JP3551797B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

【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、ＥＧＲ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ＥＧＲ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】
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ＮＯ_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上述したように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浄化しているが、例えば酸化触媒等の温度が炭化水素を浄化できる温度、即ち活性温度より低いときには炭化水素を浄化できない。従って完全に炭化水素を浄化できるシステムが必要である。
【００１０】
本発明の目的は新たな燃焼システムにおいて完全に炭化水素を浄化できるシステムを構築することにある。
【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、排気ガス中のＨＣを吸着させるＨＣ吸着剤を機関排気通路内に配置する。
【００１２】
即ち、排気ガス中の炭化水素はＨＣ吸着剤に吸着される。
２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。
３番目の発明によれば２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。
【００１３】
４番目の発明によれば１番目の発明において、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 吸収剤を前記機関排気通路に配置する。
５番目の発明によれば４番目の発明において、前記ＮＯ_ｘ 吸収剤が予め定められた温度以上で排気ガス中のＨＣを酸化する機能を有し、ＮＯ_ｘ 吸収剤の温度が前記予め定められた温度より低いときには燃焼室内への燃料の噴射時期を遅らせるようにする。
【００１４】
６番目の発明によれば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する。
【００１５】
７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。
８番目の発明によれば６番目の発明において第１の燃焼が行われているときに前記ＨＣ吸着剤に吸着しているＨＣを除去すべきときには第１の燃焼を第２の燃焼に切り換える。
【００１６】
【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。
【００１７】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド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。
【００１８】
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。
【００１９】
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３０および燃料ポンプ３５に接続される。
【００２０】
図２は機関低負荷運転時にスロットル弁２０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。
【００２１】
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ＮＯ_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。
【００２２】
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。
【００２３】
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１５．０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。ＮＯ_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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。酸化機能を有する触媒としては酸化触媒、三元触媒、ＮＯ_ｘ 吸収剤がある。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、ＣＯ_２ 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。
【００３２】
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９０℃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。
【００３３】
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。
【００３４】
また、図５の曲線Ｃで示されるようにＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５５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。このような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。
【００３５】
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。
【００３６】
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ＮＯ_ｘ 発生量は１０ｐ．ｐ．ｍ 前後、又はそれ以下であり、従ってＮＯ_ｘ の発生量は極めて少量となる。
【００３７】
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。
【００３８】
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Ｌ_０ 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Ｌ_０ 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Ｌ_０ 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。
【００３９】
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Ｌ_０ よりも大きい領域においてＥＧＲ率を５５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Ｌ_０ 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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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パティキュレートフィルタ５３に捕集される。
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。
【００４８】
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２０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、ＥＧＲ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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
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。
【００５４】
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ＲＯＭ４２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。
【００５５】
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＝３５，Ａ／Ｆ＝４５，Ａ／Ｆ＝６０で示される各曲線は夫々目標空燃比２４，３５，４５，６０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。
【００５６】
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。
ところで排気管２４には排気ガス中に含まれる未燃炭化水素（ＨＣ）を吸着させるＨＣ吸着剤５３が配置されている。ＨＣ吸着剤５３は後述するＮＯ_ｘ 吸収剤がＮＯ_ｘ を吸放出できる温度、即ち活性温度より低い温度でもＨＣを吸収することができる。
【００５７】
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。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。
【００５８】
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。
【００５９】
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Ｏ_２ 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Ｏ_２ ⁻ 又はＯ^２−と反応し、ＮＯ_２ となる（２ＮＯ＋Ｏ_２ →２ＮＯ_２ ）。次いで生成されたＮＯ_２ 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１６（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ_３ ⁻ 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Ｐｔの表面でＮＯ_２ 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ＮＯ_３ ⁻ が生成される。
【００６０】
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ＮＯ_２ の生成量が低下する。ＮＯ_２ の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ_３ ⁻ →ＮＯ_２ ）に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻ 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２５から放出されたＮＯ_ｘ は図１６（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ＮＯ_２ が存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ_２ 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。
【００６１】
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。
【００６２】
上述したようにＮＯ_ｘ 吸収剤２５は白金Ｐｔのような貴金属を含んでおり、従ってＮＯ_ｘ 吸収剤２５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はその温度が予め定められた温度、即ち活性温度以上であるときに酸化機能を有しており、従ってＮＯ_ｘ 吸収剤２５の温度が活性温度より高いとき燃焼室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。しかしながら機関始動時であってアイドリング時のように要求負荷が小さく、低温燃焼が行われるのが好ましいときであってもこのときにはＮＯ_ｘ 吸収剤２５の温度がその活性温度より低く、未燃炭化水素を浄化することはできない。しかしながらＮＯ_ｘ 吸収剤２５の上流側に配置されたＨＣ吸着剤５３はその温度がＮＯ_ｘ 吸収剤２５の活性温度以下のときであっても未燃炭化水素を吸着させることができる。即ちＮＯ_ｘ 吸収剤２５の温度がその活性温度以上になるまでＨＣ吸着剤５３は未燃炭化水素を吸着させておくことができる。従って本発明によれば機関始動時のようにＮＯ_ｘ 吸収剤２５の温度がその活性温度より低いときに低温燃焼を行っても未燃炭化水素がＮＯ_ｘ 吸収剤２５から下流へ流出することはない。なおＨＣ吸着剤５３に吸着している未燃炭化水素は第１の燃焼、即ち低温燃焼が第２の燃焼、即ち通常の燃焼に切り換えられたときに排気ガス中に多量に含まれている酸素と反応してＨＣ吸着剤５３から除去される。
【００６３】
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 量ΣＮＯＸを推定するようにしている。
【００６４】
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ＮＯ_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ＭＡＸ２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。
【００６５】
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ＭＡＸ１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。
【００６６】
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ｔ_１ 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 量ΣＮＯＸは比較的急速に上昇する。
【００６７】
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。この場合には図１８の時刻ｔ_２ におけるように要求負荷Ｌが第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなって第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２５からＮＯ_ｘ を放出すべく空燃比Ａ／Ｆが一時的にリッチにされる。
【００６８】
次いで図１８の時刻ｔ_３ 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ｔ_４ 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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。ΣＮＯＸ＞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。
【００７１】
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ＭＡＸ１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２の燃焼から第１の燃焼に切換えられたときに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。
【００７２】
ステップ１１０では、ＮＯ_ｘ 吸収量ΣＮＯＸ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。
さらにＨＣ吸着剤５３が吸着させることができるＨＣの量には限界がある。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たりのＨＣ吸着量Ｃを要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数として図２０（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たりのＨＣ吸着量Ｄを要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数として図２０（Ｂ）に示すようなマップの形で予め求めておき、これら単位時間当たりのＨＣ吸着量Ｃ，Ｄを積算することによりＨＣ吸着剤５３に吸着しているＨＣ量ΣＨＣを推定するようにしている。
【００７３】
本発明の実施例では第１の燃焼が行われているときにＨＣ吸着剤５３のＨＣ吸着量が最大値を越えたときには、ＨＣをＨＣ吸着剤５３から排除すべく第１の燃焼を第２の燃焼に切換える。第２の燃焼では空燃比がかなりリーンの排気ガスがＨＣ吸着剤５３に流入する。従ってＨＣ吸着剤５３に吸着しているＨＣは排気ガス中の過剰な酸素と反応し、ＨＣ吸着剤５３から除去される。
【００７４】
図２１はＨＣ吸着剤５３からＨＣを除去すべきときにセットされるＨＣ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２１を参照するとまず初めにステップ２００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２０１に進んで図２０（Ａ）に示すマップから単位時間当りのＨＣ吸着量Ｃが算出される。次いでステップ２０２ではＨＣ吸着量ΣＨＣにＣが加算される。次いでステップ２０３ではＨＣ吸着量ΣＨＣが許容最大値ＭＡＸを越えたか否かが判別される。ΣＨＣ＞ＭＡＸになるとステップ１０４に進んでＨＣフラグをセットする処理が行われる。
【００７５】
一方、ステップ２００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２０６に進んで図２０（Ｂ）に示すマップから単位時間当りのＨＣ吸着量Ｄが算出される。次いでステップ２０７ではＨＣ吸着量ΣＨＣにＤが加算される。次いでステップ２０８ではＨＣ吸着量ΣＨＣが許容最大値ＭＡＸを越えたか否かが判別される。ΣＨＣ＞ＭＡＸになるとステップ２０９に進んでＨＣフラグをセットする処理が行われる。
【００７６】
ところでＨＣ吸着剤５３とＮＯ_ｘ 吸収剤２５との間の機関排気通路２４には排気ガスの温度を検出するための温度センサ５４が取り付けられる。本実施例では温度センサ５４により検出した排気ガスの温度からＮＯ_ｘ 吸収剤２５の温度を推定し、ＮＯ_ｘ 吸収剤２５の温度がその活性温度より低いときであって排気ガスの温度が比較的低い低温燃焼が行われているときには、ＮＯ_ｘ 吸収剤２５の温度を上昇すべく機関の運転制御を行う。即ち燃料室内に燃料を噴射する時期を遅らせる。これにより排気ガスの温度が高くなり、ＮＯ_ｘ 吸収剤２５の温度が上昇せしめられる。
【００７７】
次に図２２および図２３を参照しつつ運転制御について説明する。
図２２を参照すると、まず初めにステップ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３０２ａに進む。
【００７８】
ステップ３０２ａではＮＯ_ｘ 吸収剤２５の温度Ｔが予め定められた温度、即ちＮＯ_ｘ 吸収剤２５がＮＯ_ｘ の吸放出を行うことができる温度Ｔ_ｘ より高いか否かが判別される。ステップ３０２ａにおいてＴ＞Ｔ_ｘ であるときにはステップ３０３に進んで低温燃焼が行われる。
即ち、ステップ３０３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３０４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３０５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３０６に進んで図１０に示される空燃比となるように図１２のマップから算出された量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３０５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３０７に進んで図１２のマップから算出された量Ｑに図２４のマップから算出された増分Ｑａを加えた量の燃料噴射が行われ、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、ステップ３０７ａにおいてΣＮＯＸが零とされる。このときＮＯ_ｘ 吸収剤２５からＮＯ_ｘ が放出される。
【００８０】
一方、ステップ３０２ａにおいてＴ≦Ｔ_Ｘ であるときにはステップ３０２ｂに進んでＨＣ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３０２ｂにおいてＨＣフラグがリセットされていると判別されたときにはステップ３０２ｃに進んで低温燃焼が行われる。即ち、ステップ３０２ｃ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３０２ｄにおいて図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３０２ｅにおいて燃料噴射弁６の開弁時期ＳＩを補正して遅らせる。次いでステップ３０２ｆにおいて図１０に示される空燃比となるように図１２のマップから算出された量Ｑの燃料噴射が行われる。
【００８１】
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３１０に進んで第２の燃焼が行われ、ステップ３０２ｂにおいてＨＣフラグがセットされていると判別されたときにもステップ３１０に進んで第２の燃焼が行われる。即ち、ステップ３１０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３１１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３１２では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。ＮＯ_ｘ 放出フラグ２がセットされていないときにはステップ３１３に進んで図１３に示される空燃比となるように図１５のマップから算出された量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。
【００８２】
一方、ステップ３１２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たときにはステップ３１４に進んで図１５のマップから算出された量Ｑの燃料噴射が行われ、機関の膨張行程後半又は排気行程に追加の燃料を噴射し、ＮＯ_ｘ 吸収剤２５に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように噴射制御され、それによってＮＯ_ｘ 吸収剤２５からＮＯ_ｘ が放出される。次いでステップ３１５においてΣＮＯＸが零とされ、ステップ３１６においてΣＨＣが零とされる。
【００８３】
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３００からステップ３０８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３０２ａに進む。
一方、ステップ３０８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３０９に進んでフラグＩがセットされる。次いでステップ３０２ａに進む。
【００８４】
【発明の効果】
１番目から７番目の発明によれば内燃機関から放出されるＨＣがＨＣ吸着剤に吸着されるため、ＨＣが大気に放出されることはない。
さらに５番目の発明によればＮＯ_ｘ 吸収剤の温度が予め定められた温度より低いときにはＨＣはＨＣ吸着剤に吸着されるためＨＣが大気に流出することはなく、さらにこのときには燃料の噴射時期を遅らせてＮＯ_ｘ 吸収剤の温度を早期に上昇させ、ＮＯ_ｘ 吸収剤の温度が予め定められた温度より高くなればＨＣ吸着剤に吸着されているＨＣの量がその計容量を越えても、ＮＯ_ｘ 吸収剤によりＨＣが浄化される。即ち機関始動直後のように排気ガスの温度が低いときには内燃機関から放出されるＨＣはＨＣ吸着剤に吸着され、次第に排気ガスの温度が高くなったときにはＮＯ_ｘ 吸収剤の温度がその活性温度を越えるので、たとえＨＣ吸着剤に吸着されているＨＣ量がその許容量を越えたとしても、ＨＣ吸着剤から流出したＨＣはＮＯ_ｘ 吸収剤により浄化される。従ってＨＣ吸着剤およびＮＯ_ｘ 吸収剤の温度に係わらず常にＨＣの大気への流出を防止できる。
【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】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】単位時間当りのＨＣ吸着量のマップを示す図である。
【図２１】ＨＣフラグを処理するためのフローチャートである。
【図２２】機関の運転を制御するためのフローチャートの一部である。
【図２３】機関の運転を制御するためのフローチャートの一部である。
【図２４】第１の燃焼における噴射燃料量の増分のマップを示す図である。
【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

Claims (8)

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、排気ガス中のＨＣを吸着させるＨＣ吸着剤を機関排気通路内に配置した内燃機関。
2. 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。
3. 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。
4. 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 吸収剤を前記機関排気通路に配置した請求項１に記載の内燃機関。
5. 前記ＮＯ_ｘ 吸収剤が予め定められた温度以上で排気ガス中のＨＣを酸化する機能を有し、ＮＯ_ｘ 吸収剤の温度が前記予め定められた温度より低いときには燃焼室内への燃料の噴射時期を遅らせるようにした請求項４に記載の内燃機関。
6. 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た請求項１に記載の内燃機関。
7. 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。
8. 第１の燃焼が行われているときに前記ＨＣ吸着剤に吸着しているＨＣを除去すべきときには第１の燃焼を第２の燃焼に切換える請求項６に記載の内燃機関。

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