JP4165036B2

JP4165036B2 - 内燃機関

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Publication number: JP4165036B2
Application number: JP2001159489A
Authority: JP
Inventors: 静夫佐々木; 雅人後藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-05-28
Filing date: 2001-05-28
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2021-05-28
Also published as: JP2002349306A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ターボチャージャを具備し、吸入空気量を減少させて空燃比をリッチ側にシフトさせる内燃機関が知られている。また、燃焼室内に供給される不活性ガスの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、燃焼室に供給される不活性ガスの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及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であって、燃焼室内における燃焼時の燃料及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低温燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも燃焼室内に供給される不活性ガスの量が少ない通常燃焼とを切換える切換え手段と、ターボチャージャとを具備する内燃機関が知られている。この種の内燃機関の例としては、例えば特開平１１−３５１０１６号公報に記載されたものがある。特開平１１−３５１０１６号公報に記載された内燃機関では、空燃比をリッチ側にシフトさせてＮＯｘ触媒のＮＯｘを還元するために吸入空気量を減少させている。また、特開平１１−３５１０１６号公報に記載された内燃機関では、通常燃焼から低温燃焼に切換えるために吸入空気量を減少させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開平１１−３５１０１６号公報に記載された内燃機関では、空燃比をリッチ側にシフトさせてＮＯｘ触媒のＮＯｘを還元するため、あるいは、通常燃焼から低温燃焼に切換えるために吸入空気量を減少させるときにターボチャージャのタービンの回転数が低下する点が考慮されていない。詳細には、吸入空気量を減少させるのに伴ってタービンの回転数が低下した後、吸入空気量を増加させようとしても、タービンの回転数がすぐには上昇し得ない点が考慮されていない。そのため、特開平１１−３５１０１６号公報に記載された内燃機関では、吸入空気量を減少させた後、吸入空気量を増加させようとする時に吸入空気量の増加が遅れてしまうのに伴ってトルク不足が生じたり、スモークが増加したりするおそれがある。
【０００４】
前記問題点に鑑み、本発明は吸入空気量を減少させた後、吸入空気量を増加させようとする時に吸入空気量の増加が遅れてしまうのに伴ってトルク不足が生じたり、スモークが増加したりするのを抑制することができる内燃機関を提供することを目的とする。更に本発明は低温燃焼から通常燃焼に切換えるために吸入空気量を増加させようとする時に吸入空気量の増加が遅れてしまうのに伴ってトルク不足が生じたり、スモークが増加したりするのを抑制することができる内燃機関を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、ターボチャージャを具備し、吸入空気量を減少させて空燃比をリッチ側にシフトさせる内燃機関において、ターボチャージャのタービンの回転数を増加させるための補助手段を具備し、吸入空気量を減少させて空燃比をリッチ側にシフトさせた後、空燃比をリーン側にシフトさせる時に、上記補助手段を作動することにより吸入空気量を増加させることを特徴とする内燃機関が提供される。
【０００６】
請求項２に記載の発明によれば、吸入空気量を減少させかつトルクが減少しないように燃料噴射量を増加させて空燃比をリッチ側にシフトさせた後、空燃比をリーン側にシフトさせる時に、燃料噴射量を減少させ、かつ、燃料噴射量を減少させるのに伴ってトルクが減少しないように上記補助手段を作動することにより吸入空気量を増加させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関が提供される。
【０００７】
請求項１及び２に記載の内燃機関では、吸入空気量を減少させるのに伴ってタービンの回転数が低下した後、吸入空気量を増加させようとしても、タービンの回転数がすぐには上昇し得ない点に鑑み、ターボチャージャのタービンの回転数を増加させるための補助手段が設けられ、吸入空気量を減少させて空燃比をリッチ側にシフトさせた後、空燃比をリーン側にシフトさせる時に、補助手段を作動することにより吸入空気量が増加される。詳細には、吸入空気量を減少させかつトルクが減少しないように燃料噴射量を増加させて空燃比をリッチ側にシフトさせた後、空燃比をリーン側にシフトさせる時に、燃料噴射量を減少させ、かつ、燃料噴射量を減少させるのに伴ってトルクが減少しないように補助手段を作動することにより吸入空気量が増加される。そのため、吸入空気量を減少させた後、吸入空気量を増加させようとする時に吸入空気量の増加が遅れてしまうのに伴ってトルク不足が生じたり、スモークが増加したりするのを抑制することができる。
【０００８】
請求項３に記載の発明によれば、燃焼室内に供給される不活性ガスの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、燃焼室に供給される不活性ガスの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及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であって、燃焼室内における燃焼時の燃料及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低温燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも燃焼室内に供給される不活性ガスの量が多く煤がほとんど発生しない通常燃焼とを切換え可能であり、ターボチャージャを具備する内燃機関において、ターボチャージャのタービンの回転数を増加させるための補助手段を具備し、低温燃焼から通常燃焼に切換えられる時に、補助手段を作動することにより吸入空気量を増加させることを特徴とする内燃機関が提供される。
【０００９】
請求項３に記載の内燃機関では、吸入空気量を減少させるのに伴ってタービンの回転数が低下した後、吸入空気量を増加させようとしても、タービンの回転数がすぐには上昇し得ない点に鑑み、ターボチャージャのタービンの回転数を増加させるための補助手段が設けられ、低温燃焼から通常燃焼に切換えられる時に、補助手段を作動することにより吸入空気量が増加される。そのため、低温燃焼から通常燃焼に切換えるために吸入空気量を増加させようとする時に吸入空気量の増加が遅れてしまうのに伴ってトルク不足が生じたり、スモークが増加したりするのを抑制することができる。
【００１０】
請求項４に記載の発明によれば、低温燃焼から通常燃焼に切換えられる時であって機関加速運転時に、上記補助手段を作動することにより吸入空気量を増加させることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関が提供される。
【００１１】
請求項４に記載の内燃機関では、低温燃焼と通常燃焼とを切換え可能な内燃機関においては、機関定常運転時には低温燃焼が実行され、機関加速運転時には通常燃焼が実行されかつ要求吸入空気量がかなり多くなる点に鑑み、低温燃焼から通常燃焼に切換えられる時であって機関加速運転時には補助手段を作動することにより吸入空気量が増加される。そのため、要求吸入空気量が大幅に増加するときに要求通りに吸入空気量を迅速に増加させることができる。
【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およびインタークーラ１４を介して排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１６の出口部に連結される。コンプレッサ１６の入口部は空気吸込管１７を介してエアクリーナ１８に連結される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９を介して排気ターボチャージャ１５の排気タービン２０の入口部に連結され、排気タービン２０の出口部は排気管２１を介してＮＯｘ触媒としてのＮＯｘ吸収剤２２を内蔵したケーシング２３に連結される。この排気ターボチャージャ１５には、排気タービン２０の回転数を増加させるための電気的な補助手段が備えられている。
【００１３】
吸気ダクト１３内にはステップモータ２４により駆動されるスロットル弁２５が配置され、空気吸込管１７内には吸入空気の質量流量を検出する吸入空気量センサ２６が配置される。排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）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周りにはＥＧＲ通路２７内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置３０が配置される。図１に示される実施形態では機関冷却水が冷却装置３０内に導かれ、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。
【００１５】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。吸入空気量センサ２６の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力され、燃料圧センサ３４の出力信号も対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁６、スロットル弁制御用ステップモータ２４、ＥＧＲ制御弁制御用ステップモータ２８および燃料ポンプ３３に接続される。
【００１６】
ところで従来より内燃機関、例えば圧縮着火式機関においては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ＥＧＲ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。
【００１７】
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。
【００１８】
従って従来よりＥＧＲ率はこの最大許容限界を越えない範囲内に定められている。このＥＧＲ率の最大許容限界は機関の形式や燃料によってかなり異なるがおおよそ３０パーセントから５０パーセントである。従って従来の圧縮着火式内燃機関では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。
【００１９】
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。
【００２０】
ところが圧縮着火式機関の燃焼の研究の過程においてＥＧＲ率を最大許容限界よりも大きくすれば上述の如くスモークが急激に増大するがこのスモークの発生量にはピークが存在し、このピークを越えてＥＧＲ率を更に大きくすると今度はスモークが急激に減少しはじめ、アイドリング運転時においてＥＧＲ率を７０パーセント以上にすると、またＥＧＲガスを強力に冷却した場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にするとスモークがほとんど零になる、即ち煤がほとんど発生しないことが見い出されたのである。また、このときにはＮＯｘの発生量が極めて少量となることも判明している。この後この知見に基づいて煤が発生しない理由について検討が進められ、その結果これまでにない煤およびＮＯｘの同時低減が可能な新たな燃焼システムが構築されるに至ったのである。この新たな燃焼システムについては後に詳細に説明するが簡単に言うと炭化水素が煤に成長するまでの途中の段階において炭化水素の成長を停止させることを基本としている。
【００２１】
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。
【００２２】
従って、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制すれば煤が発生しなくなり、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制することは燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって可能となる。一方、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化水素は酸化触媒等を用いた後処理によって容易に浄化することができる。これが新たな燃焼システムの基本的な考え方である。
【００２３】
図１はこの新たな燃焼システムを採用した圧縮着火式内燃機関を示している。図２は図１に示される圧縮着火式内燃機関において、機関低負荷運転時にスロットル弁２５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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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下になると煤が生成されることが判明したのである。
【００２９】
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。
【００３０】
一旦、煤が生成されるとこの煤は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって浄化することはできない。これに対して煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって容易に浄化することができる。このように酸化機能を有する触媒による後処理を考えると炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態で燃焼室５から排出させるか、或いは煤の形で燃焼室５から排出させるかについては極めて大きな差がある。本発明において採用されている新たな燃焼システムは燃焼室５内において煤を生成させることなく炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態の形でもって燃焼室５から排出させ、この炭化水素を酸化機能を有する触媒により酸化せしめることを核としている。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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率で表わすとほぼ５５パーセント以上であり、図６に示す実施形態では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。
【００４０】
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。
【００４１】
一方、図６の負荷領域Ｚ２では煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘが吸入しうる全吸入ガス量Ｙを越えてしまう。従ってこの場合、煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘを燃焼室５内に供給するにはＥＧＲガスおよび吸入空気の双方、或いはＥＧＲガスを過給又は加圧する必要がある。ＥＧＲガス等を過給又は加圧しない場合には負荷領域Ｚ２では全吸入ガス量Ｘは吸入しうる全吸入ガス量Ｙに一致する。従ってこの場合、煤の発生を阻止するためには空気量を若干減少させてＥＧＲガス量を増大すると共に空燃比がリッチのもとで燃料を燃焼せしめることになる。
【００４２】
前述したように図６は燃料を理論空燃比のもとで燃焼させる場合を示しているが図６に示される低負荷運転領域Ｚ１において空気量を図６に示される空気量よりも少なくても、即ち空燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつＮＯｘの発生量を１０p.p.m 前後又はそれ以下にすることができ、また図６に示される低負荷領域Ｚ１において空気量を図６に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を１７から１８のリーンにしても煤の発生を阻止しつつＮＯｘの発生量を１０p.p.m 前後又はそれ以下にすることができる。
【００４３】
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。
【００４４】
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。従って本発明による実施形態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通常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通常燃焼とは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない燃焼のことを言う。
【００４５】
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通常燃焼が行われる第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５０の踏込み量、即ち要求負荷を示しており、横軸Ｎは機関回転数を示している。また、図７においてＸ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域IIとの第１の境界を示しており、Ｙ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域IIとの第２の境界を示している。第１の運転領域Ｉから第２の運転領域IIへの運転領域の変化判断は第１の境界Ｘ（Ｎ）に基づいて行われ、第２の運転領域IIから第１の運転領域Ｉへの運転領域の変化判断は第２の境界Ｙ（Ｎ）に基づいて行われる。
【００４６】
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。
【００４７】
次に図８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８は要求負荷Ｌに対するスロットル弁２５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８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２５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２９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８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。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２５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。
【００４８】
なお、アイドリング運転時にはスロットル弁２５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２５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２５が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【００４９】
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２５の開度が半開状態から全開方向へステップ状に増大せしめられる。このとき図９に示す例ではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントから４０パーセント以下までステップ状に減少せしめられ、空燃比がステップ状に大きくされる。第２の運転領域IIでは従来から行われている燃焼が行われる。この第２の運転領域IIではスロットル弁２５は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁２９の開度は要求負荷Ｌが高くなると次第に小さくされる。また、この運転領域IIではＥＧＲ率は要求負荷Ｌが高くなるほど低くなり、空燃比は要求負荷Ｌが高くなるほど小さくなる。ただし、空燃比は要求負荷Ｌが高くなってもリーン空燃比とされる。また、第２の運転領域IIでは噴射開始時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付近とされる。
【００５０】
図８に示されるように噴射量は要求負荷Ｌが高くなるにつれて増大する。この噴射量Ｑは図９に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数として予めＲＯＭ４２内に記憶されている。図１０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１０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１０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。
【００５１】
即ち、要求負荷Ｌが低くなるほど燃焼による発熱量が少なくなる。従って要求負荷Ｌが低くなるほどＥＧＲ率を低下させても低温燃焼を行うことができる。ＥＧＲ率を低下させると空燃比は大きくなり、従って図１０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形態では要求負荷Ｌが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。
【００５２】
なお、空燃比を図１０に示す目標空燃比とするのに必要なスロットル弁２５の目標開度ＳＴが図１１（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されており、空燃比を図１０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１１（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。
【００５３】
図１２は第２の燃焼、即ち従来の燃焼方法による通常燃焼が行われるときの目標空燃比を示している。なお、図１２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２５の目標開度ＳＴが図１３（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されており、空燃比をこの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）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。
【００５４】
一方、ケーシング２３内に内蔵されているＮＯｘ触媒としてのＮＯｘ吸収剤２２は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。機関吸気通路、燃焼室５およびＮＯｘ吸収剤２２上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比をＮＯｘ吸収剤２２への流入排気ガスの空燃比と称するとこのＮＯｘ吸収剤２２は流入排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘの吸放出作用を行う。
【００５５】
このＮＯｘ吸収剤２２を機関排気通路内に配置すればＮＯｘ吸収剤２２は実際にＮＯｘの吸放出作用を行うがこの吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放出作用は図１４に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。次にこのメカニズムについて担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【００５６】
図１に示される圧縮着火式内燃機関では通常燃焼室５における空燃比がリーンの状態で燃焼が行われる。このように空燃比がリーンの状態で燃焼が行われている場合には排気ガス中の酸素濃度は高く、このときには図１４（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ₂がＯ₂ ^-又はＯ^2-の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ₂ ^-又はＯ^2-と反応し、ＮＯ₂となる（２ＮＯ＋Ｏ₂→２ＮＯ₂）。次いで生成されたＮＯ₂の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら図１４（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ吸収剤２２内に吸収される。流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ₂が生成され、吸収剤のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限りＮＯ₂が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。
【００５７】
一方、流入排気ガスの空燃比がリッチにされると流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、その結果白金Ｐｔの表面でのＮＯ₂の生成量が低下する。ＮＯ₂の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂）に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形で吸収剤から放出される。このときＮＯｘ吸収剤２２から放出されたＮＯｘは図１４（Ｂ）に示されるように流入排気ガス中に含まれる多量の未燃ＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ₂が存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ₂が放出される。従って流入排気ガスの空燃比がリッチにされると短時間のうちにＮＯｘ吸収剤２２からＮＯｘが放出され、しかもこの放出されたＮＯｘが還元されるために大気中にＮＯｘが排出されることはない。
【００５８】
なお、この場合、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にしてもＮＯｘ吸収剤２２からＮＯｘが放出される。しかしながら流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にした場合にはＮＯｘ吸収剤２２からＮＯｘが徐々にしか放出されないためにＮＯｘ吸収剤２２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。
【００５９】
上述したようにＮＯｘ吸収剤２２は白金Ｐｔのような貴金属を含んでおり、従ってＮＯｘ吸収剤２２は酸化機能を有している。一方、前述したように機関の運転状態が第１の運転領域Ｉにあって低温燃焼が行われているときには煤はほとんど発生せず、その代り未燃炭化水素が煤の前駆体又はその前の状態の形でもって燃焼室５から排出される。ところが上述した如くＮＯｘ吸収剤２２は酸化機能を有しており、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ＮＯｘ吸収剤２２により良好に酸化せしめられることになる。
【００６０】
ところでＮＯｘ吸収剤２２のＮＯｘ吸収能力には限度があり、ＮＯｘ吸収剤２２のＮＯｘ吸収能力が飽和する前にＮＯｘ吸収剤２２からＮＯｘを放出させる必要がある。そのためにはＮＯｘ吸収剤２２に吸収されているＮＯｘ量を推定する必要がある。そこで本発明による実施形態では第１の燃焼が行われているときの単位時間当りのＮＯｘ吸収量Ａを要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数として図１５（Ａ）に示すようなマップの形で予め求めておき、第２の燃焼が行われているときの単位時間当りのＮＯｘ吸収量Ｂを要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数として図１５（Ｂ）に示すようなマップの形で予め求めておき、これら単位時間当りのＮＯｘ吸収量Ａ，Ｂを積算することによってＮＯｘ吸収剤２２に吸収されているＮＯｘ量ΣＮＯＸを推定するようにしている。
【００６１】
本発明による実施形態ではこのＮＯｘ吸収量ΣＮＯＸが予め定められた許容最大値を越えたときにＮＯｘ吸収剤２２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１６を参照しつつ説明する。図１６を参照すると本発明による実施形態では二つの許容最大値、即ち許容最大値ＭＡＸ１と許容最大値ＭＡＸ２とが設定されている。許容最大値ＭＡＸ１はＮＯｘ吸収剤２２が吸収しうる最大ＮＯｘ吸収量の３０パーセント程度とされており、許容最大値ＭＡＸ２はＮＯｘ吸収剤２２が吸収しうる最大吸収量の８０パーセント程度とされている。第１の燃焼（低温燃焼）が行われているときにＮＯｘ吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ１を越えたときにはＮＯｘ吸収剤２２からＮＯｘを放出すべく空燃比がリッチとされ、第２の燃焼（通常燃焼）が行われているときにＮＯｘ吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ1 を越えたときには第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられたときにＮＯｘ吸収剤２２からＮＯｘを放出すべく空燃比がリッチとされ、第２の燃焼が行われているときにＮＯｘ吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ２を越えたときにはＮＯｘ吸収剤２２からＮＯｘを放出すべく膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料が噴射される。
【００６２】
即ち、図１６において期間Ｘは要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも低く、第１の燃焼が行われている場合を示しており、このとき空燃比は理論空燃比よりもわずかばかりリーンなリーン空燃比となっている。第１の燃焼が行われているときにはＮＯｘの発生量が極めて少なく、従ってこのときには図１６に示されるようにＮＯｘ吸収量ΣＮＯＸはきわめてゆっくりと上昇する。第１の燃焼が行われているときにＮＯｘ吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ１を越えると空燃比Ａ／Ｆは一時的にリッチとされ、それによってＮＯｘ吸収剤２２からＮＯｘが放出される。このときＮＯｘ吸収量ΣＮＯＸは零とされる。
【００６３】
前述したように第１の燃焼が行われているときには空燃比がリーンであろうと、理論空燃比であろうと、リッチであろうと煤は発生せず、従って第１の燃焼が行われているときにＮＯｘ吸収剤２２からＮＯｘを放出すべく空燃比Ａ／Ｆがリッチとされてもこのとき煤が発生することはない。次いで時刻ｔ₁において要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）を越えると第１の燃焼から第２の燃焼に切換えられる。図１６に示されるように第２の燃焼が行われているときには空燃比Ａ／Ｆはかなりリーンとなる。第２の燃焼が行われているときには第１の燃焼が行われている場合に比べてＮＯｘの発生量が多く、従って第２の燃焼が行われているときにはＮＯｘ量ΣＮＯＸは比較的急速に上昇する。
【００６４】
第２の燃焼が行われているときに空燃比Ａ／Ｆをリッチにすると多量の煤が発生し、従って第２の燃焼が行われているときに空燃比Ａ／Ｆをリッチにすることはできない。従って図１６に示されるように第２の燃焼が行われているときにＮＯｘ吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ１を越えたとしてもＮＯｘ吸収剤２２からＮＯｘを放出すべく空燃比Ａ／Ｆがリッチとされない。この場合には図１６の時刻ｔ₂におけるように要求負荷Ｌが第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなって第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられたときにＮＯｘ吸収剤２２からＮＯｘを放出すべく空燃比Ａ／Ｆが一時的にリッチにされる。
【００６５】
次いで図１６の時刻ｔ₃において第１の燃焼から第２の燃焼に切換えられ、暫らくの間第２の燃焼が継続したとする。このときＮＯｘ吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ１を越え、次いで時刻ｔ₄において許容最大値ＭＡＸ２を越えたとするとこのときにはＮＯｘ吸収剤２２からＮＯｘを放出すべく膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料が噴射され、ＮＯｘ吸収剤２２に流入する排気ガスの空燃比がリッチとされる。
【００６６】
膨張行程の後半又は排気行程中に噴射される追加の燃料は機関出力の発生には寄与せず、従って追加の燃料を噴射する機会はできるだけ少なくすることが好ましい。従って第２の燃焼が行われたときにＮＯｘ吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ１を越えたときには第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられたときに空燃比Ａ／Ｆを一時的にリッチにし、ＮＯｘ吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ２を越えた特別の場合に限って追加の燃料を噴射するようにしている。
【００６７】
次に図１７を参照しつつ第１の燃焼が行われているときにＮＯｘ吸収剤２２からＮＯｘを放出すべくＮＯｘ吸収剤２２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする場合の噴射制御について説明する。図１７に示されるように第１の燃焼が行われているときにＮＯｘ吸収剤２２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする場合にはスロットル開度およびＥＧＲ率を変化させず、燃料噴射量を増大することによって空燃比がリッチとされる。この場合、従来では空燃比が（Ａ／Ｆ）_Lで運転されているときに空燃比を目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rとすべきときには噴射量が〔（Ａ／Ｆ）_L／（Ａ／Ｆ）_R〕・Ｑとされる。図１７に示される場合には従来では噴射量が（１７／１２）・Ｑとされる。ここでＱは図９から算出された燃料噴射量である。
【００６８】
しかしながら本発明におけるようにスロットル弁２５の開度ＳＴ、ＥＧＲ制御弁２９の開度ＳＥおよび燃料噴射量Ｑがマップの値に基づいて定められる場合には実際のリーン空燃比が必ずしも図１０に示される目標リーン空燃比（Ａ／Ｆ）_Lに正確に一致しない。従って現在の空燃比が図１０において要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎから定まる目標リーン空燃比（Ａ／Ｆ）_Lになっているとの前提に立って噴射量を〔（Ａ／Ｆ）_L／（Ａ／Ｆ）_R〕・Ｑなる式から算出しても空燃比は必ずしも目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rに一致しないことになる。
【００６９】
ところで吸入空気量Ｇａと燃料噴射量Ｑ_Rと目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rとの間には次の関係がある。
吸入空気量Ｇａ／燃料噴射量Ｑ_R＝目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_R
即ち、燃料噴射量Ｑ_R＝吸入空気量Ｇａ／目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_R
そこで本発明による第１の実施形態では吸入空気量センサ２６により検出された実際の吸入空気量Ｇａを目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rにより除算することによって燃料噴射量Ｑ_Rを求め、この燃料噴射量Ｑ_Rだけ燃料を噴射するようにしている。この場合、空燃比は目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rに正確に一致することになる。
【００７０】
次に吸入空気量Ｇａと燃料噴射量Ｑ_Rと目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rとの関係についてもう少し詳細に説明する。即ち、吸入空気量センサ２６では単位時間当りの吸入空気量の質量流量、例えば１秒間当りの吸入空気量の質量流量（ｇ／sec ）が検出される。一方、燃料噴射量Ｑ_Rは噴射一回りの体積を表わしている。従って燃料の比重をＣとして、機関回転数をＮとすると一秒間当りの噴射量（ｇ／sec ）は次式で表わされる。
【００７１】
Ｃ・Ｑ_R・（Ｎ／６０）・（気筒数／２）
従って吸入空気量Ｇａと燃料噴射量Ｑ_Rと目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rとの関係は次のようになる。
Ｇａ／〔Ｃ・Ｑ_R・（Ｎ／６０）・（気筒数／２）〕＝（Ａ／Ｆ）_R
従って燃料噴射量Ｑ_Rは次式から算出される。
【００７２】
Ｑ_R＝Ｇａ／〔Ｃ・（Ｎ／６０）・（気筒数／２）・（Ａ／Ｆ）_R〕
図１８は第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられるときに空燃比が目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rとされる場合を示している。このときにも上述の式から燃料噴射量Ｑ_Rが算出される。
次に空燃比を目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rに維持する期間について説明する。
【００７３】
まず初めに空燃比を理論空燃比（Ａ／Ｆ）_STにするのに必要な燃料噴射量Ｑ_STが算出される。次いで空燃比を目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rにするのに必要な燃料噴射量Ｑ_Rから、上述の燃料噴射量Ｑ_STを減算することによって過剰燃料量ΔＱ（＝Ｑ_R−Ｑ_ST）が算出される。この過剰燃料量の累積値ΣΔＱが設定値Ｘ１よりも大きくなるまで空燃比が目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rとされる。
【００７４】
設定値Ｘ１はＮＯｘ吸収剤２２内に吸収されている全ＮＯｘを放出させるのに必要な過剰燃料量を表わしており、従って設定値Ｘ１はＮＯｘ吸収量ΣＮＯＸが増大するにつれて増大する。
図１９はＮＯｘ吸収剤２２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。
【００７５】
図１９を参照するとまず初めにステップ１００において機関の運転領域が第１の運転領域Ｉであることを示すフラグＩがセットされているか否かが判別される。フラグＩがセットされているとき、即ち機関の運転領域が第１の運転領域Ｉであるときにはステップ１０１に進んで図１５（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ＭＡＸ１を越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸ１になるとステップ１０４に進み、第１の燃焼が行われているときにＮＯｘを放出すべきことを示すＮＯｘ放出フラグ１がセットされる。
【００７６】
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１０５に進んで図１５（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１０６ではＮＯｘ吸収量ΣＮＯＸにＢが加算される。次いでステップ１０７ではＮＯｘ吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ１を越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸ１になるとステップ１０８に進み、第１の燃焼が行われているときにＮＯｘを放出すべきことを示すＮＯｘ放出フラグＩがセットされる。
【００７７】
一方、ステップ１０９ではＮＯｘ吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ２を越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸ２になるとステップ１１０に進み、膨張行程の後半又は排気行程中にＮＯｘを放出すべきことを示すＮＯｘ放出フラグIIがセットされる。
次に図２０を参照しつつ運転制御について説明する。
【００７８】
図２０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状態が第１の運転領域Ｉであることを示すフラグＩがセットされているか否かが判別される。フラグＩがセットされているとき、即ち機関の運転状態が第１の運転領域Ｉであるときにはステップ２０１に進んで要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ１（Ｎ）よりも大きくなったか否かが判別される。Ｌ≦Ｘ１（Ｎ）のときにはステップ２０３に進んで低温燃焼が行われる。
【００７９】
即ち、ステップ２０３では図１１（Ａ）に示すマップからスロットル弁２５の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁２５の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ２０４では図１１（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２９の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２９の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ２０５ではＮＯｘ放出フラグＩがセットされているか否かが判別される。ＮＯｘ放出フラグＩがセットされていないときにはステップ２０６に進んで図１０に示される空燃比となるように燃料噴射が行われる。このときリーン空燃比のもとで低温燃焼が行われる。
【００８０】
一方、ステップ２０５においてＮＯｘ放出フラグＩがセットされていると判別されたときにはステップ２０７に進んで図２１に示される噴射制御Ｉが行われる。一方、ステップ２０１においてＬ＞Ｘ（Ｎ）になったと判別されたときにはステップ２０２に進んでフラグＩがリセットされ、次いでステップ２１０に進んで第２の燃焼（通常燃焼）が行われる。
【００８１】
即ち、ステップ２１０では図１３（Ａ）に示すマップからスロットル弁２５の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁２５の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ２１１では図１３（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２９の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２９の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ２１２ではＮＯｘ放出フラグIIがセットされているか否かが判別される。ＮＯｘ放出フラグIIがセットされていないときにはステップ２１３に進んで図１２に示される空燃比となるように燃料噴射が行われる。このときリーン空燃比のもとで第２の燃焼が行われる。
【００８２】
一方、ステップ２１２においてＮＯｘ放出フラグIIがセットされていると判別されたときにはステップ２１４に進んで図２２に示される噴射制御IIが行われる。
次に図２１を参照しつつ噴射制御Ｉについて説明する。図２１を参照するとまず初めにステップ３００において吸入空気量センサ２６により検出された吸入空気の質量流量Ｇａが取込まれる。次いでステップ３０１では空燃比を目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rとするための燃料噴射量Ｑ_Rが次式に基づいて算出される。
【００８３】
Ｑ_R＝Ｇａ／〔Ｃ・（Ｎ／６０）・（気筒数／２）・（Ａ／Ｆ）_R〕
ここでＣは前述したように燃料の比重を表しており、Ｎは機関回転数を表わしている。
次いでステップ３０２では空燃比がリーンからリッチに切換えられたときに機関の出力トルクが変動しないように噴射時期が遅角される。なお、本発明による実施形態では遅角された噴射時期が機関運転状態の関数としてマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されており、ステップ３０２ではこのマップに基づいて噴射時期が算出される。次いでステップ３０３ではステップ３０２において算出された噴射時期にステップ３０１において算出された燃料噴射量Ｑ_Rを噴射するための処理が行われる。斯くして空燃比がリーン空燃比から目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rに切換えられることになる。
【００８４】
ところで機関排気通路内に空燃比センサを取付け、この空燃比センサの出力信号に基づいて空燃比が目標空燃比（Ａ／Ｆ）_Rとなるようにフィードバック制御すればＮＯｘ吸収剤２２からＮＯｘを放出すべきときに空燃比を目標空燃比（Ａ／Ｆ）_Rに維持することができる。しかしながらこのようなフィードバック制御を用いた場合には空燃比がリーンからリッチに切換えられた直後の空燃比を正確に目標リッチ空燃比に制御することができない。
【００８５】
これに対して本発明ではこれから機関シリンダ内に供給される吸入空気の質量流量Ｇａに基づいてこの吸入空気が流入するシリンダへの燃料噴射量Ｑ_Rが算出される。即ち、フィードホワード制御が行われる。従って本発明では空燃比がリーンからリッチに切換えられるや否や空燃比が正確に目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rに制御される。
【００８６】
ステップ３０４以下では、ＮＯｘ吸収剤２２に吸収されている全ＮＯｘが放出するまで空燃比を目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rに維持するための処理が行われる。即ち、ステップ３０４では空燃比を理論空燃比（Ａ／Ｆ）_STとするのに必要な燃料噴射量Ｑ_STが次式に基づいて算出される。
Ｑ_ST＝Ｇａ／〔Ｃ・（Ｎ／６０）・（気筒数／２）・（Ａ／Ｆ）_ST〕
次いでステップ３０５では過剰燃料量ΔＱ（＝Ｑ_R−Ｑ_ST）が算出され、次いでステップ３０６では過剰燃料量の累積値ΣΔＱ（＝ΣΔＱ＋ΔＱ）が算出される。次いでステップ３０７では過剰燃料量の累積値ΣΔＱが設定値Ｘ１を越えたか否かが判別される。ΣΔＱ＞Ｘ１になるとステップ３０８に進んでＮＯｘ放出フラグＩがリセットされ、次いでステップ３０９においてΣＮＯＸが零とされ、次いでステップ３１０においてΣΔＱが零とされる。
【００８７】
次に図２２を参照しつつ噴射制御IIについて説明する。図２２を参照するとまず初めにステップ４００において図９に示されるマップから燃料噴射量Ｑが算出される。次いでステップ４０１では吸入空気量センサ２６により検出された吸入空気の質量流量Ｇａが取込まれる。次いでステップ４０２では空燃比を目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rとするための燃料噴射量Ｑ_Rが次式に基づいて算出される。
【００８８】
Ｑ_R＝Ｇａ／〔Ｃ・（Ｎ／６０）・（気筒数／２）・（Ａ／Ｆ）_R〕
ここでＣは前述したように燃料の比重を表しており、Ｎは機関回転数を表わしている。
次いでステップ４０３では空燃比を目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rとするのに必要な燃料噴射量Ｑ_Rから燃料噴射量Ｑを減算することによって追加の燃料量Ｑａｄｄ（＝Ｑ_R−Ｑ）が算出される。次いでステップ４０４では圧縮上死点付近において燃料噴射量Ｑの噴射を行い、膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料量Ｑａｄｄの噴射を行うための処理が行われる。このときには図１２に示されるリーン空燃比でもって第２の燃焼が行われ、追加の燃料によってＮＯｘ吸収剤２２に流入する排気ガスの空燃比が目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rとされる。
【００８９】
ステップ４０５以下では、ＮＯｘ吸収剤２２に吸収されている全ＮＯｘを放出させるまでＮＯｘ吸収剤２２に流入する排気ガスの空燃比を目標リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rに維持するための処理が行われる。即ち、ステップ４０５では空燃比を理論空燃比（Ａ／Ｆ）_STとするのに必要な燃料噴射量Ｑ_STが次式に基づいて算出される。
【００９０】
Ｑ_ST＝Ｇａ／〔Ｃ・（Ｎ／６０）・（気筒数／２）・（Ａ／Ｆ）_ST〕
次いでステップ４０６では過剰燃料量ΔＱ（＝Ｑ_R−Ｑ_ST）が算出され、次いでステップ４０７では過剰燃料量の累積値ΣΔＱ（＝ΣΔＱ＋ΔＱ）が算出される。次いでステップ４０８では過剰燃料量の累積値ΣΔＱが設定値Ｘ２（＞Ｘ１）を越えたか否かが判別される。ΣΔＱ＞Ｘ２になるとステップ４０９に進んでＮＯｘ放出フラグＩおよびIIがリセットされ、次いでステップ４１０においてΣＮＯＸが零とされ、次いでステップ４１１においてΣΔＱが零とされる。
【００９１】
図２３は第一の実施形態のタービン回転数のアシスト制御方法を説明するための図である。図２３に示すように、時間ｔ１１以前は、スロットル開度が全開とされかつＥＧＲ制御弁開度が全閉とされ、高負荷状態の下で通常燃焼が実行されている。このときタービンの回転数は比較的高い値になっている。次いで時間ｔ１２にＮＯｘ吸収剤２２からＮＯｘを放出すべき要求が出されると、スロットル弁開度が全開から半開に切換えられると共に、ＥＧＲ制御弁開度が全閉から全開に切換えられ、燃料噴射量が増量される。燃料噴射量を増量する場合には、燃料噴射量を増量すると共に燃料噴射時期を遅角させてもよく、あるいは、圧縮上死点付近の主噴射に加えて主噴射の前又は後に副噴射を実行してもよい。時間ｔ１１から時間ｔ１２までの間においては、スロットル弁開度が減少されるために吸入空気量が減少し、タービンの回転数も低下する。但し、燃料噴射量が増量されるために発生トルクは低下しない。
【００９２】
時間ｔ１２にＮＯｘ吸収剤２２からＮＯｘを放出させる制御が終了すると、スロットル弁開度が再び全開にされ、ＥＧＲ制御弁開度も再び全閉される。また、ＮＯｘ吸収剤２２からＮＯｘを放出させる必要がなくなるため、燃料噴射量が減量される。更に第一の実施形態では、電気的補助手段付きターボチャージャ１５により、タービンの回転数を迅速に増加させるためのアシスト制御が実行される。このように第一の実施形態では、ＮＯｘ吸収剤２２からＮＯｘを放出させる制御が終了した時に、タービンの回転数を迅速に増加させるアシスト制御が実行されるため、発生トルクが一時的に低下してしまうのを回避することができる。
【００９３】
つまり第一の実施形態によれば、吸入空気量を減少させるのに伴ってタービンの回転数が低下した後、吸入空気量を増加させようとしても、タービンの回転数がすぐには上昇し得ない点に鑑み、タービン２０の回転数を増加させるための電気的な補助手段がターボチャージャ１５に備えられ、時間ｔ１１に吸入空気量を減少させて空燃比をリッチ側にシフトさせた後、空燃比をリーン側にシフトさせる時間ｔ１２に、電気的な補助手段を作動することにより吸入空気量が増加される。詳細には、時間ｔ１１に吸入空気量を減少させかつトルクが減少しないように燃料噴射量を増加させて空燃比をリッチ側にシフトさせた後、空燃比をリーン側にシフトさせる時間ｔ１２に、燃料噴射量を減少させ、かつ、燃料噴射量を減少させるのに伴ってトルクが減少しないように電気的な補助手段を作動することにより吸入空気量が増加される。そのため、吸入空気量を減少させた後、吸入空気量を増加させようとする時に吸入空気量の増加が遅れてしまうのに伴ってトルク不足が生じたり、スモークが増加したりするのを抑制することができる。
【００９４】
図２４は第二の実施形態のタービン回転数のアシスト制御方法を説明するための図である。図２４に実線で示すように、時間ｔ２１以前においては、上述した低温燃焼が実行されて機関定常運転が行われている。このときタービンの回転数は上述した通常燃焼が実行されているときに比べて低くなっている。次いで時間ｔ２１に機関を加速すべき要求が出されると、電気的補助手段付きターボチャージャ１５により、タービンの回転数を迅速に増加させるためのアシスト制御が実行される。このように第二の実施形態では、機関定常運転から機関加速運転に切換えられた時に、タービンの回転数を迅速に増加させるアシスト制御が実行されるため、機関を加速させるのに必要な発生トルクを迅速に増加させることができる。
【００９５】
つまり第二の実施形態によれば、例えば通常燃焼から低温燃焼に切換えるために吸入空気量を減少させるのに伴ってタービンの回転数が低下した後、吸入空気量を増加させようとしても、タービンの回転数がすぐには上昇し得ない点に鑑み、タービン２０の回転数を増加させるための電気的な補助手段がターボチャージャ１５に備えられ、低温燃焼から通常燃焼に切換えられる時間ｔ２１に、電気的な補助手段を作動することにより吸入空気量が増加される。そのため、低温燃焼から通常燃焼に切換えるために吸入空気量を増加させようとする時に吸入空気量の増加が遅れてしまうのに伴ってトルク不足が生じたり、スモークが増加したりするのを抑制することができる。
【００９６】
また第二の実施形態によれば、低温燃焼と通常燃焼とを切換え可能な内燃機関においては、機関定常運転時には低温燃焼が実行され、機関加速運転時には通常燃焼が実行されかつ要求吸入空気量がかなり多くなる点に鑑み、低温燃焼から通常燃焼に切換えられる時であって機関加速運転時である時間ｔ２１に、電気的な補助手段を作動することにより吸入空気量が増加される。そのため、要求吸入空気量が大幅に増加するときに要求通りに吸入空気量を迅速に増加させることができる。
【００９７】
【発明の効果】
請求項１及び２に記載の発明によれば、吸入空気量を減少させた後、吸入空気量を増加させようとする時に吸入空気量の増加が遅れてしまうのに伴ってトルク不足が生じたり、スモークが増加したりするのを抑制することができる。
【００９８】
請求項３に記載の発明によれば、低温燃焼から通常燃焼に切換えるために吸入空気量を増加させようとする時に吸入空気量の増加が遅れてしまうのに伴ってトルク不足が生じたり、スモークが増加したりするのを抑制することができる。
【００９９】
請求項４に記載の発明によれば、要求吸入空気量が大幅に増加するときに要求通りに吸入空気量を迅速に増加させることができる。
【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】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図９】噴射量のマップを示す図である。
【図１０】第１の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図である。
【図１１】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図１２】第２の燃焼における空燃比を示す図である。
【図１３】スロットル弁等の目標開度を示す図である。
【図１４】ＮＯｘの吸放出作用を説明するための図である。
【図１５】単位時間当りのＮＯｘ吸収量のマップを示す図である。
【図１６】ＮＯｘ放出制御を説明するための図である。
【図１７】リーン空燃比からリッチ空燃比へ切換えるときの噴射量変化と空燃比変化とを示す図である。
【図１８】リーン空燃比からリッチ空燃比へ切換えるときの噴射量変化と空燃比変化とを示す図である。
【図１９】ＮＯｘ放出フラグを処理するためのフローチャートである。
【図２０】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図２１】噴射制御Ｉを実行するためのフローチャートである。
【図２２】噴射制御IIを実行するためのフローチャートである。
【図２３】第一の実施形態のタービン回転数のアシスト制御方法を説明するための図である。
【図２４】第二の実施形態のタービン回転数のアシスト制御方法を説明するための図である。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
１５…排気ターボチャージャ
２０…排気タービン
２２…ＮＯｘ吸収剤
２５…スロットル弁
２６…吸入空気量センサ
２９…ＥＧＲ制御弁

Claims

ターボチャージャを具備し、吸入空気量を減少させて空燃比をリッチ側にシフトさせる内燃機関において、ターボチャージャのタービンの回転数を増加させるための補助手段を具備し、吸入空気量を減少させて空燃比をリッチ側にシフトさせた後、空燃比をリーン側にシフトさせる時に、上記補助手段を作動することにより吸入空気量を増加させることを特徴とする内燃機関。
吸入空気量を減少させかつトルクが減少しないように燃料噴射量を増加させて空燃比をリッチ側にシフトさせた後、空燃比をリーン側にシフトさせる時に、燃料噴射量を減少させ、かつ、燃料噴射量を減少させるのに伴ってトルクが減少しないように上記補助手段を作動することにより吸入空気量を増加させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
燃焼室内に供給される不活性ガスの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、燃焼室に供給される不活性ガスの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及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であって、燃焼室内における燃焼時の燃料及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低温燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも燃焼室内に供給される不活性ガスの量が少ない通常燃焼とを切換える切換え手段と、ターボチャージャとを具備する内燃機関において、ターボチャージャのタービンの回転数を増加させるための補助手段を具備し、低温燃焼から通常燃焼に切換えられる時に、上記補助手段を作動することにより吸入空気量を増加させることを特徴とする内燃機関。
低温燃焼から通常燃焼に切換えられる時であって機関加速運転時に、上記補助手段を作動することにより吸入空気量を増加させることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。