JP3578079B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘ を吸収し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 吸収剤を機関排気通路内に配置し、通常はリーン空燃比のもとで燃焼が行われると共にこのとき発生するＮＯｘ がＮＯｘ 吸収剤に吸収され、ＮＯｘ 吸収剤に吸収されているＮＯｘ 量が予め定められている許容量を越えたときに空燃比を一時的にリッチにしてＮＯｘ 吸収剤からＮＯｘ を放出させると共に還元するようにした圧縮着火式内燃機関が公知である。
【０００３】
しかしながら圧縮着火式内燃機関において空燃比をリッチにすると多量の煤が発生し、従って空燃比をリッチにすることによりＮＯｘ 吸収剤からＮＯｘ を放出させるのはかなり困難である。
一方、圧縮着火式内燃機関において再循環排気ガス（以下、ＥＧＲガスという）の再循環率（ＥＧＲガス量／（吸入空気量＋ＥＧＲガス量））、即ちＥＧＲ率を５５パーセント以上にすると燃焼温度が低下して、いわゆる低温燃焼が行われ、このときには空燃比をリッチにしても煤がほとんど発生しないことが知られている。従ってこのような低温燃焼が行われているときに空燃比をリッチにすれば煤を発生させることなくＮＯｘ 吸収剤からＮＯｘ を放出できることになる。
【０００４】
しかしながらこの低温燃焼は機関負荷が低いときのみ可能であって機関負荷が高くなると低温燃焼を行わせることができず、従って機関負荷が高いときには煤を発生させることなく空燃比をリッチにすることができない。
そこで機関の駆動力とは別個の駆動力を発生する電気モータを具備し、機関負荷が高いときに空燃比をリッチにすべきときには機関負荷を低下させて低温燃焼を行わせると共に、電気モータを作動させて機関負荷の低下による機関出力の低下分を電気モータの出力によって補うようにした圧縮着火式内燃機関が公知である（特開平１１−２５７０５４号公報参照）。この圧縮着火式内燃機関では機関負荷が高いときに空燃比をリッチにすべきときには低負荷運転のもとでリッチ空燃比の低温燃焼を行わせるために燃料噴射量が一気に低減されると共にスロットル弁およびＥＧＲ制御弁が予め定められた目標開度まで急速に開度調整され、次いでＮＯｘ 吸収剤からのＮＯｘ 放出作用が完了すると燃料噴射量が一気に増大されると共にスロットル弁およびＥＧＲ制御弁が目標開度まで急速に開弁せしめられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
さて、ＥＧＲガス再循環装置では機関排気通路内に排出された排気ガスがＥＧＲ通路内に送り込まれるとこの排気ガスは機関が何回転かした後にＥＧＲガスとして機関吸気通路内に供給される。この場合、機関吸気通路内に供給されるＥＧＲガスの酸素濃度は何回転か前の燃焼室内における空燃比に依存しており、従ってＥＧＲガスを再循環している場合には燃焼室内における空燃比は何回転か前の燃焼室内における空燃比の影響を受けることになる。
【０００６】
ところで上述の公報に記載されている圧縮着火式内燃機関では機関負荷が高いときに空燃比をリッチにすべきときにはスロットル弁およびＥＧＲ制御弁が予め定められた目標開度まで急速に開度調整される。しかしながらこのようにスロットル弁およびＥＧＲ制御弁を予め定められた目標開度まで急速に開度調整してもスロットル弁およびＥＧＲ制御弁が開度調整されたときの燃焼室内の空燃比がＥＧＲガス中に含まれる酸素の影響によってなかなか小さくならないので空燃比を予め定められた目標リッチ空燃比に早期に一致させるのが困難であるという問題がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために１番目の発明では、機関吸気通路内に排気ガスを再循環するための排気ガス再循環装置を具備すると共に機関の駆動力とは別個に駆動力を発生する駆動力発生装置を具備し、駆動力発生装置による駆動力を発生させたときには排気ガスを再循環させつつ燃料噴射量を低下させるようにした内燃機関の制御装置において、吸入空気量を検出するための吸入空気量検出手段と、吸入空気量を制御するための吸入空気量制御手段と、実際の空燃比を求めるための手段とを具備し、通常は吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量が目標吸入空気量となるように吸入空気量を制御し、駆動力発生装置による駆動力の発生時又は発生停止時には実際の空燃比が目標空燃比となるように吸入空気量を制御するようにしている。
【０００８】
２番目の発明では１番目の発明において、機関排気通路内に空燃比センサを配置し、空燃比センサの出力信号から実際の空燃比が求められる。
３番目の発明では１番目の発明において、吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量と、燃料噴射量と、再循環排気ガス中の酸素濃度の影響による空燃比の修正量とに基づいて実際の空燃比が求められる。
【０００９】
４番目の発明では１番目の発明において、駆動力発生装置が電気モータからなり、電気モータは燃料噴射量の低下による機関出力トルクの減少量とほぼ等しい出力を発生する。
５番目の発明では１番目の発明において、内燃機関が、再循環排気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、再循環排気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からなり、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも再循環排気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再循環排気ガス量よりも再循環排気ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に切換える切換手段を具備し、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘ を吸収し流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比のときには吸収したＮＯｘ を放出するＮＯｘ 吸収剤を機関排気通路内に配置し、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第２の燃焼から第１の燃焼に切換えて内燃機関への燃料供給量を減少させると共に燃焼室内における空燃比をリッチ又は理論空燃比にしかつ駆動力発生手段に駆動力を発生させるようにしている。
【００１０】
６番目の発明では５番目の発明において、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リッチ又は理論空燃比にするようにしている。
７番目の発明では５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の燃焼が行われ、第２の運転領域では第２の燃焼が行われる。
【００１１】
８番目の発明では５番目の発明において、第１の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ５５パーセント以上であり、第２の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ５０パーセント以下である。
９番目の発明では５番目の発明において、機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置し、このパティキュレートフィルタとして、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられかつＮＯｘ 吸収剤の機能を有するパティキュレートフィルタを用いている。
【００１２】
１０番目の発明では９番目の発明において、パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を担持している。
１１番目の発明では１０番目の発明において、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤をパティキュレートフィルタ上に担持し、パティキュレートフィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素放出剤から活性酸素を放出させ、放出された活性酸素によってパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させるようにしている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１および図２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および図２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の入口部は吸気ダクト１７およびエアフローメータ１８を介してエアクリーナ１９に連結され、吸気ダクト１７内にはステップモータ２０により駆動されるスロットル弁２１が配置される。
【００１４】
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の出口部はパティキュレートフィルタ２４を内蔵したケーシング２５に連結される。ケーシング２５の出口部に連結された排気管２６とスロットル弁２１下流の吸気ダクト１７とはＥＧＲ通路２７を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２７内にはステップモータ２８により駆動されるＥＧＲ制御弁２９が配置される。また、ＥＧＲ通路２７内にはＥＧＲ通路２７内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ３０が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水がＥＧＲクーラ３０内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００１５】
一方、燃料噴射弁６は燃料供給管３１を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール３２に連結される。このコモンレール３２内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３３から燃料が供給され、コモンレール３２内に供給された燃料は各燃料供給管３１を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール３２にはコモンレール３２内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３４が取付けられ、燃料圧センサ３４の出力信号に基づいてコモンレール３２内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ３３の吐出量が制御される。
【００１６】
一方、図１に示される実施例では機関の出力軸に変速機３５が連結され、変速機３５の出力軸３６に電気モータ３７が連結される。この場合、変速機３５としては、クラッチを備えた通常の手動変速機の他、トルクコンバータを具えた通常の自動変速機、各種の無段変速機、或いはクラッチを具えた手動変速機におけるクラッチ操作および変速操作を自動的に行うようにした形式の自動変速機等を用いることができる。
【００１７】
また、変速機３５の出力軸３６に連結された電気モータ３７は機関の駆動力とは別個に駆動力を発生する駆動力発生装置を構成している。図１に示される実施例ではこの電気モータ３７は変速機３５の出力軸３６上に取付けられかつ外周面に複数個の永久磁石を取付けたロータ３８と、回転磁界を形成する励磁コイルを巻設したステータ３９とを具備した交流同期電動機からなる。ステータ３９の励磁コイルはモータ駆動制御回路４０に接続され、このモータ駆動制御回路４０は直流高電圧を発生するバッテリ４１に接続される。
【００１８】
電子制御ユニット５０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス５１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）５２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）５４、入力ポート５５および出力ポート５６を具備する。エアフローメータ１８および燃料圧センサ３４の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。排気マニホルド２２内および排気管２６内には夫々空燃比センサ４３ａ，４３ｂが配置され、これら空燃比センサ４３ａ，４３ｂの出力信号は夫々対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。また、入力ポート５５には変速機３５の変速比又は変速段、および出力軸３６の回転数等を表わす種々の信号が入力される。
【００１９】
一方、アクセルペダル４４にはアクセルペダル４４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４５が接続され、負荷センサ４５の出力電圧は対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。更に入力ポート５５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４６が接続される。一方、出力ポート５６は対応する駆動回路５８を介して燃料噴射弁６、ステップモータ２０、ＥＧＲ制御弁２８、燃料ポンプ３３、変速機３５、およびモータ駆動制御回路４０に接続される。
【００２０】
電気モータ３７のステータ３９の励磁コイルへの電力の供給は通常停止せしめられており、このときロータ３８は変速機３７の出力軸３６と共に回転している。一方、電気モータ３７を駆動せしめるときにはバッテリ４１の直流高電圧がモータ駆動制御回路４０において周波数がｆｍで電流値がＩｍの三相交流に変換され、この三相交流がステータ３９の励磁コイルに供給される。この周波数ｆｍは励磁コイルにより発生する回転磁界をロータ３８の回転に同期して回転させるのに必要な周波数であり、この周波数ｆｍは出力軸３６の回転数に基づいてＣＰＵ５４で算出される。モータ駆動制御回路４０ではこの周波数ｆｍが三相交流の周波数とされる。
【００２１】
一方、電気モータ３７の出力トルクは三相交流の電流値Ｉｍにほぼ比例する。この電流値Ｉｍは電気モータ３７の要求出力トルクに基づきＣＰＵ５４において算出され、モータ駆動制御回路４０ではこの電流値Ｉｍが三相交流の電流値とされる。
また、外力により電気モータ３７を駆動する状態にすると電気モータ３７は発電機として作動し、このとき発生した電力がバッテリ４１に回生される。外力により電気モータ３７を駆動すべきか否かはＣＰＵ５４において判断され、外力により電気モータ３７を駆動すべきであると判別されたときにはモータ制御回路４０により電気モータ３７に発生した電力バッテリ４１に回生されるように制御される。
【００２２】
図３に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。この実施例では機関の出力軸４７に電気モータ３７が連結され、電気モータ３７の出力軸に変速機３５が連結される。この実施では電気モータ３７のロータ３８は機関の出力軸４７上に取付けられており、従ってロータ３８は常時機関の出力軸４７と共に回転する。また、この実施例においても変速機３５としては、クラッチを備えた通常の手動変速機の他、トルクコンバータを具えた通常の自動変速機、各種の無段変速機、或いはクラッチを具えた手動変速機におけるクラッチ操作および変速操作を自動的に行うようにした形式の自動変速機等を用いることができる。
【００２３】
図４（Ａ）は要求トルクＴＱと、アクセルペダル４４の踏込み量Ｌと、機関回転数Ｎとの関係を示している。なお、図４（Ａ）において各曲線は等トルク曲線を表しており、ＴＱ＝０で示される曲線はトルクが零であることを示しており、残りの曲線はＴＱ＝ａ，ＴＱ＝ｂ，ＴＱ＝ｃ，ＴＱ＝ｄの順に次第に要求トルクが高くなる。図４（Ａ）に示される要求トルクＴＱは図４（Ｂ）に示されるようにアクセルペダル４４の踏込み量Ｌと機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されている。本発明による実施例では図４（Ｂ）に示すマップからアクセルペダル４４の踏込み量Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた要求トルクＴＱがまず初めに算出され、この要求トルクＴＱに基づいて燃料噴射量等が算出される。
【００２４】
さて、本発明における実施例では、機関負荷が比較的低いときには煤がほとんど発生しない低温燃焼を行わせるようにしており、従ってまず初めにこの煤がほとんど発生しない低温燃焼について説明する。
図５は機関低負荷運転時にスロットル弁２１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５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５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。
【００２５】
図５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。
【００２６】
図６（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６（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６（Ａ）と図６（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６（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図６（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【００２７】
図５および図６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５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６からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図６（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。
【００２８】
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５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燃料中に含まれる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５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。
【００２９】
図５および図６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、即ち煤がほとんど発生せず、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
図７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７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。
【００３７】
図７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が煤がほとんど発生しなくなる。一方、図７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。
【００３８】
また、図７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７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。
【００３９】
図８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８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、横軸は要求トルクを示している。
【００４０】
図８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８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８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８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８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８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、斯くして煤がほとんど発生しなくなる。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。
【００４１】
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８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ガス量は要求トルクが高くなるにつれて増大する必要がある。
【００４２】
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８において要求トルクがＬ０ よりも大きい領域では要求トルク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トルクがＬ０ 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トルクが高くなるにつれてＥＧＲ率が低下し、斯くして要求トルクがＬ０ 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。
【００４３】
ところが図１および図３に示されるようにＥＧＲ通路２７を介して過給機の入口側、即ち排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１６上流の吸気ダクト１７内にＥＧＲガスを再循環させると要求トルクがＬ０ 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、吸気ダクト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。
【００４４】
なお、この場合、要求トルクがＬ０ 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２９が全開せしめられ、スロットル弁２１が若干閉弁せしめられる。
前述したように図８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８に示される空気量よりも少くしても、即ち空燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつＮＯｘ の発生量を１０ｐ．ｐ．ｍ 前後又はそれ以下にすることができ、また空気量を図８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。
【００４５】
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はほとんどない。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における燃焼方法のもとでは燃焼温度が低い温度に抑制されているので煤はほとんど生成されない。更に、ＮＯｘ も極めて少量しか発生しない。
【００４６】
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ほとんど発生せず、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。
【００４７】
ところで燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制しうるのは燃焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限られる。従って本発明による実施例では機関中低負荷運転時には燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制して第１の燃焼、即ち低温燃焼を行うようにし、機関高負荷運転時には第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにしている。なお、ここで第１の燃焼、即ち低温燃焼とはこれまでの説明から明らかなように煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない燃焼のことを言い、第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少い燃焼のことを言う。
【００４８】
図９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９において縦軸ＴＱは要求トルクを示しており、横軸Ｎは機関回転数を示している。また、図９においてＸ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域ＩＩとの第１の境界を示しており、Ｙ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域ＩＩとの第２の境界を示している。第１の運転領域Ｉから第２の運転領域ＩＩへの運転領域の変化判断は第１の境界Ｘ（Ｎ）に基づいて行われ、第２の運転領域ＩＩから第１の運転領域Ｉへの運転領域の変化判断は第２の境界Ｙ（Ｎ）に基づいて行われる。
【００４９】
即ち、機関の運転状態が第１の運転領域Ｉにあって低温燃焼が行われているときに要求負荷Ｌが機関回転数Ｎの関数である第１の境界Ｘ（Ｎ）を越えると運転領域が第２の運転領域ＩＩに移ったと判断され、従来の燃焼方法による燃焼が行われる。次いで要求負荷Ｌが機関回転数Ｎの関数である第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなると運転領域が第１の運転領域Ｉに移ったと判断され、再び低温燃焼が行われる。
【００５０】
このように第１の境界Ｘ（Ｎ）と第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも低負荷側の第２の境界Ｙ（Ｎ）との二つの境界を設けたのは次の二つの理由による。第１の理由は、第２の運転領域ＩＩの高負荷側では比較的燃焼温度が高く、このとき要求トルクＴＱ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、要求トルクＴＱがかなり低くなったとき、即ち第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなったときでなければただちに低温燃焼が開始されないからである。第２の理由は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域ＩＩ間の運転領域の変化に対してヒステリシスを設けるためである。
【００５１】
次に図１０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１０は要求トルクＴＱに対するスロットル弁２１の開度、ＥＧＲ制御弁２９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１０に示されるように要求トルクＴＱの低い第１の運転領域Ｉではスロットル弁２１の開度は要求トルクＴＱ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２９の開度は要求トルクＴＱ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１０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。
【００５２】
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２１の開度およびＥＧＲ制御弁２９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は要求トルクＴＱ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。
【００５３】
なお、アイドリング運転時にはスロットル弁２１は全閉近くまで閉弁され、このときＥＧＲ制御弁２９も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁２１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２１が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【００５４】
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２１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１０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７）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。
【００５５】
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１０に示されるように噴射量がステップ状に低減せしめられる。この第２の運転領域ＩＩではスロットル弁２１は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁２９の開度は要求トルクＴＱ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率は要求トルクＴＱが高くなるほど低くなり、空燃比は要求トルクＴＱが高くなるほど小さくなる。ただし、空燃比は要求トルクＴＱ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が圧縮上死点付近とされている。
【００５６】
図１１は第１の運転領域Ｉにおける空燃比Ａ／Ｆを示している。図１１において、Ａ／Ｆ＝１５．５，Ａ／Ｆ＝１６，Ａ／Ｆ＝１７，Ａ／Ｆ＝１８で示される各曲線は夫々空燃比が１５．５，１６，１７，１８であるときを示しており、各曲線間の空燃比は比例配分により定められる。図１１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では要求トルクＴＱが低くなるほど空燃比Ａ／Ｆがリーンとされる。
【００５７】
即ち、要求トルクＴＱが低くなるほど燃焼による発熱量が少くなる。従って要求トルクＴＱ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１１に示されるように要求トルクＴＱが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。空燃比Ａ／Ｆが大きくなるほど燃料消費率は向上し、従ってできる限り空燃比をリーンにするために本発明による実施例では要求トルクＴＱが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。
【００５８】
第１の運転領域Ｉにおける噴射量Ｑは図１２（Ａ）に示されるように要求トルクＴＱ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、第１の運転領域Ｉにおける噴射開始時期θＳは図１２（Ｂ）に示されるように噴射量Ｑ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。
【００５９】
また、定常状態において空燃比を図１１に示す目標空燃比とするのに必要な目標吸入空気量ＧＡＯが図１３（Ａ）に示されるように噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されており、スロットル弁２１の開度は通常、エアフローメータ１８により検出された吸入空気量が目標吸入空気量ＧＡＯとなるように比例積分制御により増大減少せしめられる。
【００６０】
また、定常状態において空燃比を図１１に示す目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２９の目標開度ＳＥが図１３（Ｂ）に示されるように噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されており、ＥＧＲ制御弁２９の開度は通常、比例積分制御によって目標開度ＳＥに制御される。
【００６１】
図１４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１４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。
第２の燃焼が行われるときの噴射量Ｑは図１５（Ａ）に示されるように要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されており、第２の燃焼が行われるときの噴射開始時期θＳは図１５（Ｂ）に示されるように噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されている。
【００６２】
また、定常状態において空燃比を図１４に示す目標空燃比とするのに必要な目標吸入空気量ＧＡＯが図１６（Ａ）に示されるように噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されており、スロットル弁２１の開度は通常、エアフローメータ１８により検出された吸入空気量が目標吸入空気量ＧＡＯとなるように比例積分制御により増大減少せしめられる。
【００６３】
また、定常状態において空燃比を図１４に示す目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２９の目標開度ＳＥが図１６（Ｂ）に示されるように噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されており、ＥＧＲ制御弁２９の開度は通常、比例積分制御によって目標開度ＳＥに制御される。
【００６４】
次に図１および図３においてケーシング２５内に収容されているパティキュレートフィルタ２４の構造について図１７を参照しつつ説明する。なお、図１７において（Ａ）はパティキュレートフィルタ２４の正面図を示しており、（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２４の側面断面図を示している。図１７（Ａ）および（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ２４はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路６０，６１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓６２により閉塞された排気ガス流入通路６０と、上流端が栓６３により閉塞された排気ガス流出通路６１とにより構成される。なお、図１７（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓６３を示している。従って排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は薄肉の隔壁６４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は各排気ガス流入通路６０が４つの排気ガス流出通路６１によって包囲され、各排気ガス流出通路６１が４つの排気ガス流入通路６０によって包囲されるように配置される。
【００６５】
パティキュレートフィルタ２４は例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路６０内に流入した排気ガスは図１７（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁６４内を通って隣接する排気ガス流出通路６１内に流出する。
本発明による実施例では各排気ガス流入通路６０および各排気ガス流出通路６１の周壁面、即ち各隔壁６４の両側表面上および隔壁６４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒、および周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤が担持されている。
【００６６】
この場合、本発明による実施例では貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられており、活性酸素放出剤としてカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒのようなアルカリ土類金属、ランタンＬａ、イットリウムＹ、セリウムＣｅのような希土類、および遷移金属から選ばれた少くとも一つが用いられている。
【００６７】
なお、この場合活性酸素放出剤としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましい。
次にパティキュレートフィルタ２４による排気ガス中の微粒子除去作用について担体上に白金ＰｔおよびカリウムＫ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、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属を用いても同様な微粒子除去作用が行われる。
【００６８】
図１および図３に示されるような圧縮着火式内燃機関では空気過剰のもとで燃焼が行われ、従って排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。即ち、吸気通路、燃焼室５および排気通路内に供給された空気と燃料との比を排気ガスの空燃比と称すると図１および図３に示されるような圧縮着火式内燃機関では排気ガスの空燃比はリーンとなっている。また、燃焼室５内ではＮＯが発生するので排気ガス中にはＮＯが含まれている。また、燃料中にはイオウＳが含まれており、このイオウＳは燃焼室５内で酸素と反応してＳＯ２ となる。従って排気ガス中にはＳＯ２ が含まれている。従って過剰酸素、ＮＯおよびＳＯ２ を含んだ排気ガスがパティキュレートフィルタ２４の排気ガス流入通路６０内に流入することになる。
【００６９】
図１８（Ａ）および（Ｂ）は排気ガス流入通路６０の内周面および隔壁６４内の細孔内壁面上に形成された担体層の表面の拡大図を模式的に表わしている。なお、図１８（Ａ）および（Ｂ）において７０は白金Ｐｔの粒子を示しており、７１はカリウムＫを含んでいる活性酸素放出剤を示している。
上述したように排気ガス中には多量の過剰酸素が含まれているので排気ガスがパティキュレートフィルタ２４の排気ガス流入通路６０内に流入すると図１８（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、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上で酸化されつつ活性酸素放出剤７１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら図１８（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３ − の形で活性酸素放出剤７１内に拡散し、一部の硝酸イオンＮＯ３ − は硝酸カリウムＫＮＯ３ を生成する。
【００７０】
一方、上述したように排気ガス中にはＳＯ２ も含まれており、このＳＯ２ もＮＯと同様なメカニズムによって活性酸素放出剤７１内に吸収される。即ち、上述したように酸素Ｏ２ がＯ２ − 又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、排気ガス中のＳＯ２ は白金Ｐｔの表面でＯ２ − 又はＯ２−と反応してＳＯ３ となる。次いで生成されたＳＯ３ の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ活性酸素放出剤７１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら硫酸イオンＳＯ４ ２−の形で活性酸素放出剤７１内に拡散し、硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ を生成する。このようにして活性酸素放出触媒７１内には硝酸カリウムＫＮＯ３ および硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ が生成される。
【００７１】
一方、燃焼室５内においては主にカーボンＣからなる微粒子、即ち煤が生成され、従って排気ガス中にはこれら微粒子が含まれている。ただし、前述したように低温燃焼が行われているときには排気ガス中の微粒子量は極めて少量となる。いずれにしても排気ガス中に含まれているこれら微粒子は排気ガスがパティキュレートフィルタ２４の排気ガス流入通路６０内を流れているときに、或いは排気ガス流入通路６０から排気ガス流出通路６１に向かうときに図１８（Ｂ）において７２で示されるように担体層の表面、例えば活性酸素放出剤７１の表面上に接触し、付着する。
【００７２】
このように微粒子７２が活性酸素放出剤７１の表面上に付着すると微粒子７２と活性酸素放出剤７１との接触面では酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素放出剤７１内との間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出剤７１内の酸素が微粒子７２と活性酸素放出剤７１との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素放出剤７１内に形成されている硝酸カリウムＫＮＯ３ がカリウムＫと酸素ＯとＮＯとに分解され、酸素Ｏが微粒子７２と活性酸素放出剤７１との接触面に向かい、ＮＯが活性酸素放出剤７１から外部に放出される。外部に放出されたＮＯは下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤７１内に吸収される。
【００７３】
一方、このとき活性酸素放出剤７１内に形成されている硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ もカリウムＫと酸素ＯとＳＯ２ とに分解され、酸素Ｏが微粒子７２と活性酸素放出剤７１との接触面に向かい、ＳＯ２ が活性酸素放出剤７１から外部に放出される。外部に放出されたＳＯ２ は下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤７１内に吸収される。
【００７４】
一方、微粒子７２と活性酸素放出剤７１との接触面に向かう酸素Ｏは硝酸カリウムＫＮＯ３ や硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ のような化合物から分解された酸素である。化合物から分解された酸素Ｏは高いエネルギを有しており、極めて高い活性を有する。従って微粒子７２と活性酸素放出剤７１との接触面に向かう酸素は活性酸素Ｏとなっている。これら活性酸素Ｏが微粒子７２に接触すると微粒子７２は短時間のうちに輝炎を発することなく酸化せしめられ、微粒子７２は完全に消滅する。従って微粒子７２はパティキュレートフィルタ２４上に堆積することがない。なお、このようにパティキュレートフィルタ２４上に付着した微粒子７２は活性酸素Ｏによって酸化せしめられるがこれら微粒子７２は排気ガス中の酸素によっても酸化せしめられる。
【００７５】
パティキュレートフィルタ２４上に積層状に堆積した微粒子が燃焼せしめられるときにはパティキュレートフィルタ２４が赤熱し、火炎を伴って燃焼する。このような火炎を伴う燃焼は高温でないと持続せず、従ってこのような火炎を伴なう燃焼を持続させるためにはパティキュレートフィルタ２４の温度を高温に維持しなければならない。
【００７６】
これに対して本発明による実施例では微粒子７２は上述したように輝炎を発することなく酸化せしめられ、このときパティキュレートフィルタ２４の表面が赤熱することもない。即ち、云い換えると本発明による実施例ではかなり低い温度でもって微粒子７２が酸化除去せしめられている。従って本発明の実施例における輝炎を発しない微粒子７２の酸化による微粒子除去作用は、火炎を伴う燃焼による微粒子除去作用と全く異なっている。
【００７７】
ところで白金Ｐｔおよび活性酸素放出剤７１はパティキュレートフィルタ２４の温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出剤７１が放出しうる活性酸素Ｏの量はパティキュレートフィルタ２４の温度が高くなるほど増大する。従ってパティキュレートフィルタ２４上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量はパティキュレートフィルタ２４の温度が高くなるほど増大する。
【００７８】
図２０の実線は単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Ｇを示している。なお、図２０において横軸はパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦを示している。単位時間当りに燃焼室５から排出される微粒子の量を排出微粒子量Ｍと称するとこの排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子Ｇよりも少ないとき、即ち図２０の領域Ｉでは燃焼室５から排出された全ての微粒子がパティキュレートフィルタ２４に接触するや否や短時間のうちにパティキュレートフィルタ２４上において輝炎を発することなく酸化除去せしめられる。
【００７９】
これに対し、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多いとき、即ち図２０の領域ＩＩでは全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している。図１９（Ａ）〜（Ｃ）はこのような場合の微粒子の酸化の様子を示している。
即ち、全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している場合には図１９（Ａ）に示すように微粒子７２が活性酸素放出剤７１上に付着すると微粒子７２の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留する。次いで活性酸素量が不足している状態が継続すると次から次へと酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留し、その結果図１９（Ｂ）に示されるように担体層の表面が残留微粒子部分７３によって覆われるようになる。
【００８０】
担体層の表面を覆うこの残留微粒子部分７３は次第に酸化されにくいカーボン質に変質し、斯くしてこの残留微粒子部分７３はそのまま残留しやすくなる。また、担体層の表面が残留微粒子部分７３によって覆われると白金ＰｔによるＮＯ，ＳＯ２ の酸化作用および活性酸素放出剤７１による活性酸素の放出作用が抑制される。その結果、図１９（Ｃ）に示されるように残留微粒子部分７３の上に別の微粒子７４が次から次へと堆積する。即ち、微粒子が積層状に堆積することになる。このように微粒子が積層状に堆積するとこれら微粒子は白金Ｐｔや活性酸素放出剤７１から距離を隔てているためにたとえ酸化されやすい微粒子であってももはや活性酸素Ｏによって酸化されることがなく、従ってこの微粒子７４上に更に別の微粒子が次から次へと堆積する。即ち、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多い状態が継続するとパティキュレートフィルタ２４上には微粒子が積層状に堆積し、斯くして排気ガス温を高温にするか、或いはパティキュレートフィルタ２４の温度を高温にしない限り、堆積した微粒子を着火燃焼させることができなくなる。
【００８１】
このように図２０の領域Ｉでは微粒子はパティキュレートフィルタ２４上において輝炎を発することなく短時間のうちに酸化せしめられ、図２０の領域ＩＩでは微粒子がパティキュレートフィルタ２４上に積層状に堆積する。従って微粒子がパティキュレートフィルタ２４上に積層状に堆積しないようにするためには排出微粒子量Ｍを常時酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少くしておく必要がある。
【００８２】
図２０からわかるように本発明の実施例で用いられているパティキュレートフィルタ２４ではパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦがかなり低くても微粒子を酸化させることが可能であり、従って図１および図３に示す圧縮着火式内燃機関において排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦを排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも通常少なくなるように維持することが可能である。従って本発明による実施例においては排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦを排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも通常少なくなるように維持するようにしている。
【００８３】
このように排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも通常少なくなるように維持するとパティキュレートフィルタ２４上に微粒子が全く堆積しなくなる。その結果、パティキュレートフィルタ２４における排気ガス流の圧損は全くと言っていいほど変化することなくほぼ一定の最小圧損値に維持される。斯くして機関の出力低下を最小限に維持することができる。
【００８４】
また、微粒子の酸化による微粒子除去作用はかなり低温でもって行われる。従ってパティキュレートフィルタ２４の温度はさほど上昇せず、斯くしてパティキュレートフィルタ２４が劣化する危険性はほとんどない。また、パティキュレートフィルタ２４上に微粒子が全く堆積しないのでアッシュが凝集する危険性が少なく、従ってパティキュレートフィルタ２４が目詰まりする危険性が少なくなる。
【００８５】
ところでこの目詰まりは主に硫酸カルシウムＣａＳＯ４ によって生ずる。即ち、燃料や潤滑油はカルシウムＣａを含んでおり、従って排気ガス中にカルシウムＣａが含まれている。このカルシウムＣａはＳＯ３ が存在すると硫酸カルシウムＣａＳＯ４ を生成する。この硫酸カルシウムＣａＳＯ４ は固体であって高温になっても熱分解しない。従って硫酸カルシウムＣａＳＯ４ が生成され、この硫酸カルシウムＣａＳＯ４ によってパティキュレートフィルタ２４の細孔が閉塞されると目詰まりを生ずることになる。
【００８６】
しかしながらこの場合、活性酸素放出剤７１としてカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、例えばカリウムＫを用いると活性酸素放出剤７１内に拡散するＳＯ３ はカリウムＫと結合して硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ を形成し、カルシウムＣａはＳＯ３ と結合することなくパティキュレートフィルタ２４の隔壁６４を通過して排気ガス流出通路６１内に流出する。従ってパティキュレートフィルタ２４の細孔が目詰まりすることがなくなる。従って前述したように活性酸素放出剤７１としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましいことになる。
【００８７】
さて、本発明による実施例では基本的に全ての運転状態において排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるように維持することを意図している。しかしながら実際には全ての運転状態において排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少くすることはほとんど不可能である。例えば機関始動時には通常パティキュレートフィルタ２４の温度は低く、従ってこのときには通常排出微粒子量Ｍの方が酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなる。従って本発明による実施例では機関始動直後のような特別の場合を除いて通常継続的に排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるようにしている。
【００８８】
なお、機関始動直後におけるように排出微粒子量Ｍの方が酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなるとパティキュレートフィルタ２４上に酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめる。しかしながらこのように酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめているときに、即ち微粒子が一定限度以下しか堆積していないときに排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少くなるとこの残留微粒子部分は活性酸素Ｏによって輝炎を発することなく酸化除去される。従って本発明による実施例では機関始動直後のような特別の運転状態のときには、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇより少なくなったときに酸化除去しうる一定限度以下の量の微粒子しかパティキュレートフィルタ２４上に積層しないように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦが維持される。
【００８９】
また、このように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦを維持するようにしていたとしても何らかの理由によりパティキュレートフィルタ２４上に微粒子が積層状に堆積する場合がある。このような場合であっても排気ガスの一部又は全体の空燃比が一時的にリッチにされるとパティキュレートフィルタ２４上に堆積した微粒子は輝炎を発することなく酸化せしめられる。即ち、排気ガスの空燃比がリッチにされると、即ち排気ガス中の酸素濃度が低下せしめられると活性酸素放出剤７１から外部に活性酸素Ｏが一気に放出され、これら一気に放出された活性酸素Ｏによって堆積した微粒子が輝炎を発することなく一気に短時間で酸化除去せしめられる。
【００９０】
さて、前述したように本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ２４の各隔壁６４の両側面上および隔壁６４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒および活性酸素放出剤が担持されている。更に本発明による実施例ではこの担体上に貴金属触媒、およびパティキュレートフィルタ２４に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 を吸収しパティキュレートフィルタ２４に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 吸収剤が担持されている。
【００９１】
本発明による実施例ではこの貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯｘ 吸収剤としてカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒ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が用いられている。なお、前述した活性酸素放出剤を構成する金属と比較すればわかるようにＮＯｘ 吸収剤を構成する金属と、活性酸素放出剤を構成する金属とは大部分が一致している。
【００９２】
この場合、ＮＯｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として夫々異なる金属を用いることもできるし、同一の金属を用いることもできる。ＮＯｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として同一の金属を用いた場合にはＮＯｘ 吸収剤としての機能と活性酸素放出剤としての機能との双方の機能を同時に果すことになる。
次に貴金属触媒として白金Ｐｔを用い、ＮＯｘ 吸収剤としてカリウムＫを用いた場合を例にとってＮＯｘ の吸放出作用について説明する。
【００９３】
まず初めにＮＯｘ の吸収作用について検討するとＮＯｘ は図１８（Ａ）に示すメカニズムと同じメカニズムでもってＮＯｘ 吸収剤に吸収される。ただし、この場合図１８（Ａ）において符号７１はＮＯｘ 吸収剤を示す。
即ち、パティキュレートフィルタ２４に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多量の過剰酸素が含まれているので排気ガスがパティキュレートフィルタ２４の排気ガス流入通路６０内に流入すると図１８（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、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ＮＯｘ 吸収剤７１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら図１８（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３ − の形でＮＯｘ 吸収剤７１内に拡散し、一部の硝酸イオンＮＯ３ − は硝酸カリウムＫＮＯ３ を生成する。このようにしてＮＯがＮＯｘ 吸収剤７１内に吸収される。
【００９４】
一方、パティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガスがリッチになると硝酸イオンＮＯ３ − は酸素とＯとＮＯに分解され、次から次へとＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯが放出される。従ってパティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると短時間のうちにＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯが放出され、しかもこの放出されたＮＯが還元されるために大気中にＮＯが排出されることはない。
【００９５】
なお、この場合、パティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしてもＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯが放出される。しかしながらこの場合にはＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯが徐々にしか放出されないためにＮＯｘ 吸収剤７１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。
ところで前述したようにＮＯｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として夫々異なる金属を用いることができる。しかしながら本発明による実施例ではＮＯｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として同一の金属を用いている。この場合には前述したようにＮＯｘ 吸収剤としての機能と活性酸素放出剤としての機能との双方の機能を同時に果すことになり、このように双方の機能を同時に果すものを以下、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤と称する。従って本発明による実施例では図１８（Ａ）における符号７１は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤を示している。
【００９６】
このような活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１を用いた場合、パティキュレートフィルタ２４に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は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１に吸収され、排気ガス中に含まれる微粒子が活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１に付着するとこの微粒子は排気ガス中に含まれる活性酸素および活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１から放出される活性酸素によって短時間のうちに酸化除去せしめられる。従ってこのとき排気ガス中の微粒子およびＮＯｘ の双方が大気中に排出されるのを阻止することができることになる。
【００９７】
一方、パティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯが放出される。このＮＯは未燃ＨＣ，ＣＯにより還元され、斯くしてこのときにもＮＯが大気中に排出されることがない。また、このときパティキュレートフィルタ２４上に微粒子が堆積していた場合にはこの微粒子は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１から放出される活性酸素によって酸化除去せしめられる。
【００９８】
ところで図２０を参照しつつ既に説明したように活性酸素放出剤７１からの活性酸素の放出作用はパティキュレートフィルタ２４の温度がかなり低いときから開始される。これは活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１を用いたときでも同じである。これに対してＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１へのＮＯｘ の吸収作用はパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦが活性酸素の放出開始温度よりも高くならないと開始されない。これは、活性酸素の放出は例えば硝酸カリウムＫＮＯ３ から酸素を奪えれば生ずるのに対してＮＯｘ の吸収作用は白金Ｐｔが活性化しないと開始されないからであると考えられる。
【００９９】
図２１はＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１としてカリウムＫを用いた場合の酸化除去可能微粒子量ＧとＮＯｘ 吸収率とを示している。図２１から活性酸素の放出作用はパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦが２００℃以下から開始されるのに対してＮＯｘ の吸収作用はパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦが２００℃以上にならないと開始されないことがわかる。
【０１００】
一方、活性酸素の放出作用はパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦが高くなれば高くなるほど活発になる。これに対してＮＯｘ の吸収作用はパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦが高くなると消失する。即ち、パティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦが一定温度、図２１に示す例ではほぼ５００℃を越えると硝酸イオンＮＯ３ − 又は硝酸カリウムＫＮＯ３ が熱分解し、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯが放出される。このような状態になるとＮＯｘ の吸収量よりもＮＯの放出量が多くなり、斯くして図２１に示されるようにＮＯｘ 吸収率が低下する。
【０１０１】
図２１はＮＯＸ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１としてカリウムＫを用いた場合のＮＯｘ 吸収率を示している。この場合、用いる金属によってＮＯｘ 吸収率の高くなるパティキュレートフィルタ２４の温度範囲は異なる。例えばＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１としてバリウムＢａを用いた場合にはＮＯｘ 吸収率の高くなるパティキュレートフィルタ２４の温度範囲は図２１に示されるカリウムＫを用いた場合よりも狭くなる。
【０１０２】
ところで前述したように排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ２４上において堆積することなく酸化除去せしめるためには排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくする必要がある。しかしながら単に排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇより少くしただけではＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１によるＮＯｘ 吸収作用は行われず、ＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１によるＮＯｘ の吸収作用を確保するにはパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦをＮＯｘ の吸収作用が行われる温度範囲内に維持する必要がある。この場合、ＮＯｘ 吸収作用が行われるパティキュレートフィルタ２４の温度範囲はＮＯｘ 吸収率が一定値以上、例えば５０パーセント以上となる温度範囲とする必要があり、従ってＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１としてカリウムＫを用いた場合には図２１からわかるようにパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦをほぼ２５０℃から５００℃の間に維持する必要がある。
【０１０３】
従って、本発明による実施例では排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ２４上において堆積することなく酸化除去せしめ、かつ排気ガス中のＮＯｘ を吸収するために、通常は継続的に排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるように維持しかつパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦをパティキュレートフィルタ２４のＮＯｘ 吸収率が一定値以上となる温度範囲内に維持するようにしている。即ち、排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦを図２１のハッチングで示す微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内に維持するようにしている。
【０１０４】
なお、このように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２４の温度を微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内に維持するようにしておいても排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２４の温度が微粒子ＮＯｘ 同時処理領域外にずれてしまう場合がある。このような場合、本発明による実施例では排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２４の温度が微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内となるように排出微粒子量Ｍ、酸化除去可能微粒子量Ｇ又はパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦの少くとも一つが制御される。
【０１０５】
ところで前述したように機関の運転状態が図９に示される第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。しかしながら上述したようにパティキュレートフィルタ２４上には酸化機能を有する白金Ｐｔのような貴金属が担持されており、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パティキュレートフィルタ２４上において良好に酸化せしめられることになる。また、このとき発生する極めて少量の煤もパティキュレートフィルタ２４上において酸化除去せしめられる。
【０１０６】
一方、ＮＯｘ 吸収剤７１又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１（以下これらを総称して単にＮＯｘ 吸収剤７１と称する）のＮＯｘ 吸収能力には限度があり、ＮＯｘ 吸収剤７１のＮＯｘ 吸収能力が飽和する前にＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯｘ を放出させる必要がある。そのためにはＮＯｘ 吸収剤７１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を要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図２２（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を要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図２２（Ｂ）に示すようなマップの形で予め定めておき、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７１に吸収されているＮＯｘ 量ΣＮＯＸを推定するようにしている。
【０１０７】
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７１からＮＯｘ を放出させるようにしている。次にこのことについて図２３を参照しつつ説明する。
図２３は要求トルクＴＱと、燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆと、ＮＯｘ 吸収量ΣＮＯＸを示している。図２３を参照すると前述したように第１の運転領域Ｉでは第１の燃焼が行われており、このとき燃焼室５内における空燃比はわずかばかりリーンとなっている。このときにはＮＯｘ の発生量が極めて少なく、従ってＮＯｘ 吸収量ΣＮＯＸはわずかずつ増大していく。
【０１０８】
次いで第１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を越えたとすると図２３に示されるように燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆが一時的にリッチにされる。本発明による実施例ではこのとき燃料噴射量を増大することによって燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆが一時的にリッチにされる。燃焼室５内における空燃比Ａ／ＦがリッチにされるとＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯｘ が放出される。前述したように第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われているときには燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆをリッチにしても煤が発生せず、従って煤が発生することなく、ＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯｘ を放出することができることになる。
【０１０９】
次いで図２３に示されるように要求トルクＴＱが第１の境界Ｘ（Ｎ）を越え、機関の運転状態が第２の運転状態ＩＩになると第２の燃焼、即ち従来より行われている通常の燃焼が行われる。第２の燃焼においてはＮＯｘ の発生量が多く、従って第２の燃焼が開始されるとＮＯｘ 量ΣＮＯＸは急速に増大する。次いで第２の燃焼が行われているときにＮＯｘ 量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えると燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆがリッチとされる。しかしながらこのとき燃料噴射量を増量することによって燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆをリッチにすると多量の煤が発生してしまう。
【０１１０】
そこで本発明による実施例では第２の燃焼が行われたときにＮＯｘ 吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えたときには第２の燃焼から第１の燃焼に切換え、第１の燃焼のもとで燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆをリッチにするようにしている。前述したように第１の燃焼のもとで燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆをリッチにすれば煤が発生することがなく、従って第２の燃焼が行われているときであっても煤が発生することなくＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯｘ を放出できることになる。
【０１１１】
ところで第２の燃焼から第１の燃焼に切換えるためには燃料噴射量を大巾に減少させなければならず、燃料噴射量を大巾に減少させると機関の出力トルクが大巾に減少する。そこで本発明による実施例では第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられたときには電気モータ３７を駆動して噴射量の低減による機関の出力トルクの低下量とほぼ等しい出力トルクを電気モータ３７により発生させるようにしている。
【０１１２】
ところがこのように噴射量の低減による機関出力トルクの低下量とほぼ等しい出力トルクを単に電気モータ３７により発生させるようにしても駆動輪に加わる駆動トルクが変動するという問題がある。次にこのことについて図２４を参照しつつ説明する。
図２４は、通常の燃焼が行われているときにＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯｘ を放出するための低温燃焼への切換指令がＸにおいて発せられ、ＮＯｘ 吸収剤７１からのＮＯｘ の放出作用が完了したときに通常の燃焼への切換指令がＹにおいて発せられた場合を示している。図２４からわかるように低温燃焼への切換指令Ｘが発せられると燃料噴射量はただちに減少せしめられ、噴射量の減少による機関出力トルクの低下量とほぼ等しい出力トルクＴｍを電気モータが発生する。このとき噴射時期は徐々に進角される。
【０１１３】
一方、低温燃焼への切換指令Ｘが発せられるとＥＧＲ率を５５パーセント以上の目標ＥＧＲ率、例えば７０パーセントとし、空燃比を目標リッチ空燃比とするためにスロットル弁２１の開度は減少せしめられ、ＥＧＲ制御弁２９の開度が増大せしめられる。ただし、切換指令Ｘが発せられたときにそのときの通常燃焼の状態によってはＥＧＲ制御弁２９の開度が減少せしめられる場合もある。
【０１１４】
ところで低温燃焼が行われているとき、或いは通常の燃焼が行われているときに運転状態が変化すると目標空燃比および目標ＥＧＲ率が変化し、このとき空燃比およびＥＧＲ率がただちに目標空燃比および目標ＥＧＲ率に一致するようにスロットル弁２１の開度およびＥＧＲ制御弁２９の開度を急激に変化させると空燃比およびＥＧＲ率が変動し、燃焼が悪化すると共に機関の出力トルクが変動する。即ち、目標空燃比および目標ＥＧＲ率が変化したときにはスロットル弁２１の開度およびＥＧＲ制御弁２９の開度をゆっくり変化させる必要がある。
【０１１５】
そこで本発明による実施例では空燃比を目標空燃比とするのに必要な目標吸入空気量ＧＡＯを予め記憶しておいてエアフローメータ１８により検出された吸入空気量がこの目標吸入空気量ＧＡＯとなるようにスロットル弁２１の開度、即ち吸入空気量を比例積分制御により増大減少せしめ、ＥＧＲ制御弁２９の目標開度ＳＥを予め記憶しておいてＥＧＲ制御弁２９の開度を比例積分制御によって目標開度ＳＥに制御するようにしている。このようにスロットル弁２１の開度およびＥＧＲ制御弁２９の開度を制御すると目標空燃比および目標ＥＧＲ率が変化したときにスロットル弁２１およびＥＧＲ制御弁２９の開度はゆっくりと変化し、斯くして燃焼が悪化することもなく、機関の出力トルクが変動することもなくなる。
【０１１６】
しかしながら低温燃焼への切換指令Ｘが発せられたとき、および通常の燃焼への切換指令Ｙが発せられたときに上述の如く吸入空気量が目標吸入空気量ＧＡＯとなるようにスロットル弁２１の開度、即ち吸入空気量を比例積分制御により増大減少せしめると低温燃焼への切換時および通常燃焼への切換時に駆動輪の駆動トルクが変動するという問題がある。図２４はこのような場合を示している。
【０１１７】
即ち、今通常の燃焼が行われているとすると燃焼室５内における空燃比は大巾にリーンになっており、従って燃焼室５から排出された排気ガス中には多量の酸素が存在する。従ってこのときにはサージタンク１２内に供給されるＥＧＲガス中にも多量の酸素が含まれており、従ってＥＧＲガス中の酸素濃度はかなり高くなっている。
【０１１８】
次いで低温燃焼への切換指令Ｘが発せられると空燃比を目標リッチ空燃比とすべく目標吸入空気量ＧＡＯが小さくなり、斯くして図２４に示されるようにスロットル弁２１の開度は徐々に小さくなる。一方、スロットル弁２１の開度が小さくなるとサージタンク１２内の圧力が低下するのでＥＧＲガス量が増大する。ところがこのとき上述した如くＥＧＲガス中には多量の酸素が含まれているためにスロットル弁２１の開度が小さくなっても燃焼室５内に供給される酸素量はスロットル弁２１の開度の低下に追従して減少しなくなる。
【０１１９】
このように低温燃焼への切換時には燃料噴射量が減少せしめられても燃焼室５内に供給される酸素量がただちに減少しないので燃焼室５内における空燃比はリーンに維持される。特に低温燃焼への切換時にＥＧＲ率が７０パーセント程度まで増大せしめられた場合にはＥＧＲガス中の酸素量が燃焼室５内の空燃比を左右するようになるのでこのときには図２４に示されるように燃焼室５内の空燃比はかなりリーンとなる。
【０１２０】
ところで燃焼室５から排出された排気ガスは機関が数回転しないとＥＧＲガスとしてサージタンク１２内に供給されないので低温燃焼への切換後暫らくの間はＥＧＲガス中の酸素濃度が高くなっている。従って空燃比はなかなか目標リッチ空燃比とはならず、暫らくの間リーンの状態に維持される。空燃比がリーンに維持されていると燃料粒子周りの酸素量が多くなるために燃焼が活発となり、斯くして機関の出力トルクが増大する。その結果、図２４に示されるように低温燃焼への切換時に駆動輪の駆動トルクが一時的に高くなる。
【０１２１】
一方、通常燃焼への切換指令Ｙが発せられたときにはスロットル弁１９が徐々にしか増大しないために吸入空気量がなかなか増大せず、またこのときにはＥＧＲガス中の酸素濃度が低くなっているので燃焼室５内の空燃比はなかなか増大しない。従って通常燃焼への切換時には機関の出力トルクが即座に増大しないために図２４に示されるように駆動輪の駆動トルクが一時的に低くなる。
【０１２２】
このように低温燃焼への切換指令Ｘが発せられたとき、および通常の燃焼への切換指令Ｙが発せられたときに吸入空気量が目標吸入空気量ＧＡＯとなるようにスロットル弁２１の開度を比例積分制御により増大減少せしめると低温燃焼への切換時および通常燃焼への切換時に空燃比がなかなか目標空燃比とはならず、斯くして駆動輪の駆動トルクが変動するという問題を生ずる。
【０１２３】
そこで本発明ではこのような問題が生じないようにするために低温燃焼への切換指令Ｘが発せられたとき、および通常の燃焼への切換指令Ｙが発せられたときには実際の空燃比が目標空燃比となるようにスロットル弁２１の開度が比例積分制御される。この場合のスロットル弁２１の開度等の変化が図２５に示されている。なお、第１実施例においては実際の空燃比は排気マニホルド２２内に配置された空燃比センサ４３ａによって検出される。
【０１２４】
図２５に示されるように本発明においてもＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯｘ を放出すべく低温燃焼への切換指令Ｘが発せられると燃料噴射量はただちに減少せしめられ、噴射量の減少による機関出力トルクの低下量とほぼ等しい出力トルクＴｍを電気モータが発生する。一方、このときＥＧＲガス中には多量の酸素が含まれているので空燃比が大きくなる。しかしながらこのように空燃比が大きくなっても本発明では空燃比が目標リッチ空燃比となるようにスロットル弁２１の開度が減少せしめられるので図２５に示されるように空燃比は急速に目標リッチ空燃比に一致せしめられる。
【０１２５】
低温燃焼への切換指令Ｘが発せられてから暫らくの間はＥＧＲガス中の酸素濃度が高いので空燃比を目標リッチ空燃比に維持するのに必要な吸入空気量はかなり少量で十分である。従って低温燃焼への切換指令Ｘが発せられてスロットル弁２１の開度が急速に減少せしめられた後暫らくの間はスロットル弁２１の開度は一旦かなり小さくなり、ＥＧＲガス中の酸素濃度が低くなるとスロットル弁２１の開度が増大する。即ち、低温燃焼に切換えられるとスロットル弁２１の開度は図２５に示されるようにオーバーシュートすることになる。
【０１２６】
空燃比が目標リッチ空燃比となるようにスロットル弁２１の開度を制御すると図２５に示されるように低温燃焼への切換時に空燃比はさほど大きなリーン空燃比とはならず、また空燃比がリーンとなっている時間が短かくなる。従って図２５に示されるように駆動輪の駆動トルクの変動がかなり小さくなる。
なお、本発明による実施例では低温燃焼への切換指令Ｘが発せられたときにできる限り早く低温燃焼に切換えるためにＥＧＲ制御弁２９の開度は低温燃焼への切換指令Ｘが発せられるや否やただちに目標開度ＳＥとされ、また図２５に示されるように噴射時期は図２４に示される低温燃焼時又は通常燃焼時に比べて急速に目標時期まで進角される。
【０１２７】
一方、通常燃焼への切換指令Ｙが発せられたときにも空燃比が目標空燃比となるようにスロットル弁２１の開度が増大せしめられ、ＥＧＲ制御弁２９の開度はただちに目標開度ＳＥとされ、噴射時期は図２４に示される低温燃焼時又は通常燃焼時に比べて急速に目標時期まで遅角される。このときにも空燃比はリッチ空燃比から目標空燃比まで急速に増大するので図２５に示されるように駆動輪の駆動トルクの変動が小さくなる。
【０１２８】
図２６はＮＯｘ 吸収剤７１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２６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２２（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１０２ではＮＯｘ 吸収量ΣＮＯＸにＡが加算される。次いでステップ１０３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１０４に進んでＮＯｘ 放出フラグがセットされ、次いでステップ１０５においてΣＮＯＸが零とされる。
【０１２９】
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２２（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１０７ではＮＯｘ 吸収量ΣＮＯＸにＢが加算される。次いでステップ１０８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１０９に進んでＮＯｘ 放出フラグがセットされ、次いでステップ１１０においてΣＮＯＸが零とされる。
【０１３０】
次に図２７および図２８を参照しつつ運転制御について説明する。
図２７および図２８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に進んで要求トルクＴＱが図９に示す第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも大きくなったか否かが判別される。
【０１３１】
ＴＱ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ２０３に進んで図１３（Ａ）に示すマップから算出された目標吸入空気量ＧＡＯおよびエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡに基づいて次式からスロットル弁２１の開度Ｔｅが算出される。
Ｔｅ←Ｔｅ＋Ｋ１（ＧＡＯ−ＧＡ）
ここでＫ１は定数である。即ち、スロットル弁２１の開度Ｔｅはエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡが目標吸入空気量ＧＡＯとなるように比例積分制御によって開閉制御される。
【０１３２】
次いでステップ２０４では図１３（Ｂ）に示すマップから算出されたＥＧＲ制御弁２９の目標開度ＳＥに基づいて次式からＥＧＲ制御弁２９の開度Ｓｅが算出される。
Ｓｅ←Ｓｅ＋Ｋ２（ＳＥ−Ｓｅ）
ここでＫ２は定数である。即ち、ＥＧＲ制御弁２９の開度ＳｅはＥＧＲ制御弁２９の開度Ｓｅが目標開度ＳＥとなるように比例積分制御される。
【０１３３】
次いでステップ２０５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２０６に進んで図１２（Ａ）および（Ｂ）から夫々噴射量Ｑおよび噴射開始時期θＳが算出され、これらに基づいて燃料噴射が行われる。
一方、ステップ２０１においてＴＱ＞Ｘ（Ｎ）になったと判断されるとステップ２０２に進んでフラグＩがリセットされる。次いでステップ２０８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２０９に進んで図１６（Ａ）に示すマップから算出された目標吸入空気量ＧＡＯおよびエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡに基づいて次式からスロットル弁２１の開度Ｔｅが算出される。
【０１３４】
Ｔｅ←Ｔｅ＋Ｋ１（ＧＡＯ−ＧＡ）
ここでＫ１は前述したように定数である。即ち、スロットル弁２１の開度Ｔｅはエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡが目標吸入空気量ＧＡＯとなるように比例積分制御によって開閉制御される。
次いでステップ２１０では図１６（Ｂ）に示すマップから算出されたＥＧＲ制御弁２９の目標開度ＳＥに基づいて次式からＥＧＲ制御弁２９の開度Ｓｅが算出される。
【０１３５】
Ｓｅ←Ｓｅ＋Ｋ２（ＳＥ−Ｓｅ）
ここでＫ２は前述したように定数である。即ち、ＥＧＲ制御弁２９の開度ＳｅはＥＧＲ制御弁２９の開度Ｓｅが目標開度ＳＥとなるように比例積分制御される。次いでステップ２１１では図１５（Ａ）および（Ｂ）から夫々噴射量Ｑおよび噴射開始時期θＳが算出され、これらに基づいて燃料噴射が行われる。
【０１３６】
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２１２に進んで要求トルクＴＱが図９に示す第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも小さくなったか否かが判別される。ＴＱ≧Ｙ（Ｎ）のときにはステップ２０８に進む。これに対してＴＱ＜Ｙ（Ｎ）になるとステップ２１３に進んでフラグＩがセットされ、次いでステップ２０３に進む。
【０１３７】
一方、第１の燃焼が行われているときにステップ２０５においてＮＯｘ 放出フラグがセットされていると判断されたときにはステップ２０７に進んで燃焼室５内における空燃比をリッチにするのに必要な噴射量が求められる。更に、図１２（Ｂ）に示すマップから噴射開始時期θＳが求められ、噴射量に基づいて噴射完了時期θＥが求められ、これらに基づいて燃料噴射が行われる。このとき燃焼室５内の空燃比Ａ／Ｆはリッチとされ、ＮＯｘ 吸収剤７１に吸収されているＮＯｘ がＮＯｘ 吸収剤７１から放出される。
【０１３８】
一方、第２の燃焼が行われているときにステップ２０８においてＮＯｘ 放出フラグがセットされていると判断されたときにはステップ２１４に進んで復帰処理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た後に初めてステップ２１４に進んだときは復帰処理フラグはリセットされているのでステップ２１５に進み、空燃比センサ４３ｂにより検出された空燃比Ａ／ＦがＮＯｘ 放出のための目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒ にほぼ等しくなったか否かが判別される。ＮＯｘ 放出フラグがセットされた後に初めてステップ２１５に進んだときは空燃比Ａ／Ｆはリーンであるのでステップ２１６に進む。
【０１３９】
ステップ２１６では空燃比センサ４３ａにより検出された実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ およびＮＯｘ 放出のための目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒ に基づいて次式からスロットル弁２１の開度Ｔｅが算出される。
Ｔｅ←Ｔｅ＋Ｋ３〔（Ａ／Ｆ）Ｒ −（Ａ／Ｆ）ａ 〕
ここでＫ３は定数である。即ち、スロットル弁２１の開度Ｔｅは空燃比センサ４３ａにより検出された実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ がＮＯｘ 放出のための目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒ となるように比例積分制御によって閉弁制御される。
【０１４０】
次いでステップ２１７ではＥＧＲ制御弁２９の開度がＥＧＲ率を５５パーセント以上の目標ＥＧＲ率、例えば７０パーセントとするのに必要な目標開度ＳＥＯとされる。従ってＥＧＲ制御弁２９の開度はただちに目標開度ＳＥＯとされる。次いでステップ２１８では燃料噴射量を目標リッチ空燃比のもとで低温燃焼を行わせるのに必要な噴射量まで低減した場合の機関出力トルクの低下量ΔＴＱが算出され、次いでステップ２１９ではこの機関出力トルクの低下量ΔＴＱが電気モータ３７の発生すべき出力トルクＴｍとされる。次いでステップ２２０では電気モータ３７が出力トルクＴｍを発生するために電気モータ３７に供給すべき三相交流の電流値Ｉｍが算出される。次いでステップ２２１では機関回転数Ｎに基づいて電気モータ３７に供給すべき三相交流の周波数ｆｍが算出される。次いでステップ２２２では電流値がＩｍで周波数がｆｍの三相交流が電気モータ３７に供給され、それによって電気モータ３７が駆動せしめられる。
【０１４１】
次いでステップ２２３では図１２（Ｂ）に示すマップから噴射開始時期θＳが求められ、空燃比を目標リッチ空燃比にするのに必要な噴射量から噴射完了時期θＥが求められ、これらに基づいて燃料噴射が行われる。このとき燃焼室５内の空燃比Ａ／Ｆはリッチとされ、ＮＯｘ 吸収剤７１に吸収されているＮＯｘ がＮＯｘ 吸収剤７１から放出される。
【０１４２】
ＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯｘ が放出されている間、排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯはＮＯｘ を還元するために使用されており、このときパティキュレートフィルタ２４から排出される排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となっている。次いでＮＯｘ 吸収剤７１からのＮＯｘ 放出作用が完了すると排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯはパティキュレートフィルタ２４を素通りするようになるのでパティキュレートフィルタ２４から排出される排気ガスの空燃比は目標リッチ空燃比に向けて小さくなる。従ってパティキュレートフィルタ２４から排出された排気ガスの空燃比、即ち空燃比センサ４３ｂにより検出された空燃比がほぼ目標リッチ空燃比になったときにＮＯｘ 吸収剤７１からのＮＯｘ 放出作用が完了したと判断することができる。
【０１４３】
空燃比センサ４３ｂにより検出された空燃比がほぼ目標リッチ空燃比になったと判断されるとステップ２１５からステップ２２４に進んで復帰処理フラグがセットされ、次いでステップ２２５に進む。復帰処理フラグがセットされると次の処理サイクルではステップ２１４からステップ２２５にジャンプする。
ステップ２２５では空燃比センサ４３ａにより検出された実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ および図１４に示される目標空燃比（Ａ／Ｆ）に基づいて次式からスロットル弁２１の開度Ｔｅが算出される。
【０１４４】
Ｔｅ←Ｔｅ＋Ｋ３〔（Ａ／Ｆ）−（Ａ／Ｆ）ａ 〕
ここでＫ３は前述したように定数である。即ち、スロットル弁２１の開度Ｔｅは空燃比センサ４３ａにより検出された実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ が図１４に示される目標空燃比（Ａ／Ｆ）となるように比例積分制御によって開弁制御される。
【０１４５】
次いでステップ２２６ではＥＧＲ制御弁２９の開度が図１６（Ｂ）に示される目標開度ＳＥとされる。従ってＥＧＲ制御弁２９の開度はただちに目標開度ＳＥとなる。次いでステップ２２７では電気モータ３７の駆動が停止される。次いでステップ２２８では図１５（Ａ）および（Ｂ）から夫々燃料噴射量Ｑおよび噴射開始時期θＳが算出され、これらに基づいて燃料噴射が行われる。次いでステップ２２９では低温燃焼から正規の通常燃焼への復帰が完了したか否かが判断され、正規の通常燃焼への復帰が完了したときにはステップ２３０に進んでＮＯｘ 放出フラグおよび復帰処理フラグがリセットされる。
【０１４６】
次に加速運転時および減速運転時における運転制御について説明する。本発明による実施例では排気ターボチャージャ１５が作動しない運転領域の加速運転時でも良好な加速運転が得られるように加速運転時に電気モータ３７が駆動される。一方、減速運転時には電気モータ３７が発電機として作動せしめられ、発生した電力が回生される。
【０１４７】
図２９は加減速時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２９を参照するとまず初めにステップ３００において例えばアクセルペダル４４の踏込み量Ｌの変化量ΔＬ（＞０）から加速運転時であるか否かが判別される。加速運転時であるときにはステップ３０１に進んで電気モータ３７が発生すべき出力トルクＴｍが算出される。この出力トルクＴｍは図３０に示されるようにアクセルペダル４４の踏込み量Ｌの変化量ΔＬが大きいほど大きくなる。次いでステップ３０２では電気モータ３７が出力トルクＴｍを発生するために電気モータ３７に供給すべき三相交流の電流値Ｉｍが算出される。次いでステップ３０３では機関回転数Ｎに基づいて電気モータ３７に供給すべき三相交流の周波数ｆｍが算出される。次いでステップ３０４では電流値がＩｍで周波数がｆｍの三相交流が電気モータ３７に供給され、それによって電気モータ３７が駆動せしめられる。このように加速運転時には機関の出力トルクに電気モータ３７の出力トルクが重畳される。
【０１４８】
次いでステップ３０５では例えばアクセルペダル４４の踏込み量Ｌと機関回転数Ｎから減速運転時であるか否かが判別される。減速運転時であるときにはステップ３０６に進んで電気モータ３７が発電機として作動せしめられ、発生した電力がバッテリ４１に回生せしめられる。
図３１から図３２に第２実施例を示す。この第２実施例では燃焼室５内における実際の空燃比がエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡ、燃料噴射量ＱおよびＥＧＲガス中の酸素濃度の影響による空燃比の修正量Δ（Ａ／Ｆ）から推定され、低温燃焼への切換指令Ｘが発せられたときおよび通常燃焼への切換指令Ｙが発せられたときにはこの推定された空燃比が目標空燃比となるようにスロットル弁２１の開度、即ち吸入空気量が比例積分制御によって開閉制御される。
【０１４９】
即ち、定常運転が行われているときには燃焼室５内における空燃比もＥＧＲガスの空燃比も等しくなっているのでこのときにはエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡと燃料噴射量Ｑとの比ＧＡ／Ｑから実際の空燃比を算出することができる。これに対し、通常燃焼と低温燃焼の切換時にはＥＧＲ率が大巾に変化するのでＥＧＲガス中に含まれる酸素の影響によって実際の空燃比は算出された空燃比ＧＡ／Ｑとかなり異なってしまう。従ってこのとき実際の空燃比を求めるには算出された空燃比ＧＡ／Ｑに対して修正を施こさなければならないことになる。
【０１５０】
この場合、通常燃焼から低温燃焼への切換時にはＥＧＲ率が大巾に増大するのでＧＡ／Ｑに対する空燃比の修正量Δ（Ａ／Ｆ）は図３１（Ａ）においてＥに示すように正の値となり、一方低温燃焼から通常燃焼への切換時にはＥＧＲ率が大巾に減少するのでＧＡ／Ｑに対する空燃比の修正量Δ（Ａ／Ｆ）は図３１（Ａ）においてＦに示すように負の値となる。また、通常燃焼から低温燃焼への切換時であっても低温燃焼から通常燃焼への切換時であっても切換後暫らくすると実際の空燃比はＧＡ／Ｑに一致する。従って修正量Δ（Ａ／Ｆ）は切換後、零に近ずく。
【０１５１】
この修正量Δ（Ａ／Ｆ）は切換前の運転状態に応じた値となる。そこで本発明では切換前に通常燃焼が行われているときの修正量Δ（Ａ／Ｆ）を図３２（Ａ）に示すように要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として予めＲＯＭ５２内に記憶しておき、切換前に目標リッチ空燃比のもとで低温燃焼の定常運転が行われているときの修正量Δ（Ａ／Ｆ）を図３２（Ｂ）に示すように要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として予めＲＯＭ５２内に記憶しておき、通常燃焼から低温燃焼に切換えられたときには修正量Δ（Ａ／Ｆ）を図３２（Ａ）に示すマップから算出された修正量Δ（Ａ／Ｆ）とし、低温燃焼から通常燃焼に切換えられたときには修正量Δ（Ａ／Ｆ）を図３２（Ｂ）に示すマップから算出された修正量Δ（Ａ／Ｆ）とするようにしている。
【０１５２】
一方、図３１（Ｂ）は修正量Δ（Ａ／Ｆ）の時間変化を求めるための補正係数Ｋの種々の変化パターンＫ１ ，Ｋ２ …Ｋｎ を示しており、図３２から求められた修正量Δ（Ａ／Ｆ）にいずれかの補正係数Ｋ１ ，Ｋ２ …Ｋｎ を乗算することによって最終的な修正量Δ（Ａ／Ｆ）が算出される。いずれの補正係数Ｋ１ ，Ｋ２ …Ｋｎ を用いるかは切換前の運転状態から定まり、本発明による実施例では切換前の運転状態に応じていずれの補正係数Ｋ１ ，Ｋ２ …Ｋｎ を用いるかが予め記憶されている。
【０１５３】
次に図３３および図３４を参照しつつ第２実施例の運転制御について説明する。
図３３および図３４を参照するとまず初めにステップ４００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４０１に進んで要求トルクＴＱが図９に示す第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも大きくなったか否かが判別される。
【０１５４】
ＴＱ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ４０３に進んで図１３（Ａ）に示すマップから算出された目標吸入空気量ＧＡＯおよびエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡに基づいて次式からスロットル弁２１の開度Ｔｅが算出される。
Ｔｅ←Ｔｅ＋Ｋ１（ＧＡＯ−ＧＡ）
ここでＫ１は定数である。即ち、スロットル弁２１の開度Ｔｅはエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡが目標吸入空気量ＧＡＯとなるように比例積分制御によって開閉制御される。
【０１５５】
次いでステップ４０４では図１３（Ｂ）に示すマップから算出されたＥＧＲ制御弁２９の目標開度ＳＥに基づいて次式からＥＧＲ制御弁２９の開度Ｓｅが算出される。
Ｓｅ←Ｓｅ＋Ｋ２（ＳＥ−Ｓｅ）
ここでＫ２は定数である。即ち、ＥＧＲ制御弁２１の開度ＳｅはＥＧＲ制御弁２１の開度Ｓｅが目標開度ＳＥとなるように比例積分制御される。
【０１５６】
次いでステップ４０５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４０６に進んで図１２（Ａ）および（Ｂ）から夫々噴射量Ｑおよび噴射開始時期θＳが算出され、これらに基づいて燃料噴射が行われる。
一方、ステップ４０１においてＴＱ＞Ｘ（Ｎ）になったと判断されるとステップ４０２に進んでフラグＩがリセットされる。次いでステップ４０８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４０９に進んで図１６（Ａ）に示すマップから算出された目標吸入空気量ＧＡＯおよびエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡに基づいて次式からスロットル弁２１の開度Ｔｅが算出される。
【０１５７】
Ｔｅ←Ｔｅ＋Ｋ１（ＧＡＯ−ＧＡ）
ここでＫ１は前述したように定数である。即ち、スロットル弁２１の開度Ｔｅはエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡが目標吸入空気量ＧＡＯとなるように比例積分制御によって開閉制御される。
次いでステップ４１０では図１６（Ｂ）に示すマップから算出されたＥＧＲ制御弁２９の目標開度ＳＥに基づいて次式からＥＧＲ制御弁２９の開度Ｓｅが算出される。
【０１５８】
Ｓｅ←Ｓｅ＋Ｋ２（ＳＥ−Ｓｅ）
ここでＫ２は前述したように定数である。即ち、ＥＧＲ制御弁２１の開度ＳｅはＥＧＲ制御弁２１の開度Ｓｅが目標開度ＳＥとなるように比例積分制御される。次いでステップ４１１では図１５（Ａ）および（Ｂ）から夫々噴射量Ｑおよび噴射開始時期θＳが算出され、これらに基づいて燃料噴射が行われる。
【０１５９】
一方、ステップ４００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４１２に進んで要求トルクＴＱが図９に示す第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも小さくなったか否かが判別される。ＴＱ≧Ｙ（Ｎ）のときにはステップ４０８に進む。これに対してＴＱ＜Ｙ（Ｎ）になるとステップ４１３に進んでフラグＩがセットされ、次いでステップ４０３に進む。
【０１６０】
一方、第１の燃焼が行われているときにステップ４０５においてＮＯｘ 放出フラグがセットされていると判断されたときにはステップ４０７に進んで燃焼室５内における空燃比をリッチにするのに必要な噴射量が求められる。更に、図１２（Ｂ）に示すマップから噴射開始時期θＳが求められ、噴射量に基づいて噴射完了時期θＥが求められ、これらに基づいて燃料噴射が行われる。このとき燃焼室５内の空燃比Ａ／Ｆはリッチとされ、ＮＯｘ 吸収剤７１に吸収されているＮＯｘ がＮＯｘ 吸収剤７１から放出される。
【０１６１】
一方、第２の燃焼が行われているときにステップ４０８においてＮＯｘ 放出フラグがセットされていると判断されたときにはステップ４１４に進んで復帰処理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た後に初めてステップ４１４に進んだときは復帰処理フラグはリセットされているのでステップ４１５に進み、空燃比センサ４３ｂにより検出された空燃比Ａ／ＦがＮＯｘ 放出のための目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒ にほぼ等しくなったか否かが判別される。ＮＯｘ 放出フラグがセットされた後に初めてステップ４１５に進んだときは空燃比Ａ／Ｆはリーンであるのでステップ４１６に進む。
【０１６２】
ステップ４１６では図３１（Ａ）に示すマップから空燃比の修正量Δ（Ａ／Ｆ）が算出されると共に補正係数Ｋ１ ，Ｋ２ …Ｋｎ が定められる。次いでステップ４１７ではエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡと燃料噴射量Ｑとの比ＧＡ／Ｑに修正量Δ（Ａ／Ｆ）・Ｋを加算し、この加算結果が実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ とされる。次いでステップ４１８ではステップ４１７において算出された実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ およびＮＯｘ 放出のための目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒ に基づいて次式からスロットル弁２１の開度Ｔｅが算出される。
【０１６３】
Ｔｅ←Ｔｅ＋Ｋ３〔（Ａ／Ｆ）Ｒ −（Ａ／Ｆ）ａ 〕
ここでＫ３は定数である。即ち、スロットル弁２１の開度Ｔｅはステップ４１７において算出された実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ がＮＯｘ 放出のための目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒ となるように比例積分制御によって閉弁制御される。
次いでステップ４１９ではＥＧＲ制御弁２９の開度がＥＧＲ率を５５パーセント以上の目標ＥＧＲ率、例えば７０パーセントとするのに必要な目標開度ＳＥＯとされる。従ってＥＧＲ制御弁２９の開度はただちに目標開度ＳＥＯとされる。
【０１６４】
次いでステップ４２０では燃料噴射量を目標リッチ空燃比のもとで低温燃焼を行わせるのに必要な噴射量まで低減した場合の機関出力トルクの低下量ΔＴＱが算出され、次いでステップ４２１ではこの機関出力トルクの低下量ΔＴＱが電気モータ３７の発生すべき出力トルクＴｍとされる。次いでステップ４２２では電気モータ３７が出力トルクＴｍを発生するために電気モータ３７に供給すべき三相交流の電流値Ｉｍが算出される。次いでステップ４２３では機関回転数Ｎに基づいて電気モータ３７に供給すべき三相交流の周波数ｆｍが算出される。次いでステップ４２４では電流値がＩｍで周波数がｆｍの三相交流が電気モータ３７に供給され、それによって電気モータ３７が駆動せしめられる。
【０１６５】
次いでステップ４２５では図１２（Ｂ）に示すマップから噴射開始時期θＳが求められ、空燃比を目標リッチ空燃比にするのに必要な噴射量から噴射完了時期θＥが求められ、これらに基づいて燃料噴射が行われる。このとき燃焼室５内の空燃比Ａ／Ｆはリッチとされ、ＮＯｘ 吸収剤７１に吸収されているＮＯｘ がＮＯｘ 吸収剤７１から放出される。
【０１６６】
次いでステップ４１５において空燃比センサ４３ｂにより検出された空燃比がほぼ目標リッチ空燃比になったと判断されるとステップ４１５からステップ４２６に進んで復帰処理フラグがセットされ、次いでステップ４２７に進む。復帰処理フラグがセットされると次の処理サイクルではステップ４１４からステップ４２７にジャンプする。
【０１６７】
ステップ４２７では図３１（Ｂ）に示すマップから空燃比の修正量Δ（Ａ／Ｆ）が算出されると共に補正係数Ｋ１ ，Ｋ２ …Ｋｎ が定められる。次いでステップ４２８ではエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡと燃料噴射量Ｑとの比ＧＡ／Ｑに修正量Δ（Ａ／Ｆ）・Ｋを加算し、この加算結果が実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ とされる。次いでステップ４２９ではステップ４２８において算出された実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ および図１４に示される目標空燃比（Ａ／Ｆ）に基づいて次式からスロットル弁２１の開度Ｔｅが算出される。
【０１６８】
Ｔｅ←Ｔｅ＋Ｋ３〔（Ａ／Ｆ）−（Ａ／Ｆ）ａ 〕
ここでＫ３は前述したように定数である。即ち、スロットル弁２１の開度Ｔｅはステップ４２８において算出された実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ が図１４に示される目標空燃比（Ａ／Ｆ）となるように比例積分制御によって開弁制御される。次いでステップ４３０ではＥＧＲ制御弁２９の開度が図１６（Ｂ）に示される目標開度ＳＥとされる。従ってＥＧＲ制御弁２９の開度はただちに目標開度ＳＥとなる。次いでステップ４３１では電気モータ３７の駆動が停止される。次いでステップ４３２では図１５（Ａ）および（Ｂ）から夫々燃料噴射量Ｑおよび噴射開始時期θＳが算出され、これらに基づいて燃料噴射が行われる。次いでステップ４３３では低温燃焼から正規の通常燃焼への復帰が完了したか否かが判断され、正規の通常燃焼への復帰が完了したときにはステップ４３４に進んでＮＯｘ 放出フラグおよび復帰処理フラグがリセットされる。
【０１６９】
【発明の効果】
機関の駆動力とは別個に駆動力を発生させる駆動力発生装置が駆動力を発生し、燃料噴射量が低下せしめられたときに空燃比を急速に目標空燃比に近ずけることができる。
【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】機関本体の側面断面図である。
【図３】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４】要求トルクを示す図である。
【図５】スモークおよびＮＯｘ の発生量等を示す図である。
【図６】燃焼圧を示す図である。
【図７】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図である。
【図８】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図９】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１０】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１１】第１の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図である。
【図１２】噴射量等のマップを示す図である。
【図１３】目標吸入空気量等のマップを示す図である。
【図１４】第２の燃焼における空燃比を示す図である。
【図１５】噴射量等のマップを示す図である。
【図１６】目標吸入空気量等のマップを示す図である。
【図１７】パティキュレートフィルタを示す図である。
【図１８】微粒子の酸化作用を説明するための図である。
【図１９】微粒子の堆積作用を説明するための図である。
【図２０】酸化除去可能微粒子量とパティキュレートフィルタの温度との関係を示す図である。
【図２１】微粒子ＮＯｘ 同時処理領域を示す図である。
【図２２】単位時間当りのＮＯｘ 吸収量のマップを示す図である。
【図２３】ＮＯｘ 放出制御を説明するためのタイムチャートである。
【図２４】スロットル弁開度等の変化を示すフローチャートである。
【図２５】スロットル弁開度等の変化を示すフローチャートである。
【図２６】ＮＯｘ 放出フラグの処理をするためのフローチャートである。
【図２７】運転制御ルーチンのフローチャートである。
【図２８】運転制御ルーチンのフローチャートである。
【図２９】加減速処理を行うためのフローチャートである。
【図３０】電気モータが発生すべき出力トルクを示す図である。
【図３１】空燃比修正量を示す図である。
【図３２】空燃比修正量のマップを示す図である。
【図３３】運転制御ルーチンのフローチャートである。
【図３４】運転制御ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
２１…スロットル弁
２４…パティキュレートフィルタ
２９…ＥＧＲ制御弁
３７…電気モータ
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘ を吸収し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 吸収剤を機関排気通路内に配置し、通常はリーン空燃比のもとで燃焼が行われると共にこのとき発生するＮＯｘ がＮＯｘ 吸収剤に吸収され、ＮＯｘ 吸収剤に吸収されているＮＯｘ 量が予め定められている許容量を越えたときに空燃比を一時的にリッチにしてＮＯｘ 吸収剤からＮＯｘ を放出させると共に還元するようにした圧縮着火式内燃機関が公知である。
【０００３】
しかしながら圧縮着火式内燃機関において空燃比をリッチにすると多量の煤が発生し、従って空燃比をリッチにすることによりＮＯｘ 吸収剤からＮＯｘ を放出させるのはかなり困難である。
一方、圧縮着火式内燃機関において再循環排気ガス（以下、ＥＧＲガスという）の再循環率（ＥＧＲガス量／（吸入空気量＋ＥＧＲガス量））、即ちＥＧＲ率を５５パーセント以上にすると燃焼温度が低下して、いわゆる低温燃焼が行われ、このときには空燃比をリッチにしても煤がほとんど発生しないことが知られている。従ってこのような低温燃焼が行われているときに空燃比をリッチにすれば煤を発生させることなくＮＯｘ 吸収剤からＮＯｘ を放出できることになる。
【０００４】
しかしながらこの低温燃焼は機関負荷が低いときのみ可能であって機関負荷が高くなると低温燃焼を行わせることができず、従って機関負荷が高いときには煤を発生させることなく空燃比をリッチにすることができない。
そこで機関の駆動力とは別個の駆動力を発生する電気モータを具備し、機関負荷が高いときに空燃比をリッチにすべきときには機関負荷を低下させて低温燃焼を行わせると共に、電気モータを作動させて機関負荷の低下による機関出力の低下分を電気モータの出力によって補うようにした圧縮着火式内燃機関が公知である（特開平１１−２５７０５４号公報参照）。この圧縮着火式内燃機関では機関負荷が高いときに空燃比をリッチにすべきときには低負荷運転のもとでリッチ空燃比の低温燃焼を行わせるために燃料噴射量が一気に低減されると共にスロットル弁およびＥＧＲ制御弁が予め定められた目標開度まで急速に開度調整され、次いでＮＯｘ 吸収剤からのＮＯｘ 放出作用が完了すると燃料噴射量が一気に増大されると共にスロットル弁およびＥＧＲ制御弁が目標開度まで急速に開弁せしめられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
さて、ＥＧＲガス再循環装置では機関排気通路内に排出された排気ガスがＥＧＲ通路内に送り込まれるとこの排気ガスは機関が何回転かした後にＥＧＲガスとして機関吸気通路内に供給される。この場合、機関吸気通路内に供給されるＥＧＲガスの酸素濃度は何回転か前の燃焼室内における空燃比に依存しており、従ってＥＧＲガスを再循環している場合には燃焼室内における空燃比は何回転か前の燃焼室内における空燃比の影響を受けることになる。
【０００６】
ところで上述の公報に記載されている圧縮着火式内燃機関では機関負荷が高いときに空燃比をリッチにすべきときにはスロットル弁およびＥＧＲ制御弁が予め定められた目標開度まで急速に開度調整される。しかしながらこのようにスロットル弁およびＥＧＲ制御弁を予め定められた目標開度まで急速に開度調整してもスロットル弁およびＥＧＲ制御弁が開度調整されたときの燃焼室内の空燃比がＥＧＲガス中に含まれる酸素の影響によってなかなか小さくならないので空燃比を予め定められた目標リッチ空燃比に早期に一致させるのが困難であるという問題がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために１番目の発明では、機関吸気通路内に排気ガスを再循環するための排気ガス再循環装置を具備すると共に機関の駆動力とは別個に駆動力を発生する駆動力発生装置を具備し、駆動力発生装置による駆動力を発生させたときには排気ガスを再循環させつつ燃料噴射量を低下させるようにした内燃機関の制御装置において、吸入空気量を検出するための吸入空気量検出手段と、吸入空気量を制御するための吸入空気量制御手段と、実際の空燃比を求めるための手段とを具備し、通常は吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量が目標吸入空気量となるように吸入空気量を制御し、駆動力発生装置による駆動力の発生時又は発生停止時には実際の空燃比が目標空燃比となるように吸入空気量を制御するようにしている。
【０００８】
２番目の発明では１番目の発明において、機関排気通路内に空燃比センサを配置し、空燃比センサの出力信号から実際の空燃比が求められる。
３番目の発明では１番目の発明において、吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量と、燃料噴射量と、再循環排気ガス中の酸素濃度の影響による空燃比の修正量とに基づいて実際の空燃比が求められる。
【０００９】
４番目の発明では１番目の発明において、駆動力発生装置が電気モータからなり、電気モータは燃料噴射量の低下による機関出力トルクの減少量とほぼ等しい出力を発生する。
５番目の発明では１番目の発明において、内燃機関が、再循環排気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、再循環排気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からなり、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも再循環排気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再循環排気ガス量よりも再循環排気ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に切換える切換手段を具備し、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘ を吸収し流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比のときには吸収したＮＯｘ を放出するＮＯｘ 吸収剤を機関排気通路内に配置し、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第２の燃焼から第１の燃焼に切換えて内燃機関への燃料供給量を減少させると共に燃焼室内における空燃比をリッチ又は理論空燃比にしかつ駆動力発生手段に駆動力を発生させるようにしている。
【００１０】
６番目の発明では５番目の発明において、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リッチ又は理論空燃比にするようにしている。
７番目の発明では５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の燃焼が行われ、第２の運転領域では第２の燃焼が行われる。
【００１１】
８番目の発明では５番目の発明において、第１の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ５５パーセント以上であり、第２の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ５０パーセント以下である。
９番目の発明では５番目の発明において、機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置し、このパティキュレートフィルタとして、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられかつＮＯｘ 吸収剤の機能を有するパティキュレートフィルタを用いている。
【００１２】
１０番目の発明では９番目の発明において、パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を担持している。
１１番目の発明では１０番目の発明において、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤をパティキュレートフィルタ上に担持し、パティキュレートフィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素放出剤から活性酸素を放出させ、放出された活性酸素によってパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させるようにしている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１および図２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および図２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の入口部は吸気ダクト１７およびエアフローメータ１８を介してエアクリーナ１９に連結され、吸気ダクト１７内にはステップモータ２０により駆動されるスロットル弁２１が配置される。
【００１４】
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の出口部はパティキュレートフィルタ２４を内蔵したケーシング２５に連結される。ケーシング２５の出口部に連結された排気管２６とスロットル弁２１下流の吸気ダクト１７とはＥＧＲ通路２７を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２７内にはステップモータ２８により駆動されるＥＧＲ制御弁２９が配置される。また、ＥＧＲ通路２７内にはＥＧＲ通路２７内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ３０が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水がＥＧＲクーラ３０内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００１５】
一方、燃料噴射弁６は燃料供給管３１を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール３２に連結される。このコモンレール３２内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３３から燃料が供給され、コモンレール３２内に供給された燃料は各燃料供給管３１を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール３２にはコモンレール３２内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３４が取付けられ、燃料圧センサ３４の出力信号に基づいてコモンレール３２内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ３３の吐出量が制御される。
【００１６】
一方、図１に示される実施例では機関の出力軸に変速機３５が連結され、変速機３５の出力軸３６に電気モータ３７が連結される。この場合、変速機３５としては、クラッチを備えた通常の手動変速機の他、トルクコンバータを具えた通常の自動変速機、各種の無段変速機、或いはクラッチを具えた手動変速機におけるクラッチ操作および変速操作を自動的に行うようにした形式の自動変速機等を用いることができる。
【００１７】
また、変速機３５の出力軸３６に連結された電気モータ３７は機関の駆動力とは別個に駆動力を発生する駆動力発生装置を構成している。図１に示される実施例ではこの電気モータ３７は変速機３５の出力軸３６上に取付けられかつ外周面に複数個の永久磁石を取付けたロータ３８と、回転磁界を形成する励磁コイルを巻設したステータ３９とを具備した交流同期電動機からなる。ステータ３９の励磁コイルはモータ駆動制御回路４０に接続され、このモータ駆動制御回路４０は直流高電圧を発生するバッテリ４１に接続される。
【００１８】
電子制御ユニット５０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス５１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）５２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）５４、入力ポート５５および出力ポート５６を具備する。エアフローメータ１８および燃料圧センサ３４の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。排気マニホルド２２内および排気管２６内には夫々空燃比センサ４３ａ，４３ｂが配置され、これら空燃比センサ４３ａ，４３ｂの出力信号は夫々対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。また、入力ポート５５には変速機３５の変速比又は変速段、および出力軸３６の回転数等を表わす種々の信号が入力される。
【００１９】
一方、アクセルペダル４４にはアクセルペダル４４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４５が接続され、負荷センサ４５の出力電圧は対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。更に入力ポート５５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４６が接続される。一方、出力ポート５６は対応する駆動回路５８を介して燃料噴射弁６、ステップモータ２０、ＥＧＲ制御弁２８、燃料ポンプ３３、変速機３５、およびモータ駆動制御回路４０に接続される。
【００２０】
電気モータ３７のステータ３９の励磁コイルへの電力の供給は通常停止せしめられており、このときロータ３８は変速機３７の出力軸３６と共に回転している。一方、電気モータ３７を駆動せしめるときにはバッテリ４１の直流高電圧がモータ駆動制御回路４０において周波数がｆｍで電流値がＩｍの三相交流に変換され、この三相交流がステータ３９の励磁コイルに供給される。この周波数ｆｍは励磁コイルにより発生する回転磁界をロータ３８の回転に同期して回転させるのに必要な周波数であり、この周波数ｆｍは出力軸３６の回転数に基づいてＣＰＵ５４で算出される。モータ駆動制御回路４０ではこの周波数ｆｍが三相交流の周波数とされる。
【００２１】
一方、電気モータ３７の出力トルクは三相交流の電流値Ｉｍにほぼ比例する。この電流値Ｉｍは電気モータ３７の要求出力トルクに基づきＣＰＵ５４において算出され、モータ駆動制御回路４０ではこの電流値Ｉｍが三相交流の電流値とされる。
また、外力により電気モータ３７を駆動する状態にすると電気モータ３７は発電機として作動し、このとき発生した電力がバッテリ４１に回生される。外力により電気モータ３７を駆動すべきか否かはＣＰＵ５４において判断され、外力により電気モータ３７を駆動すべきであると判別されたときにはモータ制御回路４０により電気モータ３７に発生した電力バッテリ４１に回生されるように制御される。
【００２２】
図３に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。この実施例では機関の出力軸４７に電気モータ３７が連結され、電気モータ３７の出力軸に変速機３５が連結される。この実施では電気モータ３７のロータ３８は機関の出力軸４７上に取付けられており、従ってロータ３８は常時機関の出力軸４７と共に回転する。また、この実施例においても変速機３５としては、クラッチを備えた通常の手動変速機の他、トルクコンバータを具えた通常の自動変速機、各種の無段変速機、或いはクラッチを具えた手動変速機におけるクラッチ操作および変速操作を自動的に行うようにした形式の自動変速機等を用いることができる。
【００２３】
図４（Ａ）は要求トルクＴＱと、アクセルペダル４４の踏込み量Ｌと、機関回転数Ｎとの関係を示している。なお、図４（Ａ）において各曲線は等トルク曲線を表しており、ＴＱ＝０で示される曲線はトルクが零であることを示しており、残りの曲線はＴＱ＝ａ，ＴＱ＝ｂ，ＴＱ＝ｃ，ＴＱ＝ｄの順に次第に要求トルクが高くなる。図４（Ａ）に示される要求トルクＴＱは図４（Ｂ）に示されるようにアクセルペダル４４の踏込み量Ｌと機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されている。本発明による実施例では図４（Ｂ）に示すマップからアクセルペダル４４の踏込み量Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた要求トルクＴＱがまず初めに算出され、この要求トルクＴＱに基づいて燃料噴射量等が算出される。
【００２４】
さて、本発明における実施例では、機関負荷が比較的低いときには煤がほとんど発生しない低温燃焼を行わせるようにしており、従ってまず初めにこの煤がほとんど発生しない低温燃焼について説明する。
図５は機関低負荷運転時にスロットル弁２１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５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５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。
【００２５】
図５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。
【００２６】
図６（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６（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６（Ａ）と図６（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６（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図６（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【００２７】
図５および図６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５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６からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図６（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。
【００２８】
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５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燃料中に含まれる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５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。
【００２９】
図５および図６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、即ち煤がほとんど発生せず、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
図７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７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。
【００３７】
図７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が煤がほとんど発生しなくなる。一方、図７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。
【００３８】
また、図７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７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。
【００３９】
図８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８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、横軸は要求トルクを示している。
【００４０】
図８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８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８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８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８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８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、斯くして煤がほとんど発生しなくなる。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。
【００４１】
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８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ガス量は要求トルクが高くなるにつれて増大する必要がある。
【００４２】
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８において要求トルクがＬ０ よりも大きい領域では要求トルク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トルクがＬ０ 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トルクが高くなるにつれてＥＧＲ率が低下し、斯くして要求トルクがＬ０ 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。
【００４３】
ところが図１および図３に示されるようにＥＧＲ通路２７を介して過給機の入口側、即ち排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１６上流の吸気ダクト１７内にＥＧＲガスを再循環させると要求トルクがＬ０ 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、吸気ダクト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。
【００４４】
なお、この場合、要求トルクがＬ０ 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２９が全開せしめられ、スロットル弁２１が若干閉弁せしめられる。
前述したように図８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８に示される空気量よりも少くしても、即ち空燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつＮＯｘ の発生量を１０ｐ．ｐ．ｍ 前後又はそれ以下にすることができ、また空気量を図８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。
【００４５】
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はほとんどない。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における燃焼方法のもとでは燃焼温度が低い温度に抑制されているので煤はほとんど生成されない。更に、ＮＯｘ も極めて少量しか発生しない。
【００４６】
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ほとんど発生せず、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。
【００４７】
ところで燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制しうるのは燃焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限られる。従って本発明による実施例では機関中低負荷運転時には燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制して第１の燃焼、即ち低温燃焼を行うようにし、機関高負荷運転時には第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにしている。なお、ここで第１の燃焼、即ち低温燃焼とはこれまでの説明から明らかなように煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない燃焼のことを言い、第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少い燃焼のことを言う。
【００４８】
図９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９において縦軸ＴＱは要求トルクを示しており、横軸Ｎは機関回転数を示している。また、図９においてＸ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域ＩＩとの第１の境界を示しており、Ｙ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域ＩＩとの第２の境界を示している。第１の運転領域Ｉから第２の運転領域ＩＩへの運転領域の変化判断は第１の境界Ｘ（Ｎ）に基づいて行われ、第２の運転領域ＩＩから第１の運転領域Ｉへの運転領域の変化判断は第２の境界Ｙ（Ｎ）に基づいて行われる。
【００４９】
即ち、機関の運転状態が第１の運転領域Ｉにあって低温燃焼が行われているときに要求負荷Ｌが機関回転数Ｎの関数である第１の境界Ｘ（Ｎ）を越えると運転領域が第２の運転領域ＩＩに移ったと判断され、従来の燃焼方法による燃焼が行われる。次いで要求負荷Ｌが機関回転数Ｎの関数である第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなると運転領域が第１の運転領域Ｉに移ったと判断され、再び低温燃焼が行われる。
【００５０】
このように第１の境界Ｘ（Ｎ）と第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも低負荷側の第２の境界Ｙ（Ｎ）との二つの境界を設けたのは次の二つの理由による。第１の理由は、第２の運転領域ＩＩの高負荷側では比較的燃焼温度が高く、このとき要求トルクＴＱ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、要求トルクＴＱがかなり低くなったとき、即ち第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなったときでなければただちに低温燃焼が開始されないからである。第２の理由は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域ＩＩ間の運転領域の変化に対してヒステリシスを設けるためである。
【００５１】
次に図１０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１０は要求トルクＴＱに対するスロットル弁２１の開度、ＥＧＲ制御弁２９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１０に示されるように要求トルクＴＱの低い第１の運転領域Ｉではスロットル弁２１の開度は要求トルクＴＱ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２９の開度は要求トルクＴＱ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１０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。
【００５２】
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２１の開度およびＥＧＲ制御弁２９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は要求トルクＴＱ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。
【００５３】
なお、アイドリング運転時にはスロットル弁２１は全閉近くまで閉弁され、このときＥＧＲ制御弁２９も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁２１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２１が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【００５４】
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２１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１０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７）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。
【００５５】
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１０に示されるように噴射量がステップ状に低減せしめられる。この第２の運転領域ＩＩではスロットル弁２１は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁２９の開度は要求トルクＴＱ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率は要求トルクＴＱが高くなるほど低くなり、空燃比は要求トルクＴＱが高くなるほど小さくなる。ただし、空燃比は要求トルクＴＱ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が圧縮上死点付近とされている。
【００５６】
図１１は第１の運転領域Ｉにおける空燃比Ａ／Ｆを示している。図１１において、Ａ／Ｆ＝１５．５，Ａ／Ｆ＝１６，Ａ／Ｆ＝１７，Ａ／Ｆ＝１８で示される各曲線は夫々空燃比が１５．５，１６，１７，１８であるときを示しており、各曲線間の空燃比は比例配分により定められる。図１１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では要求トルクＴＱが低くなるほど空燃比Ａ／Ｆがリーンとされる。
【００５７】
即ち、要求トルクＴＱが低くなるほど燃焼による発熱量が少くなる。従って要求トルクＴＱ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１１に示されるように要求トルクＴＱが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。空燃比Ａ／Ｆが大きくなるほど燃料消費率は向上し、従ってできる限り空燃比をリーンにするために本発明による実施例では要求トルクＴＱが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。
【００５８】
第１の運転領域Ｉにおける噴射量Ｑは図１２（Ａ）に示されるように要求トルクＴＱ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、第１の運転領域Ｉにおける噴射開始時期θＳは図１２（Ｂ）に示されるように噴射量Ｑ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。
【００５９】
また、定常状態において空燃比を図１１に示す目標空燃比とするのに必要な目標吸入空気量ＧＡＯが図１３（Ａ）に示されるように噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されており、スロットル弁２１の開度は通常、エアフローメータ１８により検出された吸入空気量が目標吸入空気量ＧＡＯとなるように比例積分制御により増大減少せしめられる。
【００６０】
また、定常状態において空燃比を図１１に示す目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２９の目標開度ＳＥが図１３（Ｂ）に示されるように噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されており、ＥＧＲ制御弁２９の開度は通常、比例積分制御によって目標開度ＳＥに制御される。
【００６１】
図１４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１４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。
第２の燃焼が行われるときの噴射量Ｑは図１５（Ａ）に示されるように要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されており、第２の燃焼が行われるときの噴射開始時期θＳは図１５（Ｂ）に示されるように噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されている。
【００６２】
また、定常状態において空燃比を図１４に示す目標空燃比とするのに必要な目標吸入空気量ＧＡＯが図１６（Ａ）に示されるように噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されており、スロットル弁２１の開度は通常、エアフローメータ１８により検出された吸入空気量が目標吸入空気量ＧＡＯとなるように比例積分制御により増大減少せしめられる。
【００６３】
また、定常状態において空燃比を図１４に示す目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２９の目標開度ＳＥが図１６（Ｂ）に示されるように噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されており、ＥＧＲ制御弁２９の開度は通常、比例積分制御によって目標開度ＳＥに制御される。
【００６４】
次に図１および図３においてケーシング２５内に収容されているパティキュレートフィルタ２４の構造について図１７を参照しつつ説明する。なお、図１７において（Ａ）はパティキュレートフィルタ２４の正面図を示しており、（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２４の側面断面図を示している。図１７（Ａ）および（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ２４はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路６０，６１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓６２により閉塞された排気ガス流入通路６０と、上流端が栓６３により閉塞された排気ガス流出通路６１とにより構成される。なお、図１７（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓６３を示している。従って排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は薄肉の隔壁６４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は各排気ガス流入通路６０が４つの排気ガス流出通路６１によって包囲され、各排気ガス流出通路６１が４つの排気ガス流入通路６０によって包囲されるように配置される。
【００６５】
パティキュレートフィルタ２４は例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路６０内に流入した排気ガスは図１７（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁６４内を通って隣接する排気ガス流出通路６１内に流出する。
本発明による実施例では各排気ガス流入通路６０および各排気ガス流出通路６１の周壁面、即ち各隔壁６４の両側表面上および隔壁６４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒、および周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤が担持されている。
【００６６】
この場合、本発明による実施例では貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられており、活性酸素放出剤としてカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒのようなアルカリ土類金属、ランタンＬａ、イットリウムＹ、セリウムＣｅのような希土類、および遷移金属から選ばれた少くとも一つが用いられている。
【００６７】
なお、この場合活性酸素放出剤としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましい。
次にパティキュレートフィルタ２４による排気ガス中の微粒子除去作用について担体上に白金ＰｔおよびカリウムＫ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、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属を用いても同様な微粒子除去作用が行われる。
【００６８】
図１および図３に示されるような圧縮着火式内燃機関では空気過剰のもとで燃焼が行われ、従って排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。即ち、吸気通路、燃焼室５および排気通路内に供給された空気と燃料との比を排気ガスの空燃比と称すると図１および図３に示されるような圧縮着火式内燃機関では排気ガスの空燃比はリーンとなっている。また、燃焼室５内ではＮＯが発生するので排気ガス中にはＮＯが含まれている。また、燃料中にはイオウＳが含まれており、このイオウＳは燃焼室５内で酸素と反応してＳＯ２ となる。従って排気ガス中にはＳＯ２ が含まれている。従って過剰酸素、ＮＯおよびＳＯ２ を含んだ排気ガスがパティキュレートフィルタ２４の排気ガス流入通路６０内に流入することになる。
【００６９】
図１８（Ａ）および（Ｂ）は排気ガス流入通路６０の内周面および隔壁６４内の細孔内壁面上に形成された担体層の表面の拡大図を模式的に表わしている。なお、図１８（Ａ）および（Ｂ）において７０は白金Ｐｔの粒子を示しており、７１はカリウムＫを含んでいる活性酸素放出剤を示している。
上述したように排気ガス中には多量の過剰酸素が含まれているので排気ガスがパティキュレートフィルタ２４の排気ガス流入通路６０内に流入すると図１８（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、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上で酸化されつつ活性酸素放出剤７１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら図１８（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３ − の形で活性酸素放出剤７１内に拡散し、一部の硝酸イオンＮＯ３ − は硝酸カリウムＫＮＯ３ を生成する。
【００７０】
一方、上述したように排気ガス中にはＳＯ２ も含まれており、このＳＯ２ もＮＯと同様なメカニズムによって活性酸素放出剤７１内に吸収される。即ち、上述したように酸素Ｏ２ がＯ２ − 又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、排気ガス中のＳＯ２ は白金Ｐｔの表面でＯ２ − 又はＯ２−と反応してＳＯ３ となる。次いで生成されたＳＯ３ の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ活性酸素放出剤７１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら硫酸イオンＳＯ４ ２−の形で活性酸素放出剤７１内に拡散し、硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ を生成する。このようにして活性酸素放出触媒７１内には硝酸カリウムＫＮＯ３ および硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ が生成される。
【００７１】
一方、燃焼室５内においては主にカーボンＣからなる微粒子、即ち煤が生成され、従って排気ガス中にはこれら微粒子が含まれている。ただし、前述したように低温燃焼が行われているときには排気ガス中の微粒子量は極めて少量となる。いずれにしても排気ガス中に含まれているこれら微粒子は排気ガスがパティキュレートフィルタ２４の排気ガス流入通路６０内を流れているときに、或いは排気ガス流入通路６０から排気ガス流出通路６１に向かうときに図１８（Ｂ）において７２で示されるように担体層の表面、例えば活性酸素放出剤７１の表面上に接触し、付着する。
【００７２】
このように微粒子７２が活性酸素放出剤７１の表面上に付着すると微粒子７２と活性酸素放出剤７１との接触面では酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素放出剤７１内との間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出剤７１内の酸素が微粒子７２と活性酸素放出剤７１との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素放出剤７１内に形成されている硝酸カリウムＫＮＯ３ がカリウムＫと酸素ＯとＮＯとに分解され、酸素Ｏが微粒子７２と活性酸素放出剤７１との接触面に向かい、ＮＯが活性酸素放出剤７１から外部に放出される。外部に放出されたＮＯは下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤７１内に吸収される。
【００７３】
一方、このとき活性酸素放出剤７１内に形成されている硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ もカリウムＫと酸素ＯとＳＯ２ とに分解され、酸素Ｏが微粒子７２と活性酸素放出剤７１との接触面に向かい、ＳＯ２ が活性酸素放出剤７１から外部に放出される。外部に放出されたＳＯ２ は下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤７１内に吸収される。
【００７４】
一方、微粒子７２と活性酸素放出剤７１との接触面に向かう酸素Ｏは硝酸カリウムＫＮＯ３ や硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ のような化合物から分解された酸素である。化合物から分解された酸素Ｏは高いエネルギを有しており、極めて高い活性を有する。従って微粒子７２と活性酸素放出剤７１との接触面に向かう酸素は活性酸素Ｏとなっている。これら活性酸素Ｏが微粒子７２に接触すると微粒子７２は短時間のうちに輝炎を発することなく酸化せしめられ、微粒子７２は完全に消滅する。従って微粒子７２はパティキュレートフィルタ２４上に堆積することがない。なお、このようにパティキュレートフィルタ２４上に付着した微粒子７２は活性酸素Ｏによって酸化せしめられるがこれら微粒子７２は排気ガス中の酸素によっても酸化せしめられる。
【００７５】
パティキュレートフィルタ２４上に積層状に堆積した微粒子が燃焼せしめられるときにはパティキュレートフィルタ２４が赤熱し、火炎を伴って燃焼する。このような火炎を伴う燃焼は高温でないと持続せず、従ってこのような火炎を伴なう燃焼を持続させるためにはパティキュレートフィルタ２４の温度を高温に維持しなければならない。
【００７６】
これに対して本発明による実施例では微粒子７２は上述したように輝炎を発することなく酸化せしめられ、このときパティキュレートフィルタ２４の表面が赤熱することもない。即ち、云い換えると本発明による実施例ではかなり低い温度でもって微粒子７２が酸化除去せしめられている。従って本発明の実施例における輝炎を発しない微粒子７２の酸化による微粒子除去作用は、火炎を伴う燃焼による微粒子除去作用と全く異なっている。
【００７７】
ところで白金Ｐｔおよび活性酸素放出剤７１はパティキュレートフィルタ２４の温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出剤７１が放出しうる活性酸素Ｏの量はパティキュレートフィルタ２４の温度が高くなるほど増大する。従ってパティキュレートフィルタ２４上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量はパティキュレートフィルタ２４の温度が高くなるほど増大する。
【００７８】
図２０の実線は単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Ｇを示している。なお、図２０において横軸はパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦを示している。単位時間当りに燃焼室５から排出される微粒子の量を排出微粒子量Ｍと称するとこの排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子Ｇよりも少ないとき、即ち図２０の領域Ｉでは燃焼室５から排出された全ての微粒子がパティキュレートフィルタ２４に接触するや否や短時間のうちにパティキュレートフィルタ２４上において輝炎を発することなく酸化除去せしめられる。
【００７９】
これに対し、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多いとき、即ち図２０の領域ＩＩでは全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している。図１９（Ａ）〜（Ｃ）はこのような場合の微粒子の酸化の様子を示している。
即ち、全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している場合には図１９（Ａ）に示すように微粒子７２が活性酸素放出剤７１上に付着すると微粒子７２の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留する。次いで活性酸素量が不足している状態が継続すると次から次へと酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留し、その結果図１９（Ｂ）に示されるように担体層の表面が残留微粒子部分７３によって覆われるようになる。
【００８０】
担体層の表面を覆うこの残留微粒子部分７３は次第に酸化されにくいカーボン質に変質し、斯くしてこの残留微粒子部分７３はそのまま残留しやすくなる。また、担体層の表面が残留微粒子部分７３によって覆われると白金ＰｔによるＮＯ，ＳＯ２ の酸化作用および活性酸素放出剤７１による活性酸素の放出作用が抑制される。その結果、図１９（Ｃ）に示されるように残留微粒子部分７３の上に別の微粒子７４が次から次へと堆積する。即ち、微粒子が積層状に堆積することになる。このように微粒子が積層状に堆積するとこれら微粒子は白金Ｐｔや活性酸素放出剤７１から距離を隔てているためにたとえ酸化されやすい微粒子であってももはや活性酸素Ｏによって酸化されることがなく、従ってこの微粒子７４上に更に別の微粒子が次から次へと堆積する。即ち、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多い状態が継続するとパティキュレートフィルタ２４上には微粒子が積層状に堆積し、斯くして排気ガス温を高温にするか、或いはパティキュレートフィルタ２４の温度を高温にしない限り、堆積した微粒子を着火燃焼させることができなくなる。
【００８１】
このように図２０の領域Ｉでは微粒子はパティキュレートフィルタ２４上において輝炎を発することなく短時間のうちに酸化せしめられ、図２０の領域ＩＩでは微粒子がパティキュレートフィルタ２４上に積層状に堆積する。従って微粒子がパティキュレートフィルタ２４上に積層状に堆積しないようにするためには排出微粒子量Ｍを常時酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少くしておく必要がある。
【００８２】
図２０からわかるように本発明の実施例で用いられているパティキュレートフィルタ２４ではパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦがかなり低くても微粒子を酸化させることが可能であり、従って図１および図３に示す圧縮着火式内燃機関において排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦを排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも通常少なくなるように維持することが可能である。従って本発明による実施例においては排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦを排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも通常少なくなるように維持するようにしている。
【００８３】
このように排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも通常少なくなるように維持するとパティキュレートフィルタ２４上に微粒子が全く堆積しなくなる。その結果、パティキュレートフィルタ２４における排気ガス流の圧損は全くと言っていいほど変化することなくほぼ一定の最小圧損値に維持される。斯くして機関の出力低下を最小限に維持することができる。
【００８４】
また、微粒子の酸化による微粒子除去作用はかなり低温でもって行われる。従ってパティキュレートフィルタ２４の温度はさほど上昇せず、斯くしてパティキュレートフィルタ２４が劣化する危険性はほとんどない。また、パティキュレートフィルタ２４上に微粒子が全く堆積しないのでアッシュが凝集する危険性が少なく、従ってパティキュレートフィルタ２４が目詰まりする危険性が少なくなる。
【００８５】
ところでこの目詰まりは主に硫酸カルシウムＣａＳＯ４ によって生ずる。即ち、燃料や潤滑油はカルシウムＣａを含んでおり、従って排気ガス中にカルシウムＣａが含まれている。このカルシウムＣａはＳＯ３ が存在すると硫酸カルシウムＣａＳＯ４ を生成する。この硫酸カルシウムＣａＳＯ４ は固体であって高温になっても熱分解しない。従って硫酸カルシウムＣａＳＯ４ が生成され、この硫酸カルシウムＣａＳＯ４ によってパティキュレートフィルタ２４の細孔が閉塞されると目詰まりを生ずることになる。
【００８６】
しかしながらこの場合、活性酸素放出剤７１としてカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、例えばカリウムＫを用いると活性酸素放出剤７１内に拡散するＳＯ３ はカリウムＫと結合して硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ を形成し、カルシウムＣａはＳＯ３ と結合することなくパティキュレートフィルタ２４の隔壁６４を通過して排気ガス流出通路６１内に流出する。従ってパティキュレートフィルタ２４の細孔が目詰まりすることがなくなる。従って前述したように活性酸素放出剤７１としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましいことになる。
【００８７】
さて、本発明による実施例では基本的に全ての運転状態において排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるように維持することを意図している。しかしながら実際には全ての運転状態において排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少くすることはほとんど不可能である。例えば機関始動時には通常パティキュレートフィルタ２４の温度は低く、従ってこのときには通常排出微粒子量Ｍの方が酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなる。従って本発明による実施例では機関始動直後のような特別の場合を除いて通常継続的に排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるようにしている。
【００８８】
なお、機関始動直後におけるように排出微粒子量Ｍの方が酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなるとパティキュレートフィルタ２４上に酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめる。しかしながらこのように酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめているときに、即ち微粒子が一定限度以下しか堆積していないときに排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少くなるとこの残留微粒子部分は活性酸素Ｏによって輝炎を発することなく酸化除去される。従って本発明による実施例では機関始動直後のような特別の運転状態のときには、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇより少なくなったときに酸化除去しうる一定限度以下の量の微粒子しかパティキュレートフィルタ２４上に積層しないように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦが維持される。
【００８９】
また、このように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦを維持するようにしていたとしても何らかの理由によりパティキュレートフィルタ２４上に微粒子が積層状に堆積する場合がある。このような場合であっても排気ガスの一部又は全体の空燃比が一時的にリッチにされるとパティキュレートフィルタ２４上に堆積した微粒子は輝炎を発することなく酸化せしめられる。即ち、排気ガスの空燃比がリッチにされると、即ち排気ガス中の酸素濃度が低下せしめられると活性酸素放出剤７１から外部に活性酸素Ｏが一気に放出され、これら一気に放出された活性酸素Ｏによって堆積した微粒子が輝炎を発することなく一気に短時間で酸化除去せしめられる。
【００９０】
さて、前述したように本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ２４の各隔壁６４の両側面上および隔壁６４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒および活性酸素放出剤が担持されている。更に本発明による実施例ではこの担体上に貴金属触媒、およびパティキュレートフィルタ２４に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 を吸収しパティキュレートフィルタ２４に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 吸収剤が担持されている。
【００９１】
本発明による実施例ではこの貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯｘ 吸収剤としてカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒ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が用いられている。なお、前述した活性酸素放出剤を構成する金属と比較すればわかるようにＮＯｘ 吸収剤を構成する金属と、活性酸素放出剤を構成する金属とは大部分が一致している。
【００９２】
この場合、ＮＯｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として夫々異なる金属を用いることもできるし、同一の金属を用いることもできる。ＮＯｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として同一の金属を用いた場合にはＮＯｘ 吸収剤としての機能と活性酸素放出剤としての機能との双方の機能を同時に果すことになる。
次に貴金属触媒として白金Ｐｔを用い、ＮＯｘ 吸収剤としてカリウムＫを用いた場合を例にとってＮＯｘ の吸放出作用について説明する。
【００９３】
まず初めにＮＯｘ の吸収作用について検討するとＮＯｘ は図１８（Ａ）に示すメカニズムと同じメカニズムでもってＮＯｘ 吸収剤に吸収される。ただし、この場合図１８（Ａ）において符号７１はＮＯｘ 吸収剤を示す。
即ち、パティキュレートフィルタ２４に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多量の過剰酸素が含まれているので排気ガスがパティキュレートフィルタ２４の排気ガス流入通路６０内に流入すると図１８（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、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ＮＯｘ 吸収剤７１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら図１８（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３ − の形でＮＯｘ 吸収剤７１内に拡散し、一部の硝酸イオンＮＯ３ − は硝酸カリウムＫＮＯ３ を生成する。このようにしてＮＯがＮＯｘ 吸収剤７１内に吸収される。
【００９４】
一方、パティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガスがリッチになると硝酸イオンＮＯ３ − は酸素とＯとＮＯに分解され、次から次へとＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯが放出される。従ってパティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると短時間のうちにＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯが放出され、しかもこの放出されたＮＯが還元されるために大気中にＮＯが排出されることはない。
【００９５】
なお、この場合、パティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしてもＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯが放出される。しかしながらこの場合にはＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯが徐々にしか放出されないためにＮＯｘ 吸収剤７１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。
ところで前述したようにＮＯｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として夫々異なる金属を用いることができる。しかしながら本発明による実施例ではＮＯｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として同一の金属を用いている。この場合には前述したようにＮＯｘ 吸収剤としての機能と活性酸素放出剤としての機能との双方の機能を同時に果すことになり、このように双方の機能を同時に果すものを以下、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤と称する。従って本発明による実施例では図１８（Ａ）における符号７１は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤を示している。
【００９６】
このような活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１を用いた場合、パティキュレートフィルタ２４に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は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１に吸収され、排気ガス中に含まれる微粒子が活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１に付着するとこの微粒子は排気ガス中に含まれる活性酸素および活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１から放出される活性酸素によって短時間のうちに酸化除去せしめられる。従ってこのとき排気ガス中の微粒子およびＮＯｘ の双方が大気中に排出されるのを阻止することができることになる。
【００９７】
一方、パティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯが放出される。このＮＯは未燃ＨＣ，ＣＯにより還元され、斯くしてこのときにもＮＯが大気中に排出されることがない。また、このときパティキュレートフィルタ２４上に微粒子が堆積していた場合にはこの微粒子は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１から放出される活性酸素によって酸化除去せしめられる。
【００９８】
ところで図２０を参照しつつ既に説明したように活性酸素放出剤７１からの活性酸素の放出作用はパティキュレートフィルタ２４の温度がかなり低いときから開始される。これは活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１を用いたときでも同じである。これに対してＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１へのＮＯｘ の吸収作用はパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦが活性酸素の放出開始温度よりも高くならないと開始されない。これは、活性酸素の放出は例えば硝酸カリウムＫＮＯ３ から酸素を奪えれば生ずるのに対してＮＯｘ の吸収作用は白金Ｐｔが活性化しないと開始されないからであると考えられる。
【００９９】
図２１はＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１としてカリウムＫを用いた場合の酸化除去可能微粒子量ＧとＮＯｘ 吸収率とを示している。図２１から活性酸素の放出作用はパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦが２００℃以下から開始されるのに対してＮＯｘ の吸収作用はパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦが２００℃以上にならないと開始されないことがわかる。
【０１００】
一方、活性酸素の放出作用はパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦが高くなれば高くなるほど活発になる。これに対してＮＯｘ の吸収作用はパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦが高くなると消失する。即ち、パティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦが一定温度、図２１に示す例ではほぼ５００℃を越えると硝酸イオンＮＯ３ − 又は硝酸カリウムＫＮＯ３ が熱分解し、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯが放出される。このような状態になるとＮＯｘ の吸収量よりもＮＯの放出量が多くなり、斯くして図２１に示されるようにＮＯｘ 吸収率が低下する。
【０１０１】
図２１はＮＯＸ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１としてカリウムＫを用いた場合のＮＯｘ 吸収率を示している。この場合、用いる金属によってＮＯｘ 吸収率の高くなるパティキュレートフィルタ２４の温度範囲は異なる。例えばＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１としてバリウムＢａを用いた場合にはＮＯｘ 吸収率の高くなるパティキュレートフィルタ２４の温度範囲は図２１に示されるカリウムＫを用いた場合よりも狭くなる。
【０１０２】
ところで前述したように排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ２４上において堆積することなく酸化除去せしめるためには排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくする必要がある。しかしながら単に排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇより少くしただけではＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１によるＮＯｘ 吸収作用は行われず、ＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１によるＮＯｘ の吸収作用を確保するにはパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦをＮＯｘ の吸収作用が行われる温度範囲内に維持する必要がある。この場合、ＮＯｘ 吸収作用が行われるパティキュレートフィルタ２４の温度範囲はＮＯｘ 吸収率が一定値以上、例えば５０パーセント以上となる温度範囲とする必要があり、従ってＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１としてカリウムＫを用いた場合には図２１からわかるようにパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦをほぼ２５０℃から５００℃の間に維持する必要がある。
【０１０３】
従って、本発明による実施例では排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ２４上において堆積することなく酸化除去せしめ、かつ排気ガス中のＮＯｘ を吸収するために、通常は継続的に排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるように維持しかつパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦをパティキュレートフィルタ２４のＮＯｘ 吸収率が一定値以上となる温度範囲内に維持するようにしている。即ち、排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦを図２１のハッチングで示す微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内に維持するようにしている。
【０１０４】
なお、このように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２４の温度を微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内に維持するようにしておいても排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２４の温度が微粒子ＮＯｘ 同時処理領域外にずれてしまう場合がある。このような場合、本発明による実施例では排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２４の温度が微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内となるように排出微粒子量Ｍ、酸化除去可能微粒子量Ｇ又はパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦの少くとも一つが制御される。
【０１０５】
ところで前述したように機関の運転状態が図９に示される第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。しかしながら上述したようにパティキュレートフィルタ２４上には酸化機能を有する白金Ｐｔのような貴金属が担持されており、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パティキュレートフィルタ２４上において良好に酸化せしめられることになる。また、このとき発生する極めて少量の煤もパティキュレートフィルタ２４上において酸化除去せしめられる。
【０１０６】
一方、ＮＯｘ 吸収剤７１又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤７１（以下これらを総称して単にＮＯｘ 吸収剤７１と称する）のＮＯｘ 吸収能力には限度があり、ＮＯｘ 吸収剤７１のＮＯｘ 吸収能力が飽和する前にＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯｘ を放出させる必要がある。そのためにはＮＯｘ 吸収剤７１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を要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図２２（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を要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図２２（Ｂ）に示すようなマップの形で予め定めておき、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７１に吸収されているＮＯｘ 量ΣＮＯＸを推定するようにしている。
【０１０７】
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７１からＮＯｘ を放出させるようにしている。次にこのことについて図２３を参照しつつ説明する。
図２３は要求トルクＴＱと、燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆと、ＮＯｘ 吸収量ΣＮＯＸを示している。図２３を参照すると前述したように第１の運転領域Ｉでは第１の燃焼が行われており、このとき燃焼室５内における空燃比はわずかばかりリーンとなっている。このときにはＮＯｘ の発生量が極めて少なく、従ってＮＯｘ 吸収量ΣＮＯＸはわずかずつ増大していく。
【０１０８】
次いで第１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を越えたとすると図２３に示されるように燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆが一時的にリッチにされる。本発明による実施例ではこのとき燃料噴射量を増大することによって燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆが一時的にリッチにされる。燃焼室５内における空燃比Ａ／ＦがリッチにされるとＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯｘ が放出される。前述したように第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われているときには燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆをリッチにしても煤が発生せず、従って煤が発生することなく、ＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯｘ を放出することができることになる。
【０１０９】
次いで図２３に示されるように要求トルクＴＱが第１の境界Ｘ（Ｎ）を越え、機関の運転状態が第２の運転状態ＩＩになると第２の燃焼、即ち従来より行われている通常の燃焼が行われる。第２の燃焼においてはＮＯｘ の発生量が多く、従って第２の燃焼が開始されるとＮＯｘ 量ΣＮＯＸは急速に増大する。次いで第２の燃焼が行われているときにＮＯｘ 量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えると燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆがリッチとされる。しかしながらこのとき燃料噴射量を増量することによって燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆをリッチにすると多量の煤が発生してしまう。
【０１１０】
そこで本発明による実施例では第２の燃焼が行われたときにＮＯｘ 吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えたときには第２の燃焼から第１の燃焼に切換え、第１の燃焼のもとで燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆをリッチにするようにしている。前述したように第１の燃焼のもとで燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆをリッチにすれば煤が発生することがなく、従って第２の燃焼が行われているときであっても煤が発生することなくＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯｘ を放出できることになる。
【０１１１】
ところで第２の燃焼から第１の燃焼に切換えるためには燃料噴射量を大巾に減少させなければならず、燃料噴射量を大巾に減少させると機関の出力トルクが大巾に減少する。そこで本発明による実施例では第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられたときには電気モータ３７を駆動して噴射量の低減による機関の出力トルクの低下量とほぼ等しい出力トルクを電気モータ３７により発生させるようにしている。
【０１１２】
ところがこのように噴射量の低減による機関出力トルクの低下量とほぼ等しい出力トルクを単に電気モータ３７により発生させるようにしても駆動輪に加わる駆動トルクが変動するという問題がある。次にこのことについて図２４を参照しつつ説明する。
図２４は、通常の燃焼が行われているときにＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯｘ を放出するための低温燃焼への切換指令がＸにおいて発せられ、ＮＯｘ 吸収剤７１からのＮＯｘ の放出作用が完了したときに通常の燃焼への切換指令がＹにおいて発せられた場合を示している。図２４からわかるように低温燃焼への切換指令Ｘが発せられると燃料噴射量はただちに減少せしめられ、噴射量の減少による機関出力トルクの低下量とほぼ等しい出力トルクＴｍを電気モータが発生する。このとき噴射時期は徐々に進角される。
【０１１３】
一方、低温燃焼への切換指令Ｘが発せられるとＥＧＲ率を５５パーセント以上の目標ＥＧＲ率、例えば７０パーセントとし、空燃比を目標リッチ空燃比とするためにスロットル弁２１の開度は減少せしめられ、ＥＧＲ制御弁２９の開度が増大せしめられる。ただし、切換指令Ｘが発せられたときにそのときの通常燃焼の状態によってはＥＧＲ制御弁２９の開度が減少せしめられる場合もある。
【０１１４】
ところで低温燃焼が行われているとき、或いは通常の燃焼が行われているときに運転状態が変化すると目標空燃比および目標ＥＧＲ率が変化し、このとき空燃比およびＥＧＲ率がただちに目標空燃比および目標ＥＧＲ率に一致するようにスロットル弁２１の開度およびＥＧＲ制御弁２９の開度を急激に変化させると空燃比およびＥＧＲ率が変動し、燃焼が悪化すると共に機関の出力トルクが変動する。即ち、目標空燃比および目標ＥＧＲ率が変化したときにはスロットル弁２１の開度およびＥＧＲ制御弁２９の開度をゆっくり変化させる必要がある。
【０１１５】
そこで本発明による実施例では空燃比を目標空燃比とするのに必要な目標吸入空気量ＧＡＯを予め記憶しておいてエアフローメータ１８により検出された吸入空気量がこの目標吸入空気量ＧＡＯとなるようにスロットル弁２１の開度、即ち吸入空気量を比例積分制御により増大減少せしめ、ＥＧＲ制御弁２９の目標開度ＳＥを予め記憶しておいてＥＧＲ制御弁２９の開度を比例積分制御によって目標開度ＳＥに制御するようにしている。このようにスロットル弁２１の開度およびＥＧＲ制御弁２９の開度を制御すると目標空燃比および目標ＥＧＲ率が変化したときにスロットル弁２１およびＥＧＲ制御弁２９の開度はゆっくりと変化し、斯くして燃焼が悪化することもなく、機関の出力トルクが変動することもなくなる。
【０１１６】
しかしながら低温燃焼への切換指令Ｘが発せられたとき、および通常の燃焼への切換指令Ｙが発せられたときに上述の如く吸入空気量が目標吸入空気量ＧＡＯとなるようにスロットル弁２１の開度、即ち吸入空気量を比例積分制御により増大減少せしめると低温燃焼への切換時および通常燃焼への切換時に駆動輪の駆動トルクが変動するという問題がある。図２４はこのような場合を示している。
【０１１７】
即ち、今通常の燃焼が行われているとすると燃焼室５内における空燃比は大巾にリーンになっており、従って燃焼室５から排出された排気ガス中には多量の酸素が存在する。従ってこのときにはサージタンク１２内に供給されるＥＧＲガス中にも多量の酸素が含まれており、従ってＥＧＲガス中の酸素濃度はかなり高くなっている。
【０１１８】
次いで低温燃焼への切換指令Ｘが発せられると空燃比を目標リッチ空燃比とすべく目標吸入空気量ＧＡＯが小さくなり、斯くして図２４に示されるようにスロットル弁２１の開度は徐々に小さくなる。一方、スロットル弁２１の開度が小さくなるとサージタンク１２内の圧力が低下するのでＥＧＲガス量が増大する。ところがこのとき上述した如くＥＧＲガス中には多量の酸素が含まれているためにスロットル弁２１の開度が小さくなっても燃焼室５内に供給される酸素量はスロットル弁２１の開度の低下に追従して減少しなくなる。
【０１１９】
このように低温燃焼への切換時には燃料噴射量が減少せしめられても燃焼室５内に供給される酸素量がただちに減少しないので燃焼室５内における空燃比はリーンに維持される。特に低温燃焼への切換時にＥＧＲ率が７０パーセント程度まで増大せしめられた場合にはＥＧＲガス中の酸素量が燃焼室５内の空燃比を左右するようになるのでこのときには図２４に示されるように燃焼室５内の空燃比はかなりリーンとなる。
【０１２０】
ところで燃焼室５から排出された排気ガスは機関が数回転しないとＥＧＲガスとしてサージタンク１２内に供給されないので低温燃焼への切換後暫らくの間はＥＧＲガス中の酸素濃度が高くなっている。従って空燃比はなかなか目標リッチ空燃比とはならず、暫らくの間リーンの状態に維持される。空燃比がリーンに維持されていると燃料粒子周りの酸素量が多くなるために燃焼が活発となり、斯くして機関の出力トルクが増大する。その結果、図２４に示されるように低温燃焼への切換時に駆動輪の駆動トルクが一時的に高くなる。
【０１２１】
一方、通常燃焼への切換指令Ｙが発せられたときにはスロットル弁１９が徐々にしか増大しないために吸入空気量がなかなか増大せず、またこのときにはＥＧＲガス中の酸素濃度が低くなっているので燃焼室５内の空燃比はなかなか増大しない。従って通常燃焼への切換時には機関の出力トルクが即座に増大しないために図２４に示されるように駆動輪の駆動トルクが一時的に低くなる。
【０１２２】
このように低温燃焼への切換指令Ｘが発せられたとき、および通常の燃焼への切換指令Ｙが発せられたときに吸入空気量が目標吸入空気量ＧＡＯとなるようにスロットル弁２１の開度を比例積分制御により増大減少せしめると低温燃焼への切換時および通常燃焼への切換時に空燃比がなかなか目標空燃比とはならず、斯くして駆動輪の駆動トルクが変動するという問題を生ずる。
【０１２３】
そこで本発明ではこのような問題が生じないようにするために低温燃焼への切換指令Ｘが発せられたとき、および通常の燃焼への切換指令Ｙが発せられたときには実際の空燃比が目標空燃比となるようにスロットル弁２１の開度が比例積分制御される。この場合のスロットル弁２１の開度等の変化が図２５に示されている。なお、第１実施例においては実際の空燃比は排気マニホルド２２内に配置された空燃比センサ４３ａによって検出される。
【０１２４】
図２５に示されるように本発明においてもＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯｘ を放出すべく低温燃焼への切換指令Ｘが発せられると燃料噴射量はただちに減少せしめられ、噴射量の減少による機関出力トルクの低下量とほぼ等しい出力トルクＴｍを電気モータが発生する。一方、このときＥＧＲガス中には多量の酸素が含まれているので空燃比が大きくなる。しかしながらこのように空燃比が大きくなっても本発明では空燃比が目標リッチ空燃比となるようにスロットル弁２１の開度が減少せしめられるので図２５に示されるように空燃比は急速に目標リッチ空燃比に一致せしめられる。
【０１２５】
低温燃焼への切換指令Ｘが発せられてから暫らくの間はＥＧＲガス中の酸素濃度が高いので空燃比を目標リッチ空燃比に維持するのに必要な吸入空気量はかなり少量で十分である。従って低温燃焼への切換指令Ｘが発せられてスロットル弁２１の開度が急速に減少せしめられた後暫らくの間はスロットル弁２１の開度は一旦かなり小さくなり、ＥＧＲガス中の酸素濃度が低くなるとスロットル弁２１の開度が増大する。即ち、低温燃焼に切換えられるとスロットル弁２１の開度は図２５に示されるようにオーバーシュートすることになる。
【０１２６】
空燃比が目標リッチ空燃比となるようにスロットル弁２１の開度を制御すると図２５に示されるように低温燃焼への切換時に空燃比はさほど大きなリーン空燃比とはならず、また空燃比がリーンとなっている時間が短かくなる。従って図２５に示されるように駆動輪の駆動トルクの変動がかなり小さくなる。
なお、本発明による実施例では低温燃焼への切換指令Ｘが発せられたときにできる限り早く低温燃焼に切換えるためにＥＧＲ制御弁２９の開度は低温燃焼への切換指令Ｘが発せられるや否やただちに目標開度ＳＥとされ、また図２５に示されるように噴射時期は図２４に示される低温燃焼時又は通常燃焼時に比べて急速に目標時期まで進角される。
【０１２７】
一方、通常燃焼への切換指令Ｙが発せられたときにも空燃比が目標空燃比となるようにスロットル弁２１の開度が増大せしめられ、ＥＧＲ制御弁２９の開度はただちに目標開度ＳＥとされ、噴射時期は図２４に示される低温燃焼時又は通常燃焼時に比べて急速に目標時期まで遅角される。このときにも空燃比はリッチ空燃比から目標空燃比まで急速に増大するので図２５に示されるように駆動輪の駆動トルクの変動が小さくなる。
【０１２８】
図２６はＮＯｘ 吸収剤７１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２６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２２（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１０２ではＮＯｘ 吸収量ΣＮＯＸにＡが加算される。次いでステップ１０３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１０４に進んでＮＯｘ 放出フラグがセットされ、次いでステップ１０５においてΣＮＯＸが零とされる。
【０１２９】
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２２（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１０７ではＮＯｘ 吸収量ΣＮＯＸにＢが加算される。次いでステップ１０８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１０９に進んでＮＯｘ 放出フラグがセットされ、次いでステップ１１０においてΣＮＯＸが零とされる。
【０１３０】
次に図２７および図２８を参照しつつ運転制御について説明する。
図２７および図２８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に進んで要求トルクＴＱが図９に示す第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも大きくなったか否かが判別される。
【０１３１】
ＴＱ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ２０３に進んで図１３（Ａ）に示すマップから算出された目標吸入空気量ＧＡＯおよびエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡに基づいて次式からスロットル弁２１の開度Ｔｅが算出される。
Ｔｅ←Ｔｅ＋Ｋ１（ＧＡＯ−ＧＡ）
ここでＫ１は定数である。即ち、スロットル弁２１の開度Ｔｅはエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡが目標吸入空気量ＧＡＯとなるように比例積分制御によって開閉制御される。
【０１３２】
次いでステップ２０４では図１３（Ｂ）に示すマップから算出されたＥＧＲ制御弁２９の目標開度ＳＥに基づいて次式からＥＧＲ制御弁２９の開度Ｓｅが算出される。
Ｓｅ←Ｓｅ＋Ｋ２（ＳＥ−Ｓｅ）
ここでＫ２は定数である。即ち、ＥＧＲ制御弁２９の開度ＳｅはＥＧＲ制御弁２９の開度Ｓｅが目標開度ＳＥとなるように比例積分制御される。
【０１３３】
次いでステップ２０５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２０６に進んで図１２（Ａ）および（Ｂ）から夫々噴射量Ｑおよび噴射開始時期θＳが算出され、これらに基づいて燃料噴射が行われる。
一方、ステップ２０１においてＴＱ＞Ｘ（Ｎ）になったと判断されるとステップ２０２に進んでフラグＩがリセットされる。次いでステップ２０８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２０９に進んで図１６（Ａ）に示すマップから算出された目標吸入空気量ＧＡＯおよびエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡに基づいて次式からスロットル弁２１の開度Ｔｅが算出される。
【０１３４】
Ｔｅ←Ｔｅ＋Ｋ１（ＧＡＯ−ＧＡ）
ここでＫ１は前述したように定数である。即ち、スロットル弁２１の開度Ｔｅはエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡが目標吸入空気量ＧＡＯとなるように比例積分制御によって開閉制御される。
次いでステップ２１０では図１６（Ｂ）に示すマップから算出されたＥＧＲ制御弁２９の目標開度ＳＥに基づいて次式からＥＧＲ制御弁２９の開度Ｓｅが算出される。
【０１３５】
Ｓｅ←Ｓｅ＋Ｋ２（ＳＥ−Ｓｅ）
ここでＫ２は前述したように定数である。即ち、ＥＧＲ制御弁２９の開度ＳｅはＥＧＲ制御弁２９の開度Ｓｅが目標開度ＳＥとなるように比例積分制御される。次いでステップ２１１では図１５（Ａ）および（Ｂ）から夫々噴射量Ｑおよび噴射開始時期θＳが算出され、これらに基づいて燃料噴射が行われる。
【０１３６】
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２１２に進んで要求トルクＴＱが図９に示す第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも小さくなったか否かが判別される。ＴＱ≧Ｙ（Ｎ）のときにはステップ２０８に進む。これに対してＴＱ＜Ｙ（Ｎ）になるとステップ２１３に進んでフラグＩがセットされ、次いでステップ２０３に進む。
【０１３７】
一方、第１の燃焼が行われているときにステップ２０５においてＮＯｘ 放出フラグがセットされていると判断されたときにはステップ２０７に進んで燃焼室５内における空燃比をリッチにするのに必要な噴射量が求められる。更に、図１２（Ｂ）に示すマップから噴射開始時期θＳが求められ、噴射量に基づいて噴射完了時期θＥが求められ、これらに基づいて燃料噴射が行われる。このとき燃焼室５内の空燃比Ａ／Ｆはリッチとされ、ＮＯｘ 吸収剤７１に吸収されているＮＯｘ がＮＯｘ 吸収剤７１から放出される。
【０１３８】
一方、第２の燃焼が行われているときにステップ２０８においてＮＯｘ 放出フラグがセットされていると判断されたときにはステップ２１４に進んで復帰処理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た後に初めてステップ２１４に進んだときは復帰処理フラグはリセットされているのでステップ２１５に進み、空燃比センサ４３ｂにより検出された空燃比Ａ／ＦがＮＯｘ 放出のための目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒ にほぼ等しくなったか否かが判別される。ＮＯｘ 放出フラグがセットされた後に初めてステップ２１５に進んだときは空燃比Ａ／Ｆはリーンであるのでステップ２１６に進む。
【０１３９】
ステップ２１６では空燃比センサ４３ａにより検出された実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ およびＮＯｘ 放出のための目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒ に基づいて次式からスロットル弁２１の開度Ｔｅが算出される。
Ｔｅ←Ｔｅ＋Ｋ３〔（Ａ／Ｆ）Ｒ −（Ａ／Ｆ）ａ 〕
ここでＫ３は定数である。即ち、スロットル弁２１の開度Ｔｅは空燃比センサ４３ａにより検出された実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ がＮＯｘ 放出のための目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒ となるように比例積分制御によって閉弁制御される。
【０１４０】
次いでステップ２１７ではＥＧＲ制御弁２９の開度がＥＧＲ率を５５パーセント以上の目標ＥＧＲ率、例えば７０パーセントとするのに必要な目標開度ＳＥＯとされる。従ってＥＧＲ制御弁２９の開度はただちに目標開度ＳＥＯとされる。次いでステップ２１８では燃料噴射量を目標リッチ空燃比のもとで低温燃焼を行わせるのに必要な噴射量まで低減した場合の機関出力トルクの低下量ΔＴＱが算出され、次いでステップ２１９ではこの機関出力トルクの低下量ΔＴＱが電気モータ３７の発生すべき出力トルクＴｍとされる。次いでステップ２２０では電気モータ３７が出力トルクＴｍを発生するために電気モータ３７に供給すべき三相交流の電流値Ｉｍが算出される。次いでステップ２２１では機関回転数Ｎに基づいて電気モータ３７に供給すべき三相交流の周波数ｆｍが算出される。次いでステップ２２２では電流値がＩｍで周波数がｆｍの三相交流が電気モータ３７に供給され、それによって電気モータ３７が駆動せしめられる。
【０１４１】
次いでステップ２２３では図１２（Ｂ）に示すマップから噴射開始時期θＳが求められ、空燃比を目標リッチ空燃比にするのに必要な噴射量から噴射完了時期θＥが求められ、これらに基づいて燃料噴射が行われる。このとき燃焼室５内の空燃比Ａ／Ｆはリッチとされ、ＮＯｘ 吸収剤７１に吸収されているＮＯｘ がＮＯｘ 吸収剤７１から放出される。
【０１４２】
ＮＯｘ 吸収剤７１からＮＯｘ が放出されている間、排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯはＮＯｘ を還元するために使用されており、このときパティキュレートフィルタ２４から排出される排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となっている。次いでＮＯｘ 吸収剤７１からのＮＯｘ 放出作用が完了すると排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯはパティキュレートフィルタ２４を素通りするようになるのでパティキュレートフィルタ２４から排出される排気ガスの空燃比は目標リッチ空燃比に向けて小さくなる。従ってパティキュレートフィルタ２４から排出された排気ガスの空燃比、即ち空燃比センサ４３ｂにより検出された空燃比がほぼ目標リッチ空燃比になったときにＮＯｘ 吸収剤７１からのＮＯｘ 放出作用が完了したと判断することができる。
【０１４３】
空燃比センサ４３ｂにより検出された空燃比がほぼ目標リッチ空燃比になったと判断されるとステップ２１５からステップ２２４に進んで復帰処理フラグがセットされ、次いでステップ２２５に進む。復帰処理フラグがセットされると次の処理サイクルではステップ２１４からステップ２２５にジャンプする。
ステップ２２５では空燃比センサ４３ａにより検出された実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ および図１４に示される目標空燃比（Ａ／Ｆ）に基づいて次式からスロットル弁２１の開度Ｔｅが算出される。
【０１４４】
Ｔｅ←Ｔｅ＋Ｋ３〔（Ａ／Ｆ）−（Ａ／Ｆ）ａ 〕
ここでＫ３は前述したように定数である。即ち、スロットル弁２１の開度Ｔｅは空燃比センサ４３ａにより検出された実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ が図１４に示される目標空燃比（Ａ／Ｆ）となるように比例積分制御によって開弁制御される。
【０１４５】
次いでステップ２２６ではＥＧＲ制御弁２９の開度が図１６（Ｂ）に示される目標開度ＳＥとされる。従ってＥＧＲ制御弁２９の開度はただちに目標開度ＳＥとなる。次いでステップ２２７では電気モータ３７の駆動が停止される。次いでステップ２２８では図１５（Ａ）および（Ｂ）から夫々燃料噴射量Ｑおよび噴射開始時期θＳが算出され、これらに基づいて燃料噴射が行われる。次いでステップ２２９では低温燃焼から正規の通常燃焼への復帰が完了したか否かが判断され、正規の通常燃焼への復帰が完了したときにはステップ２３０に進んでＮＯｘ 放出フラグおよび復帰処理フラグがリセットされる。
【０１４６】
次に加速運転時および減速運転時における運転制御について説明する。本発明による実施例では排気ターボチャージャ１５が作動しない運転領域の加速運転時でも良好な加速運転が得られるように加速運転時に電気モータ３７が駆動される。一方、減速運転時には電気モータ３７が発電機として作動せしめられ、発生した電力が回生される。
【０１４７】
図２９は加減速時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２９を参照するとまず初めにステップ３００において例えばアクセルペダル４４の踏込み量Ｌの変化量ΔＬ（＞０）から加速運転時であるか否かが判別される。加速運転時であるときにはステップ３０１に進んで電気モータ３７が発生すべき出力トルクＴｍが算出される。この出力トルクＴｍは図３０に示されるようにアクセルペダル４４の踏込み量Ｌの変化量ΔＬが大きいほど大きくなる。次いでステップ３０２では電気モータ３７が出力トルクＴｍを発生するために電気モータ３７に供給すべき三相交流の電流値Ｉｍが算出される。次いでステップ３０３では機関回転数Ｎに基づいて電気モータ３７に供給すべき三相交流の周波数ｆｍが算出される。次いでステップ３０４では電流値がＩｍで周波数がｆｍの三相交流が電気モータ３７に供給され、それによって電気モータ３７が駆動せしめられる。このように加速運転時には機関の出力トルクに電気モータ３７の出力トルクが重畳される。
【０１４８】
次いでステップ３０５では例えばアクセルペダル４４の踏込み量Ｌと機関回転数Ｎから減速運転時であるか否かが判別される。減速運転時であるときにはステップ３０６に進んで電気モータ３７が発電機として作動せしめられ、発生した電力がバッテリ４１に回生せしめられる。
図３１から図３２に第２実施例を示す。この第２実施例では燃焼室５内における実際の空燃比がエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡ、燃料噴射量ＱおよびＥＧＲガス中の酸素濃度の影響による空燃比の修正量Δ（Ａ／Ｆ）から推定され、低温燃焼への切換指令Ｘが発せられたときおよび通常燃焼への切換指令Ｙが発せられたときにはこの推定された空燃比が目標空燃比となるようにスロットル弁２１の開度、即ち吸入空気量が比例積分制御によって開閉制御される。
【０１４９】
即ち、定常運転が行われているときには燃焼室５内における空燃比もＥＧＲガスの空燃比も等しくなっているのでこのときにはエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡと燃料噴射量Ｑとの比ＧＡ／Ｑから実際の空燃比を算出することができる。これに対し、通常燃焼と低温燃焼の切換時にはＥＧＲ率が大巾に変化するのでＥＧＲガス中に含まれる酸素の影響によって実際の空燃比は算出された空燃比ＧＡ／Ｑとかなり異なってしまう。従ってこのとき実際の空燃比を求めるには算出された空燃比ＧＡ／Ｑに対して修正を施こさなければならないことになる。
【０１５０】
この場合、通常燃焼から低温燃焼への切換時にはＥＧＲ率が大巾に増大するのでＧＡ／Ｑに対する空燃比の修正量Δ（Ａ／Ｆ）は図３１（Ａ）においてＥに示すように正の値となり、一方低温燃焼から通常燃焼への切換時にはＥＧＲ率が大巾に減少するのでＧＡ／Ｑに対する空燃比の修正量Δ（Ａ／Ｆ）は図３１（Ａ）においてＦに示すように負の値となる。また、通常燃焼から低温燃焼への切換時であっても低温燃焼から通常燃焼への切換時であっても切換後暫らくすると実際の空燃比はＧＡ／Ｑに一致する。従って修正量Δ（Ａ／Ｆ）は切換後、零に近ずく。
【０１５１】
この修正量Δ（Ａ／Ｆ）は切換前の運転状態に応じた値となる。そこで本発明では切換前に通常燃焼が行われているときの修正量Δ（Ａ／Ｆ）を図３２（Ａ）に示すように要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として予めＲＯＭ５２内に記憶しておき、切換前に目標リッチ空燃比のもとで低温燃焼の定常運転が行われているときの修正量Δ（Ａ／Ｆ）を図３２（Ｂ）に示すように要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として予めＲＯＭ５２内に記憶しておき、通常燃焼から低温燃焼に切換えられたときには修正量Δ（Ａ／Ｆ）を図３２（Ａ）に示すマップから算出された修正量Δ（Ａ／Ｆ）とし、低温燃焼から通常燃焼に切換えられたときには修正量Δ（Ａ／Ｆ）を図３２（Ｂ）に示すマップから算出された修正量Δ（Ａ／Ｆ）とするようにしている。
【０１５２】
一方、図３１（Ｂ）は修正量Δ（Ａ／Ｆ）の時間変化を求めるための補正係数Ｋの種々の変化パターンＫ１ ，Ｋ２ …Ｋｎ を示しており、図３２から求められた修正量Δ（Ａ／Ｆ）にいずれかの補正係数Ｋ１ ，Ｋ２ …Ｋｎ を乗算することによって最終的な修正量Δ（Ａ／Ｆ）が算出される。いずれの補正係数Ｋ１ ，Ｋ２ …Ｋｎ を用いるかは切換前の運転状態から定まり、本発明による実施例では切換前の運転状態に応じていずれの補正係数Ｋ１ ，Ｋ２ …Ｋｎ を用いるかが予め記憶されている。
【０１５３】
次に図３３および図３４を参照しつつ第２実施例の運転制御について説明する。
図３３および図３４を参照するとまず初めにステップ４００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４０１に進んで要求トルクＴＱが図９に示す第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも大きくなったか否かが判別される。
【０１５４】
ＴＱ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ４０３に進んで図１３（Ａ）に示すマップから算出された目標吸入空気量ＧＡＯおよびエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡに基づいて次式からスロットル弁２１の開度Ｔｅが算出される。
Ｔｅ←Ｔｅ＋Ｋ１（ＧＡＯ−ＧＡ）
ここでＫ１は定数である。即ち、スロットル弁２１の開度Ｔｅはエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡが目標吸入空気量ＧＡＯとなるように比例積分制御によって開閉制御される。
【０１５５】
次いでステップ４０４では図１３（Ｂ）に示すマップから算出されたＥＧＲ制御弁２９の目標開度ＳＥに基づいて次式からＥＧＲ制御弁２９の開度Ｓｅが算出される。
Ｓｅ←Ｓｅ＋Ｋ２（ＳＥ−Ｓｅ）
ここでＫ２は定数である。即ち、ＥＧＲ制御弁２１の開度ＳｅはＥＧＲ制御弁２１の開度Ｓｅが目標開度ＳＥとなるように比例積分制御される。
【０１５６】
次いでステップ４０５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４０６に進んで図１２（Ａ）および（Ｂ）から夫々噴射量Ｑおよび噴射開始時期θＳが算出され、これらに基づいて燃料噴射が行われる。
一方、ステップ４０１においてＴＱ＞Ｘ（Ｎ）になったと判断されるとステップ４０２に進んでフラグＩがリセットされる。次いでステップ４０８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４０９に進んで図１６（Ａ）に示すマップから算出された目標吸入空気量ＧＡＯおよびエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡに基づいて次式からスロットル弁２１の開度Ｔｅが算出される。
【０１５７】
Ｔｅ←Ｔｅ＋Ｋ１（ＧＡＯ−ＧＡ）
ここでＫ１は前述したように定数である。即ち、スロットル弁２１の開度Ｔｅはエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡが目標吸入空気量ＧＡＯとなるように比例積分制御によって開閉制御される。
次いでステップ４１０では図１６（Ｂ）に示すマップから算出されたＥＧＲ制御弁２９の目標開度ＳＥに基づいて次式からＥＧＲ制御弁２９の開度Ｓｅが算出される。
【０１５８】
Ｓｅ←Ｓｅ＋Ｋ２（ＳＥ−Ｓｅ）
ここでＫ２は前述したように定数である。即ち、ＥＧＲ制御弁２１の開度ＳｅはＥＧＲ制御弁２１の開度Ｓｅが目標開度ＳＥとなるように比例積分制御される。次いでステップ４１１では図１５（Ａ）および（Ｂ）から夫々噴射量Ｑおよび噴射開始時期θＳが算出され、これらに基づいて燃料噴射が行われる。
【０１５９】
一方、ステップ４００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４１２に進んで要求トルクＴＱが図９に示す第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも小さくなったか否かが判別される。ＴＱ≧Ｙ（Ｎ）のときにはステップ４０８に進む。これに対してＴＱ＜Ｙ（Ｎ）になるとステップ４１３に進んでフラグＩがセットされ、次いでステップ４０３に進む。
【０１６０】
一方、第１の燃焼が行われているときにステップ４０５においてＮＯｘ 放出フラグがセットされていると判断されたときにはステップ４０７に進んで燃焼室５内における空燃比をリッチにするのに必要な噴射量が求められる。更に、図１２（Ｂ）に示すマップから噴射開始時期θＳが求められ、噴射量に基づいて噴射完了時期θＥが求められ、これらに基づいて燃料噴射が行われる。このとき燃焼室５内の空燃比Ａ／Ｆはリッチとされ、ＮＯｘ 吸収剤７１に吸収されているＮＯｘ がＮＯｘ 吸収剤７１から放出される。
【０１６１】
一方、第２の燃焼が行われているときにステップ４０８においてＮＯｘ 放出フラグがセットされていると判断されたときにはステップ４１４に進んで復帰処理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た後に初めてステップ４１４に進んだときは復帰処理フラグはリセットされているのでステップ４１５に進み、空燃比センサ４３ｂにより検出された空燃比Ａ／ＦがＮＯｘ 放出のための目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒ にほぼ等しくなったか否かが判別される。ＮＯｘ 放出フラグがセットされた後に初めてステップ４１５に進んだときは空燃比Ａ／Ｆはリーンであるのでステップ４１６に進む。
【０１６２】
ステップ４１６では図３１（Ａ）に示すマップから空燃比の修正量Δ（Ａ／Ｆ）が算出されると共に補正係数Ｋ１ ，Ｋ２ …Ｋｎ が定められる。次いでステップ４１７ではエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡと燃料噴射量Ｑとの比ＧＡ／Ｑに修正量Δ（Ａ／Ｆ）・Ｋを加算し、この加算結果が実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ とされる。次いでステップ４１８ではステップ４１７において算出された実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ およびＮＯｘ 放出のための目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒ に基づいて次式からスロットル弁２１の開度Ｔｅが算出される。
【０１６３】
Ｔｅ←Ｔｅ＋Ｋ３〔（Ａ／Ｆ）Ｒ −（Ａ／Ｆ）ａ 〕
ここでＫ３は定数である。即ち、スロットル弁２１の開度Ｔｅはステップ４１７において算出された実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ がＮＯｘ 放出のための目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒ となるように比例積分制御によって閉弁制御される。
次いでステップ４１９ではＥＧＲ制御弁２９の開度がＥＧＲ率を５５パーセント以上の目標ＥＧＲ率、例えば７０パーセントとするのに必要な目標開度ＳＥＯとされる。従ってＥＧＲ制御弁２９の開度はただちに目標開度ＳＥＯとされる。
【０１６４】
次いでステップ４２０では燃料噴射量を目標リッチ空燃比のもとで低温燃焼を行わせるのに必要な噴射量まで低減した場合の機関出力トルクの低下量ΔＴＱが算出され、次いでステップ４２１ではこの機関出力トルクの低下量ΔＴＱが電気モータ３７の発生すべき出力トルクＴｍとされる。次いでステップ４２２では電気モータ３７が出力トルクＴｍを発生するために電気モータ３７に供給すべき三相交流の電流値Ｉｍが算出される。次いでステップ４２３では機関回転数Ｎに基づいて電気モータ３７に供給すべき三相交流の周波数ｆｍが算出される。次いでステップ４２４では電流値がＩｍで周波数がｆｍの三相交流が電気モータ３７に供給され、それによって電気モータ３７が駆動せしめられる。
【０１６５】
次いでステップ４２５では図１２（Ｂ）に示すマップから噴射開始時期θＳが求められ、空燃比を目標リッチ空燃比にするのに必要な噴射量から噴射完了時期θＥが求められ、これらに基づいて燃料噴射が行われる。このとき燃焼室５内の空燃比Ａ／Ｆはリッチとされ、ＮＯｘ 吸収剤７１に吸収されているＮＯｘ がＮＯｘ 吸収剤７１から放出される。
【０１６６】
次いでステップ４１５において空燃比センサ４３ｂにより検出された空燃比がほぼ目標リッチ空燃比になったと判断されるとステップ４１５からステップ４２６に進んで復帰処理フラグがセットされ、次いでステップ４２７に進む。復帰処理フラグがセットされると次の処理サイクルではステップ４１４からステップ４２７にジャンプする。
【０１６７】
ステップ４２７では図３１（Ｂ）に示すマップから空燃比の修正量Δ（Ａ／Ｆ）が算出されると共に補正係数Ｋ１ ，Ｋ２ …Ｋｎ が定められる。次いでステップ４２８ではエアフローメータ１８により検出された吸入空気量ＧＡと燃料噴射量Ｑとの比ＧＡ／Ｑに修正量Δ（Ａ／Ｆ）・Ｋを加算し、この加算結果が実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ とされる。次いでステップ４２９ではステップ４２８において算出された実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ および図１４に示される目標空燃比（Ａ／Ｆ）に基づいて次式からスロットル弁２１の開度Ｔｅが算出される。
【０１６８】
Ｔｅ←Ｔｅ＋Ｋ３〔（Ａ／Ｆ）−（Ａ／Ｆ）ａ 〕
ここでＫ３は前述したように定数である。即ち、スロットル弁２１の開度Ｔｅはステップ４２８において算出された実際の空燃比（Ａ／Ｆ）ａ が図１４に示される目標空燃比（Ａ／Ｆ）となるように比例積分制御によって開弁制御される。次いでステップ４３０ではＥＧＲ制御弁２９の開度が図１６（Ｂ）に示される目標開度ＳＥとされる。従ってＥＧＲ制御弁２９の開度はただちに目標開度ＳＥとなる。次いでステップ４３１では電気モータ３７の駆動が停止される。次いでステップ４３２では図１５（Ａ）および（Ｂ）から夫々燃料噴射量Ｑおよび噴射開始時期θＳが算出され、これらに基づいて燃料噴射が行われる。次いでステップ４３３では低温燃焼から正規の通常燃焼への復帰が完了したか否かが判断され、正規の通常燃焼への復帰が完了したときにはステップ４３４に進んでＮＯｘ 放出フラグおよび復帰処理フラグがリセットされる。
【０１６９】
【発明の効果】
機関の駆動力とは別個に駆動力を発生させる駆動力発生装置が駆動力を発生し、燃料噴射量が低下せしめられたときに空燃比を急速に目標空燃比に近ずけることができる。
【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】機関本体の側面断面図である。
【図３】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４】要求トルクを示す図である。
【図５】スモークおよびＮＯｘ の発生量等を示す図である。
【図６】燃焼圧を示す図である。
【図７】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図である。
【図８】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図９】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１０】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１１】第１の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図である。
【図１２】噴射量等のマップを示す図である。
【図１３】目標吸入空気量等のマップを示す図である。
【図１４】第２の燃焼における空燃比を示す図である。
【図１５】噴射量等のマップを示す図である。
【図１６】目標吸入空気量等のマップを示す図である。
【図１７】パティキュレートフィルタを示す図である。
【図１８】微粒子の酸化作用を説明するための図である。
【図１９】微粒子の堆積作用を説明するための図である。
【図２０】酸化除去可能微粒子量とパティキュレートフィルタの温度との関係を示す図である。
【図２１】微粒子ＮＯｘ 同時処理領域を示す図である。
【図２２】単位時間当りのＮＯｘ 吸収量のマップを示す図である。
【図２３】ＮＯｘ 放出制御を説明するためのタイムチャートである。
【図２４】スロットル弁開度等の変化を示すフローチャートである。
【図２５】スロットル弁開度等の変化を示すフローチャートである。
【図２６】ＮＯｘ 放出フラグの処理をするためのフローチャートである。
【図２７】運転制御ルーチンのフローチャートである。
【図２８】運転制御ルーチンのフローチャートである。
【図２９】加減速処理を行うためのフローチャートである。
【図３０】電気モータが発生すべき出力トルクを示す図である。
【図３１】空燃比修正量を示す図である。
【図３２】空燃比修正量のマップを示す図である。
【図３３】運転制御ルーチンのフローチャートである。
【図３４】運転制御ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
２１…スロットル弁
２４…パティキュレートフィルタ
２９…ＥＧＲ制御弁
３７…電気モータ
Claims (11)
- 機関吸気通路内に排気ガスを再循環するための排気ガス再循環装置を具備すると共に機関の駆動力とは別個に駆動力を発生する駆動力発生装置を具備し、該駆動力発生装置による駆動力を発生させたときには排気ガスを再循環させつつ燃料噴射量を低下させるようにした内燃機関の制御装置において、吸入空気量を検出するための吸入空気量検出手段と、吸入空気量を制御するための吸入空気量制御手段と、実際の空燃比を求めるための手段とを具備し、通常は吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量が目標吸入空気量となるように吸入空気量を制御し、上記駆動力発生装置による駆動力の発生時又は発生停止時には実際の空燃比が目標空燃比となるように吸入空気量を制御する内燃機関の制御装置。
- 機関排気通路内に空燃比センサを配置し、該空燃比センサの出力信号から実際の空燃比が求められる請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
- 吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量と、燃料噴射量と、再循環排気ガス中の酸素濃度の影響による空燃比の修正量とに基づいて実際の空燃比が求められる請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
- 上記駆動力発生装置が電気モータからなり、該電気モータは上記燃料噴射量の低下による機関出力トルクの減少量とほぼ等しい出力を発生する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
- 内燃機関が、再循環排気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、再循環排気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からなり、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも再循環排気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再循環排気ガス量よりも再循環排気ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に切換える切換手段を具備し、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘ を吸収し流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比のときには吸収したＮＯｘ を放出するＮＯｘ 吸収剤を機関排気通路内に配置し、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第２の燃焼から第１の燃焼に切換えて内燃機関への燃料供給量を減少させると共に燃焼室内における空燃比をリッチ又は理論空燃比にしかつ該駆動力発生手段に駆動力を発生させるようにした請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
- 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リッチ又は理論空燃比にするようにした請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
- 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の燃焼が行われ、第２の運転領域では第２の燃焼が行われる請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
- 第１の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ５５パーセント以上であり、第２の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ５０パーセント以下である請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
- 機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置し、該パティキュレートフィルタとして、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられかつ上記ＮＯｘ 吸収剤の機能を有するパティキュレートフィルタを用いた請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
- パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を担持した請求項９に記載の内燃機関の制御装置。
- 周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤をパティキュレートフィルタ上に担持し、パティキュレートフィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素放出剤から活性酸素を放出させ、放出された活性酸素によってパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させるようにした請求項１０に記載の内燃機関の制御装置。
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