JP2000179411A

JP2000179411A - 排気ガス再循環量制御弁

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Publication number: JP2000179411A
Application number: JP10357697A
Authority: JP
Inventors: Takekazu Ito; 丈和伊藤; Shizuo Sasaki; 静夫佐々木; Koji Yoshizaki; 康二吉▲崎▼; Masahito Goto; 雅人後藤; Hiroki Murata; 宏樹村田; Tsukasa Abe; 司安部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-12-16
Filing date: 1998-12-16
Publication date: 2000-06-27
Anticipated expiration: 2018-12-16
Also published as: JP3409722B2

Abstract

(57)【要約】【課題】煤及びＮＯｘの排出を同時に阻止しつつ、空
気吸込管内に負圧が発生する場合であってもＥＧＲ制御
弁の開度を所望の開度に維持すると共に、ＥＧＲ通路の
外形を大きくすることなくＥＧＲガスの最大流路面積を
大きくする。【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行い、煤及びＮＯｘの排
出を同時に阻止する。バタフライ式又はロータリー式Ｅ
ＧＲ制御弁３１の弁体の回転軸６１をＥＧＲガスの流れ
の方向に垂直に、かつ弁体６０の中心に配置する。その
結果、弁体の回転軸６１に対して一方の側の弁体が負圧
により受ける力と、弁体の回転軸に対して他方の側の弁
体が負圧により受ける力とが相殺され、ＥＧＲ制御弁３
１の開度が所望の開度に維持される。またＥＧＲ通路２
９の外形を大きくすることなくＥＧＲガスの最大流路面
積が大きくされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は排気ガス再循環量制
御弁に関する。

【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】図１８は従来のＥＧＲ通路内に設けられた
ＥＧＲ制御弁の部分断面側面図である。図１８におい
て、１０００はＥＧＲ制御弁、１００１はＥＧＲ通路、
１００２は弁体、１００３はＥＧＲ制御弁駆動部であ
る。図１８に示すように従来のＥＧＲ制御弁では、ＥＧ
Ｒガス量を制御するために、弁体１００２がＥＧＲガス
の流れの方向にストロークすることによりＥＧＲガスの
流路面積が変更される。このようなストローク式のＥＧ
Ｒ制御弁が採用されるメリットとしては、例えば閉弁動
作時に弁体１００２が突き当たる勢いにより、弁体１０
０２に付着したデポジットを弁体１００２から分離させ
ることができる点等がある。このようなＥＧＲ制御弁の
例としては、例えば特開平８−１４１１４号公報に記載
されたものがある。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】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。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このような新たな燃焼
システムにおいては、上述したようにＥＧＲ率がかなり
大きな値に設定される。そのため、ＥＧＲ率をかなり大
きくするためには、ＥＧＲガスの最大流路面積をかなり
大きくする必要がある。また、ＥＧＲ率をかなり大きく
するためには、吸入空気量がかなり絞られる。吸入空気
量が絞られると、吸入空気量を絞った部分の下流側の機
関吸気通路内に負圧が発生する。そのため、負圧の影響
を受けてもＥＧＲ制御弁の開度が変化しないようにＥＧ
Ｒ制御弁を構成する必要がある。

【００１１】そこで、本発明は、内燃機関から煤が排出
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、機関吸気通路内に負圧が発生する場合であっても
ＥＧＲ制御弁の開度を所望の開度に維持すると共に、排
気ガス再循環通路の外形を大きくすることなく再循環排
気ガスの最大流路面積を大きくすることができる排気ガ
ス再循環量制御弁を提供することを目的とする。

【００１２】

【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すると共
に、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できる内燃機関の排
気ガス再循環通路内に再循環排気ガスの量を制御するた
めに設けられた排気ガス再循環量制御弁であって、弁体
が回転することにより再循環排気ガスの流路面積が変更
され、前記弁体の回転軸が再循環排気ガスの流れの方向
に対して垂直に、かつ前記弁体の中心に配置された排気
ガス再循環量制御弁が提供される。

【００１３】請求項２に記載の発明によれば、前記排気
ガス再循環量制御弁がバタフライ式である請求項１に記
載の排気ガス再循環量制御弁が提供される。

【００１４】請求項３に記載の発明によれば、前記排気
ガス再循環量制御弁がロータリー式である請求項１に記
載の排気ガス再循環量制御弁が提供される。

【００１５】請求項１〜３に記載の排気ガス再循環量制
御弁では、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燃焼が低温の下で行われるた
め、内燃機関から煤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することができる。更に、排気
ガス再循環量制御弁の弁体の回転軸が再循環排気ガスの
流れの方向に対して垂直に、かつ前記弁体の中心に配置
される。そのため、弁体の回転軸に対して一方の側の弁
体が負圧により受ける力と、弁体の回転軸に対して他方
の側の弁体が負圧により受ける力とが相殺される。その
結果、機関吸気通路内に負圧が発生する条件下でも、排
気ガス再循環量制御弁は負圧の影響を受けず、それゆ
え、排気ガス再循環量制御弁の開度は所望の開度に維持
される。また、排気ガス再循環量制御弁の弁体の回転軸
が再循環排気ガスの流れの方向に対して垂直に、かつ前
記弁体の中心に配置されるため、排気ガス再循環通路の
外形を大きくすることなく、再循環排気ガスの最大流路
面積を図１８に示した従来のストローク式のＥＧＲ制御
弁の場合よりも大きくすることができる。

【００１６】請求項４に記載の発明によれば、前記内燃
機関は、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
気ガス再循環率がステップ状に変化せしめられる請求項
１に記載の排気ガス再循環量制御弁が提供される。

【００１７】請求項４に記載の排気ガス再循環量制御弁
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。

【００１８】請求項５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５
５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４に記載の排気ガス再循環量制御弁が提供さ
れる。

【００１９】請求項５に記載の排気ガス再循環量制御弁
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。

【００２０】請求項６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４に記載の排気ガス再循環量制
御弁が提供される。

【００２１】請求項６に記載の排気ガス再循環量制御弁
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。

【００２２】請求項７に記載の発明によれば、前記内燃
機関が、前記燃焼室から排出された未燃炭化水素を酸化
するための酸化機能を有する触媒を機関排気通路内に具
備する請求項１に記載の排気ガス再循環量制御弁が提供
される。

【００２３】請求項８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７に記載の排気ガス再循環量制御弁が提
供される。

【００２４】請求項７及び８に記載の排気ガス再循環量
制御弁では、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】

【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。

【００２６】図１は本発明を４ストローク圧縮着火式内
燃機関に適用した第一の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１
７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。

【００２７】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。

【００２８】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により駆動されるバタフライ式ＥＧＲ制御弁３
１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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】図２は図１に示したバタフライ式ＥＧＲ制
御弁３１の詳細図である。詳細には、図２（ａ）はＥＧ
Ｒガスの流れの方向から見た全閉時のバタフライ式ＥＧ
Ｒ制御弁の部分断面側面図、図２（ｂ）はＥＧＲガスの
流れの方向から見た全開時のバタフライ式ＥＧＲ制御弁
の部分断面側面図、図２（ｃ）は全開時のバタフライ式
ＥＧＲ制御弁の斜視図である。図２に示すように本実施
形態のＥＧＲ制御弁３１では、弁体の回転軸６１が、Ｅ
ＧＲガスの流れの方向に対して垂直に配置されていると
同時に、弁体６０の中心に配置されている。つまり、弁
体６０は弁体の回転軸６１により線対称をなしている。
ＥＧＲガスの流路面積は、弁体の回転軸６１を中心に弁
体６０が回転することにより変更される。

【００３２】上述したようにＥＧＲ制御弁３１が構成さ
れる結果、弁体の回転軸６１に対して弁体６０の上側部
分（図２（ａ））が空気吸込管１７内の負圧により受け
る力と、弁体６０の下側部分（図２（ａ））が負圧によ
り受ける力とが相殺される。そのため、空気吸込管１７
内にスロットル弁２０が配置された本実施形態の場合の
ように空気吸込管１７内に負圧が発生する条件下でも、
ＥＧＲ制御弁３１は負圧の影響を受けず、それゆえ、Ｅ
ＧＲ制御弁３１の開度が所望の開度に維持され得る。

【００３３】また上述したようにＥＧＲ制御弁３１が構
成される結果、図２（ｂ）に示すように、ＥＧＲ通路幅
Ｗ１はＥＧＲガスの最大流路幅Ｗ２と一致せしめられ
る。一方、図１８に示すようにストローク式のＥＧＲ制
御弁の場合には、ＥＧＲ通路幅Ｗ１’は最大流路幅Ｗ
２’よりも大きくなってしまう。つまり、本実施形態に
よれば、ＥＧＲ通路幅Ｗ１を大きくすることなく、ＥＧ
Ｒガスの最大流路幅Ｗ２を従来の場合の最大流路幅Ｗ
２’よりも大きくすることができる。

【００３４】図３は第二の実施形態のロータリー式ＥＧ
Ｒ制御弁５３１の詳細図である。詳細には、図３（ａ）
はＥＧＲガスの流れの方向に垂直な方向から見た全閉時
のロータリー式ＥＧＲ制御弁の部分断面側面図、図３
（ｂ）はＥＧＲガスの流れの方向に垂直な方向から見た
全開時のロータリー式ＥＧＲ制御弁の部分断面側面図、
図２（ｃ）はロータリー式ＥＧＲ制御弁の斜視図であ
る。図３に示すロータリー式ＥＧＲ制御弁５３１では、
図２に示したバタフライ式ＥＧＲ制御弁３１と同様に、
弁体の回転軸５６１が、ＥＧＲガスの流れの方向に対し
て垂直に配置されていると同時に、弁体５６０の中心に
配置されている。つまり、全閉時に弁体５６０は、弁体
の回転軸５６１により、ＥＧＲガスの流れの方向から見
て線対称をなしている。ＥＧＲガスの流路面積は、弁体
の回転軸５６１を中心に弁体５６０が回転することによ
り変更される。

【００３５】上述したようにＥＧＲ制御弁５３１が構成
される結果、弁体の回転軸５６１に対して弁体５６０の
上側部分（図３（ａ））が空気吸込管内の負圧により受
ける力と、弁体５６０の下側部分（図３（ａ））が負圧
により受ける力とが相殺される。そのため、空気吸込管
内に負圧が発生する条件下でも、ＥＧＲ制御弁５３１は
負圧の影響を受けず、それゆえ、ＥＧＲ制御弁５３１の
開度が所望の開度に維持され得る。

【００３６】また上述したようにＥＧＲ制御弁５３１が
構成される結果、図２に示した第一の実施形態と同様
に、ＥＧＲ通路幅はＥＧＲガスの最大流路幅と一致せし
められる。つまり、本実施形態でも、ＥＧＲ通路幅を大
きくすることなく、ＥＧＲガスの最大流路幅を従来の場
合の最大流路幅よりも大きくすることができる。

【００３７】第一の実施形態の説明に戻り、図４は機関
低負荷運転時にスロットル弁２０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４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。

【００３８】図４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。

【００３９】図５（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５（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５（Ａ）と図５（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５（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図５
（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。

【００４０】図４および図５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４
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５からも言える。即
ち、煤がほとんど発生していない図５（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。

【００４１】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４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６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６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４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。

【００４２】図４および図５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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】図７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７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。

【００５０】図７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。

【００５１】一方、図７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。

【００５２】また、図７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。

【００５３】なお、図７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。

【００５４】図８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８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。

【００５５】図８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８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８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８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
８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。

【００５６】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８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。

【００５７】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８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。

【００５８】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。

【００５９】前述したように図８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８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
８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。

【００６０】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。

【００６１】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。

【００６２】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。

【００６３】図９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９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。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】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。

【００６７】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。

【００６８】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。

【００６９】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。

【００７０】図１０は空燃比センサ２７の出力を示して
いる。図１０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。

【００７１】次に図１１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１１は要求負荷Ｌ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１１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、ＥＧＲ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１１に示される例では第１の運転領域ＩではＥ
ＧＲ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。

【００７２】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。

【００７３】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。

【００７４】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７）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。

【００７５】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。

【００７６】図１２（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１２（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１２
（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。

【００７７】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
１２（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。

【００７８】なお、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ＲＯＭ４
２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２
０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。

【００７９】図１４（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１４（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１４（Ａ）に示される目標空燃比Ａ
／Ｆは図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。また、空燃比を図１４（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１５（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１４（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１５（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。

【００８０】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１６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】次に図１７を参照しつつ本実施形態の運転
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１０１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１０３に進んで低温燃焼が行
われる。

【００８２】即ち、ステップ１０３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
２（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。

【００８３】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。

【００８４】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。

【００８５】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。

【００８６】即ち、ステップ１１０では図１６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１５（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１５（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。

【００８７】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１４（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。

【００８８】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。

【００８９】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。

【００９０】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。

【００９１】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。

【００９２】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。

【００９３】上述したように本実施形態によれば、ステ
ップ１０３からステップ１０７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が
行われるため、内燃機関から煤が排出されること及びＮ
Ｏｘが排出されることを同時に阻止することができる。

【００９４】更に本実施形態によれば、ＥＧＲ制御弁３
１の弁体の回転軸６１がＥＧＲガスの流れの方向に対し
て垂直に、かつ弁体６０の中心に配置される。そのた
め、弁体の回転軸６１に対して一方の側の弁体が負圧に
より受ける力と、弁体の回転軸６１に対して他方の側の
弁体が負圧により受ける力とが相殺される。その結果、
空気吸込管１７内に負圧が発生する条件下でも、ＥＧＲ
制御弁３１は負圧の影響を受けず、それゆえ、ＥＧＲ制
御弁３１の開度は所望の開度に維持される。また、ＥＧ
Ｒ制御弁３１の弁体の回転軸６１がＥＧＲガスの流れの
方向に対して垂直に、かつ弁体６０の中心に配置される
ため、ＥＧＲ通路２９の幅Ｗ１を大きくすることなく、
ＥＧＲガスの最大流路幅Ｗ２を図１８に示した従来のス
トローク式のＥＧＲ制御弁の最大流路幅Ｗ２’よりも大
きくすることができる。また上述したように、ＥＧＲ制
御弁３１が負圧の影響を受けづらいため、ＥＧＲ制御弁
３１の駆動速度を大きくすることができる。

【００９５】更に上述した第二の実施形態においても、
ＥＧＲ制御弁５３１の弁体の回転軸５６１がＥＧＲガス
の流れの方向に対して垂直に、かつ弁体５６０の中心に
配置される。そのため、弁体の回転軸５６１に対して一
方の側の弁体が負圧により受ける力と、弁体の回転軸５
６１に対して他方の側の弁体が負圧により受ける力とが
相殺される。その結果、空気吸込管１７内に負圧が発生
する条件下でも、ＥＧＲ制御弁５３１は負圧の影響を受
けず、それゆえ、ＥＧＲ制御弁５３１の開度は所望の開
度に維持される。また、ＥＧＲ制御弁５３１の弁体の回
転軸５６１がＥＧＲガスの流れの方向に対して垂直に、
かつ弁体５６０の中心に配置されるため、ＥＧＲ通路２
９の幅を大きくすることなく、ＥＧＲガスの最大流路幅
を図１８に示した従来のストローク式のＥＧＲ制御弁の
最大流路幅Ｗ２’よりも大きくすることができる。また
上述したように、ＥＧＲ制御弁５３１が負圧の影響を受
けづらいため、ＥＧＲ制御弁５３１の駆動速度を大きく
することができる。

【００９６】

【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、機関吸気通路内に負圧が発生
する場合であってもＥＧＲ制御弁の開度を所望の開度に
維持すると共に、排気ガス再循環通路の外形を大きくす
ることなく再循環排気ガスの最大流路面積を大きくする
ことができる。

【００９７】請求項４及び５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。

【００９８】請求項６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。

【００９９】請求項７及び８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。

【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】バタフライ式ＥＧＲ制御弁の詳細図である。

【図３】ロータリー式ＥＧＲ制御弁の詳細図である。

【図４】スモークおよびＮＯｘの発生量等を示す図であ
る。

【図５】燃焼圧を示す図である。

【図６】燃料分子を示す図である。

【図７】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図
である。

【図８】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図であ
る。

【図９】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１０】空燃比センサの出力を示す図である。

【図１１】スロットル弁の開度等を示す図である。

【図１２】第１の運転領域Ｉ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】第２の燃焼における空燃比等を示す図であ
る。

【図１５】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図
である。

【図１６】燃料噴射量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】従来のＥＧＲ制御弁の部分断面側面図であ
る。

【符号の説明】

５…燃焼室１７…空気吸込管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）Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１Ｄ３０１Ｂ 41/02 ３５１ 41/02 ３５１ (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 (72)発明者安部司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 EA11 ED08 ED10 GA04 GA05 GA06 GA21 3G090 AA06 3G091 AA02 AA10 AA11 AA18 AB02 AB03 AB05 BA15 CA13 CB02 CB03 CB07 CB08 DA03 DA05 DB10 EA00 EA01 EA02 EA05 EA07 EA30 EA31 EA34 FA12 FA13 FA14 FB10 FB11 GB01X GB02W GB03W GB04W GB05W GB06W GB10X GB16X HA36 HB03 HB05 HB06 3G092 AA02 AA17 AA18 AB03 BA04 DC03 DC09 DF02 DF06 EA05 EA07 EA11 EA21 EA25 FA17 FA18 GA05 GA06 HA01X HA01Z HA06X HA06Z HB01X HB01Z HD05Z HF08Z 3G301 HA13 KA08 KA09 LA00 NC02 ND01 NE15 PA11A PA11Z PA17Z PB03A PD03A PD15A PD15Z PE01Z PF03Z

Claims

【特許請求の範囲】

【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する
と共に、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できる内燃機関
の排気ガス再循環通路内に再循環排気ガスの量を制御す
るために設けられた排気ガス再循環量制御弁であって、
弁体が回転することにより再循環排気ガスの流路面積が
変更され、前記弁体の回転軸が再循環排気ガスの流れの
方向に対して垂直に、かつ前記弁体の中心に配置された
排気ガス再循環量制御弁。
【請求項２】前記排気ガス再循環量制御弁がバタフラ
イ式である請求項１に記載の排気ガス再循環量制御弁。
【請求項３】前記排気ガス再循環量制御弁がロータリ
ー式である請求項１に記載の排気ガス再循環量制御弁。
【請求項４】前記内燃機関は、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がステップ状に
変化せしめられる請求項１に記載の排気ガス再循環量制
御弁。
【請求項５】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４に記載の排気ガス
再循環量制御弁。
【請求項６】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４に記
載の排気ガス再循環量制御弁。
【請求項７】前記内燃機関が、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の酸化機能を有する触
媒を機関排気通路内に具備する請求項１に記載の排気ガ
ス再循環量制御弁。
【請求項８】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７に記載の排気
ガス再循環量制御弁。