JP3331981B2

JP3331981B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP3331981B2
Application number: JP26327198A
Authority: JP
Inventors: 雅人後藤; 静夫佐々木; 康二吉▲崎▼; 丈和伊藤; 宏樹村田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2002-10-07
Anticipated expiration: 2018-09-17
Also published as: JP2000097075A

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。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３
０パーセントから５０パーセント程度に抑えられてい
る。

【０００５】このように従来ではＥＧＲ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ＥＧ
Ｒ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Ｎ
Ｏ_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。この新たな燃焼システムを採用した内燃
機関については本出願人により既に出願されている（特
願平９−３０５８５０号）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところでこの新たな燃
焼システムでは前述したように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或る温度以下に抑制
する必要があり、そのためにはＥＧＲ率や空燃比等を予
め定められた範囲内に維持しなければならない。しかし
ながら実際には気象の変化や、制御装置の経年度化等よ
りＥＧＲガス量や吸入空気量等の機関の運転パラメータ
の値が予め定められた値からずれ、その結果煤が発生し
たり、或いはＮＯ_xの発生量が増大するという問題を生
ずる。

【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
クに達する内燃機関において、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に供給される不活性ガス
量を多くすることによ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煤が生成される温度より
も低い温度に抑制し、燃焼時の燃料およびその周囲のガ
ス温度に応じて変化する排気ガス成分の量又は濃度を検
出する検出手段と、燃焼時の燃料およびその周囲のガス
温度に変化を与える機関の運転パラメータの値を制御す
る制御手段とを具備し、排気ガス成分の量又は濃度に基
づいて運転パラメータの値を制御することにより燃焼時
の燃料およびその周囲のガス温度を制御するようにして
いる。

【００１１】２番目の発明では１番目の発明において、
排気ガス成分が排気ガス中のＮＯ_xであり、運転パラメ
ータが燃料噴射時期であり、制御手段はＮＯ_xの量又は
濃度が予め定められた上限値を越えたときには燃料噴射
時期を遅らせるようにしている。３番目の発明では２番
目の発明において、制御手段はＮＯ_xの量又は濃度が予
め定められた下限値よりも低いときには燃料噴射時期を
早めるようにしている。

【００１２】４番目の発明では１番目の発明において、
排気ガス成分が排気ガス中のＮＯ_xであり、運転パラメ
ータが機関排気通路から機関吸気通路内に再循環せしめ
られる再循環排気ガス量であり、制御手段はＮＯ_xの量
又は濃度が予め定められた上限値を越えたときには再循
環排気ガス量を増大させるようにしている。５番目の発
明では４番目の発明において、制御手段はＮＯ_xの量又
は濃度が予め定められた下限値よりも低いときには再循
環排気ガス量を減少させるようにしている。

【００１３】６番目の発明では１番目の発明において、
排気ガス成分が排気ガス中のＮＯ_xであり、運転パラメ
ータが吸入空気量であり、制御手段はＮＯ_xの量又は濃
度が予め定められた上限値を越えたときには吸入空気量
を減少させるようにしている。７番目の発明では６番目
の発明において、制御手段はＮＯ_xの量又は濃度が予め
定められた下限値よりも低いときには吸入空気量を増大
させるようにしている。

【００１４】８番目の発明では１番目の発明において、
排気ガス成分が排気ガス中の煤であり、運転パラメータ
が燃料噴射時期であり、制御手段は煤の量又は濃度が予
め定められた上限値を越えたときには燃料噴射時期を遅
らせるようにしている。９番目の発明では８番目の発明
において、制御手段は煤の量又は濃度が予め定められた
下限値よりも低いときには燃料噴射時期を早めるように
している。

【００１５】１０番目の発明では１番目の発明におい
て、排気ガス成分が排気ガス中のＮＯ _xであり、運転パ
ラメータが機関排気通路から機関吸気通路内に再循環せ
しめられる再循環排気ガス量であり、制御手段は煤の量
又は濃度が予め定められた上限値を越えたときには再循
環排気ガス量を増大させるようにしている。１１番目の
発明では１０番目の発明において、制御手段は煤の量又
は濃度が予め定められた下限値よりも低いときには再循
環排気ガス量を減少させるようにしている。

【００１６】１２番目の発明では１番目の発明におい
て、排気ガス成分が排気ガス中のＮＯ _xであり、運転パ
ラメータが吸入空気量であり、制御手段は煤の量又は濃
度が予め定められた上限値を越えたときには吸入空気量
を減少させるようにしている。１３番目の発明では１２
番目の発明において、制御手段は煤の量又は濃度が予め
定められた下限値よりも低いときには吸入空気量を増大
させるようにしている。

【００１７】１４番目の発明では１番目の発明におい
て、機関排気通路内に酸化機能を有する触媒を配置して
いる。１５番目の発明では１４番目の発明において、触
媒が酸化触媒、三元触媒又はＮＯ_x吸収剤の少くとも一
つからなる。１６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。

【００１８】１７番目の発明では１６番目の発明におい
て、排気ガス再循環率がほぼ５５パーセント以上であ
る。１８番目の発明では１番目の発明において、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。

【００１９】１９番目の発明では１８番目の発明におい
て、運転パラメータの値が許容限界に達しても排気ガス
成分の量又は濃度が予め定められた上限値よりも低くな
らないときには第１の燃焼から第２の燃焼に切換えるよ
うにしている。２０番目の発明では１８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。

【００２０】

【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およびインタ
ークーラ１４を介して過給機、例えば排気ターボチャー
ジャ１５のコンプレッサ１６の出口部に連結される。コ
ンプレッサ１６の入口部は空気吸込管１７を介してエア
クリーナ１８に連結され、空気吸込管１７内にはステッ
プモータ１９により駆動されるスロットル弁２０が配置
される。

【００２１】一方、排気ポート１０は排気マニホルド２
１および排気管２２を介して排気ターボチャージャ１５
の排気タービン２３の入口部に連結され、排気タービン
２３の出口部は排気管２４を介して酸化機能を有する触
媒２５を内蔵した触媒コンバータ２６に連結される。排
気マニホルド２１内には燃焼室５内における燃焼時の燃
料およびその周囲のガス温度に応じて変化する排気ガス
成分の量又は濃度を検出するための排気ガスセンサ２７
が配置される。本発明による実施例ではこの排気ガスセ
ンサ２７は排気ガス中の、ＮＯ_xの濃度を検出するため
のＮＯ_xセンサ、又は排気ガス中の煤の濃度、即ちスモ
ークの濃度を検出するためのスモークセンサからなる。

【００２２】触媒コンバータ２６の出口部に連結された
排気管２８とスロットル弁２０下流の空気吸込管１７と
はＥＧＲ通路２９を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路
２９内にはステップモータ３０により駆動されるＥＧＲ
制御弁３１が配置される。また、ＥＧＲ通路２９内には
ＥＧＲ通路２９内を流れるＥＧＲガスを冷却するための
インタークーラ３２が配置される。図１に示される実施
例では機関冷却水がインタークーラ３２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、燃料噴射弁６は燃料供給管３３を介
して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール３４に連結さ
れる。このコモンレール３４内へは電気制御式の吐出量
可変な燃料ポンプ３５から燃料が供給され、コモンレー
ル３４内に供給された燃料は各燃料供給管３３を介して
燃料噴射弁６に供給される。コモンレール３４にはコモ
ンレール３４内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ
３６が取付けられ、燃料圧センサ３６の出力信号に基づ
いてコモンレール３４内の燃料圧が目標燃料圧となるよ
うに燃料ポンプ３５の吐出量が制御される。

【００２４】電子制御ユニット４０はデジタルコンピュ
ータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続さ
れたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ラン
ダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッ
サ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備
する。排気ガスセンサ２７の出力信号は対応するＡＤ変
換器４７を介して入力ポート４５に入力され、燃料圧セ
ンサ３６の出力信号も対応するＡＤ変換器４７を介して
入力ポート４５に入力される。アクセルペダル５０には
アクセルペダル５０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５１が接続され、負荷センサ５１の
出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート
４５に入力される。また、入力ポート４５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５２が接続される。一方、出力ポ
ート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁
６、スロットル弁制御用ステップモータ１９、ＥＧＲ制
御弁制御用ステップモータ３０および燃料ポンプ３５に
接続される。

【００２５】図２は機関低負荷運転時にスロットル弁２
０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ＥＧＲ率
が大きくなり、理論空燃比（≒１４．６）以下のときに
はＥＧＲ率は６５パーセント以上となっている。

【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２１付近でス
モークの発生量が最も多いときの燃焼室５内の燃焼圧変
化を示しており、図３（Ｂ）は空燃比Ａ／Ｆが１８付近
でスモークの発生量がほぼ零のときの燃焼室５内の燃焼
圧の変化を示している。図３（Ａ）と図３（Ｂ）とを比
較すればわかるようにスモークの発生量がほぼ零である
図３（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図３
（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。

【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。

【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。本発明において採用されている新たな燃
焼システムは燃焼室５内において煤を生成させることな
く炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態の形でもって
燃焼室５から排出させ、この炭化水素を酸化機能を有す
る触媒により酸化せしめることを核としている。

【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
が強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが
好ましいことになる。この点、ＣＯ₂やＥＧＲガスは比
較的比熱が大きいので不活性ガスとしてＥＧＲガスを用
いることは好ましいと言える。

【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】ところで過給が行われていない場合には燃
焼室５内に吸入される全吸入ガス量Ｘの上限はＹであ
り、従って図６において要求負荷がＬo よりも大きい領
域では要求負荷が大きくなるにつれてＥＧＲガス割合を
低下させない限り空燃比を理論空燃比に維持することが
できない。云い換えると過給が行われていない場合に要
求負荷がＬo よりも大きい領域において空燃比を理論空
燃比に維持しようとした場合には要求負荷が高くなるに
つれてＥＧＲ率が低下し、斯くして要求負荷がＬo より
も大きい領域では燃料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しえなくなる。

【００４４】ところが図１に示されるようにＥＧＲ通路
２９を介して過給機の入口側即ち排気ターボチャージャ
１５の空気吸込管１７内にＥＧＲガスを再循環させると
要求負荷がＬo よりも大きい領域においてＥＧＲ率を５
５パーセント以上、例えば７０パーセントに維持するこ
とができ、斯くして燃料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ことができ
る。即ち、空気吸込管１７内におけるＥＧＲ率が例えば
７０パーセントになるようにＥＧＲガスを再循環させれ
ば排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１６により
昇圧された吸入ガスのＥＧＲ率も７０パーセントとな
り、斯くしてコンプレッサ１６により昇圧しうる限度ま
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ことができる。従って、低温
燃焼を生じさせることのできる機関の運転領域を拡大す
ることができることになる。

【００４５】なお、この場合、要求負荷がＬo よりも大
きい領域でＥＧＲ率を５５パーセント以上にする際には
ＥＧＲ制御弁３１が全開せしめられ、スロットル弁２０
が若干閉弁せしめられる。前述したように図６は燃料を
理論空燃比のもとで燃焼させる場合を示しているが空気
量を図６に示される空気量よりも少くしても、即ち空燃
比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつ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１０p.p.m 前後又は
それ以下にすることができる。

【００４６】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。

【００４７】このように、低温燃焼が行われているとき
には空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろ
うと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリー
ンであろうと煤が発生されず、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比較的少ない機関
中低負荷運転時に限られる。従って本発明による実施例
では機関中低負荷運転時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、機関高負荷運転時には第２の燃焼、即ち従来より普
通に行われている燃焼を行うようにしている。なお、こ
こで第１の燃焼、即ち低温燃焼とはこれまでの説明から
明らかなように煤の発生量がピークとなる不活性ガス量
よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生
しない燃焼のことを言い、第２の燃焼、即ち従来より普
通に行われている燃焼とは煤の発生量がピークとなる不
活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少い燃焼の
ことを言う。

【００４８】図７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７において縦軸Ｌはアクセルペダル５０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。

【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】このように第１の境界Ｘ（Ｎ）と第１の境
界Ｘ（Ｎ）よりも低負荷側の第２の境界Ｙ（Ｎ）との二
つの境界を設けたのは次の二つの理由による。第１の理
由は、第２の運転領域IIの高負荷側では比較的燃焼温度
が高く、このとき要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）より
低くなったとしてもただちに低温燃焼を行えないからで
ある。即ち、要求負荷Ｌがかなり低くなったとき、即ち
第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなったときでなければた
だちに低温燃焼が開始されないからである。第２の理由
は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域II間の運転領域の
変化に対してヒステリシスを設けるためである。

【００５１】ところで機関の運転領域が第１の運転領域
Ｉにあって低温燃焼が行われているときには煤はほとん
ど発生せず、その代り未燃炭化水素が煤の前駆体又はそ
の前の状態の形でもって燃焼室５から排出される。この
とき燃焼室５から排出された未燃炭化水素は酸化機能を
有する触媒２５により良好に酸化せしめられる。触媒２
５としては酸化触媒、三元触媒、又はＮＯ_x吸収剤を用
いることができる。ＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_xを放出す
る機能を有する。

【００５２】このＮＯ_x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Ｎ
ａ、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。

【００５３】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ＮＯ_x吸収剤を触媒２５として用いるこ
とができる。次に図８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８は要求負荷Ｌに対するスロットル弁２
０の開度、ＥＧＲ制御弁３１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８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２０の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉
近くから２／３開度程度まで徐々に増大せしめられ、Ｅ
ＧＲ制御弁３１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８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２０の
開度およびＥＧＲ制御弁３１の開度が制御される。ま
た、第１の運転領域Ｉでは圧縮上死点ＴＤＣ前に燃料噴
射が行われる。この場合、噴射開始時期θＳは要求負荷
Ｌが高くなるにつれて遅くなり、噴射完了時期θＥも噴
射開始時期θＳが遅くなるにつれて遅くなる。

【００５６】なお、アイドリング運転時にはスロットル
弁２０は全閉近くまで閉弁され、このときＥＧＲ制御弁
３１も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁２
０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２０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２０の開
度が２／３開度程度から全開方向へステップ状に増大せ
しめられる。このとき図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（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８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。この第２の運転
領域IIではスロットル弁２０は一部を除いて全開状態に
保持され、ＥＧＲ制御弁３１の開度は要求負荷Ｌが高く
なると次第に小さくされる。また、この運転領域IIでは
ＥＧＲ率は要求負荷Ｌが高くなるほど低くなり、空燃比
は要求負荷Ｌが高くなるほど小さくなる。ただし、空燃
比は要求負荷Ｌが高くなってもリーン空燃比とされる。
また、第２の運転領域IIでは噴射開始時期θＳは圧縮上
死点ＴＤＣ付近とされる。

【００５９】図９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９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９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
９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】図１０（Ａ）は第１の運転領域Ｉにおける
噴射量Ｑを示しており、図１０（Ｂ）は第１の運転領域
Ｉにおける噴射開始時期θＳを示している。図１０
（Ａ）に示されるように第１の運転領域Ｉにおける噴射
量Ｑは要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマッ
プの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されており、図１０
（Ｂ）に示されるように第１の運転領域Ｉにおける噴射
開始時期θＳも要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数と
してマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。

【００６２】また、空燃比を図９に示す目標空燃比とす
るのに必要なスロットル弁２０の目標開度ＳＴが図１１
（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ＲＯＭ４２内に記憶され
ており、空燃比を図９に示す目標空燃比とするのに必要
なＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥが図１１（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ＲＯＭ４２内に記憶されている。

【００６３】図１２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１２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。図
１３（Ａ）は第２の運転領域IIにおける噴射量Ｑを示し
ており、図１３（Ｂ）は第２の運転領域IIにおける噴射
開始時期θＳを示している。図１３（Ａ）に示されるよ
うに第２の運転領域IIにおける噴射量Ｑは要求負荷Ｌお
よび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ
４２内に記憶されており、図１３（Ｂ）に示されるよう
に第２の運転領域IIにおける噴射開始時期θＳも要求負
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
ＲＯＭ４２内に記憶されている。

【００６４】また、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２０の目標開度ＳＴが図１
４（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ＲＯＭ４２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３１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ＲＯＭ４２内に記憶されてい
る。

【００６５】次に図１５を参照しつつ排気ガスセンサ２
７としてＮＯ_xセンサを用いた場合の第１の燃焼時にお
ける運転制御について説明する。第１の燃焼が行われて
いるときに噴射開始時期θＳを図１０（Ｂ）に示すマッ
プ上の値とし、スロットル弁２０の開度ＳＴを図１１
（Ａ）に示すマップ上の値とし、ＥＧＲ制御弁３１の開
度ＳＥを図１１（Ｂ）に示すマップ上の値とすると排気
ガス中のＮＯ_x濃度は通常１０p.p.m.以下となる。とこ
ろが気象の変化等により燃焼室５内における燃焼時の燃
料およびその周囲のガス温度が高くなると良好な低温燃
焼が行われなくなり、その結果排気ガス中のＮＯ_x濃度
が上昇する。

【００６６】そこで気象等の変化があっても良好な低温
燃焼を行うために図１５に示される如く排気ガス中のＮ
Ｏ_x濃度ＮＯが上限値ＮＯ_max、例えば３０p.p.m.を越
えたときには第１の実施例では噴射開始時期θＳの進角
量を小さくし、即ち噴射開始時期θＳを遅らせ、第２の
実施例ではＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥを増大させ、第
３の実施例ではスロットル弁２０の開度ＳＴを減少させ
るようにしている。

【００６７】即ち、第１実施例におけるように噴射開始
時期θＳを遅らせると燃焼温度が低下するために良好な
低温燃焼が行われ、斯くして排気ガス中のＮＯ_x濃度Ｎ
Ｏが低下する。また、第２実施例におけるようにＥＧＲ
制御弁３１の開度ＳＥを増大させるとＥＧＲ率が高くな
るために燃焼温度が低下し、良好な低温燃焼が行われ
る。斯くして排気ガス中のＮＯ_x濃度ＮＯが低下する。
また、第３実施例におけるようにスロットル弁２０の開
度ＳＴを減少させると吸入空気量が減少するために燃焼
温度が低下し、良好な低温燃焼が行われる。斯くして排
気ガス中のＮＯ_x濃度ＮＯが低下する。

【００６８】一方、図１５に示されるように排気ガス中
のＮＯ_x濃度ＮＯが下限値ＮＯ_min、例えば３p.p.m.よ
りも低下したときには第１の実施例では噴射開始時期θ
Ｓの進角量を大きくし、即ち噴射開始時期θＳを早く
し、第２の実施例ではＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥを減
少させ、第３の実施例ではスロットル弁２０の開度ＳＴ
を増大させるようにしている。

【００６９】このように排気ガス中のＮＯ_x濃度ＮＯに
基づき燃料噴射時期θＳ、ＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥ
又はスロットル弁２０の開度ＳＴのいずれか一つを制御
することによって良好な低温燃焼を行わせることができ
る。次に図１６および図１７を参照しつつ第１実施例を
実行するための運転制御ルーチンについて説明する。

【００７０】図１６を参照すると、まず初めにステップ
１００において機関の運転状態が第１の運転領域Ｉであ
ることを示すフラグＩがセットされているか否かが判別
される。フラグＩがセットされているとき、即ち機関の
運転状態が第１の運転領域Ｉであるときにはステップ１
０１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１０４に進んで低温燃焼を禁止すべきで
あることを示す禁止フラグがセットされているか否かが
判別される。禁止フラグがセットされていないときには
ステップ１０５に進んで低温燃焼が行われる。

【００７１】即ち、ステップ１０５では図１１（Ａ）に
示すマップからスロットル弁２０の目標開度ＳＴが算出
され、次いでステップ１０６では図１１（Ｂ）に示すマ
ップからＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥが算出され
る。次いでステップ１０７では図１０（Ａ）に示すマッ
プから噴射量Ｑが算出される。次いでステップ１０８で
は図１０（Ｂ）に示すマップから噴射開始時期θＳが算
出される。次いでステップ１０９では燃焼制御が行われ
る。この燃焼制御が図１７に示されている。

【００７２】図１７を参照するとまず初めにステップ２
００においてＮＯ_x濃度ＮＯが上限値ＮＯ_maxを越えた
か否かが判別される。ＮＯ＞ＮＯ_maxのときにはステッ
プ２０３に進んで噴射開始時期に対する補正値ΔθＳか
ら一定値ａ１が減算される。次いでステップ２０４では
噴射開始時期θＳに補正値ΔθＳを加算することによっ
て最終的な噴射開始時期θＳが算出される。即ち、ＮＯ
＞ＮＯ_maxのときには噴射開始時期θＳが徐々に遅らさ
れることになる。

【００７３】一方、ステップ２００においてＮＯ≦ＮＯ
_maxであると判別されたときにはステップ２０１に進ん
でＮＯ_x濃度ＮＯが下限値ＮＯ_minよりも小さいか否か
が判別される。ＮＯ≦ＮＯ_minのときにはステップ２０
２に進んで補正値ΔθＳに一定値ａ２（＜ａ１）が加算
される。次いでステップ２０４に進む。従ってこのとき
には噴射開始時期θＳが徐々に早められる。

【００７４】ステップ２０１においてＮＯ＞ＮＯ_minで
あると判別されたとき、即ちＮＯ_ma _x≧ＮＯ＞ＮＯ_min
のときにはステップ２０４にジャンプする。このときに
は補正値ΔθＳの更新作用は行われない。ステップ２０
５では噴射開始時期θＳが機関運転状態に応じて予め定
められている許容最大遅角時期θＳ_dよりも遅くなった
か否かが判別され、θＳ＜θＳ_dになるとステップ２０
６に進んで禁止フラグがセットされる。即ち、ＮＯ＞Ｎ
Ｏ _maxとなって噴射開始時期θＳが遅くされ、θＳ＝θ
Ｓ_dとなってもＮＯ＞ＮＯ _maxであるときには禁止フラ
グがセットされる。禁止フラグがセットされると低温燃
焼から第２の燃焼に切換えられる。

【００７５】一方、ステップ１０１においてＬ＞Ｘ
（Ｎ）になったと判別されたときにはステップ１０２に
進んでフラグＩがリセットされ、次いでステップ１０３
に進んで禁止フラグがリセットされる。次いでステップ
１１２に進んで第２の燃焼が行われる。即ち、ステップ
１１２では図１４（Ａ）に示すマップからスロットル弁
２０の目標開度ＳＴが算出され、次いでステップ１１３
では図１４（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁３１の
目標開度ＳＥが算出される。次いでステップ１１４では
図１３（Ａ）に示すマップから噴射量Ｑが算出される。
次いでステップ１１５では図１３（Ｂ）に示すマップか
ら噴射開始時期θＳが算出される。

【００７６】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１１０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１１２
に進み、第２の燃焼が行われる。一方、ステップ１１０
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１１１に進んでフラグＩがセットされ、次いでス
テップ１０４に進む。このとき禁止フラグはリセットさ
れているのでステップ１０５に進み、低温燃焼が行われ
る。低温燃焼が行われているときに禁止フラグがセット
されるとステップ１０４からステップ１１２に進み、第
２の燃焼が行われる。

【００７７】図１８は図１６のステップ１０９において
行われる燃焼制御の第２実施例を示している。図１８を
参照するとまず初めにステップ３００においてＮＯ_x濃
度ＮＯが上限値ＮＯ_maxを越えたか否かが判別される。
ＮＯ＞ＮＯ_maxのときにはステップ３０３に進んでＥＧ
Ｒ制御弁３１の開度に対する補正値ΔＳＥに一定値ｂ１
が加算される。次いでステップ３０４ではＥＧＲ制御弁
３１の目標開度ＳＥに補正値ΔＳＥを加算することによ
って最終的なＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥが算出され
る。即ち、ＮＯ＞ＮＯ_maxのときにはＥＧＲ制御弁３１
の開度ＳＥが徐々に増大せしめられることになる。

【００７８】一方、ステップ３００においてＮＯ≦ＮＯ
_maxであると判別されたときにはステップ３０１に進ん
でＮＯ_x濃度ＮＯが下限値ＮＯ_minよりも小さいか否か
が判別される。ＮＯ≦ＮＯ_minのときにはステップ３０
２に進んで補正値ΔＳＥから一定値ｂ２（＜ｂ１）が減
算される。次いでステップ３０４に進む。従ってこのと
きにはＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥが徐々に減少せしめ
られる。

【００７９】ステップ３０１においてＮＯ＞ＮＯ_minで
あると判別されたとき、即ちＮＯ_ma _x≧ＮＯ＞ＮＯ_min
のときにはステップ３０４にジャンプする。このときに
は補正値ΔＳＥの更新作用は行われない。ステップ３０
５ではＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥが許容最大開度ＳＥ
_maxよりも大きくなったか否か、例えばＥＧＲ制御弁３
１が全開したか否かが判別され、ＳＥ≧ＳＥ_maxになる
とステップ３０６に進んで禁止フラグがセットされる。
即ち、ＮＯ＞ＮＯ_maxとなってＥＧＲ制御弁３１の開度
ＳＥが増大せしめられ、ＳＥ＝ＳＥ_maxとなってもＮＯ
＞ＮＯ_maxであるときには禁止フラグがセットされる。
禁止フラグがセットされると低温燃焼から第２の燃焼に
切換えられる。

【００８０】図１９は図１６のステップ１０９において
行われる燃焼制御の第３実施例を示している。図１９を
参照するとまず初めにステップ４００においてＮＯ_x濃
度ＮＯが上限値ＮＯ_maxを越えたか否かが判別される。
ＮＯ＞ＮＯ_maxのときにはステップ４０３に進んでスロ
ットル弁２０の開度に対する補正値ΔＳＴから一定値ｃ
１が減算される。次いでステップ４０４ではスロットル
弁２０の目標開度ＳＴに補正値ΔＳＴを加算することに
よって最終的なスロットル弁２０の開度ＳＴが算出され
る。即ち、ＮＯ＞ＮＯ_maxのときにはスロットル弁２０
の開度ＳＴが徐々に減少せしめられることになる。

【００８１】一方、ステップ４００においてＮＯ≦ＮＯ
_maxであると判別されたときにはステップ４０１に進ん
でＮＯ_x濃度ＮＯが下限値ＮＯ_minよりも小さいか否か
が判別される。ＮＯ≦ＮＯ_minのときにはステップ４０
２に進んで補正値ΔＳＴに一定値ｃ２（＜ｃ１）が加算
される。次いでステップ４０４に進む。従ってこのとき
にはスロットル弁２０の開度ＳＴが徐々に増大せしめら
れる。

【００８２】ステップ４０１においてＮＯ＞ＮＯ_minで
あると判別されたとき、即ちＮＯ_ma _x≧ＮＯ＞ＮＯ_min
のときにはステップ４０４にジャンプする。このときに
は補正値ΔＳＴの更新作用は行われない。ステップ４０
５ではスロットル弁２０の開度ＳＴが機関運転状態に応
じて予め定められている許容最小開度ＳＴ_minよりも小
さくなったか否かが判別され、ＳＴ＜ＳＴ_minになると
ステップ４０６に進んで禁止フラグがセットされる。即
ち、ＮＯ＞ＮＯ_maxとなってスロットル弁２０の開度Ｓ
Ｔが減少せしめられ、ＳＴ＝ＳＴ_minとなってもＮＯ＞
ＮＯ_maxであるときには禁止フラグがセットされる。禁
止フラグがセットされると低温燃焼から第２の燃焼に切
換えられる。

【００８３】次に図２０を参照しつつ排気ガスセンサ２
７としてスモークセンサを用いた場合の第１の燃焼時に
おける運転制御について説明する。第１の燃焼が行われ
ているときに噴射開始時期θＳを図１０（Ｂ）に示すマ
ップ上の値とし、スロットル弁２０の開度ＳＴを図１１
（Ａ）に示すマップ上の値とし、ＥＧＲ制御弁３１の開
度ＳＥを図１１（Ｂ）に示すマップ上の値とすると排気
ガス中のスモーク濃度は通常ほとんど零となる。ところ
が気象の変化等により燃焼室５内における燃焼時の燃料
およびその周囲のガス温度が高くなると良好な低温燃焼
が行われなくなり、その結果排気ガス中のスモーク濃度
が上昇する。

【００８４】そこで気象等の変化があっても良好な低温
燃焼を行うために図２０に示される如く排気ガス中のス
モーク濃度ＳＭが上限値ＳＭ_maxを越えたときには第４
の実施例では噴射開始時期θＳの進角量を小さくし、即
ち噴射開始時期θＳを遅らせ、第５の実施例ではＥＧＲ
制御弁３１の開度ＳＥを増大させ、第６の実施例ではス
ロットル弁２０の開度ＳＴを減少させるようにしてい
る。

【００８５】即ち、第４実施例におけるように噴射開始
時期θＳを遅らせると燃焼温度が低下するために良好な
低温燃焼が行われ、斯くして排気ガス中のスモーク濃度
ＳＭが低下する。また、第５実施例におけるようにＥＧ
Ｒ制御弁３１の開度ＳＥを増大させるとＥＧＲ率が高く
なるために燃焼温度が低下し、良好な低温燃焼が行われ
る。斯くして排気ガス中のスモーク濃度ＳＭが低下す
る。また、第６実施例におけるようにスロットル弁２０
の開度ＳＴを減少させると吸入空気量が減少するために
燃焼温度が低下し、良好な低温燃焼が行われる。斯くし
て排気ガス中のスモーク濃度ＳＭが低下する。

【００８６】一方、図２０に示されるように排気ガス中
のスモーク濃度ＳＭが下限値ＳＭ_mi _n、例えば零になっ
たときには第４の実施例では噴射開始時期θＳの進角量
を大きくし、即ち噴射開始時期θＳを早くし、第５の実
施例ではＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥを減少させ、第６
の実施例ではスロットル弁２０の開度ＳＴを増大させる
ようにしている。

【００８７】このように排気ガス中のスモーク濃度ＳＭ
に基づき燃料噴射時期θＳ、ＥＧＲ制御弁３１の開度Ｓ
Ｅ又はスロットル弁２０の開度ＳＴのいずれか一つを制
御することによって良好な低温燃焼を行わせることがで
きる。図２１は図１６のステップ１０９において行われ
る燃焼制御の第４実施例を示している。

【００８８】図２１を参照するとまず初めにステップ５
００においてスモーク濃度ＳＭが上限値ＳＭ_maxを越え
たか否かが判別される。ＳＭ＞ＳＭ_maxのときにはステ
ップ５０３に進んで噴射開始時期に対する補正値ΔθＳ
から一定値ａ１が減算される。次いでステップ５０４で
は噴射開始時期θＳに補正値ΔθＳを加算することによ
って最終的な噴射開始時期θＳが算出される。即ち、Ｓ
Ｍ＞ＳＭ_maxのときには噴射開始時期θＳが徐々に遅ら
されることになる。

【００８９】一方、ステップ５００においてＳＭ≦ＳＭ
_maxであると判別されたときにはステップ５０１に進ん
でスモーク濃度ＳＭが下限値ＳＭ_minよりも小さいか否
かが判別される。ＳＭ≦ＳＭ_minのときにはステップ５
０２に進んで補正値ΔθＳに一定値ａ２（＜ａ１）が加
算される。次いでステップ５０４に進む。従ってこのと
きには噴射開始時期θＳが徐々に早められる。

【００９０】ステップ５０１においてＳＭ＞ＳＭ_minで
あると判別されたとき、即ちＳＭ_ma _x≧ＳＭ＞ＳＭ_min
のときにはステップ５０４にジャンプする。このときに
は補正値ΔθＳの更新作用は行われない。ステップ５０
５では噴射開始時期θＳが機関運転状態に応じて予め定
められている許容最大遅角時期θＳ_dよりも遅くなった
か否かが判別され、θＳ＜θＳ_dになるとステップ５０
６に進んで禁止フラグがセットされる。即ち、ＮＯ＞Ｎ
Ｏ _maxとなって噴射開始時期θＳが遅くされ、θＳ＝θ
Ｓ_dとなってもＮＯ＞ＮＯ _maxであるときには禁止フラ
グがセットされる。禁止フラグがセットされると低温燃
焼から第２の燃焼に切換えられる。

【００９１】図２２は図１６のステップ１０９において
行われる燃焼制御の第５実施例を示している。図２２を
参照するとまず初めにステップ６００においてスモーク
濃度ＳＭが上限値ＳＭ_maxを越えたか否かが判別され
る。ＳＭ＞ＳＭ_maxのときにはステップ６０３に進んで
ＥＧＲ制御弁３１の開度に対する補正値ΔＳＥに一定値
ｂ１が加算される。次いでステップ６０４ではＥＧＲ制
御弁３１の目標開度ＳＥに補正値ΔＳＥを加算すること
によって最終的なＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥが算出さ
れる。即ち、ＳＭ＞ＳＭ_maxのときにはＥＧＲ制御弁３
１の開度ＳＥが徐々に増大せしめられることになる。

【００９２】一方、ステップ６００においてＳＭ≦ＳＭ
_maxであると判別されたときにはステップ６０１に進ん
でスモーク濃度ＳＭが下限値ＳＭ_minよりも小さいか否
かが判別される。ＳＭ≦ＳＭ_minのときにはステップ６
０２に進んで補正値ΔＳＥから一定値ｂ２（＜ｂ１）が
減算される。次いでステップ６０４に進む。従ってこの
ときにはＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥが徐々に減少せし
められる。

【００９３】ステップ６０１においてＳＭ＞ＳＭ_minで
あると判別されたとき、即ちＳＭ_ma _x≧ＳＭ＞ＳＭ_min
のときにはステップ６０４にジャンプする。このときに
は補正値ΔＳＥの更新作用は行われない。ステップ６０
５ではＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥが許容最大開度ＳＥ
_maxよりも大きくなったか否か、例えばＥＧＲ制御弁３
１が全開したか否かが判別され、ＳＥ≧ＳＭ_maxになる
とステップ６０６に進んで禁止フラグがセットされる。
即ち、ＳＭ＞ＳＭ_maxとなってＥＧＲ制御弁３１の開度
ＳＥが増大せしめられ、ＳＥ＝ＳＥ_maxとなってもＳＭ
＞ＳＭ_maxであるときには禁止フラグがセットされる。
禁止フラグがセットされると低温燃焼から第２の燃焼に
切換えられる。

【００９４】図２３は図１６のステップ１０９において
行われる燃焼制御の第６実施例を示している。図２３を
参照するとまず初めにステップ７００においてスモーク
濃度ＳＭが上限値ＳＭ_maxを越えたか否かが判別され
る。ＳＭ＞ＳＭ_maxのときにはステップ７０３に進んで
スロットル弁２０の開度に対する補正値ΔＳＴから一定
値ｃ１が減算される。次いでステップ７０４ではスロッ
トル弁２０の目標開度ＳＴに補正値ΔＳＴを加算するこ
とによって最終的なスロットル弁２０の開度ＳＴが算出
される。即ち、ＳＭ＞ＳＭ_maxのときにはスロットル弁
２０の開度ＳＴが徐々に減少せしめられることになる。

【００９５】一方、ステップ７００においてＳＭ≦ＳＭ
_maxであると判別されたときにはステップ７０１に進ん
でスモーク濃度ＳＭが下限値ＳＭ_minよりも小さいか否
かが判別される。ＳＭ≦ＳＭ_minのときにはステップ７
０２に進んで補正値ΔＳＴに一定値ｃ２（＜ｃ１）が加
算される。次いでステップ７０４に進む。従ってこのと
きにはスロットル弁２０の開度ＳＴが徐々に増大せしめ
られる。

【００９６】ステップ７０１においてＳＭ＞ＳＭ_minで
あると判別されたとき、即ちＳＭ_ma _x≧ＳＭ＞ＳＭ_min
のときにはステップ７０４にジャンプする。このときに
は補正値ΔＳＴの更新作用は行われない。ステップ７０
５ではスロットル弁２０の開度ＳＴが機関運転状態に応
じて予め定められている許容最小開度ＳＴ_minよりも小
さくなったか否かが判別され、ＳＴ＜ＳＴ_minになると
ステップ７０６に進んで禁止フラグがセットされる。即
ち、ＳＭ＞ＳＭ_maxとなってスロットル弁２０の開度Ｓ
Ｔが減少せしめられ、ＳＴ＝ＳＴ_minとなってもＳＭ＞
ＳＭ_maxであるときには禁止フラグがセットされる。禁
止フラグがセットされると低温燃焼から第２の燃焼に切
換えられる。

【００９７】

【発明の効果】何らかの原因によって燃焼時の燃料およ
びその周囲のガス温度が変化しても良好な低温燃焼を行
うことができる。

【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】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】スロットル弁の開度等を示す図である。

【図９】第１の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図であ
る。

【図１０】噴射量等のマップを示す図である。

【図１１】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図
である。

【図１２】第２の燃焼における空燃比を示す図である。

【図１３】噴射量等のマップを示す図である。

【図１４】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図
である。

【図１５】排気ガス中のＮＯ_x濃度ＮＯと、噴射開始時
期θＳ、ＥＧＲ制御弁の開度ＳＥ、スロットル弁の開度
ＳＴの変化を示すタイムチャートである。

【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】燃焼制御を実行するための第１実施例を示す
フローチャートである。

【図１８】燃焼制御を実行するための第２実施例を示す
フローチャートである。

【図１９】燃焼制御を実行するための第３実施例を示す
フローチャートである。

【図２０】排気ガス中のスモーク濃度ＳＭと、噴射開始
時期θＳ、ＥＧＲ制御弁の開度ＳＥ、スロットル弁の開
度ＳＴの変化を示すタイムチャートである。

【図２１】燃焼制御を実行するための第４実施例を示す
フローチャートである。

【図２２】燃焼制御を実行するための第５実施例を示す
フローチャートである。

【図２３】燃焼制御を実行するための第６実施例を示す
フローチャートである。

【符号の説明】

６…燃料噴射弁２０…スロットル弁３１…ＥＧＲ制御弁

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＦ０１Ｎ 3/08 Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１Ｄ 41/02 ３５１Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１ 43/00 ３０１Ｊ３０１Ｋ 41/02 ３５１３０１Ｎ 43/00 ３０１Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｄ５７０ＪＢ０１Ｄ 53/34 １２９ＺＦ０２Ｍ 25/07 ５７０１３５Ｚ 53/36 Ｂ (72)発明者村田宏樹愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内審査官村上哲 (56)参考文献特開平７−4287（ＪＰ，Ａ) 特開平８−86251（ＪＰ，Ａ) 特開平８−177651（ＪＰ，Ａ) 特開平９−287527（ＪＰ，Ａ) 特開平９−287528（ＪＰ，Ａ) 特開平８−254152（ＪＰ，Ａ) 特開平８−296469（ＪＰ，Ａ) 特開平８−303309（ＪＰ，Ａ) 特開平９−96606（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02D 41/00 - 45/00 F02M 25/07

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室内に供給される不活性ガス量を増
大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達す
る内燃機関において、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に供給される不活性ガス量を多く
することによ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煤が生成される温度よりも低い温
度に抑制し、燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度に
応じて変化する排気ガス成分の量又は濃度を検出する検
出手段と、燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度に変
化を与える機関の運転パラメータの値を制御する制御手
段とを具備し、排気ガス成分の量又は濃度に基づいて運
転パラメータの値を制御することにより燃焼時の燃料お
よびその周囲のガス温度を制御するようにした内燃機
関。
【請求項２】上記排気ガス成分が排気ガス中のＮＯ_x
であり、上記運転パラメータが燃料噴射時期であり、上
記制御手段は該ＮＯ_xの量又は濃度が予め定められた上
限値を越えたときには燃料噴射時期を遅らせる請求項１
に記載の内燃機関。
【請求項３】上記制御手段は該ＮＯ_xの量又は濃度が
予め定められた下限値よりも低いときには燃料噴射時期
を早める請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】上記排気ガス成分が排気ガス中のＮＯ_x
であり、上記運転パラメータが機関排気通路から機関吸
気通路内に再循環せしめられる再循環排気ガス量であ
り、上記制御手段は該ＮＯ_xの量又は濃度が予め定めら
れた上限値を越えたときには再循環排気ガス量を増大さ
せる請求項１に記載の内燃機関。
【請求項５】上記制御手段は該ＮＯ_xの量又は濃度が
予め定められた下限値よりも低いときには再循環排気ガ
ス量を減少させる請求項４に記載の内燃機関。
【請求項６】上記排気ガス成分が排気ガス中のＮＯ_x
であり、上記運転パラメータが吸入空気量であり、上記
制御手段は該ＮＯ_xの量又は濃度が予め定められた上限
値を越えたときには吸入空気量を減少させる請求項１に
記載の内燃機関。
【請求項７】上記制御手段は該ＮＯ_xの量又は濃度が
予め定められた下限値よりも低いときには吸入空気量を
増大させる請求項６に記載の内燃機関。
【請求項８】上記排気ガス成分が排気ガス中の煤であ
り、上記運転パラメータが燃料噴射時期であり、上記制
御手段は該煤の量又は濃度が予め定められた上限値を越
えたときには燃料噴射時期を遅らせる請求項１に記載の
内燃機関。
【請求項９】上記制御手段は該煤の量又は濃度が予め
定められた下限値よりも低いときには燃料噴射時期を早
める請求項８に記載の内燃機関。
【請求項１０】上記排気ガス成分が排気ガス中のＮＯ
_xであり、上記運転パラメータが機関排気通路から機関
吸気通路内に再循環せしめられる再循環排気ガス量であ
り、上記制御手段は該煤の量又は濃度が予め定められた
上限値を越えたときには再循環排気ガス量を増大させる
請求項１に記載の内燃機関。
【請求項１１】上記制御手段は該煤の量又は濃度が予
め定められた下限値よりも低いときには再循環排気ガス
量を減少させる請求項１０に記載の内燃機関。
【請求項１２】上記排気ガス成分が排気ガス中のＮＯ
_xであり、上記運転パラメータが吸入空気量であり、上
記制御手段は該煤の量又は濃度が予め定められた上限値
を越えたときには吸入空気量を減少させる請求項１に記
載の内燃機関。
【請求項１３】上記制御手段は該煤の量又は濃度が予
め定められた下限値よりも低いときには吸入空気量を増
大させる請求項１２に記載の内燃機関。
【請求項１４】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。
【請求項１５】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１４に記載の内
燃機関。
【請求項１６】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に記載の内
燃機関。
【請求項１７】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１６に記載の内燃機関。
【請求項１８】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請求項１
に記載の内燃機関。
【請求項１９】運転パラメータの値が許容限界に達し
ても排気ガス成分の量又は濃度が予め定められた上限値
よりも低くならないときには第１の燃焼から第２の燃焼
に切換えるようにした請求項１８に記載の内燃機関。
【請求項２０】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１８に記載の内燃機関。