JP3997768B2 - 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、内燃機関に関し、とくに、燃焼に供される混合気中の不活性ガス量の制御を通じ排気特性や燃焼状態の最適化を図る機能を備えた内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関から排出された排気の一部を当該機関の吸気系に還流させる排気還流装置（ＥＧＲ装置：Exhaust Gas Recirculation System）が知られている。この種の装置は一般に、内燃機関の排気系（排気通路）から吸気系（吸気通路）へ排気の一部を還流させるための排気還流通路（ＥＧＲ通路）と、当該ＥＧＲ通路の通路途中に設けられた開閉弁（ＥＧＲ弁）とを備えて構成され、電子制御装置等の指令信号を通じてこのＥＧＲ弁を駆動することにより、吸気系に還流される排気（ＥＧＲガス）の流量（以下、排気還流量という）を制御する。排気中にはＨ2Ｏ，ＣＯ2，Ｎ2等といった不活性成分が多く含まれているため、排気還流が行われると機関燃焼に供される混合気（吸入空気）にこれら不活性成分が混入し、燃焼温度が低下し機関燃焼に伴う窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成量が低減する。すなわち、排気中におけるＮＯｘ量の低減が図られるようになる。
【０００３】
一方、ディーゼルエンジンのように、広い運転領域において高い空燃比（リーン雰囲気）の混合気を燃焼に供して機関運転を行う内燃機関では、混合気に含まれる空気の比率が大きい為、排気の温度が低下しやすい。排気の温度が低下すると、排気系に設けられた排気浄化用触媒の活性状態を保持することができなくなるため、排気特性の低下を招くといった問題がある。
【０００４】
ここで、ＥＧＲ装置を活用して排気還流量を増大させれば、機関燃焼に供される混合気中の不活性成分が多くなり、排気中の未燃燃料成分（ＨＣ）が増大する。この未燃燃料成分は排気浄化用触媒と反応することによって発熱するため、排気浄化用触媒の温度は上昇する。すなわち、排気還流量の調整を通じて排気浄化用触媒の温度を最適値に制御することができる。
【０００５】
ところが、排気還流量を増大させていくと、ある限界値を越えたところから排気中に発生する煤の量が急増しはじめる。このため、排気還流を行うに際しては、排気還流量がこの限界値を上回らないようにＥＧＲガスの流量を制限すべきであると考えられていた。
【０００６】
しかしながら、ディーゼルエンジンの燃焼に関する近年の研究によれば、排気還流量が上述の限界値を越えてさらに増大した場合、排気還流量の増大に伴い煤の発生量もあるところまでは増大するものの、極大に達した後は逆に減少することが判明した。図３は、ＥＧＲ装置を備えたディーゼルエンジンについて、排気還流量と、同エンジンから発生する煤の量との関係を示すグラフの一例である。同図３において、排気還流量（機関燃焼に供される混合気中の不活性ガス量）の増大とともに機関燃焼に伴う煤の発生量も増大して一旦は極大値Ｐに達するが、排気還流量が煤の発生量の極大値Ｐに対応する値から更に増大すると、所定領域ＡＲにおいて煤の発生量が著しく減少することがわかる。煤は、燃料の主成分である炭化水素が燃焼過程で成長することによって形成されるが、燃焼時における燃料及びその周囲の温度がある程度以下になると、その成長が停止する。排気還流量の増大に伴い燃焼温度は低下していくため、排気還流量がある程度以上になると、煤の発生が抑制されるようになるのである。
【０００７】
すなわち、排気還流量を、煤の発生量を最大にする値をさらに上回る領域で調整するといった制御方式を採用すれば、煤の発生を抑制しつつ、排気中におけるＮＯｘ量の低減や、排気浄化用触媒の温度制御を併せ行うことができる（例えば特開２０００−１１０６６９号公報に記載の内燃機関）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、煤の発生量を最大にする値を上回るような領域で排気還流量を調整するということは、吸入空気に大量のＥＧＲガスが混入される条件下で機関の運転状態を制御することに他ならない。
【０００９】
ここで、吸入空気に混入されるＥＧＲガスの割合は、ＥＧＲ弁の開度のみならず、吸入空気の量や、排気系内を流れる排気の量等、複数の要因に影響を受ける。
【００１０】
また、ＥＧＲガス自体の特性も、その時々の排気特性によって異なるものとなる。とくにＥＧＲ通路には、ＥＧＲガスを冷却するための冷却装置（ＥＧＲクーラ）がその通路途中に、ＥＧＲガス中の未燃ＨＣ成分等を分解するための酸化触媒がＥＧＲクーラ上流に設けられることが多い。このため、ＥＧＲクーラによるＥＧＲガスの冷却効率や、酸化触媒による未燃ＨＣの分解効率が変動することで、ＥＧＲ通路の出口におけるＥＧＲガスの温度特性や成分も変動することになる。
【００１１】
吸入空気に混入されるＥＧＲガスの割合の変化や、ＥＧＲガス自体の特性の変化は、機関燃焼に供される混合気の特性に対して個々に作用し、当該内燃機関の燃焼状態に不測の変化をもたらすことになる。
【００１２】
このため、上述したような制御方式、すなわち排気還流量が煤の発生量を最大にする値を上回るような領域で、排気還流量を調整する制御方式を採用するにあたり、安定した機関出力を得ることが困難となっていた。
【００１３】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、機関燃焼に供される混合気中の不活性ガス量が、煤の発生量を最大にする値を上回るような条件下で、当該ガス量を調整して排気特性の最適化を図る制御方式を採用する内燃機関において、そのような条件下であれ機関出力の安定性を十分に確保することのできる内燃機関を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明は、機関燃焼に供される混合気中の不活性ガス量の増大とともに該機関燃焼に伴う煤の発生量が増大して極大値に達し、且つ、前記不活性ガス量が前記煤の発生量の極大値に対応する値から更に増大すると、所定領域において煤の発生量が著しく減少する特性を備えた内燃機関であり、当該機関の燃焼モードを、前記不活性ガス量との関係において前記煤の発生量が著しく減少する領域で実行される第１の燃焼モードと、前記不活性ガス量が前記煤の発生量の極大値に対応する値よりも少ない領域で実行される第２の燃焼モードとの間で択一的な切換を行う切換手段を備えた内燃機関において、前記第１の燃焼モードが実行されている場合に、当該機関の燃焼状態が安定しているか否かを判断する判断手段と、前記判断手段により当該機関の燃焼状態が安定していない旨の判断がなされた場合に、その要因を複数の要因中から判別し、該判別された要因に応じた処理を行う処理手段と、を備えることを要旨とする。
【００１５】
ここで、前記判断手段は、例えば当該機関の回転数の変動や、当該機関の燃焼室内における圧力変化に基づいて、当該機関の燃焼状態が安定しているか否かを判断するのが好ましい。
【００１６】
同構成によれば、排気特性の向上に貢献する一方、燃焼状態の不安定を招来し易い第１の燃焼モードが実行される際、当該機関の燃焼状態が不安定になった場合、効率的且つ確実に燃焼状態の安定化が図られるようになる。
【００１７】
また、上記構成からなる内燃機関は、当該機関の排気系から吸気系に排気を還流させる排気還流通路と、該排気還流通路内を還流する排気の流量を変更して前記吸気系内の不活性ガス量を調整する調整手段と、前記排気還流通路に流入する排気の温度を検出する温度検出手段と、を有し、前記切換手段は、前記調整手段の制御を通じて前記燃焼モードの切換を行うともに、前記処理手段は、前記検出される温度が所定値を上回っているときに当該機関の燃焼状態が安定していない旨の判断がなされた場合、その要因が前記排気還流通路を通じて還流する排気の性状にあるとして、前記切換手段により当該機関の燃焼モードを前記第２の燃焼モードに切り換えさせるのが好ましい。
【００１８】
同構成によれば、燃焼状態を不安定にさせている要因を把握し、当該要因に対応する的確な処置を行うといった観点から、効率的且つ緻密な制御が行われ、第１の燃焼モードの実施中における燃焼状態の安定性が向上することになる。
【００１９】
とくに、前記排気還流通路の通路途中には、同通路内を還流する排気を浄化する触媒（例えば酸化触媒）を備え、且つ、前記温度検出手段を当該触媒の下流に備える構成とすれば、前記還流通路に流入する排気の温度変化に起因する当該触媒の温度変化、触媒効率の変化、ひいては当該触媒の下流に流出して吸気系に導入されるガスの特性変化が、上記燃焼モードを切り換える判断に反映されることになり、上記制御の緻密性は一層向上するようになる。
【００２０】
第２の発明は、機関燃焼に供される混合気中の不活性ガス量の増大とともに該機関燃焼に伴う煤の発生量が増大して極大値に達し、且つ、前記不活性ガス量が前記煤の発生量の極大値に対応する値から更に増大すると、所定領域において煤の発生量が著しく減少する特性を備えた内燃機関であり、当該機関の燃焼モードを、前記不活性ガス量との関係において前記煤の発生量が著しく減少する領域で実行される第１の燃焼モードと、前記不活性ガス量が前記煤の発生量の極大値に対応する値よりも少ない領域で実行される第２の燃焼モードとの間で択一的な切換を行う切換手段を備えた内燃機関において、前記第１の燃焼モードが実行されている場合に、当該機関の燃焼状態が安定しているか否かを判断する判断手段と、当該機関の排気系から吸気系に排気を還流させる排気還流通路と、該排気還流通路内を還流する排気の流量を変更して前記吸気系内の不活性ガス量を調整する調整手段と、前記排気還流通路に流入する排気の温度を検出する温度検出手段と、を有し、前記切換手段は、前記調整手段の制御を通じて前記燃焼モードの切換を行うともに、前記検出される温度が所定値を上回っているときに当該機関の燃焼状態が安定していない旨の判断がなされた場合、当該機関の燃焼モードを前記第２の燃焼モードに切り換えることを要旨とする。
【００２１】
ここで、「混合気中の空気量を増大させる」とは、絶対量を増大させる意味に限らず、混合気中の他成分に対する相対量（例えば空燃比）を増大させることをも意味する。
【００２２】
同構成によれば、燃焼状態の不安定が軽微なものである場合、第１の燃焼モードを継続したまま、速やかに機関燃焼の安定化を図ることができる。このため、排気特性の向上や排気浄化用触媒の昇温効果を得るために好適な第１の燃焼モードを極力継続するといった観点から効率的な制御が行われ、第１の燃焼モードの実施機会が拡大されるようになる。
【００２３】
第３の発明は、機関燃焼に供される混合気中の不活性ガス量の増大とともに該機関燃焼に伴う煤の発生量が増大して極大値に達し、且つ、前記不活性ガス量が前記煤の発生量の極大値に対応する値から更に増大すると、所定領域において煤の発生量が著しく減少する特性を備えた内燃機関であり、当該機関の燃焼モードを、前記不活性ガス量との関係において前記煤の発生量が著しく減少する領域で実行される第１の燃焼モードと、前記不活性ガス量が前記煤の発生量の極大値に対応する値よりも少ない領域で実行される第２の燃焼モードとの間で択一的な切換を行う切換手段を備えた内燃機関において、前記第１の燃焼モードが実行されている場合に、当該機関の燃焼状態が安定しているか否かを判断する判断手段と、当該機関の排気系から吸気系に排気を還流させる排気還流通路と、該排気還流通路内を還流する排気の流量を変更して前記吸気系内の不活性ガス量を調整する調整手段と、前記排気還流通路に流入する排気の温度を検出する温度検出手段と、を有し、前記切換手段は、前記検出される温度が所定値以下であるときに当該機関の燃焼状態が安定していない旨の判断がなされた場合、当該機関の燃焼モードは前記第１の燃焼モードに保持した状態で、当該機関の燃焼に供される燃料が噴射供給される時期を進角する制御、及び当該期間の燃焼に供される混合気中の空気量を増量させる制御のうち、少なくとも一方を実行することを要旨とする。
【００２４】
同構成によっても、燃焼状態の不安定が軽微なものである場合、第１の燃焼モードを継続したまま、速やかに機関燃焼の安定化を図ることができる。このため、排気特性の向上や排気浄化用触媒の昇温効果を得るために好適な第１の燃焼モードを極力継続するといった観点から効率的な制御が行われ、第１の燃焼モードの実施機会が拡大されるようになる。
【００２５】
第４の発明は、機関燃焼に供される混合気中の不活性ガス量の増大とともに該機関燃焼に伴う煤の発生量が増大して極大値に達し、且つ、前記不活性ガス量が前記煤の発生量の極大値に対応する値から更に増大すると、所定領域において煤の発生量が著しく減少する特性を備えた多気筒の内燃機関であって、各気筒の圧縮比に応じて設定されるパラメータに基づき気筒毎に機関燃焼の状態を制御する制御手段を備えることを要旨とする。
【００２６】
同構成によれば、上記所定領域において煤の発生量が著しく減少させる燃焼形態を適用する上で、当該機関の燃焼状態の安定性を向上させることができるようになる。
【００２７】
なお、上記の各構成は、可能な限り組み合わせることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置を、ディーゼルエンジンシステムに適用した一実施の形態について説明する。
【００２９】
〔エンジンシステムの構造及び機能〕
図１において、内燃機関（以下、エンジンという）１は、燃料供給系１０、燃焼室２０、吸気系３０及び排気系４０等を主要部として構成される直列４気筒のディーゼルエンジンシステムである。
【００３０】
先ず、燃料供給系１０は、サプライポンプ１１、コモンレール１２、燃料噴射弁１３、遮断弁１４、調量弁１６、燃料添加弁１７、機関燃料通路Ｐ１及び添加燃料通路Ｐ２等を備えて構成される。
【００３１】
サプライポンプ１１は、燃料タンク（図示略）から汲み上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１を介してコモンレール１２に供給する。コモンレール１２は、サプライポンプ１１から供給された高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁１３に分配する。燃料噴射弁１３は、その内部に電磁ソレノイド（図示略）を備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室２０内に燃料を噴射供給する。
【００３２】
他方、サプライポンプ１１は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を添加燃料通路Ｐ２を介して燃料添加弁１７に供給する。添加燃料通路Ｐ２には、サプライポンプ１１から燃料添加弁１７に向かって遮断弁１４及び調量弁１６が順次配設されている。遮断弁１４は、緊急時において添加燃料通路Ｐ２を遮断し、燃料供給を停止する。調量弁１６は、燃料添加弁１７に供給する燃料の圧力（燃圧）ＰＧを制御する。燃料添加弁１７は、燃料噴射弁１３と同じくその内部に電磁ソレノイド（図示略）を備えた電磁弁であり、還元剤として機能する燃料を、適宜の量、適宜のタイミングで排気系４０の触媒ケーシング４２上流に添加供給する。
【００３３】
吸気系３０は、各燃焼室２０内に供給される吸入空気の通路（吸気通路）を形成する。一方、排気系４０は、各燃焼室２０から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。
【００３４】
また、このエンジン１には、周知の過給機（ターボチャージャ）５０が設けられている。ターボチャージャ５０は、シャフト５１を介して連結された回転体５２，５３を備える。一方の回転体（タービンホイール）５２は排気系４０内の排気に晒され、他方の回転体（コンプレッサホイール）５３は、吸気系３０内の吸気に晒される。このような構成を有するターボチャージャ５０は、タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサホイール５３を回転させ、吸気圧を高めるといったいわゆる過給を行う。
【００３５】
吸気系３０において、ターボチャージャ５０の下流に設けられたインタークーラ３１は、過給によって昇温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ３１よりもさらに下流に設けられたスロットル弁３２は、その開度を無段階に調節することのできる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を変更し、同吸入空気の供給量（流量）を調整する機能を有する。
【００３６】
吸気系３０のスロット弁３２下流には、インテークマニホールドが設けられている。インテークマニホールド３０ａは４本の分岐管を備える。各分岐管は、エンジン１のシリンダヘッド１ａに各燃焼室２０に対応して設けられた吸気ポート３０ｂに接続される。すなわち、スロットル弁３２を通過した吸入空気は、インテークマニホールド３０ａを通じて分流され、吸気ポート３０ｂから各燃焼室２０へ導入される。
【００３７】
また、エンジン１には、燃焼室２０の吸気系３０と排気系４０とを連通する排気還流通路（ＥＧＲ通路）６０が形成されている。このＥＧＲ通路６０は、排気の一部を適宜吸気系３０に戻す機能を有する。ＥＧＲ通路６０には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気（ＥＧＲガス）の流量（排気還流量）を自在に調整することができるＥＧＲ弁６１と、ＥＧＲ通路６０を通過（還流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ６２が設けられている。また、ＥＧＲ通路６０の通路途中であってＥＧＲクーラ６２の上流部位には、酸化触媒を収容したＥＧＲ触媒ケーシング６３が設けられている。ＥＧＲ触媒ケーシング６３に収容された酸化触媒は、ＥＧＲガスに含まれるＨＣ成分の酸化を促す機能を有する。また、排気系４０において、同排気系４０及びＥＧＲ通路６０の連絡部位の下流には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒及びパティキュレートフィルタを収容した触媒ケーシング４２が設けられている。
【００３８】
また、エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件や、エンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
【００３９】
すなわち、レール圧センサ７０は、コモンレール１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。燃圧センサ７１は、添加燃料通路Ｐ２内を流通する燃料のうち、調量弁１６を介して燃料添加弁１７に導入される燃料の圧力（燃圧）ＰＧに応じた検出信号を出力する。エアフロメータ７２は、吸気系３０内に導入される空気（吸入空気）の流量（吸気量）ＧＮに応じた検出信号を出力する。空燃比（Ａ／Ｆ）センサ７３ａは、排気系４０の触媒ケーシング４２上流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。空燃比（Ａ／Ｆ）センサ７３ｂは、排気系４０の触媒ケーシング４２下流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。排気温センサ７４は、排気系４０において触媒ケーシング４２の排気流入部位に取り付けられ、当該部位における排気の温度（排気温度）ＴＥＸに応じた検出信号を出力する。ＮＯｘセンサ７５は、同じく排気系４０の触媒ケーシング４２下流において排気中のＮＯｘ濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。また、アクセルポジションセンサ７６はアクセルペダル（図示略）に取り付けられ、同ペダルの踏み込み量ＡＣＣに応じた検出信号を出力する。クランク角センサ７７は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。また、ＥＧＲ通路６０の通路途中であってＥＧＲクーラ６２の上流（ＥＧＲ触媒ケーシング６３の下流）部位には、当該部位を通過するＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲに応じた検出信号を出力する温度センサ７８が設けられている。
【００４０】
これら各センサは、電子制御装置（ＥＣＵ）８０と電気的に接続されている。
【００４１】
ＥＣＵ８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）８１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）８２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８３及びバックアップＲＡＭ８４、タイマーカウンタ８５等を備え、これら各部８１〜８５と、Ａ／Ｄ変換器を含む外部入力回路８６と、外部出力回路８７とが双方向性バス８８により接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００４２】
このように構成されたＥＣＵ８０は、上記各種センサの検出信号を外部入力回路を介して入力し、これら信号に基づき燃料噴射弁１３の開閉弁動作に関する制御や、ＥＧＲ弁６１の開度調整、或いはスロットル弁３２の開度調整等、エンジン１の運転状態に関する各種制御を実施する。
【００４３】
なお、ＥＣＵ８０や燃料噴射弁１３をはじめ、ＥＣＵ８０が同弁１３の駆動状態を決定する上で参照するエンジン１の運転状態に関する情報を提供する各種センサは、本実施の形態にかかるエンジン１の燃料噴射制御装置を構成する。
【００４４】
〔触媒ケーシングの構造及び機能〕
次に、以上説明したエンジン１の構成要素のうち、排気系４０に設けられた触媒ケーシング４２について、その構造及び機能を詳しく説明する。
【００４５】
触媒ケーシング４２は、その内部に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＯｘ触媒という）とＮＯｘ触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、フィルタという）とを所定の間隔をおいて直列に収容する。
【００４６】
ＮＯｘ触媒は、例えばコージェライトを主成分とするハニカム形状の構造体（基材）に、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）からなる担体の層が形成されており、この担体の表面上に、ＮＯｘ吸蔵剤として機能する例えばカリウム（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）、或いはイットリウム（Ｙ）のような希土類と、酸化触媒（貴金属触媒）として機能する例えば白金Ｐｔのような貴金属とが担持されることによって構成される。
【００４７】
またフィルタは、互いに平行をなして延びる上流端が開放され下流端が閉ざされた排気流入通路と、上流端が閉ざされ下流端が開放された排気流出通路とを備えるいわゆるウォールフロー型である。そして、両排気通路間に位置する隔壁の表面及び内部に形成された細孔内に、例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、担体層の表面上に前述したＮＯｘ吸蔵剤が担持されている。
【００４８】
ＮＯｘ吸蔵剤は、排気中の酸素濃度が高い状態ではＮＯｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低い状態ではＮＯｘを放出する特性を有する。また、排気中にＮＯｘが放出されたとき、排気中にＨＣやＣＯ等が存在していれば、貴金属触媒がこれらＨＣやＣＯの酸化反応を促すことで、ＮＯｘを酸化成分、ＨＣやＣＯを還元成分とする酸化還元反応が両者間で起こる。すなわち、ＨＣやＣＯはＣＯ2やＨ2Ｏに酸化され、ＮＯｘはＮ2に還元される。
【００４９】
一方、ＮＯｘ吸蔵剤は排気中の酸素濃度が高い状態にあるときでも所定の限界量のＮＯｘを吸蔵すると、それ以上ＮＯｘを吸蔵しなくなる。エンジン１では、触媒ケーシング４２内に収容されたＮＯｘ吸蔵剤のＮＯｘ吸蔵量が限界量に達する前に、燃料添加弁１７を通じて排気通路の触媒ケーシング４２上流に還元剤（本実施の形態では燃料）を添加供給することで、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出および還元浄化し、ＮＯｘ吸蔵剤（ＮＯｘ触媒）のＮＯｘ吸蔵能力を回復させるといった制御を所定のインターバルで繰り返す。
【００５０】
さらに、ＮＯｘ吸蔵剤や貴金属触媒の担体をなすパティキュレートフィルタは、排気中に含まれる煤等の微粒子やＮＯｘ等の有害成分を、以下のメカニズムに基づいて浄化する。
【００５１】
ＮＯｘ触媒が、その構成要素であるＮＯｘ吸蔵剤及び貴金属触媒の協働により、排気中の酸素濃度や還元成分量に応じてＮＯｘの吸蔵、放出及び浄化を繰り返し行うことは上述した通りである。その一方、ＮＯｘ触媒は、このようなＮＯｘの浄化を行う過程で副次的に活性酸素を生成する特性を有する。パティキュレートフィルタを排気が通過する際、その排気中に含まれる煤等の微粒子は構造体（多孔質材料）に捕捉される。ここで、ＮＯｘ触媒の生成する活性酸素は、酸化剤として極めて高い反応性（活性）を有しているため、捕捉された微粒子のうちＮＯｘ触媒の表面や近傍に堆積した微粒子は、この活性酸素と（輝炎を発することなく）速やかに反応し、浄化されることになる。
【００５２】
〔燃料噴射制御の概要〕
ＥＣＵ８０は、各種センサの検出信号から把握されるエンジン１の運転状態に基づき燃料噴射制御を実施する。本実施の形態において燃料噴射制御とは、各燃料噴射弁１３を通じた各燃焼室２０内への燃料噴射の実施に関し、燃料の噴射量、噴射時期、噴射パターンといったパラメータを設定し、これら設定されたパラメータに基づいて個々の燃料噴射弁１３の開閉弁操作を実行する一連の処理をいう。
【００５３】
ＥＣＵ８０は、このような一連の処理を、エンジン１の運転中所定時間毎に繰り返し行う。燃料の噴射量及び噴射時期は、基本的にはアクセルペダルの踏み込み量ＡＣＣおよびエンジン回転数ＮＥ（クランク角センサのパルス信号に基づいて演算することができるパラメータ）に基づき、予め設定されたマップ（図示略）を参照して決定する。
【００５４】
また、燃料の噴射パターンの設定に関し、ＥＣＵ８０は、圧縮上死点近傍での燃料噴射を主噴射として各気筒について行うことで機関出力を得る他、主噴射に先立つ燃料噴射（以下、パイロット噴射という）を、副噴射として適宜選択された時期、選択された気筒について行う。
【００５５】
〔パイロット噴射〕
ディーゼルエンジンでは一般に、圧縮行程終期において、燃焼室内が燃料の自己着火を誘発する温度に達する。とくにエンジンの運転状態が中高負荷領域にある場合、燃焼に供される燃料が燃焼室内に一括して噴射供給されると、この燃料は騒音を伴い爆発的に燃焼する。パイロット噴射を実行することにより、主噴射に先立って供給された燃料が熱源（或いは種火）となり、その熱源が燃焼室内で徐々に拡大して燃焼に至るようになるため、燃焼室内における燃料の燃焼状態が比較的緩慢となり、しかも着火遅れ時間が短縮されるようになる。このため、機関運転に伴う騒音が軽減され、さらには排気中のＮＯｘ量も低減される。
【００５６】
また、パイロット噴射を伴う燃料噴射の形態を適用すると、消費燃料に対する機関出力は減少する傾向にある。このため、主噴射において要求される燃料噴射量が増大し、排気の温度が上昇する。また、燃焼室２０内において完全に燃焼せず排気系４０に排出される軽質なＨＣやＣＯの量が増大し、これらのＨＣやＣＯがＮＯｘ触媒を介して発熱反応を起こす。すなわち、パイロット噴射を実施することにより、触媒ケーシング４２内のＮＯｘ触媒を昇温させることもできる。
【００５７】
〔ＥＧＲ制御の概要〕
ＥＣＵ８０は、各種センサの検出信号から把握されるエンジン１の運転状態に基づきＥＧＲ制御を実施する。本実施の形態においてＥＧＲ制御とは、ＥＧＲ通路に設けられた電子制御式の開閉弁（ＥＧＲ弁）６１を操作して、ＥＧＲ通路を通過するガスの流量、言い換えれば排気系４０から吸気系３０に還流される排気の流量調整を行う処理をいう。
【００５８】
目標となるＥＧＲ弁６１の開弁量（以下、目標開弁量）は、基本的にはエンジン１の負荷や回転数等の運転状態に基づき、予め設定されたマップ（図示略）を参照して決定される。ＥＣＵ８０は、この目標開弁量をエンジン１の運転中所定時間毎に更新し、逐次、ＥＧＲ弁６１の実際の開弁量が更新された目標開弁量に合致するよう同ＥＧＲ弁６１の駆動回路に指令信号を出力する。
【００５９】
〔ＥＧＲ制御に基づく低温燃焼〕
こうした一連の処理により排気の一部が吸気系３０に還流されると、その還流量（ＥＧＲガスの流量）に応じ機関燃焼に供される混合気中の不活性ガス成分が増量することになる。排気還流量（混合気中の不活性ガス成分量）を増大させていくと、ある限界値を越えたところから排気中に発生する煤の量が急増しはじめ、排気還流量がある値に達したところで煤の発生量は最大となる。この煤の発生量の最大値に対応する値を上回る領域で排気還流量をさらに増大させると、煤の発生量は逆に抑制されるようになる。このように、この煤の発生量の最大値に対応する値を上回る領域で排気還流を行う燃焼方式を低温燃焼という。なお、この煤の発生量の最大値に対応する値を上回る領域とは、エンジン１の運転状態にもよるが、例えばＥＧＲ率（排気還流量／（排気還流量＋吸入空気の流量））が概ね５５％を上回る領域に相当する。
【００６０】
低温燃焼を実施することで、排気中に煤がほとんど発生しなくなる他、エンジン１の燃焼温度が低下し、排気中のＮＯｘ量も低減されるようになる。
【００６１】
また、低温燃焼の実施に伴い排気中の未燃ＨＣ（還元成分）が増量することになるため、結果として、還元剤として機能する軽質なＨＣが排気系４０に添加され排気中の還元成分濃度を高めることとなる。すなわち、ＥＧＲ制御（低温燃焼）の実施によっても、ポスト噴射と同様、ＮＯｘ触媒の床温を上昇させる効果を得ることもできる。エンジン１では、低温燃焼による機関運転を行う第１の燃焼モードと、通常の燃焼状態（ＥＧＲ率が「０％」、若しくは比較的低い状態での燃焼状態）で機関運転を行う第２の燃焼モードとが、ＥＣＵ８０の指令信号に基づき選択的に切り換えられる。
【００６２】
〔低温燃焼実施時の燃焼安定化制御〕
低温燃焼の実施中には、機関燃焼に供される混合気に、吸気系３０を通じて大量のＥＧＲガスが混入されることとなるため、エンジン１の燃焼状態が不安定になりやすい。従って、低温燃焼を行いつつエンジン１の燃焼状態の安定性を保証するには、エンジン１の運転状態（ＥＧＲガスの物理的・化学的特性を含む）に応じて最適なＥＧＲ率を確保することができるような緻密且つ応答性の高い運転制御が要求される。
【００６３】
ここで、吸入空気に混入されるＥＧＲガスの割合すなわちＥＧＲ率は、ＥＧＲ弁６１の開度のみならず、吸入空気の量や、排気系内を流れる排気の量等、複数の要因に影響を受ける物理量であり、しかも、これを定量的に把握することは非常に難しい。
【００６４】
また、ＥＧＲガス自体の物理的な特性（例えば温度や密度）や化学的な特性（例えば未燃ＨＣ成分含量）も、その時々の排気特性によって異なるものとなる。とくにＥＧＲ通路には、ＥＧＲガスを冷却するための冷却装置（ＥＧＲクーラ）がその通路途中に、ＥＧＲガス中の未燃ＨＣ成分等を分解するための酸化触媒が同じくその通路途中であってＥＧＲクーラ上流に設けられることが多い。このため、ＥＧＲクーラによるＥＧＲガスの冷却効率や、酸化触媒による未燃ＨＣの分解効率が変動することで、ＥＧＲ通路の出口におけるＥＧＲガスの温度特性や成分も変動することになる。
【００６５】
吸入空気に混入されるＥＧＲガスの割合の変化や、ＥＧＲガス自体の特性の変化は、機関燃焼に供される混合気の特性に対し個々に作用し、エンジン１の燃焼状態に不測の変化をもたらすことになる。
【００６６】
そこで、エンジン１のＥＣＵ８０は、低温燃焼の実施中、燃焼状態の不安定を反映するパラメータとして、エンジン回転数ＮＥの変動等が検知された場合、（１）先ず、低温燃焼の実施を継続した状態で、ＥＧＲ率やＥＧＲガスの特性に顕著な影響を及ぼさない運転条件（例えば燃料噴射時期）を操作することにより、燃焼状態の安定化を試みる。（２）そして、そのような運転条件の操作によっては燃焼状態の不安定が解消されない場合には、低温燃焼の実施に伴うＥＧＲガスの特性の変動に起因してエンジン１の燃焼状態が不安定になっていることを確認し、それが確認された場合にはＥＧＲガスの特性を安定させる処理を実行する。このような処理手順に従い、ＥＣＵ８０は、低温燃焼の実施に伴って発生する燃焼状態の不安定を、効率的且つ確実に解消する制御（燃焼安定化制御）を実行する。
【００６７】
〔燃焼安定化制御の具体的な実行手順〕
以下、本実施の形態にかかる燃焼安定化制御について、ＥＣＵ８０による具体的な実行手順を説明する。
【００６８】
図２は、燃焼安定化制御の実行手順（ルーチン）を示すフローチャートである。本ルーチンは、エンジン１の運転中ＥＣＵ８０を通じて所定時間毎に実行される。
【００６９】
本ルーチンに処理が移行すると、ＥＣＵ８０は先ずステップＳ１０１において、エンジン１が現在、低温燃焼を実施しているか否かを判断し、その判断が肯定ある場合にのみ続くステップＳ１０２に移行する。一方、その判断が否定である場合（低温燃焼が実施されていない場合）には本ルーチンを一旦抜ける。
【００７０】
ステップＳ１０２においては、エンジン１の運転状態に回転変動（トルク変動）が発生しているか否かを判断する。回転変動の発生の有無は、例えば、現在に至るエンジン回転数ＮＥの変動の履歴に基づいて判断すればよい。例えば、過去数十ミリ秒の間に、エンジン回転数ＮＥの変動幅が所定回数以上、所定値を上回った場合、回転変動が発生していると判断すればよい。同ステップＳ１０２における判断が肯定である場合、低温燃焼の実施に起因してエンジン１の回転変動が発生していると推定し、ＥＣＵ８０は処理をステップＳ１０３に移行する。一方、同ステップＳ１０２における判断が否定である場合、ＥＣＵ８０は本ルーチンを一旦抜ける。
【００７１】
ステップＳ１０３においては、低温燃焼の実施の有無とは直接関わらない運転条件を操作（補正）することにより、回転変動の抑制を試みる。例えば、主噴射の燃料噴射時期を進角させる制御を行う。また、燃焼が遅くなっていると判断される気筒の燃料噴射時期を進角させ、燃焼が速くなっていると判断される気筒の燃料噴射時期を遅角させる制御を行う。さらに、スロットル弁３２の開度と燃料噴射量との少なくとも一方を調整することにより、機関燃焼に供される混合気の空燃比Ａ／Ｆを高くする（リーンにする）制御を行ってもよい。
【００７２】
続くステップＳ１０４においては、上記ステップＳ１０３における処理を行った結果、エンジン１の回転変動が解消したか（若しくは減少したか）否かを判断する。そしてその判断が肯定である場合、ＥＣＵ８０は低温燃焼の実施継続を許容したままで（ステップＳ１０５）、本ルーチンを一旦抜ける。
【００７３】
一方、上記ステップＳ１０４における判断が否定である場合、ＥＧＲガスの特性が変動することに起因してエンジン１の回転が不安定になっていると判断し、ステップＳ１０６に移行し以下の処理を行う。
【００７４】
排気系４０からＥＧＲ通路６０に導入された排気の一部（ＥＧＲガス）は、通路上流に設けられたＥＧＲ触媒６３による浄化処理（未燃ＨＣ成分等の酸化分解）と、通路下流に設けられたＥＧＲクーラ６２による冷却処理とを経た後、吸気系３０内に還流される。ここで、ＥＧＲ通路６０に導入される排気の温度や未燃ＨＣ成分の含有量が変動すること等に起因してＥＧＲ触媒６３の温度が変動すると、ＥＧＲ触媒６３の触媒機能も変動することになり、ＥＧＲクーラ６２に流入するガスの温度や成分が変動するようになる。ＥＧＲクーラ６２の冷却機能が一定であれば、このようなＥＧＲクーラ６２上流におけるガスの温度や成分の変動は、吸気系３０に還流されるＥＧＲガスの特性（温度や未燃ＨＣ成分の含有量）に直接影響を与えることになる。
【００７５】
ステップＳ１０６では、ＥＧＲガスの特性の変動に起因して発生するエンジン１の回転変動を、とくにＥＧＲクーラ６２上流におけるガスの温度の変動を通じて識別し、これに対応した適切な処理を行うことにより、そのようなエンジン１の回転変動を確実に解消する。
【００７６】
すなわち、同ステップＳ１０６に処理が移行すると、ＥＣＵ８０は先ず、低温燃焼の実施を開始してから現在に至るまでのＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲの履歴を把握する。
【００７７】
低温燃焼の実施中、ＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが急激に上昇すると、ＥＧＲ触媒の発熱量も急激に増大するようになるため、吸気系３０内に混入するＥＧＲガスの温度が急変する（急激に上昇する）。これが原因でエンジン１の回転変動（燃焼状態の不安定）が発生している可能性が高い。そこでＥＣＵ８０は、低温燃焼の実施に伴いＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが上昇し、且つ、現時点で所定の基準値を上回っていると判断（判別）した場合には、ＥＧＲ弁６１の開度を絞ることにより低温燃焼の実行を一時的に中断する。そして、ＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが所定値を下回った時点で低温燃焼の実施を再開する。低温燃焼を再開した後、再びＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが上昇して所定の基準値を上回った場合には、低温燃焼を再度中断する。
【００７８】
ＥＣＵ８０は、上記手順（低温燃焼の中断及び再開）を繰り返し、低温燃焼を再開してもＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが上昇して所定の基準値を上回らなくなったことを確認した上で、本ルーチンを一旦を抜ける。
【００７９】
なお、上記ルーチンでは、ステップＳ１０６に処理が移行した場合において、「低温燃焼の実施に伴いＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが上昇し、且つ、現時点で所定の基準値を上回っている」と判断（判別）した上で、低温燃焼の実行及び再開を繰り返す処理を行うといった説明をしたが、この一連の判別及び処理は、ステップＳ１０６における処理内容の一例である。
【００８０】
これに限らず、例えば同ステップＳ１０６において、「低温燃焼の実施に伴いＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが下降し、且つ、現時点で所定の基準値を下回っている」場合には、低温燃焼の実行及び再開といった手順を、低温燃焼を再開してもＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが下降して所定の基準値を下回らなくなくなるまで繰り返すようにしてもよい。ちなみに、低温燃焼の実施中、ＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが急激に下降すると、ＥＧＲ触媒の活性状態を低下させ、多量の未燃ＨＣ成分を含んだＥＧＲガスが吸気系３０内に混入することにより、ＥＧＲクーラ６２及びＥＧＲ弁６１が詰まる可能性が高い。
【００８１】
また、同ステップＳ１０６において、「低温燃焼の実施に伴いＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが上昇し、且つ、現時点で所定の基準値を上回っている」といった条件、或いは「低温燃焼の実施に伴いＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが下降し、且つ、現時点で所定の基準値を下回っている」といった条件は成立しないとＥＣＵ８０が判断した場合、「ＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲは正常な値を維持しているにも関わらず、低温燃焼の実施に起因してエンジン１の回転（燃焼状態）が不安定になっている」との判別（認識）の下、警告灯の点灯等を通じてその旨をエンジン１の運転者に通知したり、低温燃焼の実施を禁止する処理を行うこととしてもよい。
【００８２】
以上説明したように、本実施の形態にかかるエンジン１によれば、低温燃焼の実施中、機関の燃焼状態が不安定になった場合に、排気特性の向上や排気浄化用触媒の昇温効果を得るために好適な低温燃焼を極力継続するといった観点と、燃焼状態を不安定にさせている要因を把握し、当該要因に対応する的確な処置を行うといった観点から、効率的且つ緻密な燃焼安定化制御が行われる。この結果、低温燃焼の実施機会が拡大され、しかも、低温燃焼の実施中における燃焼状態の安定性も向上することになる。
【００８３】
なお、図２のルーチンにおけるステップＳ１０６における処理内容は、低温燃焼の実施中、エンジン１の回転変動が生じた場合に行う処理として、単独でも採用され得る。
【００８４】
すなわち、低温燃焼の実施中、エンジン１の回転変動が生じたときには、低温燃焼の実施を開始してから現在に至るまでのＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲの履歴を直ちに把握し、「低温燃焼の実施に伴いＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが上昇し、且つ、現時点で所定の基準値を上回っている」場合、或いは「低温燃焼の実施に伴いＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが下降し、且つ、現時点で所定の基準値を下回っている」場合には、低温燃焼の実行及び再開を繰り返すといった制御構造を適用しても、上記実施の形態に準ずる効果を奏することはできる。
【００８５】
また、本実施の形態では、エンジン回転数ＮＥの履歴（変動）を基に、燃焼状態の不安定や出力変動を検知する構成を適用した。これに限らず、例えばエンジン１の各燃焼室２０に、各燃焼室内の圧力（燃焼圧力）を検出する燃圧センサを設け、燃焼圧力の履歴を基に燃焼状態の不安定や出力変動を検知する構成を適用してもよい。
【００８６】
また、ＥＧＲ通路６２に触媒（ＥＧＲ触媒ケーシング６３）やＥＧＲクーラ６２を有しないエンジンシステムに対して上記ルーチン（図２）と同様の制御構造を適用しても、本実施の形態に準ずる効果を奏することはできる。
【００８７】
〔他の実施の形態〕
上記実施の形態にかかるエンジン１は、低温燃焼の実施中、エンジン回転数ＮＥ等の変動として燃焼状態の不安定が検知された場合、その不安定を、効率的且つ確実に解消する機能を備えたものであった。ところで、エンジン１も含めて一般に、複数の燃焼室（気筒）を備えた内燃機関では、各気筒の圧縮比や、ＥＧＲ通路や吸気系を介して各気筒に導入されるＥＧＲガスの分配量が、気筒相互間で異なる。ハードウエア構造に関係するこのような気筒間ばらつきは、低温燃焼時における燃焼状態の不安定を助長することになるばかりでなく、燃焼状態の不安定を解消する制御を行う場合には、当該制御の緻密性を低下させることになる。そこで、例えば燃料噴射時期や燃料噴射量等、低温燃焼の実施中におけるエンジン１の燃焼状態に関連し、且つ気筒毎に独立して操作することが可能なパラメータの補正量として、上記気筒間ばらつきを反映した数値をＥＣＵ８０に記憶させておいてもよい。
【００８８】
例えば、相対的に圧縮比が低い気筒や、導入されるＥＧＲガスの分配量が相対的に多い気筒は、その燃焼状態が不安定になり易いため、主噴射にかかる燃料噴射時期を予め進角させておいたり、燃料噴射量をトルクが出るように制御（補正）する。あるいは、相対的に圧縮比が高い気筒や、導入されるＥＧＲガスの分配量が相対的に少ない気筒は、その燃焼状態が不安定になり難いため、主噴射にかかる燃料噴射時期を予め遅角させておいたり、燃料噴射量をトルクが出難くなるように制御（補正）すればよい。
【００８９】
このような補正量を予め設定おくことにより、低温燃焼時における燃焼状態の安定性が向上し、さらに、上述したような燃焼安定化制御を実施するにあたっては、当該制御の緻密性や信頼性が一層向上するようになる。
【００９０】
【発明の効果】
以上説明したように、第１の発明によれば、排気特性の向上に貢献する一方、燃焼状態の不安定を招来し易い第１の燃焼モードが実行される際、当該機関の燃焼状態が不安定になった場合、効率的且つ確実に燃焼状態の安定化が図られるようになる。
【００９１】
また、燃焼状態を不安定にさせている要因を把握し、当該要因に対応する的確な処置を行うといった観点から、効率的且つ緻密な制御が行われ、低温燃焼の実施中における燃焼状態の安定性が向上することになる。
【００９２】
また第２の発明によれば、排気特性の向上や排気浄化用触媒の昇温効果を得るために好適な第１の燃焼モードを極力継続するといった観点から効率的な制御が行われ、第１の燃焼モードの実施機会が拡大されるようになる。
【００９３】
また第３の発明によっても、排気特性の向上や排気浄化用触媒の昇温効果を得るために好適な第１の燃焼モードを極力継続するといった観点から効率的な制御が行われ、第１の燃焼モードの実施機会が拡大されるようになる。
【００９４】
また第４の発明によれば、上記所定領域において煤の発生量が著しく減少させる燃焼形態を適用する上で、当該機関の燃焼状態の安定性を向上させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態にかかるディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図。
【図２】 低温燃焼時における燃焼安定化制御の実行手順を示すフローチャート。
【図３】 排気還流装置を備えたディーゼルエンジンについて、排気還流量と、同エンジンから発生する煤の量との関係を示すグラフの一例。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
１０ 燃料供給系
１１ サプライポンプ
１２ コモンレール
１３ 燃料噴射弁
２０ 燃焼室
３０ 吸気系
３１ インタークーラ
３２ スロットル弁
４０ 排気系
４２ 触媒ケーシング
５０ ターボチャージャ
５１ シャフト
５２ タービンホイール
５３ コンプレッサホイール
６０ ＥＧＲ通路
６１ ＥＧＲ弁（調整手段）
６２ ＥＧＲクーラ
６３ ＥＧＲ触媒ケーシング
７０ レール圧センサ
７２ エアフロメータ
７３ａ，７３ｂ 空燃比（Ａ／Ｆ）センサ
７４ 排気温センサ
７５ ＮＯｘセンサ
７６ アクセルポジションセンサ
７７ クランク角センサ
７８ 温度センサ（温度検出手段）
８０ 電子制御装置（ＥＣＵ：切換手段、判断手段、処理手段等を構成）
Ｐ１ 機関燃料通路
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に関し、とくに、燃焼に供される混合気中の不活性ガス量の制御を通じ排気特性や燃焼状態の最適化を図る機能を備えた内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関から排出された排気の一部を当該機関の吸気系に還流させる排気還流装置（ＥＧＲ装置：Exhaust Gas Recirculation System）が知られている。この種の装置は一般に、内燃機関の排気系（排気通路）から吸気系（吸気通路）へ排気の一部を還流させるための排気還流通路（ＥＧＲ通路）と、当該ＥＧＲ通路の通路途中に設けられた開閉弁（ＥＧＲ弁）とを備えて構成され、電子制御装置等の指令信号を通じてこのＥＧＲ弁を駆動することにより、吸気系に還流される排気（ＥＧＲガス）の流量（以下、排気還流量という）を制御する。排気中にはＨ2Ｏ，ＣＯ2，Ｎ2等といった不活性成分が多く含まれているため、排気還流が行われると機関燃焼に供される混合気（吸入空気）にこれら不活性成分が混入し、燃焼温度が低下し機関燃焼に伴う窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成量が低減する。すなわち、排気中におけるＮＯｘ量の低減が図られるようになる。
【０００３】
一方、ディーゼルエンジンのように、広い運転領域において高い空燃比（リーン雰囲気）の混合気を燃焼に供して機関運転を行う内燃機関では、混合気に含まれる空気の比率が大きい為、排気の温度が低下しやすい。排気の温度が低下すると、排気系に設けられた排気浄化用触媒の活性状態を保持することができなくなるため、排気特性の低下を招くといった問題がある。
【０００４】
ここで、ＥＧＲ装置を活用して排気還流量を増大させれば、機関燃焼に供される混合気中の不活性成分が多くなり、排気中の未燃燃料成分（ＨＣ）が増大する。この未燃燃料成分は排気浄化用触媒と反応することによって発熱するため、排気浄化用触媒の温度は上昇する。すなわち、排気還流量の調整を通じて排気浄化用触媒の温度を最適値に制御することができる。
【０００５】
ところが、排気還流量を増大させていくと、ある限界値を越えたところから排気中に発生する煤の量が急増しはじめる。このため、排気還流を行うに際しては、排気還流量がこの限界値を上回らないようにＥＧＲガスの流量を制限すべきであると考えられていた。
【０００６】
しかしながら、ディーゼルエンジンの燃焼に関する近年の研究によれば、排気還流量が上述の限界値を越えてさらに増大した場合、排気還流量の増大に伴い煤の発生量もあるところまでは増大するものの、極大に達した後は逆に減少することが判明した。図３は、ＥＧＲ装置を備えたディーゼルエンジンについて、排気還流量と、同エンジンから発生する煤の量との関係を示すグラフの一例である。同図３において、排気還流量（機関燃焼に供される混合気中の不活性ガス量）の増大とともに機関燃焼に伴う煤の発生量も増大して一旦は極大値Ｐに達するが、排気還流量が煤の発生量の極大値Ｐに対応する値から更に増大すると、所定領域ＡＲにおいて煤の発生量が著しく減少することがわかる。煤は、燃料の主成分である炭化水素が燃焼過程で成長することによって形成されるが、燃焼時における燃料及びその周囲の温度がある程度以下になると、その成長が停止する。排気還流量の増大に伴い燃焼温度は低下していくため、排気還流量がある程度以上になると、煤の発生が抑制されるようになるのである。
【０００７】
すなわち、排気還流量を、煤の発生量を最大にする値をさらに上回る領域で調整するといった制御方式を採用すれば、煤の発生を抑制しつつ、排気中におけるＮＯｘ量の低減や、排気浄化用触媒の温度制御を併せ行うことができる（例えば特開２０００−１１０６６９号公報に記載の内燃機関）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、煤の発生量を最大にする値を上回るような領域で排気還流量を調整するということは、吸入空気に大量のＥＧＲガスが混入される条件下で機関の運転状態を制御することに他ならない。
【０００９】
ここで、吸入空気に混入されるＥＧＲガスの割合は、ＥＧＲ弁の開度のみならず、吸入空気の量や、排気系内を流れる排気の量等、複数の要因に影響を受ける。
【００１０】
また、ＥＧＲガス自体の特性も、その時々の排気特性によって異なるものとなる。とくにＥＧＲ通路には、ＥＧＲガスを冷却するための冷却装置（ＥＧＲクーラ）がその通路途中に、ＥＧＲガス中の未燃ＨＣ成分等を分解するための酸化触媒がＥＧＲクーラ上流に設けられることが多い。このため、ＥＧＲクーラによるＥＧＲガスの冷却効率や、酸化触媒による未燃ＨＣの分解効率が変動することで、ＥＧＲ通路の出口におけるＥＧＲガスの温度特性や成分も変動することになる。
【００１１】
吸入空気に混入されるＥＧＲガスの割合の変化や、ＥＧＲガス自体の特性の変化は、機関燃焼に供される混合気の特性に対して個々に作用し、当該内燃機関の燃焼状態に不測の変化をもたらすことになる。
【００１２】
このため、上述したような制御方式、すなわち排気還流量が煤の発生量を最大にする値を上回るような領域で、排気還流量を調整する制御方式を採用するにあたり、安定した機関出力を得ることが困難となっていた。
【００１３】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、機関燃焼に供される混合気中の不活性ガス量が、煤の発生量を最大にする値を上回るような条件下で、当該ガス量を調整して排気特性の最適化を図る制御方式を採用する内燃機関において、そのような条件下であれ機関出力の安定性を十分に確保することのできる内燃機関を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明は、機関燃焼に供される混合気中の不活性ガス量の増大とともに該機関燃焼に伴う煤の発生量が増大して極大値に達し、且つ、前記不活性ガス量が前記煤の発生量の極大値に対応する値から更に増大すると、所定領域において煤の発生量が著しく減少する特性を備えた内燃機関であり、当該機関の燃焼モードを、前記不活性ガス量との関係において前記煤の発生量が著しく減少する領域で実行される第１の燃焼モードと、前記不活性ガス量が前記煤の発生量の極大値に対応する値よりも少ない領域で実行される第２の燃焼モードとの間で択一的な切換を行う切換手段を備えた内燃機関において、前記第１の燃焼モードが実行されている場合に、当該機関の燃焼状態が安定しているか否かを判断する判断手段と、前記判断手段により当該機関の燃焼状態が安定していない旨の判断がなされた場合に、その要因を複数の要因中から判別し、該判別された要因に応じた処理を行う処理手段と、を備えることを要旨とする。
【００１５】
ここで、前記判断手段は、例えば当該機関の回転数の変動や、当該機関の燃焼室内における圧力変化に基づいて、当該機関の燃焼状態が安定しているか否かを判断するのが好ましい。
【００１６】
同構成によれば、排気特性の向上に貢献する一方、燃焼状態の不安定を招来し易い第１の燃焼モードが実行される際、当該機関の燃焼状態が不安定になった場合、効率的且つ確実に燃焼状態の安定化が図られるようになる。
【００１７】
また、上記構成からなる内燃機関は、当該機関の排気系から吸気系に排気を還流させる排気還流通路と、該排気還流通路内を還流する排気の流量を変更して前記吸気系内の不活性ガス量を調整する調整手段と、前記排気還流通路に流入する排気の温度を検出する温度検出手段と、を有し、前記切換手段は、前記調整手段の制御を通じて前記燃焼モードの切換を行うともに、前記処理手段は、前記検出される温度が所定値を上回っているときに当該機関の燃焼状態が安定していない旨の判断がなされた場合、その要因が前記排気還流通路を通じて還流する排気の性状にあるとして、前記切換手段により当該機関の燃焼モードを前記第２の燃焼モードに切り換えさせるのが好ましい。
【００１８】
同構成によれば、燃焼状態を不安定にさせている要因を把握し、当該要因に対応する的確な処置を行うといった観点から、効率的且つ緻密な制御が行われ、第１の燃焼モードの実施中における燃焼状態の安定性が向上することになる。
【００１９】
とくに、前記排気還流通路の通路途中には、同通路内を還流する排気を浄化する触媒（例えば酸化触媒）を備え、且つ、前記温度検出手段を当該触媒の下流に備える構成とすれば、前記還流通路に流入する排気の温度変化に起因する当該触媒の温度変化、触媒効率の変化、ひいては当該触媒の下流に流出して吸気系に導入されるガスの特性変化が、上記燃焼モードを切り換える判断に反映されることになり、上記制御の緻密性は一層向上するようになる。
【００２０】
第２の発明は、機関燃焼に供される混合気中の不活性ガス量の増大とともに該機関燃焼に伴う煤の発生量が増大して極大値に達し、且つ、前記不活性ガス量が前記煤の発生量の極大値に対応する値から更に増大すると、所定領域において煤の発生量が著しく減少する特性を備えた内燃機関であり、当該機関の燃焼モードを、前記不活性ガス量との関係において前記煤の発生量が著しく減少する領域で実行される第１の燃焼モードと、前記不活性ガス量が前記煤の発生量の極大値に対応する値よりも少ない領域で実行される第２の燃焼モードとの間で択一的な切換を行う切換手段を備えた内燃機関において、前記第１の燃焼モードが実行されている場合に、当該機関の燃焼状態が安定しているか否かを判断する判断手段と、当該機関の排気系から吸気系に排気を還流させる排気還流通路と、該排気還流通路内を還流する排気の流量を変更して前記吸気系内の不活性ガス量を調整する調整手段と、前記排気還流通路に流入する排気の温度を検出する温度検出手段と、を有し、前記切換手段は、前記調整手段の制御を通じて前記燃焼モードの切換を行うともに、前記検出される温度が所定値を上回っているときに当該機関の燃焼状態が安定していない旨の判断がなされた場合、当該機関の燃焼モードを前記第２の燃焼モードに切り換えることを要旨とする。
【００２１】
ここで、「混合気中の空気量を増大させる」とは、絶対量を増大させる意味に限らず、混合気中の他成分に対する相対量（例えば空燃比）を増大させることをも意味する。
【００２２】
同構成によれば、燃焼状態の不安定が軽微なものである場合、第１の燃焼モードを継続したまま、速やかに機関燃焼の安定化を図ることができる。このため、排気特性の向上や排気浄化用触媒の昇温効果を得るために好適な第１の燃焼モードを極力継続するといった観点から効率的な制御が行われ、第１の燃焼モードの実施機会が拡大されるようになる。
【００２３】
第３の発明は、機関燃焼に供される混合気中の不活性ガス量の増大とともに該機関燃焼に伴う煤の発生量が増大して極大値に達し、且つ、前記不活性ガス量が前記煤の発生量の極大値に対応する値から更に増大すると、所定領域において煤の発生量が著しく減少する特性を備えた内燃機関であり、当該機関の燃焼モードを、前記不活性ガス量との関係において前記煤の発生量が著しく減少する領域で実行される第１の燃焼モードと、前記不活性ガス量が前記煤の発生量の極大値に対応する値よりも少ない領域で実行される第２の燃焼モードとの間で択一的な切換を行う切換手段を備えた内燃機関において、前記第１の燃焼モードが実行されている場合に、当該機関の燃焼状態が安定しているか否かを判断する判断手段と、当該機関の排気系から吸気系に排気を還流させる排気還流通路と、該排気還流通路内を還流する排気の流量を変更して前記吸気系内の不活性ガス量を調整する調整手段と、前記排気還流通路に流入する排気の温度を検出する温度検出手段と、を有し、前記切換手段は、前記検出される温度が所定値以下であるときに当該機関の燃焼状態が安定していない旨の判断がなされた場合、当該機関の燃焼モードは前記第１の燃焼モードに保持した状態で、当該機関の燃焼に供される燃料が噴射供給される時期を進角する制御、及び当該期間の燃焼に供される混合気中の空気量を増量させる制御のうち、少なくとも一方を実行することを要旨とする。
【００２４】
同構成によっても、燃焼状態の不安定が軽微なものである場合、第１の燃焼モードを継続したまま、速やかに機関燃焼の安定化を図ることができる。このため、排気特性の向上や排気浄化用触媒の昇温効果を得るために好適な第１の燃焼モードを極力継続するといった観点から効率的な制御が行われ、第１の燃焼モードの実施機会が拡大されるようになる。
【００２５】
第４の発明は、機関燃焼に供される混合気中の不活性ガス量の増大とともに該機関燃焼に伴う煤の発生量が増大して極大値に達し、且つ、前記不活性ガス量が前記煤の発生量の極大値に対応する値から更に増大すると、所定領域において煤の発生量が著しく減少する特性を備えた多気筒の内燃機関であって、各気筒の圧縮比に応じて設定されるパラメータに基づき気筒毎に機関燃焼の状態を制御する制御手段を備えることを要旨とする。
【００２６】
同構成によれば、上記所定領域において煤の発生量が著しく減少させる燃焼形態を適用する上で、当該機関の燃焼状態の安定性を向上させることができるようになる。
【００２７】
なお、上記の各構成は、可能な限り組み合わせることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置を、ディーゼルエンジンシステムに適用した一実施の形態について説明する。
【００２９】
〔エンジンシステムの構造及び機能〕
図１において、内燃機関（以下、エンジンという）１は、燃料供給系１０、燃焼室２０、吸気系３０及び排気系４０等を主要部として構成される直列４気筒のディーゼルエンジンシステムである。
【００３０】
先ず、燃料供給系１０は、サプライポンプ１１、コモンレール１２、燃料噴射弁１３、遮断弁１４、調量弁１６、燃料添加弁１７、機関燃料通路Ｐ１及び添加燃料通路Ｐ２等を備えて構成される。
【００３１】
サプライポンプ１１は、燃料タンク（図示略）から汲み上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１を介してコモンレール１２に供給する。コモンレール１２は、サプライポンプ１１から供給された高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁１３に分配する。燃料噴射弁１３は、その内部に電磁ソレノイド（図示略）を備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室２０内に燃料を噴射供給する。
【００３２】
他方、サプライポンプ１１は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を添加燃料通路Ｐ２を介して燃料添加弁１７に供給する。添加燃料通路Ｐ２には、サプライポンプ１１から燃料添加弁１７に向かって遮断弁１４及び調量弁１６が順次配設されている。遮断弁１４は、緊急時において添加燃料通路Ｐ２を遮断し、燃料供給を停止する。調量弁１６は、燃料添加弁１７に供給する燃料の圧力（燃圧）ＰＧを制御する。燃料添加弁１７は、燃料噴射弁１３と同じくその内部に電磁ソレノイド（図示略）を備えた電磁弁であり、還元剤として機能する燃料を、適宜の量、適宜のタイミングで排気系４０の触媒ケーシング４２上流に添加供給する。
【００３３】
吸気系３０は、各燃焼室２０内に供給される吸入空気の通路（吸気通路）を形成する。一方、排気系４０は、各燃焼室２０から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。
【００３４】
また、このエンジン１には、周知の過給機（ターボチャージャ）５０が設けられている。ターボチャージャ５０は、シャフト５１を介して連結された回転体５２，５３を備える。一方の回転体（タービンホイール）５２は排気系４０内の排気に晒され、他方の回転体（コンプレッサホイール）５３は、吸気系３０内の吸気に晒される。このような構成を有するターボチャージャ５０は、タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサホイール５３を回転させ、吸気圧を高めるといったいわゆる過給を行う。
【００３５】
吸気系３０において、ターボチャージャ５０の下流に設けられたインタークーラ３１は、過給によって昇温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ３１よりもさらに下流に設けられたスロットル弁３２は、その開度を無段階に調節することのできる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を変更し、同吸入空気の供給量（流量）を調整する機能を有する。
【００３６】
吸気系３０のスロット弁３２下流には、インテークマニホールドが設けられている。インテークマニホールド３０ａは４本の分岐管を備える。各分岐管は、エンジン１のシリンダヘッド１ａに各燃焼室２０に対応して設けられた吸気ポート３０ｂに接続される。すなわち、スロットル弁３２を通過した吸入空気は、インテークマニホールド３０ａを通じて分流され、吸気ポート３０ｂから各燃焼室２０へ導入される。
【００３７】
また、エンジン１には、燃焼室２０の吸気系３０と排気系４０とを連通する排気還流通路（ＥＧＲ通路）６０が形成されている。このＥＧＲ通路６０は、排気の一部を適宜吸気系３０に戻す機能を有する。ＥＧＲ通路６０には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気（ＥＧＲガス）の流量（排気還流量）を自在に調整することができるＥＧＲ弁６１と、ＥＧＲ通路６０を通過（還流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ６２が設けられている。また、ＥＧＲ通路６０の通路途中であってＥＧＲクーラ６２の上流部位には、酸化触媒を収容したＥＧＲ触媒ケーシング６３が設けられている。ＥＧＲ触媒ケーシング６３に収容された酸化触媒は、ＥＧＲガスに含まれるＨＣ成分の酸化を促す機能を有する。また、排気系４０において、同排気系４０及びＥＧＲ通路６０の連絡部位の下流には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒及びパティキュレートフィルタを収容した触媒ケーシング４２が設けられている。
【００３８】
また、エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件や、エンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
【００３９】
すなわち、レール圧センサ７０は、コモンレール１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。燃圧センサ７１は、添加燃料通路Ｐ２内を流通する燃料のうち、調量弁１６を介して燃料添加弁１７に導入される燃料の圧力（燃圧）ＰＧに応じた検出信号を出力する。エアフロメータ７２は、吸気系３０内に導入される空気（吸入空気）の流量（吸気量）ＧＮに応じた検出信号を出力する。空燃比（Ａ／Ｆ）センサ７３ａは、排気系４０の触媒ケーシング４２上流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。空燃比（Ａ／Ｆ）センサ７３ｂは、排気系４０の触媒ケーシング４２下流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。排気温センサ７４は、排気系４０において触媒ケーシング４２の排気流入部位に取り付けられ、当該部位における排気の温度（排気温度）ＴＥＸに応じた検出信号を出力する。ＮＯｘセンサ７５は、同じく排気系４０の触媒ケーシング４２下流において排気中のＮＯｘ濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。また、アクセルポジションセンサ７６はアクセルペダル（図示略）に取り付けられ、同ペダルの踏み込み量ＡＣＣに応じた検出信号を出力する。クランク角センサ７７は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。また、ＥＧＲ通路６０の通路途中であってＥＧＲクーラ６２の上流（ＥＧＲ触媒ケーシング６３の下流）部位には、当該部位を通過するＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲに応じた検出信号を出力する温度センサ７８が設けられている。
【００４０】
これら各センサは、電子制御装置（ＥＣＵ）８０と電気的に接続されている。
【００４１】
ＥＣＵ８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）８１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）８２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８３及びバックアップＲＡＭ８４、タイマーカウンタ８５等を備え、これら各部８１〜８５と、Ａ／Ｄ変換器を含む外部入力回路８６と、外部出力回路８７とが双方向性バス８８により接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００４２】
このように構成されたＥＣＵ８０は、上記各種センサの検出信号を外部入力回路を介して入力し、これら信号に基づき燃料噴射弁１３の開閉弁動作に関する制御や、ＥＧＲ弁６１の開度調整、或いはスロットル弁３２の開度調整等、エンジン１の運転状態に関する各種制御を実施する。
【００４３】
なお、ＥＣＵ８０や燃料噴射弁１３をはじめ、ＥＣＵ８０が同弁１３の駆動状態を決定する上で参照するエンジン１の運転状態に関する情報を提供する各種センサは、本実施の形態にかかるエンジン１の燃料噴射制御装置を構成する。
【００４４】
〔触媒ケーシングの構造及び機能〕
次に、以上説明したエンジン１の構成要素のうち、排気系４０に設けられた触媒ケーシング４２について、その構造及び機能を詳しく説明する。
【００４５】
触媒ケーシング４２は、その内部に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＯｘ触媒という）とＮＯｘ触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、フィルタという）とを所定の間隔をおいて直列に収容する。
【００４６】
ＮＯｘ触媒は、例えばコージェライトを主成分とするハニカム形状の構造体（基材）に、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）からなる担体の層が形成されており、この担体の表面上に、ＮＯｘ吸蔵剤として機能する例えばカリウム（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）、或いはイットリウム（Ｙ）のような希土類と、酸化触媒（貴金属触媒）として機能する例えば白金Ｐｔのような貴金属とが担持されることによって構成される。
【００４７】
またフィルタは、互いに平行をなして延びる上流端が開放され下流端が閉ざされた排気流入通路と、上流端が閉ざされ下流端が開放された排気流出通路とを備えるいわゆるウォールフロー型である。そして、両排気通路間に位置する隔壁の表面及び内部に形成された細孔内に、例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、担体層の表面上に前述したＮＯｘ吸蔵剤が担持されている。
【００４８】
ＮＯｘ吸蔵剤は、排気中の酸素濃度が高い状態ではＮＯｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低い状態ではＮＯｘを放出する特性を有する。また、排気中にＮＯｘが放出されたとき、排気中にＨＣやＣＯ等が存在していれば、貴金属触媒がこれらＨＣやＣＯの酸化反応を促すことで、ＮＯｘを酸化成分、ＨＣやＣＯを還元成分とする酸化還元反応が両者間で起こる。すなわち、ＨＣやＣＯはＣＯ2やＨ2Ｏに酸化され、ＮＯｘはＮ2に還元される。
【００４９】
一方、ＮＯｘ吸蔵剤は排気中の酸素濃度が高い状態にあるときでも所定の限界量のＮＯｘを吸蔵すると、それ以上ＮＯｘを吸蔵しなくなる。エンジン１では、触媒ケーシング４２内に収容されたＮＯｘ吸蔵剤のＮＯｘ吸蔵量が限界量に達する前に、燃料添加弁１７を通じて排気通路の触媒ケーシング４２上流に還元剤（本実施の形態では燃料）を添加供給することで、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出および還元浄化し、ＮＯｘ吸蔵剤（ＮＯｘ触媒）のＮＯｘ吸蔵能力を回復させるといった制御を所定のインターバルで繰り返す。
【００５０】
さらに、ＮＯｘ吸蔵剤や貴金属触媒の担体をなすパティキュレートフィルタは、排気中に含まれる煤等の微粒子やＮＯｘ等の有害成分を、以下のメカニズムに基づいて浄化する。
【００５１】
ＮＯｘ触媒が、その構成要素であるＮＯｘ吸蔵剤及び貴金属触媒の協働により、排気中の酸素濃度や還元成分量に応じてＮＯｘの吸蔵、放出及び浄化を繰り返し行うことは上述した通りである。その一方、ＮＯｘ触媒は、このようなＮＯｘの浄化を行う過程で副次的に活性酸素を生成する特性を有する。パティキュレートフィルタを排気が通過する際、その排気中に含まれる煤等の微粒子は構造体（多孔質材料）に捕捉される。ここで、ＮＯｘ触媒の生成する活性酸素は、酸化剤として極めて高い反応性（活性）を有しているため、捕捉された微粒子のうちＮＯｘ触媒の表面や近傍に堆積した微粒子は、この活性酸素と（輝炎を発することなく）速やかに反応し、浄化されることになる。
【００５２】
〔燃料噴射制御の概要〕
ＥＣＵ８０は、各種センサの検出信号から把握されるエンジン１の運転状態に基づき燃料噴射制御を実施する。本実施の形態において燃料噴射制御とは、各燃料噴射弁１３を通じた各燃焼室２０内への燃料噴射の実施に関し、燃料の噴射量、噴射時期、噴射パターンといったパラメータを設定し、これら設定されたパラメータに基づいて個々の燃料噴射弁１３の開閉弁操作を実行する一連の処理をいう。
【００５３】
ＥＣＵ８０は、このような一連の処理を、エンジン１の運転中所定時間毎に繰り返し行う。燃料の噴射量及び噴射時期は、基本的にはアクセルペダルの踏み込み量ＡＣＣおよびエンジン回転数ＮＥ（クランク角センサのパルス信号に基づいて演算することができるパラメータ）に基づき、予め設定されたマップ（図示略）を参照して決定する。
【００５４】
また、燃料の噴射パターンの設定に関し、ＥＣＵ８０は、圧縮上死点近傍での燃料噴射を主噴射として各気筒について行うことで機関出力を得る他、主噴射に先立つ燃料噴射（以下、パイロット噴射という）を、副噴射として適宜選択された時期、選択された気筒について行う。
【００５５】
〔パイロット噴射〕
ディーゼルエンジンでは一般に、圧縮行程終期において、燃焼室内が燃料の自己着火を誘発する温度に達する。とくにエンジンの運転状態が中高負荷領域にある場合、燃焼に供される燃料が燃焼室内に一括して噴射供給されると、この燃料は騒音を伴い爆発的に燃焼する。パイロット噴射を実行することにより、主噴射に先立って供給された燃料が熱源（或いは種火）となり、その熱源が燃焼室内で徐々に拡大して燃焼に至るようになるため、燃焼室内における燃料の燃焼状態が比較的緩慢となり、しかも着火遅れ時間が短縮されるようになる。このため、機関運転に伴う騒音が軽減され、さらには排気中のＮＯｘ量も低減される。
【００５６】
また、パイロット噴射を伴う燃料噴射の形態を適用すると、消費燃料に対する機関出力は減少する傾向にある。このため、主噴射において要求される燃料噴射量が増大し、排気の温度が上昇する。また、燃焼室２０内において完全に燃焼せず排気系４０に排出される軽質なＨＣやＣＯの量が増大し、これらのＨＣやＣＯがＮＯｘ触媒を介して発熱反応を起こす。すなわち、パイロット噴射を実施することにより、触媒ケーシング４２内のＮＯｘ触媒を昇温させることもできる。
【００５７】
〔ＥＧＲ制御の概要〕
ＥＣＵ８０は、各種センサの検出信号から把握されるエンジン１の運転状態に基づきＥＧＲ制御を実施する。本実施の形態においてＥＧＲ制御とは、ＥＧＲ通路に設けられた電子制御式の開閉弁（ＥＧＲ弁）６１を操作して、ＥＧＲ通路を通過するガスの流量、言い換えれば排気系４０から吸気系３０に還流される排気の流量調整を行う処理をいう。
【００５８】
目標となるＥＧＲ弁６１の開弁量（以下、目標開弁量）は、基本的にはエンジン１の負荷や回転数等の運転状態に基づき、予め設定されたマップ（図示略）を参照して決定される。ＥＣＵ８０は、この目標開弁量をエンジン１の運転中所定時間毎に更新し、逐次、ＥＧＲ弁６１の実際の開弁量が更新された目標開弁量に合致するよう同ＥＧＲ弁６１の駆動回路に指令信号を出力する。
【００５９】
〔ＥＧＲ制御に基づく低温燃焼〕
こうした一連の処理により排気の一部が吸気系３０に還流されると、その還流量（ＥＧＲガスの流量）に応じ機関燃焼に供される混合気中の不活性ガス成分が増量することになる。排気還流量（混合気中の不活性ガス成分量）を増大させていくと、ある限界値を越えたところから排気中に発生する煤の量が急増しはじめ、排気還流量がある値に達したところで煤の発生量は最大となる。この煤の発生量の最大値に対応する値を上回る領域で排気還流量をさらに増大させると、煤の発生量は逆に抑制されるようになる。このように、この煤の発生量の最大値に対応する値を上回る領域で排気還流を行う燃焼方式を低温燃焼という。なお、この煤の発生量の最大値に対応する値を上回る領域とは、エンジン１の運転状態にもよるが、例えばＥＧＲ率（排気還流量／（排気還流量＋吸入空気の流量））が概ね５５％を上回る領域に相当する。
【００６０】
低温燃焼を実施することで、排気中に煤がほとんど発生しなくなる他、エンジン１の燃焼温度が低下し、排気中のＮＯｘ量も低減されるようになる。
【００６１】
また、低温燃焼の実施に伴い排気中の未燃ＨＣ（還元成分）が増量することになるため、結果として、還元剤として機能する軽質なＨＣが排気系４０に添加され排気中の還元成分濃度を高めることとなる。すなわち、ＥＧＲ制御（低温燃焼）の実施によっても、ポスト噴射と同様、ＮＯｘ触媒の床温を上昇させる効果を得ることもできる。エンジン１では、低温燃焼による機関運転を行う第１の燃焼モードと、通常の燃焼状態（ＥＧＲ率が「０％」、若しくは比較的低い状態での燃焼状態）で機関運転を行う第２の燃焼モードとが、ＥＣＵ８０の指令信号に基づき選択的に切り換えられる。
【００６２】
〔低温燃焼実施時の燃焼安定化制御〕
低温燃焼の実施中には、機関燃焼に供される混合気に、吸気系３０を通じて大量のＥＧＲガスが混入されることとなるため、エンジン１の燃焼状態が不安定になりやすい。従って、低温燃焼を行いつつエンジン１の燃焼状態の安定性を保証するには、エンジン１の運転状態（ＥＧＲガスの物理的・化学的特性を含む）に応じて最適なＥＧＲ率を確保することができるような緻密且つ応答性の高い運転制御が要求される。
【００６３】
ここで、吸入空気に混入されるＥＧＲガスの割合すなわちＥＧＲ率は、ＥＧＲ弁６１の開度のみならず、吸入空気の量や、排気系内を流れる排気の量等、複数の要因に影響を受ける物理量であり、しかも、これを定量的に把握することは非常に難しい。
【００６４】
また、ＥＧＲガス自体の物理的な特性（例えば温度や密度）や化学的な特性（例えば未燃ＨＣ成分含量）も、その時々の排気特性によって異なるものとなる。とくにＥＧＲ通路には、ＥＧＲガスを冷却するための冷却装置（ＥＧＲクーラ）がその通路途中に、ＥＧＲガス中の未燃ＨＣ成分等を分解するための酸化触媒が同じくその通路途中であってＥＧＲクーラ上流に設けられることが多い。このため、ＥＧＲクーラによるＥＧＲガスの冷却効率や、酸化触媒による未燃ＨＣの分解効率が変動することで、ＥＧＲ通路の出口におけるＥＧＲガスの温度特性や成分も変動することになる。
【００６５】
吸入空気に混入されるＥＧＲガスの割合の変化や、ＥＧＲガス自体の特性の変化は、機関燃焼に供される混合気の特性に対し個々に作用し、エンジン１の燃焼状態に不測の変化をもたらすことになる。
【００６６】
そこで、エンジン１のＥＣＵ８０は、低温燃焼の実施中、燃焼状態の不安定を反映するパラメータとして、エンジン回転数ＮＥの変動等が検知された場合、（１）先ず、低温燃焼の実施を継続した状態で、ＥＧＲ率やＥＧＲガスの特性に顕著な影響を及ぼさない運転条件（例えば燃料噴射時期）を操作することにより、燃焼状態の安定化を試みる。（２）そして、そのような運転条件の操作によっては燃焼状態の不安定が解消されない場合には、低温燃焼の実施に伴うＥＧＲガスの特性の変動に起因してエンジン１の燃焼状態が不安定になっていることを確認し、それが確認された場合にはＥＧＲガスの特性を安定させる処理を実行する。このような処理手順に従い、ＥＣＵ８０は、低温燃焼の実施に伴って発生する燃焼状態の不安定を、効率的且つ確実に解消する制御（燃焼安定化制御）を実行する。
【００６７】
〔燃焼安定化制御の具体的な実行手順〕
以下、本実施の形態にかかる燃焼安定化制御について、ＥＣＵ８０による具体的な実行手順を説明する。
【００６８】
図２は、燃焼安定化制御の実行手順（ルーチン）を示すフローチャートである。本ルーチンは、エンジン１の運転中ＥＣＵ８０を通じて所定時間毎に実行される。
【００６９】
本ルーチンに処理が移行すると、ＥＣＵ８０は先ずステップＳ１０１において、エンジン１が現在、低温燃焼を実施しているか否かを判断し、その判断が肯定ある場合にのみ続くステップＳ１０２に移行する。一方、その判断が否定である場合（低温燃焼が実施されていない場合）には本ルーチンを一旦抜ける。
【００７０】
ステップＳ１０２においては、エンジン１の運転状態に回転変動（トルク変動）が発生しているか否かを判断する。回転変動の発生の有無は、例えば、現在に至るエンジン回転数ＮＥの変動の履歴に基づいて判断すればよい。例えば、過去数十ミリ秒の間に、エンジン回転数ＮＥの変動幅が所定回数以上、所定値を上回った場合、回転変動が発生していると判断すればよい。同ステップＳ１０２における判断が肯定である場合、低温燃焼の実施に起因してエンジン１の回転変動が発生していると推定し、ＥＣＵ８０は処理をステップＳ１０３に移行する。一方、同ステップＳ１０２における判断が否定である場合、ＥＣＵ８０は本ルーチンを一旦抜ける。
【００７１】
ステップＳ１０３においては、低温燃焼の実施の有無とは直接関わらない運転条件を操作（補正）することにより、回転変動の抑制を試みる。例えば、主噴射の燃料噴射時期を進角させる制御を行う。また、燃焼が遅くなっていると判断される気筒の燃料噴射時期を進角させ、燃焼が速くなっていると判断される気筒の燃料噴射時期を遅角させる制御を行う。さらに、スロットル弁３２の開度と燃料噴射量との少なくとも一方を調整することにより、機関燃焼に供される混合気の空燃比Ａ／Ｆを高くする（リーンにする）制御を行ってもよい。
【００７２】
続くステップＳ１０４においては、上記ステップＳ１０３における処理を行った結果、エンジン１の回転変動が解消したか（若しくは減少したか）否かを判断する。そしてその判断が肯定である場合、ＥＣＵ８０は低温燃焼の実施継続を許容したままで（ステップＳ１０５）、本ルーチンを一旦抜ける。
【００７３】
一方、上記ステップＳ１０４における判断が否定である場合、ＥＧＲガスの特性が変動することに起因してエンジン１の回転が不安定になっていると判断し、ステップＳ１０６に移行し以下の処理を行う。
【００７４】
排気系４０からＥＧＲ通路６０に導入された排気の一部（ＥＧＲガス）は、通路上流に設けられたＥＧＲ触媒６３による浄化処理（未燃ＨＣ成分等の酸化分解）と、通路下流に設けられたＥＧＲクーラ６２による冷却処理とを経た後、吸気系３０内に還流される。ここで、ＥＧＲ通路６０に導入される排気の温度や未燃ＨＣ成分の含有量が変動すること等に起因してＥＧＲ触媒６３の温度が変動すると、ＥＧＲ触媒６３の触媒機能も変動することになり、ＥＧＲクーラ６２に流入するガスの温度や成分が変動するようになる。ＥＧＲクーラ６２の冷却機能が一定であれば、このようなＥＧＲクーラ６２上流におけるガスの温度や成分の変動は、吸気系３０に還流されるＥＧＲガスの特性（温度や未燃ＨＣ成分の含有量）に直接影響を与えることになる。
【００７５】
ステップＳ１０６では、ＥＧＲガスの特性の変動に起因して発生するエンジン１の回転変動を、とくにＥＧＲクーラ６２上流におけるガスの温度の変動を通じて識別し、これに対応した適切な処理を行うことにより、そのようなエンジン１の回転変動を確実に解消する。
【００７６】
すなわち、同ステップＳ１０６に処理が移行すると、ＥＣＵ８０は先ず、低温燃焼の実施を開始してから現在に至るまでのＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲの履歴を把握する。
【００７７】
低温燃焼の実施中、ＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが急激に上昇すると、ＥＧＲ触媒の発熱量も急激に増大するようになるため、吸気系３０内に混入するＥＧＲガスの温度が急変する（急激に上昇する）。これが原因でエンジン１の回転変動（燃焼状態の不安定）が発生している可能性が高い。そこでＥＣＵ８０は、低温燃焼の実施に伴いＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが上昇し、且つ、現時点で所定の基準値を上回っていると判断（判別）した場合には、ＥＧＲ弁６１の開度を絞ることにより低温燃焼の実行を一時的に中断する。そして、ＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが所定値を下回った時点で低温燃焼の実施を再開する。低温燃焼を再開した後、再びＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが上昇して所定の基準値を上回った場合には、低温燃焼を再度中断する。
【００７８】
ＥＣＵ８０は、上記手順（低温燃焼の中断及び再開）を繰り返し、低温燃焼を再開してもＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが上昇して所定の基準値を上回らなくなったことを確認した上で、本ルーチンを一旦を抜ける。
【００７９】
なお、上記ルーチンでは、ステップＳ１０６に処理が移行した場合において、「低温燃焼の実施に伴いＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが上昇し、且つ、現時点で所定の基準値を上回っている」と判断（判別）した上で、低温燃焼の実行及び再開を繰り返す処理を行うといった説明をしたが、この一連の判別及び処理は、ステップＳ１０６における処理内容の一例である。
【００８０】
これに限らず、例えば同ステップＳ１０６において、「低温燃焼の実施に伴いＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが下降し、且つ、現時点で所定の基準値を下回っている」場合には、低温燃焼の実行及び再開といった手順を、低温燃焼を再開してもＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが下降して所定の基準値を下回らなくなくなるまで繰り返すようにしてもよい。ちなみに、低温燃焼の実施中、ＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが急激に下降すると、ＥＧＲ触媒の活性状態を低下させ、多量の未燃ＨＣ成分を含んだＥＧＲガスが吸気系３０内に混入することにより、ＥＧＲクーラ６２及びＥＧＲ弁６１が詰まる可能性が高い。
【００８１】
また、同ステップＳ１０６において、「低温燃焼の実施に伴いＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが上昇し、且つ、現時点で所定の基準値を上回っている」といった条件、或いは「低温燃焼の実施に伴いＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが下降し、且つ、現時点で所定の基準値を下回っている」といった条件は成立しないとＥＣＵ８０が判断した場合、「ＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲは正常な値を維持しているにも関わらず、低温燃焼の実施に起因してエンジン１の回転（燃焼状態）が不安定になっている」との判別（認識）の下、警告灯の点灯等を通じてその旨をエンジン１の運転者に通知したり、低温燃焼の実施を禁止する処理を行うこととしてもよい。
【００８２】
以上説明したように、本実施の形態にかかるエンジン１によれば、低温燃焼の実施中、機関の燃焼状態が不安定になった場合に、排気特性の向上や排気浄化用触媒の昇温効果を得るために好適な低温燃焼を極力継続するといった観点と、燃焼状態を不安定にさせている要因を把握し、当該要因に対応する的確な処置を行うといった観点から、効率的且つ緻密な燃焼安定化制御が行われる。この結果、低温燃焼の実施機会が拡大され、しかも、低温燃焼の実施中における燃焼状態の安定性も向上することになる。
【００８３】
なお、図２のルーチンにおけるステップＳ１０６における処理内容は、低温燃焼の実施中、エンジン１の回転変動が生じた場合に行う処理として、単独でも採用され得る。
【００８４】
すなわち、低温燃焼の実施中、エンジン１の回転変動が生じたときには、低温燃焼の実施を開始してから現在に至るまでのＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲの履歴を直ちに把握し、「低温燃焼の実施に伴いＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが上昇し、且つ、現時点で所定の基準値を上回っている」場合、或いは「低温燃焼の実施に伴いＥＧＲガスの温度ＴＥＧＲが下降し、且つ、現時点で所定の基準値を下回っている」場合には、低温燃焼の実行及び再開を繰り返すといった制御構造を適用しても、上記実施の形態に準ずる効果を奏することはできる。
【００８５】
また、本実施の形態では、エンジン回転数ＮＥの履歴（変動）を基に、燃焼状態の不安定や出力変動を検知する構成を適用した。これに限らず、例えばエンジン１の各燃焼室２０に、各燃焼室内の圧力（燃焼圧力）を検出する燃圧センサを設け、燃焼圧力の履歴を基に燃焼状態の不安定や出力変動を検知する構成を適用してもよい。
【００８６】
また、ＥＧＲ通路６２に触媒（ＥＧＲ触媒ケーシング６３）やＥＧＲクーラ６２を有しないエンジンシステムに対して上記ルーチン（図２）と同様の制御構造を適用しても、本実施の形態に準ずる効果を奏することはできる。
【００８７】
〔他の実施の形態〕
上記実施の形態にかかるエンジン１は、低温燃焼の実施中、エンジン回転数ＮＥ等の変動として燃焼状態の不安定が検知された場合、その不安定を、効率的且つ確実に解消する機能を備えたものであった。ところで、エンジン１も含めて一般に、複数の燃焼室（気筒）を備えた内燃機関では、各気筒の圧縮比や、ＥＧＲ通路や吸気系を介して各気筒に導入されるＥＧＲガスの分配量が、気筒相互間で異なる。ハードウエア構造に関係するこのような気筒間ばらつきは、低温燃焼時における燃焼状態の不安定を助長することになるばかりでなく、燃焼状態の不安定を解消する制御を行う場合には、当該制御の緻密性を低下させることになる。そこで、例えば燃料噴射時期や燃料噴射量等、低温燃焼の実施中におけるエンジン１の燃焼状態に関連し、且つ気筒毎に独立して操作することが可能なパラメータの補正量として、上記気筒間ばらつきを反映した数値をＥＣＵ８０に記憶させておいてもよい。
【００８８】
例えば、相対的に圧縮比が低い気筒や、導入されるＥＧＲガスの分配量が相対的に多い気筒は、その燃焼状態が不安定になり易いため、主噴射にかかる燃料噴射時期を予め進角させておいたり、燃料噴射量をトルクが出るように制御（補正）する。あるいは、相対的に圧縮比が高い気筒や、導入されるＥＧＲガスの分配量が相対的に少ない気筒は、その燃焼状態が不安定になり難いため、主噴射にかかる燃料噴射時期を予め遅角させておいたり、燃料噴射量をトルクが出難くなるように制御（補正）すればよい。
【００８９】
このような補正量を予め設定おくことにより、低温燃焼時における燃焼状態の安定性が向上し、さらに、上述したような燃焼安定化制御を実施するにあたっては、当該制御の緻密性や信頼性が一層向上するようになる。
【００９０】
【発明の効果】
以上説明したように、第１の発明によれば、排気特性の向上に貢献する一方、燃焼状態の不安定を招来し易い第１の燃焼モードが実行される際、当該機関の燃焼状態が不安定になった場合、効率的且つ確実に燃焼状態の安定化が図られるようになる。
【００９１】
また、燃焼状態を不安定にさせている要因を把握し、当該要因に対応する的確な処置を行うといった観点から、効率的且つ緻密な制御が行われ、低温燃焼の実施中における燃焼状態の安定性が向上することになる。
【００９２】
また第２の発明によれば、排気特性の向上や排気浄化用触媒の昇温効果を得るために好適な第１の燃焼モードを極力継続するといった観点から効率的な制御が行われ、第１の燃焼モードの実施機会が拡大されるようになる。
【００９３】
また第３の発明によっても、排気特性の向上や排気浄化用触媒の昇温効果を得るために好適な第１の燃焼モードを極力継続するといった観点から効率的な制御が行われ、第１の燃焼モードの実施機会が拡大されるようになる。
【００９４】
また第４の発明によれば、上記所定領域において煤の発生量が著しく減少させる燃焼形態を適用する上で、当該機関の燃焼状態の安定性を向上させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態にかかるディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図。
【図２】 低温燃焼時における燃焼安定化制御の実行手順を示すフローチャート。
【図３】 排気還流装置を備えたディーゼルエンジンについて、排気還流量と、同エンジンから発生する煤の量との関係を示すグラフの一例。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
１０ 燃料供給系
１１ サプライポンプ
１２ コモンレール
１３ 燃料噴射弁
２０ 燃焼室
３０ 吸気系
３１ インタークーラ
３２ スロットル弁
４０ 排気系
４２ 触媒ケーシング
５０ ターボチャージャ
５１ シャフト
５２ タービンホイール
５３ コンプレッサホイール
６０ ＥＧＲ通路
６１ ＥＧＲ弁（調整手段）
６２ ＥＧＲクーラ
６３ ＥＧＲ触媒ケーシング
７０ レール圧センサ
７２ エアフロメータ
７３ａ，７３ｂ 空燃比（Ａ／Ｆ）センサ
７４ 排気温センサ
７５ ＮＯｘセンサ
７６ アクセルポジションセンサ
７７ クランク角センサ
７８ 温度センサ（温度検出手段）
８０ 電子制御装置（ＥＣＵ：切換手段、判断手段、処理手段等を構成）
Ｐ１ 機関燃料通路
Claims (4)
- 機関燃焼に供される混合気中の不活性ガス量の増大とともに該機関燃焼に伴う煤の発生量が増大して極大値に達し、且つ、前記不活性ガス量が前記煤の発生量の極大値に対応する値から更に増大すると、所定領域において煤の発生量が著しく減少する特性を備えた内燃機関であり、当該機関の燃焼モードを、前記不活性ガス量との関係において前記煤の発生量が著しく減少する領域で実行される第１の燃焼モードと、前記不活性ガス量が前記煤の発生量の極大値に対応する値よりも少ない領域で実行される第２の燃焼モードとの間で択一的な切換を行う切換手段を備えた内燃機関において、
前記第１の燃焼モードが実行されている場合に、当該機関の燃焼状態が安定しているか否かを判断する判断手段と、
前記判断手段により当該機関の燃焼状態が安定していない旨の判断がなされた場合に、低温燃焼の実施に伴うＥＧＲガスの特性の変動に起因して燃焼状態が不安定になっているときにはＥＧＲガスの特性を安定させる処理を実行する処理手段と、を備え、
当該機関の排気系から吸気系に排気を還流させる排気還流通路と、該排気還流通路内を還流する排気の流量を変更して前記吸気系内の不活性ガス量を調整する調整手段と、前記排気還流通路に流入する排気の温度を検出する温度検出手段と、を有し、
前記切換手段は、前記調整手段の制御を通じて前記燃焼モードの切換を行うとともに、前記処理手段は、前記検出される温度が所定値を上回っているときに当該機関の燃焼状態が安定していない旨の判断がなされた場合、その要因が前記排気還流通路を通じて還流する排気の性状にあるとして、前記切換手段により当該機関の燃焼モードを前記第２の燃焼モードに切り換えさせることを特徴とする内燃機関。 - 前記処理手段は、前記検出される温度が所定値を下回っているときに当該機関の燃焼状態が安定していない旨の判断がなされた場合、前記切換手段による前記第１の燃焼モードと前記第２の燃焼モードの切換を、前記第１の燃焼モードを再開しても前記検出される温度が所定値を下回らなくなくなるまで繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
- 前記切換手段は、当該機関の燃焼状態が安定していない旨の判断がなされた場合、先ず、当該機関の燃焼モードは前記第１の燃焼モードに保持した状態で、当該機関の燃焼に供される燃料が噴射供給される時期を進角する制御、及び当該機関の燃焼に供される混合気中の空気量を増量させる制御のうち、少なくとも一方を実行することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
- 機関燃焼に供される混合気中の不活性ガス量の増大とともに該機関燃焼に伴う煤の発生量が増大して極大値に達し、且つ、前記不活性ガス量が前記煤の発生量の極大値に対応する値から更に増大すると、所定領域において煤の発生量が著しく減少する特性を備えた内燃機関であって、各気筒の圧縮比に応じて設定されるパラメータに基づき気筒毎に機関燃焼の状態を制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関。
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