JP2000104620A - 内燃機関の気筒間吸気量ばらつき検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関からの煤の排出及びＮＯｘの排出を
同時に阻止し、各気筒の燃料噴射量ばらつきにかかわら
ず、各気筒の吸気量ばらつきを正確に算出する。 【解決手段】 燃焼室５内に供給される不活性ガスの量
を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに
達し、燃焼室５内に供給される不活性ガスの量を更に増
大していくと燃焼室５内における燃焼時の燃料およびそ
の周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほ
とんど発生しなくなる多気筒内燃機関の気筒間吸気量ば
らつき検出装置は、煤の発生量がピークとなる不活性ガ
スの量よりも燃焼室５内に供給される不活性ガスの量が
多く煤がほとんど発生しない燃焼が行われる時に、各気
筒の膨張行程を含む行程における機関角速度をクランク
角センサ５２及び加速度センサ６０により検出し、それ
に基づいて各気筒に供給される吸気量のばらつきを算出
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より内燃機関、例えばディーゼル機
関においてはＮＯｘの発生を抑制するために機関排気通
路と機関吸気通路とを排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと
称す）通路により連結し、このＥＧＲ通路を介して排気
ガス、即ちＥＧＲガスを機関吸気通路内に再循環させる
ようにしている。この場合、ＥＧＲガスは比較的比熱が
高く、従って多量の熱を吸収することができるので、Ｅ
ＧＲガス量を増大するほど、即ちＥＧＲ率（ＥＧＲガス
量／（ＥＧＲガス量＋吸入空気量））を増大するほど燃
焼室内における燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下す
るとＮＯｘの発生量が低下し、従ってＥＧＲ率を増大す
ればするほどＮＯｘの発生量は低下することになる。

【０００３】このように従来よりＥＧＲ率を増大すれば
ＮＯｘの発生量を低下しうることはわかっている。しか
しながらＥＧＲ率を増大させていくとＥＧＲ率が或る限
度を越えたときに煤の発生量、即ちスモークが急激に増
大し始める。この点に関し従来より、それ以上ＥＧＲ率
を増大すればスモークが限りなく増大していくものと考
えられており、従ってスモークが急激に増大し始めるＥ
ＧＲ率がＥＧＲ率の最大許容限界であると考えられてい
る。

【０００４】従って従来よりＥＧＲ率はこの最大許容限
界を越えない範囲内に定められている。このＥＧＲ率の
最大許容限界は機関の形式や燃料によってかなり異なる
がおおよそ３０パーセントから５０パーセントである。
従って従来のディーゼル機関ではＥＧＲ率は最大でも３
０パーセントから５０パーセント程度に抑えられてい
る。

【０００５】このように従来ではＥＧＲ率に対して最大
許容限界が存在すると考えられていたので従来よりＥＧ
Ｒ率はこの最大許容限界を越えない範囲内においてＮＯ
ｘおよびスモークの発生量ができるだけ少なくなるよう
に定められていた。しかしながらこのようにしてＥＧＲ
率をＮＯｘおよびスモークの発生量ができるだけ少なく
なるように定めてもＮＯｘおよびスモークの発生量の低
下には限度があり、実際には依然としてかなりの量のＮ
Ｏｘおよびスモークが発生してしまうのが現状である。

【０００６】ところがディーゼル機関の燃焼の研究の過
程においてＥＧＲ率を最大許容限界よりも大きくすれば
上述の如くスモークが急激に増大するがこのスモークの
発生量にはピークが存在し、このピークを越えてＥＧＲ
率を更に大きくすると今度はスモークが急激に減少しは
じめ、アイドリング運転時においてＥＧＲ率を７０パー
セント以上にすると、またＥＧＲガスを強力に冷却した
場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にするとス
モークがほとんど零になる。即ち煤がほとんど発生しな
いことが見い出されたのである。また、このときにはＮ
Ｏｘの発生量が極めて少量となることも判明している。
この後この知見に基づいて煤が発生しない理由について
検討が進められ、その結果これまでにない煤およびＮＯ
ｘの同時低減が可能な新たな燃焼システムが構築される
に至ったのである。この新たな燃焼システムについては
後に詳細に説明するが簡単に言うと炭化水素が煤に成長
するまでの途中の段階において炭化水素の成長を停止さ
せることを基本としている。

【０００７】即ち、実験研究を重ねた結果判明したこと
は燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス
温度が或る温度以下のときには炭化水素の成長が煤に至
る前の途中の段階で停止し、燃料およびその周囲のガス
温度が或る温度以上になると炭化水素は一気に煤まで成
長してしまうということである。この場合、燃料および
その周囲のガス温度は燃料が燃焼した際の燃料周りのガ
スの吸熱作用が大きく影響しており、燃料燃焼時の発熱
量に応じて燃料周りのガスの吸熱量を調整することによ
って燃料およびその周囲のガス温度を制御することがで
きる。

【０００８】従って、燃焼室内における燃焼時の燃料お
よびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止
する温度以下に抑制すれば煤が発生しなくなり、燃焼室
内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭
化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制すること
は燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって可能
となる。一方、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化
水素は酸化触媒等を用いた後処理によって容易に浄化す
ることができる。これが新たな燃焼システムの基本的な
考え方である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述したよ
うな新たな燃焼システムについてはまだ開示されていな
い。そのため、既に開示されている従来の燃焼システム
では、上述した新たな燃焼システムに基づく新たな効果
を奏することができない。

【００１０】そこで、本発明は、内燃機関から煤（スモ
ーク）が排出されること及びＮＯｘが排出されることを
同時に阻止しつつ、各気筒の燃料噴射量のばらつきにか
かわらず、各気筒の吸気量のばらつきを正確に算出する
ことができる内燃機関の気筒間吸気量ばらつき検出装置
を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、複数の気筒を具備し、燃焼室内に供給される不
活性ガスの量を増大していくと煤の発生量が次第に増大
してピークに達し、前記燃焼室内に供給される不活性ガ
スの量を更に増大していくと前記燃焼室内における燃焼
時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも
低くなって煤がほとんど発生しなくなる内燃機関の気筒
間吸気量ばらつき検出装置であって、煤の発生量がピー
クとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供給され
る不活性ガスの量が多く煤がほとんど発生しない燃焼を
実行可能であり、前記煤がほとんど発生しない燃焼が行
われる時に、各気筒の膨張行程を含む行程における機関
角速度を検出し、検出された前記機関角速度に基づいて
各気筒に供給される吸気量のばらつきを算出するように
した内燃機関の気筒間吸気量ばらつき検出装置が提供さ
れる。

【００１２】請求項２に記載の発明によれば、前記機関
角速度が、各気筒の膨張行程を含む行程の一部に要する
時間を検出することにより得られる請求項１に記載の内
燃機関の気筒間吸気量ばらつき検出装置が提供される。

【００１３】請求項３に記載の発明によれば、前記機関
角速度が、各気筒の膨張行程を含む行程の全部に要する
時間を検出することにより得られる請求項１に記載の内
燃機関の気筒間吸気量ばらつき検出装置が提供される。

【００１４】請求項１〜３に記載の内燃機関の気筒間吸
気量ばらつき検出装置では、煤の発生量がピークとなる
不活性ガスの量よりも燃焼室内に供給される不活性ガス
の量が多く煤がほとんど発生しない燃焼が行われる時
に、各気筒の膨張行程を含む行程における機関角速度を
検出し、検出された機関角速度に基づいて各気筒に供給
される吸気量のばらつきが算出される。ここで、「膨張
行程を含む行程」とは、膨張行程及びそれに隣接する圧
縮行程等のことを言う。ところで、前記煤がほとんど発
生しない燃焼は、燃焼に使用される空気があまり余って
いない状態で行われる。つまり、前記煤がほとんど発生
しない燃焼が行われる時には、燃焼に使用される燃料が
やや余り気味であると言える。そのため、燃料噴射量が
多少ばらついても、燃焼に使用される燃料量は変化せ
ず、それゆえ、発生トルクは変化しない。一方、燃焼に
使用される空気はやや不足気味であると言える。そのた
め、吸気量がばらつくと、発生トルクは顕著にばらつ
く。ここで、各気筒の発生トルクのばらつきは、各気筒
の膨張行程を含む行程における機関角速度を検出するこ
とにより得られる。そこで、上述したように請求項１〜
３に記載の内燃機関の気筒間吸気量ばらつき検出装置で
は、前記煤がほとんど発生しない燃焼が行われる時に、
各気筒の膨張行程を含む行程における機関角速度を検出
し、検出された機関角速度に基づいて各気筒に供給され
る吸気量のばらつきが算出される。その結果、各気筒の
燃料噴射量のばらつきにかかわらず、各気筒の吸気量の
ばらつきを正確に算出することができる。

【００１５】請求項４に記載の発明によれば、前記機関
角速度を検出する前に、各気筒に供給される燃料噴射量
のばらつきを補正するようにした請求項１に記載の内燃
機関の気筒間吸気量ばらつき検出装置が提供される。

【００１６】請求項５に記載の発明によれば、前記煤が
ほとんど発生しない燃焼である第１の燃焼と、煤の発生
量がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に
供給される不活性ガスの量が少ない第２の燃焼とを選択
的に切り換える切換手段を具備し、前記第２の燃焼が行
われる時に、各気筒に供給される燃料噴射量のばらつき
を補正するようにした請求項４に記載の内燃機関の気筒
間吸気量ばらつき検出装置が提供される。

【００１７】請求項４及び５に記載の内燃機関の気筒間
吸気量ばらつき検出装置では、各気筒の膨張行程を含む
行程における機関角速度を検出する前に、各気筒に供給
される燃料噴射量のばらつきが補正される。そのため、
検出される機関角速度には、各気筒に供給される燃料噴
射量のばらつきに伴うばらつきが含まれない。その結
果、算出される各気筒の吸気量のばらつきは、各気筒の
燃料噴射量のばらつきの影響を受けない。それゆえ、各
気筒の吸気量のばらつきをより一層正確に算出すること
ができる。

【００１８】請求項６に記載の発明によれば、前記燃焼
室から排出された未燃炭化水素を酸化するために機関排
気通路内に酸化機能を有する触媒を配置した請求項１に
記載の内燃機関の気筒間吸気量ばらつき検出装置が提供
される。

【００１９】請求項７に記載の発明によれば、前記触媒
が酸化触媒、三元触媒又はＮＯｘ吸収剤の少くとも一つ
からなる請求項６に記載の内燃機関の気筒間吸気量ばら
つき検出装置が提供される。

【００２０】請求項６及び７に記載の内燃機関の気筒間
吸気量ばらつき検出装置では、燃焼室から排出される未
燃炭化水素が機関排気通路内にて酸化されるため、未燃
炭化水素が内燃機関から排出されるのを阻止することが
できる。

【００２１】請求項８に記載の発明によれば、前記燃焼
室から排出された排気ガスを機関吸気通路内に再循環さ
せる排気ガス再循環装置を具備し、前記不活性ガスが前
記機関吸気通路内に再循環された再循環排気ガスからな
る請求項１に記載の内燃機関の気筒間吸気量ばらつき検
出装置が提供される。

【００２２】請求項８に記載の内燃機関の気筒間吸気量
ばらつき検出装置では、排気ガス再循環装置によって機
関吸気通路内に再循環される再循環排気ガスを不活性ガ
スとして利用することにより、外部から燃焼室内に不活
性ガスを供給する手段を特別に設ける必要性を回避する
ことができる。

【００２３】請求項９に記載の発明によれば、前記煤が
ほとんど発生しない燃焼である第１の燃焼と、煤の発生
量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも前記燃焼室
内に供給される再循環排気ガスの量が少ない第２の燃焼
とを選択的に切り換える切換手段を具備し、前記第１の
燃焼から前記第２の燃焼に又は前記第２の燃焼から前記
第１の燃焼に切り換えられるときに排気ガス再循環率を
ステップ状に変化させるようにした請求項８に記載の内
燃機関の気筒間吸気量ばらつき検出装置が提供される。

【００２４】請求項９に記載の内燃機関の気筒間吸気量
ばらつき検出装置では、第１の燃焼から第２の燃焼に又
は第２の燃焼から第１の燃焼に切り換えられるときに排
気ガス再循環率をステップ状に変化させることにより、
排気ガス再循環率が、煤の発生量がピークになる排気ガ
ス再循環率に設定されるのを回避することができる。

【００２５】請求項１０に記載の発明によれば、前記第
１の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ
５５パーセント以上であり、前記第２の燃焼が行われて
いるときの排気ガス再循環率がほぼ５０パーセント以下
である請求項９に記載の内燃機関の気筒間吸気量ばらつ
き検出装置が提供される。

【００２６】請求項１０に記載の内燃機関の気筒間吸気
量ばらつき検出装置では、第１の燃焼が行われていると
きの排気ガス再循環率をほぼ５５パーセント以上にする
と共に第２の燃焼が行われているときの排気ガス再循環
率をほぼ５０パーセント以下にすることにより、排気ガ
ス再循環率が、煤の発生量がピークになる排気ガス再循
環率に設定されるのを回避することができる。

【００２７】請求項１１に記載の発明によれば、機関の
運転領域を低負荷側の第１の運転領域と高負荷側の第２
の運転領域とに分割し、前記第１の運転領域では前記第
１の燃焼を行い、前記第２の運転領域では前記第２の燃
焼を行うようにした請求項９に記載の内燃機関の気筒間
吸気量ばらつき検出装置が提供される。

【００２８】請求項１１に記載の内燃機関の気筒間吸気
量ばらつき検出装置では、第１の燃焼を実行し得る時、
つまり、燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲の
ガス温度を煤の生成温度よりも低く維持し得る時が、燃
焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限
られるという理由から、低負荷側の第１の運転領域で第
１の燃焼を行うと共に高負荷側の第２の運転領域で第２
の燃焼を行う。それゆえ、運転領域に応じて適切な燃焼
を実行することができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を用いて本発明の
実施形態について説明する。

【００３０】図１は本発明を４ストローク圧縮着火式４
気筒内燃機関に適用した一実施形態を示している。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は排気ポートを夫々示す。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、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の入口部は空気吸込管１７を介し
てエアクリーナ１８に連結され、空気吸込管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上流の空気吸込
管１７内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。

【００３１】一方、排気ポート１０は排気マニホルド２
２を介して排気ターボチャージャ１５の排気タービン２
３の入口部に連結され、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。排気マニホルド２２
内には空燃比センサ２７が配置される。

【００３２】触媒コンバータ２６の出口部に連結された
排気管２８とスロットル弁２０下流の空気吸込管１７と
は排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２９を介
して互いに連結され、ＥＧＲ通路２９内にはステップモ
ータ３０により駆動されるＥＧＲ制御弁３１が配置され
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インタークーラ３２が
配置される。図１に示される実施形態では機関冷却水が
インタークーラ３２内に導びかれ、機関冷却水によって
ＥＧＲガスが冷却される。

【００３３】一方、燃料噴射弁６は燃料供給管３３を介
して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール３４に連結さ
れる。このコモンレール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、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が取付けられ、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。

【００３４】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によって互いに接続さ
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および燃料圧センサ３６の出力信号も夫々対応
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
み量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、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。更に、入力ポート４５にはカムシャフト
が３６０°回転する毎に出力パルスを発生する加速度セ
ンサ６０がＡＤ変換器４７を介して接続される。クラン
ク角センサ５２及び加速度センサ６０の出力信号に基づ
いて各気筒の膨張行程を含む行程における機関角速度が
検出される。一方、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制御弁制御用ステップモータ３０
および燃料ポンプ３５に接続される。

【００３５】図２は機関低負荷運転時にスロットル弁２
０の開度およびＥＧＲ率を変化させることにより空燃比
Ａ／Ｆ（図２の横軸）を変化させたときの出力トルクの
変化、およびスモーク、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの排出量の
変化を示す実験例を表している。図２からわかるように
この実験例では空燃比Ａ／Ｆが小さくなるほどＥＧＲ率
が大きくなり、理論空燃比（≒１４．６）以下のときに
はＥＧＲ率は６５パーセント以上となっている。

【００３６】図２に示されるようにＥＧＲ率を増大する
ことにより空燃比Ａ／Ｆを小さくしていくとＥＧＲ率が
４０パーセント付近となり空燃比Ａ／Ｆが３０程度にな
ったときにスモークの発生量が増大を開始する。次い
で、更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくすると
スモークの発生量が急激に増大してピークに達する。次
いで更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくすると
今度はスモークが急激に低下し、ＥＧＲ率を６５パーセ
ント以上とし、空燃比Ａ／Ｆが１５．０付近になるとス
モークがほぼ零となる。即ち、煤がほとんど発生しなく
なる。このとき機関の出力トルクは若干低下し、またＮ
Ｏｘの発生量がかなり低くなる。一方、このときＨＣ，
ＣＯの発生量は増大し始める。

【００３７】図３（Ａ）は空燃比Ａ／Ｆが２１付近でス
モークの発生量が最も多いときの燃焼室５内の燃焼圧変
化を示しており、図３（Ｂ）は空燃比Ａ／Ｆが１８付近
でスモークの発生量がほぼ零のときの燃焼室５内の燃焼
圧の変化を示している。図３（Ａ）と図３（Ｂ）とを比
較すればわかるようにスモークの発生量がほぼ零である
図３（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図３
（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。

【００３８】図２および図３に示される実験結果から次
のことが言える。即ち、まず第１に空燃比Ａ／Ｆが１
５．０以下でスモークの発生量がほぼ零のときには図２
に示されるようにＮＯｘの発生量がかなり低下する。Ｎ
Ｏｘの発生量が低下したということは燃焼室５内の燃焼
温度が低下していることを意味しており、従って煤がほ
とんど発生しないときには燃焼室５内の燃焼温度が低く
なっていると言える。同じことが図３からも言える。即
ち、煤がほとんど発生していない図３（Ｂ）に示す状態
では燃焼圧が低くなっており、従ってこのとき燃焼室５
内の燃焼温度は低くなっていることになる。

【００３９】第２にスモークの発生量、即ち煤の発生量
がほぼ零になると図２に示されるようにＨＣおよびＣＯ
の排出量が増大する。このことは炭化水素が煤まで成長
せずに排出されることを意味している。即ち、燃料中に
含まれる図４に示されるような直鎖状炭化水素や芳香族
炭化水素は酸素不足の状態で温度上昇せしめられると熱
分解して煤の前駆体が形成され、次いで主に炭素原子が
集合した固体からなる煤が生成される。この場合、実際
の煤の生成過程は複雑であり、煤の前駆体がどのような
形態をとるかは明確ではないがいずれにしても図４に示
されるような炭化水素は煤の前駆体を経て煤まで成長す
ることになる。従って、上述したように煤の発生量がほ
ぼ零になると図２に示される如くＨＣおよびＣＯの排出
量が増大するがこのときのＨＣは煤の前駆体又はその前
の状態の炭化水素である。

【００４０】図２および図３に示される実験結果に基づ
くこれらの考察をまとめると燃焼室５内の燃焼温度が低
いときには煤の発生量がほぼ零になり、このとき煤の前
駆体又はその前の状態の炭化水素が燃焼室５から排出さ
れることになる。このことについて更に詳細に実験研究
を重ねた結果、燃焼室５内における燃料およびその周囲
のガス温度が或る温度以下である場合には煤の成長過程
が途中で停止してしまい、即ち煤が全く発生せず、燃焼
室５内における燃料およびその周囲の温度が或る温度以
上になると煤が生成されることが判明したのである。

【００４１】ところで煤の前駆体の状態で炭化水素の生
成過程が停止するときの燃料およびその周囲の温度、即
ち上述の或る温度は燃料の種類や空燃比の圧縮比等の種
々の要因によって変化するので何度であるかということ
は言えないがこの或る温度はＮＯｘの発生量と深い関係
を有しており、従ってこの或る温度はＮＯｘの発生量か
ら或る程度規定することができる。即ち、ＥＧＲ率が増
大するほど燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度は低
下し、ＮＯｘの発生量が低下する。このときＮＯｘの発
生量が１０p.p.m 前後又はそれ以下になったときに煤が
ほとんど発生しなくなる。従って上述の或る温度はＮＯ
ｘの発生量が１０p.p.m 前後又はそれ以下になったとき
の温度にほぼ一致する。

【００４２】一旦、煤が生成されるとこの煤は酸化機能
を有する触媒を用いた後処理でもって浄化することはで
きない。これに対して煤の前駆体又はその前の状態の炭
化水素は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって
容易に浄化することができる。このように酸化機能を有
する触媒による後処理を考えると炭化水素を煤の前駆体
又はその前の状態で燃焼室５から排出させるか、或いは
煤の形で燃焼室５から排出させるかについては極めて大
きな差がある。本発明において採用されている新たな燃
焼システムは燃焼室５内において煤を生成させることな
く炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態の形でもって
燃焼室５から排出させ、この炭化水素を酸化機能を有す
る触媒により酸化せしめることを核としている。

【００４３】さて、煤が生成される前の状態で炭化水素
の成長を停止させるには燃焼室５内における燃焼時の燃
料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度より
も低い温度に抑制する必要がある。この場合、燃料およ
びその周囲のガス温度を抑制するには燃料が燃焼した際
の燃料周りのガスの吸熱作用が極めて大きく影響するこ
とが判明している。

【００４４】即ち、燃料周りに空気しか存在しないと蒸
発した燃料はただちに空気中の酸素と反応して燃焼す
る。この場合、燃料から離れている空気の温度はさほど
上昇せず、燃料周りの温度のみが局所的に極めて高くな
る。即ち、このときには燃料から離れている空気は燃料
の燃焼熱の吸熱作用をほとんど行わない。この場合には
燃焼温度が局所的に極めて高くなるために、この燃焼熱
を受けた未燃炭化水素は煤を生成することになる。

【００４５】一方、多量の不活性ガスと少量の空気の混
合ガス中に燃料が存在する場合には若干状況が異なる。
この場合には蒸発燃料は周囲に拡散して不活性ガス中に
混在する酸素と反応し、燃焼することになる。この場合
には燃焼熱は周りの不活性ガスに吸収されるために燃焼
温度はさほど上昇しなくなる。即ち、燃焼温度を低く抑
えることができることになる。即ち、燃焼温度を抑制す
るには不活性ガスの存在が重要な役割を果しており、不
活性ガスの吸熱作用によって燃焼温度を低く抑えること
ができることになる。

【００４６】この場合、燃料およびその周囲のガス温度
を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制するにはそ
うするのに十分な熱量を吸収しうるだけの不活性ガス量
が必要となる。従って燃料量が増大すれば必要となる不
活性ガス量はそれに伴なって増大することになる。な
お、この場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用
が強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが
好ましいことになる。この点、ＣＯ₂ やＥＧＲガスは比
較的比熱が大きいので不活性ガスとしてＥＧＲガスを用
いることは好ましいと言える。

【００４７】図５は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用
い、ＥＧＲガスの冷却度合を変えたときのＥＧＲ率とス
モークとの関係を示している。即ち、図５において曲線
ＡはＥＧＲガスを強力に冷却してＥＧＲガス温をほぼ９
０℃に維持した場合を示しており、曲線Ｂは小型の冷却
装置でＥＧＲガスを冷却した場合を示しており、曲線Ｃ
はＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合を示してい
る。

【００４８】図５の曲線Ａで示されるようにＥＧＲガス
を強力に冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよ
りも少し低いところで煤の発生量がピークとなり、この
場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にすれば煤
がほとんど発生しなくなる。

【００４９】一方、図５の曲線Ｂで示されるようにＥＧ
Ｒガスを少し冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセン
トよりも少し高いところで煤の発生量がピークとなり、
この場合にはＥＧＲ率をほぼ６５パーセント以上にすれ
ば煤がほとんど発生しなくなる。

【００５０】また、図５の曲線Ｃで示されるようにＥＧ
Ｒガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５
５パーセントの付近で煤の発生量がピークとなり、この
場合にはＥＧＲ率をほぼ７０パーセント以上にすれば煤
がほとんど発生しなくなる。

【００５１】なお、図５は機関負荷が比較的高いときの
スモークの発生量を示しており、機関負荷が小さくなる
と煤の発生量がピークとなるＥＧＲ率は若干低下し、煤
がほとんど発生しなくなるＥＧＲ率の下限も若干低下す
る。このように煤がほとんど発生しなくなるＥＧＲ率の
下限はＥＧＲガスの冷却度合や機関負荷に応じて変化す
る。

【００５２】図６は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用い
た場合において燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度
を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要
なＥＧＲガスと空気の混合ガス量、およびこの混合ガス
量中の空気の割合、およびこの混合ガス中のＥＧＲガス
の割合を示している。なお、図６において縦軸は燃焼室
５内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Ｙは
過給が行われないときに燃焼室５内に吸入しうる全吸入
ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示してい
る。

【００５３】図６を参照すると空気の割合、即ち混合ガ
ス中の空気量は噴射された燃料を完全に燃焼せしめるの
に必要な空気量を示している。即ち、図６に示される場
合では空気量と噴射燃料量との比は理論空燃比となって
いる。一方、図６においてＥＧＲガスの割合、即ち混合
ガス中のＥＧＲガス量は噴射燃料が燃焼せしめられたと
きに燃料およびその周囲のガス温度を煤が形成される温
度よりも低い温度にするのに必要最低限のＥＧＲガス量
を示している。このＥＧＲガス量はＥＧＲ率で表すとほ
ぼ５５パーセント以上であり、図６に示す実施形態では
７０パーセント以上である。即ち、燃焼室５内に吸入さ
れた全吸入ガス量を図６において実線Ｘとし、この全吸
入ガス量Ｘのうちの空気量とＥＧＲガス量との割合を図
６に示すような割合にすると燃料およびその周囲のガス
温度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯く
して煤が全く発生しなくなる。また、このときのＮＯｘ
発生量は１０p.p.m 前後、又はそれ以下であり、従って
ＮＯｘの発生量は極めて少量となる。

【００５４】燃料噴射量が増大すれば燃料が燃焼した際
の発熱量が増大するので燃料およびその周囲のガス温度
を煤が生成される温度よりも低い温度に維持するために
はＥＧＲガスによる熱の吸収量を増大しなければならな
い。従って図６に示されるようにＥＧＲガス量は噴射燃
料量が増大するにつれて増大せしめなければならない。
即ち、ＥＧＲガス量は要求負荷が高くなるにつれて増大
する必要がある。

【００５５】ところで過給が行われていない場合には燃
焼室５内に吸入される全吸入ガス量Ｘの上限はＹであ
り、従って図６において要求負荷がＬo よりも大きい領
域では要求負荷が大きくなるにつれてＥＧＲガス割合を
低下させない限り空燃比を理論空燃比に維持することが
できない。云い換えると過給が行われていない場合に要
求負荷がＬo よりも大きい領域において空燃比を理論空
燃比に維持しようとした場合には要求負荷が高くなるに
つれてＥＧＲ率が低下し、斯くして要求負荷がＬo より
も大きい領域では燃料およびその周囲のガス温度を煤が
生成される温度よりも低い温度に維持しえなくなる。

【００５６】ところが図１に示されるようにＥＧＲ通路
２９を介して過給機の入口側即ち排気ターボチャージャ
１５の空気吸込管１７内にＥＧＲガスを再循環させると
要求負荷がＬo よりも大きい領域においてＥＧＲ率を５
５パーセント以上、例えば７０パーセントに維持するこ
とができ、斯くして燃料およびその周囲のガス温度を煤
が生成される温度よりも低い温度に維持することができ
る。即ち、空気吸込管１７内におけるＥＧＲ率が例えば
７０パーセントになるようにＥＧＲガスを再循環させれ
ば排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１６により
昇圧された吸入ガスのＥＧＲ率も７０パーセントとな
り、斯くしてコンプレッサ１６により昇圧しうる限度ま
で燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度
よりも低い温度に維持することができる。従って、低温
燃焼を生じさせることのできる機関の運転領域を拡大す
ることができることになる。要求負荷がＬo よりも大き
い領域でＥＧＲ率を５５パーセント以上にする際にはＥ
ＧＲ制御弁３１が全開せしめられる、スロットル弁２０
が若干閉弁せしめられる。

【００５７】前述したように図６は燃料を理論空燃比の
もとで燃焼させる場合を示しているが空気量を図６に示
される空気量よりも少くしても、即ち空燃比をリッチに
しても煤の発生を阻止しつつＮＯｘの発生量を１０p.p.
m 前後又はそれ以下にすることができ、また空気量を図
６に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平
均値を１７から１８のリーンにしても煤の発生を阻止し
つつＮＯｘの発生量を１０p.p.m 前後又はそれ以下にす
ることができる。

【００５８】即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過
剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために
過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くして煤が生成される
ことがない。また、このときＮＯｘも極めて少量しか発
生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空
燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば少量
の煤が生成されるが本発明では燃焼温度が低い温度に抑
制されているので煤は全く生成されない。更に、ＮＯｘ
も極めて少量しか発生しない。

【００５９】このように、低温燃焼が行われているとき
には空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろ
うと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリー
ンであろうと煤が発生されず、ＮＯｘの発生量が極めて
少量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこのと
き平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。

【００６０】ところで燃焼室内における燃焼時の燃料お
よびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止
する温度以下に抑制しうるのは燃焼による発熱量が比較
的少ない機関中低負荷運転時に限られる。従って本発明
による実施形態では機関中低負荷運転時には燃焼時の燃
料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で
停止する温度以下に抑制して第１の燃焼、即ち低温燃焼
を行うようにし、機関高負荷運転時には第２の燃焼、即
ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにしてい
る。なお、ここで第１の燃焼、即ち低温燃焼とはこれま
での説明から明らかなように煤の発生量がピークとなる
不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤が
ほとんど発生しない燃焼のことを言い、第２の燃焼、即
ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量がピ
ークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量
が少い燃焼のことを言う。

【００６１】図７は第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われ
る第１の運転領域Ｉと、第２の燃焼、即ち従来の燃焼方
法による燃焼が行われる第２の運転領域IIとを示してい
る。なお、図７において縦軸Ｌはアクセルペダル５０の
踏込み量、即ち要求負荷を示しており、横軸Ｎは機関回
転数を示している。また、図７においてＸ（Ｎ）は第１
の運転領域Ｉと第２の運転領域IIとの第１の境界を示し
ており、Ｙ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域
IIとの第２の境界を示している。第１の運転領域Ｉから
第２の運転領域IIへの運転領域の変化判断は第１の境界
Ｘ（Ｎ）に基づいて行われ、第２の運転領域IIから第１
の運転領域Ｉへの運転領域の変化判断は第２の境界Ｙ
（Ｎ）に基づいて行われる。

【００６２】即ち、機関の運転状態が第１の運転領域Ｉ
にあって低温燃焼が行われているときに要求負荷Ｌが機
関回転数Ｎの関数である第１の境界Ｘ（Ｎ）を越えると
運転領域が第２の運転領域IIに移ったと判断され、従来
の燃焼方法による燃焼が行われる。次いで要求負荷Ｌが
機関回転数Ｎの関数である第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低
くなると運転領域が第１の運転領域Ｉに移ったと判断さ
れ、再び低温燃焼が行われる。

【００６３】このように第１の境界Ｘ（Ｎ）と第１の境
界Ｘ（Ｎ）よりも低負荷側の第２の境界Ｙ（Ｎ）との二
つの境界を設けたのは次の二つの理由による。第１の理
由は、第２の運転領域IIの高負荷側では比較的燃焼温度
が高く、このとき要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）より
低くなったとしてもただちに低温燃焼を行えないからで
ある。即ち、要求負荷Ｌがかなり低くなったとき、即ち
第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなったときでなければた
だちに低温燃焼が開始されないからである。第２の理由
は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域II間の運転領域の
変化に対してヒステリシスを設けるためである。

【００６４】ところで機関の運転領域が第１の運転領域
Ｉにあって低温燃焼が行われているときには煤はほとん
ど発生せず、その代り未燃炭化水素が煤の前駆体又はそ
の前の状態の形でもって燃焼室５から排出される。この
とき燃焼室５から排出された未燃炭化水素は酸化機能を
有する触媒２５により良好に酸化せしめられる。

【００６５】触媒２５としては酸化触媒、三元触媒、又
はＮＯｘ吸収剤を用いることができる。ＮＯｘ吸収剤は
燃焼室５内における平均空燃比がリーンのときにＮＯｘ
を吸収し、燃焼室５内における平均空燃比がリッチにな
るとＮＯｘを放出する機能を有する。

【００６６】このＮＯｘ吸収剤は例えばアルミナを担体
とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮ
ａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金
属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土
類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から
選ばれた少くとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが
担持されている。

【００６７】酸化触媒はもとより、三元触媒およびＮＯ
ｘ吸収剤も酸化機能を有しており、従って上述した如く
三元触媒およびＮＯｘ吸収剤を触媒２５として用いるこ
とができる。

【００６８】図８は空燃比センサ２７の出力を示してい
る。図８に示されるように空燃比センサ２７の出力電流
Ｉは空燃比Ａ／Ｆに応じて変化する。従って空燃比セン
サ２７の出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。

【００６９】次に図９を参照しつつ第１の運転領域Ｉお
よび第２の運転領域IIにおける運転制御について概略的
に説明する。図９は要求負荷Ｌに対するスロットル弁２
０の開度、ＥＧＲ制御弁３１の開度、ＥＧＲ率、空燃
比、噴射時期および噴射量を示している。図９に示され
るように要求負荷Ｌの低い第１の運転領域Ｉではスロッ
トル弁２０の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉
近くから２／３開度程度まで徐々に増大せしめられ、Ｅ
ＧＲ制御弁３１の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて
全閉近くから全開まで徐々に増大せしめられる。また、
図９に示される例では第１の運転領域ＩではＥＧＲ率が
ほぼ７０パーセントとされており、空燃比はわずかばか
りリーンなリーン空燃比とされている。

【００７０】言い換えると第１の運転領域ＩではＥＧＲ
率がほぼ７０パーセントとなり、空燃比がわずかばかり
リーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁２０の
開度およびＥＧＲ制御弁３１の開度が制御される。ま
た、第１の運転領域Ｉでは圧縮上死点ＴＤＣ前に燃料噴
射が行われる。この場合、噴射開始時期θＳは要求負荷
Ｌが高くなるにつれて遅くなり、噴射完了時期θＥも噴
射開始時期θＳが遅くなるにつれて遅くなる。

【００７１】なお、アイドル運転時にはスロットル弁２
０は全閉近くまで閉弁され、このときＥＧＲ制御弁３１
も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁２０を
全閉近くまで閉弁すると圧縮始めの燃焼室５内の圧力が
低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が小さ
くなるとピストン４による圧縮仕事が小さくなるために
機関本体１の振動が小さくなる。即ち、アイドル運転時
には機関本体１の振動を抑制するためにスロットル弁２
０が全閉近くまで閉弁せしめられる。

【００７２】一方、機関の運転領域が第１の運転領域Ｉ
から第２の運転領域IIに変わるとスロットル弁２０の開
度が２／３開度程度から全開方向へステップ状に増大せ
しめられる。このとき図９に示す例ではＥＧＲ率がほぼ
７０パーセントから４０パーセント以下までステップ状
に減少せしめられ、空燃比がステップ状に大きくされ
る。即ち、ＥＧＲ率が多量のスモークを発生するＥＧＲ
率範囲（図５）を飛び越えるので機関の運転領域が第１
の運転領域Ｉから第２の運転領域IIに変わるときに多量
のスモークが発生することがない。

【００７３】第２の運転領域IIでは従来から行われてい
る燃焼が行われる。この第２の運転領域IIではスロット
ル弁２０は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ制
御弁３１の開度は要求負荷Ｌが高くなると次第に小さく
される。また、この運転領域IIではＥＧＲ率は要求負荷
Ｌが高くなるほど低くなり、空燃比は要求負荷Ｌが高く
なるほど小さくなる。ただし、空燃比は要求負荷Ｌが高
くなってもリーン空燃比とされる。また、第２の運転領
域IIでは噴射開始時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付近とさ
れる。

【００７４】図１０（Ａ）は第１の運転領域Ｉにおける
目標空燃比Ａ／Ｆを示している。図１０（Ａ）におい
て、Ａ／Ｆ＝１５．５，Ａ／Ｆ＝１６，Ａ／Ｆ＝１７，
Ａ／Ｆ＝１８で示される各曲線は夫々目標空燃比が１
５．５，１６，１７，１８であるときを示しており、各
曲線間の空燃比は比例配分により定められる。図１０
（Ａ）に示されるように第１の運転領域Ｉでは空燃比が
リーンとなっており、更に第１の運転領域Ｉでは要求負
荷Ｌが低くなるほど目標空燃比Ａ／Ｆがリーンとされ
る。

【００７５】即ち、要求負荷Ｌが低くなるほど燃焼によ
る発熱量が少くなる。従って要求負荷Ｌが低くなるほど
ＥＧＲ率を低下させても低温燃焼を行うことができる。
ＥＧＲ率を低下させると空燃比は大きくなり、従って図
１０（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌが低くなるにつ
れて目標空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。目標空燃比Ａ／
Ｆが大きくなるほど燃料消費率は向上し、従ってできる
限り空燃比をリーンにするために本発明による実施形態
では要求負荷Ｌが低くなるにつれて目標空燃比Ａ／Ｆが
大きくされる。

【００７６】なお、図１０（Ａ）に示される目標空燃比
Ａ／Ｆは図１０（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよ
び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ４
２内に記憶されている。また、空燃比を図１０（Ａ）に
示す目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要なスロットル弁２
０の目標開度ＳＴが図１１（Ａ）に示されるように要求
負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予
めＲＯＭ４２内に記憶されており、空燃比を図１０
（Ａ）に示す目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要なＥＧＲ
制御弁３１の目標開度ＳＥが図１１（Ｂ）に示されるよ
うに要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップ
の形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。

【００７７】図１２（Ａ）は第２の燃焼、即ち従来の燃
焼方法による普通の燃焼が行われるときの目標空燃比Ａ
／Ｆを示している。なお、図１２（Ａ）においてＡ／Ｆ
＝２４，Ａ／Ｆ＝３５，Ａ／Ｆ＝４５，Ａ／Ｆ＝６０で
示される各曲線は夫々目標空燃比２４，３５，４５，６
０を示している。図１２（Ａ）に示される目標空燃比Ａ
／Ｆは図１２（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよび
機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ４２
内に記憶されている。また、空燃比を図１２（Ａ）に示
す目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要なスロットル弁２０
の目標開度ＳＴが図１３（Ａ）に示されるように要求負
荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予め
ＲＯＭ４２内に記憶されており、空燃比を図１２（Ａ）
に示す目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要なＥＧＲ制御弁
３１の目標開度ＳＥが図１３（Ｂ）に示されるように要
求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で
予めＲＯＭ４２内に記憶されている。

【００７８】また、第２の燃焼が行われているときには
燃料噴射量Ｑは要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに基づい
て算出される。この燃料噴射量Ｑは図１４に示されるよ
うに要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップ
の形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。

【００７９】次に図１５を参照しつつ運転制御について
説明する。図１５を参照すると、まず初めにステップ１
００において機関の運転状態が第１の運転領域Ｉである
ことを示すフラグＩがセットされているか否かが判別さ
れる。フラグＩがセットされているとき、即ち機関の運
転状態が第１の運転領域Ｉであるときにはステップ１０
１に進んで要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ１（Ｎ）よりも大
きくなったか否かが判別される。Ｌ≦Ｘ１（Ｎ）のとき
にはステップ１０３に進んで低温燃焼が行われる。

【００８０】即ち、ステップ１０３では図１１（Ａ）に
示すマップからスロットル弁２０の目標開度ＳＴが算出
され、スロットル弁２０の開度がこの目標開度ＳＴとさ
れる。次いでステップ１０４では図１１（Ｂ）に示すマ
ップからＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥが算出され、
ＥＧＲ制御弁３１の開度がこの目標開度ＳＥとされる。
次いでステップ１０５では質量流量検出器２１により検
出された吸入空気の質量流量（以下、単に吸入空気量と
称す）Ｇａが取込まれ、次いでステップ１０６では図１
０（Ｂ）に示すマップから目標空燃比Ａ／Ｆが算出され
る。次いでステップ１０７では吸入空気量Ｇａと目標空
燃比Ａ／Ｆに基づいて空燃比を目標空燃比Ａ／Ｆとする
のに必要な燃料噴射量Ｑが算出される。

【００８１】このように低温燃焼が行われているときに
は要求負荷Ｌ又は機関回転数Ｎが変化するとスロットル
弁２０の開度およびＥＧＲ制御弁３１の開度がただちに
要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた目標開度ＳＴ，
ＳＥに一致せしめられる。従って例えば要求負荷Ｌが増
大せしめられるとただちに燃焼室５内の空気量が増大せ
しめられ、斯くして機関の発生トルクがただちに増大せ
しめられる。

【００８２】一方、スロットル弁２０の開度又はＥＧＲ
制御弁３１の開度が変化して吸入空気量が変化するとこ
の吸入空気量Ｇａの変化が質量流量検出器２１により検
出され、この検出された吸入空気量Ｇａに基づいて燃料
噴射量Ｑが制御される。即ち、吸入空気量Ｇａが実際に
変化した後に燃料噴射量Ｑが変化せしめられることにな
る。

【００８３】ステップ１０１においてＬ＞Ｘ（Ｎ）にな
ったと判別されたときにはステップ１０２に進んでフラ
グＩがリセットされ、次いでステップ１１０に進んで第
２の燃焼が行われる。

【００８４】即ち、ステップ１１０では図１４に示され
るマップから目標燃料噴射量Ｑが算出され、燃料噴射量
がこの目標燃料噴射量Ｑとされる。次いでステップ１１
１では図１３（Ａ）に示すマップからスロットル弁２０
の目標開度ＳＴが算出される。次いでステップ１１２で
は図１３（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁３１の目
標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁３１の開度がこの
目標開度ＳＥとされる。

【００８５】次いでステップ１１３では質量流量検出器
２１により検出された吸入空気量Ｇａが取込まれる。次
いでステップ１１４では燃料噴射量Ｑと吸入空気量Ｇａ
から実際の空燃比（Ａ／Ｆ）_R が算出される。次いでス
テップ１１５では図１２（Ｂ）に示すマップから目標空
燃比Ａ／Ｆが算出される。次いでステップ１１６では実
際の空燃比（Ａ／Ｆ）_R が目標空燃比Ａ／Ｆよりも大き
いか否かが判別される。（Ａ／Ｆ）_R ＞Ａ／Ｆのときに
はステップ１１７に進んでスロットル開度の補正値ΔＳ
Ｔが一定値αだけ減少せしめられ、次いでステップ１１
９へ進む。これに対して（Ａ／Ｆ）_R ≦Ａ／Ｆのときに
はステップ１１８に進んで補正値ΔＳＴが一定値αだけ
増大せしめられ、次いでステップ１１９に進む。ステッ
プ１１９ではスロットル弁２０の目標開度ＳＴに補正値
ΔＳＴを加算することにより最終的な目標開度ＳＴが算
出され、スロットル弁２０の開度がこの最終的な目標開
度ＳＴとされる。即ち、実際の空燃比（Ａ／Ｆ）_R が目
標空燃比Ａ／Ｆとなるようにスロットル弁２０の開度が
制御される。

【００８６】このように第２の燃焼が行われているとき
には要求負荷Ｌ又は機関回転数Ｎが変化すると燃料噴射
量がただちに要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた目
標燃料噴射量Ｑに一致せしめられる。例えば要求負荷Ｌ
が増大せしめられるとただちに燃料噴射量が増大せしめ
られ、斯くして機関の発生トルクがただちに増大せしめ
られる。

【００８７】一方、燃料噴射量Ｑが増大せしめられて空
燃比が目標空燃比Ａ／Ｆからずれると空燃比が目標空燃
比Ａ／Ｆとなるようにスロットル弁２０の開度が制御さ
れる。即ち、燃料噴射量Ｑが変化した後に空燃比が変化
せしめられることになる。

【００８８】フラグＩがリセットされると次の処理サイ
クルではステップ１００からステップ１０８に進んで要
求負荷Ｌが第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなったか否か
が判別される。Ｌ≧Ｙ（Ｎ）のときにはステップ１１０
に進み、リーン空燃比のもとで第２の燃焼が行われる。

【００８９】一方、ステップ１０８においてＬ＜Ｙ
（Ｎ）になったと判別されたときにはステップ１０９に
進んでフラグＩがセットされ、次いでステップ１０３に
進んで低温燃焼が行われる。

【００９０】これまで述べた実施形態では低温燃焼が行
われているときに燃料噴射量Ｑはオープンループ制御さ
れ、第２の燃焼が行われているときに空燃比がスロット
ル弁２０の開度を変化させることによって制御される。
しかしながら低温燃焼が行われているときに燃料噴射量
Ｑを空燃比センサ２７の出力信号に基づいてフィードバ
ック制御することもできるし、また第２の燃焼が行われ
ているときに空燃比をＥＧＲ制御弁３１の開度を変化さ
せることによって制御することもできる。

【００９１】次に、本実施形態の内燃機関の気筒間吸気
量のばらつき検出方法について説明する。本実施形態の
内燃機関の気筒間吸気量のばらつき検出方法を説明する
前に、その方法の基礎となる現象について説明する。図
１６は低温燃焼が実行される時の空燃比Ａ／Ｆと発生ト
ルクＴとの関係を示したグラフである。図１６におい
て、ΔＡ／Ｆ₁ は低温燃焼が実行されている時の燃料噴
射量のばらつきに伴う空燃比のばらつきを示しており、
ΔＴ₁ は低温燃焼が実行されている時の燃料噴射量のば
らつきに伴う発生トルクのばらつきを示しており、ΔＡ
／Ｆ₂ は低温燃焼が実行されている時の吸気量のばらつ
きに伴う空燃比のばらつきを示しており、ΔＴ₂ は低温
燃焼が実行されている時の燃料噴射量のばらつきに伴う
発生トルクのばらつきを示している。

【００９２】低温燃焼は燃焼に使用される空気があまり
余っていない状態で行われる。つまり、低温燃焼が行わ
れる時には、燃焼に使用される燃料がやや余り気味であ
ると言える。それゆえ、燃料噴射量がばらついても燃焼
に実際に使用される燃料量は変化しないため、図１６に
示すように、燃料噴射量のばらつきに伴う空燃比のばら
つきΔＡ／Ｆ₁ は比較的小さい。その結果、燃料噴射量
のばらつきに伴う発生トルクのばらつきΔＴ₁ も比較的
小さい。一方、低温燃焼が行われる時には、燃焼に使用
される空気はやや不足気味であると言える。それゆえ、
吸気量がばらつくと燃焼に実際に使用される空気量は顕
著に変化するため、図１６に示すように、吸気量のばら
つきに伴う空燃比のばらつきΔＡ／Ｆ₂ は、燃料噴射量
のばらつきに伴う空燃比のばらつきΔＡ／Ｆ₁ に比べて
大きくなる。その結果、吸気量のばらつきに伴う発生ト
ルクのばらつきΔＴ₂ も、燃料噴射量のばらつきに伴う
発生トルクのばらつきΔＴ₁ に比べて大きくなる。尚、
各気筒の発生トルクのばらつきは、各気筒の膨張行程を
含む行程における機関角速度を検出することにより得ら
れる。

【００９３】そこで、本実施形態の内燃機関の気筒間吸
気量ばらつき検出方法では、低温燃焼が行われる時に、
各気筒の膨張行程を含む行程における機関角速度を検出
し、検出された機関角速度に基づいて各気筒に供給され
る吸気量のばらつきを算出する。本実施形態の内燃機関
の気筒間吸気量ばらつき検出方法によれば、各気筒の燃
料噴射量のばらつきにかかわらず、各気筒の吸気量のば
らつきを正確に算出することができる。

【００９４】図１７は本実施形態の内燃機関の気筒間吸
気量ばらつき検出方法の一部を示したフローチャートで
ある。本ルーチンは、上死点１８０°クランクアングル
（ＴＤＣ１８０°ＣＡ）のタイミングで割り込み実行さ
れる。図１７に示すように、本ルーチンが開始される
と、まずステップ１７０１において、現在低温燃焼が行
われているか否かが判別される。ＮＯの時には、気筒間
吸気量のばらつきを検出できないので本ルーチンを終了
する。一方、ＹＥＳの時にはステップ１７０２におい
て、クランク角センサ５２及び加速度センサ６０によ
り、現在膨張行程を含む行程にある気筒がどの気筒であ
るかを判別すると共に、気筒番号ｉを更新する。本実施
形態の内燃機関は、１番気筒、３番気筒、４番気筒、２
番気筒の順序で膨張行程になるため、現在膨張行程を含
む行程にある気筒が１番気筒であると判別されたときに
は気筒番号ｉは１にされ（ｉ←１）、現在膨張行程を含
む行程にある気筒が３番気筒であると判別されたときに
は気筒番号ｉは２にされ（ｉ←２）、現在膨張行程を含
む行程にある気筒が４番気筒であると判別されたときに
は気筒番号ｉは３にされ（ｉ←３）、現在膨張行程を含
む行程にある気筒が２番気筒であると判別されたときに
は気筒番号ｉは４にされる（ｉ←４）。

【００９５】次いでステップ１７０３では、クランク角
センサ５２の出力信号に基づいて算出された膨張行程を
含む行程に要した時間ＴＩＭＥＲが、ｉ番気筒の膨張行
程を含む行程に要した時間Ｔｉとされる（Ｔｉ←ＴＩＭ
ＥＲ）。次いで１７０４では、ＴＩＭＥＲがリセットさ
れ、次の気筒の膨張行程を含む行程に要した時間を計測
するための準備がなされる。

【００９６】つまり、本ルーチンを最初に実行した時
に、例えば１番気筒の膨張行程を含む行程に要した時間
Ｔ₁ が得られると、次いで本ルーチンを実行した時に３
番気筒の膨張行程を含む行程に要した時間Ｔ₂ が得ら
れ、次いで本ルーチンを実行した時に４番気筒の膨張行
程を含む行程に要した時間Ｔ₃ が得られ、次いで本ルー
チンを実行した時に２番気筒の膨張行程を含む行程に要
した時間Ｔ₄ が得られる。

【００９７】次いで本実施形態の内燃機関の気筒間吸気
量ばらつき検出方法では、不図示のステップにおいて、
ｉ番気筒の吸気量のばらつき度合いを示すｉ番気筒の膨
張行程を含む行程に要した時間のばらつき係数Ｔｉ×４
／（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ＋Ｔ₃ ＋Ｔ₄）を算出する。ｉ番気筒の
吸気量が全気筒の平均吸気量よりも多いときにはこのば
らつき係数が１よりも大きくなり、ｉ番気筒の吸気量が
全気筒の平均吸気量よりも少ないときにはこのばらつき
係数が１よりも小さくなる。

【００９８】尚、本実施形態では、各気筒の膨張行程を
含む行程の全部に要する時間Ｔｉを検出することによ
り、各気筒の膨張行程を含む行程における機関角速度を
得ているが、他の実施形態では、各気筒の膨張行程を含
む行程の一部に要する時間を検出することにより、各気
筒の膨張行程を含む行程における機関角速度を得てもよ
い。

【００９９】また、上述したように低温燃焼時には気筒
間で燃料噴射量がばらついても各気筒の発生トルクのば
らつきは比較的小さいものの、各気筒の吸気量のばらつ
きをより一層正確に算出するために、他の実施形態で
は、各気筒の膨張行程を含む行程における機関角速度を
低温燃焼時において検出する前に、第２の燃焼（従来の
燃焼方法による燃焼）が行われている時に、各気筒に供
給される燃料噴射量のばらつきを補正するようにしても
よい。この実施形態によれば、低温燃焼時に算出される
各気筒の吸気量のばらつきは、各気筒の燃料噴射量のば
らつきの影響を受けないため、各気筒の燃料噴射量のば
らつきの補正を行わない場合よりも正確に各気筒の吸気
量のばらつきを算出することができる。

【０１００】尚、この実施形態の代わりに、つまり、第
２の燃焼時に各気筒の燃料噴射量のばらつきの補正を行
う代わりに、気筒間の燃料噴射量のばらつきの小さい燃
料噴射弁を使用することも可能である。

【０１０１】

【発明の効果】請求項１〜３に記載の発明によれば、内
燃機関から煤（スモーク）が排出されること及びＮＯｘ
が排出されることを同時に阻止しつつ、各気筒の燃料噴
射量のばらつきにかかわらず、各気筒の吸気量のばらつ
きを正確に算出することができる。

【０１０２】請求項４及び５に記載の発明によれば、各
気筒の燃料噴射量のばらつきの影響を受けることなく、
各気筒の吸気量のばらつきをより一層正確に算出するこ
とができる。

【０１０３】請求項６及び７に記載の発明によれば、未
燃炭化水素が内燃機関から排出されるのを阻止すること
ができる。

【０１０４】請求項８に記載の発明によれば、外部から
燃焼室内に不活性ガスを供給する手段を特別に設ける必
要性を回避することができる。

【０１０５】請求項９及び１０に記載の発明によれば、
排気ガス再循環率が、煤の発生量がピークになる排気ガ
ス再循環率に設定されるのを回避することができる。

【０１０６】請求項１１に記載の発明によれば、運転領
域に応じて適切な燃焼を実行することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。

【図２】スモークおよびＮＯｘの発生量等を示す図であ
る。

【図３】燃焼圧を示す図である。

【図４】燃料分子を示す図である。

【図５】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図
である。

【図６】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図であ
る。

【図７】第１の運転領域Ｉおよび第２の運転領域IIを示
す図である。

【図８】空燃比センサの出力を示す図である。

【図９】スロットル弁の開度等を示す図である。

【図１０】第１の運転領域Ｉにおける空燃比等を示す図
である。

【図１１】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図
である。

【図１２】第２の燃焼における空燃比等を示す図であ
る。

【図１３】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図
である。

【図１４】燃料噴射量のマップを示す図である。

【図１５】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。

【図１６】低温燃焼が実行される時の空燃比Ａ／Ｆと発
生トルクＴとの関係を示したグラフである。

【図１７】内燃機関の気筒間吸気量ばらつき検出方法の
一部を示したフローチャートである。

【符号の説明】

５…燃焼室 ２０…スロットル弁 ２９…ＥＧＲ通路 ３１…ＥＧＲ制御弁 ５２…クランク角センサ ６０…加速度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０１Ｎ 3/24 Ｆ０１Ｎ 3/24 Ｅ Ｂ Ｓ Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１ Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１Ｈ 41/40 41/40 Ｎ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５５０ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５５０Ｆ ５５０Ｐ ５７０ ５７０Ｄ (72)発明者 佐々木 静夫 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 吉▲崎▼ 康二 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 村田 宏樹 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G062 AA01 AA03 BA04 BA06 CA07 CA08 GA01 GA04 3G084 AA01 AA03 BA05 BA09 BA13 BA20 CA03 CA04 DA04 DA10 EA07 EB08 FA00 FA07 FA10 FA18 FA39 3G091 AA02 AA10 AA11 AA18 AA28 AB02 AB03 AB06 BA13 BA14 CB02 CB07 EA03 EA05 EA07 FA13 FA14 HB05 3G092 AA02 AA17 AA18 AB03 BA04 BB01 BB08 DC01 DC09 EB05 EC09 FA06 FA17 FA18 GA05 GA06 HA02Z HA06Z HA11Z HE03Z HE05Z HF23Z 3G301 HA02 HA06 HA11 HA13 JA20 JA24 JA25 KA08 KA09 LA00 LA01 MA01 MA11 NC04 PA02Z PA11Z PA17Z PE03Z PE05Z PF02Z

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の気筒を具備し、燃焼室内に供給さ
   れる不活性ガスの量を増大していくと煤の発生量が次第
   に増大してピークに達し、前記燃焼室内に供給される不
   活性ガスの量を更に増大していくと前記燃焼室内におけ
   る燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度
   よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる内燃機関
   の気筒間吸気量ばらつき検出装置であって、煤の発生量
   がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供
   給される不活性ガスの量が多く煤がほとんど発生しない
   燃焼を実行可能であり、前記煤がほとんど発生しない燃
   焼が行われる時に、各気筒の膨張行程を含む行程におけ
   る機関角速度を検出し、検出された前記機関角速度に基
   づいて各気筒に供給される吸気量のばらつきを算出する
   ようにした内燃機関の気筒間吸気量ばらつき検出装置。
2. 【請求項２】 前記機関角速度が、各気筒の膨張行程を
   含む行程の一部に要する時間を検出することにより得ら
   れる請求項１に記載の内燃機関の気筒間吸気量ばらつき
   検出装置。
3. 【請求項３】 前記機関角速度が、各気筒の膨張行程を
   含む行程の全部に要する時間を検出することにより得ら
   れる請求項１に記載の内燃機関の気筒間吸気量ばらつき
   検出装置。
4. 【請求項４】 前記機関角速度を検出する前に、各気筒
   に供給される燃料噴射量のばらつきを補正するようにし
   た請求項１に記載の内燃機関の気筒間吸気量ばらつき検
   出装置。
5. 【請求項５】 前記煤がほとんど発生しない燃焼である
   第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガスの
   量よりも前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量が少
   ない第２の燃焼とを選択的に切り換える切換手段を具備
   し、前記第２の燃焼が行われる時に、各気筒に供給され
   る燃料噴射量のばらつきを補正するようにした請求項４
   に記載の内燃機関の気筒間吸気量ばらつき検出装置。
6. 【請求項６】 前記燃焼室から排出された未燃炭化水素
   を酸化するために機関排気通路内に酸化機能を有する触
   媒を配置した請求項１に記載の内燃機関の気筒間吸気量
   ばらつき検出装置。
7. 【請求項７】 前記触媒が酸化触媒、三元触媒又はＮＯ
   ｘ吸収剤の少くとも一つからなる請求項６に記載の内燃
   機関の気筒間吸気量ばらつき検出装置。
8. 【請求項８】 前記燃焼室から排出された排気ガスを機
   関吸気通路内に再循環させる排気ガス再循環装置を具備
   し、前記不活性ガスが前記機関吸気通路内に再循環され
   た再循環排気ガスからなる請求項１に記載の内燃機関の
   気筒間吸気量ばらつき検出装置。
9. 【請求項９】 前記煤がほとんど発生しない燃焼である
   第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガ
   スの量よりも前記燃焼室内に供給される再循環排気ガス
   の量が少ない第２の燃焼とを選択的に切り換える切換手
   段を具備し、前記第１の燃焼から前記第２の燃焼に又は
   前記第２の燃焼から前記第１の燃焼に切り換えられると
   きに排気ガス再循環率をステップ状に変化させるように
   した請求項８に記載の内燃機関の気筒間吸気量ばらつき
   検出装置。
10. 【請求項１０】 前記第１の燃焼が行われているときの
    排気ガス再循環率がほぼ５５パーセント以上であり、前
    記第２の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率が
    ほぼ５０パーセント以下である請求項９に記載の内燃機
    関の気筒間吸気量ばらつき検出装置。
11. 【請求項１１】 機関の運転領域を低負荷側の第１の運
    転領域と高負荷側の第２の運転領域とに分割し、前記第
    １の運転領域では前記第１の燃焼を行い、前記第２の運
    転領域では前記第２の燃焼を行うようにした請求項９に
    記載の内燃機関の気筒間吸気量ばらつき検出装置。