專利名稱：柴油機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在規(guī)定的運行區(qū)域?qū)崿F(xiàn)預混合燃燒的柴油機。
背景技術(shù)：
在向氣缸內(nèi)直接噴射燃料的柴油機中，通常在氣缸內(nèi)達到高溫·高壓的活塞的壓縮上死點附近噴射燃料。這種情況下，在燃料的噴射中開始點火并形成火焰，并通過向該火焰供給后續(xù)的燃料而持續(xù)燃燒。這樣，在燃料的噴射中開始點火的燃燒方式通常被稱為擴散燃燒，但在該擴散燃燒中產(chǎn)生NOx或煙等的問題被指出。
因此在近年，提出以下方案實現(xiàn)被稱為預混合燃燒的燃燒方式，所謂預混合燃燒為，使燃料的噴射時刻比活塞的壓縮上死點早，并在燃料噴射結(jié)束后點燃預混合氣(參照特開2003-83119號公報、特開2002-227650號公報)。
在預混合燃燒中，由于在燃料噴射結(jié)束后，經(jīng)過一定程度的時間再點燃預混合氣，因此在點火之前預混合氣被充分地稀薄·均一化。因此，局部的燃燒溫度下降且NOx的排出量降低，并且由于可以回避在空氣不足狀態(tài)下的燃燒，因此也抑制煙的產(chǎn)生。
但是，由于在預混合燃燒中在活塞位置較低時噴射燃料，因此當要在以實現(xiàn)擴散燃燒為前提設計的通常的柴油機中實現(xiàn)預混合燃燒時，可能使噴射的燃料附著在氣缸的側(cè)壁、或者碰撞活塞的項部而彈回的燃料附著在氣缸蓋的下面，導致未燃HC的產(chǎn)生。
因此，提出如下方案如圖7所示，在實現(xiàn)預混合燃燒的柴油機中，使形成在活塞P的頂部的空腔CA成為朝向開口部(最上端)擴大的開放型，并且使噴嘴I的燃料噴射角度α比通常的小(參照特開2003-83119號公報、特開2002-227650號公報)。這樣，由于噴射的燃料F進入空腔CA內(nèi)，不附著于氣缸CL的側(cè)壁或氣缸蓋CH的下面，因此可以抑制未燃HC的產(chǎn)生。
但是，在這種使用了開放型空腔CA和小噴射角度α的噴嘴I的柴油機中，存在以下問題。
1)由于空腔CA為開放型，因此難以將形成在空腔CA內(nèi)的渦流(swirl)保持在空腔CA內(nèi)。其結(jié)果，預混合氣的混合的稀薄·均一化可能變得不充分，并導致輸出功率的降低以及排氣的惡化。
2)由于當在燃料噴射量多的高負載區(qū)域?qū)崿F(xiàn)預混合燃燒時，可能發(fā)生爆燃，因此在高負載區(qū)域需要轉(zhuǎn)換成擴散燃燒，但由于噴嘴I的噴射角度α小，所以當在為了實現(xiàn)擴散燃燒的活塞P的壓縮上死點附近噴射燃料時，所噴射的燃料與空腔CA的底面(中央側(cè))碰撞，并產(chǎn)生煙。也就是說，使用了開放型空腔CA和小噴射角度α的噴嘴I的柴油機被設計為重視預混合燃燒，并將實現(xiàn)擴散燃燒作為課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種柴油機，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的預混合燃燒，并且即使在轉(zhuǎn)換到擴散燃燒的情況下也能確保良好的燃燒。
為了達到上述目的，技術(shù)方案1的柴油機為，具備凹設于活塞頂部的凹形(reentrant)的空腔；向上述空腔噴射燃料的燃料噴射機構(gòu)；將排氣的一部分回流到燃燒室內(nèi)的排氣回流機構(gòu)；控制上述燃料噴射機構(gòu)的燃料噴射時間、以及上述排氣回流機構(gòu)的EGR率或EGR量的控制裝置，上述控制裝置，在發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)處于規(guī)定的運轉(zhuǎn)區(qū)域時，將上述燃料噴射機構(gòu)的燃料噴射時間控制成如下的噴射時間在活塞到達壓縮上死點之前結(jié)束燃料的噴射，并且所噴射的燃料全部進入上述空腔內(nèi)；并且，將上述排氣回流機構(gòu)的EGR率或EGR量控制成如下的EGR率或EGR量由上述燃料噴射機構(gòu)噴射的燃料在燃料噴射結(jié)束后，在活塞的壓縮上死點附近點火，以實現(xiàn)預混合燃燒。
技術(shù)方案2的柴油機為，上述控制裝置在實現(xiàn)上述預混合燃燒時，將上述排氣回流機構(gòu)的EGR率控制在50％以上。
技術(shù)方案3的柴油機為，將上述燃料噴射機構(gòu)的噴射角度設定在140°～165°的范圍內(nèi)。
技術(shù)方案4的柴油機為，上述控制裝置在實現(xiàn)上述預混合燃燒時，將上述燃料噴射機構(gòu)的燃料噴射開始時間控制在5°～35°BTDC的范圍內(nèi)。
技術(shù)方案5的柴油機為，上述控制裝置在發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)處于上述規(guī)定的運轉(zhuǎn)區(qū)域外時，將上述燃料噴射機構(gòu)的燃料噴射時間控制在活塞的壓縮上死點附近，以實現(xiàn)擴散燃燒。
技術(shù)方案6的柴油機為，上述燃料噴射機構(gòu)的噴射角度被設定成如下的角度在活塞的壓縮上死點附近噴射的燃料，到達比上述空腔的最低位置靠近徑向外側(cè)的空腔內(nèi)壁。
技術(shù)方案7的柴油機為，上述技術(shù)方案1～6任意一項所述的發(fā)動機，還具備排氣后處理裝置和添加劑殘余量檢測機構(gòu)，排氣后處理裝置具有設置在排氣通路中的催化劑；添加劑添加機構(gòu)，用于在該催化劑的上游側(cè)，將添加劑添加到在上述排氣通路流過的排氣中；添加劑收容機構(gòu)，用于存放供給該添加劑添加機構(gòu)的添加劑，添加劑殘余量檢測機構(gòu)用于檢測存放在上述添加劑收容機構(gòu)的添加劑的量，上述控制裝置在上述添加劑殘余量檢測機構(gòu)的檢測值為第1規(guī)定值以下時，即使發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)處于上述規(guī)定的運轉(zhuǎn)區(qū)域外，也實現(xiàn)上述預混合燃燒。
技術(shù)方案8的柴油機為，上述控制裝置在上述添加劑殘余量檢測機構(gòu)的檢測值為第1規(guī)定值以下時，將根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度決定的要求轉(zhuǎn)矩，限制在實現(xiàn)上述預混合燃燒的區(qū)域的最大要求轉(zhuǎn)矩以下。
技術(shù)方案9的柴油機為，上述控制裝置在上述添加劑殘余量檢測機構(gòu)的檢測值為第1規(guī)定值以下時，將根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度決定的燃料噴射量，限制在實現(xiàn)上述預混合燃燒的區(qū)域的最大燃料噴射量以下。
技術(shù)方案10的柴油機為，還具備可通過上述控制裝置動作的警告機構(gòu)，當上述添加劑殘余量檢測機構(gòu)的檢測值成為被設定為上述第1規(guī)定值以上的值的第2規(guī)定值以下時，上述控制裝置使上述警告機構(gòu)動作。
技術(shù)方案11的柴油機為，上述排氣后處理裝置的催化劑為選擇接觸還原催化劑，上述添加劑為氨水溶液、尿素水溶液或液態(tài)氨。
技術(shù)方案12的柴油機為，為了使導入上述燃燒室內(nèi)的進氣產(chǎn)生渦流，還具備高渦流型的進氣口或設置于進氣口的渦流生成裝置。
根據(jù)本發(fā)明，可實現(xiàn)良好的預混合燃燒，并且即使在轉(zhuǎn)換為擴散燃燒的情況下，也可確保良好的燃燒。


圖1是本發(fā)明的一個實施方式的柴油機的概略圖。
圖2是決定混合燃燒和擴散燃燒的轉(zhuǎn)換線的點火控制曲線圖(MAP圖)。
圖3a是表示從噴嘴噴射燃料之前的活塞的位置的圖。
圖3b是從圖3(a)經(jīng)過了規(guī)定時間的圖，是表示從噴嘴噴射的燃料與活塞的關(guān)系的圖。
圖3c是從圖3(b)經(jīng)過了規(guī)定時間的圖，是表示從噴嘴噴射的燃料與活塞的關(guān)系的圖。
圖4是用于決定燃料的噴射開始時間和噴射量的MAP圖。
圖5是表示本發(fā)明的一個實施方式的柴油機、和開放型發(fā)動機中、平均有效壓力Pmi、THC排出量、煙排出量的測定結(jié)果的曲線圖。
圖6是表示在本發(fā)明的一個實施方式的柴油機中對燃料噴射開始時間進行三種設定，且在各噴射開始時間使EGR率在大約40～60％之間變化時的、THC排出量、NOx排出量、煙排出量、凈平均有效壓力BMEP的測定結(jié)果的曲線圖。
圖7是表示開放型發(fā)動機的概略的圖。
圖8是ECU(控制裝置)實行的控制流程圖。
圖9a是根據(jù)在通常狀態(tài)下的、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度決定了要求轉(zhuǎn)矩的MAP圖的概略圖。
圖9b是根據(jù)在由圖8的步驟S5變更了滿負載特性后的狀態(tài)下的、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度決定了要求轉(zhuǎn)矩的MAP圖的概略圖。
具體實施例方式
以下，根據(jù)附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。
圖1是本實施方式的柴油機(以下，只稱為發(fā)動機)的概略圖。另外，在圖1中只表示一個氣缸，當然也可以是多個氣缸。
圖中，1為發(fā)動機主體，其由氣缸2、氣缸蓋3、活塞4、進氣口5、排氣口6、進氣閥7、排氣閥8、噴嘴9(燃料噴射機構(gòu))等構(gòu)成。在由氣缸2、氣缸蓋3和活塞4圍成的空間中形成燃燒室10。在活塞4的項部凹設有空腔11，從面向燃燒室10內(nèi)設置的噴嘴9向空腔11直接噴射燃料。
本實施方式的發(fā)動機的空腔11以及噴嘴9與以實現(xiàn)擴散燃燒為前提設計的通常的柴油機的相同。
進行具體說明，本實施方式的空腔11為如圖3a所示的凹形的空腔，垂直于活塞4的軸向的面積最大的部分，位于比活塞4的上端部(在本實施方式中垂直于活塞4的軸向的面積最小的部分)靠下側(cè)，并且在其底部中央形成有向上方隆起的凸部11a。噴嘴9與氣缸2大致同軸地配置，并從多個噴孔以噴射角度β(參照圖3(c))噴射燃料。噴嘴9的噴射角度β與通常的(實現(xiàn)擴散燃燒)發(fā)動機的噴射角度相等，在本實施方式中被設定在140°～165°的范圍內(nèi)。
返回圖1，噴嘴9與共軌24連接，儲存在該共軌24的高壓燃料被常時供給噴嘴9。向共軌24的燃料加壓輸送由高壓供給泵25進行。進氣口5和排氣口6分別與進氣管12和排氣管13連接。
本實施方式的發(fā)動機還具備EGR裝置19(排氣回流機構(gòu))，將排氣管13內(nèi)的排氣的一部分回流到燃燒室10內(nèi)。
EGR裝置19具備連接進氣管12和排氣管13的EGR通道20；EGR閥21，用于改變EGR通道20的通道面積地調(diào)節(jié)進氣的EGR率以及EGR量；在EGR閥21的上游側(cè)冷卻EGR氣體(排氣)的EGR冷卻器22。通過增大EGR閥21的閥開度，可以增加進氣的EGR率以及EGR量，相反通過減小EGR閥21的閥開度，可以降低進氣的EGR率以及EGR量。
在進氣管12中設置有進氣節(jié)流閥23，用于在與EGR管20的連接部的更上游側(cè)，適當節(jié)流吸入空氣。也可通過開關(guān)該進氣節(jié)流閥23，對進氣全體中的吸入空氣(新氣)的量或比例進行調(diào)節(jié)地調(diào)節(jié)EGR率。即，通過使進氣節(jié)流閥23的閥開度變大，可增加吸入空氣量(比例)，并使進氣的EGR率以及EGR量降低，相反，通過使進氣節(jié)流閥23的閥開度變小，可減少吸入空氣量并使進氣的EGR率以及EGR量增加。
設置用于對該發(fā)動機進行電子控制的電子控制單元(以下稱為ECU)26。ECU26(控制裝置)從各種傳感器類讀取發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，并根據(jù)該發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀態(tài)控制噴嘴9、EGR閥21和進氣節(jié)流閥23等。作為上述傳感器類，包括用于檢測油門開度的油門開度傳感器14；用于檢測發(fā)動機的曲軸(未圖示)的相位、即曲軸轉(zhuǎn)角的曲軸轉(zhuǎn)角傳感器16；用于檢測共軌24內(nèi)的燃料壓力的共軌壓傳感器17等，ECU26根據(jù)該各傳感器的輸出信號決定實際的油門開度、曲軸轉(zhuǎn)角、共軌壓等。另外，ECU26根據(jù)油門開度值決定發(fā)動機的負載(要求轉(zhuǎn)矩)，并且計算相對于時間的曲軸轉(zhuǎn)角的增加比例并決定發(fā)動機的轉(zhuǎn)速NE。
噴嘴9由ECU26開啟/關(guān)閉，由此噴嘴9的燃料噴射被實行/停止。ECU26根據(jù)由上述傳感器類檢測的表示發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀態(tài)的參數(shù)、尤其是發(fā)動機轉(zhuǎn)速NE和油門開度決定要求轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)該要求轉(zhuǎn)矩決定燃料噴射量Q以及噴射時間的目標值，如果實際的曲軸轉(zhuǎn)角達到目標噴射時間，則從此時開始僅在目標噴射量相當?shù)臅r間內(nèi)對噴嘴9進行通電(開啟)。由此，可進行根據(jù)實際的發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀態(tài)的燃料噴射控制。另外，目標噴射量和目標噴射時間通過實機試驗等預先決定，該值以MAP圖形式存儲在ECU26內(nèi)的存儲器中。
另外，還實行共軌壓即噴射壓力的反饋控制。即，ECU26根據(jù)由上述傳感器類檢測的表示發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀態(tài)的參數(shù)、尤其是發(fā)動機轉(zhuǎn)速NE和要求轉(zhuǎn)矩(發(fā)動機負載)，決定共軌壓的目標值，并控制未圖示的調(diào)量閥的開度地控制從高壓供給泵25向共軌24的燃料供給量，以便使實際的共軌壓接近該目標值。
本實施方式的發(fā)動機在規(guī)定的運轉(zhuǎn)區(qū)域中實現(xiàn)如“背景技術(shù)”部分所說明的預混合燃燒。進行具體說明，如圖2所示，根據(jù)由發(fā)動機轉(zhuǎn)速NE和燃料噴射量Q所決定的發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，將用于轉(zhuǎn)換預混合燃燒和擴散燃燒的轉(zhuǎn)換線A預先輸入ECU26，ECU26根據(jù)由上述傳感器類的檢測值決定的發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)(發(fā)動機轉(zhuǎn)速NE和燃料噴射量Q)，控制噴嘴9、EGR閥21、進氣節(jié)流閥23，以便實現(xiàn)預混合燃燒和擴散燃燒中的任意一種燃燒方式。如上所述，由于燃料噴射量Q是根據(jù)要求轉(zhuǎn)矩決定的，因此也可以說發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)是根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速NE和要求轉(zhuǎn)矩決定的。根據(jù)圖2可知，在本實施方式的發(fā)動機中，在燃料噴射量Q較少(要求轉(zhuǎn)矩較小)的低負載區(qū)域?qū)崿F(xiàn)預混合燃燒，并在燃料噴射量Q較多(要求轉(zhuǎn)矩較大)的中/高負載區(qū)域?qū)崿F(xiàn)擴散燃燒。
如此本實施方式的發(fā)動機，使用凹形的空腔11和具有通常的噴射角度β的噴嘴9實現(xiàn)預混合燃燒。以下，說明本實施方式的發(fā)動機的預混合燃燒的實現(xiàn)方法。
在實現(xiàn)預混合燃燒的運轉(zhuǎn)區(qū)域中，ECU26將噴嘴9的燃料的噴射開始時間控制成如下噴射開始時間在活塞4到達壓縮上死點之前結(jié)束燃料的噴射，并且所噴射的燃料全部進入空腔11內(nèi)。這樣的噴射開始時間例如為上死點之前5～35°的范圍。即，為了實現(xiàn)預混合燃燒的燃料的噴射時間，比壓縮上死點具有提前角，但是將該提前角范圍限制在所噴射的燃料全部進入空腔11內(nèi)的范圍。
這里，利用圖3具體說明燃料全部進入空腔11內(nèi)的噴射開始時間。
圖3(a)表示燃料的噴射開始時(對噴嘴9的通電開始時)的狀態(tài)，在該時刻活塞4位于壓縮上死點的下方，燃料不從噴嘴9噴射。之后，如圖3(b)所示，伴隨時間的推移活塞4上升，燃料F開始從噴嘴9向徑向外側(cè)飛散。但是，在該時刻燃料F沒有到達活塞4的空腔11。并且，如圖3c所示，在燃料的噴射開始后、經(jīng)過了規(guī)定時間時，燃料F碰撞空腔11的側(cè)壁上部。這時，如果燃料F的碰撞位置正確，則如圖示那樣，噴射的全部燃料F流入空腔11內(nèi)側(cè)。這樣，全部燃料F被供給到空腔11內(nèi)側(cè)的噴射時間，是在本實施方式中所設定的噴射時間。相反地，碰撞了空腔11的燃料的一部分向上方反彈并附著在氣缸蓋3的下面的噴射時間，在本實施方式中沒有設定。另外，在燃料的噴射全部結(jié)束的時刻，活塞4位于壓縮上死點的下方。
由于燃料F的適當?shù)呐鲎参恢糜煽涨?1的形狀和噴嘴9的噴射角度β等決定，因此根據(jù)該適當?shù)呐鲎参恢煤突钊谐痰龋A先對每個發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)求出適當?shù)膰娚溟_始時間，并預先作為MAP圖存儲到ECU26中。
圖4是具體表示用于決定燃料的噴射開始時間和噴射量的MAP圖。橫軸為發(fā)動機轉(zhuǎn)速(rpm)，縱軸為燃料噴射量(mm3/st)，比轉(zhuǎn)換線A更靠近低負載側(cè)(下側(cè))為實現(xiàn)預混合燃燒的區(qū)域。并且，在實用上，由于除了切斷燃料時等之外燃料噴射量不可能為0，所以使用與空轉(zhuǎn)相當?shù)娜剂蠂娚淞?在本實施方式中5mm3/st)以上的區(qū)域。根據(jù)圖可知，在實現(xiàn)預混合燃燒的區(qū)域中，燃燒噴射時間設定在上死點之前5°～35°的范圍內(nèi)，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速以及燃料噴射量(相當于發(fā)動機負載)增大，具有提前的傾向。并且，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的情況下，負載越增大噴射時間越提前。這是因為隨著噴射量的增大需要增大預混合時間。另一方面，在燃料噴射量穩(wěn)定的情況下，轉(zhuǎn)速越高噴射時間越提前。這是因為隨著轉(zhuǎn)速的增大活塞速度也增加，為了確保預混合時間需要更早地開始噴射。
但是，在使用了一般的噴射角度β(140°～165°的范圍內(nèi))的噴嘴9的本實施方式的發(fā)動機中，燃料的噴射開始時間可提前的范圍，當然變得比減小了噴射角度的發(fā)動機(參照圖7)的小。因此，在本實施方式的發(fā)動機中，在燃料室10內(nèi)的壓力以及溫度較高(與噴射角度減小的發(fā)動機比較)的狀態(tài)下進行燃料噴射。由此，預混合氣在活塞的壓縮上死點之前點火，可能不能使預混合氣充分地稀薄·均一化。
因此，本實施方式的發(fā)動機在實現(xiàn)預混合燃燒時，實行與EGR裝置19相比較多量的EGR，從而回避該問題。
即，在實現(xiàn)預混合燃燒的運轉(zhuǎn)區(qū)域中，ECU26將EGR裝置19決定的預混合氣的EGR率或EGR量控制成如下的EGR率或EGR量由噴嘴9噴射的燃料在燃料噴射結(jié)束后、在活塞4的壓縮上死點附近點火。也就是說，通過由EGR使預混合氣的空氣濃度降低，來充分地確保預混合時間，并實現(xiàn)點火時間的準確化。在本實施方式中，對每個發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀態(tài)決定的EGR閥21以及進氣節(jié)流閥23的適當閥開度的MAP圖，被預先輸入ECU26，ECU26根據(jù)該MAP圖控制EGR閥21以及進氣節(jié)流閥23，并控制預混合氣的EGR率或EGR量。在本實施方式中，在實現(xiàn)預混合燃燒的運轉(zhuǎn)區(qū)域中，設定EGR閥21以及進氣節(jié)流閥23的閥開度MAP圖，以便使預混合氣的EGR率為50％以上。
這樣，通過由EGR裝置19實行較多量的EGR并使預混合氣的氧濃度降低，可以充分地確保預混合時間并促進預混合氣的稀薄·均一化。因此，在不能使燃料的噴射開始時間極端提前的本實施方式的發(fā)動機中，可使預混合燃燒良好地實現(xiàn)。并且，由于調(diào)節(jié)EGR率或EGR量地將預混合氣的點火時間控制在適當?shù)臅r間(活塞的壓縮上死點附近)，因此燃料消耗率以及輸出也提高。而且，通過實行多量的EGR地使預混合氣的氧濃度降低，可以降低排氣中的NOx。
圖5表示在本實施方式的發(fā)動機、和使用了圖7所示的開放型空腔CA以及小噴射角度α的噴嘴I的發(fā)動機(以下，稱為開放型發(fā)動機)中，平均有效壓力Pmi、THC(總碳氫化合物)排出量、煙排出量的測定結(jié)果的一例。
圖的橫軸是燃料的噴射開始時間(ATDC)，圖中連接方形點的線表示本實施方式的發(fā)動機、連接三角形點的線表示開放型發(fā)動機的測定結(jié)果。另外，連接菱形點的線表示作為參考的進行擴散燃燒的通常柴油機的測定結(jié)果。
根據(jù)圖可知，本實施方式的發(fā)動機為，平均有效壓力Pmi(相當于發(fā)動機輸出)在所有噴射開始時間都超過開放型發(fā)動機。
并且，關(guān)于THC以及煙排出量，在所有噴射開始時間與開放型發(fā)動機相同或在其以下。應特別指出的點為，本實施方式的發(fā)動機在長的噴射開始時間內(nèi)煙排出量小。這就意味著噴射開始時間的設定的自由度高。也就是說，在開放型發(fā)動機中，由于煙排出量小的噴射開始時間的范圍小(在該例中大約-26°～大約-18ATDC)，因此噴射開始時間的設定可能范圍就小，但在本實施方式的發(fā)動機中，由于煙排出量小的噴射開始時間的范圍大(在該例中大約-30°～大約-14°ATDC)，因此可以將噴射開始時間在該大范圍內(nèi)自由設定。
這樣，本實施方式的發(fā)動機與開放型發(fā)動機相比，輸出和排氣都優(yōu)良的理由，可以推測為凹形的空腔11的效果。也就是說，在凹形的空腔11中，由于可將燃燒幾乎全部在空腔11內(nèi)進行，因此導致輸出的提高。并且，由于凹形的空腔11可以積極地將在空腔11內(nèi)形成的渦流保持在空腔11內(nèi)，因此可以使預混合氣的混合實現(xiàn)更充分的稀薄·均一化。這導致排氣的改善。而且，作為凹形空腔11的其它優(yōu)點的高擠氣的形成，也對排氣的改善有貢獻。
圖6是表示在本實施方式的發(fā)動機中對燃料噴射開始時間進行三種設定，并在各個噴射開始時間使EGR率在大約40～60％之間變化時的、THC排出量、NOx排出量、煙排出量、凈平均有效壓力BMEP(與發(fā)動機輸出相當)的測定結(jié)果的一個示例。
圖的橫軸表示預混合氣的空燃比(A/F)，預混合氣的EGR率越高空燃比越低，EGR率越低空燃比越高。圖中連接圓形點的線為噴射開始時間20°BTDC、連接三角形點的線為噴射開始時間30°BTDC、連接菱形點的線為噴射開始時間40°BTDC。另外，連接方形點的線表示作為參考的、進行擴散燃燒的通常的柴油機的測定結(jié)果。
根據(jù)圖可知，THC排出量在噴射開始時間20°BTDC和30°BTDC的情況下大致相等，而只在噴射開始時間為40°BTDC的情況下大幅增加。并且，對于凈平均有效壓力BMEP，也是在噴射開始時間20°BTDC和30°BTDC的情況下大致相等，而只在噴射開始時間為40°BTDC的情況下大幅降低。
這樣，噴射開始時間為40°BTDC的情況與噴射開始時間為20°BTDC和30°BTDC的情況相比，THC排出量、輸出都惡化，其理由是，噴射的燃料的一部分從空腔11飛散到外側(cè)的原因。
也就是說，在噴射開始時間為20°BTDC和30°BTDC的情況下，由于所噴射的燃料全部進入空腔11內(nèi)，因此THC排出量、輸出都良好，兩者沒有大的差別，但在噴射開始時間為40°BTDC的情況下，噴射開始時間過早、燃料的一部分飛散到空腔11外，并附著在氣缸蓋3的下面等，從而導致THC的排出。并且，由于飛散到空腔11外的燃料不能在空腔11內(nèi)燃燒，因此導致輸出的降低。
然后，在圖6中，著眼于EGR率和排氣以及輸出之間的關(guān)系時，可知在所有的噴射開始時間中，EGR率越高NOx排出量越低。其原因是，通過大量的EGR降低了預混合氣的氧濃度。根據(jù)圖可知，在燃料的噴射開始時間為20°BTDC和30°BTDC的情況下，如果使EGR率為大約50％以上，則可以將NOx排出量降低到幾乎0的水平。另外，對于THC排出量、煙排出量以及凈平均有效壓力BMEP，不能發(fā)現(xiàn)與EGR率的明確的相關(guān)關(guān)系。
根據(jù)圖6的測定結(jié)果可知，根據(jù)使燃料全部進入空腔11地設定噴射開始時間、并且實行大量的EGR(EGR率50％以上)的本實施方式的發(fā)動機，可以得到優(yōu)良的排氣特性和輸出。
如上所述，本實施方式的發(fā)動機，在中·高負載區(qū)域中實現(xiàn)擴散燃燒，但是本實施方式的發(fā)動機使用適合于擴散燃燒的凹形的空腔11、和噴射角度β較大(140°～165°左右)的通常的噴嘴9，因此在實現(xiàn)擴散燃燒時也可以確保良好的燃燒。也就是說，當為了實現(xiàn)擴散燃燒在壓縮上死點附近噴射燃料時，由于所噴射的燃料與通常的柴油機相同地碰撞空腔11的側(cè)壁，因此不會大量產(chǎn)生煙等。另外，通過凹形的空腔11，由于可以將在空腔11內(nèi)形成的渦流保持在空腔11內(nèi)，因此可以得到優(yōu)良的排氣特性。
因此，根據(jù)本實施方式的發(fā)動機，可以在低負載區(qū)域?qū)崿F(xiàn)良好的預混合燃燒，并且在中·高負載區(qū)域轉(zhuǎn)換到擴散燃燒的情況下，也可以確保良好的燃燒。
這里，為了確實地實現(xiàn)良好的擴散燃燒，優(yōu)選如下設定噴嘴9的燃料噴射角度β。即，該角度是，使為了實現(xiàn)擴散燃燒在活塞4的壓縮上死點附近噴射的燃料，到達比空腔11的最低位置B(參照圖3(a))更靠徑向外側(cè)的空腔內(nèi)壁。因此，如果在滿足該條件的范圍內(nèi)最大限度使噴嘴9的噴射角度β變小，則可以確保良好的擴散燃燒，并且在實現(xiàn)預混合燃燒時，可使燃燒噴射開始時間較大地提前。
另外，在本實施方式的柴油機中，為了進一步促進預混合氣的混合，優(yōu)選使用高渦流型氣缸蓋3或進氣口5。例如也可以在進氣口5設置渦流生成裝置。
另外，在上述實施方式中作為EGR裝置，說明了將排氣管13內(nèi)的排氣的一部分回流到進氣管12內(nèi)的外部EGR裝置，但本發(fā)明不限于此，也可以使用通過開閉控制排氣閥8或進氣閥7使排氣回流到燃燒室10內(nèi)的內(nèi)部EGR裝置。
但是，由于本實施方式的發(fā)動機在發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)處于中·高負載區(qū)域時實現(xiàn)擴散燃燒，因此在中·高負載區(qū)域行駛(運轉(zhuǎn))時若干NOx被排出到排氣中。
因此，如圖1所示，在本實施方式的發(fā)動機中，設置有用于還原·凈化排氣中含有的NOx的排氣后處理裝置40。
排氣后處理裝置40具備設置在排氣管13(排氣通路)中的催化劑41；添加劑添加機構(gòu)42(添加劑用噴嘴)，在該催化劑41的上游側(cè)，用于將添加劑添加到在排氣管13內(nèi)流過的排氣中；用于存放供給該添加劑用噴嘴42的添加劑收納機構(gòu)43(添加劑箱)，在添加劑箱43中設置有添加劑殘余量檢測機構(gòu)44，用于檢測存放在箱43內(nèi)的添加劑的量。
本實施方式的排氣后處理裝置40的催化劑41為選擇接觸還原催化劑(SCR催化劑)，作為添加劑使用氨水溶液、尿素水溶液或液態(tài)氨等。作為SCR催化劑41可以使用如下的催化劑將形成為顆粒狀或蜂窩狀的礬土(氧化鋁Al2O3)、鈦白(二氧化鈦TiO2)等作為載體，并將白金(Pt)、氧化釩(V2O5)、氧化鐵(Fe2O3)、氧化銅(CuO)、氧化錳(Mn2O3)、氧化鉻(Cr2O3)、氧化鉬(MoO3)等作為活性體。
作為添加劑殘余量檢測機構(gòu)44可以使用各種機構(gòu)，在這里使用浮子式水準儀。
在發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)處于中·高負載區(qū)域、并實現(xiàn)擴散燃燒時，當通過排氣后處理裝置40的添加劑用噴嘴42向排氣中噴射(添加)氨(NH3)時，通過SCR催化劑41氨(NH3)與排氣中的NOx反應，并將其還原成無害的氮氣(N2)和水(H2O)。另外，如上所述，由于在預混合燃燒中NOx排出量幾乎為0，因此在發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)處于實現(xiàn)預混合燃燒的區(qū)域(低負載區(qū)域)時，沒有必要使排氣后處理裝置40動作。
但是，在利用添加劑的排氣后處理裝置40中，當添加劑箱43內(nèi)的添加劑用盡時，當然就不能得到排氣的凈化效果。因此，在本實施方式的柴油機中進行了研究，以便在添加劑箱43內(nèi)的添加劑少、或完全用盡時，將其通知駕駛員并催促添加劑的補充。
進行具體說明，在本實施方式的柴油機中，在由添加劑殘余量檢測機構(gòu)44檢測的添加劑箱43內(nèi)的添加劑的量變?yōu)橐?guī)定值以下時，設置在駕駛座等的警告機構(gòu)45(參照圖1)動作，通知駕駛員。另外，在本實施方式中作為警告機構(gòu)45使用燈，但也可以使用蜂鳴器等其它機構(gòu)，也可以多個機構(gòu)并用。
而且，在本實施方式的柴油機中，在由添加劑殘余量檢測機構(gòu)44檢測的添加劑箱43內(nèi)的添加劑的量變?yōu)橐?guī)定值以下時，即使發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)處于上述的實現(xiàn)預混合燃燒的區(qū)域以外，也實現(xiàn)預混合燃燒。進行具體說明，在添加劑箱43內(nèi)的添加劑的量變?yōu)橐?guī)定值以下時，將根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度等決定的要求轉(zhuǎn)矩以及燃料噴射量的上限值，限制在實現(xiàn)預混合燃燒的區(qū)域中的最大要求轉(zhuǎn)矩和最大燃料噴射量以下，由此可以與油門開度無關(guān)地實現(xiàn)預混合燃燒。
這樣，由于通過在添加劑的殘余量變少或用盡時實現(xiàn)預混合燃燒，可以使NOx的排出量幾乎為0水平，因此即使由于添加劑不足得不到排氣后處理裝置40的凈化效果，也不向大氣中排出NOx。另外，由于限制要求轉(zhuǎn)矩和燃料噴射量，因此不能按駕駛員的意圖進行運轉(zhuǎn)·行駛，并可以催促駕駛員盡早補充添加劑。并且，由于不用完全停止發(fā)動機的運轉(zhuǎn)，因此可以自行到可補充添加劑的位置。
由于以上說明的控制由ECU26執(zhí)行，因此使用圖8的流程圖說明ECU26執(zhí)行的控制的內(nèi)容的具體例子。該控制流程由ECU26在每個規(guī)定時間執(zhí)行。
首先，在步驟S1中，讀取由添加劑殘余量檢測機構(gòu)44檢測的添加劑箱43內(nèi)的添加劑的殘余量(水平)L。
其次，在步驟S2中，判斷在步驟S1讀取的添加劑的殘余量L是否比預先輸入ECU26的規(guī)定值(由于相當于權(quán)利要求書中的第2規(guī)定值，所以以下稱為第2規(guī)定值)大。
在判斷為添加劑的殘余量L比第2規(guī)定值大時(YES判斷)，返回步驟S1，再次進行添加劑的殘余量L的讀取。
在步驟S2中，在判斷為添加劑的殘余量L為第2規(guī)定值以下時(NO判斷)，前進到步驟S3，使警告機構(gòu)動作(在本實施方式中點亮燈45)。由此，可以向駕駛員通知添加劑變少或用盡。
然后，前進到步驟S4，判斷在步驟S1讀取的添加劑的殘余量L是否比預先輸入ECU26的規(guī)定值(由于相當于權(quán)利要求書中的第1規(guī)定值，所以以下稱為第1規(guī)定值)大。該第1規(guī)定值被設定成與步驟S2的第2規(guī)定值相同或比其小的值。
在判斷為添加劑的殘余量L比第1規(guī)定值大時(YES判斷)，返回步驟S1，再次進行添加劑的殘余量L的讀取。
另一方面，在步驟S4中，在判斷為添加劑的殘余量L為第1規(guī)定值以下時(NO判斷)，前進到步驟S5，變更發(fā)動機的滿負載特性。另外，在第1規(guī)定值被設定成與第2規(guī)定值相同時，在步驟S4中必定判斷成NO。
這里，參照圖9對在步驟S5執(zhí)行的滿負載特性的變更進行說明。
圖9表示根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度制定要求轉(zhuǎn)矩(發(fā)動機輸出)的MAP圖，圖9(a)表示通常時的狀態(tài)，圖9(b)表示在通過步驟S5變更了滿負載特性后的狀態(tài)。
首先，參照圖9(a)對通常時的MAP圖進行說明，通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度將發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)決定為MAP圖上的1點。然后，根據(jù)其運轉(zhuǎn)狀態(tài)從MAP圖中確定要求轉(zhuǎn)矩。如上所述，根據(jù)該要求轉(zhuǎn)矩確定燃料噴射量，并且決定實現(xiàn)預混合燃燒和擴散燃燒中的哪一個。根據(jù)圖可知，油門開度越大要求轉(zhuǎn)矩被設定得越大。另外，實現(xiàn)預混合燃燒的區(qū)域被設定在要求轉(zhuǎn)矩較低的區(qū)域，在該區(qū)域上側(cè)的區(qū)域為實現(xiàn)擴散燃燒的區(qū)域。
在圖9(a)中，位于最上側(cè)的線表示油門開度最大(100％)時的要求轉(zhuǎn)矩，是滿負載特性。在圖中用虛線表示車速變化的一個例子，在油門開度為100％時車速達到最高速。
下面，參照圖9(b)說明變更了滿負載特性后的狀態(tài)。
在圖8的步驟S4中，在判斷為添加劑殘余量L為第1規(guī)定值以下時，ECU26將發(fā)動機的滿負載特性從圖9(a)變更成如圖9(b)那樣。
即，根據(jù)圖可知，使?jié)M負載特性(油門開度為100％時的要求轉(zhuǎn)矩的特性)與預混合燃燒區(qū)域的最大值一致。由此，根據(jù)油門開度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速決定的要求轉(zhuǎn)矩，被限制為預混合燃燒區(qū)域內(nèi)的值。進行具體說明，在根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度決定的1點(運轉(zhuǎn)狀態(tài))在預混合燃燒區(qū)域內(nèi)的情況下，按通常那樣決定要求轉(zhuǎn)矩，但是在上述1點(運轉(zhuǎn)狀態(tài))在預混合燃燒區(qū)域外的情況下，所決定的要求轉(zhuǎn)矩為此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速的、預混合燃燒區(qū)域的最大要求轉(zhuǎn)矩。因此，即使駕駛員將油門開度操作為0～100％的任意開度，根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度決定的要求轉(zhuǎn)矩也一定為預混合燃燒區(qū)域內(nèi)的值。并且，通過將要求轉(zhuǎn)矩限制在預混合燃燒區(qū)域的最大要求轉(zhuǎn)矩以下，根據(jù)要求轉(zhuǎn)矩決定的燃料噴射量也被限制在預混合燃燒區(qū)域的最大燃料噴射量以下。
如此，在上述本實施方式的柴油機中，在添加劑箱43內(nèi)的添加劑的殘余量變?yōu)榈?規(guī)定值以下時，與油門開度無關(guān)地實現(xiàn)預混合燃燒，要求轉(zhuǎn)矩以及燃料噴射量的上限值被限制為比通常時的低(小)。由此，由于NOx排出量幾乎為0，因此即使因添加劑不足、得不到排氣后處理裝置40的排氣凈化效果，也不向大氣中排出NOx。另外，由于限制發(fā)動機輸出，因此不能按照駕駛員的意圖行駛，并可以催促添加劑的盡早補充。也就是說，如圖9(b)所示，由于車輛的最高速與通常時相比被限制得極低，因此駕駛員不得不補充添加劑。
另外，在上述實施方式中，作為利用活性劑的排氣后處理裝置40說明了SCR催化劑，但本發(fā)明不限于此，只要是利用被獨立地向排氣供給的活性劑的排氣后處理裝置，也可以是其它類型。例如，作為向排氣添加的活性劑也可以使用利用碳氫化物(HC)的氧化·NOx催化劑、或利用碳氫化物的帶有催化劑的DPF(柴油·散式流化·濾清器)等。
另外，在上述實施方式中，在添加劑的殘余量變?yōu)榈?規(guī)定值以下時，只變更滿負載特性、即要求轉(zhuǎn)矩的上限值，但本發(fā)明不限于此，也可以將圖9(a)所示的MAP圖的要求轉(zhuǎn)矩特性整體以規(guī)定比率縮小·壓縮，并使根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度決定的要求轉(zhuǎn)矩為實現(xiàn)預混合燃燒的區(qū)域的最大要求轉(zhuǎn)矩以下。
另外，在上述實施方式中，說明了實行根據(jù)轉(zhuǎn)矩的控制的例子，根據(jù)轉(zhuǎn)矩的控制為根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度決定要求轉(zhuǎn)矩、并根據(jù)該要求轉(zhuǎn)矩決定燃料噴射量，但本發(fā)明不限于此，也可以適用于實行根據(jù)噴射量的控制的類型，根據(jù)噴射量的控制為根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度直接決定燃料噴射量。這種情況下，在添加劑的殘余量變?yōu)榈?規(guī)定值以下時，也可以將根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度決定的燃料噴射量的上限值，限制在實現(xiàn)預混合燃燒的區(qū)域的最大燃料噴射量以下。
權(quán)利要求
1.一種柴油機，其特征在于，具備凹設于活塞頂部的凹形的空腔；向上述空腔噴射燃料的燃料噴射機構(gòu)；將排氣的一部分回流到燃燒室內(nèi)的排氣回流機構(gòu)；控制裝置，控制上述燃料噴射機構(gòu)的燃料噴射時間、以及上述排氣回流機構(gòu)的EGR率或EGR量；上述控制裝置，在發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)處于規(guī)定的運轉(zhuǎn)區(qū)域時，將上述燃料噴射機構(gòu)的燃料噴射時間控制成在活塞到達壓縮上死點之前結(jié)束燃料的噴射，并且所噴射的燃料全部進入上述空腔內(nèi)，并且，將上述排氣回流機構(gòu)的EGR率或EGR量控制成由上述燃料噴射機構(gòu)噴射的燃料在燃料噴射結(jié)束后，在活塞的壓縮上死點附近點火，以實現(xiàn)預混合燃燒。
2.如權(quán)利要求1所述的柴油機，其特征在于，上述控制裝置在實現(xiàn)上述預混合燃燒時，將上述排氣回流機構(gòu)的EGR率控制在50％以上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的柴油機，其特征在于，上述燃料噴射機構(gòu)的噴射角度被設定在140°～165°的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1～3任意一項所述的柴油機，其特征在于，上述控制裝置在實現(xiàn)上述預混合燃燒時，將上述燃料噴射機構(gòu)的燃料噴射開始時間控制在5°～35°BTDC的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1～4任意一項所述的柴油機，其特征在于，上述控制裝置在發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)處于上述規(guī)定的運轉(zhuǎn)區(qū)域外時，將上述燃料噴射機構(gòu)的燃料噴射時間控制在活塞的壓縮上死點附近，以實現(xiàn)擴散燃燒。
6.如權(quán)利要求5所述的柴油機，其特征在于，上述燃料噴射機構(gòu)的噴射角度設定成在活塞的壓縮上死點附近噴射的燃料，到達比上述空腔的最低位置靠徑向外側(cè)的空腔內(nèi)壁。
7.一種柴油機，是上述權(quán)利要求1～6任意一項所述的柴油機，其特征在于，還具備排氣后處理裝置，具有設置在排氣通路中的催化劑；添加劑添加機構(gòu)，用于在該催化劑的上游側(cè)，將添加劑添加到在上述排氣通路中流過的排氣中；添加劑收容機構(gòu)，用于存放向該添加劑添加機構(gòu)供給的添加劑；添加劑殘余量檢測機構(gòu)，用于檢測存放在上述添加劑收容機構(gòu)中的添加劑的量，上述控制裝置，在上述添加劑殘余量檢測機構(gòu)的檢測值為第1規(guī)定值以下時，即使發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)處于上述規(guī)定的運轉(zhuǎn)區(qū)域外，也實現(xiàn)上述預混合燃燒。
8.如權(quán)利要求7所述的柴油機，其特征在于，上述控制裝置，在上述添加劑殘余量檢測機構(gòu)的檢測值為第1規(guī)定值以下時，將根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度決定的要求轉(zhuǎn)矩，限制在實現(xiàn)上述預混合燃燒的區(qū)域的最大要求轉(zhuǎn)矩以下。
9.如權(quán)利要求7所述的柴油機，其特征在于，上述控制裝置在上述添加劑殘余量檢測機構(gòu)的檢測值為第1規(guī)定值以下時，將根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度決定的燃料噴射量，限制在實現(xiàn)上述預混合燃燒的區(qū)域的最大燃料噴射量以下。
10.如權(quán)利要求7～9任意一項所述的柴油機，其特征在于，還具備可通過上述控制裝置動作的警告機構(gòu)，當上述添加劑殘余量檢測機構(gòu)的檢測值變?yōu)榈?規(guī)定值以下時，上述控制裝置使上述警告機構(gòu)動作，該第2規(guī)定值被設定為上述第1規(guī)定值以上的值。
11.如權(quán)利要求7～10任意一項所述的柴油機，其特征在于，上述排氣后處理裝置的催化劑為選擇接觸還原催化劑，上述添加劑為氨水溶液、尿素水溶液或液態(tài)氨。
12.如權(quán)利要求1～11任意一項所述的柴油機，其特征在于，為了使導入上述燃燒室內(nèi)的進氣具有渦流，具備高渦流型的進氣口、或設置于進氣口的渦流生成裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種柴油機，具備凹設于活塞(4)的頂部的凹形的空腔(11)；向空腔(11)噴射燃料的燃料噴射機構(gòu)(9)；將排氣的一部分回流到燃燒室內(nèi)的排氣回流機構(gòu)(19)；控制燃料噴射機構(gòu)(9)的燃料噴射時間以及排氣回流機構(gòu)(19)的EGR率或EGR量的控制裝置(26)，控制裝置(26)在發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)在規(guī)定的運轉(zhuǎn)區(qū)域時，將燃料噴射機構(gòu)(9)的燃料噴射時間控制成在活塞(4)的壓縮上死點之前結(jié)束燃料的噴射，并且所噴射的燃料全部進入空腔(11)內(nèi)；并且將排氣回流機構(gòu)(19)的EGR率或EGR量控制成通過燃料噴射機構(gòu)(9)噴射的燃料在燃料噴射結(jié)束后，在活塞(4)的壓縮上死點附近點火；以實現(xiàn)預混合燃燒。由此，可以實現(xiàn)良好的預混合燃燒，并且即使在轉(zhuǎn)換成擴散燃燒的情況下也可以確保良好的燃燒。
文檔編號F02D41/40GK101035976SQ200580033450
公開日2007年9月12日 申請日期2005年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月1日
發(fā)明者石川直也, 島崎直基 申請人:五十鈴自動車株式會社