JP2003166439A - 内燃機関 - Google Patents

内燃機関

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温燃焼時のパイロット噴射を制限し、ま
た、パイロット噴射の禁止に伴う燃焼騒音の発生等を抑
制可能な機関制御技術を備えた内燃機関を提供する。 【解決手段】 高ＥＧＲ率の吸気を燃焼させて機関運転
を行う低温燃焼時と、低ＥＧＲ率の吸気を燃焼させて機
関運転を行う通常燃焼時と、を機関運転中に切り換え可
能な内燃機関１であって、内燃機関１では、主たる燃料
噴射に加えパイロット実施し、さらに、低温燃焼に切り
換えての機関運転中には、そのパイロット噴射の実施を
制限するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関に関し、
より詳細には、燃焼温度および酸素濃度が大きく異なる
二つの燃焼状態を、機関運転中に切り換え可能な内燃機
関に関する。
【０００２】
【従来の技術】希薄燃焼式内燃機関の一種であるディー
ゼル機関では、煤や窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低
減するため種々の対策が講じられている。この対策の一
つに、例えば、特開平２０００−６４９１１号公報に開
示された低温燃焼技術がある。
【０００３】同公報に開示された低温燃焼技術によれ
ば、燃焼室に流れ込むＥＧＲガスおよび燃焼室に流れ込
む空気の量を加減することで、燃焼に供される吸気中に
含まれるＥＧＲガスの割合を調節し、燃焼温度および酸
素濃度を大きく異ならせた二つの機関燃焼を可能にして
いる。
【０００４】より詳しくは、高負荷運転時においてドラ
イバビィリティーを確保すべくその吸気中に含まれるＥ
ＧＲガスの割合を適切量に抑えながら通常の燃焼を行
い、逆にアイドリング時および低負荷運転時には、ＥＧ
Ｒガスの割合を大幅に増加させることで燃焼温度及び酸
素濃度を大幅に低下させ、煤（スモーク）や窒素酸化物
（ＮＯｘ）の生成量を減らす所謂「低温燃焼」に切り換
える。
【０００５】ところで、ディーゼル機関では、通常の燃
焼状態において、Ａ／Ｆ＝３０〜４０に達する空気過剰
のもと機関運転が行われ、その燃焼後の排気ガス中には
多量の空気（酸素）が残存している。すなわち、ＥＧＲ
ガスたる排気ガス中にも多量の酸素が混入することとな
る。
【０００６】したがって、単にＥＧＲガス量のみを増大
させるだけでは、酸素濃度やＥＧＲガス量の変化が緩慢
となり、高いＥＧＲ率で実現される低温燃焼への切り換
えには、ある程度の時間を要した。また、低温燃焼時に
は、不活性ガスたるＥＧＲガスの増加等に起因して燃焼
状態が不安定になり、また機関出力も低下する。このた
め従来では種々の機関制御を行い、その切り換えに要す
る時間の短縮および燃焼安定性の確保に努めていた。
【０００７】より詳しくは、ＥＧＲ弁の開度制御に加
え、吸気に対する空気量そのものを減らすことで吸気中
の空気量（酸素量）を大幅に低下させる吸気絞り弁の開
度制御を行い、さらに、それらＥＧＲ弁及び吸気絞り弁
の開度制御量を一旦オーバーシュートさせることで燃焼
状態を早期に切り換えるオーバーシュート制御を実施し
ている。また、燃料噴射系では、燃料噴射量を増量補正
し、燃料噴射時期を進角補正し、低温燃焼に起因した失
火や機関出力の低下を抑制している。
【０００８】このように従来の内燃機関では、種々の機
関制御を行うことで燃焼状態の切り換えを適正化してい
る。なお、上記の機関制御は、勿論、通常の燃焼状態に
復帰するときにも必要とされ、その処理内容は、その時
々の燃焼状態に見合った制御内容にて処理されている。
【０００９】また、ディーゼル機関の一般的な燃料噴射
技術の一つに「パイロット噴射」がある。パイロット噴
射は、主噴射にて噴射する機関燃料の一部を予め燃焼室
内に噴射し、それによって主燃焼の種火となる熱源を燃
焼室内に作り出すことで主燃焼時の急激な燃焼圧の上昇
および燃焼温度の上昇を抑制するものである。すなわ
ち、パイロット噴射の実施時には、燃焼が緩慢となり燃
焼騒音の低減や排気ガス中に含まれる有害成分（例え
ば、煤や窒素酸化物ＮＯｘ等）の排出抑制が図られる。
【００１０】また、近年では、これら低温燃焼技術とパ
イロット噴射とを併用することで、煤（スモーク）の発
生や窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を抑制し、また、燃焼
騒音の低減を図ることで、運転領域全域に亘り快適な運
転環境が得られるように努めている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】ところで、本発明者等
によれば、上記した低温燃焼とパイロット噴射との組み
合わせについて種々の改善点が見出された。
【００１２】まず、低温燃焼に着目すると、低温燃焼時
には、酸素量の不足や燃焼圧力の低下に起因して燃焼が
緩慢になるため、上述のごとく燃焼騒音の低下や有害成
分の排出抑制が図られる。すなわち、低温燃焼時にはパ
イロット噴射同様の効果が得られ、機関出力にさほど寄
与しないパイロット噴射は不要な燃焼消費となる。
【００１３】また、パイロット噴射に着目すれば、パイ
ロット噴射時には、燃焼室内の酸素を消費して種火たる
熱源を燃焼室内に確保するため、酸素量を大幅に減らし
ての燃焼が要求される低温燃焼時には、主燃焼に必要と
される酸素量の確保が困難になる。すなわち、パイロッ
ト噴射の実施によって燃焼状態の安定性をさらに低下さ
せる虞がある。
【００１４】このように、従来から行われていたパイロ
ット噴射は、全ての運転領域において必ずしも有用な燃
料噴射制御技術であるとは言えなくなった。
【００１５】また、上記に鑑み、仮に、燃焼状態の切り
換え要求を受けてパイロット噴射の有無を決定すれば、
その燃焼状態の切り換え期間すなわち過渡期において燃
焼騒音が一時的に増大する。つまり、未だ低温燃焼が確
立されていないにも拘わらずパイロット噴射を禁止すれ
ば、そのパイロット噴射によって抑制されていた燃焼騒
音が再び発生する。また、上記に習い通常燃焼の成立後
にパイロット噴射を再開させれば、低温燃焼によって抑
制されていた燃焼騒音が低温燃焼から通常燃焼に至る過
渡期において一時的に増大することとなる。
【００１６】つまり、パイロット噴射の禁止期間をいか
に制御し、パイロット噴射の禁止と燃焼騒音の低減を両
立させるといった問題は、低温燃焼とパイロット噴射と
を併用する内燃機関の開発において重要なポイントにな
る。
【００１７】本発明は以上の点を考慮しなされたもの
で、低温燃焼時のパイロット噴射を制限し、また、パイ
ロット噴射の禁止に伴う燃焼騒音の発生等を抑制可能な
機関制御技術を備えた内燃機関を提供することを課題と
する。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明では、上記した技
術的課題を解決するため、以下の構成とした。すなわ
ち、本発明の内燃機関は、燃焼に供される混合気中に含
まれる不活性ガスの割合が所定量に近づくと、その燃焼
時に生成される煤の生成量が次第にピークに達し、その
割合をさらに大きくすると煤の生成量が減少する燃焼特
性を有し、さらに、その不活性ガスの割合を前記所定量
未満に抑えることで煤の発生を抑制する第１の燃焼状態
と、不活性ガスの割合を前記所定量を超える領域に保持
することで煤の発生を抑制する第２の燃焼状態と、を機
関運転中に切り換え可能な内燃機関であって、前記第１
の燃焼状態から前記第２の燃焼状態への切り換え要求
時、または、前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状
態への切り換え要求時に、前記混合気中に含まれる不活
性ガスの割合を変化させることで燃焼状態を切り換える
燃焼状態切換手段と、内燃機関の主たる燃料噴射に加
え、その燃料噴射に先立つパイロット噴射を内燃機関の
燃料噴射系に実行させる燃料噴射制御手段と、少なくと
も前記第２の燃焼状態に切り換えての機関運転中を含む
所定期間は、前記パイロット噴射の実行を禁止するパイ
ロット噴射制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００１９】このように構成された本発明では、ＥＧＲ
ガス量が多く燃焼が緩慢になる第２の燃焼状態に切り換
えての機関運転中に、パイロット噴射を積極的に禁止す
る。すなわち、燃焼が緩慢になる第２の燃焼状態を含む
所定期間中においてパイロット噴射を禁止し、パイロッ
ト噴射の実施に伴う不要な燃焼消費を回避する。また、
主燃焼に必要とされる酸素量をそのＥＧＲガス量過多の
燃焼条件下で確保する。
【００２０】なお、上記で「少なくとも前記第２の燃焼
状態に切り換えての機関運転中を含む所定期間」とは、
第２の燃焼状態に切り換えての機関運転中のみで定義さ
れる期間でもよく、また、第１の燃焼状態に切り換えて
の機関運転中を一部含む場合も想定している。さらに、
上記において「第２の燃焼状態に切り換えての機関運転
中」とは、第２の燃焼状態に切り換えての機関運転中全
期間を必ずしも含む必要はなく、第２の燃焼状態に切り
換えての機関運転中における一時期であってもよい。
【００２１】また、前記パイロット噴射制御手段に関
し、前記パイロット噴射制御手段は、前記第１の燃焼状
態から前記第２の燃焼状態への切り換え開始後、所定期
間経過の後にパイロット噴射を禁止するようにしてもよ
い。
【００２２】この構成では、第２の燃焼状態への切り換
え開始後、所定時間経過後にパイロット噴射を禁止し、
未だ第２の燃焼状態が確立していない状態すなわち過渡
期でのパイロット噴射の禁止に起因した一時的な燃焼騒
音の発生を抑制する。なお、上記した「所定期間」と
は、燃焼状態の切り換えに要する期間を意図し、その期
間設定は各種予備実験によるもの、また、各種センサの
出力変化から推定するなど、種々の方法を選択できる。
【００２３】また、前記パイロット噴射制御手段に関
し、前記パイロット噴射制御手段は、前記第２の燃焼状
態から前記第１の燃焼状態への切り換え以前に、前記パ
イロット噴射を再開させてもよい。
【００２４】この構成では、第２の燃焼状態から第１の
燃焼状態への切り換え以前に、パイロット噴射を再開さ
せることで、第１の燃焼状態へ復帰する際の燃焼騒音の
発生を未然に防止する。すなわち、第１の燃焼状態に切
り換えた後にパイロット噴射を再開させると、その第２
の燃焼状態にて抑制されていた燃焼騒音が第１の燃焼状
態への移行によって一時的に発生するため、予めパイロ
ット噴射を再開し、燃焼騒音の発生を防止する。なお、
上記で「切り換え以前」とは、勿論、切り換えと同時に
とっいた概念をも含むものである。
【００２５】また、前記不活性ガス、および燃焼状態切
換手段に関し、前記不活性ガスは、排気通路から吸気通
路に還流するＥＧＲガスであり、前記燃焼状態切換手段
は、吸気通路に還流するＥＧＲガス量を制御するＥＧＲ
量制御手段と、吸気通路を通じて燃焼室に流れ込む空気
量を制御する空気量制御手段と、燃焼状態の切り換え要
求に応じてそれらＥＧＲ量制御手段及び空気量制御手段
の制御量を一旦オーバーシュートさせることで燃焼状態
を早期に切り換えるオーバーシュート制御手段と、を備
え、前記パイロット噴射制御手段は、前記第２の燃焼状
態への切り換えにおいて、前記燃焼状態切換手段による
オーバーシュート制御の後にパイロット噴射を禁止する
ようにしてもよい。
【００２６】この構成によれば、第２の燃焼状態に切り
換える際、ＥＧＲ量制御手段および空気量制御手段の制
御量を一旦オーバーシュートさせた後にパイロット噴射
を禁止する。つまり、ＥＧＲガス量及び空気量を積極的
に変化させることで燃焼状態の早期切り換えを図り、第
２の燃焼状態が確立されたことを受けてパイロット噴射
を禁止する。よって、過渡期での燃焼騒音も抑制され、
また、パイロット噴射の禁止期間も長く取れる。
【００２７】また、前記パイロット噴射制御手段は、前
記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換え
において、前記燃焼状態切換手段によるオーバーシュー
ト制御の開始以前に前記パイロット噴射を再開させても
よい。
【００２８】すなわち、第２の燃焼状態から第１の燃焼
状態に切り換える場合、本構成では、オーバーシュート
制御の開始以前にパイロット噴射を再開させる。つま
り、オーバーシュート制御の後にパイロット噴射を再開
させると、今まで第２の燃焼状態によって抑制されてい
た燃焼騒音がオーバーシュート制御の開始と共に増加し
だすため、予めパイロット噴射を再開させることで、オ
ーバーシュート制御に伴う燃焼騒音の増加を未然に防止
する。また、ここで開始以前とは、「オーバーシュート
制御の開始と同時に」をといった意味をも含むものであ
る。
【００２９】また、前記燃料噴射制御手段、およびパイ
ロット噴射制御手段に関し、前記燃料噴射制御手段は、
前記第２の燃焼状態に切り換えての機関運転時に、内燃
機関の主たる燃料噴射の燃料噴射量を一時増量補正する
噴射量補正手段を備え、前記パイロット噴射制御手段
は、前記第１の燃焼状態から前記第２の燃焼状態への切
り換えにおいて、前記燃焼状態切換手段によるオーバー
シュート制御の実施後、且つ燃料噴射制御手段による燃
料噴射量の増量補正後に、前記パイロット噴射を禁止す
るようにしてもよい。
【００３０】この構成では、上記したオーバーシュート
制御に加え、燃料噴射制御手段の一制御たる噴射量補正
手段にて燃料噴射量を増量補正し、第２の燃焼状態への
切り換えに伴う機関出力の低下を抑制する。また、本発
明では、第２の燃焼状態に切り換えての機関運転中にパ
イロット噴射を禁止するが、燃料噴射量の補正以前にパ
イロット噴射を禁止すると、そのパイロット噴射の禁止
に起因して機関出力が一時的に変化するため、本構成で
は、燃料噴射量の増量補正後にパイロット噴射を禁止
し、それによって機関出力を低下させることなくパイロ
ット噴射を禁止する。
【００３１】また、上記に絡み、前記パイロット噴射制
御手段は、前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態
への切り換えにおいて、前記燃焼状態切換手段によるオ
ーバーシュート制御の開始以前、且つ燃料噴射制御手段
による燃料噴射量の増量補正終了以前に、前記パイロッ
ト噴射を再開させてもよい。
【００３２】すなわち、第２の燃焼状態から第１の燃焼
状態への切り換えにおいて、本構成では、オーバーシュ
ート制御の開始以前および燃料噴射量の増量補正終了以
前にパイロット噴射を再開させる。つまり、燃料噴射量
の補正終了後にパイロット噴射を再開させると、第２の
燃焼状態から第１の燃焼状態に至る過渡期で、煤（スモ
ーク）や窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量が一時的に増加
するため、予めパイロット噴射を再開させておくことで
それら煤や窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑制する。ま
た、ここで補正終了以前とは、「補正の終了と同時に」
といった内容をも含むものである。
【００３３】また、前記燃料噴射制御手段およびパイロ
ット噴射制御手段に関し、前記燃料噴射制御手段は、前
記第２の燃焼状態に切り換えての機関運転時に、内燃機
関の主たる燃料噴射の噴射時期を一時進角補正する噴射
時期補正手段を備え、前記パイロット噴射制御手段は、
前記第１の燃焼状態から前記第２の燃焼状態への切り換
えにおいて、前記燃焼状態切換手段によるオーバーシュ
ート制御の実施後、且つ燃料噴射制御手段による燃料噴
射時期の進角補正後に、前記パイロット噴射を禁止する
ようにしてもよい。
【００３４】この構成では、上記したオーバーシュート
制御に加え、燃料噴射制御手段の一制御たる噴射時期補
正手段にて主燃料噴射の噴射時期を進角し、第２の燃焼
状態への切り換えに伴う燃焼安定性の低下を抑制する。
また、本発明では、第２の燃焼状態に切り換えての機関
運転中にパイロット噴射を禁止するが、噴射時期の補正
（進角）以前にパイロット噴射を禁止すると、そのパイ
ロット噴射の禁止に起因して主たる燃料噴射の着火性が
一時的に低下するため、燃料噴射時期の進角補正後にパ
イロット噴射を禁止し、それによって機関出力の安定性
を低下させることなくパイロット噴射を禁止する。
【００３５】また、上記に絡み前記パイロット噴射制御
手段は、前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態へ
の切り換えにおいて、前記燃焼状態切換手段によるオー
バーシュート制御の開始以前、且つ前記燃料噴射制御手
段による燃料噴射時期の進角補正終了以前に、前記パイ
ロット噴射を再開させてもよい。
【００３６】すなわち、第２の燃焼状態から第１の燃焼
状態への切り換えにおいて、本構成では、オーバーシュ
ート制御の開始以前および燃料噴射時期の進角補正終了
以前にパイロット噴射を再開させる。つまり、燃料噴射
量の補正終了後にパイロット噴射を再開させると、第２
の燃焼状態から第１の燃焼状態に至る過渡期での噴射時
期の遅角に起因して燃焼安定性が低下するため、予めパ
イロット噴射を再開させておくことで、その噴射時期の
遅角に起因した燃焼安定性の低下を抑制する。また、こ
こで補正終了以前とは、「補正の終了と同時に」といっ
た意味も含むものである。
【００３７】このように本発明では、燃焼が緩慢になる
第２の燃焼状態に切り換えての機関運転時と、パイロッ
ト噴射の実施時期とを極力異ならせるようにパイロット
噴射の実施を制限する。また、燃焼状態の過渡期や燃料
噴射補正制御等との影響を加味してパイロット噴射の禁
止期間を設定することで燃焼騒音の発生等を抑制する。
【００３８】なお、上記した種々の構成は、勿論、本発
明の課題を逸脱しない範囲で組み合わせ可能である。例
えば、上記した第１の燃焼状態から第２の燃焼状態に切
り換えにおいて、オーバーシュート制御、燃料噴射量の
補正、燃料噴射時期の補正、の全てを処理した後にパイ
ロット噴射を禁止するなど、その組み合わせは上記した
各種構成の範囲で適宜組み合わせ可能である。
【００３９】
【発明の実施の形態】続いて、本発明に係る内燃機関に
関し、その好適な実施形態について説明する。なお、以
下に示す内燃機関の構造は、あくまでも本発明の一実施
形態にすぎず、その詳細は、内燃機関の各種仕様等に応
じて変更可能である。
【００４０】＜ディーゼル機関の概要＞本実施の形態に
示す内燃機関１は、希薄燃焼式内燃機関の一種である車
両用ディーゼル機関であり、図１に示されるように４つ
の気筒２（燃焼室）の他、燃料供給系、吸気系、排気
系、制御系などをその主要構成要素として備えている。
【００４１】燃料供給系は、燃料噴射弁３、コモンレー
ル（蓄圧室）４、燃料供給管５、燃料ポンプ６、などを
備え、各気筒２に対して燃料供給を行っている。燃料噴
射弁３は、各気筒２に対して夫々設けられる電磁駆動式
の開閉弁であり、各燃料噴射弁３は、燃料の分配管とな
るコモンレール４に接続されている。また、コモンレー
ル４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６に連結され
ている。燃料ポンプ６は、内燃機関１の出力軸たるクラ
ンクシャフト１ａの回転を駆動源として回転駆動されて
いる。
【００４２】このように構成された燃料供給系では、ま
ず、燃料ポンプ６によって燃料タンク（図示略）内の燃
料が汲み上げられる。汲み上げられた燃料は、燃料供給
管５を介してコモンレール４に供給される。コモンレー
ル４に供給された燃料は、コモンレール４内にて所定燃
圧まで高められ、各燃料噴射弁３に分配される。そし
て、燃料噴射弁３に駆動電圧が印可され燃料噴射弁３が
開弁すると、その燃料は、燃料噴射弁３を介して各気筒
２内に噴射される。
【００４３】一方、吸気系は、吸気管９、スロットル弁
１３、吸気枝管８、エアクリーナボックス１０、インタ
ークーラ１６などを備え、各気筒２に対して空気を供給
する吸気通路を形成している。
【００４４】吸気管９は、エアクリーナボックス１０を
介して吸入される空気を吸気枝管８に導く通路を形成し
ている。吸気枝管８は、吸気管９を経て流入する空気を
各気筒２に分配する通路を形成している。また、吸気管
９とエアクリーナボックス１０との連結部分近傍には、
吸気管９に流れ込む空気の温度を測定する吸気温センサ
４４ａを備えている。
【００４５】また、エアクリーナボックス１０からスロ
ットル弁１３に至る吸気管９には、吸入した空気を圧縮
するターボチャージャ１５（コンプレッサハウジング１
５ａ）、及びターボチャージャ１５にて圧縮した空気を
冷却するインタークーラ１６を備え、さらに、ターボチ
ャージャ１５の上流には、吸気管９を通じて燃焼室２に
流れ込む空気の流量を計測するエアフロメータ４５を備
えている。
【００４６】また、吸気枝管８の直上流には、吸気管９
を通じて各気筒２に流れ込む空気量を加減するスロット
ル弁１３（空気量制御手段）を備え、スロットル弁１３
の開度は、ステッパモータなどにて構成されたアクチュ
エータ１４によって制御されている。また、スロットル
弁１３の直下流には、吸気枝管８内の温度を測定する吸
気温センサ４４ｂ、及び吸気枝管８内の管内圧力を測定
する吸気圧センサ４６を備えている。
【００４７】このように構成された吸気系では、まず、
機関運転に伴う負圧の発生により各気筒２に供給される
べき空気がエアクリーナボックス１０に流れ込む。エア
クリーナボックス１０内に流入した空気は、エアクリー
ナボックス１０内にて塵や埃を除去された後、吸気管９
を経てターボチャージャ１５に流れ込む。ターボチャー
ジャ１５に流入した空気は、コンプレッサホイール１５
ａにて圧縮された後、インタークーラ１６によって冷却
される。そして、必要に応じてスロットル弁１３での流
量調節を受けた後、吸気枝管８内に流入する。吸気枝管
８に流入した空気は、各枝管を介して各気筒２に分配さ
れ、燃料噴射弁３から噴射供給された燃料と共に燃焼さ
れる。尚、各種センサの出力は、後述の電子制御ユニッ
ト３０に入力されており、例えば、内燃機関の基本燃料
噴射制御などにフィードバックされる。
【００４８】排気系は、排気枝管１８、排気管１９を備
え、各気筒２から排出される排気ガスを機関本体外に排
出する排気通路を形成している。また、触媒コンバータ
５０、還元剤添加装置６０、ＥＧＲ装置２０、などを備
え、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）や微粒
子（例えば、煤）を浄化せしめる排気浄化装置としての
機能を有する。
【００４９】まず、排気枝管１８は、各気筒２毎に設け
られた排気ポート１８ａに接続すると共にその排気ポー
ト１８ａから排出された排気ガスを集合してターボチャ
ージャ１５のタービンハウジング１５ｂに導く通路を形
成している。また、排気管１９は、タービンハウジング
１５ｂから図示しない消音器までの通路を形成してい
る。なお、図中５９は、周知の酸化触媒コンバータであ
る。
【００５０】触媒コンバータ５０は、ケーシング５１、
及びそのケーシング５１内に設けられる各種排気浄化触
媒５０ａ，５０ｂを備え、機関本体１から排出される排
気ガス中の有害物質を浄化せしめる排気浄化作用を有す
る。
【００５１】より詳しくは、タービンハウジング１５ｂ
の出口近傍にケーシング５１が配置され、ケーシング５
１内には、上流側から吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５０ａ、パ
ティキュレートフィルタ５０ｂの順に排気浄化触媒を内
蔵して触媒コンバータ５０を構成している。なお、以下
の説明では、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５０ａを単にリーン
ＮＯｘ触媒５０ａと称することもある。
【００５２】排気浄化触媒の一つであるリーンＮＯｘ触
媒５０ａは、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を主と
して浄化せしめる排気浄化作用を有している。より詳し
くは、リーンＮＯｘ触媒５０ａに流れ込む排気ガスの酸
素濃度が高いときにその排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯ
ｘ）を吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低いとき、すな
わちリーンＮＯｘ触媒５０ａに流れ込む排気ガスの空燃
比が低いときにその吸収していた窒素酸化物（ＮＯｘ）
を二酸化窒素（ＮＯ2）や一酸化窒素（ＮＯ）の形で排
気ガス中に還元・放出し、同時にその二酸化窒素（ＮＯ
2）や一酸化窒素（ＮＯ）を排気ガス中に含まれている
未燃燃料成分（ＣＯ、ＨＣ）と酸化反応せしめることで
無害な水蒸気（Ｈ2Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ2）に浄化
する排気浄化能を有する。
【００５３】また、その構成は、例えばアルミナ（Ａｌ
2Ｏ3）を担体とし、その担体上にカリウム（Ｋ）、ナト
リウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）
等のアルカリ金属、若しくはバリウム（Ｂａ）、カルシ
ウム（Ｃａ）等のアルカリ土類、又はランタン（Ｌ
ａ）、イットリウム（Ｙ）等の希土類から選ばれた少な
くとも一つと、白金（Ｐｔ）のような貴金属とを担持し
てなる。
【００５４】なお、ここで排気浄化作用の補足説明を行
うと、本実施の形態に示す希薄燃焼式内燃機関１では、
通常、酸素過剰雰囲気下で燃焼が行われている。このた
め燃焼に伴い排出される排気ガスの酸素濃度は、上記の
還元・放出作用を促す迄に低下することは殆どなく、ま
た、排気ガス中に含まれる未燃燃料成分（ＣＯ，ＨＣ）
の量も極僅かである。
【００５５】したがって、本実施の形態では、還元剤た
る機関燃料（ＨＣ）を排気ガス中に噴射供給すること
で、酸素濃度の低下を促すと共にその未燃燃料成分たる
炭化水素（ＨＣ）等を補い、排気浄化作用を促進させて
いる。なお、還元剤の噴射供給は、後述の還元剤添加装
置６０によって行われている。また、その詳細は後に説
明する。
【００５６】一方のパティキュレートフィルタ５０ｂ
は、排気ガス中に含まれる煤などの微粒子を酸化燃焼せ
しめる排気浄化作用を有している。より詳しくは、活性
化酸素放出剤を担持したフィルタ５８を備え、そのフィ
ルタ５８上に捕集した微粒子を活性化酸素にて酸化燃焼
せしめることで除去（浄化）する排気浄化作用を備えて
いる。
【００５７】フィルタ５８単体は、図２に示されるよう
にコージライトのような多孔質材料から形成されたハニ
カム形状をなし、互いに平行をなして延びる複数個の流
路５５，５６を具備している。より具体的には、下流端
が栓５５ａにより閉塞された排気ガス流入通路５５と、
上流端が栓５６ａにより閉塞された排気ガス流出通路５
６と、を備え、各排気ガス流入通路５５及び排気ガス流
出通路５６は薄肉の隔壁５７を介して該フィルタ５８に
おける縦方向及び横方向に並んで配置されている。
【００５８】また、隔壁５７の表面および内部の細孔に
は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等によって形成された担体の
層が設けられ、担体上には、白金（Ｐｔ）等の貴金属触
媒の他、周囲に過剰酸素が存在するとその過剰酸素を吸
蔵し、逆に酸素濃度が低下すると、その吸蔵した酸素を
活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤が担持されてい
る。
【００５９】なお、活性酸素放出剤としては、カリウム
（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシ
ウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）のようなアルカリ金
属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロン
チウム（Ｓｒ）のようなアルカリ土類金属、ランタン
（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）のような希土類、および
セリウム（Ｃｅ）、錫（Ｓｎ）のような遷移金属から選
ばれた少なくとも一つを用いるとよい。
【００６０】また、好ましくは、カルシウム（Ｃａ）よ
りもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類
金属、即ちカリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウ
ム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）、バリウム（Ｂａ）、
ストロンチウム（Ｓｒ）などを用いるとよい。
【００６１】このように構成されたパティキュレートフ
ィルタ５０ｂでは、まず、排気ガス流入通路５５→隔壁
５７→排気ガス流出通路５６の順に排気ガスが流れ（図
２矢印ａ）、排気ガス中に含まれる煤などの微粒子は、
その隔壁５７を通過する過程で、隔壁５７の表面及び内
部に捕集される。そして、隔壁５７に捕集された微粒子
は、隔壁５７（フィルタ）に流れ込む排気ガスの酸素濃
度を複数回に亘り変化させることで増加する活性化酸素
によって酸化せしめられ、ついには輝炎を発することな
く燃え尽きてフィルタ５８上から除去される。
【００６２】このように本実施の形態では、排気通路に
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５０ａおよびパティキュレートフ
ィルタ５０ｂを配置することで排気ガス中に含まれる窒
素酸化物（ＮＯｘ）および煤などの微粒子を浄化する。
【００６３】なお、本実施の形態では、上記したように
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５０ａとパティキュレートフィル
タ５０ｂとを直列に配置している。この理由としては、
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５０ａでの酸化・還元反応に伴う
反応熱を利用してパティキュレートフィルタ５０ｂを昇
温させる、および吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５０ａにおける
酸化・還元反応に起因して放出される吸蔵還元型ＮＯｘ
触媒５０ａからの活性化酸素をパティキュレートフィル
タ５０ｂの排気浄化作用に利用する、などの理由に基づ
く。なお、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５０ａは、上記でも明
らかなように、活性化酸素放出剤と略同様の物質を担持
してなる。したがって、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５０ａ
は、活性化酸素放出剤としての機能を有すると言える。
【００６４】続いて、排気浄化触媒の排気浄化作用を促
す還元剤添加装置６０について説明する。還元剤添加装
置６０は、還元剤添加弁６１、還元剤供給路６２、燃圧
制御バルブ６４、燃圧センサ６３、緊急遮断弁６６、な
どを備え、必要に応じて適切量の還元剤（機関燃料）を
触媒コンバータ５０上流の排気通路に添加している。す
なわち、触媒コンバータ５２に流れ込む排気ガスの空燃
比が目標空燃比となるように、還元剤たる機関燃料を排
気ガス中に供給している。
【００６５】還元剤添加弁６１は、排気枝管１８の集合
部分に設けられ、所定電圧が印可されたときに開弁する
電気式の開閉弁である。還元剤供給路６２は、前記燃料
ポンプ６によって汲み上げられた燃料の一部を還元剤添
加弁６１に導く通路を形成している。燃圧制御バルブ６
４は、還元剤供給路６２の経路途中に配置され、還元剤
供給路６２内の燃圧を所定燃圧に維持している。燃圧セ
ンサ６３は、還元剤供給路６２内の燃圧を検出してい
る。緊急遮断弁６６は、還元剤供給路６２内の圧力に異
常が生じたとき、その還元剤供給路６２内への燃料供給
を停止する。
【００６６】このように構成した還元剤添加装置６０で
は、燃料ポンプ６から吐出した燃料を燃圧制御バルブ６
４にて所定燃圧に維持し、還元剤供給路６２を通じて還
元剤添加弁６１に供給する。続いて、還元剤添加弁６１
に所定電圧を印可すると還元剤添加弁６１が開弁状態と
なり、還元剤供給路６２内の燃料は還元剤添加弁６１を
通じて排気枝管１８内に噴射供給される。排気枝管１８
に供給された燃料（還元剤）は、タービンハウジング１
５ｂ内にて撹拌された後、排気管１９を経て触媒コンバ
ータ５０に流入する。したがって、触媒コンバータ５０
には、酸素濃度が低く、また未燃燃料成分たる炭化水素
（ＨＣ）混じりの排気ガスが流れ込むこととなり、上記
の排気浄化作用が促進されることとなる。
【００６７】なお、還元剤の添加量及び添加タイミング
は、触媒コンバータ５０下流に設けられた空燃比センサ
（Ａ／Ｆセンサ）４７の出力、パティキュレートフィル
タ５０ｂの上流および下流に設けられた排気ガス温度セ
ンサ４８ａ，４８ｂの出力、および後述の電子制御ユニ
ット３０に記録された運転履歴などを加味して決定して
いる。
【００６８】続いて、ＥＧＲ装置２０について説明す
る。ＥＧＲ装置２０は、本発明に係るＥＧＲ量制御手段
に相当し、ＥＧＲ通路２５、ＥＧＲ弁２６、ＥＧＲ装置
２０用の酸化触媒２８、ＥＧＲクーラ２７等を備えてい
る。
【００６９】ＥＧＲ通路２５は、排気枝管１８と吸気枝
管８とを接続する通路である。また、ＥＧＲ弁２６は、
ＥＧＲ通路２５と吸気枝管８との接続部分に設けられた
電気式の開閉弁であり、電子制御ユニット３０内にて処
理される燃焼状態切換制御プログラム等に基づき、その
ＥＧＲ通路２５内を流れる排気ガス（ＥＧＲガス）量の
調節を行っている。ＥＧＲ装置２０用の酸化触媒２８
は、排気枝管１８とＥＧＲクーラ２７とを接続するＥＧ
Ｒ通路２５中に配置され、排気枝管１８から回り込むＥ
ＧＲガスたる排気ガス中の未燃燃料成分を浄化する。Ｅ
ＧＲクーラ２７は、機関冷却水を熱媒体として、ＥＧＲ
通路２５内を流れる排気ガスの冷却を行っている。な
お、以下の説明では、ＥＧＲ通路２５を通じて吸気枝管
８に流れ込む排気ガスを単にＥＧＲガスと称することも
ある。
【００７０】このように構成されたＥＧＲ装置２０によ
れば、排気枝管１８内を流れる排気ガスの一部が、ＥＧ
Ｒ弁２６の開弁量に即した流量でＥＧＲ通路２５内に流
入する。また、ＥＧＲ通路２５内に流入したＥＧＲガス
（排気ガス）は、ＥＧＲ装置２０用の酸化触媒２８を経
てＥＧＲクーラ２７に流入する。ＥＧＲクーラ２７に流
入したＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ２７を通過する際に
冷却されて吸気枝管８に流れ込む。そして、吸気枝管８
内に流入したＥＧＲガスは、吸気枝管８上流から流れ込
む空気（新気）と混ざり合いつつ吸気を形成し、燃料噴
射弁３から噴射された燃料と共に燃焼に供される。すな
わち、本実施の形態においては、空気（新気）とＥＧＲ
ガスの混合気体によって本発明に係る混合気が構成され
る。
【００７１】なお、ＥＧＲガスとなる排気ガス中には、
水蒸気（Ｈ2Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ2）などの不活性ガ
スが含まれている。このため不活性ガスたる排気ガスが
燃焼室２内に流入すると、その排気ガスの混入に起因し
て燃焼温度は低下し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成は抑
制される。また、ＥＧＲガスの導入に伴い、燃焼室２内
の酸素量も減るため、この点においても窒素酸化物（Ｎ
Ｏｘ）と酸素（Ｏ2）との結びつきが抑制され、窒素酸
化物（ＮＯｘ）の排出は抑制される。
【００７２】続いて、制御系について説明する。制御系
は、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ
（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセ
スメモリ）３３、ＣＰＵ（中央制御装置）３４、入力ポ
ート３５、出力ポート３６を備える、いわゆる電子制御
ユニット３０（ＥＣＵ）である。
【００７３】入力ポート３５には、上記した各種センサ
の出力信号の他、アクセルペダル４０の踏込み量を検出
する負荷センサ４１、クランクシャフト１ａの回転数を
検知するクランク角センサ４２、車速を測定する車速セ
ンサ４３等が対応したＡ／Ｄ変換器３７を介して、又は
直接入力されている。一方、出力ポート３６には、対応
する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、還元剤添加弁
６１、スロットル弁駆動用のアクチュエータ１４、ＥＧ
Ｒ弁２６、などが接続されている。
【００７４】また、ＲＯＭ３２には、各種装置の制御プ
ログラム、及びそのプログラムの処理時に参照される制
御マップ等が各装置に対応して記録されている。また、
ＲＡＭ３３には、入力ポート３５に入力された各種セン
サの出力信号、及び出力ポート３６に出力した制御信号
などを内燃機関の運転履歴として記録している。ＣＰＵ
３４は、ＲＡＭ３３上に記録された各種センサの出力信
号およびＲＯＭ３２上に展開された制御マップ等を所望
のプログラム上にて比較し、その処理過程で出力される
各種制御信号を前記の出力ポート３６を介して対応する
装置に出力し、各種装置を集中管理している。
【００７５】続いて、上記した電子制御ユニット３０内
にて処理される燃焼状態切換制御について説明する。 ＜燃焼状態切換制御＞はじめに、詳細な制御内容を説明
するに先立ち、内燃機関の燃焼特性について説明する。
【００７６】本実施の形態に示すディーゼル機関は、先
の従来技術に開示された内燃機関の一種であり、燃焼に
供される吸気（混合気）に対する不活性ガスの割合を大
幅に増大せしめることで、その燃焼時に生成させるスモ
ークの成長を抑える燃焼技術を採用している。
【００７７】なお、図３は、実際の実験結果に即して得
られたグラフであり、吸気に対する不活性ガスの割合
と、その燃焼によって生成されるスモーク量との相関関
係を示している。尚、以下の説明では、吸気に対する不
活性ガスの割合を、単にＥＧＲ率と称することもある。
【００７８】この図３からもわかるように、煤の発生量
は、ＥＧＲ率約４０％〜５０％の間でピークに達し、Ｅ
ＧＲ率５５％以上の領域では、煤がほとんど発生しない
状態になる。したがって、ＥＧＲ率５５％以上、好まし
くはＥＧＲ率６５％以上の領域で機関運転を行えば、煤
の排出量を略ゼロにしながら機関運転を行える。なお、
煤の排出量が略ゼロになるＥＧＲ率は、ＥＧＲガスをＥ
ＧＲクーラ２７等にて冷却することにより低下させるこ
とが可能である。
【００７９】ところが、ＥＧＲ率６５％以上での運転で
は、空気量の不足や燃焼圧力の低下によって十分に機関
出力が得られないといった不具合が生じる。一方、十分
に機関出力が得られるＥＧＲ率４０％未満の領域では、
煤の発生が僅かながら見られるものの、その発生量は、
ＥＧＲ率４０％〜５０％の運転領域に較べて十分に少な
いものとなっている。
【００８０】したがって、アイドリング時および低負荷
走行時など、さほど機関出力を要しない運転状態ではＥ
ＧＲ率を６５％以上に維持して機関運転を行い、高負荷
走行時など十分な機関出力を要求されるときには、ＥＧ
Ｒ率を４０％未満に抑えながら機関運転を行うことで、
煤の発生を抑制しながら快適な運転状態を確保してい
る。
【００８１】すなわち、本実施の形態に示すディーゼル
機関では、煤の発生量がピークに達するＥＧＲ率４０％
〜５０％での運転を避けるように、燃焼状態をステップ
状に切り換えることで煤の排出抑制と運転性の両立を確
保している。また、このようにして本発明に係る第１の
燃焼状態と第２の燃焼状態とを切り換えている。
【００８２】なお、上記に例示した数値すなわちＥＧＲ
率の具体的数値は、あくまでも一例であり、その数値
は、適用される内燃機関固有の燃焼特性や、ＥＧＲガス
の冷却温度によって若干変化するものである。但し、煤
の排出特性すなわちピークの存在などは、内燃機関全般
に共通して言えるものである。また、本発明で第１の燃
焼状態とは上記した低ＥＧＲ率で実現される燃焼状態で
あり、一方、第２の燃焼状態は、高ＥＧＲ率で実現され
る燃焼状態に相当する。
【００８３】また、燃焼状態の切り換えは、例えば、機
関制御の一制御たる基本燃料噴射制御の処理時に算出さ
れる機関要求トルクなどを加味して決定されている。す
なわち、燃焼状態切換制御では、その一制御として、機
関要求トルクが所定の下限値以下になったことを受けて
ＥＧＲ率６５％以上での運転を選択し、機関要求トルク
が所定の上限値以上に達したとき、ＥＧＲ率４０％未満
での運転を選択する燃焼状態選択制御等を実行すること
で燃焼状態の切り換えを行っている。
【００８４】なお、所定の上限値と所定の下限値との間
には、ヒステリシスを設けている。このヒステリシス
は、燃焼状態の頻繁な切り換えを抑制するものであり、
例えば、加速走行時と減速走行時とでその切り換えの閾
値を異ならしめ、その閾値近傍での頻繁な燃焼状態の切
り換えを抑制する。
【００８５】続いて、燃焼状態切換制御（燃焼状態切換
制御プログラム）の詳細な制御内容について説明する。
なお、以下の説明では、ＥＧＲ率６５％以上での機関運
転を「低温燃焼」と称し、ＥＧＲ率４０％未満での機関
運転を「通常燃焼」と称することもある。
【００８６】また、本制御では、上記した燃焼状態選択
制御に加え、ＥＧＲ弁２６およびスロットル弁１３の開
度を変更しＥＧＲ率変化させるＥＧＲ率可変制御、およ
び各燃焼状態に適した燃料噴射制御に切り換えることで
燃焼状態や機関出力を安定させる燃料噴射補正制御、等
の機関制御を行い、燃焼状態の切り換えている。
【００８７】すなわち、本実施の形態で燃焼状態切換制
御とは、本発明の燃焼状態切換手段に相当し、ＥＧＲ弁
２６の開度制御、スロットル弁１３の開度制御、燃料噴
射補正制御、などを総括して処理する制御である。ま
た、これら各種制御に基づきＥＧＲ弁２６、スロットル
弁１３、および内燃機関の基本燃料噴射制御を制御する
ことで、本発明に係るＥＧＲ量制御手段、空気量制御手
段、噴射量補正手段、噴射時期補正手段、等を実現す
る。
【００８８】なお、ここで「基本燃料噴射制御」とは、
機関回転数、要求負荷等、をパラメータとして算出する
燃料噴射量、燃料噴射時期、燃料噴射圧等に従い、上記
した燃料噴射弁３や燃料ポンプ６を制御し、その時々の
運転状況に見合った適切量の燃料噴射を適切な燃料噴射
時期で、各燃焼室２に噴射供給するための制御である。
また、換言すれば、上記基本燃料噴射制御の一制御とし
て本発明に係る燃料噴射制御が構成される。
【００８９】図４及び図５には、燃焼状態切換制御の処
理過程において変化するＥＧＲ弁２６の開度、スロット
ル弁１３の開度、燃料噴射量、燃料噴射時期、等の経時
変化を各燃焼状態に即して示している。
【００９０】以下、図４及び図５を参照し、その燃焼状
態の切り換え過程にて処理される各種制御について詳述
する。
【００９１】まず、図４を参照し、通常燃焼を低温燃焼
に切り換える際に処理する制御内容について説明する。
通常燃焼から低温燃焼への切り換え時には、ＥＧＲ率４
０％未満での燃焼状態をＥＧＲ率６５％以上の燃焼状態
に切り換える。すなわち、ＥＧＲ弁２６の開度を増やす
と共に、スロットル弁１３の開度を減らして、ＥＧＲ率
を増大させるＥＧＲ率可変制御を実行する。
【００９２】なお、ＥＧＲ率可変制御では、主として排
気通路を流れる排気ガスの空燃比（酸素濃度）に基づ
き、各弁体２６，１３の開度量を制御している。より詳
しくは、触媒コンバータ５０下流に設けられた空燃比セ
ンサ４７の出力をフィードバックし、その空燃比センサ
４７にて所定の出力が得られるようにＥＧＲ弁２６およ
びスロットル弁１３の開度量をフィードバック制御す
る。
【００９３】なお、ここで所定の出力とは、吸気に対す
る不活性ガスの割合（ＥＧＲ率）が目標の割合に達した
ときに出力される値であり、各種予備実験にて得られる
ＥＧＲ率と排気ガス中の酸素濃度との対応などによって
定義される。
【００９４】また、ＥＧＲ率可変制御に関し、本燃焼状
態切換制御では、その空燃比センサ４７の出力に基づく
フィードバック制御に優先してＥＧＲ率を強制的に変化
させるオーバーシュート制御を実施している。
【００９５】すなわち、ＥＧＲガスの供給量および空気
の流量は、各弁体２６，１３の制御に遅れて経時的に変
化するため、本来、低温燃焼時に要求される目標の割合
（ＥＧＲ率）に即して決定されるべき各弁体１３，２６
の制御量を、一時的に増大させることでＥＧＲ率の応答
速度（変化速度）を早めている。なお、本実施の形態で
は、オーバーシュート制御の処理において、ＥＧＲ弁２
６を略全開状態とし、スロットル弁１３を略全閉状態と
することで、ＥＧＲ率の応答速度を向上させている。ま
た、本実施形態では、このようにしてオーバーシュート
制御手段を構成している。
【００９６】また、オーバーシュート制御の処理後、排
気ガス中の酸素濃度が所定の酸素濃度に低下したとき、
また、エアフロメータ４５の出力にて得られる空気流量
が所定の空気流量に低下したことを受けてＥＧＲ弁２６
のフィードバック制御、若しくはスロットル弁１３のフ
ィードバック制御を開始する。
【００９７】一方、燃料噴射補正制御においては、燃料
噴射圧力を昇圧する、燃料噴射量を増大する、燃料噴射
時期を進角させる等の補正を実施する。なお、これらの
補正内容は、低温燃焼用の燃料噴射制御として電子制御
ユニット３０に記録されており、低温燃焼への切り換え
時には、その低温燃焼用の燃料噴射制御に基づき、以降
の基本燃料噴射制御を処理する。
【００９８】なお、これら基本燃料噴射制御の補正は、
低温燃焼時に生じる種々の燃焼不良を改善するためのも
のである。すなわち、低温燃焼時には、燃焼温度や燃焼
圧力が低下し、また、燃焼に供される酸素量も減るため
燃焼状態が緩慢になる。したがって、通常燃焼時に実施
されていた燃料噴射制御では、失火、燃焼圧力の低下、
機関出力の不足、燃焼騒音（ジーゼルノック）の増加、
等の問題を発生させる。そこで上記した種々の補正を行
い、着火遅れの改善、火炎伝播期間における圧力上昇の
抑制、直接燃焼期間および後期燃焼期間の短縮等を最適
化することで低温燃焼時の良好な燃焼状態を確保してい
る。また、上記の補正は通常燃焼時の燃料噴射制御に対
する相対的なものであり、例えば、低温燃焼時に噴射さ
れる燃料が、通常燃焼時の燃料噴射量を実質的な量で超
えるといった内容を示唆するものではない。
【００９９】また、本実施の形態では、先のＥＧＲ率可
変制御の後に、この燃料噴射制御の切り換えを処理する
ようにしている。すなわち、燃焼状態の切り換え開始
後、その燃料噴射制御を、切り換え前の制御状態で所定
時間拘束する燃料噴射拘束制御を実施している。
【０１００】より詳しくは、ＥＧＲガス量や空気量の応
答遅れに対応すべく燃料噴射制御の補正に制御ディレー
（待機時間）を含ませることで、基本燃料噴射制御の適
正化を図っている。
【０１０１】なお、補正におけるディレー時間は、各種
条件を加味して決定されている。より詳しくは、燃焼状
態の切り換え開始時からの積算クランクサイクル数が所
定クランクサイクル数に達する迄の時間、また、空気
量、吸気枝管内圧力、吸気枝管内温度が所定値に達する
迄の時間、及び、燃焼状態切り換え前の燃料噴射量がい
くらであったか、などの諸条件を加味して決定され、そ
れらの条件が満たされたことを受けて、燃料噴射制御の
補正を開始させる。
【０１０２】なお、上記で積算クランクサイクル数と
は、吸気→圧縮→燃焼→排気の行程がどれだけ進んだ
か、に相当し、この積算クランクサイクル数を検出する
ことで吸気系への排気ガス（ＥＧＲガス）の回り込み量
すなわちＥＧＲ率を概ね推定できる。また、空気量、吸
気枝管内圧力、吸気枝管内温度の変化について説明する
と、低温燃焼時には、空気量および吸気枝管内圧力は減
り、吸気枝管内の温度は上昇する。したがって、これら
の変化量を検出すれば、ＥＧＲ率の推定が可能となる。
また、排気ガス（ＥＧＲガス）の量は、燃焼状態切り換
え前の燃料噴射量によって決定されるため、その燃料噴
射量からＥＧＲガスの回り込み量を推定することができ
る。
【０１０３】このように本実施の形態に示す内燃機関で
は、ＥＧＲ率の変化量、すなわち燃焼に供給される吸気
中のＥＧＲガスの割合が所定の割合に達したか否かを判
断し、所定の割合に達したことを受け、燃料噴射補正制
御による燃料噴射量、燃料噴射時期等の補正を開始す
る。
【０１０４】また、本実施の形態では、基本燃料噴射制
御の補正に関し、徐変制御を実施している。すなわち、
燃料噴射に関する補正は、機関出力や、燃焼状態の安定
性に大きく影響するため、各種補正項目を徐変しながら
変化させることで燃料噴射補正制御時のトルクショック
などを回避するようにしている。
【０１０５】続いて、図５を参照し、低温燃焼から通常
燃焼に復帰する際に処理する制御内容について説明す
る。低温燃焼から通常燃焼への切り換え時には、ＥＧＲ
率６５％以上での燃焼状態をＥＧＲ率４０％未満の燃焼
状態に切り換える。すなわち、ＥＧＲ弁２６の開度を減
らすと共に、スロットル弁１３の開度を増大させてＥＧ
Ｒ率を低下させるＥＧＲ率可変制御を実行する。
【０１０６】また、低温燃焼から通常燃焼への切り換え
時においても同様に、そのＥＧＲ率可変制御では、排気
通路を流れる排気ガスの空燃比（酸素濃度）に基づくフ
ィードバック制御を行う。また、そのフィードバック制
御に先行して各弁体１３，２６のオーバーシュート制御
を実施する。なお、通常燃焼への切り換え時におけるオ
ーバーシュート制御では、ＥＧＲ弁２６の開度が略全閉
状態とされ、スロットル弁１３では略全開状態になって
いる。
【０１０７】一方、燃料噴射補正制御では、燃料噴射圧
力を減圧する、燃料噴射量を減らす、燃料噴射時期を遅
角させる等の復帰補正を実施し、低温燃焼時に補正され
た各種項目を正規の値に復帰させる。また、その燃料噴
射制御の補正開始時には、徐変制御を実施することで、
燃料噴射制御の切り換えに伴うトルクショック等を回避
する。また、通常燃焼への切り換えによって生じる燃料
噴射制御の復帰補正においても、本実施の形態では、Ｅ
ＧＲガス量や空気量の応答遅れに対応すべくその補正に
制御ディレー（待機時間）を含ませ、燃料噴射制御の適
正化を図っている。なお、ディレー時間の設定は、上記
した諸条件を加味して決定している。
【０１０８】このように本実施の形態に示す内燃機関で
は、各弁体１３，２６の制御量をオーバーシュートさせ
るオーバーシュート制御を実施する、燃料噴射制御の補
正に制御ディレーを設ける燃料噴射拘束制御を実施す
る、燃料噴射制御の切り換えにおいて徐変制御を行う、
等の付加的制御を燃焼状態の過渡期間において処理する
ことで、燃焼状態の切り換えに伴う種々の問題を改善し
ている。
【０１０９】すなわち、オーバーシュート制御によって
燃焼状態の切り換えが速やかに行われるため、ＥＧＲガ
ス量および空気量の応答遅れに伴う過渡期での燃焼不安
定状態が改善される。また、燃料噴射制御の補正に制御
ディレーを設ける、および徐変制御を行うことで燃料噴
射制御の適正化が図られ、以て、ドライバビィリティー
の向上、燃焼騒音の低減、およびスモークの抑制などが
図られる。
【０１１０】ところで、本実施の形態に示すディーゼル
機関は、基本燃料噴射制御の一制御として内燃機関の主
たる燃料噴射（以下、主噴射と称す）に先立つ副噴射い
わゆる「パイロット噴射」を実施している。
【０１１１】このパイロット噴射は、主噴射にて噴射す
る機関燃料の一部を予め燃焼室２内に噴射し、それによ
って主燃焼の種火となる熱源を燃焼室２内に作り出すこ
とで主燃焼時の急激な燃焼圧の上昇及び燃焼温度の上昇
を抑制するものである。すなわち、パイロット噴射の実
施によって燃焼が緩慢となり、燃焼騒音の低減や、窒素
酸化物（ＮＯｘ）等の生成が抑制される。また、主噴射
にて噴射する燃料の着火性が向上し、煤（スモーク）の
生成も抑制される。
【０１１２】しかしながら、本実施の形態に示すディー
ゼル機関１は、燃焼が緩慢になる低温燃焼に切り換えて
機関運転を行う場合もあり、その低温燃焼に切り換えて
の機関運転中には、パイロット噴射の実施時同様、燃焼
騒音の低下や有害物質の排出抑制が図られる。したがっ
て、機関出力にさほど寄与しないパイロット噴射は燃料
消費量の増加や、燃焼室２内の不要な酸素消費等に繋が
るため、極力、パイロット噴射の実施は避けたいもので
ある。
【０１１３】しかしながら、燃焼状態の切換要求を受け
て単にパイロット噴射の有無を決定すれば、そのパイロ
ット噴射の禁止に起因して燃焼騒音が一時的に増大する
などといった問題が生じる。そこで本実施の形態に示す
内燃機関では、パイロット噴射の実施期間を種々の条件
に応じて適切に制御することで、パイロット噴射の禁止
と燃焼騒音の抑制を両立させている。すなわち、パイロ
ット噴射の実施を適切に制限するパイロット噴射制御を
燃焼状態切換制御と共に処理し、パイロット噴射の禁止
と燃焼騒音の抑制を両立させている。以下、このパイロ
ット噴射制御について説明する。
【０１１４】まず、先の図４に示すタイムチャートを参
照し、低温燃焼への切り換えにおいて処理するパイロッ
ト噴射制御について説明する。低温燃焼への切り換えで
は、燃焼状態切換制御にて実施するオーバーシュート制
御の処理後、且つ燃料噴射補正制御の後にパイロット噴
射を禁止する。
【０１１５】すなわち、オーバーシュート制御以前の燃
焼室２内には、未だ必要以上に酸素が残留するため、燃
焼騒音やスモーク等が発生し易い状態にあると言える。
このため本パイロット噴射制御では、燃焼室２内の酸素
量が十分少なくなるまでパイロット噴射の禁止を待機
し、パイロット噴射の早期禁止に伴う燃焼騒音の一時的
な増加やスモークの生成を防止する。また、換言すれ
ば、燃焼室２内の酸素量が十分少なくなるまでパイロッ
ト噴射を継続する。
【０１１６】また、オーバーシュート制御の開始後に
は、機関出力が低下し、また、燃焼状態の安定性も低下
するため、燃料噴射補正制御の実施によって機関出力や
燃焼状態の安定性が確保されるまでの間、上記に引き続
きパイロット噴射を継続し、パイロット噴射の継続にて
機関出力の一時的な低下や燃焼安定性の低下を抑制す
る。そして、燃料噴射補正制御の終了を受けた後に、初
めてパイロット噴射を禁止する。
【０１１７】このように、パイロット噴射制御手段で
は、燃焼状態切換制御にて処理されるオーバーシュート
制御および燃料噴射量補正制御の処理後においてパイロ
ット噴射を禁止し、過渡期でのパイロット噴射の禁止に
起因した燃焼騒音の一時的な増加や機関出力の変動等を
抑制しつつパイロット噴射を禁止する。
【０１１８】また、種火となる熱源を予め燃焼室２内に
確保しておくことで燃焼騒音の低減を図るパイロット噴
射の本質的な効果に加え、パイロット噴射の継続期間中
には、燃焼室２内の酸素も積極的に消費されるため、低
温燃焼寄りの燃焼状態が燃焼室２内に形成される。した
がって、この点においも燃焼騒音の低減やスモーク等の
生成抑制が図られる。
【０１１９】続いて、先の図５に示すタイムチャートを
参照し、低温燃焼から通常燃焼への切り換えにおいて処
理するパイロット噴射制御の制御内容について説明す
る。通常燃焼への切り換えでは、燃焼状態切換制御にて
処理するオーバーシュート制御の開始以前、および燃料
噴射制御の補正終了以前にパイロット噴射を再開する。
【０１２０】すなわち、オーバーシュート制御を開始し
た後にパイロット噴射を再開させると、低温燃焼によっ
て抑制されていた燃焼騒音がそのオーバーシュート制御
の開始を受けて増加するため、本パイロット噴射制御で
は、オーバーシュート制御の開始に先立ちパイロット噴
射を再開し、オーバーシュート制御の開始に伴う燃焼騒
音の発生を防止するようにしている。
【０１２１】また、燃料噴射制御の補正終了後にパイロ
ット噴射を再開させると、低温燃焼から通常燃焼に至る
過渡期で、煤や窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成量が一時的
に増加し、また、噴射時期の遅角に起因して噴射された
機関燃焼の着火性も低下するため、燃料噴射予めパイロ
ット噴射を再開させておくことで、煤や窒素酸化物（Ｎ
Ｏｘ）の排出を抑制する。また同時に、噴射時期の遅角
に伴う失火をパイロット噴射の実施によって抑制する。
【０１２２】なお、図５においては、パイロット噴射の
再開時期と、オーバーシュート制御や燃焼噴射補正制御
の開始時期とを同時期に設定しているが、勿論、図５に
示す例は、あくまでも本発明の一実施形態であり、例え
ば、パイロット噴射の再開時期を、オーバーシュート制
御や燃料噴射補正制御の前に設定してもよい。
【０１２３】このようにパイロット噴射制御では、燃焼
が緩慢になる低温燃焼に切り換えての機関運転時と、パ
イロット噴射の実施時期とを極力異ならせるようにパイ
ロット噴射の実施を制限する。また、燃焼状態の過渡期
や燃料噴射補正制御等との影響を加味してパイロット噴
射の禁止期間を設定することで燃焼騒音の発生等を抑制
している。
【０１２４】なお、上記した実施形態は、あくまでも一
実施例であり、その詳細は、特許請求の範囲を逸脱しな
い範囲で適宜変更可能である。例えば、低温燃料から通
常燃焼への切り換えにおいて、上記ではオーバーシュー
トシュート制御や燃料噴射補正制御と同期してパイロッ
ト噴射を再開させているが、逆にオーバーシュート制御
や燃料噴射時期の開始時期をパイロット噴射の開始に遅
延させるようにしていもよい。
【０１２５】また、低温燃焼への切り換えにおいて、燃
焼状態の切り換え開始後、所定期間経過後にパイロット
噴射を禁止する、さらに上記した種々のセンサの出力変
化から現時点での燃焼状態を推定し、その出力変化にて
推定した燃焼状態に応じてパイロット噴射の有無を制御
するなど、制御形態および制御プログラムの構成方法
は、所望に応じて適時変更可能である。
【０１２６】なお、所定期間経過後にパイロット噴射を
禁止するように制御プログラムを構成した場合には、各
種予備実験等にて予め燃焼状態の切り換えに要する時間
を把握しておき、燃焼状態の切り換え開始後、その把握
した時間をカウントして所定時間に達したときにパイロ
ット噴射を禁止する。また、各種センサの出力に基づき
パイロット噴射の制御例について説明すれば、例えば、
空燃比センサ４７にて検出する排気ガスの空燃比が所定
空燃比以下になっている、エアフロメータ４５にて検出
する吸入空気量が所定吸入空気量以下になっている、等
の出力を検出後、パイロット噴射を禁止するなど、パイ
ロット噴射の有無を判定する基準は、種々の方法を選択
できる。
【０１２７】また、上記した実施形態では、低温燃焼へ
の切り換えにおいて、オーバーシュート制御および燃料
噴射補正制御の後にパイロット噴射を禁止しているが、
燃焼騒音の低減のみを考慮してパイロット噴射の禁止時
期を設定すれば、オーバーシュート制御の終了のみを条
件にパイロット噴射を禁止するようにしてもよい。
【０１２８】また、本実施の形態では、燃焼騒音の増加
や機関出力の変動等を考慮してパイロット噴射を制限し
ているが、低温燃焼時におけるパイロット噴射の禁止の
みを最優先すれば、パイロット噴射を禁止した後に低温
燃焼に切り換える、また、パイロット噴射を実施しない
ときに低温燃焼に切り換えるなどして、低温燃焼に切り
換えての機関運転時と、パイロット噴射の実施時期とを
極力異ならせるようにすることもできる。なお、パイロ
ット噴射を禁止した後に低温燃焼に切り換えた場合に
は、パイロット噴射に起因した過渡期での排気ガスの空
燃比変化が抑制され、その後のフィードバック制御が容
易になるなどの利点も得られる。このように本発明で
は、少なくとも低温燃焼に切り換えての機関運転中を含
む所定期間にパイロット噴射の実施を禁止するようにし
てもよい。
【０１２９】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、低温燃焼
時のパイロット噴射を制限し、また、パイロット噴射の
禁止に伴う燃焼騒音の発生等を抑制可能な機関制御技術
を備えた内燃機関を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の示す内燃機関の概略構成図。
【図２】排気浄化触媒の一種であるパティキュレートフ
ィルタの内部構造を説明するための図。
【図３】煤の発生量とＥＧＲ率との相関関係を説明する
ためのグラフ。
【図４】通常燃焼から低温燃焼への切り換え時に処理さ
れる各種制御の経時変化を示すタイムチャート。
【図５】低温燃焼から通常燃焼への移行時に処理される
各種制御の経時変化を示すタイムチャート。
【符号の説明】
１ 内燃機関（ディーゼル機関） １ａ クランクシャフト ２ 気筒（燃焼室） ３ 燃料噴射弁 ４ コモンレール ５ 燃料供給管 ６ 燃料ポンプ ８ 吸気枝管 ９ 吸気管 １０ エアクリーナボックス １２ 吸気温センサ １３ スロットル弁 １４ アクチュエータ １５ ターボチャージャ １５ａ コンプレッサハウジング １５ｂ タービンハウジング １６ インタークーラ １８ 排気枝管 １８ａ 排気ポート １９ 排気管 ２０ ＥＧＲ装置 ２５ ＥＧＲ通路 ２６ ＥＧＲ弁 ２７ ＥＧＲクーラ ２８ ＥＧＲ装置の酸化触媒 ３０ 電子制御ユニット ３１ 双方向性バス ３５ 入力ポート ３６ 出力ポート ３７ Ａ／Ｄ変換器 ３８ 駆動回路 ４０ アクセルペダル ４１ 負荷センサ ４２ クランク角センサ ４３ 車速センサ ４４ａ 吸気温センサ ４４ｂ 吸気温センサ ４５ エアフロメータ ４６ 吸気圧センサ ４７ 空燃比センサ ４８ａ 排気ガス温度センサ ４８ｂ 排気ガス温度センサ ５２ 触媒コンバータ ５０ａ 吸蔵還元型ＮＯｘ触媒 ５０ｂ パティキュレートフィルタ ５１ ケーシング ５５ 排気ガス流入通路 ５５ａ 栓 ５６ 排気ガス流出通路 ５６ａ 栓 ５７ 隔壁 ５８ フィルタ ５９ 酸化触媒コンバータ ６０ 還元剤添加装置 ６１ 還元剤添加弁 ６２ 還元剤供給路 ６３ 燃圧センサ ６４ 燃圧制御バルブ ６６ 緊急遮断弁
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 25/07 ５５０ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５５０Ｒ ５７０ ５７０Ｊ (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 松岡 広樹 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 杉山 辰優 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 大坪 康彦 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 青山 太郎 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 田原 淳 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 沖 守 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 横山 正訓 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 草次 英志 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 水口 恵一 愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地 株式会 社豊田自動織機内 Ｆターム(参考） 3G062 AA01 AA03 AA05 BA02 BA04 BA05 BA06 CA03 CA06 DA01 DA02 EA10 ED01 ED04 ED08 ED09 ED10 FA02 FA05 FA06 FA12 FA23 GA01 GA02 GA04 GA06 GA09 GA12 GA17 GA25 3G084 AA01 BA13 BA14 BA15 BA20 DA10 DA11 DA25 DA39 EA07 EA11 EB08 EB11 FA05 FA07 FA10 FA27 FA30 FA38 3G092 AA02 BB01 BB06 BB08 BB12 BB13 DC09 DE06S EA01 EA03 EA08 EA16 EA17 EA18 EC01 FA04 FA14 FA17 FA18 FA27 GA04 HA01Z HA04Z HA05Z HA11Z HA16X HB01X HB02X HB03Z HD01Z HD06Z HD07X HE03Z HF08Z HF21Z 3G301 HA00 HA02 HA11 HA13 JA04 JA23 JA24 JA25 JA37 KA07 LA03 LB13 MA11 MA18 MA23 MA26 MA27 MA28 NA08 NB02 NB11 ND01 NE01 NE11 NE22 NE23 NE26 PA01Z PA07Z PA10Z PA17Z PB08Z PD03Z PD09Z PD11Z PE03Z PF01Z PF03Z

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃焼に供される混合気中に含まれる不活性
    ガスの割合が所定量に近づくと、その燃焼時に生成され
    る煤の生成量が次第にピークに達し、その割合をさらに
    大きくすると煤の生成量が減少する燃焼特性を有し、さ
    らに、その不活性ガスの割合を前記所定量未満に抑える
    ことで煤の発生を抑制する第１の燃焼状態と、不活性ガ
    スの割合を前記所定量を超える領域に保持することで煤
    の発生を抑制する第２の燃焼状態と、を機関運転中に切
    り換え可能な内燃機関であって、 前記第１の燃焼状態から前記第２の燃焼状態への切り換
    え要求時、または、前記第２の燃焼状態から前記第１の
    燃焼状態への切り換え要求時に、前記混合気中に含まれ
    る不活性ガスの割合を変化させることで燃焼状態を切り
    換える燃焼状態切換手段と、 内燃機関の主たる燃料噴射に加え、その燃料噴射に先立
    つパイロット噴射を内燃機関の燃料噴射系に実行させる
    燃料噴射制御手段と、 少なくとも前記第２の燃焼状態に切り換えての機関運転
    中を含む所定期間は、前記パイロット噴射の実行を禁止
    するパイロット噴射制御手段と、 を備えることを特徴とする内燃機関。
  2. 【請求項２】前記パイロット噴射制御手段は、前記第１
    の燃焼状態から前記第２の燃焼状態への切り換え開始
    後、所定期間経過の後にパイロット噴射を禁止すること
    を特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
  3. 【請求項３】前記パイロット噴射制御手段は、前記第２
    の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換え以前
    に、前記パイロット噴射を再開させることを特徴とする
    請求項１又は２に記載の内燃機関。
  4. 【請求項４】前記不活性ガスは、排気通路から吸気通路
    に還流するＥＧＲガスであり、 前記燃焼状態切換手段は、吸気通路に還流するＥＧＲガ
    ス量を制御するＥＧＲ量制御手段と、吸気通路を通じて
    燃焼室に流れ込む空気量を制御する空気量制御手段と、
    燃焼状態の切り換え要求に応じてそれらＥＧＲ量制御手
    段及び空気量制御手段の制御量を一旦オーバーシュート
    させることで燃焼状態を早期に切り換えるオーバーシュ
    ート制御手段と、を備え、 前記パイロット噴射制御手段は、前記第２の燃焼状態へ
    の切り換えにおいて、前記燃焼状態切換手段によるオー
    バーシュート制御の後にパイロット噴射を禁止すること
    を特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機
    関。
  5. 【請求項５】前記パイロット噴射制御手段は、前記第２
    の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換えにおい
    て、前記燃焼状態切換手段によるオーバーシュート制御
    の開始以前に前記パイロット噴射を再開させることを特
    徴とする請求項４に記載の内燃機関。
  6. 【請求項６】前記燃料噴射制御手段は、前記第２の燃焼
    状態に切り換えての機関運転時に、内燃機関の主たる燃
    料噴射の燃料噴射量を一時増量補正する噴射量補正手段
    を備え、 前記パイロット噴射制御手段は、前記第１の燃焼状態か
    ら前記第２の燃焼状態への切り換えにおいて、前記燃焼
    状態切換手段によるオーバーシュート制御の実施後、且
    つ燃料噴射制御手段による燃料噴射量の増量補正後に、
    前記パイロット噴射を禁止することを特徴とする請求項
    ４又は５の何れかに記載の内燃機関。
  7. 【請求項７】前記パイロット噴射制御手段は、前記第２
    の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換えにおい
    て、前記燃焼状態切換手段によるオーバーシュート制御
    の開始以前、且つ燃料噴射制御手段による燃料噴射量の
    増量補正終了以前に、前記パイロット噴射を再開させる
    ことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関。
  8. 【請求項８】前記燃料噴射制御手段は、前記第２の燃焼
    状態に切り換えての機関運転時に、内燃機関の主たる燃
    料噴射の噴射時期を一時進角補正する噴射時期補正手段
    を備え、 前記パイロット噴射制御手段は、前記第１の燃焼状態か
    ら前記第２の燃焼状態への切り換えにおいて、前記燃焼
    状態切換手段によるオーバーシュート制御の実施後、且
    つ燃料噴射制御手段による燃料噴射時期の進角補正後
    に、前記パイロット噴射を禁止することを特徴とする請
    求項４から７の何れかに記載の内燃機関。
  9. 【請求項９】前記パイロット噴射制御手段は、前記第２
    の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換えにおい
    て、前記燃焼状態切換手段によるオーバーシュート制御
    の開始以前、且つ前記燃料噴射制御手段による燃料噴射
    時期の進角補正終了以前に、前記パイロット噴射を再開
    させることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関。
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