JPH11107861A - 内燃機関 - Google Patents

内燃機関

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JPH11107861A
JPH11107861A JP9305817A JP30581797A JPH11107861A JP H11107861 A JPH11107861 A JP H11107861A JP 9305817 A JP9305817 A JP 9305817A JP 30581797 A JP30581797 A JP 30581797A JP H11107861 A JPH11107861 A JP H11107861A
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哲 井口
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丈和 伊藤
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司 安部
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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 機関低負荷運転時における煤およびＮＯX の
発生量を極めて低くする。 【解決手段】 煤の発生量がピークとなる再循環排気ガ
ス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気ガス量が多
く煤がほとんど発生しない第１の燃焼と、煤の発生量が
ピークとなる再循環ガス量よりも燃焼室内に供給される
再循環排気ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に切換
える。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。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より内燃機関、例えばディーゼル機
関においてはＮＯX の発生を抑制するために機関排気通
路と機関吸気通路とを排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと
称す）通路により連結し、このＥＧＲ通路を介して排気
ガス、即ちＥＧＲガスを機関吸気通路内に再循環させる
ようにしている。この場合、ＥＧＲガスは比較的比熱が
高く、従って多量の熱を吸収することができるので、Ｅ
ＧＲガス量を増大するほど、即ちＥＧＲ率（ＥＧＲガス
量／（ＥＧＲガス量＋吸入空気量））を増大するほど燃
焼室内における燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下す
るとＮＯX の発生量が低下し、従ってＥＧＲ率を増大す
ればするほどＮＯX の発生量は低下することになる。
【０００３】このように従来よりＥＧＲ率を増大すれば
ＮＯX の発生量を低下しうることはわかっている。しか
しながらＥＧＲ率を増大させていくとＥＧＲ率が或る限
度を越えたときに煤の発生量、即ちスモークが急激に増
大し始める。この点に関し従来より、それ以上ＥＧＲ率
を増大すればスモークが限りなく増大していくものと考
えられており、従ってスモークが急激に増大し始めるＥ
ＧＲ率がＥＧＲ率の最大許容限界であると考えられてい
る。
【０００４】従って従来よりＥＧＲ率はこの最大許容限
界を越えない範囲内に定められている（例えば特開平４
−３３４７５０号公報参照）。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】
【発明が解決しようとする課題】このように従来ではＥ
ＧＲ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】ところが本発明者は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
ど発生しないことを見い出したのである。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
について検討を進め、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を構築す
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云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】ところでこの新たな燃焼システムのもとで
煤およびＮＯX を同時に低減するためにはＥＧＲ率を少
くともほぼ５５パーセント以上にする必要がある。しか
しながらＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にすること
が可能なのは吸入空気量が少ないとき、即ち機関負荷が
比較的低いときであり、吸入空気量が一定限度を越える
とＥＧＲ率を低下させない限り吸入空気量を増大させる
ことができなくなる。ところがこの場合、吸入空気量が
増大するにつれてＥＧＲ率を５５パーセントから徐々に
低下させると多量のスモークが発生するという問題が生
じる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに１番目の発明では、燃焼室内に供給される再循環排
気ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大して
ピークに達し、燃焼室内に供給される再循環排気ガス量
を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料お
よびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって
煤がほとんど発生しなくなる内燃機関において、煤の発
生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも燃焼室内に
供給される再循環排気ガス量が多く煤がほとんど発生し
ない第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる再循環ガ
ス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気ガス量が少
ない第２の燃焼とを選択的に切換える切換手段を具備
し、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ている。
【００１１】２番目の発明では１番目の発明において、
第１の燃焼から第２の燃焼に切換えられるときには排気
ガス再循環率がステップ状に低下せしめられ、第２の燃
焼から第１の燃焼に切換えられるときには排気ガス再循
環率がステップ状に上昇せしめられる。３番目の発明で
は１番目の発明において、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、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。
【００１２】４番目の発明では１番目の発明において、
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
燃焼に切換えられるときに空燃比がステップ状に変化せ
しめられる。５番目の発明では４番目の発明において、
第１の燃焼から第２の燃焼に切換えられるときには空燃
比がステップ状に大きくされ、第２の燃焼から第１の燃
焼に切換えられるときには空燃比がステップ状に小さく
される。
【００１３】６番目の発明では４番目の発明において、
第１の燃焼における空燃比が理論空燃比か、或いは理論
空燃比に対してわずかにリーンなリーン空燃比か、或い
はリッチ空燃比とされ、第２の燃焼における空燃比がリ
ーン空燃比とされる。７番目の発明では１番目の発明に
おいて、第１の燃焼から第２の燃焼に又は第２の燃焼か
ら第１の燃焼に切換えられるときに排気ガス再循環量又
は吸入空気量の少なくとも一方をステップ状に変化させ
ることによって排気ガス再循環率をステップ状に変化さ
せる。
【００１４】８番目の発明では１番目の発明において、
機関の運転領域を第１の燃焼が行われる低負荷側の第１
の運転領域と第２の燃焼が行われる高負荷側の第２の運
転領域に分割している。９番目の発明では８番目の発明
において、第１の運転領域と第２の運転領域の境界が第
１の境界と第１の境界よりも低負荷側の第２の境界から
なり、第１の燃焼から第２の燃焼への切換えは第１の境
界に基づいて行われ、第２の燃焼から第１の燃焼への切
換えは第２の境界に基づいて行われる。
【００１５】１０番目の発明では９番目の発明におい
て、機関の運転状態が第２の運転領域にありかつ第１の
境界と第２の境界との間に一定時間以上継続して留まっ
ているときには第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられ
る。１１番目の発明では８番目の発明において、第２の
運転領域のうちで低負荷側の運転領域では吸気行程と圧
縮行程の二回に分けて燃料噴射が行われる。
【００１６】１２番目の発明では１番目の発明におい
て、第１の燃焼が行われているときの燃料およびその周
囲のガス温度は排気ガス中のＮＯX 量が１０p.p.m 前後
又はそれ以下となる温度である。１３番目の発明では１
番目の発明において、機関排気通路内に酸化機能を有す
る触媒を配置している。
【００１７】１４番目の発明では１３番目の発明におい
て、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。１５番目の発明では１３番目の発明
において、第１の燃焼が行われているときには未燃炭化
水素が煤の形ではなく煤の前駆体又はそれ以前の形でも
って燃焼室から排出され、燃焼室から排出された未燃炭
化水素が触媒によって酸化される。
【００１８】
【発明の実施の形態】図１は本発明を４ストローク圧縮
着火式内燃機関に適用した場合を示している。図１を参
照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３は
シリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気
制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は
排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は
対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結
され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエア
クリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には電気
モータ１５により駆動されるスロットル弁１６が配置さ
れる。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１７およ
び排気管１８を介して酸化機能を有する触媒１９を内蔵
した触媒コンバータ２０に連結され、排気マニホルド１
７内には空燃比センサ２１が配置される。
【００１９】排気マニホルド１７とサージタンク１２と
はＥＧＲ通路２２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路
２２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２３が配置される。
また、ＥＧＲ通路２２周りにはＥＧＲ通路２２内を流れ
るＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２４が配置され
る。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２
４内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却
される。
【００２０】一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管２５を
介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２６に連結
される。このコモンレール２６内へは電気制御式の吐出
量可変な燃料ポンプ２７から燃料が供給され、コモンレ
ール２６内に供給された燃料は各燃料供給管２５を介し
て燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２６にはコ
モンレール２６内の燃料圧を検出するための燃料圧セン
サ２８が取付けられ、燃料圧センサ２８の出力信号に基
づいてコモンレール２６内の燃料圧が目標燃料圧となる
ように燃料ポンプ２７の吐出量が制御される。
【００２１】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および出力ポート３６を具備
する。空燃比センサ２１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、燃
料圧センサ２８の出力信号も対応する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４
０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、電気モータ１５、ＥＧＲ制御弁２３および燃料ポ
ンプ２７に接続される。
【００２２】図２は機関低負荷運転時においてスロット
ル弁１６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Ｅ
ＧＲ率が大きくなり、理論空燃比（≒１４．６）以下の
ときにはＥＧＲ率は６５パーセント以上となっている。
【００２３】図２に示されるようにＥＧＲ率を増大する
ことにより空燃比Ａ／Ｆを小さくしていくとＥＧＲ率が
４０パーセント付近となり空燃比Ａ／Ｆが３０程度にな
ったときにスモークの発生量が増大を開始する。次い
で、更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくすると
スモークの発生量が急激に増大してピークに達する。次
いで更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくすると
今度はスモークが急激に低下し、ＥＧＲ率を６５パーセ
ント以上とし、空燃比Ａ／Ｆが１５．０付近になるとス
モークがほぼ零となる。即ち、煤がほとんど発生しなく
なる。このとき機関の出力トルクは若干低下し、またＮ
ＯX の発生量がかなり低くなる。一方、このときＨＣ，
ＣＯの発生量は増大し始める。
【００２４】図３（Ａ）は空燃比Ａ／Ｆが１８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１３付近
でスモークの発生量がほぼ零のときの燃焼室５内の燃焼
圧の変化を示している。図３（Ａ）と図３（Ｂ）とを比
較すればわかるようにスモークの発生量がほぼ零である
図３（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図３
（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【００２５】図２および図３に示される実験結果から次
のことが言える。即ち、まず第１に空燃比Ａ／Ｆが１
５．０以下でスモークの発生量がほぼ零のときには図２
に示されるようにＮＯX の発生量がかなり低下する。Ｎ
ＯX の発生量が低下したということは燃焼室５内の燃焼
温度が低下していることを意味しており、従って煤がほ
とんど発生しないときには燃焼室５内の燃焼温度が低く
なっていると言える。同じことが図３からも言える。即
ち、煤がほとんど発生していない図３（Ｂ）に示す状態
では燃焼圧が低くなっており、従ってこのとき燃焼室５
内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【００２６】第２にスモークの発生量、即ち煤の発生量
がほぼ零になると図２に示されるようにＨＣおよびＣＯ
の排出量が増大する。このことは炭化水素が煤まで成長
せずに排出されることを意味している。即ち、燃料中に
含まれる図４に示されるような直鎖状炭化水素や芳香族
炭化水素は酸素不足の状態で温度上昇せしめられると熱
分解して煤の前駆体が形成され、次いで主に炭素原子が
集合した固体からなる煤が生成される。この場合、実際
の煤の生成過程は複雑であり、煤の前駆体がどのような
形態をとるかは明確ではないがいずれにしても図４に示
されるような炭化水素は煤の前駆体を経て煤まで成長す
ることになる。従って、上述したように煤の発生量がほ
ぼ零になると図２に示される如くＨＣおよびＣＯの排出
量が増大するがこのときのＨＣは煤の前駆体又はその前
の状態の炭化水素である。
【００２７】図２および図３に示される実験結果に基づ
くこれらの考察をまとめると燃焼室５内の燃焼温度が低
いときには煤の発生量がほぼ零になり、このとき煤の前
駆体又はその前の状態の炭化水素が燃焼室５から排出さ
れることになる。このことについて更に詳細に実験研究
を重ねた結果、燃焼室５内における燃料およびその周囲
のガス温度が或る温度以下である場合には煤の成長過程
が途中で停止してしまい、即ち煤が全く発生せず、燃焼
室５内における燃料およびその周囲の温度が或る温度以
上になると煤が生成されることが判明したのである。
【００２８】ところで煤の前駆体の状態で炭化水素の生
成過程が停止するときの燃料およびその周囲の温度、即
ち上述の或る温度は燃料の種類や空燃比や圧縮比等の種
々の要因によって変化するので何度であるかということ
は言えないがこの或る温度はＮＯX の発生量と深い関係
を有しており、従ってこの或る温度はＮＯX の発生量か
ら或る程度規定することができる。即ち、ＥＧＲ率が増
大するほど燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度は低
下し、ＮＯX の発生量が低下する。このときＮＯX の発
生量が１０p.p.m 前後又はそれ以下になったときに煤が
ほとんど発生しなくなる。従って上述の或る温度はＮＯ
X の発生量が１０p.p.m 前後又はそれ以下になったとき
の温度にほぼ一致する。
【００２９】一旦、煤が生成されるとこの煤は酸化触媒
等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
化触媒等を用いた後処理でもって容易に浄化することが
できる。このように酸化触媒等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。本発明において用
い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
を酸化触媒等により酸化せしめることを核としている。
【００３０】さて、煤が生成される前の状態で炭化水素
の成長を停止させるには燃焼室５内における燃焼時の燃
料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度より
も低い温度に抑制する必要がある。この場合、燃料およ
びその周囲のガス温度を抑制するには燃料が燃焼した際
の燃料周りのガスの吸熱作用が極めて大きく影響するこ
とが判明している。
【００３１】即ち、燃料周りに空気しか存在しないと蒸
発した燃料はただちに空気中の酸素と反応して燃焼す
る。この場合、燃料から離れている空気の温度はさほど
上昇せず、燃料周りの温度のみが局所的に極めて高くな
る。即ち、このときには燃料から離れている空気は燃料
の燃焼熱の吸熱作用をほとんど行わない。この場合には
燃焼温度が局所的に極めて高くなるために、この燃焼熱
を受けた未燃炭化水素は煤を生成することになる。
【００３２】一方、多量の不活性ガスと少量の空気の混
合ガス中に燃料が存在する場合には若干状況が異なる。
この場合には蒸発燃料は周囲に拡散して不活性ガス中に
混在する酸素と反応し、燃焼することになる。この場合
には燃焼熱は周りの不活性ガスに吸収されるために燃焼
温度はさほど上昇しなくなる。即ち、燃焼温度を低く抑
えることができることになる。即ち、燃焼温度を抑制す
るには不活性ガスの存在が重要な役割を果しており、不
活性ガスの吸熱作用によって燃焼温度を低く抑えること
ができることになる。
【００３３】この場合、燃料およびその周囲のガス温度
を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制するにはそ
うするのに十分な熱量を吸収しうるだけの不活性ガス量
が必要となる。従って燃料量が増大すれば必要となる不
活性ガス量はそれに伴なって増大することになる。な
お、この場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用
は強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが
好ましいことになる。この点、ＣＯ2 やＥＧＲガスは比
較的比熱が大きいので不活性ガスとしてＥＧＲガスを用
いることは好ましいと言える。
【００３４】図５は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用
い、ＥＧＲガスの冷却度合を変えたときのＥＧＲ率とス
モークとの関係を示している。即ち、図５において曲線
ＡはＥＧＲガスを強力に冷却してＥＧＲガス温をほぼ９
０℃に維持した場合を示しており、曲線Ｂは小型の冷却
装置でＥＧＲガスを冷却した場合を示しており、曲線Ｃ
はＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合を示してい
る。
【００３５】図５の曲線Ａで示されるようにＥＧＲガス
を強力に冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよ
りも少し低いところで煤の発生量がピークとなり、この
場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にすれば煤
がほとんど発生しなくなる。一方、図５の曲線Ｂで示さ
れるようにＥＧＲガスを少し冷却した場合にはＥＧＲ率
が５０パーセントよりも少し高いところで煤の発生量が
ピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ６５パーセ
ント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。
【００３６】また、図５の曲線Ｃで示されるようにＥＧ
Ｒガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５
５パーセントの付近で煤の発生量がピークとなり、この
場合にはＥＧＲ率をほぼ７０パーセント以上にすれば煤
がほとんど発生しなくなる。なお、図５は機関負荷が比
較的高いときのスモークの発生量を示しており、機関負
荷が小さくなると煤の発生量がピークとなるＥＧＲ率は
若干低下し、煤がほとんど発生しなくなるＥＧＲ率の下
限も若干低下する。このように煤がほとんど発生しなく
なるＥＧＲ率の下限はＥＧＲガスの冷却度合や機関負荷
に応じて変化する。
【００３７】図６は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用い
た場合において燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度
を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要
なＥＧＲガスと空気の混合ガス量、およびこの混合ガス
量中の空気の割合、およびこの混合ガス中のＥＧＲガス
の割合を示している。なお、図６において縦軸は燃焼室
５内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Ｙは
過給が行われないときに燃焼室５内に吸入しうる全吸入
ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示してお
り、Ｚ１は低負荷運転領域を示している。
【００３８】図６を参照すると空気の割合、即ち混合ガ
ス中の空気量は噴射された燃料を完全に燃焼せしめるの
に必要な空気量を示している。即ち、図６に示される場
合では空気量と噴射燃料量との比は理論空燃比となって
いる。一方、図６においてＥＧＲガスの割合、即ち混合
ガス中のＥＧＲガス量は噴射燃料が燃焼せしめられたと
きに燃料およびその周囲のガス温度を煤が形成される温
度よりも低い温度にするのに必要最低限のＥＧＲガス量
を示している。このＥＧＲガス量はＥＧＲ率で表すとほ
ぼ５５パーセント以上、図６に示される実施例では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ＮＯ
X の発生量は極めて少量となる。
【００３９】燃料噴射量が増大すれば燃料が燃焼した際
の発熱量が増大するので燃料およびその周囲のガス温度
を煤が生成される温度よりも低い温度に維持するために
はＥＧＲガスによる熱の吸収量を増大しなければならな
い。従って図６に示されるようにＥＧＲガス量は噴射燃
料量が増大するにつれて増大せしめなければならない。
即ち、ＥＧＲガス量は要求負荷が高くなるにつれて増大
する必要がある。
【００４０】一方、図６の負荷領域Ｚ２では煤の発生を
阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘが吸入しうる全吸入
ガス量Ｙを越えてしまう。従ってこの場合、煤の発生を
阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘを燃焼室５内に供給
するにはＥＧＲガスおよび吸入空気の双方、或いはＥＧ
Ｒガスを過給又は加圧する必要がある。ＥＧＲガス等を
過給又は加圧しない場合には負荷領域Ｚ２では全吸入空
気量Ｘは吸入しうる全吸入空気量Ｙに一致する。従って
この場合、煤の発生を阻止するためには空気量を若干減
少させてＥＧＲガス量を増大すると共に空燃比がリッチ
のもとで燃料を燃焼せしめることになる。
【００４１】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図６に示される低
負荷運転領域Ｚ１において空気量を図６に示される空気
量よりも少なくても、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、また図６に示される低負荷
領域Ｚ１において空気量を図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１０
p.p.m 前後又はそれ以下にすることができる。
【００４２】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。
【００４３】このように機関低負荷運転領域Ｚ１では空
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
ろうと煤が生成されず、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。ところ
で本発明において用いられている新たな燃焼システムの
もとで煤およびＮＯX を同時に低減するためにはＥＧＲ
率を少くともほぼ５５パーセント以上にする必要があ
る。しかしながらＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上に
することが可能なのは吸入空気量が少ないとき、即ち機
関負荷が比較的低いときであり、吸入空気量が一定限度
を越えると即ち、要求負荷が一定限度よりも高くなると
ＥＧＲ率を低下させない限り吸入空気量を増大させるこ
とができなくなる。ところがこの場合図２に示される実
験例では、吸入空気量が増大するにつれて即ち、要求負
荷が高くなるにつれてＥＧＲ率をほぼ６５パーセントか
ら徐々に低下させると、即ち要求負荷が高くなるにつれ
て徐々に空燃比を大きくしていくと多量のスモークが発
生することになる。従って要求負荷が一定限度を越えた
ときに要求負荷が高くなるにつれてＥＧＲ率をほぼ６５
パーセントから徐々に低下させ、空燃比を徐々に大きく
することはできない。
【００４４】この場合、多量のスモークが発生するのを
阻止するためには要求負荷が一定限度を越えたときに多
量のスモークが発生するほぼ４０パーセントからほぼ６
５パーセントのＥＧＲ率範囲を飛び越す必要がある。そ
こで本発明では要求負荷が低いときにはＥＧＲ率を少く
ともほぼ５５パーセント以上に維持し、要求負荷が高く
なってＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上に維持できな
くなったときにはＥＧＲ率をステップ状にほぼ５０パー
セント以下まで低下させるようにしている。このとき同
時に空燃比もステップ状に大きくなる。
【００４５】ＥＧＲ率がほぼ５５パーセント以上のとき
には前述したように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っており、このと
き第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われている。これに対
してＥＧＲ率がほぼ５０パーセント以下まで低下せしめ
られたときには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高くなり、このときにはもはや第１
の燃焼、即ち低温燃焼を行うことはできない。本発明に
よる実施例でこのように低温燃焼を行うことができない
ときには第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている
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云い、第
２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼とは煤
の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の
不活性ガス量が少ない燃焼のことを云う。
【００４６】図７はＥＧＲ率がほぼ５５パーセント以上
とされる第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われる第１の運
転領域Ｉと、ＥＧＲ率がほぼ５０パーセント以下とされ
る第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の燃焼領域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。
【００４７】即ち、機関の運転状態が第１の運転領域Ｉ
にあって第１の燃焼、即ち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、第２の燃焼に切換えられる。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、第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられる。
【００４８】このように第１の境界Ｘ（Ｎ）と第１の境
界Ｘ（Ｎ）よりも低負荷側の第２の境界Ｙ（Ｎ）との二
つの境界を設けたのは次に二つの理由による。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。ところ
で機関の運転状態が第１の運転領域Ｉにあって低温燃焼
が行われているときには煤はほとんど発生せず、その代
り未燃炭化水素が煤の前駆体又はその前の状態の形でも
って燃焼室５から排出される。このとき燃焼室５から排
出された未燃炭化水素は酸化機能を有する触媒１９によ
り良好に酸化せしめられる。
【００４９】触媒１９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。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
のようなカルカリ土類、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。
【００５０】酸化触媒はもとより、三元触媒およびＮＯ
X 吸収剤も酸化機能を有しており、従って上述した如く
三元触媒およびＮＯX 吸収剤を触媒１９として用いるこ
とができる。図８は空燃比センサ２１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２１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２１の出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。
【００５１】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における運転制御の具体的な一例
について説明する。図９は要求負荷Ｌに対するスロット
ル弁１６の開度、ＥＧＲ制御弁２３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１６の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて
全閉近くから半開程度まで徐々に増大せしめられ、ＥＧ
Ｒ制御弁２３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に示される具体例では第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１５から
１８程度のリーン空燃比とされている。
【００５２】云い換えると第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１５から１８
程度のリーン空燃比となるようにスロットル弁１６の開
度およびＥＧＲ制御弁２３の開度が制御される。なお、
このとき空燃比は空燃比センサ２１の出力信号に基づい
てスロットル弁１６の開度、ＥＧＲ制御弁２３の開度又
は燃料噴射量を補正することによって目標リーン空燃比
に制御される。また、第１の運転領域Ｉでは圧縮上死点
ＴＤＣ前に燃料噴射が行われる。この場合、噴射開始時
期θＳは要求負荷Ｌが高くなるにつれて遅くなり、噴射
完了時期θＥも噴射開始時期θＳが遅くなるにつれて遅
くなる。
【００５３】前述したようにアイドリング運転時にはス
ロットル弁１６は全閉近くまで閉弁され、このときＥＧ
Ｒ制御弁２３も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロッ
トル弁１６を全閉近くまで閉弁すると圧縮始めの燃焼室
５内の圧力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧
縮圧力が小さくなるとピストン４による圧縮仕事が小さ
くなるために機関本体１の振動が小さくなる。即ち、ア
イドリング運転時には機関本体１の振動を抑制するため
にスロットル弁１６が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【００５４】機関の運転状態が第１の運転領域Ｉである
ときには煤およびＮＯX はほとんど発生せず、排気ガス
中に含まれる煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素は
触媒１９により酸化せしめられる。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１６の開度が半開状態から全開状態へステ
ップ状に増大せしめられる。このとき図８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くなる。
【００５５】第２の運転領域IIでは第２の燃焼、即ち従
来から行われている燃焼が行われる。この燃焼方法では
煤およびＮＯX が若干発生するが低温燃焼に比べて熱効
率は高く、従って機関の運転領域が第１の運転領域Ｉか
ら第２の運転領域IIに変わると図９に示されるように噴
射量がステップ状に低減せしめられる。第２の運転領域
IIではスロットル弁１６は全開状態に保持され、ＥＧＲ
制御弁２３の開度は要求負荷Ｌが高くなるほど小さくさ
れる。従って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が高くなるほど大きくなる。
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。
【００５６】次に図１０を参照しつつ運転制御について
説明する。図１０を参照するとまず初めにステップ１０
０において機関の運転領域が第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
領域が第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が図７に示す第１の境界Ｘ（Ｎ）よ
りも大きくなったか否かが判別される。
【００５７】Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ１０２に
進んでスロットル弁１６の開度が図９の第１の運転領域
Ｉに示される要求負荷Ｌに応じた開度に制御される。次
いでステップ１０３ではＥＧＲ制御弁２３の開度が図９
の第１の運転領域Ｉに示される要求負荷Ｌに応じた開度
に制御される。次いでステップ１０４では図９の第１の
運転領域Ｉに示される要求負荷Ｌ等に応じた噴射量、噴
射開始時期θＳおよび噴射完了時期θＥが求められ、こ
れらに基づいて燃料噴射が行われる。
【００５８】一方、ステップ１０１においてＬ＞Ｘ
（Ｎ）になったと判断されるとステップ１０５に進んで
フラグＩがリセットされる。次いでステップ１０７に進
んでスロットル弁１６の開度が図９の第２の運転領域II
に示される要求負荷Ｌに応じた開度に制御される。即
ち、スロットル弁１６が全開せしめられる。次いでステ
ップ１０８ではＥＧＲ制御弁２３の開度が図９の第２の
運転領域IIに示される要求負荷Ｌに応じた開度に制御さ
れる。次いでステップ１０９では図９の第２の運転領域
IIに示される要求負荷Ｌ等に応じた噴射量、噴射開始時
期θＳおよび噴射完了時期θＥが求められ、これらに基
づいて燃料噴射が行われる。
【００５９】一方、ステップ１００においてフラグＩが
リセットされていると判断されたとき、即ち機関の運転
領域が第２の運転領域IIであるときにはステップ１０６
に進んで要求負荷Ｌが図７に示す第２の境界Ｙ（Ｎ）よ
りも小さ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１０７に進む。これに対してＬ＜Ｙ
（Ｎ）になるとステップ１１０に進んでフラグＩがセッ
トされ、次いでステップ１０２に進む。
【００６０】ところで前述したように第２の運転領域II
の高負荷側では燃焼温度は比較的高く、従って要求負荷
Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）より低くなったとしても第２の
境界Ｙ（Ｎ）よりも高ければただちに低温燃焼を行うこ
とができない。しかしながら機関の運転状態が一定時間
以上継続して第１の境界Ｘ（Ｎ）と第２の境界Ｙ（Ｎ）
との間にあれば燃焼室５の温度も低くなり、斯くして低
温温度を行うことができるようになる。そこで本発明に
よる第２の実施例では機関の運転状態が第２の運転領域
IIにありかつ一定時間以上継続して第１の境界Ｘ（Ｎ）
と第２の境界Ｙ（Ｎ）との間にあった場合には運転領域
が第２の運転領域IIから第１の運転領域Ｉに変化したと
みなし、低温燃焼を開始させるようにしている。図１１
はこの第２の実施例を実行するためのフローチャートを
示している。
【００６１】図１１を参照するとまず初めにステップ２
００において機関の運転領域が第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
転領域が第１の運転領域Ｉであるときにはステップ２０
１に進んで要求負荷Ｌが図７に示す第１の境界Ｘ（Ｎ）
よりも大きくなったか否かが判別される。
【００６２】Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ２０２に
進んでスロットル弁１６の開度が図９の第１の運転領域
Ｉに示される要求負荷Ｌに応じた開度に制御される。次
いでステップ２０３ではＥＧＲ制御弁２３の開度が図９
の第１の運転領域Ｉに示される要求負荷Ｌに応じた開度
に制御される。次いでステップ２０４では図９の第１の
運転領域Ｉに示される要求負荷Ｌ等に応じた噴射量、噴
射開始時期θＳおよび噴射完了時期θＥが求められ、こ
れらに基づいて燃料噴射が行われる。
【００６３】一方、ステップ２０１においてＬ＞Ｘ
（Ｎ）になったと判断されるとステップ２０５に進んで
フラグＩがリセットされる。次いでステップ２１０に進
んでスロットル弁１６の開度が図９の第２の運転領域II
に示される要求負荷Ｌに応じた開度に制御される。即
ち、スロットル弁１６が全開せしめられる。次いでステ
ップ２１１ではＥＧＲ制御弁２３の開度が図９の第２の
運転領域IIに示される要求負荷Ｌに応じた開度に制御さ
れる。次いでステップ２１２では図９の第２の運転領域
IIに示される要求負荷Ｌ等に応じた噴射量、噴射開始時
期θＳおよび噴射完了時期θＥが求められ、これらに基
づいて燃料噴射が行われる。
【００６４】一方、ステップ２００においてフラグＩが
リセットされていると判断されたとき、即ち機関の運転
領域が第２の運転領域IIであるときにはステップ２０６
に進んで要求負荷Ｌが図７に示す第２の境界Ｙ（Ｎ）よ
りも小さ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２０７に進んで要求負荷Ｌが第１の境
界Ｘ（Ｎ）よりも低いか否かが、即ち要求負荷Ｌが第１
の境界Ｘ（Ｎ）と第２の境界Ｙ（Ｎ）との間にあるか否
かが判別される。
【００６５】Ｌ＞Ｘ（Ｎ）のときにはステップ２１０に
進む。これに対してＬ≦Ｘ（Ｎ）のとき、即ちＹ（Ｎ）
≦Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ２０８に進んで一定
時間が経過したか否かが判別される。一定時間経過して
いないときにはステップ２１０に進む。これに対して一
定時間経過したとき、即ちＹ（Ｎ）≦Ｌ≦Ｘ（Ｎ）であ
る状態が一定時間以上継続したときにはステップ２０９
に進んでフラグＩがセットされる。次いでステップ２０
２に進み、低温燃焼が開始される。
【００６６】一方、ステップ２０６においてＬ＜Ｙ
（Ｎ）になったと判断されたときにはステップ２１３に
進んでフラグＩがセットされる。次いでステップ２０２
に進み、低温燃焼が行われる。図１２に第３実施例を示
す。この実施例では運転領域が第１の運転領域Ｉから第
２の運転領域IIに変化したときにスロットル弁１６の開
度およびＥＧＲ制御弁２３の開度の双方をステップ状に
変化させることによってＥＧＲ率をほぼ６５パーセント
から４０パーセント以下に低下させるようにしている。
即ち、この実施例では運転領域が第１の運転領域Ｉから
第２の運転領域IIに変化したときにスロットル弁１６の
開度がステップ状に増大せしめられ、ＥＧＲ制御弁２３
の開度がテップ状に減少せしめられる。なお、この実施
例では第２の運転領域IIのうちで負荷の低い領域では要
求負荷Ｌが高くなるにつれてスロットル弁１６の開度が
徐々に増大せしめられる。
【００６７】図１３から図１７に第４実施例を示す。こ
の実施例では図７に示される第２の運転領域IIの低負荷
側領域では吸気行程の初期に少量の燃料を噴射し、大部
分の燃料を圧縮上死点ＴＤＣ付近で噴射するビゴム（Ｖ
ＩＧＯＭ）噴射が行われる。図１３において破線は圧縮
行程末期に燃料噴射を行ったときのスモークの発生量を
示しており、実線はビゴム噴射を行ったときのスモーク
の発生量を示している。図１３に示されるようにビゴム
噴射を行った場合にはスモークの発生量が少なくなると
共にスモークの発生する空燃比範囲が狭くなる。スモー
クの発生する空燃比範囲が狭いとスモークの発生する空
燃比範囲を飛び越えるのに必要なＥＧＲ率の変化量が少
なくてすみ、従ってスモークの発生する空燃比範囲を飛
び越えるためのスロットル弁１６の開度制御或いはＥＧ
Ｒ制御弁２３の開度制御が容易になるという利点があ
る。
【００６８】図１４は第４実施例における運転領域の区
分けを示している。図１４において低温燃焼の行われる
第１の運転領域Ｉ、第１の境界Ｘ（Ｎ）および第２の境
界Ｙ（Ｎ）は図７に示される第１の運転領域Ｉ、第１の
境界Ｘ（Ｎ）および第２の境界Ｙ（Ｎ）と同じである。
これに対して図７に示される第２の運転領域IIは、第４
実施例においては低負荷側の運転領域IIと高負荷側の運
転領域III とに分割され、低負荷側運転領域IIではビゴ
ム噴射が行われ、高負荷側運転領域III では従来より行
われている通常の噴射が行われる。
【００６９】なお、図１４に示されるようにこの実施例
では低負荷側運転領域IIと高負荷側運転領域III との間
にも二つの境界、即ち第３の境界Ｖ（Ｎ）と第４の境界
Ｗ（Ｎ）とが設けられている。この場合、低負荷側運転
領域IIから高負荷側運転領域III への運転領域の変化判
断は第３の境界Ｖ（Ｎ）に基づいて行われ、高負荷側運
転領域III から低負荷側運転領域IIへの運転領域の変化
判断は第４の境界Ｗ（Ｎ）に基づいて行われる。
【００７０】図１５は要求負荷Ｌに対するスロットル弁
１６の開度、ＥＧＲ制御弁２３の開度、ＥＧＲ率、空燃
比および噴射時期を示している。図１５に示されるよう
に低温燃焼が行われる第１の運転領域Ｉではスロットル
弁１６の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近く
から半開程度まで徐々に増大せしめられ、ＥＧＲ制御弁
２３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１５に示
される実施例では第１の運転領域ＩではＥＧＲ率がほぼ
８０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。
【００７１】一方、運転領域が低温燃焼が行われる第１
の運転領域Ｉから低負荷側運転領域IIに変化するとスロ
ットル弁１６の開度が半開状態から全開状態へステップ
状に増大せしめられる。このとき図１５に示す例ではＥ
ＧＲ率がほぼ８０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から低負荷側運転領域IIに変わるときに
多量のスモークが発生することがなくなる。
【００７２】低負荷側運転領域IIにおいてはビゴム噴射
が行われる。この低負荷側運転領域IIではスロットル弁
１６が全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁２３の開度は
ほぼ一定開度に保持される。従ってこの低負荷側運転領
域IIではＥＧＲ率がほぼ一定に維持され、空燃比がほぼ
一定に維持される。また、吸気行程の初期に少量の燃料
噴射が行われ、大部分の燃料噴射は圧縮上死点ＴＤＣ付
近で行われる。
【００７３】運転領域がビゴム噴射が行われる低負荷側
運転領域IIから従来より行われている通常の噴射が行わ
れる高負荷側運転領域III に変化するときにはスロット
ル弁１６の開度およびＥＧＲ制御弁２３の開度は急激に
変化せず、従ってＥＧＲ率および空燃比も急激に変化し
ない。この高負荷側運転領域III ではスロットル弁１６
は全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁２３の開度は要求
負荷Ｌが高くなるほど小さくされる。従って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が高くなるほど大きくなる。
【００７４】次に図１６および図１７を参照しつつ運転
制御について説明する。図１６および図１７を参照する
とまず初めにステップ３００において機関の運転領域が
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、即ち機関の運転領域が第１の運転領域Ｉであ
るときにはステップ３０１に進んで要求負荷が図１４に
示す第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも大きくなったか否かが判
別される。
【００７５】Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ３０２に
進んでスロットル弁１６の開度が図１５の第１の運転領
域Ｉに示される要求負荷Ｌに応じた開度に制御される。
次いでステップ３０３ではＥＧＲ制御弁２３の開度が図
１５の第１の運転領域Ｉに示される要求負荷Ｌに応じた
開度に制御される。次いでステップ３０４では図１５の
第１の運転領域Ｉに示される要求負荷Ｌ等に応じた噴射
開始時期θＳおよび噴射完了時期θＥが求められ、これ
らに基づいて燃料噴射が行われる。
【００７６】一方、ステップ３０１においてＬ＞Ｘ
（Ｎ）になったと判断されるとステップ３０５に進んで
フラグＩがリセットされ、次いでステップ３０６に進ん
で運転領域が低負荷側運転領域IIであることを示すフラ
グIIがセットされる。次いでステップ３０７に進んでス
ロットル弁１６の開度が図１５の低負荷側運転領域IIに
示される要求負荷Ｌに応じた開度に制御される。即ち、
スロットル弁１６が全開せしめられる。次いでステップ
３０８ではＥＧＲ制御弁２３の開度が図１５の低負荷側
運転領域IIに示される要求負荷Ｌに応じた開度に制御さ
れる。次いでステップ３０９では図１５の低負荷側運転
領域IIに示される要求負荷Ｌ等に応じた噴射開始時期θ
Ｓおよび噴射完了時期θＥが求められ、これらに基づい
て燃料噴射が行われる。
【００７７】一方、ステップ３００においてフラグＩが
リセットされていると判断されたときにはステップ３１
０に進んでフラグIIがセットされているか否かが判別さ
れる。フラグIIがセットされているとき、即ち運転領域
が低負荷側運転領域IIであるときにはステップ３１１に
進んで要求負荷Ｌが図１４に示す第３の境界Ｖ（Ｎ）よ
りも大きくなったか否かが判別される。Ｌ≦Ｖ（Ｎ）の
ときにはステップ３１２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３０７に進んでビゴム噴射
が行われる。
【００７８】これに対してＬ＜Ｙ（Ｎ）のときにはステ
ップ３１３に進んでフラグIIがリセットされ、次いでス
テップ３１４に進んでフラグＩがセットされる。次いで
ステップ３０２に進む。従ってこのときにはビゴム噴射
から低温燃焼に切換えられる。一方、ステップ３１１に
おいてＬ＞Ｖ（Ｎ）であると判別されたときにはステッ
プ３１５に進んでフラグIIがリセットされる。次いでス
テップ３１６に進んでスロットル弁１６の開度が図１５
の高負荷側運転領域III に示される要求負荷Ｌに応じた
開度に制御される。即ち、スロットル弁１６は全開状態
に保持される。次いでステップ３１７ではＥＧＲ制御弁
２３の開度が図１５の高負荷側運転領域III に示される
要求負荷Ｌに応じた開度に制御される。次いでステップ
３１８では図１５の高負荷側運転領域III に示される要
求負荷Ｌ等に応じた噴射開始時期θＳおよび噴射完了時
期θＥが求められ、これらに基づいて燃料噴射が行われ
る。
【００７９】一方、ステップ３１０においてフラグIIが
リセットされていると判断されたとき、即ち運転領域が
高負荷側運転領域III であるときにはステップ３１９に
進んで要求負荷Ｌが図１４に示される第４の境界Ｗ
（Ｎ）よりも低くなったか否かが判別される。Ｌ≧Ｗ
（Ｎ）のときにはステップ３１６に進む。これに対して
Ｌ＜Ｗ（Ｎ）になるとステップ３２０に進んでフラグII
がセットされ、次いでステップ３０７に進む。従ってこ
のときにはビゴム噴射が行われる。
【００８０】
【発明の効果】機関低負荷運転時に煤およびＮＯX の発
生量を極めて低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図２】スモークおよびＮＯX の発生量等を示す図であ
る。
【図３】燃焼圧を示す図である。
【図４】燃料分子を示す図である。
【図５】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図
である。
【図６】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図であ
る。
【図７】第１の運転領域Ｉおよび第２の運転領域IIを示
す図である。
【図８】空燃比センサの出力を示す図である。
【図９】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１０】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。
【図１１】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。
【図１２】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１３】スモークの発生量を示す図である。
【図１４】第１の運転領域Ｉ、低負荷側運転領域IIおよ
び高負荷側運転領域III を示す図である。
【図１５】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１６】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。
【図１７】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁 １６…スロットル弁 １９…酸化触媒 ２２…ＥＧＲ通路 ２３…ＥＧＲ制御弁
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｄ 41/04 ３８５ Ｆ０２Ｄ 41/04 ３８５Ｅ 41/40 41/40 Ｃ (72)発明者 安部 司 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼室内に供給される再循環排気ガス量
    を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに
    達し、燃焼室内に供給される再循環排気ガス量を更に増
    大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその
    周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほと
    んど発生しなくなる内燃機関において、煤の発生量がピ
    ークとなる再循環排気ガス量よりも燃焼室内に供給され
    る再循環排気ガス量が多く煤がほとんど発生しない第１
    の燃焼と、煤の発生量がピークとなる再循環ガス量より
    も燃焼室内に供給される再循環排気ガス量が少ない第２
    の燃焼とを選択的に切換える切換手段を具備し、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内燃機関。
  2. 【請求項２】 第１の燃焼から第２の燃焼に切換えられ
    るときには排気ガス再循環率がステップ状に低下せしめ
    られ、第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられるときに
    は排気ガス再循環率がステップ状に上昇せしめられる請
    求項１に記載の内燃機関。
  3. 【請求項３】 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、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１に記載の内燃機関。
  4. 【請求項４】 第１の燃焼から第２の燃焼に又は第２の
    燃焼から第１の燃焼に切換えられるときに空燃比がステ
    ップ状に変化せしめられる請求項１に記載の内燃機関。
  5. 【請求項５】 第１の燃焼から第２の燃焼に切換えられ
    るときには空燃比がステップ状に大きくされ、第２の燃
    焼から第１の燃焼に切換えられるときには空燃比がステ
    ップ状に小さくされる請求項４に記載の内燃機関。
  6. 【請求項６】 第１の燃焼における空燃比が理論空燃比
    か、或いは理論空燃比に対してわずかにリーンなリーン
    空燃比か、或いはリッチ空燃比とされ、第２の燃焼にお
    ける空燃比がリーン空燃比とされる請求項４に記載の内
    燃機関。
  7. 【請求項７】 第１の燃焼から第２の燃焼に又は第２の
    燃焼から第１の燃焼に切換えられるときに排気ガス再循
    環量又は吸入空気量の少なくとも一方をステップ状に変
    化させることによって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１に記載の内燃機関。
  8. 【請求項８】 機関の運転領域を第１の燃焼が行われる
    低負荷側の第１の運転領域と第２の燃焼が行われる高負
    荷側の第２の運転領域に分割した請求項１に記載の内燃
    機関。
  9. 【請求項９】 第１の運転領域と第２の運転領域の境界
    が第１の境界と第１の境界よりも低負荷側の第２の境界
    からなり、第１の燃焼から第２の燃焼への切換えは第１
    の境界に基づいて行われ、第２の燃焼から第１の燃焼へ
    の切換えは第２の境界に基づいて行われる請求項８に記
    載の内燃機関。
  10. 【請求項１０】 機関の運転状態が第２の運転領域にあ
    りかつ第１の境界と第２の境界との間に一定時間以上継
    続して留まっているときには第２の燃焼から第１の燃焼
    に切換えられる請求項９に記載の内燃機関。
  11. 【請求項１１】 第２の運転領域のうちで低負荷側の運
    転領域では吸気行程と圧縮行程の二回に分けて燃料噴射
    が行われる請求項８に記載の内燃機関。
  12. 【請求項１２】 第１の燃焼が行われているときの燃料
    およびその周囲のガス温度は排気ガス中のＮＯX 量が１
    ０p.p.m 前後又はそれ以下となる温度である請求項１に
    記載の内燃機関。
  13. 【請求項１３】 機関排気通路内に酸化機能を有する触
    媒を配置した請求項１に記載の内燃機関。
  14. 【請求項１４】 該触媒が酸化触媒、三元触媒又はＮＯ
    X 吸収剤の少くとも一つからなる請求項１３に記載の内
    燃機関。
  15. 【請求項１５】 第１の燃焼が行われているときには未
    燃炭化水素が煤の形ではなく煤の前駆体又はそれ以前の
    形でもって燃焼室から排出され、燃焼室から排出された
    未燃炭化水素が上記触媒によって酸化される請求項１３
    の内燃機関。
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