JP2000130270A - 内燃機関 - Google Patents

内燃機関

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 煤及びＮＯｘの排出を同時に阻止しつつ、小
容量の水冷式冷却装置であっても再循環排気ガスを所望
の温度まで冷却すると共に、安定した温度の再循環排気
ガスを燃焼室内に供給する。 【解決手段】 煤の発生量がピークとなるＥＧＲガス量
よりも燃焼室５内に供給されるＥＧＲガス量が多く煤が
ほとんど発生しない低温燃焼を実行可能であり、機関排
気通路と前記機関吸気通路とを連結するＥＧＲ通路２９
内に空冷式ＥＧＲクーラ１０３２と水冷式ＥＧＲクーラ
３２とを配置すると共に、ＥＧＲ通路２９内を流れるＥ
ＧＲガスをまず空冷式ＥＧＲクーラ１０３２により冷却
し、次いで冷却水温が外気温よりも安定している水冷式
ＥＧＲクーラ３２により冷却する。

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、水冷式冷却装置の容量をあまり大き
くできない場合であっても再循環排気ガスを所望の温度
まで冷却することができ、更に、安定した温度の再循環
排気ガスを燃焼室内に供給することができる内燃機関を
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、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、前記燃
焼室内に供給される再循環排気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
室内に供給される再循環排気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であって、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多く煤がほとんど発生しない
燃焼を実行可能であり、機関排気通路と前記機関吸気通
路とを連結する排気ガス再循環通路内に空冷式冷却装置
と水冷式冷却装置とを配置すると共に、前記排気ガス再
循環排気通路内を流れる再循環排気ガスをまず前記空冷
式冷却装置により冷却し、次いで前記水冷式冷却装置に
より冷却するようにした内燃機関が提供される。
【００１２】請求項１に記載の内燃機関では、煤の発生
量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも燃焼室内に
供給される再循環排気ガスの量が多く煤がほとんど発生
しない低温燃焼を実行可能であるため、煤及びＮＯｘの
排出を同時に阻止することができる。更に、水冷式冷却
装置だけでなく空冷式冷却装置を排気ガス再循環通路内
に配置したため、水冷式冷却装置の容量をあまり大きく
できない場合であっても、再循環排気ガスを所望の温度
まで冷却することができ、それゆえ、低温燃焼を実行可
能な機関運転領域を拡大することができる。その上、再
循環排気ガスをまず空冷式冷却装置により冷却し、次い
で外気温の変動にかかわらず冷却水温が比較的安定して
いる水冷式冷却装置により冷却するため、安定した温度
の再循環排気ガスを燃焼室内に供給することができる。
【００１３】請求項２に記載の発明によれば、排気ター
ビン過給機を具備し、前記機関吸気通路内の前記排気タ
ービン過給機のコンプレッサよりも上流側部分と前記水
冷式冷却装置とを連結したコンプレッサ上流側通路と、
前記機関吸気通路内の前記排気タービン過給機のコンプ
レッサよりも下流側部分と前記水冷式冷却装置とを連結
したコンプレッサ下流側通路とを具備し、前記機関吸気
通路と前記水冷式冷却装置とを連通させる通路が、要求
される再循環排気ガスの量に応じて前記コンプレッサ上
流側通路又は前記コンプレッサ下流側通路に切り換えら
れる請求項１に記載の内燃機関が提供される。
【００１４】請求項３に記載の発明によれば、要求され
る再循環排気ガスの量が多い時、前記コンプレッサ上流
側通路を介して前記機関吸気通路と前記水冷式冷却装置
とが連通される請求項２に記載の内燃機関が提供され
る。
【００１５】請求項２及び３に記載の内燃機関では、要
求再循環排気ガス量が多い時、機関吸気通路内の排気タ
ービン過給機のコンプレッサよりも上流側部分と水冷式
冷却装置とを連結したコンプレッサ上流側通路を介して
機関吸気通路と水冷式冷却装置とが連通されるため、機
関吸気通路内に導入された再循環排気ガスがコンプレッ
サにより加圧される。それゆえ、コンプレッサにより加
圧されない場合よりも多量の再循環排気ガスを燃焼室内
に供給することができる。
【００１６】請求項４に記載の発明によれば、排気ター
ビン過給機と、前記燃焼室から排出された未燃炭化水素
を酸化するために前記機関排気通路内の前記排気タービ
ン過給機のタービンの下流側に配置された酸化機能を有
する触媒とを具備し、前記機関排気通路内の前記排気タ
ービン過給機のタービンよりも上流側部分と前記空冷式
冷却装置とを連結したタービン上流側通路と、前記機関
排気通路内の前記触媒よりも下流側部分と前記空冷式冷
却装置とを連結した触媒下流側通路とを具備し、前記機
関排気通路と前記空冷式冷却装置とを連通させる通路
が、要求される再循環排気ガスの量に応じて前記タービ
ン上流側通路又は前記触媒下流側通路に切り換えられる
請求項１に記載の内燃機関が提供される。
【００１７】請求項５に記載の発明によれば、要求され
る再循環排気ガスの量が多い時、前記触媒下流側通路を
介して前記機関排気通路と前記空冷式冷却装置とが連通
される請求項４に記載の内燃機関が提供される。
【００１８】請求項４及び５に記載の内燃機関では、要
求再循環排気ガス量が多い時、機関排気通路内の触媒よ
りも下流側部分と空冷式冷却装置とを連結した触媒下流
側通路を介して機関排気通路と空冷式冷却装置とが連通
される、つまり、触媒により浄化された再循環排気ガス
が排気ガス再循環通路内を通される。その結果、排気ガ
ス再循環通路内に多量のデポジットが付着してしまうの
を回避することができる。更に、請求項４及び５に記載
の内燃機関では、要求再循環排気ガス量が少ない時、つ
まり、排気ガス再循環通路内に多量のデポジットが付着
する心配がない時に、機関排気通路内の排気タービン過
給機のタービンよりも上流側部分、即ち、前記下流側部
分よりも機関に近い部分と空冷式冷却装置とを連結した
タービン上流側通路を介して機関排気通路と空冷式冷却
装置とが連通される。その結果、燃焼室内に再循環排気
ガスを供給する際に機関の排圧を利用することができ
る。
【００１９】請求項６に記載の発明によれば、前記燃焼
室内に供給される再循環排気ガスの量を絞るための再循
環排気ガス制御弁を備えると共に前記水冷式冷却装置と
前記機関吸気通路とを連結した再循環排気ガス制御弁付
き通路と、前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの
量を絞るための再循環排気ガス制御弁を有さないために
前記再循環排気ガス制御弁付き通路よりも再循環排気ガ
スの圧力損失が小さくかつ前記水冷式冷却装置と前記機
関吸気通路とを連結した再循環排気ガス制御弁なし通路
とを具備し、前記機関吸気通路と前記水冷式冷却装置と
を連通させる通路が、要求される再循環排気ガスの量に
応じて前記再循環排気ガス制御弁付き通路又は前記再循
環排気ガス制御弁なし通路に切り換えられる請求項１に
記載の内燃機関が提供される。
【００２０】請求項７に記載の発明によれば、要求され
る再循環排気ガスの量が多い時、前記再循環排気ガス制
御弁なし通路を介して前記機関吸気通路と前記水冷式冷
却装置とが連通される請求項６に記載の内燃機関が提供
される。
【００２１】請求項６及び７に記載の内燃機関では、要
求再循環排気ガス量が多い時、再循環排気ガス制御弁な
し通路を介して機関吸気通路と水冷式冷却装置とが連通
されるため、再循環排気ガス制御弁付き通路を介して燃
焼室内に再循環排気ガスを供給する場合よりも、再循環
排気ガスの圧力損失が小さくなる。その結果、多量の再
循環排気ガスを容易に供給することができる。
【００２２】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
記載の内燃機関が提供される。
【００２３】請求項９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８に記載の内燃機関が提供される。
【００２４】請求項８及び９に記載の内燃機関では、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。
【００２５】請求項１０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１に記載の
内燃機関が提供される。
【００２６】請求項１０に記載の内燃機関では、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。
【００２７】請求項１１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１０に記載の内燃機関が提供される。
【００２８】請求項１１に記載の内燃機関では、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。
【００２９】請求項１２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１０に記載の内燃機関が提供
される。
【００３０】請求項１２に記載の内燃機関では、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。
【００３１】
【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。
【００３２】図１は本発明を４ストローク圧縮着火式内
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。
【００３３】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。
【００３４】機関排気通路と機関吸気通路とは排気ガス
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内には水冷式ＥＧＲクーラ３
２と空冷式ＥＧＲクーラ１０３２とが配置される。機関
排気通路の側から機関吸気通路の側に向かってＥＧＲ通
路２９内を流れるＥＧＲガスは、まず空冷式ＥＧＲクー
ラ１０３２によってある程度の温度まで冷却され、次い
で水冷式ＥＧＲクーラ３２によって目標温度まで冷却さ
れる。
【００３５】詳細には、コンプレッサ１６の上流側の空
気吸込管１７と水冷式ＥＧＲクーラ３２とは第一通路１
０２９を介して連結され、機関吸気通路内のコンプレッ
サ１６よりも下流側の部分と水冷式ＥＧＲクーラ３２と
は第二通路２０２９を介して連結される。第二通路２０
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、機関排気通路内のター
ビン２３よりも上流側の部分と空冷式ＥＧＲクーラ１０
３２とは第三通路３０２９を介して連結され、触媒２５
の下流側の排気管２８と空冷式ＥＧＲクーラ１０３２と
は第四通路４０２９を介して連結される。第一通路１０
２９、第二通路２０２９、第三通路３０２９及び第四通
路４０２９の連通・遮断の切換は切換弁６０により行わ
れる。第一通路１０２９内にはＥＧＲガス量を絞るＥＧ
Ｒ制御弁が配置されないため、第一通路１０２９内を流
れるＥＧＲガスの圧力損失は、ＥＧＲ制御弁３１の全開
時に第二通路２０２９内を流れるＥＧＲガスの圧力損失
よりも小さくなる。図１に示される実施形態では機関冷
却水がＥＧＲ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。
【００３６】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。
【００３７】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。機関回転数はクランク角センサ５２の朱
津直値に基づいて算出される。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、燃料ポンプ３５及び切換弁６０に接
続される。
【００３８】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。
【００３９】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。
【００４０】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。
【００４１】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。
【００４２】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。
【００４３】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。
【００４４】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。
【００４５】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。
【００４６】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。
【００４７】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。
【００４８】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。
【００４９】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。
【００５０】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。
【００５１】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。
【００５２】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。
【００５３】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。
【００５４】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。
【００５５】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。
【００５６】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。
【００５７】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。
【００５８】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。
【００５９】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。
【００６０】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。
【００６１】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。
【００６２】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。
【００６３】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。
【００６４】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。
【００６５】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。
【００６６】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。
【００６７】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。
【００６８】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。
【００６９】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。
【００７０】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。
【００７１】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。
【００７２】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。
【００７３】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。
【００７４】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。
【００７５】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。
【００７６】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。
【００７７】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。
【００７８】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。
【００７９】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。
【００８０】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。
【００８１】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。
【００８２】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。
【００８３】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Ｘ（Ｎ）よりも大き
くなったか否かが判別される。Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときには
ステップ１０５に進んで低温燃焼が行われる。
【００８４】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１１９に進んで第
２の燃焼が行われる。
【００８５】ステップ１００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
れていない、つまり、機関の運転状態が第２の運転領域
IIであると判断されると、ステップ１０３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１１９に
進み、リーン空燃比のもとで第２の燃焼が行われる。
【００８６】一方、ステップ１０３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１０４に
進んでフラグＩがセットされ、次いでステップ１０５に
進んで低温燃焼が行われる。
【００８７】ステップ１０５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１０６では図１１（Ｂ）に示すマップか
らＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥが算出される。次い
でステップ１０７では目標開度ＳＥが全開ＳＥｍａｘで
あるか否かが判別される。ＹＥＳの時には要求ＥＧＲ量
が多いと判断し、大量のＥＧＲガスを容易に供給するた
めに、ステップ１０８においてＥＧＲガスの圧力損失の
小さい第一通路１０２９を連通すると共に、ステップ１
０９においてＥＧＲガスの圧力損失の大きい第二通路２
０２９を遮断する。次いでＥＧＲ通路２９内に大量のデ
ポジットが付着するのを回避するために、ステップ１１
０において第三通路３０２９を遮断すると共に、ステッ
プ１１１において第四通路４０２９を連通する。
【００８８】一方、ステップ１０７においてＮＯと判別
した時には、要求ＥＧＲ量が少なくＥＧＲ量を微妙に調
節する必要があると判断し、正確な量のＥＧＲガスを容
易に供給するために、ステップ１１２においてＥＧＲ制
御弁のない第一通路１０２９を遮断すると共に、ＥＧＲ
制御弁３１を有する第二通路２０２９を連通する。次い
で機関の排圧を利用してＥＧＲガスを供給するために、
ステップ１１４において第三通路３０２９を連通すると
共に、ステップ１１５において第四通路４０２９を遮断
する。
【００８９】次いでステップ１１６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１
１７では図１０（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１１８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。
【００９０】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。
【００９１】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。
【００９２】ステップ１１９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１２０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１２１では図１
３（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。
【００９３】次いでステップ１２２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１２３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１２４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１２５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１２６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１２
８へ進む。これに対して（Ａ／Ｆ）R ≦Ａ／Ｆのときに
はステップ１２７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１２８に進む。ステッ
プ１２８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。
【００９４】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。
【００９５】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。
【００９６】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。
【００９７】上述したように本実施形態によれば、ステ
ップ１０５からステップ１１８において、煤の発生量が
ピークとなるＥＧＲガス量よりも燃焼室５内に供給され
るＥＧＲガス量が多く煤がほとんど発生しない低温燃焼
を行うため、煤及びＮＯｘの排出を同時に阻止すること
ができる。更に、水冷式ＥＧＲクーラ３２だけでなく空
冷式ＥＧＲクーラ１０３２をＥＧＲ通路２９内に配置し
たため、水冷式ＥＧＲクーラ３２の容量をあまり大きく
できない場合であっても、ＥＧＲガスを所望の温度まで
冷却することができ、それゆえ、低温燃焼を実行可能な
機関運転領域を拡大することができる。その上、ＥＧＲ
ガスをまず空冷式ＥＧＲクーラ１０３２により冷却し、
次いで外気温の変動にかかわらず冷却水温が比較的安定
している水冷式ＥＧＲクーラ３２により冷却するため、
安定した温度のＥＧＲガスを燃焼室５内に供給すること
ができる。
【００９８】更に本実施形態によれば、ステップ１０７
において要求ＥＧＲガス量が多いと判断した時に、ステ
ップ１０８においてコンプレッサ１６の上流側の空気吸
込管１７と水冷式ＥＧＲクーラ３２とを連結した第一通
路１０２９を介して機関吸気通路と水冷式ＥＧＲクーラ
３２とが連通されるため、機関吸気通路内に導入された
ＥＧＲガスがコンプレッサ１６により加圧される。それ
ゆえ、コンプレッサにより加圧されない場合よりも多量
のＥＧＲガスを燃焼室５内に供給することができる。
【００９９】更に本実施形態によれば、ステップ１０７
において要求ＥＧＲガス量が多いと判断した時に、ステ
ップ１１１において触媒２５の下流側の排気管２８と空
冷式ＥＧＲクーラ１０３２とを連結した第四通路４０２
９を介して機関排気通路と空冷式ＥＧＲクーラ１０３２
とが連通される、つまり、触媒２５により浄化されたＥ
ＧＲガスがＥＧＲ通路２９内を通される。その結果、Ｅ
ＧＲ通路２９内に多量のデポジットが付着してしまうの
を回避することができる。更に、ステップ１０７におい
て要求ＥＧＲガス量が少ないと判断した時、ＥＧＲ通路
２９内に多量のデポジットが付着する心配がない時に、
ステップ１１４においてタービン２３よりも上流側の部
分、即ち、触媒２５の下流側の部分よりも機関本体１に
近い部分と空冷式ＥＧＲクーラ１０３２とを連結した第
三通路３０２９を介して機関排気通路と空冷式ＥＧＲク
ーラ１０３２とが連通される。その結果、燃焼室５内に
ＥＧＲガスを供給する際に機関の排圧を利用することが
できる。
【０１００】更に本実施形態によれば、ステップ１０７
において要求ＥＧＲガス量が多いと判断した時に、ステ
ップ１０８においてＥＧＲ制御弁のない第一通路１０２
９を介して機関吸気通路と水冷式ＥＧＲクーラ３２とが
連通されるため、ＥＧＲ制御弁３１を有する第二通路２
０２９を介して燃焼室５内にＥＧＲガスを供給する場合
よりも、ＥＧＲガスの圧力損失が小さくなる。その結
果、多量のＥＧＲガスを容易に供給することができる。
【０１０１】
【発明の効果】請求項１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、水冷式冷却装置の容
量をあまり大きくできない場合であっても再循環排気ガ
スを所望の温度まで冷却することができ、更に、安定し
た温度の再循環排気ガスを燃焼室内に供給することがで
きる。
【０１０２】請求項２及び３に記載の発明によれば、機
関吸気通路内に導入された再循環排気ガスをコンプレッ
サで加圧することにより、コンプレッサにより加圧され
ない場合よりも、多量の再循環排気ガスを燃焼室内に供
給することができる。
【０１０３】請求項４及び５に記載の発明によれば、排
気ガス再循環通路内に多量のデポジットが付着してしま
うのを回避すると共に、燃焼室内に再循環排気ガスを供
給する際に機関の排圧を利用することができる。
【０１０４】請求項６及び７に記載の発明によれば、再
循環排気ガスの圧力損失を小さくすることにより、多量
の再循環排気ガスを容易に供給することができる。
【０１０５】請求項８及び９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。
【０１０６】請求項１０及び１１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。
【０１０７】請求項１２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】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。
【符号の説明】
５…燃焼室 １５…排気ターボチャージャ ２９…ＥＧＲ通路 ３１…ＥＧＲ制御弁 ３２…水冷式ＥＧＲクーラ ６０…切換弁 １０３２…空冷式ＥＧＲクーラ
───────────────────────────────────────────────────── 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 3/02 Ｆ０１Ｎ 3/02 Ｌ ３０１ ３０１Ｋ ３０１Ｅ 3/08 3/08 Ａ 3/24 3/24 Ｓ Ｔ Ｆ０２Ｂ 37/00 ３０２ Ｆ０２Ｂ 37/00 ３０２Ｆ Ｆターム(参考） 3G005 DA02 EA14 EA16 FA35 FA51 GB15 GB17 HA12 3G062 AA01 AA05 BA02 BA05 BA06 CA06 ED03 ED08 ED11 FA09 FA10 GA04 GA05 GA06 GA15 GA21 3G090 AA06 EA05 EA06 3G091 AA10 AA11 AA18 AB02 AB03 AB06 BA17 BA19 BA36 CB02 CB07 CB08 EA00 EA01 EA02 EA05 EA07 EA30 EA34 FB10 FB11 FB12 GB01X GB02W GB03W GB04W GB05W GB06W GB10X GB17X HA36 HB05 HB06

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 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、
    前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量を増大し
    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再循環排気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であって、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多く煤がほとんど発生
    しない燃焼を実行可能であり、機関排気通路と前記機関
    吸気通路とを連結する排気ガス再循環通路内に空冷式冷
    却装置と水冷式冷却装置とを配置すると共に、前記排気
    ガス再循環排気通路内を流れる再循環排気ガスをまず前
    記空冷式冷却装置により冷却し、次いで前記水冷式冷却
    装置により冷却するようにした内燃機関。
  2. 【請求項２】 排気タービン過給機を具備し、前記機関
    吸気通路内の前記排気タービン過給機のコンプレッサよ
    りも上流側部分と前記水冷式冷却装置とを連結したコン
    プレッサ上流側通路と、前記機関吸気通路内の前記排気
    タービン過給機のコンプレッサよりも下流側部分と前記
    水冷式冷却装置とを連結したコンプレッサ下流側通路と
    を具備し、前記機関吸気通路と前記水冷式冷却装置とを
    連通させる通路が、要求される再循環排気ガスの量に応
    じて前記コンプレッサ上流側通路又は前記コンプレッサ
    下流側通路に切り換えられる請求項１に記載の内燃機
    関。
  3. 【請求項３】 要求される再循環排気ガスの量が多い
    時、前記コンプレッサ上流側通路を介して前記機関吸気
    通路と前記水冷式冷却装置とが連通される請求項２に記
    載の内燃機関。
  4. 【請求項４】 排気タービン過給機と、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前記機関排気
    通路内の前記排気タービン過給機のタービンの下流側に
    配置された酸化機能を有する触媒とを具備し、前記機関
    排気通路内の前記排気タービン過給機のタービンよりも
    上流側部分と前記空冷式冷却装置とを連結したタービン
    上流側通路と、前記機関排気通路内の前記触媒よりも下
    流側部分と前記空冷式冷却装置とを連結した触媒下流側
    通路とを具備し、前記機関排気通路と前記空冷式冷却装
    置とを連通させる通路が、要求される再循環排気ガスの
    量に応じて前記タービン上流側通路又は前記触媒下流側
    通路に切り換えられる請求項１に記載の内燃機関。
  5. 【請求項５】 要求される再循環排気ガスの量が多い
    時、前記触媒下流側通路を介して前記機関排気通路と前
    記空冷式冷却装置とが連通される請求項４に記載の内燃
    機関。
  6. 【請求項６】 前記燃焼室内に供給される再循環排気ガ
    スの量を絞るための再循環排気ガス制御弁を備えると共
    に前記水冷式冷却装置と前記機関吸気通路とを連結した
    再循環排気ガス制御弁付き通路と、前記燃焼室内に供給
    される再循環排気ガスの量を絞るための再循環排気ガス
    制御弁を有さないために前記再循環排気ガス制御弁付き
    通路よりも再循環排気ガスの圧力損失が小さくかつ前記
    水冷式冷却装置と前記機関吸気通路とを連結した再循環
    排気ガス制御弁なし通路とを具備し、前記機関吸気通路
    と前記水冷式冷却装置とを連通させる通路が、要求され
    る再循環排気ガスの量に応じて前記再循環排気ガス制御
    弁付き通路又は前記再循環排気ガス制御弁なし通路に切
    り換えられる請求項１に記載の内燃機関。
  7. 【請求項７】 要求される再循環排気ガスの量が多い
    時、前記再循環排気ガス制御弁なし通路を介して前記機
    関吸気通路と前記水冷式冷却装置とが連通される請求項
    ６に記載の内燃機関。
  8. 【請求項８】 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。
  9. 【請求項９】 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８に記載の内燃
    機関。
  10. 【請求項１０】 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１に記載の内燃機関。
  11. 【請求項１１】 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１０に記載の内燃
    機関。
  12. 【請求項１２】 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１０
    に記載の内燃機関。
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