JPH11200839A - 圧縮着火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 第１の燃焼と第２の燃焼間の切換時に多量の
スモークが発生するのを阻止する。 【解決手段】 排気マニホルド１１内に排気制御弁２４
を配置する。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。第１の燃焼から第２の燃焼に又は第２の燃焼から第
１の燃焼に切換えられるときに排気制御弁２４を開弁又
は閉弁し、それによって排気ガス再循環率をステップ状
に変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧縮着火式内燃機関
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、Ｅ
ＧＲガス量は増大するほど、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Ｅ
ＧＲ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Ｅ
ＧＲ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】ところが本発明者は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
について検討を進め、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。

【０００９】ところでこの新たな燃焼システムのもとで
煤およびＮＯ_X を同時に低減するためにはＥＧＲ率を少
くともほぼ５５パーセント以上にする必要がある。しか
しながらＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にすること
が可能なのは吸入空気量が少ないとき、即ち機関負荷が
比較的低いときであり、吸入空気量が一定限度を越える
とＥＧＲ率を低下させない限り吸入空気量を増大させる
ことができなくなる。ところがこの場合、吸入空気量が
増大するにつれてＥＧＲ率を５５パーセントから徐々に
低下させると多量のスモークが発生するという問題が生
じる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに１番目の発明では、機関排気通路と機関吸気通路と
を再循環排気ガス通路により連結し、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、閉弁すると再循環排気ガス量が増大し開弁すると
再循環排気ガス量が減少する排気制御弁を機関排気通路
内に配置し、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、第１の燃焼から第２の燃焼に又は
第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられるときに排気制
御弁を開弁又は閉弁させることによって排気ガス再循環
率をステップ状に変化させるようにしている。

【００１１】２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
中のＮＯ_X を吸収し流入する排気ガスの空燃比が理論空
燃比又はリッチになると吸収した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 を放出すべきときには第１の燃焼が行われている
ときに予め定められた気筒の空燃比を理論空燃比又はリ
ッチにするようにしている。

【００１２】３番目の発明では２番目の発明において、
排気制御弁が全閉せしめられたときには一部の気筒から
排出された全排気ガスが再循環排気ガスを介して機関吸
気通路に再循環されると共に残りの気筒から排出された
排気ガスがＮＯ_X 吸収剤に流入せしめられ、ＮＯ_X 吸収
剤からＮＯ_X を放出すべきときには第１の燃焼が行われ
ているときに排気制御弁を全閉して上述の残りの気筒の
空燃比を理論空燃比又はリッチにするようにしている。

【００１３】

【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、＃１，＃２，＃３，＃４は１
番気筒、２番気筒、３番気筒、４番気筒を夫々示し、各
気筒には夫々電気制御式燃料噴射弁３が取付けられる。
各気筒は対応する吸気枝管４を介してサージタンク５に
連結され、サージタンク５は吸気ダクト６を介してエア
クリーナ７に連結される。吸気ダクト６内には電気モー
タ８により駆動されるスロットル弁９が配置される。一
方、各気筒は対応する排気枝管１０を介して排気マニホ
ルド１１に連結され、排気マニホルド１１は排気管１２
を介して酸化機能を有する触媒１３を内蔵した触媒コン
バータ１４に連結される。排気マニホルド１１の出口部
には空燃比センサ１５が配置される。

【００１４】排気マニホルド１１とサージタンク５とは
ＥＧＲ通路１６を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１
６内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１７が配置される。ま
た、ＥＧＲ通路１６周りにはＥＧＲ通路１６内を流れる
ＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１８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１
８内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却
される。

【００１５】一方、各燃料噴射弁３は対応する燃料供給
管１９を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２
０に連結される。このコモンレール２０内へは電気制御
式の吐出量可変な燃料ポンプ２１から燃料が供給され、
コモンレール２０内に供給された燃料は各燃料供給管１
９を介して燃料噴射弁３に供給される。コモンレール２
０にはコモンレール２０内の燃料圧を検出するための燃
料圧センサ２２が取付けられ、燃料圧センサ２２の出力
信号に基づいてコモンレール２０内の燃料圧が目標燃料
圧となるように燃料ポンプ２１の吐出量が制御される。

【００１６】排気マニホルド１１内には電気モータ２３
により駆動される排気制御弁２４が配置される。図１に
示される実施例では排気マニホルド１１のマニホルド内
部室を２分する位置に、即ち１番気筒＃１および２番気
筒＃２の排気枝管１０が開口するマニホルド内部室領域
Ａと３番気筒＃３および４番気筒＃４の排気枝管１０が
開口するマニホルド内部室領域Ｂとの境に排気制御弁２
４が配置される。図１に示されるようにマニホルド内部
室領域ＡはＥＧＲ通路１６に連通しており、マニホルド
内部室領域Ｂは排気管１２に連通している。従って排気
制御弁２４が開弁しているときには各気筒から排出した
排気ガスは一方ではＥＧＲ通路１６へ、他方では排気管
１２に流入する。これに対して排気制御弁２４が全閉し
たときには１番気筒＃１および２番気筒＃２から排出さ
れた全排気ガスはＥＧＲ通路１６を介してサージタンク
５内に流入し、３番気筒＃３および４番気筒＃４から排
出された排気ガスは排気管１２を介して触媒１３内に流
入する。

【００１７】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１５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、燃
料圧センサ２２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。アクセルペダル４
０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、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３、電気モータ８，２３、ＥＧＲ制御弁１７および燃
料ポンプ２１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９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ＥＧ
Ｒ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Ｎ
Ｏ_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。

【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１
５．０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。Ｎ
Ｏ_X の発生量が低下したということは燃焼室内の燃焼温
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
の煤の成長過程は複雑であり、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内の燃焼温度が低い
ときには煤の発生量はほぼ零になり、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。

【００２５】一旦、煤が生成されるとこの煤は酸化触媒
等が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から排
出させるか、或いは煤の形で燃焼室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９
０℃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ＥＧ
Ｒガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５
５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
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、図６に示される実施例では７０
パーセント以上である。即ち、燃焼室内に吸入された全
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。

【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ＮＯ_X の発生量を１０
p.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。

【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、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。ところ
で本発明において用いられている新たな燃焼システムの
もとで煤およびＮＯ_X を同時に低減するためにはＥＧＲ
率は少くともほぼ５５パーセント以上にする必要があ
る。しかしながらＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上に
することが可能なのは吸入空気量が少ないとき、即ち機
関負荷が比較的低いときであり、吸入空気量が一定限度
を越えると即ち、要求負荷が一定限度よりも高くなると
ＥＧＲ率を低下させない限り吸入空気量を増大させるこ
とができなくなる。ところがこの場合図２に示される実
験例では、吸入空気量が増大するにつれて即ち、要求負
荷が高くなるにつれてＥＧＲ率をほぼ６５パーセントか
ら徐々に低下させると、即ち要求負荷が高くなるにつれ
て徐々に空燃比を大きくしていくと多量のスモークが発
生することになる。従って要求負荷が一定限度を越えた
ときに要求負荷が高くなるにつれてＥＧＲ率をほぼ６５
パーセントから徐々に低下させ、空燃比を徐々に大きく
することはできない。

【００４０】この場合、多量のスモークが発生するのを
阻止するためには要求負荷が一定限度を越えたときに多
量のスモークが発生するほぼ４０パーセントからほぼ６
５パーセントのＥＧＲ率範囲を飛び越す必要がある。即
ち、ＥＧＲ率を瞬時にステップ状に変化させる必要があ
る。ＥＧＲ率をステップ状に変化させるためにはＥＧＲ
制御弁１７の開度をステップ状に変化させるか、スロッ
トル弁９の開度をステップ状に変化させるか、又はＥＧ
Ｒ制御弁１７の開度およびスロットル弁９の開度をステ
ップ状に変化させる必要がある。

【００４１】しかしながらＥＧＲ制御弁１７の開度およ
びスロットル弁９の開度のいずれか一方、又は双方をス
テップ状に変化させてもＥＧＲ通路１６からサージタン
ク５内に流入するＥＧＲガス量はさほど急激に変化せ
ず、いくつかの気筒におけるＥＧＲ率が多量のスモーク
が発生するＥＧＲ率範囲となってしまうために多量のス
モークが発生するという問題を生ずる。

【００４２】このようにいくつかの気筒におけるＥＧＲ
率が多量のスモークが発生するＥＧＲ率となってしまう
のを阻止するためにはサージタンク５内に流入するＥＧ
Ｒガス量をできるだけ早く変化させる必要があり、その
ために本発明ではＥＧＲ率を多量のスモークが発生する
ＥＧＲ率よりも大きなＥＧＲ率から多量のスモークが発
生するＥＧＲ率よりも小さなＥＧＲ率に変化すべきと
き、或いはＥＧＲ率を多量のスモークが発生するＥＧＲ
率よりも小さなＥＧＲ率から多量のスモークが発生する
ＥＧＲ率よりも大きなＥＧＲ率に変化すべきときには排
気制御弁２４を開弁又は閉弁するようにしている。

【００４３】前述したようにＥＧＲ率がほぼ５５パーセ
ント以上のときには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っており、このと
き第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われている。これに対
してＥＧＲ率がほぼ５０パーセント以下まで低下せしめ
られたときには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高くなり、このときにはもはや第１
の燃焼、即ち低温燃焼を行うことはできない。本発明に
よる実施例でこのように低温燃焼を行うことができない
ときには第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている
燃焼が行われる。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。

【００４４】図７はＥＧＲ率がほぼ５５パーセント以上
とされる第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われる第１の運
転領域Ｉと、ＥＧＲ率がほぼ５０パーセント以下とされ
る第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。

【００４５】即ち、機関の運転状態が第１の運転領域Ｉ
にあって第１の燃焼、即ち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、第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられる。

【００４６】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。

【００４７】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から排出される。このと
き燃焼室から排出された未燃炭化水素は酸化機能を有す
る触媒１３により良好に酸化せしめられる。触媒１３と
しては酸化触媒、三元触媒、又はＮＯ_X 吸収剤を用いる
ことができる。ＮＯ_X 吸収剤は燃焼室内における平均空
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。

【００４８】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Ｎ
ａ、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。

【００４９】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１３として用いるこ
とができる。図８は空燃比センサ１５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１５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１５の出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。

【００５０】次に図９を参照しつつ運転制御の第１実施
例について説明する。図９は要求負荷Ｌに対するスロッ
トル弁９の開度、ＥＧＲ制御弁１７の開度、排気制御弁
２４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９の開度は要求負荷
Ｌが高くなるにつれて徐々に増大せしめられ、ＥＧＲ制
御弁１７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、排気制御弁２４
は全閉状態に保持されている。従ってこのとき１番気筒
＃１および２番気筒＃２から排出された全排気ガスはＥ
ＧＲ通路１６を介してサージタンク５に供給されてい
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
１５から１８程度のリーン空燃比とされている。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程度のリーン空燃比
となるようにスロットル弁９の開度およびＥＧＲ制御弁
１７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１５の出力信号に基づいてスロットル弁９の開
度、ＥＧＲ制御弁１７の開度又は燃料噴射量を補正する
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。

【００５１】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ＮＯ_X はほとんど発生せず、排気ガス
中に含まれる煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素は
触媒１３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
排気制御弁２４が全閉状態から一気に全開せしめられ、
スロットル弁９の開度が全開状態へステップ状に増大せ
しめられる。スロットル弁９が一気に全開せしめられる
と１番気筒＃１および２番気筒＃２から排出された大部
分の排気ガスは排気管１２内に流出し、ＥＧＲ通路１６
からサージタンク５内に供給されるＥＧＲガス量が瞬時
に減少する。斯くしてＥＧＲ率が瞬時に低下することに
なる。

【００５２】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リーン
側に変化する。即ち、ＥＧＲ率が多量のスモークを発生
するＥＧＲ率範囲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くなる。

【００５３】第２の運転領域IIでは第２の燃焼、即ち従
来から行われている燃焼が行われる。この燃焼方法では
煤およびＮＯ_X 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９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９は一部を除いて全開状態に保持さ
れ、ＥＧＲ制御弁１７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
が高くなるほど大きくなる。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。

【００５４】一方、機関の運転状態が第２の燃焼が行わ
れている第２の運転領域IIから低温燃焼が行われる第１
の運転領域Ｉに移るときには図９からわかるようにスロ
ットル弁９の開度がステップ状に減少せしめられ、排気
制御弁２４が全閉せしめられる。排気制御弁２４が全閉
せしめられると１番気筒＃１および２番気筒＃２から排
出された全排気ガスがＥＧＲ通路１６を介してサージタ
ンク５内に供給され、その結果サージタンク５内に供給
されるＥＧＲガス量が瞬時に増大する。このとき図９に
示す例ではＥＧＲ率が４０パーセント以下からほぼ７０
パーセントまでステップ状に増大せしめられる。

【００５５】次に図１０を参照しつつ運転制御について
説明する。図１０を参照するとまず初めにステップ１０
０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
に進んで要求負荷Ｌが図７に示す第１の境界Ｘ（Ｎ）よ
りも大きくなったか否かが判別される。

【００５６】Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ１０２に
進んで排気制御弁２４が全閉とされる。次いでステップ
１０３ではスロットル弁９の開度が図９の第１の運転領
域Ｉに示される要求負荷Ｌに応じた開度に制御される。
次いでステップ１０４ではＥＧＲ制御弁１７の開度が図
９の第１の運転領域Ｉに示される要求負荷Ｌに応じた開
度に制御される。次いでステップ１０５では図９の第１
の運転領域Ｉに示される要求負荷Ｌ等に応じた噴射量、
噴射開始時期θＳおよび噴射完了時期θＥが求められ、
これらに基づいて燃料噴射が行われる。このとき空燃比
は１５から１８程度のリーン空燃比とされる。

【００５７】一方、ステップ１０１においてＬ＞Ｘ
（Ｎ）になったと判断されるとステップ１０６に進んで
フラグＩがリセットされる。次いでステップ１０８に進
んで排気制御弁２４が全開とされる。次いでステップ１
０９ではスロットル弁９の開度が図９の第２の運転領域
IIに示される要求負荷Ｌに応じた開度に制御される。次
いでステップ１１０ではＥＧＲ制御弁１７の開度が図９
の第２の運転領域IIに示される要求負荷Ｌに応じた開度
に制御される。次いでステップ１１１では図９の第２の
運転領域IIに示される要求負荷Ｌ等に応じた噴射量、噴
射開始時期θＳおよび噴射完了時期θＥが求められ、こ
れらに基づいて燃料噴射が行われる。

【００５８】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１０７
に進んで要求負荷Ｌが図７に示す第２の境界Ｙ（Ｎ）よ
りも小さくなったか否かが判別される。Ｌ≧Ｙ（Ｎ）の
ときにはステップ１０８に進む。これに対してＬ＜Ｙ
（Ｎ）になるとステップ１１２に進んでフラグＩがセッ
トされ、次いでステップ１０２に進む。

【００５９】図１１に第２実施例を示す。この実施例で
は第１の運転領域Ｉにおいて最も要求負荷Ｌが低いと
き、即ちアイドリング運転時には排気制御弁２４が全開
とされ、要求負荷Ｌが高くなるにつれて排気制御弁２４
の開度が徐々に低下せしめられ、第１の運転領域Ｉにお
いて最も要求負荷Ｌが高いときには排気制御弁２４が全
閉せしめられる。

【００６０】この実施例ではアイドリング運転時にスロ
ットル弁９が全閉近くまで閉弁され、このときＥＧＲ制
御弁１７も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル
弁９を全閉近くまで閉弁すると圧縮始めの燃焼室内の圧
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、この実施例で
はアイドリング運転時にスロットル弁９を全閉近くまで
閉弁せしめることによって機関本体１の振動を抑制する
ようにしている。

【００６１】次に図１２を参照しつつ第２実施例を実行
するための運転制御について説明する。図１２を参照す
るとまず初めにステップ２００において機関の運転領域
が第１の運転領域Ｉであることを示すフラグＩがセット
されているか否かが判別される。フラグＩがセットされ
ているとき、即ち機関の運転領域が第１の運転領域Ｉで
あるときにはステップ２０１に進んで要求負荷Ｌが図７
に示す第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも大きくなったか否かが
判別される。

【００６２】Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ２０２に
進んで排気制御弁２４が図１１に示される開度に制御さ
れる。次いでステップ２０３ではスロットル弁９の開度
が図１１の第１の運転領域Ｉに示される要求負荷Ｌに応
じた開度に制御される。次いでステップ２０４ではＥＧ
Ｒ制御弁１７の開度が図１１の第１の運転領域Ｉに示さ
れる要求負荷Ｌに応じた開度に制御される。次いでステ
ップ２０５では図９の第１の運転領域Ｉに示される要求
負荷Ｌ等に応じた噴射量、噴射開始時期θＳおよび噴射
完了時期θＥが求められ、これらに基づいて燃料噴射が
行われる。このとき空燃比は１５から１８程度のリーン
空燃比とされる。

【００６３】一方、ステップ２０１においてＬ＞Ｘ
（Ｎ）になったと判断されるとステップ２０６に進んで
フラグＩがリセットされる。次いでステップ２０８に進
んで排気制御弁２４が全開とされる。次いでステップ２
０９ではスロットル弁９の開度が図１１の第２の運転領
域IIに示される要求負荷Ｌに応じた開度に制御される。
次いでステップ２１０ではＥＧＲ制御弁１７の開度が図
１１の第２の運転領域IIに示される要求負荷Ｌに応じた
開度に制御される。次いでステップ２１１では図９の第
２の運転領域IIに示される要求負荷Ｌ等に応じた噴射
量、噴射開始時期θＳおよび噴射完了時期θＥが求めら
れ、これらに基づいて燃料噴射が行われる。

【００６４】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２０７
に進んで要求負荷Ｌが図７に示す第２の境界Ｙ（Ｎ）よ
りも小さくなったか否かが判別される。Ｌ≧Ｙ（Ｎ）の
ときにはステップ２０８に進む。これに対してＬ＜Ｙ
（Ｎ）になるとステップ２１２に進んでフラグＩがセッ
トされ、次いでステップ２０２に進む。

【００６５】図１３に第３実施例を示す。この実施例で
は排気制御弁２４は通常全開せしめられており、機関の
運転状態が第１の運転領域Ｉから第２の運転領域IIに移
るとき、および第２の運転領域IIから第１の運転領域Ｉ
に移るときに排気制御弁２４が一時的に閉弁せしめられ
る。図１４（Ａ）は要求負荷Ｌが次第に低くなり、時刻
ｔ₀ において第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられる
場合を示している。図１４（Ａ）に示されるように第２
の燃焼から第１の燃料に切換えられるときにスロットル
弁９がステップ状に閉弁せしめられるとサージタンク５
内の圧力が次第に低下し、その結果サージタンク５内に
供給されるＥＧＲガス量が次第に増大する。即ち、サー
ジタンク５内に供給されるＥＧＲガス量が瞬時に増大し
ない。そこでこの実施例では第２の燃焼から第１の燃焼
に切換えられるときに排気制御弁２４を一時的に閉弁し
てサージタンク５内に供給されるＥＧＲガス量を瞬時に
増大せしめるようにしている。

【００６６】一方、１４（Ｂ）は要求負荷Ｌが次第に高
くなり、時刻ｔ₀ において第１の燃焼から第２の燃焼に
切換えられる場合を示している。この場合には時刻ｔ₀
になるとＥＧＲ率が大きく変化しないようにスロットル
弁９の開度が徐々に増大せしめられると共に排気制御弁
２４の開度が徐々に減少せしめられ、次いで時刻ｔ₁に
おいてスロットル弁９の開度がステップ状に増大せしめ
られると共に排気制御弁２４が一気に全開せしめられ
る。このときＥＧＲ率がステップ状に減少せしめられ
る。

【００６７】次に図１５を参照しつつ第３実施例を実行
するための運転制御について説明する。図１５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３０１に進んで要求負荷Ｌが図７
に示す第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも大きくなったか否かが
判別される。

【００６８】Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ３０２に
進んで排気制御弁２４の開度が図１４（Ａ）に示すよう
に制御される。次いでステップ３０３ではスロットル弁
９の開度が図１３の第１の運転領域Ｉに示される要求負
荷Ｌに応じた開度に制御される。次いでステップ３０４
ではＥＧＲ制御弁１７の開度が図１３の第１の運転領域
Ｉに示される要求負荷Ｌに応じた開度に制御される。次
いでステップ３０５では図９の第１の運転領域Ｉに示さ
れる要求負荷Ｌ等に応じた噴射量、噴射開始時期θＳお
よび噴射完了時期θＥが求められ、これらに基づいて燃
料噴射が行われる。このとき空燃比は１５から１８程度
のリーン空燃比とされる。

【００６９】一方、ステップ３０１においてＬ＞Ｘ
（Ｎ）になったと判断されるとステップ３０６に進んで
フラグＩがリセットされる。次いでステップ３０８に進
んで排気制御弁２４の開度が図１４（Ｂ）に示されるよ
うに制御される。次いでステップ３０９ではスロットル
弁９の開度が図１３の第２の運転領域IIに示される要求
負荷Ｌに応じた開度に制御される。次いでステップ３１
０ではＥＧＲ制御弁１７の開度が図１３の第２の運転領
域IIに示される要求負荷Ｌに応じた開度に制御される。
次いでステップ３１１では図９の第２の運転領域IIに示
される要求負荷Ｌ等に応じた噴射量、噴射開始時期θＳ
および噴射完了時期θＥが求められ、これらに基づいて
燃料噴射が行われる。

【００７０】一方、ステップ３００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３０７
に進んで要求負荷Ｌが図７に示す第２の境界Ｙ（Ｎ）よ
りも小さくなったか否かが判別される。Ｌ≧Ｙ（Ｎ）の
ときにはステップ３０８に進む。これに対してＬ＜Ｙ
（Ｎ）になるとステップ３１２に進んでフラグＩがセッ
トされ、次いでステップ３０２に進む。

【００７１】図１６に第４実施例を示す。この実施例で
は１番気筒＃１の排気枝管１０が開口するマニホルド内
部室領域Ｃと２番気筒＃２から４番気筒＃４が開口する
マニホルド内部室領域Ｄとの境いに排気制御弁２４が配
置され、排気制御弁２４の開度は第１実施例から第３実
施例に示すいずれかの方法によって制御される。図１７
に示す第５実施例では１番気筒＃１から３番気筒＃３の
排気枝管１０が開口するマニホルド内部室領域Ｅと４番
気筒＃４が開口するマニホルド内部室領域Ｆとの境に排
気制御弁２４が配置され、図１８に示す第６実施例では
排気管１２内に排気制御弁２４が配置される。これら第
５実施例および第６実施例では図１９に示されるように
排気制御弁２４は第１の運転領域Ｉでは半開状態に維持
され、第２の運転領域IIでは全開状態に保持される。

【００７２】次に図１に示される実施例において触媒１
３としてＮＯ_X 吸収剤を用いた場合について説明する。
機関吸気通路およびＮＯ_X 吸収剤１３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１３への流入排気ガスの空燃比と称するとこのＮ
Ｏ_X 吸収剤１３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
吸放出作用を行う。

【００７３】ＮＯ_X 吸収剤１３を機関排気通路内に配置
すればこのＮＯ_X 吸収剤１３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２０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。

【００７４】図１に示される圧縮着火式内燃機関では第
１の燃焼が行われているときにはＮＯ_X がほとんど発生
しないが第２の燃焼が行われたときには従来と同様にＮ
Ｏ_Xが発生する。第２の燃焼は空燃比がリーンの状態で
行われので排気ガス中の酸素濃度は高く、このときには
図２０（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２０（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ＮＯ_X が
ＮＯ_X 吸収剤１３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ＮＯ_X 吸収能力が飽和しない限りＮＯ_X が吸収
剤内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^- が生成される。

【００７５】一方、流入排気ガスの空燃比がリッチとな
り、流入排気ガス中の酸素濃度が低下して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ＮＯ_X 吸収剤１３
から放出されたＮＯ_X は図２０（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。従って空燃比がリッチにされると
短時間のうちにＮＯ_X 吸収剤１３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 が排出されるのを阻止することができるこ
とになる。

【００７６】なお、ＮＯ_X 吸収剤１３は還元触媒の機能
も有しているのでＮＯ_X を放出すべきときに空燃比を理
論空燃比にしてもＮＯ_X 吸収剤１３から放出されたＮＯ
_X が還元せしめられる。しかしながら空燃比を理論空燃
比にした場合にはＮＯ_X 吸収剤１３からＮＯ_X が徐々に
しか放出されないためにＮＯ_X 吸収剤１３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。

【００７７】ところでＮＯ_X 吸収剤１３のＮＯ_X 吸収能
力には限界があり、従ってＮＯ_X 吸収剤１３のＮＯ_X 吸
収能力が限界となる前にＮＯ_X 吸収剤１３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１３
に吸収されているＮＯ_X 量を推定する必要がある。本発
明による実施例では第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Ｄを要求負荷Ｌおよび機関回
転数Ｎの関数として図２１に示すようなマップの形で予
め実験により求めておき、このマップから単位時間当り
のＮＯ_X 吸収量Ｄを求め、次いでこのＮＯ_X 吸収量Ｄを
積算することによってＮＯ_X 吸収剤１３に吸収されてい
るＮＯ_X 量ΣＮＯ_X を求め、このＮＯ_X量ΣＮＯ_X が予
め定められた許容最大値ＭＡＸに達したときにＮＯ_X 吸
収剤１３からＮＯ_X を放出させるようにしている。

【００７８】ところでＮＯ_X 吸収剤１３からＮＯ_X を放
出させるためにはＮＯ_X 吸収剤１３への流入排気ガスの
空燃比を理論空燃比又はリッチにする必要があり、この
場合最も簡便な方法は燃焼室内における空燃比を理論空
燃比又はリッチにすることである。ところが従来より用
いられている圧縮着火式内燃機関において燃焼室内にお
ける空燃比を理論空燃比又はリッチにすると多量のスモ
ークが発生し、従って従来より用いられている圧縮着火
式内燃機関では燃焼室内における空燃比を理論空燃比又
はリッチにすることができない。

【００７９】しかしながら本発明において用いている圧
縮着火式内燃機関では第１の燃焼、即ち低温燃焼が行わ
れているときに燃焼室内の空燃比を理論空燃比又はリッ
チにしても煤およびＮＯ_X はほとんど発生することがな
い。従って本発明による実施例ではＮＯ_X 量ΣＮＯ_X が
許容最大値ＭＡＸを越えたときには第１の燃焼が行われ
ているときに空燃比が理論空燃比又はリッチとされ、そ
れによってＮＯ_X 吸収剤１３からＮＯ_X を放出させるよ
うにしている。

【００８０】次に図２２を参照しつつ具体的な例につい
て説明する。図２２は時刻ｔ₀ においてＮＯ_X 量ΣＮＯ
_X が許容最大値ＭＡＸを越えた場合を示している。ＮＯ
_X 量ΣＮＯ_X が許容最大値ＭＡＸを越えるとＮＯ_X 吸収
剤１３からＮＯ_X を放出すべきことを示すＮＯ_X 放出フ
ラグがセットされる。しかしながらこのとき第２の燃焼
が行われているので各気筒の空燃比はリーン空燃比とさ
れる。

【００８１】次いで排気制御弁２４が全開状態から全閉
せしめられて第２の燃焼から第１の燃焼に移ると図２２
に示されるように１番気筒＃１および２番気筒＃２の空
燃比は１５から１８程度のリーン空燃比とされ、これに
対して３番気筒＃３および４番気筒＃４の空燃比は一時
的にリッチ空燃比とされる。３番気筒＃３および４番気
筒＃４の空燃比がリッチにされると図１からわかるよう
にＮＯ_X 吸収剤１３への流入排気ガスはリッチとなり、
斯くしてＮＯ_X 吸収剤１３からＮＯ_X が放出せしめられ
ると共に放出されたＮＯ_X が還元せしめられる。なお、
このとき燃料消費率を向上させるために１番気筒＃１お
よび２番気筒＃２については空燃比がリーン空燃比とさ
れる。

【００８２】ＮＯ_X 吸収剤１３から全ＮＯ_X が放出され
たと判断されたときにはＮＯ_X 放出フラグがリセットさ
れ、３番気筒＃３および４番気筒＃４の空燃比が１５か
ら１８のリーン空燃比とされる。次に図２３を参照しつ
つ時間割込みルーチンについて説明する。図２３を参照
するとまず初めにステップ４００においてＮＯ_X 放出フ
ラグがセットされているか否かが判別される。ＮＯ_X 放
出フラグがセットされていないときにはステップ４０１
に進んで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にはステップ４０
２に進んで単位時間当りのＮＯ_X 吸収量Ｄが予め定めら
れた小さな値Ｄ₀ とされ、次いでステップ４０４に進
む。これに対してフラグＩがリセットされているとき、
即ち第２の燃焼が行われているときにはステップ４０３
に進んで図２１に示すマップから単位時間当りのＮＯ_X
吸収量Ｄが算出され、次いでステップ４０４に進む。

【００８３】ステップ４０４ではΣＮＯ_X にＤを加算す
ることによってＮＯ_X 吸収剤１３に吸収されているＮＯ
_X 量ΣＮＯ_X が算出される。次いでステップ４０５では
ＮＯ _X 量ΣＮＯ_X が許容最大値ＭＡＸを越えたか否かが
判別され、ΣＮＯ_X ＞ＭＡＸとなったときにはステップ
４０６に進んでＮＯ_X 放出フラグがセットされる。ＮＯ
_X 放出フラグがセットされるとステップ４００からステ
ップ４０７に進んで３番気筒＃３および４番気筒＃４の
空燃比が一定時間リッチにされたか否かが判別される。
３番気筒＃３および４番気筒＃４の空燃比が一定時間リ
ッチにされたときにはステップ４０８に進んでＮＯ_X 放
出フラグがリセットされ、次いでステップ４０９におい
てΣＮＯ_X が零とされる。

【００８４】次に図２４を参照しつつ運転制御について
説明する。図２４を参照するとまず初めにステップ４５
０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４５１
に進んで要求負荷Ｌが図７に示す第１の境界Ｘ（Ｎ）よ
りも大きくなったか否かが判別される。

【００８５】Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ４５２に
進んで排気制御弁２４が全閉とされる。次いでステップ
４５３ではスロットル弁９の開度が図９の第１の運転領
域Ｉに示される要求負荷Ｌに応じた開度に制御される。
次いでステップ４５４ではＥＧＲ制御弁１７の開度が図
９の第１の運転領域Ｉに示される要求負荷Ｌに応じた開
度に制御される。次いでステップ４５５ではＮＯ_X 放出
フラグがセットされているか否かが判別される。

【００８６】ＮＯ_X 放出フラグがセットされていない場
合にはステップ４５６に進んで図９の第１の運転領域Ｉ
に示される要求負荷Ｌ等に応じた噴射量、噴射開始時期
θＳおよび噴射完了時期θＥが求められ、これらに基づ
いて燃料噴射が行われる。このとき空燃比は１５から１
８程度のリーン空燃比とされる。これに対してＮＯ_X放
出フラグがセットされているときにはステップ４５７に
進んで１番気筒＃１および２番気筒＃２の空燃比は１５
から１８程度のリーン空燃比とされ、３番気筒＃３およ
び４番気筒＃４の空燃比はリッチ空燃比とされる。この
ときＮＯ_X 吸収剤１３からＮＯ_X が放出される。

【００８７】一方、ステップ４５１においてＬ＞Ｘ
（Ｎ）になったと判断されるとステップ４５８に進んで
フラグＩがリセットされる。次いでステップ４６０に進
んで排気制御弁２４が全開とされる。次いでステップ４
６１ではスロットル弁９の開度が図９の第２の運転領域
IIに示される要求負荷Ｌに応じた開度に制御される。次
いでステップ４６２ではＥＧＲ制御弁１７の開度が図９
の第２の運転領域IIに示される要求負荷Ｌに応じた開度
に制御される。次いでステップ４６３では図９の第２の
運転領域IIに示される要求負荷Ｌ等に応じた噴射量、噴
射開始時期θＳおよび噴射完了時期θＥが求められ、こ
れらに基づいて燃料噴射が行われる。

【００８８】一方、ステップ４５０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４５９
に進んで要求負荷Ｌが図７に示す第２の境界Ｙ（Ｎ）よ
りも小さくなったか否かが判別される。Ｌ≧Ｙ（Ｎ）の
ときにはステップ４６０に進む。これに対してＬ＜Ｙ
（Ｎ）になるとステップ４６４に進んでフラグＩがセッ
トされ、次いでステップ４５２に進む。

【００８９】

【発明の効果】第１の燃焼から第２の燃焼に移るとき、
および第２の燃焼から第１の燃焼に移るときに多量のス
モークが発生するのを阻止することができる。

【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】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。

【図１１】スロットル弁の開度等を示す図である。

【図１２】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。

【図１３】スロットル弁の開度等を示す図である。

【図１４】排気制御弁の開度等を示す図である。

【図１５】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。

【図１６】圧縮着火式内燃機関の全体図である。

【図１７】圧縮着火式内燃機関の全体図である。

【図１８】圧縮着火式内燃機関の全体図である。

【図１９】スロットル弁の開度等を示す図である。

【図２０】ＮＯ_X の吸放出作用を説明するための図であ
る。

【図２１】単位時間当りのＮＯ_X 吸収量Ｄのマップを示
す図である。

【図２２】ＮＯ_X 放出制御を示すタイムチャートであ
る。

【図２３】時間割込みルーチンを示す図である。

【図２４】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。

【符号の説明】

９…スロットル弁 １１…排気マニホルド １７…ＥＧＲ制御弁 ２４…排気制御弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ０１Ｎ 7/08 ＺＡＢ Ｆ０１Ｎ 7/08 ＺＡＢＢ 7/10 ＺＡＢ 7/10 ＺＡＢ Ｆ０２Ｄ 9/04 Ｆ０２Ｄ 9/04 Ｅ Ｃ 21/08 ３０１ 21/08 ３０１Ｄ Ｆ０２Ｍ 25/07 ＺＡＢ Ｆ０２Ｍ 25/07 ＺＡＢ ５５０ ５５０Ｇ (72)発明者 竹島 伸一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 浅沼 孝充 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機関排気通路と機関吸気通路とを再循環
   排気ガス通路により連結し、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、閉
   弁すると再循環排気ガス量が増大し開弁すると再循環排
   気ガス量が減少する排気制御弁を機関排気通路内に配置
   し、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、第１の燃焼から第２の燃焼に又は第２の燃
   焼から第１の燃焼に切換えられるときに排気制御弁を開
   弁又は閉弁させることによって排気ガス再循環率をステ
   ップ状に変化させるようにした圧縮着火式内燃機関。
2. 【請求項２】 流入する排気ガスの空燃比がリーンのと
   きには排気ガス中のＮＯ_X を吸収し流入する排気ガスの
   空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_X
   を放出するＮＯ_X 吸収剤を機関排気通路内に配置し、Ｎ
   Ｏ_X 吸収剤からＮＯ_X を放出すべきときには第１の燃焼
   が行われているときに予め定められた気筒の空燃比を理
   論空燃比又はリッチにするようにした請求項１に記載の
   圧縮着火式内燃機関。
3. 【請求項３】 排気制御弁が全閉せしめられたときには
   一部の気筒から排出された全排気ガスが再循環排気ガス
   を介して機関吸気通路に再循環されると共に残りの気筒
   から排出された排気ガスがＮＯ_X 吸収剤に流入せしめら
   れ、ＮＯ_X 吸収剤からＮＯ_X を放出すべきときには第１
   の燃焼が行われているときに排気制御弁を全閉して上記
   残りの気筒の空燃比を理論空燃比又はリッチにするよう
   にした請求項２に記載の圧縮着火式内燃機関。