JPH11280509A - 圧縮着火式内燃機関 - Google Patents

圧縮着火式内燃機関

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JPH11280509A
JPH11280509A JP10083748A JP8374898A JPH11280509A JP H11280509 A JPH11280509 A JP H11280509A JP 10083748 A JP10083748 A JP 10083748A JP 8374898 A JP8374898 A JP 8374898A JP H11280509 A JPH11280509 A JP H11280509A
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信也 広田
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和浩 伊藤
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英二 岩▲崎▼
Koji Yoshizaki
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 触媒の活性が低下するのを阻止する。 【解決手段】 煤の発生量がピークとなるＥＧＲガス量
よりも燃焼室５内のＥＧＲ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ＥＧ
Ｒガス量よりも燃焼室５内のＥＧＲガス量が少ない第２
の燃焼とを選択的に行う。これら第１の燃焼および第２
の燃焼をリーン空燃比のもとで行う。第１の燃焼から第
２の燃焼への切換え直前、又は第２の燃焼から第１の燃
焼への切換え直後に空燃比を一時的にリッチにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は圧縮着火式内燃機関
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】ところがディーゼル機関の燃焼の研究の過
程においてＥＧＲ率を最大許容限界よりも大きくすれば
上述の如くスモークが急激に増大するがこのスモークの
発生量にはピークが存在し、このピークを越えてＥＧＲ
率を更に大きくすると今度はスモークが急激に減少しは
じめ、アイドリング運転時においてＥＧＲ率を７０パー
セント以上にすると、またＥＧＲガスを強力に冷却した
場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にするとス
モークがほとんど零になる、即ち煤がほとんど発生しな
いことが見い出されたのである。また、このときにはＮ
Ｏx の発生量が極めて少量となることも判明している。
この後この知見に基づいて煤が発生しない理由について
検討が進められ、その結果これまでにない煤およびＮＯ
x の同時低減が可能な新たな燃焼システムが構築される
に至ったのである。この新たな燃焼システムについては
後に詳細に説明するが簡単に言うと炭化水素が煤に成長
するまでの途中の段階において炭化水素の成長を停止さ
せることを基本としている。
【０００７】即ち、実験研究を重ねた結果判明したこと
は燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス
温度が或る温度以下のときには炭化水素の成長が煤に至
る前の途中の段階で停止し、燃料およびその周囲のガス
温度が或る温度以上になると炭化水素は一気に煤まで成
長してしまうということである。この場合、燃料および
その周囲のガス温度は燃料が燃焼した際の燃料周りのガ
スの吸熱作用が大きく影響しており、燃料燃焼時の発熱
量に応じて燃料周りのガスの吸熱量を調整することによ
って燃料およびその周囲のガス温度を制御することがで
きる。
【０００８】従って、燃焼室内における燃焼時の燃料お
よびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止
する温度以下に抑制すれば煤が発生しなくなり、燃焼室
内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭
化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制すること
は燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって可能
となる。一方、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化
水素は酸化触媒等を用いた後処理によって容易に浄化す
ることができる。これが新たな燃焼システムの基本的な
考え方である。
【０００９】ところでこの新たな燃焼システムのもとで
は上述した如く煤は発生しないが炭化水素が排出される
のでこの炭化水素を浄化するために機関排気通路内に酸
化機能を有する触媒等を配置することが必要となる。と
ころが酸化機能を有する触媒等は通常白金等の貴金属を
担持しており、この貴金属は酸素過剰の状態にさらされ
続けると貴金属が次第に酸化せしめられる。貴金属が酸
化せしめられると触媒の活性、即ち酸化機能が低下し、
斯くして炭化水素の浄化作用が次第に低下することにな
る。
【００１０】しかしながらこの場合、触媒床温を高くし
かつ空燃比をリッチにすれば触媒の活性を回復すること
ができる。即ち、触媒床温が低い状態で空燃比をリッチ
にすると未燃ＨＣが貴金属の表面を覆い、従ってこの場
合には触媒の活性が低下してしまう。これに対して触媒
床温が高い状態で空燃比をリッチにすると貴金属に結び
ついた酸素が未燃ＨＣの酸化作用に使用され、その結果
貴金属が還元されるために触媒の活性が回復されること
になる。
【００１１】このように触媒床温を高くしかつ空燃比を
リッチにすれば触媒の活性を回復することができる。し
かしながら従来のディーゼル機関では空燃比をリッチに
すると多量の煤が発生し、斯くして従来のディーゼル機
関では空燃比をリッチにすることができない。これに対
して上述した新たな燃焼方法においては後述するように
触媒床温が高くなり、しかも空燃比をリッチにしても煤
がほとんど発生しない。即ち、新たな燃焼方法のもとで
は触媒床温が高くかつ空燃比がリッチである運転状態を
容易に作り出すことができる。
【００１２】本発明はこの新たな燃焼方法を用いて貴金
属を担持した触媒の活性が低下するのを阻止するように
した圧縮着火式内燃機関を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】即ち、１番目の発明で
は、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生
量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガ
ス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃
料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くな
って煤がほとんど発生しなくなる圧縮着火式内燃機関に
おいて、機関排気通路内に貴金属を担持した触媒を配置
し、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼
室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない第１
の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量より
も燃焼室内の不活性ガス量が少ない第２の燃焼とを選択
的に切換える切換手段を具備し、第２の燃焼は空燃比が
リーンのもとで行われ、第２の燃焼からリーン空燃比の
もとで行われる第１の燃焼に切換えるべきときには第２
の燃焼から第１の燃焼に切換えたときに空燃比を一時的
にリッチにした後に空燃比をリーンにするようにしてい
る。
【００１４】２番目の発明では１番目の発明において、
リーン空燃比のもとで行われる第１の燃焼から第２の燃
焼に切換えるべきときには空燃比を一時的にリッチにし
た後に第１の燃焼から第２の燃焼に切換えるようにして
いる。３番目の発明では１番目の発明において、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
とに分割し、第１の燃焼も空燃比がリーンのもとで行わ
れ、機関の運転状態が第２の運転領域から第１の運転領
域に移ったときには空燃比が一時的にリッチにされた後
にリーンにされる。
【００１５】４番目の発明では３番目の発明において、
機関の運転状態が第１の運転領域から第２の運転領域に
移ったときにはリッチ空燃比のもとで第１の燃焼を行っ
た後に第２の燃焼に切換えられる。５番目の発明では１
番目の発明において、機関の運転領域をリーン空燃比の
もとで第１の燃焼が行われる低負荷側領域と、リーン空
燃比のもとで第２の燃焼が行われる高負荷側領域と、低
負荷側領域と高負荷側領域の間にあってリッチ空燃比の
もとで第１の燃焼が行われる領域に分割している。
【００１６】６番目の発明では１番目の発明において、
触媒が酸化触媒、三元触媒又はＮＯ x 吸収剤の少なくと
も一つからなる。７番目の発明では１番目の発明におい
て、燃焼室から排出された排気ガスを機関吸気通路内に
再循環させる再循環装置を具備し、不活性ガスが再循環
排気ガスからなる。
【００１７】８番目の発明では７番目の発明において、
第１の燃焼状態における排気ガス再循環率がほぼ５５パ
ーセント以上である。
【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ン２６に連結
される。このコモンレーン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
ーン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。コモンレーン２６にはコ
モンレーン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
づいてコモンレーン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、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４０にはア
クセスペダル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３
５に入力される。また、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２
７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
下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パーセント以上であり、図６に示す実施例では７
０パーセント以上である。即ち、燃焼室５内に吸入され
た全吸入ガス量を図６において実線Ｘとし、この全吸入
ガス量Ｘのうちの空気量とＥＧＲガス量との割合を図６
に示すような割合にすると燃料およびその周囲のガス温
度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯くし
て煤が全く発生しなくなる。また、このときのＮＯx 発
生量は１０p.p.m 前後、又はそれ以下であり、従ってＮ
Ｏx 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。と
ころで燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲の
ガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に
抑制しうるのは燃焼による発熱量が少ない比較的機関負
荷が低いときに限られる。従って本発明による実施例で
は機関負荷が比較的低いときには燃焼時の燃料およびそ
の周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温
度以下に抑制して第１の燃焼、即ち低温燃焼を行うよう
にし、機関負荷が比較的高いときには第２の燃焼、即ち
従来より普通に行われている燃焼を行うようにしてい
る。なお、ここで第１の燃焼、即ち低温燃焼とはこれま
での説明から明らかなように煤の発生量がピークとなる
不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤が
ほとんど発生しない燃焼のことを言い、第２の燃焼、即
ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量がピ
ークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量
が少ない燃焼のことを言う。
【００４４】図７（Ａ）の実線は第１の燃焼が行われた
ときの燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇとクランク角との関
係を示しており、図７（Ａ）の鎖線は第２の燃焼が行わ
れたときの燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇとクランク角と
の関係を示している。また、図７（Ｂ）の実線は第１の
燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温Ｔｆ
とクランク角との関係を示しており、図７（Ｂ）の破線
は第２の燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガ
ス温Ｔｆとクランク角との関係を示している。
【００４５】第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われている
ときには第２の燃焼、即ち従来の普通の燃焼が行われて
いるときに比べてＥＧＲガス量が多く、従って図７
（Ａ）に示されるように圧縮上死点前は、即ち圧縮工程
中は実線で示す第１の燃焼時における平均ガス温Ｔｇの
ほうが破線で示す第２の燃焼時における平均ガス温Ｔｇ
よりも高くなっている。なお、このとき図７（Ｂ）に示
されるように燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは平均ガ
ス温Ｔｇとほぼ同じ温度になっている。
【００４６】次いで圧縮上死点付近において燃焼が開始
されるがこの場合、第１の燃焼が行われているときには
図７（Ｂ）の実線が示されるように燃料およびその周囲
のガス温Ｔｆはさほど高くならない。これに対して第２
の燃焼が行われている場合には図７（Ｂ）の破線で示さ
れるように燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは極めて高
くなる。このように第２の燃焼が行われた場合には燃料
およびその周囲のガス温Ｔｆは第１の燃焼が行われてい
る場合に比べてかなり高くなるが大部分を占めるそれ以
外のガスの温度は第１の燃焼が行われている場合に比べ
て第２の燃焼が行われている場合の方が低くなってお
り、従って図７（Ａ）に示されるように圧縮上死点付近
における燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇは第１の燃焼が行
われている場合の方が第２の燃焼が行われている場合に
比べて高くなる。その結果、図７（Ａ）に示されるよう
に燃焼が完了した後の、即ち膨張行程の後半における燃
焼室５内の平均ガス温Ｔｇは、言い換えると燃焼室５内
の既燃ガス温は第１の燃焼が行われた場合の方が第２の
燃焼が行われた場合に比べて高くなる。
【００４７】このように第１の燃焼、即ち低温燃焼が行
われた場合には第２の燃焼が行われた場合に比べて燃焼
時における燃料およびその周囲のガス温Ｔｆはかなり低
くなるが燃焼室５内の既燃ガスは第２の燃焼が行われた
場合に比べて逆に高くなり、従って燃焼室５から排出さ
れる排気ガスの温度も第２の燃焼が行われている場合に
比べて高くなる。
【００４８】図８は第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われ
る第１の運転領域Ｉと、第２の燃焼、即ち従来の燃焼方
法による燃焼が行われる第２の燃焼領域IIとを示してい
る。なお、図８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８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。
【００４９】即ち、機関の運転状態が第１の運転領域Ｉ
にあって低温燃焼が行われているときに要求負荷Ｌが機
関回転数Ｎの関数である第１の境界Ｘ（Ｎ）を越えると
運転領域が第２の運転領域IIに移ったと判断され、従来
の燃焼方法による燃焼が行われる。次いで要求負荷Ｌが
機関回転数Ｎの関数である第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低
くなると運転領域が第１の運転領域Ｉに移ったと判断さ
れ、再び低温燃焼が行われる。
【００５０】なお、本発明による実施例では第２の境界
Ｙ（Ｎ）は第１の境界Ｘ（Ｎ）に対してΔＬ（Ｎ）だけ
低負荷側とされる。図８および図９に示されるようにΔ
Ｌ（Ｎ）は機関回転数Ｎの関数であり、ΔＬ（Ｎ）は機
関回転数Ｎが高くなるほど小さくなる。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。
【００５１】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理論空燃比
又はリッチになると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Ｌ
ｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢ
ａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬ
ａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なく
とも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されてい
る。
【００５２】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１０は空燃比センサ２１の出力を示して
いる。図１０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。
【００５３】次に図１１を参照しつつ第１の運転領域Ｉ
および第２の運転領域IIにおける運転制御について概略
的に説明する。図１１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１１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
１１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。
【００５４】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ＥＧＲ制御弁２３の開度を補正することによって
目標リーン空燃比に制御される。また、第１の運転領域
Ｉでは圧縮上死点ＴＤＣ前に燃料噴射が行われる。この
場合、噴射開始時期θＳは要求負荷Ｌが高くなるにつれ
て遅くなり、噴射完了時期θＥも噴射開始時期θＳが遅
くなるにつれて遅くなる。
【００５５】なお、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ＥＧＲ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１
６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。
【００５６】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
中に含まれてい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方向へ
ステップ状に増大せしめられる。このとき図１１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。
【００５７】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１１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は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ制
御弁２３の開度は要求負荷Ｌが高くなると次第に小さく
される。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。
【００５８】図１２は第１の運転領域Ｉにおける空燃比
Ａ／Ｆを示している。図１２において、Ａ／Ｆ＝１５．
５，Ａ／Ｆ＝１６，Ａ／Ｆ＝１７，Ａ／Ｆ＝１８で示さ
れる各曲線は夫々空燃比が１５．５，１６，１７，１８
であるときを示しており、各曲線間の空燃比は比例配分
により定められる。図１２に示されるように第１の運転
領域Ｉでは空燃比がリーンとなっており、更に第１の運
転領域Ｉでは要求負荷Ｌが低くなるほど空燃比Ａ／Ｆが
リーンとされる。
【００５９】即ち、要求負荷Ｌが低くなるほど燃焼によ
る発熱量が少なくなる。従って要求負荷Ｌが低くなるほ
どＥＧＲ率を低下させても低温燃焼を行うことができ
る。ＥＧＲ率を低下させると空燃比は大きくなり、従っ
て図１２に示されるように要求負荷Ｌが低くなるにつれ
て空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。空燃比Ａ／Ｆが大きく
なるほど燃料消費率は向上し、従ってできる限り空燃比
をリーンにするために本発明による実施例では要求負荷
Ｌが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。
【００６０】なお、空燃比を図１２に示す目標空燃比と
するのに必要なスロットル弁１６の目標開度ＳＴが図１
３（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数
Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶さ
れており、空燃比を図１２に示す目標空燃比とするのに
必要なＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが図１３（Ｂ）
に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数
としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されてい
る。
【００６１】図１４は第２の燃焼、即ち従来の燃焼方法
による普通の燃焼が行われるときの目標空燃比を示して
いる。なお、図１４においてＡ／Ｆ＝２４，Ａ／Ｆ＝３
５，Ａ／Ｆ＝４５，Ａ／Ｆ＝６０で示される各曲線は夫
々目標空燃比２４，３５，４５，６０を示している。空
燃比をこの目標空燃比とするのに必要なスロットル弁１
６の目標開度ＳＴが図１５（Ａ）に示されるように要求
負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予
めＲＯＭ３２内に記憶されており、空燃比をこの目標空
燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥ
が図１５（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関
回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に
記憶されている。
【００６２】図１６は種々の温度と要求負荷Ｌとの関係
を概略的に示している。図１６におけるＴａは第１の運
転領域Ｉにおいて第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われた
ときの触媒１９への流入排気ガス温を示しており、Ｔｂ
はこのときの触媒１９の触媒床温度を示している。ま
た、Ｔｃは第１の運転領域Ｉおよび第２の運転領域IIに
おいて第２の燃焼が行われたときの触媒１９の触媒床温
度を示している。
【００６３】前述したように低温燃焼が行われていると
きには第２の燃焼が行われている場合に比べて排気ガス
温が高くなり、従って要求負荷Ｌが同一であれば低温燃
焼が行われているときの触媒床温度Ｔａの方が第２の燃
焼が行われているときの触媒床温度Ｔｃよりも高くな
る。低温燃焼が行われているときであっても要求負荷Ｌ
が高くなるほど燃焼時の発熱量が大きくなるので要求負
荷Ｌが高くなるほど触媒１９への流入排気ガス温Ｔａが
高くなる。一方、低温燃焼時には機関から多量の未燃Ｈ
Ｃ，ＣＯが排出されるので触媒１９におけるこれら未燃
ＨＣ，ＣＯの酸化反応熱によって触媒１９の触媒床温度
Ｔｂは触媒１９への流入排気ガス温Ｔａに比べてかなり
高くなる。
【００６４】本発明による実施例では図１２および図１
４に示されるように第１の燃焼が行われているときでも
第２の燃焼が行われているときでも空燃比がリーンとさ
れる。しかしながらこのようにリーン空燃比のもとで燃
焼が継続せしめられると冒頭で述べたように触媒１９に
担持された貴金属が酸化せしめられ、その結果触媒１９
の活性が低下する。この場合、触媒床温を高くし、かつ
空燃比をリッチにすれば触媒１９の活性を回復すること
ができる。
【００６５】ところで図１６に示されるように低温燃焼
が行われているときには触媒床温度Ｔｂが高くなり、し
かも低温燃焼が行われているときには空燃比をリッチに
しても煤が発生しない。従って本発明では低温燃焼が行
われているときに空燃比をリッチにし、それによって触
媒１９の活性を回復するようにしている。なお、図１６
からわかるように低温燃焼が行われているときには要求
負荷Ｌが高いときほど触媒床温度Ｔｂは高くなる。言い
換えると機関の運転状態が第１の運転領域Ｉから第２の
運転領域IIに移る直前、および機関の運転状態が第２の
運転領域IIから第１の運転領域Ｉに移った直後における
触媒床温度Ｔｂが最も高くなる。そこで本発明による第
１の実施例では機関の運転状態が第１の運転領域Ｉから
第２の運転領域IIに移る直前、および機関の運転状態が
第２の運転領域IIから第１の運転領域Ｉに移った直後に
空燃比をリッチにするようにしている。
【００６６】次にこのことについて図１７および図１８
を参照しつつ具体的に説明する。図１７は時刻ｔ0 にお
いて要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）を越えた場合を示
している。第１の実施例では図１７に示されるように要
求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）を越えてもひき続き低温
燃焼が行われ、低温燃焼のもとでｔ１時間だけ空燃比が
リッチとされる。次いでｔ１時間が経過するとスロット
ル弁１６がステップ状に開弁せしめられ、第２の燃焼に
切換えられる。
【００６７】一方、図１８は時刻ｔ0 において要求負荷
Ｌが第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなった場合を示して
いる。図１８に示されるように要求負荷Ｌが第２の境界
Ｙ（Ｎ）よりも低くなるとスロットル弁１６がステップ
状に閉弁せしめられ、第２の燃焼から第１の燃焼に切換
えられる。第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられると
空燃比がｔ２時間だけリッチとされる。
【００６８】次に図１９を参照しつつ運転制御について
説明する。図１９を参照すると、まず初めにステップ１
００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１０
１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≦Ｘ１（Ｎ）のときに
はステップ１０６に進んで低温燃焼が行われる。
【００６９】即ち、ステップ１０６では図１３（Ａ）に
示すマップからスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出
され、スロットル弁１６の開度がこの目標開度ＳＴとさ
れる。次いでステップ１０７では図１３（Ｂ）に示すマ
ップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出され、
ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目標開度ＳＥとされる。
次いでステップ１０８では低温燃焼から第２の燃焼に切
換えられる直前にセットされるリッチフラグがセットさ
れているか否かが判別される。リッチフラグがセットさ
れていないときには図１２に示されるリーン空燃比とな
るように燃料噴射が行われる。このときリーン空燃比の
もとで低温燃焼が行われる。
【００７０】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Ｌ＞Ｘ（Ｎ）となってからｔ１時間が経過したか
否かが判別される。ｔ１時間経過していないときにはス
テップ１０３に進んでリッチフラグがセットされる。リ
ッチフラグがセットされるとステップ１０６，１０７，
１０８を経てステップ１１０に進み、リッチ空燃比とな
るように燃料噴射が行われる。このときリッチ空燃比の
もとで低温燃焼が行われる。
【００７１】ステップ１０２においてｔ１時間が経過し
たと判断されたときにはステップ１０４に進んでリッチ
フラグがリセットされ、次いでステップ１０５に進んで
フラグＩがリセットされる。次いでステップ１１６に進
んで第２の燃焼が行われる。即ち、ステップ１１６では
図１５（Ａ）に示すマップからスロットル弁１６の目標
開度ＳＴが算出され、スロットル弁１６の開度がこの目
標開度ＳＴとされる。次いでステップ１１７では図１５
（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度Ｓ
Ｅが算出され、ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目標開度
ＳＥとされる。次いでステップ１１８では図１４に示さ
れるリーン空燃比となるように燃料噴射が行われる。こ
のときリーン空燃比のもとで第２の燃焼が行われる。
【００７２】フラグＩがリセットされると次の処理サイ
クルではステップ１００からステップ１１１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１１６
に進み、リーン空燃比のもとで第２の燃焼が行われる。
一方、ステップ１１１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１１２に進んでＬ＜Ｙ
（Ｎ）となってからｔ２時間が経過したか否かが判別さ
れる。ｔ２時間経過していないときにはステップ１１３
に進んでリッチフラグがセットされる。リッチフラグが
セットされるとステップ１０６，１０７，１０８を経て
ステップ１１０に進み、リッチ空燃比となるように燃料
噴射が行われる。このときリッチ空燃比のもとで低温燃
焼が行われる。
【００７３】ステップ１１２においてｔ２時間が経過し
たと判断されたときにはステップ１１４に進んでリッチ
フラグがリセットされ、次いでステップ１１５に進んで
フラグＩがリセットされる。次いでステップ１０６，１
０７，１０８を経てステップ１０９に進み、リーン空燃
比のもとで低温燃焼が行われる。次に図２０を参照しつ
つ第２実施例について説明する。
【００７４】図２０は第１の運転領域Ｉにおける空燃比
Ａ／Ｆを示している。図２０において、Ａ／Ｆ＝１４，
Ａ／Ｆ＝１５．５，Ａ／Ｆ＝１６，Ａ／Ｆ＝１７，Ａ／
Ｆ＝１８で示される各曲線は夫々空燃比が１４，１５．
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２０に示さ
れるようにこの第２実施例においては第２の境界Ｙ
（Ｎ）よりも若干要求負荷Ｌが小さい位置において第２
の境界Ｙ（Ｎ）からほぼ等しい間隔を隔てつつ理論空燃
比を示す曲線が延びており、この理論空燃比を示す曲線
と第１の境界Ｘ（Ｎ）との間には空燃比がリッチである
リッチ領域が帯状に延びている。このリッチ領域では要
求負荷Ｌが高くなるほど空燃比Ａ／Ｆがリッチとなる。
【００７５】一方、理論空燃比を示す曲線よりも要求負
荷Ｌの低い領域では空燃比がリーンとなっており、更に
この領域では要求負荷Ｌが低くなるほど空燃比Ａ／Ｆが
リーンとなる。空燃比を図２０に示される目標空燃比と
するのに必要なスロットル弁１６の目標開度ＳＴが図２
１（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数
Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶さ
れており、空燃比を図２０に示される目標空燃比とする
のに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが図２１
（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎ
の関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶され
ている。
【００７６】なお、この第２実施例でも第２の燃焼時に
おける空燃比は図１４に示されるリーン空燃比とされ、
従って第２の燃焼時におけるスロットル弁１６の目標開
度ＳＴおよびＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥは図１５
（Ａ），（Ｂ）に示すマップから算出される。この第２
実施例ではリーン空燃比のもとで低温燃焼が行われてい
るときに要求負荷Ｌが高くなると空燃比がリッチ領域の
空燃比を経て第２の燃焼時のリーン空燃比に変化する。
一方、第２の燃焼が行われているときに要求負荷Ｌが低
くなって低温燃焼に移ると空燃比はリッチ領域の空燃比
を経てリーン空燃比となる。
【００７７】次に図２２を参照しつつ運転制御について
説明する。図２２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２０
１に進んで要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ１（Ｎ）よりも大
きくなったか否かが判別される。Ｌ≦Ｘ１（Ｎ）のとき
にはステップ２０３に進んで低温燃焼が行われる。
【００７８】即ち、ステップ２０３では図２１（Ａ）に
示すマップからスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出
され、スロットル弁１６の開度がこの目標開度ＳＴとさ
れる。次いでステップ２０４では図２１（Ｂ）に示すマ
ップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出され、
ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目標開度ＳＥとされる。
次いでステップ２０５では図２０にに示される空燃比と
なるように燃料噴射が行われる。このとき低温燃焼が行
われる。
【００７９】一方、ステップ２０１においてＬ＞Ｘ
（Ｎ）になったと判別されたときにはステップ２０２に
進んでフラグＩがリセットされ、次いでステップ２０８
に進んで第２の燃焼が行われる。即ち、ステップ２０８
では図１５（Ａ）に示すマップからスロットル弁１６の
目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１６の開度がこ
の目標開度ＳＴとされる。次いでステップ２０９では図
１５（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の目標開
度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目標
開度ＳＥとされる。次いでステップ２１０では図１４に
に示されるリーン空燃比となるように燃料噴射が行われ
る。
【００８０】フラグＩがリセットされると次の処理サイ
クルではステップ２００からステップ２０６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２０８
に進み、リーン空燃比のもとで第２の燃焼が行われる。
一方、ステップ２０６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２０７に進んでフラグＩが
セットされ、次いでステップ２０３に進んで低温燃焼が
行われる。
【００８１】図２３に別の実施例を示す。この実施例で
は酸化機能を有する触媒１９の下流に酸化機能を有する
別の触媒５０が配置される。この触媒５０としても酸化
触媒、三元触媒、又はＮＯx 吸収剤を用いることができ
る。次に触媒１９又は触媒５０としてＮＯx 吸収剤を用
いた場合について説明する。
【００８２】前述したようにＮＯx 吸収剤１９，５０は
空燃比がリーンのときにはＮＯx を吸収し、空燃比が理
論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯx を放出する
ＮＯ x の吸放出作用を行う。ＮＯx 吸収剤１９，５０を
機関排気通路内に配置すればこのＮＯx 吸収剤１９，５
０は実際にＮＯx の吸放出作用を行うがこの吸放出作用
の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もあ
る。しかしながらこの吸放出作用は図２４に示すような
メカニズムで行われているものと考えられる。次にこの
メカニズムについて担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢ
ａを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金
属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同
様なメカニズムとなる。
【００８３】本発明による実施例では通常空燃比がリー
ンの状態で燃焼が行われる。このような空燃比がリーン
の状態で燃焼が行われている場合には排気ガス中の酸素
濃度は高く、このときには図２４（Ａ）に示されるよう
にこれら酸素Ｏ2 がＯ2 - 又はＯ2-の形で白金Ｐｔの表
面に付着する。一方、排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表
面上でＯ2 - 又はＯ2-と反応し、ＮＯ2 となる（２ＮＯ
＋Ｏ2 →２ＮＯ2 ）。次いで生成されたＮＯ2 の一部は
白金Ｐｔ上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バ
リウムＢａＯと結合しながら図２４（Ａ）に示されるよ
うに硝酸イオンＮＯ3 - の形で吸収剤内に拡散する。こ
のようにしてＮＯx がＮＯx 吸収剤１９，５０内に吸収
される。流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ
の表面でＮＯ2 が生成され、吸収剤のＮＯx 吸収能力が
飽和しない限りＮＯ2 が吸収剤内に吸収されて硝酸イオ
ンＮＯ3 - が生成される。
【００８４】一方、本発明による実施例では第１の燃焼
から第２の燃焼に切換えられる直前、又は第２の燃焼か
ら第１の燃焼に切換えられた直後に空燃比がリッチとさ
れる。空燃比がリッチとされ、排気ガス中の酸素濃度が
低下してＮＯ2 の生成量が低下すると反応が逆方向（Ｎ
Ｏ3 - →ＮＯ2 ）に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオ
ンＮＯ3 - がＮＯ2 の形で吸収剤から放出される。この
ときＮＯx 吸収剤１９，５０から放出されたＮＯx は図
２４（Ｂ）に示されるように排気ガス中に含まれる多量
の未燃ＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このよ
うにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ2 が存在しなくなると
吸収剤から次から次へとＮＯ2 が放出される。従って空
燃比がリッチにされると短時間のうちにＮＯx 吸収剤１
９，５０からＮＯx が放出され、しかもこの放出された
ＮＯx が還元されるために大気中にＮＯx が排出される
のを阻止することができることになる。
【００８５】このように触媒１９又は触媒５０としてＮ
Ｏx 吸収剤を用いるとＮＯx が大気に放出されるのが阻
止され、しかも低温燃焼時に空燃比がリッチにされ、Ｎ
Ｏx吸収剤からＮＯx が放出されたときでも煤がほとん
ど発生しないことになる。
【００８６】
【発明の効果】貴金属を担持した触媒の活性が低下する
のを阻止することができる。
【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】燃焼室内における平均ガス温Ｔｇと、燃料およ
びその周囲のガス温Ｔｆの変化を示す図である。
【図８】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９】ΔＬ（Ｎ）と機関回転数Ｎとの関係を示す図で
ある。
【図１０】空燃比センサの出力を示す図である。
【図１１】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１２】第１の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図で
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】第２の燃焼における空燃比を示す図である。
【図１５】スロットル弁等の目標開度を示す図である。
【図１６】触媒への流入排気ガス温Ｔａおよび触媒床温
度Ｔｂ，Ｔｃを示す図である。
【図１７】低温燃焼から第２の燃焼への切換え時を示す
タイムチャートである。
【図１８】第２の燃焼から低温燃焼への、切換え時を示
すタイムチャートである。
【図１９】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。
【図２０】第１の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図で
ある。
【図２１】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図
である。
【図２２】機関の運転を制御するための別の実施例を示
すフローチャートである。
【図２３】圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体
図である。
【図２４】ＮＯx の吸放出作用を説明するための図であ
る。
【符号の説明】 ６…燃料噴射弁 １６…スロットル弁 １９…触媒 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 41/04 ３５５ Ｆ０２Ｄ 41/04 ３５５ ３８０ ３８０Ｂ Ｆ０２Ｍ 25/07 ＺＡＢ Ｆ０２Ｍ 25/07 ＺＡＢ ５７０ ５７０Ａ ５７０Ｊ (72)発明者 伊藤 和浩 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 岩▲崎▼ 英二 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 吉▲崎▼ 康二 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 (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼室内の不活性ガス量を増大していく
    と煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内
    の不活性ガス量を更に増大していくと燃焼室内における
    燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よ
    りも低くなって煤がほとんど発生しなくなる圧縮着火式
    内燃機関において、機関排気通路内に貴金属を担持した
    触媒を配置し、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量
    よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生
    しない第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性
    ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第２の燃
    焼とを選択的に切換える切換手段を具備し、該第２の燃
    焼は空燃比がリーンのもとで行われ、該第２の燃焼から
    リーン空燃比のもとで行われる第１の燃焼に切換えるべ
    きときには第２の燃焼から第１の燃焼に切換えたときに
    空燃比を一時的にリッチにした後に空燃比をリーンにす
    るようにした圧縮着火式内燃機関。
  2. 【請求項２】 リーン空燃比のもとで行われる第１の燃
    焼から第２の燃焼に切換えるべきときには空燃比を一時
    的にリッチにした後に第１の燃焼から第２の燃焼に切換
    えるようにした請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関。
  3. 【請求項３】 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の運転領域とに分割し、該第１の燃焼も空燃
    比がリーンのもとで行われ、機関の運転状態が第２の運
    転領域から第１の運転領域に移ったときには空燃比が一
    時的にリッチにされた後にリーンにされる請求項１に記
    載の圧縮着火式内燃機関。
  4. 【請求項４】 機関の運転状態が第１の運転領域から第
    ２の運転領域に移ったときにはリッチ空燃比のもとで第
    １の燃焼を行った後に第２の燃焼に切換えられる請求項
    ３に記載の圧縮着火式内燃機関。
  5. 【請求項５】 機関の運転領域をリーン空燃比のもとで
    第１の燃焼が行われる低負荷側領域と、リーン空燃比の
    もとで第２の燃焼が行われる高負荷側領域と、該低負荷
    側領域と高負荷側領域の間にあってリッチ空燃比のもと
    で第１の燃焼が行われる領域に分割した請求項１に記載
    の圧縮着火式内燃機関。
  6. 【請求項６】 該触媒が酸化触媒、三元触媒又はＮＯx
    吸収剤の少なくとも一つからなる請求項１に記載の圧縮
    着火式内燃機関。
  7. 【請求項７】 燃焼室から排出された排気ガスを機関吸
    気通路内に再循環させる再循環装置を具備し、上記不活
    性ガスが再循環排気ガスからなる請求項１に記載の圧縮
    着火式内燃機関。
  8. 【請求項８】 上記第１の燃焼状態における排気ガス再
    循環率がほぼ５５パーセント以上である請求項７に記載
    の圧縮着火式内燃機関。
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