JP3551794B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

【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、ＥＧＲ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ＥＧＲ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３０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ＥＧＲ率はこの最大許容限界を越えない範囲内において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ＮＯｘ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ＮＯｘ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ＮＯｘ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、未燃炭化水素が内燃機関から排出されることを阻止すると共に、触媒温度が過度に昇温してしまうのを阻止す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において、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配置された酸化機能を有する触媒と、前記触媒の温度を検出するための触媒温度検出手段とを具備し、触媒温度が予め定められた温度以上であるときに、前記煤がほとんど発生しない燃焼を行うのを禁止するようにした内燃機関が提供される。
【００１２】
請求項１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低温の下で実行可能であるため、内燃機関から煤が排出されること及びＮＯｘが排出されることを同時に阻止することができる。更に、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。その上、触媒温度が予め定められた温度以上であるときに前記煤がほとんど発生しない燃焼を行うのが禁止される。ところで、前記煤がほとんど発生しない燃焼が行われる時には、煤がほとんど発生しないかわりに、煤が生成される前の状態である未燃炭化水素が発生する。この未燃炭化水素は機関排気通路内に配置された触媒により酸化されるが、その際、触媒温度は反応熱により昇温する。そこで上述したように請求項１に記載の内燃機関では、触媒温度が予め定められた温度以上であるときに前記煤がほとんど発生しない燃焼を行うのが禁止される。その結果、触媒温度が過度に昇温してしまうのを阻止することができる。
【００１３】
請求項２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において、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配置された酸化機能を有する触媒と、前記触媒の温度を検出するための触媒温度検出手段とを具備し、前記煤がほとんど発生しない燃焼が行われているときであって触媒温度が予め定められた温度以上であるときに、空燃比をリーン側にシフトさせるようにした内燃機関が提供される。
【００１４】
請求項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低温の下で実行可能であるため、内燃機関から煤が排出されること及びＮＯｘが排出されることを同時に阻止することができる。更に、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。その上、前記煤がほとんど発生しない燃焼が行われているときであって触媒温度が予め定められた温度以上であるときに空燃比がリーン側にシフトされる。ところで、前記煤がほとんど発生しない燃焼が行われる時には、煤がほとんど発生しないかわりに、煤が生成される前の状態である未燃炭化水素が発生する。この未燃炭化水素は機関排気通路内に配置された触媒により酸化されるが、その際、触媒温度は反応熱により昇温する。そこで上述したように請求項１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ているときであって触媒温度が予め定められた温度以上であるときに空燃比がリーン側にシフトされる。その結果、触媒内に流入する未燃炭化水素の量が減少し、それゆえ、触媒温度が過度に昇温してしまうのを阻止することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、前記煤がほとんど発生しない燃焼が行われているときであって触媒温度が予め定められた温度以上であるときに、空燃比をリーン側にステップ状にシフトさせるようにした請求項２に記載の内燃機関が提供される。
【００１６】
請求項３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ているときであって触媒温度が予め定められた温度以上であるときに空燃比がリーン側にステップ状にシフトされる。ところで、前記煤がほとんど発生しない燃焼が行われているときに空燃比をリーン側に徐々にシフトさせていくと、煤の発生量がピークとなる点を通過する。そこで上述したように請求項３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ているときに空燃比がリーン側にステップ状にシフトされる。そのため、空燃比がリーン側にシフトされる途中に煤の発生量が増加してしまうのを回避することができる。
【００１７】
請求項４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において、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配置された酸化機能を有する触媒と、前記触媒の温度を検出するための触媒温度検出手段とを具備し、前記煤がほとんど発生しない燃焼を実行可能な機関の運転領域を、触媒温度が高温になるほど縮小せしめるようにした内燃機関が提供される。
【００１８】
請求項４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低温の下で実行可能であるため、内燃機関から煤が排出されること及びＮＯｘが排出されることを同時に阻止することができる。更に、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。その上、前記煤がほとんど発生しない燃焼を実行可能な機関の運転領域が、触媒温度が高温になるほど縮小せしめられる。ところで、前記煤がほとんど発生しない燃焼が行われる時には、煤がほとんど発生しないかわりに、煤が生成される前の状態である未燃炭化水素が発生する。この未燃炭化水素は機関排気通路内に配置された触媒により酸化されるが、その際、触媒温度は反応熱により昇温する。つまり、触媒温度が過度に昇温してしまうのを阻止するためには、触媒温度が高い時に前記煤がほとんど発生しない燃焼が行われないようにする必要がある。そこで上述したように請求項４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を実行可能な機関の運転領域が、触媒温度が高温になるほど縮小せしめられる。その結果、触媒温度が高い時には前記煤がほとんど発生しない燃焼が行われなくなり、それゆえ、触媒温度が過度に昇温してしまうのを阻止することができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、前記煤がほとんど発生しない燃焼を実行可能な機関の運転領域は、負荷及び回転数が高いほど触媒温度に応じて縮小される領域が大きくなる請求項４に記載の内燃機関が提供される。
【００２０】
請求項５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を実行可能な機関の運転領域は、負荷及び回転数が高いほど触媒温度に応じて縮小される領域が大きくされる。ところで、燃焼室に供給される燃料量は負荷及び回転数が高いほど多くなる。そのため、未燃炭化水素の発生量も負荷及び回転数が高いほど多くなる。つまり、触媒が昇温する度合いは負荷及び回転数が高いほど大きくなる。そこで上述したように請求項５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を実行可能な機関の運転領域は、負荷及び回転数が高いほど触媒温度に応じて縮小される領域が大きくされる。それゆえ、触媒温度が過度に昇温してしまうのを阻止することができる。
【００２１】
請求項６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１、２及び４のいずれか一項に記載の内燃機関が提供される。
【００２２】
請求項６に記載の内燃機関では、適切な触媒を選択することにより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７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、２及び４のいずれか一項に記載の内燃機関が提供される。
【００２４】
請求項７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８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７に記載の内燃機関が提供される。
【００２６】
請求項８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９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８に記載の内燃機関が提供される。
【００２８】
請求項９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１０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８に記載の内燃機関が提供される。
【００３０】
請求項１０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第一の実施形態を示している。図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３およびインタークーラ１４を介して過給機、例えば排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１６の出口部に連結される。コンプレッサ１６の入口部は空気吸込管１７を介してエアクリーナ１８に連結され、空気吸込管１７内にはステップモータ１９により駆動されるスロットル弁２０が配置される。また、スロットル弁２０上流の空気吸込管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２２内には空燃比センサ２７が配置される。触媒２５の下流側の排気管２８内には触媒２５を通過した排気ガスの温度を検出するための温度センサ５３が配置され、この温度センサ５３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に入力される。触媒温度は温度センサ５３の出力値に基づいて推定される。尚、本実施形態の変形例では、温度センサ５３を排気管２８内に配置するかわりに、温度センサを触媒２５の担体に取付けると共にこの温度センサが担体の温度（床温）又は排気ガスの温度を検出することにより触媒温度を推定するようにしてもよい。この明細書中において、触媒温度とは、排気ガスの温度又は担体の温度から推定された触媒の温度をいう。
【００３４】
本実施形態の説明に戻り、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、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。機関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２０の開度およびＥＧＲ率を変化させることにより空燃比Ａ／Ｆ（図２の横軸）を変化させたときの出力トルクの変化、およびスモーク、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの排出量の変化を示す実験例を表している。図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ＮＯｘ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１５．０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。ＮＯｘ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ＮＯｘ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、ＣＯ_２ 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９０℃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。
【００５２】
また、図５の曲線Ｃで示されるようにＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５５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５５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ＥＧＲ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Ｎａ、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ＮＯｘ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。図９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、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。
【００７２】
言い換えると第１の運転領域ＩではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントとなり、空燃比がわずかばかりリーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁２０の開度およびＥＧＲ制御弁３１の開度が制御される。また、第１の運転領域Ｉでは圧縮上死点ＴＤＣ前に燃料噴射が行われる。この場合、噴射開始時期θＳは要求負荷Ｌが高くなるにつれて遅くなり、噴射完了時期θＥも噴射開始時期θＳが遅くなるにつれて遅くなる。
【００７３】
なお、アイドル運転時にはスロットル弁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２０が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【００７４】
一方、機関の運転領域が第１の運転領域Ｉから第２の運転領域ＩＩに変わるとスロットル弁２０の開度が２／３開度程度から全開方向へステップ状に増大せしめられる。このとき図９に示す例ではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントから４０パーセント以下までステップ状に減少せしめられ、空燃比がステップ状に大きくされる。即ち、ＥＧＲ率が多量のスモークを発生するＥＧＲ率範囲（図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。
【００７５】
第２の運転領域ＩＩでは従来から行われている燃焼が行われる。この第２の運転領域ＩＩではスロットル弁２０は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁３１の開度は要求負荷Ｌが高くなると次第に小さくされる。また、この運転領域ＩＩではＥＧＲ率は要求負荷Ｌが高くなるほど低くなり、空燃比は要求負荷Ｌが高くなるほど小さくなる。ただし、空燃比は要求負荷Ｌが高くなってもリーン空燃比とされる。また、第２の運転領域ＩＩでは噴射開始時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付近とされる。
【００７６】
図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（Ａ）に示されるように第１の運転領域Ｉでは空燃比がリーンとなっており、更に第１の運転領域Ｉでは要求負荷Ｌが低くなるほど目標空燃比Ａ／Ｆがリーンとされる。
【００７７】
即ち、要求負荷Ｌが低くなるほど燃焼による発熱量が少くなる。従って要求負荷Ｌが低くなるほどＥＧＲ率を低下させても低温燃焼を行うことができる。ＥＧＲ率を低下させると空燃比は大きくなり、従って図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。
【００７８】
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ＲＯＭ４２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２０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。
【００７９】
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２４，３５，４５，６０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。
【００８０】
また、第２の燃焼が行われているときには燃料噴射量Ｑは要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに基づいて算出される。この燃料噴射量Ｑは図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。
【００８１】
次に図１５及び図１６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及び図１６を参照すると、まず初めにステップ１００において触媒温度Ｔが予め定められた温度Ｔ’以上であるか否かが判別される。ＮＯの時にはステップ１０１に進み、ＹＥＳの時にはステップ１１１に進んでリーン空燃比の下で第２の燃焼が行われる。ステップ１０１では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１０２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１０６に進んで低温燃焼が行われる。一方、ステップ１０２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１０３に進んでフラグＩがリセットされ、次いでステップ１１１に進んで第２の燃焼が行われる。
【００８２】
ステップ１０１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、つまり、機関の運転状態が第２の運転領域ＩＩであると判別されたときには、ステップ１０４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１１１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１０４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１０５に進んでフラグＩがセットされ、次いでステップ１０６に進んで低温燃焼が行われる。
【００８３】
ステップ１０６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１０７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１０８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１０９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１１０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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
ステップ１１１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１１２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１１３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。
【００８７】
次いでステップ１１４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１１５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１１６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１１７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１１８に進んでスロットル開度の補正値ΔＳＴが一定値αだけ減少せしめられ、次いでステップ１２０へ進む。これに対して（Ａ／Ｆ）_Ｒ ≦Ａ／Ｆのときにはステップ１１９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１２０に進む。ステップ１２０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】
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。
【００９１】
本実施形態によれば、ステップ１０６からステップ１１０において煤の発生量がピークとなるＥＧＲガス量よりも燃焼室５内に供給されるＥＧＲガス量が多く煤がほとんど発生しない低温燃焼が実行可能であるため、内燃機関から煤が排出されること及びＮＯｘが排出されることを同時に阻止することができる。更に、燃焼室５から排出された未燃炭化水素を酸化するために排気管２８内に酸化機能を有する触媒２５が配置されるため、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。その上、ステップ１００において触媒温度Ｔが予め定められた温度Ｔ’以上であると判別されたときに、ステップ１１１に進むことにより低温燃焼の実行（ステップ１０６からステップ１１０）が禁止される。それゆえ、触媒２５の温度が過度に昇温してしまうのを阻止することができる。
【００９２】
また本実施形態によれば、前回のルーチン（ステップ１０６からステップ１１０）で低温燃焼が実行された後に今回のルーチンのステップ１００において触媒温度Ｔが予め定められた温度Ｔ’以上になったと判別されたとき、つまり、低温燃焼が行われているときであって触媒温度Ｔが予め定められた温度Ｔ’以上であるときに、ステップ１１１に進むことにより、燃焼が、比較的リッチの空燃比の下で行われる低温燃焼から比較的リーンの空燃比の下で行われる第２の燃焼に切り換えられる、つまり、空燃比がリーン側にステップ状にシフトされる。空燃比がリーン側にシフトされることにより、触媒２５内に流入する未燃炭化水素の量が減少し、それゆえ、触媒２５の温度が過度に昇温してしまうのを阻止することができる。また、空燃比がステップ状にシフトされることにより、空燃比がリーン側にシフトされる途中に煤の発生量が増加してしまうのを回避することができる。
【００９３】
次に本発明の内燃機関の第二の実施形態について説明する。本実施形態の構成は図１に示した第一の実施形態の構成とほぼ同様である。図１７は要求負荷Ｌと触媒温度Ｔと第１の運転領域Ｉと第２の運転領域ＩＩとの関係を示した図である。本実施形態では、触媒温度の過度の昇温を阻止するために、第一の実施形態のように触媒温度が高いときに低温燃焼の実行を禁止するかわりに、低温燃焼を実行する第１の運転領域Ｉが触媒温度に応じて縮小される。詳細には図１７に示すように、触媒温度Ｔが高くなるほど第１の運転領域Ｉは縮小される。
【００９４】
図１８及び図１９は本実施形態の第１の運転領域Ｉと第２の運転領域ＩＩとを示した図である。図１８及び図１９に示すように、本実施形態の第１の境界Ｘ（Ｎ，Ｔ）及び第２の境界Ｙ（Ｎ，Ｔ）は機関回転数Ｎだけでなく触媒温度Ｔによっても変更される。詳細には、触媒温度ＴがＴ_１ からＴ_２ に上昇すると、低温燃焼を実行可能な第１の運転領域Ｉは縮小される。また、第１の運転領域Ｉが縮小される度合いは、要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎが高くなるほど大きくなる。
【００９５】
次に図２０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２０を参照すると、まず初めにステップ１０１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２００に進んで要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ，Ｔ）（図１８）よりも大きくなったか否かが判別される。Ｌ≦Ｘ（Ｎ，Ｔ）のときにはステップ１０６に進んで低温燃焼が行われる。一方、ステップ２００においてＬ＞Ｘ（Ｎ，Ｔ）になったと判別されたときにはステップ１０３に進んでフラグＩがリセットされ、次いでステップ１１１に進んで第２の燃焼が行われる。
【００９６】
ステップ１０１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、つまり、機関の運転状態が第２の運転領域ＩＩであると判別されたときには、ステップ２０１に進んで要求負荷Ｌが第２の境界Ｙ（Ｎ，Ｔ）（図１９）よりも低くなったか否かが判別される。Ｌ≧Ｙ（Ｎ，Ｔ）のときにはステップ１１１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２０１においてＬ＜Ｙ（Ｎ，Ｔ）になったと判別されたときにはステップ１０５に進んでフラグＩがセットされ、次いでステップ１０６に進んで低温燃焼が行われる。
【００９７】
ステップ１０６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１０７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１０８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１０９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１１０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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
ステップ１１１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１１２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１１３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。
【０１０１】
次いでステップ１１４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１１５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１１６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１１７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１１８に進んでスロットル開度の補正値ΔＳＴが一定値αだけ減少せしめられ、次いでステップ１２０へ進む。これに対して（Ａ／Ｆ）_Ｒ ≦Ａ／Ｆのときにはステップ１１９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１２０に進む。ステップ１２０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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
本実施形態によれば、ステップ１０６からステップ１１０において煤の発生量がピークとなるＥＧＲガス量よりも燃焼室５内に供給されるＥＧＲガス量が多く煤がほとんど発生しない低温燃焼が実行可能であるため、内燃機関から煤が排出されること及びＮＯｘが排出されることを同時に阻止することができる。更に、燃焼室５から排出された未燃炭化水素を酸化するために排気管２８内に酸化機能を有する触媒２５が配置されるため、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。その上、低温燃焼を実行可能な第１の運転領域Ｉが、図１８及び図１９に示すように触媒温度Ｔが高温になるほど縮小せしめられる。その結果、触媒温度Ｔが高い時には低温燃焼が行われなくなり、それゆえ、触媒２５の温度が過度に昇温してしまうのを阻止することができる。
【０１０６】
更に本実施形態によれば、燃焼室５に供給される燃料量は要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎが高いほど多くなるため、未燃炭化水素の発生量も要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎが高いほど多くなる、つまり、触媒２５が昇温する度合いは要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎが高いほど大きくなることに鑑み、図１８及び図１９に示すように、低温燃焼を実行可能な第１の運転領域Ｉは、要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎが高いほど触媒温度Ｔに応じて縮小される領域が大きくされる。それゆえ、触媒２５の温度が過度に昇温してしまうのを適切に阻止することができる。
【０１０７】
【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ＮＯｘが排出されることを同時に阻止しつつ、未燃炭化水素が内燃機関から排出されることを阻止すると共に、触媒温度が過度に昇温してしまうのを阻止することができる。
【０１０８】
請求項３に記載の発明によれば、空燃比がリーン側にシフトされる途中に煤の発生量が増加してしまうのを回避することができる。
【０１０９】
請求項４及び５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、未燃炭化水素が内燃機関から排出されることを阻止すると共に、触媒温度が過度に昇温してしまうのを阻止することができる。
【０１１０】
請求項６に記載の発明によれば、適切な触媒を選択することにより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。
【０１１１】
請求項７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。
【０１１２】
請求項８及び９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。
【０１１３】
請求項１０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】第一の実施形態の第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】第一の実施形態の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】第一の実施形態の機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図１７】要求負荷Ｌと機関回転数Ｎと第１の運転領域Ｉと第２の運転領域ＩＩとの関係を示した図である。
【図１８】第二の実施形態の第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１９】第二の実施形態の第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２０】第二の実施形態の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
２５…触媒
２８…排気管
２９…ＥＧＲ通路
３１…ＥＧＲ制御弁
５３…温度センサ

Claims (10)

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において、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配置された酸化機能を有する触媒と、前記触媒の温度を検出するための触媒温度検出手段とを具備し、触媒温度が予め定められた温度以上であるときに、前記煤がほとんど発生しない燃焼を行うのを禁止するようにした内燃機関。
2. 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において、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配置された酸化機能を有する触媒と、前記触媒の温度を検出するための触媒温度検出手段とを具備し、前記煤がほとんど発生しない燃焼が行われているときであって触媒温度が予め定められた温度以上であるときに、空燃比をリーン側にシフトさせるようにした内燃機関。
3. 前記煤がほとんど発生しない燃焼が行われているときであって触媒温度が予め定められた温度以上であるときに、空燃比をリーン側にステップ状にシフトさせるようにした請求項２に記載の内燃機関。
4. 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において、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配置された酸化機能を有する触媒と、前記触媒の温度を検出するための触媒温度検出手段とを具備し、前記煤がほとんど発生しない燃焼を実行可能な機関の運転領域を、触媒温度が高温になるほど縮小せしめるようにした内燃機関。
5. 前記煤がほとんど発生しない燃焼を実行可能な機関の運転領域は、負荷及び回転数が高いほど触媒温度に応じて縮小される領域が大きくなる請求項４に記載の内燃機関。
6. 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１、２及び４のいずれか一項に記載の内燃機関。
7. 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、２及び４のいずれか一項に記載の内燃機関。
8. 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７に記載の内燃機関。
9. 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８に記載の内燃機関。
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８に記載の内燃機関。

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