JP3552645B2 - 内燃機関 - Google Patents
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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、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ために排気ガス再循環制御弁を備えた排気ガス再循環通路を設け、排気ガス再循環通路を通過する再循環排気ガスを浄化するための再循環排気ガス浄化触媒を排気ガス再循環通路内に配置し、機関吸気通路内にスロットル弁を配置し、燃焼室内に供給される再循環排気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、燃焼室内に供給される再循環排気ガスの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り、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも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燃焼を実行可能な内燃機関が知られている。この種の内燃機関の例としては、例えば特開２０００−８９６４号公報に記載されたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開２０００−８９６４号公報には、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも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燃焼が実行されるときであって空燃比がわずかばかりリーンのとき、空燃比がリーンのときに比べ、排気ガス再循環制御弁の開度が減少されると共に、スロットル弁の開度が減少される点については開示されているものの、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも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燃焼が実行されるときであって空燃比がストイキよりもリッチ側にシフトされるときに排気ガス再循環制御弁の開度及びスロットル弁の開度をどのように制御すべきかについて開示されていない。一方、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも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燃焼が実行されるときであって空燃比がストイキよりもリッチ側にシフトされるとき、仮にスロットル弁の開度が減少されるものの排気ガス再循環制御弁の開度が減少されないと、再循環排気ガスの量が増加してしまう。そのため、燃焼温度が低下するのに伴って再循環排気ガスの温度が低下し、それゆえ、再循環排気ガス浄化触媒の温度が低下してしまう。その結果、再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまう。
【０００４】
前記問題点に鑑み、本発明は煤の発生量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも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燃焼が実行されるときであって空燃比をストイキよりもリッチ側にシフトさせるときに再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまうのを抑制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。
【０００５】
【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ために排気ガス再循環制御弁を備えた排気ガス再循環通路を設け、前記排気ガス再循環通路を通過する再循環排気ガスを浄化するための再循環排気ガス浄化触媒を前記排気ガス再循環通路内に配置し、前記機関吸気通路内にスロットル弁を配置し、前記燃焼室内に供給される再循環排気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再循環排気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り、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燃焼を実行可能な内燃機関において、前記煤がほとんど発生しない燃焼が実行されるときであって空燃比がストイキよりもリッチ側にシフトされるとき、空燃比がストイキよりもリッチ側にシフトされないときに比べ、前記排気ガス再循環制御弁の開度を減少させると共に、前記スロットル弁の開度を減少させるようにした内燃機関が提供される。
【０００６】
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再循環排気ガスの量よりも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燃焼が実行されるときであって空燃比がストイキよりもリッチ側にシフトされるとき、空燃比がストイキよりもリッチ側にシフトされないときに比べ、排気ガス再循環制御弁の開度が減少されると共に、スロットル弁の開度が減少される。つまり、スロットル弁の開度を減少させることにより、ポンプ損失を増加させ、排気ガスの温度を上昇させることができる。その上、排気ガス再循環制御弁の開度を減少させることにより、スロットル弁の開度が減少されるのに伴って再循環排気ガスの量が増加してしまうのを抑制することができる。そのため、燃焼温度の低下を抑制し、再循環排気ガスの温度の低下を抑制することができる。それゆえ、再循環排気ガス浄化触媒の温度の低下を抑制し、再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明によれば、負荷が軽くなるほど前記排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量を多くした請求項１に記載の内燃機関が提供される。
【０００８】
請求項２に記載の内燃機関では、負荷が軽くなるほど排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量が多くされる。つまり、負荷が軽くなるほど燃焼温度が低下しやすくなるため、負荷が軽くなるほど排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量が多くされる。その結果、負荷が軽くなるのに伴って燃焼温度が低下し、再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明によれば、機関回転数が高くなるほど前記排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量を多くした請求項１に記載の内燃機関が提供される。
【００１０】
請求項３に記載の内燃機関では、機関回転数が高くなるほど排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量が多くされる。つまり、機関回転数が高くなるほど吸気管負圧が高くなり、再循環排気ガスの量が増加しやすくなるため、機関回転数が高くなるほど排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量が多くされる。その結果、機関回転数が高くなるのに伴って再循環排気ガスの量が増加し、再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明によれば、空燃比がリッチになるほど前記排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量を多くした請求項１に記載の内燃機関が提供される。
【００１２】
請求項４に記載の内燃機関では、空燃比がリッチになるほど排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量が多くされる。つまり、空燃比がリッチになるほど燃焼温度が低下しやすくなるため、空燃比がリッチになるほど排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量が多くされる。その結果、空燃比がリッチになるのに伴って燃焼温度が低下し、再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【００１３】
【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。
【００１４】
図１は本発明を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を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。吸気ダクト１３内には、ステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置される。また、スロットル弁１７上流の吸気ダクト１３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１７ａが配置される。更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するためのインタークーラ１８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１８内に導びかれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９及び排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１に連結され、排気タービン２１の出口は酸化機能を有する触媒２２を内蔵したケーシング２３に連結される。排気マニホルド１９内には空燃比センサ２３ａが配置される。
【００１５】
排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２４内にはステップモータ２５ａにより駆動される電気制御式ＥＧＲ制御弁２５が配置される。また、ＥＧＲ通路２４には、ＥＧＲ通路２４を通過するＥＧＲガスを浄化するためのパイプ触媒２６ａが配置される。更に、ＥＧＲ通路２４周りにはＥＧＲ通路２４内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２６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ＥＧＲクーラ２６内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結される。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管２６を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９が取付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。
【００１６】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。燃料圧センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、質量流量検出器１７ａの出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に、空燃比センサ２３ａの出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０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４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５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４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁用ステップモータ２５ａ、及び燃料ポンプ２８に接続される。
【００１７】
図２は機関低負荷運転時にスロットル弁１７の開度及び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、及びスモーク、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。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。
【００１８】
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。尚、図示しないが図３と同様の実験結果から、煤の発生量がピークとなるＥＧＲガスの量よりも燃焼室５内に供給されるＥＧＲガスの量が多く煤がほとんど発生しない第１の燃焼（低温燃焼）時の燃焼圧の極大値（ピーク）は、煤の発生量がピークとなるＥＧＲガスの量よりも燃焼室５内に供給されるＥＧＲガスの量が少ない第２の燃焼（従来の燃焼方法による燃焼）時の燃焼圧の極大値（ピーク）よりも低いことが判っている。そのことから、第１の燃焼時の爆発に伴う機関回転むらは第２の燃焼時の爆発に伴う機関回転むらよりも小さいと言える。
【００１９】
図２及び図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。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及び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及び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。
【００２０】
図２及び図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内における燃料及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内における燃料及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。
【００２１】
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及びその周囲の温度、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及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。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。
【００２２】
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及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、燃料及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。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。
【００２３】
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。この場合、燃料及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。
【００２４】
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。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。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。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。
【００２５】
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及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、及びこの混合ガス量中の空気の割合、及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。
【００２６】
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及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及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。
【００２７】
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及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。
【００２８】
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及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。
【００２９】
ところが図示しないが、ＥＧＲ通路を介して過給機の入口側即ち排気ターボチャージャの空気吸込管内に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、斯くして燃料及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のコンプレッサ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により昇圧しうる限度まで燃料及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制御弁が全開せしめられる、スロットル弁が若干閉弁せしめられる。
【００３０】
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。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。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。
【００３１】
ところで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及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、即ち低温燃焼を行い得るようにし、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。但し、機関中低負荷運転時であっても、機関運転状態によっては第２の燃焼が行われる。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。
【００３２】
図７は第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われ得る第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４０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。
【００３３】
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得る。
【００３４】
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。
【００３５】
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２２により良好に酸化せしめられる。触媒２２としては酸化触媒を用いることができる。
【００３６】
図８は空燃比センサ２３ａ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２３ａ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２３ａの出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。
【００３７】
次に図９を参照しつつ第１の運転領域Ｉ及び第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１７の開度、ＥＧＲ制御弁２５の開度、ＥＧＲ率、空燃比、噴射時期及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１７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２５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。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１７の開度及びＥＧＲ制御弁２５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。
【００３８】
なお、アイドル運転時にはスロットル弁１７は全閉近くまで閉弁され、このときＥＧＲ制御弁２５も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁１７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、圧縮圧力を小さくすることにより機関本体１の振動を小さくするために、アイドル運転時にはスロットル弁１７が全閉近くまで閉弁せしめられる。一方、機関低回転時の回転は機関高回転時の回転よりも爆発に伴う回転むらが大きいために回転数を低下させると機関本体１の振動の問題が大きくなるという背景もある。そのため、アイドル運転時の目標回転数は、圧縮圧力に伴う振動と機関回転むらに伴う振動とを考慮して設定されている。
【００３９】
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１７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。
【００４０】
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１７は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁２５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。
【００４１】
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。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。
【００４２】
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及び機関回転数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１７の目標開度ＳＴが図１１（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数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２５の目標開度ＳＥが図１１（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数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。
【００４３】
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及び機関回転数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１７の目標開度ＳＴが図１３（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数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２５の目標開度ＳＥが図１３（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数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。
【００４４】
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及び機関回転数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及び機関回転数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。
【００４５】
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１０３に進み、第１の燃焼（低温燃焼）が行われる。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１１０に進み、第２の燃焼（通常燃焼、つまり、従来の燃焼方法による燃焼）が行われる。
【００４６】
ステップ１００において、フラグＩがセットされていないとき、即ち機関の運転状態が第２の運転領域ＩＩにあるときにはステップ１０８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１１０に進み、第２の燃焼が行われる。一方、ステップ１０８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に進み、第１の燃焼が行われる。
【００４７】
ステップ１０３では図１１（Ａ）に示すマップからスロットル弁１７の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１７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１１（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２５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１７ａ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とするのに必要な燃料噴射量Ｑが算出される。
【００４８】
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１７の開度およびＥＧＲ制御弁２５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。一方、スロットル弁１７の開度又はＥＧＲ制御弁２５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１７ａ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。
【００４９】
一方、ステップ１１０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１１１では図１３（Ａ）に示すマップからスロットル弁１７の目標開度ＳＴが算出される。次いでステップ１１２では図１３（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２５の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ１１３では質量流量検出器１７ａ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ΔＳＴが一定値αだけ減少せしめられ、次いでステップ１１９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１７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１７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１７の開度が制御される。
【００５０】
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。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１７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。
【００５１】
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１７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２３ａ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２５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。
【００５２】
図１６は要求負荷が軽く低温燃焼が実行されるときであってＡ／Ｆ＝１５のときのＥＧＲ率とパイプ触媒温度等との関係を示した図である。図１６において、スロットル弁１７の開度は、ＥＧＲ率が変更されても吸入空気量が変化せずＡ／Ｆが一定になるように、ＥＧＲ率に応じて変更されている。図１６に示すように、ＥＧＲ率が減少され、スロットル弁１７の開度が減少されると、吸気管負圧が高くなりポンプ損失が増加する。その結果、ＥＧＲ率が高い場合に比べて排気ガス温度が高くなり、パイプ触媒２６ａの床温が高くなる。尚、ＥＧＲ率が減少され、スロットル弁１７の開度が減少されると、吸入空気量が一定に維持されるもののＥＧＲガス量が減少するため、触媒２２を通過する排気ガス量が減少する。その結果、ＥＧＲ率が高い場合に比べて触媒２２の床温も高くなる。
【００５３】
図１７は低温燃焼が実行されるときであってＡ／Ｆが１５から１４にシフトされるときにＥＧＲ制御弁の開度が全開のまま維持される場合と減少せしめられる場合とを比較して示した図である。図１７（Ａ）に示すように、低温燃焼が実行されるときであってＡ／Ｆが１５から１４にシフトされるとき、スロットル弁１７の開度が減少されると共にＥＧＲ制御弁２５の開度が全開のまま維持されると、吸気管負圧が増加するためにＥＧＲガス量が増加し、パイプ触媒２６ａがＥＧＲガスにより冷却されパイプ触媒２６ａの床温が低下する。更にパイプ触媒２６ａにＳＯＦ成分が付着するためにパイプ触媒２６ａの触媒反応が低下し、パイプ触媒２６ａからの出ガス温も低下する。一方、図１７（Ｂ）に示すように、低温燃焼が実行されるときであってＡ／Ｆが１５から１４にシフトされるとき、スロットル弁１７の開度が減少されると共にＥＧＲ制御弁２５の開度も減少されると、スロットル弁１７の開度が減少されるのに伴って排気ガス温度が上昇し、また、ＥＧＲ制御弁２５の開度が減少されるためにＥＧＲガス量は増加しない。そのため、パイプ触媒２６ａはＥＧＲガスによって冷却されず、パイプ触媒２６ａの床温は低下しない。その結果、パイプ触媒２６ａ上においてＳＯＦ成分は付着することなく回復され続け、パイプ触媒２６ａの触媒反応が維持される。それゆえ、パイプ触媒２６ａからの出ガス温も低下しない。
【００５４】
図１８はパイプ触媒２６ａのＳＯＦ被毒抑制制御方法を示したフローチャートである。図１８に示すように、このルーチンが開始されると、まずステップ２００において内燃機関の運転条件が低温燃焼を実行可能な運転条件にあるか否かが判断される。ＹＥＳのときにはステップ２０１に進み、ＮＯのときにはこのルーチンを終了する。ステップ２０１では空燃比をストイキよりもリッチ側にシフトさせる要求があるか否かが判断される。ＹＥＳのときにはステップ２０２に進み、ＮＯのときにはこのルーチンを終了する。ステップ２０２では、ポンプ損失を増加させ排気ガス温度を上昇させるためにスロットル弁１７の目標開度ＳＴが減少せしめられる。次いでステップ２０３では、スロットル弁１７の開度が減少され吸気管負圧が上昇するのに伴ってＥＧＲガス量が増加してしまうのを抑制するためにＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥが減少せしめられる。尚、本実施形態の変形例では、パイプ触媒２６ａの触媒反応が不十分になってしまう程度にパイプ触媒２６ａの温度が低下すると予測されるときに限ってステップ２０２及びステップ２０３を実行するようにしてもよい。
【００５５】
図１９はＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥの減少量と要求負荷Ｌ等との関係を示した図である。図１９（Ａ）に示すように、図１８のステップ２０３においてＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥが減少される際に、ＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥの減少量は、要求負荷Ｌが軽くなるほど多くなるように設定されている。また図１９（Ｂ）に示すように、ＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥの減少量は、機関回転数Ｎが高くなるほど多くなるように設定されている。また図１９（Ｃ）に示すように、ＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥの減少量は、Ａ／Ｆがリッチになるほど多くなるように設定されている。
【００５６】
本実施形態によれば、図１８に示したように低温燃焼が実行されるときであって空燃比がストイキよりもリッチ側にシフトされるとき、空燃比がストイキよりもリッチ側にシフトされないときに比べ、スロットル弁１７の開度ＳＴが減少されると共に、ＥＧＲ制御弁２５の開度ＳＥが減少される。つまり、スロットル弁１７の開度を減少させることにより、ポンプ損失を増加させ、排気ガスの温度を上昇させることができる。その上、ＥＧＲ制御弁２５の開度を減少させることにより、スロットル弁１７の開度が減少されるのに伴ってＥＧＲガス量が増加してしまうのを抑制することができる。そのため、燃焼温度の低下を抑制し、ＥＧＲガスの温度の低下を抑制することができる。それゆえ、パイプ触媒２６ａの温度の低下を抑制し、パイプ触媒２６ａがＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【００５７】
更に本実施形態によれば、図１９（Ａ）に示したように要求負荷Ｌが軽くなるほどＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥの減少量が多くされる。つまり、要求負荷Ｌが軽くなるほど燃焼温度が低下しやすくなるため、要求負荷Ｌが軽くなるほどＥＧＲ制御弁２５の開度を減少させる量が多くされる。その結果、要求負荷Ｌが軽くなるのに伴って燃焼温度が低下し、パイプ触媒２６ａがＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【００５８】
また本実施形態によれば、図１９（Ｂ）に示したように機関回転数Ｎが高くなるほどＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥの減少量が多くされる。つまり、機関回転数Ｎが高くなるほど吸気管負圧が高くなり、ＥＧＲガス量が増加しやすくなるため、機関回転数Ｎが高くなるほどＥＧＲ制御弁２５の開度を減少させる量が多くされる。その結果、機関回転数Ｎが高くなるのに伴ってＥＧＲガス量が増加し、パイプ触媒２６ａがＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【００５９】
また本実施形態によれば、図１９（Ｃ）に示したように空燃比がリッチになるほどＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥの減少量が多くされる。つまり、空燃比がストイキよりもリッチになるほど燃焼温度が低下しやすくなるため、空燃比がリッチになるほどＥＧＲ制御弁２５の開度を減少させる量が多くされる。その結果、空燃比がリッチになるのに伴って燃焼温度が低下し、パイプ触媒２６ａがＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【００６０】
以下、本発明の内燃機関の第二の実施形態について説明する。図２０は本発明の内燃機関の第二の実施形態の概略構成図である。図２０に示すように、本実施形態の構成は図１に示した第一の実施形態のものとほぼ同様である。従って、本実施形態は第一の実施形態とほぼ同様の効果を奏することができる。本実施形態では第一の実施形態と異なり、ステップモータ１０２５ａにより駆動される第二のＥＧＲ制御弁１０２５を備えた第二のＥＧＲ通路１０２４がＥＧＲ通路２４に並列に設けられている。要求負荷Ｌが軽いとき、ＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路２４ではなく第二のＥＧＲ通路１０２４を通される。つまり、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ２６を通されない。その結果、要求負荷Ｌが軽いときであっても、燃焼室５に比較的高温のＥＧＲガスが供給され、燃焼温度が比較的高い温度に維持される。
【００６１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、燃焼温度の低下を抑制し、再循環排気ガスの温度の低下を抑制することができる。それゆえ、再循環排気ガス浄化触媒の温度の低下を抑制し、再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【００６２】
請求項２に記載の発明によれば、負荷が軽くなるのに伴って燃焼温度が低下し、再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【００６３】
請求項３に記載の発明によれば、機関回転数が高くなるのに伴って再循環排気ガスの量が増加し、再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【００６４】
請求項４に記載の発明によれば、空燃比がリッチになるのに伴って燃焼温度が低下し、再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施形態の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】要求負荷が軽く低温燃焼が実行されるときであってＡ／Ｆ＝１５のときのＥＧＲ率とパイプ触媒温度等との関係を示した図である。
【図１７】低温燃焼が実行されるときであってＡ／Ｆが１５から１４にシフトされるときにＥＧＲ制御弁の開度が全開のまま維持される場合と減少せしめられる場合とを比較して示した図である。
【図１８】パイプ触媒２６ａのＳＯＦ被毒抑制制御方法を示したフローチャートである。
【図１９】ＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥの減少量と要求負荷Ｌ等との関係を示した図である。
【図２０】第二の実施形態の圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【符号の説明】
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
１７…スロットル弁
２４…ＥＧＲ通路
２５…ＥＧＲ制御弁
２６ａ…パイプ触媒
ＳＴ…スロットル弁の目標開度
ＳＥ…ＥＧＲ制御弁の目標開度
【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、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ために排気ガス再循環制御弁を備えた排気ガス再循環通路を設け、排気ガス再循環通路を通過する再循環排気ガスを浄化するための再循環排気ガス浄化触媒を排気ガス再循環通路内に配置し、機関吸気通路内にスロットル弁を配置し、燃焼室内に供給される再循環排気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、燃焼室内に供給される再循環排気ガスの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り、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも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燃焼を実行可能な内燃機関が知られている。この種の内燃機関の例としては、例えば特開２０００−８９６４号公報に記載されたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開２０００−８９６４号公報には、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも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燃焼が実行されるときであって空燃比がわずかばかりリーンのとき、空燃比がリーンのときに比べ、排気ガス再循環制御弁の開度が減少されると共に、スロットル弁の開度が減少される点については開示されているものの、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも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燃焼が実行されるときであって空燃比がストイキよりもリッチ側にシフトされるときに排気ガス再循環制御弁の開度及びスロットル弁の開度をどのように制御すべきかについて開示されていない。一方、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも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燃焼が実行されるときであって空燃比がストイキよりもリッチ側にシフトされるとき、仮にスロットル弁の開度が減少されるものの排気ガス再循環制御弁の開度が減少されないと、再循環排気ガスの量が増加してしまう。そのため、燃焼温度が低下するのに伴って再循環排気ガスの温度が低下し、それゆえ、再循環排気ガス浄化触媒の温度が低下してしまう。その結果、再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまう。
【０００４】
前記問題点に鑑み、本発明は煤の発生量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも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燃焼が実行されるときであって空燃比をストイキよりもリッチ側にシフトさせるときに再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまうのを抑制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。
【０００５】
【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ために排気ガス再循環制御弁を備えた排気ガス再循環通路を設け、前記排気ガス再循環通路を通過する再循環排気ガスを浄化するための再循環排気ガス浄化触媒を前記排気ガス再循環通路内に配置し、前記機関吸気通路内にスロットル弁を配置し、前記燃焼室内に供給される再循環排気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再循環排気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り、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燃焼を実行可能な内燃機関において、前記煤がほとんど発生しない燃焼が実行されるときであって空燃比がストイキよりもリッチ側にシフトされるとき、空燃比がストイキよりもリッチ側にシフトされないときに比べ、前記排気ガス再循環制御弁の開度を減少させると共に、前記スロットル弁の開度を減少させるようにした内燃機関が提供される。
【０００６】
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再循環排気ガスの量よりも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燃焼が実行されるときであって空燃比がストイキよりもリッチ側にシフトされるとき、空燃比がストイキよりもリッチ側にシフトされないときに比べ、排気ガス再循環制御弁の開度が減少されると共に、スロットル弁の開度が減少される。つまり、スロットル弁の開度を減少させることにより、ポンプ損失を増加させ、排気ガスの温度を上昇させることができる。その上、排気ガス再循環制御弁の開度を減少させることにより、スロットル弁の開度が減少されるのに伴って再循環排気ガスの量が増加してしまうのを抑制することができる。そのため、燃焼温度の低下を抑制し、再循環排気ガスの温度の低下を抑制することができる。それゆえ、再循環排気ガス浄化触媒の温度の低下を抑制し、再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明によれば、負荷が軽くなるほど前記排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量を多くした請求項１に記載の内燃機関が提供される。
【０００８】
請求項２に記載の内燃機関では、負荷が軽くなるほど排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量が多くされる。つまり、負荷が軽くなるほど燃焼温度が低下しやすくなるため、負荷が軽くなるほど排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量が多くされる。その結果、負荷が軽くなるのに伴って燃焼温度が低下し、再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明によれば、機関回転数が高くなるほど前記排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量を多くした請求項１に記載の内燃機関が提供される。
【００１０】
請求項３に記載の内燃機関では、機関回転数が高くなるほど排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量が多くされる。つまり、機関回転数が高くなるほど吸気管負圧が高くなり、再循環排気ガスの量が増加しやすくなるため、機関回転数が高くなるほど排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量が多くされる。その結果、機関回転数が高くなるのに伴って再循環排気ガスの量が増加し、再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明によれば、空燃比がリッチになるほど前記排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量を多くした請求項１に記載の内燃機関が提供される。
【００１２】
請求項４に記載の内燃機関では、空燃比がリッチになるほど排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量が多くされる。つまり、空燃比がリッチになるほど燃焼温度が低下しやすくなるため、空燃比がリッチになるほど排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量が多くされる。その結果、空燃比がリッチになるのに伴って燃焼温度が低下し、再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【００１３】
【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。
【００１４】
図１は本発明を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を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。吸気ダクト１３内には、ステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置される。また、スロットル弁１７上流の吸気ダクト１３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１７ａが配置される。更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するためのインタークーラ１８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１８内に導びかれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９及び排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１に連結され、排気タービン２１の出口は酸化機能を有する触媒２２を内蔵したケーシング２３に連結される。排気マニホルド１９内には空燃比センサ２３ａが配置される。
【００１５】
排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２４内にはステップモータ２５ａにより駆動される電気制御式ＥＧＲ制御弁２５が配置される。また、ＥＧＲ通路２４には、ＥＧＲ通路２４を通過するＥＧＲガスを浄化するためのパイプ触媒２６ａが配置される。更に、ＥＧＲ通路２４周りにはＥＧＲ通路２４内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２６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ＥＧＲクーラ２６内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結される。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管２６を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９が取付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。
【００１６】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。燃料圧センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、質量流量検出器１７ａの出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に、空燃比センサ２３ａの出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０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４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５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４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁用ステップモータ２５ａ、及び燃料ポンプ２８に接続される。
【００１７】
図２は機関低負荷運転時にスロットル弁１７の開度及び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、及びスモーク、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。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。
【００１８】
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。尚、図示しないが図３と同様の実験結果から、煤の発生量がピークとなるＥＧＲガスの量よりも燃焼室５内に供給されるＥＧＲガスの量が多く煤がほとんど発生しない第１の燃焼（低温燃焼）時の燃焼圧の極大値（ピーク）は、煤の発生量がピークとなるＥＧＲガスの量よりも燃焼室５内に供給されるＥＧＲガスの量が少ない第２の燃焼（従来の燃焼方法による燃焼）時の燃焼圧の極大値（ピーク）よりも低いことが判っている。そのことから、第１の燃焼時の爆発に伴う機関回転むらは第２の燃焼時の爆発に伴う機関回転むらよりも小さいと言える。
【００１９】
図２及び図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。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及び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及び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。
【００２０】
図２及び図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内における燃料及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内における燃料及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。
【００２１】
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及びその周囲の温度、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及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。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。
【００２２】
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及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、燃料及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。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。
【００２３】
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。この場合、燃料及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。
【００２４】
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。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。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。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。
【００２５】
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及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、及びこの混合ガス量中の空気の割合、及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。
【００２６】
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及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及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。
【００２７】
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及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。
【００２８】
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及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。
【００２９】
ところが図示しないが、ＥＧＲ通路を介して過給機の入口側即ち排気ターボチャージャの空気吸込管内に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、斯くして燃料及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のコンプレッサ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により昇圧しうる限度まで燃料及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制御弁が全開せしめられる、スロットル弁が若干閉弁せしめられる。
【００３０】
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。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。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。
【００３１】
ところで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及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、即ち低温燃焼を行い得るようにし、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。但し、機関中低負荷運転時であっても、機関運転状態によっては第２の燃焼が行われる。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。
【００３２】
図７は第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われ得る第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４０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。
【００３３】
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得る。
【００３４】
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。
【００３５】
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２２により良好に酸化せしめられる。触媒２２としては酸化触媒を用いることができる。
【００３６】
図８は空燃比センサ２３ａ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２３ａ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２３ａの出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。
【００３７】
次に図９を参照しつつ第１の運転領域Ｉ及び第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１７の開度、ＥＧＲ制御弁２５の開度、ＥＧＲ率、空燃比、噴射時期及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１７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２５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。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１７の開度及びＥＧＲ制御弁２５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。
【００３８】
なお、アイドル運転時にはスロットル弁１７は全閉近くまで閉弁され、このときＥＧＲ制御弁２５も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁１７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、圧縮圧力を小さくすることにより機関本体１の振動を小さくするために、アイドル運転時にはスロットル弁１７が全閉近くまで閉弁せしめられる。一方、機関低回転時の回転は機関高回転時の回転よりも爆発に伴う回転むらが大きいために回転数を低下させると機関本体１の振動の問題が大きくなるという背景もある。そのため、アイドル運転時の目標回転数は、圧縮圧力に伴う振動と機関回転むらに伴う振動とを考慮して設定されている。
【００３９】
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１７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。
【００４０】
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１７は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁２５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。
【００４１】
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。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。
【００４２】
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及び機関回転数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１７の目標開度ＳＴが図１１（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数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２５の目標開度ＳＥが図１１（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数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。
【００４３】
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及び機関回転数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１７の目標開度ＳＴが図１３（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数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２５の目標開度ＳＥが図１３（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数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。
【００４４】
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及び機関回転数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及び機関回転数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。
【００４５】
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１０３に進み、第１の燃焼（低温燃焼）が行われる。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１１０に進み、第２の燃焼（通常燃焼、つまり、従来の燃焼方法による燃焼）が行われる。
【００４６】
ステップ１００において、フラグＩがセットされていないとき、即ち機関の運転状態が第２の運転領域ＩＩにあるときにはステップ１０８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１１０に進み、第２の燃焼が行われる。一方、ステップ１０８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に進み、第１の燃焼が行われる。
【００４７】
ステップ１０３では図１１（Ａ）に示すマップからスロットル弁１７の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１７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１１（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２５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１７ａ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とするのに必要な燃料噴射量Ｑが算出される。
【００４８】
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１７の開度およびＥＧＲ制御弁２５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。一方、スロットル弁１７の開度又はＥＧＲ制御弁２５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１７ａ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。
【００４９】
一方、ステップ１１０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１１１では図１３（Ａ）に示すマップからスロットル弁１７の目標開度ＳＴが算出される。次いでステップ１１２では図１３（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２５の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ１１３では質量流量検出器１７ａ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ΔＳＴが一定値αだけ減少せしめられ、次いでステップ１１９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１７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１７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１７の開度が制御される。
【００５０】
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。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１７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。
【００５１】
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１７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２３ａ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２５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。
【００５２】
図１６は要求負荷が軽く低温燃焼が実行されるときであってＡ／Ｆ＝１５のときのＥＧＲ率とパイプ触媒温度等との関係を示した図である。図１６において、スロットル弁１７の開度は、ＥＧＲ率が変更されても吸入空気量が変化せずＡ／Ｆが一定になるように、ＥＧＲ率に応じて変更されている。図１６に示すように、ＥＧＲ率が減少され、スロットル弁１７の開度が減少されると、吸気管負圧が高くなりポンプ損失が増加する。その結果、ＥＧＲ率が高い場合に比べて排気ガス温度が高くなり、パイプ触媒２６ａの床温が高くなる。尚、ＥＧＲ率が減少され、スロットル弁１７の開度が減少されると、吸入空気量が一定に維持されるもののＥＧＲガス量が減少するため、触媒２２を通過する排気ガス量が減少する。その結果、ＥＧＲ率が高い場合に比べて触媒２２の床温も高くなる。
【００５３】
図１７は低温燃焼が実行されるときであってＡ／Ｆが１５から１４にシフトされるときにＥＧＲ制御弁の開度が全開のまま維持される場合と減少せしめられる場合とを比較して示した図である。図１７（Ａ）に示すように、低温燃焼が実行されるときであってＡ／Ｆが１５から１４にシフトされるとき、スロットル弁１７の開度が減少されると共にＥＧＲ制御弁２５の開度が全開のまま維持されると、吸気管負圧が増加するためにＥＧＲガス量が増加し、パイプ触媒２６ａがＥＧＲガスにより冷却されパイプ触媒２６ａの床温が低下する。更にパイプ触媒２６ａにＳＯＦ成分が付着するためにパイプ触媒２６ａの触媒反応が低下し、パイプ触媒２６ａからの出ガス温も低下する。一方、図１７（Ｂ）に示すように、低温燃焼が実行されるときであってＡ／Ｆが１５から１４にシフトされるとき、スロットル弁１７の開度が減少されると共にＥＧＲ制御弁２５の開度も減少されると、スロットル弁１７の開度が減少されるのに伴って排気ガス温度が上昇し、また、ＥＧＲ制御弁２５の開度が減少されるためにＥＧＲガス量は増加しない。そのため、パイプ触媒２６ａはＥＧＲガスによって冷却されず、パイプ触媒２６ａの床温は低下しない。その結果、パイプ触媒２６ａ上においてＳＯＦ成分は付着することなく回復され続け、パイプ触媒２６ａの触媒反応が維持される。それゆえ、パイプ触媒２６ａからの出ガス温も低下しない。
【００５４】
図１８はパイプ触媒２６ａのＳＯＦ被毒抑制制御方法を示したフローチャートである。図１８に示すように、このルーチンが開始されると、まずステップ２００において内燃機関の運転条件が低温燃焼を実行可能な運転条件にあるか否かが判断される。ＹＥＳのときにはステップ２０１に進み、ＮＯのときにはこのルーチンを終了する。ステップ２０１では空燃比をストイキよりもリッチ側にシフトさせる要求があるか否かが判断される。ＹＥＳのときにはステップ２０２に進み、ＮＯのときにはこのルーチンを終了する。ステップ２０２では、ポンプ損失を増加させ排気ガス温度を上昇させるためにスロットル弁１７の目標開度ＳＴが減少せしめられる。次いでステップ２０３では、スロットル弁１７の開度が減少され吸気管負圧が上昇するのに伴ってＥＧＲガス量が増加してしまうのを抑制するためにＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥが減少せしめられる。尚、本実施形態の変形例では、パイプ触媒２６ａの触媒反応が不十分になってしまう程度にパイプ触媒２６ａの温度が低下すると予測されるときに限ってステップ２０２及びステップ２０３を実行するようにしてもよい。
【００５５】
図１９はＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥの減少量と要求負荷Ｌ等との関係を示した図である。図１９（Ａ）に示すように、図１８のステップ２０３においてＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥが減少される際に、ＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥの減少量は、要求負荷Ｌが軽くなるほど多くなるように設定されている。また図１９（Ｂ）に示すように、ＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥの減少量は、機関回転数Ｎが高くなるほど多くなるように設定されている。また図１９（Ｃ）に示すように、ＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥの減少量は、Ａ／Ｆがリッチになるほど多くなるように設定されている。
【００５６】
本実施形態によれば、図１８に示したように低温燃焼が実行されるときであって空燃比がストイキよりもリッチ側にシフトされるとき、空燃比がストイキよりもリッチ側にシフトされないときに比べ、スロットル弁１７の開度ＳＴが減少されると共に、ＥＧＲ制御弁２５の開度ＳＥが減少される。つまり、スロットル弁１７の開度を減少させることにより、ポンプ損失を増加させ、排気ガスの温度を上昇させることができる。その上、ＥＧＲ制御弁２５の開度を減少させることにより、スロットル弁１７の開度が減少されるのに伴ってＥＧＲガス量が増加してしまうのを抑制することができる。そのため、燃焼温度の低下を抑制し、ＥＧＲガスの温度の低下を抑制することができる。それゆえ、パイプ触媒２６ａの温度の低下を抑制し、パイプ触媒２６ａがＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【００５７】
更に本実施形態によれば、図１９（Ａ）に示したように要求負荷Ｌが軽くなるほどＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥの減少量が多くされる。つまり、要求負荷Ｌが軽くなるほど燃焼温度が低下しやすくなるため、要求負荷Ｌが軽くなるほどＥＧＲ制御弁２５の開度を減少させる量が多くされる。その結果、要求負荷Ｌが軽くなるのに伴って燃焼温度が低下し、パイプ触媒２６ａがＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【００５８】
また本実施形態によれば、図１９（Ｂ）に示したように機関回転数Ｎが高くなるほどＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥの減少量が多くされる。つまり、機関回転数Ｎが高くなるほど吸気管負圧が高くなり、ＥＧＲガス量が増加しやすくなるため、機関回転数Ｎが高くなるほどＥＧＲ制御弁２５の開度を減少させる量が多くされる。その結果、機関回転数Ｎが高くなるのに伴ってＥＧＲガス量が増加し、パイプ触媒２６ａがＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【００５９】
また本実施形態によれば、図１９（Ｃ）に示したように空燃比がリッチになるほどＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥの減少量が多くされる。つまり、空燃比がストイキよりもリッチになるほど燃焼温度が低下しやすくなるため、空燃比がリッチになるほどＥＧＲ制御弁２５の開度を減少させる量が多くされる。その結果、空燃比がリッチになるのに伴って燃焼温度が低下し、パイプ触媒２６ａがＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【００６０】
以下、本発明の内燃機関の第二の実施形態について説明する。図２０は本発明の内燃機関の第二の実施形態の概略構成図である。図２０に示すように、本実施形態の構成は図１に示した第一の実施形態のものとほぼ同様である。従って、本実施形態は第一の実施形態とほぼ同様の効果を奏することができる。本実施形態では第一の実施形態と異なり、ステップモータ１０２５ａにより駆動される第二のＥＧＲ制御弁１０２５を備えた第二のＥＧＲ通路１０２４がＥＧＲ通路２４に並列に設けられている。要求負荷Ｌが軽いとき、ＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路２４ではなく第二のＥＧＲ通路１０２４を通される。つまり、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ２６を通されない。その結果、要求負荷Ｌが軽いときであっても、燃焼室５に比較的高温のＥＧＲガスが供給され、燃焼温度が比較的高い温度に維持される。
【００６１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、燃焼温度の低下を抑制し、再循環排気ガスの温度の低下を抑制することができる。それゆえ、再循環排気ガス浄化触媒の温度の低下を抑制し、再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【００６２】
請求項２に記載の発明によれば、負荷が軽くなるのに伴って燃焼温度が低下し、再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【００６３】
請求項３に記載の発明によれば、機関回転数が高くなるのに伴って再循環排気ガスの量が増加し、再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【００６４】
請求項４に記載の発明によれば、空燃比がリッチになるのに伴って燃焼温度が低下し、再循環排気ガス浄化触媒がＳＯＦ被毒してしまうのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施形態の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】要求負荷が軽く低温燃焼が実行されるときであってＡ／Ｆ＝１５のときのＥＧＲ率とパイプ触媒温度等との関係を示した図である。
【図１７】低温燃焼が実行されるときであってＡ／Ｆが１５から１４にシフトされるときにＥＧＲ制御弁の開度が全開のまま維持される場合と減少せしめられる場合とを比較して示した図である。
【図１８】パイプ触媒２６ａのＳＯＦ被毒抑制制御方法を示したフローチャートである。
【図１９】ＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥの減少量と要求負荷Ｌ等との関係を示した図である。
【図２０】第二の実施形態の圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【符号の説明】
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
１７…スロットル弁
２４…ＥＧＲ通路
２５…ＥＧＲ制御弁
２６ａ…パイプ触媒
ＳＴ…スロットル弁の目標開度
ＳＥ…ＥＧＲ制御弁の目標開度
Claims (4)
- 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ために排気ガス再循環制御弁を備えた排気ガス再循環通路を設け、前記排気ガス再循環通路を通過する再循環排気ガスを浄化するための再循環排気ガス浄化触媒を前記排気ガス再循環通路内に配置し、前記機関吸気通路内にスロットル弁を配置し、前記燃焼室内に供給される再循環排気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再循環排気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り、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燃焼を実行可能な内燃機関において、前記煤がほとんど発生しない燃焼が実行されるときであって空燃比がストイキよりもリッチ側にシフトされるとき、空燃比がストイキよりもリッチ側にシフトされないときに比べ、前記排気ガス再循環制御弁の開度を減少させると共に、前記スロットル弁の開度を減少させるようにした内燃機関。
- 負荷が軽くなるほど前記排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量を多くした請求項１に記載の内燃機関。
- 機関回転数が高くなるほど前記排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量を多くした請求項１に記載の内燃機関。
- 空燃比がリッチになるほど前記排気ガス再循環制御弁の開度を減少させる量を多くした請求項１に記載の内燃機関。
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