JP3929296B2 - 内燃機関 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に関し、より詳細には、燃焼温度および酸素濃度が大きく異なる二つの燃焼状態を、機関運転中に切り換え可能な内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
希薄燃焼式内燃機関の一種であるディーゼル機関では、煤や窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減するため種々の対策が講じられている。この対策の一つに、例えば、特開平２０００−６４９１１号公報に開示された低温燃焼技術がある。
【０００３】
同公報に開示された低温燃焼技術によれば、燃焼室に流れ込むＥＧＲガスおよび燃焼室に流れ込む空気の量を加減することで、燃焼に供される吸気中に含まれるＥＧＲガスの割合を調節し、燃焼温度および酸素濃度を大きく異ならせた二つの機関燃焼を可能にしている。
【０００４】
より詳しくは、高負荷運転時においてドライバビィリティーを確保すべくその吸気中に含まれるＥＧＲガスの割合を適切量に抑えながら通常の燃焼を行い、逆にアイドリング時および低負荷運転時には、ＥＧＲガスの割合を大幅に増加させることで燃焼温度及び酸素濃度を大幅に低下させ、煤（スモーク）や窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成量を減らす所謂「低温燃焼」に切り換える。
【０００５】
ところで、ディーゼル機関では、通常の燃焼状態において、Ａ／Ｆ＝３０〜４０に達する空気過剰のもと機関運転が行われ、その燃焼後の排気ガス中には多量の空気（酸素）が残存している。すなわち、ＥＧＲガスたる排気ガス中にも多量の酸素が混入することとなる。
【０００６】
したがって、単にＥＧＲガス量のみを増大させるだけでは、酸素濃度やＥＧＲガス量の変化が緩慢となり、高いＥＧＲ率で実現される低温燃焼への切り換えには、ある程度の時間を要した。また、低温燃焼時には、不活性ガスたるＥＧＲガスの増加等に起因して燃焼状態が不安定になり、また機関出力も低下する。このため従来では種々の機関制御を行い、その切り換えに要する時間の短縮および燃焼安定性の確保に努めていた。
【０００７】
より詳しくは、ＥＧＲ弁の開度制御に加え、吸気に対する空気量そのものを減らすことで吸気中の空気量（酸素量）を大幅に低下させる吸気絞り弁の開度制御を行い、さらに、それらＥＧＲ弁及び吸気絞り弁の開度制御量を一旦オーバーシュートさせることで燃焼状態を早期に切り換えるオーバーシュート制御を実施している。また、燃料噴射系では、燃料噴射量を増量補正し、燃料噴射時期を進角補正し、低温燃焼に起因した失火や機関出力の低下を抑制している。
【０００８】
このように従来の内燃機関では、種々の機関制御を行うことで燃焼状態の切り換えを適正化している。なお、上記の機関制御は、勿論、通常の燃焼状態に復帰するときにも必要とされ、その処理内容は、その時々の燃焼状態に見合った制御内容にて処理されている。
【０００９】
また、ディーゼル機関の一般的な燃料噴射技術の一つに「パイロット噴射」がある。
パイロット噴射は、主噴射にて噴射する機関燃料の一部を予め燃焼室内に噴射し、それによって主燃焼の種火となる熱源を燃焼室内に作り出すことで主燃焼時の急激な燃焼圧の上昇および燃焼温度の上昇を抑制するものである。すなわち、パイロット噴射の実施時には、燃焼が緩慢となり燃焼騒音の低減や排気ガス中に含まれる有害成分（例えば、煤や窒素酸化物ＮＯｘ等）の排出抑制が図られる。
【００１０】
また、近年では、これら低温燃焼技術とパイロット噴射とを併用することで、煤（スモーク）の発生や窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を抑制し、また、燃焼騒音の低減を図ることで、運転領域全域に亘り快適な運転環境が得られるように努めている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本発明者等によれば、上記した低温燃焼とパイロット噴射との組み合わせについて種々の改善点が見出された。
【００１２】
まず、低温燃焼に着目すると、低温燃焼時には、酸素量の不足や燃焼圧力の低下に起因して燃焼が緩慢になるため、上述のごとく燃焼騒音の低下や有害成分の排出抑制が図られる。すなわち、低温燃焼時にはパイロット噴射同様の効果が得られ、機関出力にさほど寄与しないパイロット噴射は不要な燃焼消費となる。
【００１３】
また、パイロット噴射に着目すれば、パイロット噴射時には、燃焼室内の酸素を消費して種火たる熱源を燃焼室内に確保するため、酸素量を大幅に減らしての燃焼が要求される低温燃焼時には、主燃焼に必要とされる酸素量の確保が困難になる。すなわち、パイロット噴射の実施によって燃焼状態の安定性をさらに低下させる虞がある。
【００１４】
このように、従来から行われていたパイロット噴射は、全ての運転領域において必ずしも有用な燃料噴射制御技術であるとは言えなくなった。
【００１５】
また、上記に鑑み、仮に、燃焼状態の切り換え要求を受けてパイロット噴射の有無を決定すれば、その燃焼状態の切り換え期間すなわち過渡期において燃焼騒音が一時的に増大する。つまり、未だ低温燃焼が確立されていないにも拘わらずパイロット噴射を禁止すれば、そのパイロット噴射によって抑制されていた燃焼騒音が再び発生する。また、上記に習い通常燃焼の成立後にパイロット噴射を再開させれば、低温燃焼によって抑制されていた燃焼騒音が低温燃焼から通常燃焼に至る過渡期において一時的に増大することとなる。
【００１６】
つまり、パイロット噴射の禁止期間をいかに制御し、パイロット噴射の禁止と燃焼騒音の低減を両立させるといった問題は、低温燃焼とパイロット噴射とを併用する内燃機関の開発において重要なポイントになる。
【００１７】
本発明は以上の点を考慮しなされたもので、低温燃焼時のパイロット噴射を制限し、また、パイロット噴射の禁止に伴う燃焼騒音の発生等を抑制可能な機関制御技術を備えた内燃機関を提供することを課題とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記した技術的課題を解決するため、以下の構成とした。
すなわち、本発明の内燃機関は、
燃焼に供される混合気中に含まれる不活性ガスの割合が所定量に近づくと、その燃焼時に生成される煤の生成量が次第にピークに達し、その割合をさらに大きくすると煤の生成量が減少する燃焼特性を有し、さらに、その不活性ガスの割合を前記所定量未満に抑えることで煤の発生を抑制する第１の燃焼状態と、不活性ガスの割合を前記所定量を超える領域に保持することで煤の発生を抑制する第２の燃焼状態と、を機関運転中に切り換え可能な内燃機関であって、
前記第１の燃焼状態から前記第２の燃焼状態への切り換え要求時、または、前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換え要求時に、前記混合気中に含まれる不活性ガスの割合を変化させることで燃焼状態を切り換える燃焼状態切換手段と、
内燃機関の主たる燃料噴射に加え、その燃料噴射に先立つパイロット噴射を内燃機関の燃料噴射系に実行させる燃料噴射制御手段と、
少なくとも前記第２の燃焼状態に切り換えての機関運転中を含む所定期間は、前記パイロット噴射の実行を禁止するパイロット噴射制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１９】
このように構成された本発明では、ＥＧＲガス量が多く燃焼が緩慢になる第２の燃焼状態に切り換えての機関運転中に、パイロット噴射を積極的に禁止する。すなわち、燃焼が緩慢になる第２の燃焼状態を含む所定期間中においてパイロット噴射を禁止し、パイロット噴射の実施に伴う不要な燃焼消費を回避する。また、主燃焼に必要とされる酸素量をそのＥＧＲガス量過多の燃焼条件下で確保する。
【００２０】
なお、上記で「少なくとも前記第２の燃焼状態に切り換えての機関運転中を含む所定期間」とは、第２の燃焼状態に切り換えての機関運転中のみで定義される期間でもよく、また、第１の燃焼状態に切り換えての機関運転中を一部含む場合も想定している。さらに、上記において「第２の燃焼状態に切り換えての機関運転中」とは、第２の燃焼状態に切り換えての機関運転中全期間を必ずしも含む必要はなく、第２の燃焼状態に切り換えての機関運転中における一時期であってもよい。
【００２１】
また、前記パイロット噴射制御手段に関し、
前記パイロット噴射制御手段は、前記第１の燃焼状態から前記第２の燃焼状態への切り換え開始後、所定期間経過の後にパイロット噴射を禁止するようにしてもよい。
【００２２】
この構成では、第２の燃焼状態への切り換え開始後、所定時間経過後にパイロット噴射を禁止し、未だ第２の燃焼状態が確立していない状態すなわち過渡期でのパイロット噴射の禁止に起因した一時的な燃焼騒音の発生を抑制する。なお、上記した「所定期間」とは、燃焼状態の切り換えに要する期間を意図し、その期間設定は各種予備実験によるもの、また、各種センサの出力変化から推定するなど、種々の方法を選択できる。
【００２３】
また、前記パイロット噴射制御手段に関し、
前記パイロット噴射制御手段は、前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換え以前に、前記パイロット噴射を再開させてもよい。
【００２４】
この構成では、第２の燃焼状態から第１の燃焼状態への切り換え以前に、パイロット噴射を再開させることで、第１の燃焼状態へ復帰する際の燃焼騒音の発生を未然に防止する。すなわち、第１の燃焼状態に切り換えた後にパイロット噴射を再開させると、その第２の燃焼状態にて抑制されていた燃焼騒音が第１の燃焼状態への移行によって一時的に発生するため、予めパイロット噴射を再開し、燃焼騒音の発生を防止する。なお、上記で「切り換え以前」とは、勿論、切り換えと同時にとっいた概念をも含むものである。
【００２５】
また、前記不活性ガス、および燃焼状態切換手段に関し、
前記不活性ガスは、排気通路から吸気通路に還流するＥＧＲガスであり、
前記燃焼状態切換手段は、吸気通路に還流するＥＧＲガス量を制御するＥＧＲ量制御手段と、吸気通路を通じて燃焼室に流れ込む空気量を制御する空気量制御手段と、燃焼状態の切り換え要求に応じてそれらＥＧＲ量制御手段及び空気量制御手段の制御量を一旦オーバーシュートさせることで燃焼状態を早期に切り換えるオーバーシュート制御手段と、を備え、
前記パイロット噴射制御手段は、前記第２の燃焼状態への切り換えにおいて、前記燃焼状態切換手段によるオーバーシュート制御の後にパイロット噴射を禁止するようにしてもよい。
【００２６】
この構成によれば、第２の燃焼状態に切り換える際、ＥＧＲ量制御手段および空気量制御手段の制御量を一旦オーバーシュートさせた後にパイロット噴射を禁止する。つまり、ＥＧＲガス量及び空気量を積極的に変化させることで燃焼状態の早期切り換えを図り、第２の燃焼状態が確立されたことを受けてパイロット噴射を禁止する。よって、過渡期での燃焼騒音も抑制され、また、パイロット噴射の禁止期間も長く取れる。
【００２７】
また、前記パイロット噴射制御手段は、前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換えにおいて、前記燃焼状態切換手段によるオーバーシュート制御の開始以前に前記パイロット噴射を再開させてもよい。
【００２８】
すなわち、第２の燃焼状態から第１の燃焼状態に切り換える場合、本構成では、オーバーシュート制御の開始以前にパイロット噴射を再開させる。つまり、オーバーシュート制御の後にパイロット噴射を再開させると、今まで第２の燃焼状態によって抑制されていた燃焼騒音がオーバーシュート制御の開始と共に増加しだすため、予めパイロット噴射を再開させることで、オーバーシュート制御に伴う燃焼騒音の増加を未然に防止する。また、ここで開始以前とは、「オーバーシュート制御の開始と同時に」をといった意味をも含むものである。
【００２９】
また、前記燃料噴射制御手段、およびパイロット噴射制御手段に関し、
前記燃料噴射制御手段は、前記第２の燃焼状態に切り換えての機関運転時に、内燃機関の主たる燃料噴射の燃料噴射量を一時増量補正する噴射量補正手段を備え、
前記パイロット噴射制御手段は、前記第１の燃焼状態から前記第２の燃焼状態への切り換えにおいて、前記燃焼状態切換手段によるオーバーシュート制御の実施後、且つ燃料噴射制御手段による燃料噴射量の増量補正後に、前記パイロット噴射を禁止するようにしてもよい。
【００３０】
この構成では、上記したオーバーシュート制御に加え、燃料噴射制御手段の一制御たる噴射量補正手段にて燃料噴射量を増量補正し、第２の燃焼状態への切り換えに伴う機関出力の低下を抑制する。また、本発明では、第２の燃焼状態に切り換えての機関運転中にパイロット噴射を禁止するが、燃料噴射量の補正以前にパイロット噴射を禁止すると、そのパイロット噴射の禁止に起因して機関出力が一時的に変化するため、本構成では、燃料噴射量の増量補正後にパイロット噴射を禁止し、それによって機関出力を低下させることなくパイロット噴射を禁止する。
【００３１】
また、上記に絡み、前記パイロット噴射制御手段は、前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換えにおいて、前記燃焼状態切換手段によるオーバーシュート制御の開始以前、且つ燃料噴射制御手段による燃料噴射量の減量補正終了以前に、前記パイロット噴射を再開させてもよい。
【００３２】
すなわち、第２の燃焼状態から第１の燃焼状態への切り換えにおいて、本構成では、オーバーシュート制御の開始以前および燃料噴射量の減量補正終了以前にパイロット噴射を再開させる。つまり、燃料噴射量の補正終了後にパイロット噴射を再開させると、第２の燃焼状態から第１の燃焼状態に至る過渡期で、煤（スモーク）や窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量が一時的に増加するため、予めパイロット噴射を再開させておくことでそれら煤や窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑制する。また、ここで補正終了以前とは、「補正の終了と同時に」といった内容をも含むものである。
【００３３】
また、前記燃料噴射制御手段およびパイロット噴射制御手段に関し、
前記燃料噴射制御手段は、前記第２の燃焼状態に切り換えての機関運転時に、内燃機関の主たる燃料噴射の噴射時期を一時進角補正する噴射時期補正手段を備え、
前記パイロット噴射制御手段は、前記第１の燃焼状態から前記第２の燃焼状態への切り換えにおいて、前記燃焼状態切換手段によるオーバーシュート制御の実施後、且つ燃料噴射制御手段による燃料噴射時期の進角補正後に、前記パイロット噴射を禁止するようにしてもよい。
【００３４】
この構成では、上記したオーバーシュート制御に加え、燃料噴射制御手段の一制御たる噴射時期補正手段にて主燃料噴射の噴射時期を進角し、第２の燃焼状態への切り換えに伴う燃焼安定性の低下を抑制する。また、本発明では、第２の燃焼状態に切り換えての機関運転中にパイロット噴射を禁止するが、噴射時期の補正（進角）以前にパイロット噴射を禁止すると、そのパイロット噴射の禁止に起因して主たる燃料噴射の着火性が一時的に低下するため、燃料噴射時期の進角補正後にパイロット噴射を禁止し、それによって機関出力の安定性を低下させることなくパイロット噴射を禁止する。
【００３５】
また、上記に絡み前記パイロット噴射制御手段は、前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換えにおいて、前記燃焼状態切換手段によるオーバーシュート制御の開始以前、且つ前記燃料噴射制御手段による燃料噴射時期の遅角補正終了以前に、前記パイロット噴射を再開させてもよい。
【００３６】
すなわち、第２の燃焼状態から第１の燃焼状態への切り換えにおいて、本構成では、オーバーシュート制御の開始以前および燃料噴射時期の遅角補正終了以前にパイロット噴射を再開させる。つまり、燃料噴射時期の補正終了後にパイロット噴射を再開させると、第２の燃焼状態から第１の燃焼状態に至る過渡期での噴射時期の遅角に起因して燃焼安定性が低下するため、予めパイロット噴射を再開させておくことで、その噴射時期の遅角に起因した燃焼安定性の低下を抑制する。また、ここで補正終了以前とは、「補正の終了と同時に」といった意味も含むものである。
【００３７】
このように本発明では、燃焼が緩慢になる第２の燃焼状態に切り換えての機関運転時と、パイロット噴射の実施時期とを極力異ならせるようにパイロット噴射の実施を制限する。また、燃焼状態の過渡期や燃料噴射補正制御等との影響を加味してパイロット噴射の禁止期間を設定することで燃焼騒音の発生等を抑制する。
【００３８】
なお、上記した種々の構成は、勿論、本発明の課題を逸脱しない範囲で組み合わせ可能である。例えば、上記した第１の燃焼状態から第２の燃焼状態に切り換えにおいて、オーバーシュート制御、燃料噴射量の補正、燃料噴射時期の補正、の全てを処理した後にパイロット噴射を禁止するなど、その組み合わせは上記した各種構成の範囲で適宜組み合わせ可能である。
【００３９】
【発明の実施の形態】
続いて、本発明に係る内燃機関に関し、その好適な実施形態について説明する。なお、以下に示す内燃機関の構造は、あくまでも本発明の一実施形態にすぎず、その詳細は、内燃機関の各種仕様等に応じて変更可能である。
【００４０】
＜ディーゼル機関の概要＞
本実施の形態に示す内燃機関１は、希薄燃焼式内燃機関の一種である車両用ディーゼル機関であり、図１に示されるように４つの気筒２（燃焼室）の他、燃料供給系、吸気系、排気系、制御系などをその主要構成要素として備えている。
【００４１】
燃料供給系は、燃料噴射弁３、コモンレール（蓄圧室）４、燃料供給管５、燃料ポンプ６、などを備え、各気筒２に対して燃料供給を行っている。燃料噴射弁３は、各気筒２に対して夫々設けられる電磁駆動式の開閉弁であり、各燃料噴射弁３は、燃料の分配管となるコモンレール４に接続されている。また、コモンレール４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６に連結されている。燃料ポンプ６は、内燃機関１の出力軸たるクランクシャフト１ａの回転を駆動源として回転駆動されている。
【００４２】
このように構成された燃料供給系では、まず、燃料ポンプ６によって燃料タンク（図示略）内の燃料が汲み上げられる。汲み上げられた燃料は、燃料供給管５を介してコモンレール４に供給される。コモンレール４に供給された燃料は、コモンレール４内にて所定燃圧まで高められ、各燃料噴射弁３に分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電圧が印可され燃料噴射弁３が開弁すると、その燃料は、燃料噴射弁３を介して各気筒２内に噴射される。
【００４３】
一方、吸気系は、吸気管９、スロットル弁１３、吸気枝管８、エアクリーナボックス１０、インタークーラ１６などを備え、各気筒２に対して空気を供給する吸気通路を形成している。
【００４４】
吸気管９は、エアクリーナボックス１０を介して吸入される空気を吸気枝管８に導く通路を形成している。吸気枝管８は、吸気管９を経て流入する空気を各気筒２に分配する通路を形成している。また、吸気管９とエアクリーナボックス１０との連結部分近傍には、吸気管９に流れ込む空気の温度を測定する吸気温センサ４４ａを備えている。
【００４５】
また、エアクリーナボックス１０からスロットル弁１３に至る吸気管９には、吸入した空気を圧縮するターボチャージャ１５（コンプレッサハウジング１５ａ）、及びターボチャージャ１５にて圧縮した空気を冷却するインタークーラ１６を備え、さらに、ターボチャージャ１５の上流には、吸気管９を通じて燃焼室２に流れ込む空気の流量を計測するエアフロメータ４５を備えている。
【００４６】
また、吸気枝管８の直上流には、吸気管９を通じて各気筒２に流れ込む空気量を加減するスロットル弁１３（空気量制御手段）を備え、スロットル弁１３の開度は、ステッパモータなどにて構成されたアクチュエータ１４によって制御されている。また、スロットル弁１３の直下流には、吸気枝管８内の温度を測定する吸気温センサ４４ｂ、及び吸気枝管８内の管内圧力を測定する吸気圧センサ４６を備えている。
【００４７】
このように構成された吸気系では、まず、機関運転に伴う負圧の発生により各気筒２に供給されるべき空気がエアクリーナボックス１０に流れ込む。エアクリーナボックス１０内に流入した空気は、エアクリーナボックス１０内にて塵や埃を除去された後、吸気管９を経てターボチャージャ１５に流れ込む。ターボチャージャ１５に流入した空気は、コンプレッサホイール１５ａにて圧縮された後、インタークーラ１６によって冷却される。そして、必要に応じてスロットル弁１３での流量調節を受けた後、吸気枝管８内に流入する。吸気枝管８に流入した空気は、各枝管を介して各気筒２に分配され、燃料噴射弁３から噴射供給された燃料と共に燃焼される。尚、各種センサの出力は、後述の電子制御ユニット３０に入力されており、例えば、内燃機関の基本燃料噴射制御などにフィードバックされる。
【００４８】
排気系は、排気枝管１８、排気管１９を備え、各気筒２から排出される排気ガスを機関本体外に排出する排気通路を形成している。また、触媒コンバータ５０、還元剤添加装置６０、ＥＧＲ装置２０、などを備え、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）や微粒子（例えば、煤）を浄化せしめる排気浄化装置としての機能を有する。
【００４９】
まず、排気枝管１８は、各気筒２毎に設けられた排気ポート１８ａに接続すると共にその排気ポート１８ａから排出された排気ガスを集合してターボチャージャ１５のタービンハウジング１５ｂに導く通路を形成している。また、排気管１９は、タービンハウジング１５ｂから図示しない消音器までの通路を形成している。なお、図中５９は、周知の酸化触媒コンバータである。
【００５０】
触媒コンバータ５０は、ケーシング５１、及びそのケーシング５１内に設けられる各種排気浄化触媒５０ａ，５０ｂを備え、機関本体１から排出される排気ガス中の有害物質を浄化せしめる排気浄化作用を有する。
【００５１】
より詳しくは、タービンハウジング１５ｂの出口近傍にケーシング５１が配置され、ケーシング５１内には、上流側から吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５０ａ、パティキュレートフィルタ５０ｂの順に排気浄化触媒を内蔵して触媒コンバータ５０を構成している。なお、以下の説明では、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５０ａを単にリーンＮＯｘ触媒５０ａと称することもある。
【００５２】
排気浄化触媒の一つであるリーンＮＯｘ触媒５０ａは、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を主として浄化せしめる排気浄化作用を有している。より詳しくは、リーンＮＯｘ触媒５０ａに流れ込む排気ガスの酸素濃度が高いときにその排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低いとき、すなわちリーンＮＯｘ触媒５０ａに流れ込む排気ガスの空燃比が低いときにその吸収していた窒素酸化物（ＮＯｘ）を二酸化窒素（ＮＯ2）や一酸化窒素（ＮＯ）の形で排気ガス中に還元・放出し、同時にその二酸化窒素（ＮＯ2）や一酸化窒素（ＮＯ）を排気ガス中に含まれている未燃燃料成分（ＣＯ、ＨＣ）と酸化反応せしめることで無害な水蒸気（Ｈ2Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ2）に浄化する排気浄化能を有する。
【００５３】
また、その構成は、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を担体とし、その担体上にカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属、若しくはバリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類、又はランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）等の希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金（Ｐｔ）のような貴金属とを担持してなる。
【００５４】
なお、ここで排気浄化作用の補足説明を行うと、本実施の形態に示す希薄燃焼式内燃機関１では、通常、酸素過剰雰囲気下で燃焼が行われている。このため燃焼に伴い排出される排気ガスの酸素濃度は、上記の還元・放出作用を促す迄に低下することは殆どなく、また、排気ガス中に含まれる未燃燃料成分（ＣＯ，ＨＣ）の量も極僅かである。
【００５５】
したがって、本実施の形態では、還元剤たる機関燃料（ＨＣ）を排気ガス中に噴射供給することで、酸素濃度の低下を促すと共にその未燃燃料成分たる炭化水素（ＨＣ）等を補い、排気浄化作用を促進させている。なお、還元剤の噴射供給は、後述の還元剤添加装置６０によって行われている。また、その詳細は後に説明する。
【００５６】
一方のパティキュレートフィルタ５０ｂは、排気ガス中に含まれる煤などの微粒子を酸化燃焼せしめる排気浄化作用を有している。より詳しくは、活性化酸素放出剤を担持したフィルタ５８を備え、そのフィルタ５８上に捕集した微粒子を活性化酸素にて酸化燃焼せしめることで除去（浄化）する排気浄化作用を備えている。
【００５７】
フィルタ５８単体は、図２に示されるようにコージライトのような多孔質材料から形成されたハニカム形状をなし、互いに平行をなして延びる複数個の流路５５，５６を具備している。より具体的には、下流端が栓５５ａにより閉塞された排気ガス流入通路５５と、上流端が栓５６ａにより閉塞された排気ガス流出通路５６と、を備え、各排気ガス流入通路５５及び排気ガス流出通路５６は薄肉の隔壁５７を介して該フィルタ５８における縦方向及び横方向に並んで配置されている。
【００５８】
また、隔壁５７の表面および内部の細孔には、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等によって形成された担体の層が設けられ、担体上には、白金（Ｐｔ）等の貴金属触媒の他、周囲に過剰酸素が存在するとその過剰酸素を吸蔵し、逆に酸素濃度が低下すると、その吸蔵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。
【００５９】
なお、活性酸素放出剤としては、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）のような希土類、およびセリウム（Ｃｅ）、錫（Ｓｎ）のような遷移金属から選ばれた少なくとも一つを用いるとよい。
【００６０】
また、好ましくは、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）などを用いるとよい。
【００６１】
このように構成されたパティキュレートフィルタ５０ｂでは、まず、排気ガス流入通路５５→隔壁５７→排気ガス流出通路５６の順に排気ガスが流れ（図２矢印ａ）、排気ガス中に含まれる煤などの微粒子は、その隔壁５７を通過する過程で、隔壁５７の表面及び内部に捕集される。そして、隔壁５７に捕集された微粒子は、隔壁５７（フィルタ）に流れ込む排気ガスの酸素濃度を複数回に亘り変化させることで増加する活性化酸素によって酸化せしめられ、ついには輝炎を発することなく燃え尽きてフィルタ５８上から除去される。
【００６２】
このように本実施の形態では、排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５０ａおよびパティキュレートフィルタ５０ｂを配置することで排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）および煤などの微粒子を浄化する。
【００６３】
なお、本実施の形態では、上記したように吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５０ａとパティキュレートフィルタ５０ｂとを直列に配置している。この理由としては、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５０ａでの酸化・還元反応に伴う反応熱を利用してパティキュレートフィルタ５０ｂを昇温させる、および吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５０ａにおける酸化・還元反応に起因して放出される吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５０ａからの活性化酸素をパティキュレートフィルタ５０ｂの排気浄化作用に利用する、などの理由に基づく。なお、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５０ａは、上記でも明らかなように、活性化酸素放出剤と略同様の物質を担持してなる。したがって、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５０ａは、活性化酸素放出剤としての機能を有すると言える。
【００６４】
続いて、排気浄化触媒の排気浄化作用を促す還元剤添加装置６０について説明する。
還元剤添加装置６０は、還元剤添加弁６１、還元剤供給路６２、燃圧制御バルブ６４、燃圧センサ６３、緊急遮断弁６６、などを備え、必要に応じて適切量の還元剤（機関燃料）を触媒コンバータ５０上流の排気通路に添加している。すなわち、触媒コンバータ５２に流れ込む排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように、還元剤たる機関燃料を排気ガス中に供給している。
【００６５】
還元剤添加弁６１は、排気枝管１８の集合部分に設けられ、所定電圧が印可されたときに開弁する電気式の開閉弁である。還元剤供給路６２は、前記燃料ポンプ６によって汲み上げられた燃料の一部を還元剤添加弁６１に導く通路を形成している。燃圧制御バルブ６４は、還元剤供給路６２の経路途中に配置され、還元剤供給路６２内の燃圧を所定燃圧に維持している。燃圧センサ６３は、還元剤供給路６２内の燃圧を検出している。緊急遮断弁６６は、還元剤供給路６２内の圧力に異常が生じたとき、その還元剤供給路６２内への燃料供給を停止する。
【００６６】
このように構成した還元剤添加装置６０では、燃料ポンプ６から吐出した燃料を燃圧制御バルブ６４にて所定燃圧に維持し、還元剤供給路６２を通じて還元剤添加弁６１に供給する。続いて、還元剤添加弁６１に所定電圧を印可すると還元剤添加弁６１が開弁状態となり、還元剤供給路６２内の燃料は還元剤添加弁６１を通じて排気枝管１８内に噴射供給される。排気枝管１８に供給された燃料（還元剤）は、タービンハウジング１５ｂ内にて撹拌された後、排気管１９を経て触媒コンバータ５０に流入する。したがって、触媒コンバータ５０には、酸素濃度が低く、また未燃燃料成分たる炭化水素（ＨＣ）混じりの排気ガスが流れ込むこととなり、上記の排気浄化作用が促進されることとなる。
【００６７】
なお、還元剤の添加量及び添加タイミングは、触媒コンバータ５０下流に設けられた空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）４７の出力、パティキュレートフィルタ５０ｂの上流および下流に設けられた排気ガス温度センサ４８ａ，４８ｂの出力、および後述の電子制御ユニット３０に記録された運転履歴などを加味して決定している。
【００６８】
続いて、ＥＧＲ装置２０について説明する。
ＥＧＲ装置２０は、本発明に係るＥＧＲ量制御手段に相当し、ＥＧＲ通路２５、ＥＧＲ弁２６、ＥＧＲ装置２０用の酸化触媒２８、ＥＧＲクーラ２７等を備えている。
【００６９】
ＥＧＲ通路２５は、排気枝管１８と吸気枝管８とを接続する通路である。また、ＥＧＲ弁２６は、ＥＧＲ通路２５と吸気枝管８との接続部分に設けられた電気式の開閉弁であり、電子制御ユニット３０内にて処理される燃焼状態切換制御プログラム等に基づき、そのＥＧＲ通路２５内を流れる排気ガス（ＥＧＲガス）量の調節を行っている。ＥＧＲ装置２０用の酸化触媒２８は、排気枝管１８とＥＧＲクーラ２７とを接続するＥＧＲ通路２５中に配置され、排気枝管１８から回り込むＥＧＲガスたる排気ガス中の未燃燃料成分を浄化する。ＥＧＲクーラ２７は、機関冷却水を熱媒体として、ＥＧＲ通路２５内を流れる排気ガスの冷却を行っている。なお、以下の説明では、ＥＧＲ通路２５を通じて吸気枝管８に流れ込む排気ガスを単にＥＧＲガスと称することもある。
【００７０】
このように構成されたＥＧＲ装置２０によれば、排気枝管１８内を流れる排気ガスの一部が、ＥＧＲ弁２６の開弁量に即した流量でＥＧＲ通路２５内に流入する。また、ＥＧＲ通路２５内に流入したＥＧＲガス（排気ガス）は、ＥＧＲ装置２０用の酸化触媒２８を経てＥＧＲクーラ２７に流入する。ＥＧＲクーラ２７に流入したＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ２７を通過する際に冷却されて吸気枝管８に流れ込む。そして、吸気枝管８内に流入したＥＧＲガスは、吸気枝管８上流から流れ込む空気（新気）と混ざり合いつつ吸気を形成し、燃料噴射弁３から噴射された燃料と共に燃焼に供される。すなわち、本実施の形態においては、空気（新気）とＥＧＲガスの混合気体によって本発明に係る混合気が構成される。
【００７１】
なお、ＥＧＲガスとなる排気ガス中には、水蒸気（Ｈ2Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ2）などの不活性ガスが含まれている。このため不活性ガスたる排気ガスが燃焼室２内に流入すると、その排気ガスの混入に起因して燃焼温度は低下し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成は抑制される。また、ＥＧＲガスの導入に伴い、燃焼室２内の酸素量も減るため、この点においても窒素酸化物（ＮＯｘ）と酸素（Ｏ2）との結びつきが抑制され、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出は抑制される。
【００７２】
続いて、制御系について説明する。
制御系は、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（中央制御装置）３４、入力ポート３５、出力ポート３６を備える、いわゆる電子制御ユニット３０（ＥＣＵ）である。
【００７３】
入力ポート３５には、上記した各種センサの出力信号の他、アクセルペダル４０の踏込み量を検出する負荷センサ４１、クランクシャフト１ａの回転数を検知するクランク角センサ４２、車速を測定する車速センサ４３等が対応したＡ／Ｄ変換器３７を介して、又は直接入力されている。一方、出力ポート３６には、対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、還元剤添加弁６１、スロットル弁駆動用のアクチュエータ１４、ＥＧＲ弁２６、などが接続されている。
【００７４】
また、ＲＯＭ３２には、各種装置の制御プログラム、及びそのプログラムの処理時に参照される制御マップ等が各装置に対応して記録されている。また、ＲＡＭ３３には、入力ポート３５に入力された各種センサの出力信号、及び出力ポート３６に出力した制御信号などを内燃機関の運転履歴として記録している。ＣＰＵ３４は、ＲＡＭ３３上に記録された各種センサの出力信号およびＲＯＭ３２上に展開された制御マップ等を所望のプログラム上にて比較し、その処理過程で出力される各種制御信号を前記の出力ポート３６を介して対応する装置に出力し、各種装置を集中管理している。
【００７５】
続いて、上記した電子制御ユニット３０内にて処理される燃焼状態切換制御について説明する。
＜燃焼状態切換制御＞
はじめに、詳細な制御内容を説明するに先立ち、内燃機関の燃焼特性について説明する。
【００７６】
本実施の形態に示すディーゼル機関は、先の従来技術に開示された内燃機関の一種であり、燃焼に供される吸気（混合気）に対する不活性ガスの割合を大幅に増大せしめることで、その燃焼時に生成させるスモークの成長を抑える燃焼技術を採用している。
【００７７】
なお、図３は、実際の実験結果に即して得られたグラフであり、吸気に対する不活性ガスの割合と、その燃焼によって生成されるスモーク量との相関関係を示している。尚、以下の説明では、吸気に対する不活性ガスの割合を、単にＥＧＲ率と称することもある。
【００７８】
この図３からもわかるように、煤の発生量は、ＥＧＲ率約４０％〜５０％の間でピークに達し、ＥＧＲ率５５％以上の領域では、煤がほとんど発生しない状態になる。したがって、ＥＧＲ率５５％以上、好ましくはＥＧＲ率６５％以上の領域で機関運転を行えば、煤の排出量を略ゼロにしながら機関運転を行える。なお、煤の排出量が略ゼロになるＥＧＲ率は、ＥＧＲガスをＥＧＲクーラ２７等にて冷却することにより低下させることが可能である。
【００７９】
ところが、ＥＧＲ率６５％以上での運転では、空気量の不足や燃焼圧力の低下によって十分に機関出力が得られないといった不具合が生じる。一方、十分に機関出力が得られるＥＧＲ率４０％未満の領域では、煤の発生が僅かながら見られるものの、その発生量は、ＥＧＲ率４０％〜５０％の運転領域に較べて十分に少ないものとなっている。
【００８０】
したがって、アイドリング時および低負荷走行時など、さほど機関出力を要しない運転状態ではＥＧＲ率を６５％以上に維持して機関運転を行い、高負荷走行時など十分な機関出力を要求されるときには、ＥＧＲ率を４０％未満に抑えながら機関運転を行うことで、煤の発生を抑制しながら快適な運転状態を確保している。
【００８１】
すなわち、本実施の形態に示すディーゼル機関では、煤の発生量がピークに達するＥＧＲ率４０％〜５０％での運転を避けるように、燃焼状態をステップ状に切り換えることで煤の排出抑制と運転性の両立を確保している。また、このようにして本発明に係る第１の燃焼状態と第２の燃焼状態とを切り換えている。
【００８２】
なお、上記に例示した数値すなわちＥＧＲ率の具体的数値は、あくまでも一例であり、その数値は、適用される内燃機関固有の燃焼特性や、ＥＧＲガスの冷却温度によって若干変化するものである。但し、煤の排出特性すなわちピークの存在などは、内燃機関全般に共通して言えるものである。また、本発明で第１の燃焼状態とは上記した低ＥＧＲ率で実現される燃焼状態であり、一方、第２の燃焼状態は、高ＥＧＲ率で実現される燃焼状態に相当する。
【００８３】
また、燃焼状態の切り換えは、例えば、機関制御の一制御たる基本燃料噴射制御の処理時に算出される機関要求トルクなどを加味して決定されている。すなわち、燃焼状態切換制御では、その一制御として、機関要求トルクが所定の下限値以下になったことを受けてＥＧＲ率６５％以上での運転を選択し、機関要求トルクが所定の上限値以上に達したとき、ＥＧＲ率４０％未満での運転を選択する燃焼状態選択制御等を実行することで燃焼状態の切り換えを行っている。
【００８４】
なお、所定の上限値と所定の下限値との間には、ヒステリシスを設けている。このヒステリシスは、燃焼状態の頻繁な切り換えを抑制するものであり、例えば、加速走行時と減速走行時とでその切り換えの閾値を異ならしめ、その閾値近傍での頻繁な燃焼状態の切り換えを抑制する。
【００８５】
続いて、燃焼状態切換制御（燃焼状態切換制御プログラム）の詳細な制御内容について説明する。
なお、以下の説明では、ＥＧＲ率６５％以上での機関運転を「低温燃焼」と称し、ＥＧＲ率４０％未満での機関運転を「通常燃焼」と称することもある。
【００８６】
また、本制御では、上記した燃焼状態選択制御に加え、ＥＧＲ弁２６およびスロットル弁１３の開度を変更しＥＧＲ率変化させるＥＧＲ率可変制御、および各燃焼状態に適した燃料噴射制御に切り換えることで燃焼状態や機関出力を安定させる燃料噴射補正制御、等の機関制御を行い、燃焼状態の切り換えている。
【００８７】
すなわち、本実施の形態で燃焼状態切換制御とは、本発明の燃焼状態切換手段に相当し、ＥＧＲ弁２６の開度制御、スロットル弁１３の開度制御、燃料噴射補正制御、などを総括して処理する制御である。また、これら各種制御に基づきＥＧＲ弁２６、スロットル弁１３、および内燃機関の基本燃料噴射制御を制御することで、本発明に係るＥＧＲ量制御手段、空気量制御手段、噴射量補正手段、噴射時期補正手段、等を実現する。
【００８８】
なお、ここで「基本燃料噴射制御」とは、機関回転数、要求負荷等、をパラメータとして算出する燃料噴射量、燃料噴射時期、燃料噴射圧等に従い、上記した燃料噴射弁３や燃料ポンプ６を制御し、その時々の運転状況に見合った適切量の燃料噴射を適切な燃料噴射時期で、各燃焼室２に噴射供給するための制御である。また、換言すれば、上記基本燃料噴射制御の一制御として本発明に係る燃料噴射制御が構成される。
【００８９】
図４及び図５には、燃焼状態切換制御の処理過程において変化するＥＧＲ弁２６の開度、スロットル弁１３の開度、燃料噴射量、燃料噴射時期、等の経時変化を各燃焼状態に即して示している。
【００９０】
以下、図４及び図５を参照し、その燃焼状態の切り換え過程にて処理される各種制御について詳述する。
【００９１】
まず、図４を参照し、通常燃焼を低温燃焼に切り換える際に処理する制御内容について説明する。
通常燃焼から低温燃焼への切り換え時には、ＥＧＲ率４０％未満での燃焼状態をＥＧＲ率６５％以上の燃焼状態に切り換える。すなわち、ＥＧＲ弁２６の開度を増やすと共に、スロットル弁１３の開度を減らして、ＥＧＲ率を増大させるＥＧＲ率可変制御を実行する。
【００９２】
なお、ＥＧＲ率可変制御では、主として排気通路を流れる排気ガスの空燃比（酸素濃度）に基づき、各弁体２６，１３の開度量を制御している。より詳しくは、触媒コンバータ５０下流に設けられた空燃比センサ４７の出力をフィードバックし、その空燃比センサ４７にて所定の出力が得られるようにＥＧＲ弁２６およびスロットル弁１３の開度量をフィードバック制御する。
【００９３】
なお、ここで所定の出力とは、吸気に対する不活性ガスの割合（ＥＧＲ率）が目標の割合に達したときに出力される値であり、各種予備実験にて得られるＥＧＲ率と排気ガス中の酸素濃度との対応などによって定義される。
【００９４】
また、ＥＧＲ率可変制御に関し、本燃焼状態切換制御では、その空燃比センサ４７の出力に基づくフィードバック制御に優先してＥＧＲ率を強制的に変化させるオーバーシュート制御を実施している。
【００９５】
すなわち、ＥＧＲガスの供給量および空気の流量は、各弁体２６，１３の制御に遅れて経時的に変化するため、本来、低温燃焼時に要求される目標の割合（ＥＧＲ率）に即して決定されるべき各弁体１３，２６の制御量を、一時的に増大させることでＥＧＲ率の応答速度（変化速度）を早めている。なお、本実施の形態では、オーバーシュート制御の処理において、ＥＧＲ弁２６を略全開状態とし、スロットル弁１３を略全閉状態とすることで、ＥＧＲ率の応答速度を向上させている。また、本実施形態では、このようにしてオーバーシュート制御手段を構成している。
【００９６】
また、オーバーシュート制御の処理後、排気ガス中の酸素濃度が所定の酸素濃度に低下したとき、また、エアフロメータ４５の出力にて得られる空気流量が所定の空気流量に低下したことを受けてＥＧＲ弁２６のフィードバック制御、若しくはスロットル弁１３のフィードバック制御を開始する。
【００９７】
一方、燃料噴射補正制御においては、燃料噴射圧力を昇圧する、燃料噴射量を増大する、燃料噴射時期を進角させる等の補正を実施する。なお、これらの補正内容は、低温燃焼用の燃料噴射制御として電子制御ユニット３０に記録されており、低温燃焼への切り換え時には、その低温燃焼用の燃料噴射制御に基づき、以降の基本燃料噴射制御を処理する。
【００９８】
なお、これら基本燃料噴射制御の補正は、低温燃焼時に生じる種々の燃焼不良を改善するためのものである。すなわち、低温燃焼時には、燃焼温度や燃焼圧力が低下し、また、燃焼に供される酸素量も減るため燃焼状態が緩慢になる。したがって、通常燃焼時に実施されていた燃料噴射制御では、失火、燃焼圧力の低下、機関出力の不足、燃焼騒音（ジーゼルノック）の増加、等の問題を発生させる。そこで上記した種々の補正を行い、着火遅れの改善、火炎伝播期間における圧力上昇の抑制、直接燃焼期間および後期燃焼期間の短縮等を最適化することで低温燃焼時の良好な燃焼状態を確保している。また、上記の補正は通常燃焼時の燃料噴射制御に対する相対的なものであり、例えば、低温燃焼時に噴射される燃料が、通常燃焼時の燃料噴射量を実質的な量で超えるといった内容を示唆するものではない。
【００９９】
また、本実施の形態では、先のＥＧＲ率可変制御の後に、この燃料噴射制御の切り換えを処理するようにしている。すなわち、燃焼状態の切り換え開始後、その燃料噴射制御を、切り換え前の制御状態で所定時間拘束する燃料噴射拘束制御を実施している。
【０１００】
より詳しくは、ＥＧＲガス量や空気量の応答遅れに対応すべく燃料噴射制御の補正に制御ディレー（待機時間）を含ませることで、基本燃料噴射制御の適正化を図っている。
【０１０１】
なお、補正におけるディレー時間は、各種条件を加味して決定されている。より詳しくは、燃焼状態の切り換え開始時からの積算クランクサイクル数が所定クランクサイクル数に達する迄の時間、また、空気量、吸気枝管内圧力、吸気枝管内温度が所定値に達する迄の時間、及び、燃焼状態切り換え前の燃料噴射量がいくらであったか、などの諸条件を加味して決定され、それらの条件が満たされたことを受けて、燃料噴射制御の補正を開始させる。
【０１０２】
なお、上記で積算クランクサイクル数とは、吸気→圧縮→燃焼→排気の行程がどれだけ進んだか、に相当し、この積算クランクサイクル数を検出することで吸気系への排気ガス（ＥＧＲガス）の回り込み量すなわちＥＧＲ率を概ね推定できる。また、空気量、吸気枝管内圧力、吸気枝管内温度の変化について説明すると、低温燃焼時には、空気量および吸気枝管内圧力は減り、吸気枝管内の温度は上昇する。したがって、これらの変化量を検出すれば、ＥＧＲ率の推定が可能となる。また、排気ガス（ＥＧＲガス）の量は、燃焼状態切り換え前の燃料噴射量によって決定されるため、その燃料噴射量からＥＧＲガスの回り込み量を推定することができる。
【０１０３】
このように本実施の形態に示す内燃機関では、ＥＧＲ率の変化量、すなわち燃焼に供給される吸気中のＥＧＲガスの割合が所定の割合に達したか否かを判断し、所定の割合に達したことを受け、燃料噴射補正制御による燃料噴射量、燃料噴射時期等の補正を開始する。
【０１０４】
また、本実施の形態では、基本燃料噴射制御の補正に関し、徐変制御を実施している。すなわち、燃料噴射に関する補正は、機関出力や、燃焼状態の安定性に大きく影響するため、各種補正項目を徐変しながら変化させることで燃料噴射補正制御時のトルクショックなどを回避するようにしている。
【０１０５】
続いて、図５を参照し、低温燃焼から通常燃焼に復帰する際に処理する制御内容について説明する。
低温燃焼から通常燃焼への切り換え時には、ＥＧＲ率６５％以上での燃焼状態をＥＧＲ率４０％未満の燃焼状態に切り換える。すなわち、ＥＧＲ弁２６の開度を減らすと共に、スロットル弁１３の開度を増大させてＥＧＲ率を低下させるＥＧＲ率可変制御を実行する。
【０１０６】
また、低温燃焼から通常燃焼への切り換え時においても同様に、そのＥＧＲ率可変制御では、排気通路を流れる排気ガスの空燃比（酸素濃度）に基づくフィードバック制御を行う。また、そのフィードバック制御に先行して各弁体１３，２６のオーバーシュート制御を実施する。なお、通常燃焼への切り換え時におけるオーバーシュート制御では、ＥＧＲ弁２６の開度が略全閉状態とされ、スロットル弁１３では略全開状態になっている。
【０１０７】
一方、燃料噴射補正制御では、燃料噴射圧力を減圧する、燃料噴射量を減らす、燃料噴射時期を遅角させる等の復帰補正を実施し、低温燃焼時に補正された各種項目を正規の値に復帰させる。また、その燃料噴射制御の補正開始時には、徐変制御を実施することで、燃料噴射制御の切り換えに伴うトルクショック等を回避する。また、通常燃焼への切り換えによって生じる燃料噴射制御の復帰補正においても、本実施の形態では、ＥＧＲガス量や空気量の応答遅れに対応すべくその補正に制御ディレー（待機時間）を含ませ、燃料噴射制御の適正化を図っている。なお、ディレー時間の設定は、上記した諸条件を加味して決定している。
【０１０８】
このように本実施の形態に示す内燃機関では、各弁体１３，２６の制御量をオーバーシュートさせるオーバーシュート制御を実施する、燃料噴射制御の補正に制御ディレーを設ける燃料噴射拘束制御を実施する、燃料噴射制御の切り換えにおいて徐変制御を行う、等の付加的制御を燃焼状態の過渡期間において処理することで、燃焼状態の切り換えに伴う種々の問題を改善している。
【０１０９】
すなわち、オーバーシュート制御によって燃焼状態の切り換えが速やかに行われるため、ＥＧＲガス量および空気量の応答遅れに伴う過渡期での燃焼不安定状態が改善される。また、燃料噴射制御の補正に制御ディレーを設ける、および徐変制御を行うことで燃料噴射制御の適正化が図られ、以て、ドライバビィリティーの向上、燃焼騒音の低減、およびスモークの抑制などが図られる。
【０１１０】
ところで、本実施の形態に示すディーゼル機関は、基本燃料噴射制御の一制御として内燃機関の主たる燃料噴射（以下、主噴射と称す）に先立つ副噴射いわゆる「パイロット噴射」を実施している。
【０１１１】
このパイロット噴射は、主噴射にて噴射する機関燃料の一部を予め燃焼室２内に噴射し、それによって主燃焼の種火となる熱源を燃焼室２内に作り出すことで主燃焼時の急激な燃焼圧の上昇及び燃焼温度の上昇を抑制するものである。すなわち、パイロット噴射の実施によって燃焼が緩慢となり、燃焼騒音の低減や、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の生成が抑制される。また、主噴射にて噴射する燃料の着火性が向上し、煤（スモーク）の生成も抑制される。
【０１１２】
しかしながら、本実施の形態に示すディーゼル機関１は、燃焼が緩慢になる低温燃焼に切り換えて機関運転を行う場合もあり、その低温燃焼に切り換えての機関運転中には、パイロット噴射の実施時同様、燃焼騒音の低下や有害物質の排出抑制が図られる。したがって、機関出力にさほど寄与しないパイロット噴射は燃料消費量の増加や、燃焼室２内の不要な酸素消費等に繋がるため、極力、パイロット噴射の実施は避けたいものである。
【０１１３】
しかしながら、燃焼状態の切換要求を受けて単にパイロット噴射の有無を決定すれば、そのパイロット噴射の禁止に起因して燃焼騒音が一時的に増大するなどといった問題が生じる。そこで本実施の形態に示す内燃機関では、パイロット噴射の実施期間を種々の条件に応じて適切に制御することで、パイロット噴射の禁止と燃焼騒音の抑制を両立させている。すなわち、パイロット噴射の実施を適切に制限するパイロット噴射制御を燃焼状態切換制御と共に処理し、パイロット噴射の禁止と燃焼騒音の抑制を両立させている。以下、このパイロット噴射制御について説明する。
【０１１４】
まず、先の図４に示すタイムチャートを参照し、低温燃焼への切り換えにおいて処理するパイロット噴射制御について説明する。
低温燃焼への切り換えでは、燃焼状態切換制御にて実施するオーバーシュート制御の処理後、且つ燃料噴射補正制御の後にパイロット噴射を禁止する。
【０１１５】
すなわち、オーバーシュート制御以前の燃焼室２内には、未だ必要以上に酸素が残留するため、燃焼騒音やスモーク等が発生し易い状態にあると言える。このため本パイロット噴射制御では、燃焼室２内の酸素量が十分少なくなるまでパイロット噴射の禁止を待機し、パイロット噴射の早期禁止に伴う燃焼騒音の一時的な増加やスモークの生成を防止する。また、換言すれば、燃焼室２内の酸素量が十分少なくなるまでパイロット噴射を継続する。
【０１１６】
また、オーバーシュート制御の開始後には、機関出力が低下し、また、燃焼状態の安定性も低下するため、燃料噴射補正制御の実施によって機関出力や燃焼状態の安定性が確保されるまでの間、上記に引き続きパイロット噴射を継続し、パイロット噴射の継続にて機関出力の一時的な低下や燃焼安定性の低下を抑制する。そして、燃料噴射補正制御の終了を受けた後に、初めてパイロット噴射を禁止する。
【０１１７】
このように、パイロット噴射制御手段では、燃焼状態切換制御にて処理されるオーバーシュート制御および燃料噴射量補正制御の処理後においてパイロット噴射を禁止し、過渡期でのパイロット噴射の禁止に起因した燃焼騒音の一時的な増加や機関出力の変動等を抑制しつつパイロット噴射を禁止する。
【０１１８】
また、種火となる熱源を予め燃焼室２内に確保しておくことで燃焼騒音の低減を図るパイロット噴射の本質的な効果に加え、パイロット噴射の継続期間中には、燃焼室２内の酸素も積極的に消費されるため、低温燃焼寄りの燃焼状態が燃焼室２内に形成される。したがって、この点においも燃焼騒音の低減やスモーク等の生成抑制が図られる。
【０１１９】
続いて、先の図５に示すタイムチャートを参照し、低温燃焼から通常燃焼への切り換えにおいて処理するパイロット噴射制御の制御内容について説明する。
通常燃焼への切り換えでは、燃焼状態切換制御にて処理するオーバーシュート制御の開始以前、および燃料噴射制御の補正終了以前にパイロット噴射を再開する。
【０１２０】
すなわち、オーバーシュート制御を開始した後にパイロット噴射を再開させると、低温燃焼によって抑制されていた燃焼騒音がそのオーバーシュート制御の開始を受けて増加するため、本パイロット噴射制御では、オーバーシュート制御の開始に先立ちパイロット噴射を再開し、オーバーシュート制御の開始に伴う燃焼騒音の発生を防止するようにしている。
【０１２１】
また、燃料噴射制御の補正終了後にパイロット噴射を再開させると、低温燃焼から通常燃焼に至る過渡期で、煤や窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成量が一時的に増加し、また、噴射時期の遅角に起因して噴射された機関燃焼の着火性も低下するため、燃料噴射予めパイロット噴射を再開させておくことで、煤や窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を抑制する。また同時に、噴射時期の遅角に伴う失火をパイロット噴射の実施によって抑制する。
【０１２２】
なお、図５においては、パイロット噴射の再開時期と、オーバーシュート制御や燃焼噴射補正制御の開始時期とを同時期に設定しているが、勿論、図５に示す例は、あくまでも本発明の一実施形態であり、例えば、パイロット噴射の再開時期を、オーバーシュート制御や燃料噴射補正制御の前に設定してもよい。
【０１２３】
このようにパイロット噴射制御では、燃焼が緩慢になる低温燃焼に切り換えての機関運転時と、パイロット噴射の実施時期とを極力異ならせるようにパイロット噴射の実施を制限する。また、燃焼状態の過渡期や燃料噴射補正制御等との影響を加味してパイロット噴射の禁止期間を設定することで燃焼騒音の発生等を抑制している。
【０１２４】
なお、上記した実施形態は、あくまでも一実施例であり、その詳細は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、低温燃料から通常燃焼への切り換えにおいて、上記ではオーバーシュートシュート制御や燃料噴射補正制御と同期してパイロット噴射を再開させているが、逆にオーバーシュート制御や燃料噴射時期の開始時期をパイロット噴射の開始に遅延させるようにしていもよい。
【０１２５】
また、低温燃焼への切り換えにおいて、燃焼状態の切り換え開始後、所定期間経過後にパイロット噴射を禁止する、さらに上記した種々のセンサの出力変化から現時点での燃焼状態を推定し、その出力変化にて推定した燃焼状態に応じてパイロット噴射の有無を制御するなど、制御形態および制御プログラムの構成方法は、所望に応じて適時変更可能である。
【０１２６】
なお、所定期間経過後にパイロット噴射を禁止するように制御プログラムを構成した場合には、各種予備実験等にて予め燃焼状態の切り換えに要する時間を把握しておき、燃焼状態の切り換え開始後、その把握した時間をカウントして所定時間に達したときにパイロット噴射を禁止する。また、各種センサの出力に基づきパイロット噴射の制御例について説明すれば、例えば、空燃比センサ４７にて検出する排気ガスの空燃比が所定空燃比以下になっている、エアフロメータ４５にて検出する吸入空気量が所定吸入空気量以下になっている、等の出力を検出後、パイロット噴射を禁止するなど、パイロット噴射の有無を判定する基準は、種々の方法を選択できる。
【０１２７】
また、上記した実施形態では、低温燃焼への切り換えにおいて、オーバーシュート制御および燃料噴射補正制御の後にパイロット噴射を禁止しているが、燃焼騒音の低減のみを考慮してパイロット噴射の禁止時期を設定すれば、オーバーシュート制御の終了のみを条件にパイロット噴射を禁止するようにしてもよい。
【０１２８】
また、本実施の形態では、燃焼騒音の増加や機関出力の変動等を考慮してパイロット噴射を制限しているが、低温燃焼時におけるパイロット噴射の禁止のみを最優先すれば、パイロット噴射を禁止した後に低温燃焼に切り換える、また、パイロット噴射を実施しないときに低温燃焼に切り換えるなどして、低温燃焼に切り換えての機関運転時と、パイロット噴射の実施時期とを極力異ならせるようにすることもできる。なお、パイロット噴射を禁止した後に低温燃焼に切り換えた場合には、パイロット噴射に起因した過渡期での排気ガスの空燃比変化が抑制され、その後のフィードバック制御が容易になるなどの利点も得られる。このように本発明では、少なくとも低温燃焼に切り換えての機関運転中を含む所定期間にパイロット噴射の実施を禁止するようにしてもよい。
【０１２９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、低温燃焼時のパイロット噴射を制限し、また、パイロット噴射の禁止に伴う燃焼騒音の発生等を抑制可能な機関制御技術を備えた内燃機関を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の示す内燃機関の概略構成図。
【図２】排気浄化触媒の一種であるパティキュレートフィルタの内部構造を説明するための図。
【図３】煤の発生量とＥＧＲ率との相関関係を説明するためのグラフ。
【図４】通常燃焼から低温燃焼への切り換え時に処理される各種制御の経時変化を示すタイムチャート。
【図５】低温燃焼から通常燃焼への移行時に処理される各種制御の経時変化を示すタイムチャート。
【符号の説明】
１ 内燃機関（ディーゼル機関）
１ａ クランクシャフト
２ 気筒（燃焼室）
３ 燃料噴射弁
４ コモンレール
５ 燃料供給管
６ 燃料ポンプ
８ 吸気枝管
９ 吸気管
１０ エアクリーナボックス
１２ 吸気温センサ
１３ スロットル弁
１４ アクチュエータ
１５ ターボチャージャ
１５ａ コンプレッサハウジング
１５ｂ タービンハウジング
１６ インタークーラ
１８ 排気枝管
１８ａ 排気ポート
１９ 排気管
２０ ＥＧＲ装置
２５ ＥＧＲ通路
２６ ＥＧＲ弁
２７ ＥＧＲクーラ
２８ ＥＧＲ装置の酸化触媒
３０ 電子制御ユニット
３１ 双方向性バス
３５ 入力ポート
３６ 出力ポート
３７ Ａ／Ｄ変換器
３８ 駆動回路
４０ アクセルペダル
４１ 負荷センサ
４２ クランク角センサ
４３ 車速センサ
４４ａ 吸気温センサ
４４ｂ 吸気温センサ
４５ エアフロメータ
４６ 吸気圧センサ
４７ 空燃比センサ
４８ａ 排気ガス温度センサ
４８ｂ 排気ガス温度センサ
５２ 触媒コンバータ
５０ａ 吸蔵還元型ＮＯｘ触媒
５０ｂ パティキュレートフィルタ
５１ ケーシング
５５ 排気ガス流入通路
５５ａ 栓
５６ 排気ガス流出通路
５６ａ 栓
５７ 隔壁
５８ フィルタ
５９ 酸化触媒コンバータ
６０ 還元剤添加装置
６１ 還元剤添加弁
６２ 還元剤供給路
６３ 燃圧センサ
６４ 燃圧制御バルブ
６６ 緊急遮断弁

Claims (6)

  1. 燃焼に供される混合気中に含まれる不活性ガスの割合が所定量に近づくと、その燃焼時に生成される煤の生成量が次第にピークに達し、その割合をさらに大きくすると煤の生成量が減少する燃焼特性を有し、さらに、その不活性ガスの割合を前記所定量未満に抑えることで煤の発生を抑制する第１の燃焼状態と、不活性ガスの割合を前記所定量を超える領域に保持することで煤の発生を抑制する第２の燃焼状態と、を機関運転中に切り換え可能な内燃機関であって、
    前記第１の燃焼状態から前記第２の燃焼状態への切り換え要求時、または、前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換え要求時に、前記混合気中に含まれる不活性ガスの割合を変化させることで燃焼状態を切り換える燃焼状態切換手段と、
    内燃機関の主たる燃料噴射に加え、その燃料噴射に先立つパイロット噴射を内燃機関の燃料噴射系に実行させる燃料噴射制御手段と、
    少なくとも前記第２の燃焼状態に切り換えての機関運転中を含む所定期間は、前記パイロット噴射の実行を禁止するパイロット噴射制御手段と、を備え、
    前記不活性ガスは、排気通路から吸気通路に還流するＥＧＲガスであり、
    前記燃焼状態切換手段は、吸気通路に還流するＥＧＲガス量を制御するＥＧＲ量制御手段と、吸気通路を通じて燃焼室に流れ込む空気量を制御する空気量制御手段と、燃焼状態の切り換え要求に応じてそれらＥＧＲ量制御手段及び空気量制御手段の制御量を一旦オーバーシュートさせることで燃焼状態を早期に切り換えるオーバーシュート制御手段と、を備え、
    前記燃料噴射制御手段は、前記第２の燃焼状態に切り換えての機関運転時に、内燃機関の主たる燃料噴射の燃料噴射量を一時増量補正する噴射量補正手段を備え、
    前記パイロット噴射制御手段は、前記第１の燃焼状態から前記第２の燃焼状態への切り換えにおいて、前記燃焼状態切換手段によるオーバーシュート制御の実施後、且つ燃料噴射制御手段による燃料噴射量の増量補正後に、前記パイロット噴射を禁止することを特徴
    とする内燃機関。
  2. 前記パイロット噴射制御手段は、前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換えにおいて、前記燃焼状態切換手段によるオーバーシュート制御の開始以前、且つ燃料噴射制御手段による燃料噴射量の減量補正終了以前に、前記パイロット噴射を再開させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
  3. 前記燃料噴射制御手段は、前記第２の燃焼状態に切り換えての機関運転時に、内燃機関の主たる燃料噴射の噴射時期を一時進角補正する噴射時期補正手段を備え、
    前記パイロット噴射制御手段は、前記第１の燃焼状態から前記第２の燃焼状態への切り換えにおいて、前記燃焼状態切換手段によるオーバーシュート制御の実施後、且つ燃料噴射制御手段による燃料噴射時期の進角補正後に、前記パイロット噴射を禁止することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
  4. 前記パイロット噴射制御手段は、前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換えにおいて、前記燃焼状態切換手段によるオーバーシュート制御の開始以前、且つ前記燃料噴射制御手段による燃料噴射時期の遅角補正終了以前に、前記パイロット噴射を再開させることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
  5. 燃焼に供される混合気中に含まれる不活性ガスの割合が所定量に近づくと、その燃焼時に生成される煤の生成量が次第にピークに達し、その割合をさらに大きくすると煤の生成量が減少する燃焼特性を有し、さらに、その不活性ガスの割合を前記所定量未満に抑えることで煤の発生を抑制する第１の燃焼状態と、不活性ガスの割合を前記所定量を超える領域に保持することで煤の発生を抑制する第２の燃焼状態と、を機関運転中に切り換え可能 な内燃機関であって、
    前記第１の燃焼状態から前記第２の燃焼状態への切り換え要求時、または、前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換え要求時に、前記混合気中に含まれる不活性ガスの割合を変化させることで燃焼状態を切り換える燃焼状態切換手段と、
    内燃機関の主たる燃料噴射に加え、その燃料噴射に先立つパイロット噴射を内燃機関の燃料噴射系に実行させる燃料噴射制御手段と、
    少なくとも前記第２の燃焼状態に切り換えての機関運転中を含む所定期間は、前記パイロット噴射の実行を禁止するパイロット噴射制御手段と、を備え、
    前記不活性ガスは、排気通路から吸気通路に還流するＥＧＲガスであり、
    前記燃焼状態切換手段は、吸気通路に還流するＥＧＲガス量を制御するＥＧＲ量制御手段と、吸気通路を通じて燃焼室に流れ込む空気量を制御する空気量制御手段と、燃焼状態の切り換え要求に応じてそれらＥＧＲ量制御手段及び空気量制御手段の制御量を一旦オーバーシュートさせることで燃焼状態を早期に切り換えるオーバーシュート制御手段と、を備え、
    前記燃料噴射制御手段は、前記第２の燃焼状態に切り換えての機関運転時に、内燃機関の主たる燃料噴射の噴射時期を一時進角補正する噴射時期補正手段を備え、
    前記パイロット噴射制御手段は、前記第１の燃焼状態から前記第２の燃焼状態への切り換えにおいて、前記燃焼状態切換手段によるオーバーシュート制御の実施後、且つ燃料噴射制御手段による燃料噴射時期の進角補正後に、前記パイロット噴射を禁止することを特徴とする内燃機関。
  6. 前記パイロット噴射制御手段は、前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換えにおいて、前記燃焼状態切換手段によるオーバーシュート制御の開始以前、且つ前記燃料噴射制御手段による燃料噴射時期の遅角補正終了以前に、前記パイロット噴射を再開させることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
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