(57)【要約】      （修正有）【課題】高圧ＥＧＲ経路と低圧ＥＧＲ経路を効果的に併用して動力性能やＥＧＲ制御の制御性及び応答性を損なうことなく広い運転領域で排気エミッションの低減が図ること。【解決手段】ターボチャージャ２を備えたディーゼル機関において、ターボチャージャ２のタービン２ｂ下流の排気管１１から排ガスの一部を前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａ上流の吸気管５へ再循環する低圧ＥＧＲパイプ１２と、排気マニホールド１０から排ガスの一部を吸気マニホールド７へ再循環する高圧ＥＧＲパイプ１７とを備え、運転状態検出手段からの検出信号に基づいて、低中速・低中負荷域では高圧ＥＧＲを主にまた低圧ＥＧＲを補助的に用いてＥＧＲと予混合燃焼を行い、低中速・高負荷域では低圧ＥＧＲを用いてＥＧＲと圧縮上死点付近で燃料を噴射して通常燃焼を行い、機関高速・低〜高負荷域では高圧ＥＧＲを用いてＥＧＲを行い圧縮上死点付近で燃料を噴射して通常燃焼を行う。【選択図】        図１
2004150319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボチャージャを備えた圧縮着火式内燃機関において、ターボチャージャのタービン下流の排気通路から排ガスの一部を抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサ上流の吸気通路へ再循環する低圧ＥＧＲ経路と、ターボチャージャのタービン上流の排気通路から排ガスの一部を抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサ下流の吸気通路へ再循環する高圧ＥＧＲ経路とを備えると共に、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からの検出信号に基づいて、機関低中速・低中負荷域では高圧ＥＧＲ経路を主にまた低圧ＥＧＲ経路を補助的に用いてＥＧＲを行うと共に予混合燃焼を行い、機関低中速・高負荷域では低圧ＥＧＲ経路を用いてＥＧＲを行うと共に圧縮上死点付近で燃料を噴射して通常燃焼を行い、機関高速・低〜高負荷域では高圧ＥＧＲ経路を用いてＥＧＲを行うと共に圧縮上死点付近で燃料を噴射して通常燃焼を行うようにした制御手段とを備えたことを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボチャージャを備えたディーゼル機関等の圧縮着火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車用ディーゼル機関などにおいては、排気側から排ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排ガスで機関内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりＮＯＸ（窒素酸化物）の発生を低減するようにした、いわゆる排ガス再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ  ）が行われいる。
【０００３】
ただし、排ガスの再循環によりＮＯＸの低減化を図ることは、気筒内での燃焼不良により黒煙を発生してしまうこととトレードオフの関係にあるので、黒煙の発生を抑制する観点から排ガスの再循環量に制限がかかるという不具合があり、単純に排ガスの再循環を行うだけで大幅なＮＯＸの低減化を図ることは困難である。
【０００４】
このため、近年においては、通常の拡散燃焼であれば圧縮上死点付近で行われるべき燃料噴射を圧縮上死点付近より早いタイミング（例えば２０〜５０°前）で行い、気筒内への燃料の先行投入により燃料の予混合化を促進してから着火燃焼させて黒煙の発生を抑制するようにした予混合燃焼を併用することが検討されている。
【０００５】
即ち、このような予混合燃焼を行うと、燃料が良好に分散混合して均等に薄まった状態で燃焼が行われることになるので、燃焼温度が比較的低く抑制されてＮＯＸの発生が少なくなり、しかも、局所的に燃料の濃い部分が生じ難くなって黒煙の発生を抑制する上でも有効となるのである。
【０００６】
また、前記ＥＧＲ装置として、図３に示すようなターボチャージャ１０１  を備えたディーゼル機関１００  において、ターボチャージャ１０１  のタービン１０１ａ上流の排気通路、即ち排気マニホールド１０２  から排ガスの一部を抜き出して前記ターボチャージャ１０１  のコンプレッサ１０１ｂ下流の吸気通路、即ち吸気マニホールド１０３  へ再循環する高圧ＥＧＲ経路１０４Ａを用いるものと、図４に示すように、同じくターボチャージャ１０１  のタービン１０１ａ上流の排気通路、即ち排気管１０５  から排ガスの一部を抜き出して前記ターボチャージャ１０１  のコンプレッサ１０１ｂ下流の吸気通路、即ち吸気管１０６  へ再循環する低圧ＥＧＲ経路１０４Ｂを用いるものとがある。尚、図中１０７Ａ，１０７ＢはＥＧＲバルブ、１０８Ａ，１０８ＢはＥＧＲクーラ、１０９  はインタークーラ、１１０  はＶＧ（バリアブルジオメトリ）ノズルである。
【０００７】
ところで、予混合燃焼の成立には大量ＥＧＲが必要である。つまり、図６に示す予混合燃焼適用領域では４０％を超えるＥＧＲ率が必要となる。ところが、通常用いられている高圧ＥＧＲ経路ではＥＧＲ量がタービン入口圧力Ｐｔｉとブースト圧力Ｐｂ  の差圧（Ｐｔｉ−Ｐｂ  ）で決定されるため、ターボチャージャの性能が向上した場合は差圧が減少（逆転）し大量ＥＧＲが不可となる。つまり、図５の高圧ＥＧＲ経路でのＥＧＲ率分布で、最も多い場合でも４０％のＥＧＲ率となる。そこで、ＶＧ（バリアブルジオメトリ）ターボチャージャを用いてＶＧノズルの開度制御により差圧を確保し、ＥＧＲ可能領域を拡大することが考えられている。しかしながら動力性能を犠牲にしない範囲内で予混合燃焼を実現可能な大量ＥＧＲを確保するにはＶＧノズルの開度制御を用いても困難である。
【０００８】一方、低圧ＥＧＲ経路はＥＧＲバルブの位置がターボチャージャのコンプレッサ上流にあるため大量のＥＧＲが可能であるが、ＥＧＲバルブを急速閉弁したとしても、各気筒までの経路にはインタークーラ等があり、例えば急加速時のように各気筒内の空気過剰率が急減した場合、高圧ＥＧＲ経路に対して暫くの間は高ＥＧＲ状態が続き黒煙が発生してしまう。
【０００９】そこで、従来、高圧ＥＧＲ経路と低圧ＥＧＲ経路を併用したＥＧＲ装置がある（例えば、特許文献１参照。）。
【００１０】これは、機関の高負荷を除く運転状態にて排ガスを再循環しながら予混合燃焼を併用するに際し、機関の高負荷から中負荷までの運転状態では低圧ＥＧＲ経路を選択して、インタークーラなどを介し冷却された低温低圧の排ガスを再循環し、機関の低負荷から零負荷までの運転状態では高圧ＥＧＲ経路に切り換えて排気マニホールドから吸気マニホールドへ高温高圧の排ガスを直接再循環することで、機関の低負荷領域で失火が起こり易くなる問題を吸気温度の上昇による着火支援で解消することができ、予混合燃焼の併用によるＮＯＸと黒煙の良好な同時低減化を実現するものである。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−２１６２５公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前述したような特許文献１に開示されたＥＧＲ装置にあっては、高圧ＥＧＲ経路と低圧ＥＧＲ経路を併用するのにあたって、大量ＥＧＲを必要とする機関の低負荷から零負荷までの運転状態では高圧ＥＧＲ経路のみを用いると共に、その不足分はＶＧノズルの開度制御により補うようになっているため、動力性能の犠牲を余儀なくされるという問題点があった。また、機関の高負荷から中負荷までの運転状態では低圧ＥＧＲ経路を用いるため、経路長の増大とインタークーラの介在により急加速時等における制御性及び応答性が悪いという問題点もあった。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、高圧ＥＧＲ経路と低圧ＥＧＲ経路を効果的に併用して動力性能やＥＧＲ制御の制御性及び応答性を損なうことなく広い運転領域で排気エミッションの低減が図れる圧縮着火式内燃機関を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための、本発明の請求項１に係る圧縮着火式内燃機関は、ターボチャージャを備えた圧縮着火式内燃機関において、ターボチャージャのタービン下流の排気通路から排ガスの一部を抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサ上流の吸気通路へ再循環する低圧ＥＧＲ経路と、ターボチャージャのタービン上流の排気通路から排ガスの一部を抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサ下流の吸気通路へ再循環する高圧ＥＧＲ経路とを備えると共に、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からの検出信号に基づいて、機関低中速・低中負荷域では高圧ＥＧＲ経路を主にまた低圧ＥＧＲ経路を補助的に用いてＥＧＲを行うと共に予混合燃焼を行い、機関低中速・高負荷域では低圧ＥＧＲ経路を用いてＥＧＲを行うと共に圧縮上死点付近で燃料を噴射して通常燃焼を行い、機関高速・低〜高負荷域では高圧ＥＧＲ経路を用いてＥＧＲを行うと共に圧縮上死点付近で燃料を噴射して通常燃焼を行うようにした制御手段とを備えたことを特徴し、高圧ＥＧＲ経路と低圧ＥＧＲ経路を効果的に使い分けて広い運転領域で排気エミッションの低減が図れるようにした。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧縮着火式内燃機関を実施例により図面を用いて詳細に説明する。
【００１６】
［実施例］
図１は本発明の一実施例を示すディーゼル機関の概略構成図、図２はＥＧＲ方式の棲み分けを示すグラフである。
【００１７】
図１において、１はディーゼル機関の機関本体で、該機関本体１は、通常の機関より圧縮比を低めに設定され、しかも、ＶＧ（バリアブルジオメトリ）ターボチャージャをターボチャージャ２として備えており、図示しないエアクリーナから導かれた吸気が吸気管（吸気通路）５を通り前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気がインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド（吸気通路）７へと吸気が導かれて機関本体１の直列６気筒からなる各々の気筒８に分配されるようになっている。
【００１８】
更に、機関本体１の各気筒８から排出された排ガスは、排気マニホールド（排気通路）１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排ガスが排気管（排気通路）１１を介し車外へ排出されるようにしてある。
【００１９】
そして、ターボチャージャ２のタービン２ｂより下流の排気管１１と、ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａより上流の吸気管５との間が低圧ＥＧＲパイプ（低圧ＥＧＲ経路）１２により接続されており、該低圧ＥＧＲパイプ１２には、排ガスの再循環を適宜に停止し得ると共に開度調整可能なＥＧＲバルブ１３と、再循環される排ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ１４が装備される。また、前記排気管１１における低圧ＥＧＲパイプ１２の分岐箇所の上流には排ガス中からパティキュレートを低減するための排ガス浄化装置１５が装備される。
【００２０】
更に、排気管１１における低圧ＥＧＲパイプ１２の分岐箇所の下流と吸気管５における低圧ＥＧＲパイプ１２の分岐箇所の上流に開度調節可能なバルブ１６ａ，１６ｂが装備され、これらバルブ１６ａ，１６ｂの開度を調節して前記分岐箇所における圧力を増減することで低圧ＥＧＲパイプ１２によるＥＧＲ率を調節し得るようにしてある。
【００２１】
また、排気マニホールド１０と吸気マニホールド７との間が高圧ＥＧＲパイプ（高圧ＥＧＲ経路）１７により接続され、該高圧ＥＧＲパイプ１７には、排ガスの再循環を適宜に停止し得るよう開閉自在なＥＧＲバルブ１８と再循環される排ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２５が装備されている。更に、吸気管５における高圧ＥＧＲパイプ１７の分岐箇所の上流に開度調節可能なバルブ１９が装備され、このバルブ１９の開度を調節して前記分岐箇所における圧力を増減することで高圧ＥＧＲパイプ１７によるＥＧＲ率を調節し得るようにしてある。
【００２２】
更に、運転席のアクセルペダル２０には、アクセル開度を機関本体１の負荷として検出する負荷センサ２１が備えられていると共に、機関本体１の図示しないクランクシャフトにはその回転を機関の回転数として検出するクランク角センサ２２が備えられ、これら両センサからの検出信号が、吸気管５に設けた吸気温センサ２７からの検出信号とともに、後述する制御手段としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）２３に入力されるようになっている。
【００２３】
前記電子制御ユニット２３は、デジタルコンピュータからなり、図示しないＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ、入，出力ポート等を具備する。そして、各気筒８に燃料を噴射する燃料噴射装置（例えば蓄圧式噴射装置）２４に向け燃料の噴射タイミング及び噴射量を指令する燃料噴射信号が出力されるようになっていると共に、ＥＧＲバルブ１３，１８とバルブ１６ａ，１６ｂ，１９とＶＧノズル３と排気ブレーキバルブ２６とに対し夫々の開度を指令する開度指令信号が出力されるようになっている。
【００２４】
そして、図２に示すように、前記電子制御ユニット２３内の運転状態検出部（運転状態検出手段）と燃料噴射制御部とＥＧＲ制御部とにより、機関低中速・低中負荷域では高圧ＥＧＲパイプ１７を主にまた低圧ＥＧＲパイプ１２を補助的に用いてＥＧＲを行うと共に圧縮上死点付近より早期に（例えば２０〜５０°ＢＴＤＣ）燃料を噴射して予混合燃焼を行い、機関低中速・高負荷域では低圧ＥＧＲパイプ１２を用いてＥＧＲを行うと共に圧縮上死点付近で燃料を噴射して通常燃焼を行い、機関高速・低〜高負荷域では高圧ＥＧＲパイプ１７を用いてＥＧＲを行うと共に圧縮上死点付近で燃料を噴射して通常燃焼を行うようになっている。
【００２５】
即ち、大量ＥＧＲが必要な予混合燃焼領域である機関低中速・低中負荷域では、動力性能を犠牲にしない程度にＶＧノズル３の開度を絞ると共に、ＥＧＲバルブ１８を全開し、かつバルブ１９を閉じ気味に制御して、高圧ＥＧＲパイプ１７で可能な限りのＥＧＲガスを還流させる一方、ＥＧＲバルブ１３を全開し、かつバルブ１６ａ，１６ｂを閉じ方向に制御して、低圧ＥＧＲパイプ１２でその不足分のＥＧＲガスを還流させる。
【００２６】
これにより、当該運転域では、動力性能を犠牲にすることなく十分な量のＥＧＲ量を確保でき、予混合燃焼の成立と相俟って、ＮＯＸと黒煙の発生を低減することができる。
【００２７】
また、元々高圧ＥＧＲパイプ１７ではＥＧＲ導入が厳しい通常燃焼領域である機関低中速・高負荷域では、ＥＧＲバルブ１８を全閉し、かつバルブ１９を全開に制御する一方、ＥＧＲバルブ１３を全開し、かつバルブ１６ａ，１６ｂを閉じ方向に制御して、低圧ＥＧＲパイプ１２を用いてＥＧＲを行う。尚、この時のＶＧノズル３の開度は動力性能を重視した開度で制御される。
【００２８】
これにより、当該運転域では、動力性能を犠牲にすることなく十分な量のＥＧＲ量を確保でき、ＮＯＸの発生を低減することができる。
【００２９】
また、ＥＧＲ率の少ない通常の拡散燃焼領域である機関高速・低〜高負荷域では、ＥＧＲバルブ１３を全閉し、かつバルブ１６ａ，１６ｂを全開に制御する一方、ＥＧＲバルブ１８，バルブ１９及び、ＶＧノズル３を既知のλ制御（ＥＧＲの空気過剰率による制御）して、高圧ＥＧＲパイプ１７を用いてＥＧＲを行う。
【００３０】
これにより、当該運転域では、ＥＧＲバルブ１８と吸気通路７との距離が短い高圧ＥＧＲ経路１７を使用するため、ＥＧＲ制御の制御性及び応答性を良好に維持しつつＮＯＸ（窒素酸化物）の発生を低減することができる。
【００３１】
尚、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、各種変更が可能であることはいうまでもない。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明によれば、機関低中速・低中負荷域では高圧ＥＧＲ経路を主にまた低圧ＥＧＲ経路を補助的に用いてＥＧＲを行うと共に予混合燃焼を行い、機関低中速・高負荷域では低圧ＥＧＲ経路を用いてＥＧＲを行うと共に圧縮上死点付近で燃料を噴射して通常燃焼を行い、機関高速・低〜高負荷域では高圧ＥＧＲ経路を用いてＥＧＲを行うと共に圧縮上死点付近で燃料を噴射して通常燃焼を行うようにした制御手段とを備えたので、高圧ＥＧＲ経路と低圧ＥＧＲ経路を効果的に併用して動力性能やＥＧＲ制御の制御性及び応答性を損なうことなく広い運転領域で排気エミッションの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すディーゼル機関の概略構成図である。
【図２】同じくＥＧＲ方式の棲み分けを示すグラフである。
【図３】高圧ＥＧＲ経路を備えたディーゼル機関の概略構成図である。
【図４】低圧ＥＧＲ経路を備えたディーゼル機関の概略構成図である。
【図５】高圧ＥＧＲ経路のＥＧＲ率分布を示すグラフである。
【図６】予混合燃焼適用領域を示すグラフである。
【符号の説明】
１  機関本体
２  ターボチャージャ
３  ＶＧノズル
５  吸気管（吸気通路）
７  吸気マニホールド（吸気通路）
１０  排気マニホールド（排気通路）
１１  排気管（排気通路）
１２  低圧ＥＧＲパイプ（低圧ＥＧＲ経路）
１３  ＥＧＲバルブ
１４  ＥＧＲクーラ
１５  排ガス浄化装置
１７  高圧ＥＧＲパイプ
１８  ＥＧＲバルブ
２１  負荷センサ
２２  クランク角センサ
２３  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２４  燃料噴射装置
２５  ＥＧＲクーラ
【図１】
2004150319.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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