JP3551771B2 - 内燃機関 - Google Patents

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】
従来より内燃機関、例えばディーゼル機関においてはＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ の発生量が低下し、従ってＥＧＲ率を増大すればするほどＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ 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率が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】
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ＮＯ_ｘ およびスモークが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ＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ およびスモークが発生してしまうのが現状である。
【０００６】
ところがディーゼル機関の燃焼の研究の過程においてＥＧＲ率を最大許容限界よりも大きくすれば上述の如くスモークが急激に増大するがこのスモークの発生量にはピークが存在し、このピークを越えてＥＧＲ率を更に大きくすると今度はスモークが急激に減少しはじめ、アイドリング運転時においてＥＧＲ率を７０パーセント以上にすると、またＥＧＲガスを強力に冷却した場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にするとスモークがほとんど零になる、即ち煤がほとんど発生しないことが見い出されたのである。また、このときにはＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ 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。
【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素水素は一気に煤まで成長してしまうということである。この場合、燃料およびその周囲のガス温度は燃料が燃焼した際の燃料周りのガスの吸熱作用が大きく影響しており、燃料燃焼時の発熱量に応じて燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって燃料およびその周囲のガス温度を制御することができる。
【０００８】
従って、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制すれば煤が発生しなくなり、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制することは燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって可能となる。一方、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化水素は酸化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。この新たな燃焼システムを採用した内燃機関については本出願人により既に出願されている（特願平９−３０５８５０号）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこの内燃機関においても燃料噴射量が増大すれば噴射された燃料全体の発熱量が高くなり、斯くし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を煤が生成される温度よりも低い温度に維持しうるのは燃料噴射量が比較的少ないときである。しかしながらこの新たな燃焼システムを用いれば煤およびＮＯ_ｘ を同時に低減することが可能であり、従ってこの新たな燃焼システムを使用しうる機関の運転領域をできる限り拡大することが好ましいと言える。
【００１０】
本発明の目的はこの新たな燃焼システムを使用しうる機関の運転領域を拡大することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために１番目の発明では、燃料室内に供給される再循環排気ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達達し、燃焼室内に供給される再循環排気ガス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる内燃機関において、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気ガス量を多くすることによって燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制し、燃焼室内に送り込まれる吸入空気中に水を供給するようにしている。即ち、吸入空気中に水を供給する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低下する。
【００１２】
２番目の発明では１番目の発明において、機関負荷が予め定められた負荷よりも高いときには機関負荷が予め定められた負荷よりも低いときに比べて吸入空気中に供給される水の量が多くされる。
３番目の発明では１番目の発明において、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_ｘ を吸収しかつ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_ｘ を放出するＮＯ_ｘ 吸収剤を機関排気通路内に配置し、ＮＯ_ｘ 吸収剤からＮＯ_ｘ を放出すべく燃焼室内おける空燃比を理論空燃比又はリッチにしたときに吸入空気中に水が供給される。
【００１３】
４番目の発明では１番目の発明において、再循環排気ガス中の水分を集める手段を具備し、集められた水を吸入空気中に供給するようにしている。
５番目の発明では１番目の発明において、機関排気通路内に酸化機能を有する触媒を配置している。
６番目の発明では５番目の発明において、触媒が酸化触媒、三元触媒又はＮＯ_ｘ 吸収剤の少くとも一つからなる。
【００１４】
７番目の発明では１番目の発明において、排気ガス再循環率がほぼ５５パーセント以上である。
８番目の発明では１番目の発明において、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気ガス量が多く煤がほとんど発生しない第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる再循環ガス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に切換える切換手段を具備している。
【００１５】
９番目の発明では８番目の発明において、第１の燃焼における空燃比が理論空燃比か、或いは理論空燃比に対してわずかにリーンなリーン空燃比か、或いはリッチ空燃比とされ、第２の燃焼における空燃比がリーン空燃比とされる。
１０番目の発明では８番目の発明において、機関の運転領域を低負荷側の第１の運転領域と高負荷側の第２の運転領域に分割し、第１の運転領域では第１の燃焼を行い、第２の運転領域では第２の燃焼を行うようにしている。
【００１６】
【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を介して過給機、例えば排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１６の出口部に連結される。コンプレッサ１６の入口部は空気吸込管１７を介してエアクリーナ１８に連結され、空気吸込管１７内にはステップモータ１９により駆動されるスロットル弁２０が配置される。
【００１７】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド２１および排気管２２を介して排気ターボチャージャ１５の排気タービン２３の入口部に連結され、排気タービン２３の出口部は排気管２４を介して酸化機能を有する触媒２５を内蔵した触媒コンバータ２６に連結される。排気マニホルド２１内には空燃比センサ２７が配置される。
【００１８】
触媒コンバータ２６の出口部に連結された排気管２８とスロットル弁２０下流の空気吸込管１７とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２９を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２９内にはステップモータ３０により駆動されるＥＧＲ制御弁３１が配置される。また、ＥＧＲ通路２９内にはＥＧＲ通路２９内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのインタークーラ３２が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水がインタークーラ３２内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００１９】
一方、燃料噴射弁６は燃料供給管３３を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール３４に連結される。このコモンレール３４内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３５から燃料が供給され、コモンレール３４内に供給された燃料は各燃料供給管３３を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール３４にはコモンレール３４内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３６が取付けられ、燃料圧センサ３６の出力信号に基づいてコモンレール３４内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ３５の吐出量が制御される。
【００２０】
また、各吸気枝管１１には夫々水噴射弁３７が取付けられる。これら水噴射弁３７は水供給ポンプ３８を介して水タンク３９に連結される。水噴射を行うときには水タンク３９内の水が水供給ポンプ３８により各水噴射弁３７に供給され、各水噴射弁３７から対応する吸気ポート８内に向けて水が供給される。即ち、吸入空気中に水が噴射される。
【００２１】
一方、ＥＧＲガス中には水分が含まれており、従ってＥＧＲガスがインタークーラ３２により冷却されるとＥＧＲガス中に含まれる水分がインタークーラ３２内において凝縮する。この凝縮した水分はインタークーラ３２内を流下し、インタークーラ３２の底部に溜まる。図１に示されるようにインタークーラ３２の底部は導管４０および開閉弁４１を介して水タンク３９に連結されている。
【００２２】
図１に示す実施例では例えば機関停止直後に開閉弁４１が一時的に開弁せしめられ、このときインタークーラ３２の底部に溜まっている凝集水が導管４０を介して水タンク３９内に供給される。この凝縮水だけでは水タンク３９内の水量が不足する場合には必要に応じて水タンク３９内に水が補給される。
電子制御ユニット５０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス５１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）５２、ＲＡＭ（ランダムアセクスメモリ）５３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）５４、入力ポート５５および出力ポート５６を具備する。空燃比センサ２７の出力信号は対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力され、燃料圧センサ３６の出力信号も対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。アクセルペダル６０にはアクセルペダル６０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６１が接続され、負荷センサ６１の出力電圧は対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。また、入力ポート５５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６２が接続される。一方、出力ポート５６は対応する駆動回路５８を介して燃料噴射弁６、スロットル弁制御用ステップモータ１９、ＥＧＲ制御弁制御用ステップモータ３０、燃料ポンプ３５、水供給ポンプ３８および開閉弁４１に接続される。
【００２３】
図２は機関低負荷運転時にスロットル弁２０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，ＮＯ_ｘ 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を小さくな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ＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ の発生量がかなり低下する。ＮＯ_ｘ 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上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ＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ 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、ＮＯ_ｘ の発生量が低下する。このときＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ 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の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、ＣＯ_２ 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ＮＯ_ｘ 発生量は１０ｐ．ｐ．ｍ 前後、又はそれ以下であり、従ってＮＯ_ｘ 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】
ところで過給が行われていない場合には燃焼室５内に吸入される全吸入ガス量Ｘの上限はＹであり、従って図６において要求負荷がＬｏ よりも大きい領域では要求負荷が大きくなるにつれてＥＧＲガス割合を低下させない限り空燃比を理論空燃比に維持することができない。云い換えると過給が行われていない場合に要求負荷がＬｏ よりも大きい領域において空燃比を理論空燃比に維持しようとした場合には要求負荷が高くなるにつれてＥＧＲ率が低下し、斯くして要求負荷がＬｏ よりも大きい領域では燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持しえなくなる。
【００４２】
ところが図１に示されるようにＥＧＲ通路２９を介して過給機の入口側、即ち排気ターボチャージャ１５の空気吸込管１７内にＥＧＲガスを再循環させると要求負荷がＬｏ よりも大きい領域においてＥＧＲ率を５５パーセント以上、例えば７０パーセントに維持することができ、斯くして燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持することができる。即ち、空気吸込管１７内におけるＥＧＲ率が例えば７０パーセントになるようにＥＧＲガスを再循環させれば排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１６により昇圧された吸入ガスのＥＧＲ率も７０パーセントとなり、斯くしてコンプレッサ１６により昇圧しうる限度まで燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持することができる。従って、低温燃焼を生じさせることのできる機関の運転領域を拡大することができることになる。
【００４３】
なお、要求負荷がＬｏ よりも大きい領域でＥＧＲ率を５５パーセント以上にする際にはＥＧＲ制御弁３１が全開せしめられ、スロットル弁２０が若干閉弁せしめられる。
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空気量を図６に示される空気量よりも少くしても、即ち空燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつＮＯ_ｘ の発生量を１０ｐ．ｐ．ｍ 前後又はそれ以下にすることができ、また空気量を図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ＮＯ_ｘ 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。
【００４４】
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ＮＯ_ｘ 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、ＮＯ_ｘ も極めて少量しか発生しない。
【００４５】
このように、低温燃焼が行われているときには空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろうと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーンであろうと煤が発生されず、ＮＯ_ｘ 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。
【００４６】
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の途中で停止する温度以下に抑制しうるのに燃焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限られる。従って本発明による実施例では機関中低負荷運転時には燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制して第１の燃焼、即ち低温燃焼を行うようにし、機関高負荷運転時には第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにしている。なお、ここで第１の燃焼、即ち低温燃焼とはこれまでの説明から明らかなように煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない燃焼のことを言い、第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少い燃焼のことを言う。
【００４７】
図７（Ａ）は第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われる第１の運転領域Ｉと、第２の燃焼、即ち従来の燃焼方法による燃焼が行われる第２の運転領域ＩＩとを示している。なお、図７（Ａ）において縦軸Ｌはアクセルペダル６０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（Ａ）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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
ところで前述したように排気ターボチャージャー１５の空気吸込管１７にＥＧＲガスを再循環させると低温燃焼を生じさせることのできる機関の運転領域を拡大することができる。この場合、特に低温燃焼時において燃料が燃焼した際の発熱量が大きくなるとき、即ち第１の運転領域Ｉにおいて要求負荷Ｌが高いときに水噴射弁３７から吸気ポート８内に水を噴射すると燃焼室５内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度が低くなり、斯くして低温燃焼を生じさせることのできる機関の運転領域を更に拡大することができる。
【００５１】
そこで本発明による第１実施例では低温燃焼が行われる第１の運転領域Ｉにおいて要求負荷Ｌが図７（Ｂ）に示される境界Ｚ（Ｎ）を越えたときには水噴射弁３７から吸気ポート８内に水を噴射するようにしている。なお、図７（Ｂ）は水噴射を行うようにしたときの第１の境界Ｘ（Ｎ）および第２の境界Ｙ（Ｎ）を示している。図７（Ａ）および図７（Ｂ）を比較すると、水噴射が行われるときの図７（Ｂ）に示される第１の境界Ｘ（Ｎ）および第２の境界Ｙ（Ｎ）は、図７（Ａ）に示される水噴射が行われないときの第１の境界Ｘ（Ｎ）および第２の境界Ｙ（Ｎ）に比べて高負荷に移動していることがわかる。云い換えると水噴射を行うようにした場合には低温燃焼しうる運転領域が高負荷側に拡大することがわかる。
【００５２】
なお、境界Ｚ（Ｎ）は機関回転数Ｎの関数であり、このＺ（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。このとき燃焼室５から排出された未燃炭化水素は酸化機能を有する触媒２５により良好に酸化せしめられる。
【００５３】
触媒２５としては酸化触媒、三元触媒、又はＮＯ_ｘ 吸収剤を用いることかできる。ＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ を吸収し、燃焼室５内における平均空燃比が理論空燃比又はリッチになるとＮＯ_ｘ を放出する機能を有する。
このＮＯ_ｘ 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、リウチム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。
【００５４】
酸化触媒はもとより、三元触媒およびＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ 吸収剤を触媒２５として用いることができる。
図８は空燃比センサ２７の出力を示している。図８に示されるように空燃比センサ２７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２７の出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。
【００５５】
次に図９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９は要求負荷Ｌに対するスロットル弁２０の開度、ＥＧＲ制御弁３１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９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２０の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから１／３開度程度まで徐々に増大せしめられ、ＥＧＲ制御弁３１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９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。
【００５６】
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２０の開度およびＥＧＲ制御弁３１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２７の出力信号に基づいてＥＧＲ制御弁３１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も噴射開示時期θＳが遅くなるにつれて遅くなる。
【００５７】
なお、第１の運転領域Ｉにおいて図９のＺで示される要求負荷Ｌの高い運転領域では水噴射弁３７から水噴射が行われる。
また、アイドリング運転時にはスロットル弁２０は全閉近くまで閉弁され、このときＥＧＲ制御弁３１も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁２０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２０が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【００５８】
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２０の開度が１／３開度程度から全開方向へステップ状に増大せしめられる。このとき図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。
【００５９】
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２０は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁３１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。
【００６０】
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。
【００６１】
即ち、要求負荷Ｌが低くなるほど燃焼による発熱量が少くなる。従って要求負荷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。
【００６２】
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２０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ＲＯＭ５２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３１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ＲＯＭ５２内に記憶されている。
【００６３】
図１２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２０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ＲＯＭ５２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３１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ＲＯＭ５２内に記憶されている。
【００６４】
次に図１４を参照しつつ運転制御について説明する。
図１４を参照すると、まず初めにステップ１００において機関の運転状態が第１の運転領域Ｉであることを示すフラグＩがセットされているか否かが判別される。フラグＩがセットされているとき、即ち機関の運転状態が第１の運転領域Ｉであるときにはステップ１０１に進んで要求負荷Ｌが図７（Ｂ）に示される第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも大きくなったか否かが判別される。Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ１０３に進んで低温燃焼が行われる。
【００６５】
即ち、ステップ１０３では図１１（Ａ）に示すマップからスロットル弁２０の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁２０の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ１０４では図１１（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁３１の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ１０５では図１０に示される空燃比となるように燃料噴射が行われる。このとき低温燃焼が行われる。次いでステップ１０６では要求負荷Ｌが図７（Ｂ）に示される境界Ｚ（Ｎ）よりも大きいか否かが判別される。Ｌ＞Ｚ（Ｎ）のときにはステップ１０７に進んで水噴射弁３７から水が噴射される。
【００６６】
一方、ステップ１０１においてＬ＞Ｘ（Ｎ）になったと判別されたときにはステップ１０２に進んでフラグＩがリセットされ、次いでステップ１１０に進んで第２の燃焼が行われる。
即ち、ステップ１１０では図１３（Ａ）に示すマップからスロットル弁２０の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁２０の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ１１１では図１３（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁３１の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ１１２では図１２に示されるリーン空燃比となるように燃料噴射が行われる。
【００６７】
フラグＩがリセットされると次の処理サイクルではステップ１００からステップ１０８に進んで要求負荷Ｌが図７（Ｂ）に示される第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなったか否かが判別される。Ｌ≧Ｙ（Ｎ）のときにはステップ１１０に進み、リーン空燃比のもとで第２の燃焼が行われる。
一方、ステップ１０８においてＬ＜Ｙ（Ｎ）になったと判別されたときにはステップ１０９に進んでフラグＩがセットされ、次いでステップ１０３に進んで低温燃焼が行われる。
【００６８】
次に触媒２５としてＮＯ_ｘ 吸収剤を用いた第２実施例について説明する。
前述したようにＮＯ_ｘ 吸収剤２５は燃焼室５内における平均空燃比がリーンのときにＮＯ_ｘ を吸収し、燃焼室５内における平均空燃比が理論空燃比又はリッチになるとＮＯ_ｘ を放出する機能を有する。即ち、機関吸気通路、燃焼室５およびＮＯ_ｘ 吸収剤２５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ＮＯ_ｘ 吸収剤２５への流入排気ガスの空燃比と称するとこのＮＯ_ｘ 吸収剤２５は流入排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ を放出するＮＯ_ｘ の吸放出作用を行う。
【００６９】
このＮＯ_ｘ 吸収剤２５を機関排気通路内に配置すればＮＯ_ｘ 吸収剤２５は実際にＮＯ_ｘ 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１５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。
【００７０】
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１５（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ_２ がＯ_２ ⁻ 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Ｏ_２ ⁻ 又はＯ^２−と反応し、ＮＯ_２ となる（２ＮＯ＋Ｏ_２ →２ＮＯ_２ ）。次いで生成されたＮＯ_２ 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１５（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ_３ ⁻ の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてＮＯ_ｘ がＮＯ_ｘ 吸収剤２５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ＮＯ_２ が生成され、吸収剤のＮＯ_ｘ 吸収能力が飽和しない限りＮＯ_２ が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンＮＯ_３ ⁻ が生成される。
【００７１】
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ＮＯ_２ の生成量が低下する。ＮＯ_２ の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ_３ ⁻ →ＮＯ_２ ）に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻ がＮＯ_２ の形で吸収剤から放出される。このときＮＯ_ｘ 吸収剤２５から放出されたＮＯ_ｘ は図１５（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ＮＯ_２ が存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ_２ 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ＮＯ_ｘ 吸収剤２５からＮＯ_ｘ が放出され、しかもこの放出されたＮＯ_ｘ が還元されるために大気中にＮＯ_ｘ が排出されることはない。
【００７２】
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ＮＯ_ｘ 吸収剤２５からＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ 吸収剤２５からＮＯ_ｘ が徐々にしか放出されないためにＮＯ_ｘ 吸収剤２５に吸収されている全ＮＯ_ｘ を放出させるには若干長い時間を要する。
【００７３】
ところでＮＯ_ｘ 吸収剤２５のＮＯ_ｘ 吸収能力には限度があり、ＮＯ_ｘ 吸収剤２５のＮＯ_ｘ 吸収能力が飽和する前にＮＯ_ｘ 吸収剤２５からＮＯ_ｘ を放出させる必要がある。そのためにはＮＯ_ｘ 吸収剤２５に吸収されているＮＯ_ｘ 量を推定する必要がある。そこで本発明による実施例では第１の燃焼が行われているときの単位時間当りのＮＯ_ｘ 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１６（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ＮＯ_ｘ 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１６（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ＮＯ_ｘ 吸収量Ａ，Ｂを積算することによってＮＯ_ｘ 吸収剤２５に吸収されているＮＯ_ｘ 量ΣＮＯＸを推定するようにしている。
【００７４】
第２実施例ではこのＮＯ_ｘ 吸収量ΣＮＯＸが予め定められた許容最大値を越えたときにＮＯ_ｘ 吸収剤２５からＮＯ_ｘ を放出させるようにしている。次にこのことについて図１７を参照しつつ説明する。
図１７を参照すると第２実施例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ＮＯ_ｘ 吸収剤２５が吸収しうる最大ＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ 吸収剤２５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の燃焼が行われているときにＮＯ_ｘ 吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ１を越えたときにはＮＯ_ｘ 吸収剤２５からＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ 吸収剤２５からＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ 吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ２を越えたときにはＮＯ_ｘ 吸収剤２５からＮＯ_ｘ 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。
【００７５】
即ち、図１７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ＮＯ_ｘ の発生量が極めて少なく、従ってこのときには図１７に示されるようにＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ 吸収剤２５からＮＯ_ｘ が放出される。このときＮＯ_ｘ 吸収量ΣＮＯＸは零とされる。
【００７６】
前述したように第１の燃焼が行われているときには煤が発生しない。しかしながらＮＯ_ｘ 吸収剤２５からＮＯ_ｘ を放出すべく空燃比がかなりリッチにされると燃料が燃焼する際の発熱量が急激に増大するために煤が発生する危険性がある。そこで第２実施例では空燃比がリッチにされるときには水噴射弁３７から水を噴射し、燃焼室５内のガス温を低下させるようにしている。
【００７７】
再び図１７に戻り、時刻ｔ_１ 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１７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ＮＯ_ｘ 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ＮＯ_ｘ 量ΣＮＯＸは比較的急速に上昇する。
【００７８】
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１７に示されるように第２の燃焼が行われているときにＮＯ_ｘ 吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ１を越えたとしてもＮＯ_ｘ 吸収剤２５からＮＯ_ｘ 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１７の時刻ｔ_２ 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ＮＯ_ｘ 吸収剤２５からＮＯ_ｘ を放出すべく空燃比Ａ／Ｆが一時的にリッチにされる。このときにも煤の発生する危険性を回避するために水噴射弁３７から水が噴射される。
【００７９】
次いで図１７の時刻ｔ_３ 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ＮＯ_ｘ 吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ１を越え、次いで時刻ｔ_４ において許容最大値ＭＡＸ２を越えたとするとこのときにはＮＯ_ｘ 吸収剤２５からＮＯ_ｘ 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、ＮＯ_ｘ 吸収剤２５に流入する排気ガスの空燃比がリッチとされる。
【００８０】
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ＮＯ_ｘ 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、ＮＯ_ｘ 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。
【００８１】
図１８はＮＯ_ｘ 吸収剤２５からＮＯ_ｘ を放出すべきときにセットされるＮＯ_ｘ 放出フラグの処理ルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図１８を参照するとまず初めにステップ２００において機関の運転領域が第１の運転領域Ｉであることを示すフラグＩがセットされているか否かが判別される。フラグＩがセットされているとき、即ち機関の運転領域が第１の運転領域Ｉであるときにはステップ２０１に進んで図１６（Ａ）に示すマップから単位時間当りのＮＯ_ｘ 吸収量Ａが算出される。次いでステップ２０２ではＮＯ_ｘ 吸収量ΣＮＯＸがＡに加算される。次いでステップ２０３ではＮＯ_ｘ 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２０４に進み、第１の燃焼が行われているときにＮＯ_ｘ を放出すべきことを示すＮＯ_ｘ 放出フラグＩがセットされる。
【００８２】
一方、ステップ２００においてフラグＩがリセットされていると判断されたとき、即ち機関の運転領域が第２の運転領域ＩＩであるときにはステップ２０５に進んで図１６（Ｂ）に示すマップから単位時間当りのＮＯ_ｘ 吸収量Ｂが算出される。次いでステップ２０６ではＮＯ_ｘ 吸収量ΣＮＯＸにＢが加算される。次いでステップ２０７ではＮＯ_ｘ 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２０８に進み、第１の燃焼が行われているときにＮＯ_ｘ を放出すべきことを示すＮＯ_ｘ 放出フラグＩがセットされる。
【００８３】
一方、ステップ２０９ではＮＯ_ｘ 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２１０に進み、第２の燃焼中にＮＯ_ｘ を放出すべきことを示すＮＯ_ｘ 放出フラグＩＩがセットされる。
次に図１９を参照しつつ運転制御について説明する。
【００８４】
図１９を参照すると、まず初めにステップ３００において機関の運転状態が第１の運転領域Ｉであることを示すフラグＩがセットされているか否かが判別される。フラグＩがセットされているとき、即ち機関の運転状態が第１の運転領域Ｉであるときにはステップ３０１に進んで要求負荷Ｌが図７（Ａ）に示される第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも大きくなったか否かが判別される。Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ３０３に進んで低温燃焼が行われる。
【００８５】
即ち、ステップ３０３では図１１（Ａ）に示すマップからスロットル弁２０の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁２０の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ３０４では図１１（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁３１の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ３０５ではＮＯ_ｘ 放出フラグＩがセットされているか否かが判別される。ＮＯ_ｘ 放出フラグＩがセットされていないときにはステップ３０６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。
【００８６】
一方、ステップ３０５においてＮＯ_ｘ 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３０７に進んで図２０に示されるリッチ処理Ｉが行われる。
一方、ステップ３０１においてＬ＞Ｘ（Ｎ）になったと判別されたときにはステップ３０２に進んでフラグＩがリセットされ、次いでステップ３１０に進んで第２の燃焼が行われる。
【００８７】
即ち、ステップ３１０では図１３（Ａ）に示すマップからスロットル弁２０の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁２０の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ３１１では図１３（Ｂ）の示すマップからＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁３１の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ３１２ではＮＯ_ｘ 放出フラグＩＩがセットされているか否かが判別される。ＮＯ_ｘ 放出フラグＩＩがセットされていないときにはステップ３１３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。
【００８８】
一方、ステップ３１２においてＮＯ_ｘ 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３１４に進んで図２１に示されるリッチ処理ＩＩが行われる。
次に図２０を参照しつつリッチ処理Ｉについて説明する。
図２０を参照するとまず初めにステップ４００においてＮＯ_ｘ 吸収剤２５に吸収されていると推定される全ＮＯ_ｘ ΣＮＯＸを放出させるのに必要なリッチ時間ｔ_ｒ が算出される。次いでステップ４０１ではリッチ処理Ｉ開始後の経過時間ｔがリッチ時間ｔ_ｒ を越えたか否かが判別される。ｔ≦ｔ_ｒ のときにはステップ４０２に進んで燃料噴射量が増量され、空燃比がリッチとされる。次いでステップ４０３において水噴射弁３７から水が水が噴射される。
【００８９】
一方、ステップ４０１においてｔ＞ｔ_ｒ になったと判断されたときにはステップ４０４に進んでＮＯ_ｘ 放出フラグＩがリセットされ、次いでステップ４０５においてΣＮＯＸが零とされる。
次に図２１を参照しつつリッチ処理ＩＩ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５００においてＮＯ_ｘ 吸収剤２５に吸収されていると推定される全ＮＯ_ｘ ΣＮＯＸを放出させるのに必要なリッチ時間ｔ_ｒ が算出される。次いでステップ５０１ではリッチ処理ＩＩ開始後の経過時間ｔがリッチ時間ｔ_ｒ を越えたか否かが判別される。ｔ≦ｔ_ｒ のときにはステップ５０２に進んで図１２に示す空燃比Ａ／Ｆとなるように主噴射が行われ、ＮＯ_ｘ 吸収剤２５に流入する排気ガスの空燃比をリッチとするのに必要な追加の燃料が膨張行程後半又は排気行程中に噴射される。
【００９０】
一方、ステップ５０１においてｔ＞ｔ_ｒ になったと判断されたときにはステップ５０３に進んでＮＯ_ｘ 放出フラグＩおよびＩＩがリセットされ、次いでステップ５０４においてΣＮＯＸが零とされる。
なお、この第２実施例においても第１実施例と同様に、低温燃焼時において要求負荷Ｌが図７（Ｂ）に示される境界Ｚ（Ｎ）を越えたときに水噴射弁３７から水を噴射させることができる。
【００９１】
【発明の効果】
低温燃焼領域を拡大することができる。
【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ＮＯ_ｘ の発生量等を示す図である。
【図３】燃焼圧を示す図である。
【図４】燃料分子を示す図である。
【図５】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図である。
【図６】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図７】第１の運転領域Ｉおよび第２の運転領域ＩＩを示す図である。
【図８】空燃比センサの出力を示す図である。
【図９】スロットル弁の開度等を示す図である。
【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のマップを示す図である。
【図１４】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図１５】ＮＯ_ｘ の放出作用を説明するための図である。
【図１６】単位時間当りのＮＯ_ｘ 吸収量のマップを示す図である。
【図１７】ＮＯ_ｘ 放出制御を説明するための図である。
【図１８】ＮＯ_ｘ 放出フラグを処理するためのフローチャートである。
【図１９】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図２０】リッチ処理Ｉを実行するためのフローチャートである。
【図２１】リッチ処理ＩＩを実行するためのフローチャートである。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
１５…排気ターボチャージャ
２０…スロットル弁
２９…ＥＧＲ通路
３７…水噴射弁

Claims (10)

1. 燃焼室内に供給される再循環排気ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内に供給される再循環排気ガス量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる内燃機関において、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気ガス量を多くすることによって燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制し、燃焼室内に送り込まれる吸入空気中に水を供給するようにした内燃機関。
2. 機関負荷が予め定められた負荷よりも高いときには機関負荷が予め定められた負荷よりも低いときに比べて吸入空気中に供給される水の量を多くするようにした請求項１に記載の内燃機関。
3. 流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_ｘ を吸収しかつ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_ｘ を放出するＮＯ_ｘ 吸収剤を機関排気通路内に配置し、ＮＯ_ｘ 吸収剤からＮＯ_ｘ を放出すべく燃焼室内における空燃比を理論空燃比又はリッチにしたときに吸入空気中に水を供給するようにした請求項１に記載の内燃機関。
4. 再循環排気ガス中の水分を集める手段を具備し、集められた水を吸入空気中に供給するようにした請求項１に記載の内燃機関。
5. 機関排気通路内に酸化機能を有する触媒を配置した請求項１に記載の内燃機関。
6. 該触媒が酸化触媒、三元触媒又はＮＯ_ｘ 吸収剤の少くとも一つからなる請求項５に記載の内燃機関。
7. 排気ガス再循環率がほぼ５５パーセント以上である請求項１に記載の内燃機関。
8. 煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気ガス量が多く煤がほとんど発生しない第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる再循環ガス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に切換える切換手段を具備した請求項１に記載の内燃機関。
9. 第１の燃焼における空燃比が理論空燃比か、或いは理論空燃比に対してわずかにリーンなリーン空燃比か、或いはリッチ空燃比とされ、第２の燃焼における空燃比がリーン空燃比とされる請求項８に記載の内燃機関。
10. 機関の運転領域を低負荷側の第１の運転領域と高負荷側の第２の運転領域に分割し、第１の運転領域では第１の燃焼を行い、第２の運転領域では第２の燃焼を行うようにした請求項８に記載の内燃機関。

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