JP3409717B2 - 内燃機関 - Google Patents

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。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Ｎ
Ｏｘ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】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述したよ
うな新たな燃焼システムについてはまだ開示されていな
い。そのため、既に開示されている従来の燃焼システム
では、上述した新たな燃焼システムに基づく新たな効果
を奏することができない。

【００１０】そこで、本発明は、内燃機関から煤（スモ
ーク）が排出されること及びＮＯｘが排出されることを
同時に阻止しつつ、エンジンストールの発生を阻止する
ことができる内燃機関を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、燃焼室内に供給される不活性ガスの量を増大し
ていくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、前
記燃焼室内に供給される不活性ガスの量を更に増大して
いくと前記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であって、煤の発生量がピー
クとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供給され
る不活性ガスの量が多く煤がほとんど発生しない燃焼が
行われるときにエンジンストールの発生が予測されると
きには、前記煤がほとんど発生しない燃焼を行うのを禁
止するようにした内燃機関が提供される。

【００１２】請求項１に記載の内燃機関では、煤の発生
量がピークとなる不活性ガスの量よりも燃焼室内に供給
される不活性ガスの量が多く煤がほとんど発生しない燃
焼が実行可能であるため、内燃機関から煤が排出される
こと及びＮＯｘが排出されることを同時に阻止すること
ができる。更に、前記煤がほとんど発生しない燃焼が行
われるときであってエンジンストールの発生が予測され
るときに、前記煤がほとんど発生しない燃焼を行うのが
禁止される。ところで、前記煤がほとんど発生しない燃
焼は、燃焼室内に供給される不活性ガスの量が多いため
に比較的酸素が不足した条件下で行われる、つまり、比
較的厳しい燃焼条件下で行われる。そのため、前記煤が
ほとんど発生しない燃焼を行うとエンジンストールが発
生してしまうような時には、前記煤がほとんど発生しな
い燃焼を行うのを禁止して、エンジンストールが発生し
ないようにする必要がある。そこで上述したように請求
項１に記載の内燃機関では、前記煤がほとんど発生しな
い燃焼が行われるときであってエンジンストールの発生
が予測されるときに、前記煤がほとんど発生しない燃焼
を行うのが禁止される。その結果、エンジンストールの
発生を阻止することができる。

【００１３】請求項２に記載の発明によれば、燃焼室内
に供給される不活性ガスの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、前記燃焼室内に供給
される不活性ガスの量を更に増大していくと前記燃焼室
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
内燃機関であって、煤の発生量がピークとなる不活性ガ
スの量よりも前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量
が多く煤がほとんど発生しない燃焼が行われるときにエ
ンジンストールの発生が予測されるときには、空燃比を
リーン側にシフトさせるようにした内燃機関が提供され
る。

【００１４】請求項３に記載の発明によれば、前記燃焼
室内に供給される燃料量を減量補正すること、前記燃焼
室内に供給される吸入空気量を増量補正すること、及び
前記燃焼室内に供給される不活性ガス量を減量補正する
ことの少なくともいずれか一つにより、空燃比をリーン
側にシフトさせるようにした請求項２に記載の内燃機関
が提供される。

【００１５】請求項２及び３に記載の内燃機関では、煤
の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも燃焼室内
に供給される不活性ガスの量が多く煤がほとんど発生し
ない燃焼が実行可能であるため、内燃機関から煤が排出
されること及びＮＯｘが排出されることを同時に阻止す
ることができる。更に、前記煤がほとんど発生しない燃
焼が行われるときであってエンジンストールの発生が予
測されるときに、空燃比がリーン側にシフトされる。と
ころで、前記煤がほとんど発生しない燃焼は、燃焼室内
に供給される不活性ガスの量が多いために比較的酸素が
不足した条件下で行われる、つまり、比較的厳しい燃焼
条件下で行われる。そのため、前記煤がほとんど発生し
ない燃焼を行うとエンジンストールが発生してしまうよ
うな時には、空燃比をリーン側にシフトさせて燃焼室内
に供給される酸素量を増加させることにより、エンジン
ストールが発生しないようにする必要がある。そこで上
述したように請求項２に記載の内燃機関では、前記煤が
ほとんど発生しない燃焼が行われるときであってエンジ
ンストールの発生が予測されるときに、空燃比がリーン
側にシフトされる。その結果、エンジンストールの発生
を阻止することができる。

【００１６】請求項４に記載の発明によれば、前記エン
ジンストールの発生が予測されるときとは、急ブレーキ
がかけられたと判定されるときである請求項１又は２に
記載の内燃機関が提供される。

【００１７】請求項５に記載の発明によれば、ブレーキ
がかけられたことを検出するためのブレーキスイッチを
具備し、前記急ブレーキがかけられたと判定されるとき
とは、前記ブレーキスイッチがオンされたときであっ
て、機関回転数又は車速の減少率が大きいときであり、
かつ、機関回転数が予め定められた回転数よりも低いと
きである請求項４に記載の内燃機関が提供される。

【００１８】請求項４及び５に記載の内燃機関では、ブ
レーキスイッチがオンされたときであって、機関回転数
又は車速の減少率が大きいときであり、かつ、機関回転
数が予め定められた回転数よりも低いときが、エンジン
ストールの発生が予測されるときとされる。ここで、機
関回転数又は車速の減少率が大きいときとは、燃焼が不
安定になって失火が発生する可能性が高くなるときであ
る。また、ブレーキスイッチがオンされたときとは、機
関回転数が減少していくと予想されるときである。機関
回転数が予め定められた回転数よりも低いときとは、機
関回転数が零に近いため失火が発生した場合に燃焼が再
開されづらいときである。以上により、エンジンストー
ルの発生が予測されるときであるか否かを正確に判断す
ることができる。

【００１９】請求項６に記載の発明によれば、前記エン
ジンストールの発生が予測されるときとは、機関回転数
が予め定められた回転数よりも低いときであって機関の
過渡運転時である請求項１又は２に記載の内燃機関が提
供される。

【００２０】請求項６に記載の内燃機関では、機関回転
数が予め定められた回転数よりも低いときであって機関
の過渡運転時が、エンジンストールの発生が予測される
ときとされる。ここで、機関の過渡運転時とは燃焼が不
安定になって失火が発生する可能性が高くなるときであ
る。また、機関回転数が予め定められた回転数よりも低
いときとは、機関回転数が零に近いため失火が発生した
場合に燃焼が再開されづらいときである。以上により、
エンジンストールの発生が予測されるときであるか否か
を正確に判断することができる。

【００２１】請求項７に記載の発明によれば、前記エン
ジンストールの発生が予測されるときとは、機関回転数
が予め定められた回転数よりも低いときであって機関の
外部から機関に対してかかる負荷が増加するときである
請求項１又は２に記載の内燃機関が提供される。

【００２２】請求項７に記載の内燃機関では、機関回転
数が予め定められた回転数よりも低いときであって機関
の外部から機関に対してかかる負荷が増加するときが、
エンジンストールの発生が予測されるときとされる。こ
こで、機関の外部から機関に対してかかる負荷が増加す
るときとは、機関回転数が一時的に減少すると予想され
るときである。また、機関回転数が予め定められた回転
数よりも低いときとは、機関回転数が零に近いため失火
が発生して機関回転数が減少した場合に燃焼を再開させ
て機関回転数を増加させづらいときである。以上によ
り、エンジンストールの発生が予測されるときであるか
否かを正確に判断することができる。

【００２３】請求項８に記載の発明によれば、前記煤が
ほとんど発生しない燃焼が行われるときであってエンジ
ンストールの発生が予測されるときに前記煤がほとんど
発生しない燃焼を行うのを禁止し、次いで前記煤がほと
んど発生しない燃焼を行うのが禁止されてから予め定め
られた時間が経過したときに、前記煤がほとんど発生し
ない燃焼を行うのを許容するようにした請求項１に記載
の内燃機関が提供される。

【００２４】請求項９に記載の発明によれば、前記予め
定められた時間が経過したときとは機関回転数の変化率
が正になったときである請求項８に記載の内燃機関が提
供される。

【００２５】請求項８及び９に記載の内燃機関では、機
関回転数の変化率が正になったときに、前記煤がほとん
ど発生しない燃焼を行うのが許容される。機関回転数の
変化率が正になるのは、燃焼状態が安定してきたからで
ある。燃焼が安定してくれば、エンジンストールが発生
する可能性は低くなる。つまり、エンジンストールの発
生を阻止しつつ、前記煤がほとんど発生しない燃焼を行
うことにより煤及びＮＯｘの排出を同時に阻止すること
ができる。

【００２６】請求項１０に記載の発明によれば、前記予
め定められた時間が経過したときとは、機関回転数が予
め定められた回転数よりも高くなったときである請求項
８に記載の内燃機関が提供される。

【００２７】請求項１０に記載の内燃機関では、機関回
転数が予め定められた回転数よりも高くなったときに、
前記煤がほとんど発生しない燃焼を行うのが許容され
る。機関回転数が予め定められた回転数よりも高くなれ
ば、仮に失火が発生したとしても、エンジンストールが
発生する前に燃焼状態を回復することが可能になる。つ
まり、エンジンストールの発生を阻止しつつ、前記煤が
ほとんど発生しない燃焼を行うことにより煤及びＮＯｘ
の排出を同時に阻止することができる。

【００２８】請求項１１に記載の発明によれば、前記燃
焼室から排出された未燃炭化水素を酸化するために機関
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
又は２に記載の内燃機関が提供される。

【００２９】請求項１２に記載の発明によれば、前記触
媒が酸化触媒、三元触媒又はＮＯｘ吸収剤の少くとも一
つからなる請求項１１に記載の内燃機関が提供される。

【００３０】請求項１１及び１２に記載の内燃機関で
は、燃焼室から排出される未燃炭化水素が機関排気通路
内にて酸化されるため、未燃炭化水素が内燃機関から排
出されるのを阻止することができる。

【００３１】請求項１３に記載の発明によれば、前記燃
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
させる排気ガス再循環装置を具備し、前記不活性ガスが
前記機関吸気通路内に再循環された再循環排気ガスから
なる請求項１又は２に記載の内燃機関が提供される。

【００３２】請求項１３に記載の内燃機関では、排気ガ
ス再循環装置によって機関吸気通路内に再循環される再
循環排気ガスを不活性ガスとして利用することにより、
外部から燃焼室内に不活性ガスを供給する手段を特別に
設ける必要性を回避することができる。

【００３３】請求項１４に記載の発明によれば、煤の発
生量がピークとなる再循環排気ガスの量よりも前記燃焼
室内に供給される再循環排気ガスの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
再循環排気ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される再
循環排気ガスの量が少ない第２の燃焼とを選択的に切り
換える切換手段を具備し、前記第１の燃焼から前記第２
の燃焼に又は前記第２の燃焼から前記第１の燃焼に切り
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
させるようにした請求項１３に記載の内燃機関が提供さ
れる。

【００３４】請求項１４に記載の内燃機関では、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
切り換えられるときに排気ガス再循環率をステップ状に
変化させることにより、排気ガス再循環率が、煤の発生
量がピークになる排気ガス再循環率に設定されるのを回
避することができる。

【００３５】請求項１５に記載の発明によれば、前記第
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、前記第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１４に記載の内燃機関が提供される。

【００３６】請求項１５に記載の内燃機関では、第１の
燃焼が行われているときの排気ガス再循環率をほぼ５５
パーセント以上にすると共に第２の燃焼が行われている
ときの排気ガス再循環率をほぼ５０パーセント以下にす
ることにより、排気ガス再循環率が、煤の発生量がピー
クになる排気ガス再循環率に設定されるのを回避するこ
とができる。

【００３７】請求項１６に記載の発明によれば、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
の運転領域とに分割し、前記第１の運転領域では前記第
１の燃焼を行い、前記第２の運転領域では前記第２の燃
焼を行うようにした請求項１４に記載の内燃機関が提供
される。

【００３８】請求項１６に記載の内燃機関では、第１の
燃焼を実行し得る時、つまり、燃焼室内における燃焼時
の燃料及びその周囲のガス温度を煤の生成温度よりも低
く維持し得る時が、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という理由から、低負荷側
の第１の運転領域で第１の燃焼を行うと共に高負荷側の
第２の運転領域で第２の燃焼を行う。それゆえ、運転領
域に応じて適切な燃焼を実行することができる。

【００３９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を用いて本発明の
実施形態について説明する。

【００４０】図１は本発明を４ストローク圧縮着火式内
燃機関に適用した第一の実施形態を示している。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。また、スロットル弁２０上流の空気吸込管１
７内には吸入空気の質量流量を検出するための質量流量
検出器２１が配置される。

【００４１】一方、排気ポート１０は排気マニホルド２
２を介して排気ターボチャージャ１５の排気タービン２
３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２２
内には空燃比センサ２７が配置される。

【００４２】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
は排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）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に示される実施形態では機関冷却水が
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。

【００４３】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。

【００４４】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。質量流量検出器２１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、空燃比セ
ンサ２７および燃料圧センサ３６の出力信号も夫々対応
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。機関回転数はクランク角センサ５２の出
力値に基づいて算出される。また、入力ポート４５には
ブレーキペダル（図示せず）の踏込みに応じてオンオフ
が切り換えられるブレーキスイッチの出力信号が入力さ
れる。また、入力ポート４５には車速センサ６１からの
出力信号が入力される。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。

【００４５】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，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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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の圧縮比等の種
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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】一方、図５の曲線Ｂで示されるようにＥＧ
Ｒ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。

【００６０】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。

【００６１】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。

【００６２】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。

【００６３】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に示す実施形態では
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
ＮＯｘの発生量は極めて少量となる。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】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。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Ｅ
ＧＲ制御弁３１が全開せしめられる、スロットル弁２０
が若干閉弁せしめられる。

【００６７】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１０p.p.m 前後又はそれ以下にす
ることができる。

【００６８】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。

【００６９】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、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。

【００７０】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
による実施形態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。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】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。

【００７４】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。

【００７５】触媒２５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。

【００７６】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。

【００７７】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２５として用いるこ
とができる。

【００７８】図８は空燃比センサ２７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２７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２７の出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。

【００７９】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における運転制御について概略的
に説明する。図９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９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。

【００８０】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。

【００８１】なお、アイドル運転時にはスロットル弁２
０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２０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、アイドル運転時
には機関本体１の振動を抑制するためにスロットル弁２
０が全閉近くまで閉弁せしめられる。

【００８２】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９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。

【００８３】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。

【００８４】図１０（Ａ）は第１の運転領域Ｉにおける
目標空燃比Ａ／Ｆを示している。図１０（Ａ）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目標空燃比が１
５．５，１６，１７，１８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１０
（Ａ）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が低くなるほど目標空燃比Ａ／Ｆがリーンとされ
る。

【００８５】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
１０（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌが低くなるにつ
れて目標空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。目標空燃比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形態
では要求負荷Ｌが低くなるにつれて目標空燃比Ａ／Ｆが
大きくされる。

【００８６】なお、図１０（Ａ）に示される目標空燃比
Ａ／Ｆは図１０（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ＲＯＭ４
２内に記憶されている。また、空燃比を図１０（Ａ）に
示す目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要なスロットル弁２
０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１０
（Ａ）に示す目標空燃比Ａ／Ｆ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。

【００８７】図１２（Ａ）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Ａ
／Ｆを示している。なお、図１２（Ａ）においてＡ／Ｆ
＝２４，Ａ／Ｆ＝３５，Ａ／Ｆ＝４５，Ａ／Ｆ＝６０で
示される各曲線は夫々目標空燃比２４，３５，４５，６
０を示している。図１２（Ａ）に示される目標空燃比Ａ
／Ｆは図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ＲＯＭ４２
内に記憶されている。また、空燃比を図１２（Ａ）に示
す目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要なスロットル弁２０
の目標開度ＳＴが図１３（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（Ａ）
に示す目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要なＥＧＲ制御弁
３１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ＲＯＭ４２内に記憶されている。

【００８８】また、第２の燃焼が行われているときには
燃料噴射量Ｑは要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに基づい
て算出される。この燃料噴射量Ｑは図１４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。

【００８９】次に図１５から図１７を参照しつつ本実施
形態の運転制御について説明する。図１５から図１７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１０１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。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に進む。一方、
Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ１０１’に進む。ステ
ップ１０１’では機関回転数Ｎが予め定められた回転数
Ｎ₁ （図７）よりも低くなったか否かが判別される。Ｙ
ＥＳの時にはステップ１０２に進み、ＮＯの時にはステ
ップ１０５に進む。ステップ１０２ではフラグＩがリセ
ットされ、次いでステップ１１８に進んで第２の燃焼が
行われる。

【００９０】ステップ１００においてフラグＩがセット
されていないとき、つまり、機関の運転状態が第２の運
転領域IIであるときにはステップ１０３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１１８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１０３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１０３’に進む。ステップ１
０３’では機関回転数Ｎが予め定められた回転数Ｎ
₂ （図７）よりも高くなったか否かが判別される。ＹＥ
Ｓの時にはステップ１０５に進み、ＮＯの時にはステッ
プ１１８に進む。

【００９１】ステップ１０５ではブレーキスイッチ６０
がオンされているか否かが判別される。ＹＥＳの時には
ステップ１０６に進み、ＮＯの時にはステップ１１２に
進む。ステップ１０６では、機関回転数Ｎが例えば２０
００ｒｐｍのような予め定められた回転数よりも低いか
否かが判別される。ＹＥＳの時にはステップ１０７に進
み、ＮＯの時にはステップ１１２に進む。ステップ１０
７では、外部負荷が増加したか否かが判別される。ＹＥ
Ｓの時にはステップ１１０に進み、ＮＯの時にはステッ
プ１０８に進む。

【００９２】ステップ１０８では、機関回転数の変化率
ΔＮが例えば−２ｒｐｍ／ｍｓのような予め定められた
値よりも低いか否か、つまり、機関回転数の時間当たり
の減少量が予め定められた値よりも大きいか否かが判別
される。機関回転数の減少率が大きい時にはステップ１
０９に進み、機関回転数が減少しない時や機関回転数の
減少率が小さい時にはステップ１１２に進む。ステップ
１０９では、車速センサ６１により得られた車速ＳＰＤ
が例えば４０ｋｍ／ｈのような予め定められた速度より
も低いか否かが判別される。ＹＥＳの時にはステップ１
１０に進み、ＮＯの時にはステップ１１２に進む。

【００９３】ステップ１１０では低温燃焼禁止カウンタ
ＣＩＮＨＢがインクリメントされる（ＣＩＮＨＢ←ＣＩ
ＮＨＢ＋１）。次いでステップ１１１では、低温燃焼禁
止カウンタＣＩＮＨＢが例えば５秒に相当する値ＣＩＮ
ＨＢのような予め定められた値よりも大きくなったか否
かが判別される。ＹＥＳの時にはステップ１１２に進
み、ＮＯの時にはステップ１１１’においてフラグＩが
リセットされ、次いでステップ１１８に進んで第２の燃
焼が行われる。ステップ１１２では低温燃焼禁止カウン
タＣＩＮＨＢがリセットされる（ＣＩＮＨＢ←０）。次
いでステップ１０４ではフラグＩがセットされ、次いで
ステップ１１３に進んで低温燃焼が行われる。

【００９４】ステップ１１３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、
スロットル弁２０の開度がこの目標開度ＳＴとされる。
次いでステップ１１４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、ＥＧＲ
制御弁３１の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いで
ステップ１１５では質量流量検出器２１により検出され
た吸入空気の質量流量（以下、単に吸入空気量と称す）
Ｇａが取込まれ、次いでステップ１１６では図１０
（Ｂ）に示すマップから目標空燃比Ａ／Ｆが算出され
る。次いでステップ１１７では吸入空気量Ｇａと目標空
燃比Ａ／Ｆに基づいて空燃比を目標空燃比Ａ／Ｆとする
のに必要な燃料噴射量Ｑが算出される。

【００９５】このように低温燃焼が行われているときに
は要求負荷Ｌ又は機関回転数Ｎが変化するとスロットル
弁２０の開度およびＥＧＲ制御弁３１の開度がただちに
要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた目標開度ＳＴ，
ＳＥに一致せしめられる。従って例えば要求負荷Ｌが増
大せしめられるとただちに燃焼室５内の空気量が増大せ
しめられ、斯くして機関の発生トルクがただちに増大せ
しめられる。

【００９６】一方、スロットル弁２０の開度又はＥＧＲ
制御弁３１の開度が変化して吸入空気量が変化するとこ
の吸入空気量Ｇａの変化が質量流量検出器２１により検
出され、この検出された吸入空気量Ｇａに基づいて燃料
噴射量Ｑが制御される。即ち、吸入空気量Ｇａが実際に
変化した後に燃料噴射量Ｑが変化せしめられることにな
る。

【００９７】ステップ１１８では図１４に示されるマッ
プから目標燃料噴射量Ｑが算出され、燃料噴射量がこの
目標燃料噴射量Ｑとされる。次いでステップ１１９では
図１３（Ａ）に示すマップからスロットル弁２０の目標
開度ＳＴが算出される。次いでステップ１２０では図１
３（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、ＥＧＲ制御弁３１の開度がこの目標開
度ＳＥとされる。

【００９８】次いでステップ１２１では質量流量検出器
２１により検出された吸入空気量Ｇａが取込まれる。次
いでステップ１２２では燃料噴射量Ｑと吸入空気量Ｇａ
から実際の空燃比（Ａ／Ｆ）_R が算出される。次いでス
テップ１２３では図１２（Ｂ）に示すマップから目標空
燃比Ａ／Ｆが算出される。次いでステップ１２４では実
際の空燃比（Ａ／Ｆ）_R が目標空燃比Ａ／Ｆよりも大き
いか否かが判別される。（Ａ／Ｆ）_R ＞Ａ／Ｆのときに
はステップ１２５に進んでスロットル開度の補正値ΔＳ
Ｔが一定値αだけ減少せしめられ、次いでステップ１２
７へ進む。これに対して（Ａ／Ｆ）_R ≦Ａ／Ｆのときに
はステップ１２６に進んで補正値ΔＳＴが一定値αだけ
増大せしめられ、次いでステップ１２７に進む。ステッ
プ１２７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り最終的な目標開度ＳＴが算
出され、スロットル弁２０の開度がこの最終的な目標開
度ＳＴとされる。即ち、実際の空燃比（Ａ／Ｆ）_R が目
標空燃比Ａ／Ｆとなるようにスロットル弁２０の開度が
制御される。

【００９９】このように第２の燃焼が行われているとき
には要求負荷Ｌ又は機関回転数Ｎが変化すると燃料噴射
量がただちに要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた目
標燃料噴射量Ｑに一致せしめられる。例えば要求負荷Ｌ
が増大せしめられるとただちに燃料噴射量が増大せしめ
られ、斯くして機関の発生トルクがただちに増大せしめ
られる。

【０１００】一方、燃料噴射量Ｑが増大せしめられて空
燃比が目標空燃比Ａ／Ｆからずれると空燃比が目標空燃
比Ａ／Ｆとなるようにスロットル弁２０の開度が制御さ
れる。即ち、燃料噴射量Ｑが変化した後に空燃比が変化
せしめられることになる。

【０１０１】これまで述べた実施形態では低温燃焼が行
われているときに燃料噴射量Ｑはオープンループ制御さ
れ、第２の燃焼が行われているときに空燃比がスロット
ル弁２０の開度を変化させることによって制御される。
しかしながら低温燃焼が行われているときに燃料噴射量
Ｑを空燃比センサ２７の出力信号に基づいてフィードバ
ック制御することもできるし、また第２の燃焼が行われ
ているときに空燃比をＥＧＲ制御弁３１の開度を変化さ
せることによって制御することもできる。

【０１０２】本実施形態によれば、ステップ１１３から
ステップ１１７において煤の発生量がピークとなるＥＧ
Ｒガス量よりも燃焼室５内に供給されるＥＧＲガス量が
多く煤がほとんど発生しない低温燃焼が実行可能である
ため、煤及びＮＯｘの排出を同時に阻止することができ
る。更に、低温燃焼が行われるときであってエンジンス
トールの発生が予測されるとき、つまり、ステップ１０
５からステップ１１１において急ブレーキがかけられた
と判定されるときに、ステップ１１１’においてフラグ
Ｉがリセットされることにより低温燃焼の実行が禁止さ
れる。その結果、エンジンストールの発生を阻止するこ
とができる。

【０１０３】更に本実施形態によれば、低温燃焼が行わ
れるときであってエンジンストールの発生が予測される
とき、つまり、ステップ１０５からステップ１１１にお
いて急ブレーキがかけられたと判定されるときに、空燃
比がリーン側にシフトされ、ステップ１１８からステッ
プ１２７においてリーン空燃比の下で第２の燃焼が行わ
れる。その結果、エンジンストールの発生を阻止するこ
とができる。

【０１０４】更に本実施形態によれば、ステップ１０５
においてブレーキスイッチ６０がオンされたと判断さ
れ、ステップ１０６において機関回転数が予め定められ
た回転数よりも低いと判断され、かつ、ステップ１０８
において機関回転数の減少率が大きいと判断されたと
き、エンジンストールが発生し易いと判断される。ステ
ップ１０５、ステップ１０６及びステップ１０８を設け
ることにより、エンジンストールの発生が予測されると
きであるか否かを正確に判断することができる。尚、他
の実施形態では、機関回転数の減少率に基づく判断の代
わりに、あるいはそれに加えて、車速の減少率に基づい
てエンジンストールの発生が予測されるときであるか否
かを判断することも可能である。

【０１０５】更に本実施形態によれば、ステップ１０６
において機関回転数が予め定められた回転数よりも低い
と判断され、かつ、機関の過渡運転時であると判断され
たとき、つまり、ステップ１０８において機関回転数の
減少率が大きいと判断されたとき、エンジンストールが
発生し易いと判断される。ステップ１０６及びステップ
１０８を設けることにより、エンジンストールの発生が
予測されるときであるか否かを正確に判断することがで
きる。

【０１０６】更に本実施形態によれば、ステップ１０６
において機関回転数が予め定められた回転数よりも低い
と判断され、かつ、ステップ１０７において機関の外部
から機関に対してかかる負荷が増加したと判断されたと
き、エンジンストールが発生し易いと判断される。ステ
ップ１０６及びステップ１０７を設けることにより、エ
ンジンストールの発生が予測されるときであるか否かを
正確に判断することができる。

【０１０７】更に本実施形態によれば、低温燃焼の実行
が禁止されてから予め定められた時間が経過したとき、
つまり、ステップ１１１においてＹＥＳと判断された時
に、低温燃焼を行うのが許容される。その結果、エンジ
ンストールの発生を阻止しつつ、低温燃焼を行うことに
より煤及びＮＯｘの排出を同時に阻止することができ
る。

【０１０８】更に本実施形態によれば、機関回転数の変
化率が正になったとき、つまり、ステップ１０８におい
てＮＯと判断された時に、低温燃焼を行うのが許容され
る。その結果、エンジンストールの発生を阻止しつつ、
低温燃焼を行うことにより煤及びＮＯｘの排出を同時に
阻止することができる。

【０１０９】更に本実施形態によれば、機関回転数が予
め定められた回転数よりも高くなったとき、つまり、ス
テップ１０６においてＮＯと判断された時に、低温燃焼
を行うのが許容される。その結果、エンジンストールの
発生を阻止しつつ、低温燃焼を行うことにより煤及びＮ
Ｏｘの排出を同時に阻止することができる。

【０１１０】

【発明の効果】請求項１から３に記載の発明によれば、
内燃機関から煤（スモーク）が排出されること及びＮＯ
ｘが排出されることを同時に阻止しつつ、エンジンスト
ールの発生を阻止することができる。

【０１１１】請求項４から７に記載の発明によれば、エ
ンジンストールの発生が予測されるときであるか否かを
正確に判断することができる。

【０１１２】請求項８から１０に記載の発明によれば、
エンジンストールの発生を阻止しつつ、煤がほとんど発
生しない燃焼を行う機会を増やすことができる。

【０１１３】請求項１１及び１２に記載の発明によれ
ば、未燃炭化水素が内燃機関から排出されるのを阻止す
ることができる。

【０１１４】請求項１３に記載の発明によれば、外部か
ら燃焼室内に不活性ガスを供給する手段を特別に設ける
必要性を回避することができる。

【０１１５】請求項１４及び１５に記載の発明によれ
ば、排気ガス再循環率が、煤の発生量がピークになる排
気ガス再循環率に設定されるのを回避することができ
る。

【０１１６】請求項１６に記載の発明によれば、運転領
域に応じて適切な燃焼を実行することができる。

【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】第１の運転領域Ｉにおける空燃比等を示す図
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等を示す図であ
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】燃料噴射量のマップを示す図である。

【図１５】機関の運転を制御するためのフローチャート
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】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】

５…燃焼室 ６…燃料噴射弁 ２０…スロットル弁 ２９…ＥＧＲ通路 ３１…ＥＧＲ制御弁 ５２…クランク角センサ ６０…ブレーキスイッチ ６１…車速センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｄ 41/22 ３８０ Ｆ０２Ｄ 41/22 ３８０Ｃ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｄ (72)発明者 伊藤 丈和 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 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 (56)参考文献 特開 平７−4287（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−177654（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−86251（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−287527（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−287528（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02D 41/00 - 45/00 F02M 25/07 F02B 1/00 - 23/06

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室内に供給される不活性ガスの量を
   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、前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量を更に増
   大していくと前記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であって、煤の発生量
   がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供
   給される不活性ガスの量が多く煤がほとんど発生しない
   燃焼が行われるときにエンジンストールの発生が予測さ
   れるときには、前記煤がほとんど発生しない燃焼を行う
   のを禁止するようにした内燃機関。
2. 【請求項２】 燃焼室内に供給される不活性ガスの量を
   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、前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量を更に増
   大していくと前記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であって、煤の発生量
   がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供
   給される不活性ガスの量が多く煤がほとんど発生しない
   燃焼が行われるときにエンジンストールの発生が予測さ
   れるときには、空燃比をリーン側にシフトさせるように
   した内燃機関。
3. 【請求項３】 前記燃焼室内に供給される燃料量を減量
   補正すること、前記燃焼室内に供給される吸入空気量を
   増量補正すること、及び前記燃焼室内に供給される不活
   性ガス量を減量補正することの少なくともいずれか一つ
   により、空燃比をリーン側にシフトさせるようにした請
   求項２に記載の内燃機関。
4. 【請求項４】 前記エンジンストールの発生が予測され
   るときとは、急ブレーキがかけられたと判定されるとき
   である請求項１又は２に記載の内燃機関。
5. 【請求項５】 ブレーキがかけられたことを検出するた
   めのブレーキスイッチを具備し、前記急ブレーキがかけ
   られたと判定されるときとは、前記ブレーキスイッチが
   オンされたときであって、機関回転数又は車速の減少率
   が大きいときであり、かつ、機関回転数が予め定められ
   た回転数よりも低いときである請求項４に記載の内燃機
   関。
6. 【請求項６】 前記エンジンストールの発生が予測され
   るときとは、機関回転数が予め定められた回転数よりも
   低いときであって機関の過渡運転時である請求項１又は
   ２に記載の内燃機関。
7. 【請求項７】 前記エンジンストールの発生が予測され
   るときとは、機関回転数が予め定められた回転数よりも
   低いときであって機関の外部から機関に対してかかる負
   荷が増加するときである請求項１又は２に記載の内燃機
   関。
8. 【請求項８】 前記煤がほとんど発生しない燃焼が行わ
   れるときであってエンジンストールの発生が予測される
   ときに前記煤がほとんど発生しない燃焼を行うのを禁止
   し、次いで前記煤がほとんど発生しない燃焼を行うのが
   禁止されてから予め定められた時間が経過したときに、
   前記煤がほとんど発生しない燃焼を行うのを許容するよ
   うにした請求項１に記載の内燃機関。
9. 【請求項９】 前記予め定められた時間が経過したとき
   とは機関回転数の変化率が正になったときである請求項
   ８に記載の内燃機関。
10. 【請求項１０】 前記予め定められた時間が経過したと
    きとは、機関回転数が予め定められた回転数よりも高く
    なったときである請求項８に記載の内燃機関。
11. 【請求項１１】 前記燃焼室から排出された未燃炭化水
    素を酸化するために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又は２に記載の内燃機関。
12. 【請求項１２】 前記触媒が酸化触媒、三元触媒又はＮ
    Ｏｘ吸収剤の少くとも一つからなる請求項１２に記載の
    内燃機関。
13. 【請求項１３】 前記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排気ガス再循環装置を具
    備し、前記不活性ガスが前記機関吸気通路内に再循環さ
    れた再循環排気ガスからなる請求項１又は２に記載の内
    燃機関。
14. 【請求項１４】 煤の発生量がピークとなる再循環排気
    ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される再循環排気ガ
    スの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排気ガスの量よりも前記
    燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量が少ない第２
    の燃焼とを選択的に切り換える切換手段を具備し、前記
    第１の燃焼から前記第２の燃焼に又は前記第２の燃焼か
    ら前記第１の燃焼に切り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請求項１３に
    記載の内燃機関。
15. 【請求項１５】 前記第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、前
    記第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１４に記載の内燃
    機関。
16. 【請求項１６】 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の運転領域とに分割し、前記第
    １の運転領域では前記第１の燃焼を行い、前記第２の運
    転領域では前記第２の燃焼を行うようにした請求項１４
    に記載の内燃機関。