JP2001152832A

JP2001152832A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2001152832A
Application number: JP33821299A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ito; 和浩伊藤; Toshiaki Tanaka; 俊明田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-11-29
Filing date: 1999-11-29
Publication date: 2001-06-05

Abstract

(57)【要約】【課題】第１の燃焼時に還元剤が必要以上に供給され
るのを阻止しつつ、第２の燃焼時に還元剤が不足してＮ
Ｏｘが十分に還元されなくなってしまうのを阻止する。【解決手段】燃焼室５内に供給されるＥＧＲ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５内に供給されるＥＧＲガス量を更に増大し
ていくと煤がほとんど発生しなくなり、煤の発生量がピ
ークとなるＥＧＲガス量よりも燃焼室５内に供給される
ＥＧＲガス量が多く煤がほとんど発生しない第１の燃焼
が機関の低負荷運転領域で行われ、煤の発生量がピーク
となるＥＧＲガス量よりも燃焼室５内に供給されるＥＧ
Ｒガス量が少ない第２の燃焼が機関の高負荷運転領域で
行われ、排気管24に還元剤供給弁60を設け、第２の燃焼
時に還元剤を供給し、第１の燃焼時に還元剤の供給を中
止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、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、燃焼室内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であって、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第１の
燃焼が機関の低負荷運転領域にて行われ、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第２の燃焼が機関の高負荷運
転領域にて行われ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１１−１０７８６
１号公報に記載されたものがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、特開平１１
−１０７８６１号公報には、機関排気通路に三元触媒や
ＮＯｘ吸収剤が配置され得る旨が記載されているが、ど
のようなタイミングで還元剤を供給すべきかについて開
示されていない。一方、第１の燃焼の下では燃焼時の燃
料及びその周囲のガス温を低くするために空燃比が比較
的リッチにされ還元機能を有するＨＣが余っており、第
２の燃焼の下では空燃比が比較的リーンにされＨＣが不
足している。従って、第１の燃焼が行われるときには、
余っているＨＣによりＮＯｘが還元されるため、ＨＣと
は別に還元剤を供給してもＮＯｘの還元には使用されな
い。また、第２の燃焼が行われるときには、ＨＣが不足
しているため、ＨＣとは別に還元剤が供給されないとＮ
Ｏｘが十分に還元されない。つまり、特開平１１−１０
７８６１号公報に記載された内燃機関では、第１の燃焼
時に還元剤が必要以上に供給されるのを阻止しつつ、第
２の燃焼時に還元剤が不足してＮＯｘが十分に還元され
なくなってしまうのを阻止することができない。

【０００４】前記問題点に鑑み、本発明は第１の燃焼時
に還元剤が必要以上に供給されるのを阻止しつつ、第２
の燃焼時に還元剤が不足してＮＯｘが十分に還元されな
くなってしまうのを阻止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、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、前
記燃焼室内に供給される不活性ガスの量を更に増大して
いくと前記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であって、煤の発生量がピー
クとなる不活性ガスの量よりも前記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第１の
燃焼が機関の低負荷運転領域にて行われ、煤の発生量が
ピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供給
される不活性ガスの量が少ない第２の燃焼が機関の高負
荷運転領域にて行われる内燃機関において、機関排気通
路に還元剤供給手段を設け、第２の燃焼が行われるとき
に還元剤を供給し、第１の燃焼が行われるときに還元剤
の供給を中止するようにした内燃機関が提供される。

【０００６】請求項１に記載の内燃機関では、機関排気
通路に還元剤供給手段が設けられ、第２の燃焼が行われ
るときに還元剤が供給される。そのため、第２の燃焼時
に還元剤が不足してＮＯｘが十分に還元されなくなって
しまうのを阻止することができる。更に、第１の燃焼が
行われるときに還元剤の供給が中止される。そのため、
還元機能を有するＨＣが余っている第１の燃焼時に還元
剤が無駄に供給されるのを阻止することができる。つま
り、第１の燃焼と第２の燃焼とを切り換えて行い得る内
燃機関において、第１の燃焼時に還元剤が無駄に供給さ
れるのと、第２の燃焼時に還元剤が不足してＮＯｘが十
分に還元されなくなってしまうのとを同時に阻止するこ
とができる。

【０００７】請求項２に記載の発明によれば、前記機関
排気通路に還元触媒を配置し、還元剤が供給されるとき
に還元剤を前記還元触媒の上流側に添加するようにした
請求項１に記載の内燃機関が提供される。

【０００８】請求項２に記載の内燃機関では、還元剤が
機関排気通路内の還元触媒の上流側に添加される。つま
り、排気ガス温度が比較的高い側である機関排気通路の
上流側に還元剤が添加される。そのため、還元触媒の暖
機を促進し、還元機能を高めることができる。

【０００９】請求項３に記載の発明によれば、前記還元
触媒の下流側に還元剤検出手段を配置し、前記還元剤検
出手段の出力値に基づき還元剤の供給量を調節するよう
にした請求項２に記載の内燃機関が提供される。

【００１０】請求項３に記載の内燃機関では、還元触媒
の下流側に還元剤検出手段が配置されるため、還元剤が
過剰に供給されているか否かを判断することができる。
更に、還元剤検出手段の出力値に基づき還元剤の供給量
が調節されるため、還元剤が必要以上に供給されてしま
うのを阻止することができる。

【００１１】請求項４に記載の発明によれば、前記還元
触媒の上流側に煤反応手段を配置した請求項３に記載の
内燃機関が提供される。

【００１２】請求項４に記載の内燃機関では、煤反応手
段が還元触媒の上流側、つまり、排気ガス温度が比較的
高い側である機関排気通路の上流側に配置される。その
ため、煤の温度が低下してしまった場合に比べ、煤を容
易に燃焼させ、煤が機関排気通路から外に排出されてし
まうのを阻止することができる。

【００１３】請求項５に記載の発明によれば、前記煤反
応手段の上流側に煤加熱手段を配置した請求項４に記載
の内燃機関が提供される。

【００１４】請求項５に記載の内燃機関では、煤反応手
段の上流側に煤加熱手段が配置される。そのため、排気
ガスの有する熱だけでは煤の温度を十分に高い温度に維
持できない場合であっても、煤が容易に燃焼できるよう
に煤の温度を十分に高い温度に維持することができる。

【００１５】請求項６に記載の発明によれば、前記煤加
熱手段が排気マニホルドに配置された触媒である請求項
５に記載の内燃機関が提供される。

【００１６】請求項６に記載の内燃機関では、煤加熱手
段が排気マニホルドに配置された触媒である。つまり、
煤加熱手段が機関本体のすぐ下流側に配置される。その
ため、排気ガスの有する熱だけでは煤の温度を十分に高
い温度に維持できない機関始動直後の冷間時であって
も、煤が容易に燃焼できるように煤の温度を十分に高い
温度に維持することができる。

【００１７】請求項７に記載の発明によれば、前記排気
マニホルドに配置された触媒にＮＯｘ吸着剤が担持され
ている請求項６に記載の内燃機関が提供される。

【００１８】請求項７に記載の内燃機関では、排気マニ
ホルドに配置された触媒にＮＯｘ吸着剤が担持されてい
る。そのため、供給される還元剤によりＮＯｘが還元さ
れることに加え、ＮＯｘの浄化を更に補助することがで
きる。

【００１９】請求項８に記載の発明によれば、前記還元
触媒にＨＣ吸着剤が担持されている請求項１〜７のいず
れか一項に記載の内燃機関が提供される。

【００２０】請求項８に記載の内燃機関では、還元触媒
にＨＣ吸着剤が担持されているため、ＮＯｘの還元に使
用されたＨＣが余ったときであっても、そのＨＣがＨＣ
吸着剤により吸着される。その結果、ＨＣが機関排気通
路から外に排出されてしまうのを阻止することができ
る。

【００２１】請求項９に記載の発明によれば、前記還元
触媒の下流側に加熱手段を配置した請求項１に記載の内
燃機関が提供される。

【００２２】請求項９に記載の内燃機関では、還元触媒
の下流側に加熱手段が配置されるため、ＮＯｘの還元に
使用されたＨＣが余ったときであっても、そのＨＣが加
熱手段により燃焼される。その結果、ＨＣが機関排気通
路から外に排出されてしまうのを阻止することができ
る。

【００２３】請求項１０に記載の発明によれば、前記煤
反応手段に並列にバイパス通路を設け、前記還元触媒を
暖機すべきときに、排気ガスが前記バイパス通路を通過
するようにした請求項４に記載の内燃機関が提供され
る。

【００２４】請求項１０に記載の内燃機関では、還元触
媒を暖機すべきときに、排気ガスが煤反応手段に並列に
設けられたバイパス通路を通過せしめられる。そのた
め、還元触媒を暖機すべきときに、排気ガスが煤反応手
段を通過することにより排気ガス温度が低下せしめら
れ、還元触媒を暖機できなくなってしまうのを回避する
ことができる。

【００２５】請求項１１に記載の発明によれば、ターボ
チャージャを具備し、前記バイパス通路が、ウエイスト
ゲートバルブと前記還元触媒とを連通する連通路である
請求項１０に記載の内燃機関が提供される。

【００２６】請求項１１に記載の内燃機関では、ウエイ
ストゲートバルブと還元触媒とを連通する連通路がバイ
パス通路とされる。そのため、ウエイストゲートバルブ
と還元触媒とを連通する連通路とは別個にバイパス通路
を設ける場合に比べ、内燃機関全体のコストを削減する
ことができる。

【００２７】請求項１２に記載の発明によれば、前記還
元剤供給手段を前記バイパス通路に配置した請求項１０
に記載の内燃機関が提供される。

【００２８】請求項１２に記載の内燃機関では、還元剤
供給手段がバイパス通路に配置される。そのため、還元
剤供給手段がバイパス通路に配置されず煤反応手段の付
近に配置されてしまう場合に比べ、還元剤供給手段が高
温にさらされてしまうのを回避することができ、還元剤
の分散度を向上させることができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を用いて本発明の
実施形態について説明する。

【００３０】図１は本発明を４ストローク圧縮着火式内
燃機関に適用した第一の実施形態を示している。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及びインタ
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。また、スロットル弁２０上流の空気吸込管１７
内には、吸入空気の質量流量を検出するための質量流量
検出器２１が配置される。

【００３１】一方、排気ポート１０は排気マニホルド２
２を介して排気ターボチャージャ１５の排気タービン２
３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２２
内には空燃比センサ２７が配置される。排気管２４には
例えば尿素由来の還元剤のような還元剤を供給するため
の還元剤供給弁６０が配置され、還元剤供給弁６０の下
流側には還元触媒６１が配置される。つまり、還元剤は
還元触媒６１の上流側に添加される。還元触媒６１の下
流側には還元触媒６１を通過した還元剤を検出するため
の還元剤センサ６２が配置される。また、還元触媒６１
の上流側には、煤を反応させるためのディーゼルパティ
キュレートリアクタ（ＤＰＲ）６３及び還元触媒６１内
に流入する排気ガス温度を検出するための触媒入ガス温
度センサ６４が配置される。

【００３２】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ＥＧＲクーラ３２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Ｅ
ＧＲクーラ３２内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧ
Ｒガスが冷却される。

【００３３】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。

【００３４】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及び出力ポート４６を具備す
る。質量流量検出器２１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、空燃比セン
サ２７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３６の出力信号
は対応するＡＤ変換器（図示せず）を介して入力ポート
４５に入力され、還元剤センサ６２及び触媒入ガス温度
センサ６４の出力信号もそれぞれ対応するＡＤ変換器４
７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。機
関回転数は入力されたクランク角センサ５２からの出力
信号に基づいて算出される。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１９、ＥＧＲ制御弁制御用ステ
ップモータ３０、燃料ポンプ３５及び還元剤供給弁６０
に接続される。

【００３５】図２は機関低負荷運転時にスロットル弁２
０の開度及び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、及びスモーク、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Ｅ
ＧＲ率は６５パーセント以上となっている。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。

【００３６】図３（Ａ）は空燃比Ａ／Ｆが２１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１８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。
尚、図示しないが図３と同様の実験結果から、煤の発生
量がピークとなるＥＧＲガスの量よりも燃焼室５内に供
給されるＥＧＲガスの量が多く煤がほとんど発生しない
第１の燃焼（低温燃焼）時の燃焼圧の極大値（ピーク）
は、煤の発生量がピークとなるＥＧＲガスの量よりも燃
焼室５内に供給されるＥＧＲガスの量が少ない第２の燃
焼（従来の燃焼方法による燃焼）時の燃焼圧の極大値
（ピーク）よりも低いことが判っている。そのことか
ら、第１の燃焼時の爆発に伴う機関回転むらは第２の燃
焼時の爆発に伴う機関回転むらよりも小さいと言える。

【００３７】図２及び図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。

【００３８】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及び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及び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。

【００３９】図２及び図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内における燃料及びその周囲のガ
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
内における燃料及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。

【００４０】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及びその周囲の温度、即ち
上述の或る温度は燃料の種類や空燃比の圧縮比等の種々
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及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。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。

【００４１】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
料及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、燃料及びそ
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。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。

【００４２】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。この場合、燃料及びその周囲のガ
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
熱作用が強力となり、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。

【００４３】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。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。

【００４４】一方、図５の曲線Ｂで示されるようにＥＧ
Ｒ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。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。

【００４５】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及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、及びこの混合ガス量中
の空気の割合、及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。

【００４６】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
きに燃料及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に示す実施形態では７
０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及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ＮＯ
ｘの発生量は極めて少量となる。

【００４７】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及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。

【００４８】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及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。

【００４９】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５
５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、斯くして燃料及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
で燃料及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。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ＥＧ
Ｒ制御弁３１が全開せしめられる、スロットル弁２０が
若干閉弁せしめられる。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】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、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。

【００５３】ところで燃焼室内における燃焼時の燃料及
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
よる実施形態では機関中低負荷運転時には燃焼時の燃料
及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
い得るようにし、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。但し、機関中低負荷運転時であっても、機関運転状
態によっては第２の燃焼が行われる。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。

【００５４】図７は第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われ
得る第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。

【００５５】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得る。

【００５６】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の二つの理由による。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。

【００５７】ところで機関の運転領域が第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。触媒２
５としては酸化触媒を用いることができる。

【００５８】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。

【００５９】次に図９を参照しつつ第１の運転領域Ｉ及
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、
噴射時期及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２／３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７
０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。

【００６０】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
開度及びＥＧＲ制御弁３１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。

【００６１】なお、アイドル運転時にはスロットル弁２
０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、圧縮圧力を小さ
くすることにより機関本体１の振動を小さくするため
に、アイドル運転時にはスロットル弁２０が全閉近くま
で閉弁せしめられる。一方、機関低回転時の回転は機関
高回転時の回転よりも爆発に伴う回転むらが大きいため
に回転数を低下させると機関本体１の振動の問題が大き
くなるという背景もある。そのため、アイドル運転時の
目標回転数は、圧縮圧力に伴う振動と機関回転むらに伴
う振動とを考慮して設定されている。

【００６２】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２／３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。

【００６３】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。

【００６４】図１０（Ａ）は第１の運転領域Ｉにおける
目標空燃比Ａ／Ｆを示している。図１０（Ａ）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目標空燃比が１
５．５，１６，１７，１８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
（Ａ）に示されるように第１の運転領域Ｉでは空燃比が
リーンとなっており、更に第１の運転領域Ｉでは要求負
荷Ｌが低くなるほど目標空燃比Ａ／Ｆがリーンとされ
る。

【００６５】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（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌが低くなるにつ
れて目標空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。目標空燃比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目標空燃比Ａ／Ｆが
大きくされる。

【００６６】なお、図１０（Ａ）に示される目標空燃比
Ａ／Ｆは図１０（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌ及び
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。また、空燃比を図１０（Ａ）に示
す目標空燃比Ａ／Ｆ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及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲ
ＯＭ４２内に記憶されており、空燃比を図１０（Ａ）に
示す目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要なＥＧＲ制御弁３
１の目標開度ＳＥが図１１（Ｂ）に示されるように要求
負荷Ｌ及び機関回転数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。

【００６７】図１２（Ａ）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Ａ
／Ｆを示している。なお、図１２（Ａ）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２４，３５，４５，６
０を示している。図１２（Ａ）に示される目標空燃比Ａ
／Ｆは図１２（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機
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。また、空燃比を図１２（Ａ）に示す
目標空燃比Ａ／Ｆ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及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯ
Ｍ４２内に記憶されており、空燃比を図１２（Ａ）に示
す目標空燃比Ａ／Ｆ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及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲ
ＯＭ４２内に記憶されている。

【００６８】また、第２の燃焼が行われているときには
燃料噴射量Ｑは要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎに基づいて
算出される。この燃料噴射量Ｑは図１４に示されるよう
に要求負荷Ｌ及び機関回転数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。

【００６９】次に図１５及び図１６を参照しつつ本実施
形態の運転制御について説明する。図１５及び図１６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１０５に進
み、第１の燃焼（低温燃焼）が行われる。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１１１に進み、第２の燃焼（通常燃
焼、つまり、従来の燃焼方法による燃焼）が行われる。

【００７０】ステップ１００において、フラグＩがセッ
トされていないとき、即ち機関の運転状態が第２の運転
領域IIにあるときにはステップ１０３に進んで要求負荷
Ｌが第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１１１に進
み、第２の燃焼が行われる。一方、ステップ１０３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１０４に進んでフラグＩがセットされ、次いでステッ
プ１０５に進み、第１の燃焼が行われる。

【００７１】ステップ１０５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１０６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１０７では質量流量検出器２１により検出され
た吸入空気の質量流量（以下、単に吸入空気量と称す）
Ｇａが取込まれ、次いでステップ１０８では図１０
（Ｂ）に示すマップから目標空燃比Ａ／Ｆが算出され
る。次いでステップ１０９では吸入空気量Ｇａと目標空
燃比Ａ／Ｆに基づいて空燃比を目標空燃比Ａ／Ｆとする
のに必要な燃料噴射量Ｑが算出される。

【００７２】このように低温燃焼が行われているときに
は要求負荷Ｌ又は機関回転数Ｎが変化するとスロットル
弁２０の開度およびＥＧＲ制御弁３１の開度がただちに
要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた目標開度ＳＴ，
ＳＥに一致せしめられる。従って例えば要求負荷Ｌが増
大せしめられるとただちに燃焼室５内の空気量が増大せ
しめられ、斯くして機関の発生トルクがただちに増大せ
しめられる。一方、スロットル弁２０の開度又はＥＧＲ
制御弁３１の開度が変化して吸入空気量が変化するとこ
の吸入空気量Ｇａの変化が質量流量検出器２１により検
出され、この検出された吸入空気量Ｇａに基づいて燃料
噴射量Ｑが制御される。即ち、吸入空気量Ｇａが実際に
変化した後に燃料噴射量Ｑが変化せしめられることにな
る。

【００７３】次いでステップ１０９において、低温燃焼
の下では還元機能を有するＨＣが余っているため、還元
剤供給弁６０から還元剤が供給されるのが中止される。

【００７４】一方、ステップ１１１では図１４に示され
るマップから目標燃料噴射量Ｑが算出され、燃料噴射量
がこの目標燃料噴射量Ｑとされる。次いでステップ１１
２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が算出される。次いでステップ１１３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１１４では質量
流量検出器２１により検出された吸入空気量Ｇａが取込
まれる。

【００７５】次いでステップ１１５では燃料噴射量Ｑと
吸入空気量Ｇａから実際の空燃比（Ａ／Ｆ）_Rが算出さ
れる。次いでステップ１１６では図１２（Ｂ）に示すマ
ップから目標空燃比Ａ／Ｆが算出される。次いでステッ
プ１１７では実際の空燃比（Ａ／Ｆ）_Rが目標空燃比Ａ
／Ｆよりも大きいか否かが判別される。（Ａ／Ｆ）_R＞
Ａ／Ｆのときにはステップ１１８に進んでスロットル開
度の補正値ΔＳＴが一定値αだけ減少せしめられ、次い
でステップ１２０へ進む。これに対して（Ａ／Ｆ）_R≦
Ａ／Ｆのときにはステップ１１９に進んで補正値ΔＳＴ
が一定値αだけ増大せしめられ、次いでステップ１２０
に進む。ステップ１２０ではスロットル弁２０の目標開
度ＳＴに補正値ΔＳＴを加算することにより最終的な目
標開度ＳＴが算出され、スロットル弁２０の開度がこの
最終的な目標開度ＳＴとされる。即ち、実際の空燃比
（Ａ／Ｆ）_Rが目標空燃比Ａ／Ｆとなるようにスロット
ル弁２０の開度が制御される。

【００７６】このように第２の燃焼が行われているとき
には要求負荷Ｌ又は機関回転数Ｎが変化すると燃料噴射
量がただちに要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた目
標燃料噴射量Ｑに一致せしめられる。例えば要求負荷Ｌ
が増大せしめられるとただちに燃料噴射量が増大せしめ
られ、斯くして機関の発生トルクがただちに増大せしめ
られる。一方、燃料噴射量Ｑが増大せしめられて空燃比
が目標空燃比Ａ／Ｆからずれると空燃比が目標空燃比Ａ
／Ｆとなるようにスロットル弁２０の開度が制御され
る。即ち、燃料噴射量Ｑが変化した後に空燃比が変化せ
しめられることになる。

【００７７】これまで述べた実施形態では低温燃焼が行
われているときに燃料噴射量Ｑはオープンループ制御さ
れ、第２の燃焼が行われているときに空燃比がスロット
ル弁２０の開度を変化させることによって制御される。
しかしながら低温燃焼が行われているときに燃料噴射量
Ｑを空燃比センサ２７の出力信号に基づいてフィードバ
ック制御することもできるし、また第２の燃焼が行われ
ているときに空燃比をＥＧＲ制御弁３１の開度を変化さ
せることによって制御することもできる。

【００７８】本実施形態の説明に戻り、次いでステップ
１２１において、空燃比が比較的リーンに維持される低
温燃焼の下ではＨＣが余っていないため、ＮＯｘを還元
すべく還元剤供給弁６０からの還元剤の供給が開始され
る。次いでステップ１２２では、還元剤センサ６２によ
り検出された還元剤濃度Ｒが読み込まれる。次いでステ
ップ１２３では還元剤濃度Ｒが閾値Ｒ１より高いか否か
が判断される。ＮＯのとき、つまり、還元剤供給弁６０
から供給された還元剤がＮＯｘの還元のためにすべて使
用され、還元剤供給量ＳＲが不足していると判断された
ときには、ステップ１２４において還元剤供給量ＳＲが
増加せしめられる（ＳＲ←ＳＲ＋ΔＳＲ）。一方、ＹＥ
Ｓのとき、つまり、ＮＯｘの還元に必要とされる以上に
還元剤供給弁６０から還元剤が供給され、還元剤供給量
ＳＲが過剰であると判断されたときには、ステップ１２
５において還元剤供給量ＳＲが減少せしめられる（ＳＲ
←ＳＲ−ΔＳＲ）。

【００７９】本実施形態によれば、排気管２４に還元剤
供給弁６０が設けられ、第２の燃焼が行われるときにス
テップ１２１において還元剤が供給され、必要に応じて
ステップ１２４にて還元剤供給量ＳＲが増加せしめられ
る。そのため、第２の燃焼時に還元剤が不足してＮＯｘ
が十分に還元されなくなってしまうのを阻止することが
できる。更に、第１の燃焼が行われるときにステップ１
１０において還元剤の供給が中止される。そのため、還
元機能を有するＨＣが余っている第１の燃焼時に還元剤
が無駄に供給されるのを阻止することができる。つま
り、第１の燃焼と第２の燃焼とを切り換えて行い得る内
燃機関において、第１の燃焼時に還元剤が無駄に供給さ
れるのと、第２の燃焼時に還元剤が不足してＮＯｘが十
分に還元されなくなってしまうのとを同時に阻止するこ
とができる。

【００８０】更に本実施形態によれば、還元剤供給弁６
０により還元剤が排気管２４内の還元触媒６１の上流側
に添加される。つまり、機関本体１に近く、排気ガス温
度が比較的高い側である排気管２４の上流側に還元剤が
添加される。そのため、還元触媒の暖機を促進し、還元
機能を高めることができる。

【００８１】また本実施形態によれば、還元触媒６１の
下流側に還元剤センサ６２が配置されるため、ステップ
１２３において還元剤が過剰に供給されているか否かを
判断することができる。更に、ステップ１２４及びステ
ップ１２５において還元剤センサ６２の出力値に基づき
還元剤供給量ＳＲが調節されるため、還元剤が必要以上
に供給されてしまうのを阻止することができる。

【００８２】また本実施形態によれば、煤を反応させる
ためのＤＰＲ６３が還元触媒６１の上流側、つまり、排
気ガス温度が比較的高い側である排気管２４の上流側に
配置される。そのため、煤の温度が低下してしまった場
合に比べ、煤を容易に燃焼させ、煤が排気管２８から外
に排出されてしまうのを阻止することができる。

【００８３】以下、本発明の内燃機関の第二の実施形態
について説明する。図１７は本発明の内燃機関の第二の
実施形態の概略構成図である。図１７に示すように、本
実施形態の構成は図１に示した第一の実施形態のものと
ほぼ同様であるが、還元剤供給弁６０、還元触媒６１及
びＤＰＲ６３が排気タービン２３の下流側に配置され、
排気タービン２３の上流側の排気管２４内にスタートキ
ャット（ＳｔａｒｔＣａｔａｌｙｓｔ）６５が配置され
ている点で第一の実施形態のものと異なる。スタートキ
ャット６５は、機関始動直後の冷間時に排気ガス中の有
害ガスをいち速く清浄化する役目を果たす。本実施形態
によっても、第一の実施形態とほぼ同様の効果を奏する
ことができる。

【００８４】以下、本発明の内燃機関の第三の実施形態
について説明する。図１８は本発明の内燃機関の第三の
実施形態の概略構成図である。図１８に示すように、本
実施形態の構成は図１に示した第一の実施形態のものと
ほぼ同様であるが、還元剤供給弁６０、還元触媒６１及
びＤＰＲ６３が排気タービン２３の下流側に配置され、
ＤＰＲ６３の上流側に加熱装置６６が配置され、排気タ
ービン２３の上流側の排気管２４内に加熱装置６７が配
置され、還元触媒６１の下流側に加熱装置６８が配置さ
れている点で第一の実施形態のものと異なる。本実施形
態によっても、第一の実施形態とほぼ同様の効果を奏す
ることができる。

【００８５】更に本実施形態によれば、ＤＰＲ６３の上
流側に煤を加熱するための加熱装置６６が配置されるた
め、排気ガスの有する熱だけでは煤の温度を十分に高い
温度に維持できない場合であっても、煤が容易に燃焼で
きるように煤の温度を十分に高い温度に維持することが
できる。また、加熱装置６６により硫黄化合物を除去す
ることも可能になる。

【００８６】本実施形態では加熱装置６６が排気タービ
ン２３の下流側の排気管２４内に配置されているが、本
実施形態の変形例では、加熱装置６６の代わりに排気マ
ニホルド２２内に煤を燃焼させるための触媒が配置され
る。つまり、煤を加熱するための触媒が機関本体１のす
ぐ下流側に配置される。そのため、排気ガスの有する熱
だけでは煤の温度を十分に高い温度に維持できない機関
始動直後の冷間時であっても、煤が容易に燃焼できるよ
うに煤の温度を十分に高い温度に維持することができ
る。

【００８７】更に本実施形態の変形例では、排気マニホ
ルド２２内に配置されたその触媒にＮＯｘ吸着剤が担持
されている。そのため、供給される還元剤によりＮＯｘ
が還元されることに加え、ＮＯｘの浄化を更に補助する
ことができる。また本実施形態の変形例では、還元触媒
６１にＨＣ吸着剤が担持されている。そのため、ＮＯｘ
の還元に使用されたＨＣが余ったときであっても、その
ＨＣがＨＣ吸着剤により吸着される。その結果、ＨＣが
排気管２８から外に排出されてしまうのを阻止すること
ができる。

【００８８】本実施形態の説明に戻り、更に本実施形態
によれば、還元触媒６１の下流側に加熱装置６８が配置
されるため、ＮＯｘの還元に使用されたＨＣが余ったと
きや、還元剤供給弁６０から供給された還元剤が余った
ときであっても、そのＨＣや還元剤が加熱装置６８によ
り燃焼される。その結果、ＨＣや還元剤が排気管２８か
ら外に排出されてしまうのを阻止することができる。ま
た、加熱装置６８により還元触媒６１で生成したＣＯを
浄化することも可能になる。

【００８９】以下、本発明の内燃機関の第四の実施形態
について説明する。図１９は本発明の内燃機関の第四の
実施形態の概略構成図である。図１９に示すように、本
実施形態の構成は図１に示した第一の実施形態のものと
ほぼ同様であるが、還元剤供給弁６０、還元触媒６１及
びＤＰＲ６３が排気タービン２３の下流側に配置され、
排気タービン２３の出口部と還元触媒６１とがバイパス
通路６９とバルブ７０とを介して連通され、還元剤供給
弁６０がそのバイパス通路６９の途中に配置されている
点で第一の実施形態のものと異なる。本実施形態によっ
ても、第一の実施形態とほぼ同様の効果を奏することが
できる。

【００９０】更に本実施形態によれば、還元触媒６１を
暖機すべきときに、排気ガスがＤＰＲ６３に並列に設け
られたバイパス通路６９を通過せしめられる。そのた
め、還元触媒６１を暖機すべきときに、排気ガスがＤＰ
Ｒ６３を通過することにより排気ガス温度が低下せしめ
られ、還元触媒６１を暖機できなくなってしまうのを回
避することができる。

【００９１】更に本実施形態によれば、還元剤供給弁６
０がバイパス通路６９の途中に配置される。そのため、
還元剤供給弁６０がバイパス通路６９に配置されずＤＰ
Ｒ６３の付近に配置されてしまう場合に比べ、還元剤供
給弁６０が高温にさらされてしまうのを回避することが
でき、還元剤の分散度を向上させることができる。

【００９２】以下、本発明の内燃機関の第五の実施形態
について説明する。図２０は本発明の内燃機関の第五の
実施形態の概略構成図である。図２０に示すように、本
実施形態の構成は図１に示した第一の実施形態のものと
ほぼ同様であるが、還元触媒６１及びＤＰＲ６３が排気
タービン２３の下流側に配置され、ウエイストゲートバ
ルブ７１と還元触媒６１とを連通する連通路７２の途中
に還元剤供給弁６０が配置されている点で第一の実施形
態のものと異なる。本実施形態によっても、第一の実施
形態とほぼ同様の効果を奏することができる。

【００９３】更に本実施形態によれば、ウエイストゲー
トバルブ７１と還元触媒６１とを連通する連通路７２が
ＤＰＲ６３をバイパスするバイパス通路とされる。その
ため、ウエイストゲートバルブ７１と還元触媒６１とを
連通する連通路７２とは別個にバイパス通路を設ける場
合に比べ、内燃機関全体のコストを削減することができ
る。

【００９４】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、第２の
燃焼時に還元剤が不足してＮＯｘが十分に還元されなく
なってしまうのを阻止することができる。更に、還元機
能を有するＨＣが余っている第１の燃焼時に還元剤が無
駄に供給されるのを阻止することができる。つまり、第
１の燃焼と第２の燃焼とを切り換えて行い得る内燃機関
において、第１の燃焼時に還元剤が無駄に供給されるの
と、第２の燃焼時に還元剤が不足してＮＯｘが十分に還
元されなくなってしまうのとを同時に阻止することがで
きる。

【００９５】請求項２に記載の発明によれば、還元触媒
の暖機を促進し、還元機能を高めることができる。

【００９６】請求項３に記載の発明によれば、還元剤が
過剰に供給されているか否かを判断することができる。
更に、還元剤が必要以上に供給されてしまうのを阻止す
ることができる。

【００９７】請求項４に記載の発明によれば、煤の温度
が低下してしまった場合に比べ、煤を容易に燃焼させ、
煤が機関排気通路から外に排出されてしまうのを阻止す
ることができる。

【００９８】請求項５に記載の発明によれば、排気ガス
の有する熱だけでは煤の温度を十分に高い温度に維持で
きない場合であっても、煤が容易に燃焼できるように煤
の温度を十分に高い温度に維持することができる。

【００９９】請求項６に記載の発明によれば、排気ガス
の有する熱だけでは煤の温度を十分に高い温度に維持で
きない機関始動直後の冷間時であっても、煤が容易に燃
焼できるように煤の温度を十分に高い温度に維持するこ
とができる。

【０１００】請求項７に記載の発明によれば、供給され
る還元剤によりＮＯｘが還元されることに加え、ＮＯｘ
の浄化を更に補助することができる。

【０１０１】請求項８に記載の発明によれば、ＨＣが機
関排気通路から外に排出されてしまうのを阻止すること
ができる。

【０１０２】請求項９に記載の発明によれば、ＨＣが機
関排気通路から外に排出されてしまうのを阻止すること
ができる。

【０１０３】請求項１０に記載の発明によれば、還元触
媒を暖機すべきときに、排気ガスが煤反応手段を通過す
ることにより排気ガス温度が低下せしめられ、還元触媒
を暖機できなくなってしまうのを回避することができ
る。

【０１０４】請求項１１に記載の発明によれば、ウエイ
ストゲートバルブと還元触媒とを連通する連通路とは別
個にバイパス通路を設ける場合に比べ、内燃機関全体の
コストを削減することができる。

【０１０５】請求項１２に記載の発明によれば、還元剤
供給手段がバイパス通路に配置されず煤反応手段の付近
に配置されてしまう場合に比べ、還元剤供給手段が高温
にさらされてしまうのを回避することができ、還元剤の
分散度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一の実施形態の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】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における空燃比等を示す図
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等を示す図であ
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】燃料噴射量のマップを示す図である。

【図１５】第一の実施形態の機関の運転を制御するため
のフローチャートである。

【図１６】第一の実施形態の機関の運転を制御するため
のフローチャートである。

【図１７】第二の実施形態の圧縮着火式内燃機関の全体
図である。

【図１８】第三の実施形態の圧縮着火式内燃機関の全体
図である。

【図１９】第四の実施形態の圧縮着火式内燃機関の全体
図である。

【図２０】第五の実施形態の圧縮着火式内燃機関の全体
図である。

【符号の説明】

５…燃焼室６…燃料噴射弁２０…スロットル弁２４…排気管２９…ＥＧＲ通路３１…ＥＧＲ制御弁６０…還元剤供給弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｊ５７０ＰＦターム(参考） 3G062 AA01 AA03 AA06 BA02 BA04 BA05 BA06 BA08 CA06 DA01 DA02 GA01 GA04 GA06 GA17 3G091 AA02 AA10 AA11 AA18 AA28 AB02 AB05 AB13 BA14 BA15 BA19 CA13 CA16 CB02 CB07 DA01 DA02 DA08 DB10 EA00 EA01 EA03 EA05 EA07 EA31 EA34 FA12 FA13 FA14 FB10 HA09 HA16 HA36 HA37 HB03 HB05 HB06 3G301 HA02 HA04 HA06 HA11 HA13 HA15 JA24 JA25 JA26 KA06 LA03 LB11 MA01 MA11 MA18 NA06 NA07 NA08 NE15 PA01A PA01B PA01Z PA11A PA11B PA11Z PA17A PA17B PA17Z PD02A PD02B PD02Z PE01A PE01B PE01Z PE03A PE03B PE03Z PF03A PF03B PF03Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量を更に増
大していくと前記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であって、煤の発生量
がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供
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
第１の燃焼が機関の低負荷運転領域にて行われ、煤の発
生量がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内
に供給される不活性ガスの量が少ない第２の燃焼が機関
の高負荷運転領域にて行われる内燃機関において、機関
排気通路に還元剤供給手段を設け、第２の燃焼が行われ
るときに還元剤を供給し、第１の燃焼が行われるときに
還元剤の供給を中止するようにした内燃機関。
【請求項２】前記機関排気通路に還元触媒を配置し、
還元剤が供給されるときに還元剤を前記還元触媒の上流
側に添加するようにした請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】前記還元触媒の下流側に還元剤検出手段
を配置し、前記還元剤検出手段の出力値に基づき還元剤
の供給量を調節するようにした請求項２に記載の内燃機
関。
【請求項４】前記還元触媒の上流側に煤反応手段を配
置した請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】前記煤反応手段の上流側に煤加熱手段を
配置した請求項４に記載の内燃機関。
【請求項６】前記煤加熱手段が排気マニホルドに配置
された触媒である請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】前記排気マニホルドに配置された触媒に
ＮＯｘ吸着剤が担持されている請求項６に記載の内燃機
関。
【請求項８】前記還元触媒にＨＣ吸着剤が担持されて
いる請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項９】前記還元触媒の下流側に加熱手段を配置
した請求項１に記載の内燃機関。
【請求項１０】前記煤反応手段に並列にバイパス通路
を設け、前記還元触媒を暖機すべきときに、排気ガスが
前記バイパス通路を通過するようにした請求項４に記載
の内燃機関。
【請求項１１】ターボチャージャを具備し、前記バイ
パス通路が、ウエイストゲートバルブと前記還元触媒と
を連通する連通路である請求項１０に記載の内燃機関。
【請求項１２】前記還元剤供給手段を前記バイパス通
路に配置した請求項１０に記載の内燃機関。