JP3331984B2 - 内燃機関 - Google Patents

内燃機関

Info

Publication number
JP3331984B2
JP3331984B2 JP27826998A JP27826998A JP3331984B2 JP 3331984 B2 JP3331984 B2 JP 3331984B2 JP 27826998 A JP27826998 A JP 27826998A JP 27826998 A JP27826998 A JP 27826998A JP 3331984 B2 JP3331984 B2 JP 3331984B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
combustion
soot
amount
engine
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP27826998A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2000110624A (ja
Inventor
康二 吉▲崎▼
静夫 佐々木
雅人 後藤
丈和 伊藤
宏樹 村田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP27826998A priority Critical patent/JP3331984B2/ja
Priority to US09/348,282 priority patent/US6209515B1/en
Priority to DE69928178T priority patent/DE69928178T2/de
Priority to EP99113774A priority patent/EP0972925B1/en
Publication of JP2000110624A publication Critical patent/JP2000110624A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3331984B2 publication Critical patent/JP3331984B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B29/00—Engines characterised by provision for charging or scavenging not provided for in groups F02B25/00, F02B27/00 or F02B33/00 - F02B39/00; Details thereof
    • F02B29/04—Cooling of air intake supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/04—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
    • F02M26/06—Low pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is taken out from the exhaust downstream of the turbocharger turbine and reintroduced into the intake system upstream of the compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/14—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories in relation to the exhaust system
    • F02M26/15—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories in relation to the exhaust system in relation to engine exhaust purifying apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/35—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with means for cleaning or treating the recirculated gases, e.g. catalysts, condensate traps, particle filters or heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/45—Sensors specially adapted for EGR systems
    • F02M26/46—Sensors specially adapted for EGR systems for determining the characteristics of gases, e.g. composition

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
同時に阻止しつつ、煤の発生量がピークとなる不活性ガ
スの量よりも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燃焼が行われる機関始動時の
始動性を向上させ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】更に、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
時に阻止しつつ、煤の発生量がピークとなる不活性ガス
の量よりも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燃焼が行われる機関始動時に触
媒の暖機を早期に完了させることができる内燃機関を提
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、前記煤がほとんど
発生しない燃焼が行われる機関始動時には、前記煤がほ
とんど発生しない燃焼が行われる機関始動時以外の時に
比べて燃料噴射時期を進角せしめるようにした内燃機関
が提供される。
【００１３】請求項２に記載の発明によれば、前記機関
始動時はクランキングが行われる時である請求項１に記
載の内燃機関が提供される。
【００１４】請求項１及び２に記載の内燃機関では、煤
の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも燃焼室内
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
ない燃焼が行われる機関始動時には、前記煤がほとんど
発生しない燃焼が行われる機関始動時以外の時に比べて
燃料噴射時期が進角せしめられる。ところで、機関始動
時は、機関の温度がまだ低いために機関始動時以外の時
に比べて噴射された燃料が燃焼されるまでに長い時間を
要してしまう。それゆえ、上述したように請求項１及び
２に記載の内燃機関では、前記煤がほとんど発生しない
燃焼が行われる機関始動時には、前記煤がほとんど発生
しない燃焼が行われる機関始動時以外の時に比べて燃料
噴射時期が進角せしめられる。その結果、前記煤がほと
んど発生しない燃焼が行われる機関始動時の始動性を向
上させることができる。
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】請求項３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、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
る触媒が配置され、第一の時はクランキングが行われる
時であり、第二の時はクランキングが行われた後であっ
て前記触媒の暖機が完了する前であり、第三の時は前記
第一の時及び前記第二の時以外の時であり、前記煤がほ
とんど発生しない燃焼が行われる前記第一の時には、前
記煤がほとんど発生しない燃焼が行われる前記第三の時
に比べて燃料噴射時期が進角せしめられ、前記煤がほと
んど発生しない燃焼が行われる前記第二の時には、前記
煤がほとんど発生しない燃焼が行われる前記第三の時に
比べて燃料噴射時期が遅角せしめられるようにした内燃
機関が提供される。
【００１９】請求項３に記載の内燃機関では、煤の発生
量がピークとなる不活性ガスの量よりも燃焼室内に供給
される不活性ガスの量が多く煤がほとんど発生しない燃
焼が行われるクランキング時には、前記煤がほとんど発
生しない燃焼が行われるクランキング時及びクランキン
グ後の触媒暖機時以外の時に比べて燃料噴射時期が進角
せしめられ、前記煤がほとんど発生しない燃焼が行われ
るクランキング後の触媒暖機時には、前記煤がほとんど
発生しない燃焼が行われるクランキング時及びクランキ
ング後の触媒暖機時以外の時に比べて燃料噴射時期が遅
角せしめられる。その結果、前記煤がほとんど発生しな
い燃焼が行われる機関始動時の始動性を向上させると共
に、前記煤がほとんど発生しない燃焼が行われる機関始
動時に触媒の暖機を早期に完了させることができる。
【００２０】請求項４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５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吸収剤の少なくとも一
つからなる請求項３又は４に記載の内燃機関が提供され
る。
【００２２】請求項４及び５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】請求項６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又は３に記載の内燃機関が提供される。
【００２４】請求項６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。
【００２５】請求項７に記載の発明によれば、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をステップ状に変化さ
せるようにした請求項６に記載の内燃機関が提供され
る。
【００２６】請求項７に記載の内燃機関では、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。
【００２７】請求項８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７に記載の内燃機関が提供される。
【００２８】請求項８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。
【００２９】請求項９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７に記載の内燃機関が提供され
る。
【００３０】請求項９に記載の内燃機関では、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。
【００３１】
【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。
【００３２】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。
【００３３】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。触媒コンバータ２６
の下流側の排気管２４内には、触媒２５の温度を算出す
るために使用される排気ガスの温度を検出するための触
媒温度センサ６１が配置される。排気マニホルド２２内
には空燃比センサ２７が配置される。
【００３４】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。
【００３５】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。
【００３６】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、触媒温度
センサ６１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。
エンジン回転数はクランク角センサ５２の出力値に基づ
いて算出される。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。
【００３７】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。
【００３８】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。
【００３９】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。
【００４０】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。
【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。
【００４２】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。
【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。
【００５０】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。
【００５１】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。
【００５２】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。
【００５３】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。
【００５４】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。
【００５５】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。
【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。
【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。
【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。
【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７は第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われ
る第１の運転領域Ｉと、第２の燃焼、即ち従来の燃焼方
法による燃焼が行われる第２の運転領域IIとを示してい
る。なお、図７において縦軸Ｌはアクセルペダル５０の
踏込み量、即ち要求負荷を示しており、横軸Ｎは機関回
転数を示している。また、図７においてＸ（Ｎ）は第１
の運転領域Ｉと第２の運転領域IIとの第１の境界を示し
ており、Ｙ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域
IIとの第２の境界を示している。第１の運転領域Ｉから
第２の運転領域IIへの運転領域の変化判断は第１の境界
Ｘ（Ｎ）に基づいて行われ、第２の運転領域IIから第１
の運転領域Ｉへの運転領域の変化判断は第２の境界Ｙ
（Ｎ）に基づいて行われる。
【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８は空燃比センサ２７の出力を示してい
る。図８に示されるように空燃比センサ２７の出力電流
Ｉは空燃比Ａ／Ｆに応じて変化する。従って空燃比セン
サ２７の出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。
【００７１】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。
【００７２】図９は要求負荷Ｌに対するスロットル弁２
０の開度、ＥＧＲ制御弁３１の開度、ＥＧＲ率、空燃
比、噴射時期および噴射量を示している。図９に示され
るように要求負荷Ｌの低い第１の運転領域Ｉではスロッ
トル弁２０の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉
近くから２／３開度程度まで徐々に増大せしめられ、Ｅ
ＧＲ制御弁３１の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて
全閉近くから全開まで徐々に増大せしめられる。また、
図９に示される例では第１の運転領域ＩではＥＧＲ率が
ほぼ７０パーセントとされており、空燃比はわずかばか
りリーンなリーン空燃比とされている。
【００７３】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。
【００７４】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。
【００７５】一方、機関の運転領域が第１の運転領域Ｉ
から第２の運転領域IIに変わるとスロットル弁２０の開
度が２／３開度程度から全開方向へステップ状に増大せ
しめられる。このとき図９に示す例ではＥＧＲ率がほぼ
７０パーセントから４０パーセント以下までステップ状
に減少せしめられ、空燃比がステップ状に大きくされ
る。即ち、ＥＧＲ率が多量のスモークを発生するＥＧＲ
率範囲（図５）を飛び越えるので機関の運転領域が第１
の運転領域Ｉから第２の運転領域IIに変わるときに多量
のスモークが発生することがない。
【００７６】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。
【００７７】図１０（Ａ）は第１の運転領域Ｉにおける
目標空燃比Ａ／Ｆを示している。図１０（Ａ）におい
て、Ａ／Ｆ＝１５．５，Ａ／Ｆ＝１６，Ａ／Ｆ＝１７，
Ａ／Ｆ＝１８で示される各曲線は夫々目標空燃比が１
５．５，１６，１７，１８であるときを示しており、各
曲線間の空燃比は比例配分により定められる。図１０
（Ａ）に示されるように第１の運転領域Ｉでは空燃比が
リーンとなっており、更に第１の運転領域Ｉでは要求負
荷Ｌが低くなるほど目標空燃比Ａ／Ｆがリーンとされ
る。
【００７８】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
１０（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌが低くなるにつ
れて目標空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。目標空燃比Ａ／
Ｆが大きくなるほど燃料消費率は向上し、従ってできる
限り空燃比をリーンにするために本発明による実施形態
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。
【００７９】なお、図１０（Ａ）に示される目標空燃比
Ａ／Ｆは図１０（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよ
び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ４
２内に記憶されている。また、空燃比を図１０（Ａ）に
示す目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要なスロットル弁２
０の目標開度ＳＴが図１１（Ａ）に示されるように要求
負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予
めＲＯＭ４２内に記憶されており、空燃比を図１０
（Ａ）に示す目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要なＥＧＲ
制御弁３１の目標開度ＳＥが図１１（Ｂ）に示されるよ
うに要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップ
の形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。
【００８０】図１２（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１２（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ＲＯＭ４２
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２０
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。
【００８１】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１４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。
【００８２】次に図１５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１５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Ｘ１
（Ｎ）よりも大きくなったか否かが判別される。Ｌ≦Ｘ
１（Ｎ）のときにはステップ１０５に進んで低温燃焼が
行われる。
【００８３】一方、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１１４
に進んで第２の燃焼が行われる。
【００８４】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
されていないと判別されたとき、即ち機関の運転状態が
第２の運転領域IIであるときには、ステップ１０３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
１１４に進み、リーン空燃比のもとで第２の燃焼が行わ
れる。
【００８５】一方、ステップ１０３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１０４に
進んでフラグＩがセットされ、次いでステップ１０５に
進んで低温燃焼が行われる。
【００８６】ステップ１０５では図１１（Ａ）に示すマ
ップからスロットル弁２０の目標開度ＳＴが算出され、
スロットル弁２０の開度がこの目標開度ＳＴとされる。
次いでステップ１０６では図１１（Ｂ）に示すマップか
らＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ
制御弁３１の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いで
ステップ１０７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１０８では図１０
（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１０９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。
【００８７】次いでステップ１１０では、クランク角セ
ンサ５２の出力値から算出されたエンジン回転数ＮＥに
基づいて、０≦ＮＥ＜ＮＥ１か否かが判別される。本実
施形態ではＮＥ１は３００ｒｐｍに設定されている。０
≦ＮＥ＜ＮＥ１であるときには、機関始動時であってク
ランキングが行われている時であると判断され、ステッ
プ１１１において、スロットル弁２０の開度、ＥＧＲ制
御弁３１の開度、燃料噴射量Ｑ（機関負荷Ｌ）、エンジ
ン回転数ＮＥ、不図示のマップ等に基づいて算出された
燃料噴射時期に対して実際の燃料噴射時期が進角せしめ
られる。ステップ１１１により、低温燃焼が行われるク
ランキング時の始動性が向上せしめられる。一方、０≦
ＮＥ＜ＮＥ１でないときにはステップ１１２に進む。
【００８８】ステップ１１２では、ＮＥ１≦ＮＥ＜ＮＥ
２か否かが判別される。本実施形態ではＮＥ２は３５０
ｒｐｍに設定されている。ＮＥ１≦ＮＥ＜ＮＥ２である
ときには、クランキングが終了しており、かつ、触媒２
５の暖機がまだ完了していないと判断され、ステップ１
１３において、スロットル弁２０の開度、ＥＧＲ制御弁
３１の開度、燃料噴射量Ｑ（機関負荷Ｌ）、エンジン回
転数ＮＥ、不図示のマップ等に基づいて算出された燃料
噴射時期に対して実際の燃料噴射時期が遅角せしめられ
る。ステップ１１３により、低温燃焼が行われる機関始
動時に触媒２５の暖機を早期に完了させることが可能に
なる。一方、ＮＥ１≦ＮＥ＜ＮＥ２でないときには、ク
ランキングが終了しており、かつ、触媒２５の暖機が完
了していると判断され、燃料噴射時期が変更されること
なくこのルーチンを終了する。
【００８９】尚、上述した実施形態では、実際の燃料噴
射時期を進角せしめるか、あるいは、遅角せしめるかを
エンジン回転数ＮＥに基づいて判断しているが、他の実
施形態では、クランキングが行われた後の経過時間に基
づいてそれらの判断を行うことも可能である。詳細に
は、クランキングがまだ行われていないときには実際の
燃料噴射時期が進角せしめられ、クランキング後にまだ
所定時間が経過していないときには実際の燃料噴射時期
が遅角せしめられ、クランキング後に既に所定時間が経
過したときには燃料噴射時期が変更されない。
【００９０】本実施形態の説明に戻り、上述したように
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Ｅ
ＧＲ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。
【００９１】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。
【００９２】ステップ１１４では図１４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１１５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が算出される。次いでステップ１１６では図１
３（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。
【００９３】次いでステップ１１７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１１８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１１９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１２０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１２１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１２
３へ進む。これに対して（Ａ／Ｆ）R ≦Ａ／Ｆのときに
はステップ１２２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１２３に進む。ステッ
プ１２３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。
【００９４】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。
【００９５】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。
【００９６】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。
【００９７】
【発明の効果】請求項１及び２に記載の発明によれば、
内燃機関から煤（スモーク）が排出されること及びＮＯ
ｘが排出されることを同時に阻止しつつ、煤の発生量が
ピークとなる不活性ガスの量よりも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燃焼が
行われる機関始動時の始動性を向上させることができ
る。
【００９８】
【００９９】請求項３に記載の発明によれば、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しつつ、煤の発生量がピークと
なる不活性ガスの量よりも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燃焼が行われる
機関始動時の始動性を向上させると共に、触媒の暖機を
早期に完了させることができる。
【０１００】請求項４及び５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。
【０１０１】請求項６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。
【０１０２】請求項７及び８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。
【０１０３】請求項９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。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図２】スモークおよびＮＯｘの発生量等を示す図であ
る。
【図３】燃焼圧を示す図である。
【図４】燃料分子を示す図である。
【図５】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図
である。
【図６】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図であ
る。
【図７】第１の運転領域Ｉおよび第２の運転領域IIを示
す図である。
【図８】空燃比センサの出力を示す図である。
【図９】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１０】第１の運転領域Ｉにおける空燃比等を示す図
である。
【図１１】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図
である。
【図１２】第２の燃焼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】燃料噴射量のマップを示す図である。
【図１５】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。
【図１６】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】
５…燃焼室 ６…燃料噴射弁 ２４…排気管 ２５…触媒 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 Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１ Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１Ｄ 41/40 41/40 Ｄ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｊ ３０１Ｎ ３０１Ｗ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｇ ５７０Ｊ (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) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02D 41/00 - 45/00 F02M 25/07

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼室内に供給される不活性ガスの量を
    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、前記煤がほ
    とんど発生しない燃焼が行われる機関始動時には、前記
    煤がほとんど発生しない燃焼が行われる機関始動時以外
    の時に比べて燃料噴射時期を進角せしめるようにした内
    燃機関。
  2. 【請求項２】 前記機関始動時はクランキングが行われ
    る時である請求項１に記載の内燃機関。
  3. 【請求項３】 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、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が配置され、第一の時は
    クランキングが行われる時であり、第二の時はクランキ
    ングが行われた後であって前記触媒の暖機が完了する前
    であり、第三の時は前記第一の時及び前記第二の時以外
    の時であり、前記煤がほとんど発生しない燃焼が行われ
    る前記第一の時には、前記煤がほとんど発生しない燃焼
    が行われる前記第三の時に比べて燃料噴射時期が進角せ
    しめられ、前記煤がほとんど発生しない燃焼が行われる
    前記第二の時には、前記煤がほとんど発生しない燃焼が
    行われる前記第三の時に比べて燃料噴射時期が遅角せし
    められるようにした内燃機関。
  4. 【請求項４】 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。
  5. 【請求項５】 前記触媒が酸化触媒、三元触媒又はＮＯ
    ｘ吸収剤の少なくとも一つからなる請求項３又は４に記
    載の内燃機関。
  6. 【請求項６】 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又は３に記載の内燃
    機関。
  7. 【請求項７】 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
    率をステップ状に変化させるようにした請求項６に記載
    の内燃機関。
  8. 【請求項８】 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７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７に記
    載の内燃機関。
JP27826998A 1998-07-15 1998-09-30 内燃機関 Expired - Fee Related JP3331984B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP27826998A JP3331984B2 (ja) 1998-09-30 1998-09-30 内燃機関
US09/348,282 US6209515B1 (en) 1998-07-15 1999-07-07 Internal combustion engine, controller and method
DE69928178T DE69928178T2 (de) 1998-07-15 1999-07-14 Brennkraftmaschine
EP99113774A EP0972925B1 (en) 1998-07-15 1999-07-14 Internal combustion engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP27826998A JP3331984B2 (ja) 1998-09-30 1998-09-30 内燃機関

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2000110624A JP2000110624A (ja) 2000-04-18
JP3331984B2 true JP3331984B2 (ja) 2002-10-07

Family

ID=17595002

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP27826998A Expired - Fee Related JP3331984B2 (ja) 1998-07-15 1998-09-30 内燃機関

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3331984B2 (ja)

Also Published As

Publication number Publication date
JP2000110624A (ja) 2000-04-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3552645B2 (ja) 内燃機関
JP3555559B2 (ja) 内燃機関
JP3356075B2 (ja) 内燃機関
JP3551794B2 (ja) 内燃機関
JP3341686B2 (ja) 内燃機関
JP3331974B2 (ja) 内燃機関
JP3344334B2 (ja) 内燃機関
JP2000179411A (ja) 排気ガス再循環量制御弁
JP3551768B2 (ja) 内燃機関
JP3331981B2 (ja) 内燃機関
JP3331984B2 (ja) 内燃機関
JP3156674B2 (ja) 内燃機関
JP3092597B2 (ja) 内燃機関
JP3409717B2 (ja) 内燃機関
JP3331986B2 (ja) 多気筒内燃機関
JP3358551B2 (ja) 内燃機関
JP3341683B2 (ja) 内燃機関
JP3331991B2 (ja) 内燃機関
JP3551793B2 (ja) 内燃機関
JP3551799B2 (ja) 内燃機関
JP3341685B2 (ja) 内燃機関の気筒間吸気量ばらつき検出装置
JP3424563B2 (ja) 内燃機関
JP3331980B2 (ja) 内燃機関
JP3551769B2 (ja) 内燃機関
JP2000145512A (ja) 内燃機関

Legal Events

Date Code Title Description
FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080726

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080726

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090726

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090726

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100726

Year of fee payment: 8

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees