(57)【要約】【課題】低負荷から高負荷までの広い範囲で高いＮＯx低減率を得られるようにした圧縮着火エンジンの運転方法を提供する。【解決手段】排気管３の途中にＮＯx低減触媒（選択還元型触媒４）を装備する一方、燃焼室１８と開閉自在な制御弁１２を介して連通するように副室１１を備えた圧縮着火エンジン（ディーゼルエンジン１）の運転方法に関し、低負荷時に圧縮上死点より燃料噴射時期を早めた予混合圧縮着火を採用しながら、前記制御弁１２を開けた状態で吸気を行い且つ燃料噴射前に前記制御弁１２を閉じるように制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気管の途中にＮＯx低減触媒を装備する一方、燃焼室と開閉自在な制御弁を介して連通するように副室を備えた圧縮着火エンジンの運転方法であって、低負荷時に圧縮上死点より燃料噴射時期を早めた予混合圧縮着火を採用しながら、前記制御弁を開けた状態で吸気を行い且つ燃料噴射前に前記制御弁を閉じるように制御することを特徴とする圧縮着火エンジンの運転方法。
【請求項２】
排気管の途中にＮＯx低減触媒を装備する一方、燃焼室と開閉自在な制御弁を介して連通するように副室を備え且つ該副室内の残留ガスの熱を外部に逃がす除熱手段を備えた圧縮着火エンジンの運転方法であって、低負荷時に圧縮上死点より燃料噴射時期を早めた予混合圧縮着火を採用しながら、前記制御弁を圧縮行程の途中で開けて燃料噴射直前に閉じるように制御することを特徴とする圧縮着火エンジンの運転方法。
【請求項３】
中・高負荷時では予混合圧縮着火を継続せずに制御弁を閉じて通常燃焼を採用することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮着火エンジンの運転方法。
【請求項４】
中・高負荷時も低負荷時と同様の予混合圧縮着火を継続することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮着火エンジンの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮着火エンジンの運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車のディーゼルエンジン等では、排気側から排出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出ガスでエンジン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の発生を低減するようにした、いわゆる排出ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）を採用したものがある。
【０００３】
ただし、排出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出ガスの再循環量に制限がかかるという不具合があり、単純に排出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】
他方、近年においては、排出ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒をＮＯx低減触媒として装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排出ガス中のＮＯxと還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
更に、この種の選択還元型触媒以外にも、排気空燃比がリーンの時に排出ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し、排出ガス中のＯ2濃度が低下した時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒がＮＯx低減触媒として知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−１６１７３２号公報
【特許文献２】特開２０００−３５６１２７号公報
【０００６】
そして、これら選択還元型触媒やＮＯx吸蔵還元触媒といったＮＯx低減触媒を前述の排出ガス再循環と併用すれば、排出ガス再循環だけで達成できない高いＮＯx低減率が得られることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、何れのＮＯx低減触媒においても有効な活性温度域があって、十分な触媒活性を得るのに所定温度より高い触媒床温度が必要となるので、排気温度が低い低負荷での運転状態が続くと、ＮＯx低減率がなかなか高まらないという問題があり、例えば、都市部の路線バス等のように渋滞路ばかりを走行するような運行形態の車両では、必要な所定温度以上での運転が長く継続しないため、ＮＯx低減率が低いまま推移してしまって良好なＮＯx低減効果を得ることができなかった。
【０００８】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、低負荷から高負荷までの広い範囲で高いＮＯx低減率を得られるようにした圧縮着火エンジンの運転方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、排気管の途中にＮＯx低減触媒を装備する一方、燃焼室と開閉自在な制御弁を介して連通するように副室を備えた圧縮着火エンジンの運転方法であって、低負荷時に圧縮上死点より燃料噴射時期を早めた予混合圧縮着火を採用しながら、前記制御弁を開けた状態で吸気を行い且つ燃料噴射前に前記制御弁を閉じるように制御することを特徴とするものである。
【００１０】
而して、このようにすれば、低負荷時に制御弁を開けた状態で吸気を行い、そのまま圧縮行程でも開けておくことで圧縮行程時に副室の容積分が加算され、これにより実効圧縮比が低下して圧縮温度が低く抑えられるので、燃料の発熱量が同じでもＮＯxの生成量が抑制されることになる。
【００１１】
しかも、同時に圧縮上死点より早いタイミングで燃料噴射を行う予混合圧縮着火が併用されているので、先行投入された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、これにより燃焼温度が比較的低く抑制されることでもＮＯxの生成量が抑制されることになる。
【００１２】
ここで、予混合圧縮着火を採用した場合、通常のエンジンの圧縮比では過早着火（圧縮上死点より早いタイミングでの着火）が起こり易くなるのが通常であるが、前述した通り圧縮行程時に制御弁を開けておくことで実効圧縮比を低下させて圧縮温度を低く抑えているので、燃料の過早着火が抑制されて着火時期が圧縮上死点付近まで遅延される。
【００１３】
ただし、燃焼時には制御弁が閉じられて圧縮上死点における燃焼室の容積が副室のない通常エンジンと同じ容積に戻されるので、燃料の燃焼により十分に筒内圧力が高められて膨張行程時の出力低下が回避される。
【００１４】
尚、制御弁を開けた状態で吸気を行い、そのまま圧縮行程でも開けたままにしておくと、圧縮行程時に副室から気筒内へのガスの移流が起こらないが、吸入空気量の一部が副室内に取り込まれて燃焼に使えないとしても、一般的に軽負荷時には空気過剰率が高くなっているので、投入燃料に対し筒内空気量が不足することはない。
【００１５】
また、本発明は、排気管の途中にＮＯx低減触媒を装備する一方、燃焼室と開閉自在な制御弁を介して連通するように副室を備え且つ該副室内の残留ガスの熱を外部に逃がす除熱手段を備えた圧縮着火エンジンの運転方法であって、低負荷時に圧縮上死点より燃料噴射時期を早めた予混合圧縮着火を採用しながら、前記制御弁を圧縮行程の途中で開けて燃料噴射直前に閉じるように制御することを特徴とするものでもある。
【００１６】
而して、このようにした場合には、低負荷時に制御弁を圧縮行程の途中で開けて実効圧縮比を低下することで実効圧縮比が低下し、これにより圧縮温度が低く抑えられるので、燃料の発熱量が同じでもＮＯxの生成量が抑制されることになる。
【００１７】
しかも、同時に圧縮上死点より早いタイミングで燃料噴射を行う予混合圧縮着火が併用されているので、先行投入された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、これにより燃焼温度が比較的低く抑制されることでもＮＯxの生成量が抑制されることになる。
【００１８】
ここで、予混合圧縮着火を採用した場合、通常のエンジンの圧縮比では過早着火（圧縮上死点より早いタイミングでの着火）が起こり易くなるのが通常であるが、前述した通り圧縮行程の途中で制御弁を開けることで実効圧縮比を低下させて圧縮温度を低く抑えているので、燃料の過早着火が抑制されて着火時期が圧縮上死点付近まで遅延されることになる。
【００１９】
ただし、燃焼時には制御弁が閉じられて圧縮上死点における燃焼室の容積が副室のない通常エンジンと同じ容積に戻されるので、燃料の燃焼により十分に筒内圧力が高められて膨張行程時の出力低下が回避される。
【００２０】
尚、副室に封じられた残留ガスは、次のサイクルの圧縮行程で制御弁が開いた時に気筒内に放出されることになるが、副室内に封じられている間に除熱手段により熱を外部へ逃がされ、制御弁が開いた時に気筒内に戻される熱エネルギが毎回減じられているので、副室内の残留ガスが気筒内に放出されても圧縮温度（圧縮圧力）は低く保たれることになる。
【００２１】
そして、中・高負荷時においては、排気温度が十分に上昇してＮＯx低減触媒の触媒活性が高まり、このＮＯx低減触媒により良好なＮＯx低減効果を得ることが可能となるので、中・高負荷時には予混合圧縮着火を継続せずに制御弁を閉じて通常燃焼を採用するようにしても良いし、中・高負荷時も低負荷時と同様の予混合圧縮着火を継続しても良い。
【発明の効果】
【００２２】
上記した本発明の圧縮着火エンジンの運転方法によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
【００２３】
（Ｉ）低負荷時に排気温度が低いためにＮＯx低減触媒の触媒活性が低下していても、実効圧縮比を低下することで圧縮温度を低く抑え、同時に予混合圧縮着火を併用することで燃焼温度を比較的低く抑制することができるので、これらの相乗的な作用によりＮＯxの生成量を大幅に抑制することができ、しかも、排気温度が十分に高まる中・高負荷時にあっては、触媒活性が高まっているＮＯx低減触媒により良好なＮＯx低減効果を得ることができるので、低負荷から高負荷までの広い範囲で高いＮＯx低減率を得ることができる。
【００２４】
（ＩＩ）ＮＯx低減触媒による十分なＮＯx低減効果が期待できない軽負荷時のＮＯx対策を、副室を用いた予混合圧縮着火により担うようにしているので、ＮＯx低減触媒の容量を触媒活性の高い中・高負荷時に合わせて設定することが可能となり、ＮＯx低減触媒を従来より大幅に小型化することができて車両への搭載性を大幅に向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２６】
図１〜図５は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１に図示しているディーゼルエンジン１においては、排出ガス２が流通する排気管３の途中に、排出ガス２中のＮＯxと還元剤との反応選択性を高めた選択還元型触媒４（ＮＯx低減触媒）がケーシング５に抱持されて装備されており、この選択還元型触媒４の上流側には、図示しない還元剤添加装置により適宜に還元剤が添加されるようになっている。
【００２７】
また、このディーゼルエンジン１では、ＥＧＲパイプ６により排気管３と吸気管７との間が接続されており、このＥＧＲパイプ６の途中に備えたＥＧＲバルブ８を介し排出ガス２の一部を吸入空気９と一緒に再循環してディーゼルエンジン１の気筒内に送り込み、該気筒内での燃焼温度を下げてＮＯxの低減化を図るようにしてある。
【００２８】
更に、ディーゼルエンジン１の各気筒の頂部には、燃料（軽油）を気筒内に噴射するインジェクタ１０が装備されていると共に、燃焼室１８と連通するように副室１１が設けられており、該副室１１と前記燃焼室１８との間が制御弁１２により開閉されるようになっている。
【００２９】
ここで、この制御弁１２の開閉作動と前記インジェクタ１０の噴射作動については、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１３からの開弁指令１２ａ及び燃料噴射指令１０ａにより制御されるようになっており、より具体的には、低負荷時に限り圧縮行程後期の圧縮上死点より早いタイミングで前記インジェクタ１０に燃料噴射指令１０ａを出力して燃料を噴射せしめ、低負荷時における排気行程終わり頃から圧縮行程後期の燃料噴射直前までの間に電磁式アクチュエータ１４へ開弁指令１２ａを出力して前記制御弁１２を開弁せしめるようにしてある。
【００３０】
他方、この制御装置１３には、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１５（負荷センサ）からのアクセル開度信号１５ａや、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ１６からの回転数信号１６ａ等が入力されており、各種のエンジン制御を実行するべくディーゼルエンジン１の運転状態が常に監視されるようになっている。
【００３１】
尚、図中１７はピストン、１８は燃焼室、１９は排気ポート、２０は排気弁、２１は吸気ポート、２２は吸気弁を示しており、該吸気弁２２及び前記排気弁２０は、図示しないエンジン駆動のカムシャフトに備えたカムによりプッシュロッドやロッカーアームを介して各気筒毎の行程に応じた適切なタイミングで開弁操作されるようになっている。
【００３２】
而して、このようなディーゼルエンジン１を前記制御装置１３により運転すると、低負荷時に制御弁１２を開けた状態で吸気を行い、そのまま図２に示す圧縮行程でも開けておくことで圧縮行程時に副室１１の容積分が加算され、これにより実効圧縮比が低下して圧縮温度が低く抑えられるので、燃料の発熱量が同じでもＮＯxの生成量が抑制されることになる。
【００３３】
しかも、同時に圧縮上死点より早いタイミングで燃料噴射を行う予混合圧縮着火が併用されているので、先行投入された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、これにより燃焼温度が比較的低く抑制されることでもＮＯxの生成量が抑制されることになる。
【００３４】
ここで、予混合圧縮着火を採用した場合、通常のエンジンの圧縮比では過早着火（圧縮上死点より早いタイミングでの着火）が起こり易くなるのが通常であるが、前述した通り圧縮行程時に制御弁１２を開けておくことで実効圧縮比を低下させて圧縮温度を低く抑えているので、燃料の過早着火が抑制されて着火時期が圧縮上死点付近まで遅延されることになる。
【００３５】
ただし、図３に示す圧縮行程後期の燃料噴射直前に制御弁１２を閉じ、圧縮上死点における燃焼室１８の容積を副室１１のない通常エンジンと同じ容積に戻して燃料を燃焼させるようにしているので、該燃料の燃焼により十分に筒内圧力が高められて図４に示す膨張行程時の出力低下が回避される。
【００３６】
図５は本形態例の圧縮行程における筒内圧力とシリンダ容積との関係をＰ−Ｖ線図で示したものであり、通常エンジンの圧縮行程はＡ-Ｃ-Ｄとなるが、本形態例の如く制御弁１２を排気行程終わり頃から開けて燃料噴射直前に閉じる場合はＡ-ｃ-ｄとなり、制御弁１２が開いているＡ-ｃの間で実効圧縮比が低下して筒内圧力の上昇が緩慢化し、これにより圧縮温度の上昇も抑制されて最終的な到達温度が低くなる。
【００３７】
尚、制御弁１２を開けた状態で吸気を行い、そのまま圧縮行程でも開けたままにした場合、圧縮行程時に副室１１から気筒内へのガスの移流は起こらないが、吸入空気量の一部が副室１１内に取り込まれて燃焼に使えないとしても、一般的に軽負荷時には空気過剰率が高くなっているので、投入燃料に対し筒内空気量が不足することはない。
【００３８】
そして、中・高負荷時においては、予混合圧縮着火が継続されずに圧縮上死点付近で行われる通常の燃料噴射に戻され、これに伴い制御弁１２が閉じた状態に保持されて副室１１が不使用となり、必要に応じてＥＧＲバルブ８を介し排出ガス２の一部がＥＧＲパイプ６を通して吸気管７に再循環されることになる。尚、この種の排出ガス２の再循環に関しては、必要に応じて軽負荷時に併用することも勿論可能である。
【００３９】
従って、上記形態例によれば、低負荷時に排気温度が低いために選択還元型触媒４の触媒活性が低下していても、実効圧縮比を低下することで圧縮温度を低く抑え、同時に予混合圧縮着火を併用することで燃焼温度を比較的低く抑制することができるので、これらの相乗的な作用によりＮＯxの生成量を大幅に抑制することができ、しかも、排気温度が十分に高まる中・高負荷時にあっては、触媒活性が高まっている選択還元型触媒４により良好なＮＯx低減効果を得ることができるので、低負荷から高負荷までの広い範囲で高いＮＯx低減率を得ることができる。
【００４０】
また、選択還元型触媒４による十分なＮＯx低減効果が期待できない軽負荷時のＮＯx対策を、副室１１を用いた予混合圧縮着火により担うようにしているので、選択還元型触媒４の容量を触媒活性の高い中・高負荷時に合わせて設定することが可能となり、選択還元型触媒４を従来より大幅に小型化することができて車両への搭載性を大幅に向上することができる。
【００４１】
図６〜図９は本発明の別の形態例を示すもので、本形態例のディーゼルエンジン１は、副室１１内の残留ガスの熱を外部に逃がす除熱手段を備えたものとなっており、より具体的には、前記副室１１内に埋め込まれた熱伝導率の良い多孔質材２３と、該多孔質材２３の頂部に対し熱伝達可能に当接して外気に解放された放熱板２４とにより構成されている。
【００４２】
そして、このディーゼルエンジン１を運転するに際しては、低負荷時から中・高負荷時にかけて、圧縮行程後期の圧縮上死点より早いタイミングで制御装置１３からインジェクタ１０に燃料噴射指令１０ａを出力することで予混合圧縮着火を継続させると共に、前記制御弁１２を圧縮行程前期の途中から圧縮行程後期の燃料噴射直前までの間でだけ前記制御弁１２の電磁式アクチュエータ１４に開弁指令１２ａを出力して開弁せしめるようにしてある。
【００４３】
而して、このようなディーゼルエンジン１を前記制御装置１３により運転すると、低負荷時に図６に示す圧縮行程の途中で制御弁１２を開けて実効圧縮比を低下することで実効圧縮比が低下し、これにより圧縮温度が低く抑えられるので、燃料の発熱量が同じでもＮＯxの生成量が抑制されることになり、しかも、前述した図１〜図５の形態例の場合と同様に、圧縮上死点より早いタイミングで燃料噴射を行う予混合圧縮着火が併用されているので、これにより燃焼温度が比較的低く抑制されることでもＮＯxの生成量が抑制されることになる。尚、この予混合圧縮着火の着火時期については、前記の実効圧縮比の低下により圧縮上死点付近まで遅延されることになる。
【００４４】
また、この形態例の場合も、図７に示す圧縮行程後期の燃料噴射直前に制御弁１２が閉じられて圧縮上死点における燃焼室１８の容積が副室１１のない通常エンジンと同じ容積に戻されるので、燃料の燃焼により十分に筒内圧力が高められて図８に示す膨張行程時の出力低下が回避される。
【００４５】
図９は本形態例の圧縮行程における筒内圧力とシリンダ容積との関係をＰ−Ｖ線図で示したものであり、通常エンジンの圧縮行程はＡ-Ｂ-Ｃ-Ｄとなるが、本形態例の如く制御弁１２を圧縮行程の途中で開けて燃料噴射直前に閉じる場合はＡ-Ｂ-ｂ-ｃ-ｄとなり、制御弁１２が開いているＢ-ｂ-ｃの間で実効圧縮比が低下して筒内圧力の上昇が緩慢化し、これにより圧縮温度の上昇も抑制されて最終的な到達温度が低くなる。
【００４６】
尚、副室１１に封じられた残留ガスは、次のサイクルの圧縮行程で制御弁１２が開いた時に気筒内に放出されることになるが、副室１１内に封じられている間に多孔質材２３を介し放熱板２４へ導かれて該放熱板２４から外気へ逃がされ、制御弁１２が開いた時に気筒内に戻される熱エネルギが毎回減じられているので、副室１１内の残留ガスが気筒内に放出されても圧縮温度（圧縮圧力）は低く保たれることになる。
【００４７】
そして、中・高負荷時においては、低負荷時と同様の予混合圧縮着火がそのまま継続されると共に、必要に応じてＥＧＲバルブ８を介し排出ガス２の一部がＥＧＲパイプ６を通して吸気管７に再循環されることになるが、既に排気温度が十分に上昇して選択還元型触媒４（図１参照）の触媒活性が高まっているので、この選択還元型触媒４により良好なＮＯx低減効果が加えられることになる。
【００４８】
従って、本形態例によっても、低負荷時に実効圧縮比を低下することで圧縮温度を低く抑え、同時に予混合圧縮着火を併用することで燃焼温度を比較的低く抑制することができるので、これらの相乗的な作用によりＮＯxの生成量を大幅に抑制することができ、しかも、排気温度が十分に高まる中・高負荷時にあっては、触媒活性が高まっている選択還元型触媒４により良好なＮＯx低減効果を得ることができる。
【００４９】
尚、本発明の圧縮着火エンジンの運転方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、軽油を燃料とするディーゼルエンジン以外の圧縮着火エンジンにも適用し得ること、また、除熱手段は必ずしも図示例の如き多孔質材と放熱板との組み合わせから成るものに限定されず、多孔質材の替わりに副室の内壁に凹凸やフィン等を付して放熱板に伝熱し得るような構成としたり、エンジン冷却水を利用した水冷式の機構としたりしても良いこと、また、ＮＯx低減触媒には選択還元型触媒以外にＮＯx吸蔵還元触媒等を適宜に採用し得ること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す全体概略図である。
【図２】図１のディーゼルエンジンの圧縮行程時の状態を示す概略図である。
【図３】図１のディーゼルエンジンの燃料噴射時の状態を示す概略図である。
【図４】図１のディーゼルエンジンの膨張行程時の状態を示す概略図である。
【図５】筒内圧力とシリンダ容積との関係を示すＰ−Ｖ線図である。
【図６】本発明の別の形態例を示す圧縮行程時の概略図である。
【図７】図６のディーゼルエンジンの燃料噴射時の状態を示す概略図である。
【図８】図６のディーゼルエンジンの膨張行程時の状態を示す概略図である。
【図９】筒内圧力とシリンダ容積との関係を示すＰ−Ｖ線図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  ディーゼルエンジン（圧縮着火エンジン）
２  排出ガス
３  排気管
４  選択還元型触媒（ＮＯx低減触媒）
１１  副室
１２  制御弁
１８  燃焼室
２３  多孔質材（除熱手段）
２４  放熱板（除熱手段）
【図１】
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【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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【図７】
2005325770.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005325770.tif 000011