JP2000145439A - 内燃機関 - Google Patents

内燃機関

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関から放出される炭化水素を完全に浄
化できるシステムを構築する。 【解決手段】 燃焼室内に供給される不活性ガス量を増
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、燃焼室内に供給される不活性ガス量を更に増大して
いくと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において、排気ガス中のHCを吸
着させるHC吸着剤を機関排気通路内に配置した。

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
x 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
x 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。この新たな燃焼システムを採用した内燃
機関については本出願人により既に出願されている(特
願平9−305850号)。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところでこの新たな燃
焼システムでは上述したように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
て浄化しているが、例えば酸化触媒等の温度が炭化水素
を浄化できる温度、即ち活性温度より低いときには炭化
水素を浄化できない。従って完全に炭化水素を浄化でき
るシステムが必要である。
【0010】本発明の目的は新たな燃焼システムにおい
て完全に炭化水素を浄化できるシステムを構築すること
にある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、1番目の発明では、燃焼室内に供給される不活性ガ
ス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、燃焼室内に供給される不活性ガス量を更に増
大していくと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において、排気ガス中のH
Cを吸着させるHC吸着剤を機関排気通路内に配置す
る。
【0012】即ち、排気ガス中の炭化水素はHC吸着剤
に吸着される。2番目の発明によれば1番目の発明にお
いて、燃焼室から排出された排気ガスを機関吸気通路内
に再循環させる再循環装置を具備し、上記不活性ガスが
再循環排気ガスからなる。3番目の発明によれば2番目
の発明において、排気ガス再循環率がほぼ55パーセン
ト以上である。
【0013】4番目の発明によれば1番目の発明におい
て、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気
ガス中に含まれるNOx を吸収しかつ流入する排気ガス
の空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したNO
x を放出するNOx 吸収剤を前記機関排気通路に配置す
る。5番目の発明によれば4番目の発明において、前記
NOx 吸収剤が予め定められた温度以上で排気ガス中の
HCを酸化する機能を有し、NOx 吸収剤の温度が前記
予め定められた温度より低いときには燃焼室内への燃料
の噴射時期を遅らせるようにする。
【0014】6番目の発明によれば1番目の発明におい
て、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼
室内に供給される不活性ガス量が多く煤がほとんど発生
しない第1の燃焼と、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に供給される不活性ガス量が少な
い第2の燃焼とを選択的に切換える切換手段を具備す
る。
【0015】7番目の発明によれば6番目の発明におい
て、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の運転領域に分割し、第1の運転領域では第
1の燃焼を行い、第2の運転領域では第2の燃焼を行う
ようにする。8番目の発明によれば6番目の発明におい
て第1の燃焼が行われているときに前記HC吸着剤に吸
着しているHCを除去すべきときには第1の燃焼を第2
の燃焼に切り換える。
【0016】
【発明の実施の形態】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場合を示している。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。
【0017】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。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2
0下流の空気吸込管17とは排気ガス再循環(以下、E
GR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E
GR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、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。
【0018】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。
【0019】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。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3
0および燃料ポンプ35に接続される。
【0020】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。
【0021】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
x 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。
【0022】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。
【0023】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
x 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。
【0024】第2のスモークの発生量、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。
【0025】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。
【0026】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。
【0027】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から排出されるか、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。酸化機
能を有する触媒としては酸化触媒、三元触媒、NOx
収剤がある。
【0028】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。
【0029】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の燃料
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。
【0030】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。
【0031】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。
【0032】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。
【0033】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。一方、図5の曲線Bで示さ
れるようにEGR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。
【0034】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。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。このような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。
【0035】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。
【0036】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に示す実施例では7
0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
生量は10p.p.m 前後、又はそれ以下であり、従ってN
x の発生量は極めて少量となる。
【0037】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。
【0038】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L0 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L0 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L 0 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。
【0039】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L0 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L0 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、スロットル弁20が
若干閉弁せしめられる。
【0040】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なくしても、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。
【0041】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。
【0042】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。
【0043】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
による実施例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
が少ない燃焼のことを言う。
【0044】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。
【0045】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。
【0046】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。
【0047】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後に詳述す
るパティキュレートフィルタ53に捕集される。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。
【0048】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。
【0049】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。
【0050】なお、アイドリング運転時にはスロットル
弁20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2
0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、アイドリン
グ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20が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【0051】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。
【0052】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。
【0053】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。即ち、要求負荷Lが低くなるほど燃焼による発熱量
が少なくなる。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例では要
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。
【0054】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。
【0055】また、第1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12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。図13
(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13(A)においてA/F=24,A/F=3
5,A/F=45,A/F=60で示される各曲線は夫
々目標空燃比24,35,45,60を示している。図
13(A)に示される目標空燃比A/Fは図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。また、空燃比を図13(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14(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13(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S
Eが図14(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。
【0056】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15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。ところで排
気管24には排気ガス中に含まれる未燃炭化水素(H
C)を吸着させるHC吸着剤53が配置されている。H
C吸着剤53は後述するNOx 吸収剤がNOx を吸放出
できる温度、即ち活性温度より低い温度でもHCを吸収
することができる。
【0057】一方、図1においてケーシング26内には
NOx 吸収剤25が配置されている。NOx 吸収剤25
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Na、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なくとも一つと、白金P
tのような貴金属とが担持されている。機関吸気通路、
燃焼室5およびNOx 吸収剤25上流の排気通路内に供
給された空気および燃料(炭化水素)の比をNOx 吸収
剤25への流入排気ガスの空燃比と称するとこのNOx
吸収剤25は流入排気ガスの空燃比がリーンのときには
NOx を吸収し、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比又
はリッチになると吸収したNOx を放出するNOx の吸
放出作用を行う。
【0058】このNOx 吸収剤25を機関排気通路内に
配置すればNOx 吸収剤25は実際にNOx の吸放出作
用を行うがこの吸放出作用の詳細なメカニズムについて
は明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放出作
用は図16に示すようなメカニズムで行われているもの
と考えられる。次にこのメカニズムについて担体上に白
金PtおよびバリウムBaを担持させた場合を例にとっ
て説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土
類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【0059】図1に示される圧縮着火式内燃機関では通
常燃焼室5における空燃比がリーンの状態で燃焼が行わ
れる。このように空燃比がリーンの状態で燃焼が行われ
ている場合には排気ガス中の酸素濃度は高く、このとき
には図16(A)に示されるようにこれら酸素O2 がO
2 - 又はO2-の形で白金Ptの表面に付着する。一方、
流入排気ガス中のNOは白金Ptの表面上でO2 - 又は
2-と反応し、NO2となる(2NO+O2 →2N
2 )。次いで生成されたNO2 の一部は白金Pt上で
酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムBaO
と結合しながら図16(A)に示されるように硝酸イオ
ンNO3 - の形で吸収剤内に拡散する。このようにして
NOx がNOx 吸収剤25内に吸収される。流入排気ガ
ス中の酸素濃度が高い限り白金Ptの表面でNO2 が生
成され、吸収剤のNOx 吸収能力が飽和しない限りNO
2 が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンNO3 - が生成さ
れる。
【0060】一方、流入排気ガスの空燃比がリッチにさ
れると流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、その結果白
金Ptの表面でのNO2 の生成量が低下する。NO2
生成量が低下すると反応が逆方向(NO3 - →NO2
に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンNO3 - がNO
2 の形で吸収剤から放出される。このときNOx 吸収剤
25から放出されたNOx は図16(B)に示されるよ
うに流入排気ガス中に含まれる多量の未燃HC,COと
反応して還元せしめられる。このようにして白金Ptの
表面上にNO2 が存在しなくなると吸収剤から次から次
へとNO2 が放出される。従って流入排気ガスの空燃比
がリッチにされると短時間のうちにNO x 吸収剤25か
らNOx が放出され、しかもこの放出されたNOx が還
元されるために大気中にNOx が排出されることはな
い。
【0061】なお、この場合、流入排気ガスの空燃比を
理論空燃比にしてもNOx 吸収剤25からNOx が放出
される。しかしながら流入排気ガスの空燃比を理論空燃
比にした場合にはNOx 吸収剤25からNOx が徐々に
しか放出されないためにNO x 吸収剤25に吸収されて
いる全NOx を放出させるには若干長い時間を要する。
【0062】上述したようにNOx 吸収剤25は白金P
tのような貴金属を含んでおり、従ってNOx 吸収剤2
5は酸化機能を有している。一方、前述したように機関
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。ところが上述した如くNOx
収剤25はその温度が予め定められた温度、即ち活性温
度以上であるときに酸化機能を有しており、従ってNO
x 吸収剤25の温度が活性温度より高いとき燃焼室5か
ら排出された未燃炭化水素はNOx 吸収剤25により良
好に酸化せしめられることになる。しかしながら機関始
動時であってアイドリング時のように要求負荷が小さ
く、低温燃焼が行われるのが好ましいときであってもこ
のときにはNOx 吸収剤25の温度がその活性温度より
低く、未燃炭化水素を浄化することはできない。しかし
ながらNOx 吸収剤25の上流側に配置されたHC吸着
剤53はその温度がNOx 吸収剤25の活性温度以下の
ときであっても未燃炭化水素を吸着させることができ
る。即ちNOx 吸収剤25の温度がその活性温度以上に
なるまでHC吸着剤53は未燃炭化水素を吸着させてお
くことができる。従って本発明によれば機関始動時のよ
うにNOx 吸収剤25の温度がその活性温度より低いと
きに低温燃焼を行っても未燃炭化水素がNOx 吸収剤2
5から下流へ流出することはない。なおHC吸着剤53
に吸着している未燃炭化水素は第1の燃焼、即ち低温燃
焼が第2の燃焼、即ち通常の燃焼に切り換えられたとき
に排気ガス中に多量に含まれている酸素と反応してHC
吸着剤53から除去される。
【0063】ところでNOx 吸収剤25のNOx 吸収能
力には限界があり、NOx 吸収剤25のNOx 吸収能力
が飽和する前にNOx 吸収剤25からNOx を放出させ
る必要がある。そのためにはNOx 吸収剤25に吸収さ
れているNOx 量を推定する必要がある。そこで本発明
による実施例では第1の燃焼が行われているときの単位
時間当りのNOx 吸収量Aを要求負荷Lおよび機関回転
数Nの関数として図17(A)に示すようなマップの形
で予め求めておき、第2の燃焼が行われているときの単
位時間当りのNOx 吸収量Bを要求負荷Lおよび機関回
転数Nの関数として図17(B)に示すようなマップの
形で予め求めておき、これら単位時間当りのNOx 吸収
量A,Bを積算することによってNOx 吸収剤25に吸
収されているNOx 量ΣNOXを推定するようにしてい
る。
【0064】本発明による実施例ではこのNOx 吸収量
ΣNOXが予め定められた許容最大値を越えたときにN
x 吸収剤25からNOx を放出させるようにしてい
る。次にこのことについて図18を参照しつつ説明す
る。図18を参照すると本発明による実施例では二つの
許容最大値、即ち許容最大値MAX1と許容最大値MA
X2とが設定されている。許容最大値MAX1はNOx
吸収剤25が吸収しうる最大NOx 吸収量の30パーセ
ント程度とされており、許容最大値MAX2はNOx
収剤25が吸収しうる最大吸収量の80パーセント程度
とされている。第1の燃焼が行われているときにNOx
吸収量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたときには
NOx 吸収剤25からNOx を放出すべく空燃比がリッ
チとされ、第2の燃焼が行われているときにNOx 吸収
量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたときには第2
の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときにNOx 吸収
剤25からNOx を放出すべく空燃比がリッチとされ、
第2の燃焼が行われているときにNOx 吸収量ΣNOX
が許容最大値MAX2を越えたときにはNOx 吸収剤2
5からNOx を放出すべく膨張行程の後半又は排気行程
中に追加の燃料が噴射される。
【0065】即ち、図18において期間Xは要求負荷L
が第1の境界X(N)よりも低く、第1の燃焼が行われ
ている場合を示しており、このとき空燃比は理論空燃比
よりもわずかばかりリーンなリーン空燃比となってい
る。第1の燃焼が行われているときにはNOx の発生量
が極めて少く、従ってこのときには図18に示されるよ
うにNOx 吸収量ΣNOXは極めてゆっくりと上昇す
る。第1の燃焼が行われているときにNOx 吸収量ΣN
OXが許容最大値MAX1を越えると空燃比A/Fは一
時的にリッチとされ、それによってNOx 吸収剤25か
らNOx が放出される。このときNOx 吸収量ΣNOX
は零とされる。
【0066】前述したように第1の燃焼が行われている
ときには空燃比がリーンであろうと、理論空燃比であろ
うと、リッチであろうと煤は発生せず、従って第1の燃
焼が行われているときにNOx 吸収剤25からNOx
放出すべく空燃比A/Fがリッチとされてもこのとき煤
が発生することはない。次いで時刻t1 において要求負
荷Lが第1の境界X(N)を越えると第1の燃焼から第
2の燃焼に切換えられる。図18に示されるように第2
の燃焼が行われているときには空燃比A/Fはかなりリ
ーンとなる。第2の燃焼が行われているときには第1の
燃焼が行われている場合に比べてNOx の発生量が多
く、従って第2の燃焼が行われているときにはNOx
ΣNOXは比較的急速に上昇する。
【0067】第2の燃焼が行われているときに空燃比A
/Fをリッチにすると多量の煤が発生し、従って第2の
燃焼が行われているときに空燃比A/Fをリッチにする
ことはできない。従って図18に示されるように第2の
燃焼が行われているときにNOx 吸収量ΣNOXが許容
最大値MAX1を越えたとしてもNOx 吸収剤25から
NOx を放出すべく空燃比A/Fがリッチとされない。
この場合には図18の時刻t2 におけるように要求負荷
Lが第2の境界Y(N)よりも低くなって第2の燃焼か
ら第1の燃焼に切換えられたときにNOx 吸収剤25か
らNOx を放出すべく空燃比A/Fが一時的にリッチに
される。
【0068】次いで図18の時刻t3 において第1の燃
焼から第2の燃焼に切換えられ、暫らくの間第2の燃焼
が継続したとする。このときNOx 吸収量ΣNOXが許
容最大値MAX1を越え、次いで時刻t4 において許容
最大値MAX2を越えたとするとこのときにはNOx
収剤25からNOx を放出すべく膨張行程の後半又は排
気行程中に追加の燃料が噴射され、NOx 吸収剤25に
流入する排気ガスの空燃比がリッチとされる。
【0069】膨張行程の後半又は排気行程中に噴射され
る追加の燃料は機関出力の発生には寄与せず、従って追
加の燃料を噴射する機会はできるだけ少くすることが好
ましい。従って第2の燃焼が行われたときにNOx 吸収
量ΣNOXが許容最大値MAX1を越えたときには第2
の燃焼から第1の燃焼に切換えられたときに空燃比A/
Fを一時的にリッチにし、NOx 吸収量ΣNOXが許容
最大値MAX2を越えた特別の場合に限って追加の燃料
を噴射するようにしている。
【0070】図19はNOx 吸収剤25からNOx を放
出すべきときにセットされるNOx放出フラグの処理ル
ーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込
みによって実行される。図19を参照するとまず初めに
ステップ100において機関の運転領域が第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
ち機関の運転領域が第1の運転領域Iであるときにはス
テップ101に進んで図17(A)に示すマップから単
位時間当りのNOx 吸収量Aが算出される。次いでステ
ップ102ではNOx 吸収量ΣNOXにAが加算され
る。次いでステップ103ではNOx 吸収量ΣNOXが
許容最大値MAX1を越えたか否かが判別される。ΣN
OX>MAX1になるとステップ104に進み、第1の
燃焼が行われているときにNOx を放出すべきことを示
すNOx 放出フラグ1がセットされる。
【0071】一方、ステップ100においてフラグIが
リセットされていると判断されたとき、即ち機関の運転
領域が第2の運転領域IIであるときにはステップ106
に進んで図17(B)に示すマップから単位時間当りの
NOx 吸収量Bが算出される。次いでステップ107で
はNOx 吸収量ΣNOXがBに加算される。次いでステ
ップ108ではNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MA
X1を越えたか否かが判別される。ΣNOX>MAX1
になるとステップ109に進み、第2の燃焼から第1の
燃焼に切換えられたときにNOx を放出すべきことを示
すNOx 放出フラグ1がセットされる。
【0072】ステップ110では、NOx 吸収量ΣNO
Xが許容最大値MAX2を越えたか否かが判別される。
ΣNOX>MAX2になるとステップ111に進み、膨
張行程の後半又は排気行程中にNOx を放出すべきこと
を示すNOx 放出フラグ2がセットされる。さらにHC
吸着剤53が吸着させることができるHCの量には限界
がある。そこで本発明による実施例では第1の燃焼が行
われているときの単位時間当たりのHC吸着量Cを要求
負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図20(A)に
示すようなマップの形で予め求めておき、第2の燃焼が
行われているときの単位時間当たりのHC吸着量Dを要
求負荷Fおよび機関回転数Nの関数として図20(B)
に示すようなマップの形で予め求めておき、これら単位
時間当たりのHC吸着量C,Dを積算することによりH
C吸着剤53に吸着しているHC量ΣHCを推定するよ
うにしている。
【0073】本発明の実施例では第1の燃焼が行われて
いるときにHC吸着剤53のHC吸着量が最大値を越え
たときには、HCをHC吸着剤53から排除すべく第1
の燃焼を第2の燃焼に切換える。第2の燃焼では空燃比
がかなりリーンの排気ガスがHC吸着剤53に流入す
る。従ってHC吸着剤53に吸着しているHCは排気ガ
ス中の過剰な酸素と反応し、HC吸着剤53から除去さ
れる。
【0074】図21はHC吸着剤53からHCを除去す
べきときにセットされるHCフラグの処理ルーチンを示
しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって
実行される。図21を参照するとまず初めにステップ2
00において機関の運転領域が第1の運転領域Iである
ことを示すグラフ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
転領域が第1の運転領域Iであるときにはステップ20
1に進んで図20(A)に示すマップから単位時間当り
のHC吸着量Cが算出される。次いでステップ202で
はHC吸着量ΣHCにCが加算される。次いでステップ
203ではHC吸着量ΣHCが許容最大値MAXを越え
たか否かが判別される。ΣHC>MAXになるとステッ
プ104に進んでHCフラグをセットする処理が行われ
る。
【0075】一方、ステップ200においてフラグIが
リセットされていると判断されたとき、即ち機関の運転
領域が第2の運転領域IIであるときにはステップ206
に進んで図20(B)に示すマップから単位時間当りの
HC吸着量Dが算出される。次いでステップ207では
HC吸着量ΣHCにDが加算される。次いでステップ2
08ではHC吸着量ΣHCが許容最大値MAXを越えた
か否かが判別される。ΣHC>MAXになるとステップ
209に進んでHCフラグをセットする処理が行われ
る。
【0076】ところでHC吸着剤53とNOx 吸収剤2
5との間の機関排気通路24には排気ガスの温度を検出
するための温度センサ54が取り付けられる。本実施例
では温度センサ54により検出した排気ガスの温度から
NOx 吸収剤25の温度を推定し、NOx 吸収剤25の
温度がその活性温度より低いときであって排気ガスの温
度が比較的低い低温燃焼が行われているときには、NO
x 吸収剤25の温度を上昇すべく機関の運転制御を行
う。即ち燃料室内に燃料を噴射する時期を遅らせる。こ
れにより排気ガスの温度が高くなり、NOx 吸収剤25
の温度が上昇せしめられる。
【0077】次に図22および図23を参照しつつ運転
制御について説明する。図22を参照すると、まず初め
にステップ300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301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≦X
1(N)のときにはステップ302aに進む。
【0078】ステップ302aではNOx 吸収剤25の
温度Tが予め定められた温度、即ちNOx 吸収剤25が
NOx の吸放出を行うことができる温度Tx より高いか
否かが判別される。ステップ302aにおいてT>Tx
であるときにはステップ303に進んで低温燃焼が行わ
れる。即ち、ステップ303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304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305ではNOx 放出フラグ1がセットされて
いるか否かが判別される。NOx 放出フラグ1がセット
されていないときにはステップ306に進んで図10に
示される空燃比となるように図12のマップから算出さ
れた量Qの燃料噴射が行われる。このときリーン空燃比
のもとで低温燃焼が行われる。
【0079】一方、ステップ305においてNOx 放出
フラグ1がセットされていると判別されたときにはステ
ップ307に進んで図12のマップから算出された量Q
に図24のマップから算出された増分Qaを加えた量の
燃料噴射が行われ、燃焼室5内における平均空燃比をリ
ッチにする噴射制御が行われ、ステップ307aにおい
てΣNOXが零とされる。このときNOx 吸収剤25か
らNOx が放出される。
【0080】一方、ステップ302aにおいてT≦TX
であるときにはステップ302bに進んでHCフラグが
セットされているか否かが判別される。ステップ302
bにおいてHCフラグがリセットされていると判別され
たときにはステップ302cに進んで低温燃焼が行われ
る。即ち、ステップ302c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302dにおいて図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302eにおいて燃料噴射弁6の開弁時
期SIを補正して遅らせる。次いでステップ302fに
おいて図10に示される空燃比となるように図12のマ
ップから算出された量Qの燃料噴射が行われる。
【0081】一方、ステップ201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202に
進んでフラグIがリセットされ、次いでステップ310
に進んで第2の燃焼が行われ、ステップ302bにおい
てHCフラグがセットされていると判別されたときにも
ステップ310に進んで第2の燃焼が行われる。即ち、
ステップ310では図14(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311では図14(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31
2ではNOx 放出フラグ2がセットされているか否かが
判別される。NOx 放出フラグ2がセットされていない
ときにはステップ313に進んで図13に示される空燃
比となるように図15のマップから算出された量Qの燃
料噴射が行われる。このときリーン空燃比のもとで第2
の燃焼が行われる。
【0082】一方、ステップ312においてNOx 放出
フラグ2がセットされていると判別されたときにはステ
ップ314に進んで図15のマップから算出された量Q
の燃料噴射が行われ、機関の膨張行程後半又は排気行程
に追加の燃料を噴射し、NO x 吸収剤25に流入する排
気ガスの空燃比がリッチとなるように噴射制御され、そ
れによってNOx 吸収剤25からNOx が放出される。
次いでステップ315においてΣNOXが零とされ、ス
テップ316においてΣHCが零とされる。
【0083】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300からステップ308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302
aに進む。一方、ステップ308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309に進んで
フラグIがセットされる。次いでステップ302aに進
む。
【0084】
【発明の効果】1番目から7番目の発明によれば内燃機
関から放出されるHCがHC吸着剤に吸着されるため、
HCが大気に放出されることはない。さらに5番目の発
明によればNOx 吸収剤の温度が予め定められた温度よ
り低いときにはHCはHC吸着剤に吸着されるためHC
が大気に流出することはなく、さらにこのときには燃料
の噴射時期を遅らせてNOx 吸収剤の温度を早期に上昇
させ、NOx 吸収剤の温度が予め定められた温度より高
くなればHC吸着剤に吸着されているHCの量がその計
容量を越えても、NOx 吸収剤によりHCが浄化され
る。即ち機関始動直後のように排気ガスの温度が低いと
きには内燃機関から放出されるHCはHC吸着剤に吸着
され、次第に排気ガスの温度が高くなったときにはNO
x 吸収剤の温度がその活性温度を越えるので、たとえH
C吸着剤に吸着されているHC量がその許容量を越えた
としても、HC吸着剤から流出したHCはNOx 吸収剤
により浄化される。従ってHC吸着剤およびNOx 吸収
剤の温度に係わらず常にHCの大気への流出を防止でき
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】燃料噴射量のマップを示す図である。
【図13】第2の運転領域における空燃比等を示す図で
ある。
【図14】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図
である。
【図15】燃料噴射量のマップを示す図である。
【図16】NOx の吸放出作用を説明するための図であ
る。
【図17】単位時間当りのNOx 吸収量のマップを示す
図である。
【図18】NOx 放出制御を説明するための図である。
【図19】NOx 放出フラグを処理するためのフローチ
ャートである。
【図20】単位時間当りのHC吸着量のマップを示す図
である。
【図21】HCフラグを処理するためのフローチャート
である。
【図22】機関の運転を制御するためのフローチャート
の一部である。
【図23】機関の運転を制御するためのフローチャート
の一部である。
【図24】第1の燃焼における噴射燃料量の増分のマッ
プを示す図である。
【符号の説明】
6…燃料噴射弁 15…排気ターボチャージャ 20…スロットル弁 29…EGR通路 31…EGR制御弁
───────────────────────────────────────────────────── 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) F02M 25/07 570 F02M 25/07 570J 570F 570G (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 後藤 雅人 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 AA05 BA02 BA04 BA05 BA06 CA06 DA01 DA02 DA04 EA11 ED04 GA01 GA04 GA06 GA09 GA17 3G091 AA02 AA10 AA11 AA18 AB02 AB03 AB06 AB10 AB13 BA04 BA14 BA15 BA32 BA33 CA08 CA13 CA18 CB02 CB03 CB07 CB08 DA01 DA02 DA05 DA07 DB06 DB10 EA00 EA01 EA02 EA05 EA07 EA17 EA31 EA34 FA07 FA12 FA13 FA14 FB02 FB10 FB11 FB12 FC01 FC04 FC05 FC07 GB01X GB02W GB03W GB04W GB05W GB06W GB10X GB16X HA16 HA20 HA21 HA36 HA37 HB03 HB05 HB06 3G301 HA02 HA04 HA06 HA11 HA13 HA15 JA15 JA24 JA25 JA26 JA33 JB09 LA03 LB11 MA01 MA11 MA18 NA06 NC02 NE01 NE03 NE06 NE08 NE12 NE13 NE14 NE15 PA01Z PD01Z PD11Z PE01Z PE03Z PF03Z

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃焼室内に供給される不活性ガス量を増
    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、燃焼室内に供給される不活性ガス量を更に増大して
    いくと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において、排気ガス中のHCを吸
    着させるHC吸着剤を機関排気通路内に配置した内燃機
    関。
  2. 【請求項2】 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再循環装置を具備し、上記不活
    性ガスが再循環排気ガスからなる請求項1に記載の内燃
    機関。
  3. 【請求項3】 排気ガス再循環率がほぼ55パーセント
    以上である請求項2に記載の内燃機関。
  4. 【請求項4】 流入する排気ガスの空燃比がリーンのと
    きには排気ガス中に含まれるNOx を吸収しかつ流入す
    る排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸
    収したNOx を放出するNOx 吸収剤を前記機関排気通
    路に配置した請求項1に記載の内燃機関。
  5. 【請求項5】 前記NOx 吸収剤が予め定められた温度
    以上で排気ガス中のHCを酸化する機能を有し、NOx
    吸収剤の温度が前記予め定められた温度より低いときに
    は燃焼室内への燃料の噴射時期を遅らせるようにした請
    求項4に記載の内燃機関。
  6. 【請求項6】 煤の発生量がピークとなる不活性ガス量
    よりも燃焼室内に供給される不活性ガス量が多く煤がほ
    とんど発生しない第1の燃焼と、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に供給される不活性ガ
    ス量が少ない第2の燃焼とを選択的に切換える切換手段
    を具備した請求項1に記載の内燃機関。
  7. 【請求項7】 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の運転領域に分割し、第1の運転
    領域では第1の燃焼を行い、第2の運転領域では第2の
    燃焼を行うようにした請求項6に記載の内燃機関。
  8. 【請求項8】 第1の燃焼が行われているときに前記H
    C吸着剤に吸着しているHCを除去すべきときには第1
    の燃焼を第2の燃焼に切換える請求項6に記載の内燃機
    関。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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