(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関本体から排出された排気ガスを燃焼室に再循環するための排気循環通路と、該排気循環通路内を流れる排気ガスを冷却するための冷却手段とを具備し、燃焼室内に噴射すべき燃料の大部分を噴射するための主噴射を実行する前に残りの少量の燃料を噴射するための予備的な噴射を実行するようにした内燃機関において、排気通路に酸化触媒を配置し、燃焼室内の温度が予め定められた燃焼室内温度以下であって且つ吸入空気の温度が予め定められた吸入空気温度以上である時には、少なくとも、前記排気循環通路を介して燃焼室に再循環せしめられる排気ガスを前記冷却手段をバイパスさせて燃焼室に再循環し、燃焼室内の温度が前記予め定められた燃焼室内温度以下であって且つ吸入空気の温度が前記予め定められた吸入空気温度以下である時には、少なくとも、予備的な噴射を実行する時期と主噴射を実行する時期との間の時間を短くするようにした内燃機関の白煙排出抑制装置。
【請求項２】
燃焼室内の温度が前記予め定められた燃焼室内温度以下であって且つ吸入空気の温度が前記予め定められた吸入空気温度温度より低い予め定められた温度以下である時には、少なくとも、吸気弁の開弁時期を遅らせるようにした請求項１に記載の内燃機関の白煙排出抑制装置。
【請求項３】
機関本体から排出された排気ガスを燃焼室に再循環するための排気循環通路と、該排気循環通路内を流れる排気ガスを冷却するための冷却手段とを具備する内燃機関において、排気通路に酸化触媒を配置し、燃焼室内の温度が予め定められた燃焼室内温度以下であって且つ吸入空気の温度が予め定められた吸入空気温度以上である時には、少なくとも、前記排気循環通路を介して燃焼室に再循環せしめられる排気ガスを前記冷却手段をバイパスさせて燃焼室に再循環し、燃焼室内の温度が前記予め定められた燃焼室内温度以下であって且つ吸入空気の温度が前記予め定められた吸入空気温度以下である時には、少なくとも、吸気弁の開弁時期を遅らせるようにした内燃機関の白煙排出抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の白煙排出抑制装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関、特にディーゼルエンジンにおいて窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制するために排気ガスを燃焼室に再循環する技術が用いられている。さらにこの燃焼室に再循環せしめられる排気ガスの量をできるだけ多くするために排気ガスを冷却して燃焼室に再循環させている。ところがこのように冷却せしめられた排気ガスを燃焼室に再循環すると燃焼室内の温度が比較的低くなる。このため場合によっては燃焼室での燃料の燃焼が不良となり、白煙が発生してしまう。
【０００３】
そこで特開平１１−１１７８１５号公報では燃焼室に再循環せしめられる排気ガスの温度を機関の運転状態に応じて制御するようにしている。具体的には排気ガスを冷却するためのクーラをバイパスさせて排気ガスを燃焼室に再循環させ、燃焼室内の温度を比較的高く維持し、白煙の発生を抑制している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上記公報の方法によっても多少の白煙は発生する。たとえ白煙が発生しないとしてもアイドル運転の状態が比較的長く続いた場合には機関本体の温度が非常に低くなるので単に排気ガスにクーラをバイパスさせて排気ガスを燃焼室に再循環させるだけでは燃焼室内の温度を比較的高く維持できず、白煙が発生してしまう。もちろん上記公報では排気ガスをヒータにより加熱できるようになっているが、これではヒータを設置したことにより製造コストが増大してしまう。
【０００５】
このように上記公報の方法では大気への白煙の排出を完全に抑制することはできず、たとえできたとしてもそれは機関運転状態が或る条件を満たす必要があり、仮にこの機関運転状態が或る条件を満たさない場合に大気への白煙の排出を完全に抑制しようとすれば追加の手段が必要となるので製造コストが増大してしまう。そこで本発明の目的は広い範囲の機関運転状態において大気への白煙の排出を抑制することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために一番目の発明によれば、機関本体から排出された排気ガスを燃焼室に再循環するための排気循環通路と、該排気循環通路内を流れる排気ガスを冷却するための冷却手段とを具備し、燃焼室内に噴射すべき燃料の大部分を噴射するための主噴射を実行する前に残りの少量の燃料を噴射するための予備的な噴射を実行するようにした内燃機関において、排気通路に酸化触媒を配置し、燃焼室内の温度が予め定められた燃焼室内温度以下であって且つ吸入空気の温度が予め定められた吸入空気温度以上である時には、少なくとも、前記排気循環通路を介して燃焼室に再循環せしめられる排気ガスを前記冷却手段をバイパスさせて燃焼室に再循環し、燃焼室内の温度が前記予め定められた燃焼室内温度以下であって且つ吸入空気の温度が前記予め定められた吸入空気温度以下である時には、少なくとも、予備的な噴射を実行する時期と主噴射を実行する時期との間の時間を短くする。
【０００７】
二番目の発明によれば一番目の発明おいて、燃焼室内の温度が前記予め定められた燃焼室内温度以下であって且つ吸入空気の温度が前記予め定められた吸入空気温度温度より低い予め定められた温度以下である時には、少なくとも、吸気弁の開弁時期を遅らせる。
三番目の発明によれば、機関本体から排出された排気ガスを燃焼室に再循環するための排気循環通路と、該排気循環通路内を流れる排気ガスを冷却するための冷却手段とを具備する内燃機関において、排気通路に酸化触媒を配置し、燃焼室内の温度が予め定められた燃焼室内温度以下であって且つ吸入空気の温度が予め定められた吸入空気温度以上である時には、少なくとも、前記排気循環通路を介して燃焼室に再循環せしめられる排気ガスを前記冷却手段をバイパスさせて燃焼室に再循環し、燃焼室内の温度が前記予め定められた燃焼室内温度以下であって且つ吸入空気の温度が前記予め定められた吸入空気温度以下である時には、少なくとも、吸気弁の開弁時期を遅らせる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。初めに本発明の白煙排出抑制装置が適用される内燃機関を説明する。
図１に示した内燃機関は４ストローク圧縮着火式の内燃機関、すなわちディーゼルエンジンである。図１を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートをそれぞれ示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結される。サージタンク１２は吸気ダクト１３およびインタークーラ１４を介して過給機、例えば排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１６の出口部に連結される。コンプレッサ１６の入口部は吸気管１７を介してエアクリーナ１８に連結される。吸気管１７内にはステップモータ１９により駆動されるスロットル弁２０が配置される。またスロットル弁２０上流の吸気管１７には吸入空気の質量流量を検出するための質量流量検出器２１が配置される。
【０００９】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド２２を介して排気ターボチャージャ１５の排気タービン２３の入口部に連結される。排気タービン２３の出口部は排気管２４を介して酸化機能を有する触媒２５を内蔵した触媒コンバータ２６に連結される。本実施例での触媒は三元触媒である。排気マニホルド２２内には空燃比センサ２７が配置される。また触媒コンバータ２６の下流の排気管２４には排気ガスの温度を検出するための温度センサ２８が配置される。
【００１０】
触媒コンバータ２６の出口部に連結された排気管２４とスロットル弁２０下流の吸気管１７とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲ）通路２９を介して互いに連結される。またＥＧＲ通路２９内にはＥＧＲ通路２９内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却手段としてインタークーラ３２が配置される。本実施例では機関冷却水がインタークーラ３２内に導かれ、機関冷却水によりＥＧＲガスが冷却される。またＥＧＲ通路２９には吸気管１７に再循環せしめられる排気ガスの量を制御するためのＥＧＲ制御弁３０が配置される。さらにＥＧＲ通路２９にはインタークーラ３２をバイパスするバイパス通路３１が接続される。このバイパス通路３１によれば排気ガスはインタークーラ３２を介さずに吸気管１７に再循環せしめられる。さらにバイパス通路３１にはバイパスさせる排気ガスの量を制御するためのバイパス制御弁３７が配置される。
【００１１】
燃料噴射弁６は燃料供給管３３を介して燃料リザーバ、すなわちいわゆるコモンレール３４に連結される。コモンレール３４内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３５から燃料が供給される。コモンレール３４内に供給された燃料は各燃料供給管３３を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール３４にはコモンレール３４内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３６が取り付けられ、この燃料圧センサ３６の出力信号に基づいてコモンレール３４内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ３５の吐出量が制御される。
【００１２】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１により互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。質量流量検出器２１の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力され、空燃比センサ２７、温度センサ２８および燃料圧センサ３６の出力信号もそれぞれ対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏込量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続される。この負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁６、スロットル弁制御用ステップモータ１９、ＥＧＲ制御弁３０、燃料ポンプ３５およびバイパス制御弁３７に接続される。
【００１３】
次に本実施例の白煙排出抑制装置について説明する。本発明の主な目的は白煙が大気に排出されることを抑制することにある。この目的を達成するために採りうる第一の解決策は燃焼室での白煙の発生自体を抑制することであり、第二の解決策は燃焼室で発生した白煙が大気に排出される前にこの白煙を浄化することである。
【００１４】
第一の解決策に基づいて白煙の発生自体を抑制するには燃焼室内の温度を比較的高く維持すればよい。なぜならば燃焼室内の温度が比較的低いと白煙が発生し易いからである。そこで本実施例では以下の三つの手段を後述するように機関状態に応じて選択的に採用し、燃焼室内の温度を比較的高く維持する。
一つ目の手段では排気ガスをインタークーラをバイパスさせて燃焼室内に再循環させる。これによれば排気ガスがインタークーラにより冷却されないので比較的高い温度の排気ガスが燃焼室内に再循環せしめられる。このため燃焼室内の温度が比較的高く維持される。
【００１５】
二つ目の手段では燃焼室内に噴射すべき燃料の大部分を噴射する燃料噴射（以下、主燃料噴射）を実行する時期と、この主燃料噴射に先立って残りの少量の燃料を予備的に噴射する燃料噴射（以下、予備燃料噴射）を実行する時期との間隔を短くする。これによれば予備燃料噴射により噴射された燃料が着火すると直ぐに主燃料噴射により噴射された燃料が着火することになるので燃焼温度が高くなる。このため燃焼室内の温度が比較的高く維持される。
【００１６】
三つ目の手段では吸気弁を開弁する時期を通常の開弁時期より遅くする。これによれば吸気弁は燃焼室内の負圧が比較的大きくなった時に開弁せしめられる。この大きい負圧により吸入空気が急激に燃焼室内に吸入せしめられ、これにより吸入空気の温度が上昇せしめられる。このため燃焼室内の温度が比較的高く維持される。
【００１７】
これら三つの手段を後述するように機関状態に応じて選択的に採用して燃焼室での白煙の発生を抑制する。
さらに第二の解決策に基づいて燃焼室で発生した白煙が大気に排出される前にこの白煙を浄化するには排気管に配置された触媒を利用すればよい。
このように本実施例では触媒の利用を前提として上記三つの手段を機関状態に応じて選択的に採用することにより全体として大気への白煙の排出を抑制する。次に上記三つの手段のいずれをいかなる条件で採用するかについて説明する。
【００１８】
上記三つの手段のいずれを採用するかを決定する際には各手段にメリットとデメリットがあることを考慮に入れなくてはならない。第一の排気ガスをインタークーラをバイパスさせて燃焼室内に再循環させる手段には吸入空気の温度が比較的高い時には燃焼室での白煙の発生を抑制でき（図２の実線ＢＹ参照）、そして燃費を悪化させることもない（図３（Ｃ）の実線ＢＹ参照）というメリットがある。しかしながら吸入空気の温度が比較的低くなると燃焼室での白煙の発生を抑制する効果が低下してしまう（図２の実線ＢＹ参照）というデメリットがある。また第二の予備燃料噴射と主燃料噴射とを実行する間隔を短くする手段には第一の手段が功を奏する温度より吸入空気の温度が低くても燃焼室での白煙の発生を抑制でき（図２の実線ＰＩ）、燃費を悪化させることもない（図３（Ｂ）の実線ＰＩ）というメリットはあるが、やはり吸入空気の温度が比較的低くなると燃焼室での白煙の発生を抑制する効果が低下してしまう（図２の実線ＰＩ）というデメリットがある。さらに第三の吸気弁の開弁時期を遅らせる手段は第二の手段が功を奏する温度より吸入空気の温度が低くても燃焼室での白煙の発生を抑制できる（図２の実線ＯＴ）というメリットがあるが、ピストンのポンピングロスが大きくなるので燃費が悪化する（図３（Ａ）の実線ＯＴ参照）というデメリットがある。
【００１９】
このように各手段を検討すると吸入空気の温度が比較的高い時には燃費の悪化の少ない第一の手段または第二の手段を採用し、吸入空気の温度が比較的低くなった時に第三の手段を採用することが好ましいことが結論づけられる。
では第一の手段と第二の手段とはいずれをどのような条件の下で採用すべきかを説明する。上述したように本実施例では触媒を利用して白煙が大気に放出される前にこの白煙を浄化できる。ところで触媒は大気に排出すべきでない他の物質、例えば一酸化炭素や窒素酸化物を浄化することもでき、しかもこれら物質を浄化することが好ましい。そしてこのように白煙やその他の物質を浄化するには触媒の温度をその活性温度以上に維持する必要がある。触媒の温度をその活性温度以上に維持する一つの手段としては少量の未燃炭化水素を触媒に供給することがある。なぜならば触媒に供給された未燃炭化水素は触媒での燃焼により浄化されるがこのとき燃焼熱が発生するからである。こうしてみると白煙やその他の物質を良好に浄化するためには燃焼室で少量の白煙、すなわち未燃炭化水素が発生する第一の手段を優先的に採用することが好ましい。
【００２０】
以上から本実施例では吸入空気の温度が比較的高い時には第一の手段を採用し、吸入空気の温度が低くなった時には第二の手段を採用し、吸入空気の温度がさらに低くなった時には第三の手段を採用する。こうして広い範囲の機関運転状態に亘って大気への白煙の排出が抑制されると共に大気に排出すべきでない物質が大気に排出されることを抑制できる。
【００２１】
次に本実施例の白煙排出防止装置の具体的な制御を図４を参照して説明する。なお図４において（Ａ）は吸入空気の温度、（Ｂ）はＥＧＲ制御弁の開閉弁状態、（Ｃ）はバイパス制御弁の開閉弁状態、（Ｄ）は予備燃料噴射と主燃料噴射との間の間隔（以下、噴射間隔）、（Ｅ）は吸気弁の開弁時期、（Ｆ）は燃焼室で発生する白煙の量をそれぞれ示す。なお吸入空気の温度は温度センサ２８の出力から推定する。
【００２２】
吸入空気の温度が予め定められた第一の温度Ｔ１以上である時にはＥＧＲ制御弁３０が閉弁せしめられ、バイパス制御弁３７が開弁せしめられる。このとき噴射間隔は通常の間隔とされ、吸気弁７の開弁時期も通常の時期とされている。これにより燃焼室５で発生する白煙の量は比較的少なく維持されている。この少量の白煙は燃焼室５の下流に配置された触媒２５に流入し、燃焼することにより浄化されると共に触媒２５の温度をその活性温度以上に維持する働きをする。これによれば白煙が大気に排出されることが良好に抑制されると共に大気に排出されるべきではないその他の物質を触媒２５により浄化できる。
【００２３】
吸入空気の温度が徐々に低くなると燃焼室５で発生する白煙の量が徐々に増大する。本実施例では吸入空気の温度が第一の温度Ｔ１以下となるとＥＧＲ制御弁３０が閉弁された状態で吸入空気の温度が低くなればなるほどバイパス制御弁３７の開弁度合いが徐々に小さくされると共に噴射間隔が短くされる。吸気弁７の開弁時期は通常に時期に維持されている。これにより燃焼室５で発生する白煙の量がほぼ零となる。なお吸入空気の温度が第一の温度Ｔ１以下となった時に吸入空気の温度が低くなればなるほどＥＧＲ制御弁３０の開弁度合いを大きくしてもよい。
【００２４】
さらに吸入空気の温度が低くなると燃焼室５で発生する白煙が再び徐々に増大する。本実施例では吸入空気の温度が第一の温度Ｔ１より低い予め定められた第二の温度Ｔ２以下となるとＥＧＲ制御弁３０が閉弁された状態でバイパス制御弁３７の開弁度合いが現在の開弁度合いに維持されると共に噴射間隔も現在の間隔に維持される。そして吸気弁７の開弁時期が遅らせられる。これにより燃焼室５で発生する白煙の量がほぼ零となる。
【００２５】
なお上記実施例では吸入空気の温度に基づいてバイパス制御弁３７を開弁するか否かを判定しているが吸入空気の温度は内燃機関の運転状態に大きく依存することから図５に示したように機関回転数Ｎｅと出力トルクＴとの関係に基づいてバイパス制御弁３７を開弁するか否かを判定してもよい。なお図５において領域Ｘはバイパス制御弁３７を開弁すべき領域であり、領域Ｙはバイパス制御弁３７を閉弁し、ＥＧＲ制御弁３０を開弁すべき領域であり、領域Ｚはバイパス制御弁３７およびＥＧＲ制御弁３０を閉弁すべき領域である。また図５のマップを採用する場合、領域Ｘと領域Ｙとの間の境界を吸入空気の温度に応じて変更するようにしてもよい。具体的には吸入空気の温度が高いほど領域Ｘの範囲が広くなるように境界が変更せしめられる。
【００２６】
【発明の効果】
一番目〜三番目の発明によれば吸入空気の温度が第一の温度以上である時には排気ガスを冷却せずに燃焼室内に導入されるので燃焼室内の温度が比較的高く維持される。このため燃焼室で発生する白煙の量は極めて少量である。この少量の白煙は触媒に流入し、触媒により浄化される。このため大気への白煙の放出が良好に抑制される。また触媒に流入した白煙、すなわち未燃炭化水素により触媒の温度がその活性温度以上に維持されるので触媒の浄化作用が高く維持される。
【００２７】
一方、吸入空気の温度が第一の温度以下となった時には排気ガスを冷却せずに燃焼室内に導入しても燃焼室で発生する白煙の量は増大してしまう。しかしながらこのとき一番目および二番目の発明によれば予備燃料噴射と主燃料噴射との間の間隔が短くされる。このため燃焼室内の温度が比較的高く維持されるので燃焼室で発生する白煙の量は極めて微量となる。したがって大気への白煙の放出が抑制される。また三番目の発明によれば吸気弁の開弁時期が遅くせしめられるので燃焼室で発生する白煙の量は極めて微量となる。したがって大気への白煙の放出が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の白煙排出抑制装置を適用した内燃機関の全体図である。
【図２】吸入空気の温度と燃焼室で発生する白煙の量との関係を示した図である。
【図３】（Ａ）吸気弁の開弁時期を遅らせる処理をした場合における吸入空気の温度と燃費との関係を示し、（Ｂ）は予備燃料噴射と主燃料噴射との間の間隔を短くした処理をした場合における吸入空気の温度と燃費との関係を示し、（Ｃ）は排気ガスをインタークーラをバイパスさせる処理をした場合における吸入空気の温度と燃費との関係を示した図である。
【図４】吸入空気の温度とＥＧＲ制御弁、バイパス制御弁、予備燃料噴射と主燃料噴射との間の間隔、および吸気弁の開弁時期の制御との関係を示した図である。
【図５】機関回転数と出力トルクとの関係に基づいくＥＧＲ制御弁およびバイパス制御弁の制御を示した図である。
【符号の説明】
１…機関本体
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
７…吸気弁
１７…吸気管
２５…触媒
２８…温度センサ
２９…ＥＧＲ通路
３０…ＥＧＲ制御弁
３１…バイパス通路
３７…バイパス制御弁
【図１】
0003743232.tif 000002
【図２】
0003743232.tif 000003
【図３】
0003743232.tif 000004
【図４】
0003743232.tif 000005
【図５】
0003743232.tif 000006