JP3427754B2

JP3427754B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP3427754B2
Application number: JP32254698A
Authority: JP
Inventors: 静夫佐々木; 雅人後藤; 丈和伊藤; 康二吉▲崎▼; 宏樹村田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-11-12
Filing date: 1998-11-12
Publication date: 2003-07-22
Anticipated expiration: 2018-11-12
Also published as: JP2000145501A

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ＥＧＲ率をほぼ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比較的少
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。従って
吸入空気量が一定限度を越えたときには従来より行われ
ている燃焼に切換える必要がある。

【００１０】しかしながらＥＧＲ率を煤の発生量がピー
クとなるＥＧＲ率よりも低いＥＧＲ率に切換えるとＮＯ
_xの発生量が増大する。従って煤およびＮＯ_xがほとん
ど発生しないこの新たな燃焼システムを採用した場合に
おいても吸入空気量が多いときのことを考えるとＮＯ_x
の浄化について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】上記目的を達成するため
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
クに達し、燃焼室内に供給される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内燃機関において、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Ｎ
Ｏ_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
吸収剤を機関排気通路内に配置し、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に供給される不活性
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に
供給される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、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の燃焼を行い、第１の燃焼から第２の燃焼
に切換える切換え期間中に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とすることにより
ＮＯ_x吸収剤に吸収されているＮＯ_xを放出すると共に
還元する。このように第１の燃焼から第２の燃焼へ切換
えたときには燃焼室内に供給される不活性ガス量が少く
されると共に燃焼室内への噴射燃料量が増大せしめられ
る。

【００１２】２番目の発明によれば１番目の発明におい
て前記第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いったん第２の燃焼を第
１の燃焼に切換えた後に第２の燃焼に戻し、それによっ
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。即ち、ＮＯ_x吸収
剤からＮＯ_xを放出させるためには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必
要がある。しかしながら不活性ガス量の少ない第２の燃
焼が行われているときに燃焼時における燃焼室内の空燃
比を理論空燃比又はリッチにすると多量の煤が発生し、
斯くして第２の燃焼が行われているときに燃焼時におけ
る燃焼室内の空燃比を理論空燃比又はリッチにすること
ができない。そこで２番目の発明では第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
きにはいったん第１の燃焼に切換えた後に第２の燃焼に
再び戻すようにしている。

【００１３】３番目の発明によれば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、上記不活性ガスが再循
環排気ガスからなる。４番目の発明によれば３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。

【００１４】５番目の発明によれば１番目の発明におい
て第１の燃焼から第２の燃焼への切換え期間中に燃焼室
内への噴射燃料量が増量せしめられる。上記目的を達成
するために、６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
してピークに達し、燃焼室内に供給される不活性ガス量
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内燃機関において、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又は流入する排気ガスの
空燃比のリーン度合いが低下すると吸収した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に供給
される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
も燃焼室内に供給される不活性ガス量が少ない第２の燃
焼とを選択的に切換える切換手段を具備し、第２の燃焼
を第１の燃焼に切換えたときに燃焼室内の空燃比をリッ
チとする。これにより排気ガスの空燃比がリッチとされ
る。

【００１５】７番目の発明によれば６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、上記不活性ガスが再循
環排気ガスからなる。８番目の発明によれば７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。

【００１６】９番目の発明によれば６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
ようにする。

【００１７】

【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。また、スロットル弁２０上流の空気吸込管１７
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。

【００１８】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。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２
０下流の空気吸込管１７とは排気ガス再循環（以下、Ｅ
ＧＲ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Ｅ
ＧＲ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内に導か
れ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。

【００１９】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。

【００２０】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。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３
０および燃料ポンプ３５に接続される。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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
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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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、スロットル弁２０が
若干閉弁せしめられる。

【００４１】前述したように図６は燃料を理論空燃比の
もとで燃焼させる場合を示しているが空気量を図６に示
される空気量よりも少なくしても、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。

【００４２】即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過
剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために
過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くして煤が生成される
ことがない。また、このとき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。

【００４３】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。

【００４４】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
が少ない燃焼のことを言う。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。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後に詳述するＮＯ_x吸収剤２５
により良好に酸化せしめられる。

【００４８】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。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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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
例では要求負荷Ｌが低くなるにつれて目標空燃比Ａ／Ｆ
が大きくされる。

【００５６】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。

【００５７】また、第１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１２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。図１３
（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１３（Ａ）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）に示される目標空燃比Ａ／Ｆは図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。また、空燃比を図１３（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ＲＯＭ４２内に記
憶されており、空燃比を図１３（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Ｓ
Ｅ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。

【００５８】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１５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。一方、図１
においてケーシング２６内にはＮＯ_x吸収剤２５が配置
されている。ＮＯ_x吸収剤２５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。機関吸気通路、燃焼室５およびＮＯ
_x吸収剤２５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２５への流入排気
ガスの空燃比と称するとこのＮＯ_x吸収剤２５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。

【００５９】このＮＯ_x吸収剤２５を機関排気通路内に
配置すればＮＯ_x吸収剤２５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１６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。

【００６０】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１６（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ＮＯ_x吸収剤２５内に吸収されて酸化バリ
ウムＢａＯと結合しながら図１６（Ａ）に示されるよう
に硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形でＮＯ_x吸収剤２５内に拡散
する。このようにしてＮＯ_xがＮＯ_x吸収剤２５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Ｐ
ｔ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ＮＯ₂が吸収剤内に吸収されて硝酸イ
オンＮＯ₃ ^-が生成される。

【００６１】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ＮＯ_x吸収剤２５内の硝酸イオンＮＯ
₃ ^-がＮＯ₂の形でＮＯ_x吸収剤２５から放出される。
このときＮＯ_x吸収剤２５から放出されたＮＯ_xは図１
６（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ＮＯ_x吸収剤２５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２５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。

【００６２】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２５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２５からＮＯ_xが徐々に
しか放出されないためにＮＯ _x吸収剤２５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。

【００６３】上述したようにＮＯ_x吸収剤２５は白金Ｐ
ｔのような貴金属を含んでおり、従ってＮＯ_x吸収剤２
５は酸化機能を有している。一方、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ＮＯ_x吸
収剤２５は酸化機能を有しており、従ってこのとき燃焼
室５から排出された未燃炭化水素はＮＯ_x吸収剤２５に
より良好に酸化せしめられることになる。

【００６４】ところでＮＯ_x吸収剤２５のＮＯ_x吸収能
力には限界があり、ＮＯ_x吸収剤２５のＮＯ_x吸収能力
が飽和する前にＮＯ_x吸収剤２５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２５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１７（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１７（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２５に吸
収されているＮＯ_x吸収量ΣＮＯＸを推定するようにし
ている。

【００６５】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を越えたときにＮ
Ｏ_x吸収剤２５からＮＯ_xを放出させるようにしてい
る。次にこのことについて図１８を参照しつつ説明す
る。図１８を参照すると本発明による実施例では二つの
許容最大値、即ち許容最大値ＭＡＸ１と許容最大値ＭＡ
Ｘ２とが設定されている。許容最大値ＭＡＸ１はＮＯ_x
吸収剤２５が吸収しうる最大ＮＯ_x吸収量の３０パーセ
ント程度とされており、許容最大値ＭＡＸ２はＮＯ_x吸
収剤２５が吸収しうる最大吸収量の８０パーセント程度
とされている。第１の燃焼が行われているときにＮＯ_x
吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ１を越えたときには
ＮＯ_x吸収剤２５からＮＯ_xを放出すべく空燃比がリッ
チとされ、第２の燃焼が行われているときにＮＯ_x吸収
量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ１を越えたときには要求
負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）より高い第３の境界Ｚ
（Ｎ）より低い場合に限りＮＯ_x吸収剤２５からＮＯ_x
を放出すべくいったん第２の燃焼を第１の燃焼に切換え
た後に再び第２の燃焼に戻す。この制御を要求負荷Ｌが
第３の境界Ｚ（Ｎ）より低い場合に限ったのは第２の燃
焼から第１の燃焼に切り換えたときのトルク変動を最小
限に抑えるためである。即ち本実施例では第３の境界Ｚ
（Ｎ）は第２の燃焼から第１の燃焼に切り換えてもトル
ク変動が比較的小さくなるよう第１の境界Ｘ（Ｎ）に近
い値に設定される。

【００６６】ところでこのように第２の燃焼が行われて
いるときに第２の燃焼を第１の燃焼に強制的に切換える
と噴射燃料量は即座に少なくなるが、燃焼室５内に流入
する空気量は徐々に少なくなる。そして第１の燃焼から
第２の燃焼に戻されると少なくなった噴射燃料量は即座
に増大し、第２の燃焼における元の量に戻る。しかしな
がらこのとき燃焼室５内に流入する空気の量は徐々に少
なくなった状態から即座に元の量までは戻らず、徐々に
増大する。即ち第２の燃焼が行われているときにいった
ん第１の燃焼に切換えた後に再び第２の燃焼に戻すと、
一時的に空燃比がリッチとなり、ＮＯ_x吸収剤２５から
ＮＯ_xが放出される。

【００６７】なお第２の燃焼が行われているときにＮＯ
_x吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ２を越えたときに
はＮＯ_x吸収剤２５からＮＯ_xを放出すべく膨張行程の
後半又は排気行程中に追加の燃料が噴射される。即ち、
図１８において期間Ｘは要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ
（Ｎ）よりも低く、第１の燃焼が行われている場合を示
しており、このとき空燃比は理論空燃比よりもわずかば
かりリーンなリーン空燃比となっている。第１の燃焼が
行われているときにはＮＯ_xの発生量が極めて少く、従
ってこのときには図１８に示されるようにＮＯ_x吸収量
ΣＮＯＸは極めてゆっくりと上昇する。第１の燃焼が行
われているときにＮＯ_x吸収量ΣＮＯＸが許容最大値Ｍ
ＡＸ１を越えると空燃比Ａ／Ｆは一時的にリッチとさ
れ、それによってＮＯ_x吸収剤２５からＮＯ_xが放出さ
れる。このときＮＯ_x吸収量ΣＮＯＸは零とされる。

【００６８】前述したように第１の燃焼が行われている
ときには空燃比がリーンであろうと、理論空燃比であろ
うと、リッチであろうと煤は発生せず、従って第１の燃
焼が行われているときにＮＯ_x吸収剤２５からＮＯ_xを
放出すべく空燃比Ａ／Ｆがリッチとされてもこのとき煤
が発生することはない。次いで時刻ｔ₁において要求負
荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）を越えると第１の燃焼から第
２の燃焼に切換えられる。図１８に示されるように第２
の燃焼が行われているときには空燃比Ａ／Ｆはかなりリ
ーンとなる。第２の燃焼が行われているときには第１の
燃焼が行われている場合に比べてＮＯ_xの発生量が多
く、従って第２の燃焼が行われているときにはＮＯ_x吸
収量ΣＮＯＸは比較的急速に上昇する。

【００６９】第２の燃焼が行われているときに空燃比Ａ
／Ｆをリッチにすると多量の煤が発生し、従って第２の
燃焼が行われているときに空燃比Ａ／Ｆをリッチにする
ことはできない。従って図１８に示されるように第２の
燃焼が行われているときにＮＯ_x吸収量ΣＮＯＸが許容
最大値ＭＡＸ１を越えたとしてもＮＯ_x吸収剤２５から
ＮＯ_xを放出すべく空燃比Ａ／Ｆがリッチとされない。
ここでは、要求負荷Ｌが第３の境界Ｚ（Ｎ）より低いの
で第２の燃焼を第１の燃焼にいったん切換えた後に第２
の燃焼に切換える。それによって空燃比Ａ／Ｆが一時的
にリッチとされ、ＮＯ_x吸収剤２５からＮＯ_xが放出さ
れる。このときＮＯ_x吸収量ΣＮＯＸは零とされる。ま
た時刻ｔ₂におけるように要求負荷Ｌが第２の境界Ｙ
（Ｎ）よりも低くなると第２の燃焼から第１の燃焼に切
換えられる。

【００７０】次いで図１８の時刻ｔ₃において第１の燃
焼から第２の燃焼に切換えられ、暫らくの間、第２の燃
焼が継続したとする。このときＮＯ_x吸収量ΣＮＯＸが
許容最大値ＭＡＸ１を越え、次いで時刻ｔ₄において許
容最大値ＭＡＸ２を越えたとするとこのときにはＮＯ_x
吸収剤２５からＮＯ_xを放出すべく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、ＮＯ_x吸収剤２５
に流入する排気ガスの空燃比がリッチとされる。このと
きＮＯ_x吸収剤２５からＮＯ_xが放出され、ＮＯ_x吸収
量ΣＮＯＸが零とされる。

【００７１】膨張行程の後半又は排気行程中に噴射され
る追加の燃料は機関出力の発生には寄与せず、従って追
加の燃料を噴射する機会はできるだけ少くすることが好
ましい。従って第２の燃焼が行われたときにＮＯ_x吸収
量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ１を越えたときには第２
の燃焼から第１の燃焼に切換えられたときに空燃比Ａ／
Ｆを一時的にリッチにし、ＮＯ_x吸収量ΣＮＯＸが許容
最大値ＭＡＸ２を越えた特別の場合に限って追加の燃料
を噴射するようにしている。

【００７２】なお図１８の時刻ｔ₁およびｔ₃における
ように要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）を越え、第１の
燃焼から第２の燃焼に切換えられたとき、噴射燃料量は
増大する要求負荷Ｌに追従して即座に増大するが、燃焼
室５内に流入する空気量は即座に増大しないので、ここ
でも空燃比は一時的にリッチとなり、ＮＯ_x吸収剤２５
からＮＯ_xが放出され、ＮＯ_x吸収量ΣＮＯＸが零とさ
れる。従って本発明では要求負荷Ｌの変化に伴い燃焼が
第１の燃焼から第２の燃焼に切換えられるたびにＮＯ_x
の放出・還元が行われるので、ＮＯ_x吸収量ΣＮＯＸが
許容最大値ＭＡＸ２を越える頻度が極端に少くなる。従
ってトルク変動を引き起こす可能性のある膨張行程後半
又は排気行程中の追加の燃料の噴射を行わなければなら
ない頻度が極端に少くなる。

【００７３】さらに本実施例において第１の燃焼と第２
の燃焼との間の切換が比較的頻繁に行われる場合にはＮ
Ｏ_x吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ１を越える頻度
は極端に少なくなる。従って第１の燃焼において空燃比
をリッチとすることが必要な頻度も極めて少なくなり、
燃費が向上する。またこの場合には許容最大値ＭＡＸ１
を設定しなくてもＮＯ_xを十分且つ確実に浄化すること
ができる。

【００７４】図１９はＮＯ_x吸収剤２５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１９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１７（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に進み、第１の
燃焼が行われているときまたは一時的に第２の燃焼から
第１の燃焼に切り換えることが可能なときにＮＯ_xを放
出すべきことを示すＮＯ_x放出フラグ１がセットされ
る。

【００７５】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１７（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に進み、第１の燃焼が行われて
いるときまたは一時的に第２の燃焼から第１の燃焼に切
り換えることが可能であるときにＮＯ_xを放出すべきこ
とを示すＮＯ_x放出フラグ１がセットされる。

【００７６】ステップ１１０では、ＮＯ_x吸収量ΣＮＯ
Ｘが許容最大値ＭＡＸ２を越えたか否かが判別される。
ΣＮＯＸ＞ＭＡＸ２になるとステップ１１１に進み、膨
張行程の後半又は排気行程中にＮＯ_xを放出すべきこと
を示すＮＯ_x放出フラグ２がセットされる。次に図２０
および図２１を参照しつつ運転制御について説明する。

【００７７】図２０を参照すると、先ず初めにステップ
２００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２
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２０３に進んで低温燃焼が行われる。

【００７８】即ち、ステップ２０３では図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２０４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２０５ではＮＯ_x放出フラグ１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１が
セットされていないときにはステップ２０６に進んで図
１０に示される空燃比となるように図１２に示した量Ｑ
の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。

【００７９】一方、ステップ２０５においてＮＯ_x放出
フラグ１がセットされていると判別されたときにはステ
ップ２０７に進んで噴射制御が行われる。即ち空燃比が
リッチ又は理論空燃比とされる。次いでステップ２０８
ａにおいてＮＯ_x吸収量ΣＮＯＸが零とされる。一方、
ステップ２０１においてＬ＞Ｘ（Ｎ）になったと判別さ
れたときにはステップ２０２に進んでフラグＩがリセッ
トされ、次いでステップ２１１に進んで第２の燃焼が行
われる。

【００８０】即ち、ステップ２１１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、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２１２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、
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２１３ではＮＯ_x放出フラグ１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１が
セットされていないときにはステップ２１４に進んで図
１３に示される空燃比となるように図１５に示した量Ｑ
の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。

【００８１】一方、ステップ２１３においてＮＯ_x放出
フラグ１がセットされていると判別されたときにはステ
ップ２１５に進んで要求負荷Ｌが第３の境界Ｚ（Ｎ）よ
り小さいか否かが判別される。Ｌ＜Ｚ（Ｎ）のときには
ステップ２１６に進んで切換え燃焼が行われる。即ち図
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に変更され、図１１（Ｂ）に示すマップからＥ
ＧＲ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に変更され、図１０に
示される空燃比となるように図１２に示した量Ｑの燃料
噴射が行われる。即ち低温燃焼が行われる。このときリ
ーン空燃比で低温燃焼が行われる。そして一時的に低温
燃焼が行われた後に通常の燃焼が行われる。即ちスロッ
トル弁２０の開度がステップ２１１で算出された目標開
度ＳＴとされ、ＥＧＲ制御弁３１の開度がステップ２１
２で算出された目標開度ＳＥとされ、図１３に示される
空燃比となるように図１５に示した量Ｑの燃料噴射が行
われる。このとき一時的に空燃比がリッチとなり、リー
ン空燃比のもとで通常の燃焼が行われる。次いでステッ
プ２１６ａにおいてＮＯ_x吸収量ΣＮＯＸが零とされ
る。

【００８２】一方、ステップ２１５においてＬ≧Ｚ
（Ｎ）であるときにはステップ２１７に進んでＮＯ_x放
出フラグ２がセットされているか否かが判別される。ス
テップ２１７においてＮＯ_x放出フラグ２がセットされ
ていると判別されるとステップ２１８に進んで図１３に
示される空燃比となるように図１５に示した量Ｑの燃料
噴射が行われ、さらに膨張行程後半又は排気行程中に追
加の燃料が噴射される。次いでステップ２１８ａにおい
てＮＯ_x吸収量ΣＮＯＸが零とされる。

【００８３】一方、ステップ２１７においてＮＯ_x放出
フラグ２がリセットされていると判別されたときにはス
テップ２１９に進んで図１３に示される空燃比となるよ
うに図１５に示した量Ｑの燃料噴射が行われる。ところ
で本発明の実施例において第２の燃焼から第１の燃焼に
切換えられたとき空燃比のリーン度合いが小さくなる。
従ってＮＯ_x吸収剤２５に流入する排気ガスの空燃比の
リーン度合いも小さくなる。このように流入する排気ガ
スの空燃比のリーン度合いが小さくなるように変化する
と、排気ガスの空燃比がリッチでなくてもＮＯ_x吸収剤
２５からＮＯ_xが放出されることがある。この場合、流
入する排気ガス中にはＮＯ_xを還元、浄化するのに十分
な炭化水素が含まれていない場合があり、ＮＯ_xは浄化
されずにＮＯ_x吸収剤２５から下流側へ放出されてしま
う。そこで以下で説明する別の実施例では第２の燃焼か
ら第１の燃焼に切換ったときにＮＯ_x吸収剤から下流側
にＮＯ_xが放出されることを防止する。

【００８４】即ち図２２を参照すると時刻ｔ_x及びｔ₂
において第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられる。こ
のとき本実施例では燃焼室５内の空燃比Ａ／Ｆを常にリ
ッチとする。このときのリッチ度合いはＮＯ_x吸収剤中
のＮＯ_xの量に応じて決定する。こうすることにより第
２の燃焼から第１の燃焼に切換えられたときにＮＯ_x吸
収剤から下流側へＮＯ_xが放出されることが防止され
る。

【００８５】図２３は図２０のステップ２０６の代わり
に実行される本実施例のサブルーチンを示したフローチ
ャートである。図２０のステップ２０５においてＮＯ_x
放出フラグ１がリセットされているときには図２３のス
テップ３００に進んで第２の燃焼が行われたときにセッ
トされる切換えフラグがセットされているか否かが判別
される。ステップ３００において切換えフラグがリセッ
トされているときにはステップ３０３に進んで噴射制御
IIが行われる。即ち図１０に示される空燃比となるよう
に図１２に示した量Ｑの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。一方、ステ
ップ３００において切換えフラグがセットされていると
きにはステップ３０１に進んで噴射制御Ｉが行われる。
即ち空燃比がリッチとなるように燃料噴射が行われる。
次いでステップ３０２に進んで切換えフラグがリセット
される。

【００８６】

【発明の効果】内燃機関から排出されるＮＯ_xが浄化さ
れる。

【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】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】燃料噴射量のマップを示す図である。

【図１３】第２の運転領域IIにおける空燃比等を示す図
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】燃料噴射量のマップを示す図である。

【図１６】ＮＯ_xの吸放出作用を説明するための図であ
る。

【図１７】単位時間当りのＮＯ_x吸収量のマップを示す
図である。

【図１８】ＮＯ_x放出制御を説明するための図である。

【図１９】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】ＮＯ_x放出制御を説明するための図である。

【図２３】噴射を制御するサブルーチンを示すフローチ
ャートである。

【符号の説明】

６…燃料噴射弁１５…排気ターボチャージャ２０…スロットル弁２９…ＥＧＲ通路３１…ＥＧＲ制御弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＦ０２Ｍ 25/07 ５５０Ｆ０２Ｍ 25/07 ５５０Ｒ５７０５７０Ｌ (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 (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 - 41/40

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
し、燃焼室内に供給される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
生しなくなる内燃機関において、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
を機関排気通路内に配置し、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に供給される不活性ガス量
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に供給さ
れる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、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の燃焼を行い、第１の燃焼から第２の燃焼に切換
える切換え期間中に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とすることによりＮＯ_x
吸収剤に吸収されているＮＯ_xを放出すると共に還元す
る内燃機関。
【請求項２】前記第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いったん第
２の燃焼を第１の燃焼に切換えた後に第２の燃焼に戻
し、それによって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請求項１に記載の内
燃機関。
【請求項３】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４】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２に記載の内燃機関。
【請求項５】第１の燃焼から第２の燃焼への切換え期
間中に燃焼室内への噴射燃料量が増量せしめられる請求
項１に記載の内燃機関。
【請求項６】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
し、燃焼室内に供給される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
生しなくなる内燃機関において、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
リッチになると又は流入する排気ガスの空燃比のリーン
度合いが低下すると吸収した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に供給される不活性ガ
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に供
給される不活性ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に
切換える切換手段を具備し、第２の燃焼を第１の燃焼に
切換えたときに燃焼室内の空燃比をリッチとするように
した内燃機関。
【請求項７】燃焼室から排出された排気ガスを機関吸
気通路内に再循環させる再循環装置を具備し、上記不活
性ガスが再循環排気ガスからなる請求項６に記載の内燃
機関。
【請求項８】排気ガス再循環率がほぼ５５パーセント
以上である請求項７に記載の内燃機関。
【請求項９】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６に記載の内燃機関。