JP2000145509A - 内燃機関 - Google Patents

内燃機関

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JP2000145509A JP10322522A JP32252298A JP2000145509A JP 2000145509 A JP2000145509 A JP 2000145509A JP 10322522 A JP10322522 A JP 10322522A JP 32252298 A JP32252298 A JP 32252298A JP 2000145509 A JP2000145509 A JP 2000145509A
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康二 吉▲崎▼
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 第１の燃焼と第２の燃焼の切換え時にスモー
クが発生するのを抑制する。 【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内のＥＧＲ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ＥＧ
Ｒガス量よりも燃焼室５内のＥＧＲガス量が少ない第２
の燃焼とを選択的に行う。第１の燃焼と第２の燃焼との
切換時には噴射時期を圧縮上死点後まで遅らせる。

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。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ＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にす
る必要があり、ＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にす
ることが可能なのは吸入空気量が比較的少ないときであ
る。即ち、吸入空気量が一定量を越えるとこの新たな燃
焼を行うことはできず、従って吸入空気量が一定量を越
えたときには従来より行われている燃焼に切換える必要
がある。この場合、従来より行われている燃焼に切換え
るべくＥＧＲ率を低下させるとＥＧＲ率はスモークの発
生量がピークとなるＥＧＲ率範囲を通過するために多量
のスモークが発生することになる。
【００１０】ところが新たな燃焼のもとで圧縮上死点後
まで噴射時期を遅らすと噴射が行われる頃には燃焼室内
の温度が低下しているために燃焼時における燃料および
その周りのガス温度はさほど上昇せず、従ってこのとき
にはスモークの発生量のピーク値が小さくなることが判
明している。従って新たな燃焼から従来より行われてい
る燃焼に切換える際に噴射時期を圧縮上死点後まで遅ら
せると切換時におけるスモークの発生量を抑制できるこ
とになる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】そこで１番目の発明で
は、燃焼室内の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、燃焼室内の不活性ガ
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、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
室内の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、第１の燃焼と第２の燃焼との
切換時には噴射時期を圧縮上死点後まで遅らせるように
している。
【００１２】２番目の発明では１番目の発明において、
第１の燃焼と第２の燃焼との切換時には第１の燃焼のも
とで空燃比がリーン又は理論空燃比とされかつ噴射時期
を圧縮上死点後まで遅らせるようにしている。３番目の
発明では１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している。
【００１３】４番目の発明では３番目の発明において、
第１の運転領域内の最も負荷の高い領域において空燃比
がリーン又は理論空燃比とされ、噴射時期が圧縮上死点
後まで遅らされる。５番目の発明では４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
に再循環させる排気ガス再循環装置を具備し、不活性ガ
スが再循環排気ガスからなり、上述の最も負荷の高い領
域以外の第１の運転領域では排気ガス再循環率がほぼ５
５パーセント以上とされ、上述の最も負荷の高い領域内
においては排気ガス再循環率が５５パーセント以下とさ
れる６番目の発明では１番目の発明において、機関排気
通路内に酸化機能を有する触媒を配置している。
【００１４】７番目の発明では６番目の発明において、
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。８番目の発明では１番目の発明におい
て、第１の燃焼と第２の燃焼との切換時には第１の燃焼
のもとで空燃比がリッチとされかつ噴射時期を圧縮上死
点後まで遅らせるようにしている。
【００１５】９番目の発明では８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
にしている。１０番目の発明では９番目の発明におい
て、第１の運転領域内の最も負荷の高い領域において空
燃比がリッチとされ、噴射時期が圧縮上死点後まで遅ら
される。
【００１６】１１番目の発明では１０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
再循環させる排気ガス再循環装置を具備し、不活性ガス
が再循環排気ガスからなり、最も負荷の高い領域以外の
第１の運転領域では排気ガス再循環率がほぼ５５パーセ
ント以上とされ、最も負荷の高い領域内においては排気
ガス再循環率が５５パーセント以下とされる。
【００１７】１２番目の発明では８番目の発明におい
て、機関排気通路内にＮＯx 吸収剤を配置している。１
３番目の発明では１番目の発明において、機関排気通路
内にＮＯx 吸収剤が配置され、第１の燃焼と第２の燃焼
との切換時には通常第１の燃焼のもとで空燃比がリーン
又は理論空燃比とされかつ噴射時期を圧縮上死点後まで
遅らせるようにし、ＮＯx 吸収剤からＮＯx を放出すべ
きときには第１の燃焼と第２の燃焼との切換時に第１の
燃焼のもとで空燃比がリッチとされかつ噴射時期を圧縮
上死点後まで遅らせるようにしている。
【００１８】
【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。
【００１９】一方、排気ポート１０は排気マニホルド２
１および排気管２２を介して排気ターボチャージャ１５
の排気タービン２３の入口部に連結され、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。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ＥＧＲ通路２
９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に示される実施例では機関冷却
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。
【００２０】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。
【００２１】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。燃料圧センサ３６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４
５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３０および燃
料ポンプ３５に接続される。
【００２２】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。
【００２３】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。
【００２４】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。
【００２５】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。
【００２６】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。
【００２７】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。
【００２８】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や圧縮比等の種
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。
【００２９】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。
【００３０】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。
【００３１】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。
【００３２】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。
【００３３】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。
【００３４】図５は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用
い、噴射時期を圧縮上死点前とし、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９０℃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。
【００３５】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。
【００３６】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。
【００３７】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。
【００３８】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 発
生量は１０p.p.m 前後、又はそれ以下であり、従ってＮ
Ｏx の発生量は極めて少量となる。
【００３９】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。
【００４０】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。
【００４１】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。
【００４２】なお、この場合、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
ＥＧＲ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。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。
【００４３】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。
【００４４】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。
【００４５】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
が少い燃焼のことを言う。
【００４６】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ＴＱは要求トルクを示して
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。
【００４７】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トルクＴＱ
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。次いで要求トル
クＴＱ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。
【００４８】このように第１の境界Ｘ（Ｎ）と第１の境
界Ｘ（Ｎ）よりも低トルク側の第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の高トルク側では比較的燃焼
温度が高く、このとき要求トルクＴＱ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、要求トルクＴＱ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。
【００４９】一方、図７においてハッチングで示す領域
ＲＲ、即ち第１の運転領域Ｉ内の最も負荷が高い領域Ｒ
Ｒでは空燃比がリーン又は理論空燃比とされ、噴射時期
が圧縮上死点後まで遅くされる。機関の運転状態が第１
の運転領域Ｉから第２の運転領域IIに移るときには必ず
この領域ＲＲを通り、機関の運転状態が第２の運転領域
IIから第１の運転領域Ｉに移ったときにも必ずこの領域
ＲＲを通る。ところで要求トルクＴＱが高くなったとき
に、即ち噴射量が増大したときに圧縮上死点前において
燃料噴射が行われると発熱量が増大するために燃焼時に
おける燃料およびその周囲のガス温度が高くなる。その
結果、スモークが発生することになる。
【００５０】一方、燃料噴射が行われずに圧縮上死点を
過ぎると燃焼室５内の圧力は次第に低下し、燃焼室５内
の温度も次第に低下する。従って圧縮上死点後に燃料噴
射を行えばたとえ噴射量が多い場合であっても燃焼時に
おける燃料およびその周囲のガス温度はかなり低くな
り、その結果図８においてＤで示されるようにスモーク
の発生量のピーク値が低くなりかつスモークの発生する
ＥＧＲ範囲が狹くなる。なお、図８において曲線Ｂは図
５に示す曲線と同じ曲線を表わしている。
【００５１】従って図７の領域ＲＲにおいて噴射時期が
圧縮上死点後まで遅らされると第１の燃焼と第２の燃焼
との切換え時にスモークが発生するのを抑制できること
になる。また、この場合にはＥＧＲ率を５５パーセント
以下にしてもスモークが発生するのを抑制することがで
きる。ところで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。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。
【００５２】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。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。
【００５３】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。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。
【００５４】図９は要求トルクＴＱに対するスロットル
弁２０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
れるように要求トルクＴＱの低い第１の運転領域Ｉでは
スロットル弁２０の開度は要求トルクＴＱ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、ＥＧＲ制御弁３１の開度は要求トルクＴＱ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に示される例では領域ＲＲを除く第
１の運転領域ＩではＥＧＲ率がほぼ５５パーセント以上
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。
【００５５】言い換えると領域ＲＲを除く第１の運転領
域ＩではＥＧＲ率がほぼ５５パーセント以上となり、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、領域ＲＲを除く第１の運転領域Ｉ
では圧縮上死点ＴＤＣ前に燃料噴射が開始される。この
場合、噴射開始時期θＳは要求トルクＴＱ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。
【００５６】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。
【００５７】領域ＲＲでは要求トルクＴＱが大きくなる
ほど噴射開始時期θＳは遅くなり、領域ＲＲの高要求ト
ルク側では噴射開始時期θＳが上死点後となる。また、
この領域ＲＲでは要求トルクＴＱが大きくなるにつれて
空燃比がリーン空燃比から理論空燃比まで徐々に小さく
され、要求トルクＴＱが大きくなるにつれてＥＧＲ率が
低下せしめられる。また、この領域ＲＲでは要求トルク
ＴＱが大きくなるにつれて空燃比を小さくするために噴
射量が増量せしめられる。
【００５８】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
４０パーセントから２０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。
【００５９】第２の運転領域IIでは第２の燃焼、即ち従
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の開度は要求トルクＴＱ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率は要求トルクＴＱが高くなるほど低くなり、
空燃比は要求トルクＴＱが高くなるほど小さくなる。た
だし、空燃比は要求トルクＴＱ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。
【００６０】図１０（Ａ）は要求トルクＴＱと、アクセ
ルペダル５０の踏込み量Ｌと、機関回転数Ｎとの関係を
示している。なお、図１０（Ａ）において各曲線は等ト
ルク曲線を示しており、ＴＱ＝０で示される曲線はトル
クが零であることを示しており、残りの曲線はＴＱ＝
ａ，ＴＱ＝ｂ，ＴＱ＝ｃ，ＴＱ＝ｄの順に次第に要求ト
ルクが高くなる。図１０（Ａ）に示される要求トルクＴ
Ｑは図１０（Ｂ）に示されるようにアクセルペダル５０
の踏込み量Ｌと機関回転数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。本発明では図１０
（Ｂ）に示すマップからアクセルペダル５０の踏込み量
Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた要求トルクＴＱがまず初
めに算出され、この要求トルクＴＱに基づいて燃料噴射
量等が算出される。
【００６１】図１１は第１の運転領域Ｉにおける空燃比
Ａ／Ｆを示している。図１１において、Ａ／Ｆ＝１４．
６，Ａ／Ｆ＝１５，Ａ／Ｆ＝１６，Ａ／Ｆ＝１８，Ａ／
Ｆ＝２０で示される各曲線は夫々空燃比が１４．６（理
論空燃比），１５，１６，１８，２０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１１に示されるように領域ＲＲの一部を除く第１
の運転領域Ｉでは空燃比がリーンとなっており、更にこ
の第１の運転領域Ｉでは要求トルクＴＱが低くなるほど
空燃比Ａ／Ｆがリーンとされる。
【００６２】即ち、要求トルクＴＱが低くなるほど燃焼
による発熱量が少くなる。従って要求トルクＴＱ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１１に示されるように要求トルクＴＱが低くな
るにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。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
要求トルクＴＱが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大き
くされる。
【００６３】図１２（Ａ）は第１の運転領域Ｉにおける
噴射量Ｑを示しており、図１２（Ｂ）は第１の運転領域
Ｉにおける噴射開始時期θＳを示している。図１２
（Ａ）に示されるように第１の運転領域Ｉにおける噴射
量Ｑは要求トルクＴＱ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、図１
２（Ｂ）に示されるように第１の運転領域Ｉにおける噴
射開始時期θＳも要求トルクＴＱ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。
【００６４】また、空燃比を図１１に示す目標空燃比と
するのに必要なスロットル弁２０の目標開度ＳＴが図１
３（Ａ）に示されるように要求トルクＴＱ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１１に示す目標空燃比とする
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トルクＴＱ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。
【００６５】図１４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を示して
いる。なお、図１４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
１５（Ａ）は第２の運転領域IIにおける噴射量Ｑを示し
ており、図１５（Ｂ）は第２の運転領域IIにおける噴射
開始時期θＳを示している。図１５（Ａ）に示されるよ
うに第２の運転領域IIにおける噴射量Ｑは要求トルクＴ
Ｑおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲ
ＯＭ４２内に記憶されており、図１５（Ｂ）に示される
ように第２の運転領域IIにおける噴射開始時期θＳも要
求トルクＴＱ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。
【００６６】また、空燃比を図１４に示す目標空燃比と
するのに必要なスロットル弁２０の目標開度ＳＴが図１
６（Ａ）に示されるように要求トルクＴＱ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１４に示す目標空燃比とする
のに必要なＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥが図１６
（Ｂ）に示されるように要求トルクＴＱ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。
【００６７】次に図１７を参照しつつ運転制御について
説明する。図１７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に進んで要求トルクＴＱ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。ＴＱ≦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。
【００６８】即ち、ステップ１０３では図１０（Ａ）に
示すマップから要求トルクＴＱが算出される。次いでス
テップ１０４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、スロットル弁２
０の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ
１０５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。次いでステップ１０６
では図１２（Ａ）に示すマップから噴射量Ｑが算出され
る。次いでステップ１０７では図１２（Ｂ）に示すマッ
プから噴射開始時期θＳが算出される。
【００６９】一方、ステップ１０１においてＴＱ＞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。即ち、ステップ１１０
では図１０（Ｂ）に示すマップから要求トルクＴＱが算
出される。次いでステップ１１１では図１６（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１１２では図１６（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、Ｅ
ＧＲ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１１３では図１５（Ａ）に示すマップから
噴射量Ｑが算出される。次いでステップ１１４では図１
５（Ｂ）に示すマップから噴射開始時期θＳが算出され
る。
【００７０】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
求トルクＴＱ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。ＴＱ≧Ｙ（Ｎ）のときにはステップ
１１０に進み、第２の燃焼が行われる。一方、ステップ
１０８においてＴＱ＜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に進んで第１の燃焼が行われる。
【００７１】次に図１８から図２０を参照しつつ第２実
施例について説明する。図１８に示されるようにこの実
施例においても領域ＲＲでは要求トルクＴＱが大きくな
るほど噴射開始時期θＳは遅くなり、領域ＲＲの高要求
トルク側では噴射開始時期θＳが上死点後となる。更
に、この実施例においても領域ＲＲでは要求トルクＴＱ
が大きくなるにつれてＥＧＲ率が低下せしめられ、また
領域ＲＲでは要求トルクＴＱが大きくなるにつれて空燃
比を小さくするために噴射量が増量せしめられる。ただ
し、この実施例では領域ＲＲでは要求トルクＴＱが大き
くなるにつれて空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比
まで徐々に小さくされる。従って領域ＲＲにおける噴射
量の増量割合は図１８に示す第２実施例の場合の方が図
９に示す実施例に比べて大きくなる。
【００７２】図１９は第２実施例の第１の運転領域Ｉに
おける空燃比Ａ／Ｆを示している。図１９において、Ａ
／Ｆ＝１３，Ａ／Ｆ＝１４，Ａ／Ｆ＝１６，Ａ／Ｆ＝１
８，Ａ／Ｆ＝２０で示される各曲線は夫々空燃比が１
３，１４，１６，１８，２０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。この実
施例においても図１９に示されるように領域ＲＲの一部
を除く第１の運転領域Ｉでは空燃比がリーンとなってお
り、更にこの第１の運転領域Ｉでは要求トルクＴＱが低
くなるほど空燃比Ａ／Ｆがリーンとされる。
【００７３】図２０は第１の運転領域Ｉにおける噴射量
Ｑを示している。図２０に示されるように第１の運転領
域Ｉにおける噴射量Ｑは要求トルクＴＱ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。なお、第２実施例において噴射開始時期θ
Ｓ、スロットル弁２０の目標開度ＳＴおよびＥＧＲ制御
弁３１の目標開度ＳＥは夫々図１２（Ｂ）、図１３
（Ａ）、図１３（Ｂ）に示すマップから算出される。
【００７４】この実施例では第１の燃焼から第２の燃焼
へ、或いは第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられると
きに空燃比がリッチとされ、噴射開始時期θＳが上死点
後まで遅らされる。このように空燃比がリッチにされる
と燃料消費量が若干増大するがスモークが全く発生しな
くなるという利点がある。また、このように第１の燃焼
と第２の燃焼の切換時に空燃比をリッチすることは触媒
２５としてＮＯx 吸収剤を用いた場合に別の作用をもた
らす。次にこのことについて説明する。
【００７５】前述したようにこのＮＯx 吸収剤２５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。もう少し厳密な言い
方をすれば、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。
【００７６】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２１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。
【００７７】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２１（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
Ｏ2-と反応し、ＮＯ2となる（２ＮＯ＋Ｏ2 →２Ｎ
Ｏ2 ）。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２１（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内で吸収される。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。
【００７８】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 の
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２１（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。
【００７９】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。
【００８０】ところでＮＯx 吸収剤２５のＮＯx 吸収能
力には限度があり、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２２（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２２（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。
【００８１】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ＭＡＸを越えた後
にＮＯx 吸収剤２５からＮＯx を放出させるようにして
いる。即ち、具体的に云うと、ΣＮＯＸ≦ＭＡＸのとき
には空燃比および噴射開始時期θＳ等が図９に示される
ように制御される。これに対してΣＮＯＸ＞ＭＡＸにな
ると空燃比および噴射開始時期θＳ等が図１８に示され
るように制御される。従ってこのとき第１の燃焼と第２
の燃焼の切換時において空燃比がリッチにされたときに
ＮＯx 吸収剤２５からＮＯx が放出される。
【００８２】次に図２３を参照しつつ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について説明する。なお、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２
３を参照するとまず初めにステップ２００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２０１に進んで図２２
（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２０２ではＮＯx 吸収量
ΣＮＯＸにＡが加算される。次いでステップ２０３では
ＮＯx 吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えたか否
かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸになるとステップ２
０４に進んでＮＯx を放出すべきことを示すＮＯx 放出
フラグがセットされる。
【００８３】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２０５
に進んで図２２（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２０６で
はＮＯx 吸収量ΣＮＯＸにＢが加算される。次いでステ
ップ２０７ではＮＯx 吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡ
Ｘを越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸにな
るとステップ２０８に進んでＮＯx を放出すべきことを
示すＮＯx 放出フラグがセットされる。
【００８４】次に図２４を参照しつつ運転制御について
説明する。図２４を参照すると、まず初めにステップ３
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３０
１に進んで要求トルクＴＱ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。ＴＱ≦Ｘ１（Ｎ）
のときにはステップ３０３に進んで低温燃焼が行われ
る。
【００８５】即ち、ステップ３０３では図１０（Ａ）に
示すマップから要求トルクＴＱが算出される。次いでス
テップ３０４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、スロットル弁２
０の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ
３０５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。次いでステップ３０６
では図１２（Ｂ）に示すマップから噴射開始時期θＳが
算出される。
【００８６】次いでステップ３０７ではＮＯx 放出フラ
グがセットされているか否かが判別される。ＮＯx 放出
フラグがセットされていないときにはステップ３０８に
進んで図１２（Ａ）に示すマップから噴射量Ｑが算出さ
れる。これに対してＮＯx 放出フラグがセットされてい
るときにはステップ３０９に進んでＮＯx 吸収剤２５か
らＮＯx を放出するための処理が行われる。
【００８７】即ち、ステップ３０９ではまず初めに図２
０に示すマップから噴射量Ｑが算出される。次いで空燃
比が予め定められた時間以上リッチにされたか否かが判
別され、空燃比が予め定められた時間以上リッチにされ
たときにはＮＯx 放出フラグがリセットされる。一方、
ステップ３０１においてＴＱ＞Ｘ（Ｎ）になったと判別
されたときにはステップ３０２に進んでフラグＩがリセ
ットされ、次いでステップ３１２に進んで第２の燃焼が
行われる。
【００８８】即ち、ステップ３１２では図１０（Ｂ）に
示すマップから要求トルクＴＱが算出される。次いでス
テップ３１３では図１６（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２
０の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ
３１４では図１６（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３１５
では図１５（Ａ）に示すマップから噴射量Ｑが算出され
る。次いでステップ３１６では図１５（Ｂ）に示すマッ
プから噴射開始時期θＳが算出される。
【００８９】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３１０に進んで要
求トルクＴＱ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。ＴＱ≧Ｙ（Ｎ）のときにはステップ
３１２に進み、第２の燃焼が行われる。一方、ステップ
３１０においてＴＱ＜Ｙ（Ｎ）になったと判別されたと
きにはステップ３１１に進んでフラグＩがセットされ、
次いでステップ３０３に進んで第１の燃焼が行われる。
【００９０】
【発明の効果】第１の燃焼と第２の燃焼との切換え時に
スモークが発生するのを阻止することができる。
【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】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図
である。
【図９】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１０】要求トルクを示す図である。
【図１１】第１の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図で
ある。
【図１２】噴射量等のマップを示す図である。
【図１３】スロットル弁の目標開度等のマップを示す図
である。
【図１４】第２の燃焼における空燃比を示す図である。
【図１５】噴射量等のマップを示す図である。
【図１６】スロットル弁の目標開度等のマップを示す図
である。
【図１７】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。
【図１８】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１９】第１の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図で
ある。
【図２０】噴射量のマップを示す図である。
【図２１】ＮＯx の吸放出作用を説明するための図であ
る。
【図２２】単位時間当りのＮＯx 吸収量のマップを示す
図である。
【図２３】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２４】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】
６…燃料噴射弁 ２０…スロットル弁 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 伊藤 丈和 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 AA05 BA02 BA05 CA07 CA08 DA01 DA02 EA11 ED08 FA05 GA04 3G091 AA10 AA11 AA18 AB02 AB03 AB04 BA19 CB03 EA01 EA07 FA13 FA14 FB10 FB11 FB12 GB02W GB03W GB04W GB05W HB05 3G301 HA02 HA11 HA13 JA24 KA08 KA09 LA00 LA03 MA01 MA18 ND01 NE12 NE13 NE14 NE15 PB08A PB08Z PE01Z PE03Z PF03Z

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼室内の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
    の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、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
    第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量
    よりも燃焼室内の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、第１の燃焼と第２
    の燃焼との切換時には噴射時期を圧縮上死点後まで遅ら
    せるようにした内燃機関。
  2. 【請求項２】 第１の燃焼と第２の燃焼との切換時には
    第１の燃焼のもとで空燃比がリーン又は理論空燃比とさ
    れかつ噴射時期を圧縮上死点後まで遅らせるようにした
    請求項１に記載の内燃機関。
  3. 【請求項３】 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１に記載の内燃機関。
  4. 【請求項４】 第１の運転領域内の最も負荷の高い領域
    において空燃比がリーン又は理論空燃比とされ、噴射時
    期が圧縮上死点後まで遅らされる請求項３に記載の内燃
    機関。
  5. 【請求項５】 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、
    上記不活性ガスが再循環排気ガスからなり、上記最も負
    荷の高い領域以外の第１の運転領域では排気ガス再循環
    率がほぼ５５パーセント以上とされ、上記最も負荷の高
    い領域内においては排気ガス再循環率が５５パーセント
    以下とされる請求項４に記載の内燃機関。
  6. 【請求項６】 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。
  7. 【請求項７】 該触媒が酸化触媒、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。
  8. 【請求項８】 第１の燃焼と第２の燃焼との切換時には
    第１の燃焼のもとで空燃比がリッチとされかつ噴射時期
    を圧縮上死点後まで遅らせるようにした請求項１に記載
    の内燃機関。
  9. 【請求項９】 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８に記載の内燃機関。
  10. 【請求項１０】 第１の運転領域内の最も負荷の高い領
    域において空燃比がリッチとされ、噴射時期が圧縮上死
    点後まで遅らされる請求項９に記載の内燃機関。
  11. 【請求項１１】 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、上記不活性ガスが再循環排気ガスからなり、上記最
    も負荷の高い領域以外の第１の運転領域では排気ガス再
    循環率がほぼ５５パーセント以上とされ、上記最も負荷
    の高い領域内においては排気ガス再循環率が５５パーセ
    ント以下とされる請求項１０に記載の内燃機関。
  12. 【請求項１２】 機関排気通路内にＮＯx 吸収剤を配置
    した請求項８に記載の内燃機関。
  13. 【請求項１３】 機関排気通路内にＮＯx 吸収剤が配置
    され、第１の燃焼と第２の燃焼との切換時には通常第１
    の燃焼のもとで空燃比がリーン又は理論空燃比とされか
    つ噴射時期を圧縮上死点後まで遅らせるようにし、ＮＯ
    x 吸収剤からＮＯx を放出すべきときには第１の燃焼と
    第２の燃焼との切換時に第１の燃焼のもとで空燃比がリ
    ッチとされかつ噴射時期を圧縮上死点後まで遅らせるよ
    うにした請求項１に記載の内燃機関。
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