JPH11294152A

JPH11294152A - 圧縮着火式内燃機関

Info

Publication number: JPH11294152A
Application number: JP10094932A
Authority: JP
Inventors: Eiji Iwasaki; 英二岩▲崎▼; Toshiaki Tanaka; 俊明田中; Shinya Hirota; 信也広田; Nobumoto Ohashi; 伸基大橋; Kazuhiro Ito; 和浩伊藤; Koji Yoshizaki; 康二吉▲崎▼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-04-07
Filing date: 1998-04-07
Publication date: 1999-10-26
Anticipated expiration: 2018-04-07
Also published as: JP3551757B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低温燃焼時に未燃ＨＣ，ＣＯが大気に放出さ
れるのを阻止する。【解決手段】煤の発生量がピークとなるＥＧＲガス量
よりも燃焼室５内のＥＧＲ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ＥＧ
Ｒガス量よりも燃焼室５内のＥＧＲガス量が少ない第２
の燃焼とを選択的に行う。機関排気通路内に配置された
触媒コンバータ１９内の触媒が活性化温度以下になりそ
うなときには触媒を電気的に加熱する。

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Ｎ
Ｏ_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焼お
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は発生しなくなり、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】このようにこの新たな燃焼システムでは煤
に至る前に成長が途中で停止した炭化水素等を酸化触媒
等により浄化することを基本としており、従って酸化触
媒等が活性化していないときにはこの新たな燃焼を行わ
せることはできない。

【００１０】

【課題を解決するための手段】従って１番目の発明で
は、燃焼室内の不活性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、燃焼室内の不活性ガ
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圧縮着火式内燃機関に
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、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第１
の燃焼と、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第２の燃焼とを選択
的に切換える切換手段と、触媒を加熱するための加熱手
段と、触媒の温度を代表する代表温度を検出するための
検出手段とを具備し、少なくとも第１の燃焼が行われて
いるとき又は第１の燃焼をすべきときに代表温度が予め
定められた温度よりも低くなったときには加熱手段によ
って触媒を加熱するようにしている。

【００１１】２番目の発明では１番目の発明において、
加熱手段が電気ヒータからなる。３番目の発明では１番
目の発明において、触媒が酸化触媒又は三元触媒からな
る。４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吸収剤を触媒下流の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燃焼室内における空燃比を理論空
燃比又はリッチとされる。

【００１２】５番目の発明では４番目の発明において、
ＮＯ_X吸収剤からＮＯ_Xを放出すべきか否かを判断する
判断手段を具備し、ＮＯ_X吸収剤からＮＯ_Xを放出すべ
きであると判断されたときに代表温度が予め定められた
温度よりも低くければ加熱手段によって触媒が加熱さ
れ、代表温度が予め定められた温度よりも高くなった後
に燃焼室内における空燃比が理論空燃比又はリッチとさ
れる。

【００１３】６番目の発明では１番目の発明において、
燃焼室から排出された排気ガスを機関吸気通路内に再循
環させる再循環装置を具備し、不活性ガスが再循環排気
ガスからなる。７番目の発明では６番目の発明におい
て、第１の燃焼状態における排気ガス再循環率がほぼ５
５パーセント以上である。

【００１４】

【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を介してエア
クリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には電気
モータ１５により駆動されるスロットル弁１６が配置さ
れる。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１７およ
び排気管１８を介して酸化機能を有し、かつ電気ヒータ
によって加熱される触媒を内蔵した触媒コンバータ１９
に連結される。この触媒コンバータ１９の下流にはＮＯ
_X吸収剤２０が配置される。また、触媒コンバータ１９
の下流であってＮＯ_X吸収剤２０上流の排気通路内には
排気ガス温を検出するための温度センサ２１が配置され
る。

【００１５】排気マニホルド１７とサージタンク１２と
はＥＧＲ通路２２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路
２２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２３が配置される。
また、ＥＧＲ通路２２周りにはＥＧＲ通路２２内を流れ
るＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２４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２
４内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却
される。

【００１６】一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管２５を
介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２６に連結
される。このコモンレール２６内へは電気制御式の吐出
量可変な燃料ポンプ２７から燃料が供給され、コモンレ
ール２６内に供給された燃料は各燃料供給管２５を介し
て燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２６にはコ
モンレール２６内の燃料圧を検出するための燃料圧セン
サ２８が取付けられ、燃料圧センサ２８の出力信号に基
づいてコモンレール２６内の燃料圧が目標燃料圧となる
ように燃料ポンプ２７の吐出量が制御される。

【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。温度センサ２１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、燃料圧センサ
２８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。排気マニホルド１７には空燃
比センサ２９が取付けられ、この空燃比センサ２９の出
力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３
５に入力される。また、アクセルペダル４０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。また、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３
６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁６、電気
モータ１５、触媒コンバータ１９内の電気ヒータ、ＥＧ
Ｒ制御弁２３および燃料ポンプ２７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１６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Ｅ
ＧＲ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。

【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。

【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。

【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。

【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。本発明において用
い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。

【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
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。

【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パーセント以上であり、図６に示す実施例では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Ｎ
Ｏ_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ＥＧ
Ｒ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。

【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第１の実
施例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
ガス量が少ない燃焼のことを言う。

【００４０】図７（Ａ）の実線は第１の燃焼が行われた
ときの燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇとクランク角との関
係を示しており、図７（Ａ）の破線は第２の燃焼が行わ
れたときの燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇとクランク角と
の関係を示している。また、図７（Ｂ）の実線は第１の
燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温Ｔｆ
とクランク角との関係を示しており、図７（Ｂ）の破線
は第２の燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガ
ス温Ｔｆとクランク角との関係を示している。

【００４１】第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われている
ときには第２の燃焼、即ち従来の普通の燃焼が行われて
いるときに比べてＥＧＲガス量が多く、従って図７
（Ａ）に示されるように圧縮上死点前は、即ち圧縮行程
中は実線で示す第１の燃焼時における平均ガス温Ｔｇの
ほうが破線で示す第２の燃焼時における平均ガス温Ｔｇ
よりも高くなっている。なお、このとき図７（Ｂ）に示
されるように燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは平均ガ
ス温Ｔｇとほぼ同じ温度になっている。

【００４２】次いで圧縮上死点付近において燃焼が開始
されるがこの場合、第１の燃焼が行われているときには
図７（Ｂ）の実線で示されるように燃料およびその周囲
のガス温Ｔｆはさほど高くならない。これに対して第２
の燃焼が行われている場合には図７（Ｂ）の破線で示さ
れるように燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは極めて高
くなる。このように第２の燃焼が行われた場合には燃料
およびその周囲のガス温Ｔｆは第１の燃焼が行われてい
る場合に比べてかなり高くなるが大部分を占めるそれ以
外のガスの温度は第１の燃焼が行われている場合に比べ
て第２の燃焼が行われている場合の方が低くなってお
り、従って図７（Ａ）に示されるように圧縮上死点付近
における燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇは第１の燃焼が行
われている場合の方が第２の燃焼が行われている場合に
比べて高くなる。その結果、図７（Ａ）に示されるよう
に燃焼が完了した後の、即ち膨張行程の後半における燃
焼室５内の平均ガス温Ｔｇは、言い換えると燃焼室５内
の既燃ガス温は第１の燃焼が行われた場合の方が第２の
燃焼が行われた場合に比べて高くなる。

【００４３】このように第１の燃焼、即ち低温燃焼が行
われた場合には第２の燃焼が行われた場合に比べて燃焼
時における燃料およびその周囲のガス温Ｔｆはかなり低
くなるが燃焼室５内の既燃ガスは第２の燃焼が行われた
場合に比べて逆に高くなり、従って燃焼室５から排出さ
れる排気ガスの温度も第２の燃焼が行われている場合に
比べて高くなる。

【００４４】図８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の燃焼領域IIとを示してい
る。なお、図８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８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。

【００４６】なお、本発明による実施例では第２の境界
Ｙ（Ｎ）は第１の境界Ｘ（Ｎ）に対してΔＬ（Ｎ）だけ
低負荷側とされる。図８および図９に示されるようにΔ
Ｌ（Ｎ）は機関回転数Ｎの関数であり、ΔＬ（Ｎ）は機
関回転数Ｎが高くなるほど小さくなる。図１０は空燃比
センサ２９の出力を示している。図１０に示されるよう
に空燃比センサ２９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２９の出力電流Ｉから
空燃比を知ることができる。

【００４７】次に図１１を参照しつつ第１の実施例にお
ける第１の運転領域Ｉおよび第２の運転領域IIでの運転
制御について概略的に説明する。図１１は要求負荷Ｌに
対するスロットル弁１６の開度、ＥＧＲ制御弁２３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１１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１６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２３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１１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。

【００４８】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１６の
開度およびＥＧＲ制御弁２３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２９の出力信号に基
づいてＥＧＲ制御弁２３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も噴射開始時期θＳが遅
くなるにつれて遅くなる。

【００４９】なお、アイドリング運転時にはスロットル
弁１６は全閉近くまで閉弁され、このときＥＧＲ制御弁
２３も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁１
６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１６が全閉近くまで閉弁せしめられる。

【００５０】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１６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１１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。

【００５１】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１１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１６は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ制
御弁２３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。

【００５２】図１２は第１の燃焼、即ち低温燃焼が行わ
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＝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１５．
５，１６，１７，１８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１６の目標開度Ｓ
Ｔ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ＲＯＭ３２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２３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ＲＯＭ３２内に記憶されてい
る。

【００５３】一方、図１４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１４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１６の目標開度ＳＴが図１５（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ＲＯＭ３２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２３の目標開
度ＳＥが図１５（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ＲＯＭ３
２内に記憶されている。

【００５４】図１６に触媒コンバータ１９の断面図を示
す。図１６に示されるように触媒コンバータ１９は筒状
の外側ケーシング５０と、中心電極５１とを具備し、中
心電極５１の周りには金属製平板状薄板５２と金属製波
形状薄板５３とが交互に重なるように巻設されている。
これら平板状薄板５２および波形状薄板５３上には酸化
機能を有する触媒、例えば酸化触媒又は三元触媒が担持
されている。

【００５５】これら酸化触媒又は三元触媒を加熱すべき
ときには中心電極５１と外側ケーシング５０間に電圧が
印加される。中心電極５１と外側ケーシング５０間に電
圧が印加されると平板状薄板５２と波形状薄板５３の接
触部を通って電流が流れ、このとき平板状薄板５２と波
形状薄板５３の各接触部が発熱する。その結果、平板状
薄板５２および波形状薄板５３が温度上昇し、斯くして
酸化触媒又は三元触媒が加熱せしめられる。従って平板
状薄板５２と波形状薄板５３は電気ヒータを構成してい
ることがわかる。

【００５６】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
とき触媒コンバータ１９内の酸化触媒又は三元触媒が活
性化していれば燃焼室５から排出された未燃炭化水素は
これら触媒により良好に酸化せしめられる。しかしなが
らこのとき触媒が活性化していない場合には未燃炭化水
素は触媒により酸化せしめられず、斯くして多量の未燃
炭化水素が大気に放出されることになる。従って本発明
による第１の実施例では機関始動時におけるように触媒
が活性化していないときには電気ヒータに電力を供給し
て触媒を早期に活性化させるようにし、触媒が活性化し
た後に触媒が非活性状態になりそうになったときには電
気ヒータに電力を供給して触媒を活性化状態に維持する
ようにしている。

【００５７】なお、触媒は触媒の温度が或る一定温度を
越えると活性化する。触媒が活性化する温度は触媒の種
類により異なり、代表的な酸化触媒の活性化温度は３５
０℃程度である。触媒を通過した排気ガスの温度は触媒
の温度よりもわずかな一定温度だけ低くなり、従って触
媒を通過した排気ガス温は触媒の温度を代表している。
従って本発明による実施例では触媒を通過した排気ガス
の温度から触媒が活性化したか否かを判断するようにし
ている。

【００５８】図１７は電気ヒータに電力を供給していな
いときの種々の温度と要求負荷Ｌとの関係を概略的に示
している。なお、図１７においてＴｏは触媒が活性化す
る温度を示している。図１７におけるＴａは第１の運転
領域Ｉにおいて第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われたと
きの触媒への流入排気ガス温を示しており、Ｔｂはこの
ときの触媒の触媒床温度を示している。また、Ｔｃは第
１の運転領域Ｉおよび第２の運転領域IIにおいて第２の
燃焼が行われたときの触媒の触媒床温度を示している。

【００５９】低温燃焼が行われているときであっても要
求負荷Ｌが高くなるほど燃焼時の発熱量が大きくなるの
で要求負荷Ｌが高くなるほど触媒への流入排気ガス温Ｔ
ａが高くなる。一方、低温燃焼時には機関から多量の未
燃ＨＣ，ＣＯが排出されるので触媒におけるこれら未燃
ＨＣ，ＣＯの酸化反応熱によって触媒の触媒床温Ｔｂは
触媒への流入排気ガス温Ｔａに比べてかなり高くなる。
図１７に示されるように要求負荷Ｌが低いときには触媒
への流入排気ガス温Ｔａは触媒の活性化温度Ｔｏよりも
低くなるが流入排気ガス温Ｔａが活性化温度Ｔｏに比べ
てさほど低くないときには触媒において未燃ＨＣ，ＣＯ
の酸化作用が行われ、従ってこのとき触媒床温度Ｔｂは
活性化温度Ｔｏよりも高くなる。即ち、低温燃焼が行わ
れているときには通常触媒床温度Ｔｂは活性化温度Ｔｏ
よりも高くなり、斯くして未燃ＨＣ，ＣＯが触媒におい
て良好に酸化されることになる。

【００６０】一方、第２の燃焼が行われているときであ
っても要求負荷Ｌが高くなるほど燃焼時の発熱量が大き
くなるので要求負荷Ｌが高くなるほど触媒床温度Ｔｃは
高くなる。この場合、要求負荷Ｌが高い場合には触媒床
温度Ｔｃは活性化温度Ｔｏよりも高くなるが要求負荷Ｌ
が低くなると触媒床温度Ｔｃは活性化温度Ｔｏよりも低
くなる。第１の実施例においては触媒が非活性化しそう
になったら、即ち触媒を通過した排気ガス温が下限値Ｍ
ＩＮ（図１７）よりも低くなったら触媒コンバータ１９
内の電気ヒータに電力が供給される。図１７からわかる
ように触媒床温度が低くなるのは主に第２の燃焼が行わ
れているときであり、従って主に第２の燃焼が行われて
いるときに触媒コンバータ１９内の電気ヒータがオンと
される。

【００６１】一方、触媒コンバータ１９の下流に配置さ
れたＮＯ_X吸収剤２０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。機関吸気通路およびＮＯ_X吸収剤２０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２０への流入排気ガスの空燃比と称すると
このＮＯ_X吸収剤２０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。なお、ＮＯ_X吸収剤２０上
流の排気通路内に燃料（炭化水素）或いは空気が供給さ
れない場合には流入排気ガスの空燃比は燃焼室５内にお
ける空燃比に一致し、従ってこの場合にはＮＯ_X吸収剤
２０は燃焼室５内における空燃比がリーンのときにはＮ
Ｏ_Xを吸収し、燃焼室５内における空燃比が理論空燃比
又はリッチになると吸収したＮＯ_Xを放出することにな
る。

【００６２】このＮＯ_X吸収剤２０を機関排気通路内に
配置すればＮＯ_X吸収剤２０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１８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。

【００６３】図１に示される圧縮着火式内燃機関では通
常燃焼室５内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１８（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、ＮＯ ₂となる（２ＮＯ＋Ｏ₂→２Ｎ
Ｏ₂）。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１８（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２０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
₂が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成さ
れる。

【００６４】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ＮＯ
₂の形で吸収剤から放出される。このときＮＯ_X吸収剤
２０から放出されたＮＯ_Xは図１８（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ＮＯ _X吸収剤２０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。

【００６５】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２０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２０からＮＯ_Xが徐々に
しか放出されないためにＮＯ _X吸収剤２０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。

【００６６】ところで、ＮＯ_X吸収剤２０のＮＯ_X吸収
能力には限度があり、ＮＯ_X吸収剤２０のＮＯ_X吸収能
力が飽和する前にＮＯ_X吸収剤２０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２０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１９（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１９（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２０に吸収されてい
るＮＯ_X量ΣＮＯＸを推定するようにしている。

【００６７】一方、本発明による実施例ではＮＯ_X吸収
剤２０からＮＯ_Xを放出すべきときには空燃比がリッチ
にされる。この場合、第２の燃焼が行われているときに
空燃比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をリッチにすること
ができない。これに対して第１の燃焼、即ち低温燃焼が
行われているときには空燃比をリッチにしても煤はほと
んど発生しない。従って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にＮＯ_X吸収量ΣＮＯＸが予め
定められた最大値ＭＡＸ、例えば最大吸収量の３０パー
セントを越えたら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が最大値ＭＡ
Ｘを越えたときには第１の燃焼が開始されるのを待ち、
第１の燃焼が行われているときに空燃比をリッチにする
ようにしている。

【００６８】次に図２０を参照しつつ第１実施例におけ
る運転制御について説明する。なお、図２０においてＬ
は要求負荷を示しており、ＴＥは触媒コンバータ１９か
ら流出した排気ガス温を示しており、ΣＮＯＸはＮＯ_X
吸収量を示しており、Ａ／Ｆは空燃比を示している。図
２０に示されるように要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）
よりも高くなって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に移り、その結果第１の燃焼から第
２の燃焼に切換えられると空燃比Ａ／Ｆがステップ状に
大きくなる。また、第２の燃焼が開始されると第１の燃
焼時に比べてＮＯ_Xの発生量が多くなるためにΣＮＯＸ
は急速に増大する。

【００６９】次いで第２の燃焼が行われているときに要
求負荷Ｌが低くなると排気ガス温ＴＥが低下する。この
とき排気ガス温ＴＥが下限値ＭＩＮよりも低くなったと
すると触媒コンバータ１９内の電気ヒータが予め定めら
れた時間オンとされ、その結果触媒コンバータ１９内の
触媒床温度が高められる。斯くして触媒床温度は活性化
温度以上に保持される。

【００７０】次いで第２の燃焼が行われているときにＮ
Ｏ_X吸収量ΣＮＯＸが最大値ＭＡＸを越えたとする。し
かしながらこのときには空燃比はリッチとされない。次
いで要求負荷Ｌが第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなって
機関の運転状態が第２の運転領域IIから第１の運転領域
Ｉに移り、その結果第２の燃焼から第１の燃焼に切換え
られると空燃比Ａ／Ｆが予め定められた時間リッチとさ
れる。それによってＮＯ_X吸収剤２０からＮＯ_Xが放出
される。

【００７１】なお、燃焼室５内における空燃比をリッチ
にしたときに燃焼に寄与しない多量の酸素が燃焼室５内
に残存していたとするとこのとき燃焼室５内の平均空燃
比はリッチとなるが排気ガス中に多量の酸素が含まれる
ことになる。ところがこのように排気ガス中に多量の酸
素が含まれているとＮＯ_X吸収剤２０からＮＯ_Xが放出
されずらくなる。しかしながら本発明による実施例では
空燃比がリッチにされるときには触媒コンバータ１９内
の触媒が活性化せしめられているので排気ガス中に含ま
れる酸素はこの触媒において未燃ＨＣ，ＣＯを酸化する
ために消費される。その結果、ＮＯ_X吸収剤２０に流入
する排気ガス中に含まれる酸素量が少なくなるためにＮ
Ｏ_X吸収剤２０からＮＯ_Xが良好に放出されることにな
る。

【００７２】図２１はＮＯ_X吸収剤２０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２１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１９（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１０２ではＮＯ_X吸収量ΣＮＯＸにＡが加算され
る。次いでステップ１０３ではＮＯ_X吸収量ΣＮＯＸが
最大値ＭＡＸを越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞
ＭＡＸになるとステップ１０４に進んでＮＯ_X放出フラ
グがセットされる。

【００７３】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１９（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１０６で
はＮＯ_X吸収量ΣＮＯＸにＢが加算される。次いでステ
ップ１０７ではＮＯ_X吸収量ΣＮＯＸが最大値ＭＡＸを
越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸになると
ステップ１０８に進んでＮＯ_X放出フラグがセットされ
る。

【００７４】図２２は電気ヒータの制御ルーチンを示し
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２２を参照するとまず初めにステップ２０
０において温度センサ２１により検出された排気ガス温
ＴＥが最小値ＭＩＮよりも低いか否かが判別される。Ｔ
Ｅ≦ＭＩＮのときにはステップ２０１に進んで電気ヒー
タを割込み時間間隔よりも長い予め定められた時間通電
する通電処理が行われる。次いでステップ２０２では第
１の燃焼を禁止する処理、即ち第１の運転領域Ｉであっ
たとしても第２の燃焼を行う処理が行われる。

【００７５】従ってＴＥ≦ＭＩＮである間、電気ヒータ
へ電力が供給され続け、次いでＴＥ＞ＭＩＮになるとそ
の後予め定められた時間、電気ヒータへ電力が供給され
続けることがわかる。また、機関始動時には電気ヒータ
へ電力が供給され、ＴＥ＞ＭＩＮとなるまで第２の燃焼
が行われることがわかる。次に図２３を参照しつつ運転
制御について説明する。

【００７６】図２３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３
０１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３０３に進んで低温燃焼が行われる。

【００７７】即ち、ステップ３０３では図１３（Ａ）に
示すマップからスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出
され、スロットル弁１６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１３（Ｂ）に示すマ
ップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出され、
ＥＧＲ制御弁２３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。このときリーン空燃
比のもとで低温燃焼が行われる。

【００７８】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がリセットされる。次いでステップ３１
３に進んで第２の燃焼が行われる。即ち、ステップ３１
３では図１５（Ａ）に示すマップからスロットル弁１６
の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１６の開度が
この目標開度ＳＴとされる。次いでステップ３１４では
図１５（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の目標
開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目
標開度ＳＥとされる。次いでステップ３１５では図１４
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。このときリーン空燃比のもとで第２の燃焼が行われ
る。

【００７９】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３００からステップ３１１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３１３
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３１１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３１２に進んでフラグＩが
セットされる。次いでステップ３０３に進んで低温燃焼
が行われる。

【００８０】一方、ステップ３０５においてＮＯ_X放出
フラグがセットされたと判断されるとステップ３０７に
進み、リッチ空燃比となるように燃料噴射が行われる。
このときリッチ空燃比のもとで低温燃焼が行われる。次
いでステップ３０８では空燃比がリッチとされてから一
定時間が経過したか否かが判別される。空燃比がリッチ
にされてから一定時間を経過するとステップ３０９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
３１０においてΣＮＯＸが零とされる。従ってＮＯ_X放
出フラグがセットされると低温燃焼が行われているとき
に空燃比が一定時間リッチにされることがわかる。

【００８１】図２４は運転制御の第２の実施例を示して
いる。この実施例では通常第２の運転領域IIはもとより
第１の運転領域Ｉにおいても第２の燃焼が行われてお
り、ＮＯ_X吸収剤２０からＮＯ_Xを放出すべきときには
機関の運転状態が第１の運転領域であるときに第２の燃
焼から第１の燃焼に切換えられて空燃比がリッチとされ
る。ただし、このとき触媒コンバータ１９内の触媒床温
度が低いと排気ガス中の未燃炭化水素が浄化されず、ま
たＮＯ_X吸収剤２０には多量の酸素を含んだ排気ガスが
供給されることになる。従ってこのときには触媒コンバ
ータ１９内の触媒を電気ヒータにより加熱して触媒を活
性化させ、触媒が活性化した後に第２の燃焼から第１に
燃焼に切換えて空燃比をリッチにするようにしている。

【００８２】即ち、図２４に示されるように要求負荷Ｌ
が低くなり、排気ガス温ＴＥが下限値ＭＩＮよりも低く
なったときにＮＯ_X吸収量ΣＮＯＸが最大値ＭＡＸを越
えたとする。この場合、ＮＯ_X吸収量ΣＮＯＸが最大値
ＭＡＸを越えると電気ヒータに電力が供給される。その
後、排気ガス温ＴＥが上限値（ＭＩＮ＋α）まで上昇す
ると電気ヒータへの電力の供給が停止され、次いで排気
ガス温ＴＥが下限値ＭＩＮよりも低くなると再び電気ヒ
ータに電力が供給される。従って排気ガス温ＴＥは下限
値ＭＩＮと上限値（ＭＩＮ＋α）との間に維持されるこ
とになる。

【００８３】図２４に示されるように排気ガス温ＴＥが
下限値ＭＩＮ＜ＴＥでかつ機関の運転状態が第１の運転
領域Ｉにあると第２の燃焼から第１の燃焼に一時的に切
換えられ、この間空燃比がリッチとされる。図２５は第
２の実施例におけるＮＯ_X放出フラグの処理ルーチンを
示している。

【００８４】図２５を参照するとまず初めにステップ４
００において図１９（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４０
１ではＮＯ_X吸収量ΣＮＯＸにＢが加算される。次いで
ステップ４０２ではＮＯ_X吸収量ΣＮＯＸが最大値ＭＡ
Ｘを越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸにな
るとステップ４０３に進んでＮＯ_X放出フラグがセット
される。

【００８５】次に図２６および図２７を参照しつつ第２
の実施例における運転制御について説明する。図２６お
よび図２７を参照すると、まず初めにステップ５００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５０１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≦Ｘ１（Ｎ）のときにはステ
ップ５０５にジャンプする。これに対しステップ５０１
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５０２に進んでフラグＩがリセットされ、次いで
ステップ５０５に進む。

【００８６】一方、ステップ５００においてフラグＩが
リセットされていると判別されたときにはステップ５０
３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５０５に進む。これに対しステップ５０３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
５０４に進んでフラグＩがセットされ、次いでステップ
５０５に進む。

【００８７】ステップ５０５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。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５１８に進んで
第２の燃焼が行われる。即ち、ステップ５１８では図１
５（Ａ）に示すマップからスロットル弁１６の目標開度
ＳＴが算出され、スロットル弁１６の開度がこの目標開
度ＳＴとされる。次いでステップ５１９では図１５
（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度Ｓ
Ｅが算出され、ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目標開度
ＳＥとされる。次いでステップ５２０では図１４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。即
ち、ＮＯ_X放出フラグがセットされていないときには要
求負荷Ｌにかかわらずに常時第２の燃焼が行われる。

【００８８】一方、ステップ５０５においてＮＯ_X放出
フラグがセットされていると判別されたときにはステッ
プ５０６に進んで温度センサ２１により検出された排気
ガス温ＴＥが下限値ＭＩＮよりも高いか否かが判別され
る。ＴＥ≦ＭＩＮのときにはステップ５０７に進んで触
媒コンバータ１９の電気ヒータがオンとされる。次いで
ステップ５１８に進んで第２の燃焼が行われる。

【００８９】一方、ステップ５０６においてＴＥ＞ＭＩ
Ｎであると判断されるとステップ５０８に進んで排気ガ
ス温ＴＥが上限値（ＭＩＮ＋α）よりも高くなったか否
かが判別される。ＴＥ＞ＭＩＮ＋αのときにはステップ
５０９に進んで触媒コンバータ１９内の電気ヒータがオ
フとされる。即ち、ＮＯ_X放出フラグがセットされると
排気ガス温ＴＥはＭＩＮ＜ＴＥ＜ＭＩＮ＋αに制御され
る。

【００９０】ステップ５１０ではフラグ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
ないとき、即ち機関の運転状態が図８に示す第２の運転
領域IIにあるときにはステップ５１８に進んで第２の燃
焼が行われる。これに対してフラグＩがセットされてい
るとき、即ち機関の運転状態が図８に示す第１の運転領
域Ｉにあるときにはステップ５１１に進んでリッチ空燃
比のもとで一定時間第１の燃焼が行われる。

【００９１】即ち、ステップ５１１では図１３（Ａ）に
示すマップからスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出
され、スロットル弁１６の開度がこの目標開度ＳＴとさ
れる。次いでステップ５１２では図１３（Ｂ）に示すマ
ップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出され、
ＥＧＲ制御弁２３の開度がこの目標開度ＳＥとされる。
次いでステップ５１３ではリッチ空燃比となるように燃
料噴射が行われる。次いでステップ５１４では空燃比が
リッチとされてから一定時間が経過したか否かが判別さ
れる。空燃比がリッチにされてから一定時間を経過する
とステップ５１５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５１６においてΣＮＯＸが零とさ
れる。次いでステップ５１７では触媒コンバータ１９内
の電気ヒータがオフとされる。従ってこのときリッチ空
燃比のもとで一定時間低温燃焼が行われることになる。

【００９２】

【発明の効果】低温燃焼を行ったときに発生する未燃炭
化水素を良好に浄化することができる。

【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】燃焼室内における平均ガス温Ｔｇと、燃料およ
びその周囲のガス温Ｔｆの変化を示す図である。

【図８】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９】ΔＬ（Ｎ）と機関回転数Ｎとの関係を示す図で
ある。

【図１０】空燃比センサの出力を示す図である。

【図１１】スロットル弁の開度等を示す図である。

【図１２】第１の燃焼における目標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】第２の燃焼における目標空燃比を示す図であ
る。

【図１５】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図
である。

【図１６】触媒コンバータの断面図である。

【図１７】触媒への流入排気ガス温Ｔａおよび触媒床温
度Ｔｂ，Ｔｃを示す図である。

【図１８】ＮＯ_Xの吸放出作用を説明するための図であ
る。

【図１９】単位時間当りのＮＯ_X吸収量のマップを示す
図である。

【図２０】運転制御の第１の実施例を示すタイムチャー
トである。

【図２１】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２２】電気ヒータを制御するためのフローチャート
である。

【図２３】第１の実施例における運転制御のフローチャ
ートである。

【図２４】運転制御の第２の実施例を示すタイムチャー
トである。

【図２５】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２６】第２の実施例における運転制御のフローチャ
ートである。

【図２７】第１の実施例における運転制御のフローチャ
ートである。

【符号の説明】

６…燃料噴射弁１６…スロットル弁１９…触媒コンバータ２０…ＮＯ_X吸収剤

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ０１Ｎ 3/10 ＺＡＢＦ０１Ｎ 3/20 ＺＡＢＫ 3/20 ＺＡＢ 3/28 ＺＡＢ 3/28 ＺＡＢ３０１Ｅ３０１Ｆ０２Ｄ 21/08 ＺＡＢＦ０２Ｄ 21/08 ＺＡＢ３０１Ｂ３０１ 41/04 ３５５ 41/04 ３５５Ｆ０２Ｍ 25/07 ＺＡＢＦ０２Ｍ 25/07 ＺＡＢ５７０Ｄ５７０５７０ＪＢ０１Ｄ 53/36 １０３Ｂ１０４Ａ (72)発明者大橋伸基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)発明者伊藤和浩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)発明者吉▲崎▼ 康二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

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室内の不活性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
の不活性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圧縮着火式
内燃機関において、機関排気通路内に酸化機能を有する
触媒を配置し、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
しない第１の燃焼と、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第２の燃
焼とを選択的に切換える切換手段と、該触媒を加熱する
ための加熱手段と、該触媒の温度を代表する代表温度を
検出するための検出手段とを具備し、少なくとも第１の
燃焼が行われているとき又は第１の燃焼をすべきときに
該代表温度が予め定められた温度よりも低くなったとき
には該加熱手段によって該触媒を加熱するようにした圧
縮着火式内燃機関。
【請求項２】上記加熱手段が電気ヒータからなる請求
項１に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項３】該触媒が酸化触媒又は三元触媒からなる
請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項４】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吸収剤を該触媒下流の機
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燃焼室
内における空燃比を理論空燃比又はリッチとする請求項
１に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項５】ＮＯ_X吸収剤からＮＯ_Xを放出すべきか
否かを判断する判断手段を具備し、ＮＯ_X吸収剤からＮ
Ｏ_Xを放出すべきであると判断されたときに上記代表温
度が予め定められた温度よりも低くければ上記加熱手段
によって上記触媒が加熱され、上記代表温度が予め定め
られた温度よりも高くなった後に燃焼室内における空燃
比が理論空燃比又はリッチとされる請求項４に記載の圧
縮着火式内燃機関。
【請求項６】燃焼室から排出された排気ガスを機関吸
気通路内に再循環させる再循環装置を具備し、上記不活
性ガスが再循環排気ガスからなる請求項１に記載の圧縮
着火式内燃機関。
【請求項７】上記第１の燃焼状態における排気ガス再
循環率がほぼ５５パーセント以上である請求項６に記載
の圧縮着火式内燃機関。