JPH0567780B2

JPH0567780B2 -

Info

Publication number: JPH0567780B2
Application number: JP59051597A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Sakurai; Shigeki Hamada
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1984-03-17
Filing date: 1984-03-17
Publication date: 1993-09-27
Also published as: JPS60195368A; US4644926A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、渦流室と称される副燃焼室を具備し
たデイーゼルエンジンにおける排気ガスの浄化を
目的として、排気ガスの一部をエンジンの運転状
態に応じて吸気系に戻して還流させるようにする
渦流室式デイーゼルエンジンの排気還流制御装置
に関する。

（従来技術）デイーゼルエンジンを搭載した自動車の排気ガ
ス浄化対策として、排気ガス中のNOx成分、HC
成分、CO成分及び通常パテイキユレートと呼ば
れる微粒子の低減化が挙げられる。そして、これ
らのうちのNOx成分の低減化を主目的として、
エンジンの運転状態に応じて排気ガスの一部を吸
気系に戻す、所謂、排気還流（EGR）を行うこ
とが実用に供されている。デイーゼルエンジンに
おいては、ガソリンエンジンと異なり、吸入空気
量を制御することなく、燃料ポンプから燃料噴射
ノズルに圧送される燃料を調量することにより、
エンジンの作動状態が制御される。このため、デ
イーゼルエンジンの燃焼室における燃料の完全燃
焼に必要とされない過剰空気量は、１回の吸入行
程時に噴射された燃料の量によつて決まる。従つ
て、排気還流制御がなされるデイーゼルエンジン
にあつては、排気還流量がエンジン負荷の増大に
応じて増量されることから、エンジンが高負荷運
転域にあるときには、排気還流される排気ガスの
流量をエンジンが低負荷あるいは中負荷運転域に
あるときに比して減少させるか、あるいは、排気
還流を停止させるようにする制御が行われて、排
気ガスの浄化とエンジンの運転性能の向上との両
立が図られる。例えば、特公昭54−17092号公報
には、デイーゼルエンジンにおいて、エンジン負
荷の増大に応じて排気還流率（EGR率；排気還
流量と吸入空気量との和に対する排気還流量の比
率）を減少させることが記載されている。

このような、デイーゼルエンジンにおいて、シ
リンダ部に関連して形成される主燃焼室に加え
て、この主燃焼室の上方または側方に副燃焼室と
しての渦流室を設け、圧縮空気に渦流室内でスワ
ールを形成させて、圧縮空気と燃料との混合状態
を良好とし、その結果、平均有効圧を高めてエン
ジン出力を増大させるとともに、燃料消費率を向
上させるようにした渦流室式デイーゼルエンジン
がよく知られている。そして、さらに、斯かる渦
流室式デイーゼルエンジンにおける燃焼特性を一
層向上させるべく、渦流室を、例えば、セラミツ
ク等の断熱材料が用いられたチヤンバ部材で形成
して、シリンダヘツドに対して断熱構造をとるよ
うにすることが提案されている。

このようにセラミツク等の断熱材料が用いられ
たチヤンバ部材で形成される等の断熱構造がとら
れた渦流室を有する渦流室式デイーゼルエンジン
においては、燃焼温度及び燃焼速度が高められる
結果、渦流室の周壁がスチールあるいは鋳鉄等で
形成された渦流室式デイーゼルエンジンに比して
エンジン出力が増大するとともに、前述のパテイ
キユレートが低減される効果が得られることが判
明している。ところが、この反面、断熱構造がと
られた渦流室を有する渦流室式デイーゼルエンジ
ンでは、燃焼温度が高くなることから排気ガス中
のNOx成分が増加する傾向があり、この排気ガ
ス中のNOx成分の増加を抑制すべく前述した排
気還流を行うようにしても、従来の排気還流にお
ける制御態様によつては、効果的にNOxを低減
できないばかりでなく、パテイキユレートを低減
できる効果も損なわれてしまう虞れがあるという
不都合がある。

（発明の目的）斯かる点に鑑み本発明は、セラミツク等の断熱
材料を用いたチヤンバ部材で形成される等の策が
とられて、シリンダヘツドに対して断熱構造がと
られた渦流室を具備した渦流室式デイーゼルエン
ジンにおいて、排気ガスの一部をエンジンの運転
状態に応じて吸気系に戻して還流させるようにす
るとともに、その際の排気還流率を特定の態様で
制御することにより、排気ガス中のNOx成分と
パテイキユレートの両者を同時に低減できるよう
にされた渦流室式デイーゼルエンジンの排気還流
制御装置を提供することを目的とする。

（発明の構成）本発明に係る渦流室式デイーゼルエンジンの排
気還流制御装置は、渦流室がシリンダヘツドに対
する断熱構造をもつて形成された渦流室式デイー
ゼルエンジンにおいて排気ガスの一部を吸気系に
戻して還流させる排気還流手段と、排気還流手段
による排気ガスの還流量をエンジンの運転状態に
応じて制御する排気還流量制御手段とを備えて構
成され、排気還流量制御手段の制御により、エン
ジンが所定の負荷運転域にあるとき、排気還流率
の値が60−100・１／λ以上で140−210・１／λ
以下の範囲（但し、λは空気過剰率）になるもの
とされる。

このように排気還流率を空気過剰率に応じた特
定の範囲に規制する制御を行うようにされること
により、断熱構造がとられた渦流室にもとずく利
点を損なうことなく、排気ガス中のNOxを低減
することができる。

（実施例）以下、図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。

第１図は本発明に係る渦流室式デイーゼルエン
ジンの排気還流制御装置の一例をそれが適用され
るデイーゼルエンジンと共に示す概略構成図であ
る。この第１図において、デイーゼルエンジン１
は例えば直列４シリンダ型の渦流室式のものであ
つて、４つの燃焼室２の夫々には、吸気通路４及
び排気通路５の分岐部が接続されている。夫々の
燃焼室２は、第２図に示される如く、シリンダブ
ロツク６、シリンダヘツド７、ピストン８、吸気
バルブ９及び排気バルブ（図示せず）で包囲され
る主燃焼室１１とこの主燃焼室１１に噴孔１２を
介して連通する渦流室（副燃焼室）１３とから成
つており、この燃焼室２の温度状態に関連する冷
却水の温度Tsがシリンダブロツク６に装着され
た水温センサSSにより検出される。渦流室１３
の周壁には、シリンダヘツド７に設けられた空洞
内に、金属製の補強リング１０を介して、二分割
されて嵌装されたセラミツク製のチヤンバ部材１
４が用いられて、シリンダヘツド７に対する断熱
構造がとられており、これにより渦流室を形成す
るチヤンバ部材がスチールもしくは鉄鉄製とされ
た渦流室式デイーゼルエンジンの場合に比して、
渦流室１３内の温度が高められ、燃焼速度が早く
なるようにされている。そして、この渦流室１３
には、シリンダヘツド７に装着された予熱及び暖
機助成用のグロープラグ１６の発熱部１６ａが臨
み、さらに、燃料噴射ノズル１７の噴射口が渦流
室１３のチヤンバ部材１４に穿設された噴射口１
４ａに臨むようにされている。この燃料噴射ノズ
ル１７は、吸入行程毎に燃料噴射ポンプ１８から
圧送されて来るデイーゼルエンジン１の運転状態
に応じた所定量の燃料を渦流室１３に噴射するよ
うにされている。

燃料噴射ポンプ１８は、例えば、電子制御分配
型噴射ポンプであつてデイーゼルエンジン１のク
ランク軸から回転駆動力が与えられて、デイーゼ
ルエンジン１と同期的に回動するドライブシヤフ
ト１９を有し、このドライブシヤフト１９の回転
数と相関関係にある回転体の回転数を検出する回
転数センサNSが所定位置に配置されている。ま
た、この燃料噴射ポンプ１８には、燃料噴射ノズ
ル１７へ圧送する燃料を調量するガバナ装置２０
が所定の態様で配置されている。さらに、この燃
料噴射ポンプ１８には、燃料噴射ノズル１７から
渦流室１３へ噴射される燃料の噴射時期を進角ま
たは遅角させる排気還流時期調整手段として、電
子タイマ２３が内蔵されている。そして、電子タ
イマ２３の動作は、噴射時期制御バルブ２５によ
つて制御されるようになされている。また、アク
セルペダル２１のレバー部分にはエンジン負荷
Leに相当するアクセルペダルの踏込量Accpを検
出するようにされたアクセルセンサASが設置さ
れている。

上述の燃焼室２に吸気通路４から導入された吸
入空気は、圧縮行程時に渦流室１３に流れ込んで
スワールを形成し、燃料噴射ノズル１７からそこ
に噴射された燃料を混合燃焼させた後、排気ガス
となつて排気通路５へ排出されるが、この排気ガ
スの一部は吸気通路４と排気通路５の負圧の差に
より、吸気通路４及び排気通路５にその両端が
夫々接続された排気還流通路３０を通つて吸気通
路４に戻されて還流せしめられる。排気還流通路
３０の途中には、排気還流制御バルブ３１が介設
されている。この排気還流制御バルブ３１は、排
気還流通路３０の吸気通路４側と排気通路５側と
を連通させる排気還流ポート３２が形成された隔
壁３３と、この隔壁３３と協働して排気還流ポー
ト３２を開閉するバルブ要素３４と、このバルブ
要素３４をバルブロツド３５を介して駆動するダ
イアフラム機構３６とを有している。そして、ダ
イアフラム機構３６は、バルブロツド３５を連結
保持するダイアフラム３７により画定された負圧
導入室３８に導管３９を介して負圧を導入する構
成とされており、負圧導入室３８には、ダイアフ
ラム３７に所定のセツト荷重を与えるコイルスプ
リング４０が縮装されている。また、バルブ要素
３４のリフト量、従つて排気還流ポート３２の有
効開口面積を検出するリフトセンサRSがダイア
フラム機構３６に配置されている。

負圧導入室３８に負圧を導入する導管３９の負
圧源側は、負圧制御バルブ４１の負圧供給ポート
４２に接続され、また、負圧制御バルブ４１のバ
キユームポート４３は、例えば、デイーゼルエン
ジン１の図示しないクランク軸により回転駆動さ
れるバキユームポンプ４４へ導管４５を介して接
続されている。負圧制御バルブ４１は、上記の負
圧供給ポート４２及びバキユームポート４３以外
に大気と連通する大気吸入ポート４６を有してお
り、第３図に示される如く、負圧供給ポート４２
側のソレノイド４７及びバキユームポート４３側
のソレノイド４８の両者が共に通電励磁されてい
ないときには、バルブ要素４９及び５０がスプリ
ング部材５１及び５２の弾力により押し下げられ
た状態とされて、負圧供給ポート４２と大気吸入
ポート４６が連通されるとともに、バキユームポ
ート４３が閉鎖されるようになされ、これとは逆
に、ソレノイド４７及ソレノイド４８の両者が共
に通電励磁されたときには、バルブ要素４９及び
５０がスプリング部材５１及び５２の弾力に抗し
て引き上げられた状態とされて、負圧供給ポート
４２がバキユームポート４３に連通するようにさ
れている。

上述の如くの構成とされた各部の作動制御を行
うため、タイマを内蔵する制御ユニツト１００が
備えられており、この制御ユニツト１００には、
水温センサSSからのデイーゼルエンジン１の加
熱状態に関連する冷却水の温度Tsに応じた検出
信号Ss、回転数センサNSからのデイーゼルエン
ジン１の回転数に応じた検出信号Snと、アクセ
ルセンサASからのアクセルペダルの踏込量
Accp、従つて、エンジン負荷Leに相当する検出
信号Sa、及び、リフトセンサRSからの排気還流
ポート３２の有効開口面積、従つて、排気ガスの
還流量に応じた検出信号Srが夫々入力され、さ
らに、バツテリーBSからの一次電圧の変化に応
じた検出信号Sb及び大気圧センサDSからの大気
圧に応じた検出信号Sd等が入力される。

そして、制御ユニツト１００は、上述の各種の
検出信号Ss，Sn，Sa，Sr，Sb及びSd等にもとず
いて、デイーゼルエンジン１の燃料噴射時期を制
御する噴射時期制御信号Ctを噴射時期制御バル
ブ２５に、排気ガスの還流量を制御する排気還流
制御信号Ceを負圧制御バルブ４１に、そしてグ
ロープラグ１６及び吸気通路４に設けられたグロ
ーレジスタ５９を加熱するための加熱制御電圧
Cgを送出する。

上述の如くに制御信号Ce及びCt、及び、制御
電圧Cgを送出する制御ユニツト１００による制
御のもとに、本発明に係る渦流室式デイーゼルエ
ンジンの排気還流制御装置の一例における排気還
流制御が下述の如くに行われる。

制御ユニツト１００から負圧制御バルブ４１に
送出される制御信号Ceは、第４図に示される如
くのパルス信号であつて、排気還流制御が実施さ
れるとき（EGR制御時）には、負圧制御バルブ
４１のソレノイド４７及びソレノイド４８がエン
ジンの運転状態に応じたパルス幅t₁で単位サイク
ルｔ毎に通電励磁され、排気還流制御が実施され
ないとき（EGR停止時）には、制御信号Ceのパ
ルス幅t₁が零にされる。

そして、制御信号Ceによる排気還流制御が実
施されるときにおいては、負圧制御バルブ４１の
負圧供給ポート４２がバキユームポート４３と大
気吸入ポート４６との夫々に、制御信号Ceのデ
ユーテイ（t₁／ｔ）に応じた時間比率で交互に連
通され、このため、排気還流制御バルブ３１にお
けるダイアフラム機構３６の負圧導入室３８の負
圧は制御信号Ceのデユーテイ（t₁／ｔ）が大であ
る程、その絶対値が増大され、これに伴いダイア
フラム３７がコイルスプリング４０の弾力に抗し
て引き上げられて得られる排気還流ポート３２の
有効開口面積が増大されて、排気還流量が増大さ
れる。

一方、制御信号Ceのパルス幅t₁が零とされて排
気還流制御が実施されないときにおいては、負圧
供給ポート４２とバキユームポート４３との連通
が遮断され、負圧供給ポート４２と大気吸入ポー
ト４６とが連通し、負圧導入室３８の負圧の絶対
値が減少されて、ダイアフラム３７がコイルスプ
リング４０の弾力により押し下げられ、排気還流
ポート３２が閉鎖されて排気還流が停止される。

次に、上述の如く、渦流室１３の周壁に断熱性
に優れたセラミツク製のチヤンバ部材１４が用い
られて、断熱構造がとられた渦流室式デイーゼル
エンジン１における排気還流制御に関連して、本
願発明者が実験により明らかにした事柄について
第５図〜第９図を用いて説明する。

第５図から第７図は、断熱タイプのデイーゼル
エンジン１について得られた実験結果Ｄを、渦流
室の周壁が、例えば、スチール製のチヤンバ部材
が用いられて形成され、断熱構造がとられていな
い通常の渦流室式デイーゼルエンジン（以下、ノ
ーマルタイプ・エンジンという）について得られ
た結果Ｆと比較して示す。

第５図、第６図及び第７図は、夫々、エンジン
の平均有効圧Peが１（Kg／cm²）、３（Kg／cm²）及び
５（Kg／cm²）の場合において、排気還流率（EGR
率）Ｅを変化せしめ、また、燃料噴射時期を定め
る進角量を変化せしめて測定したNOx成分の量
及びパテイキユレートの量を、夫々、NOx成分
量NOxを横軸にとりパテイキユレート量Parを縦
軸にとつてあらわしたものであり、各図におい
て、破線が同一EGR率線を示し、また、実験
Advが、第８図に示される如くの横軸にエンジン
回転数Neをとり、縦軸にエンジン負荷に相当す
るアクセルペダルの踏込量Accpをとつて、進角
量θをあらわした進角量マツプをもつて燃料噴射
時期を早めた進角状態に対応し、さらに、実線
Retは、上述の進角状態から一定の遅角量、ここ
では、６度だけ燃料噴射時期を遅らせた状態に対
応する。

なお、この実験における渦流室式デイーゼルエ
ンジンは、全負荷時の平均有効圧Peが約7.5（Kg／
cm²）である。

そして、第５図の結果から、平均有効圧Peが
１の場合、従つて、エンジンが低負荷運転域にな
るときには、排気ガス中のパテイキユレートの量
は、各条件のもとで、ノーマルタイプ・エンジン
の場合(F)よりデイーゼルエンジン１の場合(D)の方
が少なくなり、また、デイーゼルエンジン１にお
けるEGR率Ｅが約40〜60％のときには、排気ガ
ス中に含まれるNOx成分の量がノーマルタイ
プ・エンジンの場合と同程度に抑制されることが
わかる。

また、第６図の結果から、平均有効圧Peが３
の場合、従つて、エンジンが中負荷運転域にある
ときには、デイーゼルエンジン１におけるEGR
率Ｅが約20〜60％のとき、排気ガス中のパテイキ
ユレートの量がノーマルタイプ・エンジンの場合
より少なくなり、また、デイーゼルエンジン１に
おけるEGR率Ｅが約40〜60％のときには、排気
ガス中のNOx成分の量がノーマルタイプ・エン
ジンの場合と同程度に抑制されることがわかる。

さらに、第７図の結果から、同様にして、平均
有効圧Peが５の場合、従つて、エンジンが比較
的高負荷運転域にあるときには、排気ガス中のパ
テイキユレートの量は、各条件のもとで、ノーマ
ルタイプ・エンジンの場合に比してデイーゼルエ
ンジン１の場合の方が格段に少なくなり、また、
デイーゼルエンジン１におけるEGR率Ｅが約10
〜20％以上であるときには、排気ガス中のNOx
成分の量がノーマルタイプ・エンジンの場合と同
程度に抑制されることがわかる。

このような実験結果をもとに、渦流室１３が断
熱されたデイーゼルエンジン１について、排気ガ
ス中のパテイキユレートの量を少に維持するとと
もに、その燃焼特性を損なわず、排気ガス中の
NOx成分の量を低減させることができる望まし
いEGR率Ｅの範囲を平均有効圧Pe毎に求め、得
られたEGR率Ｅの範囲の上限及び下限をあらわ
す近似式を、空気過剰率（燃焼に必要な理論的空
気量に対する実際の供給空気量の比率）λを変数
として求めると、EGR率Ｅの上限Emaxについて
は、Emax＝140−210・１／λ−(1)が得られ、ま
た、EGR率Ｅの下限Eminについては、Emin＝
60−100・１／λ−(2)が得られた。

これら(1)式及び(2)式の関係を、横軸に空気過剰
率λの逆数１／λをとり縦軸にEGR率Ｅをとつ
てグラフに示すと、第９図に示される如くのもの
となる。なお、ノーマルタイプ・エンジンにおい
てとられるEGR率Ｅの範囲は下限を有さず上限
のみを有すものとなり、その上限E′maxは、
E′max＝90−180・１／λ−(3)であらわせ、この
(3)式の関係も第９図のグラフに示されている。

この第９図のグラフにおいて、１／λが約0.2
以上の範囲、即ち、エンジンの所定以上の負荷で
の負荷運転域で、直線Emax＝140−210・１／λ
と直線Emin＝60−100・１／λとで挟まれた領域
Ｚ（第９図で斜線で示される領域）が、デイーゼ
ルエンジン１についての望ましいEGR率Ｅの範
囲をあらわすものとなる。

以上の実験結果及びそれにもとずく考案からし
て、第１図に示される如くの本発明に係る渦流室
式デイーゼルエンジンの排気還流制御装置におい
ては、断熱された渦流室１３を有するデイーゼル
エンジン１について実施される排気還流が、第９
図に示される領域Ｚであらわされる範囲のEGR
率、即ち、Emin＝60−100・１／λ以上でEmax
＝140−210・１／λ以下の範囲のEGR率をもつ
て行われるようにされる。

そして、デイーゼルエンジン１における排気還
流が、デイーゼルエンジン１が所定の負荷運転域
にあるとき、上述の如くの第９図の領域Ｚであら
わされるEGR率の範囲をもつて実施されるよう
にする排気還流制御を行うべく、制御ユニツト１
００は、各センサからの検出信号Ss，Sn，Sa及
びSr等をもとにして、デイーゼルエンジン１の
運転状態に応じた、第９図の領域Ｚであらわされ
るEGR率の範囲内の最適EGR率を、予め定めら
れたEGR率マツプにもとずいて設定し、設定さ
れた最適EGR率を達成するに必要なパルス幅t₁を
有した排気還流制御信号Ceを発生して、負圧制
御バルブ４１に供給する。この場合、デイーゼル
エンジン１が所定の負荷運転域内の比較的低負荷
での運転域にあるとき、例えば、１／λが0.3程
度であるときには、EGR率を中及ひ高負荷運転
域にある場合に比して大とするように、制御信号
Ceのパルス幅t₁が比較的大とされ、その結果、排
気還流量が大とされる。そして、デイーゼルエン
ジン１が高負荷運転域に向かつて移行するに従つ
て、制御信号Ceのパルス幅t₁が次第に小とされ、
排気還流量が低減されていくが、デイーゼルエン
ジン１が比較的高負荷の運転域、例えば１／λが
0.6以上になる状態に達しても、少量の排気還流
を行なえることになる。

なお、上述の例が適用された渦流室式デイーゼ
ルエンジン１にあつては、渦流室１３が断熱材料
であるセラミツクが用いられたチヤンバ部材１４
により形成されてシリンダヘツドに対する断熱構
造がとられているが、渦流室を形成するチヤンバ
部材自体には非断熱材料が用いられ、そのチヤン
バ部材の外周とシリンダヘツドとの間に断熱部が
設けられて、断熱構造がとられるようにされてい
てもよい。

（発明の効果）以上の説明から明らかな如く、本発明の渦流室
式デイーゼルエンジンの排気還流制御装置によれ
ば、例えば、セラミツク等の断熱材料を用いたチ
ヤンバ部材で形成されて、シリンダヘツドに対す
る断熱構造がとられた渦流室を具備した渦流室式
デイーゼルエンジンにおける排気還流を、エンジ
ンの運転状態に応じた比較的大なる排気還流量を
もつて行わせ、エンジンの運転性能を損なうこと
なく、排気ガス中のパテイキユレート及びNOx
成分の両者を効果的に低減せしめることができ
る。従つて、本発明に係る渦流室式デイーゼルエ
ンジンの排気還流制御装置は、シリンダヘツドに
対する断熱構造がとられた渦流室を具備した渦流
室式デイーゼルエンジンの、高出力が得られ、か
つ、排気ガス中に含まれるパテイキユレートが低
減される特性を生かしたうえで、排気ガス中の
NOx成分をも低減することができるものとなり、
排気ガス浄化に貢献するところ大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る渦流室式デイーゼルエン
ジンの排気還流制御装置の一例をそれが適用され
るデイーゼルエンジンとともに示す概略構成図、
第２図は第１図に示される渦流室式デイーゼルエ
ンジンの本体の部分断面図、第３図は第１図に示
される負圧制御バルブの断面図、第４図は第１図
に示される例の動作説明に供される波形図、第５
図〜第７図及び第９図は第１図に示される本発明
に係る渦流室式デイーゼルエンジンの排気還流制
御装置の一例の説明に供される実験結果を示す
図、第８図は第５図〜第７図及び第９図に示され
る実験結果を得るに供された進角量特性を示す特
性図である。図中、１は渦流室式デイーゼルエンジン、２は
燃焼室、４は吸気通路、５は排気通路、７はシリ
ンダヘツド、１３は渦流室、１４はチヤンバ部
材、３０は排気還流通路、３１は排気還流制御バ
ルブ、３２は排気還流ポート、３６はダイアフラ
ム機構、４１は負圧制御バルブ、１００は制御ユ
ニツト、ASはアクセルセンサ、NSは回転数セン
サ、RSはリフトセンサである。

Claims

【特許請求の範囲】

１渦流室がシリンダヘツドに対する断熱構造を
もつて形成された渦流室式デイーゼルエンジンに
おいて排気ガスの一部を吸気系に戻して還流させ
る排気還流手段と、該排気還流手段による排気ガ
スの還流量を上記デイーゼルエンジンの運転状態
に応じて制御する排気還流量制御手段とを備えて
成り、上記排気還流量制御手段の制御により、上
記デイーゼルエンジンが所定の負荷運転域にある
とき、排気還流量と吸入空気量との和に対する排
気還流量の比率が、60−100・１／λ以上で140−
210・１／λ以下の範囲（但し、λは空気過剰率）
の値をとるものとされることを特徴とする渦流室
式デイーゼルエンジンの排気還流制御装置。