料との比を排気ガスの空燃比と称すると図1および図3に示したような圧縮着火式内燃機関では排気ガスの空燃比はリーンとなっている。また燃焼室5内ではNOが発生するので排気ガス中にはNOが含まれている。また燃料中にはイオウSが含まれており、このイオウSは燃焼室5内で酸素と反応してSO2となる。したがって排気ガス中にはSO2が含まれている。したがって過剰酸素、NOおよびSO2を含んだ排気ガスがフィルタ24の排気ガス流入通路60内に流入することになる。
In the compression ignition type internal combustion engine as shown in FIG. 1 and FIG. 3, combustion is performed under excess air, and therefore the exhaust gas contains a large amount of excess air. That is, if the ratio of the air and the fuel supplied into the intake passage, the combustion chamber 5 and the exhaust passage is referred to as the air-fuel ratio of the exhaust gas, the compression ignition type internal combustion engine as shown in FIGS. The fuel ratio is lean. Further, since NO is generated in the combustion chamber 5, NO is contained in the exhaust gas. The fuel contains sulfur S, and this sulfur S reacts with oxygen in the combustion chamber 5 to become SO 2 . Therefore, SO 2 is contained in the exhaust gas. Therefore, exhaust gas containing excess oxygen, NO, and SO 2 flows into the exhaust
図20(A)および(B)は排気ガス流入通路60の内周面および隔壁64内の細孔内壁面上に形成された担体層の表面の拡大図を模式的に表わしている。なお図20(A)および(B)において70は白金Ptの粒子を示しており、71はカリウムKを含んでいる活性酸素放出剤を示している。
上述したように排気ガス中には多量の過剰酸素が含まれているので排気ガスがフィルタ24の排気ガス流入通路60内に流入すると図20(A)に示されるようにこれら酸素O2がO2 -またはO2-の形で白金Ptの表面に付着する。一方、排気ガス中のNOは白金Ptの表面上でO2 -または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上で酸化されつつ活性酸素放出剤71内に吸収され、カリウムKと結合しながら図20(A)に示したように硝酸イオンNO3 -の形で活性酸素放出剤71内に拡散し、一部の硝酸イオンNO3 -は硝酸カリウムKNO3を生成する。
20A and 20B schematically show enlarged views of the surface of the carrier layer formed on the inner peripheral surface of the exhaust
These oxygen O 2 is O as shown in the exhaust gas because the exhaust gas as described above contains a large amount of excess oxygen flowing into the exhaust
一方、上述したように排気ガス中にはSO2も含まれており、このSO2もNOと同様なメカニズムによって活性酸素放出剤71内に吸収される。すなわち上述したように酸素O2がO2 -またはO2-の形で白金Ptの表面に付着しており、排気ガス中のSO2は白金Ptの表面でO2 -またはO2-と反応してSO3となる。次いで生成されたSO3の一部は白金Pt上で更に酸化されつつ活性酸素放出剤71内に吸収され、カリウムKと結合しながら硝酸イオンSO4 2- の形で活性酸素放出剤71内に拡散し、硫酸カリウムK2SO4を生成する。このようにして活性酸素放出触媒71内には硝酸カリウムKNO3および硫酸カリウムK2SO4が生成される。
On the other hand, as described above, SO 2 is also contained in the exhaust gas, and this SO 2 is also absorbed into the active
一方、燃焼室5内においては主にカーボンCからなる微粒子、すなわち煤が生成され、したがって排気ガス中にはこれら微粒子が含まれている。ただし前述したように低温燃焼が行われているときには排気ガス中の微粒子量は極めて少量となる。いずれにしても排気ガス中に含まれているこれら微粒子は排気ガスがフィルタ24の排気ガス流入通路60内を流れているときに或いは排気ガス流入通路60から排気ガス流出通路61に向かうときに図20(B)において72で示されるように担体層の表面、例えば活性酸素放出剤71の表面上に接触し、付着する。
On the other hand, fine particles mainly made of carbon C, that is, soot are generated in the combustion chamber 5, and therefore these fine particles are contained in the exhaust gas. However, as described above, when low-temperature combustion is performed, the amount of particulates in the exhaust gas is extremely small. In any case, these fine particles contained in the exhaust gas are shown when the exhaust gas flows in the exhaust
このように微粒子72が活性酸素放出剤71の表面上に付着すると微粒子72と活性酸素放出剤71との接触面では酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素放出剤71内との間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出剤71内の酸素が微粒子72と活性酸素放出剤71との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素放出剤71内に形成されている硝酸カリウムKNO3がカリウムKと酸素OとNOとに分解され、酸素Oが微粒子72と活性酸素放出剤71との接触面に向かい、NOが活性酸素放出剤71から外部に放出される。外部に放出されたNOは下流側の白金Pt上において酸化され、再び活性酸素放出剤71内に吸収される。
When the
一方、このとき活性酸素放出剤71内に形成されている硫酸カリウムK2SO4もカリウムKと酸素OとSO2とに分解され、酸素Oが微粒子72と活性酸素放出剤71との接触面に向かい、SO2が活性酸素放出剤71から外部に放出される。外部に放出されたSO2は下流側の白金Pt上において酸化され、再び活性酸素放出剤71内に吸収される。
On the other hand, the potassium sulfate K 2 SO 4 formed in the active
一方、微粒子72と活性酸素放出剤71との接触面に向かう酸素Oは硝酸カリウムKNO3や硫酸カリウムK2SO4のような化合物から分解された酸素である。化合物から分解された酸素Oは高いエネルギを有しており、極めて高い活性を有する。したがって微粒子72と活性酸素放出剤71との接触面に向かう酸素は活性酸素Oとなっている。これら活性酸素Oが微粒子72に接触すると微粒子72は短時間のうちに輝炎を発することなく酸化せしめられ、微粒子72は完全に消滅する。したがって微粒子72はフィルタ24上に堆積することがない。なおこのようにフィルタ24上に付着した微粒子72は活性酸素Oによって酸化せしめられるがこれら微粒子72は排気ガス中の酸素によっても酸化せしめられる。
On the other hand, oxygen O toward the contact surface between the
フィルタ24上に積層状に堆積した微粒子が燃焼せしめられるときにはフィルタ24が赤熱し、火炎を伴って燃焼する。このような火炎を伴う燃焼は高温でないと持続せず、したがってこのような火炎を伴なう燃焼を持続させるためにはフィルタ24の温度を高温に維持しなければならない。
When the fine particles deposited in a laminated form on the
これに対して本発明の実施例では微粒子72は上述したように輝炎を発することなく酸化せしめられ、このときフィルタ24の表面が赤熱することもない。すなわち云い換えると本発明の実施例ではかなり低い温度でもって微粒子72が酸化除去せしめられている。したがって本発明の実施例における輝炎を発しない微粒子72の酸化による微粒子除去作用は、火炎を伴う燃焼による微粒子除去作用と全く異なっている。
On the other hand, in the embodiment of the present invention, the
ところで白金Ptおよび活性酸素放出剤71はフィルタ24の温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出剤71が放出しうる活性酸素Oの量はフィルタ24の温度が高くなるほど増大する。したがってフィルタ24上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量はフィルタ24の温度が高くなるほど増大する。
By the way, since platinum Pt and the active
図21の実線は単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Gを示している。なお図21において横軸はフィルタ24の温度TFを示している。単位時間当りに燃焼室5から排出される微粒子の量を排出微粒子量Mと称するとこの排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子Gよりも少ないとき、すなわち図21の領域Iでは燃焼室5から排出された全ての微粒子がフィルタ24に接触するや否や短時間のうちにフィルタ24上において輝炎を発することなく酸化除去せしめられる。
The solid line in FIG. 21 indicates the amount G of fine particles that can be removed by oxidation without emitting a bright flame per unit time. In FIG. 21, the horizontal axis indicates the temperature TF of the
これに対し、排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも多いとき、すなわち図21の領域IIでは全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している。図22(A)〜(C)はこのような場合の微粒子の酸化の様子を示している。
すなわち全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している場合には図22(A)に示すように微粒子72が活性酸素放出剤71上に付着すると微粒子72の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留する。次いで活性酸素量が不足している状態が継続すると次から次へと酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留し、その結果、図22(B)に示されるように担体層の表面が残留微粒子部分73によって覆われるようになる。
In contrast, when the amount M of discharged particulate is larger than the amount G of particulate that can be removed by oxidation, that is, in the region II of FIG. 21, the amount of active oxygen is insufficient to oxidize all the particulates. 22A to 22C show the state of oxidation of fine particles in such a case.
That is, when the amount of active oxygen is insufficient to oxidize all the fine particles, as shown in FIG. 22A, when the
担体層の表面を覆うこの残留微粒子部分73は次第に酸化されにくいカーボン質に変質し、斯くしてこの残留微粒子部分73はそのまま残留しやすくなる。また担体層の表面が残留微粒子部分73によって覆われると白金PtによるNO,SO2の酸化作用および活性酸素放出剤71による活性酸素の放出作用が抑制される。その結果、図22(C)に示されるように残留微粒子部分73の上に別の微粒子74が次から次へと堆積する。すなわち微粒子が積層状に堆積することになる。このように微粒子が積層状に堆積するとこれら微粒子は白金Ptや活性酸素放出剤71から距離を隔てているためにたとえ酸化されやすい微粒子であってももはや活性酸素Oによって酸化されることがなく、したがってこの微粒子74上に更に別の微粒子が次から次へと堆積する。すなわち排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも多い状態が継続するとフィルタ24上には微粒子が積層状に堆積し、斯くして排気ガス温を高温にするか、或いはフィルタ24の温度を高温にしない限り、堆積した微粒子を着火燃焼させることができなくなる。
The residual
このように図21の領域Iでは微粒子はフィルタ24上において輝炎を発することなく短時間のうちに酸化せしめられ、図21の領域IIでは微粒子がフィルタ24上に積層状に堆積する。したがって微粒子がフィルタ24上に積層状に堆積しないようにするためには排出微粒子量Mを常時酸化除去可能微粒子量Gよりも少くしておく必要がある。
As described above, in the region I in FIG. 21, the fine particles are oxidized on the
図21からわかるように本発明の実施例で用いられているフィルタ24ではフィルタ24の温度TFがかなり低くても微粒子を酸化させることが可能であり、したがって図1および図3に示した圧縮着火式内燃機関において排出微粒子量Mおよびフィルタ24の温度TFを排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも通常少なくなるように維持することが可能である。したがって本発明の実施例においては排出微粒子量Mおよびフィルタ24の温度TFを排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも通常少なくなるように維持するようにしている。
As can be seen from FIG. 21, the
このように排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも通常少なくなるように維持するとフィルタ24上に微粒子が全く堆積しなくなる。その結果、フィルタ24における排気ガス流の圧損は全くと言っていいほど変化することなくほぼ一定の最小圧損値に維持される。斯くして機関の出力低下を最小限に維持することができる。
In this way, if the amount M of discharged particulate is maintained to be usually smaller than the amount G of particulate that can be removed by oxidation, no particulates are deposited on the
また微粒子の酸化による微粒子除去作用はかなり低温でもって行われる。したがってフィルタ24の温度はさほど上昇せず、斯くしてフィルタ24が劣化する危険性はほとんどない。またフィルタ24上に微粒子が全く堆積しないのでアッシュが凝集する危険性が少なく、したがってフィルタ24が目詰まりする危険性が少なくなる。
The action of removing fine particles by oxidation of the fine particles is performed at a considerably low temperature. Therefore, the temperature of the
ところでこの目詰まりは主に硫酸カルシウムCaSO4によって生ずる。すなわち、燃焼や潤滑油はカルシウムCaを含んでおり、したがって排気ガス中にカルシウムCaが含まれている。このカルシウムCaはSO3が存在すると硫酸カルシウムCaSO4を生成する。この硫酸カルシウムCaSO4は固体であって高温になっても熱分解しない。したがって硫酸カルシウムCaSO4が生成され、この硫酸カルシウムCaSO4によってフィルタ24の細孔が閉塞されると目詰まりを生ずることになる。
By the way, this clogging is mainly caused by calcium sulfate CaSO 4 . That is, combustion and lubricating oil contain calcium Ca, and therefore, exhaust Ca contains calcium Ca. This calcium Ca produces calcium sulfate CaSO 4 in the presence of SO 3 . This calcium sulfate CaSO 4 is solid and does not thermally decompose even at high temperatures. Accordingly, calcium sulfate CaSO 4 is produced, and clogging occurs when the pores of the
しかしながらこの場合、活性酸素放出剤71としてカルシウムCaよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属またはアルカリ土類金属、例えばカリウムKを用いると活性酸素放出剤71内に拡散するSO3はカリウムKと結合して硫酸カリウムK2SO4を形成し、カルシウムCaはSO3と結合することなくフィルタ24の隔壁64を通過して排気ガス流出通路61内に流出する。したがってフィルタ24の細孔が目詰まりすることがなくなる。したがって前述したように活性酸素放出剤71としてはカルシウムCaよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属またはアルカリ土類金属、すなわちカリウムK、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウムRb、バリウムBa、ストロンチウムSrを用いることが好ましいことになる。
However, in this case, if an alkali metal or alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca is used as the active
さて本発明の実施例では基本的に全ての運転状態において排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも少なくなるように維持することを意図している。しかしながら実際には全ての運転状態において排出微粒子量Mを酸化除去可能微粒子量Gよりも少なくすることはほとんど不可能である。例えば機関始動時には通常フィルタ24の温度は低く、したがってこのときには通常排出微粒子量Mの方が酸化除去可能微粒子量Gよりも多くなる。したがって本発明による実施例では機関始動直後のような特別の場合を除いて通常継続的に排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも少なくなるようにしている。
The embodiment of the present invention basically intends to maintain the amount M of discharged fine particles smaller than the amount G of fine particles that can be removed by oxidation in all operating states. In practice, however, it is almost impossible to make the amount M of discharged particulates smaller than the amount G of particulates that can be removed by oxidation in all operating states. For example, when the engine is started, the temperature of the
なお機関始動直後におけるように排出微粒子量Mのほうが酸化除去可能微粒子量Gよりも多くなるとフィルタ24上に酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめる。しかしながらこのように酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめているとき、すなわち微粒子が一定限度以下しか堆積していないときに排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも少くなるとこの残留微粒子部分は活性酸素Oによって輝炎を発することなく酸化除去される。したがって本発明の実施例では機関始動直後のような特別の運転状態のときには排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gより少なくなったときに酸化除去しうる一定限度以下の量の微粒子しかフィルタ24上に積層しないように排出微粒子量Mおよびフィルタ24の温度TFが維持される。
If the amount M of discharged particulate is larger than the amount G of particulate that can be removed by oxidation as immediately after the engine is started, a portion of the particulate that has not been oxidized begins to remain on the
またこのように排出微粒子量Mおよびフィルタ24の温度TFを維持するようにしていたとしても何らかの理由によりフィルタ24上に微粒子が積層状に堆積する場合がある。このような場合であっても排気ガスの一部または全体の空燃比が一時的にリッチにされるとフィルタ24上に堆積した微粒子は輝炎を発することなく酸化せしめられる。すなわち排気ガスの空燃比がリッチにされると、すなわち排気ガス中の酸素濃度が低下せしめられると活性酸素放出剤71から外部に活性酸素Oが一気に放出され、これら一気に放出された活性酸素Oによって堆積した微粒子が輝炎を発することなく一気に短時間で酸化除去せしめられる。
Even if the discharged particulate amount M and the temperature TF of the
さて前述したように本発明による実施例ではフィルタ24の各隔壁64の両側面上および隔壁64内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒および活性酸素放出剤か担持されている。更に本発明による実施例ではこの担体上に貴金属触媒、およびフィルタ24に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を吸収しフィルタ24に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチになると吸収したNOxを放出するNOx吸収剤が担持されている。
As described above, in the embodiment according to the present invention, a carrier layer made of alumina, for example, is formed on both side surfaces of each
本発明の実施例ではこの貴金属触媒として白金Ptが用いられており、NOx吸収剤としてカリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウムRbのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCa、ストロンチウムSr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が用いられている。なお前述した活性酸素放出剤を構成する金属と比較すればわかるようにNOx吸収剤を構成する金属と、活性酸素放出剤を構成する金属とは大部分が一致している。 In the embodiment of the present invention, platinum Pt is used as the noble metal catalyst, and as the NOx absorbent, an alkali metal such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, rubidium Rb, barium Ba, calcium Ca, strontium Sr. At least one selected from alkaline earth such as lanthanum La and rare earth such as yttrium Y is used. As can be seen from comparison with the metal constituting the active oxygen release agent described above, the metal constituting the NOx absorbent and the metal constituting the active oxygen release agent are largely the same.
この場合、NOx吸収剤および活性酸素放出剤として夫々異なる金属を用いることもできるし、同一の金属を用いることもできる。NOx吸収剤および活性酸素放出剤として同一の金属を用いた場合にはNOx吸収剤としての機能と活性酸素放出剤としての機能との双方の機能を同時に果すことになる。
ところで上述したように低温燃焼時に燃焼室5から排出される排気ガスの温度は高い。このため低温燃焼時においてはフィルタ24の温度も高くなっている。ここで低温燃焼から通常燃焼に切り換わると低温燃焼時に比べて多量の排気ガスが燃焼室5から排出され、フィルタ24に流入し、高温のフィルタ24から熱を奪う。したがって低温燃焼から通常燃焼に切り換わったときには一時的にではあるがフィルタ24から流出する排気ガスの温度は高い。本実施例ではフィルタ24の下流側から排気ガスをEGRガスとして採取し、機関吸気通路に導入するようにしているので低温燃焼から通常燃焼に切り換わったときに高温のEGRガスが機関吸気通路に流入することとなる。この場合、EGRガスの熱により機関吸気通路に熱的に被害を与える可能性があり好ましくない。
In this case, different metals can be used as the NOx absorbent and the active oxygen release agent, respectively, or the same metal can be used. When the same metal is used as the NOx absorbent and the active oxygen release agent, both the function as the NOx absorbent and the function as the active oxygen release agent are performed simultaneously.
Incidentally, as described above, the temperature of the exhaust gas discharged from the combustion chamber 5 at the time of low-temperature combustion is high. For this reason, the temperature of the
そこで本実施例では燃焼形態が通常燃焼に復帰したときに以下で説明する2つの通常燃焼復帰時制御のうちのいずれか一方を実行することにより上述した機関吸気通路に対する熱的な被害を回避するようにする。
すなわち1つ目の通常燃焼復帰時制御では燃焼が低温燃焼から通常燃焼へ切り換えられたときに機関吸気通路へ導入されるべきEGRガスをインタークーラ30により通常要求されるよりも強力に冷却する。これによれば低温燃焼が通常燃焼に切り換わったときに高温のEGRガスが機関吸気通路に流入することはないので機関吸気通路に対する熱的な被害を回避することができる。
Therefore, in this embodiment, when the combustion mode returns to normal combustion, the thermal damage to the engine intake passage described above is avoided by executing one of the two normal combustion return control operations described below. Like that.
That is, in the first normal combustion recovery control, the EGR gas to be introduced into the engine intake passage when the combustion is switched from the low temperature combustion to the normal combustion is cooled more strongly than normally required by the
なおこの制御において低温燃焼が通常燃焼に切り換えられてから所定時間が経過したときにはインタークーラ30の冷却強度を通常の強度とするか、或いは低温燃焼が通常燃焼に切り換えられてインタークーラ30の冷却強度が通常よりも強くされてからその強度を徐々に弱くし、通常の強度とする。
また2つ目の通常燃焼復帰時制御では低温燃焼が通常燃焼に切り換わったときにEGR率を即座に通常燃焼時において要求される目標EGR率とせずにその目標EGR率よりも小さいEGR率とし、斯くして単位時間当りに機関吸気通路に流入するEGRガスの量を少なくする。これによれば低温燃焼が通常燃焼に切り換わったときに高温のEGRガスが機関吸気通路に流入するがその流入量が少ないので機関吸気通路に対する熱的な被害を回避することができる。
In this control, the cooling intensity of the
In the second normal combustion recovery control, when the low temperature combustion is switched to the normal combustion, the EGR rate is not immediately set to the target EGR rate required at the normal combustion, but is set to an EGR rate smaller than the target EGR rate. Thus, the amount of EGR gas flowing into the engine intake passage per unit time is reduced. According to this, when the low temperature combustion is switched to the normal combustion, the hot EGR gas flows into the engine intake passage, but since the amount of the inflow is small, thermal damage to the engine intake passage can be avoided.
なおこの制御において低温燃焼が通常燃焼に切り換えられてから所定時間が経過したときにはEGR率を目標EGR率とするか、或いは低温燃焼が通常燃焼に切り換えられてEGR率が通常燃焼時における目標EGR率よりも小さくされてから徐々にEGR率を大きくし、目標EGR率とする。
もちろん低温燃焼が通常燃焼に切り換えられたときにEGRガスにより単位時間当りに機関吸気通路に与えられる熱の量を或る所定量以下とするために上述した2つの通常燃焼復帰時制御を両方とも実行してもよい。
In this control, when a predetermined time has elapsed since the low temperature combustion is switched to the normal combustion, the EGR rate is set as the target EGR rate, or the low temperature combustion is switched to the normal combustion and the EGR rate is the target EGR rate when the normal combustion is performed. The EGR rate is gradually increased after being reduced to a target EGR rate.
Of course, when the low temperature combustion is switched to the normal combustion, both of the above two normal combustion return control are performed in order to reduce the amount of heat given by the EGR gas to the engine intake passage per unit time below a certain predetermined amount. May be executed.
ところで上述した通常燃焼復帰時制御に加えて以下で説明する制御を実行することにより機関吸気通路に対する熱的な被害を更に確実に回避するようにしてもよい。すなわち本実施例では内燃機関からの出力と電気モータからの出力とを機関運転状態に応じて定まる割合でもって組み合わせ、要求出力が得られるようにしている。より詳細には要求出力が同じであれば通常燃焼時における電気モータ37の出力に対する内燃機関の出力割合は低温燃焼時におけるそれよりも大きくなるように内燃機関と電気モータとは制御される。そこで低温燃焼が通常燃焼に切り換わったときに前述したように組合せ割合を変えると単位時間当りに高温のEGRガスが多量に機関吸気通路に流入してしまう。 Incidentally, thermal damage to the engine intake passage may be more reliably avoided by executing the control described below in addition to the above-described normal combustion return control. That is, in the present embodiment, the output from the internal combustion engine and the output from the electric motor are combined at a ratio determined according to the engine operating state so that the required output is obtained. More specifically, if the required output is the same, the internal combustion engine and the electric motor are controlled so that the output ratio of the internal combustion engine to the output of the electric motor 37 during normal combustion is larger than that during low temperature combustion. Therefore, if the combination ratio is changed as described above when the low-temperature combustion is switched to the normal combustion, a large amount of high-temperature EGR gas flows into the engine intake passage per unit time.
そこで低温燃焼が通常燃焼に切り換えられたときに前述した二つの通常燃焼復帰時制御のうちの一方を実行すると共に電気モータ37からの出力に対する内燃機関からの出力の組合せ割合を一気に目標とする割合にまで増大させずに徐々に目標割合にまで増大させる。これによれば低温燃焼が通常燃焼に切り換わったときに内燃機関に対する要求負荷が一気には大きくならないので前述した1つ目の通常燃焼復帰時制御が実行されている場合には比較的少量のEGRガスしかインタークーラ30に流入せず、したがって高温のEGRガスの温度を確実に所望の温度にまで低下させることができ、前述した2つ目の通常燃焼復帰時制御が実行されている場合には更に少量のEGRガスしか機関吸気通路に流入しないこととなる。斯くして前述した二つの通常燃焼復帰時制御に合わせて当該制御を実行すれば機関吸気通路に対する熱的な被害を更に確実に回避することができる。
Therefore, when low-temperature combustion is switched to normal combustion, one of the two normal combustion return control operations described above is executed, and the ratio of the combined output of the internal combustion engine to the output from the electric motor 37 is a target at a stretch. Gradually increase to the target ratio without increasing to. According to this, when the low temperature combustion is switched to the normal combustion, the required load on the internal combustion engine does not increase at a stretch. Therefore, when the first normal combustion return control is executed, a relatively small amount of EGR is used. When only the gas flows into the
もちろん当該制御を前述した2つの通常燃焼復帰時制御とは関係なく単独にて実行してもよい。
前述した通常燃焼復帰時制御を実行するためのフローチャートを図23および図24に示した。初めに前述した一つ目の通常燃焼復帰制御を示した図23を参照するとステップ200において燃焼の形態が通常燃焼であるか否かが判別される。ステップ200において燃焼形態が通常燃焼であると判別されたときにはステップ201に進む。一方、ステップ200において燃焼形態が通常燃焼ではなく、いわゆる低温燃焼であると判別されたときにはステップ206に進んでインタークーラ30の冷却強度Cを低温燃焼に適するように設定される強度Clow とし、次いでステップ207において電気モータ37からの出力に対する内燃機関からの出力の割合(以下、出力割合)Rnを低温燃焼に適するように設定される割合Rlow とする。
Of course, this control may be executed independently irrespective of the above-described two normal combustion return control.
A flowchart for executing the above-described normal combustion return control is shown in FIGS. First, referring to FIG. 23 showing the first normal combustion return control described above, it is determined in
さてステップ201では燃焼形態が低温燃焼から通常燃焼に切り換わったときから所定時間tTH経過している(t≧tTH)か否かが判別される。ここで所定時間tTHはEGRガスとして採取される排気ガスがフィルタ24によって非常に高温にまで昇温せしめられなくなる時間に設定される。
ステップ201においてt≧tTHではないと判別されたときには低温燃焼が通常燃焼に切り換わった直後であるのでインタークーラ30の強度Cを通常燃焼にとって適した強度Cnomal に正の補正係数Kを加算した強度とし、次いでステップ203において出力割合Rnを前回の出力割合Rn-1 に係数αを加算した割合とする。ステップ202によればインタークーラ30の冷却強度は通常燃焼時における冷却強度よりも強くせしめられる。またステップ203によればステップ203が実行されるごとに出力割合Rnが通常燃焼時における出力割合Rnomal に向かって徐々に近づけられる。
In
Adding a positive correction coefficient K on the intensity C nomal suitable since it is immediately after the low temperature combustion is switched to normal combustion intensity C of the
一方、ステップ201においてt≧tTHであると判別されたときにはステップ204に進んでインタークーラ30の強度Cを通常燃焼にとって適した強度Cnomal とし、次いでステップ205に進んで出力割合Rnを通常燃焼時において要求される出力割合Rnomal とする。
次に二つ目の通常燃焼復帰時制御を図24のフローチャートを参照して説明する。初めにステップ300において燃焼の形態が通常燃焼であるか否かが判別される。ステップ300において燃焼形態が通常燃焼であると判別されたときにはステップ301に進む。一方、ステップ300において燃焼形態が通常燃焼ではなく、いわゆる低温燃焼であると判別されたときにはステップ307に進んでEGR制御弁29の開度Dnを低温燃焼に適するように設定される開度Dlow とし、次いでステップ308において電気モータ37からの出力に対する内燃機関からの出力の割合(以下、出力割合)Rnを低温燃焼に適するように設定される割合Rlow とする。
On the other hand, when it is determined in
Next, the second normal combustion return control will be described with reference to the flowchart of FIG. First, at
さてステップ301では燃焼形態が低温燃焼から通常燃焼に切り換わったときから所定時間tTH経過している(t≧tTH)か否かが判別される。ここで所定時間tTHは図19に示したフローチャートにおける所定時間と同様に設定される。
ステップ301においてt≧tTHではないと判別されたときには低温燃焼が通常燃焼に切り換わった直後であるのEGR制御弁29の開度を通常燃焼にとって適した開度Dnomal から正の補正計数βnを減算した開度とし、次いでステップ303において補正係数βnから正の値γを減算する。通常燃焼に復帰した後に初めてルーチンがステップ302に進んだときには補正係数βnは通常燃焼に適した開度Dnomal と等しく、したがってこのときにはEGR制御弁29の開度は零とされる。さらにルーチンがステップ303を通過するたびに補正係数βnが徐々に小さくされるので結果としてEGR制御弁29の開度Dnは徐々に大きくなる。
In
When it is determined in
さてステップ304では出力割合Rnを前回の出力割合Rn-1 に係数αを加算した割合とする。ステップ304によればステップ304が実行されるごとに出力割合Rnが通常燃焼時における出力割合Rnomal に向かって徐々に近づけられる。
一方、ステップ301においてt≧tTHであると判別されたときにはステップ305に進んでEGR制御弁29の開度Dnを通常燃焼にとって適した開度Dnomal とし、次いでステップ306に進んで出力割合Rnを通常燃焼時において要求される出力割合Rnomal とする。
Now the ratio of the output ratio R n In
On the other hand, when it is determined in
6 燃料噴射弁
21 スロットル弁
24 パティキュレートフィルタ
29 EGR制御弁
37 電気モータ
6
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