JP3409704B2

JP3409704B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP3409704B2
Application number: JP24196998A
Authority: JP
Inventors: 雅人後藤; 静夫佐々木; 康二吉▲崎▼; 丈和伊藤; 宏樹村田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-08-27
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 2003-05-26
Anticipated expiration: 2018-08-27
Also published as: JP2000073839A

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ＮＯ_x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ＮＯ_xの発生量が低下し、従ってＥＧＲ率を増大す
ればするほどＮＯ_x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
ＮＯ_x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
なるように定めてもＮＯ_x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
Ｏ_x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
Ｏ_xの発生量が極めて少量となることも判明している。
この後この知見に基づいて煤が発生しない理由について
検討が進められ、その結果これまでにない煤およびＮＯ
_xの同時低減が可能な新たな燃焼システムが構築される
に至ったのである。この新たな燃焼システムについては
後に詳細に説明するが簡単に言うと炭化水素が煤に成長
するまでの途中の段階において炭化水素の成長を停止さ
せることを基本としている。

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

【０００８】従って、燃焼室内における燃焼時の燃料お
よびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止
する温度以下に抑制すれば煤が発生しなくなり、燃焼室
内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭
化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制すること
は燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって可能
となる。一方、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化
水素は酸化触媒等を用いた後処理によって容易に浄化す
ることができる。これが新たな燃焼システムの基本的な
考え方である。この新たな燃焼システムを採用した内燃
機関については本出願人により既に出願されている（特
願平９−３０５８５０号）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところでこの新たな燃
焼では安定した燃焼の得られる燃料噴射時期が比較的狹
いクランク角範囲内に限られている。即ち、燃料噴射時
期を早くすると噴射燃料は長時間に亘って圧縮高温ガス
により加熱されるために燃焼時に燃料およびその周囲の
ガス温は高くなり、その結果炭化水素が煤まで成長して
しまうのでスモークが発生することになる。これに対し
て燃料噴射時期を遅くすると噴射燃料の温度があまり上
昇しないために大部分の燃料は燃焼せず、斯くして失火
を生ずることになる。即ち、この新たな燃焼では燃料噴
射時期に対してスモークが発生せずかつ失火を生じない
安定した燃焼の得られる最適なクランク角範囲が存在
し、従ってこの新たな燃焼を行う場合にはこの最適なク
ランク角範囲において燃料噴射を行う必要がある。

【００１０】しかしながらこの安定した燃焼の得られる
最適なクランク角範囲は周囲の状況、例えば気候により
変化し、従って燃料噴射時期を機関の運転状態に応じて
予め定められている最適なクランク角範囲内に制御した
としても周囲の状況が変化すればスモークが発生した
り、或いは失火を生じることになる。ところで上述した
ように燃料噴射時期が最適なクランク角範囲に対して遅
くなると次第に燃焼が悪化し、ついには失火することに
なる。この場合、燃焼が悪化するにつれて機関出力のト
ルク変動が大きくなり、従って機関出力のトルク変動量
から燃焼が悪化したか否かを判断することができる。ま
た、燃料噴射時期を早めていくと機関出力のトルク変動
量は次第に小さくなるが燃料噴射時期を早めすぎると今
度はスモークが発生することになる。従って機関出力の
トルク変動量を或る範囲内に制御すれば失火せず、スモ
ークの発生しない良好な燃焼が得られることになる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】従って１番目の発明で
は、燃焼室内に供給される不活性ガス量を増大していく
と煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内
に供給される不活性ガス量を更に増大していくと燃焼室
内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の
生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる
内燃機関において、煤の発生量がピークとなる不活性ガ
ス量よりも燃焼室内に供給される不活性ガス量を多くす
ることによ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煤が生成される温度よりも低い温度
に抑制し、機関出力のトルク変動量を検出する検出手段
と、トルク変動量が予め定められた範囲内となるように
燃料噴射時期を制御する制御手段とを具備している。

【００１２】２番目の発明では１番目の発明において、
制御手段はトルク変動量が予め定められた範囲よりも大
きくなったときには燃料噴射時期を早め、トルク変動量
が予め定められた範囲よりも小さくなったときには燃料
噴射時期を遅くするようにしている。３番目の発明では
１番目の発明において、検出手段は全気筒の平均トルク
変動量を検出し、制御手段は平均トルク変動量が予め定
められた範囲内となるように各気筒の燃料噴射時期を制
御するようにしている。

【００１３】４番目の発明では１番目の発明において、
検出手段は各気筒毎にトルク変動量を検出し、制御手段
は各気筒のトルク変動量が予め定められた範囲内となる
ように各気筒毎に燃料噴射時期を制御するようにしてい
る。５番目の発明では１番目の発明において、機関排気
通路内に酸化機能を有する触媒を配置している。

【００１４】６番目の発明では５番目の発明において、
触媒が酸化触媒、三元触媒又はＮＯ _x吸収剤の少なくと
も一つからなる。７番目の発明では１番目の発明におい
て、燃焼室から排出された排気ガスを機関吸気通路内に
再循環させる再循環装置を具備し、不活性ガスが再循環
排気ガスからなる。

【００１５】８番目の発明では７番目の発明において、
排気ガス再循環率がほぼ５５パーセント以上である。９
番目の発明では１番目の発明において、煤の発生量がピ
ークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量
が多く煤がほとんど発生しない第１の燃焼と、煤の発生
量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性
ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に切換える切換手
段を具備している。

【００１６】１０番目の発明では９番目の発明におい
て、機関の運転領域を低負荷側の第１の運転領域と高負
荷側の第２の運転領域に分割し、第１の運転領域では第
１の燃焼を行い、第２の運転領域では第２の燃焼を行う
ようにしている。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は本発明を４ストローク圧縮
着火式内燃機関に適用した場合を示している。図１を参
照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３は
シリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気
制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は
排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は
対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結
され、サージタンク１２は吸気ダクト１３およびインタ
ークーラ１４を介して過給機、例えば排気ターボチャー
ジャ１５のコンプレッサ１６の出口部に連結される。コ
ンプレッサ１６の入口部は空気吸込管１７を介してエア
クリーナ１８に連結され、空気吸込管１７内にはステッ
プモータ１９により駆動されるスロットル弁２０が配置
される。

【００１８】一方、排気ポート１０は排気マニホルド２
１および排気管２２を介して排気ターボチャージャ１５
の排気タービン２３の入口部に連結され、排気タービン
２３の出口部は排気管２４を介して酸化機能を有する触
媒２５を内蔵した触媒コンバータ２６に連結される。排
気マニホルド２１内には空燃比センサ２７が配置され
る。

【００１９】触媒コンバータ２６の出口部に連結された
排気管２８とスロットル弁２０下流の空気吸込管１７と
はＥＧＲ通路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
例では機関冷却水がインタークーラ３２内に導びかれ、
機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。

【００２０】一方、燃料噴射弁６は燃料供給管３３を介
して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール３４に連結さ
れる。このコモンレール３４内へは電気制御式の吐出量
可変な燃料ポンプ３５から燃料が供給され、コモンレー
ル３４内に供給された燃料は各燃料供給管３３を介して
燃料噴射弁６に供給される。コモンレール３４にはコモ
ンレール３４内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ
３６が取付けられ、燃料圧センサ３６の出力信号に基づ
いてコモンレール３４内の燃料圧が目標燃料圧となるよ
うに燃料ポンプ３５の吐出量が制御される。

【００２１】電子制御ユニット４０はデジタルコンピュ
ータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続さ
れたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ラン
ダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッ
サ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備
する。空燃比センサ２７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、燃料圧セン
サ３６の出力信号も対応する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４
５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３０および燃料ポンプ３５に接続
される。

【００２２】図２は機関低負荷運転時にスロットル弁２
０の開度およびＥＧＲ率を変化させることにより空燃比
Ａ／Ｆ（図２の横軸）を変化させたときの出力トルクの
変化、およびスモーク、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯ_xの排出量の
変化を示す実験例を表している。図２からわかるように
この実験例では空燃比Ａ／Ｆが小さくなるほどＥＧＲ率
が大きくなり、理論空燃比（≒１４．６）以下のときに
はＥＧＲ率は６５パーセント以上となっている。

【００２３】図２に示されるようにＥＧＲ率を増大する
ことにより空燃比Ａ／Ｆを小さくしていくとＥＧＲ率が
４０パーセント付近となり空燃比Ａ／Ｆが３０程度にな
ったときにスモークの発生量が増大を開始する。次い
で、更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくすると
スモークの発生量が急激に増大してピークに達する。次
いで更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくすると
今度はスモークが急激に低下し、ＥＧＲ率を６５パーセ
ント以上とし、空燃比Ａ／Ｆが１５．０付近になるとス
モークがほぼ零となる。即ち、煤がほとんど発生しなく
なる。このとき機関の出力トルクは若干低下し、またＮ
Ｏ_xの発生量がかなり低くなる。一方、このときＨＣ，
ＣＯの発生量は増大し始める。

【００２４】図３（Ａ）は空燃比Ａ／Ｆが２１付近でス
モークの発生量が最も多いときの燃焼室５内の燃焼圧変
化を示しており、図３（Ｂ）は空燃比Ａ／Ｆが１８付近
でスモークの発生量がほぼ零のときの燃焼室５内の燃焼
圧の変化を示している。図３（Ａ）と図３（Ｂ）とを比
較すればわかるようにスモークの発生量がほぼ零である
図３（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図３
（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。

【００２５】図２および図３に示される実験結果から次
のことが言える。即ち、まず第１に空燃比Ａ／Ｆが１
５．０以下でスモークの発生量がほぼ零のときには図２
に示されるようにＮＯ_xの発生量がかなり低下する。Ｎ
Ｏ_xの発生量が低下したということは燃焼室５内の燃焼
温度が低下していることを意味しており、従って煤がほ
とんど発生しないときには燃焼室５内の燃焼温度が低く
なっていると言える。同じことが図３からも言える。即
ち、煤がほとんど発生していない図３（Ｂ）に示す状態
では燃焼圧が低くなっており、従ってこのとき燃焼室５
内の燃焼温度は低くなっていることになる。

【００２６】第２にスモークの発生量、即ち煤の発生量
がほぼ零になると図２に示されるようにＨＣおよびＣＯ
の排出量が増大する。このことは炭化水素が煤まで成長
せずに排出されることを意味している。即ち、燃料中に
含まれる図４に示されるような直鎖状炭化水素や芳香族
炭化水素は酸素不足の状態で温度上昇せしめられると熱
分解して煤の前駆体が形成され、次いで主に炭素原子が
集合した固体からなる煤が生成される。この場合、実際
の煤の生成過程は複雑であり、煤の前駆体がどのような
形態をとるかは明確ではないがいずれにしても図４に示
されるような炭化水素は煤の前駆体を経て煤まで成長す
ることになる。従って、上述したように煤の発生量がほ
ぼ零になると図２に示される如くＨＣおよびＣＯの排出
量が増大するがこのときのＨＣは煤の前駆体又はその前
の状態の炭化水素である。

【００２７】図２および図３に示される実験結果に基づ
くこれらの考察をまとめると燃焼室５内の燃焼温度が低
いときには煤の発生量がほぼ零になり、このとき煤の前
駆体又はその前の状態の炭化水素が燃焼室５から排出さ
れることになる。このことについて更に詳細に実験研究
を重ねた結果、燃焼室５内における燃料およびその周囲
のガス温度が或る温度以下である場合には煤の成長過程
が途中で停止してしまい、即ち煤が全く発生せず、燃焼
室５内における燃料およびその周囲の温度が或る温度以
上になると煤が生成されることが判明したのである。

【００２８】ところで煤の前駆体の状態で炭化水素の生
成過程が停止するときの燃料およびその周囲の温度、即
ち上述の或る温度は燃料の種類や空燃比や圧縮比等の種
々の要因によって変化するので何度であるかということ
は言えないがこの或る温度はＮＯ_x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ＮＯ_x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、ＮＯ_xの発生量が低下する。このときＮＯ_xの発
生量が１０p.p.m 前後又はそれ以下になったときに煤が
ほとんど発生しなくなる。従って上述の或る温度はＮＯ
_xの発生量が１０p.p.m 前後又はそれ以下になったとき
の温度にほぼ一致する。

【００２９】一旦、煤が生成されるとこの煤は酸化機能
を有する触媒を用いた後処理でもって浄化することはで
きない。これに対して煤の前駆体又はその前の状態の炭
化水素は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって
容易に浄化することができる。このように酸化機能を有
する触媒による後処理を考えると炭化水素を煤の前駆体
又はその前の状態で燃焼室５から排出させるか、或いは
煤の形で燃焼室５から排出させるかについては極めて大
きな差がある。本発明において採用されている新たな燃
焼システムは燃焼室５内において煤を生成させることな
く炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態の形でもって
燃焼室５から排出させ、この炭化水素を酸化機能を有す
る触媒により酸化せしめることを核としている。

【００３０】さて、煤が生成される前の状態で炭化水素
の成長を停止させるには燃焼室５内における燃焼時の燃
料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度より
も低い温度に抑制する必要がある。この場合、燃料およ
びその周囲のガス温度を抑制するには燃料が燃焼した際
の燃料周りのガスの吸熱作用が極めて大きく影響するこ
とが判明している。

【００３１】即ち、燃料周りに空気しか存在しないと蒸
発した燃料はただちに空気中の酸素と反応して燃焼す
る。この場合、燃料から離れている空気の温度はさほど
上昇せず、燃料周りの温度のみが局所的に極めて高くな
る。即ち、このときには燃料から離れている空気は燃料
の燃焼熱の吸熱作用をほとんど行わない。この場合には
燃焼温度が局所的に極めて高くなるために、この燃焼熱
を受けた未燃炭化水素は煤を生成することになる。

【００３２】一方、多量の不活性ガスと少量の空気の混
合ガス中に燃料が存在する場合には若干状況が異なる。
この場合には蒸発燃料は周囲に拡散して不活性ガス中に
混在する酸素と反応し、燃焼することになる。この場合
には燃焼熱は周りの不活性ガスに吸収されるために燃焼
温度はさほど上昇しなくなる。即ち、燃焼温度を低く抑
えることができることになる。即ち、燃焼温度を抑制す
るには不活性ガスの存在が重要な役割を果しており、不
活性ガスの吸熱作用によって燃焼温度を低く抑えること
ができることになる。

【００３３】この場合、燃料およびその周囲のガス温度
を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制するにはそ
うするのに十分な熱量を吸収しうるだけの不活性ガス量
が必要となる。従って燃料量が増大すれば必要となる不
活性ガス量はそれに伴なって増大することになる。な
お、この場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用
は強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが
好ましいことになる。この点、ＣＯ₂やＥＧＲガスは比
較的比熱が大きいので不活性ガスとしてＥＧＲガスを用
いることは好ましいと言える。

【００３４】図５は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用
い、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。

【００３５】図５の曲線Ａで示されるようにＥＧＲガス
を強力に冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよ
りも少し低いところで煤の発生量がピークとなり、この
場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にすれば煤
がほとんど発生しなくなる。一方、図５の曲線Ｂで示さ
れるようにＥＧＲガスを少し冷却した場合にはＥＧＲ率
が５０パーセントよりも少し高いところで煤の発生量が
ピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ６５パーセ
ント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。

【００３６】また、図５の曲線Ｃで示されるようにＥＧ
Ｒガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５
５パーセントの付近で煤の発生量がピークとなり、この
場合にはＥＧＲ率をほぼ７０パーセント以上にすれば煤
がほとんど発生しなくなる。なお、図５は機関負荷が比
較的高いときのスモークの発生量を示しており、機関負
荷が小さくなると煤の発生量がピークとなるＥＧＲ率は
若干低下し、煤がほとんど発生しなくなるＥＧＲ率の下
限も若干低下する。このように煤がほとんど発生しなく
なるＥＧＲ率の下限はＥＧＲガスの冷却度合や機関負荷
に応じて変化する。

【００３７】図６は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用い
た場合において燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度
を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要
なＥＧＲガスと空気の混合ガス量、およびこの混合ガス
量中の空気の割合、およびこの混合ガス中のＥＧＲガス
の割合を示している。なお、図６において縦軸は燃焼室
５内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Ｙは
過給が行われないときに燃焼室５内に吸入しうる全吸入
ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示してい
る。

【００３８】図６を参照すると空気の割合、即ち混合ガ
ス中の空気量は噴射された燃料を完全に燃焼せしめるの
に必要な空気量を示している。即ち、図６に示される場
合では空気量と噴射燃料量との比は理論空燃比となって
いる。一方、図６においてＥＧＲガスの割合、即ち混合
ガス中のＥＧＲガス量は噴射燃料が燃焼せしめられたと
きに燃料およびその周囲のガス温度を煤が形成される温
度よりも低い温度にするのに必要最低限のＥＧＲガス量
を示している。このＥＧＲガス量はＥＧＲ率で表すとほ
ぼ５５パーセント以上であり、図６に示す実施例では７
０パーセント以上である。即ち、燃焼室５内に吸入され
た全吸入ガス量を図６において実線Ｘとし、この全吸入
ガス量Ｘのうちの空気量とＥＧＲガス量との割合を図６
に示すような割合にすると燃料およびその周囲のガス温
度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯くし
て煤が全く発生しなくなる。また、このときのＮＯ_x発
生量は１０p.p.m 前後、又はそれ以下であり、従ってＮ
Ｏ_xの発生量は極めて少量となる。

【００３９】燃料噴射量が増大すれば燃料が燃焼した際
の発熱量が増大するので燃料およびその周囲のガス温度
を煤が生成される温度よりも低い温度に維持するために
はＥＧＲガスによる熱の吸収量を増大しなければならな
い。従って図６に示されるようにＥＧＲガス量は噴射燃
料量が増大するにつれて増大せしめなければならない。
即ち、ＥＧＲガス量は要求負荷が高くなるにつれて増大
する必要がある。

【００４０】ところで過給が行われていない場合には燃
焼室５内に吸入される全吸入ガス量Ｘの上限はＹであ
り、従って図６において要求負荷がＬ₀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Ｌ₀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Ｌ ₀より
も大きい領域では燃料およびその周囲のガス温度を煤が
生成される温度よりも低い温度に維持しえなくなる。

【００４１】ところが図１に示されるようにＥＧＲ通路
２９を介して過給機の入口側即ち排気ターボチャージャ
１５の空気吸込管１７内にＥＧＲガスを再循環させると
要求負荷がＬ₀よりも大きい領域においてＥＧＲ率を５
５パーセント以上、例えば７０パーセントに維持するこ
とができ、斯くして燃料およびその周囲のガス温度を煤
が生成される温度よりも低い温度に維持することができ
る。即ち、空気吸込管１７内におけるＥＧＲ率が例えば
７０パーセントになるようにＥＧＲガスを再循環させれ
ば排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１６により
昇圧された吸入ガスのＥＧＲ率も７０パーセントとな
り、斯くしてコンプレッサ１６により昇圧しうる限度ま
で燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度
よりも低い温度に維持することができる。従って、低温
燃焼を生じさせることのできる機関の運転領域を拡大す
ることができることになる。

【００４２】なお、この場合、要求負荷がＬ₀よりも大
きい領域でＥＧＲ率を５５パーセント以上にする際には
ＥＧＲ制御弁３１が全開せしめられ、スロットル弁２０
が若干閉弁せしめられる。前述したように図６は燃料を
理論空燃比のもとで燃焼させる場合を示しているが空気
量を図６に示される空気量よりも少なくしても、即ち空
燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつＮＯ_x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ＮＯ_xの発生量を１０p.p.m 前後又
はそれ以下にすることができる。

【００４３】即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過
剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために
過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くして煤が生成される
ことがない。また、このときＮＯ_x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、ＮＯ_x
も極めて少量しか発生しない。

【００４４】このように、低温燃焼が行われているとき
には空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろ
うと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリー
ンであろうと煤が発生されず、ＮＯ_xの発生量が極めて
少量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこのと
き平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。

【００４５】ところで燃焼室内における燃焼時の燃料お
よびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止
する温度以下に抑制しうるのは燃焼による発熱量が比較
的少ない機関中低負荷運転時に限られる。従って本発明
による実施例では機関中低負荷運転時には燃焼時の燃料
およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停
止する温度以下に抑制して第１の燃焼、即ち低温燃焼を
行うようにし、機関高負荷運転時には第２の燃焼、即ち
従来より普通に行われている燃焼を行うようにしてい
る。なお、ここで第１の燃焼、即ち低温燃焼とはこれま
での説明から明らかなように煤の発生量がピークとなる
不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤が
ほとんど発生しない燃焼のことを言い、第２の燃焼、即
ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量がピ
ークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量
が少ない燃焼のことを言う。

【００４６】図７は第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われ
る第１の運転領域Ｉと、第２の燃焼、即ち従来の燃焼方
法による燃焼が行われる第２の運転領域IIとを示してい
る。なお、図７において縦軸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。

【００４７】即ち、機関の運転状態が第１の運転領域Ｉ
にあって低温燃焼が行われているときに要求負荷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。

【００４８】このように第１の境界Ｘ（Ｎ）と第１の境
界Ｘ（Ｎ）よりも低負荷側の第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。

【００４９】ところで機関の運転状態が第１の運転領域
Ｉにあって低温燃焼が行われているときには煤はほとん
ど発生せず、その代り未燃炭化水素が煤の前駆体又はそ
の前の状態の形でもって燃焼室５から排出される。この
とき燃焼室５から排出された未燃炭化水素は酸化機能を
有する触媒２５により良好に酸化せしめられる。触媒２
５としては酸化触媒、三元触媒、又はＮＯ_x吸収剤を用
いることができる。ＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_xを放出す
る機能を有する。

【００５０】このＮＯ_x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
選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属と
が担持されている。

【００５１】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ＮＯ_x吸収剤を触媒２５として用いるこ
とができる。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。

【００５２】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。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。

【００５３】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。な
お、このとき空燃比は空燃比センサ２７の出力信号に基
づいてＥＧＲ制御弁３１の開度を補正することによって
目標リーン空燃比に制御される。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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】第２の運転領域IIでは第２の燃焼、即ち従
来から行われている燃焼が行われる。この燃焼方法では
煤およびＮＯ_xが若干発生するが低温燃焼に比べて熱効
率は高く、従って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に変わると図９に示されるように噴
射量がステップ状に低減せしめられる。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。

【００５７】図１０は第１の運転領域Ｉにおける空燃比
Ａ／Ｆを示している。図１０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１０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が低くなるほど空燃比Ａ／Ｆが
リーンとされる。

【００５８】即ち、要求負荷Ｌが低くなるほど燃焼によ
る発熱量が少なくなる。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に示されるように要求負荷Ｌが低くなるにつれ
て空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。空燃比Ａ／Ｆが大きく
なるほど燃料消費率は向上し、従ってできる限り空燃比
をリーンにするために本発明による実施例では要求負荷
Ｌが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。

【００５９】なお、空燃比を図１０に示す目標空燃比と
するのに必要なスロットル弁２０の目標開度ＳＴが図１
１（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に示す目標空燃比とするのに
必要なＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥが図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。

【００６０】また、第１の燃焼が行われているときの噴
射量Ｑは要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに応じて制御さ
れ、この噴射量Ｑは図１２（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内に記憶されている。更に、第１の燃焼が
行われているときの最適な噴射開始時期θＳは予め実験
により求められており、この最適な噴射開始時期θＳは
図１２（Ｂ）に示すように要求負荷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。

【００６１】図１３は第２の燃焼、即ち従来の燃焼方法
による普通の燃焼が行われるときの目標空燃比を示して
いる。なお、図１３においてＡ／Ｆ＝２４，Ａ／Ｆ＝３
５，Ａ／Ｆ＝４５，Ａ／Ｆ＝６０で示される各曲線は夫
々目標空燃比２４，３５，４５，６０を示している。空
燃比をこの目標空燃比とするのに必要なスロットル弁２
０の目標開度ＳＴが図１４（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、空燃比をこの目標空
燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥ
が図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。

【００６２】また、第２の燃焼が行われているときの噴
射量Ｑは要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに応じて制御さ
れ、この噴射量Ｑは図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内に記憶されている。更に、第２の燃焼が
行われているときの最適な噴射開始時期θＳも予め実験
により求められており、この最適な噴射開始時期θＳは
図１５（Ｂ）に示すように要求負荷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。

【００６３】前述したように図１２（Ｂ）に示すマップ
には最適な噴射開始時期θＳが記憶されている。しかし
ながら冒頭で述べたように最適な噴射時期は周囲の状
況、例えば気候により変化し、従って噴射開始時期を機
関の運転状態に応じて予め定められている図１２（Ｂ）
に示す最適な噴射開始時期θＳに制御したとしても周囲
の状況が変化すればスモークが発生したり、或いは失火
を生じることになる。

【００６４】即ち、噴射開始時期が最適な噴射開始時期
に対して遅くなると次第に燃焼が悪化し、ついには失火
する。この場合、燃焼が悪化するにつれて機関出力のト
ルク変動が大きくなり、従って機関出力のトルク変動量
から燃焼が悪化したか否かを判断することができる。ま
た、噴射開始時期を早めていくと機関出力のトルク変動
量は次第に小さくなるが噴射開始時期を早めすぎると今
度はスモークが発生する。従って機関出力のトルク変動
量を或る範囲内に制御すれば失火せず、スモークの発生
しない良好な燃焼が得られることになる。

【００６５】そこで本発明による第１実施例では機関出
力のトルク変動量の平均値を求め、この平均トルク変動
量が上限値ＭＡＸよりも大きくなったときには噴射開始
時期を早めて失火が生じないようにし、平均トルク変動
量が下限値ＭＩＮよりも小さくなったときには噴射開始
時期を遅らせてスモークが発生しないようにしている。

【００６６】このように本発明では機関出力のトルク変
動量に基づいて噴射開始時期が制御される。そこでまず
初めにトルク変動量の算出方法の一例について概略的に
説明する。例えばクランクシャフトが圧縮上死点（以下
ＴＤＣと称す）から圧縮上死点後（以下ＡＴＤＣと称
す）３０°まで回転する間のクランクシャフトの角速度
を第１の角速度ωａと称し、クランクシャフトがＡＴＤ
Ｃ６０°からＡＴＤＣ９０°まで回転する間のクランク
シャフトの角速度を第２の角速度ωｂと称すると、各気
筒において燃焼が行われたときに燃焼圧によってクラン
クシャフトの角速度は第１の角速度ωａから第２の角速
度ωｂへ上昇せしめられる。このとき、機関の回転慣性
モーメントをＩとすると燃焼圧によって運動エネルギが
（１／２）・Ｉωａ²から（１／２）・Ｉωｂ²へ上昇
せしめられる。概略的に云うとこの運動エネルギの上昇
量（１／２）・Ｉ・（ωｂ²−ωａ²）によってトルク
が発生するので発生トルクは（ωｂ²−ωａ²）に比例
することになる。従って発生トルクは第１の角速度ωａ
の２乗と第２の角速度ωｂの２乗との差から求まること
になる。

【００６７】次に図１に示す内燃機関が４気筒内燃機関
からなる場合を例にとって図１６を参照しつつ各気筒が
発生するトルクを算出する方法について説明する。前述
したようにクランク角センサ５２はクランクシャフトが
３０°クランク角度回転する毎に出力パルスを発生し、
更にこのクランク角センサ５２は１番気筒＃１、２番気
筒＃２、３番気筒＃３、４番気筒＃４の圧縮上死点ＴＤ
Ｃにおいて出力パルスを発生するように配置されてい
る。従ってクランク角センサ５２は各気筒＃１，＃２，
＃３，＃４のＴＤＣから３０°クランク角毎に出力パル
スを発生することになる。なお、本発明において用いら
れている内燃機関の点火順序は１−３−４−２である。

【００６８】図１６において縦軸Ｔ３０はクランク角セ
ンサ５２が出力パルスを発生してから次の出力パルスを
発生するまでの３０°クランク角度の経過時間を表して
いる。また、Ｔａ（ｉ）はｉ番気筒のＴＤＣからＡＴＤ
Ｃ３０°までの経過時間を示しており、Ｔｂ（ｉ）はｉ
番気筒のＡＴＤＣ６０°からＡＴＤＣ９０°までの経過
時間を示している。従って例えばＴａ（１）は１番気筒
のＴＤＣからＡＴＤＣ３０°までの経過時間を示してお
り、Ｔｂ（１）は１番気筒のＡＴＤＣ６０°からＡＴＤ
Ｃ９０°までの経過時間を示していることになる。一
方、３０°クランク角度を経過時間Ｔ３０で除算すると
この除算結果は角速度ωを表している。従って３０°ク
ランク角度／Ｔａ（ｉ）はｉ番気筒における第１の角速
度ωａを表しており、３０°クランク角度／Ｔｂ（ｉ）
はｉ番気筒における第２の角速度ωｂを表していること
になる。

【００６９】図１７は第１実施例におけるトルク変動量
を算出するためのルーチンを示しており、このルーチン
は３０°クランク角毎の割込みによって実行される。図
１７を参照するとまず初めにステップ１００において現
在ｉ番気筒のＡＴＤＣ３０°であるか否かが判別され
る。現在ｉ番気筒のＡＴＤＣ３０°でない場合にはステ
ップ１０２にジャンプして現在ｉ番気筒のＡＴＤＣ９０
°であるか否かが判別される。現在ｉ番気筒のＡＴＤＣ
９０°でない場合には処理サイクルを完了する。

【００７０】これに対しステップ１００において現在ｉ
番気筒のＡＴＤＣ３０°であると判別されたときにはス
テップ１０１に進んで現在の時刻ＴＩＭＥと３０°クラ
ンク角前の時刻ＴＩＭＥ０との差からｉ番気筒のＴＤＣ
からＡＴＤＣ３０°までの経過時間Ｔａ（ｉ）が算出さ
れる。次いでステップ１０２において現在ｉ番気筒のＡ
ＴＤＣ９０°であると判別されたときにはステップ１０
３に進んで現在の時刻ＴＩＭＥと３０°クランク角前の
時刻ＴＩＭＥ０との差からｉ番気筒のＡＴＤＣ６０°か
らＡＴＤＣ９０°までの経過時間Ｔｂ（ｉ）が算出され
る。

【００７１】次いでステップ１０４ではｉ番気筒の発生
トルクＤＮ（ｉ）が次式に基づいて算出される。ＤＮ（ｉ）＝ωｂ²−ωａ²＝（３０°／Ｔｂ（ｉ））
²−（３０°／Ｔａ（ｉ））² 次いでステップ１０５では次式に基づき同一気筒の１サ
イクルの間におけるトルク変動量ＤＬＮ（ｉ）が算出さ
れる。

【００７２】ＤＬＮ（ｉ）＝ＤＮ（ｉ）ｊ−ＤＮ（ｉ）ここでＤＮ（ｉ）ｊはＤＮ（ｉ）に対して一サイクル
（７２０°クランク角）前の同一気筒の発生トルクを表
している。次いでステップ１０６ではカウント値Ｃが１
だけインクリメントされる。次いでステップ１０７では
カウント値Ｃが４になったか否か、即ち全気筒について
トルク変動量ＤＬＮ（ｉ）が算出されたか否かが判別さ
れる。Ｃ＝４になるとステップ１０８に進んで次式に基
づき全気筒のトルク変動量ＤＬＮ（ｉ）の平均値が最終
的なトルク変動量ＳＭとされる。

【００７３】ＳＭ＝（ＤＬＮ（１）＋ＤＬＮ（２）＋Ｄ
ＬＮ（３）＋ＤＬＮ（４））／４次いでステップ１０９においてカウント値Ｃが零とされ
る。次に図１８を参照しつつ第１実施例の運転制御を行
うためのルーチンについて説明する。なお、このルーチ
ンは一定クランク角毎の割込みによって実行される。

【００７４】図１８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２
０１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２０３に進んで低温燃焼が行われる。

【００７５】即ち、ステップ２０３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２０４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２０５では図１２（Ａ）に示すマップか
ら噴射量Ｑが算出され、次いでステップ２０６では図１
２（Ｂ）に示すマップから要求負荷Ｌおよび機関回転数
Ｎに対して最適な噴射開始時期θＳが算出される。

【００７６】次いでステップ２０７では平均トルク変動
量ＳＭが上限値ＭＡＸよりも大きいか否かが判別され
る。ＳＭ＞ＭＡＸのときにはステップ２０８に進んで噴
射開始時期θＳに対する補正値ΔθＳに一定値αが加算
される。次いでステップ２１１に進んで図１２（Ｂ）に
示すマップから算出された噴射開始時期θＳに補正値Δ
θＳを加算することによって最終的な噴射開始時期θＳ
が算出される。噴射開始時期は進角量で表されており、
従ってＳＭ＞ＭＡＸのときには噴射開始時期θＳが早め
られることがわかる。

【００７７】一方、ステップ２０７においてＳＭ≦ＭＡ
Ｘであると判別されたときにはステップ２０９に進んで
平均トルク変動量ＳＭが下限値ＭＩＮよりも小さいか否
かが判別される。ＳＭ＜ＭＩＮのときにはステップ２１
０に進んで補正値ΔθＳから一定値αが減算される。次
いでステップ２１１に進む。従ってこのときには噴射開
始時期θＳが遅くされることになる。

【００７８】一方、ステップ２０９においてＳＭ≧ＭＩ
Ｎであると判断されたときにはステップ２１１に進む。
従ってＭＡＸ≧ＳＭ≧ＭＩＮのときには補正値ΔθＳの
更新作用は行われない。一方、ステップ２０１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２
０２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。

【００７９】即ち、ステップ２１４では図１４（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２１５では図１４（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２１６では図１５（Ａ）に示すマップか
ら噴射量Ｑが算出され、次いでステップ２１７では図１
５（Ｂ）に示すマップから噴射開始時期θＳが算出され
る。

【００８０】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２１４
に進み、リーン空燃比のもとで第２の燃焼が行われる。
一方、ステップ２１２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。

【００８１】次に本発明による第２実施例について説明
する。第２実施例では機関出力のトルク変動量が各気筒
毎に求められ、各気筒のトルク変動量が上限値ＭＡＸよ
りも大きくなったときには対応する気筒の噴射開始時期
を早めて失火が生じないようにし、各気筒のトルク変動
量が下限値ＭＩＮよりも小さくなったときには対応する
気筒の噴射開始時期を遅らせてスモークが発生しないよ
うにしている。

【００８２】図１９は第２実施例におけるトルク変動量
を算出するためのルーチンを示しており、このルーチン
は３０°クランク角毎の割込みによって実行される。図
１９を参照するとまず初めにステップ３００において現
在ｉ番気筒のＡＴＤＣ３０°であるか否かが判別され
る。現在ｉ番気筒のＡＴＤＣ３０°でない場合にはステ
ップ３０２にジャンプして現在ｉ番気筒のＡＴＤＣ９０
°であるか否かが判別される。現在ｉ番気筒のＡＴＤＣ
９０°でない場合には処理サイクルを完了する。

【００８３】これに対しステップ３００において現在ｉ
番気筒のＡＴＤＣ３０°であると判別されたときにはス
テップ３０１に進んで現在の時刻ＴＩＭＥと３０°クラ
ンク角前の時刻ＴＩＭＥ０との差からｉ番気筒のＴＤＣ
からＡＴＤＣ３０°までの経過時間Ｔａ（ｉ）が算出さ
れる。次いでステップ３０２において現在ｉ番気筒のＡ
ＴＤＣ９０°であると判別されたときにはステップ３０
３に進んで現在の時刻ＴＩＭＥと３０°クランク角前の
時刻ＴＩＭＥ０との差からｉ番気筒のＡＴＤＣ６０°か
らＡＴＤＣ９０°までの経過時間Ｔｂ（ｉ）が算出され
る。

【００８４】次いでステップ３０４ではｉ番気筒の発生
トルクＤＮ（ｉ）が次式に基づいて算出される。ＤＮ（ｉ）＝ωｂ²−ωａ²＝（３０°／Ｔｂ（ｉ））
²−（３０°／Ｔａ（ｉ））² 次いでステップ３０５では次式に基づき同一気筒の１サ
イクルの間におけるトルク変動量ＤＬＮ（ｉ）が算出さ
れる。

【００８５】ＤＬＮ（ｉ）＝ＤＮ（ｉ）ｊ−ＤＮ（ｉ）ここでＤＮ（ｉ）ｊはＤＮ（ｉ）に対して一サイクル
（７２０°クランク角）前の同一気筒の発生トルクを表
している。次いでステップ３０６では次式に基づいてｉ
番気筒のトルク変動量の平均値ＳＭ（ｉ）が算出され
る。

【００８６】ＳＭ（ｉ）＝（ＤＬＮ（ｉ）＋ＤＬＮ
（ｉ）ｊ＋ＤＬＮ（ｉ）ｊ−１＋ＤＬＮ（ｉ）ｊ−２）
／４ここでＤＬＮ（ｉ）ｊは一サイクル前のｉ番気筒のトル
ク変動量を表しており、ＤＬＮ（ｉ）ｊ−１は二サイク
ル前のｉ番気筒のトルク変動量を表しており、ＤＬＮ
（ｉ）ｊ−２は三サイクル前のｉ番気筒のトルク変動量
を表している。

【００８７】次に図２０を参照しつつ第２実施例の運転
制御を行うためのルーチンについて説明する。なお、こ
のルーチンは一定クランク角毎の割込みによって実行さ
れる。図２０を参照すると、まず初めにステップ４００
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４０１
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４０３に進んで低温燃焼が行われる。

【００８８】即ち、ステップ４０３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４０４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４０５では図１２（Ａ）に示すマップか
ら噴射量Ｑが算出され、次いでステップ４０６では図１
２（Ｂ）に示すマップから要求負荷Ｌおよび機関回転数
Ｎに対して最適なｉ番気筒の噴射開始時期θＳ（ｉ）が
算出される。

【００８９】次いでステップ４０７ではｉ番気筒の平均
トルク変動量ＳＭ（ｉ）が上限値ＭＡＸよりも大きいか
否かが判別される。ＳＭ（ｉ）＞ＭＡＸのときにはステ
ップ４０８に進んでｉ番気筒の噴射開始時期θＳ（ｉ）
に対する補正値ΔθＳ（ｉ）に一定値αが加算される。
次いでステップ４１１に進んで図１２（Ｂ）に示すマッ
プから算出されたｉ番気筒の噴射開始時期θＳ（ｉ）に
補正値ΔθＳ（ｉ）を加算することによってｉ番気筒の
最終的な噴射開始時期θＳ（ｉ）が算出される。前述し
たように噴射開始時期は進角量で表されており、従って
ＳＭ（ｉ）＞ＭＡＸのときにはｉ番気筒の噴射開始時期
θＳ（ｉ）が早められることになる。

【００９０】一方、ステップ４０７においてＳＭ（ｉ）
≦ＭＡＸであると判別されたときにはステップ４０９に
進んでｉ番気筒の平均トルク変動量ＳＭ（ｉ）が下限値
ＭＩＮよりも小さいか否かが判別される。ＳＭ（ｉ）＜
ＭＩＮのときにはステップ４１０に進んでｉ番気筒に対
する補正値ΔθＳ（ｉ）から一定値αが減算される。次
いでステップ４１１に進む。従ってこのときにはｉ番気
筒の噴射開始時期θＳ（ｉ）が遅くされることになる。

【００９１】一方、ステップ４０９においてＳＭ（ｉ）
≧ＭＩＮであると判断されたときにはステップ４１１に
進む。従ってＭＡＸ≧ＳＭ（ｉ）≧ＭＩＮのときにはｉ
番気筒に対する補正値ΔθＳ（ｉ）の更新作用は行われ
ない。一方、ステップ４０１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４０２に進んでフラ
グＩがリセットされ、次いでステップ４１４に進んで第
２の燃焼が行われる。

【００９２】即ち、ステップ４１４では図１４（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４１５では図１４（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４１６では図１５（Ａ）に示すマップか
ら噴射量Ｑが算出され、次いでステップ４１７では図１
５（Ｂ）に示すマップから噴射開始時期θＳが算出され
る。

【００９３】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４００からステップ４１２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４１４
に進み、リーン空燃比のもとで第２の燃焼が行われる。
一方、ステップ４１２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４１３に進んでフラグＩが
セットされ、次いでステップ４０３に進んで低温燃焼が
行われる。

【００９４】

【発明の効果】スモークが発生せず、失火を生ずること
のない良好な低温燃焼を確保することができる。

【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ＮＯ_x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】噴射量Ｑおよび噴射開始時期θＳのマップを
示す図である。

【図１３】第２の燃焼における空燃比を示す図である。

【図１４】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図
である。

【図１５】噴射量Ｑおよび噴射開始時期θＳのマップを
示す図である。

【図１６】経過時間の変化を示す図である。

【図１７】第１実施例においてトルク変動量を算出する
ためのフローチャートである。

【図１８】第１実施例において機関の運転を制御するた
めのフローチャートである。

【図１９】第２実施例においてトルク変動量を算出する
ためのフローチャートである。

【図２０】第２実施例において機関の運転を制御するた
めのフローチャートである。

【符号の説明】６…燃料噴射弁１５…排気ターボチャージャ２０…スロットル弁２９…ＥＧＲ通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＦ０２Ｄ 41/14 ３３０Ｆ０２Ｄ 41/14 ３３０Ｚ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｊ３０１Ｎ 45/00 ３３０ 45/00 ３３０３６４３６４ＢＦ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｄ (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 (56)参考文献特開平７−4287（ＪＰ，Ａ) 特開平８−177654（ＪＰ，Ａ) 特開平８−86251（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 F02B 1/00 - 23/10 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量を増
大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達
し、燃焼室内に供給される不活性ガス量を更に増大して
いくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲の
ガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発
生しなくなる内燃機関において、煤の発生量がピークと
なる不活性ガス量よりも燃焼室内に供給される不活性ガ
ス量を多くすることによ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煤が生成される温度よ
りも低い温度に抑制し、機関出力のトルク変動量を検出
する検出手段と、トルク変動量が予め定められた範囲内
となるように燃料噴射時期を制御する制御手段とを具備
した内燃機関。
【請求項２】該制御手段はトルク変動量が予め定めら
れた範囲よりも大きくなったときには燃料噴射時期を早
め、トルク変動量が予め定められた範囲よりも小さくな
ったときには燃料噴射時期を遅くする請求項１に記載の
内燃機関。
【請求項３】該検出手段は全気筒の平均トルク変動量
を検出し、該制御手段は該平均トルク変動量が予め定め
られた範囲内となるように各気筒の燃料噴射時期を制御
する請求項１に記載の内燃機関。
【請求項４】該検出手段は各気筒毎にトルク変動量を
検出し、該制御手段は各気筒のトルク変動量が予め定め
られた範囲内となるように各気筒毎に燃料噴射時期を制
御する請求項１に記載の内燃機関。
【請求項５】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６】該触媒が酸化触媒、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５に記載の内燃
機関。
【請求項７】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再循環装置を具備し、上記不活
性ガスが再循環排気ガスからなる請求項１に記載の内燃
機関。
【請求項８】排気ガス再循環率がほぼ５５パーセント
以上である請求項７に記載の内燃機関。
【請求項９】煤の発生量がピークとなる不活性ガス量
よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生
しない第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性
ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第２の燃
焼とを選択的に切換える切換手段を具備した請求項１に
記載の内燃機関。
【請求項１０】機関の運転領域を低負荷側の第１の運
転領域と高負荷側の第２の運転領域に分割し、第１の運
転領域では第１の燃焼を行い、第２の運転領域では第２
の燃焼を行うようにした請求項９に記載の内燃機関。