JP3591525B2 - 圧縮着火式内燃機関の燃焼方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧縮着火式内燃機関の燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より内燃機関、例えばディーゼル機関においてはＮＯｘの発生を抑制するために機関排気通路と機関吸気通路とを排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路により連結し、このＥＧＲ通路を介して排気ガス、即ちＥＧＲガスを機関吸気通路内に再循環させるようにしている。この場合、ＥＧＲガスは比較的比熱が高く、従って多量の熱を吸収することができるので、ＥＧＲガス量を増大するほど、即ちＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（ＥＧＲガス量＋吸入空気量））を増大するほど燃焼室内における燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下するとＮＯｘの発生量が低下し、従ってＥＧＲ率を増大すればするほどＮＯｘの発生量は低下することになる。
【０００３】
このように従来よりＥＧＲ率を増大すればＮＯｘの発生量を低下しうることはわかっている。しかしながらＥＧＲ率を増大させていくとＥＧＲ率が或る限度を越えたときに煤の発生量、即ちスモークが急激に増大し始める。この点に関し従来より、それ以上ＥＧＲ率を増大すればスモークが限りなく増大していくものと考えられており、従ってスモークが急激に増大し始めるＥＧＲ率がＥＧＲ率の最大許容限界であると考えられている。
【０００４】
従って従来よりＥＧＲ率はこの最大許容限界を越えない範囲内に定められている（例えば特開平４−３３４７５０号公報参照）。このＥＧＲ率の最大許容限界は機関の形式や燃料によってかなり異なるがおおよそ３０パーセントから５０パーセントである。従って従来のディーゼル機関ではＥＧＲ率は最大でも３０パーセントから５０パーセント程度に抑えられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来ではＥＧＲ率に対して最大許容限界が存在すると考えられていたので従来よりＥＧＲ率はこの最大許容限界を越えない範囲内においてＮＯｘおよびスモークの発生量ができるだけ少なくなるように定められていた。しかしながらこのようにしてＥＧＲ率をＮＯｘおよびスモークの発生量ができるだけ少なくなるように定めてもＮＯｘおよびスモークの発生量の低下には限度があり、実際には依然としてかなりの量のＮＯｘおよびスモークが発生してしまうのが現状である。
【０００６】
ところが本発明者がディーゼル機関の燃焼の研究の過程においてＥＧＲ率を最大許容限界よりも大きくすれば上述の如くスモークが急激に増大するがこのスモークの発生量にはピークが存在し、このピークを越えてＥＧＲ率を更に大きくすると今度はスモークが急激に減少しはじめ、アイドリング運転時においてＥＧＲ率を７０パーセント以上にすると、またＥＧＲガスを強力に冷却した場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にするとスモークがほとんど零になる、即ち煤がほとんど発生しないことを見い出したのである。また、このときにはＮＯｘの発生量が極めて少量となることも判明している。この後この知見に基づいて煤が発生しない理由について検討を進め、その結果これまでにない煤およびＮＯｘの同時低減が可能な新たな燃焼システムを構築するに至ったのである。この新たな燃焼システムについては後に詳細に説明するが簡単に云うと炭化水素が煤に成長するまでの途中の段階において炭化水素の成長を停止させることを基本としている。
【０００７】
即ち、実験研究を重ねた結果判明したことは燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以下のときには炭化水素の成長が煤に至る前の途中の段階で停止し、燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以上になると炭化水素は一気に煤まで成長してしまうということである。この場合、燃料およびその周囲のガス温度は燃料が燃焼した際の燃料周りのガスの吸熱作用が大きく影響しており、燃料燃焼時の発熱量に応じて燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって燃料およびその周囲のガス温度を制御することができる。
【０００８】
従って、燃焼室内における燃焼時の燃焼およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制すれば煤は発生しなくなり、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制することは燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって可能となる。一方、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化水素は酸化触媒等を用いた後処理によって容易に浄化することができる。これが新たな燃焼システムの基本的な考え方である。
【０００９】
このようにこの新たな燃焼システムでは煤に至る前に成長が途中で停止した炭化水素等を酸化触媒等により浄化することを基本としており、従って酸化触媒等が活性化していないとき、即ち機関の運転が開始されてから酸化触媒等が活性化するまでの間はこの新たな燃焼を行わせることはできない。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
従って１番目の発明では、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなり、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に行う圧縮着火式内燃機関の燃焼方法において、機関排気通路内に配置された酸化機能を有する触媒が活性化していないときには第２の燃焼を行い、機関排気通路内に配置された酸化機能を有する触媒が活性化しているときには機関負荷に応じて第１の燃焼又は第２の燃焼のいずれか一方を行う。
２番目の発明では、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなり、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に行う圧縮着火式内燃機関の燃焼方法において、機関の運転領域が低負荷側の第１の運転領域と高負荷側の第２の運転領域とに分割されており、機関排気通路内に配置された酸化機能を有する触媒が活性化していないときには第２の燃焼を行い、機関排気通路内に配置された酸化機能を有する触媒が活性化しているときには機関の運転状態が第１の運転領域であるときには第１の燃焼を行い、機関の運転状態が第２の運転領域であるときには第２の燃焼を行う。
【００１１】
３番目の発明では、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなり、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に行う圧縮着火式内燃機関の燃焼方法において、第１の燃焼を行いうる低負荷側の第１の運転領域と第２の燃焼が行われる高負荷側の第２の運転領域とを分割する境界が第１の境界と第１の境界よりも低負荷側の第２の境界からなり、機関排気通路内に配置された酸化機能を有する触媒が活性化しておりかつ機関の運転状態が第１の運転領域にあって第１の燃焼が行われているときに要求負荷が第１の境界を越えると運転領域が第２の運転領域に移ったと判断されて第２の燃焼に切換えられ、機関排気通路内に配置された酸化機能を有する触媒が活性化しておりかつ機関の運転状態が第２の運転領域にあって第２の燃焼が行われているときに要求負荷が第２の境界よりも低くなると運転領域が第１の運転領域に移ったと判断されて第１の燃焼に切換えられる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を４ストローク圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には電気モータ１５により駆動されるスロットル弁１６が配置される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１７および排気管１８を介して酸化機能を有する触媒１９を内蔵した触媒コンバータ２０に連結され、排気マニホルド１７内には空燃比センサ２１が配置される。
【００１３】
排気マニホルド１７とサージタンク１２とはＥＧＲ通路２２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２３が配置される。また、ＥＧＲ通路２２周りにはＥＧＲ通路２２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２４が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２４内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００１４】
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管２５を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２６に連結される。このコモンレール２６内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２７から燃料が供給され、コモンレール２６内に供給された燃料は各燃料供給管２５を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２６にはコモンレール２６内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２８が取付けられ、燃料圧センサ２８の出力信号に基づいてコモンレール２６内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２７の吐出量が制御される。
【００１５】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。空燃比センサ２１の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力され、燃料圧センサ２８の出力信号も対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。機関本体１には機関冷却水温を検出するための温度センサ２９が取付けられ、この温度センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、少なくとも一つの吸気枝管１１内には吸入空気とＥＧＲガスとの混合ガス温を検出するための温度センサ４４が取付けられ、この温度センサ４４の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
【００１６】
また、触媒１９上流の排気通路内には触媒１９に流入する排気ガスの温度を検出するための温度センサ４５が配置され、触媒１９下流の排気通路内には触媒１９から流出した排気ガスの温度を検出するための温度センサ４６が配置される。これら温度センサ４５，４６の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
【００１７】
アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、吸気弁７には吸気弁７を駆動するためのアクチュエータ４７が取付けられ、排気弁９には排気弁９を駆動するためのアクチュエータ４８が取付けられる。出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁６、電気モータ１５、ＥＧＲ制御弁２３、燃料ポンプ２７およびアクチュエータ４７，４８に接続される。
【００１８】
図２は機関低負荷運転時においてスロットル弁１６の開度およびＥＧＲ率を変化させることにより空燃比Ａ／Ｆ（図２の横軸）を変化させたときの出力トルクの変化、およびスモーク、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの排出量の変化を示す実験例を表している。図２からわかるようにこの実験例では空燃比Ａ／Ｆが小さくなるほどＥＧＲ率が大きくなり、理論空燃比（≒１４．６）以下のときにはＥＧＲ率は６５パーセント以上となっている。
【００１９】
図２に示されるようにＥＧＲ率を増大することにより空燃比Ａ／Ｆを小さくしていくとＥＧＲ率が４０パーセント付近となり空燃比Ａ／Ｆが３０程度になったときにスモークの発生量が増大を開始する。次いで、更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくするとスモークの発生量が急激に増大してピークに達する。次いで更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくすると今度はスモークが急激に低下し、ＥＧＲ率を６５パーセント以上とし、空燃比Ａ／Ｆが１５．０付近になるとスモークがほぼ零となる。即ち、煤がほとんど発生しなくなる。このとき機関の出力トルクは若干低下し、またＮＯｘの発生量がかなり低くなる。一方、このときＨＣ，ＣＯの発生量は増大し始める。
【００２０】
図３（Ａ）は空燃比Ａ／Ｆが１８付近でスモークの発生量が最も多いときの燃焼室５内の燃焼圧変化を示しており、図３（Ｂ）は空燃比Ａ／Ｆが１３付近でスモークの発生量がほぼ零のときの燃焼室５内の燃焼圧の変化を示している。図３（Ａ）と図３（Ｂ）とを比較すればわかるようにスモークの発生量がほぼ零である図３（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図３（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【００２１】
図２および図３に示される実験結果から次のことが言える。即ち、まず第１に空燃比Ａ／Ｆが１５．０以下でスモークの発生量がほぼ零のときには図２に示されるようにＮＯｘの発生量がかなり低下する。ＮＯｘの発生量が低下したということは燃焼室５内の燃焼温度が低下していることを意味しており、従って煤がほとんど発生しないときには燃焼室５内の燃焼温度が低くなっていると言える。同じことが図３からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図３（Ｂ）に示す状態では燃焼圧が低くなっており、従ってこのとき燃焼室５内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【００２２】
第２にスモークの発生量、即ち煤の発生量がほぼ零になると図２に示されるようにＨＣおよびＣＯの排出量が増大する。このことは炭化水素が煤まで成長せずに排出されることを意味している。即ち、燃料中に含まれる図４に示されるような直鎖状炭化水素や芳香族炭化水素は酸素不足の状態で温度上昇せしめられると熱分解して煤の前駆体が形成され、次いで主に炭素原子が集合した固体からなる煤が生成される。この場合、実際の煤の生成過程は複雑であり、煤の前駆体がどのような形態をとるかは明確ではないがいずれにしても図４に示されるような炭化水素は煤の前駆体を経て煤まで成長することになる。従って、上述したように煤の発生量がほぼ零になると図２に示される如くＨＣおよびＣＯの排出量が増大するがこのときのＨＣは煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素である。
【００２３】
図２および図３に示される実験結果に基づくこれらの考察をまとめると燃焼室５内の燃焼温度が低いときには煤の発生量がほぼ零になり、このとき煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素が燃焼室５から排出されることになる。このことについて更に詳細に実験研究を重ねた結果、燃焼室５内における燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以下である場合には煤の成長過程が途中で停止してしまい、即ち煤が全く発生せず、燃焼室５内における燃料およびその周囲の温度が或る温度以上になると煤が生成されることが判明したのである。
【００２４】
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。
【００２５】
一旦、煤が生成されるとこの煤は酸化触媒等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触媒等を用いた後処理でもって容易に浄化することができる。このように酸化触媒等による後処理を考えると炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態で燃焼室５から排出させるか、或いは煤の形で燃焼室５から排出させるかについては極めて大きな差がある。本発明において用いている新たな燃焼システムは燃焼室５内において煤を生成させることなく炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態の形でもって燃焼室５から排出させ、この炭化水素を酸化触媒等により酸化せしめることを核としている。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
図５は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用い、ＥＧＲガスの冷却度合を変えたときのＥＧＲ率とスモークとの関係を示している。即ち、図５において曲線ＡはＥＧＲガスを強力に冷却してＥＧＲガス温をほぼ９０℃に維持した場合を示しており、曲線Ｂは小型の冷却装置でＥＧＲガスを冷却した場合を示しており、曲線ＣはＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合を示している。
【００３１】
図５の曲線Ａで示されるようにＥＧＲガスを強力に冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し低いところで煤の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。一方、図５の曲線Ｂで示されるようにＥＧＲガスを少し冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し高いところで煤の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ６５パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。
【００３２】
また、図５の曲線Ｃで示されるようにＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５５パーセントの付近で煤の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ７０パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。なお、図５は機関負荷が比較的高いときのスモークの発生量を示しており、機関負荷が小さくなると煤の発生量がピークとなるＥＧＲ率は若干低下し、煤がほとんど発生しなくなるＥＧＲ率の下限も若干低下する。このように煤がほとんど発生しなくなるＥＧＲ率の下限はＥＧＲガスの冷却度合や機関負荷に応じて変化する。
【００３３】
図６は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いた場合において燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要なＥＧＲガスと空気の混合ガス量、およびこの混合ガス量中の空気の割合、およびこの混合ガス中のＥＧＲガスの割合を示している。なお、図６において縦軸は燃焼室５内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Ｙは過給が行われないときに燃焼室５内に吸入しうる全吸入ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示しており、Ｚ１は低負荷運転領域を示している。
【００３４】
図６を参照すると空気の割合、即ち混合ガス中の空気量は噴射された燃料を完全に燃焼せしめるのに必要な空気量を示している。即ち、図６に示される場合では空気量と噴射燃料量との比は理論空燃比となっている。一方、図６においてＥＧＲガスの割合、即ち混合ガス中のＥＧＲガス量は噴射燃料が燃焼せしめられたときに燃料およびその周囲のガス温度を煤が形成される温度よりも低い温度にするのに必要最低限のＥＧＲガス量を示している。このＥＧＲガス量はＥＧＲ率で表すとほぼ５５パーセント以上であり、図６に示す実施例では７０パーセント以上である。即ち、燃焼室５内に吸入された全吸入ガス量を図６において実線Ｘとし、この全吸入ガス量Ｘのうちの空気量とＥＧＲガス量との割合を図６に示すような割合にすると燃料およびその周囲のガス温度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯くして煤が全く発生しなくなる。また、このときの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。
【００３５】
燃料噴射量が増大すれば燃料が燃焼した際の発熱量が増大するので燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持するためにはＥＧＲガスによる熱の吸収量を増大しなければならない。従って図６に示されるようにＥＧＲガス量は噴射燃料量が増大するにつれて増大せしめなければならない。即ち、ＥＧＲガス量は要求負荷が高くなるにつれて増大する必要がある。
【００３６】
一方、図６の負荷領域Ｚ２では煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘが吸入しうる全吸入ガス量Ｙを越えてしまう。従ってこの場合、煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘを燃焼室５内に供給するにはＥＧＲガスおよび吸入空気の双方、或いはＥＧＲガスを過給又は加圧する必要がある。ＥＧＲガス等を過給又は加圧しない場合には負荷領域Ｚ２では全吸入空気量Ｘは吸入しうる全吸入空気量Ｙに一致する。従ってこの場合、煤の発生を阻止するためには空気量を若干減少させてＥＧＲガス量を増大すると共に空燃比がリッチのもとで燃料を燃焼せしめることになる。
【００３７】
前述したように図６は燃料は理論空燃比のもとで燃焼させる場合を示しているが図６に示される低負荷運転領域Ｚ１において空気量を図６に示される空気量よりも少なくても、即ち空燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつＮＯｘの発生量を１０ｐ．ｐ．ｍ 前後又はそれ以下にすることができ、また図６に示される低負荷領域Ｚ１において空気量を図６に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を１７から１８のリーンにしても煤の発生を阻止しつつＮＯｘの発生量を１０ｐ．ｐ．ｍ 前後又はそれ以下にすることができる。
【００３８】
即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くして煤が生成されることがない。また、このときＮＯｘも極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが本発明では燃焼温度が低い温度に抑制されているので煤は全く生成されない。更に、ＮＯｘも極めて少量しか発生しない。
【００３９】
このように、機関低負荷運転領域Ｚ１では空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろうと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーンであろうと煤が発生されず、ＮＯｘの発生量が極めて少量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこのとき平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
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少ない比較的機関負荷が低いときに限られる。従って本発明では機関負荷が比較的低いとき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、機関負荷が比較的高いときには第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼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云い、第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない燃焼のことを云う。
【００４０】
図７は第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われる第１の運転領域Ｉと、第２の燃焼、即ち従来の燃焼方法による燃焼が行われる第２の燃焼領域ＩＩとを示している。なお、図７において縦軸Ｌはアクセルペダル４０の踏込み量、即ち要求負荷を示しており、横軸Ｎは機関回転数を示している。また、図７においてＸ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域ＩＩとの第１の境界を示しており、Ｙ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域ＩＩとの第２の境界を示している。第１の運転領域Ｉから第２の運転領域ＩＩへの運転領域の変化判断は第１の境界Ｘ（Ｎ）に基づいて行われ、第２の運転領域ＩＩから第１の運転領域Ｉへの運転領域の変化判断は第２の境界Ｙ（Ｎ）に基づいて行われる。
【００４１】
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、第２の燃焼、即ち従来の燃焼方法による燃焼に切換えられる。次いで要求負荷Ｌが機関回転数Ｎの関数である第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなると運転領域が第１の運転領域Ｉに移ったと判断され、再び第１の燃焼、即ち低温燃焼に切換えられる。
【００４２】
このように第１の境界Ｘ（Ｎ）と第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも低負荷側の第２の境界Ｙ（Ｎ）との二つの境界を設けたのは次に二つの理由による。第１の理由は、第２の運転領域ＩＩの高負荷側では比較的燃焼温度が高く、このとき要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）より低くなったとしてもただちに低温燃焼を行えないからである。即ち、要求負荷Ｌがかなり低くなったとき、即ち第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなったときでなければただちに低温燃焼が開始されないからである。第２の理由は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域ＩＩ間の運転領域の変化に対してヒステリシスを設けるためである。
【００４３】
なお、本発明による実施例では第２の境界Ｙ（Ｎ）は第１の境界Ｘ（Ｎ）に対してΔＬ（Ｎ）だけ低負荷側とされる。図７および図８に示されるようにΔＬ（Ｎ）は機関回転数Ｎの関数であり、ΔＬ（Ｎ）は機関回転数Ｎが高くなるほど小さくなる。
ところで機関の運転状態が第１の運転領域Ｉにあって低温燃焼が行われているときには煤はほとんど発生せず、その代り未燃炭化水素が煤の前駆体又はその前の状態の形でもって燃焼室５から排出される。このとき酸化機能を有する触媒１９が活性化していれば燃焼室５から排出された未燃炭化水素は触媒１９により良好に酸化せしめられる。しかしながらこのとき触媒１９が活性化していない場合には未燃炭化水素は触媒１９により酸化せしめられず、斯くして多量の未燃炭化水素が大気に放出されることになる。ところで機関の運転が開始されたときには触媒１９が活性化していない場合が多い。従って本発明では機関の運転が開始されたときにはまず初めに、第２の燃焼、即ち従来の燃焼方法による燃焼を行い、次いで第１の燃焼を行うようにしている。
【００４４】
触媒１９としては酸化触媒、三元触媒、又はＮＯｘ吸収剤を用いることができる。ＮＯｘ吸収剤は燃焼室５内における平均空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し、燃焼室５内における平均空燃比がリッチになるとＮＯｘを放出する機能を有する。
このＮＯｘ吸収剤は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少くとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。
【００４５】
酸化触媒はもとより、三元触媒およびＮＯｘ吸収剤も酸化機能を有しており、従って上述した如く三元触媒およびＮＯｘ吸収剤を触媒１９として用いることができる。
触媒１９は触媒１９の温度が或る一定温度を越えると活性化する。触媒１９が活性化する温度は触媒１９の種類により異なり、代表的な酸化触媒の活性化温度は３５０℃程度である。触媒１９を通過した排気ガスの温度は触媒１９の温度よりもわずかな一定温度だけ低くなり、従って触媒１９を通過した排気ガス温は触媒１９の温度を代表している。従って本発明による一実施例では触媒１９を通過した排気ガスの温度から触媒１９が活性化したか否かを判断するようにしている。
【００４６】
図９は空燃比センサ２１の出力を示している。図９に示されるように空燃比センサ２１の出力電流Ｉは空燃比Ａ／Ｆに応じて変化する。従って空燃比センサ２１の出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。
次に触媒１９が活性化している場合を例にとって図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。
【００４７】
図１０は要求負荷Ｌに対するスロットル弁１６の開度、ＥＧＲ制御弁２３の開度、ＥＧＲ率、空燃比、噴射時期および噴射量を示している。図１０に示されるように要求負荷Ｌの低い第１の運転領域Ｉではスロットル弁１６の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから半開程度まで徐々に増大せしめられ、ＥＧＲ制御弁２３の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから全開まで徐々に増大せしめられる。また、図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１５から１８のリーン空燃比とされている。
【００４８】
云い換えると第１の運転領域ＩではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントとなり、空燃比が１５から１８のリーン空燃比となるようにスロットル弁１６の開度およびＥＧＲ制御弁２３の開度が制御される。なお、このとき空燃比は空燃比センサ２１の出力信号に基づいてＥＧＲ制御弁２３の開度を補正することによって目標リーン空燃比に制御される。また、第１の運転領域Ｉでは圧縮上死点ＴＤＣ前に燃料噴射が行われる。この場合、噴射開始時期θＳは要求負荷Ｌが高くなるにつれて遅くなり、噴射完了時期θＥも噴射開始時期θＳが遅くなるにつれて遅くなる。
【００４９】
なお、アイドリング運転時にはスロットル弁１６は全閉近くまで閉弁され、このときＥＧＲ制御弁２３も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁１６を全閉近くまで閉弁すると圧縮始めの燃焼室５内の圧力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が小さくなるとピストン４による圧縮仕事が小さくなるために機関本体１の振動が小さくなる。即ち、アイドリング運転時には機関本体１の振動を抑制するためにスロットル弁１６が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【００５０】
機関の運転状態が第１の運転領域Ｉであるときには煤およびＮＯｘはほとんど発生せず、排気ガス中に含まれている煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素は触媒１９により酸化せしめられる。
一方、機関の運転領域が第１の運転領域Ｉから第２の運転領域ＩＩに変わるとスロットル弁１６の開度が半開状態から全開方向へステップ状に増大しめられる。このとき図９に示す例ではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントから４０パーセント以下までステップ状に減少せしめられ、空燃比がステップ状に大きくされる。即ち、ＥＧＲ率が多量のスモークを発生するＥＧＲ率範囲（図５）を飛び越えるので機関の運転領域が第１の運転領域Ｉから第２の運転領域ＩＩに変わるときに多量のスモークが発生することがない。
【００５１】
第２の運転領域ＩＩでは従来から行われている燃焼が行われる。この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。
第２の運転領域ＩＩではスロットル弁１６は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁２３の開度は要求負荷Ｌが高くなると次第に小さくされる。この運転領域ＩＩではＥＧＲ率は要求負荷Ｌが高くなるほど低くなり、空燃比は要求負荷Ｌが高くなるほど小さくなる。ただし、空燃比は要求負荷Ｌが高くなってもリーン空燃比とされる。また、第２の運転領域ＩＩでは噴射開始時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付近とされる。
【００５２】
ところで低温燃焼しうる第１の運転領域Ｉの範囲は圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温およびシリンダ内壁面温度に応じて変化する。即ち、要求負荷が高くなって燃焼による発熱量が増大すると、燃焼時における燃料およびその周囲のガス温が高くなり、斯くして低温燃焼を行うことができなくなる。一方、圧縮始めの燃焼室５内のガス温ＴＧが低くなると燃焼が開始される直前の燃焼室５内のガス温が低くなるので燃焼時における燃料およびその周囲のガス温が低くなる。従って圧縮始めの燃焼室５内のガス温ＴＧが低くなれば燃焼による発熱量が増大しても、即ち要求負荷が高くなっても燃焼時における燃料およびその周囲のガス温は高くならず、斯くして低温燃焼が行われることになる。云い換えると圧縮始めの燃焼室５内のガス温ＴＧが低くなればなるほど低温燃焼しうる第１の運転領域Ｉが高負荷側に拡大することになる。
【００５３】
また、シリンダ内壁面温度ＴＷと圧縮始めの燃焼室５内のガス温ＴＧとの温度差（ＴＷ−ＴＧ）が小さいほど圧縮行程中にシリンダ内壁面を介して逃げる熱量が増大する。従ってこの温度差（ＴＷ−ＴＧ）が小さくなるほど圧縮行程中における燃焼室５内のガスの温度上昇量が少なくなり、斯くして燃焼時における燃料およびその周囲のガス温が低くなる。従って温度差（ＴＷ−ＴＧ）が小さいほど低温燃焼しうる第１の運転領域Ｉが高負荷側に拡大することになる。
【００５４】
本発明による実施例では圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧが低くなると図１１に示されるように第１の境界がＸｏ（Ｎ）からＸ（Ｎ）に移動せしめられ、温度差（ＴＷ−ＴＧ）が小さくなると図１１に示されるように第１の境界がＸｏ（Ｎ）からＸ（Ｎ）に移動せしめられる。なお、ここでＸｏ（Ｎ）は基準となる第１の境界を示している。基準となる第１の境界Ｘｏ（Ｎ）は機関回転数Ｎの関数であり、Ｘ（Ｎ）はこのＸｏ（Ｎ）を用いて次式に基づいて算出される。
【００５５】
Ｘ（Ｎ）＝Ｘｏ（Ｎ）＋Ｋ（Ｔ）・Ｋ（Ｎ）
Ｋ（Ｔ）＝Ｋ（Ｔ）１ ＋Ｋ（Ｔ）２
ここでＫ（Ｔ）１ は図１２（Ａ）に示されるように圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧの関数であり、このＫ（Ｔ）１ の値は圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧが低くなるほど大きくなる。また、Ｋ（Ｔ）２ は図１２（Ｂ）に示されるように温度差（ＴＷ−ＴＧ）の関数であり、このＫ（Ｔ）２ の値は温度差（ＴＷ−ＴＧ）が小さくなるほど大きくなる。なお、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）においてＴ１ は基準温度、Ｔ２ は基準温度差であり、ＴＧ＝Ｔ１ でかつ（ＴＷ−ＴＧ）＝Ｔ２ のときに第１の境界が図１１のＸｏ（Ｎ）となる。
【００５６】
一方、Ｋ（Ｎ）は図１２（Ｃ）に示されるように機関回転数Ｎの関数であり、Ｋ（Ｎ）の値は機関回転数Ｎが高くなるほど小さくなる。即ち、圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧが基準温度Ｔ１ よりも低くなると圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧが低くなるほど第１の境界Ｘ（Ｎ）はＸｏ（Ｎ）に対して高負荷側に移動し、温度差（ＴＷ−ＴＧ）が基準温度差Ｔ２ よりも低くなると温度差（ＴＷ−ＴＧ）が小さくなるほど第１の境界Ｘ（Ｎ）はＸｏ（Ｎ）に対して高負荷側に移動する。また、Ｘｏ（Ｎ）に対するＸ（Ｎ）の移動量は機関回転数Ｎが高くなるほど少なくなる。
【００５７】
図１３（Ａ）は第１の境界が基準となる第１の境界Ｘｏ（Ｎ）であるときの第１の運転領域Ｉにおける空燃比Ａ／Ｆを示している。図１３（Ａ）において、Ａ／Ｆ＝１５，Ａ／Ｆ＝１６，Ａ／Ｆ＝１７で示される各曲線は夫々空燃比が１５，１６，１７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１３（Ａ）に示されるように第１の運転領域Ｉでは空燃比がリーンとなっており、更に第１の運転領域Ｉでは要求負荷Ｌが低くなるほど空燃比Ａ／Ｆがリーンとされる。
【００５８】
即ち、要求負荷Ｌが低くなるほど燃焼による発熱量が少なくなる。従って要求負荷Ｌが低くなるほどＥＧＲ率を低下させても低温燃焼を行うことができる。ＥＧＲ率を低下させると空燃比は大きくなり、従って図１３（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌ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負荷Ｌが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。なお、燃料消費率のことを考えなければ第１の運転領域Ｉにおける空燃比Ａ／Ｆを小さな一定空燃比、例えばＡ／Ｆ＝１５とすることもできる。
【００５９】
図１３（Ｂ）は第１の境界が図１１に示されるＸ（Ｎ）のときの第１の運転領域Ｉにおける空燃比Ａ／Ｆを示している。図１３（Ａ）および（Ｂ）を比較するとわかるように第１の境界Ｘ（Ｎ）がＸｏ（Ｎ）に対して高負荷側に移動するとそれに追従して各空燃比を示すＡ／Ｆ＝１５，Ａ／Ｆ＝１６，Ａ／Ｆ＝１７の曲線も高負荷側に移動する。従って第１の境界Ｘ（Ｎ）がＸｏ（Ｎ）に対して高負荷側に移動すると同一要求負荷Ｌおよび同一機関回転数Ｎにおける空燃比Ａ／Ｆが大きくなることがわかる。即ち、第１の運転領域Ｉが高負荷側に拡大せしめられると煤およびＮＯｘのほとんど発生しない運転領域が拡大されるばかりでなく、燃料消費率が向上せしめられることになる。
【００６０】
本発明による実施例では第１の境界Ｘ（Ｎ）が種々に変化したときの第１の運転領域Ｉにおける目標空燃比、即ち種々のＫ（Ｔ）の値に対する第１の運転領域Ｉにおける目標空燃比が図１４（Ａ）から図１４（Ｄ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。即ち、図１４（Ａ）はＫ（Ｔ）の値がＫＴ１のときの目標空燃比ＡＦＫＴ１を示しており、図１４（Ｂ）はＫ（Ｔ）の値がＫＴ２のときの目標空燃比ＡＦＫＴ２を示しており、図１４（Ｃ）はＫ（Ｔ）の値がＫＴ３のときの目標空燃比ＡＦＫＴ３を示しており、図１４（Ｄ）はＫ（Ｔ）の値がＫＴ４のときの目標空燃比ＡＦＫＴ４を示している。
【００６１】
一方、空燃比を目標空燃比ＡＦＫＴ１，ＡＦＫＴ２，ＡＦＫＴ３，ＡＦＫＴ４とするのに必要なスロットル弁１６の目標開度が図１５（Ａ）から図１５（Ｄ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予め定めＲＯＭ３２内に記憶されており、また空燃比を目標空燃比ＡＦＫＴ１，ＡＦＫＴ２，ＡＦＫＴ３，ＡＦＫＴ４とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度が図１６（Ａ）から図１６（Ｄ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００６２】
即ち、図１５（Ａ）は空燃比が１５のときのスロットル弁１６の目標開度ＳＴ１５を示しており、図１６（Ａ）は空燃比が１５のときのＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥ１５を示している。
また、図１５（Ｂ）は空燃比が１６のときのスロットル弁１６の目標開度ＳＴ１６を示しており、図１６（Ｂ）は空燃比が１６のときのＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥ１６を示している。
【００６３】
また、図１５（Ｃ）は空燃比が１７のときのスロットル弁１６の目標開度ＳＴ１７を示しており、図１６（Ｃ）は空燃比が１７のときのＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥ１７を示している。
また、図１５（Ｄ）は空燃比が１８のときのスロットル弁１６の目標開度ＳＴ１８を示しており、図１６（Ｄ）は空燃比が１８のときのＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥ１８を示している。
【００６４】
図１７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１７においてＡ／Ｆ＝２４，Ａ／Ｆ＝３５，Ａ／Ｆ＝４５，Ａ／Ｆ＝６０で示される各曲線は夫々目標空燃比２４，３５，４５，６０を示している。空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なスロットル弁１６の目標開度ＳＴが図１８（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが図１８（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００６５】
機関の運転状態が第２の運転状態ＩＩのときには空燃比が図１７に示される目標空燃比とされる。また、機関の運転状態が第１の運転領域Ｉであっても第２の燃焼を行うべきときには空燃比が図１７に示される目標空燃比とされる。
図１９は低温燃焼領域、即ち第１の運転領域Ｉを制御するためのルーチンを示している。
【００６６】
図１９を参照すると、まず初めにステップ１００において圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧおよびシリンダ内壁面温度ＴＷが算出される。この実施例では温度センサ４４により検出された吸入空気とＥＧＲガスの混合ガス温が圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧとされ、温度センサ２９により検出された機関冷却水温がシリンダ内壁面温度ＴＷとされる。次いでステップ１０１では図１２（Ａ）に示す関係からＫ（Ｔ）１ が求められ、図１２（Ｂ）に示す関係からＫ（Ｔ）２ が求められ、これらＫ（Ｔ）１ とＫ（Ｔ）２ とを加算することによってＫ（Ｔ）（＝Ｋ（Ｔ）１ ＋Ｋ（Ｔ）２ ）が算出される。
【００６７】
次いでステップ１０２では機関回転数Ｎに基づいて図１２（Ｃ）に示す関係からＫ（Ｎ）が算出される。次いでステップ１０３では予め記憶されている第１の境界Ｘｏ（Ｎ）の値を用いて次式に基づき第１の境界Ｘ（Ｎ）の値が算出される。
Ｘ（Ｎ）＝Ｘｏ（Ｎ）＋Ｋ（Ｔ）・Ｋ（Ｎ）
次いでステップ１０４では機関回転数Ｎに基づいて図８に示す関係からΔＬ（Ｎ）が算出される。次いでステップ１０５ではＸ（Ｎ）からΔＬ（Ｎ）を減算することによって第２の境界Ｙ（Ｎ）の値（＝Ｘ（Ｎ）−ΔＬ（Ｎ））が算出される。
【００６８】
次に図２０を参照しつつ機関の運転が開始されてから暫らく時間が経過するまでの機関回転数Ｎと排気ガス温Ｔの変化について説明する。
図２０に示されるように機関の運転が開始されるとまず初めに第２の燃焼が行われ、排気ガス温Ｔが徐々に増大する。次いで触媒１９が活性化すると触媒１９において発生する酸化反応熱により実線で示される触媒１９下流の排気ガス温ＴＥの方が鎖線で示される触媒１９上流の排気ガス温ＴＥＩよりも高くなり始める。次いで触媒１９下流の排気ガス温ＴＥがＴＥ０ に達する。本発明による第１実施例では触媒１９下流の排気ガス温ＴＥと触媒１９上流の排気ガス温ＴＥＩとの温度差（＝ＴＥ−ＴＥＩ）が予め定められた一定温度差ΔＴ１ 例えば１０℃以上となったときに触媒１９が活性化したと判断され、本発明による第２実施例では触媒１９下流の排気ガス温ＴＥが予め定められた温度ＴＥ０ 、例えば３００℃に達したときに触媒１９が活性化したと判断される。
【００６９】
第１実施例および第２実施例では機関の運転が開始されてから触媒１９が活性化するまでの間、第２の燃焼が行われ、触媒１９が活性化すると第１の燃焼又は第２の燃焼が行われる。
本発明による実施例では機関の運転が開始されたときに触媒１９ができる限り早く活性化するように機関アイドリング回転数が上昇せしめられ、噴射開始時期が遅くされ、排気弁９の開弁時期が早められる。
【００７０】
即ち、機関の運転が開始されたときにはスロットル弁１６が全開せしめられ、ＥＧＲ制御弁２３の開度が予め定められた最適な開度に制御され、燃料噴射量Ｑが触媒１９活性後において第２の燃焼が行われているときの燃料噴射量に比べ、予め定められた量ΔＱだけ増量される。それによって機関の運転が開始されると図２０に示されるように機関アイドリング回転数Ｎは触媒１９が活性化した後の機関アイドリング回転数、例えば６００ｒ．ｐ．ｍ よりもかなり高い回転数、例えば１４００ｒ．ｐ．ｍ に維持される。機関アイドリング回転数Ｎが高められると排気ガス温が上昇し、斯くして触媒１９の活性化が早められる。
【００７１】
また、噴射開始時期θＳは触媒１９活性後において第２の燃焼が行われているときの噴射開始時期に比べ、予め定められた期間ΔθＳだけ遅くされる。噴射開始時期θＳが遅くされると燃焼が長びくために排気ガス温が上昇し、斯くして触媒１９の活性化が早められる。
また、排気弁９の開弁時期は触媒１９活性後における排気弁９の開弁時期に比べて早められる。この排気弁９の開弁時期の制御はアクチュエータ４８によって行われる。図２１（Ａ）はこのアクチュエータ４８の拡大図を示している。図２１（Ａ）を参照すると、５０は排気弁９の頂部に取付けられた円板状鉄片、５１，５２は鉄片５０の両側に配置されたソレノイド、５３，５４は鉄片５０の両側に配置された圧縮ばねを夫々示す。ソレノイド５２が付勢されると鉄片５０が上昇し、排気弁９が閉弁する。これに対してソレノイド５１が付勢されると鉄片５０が下降し、排気弁９が開弁する。従って各ソレノイド５１，５２の付勢タイミングを制御することによって排気弁９を任意の時期に開弁し、閉弁することができる。なお、アクチュエータ４７もアクチュエータ４８と同じ構造を有しており、従って吸気弁７についてもアクチュエータ４７により任意の時期に開弁し、閉弁することができる。
【００７２】
図２１（Ｂ）においてＥＯおよびＭは触媒１９活性後における排気弁９の開弁時期および開弁期間を夫々表わしており、ＥＯ＋αは触媒１９が活性化する前の排気弁９の開弁時期を表わしている。従って機関の運転が開始されたときの排気弁９の開弁時期は触媒１９活性化後における排気弁９の開弁時期に比べて期間αだけ早められることがわかる。排気弁９の開弁時期が早められると排気ガス温が上昇し、斯くして触媒１９の活性化が早められる。なお、第１実施例および第２実施例においては触媒１９の温度を十分に高めるために第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられた後、一定期間経過するまでひき続き排気弁９の開弁期間が早められる。
【００７３】
次に図２２および図２３を参照しつつ機関の運転を制御するための第１実施例について説明する。
図２２および図２３を参照すると、まず初めにステップ２００において触媒１９が活性化したことを示す活性判断フラグがセットされているか否かが判別される。活性判断フラグがセットされていないとき、即ち触媒１９がまだ活性化していないときにはステップ２０１に進んで温度センサ４６により検出された触媒１９下流の排気ガス温ＴＥと、温度センサ４５により検出された触媒１９上流の排気ガス温ＴＥＩとの温度差（ＴＥ−ＴＥＩ）が予め定められた温度差ΔＴ、例えば１０℃よりも大きくなったか否かが判別される。ＴＥ−ＴＥＩ≦ΔＴのときにはステップ２０２に進む。
【００７４】
ステップ２０２ではスロットル弁１６の目標開度ＳＴが全開とされ、次いでステップ２０３ではＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが予め定められた開度ＳＥＳとされる。次いでステップ２０４では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの燃料噴射量Ｑに予め定められた量ΔＱを加算することによって最終的な燃料噴射量Ｑ（＝Ｑ＋ΔＱ）が算出される。次いでステップ２０５では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの噴射開始時期θＳから予め定められた期間ΔθＳを減算することによって最終的な噴射開始時期θＳ（＝θＳ−ΔθＳ）が算出される。次いでステップ２０６では排気弁９の開弁時期がＥＯ＋αとされる。このとき第２の燃焼が行われる。
【００７５】
次いでステップ２０１においてＴＥ−ＴＥＩ＞ΔＴであると判別されると、即ち触媒１９が活性化したと判断されるとステップ２０７に進んで活性化判断フラグがセットされる。次いでステップ２０８においてＴＥ−ＴＥＩ＞ΔＴとなってから一定時間経過したか否かが判別される。ＴＥ−ＴＥＩ＞ΔＴとなってから一定時間経過していないときには図２３に示される活性後の運転制御ルーチンに移り、第１の燃焼又は第２の燃焼が行われる。次の処理サイクルではステップ２００において活性判断フラグがセットされていると判断されるのでステップ２０８にジャンプする。次いでステップ２０８においてＴＥ−ＴＥＩ＞ΔＴとなってから一定時間経過したと判断されたときにはステップ２０９に進んで排気弁９の開弁期間がＥＯとされる。従ってＴＥ−ＴＥＩ＞ΔＴとなってから一定時間を経過するまで排気弁９の開弁時期が早め続けられることがわかる。
【００７６】
図２３に示される活性後の運転制御ルーチンを参照すると、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２１０に進んで要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも大きくなったか否かが判別される。Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ２１１に進んで第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われる。
【００７７】
即ち、ステップ２１１では図１４（Ａ）から（Ｄ）に示されるマップのうちでＫ（Ｔ）に応じた二つのマップを用いて比例配分により目標空燃比ＡＦが算出される。次いでステップ２１２では図１５（Ａ）から（Ｄ）に示されるマップのうちで目標空燃比ＡＦに応じた二つのマップを用いて比例配分によりスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１６の開度がこの目標開度ＳＴに制御される。次いでステップ２１３では図１６（Ａ）から（Ｄ）に示されるマップのうちで目標空燃比ＡＦに応じた二つのマップ用いて比例配分によりＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥが算出される。次いでステップ２１４では噴射量Ｑが算出され、次いでステップ２１５では噴射開始時期θＳが算出される。次いでステップ２１６に進む。
【００７８】
ステップ２１６では空燃比センサ２１により検出された実際の空燃比Ａ／Ｆが目標空燃比ＡＦよりも大きいか否かが判別される。Ａ／Ｆ＞ＡＦのときにはステップ２１７に進んでＥＧＲ制御弁２３の開度に対する補正値ΔＳＥに一定値βが加算され、次いでステップ２１９に進む。これに対してＡ／Ｆ≦ＡＦのときにはステップ２１８に進んで補正値ΔＳＥから一定値βが減算され、次いでステップ２１９に進む。ステップ２１９ではＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥに補正値ΔＳＥを加算することによりＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥＯが算出され、ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目標開度ＳＥＯに制御される。即ち、この実施例ではＥＧＲ制御弁２３の開度を制御することによって実際の空燃比が目標空燃比ＡＦに制御される。無論この場合、スロットル弁１６の開度を制御することによって実際の空燃比を目標空燃比ＡＦに制御することもできる。
【００７９】
一方、ステップ２１０においてＬ＞Ｘ（Ｎ）になったと判断されるとステップ２２０に進んでフラグＩがリセットされ、次いでステップ２２３に進んで第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。
即ち、ステップ２２３では図１８（Ａ）に示すマップからスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、次いでステップ２２４では図１８（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出される。次いでステップ２２５では燃料噴射量Ｑが算出され、次いでステップ２２６では噴射開始時期θＳが算出される。
【００８０】
一方、ステップ２０９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２２１に進んで要求負荷Ｌが第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも小さくなったか否かが判別される。Ｌ≧Ｙ（Ｎ）のときにはステップ２２３に進む。これに対してＬ＜Ｙ（Ｎ）になるとステップ２２２に進んでフラグＩがセットされる。次いでステップ２１１に進み、第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われる。従ってＴＥ−ＴＥＩ＞ΔＴとなったときに機関の運転状態が第１の運転領域Ｉであれば低温燃焼が行われ、第２の運転領域ＩＩであれば第２の燃焼が行われる。
【００８１】
次に図２４を参照しつつ機関の運転を制御するための第２実施例について説明する。
図２４を参照すると、まず初めにステップ３００において触媒１９が活性化したことを示す活性判断フラグがセットされているか否かが判別される。活性判断フラグがセットされていないとき、即ち触媒１９がまだ活性化していないときにはステップ３０１に進んで温度センサ４６により検出された触媒１９下流の排気ガス温ＴＥが予め定められた温度ＴＥ０ 例えば３００℃よりも高くなったか否かが判別される。ＴＥ≦ＴＥ０ のときにはステップ３０２に進む。
ステップ３０２ではスロットル弁１６の目標開度ＳＴが全開とされ、次いでステップ３０３ではＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが予め定められた開度ＳＥＳとされる。次いでステップ３０４では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの燃料噴射量Ｑに予め定められた量ΔＱを加算することによって最終的な燃料噴射量Ｑ（＝Ｑ＋ΔＱ）が算出される。次いでステップ３０５では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの噴射開始時期θＳから予め定められた期間ΔθＳを減算することによって最終的な噴射開始時期θＳ（＝θＳ−ΔθＳ）が算出される。次いでステップ３０６では排気弁９の開弁時期がＥＯ＋αとされる。このとき第２の燃焼が行われる。
【００８２】
次いでステップ３０１においてＴＥ＞ＴＥ０ であると判別されると、即ち触媒１９が活性化したと判断されるとステップ３０７に進んで活性化判断フラグがセットされる。次いでステップ３０８においてＴＥ＞ＴＥ０ となってから一定時間経過したか否かが判別される。ＴＥ＞ＴＥ０ となってから一定時間経過していないときには図２３に示される活性後の運転制御ルーチンに移り、第１の燃焼又は第２の燃焼が行われる。次の処理サイクルではステップ３００において活性判断フラグがセットされていると判断されるのでステップ３０８にジャンプする。次いでステップ３０８においてＴＥ＞ＴＥ０ となってから一定時間経過したと判断されたときにはステップ３０９に進んで排気弁９の開弁期間がＥＯとされる。従ってＴＥ＞ＴＥ０ となってから一定時間を経過するまで排気弁９の開弁時期が早め続けられることがわかる。
【００８３】
図２５は、第２の燃焼が行われているときに排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯの量を一時的に増大させれば触媒が活性化するか否かを判断し、排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯの量を一時的に増大させれば触媒が活性化すると判断されたときには図２５のＦ領域において排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯの量を一時的に増大させるようにした場合を示している。なお、これから説明する第３、第４、第５および第６実施例では図２５に示されるように触媒１９下流の排気ガス温ＴＥが予め定められた温度ＴＥｄ （＜ＴＥ０ ）になったときに排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯの量を一時的に増大させれば触媒が活性化すると判断される。
【００８４】
第３実施例においては図２５のＦ領域において低温燃焼しうる場合には一定時間だけ低温燃焼が行われる。即ち、第２の燃焼が行われているときには排気ガス中に過剰の酸素が含まれており、従って触媒１９には多量の酸素が吸着されている。このような状態で低温燃焼が一時的に行われると燃焼室５からは多量の未燃ＨＣ，ＣＯが排出されるためにこれら多量の未燃ＨＣ，ＣＯが触媒１９に吸着されている酸素によって一気に酸化せしめられる。その結果、このときの酸化反応熱によって触媒１９の温度が急速に上昇せしめられ、斯くして触媒１９が短時間で活性化されることになる。
【００８５】
次に図２６を参照しつつ機関の運転を制御するための第３実施例について説明する。
図２６を参照すると、まず初めにステップ４００において触媒１９が活性化したことを示す活性判断フラグがセットされているか否かが判別される。活性判断フラグがセットされていないとき、即ち触媒１９がまだ活性化していないときにはステップ４０１に進んで温度センサ４６により検出された触媒１９下流の排気ガス温ＴＥが予め定められた温度ＴＥｄ 例えば２５０℃よりも大きくなったか否かが判別される。ＴＥ＜ＴＥｄ のときにはステップ４０２に進む。
【００８６】
ステップ４０２ではスロットル弁１６の目標開度ＳＴが全開とされ、次いでステップ４０３ではＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが予め定められた開度ＳＥＳとされる。次いでステップ４０４では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの燃料噴射量Ｑに予め定められた量ΔＱを加算することによって最終的な燃料噴射量Ｑ（＝Ｑ＋ΔＱ）が算出される。次いでステップ４０５では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの噴射開始時期θＳから予め定められた期間ΔθＳを減算することによって最終的な噴射開始時期θＳ（＝θＳ−ΔθＳ）が算出される。次いでステップ４０６では排気弁９の開弁時期がＥＯ＋αとされる。このとき第２の燃焼が行われる。
【００８７】
次いでステップ４０１においてＴＥ＞ＴＥｄ になったと判別されたときにはステップ４０７に進んで要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも低いか否か、即ち低温燃焼しうるか否かが判別される。Ｌ≧Ｘ（Ｎ）のときにはステップ４０２に進む。これに対しＬ＜Ｘ（Ｌ）であればステップ４０８に進んで一定時間経過したか否かが判別され、一定時間経過していないときにはステップ４０９に進んで排気弁９の開弁時期がＥＯとされる。次いでステップ４１０に進んで低温燃焼が行われる。
【００８８】
即ち、ステップ４１０では図１４（Ａ）から（Ｄ）に示されるマップのうちでＫ（Ｔ）に応じた二つのマップを用いて比例配分により目標空燃比ＡＦが算出される。次いでステップ４１１では図１５（Ａ）から（Ｄ）に示されるマップのうちで目標空燃比ＡＦに応じた二つのマップを用いて比例配分によりスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１６の開度がこの目標開度ＳＴに制御される。次いでステップ４１２では図１６（Ａ）から（Ｄ）に示されるマップのうちで目標空燃比ＡＦに応じた二つのマップ用いて比例配分によりＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目標開度ＳＥに制御される。次いでステップ４１３では燃料噴射量Ｑ（＝Ｑ＋ΔＱ）が算出され、次いでステップ４１４では噴射開始時期θＳが算出される。
【００８９】
一方、ステップ４０８において一定時間経過したと判断されたときにはステップ４１５に進んで活性化判断フラグがセットされる。次いで図２３に示される活性後の運転制御ルーチンが実行され、第１の燃焼又は第２の燃焼が行われる。活性化判断フラグがセットされるとその後はステップ４００から図２３に示される活性後の運転制御ルーチンに進む。
【００９０】
図２７に第４実施例を示す。この実施例では図２５のＦ領域においてビゴム噴射が行われる。即ち、図２７に示されるように吸気上死点付近において少量の燃料Ｑ１ が噴射され、次いで圧縮上死点付近において主噴射Ｑ２ が行われる。ビゴム噴射では煤の発生を抑制しつつ空燃比をリッチにすることができる。従ってこの第４実施例では図２５のＦ領域において空燃比がリッチとなるようにビゴム噴射を行い、それによって多量の未燃ＨＣ，ＣＯを燃焼室５内から排出させるようにしている。
【００９１】
次に図２８を参照しつつ機関の運転を制御するための第４実施例について説明する。
図２８を参照すると、まず初めにステップ５００において触媒１９が活性化したことを示す活性判断フラグがセットされているか否かが判別される。活性判断フラグがセットされていないとき、即ち触媒１９がまだ活性化していないときにはステップ５０１に進んで温度センサ４６により検出された触媒１９下流の排気ガス温ＴＥが予め定められた温度ＴＥｄ よりも大きくなったか否かが判別される。ＴＥ≦ＴＥｄ のときにはステップ５０２に進む。
【００９２】
ステップ５０２ではスロットル弁１６の目標開度ＳＴが全開とされ、次いでステップ５０３ではＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが予め定められた開度ＳＥＳとされる。次いでステップ５０４では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの燃料噴射量Ｑに予め定められた量ΔＱを加算することによって最終的な燃料噴射量Ｑ（＝Ｑ＋ΔＱ）が算出される。次いでステップ５０５では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの噴射開始時期θＳから予め定められた期間ΔθＳを減算することによって最終的な噴射開始時期θＳ（＝θＳ−ΔθＳ）が算出される。次いでステップ５０６では排気弁９の開弁時期がＥＯ＋αとされる。このとき第２の燃焼が行われる。
【００９３】
次いでステップ５０１においてＴＥ＞ＴＥｄ であると判別されるとステップ５０７に進んで一定時間が経過したか否かが判別される。一定時間が経過していないときにはステップ５０８に進んで排気弁９の開弁時期がＥＯとされる。次いでステップ５０９に進み、空燃比がリッチになるようにしてビゴム噴射が行われる。
【００９４】
即ち、ステップ５０９ではスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、ステップ５１０ではＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出される。次いでステップ５１１では噴射量Ｑ１ およびＱ２ が算出され、次いでステップ５１２では噴射開始時期θＳ１およびθＳ２（図２７）が算出される。
一方、ステップ５０７において一定時間が経過したと判断されるとステップ５１３に進んで活性化判断フラグがセットされる。次いで図２３に示される活性後の運転制御ルーチンが実行され、第１の燃焼又は第２の燃焼が行われる。活性化判断フラグがセットされるとその後はステップ５００から図２３に示される活性後の運転制御ルーチンに進む。
【００９５】
図２９に第５実施例を示す。この実施例では図２５のＦ領域においてビゴム噴射が行われ、吸気弁７および排気弁９が共に開弁するバルブオーバーラップ期間が長くされ、少くとも一部の燃料がバルブオーバーラップ期間中に噴射され、それによって多量の未燃ＨＣ，ＣＯを燃焼室５内から排出させるようにしている。このことについて図２９（Ａ）および図２９（Ｂ）を参照しつつもう少し詳しく説明する。
【００９６】
図２９（Ａ）は吸気弁７と排気弁９のリフト曲線を示している。なお、図２９（Ａ）において実線は吸気弁７と排気弁９が共に開弁するバルブオーバーラップ期間が比較的短かい場合を示しており、図２９（Ａ）において破線はバルブオーバーラップ期間が長くされた場合を示している。バルブオーバーラップ期間はアクチュエータ４７，４８によって容易に制御することができる。
【００９７】
ところで図１に示されるような内燃機関においては排気弁９が開弁すると排気ポート１０内は一時的に正圧となり、次いでこの正圧波は下流側に向け伝播して例えばマニホルド集合部で負圧波の形で反射し、この負圧波は今度は上流側に向け伝播し、その結果排気弁９が閉弁する直前に排気ポート１０内には負圧が発生する。その結果、バルブオーバーラップ時に吸気ポート１０から燃焼室５内に供給された空気の一部はこの負圧によって排気ポート１０内に吹き抜け、このときの吹き抜け量はバルブオーバーラップ期間が長くなるほど増大する。従ってバルブオーバーラップ期間を長くすると共に燃料噴射をバルブオーバーラップ期間中に行うと多量の未燃ＨＣが吹き抜け空気と共に排気ポート１０内に排出されることになる。
【００９８】
そこでこの第５実施例では図２５のＦ領域において図２９（Ｂ）に示されるようにバルブオーバーラップ期間を長くすると共に、第１回目の燃料噴射Ｑ１ をバルブオーバーラップ期間中に、第２回目の燃料噴射Ｑ２ を圧縮上死点付近で行うようにしている。
次に図３０を参照しつつ機関の運転を制御するための第５実施例について説明する。
【００９９】
図３０を参照すると、まず初めにステップ６００において触媒１９が活性化したことを示す活性判断フラグがセットされているか否かが判別される。活性判断フラグがセットされていないとき、即ち触媒１９がまだ活性化していないときにはステップ６０１に進んで温度センサ４６により検出された触媒１９下流の排気ガス温ＴＥが予め定められた温度ＴＥｄ よりも大きくなったか否かが判別される。ＴＥ≦ＴＥｄ のときにはステップ６０２に進む。
【０１００】
ステップ６０２ではスロットル弁１６の目標開度ＳＴが全開とされ、次いでステップ６０３ではＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが予め定められた開度ＳＥＳとされる。次いでステップ６０４では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの燃料噴射量Ｑに予め定められた量ΔＱを加算することによって最終的な燃料噴射量Ｑ（＝Ｑ＋ΔＱ）が算出される。次いでステップ６０５では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの噴射開始時期θＳから予め定められた期間ΔθＳを減算することによって最終的な噴射開始時期θＳ（＝θＳ−ΔθＳ）が算出される。次いでステップ６０６では排気弁９の開弁時期がＥＯ＋αとされる。このとき第２の燃焼が行われる。
【０１０１】
次いでステップ６０１においてＴＥ＞ＴＥｄ であると判別されるとステップ６０７に進んで一定時間が経過したか否かが判別される。一定時間が経過していないときにはステップ６０８に進んで排気弁９の開弁時期がＥＯとされる。次いでステップ６０９ではスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、次いでステップ６１０ではＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出される。次いでステップ６１１ではアクチュエータ４７，４８が駆動され、バルブオーバーラップ期間が長くされる。次いでステップ６１２において第１回目の燃料噴射量Ｑ１ および第２回目の燃料噴射量Ｑ２ が算出され、次いでステップ６１３では噴射開始時期θＳ１およびθＳ２（図２９（Ｂ））が算出される。
【０１０２】
一方、ステップ６０７において一定時間が経過したと判断されるとステップ６１４に進んで活性化判断フラグがセットされる。次いで図２３に示される活性後の運転制御ルーチンが実行され、第１の燃焼又は第２の燃焼が行われる。活性化判断フラグがセットされるとその後はステップ６００から図２３に示される活性後の運転制御ルーチンに進む。
【０１０３】
図３１に第６実施例を示す。この実施例では図２５に示すＦ領域において多量の未燃ＨＣ，ＣＯを燃焼室５から排出させるために主噴射Ｑ１の完了後、膨張行程又は排気行程において追加の燃料Ｑ２が噴射される。
次に図３２を参照しつつ機関の運転を制御するための第６実施例について説明する。
【０１０４】
図３２を参照すると、まず初めにステップ７００において触媒１９が活性化したことを示す活性判断フラグがセットされているか否かが判別される。活性判断フラグがセットされていないとき、即ち触媒１９がまだ活性化していないときにはステップ７０１に進んで温度センサ４６により検出された触媒１９下流の排気ガス温ＴＥが予め定められた温度ＴＥｄ よりも大きくなったか否かが判別される。ＴＥ≦ＴＥｄ のときにはステップ７０２に進む。
【０１０５】
ステップ７０２ではスロットル弁１６の目標開度ＳＴが全開とされ、次いでステップ７０３ではＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが予め定められた開度ＳＥＳとされる。次いでステップ７０４では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの燃料噴射量Ｑに予め定められた量ΔＱを加算することによって最終的な燃料噴射量Ｑ（＝Ｑ＋ΔＱ）が算出される。次いでステップ７０５では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの噴射開始時期θＳから予め定められた期間ΔθＳを減算することによって最終的な噴射開始時期θＳ（＝θＳ−ΔθＳ）が算出される。次いでステップ７０６では排気弁９の開弁時期がＥＯ＋αとされる。このとき第２の燃焼が行われる。
【０１０６】
次いでステップ７０１においてＴＥ＞ＴＥｄ であると判別されるとステップ７０７に進んで一定時間が経過したか否かが判別される。一定時間が経過していないときにはステップ７０８に進んで排気弁９の開弁時期がＥＯとされる。次いでステップ７０９に進み、空燃比がリッチになるように追加の燃料噴射が行われる。
【０１０７】
即ち、ステップ７０９では図１８（Ａ）に示すマップからスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、ステップ７１０では図１８（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出される。次いでステップ７１１では主噴射量Ｑ１ および追加の噴射量Ｑ２ が算出され、次いでステップ７１２では主噴射の噴射開始時期θＳが算出される。
【０１０８】
一方、ステップ７０７において一定時間が経過したと判断されたときにはステップ７１３に進んで活性化判断フラグがセットされる。次いで図２３に示される活性後の運転制御ルーチンが実行され、第１の燃焼又は第２の燃焼が行われる。活性化判断フラグがセットされるとその後はステップ７００から図２３に示される活性後の運転制御ルーチンに進む。
【０１０９】
【発明の効果】
機関運転中における煤の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図２】スモークおよびＮＯｘの発生量等を示す図である。
【図３】燃焼圧を示す図である。
【図４】燃料分子を示す図である。
【図５】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図である。
【図６】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図７】第１の運転領域Ｉおよび第２の運転領域ＩＩを示す図である。
【図８】ΔＬ（Ｎ）と機関回転数Ｎとの関係を示す図である。
【図９】空燃比センサの出力を示す図である。
【図１０】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１１】第１の境界Ｘ（Ｎ）の制御方法を説明するための図である。
【図１２】Ｋ（Ｔ）１ ，Ｋ（Ｔ）２ およびＫ（Ｎ）を示す図である。
【図１３】第１の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図である。
【図１４】目標空燃比のマップを示す図である。
【図１５】スロットル弁の目標開度のマップを示す図である。
【図１６】ＥＧＲ制御弁の目標基本開度を示す図である。
【図１７】第２の燃焼における空燃比等を示す図である。
【図１８】スロットル弁の目標開度等を示す図である。
【図１９】低温燃焼領域を制御するためのフローチャートである。
【図２０】機関回転数の変化等を示すタイムチャートである。
【図２１】排気弁の開弁時期を説明するための図である。
【図２２】機関の運転を制御するための第１実施例を示すフローチャートである。
【図２３】活性後の機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図２４】機関の運転を制御するための第２実施例を示すフローチャートである。
【図２５】機関回転数等の変化を示すタイムチャートである。
【図２６】機関の運転を制御するための第３実施例を示すフローチャートである。
【図２７】ビゴム噴射を説明するための図である。
【図２８】機関の運転を制御するための第４実施例を示すフローチャートである。
【図２９】バルブオーバーラップ期間と燃料噴射を説明するための図である。
【図３０】機関の運転を制御するための第５実施例を示すフローチャートである。
【図３１】追加の燃料噴射を説明するための図である。
【図３２】機関の運転を制御するための第５実施例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
１６…スロットル弁
１９…触媒
２３…ＥＧＲ制御弁
【発明の属する技術分野】
本発明は圧縮着火式内燃機関の燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より内燃機関、例えばディーゼル機関においてはＮＯｘの発生を抑制するために機関排気通路と機関吸気通路とを排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路により連結し、このＥＧＲ通路を介して排気ガス、即ちＥＧＲガスを機関吸気通路内に再循環させるようにしている。この場合、ＥＧＲガスは比較的比熱が高く、従って多量の熱を吸収することができるので、ＥＧＲガス量を増大するほど、即ちＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（ＥＧＲガス量＋吸入空気量））を増大するほど燃焼室内における燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下するとＮＯｘの発生量が低下し、従ってＥＧＲ率を増大すればするほどＮＯｘの発生量は低下することになる。
【０００３】
このように従来よりＥＧＲ率を増大すればＮＯｘの発生量を低下しうることはわかっている。しかしながらＥＧＲ率を増大させていくとＥＧＲ率が或る限度を越えたときに煤の発生量、即ちスモークが急激に増大し始める。この点に関し従来より、それ以上ＥＧＲ率を増大すればスモークが限りなく増大していくものと考えられており、従ってスモークが急激に増大し始めるＥＧＲ率がＥＧＲ率の最大許容限界であると考えられている。
【０００４】
従って従来よりＥＧＲ率はこの最大許容限界を越えない範囲内に定められている（例えば特開平４−３３４７５０号公報参照）。このＥＧＲ率の最大許容限界は機関の形式や燃料によってかなり異なるがおおよそ３０パーセントから５０パーセントである。従って従来のディーゼル機関ではＥＧＲ率は最大でも３０パーセントから５０パーセント程度に抑えられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来ではＥＧＲ率に対して最大許容限界が存在すると考えられていたので従来よりＥＧＲ率はこの最大許容限界を越えない範囲内においてＮＯｘおよびスモークの発生量ができるだけ少なくなるように定められていた。しかしながらこのようにしてＥＧＲ率をＮＯｘおよびスモークの発生量ができるだけ少なくなるように定めてもＮＯｘおよびスモークの発生量の低下には限度があり、実際には依然としてかなりの量のＮＯｘおよびスモークが発生してしまうのが現状である。
【０００６】
ところが本発明者がディーゼル機関の燃焼の研究の過程においてＥＧＲ率を最大許容限界よりも大きくすれば上述の如くスモークが急激に増大するがこのスモークの発生量にはピークが存在し、このピークを越えてＥＧＲ率を更に大きくすると今度はスモークが急激に減少しはじめ、アイドリング運転時においてＥＧＲ率を７０パーセント以上にすると、またＥＧＲガスを強力に冷却した場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にするとスモークがほとんど零になる、即ち煤がほとんど発生しないことを見い出したのである。また、このときにはＮＯｘの発生量が極めて少量となることも判明している。この後この知見に基づいて煤が発生しない理由について検討を進め、その結果これまでにない煤およびＮＯｘの同時低減が可能な新たな燃焼システムを構築するに至ったのである。この新たな燃焼システムについては後に詳細に説明するが簡単に云うと炭化水素が煤に成長するまでの途中の段階において炭化水素の成長を停止させることを基本としている。
【０００７】
即ち、実験研究を重ねた結果判明したことは燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以下のときには炭化水素の成長が煤に至る前の途中の段階で停止し、燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以上になると炭化水素は一気に煤まで成長してしまうということである。この場合、燃料およびその周囲のガス温度は燃料が燃焼した際の燃料周りのガスの吸熱作用が大きく影響しており、燃料燃焼時の発熱量に応じて燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって燃料およびその周囲のガス温度を制御することができる。
【０００８】
従って、燃焼室内における燃焼時の燃焼およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制すれば煤は発生しなくなり、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制することは燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって可能となる。一方、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化水素は酸化触媒等を用いた後処理によって容易に浄化することができる。これが新たな燃焼システムの基本的な考え方である。
【０００９】
このようにこの新たな燃焼システムでは煤に至る前に成長が途中で停止した炭化水素等を酸化触媒等により浄化することを基本としており、従って酸化触媒等が活性化していないとき、即ち機関の運転が開始されてから酸化触媒等が活性化するまでの間はこの新たな燃焼を行わせることはできない。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
従って１番目の発明では、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなり、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に行う圧縮着火式内燃機関の燃焼方法において、機関排気通路内に配置された酸化機能を有する触媒が活性化していないときには第２の燃焼を行い、機関排気通路内に配置された酸化機能を有する触媒が活性化しているときには機関負荷に応じて第１の燃焼又は第２の燃焼のいずれか一方を行う。
２番目の発明では、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなり、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に行う圧縮着火式内燃機関の燃焼方法において、機関の運転領域が低負荷側の第１の運転領域と高負荷側の第２の運転領域とに分割されており、機関排気通路内に配置された酸化機能を有する触媒が活性化していないときには第２の燃焼を行い、機関排気通路内に配置された酸化機能を有する触媒が活性化しているときには機関の運転状態が第１の運転領域であるときには第１の燃焼を行い、機関の運転状態が第２の運転領域であるときには第２の燃焼を行う。
【００１１】
３番目の発明では、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなり、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に行う圧縮着火式内燃機関の燃焼方法において、第１の燃焼を行いうる低負荷側の第１の運転領域と第２の燃焼が行われる高負荷側の第２の運転領域とを分割する境界が第１の境界と第１の境界よりも低負荷側の第２の境界からなり、機関排気通路内に配置された酸化機能を有する触媒が活性化しておりかつ機関の運転状態が第１の運転領域にあって第１の燃焼が行われているときに要求負荷が第１の境界を越えると運転領域が第２の運転領域に移ったと判断されて第２の燃焼に切換えられ、機関排気通路内に配置された酸化機能を有する触媒が活性化しておりかつ機関の運転状態が第２の運転領域にあって第２の燃焼が行われているときに要求負荷が第２の境界よりも低くなると運転領域が第１の運転領域に移ったと判断されて第１の燃焼に切換えられる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を４ストローク圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には電気モータ１５により駆動されるスロットル弁１６が配置される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１７および排気管１８を介して酸化機能を有する触媒１９を内蔵した触媒コンバータ２０に連結され、排気マニホルド１７内には空燃比センサ２１が配置される。
【００１３】
排気マニホルド１７とサージタンク１２とはＥＧＲ通路２２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２３が配置される。また、ＥＧＲ通路２２周りにはＥＧＲ通路２２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２４が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２４内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００１４】
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管２５を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２６に連結される。このコモンレール２６内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２７から燃料が供給され、コモンレール２６内に供給された燃料は各燃料供給管２５を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２６にはコモンレール２６内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２８が取付けられ、燃料圧センサ２８の出力信号に基づいてコモンレール２６内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２７の吐出量が制御される。
【００１５】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。空燃比センサ２１の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力され、燃料圧センサ２８の出力信号も対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。機関本体１には機関冷却水温を検出するための温度センサ２９が取付けられ、この温度センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、少なくとも一つの吸気枝管１１内には吸入空気とＥＧＲガスとの混合ガス温を検出するための温度センサ４４が取付けられ、この温度センサ４４の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
【００１６】
また、触媒１９上流の排気通路内には触媒１９に流入する排気ガスの温度を検出するための温度センサ４５が配置され、触媒１９下流の排気通路内には触媒１９から流出した排気ガスの温度を検出するための温度センサ４６が配置される。これら温度センサ４５，４６の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
【００１７】
アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、吸気弁７には吸気弁７を駆動するためのアクチュエータ４７が取付けられ、排気弁９には排気弁９を駆動するためのアクチュエータ４８が取付けられる。出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁６、電気モータ１５、ＥＧＲ制御弁２３、燃料ポンプ２７およびアクチュエータ４７，４８に接続される。
【００１８】
図２は機関低負荷運転時においてスロットル弁１６の開度およびＥＧＲ率を変化させることにより空燃比Ａ／Ｆ（図２の横軸）を変化させたときの出力トルクの変化、およびスモーク、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの排出量の変化を示す実験例を表している。図２からわかるようにこの実験例では空燃比Ａ／Ｆが小さくなるほどＥＧＲ率が大きくなり、理論空燃比（≒１４．６）以下のときにはＥＧＲ率は６５パーセント以上となっている。
【００１９】
図２に示されるようにＥＧＲ率を増大することにより空燃比Ａ／Ｆを小さくしていくとＥＧＲ率が４０パーセント付近となり空燃比Ａ／Ｆが３０程度になったときにスモークの発生量が増大を開始する。次いで、更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくするとスモークの発生量が急激に増大してピークに達する。次いで更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくすると今度はスモークが急激に低下し、ＥＧＲ率を６５パーセント以上とし、空燃比Ａ／Ｆが１５．０付近になるとスモークがほぼ零となる。即ち、煤がほとんど発生しなくなる。このとき機関の出力トルクは若干低下し、またＮＯｘの発生量がかなり低くなる。一方、このときＨＣ，ＣＯの発生量は増大し始める。
【００２０】
図３（Ａ）は空燃比Ａ／Ｆが１８付近でスモークの発生量が最も多いときの燃焼室５内の燃焼圧変化を示しており、図３（Ｂ）は空燃比Ａ／Ｆが１３付近でスモークの発生量がほぼ零のときの燃焼室５内の燃焼圧の変化を示している。図３（Ａ）と図３（Ｂ）とを比較すればわかるようにスモークの発生量がほぼ零である図３（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図３（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【００２１】
図２および図３に示される実験結果から次のことが言える。即ち、まず第１に空燃比Ａ／Ｆが１５．０以下でスモークの発生量がほぼ零のときには図２に示されるようにＮＯｘの発生量がかなり低下する。ＮＯｘの発生量が低下したということは燃焼室５内の燃焼温度が低下していることを意味しており、従って煤がほとんど発生しないときには燃焼室５内の燃焼温度が低くなっていると言える。同じことが図３からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図３（Ｂ）に示す状態では燃焼圧が低くなっており、従ってこのとき燃焼室５内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【００２２】
第２にスモークの発生量、即ち煤の発生量がほぼ零になると図２に示されるようにＨＣおよびＣＯの排出量が増大する。このことは炭化水素が煤まで成長せずに排出されることを意味している。即ち、燃料中に含まれる図４に示されるような直鎖状炭化水素や芳香族炭化水素は酸素不足の状態で温度上昇せしめられると熱分解して煤の前駆体が形成され、次いで主に炭素原子が集合した固体からなる煤が生成される。この場合、実際の煤の生成過程は複雑であり、煤の前駆体がどのような形態をとるかは明確ではないがいずれにしても図４に示されるような炭化水素は煤の前駆体を経て煤まで成長することになる。従って、上述したように煤の発生量がほぼ零になると図２に示される如くＨＣおよびＣＯの排出量が増大するがこのときのＨＣは煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素である。
【００２３】
図２および図３に示される実験結果に基づくこれらの考察をまとめると燃焼室５内の燃焼温度が低いときには煤の発生量がほぼ零になり、このとき煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素が燃焼室５から排出されることになる。このことについて更に詳細に実験研究を重ねた結果、燃焼室５内における燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以下である場合には煤の成長過程が途中で停止してしまい、即ち煤が全く発生せず、燃焼室５内における燃料およびその周囲の温度が或る温度以上になると煤が生成されることが判明したのである。
【００２４】
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。
【００２５】
一旦、煤が生成されるとこの煤は酸化触媒等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触媒等を用いた後処理でもって容易に浄化することができる。このように酸化触媒等による後処理を考えると炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態で燃焼室５から排出させるか、或いは煤の形で燃焼室５から排出させるかについては極めて大きな差がある。本発明において用いている新たな燃焼システムは燃焼室５内において煤を生成させることなく炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態の形でもって燃焼室５から排出させ、この炭化水素を酸化触媒等により酸化せしめることを核としている。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
図５は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用い、ＥＧＲガスの冷却度合を変えたときのＥＧＲ率とスモークとの関係を示している。即ち、図５において曲線ＡはＥＧＲガスを強力に冷却してＥＧＲガス温をほぼ９０℃に維持した場合を示しており、曲線Ｂは小型の冷却装置でＥＧＲガスを冷却した場合を示しており、曲線ＣはＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合を示している。
【００３１】
図５の曲線Ａで示されるようにＥＧＲガスを強力に冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し低いところで煤の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。一方、図５の曲線Ｂで示されるようにＥＧＲガスを少し冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し高いところで煤の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ６５パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。
【００３２】
また、図５の曲線Ｃで示されるようにＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５５パーセントの付近で煤の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ７０パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。なお、図５は機関負荷が比較的高いときのスモークの発生量を示しており、機関負荷が小さくなると煤の発生量がピークとなるＥＧＲ率は若干低下し、煤がほとんど発生しなくなるＥＧＲ率の下限も若干低下する。このように煤がほとんど発生しなくなるＥＧＲ率の下限はＥＧＲガスの冷却度合や機関負荷に応じて変化する。
【００３３】
図６は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いた場合において燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要なＥＧＲガスと空気の混合ガス量、およびこの混合ガス量中の空気の割合、およびこの混合ガス中のＥＧＲガスの割合を示している。なお、図６において縦軸は燃焼室５内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Ｙは過給が行われないときに燃焼室５内に吸入しうる全吸入ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示しており、Ｚ１は低負荷運転領域を示している。
【００３４】
図６を参照すると空気の割合、即ち混合ガス中の空気量は噴射された燃料を完全に燃焼せしめるのに必要な空気量を示している。即ち、図６に示される場合では空気量と噴射燃料量との比は理論空燃比となっている。一方、図６においてＥＧＲガスの割合、即ち混合ガス中のＥＧＲガス量は噴射燃料が燃焼せしめられたときに燃料およびその周囲のガス温度を煤が形成される温度よりも低い温度にするのに必要最低限のＥＧＲガス量を示している。このＥＧＲガス量はＥＧＲ率で表すとほぼ５５パーセント以上であり、図６に示す実施例では７０パーセント以上である。即ち、燃焼室５内に吸入された全吸入ガス量を図６において実線Ｘとし、この全吸入ガス量Ｘのうちの空気量とＥＧＲガス量との割合を図６に示すような割合にすると燃料およびその周囲のガス温度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯くして煤が全く発生しなくなる。また、このときの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。
【００３５】
燃料噴射量が増大すれば燃料が燃焼した際の発熱量が増大するので燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持するためにはＥＧＲガスによる熱の吸収量を増大しなければならない。従って図６に示されるようにＥＧＲガス量は噴射燃料量が増大するにつれて増大せしめなければならない。即ち、ＥＧＲガス量は要求負荷が高くなるにつれて増大する必要がある。
【００３６】
一方、図６の負荷領域Ｚ２では煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘが吸入しうる全吸入ガス量Ｙを越えてしまう。従ってこの場合、煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘを燃焼室５内に供給するにはＥＧＲガスおよび吸入空気の双方、或いはＥＧＲガスを過給又は加圧する必要がある。ＥＧＲガス等を過給又は加圧しない場合には負荷領域Ｚ２では全吸入空気量Ｘは吸入しうる全吸入空気量Ｙに一致する。従ってこの場合、煤の発生を阻止するためには空気量を若干減少させてＥＧＲガス量を増大すると共に空燃比がリッチのもとで燃料を燃焼せしめることになる。
【００３７】
前述したように図６は燃料は理論空燃比のもとで燃焼させる場合を示しているが図６に示される低負荷運転領域Ｚ１において空気量を図６に示される空気量よりも少なくても、即ち空燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつＮＯｘの発生量を１０ｐ．ｐ．ｍ 前後又はそれ以下にすることができ、また図６に示される低負荷領域Ｚ１において空気量を図６に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を１７から１８のリーンにしても煤の発生を阻止しつつＮＯｘの発生量を１０ｐ．ｐ．ｍ 前後又はそれ以下にすることができる。
【００３８】
即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くして煤が生成されることがない。また、このときＮＯｘも極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが本発明では燃焼温度が低い温度に抑制されているので煤は全く生成されない。更に、ＮＯｘも極めて少量しか発生しない。
【００３９】
このように、機関低負荷運転領域Ｚ１では空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろうと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーンであろうと煤が発生されず、ＮＯｘの発生量が極めて少量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこのとき平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
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少ない比較的機関負荷が低いときに限られる。従って本発明では機関負荷が比較的低いとき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、機関負荷が比較的高いときには第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼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云い、第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない燃焼のことを云う。
【００４０】
図７は第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われる第１の運転領域Ｉと、第２の燃焼、即ち従来の燃焼方法による燃焼が行われる第２の燃焼領域ＩＩとを示している。なお、図７において縦軸Ｌはアクセルペダル４０の踏込み量、即ち要求負荷を示しており、横軸Ｎは機関回転数を示している。また、図７においてＸ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域ＩＩとの第１の境界を示しており、Ｙ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域ＩＩとの第２の境界を示している。第１の運転領域Ｉから第２の運転領域ＩＩへの運転領域の変化判断は第１の境界Ｘ（Ｎ）に基づいて行われ、第２の運転領域ＩＩから第１の運転領域Ｉへの運転領域の変化判断は第２の境界Ｙ（Ｎ）に基づいて行われる。
【００４１】
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、第２の燃焼、即ち従来の燃焼方法による燃焼に切換えられる。次いで要求負荷Ｌが機関回転数Ｎの関数である第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなると運転領域が第１の運転領域Ｉに移ったと判断され、再び第１の燃焼、即ち低温燃焼に切換えられる。
【００４２】
このように第１の境界Ｘ（Ｎ）と第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも低負荷側の第２の境界Ｙ（Ｎ）との二つの境界を設けたのは次に二つの理由による。第１の理由は、第２の運転領域ＩＩの高負荷側では比較的燃焼温度が高く、このとき要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）より低くなったとしてもただちに低温燃焼を行えないからである。即ち、要求負荷Ｌがかなり低くなったとき、即ち第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなったときでなければただちに低温燃焼が開始されないからである。第２の理由は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域ＩＩ間の運転領域の変化に対してヒステリシスを設けるためである。
【００４３】
なお、本発明による実施例では第２の境界Ｙ（Ｎ）は第１の境界Ｘ（Ｎ）に対してΔＬ（Ｎ）だけ低負荷側とされる。図７および図８に示されるようにΔＬ（Ｎ）は機関回転数Ｎの関数であり、ΔＬ（Ｎ）は機関回転数Ｎが高くなるほど小さくなる。
ところで機関の運転状態が第１の運転領域Ｉにあって低温燃焼が行われているときには煤はほとんど発生せず、その代り未燃炭化水素が煤の前駆体又はその前の状態の形でもって燃焼室５から排出される。このとき酸化機能を有する触媒１９が活性化していれば燃焼室５から排出された未燃炭化水素は触媒１９により良好に酸化せしめられる。しかしながらこのとき触媒１９が活性化していない場合には未燃炭化水素は触媒１９により酸化せしめられず、斯くして多量の未燃炭化水素が大気に放出されることになる。ところで機関の運転が開始されたときには触媒１９が活性化していない場合が多い。従って本発明では機関の運転が開始されたときにはまず初めに、第２の燃焼、即ち従来の燃焼方法による燃焼を行い、次いで第１の燃焼を行うようにしている。
【００４４】
触媒１９としては酸化触媒、三元触媒、又はＮＯｘ吸収剤を用いることができる。ＮＯｘ吸収剤は燃焼室５内における平均空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し、燃焼室５内における平均空燃比がリッチになるとＮＯｘを放出する機能を有する。
このＮＯｘ吸収剤は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少くとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。
【００４５】
酸化触媒はもとより、三元触媒およびＮＯｘ吸収剤も酸化機能を有しており、従って上述した如く三元触媒およびＮＯｘ吸収剤を触媒１９として用いることができる。
触媒１９は触媒１９の温度が或る一定温度を越えると活性化する。触媒１９が活性化する温度は触媒１９の種類により異なり、代表的な酸化触媒の活性化温度は３５０℃程度である。触媒１９を通過した排気ガスの温度は触媒１９の温度よりもわずかな一定温度だけ低くなり、従って触媒１９を通過した排気ガス温は触媒１９の温度を代表している。従って本発明による一実施例では触媒１９を通過した排気ガスの温度から触媒１９が活性化したか否かを判断するようにしている。
【００４６】
図９は空燃比センサ２１の出力を示している。図９に示されるように空燃比センサ２１の出力電流Ｉは空燃比Ａ／Ｆに応じて変化する。従って空燃比センサ２１の出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。
次に触媒１９が活性化している場合を例にとって図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。
【００４７】
図１０は要求負荷Ｌに対するスロットル弁１６の開度、ＥＧＲ制御弁２３の開度、ＥＧＲ率、空燃比、噴射時期および噴射量を示している。図１０に示されるように要求負荷Ｌの低い第１の運転領域Ｉではスロットル弁１６の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから半開程度まで徐々に増大せしめられ、ＥＧＲ制御弁２３の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから全開まで徐々に増大せしめられる。また、図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１５から１８のリーン空燃比とされている。
【００４８】
云い換えると第１の運転領域ＩではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントとなり、空燃比が１５から１８のリーン空燃比となるようにスロットル弁１６の開度およびＥＧＲ制御弁２３の開度が制御される。なお、このとき空燃比は空燃比センサ２１の出力信号に基づいてＥＧＲ制御弁２３の開度を補正することによって目標リーン空燃比に制御される。また、第１の運転領域Ｉでは圧縮上死点ＴＤＣ前に燃料噴射が行われる。この場合、噴射開始時期θＳは要求負荷Ｌが高くなるにつれて遅くなり、噴射完了時期θＥも噴射開始時期θＳが遅くなるにつれて遅くなる。
【００４９】
なお、アイドリング運転時にはスロットル弁１６は全閉近くまで閉弁され、このときＥＧＲ制御弁２３も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁１６を全閉近くまで閉弁すると圧縮始めの燃焼室５内の圧力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が小さくなるとピストン４による圧縮仕事が小さくなるために機関本体１の振動が小さくなる。即ち、アイドリング運転時には機関本体１の振動を抑制するためにスロットル弁１６が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【００５０】
機関の運転状態が第１の運転領域Ｉであるときには煤およびＮＯｘはほとんど発生せず、排気ガス中に含まれている煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素は触媒１９により酸化せしめられる。
一方、機関の運転領域が第１の運転領域Ｉから第２の運転領域ＩＩに変わるとスロットル弁１６の開度が半開状態から全開方向へステップ状に増大しめられる。このとき図９に示す例ではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントから４０パーセント以下までステップ状に減少せしめられ、空燃比がステップ状に大きくされる。即ち、ＥＧＲ率が多量のスモークを発生するＥＧＲ率範囲（図５）を飛び越えるので機関の運転領域が第１の運転領域Ｉから第２の運転領域ＩＩに変わるときに多量のスモークが発生することがない。
【００５１】
第２の運転領域ＩＩでは従来から行われている燃焼が行われる。この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。
第２の運転領域ＩＩではスロットル弁１６は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁２３の開度は要求負荷Ｌが高くなると次第に小さくされる。この運転領域ＩＩではＥＧＲ率は要求負荷Ｌが高くなるほど低くなり、空燃比は要求負荷Ｌが高くなるほど小さくなる。ただし、空燃比は要求負荷Ｌが高くなってもリーン空燃比とされる。また、第２の運転領域ＩＩでは噴射開始時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付近とされる。
【００５２】
ところで低温燃焼しうる第１の運転領域Ｉの範囲は圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温およびシリンダ内壁面温度に応じて変化する。即ち、要求負荷が高くなって燃焼による発熱量が増大すると、燃焼時における燃料およびその周囲のガス温が高くなり、斯くして低温燃焼を行うことができなくなる。一方、圧縮始めの燃焼室５内のガス温ＴＧが低くなると燃焼が開始される直前の燃焼室５内のガス温が低くなるので燃焼時における燃料およびその周囲のガス温が低くなる。従って圧縮始めの燃焼室５内のガス温ＴＧが低くなれば燃焼による発熱量が増大しても、即ち要求負荷が高くなっても燃焼時における燃料およびその周囲のガス温は高くならず、斯くして低温燃焼が行われることになる。云い換えると圧縮始めの燃焼室５内のガス温ＴＧが低くなればなるほど低温燃焼しうる第１の運転領域Ｉが高負荷側に拡大することになる。
【００５３】
また、シリンダ内壁面温度ＴＷと圧縮始めの燃焼室５内のガス温ＴＧとの温度差（ＴＷ−ＴＧ）が小さいほど圧縮行程中にシリンダ内壁面を介して逃げる熱量が増大する。従ってこの温度差（ＴＷ−ＴＧ）が小さくなるほど圧縮行程中における燃焼室５内のガスの温度上昇量が少なくなり、斯くして燃焼時における燃料およびその周囲のガス温が低くなる。従って温度差（ＴＷ−ＴＧ）が小さいほど低温燃焼しうる第１の運転領域Ｉが高負荷側に拡大することになる。
【００５４】
本発明による実施例では圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧが低くなると図１１に示されるように第１の境界がＸｏ（Ｎ）からＸ（Ｎ）に移動せしめられ、温度差（ＴＷ−ＴＧ）が小さくなると図１１に示されるように第１の境界がＸｏ（Ｎ）からＸ（Ｎ）に移動せしめられる。なお、ここでＸｏ（Ｎ）は基準となる第１の境界を示している。基準となる第１の境界Ｘｏ（Ｎ）は機関回転数Ｎの関数であり、Ｘ（Ｎ）はこのＸｏ（Ｎ）を用いて次式に基づいて算出される。
【００５５】
Ｘ（Ｎ）＝Ｘｏ（Ｎ）＋Ｋ（Ｔ）・Ｋ（Ｎ）
Ｋ（Ｔ）＝Ｋ（Ｔ）１ ＋Ｋ（Ｔ）２
ここでＫ（Ｔ）１ は図１２（Ａ）に示されるように圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧの関数であり、このＫ（Ｔ）１ の値は圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧが低くなるほど大きくなる。また、Ｋ（Ｔ）２ は図１２（Ｂ）に示されるように温度差（ＴＷ−ＴＧ）の関数であり、このＫ（Ｔ）２ の値は温度差（ＴＷ−ＴＧ）が小さくなるほど大きくなる。なお、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）においてＴ１ は基準温度、Ｔ２ は基準温度差であり、ＴＧ＝Ｔ１ でかつ（ＴＷ−ＴＧ）＝Ｔ２ のときに第１の境界が図１１のＸｏ（Ｎ）となる。
【００５６】
一方、Ｋ（Ｎ）は図１２（Ｃ）に示されるように機関回転数Ｎの関数であり、Ｋ（Ｎ）の値は機関回転数Ｎが高くなるほど小さくなる。即ち、圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧが基準温度Ｔ１ よりも低くなると圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧが低くなるほど第１の境界Ｘ（Ｎ）はＸｏ（Ｎ）に対して高負荷側に移動し、温度差（ＴＷ−ＴＧ）が基準温度差Ｔ２ よりも低くなると温度差（ＴＷ−ＴＧ）が小さくなるほど第１の境界Ｘ（Ｎ）はＸｏ（Ｎ）に対して高負荷側に移動する。また、Ｘｏ（Ｎ）に対するＸ（Ｎ）の移動量は機関回転数Ｎが高くなるほど少なくなる。
【００５７】
図１３（Ａ）は第１の境界が基準となる第１の境界Ｘｏ（Ｎ）であるときの第１の運転領域Ｉにおける空燃比Ａ／Ｆを示している。図１３（Ａ）において、Ａ／Ｆ＝１５，Ａ／Ｆ＝１６，Ａ／Ｆ＝１７で示される各曲線は夫々空燃比が１５，１６，１７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１３（Ａ）に示されるように第１の運転領域Ｉでは空燃比がリーンとなっており、更に第１の運転領域Ｉでは要求負荷Ｌが低くなるほど空燃比Ａ／Ｆがリーンとされる。
【００５８】
即ち、要求負荷Ｌが低くなるほど燃焼による発熱量が少なくなる。従って要求負荷Ｌが低くなるほどＥＧＲ率を低下させても低温燃焼を行うことができる。ＥＧＲ率を低下させると空燃比は大きくなり、従って図１３（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌ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負荷Ｌが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。なお、燃料消費率のことを考えなければ第１の運転領域Ｉにおける空燃比Ａ／Ｆを小さな一定空燃比、例えばＡ／Ｆ＝１５とすることもできる。
【００５９】
図１３（Ｂ）は第１の境界が図１１に示されるＸ（Ｎ）のときの第１の運転領域Ｉにおける空燃比Ａ／Ｆを示している。図１３（Ａ）および（Ｂ）を比較するとわかるように第１の境界Ｘ（Ｎ）がＸｏ（Ｎ）に対して高負荷側に移動するとそれに追従して各空燃比を示すＡ／Ｆ＝１５，Ａ／Ｆ＝１６，Ａ／Ｆ＝１７の曲線も高負荷側に移動する。従って第１の境界Ｘ（Ｎ）がＸｏ（Ｎ）に対して高負荷側に移動すると同一要求負荷Ｌおよび同一機関回転数Ｎにおける空燃比Ａ／Ｆが大きくなることがわかる。即ち、第１の運転領域Ｉが高負荷側に拡大せしめられると煤およびＮＯｘのほとんど発生しない運転領域が拡大されるばかりでなく、燃料消費率が向上せしめられることになる。
【００６０】
本発明による実施例では第１の境界Ｘ（Ｎ）が種々に変化したときの第１の運転領域Ｉにおける目標空燃比、即ち種々のＫ（Ｔ）の値に対する第１の運転領域Ｉにおける目標空燃比が図１４（Ａ）から図１４（Ｄ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。即ち、図１４（Ａ）はＫ（Ｔ）の値がＫＴ１のときの目標空燃比ＡＦＫＴ１を示しており、図１４（Ｂ）はＫ（Ｔ）の値がＫＴ２のときの目標空燃比ＡＦＫＴ２を示しており、図１４（Ｃ）はＫ（Ｔ）の値がＫＴ３のときの目標空燃比ＡＦＫＴ３を示しており、図１４（Ｄ）はＫ（Ｔ）の値がＫＴ４のときの目標空燃比ＡＦＫＴ４を示している。
【００６１】
一方、空燃比を目標空燃比ＡＦＫＴ１，ＡＦＫＴ２，ＡＦＫＴ３，ＡＦＫＴ４とするのに必要なスロットル弁１６の目標開度が図１５（Ａ）から図１５（Ｄ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予め定めＲＯＭ３２内に記憶されており、また空燃比を目標空燃比ＡＦＫＴ１，ＡＦＫＴ２，ＡＦＫＴ３，ＡＦＫＴ４とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度が図１６（Ａ）から図１６（Ｄ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００６２】
即ち、図１５（Ａ）は空燃比が１５のときのスロットル弁１６の目標開度ＳＴ１５を示しており、図１６（Ａ）は空燃比が１５のときのＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥ１５を示している。
また、図１５（Ｂ）は空燃比が１６のときのスロットル弁１６の目標開度ＳＴ１６を示しており、図１６（Ｂ）は空燃比が１６のときのＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥ１６を示している。
【００６３】
また、図１５（Ｃ）は空燃比が１７のときのスロットル弁１６の目標開度ＳＴ１７を示しており、図１６（Ｃ）は空燃比が１７のときのＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥ１７を示している。
また、図１５（Ｄ）は空燃比が１８のときのスロットル弁１６の目標開度ＳＴ１８を示しており、図１６（Ｄ）は空燃比が１８のときのＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥ１８を示している。
【００６４】
図１７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１７においてＡ／Ｆ＝２４，Ａ／Ｆ＝３５，Ａ／Ｆ＝４５，Ａ／Ｆ＝６０で示される各曲線は夫々目標空燃比２４，３５，４５，６０を示している。空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なスロットル弁１６の目標開度ＳＴが図１８（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが図１８（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００６５】
機関の運転状態が第２の運転状態ＩＩのときには空燃比が図１７に示される目標空燃比とされる。また、機関の運転状態が第１の運転領域Ｉであっても第２の燃焼を行うべきときには空燃比が図１７に示される目標空燃比とされる。
図１９は低温燃焼領域、即ち第１の運転領域Ｉを制御するためのルーチンを示している。
【００６６】
図１９を参照すると、まず初めにステップ１００において圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧおよびシリンダ内壁面温度ＴＷが算出される。この実施例では温度センサ４４により検出された吸入空気とＥＧＲガスの混合ガス温が圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧとされ、温度センサ２９により検出された機関冷却水温がシリンダ内壁面温度ＴＷとされる。次いでステップ１０１では図１２（Ａ）に示す関係からＫ（Ｔ）１ が求められ、図１２（Ｂ）に示す関係からＫ（Ｔ）２ が求められ、これらＫ（Ｔ）１ とＫ（Ｔ）２ とを加算することによってＫ（Ｔ）（＝Ｋ（Ｔ）１ ＋Ｋ（Ｔ）２ ）が算出される。
【００６７】
次いでステップ１０２では機関回転数Ｎに基づいて図１２（Ｃ）に示す関係からＫ（Ｎ）が算出される。次いでステップ１０３では予め記憶されている第１の境界Ｘｏ（Ｎ）の値を用いて次式に基づき第１の境界Ｘ（Ｎ）の値が算出される。
Ｘ（Ｎ）＝Ｘｏ（Ｎ）＋Ｋ（Ｔ）・Ｋ（Ｎ）
次いでステップ１０４では機関回転数Ｎに基づいて図８に示す関係からΔＬ（Ｎ）が算出される。次いでステップ１０５ではＸ（Ｎ）からΔＬ（Ｎ）を減算することによって第２の境界Ｙ（Ｎ）の値（＝Ｘ（Ｎ）−ΔＬ（Ｎ））が算出される。
【００６８】
次に図２０を参照しつつ機関の運転が開始されてから暫らく時間が経過するまでの機関回転数Ｎと排気ガス温Ｔの変化について説明する。
図２０に示されるように機関の運転が開始されるとまず初めに第２の燃焼が行われ、排気ガス温Ｔが徐々に増大する。次いで触媒１９が活性化すると触媒１９において発生する酸化反応熱により実線で示される触媒１９下流の排気ガス温ＴＥの方が鎖線で示される触媒１９上流の排気ガス温ＴＥＩよりも高くなり始める。次いで触媒１９下流の排気ガス温ＴＥがＴＥ０ に達する。本発明による第１実施例では触媒１９下流の排気ガス温ＴＥと触媒１９上流の排気ガス温ＴＥＩとの温度差（＝ＴＥ−ＴＥＩ）が予め定められた一定温度差ΔＴ１ 例えば１０℃以上となったときに触媒１９が活性化したと判断され、本発明による第２実施例では触媒１９下流の排気ガス温ＴＥが予め定められた温度ＴＥ０ 、例えば３００℃に達したときに触媒１９が活性化したと判断される。
【００６９】
第１実施例および第２実施例では機関の運転が開始されてから触媒１９が活性化するまでの間、第２の燃焼が行われ、触媒１９が活性化すると第１の燃焼又は第２の燃焼が行われる。
本発明による実施例では機関の運転が開始されたときに触媒１９ができる限り早く活性化するように機関アイドリング回転数が上昇せしめられ、噴射開始時期が遅くされ、排気弁９の開弁時期が早められる。
【００７０】
即ち、機関の運転が開始されたときにはスロットル弁１６が全開せしめられ、ＥＧＲ制御弁２３の開度が予め定められた最適な開度に制御され、燃料噴射量Ｑが触媒１９活性後において第２の燃焼が行われているときの燃料噴射量に比べ、予め定められた量ΔＱだけ増量される。それによって機関の運転が開始されると図２０に示されるように機関アイドリング回転数Ｎは触媒１９が活性化した後の機関アイドリング回転数、例えば６００ｒ．ｐ．ｍ よりもかなり高い回転数、例えば１４００ｒ．ｐ．ｍ に維持される。機関アイドリング回転数Ｎが高められると排気ガス温が上昇し、斯くして触媒１９の活性化が早められる。
【００７１】
また、噴射開始時期θＳは触媒１９活性後において第２の燃焼が行われているときの噴射開始時期に比べ、予め定められた期間ΔθＳだけ遅くされる。噴射開始時期θＳが遅くされると燃焼が長びくために排気ガス温が上昇し、斯くして触媒１９の活性化が早められる。
また、排気弁９の開弁時期は触媒１９活性後における排気弁９の開弁時期に比べて早められる。この排気弁９の開弁時期の制御はアクチュエータ４８によって行われる。図２１（Ａ）はこのアクチュエータ４８の拡大図を示している。図２１（Ａ）を参照すると、５０は排気弁９の頂部に取付けられた円板状鉄片、５１，５２は鉄片５０の両側に配置されたソレノイド、５３，５４は鉄片５０の両側に配置された圧縮ばねを夫々示す。ソレノイド５２が付勢されると鉄片５０が上昇し、排気弁９が閉弁する。これに対してソレノイド５１が付勢されると鉄片５０が下降し、排気弁９が開弁する。従って各ソレノイド５１，５２の付勢タイミングを制御することによって排気弁９を任意の時期に開弁し、閉弁することができる。なお、アクチュエータ４７もアクチュエータ４８と同じ構造を有しており、従って吸気弁７についてもアクチュエータ４７により任意の時期に開弁し、閉弁することができる。
【００７２】
図２１（Ｂ）においてＥＯおよびＭは触媒１９活性後における排気弁９の開弁時期および開弁期間を夫々表わしており、ＥＯ＋αは触媒１９が活性化する前の排気弁９の開弁時期を表わしている。従って機関の運転が開始されたときの排気弁９の開弁時期は触媒１９活性化後における排気弁９の開弁時期に比べて期間αだけ早められることがわかる。排気弁９の開弁時期が早められると排気ガス温が上昇し、斯くして触媒１９の活性化が早められる。なお、第１実施例および第２実施例においては触媒１９の温度を十分に高めるために第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられた後、一定期間経過するまでひき続き排気弁９の開弁期間が早められる。
【００７３】
次に図２２および図２３を参照しつつ機関の運転を制御するための第１実施例について説明する。
図２２および図２３を参照すると、まず初めにステップ２００において触媒１９が活性化したことを示す活性判断フラグがセットされているか否かが判別される。活性判断フラグがセットされていないとき、即ち触媒１９がまだ活性化していないときにはステップ２０１に進んで温度センサ４６により検出された触媒１９下流の排気ガス温ＴＥと、温度センサ４５により検出された触媒１９上流の排気ガス温ＴＥＩとの温度差（ＴＥ−ＴＥＩ）が予め定められた温度差ΔＴ、例えば１０℃よりも大きくなったか否かが判別される。ＴＥ−ＴＥＩ≦ΔＴのときにはステップ２０２に進む。
【００７４】
ステップ２０２ではスロットル弁１６の目標開度ＳＴが全開とされ、次いでステップ２０３ではＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが予め定められた開度ＳＥＳとされる。次いでステップ２０４では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの燃料噴射量Ｑに予め定められた量ΔＱを加算することによって最終的な燃料噴射量Ｑ（＝Ｑ＋ΔＱ）が算出される。次いでステップ２０５では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの噴射開始時期θＳから予め定められた期間ΔθＳを減算することによって最終的な噴射開始時期θＳ（＝θＳ−ΔθＳ）が算出される。次いでステップ２０６では排気弁９の開弁時期がＥＯ＋αとされる。このとき第２の燃焼が行われる。
【００７５】
次いでステップ２０１においてＴＥ−ＴＥＩ＞ΔＴであると判別されると、即ち触媒１９が活性化したと判断されるとステップ２０７に進んで活性化判断フラグがセットされる。次いでステップ２０８においてＴＥ−ＴＥＩ＞ΔＴとなってから一定時間経過したか否かが判別される。ＴＥ−ＴＥＩ＞ΔＴとなってから一定時間経過していないときには図２３に示される活性後の運転制御ルーチンに移り、第１の燃焼又は第２の燃焼が行われる。次の処理サイクルではステップ２００において活性判断フラグがセットされていると判断されるのでステップ２０８にジャンプする。次いでステップ２０８においてＴＥ−ＴＥＩ＞ΔＴとなってから一定時間経過したと判断されたときにはステップ２０９に進んで排気弁９の開弁期間がＥＯとされる。従ってＴＥ−ＴＥＩ＞ΔＴとなってから一定時間を経過するまで排気弁９の開弁時期が早め続けられることがわかる。
【００７６】
図２３に示される活性後の運転制御ルーチンを参照すると、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２１０に進んで要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも大きくなったか否かが判別される。Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ２１１に進んで第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われる。
【００７７】
即ち、ステップ２１１では図１４（Ａ）から（Ｄ）に示されるマップのうちでＫ（Ｔ）に応じた二つのマップを用いて比例配分により目標空燃比ＡＦが算出される。次いでステップ２１２では図１５（Ａ）から（Ｄ）に示されるマップのうちで目標空燃比ＡＦに応じた二つのマップを用いて比例配分によりスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１６の開度がこの目標開度ＳＴに制御される。次いでステップ２１３では図１６（Ａ）から（Ｄ）に示されるマップのうちで目標空燃比ＡＦに応じた二つのマップ用いて比例配分によりＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥが算出される。次いでステップ２１４では噴射量Ｑが算出され、次いでステップ２１５では噴射開始時期θＳが算出される。次いでステップ２１６に進む。
【００７８】
ステップ２１６では空燃比センサ２１により検出された実際の空燃比Ａ／Ｆが目標空燃比ＡＦよりも大きいか否かが判別される。Ａ／Ｆ＞ＡＦのときにはステップ２１７に進んでＥＧＲ制御弁２３の開度に対する補正値ΔＳＥに一定値βが加算され、次いでステップ２１９に進む。これに対してＡ／Ｆ≦ＡＦのときにはステップ２１８に進んで補正値ΔＳＥから一定値βが減算され、次いでステップ２１９に進む。ステップ２１９ではＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥに補正値ΔＳＥを加算することによりＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥＯが算出され、ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目標開度ＳＥＯに制御される。即ち、この実施例ではＥＧＲ制御弁２３の開度を制御することによって実際の空燃比が目標空燃比ＡＦに制御される。無論この場合、スロットル弁１６の開度を制御することによって実際の空燃比を目標空燃比ＡＦに制御することもできる。
【００７９】
一方、ステップ２１０においてＬ＞Ｘ（Ｎ）になったと判断されるとステップ２２０に進んでフラグＩがリセットされ、次いでステップ２２３に進んで第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。
即ち、ステップ２２３では図１８（Ａ）に示すマップからスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、次いでステップ２２４では図１８（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出される。次いでステップ２２５では燃料噴射量Ｑが算出され、次いでステップ２２６では噴射開始時期θＳが算出される。
【００８０】
一方、ステップ２０９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２２１に進んで要求負荷Ｌが第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも小さくなったか否かが判別される。Ｌ≧Ｙ（Ｎ）のときにはステップ２２３に進む。これに対してＬ＜Ｙ（Ｎ）になるとステップ２２２に進んでフラグＩがセットされる。次いでステップ２１１に進み、第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われる。従ってＴＥ−ＴＥＩ＞ΔＴとなったときに機関の運転状態が第１の運転領域Ｉであれば低温燃焼が行われ、第２の運転領域ＩＩであれば第２の燃焼が行われる。
【００８１】
次に図２４を参照しつつ機関の運転を制御するための第２実施例について説明する。
図２４を参照すると、まず初めにステップ３００において触媒１９が活性化したことを示す活性判断フラグがセットされているか否かが判別される。活性判断フラグがセットされていないとき、即ち触媒１９がまだ活性化していないときにはステップ３０１に進んで温度センサ４６により検出された触媒１９下流の排気ガス温ＴＥが予め定められた温度ＴＥ０ 例えば３００℃よりも高くなったか否かが判別される。ＴＥ≦ＴＥ０ のときにはステップ３０２に進む。
ステップ３０２ではスロットル弁１６の目標開度ＳＴが全開とされ、次いでステップ３０３ではＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが予め定められた開度ＳＥＳとされる。次いでステップ３０４では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの燃料噴射量Ｑに予め定められた量ΔＱを加算することによって最終的な燃料噴射量Ｑ（＝Ｑ＋ΔＱ）が算出される。次いでステップ３０５では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの噴射開始時期θＳから予め定められた期間ΔθＳを減算することによって最終的な噴射開始時期θＳ（＝θＳ−ΔθＳ）が算出される。次いでステップ３０６では排気弁９の開弁時期がＥＯ＋αとされる。このとき第２の燃焼が行われる。
【００８２】
次いでステップ３０１においてＴＥ＞ＴＥ０ であると判別されると、即ち触媒１９が活性化したと判断されるとステップ３０７に進んで活性化判断フラグがセットされる。次いでステップ３０８においてＴＥ＞ＴＥ０ となってから一定時間経過したか否かが判別される。ＴＥ＞ＴＥ０ となってから一定時間経過していないときには図２３に示される活性後の運転制御ルーチンに移り、第１の燃焼又は第２の燃焼が行われる。次の処理サイクルではステップ３００において活性判断フラグがセットされていると判断されるのでステップ３０８にジャンプする。次いでステップ３０８においてＴＥ＞ＴＥ０ となってから一定時間経過したと判断されたときにはステップ３０９に進んで排気弁９の開弁期間がＥＯとされる。従ってＴＥ＞ＴＥ０ となってから一定時間を経過するまで排気弁９の開弁時期が早め続けられることがわかる。
【００８３】
図２５は、第２の燃焼が行われているときに排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯの量を一時的に増大させれば触媒が活性化するか否かを判断し、排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯの量を一時的に増大させれば触媒が活性化すると判断されたときには図２５のＦ領域において排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯの量を一時的に増大させるようにした場合を示している。なお、これから説明する第３、第４、第５および第６実施例では図２５に示されるように触媒１９下流の排気ガス温ＴＥが予め定められた温度ＴＥｄ （＜ＴＥ０ ）になったときに排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯの量を一時的に増大させれば触媒が活性化すると判断される。
【００８４】
第３実施例においては図２５のＦ領域において低温燃焼しうる場合には一定時間だけ低温燃焼が行われる。即ち、第２の燃焼が行われているときには排気ガス中に過剰の酸素が含まれており、従って触媒１９には多量の酸素が吸着されている。このような状態で低温燃焼が一時的に行われると燃焼室５からは多量の未燃ＨＣ，ＣＯが排出されるためにこれら多量の未燃ＨＣ，ＣＯが触媒１９に吸着されている酸素によって一気に酸化せしめられる。その結果、このときの酸化反応熱によって触媒１９の温度が急速に上昇せしめられ、斯くして触媒１９が短時間で活性化されることになる。
【００８５】
次に図２６を参照しつつ機関の運転を制御するための第３実施例について説明する。
図２６を参照すると、まず初めにステップ４００において触媒１９が活性化したことを示す活性判断フラグがセットされているか否かが判別される。活性判断フラグがセットされていないとき、即ち触媒１９がまだ活性化していないときにはステップ４０１に進んで温度センサ４６により検出された触媒１９下流の排気ガス温ＴＥが予め定められた温度ＴＥｄ 例えば２５０℃よりも大きくなったか否かが判別される。ＴＥ＜ＴＥｄ のときにはステップ４０２に進む。
【００８６】
ステップ４０２ではスロットル弁１６の目標開度ＳＴが全開とされ、次いでステップ４０３ではＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが予め定められた開度ＳＥＳとされる。次いでステップ４０４では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの燃料噴射量Ｑに予め定められた量ΔＱを加算することによって最終的な燃料噴射量Ｑ（＝Ｑ＋ΔＱ）が算出される。次いでステップ４０５では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの噴射開始時期θＳから予め定められた期間ΔθＳを減算することによって最終的な噴射開始時期θＳ（＝θＳ−ΔθＳ）が算出される。次いでステップ４０６では排気弁９の開弁時期がＥＯ＋αとされる。このとき第２の燃焼が行われる。
【００８７】
次いでステップ４０１においてＴＥ＞ＴＥｄ になったと判別されたときにはステップ４０７に進んで要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも低いか否か、即ち低温燃焼しうるか否かが判別される。Ｌ≧Ｘ（Ｎ）のときにはステップ４０２に進む。これに対しＬ＜Ｘ（Ｌ）であればステップ４０８に進んで一定時間経過したか否かが判別され、一定時間経過していないときにはステップ４０９に進んで排気弁９の開弁時期がＥＯとされる。次いでステップ４１０に進んで低温燃焼が行われる。
【００８８】
即ち、ステップ４１０では図１４（Ａ）から（Ｄ）に示されるマップのうちでＫ（Ｔ）に応じた二つのマップを用いて比例配分により目標空燃比ＡＦが算出される。次いでステップ４１１では図１５（Ａ）から（Ｄ）に示されるマップのうちで目標空燃比ＡＦに応じた二つのマップを用いて比例配分によりスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１６の開度がこの目標開度ＳＴに制御される。次いでステップ４１２では図１６（Ａ）から（Ｄ）に示されるマップのうちで目標空燃比ＡＦに応じた二つのマップ用いて比例配分によりＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目標開度ＳＥに制御される。次いでステップ４１３では燃料噴射量Ｑ（＝Ｑ＋ΔＱ）が算出され、次いでステップ４１４では噴射開始時期θＳが算出される。
【００８９】
一方、ステップ４０８において一定時間経過したと判断されたときにはステップ４１５に進んで活性化判断フラグがセットされる。次いで図２３に示される活性後の運転制御ルーチンが実行され、第１の燃焼又は第２の燃焼が行われる。活性化判断フラグがセットされるとその後はステップ４００から図２３に示される活性後の運転制御ルーチンに進む。
【００９０】
図２７に第４実施例を示す。この実施例では図２５のＦ領域においてビゴム噴射が行われる。即ち、図２７に示されるように吸気上死点付近において少量の燃料Ｑ１ が噴射され、次いで圧縮上死点付近において主噴射Ｑ２ が行われる。ビゴム噴射では煤の発生を抑制しつつ空燃比をリッチにすることができる。従ってこの第４実施例では図２５のＦ領域において空燃比がリッチとなるようにビゴム噴射を行い、それによって多量の未燃ＨＣ，ＣＯを燃焼室５内から排出させるようにしている。
【００９１】
次に図２８を参照しつつ機関の運転を制御するための第４実施例について説明する。
図２８を参照すると、まず初めにステップ５００において触媒１９が活性化したことを示す活性判断フラグがセットされているか否かが判別される。活性判断フラグがセットされていないとき、即ち触媒１９がまだ活性化していないときにはステップ５０１に進んで温度センサ４６により検出された触媒１９下流の排気ガス温ＴＥが予め定められた温度ＴＥｄ よりも大きくなったか否かが判別される。ＴＥ≦ＴＥｄ のときにはステップ５０２に進む。
【００９２】
ステップ５０２ではスロットル弁１６の目標開度ＳＴが全開とされ、次いでステップ５０３ではＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが予め定められた開度ＳＥＳとされる。次いでステップ５０４では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの燃料噴射量Ｑに予め定められた量ΔＱを加算することによって最終的な燃料噴射量Ｑ（＝Ｑ＋ΔＱ）が算出される。次いでステップ５０５では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの噴射開始時期θＳから予め定められた期間ΔθＳを減算することによって最終的な噴射開始時期θＳ（＝θＳ−ΔθＳ）が算出される。次いでステップ５０６では排気弁９の開弁時期がＥＯ＋αとされる。このとき第２の燃焼が行われる。
【００９３】
次いでステップ５０１においてＴＥ＞ＴＥｄ であると判別されるとステップ５０７に進んで一定時間が経過したか否かが判別される。一定時間が経過していないときにはステップ５０８に進んで排気弁９の開弁時期がＥＯとされる。次いでステップ５０９に進み、空燃比がリッチになるようにしてビゴム噴射が行われる。
【００９４】
即ち、ステップ５０９ではスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、ステップ５１０ではＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出される。次いでステップ５１１では噴射量Ｑ１ およびＱ２ が算出され、次いでステップ５１２では噴射開始時期θＳ１およびθＳ２（図２７）が算出される。
一方、ステップ５０７において一定時間が経過したと判断されるとステップ５１３に進んで活性化判断フラグがセットされる。次いで図２３に示される活性後の運転制御ルーチンが実行され、第１の燃焼又は第２の燃焼が行われる。活性化判断フラグがセットされるとその後はステップ５００から図２３に示される活性後の運転制御ルーチンに進む。
【００９５】
図２９に第５実施例を示す。この実施例では図２５のＦ領域においてビゴム噴射が行われ、吸気弁７および排気弁９が共に開弁するバルブオーバーラップ期間が長くされ、少くとも一部の燃料がバルブオーバーラップ期間中に噴射され、それによって多量の未燃ＨＣ，ＣＯを燃焼室５内から排出させるようにしている。このことについて図２９（Ａ）および図２９（Ｂ）を参照しつつもう少し詳しく説明する。
【００９６】
図２９（Ａ）は吸気弁７と排気弁９のリフト曲線を示している。なお、図２９（Ａ）において実線は吸気弁７と排気弁９が共に開弁するバルブオーバーラップ期間が比較的短かい場合を示しており、図２９（Ａ）において破線はバルブオーバーラップ期間が長くされた場合を示している。バルブオーバーラップ期間はアクチュエータ４７，４８によって容易に制御することができる。
【００９７】
ところで図１に示されるような内燃機関においては排気弁９が開弁すると排気ポート１０内は一時的に正圧となり、次いでこの正圧波は下流側に向け伝播して例えばマニホルド集合部で負圧波の形で反射し、この負圧波は今度は上流側に向け伝播し、その結果排気弁９が閉弁する直前に排気ポート１０内には負圧が発生する。その結果、バルブオーバーラップ時に吸気ポート１０から燃焼室５内に供給された空気の一部はこの負圧によって排気ポート１０内に吹き抜け、このときの吹き抜け量はバルブオーバーラップ期間が長くなるほど増大する。従ってバルブオーバーラップ期間を長くすると共に燃料噴射をバルブオーバーラップ期間中に行うと多量の未燃ＨＣが吹き抜け空気と共に排気ポート１０内に排出されることになる。
【００９８】
そこでこの第５実施例では図２５のＦ領域において図２９（Ｂ）に示されるようにバルブオーバーラップ期間を長くすると共に、第１回目の燃料噴射Ｑ１ をバルブオーバーラップ期間中に、第２回目の燃料噴射Ｑ２ を圧縮上死点付近で行うようにしている。
次に図３０を参照しつつ機関の運転を制御するための第５実施例について説明する。
【００９９】
図３０を参照すると、まず初めにステップ６００において触媒１９が活性化したことを示す活性判断フラグがセットされているか否かが判別される。活性判断フラグがセットされていないとき、即ち触媒１９がまだ活性化していないときにはステップ６０１に進んで温度センサ４６により検出された触媒１９下流の排気ガス温ＴＥが予め定められた温度ＴＥｄ よりも大きくなったか否かが判別される。ＴＥ≦ＴＥｄ のときにはステップ６０２に進む。
【０１００】
ステップ６０２ではスロットル弁１６の目標開度ＳＴが全開とされ、次いでステップ６０３ではＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが予め定められた開度ＳＥＳとされる。次いでステップ６０４では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの燃料噴射量Ｑに予め定められた量ΔＱを加算することによって最終的な燃料噴射量Ｑ（＝Ｑ＋ΔＱ）が算出される。次いでステップ６０５では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの噴射開始時期θＳから予め定められた期間ΔθＳを減算することによって最終的な噴射開始時期θＳ（＝θＳ−ΔθＳ）が算出される。次いでステップ６０６では排気弁９の開弁時期がＥＯ＋αとされる。このとき第２の燃焼が行われる。
【０１０１】
次いでステップ６０１においてＴＥ＞ＴＥｄ であると判別されるとステップ６０７に進んで一定時間が経過したか否かが判別される。一定時間が経過していないときにはステップ６０８に進んで排気弁９の開弁時期がＥＯとされる。次いでステップ６０９ではスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、次いでステップ６１０ではＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出される。次いでステップ６１１ではアクチュエータ４７，４８が駆動され、バルブオーバーラップ期間が長くされる。次いでステップ６１２において第１回目の燃料噴射量Ｑ１ および第２回目の燃料噴射量Ｑ２ が算出され、次いでステップ６１３では噴射開始時期θＳ１およびθＳ２（図２９（Ｂ））が算出される。
【０１０２】
一方、ステップ６０７において一定時間が経過したと判断されるとステップ６１４に進んで活性化判断フラグがセットされる。次いで図２３に示される活性後の運転制御ルーチンが実行され、第１の燃焼又は第２の燃焼が行われる。活性化判断フラグがセットされるとその後はステップ６００から図２３に示される活性後の運転制御ルーチンに進む。
【０１０３】
図３１に第６実施例を示す。この実施例では図２５に示すＦ領域において多量の未燃ＨＣ，ＣＯを燃焼室５から排出させるために主噴射Ｑ１の完了後、膨張行程又は排気行程において追加の燃料Ｑ２が噴射される。
次に図３２を参照しつつ機関の運転を制御するための第６実施例について説明する。
【０１０４】
図３２を参照すると、まず初めにステップ７００において触媒１９が活性化したことを示す活性判断フラグがセットされているか否かが判別される。活性判断フラグがセットされていないとき、即ち触媒１９がまだ活性化していないときにはステップ７０１に進んで温度センサ４６により検出された触媒１９下流の排気ガス温ＴＥが予め定められた温度ＴＥｄ よりも大きくなったか否かが判別される。ＴＥ≦ＴＥｄ のときにはステップ７０２に進む。
【０１０５】
ステップ７０２ではスロットル弁１６の目標開度ＳＴが全開とされ、次いでステップ７０３ではＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが予め定められた開度ＳＥＳとされる。次いでステップ７０４では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの燃料噴射量Ｑに予め定められた量ΔＱを加算することによって最終的な燃料噴射量Ｑ（＝Ｑ＋ΔＱ）が算出される。次いでステップ７０５では触媒１９活性後において第２の燃焼が行われるときの噴射開始時期θＳから予め定められた期間ΔθＳを減算することによって最終的な噴射開始時期θＳ（＝θＳ−ΔθＳ）が算出される。次いでステップ７０６では排気弁９の開弁時期がＥＯ＋αとされる。このとき第２の燃焼が行われる。
【０１０６】
次いでステップ７０１においてＴＥ＞ＴＥｄ であると判別されるとステップ７０７に進んで一定時間が経過したか否かが判別される。一定時間が経過していないときにはステップ７０８に進んで排気弁９の開弁時期がＥＯとされる。次いでステップ７０９に進み、空燃比がリッチになるように追加の燃料噴射が行われる。
【０１０７】
即ち、ステップ７０９では図１８（Ａ）に示すマップからスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出され、ステップ７１０では図１８（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出される。次いでステップ７１１では主噴射量Ｑ１ および追加の噴射量Ｑ２ が算出され、次いでステップ７１２では主噴射の噴射開始時期θＳが算出される。
【０１０８】
一方、ステップ７０７において一定時間が経過したと判断されたときにはステップ７１３に進んで活性化判断フラグがセットされる。次いで図２３に示される活性後の運転制御ルーチンが実行され、第１の燃焼又は第２の燃焼が行われる。活性化判断フラグがセットされるとその後はステップ７００から図２３に示される活性後の運転制御ルーチンに進む。
【０１０９】
【発明の効果】
機関運転中における煤の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図２】スモークおよびＮＯｘの発生量等を示す図である。
【図３】燃焼圧を示す図である。
【図４】燃料分子を示す図である。
【図５】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図である。
【図６】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図７】第１の運転領域Ｉおよび第２の運転領域ＩＩを示す図である。
【図８】ΔＬ（Ｎ）と機関回転数Ｎとの関係を示す図である。
【図９】空燃比センサの出力を示す図である。
【図１０】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１１】第１の境界Ｘ（Ｎ）の制御方法を説明するための図である。
【図１２】Ｋ（Ｔ）１ ，Ｋ（Ｔ）２ およびＫ（Ｎ）を示す図である。
【図１３】第１の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図である。
【図１４】目標空燃比のマップを示す図である。
【図１５】スロットル弁の目標開度のマップを示す図である。
【図１６】ＥＧＲ制御弁の目標基本開度を示す図である。
【図１７】第２の燃焼における空燃比等を示す図である。
【図１８】スロットル弁の目標開度等を示す図である。
【図１９】低温燃焼領域を制御するためのフローチャートである。
【図２０】機関回転数の変化等を示すタイムチャートである。
【図２１】排気弁の開弁時期を説明するための図である。
【図２２】機関の運転を制御するための第１実施例を示すフローチャートである。
【図２３】活性後の機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図２４】機関の運転を制御するための第２実施例を示すフローチャートである。
【図２５】機関回転数等の変化を示すタイムチャートである。
【図２６】機関の運転を制御するための第３実施例を示すフローチャートである。
【図２７】ビゴム噴射を説明するための図である。
【図２８】機関の運転を制御するための第４実施例を示すフローチャートである。
【図２９】バルブオーバーラップ期間と燃料噴射を説明するための図である。
【図３０】機関の運転を制御するための第５実施例を示すフローチャートである。
【図３１】追加の燃料噴射を説明するための図である。
【図３２】機関の運転を制御するための第５実施例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
１６…スロットル弁
１９…触媒
２３…ＥＧＲ制御弁
Claims (3)
- 燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなり、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に行う圧縮着火式内燃機関の燃焼方法において、機関排気通路内に配置された酸化機能を有する触媒が活性化していないときには該第２の燃焼を行い、機関排気通路内に配置された酸化機能を有する触媒が活性化しているときには機関負荷に応じて該第１の燃焼又は第２の燃焼のいずれか一方を行う圧縮着火式内燃機関の燃焼方法。
- 燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなり、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に行う圧縮着火式内燃機関の燃焼方法において、機関の運転領域が低負荷側の第１の運転領域と高負荷側の第２の運転領域とに分割されており、機関排気通路内に配置された酸化機能を有する触媒が活性化していないときには該第２の燃焼を行い、機関排気通路内に配置された酸化機能を有する触媒が活性化しているときには機関の運転状態が第１の運転領域であるときには第１の燃焼を行い、機関の運転状態が第２の運転領域であるときには第２の燃焼を行う圧縮着火式内燃機関の燃焼方法。
- 燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなり、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に行う圧縮着火式内燃機関の燃焼方法において、該第１の燃焼を行いうる低負荷側の第１の運転領域と該第２の燃焼が行われる高負荷側の第２の運転領域とを分割する境界が第１の境界と第１の境界よりも低負荷側の第２の境界からなり、機関排気通路内に配置された酸化機能を有する触媒が活性化しておりかつ機関の運転状態が第１の運転領域にあって第１の燃焼が行われているときに要求負荷が第１の境界を越えると運転領域が第２の運転領域に移ったと判断されて第２の燃焼に切換えられ、機関排気通路内に配置された酸化機能を有する触媒が活性化しておりかつ機関の運転状態が第２の運転領域にあって第２の燃焼が行われているときに要求負荷が第２の境界よりも低くなると運転領域が第１の運転領域に移ったと判断されて第１の燃焼に切換えられる圧縮着火式内燃機関の燃焼方法。
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