(57)【要約】【課題】  成層リーンバーンエンジンにおいて、酸素富化装置を用いることにより、安定した燃焼を確保しつつＮＯｘの低減を図ることのできる内燃機関の窒素酸化物低減装置を提供する。【解決手段】  筒内に直接に燃料を噴射する筒内インジェクタ１１８を備え、成層燃焼運転モードを有する内燃機関であって、スロットル弁１２６下流の吸気通路に開口し、ＥＧＲ流量制御弁１６２が介在された排気ガス還流通路１６０と、スロットル弁１２６下流の吸気通路に開口し、上流に酸素富化装置１４０を有すると共に酸素富化空気流量制御弁１４２が介在された酸素富化空気導入通路１４４と、機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段の検出結果に基づいて、少なくともスロットル弁、ＥＧＲ流量制御弁および酸素富化空気流量制御弁の開度、および筒内インジェクタからの燃料噴射量と噴射時期を制御する制御手段とを備える。【選択図】  図１
2006291781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内に直接に燃料を噴射する筒内インジェクタを備え、成層燃焼運転モードを有する内燃機関であって、
スロットル弁下流の吸気通路に開口し、ＥＧＲ流量制御弁が介在された排気ガス還流通路と、
スロットル弁下流の吸気通路に開口し、上流に酸素富化装置を有すると共に酸素富化空気流量制御弁が介在された酸素富化空気導入通路と、
機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
該運転状態検出手段の検出結果に基づいて、少なくとも前記スロットル弁、前記ＥＧＲ流量制御弁および前記酸素富化空気流量制御弁の開度、および前記筒内インジェクタからの燃料噴射量と噴射時期を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする内燃機関の窒素酸化物低減装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記酸素富化装置が故障のときは、前記酸素富化空気流量制御弁を閉じると共に、前記筒内インジェクタからの燃料噴射時期を変更し均質燃焼運転モードとすることを特徴とする内燃機関の窒素酸化物低減装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の窒素酸化物低減装置に関し、特に、筒内に直接に燃料を噴射する筒内インジェクタを備え、成層燃焼運転モードを有する内燃機関の窒素酸化物低減装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、内燃機関においては、排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘと称す）などのエミッションの低減が一つの課題として知られている。ＮＯｘは、高温、高圧下での燃焼により、過剰な酸素が窒素と結合することが原因とされている。そこで、排気ガスを還流すること（以下、ＥＧＲと称す）により燃焼温度を低下させ、かかるＮＯｘを低減させる技術も知られている。
【０００３】
また、筒内に直接に燃料を噴射する筒内インジェクタを備え、運転領域に対応させて圧縮行程噴射を行って成層燃焼させることによる希薄空燃比（以下、リーンと称す）での運転を実現させ、全体として燃費の低減を図った内燃機関（以下、成層リーンバーンエンジンと称す）も知られている。
【０００４】
さらに、内燃機関に供給される空気中の酸素濃度を酸素富化装置でもって増大させる技術も特許文献１ないし４等に提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−６５１６９号公報
【特許文献２】特開平６−２７２６２９号公報
【特許文献３】特開昭５８−１３８２４０号公報
【特許文献４】実開昭６３−１１８３７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述の成層リーンバーンエンジンにおいて、ＮＯｘ低減のためにＥＧＲガス比率を上げていくと、燃焼が不安定になりＨＣの増加や燃費の悪化をもたらすという問題がある。これは、ＥＧＲガス比率を上げていくと新気の比率が下がるので、混合気の空燃比はリッチ側にシフトすることになり、混合気中に濃度分布の存在する成層燃焼では、このリッチ側へのシフトが過大となる結果、この過大にリッチ化された混合気の領域において火炎伝播が不安定となるからである。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、成層リーンバーンエンジンにおいて、酸素富化装置を用いることにより、安定した燃焼を確保しつつＮＯｘの低減を図ることのできる内燃機関の窒素酸化物低減装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の一形態に係る内燃機関の窒素酸化物低減装置は、筒内に直接に燃料を噴射する筒内インジェクタを備え、成層燃焼運転モードを有する内燃機関であって、スロットル弁下流の吸気通路に開口し、ＥＧＲ流量制御弁が介在された排気ガス還流通路と、スロットル弁下流の吸気通路に開口し、上流に酸素富化装置を有すると共に酸素富化空気流量制御弁が介在された酸素富化空気導入通路と、機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段の検出結果に基づいて、少なくとも前記スロットル弁、前記ＥＧＲ流量制御弁および前記酸素富化空気流量制御弁の開度、および前記筒内インジェクタからの燃料噴射量と噴射時期を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
ここで、前記制御手段は、前記酸素富化装置が故障のときは、前記酸素富化空気流量制御弁を閉じると共に、前記筒内インジェクタからの燃料噴射時期を変更し均質燃焼運転モードとすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一形態に係る内燃機関の窒素酸化物低減装置によれば、運転状態検出手段の検出結果に基づいて、少なくともスロットル弁、ＥＧＲ流量制御弁および酸素富化空気流量制御弁の開度、および筒内インジェクタからの燃料噴射量と噴射時期が制御手段により制御される。従って、所要時にスロットル弁、ＥＧＲ流量制御弁および酸素富化空気流量制御弁の開度が制御されて、新気としての酸素富化空気とＥＧＲガスとが内燃機関に導入されることになる。この場合、新気とＥＧＲガスとの混合ガスの成分は、燃焼に寄与するＯ２量が酸素富化なしと酸素富化ありの場合とで同一となるようにＥＧＲガスを導入したとして、酸素富化を行なわなかった場合に比べ酸素富化を行なった場合がＣＯ２の比率が高くなる。このＣＯ２の増大により、燃焼温度を下げる効果が高まり、燃焼の安定性を悪化させずにＮＯｘの低減が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
【００１２】
図１は、実施の形態としての内燃機関システムの概略構成を示す説明図である。このシステムは、内燃機関（以下、エンジンとも称す）１００と電子制御ユニット（ＥＣＵ）２００とを主要素として構成されている。
【００１３】
図１におけるエンジン１００において、１０２はシリンダブロック、１０４はシリンダヘッド、１０６はピストン、１０８は燃焼室、１１０は吸気ポート、１１２は排気ポート、１１４は吸気弁、１１６は排気弁をそれぞれ示している。エンジン１００の気筒毎の燃焼室１０８には、燃焼室１０８内に燃料を直接噴射する筒内インジェクタ１１８が配設され、その頂部にイグナイタに接続された点火プラグ１２０が配設されている。
【００１４】
吸気ポート１１０は吸気マニホールドを介してサージタンク１２２に接続され、サージタンク１２２は吸気ダクト１２３を介してエアクリーナ１２４に接続されている。そして、吸気ダクト１２３内にはスロットル弁１２６が配設されている。スロットル弁１２６は、スロットルモータ１２８により駆動されるいわゆる電制スロットルであり、スロットル弁１２６の開度を検出するスロットルポジションセンサ１３０を備えている。スロットル弁１２６は、吸気量を運転状態に応じて制御するためにＥＣＵ２００の制御信号に基づき開度が制御される。
【００１５】
本実施の形態においては、スロットル弁１２６の下流の吸気通路としてのサージタンク１２２に、上流に酸素富化装置１４０を有すると共に酸素富化空気流量制御弁１４２が介在された酸素富化空気導入通路１４４が開口されている。本実施の形態における酸素富化装置１４０は、収容容器１４３の内部に酸素を選択的に透過する酸素富化膜１４１を備えている。かかる膜としては、例えば、酸素との親和性を有する無孔膜を用いることができる。酸素富化装置１４０の一方が吸気圧により減圧されると、外気中の酸素が酸素富化膜１４１に溶解し、減圧側の面から離脱される。酸素富化膜１４１の材質としては、例えば、ポリブタジエンなどを適用可能である。酸素富化装置１４０で生成される酸素富化空気の流量は酸素富化空気流量制御弁１４２の開度によって制御可能である。酸素富化空気流量制御弁１４２は、不図示のモータにより駆動されるか、あるいは駆動電流に応じて開度が変化する電磁バルブであってもよく、ＥＣＵ２００によって、その開度が制御される。なお、本実施の形態では、酸素富化装置１４０は収容容器１４３の内外に、それぞれ、内部Ｏ２センサ１４５および外部Ｏ２センサ１４６を備えており、後述するように、酸素富化膜１４１の故障を検出可能とされている。
【００１６】
一方、エンジン１００の排気系としては、排気ポート１１２に連通する排気マニホールドにより排気が合流され、排気マニホールドに排気管１５０が接続されている。そして、この排気管１５０には２つの三元触媒１５２、１５４が配設されている。
【００１７】
また、スロットル弁１２６の下流の吸気通路には、ＥＧＲ流量制御弁（以下、ＥＧＲ弁と称す）１６２が介在され排気ガス環流（ＥＧＲ）のために排気管１５０から分岐された排気ガス還流通路（以下、ＥＧＲ通路と称す）１６０が開口されている。排気ガスの吸気中に占める割合、すなわちＥＧＲ率は、ＥＧＲ通路１６０に設けられたＥＧＲ弁１６２の開度によって制御される。本実施の形態のＥＧＲ弁１６２は電磁バルブであり、ＥＣＵ２００によって、その開度が制御される。
【００１８】
また、ＥＣＵ２００は、ＣＰＵと、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびバックアップ用ＲＡＭ、タイマとＩ／Ｏインターフェースがバスラインを介して互いに接続されたマイクロコンピュータと、その周辺回路とから構成されている。そして、エンジン１００には、エンジン１００の回転数を算出するためのクランク角センサ（以下、回転数センサと称す）１７０やアクセルペダルの踏込み量（以下、アクセル開度と称す）を検出するアクセル開度センサ１７２およびスロットル弁１２６の開度を検出する上述のスロットル開度センサ１３０、エンジン１００の冷却水温を検出する水温センサ１７４等が設けられ、これらの各種センサの出力が上述のマイクロコンピュータ等で構成されるＥＣＵ２００に送られるようになっている。
【００１９】
さらに、ＥＣＵ２００は、各センサから送られてきた出力値に応じて、筒内インジェクタ１１８からの燃料噴射量や噴射時期および点火時期等を制御する。なお、燃料噴射量や噴射時期、点火時期等の制御のために使用される制御値は、例えば縦軸にアクセル開度やスロットル開度、あるいは吸入空気量等から得られるエンジンの負荷（トルク）をとり、横軸にエンジン回転数をとったエンジン１００の運転状態を表すマップに、エンジン１００の要求特性等に合わせて実験的に求めた最適値が制御値または目標値として設定されており、これらのマップはＥＣＵ２００のテーブルに保存されている。本実施の形態の成層リーンバーンエンジン１００では、その燃焼モードが、図２に示す運転状態マップにおける領域に区画されている。
【００２０】
ここで、図２に示すマップは、縦軸にスロットル開度で表されるトルクＴを、横軸にエンジン回転数Ｎｅを取った運転状態マップであり、「Ｉ」は成層燃焼モード領域、「ＩＩ」は均質燃焼モード領域である。なお、「Ｉ−１」は、混合気の空燃比が例えば１７〜４０の成層燃焼モード領域であり、「Ｉ−２」は、同じ成層燃焼モードでも混合気の空燃比が例えば１５〜２５の弱成層燃焼モード領域である。なお、「ＩＩ」の均質燃焼モード領域では混合気の空燃比が例えば１２〜１５のいわゆるストイキである。因みに、筒内インジェクタ１１８からの燃料噴射は、「ＩＩ」の均質燃焼モード領域では吸気行程に行われるのに対し、「Ｉ−１」の成層燃焼モード領域では圧縮行程、「Ｉ−２」の弱成層燃焼モード領域では吸気行程の一部と圧縮行程にて行われる。
【００２１】
なお、図１において、１８０はエアフローセンサ、１８２はノックセンサ、１８４、１８６はＯ２センサ、およびＶＶＴ−iは吸気弁１１４の開閉タイミングの可変動弁機構を示す。これらは、本実施の形態においては、選択的な要素であり、必要に応じて用いればよい。
【００２２】
そこで、本実施の形態にかかる成層リーンバーンエンジン１００における窒素酸化物低減処理制御ルーチンの一例につき図３のフローチャートを参照して説明する。この制御ルーチンは、エンジン１００の運転中に、ＥＣＵ２００が所定周期で繰り返し実行する処理である。
【００２３】
制御が開始されると、ＥＣＵ２００は、まず、ステップＳ３０１において回転数センサ１７０の検出に基づき算出されるエンジン回転数およびアクセル開度センサ１７２からの検出値に基づくエンジン要求負荷（トルク）を読込む。そして、ステップＳ３０２に進み、これらに基づいて図２のマップから運転領域が均質燃焼モード領域「ＩＩ」であるか否かを判定する。均質燃焼モード領域「ＩＩ」でないときは、さらにステップＳ３０３に進み、酸素富化膜１４１が故障か否かが判定される。この故障か否かの判定は、内部Ｏ２センサ１４５および外部Ｏ２センサ１４６による酸素濃度の検出に基づいて、両者による検出酸素濃度差が例えば予め定められた所定値以下であるか否かにより行なわれる。酸素濃度差が所定値以下である場合には、酸素富化膜１４１の酸素富化機能が遂行されていないので、故障と判定するのである。
【００２４】
そして、ステップＳ３０３において酸素富化膜１４１が故障ではないと判定されると、ステップＳ３０４に進み、成層または弱成層燃焼モード領域「Ｉ」に適した制御が行なわれる。より詳しく説明すると、ステップＳ３０１で読込んだエンジン回転数およびトルクに基づき、該当する運転状態に対応させて、筒内インジェクタ１１８からの燃料噴射量や噴射時期、スロットル弁１２６の開度、ＥＧＲ弁１６２の開度および酸素富化空気流量制御弁１４２の開度がそれぞれのマップから読み出されて設定されるのである。そして、こうして設定された結果に基づき、ＥＣＵ２００が所定の駆動信号を発することで実際の燃料噴射や上記各弁の開度が制御される。
【００２５】
一方、ステップＳ３０２で均質燃焼モード領域「ＩＩ」であると判定されたときは、ステップＳ３０５に進み、均質燃焼モード領域「ＩＩ」に適した制御が行なわれる。すなわち、この場合もステップＳ３０１で読込んだエンジン回転数およびトルクに基づき、該当する運転状態に対応させて、筒内インジェクタ１１８からの燃料噴射量や噴射時期、スロットル弁１２６の開度、およびＥＧＲ弁１６２の開度がそれぞれのマップから読み出されて設定される。なお、この場合は、酸素富化空気流量制御弁１４２の開度は０、すなわち全閉とされる。また、ステップＳ３０３で酸素富化膜１４１が故障と判定されたときもステップＳ３０５に進み、均質燃焼モード領域と同様に、酸素富化空気流量制御弁１４２が全閉とされて運転が行われる。
【００２６】
ここで、成層または弱成層燃焼モードでＥＧＲガスと共に酸素富化装置１４０による酸素富化空気を用いて燃焼を行なわせたときに、燃焼室１０８で形成される新気としての酸素富化空気とＥＧＲガスとの混合ガスの成分と、酸素富化空気を用いず、大気をそのまま用いるときの新気とＥＧＲガスとの混合ガスの成分との違いについて、図４を参照して説明する。
【００２７】
図４（Ａ）は酸素富化がないとき、図４（Ｂ）は酸素富化があるときをそれぞれ示している。そして、図４（Ａ）および図４（Ｂ）の各々において、左側（a）は新気のガス組成、右側（b）は混合ガスの組成を示している。これらの図から明らかなように、酸素富化がないときの新気におけるガス組成は、Ｏ２対Ｎ２が約１対４であるのに対し、酸素富化があるときの新気におけるガス組成は、Ｏ２対Ｎ２が約１対３となる。酸素富化がないときの新気に対しＥＧＲガスを加えたときの混合ガスの組成は、（Ｏ２＋ＣＯ２）対Ｎ２が約１対４である。そこで、酸素富化があるときの新気に対し、燃焼に寄与するＯ２量が酸素富化なしと酸素富化ありの場合とで同一となるようにＥＧＲガスを導入したとすると、このときの混合ガスの組成は、（Ｏ２＋ＣＯ２）対Ｎ２が約１対３であり、ＣＯ２の比率が高くなることが分かる。このように、燃焼室１０８で形成される混合ガス中のＣＯ２の増大により、前述のように、燃焼温度を下げる効果が高まり、燃焼の安定性を悪化させずにＮＯｘの低減が可能となるのである。
【００２８】
なお、燃焼室１０８に導入される新気におけるＯ２成分は、スロットル弁１２６と酸素富化空気流量制御弁１４２との開度を適宜選択することにより制御することができ、ＥＧＲ量はＥＧＲ弁１６２の開度で制御することができる。これらは、上述のように運転状態に対応させて、予め実験的に求めてマップに設定しておけばよい。
【００２９】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態としての内燃機関システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】燃焼モードの領域区画の一例を示す運転状態マップである。
【図３】本発明の実施形態における窒素酸化物低減処理制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図４】ガス組成の違いを説明する組成図であり、（Ａ）は酸素富化がないとき、（Ｂ）は酸素富化があるときをそれぞれ示している。
【符号の説明】
【００３１】
１００    エンジン１００
１１８    筒内インジェクタ
１２６    スロットル弁
１３０    スロットル開度センサ
１４０    酸素富化装置
１４１    酸素富化膜
１４２    酸素富化空気流量制御弁
１４４    酸素富化空気導入通路
１６０    排気ガス還流通路（ＥＧＲ通路）
１６２    ＥＧＲ流量制御弁（ＥＧＲ弁）
１７０    クランク角センサ（回転数センサ）
１７２    アクセル開度センサ
２００    電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【図１】
2006291781.tif 000003
【図２】
2006291781.tif 000004
【図３】
2006291781.tif 000005
【図４】
2006291781.tif 000006