JPH11311138A

JPH11311138A - 圧縮着火式内燃機関

Info

Publication number: JPH11311138A
Application number: JP10117185A
Authority: JP
Inventors: Shinya Hirota; 信也広田; Toshiaki Tanaka; 俊明田中; Nobumoto Ohashi; 伸基大橋; Kazuhiro Ito; 和浩伊藤; Eiji Iwasaki; ▲英▼二岩▲崎▼; Koji Yoshizaki; 康二吉▲崎▼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-04-27
Filing date: 1998-04-27
Publication date: 1999-11-09
Anticipated expiration: 2018-04-27
Also published as: JP3424552B2

Abstract

(57)【要約】【課題】機関の全運転領域に亘って煤の発生を抑制し
つつＮＯ_xが大気に放出されるのを阻止する。【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。流入する排気ガスの空燃比が
リーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_xを吸収し
かつ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチ
になると吸収したＮＯ_xを放出するＮＯ_x吸収剤２０を
機関排気通路内に配置し、ＮＯ_x吸収剤２０上流の機関
排気通路内にＳＯ_x吸収剤１９を配置する。

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ＮＯ_x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ＮＯ_xの発生量が低下し、従ってＥＧＲ率を増大す
ればするほどＮＯ_x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
ＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_x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
Ｏ_x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定したこと
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ＮＯ_x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。即ち、吸入空気量が一定限度を越
えると従来より行われている通常の燃焼を行わなければ
ならなくなる。

【００１０】しかしながら従来より行われている通常の
燃焼を行うと多量のＮＯ_xが発生する。従って煤および
ＮＯ_xを同時に低減可能な新たな燃焼システムを採用し
た場合であっても機関負荷によっては従来より行われて
いる通常の燃焼を行わなければならないことを考えると
機関から排出されるＮＯ_xの処理に考慮を払わなければ
ならないことになる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】従って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、流入する排気ガスの空燃比がリーンであるとき
にはＮＯ_xを吸収し、流入する排気の空燃比が理論空燃
比又はリッチになると吸収したＮＯ_xを放出するＮＯ_x
吸収剤を機関排気通路内に配置すると共に、ＮＯ_x吸収
剤上流の機関排気通路内にＳＯ_x捕獲装置を配置し、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ている。

【００１２】即ち、リーン空燃比のもとで燃焼が行われ
ているときに発生するＮＯ_xはＮＯ _x吸収剤に吸収さ
れ、ＮＯ_x吸収剤に吸収されたＮＯ_xはＮＯ_x吸収剤に
流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチにす
ることによってＮＯ_x吸収剤から放出される。一方、排
気ガス中にはＮＯ_xに加えＳＯ_xも含まれている。もし
このＳＯ_xがＮＯ_x吸収剤に吸収されるとＮＯ_x吸収剤
のＮＯ_x吸収能力が低下する。従ってＳＯ_xがＮＯ_x吸
収剤に吸収されないようにするためにＳＯ_xはＳＯ_x捕
獲装置により捕獲される。

【００１３】２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にＮＯ_x吸収剤からＮＯ
_xを放出すべきときには燃焼室内における空燃比を一時
的に理論空燃比又はリッチにするようにしている。３番
目の発明では１番目の発明において、第２の燃焼が行わ
れているときにＮＯ_x吸収剤からＮＯ_xを放出すべきと
きには膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料を噴
射してＮＯ_x吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を理論
空燃比又はリッチにするようにしている。

【００１４】４番目の発明では１番目の発明において、
ＳＯ_x捕獲装置がＳＯ_x吸収剤からなり、ＳＯ_x吸収剤
はＳＯ_x吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリーンで
あるときにＳＯ_xを吸収し、ＳＯ_x吸収剤に流入する排
気ガスの空燃比がリッチであるときに吸収したＳＯ_xを
放出する。５番目の発明では４番目の発明において、Ｓ
Ｏ_x吸収剤はＳＯ_x吸収剤に流入する排気ガスの空燃比
がリッチでありかつＳＯ_x吸収剤の温度が予め定められ
た温度よりも高いときに吸収したＳＯ_xを放出する。

【００１５】６番目の発明では５番目の発明において、
第１の燃焼のもとで排気ガス温が予め定められた温度以
上となる運転状態であるときにＳＯ_x吸収剤からＳＯ_x
を放出すべきときには燃焼室内における空燃比をリッチ
にするようにしている。７番目の発明では５番目の発明
において、ＳＯ_x吸収剤の温度を上昇させる温度上昇手
段を具備し、温度上昇手段によりＳＯ_x吸収剤の温度を
上昇させかつＳＯ_x吸収剤に流入する排気ガスの空燃比
をリッチにすることによってＳＯ_x吸収剤からＳＯ_xを
放出させる。

【００１６】８番目の発明では７番目の発明において、
温度上昇手段が膨張行程中に追加の燃料を噴射する燃料
噴射装置からなる。９番目の発明では７番目の発明にお
いて、温度上昇手段がＳＯ_x吸収剤を加熱するための電
気ヒータからなる。１０番目の発明では９番目の発明に
おいて、第１の燃焼が行われているときにＳＯ_x吸収剤
からＳＯ_xを放出すべきときには燃焼室内における空燃
比をリッチにするようにしている。

【００１７】１１番目の発明では９番目の発明におい
て、第２の燃焼が行われているときにＳＯ_x吸収剤から
ＳＯ_xを放出すべきときには膨張行程中又は排気行程中
に追加の燃料を噴射してＳＯ_x吸収剤に流入する排気ガ
スの空燃比をリッチにするようにしている。１２番目の
発明では７番目の発明において、ＳＯ_x吸収剤からＳＯ
_xを放出すべきときにはＳＯ_x吸収剤に流入する排気ガ
スの空燃比を理論空燃比又はリッチにしてＳＯ_x吸収剤
から流出する排気ガス中の酸素濃度を低下させ、次いで
温度上昇手段によりＳＯ_x吸収剤の温度を上昇させかつ
ＳＯ_x吸収剤に流入する排気ガスの空燃比をリッチにす
るようにしている。

【００１８】１３番目の発明では１２番目の発明におい
て、ＳＯ_x吸収剤から流出する排気ガス中の酸素濃度を
検出するための酸素濃度検出器を具備し、ＳＯ_x吸収剤
から流出する排気ガス中の酸素濃度が予め定められた濃
度よりも低くなったときに温度上昇手段によりＳＯ_x吸
収剤の温度を上昇させかつＳＯ_x吸収剤に流入する排気
ガスの空燃比をリッチにするようにしている。

【００１９】１４番目の発明では１番目の発明におい
て、機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置
している。１５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。

【００２０】１６番目の発明では１５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５
５パーセント以上である。１７番目の発明では１番目の
発明において、機関の運転領域を低負荷側の第１の運転
領域と高負荷側の第２の運転領域に分割し、第１の運転
領域では第１の燃焼を行い、第２の運転領域では第２の
燃焼を行うようにしている。

【００２１】

【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ＳＯ_x捕獲装置１９に連結され、
ＳＯ_x捕獲装置１９下流の排気通路内にはＮＯ_x吸収剤
２０が配置される。排気マニホルド１７内には空燃比セ
ンサ２１ａが配置され、ＳＯ_x捕獲装置１９下流の排気
通路内には酸素濃度検出器２１ｂが配置される。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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２１ａ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。酸素濃度検出器２１ｂは
ＳＯ_x捕獲装置１９から流出する排気ガス中の酸素濃度
に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧も対応する
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。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３
８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。

【００２５】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，ＮＯ_x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。

【００２６】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
Ｏ_x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。

【００２７】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。

【００２８】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ＮＯ_xの発生量がかなり低下する。Ｎ
Ｏ_x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。

【００２９】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。

【００３０】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内における燃焼およびその周囲
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。

【００３１】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ＮＯ_x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ＮＯ_x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、ＮＯ_xの発生量が低下する。このときＮＯ_x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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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ＮＯ_x発
生量は１０p.p.m 前後、又はそれ以下であり、従ってＮ
Ｏ_xの発生量は極めて少量となる。

【００４２】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。

【００４３】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では全吸入ガ
ス量Ｘは吸入しうる全吸入ガス量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。

【００４４】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ＮＯ_x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ＮＯ_x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。

【００４５】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ＮＯ_x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、ＮＯ_x
も極めて少量しか発生しない。

【００４６】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、ＮＯ_x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。

【００４７】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）の破線は第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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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の運転領域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。

【００５２】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。

【００５３】図９は空燃比センサ２１ａの出力を示して
いる。図９に示されるように空燃比センサ２１ａ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２１ａの出力電流Ｉから空燃比を知ることができ
る。次に図１０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。

【００５４】図１０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１０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、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１
０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。

【００５５】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２１ａ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。

【００５６】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。

【００５７】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１０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。

【００５８】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ＮＯ_x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１０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。

【００５９】図１１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１１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１１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。

【００６０】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１１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。

【００６１】なお、空燃比を図１１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
２（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１１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１２（Ｂ）
に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数
としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されてい
る。

【００６２】図１３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１３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１４（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１４（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。

【００６３】機関排気通路内に配置されたＮＯ_x吸収剤
２０は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えば
カリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウム
Ｃｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウム
Ｃａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウ
ムＹのような希土類から選ばれた少くとも一つと、白金
Ｐｔのような貴金属とが担持されている。機関吸気通
路、燃焼室５およびＮＯ _x吸収剤２０上流の排気通路内
に供給された空気および燃料（炭化水素）の比をＮＯ_x
吸収剤２０への流入排気ガスの空燃比と称するとこのＮ
Ｏ_x吸収剤２０は流入排気ガスの空燃比がリーンのとき
にはＮＯ_xを吸収し、流入排気ガスの空燃比が理論空燃
比又はリッチになると吸収したＮＯ_xを放出するＮＯ_x
の吸放出作用を行う。

【００６４】このＮＯ_x吸収剤２０を機関排気通路内に
配置すればＮＯ_x吸収剤２０は実際にＮＯ_x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１５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Ｂａ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。

【００６５】図１に示される圧縮着火式内燃機関では通
常燃焼室５における空燃比がリーンの状態で燃焼が行わ
れる。このように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１５（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ₂がＯ
₂ ^-又はＯ^2-の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、
流入排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ₂ ^-又は
Ｏ^2-と反応し、ＮＯ₂となる（２ＮＯ＋Ｏ₂→２Ｎ
Ｏ₂）。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１５（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
ＮＯ_xがＮＯ_x吸収剤２０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ＮＯ_x吸収能力が飽和しない限りＮＯ
₂が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成さ
れる。

【００６６】一方、流入排気ガスの空燃比がリッチにさ
れると流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、その結果白
金Ｐｔの表面でのＮＯ₂の生成量が低下する。ＮＯ₂の
生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂）
に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ
₂の形で吸収剤から放出される。このときＮＯ_x吸収剤
２０から放出されたＮＯ_xは図１５（Ｂ）に示されるよ
うに流入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。従って流入排気ガスの空燃比
がリッチにされると短時間のうちにＮＯ _x吸収剤２０か
らＮＯ_xが放出され、しかもこの放出されたＮＯ_xが還
元されるために大気中にＮＯ_xが排出されることはな
い。

【００６７】なお、この場合、流入排気ガスの空燃比を
理論空燃比にしてもＮＯ_x吸収剤２０からＮＯ_xが放出
される。しかしながら流入排気ガスの空燃比を理論空燃
比にした場合にはＮＯ_x吸収剤２０からＮＯ_xが徐々に
しか放出されないためにＮＯ _x吸収剤２０に吸収されて
いる全ＮＯ_xを放出させるには若干長い時間を要する。

【００６８】ところでＮＯ_x吸収剤２０のＮＯ_x吸収能
力には限度があり、従ってＮＯ_x吸収剤２０のＮＯ_x吸
収能力が飽和する前にＮＯ_x吸収剤２０からＮＯ_xを放
出させる必要がある。そのためにはＮＯ_x吸収剤２０に
吸収されているＮＯ_x量を推定する必要がある。そこで
本発明による実施例では第１の燃焼が行われているとき
の単位時間当りのＮＯ_x吸収量Ａを要求負荷Ｌおよび機
関回転数Ｎの関数として図１６（Ａ）に示すようなマッ
プの形で予め求めておき、第２の燃焼が行われていると
きの単位時間当りのＮＯ_x吸収量Ｂを要求負荷Ｌおよび
機関回転数Ｎの関数として図１６（Ｂ）に示すようなマ
ップの形で予め求めておき、これら単位時間当りのＮＯ
_x吸収量Ａ，Ｂを積算することによってＮＯ_x吸収剤２
０に吸収されているＮＯ_x量ΣＮＯＸを推定するように
している。

【００６９】本発明による実施例ではこのＮＯ_x吸収量
ΣＮＯＸが予め定められた許容最大値ＭＡＸを越えたと
きにＮＯ_x吸収剤２０からＮＯ_xを放出させるようにし
ている。即ち、低温燃焼が行われているときにＮＯ_x吸
収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えたときには燃焼
室５内における空燃比が一時的にリッチとされ、それに
よってＮＯ_x吸収剤２０からＮＯ_xが放出される。な
お、前述したように低温燃焼が行われているときに空燃
比がリッチとされても煤はほとんど発生しない。

【００７０】一方、第２の燃焼が行われているときにＮ
Ｏ_x吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えたときに
は膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料が噴射さ
れる。この追加の燃料量はＮＯ_x吸収剤２０に流入する
排気ガスの空燃比がリッチとなるように定められてお
り、従って追加の燃料が噴射されるとＮＯ_x吸収剤２０
からＮＯ_xが放出されることになる。

【００７１】ところで排気ガス中にはＳＯ_xが含まれて
おり、ＮＯ_x吸収剤２０にはＮＯ_xばかりでなくＳＯ_x
も吸収される。このＮＯ_x吸収剤２０へのＳＯ_xの吸収
メカニズムはＮＯ_xの吸収メカニズムと同じであると考
えられる。即ち、ＮＯ_xの吸収メカニズムを説明したと
きと同様に担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持
させた場合を例にとって説明すると、前述したように流
入排気ガスの空燃比がリーンのときには酸素Ｏ₂がＯ₂
^-又はＯ^2-の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、流入
排気ガス中のＳＯ₂は白金Ｐｔの表面でＯ₂ ^-又はＯ^2-
と反応してＳＯ₃となる。次いで生成されたＳＯ₃の一
部は白金Ｐｔ上で更に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、硫酸イオンＳＯ
₄ ^2-の形で吸収剤内に拡散し、安定した硫酸塩ＢａＳＯ
₄を生成する。

【００７２】しかしながらこの硫酸塩ＢａＳＯ₄は安定
していて分解しづらく、流入排気ガスの空燃比をリッチ
にしても硫酸塩ＢａＳＯ₄は分解されずにそのまま残
る。従ってＮＯ_x吸収剤２０内には時間が経過するにつ
れて硫酸塩ＢａＳＯ₄が増大することになり、斯くして
時間が経過するにつれてＮＯ_x吸収剤２０が吸収しうる
ＮＯ_x量が低下することになる。

【００７３】そこで本発明ではＮＯ_x吸収剤２０にＳＯ
_xが流入しないようにＮＯ_x吸収剤２０上流の排気通路
内に排気ガス中のＳＯ_xを捕獲するためのＳＯ_x捕獲装
置１９が設けられている。このＳＯ_x捕獲装置１９は種
々のものが考えられるが本発明ではこのＳＯ_x捕獲装置
１９として流入する排気ガスの空燃比がリーンであると
きにＳＯ_xを吸収し、流入する排気ガスの空燃比がリッ
チになると吸収したＳＯ_xを放出するＳＯ_x吸収剤が用
いられている。特に図１に示される実施例ではＳＯ_x吸
収剤１９として流入する排気ガスの空燃比がリーンであ
るときにＳＯ_xを吸収し、ＳＯ_x吸収剤１９の温度が予
め定められた温度よりも高くかつ流入する排気ガスの空
燃比がリッチになるとＳＯ_xを放出するＳＯ_x吸収剤が
用いられている。

【００７４】このＳＯ_x吸収剤１９はＮＯ_x吸収剤２０
と同様に例えばアルミナを担体とし、この担体上に例え
ばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウ
ムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウ
ムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリ
ウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、
白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。

【００７５】このＳＯ_x吸収剤１９ではＳＯ_x吸収剤１
９に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガ
ス中に含まれるＳＯ₂が吸収剤の表面で酸化されつつ硫
酸イオンＳＯ₄ ^2-の形で吸収剤内に吸収され、次いで吸
収剤内に拡散される。この場合、ＳＯ_x吸収剤１９の担
体上に白金Ｐｔを担持させておくとＳＯ₂がＳＯ₃ ^2-の
形で白金Ｐｔ上にくっつきやすくなり、斯くしてＳＯ₂
は硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形で吸収剤内に吸収されやすく
なる。従ってＳＯ₂の吸収を促進するためにはＳＯ_x吸
収剤１９の担体上に白金Ｐｔを担持させることが好まし
い。上述したようにＳＯ_x吸収剤１９に流入する排気ガ
スの空燃比がリーンになるとＳＯ_xがＳＯ_x吸収剤１９
に吸収され、従ってＳＯ_x吸収剤１９の下流に設けられ
たＮＯ_x吸収剤２０にはＮＯ_xのみが吸収されることに
なる。

【００７６】一方、ＳＯ_x吸収剤１９に吸収されたＳＯ
_xは硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形で吸収剤内に拡散し、次い
で硫酸塩ＢａＳＯ₄の形でＳＯ_x吸収剤１９内に留まっ
ている。ところがこの硫酸塩ＢａＳＯ₄は安定して分解
しずらく、従ってＳＯ_x吸収剤１９に流入する排気ガス
の空燃比を単にリッチにしただけではＳＯ_x吸収剤１９
からＳＯ_xをただちに放出させることができない。

【００７７】しかしながらこの場合、ＳＯ_x吸収剤１９
の温度が一定温度、例えば６００℃以上になるとＳＯ_x
吸収剤１９内において硫酸塩ＢａＳＯ₄が分解し、斯く
してこのときＳＯ_x吸収剤１９に流入する排気ガスの空
燃比をリッチにするとＳＯ_x吸収剤１９からＳＯ_xが放
出されることになる。そこで本発明による実施例ではＳ
Ｏ_x吸収剤１９からＳＯ_xを放出すべきときにＳＯ_x吸
収剤１９の温度が高い場合にはＳＯ_x吸収剤１９に流入
する排気ガスの空燃比をリッチにしてＳＯ_x吸収剤１９
からＳＯ_xを放出させ、ＳＯ_xを放出すべきときにＳＯ
_x吸収剤１９の温度が低い場合にはＳＯ_x吸収剤１９の
温度を上昇させると共に、ＳＯ_x吸収剤１９に流入する
排気ガスの空燃比をリッチにするようにしている。

【００７８】ところで上述したように本発明による実施
例ではＳＯ_x吸収剤１９が白金Ｐｔを含んでおり、従っ
てＳＯ_x吸収剤１９は酸化機能を有している。同様に、
ＮＯ _x吸収剤２０も白金Ｐｔを含んでおり、従ってＮＯ
_x吸収剤２０も酸化機能を有している。一方、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。ところが上述したようにＳＯ_x吸収
剤１９およびＮＯ_x吸収剤２０は酸化機能を有している
のでこのとき燃焼室５から排出される未燃炭化水素がＳ
Ｏ_x吸収剤１９およびＮＯ_x吸収剤２０において良好に
酸化せしめられることになる。

【００７９】ところでこのようにＳＯ_x吸収剤１９にお
いて酸化反応が行われると酸化反応熱によってＳＯ_x吸
収剤１９の温度が上昇する。次にこのことについて図１
７を参照しつつ説明する。図１７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１７におけるＴ
ａ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ＳＯ_x吸収剤１９への流入排気ガス
温を示しており、ＴｂはこのときのＳＯ_x吸収剤１９の
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ＳＯ_x吸収剤１９の温度を示している。

【００８０】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ＳＯ_x吸収剤の温度の方が第２
の燃焼が行われているときのＳＯ_x吸収剤の温度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ＳＯ_x吸収剤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ＨＣ，ＣＯが排出されるのでＳＯ_x吸
収剤１９におけるこれら未燃ＨＣ，ＣＯの酸化反応熱に
よってＳＯ_x吸収剤１９の温度ＴｂはＳＯ_x吸収剤１９
への流入排気ガス温Ｔａに比べてかなり高くなる。この
とき第１の運転領域Ｉにおいて高負荷側の領域ではＳＯ
_x吸収剤１９の温度Ｔｂが６００℃よりも高くなる。

【００８１】従って本発明による第１の実施例ではＳＯ
_x吸収剤１９からＳＯ_xを放出すべきときに機関の運転
状態が第１の運転領域Ｉにおいて高負荷側の領域にある
ときには、即ちＳＯ_x吸収剤１９の温度が６００℃以上
あるときには単に空燃比をリッチにするようにしてい
る。一方、ＳＯ_x吸収剤１９からＳＯ_xを放出すべきと
きに機関の運転状態が第１の運転領域Ｉにおいて高負荷
側にないとき、又は第２の運転領域IIにあるときには膨
張行程中に追加の燃料を噴射して排気ガスの温度を上昇
させることによりＳＯ_x吸収剤１９の温度を上昇させる
と共に、ＳＯ_x吸収剤１９に流入する排気ガスをリッチ
にするようにしている。

【００８２】図１８はＮＯ_x吸収剤２０からＮＯ_xを放
出すべきときにセットされるＮＯ_x放出フラグの処理ル
ーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込
みによって実行される。図１８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に進んで図１６（Ａ）に示すマップから単
位時間当りのＮＯ_x吸収量Ａが算出される。次いでステ
ップ１０２ではＮＯ_x吸収量ΣＮＯＸにＡが加算され
る。次いでステップ１０３ではＮＯ_x吸収量ΣＮＯＸが
許容最大値ＭＡＸ１を越えたか否かが判別される。ΣＮ
ＯＸ＞ＭＡＸ１になるとステップ１０４に進んで予め定
められた時間だけＮＯ_x放出フラグをセットする処理が
行われ、次いでステップ１０５においてΣＮＯＸが零と
される。

【００８３】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
に進んで図１６（Ｂ）に示すマップから単位時間当りの
ＮＯ_x吸収量Ｂが算出される。次いでステップ１０７で
はＮＯ_x吸収量ΣＮＯＸにＢが加算される。次いでステ
ップ１０８ではＮＯ_x吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡ
Ｘ１を越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸ１
になるとステップ１０９に進んで予め定められた時間だ
けＮＯ_x放出フラグをセットする処理が行われ、次いで
ステップ１１０においてΣＮＯＸが零とされる。

【００８４】図１９はＳＯ_x吸収剤１９からＳＯ_xを放
出すべきときにセットされるＳＯ_x放出フラグの処理ル
ーチンを示しており、このルーチンは一定クランク角毎
の割込みによって実行される。図１９を参照するとまず
初めにステップ２００において燃料噴射量Ｑに比例定数
Ｋを乗算した値がＳＯ_x吸収量ΣＳＯＸとされる。これ
は排気ガス中に含まれるＳＯ_xが燃料噴射量Ｑに比例す
ると考えられるからである。次いでステップ２０１では
ＳＯ_x吸収量ΣＳＯＸが許容最大値ＭＡＸ２を越えたか
否かが判別される。ΣＳＯＸ＞ＭＡＸ２になるとステッ
プ２０２に進んでＳＯ_x放出フラグがセットされる。

【００８５】次に図２０および図２１を参照しつつ第１
実施例における運転制御について説明する。図２０およ
び図２１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３０１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３０３に進んで低温燃焼が行われる。

【００８６】即ち、ステップ３０３では図１２（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３０４では図１２（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３０５ではＮＯ_x放出フラグがセットさ
れているか否かが判別される。ＮＯ_x放出フラグがセッ
トされていないときにはステップ３０６に進んでＳＯ_x
放出フラグがセットされているか否かが判別される。Ｓ
Ｏ_x放出フラグがセットされていないときにはステップ
３０８に進んで図１１に示される空燃比となるように燃
料噴射が行われる。このときリーン空燃比のもとで低温
燃焼が行われる。

【００８７】一方、ステップ３０５においてＮＯ_x放出
フラグがセットされていると判別されたときにはステッ
プ３０７に進んで燃焼室５内における平均空燃比をリッ
チにする噴射制御が行われる。このときＮＯ_x吸収剤２
０からＮＯ_xが放出される。これに対し、ステップ３０
６においてＳＯ_x放出フラグがセットされていると判別
されたときにはステップ３１７に進んで機関の運転状態
が第１の運転領域Ｉの高負荷側の領域であるか否か、即
ちＳＯ_x吸収剤１９の温度が６００℃以上の高温領域か
否かが判別される。機関の運転状態が高温領域であると
きにはステップ３１８に進んで燃焼室５内における平均
空燃比がリッチとなるように燃料噴射が行われる。この
ときＳＯ_xの放出作用が開始される。

【００８８】次いでステップ３１９ではΣＳＯＸから一
定値ａが減算され、ステップ３２４に進む。ステップ３
２４ではΣＳＯＸが負になったか否かが判別される。Σ
ＳＯＸ＜０になったときにはステップ３２５に進んでΣ
ＳＯＸおよびΣＮＯＸが共に零とされ、次いでステップ
３２６においてＳＯ_x放出フラグがリセットされる。ス
テップ３１７において機関の運転状態が高温領域でない
と判別されたときにはステップ３２０に進んで膨張行程
中に多量の追加燃料が噴射される。その結果、排気ガス
温が上昇するためにＳＯ_x吸収剤１９の温度が上昇し、
またこのときＳＯ_x吸収剤１９に流入する排気ガスの空
燃比がリッチとなるためにＳＯ_x吸収剤１９からＳＯ_x
が放出されることになる。次いでステップ３２１ではΣ
ＳＯＸから一定値Ｃが減算され、ステップ３２４に進
む。

【００８９】一方、ステップ３０１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３０２に
進んでフラグＩがリセットされ、次いでステップ３１１
に進んで第２の燃焼が行われる。即ち、ステップ３１１
では図１４（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３１２では図
１４（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３１３ではＮＯ_x放
出フラグがセットされているか否かが判別される。ＮＯ
_x放出フラグがセットされていないときにはステップ３
１４に進んでＳＯ_x放出フラグがセットされているか否
かが判別される。ＳＯ_x放出フラグがセットされていな
いときにはステップ３１６に進んで図１３に示される空
燃比となるように燃料噴射が行われる。このときリーン
空燃比のもとで第２の燃焼が行われる。

【００９０】一方、ステップ３１３においてＮＯ_x放出
フラグがセットされていると判別されたときにはステッ
プ３１５に進んでＮＯ_x吸収剤２０に流入する排気ガス
の空燃比がリッチとなるように追加の燃料が膨張行程の
後半又は排気行程中に噴射される。このときＮＯ_x吸収
剤２０からＮＯ_xが放出される。これに対し、ステップ
３１４においてＳＯ_x放出フラグがセットされていると
判別されたときにはステップ３２２に進んで膨張行程中
に多量の追加燃料が噴射される。その結果、排気ガス温
が上昇するためにＳＯ_x吸収剤１９の温度が上昇し、ま
たこのときＳＯ_x吸収剤１９に流入する排気ガスの空燃
比がリッチとなるためにＳＯ_x吸収剤１９からＳＯ_xが
放出される。次いでステップ３２３ではΣＳＯＸから一
定値ｂが減算され、ステップ３２４に進む。

【００９１】フラグＩがリセットされるとステップ３０
０からステップ３０９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３１１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３０９
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３１０に進んでフラグＩがセットされる。次いで
ステップ３０３に進んで低温燃焼が行われる。

【００９２】図２２に第２実施例を示す。この第２実施
例ではＳＯ_x吸収剤１９上流の排気通路内に酸化触媒又
は三元触媒からなる酸化機能を有する触媒５０が配置さ
れており、低温燃焼が行われたときに燃焼室５から排出
される未燃炭化水素は主にこの触媒５０において酸化せ
しめられる。図２３に第３実施例を示す。この実施例で
はＮＯ_x吸収剤２０上流の排気通路内に電気的に発熱せ
しめられる金属製のハニカム構造体５１が配置される。
このハニカム構造体５１は図２４に示されるように筒状
の外側ケーシング５２と、中心電極５３とを具備し、中
心電極５３の周りには金属製平板状薄板５４と金属製波
形状薄板５５とが交互に重なるように巻設されている。
これら平板状薄板５４および波形状薄板５５上にはＮＯ
_x吸収剤が担持されている。

【００９３】ＳＯ_x吸収剤を加熱すべきときには中心電
極５３と外側ケーシング５２間に電圧が印加される。中
心電極５３と外側ケーシング５２間に電圧が印加される
と平板状薄板５４と波形状薄板５５の接触部を通って電
流が流れ、このとき平板状薄板５４と波形状薄板５５の
各接触部が発熱する。その結果、平板状薄板５４および
波形状薄板５５が温度上昇し、斯くしてＳＯ_x吸収剤が
加熱せしめられる。従って平板状薄板５４と波形状薄板
５５は電気ヒータを構成していることがわかる。

【００９４】この実施例ではＳＯ_x吸収剤からＳＯ_xを
放出すべきときにＳＯ_x吸収剤の温度が低い場合にはハ
ニカム構造体５１の電気ヒータに電力を供給してＳＯ_x
吸収剤の温度を上昇させ、ハニカム構造体５１に流入す
る排気ガスの空燃比がリッチとされる。一方、ＳＯ_x吸
収剤からＳＯ_xを放出すべくハニカム構造体５１に流入
する排気ガスの空燃比をリッチにしたときにハニカム構
造体５１から流出する排気ガス中に多量の酸素が含まれ
ているとＳＯ_x吸収剤から放出されたＳＯ_x、即ちＳＯ
₂が排気ガス中に含まれる酸素と結合してＳＯ₃とな
る。ところがこのＳＯ₃は排気ガスの空燃比がリッチの
ときにＮＯ_x吸収剤２０に吸着しやすく、ＮＯ_x吸収剤
２０に吸着したＳＯ₃は排気ガスの空燃比がリーンにな
ったときにＮＯ_x吸収剤２０内に吸収されることにな
る。このようにＳＯ_xがＮＯ_x吸収剤２０内に吸収され
ないようにするためにはＳＯ_x吸収剤からＳＯ_xを放出
すべきときにハニカム構造体５１から流出する排気ガス
中の酸素濃度を低下させる必要がある。

【００９５】そこで第４実施例ではＳＯ_x吸収剤からＳ
Ｏ_xを放出すべきときにはまず初めにハニカム構造体２
１、即ちＳＯ_x吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を理
論空燃比又はわずかばかりリッチにしてハニカム構造体
２１内に残存する酸素を消費させる。次いで酸素濃度検
出器２１ｂにより検出された酸素濃度が予め定められた
濃度以下になったときにハニカム構造体２１の電気ヒー
タに電気を供給してＳＯ_x吸収剤の温度を上昇させ、ハ
ニカム構造体２１に流入する排気ガスの空燃比をリッチ
にしてＳＯ_x吸収剤からＳＯ_xを放出させるようにして
いる。

【００９６】次に図２５および図２６を参照しつつ第４
実施例における運転制御について説明する。図２５およ
び図２６を参照すると、まず初めにステップ４００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４０１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４０３に進んで低温燃焼が行われる。

【００９７】即ち、ステップ４０３では図１２（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４０４では図１２（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４０５ではＮＯ_x放出フラグがセットさ
れているか否かが判別される。ＮＯ_x放出フラグがセッ
トされていないときにはステップ４０６に進んでＳＯ_x
放出フラグがセットされているか否かが判別される。Ｓ
Ｏ_x放出フラグがセットされていないときにはステップ
４０８に進んで図１１に示される空燃比となるように燃
料噴射が行われる。このときリーン空燃比のもとで低温
燃焼が行われる。

【００９８】一方、ステップ４０５においてＮＯ_x放出
フラグがセットされていると判別されたときにはステッ
プ４０７に進んで燃焼室５内における平均空燃比をリッ
チにする噴射制御が行われる。このときＮＯ_x吸収剤２
０からＮＯ_xが放出される。これに対し、ステップ４０
６においてＳＯ_x放出フラグがセットされていると判別
されたときにはステップ４０９に進んで機関の運転状態
が第１の運転領域Ｉの高負荷側の領域であるか否か、即
ちＳＯ_x吸収剤の温度が６００℃以上の高温領域か否か
が判別される。機関の運転状態が高温領域であるときに
はステップ４０８に進み、リーン空燃比のもとで低温燃
焼が行われる。即ち、このときにはハニカム構造体５１
から流出する排気ガス中に多量の酸素が含まれている可
能性があり、このとき排気ガスの空燃比をリッチにする
と多量のＳＯ₃が生成される危険性があるのでこのとき
にはＳＯ_xの放出作用を行わないようにしている。

【００９９】一方、ステップ４０９において機関の運転
状態が高温領域ではないと判別されたときにはステップ
４１８に進んで酸素濃度検出器２１ｂの出力信号に基づ
きハニカム構造体５１から流出する排気ガス中の酸素濃
度が予め定められた濃度Ｃｏよりも低くなったか否かが
判別される。ハニカム構造体５１から流出する排気ガス
中の酸素濃度が予め定められた濃度Ｃｏよりも高いとき
にはステップ４２２に進んで燃焼室５内における空燃比
が理論空燃比又はわずかばかりリッチとなるように燃料
噴射が行われる。このときハニカム構造体２１内に残存
する酸素が消費される。

【０１００】次いでステップ４１８においてハニカム構
造体５１から流出する排気ガス中の酸素濃度が予め定め
られた濃度Ｃｏよりも低くなったと判別されたときはス
テップ４１９に進んでハニカム構造体５１の電気ヒータ
がオンとされ、それによってＮＯ_x吸収剤の温度が上昇
せしめられる。次いでステップ４２０に進んで燃焼室５
内における平均空燃比がリッチとなるように燃料噴射が
行われる。このときＳＯ_xの放出作用が開始される。

【０１０１】次いでステップ４２１ではΣＳＯＸから一
定値ｄが減算され、ステップ４２８に進む。ステップ４
２８ではΣＳＯＸが負になったか否かが判別される。Σ
ＳＯＸ＜０になったときにはステップ４２９に進んでΣ
ＳＯＸおよびΣＮＯＸが共に零とされ、次いでステップ
４３０においてＳＯ_x放出フラグがリセットされる。次
いでステップ４３１においてハニカム構造体５１の電気
ヒータがオフとされる。

【０１０２】一方、ステップ４０１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４０２に
進んでフラグＩがリセットされ、次いでステップ４１２
に進んで第２の燃焼が行われる。即ち、ステップ４１２
では図１４（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４１３では図
１４（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４１４ではＮＯ_x放
出フラグがセットされているか否かが判別される。ＮＯ
_x放出フラグがセットされていないときにはステップ４
１５に進んでＳＯ_x放出フラグがセットされているか否
かが判別される。ＳＯ_x放出フラグがセットされていな
いときにはステップ４１７に進んで図１３に示される空
燃比となるように燃料噴射が行われる。このときリーン
空燃比のもとで第２の燃焼が行われる。

【０１０３】一方、ステップ４１４においてＮＯ_x放出
フラグがセットされていると判別されたときにはステッ
プ４１６に進んでＮＯ_x吸収剤２０に流入する排気ガス
の空燃比がリッチとなるように追加の燃料が膨張行程の
後半又は排気行程中に噴射される。このときＮＯ_x吸収
剤２０からＮＯ_xが放出される。これに対し、ステップ
４１５においてＳＯ_x放出フラグがセットされていると
判別されたときにはステップ４２３に進んで酸素濃度検
出器２１ｂの出力信号に基づきハニカム構造体５１から
流出する排気ガス中の酸素濃度が予め定められた濃度Ｃ
ｏよりも低くなったか否かが判別される。ハニカム構造
体５１から流出する排気ガス中の酸素濃度が予め定めら
れた濃度Ｃｏよりも高いときにはステップ４２７に進
み、ハニカム構造体５１に流入する排気ガスの空燃比が
理論空燃比又はわずかばかりリッチとなるように膨張行
程の後半又は排気行程中に燃料噴射が行われる。このと
きハニカム構造体２１内に残存する酸素が消費される。

【０１０４】次いでステップ４２３においてハニカム構
造体５１から流出する排気ガス中の酸素濃度が予め定め
られた濃度Ｃｏよりも低くなったと判別されたときはス
テップ４２４に進んでハニカム構造体５１の電気ヒータ
がオンとされ、それによってＮＯ_x吸収剤の温度が上昇
せしめられる。次いでステップ４２５ではハニカム構造
体５１に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるよう
に膨張行程の後半又は排気行程中に燃料噴射が行われ
る。このときＳＯ_xの放出作用が開始される。次いでス
テップ４２６ではΣＳＯＸから一定値ｅが減算され、ス
テップ４２８に進む。

【０１０５】フラグＩがリセットされるとステップ４０
０からステップ４１０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４１２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４１０
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４１１に進んでフラグＩがセットされる。次いで
ステップ４０３に進んで低温燃焼が行われる。

【０１０６】図２７に第５実施例を示す。この実施例で
はＮＯ_x吸収剤２０上流の排気通路内に排気ガス中に含
まれるパティキュレートを捕集するためのパティキュレ
ートフィルタ５２が配置されている。パティキュレート
フィルタ５２は種々の型式のものが知られているが代表
的な例を挙げるとハニカム構造の多孔質セラミックから
なる。更にこの実施例ではＮＯ_x吸収剤がパティキュレ
ートフィルタ５２上に担持されている。

【０１０７】前述したように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。ところが上述した如くＳＯ _x吸収剤およびＮＯ_x吸
収剤２０は酸化触媒の機能も果しており、従ってこのと
き燃焼室５か排出された未燃炭化水素はＳＯ_x吸収剤お
よびＮＯ_x吸収剤２０により良好に酸化せしめられるこ
とになる。

【０１０８】一方、排気ガス中に含まれる煤もパティキ
ュレートであり、従って排気ガス中に含まれる煤も他の
パティキュレートと同様にパティキュレートフィルタ５
２により捕集される。図１０に示されるように本発明に
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
たときにスロットル弁１６がステップ状に開弁せしめら
れ、それによってＥＧＲ率が煤の発生量のピークとなる
領域（図５）を飛び越えるようにしている。しかしなが
ら実際にはこのときＥＧＲ率は瞬時的に煤の発生量がピ
ークとなるＥＧＲ率となり、従って燃焼室５内では一時
的に多量の煤が発生することになる。しかしながら本発
明ではこのように多量の煤が発生したとしてもこの煤は
パティキュレートフィルタ５２により捕集され、斯くし
て煤が大気中に放出されることはない。

【０１０９】パティキュレートフィルタ５２により捕集
された煤はパティキュレートフィルタ５２に流入する排
気ガスが一定温度を越えると過剰酸素の存在下で燃焼を
開始する。煤が燃焼を開始する温度はパティキュレート
フィルタ５２上に担持されている触媒により異なり、低
い場合で４００℃程度、高い場合で５００℃から６００
℃程度である。従って排気ガス温がこれらの温度よりも
高くなればパティキュレートフィルタ５２上に捕集され
た煤およびその他のパティキュレートは自然に燃焼を開
始することになる。

【０１１０】ところで低温燃焼が行われているときには
排気ガス温が高くなるためにパティキュレートフィルタ
５２の温度がかなり高くなり、しかもリーン空燃比のも
とで低温燃焼が行われるので排気ガス中には過剰の酸素
が存在する。従ってパティキュレートフィルタ５２によ
り捕集された煤およびその他のパティキュレートは低温
燃焼が行われる間に自然に燃焼せしめられることにな
る。

【０１１１】なお、この実施例では図２０および図２１
に示す運転制御ルーチンを用いてＮＯ_xおよびＳＯ_xの
放出制御が行われる。図２８および図２９に図２７に示
す第５実施例の変形例を示す。図２８に示す変形例では
パティキュレートフィルタ５３がＳＯ_x吸収剤１９上流
の排気通路内に配置されており、図２９に示す変形例で
はＳＯ_x吸収剤１９とＮＯ_x吸収剤２０間の排気通路内
にパティキュレートフィルタ５３が配置されている。な
お、これらの変形例においてはパティキュレートフィル
タ５３上にＳＯ_x吸収剤は担持されていない。

【０１１２】

【発明の効果】機関の全運転領域に亘って煤の発生を抑
制しつつＮＯ_xが大気に放出され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ＮＯ_x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】空燃比センサの出力を示す図である。

【図１０】スロットル弁の開度等を示す図である。

【図１１】第１の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図で
ある。

【図１２】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図
である。

【図１３】第２の燃焼における空燃比を示す図である。

【図１４】スロットル弁等の目標開度を示す図である。

【図１５】ＮＯ_xの吸放出作用を説明するための図であ
る。

【図１６】単位時間当りのＮＯ_x吸収量のマップを示す
図である。

【図１７】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１８】ＮＯ_x放出フラグを処理するためのフローチ
ャートである。

【図１９】ＳＯ_x放出フラグを処理するためのフローチ
ャートである。

【図２０】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。

【図２１】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。

【図２２】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２３】圧縮着火式内燃機関の更に別の実施例を示す
全体図である。

【図２４】ハニカム構造体の断面図である。

【図２５】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２６】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２７】圧縮着火式内燃機関の更に別の実施例を示す
全体図である。

【図２８】圧縮着火式内燃機関の更に別の実施例を示す
全体図である。

【図２９】圧縮着火式内燃機関の更に別の実施例を示す
全体図である。

【符号の説明】

６…燃料噴射弁１６…スロットル弁１９…ＳＯ_x吸収剤２０…ＮＯ_x吸収剤

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ０２Ｄ 21/08 ３０１Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１Ｄ３０１Ｈ 43/00 ＺＡＢ 43/00 ＺＡＢ３０１３０１Ｅ３０１Ｊ３０１Ｎ３０１ＴＦ０２Ｍ 25/07 ＺＡＢＦ０２Ｍ 25/07 ＺＡＢ５７０５７０Ｊ (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

【特許請求の範囲】

【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、流入する排気ガスの空燃比がリーン
であるときにはＮＯ_xを吸収し、流入する排気の空燃比
が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_xを放出
するＮＯ_x吸収剤を機関排気通路内に配置すると共に、
ＮＯ_x吸収剤上流の機関排気通路内にＳＯ_x捕獲装置を
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た圧縮着火式内燃機
関。
【請求項２】上記第１の燃焼が行われているときにＮ
Ｏ_x吸収剤からＮＯ _xを放出すべきときには燃焼室内に
おける空燃比を一時的に理論空燃比又はリッチにするよ
うにした請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項３】上記第２の燃焼が行われているときにＮ
Ｏ_x吸収剤からＮＯ _xを放出すべきときには膨張行程の
後半又は排気行程中に追加の燃料を噴射してＮＯ_x吸収
剤に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ
にするようにした請求項１に記載の圧縮着火式内燃機
関。
【請求項４】上記ＳＯ_x捕獲装置がＳＯ_x吸収剤から
なり、該ＳＯ_x吸収剤はＳＯ_x吸収剤に流入する排気ガ
スの空燃比がリーンであるときにＳＯ_xを吸収し、ＳＯ
_x吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリッチであると
きに吸収したＳＯ_xを放出する請求項１に記載の圧縮着
火式内燃機関。
【請求項５】該ＳＯ_x吸収剤はＳＯ_x吸収剤に流入す
る排気ガスの空燃比がリッチでありかつＳＯ_x吸収剤の
温度が予め定められた温度よりも高いときに吸収したＳ
Ｏ_xを放出する請求項４に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項６】上記第１の燃焼のもとで排気ガス温が予
め定められた温度以上となる運転状態であるときにＳＯ
_x吸収剤からＳＯ_xを放出すべきときには燃焼室内にお
ける空燃比をリッチにするようにした請求項５に記載の
圧縮着火式内燃機関。
【請求項７】ＳＯ_x吸収剤の温度を上昇させる温度上
昇手段を具備し、該温度上昇手段によりＳＯ_x吸収剤の
温度を上昇させかつＳＯ_x吸収剤に流入する排気ガスの
空燃比をリッチにすることによってＳＯ_x吸収剤からＳ
Ｏ_xを放出させる請求項５に記載の圧縮着火式内燃機
関。
【請求項８】上記温度上昇手段が膨張行程中に追加の
燃料を噴射する燃料噴射装置からなる請求項７に記載の
圧縮着火式内燃機関。
【請求項９】上記温度上昇手段がＳＯ_x吸収剤を加熱
するための電気ヒータからなる請求項７に記載の圧縮着
火式内燃機関。
【請求項１０】上記第１の燃焼が行われているときに
ＳＯ_x吸収剤からＳＯ_xを放出すべきときには燃焼室内
における空燃比をリッチにするようにした請求項９に記
載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項１１】上記第２の燃焼が行われているときに
ＳＯ_x吸収剤からＳＯ_xを放出すべきときには膨張行程
の後半又は排気行程中に追加の燃料を噴射してＳＯ_x吸
収剤に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするように
した請求項９に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項１２】ＳＯ_x吸収剤からＳＯ_xを放出すべき
ときにはＳＯ_x吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を理
論空燃比又はリッチにしてＳＯ_x吸収剤から流出する排
気ガス中の酸素濃度を低下させ、次いで上記温度上昇手
段によりＳＯ _x吸収剤の温度を上昇させかつＳＯ_x吸収
剤に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにし
た請求項７に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項１３】ＳＯ_x吸収剤から流出する排気ガス中
の酸素濃度を検出するための酸素濃度検出器を具備し、
ＳＯ_x吸収剤から流出する排気ガス中の酸素濃度が予め
定められた濃度よりも低くなったときに上記温度上昇手
段によりＳＯ _x吸収剤の温度を上昇させかつＳＯ_x吸収
剤に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにし
た請求項１２に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項１４】機関排気通路内にパティキュレートフ
ィルタを配置した請求項１に記載の圧縮着火式内燃機
関。
【請求項１５】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。
【請求項１６】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１５に
記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項１７】機関の運転領域を低負荷側の第１の運
転領域と高負荷側の第２の運転領域に分割し、第１の運
転領域では第１の燃焼を行い、第２の運転領域では第２
の燃焼を行うようにした請求項１に記載の圧縮着火式内
燃機関。