JP3331980B2

JP3331980B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP3331980B2
Application number: JP25549098A
Authority: JP
Inventors: 静夫佐々木; 雅人後藤; 丈和伊藤; 康二吉▲崎▼; 宏樹村田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-09-09
Filing date: 1998-09-09
Publication date: 2002-10-07
Anticipated expiration: 2018-09-09
Also published as: JP2000087784A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より内燃機関、例えばディーゼル機
関においてはＮＯｘの発生を抑制するために機関排気通
路と機関吸気通路とを排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと
称す）通路により連結し、このＥＧＲ通路を介して排気
ガス、即ちＥＧＲガスを機関吸気通路内に再循環させる
ようにしている。この場合、ＥＧＲガスは比較的比熱が
高く、従って多量の熱を吸収することができるので、Ｅ
ＧＲガス量を増大するほど、即ちＥＧＲ率（ＥＧＲガス
量／（ＥＧＲガス量＋吸入空気量））を増大するほど燃
焼室内における燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下す
るとＮＯｘの発生量が低下し、従ってＥＧＲ率を増大す
ればするほどＮＯｘの発生量は低下することになる。

【０００３】このように従来よりＥＧＲ率を増大すれば
ＮＯｘの発生量を低下しうることはわかっている。しか
しながらＥＧＲ率を増大させていくとＥＧＲ率が或る限
度を越えたときに煤の発生量、即ちスモークが急激に増
大し始める。この点に関し従来より、それ以上ＥＧＲ率
を増大すればスモークが限りなく増大していくものと考
えられており、従ってスモークが急激に増大し始めるＥ
ＧＲ率がＥＧＲ率の最大許容限界であると考えられてい
る。

【０００４】従って従来よりＥＧＲ率はこの最大許容限
界を越えない範囲内に定められている。このＥＧＲ率の
最大許容限界は機関の形式や燃料によってかなり異なる
がおおよそ３０パーセントから５０パーセントである。
従って従来のディーゼル機関ではＥＧＲ率は最大でも３
０パーセントから５０パーセント程度に抑えられてい
る。

【０００５】このように従来ではＥＧＲ率に対して最大
許容限界が存在すると考えられていたので従来よりＥＧ
Ｒ率はこの最大許容限界を越えない範囲内においてＮＯ
ｘおよびスモークの発生量ができるだけ少なくなるよう
に定められていた。しかしながらこのようにしてＥＧＲ
率をＮＯｘおよびスモークの発生量ができるだけ少なく
なるように定めてもＮＯｘおよびスモークの発生量の低
下には限度があり、実際には依然としてかなりの量のＮ
Ｏｘおよびスモークが発生してしまうのが現状である。

【０００６】ところがディーゼル機関の燃焼の研究の過
程においてＥＧＲ率を最大許容限界よりも大きくすれば
上述の如くスモークが急激に増大するがこのスモークの
発生量にはピークが存在し、このピークを越えてＥＧＲ
率を更に大きくすると今度はスモークが急激に減少しは
じめ、アイドリング運転時においてＥＧＲ率を７０パー
セント以上にすると、またＥＧＲガスを強力に冷却した
場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にするとス
モークがほとんど零になる。即ち煤がほとんど発生しな
いことが見い出されたのである。また、このときにはＮ
Ｏｘの発生量が極めて少量となることも判明している。
この後この知見に基づいて煤が発生しない理由について
検討が進められ、その結果これまでにない煤およびＮＯ
ｘの同時低減が可能な新たな燃焼システムが構築される
に至ったのである。この新たな燃焼システムについては
後に詳細に説明するが簡単に言うと炭化水素が煤に成長
するまでの途中の段階において炭化水素の成長を停止さ
せることを基本としている。

【０００７】即ち、実験研究を重ねた結果判明したこと
は燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス
温度が或る温度以下のときには炭化水素の成長が煤に至
る前の途中の段階で停止し、燃料およびその周囲のガス
温度が或る温度以上になると炭化水素は一気に煤まで成
長してしまうということである。この場合、燃料および
その周囲のガス温度は燃料が燃焼した際の燃料周りのガ
スの吸熱作用が大きく影響しており、燃料燃焼時の発熱
量に応じて燃料周りのガスの吸熱量を調整することによ
って燃料およびその周囲のガス温度を制御することがで
きる。

【０００８】従って、燃焼室内における燃焼時の燃料お
よびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止
する温度以下に抑制すれば煤が発生しなくなり、燃焼室
内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭
化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制すること
は燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって可能
となる。一方、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化
水素は酸化触媒等を用いた後処理によって容易に浄化す
ることができる。これが新たな燃焼システムの基本的な
考え方である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述したよ
うな新たな燃焼システムについてはまだ開示されていな
い。そのため、既に開示されている従来の燃焼システム
では、上述した新たな燃焼システムに基づく新たな効果
を奏することができない。

【００１０】そこで、本発明は、内燃機関から煤（スモ
ーク）が排出されること及びＮＯｘが排出されることを
同時に阻止すると共に、燃料噴射量が少ないことに伴っ
て燃料噴射量がばらついてしまっても、発生トルクのば
らつきを小さく抑えることができる内燃機関を提供する
ことを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、燃焼室内に供給される不活性ガスの量を増大し
ていくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、前
記燃焼室内に供給される不活性ガスの量を更に増大して
いくと前記燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周
囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとん
ど発生しなくなる内燃機関であって、煤の発生量がピー
クとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供給され
る不活性ガスの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の量より
も前記燃焼室内に供給される不活性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、燃
料噴射弁から噴射される燃料噴射量が少ないために、噴
射期間に対する燃料噴射量の特性を示す噴射期間−燃料
噴射量特性曲線に線形性がない領域を含む少燃料噴射領
域と、燃料噴射量が多い多燃料噴射領域領域とに機関の
運転領域を分割し、前記少燃料噴射領域では前記第１の
燃焼を行い、前記多燃料噴射領域では前記第２の燃焼を
行うようにした内燃機関が提供される。

【００１２】請求項２に記載の発明によれば、前記少燃
料噴射領域は、前記噴射期間−燃料噴射量特性曲線に線
形性がない領域のみからなる請求項１に記載の内燃機関
が提供される。

【００１３】請求項３に記載の発明によれば、前記少燃
料噴射領域は、前記噴射期間−燃料噴射量特性曲線に線
形性がない領域と、前記線形性がない領域よりも前記燃
料噴射弁から噴射される燃料噴射量が多く、噴射期間−
燃料噴射量特性曲線に線形性がある領域とからなる請求
項１に記載の内燃機関が提供される。

【００１４】請求項４に記載の発明によれば、前記少燃
料噴射領域と前記多燃料噴射領域とは予め定めた燃料噴
射量の固定値により分割される請求項２又は３に記載の
内燃機関が提供される。

【００１５】請求項１〜４に記載の内燃機関では、第１
の燃焼時において燃料噴射量のばらつきが発生トルクの
ばらつきに与える影響は小さいという理由に基づき、燃
料噴射弁から噴射される燃料噴射量が少ないために噴射
期間−燃料噴射量特性曲線に線形性がない領域、つま
り、燃料噴射量がばらつく領域を含む少燃料噴射領域に
て第１の燃焼を実行する。それゆえ、燃料噴射量が少な
いことに伴って燃料噴射量がばらついてしまっても、発
生トルクのばらつきを小さく抑えることができる。

【００１６】請求項５に記載の発明によれば、前記燃焼
室から排出された排気ガスを機関吸気通路内に再循環さ
せる排気ガス再循環装置を具備し、前記不活性ガスが前
記機関吸気通路内に再循環された再循環排気ガスからな
る請求項１に記載の内燃機関が提供される。

【００１７】請求項５に記載の内燃機関では、排気ガス
再循環装置によって機関吸気通路内に再循環される再循
環排気ガスを不活性ガスとして利用することにより、外
部から燃焼室内に不活性ガスを供給する手段を特別に設
ける必要性を回避することができる。

【００１８】請求項６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５に記載の内燃機関が提供される。

【００１９】請求項６に記載の内燃機関では、第１の燃
焼が行われているときの排気ガス再循環率をほぼ５５パ
ーセント以上にすると共に第２の燃焼が行われていると
きの排気ガス再循環率をほぼ５０パーセント以下にする
ことにより、排気ガス再循環率が、煤の発生量がピーク
になる排気ガス再循環率に設定されるのを回避すること
ができる。

【００２０】請求項７に記載の発明によれば、前記燃焼
室から排出された未燃炭化水素を酸化するために機関排
気通路内に酸化機能を有する触媒を配置した請求項１に
記載の内燃機関が提供される。

【００２１】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に記載の内燃機関が提供される。

【００２２】請求項７及び８に記載の内燃機関では、燃
焼室から排出される未燃炭化水素が機関排気通路内にて
酸化されるため、未燃炭化水素が内燃機関から排出され
るのを阻止することができる。

【００２３】

【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。

【００２４】図１は本発明を４ストローク圧縮着火式内
燃機関に適用した一実施形態を示している。図１を参照
すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシ
リンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制
御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排
気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対
応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結さ
れ、サージタンク１２は吸気ダクト１３およびインター
クーラ１４を介して過給機、例えば排気ターボチャージ
ャ１５のコンプレッサ１６の出口部に連結される。コン
プレッサ１６の入口部は空気吸込管１７を介してエアク
リーナ１８に連結され、空気吸込管１７内にはステップ
モータ１９により駆動されるスロットル弁２０が配置さ
れる。また、スロットル弁２０上流の空気吸込管１７内
には吸入空気の質量流量を検出するための質量流量検出
器２１が配置される。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】一方、図５の曲線Ｂで示されるようにＥＧ
Ｒガスを少し冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセン
トよりも少し高いところで煤の発生量がピークとなり、
この場合にはＥＧＲ率をほぼ６５パーセント以上にすれ
ば煤がほとんど発生しなくなる。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】図６を参照すると空気の割合、即ち混合ガ
ス中の空気量は噴射された燃料を完全に燃焼せしめるの
に必要な空気量を示している。即ち、図６に示される場
合では空気量と噴射燃料量との比は理論空燃比となって
いる。一方、図６においてＥＧＲガスの割合、即ち混合
ガス中のＥＧＲガス量は噴射燃料が燃焼せしめられたと
きに燃料およびその周囲のガス温度を煤が形成される温
度よりも低い温度にするのに必要最低限のＥＧＲガス量
を示している。このＥＧＲガス量はＥＧＲ率で表すとほ
ぼ５５パーセント以上であり、図６に示す実施形態では
７０パーセント以上である。即ち、燃焼室５内に吸入さ
れた全吸入ガス量を図６において実線Ｘとし、この全吸
入ガス量Ｘのうちの空気量とＥＧＲガス量との割合を図
６に示すような割合にすると燃料およびその周囲のガス
温度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯く
して煤が全く発生しなくなる。また、このときのＮＯｘ
発生量は１０p.p.m 前後、又はそれ以下であり、従って
ＮＯｘの発生量は極めて少量となる。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】図７は燃料噴射弁６から噴射される燃料の
噴射期間τに対する燃料噴射量Ｑの特性を示した噴射期
間−燃料噴射量特性曲線と、第１の燃焼、即ち低温燃焼
が行われる少燃料噴射領域（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多
燃料噴射領域（第２の運転領域）IIとを示している。な
お、図７において縦軸は燃料噴射弁６から噴射される燃
料噴射量Ｑを示しており、横軸は噴射期間τを示してい
る。図７に示すように、本実施形態の内燃機関では、機
関の運転領域は、燃料噴射弁６から噴射される燃料噴射
量Ｑが少ない少燃料噴射領域Ｉと、燃料噴射弁６から噴
射される燃料噴射量Ｑが多い多燃料噴射領域IIとに分割
されている。少燃料噴射領域Ｉでは低温燃焼（第１の燃
焼）が実行され、多燃料噴射領域IIでは従来の燃焼方法
による燃焼（第２の燃焼）が実行される。詳細には、少
燃料噴射領域Ｉとは、燃料噴射弁６から噴射される燃料
噴射量Ｑが少ないために、噴射期間τに対する燃料噴射
量Ｑの特性を示す噴射期間−燃料噴射量特性曲線に線形
性がない領域である。以下、機関の運転領域を少燃料噴
射領域Ｉと多燃料噴射領域IIとに分割した理由について
説明する。

【００５６】図８は低温燃焼時の燃料噴射量のばらつき
に伴う発生トルクのばらつきと従来の燃焼方法における
燃焼時の燃料噴射量のばらつきに伴う発生トルクのばら
つきとを比較して示したグラフである。図８において、
縦軸は発生トルクＴを示しており、横軸は空燃比Ａ／Ｆ
を示している。図８に示すように、発生トルクＴは、空
燃比Ａ／Ｆが理論空燃比付近で最大値を示し、空燃比Ａ
／Ｆがこれよりもリッチになってもリーンになっても減
少する。つまり、発生トルクＴの傾きは、従来の燃焼方
法による燃焼が実行されるリーンの領域では比較的大き
くなっているが、低温燃焼が実行される理論空燃比の近
傍の領域では、従来の燃焼方法による燃焼が実行される
領域よりも小さくなっている。

【００５７】それゆえ、燃料噴射弁６から噴射される燃
料噴射量Ｑが少ないために燃料噴射量Ｑがばらつき（図
７の少燃料噴射領域Ｉ）、それに伴って空燃比がΔＡ／
Ｆ₁（＝ΔＡ／Ｆ₂）だけばらついたとき、低温燃焼時
の発生トルクのばらつきΔＴ ₁は従来の燃焼方法による
燃焼時の発生トルクのばらつきΔＴ₂よりも小さくな
る。つまり、燃料噴射量がばらついても、低温燃焼を実
行すれば、発生トルクのばらつきは、従来の燃焼方法に
よる燃焼を実行する時よりも小さくなる（ΔＴ₁＜ΔＴ
₂）。

【００５８】以上の理由により、本実施形態では、燃料
噴射弁６から噴射される燃料噴射量Ｑがばらついてしま
う少燃料噴射領域Ｉにおいて低温燃焼（第１の燃焼）が
実行され、燃料噴射弁６から噴射される燃料噴射量Ｑが
安定している、つまり、噴射期間−燃料噴射量特性曲線
に線形性がある多燃料噴射領域IIにおいて従来の燃焼方
法による燃焼（第２の燃焼）が実行される。本実施形態
によれば、燃料噴射量が少ないことに伴って燃料噴射量
がばらついてしまっても、発生トルクのばらつきを小さ
く抑えることができる。

【００５９】尚、低温燃焼時に燃料噴射弁６から噴射さ
れる燃料噴射量Ｑがばらついてしまっても、詳細には、
空燃比がリッチ側にばらついてＨＣ及びＣＯが増加して
しまっても、本実施形態の内燃機関は、酸化機能を有す
る触媒２５により、ＨＣ及びＣＯをＨ₂Ｏ及びＣＯ₂に
酸化することができる。一方、空燃比がリーン側にばら
ついてしまっても、少燃料噴射領域Ｉにおける燃料噴射
量Ｑのばらつきに伴う空燃比のばらつきの程度であれ
ば、スモークは発生しない。

【００６０】上述したように、少燃料噴射領域Ｉ、つま
り、燃料噴射量Ｑが少ない（噴射期間τが短い）ために
燃料噴射量Ｑがばらつく領域であっても、低温燃焼を実
行すれば発生トルクはあまりばらつかない。この性質を
利用すれば、燃料噴射弁の噴孔数を増加させたり、噴孔
面積を大きくすることにより、高速・高負荷側（燃料噴
射量が多い側）の噴射期間を短縮可能になり、性能が向
上する。また、燃料噴射弁の噴射ノズルの応答スピード
を遅くでき、ノズルの設計が容易になると共に、ノズル
のコストを低減できる。

【００６１】尚、本実施形態では、図７に示したよう
に、少燃料噴射領域Ｉが、噴射期間−燃料噴射量特性曲
線に線形性がない領域のみからなるが、本実施形態の変
形例では、図９に示すように、少燃料噴射領域が、噴射
期間−燃料噴射量特性曲線に線形性がない領域だけでな
く、この領域と、線形性がない領域よりも燃料噴射弁か
ら噴射される燃料噴射量Ｑが多く、噴射期間−燃料噴射
量特性曲線に線形性がある領域とからなることも可能で
ある。図９は本変形例における燃料噴射弁６から噴射さ
れる燃料の噴射期間τに対する燃料噴射量Ｑの特性を示
した噴射期間−燃料噴射量特性曲線と、第１の燃焼、即
ち低温燃焼が行われる少燃料噴射領域（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
焼が行われる多燃料噴射領域（第２の運転領域）II’と
を示している図７と同様のグラフである。

【００６２】本実施形態の説明に戻り、機関の運転領域
が第１の運転領域（少燃料噴射領域）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。

【００６３】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。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】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。

【００６７】次に図１１を参照しつつ第１の運転領域
（少燃料噴射領域）Ｉおよび第２の運転領域（多燃料噴
射領域）IIにおける運転制御について概略的に説明す
る。

【００６８】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、つまり、燃料噴射量Ｑの
少ない第１の運転領域（少燃料噴射領域）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、つ
まり、燃料噴射量Ｑが増加す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（少燃料噴射領域）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。

【００６９】言い換えると第１の運転領域（少燃料噴射
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（少燃料噴射領
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。

【００７０】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。

【００７１】一方、機関の運転領域が第１の運転領域
（少燃料噴射領域）Ｉから第２の運転領域（多燃料噴射
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１１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、Ｅ
ＧＲ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（少燃料噴射領域）から第２の運転領域（多燃料噴射
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。

【００７２】第２の運転領域（多燃料噴射領域）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（多燃料噴射領域）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、つまり、燃料噴射量Ｑが増
加すると次第に小さくされる。また、この運転領域（多
燃料噴射領域）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（多燃料噴
射領域）IIでは噴射開始時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付
近とされる。

【００７３】図１２（Ａ）は第１の運転領域（少燃料噴
射領域）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＝１
６，Ａ／Ｆ＝１７，Ａ／Ｆ＝１８で示される各曲線は夫
々目標空燃比が１５．５，１６，１７，１８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
（少燃料噴射領域）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（少燃料噴射領域）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。

【００７４】即ち、要求負荷Ｌが低くなるほど、つま
り、燃料噴射量Ｑが少な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。

【００７５】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。

【００７６】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。

【００７７】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。

【００７８】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（少燃料
噴射領域）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（少燃料噴
射領域）Ｉであるときにはステップ１０１に進んで燃料
噴射量Ｑが後述する第１の境界ＱＸよりも大きくなった
か否かが判別される。Ｑ≦ＱＸのときにはステップ１０
３に進んで低温燃焼が行われる。

【００７９】図１８は少燃料噴射領域Ｉ及び多燃料噴射
領域IIと第１の境界ＱＸ及び第２の境界ＱＹとの関係を
示したグラフである。図１８において、図７と同様に、
縦軸は燃料噴射量Ｑを示しており、横軸は噴射期間τを
示しており、ＱＸは少燃料噴射領域Ｉと多燃料噴射領域
IIとの第１の境界を示しており、ＱＹは少燃料噴射領域
Ｉと多燃料噴射領域IIとの第２の境界を示している。第
１の運転領域（少燃料噴射領域）Ｉから第２の運転領域
（多燃料噴射領域）IIへの運転領域の変化判断は第１の
境界ＱＸに基づいて行われ、第２の運転領域（多燃料噴
射領域）IIから第１の運転領域（少燃料噴射領域）Ｉへ
の運転領域の変化判断は第２の境界ＱＹに基づいて行わ
れる。

【００８０】即ち、機関の運転状態が第１の運転領域
（少燃料噴射領域）Ｉにあって低温燃焼が行われている
ときに燃料噴射量Ｑが第１の境界ＱＸを越えると運転領
域が第２の運転領域（多燃料噴射領域）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
燃料噴射量Ｑが第２の境界ＱＹよりも少なくなると運転
領域が第１の運転領域（少燃料噴射領域）Ｉに移ったと
判断され、再び低温燃焼が行われる。

【００８１】このように第１の境界ＱＸと第１の境界Ｑ
Ｘよりも少燃料噴射量側の第２の境界ＱＹ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（多燃料噴射領域）IIの多燃料噴射量側
では比較的燃焼温度が高く、このとき燃料噴射量Ｑが第
１の境界ＱＸ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、燃料噴射量Ｑがかなり少
なくなったとき、即ち第２の境界ＱＹよりも少なくなっ
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（少燃料噴射領
域）Ｉと第２の運転領域（多燃料噴射領域）IIとの間の
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。

【００８２】図１７の説明に戻り、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Ｓ
Ｅ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１２（Ｂ）に示すマップから目標空燃比Ａ
／Ｆが算出される。次いでステップ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とするために噴射すべき燃料噴射量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Ｑ＞ＱＸ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
るマップから噴射すべき目標燃料噴射量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１１１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に進んで燃
料噴射量Ｑが第２の境界ＱＹよりも低くなったか否かが
判別される。Ｑ≧ＱＹ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Ｑ＜ＱＹ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】図１９は低温燃焼時には燃料噴射量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
御し、第２の燃焼時にはＥＧＲ制御弁３１の開度を制御
することによって空燃比を制御するようにした実施形態
を示している。

【００９４】図１９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状態が第１の運転領域（少燃
料噴射領域）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（少燃料
噴射領域）Ｉであるときにはステップ２０１に進んで燃
料噴射量Ｑが第１の境界ＱＸよりも大きくなったか否か
が判別される。Ｑ≦ＱＸのときにはステップ２０３に進
んで低温燃焼が行われる。

【００９５】即ち、ステップ２０３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２０４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２０５では噴射すべき目標燃料噴射量Ｑ
が算出される。この目標燃料噴射量Ｑは図１７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。

【００９６】次いでステップ２０６では空燃比センサ２
７の出力信号から実際の空燃比（Ａ／Ｆ）_Rが算出され
る。次いでステップ２０７では図１２（Ｂ）に示すマッ
プから目標空燃比Ａ／Ｆが算出される。次いでステップ
２０８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２０９に進んで燃料噴射量の補
正値ΔＱが一定値βだけ増大せしめられ、次いでステッ
プ２１１へ進む。これに対して（Ａ／Ｆ）_R≦Ａ／Ｆの
ときにはステップ２１０に進んで補正値ΔＱが一定値β
だけ減少せしめられ、次いでステップ２１１に進む。ス
テップ２１１では目標燃料噴射量Ｑに補正値ΔＱを加算
することにより最終的な目標燃料噴射量Ｑが算出され、
燃料噴射量がこの最終的な目標燃料噴射量Ｑとされる。
即ち、実際の空燃比（Ａ／Ｆ）_Rが目標空燃比Ａ／Ｆと
なるように燃料噴射量が制御される。

【００９７】この実施形態においても低温燃焼が行われ
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。また、この実施形態では燃
焼室５内の空気量が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。

【００９８】一方、ステップ２０１においてＱ＞ＱＸ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２１４に進んで
第２の燃焼が行われる。

【００９９】即ち、ステップ２１４では図１６に示され
るマップから噴射すべき目標燃料噴射量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２１５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、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
２１６では図１５（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁
３１の目標開度ＳＥが算出される。

【０１００】次いでステップ２１７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２１８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２１９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２２０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２２１に進んでＥＧＲ制御弁開度の補正値Δ
ＳＥが一定値αだけ増大せしめられ、次いでステップ２
２３へ進む。これに対して（Ａ／Ｆ）_R≦Ａ／Ｆのとき
にはステップ２２２に進んで補正値ΔＳＥが一定値αだ
け減少せしめられ、次いでステップ２２３に進む。ステ
ップ２２３ではＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥに補正
値ΔＳＥを加算することにより最終的な目標開度ＳＥが
算出され、ＥＧＲ制御弁３１の開度がこの最終的な目標
開度ＳＥ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ＥＧＲ制御弁３１の開度
が制御される。

【０１０１】この実施形態でも第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。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。また、この実施形態においても
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。

【０１０２】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２００からステップ２１２に進んで燃
料噴射量Ｑが第２の境界ＱＹよりも少なくなったか否か
が判別される。Ｑ≧ＱＹのときにはステップ２１４に進
み、リーン空燃比のもとで第２の燃焼が行われる。

【０１０３】一方、ステップ２１２においてＱ＜ＱＹに
なったと判別されたときにはステップ２１３に進んでフ
ラグＩがセットされ、次いでステップ２０３に進んで低
温燃焼が行われる。

【０１０４】

【発明の効果】請求項１〜４に記載の発明によれば、燃
料噴射量が少ないことに伴って燃料噴射量がばらついて
しまっても、発生トルクのばらつきを小さく抑えること
ができる。

【０１０５】請求項５に記載の発明によれば、外部から
燃焼室内に不活性ガスを供給する手段を特別に設ける必
要性を回避することができる。

【０１０６】請求項６に記載の発明によれば、排気ガス
再循環率が、煤の発生量がピークになる排気ガス再循環
率に設定されるのを回避することができる。

【０１０７】請求項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】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】噴射期間−燃料噴射量特性曲線と少燃料噴射領
域Ｉと多燃料噴射領域IIとを示したグラフである。

【図８】低温燃焼時の燃料噴射量のばらつきに伴う発生
トルクのばらつきと従来の燃焼方法における燃焼時の燃
料噴射量のばらつきに伴う発生トルクのばらつきとを比
較して示したグラフである。

【図９】他の実施形態における噴射期間−燃料噴射量特
性曲線と少燃料噴射領域Ｉ’と多燃料噴射領域II’とを
示した図７と同様のグラフである。

【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】少燃料噴射領域Ｉ及び多燃料噴射領域IIと第
１の境界ＱＸ及び第２の境界ＱＹとの関係を示したグラ
フである。

【図１９】機関の運転を制御するための別の実施形態を
示すフローチャートである。

【図２０】燃料噴射量のマップを示す図である。

【符号の説明】

５…燃焼室６…燃料噴射弁２０…スロットル弁２９…ＥＧＲ通路３１…ＥＧＲ制御弁Ｉ…少燃料噴射領域 II…多燃料噴射領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＦ０２Ｄ 43/00 ３０１Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１Ｈ３０１ＮＦ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｄ (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審査官村上哲 (56)参考文献特開平７−4287（ＪＰ，Ａ) 特開平８−86251（ＪＰ，Ａ) 特開平８−177651（ＪＰ，Ａ) 特開平９−287527（ＪＰ，Ａ) 特開平９−287528（ＪＰ，Ａ) 特開平10−18892（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02D 41/00 - 45/00 F02M 25/07

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室内に供給される不活性ガスの量を
増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達
し、前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量を更に増
大していくと前記燃焼室内における燃焼時の燃料および
その周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤が
ほとんど発生しなくなる内燃機関であって、煤の発生量
がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供
給される不活性ガスの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の
量よりも前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量が少
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、燃料噴射弁から噴射される燃料噴射量が少ないため
に、噴射期間に対する燃料噴射量の特性を示す噴射期間
−燃料噴射量特性曲線に線形性がない領域を含む少燃料
噴射領域と、燃料噴射量が多い多燃料噴射領域領域とに
機関の運転領域を分割し、前記少燃料噴射領域では前記
第１の燃焼を行い、前記多燃料噴射領域では前記第２の
燃焼を行うようにした内燃機関。
【請求項２】前記少燃料噴射領域は、前記噴射期間−
燃料噴射量特性曲線に線形性がない領域のみからなる請
求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】前記少燃料噴射領域は、前記噴射期間−
燃料噴射量特性曲線に線形性がない領域と、前記線形性
がない領域よりも前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴
射量が多く、噴射期間−燃料噴射量特性曲線に線形性が
ある領域とからなる請求項１に記載の内燃機関。
【請求項４】前記少燃料噴射領域と前記多燃料噴射領
域とは予め定めた燃料噴射量の固定値により分割される
請求項２又は３に記載の内燃機関。
【請求項５】前記燃焼室から排出された排気ガスを機
関吸気通路内に再循環させる排気ガス再循環装置を具備
し、前記不活性ガスが前記機関吸気通路内に再循環され
た再循環排気ガスからなる請求項１に記載の内燃機関。
【請求項６】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５に記載の内燃機
関。
【請求項７】前記燃焼室から排出された未燃炭化水素
を酸化するために機関排気通路内に酸化機能を有する触
媒を配置した請求項１に記載の内燃機関。
【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に記載の内燃
機関。