JP5817846B2 - 内燃機関の排気環流装置 - Google Patents

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Description

この発明は、排気ガスの一部を吸気系へ還流させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を実施可能な内燃機関の排気環流装置に関する。
従来、例えば、日本特開２００３−１２９８７４号公報には、排気ガスの一部を吸気系へ還流させるＥＧＲを行う過給機付きエンジンの排気環流装置が開示されている。この装置では、燃料と空気との混合気を成層化して点火プラグ付近の比較的濃い混合気に着火させ、着火した火種により燃焼室内の希薄な混合気に火炎伝播させる成層リーン燃焼を行う際にＥＧＲが行われる。これにより、燃焼温度を低下させることができるので、ＮＯｘの排出量が抑制される。
日本特開２００３−１２９８７４号公報 日本特開２００５−２１４０６３号公報
しかしながら、成層リーン燃焼によるＮＯｘ排出量の抑制には限界がある。図１６は、空燃比Ａ／Ｆに対するＮＯｘ排出量の変化を燃焼形態別に比較した図である。この図に示すとおり、成層燃焼はリーンバーン領域において空燃比がリーンであるほどＮＯｘ排出量が低下しているが、その低下度合はさほど大きくない。これは、成層燃焼ではリーンバーンであっても点火プラグ周りの温度は常に高温であることに起因する。このため、成層リーン燃焼では一般的にＥＧＲが行われるが、それでもある程度のＮＯｘ排出は避けられない。
そこで、近年注目されている技術が、燃料と空気との混合気を筒内で均一に混合した後に燃焼させる均質燃焼である。図１６に示すとおり、均質燃焼によれば、リーンバーン領域においてＮＯｘ排出量を成層燃焼の場合に比して抑制することが可能となる。これは、リーンバーン領域において空燃比がリーンであるほど燃焼室の温度が全体的に低下することに起因する。但し、均質リーン燃焼はその運転領域の狭さに課題がある。すなわち、均質リーン燃焼は、多くの新気ガスで燃焼を行うため排気温度が低下する。したがって、軽負荷運転時においては排気浄化触媒の床温が低下するため均質リーン燃焼を行うことができない。また、高負荷運転時においてはノッキングの発生により効率が低下してしまう。このように、均質燃焼を行う従来のエンジンでは、均質リーン燃焼を実行することができない運転領域ではストイキ燃焼を行わざるを得ず、燃費向上およびＮＯｘ排出量抑制の観点から更なる改善が望まれていた。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、均質燃焼を行う内燃機関において、均質リーン燃焼が可能な運転領域を拡大することにより、燃費の向上およびＮＯｘ排出量抑制を実現することのできる内燃機関の排気環流装置を提供することを目的とする。
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気環流装置であって、
所定のリーンバーン領域において均質リーン燃焼を行う均質リーン燃焼手段と、
内燃機関の排気系を流れるガスの一部を吸気系へ還流させるＥＧＲを行うためのＥＧＲ装置と、
前記内燃機関の運転条件に基づいて前記ＥＧＲ装置を制御する制御手段と、
前記リーンバーン領域よりも高負荷側のストイキバーン領域において、前記内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比となるストイキ燃焼を行うストイキ燃焼手段と、を備え、
前記内燃機関は、排気通路に設置されたタービンと吸気通路に設置されたコンプレッサとを有するターボ過給機を備えており、
前記ＥＧＲ装置は、
前記タービンより下流側の排気通路を流れるガスを前記コンプレッサより上流側の吸気通路へ還流させる低圧側ＥＧＲ装置と、
前記タービンより上流側の排気通路を流れるガスを前記コンプレッサより下流側の吸気通路へ還流させる高圧側ＥＧＲ装置と、を有し、
前記制御手段は、
前記均質リーン燃焼を行う場合に、前記低圧側ＥＧＲ装置を制御してＥＧＲを行い、
前記ストイキ燃焼を行う場合に、前記高圧側ＥＧＲ装置および前記低圧側ＥＧＲ装置の双方を制御してＥＧＲを行うことを特徴としている。
第２の発明は、第１の発明において、
前記ＥＧＲ装置は、前記内燃機関に吸入される総ガス量に対するＥＧＲにより還流されるガス量の比率を表すＥＧＲ率を調整する手段を有し、
前記均質リーン燃焼手段は、前記内燃機関の筒内燃料量に対する吸入される新気ガス量の比率を表す空燃比が２２となるように均質リーン燃焼を行い、
前記制御手段は、前記均質リーン燃焼中のＥＧＲ率が１０〜２０％となるように前記ＥＧＲ装置を制御することを特徴としている。
第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記ＥＧＲ装置は、前記内燃機関に吸入される総ガス量に対するＥＧＲにより還流されるガス量の比率を表すＥＧＲ率を調整する手段を有し、
前記制御手段は、前記ストイキ燃焼を行う場合に、前記低圧側ＥＧＲ装置によるＥＧＲ率が１５％、前記高圧側ＥＧＲ装置によるＥＧＲ率が１０％となるように前記低圧側ＥＧＲ装置および前記高圧側ＥＧＲ装置を制御することを特徴としている。
第１の発明によれば、均質リーン燃焼においてＥＧＲが行われるので、均質リーン燃焼時に問題となる高負荷側でのノッキングを有効に抑制することができる。また、ＥＧＲガスに含まれているＣＯやＨＣは触媒における酸化反応に寄与する。このため、均質リーン燃焼時に問題となる低負荷側の触媒床温の低下を有効に抑制することができる。このため、本発明によれば、均質リーン燃焼が可能なリーンバーン領域を有効に拡大して燃費を向上させることが可能となる。
また、第１の発明によれば、均質リーン燃焼において、低圧側ＥＧＲ装置によるＥＧＲが実行される。低圧側ＥＧＲ装置によるＥＧＲは、内燃機関の回転負荷に対して安定している。このため、本発明によれば、内燃機関の過渡運転時においても、安定したＥＧＲを実現することができるので、失火等を防止することができる。
第２の発明によれば、均質リーン燃焼中にＥＧＲを行う際に、空燃比が２２、ＥＧＲ率が１０〜２０％に制御される。ＥＧＲ率が高いほど燃費は低下するが、均質リーン燃焼を実施可能な運転領域は拡大する。このため、本発明によれば、均質リーン燃焼において空燃比が２２、ＥＧＲ率が１０〜２０％に制御することで、燃費を最大限に向上させることができる。
第１の発明によれば、リーンバーン領域よりも高負荷側のストイキバーン領域において、ストイキ燃焼を行う場合に、低圧側ＥＧＲ装置と高圧側ＥＧＲ装置との双方を用いたＥＧＲが行われる。それぞれのＥＧＲ装置において失火を回避しつつ導入可能なＥＧＲ量には限界がある。本発明によれば、これらのＥＧＲ装置を併用することで、高負荷のストイキ燃焼において大量のＥＧＲガスを導入することができるので、高負荷時のトルクを確保しつつＮＯｘの排出量を抑制することができる。
第３の発明によれば、ストイキ燃焼中にＥＧＲ動作を行う際に、低圧側ＥＧＲ装置のＥＧＲ率が１５％、高圧側ＥＧＲ装置のＥＧＲ率が１０％に制御される。２５％を超えるＥＧＲ率とすると、乱流燃焼速度が０になり火炎伝播しなくなる。また、一方のＥＧＲ装置のみで２５％のＥＧＲ率を実現すると過渡時の減速失火や応答性の悪化等が問題となる。このため、本発明によれば、ストイキ燃焼において、高圧側および低圧側ＥＧＲ装置を併用して２５％のＥＧＲ率を実現することで、過渡時の減速失火や応答性の悪化を抑制しつつＮＯｘの排出量を最大限に抑制することができる。
本発明の実施の形態１としての制御装置が適用される内燃機関が搭載されたシステムの概略構成を示す図である。 吸気圧力に対するエンジン熱効率を示す図である。 ガス燃料比Ｇ／Ｆに対するエンジン熱効率をＥＧＲ率毎に示す図である。 ガス燃料比Ｇ／Ｆに対する（Ａ）ＮＯｘ排出量、（Ｂ）ＣＯ排出量、（Ｃ）ＴＨＣ排出量、および（Ｄ）Ｓ／Ｃ床温を示す図である。 吸気圧力に対する（Ａ）熱効率、（Ｂ）ＮＯｘ排出量、および（Ｃ）Ｓ／Ｃ昇温の変化を、均質リーン燃焼におけるＥＧＲの実施有無毎にそれぞれ示す図である。 ＮＯｘ排出量に対するＳ／Ｃ床温を、均質リーン燃焼におけるＥＧＲの実施有無毎にそれぞれ示す図である。 均質燃焼におけるリーンバーン運転領域を示す図である。 ＮＯｘ排出量とＡ／Ｆとの関係をＥＧＲ率毎に示した図である。 ＥＧＲ率に対する（Ａ）ＮＯｘ排出量が所定の目標量となるＡ／Ｆ、（Ｂ）リーン燃焼による燃費効果、（Ｃ）リーンバーン運転の領域が縮小することによる燃費の悪化度、および（Ｄ）総合的な燃費効果をそれぞれ示す図である。 ＥＧＲ率に対する（Ａ）ＮＯｘ排出量が所定の目標量となるＡ／Ｆ、（Ｂ）リーン燃焼による燃費効果、（Ｃ）ノッキング改善による燃費効果、および（Ｄ）総合的な燃費効果をそれぞれ示す図である。 均質燃焼における運転領域を示す図である。 ＨＰＬ−ＥＧＲにおいて２５％のＥＧＲ率を実現した場合のタイミングチャートである。 ＬＰＬ−ＥＧＲにおいて２５％のＥＧＲ率を実現した場合のタイミングチャートである。 １５％のＥＧＲ率によるＬＰＬ−ＥＧＲと、１０％のＥＧＲ率によるＨＰＬ−ＥＧＲとを併用した場合のタイミングチャートである。 ＬＰＬ−ＥＧＲの構成を詳細に示す図である。 空燃比Ａ／Ｆに対するＮＯｘ排出量の変化を燃焼形態別に比較した図である。
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１としての制御装置が適用される内燃機関（以下、単にエンジンという）が搭載されたシステムの概略構成を示す図である。図１に示すエンジン１０は、火花点火式の４ストロークレシプロエンジンであって、均質燃焼によるリーンバーン運転が可能に構成されている。エンジン１０は、各気筒の燃焼室内に空気を供給するための吸気系、排気ガスを排出するための排気系、排気系の排気ガスの一部を吸気系へ還流させるＥＧＲ系、およびエンジン１０の運転を制御するための制御系の構成を有している。以下、これらの構成についてそれぞれ詳細に説明する。
エンジン１０の吸気系は吸気通路１２を備えている。吸気通路１２の入口側にはエアクリーナ１４が取り付けられている。吸気通路１２におけるエアクリーナ１４の下流側には、吸気通路１２に吸入される空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ１６が取り付けられている。吸気通路１２の出口側は、サージタンク１８および吸気マニホールド２０を介して各気筒の燃焼室に接続されている。
吸気通路１２におけるエアフローメータ１６の下流側にはターボ過給機２２のコンプレッサ２２ａが配置されている。コンプレッサ２２ａの下流側の吸気通路１２には、コンプレッサ２２ａによって圧縮された吸気を冷却するためのインタークーラ２４が配置されている。インタークーラ２４の下流側の吸気通路には、エンジン１０内に供給される空気量を調整するためのスロットルバルブ２６が配置されている。
エンジン１０の排気系は排気通路３０を備えている。排気通路３０の一端側は排気マニホールド２８を介して各気筒の燃焼室に接続されている。排気通路３０の途中には、ターボ過給機２２のタービン２２ｂが配置されている。タービン２２ｂの下流側の排気通路３０には、スタート触媒（以下、「Ｓ／Ｃ」と称する）３２およびリーンＮＯｘ触媒３４がこの順に配置されている。Ｓ／Ｃ３２は所謂三元触媒であって、理論空燃比近傍において排気ガスに含まれるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの３成分を効率的に浄化する。一方、リーンＮＯｘ触媒３４は、所謂吸蔵還元型のＮＯｘ触媒であって、排気ガスの空燃比が所定のリーン域にある場合にＮＯｘを吸蔵しリッチ域にある場合にＮＯｘを放出するという吸放出作用を有している。また、Ｓ／Ｃ３２とリーンＮＯｘ触媒３４との間の排気通路３０には、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサ３６が配置されている。
また、エンジン１０のＥＧＲ系は、低圧側ＥＧＲ通路（ＬＰＬ−ＥＧＲ通路）３８を備えている。ＬＰＬ−ＥＧＲ通路３８は、その一端がＳ／Ｃ３２とリーンＮＯｘ触媒３４との間の排気通路３０に接続され、他端がエアフローメータ１６とコンプレッサ２２ａとの間の吸気通路１２に接続されている。ＬＰＬ−ＥＧＲ通路３８の途中には、当該通路３８を開閉するためのＬＰＬ−ＥＧＲバルブ４０が設けられている。
また、エンジン１０のＥＧＲ系は、高圧側ＥＧＲ通路（ＨＰＬ−ＥＧＲ通路）４２を備えている。ＨＰＬ−ＥＧＲ通路４２は、その一端がタービン２２ｂの上流側の排気通路３０に接続され、他端がＥＧＲデリバリ４４を介して吸気マニホールド２０に接続されている。ＨＰＬ−ＥＧＲ通路４２の途中には、当該通路４２を開閉するためのＨＰＬ−ＥＧＲバルブ４６、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４８、およびＥＧＲガス中の未燃ＨＣや粒子状物質を浄化するためのＥＧＲ触媒５０が、ＥＧＲデリバリ４４側から順に設けられている。
本実施形態のエンジン１０は、その制御系としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０を備えている。ＥＣＵ６０の出力側には、前述のＬＰＬ−ＥＧＲバルブ４０、ＨＰＬ−ＥＧＲバルブ４６、スロットルバルブ２６や、点火プラグ（図示せず）等の種々のアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ６０の入力側には、前述のエアフローメータ１６、ＮＯｘセンサ３６の他、クランク軸（図示せず）の回転角度に応じた信号を出力するクランク角センサや空燃比センサ（何れも図示せず）等の種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ６０は、エンジンが備える各センサの出力に基づき、所定の制御プログラムにしたがってエンジンが備える各アクチュエータを動作させるようになっている。
［実施の形態１の動作］
次に、図面を参照して、本実施の形態１のシステムの動作について説明する。上述したとおり、本実施の形態のエンジン１０は、均質燃焼によるリーンバーン運転が可能に構成されている。このため、例えば図１６に示す例では、空燃比Ａ／Ｆを２６〜２８とする均質リーン燃焼を行うことにより、ＥＧＲを伴った成層リーン燃焼よりもＮＯｘ排出量を抑制することができる。
しかしながら、上述したとおり、均質リーン燃焼はその運転領域の狭さに課題がある。すなわち、均質リーン燃焼はＮＯｘ排出量を抑制できる一方で、軽負荷運転領域において必要以上に排気ガス温度が低下するおそれがある。このような運転領域では、Ｓ／Ｃ３２の床温低下によるＮＯｘ浄化性能低下が問題となるため、ストイキバーン運転を行うことが要求される。また、均質リーン燃焼はノッキングに対する耐性が低いため、高負荷運転領域ではストイキバーン運転を行うことが要求される。このように、均質燃焼を行うエンジンでは、リーンバーン運転領域を如何に拡大することができるかが燃費向上およびＮＯｘ排出量抑制に大きな影響を与えることとなる。
そこで、本実施の形態のシステムでは、エンジン１０の均質リーン燃焼時にＥＧＲを実施することとする。図２は、吸気圧力に対するエンジン熱効率を示す図である。この図に示すとおり、均質リーン燃焼においてＥＧＲを実施すると、ＥＧＲを実施しない場合に比して高負荷運転領域におけるエンジン熱効率が高まることが分かる。これは、ＥＧＲガス中のＣＯ２が不活性ガスとして作用し、高負荷運転領域においてノッキングの発生が抑制されることに起因する。
また、図３は、ガス燃料比Ｇ／Ｆに対するエンジン熱効率をＥＧＲ率毎に示す図である。尚、ガス燃料比Ｇ／Ｆは、次式（１）によって表すことができる。
Ｇ／Ｆ＝（Ｇａ＋Ｇｅｇｒ）／Ｇｆ
＝Ａ／Ｆ×（１／（１−ＥＧＲ／１００）） ・・・（１）
上式（１）において、Ａ／Ｆは空燃比、即ち新気ガスと燃料量との比であり、ＥＧＲはＥＧＲ率［％］である。また、Ｇａは新気ガス量［ｇ／ｓ］であり、ＧｅｇｒはＥＧＲガス量［ｇ／ｓ］であり、Ｇｆは燃料消費量［ｇ／ｓ］である。
この図に示すとおり、エンジン熱効率は、ＥＧＲを実施した場合のほうが導入しない場合（ＥＧＲ率が０％である場合）よりも高いことが分かる。特に、Ｇ／Ｆが２６〜２８となるリーンバーン領域では、ＥＧＲ率が１５％の場合のエンジン熱効率が最も高い値になっていることが分かる。このように、本実施の形態のシステムによれば、均質燃焼においてＥＧＲを実施することにより、リーンバーン領域を高負荷側に有効に拡大することが可能となる。
次に、図４は、ガス燃料比Ｇ／Ｆに対する（Ａ）ＮＯｘ排出量、（Ｂ）ＣＯ排出量、（Ｃ）ＴＨＣ排出量、および（Ｄ）Ｓ／Ｃ床温を示す図である。図中（Ａ）〜（Ｃ）に示すとおり、均質燃焼において等Ｇ／ＦにおけるＮＯｘ排出量を比較すると、ＥＧＲを実施した場合のほうが実施しない場合に比してＮＯｘ排出量が少なく、逆にＣＯやＨＣの排出量が多いことが分かる。ＣＯやＨＣはＳ／Ｃ３２内で酸化反応に供される。このため、図中（Ｄ）に示すとおり、均質燃焼においてＥＧＲを実施すると、リーンバーン運転領域においてＳ／Ｃ３２の床温低下を有効に抑制することが可能となる。
図５は、吸気圧力に対する（Ａ）熱効率、（Ｂ）ＮＯｘ排出量、および（Ｃ）Ｓ／Ｃ昇温の変化を、均質リーン燃焼におけるＥＧＲの実施有無毎にそれぞれ示す図である。この図中（Ｃ）に示すとおり、均質リーン燃焼においてＥＧＲを実施しない場合には、軽負荷の領域においてＳ／Ｃ３２の床温が所定の目標床温まで到達しないため、リーンバーン運転を行うことができない。この点、均質リーン燃焼においてＥＧＲを実施した場合には、軽負荷の領域においてＳ／Ｃ３２の床温を有効に昇温させることができるので、リーンバーン運転が可能な領域を低負荷側に有効に拡大することが可能となる。
また、図６は、ＮＯｘ排出量に対するＳ／Ｃ床温を、均質リーン燃焼におけるＥＧＲの実施有無毎にそれぞれ示す図である。この図に示すように、均質リーン燃焼においてＥＧＲを実施すると、ＮＯｘの排出量に対するＳ／Ｃ３２の床温効率がよいことが分かる。したがって、均質リーン燃焼においてＥＧＲを実施することにより、ＮＯｘの排出量抑制とリーンバーン運転領域拡大による燃費向上とを高い次元で両立することが可能となる。
以上説明したとおり、均質リーン燃焼においてＥＧＲを実施すると、リーンバーン運転が可能な運転領域を有効に拡大することができる。図７は、均質燃焼におけるリーンバーン運転領域を示す図である。この図に示すとおり、均質燃焼においてＥＧＲを実施すると、高負荷側および低負荷側にリーンバーン運転を拡大することができる。これにより、均質リーン燃焼によるＮＯｘ排出量の抑制とリーンバーン運転領域の拡大による燃費向上とを高い次元で両立することが可能となる。
本出願の発明者は、均質リーン燃焼の空燃比およびＥＧＲ率に関して鋭意研究を重ねた結果、ＮＯｘ排出量抑制および燃費向上の観点から好適な空燃比およびＥＧＲ率の組み合わせを見出した。具体的には、ＥＧＲ率が１０〜２０％（好ましくは１５％）、Ａ／Ｆが２２のときに、ＮＯｘ排出量を抑制しつつ燃費が最大となることを見出した。以下、この根拠をＳ／Ｃ床温の観点およびノッキングの観点からそれぞれ説明する。
先ず、Ｓ／Ｃ床温の観点から均質リーン燃焼におけるＥＧＲの燃費効果を考察する。図８は、ＮＯｘ排出量とＡ／Ｆとの関係をＥＧＲ率毎に示した図である。図８に示すとおり、ＮＯｘ排出量の目標値（例えば、１ｇ／ｋＷｈ）を満たすためのＡ／ＦはＥＧＲ率によって変化する。
図９は、ＥＧＲ率に対する（Ａ）ＮＯｘ排出量が所定の目標量となるＡ／Ｆ、（Ｂ）リーン燃焼による燃費効果、（Ｃ）リーンバーン運転の領域が縮小することによる燃費の悪化度、および（Ｄ）総合的な燃費効果をそれぞれ示す図である。先ず、図９中の（Ａ）に示す関係は、上述した図８に示す関係から導き出したものである。図９中の（Ａ）に示すとおり、ＮＯｘ排出量が目標量を満たしている場合のＡ／Ｆは、ＥＧＲ率が高いほどリッチ側の空燃比となる。ここで、図９中の（Ｂ）に示すとおり、ＮＯｘ排出量が目標量を満たしている場合のリーン燃焼による燃費効果は、ＥＧＲ率が低いほど高いものとなる。これは、通常のリーン燃焼のほうがＥＧＲガスを伴う燃焼よりも燃費がよいためである。このため、機関燃焼の観点からは、ＥＧＲ率を低くしたほうが燃費の向上にとって好ましい。
一方、図９中の（Ｃ）に示すとおり、ＮＯｘ排出量が目標量を満たしている場合の、リーンバーン運転の領域が縮小することによる燃費の悪化度は、ＥＧＲ率が高いほど改善方向に向かう。これは、ＥＧＲ率が高くなるほどＳ／Ｃ３２の床温の低下を抑制することができるので、リーンバーン運転の軽負荷側の運転領域を拡大することができるためである。このため、軽負荷側の運転領域の制限の観点からは、ＥＧＲ率を高くしたほうが燃費の向上にとって好ましい。
図９中の（Ｄ）は、図中（Ｂ）および（Ｃ）に示す燃費影響を総合的に勘案した図である。図中（Ｄ）に示すとおり、ＥＧＲ率が１０〜２０％（特に１５％）、Ａ／Ｆが２２前後のときに燃費効果が高いことが分かる。
次に、ノッキングの観点から均質リーン燃焼におけるＥＧＲの燃費効果を考察する。図１０は、ＥＧＲ率に対する（Ａ）ＮＯｘ排出量が所定の目標量となるＡ／Ｆ、（Ｂ）リーン燃焼による燃費効果、（Ｃ）ノッキング改善による燃費効果、および（Ｄ）総合的な燃費効果をそれぞれ示す図である。
先ず、図１０中の（Ａ）および（Ｂ）に示す関係は、上述した図９中の（Ａ）および（Ｂ）に示す関係と同様である。そして、図１０中の（Ｃ）に示すとおり、ＮＯｘ排出量が目標量を満たしている場合の、ノッキングが改善されることによる燃費効果は、ＥＧＲ率が高いほど燃費向上の方向に向かう。これは、ＥＧＲ率が高くなるほど燃焼室内のＣＯ２の割合が相対的に上昇し、ノッキングの耐性が上がるためである。このため、ノッキングの観点からは、ＥＧＲ率を高くしたほうが燃費の向上にとって好ましい。
図１０中の（Ｄ）は、図中（Ｂ）および（Ｃ）に示す燃費影響を総合的に勘案した図である。図中（Ｄ）に示すとおり、ＥＧＲ率が１０〜２０％（特に１５％）、Ａ／Ｆが２２前後のときに燃費効果が高いことが分かる。
したがって、エンジン１０において均質リーン燃焼を行う場合には、ＥＧＲ率が１０〜２０％（更に好ましくはＥＧＲ率が１５％）、Ａ／Ｆが２２となるように運転することにより、ＮＯｘ排出量を目標量に抑制しつつ、燃費を最大限に向上させることが可能となる。
次に、本実施の形態のシステムにおけるＥＧＲ動作について説明する。本実施の形態のシステムは、ＬＰＬ−ＥＧＲ通路３８を介したＬＰＬ−ＥＧＲと、ＨＰＬ―ＥＧＲ通路４２を介したＨＰＬ−ＥＧＲとを実施可能に構成されているが、ＬＰＬ―ＥＧＲは、ＨＰＬ−ＥＧＲに比してエンジン１０の回転負荷に対してＥＧＲガスの導入量が変化しにくいという特徴を有している。また、リーン燃焼時においては、所定のタイミングでリッチスパイク制御が実行される。このため、リッチスパイク制御によって排気圧力が乱れている機関においては、安定したＨＰＬ−ＥＧＲを行うことができない。
そこで、本実施の形態の均質リーン燃焼時においては、ＬＰＬ−ＥＧＲによってＥＧＲガスを導入することとする。これにより、所望のＥＧＲ率（例えば、１５％）を安定して実現することができるので、ＮＯｘ排出量の抑制と燃費向上とを確実に実現することが可能となる。
ところで、上述した実施の形態においては、均質リーン燃焼時のＥＧＲの条件として特にエンジン１０の暖機条件を明記していないが、水温が低い暖機中にはＥＧＲを実施することができない。これは、機関暖機前においてはＥＧＲガス（排気ガス）から凝縮水が発生し、これがコンプレッサ２２ａ等を傷める可能性があるからである。そこで、本実施の形態では、凝縮水による危険性が回避される状態として、例えば水温が７０℃以上となったことを均質リーン燃焼時のＥＧＲの条件としてもよい。これにより、エンジン１０の構成部品を保護しつつＥＧＲを実施することが可能となる。
また、上述した実施の形態においては、均質リーン燃焼において、空燃比を２２、ＥＧＲ率を１０〜２０％にすることとしているが、空燃比およびＥＧＲ率はこの比率に限られない。すなわち、燃費効果とＮＯｘ排出量との関係から適宜最適な空燃比およびＥＧＲ率を設定すればよい。
実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図１１乃至図１４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１のシステムでは、均質リーン燃焼時にＥＧＲを行うことにより、高負荷時のノッキングを抑制するとともに、低負荷時のＳ／Ｃ３２の床温低下を抑制することとしている。これにより、リーンバーン運転が可能な運転領域を高負荷側および低負荷側にそれぞれ拡大することができるので、ＮＯｘ排出量を抑制しつつ燃費を向上させることができる。
しかしながら、運転領域の拡大には限界がある。すなわち、本実施の形態のシステムのように、ターボ過給機２２を備えるエンジン１０では、高過給による高負荷領域も存在する。このような運転領域では、トルク確保の観点から空気量の多いリーンバーン運転は適していない。そこで、高負荷の運転領域では、空燃比を理論空燃比近傍に制御するストイキバーン運転が行われる。但し、均質燃焼におけるストイキバーン運転では、上述した図１６に示すように、ＮＯｘの排出量が増えてしまう。
そこで、本実施の形態では、高負荷のストイキバーン運転領域において、ＥＧＲを行うこととする。図１１は、均質燃焼における運転領域を示す図である。この図に示すとおり、所定の高負荷の領域において、ＥＧＲを伴う均質ストイキ燃焼を行うこととする。尚、ＥＧＲ率はＮＯｘ排出量の抑制の観点からは高いほうがよいが、ＥＧＲ率を２５％以上にすると乱流燃焼速度が０になって火炎伝播しなくなるため、２５％程度に設定することが好ましい。これにより、均質ストイキ燃焼によって高負荷時のトルクを確保しつつ、ＮＯｘ排出量を抑制することが可能となる。
尚、本実施の形態のシステムは、ＬＰＬ−ＥＧＲ通路３８を介したＬＰＬ−ＥＧＲと、ＨＰＬ―ＥＧＲ通路４２を介したＨＰＬ−ＥＧＲとを実施可能に構成されているが、何れかのＥＧＲのみで２５％程度のＥＧＲ率を達成することは難しい。図１２は、ＨＰＬ−ＥＧＲにおいて２５％のＥＧＲ率を実現した場合のタイミングチャートである。ＨＰＬ−ＥＧＲにおいて大量のＥＧＲガスを導入するためには、ＥＧＲ通路の配管径やＥＧＲバルブのバルブ径を大きくする必要がある。このため、このようなハードウェア構成を用いた場合においては、この図に示すような減速要求が出された場合に、空気量の変化に対してＥＧＲバルブの応答が追いつかず、ＥＧＲ率が燃焼限界を超えて失火してしまう。
一方、図１３は、ＬＰＬ−ＥＧＲにおいて２５％のＥＧＲ率を実現した場合のタイミングチャートである。ＬＰＬ−ＥＧＲにおいも、大量のＥＧＲガスを導入するためには、上述したＨＰＬ−ＥＧＲの場合と同様にＥＧＲ通路の配管径やＥＧＲバルブのバルブ径を大きくする必要がある。更に、ＬＰＬ―ＥＧＲは、ＨＰＬ−ＥＧＲに比してエンジン１０の回転負荷に対してＥＧＲガスの導入量が変化しにくいという特徴を有している。このため、このようなハードウェア構成を用いた場合においては、この図に示すような減速要求が出された場合に、回転数の変化に対してＥＧＲバルブの応答が追いつかず、ＥＧＲ率が燃焼限界を超えて失火してしまう。
そこで、本実施の形態では、均質ストイキ燃焼において２５％のＥＧＲ率を実現する場合に、ＬＰＬ−ＥＧＲとＨＰＬ−ＥＧＲとを併用することとする。より具体的には、ＬＰＬ−ＥＧＲにおいてＥＧＲ率１５％を実現し、ＨＰＬ−ＥＧＲにおいて残りの１０％を実現することとする。図１４は、１５％のＥＧＲ率によるＬＰＬ−ＥＧＲと、１０％のＥＧＲ率によるＨＰＬ−ＥＧＲとを併用した場合のタイミングチャートである。このような構成によれば、この図に示すとおり、減速要求が出された場合であっても、燃焼限界を超えることなく失火を回避することが可能となる。尚、ＨＰＬ−ＥＧＲについては、ＥＧＲ率１０％を実現可能な範囲で、できるだけ小さい配管径およびバルブ径によって構成することが好ましい。これにより、ＨＰＬ−ＥＧＲの過渡応答性を向上ことができるので、失火の発生を有効に抑制することが可能となる。
ところで、上述した実施の形態においては、均質ストイキ燃焼において２５％のＥＧＲ率を実現することとしているが、ＥＧＲ率はこの比率に限られない。すなわち、乱流燃焼速度とＮＯｘ排出量との関係から適宜最適なＥＧＲ率を設定すればよい。また、ＬＰＬ−ＥＧＲとＨＰＬ−ＥＧＲとの比率についても、上述した比率に限られず、燃焼限界を超えない範囲内でハードウェア構成との関係で適宜最適な比率を設定すればよい。
実施の形態３．
［実施の形態３の特徴］
次に、図１５を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。図１５は、ＬＰＬ−ＥＧＲの構成を詳細に示す図である。この図に示すように、ＬＰＬ−ＥＧＲ通路３８は、排気通路３０との接続部において、当該排気通路３０内に突出する突出部３８ａを有している。突出部３８ａは、その端面が排気通路３０の上流側、すなわちタービン２２ｂ側に向かって開口するように斜めに切断された形状を有している。また、ＬＰＬ−ＥＧＲ通路３８は、吸気通路１２との接続部において、当該吸気通路１２内に突出する突出部３８ｂを有している。突出部３８ｂは、その端面が吸気通路１２の下流側、すなわちコンプレッサ２２ａ側に向かって開口するように斜めに切断された形状を有している。尚、ＬＰＬ−ＥＧＲ通路３８は、突出部３８ｂが突出部３８ａよりも鉛直方向上方となるように構成されている。
また、吸気通路１２におけるコンプレッサ２２ａの下流側、およびＬＰＬ−ＥＧＲ通路３８におけるＬＰＬ−ＥＧＲバルブ４０の下流側には、通路内の凝縮水を溜めるための貯留部６２，６４がそれぞれ設けられている。
このような構成によれば、排気通路３０を流れる排気ガスが突出部３８ａによってＬＰＬ−ＥＧＲ通路３８へ導かれる。これにより、ＥＧＲガスの導入を容易にすることが可能となる。また、ＬＰＬ−ＥＧＲ通路３８を流れるＥＧＲガスは、突出部３８ｂから吸気通路１２の下流方向へ向かって導入されるので、ＥＧＲガスの導入を容易にすることが可能となる。更に、突出部３８ａは突出部３８ｂよりも鉛直方向下側に位置しているので、コンプレッサ２２ａのハウジングに凝縮水が流れる事態を有効に回避することができる。
また、図１５に示す構成によれば、ＬＰＬ−ＥＧＲ通路３８内の凝縮水が貯留部６４に貯留されるので、凝縮水がコンプレッサ２２ａのハウジングに導入される事態を有効に回避することができる。また、図１５に示すように、コンプレッサ２２ａの吐出口は鉛直下方側に設けられているため、吐出側の吸気通路１２からコンプレッサ２２ａのハウジングに向かって凝縮水が逆流することはなく、貯留部６２に有効に貯留される。これにより、コンプレッサ２２ａを損傷から有効に保護することが可能となる。
１０ 内燃機関（エンジン）
１２ 吸気通路
２２ ターボ過給機
２２ａ コンプレッサ
２２ｂ タービン
３０ 排気通路
３２ スタート触媒（Ｓ／Ｃ）
３８ ＬＰＬ−ＥＧＲ通路
３８ａ，３８ｂ 突出部
４０ ＬＰＬ−ＥＧＲバルブ
４２ ＨＰＬ−ＥＧＲ通路
４６ ＨＰＬ−ＥＧＲバルブ
６０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
６２，６４ 貯留部

Claims (3)

  1. 所定のリーンバーン領域において均質リーン燃焼を行う均質リーン燃焼手段と、
    内燃機関の排気系を流れるガスの一部を吸気系へ還流させるＥＧＲを行うためのＥＧＲ装置と、
    前記内燃機関の運転条件に基づいて前記ＥＧＲ装置を制御する制御手段と、
    前記リーンバーン領域よりも高負荷側のストイキバーン領域において、前記内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比となるストイキ燃焼を行うストイキ燃焼手段と、を備え、
    前記内燃機関は、排気通路に設置されたタービンと吸気通路に設置されたコンプレッサとを有するターボ過給機を備えており、
    前記ＥＧＲ装置は、
    前記タービンより下流側の排気通路を流れるガスを前記コンプレッサより上流側の吸気通路へ還流させる低圧側ＥＧＲ装置と、
    前記タービンより上流側の排気通路を流れるガスを前記コンプレッサより下流側の吸気通路へ還流させる高圧側ＥＧＲ装置と、を有し、
    前記制御手段は、
    前記均質リーン燃焼を行う場合に、前記低圧側ＥＧＲ装置を制御してＥＧＲを行い、
    前記ストイキ燃焼を行う場合に、前記高圧側ＥＧＲ装置および前記低圧側ＥＧＲ装置の双方を制御してＥＧＲを行うことを特徴とする内燃機関の排気環流装置。
  2. 前記ＥＧＲ装置は、前記内燃機関に吸入される総ガス量に対するＥＧＲにより還流されるガス量の比率を表すＥＧＲ率を調整する手段を有し、
    前記均質リーン燃焼手段は、前記内燃機関の筒内燃料量に対する吸入される新気ガス量の比率を表す空燃比が２２となるように均質リーン燃焼を行い、
    前記制御手段は、前記均質リーン燃焼中のＥＧＲ率が１０〜２０％となるように前記ＥＧＲ装置を制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気環流装置。
  3. 前記ＥＧＲ装置は、前記内燃機関に吸入される総ガス量に対するＥＧＲにより還流されるガス量の比率を表すＥＧＲ率を調整する手段を有し、
    前記制御手段は、前記ストイキ燃焼を行う場合に、前記低圧側ＥＧＲ装置によるＥＧＲ率が１５％、前記高圧側ＥＧＲ装置によるＥＧＲ率が１０％となるように前記低圧側ＥＧＲ装置および前記高圧側ＥＧＲ装置を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気環流装置。
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