JP3555439B2 - 圧縮着火式内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧縮着火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より内燃機関、例えばディーゼル機関においては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、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（例えば特開平４−３３４７５０号公報参照）。このＥＧＲ率の最大許容限界は機関の形式や燃料によってかなり異なるがおおよそ３０パーセントから５０パーセントである。従って従来のディーゼル機関ではＥＧＲ率は最大でも３０パーセントから５０パーセント程度に抑えられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来では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ＮＯＸ 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ＮＯＸ 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を進められ、その結果これまでにない煤およびＮＯＸ 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云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機能を有する触媒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】
本発明はこの新たな燃焼システムに適した圧縮着火式内燃機関を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
即ち、１番目の発明では、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内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圧縮着火式内燃機関において、過剰酸素のもとで炭化水素の存在下で炭化水素を酸化しかつＮＯＸ を還元する選択還元型触媒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の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、選択還元型触媒下流の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。
３番目の発明では２番目の発明において、酸化機能を有する触媒が酸化触媒又は三元触媒からなる。
４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排気ガス再循環装置を具備し、不活性ガスが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。
【００１２】
５番目の発明では４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。
６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。
【００１３】
７番目の発明では６番目の発明において、第２の燃焼が行われているときには膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料を噴射するようにしている。
８番目の発明では６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ＮＯＸ 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ＮＯＸ を放出するＮＯＸ 吸収剤を選択還元型触媒下流の機関排気通路内に配置し、第１の燃焼が行われているときにＮＯＸ 吸収剤からＮＯＸ を放出すべきときには燃焼室内における空燃比を一時的に理論空燃比又はリッチにするようにしている。
【００１４】
９番目の発明では８番目の発明において、第２の燃焼が行われているときにＮＯＸ 吸収剤からＮＯＸ を放出すべきときには膨張行程の後半又は排気行程中に噴射される追加の燃料によってＮＯＸ 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。
１０番目の発明では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している。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を４ストローク圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には電気モータ１５により駆動されるスロットル弁１６が配置される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１７および排気管１８を介して触媒コンバータ１９ａに連結され、触媒コンバータ１９ａには更に別の触媒コンバータ２０ａが連結される。
【００１６】
触媒コンバータ１９ａ内には、過剰酸素のもとで炭化水素の存在下で炭化水素を酸化しかつＮＯＸ を還元する選択還元型触媒１９が配置されており、触媒コンバータ２０ａ内には酸化機能を有する触媒２０が配置されている。
図１に示されるように排気マニホルド１７内には空燃比センサ２１が配置される。排気マニホルド１７とサージタンク１２とはＥＧＲ通路２２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２３が配置される。また、ＥＧＲ通路２２周りにはＥＧＲ通路２２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２４が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２４内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００１７】
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管２５を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２６に連結される。このコモンレール２６内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２７から燃料が供給され、コモンレール２６内に供給された燃料は各燃料供給管２５を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２６にはコモンレール２６内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２８が取付けられ、燃料圧センサ２８の出力信号に基づいてコモンレール２６内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２７の吐出量が制御される。
【００１８】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。空燃比センサ２１の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、燃料圧センサ２８の出力信号も対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁６、電気モータ１５、ＥＧＲ制御弁２３および燃料ポンプ２７に接続される。
【００１９】
図２は機関低負荷運転時においてスロットル弁１６の開度およびＥＧＲ率を変化させることにより空燃比Ａ／Ｆ（図２の横軸）を変化させたときの出力トルクの変化、およびスモーク、ＨＣ，ＣＯ，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。
【００２０】
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ＮＯＸ 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。
【００２１】
図３（Ａ）は空燃比Ａ／Ｆが１８付近でスモークの発生量が最も多いときの燃焼室５内の燃焼圧変化を示しており、図３（Ｂ）は空燃比Ａ／Ｆが１３付近でスモークの発生量がほぼ零のときの燃焼室５内の燃焼圧の変化を示している。図３（Ａ）と図３（Ｂ）とを比較すればわかるようにスモークの発生量がほぼ零である図３（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図３（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【００２２】
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ＮＯＸ の発生量がかなり低下する。ＮＯＸ 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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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ＮＯＸ 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。
【００２６】
一旦、煤が生成されるとこの煤は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって浄化することはできない。これに対して煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって容易に浄化することができる。このように酸化機能を有する触媒による後処理を考えると炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態で燃焼室５から排出させるか、或いは煤の形で燃焼室５から排出させるかについては極めて大きな差がある。本発明において用いている新たな燃焼システムは燃焼室５内において煤を生成させることなく炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態の形でもって燃焼室５から排出させ、この炭化水素を酸化機能を有する触媒により酸化せしめることを核としている。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
この場合、燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制するにはそうするのに十分な熱量を吸収しうるだけの不活性ガス量が必要となる。従って燃料量が増大すれば必要となる不活性ガス量はそれに伴なって増大することになる。なお、この場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用は強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが好ましいことになる。この点、ＣＯ２ やＥＧＲガスは比較的比熱が大きいので不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いることは好ましいと言える。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
図６は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いた場合において燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要なＥＧＲガスと空気の混合ガス量、およびこの混合ガス量中の空気の割合、およびこの混合ガス中のＥＧＲガスの割合を示している。なお、図６において縦軸は燃焼室５内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Ｙは過給が行われないときに燃焼室５内に吸入しうる全吸入ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示しており、Ｚ１は低負荷運転領域を示している。
【００３５】
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、図６に示される実施例では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。
【００３６】
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。
【００３７】
一方、図６の負荷領域Ｚ２では煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘが吸入しうる全吸入ガス量Ｙを越えてしまう。従ってこの場合、煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘを燃焼室５内に供給するにはＥＧＲガスおよび吸入空気の双方、或いはＥＧＲガスを過給又は加圧する必要がある。ＥＧＲガス等を過給又は加圧しない場合には負荷領域Ｚ２では全吸入ガス量Ｘは吸入しうる全吸入ガス量Ｙに一致する。従ってこの場合、煤の発生を阻止するためには空気量を若干減少させてＥＧＲガス量を増大すると共に空燃比がリッチのもとで燃料を燃焼せしめることになる。
【００３８】
前述したように図６は燃料を理論空燃比のもとで燃焼させる場合を示しているが図６に示される低負荷運転領域Ｚ１において空気量を図６に示される空気量よりも少なくても、即ち空燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつ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、また図６に示される低負荷領域Ｚ１において空気量を図６に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を１７から１８のリーンにしても煤の発生を阻止しつつ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。
【００３９】
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。
【００４０】
このように機関低負荷運転領域Ｚ１では空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろうと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーンであろうと煤が生成されず、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。
ところで本発明において用いられている新たな燃焼システムのもとで煤およびＮＯＸ を同時に低減するためにはＥＧＲ率を少くともほぼ５５パーセント以上にする必要がある。しかしながらＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にすることが可能なのは吸入空気量が少ないとき、即ち機関負荷が比較的低いときであり、吸入空気量が一定限度を越えると即ち、要求負荷が一定限度よりも高くなると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。ところがこの場合図２に示される実験例では、吸入空気量が増大するにつれて即ち、要求負荷が高くなるにつれてＥＧＲ率をほぼ６５パーセントから徐々に低下させると、即ち要求負荷が高くなるにつれて徐々に空燃比を大きくしていくと多量のスモークが発生することになる。従って要求負荷が一定限度を越えたときに要求負荷が高くなるにつれてＥＧＲ率をほぼ６５パーセントから徐々に低下させ、空燃比を徐々に大きくすることはできない。
【００４１】
この場合、多量のスモークが発生するのを阻止するためには要求負荷が一定限度を越えたときに多量のスモークが発生するほぼ４０パーセントからほぼ６５パーセントのＥＧＲ率範囲を飛び越す必要がある。そこで本発明による実施例では要求負荷が低いときにはＥＧＲ率を少くともほぼ５５パーセント以上に維持し、要求負荷が高くなってＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上に維持できなくなったときにはＥＧＲ率をステップ状にほぼ５０パーセント以下まで低下させるようにしている。このとき同時に空燃比もステップ状に大きくなる。
【００４２】
ＥＧＲ率がほぼ５５パーセント以上のときには前述したように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っており、このとき第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われている。これに対してＥＧＲ率がほぼ５０パーセント以下まで低下せしめられたときには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高くなり、このときにはもはや第１の燃焼、即ち低温燃焼を行うことはできない。本発明による実施例でこのように低温燃焼を行うことができないときには第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼が行われる。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云い、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云う。
【００４３】
図７はＥＧＲ率がほぼ５５パーセント以上とされる第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われる第１の運転領域Ｉと、ＥＧＲ率がほぼ５０パーセント以下とされる第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の燃焼領域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４０の踏込み量、即ち要求負荷を示しており、横軸Ｎは機関回転数を示している。また、図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。
【００４４】
即ち、機関の運転状態が第１の運転領域Ｉにあって第１の燃焼、即ち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、第２の燃焼に切換えられる。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、第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられる。
【００４５】
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に二つの理由による。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。
【００４６】
図８は空燃比センサ２１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２１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２１の出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。
図９は第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われるときの目標空燃比を示している。なお、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目標空燃比１５．５，１６，１７，１８を示している。空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なスロットル弁１６の目標開度ＳＴが図１０（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが図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ＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００４７】
一方、図１１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１１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。空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なスロットル弁１６の目標開度ＳＴが図１２（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが図１２（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００４８】
ところで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。このとき燃焼室５から排出された未燃炭化水素は選択還元型触媒１９によって良好に酸化せしめられ、またこのとき排出されるＮＯＸ は選択還元型触媒１９によって良好に還元される。次にこのことについて説明する。
【００４９】
選択還元型触媒１９としては種々の型式の触媒が知られており、代表的な触媒としてＣｕ−ゼオライト触媒やＰｔ−ゼオライト触媒がよく知られている。これらの選択還元型触媒１９は同様な機能を有しており、従ってＣｕ−ゼオライト触媒を例にとって選択還元型触媒１９の有する機能について説明する。
即ち、Ｃｕ−ゼオライト触媒１９においてはゼオライトの細孔内において炭化水素ＨＣが酸素Ｏ２ によって酸化せしめられ、活性種が生成される（ＨＣ＋Ｏ２ →活性種）。この活性種はＣｕイオン上においてＮＯＸ と反応し、このときＮＯＸ は活性種によって還元せしめられる（ＮＯＸ ＋活性種→Ｎ２ ＋ＣＯ＋ＣＯ２ ）。このように、選択還元型触媒１９では炭化水素ＨＣの酸化作用とＮＯＸ の還元作用が共に行われる。ただし、この場合炭化水素ＨＣの酸化作用とＮＯＸ の還元作用とが共に行われるようにするためには選択還元型触媒１９に流入する排気ガス中に比較的多量の炭化水素ＨＣと比較的多量の酸素Ｏ２ とが共に存在することが必要となる。
この点に関し本発明において低温燃焼が行われているときには上述したように比較的多量の未燃炭化水素が燃焼室５から排出され、従って排気ガス中には比較的多量の炭化水素が存在することになる。また、低温燃焼が行われているときには図９に示されるように燃焼室５内における空燃比はリーンとなっており、従って排気ガス中には比較的多量の酸素が存在することになる。従って低温燃焼が行われているときには選択還元型触媒１９により未燃炭化水素が良好に酸化せしめられ、ＮＯＸ が良好に還元せしめられることになる。
【００５０】
一方、第２の燃焼が行われているときにも燃焼室５内における空燃比は図１１に示されるようにリーンになっており、従ってこのとき排気ガス中には多量の酸素が存在する。しかしながらこのとき燃焼室５からはさほど多量の未燃炭化水素が排出されない。従ってこのとき本発明による実施例では膨張行程の後半又は排気行程中に燃料噴射弁６から追加の燃料が噴射される。即ち、このように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とこの追加燃料は完全に燃焼することなく未燃炭化水素の形で燃焼室５から排出される。従って排気ガス中には比較的多量の炭化水素が含まれることになり、斯くして選択還元触媒１９において炭化水素の酸化作用とＮＯＸ の還元作用が行われることになる。
【００５１】
選択還元触媒１９の下流に配置された酸化機能を有する触媒２０は選択還元触媒１９において酸化しえなかった未燃ＨＣ，ＣＯを酸化させるために設けられている。この酸化機能を有する触媒２０は酸化触媒又は三元触媒からなる。
次に図１３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における運転制御の具体的な一例について説明する。
【００５２】
図１３は要求負荷Ｌに対するスロットル弁１６の開度、ＥＧＲ制御弁２３の開度、ＥＧＲ率、空燃比、噴射時期および噴射量を示している。図１３に示されるように要求負荷Ｌの低い第１の運転領域Ｉではスロットル弁１６の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから半開程度まで徐々に増大せしめられ、ＥＧＲ制御弁２３の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから全開まで徐々に増大せしめられる。また、図１３に示される具体例では第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１５から１８程度のリーン空燃比とされている。
【００５３】
云い換えると第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１５から１８程度のリーン空燃比となるようにスロットル弁１６の開度およびＥＧＲ制御弁２３の開度が制御される。なお、このとき空燃比は空燃比センサ２１の出力信号に基づいてスロットル弁１６の開度、ＥＧＲ制御弁２３の開度又は燃料噴射量を補正することによって目標リーン空燃比に制御される。また、第１の運転領域Ｉでは圧縮上死点ＴＤＣ前に燃料噴射が行われる。この場合、噴射開始時期θＳは要求負荷Ｌが高くなるにつれて遅くなり、噴射完了時期θＥも噴射開始時期θＳが遅くなるにつれて遅くなる。
【００５４】
前述したようにアイドリング運転時にはスロットル弁１６は全閉近くまで閉弁され、このときＥＧＲ制御弁２３も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁１６を全閉近くまで閉弁すると圧縮始めの燃焼室５内の圧力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が小さくなるとピストン４による圧縮仕事が小さくなるために機関本体１の振動が小さくなる。即ち、アイドリング運転時には機関本体１の振動を抑制するためにスロットル弁１６が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【００５５】
機関の運転状態が第１の運転領域Ｉであるときには煤およびＮＯＸ はほとんど発生せず、排気ガス中に含まれる煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素は選択還元型触媒１９により良好に酸化せしめられる。また、このとき発生する少量のＮＯＸ は選択還元型触媒１９により良好に還元せしめられる。
一方、機関の運転領域が第１の運転領域Ｉから第２の運転領域ＩＩに変わるとスロットル弁１６の開度が半開状態から全開状態へステップ状に増大せしめられる。このとき図１３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くなる。
【００５６】
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ＮＯＸ 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１３に示されるように噴射量がステップ状に低減せしめられる。
第２の運転領域ＩＩではスロットル弁１６は全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁２３の開度は要求負荷Ｌが高くなるほど小さくされる。従って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では機関出力を発生するための主噴射Ｑｍと機関から多量の未燃炭化水素を排出させるための追加の噴射Ｑａとが行われる。
【００５７】
図１３に示されるように主噴射Ｑｍの噴射開始時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付近とされる。追加の噴射Ｑａの噴射量は要求負荷Ｌにかかわらずにほぼ一定であり、追加の噴射Ｑａの噴射時期は膨張行程の後半とされている。この追加の噴射Ｑａによる燃料によって選択還元触媒１９により未燃炭化水素ＨＣが酸化され、ＮＯＸ が還元される。
【００５８】
次に図１４を参照しつつ運転制御について説明する。
図１４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。Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ１０３に進んで低温燃焼が行われる。
【００５９】
即ち、ステップ１０３では図１０（Ａ）に示すマップからスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１６の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ１０４では図１０（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ１０５では図９に示される空燃比となるように燃料噴射が行われる。このときリーン空燃比のもとで低温燃焼が行われる。
【００６０】
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１０８に進んで第２の燃焼が行われる。
即ち、ステップ１０８では図１２（Ａ）に示すマップからスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１６の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ１０９では図１２（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ１１０では図１１に示されるリーン空燃比となるように主噴射Ｑｍ（図１３）が行われ、膨張行程後半に追加の噴射Ｑａ（図１３）が行われる。
【００６１】
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１０６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１０８に進み、リーン空燃比のもとで第２の燃焼が行われ、膨張行程の後半に追加の噴射Ｑａが行われる。
一方、ステップ１０６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１０７に進んでフラグＩがセットされ、次いでステップ１０３に進んで低温燃焼が行われる。
【００６２】
図１５に第２実施例を示す。この実施例では選択還元型触媒１９において還元しえなかったＮＯＸ を浄化するために選択還元型触媒１９の下流にＮＯＸ 吸収剤５０が配置されている。
このＮＯＸ 吸収剤５０は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少くとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。機関吸気通路、燃焼室５およびＮＯＸ 吸収剤５０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ＮＯＸ 吸収剤５０への流入排気ガスの空燃比と称するとこのＮＯＸ 吸収剤５０は流入排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯＸ 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ＮＯＸ を放出するＮＯＸ の吸放出作用を行う。
【００６３】
このＮＯＸ 吸収剤５０を機関排気通路内に配置すればＮＯＸ 吸収剤５０は実際にＮＯＸ 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。
【００６４】
図１５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Ｏ２ − 又はＯ２−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Ｏ２−と反応し、ＮＯ２ となる（２ＮＯ＋Ｏ２ →２ＮＯ２ ）。次いで生成されたＮＯ２ の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら図１６（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３ − の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてＮＯＸ がＮＯＸ 吸収剤５０内に吸収される。流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ２ が生成され、吸収剤のＮＯＸ 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。
【００６５】
一方、流入排気ガスの空燃比がリッチにされると流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、その結果白金Ｐｔの表面でのＮＯ２ の生成量が低下する。ＮＯ２ の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ３ − →ＮＯ２ ）に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンＮＯ３ − がＮＯ２ の形で吸収剤から放出される。このときＮＯＸ 吸収剤５０から放出されたＮＯＸ 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ＮＯ２ が存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ２ が放出される。従って流入排気ガスの空燃比がリッチにされると短時間のうちにＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ が放出され、しかもこの放出されたＮＯＸ が還元されるために大気中にＮＯＸ が排出されることはない。
【００６６】
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ＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ 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ＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ が徐々にしか放出されないためにＮＯＸ 吸収剤５０に吸収されている全ＮＯＸ を放出させるには若干長い時間を要する。
【００６７】
ところでＮＯＸ 吸収剤５０のＮＯＸ 吸収能力には限度があり、ＮＯＸ 吸収剤５０のＮＯＸ 吸収能力が飽和する前にＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ を放出させる必要がある。そのためにはＮＯＸ 吸収剤５０に吸収されているＮＯＸ 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ＮＯＸ 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ＮＯＸ 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ＮＯＸ 吸収量Ａ，Ｂを積算することによってＮＯＸ 吸収剤５０に吸収されているＮＯＸ 量ΣＮＯＸを推定するようにしている。
【００６８】
本発明による実施例ではこのＮＯＸ 吸収量ΣＮＯＸが予め定められた許容最大値ＭＡＸを越えたときにＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ を放出させるようにしている。即ち、低温燃焼が行われているときにＮＯＸ 吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えたときには燃焼室５内における空燃比が一時的にリッチとされ、それによってＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ が放出される。なお、前述したように低温燃焼が行われているときに空燃比がリッチとされても煤はほとんど発生しない。
【００６９】
一方、第２実施例では第２の燃焼が行われているときにＮＯＸ 吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えたときには膨張行程の後半に行われる追加の噴射Ｑａの燃料量が一時的に増大される。この追加の噴射Ｑａの燃料増大量はＮＯＸ 吸収剤５０に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように定められており、従って追加の噴射Ｑａの燃料量が増大されるとＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ が放出されることになる。
【００７０】
図１８はＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ を放出すべきときにセットされるＮＯＸ 放出フラグの処理ルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図１８を参照するとまず初めにステップ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１７（Ａ）に示すマップから単位時間当りのＮＯＸ 吸収量Ａが算出される。次いでステップ２０２ではＮＯＸ 吸収量ΣＮＯＸにＡが加算される。次いでステップ２０３ではＮＯＸ 吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸになるとステップ２０４に進んで予め定められた時間だけＮＯＸ 放出フラグをセットする処理が行われ、次いでステップ２０５においてΣＮＯＸが零とされる。
【００７１】
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１７（Ｂ）に示すマップから単位時間当りのＮＯＸ 吸収量Ｂが算出される。次いでステップ２０７ではＮＯＸ 吸収量ΣＮＯＸにＢが加算される。次いでステップ２０８ではＮＯＸ 吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸになるとステップ２０９に進んで予め定められた時間だけＮＯＸ 放出フラグをセットする処理が行われ、次いでステップ２１０においてΣＮＯＸが零とされる。
【００７２】
次に図１９を参照しつつ第２実施例における運転制御について説明する。
図１９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Ｘ（Ｎ）よりも大きくなったか否かが判別される。Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ３０３に進んで低温燃焼が行われる。
【００７３】
即ち、ステップ３０３では図１０（Ａ）に示すマップからスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１６の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ３０４では図１０（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ３０５ではＮＯＸ 放出フラグがセットされているか否かが判別される。ＮＯＸ 放出フラグがセットされていないときにはステップ３０６に進んで図９に示される空燃比となるように燃料噴射が行われる。このときリーン空燃比のもとで低温燃焼が行われる。
【００７４】
一方、ステップ３０５においてＮＯＸ 放出フラグがセットされていると判別されたときにはステップ３０７に進んで燃焼室５内における平均空燃比をリッチにする噴射制御が行われる。このときＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ が放出される。
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の燃焼が行われる。
【００７５】
即ち、ステップ３１０では図１２（Ａ）に示すマップからスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１６の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ３１１では図１２（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ３１２ではＮＯＸ 放出フラグがセットされているか否かが判別される。ＮＯＸ 放出フラグがセットされていないときにはステップ３１３に進んで図１１に示される空燃比となるように主噴射Ｑｍが行われ、膨張行程の後半に追加の噴射Ｑａ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。
【００７６】
一方、ステップ３１２においてＮＯＸ 放出フラグがセットされていると判別されたときにはステップ３１４に進んでＮＯＸ 吸収剤５０に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように追加の噴射Ｑａの燃料量が増大される。このときＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ が放出される。
このように第２実施例では第２の燃焼が行われているときにＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ を放出すべきときには追加の噴射Ｑａの燃料量が増大せしめられる。しかしながら第２の燃焼が行われているときに追加の噴射Ｑａを行わず、主噴射Ｑｍのみを行い、第２の燃焼が行われているときにＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ を放出すべきときのみ膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料を噴射することもできる。この場合、追加の燃料量はＮＯＸ 吸収剤５０に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように定められる。
【００７７】
第２の燃焼が行われているときに追加の噴射Ｑａを行わず、主噴射Ｑｍのみを行うようにした場合には第２の燃焼時に燃焼室５内で発生したＮＯＸ は選択還元型触媒１９ではほとんど還元されず、ＮＯＸ 吸収剤５０に吸収される。
なお、図１５に示される実施例において酸化触媒又は三元触媒を選択還元型触媒１９とＮＯＸ 吸収剤５０間に配置することもできるし、また酸化触媒又は三元触媒をＮＯＸ 吸収剤５０の下流に配置することもできる。
【００７８】
【発明の効果】
煤の発生を抑制しつつ未燃ＨＣ，ＣＯおよびＮＯＸ が大気に放出されるのを抑制することができる。
【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】第１の燃焼が行われるときの目標空燃比を示す図である。
【図１０】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図１１】第２の燃焼が行われるときの目標空燃比を示す図である。
【図１２】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図１３】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１４】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図１５】圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。
【図１６】ＮＯＸ 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ＮＯＸ 吸収量のマップを示す図である。
【図１８】ＮＯＸ 放出フラグを処理するためのフローチャートである。
【図１９】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】
６…燃料噴射弁
１６…スロットル弁
１９…選択還元型触媒
【発明の属する技術分野】
本発明は圧縮着火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より内燃機関、例えばディーゼル機関においては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、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（例えば特開平４−３３４７５０号公報参照）。このＥＧＲ率の最大許容限界は機関の形式や燃料によってかなり異なるがおおよそ３０パーセントから５０パーセントである。従って従来のディーゼル機関ではＥＧＲ率は最大でも３０パーセントから５０パーセント程度に抑えられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来では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ＮＯＸ 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ＮＯＸ 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を進められ、その結果これまでにない煤およびＮＯＸ 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云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機能を有する触媒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】
本発明はこの新たな燃焼システムに適した圧縮着火式内燃機関を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
即ち、１番目の発明では、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内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圧縮着火式内燃機関において、過剰酸素のもとで炭化水素の存在下で炭化水素を酸化しかつＮＯＸ を還元する選択還元型触媒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の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、選択還元型触媒下流の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。
３番目の発明では２番目の発明において、酸化機能を有する触媒が酸化触媒又は三元触媒からなる。
４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排気ガス再循環装置を具備し、不活性ガスが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。
【００１２】
５番目の発明では４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。
６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。
【００１３】
７番目の発明では６番目の発明において、第２の燃焼が行われているときには膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料を噴射するようにしている。
８番目の発明では６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ＮＯＸ 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ＮＯＸ を放出するＮＯＸ 吸収剤を選択還元型触媒下流の機関排気通路内に配置し、第１の燃焼が行われているときにＮＯＸ 吸収剤からＮＯＸ を放出すべきときには燃焼室内における空燃比を一時的に理論空燃比又はリッチにするようにしている。
【００１４】
９番目の発明では８番目の発明において、第２の燃焼が行われているときにＮＯＸ 吸収剤からＮＯＸ を放出すべきときには膨張行程の後半又は排気行程中に噴射される追加の燃料によってＮＯＸ 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。
１０番目の発明では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している。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を４ストローク圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には電気モータ１５により駆動されるスロットル弁１６が配置される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１７および排気管１８を介して触媒コンバータ１９ａに連結され、触媒コンバータ１９ａには更に別の触媒コンバータ２０ａが連結される。
【００１６】
触媒コンバータ１９ａ内には、過剰酸素のもとで炭化水素の存在下で炭化水素を酸化しかつＮＯＸ を還元する選択還元型触媒１９が配置されており、触媒コンバータ２０ａ内には酸化機能を有する触媒２０が配置されている。
図１に示されるように排気マニホルド１７内には空燃比センサ２１が配置される。排気マニホルド１７とサージタンク１２とはＥＧＲ通路２２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２３が配置される。また、ＥＧＲ通路２２周りにはＥＧＲ通路２２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２４が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２４内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００１７】
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管２５を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２６に連結される。このコモンレール２６内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２７から燃料が供給され、コモンレール２６内に供給された燃料は各燃料供給管２５を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２６にはコモンレール２６内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２８が取付けられ、燃料圧センサ２８の出力信号に基づいてコモンレール２６内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２７の吐出量が制御される。
【００１８】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。空燃比センサ２１の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、燃料圧センサ２８の出力信号も対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁６、電気モータ１５、ＥＧＲ制御弁２３および燃料ポンプ２７に接続される。
【００１９】
図２は機関低負荷運転時においてスロットル弁１６の開度およびＥＧＲ率を変化させることにより空燃比Ａ／Ｆ（図２の横軸）を変化させたときの出力トルクの変化、およびスモーク、ＨＣ，ＣＯ，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。
【００２０】
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ＮＯＸ 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。
【００２１】
図３（Ａ）は空燃比Ａ／Ｆが１８付近でスモークの発生量が最も多いときの燃焼室５内の燃焼圧変化を示しており、図３（Ｂ）は空燃比Ａ／Ｆが１３付近でスモークの発生量がほぼ零のときの燃焼室５内の燃焼圧の変化を示している。図３（Ａ）と図３（Ｂ）とを比較すればわかるようにスモークの発生量がほぼ零である図３（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図３（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【００２２】
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ＮＯＸ の発生量がかなり低下する。ＮＯＸ 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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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ＮＯＸ 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。
【００２６】
一旦、煤が生成されるとこの煤は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって浄化することはできない。これに対して煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって容易に浄化することができる。このように酸化機能を有する触媒による後処理を考えると炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態で燃焼室５から排出させるか、或いは煤の形で燃焼室５から排出させるかについては極めて大きな差がある。本発明において用いている新たな燃焼システムは燃焼室５内において煤を生成させることなく炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態の形でもって燃焼室５から排出させ、この炭化水素を酸化機能を有する触媒により酸化せしめることを核としている。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
この場合、燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制するにはそうするのに十分な熱量を吸収しうるだけの不活性ガス量が必要となる。従って燃料量が増大すれば必要となる不活性ガス量はそれに伴なって増大することになる。なお、この場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用は強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが好ましいことになる。この点、ＣＯ２ やＥＧＲガスは比較的比熱が大きいので不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いることは好ましいと言える。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
図６は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いた場合において燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要なＥＧＲガスと空気の混合ガス量、およびこの混合ガス量中の空気の割合、およびこの混合ガス中のＥＧＲガスの割合を示している。なお、図６において縦軸は燃焼室５内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Ｙは過給が行われないときに燃焼室５内に吸入しうる全吸入ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示しており、Ｚ１は低負荷運転領域を示している。
【００３５】
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、図６に示される実施例では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。
【００３６】
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。
【００３７】
一方、図６の負荷領域Ｚ２では煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘが吸入しうる全吸入ガス量Ｙを越えてしまう。従ってこの場合、煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘを燃焼室５内に供給するにはＥＧＲガスおよび吸入空気の双方、或いはＥＧＲガスを過給又は加圧する必要がある。ＥＧＲガス等を過給又は加圧しない場合には負荷領域Ｚ２では全吸入ガス量Ｘは吸入しうる全吸入ガス量Ｙに一致する。従ってこの場合、煤の発生を阻止するためには空気量を若干減少させてＥＧＲガス量を増大すると共に空燃比がリッチのもとで燃料を燃焼せしめることになる。
【００３８】
前述したように図６は燃料を理論空燃比のもとで燃焼させる場合を示しているが図６に示される低負荷運転領域Ｚ１において空気量を図６に示される空気量よりも少なくても、即ち空燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつ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、また図６に示される低負荷領域Ｚ１において空気量を図６に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を１７から１８のリーンにしても煤の発生を阻止しつつ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。
【００３９】
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。
【００４０】
このように機関低負荷運転領域Ｚ１では空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろうと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーンであろうと煤が生成されず、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。
ところで本発明において用いられている新たな燃焼システムのもとで煤およびＮＯＸ を同時に低減するためにはＥＧＲ率を少くともほぼ５５パーセント以上にする必要がある。しかしながらＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にすることが可能なのは吸入空気量が少ないとき、即ち機関負荷が比較的低いときであり、吸入空気量が一定限度を越えると即ち、要求負荷が一定限度よりも高くなると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。ところがこの場合図２に示される実験例では、吸入空気量が増大するにつれて即ち、要求負荷が高くなるにつれてＥＧＲ率をほぼ６５パーセントから徐々に低下させると、即ち要求負荷が高くなるにつれて徐々に空燃比を大きくしていくと多量のスモークが発生することになる。従って要求負荷が一定限度を越えたときに要求負荷が高くなるにつれてＥＧＲ率をほぼ６５パーセントから徐々に低下させ、空燃比を徐々に大きくすることはできない。
【００４１】
この場合、多量のスモークが発生するのを阻止するためには要求負荷が一定限度を越えたときに多量のスモークが発生するほぼ４０パーセントからほぼ６５パーセントのＥＧＲ率範囲を飛び越す必要がある。そこで本発明による実施例では要求負荷が低いときにはＥＧＲ率を少くともほぼ５５パーセント以上に維持し、要求負荷が高くなってＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上に維持できなくなったときにはＥＧＲ率をステップ状にほぼ５０パーセント以下まで低下させるようにしている。このとき同時に空燃比もステップ状に大きくなる。
【００４２】
ＥＧＲ率がほぼ５５パーセント以上のときには前述したように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っており、このとき第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われている。これに対してＥＧＲ率がほぼ５０パーセント以下まで低下せしめられたときには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高くなり、このときにはもはや第１の燃焼、即ち低温燃焼を行うことはできない。本発明による実施例でこのように低温燃焼を行うことができないときには第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼が行われる。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云い、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云う。
【００４３】
図７はＥＧＲ率がほぼ５５パーセント以上とされる第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われる第１の運転領域Ｉと、ＥＧＲ率がほぼ５０パーセント以下とされる第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の燃焼領域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４０の踏込み量、即ち要求負荷を示しており、横軸Ｎは機関回転数を示している。また、図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。
【００４４】
即ち、機関の運転状態が第１の運転領域Ｉにあって第１の燃焼、即ち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、第２の燃焼に切換えられる。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、第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられる。
【００４５】
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に二つの理由による。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。
【００４６】
図８は空燃比センサ２１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２１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２１の出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。
図９は第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われるときの目標空燃比を示している。なお、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目標空燃比１５．５，１６，１７，１８を示している。空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なスロットル弁１６の目標開度ＳＴが図１０（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが図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ＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００４７】
一方、図１１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１１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。空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なスロットル弁１６の目標開度ＳＴが図１２（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが図１２（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００４８】
ところで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。このとき燃焼室５から排出された未燃炭化水素は選択還元型触媒１９によって良好に酸化せしめられ、またこのとき排出されるＮＯＸ は選択還元型触媒１９によって良好に還元される。次にこのことについて説明する。
【００４９】
選択還元型触媒１９としては種々の型式の触媒が知られており、代表的な触媒としてＣｕ−ゼオライト触媒やＰｔ−ゼオライト触媒がよく知られている。これらの選択還元型触媒１９は同様な機能を有しており、従ってＣｕ−ゼオライト触媒を例にとって選択還元型触媒１９の有する機能について説明する。
即ち、Ｃｕ−ゼオライト触媒１９においてはゼオライトの細孔内において炭化水素ＨＣが酸素Ｏ２ によって酸化せしめられ、活性種が生成される（ＨＣ＋Ｏ２ →活性種）。この活性種はＣｕイオン上においてＮＯＸ と反応し、このときＮＯＸ は活性種によって還元せしめられる（ＮＯＸ ＋活性種→Ｎ２ ＋ＣＯ＋ＣＯ２ ）。このように、選択還元型触媒１９では炭化水素ＨＣの酸化作用とＮＯＸ の還元作用が共に行われる。ただし、この場合炭化水素ＨＣの酸化作用とＮＯＸ の還元作用とが共に行われるようにするためには選択還元型触媒１９に流入する排気ガス中に比較的多量の炭化水素ＨＣと比較的多量の酸素Ｏ２ とが共に存在することが必要となる。
この点に関し本発明において低温燃焼が行われているときには上述したように比較的多量の未燃炭化水素が燃焼室５から排出され、従って排気ガス中には比較的多量の炭化水素が存在することになる。また、低温燃焼が行われているときには図９に示されるように燃焼室５内における空燃比はリーンとなっており、従って排気ガス中には比較的多量の酸素が存在することになる。従って低温燃焼が行われているときには選択還元型触媒１９により未燃炭化水素が良好に酸化せしめられ、ＮＯＸ が良好に還元せしめられることになる。
【００５０】
一方、第２の燃焼が行われているときにも燃焼室５内における空燃比は図１１に示されるようにリーンになっており、従ってこのとき排気ガス中には多量の酸素が存在する。しかしながらこのとき燃焼室５からはさほど多量の未燃炭化水素が排出されない。従ってこのとき本発明による実施例では膨張行程の後半又は排気行程中に燃料噴射弁６から追加の燃料が噴射される。即ち、このように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とこの追加燃料は完全に燃焼することなく未燃炭化水素の形で燃焼室５から排出される。従って排気ガス中には比較的多量の炭化水素が含まれることになり、斯くして選択還元触媒１９において炭化水素の酸化作用とＮＯＸ の還元作用が行われることになる。
【００５１】
選択還元触媒１９の下流に配置された酸化機能を有する触媒２０は選択還元触媒１９において酸化しえなかった未燃ＨＣ，ＣＯを酸化させるために設けられている。この酸化機能を有する触媒２０は酸化触媒又は三元触媒からなる。
次に図１３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における運転制御の具体的な一例について説明する。
【００５２】
図１３は要求負荷Ｌに対するスロットル弁１６の開度、ＥＧＲ制御弁２３の開度、ＥＧＲ率、空燃比、噴射時期および噴射量を示している。図１３に示されるように要求負荷Ｌの低い第１の運転領域Ｉではスロットル弁１６の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから半開程度まで徐々に増大せしめられ、ＥＧＲ制御弁２３の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから全開まで徐々に増大せしめられる。また、図１３に示される具体例では第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１５から１８程度のリーン空燃比とされている。
【００５３】
云い換えると第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１５から１８程度のリーン空燃比となるようにスロットル弁１６の開度およびＥＧＲ制御弁２３の開度が制御される。なお、このとき空燃比は空燃比センサ２１の出力信号に基づいてスロットル弁１６の開度、ＥＧＲ制御弁２３の開度又は燃料噴射量を補正することによって目標リーン空燃比に制御される。また、第１の運転領域Ｉでは圧縮上死点ＴＤＣ前に燃料噴射が行われる。この場合、噴射開始時期θＳは要求負荷Ｌが高くなるにつれて遅くなり、噴射完了時期θＥも噴射開始時期θＳが遅くなるにつれて遅くなる。
【００５４】
前述したようにアイドリング運転時にはスロットル弁１６は全閉近くまで閉弁され、このときＥＧＲ制御弁２３も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁１６を全閉近くまで閉弁すると圧縮始めの燃焼室５内の圧力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が小さくなるとピストン４による圧縮仕事が小さくなるために機関本体１の振動が小さくなる。即ち、アイドリング運転時には機関本体１の振動を抑制するためにスロットル弁１６が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【００５５】
機関の運転状態が第１の運転領域Ｉであるときには煤およびＮＯＸ はほとんど発生せず、排気ガス中に含まれる煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素は選択還元型触媒１９により良好に酸化せしめられる。また、このとき発生する少量のＮＯＸ は選択還元型触媒１９により良好に還元せしめられる。
一方、機関の運転領域が第１の運転領域Ｉから第２の運転領域ＩＩに変わるとスロットル弁１６の開度が半開状態から全開状態へステップ状に増大せしめられる。このとき図１３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くなる。
【００５６】
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ＮＯＸ 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１３に示されるように噴射量がステップ状に低減せしめられる。
第２の運転領域ＩＩではスロットル弁１６は全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁２３の開度は要求負荷Ｌが高くなるほど小さくされる。従って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では機関出力を発生するための主噴射Ｑｍと機関から多量の未燃炭化水素を排出させるための追加の噴射Ｑａとが行われる。
【００５７】
図１３に示されるように主噴射Ｑｍの噴射開始時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付近とされる。追加の噴射Ｑａの噴射量は要求負荷Ｌにかかわらずにほぼ一定であり、追加の噴射Ｑａの噴射時期は膨張行程の後半とされている。この追加の噴射Ｑａによる燃料によって選択還元触媒１９により未燃炭化水素ＨＣが酸化され、ＮＯＸ が還元される。
【００５８】
次に図１４を参照しつつ運転制御について説明する。
図１４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。Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ１０３に進んで低温燃焼が行われる。
【００５９】
即ち、ステップ１０３では図１０（Ａ）に示すマップからスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１６の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ１０４では図１０（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ１０５では図９に示される空燃比となるように燃料噴射が行われる。このときリーン空燃比のもとで低温燃焼が行われる。
【００６０】
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１０８に進んで第２の燃焼が行われる。
即ち、ステップ１０８では図１２（Ａ）に示すマップからスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１６の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ１０９では図１２（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ１１０では図１１に示されるリーン空燃比となるように主噴射Ｑｍ（図１３）が行われ、膨張行程後半に追加の噴射Ｑａ（図１３）が行われる。
【００６１】
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１０６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１０８に進み、リーン空燃比のもとで第２の燃焼が行われ、膨張行程の後半に追加の噴射Ｑａが行われる。
一方、ステップ１０６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１０７に進んでフラグＩがセットされ、次いでステップ１０３に進んで低温燃焼が行われる。
【００６２】
図１５に第２実施例を示す。この実施例では選択還元型触媒１９において還元しえなかったＮＯＸ を浄化するために選択還元型触媒１９の下流にＮＯＸ 吸収剤５０が配置されている。
このＮＯＸ 吸収剤５０は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少くとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。機関吸気通路、燃焼室５およびＮＯＸ 吸収剤５０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ＮＯＸ 吸収剤５０への流入排気ガスの空燃比と称するとこのＮＯＸ 吸収剤５０は流入排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯＸ 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ＮＯＸ を放出するＮＯＸ の吸放出作用を行う。
【００６３】
このＮＯＸ 吸収剤５０を機関排気通路内に配置すればＮＯＸ 吸収剤５０は実際にＮＯＸ 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。
【００６４】
図１５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Ｏ２ − 又はＯ２−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Ｏ２−と反応し、ＮＯ２ となる（２ＮＯ＋Ｏ２ →２ＮＯ２ ）。次いで生成されたＮＯ２ の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら図１６（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３ − の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてＮＯＸ がＮＯＸ 吸収剤５０内に吸収される。流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ２ が生成され、吸収剤のＮＯＸ 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。
【００６５】
一方、流入排気ガスの空燃比がリッチにされると流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、その結果白金Ｐｔの表面でのＮＯ２ の生成量が低下する。ＮＯ２ の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ３ − →ＮＯ２ ）に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンＮＯ３ − がＮＯ２ の形で吸収剤から放出される。このときＮＯＸ 吸収剤５０から放出されたＮＯＸ 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ＮＯ２ が存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ２ が放出される。従って流入排気ガスの空燃比がリッチにされると短時間のうちにＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ が放出され、しかもこの放出されたＮＯＸ が還元されるために大気中にＮＯＸ が排出されることはない。
【００６６】
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ＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ 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ＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ が徐々にしか放出されないためにＮＯＸ 吸収剤５０に吸収されている全ＮＯＸ を放出させるには若干長い時間を要する。
【００６７】
ところでＮＯＸ 吸収剤５０のＮＯＸ 吸収能力には限度があり、ＮＯＸ 吸収剤５０のＮＯＸ 吸収能力が飽和する前にＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ を放出させる必要がある。そのためにはＮＯＸ 吸収剤５０に吸収されているＮＯＸ 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ＮＯＸ 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ＮＯＸ 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ＮＯＸ 吸収量Ａ，Ｂを積算することによってＮＯＸ 吸収剤５０に吸収されているＮＯＸ 量ΣＮＯＸを推定するようにしている。
【００６８】
本発明による実施例ではこのＮＯＸ 吸収量ΣＮＯＸが予め定められた許容最大値ＭＡＸを越えたときにＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ を放出させるようにしている。即ち、低温燃焼が行われているときにＮＯＸ 吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えたときには燃焼室５内における空燃比が一時的にリッチとされ、それによってＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ が放出される。なお、前述したように低温燃焼が行われているときに空燃比がリッチとされても煤はほとんど発生しない。
【００６９】
一方、第２実施例では第２の燃焼が行われているときにＮＯＸ 吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えたときには膨張行程の後半に行われる追加の噴射Ｑａの燃料量が一時的に増大される。この追加の噴射Ｑａの燃料増大量はＮＯＸ 吸収剤５０に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように定められており、従って追加の噴射Ｑａの燃料量が増大されるとＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ が放出されることになる。
【００７０】
図１８はＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ を放出すべきときにセットされるＮＯＸ 放出フラグの処理ルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図１８を参照するとまず初めにステップ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１７（Ａ）に示すマップから単位時間当りのＮＯＸ 吸収量Ａが算出される。次いでステップ２０２ではＮＯＸ 吸収量ΣＮＯＸにＡが加算される。次いでステップ２０３ではＮＯＸ 吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸになるとステップ２０４に進んで予め定められた時間だけＮＯＸ 放出フラグをセットする処理が行われ、次いでステップ２０５においてΣＮＯＸが零とされる。
【００７１】
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１７（Ｂ）に示すマップから単位時間当りのＮＯＸ 吸収量Ｂが算出される。次いでステップ２０７ではＮＯＸ 吸収量ΣＮＯＸにＢが加算される。次いでステップ２０８ではＮＯＸ 吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸになるとステップ２０９に進んで予め定められた時間だけＮＯＸ 放出フラグをセットする処理が行われ、次いでステップ２１０においてΣＮＯＸが零とされる。
【００７２】
次に図１９を参照しつつ第２実施例における運転制御について説明する。
図１９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Ｘ（Ｎ）よりも大きくなったか否かが判別される。Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ３０３に進んで低温燃焼が行われる。
【００７３】
即ち、ステップ３０３では図１０（Ａ）に示すマップからスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１６の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ３０４では図１０（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ３０５ではＮＯＸ 放出フラグがセットされているか否かが判別される。ＮＯＸ 放出フラグがセットされていないときにはステップ３０６に進んで図９に示される空燃比となるように燃料噴射が行われる。このときリーン空燃比のもとで低温燃焼が行われる。
【００７４】
一方、ステップ３０５においてＮＯＸ 放出フラグがセットされていると判別されたときにはステップ３０７に進んで燃焼室５内における平均空燃比をリッチにする噴射制御が行われる。このときＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ が放出される。
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の燃焼が行われる。
【００７５】
即ち、ステップ３１０では図１２（Ａ）に示すマップからスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１６の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ３１１では図１２（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ３１２ではＮＯＸ 放出フラグがセットされているか否かが判別される。ＮＯＸ 放出フラグがセットされていないときにはステップ３１３に進んで図１１に示される空燃比となるように主噴射Ｑｍが行われ、膨張行程の後半に追加の噴射Ｑａ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。
【００７６】
一方、ステップ３１２においてＮＯＸ 放出フラグがセットされていると判別されたときにはステップ３１４に進んでＮＯＸ 吸収剤５０に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように追加の噴射Ｑａの燃料量が増大される。このときＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ が放出される。
このように第２実施例では第２の燃焼が行われているときにＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ を放出すべきときには追加の噴射Ｑａの燃料量が増大せしめられる。しかしながら第２の燃焼が行われているときに追加の噴射Ｑａを行わず、主噴射Ｑｍのみを行い、第２の燃焼が行われているときにＮＯＸ 吸収剤５０からＮＯＸ を放出すべきときのみ膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料を噴射することもできる。この場合、追加の燃料量はＮＯＸ 吸収剤５０に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように定められる。
【００７７】
第２の燃焼が行われているときに追加の噴射Ｑａを行わず、主噴射Ｑｍのみを行うようにした場合には第２の燃焼時に燃焼室５内で発生したＮＯＸ は選択還元型触媒１９ではほとんど還元されず、ＮＯＸ 吸収剤５０に吸収される。
なお、図１５に示される実施例において酸化触媒又は三元触媒を選択還元型触媒１９とＮＯＸ 吸収剤５０間に配置することもできるし、また酸化触媒又は三元触媒をＮＯＸ 吸収剤５０の下流に配置することもできる。
【００７８】
【発明の効果】
煤の発生を抑制しつつ未燃ＨＣ，ＣＯおよびＮＯＸ が大気に放出されるのを抑制することができる。
【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】第１の燃焼が行われるときの目標空燃比を示す図である。
【図１０】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図１１】第２の燃焼が行われるときの目標空燃比を示す図である。
【図１２】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図１３】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１４】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図１５】圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。
【図１６】ＮＯＸ 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ＮＯＸ 吸収量のマップを示す図である。
【図１８】ＮＯＸ 放出フラグを処理するためのフローチャートである。
【図１９】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】
６…燃料噴射弁
１６…スロットル弁
１９…選択還元型触媒
Claims (10)
- 燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内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圧縮着火式内燃機関において、過剰酸素のもとで炭化水素の存在下で炭化水素を酸化しかつＮＯＸ を還元する選択還元型触媒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の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た圧縮着火式内燃機関。
- 上記選択還元型触媒下流の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に記載の圧縮着火式内燃機関。
- 該酸化機能を有する触媒が酸化触媒又は三元触媒からなる請求項２に記載の圧縮着火式内燃機関。
- 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、上記不活性ガスが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に記載の圧縮着火式内燃機関。
- 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４に記載の圧縮着火式内燃機関。
- 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に記載の圧縮着火式内燃機関。
- 上記第２の燃焼が行われているときには膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料を噴射するようにした請求項６に記載の圧縮着火式内燃機関。
- 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ＮＯＸ 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ＮＯＸ を放出するＮＯＸ 吸収剤を上記選択還元型触媒下流の機関排気通路内に配置し、上記第１の燃焼が行われているときにＮＯＸ 吸収剤からＮＯＸ を放出すべきときには燃焼室内における空燃比を一時的に理論空燃比又はリッチにするようにした請求項６に記載の圧縮着火式内燃機関。
- 上記第２の燃焼が行われているときにＮＯＸ 吸収剤からＮＯＸ を放出すべきときには膨張行程の後半又は排気行程中に噴射される追加の燃料によってＮＯＸ 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチにするようにした請求項８に記載の圧縮着火式内燃機関。
- 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に記載の圧縮着火式内燃機関。
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